JP6395632B2 - ウエーハの生成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、六方晶単結晶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、ＧａＮ等の六方晶単結晶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等の六方晶単結晶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六方晶単結晶インゴットの内部に位置付けて照射し、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２０１３−４９４６１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２０１３−４９４６１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面とを有する六方晶単結晶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、六方晶単結晶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の集光点を該第１の面から生成するウエーハの厚みに相当する深さに位置付けると共に、該集光点と該六方晶単結晶インゴットとを相対的に移動して該レーザービームを該第１の面に照射し、該第１の面に平行な改質層及び該改質層から伸長するクラックを形成して分離起点を形成する分離起点形成ステップと、該分離起点形成ステップを実施した後、該分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物を該六方晶単結晶インゴットから剥離して六方晶単結晶ウエーハを生成するウエーハ剥離ステップと、を備え、該分離起点形成ステップは、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方向と直交する方向にレーザービームの集光点を相対的に移動して直線状の改質層を形成する改質層形成ステップと、該オフ角が形成される方向に該集光点を相対的に移動して所定量インデックスするインデックスステップと、を含み、該分離起点形成ステップは、六方晶単結晶インゴットの走査開始点から走査終了点までレーザービームを１回走査する第１分離起点形成ステップと、該走査終了点から該走査開始点までレーザービームを走査する第２分離起点形成ステップとを含み、該第１分離起点形成ステップと該第２分離起点形成ステップとを交互に複数回繰り返して改質層とクラックとを乖離させる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、分離起点形成ステップは、六方晶単結晶インゴットの走査開始点から走査終了点までレーザービームを１回走査する第１分離起点形成ステップと、該第１分離起点形成ステップと同じ繰り返し周波数及び加工送り速度で六方晶単結晶インゴットの走査終了点から走査開始点までレーザービームを走査する第２分離起点形成ステップとを含み、該第１分離起点形成ステップと該第２分離起点形成ステップとを交互に複数回繰り返して改質層とクラックとを乖離させるので、レーザービームの走査開始点近傍ではレーザービームが乱反射して改質層及びクラックが形成されにくくても、六方晶単結晶インゴット外周部に改質層とクラックとを適正に形成することができる。
従って、生産性の向上を十分図ることができると共に、捨てられるインゴットの量を十分軽減でき３０％前後に抑えることができる。
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）は六方晶単結晶インゴットの斜視図、図３（Ｂ）はその正面図である。 分離起点形成ステップを説明する斜視図である。 六方晶単結晶インゴットの平面図である。 改質層形成ステップを説明する模式的断面図である。 改質層形成ステップを説明する模式的平面図である。 図８（Ａ）はインデックスステップを説明する模式的平面図、図８（Ｂ）はインデックス量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。 生成された六方晶単結晶ウエーハの斜視図である。 本発明実施形態に係る分離起点形成ステップの説明図である。 分離起点形成ステップのレーザービームの走査方法を説明する図である。
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。
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、繰り替え周波数設定手段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六方晶単結晶インゴット１１の内部に集光点を位置付けられて照射される。
図３（Ａ）を参照すると、加工対象物である六方晶単結晶インゴット１１の斜視図が示されている。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示した六方晶単結晶インゴット１１の正面図である。六方晶単結晶インゴット（以下、単にインゴットと略称することがある）１１は、ＳｉＣ単結晶インゴット、又はＧａＮ単結晶インゴットから構成される。
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（裏面）１１ｂを有している。インゴット１１の表面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、表面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の表面１１ａに対してオフ角α傾斜している。一般的に、六方晶単結晶インゴット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の表面１１ａの垂線１７に対してｃ軸１９の表面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。
