JP2023111383A - ウエーハ生成装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023111383000001
【課題】効率よくインゴットの内部に改質層を形成することができるウエーハの生成装置を提供する。
【解決手段】ウエーハ生成装置は、インゴットを保持する保持手段と、インゴットに対して透過性を有するレーザー光線ＬＢの集光点をインゴットの内部に位置づけてレーザー光線ＬＢをインゴットに照射し、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに改質層を形成するウエーハ生成手段６と、保持手段とウエーハ生成手段６とを相対的に移動する移動手段とを備える。ウエーハ生成手段６は、レーザー光線ＬＢを発振する発振器１８と、発振器１８が発振したレーザー光線ＬＢをインゴットの内部に集光する集光レンズ２０と、集光レンズ２０をインゴットの端面に対して平行に回転させる回転手段２２とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウエーハを生成するウエーハ生成装置に関する。
ＩＣ、ＬＳＩ、ＬＥＤ等のデバイスは、Ｓｉ（シリコン）やＡｌ２Ｏ３（サファイア）等を素材としたウエーハの表面に機能層が積層され分割予定ラインによって区画されて形成される。また、パワーデバイス、ＬＥＤ等は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）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たウエーハは、切削装置、レーザー加工装置によって分割予定ラインに加工が施されて個々のデバイスチップに分割され、分割された各デバイスチップは携帯電話やパソコン等の電気機器に利用される。
デバイスが形成されるウエーハは、一般的に円柱状のインゴットをワイヤーソーで薄く切断することにより生成される。生成されたウエーハの表面および裏面は、研磨することにより鏡面に仕上げられる（たとえば特許文献１参照）。
しかし、インゴットをワイヤーソーで切断し、切断したウエーハの表面および裏面を研磨すると、インゴットの大部分（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、ＧａＮ等の単結晶インゴットにおいては、硬度が高くワイヤーソーでの切断が困難であり相当の時間を要するため生産性が悪いと共に、インゴットの単価が高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。
そこで、ＳｉＣ等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インゴットの内部に位置づけてインゴットにレーザー光線を照射して切断予定面に改質層を形成し、改質層が形成された切断予定面に沿ってインゴットからウエーハを剥離する技術が提案されている（たとえば特許文献２参照）。
特開２０００－９４２２１号公報 特開２０１３－４９１６１号公報
しかし、改質層同士の間隔を１０μｍ程度として密に改質層を形成しなければならず、改質層の形成に時間がかかり生産性が悪いという問題がある。
本発明の課題は、効率よくインゴットの内部に改質層を形成することができるウエーハ生成装置を提供することである。
本発明によれば、上記課題を解決する以下のウエーハ生成装置が提供される。すなわち、
「ウエーハを生成するウエーハ生成装置であって、
インゴットを保持する保持手段と、インゴットに対して透過性を有するレーザー光線の集光点をインゴットの内部に位置づけてレーザー光線をインゴットに照射し、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに改質層を形成するウエーハ生成手段と、該保持手段と該ウエーハ生成手段とを相対的に移動する移動手段と、を少なくとも備え、
該ウエーハ生成手段は、レーザー光線を発振する発振器と、該発振器が発振したレーザー光線をインゴットの内部に集光する集光レンズと、該集光レンズをインゴットの端面に対して平行に回転させる回転手段と、を含むウエーハ生成装置」が提供される。
好ましくは、該集光レンズは、回転方向に複数配設される。
