JP7686413B2 - Method for improving edge quality of silicon wafers - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンウエハの表面の加工変質層である表面欠陥の修復に係り、特に、レーザ熱処理を用いてエッジ(外周部、ノッチ部、オリフラ部)の品質向上を行うシリコンウエハの品質向上方法に関する。 The present invention relates to the repair of surface defects, which are layers that have been altered by processing on the surface of a silicon wafer, and in particular to a method for improving the quality of silicon wafers by using laser heat treatment to improve the quality of the edges (periphery, notch, and orientation flat).
半導体デバイス等の作製に使用されるシリコンウエハ等の半導体ウエハは、切削・研削・ラッピング・ポッリシングなどの機械加工プロセスによって表面加工が行われている。この表面加工により、その表面及び内部は、加工変質層が形成され、一部の加工変質層には、マイクロクラック(微小亀裂)が含まれる。この内部クラック等の除去は、主にエッチングや化学機械研磨(CMP)等の化学的・機械的方法により行われている。 Semiconductor wafers such as silicon wafers used in the manufacture of semiconductor devices are surface-treated by mechanical processes such as cutting, grinding, lapping, and polishing. This surface treatment causes a process-induced deterioration layer to form on the surface and inside, and some of the process-induced deterioration layers contain microcracks. These internal cracks are mainly removed by chemical and mechanical methods such as etching and chemical mechanical polishing (CMP).
そして、レーザ照射を使用することで、シリコンウエハの酸素排除処理及び結晶性の向上が可能であることが知られ、例えば、特許文献1は、単結晶ウエハの表面の加工変質層である表面欠陥の修復方法において、単結晶表面にパルスレーザを照射することを記載している。 It is known that the use of laser irradiation can eliminate oxygen from silicon wafers and improve their crystallinity. For example, Patent Document 1 describes a method for repairing surface defects, which are layers that have been altered by processing on the surface of a single crystal wafer, in which a pulsed laser is irradiated onto the single crystal surface.
また、特許文献2は、面取り等の研削加工を行った後、シリコンウエハ表面の加工変質層の修復と粗さの平坦化を行うため、研削後の表面状態をレーザ照射前に調べ、それに応じた条件でレーザ照射を行うことを記載している。 Patent Document 2 also describes that after grinding such as chamfering, in order to repair the process-affected layer on the silicon wafer surface and smooth out the roughness, the surface condition after grinding is checked before laser irradiation, and the laser irradiation is performed under conditions appropriate to the surface condition.
上記従来技術において、特許文献1に記載のものは、レーザ照射による表面改質として単純な平面に対するものであり、複雑な形状や、研削後のさまざまな表面状態に応じた条件で照射するものではない。そのため、特許文献1に記載のものでは、シリコンウエハのエッジ(外周部、ノッチ部、オリフラ部)の品質向上、例えば、面取り工程のダメージで発生する大きい凹凸の除去を効果的に行うことは困難であった。 In the above-mentioned conventional technology, the one described in Patent Document 1 is a surface modification by laser irradiation for simple flat surfaces, and does not irradiate complex shapes or under conditions according to various surface conditions after grinding. Therefore, with the one described in Patent Document 1, it is difficult to effectively improve the quality of the edge (periphery, notch, and orientation flat) of a silicon wafer, for example, to remove large irregularities caused by damage during the chamfering process.
また、特許文献2に記載のものでは、研削加工による研削痕等のダメージの修復、平坦化処理を行うことが可能となる。しかし、特許文献2に記載のものは、研削後の表面状態に応じた条件でレーザ照射することに限界があり、照射条件や装置構成が複雑化するばかりでなく、内部クラック、表面粗度(特に、異方性により生じる粗さ)等に対する表面改質の品質向上に限界がある。
また、エッチング工程後にレーザ照射しただけでは、粗さは除去できても面取工程のダメージで発生した大きい凹凸、うねりを両立して除去することが困難である。
In addition, the technique described in Patent Document 2 makes it possible to repair damage such as grinding marks caused by grinding and perform flattening processing. However, the technique described in Patent Document 2 has limitations in terms of laser irradiation under conditions according to the surface state after grinding, which not only complicates the irradiation conditions and device configuration but also limits the quality improvement of surface modification for internal cracks, surface roughness (particularly roughness caused by anisotropy), etc.
Furthermore, even if the roughness can be removed by simply irradiating a laser after the etching process, it is difficult to simultaneously remove the large irregularities and undulations caused by the damage in the chamfering process.
