JP2016143766A - 単結晶部材の加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】効率よく所望の厚さのレーザー加工を施すことができる単結晶部材の加工方法を提供する。
【解決手段】単結晶部材の加工方法であって、パルスレーザー光線のピークエネルギー密度を1TW/cm2〜100TW/cm2の範囲に設定し、パルスレーザー光線の集光点を単結晶部材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、単結晶部材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。
【選択図】図6

Description

本発明は、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板等の単結晶部材に加工を施す単結晶部材の加工方法に関する。
光デバイス製造工程においては、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板の表面にn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層からなる光デバイス層が積層され格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスを形成して光デバイスウエーハを構成する。そして、光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿ってレーザー光線を照射して切断することにより光デバイスが形成された領域を分割して個々の光デバイスを製造している。
上述した光デバイスウエーハ等のウエーハを分割する方法として、被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザー光線を照射するレーザー加工方法も試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、ウエーハの一方の面側から内部に集光点を合わせてウエーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部に分割予定ラインに沿って破断起点となる改質層を連続的に形成し、この改質層が形成されることによって強度が低下したストリートに沿って外力を加えることにより、ウエーハを分割する技術である(例えば、特許文献1参照)。
また、半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等のウエーハを分割予定ラインに沿って分割する方法として、ウエーハに対して吸収性を有する波長のパルスレーザー光線を分割予定ラインに沿って照射することによりアブレーション加工を施してレーザー加工溝を形成し、この破断起点となるレーザー加工溝が形成された分割予定ラインに沿って外力を付与することにより割断する技術が実用化されている(例えば、特許文献2参照)。
特許第3408805号公報 特開平10―305420号公報
而して、上記いずれの加工方法においても、サファイア(Al2O3)基板等からなる光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って個々のデバイスに分割するためには同一分割予定ラインに複数回レーザー光線を照射する必要があり、生産性が悪いという問題がある。
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、効率よく所望の厚さのレーザー加工を施すことができる単結晶部材の加工方法を提供することである。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、単結晶部材の加工方法であって、
パルスレーザー光線のピークエネルギー密度を1TW/cm2〜100TW/cm2の範囲に設定し、
パルスレーザー光線の集光点を単結晶部材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、単結晶部材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、
ことを特徴とする単結晶部材の加工方法が提供される。
単結晶部材に設定された分割予定ラインに沿ってシールドトンネルを連接して形成し、単結晶部材を該シールドトンネルが形成された分割予定ラインに沿って分割する。
本発明による単結晶部材の加工方法においては、パルスレーザー光線のピークエネルギー密度を1TW/cm2〜100TW/cm2の範囲に設定し、パルスレーザー光線の集光点を単結晶部材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、単結晶部材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ので、パルスレーザー光線の出力を適宜調整することにより、1回のパルスレーザー光線の照射で単結晶部材の上面から下面に亘ってシールドトンネルを形成することができるため、単結晶部材の厚みが厚くてもパルスレーザー光線を1回照射すればよく、生産性が向上する。
