JP2006520534A - 活性支援ガスを用いたレーザ加工 - Google Patents

Abstract

シリコン被加工物５は、シリコン被加工物向けのハロゲン環境を提供してレーザ加工用の活性支援ガスを形成することで０．５５ミクロン未満の波長をもったレーザビーム４を用いてレーザ２により加工する。レーザビームはシリコンの切除閾値を超える出力密度でシリコン被加工物上に集束させ、かくして支援ガスをレーザの焦点又はその近傍でシリコン被加工物と反応させ、レーザ加工速度を増大させ、加工品質における改善に起因して加工された被加工物の強度を増大させる。本発明は、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）の存在下にてシリコンウェーハを賽の目に切断し、得られるダイの強度を増大させる具体的用途を有する。

Description

本発明は、活性支援ガスを用いたレーザ加工に関する。

ＳＦ_６環境中のシリコンウェーハ基板のエッチングがシリコン基板の清浄で平滑なエッチングをもたらすことは周知である。

また、レーザ加工中のＳＦ_６の存在が材料除去工程の品質と効率の両方を改善する。しかしながら、このガスの存在が材料除去を支援するものの、このことによって一定速度でのレーザ加工が製造向けに十分高い処理量の加工を可能にさせることはない。

米国特許第３６７９５０２号には、ＳＦ_６環境中で９５０〜１２５０℃の範囲の温度まで加熱するシリコンウェーハ基板の非局所的エッチング法が開示されている。この種の高温で生成するフッ素ラジカルがシリコン表面をエッチングし、平滑で清浄な表面をもたらす。

米国特許第３８６６３９８号には、レーザ線刻工程中に加工領域に対し局所的に導入するものとしてＳＦ_６等の試薬ガスが開示されている。試薬ガスはレーザ加工中に基板材料から放出される高温蒸気と反応し、加工対象基板上に固定屑として再付着しないガス状化合物を生成する。

米国特許第４３３１５０４号には、マスクしたウェーハ基板の方向性非局所化エッチング向けにＳＦ_６分子を振動的に励起するＣＯ_２レーザの活用が開示されている。ＣＯ_２レーザエネルギは十分に低く、ウェーハ基板の直接レーザ切除は防止される。

米国特許第４６１７０８６号には、０．６ミクロン以下の波長の連続的なレーザを用いてＳＦ_６分子を光解離するＳＦ_６環境中でのシリコン基板の高速局所的エッチング法が開示されている。レーザ出力密度は約６×１０^５Ｗ／ｃｍ^２であり、シリコンの切除閾値に満たず、それ故にエッチングは主にレーザがオンしているときのシリコン基板と生成フッ素ラジカルとの間の相互作用により行なわれる。

米国特許第４７３１１５８号には、フッ素含有分子だけの環境内での同一エッチング工程の実施に比べシリコンのレーザ光解離エッチング速度を改善すべく、Ｈ_２とＮＦ_３やＳＦ_６やＣＯＦ_２等のフッ素含有分子との混合が開示されている。基板材料のエッチングは、光解離工程の結果として生成されるフッ素ラジカルにより行なわれる。

本発明の一つの目的は、少なくとも従来技術の上述した不備を緩和することにある。

本発明の実施形態の具体的な目的は、少量屑レーザ加工及び／又は賽の目に切断した基板部品の優秀な強度をもたらすレーザ賽の目切断向けにＳＦ_６環境でのレーザ加工の利点を活用することにある。この優秀なダイ強度は、レーザ加工工程中にＳＦ_６支援ガスを用いて達成可能な高品質加工から生ずる。

本発明の第１の態様によれば、シリコン被加工物向けにハロゲン環境を提供し、レーザ加工用の活性支援ガスを形成するステップと、０．５５ミクロン未満の波長を有するレーザビームを供給するステップと、被加工物を支援ガスの存在下にてレーザ加工し、支援ガスをレーザビームの焦点又はその近傍にてシリコン被加工物と反応させ、レーザ加工速度を増大させ、加工品質の改善に起因して加工された被加工物の強度を増大させるべく、シリコンの切除閾値を上回る出力密度でレーザビームをシリコン被加工物上に集束させるステップとを含むシリコン被加工物のレーザ加工方法が提供される。