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、レーザを用いた熱処理によるシリコンウエハの表面欠陥の修復に対して、照射する面の状態に係らず、粗さの除去とうねりの除去を両立することにある。そして、デバイスの高性能化と共に、後工程における歩留まりの改善、エッチング工程後に行われるエッジポリッシュ工程加工時間の低減、形状崩れを抑制する。 The object of the present invention is to solve the problems of the conventional technology and to achieve both removal of roughness and waviness when repairing surface defects on silicon wafers by heat treatment using a laser, regardless of the condition of the surface being irradiated. This leads to improved device performance, improved yield in subsequent processes, reduced processing time in the edge polishing process performed after the etching process, and suppressed deformation.
上記目的を達成するため、本発明は、レーザ熱処理を用いたシリコンウエハのエッジ品質向上方法であって、前記シリコンウエハの面取り工程後、その研削面にナノ秒パルスレーザを照射し、その後、前記シリコンウエハをエッチング処理し、前記エッチング処理後、再び前記研削面に前記ナノ秒パルスレーザを照射する。 To achieve the above object, the present invention provides a method for improving edge quality of a silicon wafer using laser heat treatment, in which after a chamfering process of the silicon wafer, the ground surface is irradiated with a nanosecond pulsed laser, the silicon wafer is then etched, and after the etching process, the ground surface is again irradiated with the nanosecond pulsed laser.
また、上記において、前記ナノ秒パルスレーザは、波長が355、532、785nmのいずれか一つを選択して照射することが望ましい。 In addition, in the above, it is preferable that the nanosecond pulse laser be selected to irradiate one of the wavelengths 355, 532, or 785 nm.
さらに、上記において、前記ナノ秒パルスレーザを照射する前にCWレーザ(連続レーザ)を照射することが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable to irradiate a CW laser (continuous wave laser) before irradiating the nanosecond pulse laser.
また、上記において、前記ナノ秒パルスレーザを照射する前にフェムト秒レーザを照射することが望ましい。 In the above, it is also desirable to irradiate the femtosecond laser before irradiating the nanosecond pulse laser.
さらに、上記において、前記フェムト秒レーザは、波長がλ=800nmとされることが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable that the wavelength of the femtosecond laser is λ=800 nm.
さらに、上記において、前記フェムト秒レーザは、シングルショットとされることが望ましい。 Furthermore, in the above, it is preferable that the femtosecond laser is a single shot laser.
さらに、上記において、前記ナノ秒パルスレーザは、前記シリコンウエハの表面形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射することが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable to irradiate the nanosecond pulsed laser by changing at least one of the incidence angle, energy density, scan pitch, and scan speed in response to the surface shape of the silicon wafer.
さらに、上記において、前記シリコンウエハの表面形状に対応して、前記入射角が10~15°以下になるように前記ナノ秒パルスレーザを照射することが望ましい。 Furthermore, in the above, it is desirable to irradiate the nanosecond pulse laser so that the angle of incidence is 10 to 15 degrees or less in accordance with the surface shape of the silicon wafer.
本発明によれば、シリコンウエハの面取り工程後、その研削面にナノ秒パルスレーザを照射し、その後、シリコンウエハをエッチング処理し、エッチング処理後、再びナノ秒パルスレーザを照射するので、シリコンウエハの表面の加工変質層である表面欠陥の修復に対して照射する面の状態に係らず、粗さの除去とうねりの除去を両立することができる。 According to the present invention, after the chamfering process of the silicon wafer, the ground surface is irradiated with a nanosecond pulsed laser, the silicon wafer is then etched, and after the etching process, the nanosecond pulsed laser is irradiated again. This makes it possible to simultaneously remove roughness and waviness, regardless of the state of the surface to be irradiated in order to repair surface defects, which are the processing-affected layers on the surface of the silicon wafer.
図1は、一実施形態によるエッジ品質向上方法を示すフローチャートであり、図2は、概略の工程図、図3はシリコンウエハ1の一部に設けられたノッチ部50の形状を示す平面図、図4は側面図を示している。まず、面取り工程(S1)として研削加工が行われる。シリコンウエハ1等の半導体ウエハは、研削加工を終えた状態で、特に、面取り工程後におけるノッチ部50の面取り斜面52を含む研削面は、細かい研削痕(擦過痕ないし条痕)が形成されており、それにより粗い表面状態となっている。また、研削痕はノッチ部50だけでなく、シリコンウエハ1の外周の端面54及び外周の面取り斜面52にも同様に形成されている。 Figure 1 is a flow chart showing an edge quality improvement method according to one embodiment, Figure 2 is a schematic process diagram, Figure 3 is a plan view showing the shape of a notch portion 50 provided in a part of a silicon wafer 1, and Figure 4 is a side view. First, a grinding process is performed as a chamfering process (S1). After the grinding process, a semiconductor wafer such as a silicon wafer 1 has fine grinding marks (scratches or streaks) formed on the ground surface including the chamfered slope 52 of the notch portion 50 after the chamfering process, resulting in a rough surface state. In addition, the grinding marks are formed not only on the notch portion 50 but also on the peripheral end face 54 and the peripheral chamfered slope 52 of the silicon wafer 1.
