JP2005074485A - レーザ加工装置、加工マスク、レーザ加工方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

レーザ加工装置、加工マスク、レーザ加工方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 絶縁膜の剥離やクラックの発生を抑制することが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 加工対象物２０の一端から一端に対向する他端に向かう走査方向に加工対象物２０を移動する移動機構９と、レーザ光を、レーザ光の光軸方向に直交する面で走査方向に対して非対称な形状の加工レーザ光に変換する光形状変換部４と、光形状変換部４より出射された加工レーザ光を加工対象物２０に照射する照射光学系６とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工に関し、特に、レーザ光の形状によりダイシングを制御するレーザ加工装置、加工マスク、レーザ加工方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
近年、半導体装置は、配線間容量を低減し、より高速での動作を可能とするために、低誘電率絶縁膜が用いられてきている。しかし、低誘電率絶縁膜を層間絶縁膜とする半導体装置に対しブレードを用いてダイシングを行うと層間絶縁膜に剥離が生じてしまう。
例えば、半導体装置が形成されるＳｉ基板上には有機シリコン酸化膜、ポーラスシリコン酸化膜等の低誘電率絶縁膜、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコンナイトライド（Ｓｉ3Ｎ4）、シリコンカーバイドナイトライド（ＳｉＣＮ）等を用いた銅（Ｃｕ）の拡散防止膜、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、あるいはポリイミド膜等による多層膜が形成されている。多層膜が形成されたＳｉ基板を、ブレードを用いてダイシングすると、ＳｉＣ膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、あるいはＳｉＣＮ膜等の界面で密着力の低い領域から剥離が生じやすい。また、有機シリコン酸化膜、ポーラスシリコン酸化膜等の低誘電率絶縁膜では、絶縁膜自身の機械的強度が乏しいために、絶縁膜内部でクラックが生じる。
絶縁膜の剥離を防止するために、レーザを照射することにより層間絶縁膜を除去した後、Ｓｉ基板をブレードを用いてダイシングする加工方法が知られている。更に、絶縁膜だけでなくＳｉ基板もレーザ加工によりダイシングするものもある（例えば、特許文献１参照）。
通常のレーザ加工装置の加工対象物表面上でのビーム形状は、円形、或いは四角等、走査方向に対して対称的な形状となっている。レーザ加工では、レーザ光をパルス発振しつつ加工対象物を走査し、加工溝を形成する。
例えば、Ｓｉ基板に対しレーザ加工によりダイシングを行い、半導体チップが製造される。低誘電率絶縁膜及び拡散防止膜が多層に形成されたＳｉ基板では、照射レーザ光は低誘電率絶縁膜を透過し、拡散防止膜や低誘電率絶縁膜と拡散防止膜との界面、あるいはＳｉ基板で吸収される。拡散防止膜やＳｉ基板は、吸収したレーザ光で溶融し気化（アブレーション）して、上層の低誘電率絶縁膜を除去する。
特開２００２−２２４８７８号公報（第８−１０頁、図５）
しかし、従来のレーザ加工では拡散防止膜やＳｉ基板のアブレーションに際し、低誘電率絶縁膜にストレスを与え、その内部にクラックが発生する。
照射レーザ光の走査方向に発生するクラックは、加工により走査方向の低誘電率絶縁膜が除去されるために問題とならないが、走査方向に直交する方向に形成されたクラックは、加工後の半導体チップに残存する。
上記のように、従来のレーザ加工方法では絶縁膜の剥離は抑止できるが、低誘電率絶縁膜内部のクラックの生成は抑止できず信頼性の低下が問題となる。また、ダイシングライン上には、金属等でアライメントマークが形成されている。アライメントマーク上の絶縁膜を除去する際には、アライメントマーク周辺から絶縁膜の剥離が生じるという問題がある。
また、Ｓｉ基板において、ブレードを用いてダイシングする場合、Ｓｉ基板のクラックを抑止することは困難であり、半導体チップの薄型化にともなうチップ強度の低下が問題となる。また、レーザ加工によりＳｉ基板を精度良く加工するためには、照射レーザ光の焦点深度をＳｉ基板の厚さより大きくする必要がある。しかし、焦点深度を深くするとビーム絞り限界が低下し、加工が困難となる。
更に、半導体発光素子が形成されたＧａＰ、ＧａＮ等の半導体基板やサファイア基板をブレードを用いてダイシングする場合、ダイシング領域周辺には破砕層が形成される。破砕層は半導体発光素子の発光光を吸収し発光効率を低下させるため、破砕層はウエットエッチングにより除去する。ウエットエッチングによる破砕層の除去は、有効面積の損失を増加させ半導体発光素子の収率を減少させてしまう。また、発光効率向上のため、電極形成層間に、角度付きブレードを用いて傾斜側面を形成する。したがって、半導体発光素子のダイシングは、多段階に分けて行われ、効率が悪い。
本発明は、このような課題を解決し、絶縁膜の剥離やクラックの発生を抑制し、加工対象物の深いダイシング溝の加工が精度良くでき、且つ、損傷やクラックの発生を抑制し、ダイシング溝形状を制御することが可能なレーザ加工装置、レーザ加工装置に用いる加工マスク、レーザ加工方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、（イ）加工対象物の一端から一端に対向する他端に向かう走査方向に加工対象物を移動する移動機構と、（ロ）レーザ光を、レーザ光の光軸方向に直交する面で走査方向に対して非対称な形状の加工レーザ光に変換する光形状変換部と、（ハ）光形状変換部より出射された加工レーザ光を加工対象物に照射する照射光学系とを備えるレーザ加工装置であることを要旨とする。
本発明の第２の態様は、加工対象物に対してレーザ光を、レーザ光の光軸方向に直交する面で走査させて加工対象物を加工するレーザ加工におけるレーザ光の形状を変換する加工マスクであって、（イ）垂直遮光部及び垂直遮光部に対して傾斜した傾斜遮光部を有する遮光部と、（ロ）垂直遮光部に開口されて配置された第１の加工部と、（ハ）第１の加工部に接続して一方向に延在するように、傾斜遮光部に開口されて配置された第２の加工部とを備える加工マスクであることを要旨とする。
本発明の第３の態様は、（イ）光源から出力されたレーザ光を一方向に対して非対称な形状に変換した加工レーザ光を加工対象物に投影する工程と、（ロ）加工対象物の表面で一方向に対応する走査方向に加工レーザ光を加工対象物に対して走査させる工程とを含むレーザ加工方法であることを要旨とする。
本発明の第４の態様は、（イ）半導体基板の表面に絶縁膜を堆積する工程と、（ロ）光源から出力されたレーザ光を一方向に対して非対称な形状に変換した加工レーザ光を半導体基板に投影する工程と、（ハ）半導体基板の表面で一方向に対応する走査方向に加工レーザ光を半導体基板に対して走査させ、絶縁膜を除去して走査方向にダイシング領域を形成する工程を含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
本発明の第５の態様は、（イ）半導体基板と、（ロ）半導体基板表面に堆積された複数の層間絶縁膜と、（ハ）複数の層間絶縁膜の間に堆積され、チップ周縁近傍で改質された領域を有する拡散防止膜とを備える半導体装置であることを要旨とする。
本発明によれば、絶縁膜の剥離やクラックの発生を抑制し、加工対象物の深いダイシング溝の加工が精度良くでき、且つ、損傷やクラックの発生を抑制し、ダイシング溝形状を制御することが可能なレーザ加工装置、加工マスク、レーザ加工方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することができる。
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工装置は、図１に示すように、保持機構８上に配置された加工対象物２０の一端から対向する他端に向かう走査方向に加工対象物２０を移動する移動機構９と、加工用光源２からのレーザ光の光軸方向に直交する面で移動機構９の走査方向に対応する方向に対して非対称な形状の開口部を有する加工マスクが設置され、非対称な形状に変換されたレーザ光を出力する光学系を含む光形状変換部４と、光形状変換部４からハーフミラー５を介して入射したレーザ光を透明窓７より加工対象物２０に照射する照射光学系６とを備えている。移動機構９は、架台１０に設置されている。
