JP2015207664A - 単結晶基板の加工方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板等の単結晶基板は難削材であり、単結晶基板の上面を研磨して所望の厚みに形成したり、光デバイスの輝度を向上させるために単結晶基板の上面に複数の凹部を点在して形成することが困難であるという問題がある。
また、他の技術課題は、単結晶基板の表面に効率よく複数の凹部を点在して形成することができる単結晶基板の加工方法を提供することである。
パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板に対して所定の値に設定する開口数設定工程と、
パルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所定位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し、単結晶基板の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを形成するシールドトンネル形成工程と、
単結晶基板に形成されたシールドトンネルを研磨材で研磨して非晶質を除去する非晶質除去工程と、を含む、
ことを特徴とする単結晶基板の加工方法が提供される。
上記非晶質除去工程において使用する研磨材は、単結晶基板の硬度以下である。
なお、単結晶基板はサファイア(Al2O3)基板、炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板のいずれかであり、研磨材はサファイア(Al2O3)、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ケイ酸塩、石英からなるいずれかの砥粒であることが望ましい。
上記シールドトンネル形成工程は単結晶基板をチップに分割する輪郭に沿ってシールドトンネルを連接して形成し、上記非晶質除去工程はチップの外周を研磨する。
また、上記シールドトンネル形成工程は単結晶基板の上面に所定の深さでシールドトンネルを連接して形成し、上記非晶質除去工程は単結晶基板の上面を研磨して単結晶基板を所定の厚みに形成する。
更に、上記シールドトンネル形成工程は単結晶基板の上面にシールドトンネルを所望の位置に点在して形成し、上記非晶質除去工程は単結晶基板を研磨して単結晶基板上面に凹部を形成する。
先ず、光デバイスウエーハ2を環状のフレームに装着されたダイシングテープの表面に貼着するウエーハ支持工程を実施する。即ち、図2に示すように、環状のフレーム3の内側開口部を覆うように外周部が装着されたダイシングテープ30の表面に光デバイスウエーハ2の裏面2bを貼着する。従って、ダイシングテープ30の表面に貼着された光デバイスウエーハ2は、表面2aが上側となる。
先ず、上述した図3に示すレーザー加工装置4のチャックテーブル41上に光デバイスウエーハ2が貼着されたダイシングテープ30側を載置する。そして、図示しない吸引手段を作動することにより、ダイシングテープ30を介して光デバイスウエーハ2をチャックテーブル41上に保持する(ウエーハ保持工程)。従って、チャックテーブル41に保持された光デバイスウエーハ2は、表面2aが上側となる。なお、図3においてはダイシングテープ30が装着された環状のフレーム3を省いて示しているが、環状のフレーム3はチャックテーブル41に配設された適宜のフレーム保持手段に保持される。このようにして、光デバイスウエーハ2を吸引保持したチャックテーブル41は、図示しない加工送り手段によって撮像手段43の直下に位置付けられる。
なお、上述した実施形態においては光デバイスウエーハ2の表面2aを上側にしてチャックテーブル41に保持し、光デバイスウエーハ2の表面2aの側から分割予定ライン22に沿ってパルスレーザー光線を照射してシールドトンネル23を形成する例を示したが、光デバイスウエーハ2の裏面を上側にしてチャックテーブル41に保持し、光デバイスウエーハ2の裏面側から分割予定ライン22に沿ってパルスレーザー光線を照射してシールドトンネル23を形成してもよい。
ここで、開口数(NA)と屈折率(N)と開口数(NA)を屈折率(N)で除した値(S=NA/N)との関係について、図5を参照して説明する。図5において集光レンズ422aに入光したパルスレーザー光線LBは光軸に対して角度(α)をもって集光される。このとき、sinαが集光レンズ422aの開口数(NA)である(NA=sinθ)。集光レンズ422aによって集光されたパルスレーザー光線LBが単結晶基板からなる光デバイスウエーハ2に照射されると、光デバイスウエーハ2を構成する単結晶基板は空気より密度が高いのでパルスレーザー光線LBは角度(α)から角度(β)に屈折する。このとき、光軸に対する角度(β)は、光デバイスウエーハ2を構成する単結晶基板の屈折率(N)によって異なる。屈折率(N)は(N=sinα/sinβ)であるから、開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)はsinβとなる。従って、sinβを0.05〜0.2の範囲(0.05≦sinβ≦0.2)に設定することが重要である。
以下、集光レンズ422aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)が0.05〜0.2の範囲に設定された理由について説明する。
