JP7017728B2

JP7017728B2 - 結晶基板および結晶基板加工方法

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Publication number: JP7017728B2
Application number: JP2017127136A
Authority: JP
Inventors: 順一池野; 洋平山田; 秀樹鈴木; 利香松尾
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Saitama University NUC
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Saitama University NUC
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2022-02-09
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: JP2019012718A

Description

本発明は、基板内部に加工層を形成する際に用いられる結晶基板および結晶基板加工方法に関する。

加工対象の結晶基板（例えば単結晶基板）にレーザ光を集光して二次元状の加工層を形成し、この加工層から剥離させることが提案されている。

このようにして加工層から剥離させることで、所定の薄厚の剥離基板を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開2012-020222号公報

ところで、従来の結晶基板では基板側面が円筒状であるので、基板側面付近に加工痕を形成する際、レーザ光の一部を被照射面でなく基板側面から照射する必要がある。従って、基板側面付近の加工痕の形成精度が、他の加工痕に比べて劣る。すなわち、基板側面付近ではレーザ光の集光位置がずれてしまうことで、基板側面付近まで加工層を一定に形成できない（特に形状や深さ位置を一定にできない）。このため、基板剥離がうまくできない。

本発明は、上記課題に鑑み、レーザ光を照射して基板側面付近にまで基板内部の一定した深さ位置に加工痕を配列することで加工層とすることが可能となる結晶基板、および、結晶基板加工方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明の一態様によれば、レーザ光を一方の基板面である被照射面から基板内部に集光しつつ集光位置と基板とを相対的に移動させることで基板内部に加工層を形成する際に用いられる結晶基板であって、前記被照射面から前記被照射面とは反対側の面にかけて、基板側面が、基板中心軸側に傾斜していて前記基板中心軸に対して所定範囲内の傾斜角度で傾斜している結晶基板が提供される。

被照射面が矩形状であり、前記被照射面の各辺から前記基板側面が延びていてもよい。

また、前記被照射面が円状であり、前記基板側面が円錐台面状であってもよい。

上記課題を解決するための本発明の別の一態様によれば、本発明の一態様に記載の結晶基板を用意する基板用意工程と、前記基板用意工程で用意した前記結晶基板をレーザ光の被照射位置に配置し、レーザ光を集光するレーザ集光手段を前記被照射面上に非接触に配置する配置工程と、前記レーザ集光手段から出たレーザ光を全て、レーザ光のビーム中心軸が前記被照射面に直交しかつ前記被照射面から入射するように照射して前記結晶基板内部にレーザ光を集光しつつ、前記レーザ集光手段と前記結晶基板とを相対的に移動させることで、前記結晶基板内部に加工痕が配列された加工層を形成する形成工程とを備え、前記傾斜角度をαとし、前記結晶基板内において前記被照射面から集光点までのレーザ光の最外面であるビーム側面が基板中心軸に対してなす角度をβとすると、前記形成工程ではα≧βの関係を満たすように前記基板用意工程で前記結晶基板を用意する結晶基板加工方法が提供される。

また、前記形成工程では、前記加工痕のうち前記加工層の縁に位置する縁加工痕から前記加工層に沿った前記基板側面までの距離を、前記縁加工痕を形成した際に前記縁加工痕から発生したクラックが前記加工層に沿って前記基板側面にまで到達し得る範囲内としてもよい。

また、前記形成工程では、前記レーザ集光手段に補正環を設け、前記補正環により収差補正をしつつ前記加工層を形成してもよい。

本発明によれば、レーザ光を照射して基板内に加工層を形成するに際し、基板側面付近に形成する加工痕の形成精度を向上させることができる結晶基板、および、結晶基板加工方法を提供することができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る結晶基板加工方法で用いる基板加工装置の構成を示す模式的斜視図であり、（ｂ）は、この基板加工装置のレーザ集光手段に配置されたレンズを説明する模式的側面図である。本発明の一実施形態に係る結晶基板加工方法で、本発明の一実施形態に係る結晶基板内に加工層を形成することを説明する模式的側面図である。本発明の一実施形態に係る結晶基板加工方法で、レーザ光の集光により結晶基板内に加工層を形成することの変形例を説明する模式的側面図である。本発明の一実施形態に係る結晶基板の変形例を説明する模式的斜視図である。結晶基板内に加工層を形成することの従来例を説明する模式的側面図である。結晶基板内に加工層を形成することの比較例を説明する模式的側面図である。