第１の実施の形態では、加工用光源２としては、例えば、Ｑスイッチ・ネジウム：ヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザの第３高調波を用い、波長は３５５ｎｍ、パルス幅は約３０ｎｓ、発振周波数は最大で５０ｋＨｚである。照射光学系６には焦点距離ｆ＝５０ｍｍの対物レンズを用いている。対物レンズと光形状変換部４間の光学距離は約３００ｍｍである。また、照射光学系６の縮小投影率は１／５である。
また、加工対象物２０の加工表面と透明窓７との間に、ノズル１２を介して水等の液体１３を供給する液体供給装置１１が備えられている。絶縁膜等を除去する際に発生する加工屑は、液体１３の流れにより除去され、加工屑の付着の無い加工を施す事が可能となる。レーザ加工後スクラバー洗浄等の洗浄工程を行う場合は、特に液体１３中にてレーザ加工を行う必要は無く、大気中で行っても良い。また、液体１３を流すことにより、レーザ光照射で発生する熱の拡散を防止することができる。液体１３は、図１では開放状態で流されているが、適当な排出管を有する液体溜めを設けて排出してもよい。また、排出管からフィルタを通して液体供給装置１１に循環させてもよい。液体１３としては、水以外にもアンモニア（ＮＨ3）水溶液や、グリシン（Ｃ2Ｈ5ＮＯ2）と過酸化水素水の混合液等を使用することができる。
更に、レーザ加工装置は、加工対象物２０の加工位置を検出するため、ハーフミラー１５、５を介して観察光を加工対象物２０に照射するハロゲンランプ等の観察用光源１４と、加工対象物２０から反射され、ハーフミラー５、１５を介して入射した観察光のフォーカス調整を行う補正光学系１６と、補正光学系１６でフォーカス調整された加工対象物２０の位置を観察する観察系１７を備えている。
加工制御系３は、観察系１７から出力される加工対象物２０の位置情報を基に加工用光源２を制御してレーザ光を出力させる。また、観察系１７の情報に基き加工対象物２０の表面での光形状変換部４の投影位置の微調整を行うことができる。
加工対象物２０としては、例えば、Ｓｉ等の半導体基板２０を用いている。回路パターンが形成された半導体基板２０上には、低誘電率絶縁膜、拡散防止膜、ＳｉＯ2膜、ポリイミド膜等の絶縁膜が形成されている。第１の実施の形態では、半導体基板２０上に堆積されている絶縁膜を除去してダイシング領域を形成する場合について説明する。
光形状変換部４に設置される加工マスク２１には、図２に示すように、ステンレススチール等の遮光部２２に開口されたスリット部２３とスリット部２３の一端に接続されたスリット部２３より幅の広い一辺を有する矩形状の領域透光部２５とを含む領域加工部２６が設けられている。加工マスク２１としては、合成石英基板上に堆積したクロム（Ｃｒ）等の不透明膜をフォトリソグラフィ等によりパターニングして作製しても良い。
加工マスク２１は光形状変換部４に、例えば、レーザ光の光軸に対してスリット部２３が上になるように垂直に配置される。半導体基板２０上に照射された加工マスク２１のスリット部２３に対応するレーザ光の投影像の先端が、半導体基板２０の走査方向に対向するように光形状変換部４に配置される。
加工マスク２１は、例えば厚さが５０μｍである。半導体基板２０上でのスリット部２３の幅は１０μｍであり、領域透光部２５の幅は、ダイシング領域幅に相当する５０μｍ〜８０μｍである。スリット部２３及び領域透光部２５の長さはいずれも半導体基板２０上で１００μｍである。なお、以下の説明において、加工マスク２１上のパターンの寸法としては、断りのない限り半導体基板２０上に縮小投影された寸法に換算して記述する。
移動機構９による半導体基板２０の走査速度は１００ｍｍ／ｓである。また、加工用光源２のレーザ光の発振周波数は５０ｋＨｚとし、照射フルエンス（パルス当りの照射エネルギ密度）は０．６Ｊ／ｃｍ2である。なお、半導体基板２０の走査速度、レーザ光の発振周波数や照射フルエンス等は、半導体基板２０の膜構造により適宜調整する。
第１の実施例では、例えば図３に示すように、ダイシング領域を形成する半導体基板２０の表面上に第１の絶縁膜４１、第１の拡散防止膜４４、第２の絶縁膜４２、第２の拡散防止膜４５、及び第３の絶縁膜４３が順に積層されている。
加工マスク２１の領域加工部２６を通してレーザ光は、図４に示すように、スリット部２３に対応する細溝加工レーザ部３３、及び領域透光部２５に対応する領域加工レーザ部３５を有する加工レーザ光３６を形成する。加工制御系３により、半導体基板２０の端部に走査方向に対向して細溝加工レーザ部３３の先端が位置するように設置される。半導体基板２０が移動機構９により走査方向に移動すると、半導体基板２０上に加工レーザ光３６が投影される。
ここで、第１〜第３の絶縁膜４１〜４３は、比誘電率が３．４以下程度の低誘電率絶縁膜であり、レーザ光に対して透明である。また、レーザ光の照射フルエンスは０．６Ｊ／ｃｍ2であり、第１及び第２の拡散防止膜４４、４５をアブレーションにより切除することが可能である。しかし、半導体基板２０では表面近傍のみが溶融されアブレーションが生じるが、半導体基板２０に溝は形成されない。
まず、細溝加工レーザ部３３により、図３の第２の拡散防止膜４５がアブレーションにより切除され、切除された第２の拡散防止膜４５上の第３の絶縁膜４３が除去される。次いで、第２の拡散防止膜４５がアブレーションで切除された部分では、第１の拡散防止膜４４に細溝加工レーザ部３３からレーザ光が照射され、アブレーションにより第１の拡散防止膜４４が切除され、切除された第１の拡散防止膜４４上の第２の絶縁膜４２が除去される。更に、第１の拡散防止膜４４が除去された部分では、半導体基板２０の表面に細溝加工レーザ部３３からレーザ光が照射されアブレーションが生じ、半導体基板２０のアブレーションにより第１の絶縁膜４１が除去される。
第１〜第３の絶縁膜４１〜４３は、アブレーションで発生する熱と気化した第１及び第２の拡散防止膜４４、４５あるいは半導体基板２０のガス圧による応力でストレスを受け、細溝加工レーザ部３３の周囲にクラックが生じる。走査方向に発生するクラックは、半導体基板２０の移動により除去される。細溝加工レーザ部３３の周囲の走査方向に直交する方向のクラックは、細溝加工レーザ部３３より幅の広い領域加工レーザ部３５により除去される。この領域加工ビーム３５によるアブレーションでは、既に細溝加工レーザ部３３により細溝が加工されているため第１〜第３の絶縁膜４１〜４３の低誘電率絶縁膜へのストレスは緩和され、走査方向に直交する方向にはクラックの発生が抑制される。
本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工装置では、まず、細溝を加工するスリット部２３と細溝加工により発生した低誘電率絶縁膜のクラックを除去する領域透光部２５を有する領域加工部２６を備えた加工マスク２１を使用している。したがって、半導体基板２０上に堆積されている層間絶縁膜の除去に際して周囲の層間絶縁膜に発生する剥離やクラックを抑制してダイシング領域を形成することが可能となる。
次に、本発明の第１の実施の形態にかかるレーザ加工方法を、図１〜図９を用いて説明する。まず、図１に示すレーザ加工装置の保持機構８に、図３の半導体基板（加工対象物）２０をダイシングテープ等で固定する。観察用光源１４の観察光を照射して補正光学系１６で焦点調整を行い観察系１７により半導体基板２０の位置を検出する。加工制御系３は、観察系１７から得られた半導体基板２０の位置情報に基づいて、移動機構９により、半導体基板２０のエッジ部が観察系１７の視野に入るように半導体基板２０を移動しておく。図２の加工マスク２１を光形状変換部４に設置し、加工制御系３により加工用光源２をレーザ発振させる。光形状変換部４の加工マスク２１を通過したレーザ光は照射光学系６により保持機構８上に投影される。投影された加工レーザ光３６を観察系１７を通して観察しながら、図４に示したように、加工制御系３により細溝加工レーザ部３３の先端に半導体基板２０のエッジが位置するように移動機構９を走査する。
半導体基板２０を走査して、図５に示すように、レーザ加工によるダイシング領域３８の形成が進行する。加工レーザ光３６の細溝加工レーザ部３３の先端から加工されたダイシング領域３８への走査方向のＡＡ断面は、図６に示すように、細溝加工レーザ部３３の照射によるアブレーションで、第１〜第３の絶縁膜４１〜４３及び第１及び第２の拡散防止膜４４、４５が走査方向から順に切除されて段状の形状に加工される。例えば、細溝加工レーザ部３３の先端部近傍では、第３の絶縁膜４３が除去されて第２の拡散防止膜４５が一部露出している。第２の拡散防止膜４５の走査方向での端部では第２の絶縁膜４２が露出している。また、第２の絶縁膜４２の走査方向での端部から第１の拡散防止膜４４が露出している。更に、第１の拡散防止膜４４の走査方向の端部で第１の絶縁膜４１が露出している。細溝加工レーザ部３３の領域加工レーザ部３５側では、半導体基板２０の表面が露出している。第１〜第３の絶縁膜４１〜４３の切除端には、アブレーションに伴うストレスによりそれぞれの下層となる第１及び第２の拡散防止膜４４、４５あるいは半導体基板２０の表面に接する箇所から第１のクラック５１が発生している。
