JP2006024782A - 基板製造方法、および基板製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インゴットからできる限り少ない切り代で薄い基板を製造することができる基板製造方法および基板製造装置を提供する。
【解決手段】インゴットＡの内部に集光点を合わせてレーザー装置２からレーザー光３を照射し、照射したレーザー光３をインゴットＡに対して相対的に移動させて走査することにより、インゴットＡの内部に面状の加工領域Ｆを形成し、加工領域Ｆを剥離面にして基板Ｓを得る基板製造方法であって、インゴットＡに応力を印加しながらレーザー光３を照射するように構成している。また、この基板製造方法により基板Ｓを得る基板製造装置であって、インゴットＡにレーザー光３を照射するレーザー装置２と、照射したレーザー光３をインゴットＡの内部に集光点を合わせて集光させる集光レンズ４と、レーザー装置２の光軸とインゴットＡとを２次元方向に相対的に移動させる移動手段と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インゴットから基板を製造する基板製造方法、およびこの方法を用いた基板製造装置に関する。

インゴットから基板を製造する方法、すなわち、例えば、ＳｉやＧａＡｓ等の単結晶からなる円柱状又は角柱状のインゴットを切断して、半導体デバイスの製造に用いられるウエハを製造する方法としては、ダイヤモンドブレードソーやワイヤーソー等によってインゴットを機械的に切削加工する方法が従来から用いられていた。

しかし、ダイヤモンドブレードソーを用いた場合、枚葉処理のための時間がかかることから、現在では、インゴットから複数のウエハを同時に切断できるワイヤーソーを用いて切削加工する方法が主流となっている。

しかしながら、こ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、しかも加工時に、ワイヤの太さ程度の切断幅（切り代）が必要となり、その分のインゴットが切り屑となるため、インゴットの無駄も多い。

このため、切り代によるインゴットの無駄をできるだけ少なくする方法として、エキシマレーザー光を結晶インゴット表面に集光照射して局所的に温度上昇を起こさせ、熱応力を生じさせて割断を起こすことによって、結晶インゴットを長手方向と垂直に切断して基板を作成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この特許文献１に記載された切断方法では、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。その上、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は一層困難となる。

また、別の方法として、超音波発信器からの超音波をインゴット内部に集中させてインゴット内部を局所的に破壊するとともに、超音波発信器を移動させることによりインゴット内部の破壊部分を面状に形成し、この破壊部分から基板を剥離する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、この特許文献２に記載された切断方法では、超音波の波長が長いことから、微小な加工領域を形成するのが難しく、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るが、Ｓｉ等の硬い材料の加工は困難である。

さらに、別の方法として、Ｓｉ単結晶基板の表面から高エネルギーの水素負イオンを注入することにより、表面から深さ約１０μｍの位置に水素高濃度層を形成した後、基板を加熱して水素を析出させることにより、水素高濃度層からＳｉ単結晶薄膜を剥離する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

しかしながら、この特許文献３に記載された剥離方法では、水素高濃度層の位置は注入される水素負イオンのエネルギーで規定されていることから、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も大きくなり、基板の特性が劣化して使用できなくなる。

一方、インゴットへのダメージが少なく、しかもインゴット内に局所的に微小な加工領域を形成することができる方法として、例えばレーザー光の集光点を透明材料内の位置に合わせ、材料を局所的にイオン化せしめ、目的位置にマーキングを形成する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）
また、薄いＳｉ基板の内部にレーザー光の集光点を合わせて照射し、内部に切断の起点となる改質領域を形成し、薄いＳｉ基板を切断する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
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、上記特許文献４に記載された材料内部を局所的にイオン化する方法は、ガラス等の透明材料内部にマーキングを形成するのに有効な方法であり、また、上記特許文献５に記載されたＳｉ基板の切断方法は、約５０μｍ程度の非常に薄い基板を切断するには有効な方法であって、いずれもインゴットのような塊状の材料をスライスするのに適用可能かどうかについては言及されていない。

