JP2005294325A - 基板製造方法及び基板製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 切り屑なしに短時間で容易にインゴットから多数枚の薄い基板を剥離して得ることが可能な基板製造方法と、それに用いる基板製造装置を提供する。
【解決手段】 集光レンズ６でレーザー光２の集光点をインゴット７の内部に合わせ、そのレーザー光２でインゴット７を相対的に走査することにより、インゴット７の内部に多光子吸収による面状の加工領域８を形成する。そして、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離を段階的に大きくすることにより、インゴット７の内部に複数の面状の加工領域８を形成する。その加工領域８を剥離面とし、インゴット７の一部を基板として剥離する。
【選択図】 図１

Description

本発明は基板製造方法及び基板製造装置に関するものであり、例えば、インゴットから非常に薄いガラス基板やシリコン基板を得るための基板製造方法及び基板製造装置に関するものである。

インゴットから基板を製造する方法の１つとして、半導体デバイス用ウエハの製造方法が知られている。その方法では、例えばＳｉ(シリコン)結晶又はＧａＡｓ(ガリウムヒ素)結晶から成る円柱状又は角柱状のインゴットを物理的に切断することによってウエハが作製される。インゴットの切断には、ダイヤモンドブレードソーやワイヤーソーを用いた切削加工が一般に採用されているが、ダイヤモンドブレードソーでは枚葉処理に時間がかかるため、現在では複数のワイヤーソーで複数のウエハを同時に作製する方法が主流になっている。しかしながらこれらの切削加工による方法では、１００μｍ以下の薄いウエハを得ることが困難である。また、インゴット加工時の取り代の無駄が多く、インゴットから切り屑が生じてしまう。このような問題を解決するために、レーザー光や超音波等を利用した基板製造方法が特許文献１〜３で提案されている。

特許文献１には、紫外線のエキシマレーザー光を連続発振するエキシマレーザー装置と、エキシマレーザー光をシリコンインゴット表面に集光照射する集光光学系と、を備えた切断装置で、シリコンインゴットを長手方向と垂直に切断する技術が提案されている。連続発振したエキシマレーザー光はシリコンインゴット表面に集光照射され、その結果、局所的に温度上昇が発生する。その温度上昇により生じた熱応力でインゴットを割断することにより、シリコン基板を作製する。

特許文献２には、超音波の焦点をインゴットの表面より内側にくるように超音波発振器を配置し、集中させた超音波の焦点部分でインゴットを破壊し、超音波発振器を移動させることによって、切断面より表面の部分を基板として剥離する技術が提案されている。また特許文献３には、半導体結晶基板に対し、その主表面から水素負イオンを注入することにより水素高濃度層(水素高濃度層は深さ方向の水素濃度プロファイルにおいて主表面から深さ５μｍ以上の位置に濃度ピークを有する。)を形成した後、その水素高濃度層で半導体結晶基板から半導体薄膜を剥離する技術が提案されている。

なお、レーザー加工に関する技術として、特許文献４，５記載の方法が知られている。特許文献４記載の方法は、材料を通過する高エネルギー密度ビームの焦点を材料内の位置に合わせ、材料を局所的にイオン化させることにより、対象物内に局所的な加工領域を形成するマーキング方法である。特許文献５記載の方法は、ウエハ状の加工対象物の内部にレーザー光の集光点を合わせてレーザー照射することによって、加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成し、切断の起点となる領域を形成して加工対象物を切断する方法である。
特開２００２−１８４７２４号公報 特開平８−３９５００号公報 特開２００３−１７７２３号公報 特許第３０２９０４５号公報 特許第３４０８８０５号公報

しかしながら、特許文献１〜５に記載されている技術には以下のような問題がある。特許文献１記載の切断技術においてはシリコン結晶の面方位が重要であり、インゴット材料が雲母状でないと切断は困難である。特許文献２記載の切断技術の場合、超音波は波長が長いためパワーが弱く、加工領域が形成されるレベルに超音波を集中させることは困難である。特許文献３記載の半導体薄膜の製造技術においては、例えば厚さ３０μｍ以上の基板を作製する場合、水素負イオンの注入エネルギーを極めて高くしなければならず、基板に大きなダメージを与えてしまう。したがって、厚さ３０μｍ以上の基板を製造することは困難である。

また、特許文献４，５記載の方法は薄い基板の製造に適していない。しかも、特許文献４記載の方法はガラスに対してのみ有効であり、シリコン等の半導体材料から成るインゴットには適用できない。特許文献５記載の方法は、ウエハ状のシリコンを切断するには有効であるが、その方法で柱状のシリコンインゴットをウエハ状にスライスすることはできない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、切り屑なしに短時間で容易にインゴットから多数枚の薄い基板を剥離して得ることが可能な基板製造方法と、それに用いる基板製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の基板製造方法は、集光レンズでレーザー光の集光点をインゴットの内部に合わせ、そのレーザー光でインゴットを相対的に走査することにより、インゴットの内部に多光子吸収による面状の加工領域を形成し、その加工領域を剥離面としインゴットの一部を基板として剥離する基板製造方法であって、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離を段階的に大きくすることにより、インゴットの内部に複数の前記面状の加工領域を形成することを特徴とする。

第２の発明の基板製造方法は、上記第１の発明において、前記複数の面状の加工領域を形成した後、その加工領域での劈開又は加工領域の溶解により、前記基板の剥離を行うことを特徴とする。

