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JP6773506B2 - ウエーハ生成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、単結晶ＳｉＣインゴットからウエーハを生成するウエーハ生成方法に関する。
ＩＣやＬＳＩ、ＬＥＤ等のデバイスは、Ｓｉ（シリコン）やＡｌ２Ｏ３（サファイア）等を素材としたウエーハの表面に機能層が積層され分割予定ラインによって区画されて形成される。また、パワーデバイスやＬＥＤ等は単結晶ＳｉＣ（炭化ケイ素）を素材としたウエーハの表面に機能層が積層され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たウエーハは、切削装置やレーザー加工装置によって分割予定ラインに加工が施されて個々のデバイスに分割される。分割された各デバイスは携帯電話やパソコン等の電気機器に利用されている。
デバイスが形成されるウエーハは、一般的に円柱形状のインゴットをワイヤーソーで薄く切断することにより生成される。切断されたウエーハの表面及び裏面は、研磨することにより鏡面に仕上げられる（特許文献１参照。）。しかし、インゴットをワイヤーソーで切断し、切断したウエーハの表面及び裏面を研磨すると、インゴットの大部分（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。特に単結晶ＳｉＣインゴットにおいては、硬度が高くワイヤーソーでの切断が困難であり相当の時間を要するため生産性が悪いと共に、インゴットの単価が高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。
そこで、ＳｉＣに対して透過性を有する波長のレーザー光線の集光点をＳｉＣインゴットの内部に位置づけてＳｉＣインゴットにレーザー光線を照射することによって切断予定面に改質層を形成し、改質層が形成された切断予定面を切断してＳｉＣインゴットからウエーハを生成する技術が提案されている（特許文献２参照。）。ところが、ＳｉＣインゴットからウエーハを生成するには改質層を１０μｍ程度の間隔をおいて密に形成しなければならず生産性が悪いという問題がある。
特開２０００−９４２２１号公報 特開２０１３−４９１６１号公報
上記事実に鑑みてなされた本発明の課題は、生産性の向上が図られるウエーハ生成方法を提供することである。
上記課題を解決するために本発明が提供するのは以下のウエーハ生成方法である。すなわち、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り該第一の面の垂線に対して傾いているｃ軸と、該ｃ軸に直交するｃ面とを有し、該ｃ面と該第一の面とでオフ角が形成される単結晶ＳｉＣインゴットからウエーハを生成するウエーハ生成方法であって、ＳｉＣに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線の集光点を該第一の面から生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに位置づけると共に該オフ角が形成される方向と直交する方向に該単結晶ＳｉＣインゴットと該集光点とを相対的に加工送りしながら該単結晶ＳｉＣインゴットにパルスレーザー光線を照射することによって、ＳｉＣがＳｉとＣとに分離し次に照射されるパルスレーザー光線が前に形成されたＣに吸収されて連鎖的にＳｉＣがＳｉとＣとに分離して形成される直線状の改質層と、該改質層から該ｃ面に沿って伝播するクラックとを形成する改質層形成加工を、該オフ角が形成される方向に該単結晶ＳｉＣインゴットと該集光点とを相対的にインデックス送りして複数回行い剥離面を形成する剥離面形成工程と、該剥離面を界面として該単結晶ＳｉＣインゴットの一部を剥離してウエーハを生成するウエーハ生成工程と、剥離したウエーハの剥離面を研削して平滑面に仕上げる研削工程と、を含み、該改質層形成加工では、最初に形成される改質層は該