本発明による単結晶部材の加工方法によって加工される単結晶部材としての光デバイスウエーハの斜視図。 図1に示す光デバイスウエーハを環状のフレームに装着したダイシングテープに貼着した状態を示す斜視図。 本発明による単結晶部材の加工方法におけるシールドトンネル形成工程を実施するためのレーザー加工装置の要部斜視図。 図3に示すレーザー加工装置に装備されるパルスレーザー光線発振手段のブロック構成図。 集光レンズの開口数(NA)と光デバイスウエーハの屈折率(N)と開口数(NA)を屈折率(N)で除した値(S=NA/N)との関係を示す図。 本発明による単結晶部材の加工方法におけるシールドトンネル形成工程の説明図。 本発明による単結晶部材の加工方法によってシールドトンネルが形成された光デバイスウエーハを個々の光デバイスに分割するための分割装置の斜視図。 図7に示す分割装置によって実施するウエーハ分割工程の説明図。
以下、本発明による単結晶部材の加工方法について添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
図1には、本発明による単結晶部材の加工方法によって加工される単結晶部材としての光デバイスウエーハの斜視図が示されている。図1に示す光デバイスウエーハ2は、厚みが400μmのサファイア(Al2O3)基板の表面2aに発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイス21がマトリックス状に形成されている。そして、各光デバイス21は、格子状に形成された分割予定ライン22によって区画されている。
上述した単結晶部材としての光デバイスウエーハ2を加工する単結晶部材の加工方法について説明する。
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。
図3には上述したウエーハ支持工程が実施された光デバイスウエーハ2の分割予定ライン22に沿ってレーザー加工を施すレーザー加工装置の要部斜視図が示されており、図4には図3に示すレーザー加工装置に装備されるパルスレーザー光線発振手段のブロック構成図が示されている。図3に示すレーザー加工装置4は、被加工物を保持するチャックテーブル41と、該チャックテーブル41上に保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段42と、チャックテーブル41上に保持された被加工物を撮像する撮像手段43を具備している。チャックテーブル41は、被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない加工送り手段によって図3において矢印Xで示す加工送り方向に移動せしめられるとともに、図示しない割り出し送り手段によって図3において矢印Yで示す割り出し送り方向に移動せしめられるようになっている。
上記レーザー光線照射手段42は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング421を含んでいる。レーザー光線照射手段42は、図4に示すように上記ケーシング421内に配設されたパルスレーザー光線発振手段422と、該パルスレーザー光線発振手段422から発振されたパルスレーザー光線の出力を調整する出力調整手段423と、該出力調整手段423によって出力が調整されたパルスレーザー光線を集光してチャックテーブル41の上面である保持面に保持された被加工物としての光デバイスウエーハ2に照射する集光器424を具備している。パルスレーザー光線発振手段422は、パルスレーザー光線発振器422aと、パルスレーザー光線発振器422aが発振するパルスレーザー光線の繰り返し周波数を設定する繰り返し周波数設定手段422b、およびパルスレーザー光線発振器422aが発振するパルスレーザー光線のパルス幅を設定するパルス幅設定手段422cとから構成されている。このように構成されたパルスレーザー光線発振手段422は、図示の実施形態においては波長が1030nmのパルスレーザー光線LBを発振する。なお、パルスレーザー光線発振手段422および上記出力調整手段423は、図示しない制御手段によって制御されるようになっている。
上記集光器424は、パルスレーザー光線発振手段422から発振され出力調整手段423によって出力が調整されたパルスレーザー光線LBを下方に向けて方向変換する方向変換ミラー424aと、該方向変換ミラー424aによって方向変換されたパルスレーザー光線LBを集光してチャックテーブル41の上面である保持面に保持された被加工物Wに照射する集光レンズ424bとからなっている。この集光器424の集光レンズ424bの開口数(NA)を単結晶部材の屈折率(N)で除した値が0.05〜0.4の範囲となっている場合にシールドトンネルが形成されることが本発明者によって確認されている。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424b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=sinα)。集光レンズ424bによって集光されたパルスレーザー光線LBが単結晶部材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を構成する単結晶部材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を構成する単結晶部材の屈折率(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)を単結晶部材の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)はsinβとなる。そして、sinβを0.05〜0.4の範囲(0.05≦sinβ≦0.4)に設定すると良好なシールドトンネルが形成されることが実験において確認され、sinβが設定した範囲を脱すると後述するピークエネルギー密度の範囲であっても良好なシールドトンネルが形成されないことが実験によって確認されている。なお、レーザー光線照射手段42は、集光器424の集光レンズ424bによって集光されるパルスレーザー光線の集光点位置を調整するための集光点位置調整手段(図示せず)を備えている。
