(57)【要約】【課題】単結晶基板の上面を研磨して効率よく所望の厚みに形成したり、単結晶基板の表面に効率よく複数の凹部を点在して形成することができる単結晶基板の加工方法を提供する。【解決手段】単結晶基板の加工方法であって、パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板に対して所定の値に設定する開口数設定工程と、パルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所定位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し、単結晶基板の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長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と、単結晶基板に形成されたシールドトンネルを研磨材で研磨して非晶質を除去する非晶質除去工程とを含む。【選択図】図９
2015207664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板の加工方法であって、
パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板に対して所定の値に設定する開口数設定工程と、
パルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所望位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し、単結晶基板の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長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と、
単結晶基板に形成されたシールドトンネルを研磨材で研磨して非晶質を除去する非晶質除去工程と、を含む、
ことを特徴とする単結晶基板の加工方法。
【請求項２】
該開口数設定工程において所定の値に設定される集光レンズの開口数(NA)は、単結晶基板の屈折率(N)で除した値が０．０５〜０．２の範囲になるように設定される、請求項１記載の単結晶基板の加工方法。
【請求項３】
該非晶質除去工程において使用する研磨材は、単結晶基板の硬度以下である、請求項１又は２記載の単結晶基板の加工方法。
【請求項４】
単結晶基板は、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板、窒化ガリウム(GaN)基板のいずれかであり、
研磨材は、サファイア(Al2O3)、炭化珪素（SiC）、窒化ガリウム(GaN)、ケイ酸塩、石英からなるいずれかの砥粒である、請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶基板の加工方法。
【請求項５】
該シールドトンネル形成工程は、単結晶基板をチップに分割する輪郭に沿ってシールドトンネルを連接して形成し、
該非晶質除去工程は、チップの外周を研磨する、請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶基板の加工方法。
【請求項６】
該シールドトンネル形成工程は、単結晶基板の上面に所定の深さでシールドトンネルを連接して形成し、
該非晶質除去工程は、単結晶基板の上面を研磨して単結晶基板を所定の厚みに形成する、請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶基板の加工方法。
【請求項７】
該シールドトンネル形成工程は、単結晶基板の上面にシールドトンネルを所望の位置に点在して形成し、
該非晶質除去工程は、単結晶基板を研磨して単結晶基板上面に凹部を形成する、請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶基板の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
上述した光デバイス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）。
【０００４】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４０８８０５号公報
【特許文献２】特開平１０―３０５４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
而して、上記いずれの加工方法によって分割された光デバイスにおいても、外周面に改質層等のスラッジ、またはデブリが残存して光デバイスの輝度を低下させるという問題がある。
また、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板、窒化ガリウム(GaN)基板等の単結晶基板は難削材であり、単結晶基板の上面を研磨して所望の厚みに形成したり、光デバイスの輝度を向上させるために単結晶基板の上面に複数の凹部を点在して形成することが困難であるという問題がある。
【０００７】
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、単結晶基板の上面を研磨して効率よく所望の厚みに形成する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。
また、他の技術課題は、単結晶基板の表面に効率よく複数の凹部を点在して形成する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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、単結晶基板の加工方法であって、
パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板に対して所定の値に設定する開口数設定工程と、
パルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所定位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し、単結晶基板の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長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と、
単結晶基板に形成されたシールドトンネルを研磨材で研磨して非晶質を除去する非晶質除去工程と、を含む、
ことを特徴とする単結晶基板の加工方法が提供される。
【０００９】
上記開口数設定工程において所定の値に設定される集光レンズの開口数(NA)は、単結晶基板の屈折率(N)で除した値が０．０５〜０．２の範囲になるように設定される。
上記非晶質除去工程において使用する研磨材は、単結晶基板の硬度以下である。
なお、単結晶基板はサファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板、窒化ガリウム(GaN)基板のいずれかであり、研磨材はサファイア(Al2O3)、炭化珪素（SiC）、窒化ガリウム(GaN)、ケイ酸塩、石英からなるいずれかの砥粒であることが望ましい。
