JP7217426B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は窒化ガリウム（ＧａＮ）等の脆性材料を被加工物とするレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

従来、シリコン（Ｓｉ）等を材料とする基板（ウエハ）の製造は、次のように行われている。まず、石英るつぼ内に溶融されたシリコン融液から引き上げながら凝固させた円柱形のインゴットを作製する。続いて、インゴットを適切な長さのブロックに切断し、目標の形状、および直径になるよう研削する。その後、ブロック状のインゴットをワイヤソーによりスライスして基板を製造する。

しかしながら、ワイヤソーによるスライスの際には、ワイヤ径やワイヤの反りなどにより、ワイヤ径以上の切り代が必要となるため材料ロスが大きく、厚さ０．１ｍｍ以下の薄い基板を製造することが非常に困難であるという問題がある。特にＧａＮやシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、サファイアなどの硬脆性材料の場合には、Ｓｉに比べ加工が困難であり、また薄い基板の切断が困難であるため切り代も高くなる。

また、材料コストの高い材料であるため、材料ロスが基板コストに及ぼす影響が大きく、１つのインゴットから製造できる基板の枚数を増加させることで、基板のコストを下げる必要がある。

従来、スライスの方法として、集光レンズでレーザ光の集光点をインゴット、すなわち被加工物の内部に合わせ、そのレーザ光で被加工物を相対的に走査することにより結晶内部に改質層を形成し、改質層を剥離面として被加工物の一部を基板として剥離する基板加工装置が知られている。また、レーザを結晶表面に照射し、結晶内部に改質層を形成する際、照射パワー、送り速度および照射ピッチの最適化、並びに結晶の屈折率に伴う集光位置の補正を行うことにより、前記改質層の幅の低減および位置変動の抑制を行うことが知られている（例えば特許文献１、２参照）。

特開２０１３－１６１９７６号公報 特開２０１６－２０１５７５号公報

しかしながら、レーザの照射パワー、送り速度および照射ピッチの最適化、並びに結晶の屈折率に伴う集光位置の補正を行っても、被加工物内部に形成された改質層の幅の低減および位置変動の抑制効果は十分ではなかった。

本発明の目的は、改質層の幅を低減し位置変動を抑制することである。

本発明のレーザ加工装置は、集光したレーザ光を照射することにより被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、前記レーザ光の偏波面を調整する偏波面調整手段と、前記被加工物の結晶方位のＡ面に対する垂直方向を特定する垂直方向特定手段と、を少なくとも含み、前記偏波面調整手段は、特定された前記被加工物の前記結晶方位のＡ面に対する前記垂直方向に沿って、前記レーザ光が走査するように、前記レーザ光の偏光方向を調整する。

また、本発明のレーザ加工装置は、さらに、前記被加工物の結晶方位を測定する結晶方位測定手段を含み、前記垂直方向特定手段は、前記結晶方位測定手段によって測定された前記被加工物の結晶方位に基づき、前記被加工物の結晶方位のＡ面に対する垂直方向を特定する。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記結晶方位測定手段は、前記レーザ光を照射する前記被加工物の表面における結晶方位を測定する。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザ光は、波長が１１００ｎｍ以下、パルス幅が１ｆｓｅｃ以上１ｎｓｅｃ以下、周波数が２ＭＨｚ以下であり、前記レーザ光を集光するレンズの開口数が０．４以上０．９５以下である。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記被加工物として窒化ガリウムの加工を行う。

また、本発明のレーザ加工方法は、集光したレーザ光を照射することにより被加工物の加工を行うレーザ加工方法であって、前記レーザ光の偏波面を調整する偏波面調整工程と、前記被加工物の結晶方位のＡ面に対する垂直方向を特定する垂直方向特定工程と、を少なくとも含み、前記偏波面調整工程では、特定された前記被加工物の前記結晶方位のＡ面に対する前記垂直方向に沿って、前記レーザ光が走査するように前記レーザ光の偏光方向を調整する。

また、本発明のレーザ加工方法は、前記被加工物の結晶方位を測定する結晶方位測定工程をさらに含み、前記垂直方向特定工程において、前記結晶方位測定工程によって測定された前記被加工物の結晶方位に基づき、前記被加工物の結晶方位のＡ面に対する垂直方向を特定する。