集光点で形成され、最初の改質層に続いて形成される改質層は該集光点よりも次第に浅い位置に形成され、パルスレーザー光線の照射が開始される該単結晶ＳｉＣインゴットの一方の端部から改質層の立ち上がりが生じ、該単結晶ＳｉＣインゴットの内部においてパルスレーザー光線のパワー密度が所定の値となる深さに改質層が達した後は、パワー密度が該所定の値となる深さに改質層が形成され、該研削工程を実施する前に、剥離したウエーハの外周に面取り加工を施し、改質層の立ち上がりに起因してウエーハの外周に形成された突状のバリを除去する面取り加工工程を実施するウエーハ生成方法である。
本発明が提供するウエーハ生成方法では、改質層形成加工により、直線状の改質層が同一ｃ面上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。そして、オフ角が形成される方向に単結晶ＳｉＣインゴットと集光点とを相対的にインデックス送りして改質層形成加工を複数回行うと、オフ角が形成される方向において隣接する改質層同士はクラックによって連結するので、複数の改質層及びクラックから構成される剥離面を界面として単結晶ＳｉＣインゴットの一部を剥離することにより、所望の厚みのウエーハを容易に生成することができる。したがって、本発明のウエーハ生成方法では、生産性の向上が十分図られると共に、捨てられる素材量を十分軽減でき３０％前後に抑えることができる。
改質層形成加工では、最初に形成される改質層はレーザー光線の集光点で形成され、最初の改質層に続いて形成される改質層は集光点よりも次第に浅い位置に形成され、レーザー光線の照射が開始される単結晶ＳｉＣインゴットの一方の端部から数十μｍ程度の領域において改質層の立ち上がりが生じる。そして、単結晶ＳｉＣインゴットの内部においてレーザー光線のパワー密度が所定の値となる深さに改質層が達すると改質層の立ち上がりが止まり、レーザー光線のパワー密度が所定の値となる深さで安定して改質層が形成される。そして、剥離面を界面として単結晶ＳｉＣインゴットの一部を剥離すると、改質層の立ち上がりが生じることに起因して、ウエーハの外周に突状のバリが形成される。ウエーハにバリが形成されてしまうと、研削工程において研削砥石がバリに接触したときにバリの根元部分に応力集中が発生してウエーハが割れてしまう等の加工品質の低下を招くことになり得るが、本発明のウエーハ生成方法では、研削工程を実施する前に、単結晶ＳｉＣインゴットから剥離したウエーハの外周に面取り加工を施してバリを除去する面取り加工工程を実施するので、ウエーハの外周に形成されたバリが研削工程の妨げとならず、研削工程を円滑に遂行することができ、したがって加工品質が安定して生産性の向上が図られる。
単結晶ＳｉＣインゴットの平面図（ａ）及び正面図（ｂ）。 剥離面形成工程が実施されている状態を示す斜視図（ａ）及び正面図（ｂ）。 剥離面が形成されたＳｉＣインゴットの平面図（ａ）、Ｂ−Ｂ線断面図（ｂ）及びＤ部拡大図（ｃ）。 ウエーハ生成工程が実施されている状態を示す斜視図（ａ）、及び剥離されたウエーハの部分断面図（ｂ）。 面取り加工工程が実施されている状態を示す正面図（ａ）、及び面取り加工が施されたウエーハの部分断面図（ｂ）。 研削工程が実施されている状態を示す斜視図。
以下、本発明のウエーハ生成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に示す全体として円柱形状の六方晶単結晶ＳｉＣインゴット２（以下「インゴット２」という。）は、円形状の第一の面４と、第一の面４と反対側の円形状の第二の面６と、第一の面４及び第二の面６の間に位置する円筒形状の周面８と、第一の面４から第二の面６に至るｃ軸（＜０００１＞方向）と、ｃ軸に直交するｃ面（｛０００１｝面）とを有する。インゴット２においては、第一の面４の垂線１０に対してｃ軸が傾いており、ｃ面と第一の面４とでオフ角α（たとえばα＝４度）が形成されている（オフ角αが形成される方向を図１に矢印Ａで示す。）。またインゴット２の周面８には、結晶方位を示す矩形状の第一のオリエンテーションフラット１２及び第二のオリエンテーションフラット１４が形成されている。第一のオリエンテーションフラット１２は、オフ角αが形成される方向Ａに平行であり、第二のオリエンテーションフラット１４は、オフ角αが形成される方向Ａに直交している。図１（ａ）に示すとおり、垂線１０の方向にみて、第二のオリエンテーションフラット１４の長さＬ２は、第一のオリエンテーションフラット１２の長さＬ１よりも短い（Ｌ２＜Ｌ１）。
