JP2005294656A - 基板製造方法及び基板製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インゴットからできる限り少ない切り代で容易に薄い基板を分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５の集光点をインゴット１の内部に合わせ、そのレーザー光５でインゴット１を相対的に走査することにより、インゴット１の内部に面状の加工領域１ａを形成し、その加工領域１ａを剥離面としインゴット１の一部を基板２として剥離する。基板２の剥離は、インゴット１においてレーザー光５の照射を受けた面とは反対側の面から行う。
【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機械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切断して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切り代の無駄が多く、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内部を局所的に破壊し、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(Ｓｉ単結晶基板等)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約１０μｍの位置に濃度ピークを有する。)を形成した後、基板を加熱して水素を析出させることにより、水素高濃度層で半導体結晶基板から半導体薄膜(Ｓｉ単結晶薄膜等)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切断の起点となる改質領域を形成し、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記載の切断技術によると、熱応力で割断が生じるのはインゴット表面近傍のみであり、その後の切断はインゴットの劈開性を利用することになる。したがって、インゴットが雲母等のように劈開性の高い材料の場合には面状に切断できるが、Ｓｉ単結晶のように劈開性が高くない場合には、面状に切断することは困難である。しかも、インゴットの寸法が大きくなるほど、一定の面で劈開することが更に困難となる。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微小な加工領域を形成することは困難である。したがって、切り代を低減することは困難である。また、エネルギーが少ないため、プラスチック等の比較的やわらかい材料は加工できても、Ｓｉ等の硬い材料の加工は困難である。

特許文献３記載の半導体薄膜の製造技術では、水素高濃度層の位置が注入される水素負イオンのエネルギーで規定されることから、深さ１０μｍ以上の位置に水素高濃度層を形成しようとすると、負イオンの注入エネルギーを極めて高エネルギーにしなければならず、巨大なイオン注入装置が必要となる。また、水素負イオンのエネルギーが高くなると、Ｓｉ単結晶基板へのダメージが大きくなり、基板の特性が劣化して使用できなくなる。特許文献４記載の方法はガラス等の透明材料の内部にマーキングを形成する場合には有効であり、特許文献５記載の方法は約５０μｍ程度の非常に薄い基板を切断する場合には有効である。しかし、いずれもインゴットのような塊状の材料をスライスして薄い基板を製造するのには適していない。

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、インゴットからできる限り少ない切り代で容易に薄い基板を分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、前記インゴットにおいてレーザー光の照射を受けた面とは反対側の面から前記基板の剥離を行うことを特徴とする。

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、前記インゴットがシリコンから成り、前記レーザー光の波長が１μｍ以上であ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１〜第３のいずれか１つの発明において、前記基板の剥離を行う前に、前記剥離の起点となる切欠きをインゴットに形成することを特徴とする。

第５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、前記インゴット，レーザー装置，集光レンズのうちの少なくとも１つを移動させるための移動手段と、を少なくとも具備し、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、インゴットにおいてレーザー光の照射を受けた面とは反対側の面から前記基板の剥離を行うことを特徴とする。

第６の発明の基板製造装置は、上記第５の発明において、前記レーザー装置がパルスレーザー装置であり、そこから発振されるレーザー光のパルス幅が１μｓ以下であることを特徴とする。

第７の発明の基板製造装置は、上記第５又は第６の発明において、前記インゴットがシリコンから成り、前記レーザー装置から発振されるレーザー光の波長が１μｍ以上であることを特徴とする。

第８の発明の基板製造装置は、上記第５〜第７のいずれか１つの発明において、さらに前記加工領域の形成後に前記基板を保持する保持手段を備え、その保持状態で前記基板の剥離を行うことを特徴とする。

