JP2018027564A - 基板加工方法および基板加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象結晶基板を、欠けのないくり抜き結晶基板を得るための加工層含有基板に加工する基板加工方法および基板加工装置を提供することを課題とする。【解決手段】収差補正が調整可能なレーザ集光手段１２を、加工対象結晶基板２０ａの被照射面上に非接触に配置する第１工程を行う。そして、レーザ光Ｂを集光しつつ、レーザ光Ｂの集光位置Ｂｆを加工対象結晶基板２０ａのくり抜き対象部２０ｂの周囲方向および厚み方向に変化させ、破断強度が低下した加工層２２を形成することで加工層含有基板２０ｃとする第２工程を行う。第２工程では、加工対象結晶基板２０ａ内部および少なくとも一方の加工対象結晶基板面近傍で、レーザ光Ｂの集光位置Ｂｆにおいて生じる加工痕２２ｃが加工対象結晶基板２０ａの結晶方位に沿って伸張しかつ加工対象結晶基板２０ａの異なる結晶方位に沿って伸張しないようにレーザ集光手段１２の収差補正を調整する。【選択図】図２

Description

本発明は、加工対象結晶基板の表面から内部にレーザ光を集光することで、加工対象結晶基板内部に加工層を形成する基板加工方法および基板加工装置に関する。

従来、単結晶のシリコン（Ｓｉ）ウエハに代表される半導体ウエ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エハ形にスライスして半導体ウエハを製造するようにしている（例えば特許文献１参照）。

このようにして製造された半導体ウエハは、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エハは、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エ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。

特開２００５−２９７１５６号公報

ところで、単結晶基板の寸法が使用予定の寸法よりも大きい場合、この単結晶基板を良好な形状で小さい寸法にして再利用することができれば効率的である。また、このことは、単結晶基板に限らず、他の種類の基板であっても該当することが多々ある。

一方、レーザ光をウエハ内部に集光してウエハ内部に改質領域を形成してウエハをダイシングする加工方法が提案されている。一般的に、この加工方法では内部集光したレーザ光による熱吸収により改質層がレーザ光照射側に延びることを利用している。この方法はダイシングする際の加工時間短縮には効果的であるが、改質層の亀裂の進展により断面形状の悪化や、加工対象結晶基板の予期しない結晶方位に沿って亀裂が進展してしまうことが懸念される。そのためウエハをくり抜くときに、その断面形状の悪化や、加工精度の低下及びウエハ表面の欠けなどの不具合が生じることが懸念される。

本発明は、上記課題に鑑み、加工対象結晶基板を、欠けのないくり抜き結晶基板を得るための加工層含有基板に加工する基板加工方法および基板加工装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明の一態様によれば、レーザ光を集光するとともに収差補正が調整可能なレーザ集光手段を、加工対象結晶基板の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、前記レーザ集光手段により加工対象結晶基板内部にレーザ光を集光しつつ、レーザ光の集光位置を前記加工対象結晶基板のくり抜き対象部の周囲方向および厚み方向に変化させ、破断強度が低下した加工層を前記くり抜き対象部の外周側に形成することで加工層含有基板とする第２工程と、を備え、前記第２工程では、加工対象結晶基板内部および少なくとも一方の加工対象結晶基板面近傍で、レーザ光の集光位置において生じる加工痕が、前記加工対象結晶基板の結晶方位に沿って伸張しかつ前記加工対象結晶基板の異なる結晶方位に沿って伸張しないように前記レーザ集光手段の収差補正を調整する基板加工方法が提供される。

また、本発明の別の一態様によれば、載置された加工対象結晶基板を保持して回転する回転ステージと、前記回転ステージ上に保持された前記加工対象結晶基板に向けてレーザ光を集光するとともにレーザ光の収差補正が調整可能なレーザ集光手段と、前記回転ステージと前記レーザ集光手段との距離を変える照射軸方向距離変更手段と、前記距離に応じて前記収差補正の調整を制御する収差補正制御手段と、を備え、前記収差補正制御手段は、加工対象結晶基板内部および少なくとも一方の加工対象結晶基板面近傍で、レーザ光集光位置において生じる加工痕が前記加工対象結晶基板の結晶方位に沿って伸張しかつ前記加工対象結晶基板の異なる結晶方位に沿って伸張しないように制御する基板加工装置が提供される。

本発明によれば、加工対象結晶基板を、欠けのないくり抜き結晶基板を得るための加工層含有基板に加工する基板加工方法および基板加工装置を提供することができる基板加工方法および基板加工装置を提供することができる。