上記レーザー光線照射手段42を構成するケーシング421の先端部に装着された撮像手段43は、可視光線によって撮像する通常の撮像素子(CCD)の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子(赤外線CCD)等で構成されており、撮像した画像信号を図示しない制御手段に送る。
上述したレーザー加工装置4を用いて、上述したウエーハ支持工程が実施された光デバイスウエーハ2の分割予定ライン22に沿ってレーザー加工を施すには、パルスレーザー光線の集光点が単結晶部材としての光デバイスウエーハ2の厚み方向の所望の位置に位置付けられるように集光レンズと単結晶部材とを相対的に光軸方向に位置付ける位置付け工程を実施する。
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。
チャックテーブル41が撮像手段43の直下に位置付けられると、撮像手段43および図示しない制御手段によって光デバイスウエーハ2のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、撮像手段43および図示しない制御手段は、光デバイスウエーハ2の所定方向に形成されている分割予定ライン22と、分割予定ライン22に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段42の集光器424との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、レーザー光線照射位置のアライメントを遂行する(アライメント工程)。また、光デバイスウエーハ2に上記所定方向と直交する方向に形成された分割予定ライン22に対しても、同様にレーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。
上述したアライメント工程を実施したならば、図6の(a)で示すようにチャックテーブル41をレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段42の集光器424が位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定の分割予定ライン22を集光器424の直下に位置付ける。このとき、図6の(a)で示すように光デバイスウエーハ2は、分割予定ライン22の一端(図6の(a)において左端)が集光器424の直下に位置するように位置付けられる。そして、集光器424の集光レンズ424bによって集光されるパルスレーザー光線LBの集光点Pが単結晶部材としての光デバイスウエーハ2の厚み方向の所望の位置に位置付けられるように図示しない集光点位置調整手段を作動して集光器424を光軸方向に移動する(位置付け工程)。なお、図示の実施形態においては、パルスレーザー光線の集光点Pは、光デバイスウエーハ2におけるパルスレーザー光線が入射される上面(表面2a側)から所望位置(例えば表面2aから5〜10μm裏面2b側の位置)に設定されている。
上述したように位置付け工程を実施したならば、レーザー光線照射手段42を作動して集光器424からパルスレーザー光線LBを照射して光デバイスウエーハ2に位置付けられた集光点P付近(上面(表面2a)から下面(裏面2b)に向けて細孔と該細孔をシールドする非晶質とを形成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を実施する。即ち、集光器424から光デバイスウエーハ2を構成するサファイア基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線LBを照射しつつチャックテーブル41を図6の(a)において矢印X1で示す方向に所定の送り速度で移動せしめる(シールドトンネル形成工程)。そして、図6の(b)で示すようにレーザー光線照射手段42の集光器422のレーザー光線照射位置に分割予定ライン22の他端(図6の(b)において右端)が達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともにチャックテーブル41の移動を停止する。
