SiCの精密レーザスライシング 第１報：カーフロスを考慮したスライシング法の検討
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(2) 636. 砥粒加工学会誌. Siに対するレーザスライシングでは，波長1064 nm䛾ග䜢⣙30 nmの光を約30 % Si䛻ᑐ䛩䜛䝺䞊䝄䝇䝷䜲䝅䞁䜾䛷䛿䠈Ἴ㛗1064. ３．SiCの内部改質部形成に関する基礎実験 䠏䠊㻿㼕㻯䛾ෆ㒊ᨵ㉁㒊ᙧᡂ䛻㛵䛩䜛ᇶ♏ᐇ㦂㻌. 透過する特徴を利用し，パルス幅190 ns䛾䝘䝜⛊䝺䞊䝄䜢⏝䛧 nsのナノ秒レーザを使用し ㏱㐣䛩䜛≉ᚩ䜢⏝䛧䠈䝟䝹䝇ᖜ190. ３．１ ᨵ㉁㒊䛾ඖ⣲ศᯒ㻌 改質部の元素分析 䠏䠊䠍㻌. 4䠅）䠊୍᪉䠈ཌ䜏350 ．一方，厚み350. スライシング加工を行っていた 䝇䝷䜲䝅䞁䜾ຍᕤ䜢⾜䛳䛶䛔䛯. μmの単結晶 μm䛾༢⤖ᬗ. 4H-SiCの透過率を図2に示す．SiCは波長1064 nm㏆䛻䛚䛔䛶 nm付近において 4H-SiC䛾㏱㐣⋡䜢ᅗ2䛻♧䛩䠊SiC䛿Ἴ㛗1064. パルスエネルギーを3.5 μJ䠈䝗䝑䝖䝢䝑䝏䜢0.5 μJ，ドットピッチを0.5 μm䛸䛧䛶୍ᮏ μmとして一本 䝟䝹䝇䜶䝛䝹䜼䞊䜢3.5 のラインを加工した．その後，走査方向と垂直な断面を研磨し， 䛾䝷䜲䞁䜢ຍᕤ䛧䛯䠊䛭䛾ᚋ䠈㉮ᰝ᪉ྥ䛸ᆶ┤䛺᩿㠃䜢◊☻䛧䠈. %程度と透過率が低く，1064 nm䛾䝘䝜⛊䝺䞊䝄䛷䛿ᮦᩱ䜢㏱ nmのナノ秒レーザでは材料を透 13 %⛬ᗘ䛸㏱㐣⋡䛜ప䛟䠈1064. 顕微鏡観察を行った．その結果を図4に示す．加工痕は水平 㢧ᚤ㙾ほᐹ䜢⾜䛳䛯䠊䛭䛾⤖ᯝ䜢ᅗ4䛻♧䛩䠊ຍᕤ䛿Ỉᖹ. 過中に減衰が発生してしまい，内部加工痕を形成できなかった． 㐣୰䛻ῶ⾶䛜Ⓨ⏕䛧䛶䛧䜎䛔䠈ෆ㒊ຍᕤ䜢ᙧᡂ䛷䛝䛺䛛䛳䛯䠊. に伸びるへき開と，その上に乗るような形で形成された三角 䛻ఙ䜃䜛䜈䛝㛤䛸䠈䛭䛾ୖ䛻䜛䜘䛖䛺ᙧ䛷ᙧᡂ䛥䜜䛯୕ゅ. そこで，超短パルスレーザの使用を考えた．ピークエネルギーが 䛭䛣䛷䠈㉸▷䝟䝹䝇䝺䞊䝄䛾⏝䜢⪃䛘䛯䠊䝢䞊䜽䜶䝛䝹䜼䞊䛜. 形状の加工改質部で形成されていることがわかった．本章で ᙧ≧䛾ຍᕤᨵ㉁㒊䛷ᙧᡂ䛥䜜䛶䛔䜛䛣䛸䛜䜟䛛䛳䛯䠊ᮏ❶䛷. 高くなることによって，減衰が起きたとしても集光点でのエネルギ 㧗䛟䛺䜛䛣䛸䛻䜘䛳䛶䠈ῶ⾶䛜㉳䛝䛯䛸䛧䛶䜒㞟ගⅬ䛷䛾䜶䝛䝹䜼. は，改質部に着目し議論する． 䛿䠈ᨵ㉁㒊䛻╔┠䛧㆟ㄽ䛩䜛䠊. ーを維持できる．また，超短パルスによる非熱的加工が期待でき 䞊䜢⥔ᣢ䛷䛝䜛䠊䜎䛯䠈㉸▷䝟䝹䝇䛻䜘䜛㠀⇕ⓗຍᕤ䛜ᮇᚅ䛷䛝 るため，熱影響が少なくカーフロスの少ない精密加工にも有利で 䜛䛯䜑䠈⇕ᙳ㡪䛜ᑡ䛺䛟䜹䞊䝣䝻䝇䛾ᑡ䛺䛔⢭ᐦຍᕤ䛻䜒᭷䛷 ある．波長1030 nm䠈䝟䝹䝇ᖜ10 nm，パルス幅10 ps䛾䝢䝁⛊䝺䞊䝄䠄Light psのピコ秒レーザ（Light 䛒䜛䠊Ἴ㛗1030 Conversion社製 PHAROS-4W䠈Ⓨ࿘Ἴᩘ10 PHAROS-4W，発振周波数10 kHz䠅䜢⏝䛔䛯䛸 kHz）を用いたと Conversion♫〇 ころ，加工痕が形成されることが判明した． 䛣䜝䠈ຍᕤ䛜ᙧᡂ䛥䜜䜛䛣䛸䛜ุ᫂䛧䛯䠊 上述した基礎実験をふまえ，図3に示す実験方法をとることに ୖ㏙䛧䛯ᇶ♏ᐇ㦂䜢䜅䜎䛘䠈ᅗ3䛻♧䛩ᐇ㦂᪉ἲ䜢䛸䜛䛣䛸䛻 した．実験試料には厚み350 μm䠈䜸䝣ゅ4 μm，オフ角4 deg.䛾nᆺ4H-SiC䜴䜶 deg.のn型4H-SiCウエ 䛧䛯䠊ᐇ㦂ヨᩱ䛻䛿ཌ䜏350 ハ（抵抗率12~25 m䃈䞉cm䠅䜢⏝䛔䛯䠊CMPୖ䛢䛾Si㠃ഃ䛛䜙 mΩ・cm）を用いた．CMP仕上げのSi面側から 䝝䠄ᢠ⋡12~25 レーザ照射を行い，レーザ焦点を材料内部175 μm䛻ᅛᐃ䛧䠈➨ μmに固定し，第 䝺䞊䝄↷ᑕ䜢⾜䛔䠈䝺䞊䝄↔Ⅼ䜢ᮦᩱෆ㒊175. まず，改質部の組成を調査するために，顕微ラマン分光装 䜎䛪䠈ᨵ㉁㒊䛾⤌ᡂ䜢ㄪᰝ䛩䜛䛯䜑䛻䠈㢧ᚤ䝷䝬䞁ศග 置（RENISHAW inVia Raman Microscope䠅䛻䜘䛳䛶ศᯒ䛧䛯 Microscope）によって分析した ⨨䠄RENISHAW 結果を図5に示す．改質部頂点から5 μm㞳䜜䛯࿘㎶㒊䛷䛿䠈 µm離れた周辺部では， ⤖ᯝ䜢ᅗ5䛻♧䛩䠊ᨵ㉁㒊㡬Ⅼ䛛䜙5 バルクの4H-SiCと同様のスペクトルとなったのに対し，改質部 䝞䝹䜽䛾4H-SiC䛸ྠᵝ䛾䝇䝨䜽䝖䝹䛸䛺䛳䛯䛾䛻ᑐ䛧䠈ᨵ㉁㒊 では，480 cm-1 ㏆䛾䝤䝻䞊䝗䛺䝢䞊䜽䜢䜒䛴䜰䝰䝹䝣䜯䝇 付近のブロードなピークをもつアモルファス 䛷䛿䠈480 と1380 cm-1㏆䛾D䝞䞁䝗䛸1580 付近のDバンドと1580 cm-1付近Gバンドが重 Si10)䛸1380 ㏆G䝞䞁䝗䛜㔜 なり合うピークのアモルファスC11)12)䛜᳨ฟ䛥䜜䛯䠊䛧䛯䛜䛳䛶䠈 が検出された．したがって， 䛺䜚ྜ䛖䝢䞊䜽䛾䜰䝰䝹䝣䜯䝇C SiCはレーザ照射によりアモルファスSiとアモルファスCに解離 SiC䛿䝺䞊䝄↷ᑕ䛻䜘䜚䜰䝰䝹䝣䜯䝇Si䛸䜰䝰䝹䝣䜯䝇C䛻ゎ㞳 していることがわかった． 䛧䛶䛔䜛䛣䛸䛜䜟䛛䛳䛯䠊 次に，アモルファスSiとアモルファスCがどのように分布して ḟ䛻䠈䜰䝰䝹䝣䜯䝇Si䛸䜰䝰䝹䝣䜯䝇C䛜䛹䛾䜘䛖䛻ศᕸ䛧䛶. 