都合良くは、ハロゲン環境の提供ステップは、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）環境の提供ステップと、レーザビームを用いて六フッ化硫黄（ＳＦ_６）の少なくとも一部を解離して活性支援ガスとしてフッ素ラジカルを形成するステップとを含む。

有利なことに、本方法は支援ガスの使用が生成ダイの強度を増大させるようシリコンウェーハを賽の目に切断するものである。

好ましくは、ハロゲン環境の提供ステップは活性支援ガスとしてのフッ素環境の提供を含み、シリコン被加工物との活性支援ガスの反応ステップはシリコン被加工物とフッ素を反応させてのガス状四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）の形成を含む。

都合良くは、被加工物のレーザ加工のステップはウェーハの賽の目切断とビア孔穿設と表面パターン形成のうちの少なくとも一つを含む。

好ましくは、本方法は被加工物の環境からのガス含有屑と廃ガスのうちの少なくとも一方を取り除くガス抽出手段を配設する追加のステップを含む。

有利なことに、本方法は被加工物のレーザ加工後に、レーザ加工により生じた被加工物の残渣を清掃するステップをさらに含む。

都合良くは、被加工物の清掃ステップは被加工物の拭き取りステップを含む。

さもなくば或いは加えて、被加工物の清掃ステップは水旋回−濯ぎ−乾燥工程を含む。

さもなくば或いは加えて、被加工物の清掃ステップは被加工物のレーザ清掃ステップを含む。

有利なことに、被加工物のレーザ清掃ステップは焦点ぼけ又は低エネルギレーザビームを用いた被加工物の走査を含む。

都合良くは、被加工物のレーザ清掃ステップは空気環境中での被加工物のレーザ清掃を含む。

好ましくは、被加工物のレーザ清掃ステップは活性支援ガス環境内での被加工物のレーザ清掃を含む。

好ましくは、活性支援ガスはフッ素か又はフッ素を母体とするものである。

都合良くは、フッ素ラジカルは被加工物の六フッ化硫黄のレーザ光解離により生成する。

都合良くは、被加工物がその第１の主面上に能動デバイスを有するシリコン基板である場合、被加工物用にハロゲン環境を提供するステップは、テープフレーム手段上に第１の主面を有する基板を装着する初期ステップを含み、被加工物の加工ステップは、第１の主面とは反対側の第２の主面からの基板加工を含む。

本発明の第２の態様によれば、シリコン被加工物用にハロゲン環境を提供する支援ガス給送手段と、０．５５ミクロン未満の波長を有するレーザビームを生成するレーザ光源手段と、レーザビームをシリコンの切除閾値を上回る出力密度でシリコン被加工物上に集束させ、レーザビームがシリコン被加工物をレーザビームの焦点にて加工し、支援ガスをレーザビームの焦点又はその近傍にてシリコン被加工物と反応させ、レーザ加工速度を増大させ、加工品質の改善をもたらして加工された被加工物の強度を増大させるレーザビーム給送手段とを備えるシリコン被加工物加工用レーザ加工装置が提供される。

好ましくは、装置はさらに被加工物の環境からガス含有屑と廃ガスのうちの少なくとも一方を抽出するガス抽出手段を備える。

都合良くは、支援ガス給送手段は六フッ化硫黄を給送する手段を備える。

都合良くは、装置は支援ガスの使用が生成ダイの強度を増すようシリコンを賽の目に切断する構成とする。

有利なことに、レーザ光源手段は０．５５ミクロン未満の波長の第２次又は第３次又は第４次の高調波にて動作するダイオード励起レーザを備える。

都合良くは、レーザビーム給送手段は走査レンズとレーザビームに対し被加工物を位置決めするＸＹ運動段とを備える検流計を備える。

有利なことに、この装置は被加工物を装着してその上に能動デバイスを有する被加工物の第１の面とは反対側の被加工物の第２の主面から被加工物を加工させるテープフレーム手段をさらに備える。

