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JP6985060B2 - ウエーハの加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され単結晶シリコン基板の表面に形成されたウエーハを個々のデバイスに分割するウエーハの加工方法に関する。
ＩＣ、ＬＳＩ等の複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され表面に形成されたウエーハは、レーザー加工装置によって個々のデバイスに分割され、分割された各デバイスは携帯電話、パソコン等の電気機器に利用される。
レーザー加工装置は下記（１）ないし（３）のタイプのものが存在する。
（１）被加工物に対して吸収性を有する波長のレーザー光線の集光点を被加工物の上面に位置づけてレーザー光線を被加工物に照射し、アブレーションによって分割の起点となる溝を形成するタイプ（たとえば特許文献１参照。）
（２）被加工物に対して透過性を有する波長のレーザー光線の集光点を被加工物の内部に位置づけてレーザー光線を被加工物に照射し、被加工物の内部に分割の起点となる改質層を形成するタイプ（たとえば特許文献２参照。）
（３）被加工物に対して透過性を有する波長のレーザー光線の集光点を被加工物の所要位置に位置づけてレーザー光線を被加工物に照射し、被加工物の表面から裏面に至る細孔と細孔を囲繞する非晶質とからなる分割の起点となるシールドトンネルを形成するタイプ（たとえば特許文献３参照。）
特開平１０−３０５４２０号公報 特許第３４０８８０５号公報 特開２０１４−２２１４８３号公報
前記したレーザー加工を施した後に、プラズマエッチングを施してウエーハを個々のデバイスに分割すると抗折強度の高いデバイスを生成できるというメリットがある。
しかし、上記特許文献３に開示された技術では、サファイアー（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）を素材とするウエーハにはシールドトンネルを適正に形成することができるものの、単結晶シリコンを素材とするウエーハには適正なシールドトンネルを形成することができず、したがってシールドトンネル形成とプラズマエッチングとの複合加工によって単結晶シリコンウエーハを個々のデバイスに分割することができないという問題がある。
また、単結晶シリコンウエーハに対しては上記特許文献２に開示された技術によって分割予定ラインの内部に改質層を形成することができるものの、分割予定ラインの上面にＴＥＧ等の金属膜や、Ｌｏｗ−ｋ膜と称される低誘電率絶縁体被膜が積層されている場合は改質層形成とプラズマエッチングとの複合加工においても、単結晶シリコンウエーハを個々のデバイスに分割することができないという問題がある。
単結晶シリコンウエーハに適正なシールドトンネルを形成することができれば、分割予定ラインの上面に積層された金属膜やＬｏｗ−ｋ膜にも細孔を形成することができるので、シールドトンネル形成とプラズマエッチングとの複合加工により単結晶シリコンウエーハを個々のデバイスに分割することができることから、本発明の課題は、単結晶シリコンウエーハに適正なシールドトンネルを形成することができ、シールドトンネル形成とプラズマエッチングとの複合加工により単結晶シリコンウエーハを個々のデバイスに分割することができるウエーハの加工方法を提供することである。
上記課題を解決するために本発明が提供するのは以下のウエーハの加工方法である。すなわち、複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され単結晶シリコン基板の表面に形成されたウエーハを個々のデバイスに分割するウエーハの加工方法であって、ウエーハの表面に保護部材を配設する保護部材配設工程と、ウエーハの裏面から分割予定ラインに対応する領域に単結晶シリコンに対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射して裏面から表面に至る細孔と該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを連続的に形成するシールドトンネル形成工程と、プラズマエッチングによりシールドトンネルをエッチングしてウエーハを個々のデバイスに分割する分割工程と、から、少なくとも構成され、該シールドトンネル形成工程において使用するレーザー光線の波長を１９５０ｎｍ以上２２００ｎｍ以下に設定するウエーハの加工方法である。
好ましくは、該シールドトンネル形成工程において、レーザー光線を集光する集光器の開口数を単結晶シリコンの屈折率で除した値が０．０５〜０．２の範囲になるように該集光器の開口数を設定する。