第１実施形態に係る基板加工装置を説明する模式的な側面図である。 （ａ）から（ｃ）は、それぞれ、第１実施形態に係る基板加工方法により加工層含有基板を製造するプロセスを説明する模式的な側面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、第１実施形態に係る基板加工方法により加工層が形成されていくことを示す模式的な側面断面図である。 第１実施形態で、加工層含有基板からくり抜き対象部をくり抜くことを説明する模式的な斜視図である。 第１実施形態に係る基板加工装置で、収差補正環としての機能を説明するための模式的な側面図である。 第１実施形態に係る基板加工方法で形成された加工層に加工痕が配列されていることを説明する模式的な説明図である。 実験例１で、第１実施形態の一例（実施例１）で得られた加工層含有基板の側面断面を示す写真図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実験例２の測定結果を示すグラフ図および数値の説明図である。 実験例２の測定結果を示すグラフ図である。 実験例３で、第１実施形態の一例（実施例２）を行うときのレーザ光の焦点位置を説明する模式的な側面図である。 実験例３で、レーザ光の焦点位置を上方に移動させる際に仮に収差補正を行わなかったときに集光不十分となることを説明する模式的な側面図である。 実験例３で、レーザ光の焦点位置を上方に移動させる際に収差補正を行うことで、焦点位置で十分に集光させつつ移動させることを説明する模式的な側面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実験例３で、補正環なして照射したときの焦点を説明する模式的断面図である。 実験例３で、補正環ありで照射したときの焦点を説明する模式的断面図である。 実験例４で、第１実施形態の一例（実施例３）によって得られた加工層含有基板からくり抜き対象部をくり抜いたことを説明する写真図である。 実験例３で、比較例１によって得られた加工層含有基板の部分側面断面を示す写真図である。 第２実施形態に係る基板加工方法により製造した加工層含有基板を示す模式的な側面断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、すでに説明したものと同一または類似の構成要素には同一または類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。また、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例示であって、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はない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係る基板加工装置を説明する模式的な側面図である。図２で（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、本実施形態に係る基板加工方法により加工層含有基板を製造するプロセスを説明する模式的な側面図である。図３で（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本実施形態に係る基板加工方法により加工層が形成されていくことを示す模式的な側面断面図である。図４は、本実施形態で、加工層含有基板からくり抜き対象部をくり抜くことを説明する模式的な斜視図である。図５は、本実施形態に係る基板加工装置で、収差補正環としての機能を説明するための模式的な側面図である。図６は、本実施形態に係る基板加工方法で形成された加工層に加工痕が配列されていることを説明する模式的な説明図である。

（基板加工装置）
図１、図２に示すように、本実施形態に係る基板加工装置１０は、載置された加工対象結晶基板２０ａを保持して回転する回転ステージ１１と、回転ステージ１１のステージ面Ｓｕ上に保持された加工対象結晶基板２０ａに向けてレーザ光Ｂを集光するレーザ集光手段１２（例えば集光器）と、を備える。レーザ集光手段１２は、レーザ発振装置Ｊから出射したレーザ光が入射するようになっている。また、基板加工装置１０は、回転ステージ１１とレーザ集光手段１２との距離Ｌを変える照射軸方向距離変更手段（図示せず）と、この距離Ｌに応じてレーザ集光手段１２の収差補正の調整状態を制御する収差補正制御手段１３と、を備える。更に基板加工装置１０は、回転ステージ１１の回転中心軸Ｃｓとレーザ集光手段１２の照射中心軸Ｃｂとの距離ｒを変える半径方向距離変更手段（図示せず）を備える。

照射軸方向距離変更手段としては、レーザ集光手段１２を回転ステージ１１に対して遠近方向に移動させる機構であってもよいし、回転ステージ１１をレーザ集光手段１２に対して遠近方向に移動させる機構（例えば、ＸステージあるいはＸＹステージ）であってもよい。

半径方向距離変更手段としては、レーザ集光手段１２をステージ面Ｓｕに平行な一方向（例えば図１、図２のＸ方向）に移動させる移動機構であってもよいし、回転ステージ１１をステージ面Ｓｕに平行な一方向（例えば図１、図２のＸ方向）に移動させる移動機構であってもよい。

収差補正制御手段１３は、距離Ｌに応じてレーザ集光手段１２の収差補正（詳細は後述）を調整する制御信号を送信している。この収差補正制御手段１３は、加工対象結晶基板２０ａ内部および少なくとも一方の加工対象結晶基板面近傍（表面近傍（上面近傍）または裏面近傍（下面近傍））で、レーザ光Ｂの集光位置Ｂｆに生じる加工痕２２ｃ（図６参照）が加工対象結晶基板２０ａの結晶方位（例えば［１００］方位）に沿って伸張（後述）しかつ加工対象結晶基板２０ａの異なる結晶方位（例えば［１１１］方位や［１１０］方位）に沿って伸張しないようにレーザ集光手段１２の収差補正を調整するようになっている。

ここで、加工対象結晶基板の結晶方位と異なる結晶方位に沿って加工痕が伸張するとは、例えば結晶方位[１００]の単結晶シリコンウエハを基板材料とした場合、結晶方位[１００]に沿って加工痕を基板厚さ方向に形成する必要があるが、単結晶シリコンではより結合力の弱い[１１１]および[１１０]方位（異なる結晶方位）に劈開が起こりやすく、加工痕がこれらの結晶方位に沿って進展することをいう。このことによって、くり抜き断面が不均一になったり、欠けや割れなどが生じたりする。

本実施形態では、収差補正制御手段１３がこのような収差補正の制御を行う加工対象結晶基板面近傍をレーザ光Ｂの被照射面２０ｕ（表面）近傍、あるいは、被照射面２０ｕとは反対側の面、すなわち回転ステージ側の面（裏面２０ｖ）近傍とされている。基板加工装置１０では、収差補正制御手段１３が行うこのような制御を表面近傍とするか裏面近傍とするかを切り替えスイッチなどにより切替可能な装置構成にされていてもよい。

レーザ集光手段１２は、本実施形態では、図５、図６に示すように、集光レンズ１５を備えており、収差補正の調整機能、すなわち収差補正環としての機能を有している。具体的には、集光レンズ１５は、空気中で集光した際に、集光レンズ１５の外周部Ｅに到達したレーザ光が集光レンズ１５の中央部Ｍに到達したレーザ光よりも集光レンズ側で集光するように補正する構成になっている。つまり、集光した際、集光レンズ１５の外周部Ｅに到達したレーザ光の集光点ＥＰが、集光レンズ１５の中央部Ｍに到達したレーザ光の集光点ＭＰに比べ、集光レンズ１５に近い位置となるように補正する構成になっている。

