JP2015167969A

JP2015167969A - レーザー加工装置及びレーザー加工方法

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Publication number: JP2015167969A
Application number: JP2014044269A
Authority: JP
Inventors: 健太郎小田中; Kentaro Odanaka; 啓太小原; Keita Obara
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-09-28

Abstract

【課題】一回走査で良好な品質のレーザー加工溝を複数本形成するレーザー加工装置及び加工方法の提供。【解決手段】ウエーハＷを保持するチャックテーブル２８と、ウエーハに対し吸収性波長のレーザービームＬＢを照射して表面に加工溝を形成するレーザービーム照射手段とを備えたレーザー加工装置であって、レーザービーム照射手段は、レーザービーム発生手段３５と、レーザービームをウエーハに照射する集光レンズ７２と、レーザービームを同一偏光面を有する複数レーザービームに分岐するレーザービーム分岐手段７４と、ウエーハのレーザー加工溝伸展方向に対してレーザービーム偏光面を垂直又は平行となるように回転する１／２波長板７６とを備え、分岐された複数レーザービームでウエーハの表面にアブレーション加工により複数レーザー加工溝を形成する。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザー加工装置及びウエーハのレーザー加工方法に関し、特に、層間絶縁膜として低誘電率絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）を使用したウエーハのレーザー加工方法に関する。

半導体デバイス製造プロセスにおいては、略円板形状であるシリコンウエーハ、ガリウム砒素ウエーハ等の半導体ウエーハの表面に格子状に形成されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、区画された各領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。

このような半導体ウエーハは研削装置によって裏面が研削されて所定の厚みに加工された後、切削装置又はレーザー加工装置によって個々のデバイスに分割され、分割されたデバイスは携帯電話、パソコン等の各種電気機器に広く利用されている。

切削装置としては一般にダイシング装置と呼ばれる切削装置が用いられており、この切削装置ではダイアモンドやＣＢＮ等の超砥粒をメタルやレジンで固めて厚さ２０〜３０μｍの切刃を有する切削ブレードが約３００００ｒｐｍ等の高速で回転しつつ半導体ウエーハへ切り込むことで切削が遂行される。

半導体ウエーハの表面に形成された半導体デバイスは、金属配線が何層にも積層されて信号を伝達しており、各金属配線間は主にＳｉＯ_２から形成された層間絶縁膜により絶縁されている。

近年、構造の微細化に伴い、配線間距離が近くなり、近接する配線間の電気容量は大きくなってきている。これに起因して信号の遅延が発生し、消費電力が増加するという問題が顕著になってきている。

各層間の寄生容量を軽減すべく、デバイス（回路）形成時に各層間を絶縁する層間絶縁膜として従来は主にＳｉＯ_２絶縁膜を採用していたが、最近になりＳｉＯ_２絶縁膜よりも誘電率の低い低誘電率絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）が採用されるようになってきている。

低誘電率絶縁膜としては、ＳｉＯ_２膜（誘電率ｋ＝４．１）よりも誘電率が低い（例えばｋ＝２．５乃至３．６程度）材料、例えばＳｉＯＣ，ＳｉＬＫ等の無機物系の膜、ポリイミド系、パリレン系、ポリテトラフルオロエチレン系等のポリマー膜である有機物系の膜、及びメチル含有ポリシロキサン等のポーラスシリカ膜を挙げることができる。

このような低誘電率絶縁膜を含む積層体を切削ブレードにより分割予定ラインに沿って切削すると、低誘電率絶縁膜は雲母のように非常に脆いことから積層体が剥離するという問題が生じる。

この問題を解決するために、例えば特開２００５−０６４２３０号公報又は特開２００５−２０９７１９号公報では、切削ブレードでの切削に先立って、予め分割予定ライン上の積層体をレーザービームの照射により除去し、その後切削ブレードでチップへと分割する半導体ウエーハの加工方法が提案されている。