本発明によれば、改質層の幅を低減し位置変動を抑制することができる。

ＧａＮ基板の製造におけるスライス工程の一例を説明する図である。 改質層の幅と改質位置変動とレーザパワー密度との関係を示すグラフである。 従来のレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ光の走査方法を示す図である。 本発明の実施形態に係る結晶方位測定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るレーザ加工処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る結晶方位のＡ面に対するレーザ光の走査方向のイメージを示す図である。 本発明の他の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ光の走査方法を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る結晶方位のＡ面に対するレーザ照射の走査方向のイメージを示す図である。 レーザ加工後の改質層の形成状態を示す図である。

本実施形態においては被加工物としてＧａＮを対象として説明を進めるが、被化合物はこれに限らない。例えば、他の被加工物としてＳｉ、ＳｉＣ、サファイア等が考えられる。また本実施形態では、直径２インチ、厚み４００μｍのＧａＮウエハを用いることにしているが、直径や厚みによって限定されるものではなく、厚みの大きいバルク材等を用いてもよい。また被加工物（インゴット）３０１は、少なくともレーザ光を入射させる面は鏡面加工が為されたものであり、被加工物３０１は可視光に対して少なくとも８０％以上の透過率を有するものとする。

本発明の実施形態の説明に入る前に、ＧａＮウエハの製造におけるスライス工程、改質層の幅と改質位置変動とレーザパワー密度との関係、従来のレーザ加工装置について説明する。

図１は、ＧａＮウエハの製造におけるスライス工程の一例を説明する図である。図２は、改質層の幅と改質位置変動とレーザパワー密度との関係を示すグラフである。図３は、従来のレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。

（ＧａＮ基板の製造におけるスライス工程）
まず、図１を用いてＧａＮ基板の製造におけるスライス工程について説明する。

スライス工程は、ＧａＮの塊であるインゴット３０１をスライスすることによって、複数枚の所定厚みのＧａＮウエハ３０４を製造する工程である。スライス工程におけるスライス加工の例として、レーザ加工とワイヤソー加工とが知られている。

レーザ加工では、まず、インゴット３０１の表面を粗研磨ホイール３０６により加工用レーザが透過するレベルまで研磨を行う（工程１）。

続いて、研磨されたインゴット３０１に対して加工用レーザによりインゴット３０１の結晶の内部加工を行う（工程２）。

続いて、内部加工が行われたインゴット３０１を分離機にて複数枚のＧａＮウエハ３０４に分離する（工程３）。

一方、ワイヤソー加工では、１または複数のワイヤ３１０を用いてインゴット３０１を分離することによって、複数枚のＧａＮウエハ３０４に分離する。

スライス工程により分離されたＧａＮウエハ３０４の表面には、変質層３０５ａ、３０５ｂが生成されている。この変質層３０５ａ、３０５ｂの厚みは、レーザ加工では３０～５０μｍ、ワイヤソー加工では５０～１００μｍと非常に厚い層である（分離状態）。

そこで、変質層３０５ａ、３０５ｂの各厚みが数μｍ以下になるまで、粗研磨ホイール３０６ａ、３０６ｂによりＧａＮウエハ３０４の表面を粗研磨する（工程４）。なお、この工程は、ＧａＮウエハ３０４の両面について行われる。

続いて、粗研磨された変質層３０５ａ、３０５ｂを完全に除去するために、ＣＭＰ（化学機械研磨）工程を実施する（工程５）。この工程では、変質層３０５ａ、３０５ｂがまだ表面に残っているＧａＮウエハ３０４に対して、ＣＭＰ定盤３０８上でスラリー３０７を用いてＣＭＰを行う。なおこの工程は、ＧａＮウエハ３０４の両面について行われる。

最後に、ＣＭＰが行われたＧａＮウエハ３０４を洗浄液３０９により洗浄しＧａＮウエハが完成する（工程６）。

本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、上述したレーザ加工における（工程２）において適用されるものである。

（従来のレーザ加工の問題点）
ここで、従来のレーザ加工の問題点について、触れておく。従来、加工用レーザの照射パワーの最適化、加工用レーザの移動速度や照射ピッチの最適化、被加工物の結晶の屈折率によるレーザ光の集光位置の補正を行っても、被加工物内部に形成された改質層の幅の低減および位置変動の抑制は十分ではなかった。

図２は、改質層の幅と改質位置変動とレーザパワー密度との関係を示すグラフである。

このグラフでは、被加工物内部に形成される改質層の幅および改質位置変動と集光位置に照射されるレーザパワー密度、即ち単位時間および／又は単位速度辺りのレーザパワーの関係を示している。

