JP4787091B2

JP4787091B2 - ビアホールの加工方法

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Publication number: JP4787091B2
Application number: JP2006176703A
Authority: JP
Inventors: 洋司森數
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: US20080009132A1; JP2008010489A

Description

本発明は、基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法に関する。

半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体チップを製造している。

装置の小型化、高機能化を図るため、複数の半導体チップを積層し、積層された半導体チップのボンディングパッドを接続するモジュール構造が実用化されている。このモジュール構造は、半導体ウエーハを構成する基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともに該デバイスにボンディングパッドが形成されており、このボンディングパッドが形成された箇所に基板の裏面側からボンディングパッドに達する細孔（ビアホール）を穿設し、このビアホールにボンディングパッドと接続するアルミニウム、銅等の導電性材料を埋め込む構成である。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００３−１６３３２３号公報

上述した半導体ウエーハに形成されるビアホールは、一般にドリルによって形成されている。しかるに、半導体ウエーハに設けられるビアホールは直径が１００〜３００μmと小さく、ドリルによる穿孔では生産性の面で必ずしも満足し得るものではない。しかも、上記ボンディングパッドの厚さは１〜５μm程度であり、ボンディングパッドを破損することなくウエーハを形成するシリコン等の基板のみにビアホールを形成するためには、ドリルを極めて精密に制御しなければならない。

上記問題を解消するために本出願人は、基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともに該デバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを効率よく形成するウエーハの穿孔方法を特願２００５−２４９６４３号として提案した。

上述したように基板に形成されたビアホールにはアルミニウム、銅等の導電性材料が埋め込まれるが、ビアホールに直接アルミニウムや銅を埋め込むと、アルミニウムや銅の原子がシリコン等からなる基板の内部に拡散してデバイスの品質を低下させるという問題がある。従って、ビアホールの内面に絶縁膜を被覆した後に、アルミニウム、銅等の導電性材料を埋め込んでいる。
而して、上述したようにパルスレーザー光線を照射してビアホールを形成すると、シリコン等からなる基板を穿孔したレーザー光線は、僅かにボンディングパッドの裏面に照射されるので、ボンディングパッドを形成する金属の金属原子が飛散しメタルコンタミとなってビアホールの内面に付着する。ビアホールの内面にアルミニウムや銅の原子が付着すると、この原子がシリコン等からなる基板の内部に拡散してデバイスの品質を低下させるという問題がある。

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、メタルコンタミを発生させることなくボンディングパッドに達するビアホールを効率よく形成することができるビアホールの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、基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法であって、
形成したいビアホールの直径をDとした場合、スポット径を０．７５〜０．９Dに設定し、１パルス当たりのエネルギー密度を４０〜６０J／cm²に設定したパルスレーザー光線を基板の裏面側から照射し、基板の表面より所定量内側まで未貫通穴を形成する第１の加工穴形成工程と、
該第１の加工穴形成工程において設定したスポット径で、１パルス当たりのエネルギー密度を２５〜３５J／cm²に設定したパルスレーザー光線を基板に形成された未貫通穴に照射し、基板にボンディングパッドに達するビアホールを形成する第２の加工穴形成工程と、
該第２の加工穴形成工程を実施した後に、スポット径を０．２〜０．３Dに設定し、１パルス当たりのエネルギー密度を３〜２０J／cm ² に設定したパルスレーザー光線を基板に形成されたビアホールの内周面に照射するトレパニング加工を実施することにより該内周面をクリーニングするクリーニング工程と、を含む、
ことを特徴とするビアホールの加工方法が提供される。

上記第１の加工穴形成工程および第２の加工穴形成工程によって形成されるビアホールは内周面が基板の裏面側から表面に向けて先細りとなるテーパー面に形成され、該クリーニング工程は該テーパー面に沿ってパルスレーザー光線を照射するトレパニング加工を実施する。

