JP2004526575A - Ultraviolet laser ablation patterning method of fine structure in semiconductor - Google Patents

Ultraviolet laser ablation patterning method of fine structure in semiconductor Download PDF

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Abstract

紫外線レーザアブレーションを用いることにより形状寸法が50ミクロンよりも小さいパターンを半導体、特にシリコン中に直接高速形成する。これらのパターンには、集積回路の接続のためのものでありアスペクト比を極めて大きくした貫通孔と、半導体ウェーハ上に含まれる処理済み半導体ダイのシンギュレーションと、ペアレントウェーハから超小型回路のワークピースを分離するマイクロタブカッティングとが含まれる。ダイオードポンプQスイッチ周波数3倍Nd:YAG、Nd:YVO4 又はNd:YLFからのレーザ出力パルス(32)を、複合ビームポジショナを用いて高速度精度でワークピース(12)に向ける。光学系により約10ミクロンのガウススポットサイズ又はトップハットビームプロファイルを発生させる。この集束したスポットサイズを用いてシリコンを高速アブレーション処理するのに用いるパルスエネルギーは5kHz、好ましくは15kHzよりも大きなPRFでパルス当り200μJよりも大きくする。半値全幅点で測定したレーザパルス幅は80nsよりも狭くするのが好ましい。By using ultraviolet laser ablation, a pattern with a shape size smaller than 50 microns is formed at high speed directly in a semiconductor, especially silicon. These patterns are for the connection of integrated circuits and have very high aspect ratio through-holes, singulation of the processed semiconductor dies contained on the semiconductor wafer, and the work of microcircuits from the parent wafer. Microtab cutting for separating pieces. Diode-pumped Q-switching frequency tripled Nd: YAG, Nd: YVO 4 or Nd: laser output pulse (32) from YLF, directed to the workpiece (12) at high speed precision using the composite beam positioner. The optics generates a Gaussian spot size or top hat beam profile of about 10 microns. The pulse energy used to rapidly ablate silicon using this focused spot size is greater than 200 μJ per pulse at a PRF greater than 5 kHz, preferably greater than 15 kHz. The laser pulse width measured at the full width at half maximum is preferably smaller than 80 ns.

Description

【関連出願】
【0001】
この特許出願は、2001年1月31日に出願された米国特許暫定出願第60/265,556号及び2001年3月9日に出願された米国特許出願第09/803,382号を優先権主張するものである。
【技術分野】
【0002】
本発明は、紫外線(UV)レーザのパルス出力を用いて半導体、特にシリコンをアブレーション処理することにより微細寸法の構造上の特徴を高速形成する方法及び装置の双方又はいずれか一方に関するものである。
【発明の背景】
【0003】
半導体工業では、電子装置が形成されている半導体ウェーハから、しばしば半導体ダイと称されている個々のこれら電子装置を分断する種々の技術が用いられている。このような分断を達成する一般的な方法はダイヤモンドソーを用いる方法である。有効な半導体ダイに対するウェーハの利用面積を増大させ、これによりウェーハ当りの半導体ダイの歩留りを高めうるようにするために、ソーの通路に割当てる必要のある半導体ウェーハ上の面積を減少させる方法が多く望まれている。レーザ技術は、半導体ウェーハのダイシング通路の寸法を減少させる機会を提供するものである。
【0004】
シリコンをレーザ処理するのにQスイッチ1064nmNd:YAGレーザのような赤外線レーザを使用することは当業者にとって周知である。しかし、シリコンは1064nmの波長では弱い波長吸収体である為、この波長で又はその付近で動作するレーザダイシング処理では重大な問題に遭遇した。代表的に、ウェーハ表面及びカッティング壁面に沿ってシリコンが再体積されることによりカッティング品質が損なわれることが確かめられている。
【0005】
米国特許第 4,541,035号明細書及び第 4,589,190号明細書には、型番ESI Model 25のレーザスクライビングシステムに一体化された音響光学のQスイッチ赤外線(IR)Nd:YAGレーザから生じるような1064nmの波長のパルス出力を用いて、シリコン装置に構造上の特徴を形成する方法が開示されている。(1982年12月に発行された雑誌“Applied Physics”Vol.53の9154〜9164頁に記載されたT.R. Anthony氏の論文“Diodes Formed by Laser Drilling and Diffusion ”をも参照されたい。)米国特許第 4,618,380号明細書にも、レーザでシリコン装置を処理することによりイメージングスペクトロメータを製造する方法が開示されている。
【0006】
米国特許第 5,543,365号明細書には、Nd:YAGレーザから生じるような、1064nmの波長でパルス幅が4ナノ秒よりも広いパルス出力を用いてシリコンウェーハにポリシリコンの縞を形成する目的のレーザスクライビング装置が開示されている。或いはまた、この米国特許明細書には、周波数を2倍とした532nmの波長を用いることができるということを開示している。
【0007】
“1992 IEEE/CHMT Int’l Electronics Manufacturing Technology Symposium”と称する国際シンポジウムで用いた論文“Excimer VS Nd:YAG laser Creation of Silicon Vias for 3D Interconnctions ”において、Lee 氏等は、マルチチップモジュールの製造を可能にする目的でシリコンウェーハの表面に孔を形成するのに1064nm及び532nmのNd:YAGレーザ波長を用いることを報告している。又、Lee 氏等は、シリコン中に貫通孔を1064nmの波長でレーザ孔開け(レーザドリリング)すると、かなりの深さに達した際に溶融材料がしばしば孔の壁面に凝縮することを報告している。このようにシリコンが明らかに再堆積されることにより、孔を他の処理に不適切にする。Lee 氏等は、孔の品質を改善するために、1064nmの波長での二重の孔開け処理を採用することを報告している。Lee 氏等は、直径が4ミル(約100ミクロン(μm))である孔をシリコン中にカッティングするために、到来するレーザビームに対しオフセットさせた回転レンズを用いてトレパニング処理するのに、ランプポンプQスイッチNd:YAGから生じる532nmの波長の称された2倍パルスレーザ出力を用いることを開示している。更に、Lee 氏等は、パルス幅が70ナノ秒でパルス繰返し周波数が3kHzのパルス当り833μJとして用いる処理パラメータを報告している。レーザ孔開けした孔の周辺に又は孔の壁面に沿ってシリコンが再堆積されることが依然として観察され、孔を清浄とするのに化学的なエッチング処理が用いられた。
【0008】
Lee 氏等は、更に、シリコン中に孔開けするのに波長が248nmのエキシマーレーザを用いることに関し報告している。採用するパルスエネルギーが極めて高い為に、孔の側壁は極めて平滑であることが報告された。Lee 氏等は、シリコンウェーハに30秒で孔開けするのに、パルス繰返し周波数を250Hzとし、集束スポットサイズを5ミル(約125μm)とし、パルス当りのエネルギーを290mJとすることを報告している。Lee 氏等は、この孔開け時間を、彼等の532nmの波長を用いるNd:YAGトレパニング技術を用いて孔開けするのに必要とする3秒と比較した。Lee 氏等は、プロジェクション技術を用いる248nmの波長のエキシマーレーザによりシリコンに孔を開けるのに必要とする孔開け時間を減少させる方法を提案している。当業者は認識しているように、このような技術を用いて形成すべき孔の各パターンに対し適切なアパーチュアマスクを用いると、このような技術は信頼できるものとなる。
【0009】
米国特許第 5,870,421号明細書において、Dahm氏は、シリコンウェーハをダイシングする目的で近赤外線レーザを使用する問題を議論している。Dahm氏は、近赤外線レーザを用いた際に再堆積によりカッティング品質が悪くなる主たる原因は、約1ナノ秒を超えるレーザパルス幅を用いることにあるということを述べている。Dahm氏は更に、シリコン中への近赤外線波長の深い吸収深さを解決するには約1ナノ秒よりも短いパルス幅の近赤外線レーザを使用することを述べており、このような短いパルス幅により、高吸収層として作用しうる表面プラズマを生ぜしめうるということを述べている。Dahm氏は更に、UVレーザは高速度でシリコンを処理するのに充分なエネルギーを生ぜしめることができず、1064nm波長のNd:YAGレーザのような近赤外線レーザはUVレーザよりも大きなエネルギーを生ぜしめることができるために、近赤外線レーザは高速度の分野に用いられるということを述べている。
【0010】
米国特許第 5,593,606号明細書において、Owen氏等は、多重層装置の少なくとも2つの層を貫通する孔を形成するのに有利なパラメータ範囲内のレーザ出力パルスを発生させるのにUVレーザシステムを用いる利点を述べている。これらのパラメータは一般に、瞬時的なパルス幅を100ナノ秒よりも短くし、スポット領域のスポット直径を100μmよりも小さくし、繰返し周波数を200Hzよりも大きくした際のスポット領域に亙る平均強度又は放射照度を100mWよりも大きくした、非エキシマーレーザ(エキシマーレーザ以外のレーザ)の出力パルスを含んでいる。
【0011】
米国特許第 5,841,099号明細書において、Owen氏等は、上述したパラメータに類似のパラメータの範囲内でUVレーザ出力を変化させて、エネルギー密度を異ならせるとともに異なる材料を加工している。Owen氏等は、レーザの繰返し周波数を変化させることにより強度を変化させてワークピースに照射するレーザスポットのエネルギー密度を変化させるか、又はスポットサイズを変化させるか、又はこれらの双方を行なっている。
【0012】
米国特許第 5,751,585号明細書において、Cutler氏等は、ワークピース上の目標に対してレーザビームを位置決めするような、種々のツールを正確に且つ急速に位置決めする高速高精度マルチステージ位置決めシステムを開示している。Cutler氏等は、ワークピース目標位置決め命令を処理して、これらを低速及び高速ポジショナに対する命令に変換するマルチレートポジショナシステムを採用している。これらのポジショナは、位置決めデータの流れに応答して必ずしも停止することなく移動する。一例においては、この技術により、大きなワークピースにおいて小さな構造上の特徴のパターンをレーザにより微細加工しうるようにし、これによりレーザ微細加工部品の処理能力を高める。
【発明の概要】
【0013】
本発明の目的は、シリコン、ヒ化ガリウム(GaAs)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(SiN)及びGe:Siの何れか又は任意の組合せを含む半導体や、このような半導体を後に、半導体ウェーハを含む半導体基板上に有効な電子回路及び光電子回路を形成する目的で追加の層を含めるために、当業者に周知なホトリソグラフィー技術及びエッチング処理を含む(しかしこれらに限定されない)半導体処理で処理したものに、微細流れ構造上の特徴を形成するのにレーザを用いる改善した方法を提供することにある。
【0014】
本発明の他の目的は、高パルス繰返し周波数で高パルスエネルギー出力を生じるように動作しうる、信頼性の高い非エキシマーUVレーザを採用する上述した方法を提供することにある。
【0015】
本発明は、紫外線レーザによるアブレーションを用いて半導体ワークピースに50μmよりも小さい寸法の構造上の特徴を有するパターンを直接且つ迅速に形成する方法を提供する。高パルス繰返し周波数でパルス出力当り高エネルギーを放出しうる非エキシマーUVレーザの集束出力をワークピースに迅速に位置決めするのに合成ビームポジショナを用いる。上述したパターンには、集積回路の接続のための貫通孔又はブラインドホールのような、アスペクト比が極めて大きな円柱状の孔の形成や、シリコンウェーハ上に設けられた処理済み半導体ダイの曲線状又は方形状シンギュレーション(切断)や、半導体ワークピース内に形成されたマイクロ回路をペアレントウェーハから分離するマイクロタブカッティングや、アレイ導波路回折格子(AWG)又はマイクロエレクトロニクマシーンシステム(MEMS)のような光導波路中への曲線状又は方形状の構造上の特徴の形成や、ウェーハ表面へのアライメントマーク、識別マーク又はその他のマークのスクライビングを含めることができる。
【0016】
本発明は390nmよりも短いレーザ波長を用い、そのために、シリコンの光吸収係数を、米国特許第 4,541,035号、第 4,589,190号及び第 5,543,365号で用いられている1064nmの波長における光吸収係数の1000倍よりも大きくする。Qスイッチ周波数3倍Nd:YAG、Nd:YVO4 又はNd:YLFダイオードポンプレーザは好適なアブレーション用の紫外線出力源となる。レーザの光学システムによれば約10μmのガウススポットサイズが得られる。或いはまた、トップハットビームプロファイルを生じる光学システムを用いることができる。この集束されたスポットサイズを用いてシリコンを高速アブレーション処理するための例示的パルスエネルギーは、5kHz、好ましくは15kHzよりも大きいパルス繰返し周波数でパルス当り200μJよりも大きくする。半値全幅点で測定したレーザパルス幅は80ナノ秒(ns)よりも狭くするのが好ましい。
【0017】
UV波長を用いることの利点は、これよりも長い波長のレーザ源で得られるスポットサイズよりもかなり小さいスポットサイズを発生させることができるということにある。このように小さなスポットサイズを形成しうることにより、微細寸法の構造上の特徴をシリコンに形成しうるようにする。通常のガウス集束技術により達成しうるある固定のスポットサイズの場合、波長を短くすると、紫外線波長で焦点深度が大きくなることによりアスペクト比を大きくした構造上の特徴を形成しうるようになる。
【0018】
本発明は、殆ど反射しない材料を用い、ワークピース支持構造体のための新規な製造技術を用いることにより、ウェーハチャックのようなワークピース支持構造体からの紫外線処理ビームの漂遊反射の為に生じる処理済み半導体ワークピースの損傷を低減させる方法をも提供する。
【0019】
本発明のその他の目的及び利点は、図面に関する以下の好適実施例の詳細な説明から明らかとなるであろう。
好適実施例の詳細な説明
【0020】
図1は、シリコンの光吸収係数を波長の関数として示す。この図1を参照するに、シリコンは紫外線の波長で光吸収係数の極めて急峻な上昇を呈する。本発明は、390nmよりも短いレーザ波長を有効に利用し、且つシリコンの光吸収係数が紫外線で増大することをうまく利用し、シリコンを効率よく侵食除去し、これにより種々の有効なパターン又は構造をシリコン中に直接形成する。この光吸収特性は、従来技術で教えられてきたような532nm又は1064nm波長のパルス出力を用いて形成した構造に比べて紫外線では熱的に悪影響を受ける領域を著しく低減させてシリコンを極めて容易に侵食除去するものである。
【0021】
図2は、GaAsの光吸収係数を波長の関数として示す。この図2を参照するに、GaAsは紫外線の波長で光吸収係数の極めて急峻な上昇を呈する。GaAsとシリコンとの光吸収係数は355nmで極めて近似している。GaAsは、ダイオードレーザー及び検出器のようなオプトエレクトロニク装置における主要材料である。
【0022】
図3及び4は、半導体ワークピース12に微細構造を紫外線レーザにより侵食パターニングするために採用しうるウェーハチャックアセンブリ140を具える複合ビーム位置決めシステム30を用いる本発明によるレーザ処理システム10a及び10bをそれぞれ示す(これらレーザ処理システムを代表的に10で示す)。これらの図3及び4を参照するに、レーザシステム10の好適実施例では、Nd:YAG、Nd:YLF又はNd:YVO4 のような固体レーザ材料(lasant)を含むのが好ましいQスイッチダイオードポンプ(DP)固体(SS)UVレーザ14を用いる。このレーザ14は、主としてTEM00の空間モードプロファイルを有する355nm(周波数3逓倍Nd:YAG)、266nm(周波数4逓倍Nd:YAG)又は213nm(周波数5逓倍Nd:YAG)のような波長での1つ以上のレーザパルスのUVレーザ出力16を、調和的に発生させるのが好ましい。
【0023】
レーザ出力16の放射照度プロファイルを表わすのに、ガウス関数を用いることができるが、当業者は、殆どのレーザ14はM2 =1の値を有する完全なガウス出力16を放出しないことを理解している。ここに、ガウス関数とは、M2 の値が1.3又は1.2よりも小さいのが好ましいが、約1.5以下であるプロファイルを含むものとして便宜上用いる。
