KR20170082974A

KR20170082974A - SiC 웨이퍼의 생성 방법

Info

Publication number: KR20170082974A
Application number: KR1020160179292A
Authority: KR
Inventors: 가즈야 히라타; 유키오 모리시게
Original assignee: 가부시기가이샤 디스코
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2017-07-17
Also published as: KR102484045B1; DE102017200030B4; SG10201610962SA; JP2017123405A; MY183680A; US20170197277A1; TWI723087B; JP6602207B2; US9878397B2; DE102017200030A1; CN106945190A; CN106945190B; TW201735143A

Abstract

본 발명은 SiC 잉곳으로부터 효율적으로 SiC 웨이퍼를 생성할 수 있는 SiC 웨이퍼의 생성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
SiC 웨이퍼의 생성 방법으로서, SiC 잉곳에 대해 투과성을 갖는 파장의 레이저 빔의 집광점을 SiC 잉곳의 단부면으로부터 생성될 웨이퍼의 두께에 상당하는 깊이에 위치시키고, 상기 집광점과 상기 SiC 잉곳을 상대적으로 이동시켜 레이저 빔을 상기 단부면에 조사하여, 상기 단부면에 평행한 개질층 및 상기 개질층으로부터 신장되는 크랙을 형성하여 분리 기점으로 하는 분리 기점 형성 단계와, 상기 분리 기점 형성 단계를 실시한 후, 상기 분리 기점으로부터 웨이퍼의 두께에 상당하는 판형물을 상기 SiC 잉곳으로부터 박리하여 SiC 웨이퍼를 생성하는 웨이퍼 박리 단계를 구비하고, 상기 분리 기점 형성 단계에 있어서, 집광점을 형성하는 집광 렌즈의 개구수를 0.45∼0.9로 설정하고, 레이저 빔의 M² 팩터를 실질적으로 5∼50으로 설정하여 집광점의 직경을 φ15 ㎛∼φ150 ㎛로 설정한다.

Description

SiC 웨이퍼의 생성 방법{METHOD FOR PRODUCING SiC WAFER}

본 발명은 SiC 잉곳을 웨이퍼형으로 슬라이스하는 SiC 웨이퍼의 생성 방법에 관한 것이다.

IC, LSI 등의 각종 디바이스는, 실리콘 등을 소재로 한 웨이퍼의 표면에 기능층을 적층하고, 이 기능층에 복수의 분할 예정 라인에 의해 구획된 영역에 형성된다. 그리고, 절삭 장치, 레이저 가공 장치 등의 가공 장치에 의해 웨이퍼의 분할 예정 라인에 가공이 실시되고, 웨이퍼가 개개의 디바이스 칩으로 분할되며, 분할된 디바이스 칩은 휴대 전화, 퍼스널 컴퓨터 등의 각종 전자 기기에 널리 이용되고 있다.

또한, 파워 디바이스 또는 LED, LD 등의 광 디바이스는, SiC, GaN 등의 SiC를 소재로 한 웨이퍼의 표면에 기능층이 적층되고, 적층된 기능층에 격자형으로 형성된 복수의 분할 예정 라인에 의해 구획되어 형성된다.

디바이스가 형성되는 웨이퍼는, 일반적으로 잉곳을 와이어 쏘(wire saw)로 슬라이스하여 생성되고, 슬라이스된 웨이퍼의 표리면을 연마하여 경면으로 마무리된다(예컨대, 일본 특허 공개 제2000-94221호 공보 참조).

이 와이어 쏘에서는, 직경 약 100 ㎛∼300 ㎛의 피아노선 등의 1개의 와이어를 통상 2개∼4개의 간격으로 보조 롤러 상에 형성된 다수의 홈에 감아, 일정 피치로 서로 평행하게 배치하여 와이어를 일정 방향 또는 양방향으로 주행시켜, 잉곳을 복수의 웨이퍼로 슬라이스한다.

그러나, 잉곳을 와이어 쏘로 절단하고, 표리면을 연마하여 웨이퍼를 생성하면, 잉곳의 70%∼80%가 버려지게 되어, 비경제적이라고 하는 문제가 있다. 특히, SiC, GaN 등의 육방정 단결정 잉곳은 모스 경도가 높아, 와이어 쏘에 의한 절단이 곤란하고 상당한 시간이 걸려 생산성이 나쁘며, 효율적으로 웨이퍼를 생성하는 것에 과제를 갖고 있다.

이들 문제를 해결하기 위해서, SiC에 대해 투과성을 갖는 파장의 레이저 빔의 집광점을 SiC 잉곳의 내부에 위치시켜 조사하여, 절단 예정면에 개질층 및 크랙을 형성하고, 외력을 부여하여 웨이퍼를 개질층 및 크랙이 형성된 절단 예정면을 따라 할단하여, SiC 잉곳으로부터 웨이퍼를 분리하는 기술이 일본 특허 공개 제2013-49461호 공보에 기재되어 있다.

