JP2017188586A - ウエーハの生成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 インゴットから効率よくウエーハを生成することのできるウエーハの生成方法を提供することである。
【解決手段】 ＳｉＣインゴットからウエーハを生成するウエーハの生成方法であって、第１改質層形成ステップと第２改質層形成ステップを含む。第１改質層形成ステップでは、第１のパワーを有する第レーザービームをインゴットに照射して、インゴットの第１の深さに第１改質層を点在して形成する。第２改質層形成ステップでは、第１のパワーより大きい第２のパワーを有する第２レーザービームをその集光点が第１の深さより深い位置となるように位置付け、更に第２レーザービームが第１改質層に重なるように位置付けて、第２レーザービームをウエーハに照射して、第１の深さの位置に第２改質層及び第２改質層からｃ面に沿って伸びるクラックを連続して形成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ＳｉＣインゴットをウエーハ状にスライスするウエーハの生成方法に関する。
ＩＣ、ＬＳＩ等の各種デバイスは、シリコン等を素材としたウエーハの表面に機能層を積層し、この機能層に複数の分割予定ラインによって区画された領域に形成される。そして、切削装置、レーザー加工装置等の加工装置によってウエーハの分割予定ラインに加工が施され、ウエーハが個々のデバイスチップに分割され、分割されたデバイスチップは携帯電話、パソコン等の各種電子機器に広く利用されている。
また、パワーデバイス又はＬＥＤ、ＬＤ等の光デバイスは、ＳｉＣ、ＧａＮ等の六方晶単結晶を素材としたウエーハの表面に機能層が積層され、積層された機能層に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て形成される。
デバイスが形成されるウエーハは、一般的にインゴットをワイヤーソーでスライスして生成され、スライスされたウエーハの表裏面を研磨して鏡面に仕上げられる（例えば、特開２０００−９４２２１号公報参照）。
このワイヤーソーでは、直径約１００〜３００μｍのピアノ線等の一本のワイヤーを通常二〜四本の間隔補助ローラー上に設けられた多数の溝に巻き付けて、一定ピッチで互いに平行に配置してワイヤーを一定方向又は双方向に走行させて、インゴットを複数のウエーハにスライスする。
しかし、インゴットをワイヤーソーで切断し、表裏面を研磨してウエーハを生成すると、インゴットの７０〜８０％が捨てられることになり、不経済であるという問題がある。特に、ＳｉＣインゴットはモース硬度が高く、ワイヤーソーでの切断が困難であり相当な時間がかかり生産性が悪く、効率よくウエーハを生成することに課題を有している。
これらの問題を解決するために、ＳｉＣに対して透過性を有する波長のレーザービームの集光点をＳｉＣインゴットの内部に位置づけて照射し、切断予定面に改質層及びクラックを形成し、外力を付与してウエーハを改質層及びクラックが形成された切断予定面に沿って割断して、インゴットからウエーハを分離する技術が特開２０１３−４９１６１号公報に記載されている。
この公開公報に記載された技術では、パルスレーザービームの第１の照射点と該第１の照射点に最も近い第２の照射点とが所定位置となるように、パルスレーザービームの集光点を切断予定面に沿って螺旋状に照射するか、又は直線状に照射して、非常に高密度な改質層及びクラックをインゴットの切断予定面に形成している。
特開２０００−９４２２１号公報 特開２０１３−４９１６１号公報
しかし、特許文献２記載のインゴットの切断方法では、レーザービームの照射方法はインゴットに対して螺旋状又は直線状であり、直線状の場合レーザービームを走査する方向は何ら規定されていない。
特許文献２に記載されたインゴットの切断方法では、レーザービームの第１の照射点と該第１の照射点に最も近い第２の照射点との間のピッチを１μｍ〜１０μｍに設定している。このピッチは、改質層から生じた割れがｃ面に沿って伸びるピッチである。