このグラフから、改質層はレーザパワー密度の閾値Ａ１で発生し、改質層の幅はレーザパワー密度が上昇するに伴い閾値Ａ２まで増加していくことが分かる。レーザパワー密度が閾値Ａ２まで増加すると、ウエハにクラックが発生したり割れが発生したりすることがある。

また、このグラフから、改質層位置変動はレーザパワー密度が小さいときは大きく、レーザパワー密度の上昇に伴い減少していき、閾値Ａ２で最小となることが分かる。

これらのことから、改質層の幅と改質層位置変動はトレードオフの関係であり、特に被加工物がＧａＮのように結晶の劈開方向が改質層形成方向と異なるものである場合、クラックや割れの発生はより容易となる。よって、両者を満足する条件を見出すことは極めて困難であった。

一方、ウエハの屈折率によるレーザ光の集光位置の補正は、レーザ光の中心部と周辺部との被加工物に対する入射角度の違いに伴う集光位置の補正に留まっていた。よって、被加工物の改質層の幅の抑制に対しては効果的であるものの、改質層位置変動に対する効果および結晶起因のクラックや割れの発生に対する効果はまだ十分ではなかった。

（従来のレーザ加工装置の構成）
次に従来のレーザ加工装置について説明する。図３は、従来のレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。

この図において、３０１は被加工物であるインゴット、３０３は改質層を示している。改質層３０３は、インゴット３０１にレーザ光を集光照射した際にインゴット３０１の内部に形成される層であって、例えば、材料がＧａＮの場合、レーザ光の照射によって２ＧａＮ→２Ｇａ＋Ｎ２に分解される層のことである。

従来のレーザ加工装置９００は、レーザ光を照射（発振）するレーザ発振器９０１、レーザ光の分岐・形状・波形を制御する位相変調部９０３、レーザ光を反射するミラー９０４、レンズ位置調整部９０５、集光レンズ９０６、固定治具９０７、回転ステージ９０８、Ｚステージ９０９、ＸＹステージ９１０、コントロールユニット９１１とから構成されている。

従来のレーザ加工装置９００では、レーザ光の偏波面および偏光方向を調整することができなかったため、レーザ加工においてはインゴット３０１の結晶方位に対するレーザ光の偏波面を考慮せずに、レーザ加工を実施した。

（本発明のレーザ加工装置の構成）
以下、本発明のレーザ加工装置について説明する。図４は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。

図４を参照し、本発明のレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０１、偏波面調整部１０２、位相変調部１０３、ミラー１０４、レンズ位置調整部１０５、集光レンズ１０６、固定治具１０７、回転ステージ１０８、Ｚステージ１０９、ＸＹステージ１１０、レーザ加工制御部１１１、そして、ディテクタ部１２１と結晶方位測定制御部１２２とデータ格納部１２３とからなる結晶方位測定部１２０とから構成されている。

レーザ発振器１０１は、レーザ光を発振（出射）する装置である。各被加工物に対する透過率を考慮したレーザ波長を選択するにより、効率の良いレーザ加工が可能である。発振されるレーザ光は、インゴット３０１であるＧａＮに対して８０％以上透過する波長を有し、その波長が５３２ｎｍであり、最大繰返し周波数が１ＭＨｚのパルス発振をすることができ、最大出力１００Ｗ、パルス幅２５ｐｓ以下である。

偏波面調整部１０２は、レーザ光を通過あるいは反射することにより、発振されたレーザ光の偏波面の角度を調整するためのものであり、ある一定の角度で偏波面を保持したり偏波面の角度を経時的に変更したりすることができる。偏波面調整部１０２により、偏波面の角度を調整することができるため、偏波面の偏光方向を変更することができる。偏波面調整部１０２として、例えば電気光学変調器（ＥＯ変調器）が挙げられるが、これに限定されるものではない。

位相変調部１０３は、偏波面調整部１０２を通過、あるいは反射したレーザ光を複数のビームに分岐したりビームの形状や波形を変更したりするためのものである。位相変調部１０３として、例えば回折格子が挙げられるが、これに限定されるものではない。