이 공개 공보에 기재된 기술에서는, 펄스 레이저 빔의 제1 조사점과 상기 제1 조사점에 가장 가까운 제2 조사점이 소정 위치가 되도록, 펄스 레이저 빔의 집광점을 절단 예정면을 따라 나선형으로 조사하거나, 또는 직선형으로 조사하여, 매우 고밀도의 개질층 및 크랙을 SiC 잉곳의 절단 예정면에 형성하고 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2000-94221호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 제2013-49461호 공보

그러나, 웨이퍼의 내부에 양호한 개질층을 형성하기 위해서는, 집광 렌즈의 개구수(NA)를 0.45∼0.9로 크게 하고, 초점 심도를 5 ㎛ 이하로 설정하는 것이 바람직하며, 그 결과, 집광점의 직경이 φ1.5 ㎛∼φ3 ㎛로 작아지고, 인접하는 집광점의 간격을 10 ㎛ 정도로 하여 잉곳 내부에 개질층을 조밀하게 형성하지 않으면 안 되어, 시간이 걸려 생산성이 나쁘다고 하는 문제가 있다.

한편, 집광 렌즈의 개구수(NA)를 작게 하여 집광점의 직경을 크게 하면 초점 심도가 길어져, 개질층이 상하로 흔들려 동일한 면에 개질층을 형성하는 것이 곤란해진다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, SiC 잉곳으로부터 효율적으로 SiC 웨이퍼를 생성할 수 있는 SiC 웨이퍼의 생성 방법을 제공하는 것이다.

청구항 1에 기재된 발명에 의하면, SiC 웨이퍼의 생성 방법으로서, SiC 잉곳에 대해 투과성을 갖는 파장의 레이저 빔의 집광점을 SiC 잉곳의 단부면으로부터 생성될 웨이퍼의 두께에 상당하는 깊이에 위치시키고, 상기 집광점과 상기 SiC 잉곳을 상대적으로 이동시켜 레이저 빔을 상기 단부면에 조사하여, 상기 단부면에 평행한 개질층 및 상기 개질층으로부터 신장되는 크랙을 형성하여 분리 기점으로 하는 분리 기점 형성 단계와, 상기 분리 기점 형성 단계를 실시한 후, 상기 분리 기점으로부터 웨이퍼의 두께에 상당하는 판형물을 상기 SiC 잉곳으로부터 박리하여 SiC 웨이퍼를 생성하는 웨이퍼 박리 단계를 구비하고, 상기 분리 기점 형성 단계에 있어서, 집광점을 형성하는 집광 렌즈의 개구수를 0.45∼0.9로 설정하고, 레이저 빔의 M² 팩터를 실질적으로 5∼50으로 설정하여 집광점의 직경을 φ15 ㎛∼φ150 ㎛로 설정하는 것을 특징으로 하는 SiC 웨이퍼의 생성 방법이 제공된다.

바람직하게는, 집광점의 파워 밀도 (2∼3)×10⁵ W/㎠로 설정한다.

청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 제1 면과 상기 제1 면과 반대측의 제2 면과, 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면에 이르는 c축과, 상기 c축에 직교하는 c면을 갖는 SiC 잉곳으로부터 SiC 웨이퍼를 생성하는 SiC 웨이퍼의 생성 방법으로서, SiC 잉곳에 대해 투과성을 갖는 파장의 레이저 빔의 집광점을 상기 제1 면으로부터 생성될 웨이퍼의 두께에 상당하는 깊이에 위치시키고, 상기 집광점과 상기 SiC 잉곳을 상대적으로 이동시켜 상기 레이저 빔을 상기 제1 면에 조사하여, 상기 제1 면에 평행한 개질층 및 상기 개질층으로부터 신장되는 크랙을 형성하여 분리 기점으로 하는 분리 기점 형성 단계와, 상기 분리 기점 형성 단계를 실시한 후, 상기 분리 기점으로부터 웨이퍼의 두께에 상당하는 판형물을 상기 SiC 잉곳으로부터 박리하여 SiC 웨이퍼를 생성하는 웨이퍼 박리 단계를 구비하고, 상기 분리 기점 형성 단계는, 상기 제1 면의 수선(垂線)에 대해 상기 c축이 오프각만큼 기울고, 상기 제1 면과 상기 c면 사이에 오프각이 형성되는 방향과 직교하는 방향으로 레이저 빔의 집광점을 상대적으로 이동시켜 직선형의 개질층을 형성하는 개질층 형성 단계와, 상기 오프각이 형성되는 방향으로 상기 집광점을 상대적으로 이동시켜 소정량 인덱싱하는 인덱싱 단계를 포함하며, 상기 분리 기점 형성 단계에 있어서, 집광점을 형성하는 집광 렌즈의 개구수를 0.45∼0.9로 설정하고, 레이저 빔의 M² 팩터를 실질적으로 5∼50으로 설정하여 상기 집광점의 직경을 φ15 ㎛∼φ150 ㎛로 설정하는 것을 특징으로 하는 SiC 웨이퍼의 생성 방법이 제공된다.

