JP2015123466A - 基板加工装置及び基板加工方法 - Google Patents

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利香 松尾
Rika Matsuo
利香 松尾
鈴木 秀樹
Hideki Suzuki
秀樹 鈴木
信裕 篠塚
Nobuhiro Shinozuka
信裕 篠塚
直樹 三木
Naoki Miki
直樹 三木
栄紀 小山
Hidenori Koyama
栄紀 小山
順一 池野
Junichi Ikeno
順一 池野
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Abstract

【課題】基板表面が損傷することがなく、少ない数のレーザパルス照射で、改質層を効率的に形成する【解決手段】基板加工装置は、結晶基板の内部に改質層を形成するように基板を加工するものであって、パルス照射のレーザ光源150と、レーザ光源150からのレーザ光を基板10の表面に向けて照射し、基板10の表面から所定の深さにレーザ光を集光するレーザ集光部160と、レーザ集光部160を基板10に相対的に移動させて位置決めをするステージ110と、を含み、レーザ集光部160は、レーザ光源150からのレーザ光を複数の複数のレーザ光に分割するビームスプリッタ200を含み、ビームスプリッタ200は複数のレーザ光について、基板10の表面が損傷しないように隣り合うレーザ光を所定距離にわたって離間させる。【選択図】図1

Description

本発明は、シリコン単結晶基板などの基板加工装置及び基板加工方法に関する。
従来、シリコン(Si)ウェハに代表される半導体ウェハを製造する場合には、石英るつぼ内に溶融されたシリコン融液から凝固した円柱形のインゴットを適切な長さのブロックに切断して、その周縁部を目標の直径になるよう研削し、その後、ブロック化されたインゴットをワイヤソーによりウェハ形にスライスして半導体ウェハを製造するようにしている(例えば、特許文献1および2参照。)。
このようにして製造された半導体ウェハは、前工程で回路パターンの形成等、各種の処理が順次施されて後工程に供され、この後工程で裏面がバックグラインド処理されて薄片化が図られることにより、厚さが約750μmから100μm以下、例えば75μmや50μm程度に調整される。
従来における半導体ウェハは、以上のように製造され、インゴットがワイヤソーにより切断され、しかも、切断の際にワイヤソーの太さ以上の切り代が必要となるので、厚さ0.1mm以下の薄い半導体ウェハを製造することが非常に困難であり、製品率も向上しないという問題があった。
一方、高開口数の集光レンズにガラス板からなる収差増強材を組み合わせ、波長1064nmのパルス状レーザによりシリコンウェハの内部に加工を施した後、これを剛性基板に貼りあわせ、剥離することで薄い単結晶シリコン基板を得る技術が開示されている(特許文献3参照。)。
この技術によると、シリコン基板内部に厚み100μm程度の加工層が形成されていた。このため、結晶性基板から厚さ0.1mm程度の薄い基板を多数スライスする場合、材料歩留まりに限界があった。NAが0.5程度の対物レンズを使用した場合、加工層の厚みは減少するが、照射回数を増やして加工層の処理を十分に施そうとすると、2次元の加工領域を1μmピッチの照射で埋め尽くす必要があるため、膨大な回数の照射パルスが必用になり、実用化には照射時間の問題が存在していた。
このために、1つのレーザパルスを回折光学素子(DOE)等のビームスプリッタで分割し、一度に複数の位置に集光点を形成する技術が提案されている。この場合、基板の表面において複数のレーザ光が重なることになり、その重なりが多くなるとシリコン基板表面におけるレーザ光のパワー密度が加工閾値を越え、基板の表面が損傷してしまうことがあった。
特開2008−200772号公報 特開2005−297156号公報 特開2011−60862号公報
本発明は、これらの課題に対してなされたもので、結晶性基板の内部にレーザ光照射による改質層を形成し、改質層を境に剥離するためのものであって、基板表面が損傷することがなく、少ない数のレーザパルス照射で、改質層を効率的に形成する基板加工装置及び基板加工方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するために、本願に係る基板加工装置は、結晶基板の内部に改質層を形成するように基板を加工する基板加工装置であって、パルス照射のレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を前記基板の表面に向けて照射し、前記基板の表面から所定の深さにレーザ光を集光するレーザ集光手段と、前記レーザ集光手段を前記基板に相対的に移動させて位置決めをする位置決め手段と、を含み、前記レーザ集光手段は、前記レーザ光源からのレーザ光を複数のレーザ光に分割するビームスプリッタを含み、前記ビームスプリッタは前記複数のレーザ光について、前記基板の表面が損傷しないように隣り合うレーザ光を所定距離にわたって離間させるものである。
