JP6425606B2 - ウエーハの生成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、六方晶単結晶インゴットをウエーハ状にスライスするウエーハの生成方法に関する。
ＩＣ、ＬＳＩ等の各種デバイスは、シリコン等を素材としたウエーハの表面に機能層を積層し、この機能層に複数の分割予定ラインによって区画された領域に形成される。そして、切削装置、レーザー加工装置等の加工装置によってウエーハの分割予定ラインに加工が施され、ウエーハが個々のデバイスチップに分割され、分割されたデバイスチップは携帯電話、パソコン等の各種電子機器に広く利用されている。
また、パワーデバイス又はＬＥＤ、ＬＤ等の光デバイスは、ＳｉＣ、ＧａＮ等の六方晶単結晶を素材としたウエーハの表面に機能層が積層され、積層された機能層に格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画されて形成される。
デバイスが形成されるウエーハは、一般的にインゴットをワイヤーソーでスライスして生成され、スライスされたウエーハの表裏面を研磨して鏡面に仕上げられる（例えば、特開２０００−９４２２１号公報参照）。
このワイヤーソーでは、直径約１００〜３００μｍのピアノ線等の一本のワイヤーを通常二〜四本の間隔補助ローラー上に設けられた多数の溝に巻き付けて、一定ピッチで互いに平行に配置してワイヤーを一定方向又は双方向に走行させて、インゴットを複数のウエーハにスライスする。
しかし、インゴットをワイヤーソーで切断し、表裏面を研磨してウエーハを生成すると、インゴットの７０〜８０％が捨てられることになり、不経済であるという問題がある。特に、ＳｉＣ、ＧａＮ等の六方晶単結晶インゴットはモース硬度が高く、ワイヤーソーでの切断が困難であり相当な時間がかかり生産性が悪く、効率よくウエーハを生成することに課題を有している。
これらの問題を解決するために、ＳｉＣに対して透過性を有する波長のレーザービームの集光点を六方晶単結晶インゴットの内部に位置付けて照射し、切断予定面に改質層及びクラックを形成し、外力を付与してウエーハを改質層及びクラックが形成された切断予定面に沿って割断して、インゴットからウエーハを分離する技術が特開２０１３−４９１６１号公報に記載されている。
この公開公報に記載された技術では、パルスレーザービームの第一の照射点と該第一の照射点に最も近い第二の照射点とが所定位置となるように、パルスレーザービームの集光点を切断予定面に沿って螺旋状に照射するか、又は直線状に照射して、非常に高密度な改質層及びクラックをインゴットの切断予定面に形成している。
特開２０００−９４２２１号公報 特開２０１３−４９１６１号公報
しかし、特許文献２記載のインゴットの切断方法では、レーザービームの照射方法はインゴットに対して螺旋状又は直線状であり、直線状の場合レーザービームを走査する方向は何ら規定されていない。
特許文献２に記載されたインゴットの切断方法では、レーザービームの第一の照射点と該第一の照射点に最も近い第二の照射点との間のピッチを１μｍ〜１０μｍに設定している。このピッチは、改質層から生じた割れがｃ面に沿って伸びるピッチである。
このようにレーザービームを照射する際のピッチが非常に小さいため、レーザービームの照射方法が螺旋状であっても又は直線状であっても、非常に小さなピッチ間隔でレーザービームを照射する必要があり、生産性の向上が十分図られていないという問題がある。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インゴットから効率よくウエーハを生成することのできるウエーハの生成方法を提供することである。
