JP2006032419A - ウエーハのレーザー加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコン等の半導体基板の表面に絶縁膜と機能膜が積層された積層体によって複数のデバイスが形成されたウエーハを、該ウエーハを区画するストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射してレーザー加工溝を形成し、該レーザー加工溝の両側で積層体の剥離が生じても実質的にデバイスに影響を及ぼすことがない大きさに抑えることができるウエーハのレーザー加工方法を提供する。
【解決手段】 基板の表面に絶縁膜と機能膜が積層された積層体によって複数のデバイス２２が形成されたウエーハ２の該複数のデバイス２２を区画するストリート２３に沿ってパルスレーザー光線を照射し、該ストリート２３に沿ってレーザー加工溝を形成するウエーハのレーザー加工方法であって、 パルスレーザー光線のパルス幅が１００〜１０００ｎｓに設定されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体ウエーハの表面に形成されたストリートに沿ってレーザー光線を照射して加工を施すウエーハのレーザー加工方法に関する。

当業者には周知の如く、半導体デバイス製造工程においては、シリコン等の半導体基板の表面に絶縁膜と機能膜が積層された積層体によって複数のＩＣ、ＬＳＩ等の半導体チップをマトリックス状に形成した半導体ウエーハが形成される。このように形成された半導体ウエーハは上記半導体チップがストリートと呼ばれる分割予定ラインによって区画されており、このストリートに沿って分割することによって個々の半導体チップを製造している。

このような半導体ウエーハのストリートに沿った分割は、通常、ダイサーと称されている切削装置によって行われている。この切削装置は、被加工物である半導体ウエーハを保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された半導体ウエーハを切削するための切削手段と、チャックテーブルと切削手段とを相対的に移動せしめる移動手段とを具備している。切削手段は、高速回転せしめられる回転スピンドルと該スピンドルに装着された切削ブレードを含んでいる。切削ブレードは円盤状の基台と該基台の側面外周部に装着された環状の切れ刃からなっており、切れ刃は例えば粒径３μｍ程度のダイヤモンド砥粒を電鋳によって固定して形成されている。

近時においては、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体チップの処理能力を向上するために、シリコン等の半導体基板の表面にＳｉＯＦ、ＢＳＧ（ＳｉＯＢ）等の無機物系の膜やポリイミド系、パリレン系等のポリマー膜である有機物系の膜からなる低誘電率絶縁体被膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）と回路を形成する機能膜が積層された積層体によって半導体チップを形成せしめた形態の半導体ウエーハが実用化されている。

また、半導体ウエーハのストリートにテスト エレメント グループ（Ｔｅｇ）と称する金属パターを部分的に配設し、半導体ウエーハを分割する前に金属パターンを通して回路の機能をテストするように構成した半導体ウエーハも実用化されている。

上述したＬｏｗ−ｋ膜やテスト エレメント グループ（Ｔｅｇ）はウエーハの素材と異なるため、切削ブレードによって同時に切削することが困難である。即ち、Ｌｏｗ−ｋ膜は雲母のように非常に脆いことから、切削ブレードによりストリートに沿って切削すると、Ｌｏｗ−ｋ膜が剥離し、この剥離が回路にまで達し半導体チップに致命的な損傷を与えるという問題がある。また、テスト エレメント グループ（Ｔｅｇ）は金属によって形成されているため、切削ブレードによって切削するとバリが発生するとともに、切削ブレードの寿命が短くなるという問題がある。

上記問題を解消するために、半導体ウエーハのストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射することによりストリートを形成するＬｏｗ−ｋ膜やストリートに配設されたテスト エレメント グループ（Ｔｅｇ）を除去し、その除去した領域に切削ブレードを位置付けて切削する加工装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００３−３２０４６６号公報

而して、ウエーハのストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射することにより絶縁膜と機能膜が積層された積層体が溶融し蒸発してレーザー加工溝が形成されるが、このレーザー加工溝の両側で積層体の剥離が生ずる場合がある。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、シリコン等の半導体基板の表面に絶縁膜と機能膜が積層された積層体によって複数のデバイスが形成されたウエーハを、該ウエーハを区画するストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射してレーザー加工溝を形成し、該レーザー加工溝の両側で積層体の剥離が生じても実質的にデバイスに影響を及ぼすことがない大きさに抑えることができるウエーハのレーザー加工方法を提供することである。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、基板の表面に絶縁膜と機能膜が積層された積層体によって複数のデバイスが形成されたウエーハの該複数のデバイスを区画するストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射し、該ストリートに沿ってレーザー加工溝を形成するウエーハのレーザー加工方法であって、
パルスレーザー光線のパルス幅が１００〜１０００ｎｓに設定されている、
ことを特徴とするウエーハのレーザー加工方法が提供される。