ここで、添付図面を参照し、例示により本発明を説明することにする。図面中、同様の参照符号は同様の部分を表わす。

本発明は、特にＳＦ_６環境中のシリコン切除閾値を上回るレーザ出力密度でのシリコン基板のレーザ賽の目切断に関する。シリコン材料は、主としてレーザ切除工程によりウェーハ基板から取り除かれる。ＳＦ_６の追加が、レーザ賽の目切断の速度増大と、加工品質の改善に起因するレーザ加工ダイの強度増大とをもたらす。この改善は従来技術におけるＳＦ_６を用いた改善されたエッチングと対比でき、すなわちＳＦ_６中でのレーザ加工特徴面は空気中でのレーザ加工をもって得られるものよりも平滑である。しかしながら、本発明では、シリコンのエッチングはレーザを集束させた被加工物の局所化領域にほぼ限定される。また、レーザ切除工程中に放出される材料はＳＦ_６環境と反応し、レーザ加工場所周りに固体屑として再付着するのではなく、ガス状の形態でもって加工場所から取り除くことができる。

シリコンは、全てのハロゲンと活発に反応して四ハロゲン化ケイ素を形成する。それは、フッ素（Ｆ_２）や塩素（Ｃｌ_２）や臭素（Ｂｒ_２）やヨウ素（Ｉ_２）と反応し、それぞれ四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）や四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）や四臭化ケイ素（ＳｉＢｒ_４）や四ヨウ化ケイ素（ＳｉＩ_４）を形成する。フッ素との反応は室温にて生ずるが、他は３００℃を越す加熱が必要である。

Ｓｉ＋２Ｆ_２→ＳｉＦ_４（ガス） 反応１

溶融シリコンが以下の反応に従って六フッ化硫黄（ＳＦ_６）と反応することは、周知である。すなわち、
２ＳＦ_６＋３Ｓｉ→２Ｓ＋３ＳｉＦ_４（レーザ光線の存在下） 反応２

ＳＦ_６とシリコンの反応が自然発生的でなく、シリコンの溶融閾値を超えるエネルギにおいてのみ生起するため、それは非常に局所化され、かくしてウェーハ賽の目切断やビア孔穿設や表面パターン形成等の１ステップシリコン微細加工用途に適したものとなる。

図４を参照するに、レーザ賽の目切断システム１は、０．５５ミクロン未満の波長の第２次又は第３次又は第４次の高調波で動作するダイオード励起レーザ２と、シリコンウェーハ５の表面へレーザビームを給送するビーム給送システム３とを含む。３６６ｎｍもしくは３５５ｎｍの領域の波長が、適当である。シリコンウェーハは、ブランクとするか、或いはその上に異なる層をパターン形成することもできる。ビーム給送システムは、ビームを利用可能視野内へ案内する走査レンズを備え、一方で加工対象シリコンウェーハ５を位置決めするのにＸＹ運動段６を用いる検流計を含む。このシステムは、ウェーハ面にＳＦ_６ガスを給送するガス給送システム７とレーザ加工に続き空気含有屑と廃ガスを捕捉する抽出システム８をそれぞれ含む。レーザビームは、筺体内のレーザ窓９を介してウェーハ５上の所望の加工場所へ案内し、ウェーハ５周囲に活性支援ガスを封入することができる。ウェーハを加工すべく、レーザビーム４がシリコンウェーハ５を加熱し、その温度を反応２を起こすのに十分とする。レーザによりＳＦ_６から解離したフッ素ラジカルはそこで、シリコンと結合してガス状四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）を形成することで反応１にてシリコンをエッチングする。ＳＦ_６ガスとの反応のお陰で、シリコン加工速度は活性支援ガスを使用しないときに得られる速度よりも相当に速いものとなる。