また、領域加工レーザ部３５の一先端部から加工されたダイシング領域３８へ向かう走査方向のＢＢ断面も上記した細溝加工レーザ部３３と同様に、図７に示すように、領域加工レーザ部３５の照射によるアブレーションで、第３の絶縁膜４３、第２の拡散防止膜４５、第２の絶縁膜４２、第１の拡散防止膜４４、及び第１の絶縁膜４１が走査方向から順に切除されて、段状の形状に加工され、半導体基板２０表面が露出している。図７においても同様に、第１〜第３の絶縁膜４１〜４３の切除端には、アブレーションに伴うストレスによりそれぞれの下層となる第１及び第２の拡散防止膜４４、４５あるいは半導体基板２０の表面に接する箇所から第１のクラック５１が発生している。
細溝加工レーザ部３３の先端から離れた領域加工レーザ部３５に近い部分で走査方向に直交する方向のＣＣ断面は、図８に示すように、細溝加工レーザ部３３の照射によるアブレーションで、第３の絶縁膜４３、第２の拡散防止膜４５、第２の絶縁膜４２、第１の拡散防止膜４４、及び第１の絶縁膜４１が切除されて、半導体基板２０の表面が露出した細ダイシング領域３７が形成されている。アブレーションは第２の拡散防止膜４５から、第１の拡散防止膜４４、次いで半導体基板２０の表面の順に発生するため、細ダイシング領域３７は、第３の絶縁膜４３表面側で広い傾斜開口形状となる。図８の走査方向に直交する方向においても同様に、第１〜第３の絶縁膜４１〜４３の切除端には、アブレーションに伴うストレスによりそれぞれの下層となる第１及び第２の拡散防止膜４４、４５あるいは半導体基板２０の表面に接する箇所から第２のクラック５２が発生している。
領域加工レーザ部３５の後部の走査方向に直交する方向のＤＤ断面は、図９に示すように、領域加工レーザ部３５の照射により第１及び第２の拡散防止膜４４、４５、半導体基板２０のアブレーションで、第３の絶縁膜４３、第２の拡散防止膜４５、第２の絶縁膜４２、第１の拡散防止膜４４、及び第１の絶縁膜４１が切除されて、半導体基板２０の表面が露出したダイシング領域３８が形成されている。領域加工レーザ部３５のレーザ加工では、既に細ダイシング領域３７が形成され、第１〜第３の絶縁膜４１〜４３には第２のクラック５２が発生している。領域加工レーザ部３５でアブレーションで切除される領域は、既にストレスがある程度緩和されている。また、第１〜第３の絶縁膜４１〜４３は切除されて開放端を有しているため、アブレーションによる気化の圧力を逃がすことができストレスを抑制することができる。したがって、ダイシング領域３８のレーザ加工により、第１〜第３の絶縁膜４１〜４３の細ダイシング領域３７に発生した第２のクラック５２を除去し、クラックのない切除端を形成することが可能となる。
上述のように、第１の実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、低誘電率絶縁膜を用いた層間絶縁膜である第１〜第３の絶縁膜４１〜４３の切除端にクラックの発生を抑制して、ダイシング領域３８を形成することができる。ダイシング領域３８の形成後、ダイシング領域幅より狭い幅のブレードを用いて半導体基板２０のダイシングを行うことにより、層間絶縁膜の剥離やクラックが抑制され、信頼性の高い半導体装置を製造することが可能となる。また、半導体基板２０のダイシングをレーザ加工装置を用いて行ってもよいことは勿論である。
また、層間絶縁膜のレーザ加工時に、液体供給装置１１から、水等の液体１３を半導体基板２０のレーザ加工表面に供給すれば、加工屑の除去ができるだけでなく、液体１３によりレーザ加工部で発生した熱の拡散が防止され、ストレスの緩和に効果がある。
第１の実施の形態に係る加工マスク２１は、層間絶縁膜のストレス緩和のため、加工レーザ光の形状変換をスリット部２３と領域透光部２５とを有する領域加工部２６で行っている。しかし、層間絶縁膜のストレス緩和のための加工マスクの領域加工部には様々な形状が適用可能である。例えば、加工マスク２１ａには、図１０（ａ）に示すように、スリット部２３と領域透光部２５の間に中間透光部２４を有する領域加工部２６ａが設けられている。中間透光部２４の幅は、スリット部２３より広く、領域透光部２５よりは狭くしてある。したがって、スリット部２３を通過して照射される細溝加工レーザ部３３によるアブレーションで走査方向に直交する方向の層間絶縁膜に発生したクラックやストレス部の除去が、中間透光部２４及び領域透光部２５を通過するレーザ光により段階的に行われるため、更に効果的に層間絶縁膜の切除端でのクラックの発生を抑制して、ダイシング領域３８を形成することができる。
また、中間透光部２４は、細ダイシング領域３７の層間絶縁膜の切除端を除去するだけでもよい。例えば、加工マスク２１ｂでは、図１０（ｂ）に示すように、細ダイシング領域３７を形成するスリット部２３ａと、対向する２つのスリット２７ａ、２７ｂを有する中間透光部２４ａと、領域透光部２５ａとを有する領域加工部２６ｂが設けてある。中間透光部２４ａのスリット２７ａ、２７ｂの対向する内側の端は、スリット部２３ａの長手方向に沿う両端の線上にあり、またスリット２７ａ、２７ｂの対向する外側の端の間の幅は、領域透光部２５ａの幅より狭くしてある。中間透光部２４ａのスリット２７ａ、２７ｂは、それぞれスリット部２３ａを通過して照射される細溝加工レーザ部３３によるアブレーションで走査方向に直交する方向の層間絶縁膜に発生したクラックやストレス部の一部の除去を行う。したがって、走査方向に直交する方向の層間絶縁膜に発生したクラックやストレス部の除去が、中間透光部２４ａ及び領域透光部２５ａを通過するレーザ光により段階的に行われる。
また、加工マスク２１ｃでは、図１０（ｃ）に示すように、スリット部２３ａと、スリット２７ａ、２７ｂを有する中間透光部２４ａと、スリット２７ｃ、２７ｄを有する領域透光部２５ｂとを有する領域加工部２６ｃが設けてある。領域透光部２５ｂのスリット２７ｃ、２７ｄの対向する内側の端を中間透光部２４ａのスリット２７ａ、２７ｂの外側の端の線上に合わせるように設ける。スリット部２３ａを通過して照射される細溝加工レーザ部３３によるアブレーションで走査方向に直交する方向の層間絶縁膜に発生したクラックやストレス部は、中間透光部２４ａ及び領域透光部２５ｂにより段階的に除去される。また、スリット２７ａ、２７ｂの間、及びスリット２７ｃ、２７ｄの間は、スリット部２３ａ及び中間透光部２４ａにより既に半導体基板２０の表面が露出されているため、ダイシング領域３８を形成することができる。
また、加工マスク２１ｄでは、図１０（ｄ）に示すように、図１０（ｂ）の加工マスク２１ｂからスリット部２３ａを省いて、中間透光部２４ａと領域透光部２５ａとを有する領域加工部２６ｄが設けてある。中間透光部２４ａを通過して照射されるレーザ光によるアブレーションで走査方向に直交する方向の層間絶縁膜に発生したクラックやストレス部は、領域透光部２５ａにより除去される。
更に、加工マスク２１ｅでは、図１０（ｅ）に示すように、三角形状の中間透光部２８と、領域透光部２５ｃとを有する領域加工部２６ｅが設けてある。中間透光部２８は、例えば、図１０（ａ）の加工マスク２１ａのスリット部２３及び中間透光部２４に相当する。走査方向の先端部の中間透光部２８の頂点近傍を通過して照射されるレーザ光によるアブレーションで走査方向に直交する方向の層間絶縁膜に発生したクラックやストレス部は、走査方向に沿って三角形状に幅が増加している中間透光部２８と領域透光部２５ｃとにより徐々に除去される。
このように、層間絶縁膜の構造に応じて、適宜最適なビーム形状に変換する加工マスク２１、２１ａ〜２１ｅを選択することにより、低誘電率絶縁膜を用いた層間絶縁膜の切除端でのクラックの発生を抑制して、ダイシング領域３８を形成することができる。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る加工マスク２１ｆは、図１１に示すように、遮光部２２に対向する２つのスリット２７ｅ、２７ｆを有する改質加工部２９と、矩形状の領域加工部２６ｆとの開口部を有している。スリット２７ｅ及び２７ｆの長手方向は走査方向に沿い、領域加工部２６ｆに対して走査方向の前方部に対向して配置されている。スリット２７ｅ、２７ｆは走査方向に直交する方向の領域加工部２６ｆの幅より外側で、領域加工部２６ｆを通過するレーザ光によるアブレーションで発生する層間絶縁膜のクラック及びストレス部に相当する位置に配置される。
