JP2013124206A - ウエハ切断方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】狙い通りの厚みで切断し、切断に際して生じる切り代を低減することができるウエハ切断方法および切断装置を提供する。
【解決手段】シリコンのインゴット１を準備し、レーザ光２を加工する面に垂直方向から照射することによりシリコン結晶内部にアモルファス層３を形成する。つづいて、レーザ光２を照射した方向と同じ方向から水素イオンを照射すると、イオン照射後に、水素によって形成される脆弱層から剥離が生じる。入射イオンのドーズ量が低い場合には，処理後に、ランプヒータなどにより再加熱を行い、ヒートショックを与えることによって剥離を促進することもできる。最後に、切り出したウエハ５を取り出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、インゴットからウエハを切断する方法および装置に関するものであり、特に切断に伴う材料ロスを低減する方法と装置に関するものである。

電子デバイスを作成するための基板となるウエハは、単結晶や多結晶からなるインゴットを作成した後に所定の厚みに切断することにより作成される。基板として用いる材料はシリコン、化合物半導体、ＳｉＣなど用途によって様々である。いずれの材料においても高精細なデバイスを作成するためには平坦に精度良く切断する必要がある。

従来の例を、図４と図５を用いて説明する。インゴット１の切断方法は、図４に示すように、ワイヤ６を用いる方法が一般的である。多数のワイヤ６によりインゴット１を、複数のウエハ５へと同時に切断するなど、生産性向上の工夫がなされて来た。ワイヤ６による切断では、ワイヤ６の直径が一般的に１００〜２００μｍであるため、線径以上の切り代が必要となる。近年、デバイスのコストを低減しようとする中で、このような材料ロスが、問題になってきている。地球上に豊富に存在するシリコンですら、材料費の高騰が生じており、ウエハ５厚みを薄くすることによるコストダウンなどが試みられている。しかし、ウエハ５の厚みを薄くしても切断のためのワイヤ６の径が変わらなければ、材料歩留まりとしてはより悪化することになる。よって、今後、ウエハ５の厚みが薄くなるに従って、より一層切り代を低減する技術が求められるようになる。

ワイヤ６の代わりに、レーザを用いる方法がある（特許文献１）。しかし、レーザのみで加工するには、高い出力のレーザが必要で、レーザの集光が十分に小さくできないことから、レーザ照射の範囲が限定できず、大幅な切り代の低減は困難である。

ワイヤ６の代わりに、イオンビームを用いる方法がある（特許文献２）。これはインゴット１の切断面と垂直な方向から、水素イオンなどのビームを照射してウエハ内部で共有結合を生じさせることで、材料を切断させるものである。もし、イオンの入射深さを精密に制御できれば、この方法では、非常に薄い切り代で、切断をすることができる。しかし、この方法には入射深さを制御することについて大きな課題がある。この方法では、入射粒子には水素が用いられる。水素を用いる理由は、水素はシリコンと結合をすることでシリコン間の結合を効果的に弱めることができることと、切断後の表面に残留しても酸素などと異なり脱離しやすく、デバイスへの影響も小さいと考えられることによる。また、水素の原子半径が小さいことから、シリコンの表面より深い位置にまで侵入させやすいことも利点である。しかし、一方、原子半径が小さすぎるため、シリコンの結晶格子間を通り抜けて、狙いの深さで停止させにくい。これは、イオン注入技術ではチャネリング現象として知られている。図５に、シリコンの結晶構造を示す。結晶中ではシリコンである原子７が規則的に並んでいるため、特定の方向には原子７が全く見えない位置があり、水素が過剰に直進してしまう。例えば、シリコンの場合（１００）面は原子が重なって見え、水素が通り抜けやすくなることが理解できる。このような状況では水素の打ち込み深さの幅が広がり、精度良い切断ができなくなり、切り代を小さくできない。

上記説明は水素に関して行ったが、原子種を特定するものではなく、他の元素や化合物についても同様の課題が生じている。

特開２００２−１００８２５号公報 特公表２００１−５２５９９１号公報

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ウエハをインゴットから切り出す場合に、切り代を小さくすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明では、結晶に粒子を照射しウエハを切り出す方法であって、前記結晶の表面にレーザを照射し、前記結晶内部に、アモルファスの層を形成するレーザ照射工程と、前記結晶の表面に、原子、イオン、ラジカルのいずれか１つ、または、これらを組み合わせた粒子を照射し、前記アモルファスの層に前記粒子を吸収させる粒子照射工程とを含むことを特徴としたウエハ切断方法を用いる。