上記パルス幅は２００〜５００ｎｓに設定することが望ましい。

本発明によるウエーハのレーザー加工方法はパルスレーザー光線のパルス幅が１００〜１０００ｎｓに設定されているので、レーザー加工溝の両側に積層体の剥離が生じてもその大きさは極めて小さくデバイスへの実質的な影響はない。

以下、本発明によるウエーハのレーザー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。

図１には、本発明によるウエーハのレーザー加工方法によって加工される被加工物としての半導体ウエーハの斜視図が示されており、図２には図１に示す半導体ウエーハの要部拡大断面図が示されている。図１および図２に示す半導体ウエーハ２は、シリコン等の半導体基板２０の表面に絶縁膜と回路を形成する機能膜が積層された積層体２１によって複数のＩＣ、ＬＳＩ等の半導体チップ２２(デバイス)がマトリックス状に形成されている。そして、各半導体チップ２２は、格子状に形成されたストリート２３によって区画されている。なお、図示の実施形態においては、積層体２１を形成する絶縁膜は、ＳｉＯ_２ 膜または、ＳｉＯＦ、ＢＳＧ（ＳｉＯＢ）等の無機物系の膜やポリイミド系、パリレン系等のポリマー膜である有機物系の膜からなる低誘電率絶縁体被膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）からなっている。

上述した半導体ウエーハ２をストリート２３に沿って分割するには、半導体ウエーハ２を図３に示すように環状のフレーム３に装着された保護テープ３０に貼着する。このとき、半導体ウエーハ２は、表面２ａを上にして裏面側を保護テープ３０に貼着する。

次に、半導体ウエーハ２のストリート２３に沿ってレーザー光線を照射し、ストリート上の積層体２１を除去するレーザー光線照射工程を実施する。このレーザー光線照射工程は、図４乃至図７に示すレーザー加工装置４を用いて実施する。図４乃至図７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、図示しない移動機構によって図４において矢印Ｘで示す加工送り方向および矢印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。

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５に示すようにパルスレーザー光線発振手段４２２と伝送光学系４２３とが配設されている。パルスレーザー光線発振手段４２２は、ＹＡＧレーザー発振器或いはＹＶＯ４レーザー発振器からなるパルスレーザー光線発振器４２２ａと、これに付設された繰り返し周波数設定手段４２２ｂとから構成されている。伝送光学系４２３は、ビームスプリッタの如き適宜の光学要素を含んでいる。上記ケーシング４２１の先端部には、それ自体は周知の形態でよい組レンズから構成される集光レンズ（図示せず）を収容した集光器４２４が装着されている。上記パルスレーザー光線発振手段４２２から発振されたレーザー光線は、伝送光学系４２３を介して集光器４２４に至り、集光器４２４から上記チャックテーブル４１に保持される被加工物に所定の集光スポット径Ｄで照射される。この集光スポット径Ｄは、図６に示すようにガウス分布を示すパルスレーザー光線が集光器４２４の対物集光レンズ４２４ａを通して照射される場合、Ｄ（μｍ）＝４×λ×ｆ／（π×Ｗ）、ここでλはパルスレーザー光線の波長（μｍ）、Ｗは対物集光レンズ４２４ａに入射されるパルスレーザー光線の直径（ｍｍ）、ｆは対物集光レンズ４２４ａの焦点距離（ｍｍ）、で規定される。

図示のレーザー加工装置４は、図４に示すように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４４を備えている。この撮像手段４４は、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４４は、光学系および撮像素子（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。

上述したレーザー加工装置４を用いて実施するレーザー光線照射工程について、図４、図７および図８を参照して説明する。
このレーザー光線照射工程は、先ず上述した図４に示すレーザー加工装置４のチャックテーブル４１上に半導体ウエーハ２を載置し、該チャックテーブル４１上に半導体ウエーハ２を吸着保持する。このとき、半導体ウエーハ２は、表面２aを上側にして保持される。なお、図４においては、保護テープ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ている。

