JP6456228B2 - 薄板の分離方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ＳｉＣ基板上にエピタキシャル成長によって積層された薄板（薄膜）をＳｉＣ基板から分離する薄板の分離方法に関する。
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。
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）。
また、パワーデバイス、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て形成されるが、インゴットをスライスしてウエーハを形成する方法と、ＳｉＣ基板の上面にエピタキシャル成長によってＳｉＣ薄板（薄膜）、ＧａＮ薄板（薄膜）を積層させ、その後ＳｉＣ基板から薄板を分離して純度の高いウエーハを形成する方法とがある。
特開２０００−９４２２１号公報
然し、ＳｉＣ基板から薄板を分離するには、ＳｉＣ基板をワイヤーソーで切断し、薄板の裏面に残存したＳｉＣ基板の一部を研磨して薄板のみからなるウエーハを生成する必要がある。従って、ＳｉＣ基板の多くの部分が捨てられることになり、ＳｉＣ基板の再利用ができず不経済であるという問題がある。
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、ＳｉＣ基板の上面にエピタキシャル成長によって積層された薄板をＳｉＣ基板から効率よく分離する薄板の分離方法を提供することである。
本発明によると、第一の面と該第一の面と反対側の第二の面と、該第一の面から該第二の面に至るｃ軸と、該ｃ軸に直交するｃ面とを有するＳｉＣ基板の該第一の面にエピタキシャル成長によって積層された薄板をＳｉＣ基板から分離する薄板の分離方法であって、ＳｉＣ基板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二の面からＳｉＣ基板の該第一の面近傍に位置付けると共に、該集光点とＳｉＣ基板とを相対的に移動して該レーザービームを該第二の面に照射し、該第一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、外力を付与して該分離起点から該薄板をＳｉＣ基板から分離する分離ステップと、を備え、該分離起点形成ステップは、該第二の面の垂線に対して該ｃ軸がオフ角分傾き、該第二の面と該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、を含むことを特徴とする薄板の分離方法が提供される。
好ましくは、該分離起点形成ステップにおいて、該集光点は該薄板側に位置付けられ、該分離ステップを実施すると、ＳｉＣ基板側に該薄板の一部が残存する。
或いは、該分離起点形成ステップにおいて、該集光点はＳｉＣ基板側に位置付けられ、該分離ステップを実施すると、該薄板側にＳｉＣ基板の一部が残存する。
本発明の薄板の分離方法によると、直線状に形成される改質層がｃ面上に形成されると共に、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、改質層と隣接する改質層とがクラックによって連結して分離起点が形成され、分離起点から薄板を容易に分離することができると共に、薄板が分離されたＳｉＣ基板を再利用することができ経済的である。
本発明の薄板の分離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基板の斜視図、図３（Ｂ）はその正面図である。 図４（Ａ）はＳｉ基板の正面図、図４（Ｂ）は上面にエピタキシャル成長によって積層された薄板を有するＳｉＣ基板の模式的正面図である。 分離起点形成ステップを説明する斜視図である。 ＳｉＣ基板の平面図である。 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。 薄板分離ステップを説明する斜視図である。 分離された薄板の斜視図である。 サブストレートを介して薄板を研削装置のチャックテーブルで保持する様子を示す斜視図である。 研削ステップを示す斜視図である。
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、本発明の薄板の分離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一スライドブロック６を含んでいる。
第一スライドブロック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。
第一スライドブロック６上には第二スライドブロック１６がＹ軸方向に移動可能に搭載されている。即ち、第二スライドブロック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。
第二スライドブロック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、第二スライドブロック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基板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ＳｉＣ基板１１の斜視図が示されている。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示したＳｉＣ基板１１の正面図である。ＳｉＣ基板１１は、第一の面（上面）１１ａと第一の面１１ａと反対側の第二の面（裏面）１１ｂを有している。ＳｉＣ基板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂは鏡面に研磨されている。