本発明のウエーハ生成装置は、
インゴットを保持する保持手段と、インゴットに対して透過性を有するレーザー光線の集光点をインゴットの内部に位置づけてレーザー光線をインゴットに照射し、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに改質層を形成するウエーハ生成手段と、該保持手段と該ウエーハ生成手段とを相対的に移動する移動手段と、を少なくとも備え、
該ウエーハ生成手段は、レーザー光線を発振する発振器と、該発振器が発振したレーザー光線をインゴットの内部に集光する集光レンズと、該集光レンズをインゴットの端面に対して平行に回転させる回転手段と、を含むので、効率よくインゴットの内部に改質層を形成することができる。
本発明に従って構成されたウエーハ生成装置の斜視図。 （ａ）図１に示すウエーハ生成手段の概略図、（ｂ）（ａ）に示す回転体の底面図。 （ａ）インゴットの斜視図、（ｂ）（ａ）に示すインゴットの平面図、（ｃ）（ａ）に示すインゴットの正面図。 （ａ）改質層形成工程を示す斜視図、（ｂ）改質層形成工程を示す側面図。 剥離工程を示す模式図。 （ａ）ウエーハ生成手段の第一の変形例を示す概略図、（ｂ）（ａ）に示す回転体の底面図。 （ａ）ウエーハ生成手段の第二の変形例を示す概略図、（ｂ）（ａ）に示す回転体の底面図。 （ａ）ウエーハ生成手段の第三の変形例を示す概略図、（ｂ）（ａ）に示す回転体の底面図。
以下、本発明に従って構成されたウエーハ生成装置の好適実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
（ウエーハ生成装置２）
図１に示すとおり、ウエーハ生成装置２は、インゴットを保持する保持手段４と、インゴットに対して透過性を有するレーザー光線の集光点をインゴットの内部に位置づけてレーザー光線をインゴットに照射し、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに改質層を形成するウエーハ生成手段６と、保持手段４とウエーハ生成手段６とを相対的に移動する移動手段８と、を少なくとも備える。
（保持手段４）
保持手段４は、Ｘ軸方向に移動自在に基台１０に支持されたＸ軸可動板１２と、Ｙ軸方向に移動自在にＸ軸可動板１２に支持されたＹ軸可動板１４と、Ｙ軸可動板１４の上面に回転自在に支持された保持テーブル１６と、保持テーブル１６を回転させるモータ（図示していない。）とを含む。
なお、Ｘ軸方向は図１に矢印Ｘで示す方向であり、Ｙ軸方向は図１に矢印Ｙで示す方向であってＸ軸方向に直交する方向である。Ｘ軸方向およびＹ軸方向が規定するＸＹ平面は実質上水平である。
保持手段４においては、適宜の接着剤（たとえばエポキシ樹脂系接着剤）を介して保持テーブル１６の上面でインゴットを保持する。あるいは、保持テーブル１６の上面に複数の吸引孔が形成され、保持テーブル１６の上面に吸引力を生成してインゴットを吸引保持するようになっていてもよい。
（ウエーハ生成手段６）
ウエーハ生成手段６は、図２に示すとおり、レーザー光線ＬＢを発振する発振器１８と、発振器１８が発振したレーザー光線ＬＢをインゴットの内部に集光する集光レンズ２０と、集光レンズ２０をインゴットの端面に対して平行に回転させる回転手段２２とを含む。
（発振器１８）
図１に示すとおり、ウエーハ生成手段６は、基台１０の上面から上方に延び、次いで実質上水平に延びるハウジング２４を有しており、発振器１８は、ハウジング２４に内蔵されている。発振器１８は、被加工物であるインゴットに対して透過性を有する波長（たとえば、ＳｉＣインゴットの場合は１０６４ｎｍ）のパルスレーザー光線ＬＢを発振するようになっている。
（集光レンズ２０）
図１および図２に示すとおり、ウエーハ生成手段６は、さらに、ハウジング２４の先端下面に配置された中空の回転体２６を備えている。回転体２６は、ハウジング２４の先端下面に回転自在に支持された上側円筒部２８と、上側円筒部２８の下端から径方向外側に広がる下側円筒部３０とを含む。そして、上記集光レンズ２０は、図２に示すとおり、回転体２６の下側円筒部３０の下面周縁部に設けられている。