レーザービームを使用したこのような半導体ウエーハの加工方法では、分割予定ラインに沿って分割予定ラインの両側部近傍に一対のレーザー加工溝を形成するのが好ましいため、一回のレーザービームの走査で２本以上のレーザー加工溝が形成できるレーザー加工装置が特開２０１０−２８４６６９号公報で提案されている。

特開２００５−０６４２３０号公報特開２００５−２０９７１９号公報特開２０１０−２８４６６９号公報

引用文献３に開示されたレーザー加工装置では、レーザービーム発生ユニットから発生された直線偏光のレーザービームを偏光ビームスプリッタに入射し、偏光ビームスプリッタで反射されるＳ偏光の第１のレーザービームと、偏光ビームスプリッタを透過するＰ偏光の第２のレーザービームとに分岐し、第１及び第２のレーザービームを分割予定ラインの両側部に同時に照射して一対のレーザー加工溝を形成している。

しかし、このように偏光面の異なる第１及び第２のレーザービームをウエーハに照射して、分割予定ラインの両側部に一対のレーザー加工溝を同時に形成すると、Ｓ偏光の第１のレーザービームとＰ偏光の第２のレーザービームとでは加工結果が同一ではないという問題があることが判明した。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、一回のレーザービームの走査で加工品質の良好なレーザー加工溝を複数本形成可能なレーザー加工装置及びウエーハのレーザー加工方法を提供することである。

請求項１記載の発明によると、ウエーハを保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持されたウエーハに対し吸収性を有する波長のレーザービームを照射してウエーハの表面にレーザー加工溝を形成するレーザービーム照射手段と、を備えたレーザー加工装置であって、該レーザービーム照射手段は、レーザービーム発生手段と、該レーザービーム発生手段が発生するレーザービームを集光してウエーハに照射する集光レンズと、該レーザービーム発生手段と該集光レンズとの間に配設され、該レーザービーム発生手段からのレーザービームを同一の偏光面を有する複数のレーザービームに分岐するレーザービーム分岐手段と、該レーザービーム発生手段と該レーザービーム分岐手段との間、又は該レーザービーム分岐手段と該集光レンズとの間に配設され、ウエーハに形成するレーザー加工溝の伸展方向に対してレーザービームの偏光面を垂直又は平行となるように回転する１／２波長板と、を備え、該レーザービーム分岐手段で分岐された複数のレーザービームでウエーハの表面にアブレーション加工により複数のレーザー加工溝を形成することを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

請求項２記載の発明によると、表面に交差して形成された複数の分割予定ラインで区画された各領域にデバイスが形成されたウエーハを、請求項１記載のレーザー加工装置を用いて加工するウエーハのレーザー加工方法であって、前記チャックテーブルに保持されたウエーハに、前記１／２波長板によって前記レーザー加工溝の伸展方向に対して偏光面が垂直に設定された複数のレーザービームを該分割予定ラインに沿って照射し、該分割予定ラインに複数のレーザー加工溝を同時に形成することを特徴とするウエーハのレーザー加工方法が提供される。

請求項１記載のレーザー加工装置では、レーザービーム分岐手段で分岐された複数本のレーザービームの偏光面を１／２波長板で回転して、レーザー加工溝の伸展方向に対してレーザービームの偏光面を垂直方向に統一するか、又は平行方向に統一することができるため、ウエーハの表面に同一品質のレーザー加工溝を複数本形成することができる。

請求項２記載のウエーハのレーザー加工方法では、１／２波長板によってレーザー加工溝の伸展方向に対して偏光面が垂直に設定された複数のレーザービームを分割予定ラインに沿って照射するため、加工品質の良い複数のレーザー加工溝を分割予定ラインに沿って同時に形成することができる。

本発明実施形態のレーザー加工装置の斜視図である。レーザービーム発生ユニットのブロック図である。粘着テープを介して環状フレームにより支持された半導体ウエーハの斜視図である。第１実施形態の光学系の模式図である。第２実施形態の光学系の模式図である。レーザー加工溝形成工程を説明する模式的斜視図である。レーザー加工溝形成工程を説明する断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、本発明実施形態のレーザー加工装置の外観斜視図が示されている。レーザー加工装置２は、静止基台４上にＸ軸方向に移動可能に搭載された第１スライドブロック６を含んでいる。

