レーザ照射によるダイヤモンド内部のグラファイト化と切断への応用
千葉大学 大学院工学研究院 機械工学コース教授 比田井 洋史（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016212）
キーワード：レーザスライス，ダイヤモンド

１．研究の目的と背景する必要がなく，理論上はアスペクト比に制限がない．同

ダイヤモンドはキャリア移動度，絶縁耐圧，熱伝導率が様の研究はガラスなどの透明材料の加工においても行わ高いため[1-3]，シリコンやシリコンカーバイドに代わる，れている[16]．本研究では，レーザによるダイヤモンドの高周波，高出力かつ高耐圧の電力用半導体材料への応用が内部変質加工を応用した，ダイヤモンドのスライス加工法期待されている[4]．これに伴い，近年化学気相成長（CVD）を提案する．

法による大径単結晶ダイヤモンドの合成が報告されてい2. 内部変質層の形成

る[5]．CVD 法では，半導体として利用可能な低欠陥のダイヤモンド単結晶を，1 インチ程度の大きさに 100 µm/h

レーザ走査による変質層形成(図 1(a), (b))に，各加工条以上の速度で合成することが可能である[6-7]．

件が及ぼす影響を調べ，得られた変質層の形状の評価を行CVD ダイヤモンドの半導体応用における次の課題は，った．

単一の単結晶ダイヤモンドから厚さ数百ミクロン程度の2.1 実験方法ウェハを切り出すスライス工程である．しかし，ダイヤモ

幅 1 mm の高温高圧ダイヤモンドに対し，赤外域のフェンドは硬度が高く，脆性材料であるため，半導体ウェハのムト秒パルスレーザによる内部加工を行った．レーザの仕ように薄く広い形状に加工する事は困難である．ダイヤモ様を表 1(i) に示す.また実験装置の概略を図 2 に示す．集ンドの切断加工法として一般的なイオンビーム加工やダ光レンズには NA = 0.5 の対物レンズを用いた．発振器かイヤモンド表面からのレーザ切断加工[8-10]は，ビームをら照射されたレーザ光を出力調整した後，対物レンズを用溝底部に到達させるために入口として十分な幅の切り溝いて集光し，電動ステージ上のダイヤモンド内部に照射しを必要とするため，少ない切りしろで深い加工を行うことた．レーザ焦点を図 1 (b)のように，レーザの光軸方向にが困難である．また，ダイヤモンド砥粒を使用した研削な沿って奥から手前へ向かって直線状に走査する操作を，等どの機械的加工では，工具幅程度の切り溝が生じ，長い加間隔で複数回繰り返して，面状の変質層を形成した．この工時間を要する．
そこで，一般的なダイヤモンド加工とは異なるスライシング手法として，杢野らが以下のような手法を提唱している[11]．まず，土台となるダイヤモン
ド種結晶上に剥離面上部からイオン注入を行い，表面から数ミクロン内側に内部改質層を形成する．次に，内部改質層上部にエピタキシャル成長によりダイヤモンドを堆積させる．最後に，内部改質層をアニーリングしグラファイトに変質させた後に，グラファイトのみを電解エッチングによって選択的に溶解させ，ダイヤモンドウェハを種結晶から分Table 1 Characterization of each laser and experimental condition
Item number
Wavelength(i)FCPA(ⅱ) SureliteµJewel D-1000

SLⅢ-101041 nm

532 nmPulse duration

550 fs3-5 nsBeam diameter

4.3 mm

9.5 mmRepetition rate

100 kHz10 Hz

Diamond

Graphite layer

Processed area

離する．この手法での切り溝としての損失は1.6-4.8 µm 程度であり，材料効率に優れている．
一方，近年のダイヤモンドへ内部の導波路形成の研究として，高密度に集光した超短パルスレー

Laser

ザの照射により，焦点近傍のみでダイヤモンドが(a)Forming

グラファイト化する事が報告されている[12-15]．

modified area

この加工方法では，加工部手前の材料を透過させてビームを照射するため，レーザアブレーション
加工のように狭い切り溝から底部にビームを照射(b)Scanning(c)Separating

laser beamdiamondFig. 1 The whole process of slicing diamond by laser-induced
graphitization

Laser source
Half-wave
plate
Pockels cell

Microscopic
cameraSampleMovingSample
diamondCamera

PBS

ObjectivelensLight

Fig. 2 Schematic of experimental setting for making first modified layer.
Graphite
(b)

(a)
Laser
Laser
ScanninGraphite

50 μm(a)Side view

10 µm

50 µm
(b)Front viewFig. 3 Graphite layer in diamond (Pulse energy = 2 μJ/pulse, Scanning rate =100 μm/s, Scanning pitch = 5 µm, Laser beam is irradiated perpendicular to(1,1,1) plane
ような経路で走査するのは，加工点より手前にグラファイ

2.3 考察ト変質がある場合，レーザ光が遮られ内部加工現象が起こ

ピッチ方向の未質部の残存は，隣の変質によりレーザ照らないため，またレーザが変質の進展と同軸で入射し続け射が妨げられる事に起因すると考えられる．本研究で目的ると，変質の進展が連続しやすいためである．走査速度はとするダイヤモンドの分離では，グラファイト変質層は均100 µm/s, パルスエネルギーは 2 µJ で加工した．走査する質に形成されている必要があるため，後述する 3.3 では，線同士の間隔は，線状のグラファイト変質がオーバーラッ

この未変質部分を完全に変質させる加工を行った．

プするよう，幅 5 µm に設定した．変質層はダイヤモンドの(2 1 1)面上に形成した．
2.2 結果3. ダイヤモンドの変質層を起点とする剥離前章で内部変質層を形成したダイヤモンド試料に対し，内部加工によって形成されたグラファイト変質層を，レ

