JP6795811B2 - 剥離基板製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、剥離基板製造方法に関し、より具体的には、シリコンカーバイド、サファイア、窒化ガリウムなどへのレーザ加工による剥離基板製造方法に関する。
従来、シリコン（Ｓｉ）ウエハに代表される半導体ウエハを製造する場合には、石英るつぼ内に溶融されたシリコン融液から凝固した円柱形のインゴットを適切な長さのブロックに切断して、その周縁部を目標の直径になるよう研削し、その後、ブロック化されたインゴットをワイヤソーによりウエハ形にスライスして半導体ウエハを製造するようにしている。なお、この明細書中においては、別記する場合を除いてウエハのことを適宜に基板と称する。
このようにして製造された半導体ウエハは、前工程で回路パターンの形成等、各種の処理が順次施されて後工程に供され、この後工程で裏面がバックグラインド処理されて薄片化が図られる。
また近年、硬度が大きく、熱伝導率も高いシリコンカーバイド（ＳｉＣ）が注目されているが、結晶シリコンよりも硬度が大きい関係上、インゴットをワイヤソーにより容易にスライスすることができず、また、バックグラインドによる基板の薄層化も容易ではない。さらにサファイア基板や窒化ガリウム基板も難加工材として、加工技術が求められている。
一方、高開口数の集光レンズにガラス板からなる収差増強材を組み合わせ、パルス状レーザをウエハの内部に照射して加工層を形成した後、これを剛性基板に貼りあわせ、加工層で剥離することで薄い剥離基板を得る技術が開示されている（下記特許文献１を参照）。
特開２０１４−１９１２０号公報
しかしながら、剥離基板を作成するために、ＳｉＣ、サファイア、窒化ガリウムのウエハなどの結晶材料をレーザにより加工し、内部に加工層を形成しようとすると、加工により結晶方位に沿ってクラックが発生しやすく、安定した加工層の形成が困難であった。
本発明は、上述の実情に鑑みて提供されるものであって、結晶材料でのクラックの発生を抑制し、安定して加工層を形成して剥離することができる剥離基板製造方法を提供することを課題とする。
上述の課題を解決するために、本発明に係る剥離基板製造方法は、結晶基板の内部に加工層を形成して剥離する剥離基板製造方法であって、パルス照射のレーザ光源からのレーザ光をレーザ集光手段によって前記基板の表面に向けて照射し、前記基板の表面から所定の深さにレーザ光を集光するレーザ集光ステップ、および、前記レーザ集光手段を前記基板に対して相対的に移動させて位置決めをする位置決めステップ、を有して前記基板に加工層を形成する基板加工ステップと、前記基板加工ステップにより前記加工層が形成された前記基板を前記加工層にて剥離して剥離基板を作成する基板剥離ステップと、を含み、前記レーザ集光ステップは、前記レーザ光源からのレーザ光を複数の分岐レーザ光に分岐させる回折光学素子を用い、前記複数の分岐レーザ光の少なくとも１本を他の分岐レーザ光に比べて強度が異なるように分岐させるレーザ光調整ステップを含み、前記複数の分岐レーザ光のうち、相対的に強度が高い分岐レーザ光により前記加工層を伸長させて前記基板を加工するとともに、相対的に強度が低い分岐レーザ光により前記加工層の伸長を抑制することを特徴とする。
前記レーザ光調整ステップでは、前記複数の分岐レーザ光を前記基板の内部において一列または複数列もしくはパターン状に配置させてもよい。
前記レーザ光調整ステップでは、前記複数の分岐レーザ光のうち端部側に配置される少なくとも一本の分岐レーザ光の強度を他の分岐レーザ光に比べて低くしてもよい。
前記レーザ光調整ステップでは、前記相対的に強度が高い分岐レーザ光の強度を、前記相対的に強度が低い分岐レーザ光の強度に対して１．１〜５．０の範囲の倍率で異ならせることが好ましい。
前記位置決めステップは、前記基板の表面において、前記一列または複数列もしくはパターン状の方向に対して所定角度をなす走査方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させてもよい。
前記位置決めステップは、前記基板の表面において、前記走査方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させる動作を、前記走査方向とは直交する方向に前記レーザ集光手段を所定距離にわたってシフトさせる動作を挟んで繰り返してもよい。
エッチング液として溶融アルカリを用い、酸素を含むガス雰囲気で、前記剥離基板における前記溶融アルカリの界面位置を前記剥離基板上で移動させながらエッチングするエッチングステップを含んでもよい。
前記溶融アルカリとして溶融水酸化ナトリウムを用いてもよい。
溶融アルカリを流動させながらエッチングしてもよい。
前記基板としてＳｉＣ基板を用いることで、 前記剥離基板がＳｉＣからなるようにしてもよい。