このようにレーザービームを照射する際のピッチが非常に小さいため、レーザービームの照射方法が螺旋状であっても又は直線状であっても、非常に小さなピッチ間隔でレーザービームを照射する必要があり、生産性の向上が十分図られていないという問題がある。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インゴットから効率よくウエーハを生成することのできるウエーハの生成方法を提供することである。
本発明によると、第１の面と、該第１の面と反対側の第２の面と、該第１の面から該第２の面に至るｃ軸と、該ｃ軸に直交するｃ面とを有するＳｉＣインゴットからウエーハを生成するウエーハの生成方法であって、ＳｉＣインゴットに対して透過性を有する波長で且つ第１のパワーを有する第１レーザービームの第１集光点を該第１の面から生成するウエーハの厚みに相当する第１の深さに位置付けると共に、該第１の面の垂線に対して該ｃ軸がオフ角分傾き、該第１の面と該ｃ面との間にオフ角が形成される第２の方向と直交する第１の方向に該第１レーザービームの該第１集光点を相対的に移動しながら該第１レーザービームを該第１の面に照射し、該第１の面に平行な第１改質層を該第１改質層同士が重ならないように該第１の深さに点在して形成する第１改質層形成ステップと、該第２の方向に該第１集光点を相対的に移動して所定量インデックス送りする第１インデックスステップと、該第１改質層形成ステップ及び該第１インデックスステップを実施した後、該インゴットに対して透過性を有する波長で且つ該第１のパワーより大きい第２のパワーを有する第２レーザービームの第２集光点を該第１の面から該第１の深さより深い第２の深さに位置付けると共に、該第２レーザービームのビームスポットが該第１改質層と重なるように位置付けて、該第２集光点と該インゴットとを該第１の方向に相対的に移動しながら該第２レーザービームを該第１の面に照射し、該第１の深さに該第１の面に平行な直線状に伸びる第２改質層を形成すると共に該第２改質層から該ｃ面に沿って伸長するクラックを形成する第２改質層形成ステップと、該第２の方向に該第２集光点を相対的に移動して該所定量インデックス送りする第２インデックスステップと、該第２改質層形成ステップ及び該第２インデックスステップを実施した後、該第２改質層及び該クラックから成る分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物を該ＳｉＣインゴットから剥離してＳｉＣウエーハを生成するウエーハ剥離ステップと、を備えたことを特徴とするウエーハの生成方法が提供される。
本発明のウエーハの生成方法によると、第１の深さに形成された第１改質層が第２レーザービームが照射された際の多光子吸収のきっかけとなるので、第２改質層は第１の面から第１の深さに形成されると共に、第２改質層の両側にｃ面に沿ってクラックが伝播することで、第２改質層及びクラックからなる分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物をＳｉＣインゴットから容易に剥離して、ＳｉＣウエーハを生成することができる。従って、生産性の向上が十分図られると共に、捨てられるインゴットの量を十分低減でき、３０％前後に抑えることができる。
ＳｉＣインゴットに対して透過性を有する波長のレーザービームをＳｉＣインゴットに照射してインゴット内部に改質層を形成する際には、改質層は、ＳｉＣがＳｉとＣとに分離した領域であり、レーザービームの集光点で最初に形成された改質層のＣに次に照射されるレーザービームが吸収されて改質層が形成され、この繰り返しによって改質層は、徐々に集光点から上方に離れた位置に形成されてパワー密度｛平均出力／（スポット面積・繰り返し周波数）｝が１．１３Ｊ／ｍｍ２となる位置で安定して形成されることが実験により判明している。
