JP6320261B2 - ウエーハの加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウエーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザービームを照射してウエーハ内部に改質層を形成した後、ウエーハに外力を付与して改質層を起点にウエーハを複数のデバイスチップ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シリコンウエーハ（以下、単にウエーハと称することがある）は、加工装置によって個々のデバイスチップに分割され、分割されたデバイスチップは携帯電話、パソコン等の各種電気機器に広く利用されている。

ウエーハの分割には、ダイシングソーと呼ばれる切削装置を用いたダイシング方法が広く採用されている。ダイシング方法では、ダイアモンド等の砥粒を金属や樹脂で固めて厚さ３０μｍ程度とした切削ブレードを、３００００ｒｐｍ程度の高速で回転させつつウエーハへと切り込ませることでウエーハを切削し、個々のデバイスチップへと分割する。

一方、近年では、ウエーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザービームの集光点を分割予定ラインに対応するウエーハの内部に位置づけて、パルスレーザービームを分割予定ラインに沿って照射してウエーハ内部に改質層を形成し、その後外力を付与してウエーハを個々のデバイスチップに分割する方法が提案されている（例えば、特許第４４０２７０８号公報参照）。

改質層とは密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域のことであり、溶融再固化領域、屈折率変化領域、絶縁破壊領域の他、クラック領域やこれらが混在した領域も含まれる。

シリコンの光学吸収端は、シリコンのバンドギャップ（１．１ｅＶ）に相当する光の波長１０５０ｎｍ付近にあり、バルクのシリコンでは、これより短い波長の光は吸収されてしまう。

従来の改質層形成方法では、光学吸収端に近い波長１０６４ｎｍのレーザーを発振するネオジム（Ｎｄ）をドープしたＮｄ：ＹＡＧパルスレーザーが一般的に使用される（例えば、特開２００５−９５９５２号公報参照）。

しかし、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザーの波長１０６４ｎｍがシリコンの光学吸収端に近いことから、集光点を挟む領域においてレーザービームの一部が吸収されて十分な改質層が形成されず、ウエーハを個々のデバイスチップに分割できない場合がある。

そこで、本出願人は、波長１３００〜１４００ｎｍの範囲に設定された、例えば波長１３４２ｎｍのＹＡＧパルスレーザーを用いてウエーハの内部に改質層を形成すると、集光点を挟む領域においてレーザービームの吸収が低減されて良好な改質層を形成できるとともに、円滑にウエーハを個々のデバイスチップに分割できることを見出した（特開２００６−１０８４５９号公報参照）。

特許第４４０２７０８号公報 特開２００５−９５９５２号公報 特開２００６−１０８４５９号公報

ところが、分割予定ラインに沿って直前に形成された改質層に隣接してパルスレーザービームの集光点をウエーハの内部に位置づけて照射し、ウエーハ内部に改質層を形成すると、パルスレーザービームを照射した面と反対側の面、即ちウエーハの表面にレーザービームが散乱して表面に形成されたデバイスをアタックし損傷させるという新たな問題を生じることが判明した。

この問題を検証したところ、直前に形成された改質層から微細なクラックがウエーハの表面側に伝播し、そのクラックが次に照射されるパルスレーザービームの透過光を屈折又は反射させてデバイスをアタックするのではないかと推察される。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シリコンウエーハに対して１３００〜１４００ｎｍの範囲に設定された波長のパルスレーザービームを照射してウエーハ内部に改質層を形成する際に、透過光がウエーハ表面のデバイスを損傷させることを抑制可能なウエーハの加工方法を提供することである。

