JP6202695B2 - 単結晶基板製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶基板製造方法に関し、特に、単結晶基板を薄く安定して切り出すのに用いられる単結晶基板製造方法に関する。

従来、単結晶のシリコン（Ｓｉ）ウェハに代表される半導体ウェハを製造する場合には、石英るつぼ内に溶融されたシリコン融液から凝固した円柱形のインゴットを適切な長さのブロックに切断して、その周縁部を目標の直径になるよう研削し、その後、ブロック化されたインゴットをワイヤソーによりウェハ形にスライスして半導体ウェハを製造するようにしている。

このようにして製造された半導体ウェハは、前工程で回路パターンの形成等、各種の処理が順次施されて後工程に供され、この後工程で裏面がバックグラインド処理されて薄片化が図られることにより、厚さが約７５０μｍから１００μｍ以下、例えば７５μｍや５０μｍ程度に調整される。

従来における半導体ウェハは、以上のように製造され、インゴットがワイヤソーにより切断され、しかも、切断の際にワイヤソーの太さ以上の切り代が必要となるので、厚さ０．１ｍｍ以下の薄い半導体ウェハを製造することが非常に困難であり、製品率も向上しないという問題がある。

また近年、次世代の半導体として、硬度が大きく、熱伝導率も高いシリコンカーバイド（ＳｉＣ）が注目されているが、ＳｉＣの場合には、Ｓｉよりも硬度が大きい関係上、インゴットをワイヤソーにより容易にスライスすることができず、また、バックグラインドによる基板の薄層化も容易ではない。

一方、集光レンズでレーザ光の集光点をインゴットの内部に合わせ、そのレーザ光でインゴットを相対的に走査することにより、インゴットの内部に多光子吸収による面状の改質層を形成し、この改質層を剥離面としてインゴットの一部を基板として剥離する基板製造方法および基板製造装置が開示されている。

例えば特許文献１には、レーザ光の多光子吸収を利用し、シリコンインゴット内部に改質層を形成しシリコンインゴットから静電チャックを利用してウェハを剥離する技術が開示されている。

また、特許文献２では、ＮＡ０．８の対物レンズにガラス板を取り付けて、太陽電池用のシリコンウェハに向けてレーザ光を照射することで、シリコンウェハ内部に改質層を形成し、これをアクリル樹脂の板に瞬間接着剤で固定して剥離する技術が開示されている。

また、特許文献３では、特に段落０００３〜０００５、００５７、００５８に、シリコンウェハ内部にレーザ光を集光し多光子吸収を起こさせることで微小空洞を形成しダイシングを行う技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１の技術では、大面積の基板（シリコン基板）を均一に剥離することは容易でない。

また、特許文献２の技術では、ウェハを剥離するには強力なシアノアクリレート系接着剤でアクリル樹脂板にウェハを固定する必要があり、剥離したウェハとアクリル樹脂板との分離が容易でない。さらに、ＮＡ０．５〜０．８のレンズでシリコン内部に改質領域を形成すると、改質層の厚みが１００μ以上となって必要な厚みよりも大きくなるので、ロスが大きい。ここで、レーザ光を集光する対物レンズのＮＡ（開口数）を小さくすることで改質層の厚みを小さくすることが考えられるが、基板表面でのレーザ光のスポット径が小さくなってしまう。このため、浅い深度に改質層を形成しようとすると、基板表面までが加工されてしまうという別の問題が発生する。

また、特許文献３の技術は、シリコンウェハを個片のチップに切り分けるダイシングに関する技術であり、これをシリコンなどの単結晶インゴットから薄板状のウェハを製造することに応用するのは容易ではない。

特開２００５‐２７７１３６号公報 特開２０１０‐１８８３８５号公報 特開２００５‐５７２５７号公報

本発明は、上記課題に鑑み、比較的大きくて薄い単結晶基板を容易に製造することができる単結晶基板製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明の一態様によれば、単結晶部材上に非接触にレーザ集光手段を配置する工程と、前記レーザ集光手段により、 前記単結晶部材の内部において、前記単結晶部材の被照射側の表面からレーザ光を照射し、前記レーザ集光手段の外周部に入射した光を前記レーザ集光手段の内周部に入射した光よりも前記レーザ集光手段側で集光させつつ前記レーザ集光手段と前記単結晶部材とを相対的に移動させることで、前記単結晶部材内部に２次元状の薄厚改質層を形成しつつ該薄厚改質層の界面付近に応力層を形成する工程と、前記薄厚改質層によって分断されてなる単結晶層を前記薄厚改質層との界面から剥離することで単結晶基板を形成する工程とを備えたことを特徴とする単結晶基板製造方法が提供される。

なお、単結晶部材の内部に、単結晶部材の被照射側の表面からレーザ光を集光することで、前記表面と離間しかつ前記表面と平行に延在する２次元状の応力層を形成した内部応力層形成単結晶部材を提供してもよい。