発振器１８と集光レンズ２０との間には、発振器１８が発振したレーザー光線ＬＢを反射するミラー３２と、ミラー３２によって反射したレーザー光線ＬＢを平行光線にするコリメートレンズ３４と、コリメートレンズ３４を透過したレーザー光線ＬＢを集光レンズ２０に導く光ファイバ３６とが配置されている。ミラー３２は、ハウジング２４内に設けられ、コリメートレンズ３４および光ファイバ３６は、回転体２６に装着されている。
（回転手段２２）
図２に示すとおり、回転手段２２は、モータ３８と、モータ３８の出力軸に固定された歯車４０とを有する。回転体２６の上側円筒部２８の外周面には、回転手段２２の歯車４０と噛み合う歯車（図示していない。）が形成されている。そして、回転手段２２は、モータ３８によって回転体２６を回転させることにより、集光レンズ２０をインゴットの端面に対して平行に回転させるようになっている。なお、モータ３８の回転運動を回転体２６に伝達する機構については、他の公知の機構であってもよい。
図１に示すとおり、ハウジング２４の先端下面には、ウエーハ生成手段６によってレーザー加工を施すべき領域を検出する撮像手段４２が付設されている。撮像手段４２によって撮像された画像は、ハウジング２４の先端上面に配置された表示手段４４に表示される。
（移動手段８）
図１を参照して説明を続けると、移動手段８は、ウエーハ生成手段６に対して保持手段４をＸ軸方向に移動するＸ軸送り手段４６と、ウエーハ生成手段６に対して保持手段４をＹ軸方向に移動するＹ軸送り手段４８とを含む。
（Ｘ軸送り手段４６）
Ｘ軸送り手段４６は、Ｘ軸可動板１２に連結されＸ軸方向に延びるボールねじ５０と、ボールねじ５０を回転させるモータ５２とを有する。Ｘ軸送り手段４６は、ボールねじ５０によりモータ５２の回転運動を直線運動に変換してＸ軸可動板１２に伝達し、基台１０上の案内レール１０ａに沿ってＸ軸可動板１２をＸ軸方向に移動させる。
（Ｙ軸送り手段４８）
Ｙ軸送り手段４８は、Ｙ軸可動板１４に連結されＹ軸方向に延びるボールねじ５４と、ボールねじ５４を回転させるモータ５６とを有する。Ｙ軸送り手段４８は、ボールねじ５４によりモータ５６の回転運動を直線運動に変換してＹ軸可動板１４に伝達し、Ｘ軸可動板１２上の案内レール１２ａに沿ってＹ軸可動板１４をＹ軸方向に移動させる。
（剥離手段５８）
さらに、図示の実施形態のウエーハ生成装置２は、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに形成された改質層に沿って、インゴットからウエーハを剥離する剥離手段５８を備えている。
剥離手段５８は、基台１０上の案内レール１０ａの端部から上方に延びるケーシング６０と、ケーシング６０に昇降自在に支持されＸ軸方向に延びるアーム６２とを含む。ケーシング６０には、アーム６２を昇降させる昇降手段（図示していない。）が内蔵されている。
アーム６２の先端にはモータ６４が付設され、モータ６４の下面には上下方向に延びる軸線を中心として回転自在に吸着片６６が連結されている。吸着片６６は吸引手段（図示していない。）に接続されており、吸着片６６の下面には複数の吸引孔（図示していない。）が形成されている。また、吸着片６６には、吸着片６６の下面に対して超音波振動を付与する超音波振動付与手段（図示していない。）が内蔵されている。
（インゴット７２）
図３には、上述したウエーハ生成装置２によって加工が施されるインゴット７２が示されている。図示のインゴット７２は、単結晶ＳｉＣ（炭化ケイ素）から形成されている。
円柱状のインゴット７２は、円形状の第一の端面７４と、第一の端面７４の反対側に位置する円形状の第二の端面７６と、第一の端面７４および第二の端面７６の間に位置する周面７８と、第一の端面７４から第二の端面７６に至るｃ軸と、ｃ軸に直交するｃ面（図３（ｃ）参照）とを有する。少なくとも第一の端面７４は、レーザー光線ＬＢの入射を妨げない程度に研削または研磨によって平坦化されている。
インゴット７２においては、第一の端面７４の垂線８０に対してｃ軸が傾いており、ｃ面と第一の端面７４とでオフ角α（たとえばα＝１、３、６度）が形成されている。オフ角αが形成される方向を図３に矢印Ａで示す。
インゴット７２の周面７８には、いずれも結晶方位を示す矩形状の第一のオリエンテーションフラット８２および第二のオリエンテーションフラット８４が形成されている。第一のオリエンテーションフラット８２は、オフ角αが形成される方向Ａに平行であり、第二のオリエンテーションフラット８４は、オフ角αが形成される方向Ａに直交している。図３（ｂ）に示すとおり、上方からみて、第二のオリエンテーションフラット８４の長さＬ２は、第一のオリエンテーションフラット８２の長さＬ１よりも短い（Ｌ２＜Ｌ１）。