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、（ａ）は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）に係る結晶基板加工方法で用いる基板加工装置の構成を示す模式的斜視図であり、（ｂ）は、この基板加工装置のレーザ集光手段に配置されたレンズを説明する模式的側面図である。図２は、本発明の一実施形態に係るに係る結晶基板加工方法で、レーザ光の集光により結晶基板内に加工層を形成することを説明する模式的側面図である。

基板加工装置１０は、載置台１２と、載置台１２上に固定され、結晶基板（例えば、ＳｉＣなどの単結晶基板）を保持する基板保持具１３と、載置台１２のＺ方向（上下方向）位置に移動可能に支えるＺステージ１４と、Ｚステージ１４をＹ方向に移動可能に支えるＹステージ１６と、Ｙステージ１６をＸ方向に移動可能に支えるＸステージ１８とを備える。

また、基板加工装置１０は、基板保持具１３上に保持された結晶基板２０に向けてレーザ光Ｂを集光するレーザ集光手段２２（例えば集光器）を備える。レーザ集光手段２２には、レーザ発振装置から出射したレーザ光が入射するようになっている。

レーザ集光手段２２は、補正環２４と、補正環２４内に保持された集光レンズ２６（例えば、空気中で集光する第１レンズ２８と、この第１レンズ２８と結晶基板２０との間に配置される第２レンズ３０とで構成されるレンズ）とを備えていて、結晶基板２０の屈折率に起因する収差を補正する機能、すなわち収差補正環としての機能を有している。具体的には、図１（ｂ）に示すように、集光レンズ２６は、空気中で集光した際に、集光レンズ２６の外周部Ｅに到達したレーザ光Ｂが集光レンズ２６の中央部Ｍに到達したレーザ光Ｂよりも集光レンズ側で集光するように補正する。つまり、集光した際、集光レンズ２６の外周部Ｅに到達したレーザ光Ｂの集光点ＥＰが、集光レンズ２６の中央部Ｍに到達したレーザ光Ｂの集光点ＭＰに比べ、集光レンズ２６に近い位置となるように補正することが可能になっている。これにより、レーザ光の集光によって形成される加工痕Ｃのレーザ照射方向における長さを短く、すなわち加工層３２（後述）の厚みを薄くし易い。

（結晶基板）
本実施形態に係る結晶基板２０は、レーザ光Ｂを被照射面２０ｒから基板内部に集光しつつ集光位置と結晶基板とを相対的に移動させることで基板内部に加工層３２を形成する際に用いられる結晶基板である。

この結晶基板２０は、被照射面２０ｒから被照射面２０ｒとは反対側の面にかけて、基板側面２０ｓが、基板中心軸Ｇ側に傾斜していて基板中心軸Ｇに対して所定範囲内の傾斜角度αで傾斜している。この傾斜角度は、後述の角度βを予め想定した上で決定されている。複数値にわたって角度βを予め想定し、角度βの各値に対応するように各αを決定してもよい。

本実施形態では、被照射面２０ｒが矩形状である。そして、被照射面２０ｒの各辺から延びているこの基板側面２０ｓが基板内側に上記傾斜角度で傾斜している。基板側面２０ｓは、例えばこのように斜めに研削することで形成されている。

以下、本実施形態に係る結晶基板加工方法を説明する。

本実施形態では、上記の結晶基板２０を用意する基板用意工程を行う。この基板用意工程では、結晶基板２０内において被照射面２０ｒから集光点までのレーザ光の最外面であるビーム側面Ｂｓが基板中心軸Ｇ（図１参照）に対してなす角度（ビーム側面角度）をβとすると、α≧βの関係を満たす結晶基板２０を用意する。例えば、図２に示すように、上記関係のうちαとβとが同等となるような結晶基板２０を用意する。

次に、配置工程を行う。この配置工程では、基板用意工程で用意した結晶基板２０をレーザ光Ｂの被照射位置に配置し、レーザ光Ｂを集光するレーザ集光手段２２を被照射面２０ｒ上に非接触に配置する。本実施形態では結晶基板２０を載置台１２上の基板保持具１３に保持させることで、結晶基板２０を被照射位置に配置している。

そして、形成工程を行う。この形成工程では、レーザ集光手段２２から出たレーザ光Ｂを全て、レーザ光Ｂのビーム中心軸Ｂｃが被照射面２０ｒに直交しかつ被照射面２０ｒから入射するように照射して結晶基板２０の内部にレーザ光Ｂを集光しつつ、レーザ集光手段２２と結晶基板２０とを相対的に移動させることで、結晶基板２０の内部に加工層３２を形成する。本実施形態では、形成工程では、レーザ集光手段２２と結晶基板２０とをＸ－Ｙ平面内（二次元平面内）で相対的に移動させることで、被照射面２０ｒから所定深さｄの位置に、所定のドットピッチＤＰ、ラインピッチで加工痕Ｃが配列された加工層３２を形成する。