第３の発明の基板製造方法は、上記第１又は第２の発明において、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離が一定になるような調整手段を設置することを特徴とする。

第４の発明の基板製造方法は、上記第３の発明において、前記調整手段は、前記集光レンズでレーザー光の集光点をインゴットの内部に合わせる前に、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離、又は前記インゴットの表面の少なくとも３点で形成される平面から前記集光レンズまでの距離が一定になるように、前記集光レンズに対するインゴットの表面の相対的な傾きを調整する手段であることを特徴とする。

第５の発明の基板製造方法は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離を段階的に大きくする毎にレーザー光のエネルギーを大きくするか、又はレーザー光のエネルギーを一定の大きさに保ちながら前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離を段階的に大きくすることを特徴とする。

第６の発明の基板製造方法は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記インゴットの厚さを以下の式(i)で表される厚さ以下とすることを特徴とする。
Ｚｍａｘ＝ＷＤ{√(ｎ²−ＮＡ²)／√(１−ＮＡ²)} …(i)
ただし、
Ｚｍａｘ：インゴットの厚さ、
ｎ：インゴットの屈折率、
ＷＤ：集光レンズのワーキングディスタンス、
ＮＡ：集光レンズの開口数、
である。

第７の発明の基板製造方法は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記レーザー光がパルスレーザー光であり、そのパルス幅が１μｓ以下であることを特徴とする。

第８の発明の基板製造方法は、上記第１〜第７のいずれか１つの発明において、前記インゴットがシリコンから成り、前記レーザー光の波長が８００ｎｍ以上であることを特徴とする。

第９の発明の基板製造装置は、レーザー光を発振するレーザー光発振装置と、前記レーザー光をインゴットに対して集光させる集光レンズと、前記レーザー光に対するインゴットの相対位置を変化させる第１移動手段と、前記集光レンズに対するインゴットの相対位置を変化させる第２移動手段と、を備え、前記集光レンズでインゴットの内部に集光点が合わされたレーザー光を前記第１移動手段でインゴットに対して相対的に走査させることにより、インゴットの内部に多光子吸収による面状の加工領域を形成し、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離を前記第２移動手段で段階的に大きくすることにより、前記面状の加工領域をインゴットの内部に複数形成することを特徴とする。

第１０の発明の基板製造装置は、上記第９の発明において、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離が一定になるような調整手段を更に備えたことを特徴とする。

第１１の発明の基板製造装置は、上記第１０の発明において、前記調整手段は、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離が段階的に大きくなる毎に、前記レーザー光発振装置から発振されるレーザー光のエネルギーが大きくなるか、又は前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離が段階的に大きくなっても、前記レーザー光発振装置から発振されるレーザー光のエネルギーが一定の大きさに保たれる手段であることを特徴とする。

第１２の発明の基板製造装置は、上記第９〜第１１のいずれか１つの発明において、前記インゴットの厚さを以下の式(i)で表される厚さ以下とすることを特徴とする。
Ｚｍａｘ＝ＷＤ{√(ｎ²−ＮＡ²)／√(１−ＮＡ²)} …(i)
ただし、
Ｚｍａｘ：インゴットの厚さ、
ｎ：インゴットの屈折率、
ＷＤ：集光レンズのワーキングディスタンス、
ＮＡ：集光レンズの開口数、
である。

第１３の発明の基板製造装置は、上記第９〜第１２のいずれか１つの発明において、前記レーザー光発振装置から発振されるレーザー光が、パルス幅１μｓ以下のパルスレーザー光であることを特徴とする。

第１４の発明の基板製造装置は、上記第９〜第１３のいずれか１つの発明において、前記インゴットがシリコンから成り、前記レーザー光発振装置から発振されるレーザー光の波長が８００ｎｍ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離を段階的に大きくすることにより、インゴットの内部に複数の面状の加工領域を形成する構成になっているため、切り屑なしに短時間で容易にインゴットから多数枚の薄い基板を剥離して得ることができる。特に、レーザー照射と基板の剥離とを交互に行う必要がないため、製造時間を大幅に短縮することができる。また、本発明に係る基板製造方法や基板製造装置を使用すれば、１つのインゴットから複数枚の１００μｍ厚程度の薄い基板を得ることが可能である。例えば、ガラスインゴットからは非常に薄いガラス基板を得ることができ、液晶のＴＦＴパネルや薄膜太陽電池の基材として用いることが可能である。シリコンインゴットからは非常に薄いシリコン基板を得ることができ、ＩＣやシリコン太陽電池の基材として用いることが可能である。

以下、本発明に係る基板製造方法及び基板製造装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、第１の実施の形態に係る基板製造装置の概略構成を示す。図１において、１はレーザー光発振装置、２は加工用のレーザー光、３はビームスプリッター、４はビーム整形光学系、５はビームスプリッター、６は集光レンズ、７は柱形のインゴット、８は加工領域、９はＸステージ、１０はＹステージ、１１はＺステージ、１２は傾斜ステージ、１３はＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラ、１４はＨｅ−Ｎｅレーザー光源、１５は調整用のレーザー光、１６は反射部材である。なお、Ｘステージ９，Ｙステージ１０，Ｚステージ１１の各移動方向は、互いに直交するＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向である。したがって、後述する加工領域８はＸＹ平面に対して平行に形成される。

