JP6495056B2 - 単結晶基板の加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板、窒化ガリウム(GaN)基板、リチウムタンタレート(LiTaO3)基板、リチウムナイオベート(LiNbO3)基板、ダイヤモンド基板、石英基板等の単結晶基板に加工を施す単結晶基板の加工方法に関する。
光デバイス製造工程においては、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板、窒化ガリウム(GaN)基板の表面にn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層からなる光デバイス層が積層され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た複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスを形成して光デバイスウエーハを構成する。そして、光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿ってレーザー光線を照射して切断することにより光デバイスが形成された領域を分割して個々の光デバイスを製造している。また、リチウムタンタレート(LiTaO3)基板、リチウムナイオベート(LiNbO3)基板、炭化珪素（SiC）基板、ダイヤモンド基板、石英基板の表面にSAWデバイスが形成されたSAWウエーハも分割予定ラインに沿ってレーザー光線を照射して切断することにより個々のSAWデバイスを製造している。
上述した光デバイスウエーハやSAWウエーハ等のウエーハを分割する方法として、被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザー光線を照射するレーザー加工方法も試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、ウエーハの一方の面側から内部に集光点を合わせてウエーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部に分割予定ラインに沿って破断起点となる改質層を連続的に形成し、この改質層が形成されることによって強度が低下したストリートに沿って外力を加えることにより、ウエーハを分割する技術である（例えば、特許文献１参照）。
また、半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等のウエーハを分割予定ラインに沿って分割する方法として、ウエーハに対して吸収性を有する波長のパルスレーザー光線を分割予定ラインに沿って照射することによりアブレーション加工を施してレーザー加工溝を形成し、この破断起点となるレーザー加工溝が形成された分割予定ラインに沿って外力を付与することにより割断する技術が実用化されている（例えば、特許文献２参照）。
特許第３４０８８０５号公報 特開平１０―３０５４２０号公報
而して、上記いずれの加工方法においても、サファイア(Al2O3)基板等からなる光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って個々のデバイスに分割するためには同一分割予定ラインに複数回レーザー光線を照射する必要があり、生産性が悪いという問題がある。
また、表面にn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層からなる光デバイス層（膜）が形成されていたり、裏面に金属膜やDBR膜が積層されている単結晶基板においては、膜の影響を受けることなく単結晶基板に所望のレーザー加工を施すことが要求される。
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、表面または裏面に膜が形成されている単結晶基板においても確実に所望の厚さのレーザー加工を施すことができる単結晶基板の加工方法を提供することである。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、表面または裏面に膜が積層されている単結晶基板を設定された分割予定ラインに沿って分割する単結晶基板の加工方法であって、
単結晶基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を分割予定ラインに沿って照射し、細孔と該細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルを分割予定ラインに沿って形成するシールドトンネル形成工程と、
該シールドトンネル形成工程が実施された単結晶基板に外力を付与し、単結晶基板をシールドトンネルが形成された分割予定ラインに沿って分割する分割工程と、を含み、
該シールドトンネル形成工程を実施する前に、単結晶基板に積層された膜を分割予定ラインに沿って除去する膜除去工程を実施し、
該膜除去工程を実施した後に、膜を除去したことにより表出した前記単結晶基板の該パルスレーザー光線の透過を妨げる粗面、又は微細な凹凸面となった領域にパルスレーザー光線の波長に対して透過性を有する透過膜を被覆する透過膜被覆工程を実施し、
該シールドトンネル形成工程は、膜が除去された領域側から該透過膜を通して分割予定ラインに沿ってパルスレーザー光線を照射する、