本発明によると、被加工物を保持する保持手段と、該保持手段に保持された被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームを照射して被加工物の内部に改質層を形成するレーザービーム照射手段と、該保持手段と該レーザービーム照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段と、を備えたレーザー加工装置によって表面に複数のデバイスが複数の分割予定ラインによって区画されて形成されたシリコンからなるウエーハを加工するウエーハの加工方法であって、ウエーハに対して透過性を有するパルスレーザービームの波長を１３００ｎｍ〜１４００ｎｍの範囲に設定する波長設定ステップと、該波長設定ステップ実施後、該パルスレーザービームを第１のパワーを有する第１のパルスレーザービームと該第１のパワーより小さい第２のパワーを有する第２のパルスレーザービームに分岐し、該第１のパルスレーザービームを該第２のパルスレーザービームに対して所定時間遅延させる遅延ステップと、該遅延ステップ実施後、該第１及び第２のパルスレーザービームの集光点をウエーハ内部の一点に位置づけて、ウエーハの裏面から該分割予定ラインに対応する領域に該第１及び第２のパルスレーザービームを照射すると共に該保持手段と該レーザービーム照射手段とを相対的に加工送りして、該第２のパルスレーザービームでウエーハを加熱して軟化させ、所定の時間差を持って直後に第１のパワーを有する第１のパルスレーザービームで軟化した領域に改質層を形成する改質層形成ステップと、該改質層形成ステップ実施後、ウエーハに外力を付与して該改質層を分割起点にウエーハを該分割予定ラインに沿って分割する分割ステップと、を備えたことを特徴とするウエーハの加工方法が提供される。

本発明のウエーハの加工方法によると、改質層形成ステップにおいて、ウエーハの内部に第２のパワーを有する第２のパルスレーザービームの集光点を位置づけて照射し、ウエーハを加熱してウエーハを軟化させ、直後に第２のパワーより大きい第１のパワーを有する第１のパルスレーザービームの集光点を軟化した領域に位置づけて照射しウエーハ内部に改質層を形成するようにしているので、軟化した領域に改質層が形成されることから微細なクラックの伝播が抑制され、次に照射される第１及び第２のパルスレーザービームは散乱することなく、ウエーハの表面に形成されたデバイスを損傷させるという問題を解消することができる。

本発明のウエーハの加工方法を実施するのに適したレーザー加工装置の斜視図である。 レーザービーム発生ユニットのブロック図である。 シリコンウエーハの表面側斜視図である。 シリコンウエーハの表面側を外周部が環状フレームに貼着されたダイシングテープに貼着する様子を示す斜視図である。 ダイシングテープを介して環状フレームに支持されたシリコンウエーハの裏面側斜視図である。 パルスレーザービームを二つに分岐する光学系を示す図である。 二つに分岐されたパルスレーザービームがウエーハ内部の一点に集光されて改質層を形成する様子を示す模式的断面図である。 改質層形成ステップを説明する斜視図である。 分割装置の斜視図である。 分割ステップを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、本発明のウエーハの加工方法を実施するのに適したレーザー加工装置２の概略斜視図が示されている。

レーザー加工装置２は、静止基台４上にＸ軸方向に移動可能に搭載された第１スライドブロック６を含んでいる。第１スライドブロック６は、ボールねじ８及びパルスモータ１０から構成される加工送り手段１２により一対のガイドレール１４に沿って加工送り方向、すなわちＸ軸方向に移動される。

第１スライドブロック６上には第２スライドブロック１６がＹ軸方向に移動可能に搭載されている。すなわち、第２スライドブロック１６はボールねじ１８及びパルスモータ２０から構成される割り出し送り手段２２により一対のガイドレール２４に沿って割り出し送り方向、すなわちＹ軸方向に移動される。

第２スライドブロック１６上には円筒支持部材２６を介してチャックテーブル２８が搭載されており、チャックテーブル２８は回転可能であるとともに加工送り手段１２及び割り出し送り手段２２によりＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。チャックテーブル２８には、チャックテーブル２８に吸引保持されたウエーハを支持する環状フレームをクランプするクランプ３０が設けられている。

静止基台４にはコラム３２が立設されており、このコラム３２にはレーザービーム照射ユニット３４が取り付けられている。レーザービーム照射ユニット３４は、ケーシング３３内に収容された図２に示すレーザービーム発生ユニット３５と、ケーシング３３の先端に取り付けられた集光器３７とから構成される。