1オリエンテーションフラットと平行にパルスレーザを直線走査し， 1䜸䝸䜶䞁䝔䞊䝅䝵䞁䝣䝷䝑䝖䛸ᖹ⾜䛻䝟䝹䝇䝺䞊䝄䜢┤⥺㉮ᰝ䛧䠈. いるかを調べるために，TEM-EDXを用いて改質部内部の詳 䛔䜛䛛䜢ㄪ䜉䜛䛯䜑䛻䠈TEM-EDX䜢⏝䛔䛶ᨵ㉁㒊ෆ㒊䛾ヲ. 第2オリエンテーションフラットと平行に加工ラインを移動させた． ➨2䜸䝸䜶䞁䝔䞊䝅䝵䞁䝣䝷䝑䝖䛸ᖹ⾜䛻ຍᕤ䝷䜲䞁䜢⛣ື䛥䛫䛯䠊. 細分析を行った．TEM像を図6に示す．アメーバ状に散在す ⣽ศᯒ䜢⾜䛳䛯䠊TEMീ䜢ᅗ6䛻♧䛩䠊䜰䝯䞊䝞≧䛻ᩓᅾ䛩. ここで加工痕同士の間隔をドットピッチ，加工ライン同士の間隔を 䛣䛣䛷ຍᕤྠኈ䛾㛫㝸䜢䝗䝑䝖䝢䝑䝏䠈ຍᕤ䝷䜲䞁ྠኈ䛾㛫㝸䜢. る白く見える箇所（点1），滑らかに見える箇所（点2,3），黒色 䜛ⓑ䛟ぢ䛘䜛⟠ᡤ䠄Ⅼ1䠅䠈䜙䛛䛻ぢ䛘䜛⟠ᡤ䠄Ⅼ2,3䠅䠈㯮Ⰽ. ラインピッチと定義した．集光系には赤外線観察用対物レンズ 䝷䜲䞁䝢䝑䝏䛸ᐃ⩏䛧䛯䠊㞟ග⣔䛻䛿㉥እ⥺ほᐹ⏝ᑐ≀䝺䞁䝈. 状に見える箇所（点4,5）が混じりあった構造をしていることが ≧䛻ぢ䛘䜛⟠ᡤ䠄Ⅼ4,5䠅䛜ΰ䛨䜚䛒䛳䛯ᵓ㐀䜢䛧䛶䛔䜛䛣䛸䛜. （オリンパス社製 LCPLN100XIR䠈↔Ⅼ㊥㞳1.4 LCPLN100XIR，焦点距離1.4 mm䠈㛤ཱྀᩘ mm，開口数 䠄䜸䝸䞁䝟䝇♫〇. わかった．それぞれに対してEDX分析を行いSiとCの原子濃 䜟䛛䛳䛯䠊䛭䜜䛮䜜䛻ᑐ䛧䛶EDXศᯒ䜢⾜䛔Si䛸C䛾ཎᏊ⃰. 0.85）を用いた．対物レンズへの入射ビームはφ1.9 mmのガウシ 0.85䠅䜢⏝䛔䛯䠊ᑐ≀䝺䞁䝈䜈䛾ධᑕ䝡䞊䝮䛿φ1.9 mm䛾䜺䜴䝅. 度を比較した．結果を図7に示す．アメーバ状部の点1は，Si ᗘ䜢ẚ㍑䛧䛯䠊⤖ᯝ䜢ᅗ7䛻♧䛩䠊䜰䝯䞊䝞≧㒊䛾Ⅼ1䛿䠈Si. アンビームとし，材料内部でのスポット径はビームスポットプロフ 䜰䞁䝡䞊䝮䛸䛧䠈ᮦᩱෆ㒊䛷䛾䝇䝫䝑䝖ᚄ䛿䝡䞊䝮䝇䝫䝑䝖䝥䝻䝣. 原子数が57%，C原子数が43%となり，Cが少なくなっているが ཎᏊᩘ䛜57%䠈CཎᏊᩘ䛜43%䛸䛺䜚䠈C䛜ᑡ䛺䛟䛺䛳䛶䛔䜛䛜. ァイラ（ラステック社製）による測定で約φ1.8 μm䛷䛒䛳䛯䠊䜎䛯䠈䛣 μmであった．また，こ 䜯䜲䝷䠄䝷䝇䝔䝑䜽♫〇䠅䛻䜘䜛 ᐃ䛷⣙φ1.8. 比較的バルクの4H-SiCに近い割合となった．一方で，平滑な ẚ㍑ⓗ䝞䝹䜽䛾4H-SiC䛻㏆䛔ྜ䛸䛺䛳䛯䠊୍᪉䛷䠈ᖹ䛺. の対物レンズには収差補正環が付属しており，球面収差を補正 䛾ᑐ≀䝺䞁䝈䛻䛿ᕪ⿵ṇ⎔䛜ᒓ䛧䛶䛚䜚䠈⌫㠃ᕪ䜢⿵ṇ. 面に見える点2,3，黒色状に見える点4,5では，C原子数の割 㠃䛻ぢ䛘䜛Ⅼ2,3䠈㯮Ⰽ≧䛻ぢ䛘䜛Ⅼ4,5䛷䛿䠈CཎᏊᩘ䛾. し材料内部においてもピンポイントに集光させることが可能であ 䛧ᮦᩱෆ㒊䛻䛚䛔䛶䜒䝢䞁䝫䜲䞁䝖䛻㞟ග䛥䛫䜛䛣䛸䛜ྍ⬟䛷䛒. 合が25%～36%と，C原子が少ないことがわかった．これは， ྜ䛜25%䡚36%䛸䠈CཎᏊ䛜ᑡ䛺䛔䛣䛸䛜䜟䛛䛳䛯䠊䛣䜜䛿䠈. る．ここでは，SiC内部175 μmᆅⅬ䛻㞟ග䛥䛫䛯㝿䛻䠈᭱䜒ຠ⋡ μm地点に集光させた際に，最も効率 䜛䠊䛣䛣䛷䛿䠈SiCෆ㒊175. 解離したC原子が周囲に拡散している，または，今回測定で ゎ㞳䛧䛯CཎᏊ䛜࿘ᅖ䛻ᣑᩓ䛧䛶䛔䜛䠈䜎䛯䛿䠈ᅇ ᐃ䛷. 良く加工できる，補正量0.5 mm䜢⏝䛔䛶ᐇ㦂䜢⾜䛖䛣䛸䛻䛧䛯䠊 mmを用いて実験を行うことにした． Ⰻ䛟ຍᕤ䛷䛝䜛䠈⿵ṇ㔞0.5. きなかった箇所に凝集していると考えられる13)． 䛝䛺䛛䛳䛯⟠ᡤ䛻จ㞟䛧䛶䛔䜛䛸⪃䛘䜙䜜䜛 䠊. 1064 nm. 60. Si. ㏱㐣⋡ 透過率 %. 50. 前節の結果より，改質部は元のSiCとは異なる組成をしてい ๓⠇䛾⤖ᯝ䜘䜚䠈ᨵ㉁㒊䛿ඖ䛾SiC䛸䛿␗䛺䜛⤌ᡂ䜢䛧䛶䛔 るため，後工程で除去する必要があり，カーフロスに影響する． 䜛䛯䜑䠈ᚋᕤ⛬䛷㝖ཤ䛩䜛ᚲせ䛜䛒䜚䠈䜹䞊䝣䝻䝇䛻ᙳ㡪䛩䜛䠊. SiC. 40. ３．２ 䝟䝹䝇䜶䝛䝹䜼䞊䛜ᨵ㉁㒊ᙧ≧䛻ཬ䜌䛩ᙳ㡪㻌 パルスエネルギーが改質部形状に及ぼす影響 䠏䠊䠎㻌. したがって，レーザ照射が改質部形状にどのように影響する 䛧䛯䛜䛳䛶䠈䝺䞊䝄↷ᑕ䛜ᨵ㉁㒊ᙧ≧䛻䛹䛾䜘䛖䛻ᙳ㡪䛩䜛 かを確かめる必要がある．そこでドットピッチを0.5 μm䛷ᅛᐃ䛧䠈 μmで固定し， 䛛䜢☜䛛䜑䜛ᚲせ䛜䛒䜛䠊䛭䛣䛷䝗䝑䝖䝢䝑䝏䜢0.5. 30. パルスエネルギーを3.0 μJ, 3.5 μJ, 4.0 μJ, 5.0 μJ, 6.0 μJ, 7.0 䝟䝹䝇䜶䝛䝹䜼䞊䜢3.0. 20. μJと変化させて実験を行った． μJ, 8.0 μJ, 10.0 μJ䛸ኚ䛥䛫䛶ᐇ㦂䜢⾜䛳䛯䠊. 10. 改質部の幅と高さの測定結果を図8に示す．図8（a）に示す ᨵ㉁㒊䛾ᖜ䛸㧗䛥䛾 ᐃ⤖ᯝ䜢ᅗ8䛻♧䛩䠊ᅗ8䠄a䠅䛻♧䛩. 0. 改質部幅においては，パルスエネルギーに対して比例して大 ᨵ㉁㒊ᖜ䛻䛚䛔䛶䛿䠈䝟䝹䝇䜶䝛䝹䜼䞊䛻ᑐ䛧䛶ẚ䛧䛶. 0. きくなることがわかった．パルスエネルギーが1 μJ㧗䛟䛺䜛䛻䛴 µJ高くなるにつ 䛝䛟䛺䜛䛣䛸䛜䜟䛛䛳䛯䠊䝟䝹䝇䜶䝛䝹䜼䞊䛜1. 