本発明によれば、比較的大きくて薄い単結晶基板を容易に製造することができる単結晶基板製造方法を提供することができる。

第１実施形態に係る単結晶基板製造方法を説明する模式的鳥瞰図。 第１実施形態に係る単結晶基板製造方法を説明する模式的鳥瞰図。 第１実施形態に係る単結晶基板製造方法および内部応力層形成単結晶部材を説明する模式的斜視断面図。 第１実施形態で、レーザ光の照射により単結晶部材内部に多結晶部が形成されていることを示す模式的断面図。 （ａ）は、第１実施形態で、内部応力層形成単結晶部材の側壁に改質層を露出させたことの模式的斜視断面図、（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、（ａ）の部分拡大図。 第１実施形態で、内部応力層形成単結晶部材の上下面に金属製基板を接着させて改質層から単結晶層を剥離させることを説明する模式的断面図。 第１実施形態で、内部応力層形成単結晶部材の上下面に金属製基板を接着させて改質層から単結晶層を剥離させることを説明する模式的断面図。 第１実施形態の変形例を説明する模式的断面図。 第１実施形態の変形例を説明する模式的断面図。 第１実施形態の変形例を説明する模式的斜視断面図。 第１実施形態で、単結晶層の剥離面の例を示す光学顕微鏡写真。 試験例１の実施例１で、シリコンウェハのへき開面の光学顕微鏡写真。 試験例１の実施例２で、シリコンウェハのへき開面の光学顕微鏡写真。 試験例２で、単結晶基板の剥離面の凹凸寸法と表面粗さとの関係を示す図。 試験例３で、改質層の多結晶粒の粒径を示す光学顕微鏡写真。 試験例３で、改質層の多結晶粒の粒径を示す光学顕微鏡写真。 試験例３で、改質層の多結晶粒の粒径を示す光学顕微鏡写真。 試験例４で、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による測定結果を示すスペクトル図。 試験例５の実施例４で、内部応力層形成単結晶部材の断面の光学顕微鏡写真およびスペクトル図。 試験例５の比較例で、レーザ光をシリコンウェハに照射することを説明する模式的鳥瞰図。 試験例５の比較例で、内部応力層形成単結晶部材の断面の光学顕微鏡写真およびスペクトル図。 第２実施形態に係る単結晶基板製造方法および内部応力層形成単結晶部材を説明する上で用いる単結晶部材内部加工装置の模式的鳥瞰図。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

なお、第２実施形態では、すでに説明したものと同様の構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態で、レーザ集光手段により空気中でレーザ光を集光したことを説明する模式的鳥瞰図であり、図２は、本実施形態で、レーザ集光手段により単結晶部材内部にレーザ光を集光したことを説明する模式的鳥瞰図である。図３は、本実施形態に係る内部応力層形成単結晶部材１１および単結晶基板製造方法を説明する模式的断面構造である。図４は、レーザ光の照射により単結晶部材内部に多結晶部１２ｐが形成されていることを示す模式的断面図である。図５で、（ａ）は、内部応力層形成単結晶部材１１の側壁に、レーザ光の集光によって形成された応力層１３および改質層１２を露出させたことを示す模式的斜視断面図、（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、（ａ）の部分拡大図である。

本実施形態に係る内部応力層形成単結晶部材１１は、レーザ光Ｂの被照射側の表面１０ｔからレーザ光Ｂを集光することで、この表面１０ｔと離間しかつこの表面１０ｔと平行に延在する２次元状の応力層１３ｕ、１３ｄと、単結晶が改質されてなる改質層１２をこの応力層１３ｕ、１３ｄに隣接して形成してなるものである。

具体的には、本実施形態では、レーザ集光手段（レーザ集光部）として集光レンズ１５を単結晶部材１０上に非接触に配置する工程と、集光レンズ１５により、単結晶部材１０の被照射側の表面１０ｔにレーザ光Ｂを照射して単結晶部材１０内部にレーザ光Ｂを集光する工程と、集光レンズ１５と単結晶部材１０とを相対的に移動させて、単結晶部材１０内部に、表面１０ｔと平行に延在する改質層１２を形成しつつ、界面１１ｕの付近に応力層１３を形成してなる内部応力層形成単結晶部材１１を形成する。ここで界面１１ｕとは、改質層１２と、改質層１２によって分断されてなり改質層１２の上側に隣接する単結晶層１０ｕと、の界面のことである。そして、本実施形態では、単結晶層１０ｕを改質層１２から剥離させて、図７に示すような単結晶基板１０ｓを形成する。ここで、図７は、改質層１２から単結晶層１０ｕを剥離させたことを説明する模式的断面図である。なお、以下の説明では、単結晶層１０ｕを改質層１２との界面１１ｕから剥離させることで説明するが、本発明は界面１１ｕから剥離させることに限られず、改質層１２内で剥離が生じるようにしてもよい。

集光レンズ１５は、単結晶部材１０の屈折率に起因する収差を補正する構成になっている。具体的には、図１に示すように、本実施形態では、集光レンズ１５は、空気中で集光した際に、集光レンズ１５の外周部Ｅに到達したレーザ光が集光レンズ１５の中央部Ｍに到達したレーザ光よりも集光レンズ側で集光するように補正する構成になっている。すなわち、集光した際、集光レンズ１５の外周部Ｅに到達したレーザ光の集光点ＥＰが、集光レンズ１５の中央部Ｍに到達したレーザ光の集光点ＭＰに比べ、集光レンズ１５に近い位置となるように補正する構成になっている。

