DE19730028C2

DE19730028C2 - Verfahren zum Trennen und Bearbeiten von auf einem Halbleitersubstrat im Verband hergestellten Halbleiterchips aus A III - B V- Verbindungshalbleitern unter Verwendung eines Excimer-Lasers

Info

Publication number: DE19730028C2
Application number: DE19730028A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hanke; Wolf-Dieter Nohr; Ji-Ping Yang
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: DE19730028A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen und Bearbeiten von auf einem Halbleitersubstrat im Verband hergestellten Halbleiterchips aus AIII-BV- Verbindungshalbleitern unter Verwendung eines Excimer- Lasers, entsprechend Druckschrift US 5 214 261 A.

Zur Vereinzelung von Halbleitern aus dem Chipverband wie auch allgemein zur Trennung von Halbleitersubstraten sind die Methoden a) Ritzen und Brechen und b) Trennen durch Materialabtrag bekannt (siehe hierzu E. Schoppnies, " Halbleiterelektronik "; Leipzig 1988; S. 362 f). Das Ritzen kann z. B. mittels eines Diamanten oder auch mittels eines Lasers ausgeführt werden; anschließend erfolgt das Brechen des Halbleitersubstrates. Als Trennmethoden sind Sägen, Ultraschalltrennen und auch Ätzen bekannt (siehe z. B. für das Vereinzeln von Beam-Lead Bauelementen: H. Reichl, "Hybrid-Integration", Dr. A. Hüthig Verlag, Heidelberg 1988, S. 218).

Für die Übertragung extrem hoher Frequenzen (≧ 20 GHz) und Bitraten (≧ 20 Gbit/s) ist die Chipmontage nach der CIB-Technologie (Chip-in-Board) vorteilhaft, da sie kurze Kontaktübergänge von einer hybriden Höchstfrequenzschaltung zu einem in dieser eingebetteten Höchstfrequenzchip ermöglicht. Dabei ist es wichtig, den Halbleiterchip (HL-Chip) paßgenau und bündig in eine entsprechende Substrataussparung der Höchstfrequenzschaltung einzusetzen, wobei die Spalten zwischen Substrat und Halbleiterchip wie auch die Abstände der Bondpads des HL-Chips von den Kontakten der Hybridschaltung möglichst gering sein sollen.

Dies ist bei Anwendung o. g. herkömmlicher Trennverfahren im allgemeinen nicht möglich. Ritzen und Brechen führt zu unsauberen und ungenauen Chipkanten und ist daher für die genannte, höchstfrequenzgeeignete Chip-in-Board-Technologie nur bedingt anwendbar. Außerdem bleibt nach dem Ritz- und Brechvorgang ein Rand um den Chip bestehen, was für den späteren hybriden Einbau des jeweiligen HL-Chips größere Kontaktlängen erfordert. Auch das Trennen durch Sägen, Ultraschall oder Ätzen ist mit Nachteilen verbunden, die allen auf Materialabtrag beruhenden Methoden eigen sind. Insbesondere bei den mechanisch sehr empfindlichen AIII-BV Halbleitermaterialien lassen sich nur sehr schwer saubere und genaue Kanten herstellen. Eine Nachbearbeitung der Kanten ist an einem kleinen Chipverband oder gar an einem Einzelchip darüberhinaus nahezu unmöglich.

In der US 5 214 261 A wird ein Verfahren beschrieben, das mit einem gepulsten Excimer-Laser, der im Wellenlängenbereich von 308 nm arbeitet, zum Trennen und Bearbeiten von Chips, insbesondere zum Vereinzeln von Halbleitersubstraten dient. Die im US-Patent 5 214 261 A angegebenen Laserparameter sind für einen kurzen Initialschnitt zum Trennen von Chips auf einem Halbleitersubstrat ungeeignet. Es wird lediglich eine Schnittverbesserung auf der gesamten Schnittlänge beschrieben, indem ein bestimmter Schnittwinkel eingestellt wird.

In der DE 37 05 500 A1 wird die Anwendung eines länglichen Laserbrennflecks bei einem gepulsten Laser beschrieben, um den Schnitt zu verbessern. Die Anwendung erfolgt bei Solarzellen und auf keinen Fall bei AIII-BV-Halbleitern. Es werden lediglich selektiv Schichten durchgeschnitten.

In der EP 0 818 818 A1 wird ein Verfahren zum Zerschneiden von Wafern beschrieben, wobei erst ein Laserschnitt in die oberen Schichten gebracht wird und dann das Halbleitermaterial anschließend durchgesägt wird.

In der DE 38 35 794 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Keramikfolie bzw. eines aus Folien aufgebauten Keramikkörpers mit inneren Hohlräumen beschrieben, das nicht zur Trennung von Halbleitersubstraten geeignet ist.