上述したように半導体ウエーハ２を吸引保持したチャックテーブル４１は、図示しない移動機構によって撮像手段４４の直下に位置付けられる。チャックテーブル４１が撮像手段４４の直下に位置付けられると、撮像手段４４および図示しない制御手段によって半導体ウエーハ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４４および図示しない制御手段は、半導体ウエーハ２の所定方向に形成されているストリート２３と、ストリート２３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４２４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。また、半導体ウエーハ２に形成されている上記所定方向に対して直角に延びるストリート２３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。

以上のようにしてチャックテーブル４１上に保持された半導体ウエーハ２に形成されているストリート２３を検出し、レーザー光線照射位置のアライメントが行われたならば、図７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４２４が位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定のストリート２３を集光器４２４の直下に位置付ける。このとき、図７の（ａ）で示すように半導体ウエーハ２は、ストリート２３の一端(図７において左端)が集光器４２４の直下に位置するように位置付けられる。次に、レーザー光線照射手段４２の集光器４２４からパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル４１即ち半導体ウエーハ２を図７の（ａ）において矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる。そして、図７の（ｂ）で示すように分割予定ライン２１の他端（図７において右端）が集光器４２４の直下位置に達したら、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即ち半導体ウエーハ２の移動を停止する。このレーザー光線照射工程においては、パルスレーザー光線の集光点Ｐをストリート２３の表面付近に合わせる。

次に、チャックテーブル４１即ち半導体ウエーハ２を紙面に垂直な方向（割り出し送り方向）に３０〜４０μｍ程度移動する。そして、レーザー光線照射手段４２の集光器４２４からパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル４１即ち半導体ウエーハ２を図７の（ｂ）において矢印Ｘ２で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめ、図７の（ａ）に示す位置に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５即ち半導体ウエーハ２の移動を停止する。

上述したレーザー光線照射工程を実施することにより、半導体ウエーハ２のストリート２３には図８に示すように積層体２１の厚さより深い２条のレーザー加工溝２３a、２３aが形成される。この結果、積層体２１は、２条のレーザー加工溝２３a、２３aによって分断される。なお、ストリート２３に形成される２条のレーザー加工溝２３a、２３aの両外側間の長さは、後述する切削ブレードの厚さより大きく設定されている。そして、上述したレーザー光線照射工程を半導体ウエーハ２に形成された全てのストリート２３に実施する。このレーザー光線照射工程によって形成されるレーザー加工溝２３aの加工品質は、加工条件特に照射されるパルスレーザー光線のパルス幅によって影響される。即ち、パルスレーザー光線のパルス幅が小さいと、図９に示すようにレーザー加工溝２３aの両側で積層体２１に剥離が発生し、剥離部２１１の大きさＬが大きいことが判った。

ここで、加工条件による剥離部の発生に関する実験結果について説明する。
なお、実験は以下の能力を有するレーザー加工装置を用いて実施した。
レーザー光線の光源 ：ＹＶＯ４レーザーまたはＹＡＧレーザー
波長 ：２６６ｎｍ、３５５ｎｍ、５２３ｎｍ、
平均出力 ：０．４５〜１．３５Ｗ
繰り返し周波数 ：３０〜２００ｋＨｚ
パルス幅 ：１０〜２０００ｎｓ
集光スポット径 ：φ１３μｍ〜φ４０μｍ
加工送り速度 ：１５〜４００ｍｍ／秒
ここで、平均出力は１秒間に照射するパルスレーザー光線のエネルギー、繰り返し周波数は１秒間に照射するパルスレーザー光線のパルス数、パルス幅はパルスレーザー光を１パルス照射する時間である。

実験１：
剥離部の発生に及ぼす加工送り速度の影響を検証するために、次の加工条件で加工送り速度を１５ｍｍ／秒、１００ｍｍ／秒、２００ｍｍ／秒、４００ｍｍ／秒に設定して上記レーザー光線照射工程を実施し、３箇所の剥離の状態を調べた。
波長 ：３５５ｎｍ
平均出力 ：０．９Ｗ
繰り返し周波数 ：３０ｋＨｚ
パルス幅 ：１０ｎｓ
集光スポット径 ：φ２０μｍ
この実験の結果、いずれも１４〜２５μmの剥離部が発生した。