第１スライドブロック６は、ボールねじ８及びパルスモータ１０から構成される加工送り手段１２により一対のガイドレール１４に沿って加工送り方向、即ちＸ軸方向に移動される。

第１スライドブロック６上には第２スライドブロック１６がＹ軸方向に移動可能に搭載されている。すなわち、第２スライドブロック１６はボールねじ１８及びパルスモータ２０から構成される割り出し送り手段２２により一対のガイドレール２４に沿って割り出し方向、すなわちＹ軸方向に移動される。

第２スライドブロック１６上には円筒支持部材２６を介してチャックテーブル２８が搭載されており、チャックテーブル２８は加工送り手段１２及び割り出し送り手段２２によりＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。チャックテーブル２８には、チャックテーブル２８に吸引保持された半導体ウエーハをクランプするクランプ３０が設けられている。

静止基台４にはコラム３２が立設されており、このコラム３２にレーザービーム照射ユニット（レーザービーム照射手段）３４が取り付けられている。レーザービーム照射ユニット３４は、ケーシング３３中に収容された図２に示すレーザービーム発生ユニット３５と、ケーシング３３の先端に取り付けられた集光器３７と、図４に示した光学系７０とを含んでいる。

レーザービーム発生ユニット３５は、図２に示すように、ＹＡＧレーザー又はＹＶＯ４レーザーを発振するレーザー発振器６２と、繰り返し周波数設定手段６４と、パルス幅調整手段６６と、パワー調整手段６８とを含んでいる。特に図示しないが、レーザー発振器６２はブリュースター窓を有しており、レーザー発振器６２から出射するレーザービームは直線偏光のレーザービームである。

ケーシング３３の先端部には、集光器３７とＸ軸方向に整列してレーザー加工すべき加工領域を検出する撮像手段３９が配設されている。撮像手段３９は、可視光によって半導体ウエーハの加工領域を撮像する通常のＣＣＤ等の撮像素子を含んでいる。

撮像手段３９は更に、半導体ウエーハに赤外線を照射する赤外線照射手段と、赤外線照射手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、この光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する赤外線ＣＣＤ等の赤外線撮像素子から構成される赤外線撮像手段を含んでおり、撮像した画像信号はコントローラ（制御手段）４０に送信される。

コントローラ４０はコンピュータによって構成されており、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置（ＣＰＵ）４２と、制御プログラム等を格納するリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）４４と、演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４６と、カウンタ４８と、入力インターフェイス５０と、出力インターフェイス５２とを備えている。

５６は案内レール１４に沿って配設されたリニアスケール５４と、第１スライドブロック６に配設された図示しない読み取りヘッドとから構成される加工送り量検出手段であり、加工送り量検出手段５６の検出信号はコントローラ４０の入力エンターフェイス５０に入力される。

６０はガイドレール２４に沿って配設されたリニアスケール５８と第２スライドブロック１６に配設された図示しない読み取りヘッドとから構成される割り出し送り量検出手段であり、割り出し送り量検出手段６０の検出信号はコントローラ４０の入力インターフェイス５０に入力される。

撮像手段３９で撮像した画像信号もコントローラ４０の入力インターフェイス５０に入力される。一方、コントローラ４０の出力インターフェイス５２からはパルスモータ１０、パルスモータ２０、レーザービーム照射ユニット３４等に制御信号が出力される。

図３に示すように、レーザー加工装置２の加工対象である半導体ウエーハＷの表面においては、第１のストリート（分割予定ライン）Ｓ１と第２のストリート（分割予定ライン）Ｓ２とが直交して形成されており、第１のストリートＳ１と第２のストリートＳ２とによって区画された領域に多数のデバイスＤが形成されている。