本発明によれば、インゴットにおいてレーザー光の照射を受けた面とは反対側の面から基板の剥離を行う構成になっているため、インゴットから少ない切り代で容易に薄い基板を分離して得ることができる。剥離時にインゴット表面の粗度が劣化したとしても、レーザー光はそのインゴット表面を通らずに次の加工領域を形成するので、次のレーザー照射に影響を与えずに連続して基板を形成することができる。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や太陽電池の基板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、本発明の一実施の形態に係る基板製造装置３の概略構成を示す。この基板製造装置３は、集光レンズ６でレーザー光５の集光点をインゴット１の内部に合わせ、そのレーザー光５でインゴット１を相対的に走査することにより、インゴット１の内部に面状の加工領域１ａを形成し、その加工領域１ａを剥離面としインゴット１の一部を基板２として剥離するインゴット切断装置である。なお以下の説明では、互いに直交するＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向に関し、面状の加工領域１ａをインゴット１の内部に形成する際の相対的な走査がＸＹ平面に沿って行われるものとする。したがって、面状の加工領域１ａはＸＹ平面(水平面)に対して平行に形成され、面状の加工領域１ａに対して垂直な方向がＺ方向となる。

図１に示す基板製造装置３は、主要な構成要素として、レーザー光５を発振するレーザー装置４と、レーザー光５をインゴット１に対して集光させる集光レンズ６と、インゴット１を回転させる第１移動手段８と、インゴット１に対するレーザー光５の集光点位置を相対的に変化させる第２移動手段９と、加工領域１ａの形成後に基板２を保持する保持手段７と、を備えている。第１移動手段８は、インゴット１をＸＹ平面内で回転させる装置(例えば回転ステージ)である。第２移動手段９は、レーザー装置４と集光レンズ６をＸ，Ｙ，Ｚ方向へ移動させる装置(例えばＸＹＺステージ)である。ただし、レーザー光５を平行光として集光レンズ６に入射させる場合には、そのレーザー光５を反射させる反射部材(例えばミラー)を用いるとともにレーザー装置４を位置固定とし、その反射部材と集光レンズ６を第２移動手段９でＸ，Ｙ，Ｚ方向へ移動させる構成としてもよい。

第１移動手段８でインゴット１をＸＹ平面内で回転させるとともに、第２移動手段９でレーザー装置４と集光レンズ６をＸ方向又はＹ方向へ移動させると、レーザー光５でインゴット１を渦巻き状に走査することができる。そして、集光レンズ６でインゴット１の内部に集光点が合わされたレーザー光５で上記渦巻き状の走査を行えば、インゴット１の内部に多光子吸収による面状の加工領域１ａをＸＹ平面に対して平行に形成することができる。また、第２移動手段９でレーザー装置４と集光レンズ６をＺ方向へ移動させることにより、インゴット１と集光レンズ６との間隔を変化させると、レーザー光５の集光点位置も同じ方向に移動するため、上記面状の加工領域１ａをインゴット１内部の所望の位置に形成することができる。

次に、上記基板製造装置３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２の材料となる円柱状のインゴット１を、第１移動手段８にセットする。例えば、第１移動手段８として回転ステージを用いる場合には、回転ステージ上にインゴット１を固定する。そして、レーザー装置４から発振させたレーザー光５を、インゴット１に対し集光レンズ６で集光させる。このとき、集光レンズ６でレーザー光５の集光点をインゴット１内部の所定位置に合わせる。つまり、レーザー光５の入射側の面(すなわちレーザー光５の照射を受けている面)とは反対側の面からインゴット１内の一定深さの位置で、レーザー光５を十分小さい寸法に集光させ、その集光点付近を照射する。なお、インゴット１の形状は円柱状に限らず角柱状でもよい。

インゴット１内部におけるレーザー光５の集光点近傍は、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１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５の集光点をインゴット１内部に持つためには、レーザー光５がインゴット１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１がシリコンから成る場合、レーザー光５の波長が１μｍ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５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５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。

上記のようにレーザー光５の集光点をインゴット１の内部に合わせた状態において、第１移動手段８でインゴット１をＸＹ平面内で回転させながら、第２移動手段９でレーザー装置４と集光レンズ６をＸ方向又はＹ方向へ移動させる。すると、インゴット１に対するレーザー光５の相対的な移動により、レーザー光５の集光点でインゴット１の内部がＸＹ平面に沿って渦巻き状に走査される。このとき、レーザー光５をインゴット１の中心から外周に向けて移動させてもよく、逆に、レーザー光５をインゴット１の外周から中心に向けて移動させてもよい。このようにインゴット１の回転とレーザー光５の移動により、インゴット１の内部をレーザー光５の集光点で渦巻き状に照射していくと、インゴット１に対するレーザー光５の相対的な走査により、インゴット１の内部に多光子吸収による面状の加工領域１ａが形成される。この加工領域１ａを剥離面とすることで、インゴット１の一部を円盤状の基板２として容易に剥離することが可能となる。

