JP2017057103A - 窒化ガリウム基板の生成方法 - Google Patents

窒化ガリウム基板の生成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】無駄なく窒化ガリウム(GaN)インゴットから多数の窒化ガリウム基板を生成できる窒化ガリウム基板の生成方法の提供。【解決手段】第1の面21と第2の面22を有する窒化ガリウムインゴット2を複数の窒化ガリウム基板20にする窒化ガリウム基板の生成方法であって、窒化ガリウムに対して透過性を有するレーザー光線の集光点を第1の面から内部に位置付け照射し、窒化ガリウムを破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた界面24を形成する界面形成工程と、窒化ガリウムインゴットの第1の面に第1の保持部材4を貼着し、第2の面に第2の保持部材5を貼着する保持部材貼着工程と、窒化ガリウムインゴットをガリウムが溶融する温度に加熱するとともに、第1の保持部材と第2の保持部材を互いに離反する方向に移動することにより窒化ガリウムインゴットを界面から分離して窒化ガリウム基板を生成する窒化ガリウム基板生成工程とを含む。【選択図】図6

Description

本発明は、窒化ガリウム(GaN)インゴットから所定の厚み有する窒化ガリウム基板を生成する窒化ガリウム基板の生成方法に関する。
窒化ガリウム(GaN)はシリコンに比べてバンドギャップが3倍広く、絶縁破壊電圧も高いことから電力制御用の半導体素子(パワーデバイス)として利用されている。例えば、窒化ガリウム基板の上面に格子状に配列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パワーデバイスが形成されたパワーデバイスウエーハは、分割予定ラインに沿って個々のパワーデバイスに分割され、パソコン、自動車等の制御装置に用いられている。
上述したパワーデバイスウエーハを構成する窒化ガリウム基板は、窒化ガリウム(GaN)インゴットをワイヤーソーでスライスし、スライスした窒化ガリウム基板の表裏面を研磨して鏡面に仕上げる(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−94221号公報
しかるに、窒化ガリウム(GaN)インゴットの製造には相当の設備と時間を要するため、例えば直径が100mmで厚みが3mmの窒化ガリウム(GaN)インゴットは数百万円と高価であるにも拘わらず、ワイヤーソーでスライスすると窒化ガリウム(GaN)インゴットの60〜70%が切削屑として捨てられることになり、不経済であるとともに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、その主たる技術的課題は、無駄を出さずに窒化ガリウム(GaN)インゴットから多くの窒化ガリウム基板を生成することができる窒化ガリウム基板の生成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、第1の面と該第1の面と反対側の第2の面を有する窒化ガリウム(GaN)インゴットを複数の窒化ガリウム基板に生成する窒化ガリウム基板の生成方法であって、
窒化ガリウム(GaN)に対して透過性を有する波長のレーザー光線の集光点を該第1の面から窒化ガリウム(GaN)インゴットの内部に位置付け照射し、窒化ガリウム(GaN)を破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた界面を形成する界面形成工程と、
窒化ガリウム(GaN)インゴットの該第1の面に第1の保持部材を貼着するとともに、該第2の面に第2の保持部材を貼着する保持部材貼着工程と、
窒化ガリウム(GaN)インゴットをガリウム(Ga)が溶融する温度に加熱するとともに、該第1の保持部材と該第2の保持部材を互いに離反する方向に移動することにより窒化ガリウム(GaN)インゴットを該界面から分離して窒化ガリウム基板を生成する窒化ガリウム基板生成工程と、を含む、
ことを特徴とする窒化ガリウム基板の生成方法が提供される。
上記保持部材貼着工程における第2の保持部材は、上記界面形成工程を実施する前に第2の面に貼着する。
上記保持部材貼着工程は、窒化ガリウム(GaN)インゴットをガリウム(Ga)が溶融する温度より高い温度で溶融するワックスを用いて第1の面に第1の保持部材を貼着するとともに第2の面に第2の保持部材を貼着する。
上記界面に析出され窒化ガリウム基板形成工程によって分離された窒化ガリウム基板の分離面に形成されているガリウム(Ga)面を研削して除去する研削工程を実施する。