ミラー１０４は、位相変調部１０３を通過したレーザ光を反射させるものであって、レーザの波長に対して９０％以上の反射率を持つものである。

レンズ位置調整部１０５は、集光レンズ１０６を高速で変動させるための装置であって、周波数が高いため、高速切り替え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。例えば、音響光学素子を用いた装置を用いて加工に合わせて変位を変動するといった方法がある。

集光レンズ１０６は、ミラー１０４で反射されたレーザ光を集光し、インゴットの内部に照射するためのものである。集光レンズ１０６は、レーザ光が透過する材質であり、加工深度に応じて最適な収差量にレーザ光を補正することが可能である。なお、本実施形態では、波長５３２ｎｍを透過する顕微鏡用の収差補正環付で、ＮＡ＝０．８５、ｆ＝２ｍｍ、１００倍対物レンズを用いることにしている。

固定治具１０７は、インゴット３０１を固定するための治具である。固定治具１０７としては、例えば、インゴット３０１の側面を挟んで固定する機能を有するもの、接着させて固定する機能を有するもの、真空吸着する機能を有するもの等が考えられる。

回転ステージ１０８は、固定治具１０７の下に配置され、回転速度が０．１ｒｐｍ以上５０００ｒｐｍ以下の範囲において可変である。

Ｚステージ１０９は、回転ステージ１０８の下に配置され、インゴット３０１の全面を加工するために用いる駆動手段の一つである。Ｚステージ１０９は、精度が１μｍ、ストロークがＺ方向に１０ｍｍである。

ＸＹステージ１１０は、Ｚステージ１０９の下に配置され、インゴット３０１の全面を加工するために用いる駆動手段の一つである。ＸＹステージ１１０は、精度が１μｍ、ストロークがＸＹ方向共に２００ｍｍであり、走査速度が０．１ｍｍ／ｓｅｃ以上３ｍ／ｓｅｃ以下の範囲において可変可能である。

レーザ加工制御部１１１は、レーザ加工装置１００を制御するためのものである。レーザ加工制御部１１１は、レーザ発振器１０１のレーザ光の発振のＯＮ／ＯＦＦ制御、偏波面調整部１０２の偏波面の角度調整、レンズ位置調整部１０５による集光レンズ１０６の変動制御を行う。

また、レーザ加工制御部１１１は、偏波面調整部１０２の偏波面の角度とレンズ位置調整部１０５による集光レンズ１０６の変動に同期して、回転ステージ１０８、Ｚステージ１０９、ＸＹステージ１１０の各ステージを制御する。なお、レーザ加工制御部１１１は、後述する結晶方位測定部１２０のデータ格納部１２３に格納された結晶方位測定データをもとに、偏波面調整部１０２とＸＹステージ１１０とを同期させてレーザ加工を実施する。

結晶方位測定部１２０は、インゴット３０１の結晶方位を測定するためのものであって、ディテクタ部１２１、結晶方位測定制御部１２２、データ格納部１２３とから構成される。結晶方位測定部１２０として、例えば、Ｘ線回折を用いる方式によって結晶方位を測定するＸＲＤ（Ｘ線回析装置）が挙げられるが、これ限定されるものではない。

ディテクタ部１２１は、インゴット３０１表面の位置座標、即ちＸ、Ｙ座標に対する結晶方位のデータを測定するためのものである。

データ格納部１２３は、ディテクタ部１２１により測定されたインゴット３０１表面の位置座標、即ちＸ、Ｙ座標に対する結晶方位のデータを格納するためのものである。

結晶方位測定制御部１２２は、結晶方位測定部１２０を制御するためのものであって、ディテクタ部１２１による結晶方位測定制御、測定された結晶方位データをデータ格納部１２３に格納する処理、データ格納部１２３に格納された結晶方位データをレーザ加工制御部１１１に送信する処理を行う。

なお、本実施形態においては、レーザ加工装置１００の構成として結晶方位測定部１２０を含むものを前提としているが、これに限られない。例えば、レーザ加工装置１００の構成に結晶方位測定部１２０を含めないようにしてもよい。このような構成にした場合は、予め結晶方位測定部１２０を備える結晶方位測定装置（図示なし）により測定され格納された結晶方位データをレーザ加工制御部１１１に手動もしくは自動登録し、この登録した結晶方位データを用いることによって、上述のように偏波面調整部１０２とＸＹステージ１１０とを同期させたレーザ加工を実施することができる。