本発明によれば、結晶材料でのクラックの発生を抑制し、安定して加工層を形成して剥離することができる剥離基板製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態で、（ａ）は基板加工装置の斜視図、（ｂ）はステージ上に載置されてレーザ光で加工された基板を示す平面図である。 本発明の一実施形態で、（ａ）はステージ上に載置された基板をレーザ光で加工していくことを説明する模式的な側面断面図、（ｂ）は基板における加工層の形成を説明する側面断面図である。 本発明の一実施形態で、（ａ）は基板に照射した３本の分岐レーザ光を説明する模式的な平面図、（ｂ）は基板に照射した３本の分岐レーザ光がそれぞれ焦点を結ぶことを説明する模式的な側面断面図である。 隣接する加工痕の間隔の調整を説明する模式的な平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の一実施形態で、基板を順次エッチングしていくことを説明する模式的な正面図である。 図５（ｂ）の部分拡大側面図である。 本発明の一実施形態の変形例で、複数の分岐レーザ光の強度の分布の例を示すグラフ図である。 本発明の一実施形態の変形例で、複数列またはパターン状に配置された複数の分岐レーザ光の一例を説明する模式的な平面図である。 実施例１で、（ａ）はレーザ光により基板内部に形成された加工痕を示す顕微鏡による写真図、（ｂ）は（ａ）に部分拡大図である。 実施例２を説明する写真図である。 実施例２の剥離面における表面粗さの測定結果を示す写真図である。 実施例３を説明する写真図である。 実施例３の剥離面における表面粗さの測定結果を示す写真図である。 実施例４を説明する写真である。 実施例４の剥離面における表面粗さの測定結果を示す写真図である。 実施例５を説明する写真である。 実施例５の剥離面における表面粗さの測定結果を示す写真図である。 実施例６を説明する写真である。 実施例６の剥離面における表面粗さの測定結果を示す写真図である。 実験例１で、エッチング後の基板面の粗さを示すグラフ図である。 実験例１で、エッチング後の基板面の非浸漬部における界面付近を示す写真図である。 実験例１で、エッチング後の基板面の浸漬部を示す写真図である。 実験例１で、エッチング後の非浸漬部をＡＦＭで撮像して得られた斜視図である。 実験例２で、エッチング温度とエッチングレートとの関係を示すグラフ図である。 実験例２で、（ａ）は浸漬部におけるエッチング時間と粗さとの関係を示すグラフ図、（ｂ）は非浸漬部の界面付近におけるエッチング時間と粗さとの関係を示すグラフ図である。 実験例２で、（ａ）は窒素流量とエッチングレートとの関係を示すグラフ図、（ｂ）は窒素流量と粗さとの関係を示すグラフ図である。 実験例２で、（ａ）は空気流量とエッチングレートとの関係を示すグラフ図、（ｂ）は空気流量と粗さとの関係を示すグラフ図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、すでに説明したものと同一または類似の構成要素には同一または類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
図１で、本発明の一実施形態で、（ａ）は基板加工装置１００の構成を示す斜視図、（ｂ）はステージ上に載置されてレーザ光で加工された基板を示す平面図である。本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）で用いる基板加工装置１００は、ステージ１１０と、ステージ１１０がＸＹ方向に移動可能なように支持するステージ支持部１２０と、ステージ１１０上に配置され、基板１０を固定する基板固定具１３０とを有している。この基板１０には、インゴットを切断した結晶材料であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）ウエハを使用することができる。
また、基板加工装置１００は、レーザ光源１５０と、レーザ光源１５０から発したレーザ光Ｂを集光して基板１０に向けて照射するレーザ集光部１６０を有している。レーザ集光部１６０は、回折光学素子（ＤＯＥ）１７０及び対物レンズ１８０を有している。
回折光学素子１７０は、入射されたレーザ光Ｂを所定の本数の分岐レーザ光に分岐させる。分岐レーザ光は、対物レンズ１８０で集光され、レーザ集光部１６０の焦点位置において一列に並ぶように配置される。なお、図中で回折光学素子１７０は３本の分岐レーザ光を生成しているが、これに限定されない。分岐レーザ光は、２本以上の複数の分岐レーザ光であればよい。
回折光学素子１７０は、複数の分岐レーザ光の強度が異なるように調整する。ここで、複数の分岐レーザ光の強度が異なるように調整するとは、複数の分岐レーザ光の少なくとも１本を他の分岐レーザ光に比べて強度が異なるように分岐させることを意味する。従って、３本の分岐レーザ光に分岐する場合、２本の分岐レーザ光の強度が同じで、残り１本の分岐レーザ光の強度がこの２本の分岐レーザ光に比べて異なっている場合にはこれに該当する。また、隣接する分岐レーザ光の強度が互いに異なる場合もこれに該当する。
本実施形態では、複数の分岐レーザ光ののうち、相対的に強度が高い分岐レーザ光の強度を、相対的に強度が低い分岐レーザ光の強度に対して１．１〜５．０の範囲の倍率で異ならせるようにすることができる。この倍率は、１．２〜３．０の範囲にあることが好ましく、１．５〜２．５の範囲にあることがより好ましく、１．８〜２．２の範囲にあることがさらに好ましい。
本実施形態では、回折光学素子１７０によって分岐された複数の分岐レーザ光の強度が異なるように調整することにより、基板１０の内部に加工痕を形成するときに発生するクラックを制御するようにしている。すなわち、複数の分岐レーザ光のうちの相対的に強度が高い分岐レーザ光によって、レーザの照射方向に対して直角にクラックが伸長（進展）する剥離可能な加工状態を形成している。そして、相対的に強度が低い分岐レーザ光によってクラックが伸長しない加工層を形成し、強度が高い分岐レーザ光によって形成されたクラックが結晶方位に沿って意図に反して伸長（進展）することを防止するストッパー的な役割をさせている。
図２で、（ａ）はステージ上に載置された基板をレーザ光で加工していくことを説明する模式的な側面断面図、（ｂ）は基板における加工層の形成を説明する側面断面図である。