前記ビームスプリッタは、隣り合うレーザ光が前記基板の表面で重ならない距離に離間させることが好ましい。前記ビームスプリッタは、回折光学素子であることが好ましい。
前記複数のレーザ光は、前記基板の表面において一列に配置されることが好ましい。前記位置決め手段は、前記基板の表面において、前記一列の方向に直行する方向とは所定角度をなす方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させることが好ましい。前記位置決め手段は、前記基板の表面において、前記一列の方向に直行する方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させる動作を、前記一列の方向にレーザ集光手段を所定距離移動させる動作を挟んで繰り返すことが好ましい。
前記レーザ光集光手段は、前記基板における表面から裏面に至るまでの深さにレーザ光が集光する位置を設定することができることが好ましい。前記改質層は、前記基板の表面と平行に形成されることが好ましい。前記基板の表面は、鏡面仕上げあるいはレーザ光が基板内部に集光可能な表面粗さであることが好ましい。前記基板は、シリコン単結晶基板又はシリコンカーバイド単結晶基板であることが好ましい。
本願に係る基板加工方法は、結晶基板の内部に改質層を形成するように基板を加工する基板加工方法であって、単結晶の基板を提供するステップと、パルス照射のレーザ光源からのレーザ光をレーザ集光手段によって前記基板の表面に向けて照射し、前記基板の表面から所定の深さにレーザ光を集光するレーザ集光ステップと、前記レーザ集光手段を前記基板に相対的に移動させて位置決めをする位置決めステップと、を含み、前記レーザ集光ステップは、前記レーザ光源からのレーザ光を複数のレーザ光に分割するビームスプリッタを用い、前記複数のレーザ光について、前記基板の表面が損傷しないように隣り合うレーザ光集光位置を所定距離にわたって離間させるレーザ光分離ステップを含むものである。前記レーザ光分離ステップは、隣り合うレーザ光が前記基板の表面で重ならない距離に離間させることが好ましい。
前記レーザ光分離ステップは、前記複数のレーザ光を前記基板の表面において一列に配置させることが好ましい。前記位置決めステップは、前記基板の表面において、前記一列の方向に直行する方向とは所定角度をなす方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させることが好ましい。前記位置決めステップは、前記基板の表面において、前記一列の方向に直行する加工進行方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させる動作を、前記一列の方向にレーザ集光手段を所定距離移動させる動作を挟んで繰り返すことが好ましい。
本発明によると、基板表面が損傷することがなく、少ない数のレーザパルス照射で、改質層を効率的に形成することができる。
基板加工装置の斜視図である。 基板を載置したステージの上面図である。 基板を載置したステージの断面図である。 基板における改質層の形成を説明する図である。 基板に照射したレーザ光を示す図である。 第1の実施例を示す図である。 第2の実施例を示す図である。 比較例を示す図である。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、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装置や方法を例示するものであって、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ない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
(基板加工装置の構成)
図1は、基板加工装置100の構成を示す斜視図である。基板加工装置100は、ステージ110と、ステージ110がXY方向に移動可能なように支持するステージ支持部120と、ステージ110上に配置され、基板10を固定する基板固定具130とを有している。この基板10には、インゴットを切断したシリコンウェハを使用することができる。
また、基板加工装置100は、レーザ光源150と、レーザ光源150から発したレーザ光190を集光して基板10に向けて照射するレーザ集光部160を有している。レーザ集光部160は、対物レンズ180及び回折光学素子(DOE)170を有している。
回折光学素子170は、ビームスプリッタとして動作し、対物レンズ180で集光されたレーザ光190を所定の本数のレーザ光に分離する。分離されたレーザ光は、レーザ集光部の焦点位置において一列に並ぶようにすることができる。なお、図中で回折光学素子170はレーザ光を3つに分離しているが、これに限定されない。以下でも同様である。
また、回折光学素子170は、基板10の表面において隣接するレーザ光を所定距離にわたって離間させ、レーザ光が基板10の表面を損傷しないようにする。例えば、隣り合うレーザ光が重ならないようにする。このことにより、基板10の表面におけるレーザ光のエネルギー密度は加工閾値より小さくなるように抑えられる。