図示の実施形態では、まず、インゴット２の内部において、生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに剥離面を形成する剥離面形成工程を実施する。剥離面形成工程は、たとえば図２にその一部を示すレーザー加工装置１６を用いて実施することができる。レーザー加工装置１６は、チャックテーブル１８及び集光器２０を備える。チャックテーブル１８は、回転手段によって上下方向に延びる軸線を中心として回転されると共に、Ｘ方向移動手段によってＸ方向に進退され、Ｙ方向移動手段によってＹ方向に進退される（いずれも図示していない。）。集光器２０は、レーザー加工装置１６のパルスレーザー光線発振器から発振されたパルスレーザー光線ＬＢを集光して被加工物に照射するための集光レンズ（いずれも図示していない。）を含む。なお、Ｘ方向は図２に矢印Ｘで示す方向であり、Ｙ方向は図２に矢印Ｙで示す方向であってＸ方向に直交する方向である。Ｘ方向及びＹ方向が規定する平面は実質上水平である。
剥離面形成工程では、まず、インゴット２の第二の面６とレーザー加工装置１６のチャックテーブル１８の上面との間に接着剤（たとえばエポキシ樹脂系接着剤）を介在させ、インゴット２をチャックテーブル１８に固定する。あるいは、チャックテーブル１８の上面に複数の吸引孔が形成されており、チャックテーブル１８の上面に吸引力を生成してインゴット２を保持してもよい。次いで、レーザー加工装置１６の撮像手段（図示していない。）によって第一の面４の上方からインゴット２を撮像する。次いで、撮像手段によって撮像されたインゴット２の画像に基づいて、Ｘ方向移動手段、Ｙ方向移動手段及び回転手段によってチャックテーブル１８を移動及び回転させることによって、インゴット２の向きを所定の向きに調整すると共に、インゴット２と集光器２０とのＸＹ平面における位置を調整する。インゴット２の向きを所定の向きに調整する際は、図２（ａ）に示すとおり、第一のオリエンテーションフラット１２をＹ方向に整合させると共に、第二のオリエンテーションフラット１４をＸ方向に整合させることによって、オフ角αが形成される方向ＡをＹ方向に整合させると共に、オフ角αが形成される方向Ａと直交する方向をＸ方向に整合させる。次いで、レーザー加工装置１６の集光点位置調整手段（図示していない。）によって集光器２０を昇降させ、図２（ｂ）に示すとおり、第一の面４から生成すべきウエーハの厚みに相当する深さの位置に集光点ＦＰを位置づける。次いで、集光点ＦＰに対してチャックテーブル１８を所定の加工送り速度でＸ方向移動手段によってＸ方向（すなわち、オフ角αが形成される方向Ａと直交する方向）に加工送りしながら、ＳｉＣに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線ＬＢを集光器２０からインゴット２に照射することによって改質層２２及びクラック２４を形成する改質層形成加工を行う。
図３に示すとおり、改質層形成加工を行うと、パルスレーザー光線ＬＢの照射によりＳｉＣがＳｉ（シリコン）とＣ（炭素）とに分離し次に照射されるパルスレーザー光線ＬＢが前に形成されたＣに吸収されて連鎖的にＳｉＣがＳｉとＣとに分離して形成される直線状の改質層２２と、改質層２２からｃ面に沿って改質層２２の両側に伝播するクラック２４とが形成される。なお、改質層形成加工では、改質層２２が形成される深さにおいて隣接するパルスレーザー光線ＬＢのスポットが相互に重なるようにチャックテーブル１８をＸ方向に加工送りしながらパルスレーザー光線ＬＢをインゴット２に照射して、ＳｉとＣとに分離した改質層２２に再度パルスレーザー光線ＬＢが照射されるようにする。隣接するスポットが相互に重なるには、パルスレーザー光線ＬＢの繰り返し周波数Ｆ（Ｈｚ）と、チャックテーブル１８の加工送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と、スポットの直径Ｄ（ｍｍ）とで規定されるＧ＝（Ｖ／Ｆ）−ＤがＧ＜０であることを要する。また、隣接するスポットの重なり率は｜Ｇ｜／Ｄで規定される。