基板１０は、ステージ１１０上において基板固定具１３０によって保持されている。基板固定具１３０は、その上に設けられた固定テーブル１２５によって基板１０を固定している。固定テーブル１２５には、通常の粘着層、機械的なチャック、静電チャックなどが適用可能である。
基板１０に集光して照射されるレーザ光Ｂは基板１０の表面から所定の深さに集光点Ｆを形成し（レーザ集光ステップ）、基板表面から所定の深さ位置に所定形状の加工痕１２を形成する。なお、本実施形態では、加工痕１２は、ステージ１１０の移動、すなわち基板１０の移動に伴って列状に連なったものである。この加工痕１２は、ステージ１１０に保持された基板１０に対してレーザ集光部１６０が相対的に移動して位置決めされる（位置決めステップ）ことにより、基板１０の内部に所定のパターンで形成される。
例えば、所定の走査方向に所定速度で集光点Ｆを移動する動作を、走査方向とは所定角度θ（図４参照）をなす方向（例えば９０°（走査方向に直交する方向）や、４５°）に集光点Ｆを所定距離ｄ（図１（ｂ）参照）にわたりシフトさせる動作を挟んで繰り返すことにより、直線状の加工痕１２を２次元状に配置した加工層１４を形成することができる（基板加工ステップ）。
基板加工装置１００において、レーザ光Ｂは、レーザ集光部１６０の回折光学素子１７０及び対物レンズ１８０を介して基板１０に向けて照射され、分岐ビームは基板１０内部の集光点Ｆにそれぞれ集光され、集光点Ｆに加工痕１２が形成される。
レーザ集光部１６０は、基板１０の所定の深さの範囲ｔにおいて分岐レーザ光の径を実質的に絞るように集光し、加工痕１２が連結された加工層１４の形成に必要なエネルギー密度を確保するようにしている。図中においては、基板１０の表面側から入射した分岐レーザ光により、集光点Ｆを含む所定の深さの範囲ｔに形成された加工層１４が示されている。
加工層１４は、各分岐レーザ光によって形成された加工痕１２が連結してなるものである。このように形成された加工層１４は、隣接する分岐レーザ光が所定間隔であるため、所定の周期的構造を有している。
図３で、（ａ）は基板１０の模式的な平面図、（ｂ）は基板に照射した３本の分岐レーザ光がそれぞれ焦点を結ぶことを説明する模式的な側面断面図である。基板１０の表面に向けて照射された３本の分岐レーザ光Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃは、基板１０の表面において一列に配置された３つのビームスポットＲａ、Ｒｂ、Ｒｃを形成して基板１０に入射し、基板１０の内部において３つの集光点Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃを形成する。これらの集光点Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃによりそれぞれ加工痕１２ａ、１２ｂ、１２ｃ（図４参照）が形成される。
基板１０は、ＳｉＣなどの結晶基板であるため、集光点Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃを形成する際に結晶方位に沿ってクラックが発生しやすい性質がある。このように３本の分岐レーザ光Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃに分岐する場合では、例えば、中央の分岐レーザ光Ｂｂの強度を両側（すなわち両端部側）の分岐レーザ光Ｂａ、Ｂｃの強度よりも大きくする（レーザ光調整ステップ）ことにより、中央の集光点Ｆｂによって加工痕１２を形成する際に発生したクラックが両側の集光点Ｆａ、Ｆｃの方向に伸長しても、両側の集光点Ｆａ、Ｆｃにより形成された加工痕１２によってクラックの伸長を止めるようにすることができる。このとき、分岐レーザ光Ｂａ、Ｂｃの強度は集光点Ｆａ、Ｆｃから加工痕が結晶方位に伸長（進展）しない程度の強度であって、基板の剥離に必要な加工痕が得られる最小強度に設定しておく。
３本の分岐ビームの強度については、両側の分岐レーザ光Ｂａ、Ｂｃの強度に対する中央の分岐レーザ光Ｂｂの強度の倍率が、１．１〜５．０の範囲にある倍率で異なるようにすることができる。この倍率は、１．２〜３の範囲にあることが好ましく、１．５〜２．５の範囲にあることがより好ましく、１．８〜２．２の範囲にあることがさらに好ましい。
図４は、基板１０に形成される隣接する加工痕１２ａ〜ｃの間隔の調整を説明する図である。基板１０の表面には、光集光部１６から供給された３本の分岐レーザ光Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃによって、一列に配置された３つのビームスポットＲａ、Ｒｂ、Ｒｃが形成されている。３本の分岐レーザ光は、これらのビームスポットＲａ、Ｒｂ、Ｒｃを介して基板１０の内部の集光点Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃに集光され、集光点Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃにおいてそれぞれ加工痕が形成される。
３つのビームスポットＲａ〜ｃは、所定の走査方向に所定速度で走査される。レーザ光源１５０からはパルスレーザ光が供給され、パルス照射によってビームスポットＲａ〜ｃが走査方向に所定間隔で形成される。この走査方向の間隔は、任意に設定が可能である。
また、３つのビームスポットＲａ〜ｃを配置した列の方向を調整することにより、ビームスポットＲａ〜ｃを介して形成される３本の加工痕１２ａ〜ｃの間隔を調整することが可能である。