上記シールドトンネル形成工程は単結晶基板をチップに分割する輪郭に沿ってシールドトンネルを連接して形成し、上記非晶質除去工程はチップの外周を研磨する。
また、上記シールドトンネル形成工程は単結晶基板の上面に所定の深さでシールドトンネルを連接して形成し、上記非晶質除去工程は単結晶基板の上面を研磨して単結晶基板を所定の厚みに形成する。
更に、上記シールドトンネル形成工程は単結晶基板の上面にシールドトンネルを所望の位置に点在して形成し、上記非晶質除去工程は単結晶基板を研磨して単結晶基板上面に凹部を形成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による単結晶基板の加工方法においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板に対して所定の値に設定する開口数設定工程と、パルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所定位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し単結晶基板の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長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と、単結晶基板に形成されたシールドトンネルを研磨材で研磨して非晶質を除去する非晶質除去工程とを含んでいるので、シールドトンネル形成工程において単結晶基板に形成されたシールドトンネルを構成する非晶質は脆弱であるため、非晶質除去工程において使用する研磨材は単結晶基板の硬度以下の材料からなる砥粒を用いて研磨することにより、非晶質のみを容易に除去することができる。従って、単結晶基板に形成されたシールドトンネルに沿って分割されたチップにおける分割面の研磨や、単結晶基板を所定の厚みに形成するために単結晶基板の上面側に形成されたシールドトンネル層の研磨、および単結晶基板の上面側に点在して形成されたシールドトンネルの研磨を効率よく実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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４】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の実施形態を示す説明図。
【図５】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。
【図６】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７】図６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。
【図８】図７に示すウエーハ分割工程によって個々に分割されて光デバイスの斜視図。
【図９】本発明による単結晶基板の加工方法における非晶質除去工程の第１の実施形態を示す説明図。
【図１０】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サファイア基板の斜視図。
【図１１】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の実施形態を示す説明図。
【図１２】本発明による単結晶基板の加工方法における非晶質除去工程の第２の実施形態を示す説明図。
【図１３】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３の実施形態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明による単結晶基板の加工方法について添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
【００１３】
図１には、本発明によるレーザー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に示す光デバイスウエーハ２は、厚みが３００μmのサファイア基板の表面２aに発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイス２１がマトリックス状に形成されている。そして、各光デバイス２１は、格子状に形成された分割予定ライン２２によって区画されている。
【００１４】
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の第１の実施形態について、図３乃至図９を参照して説明する。
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３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３０の表面に光デバイスウエーハ２の裏面２bを貼着する。従って、ダイシングテープ３０の表面に貼着された光デバイスウエーハ２は、表面２aが上側となる。
【００１５】
図３には、上述したウエーハ支持工程が実施された光デバイスウエーハ２の分割予定ライン２２に沿ってレーザー加工を施すレーザー加工装置が示されている。図３に示すレーザー加工装置４は、被加工物を保持するチャックテーブル４１と、該チャックテーブル４１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４２と、チャックテーブル４１上に保持された被加工物を撮像する撮像手段４３を具備している。チャックテーブル４１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図３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。
【００１６】
上記レーザー光線照射手段４２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング４２１を含んでいる。ケーシング４２１内には図示しないパルスレーザー光線発振器や繰り返し周波数設定手段を備えたパルスレーザー光線発振手段が配設されている。上記ケーシング４２１の先端部には、パルスレーザー光線発振手段から発振されたパルスレーザー光線を集光するための集光レンズ４２２aを備えた集光器４２２が装着されている。この集光器４２２の集光レンズ４２２aは、開口数(NA)が次のよう設定されている。即ち、集光レンズ４２２aの開口数(NA)は、開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値が０．０５〜０．２の範囲に設定される（開口数設定工程）。なお、レーザー光線照射手段４２は、集光器４２２の集光レンズ４２２a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。
【００１７】
上記レーザー光線照射手段４２を構成するケーシング４２１の先端部に装着された撮像手段４３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。