本実施形態のウエーハの生成方法では、まず、支持テーブル２６に固定された六方晶単結晶インゴット１１に対して透過性を有する波長（例えば１０６４ｎｍの波長）のレーザービームの集光点を第１の面（表面）１１ａから生成するウエーハの厚みに相当する深さに位置付けると共に、集光点と六方晶単結晶インゴット１１とを相対的に移動してレーザービームを表面１１ａに照射し、表面１１ａに平行な改質層２３及び改質層２３からｃ面２１に沿って伝播するクラック２５を形成して分離起点とする分離起点形成ステップを実施する。
この分離起点形成ステップは、表面１１ａの垂線１７に対してｃ軸１９がオフ角α分傾き、ｃ面２１と表面１１ａとにオフ角αが形成される方向と直交する方向、即ち、図５の矢印Ｙ１方向に直交する方向であるＡ方向にレーザービームの集光点を相対的に移動してインゴット１１の内部に改質層２３及び改質層２３からｃ面２１に沿って伝播するクラック２５を形成する改質層形成ステップと、図７及び図８に示すように、オフ角が形成される方向、即ちＹ軸方向に集光点を相対的に移動して所定量インデックスするインデックスステップとを含んでいる。
図６及び図７に示すように、改質層２３をＸ軸方向に直線状に形成すると、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。本実施形態のウエーハの生成方法では、直線状の改質層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、集光点のインデックス量を設定するインデックス量設定ステップを含む。
インデックス量設定ステップにおいて、図６に示すように、直線状の改質層２３からｃ面方向に伝播して改質層２３の片側に形成されるクラック２５の幅をＷ１とした場合、インデックスすべき所定量Ｗ２は、Ｗ１以上２Ｗ１以下に設定される。
ここで、好ましい実施形態の、レーザー加工方法は以下のように設定される。
光源 ：Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザー
波長 ：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数 ：８０ｋＨｚ
平均出力 ：３．２Ｗ
パルス幅 ：４ｎｓ
スポット径 ：１０μｍ
集光レンズの開口数（ＮＡ） ：０．４５
インデックス量 ：４００μｍ
上述したレーザー加工条件においては、図６において、改質層２３からｃ面に沿って伝播するクラック２５の幅Ｗ１が略２５０μｍに設定され、インデックス量Ｗ２が４００μｍに設定される。
しかし、レーザービームの平均出力は３．２Ｗに限定されるものではなく、本実施形態の加工方法では、平均出力を２Ｗ〜４．５Ｗに設定して良好な結果が得られた。平均出力２Ｗの場合、クラック２５の幅Ｗ１は略１００μｍとなり、平均出力４．５Ｗの場合には、クラック２５の幅Ｗ１は略３５０μｍとなった。
平均出力が２Ｗ未満の場合及び４．５Ｗより大きい場合には、インゴット１１の内部に良好な改質層２３を形成することができないため、照射するレーザービームの平均出力は２Ｗ〜４．５Ｗの範囲内が好ましく、本実施形態では平均出力３．２Ｗのレーザービームをインゴット１１に照射した。図６において、改質層２３を形成する集光点の表面１１ａからの深さＤ１は５００μｍに設定した。
図８（Ａ）を参照すると、レーザービームの走査方向を説明する模式図が示されている。分離起点形成ステップは往路Ｘ１及び復路Ｘ２で実施され、往路Ｘ１で六方晶単結晶インゴット１１に改質層２３を形成したレーザービームの集光点は、所定量インデックスされた後、復路Ｘ２で六方晶単結晶インゴット１１に改質層２３を形成する。
また、分離起点形成ステップにおいて、レーザービームの集光点のインデックスすべき所定量がＷ以上２Ｗ以下に設定された場合、六方晶単結晶インゴット１１にレーザービームの集光点が位置付けられ最初の改質層２３が形成されるまでの集光点のインデックス量はＷ以下に設定されるのが好ましい。
例えば、図８（Ｂ）に示すように、レーザービームの集光点をインデックスすべき所定量が４００μｍの場合には、インゴット１１に最初の改質層２３が形成されるまでは、インデックス量２００μｍでレーザービームの走査を複数回実行する。
最初の方のレーザービームの走査は空打ちであり、インゴット１１の内部に最初に改質層２３を形成したのが判明したならば、インデックス量４００μｍに設定してインゴット１１の内部に改質層２３を形成する。
このように所定量インデックス送りしながら、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、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六方晶単結晶インゴット１１から分離して六方晶単結晶ウエーハ２７を生成するウエーハ剥離工程を実施する。
このウエーハ剥離工程は、図９に示すように、水槽６０中に超音波装置６２を載置し、この超音波装置６２上に分離起点の形成された六方晶単結晶インゴット１１を搭載する。そして、水槽６０中に純水６４を満たし、六方晶単結晶インゴット１１を水槽６０の純水６４に浸漬すると共に超音波装置６２に電圧を印加して、例えば４０ｋＨｚの超音波振動を発生させる。
この超音波振動が六方晶単結晶インゴット１１に伝達されて、インゴット１１に形成された分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物が剥離され、六方晶単結晶インゴット１１から図１０に示すような六方晶単結晶ウエーハ２７を生成することができる。なお、純水６４を収容する容器は水槽６０に限定されるものではなく、他の容器も勿論使用可能である。