ＳｉＣ基板１１は、第一のオリエンテーションフラット１３と、第一のオリエンテーションフラット１３に直交する第二のオリエンテーションフラット１５を有している。第一のオリエンテーションフラット１３の長さは第二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。
ＳｉＣ基板１１は、表面１１ａの垂線１７に対して第二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ＳｉＣ基板１１の表面１１ａに対してオフ角α傾斜している。一般的に、ＳｉＣ基板１１では、短い第二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ＳｉＣ基板１１中にＳｉＣ基板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ＳｉＣ基板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。
図４（Ａ）を参照すると、ＳｉＣ基板１１の正面図が示されている。ＳｉＣ基板１１は例えば約３００μｍ〜約１０００μｍの厚みを有しており表面１１ａ及び裏面１１ｂは鏡面に加工されている。
図４（Ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板１１の表面１１ａ上にはエピタキシャル成長によってＳｉ薄板（薄膜）又はＧａＮ薄板（薄膜）等の薄板（薄膜）２７が積層されている。薄膜２７の厚みは例えば略２００μｍである。
ここで、エピタキシャル成長とは、薄膜結晶成長技術の一つであり、基板となる結晶の上に結晶成長を行い、下地の基板の結晶面に揃えて配列する成長方法である。基板と薄膜が同じ物質である場合をホモエピタキシャル、異なる物質である場合をヘテロエピタキシャルと呼ぶ。
結晶成長方法としては、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法、液相エピタキシー法の何れをも採用可能である。エピタキシャル成長が起こるには、基板と基板上に成長させる薄膜とが格子定数のほぼ等しい結晶を選ぶ必要があり、温度による膨脹係数の近いものでなくてはならない。ＳｉＣ基板１１上にエピタキシャル成長により積層された薄板２７のｃ軸及びｃ面はＳｉＣ基板１１のｃ軸及びｃ面の方向と一致する。
本実施形態の薄板の分離方法では、図５に示すように、ＳｉＣ基板１１の第二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、ＳｉＣ基板上に積層された薄板２７を下にして支持テーブル２６上に例えばワックス又は接着剤で固定する。
即ち、図６に示すように、オフ角αが形成される方向Ｙ１、換言すると、ＳｉＣ基板１１の裏面１１ｂの垂線１７に対してｃ軸１９の裏面１１ｂ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ＳｉＣ基板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。
本発明の薄板の分離方法では、集光器３６から出射されるレーザービームの走査方向を、ＳｉＣ基板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、本発明の薄板の分離方法は、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、ＳｉＣ基板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。
本実施形態の薄板の分離方法では、まず、支持テーブル２６に固定されたＳｉＣ基板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ＳｉＣ基板１１の第一の面（表面）１１ａの近傍に位置付けると共に、集光点とＳｉＣ基板１１とを相対的に移動してレーザービームをＳｉＣ基板１１の裏面１１ｂに照射し、裏面１１ｂ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の第一の実施形態では、図７に示すように、レーザービームの集光点を基板１１側に位置付け、表面１１ａ近傍に改質層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を形成して分離起点とする。
分離起点形成ステップの第二実施形態では、レーザービームの集光点を薄板２７側に位置付け、薄板２７内に改質層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を形成して分離起点とする。
この分離起点形成ステップは、裏面１１ｂの垂線１７に対してｃ軸１９がオフ角α分傾き、ｃ面２１と裏面１１ｂとにオフ角αが形成される方向、即ち、図６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、ＳｉＣ基板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７及び図８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。本実施形態の薄板の分離方法では、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７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７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、ＳｉＣ基板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ＳｉＣ基板１１に照射した。
