JP7137242B2 - ＧａＮ基板の分断方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光デバイスや電子デバイスの基板に用いられるＧａＮ（窒化ガリウム）基板を分断する技術に関する。

近年では、脆性材料、特に結晶性の材料で形成された基板についても、スクライビングホイールを用いて、その脆性材料基板の表面に、スクライビングホイールの刃先形状が転写された線であるスクライブライン（図１参照）を形成し、スクライブラインの下方に垂直クラックが形成された脆性材料基板をブレイクする脆性材料基板の割断方法が提案されている（例えば、特許文献１～３参照）。

特許文献１には、ダイヤモンドで形成されたスクライビングホイールにおいて、高品質でサファイア基板をスクライブする技術が開示されている。
特許文献２、３には、炭化珪素板にカッターホイールで圧力をかけて当該カッターホイールを炭化珪素板上で転動させて、炭化珪素板にスクライブラインを刻み形成する技術が開示されている。

特開２０１８－０８６７８５号公報 国際公開第２０１２／０９３４２２号公報 特許５８８４８５２号公報

上でも述べたように、サファイア基板、ＳｉＣ基板、アルミナ基板などの脆性材料基板に、スクライブラインを形成して分断する技術に関しては、周知の技術がある。
ところで、脆性材料基板には、ＧａＮ基板というものがある。このＧａＮ基板は、用途として、高輝度ＬＥＤ用基板や、プロジェクター光源やブルーレイディスクドライブに使用される青色レーザーダイオード（ＬＤ）等の発光デバイス用基板、パワーデバイスや高周波デバイス等の電子デバイス用基板などに用いられている。

脆性材料基板のうち、ＧａＮ基板については、一般的にダイシング加工やレーザ加工にて分断されている。ダイシング加工は、一般的に多く用いられている分断の手法であり、ホイール状の砥石（ブレード）を高速回転させて、基板を切削する加工方法である。また、ダイシング加工は、切削時に熱が発生するので、切削部分を水で冷却する湿式切断法である。

このため、ダイシング加工は加工速度が遅く、冷却水が多く必要となり、また基板を切削して分断するので、ブレードの幅の分だけ基板が失われてしまう。すなわち、ダイシング加工は、効率の大幅な向上が困難であり、ダイシング加工でＧａＮ基板を分断することは、歩留まりの観点からは、最適な分断技術ではないと考える。
ところで、図５に示すように、例えば、ガラス基板や、サファイア基板、ＳｉＣ基板、アルミナ基板など一般的な脆性材料基板に、外周全体が刃先となった円板状のスクライビングホイールを用いてスクライブした場合、スクライブラインＬの下方に垂直クラックＣが生じることとなるので、スクライブラインＬに沿って基板（ウエハ）を分断することが容易となる。

しかしながら、ＧａＮ基板においては、外周全体が刃先となった円板状のスクライビングホイールを用いてスクライブしても、一般的な脆性材料基板と比較して、スクライブラインの直下に垂直クラックが生じ難く、スクライブラインに沿ってＧａＮ基板を分断することが容易とはならない。
すなわち、外周全体が刃先となった円板状のスクライビングホイールにより形成されたスクライブラインに沿ってＧａＮ基板を分断しようとしても、スクライブラインに沿わずに別の位置で分断されたり、分断面が荒れたり、ＧａＮ基板自体が欠けたりする虞がある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、外周に溝部が形成されたスクライビングホイールを用いてＧａＮ基板に対してスクライブすることで、分断に必要なスクライブラインをＧａＮ基板に形成することができ、水平方向に不要なクラックを発生させることなく、そのスクライブラインに沿ってＧａＮ基板を分断することができるＧａＮ基板の分断方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかるＧａＮ基板の分断方法は、外周に溝部が形成されているスクライビングホイールを用いて、ＧａＮ基板を分断する方法において、前記スクライビングホイールの刃先を前記ＧａＮ基板に対して垂直に接触させ、前記スクライビングホイールに荷重を加えて転動させることによりスクライブラインを形成するスクライブ工程と、前記スクライブラインが形成されたＧａＮ基板を分断するブレイク工程と、を有し、前記スクライブ工程においては、前記スクライブラインの下方に垂直クラックが生じないことを特徴とする。

好ましくは、前記スクライビングホイールの稜線の両側の傾斜面の表面粗さＲａが、１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とされているとよい。
好ましくは、前記スクライブ工程においては、スクライブ時の荷重が１．２Ｎ以上６．２Ｎ以下とされているとよい。