図１に示す基板製造装置は、主要な構成要素として、レーザー光２を発振するレーザー光発振装置１と、レーザー光２をインゴット７に対して集光させる集光レンズ６と、レーザー光２に対するインゴット７の相対位置を変化させるＸ，Ｙステージ９，１０と、集光レンズ６に対するインゴット７の相対位置を変化させるＺステージ１１と、を備えている。Ｘ，Ｙステージ９，１０は、第１移動手段としてＸ，Ｙ方向へ移動可能に構成されており、Ｘ，Ｙ方向への移動によってレーザー光２をインゴット７に対して相対的に走査させる。したがって、集光レンズ６でインゴット７の内部に集光点が合わされたレーザー光２を、Ｘ，Ｙステージ９，１０でＸ，Ｙ方向に走査させることにより、インゴット７の内部に多光子吸収による面状の加工領域８を形成することができる。Ｚステージ１１は、第２移動手段としてＺ方向へ移動可能に構成されており、Ｚ方向への移動によってインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを段階的に大きくする。したがって、その距離Ｚが大きくなる毎に上記面状の加工領域８を形成することにより、インゴット７の内部に複数の面状の加工領域８を形成することができる。

また、図１に示す基板製造装置は、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚが一定になるように(つまりインゴット７の表面がＸＹ平面に対して平行な状態になるように)、集光レンズ６に対するインゴット７の表面の相対的な傾きを調整する調整手段を備えている。その調整手段は、傾斜ステージ１２，ＣＣＤカメラ１３，Ｈｅ−Ｎｅレーザー光源１４等で構成されている。Ｈｅ−Ｎｅレーザー光源１４は、レーザー光１５を放射するレーザー装置である。傾斜ステージ１２はインゴット７の傾き角度を変化させるために傾斜可能(矢印Ｒ)に構成されており、ＣＣＤカメラ１３はインゴット７で反射したレーザー光１５をモニタするための受光装置である。なお、インゴット７の表面状態に応じて、インゴット７の表面の少なくとも３点で形成される平面から集光レンズ６までの距離Ｚが一定になるように(つまりインゴット７の表面の少なくとも３点で形成される平面がＸＹ平面に対して平行な状態になるように)、集光レンズ６に対するインゴット７の表面の相対的な傾きを調整するように構成してもよい。また、Ｚステージと連動したオートフォーカス機能を設け、Ｚステージまたは集光レンズの位置を調整することにより、集光レンズ６とインゴット７表面間の距離を一定に保つようにしてもよい。

次に、上記基板製造装置を使用して行う基板製造方法を説明する。まず、製造する基板の材料となるインゴット７を、傾斜ステージ１２上にセットする。この傾斜ステージ１２は、Ｘ，Ｙ，Ｚステージ９，１０，１１上に搭載されている。上述したように、傾斜ステージ１２は傾斜可能に構成されており、Ｘ，Ｙ，Ｚステージ９，１０，１１は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向へそれぞれ移動可能に構成されている。したがってインゴット７は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向への位置調整と傾斜調整とが可能である。なお、各ステージ９〜１２の移動によってインゴット７にブレが発生しないように、傾斜ステージ１２に対するインゴット７の固定を確実にしておく必要がある。

傾斜ステージ１２上にインゴット７をセットしたら、集光レンズ６に対するインゴット７の表面の相対的な傾きを、前述した調整手段を使用して調整する。ここでまず、ビームスプリッター３等を用いて、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光源１４とレーザー光発振装置１とを光軸が一致するように調整しておく。この調整が完了したら、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光源１４からレーザー光１５を発振させる。レーザー光１５は、反射部材１６，ビームスプリッター３で反射され、ビーム整形光学系４を透過することにより所定サイズの平行光となる。そして、ビームスプリッター５で反射された後、集光レンズ６を通過することによってインゴット７の表面に照射される。インゴット７で反射されたレーザー光１５は、集光レンズ６とビームスプリッター５を透過して、ＣＣＤカメラ１３に入射する。

レーザー光１５がＣＣＤカメラ１３に入射することにより、インゴット７の表面でのレーザー光１５のスポット状態がＣＣＤカメラ１３で観察可能となる。Ｚステージ１１の移動と傾斜ステージ１２の傾き調整を行うことにより、レーザー光１５のスポット径が所定位置で最も小さくなるようにする(このときインゴット７の表面に集光レンズ６の焦点が合った状態とする。)。その結果、集光レンズ６とインゴット７との間隔が集光レンズ６のワーキングディスタンスと一致するように設定され、また、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚが一定になる(このときインゴット７の表面がＸＹ平面に対して平行な状態になる)。なお、上記調整手段を用いた調整は手動操作により行ってもよく、自動操作により行ってもよい。

次に、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚが初期値Ｚ０となるように、Ｚステージ１１を上昇させる。本実施の形態では、これをＺステージ１１を上昇させることにより行うが、集光レンズ６を下降させることにより行ってもよい。また、初期値Ｚ０は理想的には０であるが、集光レンズ６とインゴット７の表面との接触を防ぐ必要があるので、インゴット７の表面の平面度やＺステージ１１のＺ方向への移動による上下方向のブレ等を考慮した数値に設定する必要がある。