ことを特徴とする単結晶基板の加工方法が提供される。
上記膜除去工程は、外周に環状の切れ刃を有する切削ブレードによって実施する。
また、上記膜除去工程は、エッチング加工によって実施する。
上記シールドトンネル形成工程において用いるパルスレーザー光線は、ピークエネルギー密度が１ＴＷ／ｃｍ２〜１００ＴＷ／ｃｍ２の範囲に設定されている。
本発明による単結晶基板の加工方法においては、単結晶基板に積層された膜を分割予定ラインに沿って除去する膜除去工程を実施し、膜が除去された領域側から単結晶基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を分割予定ラインに沿って照射し、細孔と該細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルを分割予定ラインに沿って形成し、上記シールドトンネル形成工程を実施する際には、上記膜除去工程を実施した後に膜が分割予定ラインに沿って除去された領域に透過膜が被覆されているので、単結晶基板の表面または裏面に膜が積層されていても単結晶基板にシールドトンネルを確実に形成することができ、単結晶基板を個々のチップに確実に分割することができ、また、膜が分割予定ラインに沿って除去された領域の上面がパルスレーザー光線の透過を妨げる状態（例えば、面が粗面の状態、基板の上面にPSS構造と称する複数の微細な凹凸が形成されている状態）になっていても、透過膜によってパルスレーザー光線の透過が可能となり、シールドトンネルを確実に形成することができる。
本発明による単結晶基板の加工方法によって加工される単結晶基板としての光デバイスウエーハの斜視図および要部を拡大して示す断面図。 図１に示す光デバイスウエーハを環状のフレームに装着したダイシングテープに貼着した状態を示す斜視図。 本発明による単結晶基板の加工方法における膜除去工程を実施するための切削装置の要部斜視図。 本発明による単結晶基板の加工方法における膜除去工程の説明図。 本発明による単結晶基板の加工方法における透過膜被覆工程の説明図。 本発明による単結晶基板の加工方法におけるシールドトンネル形成工程を実施するためのレーザー加工装置の要部斜視図。 図３に示すレーザー加工装置に装備されるパルスレーザー光線発振手段のブロック構成図。 集光レンズの開口数(NA)と光デバイスウエーハの屈折率(N)と開口数(NA)を屈折率(N)で除した値（S＝ＮＡ／Ｎ）との関係を示す図。 本発明による単結晶基板の加工方法におけるシールドトンネル形成工程の第１の実施形態の説明図。 本発明による単結晶基板の加工方法におけるシールドトンネル形成工程の第２の実施形態の説明図。 本発明による単結晶基板の加工方法によってシールドトンネルが形成された光デバイスウエーハを個々の光デバイスに分割するための分割装置の斜視図。 図１１に示す分割装置によって実施するウエーハ分割工程の説明図。
以下、本発明による単結晶基板の加工方法の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１の(a)および(b)には、本発明による単結晶基板の加工方法によって加工される単結晶基板としての光デバイスウエーハの斜視図が示されている。
図１の(a)および(b)に示す光デバイスウエーハ２は、厚みが４００μmのサファイア(Al2O3)基板２０の表面２０aにn型窒化ガリウム半導体層およびp型窒化ガリウム半導体層からなる光デバイス層２１がエピタキシャル成長法によって積層して形成されている。なお、光デバイス層２１には、格子状に形成された複数の分割予定ライン２１１によって区画された複数の領域に光デバイス２１２が形成されている。
上述した単結晶基板としての光デバイスウエーハ２を加工する単結晶基板の加工方法について説明する。
先ず、光デバイスウエーハ２を環状のフレームに装着されたダイシングテープの表面に貼着するウエーハ支持工程を実施する。即ち、図２に示すように、環状のフレームFの内側開口部を覆うように外周部が装着されたダイシングテープTの表面に光デバイスウエーハ２の裏面２０bを貼着する。従って、ダイシングテープＴの表面に貼着された光デバイスウエーハ２は、光デバイス層２１の表面２１aが上側となる。
上述したウエーハ支持工程を実施したならば、単結晶基板であるサファイア(Al2O3)基板２０の表面２０aに積層された膜としての光デバイス層２１を分割予定ラインに沿って除去する膜除去工程を実施する。この膜除去工程は、図示の実施形態においては図３に示す切削装置３を用いて実施する。図３に示す切削装置３は、被加工物を保持するチャックテーブル３１と、該チャックテーブル３１に保持された被加工物を切削する切削手段３２と、該チャックテーブル３１に保持された被加工物を撮像する撮像手段３３を具備している。チャックテーブル３１は、被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない加工送り手段によって図３において矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられるとともに、図示しない割り出し送り手段によって矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられるようになっている。