そして、研削加工によるダメージは、顕微鏡で観察できる表面だけではなく、表面から所定の深さの領域がアモルファス層や転位層に変化した加工変質層となって内部まで及んでいる。つまり、研削加工されたシリコンウエハ1の表面は、本来の単結晶層の表面領域は加工変質層となって、うねりや内部ダメージを有する粗い面となる。 The damage caused by the grinding process does not only occur on the surface, which can be observed under a microscope, but also extends to the inside, where an area from the surface to a certain depth becomes an amorphous layer or a dislocation layer, forming a process-affected layer. In other words, the surface of the ground silicon wafer 1 becomes a rough surface with undulations and internal damage, with the surface area of the original single crystal layer becoming a process-affected layer.
特に、ノッチ部50は、外周部53と比較して複雑な形状をしており、研削加工によって表面加工されている。その表面及び内部は、加工変質層が形成され、一部の加工変質層には、マイクロクラック(微小亀裂)が含まれる。通常、ノッチ部50の平面形状(図3)は、切欠きとして円弧状の底部51が形成され、約45°で外周部53へ向かう面取り斜面52、続いて丸味を持って外周部53へ繋がり、左右対称となる形状とされている。特に、底部51は、研削加工による加工負荷の影響が大きく、表面欠陥が多く含まれる。外周部53は、側面形状(図4)において、端面54に対して、丸味を持った斜面として面取り部56が設けられ、上面55へ繋がり、上下対象となっている。 In particular, the notch portion 50 has a complex shape compared to the outer peripheral portion 53, and is surface-processed by grinding. A process-degraded layer is formed on the surface and inside, and some of the process-degraded layers contain microcracks. Normally, the planar shape of the notch portion 50 (Fig. 3) has a circular arc-shaped bottom 51 formed as a notch, a chamfered slope 52 that faces the outer peripheral portion 53 at an angle of about 45°, and then a rounded connection to the outer peripheral portion 53, resulting in a shape that is symmetrical from left to right. In particular, the bottom portion 51 is greatly affected by the processing load due to the grinding process, and contains many surface defects. In the side shape (Fig. 4) of the outer peripheral portion 53, a chamfered portion 56 is provided as a rounded slope on the end face 54, which is connected to the top face 55, making it vertically symmetrical.
レーザ照射(S2)は、面取り工程後、その研削面であるシリコンウエハ1のエッジ部に行う。レーザ照射されたエッジ部は、表面領域が融解し、表面張力によって平坦面となると共に、その表面近傍領域は再び単結晶化して修復される。つまり、シリコンウエハ1の研削部分は、その加工部分の表面近傍層が機械加工によって結晶欠陥を生じ、アモルファス層や転位層のような加工変質層となっている。 After the chamfering process, laser irradiation (S2) is performed on the edge of the silicon wafer 1, which is the ground surface. The surface area of the edge irradiated with the laser melts and becomes flat due to surface tension, while the area near the surface is restored by single crystallization. In other words, the ground portion of the silicon wafer 1 has crystal defects in the layer near the surface of the processed portion due to the machining process, and has become a processing-induced layer such as an amorphous layer or a dislocation layer.
図5は、第1実施形態の装置構成を示すブロック図である。図5において、シリコンウエハ1は時計方向に回転している。第1実施形態は、レーザ照射(S2、S4)として、パルスレーザ発振器2からプリズム系20、集光光学系21を介してシリコンウエハ表面にナノ秒パルスレーザを照射する。シリコンウエハ1の面取り工程後は、加工変質層の表面改質及び平坦化するため、ノッチ部50及び外周部53、あるいはシリコンウエハ1の上下平面をパルスレーザ(ナノ秒)の照射によりレーザ熱処理が行われる。 Figure 5 is a block diagram showing the device configuration of the first embodiment. In Figure 5, the silicon wafer 1 is rotating clockwise. In the first embodiment, as the laser irradiation (S2, S4), a nanosecond pulsed laser is irradiated from a pulsed laser oscillator 2 to the silicon wafer surface via a prism system 20 and a focusing optical system 21. After the chamfering process of the silicon wafer 1, a laser heat treatment is performed by irradiating the notch portion 50 and the outer periphery 53, or the upper and lower flat surfaces of the silicon wafer 1 with a pulsed laser (nanosecond) in order to modify and flatten the surface of the processing-affected layer.