본 발명의 SiC 웨이퍼의 생성 방법에 의하면, 분리 기점 형성 단계에 있어서, 집광점을 형성하는 집광 렌즈의 개구수(NA)를 0.45∼0.9로 설정하고, 레이저 빔의 M² 팩터를 실질적으로 5∼50으로 설정하여 집광점의 직경을 φ15 ㎛∼φ150 ㎛로 설정하도록 했기 때문에, 집광 렌즈의 초점 심도가 5 ㎛ 이하로 얕음에도 불구하고 큰 집광 스폿으로 효율적으로 양호한 분리 기점을 안정적으로 형성할 수 있다. 또한, 생산성의 향상을 충분히 도모할 수 있고, 버려지는 잉곳의 양을 충분히 경감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 SiC 웨이퍼의 생성 방법을 실시하는 데 적합한 레이저 가공 장치의 사시도이다.
도 2는 레이저 빔 발생 유닛의 블록도이다.
도 3의 (a)는 SiC 잉곳의 사시도이고, 도 3의 (b)는 그 정면도이다.
도 4는 분리 기점 형성 단계를 설명하는 사시도이다.
도 5는 SiC 잉곳의 평면도이다.
도 6은 개질층 형성 단계를 설명하는 모식적 단면도이다.
도 7은 개질층 형성 단계를 설명하는 모식적 평면도이다.
도 8의 (a)는 인덱싱 단계를 설명하는 모식적 평면도이고, 도 8의 (b)는 인덱싱량을 설명하는 모식적 평면도이다.
도 9는 개질층 형성 단계에서 조사되는 레이저 빔의 M² 팩터와 집광 렌즈의 집광 스폿의 관계를 설명하는 모식도이다.
도 10은 M² 팩터를 비교적 큰 값으로 설정함으로써, 초점 심도가 얕은 집광 렌즈를 사용하여 비교적 큰 면적의 개질층을 형성할 수 있는 본 발명 실시형태에 따른 개질층 형성 단계를 설명하는 모식도이다.
도 11은 웨이퍼 박리 단계를 설명하는 사시도이다.
도 12는 생성된 SiC 웨이퍼의 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 SiC 웨이퍼의 생성 방법을 실시하는 데 적합한 레이저 가공 장치(2)의 사시도가 도시되어 있다. 레이저 가공 장치(2)는, 정지(靜止) 베이스(4) 상에 X축 방향으로 이동 가능하게 탑재된 제1 슬라이드 블록(6)을 포함하고 있다.

제1 슬라이드 블록(6)은, 볼 나사(8) 및 펄스 모터(10)로 구성되는 가공 이송 기구(12)에 의해 한 쌍의 가이드 레일(14)을 따라 가공 이송 방향, 즉 X축 방향으로 이동된다.

제1 슬라이드 블록(6) 상에는 제2 슬라이드 블록(16)이 Y축 방향으로 이동 가능하게 탑재되어 있다. 즉, 제2 슬라이드 블록(16)은 볼 나사(18) 및 펄스 모터(20)로 구성되는 인덱싱 이송 기구(22)에 의해 한 쌍의 가이드 레일(24)을 따라 인덱싱 이송 방향, 즉 Y축 방향으로 이동된다.

제2 슬라이드 블록(16) 상에는 지지 테이블(26)이 탑재되어 있다. 지지 테이블(26)은 가공 이송 기구(12) 및 인덱싱 이송 기구(22)에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능하고, 제2 슬라이드 블록(16) 안에 수용된 모터에 의해 회전된다.

정지 베이스(4)에는 칼럼(28)이 세워져 설치되어 있고, 이 칼럼(28)에 레이저 빔 조사 기구(레이저 빔 조사 수단)(30)가 부착되어 있다. 레이저 빔 조사 기구(30)는, 케이싱(32) 안에 수용된 도 2에 도시된 레이저 빔 발생 유닛(34)과, 케이싱(32)의 선단에 부착된 집광기(레이저 헤드)(36)로 구성된다. 케이싱(32)의 선단에는 집광기(36)와 X축 방향으로 정렬되며 현미경 및 카메라를 갖는 촬상 유닛(38)이 부착되어 있다.