本発明によると、第一の面と該第一の面と反対側の第二の面と、該第一の面から該第二の面に至るｃ軸と、該ｃ軸に直交するｃ面とを有する六方晶単結晶インゴットからウエーハを生成するウエーハの生成方法であって、六方晶単結晶インゴットに対して透過性を有する波長のレーザービームの集光点を該第一の面から生成するウエーハの厚みに相当する深さに位置付けると共に、該集光点と該六方晶単結晶インゴットとを相対的に移動して該レーザービームを該第一の面に照射し、該第一の面に平行な改質層及び該改質層から伸長するクラックを形成して分離起点を形成する分離起点形成ステップと、該分離起点形成ステップを実施した後、該分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物を該六方晶単結晶インゴットから剥離して六方晶単結晶ウエーハを生成するウエーハ剥離ステップと、を備え、該分離起点形成ステップは、該第一の面の垂線に対して該ｃ軸がオフ角分傾き、該第一の面と該ｃ面との間にオフ角が形成される方向と直交する方向にレーザービームの集光点を相対的に移動して直線状の改質層を形成する改質層形成ステップと、該オフ角が形成される方向に該集光点を相対的に移動して所定量インデックスするインデックスステップと、を含み、該改質層形成ステップは、レーザービームの集光点をウエーハの内部から外周に向けて相対的に移動して実施することを特徴とするウエーハの生成方法が提供される。
好ましくは、六方晶単結晶インゴットは、ＳｉＣインゴット、ＧａＮインゴット、又はＡｌＮインゴットから選択される。
本発明のウエーハの生成方法によると、インゴットの第一の面とｃ面との間にオフ角が形成される方向と直交する方向にレーザービームの集光点を相対的に移動して、直線状の改質層をインゴット内部に形成すると共に、該オフ角が形成される方向にインデックスした後該オフ角が形成される方向に直交する方向にレーザービームの集光点を相対的に移動して直線状の改質層を形成するステップを繰り返すので、改質層は第一の面から所定深さに形成されると共に、改質層の両側にｃ面に沿ってクラックが伝播することで、一つの改質層と隣接する改質層とがクラックによって連結し、分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物を六方晶単結晶インゴットから容易に剥離して、六方晶単結晶ウエーハを生成することができる。
レーザービームの移動する方向をオフ角が形成される方向に直交する方向に設定したために、改質層の両側からｃ面に沿って伝播して形成されるクラックが非常に長く伸長するため、インデックス量を２００μｍ〜５００μｍ程度と大きくとることができ、生産性の向上を十分図ることができると共に、捨てられるインゴットの量を十分軽減でき３０％前後に抑えることができる。
また、レーザービームの集光点がインゴットの外周から内部に向かって移動すると、集光点が外周に位置付けられた瞬間から内部に移動するにつれて集光点に集中するレーザービームのパワーが低から高に変化し、その後高パワーで安定するが、レーザービームのパワーが低から高に変化するにつれて改質層の位置が放物線のような軌跡を描き不要な改質層及びクラックが形成され、ウエーハ剥離ステップにおいて外周部の剥離が困難であると共に外周部に欠けが生じて品質の低下を招く恐れがあるが、レーザービームの集光点をインゴットの内部から外周に向けて相対的に移動すると、インゴットの内部で形成された良好な改質層及びクラックに誘導されてレーザービームが外周に抜ける際に良好な改質層及びクラックが外周にも形成され、外周部の剥離が容易になると共に外周部に欠けが生じることがなく品質の良いウエーハを得ることができる。