そこで、本発明のウエーハの生成方法では、まず第１のパワーを有する第１レーザービームの集光点を第１の面から生成するウエーハの厚みに相当する第１の深さに位置付けて第１レーザービームを第１の面に照射し、第１の面に平行な第１改質層を該第１改質層同士が重ならないように第１の深さに点在して形成する第１改質層形成ステップを実施する。次いで、第１のパワーより大きい第２のパワーを有する第２レーザービームの集光点を第１の深さより深さい第２の深さに位置付けると共に、第２レーザービームのビームスポットが第１改質層と重なるように位置付け、第１の深さでの第２レーザービームのビームスポットのパワー密度が１．１３Ｊ／ｍｍ２となるように調整する。
これにより、第１改質層が第２レーザービームが照射された際の多光子吸収を起こすきっかけとなり、第１改質層が形成されている第１の深さに第２改質層を連続的に形成することができ、第２改質層形成ステップで第１の面に平行な第２改質層及び該第２改質層からｃ面に沿って伸長するクラックを形成することができる。
本発明のウエーハの生成方法を実施するのに適したレーザー加工装置の斜視図である。 レーザービーム発生ユニットのブロック図である。 図３（Ａ）はＳｉＣインゴットの斜視図、図３（Ｂ）はその正面図である。 改質層形成ステップを説明する斜視図である。 ＳｉＣインゴットの平面図である。 図６（Ａ）は第１改質層形成ステップを示す模式的断面図、図６（Ｂ）は第２改質層形成ステップを示す模式的断面図である。 第２改質層形成ステップを説明する模式的平面図である。 ウエーハ剥離ステップを説明する斜視図である。 生成されたＳｉＣウエーハの斜視図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、本発明のウエーハの生成方法を実施するのに適したレーザー加工装置２の斜視図が示されている。レーザー加工装置２は、静止基台４上にＸ軸方向に移動可能に搭載された第１スライドブロック６を含んでいる。
第１スライドブロック６は、ボールねじ８及びパルスモータ１０から構成される加工送り機構１２により一対のガイドレール１４に沿って加工送り方向、即ちＸ軸方向に移動される。
第１スライドブロック６上には第２スライドブロック１６がＹ軸方向に移動可能に搭載されている。即ち、第２スライドブロック１６はボールねじ１８及びパルスモータ２０から構成される割り出し送り機構２２により一対のガイドレール２４に沿って割り出し送り方向、即ちＹ軸方向に移動される。
第２スライドブロック１６上には支持テーブル２６が搭載されている。支持テーブル２６は加工送り機構１２及び割り出し送り機構２２によりＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であると共に、第２スライドブロック１６中に収容されたモータにより回転される。
静止基台４にはコラム２８が立設されており、このコラム２８にレーザービーム照射機構（レーザービーム照射手段）３０が取り付けられている。レーザービーム照射機構３０は、ケーシング３２中に収容された図２に示すレーザービーム発生ユニット３４と、ケーシング３２の先端に取り付けられた集光器（レーザーヘッド）３６とから構成される。
ケーシング３２の先端には集光器３６とＸ軸方向に整列して顕微鏡及びカメラを有する撮像ユニット３８が取り付けられている。集光器３６は上下方向（Ｚ軸方向）に微動可能にケース３２に取り付けられている。
レーザービーム発生ユニット３４は、図２に示すように、ＹＡＧレーザー又はＹＶＯ４レーザーを発振するレーザー発振器４０と、繰り返し周波数設定手段４２と、パルス幅調整手段４４と、パワー調整手段４６とを含んでいる。特に図示しないが、レーザー発振器４０はブリュースター窓を有しており、レーザー発振器４０から出射されるレーザービームは直線偏光のレーザービームである。
レーザービーム発生ユニット３４のパワー調整手段４６により所定パワーに調整されたパルスレーザービームは、集光器３６のミラー４８により反射され、更に集光レンズ５０により支持テーブル２６に固定された被加工物であるＳｉＣインゴット１１の内部に集光点を位置づけられて照射される。
図３（Ａ）を参照すると、加工対象物であるＳｉＣインゴット１１の斜視図が示されている。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示したＳｉＣインゴット（以下、単にインゴットと略称することがある）１１の正面図である。