レーザ加工中に支援ガスとしてＳＦ_６を用いたときに得られる加工速度における利点の一例が図１に示してあり、ここではプロット１１は空気中でのレーザ加工に関するものであり、プロット１２はＳＦ_６環境中でのレーザ加工に関するものである。見て判る如く、ウェーハ基板に対する加工速度は調査対象全肉厚に対するＳＦ_６環境中においてより高速であり、２５０ミクロン未満の肉厚のウェーハでは空気中よりもＳＦ_６環境中の方が３倍を上回って高速である。

レーザ加工中に活性支援ガスとしてＳＦ_６を用いて賽の目切断した部品の周知のウェイブル（Ｗｅｉｂｕｌｌ）ダイ強度試験を用いて計測したダイ強度は、支援ガスを用いずに行なったものよりも高いものである。すなわち、支援ガスとしてＳＦ_６を用いたレーザ加工に続いて試験したシリコンダイの強度における顕著な増大が存在することが発見されている。図２は、鋸切断ダイ２１と空気環境を用いたレーザ加工ダイ２２とＳＦ_６環境を用いたレーザ加工ダイ２３に関する耐久確率対ダイ破壊印加圧力のプロットを示す。空気環境中のレーザ加工ダイに関するダイ強度、すなわちプロット２２は、これまでの鋸切断ダイの強度、すなわちプロット２１に満たないものの、ＳＦ_６環境中でレーザ加工したダイの強度、すなわちプロット２３は、鋸切断ダイ強度、すなわちプロット２１を上回ることが見て取れる。事実、７０％のビーム重複を用いることで、レーザ加工部品のダイ強度はガス支援を用いずに加工した部品の強度の４．８倍まで強固となることが判った。さらにまた、ＳＦ_６ガス中のダイ切断は鋸切断技法を用いたダイ切断よりも１．６５倍は強固であったことも判った。

図３を参照するに。活性支援ガスとしてＳＦ_６を用いたレーザ加工は、従来の鋸切断技法に関する１８５ＭＰａの値３２と支援ガス不在下でのレーザ加工に関する６５ＭＰａの値３３に比して３００ＭＰａを遥かに上回る平均ダイ強度値３１をもたらした。

シリコンを支援ガスとしてＳＦ_６を用いて加工すると、大半の副生成物はガス形状でもって排出されるが、一部の固体屑が残り、ウェーハ上に再付着することがある。この屑は、乾式拭き取り工程でもって簡単に取り除くことができる。

何らかの理由で乾式拭き取り法の適用が適用可能でないか或いは望まれない場合は、レーザビームを合焦させ、加工に用いる速度よりも高速で汚染領域を走査し、表面から屑を解放し、抽出システム８によりそれを捕捉できるようにすることで、この固体屑の除去が可能となる。満足できる清掃を実行する上で被加工物又は基板の同一領域を１回以上走査する必要があるかも知れないが、清掃中はレーザビーム出力はシリコン又はウェーハ上の他の任意の層の損傷を防止すべく十分低くする。この清掃に支援ガスを用いる必要はないが、ＳＦ_６を用いた場合は、工程の効率が増大する。

ウェーハの最上層を感光性とし、ウェーハの上面に走査レーザビームを使用することが実用的でないようにすることは可能である。この場合、ウェーハの背面からウェーハを処理することが可能である。

具体的には、ウェーハの底部からの加工用にウェーハを整列配置する視覚システムを用いることで、ウェーハはテープに対し面を下に向け装着することができる。一般に、テープは可視放射に対し透過性である。レーザシステムに位置合わせした視覚システムを用いることで、レーザビームをウェーハの背面に給送することができる。このことで、生成された全ての屑がウェーハの背部にあるよう保証される。

