JP6851041B2 - 基板加工方法および基板加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象結晶基板の表面からレーザ光を照射して、加工対象結晶基板内部にレーザ光を集光することで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、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、を備える。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、加工対象結晶基板の結晶方位に沿って伸張しかつ加工対象結晶基板の異なる結晶方位に沿って伸長しないようにレーザ集光手段に入射するレーザ光の出力を制御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、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レーザ集光手段と、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、レーザ集光手段に入射するレーザ光の出力を前記距離に応じて変化させるレーザ出力制御手段と、を備える。レーザ出力制御手段は、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加工対象結晶基板の結晶方位に沿って伸張しかつ加工対象結晶基板の異なる結晶方位に沿って伸長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。

第１一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、収差補正の調整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の実施例１で、割断面を電子顕微鏡で撮像した撮像図である。 実験例１で、レーザ光の集光点を徐々に被照射面側に移動させることで集光点の基板深さ方向位置を上げていくことを説明する模式図である。 実験例１で、被照射面を電子顕微鏡で撮像した撮像図である。 図９の部分拡大図である。 実験例２の実施例２で、割断面を電子顕微鏡で撮像した撮像図である。 実験例２の実施例２で、割断面を電子顕微鏡で撮像した撮像図である。 実験例２の実施例２で、割断面を電子顕微鏡で撮像した撮像図である。 第２実施形態に係る基板加工方法、および、実験例３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単結晶基板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、収差補正の調整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、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に入射するレーザ光Ｂの出力を変化させるレーザ出力制御手段１４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によるレーザ光Ｂの加工対象結晶基板２０ａ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（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。

レーザ出力制御手段１４は、距離Ｌに応じてレーザ発振装置Ｊの出力を制御する制御信号を送信している。このレーザ出力制御手段１４は、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、レーザ光の集光位置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長しないようにレーザ集光手段１２に入射するレーザ光Ｂの出力を制御する。

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。

また、本実施形態では、レーザ出力制御手段１４は、レーザ光Ｂの集光位置Ｂｆが加工対象結晶基板面に近いほどレーザ発振装置Ｊの出力を増大させることでレーザ集光手段１２に入射するレーザ光Ｂの出力が増大するように制御する。本実施形態の基板加工装置１０は、このような出力増大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）近傍としており、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）近傍ではレーザ出力制御手段１４はこのような制御はしない。なお、裏面２０ｖ近傍であっても、切り替えスイッチなどによりレーザ出力制御手段１４でこのような制御が可能にされた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、加工対象結晶基板２０ａの屈折率に起因する収差を補正する機能、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。

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との長さが調整できるようになっており、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。この第２工程では、加工対象単結晶基板内部および少なくとも一方の加工対象単結晶基板面近傍で、レーザ光Ｂの集光位置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長しないようにレーザ集光手段１２に入射するレーザ光Ｂの出力を制御する。

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。

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、レーザ光Ｂの集光位置Ｂｆにおいて加工対象結晶基板２０ａの基板厚み方向長さＫが１０μｍ以下となるようにレーザ出力を制御する。具体的には集光位置Ｂｆが被照射面２０ｕに近いほどレーザ出力を増大させる。さらに被照射面２０ｕ近傍ではレーザ照射を中止し加工対象単結晶基板の被照射面側にアブレーションや欠けなどを生じさせない。

ここで、本実施形態では、加工対象単結晶基板内の集光位置Ｂｆにおいて加工痕２２ｃの基板厚み方向長さＫが１０μｍ以下、好ましくは３μｍ〜７μｍに形成するようにレーザ出力を調整する。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。この結果、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、あらかじめ確認しておいた出力に基づき、集光位置Ｂｆに対してレーザ光の出力を制御することによって各集光位置Ｂｆで長さＫが１０μｍ以下（好ましくは３μｍ〜７μｍ）の加工痕２２ｃを所定位置に形成していく。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。

なお、裏面２０ｖ近傍において裏面２０ｖに近いほどレーザ光の出力を低下させてもよく、これにより、この効果はより顕著なものとなる。

そして本実施形態では、被照射面２０ｕ近傍では、レーザ光Ｂの集光位置Ｂｆが被照射面２０ｕに近いほどレーザ光Ｂの出力を増大させており、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が小さく、しかも、加工痕２２ｃの周囲に生じる歪が小さい。従って、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。