従って、図２に示すように、基板側面２０ｓ付近（基板端面付近）に、加工痕Ｃのうち加工層３２の縁（外縁）に位置する縁加工痕Ｃｅを形成するときであっても、レーザ集光手段２２から出たレーザ光Ｂは、全て被照射面２０ｒに入射し、レーザ光Ｂの一部が基板側面２０ｓから入射することは回避される。

よって、基板側面２０ｓ付近（基板端面付近）にまで基板内部の一定した深さｄの位置に加工痕Ｃを配列することで加工層３２とすることが可能な結晶基板２０および結晶基板加工方法が実現される。そして、このような加工層３２から剥離する際、基板側面２０ｓの処理をせずに容易に剥離して剥離基板を得ることができる。

また、基板中央部に形成される加工痕Ｃと同じ形成精度で基板側面２０ｓ付近に縁加工痕Ｃｅを形成することができ、更には基板側面２０ｓに著しく近い位置であっても同じ形成精度で縁加工痕Ｃｅを形成することが可能であり、形成精度が従来に比べて大幅に向上する。

また、レーザ集光手段２２は、補正環２４と、補正環２４内に保持された集光レンズ２６とを備えていて、結晶基板２０の屈折率に起因する収差を補正する機能、すなわち収差補正環としての機能を有している。このような機能を使用して収差補正しつつ加工層３２を形成してもよく、これにより、レーザ光Ｂの集光によって形成される加工痕Ｃのレーザ照射方向における長さを短くし易い、すなわち加工層３２の厚みを薄くし易い。

なお、基板用意工程では、複数値にわたってβを予め想定し、βの各値に対応するように各αを決定して複数種の結晶基板２０（αが互いに異なる結晶基板）を予め用意しておき、実際のβに対応した結晶基板を選定してもよい。これにより、基板用意工程にかかる時間を大きく短縮することができる。

また、形成工程では、縁加工痕Ｃｅから加工層３２に沿った基板側面２０ｓまでの距離Ｗを、縁加工痕Ｃｅを形成した際に縁加工痕Ｃｅから発生したクラックＫ（図２、図３参照）が加工層３２に沿って基板側面２０ｓにまで到達し得る範囲内にしてもよい（この場合、基板側面２０ｓにまで加工痕Ｃが連続的に形成されていると見ることもできる）。これにより、加工層３２からの剥離が著しく容易であり、加工層３２の形成完了と同時に自然剥離させることも可能である。

また、図２ではαとβとが同等となるような結晶基板２０を用意した例で図示しているが、図３に示すように、βよりもαが大きい結晶基板３６を用意してもよい。この場合であっても同様の効果を奏することができる。

また、結晶基板２０に代えて、図４に示すような円錐台状の結晶基板４０を用いてもよい。この場合、結晶基板４０の基板側面４０ｓが、円状の被照射面４０ｒから被照射面４０ｒとは反対側の面にかけて径が徐々に小さくなる円錐台面状となる。この基板側面４０ｓは、テーパ状に研削することで形成される。

このような結晶基板４０を用いて基板側面４０ｓ付近（基板端面付近）に加工痕を形成するとき（すなわち縁加工痕Ｃｅを形成するとき）であっても、レーザ集光手段２２から出たレーザ光Ｂは全て被照射面４０ｒに入射し、レーザ光Ｂの一部が基板側面４０ｓから入射することは回避される。従って、結晶基板２０を用いた場合と同様の効果が得られる。

＜検討例＞
図５は、レーザ光の集光により結晶基板内に加工層を形成することの従来例を説明する模式的側面図である。図６は、レーザ光の集光により結晶基板内に加工層を形成することの比較例を説明する模式的側面図である。

図５に示すように、従来の結晶基板８０では基板側面が円筒状であるので、レーザ集光手段２２から出たレーザ光Ｂを全て被照射面４０ｒに入射させる照射形態では、加工層の縁加工痕Ｃｅを基板側面８０ｓの付近（基板端面付近）に加工痕（縁加工痕Ｃｅ等）を形成することができない。そして、基板側面８０ｓの付近に加工痕を形成する際には、レーザ光Ｂの一部を被照射面８０ｒでなく基板側面８０ｓから照射する必要があり、加工痕（縁加工痕Ｃｅ等）の形成精度が、上記実施形態に比べて大きく劣る。また、基板側面８０ｓから照射することを行わない場合には、加工痕が形成されない未加工部分が基板側面８０ｓ付近に生じてしまう。