例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣＮ等の拡散防止膜にアブレーションするエネルギーより低い照射フルエンスでレーザ光を照射すると、拡散防止膜あるいは隣接する層間絶縁膜との界面状態が改質し、層間絶縁膜の剥離が生じにくくなる。したがって、加工マスク２１ｆの改質加工部２９を通過する低照射フルエンスのレーザ光を照射することにより、層間絶縁膜と拡散防止膜との密着強度が増加し、引き続き行われる領域加工部２６ｆによるアブレーションにおいて層間絶縁膜のクラックや剥離を抑制することができる。
第２の実施の形態では、ダイシング領域の形成に、加工マスク２１ｆを用いて改質加工部２９により、アブレーションによりストレスが誘起される部分の層間絶縁膜と拡散防止膜との密着強度を増加したうえで、ダイシング領域の加工を行う点が、第１の実施の形態と異なる。他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、重複した記載は省略する。
第２の実施の形態に係る光形状変換部４では、図１２（ａ）に示すように、加工マスク２１ｆと、レーザ光の出射部側に改質加工部２９を覆うように減光部材３０が配置されている。加工マスク２１ｆと減光部材３０のＥＥ断面は、図１２（ｂ）に示すように、レーザ光の光軸に対して垂直に加工マスク２１ｆおよび減光部材３０が配置されている。ここで、図１のハーフミラー５および照射光学系６を介して加工対象物２０に投影される加工レーザ光３６ａは、図１３に示すように、減光部材３０により減光され照射フルエンスが減少した第１及び第２の減光レーザ部３４ａ、３４ｂが走査方向に向かって前方に対向して投影された改質加工レーザ部３４と、走査方向に対して改質加工レーザ部３４の後方に投影され第１及び第２の減光レーザ部３４ａ、３４ｂの間で拡散防止膜をアブレーションで切除して層間絶縁膜の除去を行う領域加工レーザ部３５ａとを有している。減光部材３０として、例えばＮＤフィルターを設置することにより、改質加工レーザ部３４の照射フルエンスを領域加工レーザ部３５ａの照射フルエンスに対して減少させる。
例えば、拡散防止膜としてＳｉＣＮを用いる場合、照射フルエンス０．６Ｊ／ｃｍ2では、ＳｉＣＮはアブレーションにより切除される。しかし、照射フルエンスを減じて、例えば０．３Ｊ／ｃｍ2と半分にすると、アブレーションは生じないが、ＳｉＣＮが改質されてアモルファスＳｉとアモルファスＣが生成される。アモルファスＳｉやアモルファスＣは、隣接する低誘電率絶縁膜等の層間絶縁膜との界面で密着強度の向上に寄与する。したがって、拡散防止膜を改質した領域で、拡散防止膜を切除して層間絶縁膜を除去すれば、層間絶縁膜のクラックや剥離が抑制されたダイシング領域の加工が可能となる。
なお、第２の実施の形態では、減光部材３０としてＮＤフィルターを用いたが、合成石英上に形成したＣｒ膜等の遮光膜をパターニングして形成した加工マスクを利用する場合は、改質加工部に相当する領域に減光部材として遮光膜を薄く残し、透過率を調整してもよい。
次に、第２の実施の形態に係るレーザ加工方法を、図１４〜図１６を用いて説明する。領域加工部２６ｆを通過するレーザ光の照射フルエンスは０．６Ｊ／ｃｍ2である。また、減光部材３０には、透過率５０％のＮＤフィルターを設置することにより、改質加工部２９を通過するレーザ光の照射フルエンスを０．３Ｊ／ｃｍ2としてある。
半導体基板（加工対象物）２０の表面に、図１４に示すように、第１の絶縁膜４１、第１の拡散防止膜４４、第２の絶縁膜４２、第２の拡散防止膜４５、及び第３の絶縁膜４３が順に積層されている。
半導体基板２０をダイシングテープ等で図１に示す保持機構８に固定する。半導体基板２０が、移動機構９により走査されると、まず、加工レーザ光３６ａの改質加工レーザ部３４が照射される。照射された改質加工レーザ部３４は低照射フルエンスであるため、図１５に示すように、第１及び第２の拡散防止膜４４、４５の改質加工レーザ部３４の照射部に第１及び第２の改質拡散防止膜４４ａ、４５ａが形成される。第２の改質拡散防止膜４５ａの下部に第１の改質拡散防止膜４４ａが形成されるのは、改質により、レーザ光の透過率が変化するためである。
更に、半導体基板２０が移動機構９により走査され、領域加工レーザ部３５ａが第１及び第２の改質拡散防止膜４４ａ、４５ａが形成された領域に照射される。領域加工レーザ部３５ａの照射領域は、走査方向に直交する方向で対向する第１の改質拡散防止膜４４ａ間と第２の改質拡散防止膜４５ａ間である。したがって、アブレーションにより第１の改質拡散防止膜４４ａ間と第２の改質拡散防止膜４５ａ間の第１及び第２の拡散防止膜４４、４５が切除され、図１６に示すように、第２及び第３の絶縁膜４２、４３が除去される。更に、半導体基板２０の表面近傍のアブレーションにより第１の絶縁膜４１が除去される。その結果、ダイシング領域３８ａが形成される。
第２の実施の形態では、レーザ加工により形成するダイシング領域３８ａの両端の改質された第１及び第２の改質拡散防止膜４４ａ、４５ａと第１〜第３の絶縁膜４１、４２、４３との界面の密着強度は向上している。したがって、アブレーションにより誘起されるストレスに対する耐性を有している。このように、走査方向に対して非対称な加工マスク２１ｆを用いることにより、レーザ加工により形成するダイシング領域３８ａ周囲の領域で拡散防止膜４４、４５を改質して、層間絶縁膜のクラックや剥離を防止することができる。ダイシング領域３８ａの形成後、ダイシング領域幅より狭い幅のブレードを用いて半導体基板２０のダイシングを行うことにより、層間絶縁膜の剥離やクラックが抑制された半導体装置を製造することが可能となる。また、半導体基板２０をダイシングした後、得られた半導体チップに対する封止工程やアセンブリ工程等の後工程の際にも、層間絶縁膜の剥離やクラックがチップ周縁から進行することが防止された信頼性の高い半導体装置が実現される。
上述の説明においては、加工マスク２１ｆには矩形状の領域加工部２６ｆが用いられている。しかし、領域加工部は矩形状に限定されるものではなく、様々な形状が適用可能である。例えば、図１７（ａ）〜（ｆ）に示すように、第１の実施の形態で説明した領域加工部２６、２６ａ〜２６ｅと組み合わせると、更に効率よく層間絶縁膜の剥離やクラックを抑制することが可能となる。図１７（ａ）の加工マスク２１ｇは、図２の領域加工部２６を用いたものである。また、図１７（ｂ）の加工マスク２１ｈは、図１０（ａ）の領域加工部２６ａを用いたものである。更に、図１７（ｃ）〜（ｆ）の加工マスク２１ｉ〜２１ｌは、それぞれ図１０（ｂ）〜（ｅ）の領域加工部２６ｂ〜２６ｅを用いたものである。
図１７（ａ）〜（ｆ）に示した加工マスク２１ｇ〜２１ｌを用いれば、改質加工部２９を通過したレーザ光により改質された拡散防止膜４４、４５の間で、層間絶縁膜のクラックの発生を抑制できる領域加工部２６、２６ａ〜２６ｅにより拡散防止膜４４、４５を切除して層間絶縁膜を除去する。したがって、レーザ加工により形成するダイシング領域３８ａ周囲の領域の拡散防止膜４４、４５を改質して、層間絶縁膜のクラックや剥離を更に効率よく防止することができる。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態では、図１のレーザ加工装置を用いて、層間絶縁膜だけでなく、Ｓｉ等の半導体基板（加工対象物）２０のダイシング加工を行う。第１及び第２の実施の形態では、レーザ加工方法で上層の層間絶縁膜を除去した後、ブレードを用いて半導体基板２０のダイシングを行い半導体装置をチップに分離する方式が可能である。しかし、ブレードを用いて半導体基板２０のダイシングを行うと、半導体基板２０に損傷やクラックが生成する。半導体基板２０の損傷やクラックは、半導体装置のチップ強度の低下をもたらす。したがって、チップの薄型化に伴い、損傷やクラックの生成のない加工技術が望まれる。
半導体基板２０に損傷やクラックを生成すること無く加工する方式としては、少なくとも加工領域に水等の液体１３を供給しつつレーザ加工を行う液体中レーザ加工方法、あるいは、１ｐｓ以下のパルス幅のレーザ照射により加工する超短パルスレーザ加工方法がある。水中レーザ加工方法では、クリプトンフロライド（ＫｒＦ）エキシマレーザ、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波あるいは第３高調波等のパルス幅が数ｎｓ〜数十ｎｓのレーザ光を用いることが可能である。また、パルス幅が１ｐｓ以下のレーザを用いた超短パルスレーザ加工方法では、例えばチタンサファイアレーザの第２高調波である波長７８５ｎｍで、パルス幅１２０ｆｓ程度のレーザ光を用いることが可能である。第３の実施の形態では、図１に示したレーザ加工装置の加工用光源２として、波長が３５５ｎｍのＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波を用いる。