本発明によるビアホールの加工方法においては、第１の加工穴形成工程において照射するパルスレーザー光線がシリコン等の半導体基板を効率よく加工することができるエネルギー密度（１パルス当たり４０〜６０J／cm²）に設定されているので、効率よく未貫通穴を形成することができる。また、第１の加工穴形成工程において形成された未貫通穴の未貫通部は、第２の加工穴形成工程においてシリコン等の半導体基板は加工されるが金属は加工され難いエネルギー密度（１パルス当たり２５〜３５J／cm²）に設定されたパルスレーザー光線を照射することにより加工され、ボンディングパッドに達するビアホールが形成される。従って、本発明によるビアホールの加工方法においては、メタルコンタミを発生させることなくボンディングパッドに達するビアホールを効率よく形成することができる。更に、本発明によるビアホールの加工方法においては、第２の加工穴形成工程を実施した後に、スポット径を０．２〜０．３Dに設定し、１パルス当たりのエネルギー密度を３〜２０J／cm ² に設定したパルスレーザー光線を基板に形成されたビアホールの内周面に照射するトレパニング加工を実施することにより該内周面をクリーニングするクリーニング工程を実施するので、基板に形成されたビアホールの内周面に沿ってパルスレーザー光線が照射され、内周面に静電気力により付着している僅かなメタルコンタミを除去することができる。

以下、本発明によるビアホール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。

図１には本発明によるビアホールの加工方法によって加工されるウエーハとしての半導体ウエーハ２の斜視図が示されている。図１に示す半導体ウエーハ２は、厚さが例えば１００μmのシリコンによって形成された基板２１の表面２１aに格子状に配列された複数のストリート２２によって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス２３がそれぞれ形成されている。この各デバイス２３は、全て同一の構成をしている。デバイス２３の表面にはそれぞれ複数のボンディングパッド２４が形成されている。このボンディングパッド２４は、アルミニウム、銅、金、白金、ニッケル等の金属材からなっており、厚さが１〜５μmに形成されている。

上記半導体ウエーハ２には、基板２１の裏面２１b側からパルスレーザー光線を照射しボンディングパッド２４に達するビアホールが穿設される。この半導体ウエーハ２の基板２１にビアホールを穿設するには、図２に示すレーザー加工装置３を用いて実施する。図２に示すレーザー加工装置３は、被加工物を保持するチャックテーブル３１と、該チャックテーブル３１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３２を具備している。チャックテーブル３１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機構によって図２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機構によって矢印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。

上記レーザー光線照射手段３２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング３２１の先端に装着された集光器３２２からパルスレーザー光線を照射する。図示のレーザー加工装置３は、上記レーザー光線照射手段３２を構成するケーシング３２１の先端部に装着された撮像手段３３を備えている。この撮像手段３３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。

以下、上述したレーザー加工装置３を用いて上記半導体ウエーハ２にビアホールを形成するビアホールの加工方法について説明する。
先ず、図２に示すレーザー加工装置３のチャックテーブル３１上に半導体ウエーハ２の表面２aを載置し、チャックテーブル３１上に半導体ウエーハ２を吸引保持する。従って、半導体ウエーハ２は、裏面２１bを上側にして保持される。

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３１は、図示しない加工送り機構によって撮像手段３３の直下に位置付けられる。チャックテーブル３１が撮像手段３３の直下に位置付けられると、チャックテーブル３１上の半導体ウエーハ２は、所定の座標位置に位置付けられた状態となる。この状態で、チャックテーブル３１に保持された半導体ウエーハ２に形成されている格子状のストリート２２がX方向とY方向に平行に配設されているか否かのアライメント作業を実施する。即ち、撮像手段３３によってチャックテーブル３１に保持された半導体ウエーハ２を撮像し、パターンマッチング等の画像処理を実行してアライメント作業を行う。このとき、半導体ウエーハ２のストリート２２が形成されている基板２１の表面２１ａは下側に位置しているが、撮像手段３３が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および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）等で構成された撮像手段を備えているので、基板２１の裏面２１ｂから透かしてストリート２２を撮像することができる。

上述したアライメント作業を実施することにより、チャックテーブル３１上に保持された半導体ウエーハ２は、所定の座標位置に位置付けられたことになる。なお、半導体ウエーハ２の基板２１の表面２１aに形成されたデバイス２３に形成されている複数のボンディングパッド２４は、その設計上の座標位置が予めレーザー加工装置３の図示しない制御手段に格納されている。

上述したアライメント作業を実施したならば、図３に示すようにチャックテーブル３１を移動し、半導体ウエーハ２の基板２１に所定方向に形成された複数のデバイス２３における図３において最左端のデバイス２３を集光器３２２の直下に位置付ける。そして、図３において最左端のデバイス２３に形成された複数のボンディングパッド２４における最左端のボンディングパッド２４を集光器３２２の直下に位置付ける。