詳細に説明すると、集光レンズ１５は、空気中で集光する第１レンズ１６と、この第１レンズ１６と単結晶部材１０との間に配置される第２レンズ１８と、で構成される。第１レンズ１６および第２レンズ１８は、何れもレーザ光を円錐状に集光できるレンズとされている。そして、レーザ光Ｂが照射される側の単結晶部材１０の表面１０ｔ（被照射側の表面）から改質層１２までの深さ（間隔）Ｄを、主に第１レンズ１６とこの表面１０ｔとの距離Ｌ１で調整する構成になっている。さらに、改質層１２の厚みＴを、主に第２レンズ１８とこの表面１０ｔとの距離Ｌ２で調整する構成になっている。従って、主に第１レンズ１６で空気中での収差補正を行い、主に第２レンズ１８で単結晶部材１０内での収差補正を行うことになる。本実施形態では、表面１０ｔから所定の深さＤの位置に、厚みＴが６０μｍ未満の改質層１２が形成されるように、第１レンズ１６、第２レンズ１８の焦点距離、および、上記の距離Ｌ１、Ｌ２を設定しておく。

第１レンズ１６としては、球面または非球面の単レンズのほか、各種の収差補正や作動距離を確保するために組レンズを用いることが可能であり、ＮＡが０．３〜０．７であることが好ましい。第２レンズ１８としては、第１レンズ１６よりも小さなＮＡのレンズで、例えば曲率半径が３〜５ｍｍ程度の凸ガラスレンズが、簡便に使用する観点で好ましい。

そして、レーザ光Ｂの照射によって単結晶部材１０の表面１０ｔにダメージを与えることなく単結晶部材１０の内部に改質層１２を形成する観点で、集光レンズ１５の外周部Ｅに到達したレーザ光とその集光点ＥＰで定義される空気中の集光レンズ１５のＮＡは、０．３〜０．８５にすることが好ましく、０．５〜０．８５にすることがさらに好ましい。

なお、改質層１２の厚みの調整が不要である場合、第１レンズ１６および第２レンズ１８に代えて、１枚のレンズのみを配置することも可能である。その場合には、単結晶部材内での収差補正をできる構造にしておくことが好ましい。

単結晶部材１０のサイズは、特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍの厚いシリコンウェハからなり、レーザ光Ｂが照射される表面１０ｔが予め平坦化されていることが好ましい。

レーザ光Ｂは、単結晶部材１０の周面ではなく、上記の表面１０ｔに照射装置（図示省略）から集光レンズ１５を介して照射される。このレーザ光Ｂは、単結晶部材１０がシリコンの場合には、例えばパルス幅が１μｓ以下のパルスレーザ光からなり、９００ｎｍ以上の波長、好ましくは１０００ｎｍ以上の波長が選択され、ＹＡＧレーザ等が好適に使用される。

集光レンズ１５に上方からレーザ光を入光する形態については特にこだわらない。集光レンズ１５の上方にレーザ発振器を配置して集光レンズ１５に向けて発光する形態としてもよいし、集光レンズ１５の上方に反射ミラーを配置しレーザ光をこの反射ミラーに向けて照射して反射ミラーで集光レンズ１５に向けて反射する形態にしてもよい。

このレーザ光Ｂは、単結晶部材１０として厚み０．６２５ｍｍの単結晶基板に照射したときの光線透過率が１〜８０％の波長であることが望ましい。例えば、単結晶部材１０としてシリコンの単結晶基板を用いた場合、波長が８００ｎｍ以下のレーザ光では吸収が大きいため、表面のみが加工され、内部の改質層１２を形成することができないため、９００ｎｍ以上の波長、好ましくは、１０００ｎｍ以上の波長が選択される。また、波長１０．６４μｍのＣＯ2レーザでは、光線透過率が高すぎるため、単結晶基板の加工をすることが困難なため、ＹＡＧ基本波のレーザなどが好適に使用される。

レーザ光Ｂの波長が９００ｎｍ以上が好ましい理由は、波長が９００ｎｍ以上であれば、シリコンからなる単結晶基板に対するレーザ光Ｂの透過性を向上させ、単結晶基板内部に改質層１２を確実に形成することができるからである。レーザ光Ｂは、単結晶基板表面の周縁部に照射され、あるいは単結晶基板の表面の中心部から周縁部方向に照射される。

（応力層および改質層の形成）
以下、応力層１３および改質層１２を形成することについて詳細に説明する。本実施形態では、単結晶部材１０をＸＹステージ（図示せず）上に載置し、真空チャック、静電チャックなどでこの単結晶部材１０を保持する。

そして、ＸＹステージで単結晶部材１０をＸ方向やＹ方向に移動させることで、集光レンズ１５と単結晶部材１０とを、単結晶部材１０の集光レンズ１５が配置されている側の表面１０ｔと平行な方向に相対的に移動させながらレーザ光Ｂを照射することで、単結晶部材１０の内部に集光したレーザ光Ｂによって多数の多結晶部１２ｐが形成される。この多結晶部１２ｐの集合体が上述の改質層１２である。この多結晶部１２ｐが形成される際、単結晶の溶融、固化が生じるため、本実施形態では、多結晶部１２ｐに上下側にそれぞれ隣接する応力層１３ｕ、１３ｄも併せて形成される。応力層１３ｕ、１３ｄの応力は圧縮応力となる。

図５（ｂ）〜（ｄ）は、図５（ａ）のＫ部の拡大図である。応力層１３ｕは、図５（ｂ）に示すように単結晶層１０ｕに形成されていてもよいし、図５（ｃ）に示すように単結晶部１０ｄに形成されていてもよいし、図５（ｄ）に示すように単結晶層１０ｕと単結晶部１０ｄとに跨っていてもよい。応力層１３ｄについても同様である。