図2は、ステージ110上に置いた基板10を示す上面図である。図3は、ステージ110上に置いた基板10を示す断面図である。
基板10は、ステージ110上において基板固定具130によって保持されている。基板固定具130は、その上に設けられた固定テーブル125によって基板10を固定している。固定テーブル125には、通常の粘着層、機械的なチャック、静電チャックなどが適用可能である。
基板10に集光して照射されるレーザ光190の集光点Pは、基板10の内部において、表面から所定の深さの領域に所定の形状の軌跡12を形成することで、表面に水平方向に2次元状の改質層14を形成することができる。
図4は、基板10における改質層14の形成を説明する図である。基板加工装置100において、レーザ光190は、レーザ集光部160の回折光学素子170及び対物レンズ180を介して基板10に向けて照射され、基板10内部において集光される。本実施の形態では、回折光学素子170によって分離された複数のレーザ光が照射されている。
レーザ集光部160は、基板10の一定の深さの範囲においてレーザ光の径を実質的に絞るように集光し、当該領域において改質層14を形成するために十分なエネルギー密度を確保するようにしている。図中においては、基板10の表面側から入射したレーザ光集光点Pの深さの一定の範囲tに形成された改質層14が示されている。
改質層14は、基板10にレーザ光190を集光して照射することによって、シリコン単結晶が溶融した後で冷却されることにより結合状態が変化することにより形成された多結晶シリコンの多結晶粒を有するものである。
このように形成された改質層14は、レーザ光190を周期的な間隔で照射したことにより、多結晶を有する周期的構造を有している。
図5は、基板に照射したレーザ光を示す図である。図中の(a)は基板10の上面図、図中の(b)は基板10の断面図である。レーザ集光部160から基板10の表面に向けて照射された3つのレーザ光L1,L2,L3は、基板10の表面において3つのビームスポットR1,R2,R3を形成して基板10に入射し、基板10の内部において3つの集光点F1,F2,F3を形成する。これらの集光点F1,F2,F3の加工痕が連結して改質層14を形成する。
本実施の形態では、基板10の表面においてレーザ光L1,L2,L3のビームスポットR1,R2,R3が重ならないようにすることにより基板10の表面が損傷されることを防止している。また、複数の集光点F1,F2,F3に対応する加工痕によって改質層14を形成している。したがって、基板10の表面を加工することなく基板10の内部に改質層14を形成する速度を向上させることができる。
なお、ここでは隣り合うビームスポットR1,R2,R3が重ならないものとしたが、これに限られない。基板10の表面を加工するだけのパワー密度にならない場合には、ビームスポットR1,R2,R3が重なることも許容することができる。
(第1の実施例)
図6は、第1の実施例を示す図である。第1の実施の形態は、レーザ集光部160から、互いに重ならないように隣り合うレーザ光が50μmにわたって離間され、基板10の表面にビームスポットR1,R2,R3を形成するように照射されたレーザ光を用いるものである。
図中の(a)では、ビームスポットR1,R2,R3は、基板10の表面においてこれらのビームスポットR1,R2,R3が配置された一列の方向と直行する方向に所定速度で進み、これらのビームスポットR1,R2,R3は進行方向に所定間隔で形成されている。これら進行方向の間隔は、任意に設定が可能である。
基板10の表面において、ビームR1が形成された列、ビームR2が形成された列、ビームR3が形成された列は、50μmの間隔をなして進行方向に並んでいる。この場合、基板10内部においても、隣り合うビームスポットR1,R2,R3のそれぞれが形成された列の間隔と同じく、集光点F1が形成された列、集光点F2が形成された列、F3が形成された列のそれぞれの加工痕は、進行方向に50μmの間隔で形成される。
基板10の内部に改質層14が形成されるためには、このような集光点F1,F2,F3のそれぞれがなす列によって形成された加工痕による領域が連結することが必要である。隣り合う集光点F1,F2,F3のそれぞれが形成された列の間隔が50μmの場合、隣接する加工痕との距離が大きいため、これら集光点F1,F2,F3によって形成された加工痕による領域を連結するためには、ビームスポットR1、R2、R3をこれらの配列方向に移動させ、集光点F1、F2、F3を上記間隔の50μmにおいて、さらに例えば5μm間隔の集光点F1、F2、F3を形成することが必要である。このビームスポットの移動間隔は5μmに限定されないが、1μm〜10μmの範囲で選択することが可能である。