そして収差補正制御手段１３は、加工対象結晶基板２０ａの表面近傍から加工痕の形成を開始する場合には、表面（被照射面２０ｕ）からの距離が大きい加工痕ほど加工痕長さが短くなるように制御し、加工対象結晶基板２０ａの裏面近傍から加工痕の形成を開始する場合には、裏面（裏面２０ｖ）からの距離が大きい加工痕ほど加工痕長さが短くなるように制御することが多い。

集光レンズ１５は、空気中で集光する第１レンズ１６と、この第１レンズ１６と加工対象結晶基板２０ａとの間に配置される第２レンズ１８と、で構成される。本実施形態では、第１レンズ１６および第２レンズ１８は、何れもレーザ光を円錐状に集光できるレンズとされている。そして、第１レンズ１６と第２レンズ１８との間隔調整により、集光点ＥＰと集光点ＭＰとの長さが調整可能になっており、集光レンズ１５は補正環付きレンズとしての機能を有している。

第１レンズ１６としては、球面または非球面の単レンズのほか、各種の収差補正や作動距離を確保するために組レンズを用いることが可能であり、ＮＡが０．３〜０．８５であることが好ましい。第２レンズ１８としては、第１レンズ１６よりも小さなＮＡのレンズで、例えば曲率半径が３〜５ｍｍ程度の凸ガラスレンズが、簡便に使用する観点で好ましい。

なお、第２レンズ１８に代えて、レーザ光Ｂの収差増強材（例えば収差増強ガラス板）を配置することも可能である。

（基板加工方法）
以下、加工対象結晶基板２０ａが単結晶基板である例を挙げ、基板加工装置１０を用いて本実施形態に係る基板加工方法を行うことをその効果も含めて説明する。

本実施形態では、レーザ集光手段１２を、加工対象単結晶基板２０ａｍの被照射面２０ｕ上に非接触に配置する第１工程を行う。そして、レーザ集光手段１２により加工対象単結晶基板２０ａｍの内部にレーザ光Ｂを集光しつつ、レーザ光Ｂの集光位置Ｂｆを加工対象単結晶基板２０ａｍのくり抜き対象部２０ｂの周囲方向（外周方向）および厚み方向（図１、図２のＺ方向）に変化させ、破断強度が低下した加工層２２をくり抜き対象部２０ｂの外周側に形成することで加工層含有基板２０ｃとする第２工程を行う。本実施形態では、この第２工程では、加工対象結晶基板２０ａ内部および少なくとも一方の加工対象結晶基板面近傍（表面近傍（上面近傍）または裏面近傍（下面近傍））で、レーザ光Ｂの集光位置Ｂｆに生じる加工痕２２ｃが加工対象結晶基板２０ａの結晶方位に沿って伸張しかつ加工対象結晶基板２０ａの異なる結晶方位に沿って伸張しないようにレーザ集光手段１２の収差補正を調整する。

以下、第２工程で加工層２２を形成する手順を詳細に説明する。レーザ光Ｂを加工対象単結晶基板２０ａｍに照射する際、被照射面２０ｕとは反対側の面（裏面２０ｖ）側から照射を開始できるように、回転ステージ１１上に配置した加工対象単結晶基板２０ａｍにおける集光位置ＢｆのＺ軸方向位置を決定する。

そして、まず回転ステージ１１を少なくとも一回転させつつ、同心円に沿ってレーザ光Ｂを照射する。その後、基板加工装置１０のＺ軸方向に集光位置Ｂｆを移動してレーザ光Ｂを同様にて同心円に沿って照射する。このときＺ軸方向への集光位置Ｂｆの移動が、加工対象単結晶基板２０ａｍの厚さ方向と同方向になっているので、加工層２２を、被照射面２０ｕに直交する短円筒状に形成することができる。

この一連の動作を加工対象単結晶基板２０ａｍの被照射面２０ｕの近傍にまで行うことにより、加工層２２を完成させることができる。集光位置Ｂｆのこの移動を行うには、レーザ集光手段１２あるいは回転ステージ１１の少なくとも一方を移動すればよい。

本実施形態では、第２工程で、レーザ発振装置Ｊの出力を一定、すなわち、レーザ集光手段１２に入射するレーザ光の出力を一定にしている。入射するレーザ光の出力は加工痕２２ｃの伸張を抑制するために基板内部に加工痕２２ｃが形成可能である下限の出力とすることが好ましい。

この下限の出力とは、基板厚さに対応して裏面２０ｖ（底面）側に集光位置Ｂｆを合わせた時の補正環調整量（収差補正の調整量）に基づき、加工痕２２ｃの基板厚さ方向長さＫ（図６参照）が１０μｍ以下、好ましくは３μｍ〜１０μｍ、さらに好ましくは３μｍ〜７μｍで形成できる出力である。

そして、集光位置Ｂｆを段階的に加工対象単結晶基板２０ａｍの表面側に移動しつつ長さＫが１０μｍ以下（好ましくは３μｍ〜７μｍ）の加工痕２２ｃを形成していく。その際、加工対象結晶基板２０ａの結晶方位（例えば［１００］方位）に沿って加工痕２２ｃが伸張し、かつ加工対象結晶基板２０ａの異なる結晶方位（例えば［１１１］方位や［１１０］方位）に沿って加工痕２２ｃが伸張しないように加工痕２２ｃを形成する。なお、加工痕長さが３μｍを下回った場合（例えば２μｍである場合）では、形成した加工痕が深さ方向に連結し難いため、良好なくり抜きを行い難い。