この改質層１２および応力層１３が形成された結果、内部応力層形成単結晶部材１１が製造される。この内部応力層形成単結晶部材１１は、この応力層１３ｕ、１３ｄと改質層１２と、改質層１２の上側（すなわちレーザ光Ｂの被照射側）に単結晶層１０ｕと、改質層１２の下側に単結晶部１０ｄと、を有する。単結晶層１０ｕおよび単結晶部１０ｄは、改質層１２によって単結晶部材１０が分断されたことにより形成されたものである。

なお、ステージの移動速度を抑えるために、ガルバノミラーやポリゴンミラーなどのレーザービーム偏向手段を用い、集光レンズ１５の照射エリア内でレーザ光をスキャンすることを併用してもよい。また、このような内部照射を行って改質層１２の形成の終了後、単結晶部材１０の被照射側の表面１０ｔ、すなわち単結晶層１０ｕの表面１０ｔにレーザ光Ｂの焦点を合わせ、照射領域を示すマークを付け、その後、このマークを基準に単結晶部材１０を切断（割断）して、後述するように、改質層１２の周縁部を露出させた上で単結晶層１０ｕの剥離を行ってもよい。

このような照射によって形成された改質層１２では、レーザ光Ｂの照射軸ＢＣに平行な多数の多結晶部１２ｐが形成されている。例えば、改質層１２の断面をエッチングして顕微鏡などで観察することによって、図４に示すように、レーザ光Ｂの照射軸ＢＣに平行な多結晶部１２ｐが並んで形成されていることが容易に確認される。形成する多結晶部１２ｐの寸法、密度などは、改質層１２から単結晶層１０ｕを剥離し易くする観点で、単結晶部材１０の材質などを考慮して設定することが好ましい。

なお、多結晶部１２ｐを確認するには、レーザ光Ｂによる加工領域すなわち改質層１２を横断するように内部応力層形成単結晶部材１１をへき開し、へき開面（例えば図３、図５（ａ）の１４ａ〜ｄ）をエッチングして走査電子顕微鏡もしくは共焦点顕微鏡で観察することで確認してもよいが、同一の材質の単結晶部材（例えばシリコンウェハ）に対し、同一の照射条件で、例えばＹステージの送りを６〜５０μｍ間隔で部材内部に線状の加工を行い、これを横断する形でへき開し、へき開面をエッチングして観察することで、容易に確認してもよい。

（剥離工程）
この後、改質層１２と単結晶層１０ｕとの剥離を行う。本実施形態では、まず、内部応力層形成単結晶部材１１の側壁に改質層１２を露出させる。露出させるには、例えば、単結晶部１０ｄ、単結晶層１０ｕの所定の結晶面に沿ってへき開する。この結果、図５（ａ）に示すように、単結晶層１０ｕと単結晶部１０ｄとによって改質層１２が挟まれた構造のものが得られる。なお、単結晶層１０ｕの表面１０ｔはレーザ光Ｂの被照射側の面である。

改質層１２が既に露出している場合や、改質層１２の周縁と内部応力層形成単結晶部材１１の側壁との距離が十分に短い場合には、この露出をさせる作業を省略することが可能である。

その後、図６に示すように、内部応力層形成単結晶部材１１の上下面に、それぞれ、金属製基板２８ｕ、２８ｄを接着する。すなわち、単結晶層１０ｕの表面１０ｔに金属製基板２８ｕを接着剤３４ｕで接着し、単結晶部１０ｄの表面１０ｂに金属製基板２８ｄを接着剤３４ｄで接着する。金属製基板２８ｕ、２８ｄには、それぞれ、表面に酸化層２９ｕ、２９ｄが形成されている。本実施形態では、酸化層２９ｕを表面１０ｔに、酸化層２９ｄを表面１０ｂに接着する。金属製基板２８ｕ、２８ｄとしては、例えば、ＳＵＳ製の剥離用補助板を用いる。接着剤としては、通常の半導体製造プロセスで使用される接着剤であって、市販のシリコンインゴット固定用の所謂ワックスとして使用される接着剤を用いる。特に、硬化後、温水中に浸けることで接着力が低下するタイプの接着剤は、接着させたものを水に浸けると接着剤の接着力が低下するので、接着剤と被接着物（単結晶層１０ｕ）とを容易に分離させることができるため好適に使用される。

この接着では、まず、金属製基板２８ｕを単結晶層１０ｕの表面１０ｔに仮固定用接着剤で貼り付け、金属製基板２８ｕを裏打ちし力を加えることで剥離する。

仮固定用接着剤の接着強度は、改質層１２と単結晶層１０ｕとの界面１１ｕで剥離するのに必要な力よりも強ければよい。仮固定用接着剤の接着強度に応じ、形成する多結晶部１２ｐの寸法、密度を調整してもよい。

仮固定用接着剤としては、例えば、金属イオンを反応開始剤として硬化するアクリル系２液モノマー成分からなる接着剤を用いる。この場合、未硬化モノマーおよび硬化反応物が非水溶性であると、水中で剥離した際に露出した単結晶層１０ｕの剥離面１０ｆ（例えばシリコンウェハの剥離面）が汚染されることを防止できる。