なお、本発明のウエーハ生成装置によって加工が施されるインゴットは、上記インゴット７２に限定されず、第一の端面の垂線に対してｃ軸が傾いておらず、ｃ面と第一の端面とのオフ角αが０度である（すなわち、第一の端面の垂線とｃ軸とが一致している）ＳｉＣインゴットでもよく、あるいは、Ｓｉ（シリコン）やＧａＮ（窒化ガリウム）等のＳｉＣ以外の素材から形成されているインゴットであってもよい。
（ウエーハ生成方法）
次に、上述したウエーハ生成装置２を用いて、インゴット７２からウエーハを生成する方法について説明する。
（保持工程）
図示の実施形態では、まず、保持手段４によってインゴット７２を保持する保持工程を実施する。保持工程においては、第一の端面７４を上に向けて、適宜の接着剤（たとえばエポキシ樹脂系接着剤）を介してインゴット７２を保持テーブル１６の上面に固定する。なお、保持テーブル１６の上面に複数の吸引孔が形成され、保持テーブル１６の上面に吸引力を生成してインゴット７２を吸引保持してもよい。
（改質層形成工程）
保持工程を実施したら、インゴット７２に対して透過性を有するレーザー光線ＬＢの集光点をインゴット７２の内部に位置づけてレーザー光線ＬＢをインゴット７２に照射し、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに改質層を形成する改質層形成工程を実施する。
改質層形成工程においては、まず、Ｘ軸送り手段４６を作動させ、保持テーブル１６を撮像手段４２の直下に位置づける。次いで、撮像手段４２でインゴット７２を撮像し、撮像手段４２で撮像したインゴット７２の画像に基づいて、インゴット７２と回転体２６との位置関係を調整する。次いで、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さ（たとえば５００μｍ程度）に集光点ＦＰ（図４（ｂ）参照）を位置づける。
次いで、図４（ａ）に矢印Ｒで示す方向に回転体２６を回転手段２２によって回転させると共に、保持テーブル１６をＸ軸方向に加工送りしながら、インゴット７２に対して透過性を有する波長のレーザー光線ＬＢを集光レンズ２０からインゴット７２に照射する。すなわち、集光レンズ２０をインゴット７２の第一の端面７４に対して平行に回転させると共に、インゴット７２をＸ軸方向に移動させながら、レーザー光線ＬＢを照射する。
これによって、ＳｉＣがＳｉ（シリコン）とＣ（炭素）とに分離した多数の弧状改質層８６を第一の端面７４に対して平行に効率よく形成することができる。なお、図示していないが、弧状改質層８６からはクラックが延びている。
このような改質層形成工程は、たとえば、以下の加工条件で実施することができる。
パルスレーザー光線の波長 ：１０６４ｎｍ
平均出力 ：６．０Ｗ
繰り返し周波数 ：５ＭＨｚ
パルス幅 ：１０ｐｓ
集光レンズの開口数（ＮＡ） ：０．８
集光レンズの回転 ：２０Ｈｚ
なお、改質層形成工程においては、レーザー光線ＬＢを吸収するビームダンパをインゴット７２の周囲に設置するのが好ましい。これによって、保持テーブル１６等のインゴット７２以外の部分にレーザー光線ＬＢが照射されてしまい、保持テーブル１６等が損傷するのを防止することができる。
あるいは、集光点ＦＰがインゴット７２の内部に位置しているときはレーザー光線ＬＢを照射する一方、集光点ＦＰがインゴット７２の外側に位置しているときはレーザー光線ＬＢの照射を停止するようにしてもよい。
（剥離工程）
改質層形成工程を実施した後、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに形成した改質層８６に沿って、インゴット７２からウエーハを剥離する剥離工程を実施する。
剥離工程では、まず、Ｘ軸送り手段４６を作動させ、剥離手段５８の吸着片６６の下方に保持テーブル１６を位置づける。次いで、図５に示すとおり、アーム６２を下降させて吸着片６６の下面をインゴット７２の上面（第一の端面７４）に密着させる。次いで、吸引手段を作動させ、吸着片６６の下面をインゴット７２の上面に吸着させる。
