JP6943388B2

JP6943388B2 - 基板製造方法

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Publication number: JP6943388B2
Application number: JP2017196005A
Authority: JP
Inventors: 順一池野; 山田　洋平; 洋平山田; 鈴木　秀樹; 秀樹鈴木; 仁野口
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd; Saitama University NUC
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd; Saitama University NUC
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2037-10-06
Also published as: CN109659225A; JP2019069870A; TWI687559B; US20190105739A1; KR20190039860A; CN109659225B; KR102128501B1; EP3467159A1; EP3467159B1; TW201915230A

Description

本発明は、薄厚の酸化マグネシウム単結晶基板を製造するのに最適な基板製造方法に関する。

半導体分野、ディスプレイ分野、エネルギー分野などで、酸化マグネシウム単結晶基板が使用されている。この酸化マグネシウム単結晶基板を製造するには、バルク状に結晶成長させて基板状に切断する他、薄膜状にエピタキシャル成長させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、ダイヤモンドは高周波・高出力電子デバイスに適した半導体と考えられ、その合成方法のひとつである気相合成法では酸化マグネシウム基板やシリコン基板がベース基板として利用されている（例えば特許文献２）

特開２００１−０８０９９６号公報特開２０１５−５９０６９号公報

近年、半導体装置の高性能化に伴い、格子欠陥が少なくて薄型の酸化マグネシウム単結晶基板が益々必要になりつつある。

上記のダイヤモンド基板の製造においてベース基板である酸化マグネシウム基板（ＭｇＯ基板）は高価であり、例えば単結晶ダイヤモンドを気相合成した後にベース基板として必要な厚さを残しつつ酸化マグネシウム基板を剥離して分離することで酸化マグネシウム基板をベース基板として再利用可能となる。具体的には例えば厚さ２００μｍの酸化マグネシウムのベース基板から厚さ１８０μｍの酸化マグネシウム基板を得て再利用すればダイヤモンド基板製造プロセスにおいて大幅なコストダウンを達成でき、ダイヤモンド基板のコスト低減に大きく貢献することが期待できる。

本発明は、上記課題に鑑み、薄厚の酸化マグネシウム単結晶基板を容易に得ることができる基板製造方法を提供することを課題とする。

ところで、単結晶シリコン基板を得る製造方法が種々提案されているが、本発明者は、鋭意検討の結果、本発明においては酸化マグネシウム基板を対象とした単結晶シリコンとは異なる新たな加工原理に基づく製造方法を見出した。

上記課題を解決するための本発明の一態様によれば、レーザ光を集光するレーザ集光手段を、酸化マグネシウムの単結晶部材の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、前記レーザ集光手段を用い、所定の照射条件で、前記単結晶部材表面にレーザ光を照射して前記単結晶部材内部にレーザ光を集光しつつ前記レーザ集光手段と前記単結晶部材とを二次元状に相対的に移動させることにより、熱加工による加工痕を前記単結晶部材内部に一列に形成してなる加工痕列を並列に形成していく第２工程とを備え、前記第２工程では、加工痕同士で重なりが生じている重なり列部を前記加工痕列の少なくとも一部に形成することで面状剥離を生じさせる基板製造方法が提供される。

本発明によれば、薄厚の酸化マグネシウム単結晶基板を容易に得ることができる基板製造方法を提供することができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態で用いる剥離基板製造装置の模式的な斜視図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態で用いる剥離基板製造装置の部分拡大側面図である。本発明の一実施形態で、酸化マグネシウム単結晶基板から剥離基板が剥離していることを説明する模式的な側面断面図である。本発明の一実施形態で、加工痕を形成していくことを説明する模式図である。実験例１で、レーザ光の照射条件および照射結果を示す説明図である。実験例２で、レーザ光の照射条件および照射結果を示す説明図である。実験例２で、レーザ光の照射条件および照射結果を示す説明図である。実験例２で、レーザ光の照射条件および照射結果を示す説明図である。実験例２で、レーザ光の照射条件および照射結果を示す説明図である。実験例２で、レーザ光の照射条件および照射結果を示す説明図である。実験例２で、レーザ光の照射条件および照射結果を示す説明図である。実験例２で、レーザ光の照射条件および照射結果を示す説明図である。

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。以下の説明では、すでに説明したものと同一または類似の構成要素には同一または類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。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例示であって、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はない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

図１で、（ａ）は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）で用いる剥離基板製造装置の模式的な斜視図であり、（ｂ）は、本実施形態で用いる剥離基板製造装置の部分拡大側面図である。図２は、本実施形態で、酸化マグネシウム単結晶基板から剥離基板が剥離していることを説明する模式的な側面断面図である。図３は、本実施形態で加工痕を形成していくことを説明する説明図である。