レーザービーム発生ユニット３５は、図２に示すように、ＹＡＧパルスレーザーを発振するレーザー発振器６２と、繰り返し周波数設定手段６４と、パルス幅調整手段６６と、パワー調整手段６８とを含んでいる。本実施形態では、レーザー発振器６２として、波長１３４２ｎｍのパルスレーザーを発振するＹＡＧパルスレーザー発振器を採用した。

ケーシング３５の先端部には、集光器３７とＸ軸方向に整列してレーザー加工すべき加工領域を検出する撮像ユニット３９が配設されている。撮像ユニット３９は、可視光によって半導体ウエーハ１１の加工領域を撮像する通常のＣＣＤ等の撮像素子を含んでいる。

撮像ユニット３９は更に、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って照射された赤外線を捕らえる光学系と、この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赤外線ＣＣＤ等の赤外線撮像素子から構成される赤外線撮像手段を含んでおり、撮像した画像信号はコントローラ（制御手段）４０に送信される。

コントローラ４０はコンピュータによって構成されており、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置（ＣＰＵ）４２と、制御プログラム等を格納するリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）４４と、演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４６と、カウンタ４８と、入力インターフェイス５０と、出力インターフェイス５２とを備えている。

５６は案内レール１４に沿って配設されたリニアスケール５４と、第１スライドブロック６に配設された図示しない読み取りヘッドとから構成される加工送り量検出ユニットであり、加工送り量検出ユニット５６の検出信号はコントローラ４０の入力インターフェイス５０に入力される。

６０はガイドレール２４に沿って配設されたリニアスケール５８と第２スライドブロック１６に配設された図示しない読み取りヘッドとから構成される割り出し送り量検出ユニットであり、割り出し送り量検出ユニット６０の検出信号はコントローラ４０の入力インターフェイス５０に入力される。

撮像ユニット３９で撮像した画像信号もコントローラ４０の入力インターフェイス５０に入力される。一方、コントローラ４０の出力インターフェイス５２からはパルスモータ１０、パルスモータ２０、レーザービーム発生ユニット３５等に制御信号が出力される。

図３を参照すると、本発明の加工方法の加工対象となる半導体ウエーハ１１の表面側斜視図が示されている。図３に示す半導体ウエーハ１１は、例えば厚さが１００μｍのシリコンウエーハから構成されている。

半導体ウエーハ１１は、表面１１ａに第１の方向に伸長する複数の第１の分割予定ライン（ストリート）１３ａと、第１の方向と直交する第２の方向に伸長する複数の第２の分割予定ライン１３ｂが形成されているとともに、第１の分割予定ライン１３ａと第２の分割予定ライン１３ｂとによって区画された各領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス１５が形成されている。また、半導体ウエーハ１１の外周には、シリコンウエーハの結晶方位を示すマークとしてのノッチ１７が形成されている。

本発明実施形態のウエーハの加工方法では、半導体ウエーハ（以下ウエーハと略称する）１１は、図４に示すように、外周が環状フレームＦに貼着されたダイシングテープＴにその表面１１ａ側が貼着され、図５に示すように、ウエーハ１１の裏面１１ｂが露出した形態として加工が遂行される。

本発明のウエーハの加工方法では、まず、シリコンウエーハ１１に対して透過性を有するパルスレーザービームの波長を１３００ｎｍ〜１４００ｎｍの範囲に設定する（波長設定ステップ）。本実施形態では、図２に示すレーザービーム発生ユニット３５のレーザー発振器６２として、波長１３４２ｎｍのパルスレーザーを発振するＹＡＧレーザー発振器を採用した。

次いで、レーザー加工装置２のチャックテーブル２８でウエーハ１１をダイシングテープＴを介して吸引保持し、ウエーハ１１の裏面１１ｂを露出させる。そして、撮像ユニット３９の赤外線撮像素子でウエーハ１１をその裏面１１ｂ側から撮像し、第１の分割予定ライン１３ａに対応する領域を集光器３７とＸ軸方向に整列させるアライメントを実施する。このアライメントには、よく知られたパターンマッチング等の画像処理を利用する。