In der US 5 661 744 A wird ein Laserbearbeitungsapparat beschrieben, der jedoch nicht zur Lösung der nachfolgenden Aufgabe geeignet ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bearbeitung von Halbleiterchips, insbesondere solchen aus AIII-BV-Verbindungshalbleitermaterial anzugeben, das einerseits ein kantengenaues Trennen von im Verband hergestellten Chips gestattet und eine Nachbearbeitung der Schnittkanten derart getrennter Chips überflüssig macht, und andererseits eine Nachbearbeitung ungenauer Kanten an Einzelchips zum Zwecke der Erhöhung der Kantengenauigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 charakterisiert.

Mit dem Verfahren nach her Erfindung lassen sich z. B. AIII-BV Verbindungshalbleiterchips, z. B. solche aus GaAs, nahezu ohne Materialabtrag und mit höchster Kantengenauigkeit voneinander trennen oder im Bereich der Kanten bearbeiten. Dies gilt für größere Chipverbände wie auch für Einzelchips. Dabei besteht ein zusätzlicher Vorteil darin, daß zwischen den Bondpads benachbarter Halbleiterchips nur ein geringer Schneidabstand vorgesehen werden muß, somit eine optimale Nutzung der verfügbaren Substratfläche gegeben ist.

Der bei dem Verfahren nach der Erfindung vorgesehene Initialschnitt wird durch schrittweises Verlagern der nahezu punktförmigen Auftrefffläche des Laserstrahls entlang der Trennlinie erzeugt. Durch entsprechende Einstellung der Schrittweite und der Verlagerungsgeschwindigkeit (Vorschub) und durch geeignete Wahl der Lasereinstellungen können dabei Tiefe und Struktur des Initialschnitts an das zu bearbeitende Halbleitermaterial angepaßt und somit optimiert werden.

Die Kennzeichen der Patentansprüche 2 und 3 betreffen die geometrische Gestaltung eines GaAs-Halbleitersubstrates führenden Initialschnittes. Dabei ist in Patentanspruch 2 die auf die Dicke des Substrates bezogene, geeignete Tiefe des Initialschnittes angegeben. Patentanspruch 3 trägt der Tatsache Rechnung, dass auch die Länge eines derartigen Initialschnittes für das Zustandekommen der gewünschten Spaltung maßgebend ist.

Patentanspruch 4 charakterisiert die Anbringung des Initialschnittes auf der Rückseite des Substrates. Dies läßt die Substratvorderseite ungestört und erlaubt, diese vollständig für die Anlage von Schaltelementen oder Kontakten zu nutzen. Diese Methode eignet sich insbesondere auch für die Einzelchip-Bearbeitung.

Patentanspruch 5 gibt einen geeigneten Lasertyp und Werte für Lasereinstellungen und Zielpunktabstand an, die sich, insbesondere für die Bearbeitung von GaAs-Substraten, als geeignet erwiesen haben.

Nachfolgend wird anhand zweier Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingehend beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Excimer-Laseranordnung zur Bearbeitung eines Einzelchips oder eines mehrere Einzelchips im Verband enthaltenden Substrates.

Fig. 2 in Seitenansicht und in Draufsicht die Schnittführung des Excimer-Lasers bei Abtrennung eines Einzelchips von einem Chipverband.

In Fig. 1 ist mit 1 ein AIII-BV Halbleiterchip bezeichnet, der insbesondere aus GaAs besteht und in einer die gesamte Anordnung einschließenden Vakuumkammer 2, auf einem X-Y-Z- Tisch 3 befestigt ist und der mittels eines Femtosekunden-(fs)-Excimer-Lasers 4 bearbeitet wird. Der Laserstrahl ist dabei durch eine Maske 5 randbegrenzt und mit Hilfe einer Linse 6 auf einen gewünschten, in der Bearbeitungsebene wirksamen Durchmesser abgebildet. Der zu bearbeitende Chip 1 ist vorzugsweise mit der Rückseite zum Excimer-Laser 4 hin orientiert. Der Excimer-Laser gibt UV-Lichtpulse mit einer Pulsdauer von ca. 100 fs und einer Wellenlänge von 248 nm ab. Die Lichtintensität in der Bearbeitungsebene, d. h. auf der Rückseite des Chips 1, beträgt dabei zwischen 5.10¹³ und 2.10¹⁴ W/cm². Bei der Bearbeitung entstehende Abprodukte werden von der Vakuumanlage abgesaugt und damit Verunreinigungen des Chips vermieden.

Eine zur Erzeugung eines Initialschnittes erforderliche Relativbewegung des Laserstrahles gegenüber dem zu bearbeitenden Chip wird hier zweckmäßig durch schrittweises Verstellen des X-Y-Z-Tisches durch eine geeignete, in der Figur nicht dargestellte Steuerung sichergestellt, während Laser und Abbildungssystem fest eingestellt bleiben.

Fig. 2 zeigt den Bearbeitungsvorgang am Beispiel der Trennung eines Einzelchips 10, beispielsweise eines GaAs-Chips einer Dicke von a = 0,5 mm von einem größeren, einen Chipverband 11 tragenden Halbleitersubstrat. Die Breite d des Chips, die hier der Trennlänge entspricht, beträgt z. B. 1,56 mm.