本実施形態では、剥離基板製造装置１０（図１参照）を用いて酸化マグネシウム単結晶基板（ＭｇＯ基板）から剥離基板を得る。

剥離基板製造装置１０は、ＸＹステージ１１と、ＸＹステージ１１のステージ面１１ｆ上に保持された基板載置用部材１２（例えばシリコン基板）と、基板載置用部材１２に載せられた酸化マグネシウム単結晶基板２０に向けてレーザ光Ｂを集光するレーザ集光手段１４（例えば集光器）とを備えている。なお、図１では、酸化マグネシウム単結晶基板２０を平面視矩形状に描いているが、もちろんウエハ状であってもよく、形状を自在に選定することができる。

ＸＹステージ１１はステージ面１１ｆの高さ位置（Ｚ軸方向位置）を調整できるようになっており、ステージ面１１ｆとレーザ集光手段１４との距離が調整可能、すなわち、ステージ面１１ｆ上の単結晶基板とレーザ集光手段１４との距離が調整可能になっている。

本実施形態では、レーザ集光手段１４は、補正環１３と、補正環１３内に保持された集光レンズ１５とを備えており、酸化マグネシウムの単結晶基板２０の屈折率に起因する収差を補正する機能、すなわち収差補正環としての機能を有している。具体的には、図１（ｂ）に示すように、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Ｂが集光レンズ１５の中央部Ｍに到達したレーザ光Ｂよりも集光レンズ側で集光するように補正する。つまり、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Ｂ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Ｂ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。

この集光レンズ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と単結晶基板２０との間に配置される第２レンズ１８と、で構成される。本実施形態では、第１レンズ１６および第２レンズ１８は、何れもレーザ光Ｂを円錐状に集光できるレンズとされている。そして、補正環１３の回転位置を調整すること、すなわち第１レンズ１６と第２レンズ１８との間隔を調整することにより、集光点ＥＰと集光点ＭＰとの間隔が調整できるようになっており、レーザ集光手段１４は補正環付きレンズとしての機能を有している。

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る。

（基板製造方法）
以下、酸化マグネシウム単結晶基板から薄厚の酸化マグネシウム単結晶基板を製造する例を、添付図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、レーザ集光手段１４を、格子欠陥の少ない酸化マグネシウム単結晶基板２０（以下、単に単結晶基板２０という）の被照射面２０ｒ上に非接触に配置する第１工程を行う。なお、図示しないが酸化マグネシウム基板をベース基板として形成されたダイヤモンド基板において酸化マグネシウム基板の薄基板を残して酸化マグネシウム基板を剥離する場合には酸化マグネシウム基板側からレーザ光を照射すればよい。

第１工程後、第２工程を行う。この第２工程では、レーザ集光手段１４を用い、所定照射条件で単結晶基板２０の表面にレーザ光Ｂを照射して単結晶基板２０内部にレーザ光Ｂを集光しつつレーザ集光手段１４と単結晶基板２０とを二次元状に相対的に移動させることにより、熱加工による加工痕Ｋを単結晶部材内部に一列に形成してなる加工痕列ＬＫを並列に形成していく（例えば図３参照）。その際、加工痕Ｋ同士で重なりが生じている重なり列部ＤＫを加工痕列ＬＫの少なくとも一部に形成することで被照射面２０ｒ側から面状剥離を生じさせる。

ここで、本明細書で加工痕とは、レーザ光の集光によって集光位置から単結晶基板成分が飛び散った範囲のことをいう。この範囲（すなわち加工痕）の中心部には噴火したようなボイド状の空隙が形成される。また、本明細書で面状剥離とは、実際に剥離していなくても、僅かな力を加えることで剥離する状態も含む概念である。

この第２工程では、上記面状剥離によって製造される剥離基板２０ｐ（図２参照）の厚みを考慮して、所定高さ位置に焦点を結ぶように、すなわち、単結晶基板２０の被照射面２０ｒからの所定深さ位置に焦点を結ぶように、レーザ集光手段１４と単結晶基板２０との相対距離を予め設定しておく。

また本実施形態では、加工痕同士を重ならせる際、レーザ光Ｂの走査方向Ｕに少なくとも一部で重ならせるように、レーザ光の走査速度を調整している。また、走査方向を単結晶基板の結晶方位に沿った方向にしている。