레이저 빔 발생 유닛(34)은, 도 2에 도시된 바와 같이, YAG 레이저 또는 YVO4 레이저를 발진하는 레이저 발진기(40)와, 반복 주파수 설정 수단(42)과, 펄스폭 조정 수단(44)과, 파워 조정 수단(46)을 포함하고 있다. 특별히 도시하지 않으나, 레이저 발진기(40)는 브루스터 창을 갖고 있으며, 레이저 발진기(40)로부터 출사되는 레이저 빔은 직선 편광의 레이저 빔이다.

레이저 빔 발생 유닛(34)의 파워 조정 수단(46)에 의해 소정 파워로 조정된 펄스 레이저 빔은, 집광기(36)의 미러(48)에 의해 반사되고, 또한 집광 렌즈(50)에 의해 지지 테이블(26)에 고정된 피가공물인 SiC 잉곳(11)의 내부에 집광점이 위치되어 조사된다.

도 3의 (a)를 참조하면, 가공 대상물인 SiC 잉곳(이하, 간단히 잉곳이라고 약칭하는 경우가 있음)(11)의 사시도가 도시되어 있다. 도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 도시된 SiC 잉곳(11)의 정면도이다.

잉곳(11)은, 제1 면(상면)(11a)과 제1 면(11a)과 반대측의 제2 면(하면)(11b)을 갖고 있다. 잉곳(11)의 상면(11a)은, 레이저 빔의 조사면이 되기 때문에 경면으로 연마되어 있다.

잉곳(11)은, 제1 오리엔테이션 플랫(13)과, 제1 오리엔테이션 플랫(13)에 직교하는 제2 오리엔테이션 플랫(15)을 갖고 있다. 제1 오리엔테이션 플랫(13)의 길이는 제2 오리엔테이션 플랫(15)의 길이보다 길게 형성되어 있다.

잉곳(11)은, 상면(11a)의 수선(17)에 대해 제2 오리엔테이션 플랫(15) 방향으로 오프각(α) 경사진 c축(19)과 c축(19)에 직교하는 c면(21)을 갖고 있다. c면(21)은 잉곳(11)의 상면(11a)에 대해 오프각(α) 경사져 있다. 일반적으로, SiC 잉곳(11)에서는, 짧은 제2 오리엔테이션 플랫(15)의 신장 방향에 직교하는 방향이 c축의 경사 방향이다.

c면(21)은 잉곳(11) 중에 잉곳(11)의 분자 레벨로 무수히 설정된다. 본 실시형태에서는, 오프각(α)은 4°로 설정되어 있다. 그러나, 오프각(α)은 4°에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 1°∼6°의 범위에서 자유롭게 설정하여 잉곳(11)을 제조할 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 정지 베이스(4)의 좌측에는 칼럼(52)이 고정되어 있고, 이 칼럼(52)에는 칼럼(52)에 형성된 개구(53)를 통해 누름 기구(54)가 상하 방향으로 이동 가능하게 탑재되어 있다.

본 실시형태의 웨이퍼의 생성 방법에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 잉곳(11)의 제2 오리엔테이션 플랫(15)이 X축 방향으로 정렬되도록 잉곳(11)을 지지 테이블(26) 상에 예컨대 왁스 또는 접착제로 고정한다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 오프각(α)이 형성되는 방향(Y1), 환언하면, 잉곳(11)의 상면(11a)의 수선(17)에 대해 c축(19)의 상면(11a)과의 교점(19a)이 존재하는 방향에 직교하는 방향, 즉 화살표 A 방향을 X축에 맞춰 잉곳(11)을 지지 테이블(26)에 고정한다.

이에 의해, 오프각(α)이 형성되는 방향에 직교하는 방향(A)을 따라 레이저 빔이 주사된다. 환언하면, 오프각(α)이 형성되는 방향(Y1)에 직교하는 A 방향이 지지 테이블(26)의 가공 이송 방향이 된다.

본 발명의 SiC 웨이퍼의 생성 방법에서는, 집광기(36)로부터 출사되는 레이저 빔의 주사 방향을, 잉곳(11)의 오프각(α)이 형성되는 방향(Y1)에 직교하는 화살표 A 방향으로 한 것이 중요하다.

즉, 본 발명의 SiC 웨이퍼의 생성 방법은, 레이저 빔의 주사 방향을 전술한 바와 같은 방향으로 설정함으로써, 잉곳(11)의 내부에 형성되는 개질층으로부터 전파되는 크랙이 c면(21)을 따라 매우 길게 신장되는 것을 발견한 점에 특징이 있다.