本発明が提供するウエーハの加工方法は、ウエーハの表面に保護部材を配設する保護部材配設工程と、ウエーハの裏面から分割予定ラインに対応する領域に単結晶シリコンに対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射して裏面から表面に至る細孔と該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを連続的に形成するシールドトンネル形成工程と、プラズマエッチングによりシールドトンネルをエッチングしてウエーハを個々のデバイスに分割する分割工程と、から、少なくとも構成され、該シールドトンネル形成工程において使用するレーザー光線の波長を１９５０ｎｍ以上２２００ｎｍ以下に設定するので、分割予定ラインに沿って適正なシールドトンネルを形成することができる。また、シールドトンネルの細孔を囲繞する非晶質は、ウエーハの基板を構成する単結晶シリコンに比べてエッチングレートが高いため、シールドトンネル形成とプラズマエッチングとの複合加工によって、分割予定ラインに沿って形成されたシールドトンネルがエッチングされ、したがってウエーハを個々のデバイスに分割することができると共に、抗折強度の高いデバイスを生成することができる。さらに、分割予定ラインの上面に金属膜やＬｏｗ−ｋ膜が積層されていても、シールドトンネル形成工程において金属膜やＬｏｗ−ｋ膜にミシン目状の多数の細孔が形成されるので、金属膜やＬｏｗ−ｋ膜にミシン目状の細孔が形成されたウエーハに適宜の外力付与手段により外力を付与することで、ミシン目状の細孔に沿って金属膜やＬｏｗ−ｋ膜を切断し、ウエーハを個々のデバイスに分割することができる。
保護部材配設工程が実施されている状態を示すウエーハ及び保護部材の斜視図。 レーザー加工装置の斜視図。 単結晶シリコンの光透過率と光の波長との一般的な関係を示すグラフ。 シールドトンネル形成工程が実施されている状態を示す斜視図。 （ａ）シールドトンネルが形成されたウエーハの断面図、（ｂ）シールドトンネルの斜視図。 分割工程が実施されている状態を示す模式図。 分割予定ラインに沿ってウエーハが個々のデバイスに分割された状態を示す斜視図。
以下、本発明のウエーハの加工方法の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１には、本発明のウエーハの加工方法によって加工が施され得るウエーハ２が示されている。円盤状の単結晶シリコン基板から形成されているウエーハ２の表面２ａは、格子状の分割予定ライン４によって複数の矩形領域に区画され、複数の矩形領域のそれぞれにはＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス６が形成されている。
本発明のウエーハの加工方法では、まず、ウエーハ２の表面２ａに保護部材を配設する保護部材配設工程を実施する。図示の実施形態では、ウエーハ２の表面２ａに、周縁が環状フレーム８に固定された保護テープ１０（保護部材）を貼り付ける。
保護部材配設工程を実施した後、ウエーハ２の裏面２ｂから分割予定ライン４に対応する領域に単結晶シリコンに対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射して、ウエーハ２の裏面２ｂから表面２ａに至る細孔と細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを連続的に形成するシールドトンネル形成工程を実施する。シールドトンネル形成工程は、たとえば図２に示すレーザー加工装置１２を用いて実施することができる。レーザー加工装置１２は、ウエーハ２等の被加工物を保持する保持手段１４と、保持手段１４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１６とを備える。保持手段１４は、Ｘ軸方向に移動自在に基台１８に搭載されたＸ軸方向可動板２０と、Ｙ軸方向に移動自在にＸ軸方向可動板２０に搭載されたＹ軸方向可動板２２と、Ｙ軸方向可動板２２の上面に固定された支柱２４と、支柱２４の上端に回転自在に搭載されたチャックテーブル２６とを含む。Ｘ軸方向可動板２０は、Ｘ軸方向に延びるボールねじ２８とボールねじ２８に連結されたモータ３０とを有するＸ軸方向移動手段３２によって、基台１８上の案内レール１８ａに沿ってＸ軸方向に移動される。Ｙ軸方向可動板２２は、Ｙ軸方向に延びるボールねじ３４とボールねじ３４に連結されたモータ３６とを有するＹ軸方向移動手段３８によって、Ｘ軸方向可動板２０上の案内レール２０ａに沿ってＸ軸方向に移動される。チャックテーブル２６は、支柱２４に内蔵された回転手段（図示していない。）によって回転される。チャックテーブル２６の上面には、吸引手段に接続された多孔質の吸着チャック４０が配置されている。そして、チャックテーブル２６は、吸引手段で吸着チャック４０の上面に吸引力を生成することにより、被加工物を吸着して保持することができる。図２に示すとおり、チャックテーブル２６の周縁には周方向に間隔をおいて複数のクランプ４２が配置されている。なお、Ｘ軸方向は図２に矢印Ｘで示す方向であり、Ｙ軸方向は図２に矢印Ｙで示す方向であってＸ軸方向に直交する方向である。Ｘ軸方向及びＹ軸方向が規定する平面は実質上水平である。