Ｚステージ１１を所定の場所に移動させた後、レーザー光発振装置１からレーザー光２を発振させる。レーザー光２はビームスプリッター３を透過した後、ビーム整形光学系４に入射する。このビーム整形光学系４は、ビームエキスパンダー，ＤＯＥ(Diffractive Optical Element)等の光学素子で構成され、レーザー光２のビーム径や面内強度分布等を調整するために、必要に応じて配置される。ビーム整形光学系４を通過することにより所定サイズの平行光となったレーザー光２は、ビームスプリッター５で反射された後、集光レンズ６に入射する。

レーザー光２は、集光レンズ６を通過することによって、インゴット７内部の所定の位置に集光される。レーザー光２の集光点付近は多光子吸収によって局所的に加熱され、原子間の結合が切断されやすい状態に加工される。例えばインゴット７がシリコンから成る場合には、シリコン結合が切断されやすい状態に加工される。レーザー光２の集光点をインゴット７内部に持つためには、レーザー光２がインゴット７の材料に対して半透明から透明である必要があり、また、集光性を良好にするような条件を採用することが望ましい。例えばインゴット７がシリコンから成る場合、レーザー光２の波長が８００ｎｍ以上であることが望ましく、集光性を考慮するとレーザー光２の波長が２μｍ以下であることが望ましい。集光性は集光レンズ６にも依存する。したがって集光レンズ６としては、高ＮＡ(numerical aperture)であって集光特性が良好なレンズ、例えば赤外用の高倍率対物レンズを用いることが望ましい。また、レーザー光２をパルスレーザー光とし、そのパルス幅を１μｓ以下とするのが望ましい。この条件を満たすことにより、加工に必要なエネルギーを得ることができる。

次に、Ｘ，Ｙステージ９，１０をＸ，Ｙ方向に移動させることにより、レーザー光２でインゴット７を相対的に走査すると、インゴット７の内部に多光子吸収による面状の加工領域８が形成される。本実施の形態では上記ＸＹ走査において集光レンズ６は移動しないが、インゴット７の位置固定状態において集光レンズ６をＸ，Ｙ方向に移動させてもよく、集光レンズ６とインゴット７の双方をＸ，Ｙ方向に移動させてもよい。また、Ｘ，Ｙステージ９，１０の代わりに回転ステージを用い、集光レンズ６をインゴット７の中心から外周に向けて移動させてもよく、あるいは集光レンズ６を外周から中心に向けて移動させてもよい。

上記のようにして面状の加工領域８を１面形成したら、次にＺステージ１１を下降させることによって、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを所定量Ｚ１だけ大きくする。そして再び、Ｘ，Ｙステージ９，１０をＸ，Ｙ方向に移動させることにより、レーザー光２でインゴット７を相対的に走査する。この第２のＸＹ走査により、第２の面状の加工領域８が形成される。その後も同様に、Ｚステージ１１を所定量Ｚ１ずつ下降させてＸＹ走査を行う。つまり、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを段階的に大きくすることにより、インゴット７の内部に複数の面状の加工領域８を形成する。インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚの値は、最大でも集光レンズ６のワーキングディスタンスよりも小さくする必要があるので、ワーキングディスタンスの大きい集光レンズ６を用いる方が好ましい。

本実施の形態では、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを段階的に大きくすることにより、インゴット７の内部に複数の面状の加工領域８を形成しているが、これとは逆に、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを段階的に小さくした場合でも、インゴット７の内部に複数の面状の加工領域８を形成することは可能である。しかしその場合、既に形成されている面状の加工領域８をレーザー光２が通過することになるため、レーザー光２が不作為に屈折したり散乱したりして、形成される面状の加工領域８の状態が不均一になってしまう。

インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを段階的に大きくする毎にレーザー光２のエネルギーを大きくするか、又はレーザー光２のエネルギーを一定の大きさに保ちながらインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを段階的に大きくすることが好ましい。例えば、距離Ｚを段階的に大きくする毎にレーザー光２のパルスエネルギーを大きくすると、インゴット７の表面から近い面状の加工領域８ほどインゴット７を構成する原子間の結合を大きなエネルギーで切断することになる。その結果、加工領域８を剥離面としインゴット７の一部を基板として剥離しやすくなる。つまり、後で述べる枚葉にウエハを得る方法を用いる場合、剥離が行いやすくなる。レーザー光２のパルスエネルギーを距離Ｚによらず同じにした場合でも、レーザー光２がインゴット７を通過する距離が長くなるほどレーザー光２の減衰が大きくなるため、インゴット７の表面から近い面状の加工領域８ほどインゴット７を構成する原子間の結合を大きなエネルギーで切断することになる。したがって、上記と同様に剥離が行いやすくなる。

上記のようにして複数の面状の加工領域８を形成した後、面状の加工領域８を剥離面としインゴット７の一部を基板として剥離すると、１つのインゴット７から複数の基板を得ることができる。インゴット７の一部をウエハ状の基板として剥離するには、インゴット７の表面を真空チャック，静電チャック，ベルヌーイ法等を用いて保持し、面状の加工領域８を剥離面として枚葉にウエハを剥離すればよい。この方法を用いてウエハを得る場合、前述したようにレーザー光２のパルスエネルギー制御を行えば、インゴット７の上から順番に１枚ずつ剥離することが可能である。