本発明によれば、外周に溝部が形成されたスクライビングホイールを用いてＧａＮ基板に対してスクライブすることで、分断に必要なスクライブラインをＧａＮ基板に形成することができ、水平方向に不要なクラックを発生させることなく、そのスクライブラインに沿ってＧａＮ基板を分断することができる。

複数個の打痕で形成されたスクライブラインの例を示す画像である。 ＧａＮ基板のＧａ面側において、オリエンテーションフラット（ＯＦ）に対して平行方向に形成されたスクライブラインの状況を撮像した画像である。 ＧａＮ基板のＧａ面側において、オリエンテーションフラット（ＯＦ）に対して垂直方向に形成されたスクライブラインの状況を撮像した画像である。 ＧａＮ基板の断面におけるスクライブライン下方の状況を検討した図である。 ガラスなどに形成される通常のスクライブラインの状況を示す画像である。 スクライビングホイールの正面図である。 図６の二点鎖線で囲った部分を拡大した図であり、スクライビングホイールの刃先の稜線部分の拡大図である。

以下、本発明にかかるＧａＮ基板の分断方法の実施形態を、図を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。
本発明は、外周に溝部５が形成されているスクライビングホイール１を用いて、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板１０を分断する技術であり、スクライビングホイール１を用いて、スクライブラインＬをＧａＮ基板に形成するスクライブ工程と、スクライブラインＬが形成されたＧａＮ基板を分断するブレイク工程と、を有するものとなっている。

まず、スクライブ工程について、説明する。
スクライブ工程は、スクライブ装置（図示せず）にて、分断のガイドとなるスクライブラインＬをＧａＮ基板に形成する工程である。まず、スクライブ装置にＧａＮ基板を設置する。そのスクライブ装置には、スクライビングツールが備えられている。スクライビングツールには、回転自在のスクライビングホイール１が取り付けられている。スクライビングホイール１の外周は、スクライブラインＬを形成する刃先２となっている。

また、本実施形態においては、スクライビングホイール１の外周に、溝部（詳細は後述）が等間隔に形成されている。
このため、スクライビングホイール１の刃先２をＧａＮ基板に対して垂直に接触させ、所定の荷重で押圧しながらスクライビングホイールを走行させると、スクライビングホイール１がＧａＮ基板上で転動し、複数個の打痕で形成されたスクライブラインＬが、ＧａＮ基板の表面に形成されることとなる。このスクライブラインＬは、図１に示すように、凹部が走行方向に一定の間隔で連続したものとなっている。

本実施形態のスクライブ工程においては、ＧａＮ基板のＧａ面からスクライブラインＬを形成するものとしているが、Ｎ面からスクライブラインＬを形成してもよい。
ここで、スクライビングホイール１の構成について、図６、図７を参照しながら説明する。
図６に示すように、スクライビングホイール１は、正面視で円板状の部材であって、外周の刃先２によりスクライブラインＬを形成するものである。このスクライビングホイール１の直径は、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とされている。また、スクライビングホイール１の中心には、回転軸が挿入される貫通孔３（軸穴）が形成されている。スクライビングホイール１は、貫通孔３に挿入された回転軸の軸心回りに回転自在に支持されている。スクライビングホイール１の外周は、側面視で、稜線４とその稜線４の両側の傾斜面とからなるＶ字形状に形成されている。

図７に示すように、スクライビングホイール１の外周には、微小な溝部５が一定間隔で複数形成されている。具体的には、溝部５は、スクライビングホイール１の外周を周回する稜線４を分断するように、全周に亘って一定間隔で形成されている。このスクライビングホイール１の外周における稜線４は、断続に形成されているといえる。
すなわち、溝部５とその隣の溝部５の間に繋ぐように形成されている凸形状の部分が、スクライブラインＬを形成する刃先２となっている。

なお、各溝部５の長さ（スクライビングホイール１の外周方向の長さ）、溝部５の深さ（スクライビングホイール１の径内方向の長さ）、稜線４の長さ、溝部５の長さと稜線４の長さとの比（刃先２のピッチ）などについては、所定のものとされている。すなわち、スクライビングホイール１の構成については、外径、厚さ、内径（貫通孔３）、刃先角度、溝部５の数（稜線４の分割数）などについては、所定のものとされている。