加工変質層部分のレーザ吸収率は、単結晶領域より著しく高いため、レーザ(ナノ秒パルスレーザー)の照射により加工変質層が溶融し、熱伝導によって溶融領域が拡大すると共に、溶融領域の表面は、表面張力で平坦化する。そこで、第1実施形態において、シリコンウエハ1の面取り工程後は、加工変質層の表面改質及び平坦化するため、ノッチ部50及び外周部53、あるいはシリコンウエハ1の上下平面をパルスレーザ(ナノ秒)を照射してレーザ熱処理を行う。 The laser absorption rate of the process-affected layer is significantly higher than that of the single crystal region, so the process-affected layer melts when irradiated with a laser (nanosecond pulsed laser), and the molten area expands due to thermal conduction, while the surface of the molten area is flattened by surface tension. Therefore, in the first embodiment, after the chamfering process of the silicon wafer 1, a pulsed laser (nanosecond) is irradiated to the notch portion 50 and the outer periphery 53, or the upper and lower flat surfaces of the silicon wafer 1, to modify and flatten the surface of the process-affected layer, to perform laser heat treatment.
パルスレーザ(ナノ秒)照射は、加工変質層のアモルファス層をナノ秒速で溶融する。そして、パルスレーザ(ナノ秒)照射による溶融は、結晶方位が揃った再結晶化(エピタキシャル成長)を進展させ、機械加工で生じた結晶欠陥を無くすことができる。また、アモルファスシリコン層は、波長532nmの光に強い吸収がある。 Pulsed laser (nanosecond) irradiation melts the amorphous layer that has been altered by machining at nanosecond speeds. Furthermore, melting caused by pulsed laser (nanosecond) irradiation promotes recrystallization (epitaxial growth) with aligned crystal orientation, eliminating crystal defects caused by mechanical processing. In addition, amorphous silicon layers have strong absorption of light with a wavelength of 532 nm.
そこで、パルスレーザ条件は、波長が532nmで、パルス照射時間が3ナノ秒から4ナノ秒の範囲内が良い。そして、パルス幅1パルス当たりのエネルギは、0.5μジュールから30μジュール、エネルギ密度が0.125J/cm2から7.5J/cm2であることが良いとされている。 Therefore, it is considered that the pulse laser conditions are preferably such that the wavelength is 532 nm, the pulse irradiation time is within the range of 3 nanoseconds to 4 nanoseconds, the pulse width is preferably such that the energy per pulse is 0.5 μJ to 30 μJ, and the energy density is preferably such that the energy density is 0.125 J/ cm2 to 7.5 J/ cm2 .
レーザ照射を停止すると、単結晶領域を種(seed)として液相エピタキシャル結晶が成長し、これにより、研削加工の際に生じた結晶の格子欠陥はなくなり、レーザ照射を受けた部分は元の単結晶に修復される。 When the laser irradiation is stopped, liquid phase epitaxial crystals grow using the single crystal region as a seed, eliminating the crystal lattice defects that occurred during the grinding process and restoring the laser-irradiated area to its original single crystal state.
ただし、物体への入射光(放射束)は、巨視的に捉えた「反射」、「吸収」、「透過」という三つの行先に分かれ、入射角によって変化する。そして、シリコンウエハ1の表面溶融は、反射を少なくして吸収率が高いほど加工に貢献する。 However, the light (radiant flux) incident on an object is divided into three destinations macroscopically: "reflection," "absorption," and "transmission," and these destinations change depending on the angle of incidence. The less reflection there is and the higher the absorption rate, the more the surface melting of the silicon wafer 1 contributes to processing.
したがって、ノッチ部50のように複雑な形状の場合は、その表面形状に対応して、パルスレーザ条件として、少なくとも入射角、エネルギ密度、単位面積当たりの照射回数(スキャンピッチ、走査速度)のいずれか一つを変化させることが望ましい。特に、ナノ秒パルスレーザは、前記シリコンウエハの表面形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射することが良い。 Therefore, in the case of a complex shape such as the notch portion 50, it is desirable to change at least one of the pulse laser conditions, the angle of incidence, the energy density, and the number of irradiations per unit area (scan pitch, scan speed), in accordance with the surface shape. In particular, it is desirable to irradiate the nanosecond pulse laser by changing at least one of the angle of incidence, energy density, scan pitch, and scan speed in accordance with the surface shape of the silicon wafer.
また、加工変質層の修復は、境界面に対して鉛直線とパルスレーザ照射方向のなす角度である入射角を小さくすれば、材料に有効にエネルギが供給できる。ただし、入射角が10~15°以下は、実質的な差は小さい。 In addition, to repair a processed and altered layer, energy can be effectively supplied to the material by reducing the angle of incidence, which is the angle between the vertical line and the direction of the pulsed laser irradiation relative to the boundary surface. However, there is little practical difference when the angle of incidence is 10 to 15 degrees or less.