本発明の第３の実施の形態に係る加工マスク２１ｍは、図１８に示すように、遮光部２２に矩形状の領域加工部２６ｇと、領域加工部２６ｇの一端に接続され、走査方向に沿って延在する溝加工部６６との開口部を有している。溝加工部６６は、形成する溝が領域加工部２６ｇで形成されるダイシング領域の中央部に位置するように配置されている。例えば、絶縁膜の除去を行う領域加工部２６ｇは、走査方向に直交する方向の幅が８０μｍで、長さが５０μｍである。また、半導体基板２０のダイシング溝加工を行う溝加工部６６は、走査方向に直交する方向の幅が３０μｍで、長さが６００μｍである。
加工マスク２１ｍの半導体基板２０表面の投影像である加工レーザ光３６ｂは、図１９に示すように、領域加工部２６を通過したレーザ光が投影された領域加工レーザ部３５ｂと、領域加工レーザ部３５ｂに接続され、走査方向に沿って延在する溝加工レーザ部３２とを有している。第３の実施の形態では、加工レーザ光３６ｂの照射フルエンスは均一にしている。しかし、領域加工レーザ部３５ｂの照射フルエンスは加工する絶縁膜あるいは層間絶縁膜の状態に応じて、溝加工レーザ部３２の照射フルエンスに対して減光部材等を用いて低減することが可能である。
第３の実施の形態に係る加工マスク２１ｍでは、まず、領域加工レーザ部３５ｂで半導体基板２０上の絶縁膜にダイシング領域を設ける。次いで、溝加工レーザ部３２でダイシング領域より幅の狭いダイシング溝を液体中レーザ加工方法により形成する。したがって、絶縁膜の剥離や半導体基板２０への損傷やクラックの無い加工が可能となる。
次に、第３の実施の形態に係るレーザ加工方法を、図２０〜図２２を用いて説明する。レーザ光の照射フルエンスは、例えば、２．２Ｊ／ｃｍ2で、発振周波数は５０ｋＨｚである。加工対象物２０としては、説明を簡単にするため、Ｓｉ等の半導体基板２０上に、溝加工の照射フルエンスでクラックが生じないＳｉＯ2膜が形成されている。半導体基板２０の厚さは１００μｍである。また、図１の移動機構９による半導体基板２０の走査速度は５０ｍｍ／ｓとしてある。
半導体基板２０の表面には、図２０に示すように、ＳｉＯ2等の絶縁膜４６が堆積されている。半導体基板２０の裏面にはダイシングテープ５０が設けられ、レーザ加工装置の保持機構８上に固定される。
半導体基板２０と透明窓７の間に、液体供給装置１１から水等の液体１３が供給される。光形状変換部４に設置された加工マスク２１ｍを通過した加工レーザ光３６ｂがハーフミラー５及び照射光学系６を介して半導体基板２０に照射される。
半導体基板２０は、移動機構９により走査される。最初に、加工レーザ光３６ｂの領域加工レーザ部３５ｂにより半導体基板２０の表面近傍にアブレーションが生じ絶縁膜４６が選択的に除去され、図２１に示すように、ダイシング領域３８ｂが形成される。領域加工レーザ部３５ｂの長さが５０μｍと短く、半導体基板２０に溝は形成されない。
半導体基板２０は更に走査され、溝加工レーザ部３２によりダイシング領域３８ｂの中央部でダイシング領域３８ｂより幅の狭い領域にアブレーションが生じる。溝加工レーザ部３２は、６００μｍと半導体基板２０に溝を形成するのに十分な長さに設定してある。溝加工レーザ部３２の全長が走査されると、図２２に示すように、半導体基板２０の裏面に達するダイシング溝３９が形成され、半導体チップ７０が作製される。ダイシング溝加工中には、液体１３が供給されているため加工熱の拡散が防止でき、損傷やクラックのないダイシング溝の形成が可能となる。
上記したように、第３の実施の形態に係るレーザ加工方法では、絶縁膜４６の剥離、あるいは半導体基板２０の損傷やクラックがないダイシング溝を形成することができ、信頼性の高い半導体装置の半導体チップ７０を製造することが可能となる。
半導体基板２０上に低誘電率絶縁膜や拡散防止膜等の密着強度や膜自身の機械的強度の弱い膜が形成されている場合には、領域加工部を第１及び第２の実施の形態で述べたように、図２、図１０、図１１あるいは図１７に示した加工マスク２１、２１ａ〜２１ｌの形状にすればよい。すなわち、走査方向に対して非対称な開口部を有する加工マスクを用い、密着強度向上のための改質や除去対象の絶縁膜に合わせて、それぞれの領域の照射フルエンスを調整する事で剥離や損傷の無いダイシング溝の加工を実現することが可能である。
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係るレーザ加工方法では、半導体基板２０が第３の実施の形態で加工した厚さより厚い場合について説明する。１００μｍより厚い半導体基板２０を第３の実施の形態と同様の照射フルエンスで加工する場合、走査速度と溝加工部の長さを、加工する溝深さに合わせて調整しても、実現できる加工溝に深さには限界がある。例えば、半導体基板２０の厚さを６００μｍとする。加工マスクは図１８のものと溝加工部の長さ以外は同様とする。第３の実施の形態の結果から、溝加工部の長さを１８００μｍと３倍とし、走査速度を２５ｍｍ／ｓと半分にする。上記した照射条件は、第３の実施の形態の場合の６倍のレーザ光照射量であり、６００μｍ厚さのレーザ加工には十分なレーザ光照射量である。しかし、図２３に示すように、ダイシング溝３９は約２００μｍの深さで、半導体基板２０の裏面までは達しない。図１のレーザ加工装置の焦点深度は実測値で２００μｍであり、加工限界深さは焦点深度により制限されている。したがって、加工マスク２１ｍでダイシング溝が加工できるのは、厚さが２００μｍ以下の半導体基板２０である。第４の実施の形態では、レーザ加工装置の焦点深度より厚い半導体基板２０にダイシング溝を形成する加工マスク及びレーザ加工方法について説明する。
第４の実施の形態に係る加工マスク２１ｎの遮光部２２は、図２４に示すように、光軸に対して垂直に配置される垂直遮光部２２ａと、垂直遮光部２２ａに対して傾斜した傾斜遮光部２２ｂとを有する。垂直遮光部２２ａには開口部として領域加工部２６ｈ（第１の加工部）が設けられている。傾斜遮光部２２ｂには開口部として領域加工部２６ｈに一端が接続され、走査方向に延在する溝加工部６６ａ（第２の加工部）が設けられている。垂直遮光部２２ａと傾斜遮光部２２ｂとの境界から、溝加工部６６ａの走査方向に延在する他端までの垂直遮光部２２ａに垂直な方向の長さを開口溝深さＨ、垂直遮光部２２ａに平行な方向の長さを開口溝長さＬとする。
第４の実施の形態では、溝加工部６６ａが傾斜遮光部２２ｂに設けられた加工マスク２１ｎを用いる点が、第３の実施の形態と異なる。他の構成は、同様であるので重複した記載は省略する。
図１に示したレーザ加工装置の光形状変換部４で加工マスクを光軸方向に対して設置する位置と縮小投影面の光軸方向に対するフォーカス位置の関係は、図２５に示すように、例えば横軸に示す加工マスク位置を１５ｍｍずらすことにより、縦軸に示す縮小投影面のフォーカス位置が６００μｍずれる事が分かる。したがって、領域加工部２６ｈと溝加工部６６ａの開口溝深さＨを調整すれば、溝加工部６６ａを通過するレーザ光の焦点深度を半導体基板２０の厚さに合わせて制御することが可能となる。
光形状変換部４には加工マスク２１ｎが、図２６に示すように、垂直遮光部２２ａを光軸に対して垂直にし、傾斜遮光部２２ｂの傾斜部の先端がハーフミラー５に近くなるように配置されている。光形状変換部４の加工マスク２１ｎから射出されたレーザ光は、ハーフミラー５及び照射光学系６を介して図１の保持機構８上の半導体基板２０に照射される。
照射光学系６から投影結像される加工レーザ光３６ｃは、図２７に示すように、半導体基板２０の表面上に平面的に照射される領域加工レーザ部３５ｃと、領域加工レーザ部３５ｃから走査方向に沿って加工ビーム長さＬＢ、加工ビーム深さＨＢまで傾斜して延在する溝加工レーザ部３２ａとを有する。即ち、溝加工レーザ部３２ａの結像投影面は、走査方向に沿って半導体基板２０の表面から裏面に向かって深くなっている。したがって、溝加工レーザ部３２ａの加工ビーム深さＨＢ程度の厚さの半導体基板２０のダイシング溝の加工が可能となる。
次に、第４の実施の形態に係るレーザ加工方法を、図２８〜図３１を用いて説明する。加工マスク２１ｎの領域加工部２６ｈは、走査方向に直交する方向の幅が８０μｍで、長さが５０μｍである。また、実際の加工マスク２１ｎ上での寸法は、溝加工部６６ａの開口溝深さＨが１５ｍｍで、開口溝長さＬが９ｍｍである。半導体基板２０上での溝加工レーザ部３２ａは、走査方向に直交する方向の幅が３０μｍで、加工ビーム長さＬＢが１８００μｍである。また、加工ビーム深さＨＢは、図２５の関係より６００μｍとなる。レーザ光の照射フルエンスは、例えば、２．２Ｊ／ｃｍ2で、発振周波数は５０ｋＨｚである。加工対象物２０としては、説明を簡単にするため、Ｓｉ等の半導体基板２０上に、溝加工の照射フルエンスでクラックが生じないＳｉＯ2膜が形成されている。半導体基板２０の厚さは６００μｍである。また、図１の移動機構９による半導体基板２０の走査速度は２５ｍｍ／ｓとしてある。
