JP7123759B2 - レーザスライス装置、及びレーザスライス方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザスライス装置、及びレーザスライス方法に関する。

従来、シリコンウエハに代表される脆性材からなる基板（以下、「ウエハ」とも称する）が知られている。

一般に、この種のウエハを製造する際には、石英るつぼ内に溶融されたシリコン融液から、シリコンを結晶成長させて凝固した円柱形のインゴットを生成する工程と、インゴットを適切な長さのブロックに切断する工程と、ブロックの周縁部を目標の直径になるよう研削する工程と、を行った後、ブロック化されたインゴットをワイヤソーによりスライスしてウエハ（基板）を製造している。

しかしながら、この際に、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以下の薄いウエハを製造することが非常に困難であり、良品率も向上しないという問題がある。

そこで、かかる問題点を解消し得る手法として、レーザスライス方法がある。レーザスライス方法は、集光レンズで、レーザ光の集光点を脆性材（例えば、ブロック化されたインゴット）の内部に合わせ、そのレーザ光で脆性材の内部を走査することにより、脆性材の内部に多光子吸収による面状の改質領域を形成し、この改質領域を剥離面として脆性材の一部をウエハとして剥離する、という手法である。この種のレーザスライス方法は、シリコン（Ｓｉ）だけでなく、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）等、種々の材料に適用されている。

しかしながら、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）等にレーザスライス方法を適用する場合、インゴット内には、結晶成長時にピットと呼ばれる欠陥が生じており、かかる欠陥が問題となる場合がある。代表的な欠陥としては、結晶構造に起因して発生する六角錐状の穴であり、黒色を有するものが多く、結晶成長面のＮ面と呼ばれる極性面に多く存在する。

図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃは、一般的なレーザスライス方法における脆性材内の欠陥部（傷、ピット）の問題について説明する図である。

図８Ａがレーザ照射前の脆性材の状態を表し、図８Ｂがレーザ照射による改質領域形成後の脆性材の状態を表す。そして、図８Ｃは、レーザ光照射による改質領域の形成後であって、脆性材を分離しようとした際の脆性材の状態を表す。

図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃにおいて、脆性材１は、例えばＧａＮといった結晶材料からなる厚膜の基板である。レーザ光３は、レーザ発振器から照射されるビームであり、集光レンズを用いることで材料内部に集光照射することができる。改質層は、レーザ光３を集光レンズによって脆性材内部に集光照射した際に形成される改質領域である。集光点Ｑはレーザ光３の集光点である。欠陥部Ｐは、脆性材が持つ欠陥であり、例えばＧａＮであれば、ピットと呼ばれる欠陥である。

未改質領域Ｒは、レーザ光３を集光レンズで集光照射した際、欠陥部Ｐの下部においてレーザ光３が欠陥部Ｐに遮られることで加工ができず、改質層が形成されなかった領域である。脆性材１の分離には全面が改質されていることが必要であり、未改質領域Ｒが存在する場合、改質層を挟んだ上下の脆性材１が未改質領域Ｒで繋がっているため、脆性材を改質層を起点に分離させる際、未改質領域Ｒを起点に脆性材１に割れやクラックが発生してしまう。

尚、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃには、未改質領域Ｒが存在する場合に、改質層を起点として、脆性材１を剥離しようとした際に割れＷが発生した状態を示している。

特許文献１には、上記したレーザ光を用いたレーザスライス方法において、脆性材１内に未改質領域が生じないように、円環状の強度プロファイルを持つレーザ光を用いる手法が記載されている。

図９、図１０は、特許文献１の従来技術に係るレーザスライス方法を示す図である。

図９において、脆性材１０１は、例えば、スライシング前の結晶材料からなる板状体である。改質層１０２は、例えばＸＹステージを用いて脆性材１０１に対してパルスレーザ光１０４の位置を相対的に移動させて改質領域を線上に伸ばして形成されたものである。当該改質層１０２内には、クラックや、溶融処理、又は屈折率変化等の少なくとも１つが混在する場合がある。光遮蔽領域１０３は、切断予定ラインに交差する方向に延びるように設けられたストライプ状の高密度欠陥領域である。

国際公開第２０１７／１２６５０６号

しかしながら、特許文献１の従来技術では、光遮蔽領域１０３の下部を加工するためには、パルスレーザ光１０４が光遮蔽領域１０３よりも大きなビーム径を有する必要があり、それに比例して集光点でのエネルギー密度が大きくなる。

従って、特許文献１の従来技術に係るレーザスライス方法では、欠陥部（傷やピット）のサイズが大きい場合には、パルスレーザ光１０４によるエネルギー密度が大きくなりすぎ、分離した後の基板の内部における割れ又はクラックの増加に繋がるおそれがある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、割れやクラックを生じさせることなく加工対象物を分離することを可能とするレーザスライス装置、及びレーザスライス方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
レーザ光を用いて加工対象物を分離するレーザスライス装置であって、
前記加工対象物の第１表面側に存在する光遮蔽領域を検出する光遮蔽領域検出部と、
前記加工対象物の前記第１表面を一面に亘って走査するように、前記第１表面側から第１レーザ光を照射して、前記加工対象物の内部のスライス予定面に第１改質層を形成すると共に、
前記加工対象物の前記光遮蔽領域に対して、前記第１表面の裏面側の第２表面から第２レーザ光を照射して、前記スライス予定面において前記第１改質層と連続するように第２改質層を形成する制御部と、
を備えるレーザスライス装置である。