加工痕２２ｃを形成していく際には、予め加工痕形成状態を確認して条件選定を行い加工条件を決定することが望ましい。

具体的には、レーザ照射面側の基板表面を基準としてレーザ集光手段を基板内部方向に移動し基板内部に焦点を形成させる。この移動量をデフォーカス量（ＤＦ量）として定義する。次に補正環調整量を大きくし基板裏面側に加工痕を形成し、徐々に補正環調整量を小さくし加工痕形成位置を基板表面方向に移動していく。このとき、補正環の調整は加工痕長さが１０μｍ以下、好ましくは３μｍ〜7μｍで形成できる範囲においては補正環調整量を変更しなくてもよい。一方、補正環調整量に対して球面収差が補正されレーザ光のエネルギー密度がもっとも大きくなる深さ位置が生じ加工痕が長くなる。この場合においても加工痕が１０μｍ以下、好ましくは３μｍ〜７μｍとなるようにレーザ出力を設定しておくことが好ましい。なお、この時のレーザ出力およびＤＦ量は上記加工状態を得ることができるように適宜選定される。さらに、レーザ出力はパルスレーザのパルスエネルギーとして設定することが望ましい。

このように加工痕を形成していくことで、良好な品質のくり抜き結晶基板を、加工対象結晶基板２０ａの結晶方位への加工痕２２ｃの伸張によって短時間で効率良く得ることができる。そのため、集光位置Ｂｆに対して補正環を調整（第１レンズ１６と第２レンズ１８との間隔を制御）することによって球面収差を補正して各集光位置Ｂｆで長さＫが１０μｍ以下の加工痕２２ｃを所定位置に形成していく。

加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面２０ｖ（底面）側への最初の集光位置Ｂｆは、レーザ光Ｂの照射により形成される加工層２２が加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面２０ｖに亀裂やアブレーションなどによる無用なダメージ（特にくり抜き対象部２０ｂへのダメージ）を与えない所定範囲内に設定する。

加工層２２には、レーザ光Ｂの集光によって形成された加工痕２２ｃが、一定の間隔で規則的に配列されている。この加工痕２２ｃを形成する間隔に関しては、基板平面方向（被照射面２０ｕや裏面２０ｖに平行な方向）ではレーザ光Ｂの発振繰り返し周波数と回転ステージ１１の回転速度（すなわち周速）との関係で決定され、基板高さ（深さ）方向では集光位置ＢｆのＺ軸方向の移動量により決定される。加工層２２は上記のように所定間隔にレーザ光Ｂを照射して、加工痕２２ｃが断続的に形成された領域として得られる。この時レーザ光Ｂは、例えばパルス幅が１μｓ以下のパルスレーザ光からなり、３００ｎｍ以上の波長が選択され、例えば加工対象単結晶基板２０ａｍがシリコンウエハの場合は、１０００ｎｍ以上の波長のＹＡＧレーザ等が好適に使用される。

そして、被照射面２０ｕ近傍では、くり抜き結晶基板の欠けや割れを防ぐために、加工痕２２ｃが基板表面に露出しない、すなわち基板表面にレーザ光Ｂによるアブレーションが生じない状態で形成することが必要である。そのためにレーザ光Ｂの出力を一定に保った状態で、集光位置Ｂｆにおいてレーザ光Ｂの焦点を外すように補正環を調整（第１レンズ１６と第２レンズ１８との間隔を調整）する。

この後、くり抜き対象部２０ｂを加工層含有基板２０ｃから切り離してくり抜き単結晶基板２０ｄを得る。

ここで、本実施形態では、加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面２０ｖ（底面）側への最初の集光位置Ｂｆは、レーザ光Ｂの照射により形成される加工層２２が加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面２０ｖに亀裂やアブレーションなどによる無用なダメージ（特にくり抜き対象部２０ｂへのダメージ）を与えない位置に設定している。従って、使用者が加工層含有基板２０ｃを裏面側が広がるように撓ませた際、裏面側で加工痕２２ｃから無用なクラックが発生してくり抜き対象部２０ｂに損傷が生じることを効果的に抑えることができる。

そして本実施形態では、レーザ発振装置Ｊの出力を一定にし、被照射面２０ｕ近傍では、被照射面２０ｕに近いほど、集光位置Ｂｆにおいてレーザ光Ｂの焦点を外すように補正環を調整（第１レンズ１６と第２レンズ１８との間隔を調整）している。このことにより、被照射面２０ｕ近傍において加工痕２２ｃが伸張することを抑制し、基板表面に加工痕２２ｃが露出しない状態を得ることができる。なお、この補正環の調整は基板厚さに対してレーザ光Ｂの焦点が外れる設定に任意に選択できる。

従って、被照射面２０ｕ近傍の加工層部分では、他の加工層部分に比べ、加工痕２２ｃの周囲に生じる意図しない損傷（亀裂）や歪が相対的に小さい。よって、使用者がくり抜き対象部２０ｂをくり抜いた際、被照射面２０ｕ近傍で加工痕２２ｃから無用なクラックが発生してくり抜き単結晶基板２０ｄに損傷が生じることを大幅に抑えることができる。

よって、本実施形態により、加工対象単結晶基板２０ａｍから欠け（チッピング）のないくり抜き単結晶基板２０ｄを短時間で容易に得ることができる。なお、得られたくり抜き単結晶基板２０ｄの外周面には、必要に応じて研磨等の加工を行う。

ここで、被照射面２０ｕ近傍とは、このようなレーザ光照射によって、加工層２２形成後の人手によるくり抜き作業を無用なチッピングを生じさせずに行うことができる被照射面付近の部位のことであり、具体的には被照射面（基板表面）から内部に１００μｍまでの範囲であり、好適には基板表面から５０μｍまでの範囲である。この範囲において補正環調整によりレーザ光Ｂの焦点を外すことで、加工痕の結晶方位と異なる方向への伸張を防ぐとともにアブレーションを発生させずに加工痕を形成することが必要である。