なお、インゴット１を回転させる代わりに、第２移動手段９でレーザー装置４と集光レンズ６をＸ方向及びＹ方向へ移動させることにより、インゴット１に対してレーザー光５をＸＹ走査させる構成としてもよい。つまり、面状の加工領域１ａをインゴット１の内部に形成する際の相対的な走査をＸＹ平面に沿って行うことが可能な構成であればよく、そのためには、インゴット１，レーザー装置４，集光レンズ６のうちの少なくとも１つを移動させるための移動手段を備えていればよい。また、本実施の形態によると一定厚さの基板２を得ることができるが、第２移動手段９によりインゴット１に対する集光点の相対的な移動をＸＹＺの各方向について変化させれば、基板厚の変化した形状(楔状等)の基板を得ることも可能である。

上述のように面状の加工領域１ａを剥離面としインゴット１の一部を基板２として剥離する際、その基板２の剥離は、インゴット１においてレーザー光５の照射を受けた面とは反対側の面から行う。つまり、インゴット１においてレーザー光５の照射を受ける面とは反対側の面側に保持手段(例えば、真空チャック，静電チャック等)７を配置しておき、その保持手段７を用いて基板２を保持し、その保持状態で加工領域１ａを剥離面として基板２の剥離を行う。保持手段７を用いることにより、基板２を破損なしに得ることが可能となる。真空チャック，静電チャック以外の保持手段７を用いる方法としては、接着剤により保持ベースを接着したり、感圧接着テープ等を貼り付けたりして、基板２をハンドリングする方法が挙げられる。また、大面積の基板２を破損することなくハンドリングするために、全面にわたり均一の保持力で基板２を保持することが望ましい。例えば、真空チャックを利用する場合には、保持面全面に微小な吸着孔が均一かつ高密度に形成されているものを使用することが好ましい。

新たな基板２を得たい場合には、第２移動手段９でレーザー装置４と集光レンズ６をＺ方向に所定量だけ下げる。つまり、インゴット１と集光レンズ６との間隔を所定量だけ大きくする。そして再び、第１移動手段８でインゴット１をＸＹ平面内で回転させながら、第２移動手段９でレーザー装置４と集光レンズ６をＸ方向又はＹ方向へ移動させる。すると、インゴット１に対するレーザー光５の相対的な移動により、レーザー光５の集光点でインゴット１の内部がＸＹ平面に沿って渦巻き状に走査される。これにより、面状の加工領域１ａが新たに形成されるので、最初の基板２の剥離と同様、新たな円盤状の基板２をインゴット１から分離する。なお、レーザー装置４と集光レンズ６をＺ方向に所定量だけ下げる代わりに、インゴット１をＺ方向に所定量だけ上げてもよい。また、レーザー装置４と集光レンズ６をＺ方向に下げた距離とインゴット１をＺ方向に上げた距離との合計値を上記所定量としてもよい。

本実施の形態によれば、集光レンズ６でレーザー光５の集光点をインゴット１の内部に合わせ、そのレーザー光５でインゴット１を相対的に走査することにより、インゴット１の内部に面状の加工領域１ａを形成し、その加工領域１ａを剥離面としインゴット１の一部を基板２として剥離する構成になっているため、薄い基板２を容易に分離して得ることができる。しかも、インゴット１においてレーザー光５の照射を受けた面とは反対側の面から基板２の剥離を行う構成になっているため、インゴット１の一部を基板２として剥離するときにインゴット１から切り代が生じることは殆んどなく、インゴット１の材料が無駄にならないという効果がある。剥離時にインゴット１の表面の粗度が劣化したとしても、レーザー光５はそのインゴット１の表面を通らずに次の加工領域１ａを形成するので、次のレーザー照射に影響を与えずに連続して基板２を形成することができる。