又、他の局面では、
レーザ光を用いて加工対象物を分離するレーザスライス方法であって、
前記加工対象物の第１表面側に存在する光遮蔽領域を検出し、
前記加工対象物の前記第１表面を一面に亘って走査するように、前記第１表面側から第１レーザ光を照射して、前記加工対象物の内部のスライス予定面に第１改質層を形成すると共に、
前記加工対象物の前記光遮蔽領域に対して、前記第１表面の裏面側の第２表面から第２レーザ光を照射して、前記スライス予定面において前記第１改質層と連続するように第２改質層を形成する、
レーザスライス方法である。

本発明に係るレーザスライス装置によれば、脆性材内に欠陥部が存在する場合であっても、割れやクラックを生じさせることなく加工対象物を分離することを可能である。

第１の実施形態に係るレーザスライス装置の構成の概略図 第１の実施形態に係るレーザスライス装置のレーザ照射の走査方法を示す概略図 一般的なレーザスライス装置による脆性材に対する加工の流れの概要を示す図 一般的なレーザスライス装置による脆性材に対する加工の流れの概要を示す図 一般的なレーザスライス装置による脆性材に対する加工の流れの概要を示す図 一般的なレーザスライス装置による脆性材に対する加工の流れの概要を示す図 第１の実施形態に係るレーザスライス方法を説明する図 第１の実施形態に係るレーザスライス方法を説明する図 第２の実施形態に係るレーザスライス装置の装置概略図 第２の実施形態に係るレーザスライス装置の走査方法を示す概略図 第２の実施形態に係るレーザスライス装置の走査方法を示す概略図 第２の実施形態に係るレーザスライス装置の走査方法を示す概略図 第２の実施形態に係るレーザスライス方法を説明する図 第２の実施形態に係るレーザスライス方法を説明する図 一般的なレーザスライス方法における脆性材内の欠陥部（傷、ピット）の問題について説明する図 一般的なレーザスライス方法における脆性材内の欠陥部（傷、ピット）の問題について説明する図 一般的なレーザスライス方法における脆性材内の欠陥部（傷、ピット）の問題について説明する図 特許文献１の従来技術に係るレーザスライス方法を示す図 特許文献１の従来技術に係るレーザスライス方法を示す図

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
［レーザスライス装置の構成］
図１は、第１の実施形態に係るレーザスライス装置Ｕの構成の概略図である。

本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、レーザ発振器２、ミラー４、集光レンズ５、Ｚステージ６、ＸＹステージ７、固定治具９、制御用コンピュータ１０、位相変調素子１１、固定治具１２、レーザ光路切り替え装置１３、及びカメラ１４を備えている。

本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、固定治具９に固定された脆性材１（本発明の「加工対象物」に相当）から基板１Ｓを分離する。

脆性材１は、典型的には、板状にされた半導体材料（例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、又はＧａＮ等）である。脆性材１としては、例えば、直径２インチのインゴットのＧａＮ等が用いられる。但し、脆性材１としては、半導体材料以外のその他の脆性材料が用いられてもよい。

脆性材１は、レーザ光３を照射した際に表面及び裏面での反射を抑制するため、あらかじめ表面及び裏面が所定の表面粗さ（例えば、ｒｍｓ値が数μｍ）以下まで平坦化加工されたものが準備される。

脆性材１の厚みや直径は、特に限定されるものではないが、好適には、厚み５０μｍ以上１０ｍｍ以下、直径１０インチ以下とする。

レーザ発振器２は、レーザ光３を出射する装置である。レーザ発振器２の出射するレーザ光３の波長は、脆性材１の内部に多光子吸収による改質層を形成し得るものが選択される。尚、レーザ発振器２が出射するレーザ光３の波長は、加工する材料に対する透過率も考慮して選択されることが望ましい。これにより、効率の良い加工が可能となる。

レーザ発振器２の出射するレーザ光３は、例えば、ビーム径が６ｍｍの平行光であるが、集光レンズ５に入射するビーム径を有するレーザ光であれば任意である。

レーザ発振器２の出射するレーザ光３は、好適には、波長が１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の範囲で、脆性材１に対して３０％以上が透過する波長を用いる。尚、レーザ光３の波長は、短い方が集光時にスポット径を小さくすることができ、脆性材１に対する熱影響を低減できるため望ましい。レーザ発振器２から出射するレーザ光３のパルス幅は５０ｐｓ以下の範囲であれば、多光子吸収による内部加工が可能であれば制限されるものではない。繰り返し周波数は、生産性を考えると高い方がよいが、熱の影響が出るので、１Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下の範囲でバランスのよいものを適用する。

レーザ発振器２の出射するレーザ光３は、典型的には、波長が５３２ｎｍ以下、パルス幅が５０ｐｓ以下、周波数が１０ＭＨｚ以下、開口数（ＮＡ）が０．９５以下、パルス間ピッチ及びライン間ピッチは集光スポット径以下とする。これにより、脆性材１に割れなく改質層を形成することができる。

ミラー４は、レーザ発振器２から出射されたレーザ光３を脆性材１の載置された位置に向けて反射する。ミラー４は、例えば、レーザ光３の波長に対し、９０％以上の反射率を持つ。

集光レンズ５は、ミラー４で反射されたレーザ光３を集光するレンズである。集光レンズ５は、例えば、開口数（ＮＡ）が０．９５のものが選択される。尚、集光レンズ５は、レーザ光３の波長に対して、開口数（ＮＡ）が、０．１以上０．９５以下であれば適用可能である。