上記切削手段３２は、実質上水平に配置されたスピンドルハウジング３２１と、該スピンドルハウジング３２１に回転自在に支持された回転スピンドル３２２と、該回転スピンドル３２２の先端部に装着された切削ブレード３２３を含んでおり、回転スピンドル３２２がスピンドルハウジング３２１内に配設された図示しないサーボモータによって矢印３２３aで示す方向に回転せしめられるようになっている。切削ブレード３２３は、アルミニウム等の金属材によって形成された円盤状の基台３２４と、該基台３２４の側面外周部に装着された環状の切れ刃３２５とからなっている。環状の切れ刃３２５は、基台３２４の側面外周部に粒径が３〜４μｍのダイヤモンド砥粒をニッケルメッキで固めた電鋳ブレードからなっており、図示の実施形態においては厚みが３０μｍで外径が５０mmに形成されている。
上記撮像手段３３は、スピンドルハウジング３２１の先端部に装着されており、被加工物を照明する照明手段と、該照明手段によって照明された領域を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた像を撮像する撮像素子（ＣＣＤ）等を備え、撮像した画像信号を図示しない制御手段に送る。
上述した切削装置３を用いて上記膜除去工程を実施するには、図３に示すようにチャックテーブル３１上に上記ウエーハ支持工程が実施された光デバイスウエーハ２が貼着されたダイシングテープT側を載置する。そして、図示しない吸引手段を作動することにより、ダイシングテープTを介して光デバイスウエーハ２をチャックテーブル３１上に保持する（ウエーハ保持工程）。従って、チャックテーブル３１に保持された光デバイスウエーハ２は、光デバイス層２１が形成された表面２１aが上側となる。なお、図３においてはダイシングテープTが装着された環状のフレームFを省いて示しているが、環状のフレームFはチャックテーブル３１に配設された適宜のフレーム保持手段に保持される。このようにして、光デバイスウエーハ２を吸引保持したチャックテーブル３１は、図示しない加工送り手段によって撮像手段３３の直下に位置付けられる。
チャックテーブル３１が撮像手段３３の直下に位置付けられると、撮像手段３３および図示しない制御手段によって光デバイスウエーハ２の切削すべき領域を検出するアライメント工程を実施する。即ち、撮像手段３３および図示しない制御手段は、光デバイスウエーハ２の所定方向に形成されている分割予定ライン２１１と切削ブレード３２３との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、切削ブレード３２３によって切削する切削領域のアライメントを遂行する（アライメント工程）。また、光デバイスウエーハ２に上記所定方向と直交する方向に形成された分割予定ライン２１１に対しても、同様に切削ブレード３２３によって切削する切削領域のアライメントが遂行される。
以上のようにしてチャックテーブル３１上に保持されている光デバイスウエーハ２の分割予定ライン２１１を検出し、切削領域のアライメントが行われたならば、光デバイスウエーハ２を保持したチャックテーブル３１を切削領域の切削開始位置に移動する。このとき、図４の(a)で示すように光デバイスウエーハ２は切削すべき分割予定ライン２１１の一端（図４の(a)において左端）が切削ブレード３２３の直下より所定量右側に位置するように位置付けられる。
このようにして切削装置３のチャックテーブル３１上に保持された光デバイスウエーハ２が切削加工領域の切削開始位置に位置付けられたならば、切削ブレード３２３を図４の(a)において２点鎖線で示す待機位置から矢印Z１で示すように下方に切り込み送りし、図４の(a)において実線で示すように所定の切り込み送り位置に位置付ける。この切り込み送り位置は、図４の(a)および図４の(c)に示すように切削ブレード３２３の下端が光デバイスウエーハ２を構成するサファイア(Al2O3)基板２０の表面２０aに達する位置に設定されている。
次に、切削ブレード３２３を図４の(a)において矢印３２３aで示す方向に所定の回転速度で回転せしめ、チャックテーブル３１を図４の(a)において矢印Ｘ１で示す方向に所定の切削送り速度で移動せしめる。そして、分割予定ライン２１１の他端（図４の(b)において右端）が切削ブレード３２３の直下より所定量左側に位置するまで達したら、チャックテーブル３１の移動を停止する。このようにチャックテーブル３１を切削送りすることにより、図４の(d)で示すように光デバイスウエーハ２を構成する光デバイス層２１には分割予定ライン２１１に沿ってサファイア(Al2O3)基板２０の表面２０aに達する切削溝２１３が形成される。この結果、単結晶基板であるサファイア(Al2O3)基板２０の表面２０aに積層された膜としての光デバイス層２１は、分割予定ライン２１１に沿って除去される(膜除去工程)。
次に、切削ブレード３２３を図４の(b)において矢印Z2で示すように上昇させて２点鎖線で示す待機位置に位置付け、チャックテーブル３１を図４の(b)において矢印Ｘ２で示す方向に移動して、図４の(a)に示す位置に戻す。そして、チャックテーブル３１を紙面に垂直な方向（割り出し送り方向）に分割予定ライン２１１の間隔に相当する量だけ割り出し送りし、次に切削すべき分割予定ライン２１１を切削ブレード３２３と対応する位置に位置付ける。このようにして、次に切削すべき分割予定ライン２１１を切削ブレード３２３と対応する位置に位置付けたならば、上述した膜除去工程を実施する。そして、上述した膜除去工程を光デバイスウエーハ２に形成された全ての分割予定ライン２１１に実施する。