また、結晶に、水素の分子、原子、イオン、ラジカルのいずれか、あるいは、これらを組み合わせた粒子を照射する粒子照射手段と、前記結晶にアモルファス層を形成するためのレーザを照射するレーザ照射手段と、を備えたウエハ切断装置を用いる。

本発明のウエハ切断方法によれば、赤外領域の波長を持つレーザ光を用いて、シリコンインゴット内部で集光させ、アモルファス層を形成する。その後に、粒子をシリコンインゴットに照射し、そのアモルファス層に粒子を集中させ、狙い通りの厚みで切断を行うことができる。この方法では、切断に際して生じる切り代を、低減することができる。

本発明の実施の形態１におけるウエハ切断方法を示す概略図 シリコンの透過率の波長依存性を示す図 本発明の実施の形態２におけるウエハ切断装置を示す図 従来のウエハ切断方法の例を示す図 シリコンの結晶構造を示す図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるウエハ切断方法を示す図である。本発明の実施例においては、インゴット１にレーザ光２を照射し、その後、水素イオンを注入することによって切断を行う。

図１においては，シリコン単結晶からなるインゴット１、レーザ光２、インゴット１の内部に生成されたアモルファス層３、水素原子４、切り出されたウエハ５からなる。

図１（ａ）では、シリコンのインゴット１は切断面と平行な面が設けられ、この面に垂直な方向から加工が行われる。

インゴット１は、シリコン単結晶からなる塊であり、使用するウエハサイズに対応する直径を持ち、円筒棒状をしている。

レーザ光２は、赤外領域の波長を持つレーザから照射される光線であって、アモルファス層３を形成するためのエネルギー源として用いられる。

アモルファス層３は、インゴット１の内部に形成される層で、単結晶の原子の構造が崩れた層のことを示す。

水素原子４は、インゴット１の内部に注入された原子であって、近傍のシリコン原子と結合を生じることにより、シリコン同士の結合を弱める。

ウエハ５は、この方法で剥離されたウエハ５である。

（レーザ照射）
はじめに、図１（ａ）で、シリコンのインゴット１を準備する。そして、図１（ｂ）のようにレーザ光２を、加工する面に垂直方向から、照射することによりシリコン結晶内部にアモルファス層３を形成する。アモルファス層３の厚みは、レーザの照射条件による。例えば、波長１０６４ｎｍ、５０ｎｓ幅、５０μＪ／パルスで照射した場合、２０μｍから５０μｍ程度の厚みで形成できる。レーザ単独で加工までするのではないので、出力を小さくでき、レーザ光２を小さい範囲に集光できる。

アモルファス層３は、レーザ光２の集光による熱により生成される。アモルファス層３の位置は、レーザ光２の集光位置を変えることで調節される。インゴット１のシリコンに対する透過率が十分に高い場合は、数百μｍの進入深さがある。レーザ光２として、赤外線を用いることができ、集光度を高くでき、平面性の高いアモルファス層が形成される。集光能力は光学系の回折条件に依存するが、最大、数μｍ程度の厚みにまで設定できる。結果、形成されるアモルファス層３は、熱の伝達距離により、約２０から５０μｍ程度になる。インゴット１であるシリコンへのレーザ光２の進入深さは、先述の通り数百μｍあり、必要なウエハ５の厚みに合わせて調整できる。例えば、３００μｍに設定する時、アモルファス層３の２０から５０μｍが、切断時に切りしろとして用いられることになる。なお、シリコンのインゴット１は、単結晶で均質であり、レーザ光２もレーザ照射手段を移動しながら照射を繰り返えしても、厚み誤差は、おおむね１０μｍ以下になる。