厚みが1000μmのサファイア(Al2O3)基板(屈折率:1.7)を次の加工条件でシールドトンネルを形成し、シールドトンネルの良不良を判定した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
加工送り速度 :800mm/秒
集光レンズの開口数(NA) シールドトンネルの良不良 S=NA/N
0.05 なし
0.1 やや良好 0.058
0.15 良好 0.088
0.2 良好 0.117
0.25 良好 0.147
0.3 良好 0.176
0.35 やや良好 0.205
0.4 不良
0.45 不良:ボイドができる
0.5 不良:ボイドができる
0.55 不良:ボイドができる
0.6 不良:ボイドができる
以上のようにサファイア基板(屈折率:1.7)においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)が、開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)が0.05〜0.2の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成される。従って、サファイア基板(屈折率:1.7)においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)は、0.1〜0.35に設定することが重要である。
厚みが1000μmの炭化珪素(SiC)基板(屈折率:2.63)を次の加工条件でシールドトンネルを形成し、シールドトンネルの良不良を判定した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
加工送り速度 :800mm/秒
集光レンズの開口数(NA) シールドトンネルの良不良 S=NA/N
0.05 なし
0.1 なし
0.15 やや良好 0.057
0.2 良好 0.076
0.25 良好 0.095
0.3 良好 0.114
0.35 良好 0.133
0.4 良好 0.153
0.45 良好 0.171
0.5 良好 0.19
0.55 やや良好 0.209
0.6 不良:ボイドができる
以上のように炭化珪素(SiC)基板(屈折率:2.63)においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)が0.05〜0.2の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成される。従って、炭化珪素(SiC)基板においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)は、0.15〜0.55に設定することが重要である。
厚みが1000μmの窒化ガリウム(GaN)基板(屈折率:2.3)を次の加工条件でシールドトンネルを形成し、シールドトンネルの良不良を判定した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
加工送り速度 :800mm/秒
集光レンズの開口数(NA) シールドトンネルの良不良 S=NA/N
0.05 なし
0.1 やや良好 0.043
0.15 良好 0.065
0.2 良好 0.086
0.25 良好 0.108
0.3 良好 0.130
0.35 良好 0.152
0.4 良好 0.173
0.45 良好 0.195
0.5 やや良好 0.217
0.55 不良:ボイドができる
0.6 不良:ボイドができる
以上のように窒化ガリウム(GaN)基板においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)が0.05〜0.2の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成される。従って、窒化ガリウム(GaN)基板においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)は、0.1〜0.5に設定することが重要である。
なお、シールドトンネルは集光点Pからレーザー光線が照射された側に形成されることから、パルスレーザー光線の集光点はパルスレーザー光線が入射される側と反対側の面に隣接する内側に位置付けられる必要がある。
厚みが1000μmのサファイア(Al2O3)基板、炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板に次の加工条件でパルスレーザー光線を照射し、パルスレーザー光線のエネルギー(μJ/1パルス)とシールドトンネルの長さ(μm)との関係を求めた。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
加工送り速度 :800mm/秒
平均出力を0.05W(1μJ/1パルス)間隔でシールドトンネルが形成されるまで平均出力を上昇させ、シールドトンネルが形成された後は0.5W(10μJ/1パルス)間隔で10W(200μJ/1パルス)まで平均出力を上昇させ、シールドトンネルの長さ(μm)を計測した。
パルスエネルギー(μJ/1パルス) シールドトンネルの長さ(μm)
サファイア 炭化珪素 窒化ガリウム
1 なし なし なし
2 なし なし なし
3 なし なし なし
4 なし なし なし
5 65 65 70