【0024】
好適実施例では、レーザ14は、約355nmで動作するLightwave Electronics 社により市販されている型番Model 210-V06 のQスイッチ周波数3逓倍Nd:YAGレーザを有する。このレーザはオレゴン州ポートランドのElectro Scientific Industries 社により市販されている型番ESI Model 2700のマイクロビアドリリングシステムに採用されている。他の実施例では、パルス繰返し周波数(PRF)を高く、パルス当りのエネルギーを高くするために、約355nmで動作するLightwave Electronics 社により市販されている型番Model 210-V09 のQスイッチ周波数3逓倍Nd:YAGレーザを用いることができる。当業者にとって明らかなように、他のレーザを採用することができ、リストアップされる他のレーザ材料から他の波長を得ることができる。レーザキャビティの構成、高調波の発生、Qスイッチ動作や、位置決めシステムはすべて当業者にとって周知であるが、これらのうちの幾つかの詳細は好適実施例の説明に導入する。
【0025】
UVレーザ出力16は、随意ではあるが、種々の周知の拡大及び平行化の双方又はいずれか一方の光学系18を通過させ、光路20に沿って伝播させ、ビーム位置決めシステム30により指向させてレーザシステム出力パルス32がワークピース12上の所望のレーザ目標位置34を照射するようにする。ビーム位置決めシステム30は並進ステージポジショナを有するのが好ましく、このポジショナは、例えばX、Y及びZの任意の組合せの方向の位置決めミラー42及び44を支持し且つ同一の又は異なるワークピース12上の複数の目標位置間の迅速な移動を達成する少なくとも2つの横方向並進ステージ36及び38を採用するのが好ましい。
【0026】
好適実施例では、並進ステージポジショナは、代表的にリニアモータによりレール46に沿って移動されるY方向並進ステージ36がワークピース12を支持及び移動させ、代表的にリニアモータによりレール48に沿って移動されるX方向並進ステージ38が高速ポジショナ50及びこれに関連する集束レンズを支持及び移動させようにした軸線分離システムである。X方向並進ステージ38及びY方向並進ステージ36間のZ方向の寸法も可調整としうる。位置決めミラー42及び44は、レーザ14と、光路20に沿って配置される高速ポジショナ50との間のいかなる方向転換部をも介して光路20を整列させる(アライメント処理)。高速ポジショナ50には、例えば、与えられた検査データ又は設計データに基づいた1回又は繰返しの処理動作を行いうる高分解能リニアモータ又は一対のガルバノメータモータを採用しうる。X方向並進ステージ38及びY方向並進ステージ36や、高速ポジショナ50は、パネル化データ又は非パネル化データに応答して互いに独立して制御して移動させるか、又は協同して移動させることができる。
【0027】
高速ポジショナ50には、ワークピース12の表面上の1つ以上の基準点に整列しうるビジョンシステムを含めるのも好ましい。ビーム位置決めシステム30は、対物レンズ36か又は別のカメラに対するオフアクシスを介して動作する、当業者にとって周知の通常のビジョン又はビーム‐ワークアライメントシステムを採用することができる。1実施例では、Electro Scientific Industries 社により市販されている位置決めシステム30における、フリーダムライブラリソフトウェアを用いたHRVXビジョンボックスを採用して、レーザシステム10とワークピース12上の目標位置34との間のアライメントを実行する。他の適切なアライメントシステムも市販されている。アライメントシステムは、特にラッピング又はポリッシングしたウェーハのような鏡面反射性のワークピースに対して明視野でオンアクシスの照明を採用するのが好ましい。
【0028】
更に、ビーム位置決めシステム30は、線形目盛エンコーダ又はレーザ干渉計のようなオンアクシス位置インジケータにより表示されないX方向並進ステージ38及びY方向並進ステージ36のピッチ、ヨー又はロールの揺れによるアッベ誤差を決定するのに、無接点型の小変位センサを採用するのも好ましい。アッベ誤差補正システムは、補正がセンサの読みの絶対精度に依存せずにセンサの読みで検知される小さな変化のみに依存するように、正確な基準ゲージに対し校正することができる。このようなアッベ誤差補正システムは国際公開パンフレットWO01/52004及び米国特許公開第2001-0029674号明細書に詳細に説明されている。この米国特許公開明細書に対応する米国特許出願第09/755,950号明細書の関連部分を参考のために導入する。
【0029】
位置決めシステム30の多くの変形例が当業者にとって周知であり、位置決めシステム30の幾つかの実施例が、米国特許第 5,751,585号明細書に詳細に説明されている。オレゴン州ポートランドのElectro Scientific Industries 社により市販されている型番ESI Model 5320のマイクロビアドリリングシステが位置決めシステム30の好適構成例であり、電子産業に対する樹脂被覆銅パッケージのレーザドリリングに用いられている。オレゴン州ポートランドのElectro Scientific Industries 社により製造されている型番27xx、43xx、44xx又は53xxのような他の好適な位置決めシステムも採用しうる。ワークピース12を移動させるX‐Yリニアモータ及び走査レンズを移動させるX‐Y方向並進ステージを用いるこれら位置決めシステムの幾つかは、長い直線状のカッティングを行うための費用的に有効な位置決めシステムである。当業者にとっては、固定のビーム位置に対しワークピースを位置決めする単一のX‐Y方向並進ステージと、ビーム位置決め用の固定のガルバノメータとの双方又はいずれか一方を有するシステムを代りに採用することができることも明らかである。このようなシステムは、UVレーザシステムの集束された出力パルス32を高速度で動的に位置決めして、周期的にも非周期的にもしうる種々の有効なパターンを生ぜしめるツールパスファイルを用いるようにプログラミングしうることを当業者は認識している。又、当業者は、このようにすることにより、投射結像装置を用いてシリコン中に孔(バイアホール)を形成する前記のLee 氏等による提案よりも優れた多くの利点がえられることも認識している。
【0030】
半波長板の偏光子のような光学的なレーザ出力コントローラ52を光路20に沿って配置することができる。更に、ホトダイオードのような1つ以上のビーム検出装置54を、レーザ出力16の波長に対し部分的に透過性とした位置決めミラー44と整列されるようにレーザ出力コントローラ52の下流に配置することができる。ビーム検出装置54は、レーザ出力コントローラ52の効果を変更する信号を生じるビーム診断電子装置と組合せるのが好ましい。
【0031】
図4を参照するに、レーザシステム10bは、横方向で直線偏光されたレーザ出力16a及び16bをそれぞれ放出する少なくとも2つのレーザ14a及び14bを採用し、これらレーザ出力を、それぞれ反射装置42a及び42bに向けて光路20a及び20bに沿って伝播させるようにするのが好ましい。光路20bに沿っては随意の波長板56を配置することができる。好ましくは、反射装置42aを偏光感応ビーム合成器とし、光路20a及び20bの双方に沿って配置し、レーザ出力16a及び16bを合成して共通光路20に沿って伝播させる。
【0032】
レーザ14a及び14bは、互いに同じ又は異なる種類のレーザとすることができ、同じ又は異なる波長のレーザ出力16a及び16bを生じうる。例えば、レーザ出力16aが約266nmの波長を有し、レーザ出力16bが約355nmの波長を有するようにしうる。当業者にとって明らかなように、レーザ14a及び14bは横に又は上下に並べて配置し、これらの双方を一方の並進ステージ36又は38に取付けることができる。レーザシステム10bは、エネルギーが極めて高いレーザ出力パルス32bを生ぜしめることができる。図4に示す構成の特別な利点は、パルス当りのエネルギーが増大された合成レーザ出力をワークピース上に当てることができるということであり、このようなレーザ出力を通常の単一のレーザヘッドから生ぜしめるのは困難である。このようにパルス当りのエネルギーを増大させることは、深い溝又は深い円柱状の孔を肉厚のシリコンウェーハ内に侵食形成するのに特に有利である。
【0033】
レーザ出力パルス32の形状がほぼ円形であるにもかかわらず、残留非点収差、又は楕円やその他の形状特性のような不所望なビーム特性を空間的に濾波する随意の結像光学モジュール62によりビーム形状品質を改善させることができる。図5を参照するに、結像光学モジュール62は、光学素子64と、レンズ66と、光学素子64により形成されるビームウェストの位置又はその付近に配置され、ビームのいかなる不所望なサイドローブ及び周辺部分を阻止し、その後正確な形状としたスポットプロファイルをワークピース上に結像させるようにするアパーチュアマスク68とを有するのが好ましい。好適実施例では、光学素子64を集束レンズとし、レンズ66をコリメータレンズとして、レーザシステム10の構成に融通性を与えるようにする。
【0034】
アパーチュアの大きさを変えることにより、スポット形状のエッジの鮮明さを制御し、小さくてより鮮明なエッジのビーム強度プロファイルを生ぜしめ、これによりアライメント精度を高めるようにすることができる。更に、この構成によれば、アパーチュアの形状を正確に円形にするか、又はカッティング方向に対し平行又は垂直に整列させうる方形形状、楕円形状又はその他の非円形形状に変えることができる。アパーチュアマスク68のアパーチュアは、随意ではあるが、その光出射側で外側に向けてフレア状に拡開させることができる。結像光学モジュール62では、アパーチュアマスク68がUV反射又はUV吸収材料を有するようにしうるが、多層で高UV反射性の被膜又はその他の耐UV被膜で被覆されたサファイア又はUVグレード石英ガラスのような誘電体材料でアパーチュアマスク68を形成するのが好ましい。当業者にとって明らかなように、アパーチュアマスク68は光学素子64及び66を設けずに用いることができる。
【0035】
他の好適実施例では、光学素子64が光学素子64の下流のアパーチュアマスク68の付近に1つ以上のビーム整形素子を有し、このビーム整形素子により原ガウス放射照度プロファイルを有するレーザパルスを、ほぼ均一な“トップハット”プロファイル又は特にスーパーガウス放射照度プロファイルを有する整形した(及び集束させた)パルスに変換するようにする。このようなビーム整形素子は非球面光学系又は回折光学系を有しうる。好適実施例では、レンズ66がビーム寸法及び発散度を制御するのに有効な結像光学系を有する。当業者にとって明らかなように、結像用の1つの又は複数のレンズ素子を採用しうる。更に、整形したレーザ出力はアパーチュアマスク68を用いることなしに採用しうることも当業者にとって明らかである。
【0036】
一好適例では、ビーム整形素子が、高効率及び高精度で複雑なビーム整形を達成しうる回折光学素子(DOE)を有する。ビーム整形素子はガウス放射照度プロファイルをほぼ均一な放射照度プロファイルに変換するばかりではなく、整形された出力を特定なスポットサイズに集束させる。回折光学素子DOEは1つであるのが好ましいが、当業者にとって明らかなように、回折光学素子DOEは、米国特許第 5,864,430号明細書に開示された位相板及び変換素子のような複数の別々の素子を有することができる。この米国特許明細書は、ビーム整形の目的で回折光学素子DOEを設計する技術も開示している。上述した整形及び結像技術は、国際公開パンフレットWO00/73013において詳細に説明されている。この国際公開パンフレットに対応する米国特許出願第09/580,396号明細書の関連部分を参考のために導入する。
【0037】
パルス当りのエネルギーのダイナミックレンジの融通性を高める目的のために、音響光学変調器又は電気光学変調器のような高速応答振幅制御機構を採用し、順次のパルスのパルスエネルギーを変調することができる。この高速応答振幅制御機構に代え、又はこれと組み合わせて、パルス繰返し周波数を増大又は減少させることにより、順次のパルスのパルスエネルギーを変化させることができる。図6は、本発明の実施中に採用するレーザ14のパルスエネルギー及びパルス繰返し周波数(PRF)間の特性関係を示す。この図6に示すように、レーザ“Lightwave 210-V06 ”から200μJよりも大きなパルスエネルギーが得られる。更に、他のレーザ“Lightwave 210-V09L”及び“Lightwave 210-V09H”に対するパルスエネルギー及びPRF間の特性関係も示してある。当業者にとって明らかなように、図6は上述した原理を表わしているものであり、レーザシステム10の変形例により、パルスエネルギー当業者パルス繰返し周波数との間の特性関係を異ならせることができる。
【0038】
UVレーザシステム10の上述した性能特性は、半導体、特にシリコンをレーザアブレーションすることによりミクロンスケールの構造上の特性を高速形成するのに用いることができる。これらの構造上の特性の形成は、シリコン又はその他のシリコンワークピース12を完全に貫通するか又はこれに部分的に入り、アスペクト比を極めて大きくした円柱状の孔100の形成と、シリコンウェーハ又はシリコンワークピース12上の処理済み半導体ダイをシンギュレーション(切断)する目的で複雑な幾何学的形状の完全に貫通する又は部分的に入り込んだ溝の形成と、シリコン中に形成された超小型回路をペアレントウェーハから分離するマイクロタブ構造の形成と、AWG上への構造の形成及びレーザシンギュレーションの形成の双方又はいずれか一方と、MEMS中への構造の形成とを含むが、これらに限定されるものではない。更に、本発明は、溶融による著しいリップ部の形成や、著しいスラグの形成や、構造上の特性部エッジのピールバックの形成を生じることなく、構造上の特性の形成を容易にする。
【0039】
図7は、0.5μm厚のSiO2 表面安定化層(図示せず)が被覆された500μm厚の真性シリコン基板70のようなシリコンワークピース12に紫外線アブレーションによるパターニングにより形成した円柱状の孔を示す。当業者にとって明らかなように、シリコンワークピース及び表面安定化層の厚さは変更しうる。
【0040】
円柱状の孔100は、レーザシステム10の焦平面におけるシリコンワークピース12のレーザ目標位置34を位置決めし、一連のレーザシステム出力パルス32をこのシリコンワークピース12上のレーザ目標位置34に当てることによりパターン化するのが好ましい。本例では、シリコンワークピース12をX及びY軸方向に移動させ、円柱状の孔100に対する所望の位置であるコンピュータプログラミングされた中心目標位置34にレーザシステム10を向ける。一連のレーザシステム出力パルス32の各々はプログラミングされた中心目標位置34に入射される。
【0041】
シリコンワークピースにおける円柱状の孔100の、順次の重複パルスによるアブレーションパターニング(ここではパンチングと称する)の場合、パルス当りのエネルギー、パルス繰返し周波数(PRF)及び集束されたスポットサイズを含む好適範囲の合成処理パラメータが、有効な円柱状の孔100を急速パンチングする上で特に有利である。
【0042】
パンチング処理では、ワークピース12をX及びY軸方向で固定させて、レーザシステムの順次の各出力パルス32を、プログラミングされた中心目標位置34に入射させる。本例のアブレーションによるシリコンパターニング処理の場合、パルス当りの好適なエネルギー範囲は約100μJ〜1500μJであり、更に好ましくは約200μJ〜1000μJであり、更に好ましくは約300μJ〜800μJであり、最も好ましくは約360μJを超えた値である。好ましいPRFの範囲は約5kHz〜100kHzであり、更に好ましくは約7kHz〜50kHzであり、更に好ましくは10kHz〜30kHzである。集束された好ましいスポットサイズの範囲は約1μm〜25μmであり、更に好ましくは約3μm〜20μmであり、最も好ましくは約8μm〜15μmである。当業者にとって明らかなように、図6に示すレーザ性能により、上述した最も好ましい範囲内のPRFでパルス出力当りのエネルギーを達成しうる。具体的には、最も好ましい処理パラメータを以て動作するように型番ESI Model 2700のマイクロビアドリリングシステムをプログラミングすることにより、750μm厚のシリコンウェーハワークピースに35μmの直径とした円柱状の孔を形成する場合、1秒当り100個の円柱状の孔を形成する処理能力が得られる。
【0043】
他の実施例では、順次の各レーザシステム出力パルス32に対応させてレーザの焦点位置を高さ方向Zで移動させ、レーザ焦点をシリコンワークピース12中で順次深い位置に位置させ、これにより、集束されたスポットが残りのシリコン表面により一層一致する位置に保持されるようにする。
【0044】
好適実施例では、300マイクロジュール(μJ)よりも大きなエネルギーとしたレーザ14からの出力パルスエネルギーを用い、レーザシステムの約100個の順次の出力パルス32を用いることにより、円柱状の孔100がワークピース12の厚さ102を完全に突き抜けた。レーザシステムの出力パルス32は、その集束されたスポットサイズ(1/e2 )直径を約12μmとして加工表面に入射させる。本例で得られる円柱状の孔100は代表的に、約20μmの頂面開口直径(dt )104と約13μmの出口直径(db )とを有し、これによりこの貫通孔である円柱状の孔のアスペクト比を約30:1とし、孔のテーパー角を0.4°とする。
【0045】
当業者にとって明らかなように、パルス当りのエネルギー、集束されたスポットサイズ、高品質の円柱状の孔100をシリコン中に有効に形成するのに要するパルス数の正確な値は、シリコンワークピース12の厚さ102や、被覆層(その一例はSiO2 )の相対的な厚さ及び組成や、採用する正確な紫外線波長に応じて変えることができる。例えば、シリコン半導体ダイ上にパターン化された集積回路をプリント回路に直接導電接続する個所として用いるためにシリコン中に貫通孔である円柱状の孔を形成するには、シリコンを例えば、ほんの50μmの厚さにすることができる。本例では、所望の貫通孔である円柱状の孔100を形成するのにわずか約10個のパルスを用いればすむ。当業者は、上述したパラメータを適切に選択することにより、シリコンの全厚さ102を完全に貫通しない円柱状の孔(ブラインドバイア)を形成することができる。