本発明のウエーハの生成方法を実施するのに適したレーザー加工装置の斜視図である。 レーザービーム発生ユニットのブロック図である。 図３（Ａ）は六方晶単結晶インゴットの斜視図、図３（Ｂ）はその正面図である。 分離起点形成ステップを説明する斜視図である。 六方晶単結晶インゴットの平面図である。 改質層形成ステップを説明する模式的断面図である。 改質層形成ステップを説明する模式的平面図である。 図８（Ａ）はインデックスステップを説明する模式的平面図、図８（Ｂ）はインデックス量を説明する模式的平面図である。 改質層形成ステップ時のレーザービームの照射方法を説明する模式的平面図である。 ウエーハ剥離ステップを説明する斜視図である。 生成された六方晶単結晶ウエーハの斜視図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、本発明のウエーハの生成方法を実施するのに適したレーザー加工装置２の斜視図が示されている。レーザー加工装置２は、静止基台４上にＸ軸方向に移動可能に搭載された第一スライドブロック６を含んでいる。
第一スライドブロック６は、ボールねじ８及びパルスモータ１０から構成される加工送り機構１２により一対のガイドレール１４に沿って加工送り方向、即ちＸ軸方向に移動される。
第一スライドブロック６上には第二スライドブロック１６がＹ軸方向に移動可能に搭載されている。即ち、第二スライドブロック１６はボールねじ１８及びパルスモータ２０から構成される割り出し送り機構２２により一対のガイドレール２４に沿って割り出し送り方向、即ちＹ軸方向に移動される。
第二スライドブロック１６上には支持テーブル２６が搭載されている。支持テーブル２６は加工送り機構１２及び割り出し送り機構２２によりＸ軸方向及びＹ軸方向方向に移動可能であると共に、第二スライドブロック１６中に収容されたモータにより回転される。
静止基台４にはコラム２８が立設されており、このコラム２８にレーザービーム照射機構（レーザービーム照射手段）３０が取り付けられている。レーザービーム照射機構３０は、ケーシング３２中に収容された図２に示すレーザービーム発生ユニット３４と、ケーシング３２の先端に取り付けられた集光器（レーザーヘッド）３６とから構成される。ケーシング３２の先端には集光器３６とＸ軸方向に整列して顕微鏡及びカメラを有する撮像ユニット３８が取り付けられている。
レーザービーム発生ユニット３４は、図２に示すように、ＹＡＧレーザー又はＹＶＯ４レーザーを発振するレーザー発振器４０と、繰り替え周波数設定手段４２と、パルス幅調整手段４４と、パワー調整手段４６とを含んでいる。特に図示しないが、レーザー発振器４０はブリュースター窓を有しており、レーザー発振器４０から出射されるレーザービームは直線偏光のレーザービームである。
レーザービーム発生ユニット３４のパワー調整手段４６により所定パワーに調整されたパルスレーザービームは、集光器３６のミラー４８により反射され、更に集光レンズ５０により支持テーブル２６に固定された被加工物である六方晶単結晶インゴット１１の内部に集光点を位置付けられて照射される。
図３（Ａ）を参照すると、加工対象物である六方晶単結晶インゴット１１の斜視図が示されている。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示した六方晶単結晶インゴット１１の正面図である。六方晶単結晶インゴット（以下、単にインゴットと略称することがある）１１は、ＳｉＣ単結晶インゴット、ＧａＮ単結晶インゴット、又はＡｌＮインゴットから構成される。
インゴット１１は、第一の面（上面）１１ａと第一の面１１ａと反対側の第二の面（裏面）１１ｂを有している。インゴット１１の表面１１ａは、レーザービームの照射面となるため鏡面に研磨されている。
インゴット１１は、第一のオリエンテーションフラット１３と、第一のオリエンテーションフラット１３に直交する第二のオリエンテーションフラット１５を有している。第一のオリエンテーションフラット１３の長さは第二のオリエンテーションフラット１５の長さより長く形成されている。
インゴット１１は、表面１１ａの垂線１７に対して第二のオリエンテーションフラット１５方向にオフ角α傾斜したｃ軸１９とｃ軸１９に直交するｃ面２１を有している。ｃ面２１はインゴット１１の表面１１ａに対してオフ角α傾斜している。一般的に、六方晶単結晶インゴット１１では、短い第二のオリエンテーションフラット１５の伸長方向に直交する方向がｃ軸の傾斜方向である。
