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JP6770340B2 - ウエーハの生成方法 - Google Patents

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JP6770340B2
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Description

本発明は、ＧａＮインゴットからＧａＮウエーハを生成するためのウエーハの生成方法に関する。
ＩＣ、ＬＳＩ等の複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され表面に形成されたＳｉ（シリコン）ウエーハは、ダイシング装置、レーザー加工装置によって個々のデバイスに分割され携帯電話、パソコン等の電気機器に利用される。
また、ＧａＮ（窒化ガリウム）は、バンドギャップがＳｉの３倍広いことから、パワーデバイス、ＬＥＤ等のデバイスを形成する際にＧａＮウエーハが使用され、該ＧａＮウエーハは、外周刃よりも刃厚を薄くできる内周刃を用いてＧａＮインゴットから切断されることが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２０１１−８４４６９号公報
しかし、ＧａＮインゴットから内周刃を用いて切り出すとしても、ＧａＮウエーハの厚み（例えば、１５０μｍ）に対して、内周刃の厚みは、例えば０．３ｍｍ程度もあることから、ＧａＮインゴットの６０〜７０％は切削時に削られ棄てられることになり、不経済であるという問題がある。
本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、ＧａＮインゴットから、効率よくＧａＮウエーハを切断してＧａＮウエーハを生成することができるレーザー加工装置、および該ＧａＮウエーハの生成方法を提供することにある。
本発明によれば、ＧａＮインゴットからＧａＮウエーハを生成するＧａＮウエーハの生成方法であって、ＧａＮインゴットを保持手段に保持する保持工程と、該保持手段に保持されたＧａＮ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ＧａＮインゴットの内部に位置付けて生成すべきＧａＮウエーハの厚みに相当する深さの界面に照射するレーザービーム照射工程と、ＧａＮウエーハをインゴットから剥離するウエーハ剥離工程と、を少なくとも含み、該レーザービームを発振する発振器は、高周波のパルスレーザーを発振するシーダと、該シーダが発振した高周波パルスを所定の繰り返し周波数で間引き複数個の高周波パルスをサブパルスとして１バーストパルスを生成する間引き部と、生成した該バーストパルスを増幅する増幅器と、から構成され、１バーストパルスを構成するサブパルスのパルス数を決定すべく、予め１条のレーザー加工を実施してレーザー加工痕を形成する試験的なレーザー加工を、サブパルスの個数を２〜１０パルスの間で実施し、それぞれのサブパルスの個数に対応して形成される破壊層が水平方向に延びる平均長さを測定し、集光点が位置付けられた界面位置において最も長く破壊層が延びるサブパルスのパルス数を求める工程を実施し、
該間引き部では、１バーストパルスを構成するサブパルスの個数として、該集光点が位置付けられた該界面位置において最も長く破壊層が延びたサブパルスの個数が設定され、該個数により構成された１バーストパルスを生成するように間引く、ＧａＮウエーハの生成方法が提供される。
本発明は、上記のように構成されていることにより、１バーストパルスのエネルギーが、１パルスの時間幅の中で分散して照射され、段階的にＧａＮが、ＧａとＮとに分離され、効率よく破壊層が形成される。
本発明に基づき構成されるレーザー加工装置の全体斜視図である。 図１に示されたレーザー加工装置のレーザービーム照射手段の概略を示すブロック図である。 図２に示すレーザービーム照射手段における、バーストパルスを構成する高周波パルスのパルス数を設定する方法を説明するための説明図である。 図１に示されたレーザー加工装置において実行されるレーザービーム照射工程の説明をするための説明図である。 図１に示されたレーザー加工装置において実行されるウエーハ剥離工程を説明するための説明図である。