本発明による窒化ガリウム基板の生成方法は、窒化ガリウム(GaN)に対して透過性を有する波長のレーザー光線の集光点を第1の面から窒化ガリウム(GaN)インゴットの内部に位置付け照射し、窒化ガリウム(GaN)を破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた界面を形成する界面形成工程と、窒化ガリウム(GaN)インゴットの第1の面に第1の保持部材を貼着するとともに、第2の面に第2の保持部材を貼着する保持部材貼着工程と、窒化ガリウム(GaN)インゴットをガリウム(Ga)が溶融する温度に加熱するとともに、第1の保持部材と第2の保持部材を互いに離反する方向に移動することにより窒化ガリウム(GaN)インゴットを界面から分離して窒化ガリウム基板を生成する窒化ガリウム基板生成工程とを含んでいるので、窒化ガリウム(GaN)インゴットの内部に窒化ガリウム(GaN)を破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた界面を形成することにより窒化ガリウム基板を生成することができるため、従来のようにワイヤーソーでスライスすることによって捨てられる切削屑が皆無となる。従って、窒化ガリウム(GaN)インゴットを無駄なく窒化ガリウム基板に生成することができ、ワイヤーソーでスライスする従来の加工方法に比して生産性が2.5倍向上する。
本発明による窒化ガリウム基板の生成方法によって加工される窒化ガリウム(GaN)インゴットの斜視図。 本発明による窒化ガリウム基板の生成方法における界面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。 本発明による窒化ガリウム基板の生成方法における界面形成工程の説明図。 本発明による窒化ガリウム基板の生成方法における界面形成工程の他の実施形態が実施された窒化ガリウム(GaN)インゴットの平面図。 本発明による窒化ガリウム基板の生成方法における保持部材貼着工程の説明図。 本発明による窒化ガリウム基板の生成方法における保持部材分離工程の説明図。 本発明による窒化ガリウム基板の生成方法における研削工程の第1の実施形態を示す説明図。 本発明による窒化ガリウム基板の生成方法における研削工程の第2の実施形態を示す説明図。 本発明による窒化ガリウム基板の生成方法における保持部材分離工程の説明図。
以下、本発明による窒化ガリウム基板の生成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、本発明による窒化ガリウム基板の生成方法によって加工される窒化ガリウム(GaN)インゴットの斜視図が示されている。図1に示す窒化ガリウム(GaN)インゴット2は、直径が100mmで厚みが3mmに形成されている。この窒化ガリウム(GaN)インゴット2は、軸心に対して垂直な面に形成された第1の面21と該第1の面21と反対側の第2の面22を有している。また、窒化ガリウム(GaN)インゴット2の外周には、加工基準面となる平面23が形成されている。
上記窒化ガリウム(GaN)インゴット2から窒化ガリウム基板を生成するには、図示の実施形態においては窒化ガリウム(GaN)に対して透過性を有する波長のレーザー光線の集光点を該第1の面から窒化ガリウム(GaN)インゴットの内部に位置付け照射し、GaNを破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた界面を形成する界面形成工程を実施する。この界面形成工程は、図2に示すレーザー加工装置3を用いて実施する。図2に示すレーザー加工装置3は、被加工物を保持するチャックテーブル31と、該チャックテーブル31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32を具備している。チャックテーブル31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2において矢印Xで示す加工送り方向(X軸方向)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2において矢印Yで示す割り出し送り方向(Y軸方向)に移動せしめられるようになっている。また、チャックテーブル31は、図示しない回転機構によって回転せしめられるように構成されている。
上記レーザー光線照射手段32は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング321を含んでいる。ケーシング321内には図示しないパルスレーザー光線発振器や繰り返し周波数設定手段を備えたパルスレーザー光線発振手段が配設されている。上記ケーシング321の先端部には、パルスレーザー光線発振手段から発振されたパルスレーザー光線を集光するための集光器322が装着されている。なお、レーザー光線照射手段32は、集光器322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。