一旦このように賽の目に切断すると、水に接触させるウェーハ前部に部品が無い状態で、ウェーハをレーザ清掃（乾燥）或いは洗浄することができる。

本発明の別の実施形態では、閉じたチャンバ内にウェーハを封入する。チャンバに流入出するガス流を調整し、効率的な加工とガス使用量の制御を保証する。チャンバ内へのガス流を保証して、レーザの「オン」期間中に十分なガスが給送されるようにする弁システムもまた用いることができる。

最後に、反応中に消費されなかったガスを取り除いて再循環させる装置に、反応副生成物を抽出して濾過し、未反応ガスを反応領域へ戻す設備を含ませることができる。

本発明はＳＦ_６から導出されるフッ素を用いたシリコンの加工を説明してきたが、他のハロゲンや他のハロゲン源、例えばＣＦ_４を用いることもできる。さらに、本発明が加工を促進する適当な支援ガスを用いて他の半導体材料を加工する応用分野を有することは理解されよう。

本発明は、特に３６６ｎｍもしくは３５５ｎｍの範囲で動作する紫外光（ＵＶ）レーザの使用時に、高パルス反復周波数でもって例えば国際公開第０２／３４４５５号に記載された多数パスを用いてシリコンや他の半導体を賽の目に切断し加工する利点をもたらし、当該公開では、支援ガスを賽の目切断や加工工程の向上に用い、工程速度を改善し、屑特性を修正してより効率的な清掃を可能にし、また支援ガスを用いた工程自体が支援ガスを使用せずに達成可能な強度よりも高いダイ強度がもたらされる。

本発明が主要利点をもたらす典型例は、例えばスマートカードや積層集積回路や集積回路の製造においてである。集積回路では、ダイ強度は賽の目切断した積層部品の短期及び長期信頼性にとって決定的である。

本発明と従来技術になるレーザ加工に関し、ウェーハ肉厚を横軸とし加工速度を縦軸とするグラフである。 本発明と従来技術と鋸街路切断技法使用のレーザ加工を用いるパターン形成ウェーハに関し、ダイ強度（Ｎ／ｍｍ^２）を縦軸とし耐久確率（％ＰＳ）を縦軸とするグラフである。 レーザ切断と鋸切断のシリコンダイに関し、平均と最大と最小のダイ強度のプロットを示す図である。 本発明になるレーザ加工装置の概略線図を示す図である。

符号の説明

１ レーザ加工装置
２ レーザ（レーザ光源手段）
３ ビーム給送システム（ビーム給送手段）
４ レーザビーム
５ ウェーハ（シリコン被加工物）
６ ＸＹ運動段（ビーム給送手段）
７ ガス給送システム（支援ガス給送手段）
８ 抽出システム（ガス抽出手段）
９ レーザ窓
１１，１２，２１，２２，２３，３１，３２，３３ プロット

Claims (23)