図中の(b)では、ビームスポットR1,R2,R3は、基板10の表面においてこれらのビームスポットR1,R2,R3が配置された一列の方向と60°の角度をなす方向に所定速度で進んでいる。そして、これらのビームスポットR1,R2,R3は進行方向に所定間隔で形成されている。換言すると、ビームスポットR1,R2,R3が配置された一列の方向と進行方向に直行する方向は、60°の角度(図中の角度θ)をなしている。
この場合、ビームR1が形成された列、ビームR2が形成された列、ビームR3が形成された列は、25μmの間隔をなして進行方向に並んでいる。この場合、基板10内部においても、隣り合うビームスポットR1,R2,R3のそれぞれが形成された列の間隔と同じく、集光点F1が形成された列、集光点F2が形成された列、F3が形成された列は、25μmの間隔で進行方向に並んで形成される。
この(b)において隣り合う集光点F1,F2,F3のそれぞれが形成された列の間隔が25μmであり、隣接する加工痕との距離が依然として大きいため、これらの集光点F1,F2,F3によって形成された加工痕を連結するためには、ビームスポットR1、R2、R3をこれらの配列方向に移動させ、集光点F1、F2、F3を上記間隔の50μmにおいて、さらに例えば5μm間隔の集光点F1、F2、F3を形成することが必要である。このビームスポットの移動間隔は5μmに限定されないが、1μm〜10μmの範囲で選択することが可能である。
図中の(c)では、ビームスポットR1,R2,R3は、基板10の表面においてこれらのビームスポットR1,R2,R3が配置された一列の方向と87°の角度をなす方向に所定速度で進んでいる。そして、これらのビームスポットR1,R2,R3は進行方向に所定間隔で形成されている。換言すると、ビームスポットR1,R2,R3が配置された一列の方向と進行方向に直行する方向は、87°の角度(図中の角度θ)をなしている。
この場合、ビームR1が形成された列、ビームR2が形成された列、ビームR3が形成された列は、2.6μmの間隔をなして進行方向に並んでいる。この場合、基板10内部においても、隣り合うビームスポットR1,R2,R3のそれぞれが形成された列の間隔と同じく、集光点F1が形成された列、集光点F2が形成された列、F3が形成された列は、2.6μmの間隔で進行方向に並んで形成される。
この(c)において隣り合う集光点F1,F2,F3のそれぞれが形成された列の間隔が2.6μmと十分に小さいため、これらの集光点F1,F2,F3のそれぞれが形成された列による加工痕は容易に連結し、改質層14を形成することができる。
(第2の実施例)
図7は、第2の実施例を示す図である。第2の実施の形態は、レーザ集光部160から、互いに重ならないように隣り合うレーザ光が20μmにわたって離間され、基板10の表面にビームスポットR1,R2,R3を形成するように照射されたレーザ光を用いるものである。
図中の(a)では、1回目の加工として、ビームスポットR1,R2,R3は、基板10の表面においてこれらのビームスポットR1,R2,R3が配置された一列の方向と直行する方向に所定速度で進み、これらのビームスポットR1,R2,R3は進行方向に所定間隔で形成されている。
基板10の表面において、ビームR1が形成された列、ビームR2が形成された列、ビームR3が形成された列は、20μmの間隔をなして進行方向に並んでいる。この場合、基板10内部においても、隣り合うビームスポットR1,R2,R3のそれぞれが形成された列の間隔と同じく、集光点F1が形成された列、集光点F2が形成された列、F3が形成された列による加工痕の列は、20μmの間隔で形成される。
図中の(b)では、1回目と2回目の加工を併せて示し、1回目の加工でビームR1,R2,R3がそれぞれ形成された列から直行する方向に2μmにわたって移動して、2回目の加工によるビームスポットR1,R2,R3のそれぞれの列によって形成された集光点F1,F2,F3の列により、加工痕は1回目の加工痕の列から進行方向に2μm移動して平行に形成される。
1回目の加工と2回目の加工による加工痕の列は、間隔が2μmと十分に小さいため、これらの集光点F1,F2,F3のそれぞれが形成された列による加工痕は容易に連結することができる。
以上のように、本実施の形態によると、基板10の表面に損傷を与えることなく、所望の間隔で加工痕を形成して一度に複数の加工をすることができる。したがって、基板10の内部に改質層14を形成するための加工時間を大幅に短縮することが可能である。
(比較例)
図8は、比較例を示すものである。図中の(a)は基板の上面図であり、図中の(b)は基板の断面図である。この比較例においては、レーザ光L1,L2,L3の間隔は小さく、これらレーザ光L1,L2,L3によって基板10の内部に形成される集光点F1,F2,F3による加工痕は容易に連結することができる。しかしながら、基板10の表面に形成されたビームスポットR1,R2,R3の間隔は小さく、互いに重なっていために、基板10の表面が損傷される。
なお、上記の実施の形態においてはシリコン単結晶基板について例示したが、例えば
シリコンカーバイド(SiC)等にも同様に適用することができる。また、ビームスプリッタとして回折光学素子(DOE)を例示したが、これに限定されない。