実験２：
剥離部の発生に及ぼす平均出力の影響を検証するために、次の加工条件で平均出力を０．４５Ｗ、０．９Ｗ、１．３５Ｗに設定して上記レーザー光線照射工程を実施し、３箇所の剥離の状態を調べた。
波長 ：３５５ｎｍ
繰り返し周波数 ：３０ｋＨｚ
パルス幅 ：１０ｎｓ
集光スポット径 ：φ２０μｍ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒
この実験の結果、いずれも１６〜２５μmの剥離部が発生した。

実験３：
剥離部の発生に及ぼす繰り返し周波数の影響を検証するために、次の加工条件で繰り返し周波数を３０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、９０ｋＨｚ、１５０ｋＨｚに設定して上記レーザー光線照射工程を実施し、３箇所の剥離の状態を調べた。
波長 ：３５５ｎｍ
平均出力 ：０．９Ｗ
パルス幅 ：１０ｎｓ
集光スポット径 ：φ２０μｍ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒
この実験の結果、いずれも１４〜２７μmの剥離部が発生した。

実験４：
剥離部の発生に及ぼす集光スポット径の影響を検証するために、次の加工条件で集光スポット径をφ１３μｍ、φ２０μｍ、φ４０μｍに設定して上記レーザー光線照射工程を実施し、３箇所の剥離の状態を調べた。
波長 ：３５５ｎｍ
平均出力 ：０．９Ｗ
繰り返し周波数 ：３０ｋＨｚ
パルス幅 ：１０ｎｓ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒
この実験の結果、いずれも１３〜２６μmの剥離部が発生した。

実験５：
剥離部の発生に及ぼすパルス幅の影響を検証するために、次の加工条件でパルス幅を１０ｎｓ、５０ｎｓ、１００ｎｓ、２００ｎｓ、５００ｎｓ、１０００ｎｓ、１２００ｎｓに設定して上記レーザー光線照射工程を実施し、３箇所の剥離の状態を調べた。
波長 ：３５５ｎｍ
平均出力 ：０．９Ｗ
繰り返し周波数 ：３０ｋＨｚ
集光スポット径 ：φ２０μｍ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒
この実験の結果、パルス幅が１０ｎｓの場合は１３〜２５μmの剥離部が発生し、パルス幅が５０ｎｓの場合は１０〜１３μmの剥離部が発生した。パルス幅が１００ｎｓの場合は剥離部が１０μm以下となり、デバイスへの実質的な影響はないことが判った。また、パルス幅を２００ｎｓとすると剥離部は５μm以下となり、パルス幅を５００ｎｓとすると剥離部は２μm以下となった。そして、パルス幅が１０００ｎｓ、１２００ｎｓでは剥離は発生しない。このように、パルス幅が大きくなるほど剥離は小さくなることが判った。しかしながら、パルス幅が１０００ｎｓを超えると熱の影響が現れデバイスの品質を低下させることも判った。

以上の実験結果から、パルス幅以外の加工条件は剥離の発生および剥離部の大きさに影響は少なく、パルス幅を１００ｎｓにすると剥離部が１０μm以下となり、パルス幅を２００ｎｓにすると剥離部が５μm以下となり、デバイスへの実質的な影響はない。従って、熱の影響を考慮するとパルス幅を１００〜１０００ｎｓに設定することが望ましく、更にはパルス幅を２００〜５００ｎｓに設定することがより望ましい。

半導体ウエーハ２に形成された全てのストリート２３に上述したレーザー光線照射工程を実施したならば、ストリート２３に沿って切断する切削工程を実施する。即ち、図１０に示すように切削装置５のチャックテーブル５１上にレーザー光線照射工程が実施された半導体ウエーハ２を表面２ａを上側にして載置し、図示しない吸引手段によって半導体ウエーハ２をチャックテーブル５１上に保持する。次に、半導体ウエーハ２を保持したチャックテーブル５１を切削加工領域の切削開始位置に移動する。このとき、図１０の（ａ）で示すように半導体ウエーハ２は切削すべきストリート２３の一端（図１０において左端）が切削ブレード５２の直下より所定量右側に位置するように位置付けられる。