図４（ａ）は、３つのビームスポットＲａ〜ｃを配置した列の方向が走査方向に直交するように設定した場合を示している。このとき、走査方向に直交する方向について、３つのビームスポットＲａ〜ｃの隣接する距離が最大になり、したがって３つのビームスポットＲａ〜ｃを介して形成される加工痕１２ａ〜ｃの間隔（互いに隣接する間隔）も最大になる。
図４（ｂ）では、３つのビームスポットＲａ〜ｃを配置した列の方向Ｄと走査方向の直交方向とが所定角度θをなすように設定した場合を示している。図４（ｂ）では、一例としてθ＝４５°の角度をなす場合で描いている。所定角度θは４５°に限られることはなく、θが小さくなるほど、走査方向に直交する方向についてビームスポットＲａ〜ｃの隣接する距離が短くなり、したがってビームスポットＲａ〜ｃを介して形成される加工痕１２ａ〜ｃの間隔も短くなる。なお、このθを９０°、すなわち所定角度を９０°とした場合が図４（ａ）に示した状態になる。
本実施形態では、加工層１４が形成された基板１０を加工層１４で割断し、基板１０を加工層１４で剥離することにより、剥離基板を作成することができる（基板剥離ステップ）。加工層１４においては加工痕が連結しているため、基板１０は加工層１４に沿って容易に割断して剥離することができる。従って、結晶材料であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）ウエハの基板１０に、クラックの発生を抑制し安定して加工層１４を形成することができる。
そして本実施形態では、この後、加工層１４から剥離した剥離基板１０ｐ（シリコンカーバイドウエハから剥離したもの）にアルカリエッチングを行って剥離基板１０ｐの基板面１０ｐｓを鏡面化する（エッチングステップ）。
図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）に係るエッチング方法で基板を順次エッチングしていくことを説明する模式的な正面図である。図６は図５（ｂ）の部分拡大側面図である。
このエッチングでは、酸素を含むガス雰囲気で、剥離基板１０ｐにおける溶融アルカリの界面位置を剥離基板上で移動させていく。本実施形態では、容器２００に入れた溶融アルカリＡＬに剥離基板１０ｐを上方から一定速度で徐々に下降させることで浸漬していく（図５（ａ）〜（ｃ）参照）。この結果、剥離基板１０ｐにおける溶融アルカリＡＬの界面位置Ｇ（溶融アルカリＡＬの液面位置）が基板下端から上方へ順次移動していく。ここで、図５、図６に示すように、本明細書で界面位置Ｇとは溶融アルカリＡＬの液面位置と同じ位置である。
剥離基板１０ｐの非浸漬部ＮＩＭの界面付近Ｖでは、エッチング反応の際にガス雰囲気中の酸素が取り込まれて酸化が促進されつつ、良好なエッチングが高速で行われる。従って、このように剥離基板１０ｐにおける溶融アルカリＡＬの界面位置Ｇを基板上方へ順次移動させていくこで、高硬度で難加工材料であるＳｉＣ（シリコンカーバイド）からなる剥離基板１０ｐであっても、基板面１０ｐｓに良好な鏡面を広範囲にわたって高速で形成することができる。すなわち、剥離基板１０ｐ全部を溶融アルカリＡＬにどぶ漬けする（基板全体を浸漬部にする）ことに比べて遥かに短時間でこの良好な鏡面を剥離基板１０ｐに全面にわたって形成することができる。
剥離基板１０ｐの下降速度は、溶融アルカリの種類、温度、ガス雰囲気中の酸素濃度、などに応じ、良好なエッチングが行われるように決定する。
なお、エッチングでは、等方性エッチングが行われるようにしてもよい。そのためには、剥離基板１０ｐの酸化速度を酸化被膜の溶解速度以上にして、酸化されていない段階の基板材料（ＳｉＣ）がエッチングされることを回避することで、基板材料に欠陥（結晶欠陥）が生じていてもこの欠陥は酸化されてから、つまり酸化被膜となってからエッチングされるようにしてもよい。この結果、剥離基板１０ｐが等方性エッチングされることになる。
また、溶融アルカリＡＬに剥離基板１０ｐをどぶ漬けし、溶融アルカリＡＬから剥離基板１０ｐを一定速度で徐々に引き上げていくことで、剥離基板１０ｐにおける溶融アルカリＡＬの界面位置Ｇ（溶融アルカリＡＬの液面位置）を基板下方へ順次移動させても、剥離基板１０ｐの基板面１０ｐｓに良好な鏡面を広範囲にわたって高速で形成することができる。
溶融アルカリとしては、溶融水酸化ナトリウム（NaOH）、溶融水酸化カリウム（KOH）などが挙げられるが、エッチング速度の高速化の観点では溶融水酸化ナトリウムＳＨＬ（図５、図６参照）が好ましい。
この場合、６５０℃以上にした溶融水酸化ナトリウムを用いると、このような高速で良好なエッチングを行い易い。６５０℃よりも温度が低いとエッチング速度（エッチングレート）が低くなり易い。
また、溶融アルカリＡＬを流動させつつエッチングを行ってもよい。これにより、エッチングによって劣化した溶融アルカリが基板面１０ｐｓ近くで滞留することを防止できる。
（変形例）
なお、上記実施形態においては、複数の分岐レーザ光の例として３本の分岐レーザ光を例示したが、本発明はこれに限定されない。複数の分岐レーザ光は、２本以上の分岐レーザ光であり、強度が異なるものであればよい。例えば、図７に示すように、９本の分岐レーザ光であってもよい。複数の分岐レーザ光は一列に配置され、図７（ａ）では両端の分岐レーザ光の強度が小さく、中央の分岐レーザ光の強度が両端の分岐レーザ光の強度より大きい。図７（ｂ）では両端と中央の分岐レーザ光の強度が小さい。なお、剥離に影響するため、加工層の安定化のためには、複数の分岐レーザ光に同一の強度の分岐レーザ光が含まれることが好ましい。