以上、本発明のレーザ加工装置１００の構成について説明した。本発明のレーザ加工装置１００と上述した従来のレーザ加工装置９００において最も特徴的な違いは、偏波面調整部１０２の有無である。即ち、従来のレーザ加工装置９００では、レーザ光の偏波面および偏光方向を調整することができなかった。

（レーザ光の走査方法）
図５は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ光の走査方法を示す図である。

図５は、ＸＹステージ１１０を用いてレーザ光を直線的に走査するときの走査方法を示している。この図において幅Ｄは、ＸＹステージ１１０の移動によりレーザ光が直線的に走査する場合の各ライン間のピッチを示している。また開始点Ｓは、レーザ光の照射開始位置を示し、終点Ｅは、レーザ光の照射終了位置を示している。

照射されたレーザ光は、まず、ＸＹステージ１１０の直線的な移動によって直線（Ｙ方向）上を順方向に走査する。続いて前回の走査に対してＸ方向に幅Ｄだけ移動した後、前回の走査方向に対して逆方向にＸＹステージ１１０が直線的に移動することによって、レーザ光は直線（Ｙ方向）上を前回とは逆方向に走査する。以降、この動作をレーザ光が終点Ｅに到達するまで繰り返すことにより、インゴット３０１の全面をレーザ加工する。

なお、レーザ加工の際、インゴット３０１の外縁部に形成される改質層３０３からガスを抜くために、インゴット３０１に対して連続した改質層を形成する必要がある。このような場合、レーザ光の走査速度やレーザパワー、周波数に応じて変化するパルス間の間隔や、幅Ｄの変化により改質層３０３の形成量を変化させる。

（結晶方位測定処理）
次に、本発明の実施形態に係る結晶方位測定処理について説明する。図６は、本発明の実施形態に係る結晶方位測定処理を示すフローチャートである。この結晶方位測定処理は、上述した結晶方位測定部１２０の結晶方位測定制御部１２２により実行される。

まず、ステップＳ１において結晶方位測定制御部１２２は、測定対象であるインゴット（被加工物）３０１がＸ，Ｙ座標上に設置されたか否かを判断する。Ｘ，Ｙ座標上にインゴット３０１が設置されていない場合、この処理を繰り返す。

次に、ステップＳ２において結晶方位測定制御部１２２は、インゴット３０１のＸ，Ｙ座標に対する結晶方位の測定を行う。

次に、ステップＳ３において結晶方位測定制御部１２２は、測定した結晶方位データをデータ格納部１２３に格納させる。

次に、ステップＳ４において結晶方位測定制御部１２２は、測定対象のインゴット３０１に対する測定対象範囲全域の測定が全て終了したか否かを判断する。測定対象範囲全域の測定が全て終了していないと判断した場合、ステップＳ２に進み、ステップＳ２およびステップＳ３の処理を繰り返す。測定対象範囲全域の測定が全て終了したと判断した場合、結晶方位測定処理を終了する。

（レーザ加工処理）
次に、本発明の実施形態に係るレーザ加工処理について説明する。図７は、本発明の実施形態に係るレーザ加工処理を示すフローチャートである。このレーザ加工処理は、上述したレーザ加工制御部１１１により実行される。

まずステップＳ１１においてレーザ加工制御部１１１は、加工対象であるインゴット（被加工物）３０１がＸ，Ｙ座標上に設置された（固定治具１０７により固定された）か否かを判断する。Ｘ，Ｙ座標上にインゴットが設置されていない場合、この処理を繰り返す。

次に、ステップＳ１２においてレーザ加工制御部１１１は、加工対象であるインゴット３０１の結晶方位測定データを上述した結晶方位測定制御部１２２のデータ格納部１２３から取得する。この処理においてレーザ加工制御部１１１は、結晶方位測定制御部１２２に対して今回の加工対象であるインゴット３０１を特定可能なインゴット特定データを含む方位測定データ要求を送信する。この要求を受信した結晶方位測定制御部１２２は、データ格納部１２３に格納された各結晶方位測定データの中から、インゴット特定データにより特定された結晶方位測定データを抽出し、レーザ加工制御部１１１に送信する。

次に、ステップＳ１３においてレーザ加工制御部１１１は、取得した結晶方位測定データから加工対象のインゴット３０１の表面におけるＸ，Ｙ座標に対する結晶方位のＡ面に対する垂直方向データを算出する。