所定量Ｙ軸方向にインデックス送りしながら、ＳｉＣ基板１１の全領域の表面１１ａ近傍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、外力を付与して改質層２３及びクラック２５からなる分離起点から薄板２７をＳｉＣ基板１１から分離する分離ステップを実施する
このウエーハ分離ステップは、例えば図９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９（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９（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ＳｉＣ基板１１の上方に位置づけ、図９（Ｂ）に示すように、押圧部材５８がＳｉＣ基板１１に積層された薄板２７に圧接するまでヘッド５６を下降する。
押圧部材５８を薄板２７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、ＳｉＣ基板１１にはねじり応力が発生し、改質層２３及びクラック２５が形成された分離起点から薄板２７が破断され、ＳｉＣ基板１１から図１０に示す薄板２７を分離することができる。
薄板２７をＳｉＣ基板１１から分離すると、薄板２７の裏面にＳｉＣ基板１１の一部が残存する。よって、本実施形態の薄板の分離方法では、分離ステップ実施後、薄板２７の裏面に残存するＳｉＣ基板の一部を研削して除去する研削ステップを実施する。
この研削ステップでは、図１１に示すように、薄板２７をワックス又は接着剤等によりサブストレート２９に固定し、研削装置のチャックテーブル６０の保持面６０ａでサブストレート２９を介して薄板２７を吸引保持する保持ステップを実施する。
このように薄板２７をサブストレート２９を介してチャックテーブル６０で保持しながら、図１２に示すように、研削ユニット６２で薄板２７に残存しているＳｉＣ基板１１の一部１１ｃを研削して除去する研削ステップを実施する。
図１２において、研削ユニット６２のスピンドル６４の先端に固定されたホイールマウント６６には、複数のねじ６７により研削ホイール６８が着脱可能に装着されている。研削ホイール６８はホイール基台７０の自由端部（下端部）に複数の研削砥石７２を環状に固着して構成されている。
研削ステップでは、チャックテーブル６０を矢印ａで示す方向に例えば３００ｒｐｍで回転しつつ、研削ホイール６８を矢印ｂで示す方向に例えば６０００ｒｐｍで回転させると共に、図示しない研削ユニット送り機構を駆動して研削ホイール６８の研削砥石７２を薄板２７の裏面に残存しているＳｉＣ基板１１の一部１１ｃに接触させる。
そして、研削ホイール６８を所定の研削送り速度（例えば０．１μｍ／ｓ）で研削送りしながら、薄板２７の裏面に残存しているＳｉＣ基板１１の一部１１ｃを研削して除去する。これにより、エピタキシャル成長によって形成された純度の高いＳｉＣウエーハを得ることができる。
分離起点形成ステップの第二実施形態において、集光点が薄板２７側に位置付けられた場合には、分離ステップにおいて、ＳｉＣ基板１１の表面１１ａ側に薄板２７の一部が残存する。
従って、この場合には、研削ステップにおいて、ＳｉＣ基板１１に残存する薄板２７の一部を研削して除去する。第二実施形態の場合には、ＳｉＣ基板１１の元の厚さを維持することができるので、何回でも再利用することができるというメリットがある。
第一実施形態の分離起点形成ステップを採用した場合にも、ＳｉＣ基板１１は研削ステップにより徐々に薄化されるが、限定的ではあるがＳｉｃ基板１１を複数回再利用することができる。
２ レーザー加工装置
１１ ＳｉＣ基板
１１ａ 第一の面（表面）
１１ｂ 第二の面（裏面）
１３ 第一のオリエンテーションフラット
１５ 第二のオリエンテーションフラット
１７ 第一の面の垂線
１９ ｃ軸
２１ ｃ面
２３ 改質層
２５ クラック
２６ 支持テーブル
２７ 薄板（薄膜）
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

Claims (5)

  1. 第一の面と該第一の面と反対側の第二の面と、該第一の面から該第二の面に至るｃ軸と、該ｃ軸に直交するｃ面とを有するＳｉＣ基板の該第一の面にエピタキシャル成長によって積層された薄板をＳｉＣ基板から分離する薄板の分離方法であって、
    ＳｉＣ基板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二の面からＳｉＣ基板の該第一の面近傍に位置付けると共に、該集光点とＳｉＣ基板とを相対的に移動して該レーザービームを該第二の面に照射し、該第一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、外力を付与して該分離起点から該薄板をＳｉＣ基板から分離する分離ステップと、を備え、
    該分離起点形成ステップは、該第二の面の垂線に対して該ｃ軸がオフ角分傾き、該第二の面と該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、
    を含むことを特徴とする薄板の分離方法。
  2. 該分離起点形成ステップにおいて、該集光点は該薄板側に位置付けられ、該分離ステップを実施すると、ＳｉＣ基板側に該薄板の一部が残存する請求項１記載の薄板の分離方法。
  3. 該分離起点形成ステップにおいて、該集光点はＳｉＣ基板側に位置付けられ、該分離ステップを実施すると、該薄板側にＳｉＣ基板の一部が残存する請求項１記載の薄板の分離方法。
  4. 該分離ステップを実施した後、ＳｉＣ基板に残存する該薄板の一部を研削して除去する研削ステップを更に備えた請求項２記載の薄板の分離方法。
  5. 該分離ステップを実施した後、該薄板の裏面に残存するＳｉＣ基板の一部を研削して除去する研削ステップを更に備えた請求項３記載の薄板の分離方法。
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