仮固定用接着剤の塗布厚みは、硬化前で０．１〜１ｍｍが好ましく、０．１５〜０．３５ｍｍがより好ましい。仮固定用接着剤の塗布厚みが過度に大きい場合、完全硬化となるまでに長時間を必要とする上、単結晶部材（シリコンウェハ）の割断時に仮固定用接着剤の凝集破壊が起こりやすくなる。また、塗布厚みが過度に小さい場合、割断した単結晶部材の水中剥離に長時間を必要とする。

仮固定用接着剤の塗布厚みの制御は、接着する金属製基板２８ｕ、２８ｄを任意の高さに固定する方法を用いることで行ってもよいが、簡易的にはシムプレートを用いて行うことができる。

接着した際に金属製基板２８ｕと金属製基板２８ｄとの平行度が十分に得られない場合には、１枚以上の補助板を使用して必要な平行度を得てもよい。

また、金属製基板２８ｕ、２８ｄを仮固定用接着剤で内部応力層形成単結晶部材１１の上下面に接着する際、片面ずつ接着してもよいし、両面同時に接着してもよい。

厳密に塗布厚みを制御したい場合には、一方の片面に金属製基板を接着させて接着剤が硬化した後、もう一方の片面に金属製基板を接着することが好ましい。このように片面ずつ接着する場合、仮固定用接着剤を塗布する面が内部応力層形成単結晶部材１１の上面であっても下面であってもよい。その際、単結晶部材１０の非接着面に接着剤が付着して硬化することを抑制するために、金属イオンを含まない樹脂フィルムをカバーレイヤーとして用いてもよい。

金属製基板としては、平行度および平坦度が得られるのであれば、装置固定用の抜き穴等の機械加工を行っていても構わない。接着する金属製基板は水中での剥離工程を経るため、シリコンウェハのコンタミ抑制目的では不動態層を形成するものであることが好ましく、水中剥離のタクトタイム短縮目的では形成する酸化層（酸化皮膜層）が薄い方が好ましい。

内部加工シリコンウェハ割断後に水中剥離を行うため、接着前の金属製基板については、通常行われる金属の脱脂処理を行うことが好ましい。

仮固定用接着剤と金属製基板との接着力を高めるには、機械的または化学的方法で金属表面の酸化層を落として活性な金属面を出すとともに、アンカー効果を得やすい表面構造にするのが好ましい。上記の化学的方法とは、具体的には薬品を用いた酸洗浄や脱脂処理などがある。上記の機械的方法とは、具体的にはサンドブラスト、ショットブラストなどが挙げられるが、サンドペーパーで金属製基板の表面を傷つける方法が最も簡便であり、その粒度は＃８０〜２０００が好ましく、金属製基板の表面ダメージを考慮すると＃１５０〜８００がより好ましい。

金属製基板の接着後、図６に示したように、金属製基板２８ｕに上方向の力Ｆｕを、金属製基板２８ｄに下方向の力Ｆｄをそれぞれ加える。ここで、改質層１２と単結晶部１０ｄとの界面１１ｄよりも、改質層１２と単結晶層１０ｕとの界面１１ｕのほうが剥離しやすい。このため、力Ｆｕ、Ｆｄによって、図７に示すように、改質層１２と単結晶層１０ｕとの界面１１ｕで剥離する。この剥離によって、単結晶層１０ｕを改質層１２から剥離してなる薄い単結晶基板１０ｓを得る。本実施形態では、改質層１２の界面１１ｕ側に隣接する応力層１３ｕが形成されており、その上、改質層１２と単結晶層１０ｕとの界面１１ｕが形成されていることにより、比較的小さい力でこの剥離が生じ易い。

力Ｆｕ、Ｆｄを加える手法は特に限定しない。例えば、図８に示すように、内部応力層形成単結晶部材１１の側壁をエッチングして改質層１２に溝３６を形成し、図９に示すように、この溝３６に楔状圧入材３０（例えばカッター刃）を圧入することで力Ｆｕ、Ｆｄを発生させてもよい。また、図１０に示すように、内部応力層形成単結晶部材１１に角方向から力Ｆを加えて、上方向の力成分Ｆｕと下方向の力成分Ｆｄとを発生させてもよい。

このようにして得られた単結晶基板１０ｓの剥離面１０ｆは、例えば図１１に示すように、粗面である。ここで図１１は、単結晶基板１０ｓの剥離面１０ｆの光学顕微鏡写真である。なお、図１１では、写真画像を判りやすくするために、結晶方位面でへき開した面１０Ｈも一部に生じさせて写している。

以上説明したように、本実施形態では、単結晶部材１０の内部にレーザ光を集光することで、圧縮応力が生じた応力層１３を形成している。従って、改質層１２と応力層１３との剥離が容易である。

さらに、改質層１２として、レーザ光Ｂの照射軸ＢＣと平行な多結晶部１２ｐの集合体を形成している。これにより、改質層１２と単結晶層１０ｕとの剥離がさらに容易となっている。

また、大きなＮＡの集光レンズ１５で、単結晶部材１０内の薄い厚み部分にレーザ光Ｂによるエネルギーを集中させることができる。従って、単結晶部材１０内に、厚みＴ（レーザ光Ｂの照射軸ＢＣに沿った長さ）が小さい改質層（加工領域）１２を形成した内部応力層形成単結晶部材１１を製造することができる。そして、改質層１２から単結晶層１０ｕを剥離することで薄い単結晶基板１０ｓを製造することが容易である。また、このような薄い単結晶基板１０ｓを比較的短時間で容易に製造することができる。しかも、改質層１２の厚みを抑えることで単結晶部材１０から多数枚の単結晶基板１０ｓが得られるので、製品率を向上させることができる。