図 4(a)のように衝撃を与える方法，図 4(b)のように変質層ーザ照射側から観察した側面の写真を図 3(a)に，正面の写をエッチング除去する方法(2)，図 4(c)のようにレーザを変真を図 3(b)に示す．図 3(a)に示すように，試料内部に厚さ質層に再照射する方法で，ダイヤモンドの剥離を試みた．

15µm のグラファイト変質層が形成された．しかし，図 3(b)剥離は(1 1 1)，(2 1 1)，(1 0 0)の結晶面に変質層を形成した

では，グラファイト変質層に µm オーダーの未変質部分が試料のそれぞれに対して行った．(1 1 1)は劈開面と呼ばれ走査方向とピッチ方向に沿って残存している．未変質部分

元々分離しやすく，(2 1 1)は(1 1 1)に直交する面である．

は，走査速度，走査ピッチ，集光レンズを変えた場合も，(1 0 0)は研磨が容易で，半導体応用に適している．

変質層内に残存した．

Current

ElectrolFirst modified
4 μmlayer(a) Breaking by stress2
Heatedmodified
Laser beamarea(c) Irradiating by laser(b) Electro chemical etching

Fig. 4 Schematics of separating process of modified diamondEtched
100 μm

100 μm( a ) Modified line before etched( b ) Modified line after etched

Etched100 μm

100 μm( c ) Modified layer before etched( d ) Modified layer after etched
Fig. 5 Etching process of modified layer. Modified layer was formed on (1 1 1) plane
3.1 衝撃印加による剥離を広げる手法を試みた．使用したレーザの仕様を表 1(ii)

図 4(a)のように，ダイヤモンドのグラファイト化によるに示す．
パルスは 2 µm 毎に照射し，列同士の間隔は 4 µm，強度低下を利用し，変質の境界部分にドライバーとハンマパルスエネルギーは 2 µJ とした．その結果，レーザ再照ーで衝撃を与え，分離を試みた．その結果，表２(i)に示す

射による分離は，すべての結晶面に対して有効であった．

ように，劈開面である(1 1 1)に沿って変質形成した試料のただし，(1 0 0)については，1 mm×1 mm の面積のうち一みが分離した．

部のみしか剥離しなかった．(2 1 1)に形成した変質層の断3.2 エッチングによる剥離面を，レーザ再照射前後で比較したものを図 6 に示す．図

電解エッチングによるグラファイト除去を用いて，分離6(a)の透過照明の顕微鏡画像で示した変質層の位置に，レを試みた．エッチング前後の試料の光学顕微鏡画像を比較

ーザ再照射後の図 6(b)では上側にクラックが生じた．つぎして評価した．エッチング前後の試料の光学顕微鏡画像のに，剥離させた試料の表面の顕微鏡画像と電子顕微鏡画像

うち，(1 1 1)面上に形成した，単一の線状の変質を図 5(a)(b)を図 7 に示す．図 7(c)(f)に示すように，剥離後の表面にはに，面状の変質層を図 5(c)(d)に示す．エッチング除去が行方向性を持った模様が観察された．表面上の模様は，細かわれたのは線状の変質のみで，面状の変質層ではエッチンい劈開に起因すると考えられる．

グ除去が起こらなかった．また，(1 1 1)以外の結晶面では3.4 考察エッチング除去が起こらなかった．

剥離の可否の結果は表 2 に示す．応力による分離は劈開

3.3 レーザ再照射による剥離面のみに限られるため，ウェハの剥離方法としては不十分

変質層のグラファイトは，周囲の未変質のダイヤモンドである．変質層は 2.2 で示したように，ムラや断裂のあるよりレーザ光の吸収率が高くなっている．この点を利用し組織となっており，不連続性によりエッチング除去が行わて，図 4(c)のようにレーザを正面から照射し，既存の変質れなかったと考えられる．レーザ再照射によって剥離は可Micro crackGraphite

50 µm(a-1) Before heated(a-2) Before heated(b) After heated(laser microschopic image) (laser microschopic image)Fig. 6 Side view of the modified layer in diamond sample.
Modified layer had been formed on (2 1 1) plane

(a)

(c)

(b)

500 μm500 μm

(f)

(e)

(d)

500 μm

10 μm

10 μm

500 μmFig. 7 Front view of separated diamond. The modified layer had been formed on (2 1 1))
Table 2 Result of separating diamond at each crystal orientation
Crystal orientation(1 1 1)(2 1 1)(1 0 0)(i) Separation assisted by impact○××(ii) Electro chemical etching△××(ⅲ) Heated by Femtosecond pulsed laser〇〇〇

能となったが，最終的には応力で剥離を行っているため，(2)変質層を形成した試料に対し，レーザを再度照射しウェハに損傷が生じる可能性がある．よって，レーザ再照た後に剥離を行い，(1 1 1)，(2 1 1)においては 1×1 mm の射を行った後にエッチングを行い，静的に剥離することが面積を完全に剥離させた．(1 0 0)においては部分的に剥離望ましい．

させた．

4. 結言謝辞(1)フェムト秒レーザを対物レンズを用いてダイヤモン

本研究の実施に際し，公益財団法人天田財団より一般研

ド内部で集光して走査し，厚さ 15 μm のグラファイト変質究開発助成 (AF-2016212)を賜りました．厚く御礼申し上層を形成した．

げます．

参考文献
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6) H. Yamada, A. Chayahara, Y. Mokuno, H. Umezawa,14) M. Girolami, A. Bellucci, P. Calvani, S. Orlando, V.

S. Shikata and N. Fujimori, Appl. Phys. Exp. 3

Valentini and D. M. Trucchi, Appl. Phys 117, 143(2010).
7) H. Yamada, A. Chayahara, Y. Mokuno, N. Tsubouchi
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