面状の加工領域８での劈開又は加工領域の溶解により基板の剥離を行ってもよい。例えば、面状の加工領域８に対するウォータージェットや高圧気体の吹き付け等より、加工領域８での劈開により基板の剥離を行ってもよい。また例えば、アルカリ溶液中にインゴット７を浸し、加工領域８のエッチング速度が未加工領域に比べて速いことを利用して加工領域８を溶かすことにより、インゴット７から複数の基板を得る方法を用いてもよい。このとき、アルカリ溶液の滲入を促進するために、インゴット７の任意点において面状の加工領域８に対し垂直に貫通孔を形成してもよい。

次に、加工可能なインゴット７の厚さＺｍａｘ及びウエハ厚ｔを説明する。レーザー光２の入射角ｓ０と屈折角ｓ１との間には以下の式(F1),(F2)で表される関係があり、レーザー光２のビーム半径については以下の式(F3)で表される関係がある。
ｓｉｎ(ｓ０)＝ＮＡ …(F1)
ｓｉｎ(ｓ０)／ｓｉｎ(ｓ１)＝ｎ …(F2)
ｒ０＝ＷＤ×ｔａｎ(ｓ０) …(F3)
ただし、
ｓ０：インゴット表面に対するレーザー光の入射角、
ｓ１：インゴット表面でのレーザー光の屈折角、
ｎ：インゴットの屈折率、
ｒ０：集光レンズから出射直後のビーム半径、
ＮＡ：集光レンズの開口数、
ＷＤ：集光レンズのワーキングディスタンス、
である。

インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚが０のとき、集光点の位置は最も深くなるので、加工可能なインゴット７の厚さＺｍａｘは以下の式(i)で表される。１つのインゴット７から多数枚のインゴット７を有効に得るために、インゴット７の厚さはＺｍａｘ近傍であることが望ましい。これより薄くても厚くても加工は可能であるが、厚い場合にはインゴット７下部に未加工領域が形成される。したがって、インゴットの厚さを以下の式(i)で表される厚さ以下とすることが望ましい。
Ｚｍａｘ＝ＷＤ{√(ｎ²−ＮＡ²)／√(１−ＮＡ²)} …(i)
ただし、
Ｚｍａｘ：インゴットの厚さ、
ｎ：インゴットの屈折率、
ＷＤ：集光レンズのワーキングディスタンス、
ＮＡ：集光レンズの開口数、
である。

また、ウエハ厚ｔは以下の式(F4)で表される。加工領域８の厚さｔ１は、インゴット７の屈折率ｎ，開口数ＮＡ及びレーザー光２のパルスエネルギーに依存し、屈折率ｎ及びレーザー光２のパルスエネルギーが大きいほど大きくなり、開口数ＮＡが大きいほど小さくなる。
ｔ＝Ｚ１×√{(ｎ²−ＮＡ²)／(１−ＮＡ²)}−ｔ１ …(F4)
ただし、
ｔ：ウエハ厚、
Ｚ１：インゴットの表面から集光レンズまでの距離の段階的な増大量、
ｎ：インゴットの屈折率、
ＮＡ：集光レンズの開口数、
ｔ１：面状の加工領域の厚さ、
である。

図２に、第２の実施の形態に係る基板製造装置の概略構成を示す。この基板製造装置は、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを一定にするための傾き調整手段を備えていないが、それ以外は第１の実施の形態と同様の構成になっている。したがって、第１の実施の形態と同様の構成により同様の作用効果が得られる。以下に、第２の実施の形態に係る基板製造方法を説明する。なお、第１の実施の形態と同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

まず、製造する基板の材料となるインゴット７を、Ｚステージ１１上にセットする。そして、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚが初期値Ｚ０となるように、Ｚステージ１１を上昇させる。Ｚステージ１１を所定の場所に移動させた後、レーザー光発振装置１からレーザー光２を発振させる。レーザー光２はビーム整形光学系４を通過し、反射部材１７で反射された後、集光レンズ６に入射する。そして、集光レンズ６を通過することによって、インゴット７内部の所定の位置に集光される。レーザー光２の集光点付近は多光子吸収によって局所的に加熱され、例えばインゴット７がシリコンから成る場合には、シリコン結合が切断されやすい状態に加工される。

次に、Ｘ，Ｙステージ９，１０をＸ，Ｙ方向に移動させることにより、レーザー光２でインゴット７を相対的に走査すると、インゴット７の内部に多光子吸収による面状の加工領域８が形成される。上記のようにして面状の加工領域８を１面形成したら、次にＺステージ１１を下降させることによって、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを所定量Ｚ１だけ大きくする。そして再び、Ｘ，Ｙステージ９，１０をＸ，Ｙ方向に移動させることにより、レーザー光２でインゴット７を相対的に走査する。この第２のＸＹ走査により、第２の面状の加工領域８が形成される。その後も同様に、Ｚステージ１１を所定量Ｚ１ずつ下降させてＸＹ走査を行う。つまり、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを段階的に大きくすることにより、インゴット７の内部に複数の面状の加工領域８を形成する。このようにして複数の面状の加工領域８を形成した後、面状の加工領域８を剥離面としインゴット７の一部を基板として剥離すると、１つのインゴット７から複数の基板を得ることができる。