本実施形態の半導体ウエーハＷは、図７の断面図に示すように、ウエーハ形状のシリコン基板１１上に低誘電率絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）を含む積層体１３が積層され、積層体１３にストリートＳ１，Ｓ２及びデバイスＤがパターニングによって形成されている。

ここで、低誘電率絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）としては、誘電率ｋ＝約４．１のＳｉＯ_２膜よりも誘電率が低い絶縁体を指し、例えばＳｉＯＣ、ＳｉＬＫ、ＢＳＧ（ＳｉＯＢ）等の無機物系の膜、ポリイミド系、パリレン系、ポリテトラフルオロエチレン系等のポリマー膜である有機物系の膜、及びメチル含有ポリシロキサン等のポーラスシリカ膜を挙げることができる。

レーザー加工に先立ち、半導体ウエーハＷは粘着テープであるダイシングテープＴに貼着され、ダイシングテープＴの外周部は環状フレームＦに貼着される。これにより、半導体ウエーハＷはダイシングテープＴを介して環状フレームＦに支持された状態となり、図１に示すチャックテーブル２８上にウエーハＷをダイシングテープＴを介して吸引保持し、環状フレームＦをクランプ３０によりクランプすることにより、チャックテーブル２８上に支持固定される。

次に、図４を参照して、レーザービーム照射ユニット３４を構成する第１実施形態の光学系７０について説明する。レーザービーム発生ユニット３５のパワー調整手段６８により所定パワーに調整されたレーザービームＬＢは、図４に示すレーザービーム照射ユニット３４の光学系７０に導かれる。

光学系７０はレーザービーム発生ユニット３５が発生したレーザービームＬＢを、チャックテーブル２８に保持されたウエーハＷに集光して照射する集光器３７内に配設された集光レンズ７２を含んでいる。

レーザービーム発生ユニット３５と集光レンズ７２との間には、レーザービームＬＢを同一偏光面を有する複数のレーザービーム（本実施形態では第１のレーザービームＬＢ１と第２のレーザービームＬＢ２）に分岐するレーザービーム分岐手段７４が配設されている。

レーザービーム分岐手段７４は、例えばレーザービームＬＢを同一偏光面を有する２つのレーザービームに分岐する２分岐ＤＯＥ（回折光学素子：ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔ）から構成される。

レーザービーム発生ユニット３５とレーザービーム分岐手段７４との間には、１／２波長板７６が回転手段７８で回転可能に配設されている。一般的に１／２波長板は、入射光の偏光面に対して１／２波長板の光学軸が角度θであるとき、出射光の偏光面を１８０°−２θだけ回転させる。よって、回転手段７８により１／２波長板７６を角度αだけ回転させると、出射光の偏光面は２αだけ回転する。

一般的なレーザー発振器６２では、ブリュースター窓を介してＰ偏光のレーザービームが発振される。よって、レーザービーム発生ユニット３５から出射するレーザービームＬＢはＰ偏光のレーザービームであり、回転手段７８により１／２波長板７６の光学軸をレーザービームＬＢの偏光面に対して４５°回転すると、偏光面が９０°回転されたＳ偏光のレーザービームが１／２波長板７６から出射される。

このＳ偏光のレーザービームはミラー８０により反射されて、例えば２分岐ＤＯＥから形成されたレーザービーム分岐手段７４に入射し、レーザービーム分岐手段７４によりＳ偏光の第１のレーザービームＬＢ１と同じくＳ偏光の第２のレーザービームＬＢ２に分岐される。

第１及び第２のレーザービームＬＢ１，ＬＢ２は集光レンズ７２で集光されてチャックテーブル２８に保持されているウエーハＷに照射され、ウエーハＷの分割予定ラインＳ１又はＳ２の両側部近傍に沿った２条（一対）のレーザー加工溝をアブレーション加工により形成する。