10 75 85 85
20 125 115 125
30 150 155 170
40 175 185 205
50 190 230 250
60 210 265 295
70 245 290 330
80 260 330 365
90 315 370 415
100 340 395 450
110 365 430 485
120 400 470 530
130 425 500 565
140 455 535 610
150 490 570 650
160 525 610 685
170 550 640 735
180 575 675 770
190 610 715 815
200 640 740 850
厚みが1000μmのサファイア基板を次の加工条件でパルスレーザー光線の波長を2940nm、1550nm、1030nm、515nm、343nm、257nm、151nmと下げていき、バンドギャップ8.0eV(波長換算:155nm)のサファイア基板にシールドトンネルが形成できるか否かを検証した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
加工送り速度 :800mm/秒
波長(nm) シールドトンネル良不良
2940 良好
1550 良好
1030 良好
515 良好
343 良好
257 不良
151 入射面でアブレーション不良
以上のようにサファイア基板においては、パルスレーザー光線の波長はバンドギャップ8.0eVに対応する波長(波長換算:155nm)の2倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
厚みが1000μmの炭化珪素(SiC)基板を次の加工条件でパルスレーザー光線の波長を2940nm、1550nm、1030nm、515nm、257nmと下げていき、バンドギャップ2.9eV(波長換算:425nm)の炭化珪素(SiC)基板にシールドトンネルが形成できるか否かを検証した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
加工送り速度 :800mm/秒
波長(nm) シールドトンネル良不良
2940 良好
1550 良好
1030 良好
515 入射面でアブレーション不良
257 入射面でアブレーション不良
以上のように炭化珪素(SiC)基板においては、パルスレーザー光線の波長はバンドギャップ2.9eVに対応する波長(波長換算:425nm)の2倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
厚みが1000μmの窒化ガリウム(GaN)基板を次の加工条件でパルスレーザー光線の波長を2940nm、1550nm、1030nm、515nm、257nmと下げていき、バンドギャップ3.4eV(波長換算:365nm)の窒化ガリウム(GaN)基板にシールドトンネルが形成できるか否かを検証した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
集光スポット径 :φ10μm
加工送り速度 :500mm/秒
波長(nm) シールドトンネル良不良
2940 良好
1550 良好
1030 良好
515 不良
257 入射面でアブレーション不良
以上のように窒化ガリウム(GaN)基板においては、パルスレーザー光線の波長はバンドギャップ3.4eVに対応する波長(波長換算:365nm)の2倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
このようにして、ピックアップされた光デバイス21は、図8に示すように外周面に非晶質232が残存する。
この非晶質除去工程は、図9の(a)に示すようにサンドペーパ6を用いて光デバイス21の外周面を研磨することにより、光デバイス21の外周面に残存している非晶質232を除去する。この結果、図9の(b)に示すように光デバイス21の外周面は非晶質が除去されてサファイア(Al2O3)基板が露出される。従って、光デバイス21の輝度を向上させることができる。
なお、上記シールドトンネル形成工程において単結晶基板としてのサファイア(Al2O3)基板からなる光デバイスウエーハ2に形成されたシールドトンネル23を構成する非晶質232は脆弱であるため、非晶質除去工程において使用する研磨材は単結晶基板の硬度以下の材料からなる砥粒を用いて研磨することにより、非晶質232のみを容易に除去することができる。上述した実施形態においては、光デバイスウエーハ2を構成する単結晶基板はサファイア(Al2O3)基板からなっているので、研磨材としてサファイア(Al2O3)の硬度(新モース硬度No.12)以下の材料からなる砥粒を用いる。従って、炭化珪素(SiC)基板にシールドトンネル23を形成した場合には研磨材として炭化珪素(SiC)基板の硬度(新モース硬度No.13)以下の材料、例えば炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ケイ酸塩、石英からなる砥粒を用いる。
図10には、単結晶基板としての厚みが例えば300μmのサファイア基板10が示されている。このサファイア基板10の厚みを150μmに形成する加工方法について説明する。
厚みが300μmのサファイア基板10を150μmの厚みに形成するには、先ず、上述したようにパルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板であるサファイア基板10に対して所定の値に設定する開口数設定工程を実施する。