以下、本発明によりウエーハを生成するレーザー加工装置、および生成する方法の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示すレーザー加工装置２は、基台４と、被加工物を保持する保持手段６と、保持手段６を移動させる移動手段８と、レーザービーム照射手段１０と、撮像手段１２と、表示手段１４と、剥離手段１６と、図示しない制御手段とを備える。
保持手段６は、Ｘ方向において移動自在に基台４に搭載された矩形状のＸ方向可動板２０と、Ｙ方向において移動自在にＸ方向可動板２０に搭載された矩形状のＹ方向可動板２２と、Ｙ方向可動板２２の上面に回転自在に搭載された円筒形状のチャックテーブル２４とを含む。なお、Ｘ方向は図１に矢印Ｘで示す方向であり、Ｙ方向は矢印Ｙで示す方向であって、Ｘ方向に直交する方向である。Ｘ方向、Ｙ方向が規定する平面は実施上水平である。
移動手段８は、Ｘ方向移動手段２６と、Ｙ方向移動手段２８と、回転手段（図示せず）とを含む。Ｘ方向移動手段２６は、基台４上においてＸ方向に延びるボールねじ３０と、ボールねじ３０の片端部に連結されたモータ３２とを有する。ボールねじ３０のナット部（図示せず）は、Ｘ方向可動板２０の下面に固定されている。そしてＸ方向移動手段２６は、ボールねじ３０によりモータ３２の回転運動を直線運動に変換してＸ方向可動板２０に伝達し、基台４上の案内レール４ａに沿ってＸ方向可動板２０をＸ方向において進退させる。Ｙ方向移動手段２８は、Ｘ方向可動板２０上においてＹ方向に延びるボールねじ３４と、ボールねじ３４の片端部に連結されたモータ３６とを有する。ボールねじ３４のナット部（図示せず）は、Ｙ方向可動板２２の下面に固定されている。そして、Ｙ方向移動手段２８は、ボールねじ３４によりモータ３６の回転運動を直線運動に変換してＹ方向可動板２２に伝達し、Ｘ方向可動板２０上の案内レール２０ａに沿ってＹ方向可動板２２をＹ方向において進退させる。回転手段は、チャックテーブル２４に内蔵されたモータ（図示せず）を有し、Ｙ方向可動板２２に対してチャックテーブル２４を回転させる。
レーザービーム照射手段１０は、基台４の上面から上方に延びる支持部材３８によって支持され実質水平に延出するケーシング３９内に配設され、ケーシング３９の先端下面に配設された集光器１０ａを含む。
撮像手段１２は、集光器１０ａとＸ方向に間隔をおいてケーシング３９の先端下面に配設されている。撮像手段１２は、可視光線により撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）と、被加工物に赤外線を照射する赤外線照射手段と、該赤外線照射手段により照射された赤外線を捕える光学系と、該光学系が捕えた赤外線に対応して電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）とを含む（いずれも図示せず）。撮像手段１２によって撮像された画像を表示する表示手段１４は、ケーシング３９先端上面に搭載されている。
剥離手段１６は、基台４上の案内レール４ａの終端部から上方に延びる枠体４２と、Ｚ方向において移動自在に枠体４２に連結された基端からＸ方向に延びるアーム４４とを含む。枠体４２には、アーム４４をＺ方向に進退させるＺ方向移動手段（図示せず）が内蔵されている。アーム４４の先端には、モータ４６が付設されており、モータの下面には、Ｚ方向に延びる軸線を中心として回転自在に円盤状の吸着片４８が連結されている。吸着片４８は、下面（吸着面）に複数の吸着孔が形成されており、図示しない流路によって図示しない吸引手段に接続されている。また、吸着片４８には、下面に対して超音波振動を付与する超音波振動付与手段（図示せず）が内蔵されている。
レーザー加工装置２は、コンピュータからなる制御手段（図示せず）を備え、制御プログラムに従って演算処理する中央演算処理装置（ＣＰＵ）、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、演算結果等を一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等により構成される。該制御手段は、該レーザー加工装置の移動手段８、レーザービーム照射手段１０、撮像手段１２、表示手段１４、および剥離手段１６等に電気的に接続され、これらの作動を制御する。