なお、上記膜除去工程は、例えば以下の加工条件で行われる。
切削ブレード ：外径５０ｍｍ、厚み３０μｍ
切削ブレードの回転速度：２００００ｒｐｍ
切削送り速度 ：５０ｍｍ／秒
上述した膜除去工程を実施したならば、膜が除去された領域に後述するパルスレーザー光線の波長（例えば１０３０nm）に対して透過性を有する透過膜を被覆する透過膜被覆工程を実施する。この透過膜被覆工程は、図５の(a)に示す透過膜被覆装置４を用いて実施する。即ち、透過膜被覆装置４のスピンナーテーブル４１上に上記膜除去工程が実施された光デバイスウエーハ２をダイシングテープTを介して載置する。そして、図示しない吸引手段を作動することにより、スピンナーテーブル４１上にダイシングテープTを介して光デバイス２１２を吸引保持する。従って、スピンナーテーブル４１上にダイシングテープTを介して保持された光デバイスウエーハ２は、光デバイス層２１の表面２１aが上側となる。なお、環状のフレームFは、スピンナーテーブル４１に配設された図示しないクランプによって固定される。そして、スピンナーテーブル４１の上方に配設された樹脂液供給手段４２の樹脂供給ノズル４２１から光デバイスウエーハ２を構成する光デバイス層２１の表面２１aにおける中央部に所定量の被覆膜形成液４０を滴下する。被覆膜形成液４０としては、例えばポリビニールアルコール(PVA)、ポリアリルアミン(PAA)、ポリエチレンイミン(PEI)、食用オイル、機械オイル等を用いることができる。
このようにして、光デバイスウエーハ２を構成する光デバイス層２１の表面２１aにおける中央領域へ所定量の被覆膜形成液４０を滴下したならば、図５の(b)に示すようにスピンナーテーブル４１を矢印４１aで示す方向に例えば１００rpmで５秒間程度回転する。この結果、光デバイスウエーハ２を構成する光デバイス層２１の表面２１aにおける中央領域に滴下された被覆膜形成液４０は、遠心力の作用で外周に向けて流動し光デバイス層２１の表面２１aの全面に拡散せしめられ、図５の(c)に示すように光デバイス層２１における分割予定ライン２１１に沿って形成された切削溝２１３によって除去された領域が後述するパルスレーザー光線の波長（例えば１０３０nm）に対して透過性を有する透過膜４００によって被覆される。
次に、単結晶基板であるサファイア(Al2O3)基板２０に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を分割予定ライン２１１に沿って照射し、細孔と該細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルを分割予定ライン２１１に沿って形成するシールドトンネル形成工程を実施する。このシールドトンネル形成工程は、図示の実施形態においては図６に示すレーザー加工装置５を用いて実施する。図６に示すレーザー加工装置５は、被加工物を保持するチャックテーブル５１と、該チャックテーブル５１上に保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２と、チャックテーブル５１上に保持された被加工物を撮像する撮像手段５３を具備している。チャックテーブル５１は、被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない加工送り手段によって図６において矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられるとともに、図示しない割り出し送り手段によって図６において矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられるようになっている。
上記レーザー光線照射手段５２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング５２１を含んでいる。レーザー光線照射手段５２は、図７に示すように上記ケーシング５２１内に配設されたパルスレーザー光線発振手段５２２と、該パルスレーザー光線発振手段５２２から発振されたパルスレーザー光線の出力を調整する出力調整手段５２３と、該出力調整手段５２３によって出力が調整されたパルスレーザー光線を集光してチャックテーブル５１の上面である保持面に保持された被加工物としての光デバイスウエーハ２に照射する集光器５２４を具備している。パルスレーザー光線発振手段５２２は、パルスレーザー光線発振器５２２aと、パルスレーザー光線発振器５２２aが発振するパルスレーザー光線の繰り返し周波数を設定する繰り返し周波数設定手段５２２b、およびパルスレーザー光線発振器５２２aが発振するパルスレーザー光線のパルス幅を設定するパルス幅設定手段５２２cとから構成されている。このように構成されたパルスレーザー光線発振手段５２２は、図示の実施形態においては波長が１０３０nmのパルスレーザー光線LBを発振する。なお、パルスレーザー光線発振手段５２２および上記出力調整手段５２３は、図示しない制御手段によって制御されるようになっている。