入射角は、照射方向が入射面に対して鉛直線と照射方向のなす角度である。したがって、図3、4において、矢印方向からパルスレーザを照射した場合、(1)は、入射角が10~15°以下となる領域であり、(2)は入射角が10~15°以上となる領域である。そこで、レーザ照射は、シリコンウエハ1の表面形状である領域(1)、領域(2)に対応してシリコンウエハ1の表面、照射面にパルスレーザの入射角が垂直になるように連続的に変化させることが好ましい。 The angle of incidence is the angle between the vertical line and the irradiation direction relative to the incident surface. Therefore, in Figures 3 and 4, when a pulsed laser is irradiated from the direction of the arrow, (1) is the region where the angle of incidence is 10 to 15° or less, and (2) is the region where the angle of incidence is 10 to 15° or more. Therefore, it is preferable to continuously change the laser irradiation so that the angle of incidence of the pulsed laser is perpendicular to the surface and irradiation surface of silicon wafer 1 in accordance with regions (1) and (2), which are the surface shape of silicon wafer 1.
面取り工程(S1)、レーザ照射(S2)により、研削加工による研削痕等のダメージの修復、平坦化処理が行われる。そして、うねりや粗さ、内部ダメージを可能な限り除去する。しかし、研削後の表面状態に応じた条件でレーザ照射することは、限界がある。したがって、面取り工程(S1)後、レーザ照射(S2)するだけでは、異方性が強くなり、表面粗度(特に、異方性により生じる粗さ)等に対する表面改質の品質向上に限界がある。 The chamfering process (S1) and laser irradiation (S2) repair damage such as grinding marks caused by the grinding process and perform flattening processing. Waviness, roughness, and internal damage are then removed as much as possible. However, there are limitations to the laser irradiation conditions that correspond to the surface state after grinding. Therefore, simply irradiating the laser (S2) after the chamfering process (S1) will result in strong anisotropy, and there are limitations to the quality improvement of the surface modification for surface roughness (especially roughness caused by anisotropy), etc.
そこで、面取り工程(S1)、レーザ照射(S2)に続いて、エッチング処理(S3)を行う。通常、シリコンウエハ1のエッチング処理は、表面変質層のうち、最も表面に近い破砕層を除去する。エッチング処理を施した表面は、表面近傍がSiO2(ケイ素の酸化膜)で構成されており、この加工変質層は極めて薄いものであるが、機械的・電気的・光学的性能に大きな影響を及ぼす。例えば、MOSデバイスの微細化・高集積化は、ゲート酸化膜の薄膜化として進展し、その膜厚は2nm以下にまで到達している。 Therefore, following the chamfering step (S1) and laser irradiation (S2), an etching process (S3) is performed. Usually, the etching process of the silicon wafer 1 removes the fractured layer closest to the surface among the surface-degraded layers. The surface that has been subjected to the etching process is composed of SiO 2 (a silicon oxide film) near the surface, and although this process-degraded layer is extremely thin, it has a significant effect on the mechanical, electrical, and optical performance. For example, the miniaturization and high integration of MOS devices progresses as the gate oxide film becomes thinner, and the film thickness has reached 2 nm or less.
さらに、エッチング処理(S3)の後に、再びレーザ照射(S4)を行う。レーザ照射(S4)は、レーザ熱処理として、波長が355、532、785nmのナノ秒パルスレーザを選択して照射し、溶融させエピタキシャル成長させて結晶方位が揃った単結晶とする。そして、面取り工程(S1)、レーザ照射(S2)に続いて、エッチング処理(S3)を行い、その後に、再びレーザ照射(S4)を行うことで、粗さの除去とうねりの除去を両立することができる。 After the etching process (S3), laser irradiation (S4) is performed again. The laser irradiation (S4) is a laser heat treatment in which a nanosecond pulse laser with wavelengths of 355, 532, or 785 nm is selected and irradiated to melt and epitaxially grow the material into a single crystal with a uniform crystal orientation. Then, following the chamfering process (S1) and laser irradiation (S2), an etching process (S3) is performed, and then laser irradiation (S4) is performed again, thereby making it possible to simultaneously remove both roughness and waviness.
図6は、第2実施形態の装置構成を示すブロック図である。第1実施形態との違いは、ナノ秒パルスレーザを照射する前にSiO2対して吸収率が高い波長である1080nmのCWレーザ(連続レーザ)を照射する点にある。図6において、シリコンウエハ1は時計方向に回転している。そして、CWレーザ発振器5は、波長λ=1080nmであり、プリズム系10、集光光学系11を介してシリコンウエハ1の表面a点を加熱する。パルスレーザ発振器2は、波長λ=355、532、785nmのいずれか、例えば、波長λ=532nmとされる。 Fig. 6 is a block diagram showing the device configuration of the second embodiment. The difference from the first embodiment is that a CW laser (continuous laser) of 1080 nm, which has a high absorption rate for SiO2 , is irradiated before the nanosecond pulse laser is irradiated. In Fig. 6, the silicon wafer 1 rotates clockwise. The CW laser oscillator 5 has a wavelength λ = 1080 nm, and heats the surface point a of the silicon wafer 1 via the prism system 10 and the focusing optical system 11. The pulse laser oscillator 2 has a wavelength λ = 355, 532, or 785 nm, for example, a wavelength λ = 532 nm.