従って、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やすい基板加工装置１０および基板加工方法を実現させることができる。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。この範囲においてレーザ出力調整手段によりレーザ光Ｂの出力を調整することで、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、加工痕２２ｃの周囲に生じる歪や損傷が小さく、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、レーザ集光手段１２に設けられた第１レンズ１６と第２レンズ１８との間隔を一定に、すなわち、収差補正の調整機能によるレーザ光Ｂの調整状態を一定にしている。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レーザ光Ｂの出力のみにしており、レーザ出力制御手段１４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。第１レンズ１６と第２レンズ１８とのこの間隔は、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。

なお、レーザ光Ｂの出力を変化させつつ、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、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、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、第２工程では、レーザ光Ｂの出力を増大させる際、被照射面２０ｕから集光位置Ｂfまでの基板厚みの低減量に対するレーザ出力の増大量の割合を、リニア（一次関数的、すなわち一定）としてもよい。これにより、レーザ出力制御手段１４による出力制御が簡単である。

また、第２工程では、レーザ光Ｂの出力を増大させる際、被照射面２０ｕから集光位置Ｂfまでの基板厚みの低減量に対するレーザ出力の増大量の割合を、被照射面２０ｕに近くなるほど抑えてもよい（例えば、二次関数的あるいは三次関数的などのように増大割合を抑えることで、被照射面２０ｕに近くなるほど抑えてもよい）。これにより、リニアに増大させる場合に比べ、くり抜き対象部２０ｂをくり抜く際に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更に効果的に抑えることができる。

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]）に加工痕２２ｃが良好に伸張しやすい。すなわち、加工痕２２ｃが上下方向（結晶方位[１００]）以外の方向に伸張せずに形成されることで厚み方向に連続的に結晶方位に沿った他加工痕が連結される状態を得られ、くり抜きでの割れや欠けなどが発生することを効果的に抑制できる。

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。

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、上記実施形態で説明した基板加工装置１０を用い、上記実施形態に係る基板加工方法の一例（以下、実施例１という）として、回転ステージ１１上のステージ面Ｓｕに、加工対象単結晶基板２０ａｍとして円盤状の単結晶シリコンウエハを保持させることで固定した。その際、回転ステージ１１の回転中心軸Ｃｓと、単結晶シリコンウエハの中心軸とを一致させた。

その際、結晶方位が[１００]で、厚さ625μｍのφ150ｍｍの単結晶シリコンウエハを加工対象単結晶基板２０ａｍとし、φ50ｍｍのくり抜き単結晶基板が得られるように設定しレーザ光を照射した。

レーザ発振器による照射条件は以下である。
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
補正環調整量 ：１．０
（補正環目盛値）
繰り返し周波数（ｋＨｚ）：５００
照射間隔（μｍ） ：２．０

加工条件としては以下のように行った。なお、以下の記載で、加工痕深さ位置とは基板深さ方向位置のことであり、レーザ出力とはレーザのパルスエネルギーのことである。
加工痕深さ位置（μｍ） レーザ出力（μＪ）
７２５〜６２５ ２．３
６２５〜５８０ ２．６
５８０〜５００ ３．４
５００〜４２０ ４．２
４２０〜３６０ ５．０
３６０〜２６０ ５．７
２６０〜５０ ９．３
５０〜０ ６．５

このようなレーザ照射を行って短円筒状の加工層２２を形成することで加工層含有基板２０ｃとした。このようなレーザ照射を行って短円筒状の加工層２２を形成することで加工層含有基板２０ｃとした。そして、くり抜きによって形成された破断面を顕微鏡（共焦点レーザ顕微鏡）で観察したところ、図７に示すように、均一な断面状態を示し、結晶方位［１００］とは異なる結晶方位に加工痕は伸張していなかった。

ここで、レーザ光の集光点を徐々に被照射面側に移動させることで集光点の基板深さ方向位置を上げていく際（図８参照）、補正環調整量（補正環目盛値）を変化させない場合には、球面収差と光強度の減衰により、すなわち、集光点における単位面積あたりのレーザエネルギーの減衰により、加工痕が形成されなくなり易い。そこで、本実験例におけるこのレーザ照射では、基板の最深部（裏面側）に７μｍの長さの加工痕２２ｃを形成できるようにＤＦ量とレーザ出力とを調整し最小限の出力で加工を開始した。