上記集光器５２４は、パルスレーザー光線発振手段５２２から発振され出力調整手段５２３によって出力が調整されたパルスレーザー光線LBを下方に向けて方向変換する方向変換ミラー５２４aと、該方向変換ミラー５２４aによって方向変換されたパルスレーザー光線LBを集光してチャックテーブル５１の上面である保持面に保持された被加工物Wに照射する集光レンズ５２４bとからなっている。この集光器５２４の集光レンズ５２４bの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値が０．０５〜０．４の範囲となっている場合にシールドトンネルが形成されることが本発明者によって確認されている。ここで、開口数(NA)と屈折率(N)と開口数(NA)を屈折率(N)で除した値（S＝ＮＡ／Ｎ）との関係について、図８を参照して説明する。図８において集光レンズ５２４bに入光したパルスレーザー光線LBは光軸に対して角度(α)をもって集光される。このとき、sinαが集光レンズ５２４aの開口数(NA)である（NA＝sinα）。集光レンズ５２４bによって集光されたパルスレーザー光線LBが単結晶基板からなる光デバイスウエーハ２に照射されると、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板は空気より密度が高いのでパルスレーザー光線LBは角度(α)から角度(β)に屈折する。このとき、光軸に対する角度(β)は、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板の屈折率(N)によって異なる。屈折率(N)は（Ｎ＝sinα／sinβ）であるから、開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値（S＝ＮＡ／Ｎ）はsinβとなる。そして、sinβを０．０５〜０．４の範囲（０．０５≦sinβ≦０．４）に設定すると良好なシールドトンネルが形成されることが実験において確認され、sinβが設定した範囲を脱すると後述するピークエネルギー密度の範囲であっても良好なシールドトンネルが形成されないことが実験によって確認されている。なお、レーザー光線照射手段４２は、集光器５２４の集光レンズ５２４bによって集光されるパルスレーザー光線の集光点位置を調整するための集光点位置調整手段（図示せず）を備えている。
上記レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５２１の先端部に装着された撮像手段５３は、可視光線によって撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を図示しない制御手段に送る。
上述したレーザー加工装置５を用いて、上述したシールドトンネル形成工程を実施する第１の実施形態について図６および図９を参照して説明する。シールドトンネル形成工程の第１の実施形態は、上記膜除去工程が実施され上記透過膜被覆工程を実施しない光デバイスウエーハ２に対して実施する。
即ち、上述した図６に示すレーザー加工装置５のチャックテーブル５１上に光デバイスウエーハ２が貼着されたダイシングテープT側を載置する。そして、図示しない吸引手段を作動することにより、ダイシングテープTを介して光デバイスウエーハ２をチャックテーブル5１上に保持する（ウエーハ保持工程）。従って、チャックテーブル５１に保持された光デバイスウエーハ２は、光デバイス層２１が形成された表面２１aが上側となる。なお、図６においてはダイシングテープTが装着された環状のフレームFを省いて示しているが、環状のフレームFはチャックテーブル５１に配設された適宜のフレーム保持手段に保持される。このようにして、光デバイスウエーハ２を吸引保持したチャックテーブル５１は、図示しない加工送り手段によって撮像手段５３の直下に位置付けられる。
チャックテーブル５１が撮像手段５３の直下に位置付けられると、撮像手段５３および図示しない制御手段によって光デバイスウエーハ２のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、撮像手段５３および図示しない制御手段は、光デバイスウエーハ２の所定方向に形成されている分割予定ライン２１１に沿って形成された切削溝２１３と、切削溝２１３に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２の集光器５２４との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、レーザー光線照射位置のアライメントを遂行する（アライメント工程）。また、光デバイスウエーハ２に上記所定方向と直交する方向に形成された分割予定ライン２１１沿って形成された切削溝２１３に対しても、同様にレーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。