レーザ光２の波長は、シリコンのインゴット１の内部に光が進入できるように選択する必要がある。図２は、光の波長と単結晶のシリコンの透過率との関係を示す。図２に示すようにシリコンの場合、バンドギャップである１．１ｅＶに相当する波長（約１１３０ｎｍ）よりも長い領域では透過率が大きくなる。１０００ｎｍ以上であれば、３分の１以上が、内部に侵入することが可能となり集光させることでシリコンを局所加熱することが可能である。例えば、ＹＡＧレーザによるパルス光源を用いればよい。アモルファス化するためにはレーザ光は集光する必要があるため、切断面に平行なアモルファス層３を形成するためには複数回の照射を繰り返す必要がある。アモルファス層３をより薄くするためには、単パルス高パワーレーザでエネルギー密度を上げると良いと考えられる。ｆｓやｎｓ程度のパルス幅で良い。例えば、波長１０６４ｎｍ、５０ｎｓ幅、５０μＪ／パルスで全体に均質に照射すれば、例えば３００μｍの深さに２０から５０μｍ幅のアモルファス層を形成できる。レーザ光は十分集光されたとしても熱伝播により周囲は溶解しアモルファス化される。このため、点状のスポットの集光であっても、縦横、深さ方向に、アモルファス層の領域が繋がり、アモルファス層が形成される。また、繋がりの度合いは集光条件によって変化する。

アモルファス層３は、面を形成するように作成することが好ましいが、必ずしも全面に形成しなくとも切断は可能である。おおむね面内の平面方向で５０％以上の領域がアモルファス化していれば効果を得ることができる。

平面方向、面内に５０％以上の領域のアモルファス化により、後で説明する水素イオンの注入により、５０％より広い領域が、脆弱層となる。さらに、その後の切断での剥離のきっかけにより剥離が進み、この程度の領域のアモルファス化でも剥離ができる。

レーザ照射時にガスを供給することで加工速度を向上させる技術もあるが、これは、レーザ照射とガス供給が同時になされるものであり、本発明の切断方法とは異なる。また、供給されたガスは被加工材の表面のみに、供給されるため、本発明のような結晶内部を加工する効果はない。

（イオン注入工程）
次に、図１（ｃ）に示すように、レーザ光２を照射した方向と同じ方向から水素イオンを照射する。イオン照射の条件は切り出すウエハの厚みにもよるが、例えば、７００ｋｅＶ、１．５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²で照射を行う。イオンビーム源は加速器、イオン注入装置、イオンドーピング装置、プラズマを用いたイオン源などで良い。

加速機のようなビーム源を用いると一般的にビームスポットは狭いが、本発明によれば、アモルファス層３がイオンの吸収層として機能するため、イオンビームはエネルギー幅を狭く保つ必要がない。このため、プラズマから面全体にイオンを引き込むような安価なイオンビーム源を用いることが可能であり、また、ビームスポットも広く設定しやすくなることから処理時間を短縮することもできる。

なお、レーザ光２の照射後、イオン注入工程までの時間は、短時間内である必要はない。レーザ光２により、熱的にアモルファス層３が形成されるので、非可逆的であり、時間が経過しても変化はない。ただし、照射されるインゴット１の表面が酸化や、コンタミなどが生じると、イオン注入がうまくできないためよくない。このため、レーザ光２の照射直後に、イオン注入するのがよい。

（剥離工程）
イオン照射後に、水素によって形成される脆弱層から剥離が生じるが，入射イオンのドーズ量が１．０×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ²などと低い場合には，処理後に、ランプヒータなどにより再加熱を行い、ヒートショックを与えることによって剥離を促進することもできる。例えば５００℃より高い温度に、保てばよい。また、おおむね１．５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²以上の照射を行えば熱処理なしで、剥離を生じさせることが可能である。

（取り出し工程）
最後に、図１（ｄ）に示すように切り出したウエハ５を取り出す。上記のステップを繰り返すことによりウエハ５を製造することが可能となる。

なお、切断後、半導体、太陽電池などの製造に使用する場合、ウエハ５の表面をエッチング等の処理が必要である。また、この方法では、イオン注入、レーザ照射といった従来からの半導体プロセスでの処理をしているので、ウエハ５に対するダメージは少なく、半導体、太陽電池などの製造に使用できる。

（効果）
上記の方法によれば、入射エネルギー幅が広がっている安価なビーム源による照射を用いても、エネルギー幅の狭い加速器を用いた場合での処理に近い表面状態で、切断をすることが可能である。