次に、形成したいビアホールの直径をDとした場合、スポット径を０．７５〜０．９Dに設定し、１パルス当たりのエネルギー密度を４０〜６０J／cm²に設定したパルスレーザー光線を基板２１の裏面側から照射し、基板２１の表面より所定量内側まで未貫通穴を形成する第１の加工穴形成工程を実施する。即ち、レーザー光線照射手段３２の集光器３２２から照射するパルスレーザー光線のエネルギー密度をシリコン等の半導体基板を効率よく加工することができるエネルギー密度（１パルス当たり４０〜６０J／cm²）に設定し、基板２１の裏面２１ｂ側から所定パルス照射する。
なお、第１の加工穴形成工程の加工条件は、次のとおり設定されている。
レーザー光線の光源：ＹＶＯ４レーザーまたはＹＡＧレーザー
波長：３５５ｎｍ
１パルス当たりのエネルギー密度：４０〜６０J／cm²
スポット径：形成したいビアホールの直径をDとした場合、０．
７５〜０．９D

上記加工条件においては、半導体ウエーハ２の基板２１がシリコンによって形成されている場合は、図３に示すように上記スポット径のスポットS1を基板２１の裏面２１b(上面)に合わせることにより、パルスレーザー光線１パルスによって３μmの深さの孔を形成することができる。従って、パルスレーザー光線を３０パルス照射することにより、図４に示すように基板２１には裏面２１bから深さが９０μmの未貫通穴２５aが形成される。この結果、シリコンからなる基板２１の厚さが１００μmの場合には、基板２１の表面２１a側に厚さが１０μmの未貫通部２１１が残存する。この第１の加工穴形成工程において照射するパルスレーザー光線は、シリコン等の半導体基板を効率よく加工することができるエネルギー密度（１パルス当たり４０〜６０J／cm²）に設定されているので、効率よく未貫通穴２５aを形成することができる。

上述したように第１の加工穴形成工程を実施し、半導体ウエーハ２の基板２１に未貫通穴２５aを形成したならば、第１の加工穴形成工程において設定したスポット径で、１パルス当たりのエネルギー密度を２５〜３５J／cm²に設定したパルスレーザー光線を基板２１に形成された未貫通穴２５aに照射し、基板２１にボンディングパッド２４に達するビアホールを形成する第２の加工穴形成工程を実施する。即ち、レーザー光線照射手段３２の集光器３２２から照射するパルスレーザー光線のエネルギー密度をシリコン等の半導体基板は加工されるが金属は加工され難いエネルギー密度（１パルス当たり２５〜３５J／cm²）に設定し、基板２１に形成された未貫通穴２５aに照射する。
なお、第２の加工穴形成工程の加工条件は、次のとおり設定されている。
レーザー光線の光源：ＹＶＯ４レーザーまたはＹＡＧレーザー
波長：３５５ｎｍ
１パルス当たりのエネルギー密度：２５〜３５J／cm²
スポット径：形成したいビアホールの直径をDとした場合、０．
７５〜０．９D

上記加工条件においては、半導体ウエーハ２の基板２１がシリコンによって形成されている場合は、図３に示すように上記スポット径のスポットS1を基板２１の裏面２１b(上面)に合わせることにより、パルスレーザー光線１パルスによって２μmの深さの孔を形成することができる。従って、パルスレーザー光線を１０パルス照射することにより、第１の加工穴形成工程によって形成された未貫通穴２５aの未貫通部２１１がレーザー加工され、図５に示すようにボンディングパッド２４に達するビアホール２５が形成される。
このようにして形成されたビアホール２５は、内周面が基板２１の裏面２１b側から表面２１aに向けて先細りとなるテーパー面２５１に形成される。なお、シリコンからなる基板２１の厚さが１００μmの場合には、ビアホール２５のテーパー面２５１は裏面２１b側の直径がφ１００μmの場合、表面２１a側の直径がφ６０μm程度となる。

上述した第２の加工穴形成工程を実施すると、穿孔したパルスレーザー光線は僅かにボンディングパッド２４の裏面に照射される。第２の加工穴形成工程において照射されるパルスレーザー光線は、上述したようにシリコン等の半導体基板は加工されるが金属は加工され難いエネルギー密度（１パルス当たり２５〜３５J／cm²）に設定されているが、ボンディングパッド２４を形成する金属の金属原子が僅かに飛散しメタルコンタミとなってビアホール２５の内周面であるテーパー面２５１に静電気力により付着することがある。このビアホール２５のテーパー面２５１に付着したメタルコンタミは、上述したように金属原子が基板２１の内部に拡散してデバイス２３の品質を低下させるので、除去することが望ましい。