上述したアライメント工程を実施したならば、図９の(a)で示すようにチャックテーブル５１をレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２の集光器５２４が位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定の分割予定ライン２１１沿って形成された切削溝２１３を集光器５２４の直下に位置付ける。このとき、図９の(a)で示すように光デバイスウエーハ２は、分割予定ライン２１１沿って形成された切削溝２１３の一端(図９の(a)において左端)が集光器５２４の直下に位置するように位置付けられる。そして、集光器５２４の集光レンズ５２４bによって集光されるパルスレーザー光線LBの集光点Pが単結晶基板としてのサファイア(Al2O3)基板２０の表面２０aから厚み方向の所望の位置に位置付けられるように図示しない集光点位置調整手段を作動して集光器５２４を光軸方向に移動する（位置付け工程）。なお、図示の実施形態においては、パルスレーザー光線の集光点Pは、光デバイスウエーハ２におけるパルスレーザー光線が入射されるサファイア(Al2O3)基板２０の表面２０aから所望位置（例えば表面２０aから５〜１０μm裏面２０b側の位置）に設定されている。
上述したように位置付け工程を実施したならば、レーザー光線照射手段５２を作動して集光器５２４からパルスレーザー光線LBを照射して光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板としてのサファイア(Al2O3)基板２０に位置付けられた集光点P付近（表面２０a）から裏面２０bに向けて細孔と該細孔をシールドする非晶質とを形成させてシールドトンネルを形成するシールドトンネル形成工程を実施する。即ち、集光器５２４から光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板としてのサファイア(Al2O3)基板２０に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線LBを照射しつつチャックテーブル５１を図９の(a)において矢印Ｘ１で示す方向に所定の送り速度で移動せしめる（シールドトンネル形成工程）。そして、図９の(b)で示すようにレーザー光線照射手段５２の集光器５２４のレーザー光線照射位置に分割予定ライン２１１に沿って形成された切削溝２１３の他端(図９の(b)において右端)が達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともにチャックテーブル５１の移動を停止する。
上述したシールドトンネル形成工程を実施することにより、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板としてのサファイア(Al2O3)基板２０の内部には、図９の(c)に示すようにパルスレーザー光線LBの集光点P付近（表面２０a）から裏面２０bに向けて細孔２３１と該細孔２３１の周囲に形成された非晶質２３２が成長し、分割予定ライン２１１に沿って形成された切削溝２１３に沿って所定の間隔（図示の実施形態においては１０μｍの間隔（加工送り速度：１０００ｍｍ／秒）／（繰り返し周波数：１００ｋＨｚ）で非晶質のシールドトンネル２３が形成される。このように形成されたシールドトンネル２３は、図９の(d)および(e)に示すように中心に形成された直径がφ１μm程度の細孔２３１と該細孔２３１の周囲に形成された直径がφ１０μmの非晶質２３２とからなり、図示の実施形態においては互いに隣接する非晶質２３２同士がつながるように連接して形成される形態となっている。なお、上述したシールドトンネル形成工程において形成される非晶質のシールドトンネル２３は、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板としてのサファイア(Al2O3)基板２０の表面２０aから裏面２０bに亘って形成することができるため、単結晶基板としてのサファイア(Al2O3)基板２０の厚みが厚くてもパルスレーザー光線を１回照射すればよいので、生産性が極めて良好となる。また、シールドトンネル形成工程においてはデブリが飛散しないので、デバイスの品質を低下させるという問題も解消される。
上述したように所定の分割予定ライン２１１に沿って形成された切削溝２１３に沿って上記シールドトンネル形成工程を実施したら、チャックテーブル５１を矢印Ｙで示す方向に光デバイスウエーハ２に形成された分割予定ライン２１１の間隔だけ割り出し移動し（割り出し工程）、上記シールドトンネル形成工程を遂行する。このようにして所定方向に形成された全ての分割予定ライン２１１に沿って形成された切削溝２１３に沿って上記シールドトンネル形成工程を実施したならば、チャックテーブル５１を９０度回動せしめて、上記所定方向に形成された分割予定ライン２１１沿って形成された切削溝２１３に対して直交する方向に延びる分割予定ライン２１１に沿って形成された切削溝２１３に沿って上記シールドトンネル形成工程を実行する。
さらに、本実施形態では、図１０に示す如く、上記膜除去工程を実施した後に膜としての光デバイス層２１が分割予定ライン２１１に沿って除去された領域に被覆された透過膜４００を通してパルスレーザー光線LBを照射する。従って、光デバイスウエーハ２を構成する膜としての光デバイス層２１が分割予定ライン２１１に沿って除去された領域の上面がパルスレーザー光線の透過を妨げる状態（例えば、面が粗面の状態、サファイア基板の上面にPSS構造と称する複数の微細な凹凸が形成されている状態）になっていても、透過膜４００によってパルスレーザー光線の透過が可能となり、シールドトンネルを確実に形成することができる。
上述したシールドトンネル形成工程において、良好なシールドトンネル２３を形成するには、パルスレーザー光線LBのピークエネルギー密度を１TW／cm2〜１００TW／cm2の範囲に設定することが望ましい。