次に、ステップＳ１４においてレーザ加工制御部１１１は、算出された垂直方向データにより、照射されるレーザの走査方向がインゴット３０１の表面における結晶方位のＡ面に対して垂直方向となるように、偏波面調整部１０２の偏波面の角度を制御することによりレーザ光の偏光方向を調整する。

次に、ステップＳ１５においてレーザ加工制御部１１１は、レーザ発振器１０１からレーザ光を発振（出射）させる。これにより、インゴット３０１の結晶内部に集光されたレーザ光によるレーザ加工が実行される。

次に、ステップＳ１６においてレーザ加工制御部１１１は、加工対象のインゴット３０１に対する加工対象範囲全域のレーザ加工が全て終了したか否かを判断する。加工対象範囲全域のレーザ加工が全て終了していないと判断した場合、ステップＳ１２に進み、ステップＳ１２からステップＳ１５の処理を繰り返す。加工対象範囲全域のレーザ加工が全て終了したと判断した場合、レーザ加工処理を終了する。

なお、このレーザ加工処理では、上述したステップＳ１２において結晶方位測定部１２０から結晶方位データを取得するようにしているが、これに限られない。予め結晶方位測定部１２０を備える結晶方位測定装置（図示なし）により測定され格納された結晶方位データをレーザ加工制御部１１１にオペレータ等により手動もしくは自動登録し、この登録した結晶方位データを用いること同様のレーザ加工処理を実施することもできる。

このようなレーザ加工処理を行った場合のインゴット３０１の表面における結晶方位のＡ面に対するレーザ光の走査方向について説明する。図８は、本発明の実施形態に係る結晶方位のＡ面に対するレーザ光の走査方向のイメージを示す図である。

この図に示すように、レーザ加工対象のインゴット３０１について測定されたＸ，Ｙ座標に対する結晶方位データを基にレーザ加工制御部１１１により、インゴット３０１の表面におけるＸ，Ｙ座標に対する結晶方位のＡ面に対する垂直方向データ算出される。そして、算出された垂直方向データとレーザ光の走査方向が合う、つまり、レーザ光の偏光方向が結晶方位のＡ面に対して垂直方向に沿うように偏波面調整部１０２により偏波面を経時的に調整しながらインゴット３０１の結晶内部にレーザ光を集光させレーザ加工を行う。

ここでは、インゴット３０１の表面に、レーザ波長１１００ｎｍ以下、パルス幅１ｆｎｓｅｃ以上１ｎｓｅｃ以下、周波数２ＭＨｚ以下、集光レンズのＮＡ０．４以上０．９５以下、パルス間ピッチおよびライン間ピッチは集光スポット径以下でレーザ光を照射した。

なお、インゴット３０１の厚みや直径は特に限定されるものではないが、厚み５０ｍｍ以上１０ｍｍ以下、直径１００ｍｍ以下であればよい。またインゴット３０１は、内部に改質層３０３を形成できる材料であればＧａＮに限定されない。

また、レーザ発振器１０１から発振されるレーザ光は、波長が１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の範囲であれば制限されるものではない。しかしながら、集光させたときのスポット径が小さいと熱影響を低減させることができるため、レーザ光の波長が短い方が望ましい。また、レーザ光のパルス幅は５０ｐｓ以下の範囲で、多光子吸収による内部加工が可能であればよい。

また、繰り返し周波数は、生産性を考えた場合は繰り返し周波数が高い方が良いが、１Ｈｚ以上５ＭＨｚ以下の範囲でバランスの良いものを適用することが好ましい。

また、集光レンズ１０６は、レーザ光の波長に対して、開口数（ＮＡ）が、０．１以上０．９５以下であることが好ましい。

収差補正機能は、レンズの球面収差による集光点のレーザ光の入射方向への伸びを抑制することが出来る機能である。集光点でのレーザ光のエネルギー密度を高くできるので、収差補正機能がある方が望ましい。なお、収差補正方法については、本実施形態の集光レンズのように収差補正環付を用いる方法や、位相変調素子を用いた方法でも良く、特に限定されるものではない。

レーザ加工方法は、インゴット３０１の結晶内部にレーザ光を照射させながらＸ軸方向および／又はＹ軸方向にＸＹステージ１１０を移動させ、インゴット３０１の表面における結晶３０２のＡ面方向に対してレーザ光の走査方向が垂直方向に沿うように偏波面調整部１０２によりレーザ光の偏光方向を調整し、インゴット３０１全面にレーザ加工を施していく。