図２（ｂ）を参照して説明する。改質層形成加工では、最初に形成される改質層２２はパルスレーザー光線ＬＢの集光点ＦＰで形成され、最初の改質層２２に続いて形成される改質層２２は集光点ＦＰよりも次第に浅い位置に形成され、パルスレーザー光線ＬＢの照射が開始されるインゴット２の一方の端部２ａから数十μｍ程度の領域２６において、集光点ＦＰの深さから３０〜５０μｍ程度、改質層２２の立ち上がりが生じる。インゴット２において集光点ＦＰが通るラインを図２（ｂ）に点線で示す。そして、インゴット２の内部においてパルスレーザー光線ＬＢのパワー密度が所定の値となる深さに改質層２２が達すると改質層２２の立ち上がりが止まり、パルスレーザー光線ＬＢのパワー密度が所定の値となる深さで安定して改質層２２が形成される。すなわち、改質層形成加工において、パルスレーザー光線ＬＢが照射されるインゴット２の一方の端部２ａから他方の端部２ｂまでのうち、改質層２２の立ち上がりが生じた領域２６以外の領域２８では、パルスレーザー光線ＬＢの集光点ＦＰの手前（入射面である第一の面４側）でパワー密度が所定の値となる位置で安定して改質層２２が形成される。なお、パワー密度Ｅ（Ｊ／ｃｍ２）は、平均出力Ｐ（Ｗ）と、集光点ＦＰよりも浅い位置であって改質層２２が形成される位置におけるスポットの面積Ｓ＝πＤ２／４（ｃｍ２）と、繰り返し周波数Ｆ（Ｈｚ）とで規定される（Ｅ＝Ｐ／（Ｓ・Ｆ））。
剥離面形成工程では、集光点ＦＰに対してチャックテーブル１８をＹ方向移動手段によってＹ方向（すなわち、オフ角αが形成される方向Ａ）に所定インデックス量Ｌｉだけインデックス送りして改質層形成加工を複数回行う。これによって図３に示すとおり、インゴット２の内部において生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに、複数の改質層２２及びクラック２４から構成される剥離面３０を形成することができる。剥離面３０では、オフ角αが形成される方向Ａにおいて隣接する改質層２２同士がクラック２４によって連結されている。このような剥離面形成工程は、たとえば以下の加工条件で実施することができる。
パルスレーザー光線の波長 ：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数 ：８０ｋＨｚ
平均出力 ：３．２Ｗ
パルス幅 ：４ｎｓ
集光点の直径 ：３μｍ
集光レンズの開口数（ＮＡ） ：０．４３
インデックス量 ：２５０〜４００μｍ
加工送り速度 ：１２０〜２６０ｍｍ／ｓ
剥離面形成工程を実施した後、剥離面３０を界面としてインゴット２の一部を剥離してウエーハを生成するウエーハ生成工程を実施する。ウエーハ生成工程は、たとえば図４（ａ）にその一部を示す剥離装置３２を用いて実施することができる。剥離装置３２は、実質上水平に延びるアーム３４と、アーム３４の先端に付設されたモータ３６とを備える。モータ３６の下面には、上下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３８が連結されている。下面において被加工物を吸着するように構成されている吸着片３８には、吸着片３８の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（図示していない。）が内蔵されている。