【0046】
当業者にとって明らかなように、アスペクト比を大きく、テーパー角を極めて小さくしてシリコンに形成したこのような円柱状の孔は電子装置のパッケージ及び相互接続分野にとって極めて有利である。更に、これら小さな貫通孔である円柱状の孔100の1つ以上の群を、ワークピース12、回路又は半導体ダイの周辺付近で、或いはスクライブ通路、スライス通路又はダイシング通路内の上面上に配置し、ワークピース12の裏面又は底面を上面上の構造上の特性に対し正確に整列させうるようにすることができる。このような整列によれば、レーザスクライビング又はレーザソーイングのような裏面処理を容易にして処理速度又は性能を高める。表面及び裏面の双方又はいずれか一方におけるウェーハスライシング又はダイシング技術は、2001年3月9日に出願された米国特許出願第09/803,382号明細書及び2001年6月28日に出願された米国特許暫定出願第60/301,701号明細書に詳細に説明されている。
【0047】
図8は、溝110を紫外線アブレーションによりシリコンワークピース12にパターニングした状態を示す。溝110は、シリコンワークピース12をレーザシステム10の焦平面に配置し、ビーム位置決めシステム30によりシリコンワークピース12をそのX及びY軸の双方又はいずれか一方に沿って移動させながら、重なり合う一連の順次のレーザシステム出力パルス32をシリコンワークピース12に向けることによりパターン化するのが好ましい。
【0048】
シリコンに溝を形成するアブレーションによるパターニング処理の場合、パルス当りの好ましいエネルギー範囲は約100μJ〜1500μJであり、更に好ましくは約200μJ〜1000μJであり、更に好ましくは約300μJ〜800μJであり、最も好ましくは約360μJを超えた値である。好ましいPRFの範囲は約5kHz〜100kHzであり、更に好ましくは約7kHz〜50kHzであり、更に好ましくは10kHz〜30kHzである。集束された好ましいスポットサイズの範囲は約1μm〜25μmであり、更に好ましくは約3μm〜20μmであり、最も好ましくは約8μm〜15μmである。好ましいバイトサイズの範囲は約0.1μm〜10μmであり、更に好ましくは約0.3μm〜5μmであり、最も好ましくは約0.5μm〜3μmである。レーザビーム位置決めシステムの一方又は双方のステージの速度を制御し、レーザの繰返しレート及びレーザ発射に対し移動速度を調整することにより、バイトサイズを調整することができる。
【0049】
好適実施例では、約360μJのレーザ14からの出力パルスエネルギーを用い、1μmのバイトサイズを用い、10mm/秒のステージ速度でワークピース12上に180回通過させることにより、2.0μmの厚さのSiO2 表面安定化層が被覆された750μmの厚さの真性シリコンを完全に貫通する直線状の溝110をカッティング形成する。これらのレーザパルスは、集束されたスポットサイズ(1/e2 )直径を12μmとして加工表面に入射させる。当業者にとって明らかなように、処理中にシリコンワークピース12をX及びY軸に沿って位置決めする位置決めシステム30及びレーザシステム10が用いるツールパスファイルのプログラミングにより、正方形、長方形、楕円形、らせん形又はこれらの任意の組合せを含む(しかし、これらに限定されるものではない)可変の幾何学的形状の種々のパターンを生ぜしめることができる。レーザカッティングの場合、ビーム位置決めシステム30を通常の代表的なソーカッティング或いはウェーハ表面上のその他の規準又はパターンに整列させるのが好ましい。ウェーハに既に機械的にノッチが形成されている場合には、ソーイングの誤差及びアライメント誤差をなくすためにカッティングエッジへのアライメントが好ましい。
【0050】
レーザカッティング(その切り口幅は50μmよりも狭く、好ましくは25μmよりも狭くする)により破壊する材料は機械的なカッティング(スライシングレーンは約300μmとなり、ダイシング通路は約150μmとなる)により破壊する材料よりも著しく少ない為、ウェーハ上の装置を互いに著しく接近させて製造でき、従って、各ウェーハ上により多くの装置を製造しうる。従って、レーザカッティング処理は行間ピッチ及び装置間ピッチを最小にする。
【0051】
機械的なカッティングが無くなることによっても、ワークピース12上への装置の製造が簡単となる。特に、機械的なカッティングは装置に大きな機械的応力を及ぼし、これら装置をこれらのキャリア(担持体)からずらしてしまうおそれがある。行を失わないようにするために、装置の製造者は行とキャリアとの間に強力な接着剤又はエポキシ樹脂を採用しうる。あらゆるレーザ処理は、行をキャリア上に固定するために用いる接着剤の機械的な強さに関する条件を著しく低減させる。従って、レーザカッティングによれば、行をキャリアに固定するのに用いる強力な接着剤又はエポキシ樹脂や、これらを除去するのに必要とする強力な薬品を使用しないですむ。その代わり、剥離時間を減少でき、場合によっては腐食性とする薬品へさらす時間を減少できるように剥離を容易にするとともに、UVレーザ処理への順応性があり、装置に対する損傷のおそれを著しく減少させ、これにより歩留りを高めるようにする接着剤を選択しうる。
【0052】
レーザによる行スライスは行の曲がりを減少させる。その理由は、レーザスライシングは機械的なスライシングのように大きな機械的な応力を及ぼさない為である。しかし、行の曲がり又はその他の行欠陥が現れる場合には、行をレーザによりダイスカットし(及び再びスライシングし)、臨界的な装置の場合に、機械的なダイシングに対し行間に必要とする装置のアライメントに関連することなく、これらの欠陥を補償するようにしうる。便宜上、一般的に、言葉“(スルー)カッティング”を(しばしばウェーハの行分離と関連する)スライシング又は(しばしばウェーハの行からの部品へのシンギュレーションと関連する)ダイシングを含んで用いることができ、スライシング及びダイシングは本発明の文中で入れ替えて用いることができる。
【0053】
ビーム位置決めシステム30は貫通孔100又は規準に対するアライメントを行ないうる為、レーザシステム10は各行及び各装置の双方又はいずれか一方を独立に処理することができる。斜めの行に対しては、レーザスポットにより、所望の方形の又は曲線の波形パターンを得る各カッティング間でのステージ及びビームの双方又はいずれか一方の並進運動を行なう装置の外側エッジに対する適切な位置で、斜めの行を横切る横断カッティングを行なうことができる。従って、レーザダイシングにより、行固定による欠陥を補償できるとともに、機械的なダイシングによると破壊されるおそれのある装置の全行を保護しうるであろう。
【0054】
シリコンや同様な材料に対するUVレーザカッティングの処理能力は、長いカッティング通路を短いセグメントに分割することにより高めることができる。厚肉のシリコン中に貫通孔をカッティングするか又は溝をカッティングするには、これらのセグメントを好ましくは、例えば、約10μm〜1mmの範囲に、より好ましくは約100μm〜1000μmの範囲に、最も好ましくは200μm〜500μmの範囲とする。レーザビームは第1の短いセグメントにおいて予め決定した通過回数だけ走査し、その後第2の短いセグメントに移ってこの第2の短いセグメントにおいて予め決定した通過回数だけ走査する。バイトサイズ、セグメントサイズ及びセグメントのオーバーラップ量は、溝の埋め戻し量等が最少となるように調整しうる。
【0055】
図9は、セグメント化したカッティングプロファイル112aの一例を簡単化して示している。この図9を参照するに、便宜上、カッティング通路方向が左から右方向で、個別のカッティングセグメント116k1 〜116r3 (一般にカッティングセグメント116)が右から左に形成されているカッティングプロファイル112aを示している。カッティングセグメント116k1 〜116r3 は図9では便宜上平行に示してあるが、これらのカッティングセグメント116k1 〜116r3 は実際には同一線上にある。図9は複数のセグメント組114aを示しており、各組は最初のセグメント116kと、徐々に長くなり且つオーバーラップしている複数のセグメント116m〜116rとを有し、これらのセグメントはアルファベットの順に処理するのが好ましい。各組114aは、次の組が処理される前に、選択した中間の深さまで又は完全に貫通するカッティングが形成されるまで処理するのが好ましい。各組114aに対して5つのみのオーバーラップするセグメントを示してあるが、目的とする材料の厚さに適合して必要となるかなり多数のオーバーラップするセグメントを採用することができ、特に順次の長さの増大が僅かとなるようにすることができること、当業者にとって明らかである。カッティングプロファイル112aに用いるセグメント116の何れか又は全てを、図9に示すように単一方向で処理するのではなく、双方向で処理しうることも当業者にとって明らかである。
【0056】
図10は、セグメント化したカッティングプロファイル112bの一例を簡単化して示しており、このプロファイルはプロファイル112aに幾分類似している。この図10を参照するに、プロファイル112bはプロファイル112aを開始するのと同じセグメント組114aから開始される。しかし、セグメント組114bにはセグメント116kがなく、このセグメント組114bは、前に処理したセグメント組を順次増大するように60%オーバーラップさせる。本例では、セグメント116k1 を30回の通過でカッティングし、その長さを200μmとする。次に、セグメント116m1 を6回の通過(30回の通過の1/5)でカッティングし、その長さを240μm(200μmとセグメント116k1 の長さの2/5との合計)とする。次に、セグメント116n1 を6回の通過でカッティングし、その長さを280μm(200μmとセグメント116k1 の長さの2/5との合計)とする。この手順を、所定のセグメント組114bが完了されるまで続ける。本例では、ダイシング速度を8.5mm/分以上としうる。
【0057】
カッティングが既に終了されているカッティング通路の部分を再走査するおそれを減少させるのに、実時間モニタリングを採用することもできる。更に、レーザビームの偏光方向をカッティング方向に応じて補正し、処理能力を更に高めるようにすることができる。セグメント化されたこれらのカッティング技術は、2001年6月8日に出願された米国特許暫定出願第60/297,218号明細書に開示されている。
【0058】
本発明の紫外線アブレーションによるパターニング方法の他の適用は、MEMS(マイクロエレクトロニクマシーンシステム)装置120を形成することにある。図11は、MEMS装置120の、紫外線アブレーションによるパターニング方法線図的に示す。一好適例では、上述した方法を用いてシリコン中に貫通溝122a、122b、122c、122d及び122e(代表的に溝122と称する)を形成するように、MEMS装置120をパターン化する。当業者にとって明らかなように、レーザ位置決めシステム30のX及びYの双方又はいずれか一方の軸をコンピュータ制御することにより、指向性のあるレーザシステム出力パルス32を加工表面に向けて、オーバーラップされたパルスにより、複雑ないかなる曲線的幾何学形状をも表わすパターンを形成しうるようになる。この制御能力を紫外線アブレーションによるパターニング方法と組合せて用いることにより、種々のMEMS装置120を効率的に製造するのに有効なシリコン中の複雑な曲線形状パターンを形成することができる。図11には、隣接する溝のパターンにより形成された方形の孔をも示してある。
【0059】
本発明の紫外線アブレーションによるパターニング方法の更に他の適用は、半導体ウェーハワークピース12上に形成するアレイ導波路回折格子(AWG)装置130のような光学集積回路を処理することにある。図12は、AWG装置130の紫外線アブレーションによるパターニング方法を線図的に示す。一好適例では、上述した方法を用いて、例えば、部分132a、132b、132c、132d及び132eを有する曲線溝132をシリコン中に形成するようにAWG130をパターン化した。溝132は対称となるように示してあるが、当業者にとって明らかなように、レーザ位置決めシステム30のX及びYの双方又はいずれか一方の軸をコンピュータ制御することにより、指向性のあるレーザシステム出力パルス32を加工表面に向けて、オーバーラップされたパルス32により、複雑ないかなる曲線的プロファイル又は幾何学形状をも表わすパターンを形成しうるようになる。この制御能力を紫外線アブレーションによるパターニング方法と組合せて用いることにより、種々のAWG装置130を効率的に製造するのに有効なシリコン中の複雑な曲線形状パターンを形成することができる。
【0060】
シリコンワークピース12を貫通処理するのにアルミニウムから形成されたような通常の金属チャックを採用するのは有利でない。その理由は、これらの従来の金属材料の反射率は紫外線において高いことにより、シリコンワークピース12にバックサイドダメージを導入するおそれがある為である。貫通処理が終了された後、金属チャックのトップから起こる反射エネルギーにより円柱状の貫通孔100又は貫通溝110の周囲にバックサイドダメージが生じる著しい痕跡を実験により確かめた。しかし、思いがけなくも金属チャックトップの規準孔(ツーリングホール)上で孔開け形成した円柱状貫通孔100又は貫通溝110の付近にはバックサイドダメージが見いだされなかった。
【0061】
図13は、紫外線アブレーションによるパターニング方法を用いて貫通処理を行なうのに好ましいようにシリコンワークピース12が配置されるチャックアセンブリ140を線図的に示す。チャックアセンブリ140は真空チャックベース142と、チャックトップ144と、随意の保持用キャリア146とを有するのが好ましい。真空チャックベース142は、通常の金属材料から形成するのが好ましく、追加のプレート148(図4)にボルト留めするのが好ましい。プレート148は、ステージ36及び38の少なくとも一方に容易に連結しうるように且つこれから容易に分離しうるようになっている。係合機構は機械的とするのが好ましく、互いに対向する条溝及びリッジを有し且つ鎖錠機構を有するようにしうる。当業者にとって明らかなように、ベース142はステージ36又は38に直接固着するようにもすることができる。
【0062】
チャックトップ144は、特定のパターニング分野に対し選択される紫外線波長で反射率が低い誘電体材料から形成するのが好ましい。周波数3倍QスイッチダイオードポンプNd:YAGレーザからの355nm出力を採用する一好適例では、UVに対し透明なチャックトップ144を紫外線級又はエキシマー級の石英ガラス、MgF2 又はCaF2 から形成する。他の例では、上述したことに代え又は加え、UVに対し透明なチャックトップ144を液体で冷却し、シリコンワークピース12の温度安定性を維持させる手助けをすることができる。当業者にとって明らかなように、石英ガラスは、非晶質の二酸化シリコンより成る紫外線透過材料であり、シリコンと酸素との化学結合物より成っている。
【0063】
図13を再び参照するに、シリコンワークピース12を支持するとともにこれを紫外線アブレーションによるパターニングの後に保持する目的のために保持用キャリア146をチャックトップ144上に配置することができる。バックサイド反射が、貫通処理されるワークピース12を損傷させないようにするために、この保持用キャリア146も紫外線透過材料から形成するのが好ましい。この保持用キャリア146は、貫通処理作業後にこの処理されたシリコンワークピース12を収める浅い凹所を有するように機械加工するのが好ましい。
【0064】
他の例では、チャックトップ144又は保持用キャリア146をAl又はCuのような紫外線吸収材料から形成し、レーザシステム10がワークピース12内に孔開け形成すべき浅い凹所のパターンのツールパスファイルを用いて対応するパターンをチャックトップ144又は保持用キャリア146の材料内にカッティングしうるようにすることができる。これらの凹所は例えば、意図して開ける孔又はエッジパターンに対応させ、貫通カッティング処理中のワークピース12へのバックサイドダメージを防止しうるようにする。更に、処理により得られるいかなる残骸破片もワークピース12の裏面から離れた凹所内に収めることができる。一好適例では、浅い凹所のパターンは、処理後のワークピース12の寸法よりも僅かに大きな寸法を有するようにし、これにより処理済みのワークピース12を保持用キャリア146の凹所内に収めうるようにする。他の例では、保持用キャリア146を光学的な製造又はエッチング処理のような他の手段により紫外線透過材料から形成し、その後にこの保持用キャリアをチャックトップ144上に整列及び固定させる。上述した例のチャックアセンブリ140は、ポリアミドのような他の材料にUVにより孔開けするのにも有効に適用しうる。
【0065】
当業者にとって明らかなように、窒素、アルゴン、ヘリウム及び乾燥空気のようなパージガスを有効に用いて、廃棄ヒュームをワークピース12から除去する手助けをしうる。このようなパージガスは、レーザシステム10に取付けた排出ノズルを用いて加工表面のすぐ近辺に排出しうる。
【0066】
紫外線アブレーションによるパターニング方法を用いて処理したシリコンワークピース12の表面品質を改善するためには、水、アセトン、メタノール及びエタノール(これらに限定されない)を入れた超音波浴を用いて処理済みワークピース12を洗浄することができる。当業者にとって明らかなように、処理済みワークピース12をフッ化水素酸中で洗浄することは、不所望な酸化物層を除去する上で有益となりうる。
【0067】
上述したことは殆ど、シリコン及びGaAsを処理する方向に向けられたが、上述した方法は一般に、ワークピース12に対する基板70として用いられる他の半導体、例えば、SiC、SiN又はリン化インジウムにも適用しうる。
【0068】
本発明は上述した実施例に限定されず、種々に変更を加えうること明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0069】
【図1】シリコンの光吸収係数を波長の関数として示すグラフ線図である。
【図2】ヒ化ガリウム(GaAs)の光吸収係数を波長の関数として示すグラフ線図である。
【図3】本発明により、紫外線レーザアブレーションを用いて半導体中に微細構造をパターニングする好適なレーザシステムを簡単化して線図的に示す斜視図である。
【図4】紫外線レーザアブレーションを用いて半導体中に微細構造をパターニングする他の好適なレーザシステムを簡単化して線図的に示す斜視図である。