本発明に基づき構成されるレーザービーム照射手段１０について、図２を用いてさらに詳細に説明する。
該レーザービーム照射手段１０は、被加工物にレーザービームＬＢを照射する集光器１０ａと、レーザービームＬＢを発振するレーザービーム発振器１０ｂと、レーザービーム発振器１０ｂから発振されたレーザービームＬＢを集光器１０ａに導く反射板１０ｃから構成される。レーザービーム発振器１０ｂは、シード光（種光）となる低出力で高周波のパルスレーザーＬＢ１を発振するシーダ１０１と、該シーダ１０１が発振した高周波のパルスレーザーＬＢ１を所定の繰り返し周波数で間引き複数個の高周波パルス（本実施形態では３パルス、以下、「サブパルス」という。）を１バーストパルスＢＰとして生成する間引き部としての音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：以下、「ＡＯＭ」という。）１０２と、ＡＯＭ１０２の回析格子作用により間引かれたパルスレーザーを吸収するダンパー１０３と、ＡＯＭ１０２を透過し複数個のサブパルスからなるバーストパルスＢＰにより構成されるパルスレーザーＬＢ２を増幅する増幅器１０４と、を備えている。
ＡＯＭ１０２は、例えば、テルライト系ガラスからなる音響光学媒体を備え、該音響光学媒体には図示しない圧電素子が接着されている。該音響光学媒体は、圧電素子により超音波振動が伝達されると、光弾性効果による回析格子の作用を生じるものであり、ＡＯＭ１０２の圧電素子に対して、任意の超音波振動を生じさせるためのＡＯＭ制御手段１０５が接続されている。そして、ＡＯＭ制御手段１０５を制御することにより、ＡＯＭ１０２を透過してバーストパルスＢＰを構成するサブパルスのパルス数を任意の数に形成することが可能になっている。これらシーダ１０１、ＡＯＭ制御手段１０５、増幅器１０４は、レーザー加工装置２に備えられた図示しない制御手段により適宜制御される。
本実施形態におけるレーザー加工装置２において、ＧａＮインゴットからＧａＮのウエーハを生成する場合、レーザービーム照射手段１０は、複数個のサブパルスからなるバーストパルスＢＰから構成されたパルスレーザーＬＢ２を増幅して生成されたレーザービームＬＢを照射する。該レーザービームＬＢの集光点をＧａＮインゴット内部で剥離予定の所定の高さ位置に位置付け、界面となる全面に照射することでＧａＮウエーハをより効率よく得るためには、１つのバーストパルスＢＰを構成するサブパルスのパルス数を適切に決定することが好ましい。以下に、１つのバーストパルスＢＰを構成するサブパルスのパルス数を決定する方法について説明する。
本実施形態のレーザー加工装置２は、図３（ａ）に示すように、被加工物となるＧａＮインゴット６０から１５０μｍの厚みを有するＧａＮのウエーハを生成すべく、ＧａＮインゴットの表面から１５０μｍの位置にレーザービームの集光点を位置付け照射する。そこで、１バーストパルスＢＰを構成する適切なサブパルスのパルス数を決定すべく試験的に同様の位置にレーザー加工を実施し、１条のレーザー加工痕Ｐを形成する。
図３（ｂ）には、試験的にレーザー加工を行ったＧａＮインゴット６０を上方から見た平面図における一部拡大図が示されている。該レーザー加工により形成されるレーザー加工痕Ｐを中心とした水平方向には、ＧａＮインゴットがＧａとＮとに分離された破壊層Ｂが形成される。上段から１つのバーストパルスを構成するサブパルス数を２パルスとしてバーストパルスを形成した場合、同様にサブパルス数を３パルスとした場合、サブパルスを７パルスとした場合を示す。図から明らかなように、サブパルスが２パルスである場合は、加工痕Ｐを中心とした水平方向に約２３０μｍの破壊層Ｂが延びている。同様に、サブパルスが３パルスの場合は６８０μｍ、サブパルスが７パルスである場合は５０μｍ、それぞれ破壊層Ｂが延びることが確認される。このような試験的なレーザー加工を、サブパルスの個数を２〜１０パルスの間で実施し、破壊層Ｂが水平方向に延びる平均長さを測定した結果を図３（ｃ）に示している。