500 1000 波長 nm Ἴ㛗 図 2㻌 2 SiC 䛾㏱㐣⋡䠄ཌ䜏 の透過率（厚み 350 μm䠅 μm） ᅗ. れ，幅は約1.6 μm䛪䛴ᣑ䛧䛯䠊䜎䛯䠈᭱䛾ᶆ‽೫ᕪ䛿 µmずつ拡大した．また，最大の標準偏差は 䜜䠈ᖜ䛿⣙1.6 µmとなりばらつきが小さいこともわかった．一方で，図8 0.6 μm䛸䛺䜚䜀䜙䛴䛝䛜ᑠ䛥䛔䛣䛸䜒䜟䛛䛳䛯䠊୍᪉䛷䠈ᅗ8. オフ角: 4度 䜸䝣ゅ㻦㻌4ᗘ [0001] [1120] 面 Si એ. レーザ 䝺䞊䝄 走査方向 ㉮ᰝ᪉ྥ. C面 Cએ. 175 μm. Si面 Siએ. （b）の改質部高さにおいては，パルスエネルギーに比例して 䠄b䠅䛾ᨵ㉁㒊㧗䛥䛻䛚䛔䛶䛿䠈䝟䝹䝇䜶䝛䝹䜼䞊䛻ẚ䛧䛶 高くなる傾向は一緒であるが，最大の標準偏差が2.5 µmと， 㧗䛟䛺䜛ഴྥ䛿୍⥴䛷䛒䜛䛜䠈᭱䛾ᶆ‽೫ᕪ䛜2.5 μm䛸䠈 ばらつきが大きいことがわかった．また，加工しきい値に近い 䜀䜙䛴䛝䛜䛝䛔䛣䛸䛜䜟䛛䛳䛯䠊䜎䛯䠈ຍᕤ䛧䛝䛔್䛻㏆䛔 µJを除いて，パルスエネルギーが低いとばらつきを小さく 3.0 μJ䜢㝖䛔䛶䠈䝟䝹䝇䜶䝛䝹䜼䞊䛜ప䛔䛸䜀䜙䛴䛝䜢ᑠ䛥䛟 抑えられる傾向が見られた．改質部高さは，カーフロスに直 ᢚ䛘䜙䜜䜛ഴྥ䛜ぢ䜙䜜䛯䠊ᨵ㉁㒊㧗䛥䛿䠈䜹䞊䝣䝻䝇䛻┤ 結するため，低く抑える必要がある．そこで，今後の実験では， ⤖䛩䜛䛯䜑䠈ప䛟ᢚ䛘䜛ᚲせ䛜䛒䜛䠊䛭䛣䛷䠈ᚋ䛾ᐇ㦂䛷䛿䠈 低いパルスエネルギーかつ，標準偏差が0.8 μm䛸䜀䜙䛴䛝䛜 µmとばらつきが ప䛔䝟䝹䝇䜶䝛䝹䜼䞊䛛䛴䠈ᶆ‽೫ᕪ䛜0.8. [ 1100 ]. ドットピッチ 䝗䝑䝖䝢䝑䝏. [ 1120 ]. 小さい3.5 μJ䠄᭱ᨵ㉁㒊㧗䛥12 μJ（最大改質部高さ12 μm䠅䛷⾜䛖䛣䛸䛸䛧䛯䠊 µm）で行うこととした． ᑠ䛥䛔3.5. 図 3㻌 3 ᐇ㦂᪉ἲ 実験方法 ᅗ. 36. Journal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.64 No.12 2020 DEC. 635-642.
(3) 砥粒加工学会誌. -. レーザ照射方向. 25. 25. 20. 20. 改質部幅 μm. [1100]. 改質部高さ μm. -. [1120]. 15. 15. 10. 10. 5 0. 637. 0. 2 4 6 8 10 12 パルスエネルギー μJ (b) 改質部高さ 図 8 パルスエネルギーごとの加工改質部形状の変化. 5 μm. 図 4 SiC の内部加工痕. 0. 5. 2 4 6 8 10 12 パルスエネルギー μJ (a) 改質部幅. 0. ３．３ ドットピッチが改質部形成に及ぼす影響 次に，パルスエネルギーを3.5 μJで固定し，ドットピッチを. 改質部. 0.3 μm, 0.5 μm, 0.7 μm, 0.9 μm, 1.1 μmとし，それぞれ1本のラ インを形成したときの改質部の様子を調べた．Si面側から観. 強度 (a.u.). α-Si. α-C. 察した透過像を図9に示す．ドットピッチを小さくすることによっ て安定的にライン状の改質部を形成できることがわかった．ド. 改質部周辺部. ットピッチ0.9 μm以上の範囲においては改質部の幅が一定で はなく，1.1 μm以上の範囲においては，改質部が所々途切れ て形成された．この原因は，パルスレーザのオーバーラップ. 4H-SiC 0. 250. 500. 750. 1000 1250. 波長 cm-1. 1500 1750. 2000. 量に依存していると考えられる．そこで，パルスエネルギー3.5 µJで1パルス，3パルス，10パルスと材料内部に定点照射した 際の加工痕の様子を図10に示す．1パルス照射では改質部 は形成されず，3パルス目から形成され，パルス数を増やすと. 図 5 加工改質部の顕微ラマン分析. 改質部のサイズが大きくなっていった．よって，SiCの改質部 はレーザ照射の重複によって成長していくことがわかった．す なわち，レーザスポット径φ1.8 μmに対し，その半径分よりドッ. レーザ照射方向. 5. 3. トピッチを小さくし，レーザ照射を重複させることで，安定的に 改質部を形成できると考えられる． ドットピッチ: 0.3 μm. 0.5 μm. 0.7 μm. 0.9 μm. 4. 1. 2. 500 nm. [1100]. 1.1 μm. [1120] Si face. 図 6 加工改質部の TEM 観察. 原子数 %. 100 75. 20 μm. 図 9 ドットピッチによる加工改質部への影響. Si C. -. [1100]. 50. -. [1120]. [0001]. × レーザ照射方向. 1 パルス. 3 パルス. 10 パルス. 25 0. 1. 2. 3 測定点. 4. 5. 図 7 加工改質部における Si と C の原子濃度比較. 5 μm. 図 10 定点照射における加工改質部の成長. Journal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.64 No.12 2020 DEC. 635-642. 37.