さらに、改質層１２から剥離させる際、界面１１ｕ、１１ｄのうち、レーザ光の被照射側の界面１１ｕから剥離させて剥離面１０ｆを粗面としている。このような粗面化された剥離面１０ｆを太陽光の被照射面として使用することで、太陽電池に適用する場合の太陽光の集光効率を高めることができる。

また、単結晶基板１０ｓを形成する工程では、表面に酸化層２９ｕを有する金属製基板２８ｕを単結晶層１０ｕの表面に接着して剥離させることで単結晶基板１０ｓを得ている。従って、金属製基板との接着に、通常の半導体製造プロセスで使用される接着剤を用いることができ、アクリル板を接着させる際に用いる強力な接着力を有するシアノアクリレート系接着剤を用いなくて済む。しかも、剥離した後、水に浸けることで接着剤の接着力が大きく低減して剥がれ易くなるので、金属製基板２８ｕから単結晶基板１０ｓを容易に分離させることができる。

なお、上記実施形態では、レーザ光Ｂを集光することで応力層１３と改質層１２とを同時に形成することで説明したが、応力層１３のみを形成して改質層１２を形成しない内部応力層形成単結晶部材を形成してもよい。応力層１３の存在によって改質層１２と単結晶層１０ｕとが剥がれ易くなっているので、本実施形態と同様にして、金属製基板２８ｕ、２８ｄの接着を行って単結晶基板１０ｓを改質層１２から剥離させて単結晶基板１０ｓを製造することができる。

また、応力層１３による大きな応力が改質層１２内で生じているときには改質層１２内で剥離が生じ得る。上記実施形態では、単結晶層１０ｕを改質層１２との界面１１ｕから剥離させることで説明したが、本発明は界面１１ｕからの剥離に限られず、このように改質層１２内で剥離して単結晶基板１０ｓを製造することも含まれる。

また、本実施形態では、金属製基板２８ｕ、２８ｄを内部応力層形成単結晶部材１１の上下面にそれぞれ貼り付けて、金属製基板２８ｕ、２８ｄに力を加えて剥離することで単結晶基板１０ｓを形成することで説明したが、エッチングにより改質層１２を除去することで剥離してもよい。

また、単結晶部材１０はシリコンウェハに限定されるものではなく、シリコンウェハのインゴット、単結晶のサファイア、ＳｉＣなどのインゴットやこれから切り出したウェハ、あるいはこの表面に他の結晶（ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）を成長させたエピタキシャルウェハなどを適用可能である。また、単結晶部材１０の面方位は（１００）に限らず、他の面方位とすることも可能である。

＜試験例１＞
本発明者は、単結晶部材１０として鏡面研磨した単結晶のシリコンウェハ１０（厚み６２５μｍ）を準備した。そして、実施例１として、このシリコンウェハ１０をＸＹステージに載置し、シリコンウェハ１０のレーザ光の被照射側の表面１０ｔからの０．３４ｍｍの距離に、第２レンズ１８として第２平凸レンズ１８を配置した。この第２平凸レンズ１８は、曲率半径７．８ｍｍ、厚み３．８ｍｍ、屈折率１．５８のレンズである。また、第１レンズ１６としてＮＡが０．５５の第１平凸レンズ１６を配置した。

そして、波長１０６４ｎｍ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、パルス幅６０秒、出力１Ｗのレーザ光Ｂを照射し、第１平凸レンズ１６、第２平凸レンズ１８を通過させてシリコンウェハ１０内部に改質層１２を形成した。シリコンウェハ表面１０ｔから加工領域までの深さＤ、つまり改質層１２までの深さＤは、第１平凸レンズ１６とシリコンウェハ表面１０ｔとの相互位置を調整することで制御した。改質層１２の厚みＴは第２平凸レンズ１８とシリコンウェハ表面１０ｔとの相互位置を調整することで制御した。

改質層１２を形成する際には、Ｘステージで等速で１５ｍｍ移動させながらレーザ光Ｂを照射し、次いでＹステージで１μｍ送った後これを繰り返すことで１５ｍｍ×１５ｍｍのエリアにレーザ光の内部照射を行うことで改質層１２を形成した。この結果、改質層１２の上側（すなわちレーザ光Ｂの被照射側）に単結晶層１０ｕと、改質層１２の下側に単結晶部１０ｄとを有する内部応力層形成単結晶部材１１が製造された。本実施形態では、単結晶層１０ｕ、単結晶部１０ｄは、改質層１２によってシリコンウェハ１０が分断されたことにより形成されたものである。

この後、改質層１２を横断するようにシリコンウェハ１０をへき開してへき開面をエッチングし、光学顕微鏡（走査電子顕微鏡）で観察した。観察されたへき開面の光学顕微鏡写真を図１２に示す。改質層１２には１μｍ弱の幅の多結晶部１２ｐが並んでいることが確認された。