単結晶基板の寸法が使用予定の寸法よりも大きい場合、このようにして、この単結晶基板を加工対象単結晶基板２０ａｍとし、加工対象単結晶基板２０ａｍよりも小さい寸法のくり抜き単結晶基板２０ｄを得ることで加工対象単結晶基板２０ａｍを再利用することができ、資源の有効活用が図られる。

また、本実施形態では、レーザ集光手段１２と加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面２０ｖとが離れる方向の移動では、基板厚み方向と同方向に移動させている。従って、加工層２２が短円筒状に形成されているので、得られたくり抜き単結晶基板２０ｄの外周は円筒外周状となっており、使い勝手が良い。ここで本実施形態では、加工層含有基板２０ｃの被照射面２０ｕ近傍では、レーザ光Ｂの出力を一定に保った状態で、集光位置Ｂｆにおいてレーザ光Ｂの焦点を外すように補正環を調整（第１レンズ１６と第２レンズ１８との間隔を調整）することで、集光位置Ｂｆにおいて生じる加工痕２２ｃが加工対象単結晶基板２０ａｍの結晶方位に沿って伸張しかつ加工対象単結晶基板２０ａｍの異なる結晶方位に沿って伸張しないようにレーザ集光手段１２の収差補正を調整して繋げるようにレーザ光を照射することで加工痕２２ｃが形成される。

その上、加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面２０ｖ側への最初の集光位置Ｂｆは、裏面２０ｖに亀裂やアブレーションなどによる無用なダメージを与えないように裏面２０ｖから所定範囲内の基板厚さ位置に設定されている。

従って、加工層２２の形状をチッピングが発生し難い形状（例えば、裏面側に広がるテーパ状）にせずに単に短円筒状としても、加工痕２２ｃから無用なクラックが発生することが大幅に抑えられている。

また、本実施形態では、第２工程で、レーザ発振装置Ｊの出力を一定、すなわち、レーザ集光手段１２に入射するレーザ光の出力を一定にしている。従って、集光位置ＢｆがＺ軸方向に移動することに応じたパラメータの変更を補正環の調整（集光レンズ１５の収差補正の調整）のみにしており、収差補正制御手段１３で制御することによってこれらの効果を得ることが可能である。収差補正制御手段１３による収差補正の調整状態は、くり抜き時における無用なクラックの発生し難さ、加工層２２の形成のし易さ、などを考慮して適切な値に設定する。

また、基板加工装置１０は、回転ステージ１１の回転中心軸Ｃｓとレーザ集光手段１２によるレーザ光Ｂの加工対象単結晶基板２０ａｍへの照射中心軸Ｃｂとの距離ｒを変える半径方向距離変更手段を備えている。従って、くり抜き対象部２０ｂの半径に合わせて加工層２２の形成位置を変更することが容易にできる。

また、第２工程では、図６に示すように、レーザ光Ｂの集光によって加工層２２に形成される加工痕２２ｃの基板厚み方向長さＫを１０μｍ以下（さらに好ましくは３μｍ〜７μｍ）としている。これにより、加工対象単結晶基板２０ａｍの上下方向（結晶方位[１００]方向）に加工痕２２ｃが良好に伸張しやすい。

なお、第１レンズ１６と第２レンズ１８との間隔調整、すなわち、収差補正環としての機能によるレーザ光Ｂの調整を変化させつつ、レーザ光Ｂの出力を変化させてもよい。これにより、加工痕２２ｃの寸法や加工痕２２ｃ周囲の歪を更に精度良く制御することができる。

また、図４では、加工層２２には加工痕２２ｃが一列に配置されているように描いているが、実際には、加工層２２には複数列にわたって加工痕２２ｃが散りばめられるようにレーザ光Ｂを照射してもよい。これにより、くり抜き対象部２０ｂを加工層含有基板２０ｃからくり抜く際の作業が更に容易になる。

また、本実施形態に係る基板加工方法の説明では、加工対象単結晶基板２０ａｍが単結晶基板である例で説明したが、単結晶基板以外であっても、本実施形態に係る基板加工方法が適用可能である。

また、本実施形態では、基板加工方法として、本実施形態の基板加工装置１０を用いて加工層含有基板２０ｃにする例で説明したが、基板加工装置１０を用いずに他の装置を用いて加工層含有基板２０ｃを製造することも勿論可能である。

＜実験例１＞
本発明者は、上記実施形態に係る基板加工方法の一実施例（以下、実施例１という）により、上記実施形態の基板加工装置１０を用い、結晶方位がそれぞれ[１００]、[１１０]で、厚さ625μｍのφ200ｍｍの単結晶シリコンウエハを加工対象単結晶基板として、以下の実験を行った。

レーザ発振器としては以下の装置を用いた。
対物レンズ ：補正環機能付き１００倍、ＮＡは０．８５
（オリンパス社製のＬＣＰＬＮ１００ＸＩＲを使用）
波長（ｎｍ） ：１０６４
パルス幅（ｎｓ） ：１９０
パルスエネルギー（μＪ）：３．０

加工条件としては以下のように行った。
補正環調整量 ：０．７
（補正環目盛値）
デフォーカス量 ：−１０、−３０、−５０
（ＤＦ量、μｍ）
照射間隔（μｍ） ：２．０

