Q: SiC ウェハのスライスと加工に使用される主な技術は何ですか?
A:炭化ケイ素 SiCはダイヤモンドに次ぐ硬度を持ち、非常に硬く脆い材料と考えられています。成長した結晶を薄いウエハに切断するスライス工程は時間がかかり、欠けやすいという欠点があります。SiC単結晶加工において、スライスの品質はその後の研削、研磨、薄化工程に大きく影響します。スライス加工により表面および表面下のクラックが発生することが多く、ウェーハの破損率と製造コストが増加します。そのため、スライス加工時の表面クラック損傷の制御は、SiCデバイス製造の進歩に不可欠です。
現在報告されているSiCのスライス方法には、固定砥粒、自由砥粒、レーザー切断、層間転写（冷間分離）、放電スライスなどがあります。これらの中で、固定ダイヤモンド砥粒を用いた往復マルチワイヤースライスは、SiC単結晶の加工に最も一般的に用いられています。しかし、インゴットサイズが8インチ以上になると、従来のワイヤーソーイングは、設備要件の厳しさ、コスト、そして低効率のために実用的ではなくなっていきます。低コスト、低損失、高効率のスライス技術が緊急に求められています。
Q: 従来のマルチワイヤ切断に比べて、レーザースライスの利点は何ですか?
A:従来のワイヤーソーは、SiCインゴット特定の方向に沿って数百ミクロンの厚さのスライスに切断します。その後、ダイヤモンドスラリーを用いて研磨し、鋸目や表面下の損傷を除去します。続いて、化学機械研磨（CMP）により表面を平坦化し、最後に洗浄してSiCウェハを得ます。
しかし、SiCは硬度が高く脆いため、これらの工程は反りや割れ、破損率の増加、生産コストの増加、表面粗さの増大、汚染（粉塵、廃水など）の発生といった問題を引き起こしやすい。さらに、ワイヤーソーイングは速度が遅く、歩留まりも低い。従来のマルチワイヤースライシングでは、材料利用率は約50%に過ぎず、研磨・研削後に最大75%の材料が失われると推定されている。初期の海外生産データによると、1万枚のウェーハを製造するには、24時間連続生産で約273日かかる可能性があり、非常に時間がかかる。
国内では、多くのSiC結晶成長企業が炉の生産能力の増強に注力しています。しかし、単に生産量を拡大するのではなく、特に結晶成長の歩留まりがまだ最適ではない状況においては、損失をいかに削減するかを検討することが重要です。
レーザースライシング装置は、材料の損失を大幅に削減し、歩留まりを向上させることができます。例えば、20mmのレーザースライシング装置1台で、SiCインゴットワイヤーソーイングでは、厚さ350μmのウェーハを約30枚生産できます。レーザースライシングでは、50枚以上のウェーハを生産できます。ウェーハの厚さを200μmまで薄くすれば、同じインゴットから80枚以上のウェーハを生産できます。ワイヤーソーイングは6インチ以下のウェーハに広く使用されていますが、従来の方法では8インチのSiCインゴットをスライスするには10～15日かかり、高性能な設備が必要で、高コストで効率が悪いという問題がありました。このような状況下では、レーザースライシングの利点が明確になり、8インチウェーハの将来の主流技術となるでしょう。
レーザー切断では、8 インチ ウェーハ 1 枚あたりのスライス時間は 20 分未満、ウェーハ 1 枚あたりの材料損失は 60 μm 未満になります。
要約すると、マルチワイヤ切断と比較して、レーザースライスは、速度が速く、歩留まりが高く、材料損失が少なく、処理がよりクリーンになります。
Q: SiC レーザースライスにおける主な技術的課題は何ですか?
A:レーザー スライス プロセスには、レーザー修正とウェハ分離という 2 つの主なステップがあります。
レーザー加工の核となるのは、ビーム成形とパラメータの最適化です。レーザー出力、スポット径、スキャン速度といったパラメータはすべて、材料アブレーションの品質と、その後のウェーハ分離の成功に影響を与えます。加工領域の形状は、表面粗さと分離の難しさを左右します。表面粗さが大きいと、後の研削が複雑になり、材料ロスが増加します。
改質後、ウェーハの分離は通常、冷間破壊や機械的応力などのせん断力によって行われます。一部の国内システムでは、分離のために超音波トランスデューサーを用いて振動を誘起していますが、これはチッピングやエッジ欠陥を引き起こし、最終的な歩留まりを低下させる可能性があります。
これら2つのステップは本質的に難しいものではありませんが、成長プロセス、ドーピングレベル、内部応力分布の違いによる結晶品質のばらつきは、スライスの難易度、歩留まり、材料損失に大きく影響します。問題領域を特定し、レーザースキャンゾーンを調整するだけでは、結果に大きな改善が見られない可能性があります。
広く普及するための鍵は、さまざまなメーカーの幅広い結晶品質に適応できる革新的な方法と装置を開発し、プロセスパラメータを最適化し、普遍的に適用可能なレーザースライスシステムを構築することにあります。
Q: レーザースライス技術はSiC以外の半導体材料にも適用できますか？
A: レーザー切断技術は、歴史的に幅広い材料に適用されてきました。半導体分野では、当初はウェハのダイシングに使用され、その後、大型バルク単結晶のスライスへと用途が拡大しました。
SiC以外にも、ダイヤモンド、窒化ガリウム（GaN）、酸化ガリウム（Ga₂O₃）といった硬質または脆性材料にもレーザースライシングは適用可能です。これらの材料に関する予備研究では、半導体用途におけるレーザースライシングの実現可能性と利点が実証されています。
Q: 現在、国内で成熟したレーザースライシング装置製品はありますか？研究はどの段階ですか？
A：大口径SiCレーザースライス装置は、将来の8インチSiCウェハ生産の中核装置として広く認識されています。現在、このような装置を供給できるのは日本のみであり、高価で輸出規制の対象となっています。
SiCの生産計画と既存のワイヤーソー生産能力に基づくと、レーザースライス／シンニングシステムの国内需要は約1,000台と推定されます。国内の大手企業は開発に多額の投資を行っていますが、成熟した市販の国産装置はまだ産業展開に至っていません。
研究グループは2001年から独自のレーザーリフトオフ技術の開発に取り組んでおり、現在ではこれを大口径SiCレーザースライスおよび薄化にまで拡張しています。彼らは、以下のことが可能なプロトタイプシステムとスライスプロセスを開発しました。4～6インチ半絶縁性SiCウェハの切断および薄化6～8インチ導電性SiCインゴットのスライス性能ベンチマーク：6～8インチ半絶縁性SiC：スライス時間10～15分/ウェハ、材料損失<30μm6～8インチ導電性SiC：スライス時間14～20分/ウェハ、材料損失<60μm
推定ウェーハ歩留まりが50%以上増加
スライス後のウェーハは、研削・研磨後の形状に関する国家基準を満たしています。また、研究によると、レーザー誘起熱効果はウェーハの応力や形状に大きな影響を与えないことも示されています。
同じ装置を使用して、ダイヤモンド、GaN、Ga₂O₃ 単結晶のスライスの実現可能性も検証しました。
投稿日時: 2025年5月23日