そして、基板深さ方向位置に対してレーザ光の集光点を上げる際、加工痕形成が可能となるレーザ出力の閾値に応じてレーザ出力を上げた。この作業を繰り返していくことで、結晶方位［１００］と異なる結晶方位（［１１０］や［１１０］）に加工痕を伸張させずに加工層を形成することができた。

また、基板表面近くでは光強度の減衰が小さくなる影響により加工痕が長くなり基板表面のアブレーションや割れが生じ易くなるので、本実験例では、レーザ光の集光点が基板表面近く（すなわち被照射面近く）に位置するときにはレーザ出力を低下させた。この結果、図９、図１０に示すように、被照射面２０ｕでは、加工痕２２ｃによってアブレーションや割れが生じることが抑止されていた。

＜実験例２＞
本発明者は、上記実施形態で説明した基板加工装置１０を用い、上記実施形態に係る基板加工方法の一例（以下、実施例２という）として、実験例１と同様に、回転ステージ１１上のステージ面Ｓｕに、加工対象単結晶基板２０ａｍとして円盤状の単結晶シリコンウエハを保持させることで固定した。その際、回転ステージ１１の回転中心軸Ｃｓと、単結晶シリコンウエハの中心軸とを一致させた。

その際、結晶方位が[１１０]で、厚さ625μｍのφ150ｍｍの単結晶シリコンウエハを加工対象単結晶基板２０ａｍとし、φ50ｍｍのくり抜き単結晶基板が得られるように設定しレーザ光を照射した。

レーザ発振器による照射条件は以下であり、実験例１と同じである。
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
補正環調整量 ：１．０
繰り返し周波数（ｋＨｚ ：５００
照射間隔（μｍ） ：２．０

加工条件としては以下のように行った。なお、実験例１と同様、以下の記載では、加工痕深さ位置とは基板深さ方向位置のことであり、レーザ出力とはレーザのパルスエネルギーのことである。

加工痕深さ位置（μｍ） レーザ出力（μＪ）
７２５〜６２５ ２．３
６２５〜５８０ ２．６
５８０〜５００ ２．６
５００〜４２０ ３．０
４２０〜３６０ ６．５
３６０〜２６０ ７．５
２６０〜５０ ９．３
５０〜０ ６．５
このようなレーザ照射を行って短円筒状の加工層２２を形成することで加工層含有基板２０ｃとした。

実験例１に比べ、本実験例では、加工痕深さ位置が５８０μｍ〜５００μｍおよび５００〜４２０μｍのときにはレーザ出力を下げることで加工痕２２ｃの長さを短くし、加工痕深さ位置が４２０〜３６０μｍおよび３６０〜２６０μｍのときにはレーザ出力を上げることで加工痕２２ｃの長さを長くした。

本実験例では、加工痕長さ２μｍを下回った場合ではくり抜きがスムーズではなかった。くり抜きによって形成された破断面を顕微鏡で観察したところ、無理に割断された状態であった（図１１参照）。

加工痕長さ４μｍ〜７μｍでは、くり抜きがスムーズであり、くり抜きによって形成された割断面を顕微鏡で観察したところ、厚み方向の加工痕が連なり割断面が滑らかな状態であった（図１２参照）。この時の表面粗さＲｚ=０．６６７μｍであった。

加工痕長さが１０μｍより長い場合や、加工痕に外部の加工痕（隣接する加工痕）の一部が重なっていると、割断面で劈開が生じており（図１３参照）、これは結晶方位［１００］と異なる結晶方位[１１１]に加工痕が伸張してしまったためであると判断される。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態を説明する。図１４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（基板厚み方向におけるレーザ光の照射エネルギーは実験例３での値を示す）。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１４参照）。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の外周側を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。

＜実験例３＞
本発明者は、基板加工装置１０を用い、第２実施形態に係る基板加工方法の一実施例により、以下の条件で加工対象単結晶基板に加工を行った。

まず、回転ステージ１１上のステージ面Ｓｕに、加工対象単結晶基板２０ａｍとして円盤状の単結晶シリコンウエハを保持させることで固定した。その際、回転ステージ１１の回転中心軸Ｃｓと、単結晶シリコンウエハの中心軸とを一致させた。