パルスレーザ発振器2は、プリズム系20、集光光学系21を介してb点にナノ秒パルスレーザを照射する。シリコンウエハ1の回転方向が時計方向であれば、シリコンウエハ1の外周表面は、a点で加熱され、その後、b点でc-Si(炭化ケイ素)が溶融して固化される。そして、第2実施形態は、照射された部分を熱し、下層のc-Si(炭化ケイ素)部分に伝熱させる。 The pulsed laser oscillator 2 irradiates point b with a nanosecond pulsed laser via a prism system 20 and a focusing optical system 21. If the rotation direction of the silicon wafer 1 is clockwise, the outer peripheral surface of the silicon wafer 1 is heated at point a, and then the c-Si (silicon carbide) melts and solidifies at point b. In the second embodiment, the irradiated portion is heated and the heat is transferred to the underlying c-Si (silicon carbide) portion.
その後、c-Siに対して、吸収率が高い波長である355、532、785nmのナノ秒パルスレーザのいずれか一つを選択してエッチング後の表面形状(粗さ)に応じて照射する。ナノ秒パルスレーザの照射は、表面のSiO2を加熱し、伝熱によりc-Siも加熱する。そして、c-Siは、溶融固化され、平坦化が促進される。 Then, the c-Si is irradiated with a nanosecond pulsed laser of 355, 532, or 785 nm, which is a wavelength with a high absorption rate, depending on the surface shape (roughness) after etching. The irradiation with the nanosecond pulsed laser heats the SiO2 on the surface, and the c-Si is also heated by heat transfer. The c-Si is then melted and solidified, promoting planarization.
パルスレーザ条件は、波長が532nmで、パルス照射時間が3ナノ秒から4ナノ秒の範囲内が良い。そして、パルス幅1パルス当たりのエネルギは、0.5μジュールから30μジュール、エネルギ密度が0.125J/cm2から7.5J/cm2であることが良い。 The pulse laser conditions are preferably such that the wavelength is 532 nm, the pulse irradiation time is within the range of 3 nanoseconds to 4 nanoseconds, the pulse width is preferably such that the energy per pulse is 0.5 μJ to 30 μJ, and the energy density is preferably such that the energy density is 0.125 J/cm 2 to 7.5 J/cm 2 .
図7は、第3実施形態の装置構成を示すブロック図である。第2実施形態との違いは、のCWレーザ(連続レーザ)の照射に代えてフェムト秒レーザで照射する点にある。図7において、フェムト秒レーザ発振器3は、波長λ=800nmであり、プリズム系30、集光光学系31を介してシリコンウエハ1の表面a点に照射される。照射されるフェムト秒レーザは、シングルショットとして、c-Si(炭化ケイ素)層の加工閾値以下の低強度とする。 Figure 7 is a block diagram showing the device configuration of the third embodiment. The difference from the second embodiment is that a femtosecond laser is used instead of a CW laser (continuous wave laser). In Figure 7, the femtosecond laser oscillator 3 has a wavelength λ = 800 nm, and is irradiated to point a on the surface of the silicon wafer 1 via a prism system 30 and a focusing optical system 31. The irradiated femtosecond laser is a single shot with a low intensity below the processing threshold of the c-Si (silicon carbide) layer.
また、プリズム系30は、走査方向に偏向が平行となるようにλ/2波長板等の偏光子も使用される。シリコンウエハ1の表面a点は、通常の吸収特性とは異なる特殊な吸収が起こり、a-Si(アモルファスシリコン)化される。 The prism system 30 also uses a polarizer such as a λ/2 wave plate so that the polarization is parallel to the scanning direction. Point a on the surface of the silicon wafer 1 experiences special absorption that differs from normal absorption characteristics, and is converted into a-Si (amorphous silicon).
パルスレーザ発振器4は、プリズム系40、集光光学系41を介してb点にナノ秒パルスレーザを照射する。ナノ秒パルスレーザは、波長λ=355、532、785nmのいずれか、例えば、波長λ=532nmとされる。シリコンウエハ1の回転方向が時計方向であれば、シリコンウエハ1の外周表面は、a点でa-Si(アモルファスシリコン)化され、b点で溶融してエピタキシャル成長し、固化される。 The pulsed laser oscillator 4 irradiates point b with a nanosecond pulsed laser via a prism system 40 and a focusing optical system 41. The nanosecond pulsed laser has a wavelength λ of 355, 532, or 785 nm, for example, λ = 532 nm. If the rotation direction of the silicon wafer 1 is clockwise, the outer peripheral surface of the silicon wafer 1 is turned into a-Si (amorphous silicon) at point a, and melts and epitaxially grows at point b, then solidifies.