第２の実施の形態(図２)の場合、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚが一定になるようにするための、インゴット７の傾きを調整する調整手段が設けられていない。このため、インゴット７の表面のうねりやステージ９〜１１の傾きの影響を受けて、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚが不均一になる。これは面状の加工領域８に反りを発生させる原因となる。また、インゴット７がシリコンから成る場合、その屈折率が大きいため、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚのバラツキの約５倍の大きさの反りやうねりが面状の加工領域８に発生することになる。しかしながら、この反りやうねりは面状の加工領域８全てに発生するため、得られる基板の厚さは均一である。また、前記調整手段を用いた調整を行わない構成であるため、高速に加工を行うことが可能になるという利点がある。

以下、本発明を実施した基板製造方法及び基板製造装置を、データを挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１，２は、前記第１の実施の形態(図１)に対応する構成を数値実施例として具体化したものであり、実施例３は前記第２の実施の形態(図２)に対応する構成を数値実施例として具体化したものである。

《実施例１》
実施例１の製造工程を図３を参照しながら説明する。図３は、第１の実施の形態に係る基板製造装置(図１)を用いて基板を製造する実施例１の製造工程を示している。ここで使用する基板製造装置とインゴット７の仕様を以下に示す。当然のことながら数値は下記のものに限定されるものではない。
[レーザー光発振装置１]
Ｎｄ−ＹＡＧレーザー，波長＝１０６４ｎｍ，パルス幅＝１４０ｎｓ，平均出力＝１Ｗ，繰り返し周波数＝５００ｋＨｚ
[集光レンズ６]
倍率＝１００倍，ＮＡ＝０．７０，ＷＤ＝６．５ｍｍ
[Ｘ，Ｙステージ９，１０]
ＸＹステージ走査速度：５００ｍｍ／ｓ
[インゴット７]
材料：シリコン，大きさ＝１００ｍｍ□，厚さ＝１．７ｍｍ

最初に、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを、Ｚステージ１１の移動によってワーキングディスタンスＷＤ：６．５ｍｍにし、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光１５のスポット径が所定位置で最も小さくなるように、傾斜ステージ１２の傾き調整を行う。これにより、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを一定にする{図３(Ａ)}。傾斜ステージ１２を調整した後、Ｚステージ１１を上昇させ、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを初期値Ｚ０：６．２ｍｍにする{図３(Ｂ)}。この状態でレーザー光発振装置１から発振したレーザー光２を上記条件でシリコンインゴット７に照射する。この条件の場合、シリコンインゴット７の表面から深さ約１．５ｍｍの位置に焦点が合い、その集光点付近に多光子吸収による改質領域(加工領域)８が形成される。Ｘ，Ｙステージ９，１０でＸＹ走査を行うことによりインゴット全面にレーザー光２を照射すると、多光子吸収による厚さ５０μｍ程度の面状の加工領域８が形成される{図３(Ｃ)}。

次にＺステージ１１を３０μｍ下降させ、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを６．２３ｍｍにする。Ｚステージ１１が３０μｍ下降することにより、集光点の位置が１５０μｍ程度上昇する。その後、Ｘ，Ｙステージ９，１０でＸＹ走査を行うことによりインゴット全面にレーザー光２を照射すると、最初に形成した面状の加工領域８から１５０μｍ程度上の位置に、厚さ５０μｍ程度の面状の加工領域８が形成される{図３(Ｄ)}。このように、Ｚステージ１１の下降、ＸＹステージ９，１０でのＸＹ走査を繰り返し、複数の面状の加工領域８をシリコンインゴット７の内部に形成する{図３(Ｅ)}。本実施例の場合、１．７ｍｍの厚さのインゴット１個で１０箇所程度の面状の加工領域８を形成することが可能である。最後に、面状の加工領域８を剥離面とする剥離処理を行って、シリコンインゴット７から複数のシリコン基板を得る。剥離の方法は前述した通りである。

本実施例で用いている波長１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザーは、一般的に用いられているものである。しかし、シリコンは１０６４ｎｍの光をわずかながら吸収し、図４のグラフに示すように、１０６４ｎｍの光が厚さ１．５ｍｍのシリコン基板を通過すると入射前後で１０％程度に減衰する。したがって、シリコンインゴットに対して波長１０６４ｎｍのレーザー光を用いる場合には、シリコンインゴットを１．５ｍｍ以下の厚さにすることが望ましい。

《実施例２》
前述の実施例１では、レーザーとして一般的なＮｄ−ＹＡＧレーザーを用いている。したがって装置価格が安価であり、レーザーが入手しやすいという利点もある。その反面、シリコンは１０６４ｎｍの光に対して吸収があるため(図４)、インゴット１個から得られる基板の枚数が少ないという問題がある。そこで、実施例２では、シリコンに対してほぼ透明な波長１３４０ｎｍのＮｄ−ＶＡＮレーザーを用いて、シリコンインゴットの加工を行う構成を採用している。

実施例２の製造工程を図５を参照しながら説明する。図５は、第１の実施の形態に係る基板製造装置(図１)を用いて基板を製造する実施例２の製造工程を示している。ここで使用する基板製造装置とインゴット７の仕様を以下に示す。当然のことながら数値は下記のものに限定されるものではない。また比較のために、用いる集光レンズ６，ステージ９〜１２の仕様は実施例１と同様にしている。