また、上記実施形態においては、複数の分岐レーザ光を基板の内部において一列に配置されたものを例示したが、本発明はこれに限定されない。複数の分岐レーザ光を基板の内部において複数列もしくはパターン状に配置されてもよい。一列、複数列、パターン状の何れであっても、加工層を均等に形成でき、クラックの発生を抑制しつつ安定して加工層を形成することができる。
図８は、基板１０に照射された分岐レーザ光のビームスポットが複数列またはパターン状に配置された状態の一例を示す模式的な平面図である。分岐レーザ光は、図中に一点鎖線で示された走査方向に直交する方向に第１列の４つのビームスポットＲ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、第２列の４つのビームスポットＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２４、第３列の４つのビームスポットＲ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４、第４列の４つのビームスポットＲ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ４４を形成している。
これらのビームスポットは、第１列から第４列の計４列からなる複数列の配置を形成している。また、走査方向に４列、走査方向に直交する方向に４列の計４×４の１６個のビームスポットによるパターンも形成している。これらのビームスポットのうち、中央の４つのビームスポットＲ２２、Ｒ２３、Ｒ３２、Ｒ３３は、これらを取り囲む他のビームスポットＲ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ２１、Ｒ２４、Ｒ３１、Ｒ３４、Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ４４よりも相対的な強度が大きく、例えば１．１〜５．０の倍率の範囲にあってもよい。
なお、ビームスポットが形成する複数列は２列以上であればよく、ビームスポットのパターンは３つ以上のビームスポットが形成する特定のパターンであればよい。
（実施例および実験例）
以下、実施例（図１〜図６を用いて説明した実施形態の実施例）および実験例を説明する。
［実施例１］
本実施例では、基板加工装置１００のレーザ光源１５０にInnoLight Technology Corporation製 HALO GN 35k-100のレーザ発振器を用いた。このレーザ光源１５０は、表１に示すようなレーザ光Ｂを供給することができる。
回折光学素子１７０には、レーザ光Ｂから強度１：２：１の３本の分岐レーザ光Ｂａ〜ｃを分岐させる古河機械金属工業製のものを用いた。対物レンズ１８０には、LCPLN 100×IRを用いた。
基板１０には、表面が鏡面仕上げされた結晶構造４ＨのＳｉＣ基板を用いた。そして、加工痕１２の性質を明らかにするため、表２のような条件で基板１０を加工した。表２において、回折光学素子の角度とは、走査方向に直交する方向と一列に配置された３つのビームスポットＲａ、Ｒｂ、Ｒｃの方向とがなす角度である。また焦点の深さとは、集光点Ｆに相当する焦点の基板１０の表面からの深さである。
図９は、このような加工により基板１０に形成された加工痕１２ａ〜ｃを示す顕微鏡写真である。図９（ａ）は、透明なＳｉＣの基板１０の上面から観察したものであり、３つのビームスポットＲａ〜ｃを介してそれぞれ形成された３本の加工痕１２ａ〜ｃが示されている。ここで、回折光学素子１７０は、強度１：２：１の３本の分岐レーザ光Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃを生成するため、中央の加工痕１２ｂがやや太く、両側の加工痕１２ａ、１２ｃがやや細くなっている。
図９（ｂ）には、加工痕１２の延びる方向に略垂直な断面において、基板１０に形成された加工痕１２を観察したものであり、３本の加工痕１２ａ〜ｃが示されている。ここで、各加工痕から横方向にクラックが伸長（進展）し、中央の加工痕１２ｂから伸長（進展）したクラックＣｐ、Ｃｑはそれぞれ両側の加工痕１２ａ、１２ｃにまで伸長（進展）するが、両側の加工痕１２ａ、１２ｃにてそれぞれ止められていることがみられた。したがって、これら３本の加工痕１２ａ〜ｃは、クラックＣｐ、Ｃｑによって連結されるとともに、クラックＣｐ、Ｃｑのさらなる伸長（進展）は抑制されていることが明らかになった。
［実施例２］
次に、基板１０の全面にわたって形成した加工痕１２により加工層１４を作成した後、基板１０を加工層１４で割断することにより剥離して剥離基板を作成し、剥離基板における剥離面の性質を調べた。実施例２では、表３の実施例２の欄に示す条件で加工層１４を形成した。表３に示した条件を除き、実施例１と同一の条件を用いた。例えば、基板１０には結晶構造４Ｈの多結晶のＳｉＣ基板を用い、回折光学素子１７０には３本の分岐レーザ光に分岐させるものを用いた。なお、表３では後述の実施例３〜６の条件も併せて示している。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、実施例２で基板１０に形成されたスクライブ前及びスクライブ後の加工痕を示す顕微鏡写真である。図１０（ｃ）はレーザ顕微鏡による基板１０の断面の顕微鏡写真であり、図１０（ｄ）は図１０（ｃ）の枠内を拡大した拡大顕微鏡写真である。
図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）により、基板１０の表面に平行な方向であり、図中横方向に加工痕１２が連結された加工層１４が形成されていることがみられる。図１０（ｅ）は、引っ張り試験機を用いて加工層１４にて割断された剥離基板の剥離面を示す写真である。この実施例２では、剥離基板の表面の全体に対し、９０％の部分で剥離面が形成された。