また、実施例２として、上記実施条件のうち、Ｙステージで１μｍではなく１０μｍで送ることのみ条件を変えて改質層１２を形成した。そして、同様にして、改質層１２を横断するようにシリコンウェハ１０をへき開してエッチングし、へき開面を光学顕微鏡（走査電子顕微鏡）で観察した。観察されたへき開面の光学顕微鏡写真を図１３に示す。改質層１２には１０μｍ弱の幅の多結晶部１２ｐが並んでいることが確認された。

また、実施例３として、実施例２のようにレーザ光を照射した後、Ｘステージで１０μｍ送った後にＹステージで等速で移動させながらレーザ光を照射することを繰り返した。すなわち、格子状にレーザ光を照射した。そして同様にして、改質層１２を横断するようにシリコンウェハ１０をへき開してエッチングし、へき開面を光学顕微鏡（走査電子顕微鏡）で観察した。改質層１２には１０μｍ弱の幅の多結晶部１２ｐが並んでいることが、実施例２よりもさらにはっきりと確認された。

＜試験例２＞
また、本発明者は、試験例１で用いたシリコンウェハ１０と同様のシリコンウェハを用い、実施例１の実施条件で改質層１２を形成してなる内部応力層形成単結晶部材１１を製造した。そして、金属製基板２８ｕ、２８ｄを用いて単結晶層１０ｕを剥離し、単結晶基板１０ｓを得た。この単結晶基板１０ｓの剥離面１０ｆをレーザ共焦点顕微鏡で観察したところ、図１４に示す計測図が得られ、粒径５０〜１００μｍの凹凸が剥離面１０ｆに形成されていることが確認された。ここで、図１４では、横軸が凹凸寸法（μｍ表示）であり、縦軸が表面粗さ（％表示）である。

＜試験例３＞
本発明者は、改質層１２を単結晶層１０ｕから剥離させた後、改質層１２の状態を、深さ方向位置を順次変えて赤外線顕微鏡による透過光観察により測定した。測定で得られた赤外線顕微鏡写真を図１５〜図１７に示す。図１５は改質層１２の単結晶層１０ｕ側の剥離面の多結晶粒の状態を示し、図１６はそれよりもやや深い位置での多結晶粒の状態を示し、図１７はさらに深い位置での多結晶粒の状態を示す。

図１５〜図１７から判るように、レーザ光の被照射側から深さ方向にいくに従い、粒径が粗くなっていた。

＜試験例４＞
本発明者は、単結晶のシリコンウェハにレーザ光を照射して上記の改質層１２をシリコンウェハ内部に形成した。そして、この改質層１２について、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による測定を行って結晶性評価を行った。測定で得られた図を図１８に示す。図１８から判るように、単結晶シリコンが多結晶化していることが確認された。従って、レーザ光の照射によって溶融、固化のプロセスが生じていることが判明した。

＜試験例５＞
（実施例４）
本発明者は、単結晶部材１０として両面を鏡面研磨した単結晶のシリコンウェハ１０（厚み６２５μｍ）を準備した。そして、実施例４として、このシリコンウェハ１０をＸＹステージに載置し、波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光を照射し、一辺が５ｍｍの平面視正方形状の改質層１２を形成した。そして、このシリコンウェハ（内部応力層形成単結晶部材）をへき開することで改質層１２の断面を露出させ、この断面を走査型電子顕微鏡で観察した。改質層１２の厚みＴは３０μｍであった。

次いで、この断面のラマン分光スペクトルを測定した。測定で得られたスペクトル図を図１９に示す。改質層１２に相当する部分でスペクトルの半値幅が大きく変動しており、多結晶となっていることが確認された。そして、単結晶領域とこの多結晶の領域との界面付近で高波数側に大きなスペクトルのシフトが観察され、界面に大きな圧縮応力が生じていることも確認された。

（比較例）
また、本発明者は、実施例４で用いたシリコンウェハと同様のシリコンウェハを用い、以下のようにして比較例の試験を行った。図２０は、本比較例で、レーザ集光手段により空気中でレーザ光を集光したことを説明する模式的鳥瞰図である。比較例では、実施例４に比べ、レーザ集光手段として、集光レンズ１５に代えて集光レンズ１１５が配置されている。本比較例で用いるこの集光レンズ１１５は、平凸レンズである第１レンズ１１６と、第１レンズ１１６とシリコンウェハ１００表面との間に配置された収差増強用のガラス板１１８と、で構成される。この収差増強用のガラス板１１８をこのように配置することによって、被照射体であるシリコンウェハ１００の表面にレーザスポットＳＰを形成するレーザ光Ｂは、シリコンウェハ表面１００ｔで屈折されてレーザ光としてシリコンウェハ内部に進入し、シリコンウェハ内部に集光点を結ぶ際に、所定の深さ位置および幅を有する像を結ぶことになる。すなわち、シリコンウェハ内部に改質層１１２（加工領域）を所定の深さ位置に所定の厚みＶで形成することができる。ここで収差増強用のガラス板１１８によって収差が増強されているので、この所定の厚みＶは、実施例４の改質層１２の厚みＴよりも大きくなる。

本比較例では、ＮＡ０．８、倍率１００倍の顕微鏡用対物レンズに、収差増強用のガラス板１１８として直径０．１５ｍｍのカバーガラスを付けた。そして、波長１０６４ｎｍのパルスレーザを、実施例４の場合と同じ周波数、出力でシリコンウェハ１００に照射し、一辺が５ｍｍの平面視正方形状の改質層１１２を形成した。そして、このシリコンウェハ１００をへき開することでこの改質層１１２の断面を露出させ、この断面を走査型電子顕微鏡で観察した。この改質層１１２の厚みは８０〜１００μｍであった。