これらの結果から、１バーストパルスを構成するサブパルスのパルス数の最適値は３個であることが理解される。即ち、ＧａＮインゴットからＧａＮウエーハを生成する場合に、サブパルスを３個に設定して１つのバーストパルスを構成しレーザービームを照射するようにすれば、ＧａＮインゴット内部の界面において剥離面を形成する際、レーザービームの間隔を最大に拡げることができ、より少ないレーザー加工量で効率よくＧａＮウエーハを剥離させる剥離面を生成することができる。なお、レーザー加工を行う際の加工条件、生成しようとするＧａＮウエーハの厚み、加工するＧａＮインゴットの品質等によっては、この最適なサブパルスが３個でない場合も想定される。その場合は、上記したように、試験的にレーザー加工を行い、集光点が位置付けられた界面位置において最も長く破壊層が延びるサブパルスのパルス数を求め、実際のレーザー加工に適用すればよい。
本発明に基づいて構成されるレーザー加工装置２は、概ね以上のように構成されるものであり、本実施形態のレーザー加工装置２を用いて実施されるＧａＮのウエーハの生成方法について、さらに詳細に説明する。
まず、図１に示すように、ＧａＮインゴット６０の裏面を保持手段としてのチャックテーブル２４の上面に固定する。当該固定は、例えばエポキシ樹脂系接着剤等を使用して固定することができる（保持工程）。ＧａＮインゴットをチャックテーブル２４に固定した後、アライメント工程を実施する。アライメント工程では、まず、移動手段８によってチャックテーブル２４を撮像手段１２の下方に移動させ、撮像手段１２によってＧａＮインゴット６０を撮像する。次いで、撮像手段１２によって撮像されたＧａＮインゴット６０の画像に基づき、ＧａＮインゴット６０の外周、および外周に形成された切欠き（オリエンテーションフラット）を検出すると共に、チャックテーブル２４を移動、回転させてＧａＮインゴット６０と集光器１０ａとの位置合わせを行い、加工開始時に集光器１０ａから照射されるレーザービームＬＢが、ＧａＮインゴット６０の中心位置になるように設定される。次いで、集光点位置調整手段によって集光器１０ａをＺ軸方向に移動させてパルスレーザーの集光点位置をＧａＮインゴットの表面から所定深さ（１５０μｍ）の位置に調整する。
該集光点位置をＧａＮインゴットの中心位置に位置付けたならば、図４（ａ）に示すように、ＧａＮインゴットの中心に向けて、バーストパルスＢＰにより構成される該レーザービームＬＢを集光器１０ａから照射すると共に、チャックテーブル２４に内蔵されたモータ（図示せず）の作用によりチャックテーブル２４を回転させ、Ｙ方向移動手段２８を作動させてチャックテーブル２４をＹ方向に所定速度で移動させる。これにより、レーザービームＬＢの照射によって形成されるレーザー加工痕Ｐが、ＧａＮインゴットの中心からスタートして渦巻状になるように形成される（レーザービーム照射工程）。
なお、本実施形態におけるレーザービーム照射工程は、例えば以下の加工条件にて実施することができる。
レーザービームＬＢの波長 ：１０６４ｎｍ
高周波パルスＬＢ１の周波数 ：６４ＭＨｚ
高周波パルスＬＢ１のパルス時間幅 ：３１５ｆｓ
高周波パルスＬＢ１のパルス時間間隔 ：１５．６ｎｓ
レーザービームＬＢの繰り返し周波数 ：１００ｋＨｚ
バーストパルスＢＰを構成するサブパルス数：３個（２〜１０個から選択可能）
バーストパルスＢＰの時間幅 ：３１．２ｎｓ
増幅後のレーザービームＬＢの平均出力 ：１Ｗ
１バーストパルス当たりのエネルギー ：１／１００，０００（Ｊ）
開口数（ＮＡ） ：０．８
加工送り速度 ：１００ｍｍ／ｓ
界面の位置 ：１５０μｍ（インゴット表面から）
インデックス ：６００μｍ
なお、上記加工条件に基づきレーザービームＬＢを照射する際の加工送り速度は、剥離面の品質を均一に形成すべく一定に維持されることが好ましい。よって、ＧａＮインゴットの中心からパルスレーザーの照射を開始した場合は、チャックテーブルを回転させる回転速度が徐々に遅くなるように設定される。また、図４（ａ）に示す実施形態では、レーザービームＬＢの照射をＧａＮインゴットの中心からスタートし、チャックテーブル２４の回転手段とＹ方向移動手段２８とを作動させてレーザー加工痕Ｐを外方に向けて徐々に渦巻形状に形成するようにしたが、界面全体にレーザービームＬＢを照射する方法はこれに限定されず、例えば、ＧａＮインゴットの最外周側からレーザービームＬＢの照射をスタートし、インゴットの中心を終点とすることもできる。さらに、図４（ｂ）に示すように、レーザービームＬＢを照射してレーザー加工痕Ｐを界面全体に形成する際に、チャックテーブル２４をＸ方向において直線的に往復移動させながら、徐々にＹ方向に移動させることにより、界面全体にレーザービームＬＢを照射してもよい。
