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JP2008062261A - ビアホールの加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ボンディングパッドを溶融することなくウエーハの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ことができるビアホールの加工方法を提供する。
【解決手段】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、パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度が基板は飛散加工されるがボンディングパッドは飛散加工されない値に設定され、パルスレーザー光線のパルスの時間間隔が１５０ミクロン秒以上に設定されている。
【選択図】図５

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。
上述したウエーハの穿孔方法に用いるパルスレーザー光線は、ウエーハの基板は効率よく飛散加工(アブレーション加工)するがボンディングパッドは飛散加工されないエネルギー密度に設定されている。しかるに、ウエーハの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ためには、パルスレーザー光線を４０〜８０パルス照射する必要がある。このように、ウエーハの基板にパルスレーザー光線を４０〜８０パルス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と、パルスレーザー光線の照射によって発生する熱が蓄積されたボンディングパッドの融点に達し、ボンディングパッドが溶融して穴が開くという問題がある。
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、ボンディングパッドを溶融することなくウエーハの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、
パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度が基板は飛散加工されるがボンディングパッドは飛散加工されない値に設定され、パルスレーザー光線のパルスの時間間隔が１５０ミクロン秒以上に設定されている、
ことを特徴とするビアホールの加工方法が提供される。
上記パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度は、４０〜２０J／cm2に設定されている。
また、上記パルスレーザー光線のパルスの時間間隔は、１５０〜３００ミクロン秒(μs)に設定することが望ましい。
本発明によるビアホールの加工方法においては、パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度が基板は飛散加工するがボンディングパッドは飛散加工されない値に設定され、パルスレーザー光線のパルスの時間間隔が１５０ミクロン秒以上に設定されているので、照射されたパルスによって発生する熱が次に照射されるパルスまでに冷却されて、ボンディングパッドを溶融することなく基板にはボンディングパッドに達するビアホールを形成することができる。
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および図３に示すレーザー加工装置３を用いて実施する。図２および図３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を含んでいる。ケーシング３２１内には図３に示すようにパルスレーザー光線発振手段３２２と出力調整手段３２３とが配設されている。パルスレーザー光線発振手段３２２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３２２ａと、これに付設された繰り返し周波数設定手段３２２ｂとから構成されている。上記出力調整手段３２３は、パルスレーザー光線発振手段３２２から発振されたパルスレーザー光線の出力を所望の出力に調整する。これらパルスレーザー光線発振手段３２２および出力調整手段３２３は、図示しない制御手段によって制御される。上記ケーシング３２１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３２４が装着されている。この集光器３２４は、上記パルスレーザー光線発振手段３２２から発振されたパルスレーザー光線を所定の集光スポット径に集光して、上記チャックテーブル３１に保持される被加工物に照射する。
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、上記図２および図３に示すレーザー加工装置３を用いて上記図１に示す半導体ウエーハ２の基板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に示すようにレーザー加工装置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４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４において最左端のデバイス２３を集光器３２４の直下に位置付ける。そして、図４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３２４の直下に位置付ける。
次に、レーザー光線照射手段３２を作動し集光器３２４からパルスレーザー光線を基板２１の裏面２１ｂ側から照射し、基板２１に裏面２１ｂからボンディングパッド２４に達するビアホールを形成するビアホール形成工程を実施する。このとき、パルスレーザー光線の集光スポットPを基板２１の裏面２１ｂ(上面)付近に合わせる。なお、照射するレーザー光線はシリコンからなる基板２１に対して吸収性を有する波長(例えば３５５ｎｍ)のパルスレーザー光線を用い、パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度はシリコンからなる基板２１は飛散加工(アブレーション加工)するが金属からなるボンディングパッド２４は飛散加工されない４０〜２０J／cm2に設定することが望ましい。
１パルス当たりのエネルギー密度が４０J／cm2のパルスレーザー光線をシリコンからなる基板２１の裏面２１ｂ側から照射すると、パルスレーザー光線１パルスによって２．５μmの深さの孔を形成することができる。従って、基板２１の厚さが１００μmの場合には、パルスレーザー光線を４０パルス照射することにより、図５に示すように基板２１には裏面２１bから表面２１a即ちボンディングパッド２４に達するビアホール２５を形成することができる。なお、１パルス当たりのエネルギー密度が２０J／cm2のパルスレーザー光線を用いた場合には、厚さが１００μmの基板２１にパルスレーザー光線を８０パルス照射することにより、図５に示すように基板２１には裏面２１bから表面２１a即ちボンディングパッド２４に達するビアホール２５を形成することができる。
しかるに、上述したようにパルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度をシリコンからなる基板２１は飛散加工(アブレーション加工)するが金属からなるボンディングパッド２４は飛散加工されない４０〜２０J／cm2に設定しても、照射するパルスレーザー光線のパルスの時間間隔が短いとボンディングパッド２４が溶融して穴が開くことが判った。即ち、照射するパルスレーザー光線のパルスの時間間隔が短いと、照射したパルスによって加熱された加工部が冷却する前に次のパルスが照射されるため、熱が蓄積されボンディングパッド２４の融点に達してボンディングパッドが溶融する。