第１の分割予定ライン１３ａのアライメントを実施後、チャックテーブル２８を９０度回転してから、第１の分割予定ライン１３ａに直交する方向に伸長する第２の分割予定ライン１３ｂについても同様なアライメントを実施する。

アライメント実施後、ウエーハ１１の内部に改質層を形成する改質層形成ステップを実施する。本実施形態の改質層形成ステップでは、図６に示す光学系４１によりレーザービーム発生ユニット３５から出射された波長１３４２ｎｍのパルスレーザービームＬＢ１を光学系４１により二つのパルスレーザービームに分岐してウエーハ１１に照射する。

図２において、レーザー発振器６２から発振されたパルスレーザービームは直線偏光のパルスレーザービームである。この直線偏光のパルスレーザービームをパワー調整手段６８で所定パワー（例えば０．５Ｗ）に調整して出射する。

再び図６を参照すると、レーザービーム発生ユニット３５から出射された所定パワーのパルスレーザービームＬＢ１を１／２波長板４３で偏光面を所定角度回転してパルスレーザービームＬＢ２に変換し、このパルスレーザービームＬＢ２を第１偏光ビームスプリッタ４５で第１のパワー（例えば０．４５Ｗ）を有するＰ偏光のパルスレーザービームＬＢ３と第１のパワーより小さい第２のパワー（例えば０．０５Ｗ）を有するＳ偏光のパルスレーザービームＬＢ４に分岐する。

パルスレーザービームＬＢ３は第１偏光ビームスプリッタ４５を透過して第１の光路４７に出射され、パルスレーザービームＬＢ４は第１偏光ビームスプリッタ４５により反射されて第２の光路４９に出射される。

パルスレーザービームＬＢ３はミラー５１で反射された後、例えば石英ロッド等の遅延手段５３に入射されて所定時間（例えば１０ｎｓ）遅延され、パルスレーザービームＬＢ５となる。パルスレーザービームＬＢ５はミラー５５で反射され、更に１／２波長板５７でその偏光面を９０°回転されてＳ偏光のパルスレーザービームＬＢ６に変換される。

一方、第２の光路４９に出射されたＳ偏光のパルスレーザービームＬＢ４は、１／２波長板５９でその偏光面を９０°回転されてＰ偏光のパルスレーザービームＬＢ７に変換される。

Ｐ偏光のパルスレーザービームＬＢ７は第２偏光ビームスプリッタ６１を透過して、集光レンズ６３によりウエーハ１１内部の集光点Ｐに集光される。一方、Ｓ偏光のパルスレーザービームＬＢ６は第２偏光ビームスプリッタ６１で反射されて、パルスレーザービームＬＢ７より所定時間遅延して集光レンズ６３によりウエーハ１１内部の集光点Ｐに集光される。

図７はパルスレーザービームＬＢ６及びパルスレーザービームＬＢ７の集光される様子を誇張して示した模式的断面図であり、まず第２のパワー（例えば０．０５Ｗ）を有するパルスレーザービームＬＢ７が集光点Ｐに集光されてウエーハ１１を加熱して軟化し、所定時間遅延（例えば１０ｎｓ）して照射される第１のパワー（例えば０．４５Ｗ）を有するパルスレーザービームＬＢ６が集光レンズ６３により集光点Ｐに集光されて、パルスレーザービームＬＢ７により軟化された領域に改質層１９を形成する。

チャックテーブル２８を矢印Ｘ１方向に加工送りしながら、パルスレーザービームＬＢ７で集光点Ｐ付近を軟化させた後、パルスレーザービームＬＢ６で軟化した領域に改質層１９を次々と形成する。

本実施形態では、軟化した領域に改質層１９が形成されることから、改質層１９から伝播する微細なクラックの伝播が抑制され、次に照射されたパルスレーザービームＬＢ６、ＬＢ７は散乱することなく、ウエーハ１１の表面１１ａに形成されたデバイス１５を損傷させることが防止される。