注入する粒子種はイオンのみではなく、中性の原子やラジカルとの複合でも良い。例えば、イオンの代わりに全量原子とし、７００ｋｅＶ、１．５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²で照射を行う。これによれば、チャージアップの問題がなくなり、異常放電などを防止できることができる。なお、中性粒子のビームはイオンビーム源に中性化装置を加える方法や、プラズマから引き出したイオンが、グリッドを通過するときに中性化する方法など、種々の方式が知られている。

また、ラジカルを用いれば反応性が高いため効率的な処理ができる。例えば、イオンを３０％、原子を５０％、ラジカルを２０％などと組み合わせて照射を行うことでできる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２におけるウエハ切断装置の概要を示す図である。

（構成）
ウエハ切断装置は、処理室チャンバ８と、ウエハ保管用チャンバ１０と、これらを仕切るゲート９と、ウエハケース１１と、移載機構１２と、ゲートバルブ１３と、真空ポンプ１４とからなる。

処理室チャンバ８は、ゲートバルブ１３を通して真空ポンプ１４で高真空まで排気される。

ウエハ保管用チャンバ１０は、ウエハ５を保管するチャンバであり、真空に保つための真空排気系を備えている（図示せず）。

ゲート９は、処理室チャンバ８とウエハ保管用チャンバ１０とを仕切るゲートであり、開閉できる。

ウエハケース１１は、作製されたウエハ５を保管する、持ち運び可能な容器である。

移載機構１２は、作製されたウエハ５を、処理室チャンバ８から、ウエハ保管用チャンバ１０へ搬送するもので、インゴット１の搬送もできる。

ゲートバルブ１３は、処理室チャンバ８に設けられた開閉可能なバルブである。

真空ポンプ１４は、処理室チャンバ８を真空にするためのポンプである。

処理室チャンバ８には、ウエハ５を処理するチャンバであり、レーザ照射手段１５と、イオン照射機構１７とが設置されており、それぞれレーザ発振機１６と高周波電源１８に接続されている。

イオン照射機構１７は、イオンを発射する装置であり、そこからウエハ５へイオンを発射する。広面積用のイオンビーム源を用いる。入射エネルギーや入射角度に多少分布があっても、本発明の方法によればアモルファス層３で吸収されるのでよい。照射する粒子として、水素の分子、水素の原子、水素のイオン、水素のラジカルのいずれか、あるいは、これらを組み合わせた粒子を照射してもよい。これらを照射する粒子照射手段を用いることができる。

高周波電源１８は、イオン照射機構１７に電圧を供給するもので、その電圧により、イオン照射機構１７では、イオンを加速し、イオン照射をする。

レーザ発振機１６は、レーザ源であり、レーザを発振するところである。ＹＡＧレーザによる短パルスレーザを用いると良い。波長はシリコンの透過領域である波長を選択し、例えば、１０６４ｎｍなどを用いる。

レーザ照射手段１５は、レーザ発振機１６からのレーザ光２を、インゴット１へ照射する手段である。しかし、この場合、シリコンのインゴット１に照射するレーザ光２の位置を、変化させて処理を行う必要があるため、レーザ照射手段１５から、レーザ照射位置移動手段１９により、シリコンのインゴット１表面にレーザ光を誘導する。

レーザ照射位置移動手段１９は、光ファイバーにより構成すれば良く、ファイバー位置を移動させることで照射位置を変更できる。また、ミラーなどの機構を用いれば高速に照射位置を変更させることができる。なお、イオン照射時にはイオンビームの妨げとなるため、レーザ照射位置移動手段１９をイオンビームの通り道から退避させる。

また、イオン照射機構１７は、大型の機構であるので、固定し、イオン照射機構１７とウエハ５（固定）との間に、レーザ照射位置移動手段１９が入り込み、ウエハ５へレーザを照射する。

（工程）
処理の手順は、以下の通りである。まず、シリコンのインゴット１をステージ２０に設置し、処理室チャンバ８を真空引きする。１×１０―⁴Ｐａ程度の高真空に到達した後に、レーザ照射位置移動手段１９により、シリコンのインゴット１の表面からレーザ光２を照射する。シリコン内部に侵入したレーザ光２は、集光位置で非常に高密度になり、非線形吸収効果により、シリコンのインゴット１を加熱する。照射位置を変えて処理を繰り返すことにより、シリコンの内部にアモルファス層３を形成することが可能となる。次に、レーザ照射位置移動手段１９を退避させ、イオン照射機構１７により、シリコンのインゴット１の表面に、水素イオンを照射する。水素イオンを加速する電圧は、表面から進入させる距離によって、変える必要があり、例えば、１ｋＶから１ＭＶに設定される。照射された水素イオンは、シリコンのインゴット１の内部に形成されたアモルファス層３に選択的に吸収され、ＳｉＨの結合を形成する。照射が進行し、ＳｉＨ層が、十分形成されるとアモルファス層３の上下の結合力が低下し剥離が生じ、切断が起こる。