本実施形態で用いられるスクライビングホイール１は、少なくとも刃先２となる外周が、単結晶ダイヤモンドで形成されている。スクライビングホイール１の材質を、例えば焼結ダイヤモンドとすると、早期に損傷してしまう。知見によれば、スクライブラインＬを一回形成しただけで、使用できない損傷が生じることとなった。
一方で、スクライビングホイール１の材質を単結晶ダイヤモンドとすると、早期に損傷することがなくなった。それ故、スクライビングホイール１を、単結晶ダイヤモンドで形成するとよい。同様に、スクライビングホイール１の刃先２の材質を、焼結助剤を含まない多結晶ダイヤモンドとしてもよい。

また、スクライビングホイール１の外周（刃先２）における表面粗さＲａは、１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることがよいと知見した。少なくとも、スクライブ時にＧａＮ基板に接触することとなる、スクライビングホイール１に形成されている溝部５とその隣の溝部５を結ぶ稜線４と、稜線４の両側の傾斜面の表面粗さＲａが、１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とされているとよい。
すなわち、刃先２の表面が滑らかになっている方が好ましい。

なお、スクライブラインＬは、一定の間隔で形成される非連続の凹部とされている。つまり、スクライブラインＬは、図１に示すように凹部が走行方向に複数形成された破線状のラインである。言い換えれば、スクライブラインＬは、連続した一本のラインとはなっていない。
上で詳説したように、スクライビングホイール１の外側全周に溝部５を形成することで、稜線４及び溝部５の側部６（斜辺）が凸形状の刃先２となり、その刃先２をＧａＮ基板のＧａ面側表層に食い込ませることで、刃先２により凹部が走行方向に複数転写され、分断に必要なスクライブラインＬが形成されることとなる。

つまり、外周に溝部５（凸形状の刃先２）を複数備えたスクライビングホイール１を用いて、ＧａＮ基板のＧａ面側からスクライブすると、スクライブラインの下方にＧａＮ基板の厚み方向に亀裂が入らないにもかかわらず、分断に好適なスクライブラインＬが形成されるようになる。
本実施形態のスクライブ工程においては、スクライブ時の荷重を１．２Ｎ以上６．２Ｎ以下としている。知見によれば、スクライブ時の荷重が範囲外では、スクライブラインＬに沿わずに別の位置で分断されたりして、スクライブラインＬに沿ってブレイク（分断）することができない。また、分断面が荒れたり、ＧａＮ基板自体が欠けたり、ＧａＮ基板を分断することができないこともあった。

一方で、スクライブ時の荷重を範囲内とすると、スクライブラインＬに沿ってブレイクすることができた。また、分断面も良好で、ＧａＮ基板自体の欠けも無かった。それ故、スクライブ時の荷重を上記の範囲としている。
次に、ブレイク工程について、説明する。
ブレイク工程は、例えば三点曲げ方式を採用したブレイク装置（図示せず）にて、分断のガイドとなるスクライブラインＬに沿って、ＧａＮ基板を分断する工程である。まず、ブレイク装置の戴置部に、スクライブラインＬが形成されたＧａＮ基板を設置する。戴置部は、スクライブラインＬに沿ってその両脇部分に接触する左右一対の受け部を備え、これら受け部間の中心にスクライブラインＬが位置するように、当該スクライブラインＬを下向きにした状態でＧａＮ基板が戴置される。ブレイク装置には、先端に刃が設けられたブレイク部材が備えられている。ブレイク部材を、スクライブラインＬが形成されていない面のスクライブラインＬに対応する位置に近づける。ブレイク部材の刃先を押し付けて、スクライブラインＬに対応する位置を押圧する。すると、ＧａＮ基板がスクライブラインＬに沿って分断される。
［実験例］
ここで、本実験例に基づいて、ＧａＮ基板のＧａ面側に形成されたスクライブラインＬの状況について、検討する。

図２に、ＧａＮ基板のＧａ面側において、オリエンテーションフラットに対して平行方向に形成されたスクライブラインＬの状況を拡大して撮像した画像を示す。なお、図２に関し、スクライブ荷重＝２．６Ｎとした。
図３に、ＧａＮ基板のＧａ面側において、オリエンテーションフラットに対して垂直方向に形成されたスクライブラインＬの状況を拡大して撮像した画像を示す。なお、図３に関し、スクライブ荷重＝１．３Ｎとした。