集光レンズ５としては、収差補正機能を有するものが望ましい。これによって、脆性材１の内部の所定の厚さ位置に対して、表面側からレーザ光３を照射する場合及び裏面側からレーザ光３を照射する場合のいずれの場合でも、容易に集光することが可能となる。換言すると、これによって、表面側からレーザ光３を照射する場合及び裏面側からレーザ光３を照射する場合のいずれの場合でも、レンズの球面収差に起因した集光点のレーザ光３の入射方向への伸びを抑制することができるため、集光点でのレーザ光３のエネルギー密度を高くすることができる。

但し、収差を補正する方法としては、集光レンズ５を用いる方法の他に、位相変調素子１１を用いた方法でも良い。

Ｚステージ６は、脆性材１を載置した固定治具９をＺ方向（脆性材１の厚さ方向を表す。以下同じ）に移動させる移動手段である。Ｚステージ６としては、例えば、移動精度が少なくとも１μｍピッチ以内で、且つ、ストローク可能量が１０ｍｍ以上のものが用いられる。

ＸＹステージ７は、脆性材１を載置した固定治具９をＸＹ方向（脆性材１の基板面に平行な直交する二方向を表す。以下同じ）に移動させる移動手段である。ＸＹステージ７は、例えば、Ｚステージの上に配置される。ＸＹステージ７としては、例えば、移動精度が少なくとも１μｍピッチ以内で、且つ、ストローク可能量がＸＹ方向ともに２００ｍｍ以上のものが用いられる。又、ＸＹステージ７としては、例えば、走査速度が０．１ｍｍ／ｓ以上で３ｍｍ／ｓ以下の範囲において可変なものが用いられる。

固定治具９は、脆性材１を固定する治具である。固定治具９は、Ｚステージ６及びＸＹステージ７を用いて、脆性材１の位置を移動可能な状態で、脆性材１を固定する。本実施形態に係る固定治具９は、例えば、固定治具１２を介してＸＹステージ７に接続され、当該ＸＹステージ７により、脆性材１の位置をＸＹ方向に移動可能に構成されている。又、本実施形態に係る固定治具９は、例えば、固定治具１２及びＸＹステージ７を介してＺステージ６に接続され、当該Ｚステージ６により、脆性材１の位置をＺ方向に移動可能に構成されている。

固定治具９は、脆性材１の表面及び裏面に対して、レーザ光３を照射できるように構成されている。固定治具９としては、例えば、脆性材１を載置する底面部分がレーザ光３に対して透明な材料で構成されるか、又は、脆性材１の表裏面が露出するように脆性材１の側面部分を挟んで固定するような構成であれば良い。尚、レーザ光３に対して透明な材料は、例えば、ガラスなど、レーザ光３を入射することが可能であり透過率が９０％以上あるものであれば良い。

位相変調素子１１は、レーザ光３を複数のビームに分岐する。位相変調素子１１としては、特に限定されるものではないが、例えば、回折格子（ＤＯＥ）等が用いられる。

固定治具１２は、脆性材１を固定する固定治具９とＸＹステージ７とを連結する治具である。

レーザ光路切り替え装置１３は、レーザ発振器２が出射するレーザ光３の光路を変更させる装置である。レーザ光路切り替え装置１３は、好適には、制御用コンピュータ１０の制御のもと、脆性材１の裏面側の適宜な位置に、レーザ光３を照射し得るように構成される。

レーザ光路切り替え装置１３としては、例えば、ハーフシャッターやミラー、電気光学変調器、又は、音響光学素子等が用いられる。但し、レーザ光路切り替え装置１３は、レーザ光３の周波数が高いため、高速で切り替えることが可能な電気光学変調器や音響光学素子を用いた装置であることが好ましい。レーザ光路切り替え装置１３は、例えば、音響光学素子を用いた装置を用いて、レーザ光３の光路を瞬時に変更する。

カメラ１４は、脆性材１の表面状態を撮影する。カメラ１４は、例えば、レーザ光３によって脆性材１の内部に改質層を形成する前に、脆性材１の表面状態を確認することで、脆性材１の表面の欠陥部Ｐを検出し、当該脆性材１における欠陥部Ｐの位置に係る情報を制御用コンピュータ１０に対して伝達する。

尚、カメラ１４としては、一般的な可視光カメラを用いてもよいし、赤外線カメラ、又は超音波等を利用した撮像装置を用いてもよい。又、カメラ１４は、脆性材１の表面状態に代えて、脆性材１の内部状態を撮像してもよい。

制御用コンピュータ１０は、レーザスライス装置Ｕの各部を統括制御する制御装置である。制御用コンピュータ１０は、例えば、レーザ発振器２、レーザ光路切り替え装置１３、Ｚステージ６、ＸＹステージ７、及び、カメラ１４とデータ通信して、脆性材１から半導体ウエアを分離する処理（詳細は後述する）を統括制御する。

制御用コンピュータ１０は、制御部１０ａ、及び光遮蔽領域検出部１０ｂを備えている。

制御部１０ａは、脆性材１の一方側の表面（以下、「第１表面」とも称する）を一面に亘って走査するように、第１表面側からレーザ光３（以下、「第１レーザ光」とも称する）を照射して、脆性材１の内部のスライス予定面に改質層（以下、「第１改質層」とも称する）を形成する。