(4) 638. 砥粒加工学会誌. ４．加工痕の連結に関する基礎実験. 40 μmで周期が110.2 μm．高さが12.6 μmとなった．したがって，. ４．１ へき開の発生. へき開はオフ角4 deg.の影響を受けていることがわかった．. 前章では，加工改質部に関する調査を行った．その結果， 図4で示したように，改質部の底辺から水平に伸びるへき開が 存在することを確認した．SiCは六方晶の結晶構造をしており， Si面（0001）とC面（000-1）で最もへき開しやすいことが知られ. 50 μm. ている 14) ．したがって，レーザ照射による加工改質部の形成 により体積膨張が起き，最も弱い面であるSi面，C面に沿って へき開が形成されたと考えられる．カーフロスの小さいスライ. [1100]. 40 μm. [1120] Si face. シング加工を達成するには，このへき開をウエハ面に対して 水平かつ全面に形成し，剥離させればよいと考えられる．そこ. 30 μm. で，ラインピッチを変化させへき開を一直線に近い状態で連 20 μm. 結できるかを調査した． ４．２ ラインピッチが加工痕の連結に及ぼす影響 パルスエネルギーを3.5 μJ，ドットピッチを0.5 μmに固定し，. 10 μm. ラインピッチを10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μmとして，そ. 300 μm. 図 11 ラインピッチによる加工痕連結への影響. れぞれラインを10本ずつ形成したときの加工痕の連結状況を 観察した．Si面側からの落射照明型の顕微鏡像を図11に示 す．ラインピッチ40 μm以下ではライン間で照明の反射光が観 察され，加工ラインがへき開によって連結していることが確認. -. [1120]. -. [1100]. ラインピッチ: 10 μm. できた．また，ラインピッチが小さいほど，加工ラインを超えて へき開が大きく伸展する傾向があることがわかった． 次に，図12に走査方向と垂直な断面を研磨した際の加工. 20 μm. 痕の様子を示す．ラインピッチが10 μmと最も小さい条件では， 改質部が重なり合って形成され，水平から外れて材料表面方 向に向かう傾向が見られた．これは光吸収係数の高いアモル ファス状態 15)-17) である改質部に，レーザがオーバーラップし. 30 μm. て照射されることにより，積み重なって加工痕が形成されたと 考えられる．カーフロスの増加，剥離面のうねりになるため， 望ましくない．これに対して，ラインピッチを20 μm，30 μm，40 µmと大きくしたときは，伸展したへき開がほぼ水平に連結して. 40 μm. いることがわかった． ４．３ オフ角がへき開に及ぼす影響 前節よりラインピッチ40 μm以下で10本のラインを形成する と，加工痕のへき開が水平に連結し，カーフロスの少ないスラ. 50 μm. イシングが実現可能と考えられた．しかし，加工ラインをさらに 増やすと，図13のような周期的な凹凸模様が形成され始める ことがわかった．図中，明るく見える箇所は，水平に伸展した へき開による反射光と，細かなへき開による乱反射光と考えら. 20 μm. Si face. れる．一方，矢印で示す黒く見える箇所は，試料を傾けて観 察すると一様な反射光が観察された．つまり，ある角度をもっ て，へき開が大きく伸展していることを示しており，へき開がウ エハ表面に対して水平に連結していないと考えた．そこで，ラ. [1100] [1120]. 図 12 ラインピッチごとの加工痕連結観察. インピッチ20 μm, 30 μm, 40 μmの試料を走査方向と平行に断 面研磨し加工痕を観察した．結果を図14に示す．加工痕が 傾いて形成されており，その角度が4 deg.の傾きをもっている. ラインピッチ: 20 μm. 30 μm. 40 μm. ことがわかった．また，加工痕が周期的に上下を繰り返してお り，鋸歯状に形成されていることもわかった．ラインピッチが小 さいほど鋸歯状の加工痕の周期が長く，高さが高くなっており， ラインピッチ20 μmで周期が191.1 μm．高さが19.5 μm．ライン. 200 μm. 図 13 ラインピッチによるへき開の周期的凹凸の変化. ピッチ30 μmで周期が149.3 μm．高さが15.2 μm．ラインピッチ. 38. Journal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.64 No.12 2020 DEC. 635-642.
(5) 砥粒加工学会誌. -. -. [1100] × ¼. [1120]. 639. 士が干渉し，エネルギーが高くなることによって，改質部が形 ኈ䛜ᖸ΅䛧䠈䜶䝛䝹䜼䞊䛜㧗䛟䛺䜛䛣䛸䛻䜘䛳䛶䠈ᨵ㉁㒊䛜ᙧ 成されると考えた．この反射光の干渉によって図17(b)に示す ᡂ䛥䜜䜛䛸⪃䛘䛯䠊䛣䛾ᑕග䛾ᖸ΅䛻䜘䛳䛶ᅗ17(b)䛻♧䛩. ラインピッチ: 䝷䜲䞁䝢䝑䝏: 20 μm. ように，へき開上部ではエネルギーの高い三角形状の加工痕 䜘䛖䛻䠈䜈䛝㛤ୖ㒊䛷䛿䜶䝛䝹䜼䞊䛾㧗䛔୕ゅᙧ≧䛾ຍᕤ が形成されたのではないかと思われる． 䛜ᙧᡂ䛥䜜䛯䛾䛷䛿䛺䛔䛛䛸ᛮ䜟䜜䜛䠊 4 deg.. 加工中のライン ຍᕤ୰䛾䝷䜲䞁. 加工済みのライン ຍᕤ῭䜏䛾䝷䜲䞁. 30 μm 4 deg.. 40 μm. レーザ 䝺䞊䝄 スポット 䝇䝫䝑䝖 ࿘ᮇ 周期. 4 deg.. 4 deg. Si face. 㧗䛥 高さ. 4 deg.. 4 deg.. ᮍ䜈䛝㛤㒊 未へき開部 40 μm. 䜈䛝㛤㒊 へき開部. 5 μm. [1100] [1120]. レーザスポットより先行するへき開 (a) 䝺䞊䝄䝇䝫䝑䝖䜘䜚ඛ⾜䛩䜛䜈䛝㛤. 図 14㻌 14 䜸䝣ゅ䛻ἢ䛳䛯㗬ṑ≧䛾ຍᕤᙧᡂ オフ角に沿った鋸歯状の加工痕形成 ᅗ. ラインピッチ 䝷䜲䞁䝢䝑䝏: 20 μm. 20 μm. 40 μm. 30 μm. ４．