【図5】紫外線レーザアブレーションを用いて半導体中に微細構造をパターニングするレーザシステムに用いうる結像光学モジュールを簡単化して示す線図である。
【図6】本発明の実行(アブレーションによる半導体のパターニング)中に用いるレーザ(高平均出力ダイオードポンプ355nmレーザ)のパルスエネルギー及びパルス繰返し周波数間の特性関係を示すグラフ線図である。
【図7】紫外線アブレーションによりシリコン中に円柱状の孔をパターニングした状態を示す線図である。
【図8】紫外線アブレーションによりシリコン中に溝パターンをパターニングした状態を示す線図である。
【図9】半導体材料中に長いカッティングを行なうためのセグメント化したカッティングプロファイルの一例を簡単化して示す線図である。
【図10】半導体材料中に長いカッティングを行なうためのセグメント化したカッティングプロファイルの他の例を簡単化して示す線図である。
【図11】半導体ウェーハ上へのMEMS装置の、紫外線アブレーションによるパターニングを示す線図である。
【図12】紫外線アブレーションによりAWG装置を半導体ウェーハ上にパターニングした状態を示す線図である。
【図13】紫外線アブレーションによるパターニング方法を用いて処理する間半導体ワークピースが載せられる紫外線透過チャックを示す線図である。
[Related application]
[0001]
This patent application claims priority from US Provisional Application No. 60 / 265,556 filed on January 31, 2001 and US Patent Application No. 09 / 803,382 filed on March 9, 2001. is there.
【Technical field】
[0002]
The present invention relates to a method and / or apparatus for high-speed formation of fine-dimension structural features by ablating semiconductors, particularly silicon, using the pulsed output of an ultraviolet (UV) laser.
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0003]
In the semiconductor industry, various techniques are used to separate individual electronic devices, often referred to as semiconductor dies, from semiconductor wafers on which the electronic devices are formed. A general method of achieving such a division is to use a diamond saw. In order to increase the utilization area of the wafer for available semiconductor dies, and thereby increase the yield of semiconductor dies per wafer, there are many ways to reduce the area on the semiconductor wafer that must be allocated to the saw path. Is desired. Laser technology offers the opportunity to reduce the size of dicing paths in semiconductor wafers.
[0004]
The use of an infrared laser, such as a Q-switch 1064 nm Nd: YAG laser, to laser silicon is well known to those skilled in the art. However, since silicon is a weak wavelength absorber at a wavelength of 1064 nm, significant problems have been encountered with laser dicing processes operating at or near this wavelength. Typically, it has been determined that silicon re-volumes along the wafer surface and cutting wall surface, thereby impairing cutting quality.
[0005]
U.S. Pat. Nos. 4,541,035 and 4,589,190 describe an acousto-optic Q-switched infrared (IR) Nd: YAG laser integrated with a model ESI Model 25 laser scribing system at a wavelength of 1064 nm. A method is disclosed for forming structural features in silicon devices using pulsed output. (See also TR Anthony's paper "Diodes Formed by Laser Drilling and Diffusion", pages 9154-9164 of the magazine "Applied Physics", Vol. 53, published December 1982.) US Patent No. No. 4,618,380 also discloses a method of manufacturing an imaging spectrometer by treating a silicon device with a laser.
[0006]
U.S. Pat. No. 5,543,365 discloses a laser intended to form polysilicon stripes on a silicon wafer using a pulsed output at a wavelength of 1064 nm and a pulse width greater than 4 nanoseconds, such as that produced by a Nd: YAG laser. A scribing device is disclosed. Alternatively, the U.S. patent discloses that a wavelength of 532 nm that is twice the frequency can be used.
[0007]
Lee and his colleagues are able to manufacture multi-chip modules in the paper "Excimer VS Nd: YAG laser Creation of Silicon Vias for 3D Interconnctions" used in the international symposium called "1992 IEEE / CHMT Int'l Electronics Manufacturing Technology Symposium". It has been reported that Nd: YAG laser wavelengths of 1064 nm and 532 nm are used to form holes in the surface of a silicon wafer for the purpose of making the holes. Lee et al. Also reported that when laser drilling (laser drilling) through-holes in silicon at a wavelength of 1064 nm, molten material often condenses on the walls of the holes when reaching a significant depth. I have. This apparent redeposition of silicon renders the holes unsuitable for other processing. Lee et al. Report the use of a double drilling process at a wavelength of 1064 nm to improve hole quality. Lee et al. Used a ramp to cut a 4 mil (~ 100 micron) diameter hole in silicon using a rotating lens offset with respect to the incoming laser beam. It discloses the use of a so-called double pulsed laser output at a wavelength of 532 nm resulting from a pump Q-switch Nd: YAG. Further, Lee et al. Report processing parameters used as 833 μJ per pulse with a pulse width of 70 nanoseconds and a pulse repetition frequency of 3 kHz. It was still observed that silicon was redeposited around the perforated hole or along the wall of the hole, and a chemical etching process was used to clean the hole.
[0008]
Lee et al. Further report the use of an excimer laser with a wavelength of 248 nm to drill holes in silicon. The sidewalls of the holes were reported to be extremely smooth due to the very high pulse energy employed. Lee et al. Report a pulse repetition frequency of 250 Hz, a focused spot size of 5 mils (about 125 μm), and an energy per pulse of 290 mJ for piercing a silicon wafer in 30 seconds. . Lee and colleagues compared this drilling time to the 3 seconds required to drill using their Nd: YAG trepanning technique using a wavelength of 532 nm. Lee et al. Propose a method of reducing the drilling time required to drill holes in silicon with a 248 nm excimer laser using projection technology. As those skilled in the art will recognize, such techniques will be reliable if an appropriate aperture mask is used for each pattern of holes to be formed using such techniques.
[0009]
In U.S. Pat. No. 5,870,421, Dahm discusses the problem of using near-infrared lasers for dicing silicon wafers. Dahm states that the main cause of poor cutting quality due to redeposition when using near-infrared lasers is to use laser pulse widths greater than about 1 nanosecond. Dahm further states that near-infrared lasers with pulse widths shorter than about 1 nanosecond should be used to resolve the deep absorption depth of near-infrared wavelengths in silicon, It can produce a surface plasma that can act as a superabsorbent layer. Dahm further notes that UV lasers cannot generate enough energy to process silicon at high speeds, and near-infrared lasers such as 1064 nm wavelength Nd: YAG lasers generate more energy than UV lasers. It states that near-infrared lasers are used in high-speed fields because of their ability to operate.
[0010]
In U.S. Pat. No. 5,593,606, Owen et al. Use a UV laser system to generate a laser output pulse within a parameter range that is advantageous for forming a hole through at least two layers of a multilayer device. State benefits. These parameters generally reduce the instantaneous pulse width to less than 100 nanoseconds, reduce the spot diameter of the spot area to less than 100 μm, and increase the average intensity or emission over the spot area when the repetition rate is greater than 200 Hz. Includes output pulses of non-excimer lasers (lasers other than excimer lasers) with illuminance greater than 100 mW.
[0011]
In U.S. Pat. No. 5,841,099, Owen et al. Vary the UV laser output within a range of parameters similar to those described above to produce different energy densities and process different materials. Owen et al. Change the intensity by changing the repetition rate of the laser to change the energy density of the laser spot irradiating the workpiece, or to change the spot size, or both. .
[0012]
In U.S. Pat. No. 5,751,585, Cutler et al. Disclose a high-speed, high-precision multi-stage positioning system that accurately and quickly positions various tools, such as positioning a laser beam against a target on a workpiece. are doing. Cutler et al. Employ a multi-rate positioner system that processes workpiece target positioning commands and translates them into commands for low and high speed positioners. These positioners move without stopping in response to the flow of positioning data. In one example, this technique allows a laser to micro-pattern small structural features on large workpieces, thereby increasing the throughput of laser micro-machined components.