加えて、制御部１０ａは、脆性材１の光遮蔽領域（後述）に対して、脆性材１の裏面（以下、「第２表面」とも称する）からレーザ光３（以下、「第２レーザ光」とも称する）を照射して、スライス予定面において第１改質層と連続するように第２改質層（以下、「第２改質層」とも称する）を形成する。尚、制御部１０ａは、光遮蔽領域検出部１０ｂの検出結果に基づいて、当該光遮蔽領域を検出する。

尚、制御部１０ａは、レーザ発振器２、レーザ光路切り替え装置１３、Ｚステージ６、及びＸＹステージ７等を制御して、かかる機能を実現する。

「スライス予定面」とは、最終的に、脆性材１を分離する境界面であって、脆性材１の内部の厚み方向（±Ｚ方向）の所定の高さ位置の一面である。制御部１０ａは、典型的には、当該スライス予定面の一面に隙間なく第１改質層を形成する。但し、制御部１０ａは、スライス予定面の一面のうちの一部（例えば、スライス予定面のうち欠陥部Ｐが存在する領域）については、第１改質層を形成しない構成としてもよい。

光遮蔽領域検出部１０ｂは、カメラ１４から取得する脆性材１の表面の表面状態に基づいて、脆性材１の表面側に存在する光遮蔽領域（脆性材１の表面側からレーザ光３を照射した際に、当該レーザ光３がスライス予定面に到達することを遮蔽する領域を表す。以下同じ）を検出する。

脆性材１の光遮蔽領域は、典型的には、脆性材１の表面側に存在する欠陥部Ｐの位置である。第１改質層１７が存在する部分は色が変化し、未改質領域（即ち、光遮蔽領域）は脆性材１本来の色をしているため、カメラ１４にて、容易に場所を特定することができる。但し、光遮蔽領域検出部１０ｂは、光遮蔽領域について、脆性材１の欠陥部Ｐに起因するか、その他の付着物に起因するかについては、必ずしも識別する必要はない。

光遮蔽領域検出部１０ｂによる欠陥部Ｐの検出タイミングとしては、制御部１０ａの処理を実行する前のタイミングであってもよいし、制御部１０ａの処理を実行しつつ、レーザ光３の走査位置毎であってもよい。又、脆性材１の表面側の一面に亘ってレーザ光３の照射を行った後のタイミングであってもよい。

尚、上記した制御用コンピュータ１０としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、及び、出力ポート等を含んで構成されるマイコン等が用いられる。制御用コンピュータ１０が有する制御部１０ａ及び光遮蔽領域検出部１０ｂの機能は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭやＲＡＭに格納された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路、又はこれらの組み合わせによっても実現できることは勿論である。又、制御用コンピュータ１０は、複数のコンピュータによって実現されてもよいのは勿論である。

［レーザスライス装置の動作］
図２は、本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕのレーザ照射の走査方法を示す概略図である。

図２は、典型的な一例として、レーザ光３を直線的に走査するレーザ照射の走査方法を示している。本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、脆性材１を載置したＸＹステージ７を移動させて、レーザ光３に対する脆性材１の相対的な位置を移動することで、脆性材１の表面側の全領域に対してレーザ光３を照射する。

本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、開始点ＳからＸＹステージ７をＹ方向にライン状に移動させて、脆性材１の表面の一端側から他端側まで到達させる。そして、本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、ＸＹステージ７をＸ方向に幅Ｄ（即ち、ピッチ幅）だけ移動させた後、同様に、脆性材１の表面の他端側から一端側までライン状に移動させる。本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、かかる走査を繰り返し、脆性材１の表面の全領域を順次走査し、図２の終点Ｅまで走査する。終点Ｅは、レーザ光３の照射終了位置である。尚、ピッチ幅Ｄは、脆性材１の表面におけるレーザ光３のビーム径に応じたピッチが設定される。

このようにして、脆性材１の内部のスライス予定面の一面に亘って、第１改質層１７を形成する。尚、「改質層」とは、集光レンズ５で集光させたレーザ光３が脆性材１の内部に照射された際に、脆性材１の化合物が分解し形成される層である。改質層においては、例えば、脆性材１の材料がＧａＮであれば、２ＧａＮ→２Ｇａ＋Ｎ_２と分解される。

但し、レーザ走査においては、脆性材１が改質される際に発生するガス（例えば材料がＧａＮであればＮ_２ガス）を抜く必要があるため、脆性材１の一端側から他端側まで、連続的に第１改質層１７を形成するのが望ましい。

尚、第１改質層１７の形成量（典型的には、第１改質層１７の高さ方向の幅）は、レーザ走査時における走査速度、レーザ光３の周波数（若しくはレーザ光３のパルス間の間隔）、又は、ピッチ幅Ｄ等によって、変化させることができる。

脆性材１の内部のスライス予定面の深さは、スライス後に、基板１Ｓがスライス面を研削・研磨されても求めるウエハ厚みを確保できるような値に設定される。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄは、一般的なレーザスライス装置Ｕによる脆性材１に対する加工の流れの概要を示す図である。

図３Ａは、脆性材１の内部に第１改質層１７を形成している途中の状態を示す。図３Ｂは、脆性材１の内部のスライス予定面に第１改質層１７を形成し終わった状態を示す。図３Ｃは、脆性材１の内部のスライス予定面を境界面として脆性材１から基板材（半導体ウエハ）１Ｓを分離した状態を示す。図３Ｄは、脆性材１から生成した半導体ウエハを示す。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄにおいて、１９は脆性材１の表面、２０は脆性材１の裏面、１７は脆性材１の内部に形成された第１改質層、Ｑはレーザ光３の集光点を表している。尚、集光点（加工点）Ｑは、集光レンズ５によってレーザ光３が脆性材１の内部で集光される点であり、実際に加工される点である。