上述したシールドトンネル形成工程を実施することにより、光デバイスウエーハ2の内部には、図6の(c)に示すようにパルスレーザー光線LBの集光点P付近(上面(表面2a))から下面(裏面2b)に向けて細孔231と該細孔231の周囲に形成された非晶質232が成長し、分割予定ライン22に沿って所定の間隔(図示の実施形態においては10μmの間隔(加工送り速度:1000mm/秒)/(繰り返し周波数:100kHz))で非晶質のシールドトンネル23が形成される。このように形成されたシールドトンネル23は、図6の(d)および(e)に示すように中心に形成された直径がφ1μm程度の細孔231と該細孔231の周囲に形成された直径がφ10μmの非晶質232とからなり、図示の実施形態においては互いに隣接する非晶質232同士がつながるように連接して形成される形態となっている。なお、上述したシールドトンネル形成工程において形成される非晶質のシールドトンネル23は、光デバイスウエーハ2の上面(表面2a)から下面(裏面2b)に亘って形成することができるため、ウエーハの厚みが厚くてもパルスレーザー光線を1回照射すればよいので、生産性が極めて良好となる。また、シールドトンネル形成工程においてはデブリが飛散しないので、デバイスの品質を低下させるという問題も解消される。
上述したように所定の分割予定ライン22に沿って上記シールドトンネル形成工程を実施したら、チャックテーブル41を矢印Yで示す方向に光デバイスウエーハ2に形成された分割予定ライン22の間隔だけ割り出し移動し(割り出し工程)、上記シールドトンネル形成工程を遂行する。このようにして所定方向に形成された全ての分割予定ライン22に沿って上記シールドトンネル形成工程を実施したならば、チャックテーブル41を90度回動せしめて、上記所定方向に形成された分割予定ライン22に対して直交する方向に延びる分割予定ライン22に沿って上記シールドトンネル形成工程を実行する。
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。
上述したシールドトンネル形成工程において、良好なシールドトンネル23を形成するには、パルスレーザー光線LBのピークエネルギー密度を1TW/cm2〜100TW/cm2の範囲に設定することが重要である。
なお、ピークエネルギー密度は、
平均出力(W)/{繰り返し周波数(Hz)×スポット面積(cm2)×パルス幅(s) }によって求めることができる。
以下、パルスレーザー光線LBのピークエネルギー密度を1TW/cm2〜100TW/cm2の範囲に設定された理由について説明する。
実験例
[実験:1]
条件1・・・単結晶部材:サファイア基板(厚み400μm)
条件2・・・パルスレーザー光線の波長を1030nmに設定
条件3・・・パルスレーザー光線の繰り返し周波数を100kHzに設定
条件4・・・パルスレーザー光線のスポット径を10μmに設定
条件5・・・パルスレーザー光線の平均出力を5Wに設定
条件6・・・変数:パルスレーザー光線のパルス幅

上記条件に従ってパルス幅を0.1〜100psまで変化させながらサファイア基板にパルスレーザー光線を照射し、加工状態を観察した。
パルス幅が0.1〜0.6psまではサファイア基板の内部にボイドが形成された。
パルス幅が0.6〜63psまではサファイア基板の内部に細孔と細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルが形成された。
パルス幅が64〜100psまではサファイア基板の内部が溶融した。
以上の実験結果から、パルス幅が0.6〜63psの範囲においてサファイア基板の内部に細孔と細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルが形成されることが判った。
従って、上記条件においてパルス幅を0.6〜63psにしてピークエネルギー密度を求めると、1TW/cm2〜100TW/cm2の範囲に設定することでシールドトンネルが形成される。
[実験:2]
条件1・・・単結晶部材:サファイア基板(厚み400μm)
条件2・・・パルスレーザー光線の波長を1030nmに設定
条件3・・・パルス幅10psに設定
条件4・・・パルスレーザー光線のスポット径を10μmに設定
条件5・・・パルスレーザー光線の平均出力を5Wに設定
条件6・・・変数:パルスレーザー光線の繰り返し周波数

上記条件に従って繰り返し周波数を1〜1000kHzまで変化させながらサファイア基板にパルスレーザー光線を照射し、加工状態を観察した。
繰り返し周波数が1〜6kHzまではサファイア基板の内部が破壊されクラックが放射状に形成された。
繰り返し周波数が7〜640kHzまではサファイア基板の内部に細孔と細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルが形成された。
繰り返し周波数が650〜1000kHzまではサファイア基板の内部ボイドが形成されシールドトンネルは形成されなかった。
以上の実験結果から、繰り返し周波数が7〜640kHzの範囲においてサファイア基板の内部に細孔と細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルが形成されることが判った。
従って、上記条件において繰り返し周波数が7〜640kHzにしてピークエネルギー密度を求めると、1TW/cm2〜100TW/cm2の範囲に設定することでシールドトンネルが形成される。
上記実験1および実験2はサファイア(Al2O3)基板に対して実施した例を示したが、単結晶部材としての炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板、リチウムタンタレート(LiTaO)基板、リチウムナイオベート(LiNbO)基板、ダイヤモンド基板、石英(SiO2)に対しても上記実験1および実験2と同様の実験を行ったが、略同じ結果であった。