【００１８】
上述したレーザー加工装置４を用いて、上述したウエーハ支持工程が実施された光デバイスウエーハ２の分割予定ライン２２に沿ってレーザー加工を施すには、パルスレーザー光線の集光点が単結晶基板としての光デバイスウエーハ２の厚み方向の所望の位置に位置付けられるように集光レンズと単結晶基板とを相対的に光軸方向に位置付ける位置付け工程を実施する。
先ず、上述した図３に示すレーザー加工装置４のチャックテーブル４１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３０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３０を介して光デバイスウエーハ２をチャックテーブル４１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４１に保持された光デバイスウエーハ２は、表面２aが上側となる。なお、図３においてはダイシングテープ３０が装着された環状のフレーム３を省いて示しているが、環状のフレーム３はチャックテーブル４１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４１は、図示しない加工送り手段によって撮像手段４３の直下に位置付けられる。
【００１９】
チャックテーブル４１が撮像手段４３の直下に位置付けられると、撮像手段４３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４３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２２と、分割予定ライン２２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４２の集光器４２２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２２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。
【００２０】
上述したアライメント工程を実施したならば、図４で示すようにチャックテーブル４１をレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段４２の集光器４２２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２２を集光器４２２の直下に位置付ける。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、分割予定ライン２２の一端(図４の（ａ）において左端)が集光器４２２の直下に位置するように位置付けられる。そして、集光器４２２の集光レンズ４２２a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光デバイスウエーハ２の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４２２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上面（表面２a側）から所望位置（例えば表面２aから５〜１０μm裏面２b側の位置）に設定されている。
【００２１】
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４２を作動して集光器４２２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に位置付けられた集光点P付近（上面（表面２a））から下面（裏面２b）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４２２から光デバイスウエーハ２を構成するサファイア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LBを照射しつつチャックテーブル４１を図４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４の（ｂ）で示すようにレーザー光線照射手段４２の集光器４２２の照射位置に分割予定ライン２２の他端(図４の（ａ）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４１の移動を停止する。
【００２２】
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の内部には、図４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（上面（表面２a））から下面（裏面２b）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２２に沿って所定の間隔（図示の実施形態においては１６μｍの間隔（加工送り速度：８００ｍｍ／秒）／（繰り返し周波数：５０ｋＨｚ））で非晶質のシールドトンネル２３が形成される。このシールドトンネル２３は、図４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φ１６μm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の上面（表面２a）から下面（裏面２b）に亘って形成することができるため、ウエーハ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。
【００２３】
上述したように所定の分割予定ライン２２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４１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２２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２２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４１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２２に対して直交する方向に延びる分割予定ライン２２に沿って上記シールドトンネル形成工程を実行する。
なお、上述した実施形態においては光デバイスウエーハ２の表面２ａを上側にしてチャックテーブル４１に保持し、光デバイスウエーハ２の表面２ａの側から分割予定ライン２２に沿ってパルスレーザー光線を照射してシールドトンネル２３を形成する例を示したが、光デバイスウエーハ２の裏面を上側にしてチャックテーブル４１に保持し、光デバイスウエーハ２の裏面側から分割予定ライン２２に沿ってパルスレーザー光線を照射してシールドトンネル２３を形成してもよい。
【００２４】
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、上述したように集光レンズ４２２aの開口数(NA)は、開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値（S）が０．０５〜０．２の範囲に設定されていることが重要である。