Summary of the Invention
[0013]
An object of the present invention is to provide a semiconductor including any one or any combination of silicon, gallium arsenide (GaAs), silicon carbide (SiC), silicon nitride (SiN), and Ge: Si, and a semiconductor including such a semiconductor. Semiconductor processing including, but not limited to, photolithographic techniques and etching processes well known to those skilled in the art to include additional layers for the purpose of forming useful electronic and optoelectronic circuits on semiconductor substrates, including wafers. It is an object of the present invention to provide an improved method of using a laser to form micro-flow structural features on the processed material.
[0014]
It is another object of the present invention to provide a method as described above employing a reliable non-excimer UV laser that is operable to produce a high pulse energy output at a high pulse repetition frequency.
[0015]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for directly and rapidly forming a pattern having structural features with dimensions less than 50 μm on a semiconductor workpiece using ablation with an ultraviolet laser. A combined beam positioner is used to rapidly position the focused output of a non-excimer UV laser capable of emitting high energy per pulse output at a high pulse repetition frequency to a workpiece. The patterns described above include the formation of columnar holes with very large aspect ratios, such as through holes or blind holes for connecting integrated circuits, or the curved or curved shape of a processed semiconductor die provided on a silicon wafer. Such as square singulation (cutting), microtub cutting to separate microcircuits formed in a semiconductor workpiece from a parent wafer, arrayed waveguide grating (AWG) or microelectronic machine system (MEMS) Include the formation of curved or square structural features in the optical waveguide, and the scribing of alignment marks, identification marks or other marks on the wafer surface.
[0016]
The present invention uses laser wavelengths shorter than 390 nm, and therefore, makes the light absorption coefficient of silicon 1000 times the light absorption coefficient at the 1064 nm wavelength used in U.S. Patent Nos. 4,541,035, 4,589,190 and 5,543,365. Larger than Q switch frequency triple Nd: YAG, Nd: YVOFourAlternatively, a Nd: YLF diode pump laser is a suitable ablation UV power source. According to the laser optical system, a Gaussian spot size of about 10 μm is obtained. Alternatively, an optical system that produces a top hat beam profile can be used. Exemplary pulse energies for rapid ablation of silicon using this focused spot size are greater than 200 μJ per pulse at pulse repetition frequencies greater than 5 kHz, preferably greater than 15 kHz. Preferably, the laser pulse width measured at the full width at half maximum is less than 80 nanoseconds (ns).
[0017]
The advantage of using UV wavelengths is that spot sizes can be generated that are significantly smaller than those available with longer wavelength laser sources. The ability to form such small spot sizes allows for the formation of micro-dimensional structural features in silicon. For certain fixed spot sizes that can be achieved with conventional Gaussian focusing techniques, shortening the wavelength can increase the depth of focus at ultraviolet wavelengths to form structural features with increased aspect ratios.
[0018]
The present invention uses stray-reflective materials and employs novel fabrication techniques for the workpiece support structure, resulting in stray reflections of the UV treatment beam from the workpiece support structure, such as a wafer chuck. A method for reducing damage to a processed semiconductor workpiece is also provided.
[0019]
Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiments when taken in conjunction with the drawings.
Detailed Description of the Preferred Embodiment
[0020]
FIG. 1 shows the light absorption coefficient of silicon as a function of wavelength. Referring to FIG. 1, silicon exhibits a very steep increase in light absorption coefficient at the wavelength of ultraviolet light. The present invention makes efficient use of laser wavelengths shorter than 390 nm, and takes advantage of the fact that the light absorption coefficient of silicon increases with ultraviolet light, efficiently erodes and removes silicon, thereby providing various effective patterns or structures. Is formed directly in silicon. This light absorption characteristic significantly reduces the region that is thermally adversely affected by ultraviolet light and makes silicon extremely easy to use, compared to a structure formed using a pulse output of 532 nm or 1064 nm wavelength as taught in the prior art. Erosion removal.
[0021]
FIG. 2 shows the light absorption coefficient of GaAs as a function of wavelength. Referring to FIG. 2, GaAs exhibits a very steep increase in light absorption coefficient at the wavelength of ultraviolet light. The light absorption coefficients of GaAs and silicon are very similar at 355 nm. GaAs is a key material in optoelectronic devices such as diode lasers and detectors.
[0022]
3 and 4 illustrate laser processing systems 10a and 10b, respectively, according to the present invention that employ a combined beam positioning system 30 with a wafer chuck assembly 140 that can be employed to erosion pattern microstructures on a semiconductor workpiece 12 with an ultraviolet laser. (These laser processing systems are typically shown at 10). Referring to these FIGS. 3 and 4, in a preferred embodiment of the laser system 10, Nd: YAG, Nd: YLF or Nd: YVOFourA Q-switched diode pump (DP) solid-state (SS) UV laser 14, which preferably includes a solid-state laser material (lasant) such as This laser 14 is mainly a TEM00UV laser with one or more laser pulses at a wavelength such as 355 nm (frequency tripled Nd: YAG), 266 nm (frequency quadrupled Nd: YAG) or 213 nm (frequency quadrupled Nd: YAG) having a spatial mode profile of The output 16 is preferably generated harmonically.
[0023]
Although a Gaussian function can be used to represent the irradiance profile of the laser output 16, those skilled in the art will recognize that most lasers 14TwoIt is understood that it does not emit a full Gaussian output 16 having a value of = 1. Here, the Gaussian function is MTwoIs preferably less than 1.3 or 1.2, but is used for convenience as including profiles that are about 1.5 or less.
[0024]
In a preferred embodiment, laser 14 comprises a Model 210-V06 Q-switched frequency tripled Nd: YAG laser marketed by Lightwave Electronics, which operates at about 355 nm. This laser is used in a Micro Via Drilling System, model number ESI Model 2700, marketed by Electro Scientific Industries, Inc. of Portland, Oregon. In another embodiment, to increase the pulse repetition frequency (PRF) and the energy per pulse, a Q-switched frequency doubling Nd of Model Model 210-V09 sold by Lightwave Electronics operating at about 355 nm. : YAG laser can be used. As will be apparent to those skilled in the art, other lasers can be employed and other wavelengths can be obtained from the other laser materials listed. Although the construction of the laser cavity, generation of harmonics, Q-switching, and positioning systems are all well known to those skilled in the art, some of these details will be introduced in the description of the preferred embodiment.
[0025]
The UV laser output 16 optionally passes through various well-known magnification and / or collimation optics 18, propagates along an optical path 20, and is directed by a beam positioning system 30. The system output pulse 32 illuminates a desired laser target location 34 on the workpiece 12. The beam positioning system 30 preferably has a translation stage positioner, which supports positioning mirrors 42 and 44 in any combination of, for example, X, Y and Z directions and a plurality of positions on the same or different workpieces 12. Preferably, at least two lateral translation stages 36 and 38 are employed to achieve rapid movement between the target positions.
[0026]
In a preferred embodiment, the translation stage positioner includes a Y-direction translation stage 36, which is typically moved along a rail 46 by a linear motor to support and move the workpiece 12, and typically along a rail 48 by a linear motor. The moved X translation stage 38 is an axis separation system adapted to support and move the high-speed positioner 50 and its associated focusing lens. The dimension in the Z direction between the X-direction translation stage 38 and the Y-direction translation stage 36 may also be adjustable. The positioning mirrors 42 and 44 align the optical path 20 via any diverter between the laser 14 and a high speed positioner 50 located along the optical path 20 (alignment process). The high-speed positioner 50 may employ, for example, a high-resolution linear motor or a pair of galvanometer motors capable of performing one or repeated processing operations based on given inspection data or design data. The X and Y translation stages 38 and 36 and the high-speed positioner 50 can be controlled and moved independently of each other or cooperatively in response to panelized or non-paneled data. .
[0027]
High-speed positioner 50 also preferably includes a vision system that can be aligned with one or more reference points on the surface of workpiece 12. Beam positioning system 30 may employ a conventional vision or beam-work alignment system known to those skilled in the art, which operates via off-axis to objective 36 or another camera. In one embodiment, the alignment between the laser system 10 and a target location 34 on the workpiece 12 is implemented using an HRVX vision box using freedom library software in a positioning system 30 marketed by Electro Scientific Industries. Execute Other suitable alignment systems are commercially available. The alignment system preferably employs bright field, on-axis illumination, especially for specular workpieces such as wrapped or polished wafers.
[0028]
In addition, beam positioning system 30 determines Abbe errors due to pitch, yaw or roll sway of X and Y translation stages 38 and 36 that are not indicated by an on-axis position indicator such as a linear scale encoder or laser interferometer. However, it is also preferable to employ a non-contact type small displacement sensor. The Abbe error correction system can be calibrated against an accurate reference gauge such that the correction does not depend on the absolute accuracy of the sensor reading, but only on small changes detected in the sensor reading. Such Abbe error correction systems are described in detail in WO 01/52004 and US Patent Publication No. 2001-0029674. The relevant portion of US Patent Application Serial No. 09 / 755,950, which corresponds to this US Patent Publication, is incorporated by reference.
[0029]
Many variations of the positioning system 30 are well known to those skilled in the art, and several embodiments of the positioning system 30 are described in detail in US Pat. No. 5,751,585. A micro via drilling system, model number ESI Model 5320, marketed by Electro Scientific Industries, Inc. of Portland, Oregon, is a preferred configuration of the positioning system 30 and is used for laser drilling of resin-coated copper packages for the electronics industry. Other suitable positioning systems may be employed such as model numbers 27xx, 43xx, 44xx or 53xx manufactured by Electro Scientific Industries, Inc. of Portland, Oregon. Some of these positioning systems, which use an XY linear motor to move the workpiece 12 and an XY translation stage to move the scan lens, are cost-effective positioning systems for performing long linear cuts. is there. One of ordinary skill in the art would instead employ a system having a single XY translation stage to position the workpiece relative to a fixed beam position and / or a fixed galvanometer for beam positioning. It is clear that you can do that. Such a system uses a toolpath file that dynamically positions the focused output pulse 32 of the UV laser system at high speed, producing various useful patterns that can be periodic or non-periodic. Those skilled in the art will recognize that programming is possible. Those skilled in the art will also appreciate that doing so provides many advantages over the above-mentioned proposal by Lee et al. Of forming holes (via holes) in silicon using a projection imaging apparatus. It has recognized.
[0030]
An optical laser power controller 52, such as a half-wave plate polarizer, can be located along the optical path 20. Further, one or more beam detectors 54, such as photodiodes, may be located downstream of the laser output controller 52 so as to be aligned with the positioning mirror 44, which is partially transparent to the wavelength of the laser output 16. it can. The beam detector 54 is preferably combined with beam diagnostic electronics that produces a signal that alters the effect of the laser power controller 52.
[0031]
Referring to FIG. 4, a laser system 10b employs at least two lasers 14a and 14b, respectively, emitting laser outputs 16a and 16b, respectively, that are laterally linearly polarized, and these laser outputs are coupled to reflectors 42a and 42b, respectively. Is preferably propagated along the optical paths 20a and 20b. An optional wave plate 56 can be arranged along the optical path 20b. Preferably, the reflector 42a is a polarization sensitive beam combiner, located along both optical paths 20a and 20b, and combines the laser outputs 16a and 16b to propagate along the common optical path 20.
[0032]
Lasers 14a and 14b can be the same or different types of lasers, and can produce laser outputs 16a and 16b of the same or different wavelengths. For example, laser output 16a may have a wavelength of about 266 nm and laser output 16b may have a wavelength of about 355 nm. As will be apparent to those skilled in the art, the lasers 14a and 14b can be arranged side by side or one above the other, both of which can be mounted on one translation stage 36 or 38. The laser system 10b is capable of producing a laser output pulse 32b with very high energy. A particular advantage of the configuration shown in FIG. 4 is that the combined laser output with increased energy per pulse can be directed onto the workpiece, and such a laser output can be delivered from a typical single laser head. It is difficult to produce. Increasing the energy per pulse in this manner is particularly advantageous for eroding deep trenches or deep cylindrical holes in thick silicon wafers.
[0033]
Despite the substantially circular shape of the laser output pulse 32, an optional imaging optics module 62 spatially filters out residual astigmatism or unwanted beam characteristics such as ellipses and other shape characteristics. Beam shape quality can be improved. Referring to FIG. 5, the imaging optics module 62 is positioned at or near the optical waist formed by the optical element 64, the lens 66, and the optical element 64, and includes any unwanted side lobes of the beam. Preferably, an aperture mask 68 is provided to block the peripheral portion and subsequently image a precisely shaped spot profile on the workpiece. In the preferred embodiment, the optical element 64 is a focusing lens and the lens 66 is a collimating lens to provide flexibility in the configuration of the laser system 10.
[0034]
By varying the size of the aperture, the sharpness of the edge of the spot shape can be controlled, resulting in a smaller and sharper edge beam intensity profile, thereby increasing alignment accuracy. Further, with this configuration, the aperture can be made exactly circular or have a square, elliptical or other non-circular shape that can be aligned parallel or perpendicular to the cutting direction. The aperture of the aperture mask 68 can optionally be flared outward on its light exit side. In the imaging optics module 62, the aperture mask 68 may have a UV-reflective or UV-absorbing material, such as sapphire or UV-grade quartz glass coated with a multi-layer, highly UV-reflective coating or other UV-resistant coating. It is preferable to form the aperture mask 68 using a suitable dielectric material. As will be apparent to those skilled in the art, the aperture mask 68 can be used without the optical elements 64 and 66.
[0035]
In another preferred embodiment, the optical element 64 has one or more beam-shaping elements near the aperture mask 68 downstream of the optical element 64, such that the laser-shaping element emits a laser pulse having an original Gaussian irradiance profile. It converts to a shaped (and focused) pulse having a substantially uniform "top hat" profile or especially a super Gaussian irradiance profile. Such a beam shaping element may have an aspherical optical system or a diffractive optical system. In the preferred embodiment, lens 66 has imaging optics effective to control beam size and divergence. As will be apparent to those skilled in the art, one or more lens elements for imaging may be employed. Further, it will be apparent to those skilled in the art that the shaped laser output can be employed without using the aperture mask 68.