本発明は、このような事情に鑑み創作されたものであって、インゴットからできる限り少ない切り代で薄い基板を製造することができる基板製造方法および基板製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、インゴットの内部に集光点を合わせてレーザー装置からレーザー光を照射し、この照射したレーザー光をインゴットに対して相対的に移動させて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、この加工領域を剥離面にして基板を得る基板製造方法であって、前記インゴットに応力を印加しながらレーザー光を照射することを特徴とする。

この発明によれば、インゴットの内部に集光点を合わせてレーザー光を照射し、照射したレーザー光をインゴットに対して相対的に移動させて走査しているので、インゴットの内部に面状の加工領域が形成される。また、応力を印加しながらレーザー光を照射しているので、インゴットに形成された面状の加工領域から基板を容易に剥離することができる。したがって、Ｓｉ単結晶のように劈開性が高くないインゴットや寸法の大きいインゴットであっても、好適に面状に切断することができる。しかも剥離することにより、インゴットから基板を分離するので、切り代が少なくてすむ。

本発明において、長い波長成分と短い波長成分の２つの波長成分を有するレーザー光を出力するレーザー装置を用いると、長い波長成分がインゴットの内部で集光され、集光点近傍でのみ局所的に吸収されるので、レーザー光をインゴットに対して相対的に移動させて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が形成される。一方、短い波長成分は、集光点近傍に到達する前に吸収されて、インゴット表面近傍を加熱するので、集光点近傍に熱応力が印加される。したがって、短い波長成分により集光点近傍に熱応力が印加された状態で、長い波長成分により集光点近傍に加工領域が形成されるので、簡単な装置構成のもとに、インゴットからできる限り少ない切り代で薄い基板を得ることができる。

本発明において、前記レーザー光の２つの波長成分のうち、長い波長成分を１μｍ以上、短い波長成分を８００ｎｍ以下とすると、１μｍ以上の長い波長成分のレーザー光によりインゴットの内部に面状の加工領域が形成されるとともに、８００ｎｍ以下の短い波長成分のレーザー光により熱応力が印加されるので、インゴットに形成された面状の加工領域から基板を容易に剥離することができる。ここで、長い波長成分を１μｍ以上、短い波長成分を８００ｎｍ以下としたのは、Ｓｉの光吸収特性の波長依存性から、１μｍのレーザー光ではＳｉ基板を１ｍｍ程度まで透過し、８００ｎｍのレーザー光ではＳｉ基板の表面から数μｍ程度しか進入しないことに基づいている。

本発明において、前記レーザー装置として、パルス幅が１μｓ以下のパルスレーザー装置を用いると、パルスレーザー装置によって、照射されるレーザー光の光強度を高めることができる。すなわち、波長成分が１μｍ以上のレーザー光は通常の光強度ではＳｉ基板を透過するため、内部加工できないが、光強度を十分高くすると、多光子吸収過程が生じて内部加工が実現できる。そのため、パルス幅を狭くすることで光強度を高めるようにしており、現状のレーザー装置と集光レンズではパルス幅を１μｓ以下にすることにより、内部加工が可能となる。したがって、波長成分が１μｍ以上のレーザー光のパルス幅は１μｓ以下にすることが必要である。なお、波長成分が８００ｎｍ以下のレーザー光は基板加熱に使用されており、この場合、パルス幅については限定する必要はない。

本発明の基板製造方法をＳｉインゴットに適用すると、Ｓｉインゴットであっても、剥離に適した加工領域を形成することができるので、容易に基板を得ることができる。

本発明において、前記インゴットから基板を剥離する前に、インゴットに剥離の起点となる切り欠きを形成すると、インゴットから基板を容易に剥離することができる。

本発明は、インゴットにレーザー光を照射するレーザー装置と、この照射したレーザー光をインゴットの内部に集光点を合わせて集光させる集光レンズと、前記レーザー装置の光軸とインゴットとを２次元方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、上記した特徴を有する基板製造方法によって基板を得ることを特徴としている。