半導体基板２０の表面には、図２８に示すように、ＳｉＯ2等の絶縁膜４６ａが堆積されている。半導体基板２０の裏面にはダイシングテープ５０が設けられ、レーザ加工装置の保持機構８上に固定される。
半導体基板２０と透明窓７の間に、液体供給装置１１から水等の液体１３が供給される。光形状変換部４に設置された加工マスク２１ｎを通過したレーザ光はハーフミラー５及び照射光学系６を介して加工レーザ光３６ｃとして半導体基板２０に照射される。
半導体基板２０は、移動機構９により走査される。最初に、加工レーザ光３６ｃの領域加工レーザ部３５ｃにより半導体基板２０の表面近傍のアブレーションで絶縁膜４６ａが除去され、図２９に示すように、ダイシング領域３８ｃが形成される。領域加工レーザ部３５ｃの長さが５０μｍと短く、半導体基板２０に溝は形成されない。
半導体基板２０は更に走査され、ダイシング領域３８ｃより幅の狭い溝加工レーザ部３２ａによりダイシング領域３８ｃの中央部にアブレーションが生じる。溝加工レーザ部３２ａの加工ビーム長さＬＢは１８００μｍと、半導体基板２０に溝を形成するのに十分な長さに設定してある。更に、溝加工レーザ部３２ａの結像投影面は、走査方向に沿って半導体基板２０裏面に向かって深くなっていく。溝加工レーザ部３２ａの途中では、図３０に示すように、ダイシング領域３８ｃの中央部に、半導体基板２０の表面から裏面に向かう途中の深さのダイシング溝３９ａが形成されていく。溝加工レーザ部３２ａの加工ビーム深さＨＢは６００μｍと半導体基板２０の厚さに合わせてあるので、溝加工レーザ部３２ａの全長が半導体基板２０上で走査されると、図３１に示すように、半導体基板２０の裏面に達するダイシング溝３９ｂが形成され、半導体チップ７０ａが作製される。ダイシング溝３９ｂのレーザ加工中には、液体１３が供給されているため加工熱の拡散が防止でき、損傷やクラックのないダイシング溝の形成が可能となる。
第４の実施の形態に係るレーザ加工方法では、溝加工レーザ部３２ａの結像投影面が、半導体基板２０の裏面に向かって深くなるようにしてある。したがって、厚い半導体基板２０を用いた半導体装置でも、絶縁膜４６ａの剥離、あるいは半導体基板２０の損傷やクラックがないダイシング溝３９ｂを形成することができ、信頼性の高い半導体装置の半導体チップ７０ａを製造することが可能となる。
第４の実施の形態では、加工マスク２１ｎの領域加工部２６ｈは半導体基板２０の表面に平行になるように垂直遮光部２２ａに設けてある。しかし、垂直遮光部２２ａを設けず、傾斜遮光部２２ｂに領域加工部２６ｈを設けてもよい。この場合、領域加工レーザ部３５ｃも傾斜するが、レーザ加工装置の焦点深度よりも傾斜の高さは小さいので、ダイシング領域の加工は可能である。
また、半導体基板２０上に低誘電率絶縁膜や拡散防止膜等の密着強度や膜自身の機械的強度の弱い膜が形成されている場合には、領域加工部を第１及び第２の実施の形態で述べたように、図２、図１０、図１１あるいは図１７に示した加工マスク２１、２１ａ〜２１ｌの形状にすればよいことは勿論である。
（第４の実施の形態の変形例）
本発明の第４の実施の形態の変形例では、第３の実施の形態で説明した加工マスク２１ｍを用いて、レーザ加工装置の焦点深度より厚い半導体基板２０にダイシング溝を形成する照射光学系６及びレーザ加工方法を説明する。
第４の実施の形態の変形例に係る照射光学系６は、図３２に示すように、シリンダーレンズ等の対物レンズ６０を走査方向の前方部が傾斜高さＨＬだけ高くなるように設置している。本発明の第４の実施の形態の変形例では、照射光学系６の対物レンズ６０を傾斜させて配置する点が、第３及び第４の実施の形態と異なる。他の構成は、同様であるので重複した記載は省略する。
光形状変換部４に設置された加工マスク２１ｍの領域加工部２６ｇ及び溝加工部６６を通過したレーザ光はハーフミラー５を介して照射光学系に入射する。傾斜して設置された対物レンズ６０は、図３３に示すように、結像面位置が傾斜した加工レーザ光３６ｄを投影する。加工レーザ光３６ｄの領域加工レーザ部３５ｄは走査方向の前方部に位置し、領域加工レーザ部３５ｄから溝加工レーザ部３２ｂへと加工レーザ光３６ｄの照射位置は傾斜している。例えば、領域加工レーザ部３５ｄの照射位置を半導体基板２０の表面にほぼ合わせると、溝加工レーザ部３２ｂの結像投影面位置は走査方向に沿って、半導体基板２０の裏面に向かって深くなる。対物レンズ６０の傾斜高さＨＬを調整することにより、対物レンズ６０の焦点位置の傾きによる加工ビーム深さＨＢを半導体基板２０の厚さに合わせる。したがって、加工マスク２１ｍを用いて、レーザ加工装置の焦点深度よりも厚い半導体基板２０へのダイシング溝の加工が可能となる。
第４の実施の形態の変形例では、加工マスク２１ｍを用いて、照射光学系６の対物レンズ６０を傾斜させて配置することにより、溝加工レーザ部３２ｂの結像投影面が、半導体基板２０の裏面に向かって深くなるようにしてある。したがって、厚い半導体基板２０を用いた半導体装置でも、絶縁膜の剥離、あるいは半導体基板２０の損傷やクラックがないダイシング溝を形成することができ、信頼性の高い半導体装置のチップを製造することが可能となる。
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態では、半導体発光素子が形成されたＧａＰ、ＧａＮ等の半導体基板やサファイア基板にダイシング溝を形成するレーザ加工について説明する。加工領域に水等の液体１３を供給しつつレーザ加工を行う液体中レーザ加工方法、あるいは、１ｐｓ以下のパルス幅のレーザ照射により加工する超短パルスレーザ加工方法では、加工対象物２０に損傷やクラックを生成すること無く加工することが可能である。
第５の実施の形態に係る加工マスク２１ｏは、図３４に示すように、遮光部２２に、走査方向に対応する方向に沿って矩形状の第１の透光部５６ａと、第１の透光部５６ａに接して台形状の第２の透光部５６ｂと、第２の透光部５６ｂの後部に接して矩形状の第３の透光部５６ｃとが開口された溝加工部６６ｂを有している。矩形状の第１及び第３の透光部５６ａ、５６ｃの走査方向に沿った中心位置はほぼ一致させてある。走査方向に直交する方向の幅は、第１の透光部５６ａのほうが第３の透光部５６ｃより広くしてある。第１及び第３の透光部５６ａ、５６ｃの対向する辺は、走査方向に直交する方向の両端同士を結ぶようにして第２の透光部５６ｂが設けられている。
加工マスク２１ｏは、図１の光形状変換部４に光軸に対して垂直に配置される。半導体基板２０のアブレーションに十分な照射フルエンスのレーザ光が、加工マスク２１ｏの溝加工部６６ｂを通過して形状変換され、照射光学系６を介して、図３５に示すように、半導体基板２０に加工レーザ光３６ｅが投影される。加工レーザ光３６ｅは、走査方向の前方部の矩形状の第１の溝加工レーザ部３２ｃと、第１の溝加工レーザ部３２ｃの走査方向に直交する辺の両端から走査方向の後方部に向かって走査方向に直交する方向の幅が徐々に狭くなるように延在する台形状の第２の溝加工レーザ部３２ｄと、第２の溝加工レーザ部３２ｄの台形の後端部に後端部の幅と同一幅の矩形状の第３の溝加工レーザ部３２ｅとを有する。半導体基板２０は走査されているため、加工レーザ光３６ｅの第１〜第３の溝加工レーザ部３２ｃ〜３２ｅによりまず、半導体基板２０の表面近傍では垂直で、次いで裏面に向かって傾斜し、裏面近傍で細い垂直な側面を有するダイシング溝が形成される。第５の実施の形態では、開口部の中間領域で台形状となる加工マスク２１ｏを用いて、ダイシング溝のレーザ加工を行う点が第１〜第４の実施の形態と異なる。他の構成は、同様であるので、重複した記載は省略する。
次に、第５の実施の形態に係るレーザ加工方法を、図３６〜図３９を用いて説明する。図１に示したレーザ加工装置の加工用光源２として、波長が３５５ｎｍのＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波を用いる。レーザ光の照射フルエンスは、例えば、２．２Ｊ／ｃｍ2で、発振周波数は５０ｋＨｚである。加工対象物２０としては、説明を簡単にするため、ＧａＰやＧａＮ等の半導体基板２０を用いる。半導体基板２０の厚さは１００μｍである。また、移動機構９による半導体基板２０の走査速度は５０ｍｍ／ｓとしてある。
半導体基板２０の裏面には、図３６に示すように、ダイシングテープ５０が設けられ、レーザ加工装置の保持機構８上に固定される。
半導体基板２０と透明窓７の間に、液体供給装置１１から水等の液体１３が供給される。光形状変換部４に設置された加工マスク２１ｏを通過したレーザ光がハーフミラー５及び照射光学系６を介して半導体基板２０に照射される。
半導体基板２０は、移動機構９により走査される。最初に、加工レーザ光３６ｅの第１の溝加工レーザ部３２ｃにより半導体基板２０の表面近傍にアブレーションが生じ、図３７に示すように、ほぼ垂直な側面の第１のダイシング溝５９ａが形成される。