본 실시형태의 SiC 웨이퍼의 생성 방법에서는, 먼저, 지지 테이블(26)에 고정된 SiC 잉곳(11)에 대해 투과성을 갖는 파장(예컨대 1064 ㎚의 파장)의 레이저 빔의 집광점을 제1 면(상면)(11a)으로부터 생성될 웨이퍼의 두께에 상당하는 깊이에 위치시키고, 집광점과 SiC 잉곳(11)을 상대적으로 이동시켜 레이저 빔을 상면(11a)에 조사하여, 상면(11a)에 평행한 개질층(23) 및 개질층(23)으로부터 c면(21)을 따라 전파되는 크랙(25)을 형성하여 분리 기점으로 하는 분리 기점 형성 단계를 실시한다.

이 분리 기점 형성 단계는, 상면(11a)의 수선(17)에 대해 c축(19)이 오프각(α)만큼 기울고, c면(21)과 상면(11a)에 오프각(α)이 형성되는 방향, 즉, 도 5의 화살표 Y1 방향에 직교하는 방향, 즉 A 방향으로 레이저 빔의 집광점을 상대적으로 이동시켜 잉곳(11)의 내부에 개질층(23) 및 개질층(23)으로부터 c면(21)을 따라 전파되는 크랙(25)을 형성하는 개질층 형성 단계와, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 오프각이 형성되는 방향, 즉 Y축 방향으로 집광점을 상대적으로 이동시켜 소정량 인덱싱하는 인덱싱 단계를 포함하고 있다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 개질층(23)을 X축 방향으로 직선형으로 형성하면, 개질층(23)의 양측으로부터 c면(21)을 따라 크랙(25)이 전파되어 형성된다. 본 실시형태의 SiC 웨이퍼의 생성 방법에서는, 직선형의 개질층(23)으로부터 c면 방향으로 전파되어 형성되는 크랙(25)의 폭을 계측하고, 집광점의 인덱싱량을 설정하는 인덱싱량 설정 단계를 포함한다.

인덱싱량 설정 단계에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 직선형의 개질층(23)으로부터 c면 방향으로 전파되어 개질층(23)의 한쪽에 형성되는 크랙(25)의 폭을 W1로 한 경우, 인덱싱해야 할 소정량(W2)은, W1 이상 2W1 이하로 설정된다.

여기서, 바람직한 실시형태의 개질층 형성 단계는 이하와 같이 설정된다.

광원 : Nd:YAG 펄스 레이저

파장 : 1064 ㎚

반복 주파수 : 80 ㎑

평균 출력 : 3.2 W

펄스 폭 : 4 ㎱

스폿 직경 : 10 ㎛

집광 렌즈의 개구수(NA) : 0.45

인덱싱량 : 400 ㎛

전술한 레이저 가공 조건에 있어서는, 도 6에 있어서, 개질층(23)으로부터 c면을 따라 전파되는 크랙(25)의 폭(W1)이 대략 250 ㎛로 설정되고, 인덱싱량(W2)이 400 ㎛로 설정된다.

그러나, 레이저 빔의 평균 출력은 3.2 W에 한정되는 것은 아니며, 본 실시형태의 가공 방법에서는, 평균 출력을 2 W∼4.5 W로 설정하여 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 평균 출력 2 W의 경우, 크랙(25)의 폭(W1)은 대략 100 ㎛가 되고, 평균 출력 4.5 W의 경우에는, 크랙(25)의 폭(W1)은 대략 350 ㎛가 되었다.

평균 출력이 2 W 미만인 경우 및 4.5 W보다 큰 경우에는, 잉곳(11)의 내부에 양호한 개질층(23)을 형성할 수 없기 때문에, 조사하는 레이저 빔의 평균 출력은 2 W∼4.5 W의 범위 내가 바람직하고, 본 실시형태에서는 평균 출력 3.2 W의 레이저 빔을 잉곳(11)에 조사하였다. 도 6에 있어서, 개질층(23)을 형성하는 집광점의 상면(11a)으로부터의 깊이(D1)는 500 ㎛로 설정하였다.

도 8의 (a)를 참조하면, 레이저 빔의 주사 방향을 설명하는 모식도가 도시되어 있다. 분리 기점 형성 단계는 왕로(X1) 및 귀로(X2)에서 실시되고, 왕로(X1)에서 SiC 잉곳(11)에 개질층(23)을 형성한 레이저 빔의 집광점은, 소정량 인덱싱된 후, 귀로(X2)에서 SiC 잉곳(11)에 개질층(23)을 형성한다.

또한, 분리 기점 형성 단계에 있어서, 레이저 빔의 집광점의 인덱싱해야 할 소정량이 W 이상 2W 이하로 설정된 경우, SiC 잉곳(11)에 레이저 빔의 집광점이 위치되어 최초의 개질층(23)이 형성되기까지의 집광점의 인덱싱량은 W 이하로 설정되는 것이 바람직하다.