上記レーザー加工装置3を用いて界面形成工程を実施するには、図2に示すようにチャックテーブル31の上面(保持面)に上記窒化ガリウム(GaN)インゴット2の第2の面22側を載置する。そして、図示しない吸引手段によってチャックテーブル31上に窒化ガリウム(GaN)インゴット2を吸着保持する(インゴット保持工程)。従って、チャックテーブル31上に保持された窒化ガリウム(GaN)インゴット2は、第1の面21が上側となる。このとき、窒化ガリウム(GaN)インゴット2の外周に形成された平面23がX軸方向と平行となるように位置付けられる。このようにチャックテーブル31上に窒化ガリウム(GaN)インゴット2を吸引保持したならば、図示しない加工送り手段を作動してチャックテーブル31をレーザー光線照射手段32の集光器322が位置するレーザー光線照射領域に移動し、一端(図3の(a)において左端)をレーザー光線照射手段32の集光器322の直下に位置付ける。そして、図3の(b)で示すように集光器322から照射されるパルスレーザー光線の集光点(P)を第1の面21(上面)から500μm内部位置に位置付ける。次に、レーザー光線照射手段32を作動して集光器322からパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル31を図3の(a)において矢印X1で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる。そして、図3の(c)で示すようにレーザー光線照射手段32の集光器322の照射位置に窒化ガリウム(GaN)インゴット2の他端(図3の(c)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31の移動を停止する。次に、チャックテーブル31を割り出し送り方向(Y軸方向)に50〜60μm移動し、上記界面形成工程を実施する。この界面形成工程を図3の(d)で示すように窒化ガリウム(GaN)インゴット2の全面に対応する領域に実施することにより、窒化ガリウム(GaN)インゴット2には図3の(e)で示すように窒化ガリウム(GaN)を破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた界面24が形成される。この界面24は、図示の実施形態においては10μm程度の厚みで形成される。
なお、上記界面形成工程は、集光器322を窒化ガリウム(GaN)インゴット2の外周部に位置付け、チャックテーブル31を回転しつつ集光器322を中心に向けて移動し、図4で示すように窒化ガリウム(GaN)インゴット2の内部にパルスレーザー光線を渦巻き状に照射することにより、GaNを破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた界面24を形成してもよい。
上記界面形成工程は、例えば以下の加工条件で実施される。
波長 :532nm
繰り返し周波数 :15kHz
平均出力 :0.02W
パルス幅 :800ps
集光スポット径 :10μm
加工送り速度 :45mm/秒
次に、窒化ガリウム(GaN)インゴット2の第1の面21に第1の保持部材4を貼着するとともに、第2の面22に第2の保持部材5を貼着する保持部材貼着工程を実施する。即ち、図5の(a)および(b)に示すように窒化ガリウム(GaN)インゴット2の第1の面21にワックス6を介して第1の保持部材4を貼着するとともに、第2の面22にワックス6を介して第2の保持部材5を貼着する。なお、ワックス6は、図示の実施形態のいては上記界面形成工程において窒化ガリウム(GaN)インゴットの内部に窒化ガリウム(GaN)を破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた界面を形成するガリウム(Ga)が溶融する温度(30℃)より溶融温度が高い(例えば100℃)ワックスが用いられている。
なお、保持部材貼着工程における第2の保持部材5は、上記界面形成工程を実施する前に窒化ガリウム(GaN)インゴット2の第2の面22に貼着してもよい。
上記保持部材貼着工程を実施したならば、窒化ガリウム(GaN)インゴット2をGaが溶融する温度に加熱するとともに、第1の保持部材4と第2の保持部材5を互いに離反する方向に移動することにより窒化ガリウム(GaN)インゴット2を界面24から分離して窒化ガリウム基板を生成する窒化ガリウム基板生成工程を実施する。即ち、上記保持部材貼着工程が実施された窒化ガリウム(GaN)インゴット2に形成された上記界面24を形成するガリウム(Ga)が溶融する温度に加熱する。なお、図示の実施形態においては上述した保持部材貼着工程において窒化ガリウム(GaN)インゴット2の第1の面21および第2の面22と第1の保持部材4および第2の保持部材5との間に介在されたワックス6がガリウム(Ga)の溶融する温度(30℃)より溶融温度が高い(例えば100℃)ワックスが用いられているので、ワックス6の温度によって上記界面24が加熱されてガリウム(Ga)は溶融せしめられた状態となっている。このようにして界面24が加熱されてガリウム(Ga)が溶融された状態となったならば、図6の(a)に示すように第1の保持部材4と第2の保持部材5を互いに離反する方向に移動する。この結果、図6の(b)に示すように窒化ガリウム(GaN)インゴット2は、界面24において第1の保持部材4が貼着され窒化ガリウム基板20と第2の保持部材5が貼着された窒化ガリウム(GaN)インゴット2に分離される。このようにして分離された第2の保持部材5が貼着された窒化ガリウム(GaN)インゴット2の分離面2aには図6の(c)に示すようにガリウム(Ga)面241が形成されており、第1の保持部材4が貼着され窒化ガリウム基板20の分離面20aには図6の(d)に示すようにGa面241が形成されている。以上のように、図示の実施形態においては窒化ガリウム(GaN)インゴット2の内部に窒化ガリウム(GaN)を破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた厚みが10μm程度の界面24を形成することにより窒化ガリウム基板20を生成することができるので、ワイヤーソーでスライスすることによって捨てられる切削屑が皆無となる。