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５を参照して説明する。図５において集光レンズ４２２a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４２２aの開口数(NA)である（NA＝sinθ）。集光レンズ４２２a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。従って、sinβを０．０５〜０．２の範囲（０．０５≦sinβ≦０．２）に設定することが重要である。
以下、集光レンズ４２２aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値（S＝ＮＡ／Ｎ）が０．０５〜０．２の範囲に設定された理由について説明する。
【００２５】
［実験１−１］
厚みが１０００μmのサファイア(Al2O3)基板（屈折率：１．７）を次の加工条件でシールドトンネルを形成し、シールドトンネルの良不良を判定した。
加工条件
波長                            ：１０３０ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数                  ：５０ｋＨｚ
パルス幅                        ：１０ps
平均出力                        ：３Ｗ
加工送り速度                    ：８００ｍｍ／秒
集光レンズの開口数(NA)      シールドトンネルの良不良      S＝ＮＡ／Ｎ
０．０５                      なし                                  
０．１                        やや良好                ０．０５８
０．１５                      良好                    ０．０８８
０．２                        良好                    ０．１１７
０．２５                      良好                    ０．１４７
０．３                        良好                    ０．１７６
０．３５                      やや良好                ０．２０５
０．４                        不良  
０．４５                      不良：ボイドができる
０．５                        不良：ボイドができる
０．５５                      不良：ボイドができる
０．６                        不良：ボイドができる
以上のようにサファイア基板（屈折率：１．７）においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ４２２aの開口数(NA)が、開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値（S＝ＮＡ／Ｎ）が０．０５〜０．２の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成される。従って、サファイア基板（屈折率：１．７）においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ４２２aの開口数(NA)は、０．１〜０．３５に設定することが重要である。
【００２６】
［実験１−２］
厚みが１０００μmの炭化珪素（SiC）基板（屈折率：２．６３）を次の加工条件でシールドトンネルを形成し、シールドトンネルの良不良を判定した。
加工条件
波長                            ：１０３０ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数                  ：５０ｋＨｚ
パルス幅                        ：１０ps
平均出力                        ：３Ｗ
加工送り速度                    ：８００ｍｍ／秒
集光レンズの開口数(NA)      シールドトンネルの良不良      S＝ＮＡ／Ｎ
０．０５                      なし                                  
０．１                        なし                              
０．１５                      やや良好                ０．０５７
０．２                        良好                    ０．０７６
０．２５                      良好                    ０．０９５
０．３                        良好                    ０．１１４
０．３５                      良好                    ０．１３３
０．４                        良好                    ０．１５３
０．４５                      良好                    ０．１７１
０．５                        良好                    ０．１９
０．５５                      やや良好                ０．２０９
０．６                        不良：ボイドができる
以上のように炭化珪素（SiC）基板（屈折率：２．６３）においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ４２２aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値（S＝ＮＡ／Ｎ）が０．０５〜０．２の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成される。従って、炭化珪素（SiC）基板においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ４２２aの開口数(NA)は、０．１５〜０．５５に設定することが重要である。
【００２７】
［実験１−３］
厚みが１０００μmの窒化ガリウム(GaN)基板（屈折率：２．３）を次の加工条件でシールドトンネルを形成し、シールドトンネルの良不良を判定した。
加工条件
波長                            ：１０３０ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数                  ：５０ｋＨｚ