この発明によれば、インゴットの内部に集光点を合わせてレーザー光を照射し、移動手段により、レーザー装置の光軸とインゴットとを２次元方向に相対的に移動させているのでインゴットの内部に面状の加工領域が形成される。また、応力を印加しながらレーザー光を照射しているので、インゴットに形成された面状の加工領域から基板を容易に剥離することができる。したがって、Ｓｉ単結晶のように劈開性が高くないインゴットや寸法の大きいインゴットであっても、好適に面状に切断することができる。しかも剥離することにより、インゴットから基板を分離するので、切り代が少なくてすむ。

本発明において、前記インゴットから基板を剥離する際に、この基板を保持する保持手段を設けると、基板を確実に保持しながら、インゴットから剥離することができる。

本発明の基板製造方法および基板製造装置によれば、できる限り少ない切り代で薄い基板を製造することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る基板製造装置１の全体構成を示している。

なお、以下の説明では、インゴットＡ内部に形成する円板状の加工面（加工領域Ｆ）と平行な面をＸＹ平面、垂直な方向をＺ方向と定義する。

本実施形態の基板製造装置１は、インゴットＡにレーザー光３を照射するレーザー装置２と、この照射したレーザー光３をインゴットＡの内部に集光点を合わせて集光させる集光レンズ４と、レーザー装置２の光軸とインゴットＡとを２次元方向に相対的に移動させる移動手段（図示せず）と、を備えている。

インゴットＡは、例えば、直径２００ｍｍの円柱のＳｉインゴットであって、インゴットＡをＸＹ平面内で回転させる回転装置（図示省略）に取り付けられている。

なお、インゴットＡの大きさは、上記したサイズに限られるものではない。また、形状も円柱に限られるものではなく、例えば角柱であっても良い。さらに、インゴットＡは、Ｓｉインゴットに限定されるものではなく、例えばＧａＡｓ等のインゴットであっても良い。さらにまた、本実施形態では、インゴットＡを回転させているが、ＸＹ方向に移動させても良い。

レーザー装置２は、ＸＹＺ方向に対して移動可能に構成されており、レーザー装置２から発振されるレーザー光３は、集光レンズ４によってインゴットＡ内の一定深さの位置（例えば、インゴットＡの表面から５０μｍ）に集光されるように、Ｚ方向に照射される。

レーザー光３は、少なくとも２波長成分を有しており、そのうちの長い波長成分の波長が１μｍ以上、短い波長成分の波長が８００ｎｍ以下とされている。本実施形態に用いるレーザー装置２は、長い波長成分の波長が１０６４ｎｍ、パルス幅が１５０ｎｓ、短い波長成分の波長が５３２ｎｍ、パルス幅が１５０ｎｓのパルスレーザーであって、集光点におけるスポット径は約２０μｍに設定されている。

次に、上記構成の基板製造装置１を用いて基板Ｓを製造する方法について説明する。

インゴットＡを回転させた状態で、インゴットＡに対してレーザー装置２をＸまたはＹ方向に移動させると、集光されたレーザー光３は、インゴットＡの内部を渦巻き状に照射していく。

ここで、長い波長成分をインゴットＡの内部で十分小さい寸法に集光すると、集光点近傍でのみ局所的に吸収されて、加工領域Ｆが形成される。一方、短い波長成分は、集光点近傍に到達する前に吸収されて、インゴットＡ表面近傍を加熱する。このため、短い波長成分により集光点近傍に熱的応力が印加された状態で、長い波長成分により集光点近傍に加工領域Ｆが形成される。したがって、剥離に適した加工領域Ｆが形成され、容易に円形の基板（ウェハ）Ｓを得ることが可能となる。