本実施形態においては、基板２１に形成されたビアホール２５の内周面であるテーパー面２５１にパルスレーザー光線を照射し、上記第２の加工穴形成工程においてビアホール２５のテーパー面２５１をクリーニングするクリーニング工程を実施する。このクリーニング工程は、テーパー面２５１に沿ってパルスレーザー光線を照射するトレパニング加工を実施する。

ここで、トレパニング加工を実施するためのレーザー光線照射手段について、図６を参照して説明する。
上記図２に示すレーザー加工装置３におけるレーザー光線照射手段３２は、上記ケーシング３２１内に配設されたパルスレーザー光線発振手段４と、伝送光学系５と、パルスレーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を加工送り方向（X軸方向）に偏向する第１の音響光学偏向手段６１と、レーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を割り出し送り方向（Y軸方向）に偏向する第２の音響光学偏向手段６２を具備している。また、上記集光器３２２は、上記第１の音響光学偏向手段６１および第２の音響光学偏向手段６２を通過したパルスレーザー光線を下方に向けて方向変換する方向変換ミラー３２２aと、該方向変換ミラー３２２aによって方向変換されたレーザー光線を集光する集光レンズ３２２bを具備している。

上記パルスレーザー光線発振手段４は、パルスレーザー光線発振器４１と、これに付設された繰り返し周波数設定手段４２とから構成されている。上記伝送光学系５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。

上記第１の音響光学偏向手段６１は、レーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を加工送り方向（X軸方向）に偏向する第１の音響光学素子６１１と、該第１の音響光学素子６１１に印加するRF（radio frequency）を生成する第１のRF発振器６１２と、該第１のRF発振器６１２によって生成されたRFのパワーを増幅して第１の音響光学素子６１１に印加する第１のRFアンプ６１３と、第１のRF発振器６１２によって生成されるRFの周波数を調整する第１の偏向角度調整手段６１４と、第１のRF発振器６１２によって生成されるRFの振幅を調整する第１の出力調整手段６１５を具備している。上記第１の音響光学素子６１１は、印加されるRFの周波数に対応してレーザー光線の光軸を偏向する角度を調整することができるとともに、印加されるRFの振幅に対応してレーザー光線の出力を調整することができる。なお、上記第１の偏向角度調整手段６１４および第１の出力調整手段６１５は、図示しない制御手段によって制御される。

上記第２の音響光学偏向手段６２は、レーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を加工送り方向（X軸方向）と直交する割り出し送り方向に偏向する第２の音響光学素子６２１と、該第２の音響光学素子６２１に印加するRFを生成する第２のRF発振器６２２と、該RF発振器６２２によって生成されたRFのパワーを増幅して第２の音響光学素子６２１に印加する第２のRFアンプ６２３と、第２のRF発振器６２２によって生成されるRFの周波数を調整する第２の偏向角度調整手段６２４と、第２のRF発振器６２２によって生成されるRFの振幅を調整する第２の出力調整手段６２５を具備している。上記第２の音響光学素子６２１は、印加されるRFの周波数に対応してレーザー光線の光軸を偏向する角度を調整することができるとともに、印加されるRFの振幅に対応してレーザー光線の出力を調整することができる。なお、上記第２の偏向角度調整手段６２４および第２の出力調整手段６２５は、図示しない制御手段によって制御される。

また、図示の実施形態におけるレーザー光線照射手段３２は、上記第１の音響光学素子６１１にRFが印加されない場合に、図６において１点差線で示すように第１の音響光学素子６１１によって偏向されないレーザー光線を吸収するためのレーザー光線吸収手段６３を具備している。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射手段３２は以上のように構成されており、第１の音響光学素子６１１および第２の音響光学素子６２１にRFが印加されていない場合には、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、伝送光学系５、第１の音響光学素子６１１、第２の音響光学素子６２１を介して図６において１点鎖線で示すようにレーザー光線吸収手段６３に導かれる。一方、第１の音響光学素子６１１に例えば１０kHzの周波数を有するRFが印加されると、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、その光軸が図６において実線で示すように偏向され集光点Paに集光される。また、第１の音響光学素子６１１に例えば２０kHzの周波数を有するRFが印加されると、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、その光軸が図６において破線で示すように偏向され、上記集光点Paから加工送り方向（X軸方向）に所定量変位した集光点Pbに集光される。なお、第２の音響光学素子６２１に所定周波数を有するRFが印加されると、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、その光軸を加工送り方向（X軸方向）と直交する割り出し送り方向（Y軸方向：図６において紙面に垂直な方向）に所定量変位した集光点に集光される。