なお、オリエンテーションフラット（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｆｌａｔ（ＯＦ））とは、円板状のＧａＮ基板の外周の一部を直線状にカットした切れ込みのことであり、その切れ込みは結晶軸の方向を示すものである。
本実験例のスクライビングホイール１について、外径：２ｍｍ、厚さ：０．６５ｍｍ、内径（貫通孔３）：０．８ｍｍ、刃先角度：１２０°、溝部５の数（稜線４の分割数）：３７０個、溝部５の深さ：３．０μｍと構成したものを用いた。このスクライビングホイール１の構成は、一例である。

図２に示すように、ＧａＮ基板のＧａ面側にスクライブラインＬを、オリエンテーションフラット（ＯＦ）に対して平行方向に形成した場合、凹部が形成されていることが確認できる。
図３に示すように、ＧａＮ基板のＧａ面側にスクライブラインＬを、オリエンテーションフラット（ＯＦ）に対して垂直方向に形成した場合、凹部が形成されていることが確認できる。
なお、図２、図３において、スクライブラインＬの方向に沿って、凹部から長手方向に生じている線は、スクライブ時に形成される、ＧａＮ基板の表層のみにできる微細で浅いクラックである。このクラックは、スクライブ時に生じると考えられ、本実施の形態においては、垂直クラックではなくこの表層の微細なクラックも分断の起点になっていると考えられる。

図４に、ＧａＮ基板の断面におけるスクライブラインＬの凹部の下方の状況を検討したものを示す。
図４に示すように、上記したスクライビングホイール１を用いれば、スクライブラインＬの下方には、図５のような垂直方向のクラックＣ（基板の内層に向かった厚み方向の亀裂）が生じないが、分断の起点として必要なスクライブラインＬを生じさせることができた。

以上、本発明のＧａＮ基板の分断方法によれば、外周に溝部５が形成されたスクライビングホイール１を用いてＧａＮ基板のＧａ面側からスクライブすることで、凹部を走行方向に複数有するスクライブラインＬをＧａＮ基板のＧａ面側に形成することができる。一方、そのスクライブラインＬでは、スクライブライン直下における図４のような垂直方向のクラックＣ（基板の内層に向かった厚み方向の亀裂）が生じていない。しかし、ブレイク工程では表層の微細なクラックに沿って分断が可能であるため、水平方向に不要なクラックを発生させることなく、スクライブラインＬに沿ってＧａＮ基板を分断することができる。

また、本発明を用いると、ＧａＮ基板のＧａ面側において、オリエンテーションフラットに対して垂直方向・平行方向のいずれの方向に、スクライブラインＬを形成しても、そのスクライブラインＬに沿ってＧａＮ基板を分断することができる。

以上まとめれば、本発明にかかるＧａＮ基板を分断する方法は、スクライビングホイールの刃先をＧａＮ基板に対して垂直に接触させ、スクライビングホイールに荷重を加えて転動させてスクライブラインを形成するスクライブ工程と、スクライブラインが形成されたＧａＮ基板を分断するブレイク工程と、を有することを特徴とする。

更には、前述したスクライブ工程においては、スクライブラインの下方に垂直クラックが生じないようにしている。加えて、スクライブ工程においては、スクライブ時の荷重が１．２Ｎ以上６．２Ｎ以下とされている。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。

特に、今回開示された実施形態において、明示されていない事項、例えば、作動条件や操作条件、構成物の寸法、重量などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

１ スクライビングホイール
２ 刃先
３ 貫通孔
４ 稜線
５ 溝部
６ 側部
Ｌ スクライブライン
Ｃ 垂直クラック

Claims (3)

1. 外周に溝部が形成されているスクライビングホイールを用いて、ＧａＮ基板を分断する方法において、
   前記スクライビングホイールの刃先を前記ＧａＮ基板に対して垂直に接触させ、前記スクライビングホイールに荷重を加えて転動させてスクライブラインを形成するスクライブ工程と、
   前記スクライブラインが形成されたＧａＮ基板を分断するブレイク工程と、を有し、
   前記スクライブ工程においては、前記スクライブラインの下方に垂直クラックが生じない
   ことを特徴とするＧａＮ基板の分断方法。
2. 前記スクライビングホイールの稜線の両側の傾斜面の表面粗さＲａが、１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とされていることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ基板の分断方法。
3. 前記スクライブ工程においては、スクライブ時の荷重が１．２Ｎ以上６．２Ｎ以下とされていることを特徴とする請求項１または２に記載のＧａＮ基板の分断方法。

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