レーザー加工装置１２のレーザー光線照射手段１６は、基台１８の上面から上方に延び次いで実質上水平に延びる枠体４４を含む。枠体４４には、単結晶シリコンに対して透過性を有する範囲で１９５０ｎｍ以上の波長のパルスレーザー光線ＬＢを発振する発振器（図示していない。）が内蔵されている。なお、一般に単結晶シリコンの光透過率は、図３に示すとおり、単結晶シリコンの光学吸収端である光の波長１０５０ｎｍ付近から光の波長が大きくなるに従って増加し、光の波長が約１２００ｎｍから約６０００ｎｍまでは約５５％でほぼ一定であり、光の波長が約６０００ｎｍを超えた範囲では光の波長が大きくなるに従って減少するという傾向にある。
図２を参照してレーザー光線照射手段１６についての説明を続けると、枠体４４の先端下面には、チャックテーブル２６に保持された被加工物にパルスレーザー光線ＬＢを照射する集光器４６と、チャックテーブル２６に保持された被加工物を撮像してレーザー加工すべき領域を検出するための撮像手段４８とが、Ｘ軸方向に間隔をおいて装着されている。集光器４６は、発振器が発振したパルスレーザー光線ＬＢを集光する集光レンズ５０を含む。図示の実施形態における集光器４６の集光レンズ５０の開口数ＮＡは、開口数ＮＡを単結晶シリコンの屈折率ｎで除した値Ｓ（Ｓ＝ＮＡ／ｎ）が０．０５〜０．２の範囲（０．０５≦Ｓ≦０．２）になるように設定されている。単結晶シリコンの屈折率ｎは通常３．７程度であり、単結晶シリコンの屈折率ｎが３．７の場合には集光レンズ５０の開口数ＮＡは０．１８５〜０．７４の範囲（０．１８５≦ＮＡ≦０．７４）に設定される。また、撮像手段４８は、可視光線により被加工物を撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）と、被加工物に赤外線を照射する赤外線照射手段と、赤外線照射手段により照射された赤外線を捕らえる光学系と、光学系が捕らえた赤外線に対応する電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）とを含む（いずれも図示していない。）。
上述のレーザー加工装置１２を用いてシールドトンネル形成工程を実施する際は、まず、ウエーハ２の裏面２ｂを上に向けて、チャックテーブル２６の上面にウエーハ２を吸着させると共に、環状フレーム８の外周縁部を複数のクランプ４２で固定する。次いで、撮像手段４８で上方からウエーハ２を撮像する。次いで、撮像手段４８で撮像したウエーハ２の画像に基づいて、Ｘ軸方向移動手段３２、Ｙ軸方向移動手段３８及び回転手段でチャックテーブル２６を移動及び回転させることにより、格子状の分割予定ライン４をＸ軸方向及びＹ軸方向に整合させると共に、Ｘ軸方向に整合させた分割予定ライン４の片端部の上方に集光器４６を位置づける。このとき、ウエーハ２の裏面２ｂが上を向き、分割予定ライン４が形成されている表面２ａは下を向いているが、上述のとおり、撮像手段４８は、赤外線照射手段と、赤外線を捕らえる光学系と、赤外線に対応する電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）とを含むので、ウエーハ２の裏面２ｂから透かして表面２ａの分割予定ライン４を撮像することができる。次いで、レーザー加工装置１２の集光点位置調整手段（図示していない。）によってパルスレーザー光線ＬＢの集光点を分割予定ライン４に対応する領域のウエーハ２の内部に位置づける。次いで、図４に示すとおり、集光点に対してチャックテーブル２６を所定の送り速度でＸ軸方向移動手段３２によってＸ軸方向に移動させながら、ウエーハ２の裏面２ｂから分割予定ライン４に対応する領域に、単結晶シリコンに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線ＬＢを照射するシールドトンネル形成加工を施す。シールドトンネル形成加工を行うと、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すとおり、ウエーハ２の裏面２ｂから表面２ａに至る細孔５２と、細孔５２を囲繞する非晶質５４とからなるシールドトンネル５６が分割予定ライン４に沿って連続的に多数形成される。次いで、分割予定ライン４の間隔の分だけ、集光点に対してチャックテーブル２６をＹ軸方向移動手段３８でＹ軸方向にインデックス送りする。そして、シールドトンネル形成加工とインデックス送りとを交互に繰り返すことにより、Ｘ軸方向に整合させた分割予定ライン４のすべてにシールドトンネル形成加工を施す。また、回転手段によってチャックテーブル２６を９０度回転させた上で、シールドトンネル形成加工とインデックス送りとを交互に繰り返すことにより、先にシールドトンネル形成加工を施した分割予定ライン４と直交する分割予定ライン４のすべてにもシールドトンネル形成加工を施し、格子状の分割予定ライン４に沿ってシールドトンネル５６を形成する。