各照射条件で照射した後、レーザ照射方向に沿って基板断面を露出させ、レーザ顕微鏡（電子顕微鏡）で観察した。撮像画像を図７に示す。図７から判るように、加工対象基板の結晶方位に関係なくＤＦ量が大きくなるに従い、すなわち基板の深い位置に行くに従い、加工痕長さは短くなる傾向にある（なお、加工痕の深さ位置とは、加工痕の上端と下端との中間位置のことである）。[１１０]基板ではＤＦ量が−１０μｍの場合には斜めに伸びるクラックが発生しており結晶方位と異なる方向に加工痕が拡がってしまう。これは［１１１］方向へのクラック伸張が生じ易いためである。しかし、ＤＦ量を深くし加工痕を短くすることによりこの現象を防ぎ結晶方位に沿った加工痕形成が可能となる。

＜実験例２＞
補正環を調整せずにＤＦ量を増大していくと、形成される加工痕長さが安定し難く、かつ、基板の深い位置に加工痕が形成され難い。そこで本発明者は、基板深さ方向の各位置で加工痕長さが１０μｍ以下となる照射条件を探ることを意図して、レーザ出力を一定、すなわちパルスエネルギーを一定の条件にして補正環を変化させた場合の加工痕形成状態を評価した。

レーザ発振器としては以下の装置を用いた。
対物レンズ ：補正環機能付き１００倍、ＮＡは０．８５
（オリンパス社製のＬＣＰＬＮ１００ＸＲを使用）
波長（ｎｍ） ：１０６４
パルス幅（ｎｓ） ：１９０
周波数（ｋＨｚ） ：５００
パルスエネルギー（μＪ）：３．０

加工条件としては以下のように行った。
補正環調整量 ：0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、
0.8、0.9、1.0
ＤＦ量（μｍ） ：-90、-80、-70、-60、-50、-40、-30、-20、-10
照射間隔（μｍ） ：２．０

そして各照射条件で照射した後、レーザ照射方向に沿って基板断面を露出させ、加工痕長さを測定した。測定結果を図８、図９に示す。補正環を一定の状態にしてＤＦ量を変化させると深い位置での加工痕形成ができなくなってくるが、深い位置に対する補正環調整量（深い位置への補正環による補正量）を大きくすることで、より深い位置にも加工痕を形成できることが分かる。また、深い位置になるに従い加工痕長さも短くなるが、これは球面収差が補正されエネルギー密度が高くなるためであると考えられる。このようにレーザ出力すなわちパルスエネルギーを一定にした状態で補正環調整量（補正環の目盛値）のみを変化させれば目標とする「加工痕長さ１０μｍ以下」の加工痕を深さ方向に連続的に形成できる。なお、この時のレーザ出力は上記状態を発現するために適正に選択すればよい。

＜実験例３＞
上記実施形態に係る基板加工方法の一実施例（以下、実施例２という）により、破断強度が低下した加工層２２を形成して加工層含有基板２０ｃとした。

その際、加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面２０ｖ（底面）側への最初の集光位置Ｂｆは、レーザ光Ｂの照射により形成される加工層２２が加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面２０ｖに亀裂やアブレーションなどによる無用なダメージ（特にくり抜き対象部２０ｂへのダメージ）を与えない所定範囲内に設定し、加工痕２２ｃが形成される下限のレーザ出力で照射した（図１０参照）。

そして、集光位置Ｂｆを徐々に上方へ移動させていくことで、破断強度が低下した加工層２２をくり抜き対象部２０ｂの外周側に形成した。この移動により、被照射面２０ｕから集光位置までの距離（基板厚み方向の距離）が徐々に短くなるので、移動に伴って収差補正をしないと集光が不十分となる（図１１参照）。このため、上記実施形態のように収差補正を調整していくことで十分に集光させつつ集光位置Ｂｆを移動させ、加工痕２２ｃの基板厚さ方向長さＫが１０μｍ以下となるように収差補正を調整して加工対象単結晶基板２０ａｍにレーザ光を照射した（図１２参照）。

そして、くり抜き対象部２０ｂをくり抜き、破断面を電子顕微鏡で撮像した。撮像図から、加工対象単結晶基板２０ａｍの結晶方位に沿って伸張しかつ加工対象単結晶基板２０ａｍの異なる結晶方位に沿って伸張しないように加工痕２２ｃが繋がっていることが確認された。

なお、補正環を用いない場合には、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、加工対象単結晶基板２０ａｍ内にレーザ光が入射することで、レーザ光の入射位置の違いによって焦点が基板厚み方向に長くなってしまうが（図１３（ｂ）参照）、補正環を用いた場合には、図１４に示すように、加工対象単結晶基板２０ａｍ内にレーザ光が入射してレーザ光の入射角度が変化しても、焦点（集光位置Ｂｆ）が基板厚み方向に長くなることを予め防止して入射させることが可能になる。

本実験例のように集光位置Ｂｆが基板厚み方向位置に移動する場合には、収差補正を調整していくことで十分に集光させつつ集光位置Ｂｆを移動させることによって、加工痕２２ｃの基板厚さ方向長さＫが長くなることを充分に抑え易い。

＜実験例４＞
本発明者は、上記実施形態に係る基板加工方法の一実施例（以下、実施例３という）により、以下の条件で加工対象単結晶基板に加工を行った。その際、集光位置Ｂｆを被照射面２０ｕから基板厚み方向に２０μｍまでの位置としており、被照射面２０ｕから２０μｍよりも浅い位置にはレーザ光が集光しないようにした。レーザ発振器ではファイバーレーザを用いた。
対物レンズ ：補正環機能付き１００倍、ＮＡは０．８５
（オリンパス社製のＬＣＰＬＮ１００ＸＲを使用）
単結晶基板 ：単結晶シリコンウエハ、結晶方位［１００］
波長（ｎｍ） ：１０６４
出力（Ｗ） ：０．６
発信周波数（ｋＨｚ） ：５００
パルス幅（ｎｓ） ：１９０
ドットピッチ（μｍ） ：２
ラインピッチ（μｍ） ：２
補正環調整量 ：０．０〜０．７