図６の光学系４１で二つに分岐され、更に一方のパルスレーザービームＬＢ６が遅延手段５３で所定時間遅延されたパルスレーザービームＬＢ６及びＬＢ７の集光点を、図８に示すように、集光器３７で第１の分割予定ライン１３ａに対応するウエーハ内部に位置づけて、パルスレーザービームＬＢ６、Ｌｂ７をウエーハ１１の裏面１１ｂ側から照射して、チャックテーブル２８を矢印Ｘ１方向に加工送りすることにより、ウエーハ１１の内部に改質層１９を形成する（改質層形成ステップ）。

チャックテーブル２８をＹ軸方向に割り出し送りしながら、全ての第１の分割予定ライン１３ａに対応するウエーハ１１の内部に改質層１９を形成する。次いで、チャックテーブル２８を９０°回転してから、第１の分割予定ライン１３ａに直交する全ての第２の分割予定ライン１３ｂに沿って同様な改質層１９を形成する。

改質層１９は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域を言う。例えば、溶融再固化領域、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等を含み、これらの領域が混在した領域も含むものである。

改質層形成ステップの加工条件は、例えば次のように設定されている。

光源 ：ＹＡＧパルスレーザー
波長 ：１３４２ｎｍ
平均出力 ：０．５Ｗ
第１のパワー ：０．４５Ｗ
第２のパワー ：０．０５Ｗ
遅延時間（時間差） ：１０ｎｓ
繰り返し周波数 ：１００ｋＨｚ
スポット径 ：φ２．５μｍ
送り速度 ：３００ｍｍ／ｓ

改質層形成ステップ実施後、図９に示す分割装置８０を使用してウエーハ１１に外力を付与し、ウエーハ１１を個々のデバイスチップ２１へと分割する分割ステップを実施する。図９に示す分割装置８０は、環状フレームＦを保持するフレーム保持手段８２と、フレーム保持手段８２に保持された環状フレームＦに装着されたダイシングテープＴを拡張するテープ拡張手段８４を具備している。

フレーム保持手段８２は、環状のフレーム保持部材８６と、フレーム保持部材８６の外周に配設された固定手段としての複数のクランプ８８から構成される。フレーム保持部材８６の上面は環状フレームＦを載置する載置面８６ａを形成しており、この載置面８６ａ上に環状フレームＦが載置される。

そして、載置面８６ａ上に載置された環状フレームＦは、クランプ８８によってフレーム保持手段８６に固定される。このように構成されたフレーム保持手段８２はテープ拡張手段８４によって上下方向に移動可能に支持されている。

テープ拡張手段８４は、環状のフレーム保持手段８６の内側に配設された拡張ドラム９０を具備している。拡張ドラム９０の上端は蓋９２で閉鎖されている。この拡張ドラム９０は、環状フレームＦの内径より小さく、環状フレームＦに装着されたダイシングテープＴに貼着されたウエーハ１１の外径より大きい外径を有している。

拡張ドラム９０はその下端に一体的に形成された支持フランジ９４を有している。テープ拡張手段８４は更に、環状のフレーム保持部材８６を上下方向に移動する駆動手段９６を具備している。この駆動手段９６は支持フランジ９４上に配設された複数のエアシリンダ９８から構成されており、そのピストンロッド１００はフレーム保持部材８６の下面に連結されている。

複数のエアシリンダ９８から構成される駆動手段９６は、環状のフレーム保持部材８６を、その載置面８６ａが拡張ドラム９０の上端である蓋９２の表面と略同一高さとなる基準位置と、拡張ドラム９０の上端より所定量下方の拡張位置との間で上下方向に移動する。

以上のように構成された分割装置８０を用いて実施するウエーハ１１の分割ステップについて図１０を参照して説明する。図１０（Ａ）に示すように、ウエーハ１１をダイシングテープＴを介して支持された環状フレームＦを、フレーム保持部材８６の載置面８６ａ上に載置し、クランプ８８によってフレーム保持部材８６を固定する。この時、フレーム保持部材８６はその載置面８６ａが拡張ドラム９０の上端と略同一高さとなる基準位置に位置づけられる。