パルス幅                        ：１０ps
平均出力                        ：３Ｗ
加工送り速度                    ：８００ｍｍ／秒
集光レンズの開口数(NA)      シールドトンネルの良不良      S＝ＮＡ／Ｎ
０．０５                      なし                                  
０．１                        やや良好                ０．０４３
０．１５                      良好                    ０．０６５
０．２                        良好                    ０．０８６
０．２５                      良好                    ０．１０８
０．３                        良好                    ０．１３０
０．３５                      良好                    ０．１５２
０．４                        良好                    ０．１７３
０．４５                      良好                    ０．１９５
０．５                        やや良好                ０．２１７
０．５５                      不良：ボイドができる
０．６                        不良：ボイドができる
以上のように窒化ガリウム(GaN)基板においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ４２２aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値（S＝ＮＡ／Ｎ）が０．０５〜０．２の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成される。従って、窒化ガリウム(GaN)基板においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ４２２aの開口数(NA)は、０．１〜０．５に設定することが重要である。
なお、シールドトンネルは集光点Pからレーザー光線が照射された側に形成されることから、パルスレーザー光線の集光点はパルスレーザー光線が入射される側と反対側の面に隣接する内側に位置付けられる必要がある。
【００２８】
上述した実験１−１、実験１−２、実験１−３から、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ４２２aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値（S＝ＮＡ／Ｎ）が０．０５〜０．２の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成されることが確認できた。
【００２９】
次に、パルスレーザー光線のエネルギーとシールドトンネルの長さとの相関関係について検討する。
【００３０】
［実験２］
厚みが１０００μmのサファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板、窒化ガリウム(GaN)基板に次の加工条件でパルスレーザー光線を照射し、パルスレーザー光線のエネルギー（μJ／１パルス）とシールドトンネルの長さ（μm）との関係を求めた。
加工条件
波長                            ：１０３０ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数                  ：５０ｋＨｚ
パルス幅                        ：１０ps
加工送り速度                    ：８００ｍｍ／秒
平均出力を０．０５Ｗ（1μJ／１パルス）間隔でシールドトンネルが形成されるまで平均出力を上昇させ、シールドトンネルが形成された後は０．５Ｗ（1０μJ／１パルス）間隔で１０Ｗ（２００μJ／１パルス）まで平均出力を上昇させ、シールドトンネルの長さ（μm）を計測した。
パルスエネルギー（μJ／１パルス）    シールドトンネルの長さ（μm）
サファイア  炭化珪素  窒化ガリウム
１                                なし        なし      なし
２                                なし        なし      なし
３                                なし        なし      なし
４                                なし        なし      なし
５                                ６５        ６５      ７０
１０                                ７５        ８５      ８５
２０                              １２５      １１５    １２５
３０                              １５０      １５５    １７０
４０                              １７５      １８５    ２０５
５０                              １９０      ２３０    ２５０
６０                              ２１０      ２６５    ２９５
７０                              ２４５      ２９０    ３３０
８０                              ２６０      ３３０    ３６５
９０                              ３１５      ３７０    ４１５
１００                              ３４０      ３９５    ４５０
１１０                              ３６５      ４３０    ４８５
１２０                              ４００      ４７０    ５３０
１３０                              ４２５      ５００    ５６５
１４０                              ４５５      ５３５    ６１０
１５０                              ４９０      ５７０    ６５０
１６０                              ５２５      ６１０    ６８５
１７０                              ５５０      ６４０    ７３５