シールドトンネル形成工程においては、使用するパルスレーザー光線ＬＢの波長を１９５０ｎｍ以上に設定するのが重要である。上述のとおり、図示の実施形態におけるレーザー加工装置１２の発振器は、単結晶シリコンに対して透過性を有する範囲で１９５０ｎｍ以上の波長のパルスレーザー光線ＬＢを発振するから、レーザー加工装置１２を用いることにより、単結晶シリコン基板からなるウエーハ２に適正なシールドトンネル５６を形成することができる。また、シールドトンネル形成工程においては、レーザー光線を集光する集光器の開口数を単結晶シリコンの屈折率で除した値が０．０５〜０．２の範囲になるように集光器の開口数を設定する。
シールドトンネル形成工程を実施した後、プラズマエッチングによりシールドトンネル５６をエッチングしてウエーハ２を個々のデバイス６に分割する分割工程を実施する。図６を参照して説明すると、分割工程は、公知のエッチング装置（図示していない。）を用いて実施することができる。分割工程では、シールドトンネル５６を形成したウエーハ２をエッチング装置のチャンバーに収容し、次いでチャンバー内を減圧した後、チャンバー内に六フッ化硫黄（ＳＦ６）等のエッチングガスを供給すると共に高周波電源を用いてチャンバー内にプラズマを発生させる。これによって、格子状の分割予定ライン４に沿って形成されたシールドトンネル５６がプラズマエッチングにより除去され、図７に示すとおり、ウエーハ２が個々のデバイス６に分割される。
以上のとおり図示の実施形態では、ウエーハ２の表面２ａに保護部材を配設する保護部材配設工程と、ウエーハ２の裏面２ｂから分割予定ライン４に対応する領域に単結晶シリコンに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線ＬＢを照射して裏面２ｂから表面２ａに至る細孔５２と細孔５２を囲繞する非晶質５４とからなるシールドトンネル５６を連続的に形成するシールドトンネル形成工程と、プラズマエッチングによりシールドトンネル５６をエッチングしてウエーハ２を個々のデバイス６に分割する分割工程と、から、少なくとも構成され、シールドトンネル形成工程において使用するパルスレーザー光線ＬＢの波長を１９５０ｎｍ以上に設定するので、分割予定ライン４に沿って適正なシールドトンネル５６を形成することができる。また、シールドトンネル５６の細孔５２を囲繞する非晶質５４は、ウエーハ２の基板を構成する単結晶シリコンに比べてエッチングレートが高いため、シールドトンネル形成とプラズマエッチングとの複合加工によって、格子状の分割予定ライン４に沿って形成されたシールドトンネル５６がエッチングされ、したがってウエーハ２を個々のデバイス６に分割することができると共に、抗折強度の高いデバイス６を生成することができる。さらに、分割予定ライン４の上面にＴＥＧ等の金属膜やＬｏｗ−ｋ膜が積層されていても、シールドトンネル形成工程において金属膜やＬｏｗ−ｋ膜にミシン目状の多数の細孔が形成されるので、ウエーハ２が貼り付けられている保護テープ１０を拡張するテープ拡張装置等の適宜の外力付与手段により、金属膜やＬｏｗ−ｋ膜にミシン目状の細孔が形成されたウエーハ２に外力を付与することで、ミシン目状の細孔に沿って金属膜やＬｏｗ−ｋ膜を切断し、ウエーハ２を個々のデバイス６に分割することができる。
ここで、単結晶シリコンウエーハに適正なシールドトンネルを形成することができるレーザー光線の条件について、本発明者らが行った実験の結果に基づいて説明する。単結晶シリコンウエーハは、所定波長範囲の赤外線に対して５５％程度の透過性を有することから、光学吸収端近傍の１０３０ｎｍの波長のレーザー光線を用いてシールドトンネルの形成を試みると、レーザー光線の透過によって単結晶シリコンウエーハの内部に改質層は形成されるものの、レーザー光線の吸収によってシールドトンネルの形成が妨げられ適正なシールドトンネルを形成することができないと推察されることから、本発明者らは、レーザー光線の波長を単結晶シリコンウエーハの光学吸収端付近から長くしながら実験を行った。
［実験１］