インゴット１１は、第１の面（上面）１１ａと第１の面１１ａと反対側の第２の面（下面）１１ｂを有している。インゴット１１の上面１１ａは、レーザービームの照射面となるため鏡面に研磨されている。
インゴット１１は、第１のオリエンテーションフラット１３と、第１のオリエンテーションフラット１３に直交する第２のオリエンテーションフラット１５を有している。第１のオリエンテーションフラット１３の長さは第２のオリエンテーションフラット１５の長さより長く形成されている。
インゴット１１は、上面１１ａの垂線１７に対して第２のオリエンテーションフラット１５方向にオフ角α傾斜したｃ軸１９とｃ軸１９に直交するｃ面２１を有している。ｃ面２１はインゴット１１の上面１１ａに対してオフ角α傾斜している。一般的に、ＳｉＣインゴット１１では、短い第２のオリエンテーションフラット１５の伸長方向に直交する方向がｃ軸の傾斜方向である。
ｃ面２１はインゴット１１中にインゴット１１の分子レベルで無数に設定される。本実施形態では、オフ角αは４°に設定されている。しかし、オフ角αは４°に限定されるものではなく、例えば１°〜６°の範囲で自由に設定してインゴット１１を製造することができる。
図１を再び参照すると、静止基台４の左側にはコラム５２が固定されており、このコラム５２にはコラム５２に形成された開口５３を介して押さえ機構５４が上下方向に移動可能に搭載されている。
本実施形態のウエーハの生成方法では、図４に示すように、インゴット１１の第２のオリエンテーションフラット１５がＸ軸方向に整列するようにインゴット１１を支持テーブル２６上に例えばワックス又は接着剤で固定する。
即ち、図５に示すように、オフ角αが形成される方向Ｙ１、換言すると、インゴット１１の上面１１ａの垂線１７に対してｃ軸１９の上面１１ａとの交点１９ａが存在する方向に直交する方向、即ち矢印Ａ方向をＸ軸に合わせてインゴット１１を支持テーブル２６に固定する。
これにより、オフ角αが形成される方向に直交する方向Ａに沿ってレーザービームが走査される。換言すると、オフ角αが形成される方向Ｙ１に直交するＡ方向が支持テーブル２６の加工送り方向となる。
本発明のウエーハの生成方法では、集光器３６から出射されるレーザービームの走査方向を、インゴット１１のオフ角αが形成される方向Ｙ１に直交する矢印Ａ方向としたことが重要である。
即ち、本発明のウエーハの生成方法は、レーザービームの走査方向を上述したような方向に設定することにより、インゴット１１の内部に形成される改質層から伝播するクラックがｃ面２１に沿って非常に長く伸長することを見出した点に特徴がある。
ＳｉＣインゴット１１にインゴット１１に対して透過性を有する波長のレーザービームを照射して、インゴット１１の内部に改質層を形成する際には、レーザービームのパワー密度が１．１３Ｊ／ｍｍ２となる際に良好な改質層が形成されることが本発明者が実施した実験により既に判明している。ここで、パワー密度＝｛平均出力／（スポット面積・繰り返し周波数）｝である。
そこで本発明のウエーハの生成方法では、改質層形成ステップを、第１改質層形成ステップと第２改質層形成ステップとに分けて実施することを一つの特徴とする。第１改質層形成ステップでは、図６（Ａ）に示すように、第１のパワー（平均出力）を有する第１レーザービームＬＢ１をＳｉＣインゴット１１の上面１１ａに照射し、第１レーザービームＬＢ１の集光点Ｆ１を上面１１ａから深さＤ１の位置に形成して、多光子吸収により深さＤ１の位置に第１改質層２３ａ同士が重ならないように第１改質層２３ａをインゴット１１の内部に点在して形成する。矢印Ｘ１はインゴット１１の加工送り方向である。
第１改質層形成ステップでは、第１レーザービームＬＢ１の繰り返し周波数、平均出力、スポット径、及び送り速度を最適に制御することにより、インゴット１１の上面１１ａから深さＤ１の位置に第１改質層２３ａを点在して形成することができる。好ましい実施形態における第１改質層形成ステップの加工条件は以下の通りである。