次いで、エアシリンダ９８を駆動してフレーム保持部材８６を図１０（Ｂ）に示す拡張位置に下降する。これにより、フレーム保持部材８６の載置面８６ａ上に固定されている環状フレームＦも下降するため、環状フレームＦに装着されたダイシングテープＴは拡張ドラム９０の上端を閉鎖した蓋９２に当接して主に半径方向に拡張される。

その結果、ダイシングテープＴに貼着されているウエーハ１１には、放射状に引っ張り力が作用する。このようにウエーハ１１に放射状に引っ張り力が作用すると、第１、第２の分割予定ライン１３ａ，１３ｂに沿って形成された改質層１９が分割起点となってウエーハ１１が第１、第２の分割予定ライン１３ａ，１３ｂに沿って割断され、個々のデバイスチップ２１に分割される。

上述した実施形態によると、レーザービーム発生ユニット３５から出射されたパルスレーザービームＬＢ１を光学系４１により比較的強いパワーのパルスレーザービームと比較的弱いパワーのパルスレーザービームに分岐し、更に比較的強いパワーのパルスレーザービームを遅延手段５３により比較的弱いパワーのパルスレーザービームに対して所定時間遅延させて、ウエーハ１１の内部の一点に集光するように照射している。

従って、比較的弱いパワーのパルスレーザービームにより加熱されて軟化された領域に所定時間遅延して比較的強いパワーのパルスレーザービームが照射されるため、軟化した領域に改質層１９が形成されるので、改質層１９から伝播する微細なクラックの伝播が抑制され、次に照射されたパルスレーザービームは散乱することなく、ウエーハ１１の表面１１ａに形成されたデバイス１９を損傷させることが防止される。

２ レーザー加工装置
１１ シリコンウエーハ
１３ａ 第１の分割予定ライン
１３ｂ 第２の分割予定ライン
１５ デバイス
１９ 改質層
２１ デバイスチップ
２８ チャックテーブル
３４ レーザービーム照射ユニット
３５ レーザービーム発生ユニット
３７ 集光器
３９ 撮像ユニット
４１ 光学系
４３，５７，５９ １／２波長板
４５ 第１偏光ビームスプリッタ
５３ 遅延手段
６１ 第２偏光ビームスプリッタ
６２ レーザー発振器
６３ 集光レンズ
８０ 分割装置
Ｔ ダイシングテープ
Ｆ 環状フレーム

Claims (1)

1. 被加工物を保持する保持手段と、該保持手段に保持された被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームを照射して被加工物の内部に改質層を形成するレーザービーム照射手段と、該保持手段と該レーザービーム照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段と、を備えたレーザー加工装置によって表面に複数のデバイスが複数の分割予定ラインによって区画されて形成されたシリコンからなるウエーハを加工するウエーハの加工方法であって、
   ウエーハに対して透過性を有するパルスレーザービームの波長を１３００ｎｍ〜１４００ｎｍの範囲に設定する波長設定ステップと、
   該波長設定ステップ実施後、該パルスレーザービームを第１のパワーを有する第１のパルスレーザービームと該第１のパワーより小さい第２のパワーを有する第２のパルスレーザービームに分岐し、該第１のパルスレーザービームを該第２のパルスレーザービームに対して所定時間遅延させる遅延ステップと、
   該遅延ステップ実施後、該第１及び第２のパルスレーザービームの集光点をウエーハ内部の一点に位置づけて、ウエーハの裏面から該分割予定ラインに対応する領域に該第１及び第２のパルスレーザービームを照射すると共に該保持手段と該レーザービーム照射手段とを相対的に加工送りして、該第２のパルスレーザービームでウエーハを加熱して軟化させ、所定の時間差を持って直後に第１のパワーを有する第１のパルスレーザービームで軟化した領域に改質層を形成する改質層形成ステップと、
   該改質層形成ステップ実施後、ウエーハに外力を付与して該改質層を分割起点にウエーハを該分割予定ラインに沿って分割する分割ステップと、を備えたことを特徴とするウエーハの加工方法。