ｃ面２１はインゴット１１中にインゴット１１の分子レベルで無数に設定される。本実施形態では、オフ角αは４°に設定されている。しかし、オフ角αは４°に限定されるものではなく、例えば１°〜６°の範囲で自由に設定してインゴット１１を製造することができる。
図１を再び参照すると、静止基台４の左側にはコラム５２が固定されており、このコラム５２にはコラム５２に形成された開口５３を介して押さえ機構５４が上下方向に移動可能に搭載されている。
本実施形態のウエーハの生成方法では、図４に示すように、インゴット１１の第二のオリエンテーションフラット１５がＸ軸方向に整列するようにインゴット１１を支持テーブル２６上に例えばワックス又は接着剤で固定する。
即ち、図５に示すように、オフ角αが形成される方向Ｙ１、換言すると、インゴット１１の表面１１ａの垂線１７に対してｃ軸１９の表面１１ａとの交点１９ａが存在する方向に直交する方向、即ち矢印Ａ方向をＸ軸に合わせてインゴット１１を支持テーブル２６に固定する。
これにより、オフ角αが形成される方向に直交する方向Ａに沿ってレーザービームが走査される。換言すると、オフ角αが形成される方向Ｙ１に直交するＡ方向が支持テーブル２６の加工送り方向となる。
本発明のウエーハの生成方法では、集光器３６から出射されるレーザービームの走査方向を、インゴット１１のオフ角αが形成される方向Ｙ１に直交する矢印Ａ方向としたことが重要である。
即ち、本発明のウエーハの生成方法は、レーザービームの走査方向を上述したような方向に設定することにより、インゴット１１の内部に形成される改質層から伝播するクラックがｃ面２１に沿って非常に長く伸長することを見出した点に特徴がある。
本実施形態のウエーハの生成方法では、まず、支持テーブル２６に固定された六方晶単結晶インゴット１１に対して透過性を有する波長（例えば１０６４ｎｍの波長）のレーザービームの集光点を第一の面（表面）１１ａから生成するウエーハの厚みに相当する深さに位置付けると共に、集光点と六方晶単結晶インゴット１１とを相対的に移動してレーザービームを表面１１ａに照射し、表面１１ａに平行な改質層２３及び改質層２３からｃ面２１に沿って伝播するクラック２５を形成して分離起点とする分離起点形成ステップを実施する。
この分離起点形成ステップは、表面１１ａの垂線１７に対してｃ軸１９がオフ角α分傾き、ｃ面２１と表面１１ａとにオフ角αが形成される方向、即ち、図５の矢印Ｙ１方向に直交する方向、即ちＡ方向にレーザービームの集光点を相対的に移動してインゴット１１の内部に改質層２３及び改質層２３からｃ面２１に沿って伝播するクラック２５を形成する改質層形成ステップと、図７及び図８に示すように、オフ角が形成される方向、即ちＹ軸方向に集光点を相対的に移動して所定量インデックスするインデックスステップとを含んでいる。
図６及び図７に示すように、改質層２３をＸ軸方向に直線状に形成すると、改質層２３の両側からｃ面２１に沿ってクラック２５が伝播して形成される。本実施形態のウエーハの生成方法では、直線状の改質層２３からｃ面方向に伝播して形成されるクラック２５の幅を計測し、集光点のインデックス量を設定するインデックス量設定ステップを含む。
インデックス量設定ステップにおいて、図６に示すように、直線状の改質層２３からｃ面方向に伝播して改質層２３の片側に形成されるクラック２５の幅をＷ１とした場合、インデックスすべき所定量Ｗ２は、Ｗ１以上２Ｗ１以下に設定される。
ここで、好ましい実施形態の、レーザー加工方法は以下のように設定される。
光源 ：Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザー
波長 ：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数 ：８０ｋＨｚ
平均出力 ：３．２Ｗ
パルス幅 ：４ｎｓ
スポット径 ：１０μｍ
集光レンズの開口数（ＮＡ） ：０．４５
インデックス量 ：４００μｍ