そして、超音波振動付与手段を作動させ、吸着片６６の下面に対して超音波振動を付与すると共に、モータ６４で吸着片６６を回転させる。これにより、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに形成した改質層８６に沿って、インゴット７２からウエーハ８８を剥離することができる。なお、ウエーハ８８を剥離した後、インゴット７２の剥離面およびウエーハ８８の剥離面を研削または研磨によって平坦化する。
以上のとおりであり、図示の実施形態のウエーハ生成手段６は、レーザー光線ＬＢを発振する発振器１８と、発振器１８が発振したレーザー光線ＬＢをインゴット７２の内部に集光する集光レンズ２０と、集光レンズ２０をインゴット７２の端面に対して平行に回転させる回転手段２２と、を含むので、効率よくインゴット７２の内部に改質層８６を形成することができる。
（第一の変形例）
なお、本発明のウエーハ生成手段６は、上述した形態に限定されるものではない。たとえば、図２に示す光ファイバ３６に代えて、図６に示す第一の変形例のように、コリメートレンズ３４を透過したレーザー光線ＬＢを集光レンズ２０に導くための第一・第二のミラー９０、９２が、コリメートレンズ３４と集光レンズ２０との間に配置されていてもよい。
（第二の変形例）
図７に示す第二の変形例においては、回転体２６の回転方向に間隔をおいて複数の集光レンズ２０が配設されている。第二の変形例では、８個の集光レンズ２０が配設されているが、集光レンズ２０の個数、間隔は任意に設定され得る。
この場合、回転体２６の内部には、ミラー３２によって反射したレーザー光線ＬＢを分岐する回折ビームスプリッタ９４と、回折ビームスプリッタ９４によって分岐されたレーザー光線ＬＢを複数の集光レンズ２０に導くための複数の光ファイバ３６とが設けられる。
第二の変形例においては、発振器１８が発振したレーザー光線ＬＢは、ミラー３２で反射した後、回折ビームスプリッタ９４によって分岐され、複数の光ファイバ３６を介して複数の集光レンズ２０からインゴットに照射される。したがって、一層効果的にインゴットの内部に改質層を形成することができる。
（第三の変形例）
また、図８に示す第三の変形例のように、回転体２６の回転方向に間隔をおいて配設された複数の集光レンズ２０と、ミラー３２によって反射したレーザー光線ＬＢを分岐する回折ビームスプリッタ９４と、回折ビームスプリッタ９４によって分岐されたレーザー光線ＬＢを複数の集光レンズ２０に導くための複数セットの第一・第二のミラー９０、９２とが設けられていてもよい。
第三の変形例では、集光レンズ２０が８個配設されており、８セットの第一・第二のミラー９０、９２が設けられているが、便宜上、図８（ａ）においては、２セットの第一・第二のミラー９０、９２を示している。
第三の変形例においても、図７に示す第二の変形例と同様に、発振器１８が発振したレーザー光線ＬＢは、ミラー３２で反射した後、回折ビームスプリッタ９４によって分岐され、複数セットの第一・第二のミラー９０、９２を介して複数の集光レンズ２０からインゴットに照射される。したがって、一層効果的にインゴットの内部に改質層を形成することができる。
２：ウエーハ生成装置
４：保持手段
６：ウエーハ生成手段
８：移動手段
１８：発振器
２０：集光レンズ
２２：回転手段
７２：インゴット
８６：改質層
ＬＢ：レーザー光線
ＦＰ：集光点

Claims (2)

  1. ウエーハを生成するウエーハ生成装置であって、
    インゴットを保持する保持手段と、インゴットに対して透過性を有するレーザー光線の集光点をインゴットの内部に位置づけてレーザー光線をインゴットに照射し、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに改質層を形成するウエーハ生成手段と、該保持手段と該ウエーハ生成手段とを相対的に移動する移動手段と、を少なくとも備え、
    該ウエーハ生成手段は、レーザー光線を発振する発振器と、該発振器が発振したレーザー光線をインゴットの内部に集光する集光レンズと、該集光レンズをインゴットの端面に対して平行に回転させる回転手段と、を含むウエーハ生成装置。
  2. 該集光レンズは、回転方向に複数配設される請求項１記載のウエーハ生成装置。
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