ウエーハ生成工程では、まず、レーザー加工装置１６のＸ方向移動手段及びＹ方向移動手段によって、剥離装置３２の吸着片３８の下方にチャックテーブル１８を移動させる。次いで、剥離装置３２の昇降手段（図示していない。）によってアーム３４を下降させ、図４（ａ）に示すとおり、吸着片３８の下面をインゴット２の第一の面４に吸着させる。次いで、超音波振動付与手段を作動させ、吸着片３８の下面に対して超音波振動を付与すると共に、モータ３６を作動させ吸着片３８を回転させる。これによって、剥離面３０を界面としてインゴット２の一部を剥離することができ、所望の厚み（たとえば８００〜１０００μｍ）のウエーハ４０を生成することができる。生成されたウエーハ４０の剥離面４２の外周には、図４（ｂ）に示すとおり、剥離面形成工程において改質層２２の立ち上がりが生じることに起因して、剥離面４２からの突出量が３０〜５０μｍ程度の突状のバリ４４が形成されている。
ウエーハ生成工程を実施した後、インゴット２から剥離したウエーハ４０の外周に面取り加工を施してバリ４４を除去する面取り加工工程を実施する。本発明のウエーハ生成方法では、後述の研削工程を実施する前に面取り加工工程を実施することが重要である。面取り加工工程は、たとえば図５（ａ）にその一部を示す面取り加工装置４６を用いて実施することができる。面取り加工装置４６は、保持手段４８及び面取り手段５０を備える。保持手段４８は、円形状のチャックテーブル５２と、上下方向に延びる軸線を中心としてチャックテーブル５２を回転させるモータ５４とを含む。ウエーハ４０の直径よりも小さい直径のチャックテーブル５２は、上面において被加工物を吸着するように構成されている。面取り手段５０は、研削砥石５６と、上下方向に延びる軸線を中心として研削砥石５６を回転させるモータ５８とを含む。上下方向の中間部がくびれている研削砥石５６は、上方から下方に向かって直径が次第に小さくなる逆円錐台状部５６ａと、逆円錐台状部５６ａの下端側から下方に向かって直径が次第に大きくなる円錐台状部５６ｂとを有する。
面取り加工工程では、まず、チャックテーブル５２の回転中心にウエーハ４０の中心を整合させた状態で、チャックテーブル５２の上面にウエーハ４０を吸着させる。次いで、上方からみて反時計回りに所定の回転速度（たとえば１０ｒｐｍ）でチャックテーブル５２をモータ５４によって回転させる。また、上方からみて反時計回りに所定の回転速度（たとえば５００ｒｐｍ）で研削砥石５６をモータ５８によって回転させる。次いで、面取り加工装置４６の移動手段（図示していない。）によって保持手段４８に向かって面取り手段５０を移動させ、研削砥石５６の逆円錐台状部５６ａ及び円錐台状部５６ｂをウエーハ４０の外周に接触させる。ウエーハ４０の外周に研削砥石５６を接触させた後は所定の送り速度で面取り手段５０を移動させる。これによって、図５（ｂ）に示すとおり、ウエーハ４０の片面側及び他面側に同時に面取り加工を施してバリ４４を除去することができる。なお、面取り加工工程では、ウエーハ４０の片面側に面取り加工を施した後にウエーハ４０の他面側に面取り加工を施してもよい。
面取り加工工程を実施した後、インゴット２から剥離したウエーハ４０の剥離面４２を研削して平滑面に仕上げる研削工程を実施する。研削工程は、たとえば図６にその一部を示す研削装置６０を用いて実施することができる。研削装置６０は、チャックテーブル６２及び研削手段６４を備える。上面において被加工物を吸着するように構成されているチャックテーブル６２は、回転手段（図示していない。）によって上下方向に延びる軸線を中心として回転される。研削手段６４は、モータ（図示していない。）に連結され、上下方向に延びる円柱状のスピンドル６６と、スピンドル６６の下端に固定された円盤状のホイールマウント６８とを含む。ホイールマウント６８の下面にはボルト７０によって環状の研削ホイール７２が固定されている。研削ホイール７２の下面の外周縁部には、周方向に間隔をおいて環状に配置された複数の研削砥石７４が固定されている。図６に示すとおり、研削ホイール７２の回転中心はチャックテーブル６２の回転中心に対して変位している。