次いで、この断面のラマン分光スペクトルを測定した。測定結果を図２１に示す。改質層１１２に相当する部分でスペクトルの半値幅が大きく変動しており、多結晶となっていることが確認された。そして、この多結晶の領域周辺で大きな波数シフトは観察されず、この多結晶の領域と単結晶領域との界面で大きな応力が存在していないことが確認された。

従って、本試験例により、比較例に比べて実施例４では、シリコンウェハ内部（単結晶部材内部）にレーザ光で加工形成される改質層１１２の厚みが小さいため、加工に伴うエネルギーロスを低減できることが判った。

また、実施例４では、単結晶領域と多結晶領域との界面の近傍に大きな圧縮応力が存在するので、改質層１２と単結晶層１０ｕとの界面１１ｕの近傍に大きな圧縮応力が存在する。この応力の存在によっても、比較例よりも実施例４のほうが単結晶層を改質層から剥離し易い。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図２２は、本実施形態に係る単結晶基板製造方法および内部応力層形成単結晶部材を説明する上で用いる単結晶部材内部加工装置の模式的鳥瞰図である。

本実施形態で用いる単結晶部材内部加工装置６９は、上面側に載置された単結晶部材１０を保持する回転ステージ７０と、回転ステージ７０の回転数を制御する回転ステージ制御手段７２とを有する基板回転手段７４を備えている。そして、単結晶部材内部加工装置６９は、レーザ光源７６と、集光レンズ１５と、集光レンズ１５から回転ステージ７０までの距離を調整する焦点位置調整具（図示せず）とを有する照射装置８０を備えている。さらに、単結晶部材内部加工装置６９は、回転ステージ７０の回転軸７０ｃと回転ステージ７０の外周との間で、回転ステージ７０と集光レンズ１５とを相対的に移動させるＸ方向移動ステージ８４およびＹ方向移動ステージ８６を備えている。

本実施形態では、この単結晶部材内部加工装置６９を用い、回転ステージ７０に単結晶部材１０を載置し、回転ステージ７０で単結晶部材１０を等速で回転させつつ、第１実施形態と同様にしてレーザ光Ｂを照射し、次いでＸ方向移動ステージ８４やＹ方向移動ステージ８６で回転ステージ７０を移動させて、レーザ光Ｂの照射位置を回転ステージ７０の半径方向に所定間隔（１μｍ、５μｍ、１０μｍなど）で送った後、照射を繰り返すことで、単結晶部材１０の内部に２次元状の改質層を形成することができる。

本実施形態では、レーザ光Ｂの集光点の移動方向が円状となるので、レーザ光の集光によって発生する多結晶部がこの円上に位置している。そして、レーザ光Ｂの照射位置を回転ステージ７０の半径方向に所定間隔で送った後、照射を繰り返すことで、多結晶部を同心円状に位置させることができる。そして、このような内部応力層形成単結晶部材を製造し、第１実施形態と同様にして剥離により単結晶基板を製造することができる。

なお、例えば正方形状の単結晶部材を、回転ステージ７０上に、回転軸７０ｃに対して対称に、間隔を置いて複数配置してもよい。これにより、レーザ光Ｂの集光による多結晶部を、円を部分的に構成する円弧上に配置することができる。

本発明により薄い単結晶基板を効率良く形成することができることから、薄く切り出された単結晶基板は、Ｓｉ基板であれば、太陽電池に応用可能であり、また、ＧａＮ系半導体デバイスなどのサファイア基板などであれば、発光ダイオード、レーザダイオードなどに応用可能であり、ＳｉＣなどであれば、ＳｉＣ系パワーデバイスなどに応用可能であり、透明エレクトロニクス分野、照明分野、ハイブリッド／電気自動車分野など幅広い分野において適用可能である。

１０ 単結晶部材、シリコンウェハ
１０ｕ 単結晶層
１０ｓ 単結晶基板
１０ｔ 表面
１３ｕ 応力層
１３ｄ 応力層
１１ 内部応力層形成単結晶部材
１１ｕ 界面
１２ 改質層
１２ｐ 多結晶部
２８ｕ 金属製基板
２９ｕ 酸化層
Ｂ レーザ光

Claims (2)

1. 単結晶部材上に非接触にレーザ集光手段を配置する工程と、
   前記レーザ集光手段により、 前記単結晶部材の内部において、前記単結晶部材の被照射側の表面からレーザ光を照射し、前記レーザ集光手段の外周部に入射した光を前記レーザ集光手段の内周部に入射した光よりも収差補正により前記レーザ集光手段側で集光させつつ前記レーザ集光手段と前記単結晶部材とを相対的に移動させることで、前記単結晶部材内部に２次元状の薄厚改質層を形成しつつ該薄厚改質層の界面付近に応力層を形成する工程と、
   前記薄厚改質層によって分断されてなる単結晶層を前記薄厚改質層との界面から剥離することで単結晶基板を形成する工程と
   を備えたことを特徴とする単結晶基板製造方法。
2. 厚み６０μｍ未満の前記薄厚改質層を形成することを特徴とする請求項１に記載の単結
   晶基板製造方法。