前述した基板２の剥離を行う前に、図２に示すレーザー加工装置１３を用いて、剥離の起点となる切欠き１ｂをインゴット１に形成することが好ましい。切欠き１ｂは、図２に示すように、別のレーザー装置１０から発振させたレーザー光１１を集光レンズ１２でインゴット１の側面に集光させることにより容易に形成可能である。切欠き１ｂの形成位置は、インゴット１において剥離面となる加工領域１ａの端部の一部でもよく、加工領域１ａの全円周でもよい。加工領域１ａの全円周に切欠き１ｂを形成する場合には、第１移動手段８でインゴット１を回転させながらレーザー光１１をインゴット１の側面に照射すればよい。また、加工領域１ａの形成前に切欠き１ｂを形成してもよく、加工領域１ａの形成後に切欠き１ｂを形成してもよい。なお、図１に示すレーザー装置４と集光レンズ６を用いて、レーザー加工装置１３を構成してもよい。

本発明に係る基板製造方法を更に具体的に説明する。図１に示す基板製造装置３において、レーザー装置４としてパルスレーザー装置(パルスレーザー光の波長：１０６４ｎｍ，パルス幅：１５０ｎｓ)を使用し、インゴット１として直径２００ｍｍの円柱状のＳｉインゴットを用意する。レーザー装置４と集光レンズ６により、インゴット１の下側の面からレーザー光５を照射して、インゴット１の上側の面から深さ５０μｍの位置に集光させる。集光点におけるスポット径は約２０μｍである。

次に、第１移動手段８でインゴット１を回転させるとともに、第２移動手段９でレーザー光５をインゴット１の中心から外側へ移動させる。すると、レーザー光５の集光点でインゴット１の内部がＸＹ平面に沿って渦巻き状に走査されて、インゴット１の内部に面状の加工領域１ａが形成される。インゴット１の上側の面から保持手段７で基板２を保持し、その保持状態で基板２の剥離を行う。面状の加工領域１ａを剥離面とすることで、円盤状・一定厚さの基板２をインゴット１から容易に分離して得ることができる。なお、用いるインゴット１はＳｉインゴットに限らない。例えば、ＧａＡｓ等の他の材料から成るインゴットにも、本発明の方法・装置を適用することが可能である。

基板製造装置の一実施の形態を示す概略構成図。 インゴットに切欠きを形成するためのレーザー加工装置を示す概略構成図。

符号の説明

１ インゴット
１ａ 加工領域
１ｂ 切欠き
２ 基板
３ 基板製造装置
４ レーザー装置
５ レーザー光
６ 集光レンズ
７ 保持手段
８ 第１移動手段
９ 第２移動手段
１０ レーザー装置
１１ レーザー光
１２ 集光レンズ
１３ レーザー加工装置

Claims (8)

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、前記インゴットにおいてレーザー光の照射を受けた面とは反対側の面から前記基板の剥離を行うことを特徴とする基板製造方法。
2. 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記載の基板製造方法。
3. 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１μｍ以上であ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. 前記基板の剥離を行う前に、前記剥離の起点となる切欠きをインゴットに形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板製造方法。
5. レーザー光を発振するレーザー装置と、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、前記インゴット，レーザー装置，集光レンズのうちの少なくとも１つを移動させるための移動手段と、を少なくとも具備し、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、インゴットにおいてレーザー光の照射を受けた面とは反対側の面から前記基板の剥離を行うことを特徴とする基板製造装置。
6. 前記レーザー装置がパルスレーザー装置であり、そこから発振されるレーザー光のパルス幅が１μｓ以下であることを特徴とする請求項５記載の基板製造装置。
7. 前記インゴットがシリコンから成り、前記レーザー装置から発振されるレーザー光の波長が１μｍ以上であることを特徴とする請求項５又は６記載の基板製造装置。
8. さらに前記加工領域の形成後に前記基板を保持する保持手段を備え、その保持状態で前記基板の剥離を行うことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の基板製造装置。

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