上述したレーザー加工条件においては、図６において、改質層２３からｃ面に沿って伝播するクラック２５の幅Ｗ１が略２５０μｍに設定され、インデックス量Ｗ２が４００μｍに設定される。
しかし、レーザービームの平均出力は３．２Ｗに限定されるものではなく、本実施形態の加工方法では、平均出力を２Ｗ〜４．５Ｗに設定して良好な結果が得られた。平均出力２Ｗの場合、クラック２５の幅Ｗ１は略１００μｍとなり、平均出力４．５Ｗの場合には、クラック２５の幅Ｗ１は略３５０μｍとなった。
平均出力が２Ｗ未満の場合及び４．５Ｗより大きい場合には、インゴット１１の内部に良好な改質層２３を形成することができないため、照射するレーザービームの平均出力は２Ｗ〜４．５Ｗの範囲内が好ましく、本実施形態では平均出力３．２Ｗのレーザービームをインゴット１１に照射した。図６において、改質層２３を形成する集光点の表面１１ａからの深さＤ１は５００μｍに設定した。
図８（Ａ）を参照すると、レーザービームの走査方向を説明する模式図が示されている。分離起点形成ステップは往路Ｘ１及び復路Ｘ２で実施され、往路Ｘ１で六方晶単結晶インゴット１１に改質層２３を形成したレーザービームの集光点は、所定量インデックスされた後、復路Ｘ２で六方晶単結晶インゴット１１に改質層２３を形成する。
また、分離起点形成ステップにおいて、レーザービームの集光点のインデックスすべき所定量がＷ以上２Ｗ以下に設定された場合、六方晶単結晶インゴット１１にレーザービームの集光点が位置付けられ最初の改質層２３が形成されるまでの集光点のインデックス量はＷ以下に設定されるのが好ましい。
例えば、図８（Ｂ）に示すように、レーザービームの集光点をインデックスすべき所定量が４００μｍの場合には、インゴット１１に最初の改質層２３が形成されるまでは、インデックス量２００μｍでレーザービームの走査を複数回実行する。
最初の方のレーザービームの走査は空打ちであり、インゴット１１の内部に最初に改質層２３を形成したのが判明したならば、インデックス量４００μｍに設定してインゴット１１の内部に改質層２３を形成する。
次に図９を参照して、インゴット１１の内部に改質層を形成する際の、レーザービームの照射方法について説明する。本実施形態では、まず、Ｃ１に対応するインゴット１１の内部に集光点を位置付けて、レーザービームの集光点が矢印Ｘ１で示す方向に相対的に移動するようにレーザービームを照射し、次いで再びＣ１に対応するインゴット１１の内部に集光点を位置付けて、レーザービームの集光点が矢印Ｘ２で示す方向に相対的に移動するようにレーザービームを照射する。
次いで、オフ角が形成されるＹ方向にレーザービームを所定量インデックス送りして、Ｃ２に対応するインゴット１１の内部に集光点を位置付けて、レーザービームの集光点を矢印Ｘ１で示す方向にインゴット１１の内部から外周に向けて相対的に移動するようにレーザービームを照射する。
次いで、レーザービームの集光点をＣ２に対応するインゴット１１の内部に位置付けて、レーザービームの集光点が矢印Ｘ２で示すインゴット１１の内部から外周に向けて移動するようにレーザービームを照射する。このステップを、オフ角が形成されるＹ方向にインゴット１１を所定量インデックス送りしながら、Ｃ３，Ｃ４の左右両方向について実施する。
このようにレーザービームの集光点をインゴット１１の内部から外周に向けて相対的に移動してインゴット１１の内部に改質層２３を形成すると、インゴット１１の内部に形成された良好な改質層２３及びクラック２５に誘導されてレーザービームが外周に抜ける際に良好な改質層２３及びクラック２５が外周にも形成され、外周部の剥離が容易になると共に外周部に欠けが生じることがなく、品質の良いウエーハを得ることができる。