そこで、本発明者等はパルスレーザー光線のパルスの時間間隔とボンディングパッド２４の溶融との関係を調べるために、以下の実験を実施した。
(実験例)
厚さが１００μmのシリコン基板の表面に厚さが１μmのアルミニウムからなるボンディングパッドが形成されたウエーハの裏面側から、１パルス当たりのエネルギー密度が４０J／cm2のパルスレーザー光線をそれぞれ繰り返し周波数を変えて４０パルス照射し、シリコン基板にボンディングパッドに達するビアホールを形成した。なお、照射するパルスレーザー光線の集光スポット径は、７０μmとした。
パルスレーザー光線の繰り返し周波数を１kHzから８kHzまで変えて上記条件で実験した結果、次の通りとなった。
パルスレーザー光線の繰り返し周波数が１kHzから６kHzにおいてはボンディングパッドの溶融はなかったが、パルスレーザー光線の繰り返し周波数が７kHzおよび８kHzにおいてはボンディングパッドが溶融した。
従って、ボンディングパッドが溶融するパルスレーザー光線の繰り返し周波数の境界が６kHzと７kHzとの間にあることから、パルスレーザー光線の繰り返し周波数を６kHzから７kHzの範囲で更に実験を行った結果、６．７kHzより高い繰り返し周波数においてはボンディングパッドが溶融することが判った。
パルスレーザー光線の繰り返し周波数が６．７kHzの場合、パルスレーザー光線のパルスの時間間隔は１／６７００秒＝０．０００１５秒＝１５０ミクロン秒(μs)である。従って、パルスレーザー光線のパルスの時間間隔を１５０ミクロン秒(μs)以上に設定することにより、照射されたパルスによって発生する熱が次に照射されるパルスまでに冷却されて、ボンディングパッドを溶融することなくシリコン基板にはボンディングパッドに達するビアホールを形成することができる。このように、パルスレーザー光線のパルスの時間間隔を１５０ミクロン秒(μs)以上に設定することにより、ボンディングパッドを溶融することなくボンディングパッドに達するビアホールを形成することができるが、生産性を考慮するとパルスレーザー光線のパルスの時間間隔は、１５０〜３００ミクロン秒(μs)に設定することが望ましい。
なお、パルスレーザー光線のパルスの時間間隔を１５０ミクロン秒(μs)以上にするには、パルスレーザー光線の繰り返し周波数を６．７kHz以下にすればよいが、繰り返し周波数が６．７kHzより高いパルスレーザー光線を用いても例えば上記レーザー加工装置３のレーザー光線照射手段３２における出力調整手段３２３と集光器３２４との間に音響光学偏向手段を配設することにより、パルスレーザー光線のパルスの時間間隔を１５０ミクロン秒(μs)以上にすることができる。この音響光学偏向手段を装備した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。
図６に示すレーザー光線照射手段３２は、出力調整手段３２３と集光器３２４との間に配設されパルスレーザー光線発振手段３２２が発振したレーザー光線の光軸を例えば加工送り方向に偏向する音響光学偏向手段３５を備えている。音響光学偏向手段３５は、レーザー光線発振手段３２２が発振したレーザー光線の光軸を例えば加工送り方向に偏向する音響光学素子３５１と、該音響光学素子３５１に印加するRF（radio frequency）を生成するRF発振器３５２と、該RF発振器３５２によって生成されたRFのパワーを増幅して音響光学素子３５１に印加するRFアンプ３５３と、RF発振器３５２によって生成されるRFの周波数を調整する偏向角度調整手段３５４と、RF発振器３５２によって生成されるRFの振幅を調整する出力調整手段３５５を具備している。上記音響光学素子３５１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、上記偏向角度調整手段３５４および出力調整手段３５５は、図示しない制御手段によって制御される。
図示の実施形態における音響光学偏向手段３５は以上のように構成されており、音響光学素子３５１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３２２から発振されたパルスレーザー光線は、出力調整手段３２３および音響光学素子３５１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３６に導かれる。一方、音響光学素子３５１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３２２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器３２４に導かれる。従って、音響光学素子３５１に例えば１０kHzの周波数を有するRFを印加する状態と、音響光学素子３５１にRFを印加しない状態を交互に実施することにより、パルスレーザー光線発振手段３２２から発振されたパルスレーザー光線は、繰り返し周波数の半分のパルスは集光器３２４を通して被加工物に照射される。このため、被加工物に照射されるパルスレーザー光線のパルスの時間間隔は、パルスレーザー光線発振手段３２２から発振されたパルスレーザー光線のパルスの時間間隔の２倍となる。従って、パルスレーザー光線発振手段３２２から発振されるパルスレーザー光線の繰り返し周波数が１０kHzの場合には、音響光学偏向手段３５を上述したように作動することにより、被加工物に照射されるパルスレーザー光線のパルスの時間間隔は、（１／１００００秒）×２＝０．０００２秒＝２００ミクロン秒(μs)となる。このように、音響光学偏向手段３５を用いることにより、繰り返し周波数が６．７kHzより高いパルスレーザー光線であっても被加工物に照射されるパルスレーザー光線のパルスの時間間隔を１５０ミクロン秒(μs)以上にすることができる。
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。 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。 本発明によるビアホールの加工方法におけるビアホール形成工程の説明図。 本発明によるビアホールの加工方法におけるビアホール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他の実施形態を示す構成ブロック図。
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
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
３２４：集光器
３３：撮像手段
３５：音響光学偏向手段

Claims (3)

  1. 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、
    パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度が基板は飛散加工されるがボンディングパッドは飛散加工されない値に設定され、パルスレーザー光線のパルスの時間間隔が１５０ミクロン秒以上に設定されている、
    ことを特徴とするビアホールの加工方法。
  2. 該パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度は、４０〜２０J／cm2に設定されている、請求項１記載のビアホールの加工方法。
  3. 該パルスレーザー光線のパルスの時間間隔は、１５０〜３００ミクロン秒(μs)に設定されている、請求項１又は２記載のビアホールの加工方法。
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