４ 䝺䞊䝄䝇䝫䝑䝖䜘䜚ඛ⾜䛧䛶ᙧᡂ䛥䜜䛯䜈䛝㛤䛜ຍᕤ レーザスポットより先行して形成されたへき開が加工 䠐䠊䠐㻌 痕形成に及ぼす影響 ᙧᡂ䛻ཬ䜌䛩ᙳ㡪㻌 前節により，SiCのレーザスライシング加工においては，加 ๓⠇䛻䜘䜚䠈SiC䛾䝺䞊䝄䝇䝷䜲䝅䞁䜾ຍᕤ䛻䛚䛔䛶䛿䠈ຍ. ラインピッチが先行するへき開に及ぼす影響 (b) 䝷䜲䞁䝢䝑䝏䛜ඛ⾜䛩䜛䜈䛝㛤䛻ཬ䜌䛩ᙳ㡪. 工痕がオフ角に沿って形成され，周期的に上下を繰り返すた ᕤ䛜䜸䝣ゅ䛻ἢ䛳䛶ᙧᡂ䛥䜜䠈࿘ᮇⓗ䛻ୖୗ䜢⧞䜚㏉䛩䛯. 図 15㻌 15 ຍᕤ୰䛾ᮦᩱෆ㒊ほᐹ 加工中の材料内部観察 ᅗ. め鋸歯状になることが明らかとなった．カーフロスを抑制する 䜑㗬ṑ≧䛻䛺䜛䛣䛸䛜᫂䜙䛛䛸䛺䛳䛯䠊䜹䞊䝣䝻䝇䜢ᢚไ䛩䜛 ためには，周期を短くし高さを抑制する必要がある．そこで， 䛯䜑䛻䛿䠈࿘ᮇ䜢▷䛟䛧㧗䛥䜢ᢚไ䛩䜛ᚲせ䛜䛒䜛䠊䛭䛣䛷䠈 加工中の材料内部の状態を観察した．観察にはダイクロイッ ຍᕤ୰䛾ᮦᩱෆ㒊䛾≧ែ䜢ほᐹ䛧䛯䠊ほᐹ䛻䛿䝎䜲䜽䝻䜲䝑. 1.0 μJ. クミラーによる同軸観察装置を用いた．レーザの反射光はフィ 䜽䝭䝷䞊䛻䜘䜛ྠ㍈ほᐹ⨨䜢⏝䛔䛯䠊䝺䞊䝄䛾ᑕග䛿䝣䜱. 0.5 μJ. 100 μm. ルターでカットし，波長532 nm㏆䛾ⴠᑕ↷᫂䛻䜘䜛ᑕග nm付近の落射照明による反射光 䝹䝍䞊䛷䜹䝑䝖䛧䠈Ἴ㛗532 のみで観察した．結果を図15(a)に示す．画像中，明るく見え 䛾䜏䛷ほᐹ䛧䛯䠊⤖ᯝ䜢ᅗ15(a)䛻♧䛩䠊⏬ീ୰䠈᫂䜛䛟ぢ䛘 る箇所がへき開による照明の反射光を示している．ライン間で 䜛⟠ᡤ䛜䜈䛝㛤䛻䜘䜛↷᫂䛾ᑕග䜢♧䛧䛶䛔䜛䠊䝷䜲䞁㛫䛷 へき開が連結しながら加工が進み，レーザスポットより進行方 䜈䛝㛤䛜㐃⤖䛧䛺䛜䜙ຍᕤ䛜㐍䜏䠈䝺䞊䝄䝇䝫䝑䝖䜘䜚㐍⾜᪉. 図 16㻌 16 ᚤᑠฟຊ䛷䛾䜈䛝㛤ୖ䜈䛾䝺䞊䝄↷ᑕ 微小出力でのへき開上へのレーザ照射 ᅗ. 向前方にもへき開が伸展していることがわかった．ラインピッ ྥ๓᪉䛻䜒䜈䛝㛤䛜ఙᒎ䛧䛶䛔䜛䛣䛸䛜䜟䛛䛳䛯䠊䝷䜲䞁䝢䝑 チを20 μm䠈30 μm，30 μm䠈40 μm，40 μm䛸ኚ䛥䛫䛯䛸䛝䛾䜈䛝㛤䛾ᵝᏊ䜢 μmと変化させたときのへき開の様子を 䝏䜢20. レーザ 䝺䞊䝄. 図15(b)に示す．ラインピッチ40 μm䛷䛿ඛ⾜䛩䜛䜈䛝㛤䛿ᑠ µmでは先行するへき開は小 ᅗ15(b)䛻♧䛩䠊䝷䜲䞁䝢䝑䝏40 さいが，ラインピッチが30 μm䠈20 µm，20 μm䛸ᑠ䛥䛔ሙྜ䛻䛿䠈䜈䛝 µmと小さい場合には，へき 䛥䛔䛜䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏䛜30. SiC. 開伸展が大きく，レーザはへき開上に照射されていることがわ 㛤ఙᒎ䛜䛝䛟䠈䝺䞊䝄䛿䜈䛝㛤ୖ䛻↷ᑕ䛥䜜䛶䛔䜛䛣䛸䛜䜟 かった． 䛛䛳䛯䠊. 加工改質部 ຍᕤᨵ㉁㒊. へき開 䜈䛝㛤. レーザスポットより先行したへき開の影響を調査するために， 䝺䞊䝄䝇䝫䝑䝖䜘䜚ඛ⾜䛧䛯䜈䛝㛤䛾ᙳ㡪䜢ㄪᰝ䛩䜛䛯䜑䛻䠈. SiC. あらかじめ，へき開を大きく伸展させた試料に対し，通常なら 䛒䜙䛛䛨䜑䠈䜈䛝㛤䜢䛝䛟ఙᒎ䛥䛫䛯ヨᩱ䛻ᑐ䛧䠈㏻ᖖ䛺䜙. へき開反射による干渉 (a) 䜈䛝㛤ᑕ䛻䜘䜛ᖸ΅. 加工痕が形成不可能な微小パルスエネルギー0.5 μJ䠈1.0 μJ，1.0 μJ ຍᕤ䛜ᙧᡂྍ⬟䛺ᚤᑠ䝟䝹䝇䜶䝛䝹䜼䞊0.5. 干渉による改質部の形成 (b) ᖸ΅䛻䜘䜛ᨵ㉁㒊䛾ᙧᡂ. 図 17㻌 17 䜈䛝㛤ୖ䛷䛾ᑕග䛾ᖸ΅䛻䜘䜛ᨵ㉁ᒙ䛾ᙧᡂ へき開上での反射光の干渉による改質層の形成 ᅗ. で照射を行った．ドットピッチは0.5 μm䛸䛣䜜䜎䛷䛸ྠᵝ䛸䛧䛯䠊 μmとこれまでと同様とした． 䛷↷ᑕ䜢⾜䛳䛯䠊䝗䝑䝖䝢䝑䝏䛿0.5. 㻌. 結果を図16に示す．微小出力による加工においても，へき開 ⤖ᯝ䜢ᅗ16䛻♧䛩䠊ᚤᑠฟຊ䛻䜘䜛ຍᕤ䛻䛚䛔䛶䜒䠈䜈䛝㛤. 㻌. 上に照射することで，明確に加工痕を形成できることがわかっ ୖ䛻↷ᑕ䛩䜛䛣䛸䛷䠈᫂☜䛻ຍᕤ䜢ᙧᡂ䛷䛝䜛䛣䛸䛜䜟䛛䛳. ５．SiCのカーフロスを考慮したレーザスライシング実験 䠑䠊㻿㼕㻯䛾䜹䞊䝣䝻䝇䜢⪃៖䛧䛯䝺䞊䝄䝇䝷䜲䝅䞁䜾ᐇ㦂㻌. た．したがって，へき開上で，改質部が形成されやすいことが 䛯䠊䛧䛯䛜䛳䛶䠈䜈䛝㛤ୖ䛷䠈ᨵ㉁㒊䛜ᙧᡂ䛥䜜䜔䛩䛔䛣䛸䛜. ５．１ 㻿㼕㻯䛾ຍᕤᙧᡂ䝯䜹䝙䝈䝮䛾᥎ᐃ㻌 SiCの加工痕形成メカニズムの推定 䠑䠊䠍㻌. 明らかとなった．これは，へき開でのレーザ反射光の干渉が ᫂䜙䛛䛸䛺䛳䛯䠊䛣䜜䛿䠈䜈䛝㛤䛷䛾䝺䞊䝄ᑕග䛾ᖸ΅䛜. ５．１．１ 䠍ᮏ䛾ຍᕤ䝷䜲䞁䛻䛚䛡䜛ຍᕤᙧᡂ䝯䜹䝙䝈䝮 １本の加工ラインにおける加工痕形成メカニズム 䠑䠊䠍䠊䠍㻌. 考えられる．へき開部には微小な隙間が存在しているため， ⪃䛘䜙䜜䜛䠊䜈䛝㛤㒊䛻䛿ᚤᑠ䛺㝽㛫䛜Ꮡᅾ䛧䛶䛔䜛䛯䜑䠈. これまでの議論から，SiCのレーザスライシングにおけるオ 䛣䜜䜎䛷䛾㆟ㄽ䛛䜙䠈SiC䛾䝺䞊䝄䝇䝷䜲䝅䞁䜾䛻䛚䛡䜛䜸. 図17(a)のようにレーザは屈折率の高いSiCから屈折率の低い ᅗ17(a)䛾䜘䛖䛻䝺䞊䝄䛿ᒅᢡ⋡䛾㧗䛔SiC䛛䜙ᒅᢡ⋡䛾ప䛔. フ角に沿った加工痕の形成メカニズムは，以下のように推測 䝣ゅ䛻ἢ䛳䛯ຍᕤ䛾ᙧᡂ䝯䜹䝙䝈䝮䛿䠈௨ୗ䛾䜘䛖䛻᥎ . へき開部に入射されることになる．その際，屈折率の変化によ 䜈䛝㛤㒊䛻ධᑕ䛥䜜䜛䛣䛸䛻䛺䜛䠊䛭䛾㝿䠈ᒅᢡ⋡䛾ኚ䛻䜘. される．図18(a)に示すように１本のライン走査中，集光点付近 䛥䜜䜛䠊ᅗ18(a)䛻♧䛩䜘䛖䛻䠍ᮏ䛾䝷䜲䞁㉮ᰝ୰䠈㞟ගⅬ㏆. って反射し，反射光とSiCを透過中のレーザ，または反射光同 䛳䛶ᑕ䛧䠈ᑕග䛸SiC䜢㏱㐣୰䛾䝺䞊䝄䠈䜎䛯䛿ᑕගྠ. ではアモルファスSiとアモルファスCに解離し，初期改質部が 䛷䛿䜰䝰䝹䝣䜯䝇Si䛸䜰䝰䝹䝣䜯䝇C䛻ゎ㞳䛧䠈ึᮇᨵ㉁㒊䛜. Journal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.64 No.12 2020 DEC. 635-642. 39.