超音波振動を発生する超音波装置６２としては、例えばアズワン株式会社が提供するＡＳ超音波洗浄機ＵＳ−２Ｒを使用することができる。この超音波装置６２では、出力８０Ｗで４０ｋＨｚの超音波振動を発生することができる。ウエーハ剥離工程で付与する超音波振動は、３０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの超音波振動が好ましく、更に好ましくは、３５ｋＨｚ〜４５ｋＨｚの超音波振動である。
次に、図１１を参照して、本発明実施形態に係る分離起点形成ステップについて詳細に説明する。図１１（Ａ）に示すように、レーザービームＬＢの集光点Ｐを生成すべきウエーハの深さに位置付けてレーザービームＬＢをインゴット１１の表面１１ａに照射すると、集光点Ｐ周りに改質層２３が形成されると共に、改質層２３の周囲からクラック２５がｃ面に沿って放射状に形成される。
即ち、レーザービームＬＢを１回照射すると、図１１（Ｂ）に示すように、改質層２３と改質層２３から伝播するクラック２５がｃ面に沿って改質層２３の周囲に形成される。本実施形態の分離起点形成ステップでは、形成されている改質層２３に集光点Ｐを位置付けてレーザービームを照射するステップを複数回繰り返す。
このレーザービームの照射ステップは、インゴット１１の端から端までレーザービームを一回走査した後、前回と同じ繰り返し周波数及び加工送り速度でレーザービームの走査を複数回繰り返す。
５〜７回程度レーザービームの走査を実施して、各改質層２３にレーザービームの集光点を位置付けてレーザービームを照射すると、図１１（Ｃ）に示すように、改質層２３とクラック２５が乖離して改質層２３の両側のクラック２５同士が連結する。
このようにクラック２５と改質層２３が乖離して、クラック同士が連結すると、剥離ステップを非常に容易に実施することができ、分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物を六方晶単結晶インゴット１１から容易に剥離して、六方晶単結晶ウエーハ２７を容易に生成することができる。
次に、図１１を参照して説明した分離起点形成ステップについて、より好ましいレーザービームの照射方法を図１２を参照して説明する。本実施形態のレーザービームの走査方法は、六方晶単結晶インゴット１１に対する走査開始点近傍では、レーザービームが乱反射して改質層２３及びクラック２５は形成されにくいという知見に基づいており、この欠点を克服するためのレーザービームの走査方法である。
本実施形態の分離起点形成ステップは、まず図１２（Ａ）に示すように、六方晶単結晶インゴット１１の走査開始点Ｐ１から走査終了点Ｐ２まで往路Ｘ１及び復路Ｘ２で交互に繰り返して走査を実施する（第１分離起点形成ステップ）。
次いで、図１２（Ｂ）に示すように、走査終了点Ｐ２からレーザービームの走査を開始して走査開始点Ｐ１まで往路Ｘ２及び復路Ｘ１を交互に複数回繰り返してレーザービームを走査する（第２分離起点形成ステップ）。第１分離起点形成ステップ及び第２分離起点形成ステップを交互に複数回繰り返して、改質層２３とクラック２５とを乖離させる。
このように第１分離起点形成ステップと第２分離起点形成ステップとを交互に複数回繰り返すことにより、レーザービームの走査開始地点近傍ではレーザービームが乱反射して改質層及びクラックが形成されにくいという課題を解決することができる。
２ レーザー加工装置
１１ 六方晶単結晶インゴット
１１ａ 第１の面（表面）
１１ｂ 第２の面（裏面）
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 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）
６０ 水槽
６２ 超音波装置
６４ 純水

Claims (3)

  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面とを有する六方晶単結晶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、
    六方晶単結晶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の集光点を該第１の面から生成するウエーハの厚みに相当する深さに位置付けると共に、該集光点と該六方晶単結晶インゴットとを相対的に移動して該レーザービームを該第１の面に照射し、該第１の面に平行な改質層及び該改質層から伸長するクラックを形成して分離起点を形成する分離起点形成ステップと、
    該分離起点形成ステップを実施した後、該分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物を該六方晶単結晶インゴットから剥離して六方晶単結晶ウエーハを生成するウエーハ剥離ステップと、を備え、
    該分離起点形成ステップは、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方向と直交する方向にレーザービームの集光点を相対的に移動して直線状の改質層を形成する改質層形成ステップと、
    該オフ角が形成される方向に該集光点を相対的に移動して所定量インデックスするインデックスステップと、を含み、
    該分離起点形成ステップは、六方晶単結晶インゴットの走査開始点から走査終了点までレーザービームを１回走査する第１分離起点形成ステップと、該走査終了点から該走査開始点までレーザービームを走査する第２分離起点形成ステップとを含み、該第１分離起点形成ステップと該第２分離起点形成ステップとを交互に複数回繰り返して改質層とクラックとを乖離させることを特徴とするウエーハの生成方法。
  2. 該ウエーハ剥離ステップでは、六方晶単結晶インゴットを水中に浸漬すると共に超音波を付与して板状物を六方晶単結晶インゴットから剥離して六方晶単結晶ウエーハを生成する請求項１記載のウエーハの生成方法。
  3. 六方晶単結晶インゴットは、ＳｉＣインゴット、又はＧａＮインゴットから選択される請求項１又は２記載のウエーハの生成方法。
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