上述したシールドトンネル形成工程を実施したならば、光デバイスウエーハ2に外力を付与し細孔231と該細孔231の周囲に形成された非晶質232とからなるシールドトンネル23が連続して形成された分割予定ライン22に沿って光デバイスウエーハ2を個々の光デバイス21に分割するウエーハ分割工程を実施する。ウエーハ分割工程は、図7に示す分割装置5を用いて実施する。図7に示す分割装置5は、上記環状のフレーム3を保持するフレーム保持手段51と、該フレーム保持手段51に保持された環状のフレーム3に装着された光デバイスウエーハ2を拡張するテープ拡張手段52と、ピックアップコレット53を具備している。フレーム保持手段51は、環状のフレーム保持部材511と、該フレーム保持部材511の外周に配設された固定手段としての複数のクランプ512とからなっている。フレーム保持部材511の上面は環状のフレーム3を載置する載置面511aを形成しており、この載置面511a上に環状のフレーム3が載置される。そして、載置面511a上に載置された環状のフレーム3は、クランプ512によってフレーム保持部材511に固定される。このように構成されたフレーム保持手段51は、テープ拡張手段52によって上下方向に進退可能に支持されている。
テープ拡張手段52は、上記環状のフレーム保持部材511の内側に配設される拡張ドラム521を具備している。この拡張ドラム521は、環状のフレーム3の内径より小さく該環状のフレーム3に装着されたダイシングテープ30に貼着される光デバイスウエーハ2の外径より大きい内径および外径を有している。また、拡張ドラム521は、下端に支持フランジ522を備えている。図示の実施形態におけるテープ拡張手段52は、上記環状のフレーム保持部材511を上下方向に進退可能な支持手段523を具備している。この支持手段523は、上記支持フランジ522上に配設された複数のエアシリンダ523aからなっており、そのピストンロッド523bが上記環状のフレーム保持部材511の下面に連結される。このように複数のエアシリンダ523aからなる支持手段523は、図8の(a)に示すように環状のフレーム保持部材511を載置面511aが拡張ドラム521の上端と略同一高さとなる基準位置と、図8の(b)に示すように拡張ドラム521の上端より所定量下方の拡張位置の間を上下方向に移動せしめる。
以上のように構成された分割装置5を用いて実施するウエーハ分割工程について図8を参照して説明する。即ち、光デバイスウエーハ2が貼着されているダイシングテープ30が装着された環状のフレーム3を、図8の(a)に示すようにフレーム保持手段51を構成するフレーム保持部材511の載置面511a上に載置し、クランプ512によってフレーム保持部材511に固定する(フレーム保持工程)。このとき、フレーム保持部材511は図8の(a)に示す基準位置に位置付けられている。次に、テープ拡張手段52を構成する支持手段523としての複数のエアシリンダ523aを作動して、環状のフレーム保持部材511を図8の(b)に示す拡張位置に下降せしめる。従って、フレーム保持部材511の載置面511a上に固定されている環状のフレーム3も下降するため、図8の(b)に示すように環状のフレーム3に装着されたダイシングテープ30は拡張ドラム521の上端縁に接して拡張せしめられる(テープ拡張工程)。この結果、ダイシングテープ30に貼着されている光デバイスウエーハ2には放射状に引張力が作用するため、上述したシールドトンネル23が連続して形成され強度が低下せしめられた分割予定ライン22に沿って個々の光デバイス21に分離されるとともに光デバイス21間に間隔Sが形成される。
次に、図8の(c)に示すようにピックアップコレット53を作動して光デバイス21を吸着して、ダイシングテープ30から剥離してピックアップし、図示しないトレーまたはダイボンディング工程に搬送する。なお、ピックアップ工程においては、上述したようにダイシングテープ30に貼着されている個々の光デバイス21間の隙間Sが広げられているので、隣接する光デバイス21と接触することなく容易にピックアップすることができる。
2:光デバイスウエーハ
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:チャックテーブル
42:レーザー光線照射手段
422:パルスレーザー光線発振手段
423:出力調整手段
424:集光器
5:分割装置

Claims (2)

  1. 単結晶部材の加工方法であって、
    パルスレーザー光線のピークエネルギー密度を1TW/cm2〜100TW/cm2の範囲に設定し、
    パルスレーザー光線の集光点を単結晶部材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、単結晶部材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、
    ことを特徴とする単結晶部材の加工方法。
  2. 単結晶部材に設定された分割予定ラインに沿って該シールドトンネルを連接して形成し、単結晶部材を該シールドトンネルが形成された分割予定ラインに沿って分割する、請求項1記載の単結晶部材の加工方法。
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