(6) 640. 砥粒加工学会誌. レーザ走査 䝺䞊䝄㉮ᰝ. 形成される．この改質部の体積膨張により，Si面・C面でへき ᙧᡂ䛥䜜䜛䠊䛣䛾ᨵ㉁㒊䛾య✚⭾ᙇ䛻䜘䜚䠈Si㠃䞉C㠃䛷䜈䛝 Laser. 開がオフ角に沿って形成され，レーザ走査時にはレーザスポ 㛤䛜䜸䝣ゅ䛻ἢ䛳䛶ᙧᡂ䛥䜜䠈䝺䞊䝄㉮ᰝ䛻䛿䝺䞊䝄䝇䝫 ットより先行して伸展する．そのため，図18(b)のようにレーザ 䝑䝖䜘䜚ඛ⾜䛧䛶ఙᒎ䛩䜛䠊䛭䛾䛯䜑䠈ᅗ18(b)䛾䜘䛖䛻䝺䞊䝄 はへき開上に照射され，図18(c)のようにへき開上では，レー 䛿䜈䛝㛤ୖ䛻↷ᑕ䛥䜜䠈ᅗ18(c)䛾䜘䛖䛻䜈䛝㛤ୖ䛷䛿䠈䝺䞊 ザの反射による干渉で，改質部が形成されやすくなる．これ 䝄䛾ᑕ䛻䜘䜛ᖸ΅䛷䠈ᨵ㉁㒊䛜ᙧᡂ䛥䜜䜔䛩䛟䛺䜛䠊䛣䜜. へき開 䜈䛝㛤 ຍᕤᨵ㉁㒊 加工改質部 オフ角: 䜸䝣ゅ: 4 deg.. によって，図18(d)のようにオフ角に沿って加工痕が形成され 䛻䜘䛳䛶䠈ᅗ18(d)䛾䜘䛖䛻䜸䝣ゅ䛻ἢ䛳䛶ຍᕤ䛜ᙧᡂ䛥䜜. (a). (b). (c). ていく．図18(e)に示すようにレーザを走査し続けると，加工痕 䛶䛔䛟䠊ᅗ18(e)䛻♧䛩䜘䛖䛻䝺䞊䝄䜢㉮ᰝ䛧⥆䛡䜛䛸䠈ຍᕤ. 加工痕の形成 ຍᕤ䛾ᙧᡂ. パルスレーザ走査 䝟䝹䝇䝺䞊䝄㉮ᰝ. へき開上での 䜈䛝㛤ୖ䛷䛾 改質部の優先的形成 ᨵ㉁㒊䛾ඃඛⓗᙧᡂ. とレーザの集光点位置にずれが生じるため，エネルギー密度 䛸䝺䞊䝄䛾㞟ගⅬ⨨䛻䛪䜜䛜⏕䛨䜛䛯䜑䠈䜶䝛䝹䜼䞊ᐦᗘ が下がり，元来の集光点にあらためて初期改質部が形成され 䛜ୗ䛜䜚䠈ඖ᮶䛾㞟ගⅬ䛻䛒䜙䛯䜑䛶ึᮇᨵ㉁㒊䛜ᙧᡂ䛥䜜. レーザ走査 䝺䞊䝄㉮ᰝ. る．これが繰り返されることによって鋸歯状の加工痕が形成さ 䜛䠊䛣䜜䛜⧞䜚㏉䛥䜜䜛䛣䛸䛻䜘䛳䛶㗬ṑ≧䛾ຍᕤ䛜ᙧᡂ䛥 れていくと考えられる． 䜜䛶䛔䛟䛸⪃䛘䜙䜜䜛䠊 ５．１．２ 」ᩘ䛾ຍᕤ䝷䜲䞁䛻䛚䛡䜛ຍᕤᙧᡂ䝯䜹䝙䝈䝮 複数の加工ラインにおける加工痕形成メカニズム 䠑䠊䠍䠊䠎㻌 次に，加工ラインを複数本形成し，加工痕を連結させる場 ḟ䛻䠈ຍᕤ䝷䜲䞁䜢」ᩘᮏᙧᡂ䛧䠈ຍᕤ䜢㐃⤖䛥䛫䜛ሙ 合の模式図を図19に示す．図19(a)のようにラインピッチが大 ྜ䛾ᶍᘧᅗ䜢ᅗ19䛻♧䛩䠊ᅗ19(a)䛾䜘䛖䛻䝷䜲䞁䝢䝑䝏䛜 きい場合は，前のラインで形成されたへき開の影響を受けず， 䛝䛔ሙྜ䛿䠈๓䛾䝷䜲䞁䛷ᙧᡂ䛥䜜䛯䜈䛝㛤䛾ᙳ㡪䜢ཷ䛡䛪䠈 加工痕が形成・連結する．そのため，オフ角に沿ったへき開 ຍᕤ䛜ᙧᡂ䞉㐃⤖䛩䜛䠊䛭䛾䛯䜑䠈䜸䝣ゅ䛻ἢ䛳䛯䜈䛝㛤 の成長は抑えられ，凹凸の周期が短くなる．一方，図19(b)の 䛾ᡂ㛗䛿ᢚ䛘䜙䜜䠈พฝ䛾࿘ᮇ䛜▷䛟䛺䜛䠊୍᪉䠈ᅗ19(b)䛾. (d). (e). オフ角に沿った加工痕形成 䜸䝣ゅ䛻ἢ䛳䛯ຍᕤᙧᡂ. エネルギー密度低下による 䜶䝛䝹䜼䞊ᐦᗘపୗ䛻䜘䜛 加工痕の復帰 ຍᕤ䛾ᖐ. 図 18㻌 18 ༢୍䝷䜲䞁㉮ᰝ䛾ຍᕤᙧᡂ䝯䜹䝙䝈䝮䛾᥎ᐃ 単一ライン走査時の加工痕形成メカニズムの推定 ᅗ. ようにラインピッチが小さいとき，前の加工ラインで形成された 䜘䛖䛻䝷䜲䞁䝢䝑䝏䛜ᑠ䛥䛔䛸䛝䠈๓䛾ຍᕤ䝷䜲䞁䛷ᙧᡂ䛥䜜䛯 へき開の上にレーザが照射される．そのため，レーザの反射 䜈䛝㛤䛾ୖ䛻䝺䞊䝄䛜↷ᑕ䛥䜜䜛䠊䛭䛾䛯䜑䠈䝺䞊䝄䛾ᑕ. 1パス目 1䝟䝇┠ 改質部 ᨵ㉁㒊. 2パス目 2䝟䝇┠ 改質部 ᨵ㉁㒊. Laser. 光による干渉で，オフ角に沿ったへき開が拡大していく．この ග䛻䜘䜛ᖸ΅䛷䠈䜸䝣ゅ䛻ἢ䛳䛯䜈䛝㛤䛜ᣑ䛧䛶䛔䛟䠊䛣䛾 改質部 ᨵ㉁㒊 形成可能 ᙧᡂྍ⬟ 範囲 ⠊ᅖ. 拡大されたへき開上にレーザが照射されることによって，周期 ᣑ䛥䜜䛯䜈䛝㛤ୖ䛻䝺䞊䝄䛜↷ᑕ䛥䜜䜛䛣䛸䛻䜘䛳䛶䠈࿘ᮇ が長く，高さの高い鋸歯状の加工痕が形成され，周期的な凹 䛜㛗䛟䠈㧗䛥䛾㧗䛔㗬ṑ≧䛾ຍᕤ䛜ᙧᡂ䛥䜜䠈࿘ᮇⓗ䛺พ. 2パス目 2䝟䝇┠ へき開 䜈䛝㛤 1パス目 1䝟䝇┠ へき開 䜈䛝㛤. 凸が大きく表れると推定される． ฝ䛜䛝䛟⾲䜜䜛䛸᥎ᐃ䛥䜜䜛䠊 以上のことから，カーフロスを微小に抑えたレーザスライシ ௨ୖ䛾䛣䛸䛛䜙䠈䜹䞊䝣䝻䝇䜢ᚤᑠ䛻ᢚ䛘䛯䝺䞊䝄䝇䝷䜲䝅 ング加工を達成するためには，ラインピッチを大きくし，オフ角 䞁䜾ຍᕤ䜢㐩ᡂ䛩䜛䛯䜑䛻䛿䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏䜢䛝䛟䛧䠈䜸䝣ゅ. ラインピッチ大の場合 (a) 䝷䜲䞁䝢䝑䝏䛾ሙྜ. に沿ったへき開の成長を抑えることが重要であると考えられる． 䛻ἢ䛳䛯䜈䛝㛤䛾ᡂ㛗䜢ᢚ䛘䜛䛣䛸䛜㔜せ䛷䛒䜛䛸⪃䛘䜙䜜䜛䠊 そこで，これを確かめるためにウエハの全面加工を行い，剥 䛭䛣䛷䠈䛣䜜䜢☜䛛䜑䜛䛯䜑䛻䜴䜶䝝䛾㠃ຍᕤ䜢⾜䛔䠈. Laser. へき開 䜈䛝㛤. 3パス目 㻟䝟䝇┠ 改質部 ᨵ㉁㒊. 離を試みることとした． 㞳䜢ヨ䜏䜛䛣䛸䛸䛧䛯䠊 ５．２ 㻝㻜㻌㼙㼙ゅ䜴䜶䝝䛾㞳ᐇ㦂䛸ホ౯㻌 10 mm角ウエハの剥離実験と評価 䠑䠊䠎 mm角ウエハに対し，全面加工を行い剥離させた．剥離 㻌 10 mmゅ䜴䜶䝝䛻ᑐ䛧䠈㠃ຍᕤ䜢⾜䛔㞳䛥䛫䛯䠊㞳. 改質部 ᨵ㉁㒊 形成可能 ᙧᡂྍ⬟ 範囲 ⠊ᅖ. 面性状を測定することによって，カーフロスの評価を行った． 㠃ᛶ≧䜢 ᐃ䛩䜛䛣䛸䛻䜘䛳䛶䠈䜹䞊䝣䝻䝇䛾ホ౯䜢⾜䛳䛯䠊 加工条件は表1に示すとおりである．ラインピッチを20 μm䠈30 μm，30 ຍᕤ᮲௳䛿⾲1䛻♧䛩䛸䛚䜚䛷䛒䜛䠊䝷䜲䞁䝢䝑䝏䜢20 μm，40 μm䛸ኚ䛥䛫䠈䛭䜜䛮䜜䛾᮲௳䛷5ᅇຍᕤ䜢⾜䛔ẚ μmと変化させ，それぞれの条件で5回加工を行い比 μm䠈40 較した．まずレーザ照射後の剥離前の試料内部観察結果を ㍑䛧䛯䠊䜎䛪䝺䞊䝄↷ᑕᚋ䛾㞳๓䛾ヨᩱෆ㒊ほᐹ⤖ᯝ䜢 図20に示す．