１８０                              ５７５      ６７５    ７７０
１９０                              ６１０      ７１５    ８１５
２００                              ６４０      ７４０    ８５０
【００３１】
上記実験２から上記加工条件において厚みが３００μmのサファイア(Al2O3)基板からなる光デバイスウエーハ２の（上面（表面２a））から下面（裏面２b）に亘ってシールドトンネルを形成するには、パルスレーザー光線のパルスエネルギーを９０μJ／１パルスに設定すればよい。なお、厚みが３００μmの炭化珪素（SiC）基板の場合はパルスレーザー光線のパルスエネルギーを８０μJ／１パルスに設定すればよく、厚みが３００μmの窒化ガリウム(GaN)基板の場合はパルスレーザー光線のパルスエネルギーを７０μJ／１パルスに設定すればよい。
【００３２】
次に、パルスレーザー光線の波長とシールドトンネルの形成状況について検討する。
【００３３】
［実験３−１］
厚みが１０００μmのサファイア基板を次の加工条件でパルスレーザー光線の波長を２９４０nm、１５５０nm、１０３０nm、５１５nm、３４３nm、２５７nm、１５１nmと下げていき、バンドギャップ８．０eV（波長換算：１５５nm）のサファイア基板にシールドトンネルが形成できるか否かを検証した。
加工条件
波長                            ：１０３０ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数                  ：５０ｋＨｚ
パルス幅                        ：１０ps
平均出力                        ：３Ｗ
加工送り速度                    ：８００ｍｍ／秒
波長(nm) シールドトンネル良不良
２９４０                良好
１５５０                良好
１０３０                良好
５１５                良好
３４３                良好
２５７                不良
１５１                入射面でアブレーション不良
以上のようにサファイア基板においては、パルスレーザー光線の波長はバンドギャップ８．０eVに対応する波長（波長換算：１５５nm）の２倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
【００３４】
［実験３−２］
厚みが１０００μmの炭化珪素（SiC）基板を次の加工条件でパルスレーザー光線の波長を２９４０nm、１５５０nm、１０３０nm、５１５nm、２５７nmと下げていき、バンドギャップ２．９eV（波長換算：４２５nm）の炭化珪素（SiC）基板にシールドトンネルが形成できるか否かを検証した。
加工条件
波長                            ：１０３０ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数                  ：５０ｋＨｚ
パルス幅                        ：１０ps
平均出力                        ：３Ｗ
加工送り速度                    ：８００ｍｍ／秒
波長(nm) シールドトンネル良不良
２９４０                良好
１５５０                良好
１０３０                良好
５１５                入射面でアブレーション不良
２５７                入射面でアブレーション不良
以上のように炭化珪素（SiC）基板においては、パルスレーザー光線の波長はバンドギャップ２．９eVに対応する波長（波長換算：４２５nm）の２倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
【００３５】
［実験３−３］
厚みが１０００μmの窒化ガリウム(GaN)基板を次の加工条件でパルスレーザー光線の波長を２９４０nm、１５５０nm、１０３０nm、５１５nm、２５７nmと下げていき、バンドギャップ３．４eV（波長換算：３６５nm）の窒化ガリウム(GaN)基板にシールドトンネルが形成できるか否かを検証した。
加工条件
波長                            ：１０３０ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数                  ：５０ｋＨｚ
パルス幅                        ：１０ps
平均出力                        ：３Ｗ
集光スポット径                  ：φ１０μｍ
加工送り速度                    ：５００ｍｍ／秒
波長(nm) シールドトンネル良不良
２９４０                良好
１５５０                良好
１０３０                良好
５１５                不良
２５７                入射面でアブレーション不良
以上のように窒化ガリウム(GaN)基板においては、パルスレーザー光線の波長はバンドギャップ３．４eVに対応する波長（波長換算：３６５nm）の２倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
【００３６】
上述した実験３−１、実験３−２、実験３−３から、パルスレーザー光線の波長は単結晶基板のバンドギャップに対応する波長の２倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
【００３７】
以上、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板、窒化ガリウム(GaN)基板について説明したが、本発明は石英(SiO2)基板、リチウムタンタレート(LT)基板、リチウムナイオベート(LN)基板、ランガサイト(La3Ga5SiO14)基板等の単結晶基板にも適用することができる。
【００３８】
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２２に沿って光デバイスウエーハ２を個々の光デバイス２１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６に示す分割装置５を用いて実施する。図６に示す分割装置５は、上記環状のフレーム３を保持するフレーム保持手段５１と、該フレーム保持手段５１に保持された環状のフレーム３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５２と、ピックアップコレット５３を具備している。フレーム保持手段５１は、環状のフレーム保持部材５１１と、該フレーム保持部材５１１の外周に配設された固定手段としての複数のクランプ５１２とからなっている。フレーム保持部材５１１の上面は環状のフレーム３を載置する載置面５１１ａを形成しており、この載置面５１１ａ上に環状のフレーム３が載置される。そして、載置面５１１ａ上に載置された環状のフレーム３は、クランプ５１２によってフレーム保持部材５１１に固定される。このように構成されたフレーム保持手段５１は、テープ拡張手段５２によって上下方向に進退可能に支持されている。