本実験例では、焦点位置（加工位置。裏面２０ｖからの基板厚み方向の距離）に応じて補正環調整量を以下のように設定した。
焦点位置（μｍ） 補正環調整量
０〜１００ ０．７
１００〜１５０ ０．０
１５０〜２００ ０．１
２００〜２５０ ０．２
２５０〜３００ ０．３
３００〜３５０ ０．４
３５０〜４２５ ０．５
４２５〜５００ ０．６
５００〜６２５ ０．７

そして、加工層２２近辺の断面を電子顕微鏡で撮像した。撮像図から判断した結果、実施例３では、加工層２２近辺の被照射面２０ｕにはアブレーション等の損傷は生じていなかった。従って、くり抜き対象部をくり抜く際、チッピングが生じることなくくり抜くことができる。

また、この後、くり抜き対象部をくり抜いた。図１５は、実施例３によって得られた加工層含有基板からくり抜き対象部をくり抜いたことを説明する写真図である。くり抜き対象部にチッピングが生じることなくくり抜くことができた。

また、本発明者は、比較のための一例（以下、比較例１という）として、被照射面２０ｕまでレーザ光の集光位置を移動させて基板加工を行った。そして、加工層近辺の断面を電子顕微鏡で撮像した。撮像図を図１６に示す。図１６から判るように、比較例１では、加工層近辺の被照射面２０ｕにはアブレーションが生じていた。従って、くり抜き対象部をくり抜く際、チッピングが生じる。

[第２実施形態]
次に、第２実施形態を説明する。図１７は、本実施形態に係る基板加工方法により製造した加工層含有基板を示す模式的な側面断面図である。本実施形態では、第１実施形態と同様、加工対象結晶基板２０ａが単結晶基板である例を挙げて説明する。

本実施形態では、第１実施形態に比べ、第２工程で加工対象単結晶基板２０ａｍに加工層２２を形成する際、加工層２２のうち加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面（底面）側を構成する加工層裏面方部２２ｖでは、裏面２０ｖから離れるにつれて、回転ステージ１１の回転中心軸Ｃｓとレーザ集光手段１２の照射中心軸Ｃｂとの距離ｒを徐々に広げ、加工層裏面方部２２ｖよりも被照射面２０ｕ側（表面側）ではこの距離を一定にしている（図１７参照）。そして、このように徐々に広げることで、加工層裏面方部２２ｖの外周側を、加工対象単結晶基板２０ａｍの裏面２０ｖから離れるにつれて径が徐々に大きくなるＲ面状（断面円弧状）に形成している。この結果、加工層裏面方部２２ｖは半径Ｎの面取り形状（すなわち、くり抜き対象部２０ｂのうち加工層裏面方部２２ｖの内周側に位置する部位もＲ面状）にされており、くり抜き作業でくり抜き対象部２０ｂが加工層裏面方部２２ｖから容易に破断され得る構造にされている。

本実施形態で用いる基板加工装置としては、例えば、第１実施形態で説明した基板加工装置１０を用い、半径方向距離変更手段（図示せず）により距離ｒを徐々に広げる。この場合、回転ステージ１１をこのように移動させる制御プログラムが基板加工装置の制御手段（ＣＰＵなど）に入力されていると、正確性や加工容易性を確保する上で好ましい。

本実施形態では、加工層含有基板２０ｃからくり抜き対象部２０ｂをくり抜くことで、基板裏面側が半径ＮのＲ面状にされたくり抜き単結晶基板２０ｄが容易に得られる。従って、くり抜き単結晶基板２０ｄの面取り作業を、不要にすること或いは大幅に軽減させることができ、くり抜き単結晶基板２０ｄ（ウエハ）のハンドリングが容易になる。

また、第２工程でレーザ光を照射する際、加工痕を１つ１つ繋げていくことでこのような加工層２２が形成されるので、加工層２２を形成する際にかかる時間を第１実施形態とさほど変わらない程度の時間に抑えることができる。

なお、加工層裏面方部２２ｖでは、くり抜き対象部２０ｂを良好にくり抜く観点で、裏面２０ｖに近い位置ほどくり抜き対象部２０ｂ（ウエハ）の半径方向へ加工痕２２ｃを繋げることが重要になっており、被照射面側（表面側）に近づくに従い、次第に基板厚み方向へ加工痕２２ｃを繋げることが重要になっている。従って、裏面２０ｖに近い位置ほど加工痕２２ｃのラインピッチを狭くし、被照射面側（表面側）に近づくに従い次第にラインピッチを広げるなどの工夫をすることにより、くり抜き対象部２０ｂを更に良好にくり抜くことが可能になる。

また、本実施形態では、加工層裏面方部２２ｖの外周面をＲ面状に形成した例で説明したが、Ｒ面状に限らず湾曲凸面状としても、加工層含有基板２０ｃからくり抜き対象部２０ｂを容易にくり抜くことが可能である。

また、加工層裏面方部２２ｖではこのような形状にせずに、加工層２２のうち加工対象単結晶基板２０ａｍの被照射面側（表面側）を構成する加工層表面方部を加工層裏面方部２２ｖのような形状にすることで、基板表面側が半径ＮのＲ面状にされたくり抜き単結晶基板２０ｄを得ることができる。