図１１は、レーザ加工後の改質層の形成状態を示す図である。図１１（ａ）はインゴット３０１の表面からレーザ光が照射されることでインゴット３０１の結晶内部に形成された改質層３０３を示している。また図１１（ｂ）は、図１１（ａ）におけるインゴット３０１の結晶内部に形成された改質層３０３の断面を示している。

レーザ加工によって、インゴット３０１内部には改質層の幅がＤ２であり改質層位置変動幅がＤ３の改質層３０３が形成される。なお、この改質層３０３を分離面としてインゴット３０１をスライスすることによってウエハ（例えば、ＧａＮウエハ）が作製される。

このようなレーザ加工方法によって、図１１に示すようなインゴット３０１にはクラックや割れが発生することなく改質層３０３が形成される。なお、この場合の改質層の幅Ｄ２は８～１５μｍであり、改質層位置変動幅Ｄ３は３～５μｍとなる。

なお、上述した従来のレーザ加工装置９０１を用いて、インゴット３０１の結晶方位とレーザ光との偏波面を考慮せずにレーザ加工を実施した結果、この場合の改質層の幅Ｄ２は１２～２５μｍであり、改質層位置変動幅Ｄ３は５～１０μｍであった。

（その他の実施形態）
上述した実施形態におけるＸＹステージ１１０によるＸ軸方向および／又はＹ軸方向の移動に加え、回転ステージ１０８による回転軸方向の移動を加味してレーザ加工を行うようにすることが考えられる。

（レーザ光の他の走査方法）
図９は本発明の他の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ光の走査方法を示す図である。この図に示すように、本実施形態では、ＸＹステージ１１０と回転ステージ１０８を用いて円周上に並べられた複数のインゴット３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ…の各々に対してレーザ光を直線的に走査する。このような場合、回転ステージ１０８により回転軸方向に回転させながらＸＹステージ１１０によりＸ軸方向および／又はＹ軸方向に直線的に移動させることにより固定治具１０７の中心方向に向けてレーザ光を走査させる。

インゴット３０１に対してＸ軸方向および／又はＹ軸方向と回転軸方向とが走査速度、すなわち線速度が一定になるようにレーザ光を走査させてインゴット３０１の結晶内にレーザ光を照射させながらレーザ加工を行う場合、インゴット３０１の表面における結晶３０２のＡ面方向に対してレーザの走査方向が垂直となるように、偏波面調整部１０２によりレーザ光の偏光方向を経時的に調整しながら、インゴット３０１にレーザ加工を施していく。
よって、ＸＹステージ１１０よるＸ軸方向および／又はＹ軸方向の移動と回転ステージ１０８の回転軸方向の移動に対して偏波面調整部１０２によりレーザ光の偏波面を連続的に調整させながらレーザ加工を行っていく。

このときレーザ加工制御部１１１は、レーザ光の集光点での走査速度、即ち線速度が一定となるようにＸＹステージ１１０と回転ステージ１０８を協調制御することにより、レーザ光のパルスが等間隔に照射していく。なお、その他の点においては図５を用いて上述した内容と同様である。

図１０は、本発明の他の実施形態に係るインゴット３０１の表面における結晶方位のＡ面に対するレーザ照射の走査方向のイメージを示す図である。

他の実施形態においても、上述した実施形態と同様に、レーザ加工対象のインゴット３０１について測定されたＸ，Ｙ座標に対する結晶方位データを基に、レーザ加工制御部１１１により、インゴット３０１のＸ，Ｙ座標に対する結晶方位のＡ面に対する垂直方向データ算出される。そして、算出された垂直方向データとレーザ光の走査方向が合う、つまり、レーザ光の偏光方向がインゴット３０１の表面における結晶方位のＡ面に対して垂直方向となるように偏波面調整部１０２により偏波面を経時的に調整しながらインゴット３０１の結晶内部にレーザ光を集光させレーザ加工を行う。

ここでは上述した実施形態と同様、インゴット３０１の表面にレーザ波長１１００ｎｍ以下、パルス幅１ｆｓｅｃ以上１ｎｓｅｃ以下、周波数２ＭＨｚ以下、集光レンズのＮＡ０．４以上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で表面にレーザを照射した。

このようなレーザ加工方法によって、図１１に示すようなインゴット３０１にはクラックや割れが発生することなく改質層３０３が形成される。なお、この場合の改質層の幅Ｄ２は８～１２μｍであり、改質層位置変動幅Ｄ３は３～５μｍとなる。