半導体基板２０は引き続き走査され、第２の溝加工レーザ部３２ｄのアブレーションにより、図３８に示すように、第１のダイシング溝５９ａの底部から台形状の第２の溝加工レーザ部３２ｄの投影結像面に対応してメサ状に傾斜した側面の第２のダイシング溝５９ｂが形成される。
半導体基板２０は更に走査され、第３の溝加工レーザ部３２ｅを通過したレーザ光のアブレーションにより、図３９に示すように、第２のダイシング溝５９ｂの底部から、ほぼ垂直な側面の第３のダイシング溝５９ｃが形成され、半導体チップ７０ｂが作製される。加工レーザ光３６ｅの全長が走査されると、図３９に示すように、半導体基板２０の裏面に達するダイシング溝５９が形成される。
第５の実施の形態では、ダイシング溝加工中には、液体１３が供給されているため加工熱の拡散が防止でき、損傷やクラックのないダイシング溝の形成が可能となる。また、加工マスク２１ｏの第２の透光部５６ｂが台形状になっているため、半導体基板２０の表面と裏面の間の領域にメサ状の傾斜側面を形成することができる。半導体発光素子では、発光領域に傾斜側面を設けることにより光の外部取り出し効率を向上させることができる。
したがって、ダイシング加工後に損傷層やクラック層を除去するウェットエッチング工程が不要となり、有効面積の損失や半導体発光素子の収率の減少を抑えることができる。また、電極形成層間に発光効率向上のための傾斜側面を一度のダイシング加工により形成することができ、効率よく半導体発光素子を製造することが可能となる。
第５の実施の形態では、ダイシング溝５９の形成に液体中レーザ加工方法を用いているが、半導体基板２０に損傷やクラックの生成を抑制できる方法、例えば超短パルスレーザ加工方法等が適用できることは勿論である。また、半導体基板２０の厚さは、１００μｍとして説明しているが、レーザ加工装置の焦点深度より厚い場合は、図３２に示した照射光学系６の対物レンズ６０を用いればよい。また、第４の実施の形態で説明したように、加工マスク２１ｏを光形状変換部４に傾斜させて配置すれば、レーザ加工装置の焦点深度より厚い半導体基板２０へのダイシング溝の加工が可能となる。
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、本発明の第１〜第５の実施の形態においては、加工対象物２０としてＳｉ、ＧａＰやＧａＮ等の半導体基板を用いて説明したが、他のシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ＳｉＣ等のIV−IV族化合物半導体及びその混晶、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、アルミニウムガリウムヒ素（Ａｌ1-xＧａxＡｓ）、インジウムアルミニウムガリウム燐（Ｉｎ1-x-yＡｌyＧａxＰ）等のIII−Ｖ族化合物半導体及びその混晶、あるいはジンクセレン（ＺｎＳｅ）、ジンクサルファイド（ＺｎＳ）等のII−VI族化合物半導体及びその混晶等でもよく、またサファイア基板やＳＯＩ基板等でもよいことは勿論である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る加工マスクの一例を示す平面概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体基板の一例の断面構造図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工前の加工レーザ光の位置を示す平面概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体基板にダイシング領域をレーザ加工する場合の平面概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体基板にダイシング領域をレーザ加工した図５のＡＡ断面の概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体基板にダイシング領域をレーザ加工した図５のＢＢ断面の概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体基板にダイシング領域をレーザ加工した図５のＣＣ断面の概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体基板にダイシング領域をレーザ加工した図５のＤＤ断面の概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る加工マスクの他の例を示す平面概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る加工マスクの一例を示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光形状変換部の一例を示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工の加工レーザ光の投影像の一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その１）である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その２）である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その３）である。 本発明の第２の実施の形態に係る加工マスクの他の例を示す平面概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係る加工マスクの一例を示す平面概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係るレーザ加工の加工レーザ光の投影像の一例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その１）である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その２）である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その３）である。 本発明の第３の実施の形態に係る加工マスクによる他の半導体基板のレーザ加工後の断面概略図である。 本発明の第４の実施の形態に係る加工マスクの一例を示す平面概略図である。 本発明の第４の実施の形態に係るレーザ加工装置における加工マスク位置とフォーカス位置の関係を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る加工マスクの配置の一例を示す概略図である。 本発明の第４の実施の形態に係るレーザ加工の加工レーザ光の投影結像位置を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その１）である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その２）である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その３）である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その４）である。 本発明の第４の実施の形態の変形例に係る照射光学系の一例を示す概略図である。 本発明の第４の実施の形態の変形例に係るレーザ加工の加工レーザ光の投影結像位置を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る加工マスクの一例を示す平面概略図である。 本発明の第５の実施の形態に係るレーザ加工の加工レーザ光の投影像の一例を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その１）である。 本発明の第５の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その２）である。 本発明の第５の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その３）である。 本発明の第５の実施の形態に係る半導体基板のレーザ加工を説明する断面工程図（その４）である。
符号の説明
２ 加工用光源
３ 加工制御系
４ 光形状変換部
５、１５ ハーフミラー
６ 照射光学系
７ 透明窓
８ 保持機構
９ 移動機構
１０ 架台
１１ 液体供給装置
１２ ノズル
１３ 液体
１４ 観察用光源
１６ 補正光学系
１７ 観察系
２０ 加工対象物（半導体基板）
２１、２１ａ〜２１ｏ 加工マスク
２２ 遮光部
２２ａ 垂直遮光部
２２ｂ 傾斜遮光部
２３、２３ａ スリット部
２４、２４ａ、２８ 中間透光部
２５、２５ａ〜２５ｃ 領域透光部
２６、２６ａ〜２６ｈ 領域加工部