ラインピッチが大きくなるにつれて周期的な凹 ᅗ20䛻♧䛩䠊䝷䜲䞁䝢䝑䝏䛜䛝䛟䛺䜛䛻䛴䜜䛶࿘ᮇⓗ䛺พ. ラインピッチ小の場合 (b) 䝷䜲䞁䝢䝑䝏ᑠ䛾ሙྜ 図 19㻌 19 」ᩘᮏ䝷䜲䞁㉮ᰝ䛾ຍᕤᙧᡂ䝯䜹䝙䝈䝮䛾᥎ᐃ 複数本ライン走査時の加工痕形成メカニズムの推定 ᅗ. 凸が小さくなる傾向は前章と一致するが，ラインピッチ40 μm ฝ䛜ᑠ䛥䛟䛺䜛ഴྥ䛿๓❶䛸୍⮴䛩䜛䛜䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏40. 鋸歯状の周期的凹凸面が確認できた．平均の周期はラインピ 㗬ṑ≧䛾࿘ᮇⓗพฝ㠃䛜☜ㄆ䛷䛝䛯䠊ᖹᆒ䛾࿘ᮇ䛿䝷䜲䞁䝢. においては，へき開の連結が一部不十分なことがわかった． 䛻䛚䛔䛶䛿䠈䜈䛝㛤䛾㐃⤖䛜୍㒊༑ศ䛺䛣䛸䛜䜟䛛䛳䛯䠊. ッチ20 μm䛷207.8 µmで207.8 μm䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏30 µm，ラインピッチ30 μm䛷152.4 µmで152.4 μm䠈䝷䜲䞁 µm，ライン 䝑䝏20. 全面加工を行った試料を，φ20 mm䛾䜰䝹䝭ྜ㔠〇䝆䜾䛻 mmのアルミ合金製ジグに 㻌 㠃ຍᕤ䜢⾜䛳䛯ヨᩱ䜢䠈䃥20. ピッチ40 μm䛷112.5 µmで112.5 μm䛸䛺䜚䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏䜢䛝䛟䛧䛯ሙྜ䠈 µmとなり，ラインピッチを大きくした場合， 䝢䝑䝏40. 貼り付け，ウエハ面に対し垂直方向に引張試験を行い剥離さ ㈞䜚䛡䠈䜴䜶䝝㠃䛻ᑐ䛧ᆶ┤᪉ྥ䛻ᘬᙇヨ㦂䜢⾜䛔㞳䛥. 周期が短く，凹凸高さが低いという傾向は，図15で示した加 ࿘ᮇ䛜▷䛟䠈พฝ㧗䛥䛜ప䛔䛸䛔䛖ഴྥ䛿䠈ᅗ15䛷♧䛧䛯ຍ. せた．一例としてラインピッチ20 μm䛾㞳ᚋ䛾እほ䜢ᅗ21䛻 μmの剥離後の外観を図21に 䛫䛯䠊୍䛸䛧䛶䝷䜲䞁䝢䝑䝏20. 工痕の断面観察と一致した．ウエハ片面でのカーフロスを計 ᕤ䛾᩿㠃ほᐹ䛸୍⮴䛧䛯䠊䜴䜶䝝∦㠃䛷䛾䜹䞊䝣䝻䝇䜢ィ. 示す．剥離応力の平均値は，ラインピッチ20 μm䛷11.1 μmで11.1 MPa䠈 MPa， ♧䛩䠊㞳ᛂຊ䛾ᖹᆒ್䛿䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏20. 算すると，改質部高さ約12 μm䜢⪃៖䛧䛶䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏20 μmを考慮して，ラインピッチ20 μm ⟬䛩䜛䛸䠈ᨵ㉁㒊㧗䛥⣙12. ラインピッチ30 μm䛷21.0 μmで21.0 MPaとなった．ラインピッチ40 µmに 䝷䜲䞁䝢䝑䝏30 MPa䛸䛺䛳䛯䠊䝷䜲䞁䝢䝑䝏40 μm䛻. で約36 μm䠊䝷䜲䞁䝢䝑䝏30 μm．ラインピッチ30 μm䛷⣙30 μmで約30 μm䠊䝷䜲䞁䝢䝑䝏40 μm．ラインピッチ40 μm 䛷⣙36. おいては，接着強度の25 MPa䜢㉸䛘䠈᥋╔䛸ヨᩱ䛾⏺㠃 MPaを超え，接着剤と試料の界面 䛚䛔䛶䛿䠈᥋╔ᙉᗘ䛾25. で約27 μm䛸䛺䜚䠈ᚋᕤ⛬䜢⪃៖䛧䛶䜒䠈ᚑ᮶ᢏ⾡䛾100 μmとなり，後工程を考慮しても，従来技術の100 µm 䛷⣙27 μm. で剥離してしまったが，一部剥離できた． 䛷㞳䛧䛶䛧䜎䛳䛯䛜䠈୍㒊㞳䛷䛝䛯䠊. 以上のカーフロスに対して約1/3の小さな値となった． ௨ୖ䛾䜹䞊䝣䝻䝇䛻ᑐ䛧䛶⣙1/3䛾ᑠ䛥䛺್䛸䛺䛳䛯䠊. 次に剥離した試料に対し，顕微鏡観察を行い，剥離面の評 㻌 ḟ䛻㞳䛧䛯ヨᩱ䛻ᑐ䛧䠈㢧ᚤ㙾ほᐹ䜢⾜䛔䠈㞳㠃䛾ホ. 以上のことから，カーフロス微小なレーザスライシング加工 ௨ୖ䛾䛣䛸䛛䜙䠈䜹䞊䝣䝻䝇ᚤᑠ䛺䝺䞊䝄䝇䝷䜲䝅䞁䜾ຍᕤ. 価を行った．図22に剥離面を示す．剥離前の観察結果と一 ౯䜢⾜䛳䛯䠊ᅗ22䛻㞳㠃䜢♧䛩䠊㞳๓䛾ほᐹ⤖ᯝ䛸୍. には，オフ角に沿ったへき開の過剰な伸展を制御する必要が 䛻䛿䠈䜸䝣ゅ䛻ἢ䛳䛯䜈䛝㛤䛾㐣䛺ఙᒎ䜢ไᚚ䛩䜛ᚲせ䛜. 致する周期的な凹凸が見られ，レーザ照射によって生じたへ ⮴䛩䜛࿘ᮇⓗ䛺พฝ䛜ぢ䜙䜜䠈䝺䞊䝄↷ᑕ䛻䜘䛳䛶⏕䛨䛯䜈. あることが明らかになった．そのためには，ラインピッチを大き 䛒䜛䛣䛸䛜᫂䜙䛛䛻䛺䛳䛯䠊䛭䛾䛯䜑䛻䛿䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏䜢䛝. き開に沿って剥離していることがわかった．表面粗さは，ライ 䛝㛤䛻ἢ䛳䛶㞳䛧䛶䛔䜛䛣䛸䛜䜟䛛䛳䛯䠊⾲㠃⢒䛥䛿䠈䝷䜲. くし，へき開上でのレーザ吸収を少なくすることが効果的であ 䛟䛧䠈䜈䛝㛤ୖ䛷䛾䝺䞊䝄྾䜢ᑡ䛺䛟䛩䜛䛣䛸䛜ຠᯝⓗ䛷䛒. ンピッチ20 µmで24.121 µmで17.811 䞁䝢䝑䝏20 μm䛷24.121 µmSz，ラインピッチ30 μmSz䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏30 μm䛷17.811. ると考えられるが，加工痕のへき開による連結が不十分となり 䜛䛸⪃䛘䜙䜜䜛䛜䠈ຍᕤ䛾䜈䛝㛤䛻䜘䜛㐃⤖䛜༑ศ䛸䛺䜚. µmSz，ラインピッチ40 μm䛷14.523 µmで14.523 µmSzとなった．それぞれ μmSz䠈䝷䜲䞁䝢䝑䝏40 μmSz䛸䛺䛳䛯䠊䛭䜜䛮䜜. 剥離困難となる．したがって，カーフロスと剥離応力を両立す 㞳ᅔ㞴䛸䛺䜛䠊䛧䛯䛜䛳䛶䠈䜹䞊䝣䝻䝇䛸㞳ᛂຊ䜢୧❧䛩. の剥離面プロファイルを図23に示す．約4 deg.䛾ゅᗘ䜢䜒䛳䛯 deg.の角度をもった 䛾㞳㠃䝥䝻䝣䜯䜲䝹䜢ᅗ23䛻♧䛩䠊⣙4. るような加工条件の選定が必要である． 䜛䜘䛖䛺ຍᕤ᮲௳䛾㑅ᐃ䛜ᚲせ䛷䛒䜛䠊. 40. Journal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.64 No.12 2020 DEC. 635-642.