[0036]
In a preferred embodiment, the beam shaping element comprises a diffractive optical element (DOE) that can achieve high efficiency, high accuracy and complex beam shaping. The beam shaping element not only converts the Gaussian irradiance profile to a substantially uniform irradiance profile, but also focuses the shaped output to a particular spot size. Preferably, the diffractive optical element DOE is one, but as will be apparent to those skilled in the art, the diffractive optical element DOE may be a plurality of separate optical elements such as a phase plate and a conversion element disclosed in US Pat. No. 5,864,430. Devices. The U.S. patent also discloses a technique for designing a diffractive optical element DOE for beam shaping purposes. The shaping and imaging techniques described above are described in detail in WO 00/73013. The relevant part of US patent application Ser. No. 09 / 580,396 corresponding to this international publication is incorporated by reference.
[0037]
For the purpose of increasing the flexibility of the dynamic range of energy per pulse, a fast response amplitude control mechanism such as an acousto-optic modulator or an electro-optic modulator can be employed to modulate the pulse energy of successive pulses. . The pulse energy of successive pulses can be changed by increasing or decreasing the pulse repetition frequency instead of or in combination with the high-speed response amplitude control mechanism. FIG. 6 shows a characteristic relationship between the pulse energy and the pulse repetition frequency (PRF) of the laser 14 employed during the practice of the present invention. As shown in FIG. 6, a pulse energy larger than 200 μJ can be obtained from the laser “Lightwave 210-V06”. Further, the characteristic relation between pulse energy and PRF for other lasers “Lightwave 210-V09L” and “Lightwave 210-V09H” is also shown. As will be apparent to those skilled in the art, FIG. 6 illustrates the above-described principle, and variations of the laser system 10 may vary the characteristic relationship between pulse energy and pulse repetition frequency in the art.
[0038]
The performance characteristics described above of the UV laser system 10 can be used to rapidly fabricate micron-scale structural characteristics by laser ablation of semiconductors, particularly silicon. The formation of these structural features includes the formation of a cylindrical hole 100 that has fully penetrated or partially penetrated the silicon or other silicon workpiece 12 and has a very high aspect ratio and a silicon wafer or The formation of fully penetrated or partially penetrated grooves of complex geometry for the purpose of singulating (cutting) the processed semiconductor die on the silicon workpiece 12 and the microminiature formed in the silicon Includes, but not limited to, the formation of microtub structures that separate circuits from the parent wafer, the formation of structures on the AWG and / or the formation of laser singulation, and the formation of structures in MEMS. It is not limited. Further, the present invention facilitates the formation of structural features without causing significant lip formation due to melting, significant slag formation, and peelback of structural feature edges.
[0039]
FIG. 7 shows a 0.5 μm thick SiO.TwoA cylindrical hole formed by patterning by ultraviolet ablation on a silicon workpiece 12 such as a 500 μm thick intrinsic silicon substrate 70 covered with a surface stabilizing layer (not shown) is shown. As will be apparent to those skilled in the art, the thickness of the silicon workpiece and the surface stabilization layer can vary.
[0040]
Cylindrical hole 100 positions laser target position 34 of silicon workpiece 12 in the focal plane of laser system 10 and directs a series of laser system output pulses 32 onto laser target position 34 on silicon workpiece 12. Patterning is preferred. In this example, the silicon workpiece 12 is moved in the X and Y axes to direct the laser system 10 to a computer programmed central target position 34 that is the desired position for the cylindrical hole 100. Each of a series of laser system output pulses 32 is incident on a programmed central target position 34.
[0041]
In the case of ablation patterning (herein referred to as punching) of a cylindrical hole 100 in a silicon workpiece with successive overlapping pulses, a suitable range including energy per pulse, pulse repetition frequency (PRF) and focused spot size. Synthetic processing parameters are particularly advantageous for rapidly punching effective cylindrical holes 100.
[0042]
In the punching process, the workpiece 12 is fixed in the X and Y directions and each successive output pulse 32 of the laser system is incident on a programmed central target position 34. In the case of the silicon patterning process by ablation of the present example, a suitable energy range per pulse is about 100 μJ to 1500 μJ, more preferably about 200 μJ to 1000 μJ, more preferably about 300 μJ to 800 μJ, and most preferably about 300 μJ to 800 μJ. This is a value exceeding 360 μJ. A preferred PRF range is from about 5 kHz to 100 kHz, more preferably from about 7 kHz to 50 kHz, and even more preferably from 10 kHz to 30 kHz. The preferred focused spot size range is from about 1 μm to 25 μm, more preferably from about 3 μm to 20 μm, and most preferably from about 8 μm to 15 μm. As will be apparent to those skilled in the art, the laser performance shown in FIG. 6 can achieve energy per pulse output at a PRF within the most preferred ranges described above. Specifically, by programming a micro via drilling system of model number ESI Model 2700 to operate with the most preferred processing parameters to form a cylindrical hole with a diameter of 35 μm in a 750 μm thick silicon wafer workpiece. 1. A processing capacity of forming 100 cylindrical holes per second is obtained.
[0043]
In another embodiment, the laser focus position is moved in the height direction Z in response to each successive laser system output pulse 32, and the laser focus is sequentially positioned deeper in the silicon workpiece 12, thereby: Ensure that the focused spot is held in a position that more closely matches the rest of the silicon surface.
[0044]
In a preferred embodiment, the cylindrical hole 100 is formed by using approximately 100 successive output pulses 32 of the laser system using the output pulse energy from the laser 14 with an energy greater than 300 microjoules (μJ). It has completely penetrated the thickness 102 of the workpiece 12. The output pulse 32 of the laser system has its focused spot size (1 / eTwo) A diameter of about 12 μm is incident on the processing surface. The columnar hole 100 obtained in this example is typically about 20 μm in top opening diameter (dt) 104 and an exit diameter (db), Whereby the cylindrical hole as the through hole has an aspect ratio of about 30: 1 and a taper angle of the hole of 0.4 °.
[0045]
As will be appreciated by those skilled in the art, the exact values of energy per pulse, focused spot size, and number of pulses required to effectively form a high quality cylindrical hole 100 in silicon are determined by the silicon workpiece 12. Thickness 102 and a coating layer (an example is SiOTwo) Can be varied depending on the relative thickness and composition and the exact UV wavelength employed. For example, to form a cylindrical through-hole in silicon for use as a point of direct conductive connection of an integrated circuit patterned on a silicon semiconductor die to a printed circuit, the silicon may be, for example, only 50 μm thick. Can be thick. In this example, only about 10 pulses need be used to form the desired cylindrical through-hole 100. One of ordinary skill in the art can form a cylindrical hole (blind via) that does not completely penetrate the entire thickness 102 of silicon by appropriately selecting the parameters described above.
[0046]
As will be apparent to those skilled in the art, such cylindrical holes formed in silicon with a high aspect ratio and a very small taper angle are extremely advantageous for the packaging and interconnecting fields of electronic devices. In addition, one or more groups of these small through-hole cylindrical holes 100 may be located near the periphery of the workpiece 12, circuit or semiconductor die, or on a top surface in a scribe, slice, or dicing passage. The rear or bottom surface of the workpiece 12 can be accurately aligned with the structural features on the top surface. Such alignment facilitates backside processing such as laser scribing or laser sawing to increase processing speed or performance. Wafer slicing or dicing techniques on the front and / or back side are described in U.S. patent application Ser. No. 09 / 803,382, filed Mar. 9, 2001, and U.S. Pat. It is described in detail in provisional application No. 60 / 301,701.
[0047]
FIG. 8 shows a state where the groove 110 is patterned on the silicon workpiece 12 by ultraviolet ablation. The groove 110 places the silicon workpiece 12 at the focal plane of the laser system 10 and causes the beam positioning system 30 to move the silicon workpiece 12 along its X and / or Y axis while the series of overlapping series. Preferably, patterning is achieved by directing successive laser system output pulses 32 to the silicon workpiece 12.
[0048]
In the case of a patterning process by ablation for forming a groove in silicon, a preferable energy range per pulse is about 100 μJ to 1500 μJ, more preferably about 200 μJ to 1000 μJ, further preferably about 300 μJ to 800 μJ, and most preferably. This is a value exceeding about 360 μJ. A preferred PRF range is from about 5 kHz to 100 kHz, more preferably from about 7 kHz to 50 kHz, and even more preferably from 10 kHz to 30 kHz. The preferred focused spot size range is from about 1 μm to 25 μm, more preferably from about 3 μm to 20 μm, and most preferably from about 8 μm to 15 μm. The preferred bite size range is about 0.1 μm to 10 μm, more preferably about 0.3 μm to 5 μm, and most preferably about 0.5 μm to 3 μm. The byte size can be adjusted by controlling the speed of one or both stages of the laser beam positioning system and adjusting the repetition rate of the laser and the speed of movement relative to the firing of the laser.
[0049]
In a preferred embodiment, the output pulse energy from the laser 14 of about 360 μJ is used and a 180 μm thickness is achieved by passing 180 times over the workpiece 12 at a stage speed of 10 mm / sec using a 1 μm byte size. SiOTwoA straight groove 110 is formed by completely penetrating 750 μm thick intrinsic silicon covered with a surface stabilizing layer. These laser pulses have a focused spot size (1 / eTwo) With a diameter of 12 μm, the light is incident on the processing surface. As will be appreciated by those skilled in the art, the programming of the toolpath file used by the positioning system 30 and the laser system 10 to position the silicon workpiece 12 along the X and Y axes during processing may result in square, rectangular, elliptical, and spiral shapes. Alternatively, various patterns of variable geometric shapes can be created, including, but not limited to, any combination of these. In the case of laser cutting, it is preferred to align the beam positioning system 30 with a typical typical saw cutting or other criteria or pattern on the wafer surface. If a notch is already mechanically formed in the wafer, alignment to the cutting edge is preferred to eliminate sawing and alignment errors.
[0050]
The material that is destroyed by laser cutting (the cut width is smaller than 50 μm, preferably smaller than 25 μm) is smaller than the material that is destroyed by mechanical cutting (slicing lane is about 300 μm and dicing path is about 150 μm). Also, the devices on the wafers can be manufactured very close to each other, and thus more devices can be manufactured on each wafer. Therefore, the laser cutting process minimizes the line pitch and the device pitch.
[0051]
The elimination of mechanical cutting also simplifies the manufacture of the device on the workpiece 12. In particular, mechanical cutting exerts large mechanical stresses on the devices, which may cause them to be displaced from their carriers. To avoid losing rows, the device manufacturer may employ a strong adhesive or epoxy between the rows and the carrier. Any laser treatment significantly reduces the requirements on the mechanical strength of the adhesive used to secure the rows on the carrier. Thus, laser cutting eliminates the need for the strong adhesives or epoxy resins used to secure the rows to the carrier and the strong chemicals needed to remove them. Instead, the stripping time can be reduced, and in some cases the exposure time to corrosive chemicals can be reduced, making it easier to strip and adaptable to UV laser treatment, significantly reducing the risk of equipment damage. The adhesive may be selected so as to increase the yield.
[0052]
Laser row slicing reduces row bending. The reason is that laser slicing does not exert a large mechanical stress unlike mechanical slicing. However, if row bends or other row defects appear, the rows are diced (and again sliced) with a laser and, in the case of critical equipment, the equipment required between rows for mechanical dicing. These defects can be compensated for without being related to the alignment of the device. For convenience, it is common to use the term "(through) cutting" to include slicing (often associated with row separation of wafers) or dicing (often associated with singulation of parts from rows of wafers). Alternatively, slicing and dicing can be used interchangeably in the context of the present invention.
[0053]
Because the beam positioning system 30 can perform alignment with respect to the through-hole 100 or reference, the laser system 10 can process each row and / or each device independently. For diagonal rows, the laser spot provides the desired position relative to the outer edge of the device that translates the stage and / or beam between each cutting to obtain the desired rectangular or curvilinear waveform pattern. Thus, cross cutting can be performed across an oblique line. Thus, laser dicing could compensate for row fixing defects and protect all rows of equipment that could be destroyed by mechanical dicing.
[0054]
The throughput of UV laser cutting on silicon and similar materials can be increased by dividing the long cutting path into shorter segments. For cutting through-holes or grooves in thick silicon, these segments are preferably, for example, in the range of about 10 μm to 1 mm, more preferably in the range of about 100 μm to 1000 μm, most preferably Is in the range of 200 μm to 500 μm. The laser beam scans for a predetermined number of passes in a first short segment, then moves to a second short segment and scans for a predetermined number of passes in this second short segment. The byte size, segment size, and segment overlap amount can be adjusted so that the groove backfill amount and the like are minimized.
[0055]
FIG. 9 shows a simplified example of a segmented cutting profile 112a. Referring to FIG. 9, for convenience, the cutting path direction is from left to right, and the individual cutting segments 116k1~ 116rThree(Generally cutting segment 116) shows a cutting profile 112a formed from right to left. Cutting segment 116k1~ 116rThreeAre shown in parallel in FIG. 9 for convenience, these cutting segments 116k1~ 116rThreeAre actually collinear. FIG. 9 shows a plurality of segment sets 114a, each set having an initial segment 116k and a plurality of gradually increasing and overlapping segments 116m-116r, which are in alphabetical order. Processing is preferred. Each set 114a is preferably processed to a selected intermediate depth or a completely penetrating cutting is formed before the next set is processed. Although only five overlapping segments are shown for each set 114a, any number of overlapping segments required as appropriate for the intended material thickness can be employed, especially in sequential order. It will be apparent to those skilled in the art that the increase in length can be small. It will also be apparent to those skilled in the art that any or all of the segments 116 used in the cutting profile 112a may be processed bidirectionally, rather than being processed unidirectionally as shown in FIG.
[0056]
FIG. 10 shows a simplified example of a segmented cutting profile 112b, which is somewhat similar to profile 112a. Referring to FIG. 10, the profile 112b starts from the same segment set 114a that starts the profile 112a. However, segment set 114b does not have segment 116k, and segment set 114b overlaps the previously processed segment set by 60% so as to increase sequentially. In this example, the segment 116k1Is cut in 30 passes, and the length is set to 200 μm. Next, segment 116m1Was cut in 6 passes (1/5 of 30 passes) and its length was 240 μm (200 μm and segment 116 k1(Sum of 2/5 of the length). Next, the segment 116n1Is cut in six passes and its length is 280 μm (200 μm and segment 116 k1(Sum of 2/5 of the length). This procedure is continued until the predetermined segment set 114b is completed. In this example, the dicing speed may be 8.5 mm / min or more.
[0057]
Real-time monitoring may also be employed to reduce the risk of rescanning portions of the cutting path where cutting has already been completed. Further, the polarization direction of the laser beam can be corrected according to the cutting direction, so that the processing capability can be further enhanced. These segmented cutting techniques are disclosed in US Provisional Application No. 60 / 297,218, filed Jun. 8, 2001.