一方、回転手段７８で１／２波長板を回転せずに、１／２波長板７６の光学軸をレーザービーム発生ユニット３５から発生されるＰ偏光のレーザービームＬＢの偏光面と平行となるように配設した場合には、１／２波長板７６からはＰ偏光のレーザービームＬＢが出射され、このレーザービームＬＢはミラー８０で反射されてレーザービーム分岐手段７４に入力される。

そして、レーザービーム分岐手段７４でＰ偏光の第１のレーザービームＬＢ１と同じくＰ偏光の第２のレーザービームＬＢ２に分岐され、第１及び第２のレーザービームＬＢ１，ＬＢ２は集光レンズ７０で集光されてチャックテーブル２８に保持されているウエーハＷに照射され、ウエーハＷの分割予定ラインＳ１又はＳ２に沿って分割予定ラインの両側部近傍に一対の（２条の）レーザー加工溝をアブレーション加工により形成する。

図５を参照すると、本発明第２実施形態の光学系７０Ａが示されている。本実施形態の光学系７０Ａは１／２波長板７６をレーザービーム分岐手段７４と集光レンズ７２との間に配設した点が図４に示した第１実施形態の光学系７０と相違し、他の構成及びその作用は第１実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

次に、図４乃至図７を参照して、上述したレーザー加工装置を使用した本発明実施形態に係るウエーハの加工方法について説明する。レーザービームの照射によるレーザー加工を実施する前に、まず、撮像手段３９で半導体ウエーハＷを撮像して、パターンマッチング等の画像処理を実施することにより、レーザー加工すべき第１のストリートＳ１を検出するアライメントを実施する。第１のストリートＳ１のアライメントに続いて、チャックテーブル２８を９０°回転してから、第２のストリートＳ２についても同様なアライメントを実施する。

アライメント実施後、レーザービーム発生ユニット３５から積層体１３に対して吸収性を有する波長のレーザービームＬＢを発生する。このレーザービームＬＢは上述したように通常Ｐ偏光のレーザービームである。

回転手段７８により１／２波長板７６をレーザービームＬＢの偏光面に対して４５°回転する。これにより、Ｐ偏光のレーザービームＬＢは、１／２波長板７６によりその偏光面が９０°回転されてＳ偏光のレーザービームとなって１／２波長板から出射される。

１／２波長板７６から出射されたＳ偏光のレーザービームはミラー８０で反射されて、２分岐ＤＯＥからなるレーザービーム分岐手段７４に入射され、Ｓ偏光の第１のレーザービームＬＢ１と同じくＳ偏光の第２のレーザービームＬＢ２に分岐される。

この分岐角度は、集光レンズ７２により互いに略平行となるように集光された第１のレーザービームＬＢ１と第２のレーザービームＬＢ２との間隔が第１のストリートＳ１の幅よりも僅かに狭い間隔となるように設定される。

図６を参照すると、本発明実施形態によるレーザー加工溝形成工程の模式的斜視図が示されている。図６において、第１のレーザービームＬＢ１と第２のレーザービームＬＢ２の入射面は、Ｘ軸方向に整列された第１の分割予定ラインＳ１を含み、第１の分割予定ラインＳ１に垂直な面となる。

従って、入射面に対して垂直な偏光面、即ちＳ偏光の偏光面を有する第１のレーザービームＬＢ１と第２のレーザービームＬＢ２を、第１の分割予定ラインＳ１の両側部近傍に照射しながらチャックテーブル２８を矢印Ｘ１方向に加工送りすることにより、図７に示すように、半導体ウエーハＷの積層体１３が分断されて一対のレーザー加工溝１５ａ，１５ｂが形成される。

第１のレーザービームＬＢ１及び第２のレーザービームＬＢ２の偏光面は第１の分割予定ラインＳ１に垂直であるため、第１のレーザービームＬＢ１及び第２のレーザービームＬＢ２の偏光面はレーザー加工溝１５ａ，１５ｂの伸展方向に対して垂直である。