なお、この実施形態では、一定厚さの円形の基板Ｓを得ているが、例えば、楔状などの他の形状の基板を得ることも可能である。

基板Ｓを剥離する際には、例えば、真空チャック、静電チャック等の保持手段５を、レーザー入射面側に準備して、加工領域Ｆから剥離することによって、基板Ｓを破損することなく得ることができる。

なお、保持手段５は上記した真空チャック、静電チャック等に限られるものではなく、例えば、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Ｓをハンドリングしても良い。ここで、大面積の基板を破損することなくハンドリングするためには、全面にわたり均一の保持力で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。

次に、新たな基板Ｓを得たい場合は，レーザー装置２をＺ方向に所定距離（基板Ｓの厚みに相当する距離）だけ下げ、下方に下がった場所にレーザー光３を照射し、新たな円形の基板Ｓを剥離によって分離する。

なお、レーザー装置２をＺ方向に所定距離だけ下げる代わりに、インゴットＡをＺ方向に所定距離だけ上げてもよく、あるいはまた、レーザー装置２をＺ方向に下げた距離と、インゴットＡをＺ方向に上げた距離を加えた距離が、基板Ｓの厚みに相当する距離となるようにしても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、レーザー装置２から発振したレーザー光３を集光してインゴットＡの内部に照射し、剥離することによってインゴットＡから基板Ｓを分離することができる。これにより、剥離時にインゴットＡから切り代が生じることが殆んどなく、インゴットＡの材料が無駄にならない。

なお、図２に示すように、インゴットＡの側方に、レーザー装置２とは別のレーザー装置７を配置し、剥離処理を実施する前に、レーザー装置７からインゴットＡの側面にレーザー光８を集光レンズ９にて集光した状態で照射して、インゴットＡに剥離の起点となる切り欠き６を形成しておいても良い。

この切り欠き６は、インゴットＡの剥離面の端部の一部に形成しても良く、あるいはインゴットＡの全円周に形成しても良い。

本発明によれば、Ｓｉインゴットから非常に薄いＳｉ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。また、インゴットをガラスとした場合、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。

本発明の基板製造装置の一例の構造を模式的に示す斜視図である。 図１に示すインゴットに切り欠きを形成する例を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 基板製造装置
２ レーザー装置
３ レーザー光
４ 集光レンズ
５ 保持手段
６ 切り欠き
Ａ インゴット
Ｆ 加工領域
Ｓ 基板

Claims (8)

1. インゴットの内部に集光点を合わせてレーザー装置からレーザー光を照射し、この照射したレーザー光をインゴットに対して相対的に移動させて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、この加工領域を剥離面にして基板を得る基板製造方法であって、
   前記インゴットに応力を印加しながらレーザー光を照射することを特徴とする基板製造方法。
2. 前記レーザー装置から照射されるレーザー光は、長い波長成分と短い波長成分の２つの波長成分を有し、長い波長成分によりインゴットの内部に面状の加工領域を形成し、短い波長成分によりインゴットに熱応力を印加することを特徴とする請求項１記載の基板製造方法。
3. 前記レーザー光の２つの波長成分のうち、長い波長成分が１μｍ以上、短い波長成分が８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の基板製造方法。
4. 前記レーザー装置が、パルス幅が１μｓ以下のパルスレーザー装置であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の基板製造方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか記載の基板製造方法において、Ｓｉインゴットから基板を得ることを特徴とする基板製造方法。
6. 前記インゴットから基板を剥離する前に、インゴットに剥離の起点となる切り欠きを形成することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか記載の基板製造方法。
7. インゴットにレーザー光を照射するレーザー装置と、この照射したレーザー光をインゴットの内部に集光点を合わせて集光させる集光レンズと、前記レーザー装置の光軸とインゴットとを２次元方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、請求項１ないし６のいずれかの基板製造方法によって基板を得ることを特徴とする基板製造装置。
8. 前記インゴットから基板を剥離する際に、この基板を保持する保持手段が設けられていることを特徴とする請求項７記載の基板製造装置。
   

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