次に、上記界面24に析出され窒化ガリウム基板生成工程によって分離された窒化ガリウム基板の分離面および窒化ガリウム(GaN)インゴット2の分離面に形成されているガリウム(Ga)面241を研削して除去する研削工程を実施する。この研削工程は、図7の(a)に示す研削装置7を用いて実施する。図7の(a)に示す研削装置7は、被加工物を保持するチャックテーブル71と、該チャックテーブル71に保持された被加工物を研削する研削手段72を具備している。チャックテーブル71は、保持面である上面に被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない回転駆動機構によって図7の(a)において矢印71aで示す方向に回転せしめられる。研削手段72は、スピンドルハウジング721と、該スピンドルハウジング721に回転自在に支持され図示しない回転駆動機構によって回転せしめられる回転スピンドル722と、該回転スピンドル722の下端に装着されたマウンター723と、該マウンター723の下面に取り付けられた研削ホイール724とを具備している。この研削ホイール724は、円環状の基台725と、該基台725の下面に環状に装着された研削砥石726とからなっており、基台725がマウンター723の下面に締結ボルト727によって取り付けられている。
上述した研削装置7を用いて窒化ガリウム基板20の分離面に形成されているガリウム(Ga)面241を研削して除去する第1の研削工程を実施するには、図7の(a)に示すようにチャックテーブル71の上面(保持面)に上記窒化ガリウム基板生成工程によって分離された窒化ガリウム基板20に貼着されている第1の保持部材4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ってチャックテーブル71上に窒化ガリウム基板20を第1の保持部材4を介して吸引保持する。従って、チャックテーブル71上に保持された窒化ガリウム基板20は、分離面に形成されたガリウム(Ga)面241が上側となる。このようにチャックテーブル71上に窒化ガリウム基板20を第1の保持部材4を介して吸引保持したならば、チャックテーブル71を図7の(a) および(b)において矢印71aで示す方向に例えば300rpmで回転しつつ、研削手段72の研削ホイール724を図7の(a)および(b)において矢印724aで示す方向に例えば6000rpmで回転して、図7の(b)に示すように研削砥石726を被加工面である窒化ガリウム基板20の分離面に形成されたガリウム(Ga)面241に接触せしめ、研削ホイール724を図7の(a)および (b)において矢印724bで示すように例えば1μm/秒の研削送り速度で下方(チャックテーブル71の保持面に対し垂直な方向)に所定量(10〜20μm)研削送りする。この結果、窒化ガリウム基板20の分離面に形成されたガリウム(Ga)面241が研削され、図7の(c)で示すように窒化ガリウム基板20の分離面20aに形成されていたガリウム(Ga)面が除去される。
次に、上記窒化ガリウム基板生成工程によって分離され第2の保持部材5が貼着された窒化ガリウム(GaN)インゴット2の分離面に形成されたガリウム(Ga)面241を除去する第2の研削工程を上述した研削装置7を用いて実施する。即ち、図8の(a)に示すようにチャックテーブル71の上面(保持面)に上記窒化ガリウム基板生成工程によって分離された窒化ガリウム(GaN)インゴット2に貼着されている第2の保持部材5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ってチャックテーブル71上に窒化ガリウム(GaN)インゴット2を第2の保持部材5を介して吸引保持する。従って、チャックテーブル71上に保持された窒化ガリウム(GaN)インゴット2は、分離面に形成されたガリウム(Ga)面241が上側となる。このようにチャックテーブル71上に窒化ガリウム(GaN)インゴット2を第2の保持部材5を介して吸引保持したならば、チャックテーブル71を図8の(a)において矢印71aで示す方向に例えば300rpmで回転しつつ、研削手段72の研削ホイール724を図8の(a)において矢印724aで示す方向に例えば6000rpmで回転して、図8の(a)に示すように研削砥石726を被加工面である窒化ガリウム(GaN)インゴット2の分離面に形成されたガリウム(Ga)面241に接触せしめ、研削ホイール724を図8の(a)において矢印724bで示すように例えば1μm/秒の研削送り速度で下方(チャックテーブル71の保持面に対し垂直な方向)に所定量(10〜20μm)研削送りする。この結果、窒化ガリウム(GaN)インゴット2の分離面に形成されたガリウム(Ga)面241が研削され、図8の(b)で示すように窒化ガリウム(GaN)インゴット2の分離面2aに形成されていたガリウム(Ga)面が除去される。