そして、図11に示すようにパルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所望位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し、単結晶基板であるサファイア基板10の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてサファイア基板10の上面から150μmの深さでシールドトンネル23を連接して形成するシールドトンネル形成工程を実施する。このシールドトンネル形成工程は、上記図3に示すレーザー加工装置3を用いて、上述した加工条件に基づいてサファイア基板10の全面に実施することにより、上面から150μmの深さでシールドトンネル23層が形成される。このとき、サファイア基板10の上面から150μmの深さでシールドトンネル23を形成するために、パルスレーザー光線のパルスエネルギーを、上記実験2に結果に基づいて30μJ/1パルスに設定する。
厚みが300μmのサファイア基板10の表面に例えば深さが75μmの凹部を点在して形成するには、先ず、上述したようにパルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板であるサファイア基板10に対して所定の値に設定する開口数設定工程を実施する。
そして、図13に示すようにパルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所望位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し、単結晶基板であるサファイア基板10の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてサファイア基板10の上面から75μmの深さでシールドトンネル23を点在して形成するシールドトンネル形成工程を実施する。このシールドトンネル形成工程は、上記図3に示すレーザー加工装置3を用いて、上述した加工条件に基づいてサファイア基板10の全面に実施することにより、上面から150μmの深さでシールドトンネル23層が形成される。このとき、サファイア基板10の上面から75μmの深さでシールドトンネル23を形成するために、パルスレーザー光線のパルスエネルギーを、上記実験2に結果に基づいて10μJ/1パルスに設定する。
21:光デバイス
22:分割予定ライン
23:シールドトンネル
3:環状のフレーム
30:ダイシングテープ
4:レーザー加工装置
41:レーザー加工装置のチャックテーブル
42:レーザー光線照射手段
422:集光器
5:分割装置
10:サファイア基板
Claims (7)
- 単結晶基板の加工方法であって、
パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板に対して所定の値に設定する開口数設定工程と、
パルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所望位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し、単結晶基板の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを形成するシールドトンネル形成工程と、
単結晶基板に形成されたシールドトンネルを研磨材で研磨して非晶質を除去する非晶質除去工程と、を含む、
ことを特徴とする単結晶基板の加工方法。 - 該開口数設定工程において所定の値に設定される集光レンズの開口数(NA)は、単結晶基板の屈折率(N)で除した値が0.05〜0.2の範囲になるように設定される、請求項1記載の単結晶基板の加工方法。
- 該非晶質除去工程において使用する研磨材は、単結晶基板の硬度以下である、請求項1又は2記載の単結晶基板の加工方法。
- 単結晶基板は、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板のいずれかであり、
研磨材は、サファイア(Al2O3)、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ケイ酸塩、石英からなるいずれかの砥粒である、請求項1〜3のいずれかに記載の単結晶基板の加工方法。 - 該シールドトンネル形成工程は、単結晶基板をチップに分割する輪郭に沿ってシールドトンネルを連接して形成し、
該非晶質除去工程は、チップの外周を研磨する、請求項1〜4のいずれかに記載の単結晶基板の加工方法。 - 該シールドトンネル形成工程は、単結晶基板の上面に所定の深さでシールドトンネルを連接して形成し、
該非晶質除去工程は、単結晶基板の上面を研磨して単結晶基板を所定の厚みに形成する、請求項1〜4のいずれかに記載の単結晶基板の加工方法。 - 該シールドトンネル形成工程は、単結晶基板の上面にシールドトンネルを所望の位置に点在して形成し、
該非晶質除去工程は、単結晶基板を研磨して単結晶基板上面に凹部を形成する、請求項1〜4のいずれかに記載の単結晶基板の加工方法。
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