예컨대, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 레이저 빔의 집광점을 인덱싱해야 할 소정량이 400 ㎛인 경우에는, 잉곳(11)에 최초의 개질층(23)이 형성될 때까지는, 인덱싱량 200 ㎛로 레이저 빔의 주사를 복수 회 실행한다.

최초의 레이저 빔의 주사는 허공을 때리는 것이며, 잉곳(11)의 내부에 최초로 개질층(23)을 형성한 것이 판명되었다면, 인덱싱량 400 ㎛로 설정하여 잉곳(11)의 내부에 개질층(23)을 형성한다.

다음으로, 도 9 및 도 10을 참조하여, 개질층 형성 단계에서 레이저 빔의 M² 팩터를 적당한 범위로 설정함으로써, 초점 심도가 얕은 집광 렌즈를 사용하여 비교적 큰 직경의 개질층을 형성할 수 있는 본 발명 실시형태의 개질층 형성 단계에 대해 설명한다.

여기서, M² 팩터란, 레이저 빔의 횡모드의 품질을 나타내는 팩터이며, 실제의 레이저 빔이 이상적인 TEM00의 가우스 빔에 비해 어느 정도 벗어나 있는지를 나타내는 수치이다. 가우스 빔의 경우에는, M²=1이다.

집광 렌즈(50)에 의해 집광되는 레이저 빔의 스폿 직경을 d, 레이저 빔의 파장을 λ, 집광 렌즈의 개구수를 NA라고 하면,

d=1.22(λ/NA) ……(1)

의 관계가 있다. 예컨대, 레이저 빔의 파장(λ)=1064 ㎚, 집광 렌즈(50)의 개구수(NA)=0.45라고 하면, d=2.88 ㎛가 된다.

본 실시형태의 개질층 형성 단계에서는, 집광 렌즈(50)의 초점 심도를 비교적 얕게 하기 위해서, 개구수(NA)가 0.45∼0.9의 범위 내의 집광 렌즈(50)를 채용하였다. 이러한 집광 렌즈(50)를 사용하여, 레이저 빔(LB)의 집광점(62)의 직경을 15 ㎛∼150 ㎛로 하기 위한 레이저 빔(LB)의 M² 팩터를 산출한 결과, M²=5∼50이 얻어졌다.

이러한 큰 값을 갖는 M² 팩터는 이상적인 가우스 빔으로부터 상당히 벗어난 M² 팩터이며, 레이저 빔(LB)의 품질이 상당히 나쁜 레이저 빔이라고 할 수 있다. 즉, 본 실시형태의 개질층 형성 단계에서 사용하는 레이저 빔(LB)은, 품질이 상당히 나쁜 레이저 빔이라고 할 수 있다.

도 9에 도시된 실시형태에서는, 집광 렌즈(50)의 앞쪽(상류측)에 불투명 유리(60)를 배치하여, 레이저 빔(LB)의 M² 팩터를 5∼50으로 설정하고 있다.

M² 팩터를 실질적으로 5∼50으로 설정하는 방법은 이하와 같다.

(1) M² 팩터가 5∼50인 레이저 발진기를 이용한다.

(2) 도 9에 도시된 바와 같이, 집광 렌즈(50)의 앞쪽에 불투명 유리(60)를 배치하여 실질적으로 레이저 빔의 M² 팩터를 5∼50으로 설정한다.

(3) 불투명 유리(60)를 대신하여 집광 렌즈(50)의 앞쪽에 위상 변조기를 배치하여 실질적으로 레이저 빔의 M² 팩터를 5∼50으로 설정한다.

(4) 집광 렌즈(50)의 앞쪽에 회절 격자(DOE)를 배치하여 레이저 빔을 다분기해서 실질적으로 레이저 빔의 M² 팩터를 5∼50으로 설정한다.

(5) 실질적으로 레이저 빔의 M² 팩터를 5∼50으로 설정하는 집광 렌즈(50)를 이용한다.

(6) 레이저 빔을 멀티 모드 파이버에 입사시키고, 멀티 모드 파이버로부터 출사되는 레이저 빔의 M² 팩터를 5∼50으로 설정한다.

도 10을 참조하면, 집광 렌즈(50)의 개구수(NA)를 0.45∼0.9로 설정하여 초점 심도가 비교적 얕은 집광 렌즈(50)를 사용하고, 레이저 빔(LB)의 M² 팩터를 실질적으로 5∼50으로 설정하여 개질층(23)을 형성할 때의 모식도가 도시되어 있다. 집광점(62)의 직경이 φ15 ㎛∼φ150 ㎛가 되기 때문에, 비교적 면적이 큰 개질층(23)과, 개질층(23)으로부터 전파되는 크랙(25)이 형성된다.