フェムト秒レーザは、時間単位を「フェムト」(千兆分の一)単位で扱い、数フェムト秒から数百フェムト秒の間だけ発光する光レーザである。そして、a-Si(アモルファスシリコン)化部分に、a-Si(アモルファスシリコン)に対して吸収率の高い波長である355、532、785nmのパルスレーザを選択して照射し、溶融させエピタキシャル成長させて結晶方位が揃った単結晶とする。 A femtosecond laser is an optical laser that measures time in "femto" (one quadrillionth) units and emits light for only a few to a few hundred femtoseconds. The a-Si (amorphous silicon) part is then irradiated with a pulsed laser of wavelengths of 355, 532, or 785 nm, which have a high absorption rate for a-Si (amorphous silicon), to melt it and cause epitaxial growth to produce a single crystal with a uniform crystal orientation.
照射するフェムト秒レーザは、波長がλ=800nmのシングルショットとして、c-Si(炭化ケイ素)層の加工閾値以下の低強度とする。フェムト秒レーザのフルーエンス(単位面積当たりのエネルギ)は、シリコンウエハ1の表面にアブレーションが発生するフルーエンスよりも低くする。 The femtosecond laser used for irradiation is a single shot with a wavelength λ = 800 nm, and has a low intensity below the processing threshold of the c-Si (silicon carbide) layer. The fluence (energy per unit area) of the femtosecond laser is set lower than the fluence at which ablation occurs on the surface of the silicon wafer 1.
c-Si(炭化ケイ素)層は、固有の加工閾値があり、パルス幅が十分に短いフェムト秒であれば、通常の吸収特性とは異なる特殊な吸収が起こり、シリコンウエハ1の外周表面は、a-Si(アモルファスシリコン)化される。 The c-Si (silicon carbide) layer has a unique processing threshold, and if the pulse width is sufficiently short, such as femtoseconds, special absorption that differs from normal absorption characteristics occurs, and the outer peripheral surface of the silicon wafer 1 is converted to a-Si (amorphous silicon).
なお、通常、アブレーションが起こるレーザーフルーエンスのフェムト秒レーザ照射は、レーザ光の偏光と垂直方向にナノ周期構造が自己組織的に形成される。また、ナノ周期構造の周期は、入射レーザのフルーエンス、波長、入射パルス数によって変化する。一方、アブレーション閾値よりも低いフルーエンスのフェムト秒レーザ照射は、上記とは異なる機構で縞状のナノ構造が形成されることが知られている。 In addition, when femtosecond laser irradiation is performed with a laser fluence sufficient to cause ablation, nano-periodic structures are formed in a self-organized manner in a direction perpendicular to the polarization of the laser light. The period of the nano-periodic structure varies depending on the fluence, wavelength, and number of incident pulses of the incident laser. On the other hand, it is known that when femtosecond laser irradiation is performed with a fluence lower than the ablation threshold, striped nanostructures are formed by a mechanism different from that described above.
ナノ秒パルスレーザ照射は、a-Si(アモルファスシリコン)化されたc-Siを溶融固化し、平坦化を促進する。パルスレーザ条件は、第1実施形態、第2実施形態と同様であり、波長が532nmで、パルス照射時間が3ナノ秒から4ナノ秒の範囲内が良い。 Nanosecond pulsed laser irradiation melts and solidifies the c-Si that has been converted to a-Si (amorphous silicon), promoting flattening. The pulsed laser conditions are the same as those in the first and second embodiments, with a wavelength of 532 nm and a pulse irradiation time in the range of 3 to 4 nanoseconds.
なお、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態は、ナノ秒パルスレーザを照射することで共通する。特に、ナノ秒パルスレーザは、波長が355、532、785nmのいずれか一つを選択して照射することが特徴である。 The first, second, and third embodiments have in common that they irradiate a nanosecond pulsed laser. In particular, the nanosecond pulsed laser is characterized by being irradiated with a wavelength of 355, 532, or 785 nm.
第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態のいずれにおいても、ノッチ部50のように表面形状が複雑な場合、ナノ秒パルスレーザは、表面形状に対応して、少なくとも入射角、エネルギ密度、スキャンピッチ、走査速度のいずれか一つを変化させて照射されることが望ましい。これにより、デバイスの微細化・高集積化が進展しても、最終製品である性能を損なうことがない。 In any of the first, second and third embodiments, when the surface shape is complex, such as the notch portion 50, it is desirable to irradiate the nanosecond pulse laser by changing at least one of the incidence angle, energy density, scan pitch and scan speed in accordance with the surface shape. This ensures that the performance of the final product is not impaired even if the miniaturization and high integration of devices progresses.