【００３９】
テープ拡張手段５２は、上記環状のフレーム保持部材５１１の内側に配設される拡張ドラム５２１を具備している。この拡張ドラム５２１は、環状のフレーム３の内径より小さく該環状のフレーム３に装着されたダイシングテープ３０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５２１は、下端に支持フランジ５２２を備えている。図示の実施形態におけるテープ拡張手段５２は、上記環状のフレーム保持部材５１１を上下方向に進退可能な支持手段５２３を具備している。この支持手段５２３は、上記支持フランジ５２２上に配設された複数のエアシリンダ５２３aからなっており、そのピストンロッド５２３bが上記環状のフレーム保持部材５１１の下面に連結される。このように複数のエアシリンダ５２３aからなる支持手段５２３は、図７の（ａ）に示すように環状のフレーム保持部材５１１を載置面５１１ａが拡張ドラム５２１の上端と略同一高さとなる基準位置と、図７の（ｂ）に示すように拡張ドラム５２１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。
【００４０】
以上のように構成された分割装置５を用いて実施するウエーハ分割工程について図７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３０が装着された環状のフレーム３を、図７の（ａ）に示すようにフレーム保持手段５１を構成するフレーム保持部材５１１の載置面５１１ａ上に載置し、クランプ５１２によってフレーム保持部材５１１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５１１は図７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５２を構成する支持手段５２３としての複数のエアシリンダ５２３ａを作動して、環状のフレーム保持部材５１１を図７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５１１の載置面５１１ａ上に固定されている環状のフレーム３も下降するため、図７の（ｂ）に示すように環状のフレーム３に装着されたダイシングテープ３０は拡張ドラム５２１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３０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２２に沿って個々の光デバイス２１に分離されるとともに光デバイス２１間に間隔Sが形成される。
【００４１】
次に、図７の（c）に示すようにピックアップコレット５３を作動して光デバイス２１を吸着し、ダイシングテープ３０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３０に貼着されている個々の光デバイス２１間の隙間Sが広げられているので、隣接する光デバイス２１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。
このようにして、ピックアップされた光デバイス２１は、図８に示すように外周面に非晶質２３２が残存する。
【００４２】
上述したピックアップ工程を実施したならば、光デバイス２１の外周面に残存している非晶質２３２を研磨材で研磨して非晶質を除去する非晶質除去工程を実施する。
この非晶質除去工程は、図９の(a)に示すようにサンドペーパ６を用いて光デバイス２１の外周面を研磨することにより、光デバイス２１の外周面に残存している非晶質２３２を除去する。この結果、図９の(b)に示すように光デバイス２１の外周面は非晶質が除去されてサファイア(Al2O3)基板が露出される。従って、光デバイス２１の輝度を向上させることができる。
なお、上記シールドトンネル形成工程において単結晶基板としてのサファイア(Al2O3)基板からなる光デバイスウエーハ２に形成されたシールドトンネル２３を構成する非晶質２３２は脆弱であるため、非晶質除去工程において使用する研磨材は単結晶基板の硬度以下の材料からなる砥粒を用いて研磨することにより、非晶質２３２のみを容易に除去することができる。上述した実施形態においては、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板はサファイア(Al2O3)基板からなっているので、研磨材としてサファイア(Al2O3)の硬度（新モース硬度No.12）以下の材料からなる砥粒を用いる。従って、炭化珪素（SiC）基板にシールドトンネル２３を形成した場合には研磨材として炭化珪素（SiC）基板の硬度（新モース硬度No.13）以下の材料、例えば炭化珪素（SiC）、窒化ガリウム(GaN)、ケイ酸塩、石英からなる砥粒を用いる。
【００４３】
次に、本発明による単結晶基板の加工方法の第２の実施形態について、図１０乃至図１２を参照して説明する。
図１０には、単結晶基板としての厚みが例えば３００μmのサファイア基板１０が示されている。このサファイア基板１０の厚みを１５０μmに形成する加工方法について説明する。
厚みが３００μmのサファイア基板１０を１５０μmの厚みに形成するには、先ず、上述したようにパルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板であるサファイア基板１０に対して所定の値に設定する開口数設定工程を実施する。
そして、図１１に示すようにパルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所望位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し、単結晶基板であるサファイア基板１０の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてサファイア基板１０の上面から１５０μmの深さでシールドトンネル２３を連接し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、上記図３に示すレーザー加工装置３を用いて、上述した加工条件に基づいてサファイア基板１０の全面に実施することにより、上面から１５０μmの深さでシールドトンネル２３層が形成される。このとき、サファイア基板１０の上面から１５０μmの深さでシールドトンネル２３を形成するために、パルスレーザー光線のパルスエネルギーを、上記実験２に結果に基づいて３０μJ／１パルスに設定する。
【００４４】