チャックテーブル２８をストリートピッチずつＹ軸方向に割り出し送りしながら、全ての第１の分割予定ラインＳ１に沿って同様なレーザー加工溝１５ａ，１５ｂを形成する。次いで、チャックテーブル２８を９０°回転してから、第１の分割予定ラインＳ１と直交する全ての第２の分割予定ラインＳ２に沿って同様なレーザー加工溝１５ａ，１５ｂを形成する。レーザー加工溝形成工程でのレーザー加工条件は、例えば以下のように設定される。

光源：ＹＡＧパルスレーザー又はＹＶＯ４パルスレーザー
波長：３５５ｎｍ
平均出力：７〜１０Ｗ
繰り返し周波数：１００〜１３０ｋＨｚ
加工送り速度：７０〜１００ｍｍ／ｓ

本実施形態のレーザー加工方法によると、Ｓ偏光の第１のレーザービームＬＢ１と同じくＳ偏光の第２のレーザービームＬＢ２を照射しながら分割予定ラインＳ１，Ｓ２の両側部近傍にアブレーション加工を施すため、非常に加工品質の良い一対のレーザー加工溝１５ａ，１５ｂを形成することができる。

比較のため、入射面に対して平行な、即ちレーザー加工溝の伸展方向に対して平行なＰ偏光の偏光面を有する第１のレーザービームＬＢ１と同じくＰ偏光の第２のレーザービームＬＢ２をウエーハＷに照射しながら一対のレーザー加工溝を形成したところ、レーザー加工溝の加工品質に斑があることが判明した。この斑はレーザー加工溝の深さの斑及び積層体１３の膜剥がれ等を含む。

上述した実施形態のウエーハのレーザー加工方法では、２分岐ＤＯＥからなるレーザービーム分岐手段７４でレーザービームを２本に分岐してウエーハＷに照射しているが、レーザービームの分岐本数はこれに限定されるものではなく、レーザービーム分岐手段７４でレーザービームを３本以上に分岐するようにしても良い。

Ｗ半導体ウエーハ
Ｓ１第１のストリート
Ｓ２第２のストリート
Ｄデバイス
１５ａ，１５ｂレーザー加工溝
２８チャックテーブル
３４レーザービーム照射ユニット（レーザービーム照射手段）
３５レーザービーム発生ユニット
３７集光器
６２レーザー発振器
７０，７０Ａ光学系
７２集光レンズ
７４レーザービーム分岐手段
７６１／２波長板

Claims

ウエーハを保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持されたウエーハに対し吸収性を有する波長のレーザービームを照射してウエーハの表面にレーザー加工溝を形成するレーザービーム照射手段と、を備えたレーザー加工装置であって、
該レーザービーム照射手段は、
レーザービーム発生手段と、
該レーザービーム発生手段が発生するレーザービームを集光してウエーハに照射する集光レンズと、
該レーザービーム発生手段と該集光レンズとの間に配設され、該レーザービーム発生手段からのレーザービームを同一の偏光面を有する複数のレーザービームに分岐するレーザービーム分岐手段と、
該レーザービーム発生手段と該レーザービーム分岐手段との間、又は該レーザービーム分岐手段と該集光レンズとの間に配設され、ウエーハに形成するレーザー加工溝の伸展方向に対してレーザービームの偏光面を垂直又は平行となるように回転する１／２波長板と、を備え、
該レーザービーム分岐手段で分岐された複数のレーザービームでウエーハの表面にアブレーション加工により複数のレーザー加工溝を形成することを特徴とするレーザー加工装置。
表面に交差して形成された複数の分割予定ラインで区画された各領域にデバイスが形成されたウエーハを、請求項１記載のレーザー加工装置を用いて加工するウエーハのレーザー加工方法であって、
前記チャックテーブルに保持されたウエーハに、前記１／２波長板によって前記レーザー加工溝の伸展方向に対して偏光面が垂直に設定された複数のレーザービームを該分割予定ラインに沿って照射し、該分割予定ラインに複数のレーザー加工溝を同時に形成することを特徴とするウエーハのレーザー加工方法。