ナノ秒パルスレーザは、照射方向が可変できるスキャニング光学系として構成することが容易である。したがって、ナノ秒パルスレーザは、スキャニング光学系とし、表面形状に対応して入射角が略垂直となるように照射することが、材料に有効にエネルギが供給できる点で好ましい。 Nanosecond pulsed lasers can be easily configured as scanning optical systems that can change the direction of irradiation. Therefore, it is preferable to configure a nanosecond pulsed laser as a scanning optical system and irradiate the material with an incident angle that is approximately perpendicular to the surface shape, as this allows energy to be supplied to the material effectively.
ただし、入射角が10~15°以下は、実質的な差は小さく、入射角が10~15°以下になるようにすれば良い。したがって、構成の容易さからは、ナノ秒パルスレーザをスキャニング光学系とし、表面形状に対応して略垂直、具体的には入射角が10~15°以下となるように照射することが好ましい。 However, when the angle of incidence is 10 to 15 degrees or less, the substantial difference is small, and it is sufficient to ensure that the angle of incidence is 10 to 15 degrees or less. Therefore, from the perspective of ease of configuration, it is preferable to use a nanosecond pulse laser as a scanning optical system and irradiate the surface approximately perpendicularly in accordance with the surface shape, specifically at an angle of incidence of 10 to 15 degrees or less.
また、フェムト秒レーザの照射の場合は、アモルファス化する目的で偏光子を使用するので、照射方向を一定にし、表面形状に対応した入射角の変化に合わせて、偏光子によってs偏光、p偏光の成分を調整しても良い。 In addition, when irradiating with a femtosecond laser, a polarizer is used for the purpose of amorphization, so the irradiation direction can be kept constant and the polarizer can be used to adjust the s-polarized and p-polarized components in accordance with changes in the angle of incidence corresponding to the surface shape.
なお、シリコンウエハ1の回転方向は時計方向である場合について説明したが、シリコンウエハ1の回転方向は反時計方向でも良い。この場合、第2実施形態、第3実施形態における装置構成を示すブロック図である図5、図6において、パルスレーザ発振器2及び4の照射位置であるb点はCWレーザ発振器5及びフェムト秒レーザ発振器3の照射位置であるa点を挟んで逆の配置となる。 Although the case where the rotation direction of the silicon wafer 1 is clockwise has been described, the rotation direction of the silicon wafer 1 may be counterclockwise. In this case, in FIG. 5 and FIG. 6, which are block diagrams showing the device configurations in the second and third embodiments, point b, which is the irradiation position of the pulse laser oscillators 2 and 4, is arranged in the opposite direction with respect to point a, which is the irradiation position of the CW laser oscillator 5 and the femtosecond laser oscillator 3.
1…シリコンウエハ
50…ノッチ部
51…底部
52…面取り斜面
53…外周部
54…端面
55…上面
56…面取り部
2、4…パルスレーザ発振器(ナノ秒パルスレーザ)
5…CWレーザ発振器
3…フェムト秒レーザ発振器(フェムト秒レーザ)
10、20、30、40…プリズム系
11、21、31、41…集光光学系
1...silicon wafer 50...notch portion 51...bottom portion 52...beveled slope 53...periphery 54...end surface 55...upper surface 56...beveled portion 2, 4...pulse laser oscillator (nanosecond pulse laser)
5...CW laser oscillator 3...Femtosecond laser oscillator (femtosecond laser)
10, 20, 30, 40... prism system 11, 21, 31, 41... focusing optical system
Claims (8)
前記シリコンウエハを研削加工する面取り工程後、前記研削加工により形成された研削面にナノ秒パルスレーザを照射し、
その後、前記シリコンウエハをエッチング処理し、
前記エッチング処理後、再び前記研削面に前記ナノ秒パルスレーザを照射することを特徴とするシリコンウエハのエッジ品質向上方法。 1. A method for improving edge quality of a silicon wafer using laser heat treatment, comprising:
After a chamfering process of grinding the silicon wafer, a nanosecond pulse laser is irradiated onto the ground surface formed by the grinding process ;
Thereafter, the silicon wafer is etched,
A method for improving edge quality of a silicon wafer, comprising irradiating the ground surface with the nanosecond pulse laser again after the etching process.
The method for improving edge quality of a silicon wafer according to claim 7, wherein the nanosecond pulse laser is irradiated so that the incident angle is 10 to 15 degrees or less in accordance with the surface shape of the silicon wafer.
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