본 실시형태의 개질층 형성 단계는, 비교적 큰 면적을 갖는 개질층(23)을 형성하는 것을 주된 목적으로 하고 있기 때문에, 일본 특허 공개 제2013-49461호 공보에 기재된 바와 같은, 레이저 빔의 조사 방법에 대해서도 적용할 수 있다.

즉, 잉곳(11)의 제1 면의 수선에 대해 c축이 오프각만큼 기울고, 제1 면과 c면 사이에 오프각이 형성되는 방향과 직교하는 방향으로 레이저 빔의 집광점을 상대적으로 이동시키는 개질층 형성 단계에 한정되는 것은 아니며, c축 및 c면과 아무런 관계가 없는 개질층 형성 단계에도 적용할 수 있다.

본 실시형태의 개질층 형성 단계에서는, 집광 렌즈(50)의 개구수(NA)를 0.45∼0.9로 설정하고, 레이저 빔(LB)의 M² 팩터를 실질적으로 5∼50으로 설정했기 때문에, 집광점의 직경을 φ15 ㎛∼φ150 ㎛로 할 수 있다.

따라서, 비교적 큰 면적의 개질층(23)을 형성할 수 있기 때문에, SiC 잉곳(11)의 내부에 효율적으로 개질층(23)과 크랙(25)으로 이루어지는 분리 기점을 형성할 수 있다.

여기서, 최적의 집광점(62)의 파워 밀도에 대해 고찰한다. 집광점(62)의 직경이 φ3 ㎛, 레이저 빔의 평균 출력이 3 W, 반복 주파수가 80 ㎑인 레이저 빔의 집광점을 잉곳(11)의 상면(11a)으로부터 깊이 500 ㎛에 위치시켜 레이저 빔을 조사하고, 40 ㎜/s의 이송 속도로 집광점을 이동시켜 형성한 개질층(23)의 궤적을 분석하였다.

최초의 개질층(23)은 깊이 500 ㎛의 위치에 형성되어 있으나 서서히 개질층(23)이 포물선을 그리도록 상승하고, 100 펄스당 깊이 400 ㎛의 위치에서 개질층(23)이 안정되어 수평이 되었다. 이것에 대해서는 이하와 같이 추찰된다.

즉, 최초에는 파워 밀도가 가장 높은 집광점에서 개질층(23)이 형성되지만, 개질층(23)의 상부에 석출된 탄소(C)에 의해 연속적으로 조사되는 레이저 빔이 흡수되어, 연쇄적으로 탄소의 영역에서 개질층(23)이 상승하면서 형성된다. 그리고, 개질층(23)이 형성되는 임계점의 파워 밀도에서 안정된다고 생각된다.

임계점에 있어서의 집광 스폿(62)의 직경은 φ41.5 ㎛이고, 파워 밀도는 2.2×10⁵ W/㎠이다. 반복 실험을 행한 결과, 파워 밀도가 (2∼3)×10⁵ W/㎠의 범위에서 안정된 개질층(23)이 형성되는 것이 판명되었다. 따라서, 본 실시형태의 개질층 형성 단계에서는, 집광점에서의 파워 밀도를 (2∼3)×10⁵ W/㎠로 설정하였다.

잉곳(11)의 전체 영역의 깊이(D1)의 위치에 복수의 개질층(23) 및 개질층(23)으로부터 c면을 따라 신장되는 크랙(25)의 형성이 종료되었다면, 외력을 부여하여 개질층(23) 및 크랙(25)으로 이루어지는 분리 기점으로부터 형성해야 할 웨이퍼의 두께에 상당하는 판형물을 SiC 잉곳(11)으로부터 분리하여 SiC 웨이퍼(27)를 생성하는 웨이퍼 박리 단계를 실시한다.

이 웨이퍼 박리 단계는, 예컨대 도 11에 도시된 바와 같은 압박 기구(54)에 의해 실시한다. 압박 기구(54)는, 칼럼(52) 내에 내장된 이동 기구에 의해 상하 방향으로 이동하는 헤드(56)와, 헤드(56)에 대해, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 화살표 R 방향으로 회전되는 압박 부재(58)를 포함하고 있다.

도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 압박 기구(54)를 지지 테이블(26)에 고정된 잉곳(11)의 상방에 위치시키고, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 압박 부재(58)가 잉곳(11)의 상면(11a)에 압접(壓接)될 때까지 헤드(56)를 하강한다.