本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、Ｚステージ６を用いて脆性材１の表面から指定した深さのところに集光点Ｑができるよう脆性材１と集光レンズ５の高さ方向の相対的な位置関係を調整する。そして、レーザスライス装置Ｕは、レーザ発振器２からレーザ光３を出射し、ミラー４によって反射し、集光レンズ５を透過させて脆性材１の基板面に対して垂直にレーザ光３を照射し、脆性材１の内部に集光点Ｑを形成する。これにより、脆性材１の内部の集光点Ｑにおいて、多光子吸収によって脆性材１が改質される（図３Ａ）。

レーザスライス装置Ｕは、ＸＹステージ７を用いて、レーザ光３を上記したように走査することによって、脆性材１の内部のスライス予定面の全領域に、第１改質層１７を形成する（図３Ｂ）。レーザスライス装置Ｕは、その後、第１改質層１７の上面（スライス予定面）を起点にして、脆性材１を上層側と下層側に分離する（図３Ｃ、図３Ｄ）。この際、脆性材１の内部のスライス予定面の全領域に第１改質層１７が形成されていれば、脆性材１は、当該脆性材１のスライス予定面を起点にして、ほとんど力を加えることなく剥離するように、上層側と下層側に分離することになる。

尚、分離された基板１Ｓは、例えば、後工程である研磨工程を経て、完成品（例えば、半導体ウエハ）となる。

しかしながら、図３Ａのように、表面１９側からのみ、改質層を形成した場合、脆性材１内に存在する欠陥部（例えば、ピットや傷）が、脆性材１の内部へのレーザ光３の入射を妨げ、当該欠陥部の下部領域が、未改質領域となる。その結果、当該未改質領域に起因して、図３Ｃの剥離工程において、分離された基板１Ｓ（半導体ウエハ）に、割れやクラックが発生してしまう。

図４Ａ、図４Ｂは、本実施形態に係るレーザスライス方法を説明する図である。図４Ａ、図４Ｂは、レーザ照射方向に対して垂直な方向から見た脆性材１の側面断面図である。

本実施形態に係るレーザスライス方法は、脆性材１の表面１９側からレーザ光３を照射する第１の照射工程と、脆性材１の裏面２０側からレーザ光３を照射する第２の照射工程の二工程を含む。図４Ａは、本実施形態に係るレーザスライス方法の第１の照射工程を示し、図４Ｂは、本実施形態に係るレーザスライス方法の第２の照射工程を示している。

図４Ａ、図４Ｂにおいて、欠陥部Ｐは、脆性材１内に存在する欠陥である。例えばＧａＮの場合、ピットと呼ばれており、形状は様々であるが、代表的な形状では六角錐状に穴が空いており、黒色を有するものが多い。また、欠陥部Ｐの大きさとしては、数μｍから数ｍｍのものまで存在する。欠陥部Ｐにおいては、他の領域との形状や屈折率の違いなどにより、うまく集光することができずに未改質領域が形成される。

ここで、脆性材１は、例えばＧａＮであれば、Ｎ面側が表面１９側となるように、換言すると、Ｇａ面側が裏面２０側となるように配置されている。以下で説明するレーザスライス方法では、Ｎ面側が表面１９側となるように配置した状態で説明を行う。ただし、Ｇａ面側が表面１９側となるように、換言すると、Ｎ面側が裏面２０側となるように配置しても良い。このような場合とは、ピットがＧａ面側に形成されている場合などである。

本実施形態に係るレーザスライス方法では、第１の照射工程において（図４Ａ）、脆性材１の一方側の表面１９から、上記図２のように、脆性材１の内部のスライス予定面の一面に亘って第１改質層１７を形成する。そして、第２の照射工程において（図４Ｂ）、脆性材１の他方側の表面２０から、欠陥部Ｐが存在する領域のみに、スライス予定面において第１改質層１７と連続するように、第２改質層１８を形成する。

本実施形態に係るレーザスライス方法においては、例えば、走査位置毎に、第１改質層１７を形成し、欠陥部Ｐの位置に関しては、レーザ光路切り替え装置１３により第２表面２０側からレーザ光３が入射し、第２改質層１８を形成する。

但し、第１の照射工程（図４Ａ）と第２の照射工程（図４Ｂ）とは、走査位置毎に行ってもよいし、第１の照射工程（図４Ａ）にて表面側の一面に亘って走査した後に第２の照射工程（図４Ｂ）を行ってもよい。逆に、第２の照射工程（図４Ｂ）で欠陥部Ｐが存在する領域のみを改質した後に、第１の照射工程（図４Ａ）にて表面側の一面に亘って走査してもよい。

図４Ａにおいて、第１改質層上面Ａは、第１改質層１７の上面であり、脆性材１を剥離する際に起点となる剥離面、即ちスライス予定面を表す。第１改質層上面Ａは、レーザ光３の集光点Ｑの走査により形成される。

第１改質層中面Ｂは、第１改質層１７の第１改質層上面Ａから改質領域が形成され、確実に改質部が存在する領域の下面である。厚み方向のＡ－Ｂの幅（即ち、第１改質層上面Ａから第１改質層中面Ｂまでの距離）は、改質条件に応じて変化させることができ、１μｍから３００μｍの厚みを持たせることができるが、この幅が大きいと材料ロスも大きくなるため、極力小さくすることが好ましい。