以上、本発明の実施形態では、レーザ加工はインゴット３０１における測定範囲全域について実行するようにした。測定対象のインゴット３０１が単結晶である場合は、インゴット３０１の測定範囲全域において、結晶３０２のＡ面方向は略一律であると考えられる。一方、インゴット３０１が多結晶である場合は、インゴット３０１の測定範囲内全域において、結晶３０２のＡ面方向は結晶ごとに異なると考えられる。

そのため、本発明の実施形態では、レーザ光が照射されるインゴット３０１の表面の結晶３０２のＡ面方向に対してレーザ光の走査方向、すなわち、レーザ光の偏光方向が垂直となるように、レーザ光の偏光方向を経時的に調整しながら、インゴット３０１全面にレーザ加工を施すようにした。

以上、本発明の実施形態によれば、レーザ光を用いて硬脆性材料の内部に従来に比べて幅が低減した改質層を形成できるとともに、改質層位置変動幅の抑えることができる。よって、表面の粗研磨の時間効率を向上できるため、ウエハの作製効率を高めることができる。

１００ レーザ加工装置
１０１ レーザ発振器
１０２ 偏波面調整部
１０３ 位相変調部
１０４ ミラー
１０５ レンズ位置調整部
１０６ 集光レンズ
１０７ 固定治具
１０８ 回転ステージ
１０９ Ｚステージ
１１０ ＸＹステージ
１１１ レーザ加工制御部
１２０ 結晶方位測定部
１２１ ディテクタ部
１２２ 結晶方位測定制御部
１２３ データ格納部
３０１、３０１ａ～３０１ｃ 被加工物（インゴット）
３０２ 結晶
３０３ 改質層
３０４ ＧａＮウエハ
３０５ａ、３０５ｂ 変質層
３０６ 粗研磨ホイール
３０７ スラリー
３０８ ＣＭＰ定盤
３０９ 洗浄液
３１０ ワイヤ
９００ 従来のレーザ加工装置
９０１ レーザ発振器
９０３ 位相変調部
９０４ ミラー
９０５ レンズ位置調整部
９０６ 集光レンズ
９０７ 固定治具
９０８ 回転ステージ
９０９ Ｚステージ
９１０ ＸＹステージ
９１１ コントロールユニット

Claims (7)

1. 集光したレーザ光を走査することにより被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、
   前記レーザ光の走査面において前記被加工物の結晶方位のＡ面を示す線に対する垂直方向を特定する垂直方向特定手段と、
   前記レーザ光の偏波面を調整する偏波面調整手段と、を少なくとも含み、
   前記偏波面調整手段は、
   前記レーザ光の走査中において、特定された前記垂直方向に前記偏波面の偏光方向が沿うように、前記レーザ光の偏波面を調整する、
   レーザ加工装置。
2. さらに、前記被加工物の結晶方位を測定する結晶方位測定手段を含み、
   前記垂直方向特定手段は、前記結晶方位測定手段によって測定された前記被加工物の結晶方位に基づき、前記垂直方向を特定する、
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記結晶方位測定手段は、
   前記レーザ光を照射する前記被加工物の表面における結晶方位を測定する、
   請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ光は、波長が１１００ｎｍ以下、パルス幅が１ｆｓｅｃ以上１ｎｓｅｃ以下、周波数が２ＭＨｚ以下であり、
   前記レーザ光を集光するレンズの開口数が０．４以上０．９５以下である、
   請求項１～３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記被加工物として窒化ガリウムの加工を行う、
   請求項１～４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
6. 集光したレーザ光を走査することにより被加工物の加工を行うレーザ加工方法であって、
   前記レーザ光の走査面において前記被加工物の結晶方位のＡ面を示す線に対する垂直方向を特定する垂直方向特定工程と、
   前記レーザ光の偏波面を調整する偏波面調整工程と、を少なくとも含み、
   前記偏波面調整工程では、
   前記レーザ光の走査中において、特定された前記垂直方向に前記偏波面の偏光方向が沿うように前記偏波面を調整する、
   レーザ加工方法。
7. 前記被加工物の結晶方位を測定する結晶方位測定工程をさらに含み、
   前記垂直方向特定工程において、前記結晶方位測定工程によって測定された前記被加工物の結晶方位に基づき、前記垂直方向を特定する、
   請求項６に記載のレーザ加工方法。

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