次に、上記シールドトンネル形成工程が実施された単結晶基板としてのサファイア基板１０の上面を研磨してサファイア基板１０を所定の厚み（例えば１５０μm）に形成する非晶質除去工程を実施する。この非晶質除去工程は、図１２の(a)に示す研磨装置６を用いて実施する。図１２の(a)に示す研磨装置６は、被加工物を保持するチャックテーブル６１と、該チャックテーブル６１に保持された被加工物を研削する研磨手段６２を具備している。チャックテーブル６１は、上面に被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない回転駆動機構によって図１２の(a)において矢印６１aで示す方向に回転せしめられる。研磨手段６２は、スピンドルハウジング６２１と、該スピンドルハウジング６２１に回転自在に支持され図示しない回転駆動機構によって回転せしめられる回転スピンドル６２２と、該回転スピンドル６２２の下端に装着されたマウンター６２３と、該マウンター６２３の下面に取り付けられた研磨工具６２４とを具備している。この研磨工具６２４は、円形状の基台６２５と、該基台６２５の下面に装着された研磨パッド６２６とからなっており、基台６２５がマウンター６２３の下面に締結ボルト６２７によって取り付けられている。なお、研磨パッド６２６は、図示の実施形態においては、フェルトに研磨材としてシリカからなる砥粒が混入されている。
【００４５】
上述した研磨装置６を用いて上記非晶質除去工程を実施するには、図１２の(a)に示すようにチャックテーブル６１の上面（保持面）に上記シールドトンネル形成工程が実施されたサファイア基板１０におけるシールドトンネル２３層が形成された面側と反対側の面を載置する。そして、図示しない吸引手段によってチャックテーブル６１上にサファイア基板１０を吸着保持する（ウエーハ保持工程）。従って、チャックテーブル６１上に保持されたサファイア基板１０は、シールドトンネル２３層が形成された面が上側となる。このようにチャックテーブル６１上にサファイア基板１０を吸引保持したならば、チャックテーブル６１を図１２の(a)において矢印６１aで示す方向に所定の回転速度で回転しつつ、研磨手段６２の研磨工具６２４を図１２の(a)において矢印６２４aで示す方向に所定の回転速度で回転せしめて、図１２の(b)に示すように研磨パッド６２６を被加工面であるサファイア基板１０の上面に接触せしめ、研磨工具６２４を図１２の(a)および図１２の(b)において矢印６２４bで示すように所定の研削送り速度で下方（チャックテーブル６１の保持面に対し垂直な方向）に所定量研削送りする。この結果、図１２の(c)に示すようにサファイア基板１０の上面側に形成されたシールドトンネル２３層が除去されてサファイア(Al2O3)基板が露出される。なお、上記シールドトンネル形成工程において単結晶基板としてのサファイア基板１０に形成されたシールドトンネル２３層を構成する非晶質２３２は上述したように脆弱であるため、非晶質除去工程において使用する研磨材は単結晶基板の硬度以下のシリカからなる砥粒を用いて研磨することにより、シールドトンネル２３層のみを容易に除去することができる。上述した実施形態においては、単結晶基板はサファイア基板からなっているので、研磨材としてサファイア(Al2O3)の硬度（新モース硬度No.12）以下の材料からなる砥粒、例えばサファイア(Al2O3)、窒化ガリウム(GaN)、ケイ酸塩からなる砥粒を用いることができる。
【００４６】
このように、シールドトンネル形成工程において単結晶基板としてのサファイア基板１０に形成されたシールドトンネル２３層を構成する非晶質２３２は上述したように脆弱であるため、非晶質除去工程においてサファイア(Al2O3)の硬度以下のシリカ等からなる砥粒を用いて研磨することにより、シールドトンネル２３層のみを容易に除去することができるので、単結晶基板としてのサファイア基板１０を効率よく所定の厚みに形成することができる。
【００４７】
次に、本発明による単結晶基板の加工方法の第３の実施形態について、図１３を参照して説明する。なお、第３の実施形態においては図１０に示す単結晶基板としての厚みが例えば３００μmのサファイア基板１０の表面に凹部を点在して形成する方法について説明する。
厚みが３００μmのサファイア基板１０の表面に例えば深さが７５μmの凹部を点在して形成するには、先ず、上述したようにパルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板であるサファイア基板１０に対して所定の値に設定する開口数設定工程を実施する。
そして、図１３に示すようにパルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の上面から所望位置に位置付けてパルスレーザー光線を照射し、単結晶基板であるサファイア基板１０の上面から細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてサファイア基板１０の上面から７５μmの深さでシールドトンネル２３を点在し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、上記図３に示すレーザー加工装置３を用いて、上述した加工条件に基づいてサファイア基板１０の全面に実施することにより、上面から１５０μmの深さでシールドトンネル２３層が形成される。このとき、サファイア基板１０の上面から７５μmの深さでシールドトンネル２３を形成するために、パルスレーザー光線のパルスエネルギーを、上記実験２に結果に基づいて１０μJ／１パルスに設定する。
【００４８】
次に、上記シールドトンネル形成工程が実施された単結晶基板としてのサファイア基板１０の上面を研磨してサファイア基板１０の上面に凹部を点在して形成する非晶質除去工程を実施する。この非晶質除去工程は、上記図１２の(a)に示す研磨装置６を用いて、上記図１２の(a)および図１２の(b)に示す非晶質除去工と同様に実施する。この結果、サファイア基板１０の上面にシールドトンネル２３が点在して形成された領域は上述したように脆弱であるため、サファイア(Al2O3）硬度以下のシリカ等からなる砥粒を用いて研磨することにより、シールドトンネル２３が形成された領域のみを容易に除去することができるので、図１３の(b)に示す単結晶基板としてのサファイア基板１０の表面に所定深さ（図示の実施形態においては深さ７５μm）の凹部１０１を効率よく所定の厚みに形成することができる。
【００４９】
以上、上述した実施形態においては主にサファイア(Al2O3)基板の加工と、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板、窒化ガリウム(GaN)基板の実験例について説明したが、本発明は石英(SiO2)基板、リチウムタンタレート(LT)基板、リチウムナイオベート(LN)基板、ランガサイト(La3Ga5SiO14)基板等の単結晶基板にも適用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
２：光デバイスウエーハ
２１：光デバイス
２２：分割予定ライン
２３：シールドトンネル
３：環状のフレーム
３０：ダイシングテープ
４：レーザー加工装置
４１：レーザー加工装置のチャックテーブル
４２：レーザー光線照射手段
４２２：集光器
５：分割装置
１０：サファイア基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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