このようにして加工痕Ｋを順次形成していくことで、面状剥離が自然に生じていき、被照射面側に剥離基板２０ｐが形成される。剥離された基板のレーザ集光側ではレーザ光Ｂの集光による加工痕Ｋの半分と見られる痕跡が形成されている。

この痕跡は、ボイドが生じその周囲に噴火で飛び散ったような、酸化マグネシウム基板の一部が溶融して固化したようにも見える痕跡である。さらに剥離した他方の基板では、加工痕Ｋの残り半分と見られる痕跡が形成されている。この痕跡は、酸化マグネシウム単結晶基板成分の一部が溶融して固化したようにも見える痕跡である。すなわち、レーザ光Ｂの集光によって、剥離される基板部分間に空隙形成がなされ、これらが連続していくことにより面状剥離が生じることが推察される。また、面状剥離した剥離面のうち、片面ではボイドが配列されている場合が多い。

このように面状剥離が自然に生じていくように、レーザ光Ｂの所定照射条件を予め設定しておく。この所定照射条件の設定では、単結晶基板２０の性質（結晶構造等）、形成する剥離基板２０ｐの厚みｔ（図２参照）、焦点におけるレーザ光Ｂのエネルギー密度などを考慮して、照射するレーザ光Ｂの波長、集光レンズ１５の収差補正量（デフォーカス量）、レーザ出力、加工痕Ｋのドットピッチｄｐ（図３参照。同一加工痕列において隣り合う加工痕の間隔、すなわち一の加工痕とその直前に形成した加工痕との間隔）、ラインピッチｌｐ（図１参照。オフセットピッチ。隣り合う加工痕列同士の間隔）などの種々の値を設定する。得られた剥離基板２０ｐには、その後、必要に応じて剥離面の研磨などの後処理を行う。

本実施形態により、薄厚の酸化マグネシウム単結晶基板を容易に得ることができる。また、格子欠陥の少ない単結晶基板２０から剥離して薄厚の酸化マグネシム単結晶基板を得ているので、得られた薄厚の酸化マグネシウム単結晶基板では格子欠陥が少ない。

また、加工痕同士を少なくとも一部で重ならせる際、レーザ光の走査方向に少なくとも一部で重ならせるので、このように重なる加工痕Ｋを効率的に形成していくことができ、しかも、各重なり部分の寸法を均一にし易い。

なお、図３では、加工痕列ＬＫが全て重なり列部ＤＫで構成されている例を図示しているが、重なり列部ＤＫを加工痕列ＬＫの一部に形成することで被照射面２０ｒ側から面状剥離を生じさせてもよい。これにより、加工痕列ＬＫの形成にかかる時間を短縮することができる。また、加工痕列ＬＫの全部が重なり列部ＤＫで構成されている場合には、照射領域の全面にわたって面状剥離を生じさせ易い。

また、酸化マグネシウムの単結晶部材として単結晶基板２０を用いており、同一寸法の剥離基板２０ｐを順次に剥離して得ていくことができ、酸化マグネシウム単結晶部材の使用効率を充分に上げること（すなわち、酸化マグネシウムの切り屑の発生を充分に抑えること）が可能になる。

また、レーザ光の走査方向を単結晶基板２０の結晶方位に沿った方向にしているので、面状剥離が自然に生じていくレーザ照射にし易い。

また、本実施形態では、レーザ光Ｂは高輝度レーザ光を利用することが好ましい。本発明において高輝度レーザ光とは、ピークパワー（パルスエネルギーをパルス幅で除算した値）およびパワー密度（単位時間当たりのエネルギーの単位面積当たりの値）で特定される。一般的にパワー密度を高めるためには高出力レーザを用いることができる。一方、本実施形態においては例えば１ｋＷを超えるような高い出力でレーザ光Ｂを照射すると加工基板にダメージを与えてしまい目標とする薄肉の加工痕を形成できない。すなわち、本実施形態で用いる高輝度レーザ光は、パルス幅が短いレーザ光を用いて低いレーザ出力でレーザ光Ｂを照射し加工基板にダメージを与えないレーザ光であることが好ましい。

さらにパワー密度を高めるためにはパルス幅の短いレーザ光（例えばパルス幅が１０ｎｓ以下のレーザ光）が好ましい。このようにパルス幅の短いレーザ光を照射することで、高輝度レーザ光のパワー密度を格段に高めやすい。

また、本実施形態では、レーザ集光手段１４が有する補正環１３および集光レンズ１５により収差補正が調整可能であり、第２工程では、収差補正の調整によってデフォーカス量を設定することができる。これにより、上記の所定照射条件の範囲を大きく広げることができる。このデフォーカス量は加工基板の厚さや剥離する基板の厚さにより加工痕の形成深さを調整する手段並びに加工痕を薄肉に形成する条件を選定することが可能であり加工対象となる酸化マグネシウム基板の厚さが200〜300μｍの場合は、デフォーカス量を30〜120μｍの範囲とすることで、上記範囲を効果的に広げることができる。