また、図６に示すように、比較例の結晶基板９０では、αとβとの関係は、α＜βとなっておりα≧βにはなっていない。このため、従来例と同様、基板側面９０ｓの付近（基板端面付近）に加工痕（縁加工痕Ｃｅ等）を形成する際には、レーザ光Ｂの一部を被照射面でなく基板側面９０ｓから照射する必要があり、加工痕（縁加工痕Ｃｅ等）の形成精度が、上記実施形態に比べて大きく劣る。また、基板側面９０ｓから照射することを行わない場合には、加工痕が形成されない未加工部分が基板側面９０ｓ付近に生じてしまう。

一方、上記実施形態では、縁加工痕Ｃｅを、基板側面２０ｓ付近、更には基板側面２０ｓに著しく近い位置に形成する場合であっても、結晶基板２０内へ入射させるレーザ光Ｂは全て被照射面２０ｒから入射でき、レーザ光Ｂの一部が基板側面から入射することは回避される。従って、基板側面２０ｓ付近にまで基板内部の一定した深さｄの位置に加工痕Ｃを配列することで加工層３２とすることができる。そして、基板側面２０ｓ付近に、基板中央部に形成される加工痕と同じ形成精度で縁加工痕Ｃｅを形成することができ、更には基板側面２０ｓに著しく近い位置であっても同じ形成精度で縁加工痕Ｃｅを形成することができ、しかも、加工痕が形成されない未加工部分が基板側面２０ｓ付近に生じることはない。

本発明により、レーザ光を基板内部に集光しつつ集光位置と基板とを相対的に移動させて基板側面まで一定の深さ位置で加工層を形成できるため、基板側面の処理をせずに容易に剥離して剥離基板を得ることが可能で、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基板加工装置
１３基板保持具（基板保持部）
１２載置台
１４Ｚステージ
１６Ｙステージ
１８Ｘステージ
２０結晶基板
２０ｒ被照射面
２０ｓ基板側面
２２レーザ集光手段
２４補正環
２６集光レンズ
２８第１レンズ
３０第２レンズ
３２加工層
３６結晶基板
４０結晶基板
４０ｒ被照射面
４０ｓ基板側面
８０結晶基板
８０ｓ基板側面
８０ｒ被照射面
９０結晶基板
９０ｓ基板側面
Ｂレーザ光
Ｂｃビーム中心軸
Ｂｓビーム側面
Ｃ加工痕
Ｃｅ縁加工痕
Ｇ基板中心軸
Ｋクラック
Ｅ外周部
ＥＰ集光点
Ｍ中央部
ＭＰ集光点
Ｗ距離
α 傾斜角度
β 角度

Claims

被照射面から被照射面とは反対側の面にかけて、基板側面が、基板中心軸側に傾斜していて前記基板中心軸に対して所定範囲内の傾斜角度で傾斜している結晶基板を用意する基板用意工程と、
前記基板用意工程で用意した前記結晶基板をレーザ光の被照射位置に配置し、レーザ光を集光するレーザ集光手段を前記被照射面上に非接触に配置する配置工程と、
前記レーザ集光手段から出たレーザ光を全て、レーザ光のビーム中心軸が前記被照射面に直交しかつ前記被照射面から入射するように照射して前記結晶基板内部にレーザ光を集光しつつ、前記レーザ集光手段と前記結晶基板とを相対的に移動させることで、前記結晶基板内部に加工痕が配列された加工層を形成する形成工程と
を備え、
前記傾斜角度をαとし、前記結晶基板内において前記被照射面から集光点までのレーザ光の最外面であるビーム側面が基板中心軸に対してなす角度をβとすると、前記形成工程ではα≧βの関係を満たすように前記基板用意工程で前記結晶基板を用意し、
前記形成工程では、前記加工痕のうち前記加工層の縁に位置する縁加工痕から前記加工層に沿った前記基板側面までの距離を、前記縁加工痕を形成した際に前記縁加工痕から発生したクラックが前記加工層に沿って前記基板側面にまで到達し得る範囲内とすることを特徴とする結晶基板加工方法。
前記形成工程では、前記レーザ集光手段に補正環を設け、前記補正環により収差補正をしつつ前記加工層を形成することを特徴とする請求項１に記載の結晶基板加工方法。
前記被照射面が矩形状であり、
前記被照射面の各辺から前記基板側面が延びていることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶基板加工方法。
前記被照射面が円状であり、
前記基板側面が円錐台面状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶基板加工方法。