[レーザー光発振装置１]
Ｎｄ−ＶＡＮレーザー，波長＝１３４０ｎｍ，パルス幅＝１０ｐｓ，平均出力＝０．５Ｗ，繰り返し周波数＝１ＭＨｚ
[集光レンズ６]
倍率＝１００倍，ＮＡ＝０．７０，ＷＤ＝６．５ｍｍ
[Ｘ，Ｙステージ９，１０]
ＸＹステージ走査速度：５００ｍｍ／ｓ
[インゴット７]
材料：シリコン，大きさ＝１００ｍｍ□，厚さ＝３０ｍｍ

最初に、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを、Ｚステージ１１の移動によってワーキングディスタンスＷＤ：６．５ｍｍにし、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光１５のスポット径が所定位置で最も小さくなるように、傾斜ステージ１２の傾き調整を行う。これにより、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを一定にする{図５(Ａ)}。傾斜ステージ１２を調整した後、Ｚステージ１１を上昇させ、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを初期値Ｚ０：０．５ｍｍにする{図５(Ｂ)}。この距離Ｚ０が小さければ小さいほど作製される基板の枚数が多くなるが、Ｚステージ１１のブレ等に起因するシリコンインゴット７と集光レンズ６との衝突を避ける必要があるため、本実施例では０．５ｍｍとする。この状態でレーザー光発振装置１から発振したレーザー光２を上記条件でシリコンインゴット７に照射する。この条件の場合、シリコンインゴット７の表面から深さ約３０ｍｍの位置に焦点が合い、その集光点付近に多光子吸収による改質領域(加工領域)８が形成される。Ｘ，Ｙステージ９，１０でＸＹ走査を行うことによりインゴット全面にレーザー光２を照射すると、多光子吸収による厚さ５０μｍ程度の面状の加工領域８が形成される{図５(Ｃ)}。

次にＺステージ１１を３０μｍ下降させ、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを０．５３ｍｍにする。Ｚステージ１１が３０μｍ下降することにより、集光点の位置が１５０μｍ程度上昇する。その後、Ｘ，Ｙステージ９，１０でＸＹ走査を行うことによりインゴット全面にレーザー光２を照射すると、最初に形成した面状の加工領域８から１５０μｍ程度上の位置に、厚さ５０μｍ程度の面状の加工領域８が形成される。このように、Ｚステージ１１の下降、ＸＹステージ９，１０でのＸＹ走査を繰り返し、複数の面状の加工領域８をシリコンインゴット７の内部に形成する{図５(Ｄ)}。本実施例の場合、３０ｍｍの厚さのインゴット１個で２００箇所程度の面状の加工領域８を形成することが可能である。最後に、面状の加工領域８を剥離面とする剥離処理を行って、シリコンインゴット７から複数のシリコン基板を得る。剥離の方法は前述した通りである。

《実施例３》
実施例３は、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを一定にするための傾き調整手段を備えていないタイプの基板製造装置(図２)に係るものである。ここで使用する基板製造装置とインゴット７の仕様を以下に示す。当然のことながら数値は下記のものに限定されるものではない。また比較のために、用いる集光レンズ６，ステージ９〜１１の仕様は実施例２と同様にしており、以下の説明では図５を参照することにする。

[レーザー光発振装置１]
Ｎｄ−ＶＡＮレーザー，波長＝１３４０ｎｍ，パルス幅＝１０ｐｓ，平均出力＝０．５Ｗ，繰り返し周波数＝１ＭＨｚ
[集光レンズ６]
倍率＝１００倍，ＮＡ＝０．７０，ＷＤ＝６．５ｍｍ
[Ｘ，Ｙステージ９，１０]
ＸＹステージ走査速度：１００ｍｍ／ｓ
[インゴット７]
材料：シリコン，大きさ＝５００ｍｍ□，厚さ＝３０ｍｍ

まずＺステージ１１を上昇させ、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを初期値Ｚ０：約０．５ｍｍとなるように設定する{図５(Ｂ)}。この状態でレーザー光発振装置１から発振したレーザー光２を上記条件でシリコンインゴット７に照射する。この条件の場合、シリコンインゴット７の表面から深さ約３０ｍｍの位置に焦点が合い、その集光点付近に多光子吸収による改質領域(加工領域)８が形成される。Ｘ，Ｙステージ９，１０でＸＹ走査を行うことによりインゴット全面にレーザー光２を照射すると、多光子吸収による厚さ５０μｍ程度の面状の加工領域８が形成される{図５(Ｃ)}。

次にＺステージ１１を３０μｍ下降させ、シリコンインゴット７の表面から集光レンズ６までの距離Ｚを０．５３ｍｍにする。Ｚステージ１１が３０μｍ下降することにより、集光点の位置が１５０μｍ程度上昇する。その後、Ｘ，Ｙステージ９，１０でＸＹ走査を行うことによりインゴット全面にレーザー光２を照射すると、最初に形成した面状の加工領域８から１５０μｍ程度上の位置に、厚さ５０μｍ程度の面状の加工領域８が形成される。このように、Ｚステージ１１の下降、ＸＹステージ９，１０でのＸＹ走査を繰り返し、複数の面状の加工領域８をシリコンインゴット７の内部に形成する{図５(Ｄ)}。本実施例の場合、３０ｍｍの厚さのインゴット１個で２００箇所程度の面状の加工領域８を形成することが可能である。最後に、面状の加工領域８を剥離面とする剥離処理を行って、シリコンインゴット７から複数のシリコン基板を得る。剥離の方法は前述した通りである。