なお、ピークエネルギー密度は、
平均出力(W)／｛繰り返し周波数(Hz)×スポット面積(cm2)×パルス幅(s)｝によって求めることができる。
以下、パルスレーザー光線LBのピークエネルギー密度を１TW／cm2〜１００TW／cm2の範囲に設定された理由について説明する。
実験例
［実験：１］
条件１・・・単結晶基板：サファイア基板（厚み４００μm）
条件２・・・パルスレーザー光線の波長を１０３０nmに設定
条件３・・・パルスレーザー光線の繰り返し周波数を１００kHzに設定
条件４・・・パルスレーザー光線のスポット径を１０μmに設定
条件５・・・パルスレーザー光線の平均出力を５Wに設定
条件６・・・変数：パルスレーザー光線のパルス幅

上記条件に従ってパルス幅を０．１〜１００psまで変化させながらサファイア基板にパルスレーザー光線を照射し、加工状態を観察した。

パルス幅が０．１〜０．６ｐsまではサファイア基板の内部にボイドが形成された。
パルス幅が０．７〜６３ｐsまではサファイア基板の内部に細孔と細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルが形成された。
パルス幅が６４〜１００ｐsまではサファイア基板の内部が溶融した。

以上の実験結果から、パルス幅が０．７〜６３ｐsの範囲においてサファイア基板の内部に細孔と細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルが形成されることが判った。

従って、上記条件においてパルス幅を０．７〜６３ｐsにしてピークエネルギー密度を求めると、１TW／cm2〜１００TW／cm2の範囲に設定することでシールドトンネルが形成される。
［実験：２］
条件１・・・単結晶基板：サファイア基板（厚み４００μm）
条件２・・・パルスレーザー光線の波長を１０３０nmに設定
条件３・・・パルス幅１０ｐsに設定
条件４・・・パルスレーザー光線のスポット径を１０μmに設定
条件５・・・パルスレーザー光線の平均出力を５Wに設定
条件６・・・変数：パルスレーザー光線の繰り返し周波数

上記条件に従って繰り返し周波数を１〜１０００kHzまで変化させながらサファイア基板にパルスレーザー光線を照射し、加工状態を観察した。

繰り返し周波数が１〜６kHzまではサファイア基板の内部が破壊されクラックが放射状に形成された。
繰り返し周波数が７〜６４０kHzまではサファイア基板の内部に細孔と細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルが形成された。
繰り返し周波数が６５０〜１０００kHzまではサファイア基板の内部ボイドが形成されシールドトンネルは形成されなかった。

以上の実験結果から、繰り返し周波数が７〜６４０kHzの範囲においてサファイア基板の内部に細孔と細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルが形成されることが判った。

従って、上記条件において繰り返し周波数が７〜６４０kHzにしてピークエネルギー密度を求めると、１TW／cm2〜１００TW／cm2の範囲に設定することでシールドトンネルが形成される。
上記実験１および実験２はサファイア(Al2O3)基板に対して実施した例を示したが、単結晶基板としての炭化珪素（SiC）基板、窒化ガリウム(GaN)基板、リチウムタンタレート(LiTaO３)基板、リチウムナイオベート(LiNbO３)基板、ダイヤモンド基板、石英(SiO2)基板に対しても上記実験１および実験２と同様の実験を行ったが、略同じ結果であった。
上述したシールドトンネル形成工程を実施したならば、光デバイスウエーハ２に外力を付与し細孔２３１と該細孔２３１の周囲に形成された非晶質２３２とからなるシールドトンネル２３が連続して形成された分割予定ライン２１１に沿って光デバイスウエーハ２を個々の光デバイス２１２に分割するウエーハ分割工程を実施する。ウエーハ分割工程は、図１０に示す分割装置６を用いて実施する。図１０に示す分割装置６は、上記環状のフレームFを保持するフレーム保持手段６１と、該フレーム保持手段６１に保持された環状のフレームFに装着された光デバイスウエーハ２を拡張するテープ拡張手段６２と、ピックアップコレット６３を具備している。フレーム保持手段６１は、環状のフレーム保持部材６１１と、該フレーム保持部材６１１の外周に配設された固定手段としての複数のクランプ６１２とからなっている。フレーム保持部材６１１の上面は環状のフレームFを載置する載置面６１１ａを形成しており、この載置面６１１ａ上に環状のフレームFが載置される。そして、載置面６１１ａ上に載置された環状のフレームFは、クランプ６１２によってフレーム保持部材６１１に固定される。このように構成されたフレーム保持手段６１は、テープ拡張手段６２によって上下方向に進退可能に支持されている。