[0058]
Another application of the patterning method by ultraviolet ablation of the present invention is to form a MEMS (micro electronic machine system) device 120. FIG. 11 diagrammatically shows a patterning method of the MEMS device 120 by ultraviolet ablation. In one preferred embodiment, the MEMS device 120 is patterned to form through grooves 122a, 122b, 122c, 122d, and 122e (typically referred to as grooves 122) in silicon using the methods described above. As will be apparent to those skilled in the art, the computer control of the X and / or Y axis of the laser positioning system 30 causes the directional laser system output pulses 32 to be directed toward the work surface. The pulses allow the formation of patterns that represent any complex curvilinear geometry. By using this control ability in combination with a patterning method by ultraviolet ablation, it is possible to form a complicated curved pattern in silicon that is effective for efficiently manufacturing various MEMS devices 120. FIG. 11 also shows a square hole formed by a pattern of adjacent grooves.
[0059]
Yet another application of the ultraviolet ablation patterning method of the present invention is in processing optical integrated circuits such as arrayed waveguide grating (AWG) devices 130 formed on a semiconductor wafer workpiece 12. FIG. 12 diagrammatically shows a patterning method of the AWG device 130 by ultraviolet ablation. In one preferred embodiment, the AWG 130 was patterned using the method described above, for example, to form a curved groove 132 in silicon having portions 132a, 132b, 132c, 132d, and 132e. Although the grooves 132 are shown as symmetric, it will be apparent to those skilled in the art that by controlling the X and / or Y axis of the laser positioning system 30, the directional laser system can be controlled. With the output pulses 32 directed at the work surface, the overlapped pulses 32 allow the formation of patterns that represent any complex curvilinear profile or geometry. By using this control ability in combination with a patterning method by ultraviolet ablation, it is possible to form a complicated curved pattern in silicon that is effective for efficiently manufacturing various AWG devices 130.
[0060]
It is not advantageous to employ a conventional metal chuck, such as formed from aluminum, to penetrate silicon workpiece 12. The reason for this is that the reflectivity of these conventional metal materials is high in ultraviolet light, which may introduce backside damage to the silicon workpiece 12. After the penetrating process was completed, a remarkable trace of backside damage around the cylindrical through hole 100 or the through groove 110 due to the reflected energy generated from the top of the metal chuck was confirmed by an experiment. However, unexpectedly, no backside damage was found near the cylindrical through-hole 100 or the through-groove 110 formed on the reference hole (tooling hole) of the metal chuck top.
[0061]
FIG. 13 diagrammatically shows a chuck assembly 140 in which the silicon workpiece 12 is positioned to perform the penetrating process using a patterning method by ultraviolet ablation. The chuck assembly 140 preferably has a vacuum chuck base 142, a chuck top 144, and an optional holding carrier 146. The vacuum chuck base 142 is preferably formed from a conventional metal material and is preferably bolted to an additional plate 148 (FIG. 4). Plate 148 is adapted to be easily connected to and / or separated from at least one of stages 36 and 38. The engagement mechanism is preferably mechanical, may have opposing grooves and ridges, and may have a locking mechanism. As will be apparent to those skilled in the art, the base 142 may be secured directly to the stage 36 or 38.
[0062]
The chuck top 144 is preferably formed from a dielectric material having low reflectivity at the ultraviolet wavelength selected for the particular patterning field. In a preferred embodiment employing a 355 nm output from a frequency tripled Q-switched diode pumped Nd: YAG laser, the UV transparent chuck top 144 is made of UV or excimer grade quartz glass, MgFTwoOr CaFTwoFormed from In another example, or in addition to the above, the UV transparent chuck top 144 may be liquid cooled to help maintain the temperature stability of the silicon workpiece 12. As will be apparent to those skilled in the art, quartz glass is an ultraviolet transparent material consisting of amorphous silicon dioxide, consisting of a chemical bond of silicon and oxygen.
[0063]
Referring again to FIG. 13, a holding carrier 146 can be placed on the chuck top 144 for the purpose of supporting the silicon workpiece 12 and holding it after patterning by ultraviolet ablation. Preferably, the holding carrier 146 is also formed from an ultraviolet transparent material to prevent backside reflection from damaging the workpiece 12 being penetrated. The holding carrier 146 is preferably machined to have a shallow recess for receiving the processed silicon workpiece 12 after the penetrating operation.
[0064]
In another example, chuck top 144 or holding carrier 146 is formed from a UV absorbing material such as Al or Cu, and laser system 10 has a tool path file of a pattern of shallow recesses to be formed in workpiece 12. Can be used to cut the corresponding pattern into the material of the chuck top 144 or the holding carrier 146. These recesses, for example, correspond to intentionally drilled holes or edge patterns to prevent backside damage to the workpiece 12 during the through-cutting process. Further, any debris debris resulting from the process can be contained in a recess remote from the back surface of the workpiece 12. In one preferred embodiment, the pattern of shallow recesses has dimensions that are slightly larger than the dimensions of the workpiece 12 after processing, so that the processed workpiece 12 can fit within the recesses of the holding carrier 146. To do. In another example, the holding carrier 146 is formed from an ultraviolet transparent material by other means, such as an optical manufacturing or etching process, after which the holding carrier is aligned and secured on the chuck top 144. The chuck assembly 140 of the example described above may be effectively applied to UV piercing other materials such as polyamide.
[0065]
As will be apparent to those skilled in the art, purge gases such as nitrogen, argon, helium, and dry air can be effectively used to help remove waste fumes from the workpiece 12. Such a purge gas may be exhausted to the immediate vicinity of the work surface using an exhaust nozzle attached to the laser system 10.
[0066]
In order to improve the surface quality of the silicon workpiece 12 treated using the patterning method by ultraviolet ablation, the treated workpiece is treated using an ultrasonic bath containing water, acetone, methanol and ethanol (but not limited thereto). 12 can be washed. As will be apparent to those skilled in the art, cleaning the treated workpiece 12 in hydrofluoric acid can be beneficial in removing unwanted oxide layers.
[0067]
While most of the foregoing has been directed toward processing silicon and GaAs, the methods described above generally apply to other semiconductors used as a substrate 70 for the workpiece 12, such as SiC, SiN or indium phosphide. Can.
[0068]
It is obvious that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be variously modified.
[Brief description of the drawings]
[0069]
FIG. 1 is a graph showing the light absorption coefficient of silicon as a function of wavelength.
FIG. 2 is a graph showing the light absorption coefficient of gallium arsenide (GaAs) as a function of wavelength.
FIG. 3 is a simplified diagrammatic perspective view of a preferred laser system for patterning microstructures in semiconductors using ultraviolet laser ablation according to the present invention.
FIG. 4 is a simplified diagrammatic perspective view of another preferred laser system for patterning microstructures in semiconductors using ultraviolet laser ablation.
FIG. 5 is a simplified diagram illustrating an imaging optical module that can be used in a laser system for patterning microstructures in a semiconductor using ultraviolet laser ablation.
FIG. 6 is a graph illustrating the characteristic relationship between pulse energy and pulse repetition frequency of a laser (a high average power diode pumped 355 nm laser) used during the practice of the present invention (patterning a semiconductor by ablation).
FIG. 7 is a diagram showing a state where a cylindrical hole is patterned in silicon by ultraviolet ablation.
FIG. 8 is a diagram showing a state in which a groove pattern is patterned in silicon by ultraviolet ablation.
FIG. 9 is a simplified diagram showing an example of a segmented cutting profile for performing long cutting in a semiconductor material.
FIG. 10 is a simplified diagram showing another example of a segmented cutting profile for performing long cutting in a semiconductor material.
FIG. 11 is a diagram showing patterning of a MEMS device on a semiconductor wafer by ultraviolet ablation.
FIG. 12 is a diagram showing a state in which an AWG device is patterned on a semiconductor wafer by ultraviolet ablation.
FIG. 13 is a diagram illustrating an ultraviolet transmissive chuck on which a semiconductor workpiece is placed during processing using a patterning method by ultraviolet ablation.

Claims (37)

シリコン、GaAs、リン化インジウム又は単結晶サファイア基板をレーザ処理するに当って、
低速及び高速運動制御信号を位置決め信号プロセッサから生ぜしめる工程と、
低速運動制御信号に応答して低速ポジショナドライバを用い、並進ステージの大きな相対運動範囲を制御する工程と、
高速運動制御信号に応答して高速ポジショナドライバを用い、高速ポジショナの小さな相対運動範囲を制御する工程と、
200μJよりも大きい出力パルスエネルギーを有する第1レーザシステム出力を400nmよりも短い波長で発生させる工程と、
前記第1レーザシステム出力を前記基板上の目標位置に指向させ、この目標位置における基板材料を、目標材料の表面で25μmよりも小さくなる第1スポット面積をもって除去する工程と、
200μJよりも大きい出力パルスエネルギーを有する第2レーザシステム出力を400nmよりも短い波長で発生させる工程と、
前記第2レーザシステム出力を、目標材料の表面で25μmよりも小さくなる第2スポット面積をもって第2目標位置に当るように指向させ、第2スポット面積は第1スポット面積を少なくとも部分的にオーバーラップするようにする工程と
を有するレーザ処理方法。
In laser processing silicon, GaAs, indium phosphide or single crystal sapphire substrate,
Generating low and high speed motion control signals from a positioning signal processor;
Controlling a large relative motion range of the translation stage using a low speed positioner driver in response to the low speed motion control signal;
Controlling a small relative motion range of the high-speed positioner using a high-speed positioner driver in response to the high-speed motion control signal;
Generating a first laser system output having an output pulse energy greater than 200 μJ at a wavelength shorter than 400 nm;
Directing the first laser system output to a target location on the substrate, removing the substrate material at the target location with a first spot area less than 25 μm on the surface of the target material;
Generating a second laser system output having an output pulse energy greater than 200 μJ at a wavelength shorter than 400 nm;
Directing the output of the second laser system to hit a second target location with a second spot area less than 25 μm on the surface of the target material, the second spot area at least partially overlapping the first spot area; A laser processing method.
シリコン、GaAs、リン化インジウム又は単結晶サファイア基板をレーザ処理するに当って、
200μJよりも大きい出力パルスエネルギーを有する第1レーザシステム出力を400nmよりも短い波長で発生させる工程と、
前記第1レーザシステム出力を前記基板上の目標位置に指向させ、この目標位置における基板材料を、目標材料の表面で25μmよりも小さくなる第1スポット面積をもって除去する工程と、
200μJよりも大きい出力パルスエネルギーを有する第2レーザシステム出力を400nmよりも短い波長で発生させる工程と、
前記第2レーザシステム出力を、目標材料の表面で25μmよりも小さくなる第2スポット面積をもって第2目標位置に当るように指向させ、第2スポット面積は第1スポット面積を少なくとも部分的にオーバーラップさせて、少なくとも50μmの厚さの基板に貫通孔を形成し、この貫通孔のアスペクト比を約20:1よりも大きくするようにする工程と
を有するレーザ処理方法。
In laser processing silicon, GaAs, indium phosphide or single crystal sapphire substrate,
Generating a first laser system output having an output pulse energy greater than 200 μJ at a wavelength shorter than 400 nm;
Directing the first laser system output to a target location on the substrate, removing the substrate material at the target location with a first spot area less than 25 μm on the surface of the target material;
Generating a second laser system output having an output pulse energy greater than 200 μJ at a wavelength shorter than 400 nm;
Directing the output of the second laser system to hit a second target location with a second spot area less than 25 μm on the surface of the target material, the second spot area at least partially overlapping the first spot area; Forming a through hole in the substrate having a thickness of at least 50 μm, and making an aspect ratio of the through hole greater than about 20: 1.
請求項2に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力は少なくとも5つのレーザシステム出力パルスを有するレーザ処理方法。3. The laser processing method according to claim 2, wherein the laser system output has at least five laser system output pulses. 請求項2に記載のレーザ処理方法において、基板の前面上にレーザシステム出力を照射し、その裏面に至る貫通孔を形成し、このレーザ処理方法は更に、
基板の裏面における貫通孔の特徴を用いて、基板の裏面上の処理を実行するための装置のアライメントを行なう工程
を有するレーザ処理方法。
3. The laser processing method according to claim 2, wherein a laser system output is irradiated on a front surface of the substrate to form a through hole reaching the back surface, and the laser processing method further includes:
A laser processing method including a step of performing alignment of an apparatus for performing processing on a back surface of a substrate using characteristics of a through hole in the back surface of the substrate.
請求項4に記載のレーザ処理方法において、少なくとも2つの貫通孔を形成し、これら双方の貫通孔を用いて他の処理のための基板の裏面のアライメントを行なうレーザ処理方法。5. The laser processing method according to claim 4, wherein at least two through holes are formed, and alignment of the back surface of the substrate for another processing is performed using both of the through holes. 請求項2に記載のレーザ処理方法において、基板の前面上にレーザシステム出力を照射し、その裏面に至る貫通孔を形成し、レーザシステム出力に対し殆ど非反射性の表面材料を有するチャックにより基板を支持するレーザ処理方法。3. The laser processing method according to claim 2, wherein a laser system output is irradiated on the front surface of the substrate, a through hole reaching the rear surface is formed, and the substrate has a surface material that is almost non-reflective to the laser system output. Laser processing method supporting 請求項6に記載のレーザ処理方法において、前記チャックの表面材料が基板の裏面へのレーザ損傷を殆ど生ぜしめないようにするレーザ処理方法。7. The laser processing method according to claim 6, wherein the surface material of the chuck causes almost no laser damage to the back surface of the substrate. 請求項6に記載のレーザ処理方法において、チャックの表面材料はレーザシステム出力をほぼ完全に透過するようにするレーザ処理方法。7. The laser processing method according to claim 6, wherein the surface material of the chuck transmits the laser system output almost completely. 請求項6に記載のレーザ処理方法において、チャックの表面材料はレーザシステム出力の波長に対しほぼ完全な吸収性を呈するようにするレーザ処理方法。7. The laser processing method according to claim 6, wherein the surface material of the chuck exhibits substantially perfect absorbency at the wavelength of the laser system output. 請求項2に記載のレーザ処理方法において、基板の前面上にレーザシステム出力を照射し、その裏面に至る貫通孔を形成し、この際、孔を有する表面材料を具える基板をチャックにより支持し、これらの孔の上で貫通孔形成処理を行なうようにするレーザ処理方法。3. The laser processing method according to claim 2, wherein a laser system output is irradiated on the front surface of the substrate to form a through hole reaching the rear surface, and the substrate including the surface material having the hole is supported by a chuck. And a laser processing method for performing a through-hole forming process on these holes. シリコン、GaAs、リン化インジウム又は単結晶サファイア基板をレーザ処理するに当って、
200μJよりも大きい出力パルスエネルギーを有する第1レーザシステム出力を400nmよりも短い波長で発生させる工程と、
前記第1レーザシステム出力を前記基板上の目標位置に指向させ、この目標位置における基板材料を、目標材料の表面で25μmよりも小さくなる第1スポット面積をもって除去する工程と、
200μJよりも大きい出力パルスエネルギーを有する第2レーザシステム出力を400nmよりも短い波長で発生させる工程と、
前記第2レーザシステム出力を、目標材料の表面で25μmよりも小さくなる第2スポット面積をもって第2目標位置に当るように指向させ、第2スポット面積は第1スポット面積を少なくとも部分的にオーバーラップさせて、長さ方向のサイズがスポットサイズよりも大きな切溝を形成するようにする工程と
を有するレーザ処理方法。
In laser processing silicon, GaAs, indium phosphide or single crystal sapphire substrate,
Generating a first laser system output having an output pulse energy greater than 200 μJ at a wavelength shorter than 400 nm;
Directing the first laser system output to a target location on the substrate, removing the substrate material at the target location with a first spot area less than 25 μm on the surface of the target material;
Generating a second laser system output having an output pulse energy greater than 200 μJ at a wavelength shorter than 400 nm;
Directing the output of the second laser system to hit a second target location with a second spot area less than 25 μm on the surface of the target material, the second spot area at least partially overlapping the first spot area; Forming a kerf whose size in the longitudinal direction is larger than the spot size.