続いて、剥離基板における剥離面の表面粗さを測定した。レーザ集光部１６０に向かうレーザ照射側にある上面では、Ｒａ（μｍ）について図１１（ａ）、Ｒｚ（μｍ）について図１１（ｂ）のような形状になり、表４に示すような結果が得られた。この表４においては、表面粗さの３点測定値とそれらの平均値が示されている。以下でも同様である。
なお、表４で「走査方向」の粗さとはレーザ光を走査する方向での粗さ、「オフセット方向」の粗さとは走査方向に対して９０°の方向で分岐ビーム間に形成される粗さを示す。後述の表５〜表７でも同様である。
また、ステージ１１０に載置される側にある下面では、Ｒａ（μｍ）について図１１（ｃ）、Ｒｚ（μｍ）について図１１（ｄ）のような形状になり、表５に示すような結果が得られた。
［実施例３］
図１２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施例３で基板１０に形成されたスクライブ前及びスクライブ後の加工痕を示す顕微鏡写真である。図１２（ｃ）はレーザ顕微鏡による基板１０の断面の顕微鏡写真であり、図１２（ｄ）は図１２（ｃ）の枠内を拡大した拡大顕微鏡写真である。
実施例３では、表３の実施例３の欄に示す条件で加工層１４を形成した。表３で示した条件を除き、実施例２と同じ条件で行った。この実施例３では、剥離基板の表面の５０％に剥離面が形成された。
剥離基板の剥離面の表面粗さについては、レーザ照射側の上面ではＲａ（μｍ）について図１３（ａ）、Ｒｚ（μｍ）について図１３（ｂ）のような形状になり、表６に示すような結果が得られた。また、ステージ側の下面では、Ｒａ（μｍ）について図１３（ｃ）、Ｒｚ（μｍ）について図１３（ｄ）のような形状になり、表７に示すような結果が得られた。
［実施例４］
図１４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施例４で基板１０に形成されたスクライブ前及びスクライブ後の加工痕を示す顕微鏡写真である。図１４（ｃ）はレーザ顕微鏡による基板１０の断面の顕微鏡写真であり、図１４（ｄ）は図１４（ｃ）の枠内を拡大した拡大顕微鏡写真である。
実施例４では、表３の実施例４の欄に示す条件で加工層１４を形成した。表３で示した条件を除き、実施例２と同じ条件で行った。この実施例４では、剥離基板の表面の３０％に剥離面が形成された。
剥離基板における剥離面の表面粗さについては、レーザ照射側の上面ではＲａ（μｍ）について図１５（ａ）、Ｒｚ（μｍ）について図１５（ｂ）のような形状になり、表８に示すような結果が得られた。また、ステージ側の下面では、Ｒａ（μｍ）について図１５（ｃ）、Ｒｚ（μｍ）について図１５（ｄ）のような形状になり、表９に示すような結果が得られた。
［実施例５］
図１６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施例５で基板１０に形成されたスクライブ前及びスクライブ後の加工痕を示す顕微鏡写真である。図１６（ｃ）はレーザ顕微鏡による基板１０の断面の顕微鏡写真であり、図１６（ｄ）は図１６（ｃ）の枠内を拡大した拡大顕微鏡写真である。
実施例５では、表３の実施例６の欄に示す条件で加工層１４を形成した。表３で示した条件を除き、実施例２と同じ条件で行った。この実施例５では、剥離基板の表面の９８％に剥離面が形成された。
剥離基板における剥離面の表面粗さについては、レーザ照射側の上面ではＲａ（μｍ）について図１７（ａ）、Ｒｚ（μｍ）について図１７（ｂ）のような形状になり、表１０に示すような結果が得られた。また、ステージ側の下面では、Ｒａ（μｍ）について図１７（ｃ）、Ｒｚ（μｍ）について図１７（ｄ）のような形状になり、表１１に示すような結果が得られた。
［実施例６］
図１８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施例６で基板１０に形成されたスクライブ前及びスクライブ後の加工痕を示す顕微鏡写真である。図１８（ｃ）はレーザ顕微鏡による基板１０の断面の顕微鏡写真であり、図１８（ｄ）は図１８（ｃ）の枠内を拡大した拡大顕微鏡写真である。
実施例６では、表３の実施例６の欄に示す条件で加工層１４を形成した。表３で示した条件を除き、実施例２と同じ条件で行った。この実施例６では、剥離基板の表面の１０％に剥離面が形成された。
剥離基板における剥離面の表面粗さについては、レーザ照射側の上面ではＲａ（μｍ）について図１９（ａ）、Ｒｚ（μｍ）について図１９（ｂ）のような形状になり、表１２に示すような結果が得られた。また、ステージ側の下面では、Ｒａ（μｍ）について図１９（ｃ）、Ｒｚ（μｍ）について図１９（ｄ）のような形状になり、表１３に示すような結果が得られた
以上の実施例２〜６によって、３本の分岐レーザ光に分割する回折光学素子１７０を用いて結晶構造４ＨのＳｉＣによる基板１０に加工層１４を形成し、加工層１４にて割断することにより剥離することで、剥離基板を容易に作成することができることが明らかになった。また、表面粗さの測定により、剥離基板には滑らかな剥離面が形成されていることが認められた。
ここで、実施例２〜６においては、加工速度、レーザ光の強度についての明確な依存性は見られなかった。このことは、分岐ビームにより加工層の伸長を抑制していることにより加工条件の影響を受け難くなっていることが推察される。
また、実施例１〜６においては、結晶構造４ＨのＳｉＣの基板１０を用いたが、このことに限定されることはなく、結晶構造６ＨのＳｉＣの基板にも同様に適用することができる。また、ＳｉＣの基板に限定されることはなく、サファイアの基板などにも同様に適用することができる。