テープ拡張手段６２は、上記環状のフレーム保持部材６１１の内側に配設される拡張ドラム６２１を具備している。この拡張ドラム６２１は、環状のフレームFの内径より小さく該環状のフレームFに装着されたダイシングテープTに貼着される光デバイスウエーハ２の外径より大きい内径および外径を有している。また、拡張ドラム６２１は、下端に支持フランジ６２２を備えている。図示の実施形態におけるテープ拡張手段６２は、上記環状のフレーム保持部材６１１を上下方向に進退可能な支持手段６２３を具備している。この支持手段６２３は、上記支持フランジ６２２上に配設された複数のエアシリンダ６２３aからなっており、そのピストンロッド６２３bが上記環状のフレーム保持部材６１１の下面に連結される。このように複数のエアシリンダ６２３aからなる支持手段６２３は、図１１の(a)に示すように環状のフレーム保持部材６１１を載置面６１１ａが拡張ドラム６２１の上端と略同一高さとなる基準位置と、図１１の(b)に示すように拡張ドラム６２１の上端より所定量下方の拡張位置の間を上下方向に移動せしめる。
以上のように構成された分割装置６を用いて実施するウエーハ分割工程について図１１を参照して説明する。即ち、光デバイスウエーハ２が貼着されているダイシングテープTが装着された環状のフレームFを、図１１の(a)に示すようにフレーム保持手段６１を構成するフレーム保持部材６１１の載置面６１１ａ上に載置し、クランプ６１２によってフレーム保持部材６１１に固定する（フレーム保持工程）。このとき、フレーム保持部材６１１は図１１の(a)に示す基準位置に位置付けられている。次に、テープ拡張手段６２を構成する支持手段６２３としての複数のエアシリンダ６２３ａを作動して、環状のフレーム保持部材６１１を図１１の(b)に示す拡張位置に下降せしめる。従って、フレーム保持部材６１１の載置面６１１ａ上に固定されている環状のフレームFも下降するため、図１１の(b)に示すように環状のフレームFに装着されたダイシングテープTは拡張ドラム６２１の上端縁に接して拡張せしめられる（テープ拡張工程）。この結果、ダイシングテープTに貼着されている光デバイスウエーハ２には放射状に引張力が作用するため、上述したシールドトンネル２３が連続して形成され強度が低下せしめられた分割予定ライン２１１に沿って個々の光デバイス２１２に分離されるとともに光デバイス２１２間に間隔Sが形成される。
次に、図１１の(c)に示すようにピックアップコレット６３を作動して光デバイス２１２を吸着して、ダイシングテープTから剥離してピックアップし、図示しないトレーまたはダイボンディング工程に搬送する。なお、ピックアップ工程においては、上述したようにダイシングテープTに貼着されている個々の光デバイス２１２間の隙間Sが広げられているので、隣接する光デバイス２１２と接触することなく容易にピックアップすることができる。
以上、本発明を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で種々の変形は可能である。
上述した実施形態において膜除去工程は、外周に環状の切れ刃３２５を有する切削ブレード３２３によって膜としての光デバイス層２１を分割予定ライン２１１に沿って切削することにより除去する例を示したが、半導体ウエーハの裏面に金属膜からなっている場合には、金属膜上に分割予定ライン２１１と対応する領域が抜かれたマスキングを装着してエッチングすることにより膜としての金属膜の分割予定ライン２１１と対応する領域を除去するようにしてもよい。
２：光デバイスウエーハ
２０：サファイア(Al2O3)基板
２１：光デバイス層
３：切削装置
３１：切削装置のチャックテーブル
３２：切削手段
３２３：切削ブレード
４：透過膜被覆装置
５：レーザー加工装置
５１：レーザー加工装置のチャックテーブル
５２：レーザー光線照射手段
５２２：パルスレーザー光線発振手段
５２４：集光器
６：分割装置
F：環状のフレーム
T：ダイシングテープ

Claims (4)

  1. 表面または裏面に膜が形成されている単結晶基板を設定された分割予定ラインに沿って分割する単結晶基板の加工方法であって、
    単結晶基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を分割予定ラインに沿って照射し、細孔と該細孔をシールドする非晶質とからなるシールドトンネルを分割予定ラインに沿って形成するシールドトンネル形成工程と、
    該シールドトンネル形成工程が実施された単結晶基板に外力を付与し、単結晶基板をシールドトンネルが形成された分割予定ラインに沿って分割する分割工程と、を含み、
    該シールドトンネル形成工程を実施する前に、単結晶基板に積層された膜を分割予定ラインに沿って除去する膜除去工程を実施し、
    該膜除去工程を実施した後に、膜を除去したことにより表出した前記単結晶基板の該パルスレーザー光線の透過を妨げる粗面、又は微細な凹凸面となった領域にパルスレーザー光線の波長に対して透過性を有する透過膜を被覆する透過膜被覆工程を実施し、
    該シールドトンネル形成工程は、膜が除去された領域側から該透過膜を通して分割予定ラインに沿ってパルスレーザー光線を照射する、
    ことを特徴とする単結晶基板の加工方法。
  2. 膜除去工程は、外周に環状の切れ刃を有する切削ブレードによって実施する、請求項１記載の単結晶基板の加工方法。
  3. 膜除去工程は、エッチング加工によって実施する、請求項１記載の単結晶基板の加工方法。
  4. 該シールドトンネル形成工程において用いるパルスレーザー光線は、ピークエネルギー密度が１ＴＷ／ｃｍ ２ 〜１００ＴＷ／ｃｍ ２ の範囲に設定されている、請求項１から３のいずれかに記載の単結晶基板の加工方法。
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