本発明者らは、単結晶シリコンウエーハに適正なシールドトンネルを形成することができるレーザー光線の波長を見つけるため、以下の条件において、レーザー光線の集光点を単結晶シリコンウエーハの内部に位置づけて、単結晶シリコンウエーハと集光点とを所定送り速度で相対的に移動させながら、レーザー光線を単結晶シリコンウエーハに照射した。なお、単結晶シリコンの屈折率ｎは３．７程度であることから、上記特許文献３に開示された実験を参考にして、０．０５≦Ｓ≦０．２の範囲内であるＳ＝ＮＡ／ｎ＝ＮＡ／３．７＝０．１３５となるように集光レンズの開口数ＮＡを０．５とした。
単結晶シリコンウエーハの厚み ：７００μｍ
パルスレーザー光線の波長 ：１０３４〜２２００ｎｍ
集光レンズの開口数ＮＡ ：０．５
平均出力 ：３Ｗ
繰り返し周波数 ：５０ｋＨｚ
パルス幅 ：１０ｎｓ
送り速度 ：５００ｍｍ／ｓ
［実験１の結果］
レーザー光線の波長（ｎｍ） シールドトンネルの良否
１０３４ 不良
１０６４ 不良
１３００ 不良
１９００ やや良好
１９５０ 良好
２０００ 良好
２１００ 良好
２２００ 良好
［実験１に基づく結論］
実験１の結果から、単結晶シリコンウエーハに適正なシールドトンネルを形成することができるレーザー光線の波長は、単結晶シリコンウエーハに対して透過性を有する範囲で１９５０ｎｍ以上であるといえる。なお、波長が約６０００ｎｍまでは、上記した良好なシールドトンネルが形成された波長範囲と同様に、単結晶シリコンの光透過率が約５５％であるため（図３参照。）、単結晶シリコンウエーハに良好なシールドトンネルを形成することができると考えられる。
［実験２］
本発明者らは、単結晶シリコンウエーハに適正なシールドトンネルを形成するための、単結晶シリコンの屈折率ｎと集光レンズの開口数ＮＡとの関係を見つけるため、以下の条件において、レーザー光線の集光点を単結晶シリコンウエーハの内部に位置づけて、単結晶シリコンウエーハと集光点とを所定送り速度で相対的に移動させながら、レーザー光線を単結晶シリコンウエーハに照射した。
単結晶シリコンウエーハの厚み ：７００μｍ
パルスレーザー光線の波長 ：１９５０ｎｍ
平均出力 ：３Ｗ
繰り返し周波数 ：５０ｋＨｚ
パルス幅 ：１０ｎｓ
送り速度 ：５００ｍｍ／ｓ
［実験２の結果］
集光レンズの開口数ＮＡ シールドトンネルの良否 Ｓ（Ｓ＝ＮＡ／ｎ）
０．０５ 不良 ０．０１４
０．１ 不良 ０．０２７
０．１５ 不良 ０．０４１
０．２ 良好 ０．０５４
０．２５ 良好 ０．０６８
０．３ 良好 ０．０８１
０．３５ 良好 ０．０９５
０．４ 良好 ０．１０８
０．４５ 良好 ０．１２２
０．５ 良好 ０．１３５
０．５５ 良好 ０．１４９
０．６ 良好 ０．１６２
０．６５ 良好 ０．１７６
０．７ 良好 ０．１８９
０．７５ 良好 ０．２０３
０．８ 不良 ０．２１６
０．９ 不良 ０．２４３
［実験２に基づく結論］
実験２の結果から、単結晶シリコンウエーハに適正なシールドトンネルを形成することができる、単結晶シリコンの屈折率ｎと集光レンズの開口数ＮＡとの関係は、０．０５≦ＮＡ／ｎ≦０．２であるといえる。
２：ウエーハ
２ａ：ウエーハの表面
２ｂ：ウエーハの裏面
４：分割予定ライン
６：デバイス
１０：保護テープ（保護部材）
５２：細孔
５４：非晶質
５６：シールドトンネル
ＬＢ：パルスレーザー光線

Claims (2)

  1. 複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され単結晶シリコン基板の表面に形成されたウエーハを個々のデバイスに分割するウエーハの加工方法であって、
    ウエーハの表面に保護部材を配設する保護部材配設工程と、
    ウエーハの裏面から分割予定ラインに対応する領域に単結晶シリコンに対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射して裏面から表面に至る細孔と該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを連続的に形成するシールドトンネル形成工程と、
    プラズマエッチングによりシールドトンネルをエッチングしてウエーハを個々のデバイスに分割する分割工程と、
    から、少なくとも構成され、
    該シールドトンネル形成工程において使用するレーザー光線の波長を１９５０ｎｍ以上２２００ｎｍ以下に設定するウエーハの加工方法。
  2. 該シールドトンネル形成工程において、レーザー光線を集光する集光器の開口数を単結晶シリコンの屈折率で除した値が０．０５〜０．２の範囲になるように該集光器の開口数を設定する請求項１記載のウエーハの加工方法。
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