レーザ発振器による照射条件は以下である。
繰り返し周波数（ｋＨｚ）：５００
補正環調整量 ：１．０
（補正環目盛値）
加工痕ピッチ（μｍ） ：２．０
ラインピッチ（μｍ） ：３．０

加工条件としては以下のように行った。なお、以下の記載で、加工痕深さ位置とは基板深さ方向位置のことであり、レーザ出力とはレーザのパルスエネルギーのことである。
加工痕深さ位置（μｍ） レーザ出力（μＪ）
７２５〜６６０ ２．３
６６０〜５８０ ２．６
５８０〜５００ ３．４
５００〜４２０ ４．２
４２０〜３６０ ５．０
３６０〜２６０ ５．７
２６０〜５０ ９．３
５０〜５ ６．５

このようなレーザ照射を行って加工層２２を形成することで加工層含有基板２０ｃとした。本実験例では、くり抜き単結晶基板２０ｄの径が１２．７ｍｍ、加工層裏面方部２２ｖは半径Ｎが０．３ｍｍとなるように加工層２２を形成した。

その後、加工層含有基板２０ｃからくり抜き単結晶基板２０ｄをくり抜いてウエハとした。そして、ウエハ（くり抜き単結晶基板２０ｄ）の面取り部２０ｄｅ（加工層裏面方部２２ｖの内側を形成しているウエハ部位）の形状を実測するとともに電子顕微鏡で観察した。

観察の結果、面取り部２０ｄｅの形状は、ほぼ目標どおりの形状になっていたことが確認された。なお、面取り部２０ｄｅには２０μｍ程度の凹凸が形成されていた。

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
１４ レーザ出力制御手段
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
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 (15)

1. レーザ光を集光するレーザ集光手段を、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前記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、前記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長しないように前記レーザ集光手段に入射するレーザ光の出力を制御し、
   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基板加工方法。
2. 前記加工対象結晶基板面近傍を前記被照射面近傍と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. 前記第２工程では、
   前記被照射面とは反対側の面である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２に記載の基板加工方法。
4. 前記第２工程では、前記移動に伴い、前記加工痕が形成可能となるレーザ出力の閾値の増大に応じてレーザ出力を増大させることを特徴とする請求項３に記載の基板加工方法。
5. 前記加工痕の長さを１０μｍ以下とすることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の基板加工方法。
6. 前記加工痕の長さを３〜７μｍの範囲とすることを特徴とする請求項５に記載の基板加工方法。
7. 前記加工痕の長さを４〜７μｍの範囲とすることを特徴とする請求項６に記載の基板加工方法。
8. 前記第２工程では、レーザ光の出力を増大させる際、前記被照射面から前記集光位置までの基板厚みの低減量に対する前記出力の増大量の割合を一定とすることを特徴とする請求項２または３に記載の基板加工方法。
9. 前記第２工程では、レーザ光の出力を増大させる際、前記被照射面から前記集光位置までの基板厚みの低減量に対する前記出力の増大量の割合を前記被照射面に近くなるほど抑えることを特徴とする請求項２または３に記載の基板加工方法。
10. 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２〜９の何れか１項に記載の基板加工方法。
11. 前記第２工程では、レーザ光の集光によって前記加工層に形成される加工痕の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２〜１０の何れか１項に記載の基板加工方法。
12. 前記レーザ集光手段が収差補正の調整機能を備え、
    前記第２工程では、前記被照射面とは反対側の面である基板裏面の位置に収差補正した後、前記調整機能によるレーザ光の調整状態を一定にしておくことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の基板加工方法。
13. 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、
    前記レーザ集光手段に入射するレーザ光の出力を前記距離に応じて変化させるレーザ出力制御手段と、を備え、
    前記レーザ集光手段により前記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し、
    前記レーザ出力制御手段は、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長しないように制御し、
    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基板加工装置。
14. 前記レーザ出力制御手段は、
    前記加工対象結晶基板面近傍を被照射面近傍とし、
    前記被照射面とは反対側の面である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させて前記加工層を形成するように制御することを特徴とする請求項１３に記載の基板加工装置。
15. 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前記加工対象結晶基板へ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１４に記載の基板加工装置。

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