従って、第１の音響光学偏向手段６１および第２の音響光学偏向手段６２を作動してパルスレーザー光線の光軸をX軸方向とY軸方向に順次偏向させることにより、図７に示すようにパルスレーザー光線のスポットSを環状に移動するトレパニング加工を実施することができる。

上述したレーザー光線照射手段３２を用いて実施するクリーニング工程の加工条件は、次のとおり設定されている。
レーザー光線の光源：ＹＶＯ４レーザーまたはＹＡＧレーザー
波長：３５５ｎｍ
１パルス当たりのエネルギー密度：３〜２０J／cm²
スポット径：形成したいビアホールの直径をDとした場合、０．
２〜０．３D

上記加工条件によってクリーニング工程を実施するには、図８に示すように上記レーザー光線照射手段３２の集光器３２２から照射されるパルスレーザー光線のスポットS2が基板２１に形成されたビアホール２５の内周面であるテーパー面２５１に位置付けられるように調整する。そして、レーザー光線照射手段３２およびチャックテーブル３６を作動して上記図７に示すようにトレパニング加工を実施する。このとき、パルスレーザー光線のスポットS2の中心（ガウシアン分布がピークとなる位置）がボンディングパッド２４に当たらないようにすることが重要である。この結果、基板２１に形成されたビアホール２５の内周面であるテーパー面２５１に沿ってパルスレーザー光線が照射され、テーパー面２５１に静電気力により付着している僅かなメタルコンタミは除去される。なお、このクリーニング工程において照射するパルスレーザー光線のエネルギー密度は小さいため、基板２１を加工することはない。

本発明によるビアホールの加工方法によって加工されるウエーハとしての半導体ウエーハの斜視図。本発明によるビアホールの加工方法を実施するためのレーザー加工装置の要部斜視図。本発明によるビアホールの加工方法における第１の加工穴形成工程の説明図。本発明によるビアホールの加工方法における第１の加工穴形成工程が実施されることによって未貫通穴が形成された半導体ウエーハの一部拡大断面図。本発明によるビアホールの加工方法における第２の加工穴形成工程が実施されることによってビアホールが形成された半導体ウエーハの一部拡大断面図。図２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ブロック図。図６に示すレーザー光線照射手段により実施するトレパニング加工の説明図。本発明によるビアホールの加工方法におけるクリーニング工程の説明図。

符号の説明

２：半導体ウエーハ
２１：半導体ウエーハの基板
２２：ストリート
２３：デバイス
２４：ボンディングパッド
２５：ビアホール
２５１：テーパー面(内周面)
３：レーザー加工装置
３１：レーザー加工装置のチャックテーブル
３２：レーザー光線照射手段
３３２：集光器
３３：撮像手段

Claims

基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法であって、
形成したいビアホールの直径をDとした場合、スポット径を０．７５〜０．９Dに設定し、１パルス当たりのエネルギー密度を４０〜６０J／cm²に設定したパルスレーザー光線を基板の裏面側から照射し、基板の表面より所定量内側まで未貫通穴を形成する第１の加工穴形成工程と、
該第１の加工穴形成工程において設定したスポット径で、１パルス当たりのエネルギー密度を２５〜３５J／cm²に設定したパルスレーザー光線を基板に形成された未貫通穴に照射し、基板にボンディングパッドに達するビアホールを形成する第２の加工穴形成工程と、
該第２の加工穴形成工程を実施した後に、スポット径を０．２〜０．３Dに設定し、１パルス当たりのエネルギー密度を３〜２０J／cm ² に設定したパルスレーザー光線を基板に形成されたビアホールの内周面に照射するトレパニング加工を実施することにより該内周面をクリーニングするクリーニング工程と、を含む、
ことを特徴とするビアホールの加工方法。
該第１の加工穴形成工程および該第２の加工穴形成工程によって形成されるビアホールは内周面が基板の裏面側から表面に向けて先細りとなるテーパー面に形成され、該クリーニング工程は該テーパー面に沿ってパルスレーザー光線を照射するトレパニング加工を実施する、請求項１記載のビアホールの加工方法。