図６に、実施例３により得られるインゴット７の断面構造を模式的に示す。インゴット７がシリコンから成る場合、インゴット７の表面から集光レンズ６までの距離ＺのバラツキをＺａ１とすると、面状の加工領域８のバラツキＺａ２はバラツキＺａ１の約５倍となる。しかしながら、このバラツキＺａ２は面状の加工領域８全てに発生するため、得られる基板の厚さｔ１は均一である。例えば太陽電池用のシリコンには、実施例３で得られるような反りのあるシリコン基板を適用することも可能である。

第１の実施の形態(実施例１，２)に係る基板製造装置を示す概略構成図。 第２の実施の形態(実施例３)に係る基板製造装置を示す概略構成図。 実施例１の製造工程を説明するための模式図。 シリコンインゴットの厚さとレーザー光(波長１０６４ｎｍ)の透過率との関係を示すグラフ。 実施例２の製造工程を説明するための模式図。 実施例３によりインゴット内部に形成される加工領域を模式的に示す断面図。

符号の説明

１ レーザー光発振装置
２ レーザー光
６ 集光レンズ
７ インゴット
８ 加工領域
９ Ｘステージ
１０ Ｙステージ
１１ Ｚステージ
１２ 傾斜ステージ
１３ ＣＣＤカメラ
１４ Ｈｅ−Ｎｅレーザー
１５ レーザー光

Claims (14)

1. 集光レンズでレーザー光の集光点をインゴットの内部に合わせ、そのレーザー光でインゴットを相対的に走査することにより、インゴットの内部に多光子吸収による面状の加工領域を形成し、その加工領域を剥離面としインゴットの一部を基板として剥離する基板製造方法であって、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離を段階的に大きくすることにより、インゴットの内部に複数の前記面状の加工領域を形成することを特徴とする基板製造方法。
2. 前記複数の面状の加工領域を形成した後、その加工領域での劈開又は加工領域の溶解により、前記基板の剥離を行うことを特徴とする請求項１記載の基板製造方法。
3. 前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離が一定になるような調整手段を設置することを特徴とする請求項１又は２記載の基板製造方法。
4. 前記調整手段は、前記集光レンズでレーザー光の集光点をインゴットの内部に合わせる前に、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離、又は前記インゴットの表面の少なくとも３点で形成される平面から前記集光レンズまでの距離が一定になるように、前記集光レンズに対するインゴットの表面の相対的な傾きを調整する手段であることを特徴とする請求項３記載の基板製造方法。
5. 前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離を段階的に大きくする毎にレーザー光のエネルギーを大きくするか、又はレーザー光のエネルギーを一定の大きさに保ちながら前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離を段階的に大きくすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の基板製造方法。
6. 前記インゴットの厚さを以下の式(i)で表される厚さ以下とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の基板製造方法；
   Ｚｍａｘ＝ＷＤ{√(ｎ²−ＮＡ²)／√(１−ＮＡ²)} …(i)
   ただし、
   Ｚｍａｘ：インゴットの厚さ、
   ｎ：インゴットの屈折率、
   ＷＤ：集光レンズのワーキングディスタンス、
   ＮＡ：集光レンズの開口数、
   である。
7. 前記レーザー光がパルスレーザー光であり、そのパルス幅が１μｓ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の基板製造方法。
8. 前記インゴットがシリコンから成り、前記レーザー光の波長が８００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の基板製造方法。
9. レーザー光を発振するレーザー光発振装置と、前記レーザー光をインゴットに対して集光させる集光レンズと、前記レーザー光に対するインゴットの相対位置を変化させる第１移動手段と、前記集光レンズに対するインゴットの相対位置を変化させる第２移動手段と、を備え、前記集光レンズでインゴットの内部に集光点が合わされたレーザー光を前記第１移動手段でインゴットに対して相対的に走査させることにより、インゴットの内部に多光子吸収による面状の加工領域を形成し、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離を前記第２移動手段で段階的に大きくすることにより、前記面状の加工領域をインゴットの内部に複数形成することを特徴とする基板製造装置。
10. 前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離が一定になるような調整手段を更に備えたことを特徴とする請求項９記載の基板製造装置。
11. 前記調整手段は、前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離が段階的に大きくなる毎に、前記レーザー光発振装置から発振されるレーザー光のエネルギーが大きくなるか、又は前記インゴットの表面から前記集光レンズまでの距離が段階的に大きくなっても、前記レーザー光発振装置から発振されるレーザー光のエネルギーが一定の大きさに保たれる手段であることを特徴とする請求項１０記載の基板製造装置。
12. 前記インゴットの厚さを以下の式(i)で表される厚さ以下とすることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の基板製造装置；
    Ｚｍａｘ＝ＷＤ{√(ｎ²−ＮＡ²)／√(１−ＮＡ²)} …(i)
    ただし、
    Ｚｍａｘ：インゴットの厚さ、
    ｎ：インゴットの屈折率、
    ＷＤ：集光レンズのワーキングディスタンス、
    ＮＡ：集光レンズの開口数、
    である。
13. 前記レーザー光発振装置から発振されるレーザー光が、パルス幅１μｓ以下のパルスレーザー光であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の基板製造装置。
14. 前記インゴットがシリコンから成り、前記レーザー光発振装置から発振されるレーザー光の波長が８００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の基板製造装置。

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