また、面状剥離した剥離基板２０ｐを単結晶基板２０から取り出す際、剥離基板２０ｐに面接触する当接部材を剥離基板２０ｐに面接触させて取り出してもよい。これにより、剥離基板２０ｐを貼り付けたい部材をこの当接部材とすることで貼り付け工程を短縮化することが可能になり、また、剥離基板２０ｐの端縁が単結晶基板２０から完全には剥れていない場合には、剥離基板２０ｐに割れが生じることを抑えつつこの端縁から剥離基板２０ｐを剥して取り出すことも可能になる。なお、レーザ光の照射後に何もしなくても自然剥離をし易くする観点で、この時の剥離強度が２ＭＰａ以下、さらには１．０ＭＰａを下回る状態を形成することが好ましい。

また、上記実施形態では、ＸＹステージ１１に基板載置用部材１２を保持させ、その上に単結晶基板２０を載置してレーザ光Ｂを照射する例で説明したが、ＸＹステージ１１に単結晶基板２０を直接に載置して保持させ、レーザ光Ｂにより加工痕Ｋを形成していくことも可能である。

また、本実施形態では、単結晶基板２０（酸化マグネシウム単結晶基板）から剥離基板２０ｐを得る例で説明したが、単結晶基板２０に限らず、酸化マグネシウムの単結晶部材から被照射面２０ｒ側を面状剥離させて剥離基板２０ｐを得てもよい。

＜実験例１＞
本発明者は、上記実施形態で説明した剥離基板製造装置１０を用い、ＸＹステージ１１上のステージ面１１ｆに基板載置用部材１２としてシリコン基板を保持させ、このシリコン基板上に単結晶基板２０として酸化マグネシウム単結晶基板２０ｕ（ＭｇＯ単結晶基板。以下、単に単結晶基板２０ｕと適宜にいう）を載置して保持させた。本実験例では、レーザ光を照射する酸化マグネシウム単結晶基板２０ｕとしては、結晶方位（１００）、厚さ300μｍ、直径50.8ｍｍφのものを用いた。

そして、上記実施形態で説明した基板製造方法で、単結晶基板２０ｕの各照射実験領域の内部に加工痕Ｋを順次形成することを意図して、単結晶基板２０ｕの各照射実験領域に被照射面側からレーザ光Ｂを照射しつつレーザ集光手段１４と単結晶基板２０ｕとを二次元状（平面状）に相対的に移動させた。

本実験例では、ライン状（一直線状）にレーザ光Ｂを照射することで１本の加工痕列ＬＫ（図３参照）を形成し、所定量のオフセット間隔で離れた位置で、この加工痕列ＬＫに平行に加工痕列ＬＫを形成し、更に所定量のオフセット間隔で離れた位置で、同様に加工痕列を形成することを行った。

そして本実験例では、レーザ光Ｂの波長を1024ｎｍ（レーザ機種Ｍ１（ＬＤ励起フェムト秒レーザ。パルス幅１０ｐｓ））、532ｎｍ（レーザ機種Ｍ２（ＬＤ励起固体レーザ。パルス幅９ｎｓ））、1064ｎｍ（レーザ機種Ｍ３（ファイバーレーザ。パルス幅２０ｎｓ、６０ｎｓ））にした場合について、それぞれレーザ光の照射実験を行った。照射条件および照射結果を図４に示す。

本実験例では、レーザ光の照射後、加工痕形成におけるレーザ光Ｂのピークパワーおよびパワー密度の影響を評価した。

レーザ機種Ｍ１、Ｍ２では単結晶基板内部に加工痕Ｋの形成が可能な条件が見いだされたが、レーザ機種Ｍ３（ファイバーレーザ）では単結晶基板内部にレーザ光Ｂ照射による加工痕Ｋの形成ができなかった。この理由はピークパワーおよびパワー密度が不足しているためと考えられる。

レーザ機種Ｍ２、Ｍ３においてピークパワーが７．４ｋＷ、７ｋＷと互いに近似する場合においてパワー密度が大きく異なることが加工痕形成の可否に影響していると考えられる。すなわち、ビーム径やパルス幅、繰り返し周波数なども要因として挙げられるが、この中ではパルス幅が短いほど効果的である。