これと反対に、図８（Ａ）に示すように、レーザービームの集光点をインゴット１１の外周から内部に向かって移動すると、集光点がインゴット１１の外周に位置付けられた瞬間から内部に移動するにつれて集光点に集中するレーザービームのパワーが低から高に変化しその後再び高パワーで安定するが、レーザービームのパワーが低から高に変化するにつれて改質層２３の位置が放物線のような軌跡を描き不要な改質層２３及びクラック２５が形成されて、ウエーハ剥離ステップにおいて外周部の剥離が困難であると共に外周部に欠けが生じて品質の低下を招く恐れがある。
図８（Ｂ）に示したように所定量インデックス送りしながら、インゴット１１の全領域の深さＤ１の位置に複数の改質層２３及び改質層２３からｃ面２１に沿って伸びるクラック２５の形成が終了したならば、外力を付与して改質層２５及びクラック２３からなる分離起点から形成すべきウエーハの厚みに相当する板状物を六方晶単結晶インゴット１１から分離して六方晶単結晶ウエーハ２７を生成するウエーハ剥離工程を実施する。
このウエーハ剥離工程は、例えば図１０に示すような押圧機構５４により実施する。押圧機構５４は、コラム５２内に内蔵された移動機構により上下方向に移動するヘッド５６と、ヘッド５６に対して、図１０（Ｂ）に示すように、矢印Ｒ方向に回転される押圧部材５８とを含んでいる。
図１０（Ａ）に示すように、押圧機構５４を支持テーブル２６に固定されたインゴット１１の上方に位置付け、図１０（Ｂ）に示すように、押圧部材５８がインゴット１１の表面１１ａに圧接するまでヘッド５６を下降する。
押圧部材５８をインゴット１１の表面１１ａに圧接した状態で、押圧部材５８を矢印Ｒ方向に回転すると、インゴット１１にはねじり応力が発生し、改質層２３及びクラック２５が形成された分離起点からインゴット１１が破断され、六方晶単結晶インゴット１１から図１１に示す六方晶単結晶ウエーハ２７を分離することができる。
ウエーハ２７をインゴット１１から分離後、ウエーハ２７の分離面及びインゴット１１の分離面を研磨して鏡面に加工するのが好ましい。
２ レーザー加工装置
１１ 六方晶単結晶インゴット
１１ａ 第一の面（表面）
１１ｂ 第二の面（裏面）
１３ 第一のオリエンテーションフラット
１５ 第二のオリエンテーションフラット
１７ 第一の面の垂線
１９ ｃ軸
２１ ｃ面
２３ 改質層
２５ クラック
２６ 支持テーブル
３０ レーザービーム照射ユニット
３６ 集光器（レーザーヘッド）
５４ 押圧機構
５６ ヘッド
５８ 押圧部材

Claims (2)

  1. 第一の面と該第一の面と反対側の第二の面と、該第一の面から該第二の面に至るｃ軸と、該ｃ軸に直交するｃ面とを有する六方晶単結晶インゴットからウエーハを生成するウエーハの生成方法であって、
    六方晶単結晶インゴットに対して透過性を有する波長のレーザービームの集光点を該第一の面から生成するウエーハの厚みに相当する深さに位置付けると共に、該集光点と該六方晶単結晶インゴットとを相対的に移動して該レーザービームを該第一の面に照射し、該第一の面に平行な改質層及び該改質層から伸長するクラックを形成して分離起点を形成する分離起点形成ステップと、
    該分離起点形成ステップを実施した後、該分離起点からウエーハの厚みに相当する板状物を該六方晶単結晶インゴットから剥離して六方晶単結晶ウエーハを生成するウエーハ剥離ステップと、を備え、
    該分離起点形成ステップは、該第一の面の垂線に対して該ｃ軸がオフ角分傾き、該第一の面と該ｃ面との間にオフ角が形成される方向と直交する方向にレーザービームの集光点を相対的に移動して直線状の改質層を形成する改質層形成ステップと、
    該オフ角が形成される方向に該集光点を相対的に移動して所定量インデックスするインデックスステップと、を含み、
    該改質層形成ステップは、レーザービームの集光点をウエーハの内部から外周に向けて相対的に移動して実施することを特徴とするウエーハの生成方法。
  2. 六方晶単結晶インゴットは、ＳｉＣインゴット、ＧａＮインゴット、又はＡｌＮインゴットから選択される請求項１記載のウエーハの生成方法。
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