Der Trennvorgang wird durch die Bewegung der nahezu punktförmigen Auftrefffläche des Laserstrahls über die Substratoberfläche hinweg, entlang einer gewünschten Trennlinie 8, beginnend am Rand des Chips, ausgeführt durch die Bewegung des X-Y-Z-Tisches 3 (Fig. 1), eingeleitet. Diese Trennlinie 8 hat die Richtung einer Spaltebene (110) des GaAs- Substrats, zu der die Chips (z. B. Chip 10) mit ihren Pads orthogonal bzw. parallel ausgerichtet sind. Durch den Laser werden entlang der Trennlinie 8 eine Reihe dicht aufeinanderfolgender Zielpunkte nacheinander mit energiereichem UV-Licht bestrahlt. Auf jeden Zielpunkt werden ca. 120 Pulse vorgegebener Dauer bei einer Folgefrequenz von 5 Hz eingestrahlt. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Zielpunkten beträgt jeweils 40 µm und ist damit so klein, daß durch die Bestrahlung um die Zielpunkte herum entstehende Vertiefungen einander überlappen oder zumindest aneinandergrenzen. Dabei entsteht ein Initialschnitt 7 der Tiefe b.

Nachdem dieser Schnitt eine Länge c erreicht hat, kommt es ohne zusätzliche mechanische Einwirkung zum Spaltvorgang entlang der Trennlinie 8 und der sie enthaltenden Spaltebene. Die außerhalb des Bereichs des Initialschnittes entstehende Chipkante ist sehr genau und steil. Dies gilt sowohl für die bearbeitete Rückseite des Chips wie auch für die unbearbeitete Vorderseite, auf der sich die durch die Trennung geschaffene Kante über die ganze Chipbreite d erstreckt. Ein Verhältnis von Chipdicke a zu Initialschnitt-Tiefe b von a/b = 5/3 und ein Verhältnis von Chipbreite d zur Laserschnitt-Länge c von d/c = 5 wurde für ein GaAs-Substrat der oben angegebenen Dicke von 0,5 mm als optimal ermittelt. Es sind jedoch auch von diesen ermittelten Optimalwerten abweichende Bemessungen möglich.

Bezugszeichenliste

1

AIII-BV-Halbleiterchip

2

Vakuumkammer

3

X-Y-Z-Tisch

4

Excimer-Laser

5

Maske

6

Linse

7

Initialschnitt

8

Trennlinie

10

Einzelchip

11

Chipverband
a Chipdicke
b Initialschnittiefe
c Initialschnittlänge
d Chipbreite

Claims

1. Verfahren zum kantengenauen Trennen und Bearbeiten von auf einem Halbleitersubstrat (11) im Verband hergestellten Halbleiterchips (1, 10) aus AIII-BV- Verbindungshalbleitern unter Verwendung eines Excimer- Lasers (4), dadurch gekennzeichnet,
dass der Excimer-Laser im Bereich von ≦ 100 fs Pulsdauer und ≦ 250 nm Wellenlänge arbeitet,
dass ein im Verhältnis zur Gesamtlänge der Trennlinie (8) kurzer Initialschnitt (7) an einer Substratkante durch Verlagern der Auftrefffläche des Laserstrahles, ausgerichtet in Trennlinienrichtung einer zu bearbeitenden Substratoberfläche entlang der gewünschten, in einer Spaltebene, die einer Kristallisierungsrichtung des Halbleitersubstrates (11) entspricht, gelegenen Trennlinie (8) als Auskerbung derart erzeugt wird, dass es zu einem selbsttätigen Spaltvorgang und damit zum Trennen der Halbleiterchips (1, 10) in der Trennlinienrichtung führt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bearbeitung von GaAs-Substraten/Laser- Bearbeitungsparameter wie Pulszahl, Folgefrequenz, Abstand der Zielpunkte voneinander, Strahlungsintensität und Einwirkzeit des Excimer- Lasers (4) zur Erzeugung des Initialschnittes (7) so gewählt werden, dass das Verhältnis der Tiefe (b) des Initialschnitts (7) zur Dicke (a) des Halbleitersubstrates (11) etwa 3/5 beträgt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bearbeitung von GaAs-Substraten die Laser- Bearbeitungsparameter zur Erzeugung des Initialschnittes und damit dessen Tiefe (b) so gewählt werden, dass es zur Spaltung des Halbleitersubstrates (11) entlang der Trennlinie (8) kommt, wenn der Initialschnitt eine Länge (c) im Bereich von einem 1/5 der Länge (d) der Trennlinie (8) erreicht hat.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Initialschnitt auf der Rückseite des Halbleitersubstrates (11) erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Initialschnitts (7) die Lichtintensität des Excimer-Laserstrahls zwischen 5.10¹³ und 2.10¹⁴ W/cm², die Folgefrequenz im Bereich von 5 Hz, die Anzahl der Pulse pro Zielpunkt bei 120 und der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Zielpunkten im Bereich von 40 µm liegt.