本発明の基板加工装置及び方法により基板を効率良く薄く形成することができることから、薄く切り出された基板は、Si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
14 改質層
100 基板加工装置
150 レーザ光源
160 レーザ集光部
170 回折光学素子
180 対物レンズ

Claims (15)

  1. 結晶基板の内部に改質層を形成するように基板を加工する基板加工装置であって、
    パルス照射のレーザ光源と、
    前記レーザ光源からのレーザ光を前記基板の表面に向けて照射し、前記基板の表面から所定の深さにレーザ光を集光するレーザ集光手段と、
    前記レーザ集光手段を前記基板に相対的に移動させて位置決めをする位置決め手段と、を含み、
    前記レーザ集光手段は、前記レーザ光源からのレーザ光を複数のレーザ光に分割するビームスプリッタを含み、前記ビームスプリッタは前記複数のレーザ光について、前記基板の表面が損傷しないように隣り合うレーザ光を所定距離にわたって離間させること
    を特徴とする基板加工装置。
  2. 前記ビームスプリッタは、隣り合うレーザ光が前記基板の表面で重ならない距離に離間させることを特徴とする請求項1に記載の基板加工装置。
  3. 前記ビームスプリッタは、回折光学素子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の基板加工装置。
  4. 前記複数のレーザ光は、前記基板の表面において一列に配置されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の基板加工装置。
  5. 前記位置決め手段は、前記基板の表面において、前記一列の方向に直行する方向とは所定角度をなす方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させることを特徴とする請求項4に記載の基板加工装置。
  6. 前記位置決め手段は、前記基板の表面において、前記一列の方向に直行する方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させる動作を、前記一列の方向にレーザ集光手段を所定距離移動させる動作を挟んで繰り返すことを特徴とする請求項4又は5に記載の基板加工装置。
  7. 前記レーザ集光手段は、前記基板における表面から裏面に至るまでの深さにレーザ光が集光する位置を設定することができることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の基板加工装置。
  8. 前記改質層は、前記基板の表面と平行に形成されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の基板加工装置。
  9. 前記基板の表面は、鏡面仕上げであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の基板加工装置。
  10. 前記基板は、シリコン単結晶基板又はシリコンカーバイド単結晶基板である請求項1乃至9のいずれかに記載の基板加工装置。
  11. 結晶基板の内部に改質層を形成するように基板を加工する基板加工方法であって、
    単結晶の基板を提供するステップと、
    パルス照射のレーザ光源からのレーザ光をレーザ集光手段によって前記基板の表面に向けて照射し、前記基板の表面から所定の深さにレーザ光を集光するレーザ集光ステップと、
    前記レーザ集光手段を前記基板に相対的に移動させて位置決めをする位置決めステップと、を含み、
    前記レーザ集光ステップは、前記レーザ光源からのレーザ光を複数のレーザ光に分割するビームスプリッタを用い、前記複数のレーザ光について、前記基板の表面が損傷しないように隣り合うレーザ光を所定距離にわたって離間させるレーザ光分離ステップを含むこと
    を特徴とする基板加工方法。
  12. 前記レーザ光分離ステップは、隣り合うレーザ光が前記基板の表面で重ならない距離に離間させることを特徴とする請求項11に記載の基板加工方法。
  13. 前記レーザ光分離ステップは、前記複数のレーザ光を前記基板の内部において一列に配置させることを特徴とする請求項11又は12に記載の基板加工方法。
  14. 前記位置決めステップは、前記基板の表面において、前記一列の方向に直行する方向とは所定角度をなす方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させることを特徴とする請求項13に記載の基板加工方法。
  15. 前記位置決めステップは、前記基板の表面において、前記一列の方向に直行する方向に前記レーザ集光手段を所定速度で移動させる動作を、前記一列の方向にレーザ集光手段を所定距離移動させる動作を挟んで繰り返すことを特徴とする請求項13に記載の基板加工方法。
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