請求項11に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力は、溶融によるリップ部の形成を抑止する特性とするレーザ処理方法。12. The laser processing method according to claim 11, wherein a laser system output has a characteristic of suppressing formation of a lip due to melting. 請求項11に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力は、スラグの形成を抑止する特性とするレーザ処理方法。12. The laser processing method according to claim 11, wherein a laser system output has a characteristic of suppressing slag formation. 請求項11に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力は、切溝のエッジのピールバックを抑止する特性とするレーザ処理方法。12. The laser processing method according to claim 11, wherein a laser system output has a characteristic of suppressing peelback of an edge of a kerf. 請求項11に記載のレーザ処理方法において、更に、
200μJよりも大きい出力パルスエネルギーを有する順次のレーザシステム出力を400nmよりも短い波長で発生させる工程と、
前記順次のレーザシステム出力を、目標材料の表面で25μmよりも小さくなるスポット面積をもって順次の目標位置に当るように指向させ、順次のスポット面積はそれぞれ前のスポット面積を少なくとも部分的にオーバーラップさせて、切溝を形成するようにする工程と
を具えるレーザ処理方法。
The laser processing method according to claim 11, further comprising:
Generating a sequential laser system output having an output pulse energy greater than 200 μJ at a wavelength shorter than 400 nm;
The sequential laser system output is directed to a sequential target location with a spot area less than 25 μm on the surface of the target material, the sequential spot areas each at least partially overlap the previous spot area. Forming a kerf.
請求項11に記載のレーザ処理方法において、前記切溝は曲線状のプロファイルを有するようにするレーザ処理方法。12. The laser processing method according to claim 11, wherein the kerf has a curved profile. 請求項11に記載のレーザ処理方法において、更に、
低速及び高速運動制御信号を位置決め信号プロセッサから生ぜしめる工程と、
低速運動制御信号に応答して低速ポジショナドライバを用い、並進ステージの大きな相対運動範囲を制御する工程と、
高速運動制御信号に応答して高速ポジショナドライバを用い、高速ポジショナの小さな相対運動範囲を制御して切溝の曲線状プロファイルを有効にする工程と
を具えるレーザ処理方法。
The laser processing method according to claim 11, further comprising:
Generating low and high speed motion control signals from a positioning signal processor;
Controlling a large relative motion range of the translation stage using a low speed positioner driver in response to the low speed motion control signal;
Controlling the small relative range of motion of the high-speed positioner using a high-speed positioner driver in response to the high-speed motion control signal to enable the curved profile of the kerf.
請求項11に記載のレーザ処理方法において、基板には底部を有する深い切溝を形成し、これら深い切溝により装置を区切るがこれら深い切溝の底部に充分な厚さの基板を保って装置を連結し、更に、レーザシステム出力を採用して装置を分断するレーザ処理方法。12. The laser processing method according to claim 11, wherein a deep kerf having a bottom is formed in the substrate, and the apparatus is separated by the deep kerf, but the substrate is kept sufficiently thick at the bottom of the deep kerf. And a laser processing method for dividing the apparatus by using the output of the laser system. 請求項11に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力に対しほぼ非反射性の表面材料を有するチャックにより基板を支持するレーザ処理方法。12. The laser processing method according to claim 11, wherein the substrate is supported by a chuck having a surface material that is substantially non-reflective to the laser system output. 請求項19に記載のレーザ処理方法において、チャックの表面材料により基板の裏面に対するレーザ損傷を殆ど抑止するレーザ処理方法。20. The laser processing method according to claim 19, wherein laser damage to the back surface of the substrate is substantially suppressed by the surface material of the chuck. 請求項19に記載のレーザ処理方法において、チャックの表面材料はレーザシステム出力をほぼ完全に透過するようにするようにするレーザ処理方法。20. The laser processing method according to claim 19, wherein the surface material of the chuck is substantially completely transparent to the laser system output. 請求項19に記載のレーザ処理方法において、チャックの表面材料はレーザシステム出力の波長に対しほぼ完全な吸収性を呈するようにするレーザ処理方法。20. The laser processing method according to claim 19, wherein the surface material of the chuck exhibits near perfect absorption at the wavelength of the laser system output. 請求項11に記載のレーザ処理方法において、切溝は基板の深さを貫通するように延在させ、この際、チャックは孔を有しこれらの孔の上で貫通切溝の形成処理を行なうようにするレーザ処理方法。12. The laser processing method according to claim 11, wherein the kerfs extend to penetrate the depth of the substrate, and the chuck has holes, and the forming process of the kerfs is performed on these holes. Laser processing method. シリコン、GaAs、リン化インジウム又は単結晶サファイア基板を有し、基板材料の深さが少なくとも300μmであるワークピースを分断する処理能力を高めるに当り、
ワークピースの第1表面上の第1特徴部を識別する工程と、
この第1表面上の第1特徴部に対するレーザシステムの第1目標位置のアライメントを行ない、この第1目標位置が前記第1表面上でワークピースの素子の意図する側に近接するようにするアライメント工程と、
第1目標位置で第1表面をこれと直線的に照射するように1つ以上の第1レーザシステム出力を指向させ、第1切溝を基板材料の深さよりも浅い切溝深さまで形成する工程と、
第1表面又は第2表面上の第2特徴部に対するレーザシステムの第2目標位置のアライメントを行ない、この第2目標位置が前記第2表面上でワークピースの素子の意図する側に近接するとともに第1目標位置と同じ平面内にあるようにするアライメント工程と、
第2目標位置で第2表面をこれと直線的に照射するように1つ以上の第2レーザシステム出力を指向させ、第2切溝を第1切溝と同じ平面内で形成し、ワークピースの素子の意図する側を規定する貫通カッティングを形成する工程と
を具える分断処理能力増大方法。
In order to increase the processing capacity for cutting a workpiece having a silicon, GaAs, indium phosphide or single crystal sapphire substrate and having a substrate material depth of at least 300 μm,
Identifying a first feature on a first surface of the workpiece;
Alignment of a first target position of the laser system with respect to a first feature on the first surface, such that the first target position is adjacent to the intended side of the element of the workpiece on the first surface. Process and
Directing one or more first laser system outputs to linearly illuminate a first surface at a first target location to form a first kerf to a kerf depth less than the depth of the substrate material; When,
Aligning a second target position of the laser system with respect to a second feature on the first surface or the second surface, the second target position being close to the intended side of the workpiece element on the second surface; An alignment step of being in the same plane as the first target position;
Directing one or more second laser system outputs to linearly illuminate a second surface at a second target location, forming a second kerf in the same plane as the first kerf; Forming a through cut that defines the intended side of the device.
請求項24に記載の分断処理能力増大方法において、前記第1及び第2特徴部は、それぞれ基板材料の深さ全体に亙ってレーザにより孔開けされて第1及び第2表面の双方に現れた貫通孔を有するようにする分断処理能力増大方法。25. The method of claim 24, wherein the first and second features are laser drilled throughout the depth of the substrate material, and appear on both the first and second surfaces. A method for increasing the cutting capacity so as to have a through hole. 請求項24に記載の分断処理能力増大方法において、レーザシステム出力に対しほぼ非反射性の表面材料を有するチャックにより基板を支持する分断処理能力増大方法。25. The method according to claim 24, wherein the substrate is supported by a chuck having a surface material that is substantially non-reflective to the laser system output. 請求項24に記載の分断処理能力増大方法において、チャックの表面材料により基板の裏面に対するレーザ損傷を殆ど抑止する分断処理能力増大方法。25. The method according to claim 24, wherein the surface material of the chuck substantially suppresses laser damage to the back surface of the substrate. 請求項24に記載の分断処理能力増大方法において、チャックの表面材料はレーザシステム出力をほぼ完全に透過するようにする分断処理能力増大方法。25. The method of claim 24, wherein the surface material of the chuck is substantially completely transparent to the output of the laser system. 請求項24に記載の分断処理能力増大方法において、チャックの表面材料はレーザシステム出力の波長に対しほぼ完全な吸収性を呈するようにする分断処理能力増大方法。25. The method of claim 24, wherein the surface material of the chuck exhibits near perfect absorption at the wavelength of the laser system output. 請求項24に記載の分断処理能力増大方法において、チャックは孔を有しこれらの孔の上で貫通切溝の形成処理を行なうようにする分断処理能力増大方法。25. The method according to claim 24, wherein the chuck has holes and the through-cutting is formed on these holes. 第1及び第2表面を有するワークピースのシリコン、GaAs、リン化インジウム又は単結晶サファイア基板をレーザ処理するに当って、
低速及び高速運動制御信号を位置決め信号プロセッサから生ぜしめる工程と、
低速運動制御信号に応答して低速ポジショナドライバを用い、レーザシステム出力に対しほぼ非反射性の表面材料を有するチャックを具える又は支持する並進ステージの大きな相対運動範囲を制御する工程と、
高速運動制御信号に応答して高速ポジショナドライバを用い、高速ポジショナの小さな相対運動範囲を制御する工程と、
200μJよりも大きい出力パルスエネルギーを有する順次のレーザシステム出力を400nmよりも短い波長で発生させる工程と、
前記順次のレーザシステム出力を、ワークピースの第1表面で25μmよりも小さくなるスポット面積をもって順次の目標位置に当るように指向させ、順次のスポット面積はそれぞれ前のスポット面積を少なくとも部分的にオーバーラップさせて、第2表面を殆ど損傷させることなく基板中に貫通孔又は貫通カッティングを形成するようにする工程と
を有するレーザ処理方法。
In laser processing a silicon, GaAs, indium phosphide or single crystal sapphire substrate of a workpiece having first and second surfaces,
Generating low and high speed motion control signals from a positioning signal processor;
Controlling a large relative range of motion of a translation stage comprising or supporting a chuck having a surface material that is substantially non-reflective to the laser system output using a low speed positioner driver in response to the low speed motion control signal;
Controlling a small relative motion range of the high-speed positioner using a high-speed positioner driver in response to the high-speed motion control signal;
Generating a sequential laser system output having an output pulse energy greater than 200 μJ at a wavelength shorter than 400 nm;
Directing the sequential laser system output to a sequential target location with a spot area less than 25 μm on the first surface of the workpiece, each sequential area at least partially over the previous spot area; Wrapping to form a through-hole or a through-cut in the substrate without substantially damaging the second surface.
請求項31に記載のレーザ処理方法において、チャックの表面材料はレーザシステム出力をほぼ完全に透過するようにするレーザ処理方法。32. The laser processing method according to claim 31, wherein the surface material of the chuck is substantially completely transparent to the output of the laser system. 請求項31に記載のレーザ処理方法において、チャックの表面材料はレーザシステム出力の波長に対しほぼ完全な吸収性を呈するようにするレーザ処理方法。32. The laser processing method according to claim 31, wherein the surface material of the chuck exhibits near perfect absorption at the wavelength of the laser system output. ワークピースのシリコン、GaAs、リン化インジウム又は単結晶サファイア基板を処理するレーザシステムであって、
レーザシステム出力に対しほぼ完全に非反射性である表面材料を有するチャックを具える又は支持する並進ステージを持ち、ツールとワークピースとの間の大きな範囲の相対運動を達成する低速ポジショナと、
レーザシステム出力とワークピースとの間の小さな範囲の相対運動を達成する高速ポジショナと、
位置決め命令から低速及び高速運動制御信号を取出す位置決め信号プロセッサと、
低速運動制御信号に応答して並進ステージの大きな範囲の相対運動を制御する低速ポジショナドライバと、
高速運動制御信号に応答して高速ポジショナの小さな範囲の相対運動を制御する高速ポジショナドライバと、
レーザシステム出力を発生する共振器と
を具えるレーザシステム。
A laser system for processing a silicon, GaAs, indium phosphide or single crystal sapphire substrate of a workpiece, comprising:
A low-speed positioner having a translation stage with or supporting a chuck having a surface material that is substantially completely non-reflective to the laser system output to achieve a large range of relative movement between the tool and the workpiece;
A high speed positioner that achieves a small range of relative movement between the laser system output and the workpiece;
A positioning signal processor for extracting low-speed and high-speed motion control signals from a positioning command;
A low-speed positioner driver that controls a large range of relative motion of the translation stage in response to a low-speed motion control signal;
A high-speed positioner driver that controls the relative movement of a small range of the high-speed positioner in response to the high-speed motion control signal;
A laser system for generating a laser system output.
請求項34に記載のレーザシステムにおいて、チャックの表面材料はレーザシステム出力をほぼ完全に透過するようになっているレーザシステム。35. The laser system of claim 34, wherein the surface material of the chuck is substantially completely transparent to the laser system output. 請求項34に記載のレーザシステムにおいて、チャックの表面材料はレーザシステム出力の波長に対しほぼ完全な吸収性を呈するようになっているレーザシステム。35. The laser system according to claim 34, wherein the surface material of the chuck is substantially completely absorbing at the wavelength of the laser system output. 請求項34に記載のレーザシステムにおいて、高速ポジショナドライバにより、曲線状のプロファイルを有する切溝の製造を容易にしてあるレーザシステム。35. The laser system of claim 34, wherein the high speed positioner driver facilitates the production of a kerf having a curved profile.
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