光源 ：Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザー
波長 ：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数 ：５ｋＨｚ
平均出力 ：０．１２５Ｗ
スポット径 ：３μｍ（改質層が形成されるスポット径３μｍ）
集光位置 ：第１の面（上面）１１ａから７０μｍ
パワー密度 ：１．１３Ｊ／ｍｍ２
インデックス量 ：２５０〜４００μｍ
送り速度 ：６０ｍｍ／ｓ
重なり率 ：０％
上記の条件で第１改質層形成ステップを実施すると、図１でＤ１＝７０μｍ、隣接する第１改質層２３ａ間の間隔Ｐ１＝１２μｍ、集光点でのスポット径＝Ｆ１＝３μｍとなる。
インゴット１１をインデックス量２５０×４００μｍの範囲内でＹ軸方向にインデックス送りすると共に、インゴット１１をＸ軸方向に加工送りして、インゴット１１の上面１１ａから深さＤ１＝７０μｍの位置に第１改質層２３ａを点在して形成する。
第１改質層形成ステップをインゴット１１の全領域にわたり実施した後、レーザービームの平均出力、繰り返し周波数、集光点位置を変えて第２改質層形成ステップを実施する。図６（Ｂ）を参照して、第２改質層形成ステップについて説明する。
第２改質層形成ステップでは、インゴット１１に対して透過性を有する波長で且つ第１のパワーより大きい第２のパワーを有する第２レーザービームＬＢ２の第２集光点Ｆ２を第１の面（上面）１１ａから第１の深さＤ１より深い第２の深さＤ２に位置付けると共に、深さＤ１の位置で第２のレーザービームＬＢ２のビームスポットが第１改質層２３ａと重なるように位置付けて、インゴット１１を矢印Ｘ１方向に加工送りしながら第２レーザービームＬＢ２を第１の面（上面）１１ａに照射する。
深さＤ１の位置で第２レーザービームＬＢ２のパワー密度が１．１３Ｊ／ｍｍ２となるように、第２レーザービームＬＢ２の繰り返し周波数、平均出力、及び送り速度を最適に制御すると、第１改質層２３ａが第２レーザービームが照射された際の多光子吸収が発生するきっかけとなり、インゴット１１の第１の深さＤ１に上面１１ａに平行な第２改質層２３が連続的に形成されると共に、第２改質層２３からｃ面に沿って伸長するクラック２５を形成することができる。
第２改質層形成ステップの好ましい実施形態のレーザー加工条件は、例えば以下の通りとなる。
光源 ：Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザー
波長 ：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数 ：６０ｋＨｚ
平均出力 ：１．５Ｗ
スポット径 ：３μｍ（改質層が形成されるスポット径５．３μｍ）
集光位置 ：第１の面（上面）１１ａから８０μｍ
パワー密度 ：３．５３Ｊ／ｍｍ２
インデックス量 ：２５０〜４００μｍ
送り速度 ：６０ｍｍ／ｓ
重なり率 ：８０％
上記の加工条件で第２改質層形成ステップを実施すると、図６（Ｂ）でＤ２＝８０μｍ、第２集光点Ｆ２のスポット径３．０μｍ、深さＤ１の位置でのスポット径５．３μｍ、深さＤ１の位置でのパワー密度＝１．１３Ｊ／ｍｍ２、隣接する第２改質層２３間の間隔Ｐ２＝１μｍとなる。
図７に示すように、第２改質層２３をＸ軸方向に直線状に形成すると、第２改質層２３の両側からｃ面２１に沿ってクラック２５が伝播して形成される。本実施形態の第２改質層形成ステップでは、直線状の第２改質層２３からｃ面方向に伝播して形成されるクラック２５の幅を計測し、Ｙ軸方向に集光点を所定量インデックス送りする際のインデックス量を設定する。このインデックス量は、上述したように２５０〜４００μｍの範囲内が好ましい。
図７に示すように、インゴット１１をＹ軸方向に所定量インデックス送りしながら、インゴット１１の第１の深さＤ１に第１の面（上面）１１ａに平行な第２改質層２３及び第２改質層２３からｃ面に沿って伸長するクラック２５を次々に形成する。