以上のようにして窒化ガリウム基板生成工程によって分離された窒化ガリウム基板20の分離面および窒化ガリウム(GaN)インゴット2の分離面に形成されたガリウム(Ga)面241を研削して除去する研削工程を実施したならば、分離面に形成されていたガリウム(Ga)が除去された窒化ガリウム基板20に貼着されている第1の保持部材4を分離する保持部材分離工程を実施する。即ち、図9の(a)に示すように剥離装置8の保持テーブル81上に上述した研削工程が実施された窒化ガリウム基板20の第1の保持部材4側を載置し、図示しない吸引手段を作動することにより保持テーブル81上に窒化ガリウム基板20を第1の保持部材4を介して吸引保持する。従って、保持テーブル81上に第1の保持部材4を介して保持された窒化ガリウム基板20は、分離面20aが上側となる。そして、保持テーブル81に配設された図示しないヒーターを作動して第1の保持部材4を加熱し、第1の保持部材4と窒化ガリウム基板20との間に介在されたワックス6を溶融温度(例えば100℃)に加熱する。次に、図9の(b)に示すように吸引パッド82の下面である吸引面を保持テーブル81上に第1の保持部材4を介して吸引保持された窒化ガリウム基板20の上面(分離面20a)に載置するとともに、図示しない吸引手段を作動することにより吸引パッド82の下面である吸引面に窒化ガリウム基板20の上面を吸引する。そして、図9の(c)に示すように吸引パッド82を保持テーブル81から離反する方向に引き上げることにより、窒化ガリウム基板20を第1の保持部材4から分離することができる。
上述したように窒化ガリウム(GaN)インゴット2から1枚の窒化ガリウム基板20を生成したならば、残された窒化ガリウム(GaN)インゴット2に対して上記界面形成工程、界面形成工程が実施された窒化ガリウム(GaN)インゴット2の第1の面21に第1の保持部材4を貼着する保持部材貼着工程、窒化ガリウム基板生成工程、研削工程、保持部材分離工程を4回繰り返して実施する。この結果、図示の実施形態においては直径が100mmで厚みが3mmの窒化ガリウム(GaN)インゴット2から厚みが略500μmの窒化ガリウム基板20を5枚生成することが可能となり、ワイヤーソーでスライスする従来の加工方法に比して生産性が2.5倍向上する。
2:窒化ガリウム(GaN)インゴット
20:窒化ガリウム基板
3:レーザー加工装置
31:レーザー加工装置のチャックテーブル
32:レーザー光線照射手段
322:集光器
4:第1の保持部材
5:第2の保持部材
6:ワックス
7:研削装置
71:研削装置のチャックテーブル
72:研削手段
8:剥離装置
81:保持テーブル
82:吸引パッド

Claims (4)

  1. 第1の面と該第1の面と反対側の第2の面を有する窒化ガリウム(GaN)インゴットを複数の窒化ガリウム基板に生成する窒化ガリウム基板の生成方法であって、
    窒化ガリウム(GaN)に対して透過性を有する波長のレーザー光線の集光点を該第1の面から窒化ガリウム(GaN)インゴットの内部に位置付け照射し、窒化ガリウム(GaN)を破壊してガリウム(Ga)と窒素(N)とを析出させた界面を形成する界面形成工程と、
    窒化ガリウム(GaN)インゴットの該第1の面に第1の保持部材を貼着するとともに、該第2の面に第2の保持部材を貼着する保持部材貼着工程と、
    窒化ガリウム(GaN)インゴットをガリウム(Ga)が溶融する温度に加熱するとともに、該第1の保持部材と該第2の保持部材を互いに離反する方向に移動することにより窒化ガリウム(GaN)インゴットを該界面から分離して窒化ガリウム基板を生成する窒化ガリウム基板生成工程と、を含む、
    ことを特徴とする窒化ガリウム基板の生成方法。
  2. 該保持部材貼着工程における該第2の保持部材は、上記界面形成工程を実施する前に該第2の面に貼着する、請求項1記載の窒化ガリウム基板の生成方法。
  3. 該保持部材貼着工程は、該窒化ガリウム(GaN)インゴットをガリウム(Ga)が溶融する温度より高い温度で溶融するワックスを用いて該第1の面に該第1の保持部材を貼着するとともに該第2の面に該第2の保持部材を貼着する、請求項1又は2記載の窒化ガリウム基板の生成方法。
  4. 該界面に析出され窒化ガリウム基板形成工程によって分離された窒化ガリウム基板の分離面に形成されているガリウム(Ga)面を研削して除去する研削工程を実施する、請求項1記載の窒化ガリウム基板の生成方法。
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