切断されたウエハ５は、移載機構１２により、ゲート９を開けて、ウエハ保管用チャンバ１０に搬送され、ウエハケース１１に収納される。

ゲート９を閉じた後、以上のステップを繰り返し行うことによりシリコンのウエハ５を作成することが可能である。インゴット１が無くなった場合、移載機構１２により、新しいインゴット１をステージ２０にセットし、上記を繰り返す。

（効果）
本発明によればイオン源を簡易なものにすることができるため装置を簡略なものにすることが可能である。また、処理室チャンバ８やウエハ保管用チャンバ１０へのワークの出し入れはロードロック室を設けることにより連続処理が可能となる。従来のワイヤによる切断と異なり、ドライ処理であるため装置のメンテナンスも容易であり連続運転もしやすい。従来のワイヤ６での加工では、切代が最低でも、約１００μｍ必要であったが、この発明では、上記の条件下で、その切代が約３０μｍで済み、材料ロスを３分の１に低減できる。例えば、３００μｍのウエハを切り出す場合、２５％のロスが約９％に低減できる。

なお、インゴット１が、シリコンの場合で説明したが、化合物半導体、ＳｉＣの場合でも、レーザの波長などを適宜変更することで応用できる。

本発明の成膜装置および方法は、結晶インゴットを切断しウエハを作成する各種装置に用いることができる。

１ インゴット
２ レーザ光
３ アモルファス層
４ 水素原子
５ ウエハ
６ ワイヤ
７ 原子
８ 処理室チャンバ
９ ゲート
１０ ウエハ保管用チャンバ
１１ ウエハケース
１２ 移載機構
１３ ゲートバルブ
１４ 真空ポンプ
１５ レーザ照射手段
１６ レーザ発振機
１７ イオン照射機構
１８ 高周波電源
１９ レーザ照射位置移動手段
２０ ステージ

Claims (9)

1. 結晶に粒子を照射しウエハを切り出す方法であって、
   前記結晶の表面にレーザを照射し、前記結晶の内部にアモルファスの層を形成するレーザ照射工程と、
   前記結晶の表面に、原子、イオン、ラジカルのいずれか１つ、または、これらを組み合わせた粒子を照射し、前記アモルファスの層に前記粒子を吸収させる粒子照射工程と
   を含むことを特徴としたウエハ切断方法。
2. 前記結晶がシリコン材料であり、前記粒子が、水素の分子、水素の原子、水素のイオン、水素のラジカルのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載のウエハ切断方法。
3. 前記レーザの波長が１０００ｎｍ以上の赤外光であることを特徴とする請求項１または２に記載のウエハ切断方法。
4. さらに、熱処理により前記結晶から前記ウエハを剥離する剥離工程を含む請求項１から３のいずれか１項に記載のウエハ切断方法。
5. 結晶を保持する保持手段と、
   前記結晶に、水素の分子、水素の原子、水素のイオン、水素のラジカルのいずれか、あるいは、これらを組み合わせた粒子を照射する粒子照射手段と、
   前記結晶にアモルファス層を形成するためのレーザを照射するレーザ照射手段と、を備えたウエハ切断装置。
6. 前記粒子照射手段と前記レーザ照射手段とが同じチャンバ内に配置された請求項５記載のウエハ切断装置。
7. 前記保持手段と、前記粒子照射手段との間を、前記レーザ照射手段が移動し、レーザを照射する請求項５または６記載のウエハ切断装置。
8. 前記結晶がシリコン材料であり、前記粒子が、水素の分子、水素の原子、水素のイオン、水素のラジカルのいずれか１つであることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のウエハ切断装置。
9. 前記レーザの波長が１０００ｎｍ以上の赤外光であることを特徴とした請求項５から８のいずれか１項に記載のウエハ切断装置。

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