本発明において使用するレーザ光は上記のとおり高輝度レーザであることが好ましく、ピークパワーが１０ｋＷ以上であり、ピーパワーから求められるパワー密度が1000Ｗ/ｃｍ^２以上であることが好ましい。またパワー密度を高めるためにパルス幅が短い方が効果的であり、10ｎｓ以下が好ましく、100ｐｓ以下であることが更に好ましい。そして、15ｐｓ以下であることがより更に好ましい。

＜実験例２＞
更に本発明者は、実験例１と同様に剥離基板製造装置１０を用い、レーザ光Ｂの波長を1024ｎｍにして、すなわち、レーザ機種Ｍ１（ＬＤ励起フェムト秒レーザ）を使用して、レーザ出力、ドットピッチｄｐおよびラインピッチｌｐをそれぞれパラメータとして変更して照射実験を行い、これらの関係性を評価した。照射条件および照射結果を図５〜図１１に示す。

図５、図６に示すように、出力が０．４Ｗ以下では基板表面までは加工されない結果となった。また、図７〜図９に示すように、ドットピッチが３．０μｍ以下では加工痕が連続した状態で形成されているという結果になった。また、図１０、図１１に示すように、ラインピッチが１０μｍ以下では、加工ラインが繋がっており面方向の剥離が生じている、すなわち加工痕同士が繋がっており面状剥離が生じている、という結果になった。

本実験例では、照射後の剥離を容易とするために単結晶部材内部にレーザ光の集光により熱加工（溶融して固化したようにも見ることができる）してなる加工痕を少なくともその一部を積層させた状態に形成している。本実験例では、この状態はレーザ照射面側からの顕微鏡観察により評価できること、すなわち、加工痕が連続して形成されていることでこのような状態が生じたと判断できることが判った。そして、その状態を得るためのレーザ出力、ドットピッチｄｐおよびラインピッチｌｐを適宜に選択することが可能であることが本実験例で判った。

本発明により剥離された酸化マグネシウム単結晶基板を効率良く形成することができることから、酸化マグネシウム単結晶基板から得られた剥離基板は、高温超電導膜、強誘電体膜などで有用であり、半導体分野、ディスプレイ分野、エネルギー分野などの幅広い分野において適用可能である。

１０剥離基板製造装置
１１ＸＹステージ
１１ｆステージ面
１２基板載置用部材
１３補正環
１４レーザ集光手段
１５集光レンズ
１６第１レンズ
１８第２レンズ
２０酸化マグネシウム単結晶基板（単結晶部材）
２０ｐ剥離基板
２０ｒ被照射面
２０ｕ酸化マグネシウム単結晶基板（単結晶部材）
Ｂレーザ光
Ｅ外周部
ＥＰ集光点
Ｋ加工痕
ＬＫ加工痕列
Ｍ中央部
ＭＰ集光点
Ｍ１レーザ機種
Ｍ２レーザ機種
Ｍ３レーザ機種
ｄｐドットピッチ
ｌｐラインピッチ

Claims

レーザ光を集光するレーザ集光手段を、酸化マグネシウムの単結晶部材の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、
前記レーザ集光手段を用い、所定の照射条件で、前記単結晶部材表面にレーザ光を照射して前記単結晶部材内部にレーザ光を集光しつつ前記レーザ集光手段と前記単結晶部材とを二次元状に相対的に移動させることにより、熱加工による加工痕を前記単結晶部材内部に一列に形成してなる加工痕列を並列に形成していく第２工程と
を備え、
前記第２工程では、加工痕同士で重なりが生じている重なり列部を前記加工痕列の少なくとも一部に形成することで前記被照射面側から面状剥離を生じさせ、
前記加工痕同士を少なくとも一部で重ならせる際、レーザ光の走査方向に少なくとも一部で重ならせ、前記走査方向を前記単結晶部材の結晶方位に沿った方向にすることを特徴とする基板製造方法。
前記重なり列部を前記加工痕列の全部にわたって形成することを特徴とする請求項１に記載の基板製造方法。
前記単結晶部材として単結晶基板を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の基板製造方法。
レーザ光として、ピークパワーが１０ｋＷ以上であり、パワー密度が１０００Ｗ／ｃｍ ^２以上である高輝度レーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の基板製造方法。
レーザ光としてパルス幅が１０ｎｓ以下のレーザ光を照射することを特徴とする請求項４に記載の基板製造方法。
レーザ光としてパルス幅が１００ｐｓ以下のレーザ光を照射することを特徴とする請求項５に記載の基板製造方法。
レーザ光としてパルス幅が１５ｐｓ以下のレーザ光を照射することを特徴とする請求項６に記載の基板製造方法。