上記したように、本実施形態では、複数個の該高周波パルス（サブパルス）から１バーストパルスを構成し、それを増幅した上でレーザービームを照射していることから、１パルス（＝１バーストパルス）のエネルギーが１パルスの時間幅の中で分散して界面位置に照射され、ＧａＮインゴット６０の内部において段階的にＧａＮがＧａとＮとに分離し、効率よく剥離面を形成することができる。特に、本実施形態では、レーザービームＬＢの集光点が位置付けられる該界面位置において最も長く破壊層が延びる個数（３個）をサブパルスのパルス数として選択しバーストパルスを形成しているため、界面にレーザービームＬＢを照射する際に、隣接するレーザービーム照射位置の間隔を最も大きく開けることができる。よって、レーザー加工を短時間で終了させることが可能であり、より生産効率が向上する。
該レーザービーム照射工程が終了したならば、ウエーハ剥離工程を実施する。ウエーハ剥離工程では、先ず、移動手段８によってチャックテーブル２４を剥離手段１６の吸着片４８の下方に移動させる。次いで、図示しないＺ方向移動手段によってアーム４４を加工させ、図５に示すとおり、吸着片４８の下面をＧａＮインゴット６０の上面に密着させる。次いで、吸引手段を作動させて吸着片４８の下面をＧａＮインゴット６０の上面に吸着させる。次いで、超音波振動付与手段を作動させて吸着片４８の下面に対して超音波振動を付与すると共に、モータ４６を作動させ吸着片４８を回転させる。これによって、上述したレーザービーム照射工程によりレーザービームが照射された界面を剥離面としてＧａＮインゴット６０の一部を分離することができ、所望の厚み（１５０μｍ）のウエーハ６２を効率よく生成することができる。ＧａＮウエーハ６２を生成した後は、基台４上に設けられた図示しない研磨手段に搬送し、ＧａＮインゴット６０の上面を研磨し、上述したレーザービーム照射工程、ウエーハ剥離工程を順次繰り返し実施することで、棄てられる素材（ＧａＮ）の総量が減少し、所定のＧａＮインゴットから、より効率的に多くのＧａＮウエーハを生成することができる。なお、本実施形態では、ウエーハの剥離工程を、レーザー加工装置２に備えられた剥離手段１６により自動的に実施したが、ＧａＮウエーハを剥離させるための手段はこれに限定されず、例えば、吸着面を備えた器具と、当該器具を把持する把持部を備えた治具と用いて作業者による手作業によって剥離工程を実施することもできる。
２：レーザー加工装置
４：基台
６：保持手段
８：移動手段
１０：レーザービーム照射手段
１２：撮像手段
１６：剥離手段
６０：ＧａＮインゴット
６２：ＧａＮウエーハ

Claims (1)

  1. ＧａＮインゴットからＧａＮウエーハを生成するＧａＮウエーハの生成方法であって、
    ＧａＮインゴットを保持手段に保持する保持工程と、
    該保持手段に保持されたＧａＮ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ＧａＮインゴットの内部に位置付けて生成すべきＧａＮウエーハの厚みに相当する深さの界面に照射するレーザービーム照射工程と、
    ＧａＮウエーハをインゴットから剥離するウエーハ剥離工程と、
    を少なくとも含み、
    該レーザービームを発振する発振器は、高周波のパルスレーザーを発振するシーダと、該シーダが発振した高周波パルスを所定の繰り返し周波数で間引き複数個の高周波パルスをサブパルスとして１バーストパルスを生成する間引き部と、生成した該バーストパルスを増幅する増幅器と、から構成され、１バーストパルスを構成するサブパルスのパルス数を決定すべく、予め１条のレーザー加工を実施してレーザー加工痕を形成する試験的なレーザー加工を、サブパルスの個数を２〜１０パルスの間で実施し、それぞれのサブパルスの個数に対応して形成される破壊層が水平方向に延びる平均長さを測定し、集光点が位置付けられた界面位置において最も長く破壊層が延びるサブパルスのパルス数を求める工程を実施し、
    該間引き部では、１バーストパルスを構成するサブパルスの個数として、該集光点が位置付けられた該界面位置において最も長く破壊層が延びたサブパルスの個数が設定され、該個数により構成された１バーストパルスを生成するように間引く、ＧａＮウエーハの生成方法。
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