第１改質層下面Ｃは、内部の集光照射により形成された第１改質層１７において、最も深い位置に対応する面であり、厚み方向のＡ－Ｃの幅（即ち、第１改質層上面Ａから第１改質層下面Ｃまでの距離）が表面の粗さの指標となる。尚、この幅が大きいと材料ロスや研磨工程に時間を要するため、極力小さくすることが望ましい。

未改質領域Ｒは、レーザ光３を集光レンズ５で集光照射した際、欠陥部Ｐの下部においてレーザ光３が欠陥部Ｐに遮られることで加工ができず、改質層が形成されなかった領域である。この未改質領域Ｒが大きい場合、ＧａＮを改質層を起点に分離させる際、未改質領域Ｒを起点にＧａＮ基板１Ｓに割れが発生してしまう。

図４Ｂにおいて、第２改質層１８は、第１表面１９の裏面である第２表面２０の方向からレーザ光３を集光レンズ５によって脆性材１の内部に集光照射した際に形成される改質領域を表す。欠陥部Ｐが存在する位置において、レーザ光路切り替え装置１３を用いて光路を変更し、第２改質層１８を形成する。

第２改質層上面Ｆは、第２改質層１８の上面であり、当該第２改質層上面Ｆがレーザ光３の集光点Ｑの高さ位置に相当する。換言すると、第２改質層上面Ｆが、脆性材１を剥離する際に起点となる剥離面である。

第２改質層中面Ｇは、第２改質層１８の第２改質層上面Ｆから改質領域が形成され、確実に改質部存在する領域の下面である。厚み方向のＦ－Ｇの幅（即ち、第２改質層上面Ｆと第２改質層中面Ｇの幅）は、改質条件に応じて変化させることができ、１μｍから３００μｍの厚みを持たせることができる。

第２改質層下面Ｈは、内部の集光照射による第２改質層１８に対し、最も深い位置に改質層が形成されている面であり、厚み方向のＡ－Ｃの幅が表面の粗さの指標となる。

本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、第１改質層１７を形成する際、及び、第２改質層１８を形成する際のいずれにおいても、脆性材１の内部におけるレーザ光３の集光点がスライス予定面の高さ位置となるように制御する。典型的には、第２表面２０側から入射したレーザ光３の集光レンズ５により集光された集光点Ｑにより形成された第２改質層上面Ｆは、第１改質層上面Ａと略同一面であることが好ましい。

このように、第１の照射工程（図４Ａ）と第２の照射工程（図４Ｂ）とを行って、脆性材１の内部のスライス予定面の一面に亘って、第１改質層１７及び第２改質層１８を形成することで、脆性材１は、当該スライス予定面を起点として、分離することになる。

尚、このようにして分離した脆性材１は、典型的には、表面１９側が半導体ウエハ１Ｓとして用いられる。但し、脆性材１に対して、予め平坦化加工を行って２枚分程度の厚さにしておくことで、表面１９側に加えて裏面２０側も半導体ウエハ１Ｓとして用いることもできる。

又、第１改質層上面Ａを起点として脆性材１を剥離させる際、未改質領域Ｒが無いことが好ましい。そのため、第２改質層１８は、第１改質層１７と連続している必要がある。即ち、第２表面２０側から入射したレーザ光３の集光レンズ５により集光された集光点Ｑにより形成された第２改質層上面Ｆは、第１改質層上面Ａと略同一面であることが好ましい。

又、第１改質層１７と第２改質層１８とで集光点Ｑの高さ位置を合わせる方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、あらかじめ脆性材１の厚みを測定しておき、脆性材１の屈折率に応じて集光位置を変える方法を用いてもよいし、又は、脆性材１の内部に改質層を形成した際の色の変化から、改質位置を検知し、焦点位置を合わせる方法を用いてもよい。

但し、焦点Ｑを合わせることが困難であれば、第２改質層上面Ｆが、第１改質層１７の上面Ａと中面Ｂの間の範囲内に形成されるように加工を行ってもよい。かかる構成によっても、未改質領域Ｒが無い状態で脆性材１を剥離させることができるため、割れを防止することができる。

尚、欠陥部Ｐの下部に形成される第２改質層１８は、少なくとも第１改質層１７の中面Ｂより第１表面１９側に形成されることになるが、欠陥部Ｐが存在する部分はデバイスとして使用できない部分なので、特に問題とはならない。

但し、脆性材１の表面１９及び裏面２０のうち、第１の照射工程（図４Ａ）の対象とする表面は、欠陥部Ｐが多く露出する側の表面とするのが望ましい。

例えば、脆性材１としてＧａＮを用いる場合、Ｎ面側の表面を第１の照射工程（図４Ａ）の対象とするのが望ましい。一般的に機能面と呼ばれるのは、ＧａＮ結晶のＧａ極性面側であり、当該ＧａＮは、作製したＧａＮ基板のＧａ面にエピタキシャル成長を行うことでＬＥＤやデバイスとして使用される。そのため、Ｇａ面側には、その改質領域や改質領域周辺の熱影響を受ける領域は極力小さくすることが望ましい。また、レーザ光３を照射した際、集光点Ｑを起点に改質領域がレーザ入射方向に向かって伸張するため、レーザ光３の入射側が改質や熱の影響をうけやすく、改質面が粗くなる。即ち、ＧａＮ内部に対してはＮ面側の表面を第１の照射工程（図４Ａ）の対象とすることによって、機能面であるＧａ面への改質や熱の影響を低減でき、且つ、研磨工程を短縮することができる。これにより、基板コストや材料ロスを低減することができる。