また、本実施形態に係る基板加工方法の説明では、加工対象単結晶基板２０ａｍが単結晶基板である例で説明したが、単結晶基板以外であっても、本実施形態に係る基板加工方法が適用可能である。

本発明により、加工対象結晶基板からそれよりも小さい寸法の基板を得ることを可能にすることから、薄く切り出された基板は、例えば単結晶基板であって、Ｓｉ基板（シリコン基板）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 基板加工装置
１１ 回転ステージ
１２ レーザ集光手段
１３ 収差補正制御手段
１５ 集光レンズ
１６ 第１レンズ
１８ 第２レンズ
２０ａ 加工対象結晶基板
２０ａｍ 加工対象単結晶基板
２０ｂ くり抜き対象部
２０ｃ 加工層含有基板
２０ｄ くり抜き単結晶基板
２０ｕ 被照射面
２０ｖ 裏面（基板裏面）
２２ 加工層
２２ｃ 加工痕
２２ｖ 加工層裏面方部（加工層一方基板面方部）
Ｂ レーザ光
Ｂｆ 集光位置
Ｃｂ 照射中心軸
Ｃｓ 回転中心軸
Ｅ 外周部
ＥＰ 集光点
Ｋ 基板厚み方向長さ
Ｌ 距離
Ｍ 中央部
ＭＰ 集光点
Ｓｕ ステージ面
ｒ 距離

Claims (13)

1. レーザ光を集光するとともに収差補正が調整可能なレーザ集光手段を、加工対象結晶基板の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、
   前記レーザ集光手段により加工対象結晶基板内部にレーザ光を集光しつつ、レーザ光の集光位置を前記加工対象結晶基板のくり抜き対象部の周囲方向および厚み方向に変化させ、破断強度が低下した加工層を前記くり抜き対象部の外周側に形成することで加工層含有基板とする第２工程と、を備え、
   前記第２工程では、加工対象結晶基板内部および少なくとも一方の加工対象結晶基板面近傍で、レーザ光の集光位置において生じる加工痕が、前記加工対象結晶基板の結晶方位に沿って伸張しかつ前記加工対象結晶基板の異なる結晶方位に沿って伸張しないように前記レーザ集光手段の収差補正を調整することを特徴とする基板加工方法。
2. 前記第２工程では、前記加工対象結晶基板面近傍を前記被照射面とは反対側の面である基板裏面の近傍とし、
   前記基板裏面から所定範囲内の基板厚み位置にレーザ光の焦点を合わせ、
   前記レーザ集光手段を前記基板裏面から離れるように移動させつつレーザ光を照射して前記加工層を形成することを特徴とする請求項１に記載の基板加工方法。
3. 前記レーザ集光手段の収差補正を行う補正環により、前記基板裏面からの距離が大きい加工痕ほど加工痕長さが短くなるように前記補正環を調整することを特徴とする請求項２に記載の基板加工方法。
4. 前記第２工程では、前記加工対象結晶基板面近傍を前記被照射面の近傍とし、
   前記被照射面から所定範囲内の基板厚み位置にレーザ光の焦点を合わせ、
   前記レーザ集光手段を前記被照射面から離れるように移動させつつレーザ光を照射して前記加工層を形成することを特徴とする請求項１に記載の基板加工方法。
5. 前記レーザ集光手段の収差補正を行う補正環により、前記被照射面からの距離が大きい加工痕ほど加工痕長さが短くなるように前記補正環を調整することを特徴とする請求項４に記載の基板加工方法。
6. 前記第２工程では、レーザ光の集光によって形成される前記加工痕の前記基板厚み方向の長さを１０μｍ以下とすることを特徴とする請求項３または５に記載の基板加工方法。
7. 前記加工対象結晶基板として、前記被照射面の結晶方位が[１００]である単結晶シリコンを用いることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の基板加工方法。
8. 前記第２工程では、前記加工層を短円筒状に形成することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の基板加工方法。
9. 前記第２工程では、前記レーザ集光手段に入射するレーザ光の出力を一定にしておくことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の基板加工方法。
10. 前記加工層のうち前記一方の加工対象単結晶基板面側を構成する加工層一方基板面方部の外周側は、前記一方の加工対象単結晶基板面から離れるにつれて径が徐々に大きくなる湾曲凸面状にされていることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の基板加工方法。
11. 載置された加工対象結晶基板を保持して回転する回転ステージと、
    前記回転ステージ上に保持された前記加工対象結晶基板に向けてレーザ光を集光するとともにレーザ光の収差補正が調整可能なレーザ集光手段と、
    前記回転ステージと前記レーザ集光手段との距離を変える照射軸方向距離変更手段と、前記距離に応じて前記収差補正の調整を制御する収差補正制御手段と、
    を備え、
    前記収差補正制御手段は、加工対象結晶基板内部および少なくとも一方の加工対象結晶基板面近傍で、レーザ光の集光位置において生じる加工痕が前記加工対象結晶基板の結晶方位に沿って伸張しかつ前記加工対象結晶基板の異なる結晶方位に沿って伸張しないように制御することを特徴とする基板加工装置。
12. レーザ光の収差補正を行う補正環としての機能を前記レーザ集光手段が備え、
    前記収差補正制御手段は、少なくとも一方の加工対象結晶基板面からの距離が大きい加工痕ほど加工痕長さが短くなるように制御することを特徴とする請求項１１に記載の基板加工装置。
13. 前記回転ステージの回転中心軸と前記レーザ集光手段の照射中心軸との距離を変える半径方向距離変更手段を備えることを特徴とする請求項１１または１２に記載の基板加工装置。