また、実施例２〜６においては、基板１０の表面に平行に加工層１４を１層のみ形成したが、レーザ集光部１６０によって集光点Ｆの深さを適宜に設定することにより、２層以上の加工層１４を形成し、これらの加工層１４において基板１０を割断して剥離するようにすることもできる。
なお、実施例２〜６で、剥離基板を作成後、溶融アルカリにてこの剥離基板をエッチングする場合には、前処理として、基板面にダイヤモンド研磨などを行うことで基板面の表面粗さを調整した後にエッチングすることが好ましい。これにより、鏡面化された良好なエッチング面を得やすくなる。
＜実験例１（ウエットエッチングによる高速鏡面化現象の確認）＞
本実験例では、NaOH（溶融水酸化ナトリウム）にSiCウエハを半分程度に浸漬することで、NaOH溶液に浸漬している浸漬部ＩＭと、NaOH溶液に浸漬していない非浸漬部ＮＩＭとが生じる状態でエッチングした。
（実験条件および実験方法）
本発明者は、Ni（ニッケル）製のるつぼに固形のNaOHを約5g入れ，電気炉で加熱して750℃の溶融状態にし、Ni線で固定したSiCウエハ（SiC基板）を溶融したNaOH溶液に半分程度に浸漬し、20分間のエッチングを行った。使用したウエハはオフ角4°、10mm角の4H-SiCウエハである。前加工としてはダイヤモンドホイール（SD#1000）によって研削を施した。エッチグレートの評価はエッチング前後の厚さの差分から求めた。粗さ測定には触針式粗さ測定機(Taylor Hobson 社製PGI840)を用いた。
（エッチング面の外観と形状）
図２０にエッチング後のSiCウエハ表面の形状を示す。図２０を得るための計測では、基板面で直線に沿った表面の高さを計測した。
図２０からは、浸漬部ＩＭよりも非浸漬部ＮＩＭの方がエッチングで除去されていることが判る。特に非浸漬部ＮＩＭでは、界面位置Ｇから1mm離れた領域では浸漬部ＩＭよりも60μmも多く除去されていた。
（エッチング表面の詳細観察）
また、浸漬部ＩＭと非浸漬部ＮＩＭ（界面付近Ｖも含む）とをレーザ顕微鏡像によって観察し撮像した。撮像結果をそれぞれ図２１、図２２に示す。
浸漬部ＩＭではエッチピットの発生が観察されたが（図２２参照）、非浸漬部ＮＩＭではエッチピットのない平滑面であることが確認された（図２１参照）。
さらにAFMで非浸漬部ＮＩＭを1μm×1μmで計測した結果を図２３に示す。この計測の結果、粗さが0.54nmRa、8.7nmRzの鏡面であることが確認された。
＜実験例２（エッチングの基礎特性の調査）＞
本実験例では、エッチングの特性が温度、ガス雰囲気でどのように影響されるかを調べる実験を行った。
（温度が到達面粗さとエッチングレートとに及ぼす影響）
実験例１の実験方法を基本にして、実験時間を20〜120分、温度を600〜750℃としてエッチング実験を行った。本実験例では、浸漬部ＩＭと非浸漬部ＮＩＭの界面付近Ｖとについて、エッチング温度とエッチングレーとトの関係を調べた。実験結果を図２４に示す。
浸漬部ＩＭ、界面付近Ｖとも、高温度ほどエッチングレートは大きくなる傾向があり、大きくなる割合は両者とも同程度であることが判った。そして、界面付近Ｖでのエッチングレートは、浸漬部ＩＭよりも2〜3 倍程度高くなっていた。とくに750℃では289μm/h と高い値となった。
また、図２５（ａ）に浸漬部ＩＭのエッチング面の粗さを示し、図２５（ｂ）に非浸漬部ＮＩＭの界面付近Ｖのエッチング面の粗さを示す。浸漬部ＩＭでは一度粗さが増大し、その後は減少する傾向が見られた。エッチング面の観察結果から考察すると、エッチング初期でダイヤモンド研削による潜傷が現れ、その後徐々に滑らかになるためであると推察される。
また、浸漬部ＩＭではエッチングレートが低く、120分間の実験では浸漬部ＩＭの粗さを小さくするには不十分な時間であったと思われる。ただし、エッチピットが増加していく傾向が見られることから鏡面化への適用は難しいものと思われた。
一方、非浸漬部ＮＩＭでは700℃以上になると到達面粗さ1.4nmRaに達していることが判った。そして、エッチング面の観察結果からはどの条件でもエッチピットの発生は見られなかった。このエッチピットについては、エッチングレートが23μm/hと低い処理条件である600℃120分のエッチング処理後の観察結果からも発生は見られなかった。
（雰囲気が粗さとエッチングレートとに及ぼす影響）
実験例１の実験条件を基本にして、実験時間を30分間とし、ガス雰囲気を大気の場合と窒素（酸素を排除して不活性にするためのガス）の場合とでそれぞれ実験を行い、その影響を調査した。
（窒素雰囲気の影響）
電気炉内に窒素を流しながらエッチングを行った。浸漬部ＩＭと非浸漬部ＮＩＭの界面付近Ｖとについて、窒素流量とエッチングレートとの関係を図２６（ａ）に、窒素流量と粗さとの関係を図２６（ｂ）にそれぞれ示す。なお、図２６（ａ）で窒素流量0L/minは、窒素を流さないので、電気炉内が大気雰囲気のままであることを意味する。
エッチングレートは、浸漬部ＩＭ、界面付近Ｖとも、窒素流量10L/minでいずれも大きく低減しており、これ以上の流量ではこれ以上の変化があまり見られなかった。
一方、粗さについては、浸漬部ＩＭ、界面付近Ｖとも、窒素流量が増えるほど増大する傾向にあった。従って、エッチング時にはまず研削による潜傷が露出し，その後消失することで鏡面になると推察される。エッチング面の観察結果からは、浸漬部ＩＭ、界面付近Ｖとも潜傷が観察されており、粗さの増大傾向はエッチングレートの低下による鏡面プロセスの鈍化が原因であると考えられる。
（大気の影響）