又、第１の照射工程では、脆性材１の第１表面１９における欠陥部Ｐの径がレーザ光３のビーム径よりも大きい場合には、レーザ光３を欠陥部Ｐに照射しないことが望ましい。これにより、レーザ光３の条件を変えることなく、第１の照射工程における全面加工が可能となる。

［効果］
以上のように、本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、脆性材１の第１表面側に存在する光遮蔽領域を検出する光遮蔽領域検出部１０ｂと、脆性材１の第１表面を一面に亘って走査するように、第１表面側から第１レーザ光３を照射して、脆性材１の内部のスライス予定面に第１改質層１７を形成すると共に、脆性材１の光遮蔽領域に対して、第２表面から第２レーザ光を照射して、スライス予定面において第１改質層１７と連続するように第２改質層１８を形成する制御部１０ａと、を備えている。

従って、このレーザスライス装置Ｕによれば、脆性材１内に欠陥部Ｐが存在する場合でも、脆性材１の内部のスライス予定面の一面に亘って改質することができる。これによって、改質層（第１改質層１７及び第２改質層１８）形成後、脆性材１から基板１Ｓ（例えば、半導体ウエハ）を剥離させる際に、脆性材１の内部の未改質領域に起因して、基板１Ｓに割れ又はクラックが発生することを抑制することができる。換言すると、これによって、割れ又はクラックによる基板１Ｓの不良率の低下、即ち歩留まり向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
次に、図５～図８を参照して、第２の実施形態に係るレーザスライス装置Ｕについて説明する。本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、レーザ照射の走査方法、及び、脆性材１の裏面２０側に対するレーザ光３の照射方法の点で、第１の実施形態に係るレーザスライス装置Ｕと相違する。尚、第１の実施形態と共通する構成については、説明を省略する。

図５は、本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕの装置概略図である。

本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、回転ステージ８を有している。回転ステージ８は、ＸＹステージ７の上に配置されている。又、回転ステージ８は、例えば回転速度が０．１ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下の範囲において可変である。本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、Ｚステージ６、ＸＹステージ７、または回転ステージ８を制御用コンピュータ１０で制御を行い走査しながら、脆性材１の内部に集光照射させる。

他方、本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕは、脆性材１の裏面２０からレーザ光３を照射する際には、脆性材１をＸＹステージ７上で裏返す構成としているため、レーザ光路切り替え装置１３を有していない。

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕの走査方法を示す概略図である。

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、それぞれ、本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕを用いた三種類の走査方法を示している。

図６Ａは、図２に示した第１の実施形態に係るレーザスライス装置Ｕの走査方法と同様に、レーザ光３を直線的に走査するレーザ照射の走査方法である。この際には、回転ステージ８を移動させないため、走査方法としては、第１の実施形態に係るレーザスライス装置Ｕの走査方法と同様になる。

図６Ｂは、一枚の脆性材１に対して円周状に加工を行う際のレーザ照射の走査方法である。この際には、回転ステージ８を回転させつつ、レーザ光３が回転ステージ８の径方向の外側領域の開始点Ｓから回転中心の終点Ｅに向けて走査するように、ＸＹステージ７を移動させる。この時、集光点Ｑでの回転ステージ８の回転数を考慮し、レーザ光３のＸＹステージ７の走査速度を制御用コンピュータ１０で制御を行うことで、レーザ光３のパルス１４が等間隔に照射されるように制御する。

図６Ｃは、複数枚の脆性材１に対して、円周状に加工を行う際のレーザ照射の走査方法である。図６Ｂの走査方法では、レーザ光３を中心方向に走査していく際に、中心部に向かうほど角速度が低下するため、終点Ｅ近傍での過度なレーザ光３の照射が生じるおそれがある。図６Ｃでは、複数枚の脆性材１を配置し、中心部近傍での照射を避けることで、過度なレーザ光３の照射を防ぐことができる。

尚、図６Ｃの走査方法は、図６Ｂと同様に、回転ステージ８を回転させ、開始点Ｓから終点Ｅに向けて、レーザ光３を脆性材１の外縁部から、回転ステージ８の中心方向に向けて照射を行う。この時、集光点Ｑでの回転ステージ８の回転数を考慮し、レーザ光３のＸＹステージ７の走査速度を制御用コンピュータ１０で制御を行うことで、レーザ光３のパルスが等間隔に照射されるように制御する。

図７Ａ、図７Ｂは、本実施形態に係るレーザスライス方法を説明する図である。図７Ａ、図７Ｂは、レーザ照射方向に対して垂直な方向から見た脆性材１の側面断面図である。

本実施形態に係るレーザスライス方法は、第１の実施形態に係るレーザスライス方法と同様に、第１の照射工程と第２の照射工程の二工程を含む。図７Ａは、本実施形態に係るレーザスライス方法の第１の照射工程を示し、図７Ｂは、本実施形態に係るレーザスライス方法の第２の照射工程を示している。