インゴット１１の全領域の深さＤ１の位置に複数の改質層２３及び改質層２３からｃ面２１に沿って伸びるクラック２５の形成が終了したならば、外力を付与して第２改質層２３及びクラック２５からなる分離起点から形成すべきウエーハの厚みに相当する板状物をＳｉＣインゴット１１から分離してＳｉＣウエーハ２７を生成するウエーハ剥離ステップを実施する。
このウエーハ剥離ステップは、例えば図８に示すような押圧機構５４により実施する。押圧機構５４は、コラム５２内に内蔵された移動機構により上下方向に移動するヘッド５６と、ヘッド５６に対して、図８（Ｂ）に示すように、矢印Ｒ方向に回転される押圧部材５８とを含んでいる。
図８（Ａ）に示すように、押圧機構５４を支持テーブル２６に固定されたインゴット１１の上方に位置づけ、図８（Ｂ）に示すように、押圧部材５８がインゴット１１の上面１１ａに圧接するまでヘッド５６を下降する。
押圧部材５８をインゴット１１の上面１１ａに圧接した状態で、押圧部材５８を矢印Ｒ方向に回転すると、インゴット１１にはねじり応力が発生し、第２改質層２３及びクラック２５が形成された分離起点からインゴット１１が破断され、ＳｉＣインゴット１１から図９に示すＳｉＣウエーハ２７を分離することができる。
ウエーハ２７をインゴット１１から分離後、ウエーハ２７の分離面及びインゴット１１の分離面を研磨して鏡面に加工するのが好ましい。
２ レーザー加工装置
１１ ＳｉＣインゴット
１１ａ 第１の面（上面）
１１ｂ 第２の面（下面）
１３ 第１のオリエンテーションフラット
１５ 第２のオリエンテーションフラット
１７ 第１の面の垂線
１９ ｃ軸
２１ ｃ面
２３ 第２改質層
２３ａ 第１改質層
２５ クラック
２６ 支持テーブル
３０ レーザービーム照射ユニット
３６ 集光器（レーザーヘッド）
５４ 押圧機構
５６ ヘッド
５８ 押圧部材
Ｆ１，Ｆ２ 集光点

Claims (1)

  1. 第１の面と、該第１の面と反対側の第２の面と、該第１の面から該第２の面に至るｃ軸と、該ｃ軸に直交するｃ面とを有するＳｉＣインゴットからウエーハを生成するウエーハの生成方法であって、
    ＳｉＣインゴットに対して透過性を有する波長で且つ第１のパワーを有する第１レーザービームの第１集光点を該第１の面から生成するウエーハの厚みに相当する第１の深さに位置付けると共に、該第１の面の垂線に対して該ｃ軸がオフ角分傾き、該第１の面と該ｃ面との間にオフ角が形成される第２の方向と直交する第１の方向に該第１レーザービームの該第１集光点を相対的に移動しながら該第１レーザービームを該第１の面に照射し、該第１の面に平行な第１改質層を該第１改質層同士が重ならないように該第１の深さに点在して形成する第１改質層形成ステップと、
    該第２の方向に該第１集光点を相対的に移動して所定量インデックス送りする第１インデックスステップと、
    該第１改質層形成ステップ及び該第１インデックスステップを実施した後、該インゴットに対して透過性を有する波長で且つ該第１のパワーより大きい第２のパワーを有する第２レーザービームの第２集光点を該第１の面から該第１の深さより深い第２の深さに位置付けると共に、該第２レーザービームのビームスポットが該第１改質層と重なるように位置付けて、該第２集光点と該インゴットとを該第１の方向に相対的に移動しながら該第２レーザービームを該第１の面に照射し、該第１の深さに該第１の面に平行な該第１の方向に伸びる直線状の第２改質層を形成すると共に該第２改質層から該ｃ面に沿って伸長するクラックを形成する第２改質層形成ステップと、
    該第２の方向に該第２集光点を相対的に移動して該所定量インデックス送りする第２インデックスステップと、
    該第２改質層形成ステップ及び該第２インデックスステップを実施した後、該第２改質層及び該クラックから成る分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物を該ＳｉＣインゴットから剥離してＳｉＣウエーハを生成するウエーハ剥離ステップと、
    を備えたことを特徴とするウエーハの生成方法。
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