1. シリコン被加工物（５）のレーザ加工方法であって、
   ａ． シリコン被加工物向けにハロゲン環境を提供し、レーザ加工用活性支援ガスを形成するステップと、
   ｂ． ０．５５ミクロン未満の波長をもったレーザビーム（４）を供給するステップと、
   ｃ． 前記シリコン被加工物を支援ガスの存在下にてレーザ加工し、該支援ガスを前記レーザビームの焦点又はその近傍にて前記シリコン被加工物と反応させ、レーザ加工速度を増大させ、加工品質の改善に起因して前記加工された被加工物の強度を増大させるべく、シリコンの切除閾値を上回る出力密度で前記レーザビームを前記シリコン被加工物上に集束させるステップとを含む、方法。
2. 前記ハロゲン環境の提供ステップは、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）環境を提供するステップと、前記レーザビームを用いて前記六フッ化硫黄の少なくとも一部を解離し、前記活性支援ガスとしてフッ素ラジカルを形成するステップとを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記支援ガスの使用が生成ダイの強度を増すようシリコンウェーハを賽の目に切断する、請求項２記載の方法。
4. 前記ハロゲン環境の提供ステップは、前記活性支援ガスとしてのフッ素環境の提供を含み、前記シリコン被加工物との前記活性支援ガスの反応ステップは、前記シリコン被加工物と前記フッ素とを反応させてのガス状四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）の形成を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記被加工物のレーザ加工ステップは、ウェーハ賽の目切断とビア孔穿設と表面パターン形成のうちの少なくとも一つを含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記被加工物の環境からガス含有屑と廃ガスのうちの少なくとも一方を抽出するガス抽出手段を配設する追加のステップを含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記被加工物のレーザ加工ステップの後で、前記レーザ加工により生じた前記被加工物の残渣を清掃するさらなるステップを含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記被加工物の清掃ステップは、該被加工物の乾式拭き取りステップを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記被加工物の清掃ステップは、水旋回−濯ぎ−乾燥工程を含む、請求項７又は８記載の方法。
10. 前記被加工物の清掃ステップは、前記被加工物のレーザ清掃ステップを含む、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記被加工物のレーザ清掃ステップは、焦点ぼけ又は低エネルギレーザビームを用いた前記被加工物の走査を含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記被加工物のレーザ清掃ステップは、空気環境中での前記被加工物のレーザ清掃を含む、請求項１０又は１１記載の方法。
13. 前記被加工物のレーザ清掃ステップは、活性支援ガス環境中での前記被加工物の清掃を含む、請求項１０又は１１記載の方法。
14. 前記活性支援ガスは、フッ素か又はフッ素を母体とするものである、請求項１３記載の方法。
15. 前記フッ素ラジカルは、前記シリコン被加工物における六フッ化硫黄のレーザ光解離により生成する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 被加工物がその第１の主面上に能動デバイスを有するシリコン基板である場合、前記被加工物向けにハロゲン環境を提供するステップは、テープフレーム手段上に前記第１の主面を有する前記基板を装着するステップを含み、前記被加工物の加工ステップは、前記第１の主面とは反対側の第２の主面からの前記基板の加工を含む、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
17. シリコン被加工物（５）を加工するレーザ加工装置（１）であって、
    前記シリコン被加工物向けにハロゲン環境を提供する支援ガス給送手段（７）と、０．５５ミクロン未満の波長を有するレーザビーム（４）を生成するレーザ光源手段（２）と、前記レーザビームをシリコンの切除閾値を上回る出力密度で前記シリコン被加工物上に集束させ、前記レーザビームが前記シリコン被加工物を該レーザビームの焦点にて加工し、前記支援ガスを前記レーザビームの焦点又はその近傍にて前記シリコン被加工物と反応させ、レーザ加工速度を増大させ、加工品質の改善をもたらし、前記加工された被加工物の強度を増大させるレーザビーム給送手段（３，６）とを備える、装置。
18. 前記被加工物の環境からガス含有屑と廃ガスのうちの少なくとも一方を抽出するガス抽出手段（８）をさらに備える、請求項１７記載の装置。
19. 前記支援ガス給送手段（７）は、六フッ化硫黄を給送する手段を備える、請求項１７又は１８記載の装置。
20. 前記支援ガスの使用が生成ダイの強度を増大させるよう前記シリコンウェーハを賽の目に切断する構成とした、請求項１９記載の装置。．
21. 前記レーザ光源手段（２）は、０．５５ミクロン未満の波長の第２次又は第３次又は第４次の高調波にて動作するダイオード励起レーザを備える、請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 前記レーザビーム給送手段は、走査レンズと前記レーザビーム（４）に対し前記被加工物（５）を位置決めするＸＹ運動段（６）とを有する検流計を備える、請求項１７乃至２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 前記装置は、前記被加工物を装着し、その上に能動デバイスを有する前記被加工物の第１の面とは反対側の第２の主面から前記被加工物を加工するテープフレームをさらに備える、請求項１７乃至２２のいずれか１項に記載の装置。
    

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