研削工程では、まず、ウエーハ４０の剥離面４２と反対側の面に合成樹脂製の保護部材７６を貼り付ける。次いで、保護部材７６を貼り付けた面を下側として（すなわち、剥離面４２を上側として）チャックテーブル６２の上面にウエーハ４０を吸着させる。次いで、上方からみて反時計回りに所定の回転速度（たとえば５００ｒｐｍ）でチャックテーブル６２を回転手段によって回転させる。また、上方からみて反時計回りに所定の回転速度（たとえば３０００ｒｐｍ）でスピンドル６６をモータによって回転させる。次いで、研削装置６０の昇降手段（図示していない。）によってスピンドル６６を下降させ、ウエーハ４０の剥離面４２に研削砥石７４を接触させる。ウエーハ４０の剥離面４２に研削砥石７４を接触させた後は所定の研削送り速度（たとえば０．１μｍ／ｓ）でスピンドル６６を下降させる。これによってウエーハ４０の剥離面４２を平滑面に仕上げることができる。
以上のとおり本発明のウエーハ生成方法では、複数の改質層２２及びクラック２４から構成される剥離面３０を界面としてインゴット２の一部を剥離することにより、所望の厚みのウエーハ４０を容易に生成することができ、したがって生産性の向上が十分図られると共に、捨てられる素材量を十分軽減でき３０％前後に抑えることができる。また、本発明のウエーハ生成方法では、研削工程を実施する前に、インゴット２から剥離したウエーハ４０の外周に面取り加工を施してバリ４４を除去する面取り加工工程を実施するので、ウエーハ４０の外周に形成されたバリ４４が研削工程の妨げとならず、研削工程を円滑に遂行することができ、したがって加工品質が安定して生産性の向上が図られる。
２：単結晶ＳｉＣインゴット
４：第一の面
６：第二の面
１０：垂線
２２：改質層
２４：クラック
３０：インゴットに形成された剥離面
４０：ウエーハ
４２：ウエーハの剥離面
４４：バリ
α：オフ角
Ａ：オフ角が形成される方向
ＦＰ：集光点
ＬＢ：パルスレーザー光線

Claims (1)

  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り該第一の面の垂線に対して傾いているｃ軸と、該ｃ軸に直交するｃ面とを有し、該ｃ面と該第一の面とでオフ角が形成される単結晶ＳｉＣインゴットからウエーハを生成するウエーハ生成方法であって、
    ＳｉＣに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線の集光点を該第一の面から生成すべきウエーハの厚みに相当する深さに位置づけると共に該オフ角が形成される方向と直交する方向に該単結晶ＳｉＣインゴットと該集光点とを相対的に加工送りしながら該単結晶ＳｉＣインゴットにパルスレーザー光線を照射することによって、ＳｉＣがＳｉとＣとに分離し次に照射されるパルスレーザー光線が前に形成されたＣに吸収されて連鎖的にＳｉＣがＳｉとＣとに分離して形成される直線状の改質層と、該改質層から該ｃ面に沿って伝播するクラックとを形成する改質層形成加工を、該オフ角が形成される方向に該単結晶ＳｉＣインゴットと該集光点とを相対的にインデックス送りして複数回行い剥離面を形成する剥離面形成工程と、
    該剥離面を界面として該単結晶ＳｉＣインゴットの一部を剥離してウエーハを生成するウエーハ生成工程と、
    剥離したウエーハの剥離面を研削して平滑面に仕上げる研削工程と、
    を含み、
    該改質層形成加工では、最初に形成される改質層は該集光点で形成され、最初の改質層に続いて形成される改質層は該集光点よりも次第に浅い位置に形成され、パルスレーザー光線の照射が開始される該単結晶ＳｉＣインゴットの一方の端部から改質層の立ち上がりが生じ、該単結晶ＳｉＣインゴットの内部においてパルスレーザー光線のパワー密度が所定の値となる深さに改質層が達した後は、パワー密度が該所定の値となる深さに改質層が形成され、
    該研削工程を実施する前に、剥離したウエーハの外周に面取り加工を施し、改質層の立ち上がりに起因してウエーハの外周に形成された突状のバリを除去する面取り加工工程を実施するウエーハ生成方法。
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