このようにしてチャックテーブル５１即ち半導体ウエーハ２が切削加工領域の切削開始位置に位置付けられたならば、切削ブレード５２を図１０において２点鎖線で示す待機位置から下方に切り込み送りし、図１０において実線で示すように所定の切り込み送り位置に位置付ける。この切り込み送り位置は、図１１に示すように切削ブレード５２の下端が半導体ウエーハ２の裏面に貼着された保護テープ３０に達する位置に設定されている。

次に、切削ブレード５２を矢印５２aで示す方向に所定の回転速度で回転せしめ、チャックテーブル５１即ち半導体ウエーハ２を図１０において矢印Ｘ１で示す方向に所定の切削送り速度で移動せしめる。そして、チャックテーブル５１即ち半導体ウエーハ２の他端（図１０において右端）が切削ブレード５２の直下より所定量左側に位置するまで達したら、チャックテーブル５１即ち半導体ウエーハ２の移動を停止する。このようにチャックテーブル５１即ち半導体ウエーハ２を切削送りすることにより、半導体ウエーハ２はストリート２３に沿って切断される。なお、上記のように２条のレーザー加工溝２１a、２１aを切削ブレード５２によって切削すると、２条のレーザー加工溝２１a、２１aに残された積層体２１は切削ブレード５２によって切削されるが、２条のレーザー加工溝２１a、２１aよって両側が分断さているため剥離してもチップ２２側に影響することはない。

次に、チャックテーブル５１即ち半導体ウエーハ２を紙面に垂直な方向（割り出し送り方向）にストリート２３の間隔に相当する量割り出し送りし、次に切削すべきストリート２３を切削ブレード５２と対応する位置に位置付け、図１０に示す状態に戻す。そして、上記と同様に切削工程を実施する。

なお、上記切削工程は、例えば以下の加工条件で行われる。
切削ブレード ；外径５２ｍｍ、厚さ３０μｍ
切削ブレードの回転速度；４００００ｒｐｍ
切削送り速度 ；５０ｍｍ／秒

上述した切削工程を半導体ウエーハ２に形成された全てのストリート２３に実施する。この結果、半導体ウエーハ２はストリート２３に沿って切断され、個々の半導体チップに分割される。

本発明によるウエーハのレーザー加工方法によって加工される半導体ウエーハを示す斜視図。 図１に示す半導体ウエーハの断面拡大図。 図１に示す半導体ウエーハが環状のフレームに保護テープを介して支持された状態を示す斜視図。 本発明によるウエーハのレーザー加工方法を実施するレーザー加工装置の要部斜視図。 図４に示すレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段の構成を簡略に示すブロック図。 レーザー光線の集光スポット径を説明するための簡略図。 本発明によるウエーハのレーザー加工方法の一実施形態を示す説明図。 図８に示すレーザー加工方法によって半導体ウエーハに形成されたレーザー加工溝を示す半導体ウエーハの要部拡大断面図。 半導体ウエーハに形成されたレーザー加工溝の両側に剥離が発生した状態を示す説明図。 本発明によるウエーハのレーザー加工方法によってレーザー加工溝形成した後に半導体ウエーハをストリートに沿って切断する切削工程の説明図。 図１０に示す切削工程における切削ブレードの切り込み送り位置を示す説明図。

符号の説明

２：半導体ウエーハ
２０：基板
２１：積層体
２２：半導体チップ
２３：ストリート
２３a：レーザー加工溝
３：環状のフレーム
３０：保護テープ
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
４２４：集光器
５：切削装置
５１：切削装置のチャックテーブル
５２：切削ブレード
１０：光デバイスウエーハ
１０２：光デバイス

Claims (2)

1. 基板の表面に絶縁膜と機能膜が積層された積層体によって複数のデバイスが形成されたウエーハの該複数のデバイスを区画するストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射し、該ストリートに沿ってレーザー加工溝を形成するウエーハのレーザー加工方法であって、
   パルスレーザー光線のパルス幅が１００〜１０００ｎｓに設定されている、
   ことを特徴とするウエーハのレーザー加工方法。
2. 該パルス幅は２００〜５００ｎｓに設定されている、請求項１記載のウエーハのレーザー加工方法。

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