次に、大気の影響を調べるためのエッチングを行った。浸漬部ＩＭと非浸漬部ＮＩＭの界面付近Ｖとについて、空気流量とエッチングレートとの関係を図２７（ａ）に、空気流量と粗さとの関係を図２７（ｂ）にそれぞれ示す。浸漬部ＩＭ、界面付近Ｖとも、空気流量に関わらずエッチングレートはほとんど変化しなかった。しかし、同じエッチング時間でも浸漬部ＩＭでは空気流量が増加するほど潜傷が除去されていくことがわかった。また空気流量が20L/minでは界面付近Ｖに膜状の凹凸ができ、粗さが著しく増大した。
以上の実験結果、推察により、エッチングには空気が作用していることがわかった。よって、非浸漬部ＮＩＭではアルカリ蒸気もしくは表面張力による溶融アルカリ液の薄膜がSiCと反応する際に大気の酸素を取り込んで酸化を促進させていることが考えられる。
＜実験例１、２のまとめ＞
以上説明したように、実験例１、２により、NaOH溶液を用いたSiC基板のウエットエッチングで非浸漬部におけるSiCウエハ面の高能率な鏡面化現象を見出した。その基礎特性の調査のための実験から、750℃、20分間のエッチングで到達面粗さ1.4nmRaとなり、750℃、45 分間でエッチングレートが最大の304μm/h となることがわかった。さらにエッチング雰囲気においては、空気が作用していることがわかった。
本発明により、剥離基板を効率良く薄く形成することができることから、半導体分野、ディスプレイ分野、エネルギー分野などの幅広い分野において利用可能であり、例えば単結晶基板であって、Ｓｉ基板（シリコン基板）であれば太陽電池に応用可能であり、また、ＧａＮ系半導体デバイスなどのサファイア基板などであれば、発光ダイオード、レーザダイオードなどに応用可能であり、ＳｉＣなどであればＳｉＣ系パワーデバイスなどに応用可能であり、透明エレクトロニクス分野、照明分野、ハイブリッド／電気自動車分野など幅広い分野において適用可能である。
１０ 基板（結晶基板、ＳｉＣ基板）
１０ｐ 剥離基板
１４ 加工層
１５０ レーザ光源
１６０ レーザ集光部（レーザ集光手段）
１７０ 回折光学素子
ＡＬ 溶融アルカリ
Ｂ レーザ光
Ｂａ〜ｃ 分岐レーザ光
ＳＨＬ 溶融水酸化ナトリウム
θ 所定角度

Claims (10)

  1. 結晶基板の内部に加工層を形成して剥離する剥離基板製造方法であって、
    パルス照射のレーザ光源からのレーザ光をレーザ集光手段によって基板の表面に向けて照射し、前記基板の表面から所定の深さにレーザ光を集光するレーザ集光ステップ、および、前記レーザ集光手段を前記基板に対して相対的に移動させて位置決めをする位置決めステップ、を有して前記基板に加工層を形成する基板加工ステップと、
    前記基板加工ステップにより前記加工層が形成された前記基板を前記加工層にて剥離して剥離基板を作成する基板剥離ステップと、
    を含み、
    前記レーザ集光ステップは、前記レーザ光源からのレーザ光を複数の分岐レーザ光に分岐させる回折光学素子を用い、前記複数の分岐レーザ光の少なくとも１本を他の分岐レーザ光に比べて強度が異なるように分岐させるレーザ光調整ステップを含み、
    前記複数の分岐レーザ光のうち、相対的に強度が高い分岐レーザ光により前記加工層を伸長させて前記基板を加工するとともに、相対的に強度が低い分岐レーザ光により前記加工層の伸長を抑制することを特徴とする剥離基板製造方法。
  2. 前記レーザ光調整ステップでは、前記複数の分岐レーザ光を前記基板の内部において一列または複数列もしくはパターン状に配置させることを特徴とする請求項１に記載の剥離基板製造方法。
  3. 前記レーザ光調整ステップでは、前記複数の分岐レーザ光のうち端部側に配置される少なくとも一本の分岐レーザ光の強度を他の分岐レーザ光に比べて低くすることを特徴とする請求項２に記載の剥離基板製造方法。
  4. 前記レーザ光調整ステップでは、前記相対的に強度が高い分岐レーザ光の強度を、前記相対的に強度が低い分岐レーザ光の強度に対して１．１〜５．０の範囲の倍率で異ならせることを特徴とする請求項３に記載の剥離基板製造方法。
  5. 前記位置決めステップは、前記基板の表面において、前記一列または複数列もしくはパターン状の方向に対して所定角度をなす走査方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させることを特徴とする請求項２に記載の剥離基板製造方法。
  6. 前記位置決めステップは、前記基板の表面において、前記走査方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させる動作を、前記走査方向とは直交する方向に前記レーザ集光手段を所定距離にわたってシフトさせる動作を挟んで繰り返すことを特徴とする請求項５に記載の剥離基板製造方法。
  7. エッチング液として溶融アルカリを用い、酸素を含むガス雰囲気で、前記剥離基板における前記溶融アルカリの界面位置を前記剥離基板上で移動させながらエッチングするエッチングステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の剥離基板製造方法。
  8. 前記溶融アルカリとして溶融水酸化ナトリウムを用いることを特徴とする請求項７に記載の剥離基板製造方法。
  9. 前記溶融アルカリを流動させながらエッチングすることを特徴とする請求項７または８に記載の剥離基板製造方法。
  10. 前記基板としてＳｉＣ基板を用いることで、 前記剥離基板がＳｉＣからなることを特徴とする請求項９に記載の剥離基板製造方法。
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