압박 부재(58)를 잉곳(11)의 상면(11a)에 압접한 상태에서, 압박 부재(58)를 화살표 R 방향으로 회전시키면, 잉곳(11)에는 비틀림 응력이 발생하여, 개질층(23) 및 크랙(25)이 형성된 분리 기점으로부터 잉곳(11)이 파단되고, SiC 잉곳(11)으로부터 도 12에 도시된 SiC 웨이퍼(27)를 분리할 수 있다.

SiC 웨이퍼(27)를 잉곳(11)으로부터 분리한 후, SiC 웨이퍼(27)의 분리면 및 잉곳(11)의 분리면을 연마하여 경면으로 가공하는 것이 바람직하다.

2: 레이저 가공 장치 11: SiC 잉곳
11a: 제1 면(상면) 11b: 제2 면(하면)
13: 제1 오리엔테이션 플랫 15: 제2 오리엔테이션 플랫
17: 제1 면의 수선 19: c축
21: c면 23: 개질층
25: 크랙 26: 지지 테이블
30: 레이저 빔 조사 유닛 36: 집광기(레이저 헤드)
50: 집광 렌즈 54: 압박 기구
56: 헤드 58: 압박 부재
60: 불투명 유리 62: 집광점

Claims

SiC 웨이퍼의 생성 방법에 있어서,
SiC 잉곳에 대해 투과성을 갖는 파장의 레이저 빔의 집광점을 SiC 잉곳의 단부면으로부터 생성될 웨이퍼의 두께에 상당하는 깊이에 위치시키고, 상기 집광점과 상기 SiC 잉곳을 상대적으로 이동시켜 레이저 빔을 상기 단부면에 조사하여, 상기 단부면에 평행한 개질층 및 상기 개질층으로부터 신장되는 크랙을 형성하여 분리 기점으로 하는 분리 기점 형성 단계와,
상기 분리 기점 형성 단계를 실시한 후, 상기 분리 기점으로부터 웨이퍼의 두께에 상당하는 판형물을 상기 SiC 잉곳으로부터 박리하여 SiC 웨이퍼를 생성하는 웨이퍼 박리 단계
를 포함하고,
상기 분리 기점 형성 단계에 있어서, 집광점을 형성하는 집광 렌즈의 개구수를 0.45∼0.9로 설정하고, 레이저 빔의 M² 팩터를 5∼50으로 설정하여 집광점의 직경을 φ15 ㎛∼φ150 ㎛로 설정하는 것을 특징으로 하는 SiC 웨이퍼의 생성 방법.
제1항에 있어서,
상기 집광점의 파워 밀도는 (2∼3)×10⁵ W/㎠인 것인 SiC 웨이퍼의 생성 방법.
제1 면과 상기 제1 면과 반대측의 제2 면과, 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면에 이르는 c축과, 상기 c축에 직교하는 c면을 갖는 SiC 잉곳으로부터 SiC 웨이퍼를 생성하는 SiC 웨이퍼의 생성 방법에 있어서,
SiC 잉곳에 대해 투과성을 갖는 파장의 레이저 빔의 집광점을 상기 제1 면으로부터 생성될 웨이퍼의 두께에 상당하는 깊이에 위치시키고, 상기 집광점과 상기 SiC 잉곳을 상대적으로 이동시켜 상기 레이저 빔을 상기 제1 면에 조사하여, 상기 제1 면에 평행한 개질층 및 상기 개질층으로부터 신장되는 크랙을 형성하여 분리 기점으로 하는 분리 기점 형성 단계와,
상기 분리 기점 형성 단계를 실시한 후, 상기 분리 기점으로부터 웨이퍼의 두께에 상당하는 판형물을 상기 SiC 잉곳으로부터 박리하여 SiC 웨이퍼를 생성하는 웨이퍼 박리 단계
를 포함하고,
상기 분리 기점 형성 단계는,
상기 제1 면의 수선(垂線)에 대해 상기 c축이 오프각만큼 기울고, 상기 제1 면과 상기 c면 사이에 오프각이 형성되는 방향과 직교하는 방향으로 레이저 빔의 집광점을 상대적으로 이동시켜 직선형의 개질층을 형성하는 개질층 형성 단계와,
상기 오프각이 형성되는 방향으로 상기 집광점을 상대적으로 이동시켜 미리 정해진 양 인덱싱하는 인덱싱 단계
를 포함하며,
상기 분리 기점 형성 단계에 있어서, 집광점을 형성하는 집광 렌즈의 개구수를 0.45∼0.9로 설정하고, 레이저 빔의 M² 팩터를 5∼50으로 설정하여 상기 집광점의 직경을 φ15 ㎛∼φ150 ㎛로 설정하는 것을 특징으로 하는 SiC 웨이퍼의 생성 방법.