(7) 砥粒加工学会誌. 641. 表 1 10 mm 角スライシング加工の実験条件 10. 発振周波数. kHz. 10. 入射ビーム径. mm. 1.9 0.85. 開口数 収差補正環. mm. 0.5. デフォーカス. µm. -30. µJ. 3.5. パルスエネルギー ドットピッチ. µm. 0.5. ラインピッチ. µｍ. 20, 30, 40. 20 μm. 30 μm. 1 mm. 3 mm. 24.121 μmSz. ラインピッチ: 20 μm. 1030. ps. 2 mm. 40 μm. 400 μm. 図 20 剥離前の試料内部観察. 上面. 下面. 17.811 μmSz. ラインピッチ: 30 μm. パルス幅. nm. 14.523 μmSz. ラインピッチ: 40 μm. 波長. 未剥離. 図 22 各ラインピッチの剥離面性状. 10 mm. 図 21 剥離後のウエハ外観（ラインピッチ 20 μm）. 高さ μm. 25 25 20 20 15 15 10 10 55 00. ６．結 言 1. 加工改質部はアモルファス Si とアモルファス C に解離 することによって形成される．改質部を安定的かつ高さ を抑えて形成するためには，ドットピッチを小さくし，パ. ラインピッチ: 20 μm. ルスエネルギーを低くする必要がある．本研究での改質. 4 deg.. 部高さは最大で 12 μm となった． 2.. 00. 100 100. 200 200. 300 300. 400 400. 500 500. ーザスポットより先行して形成される．へき開上では，レ. 600 μm 600. 25 25 ラインピッチ: 30 μm 20 20 4 deg. 15 15 10 10 55 00 0 100 200 300 400 500 600 μm 0 100 200 300 400 500 600 25 25 20 ラインピッチ: 40 μm 20 4 deg. 15 15 10 10 55 00 00 100 200 300 400 500 600 μm 100 200 300 400 500 600 測定長 μm 図 23 各ラインピッチの剥離面プロファイル. 加工改質部の膨張によってオフ角に沿ったへき開がレ ーザ反射光の干渉によって，エネルギーが高まり，改質 部が形成されやすくなる．これにより内部加工痕は，鋸 歯状に形成されるため，カーフロス増大につながる．. 3.. カーフロスを微小にするためには，ラインピッチを大きく し，オフ角に沿ったへき開の過剰な伸展を抑制すること が有効である．. 4.. 本実験でのカーフロスは最大で約 36 μm となり，従来の スライシング技術の 100 μm 以上と比較して，約 1/3 に抑 制することを達成した．. 謝 辞 本研究は「ローム株式会社 2016，2017 年度研究公募」の助 成を受けた．関係各位に感謝の意を表する．. Journal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.64 No.12 2020 DEC. 635-642. 41.
(8) 642. 砥粒加工学会誌. ７．参考文献 1) 2) 3) 4) 5). 6) 7). 8). 9). 10). 11). 12) 13). 14) 15). 16). 17). 岩室憲幸：次世代パワー半導体の高性能化とその産業展開，シーエムシ ー出版，(2015). 加藤智久：パワーデバイス用 SiC ウェーハの加工技術，砥粒加工学会誌， 61, 8 (2017) 418. 諏訪部仁，溝田勇飛，石川憲一：樹脂コーティングワイヤを用いたマルチ ワイヤソーによる SiC の高精度加工，砥粒加工学会誌，63, 2 (2019) 93. 山田洋平，池野順一，鈴木秀樹：単結晶シリコンの精密レーザスライシン グ技術，精密工学会誌，85, 5 (2019) 419. 山田洋平，金子洋平，青木陸，池野順一，鈴木秀樹：レーザによる微小 内部亀裂連鎖に基づく半導体結晶材料の高品位切断加工，精密工学会 誌，83, 4 (2017) 375. 阿部達毅，山田洋平，池野順一，鈴木秀樹：3 次元レーザスライシングに よるガラス光学素子の作成，精密工学会誌，85, 5 (2019) 426. 平田和也，山本涼兵，西野曜子，村澤尚樹，高橋邦充：SiC インゴットの 新しいレーザスライシング-KABRA プロセスの開発-，精密工学会誌, 83, 9 (2017) 829. E. KIM, Y. SHIMOTSUMA, M. SAKAKURA and K. MIURA: 4H-SiC wafer slicing by using femtosecond laser double-pulses, Optical Materials Express, 7, 7 (2017) 2450. E. KIM, Y. SHIMOTSUMA, M. SAKAKURA and K. MIURA: Nano Periodic Structure Formation in 4H-SiX Crystal Using Femtosecond Laser Double-Pulses, Journal of Superhard Materials, 40, 4 (2018) 259. J. E. SMITH et al: Raman Spectra of Amorphous Si and Related Tetrahedrally Bonded Semiconductors, Physical Review Letters, 26, 11 (1971) 642. M. G. LEMAITRE et al: Low-temperature, site selective graphitization of SiC via ion implantation and pulsed laser annealing, Appl. Phys. Lett., 100, 193105 (2012). P. K. CHU and L. LI: Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films, Materials Chemistry and Physics, 96, 2-3 (2006) 253. M. YAMAGUCHI, S. UENO, R. KUMAI, K. KINOSHITA, T. MURAI, T. TOMITA, S. MATSUO and S. HASHIMOTO: Raman spectroscopic study of femtosecond laser-induced phase transformation associated with ripple formation on single-crystal SiC, Appl. Phys. A, 99 (2010) 23. X. J. NING, N. HUVEY and P. PIROUZ: Dislocation Cores and Hardness Polarity of 4H-SiC, J. Am. Ceram. Soc., 80, 7 (1997) 1645. T. YOSHITAKE et al: Spectral Absorption Properties of Ultrananocrystalline Diamond/Amorphous Carbon Composite Thin Films Prepared by Pulsed Laser Deposition, Jpn. J. Appl. Phys., 46 (2007) L936. Y. HISHIKAWA et al: Interference-Free Determination of the Optical Absorption Coefficient and the Optical Gap of Amorphous Silicon Thin Films, Jpn. Appl. Phys., 30 (1991) 1008. S. LIMPIJUMNONG et al: Optical-absorption bands in the 1-3 eV range in n-type SiC polytypes, Physical Review B, 59, 20 (1999) 12 890.. 42. Journal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.64 No.12 2020 DEC. 635-642.
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