２７ａ〜２７ｆ スリット
２９ 改質加工部
３０ 減光部材
３２、３２ａ、３２ｂ 溝加工レーザ部
３２ｃ 第１の溝加工レーザ部
３２ｄ 第２の溝加工レーザ部
３２ｅ 第３の溝加工レーザ部
３３ 細溝加工レーザ部
３４ 改質加工レーザ部
３４ａ 第１の減光レーザ部
３４ｂ 第２の減光レーザ部
３５、３５ａ〜３５ｄ 領域加工レーザ部
３６、３６ａ〜３６ｅ 加工レーザ光
３７ 細ダイシング領域
３８、３８ａ〜３８ｃ ダイシング領域
３９、３９ａ、３９ｂ、５９ ダイシング溝
４１ 第１の絶縁膜
４２ 第２の絶縁膜
４３ 第３の絶縁膜
４４ 第１の拡散防止膜
４４ａ 第１の改質拡散防止膜
４５ 第２の拡散防止膜
４５ａ 第２の改質拡散防止膜
４６、４６ａ 絶縁膜
５０ ダイシングテープ
５１ 第１のクラック
５２ 第２のクラック
５６ａ 第１の透光部
５６ｂ 第２の透光部
５６ｃ 第３の透光部
５９ａ 第１のダイシング溝
５９ｂ 第２のダイシング溝
５９ｃ 第３のダイシング溝
６０ 対物レンズ
６６、６６ａ、６６ｂ 溝加工部
７０、７０ａ、７０ｂ 半導体チップ

Claims (25)

  1. 加工対象物の一端から前記一端に対向する他端に向かう走査方向に前記加工対象物を移動する移動機構と、
    レーザ光を、前記レーザ光の光軸方向に直交する面で前記走査方向に対して非対称な形状の加工レーザ光に変換する光形状変換部と、
    前記光形状変換部より出射された前記加工レーザ光を前記加工対象物に照射する照射光学系
    とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 前記光形状変換部が、前記加工レーザ光の一部を減光する減光部材を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 前記光形状変換部が前記光軸方向に対して傾斜した加工マスクを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
  4. 前記照射光学系が、前記走査方向に対して焦点位置が傾斜した対物レンズを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
  5. 前記加工対象物の加工表面に液体を供給する液体供給装置を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  6. 加工対象物に対してレーザ光を、前記レーザ光の光軸方向に直交する面で走査させて前記加工対象物を加工するレーザ加工における前記レーザ光の形状を変換する加工マスクであって、
    垂直遮光部及び前記垂直遮光部に対して傾斜した傾斜遮光部を有する遮光部と、
    前記垂直遮光部に開口されて配置された第１の加工部と、
    前記第１の加工部に接続して一方向に延在するように、前記傾斜遮光部に開口されて配置された第２の加工部
    とを備えることを特徴とする加工マスク。
  7. 前記第１の加工部が、前記一方向に対して非対称な形状を有することを特徴とする請求項６に記載の加工マスク。
  8. 光源から出力されたレーザ光を一方向に対して非対称な形状に変換した加工レーザ光を加工対象物に投影する工程と、
    前記加工対象物の表面で前記一方向に対応する走査方向に前記加工レーザ光を前記加工対象物に対して走査させる工程
    とを含むことを特徴とするレーザ加工方法。
  9. 前記加工対象物は半導体基板であり、投影結像位置が前記走査方向に沿って前記半導体基板の表面から裏面へと傾斜している前記加工レーザ光により、ダイシング溝が前記半導体基板に形成されることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工方法。
  10. 前記加工対象物は半導体基板であり、前記走査方向の前方部の矩形状の第１の溝加工レーザ部と、前記第１の溝加工レーザ部の前記走査方向に直交する辺の両端から前記走査方向に延在する台形状の第２の溝加工レーザ部と、前記第２の溝加工レーザ部の台形の後端部と同一幅で前記走査方向に延在する矩形状の第３の溝加工レーザ部とを有する加工レーザ光により、ダイシング溝が前記半導体基板に形成されることを特徴とする請求項８又は９に記載のレーザ加工方法。
  11. 前記加工対象物は表面に絶縁膜が堆積された半導体基板であり、前記加工レーザ光は前記走査方向の前方部及び後方部に、前記絶縁膜を除去してダイシング領域を形成する領域加工レーザ部と前記半導体基板にダイシング溝を形成する溝加工レーザ部とを含むことを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工方法。
  12. 半導体基板の表面に絶縁膜を堆積する工程と、
    光源から出力されたレーザ光を一方向に対して非対称な形状に変換した加工レーザ光を前記半導体基板に投影する工程と、
    前記半導体基板の表面で前記一方向に対応する走査方向に前記加工レーザ光を前記半導体基板に対して走査させ、前記絶縁膜を除去して前記走査方向にダイシング領域を形成する工程
    とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  13. 前記絶縁膜は、配線を有する複数の層間絶縁膜であり、前記複数の層間絶縁膜の間に前記配線に含まれる金属の拡散を防止する拡散防止膜を有することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記層間絶縁膜が、低誘電率絶縁膜であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記拡散防止膜が、シリコンカーバイド、シリコンナイトライド、及びシリコンカーバイドナイトライドのいずれかであることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記絶縁膜を除去する前記加工レーザ光は、前記走査方向の前方部及び後方部に前記ダイシング領域より細い幅の細ダイシング領域を形成する細溝加工レーザ部及び前記細溝加工レーザ部で形成される前記細ダイシング領域を拡げて前記ダイシング領域を形成する領域加工レーザ部を含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記絶縁膜を除去する前記加工レーザ光は、前記ダイシング領域を形成する領域レーザ加工部、及び前記領域加工レーザ部に対して前記走査方向の前方部に前記走査方向に直交する方向で前記ダイシング領域の外側の前記拡散防止膜を改質する改質加工レーザ部を含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記改質加工レーザ部は、前記領域加工レーザ部に比べ減光されていることを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記加工レーザ光は、前記走査方向に沿って前記領域加工レーザ部の後方に延在する溝加工レーザ部を更に含み、前記溝加工レーザ部により前記半導体基板における前記ダイシング領域内の一部にダイシング溝を加工する工程を更に含むことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の半導体装置の製造方法。
  20. 前記ダイシング溝が、パルス幅が１ピコ秒以下の加工レーザ光により形成されることを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置の製造方法。
  21. 前記加工レーザ光が投影される前記半導体基板表面に液体が供給されることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  22. 半導体基板と、
    前記半導体基板表面に堆積された複数の層間絶縁膜と、
    前記複数の層間絶縁膜の間に堆積され、チップ周縁近傍で改質された領域を有する拡散防止膜
    とを備えることを特徴とする半導体装置。
  23. 前記拡散防止膜が、シリコンカーバイド、シリコンナイトライド、及びシリコンカーバイドナイトライドのいずれかであることを特徴とする請求項２２に記載の半導体装置。
  24. 前記改質された領域がアモルファスシリコン及びアモルファスカーボンの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項２２又は２３に記載の半導体装置。
  25. 前記層間絶縁膜が低誘電率絶縁膜であることを特徴とする請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の半導体装置。
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