本実施形態に係る第１の照射工程（図７Ａ）では、Ｚステージ６を用いて脆性材１の表面から指定した深さのところに集光点Ｑができるよう脆性材１と集光レンズ５の高さ方向の相対的な位置関係を調整する。そして、ＸＹステージ７を用いて、脆性材１の外縁部に照射するための開始点Ｓに移動を行い、レーザ発振器２からレーザ光３を発振し、ミラー４によって反射し、集光レンズ５を透過させて脆性材１に垂直に照射し、脆性材１の内部に集光点Ｑを形成し、多光子吸収によって脆性材１を改質して、第１改質層１７を形成する。そして、終点Ｅまで加工を行う。

本実施形態に係る第２の照射工程（図７Ｂ）では、第１の照射工程（図７Ａ）の後、脆性材１を取り出し、第１表面１９の裏面である第２表面２０からレーザ光３が入射できるよう裏返し、欠陥部Ｐの位置を第２表面２０からレーザ光３を集光レンズ５で集光させて照射する。

この際、先にカメラ１４で欠陥部Ｐの位置を取得し、脆性材１を裏返した後に加工する態様や、第１改質層１７を形成後、カメラ１４を用いて未改質領域Ｒを検出した後に加工する方法でも良い。

尚、後者であれば、脆性材１の第１表面１９の汚れや異物などで加工することができなかった位置も検出することができる。この際、欠陥部Ｐには第１表面１９からレーザ光３を照射しないことが望ましい。熱影響を最小限に抑えるためである。

以上のように、本実施形態に係るレーザスライス装置Ｕによっても、第１の実施形態に係るレーザスライス装置Ｕと同様に、改質層（第１改質層１７及び第２改質層１８）形成後、脆性材１から基板１Ｓ（例えば、半導体ウエハ）を剥離させる際に、脆性材１の内部の未改質領域に起因して、基板１Ｓに割れ又はクラックが発生することを抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本発明に係るレーザスライス装置によれば、脆性材内に欠陥部が存在する場合であっても、割れやクラックを生じさせることなく加工対象物を分離することを可能である。

１：脆性材
２：レーザ発振器
３：レーザ光
４：ミラー
５：集光レンズ
６：Ｚステージ
７：ＸＹステージ
８：回転ステージ
９：固定治具
１０：制御用コンピュータ
１１：位相変調素子
１２：固定治具
１３：レーザ光路切り替え装置
１４：カメラ
１７：第１改質層
１８：第２改質層
１９：第１表面
２０：第２表面
Ａ：第１改質層上面
Ｂ：第１改質層中面
Ｃ：第１改質層下面
Ｄ：幅
Ｆ：第２改質層上面
Ｇ：第２改質層中面
Ｈ：第２改質層下面
Ｓ：開始点
Ｅ：終点
Ｒ：未改質領域
Ｐ：欠陥部
Ｑ：集光点

Claims (13)

1. レーザ光を用いて加工対象物を分離するレーザスライス装置であって、
   前記加工対象物の第１表面側に存在する光遮蔽領域を検出する光遮蔽領域検出部と、
   前記加工対象物の前記第１表面を一面に亘って走査するように、前記第１表面側から第１レーザ光を照射して、前記加工対象物の内部のスライス予定面に第１改質層を形成すると共に、
   前記加工対象物の前記光遮蔽領域に対して、前記第１表面の裏面側の第２表面から第２レーザ光を照射して、前記スライス予定面において前記第１改質層と連続するように第２改質層を形成する制御部と、
   を備えるレーザスライス装置。
2. 前記加工対象物から基板材を分離する
   請求項１に記載のレーザスライス装置。
3. 前記加工対象物は、板状体である
   請求項１又は２に記載のレーザスライス装置。
4. 前記加工対象物は、前記第１表面及び前記第２表面が所定の表面粗さ以下まで平坦化加工された板状の部材である
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザスライス装置。
5. 前記光遮蔽領域は、前記加工対象物の前記第１表面側に存在する欠陥部である
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザスライス装置。
6. 前記第１表面は、前記加工対象物の表裏面のうちの前記欠陥部が多く露出する側の表面である
   請求項５に記載のレーザスライス装置。
7. 前記加工対象物は、半導体材料である
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザスライス装置。
8. 前記加工対象物は、窒化ガリウムである
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレーザスライス装置。
9. 前記加工対象物は、脆性材料である
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載のレーザスライス装置。
10. 前記制御部は、前記第１レーザ光の集光点を前記スライス予定面の高さ位置に設定して前記第１改質層を形成すると共に、前記第２レーザ光の集光点を前記スライス予定面の高さ位置に設定して前記第２改質層を形成する
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載のレーザスライス装置。
11. 前記制御部は、レーザ発振器が出射するレーザ光のレーザ光路を切り替えて、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を前記加工対象物に対して照射する
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のレーザスライス装置。
12. 前記光遮蔽領域検出部は、前記加工対象物の前記第１表面の表面状態を撮影するカメラからの情報に基づいて、前記光遮蔽領域を検出する
    請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のレーザスライス装置。
13. レーザ光を用いて加工対象物を分離するレーザスライス方法であって、
    前記加工対象物の第１表面側に存在する光遮蔽領域を検出し、
    前記加工対象物の前記第１表面を一面に亘って走査するように、前記第１表面側から第１レーザ光を照射して、前記加工対象物の内部のスライス予定面に第１改質層を形成すると共に、
    前記加工対象物の前記光遮蔽領域に対して、前記第１表面の裏面側の第２表面から第２レーザ光を照射して、前記スライス予定面において前記第１改質層と連続するように第２改質層を形成する、
    レーザスライス方法。

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