JP2016513359A

JP2016513359A - 半導体基板を通過する中赤外レーザ光の透過による熱処理

Info

Publication number: JP2016513359A
Application number: JP2015552883A
Authority: JP
Inventors: アンソニー・ピー・ホールト; ハインリック・エンダート
Original assignee: アイピージーフォトニクスコーポレーション
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2016-05-12
Also published as: CN105051859A; EP2943973A4; CN105051859B; US9653298B2; US20140199858A1; KR102131764B1; EP2943973A1; KR20150106439A; EP2943973B1; WO2014110556A1

Abstract

限定された中赤外透過範囲を有する半導体基板などの基板を通過する中赤外レーザ光の透過によって、熱処理が実施される。レーザ光は、希土類元素がドープされたファイバーレーザによって生成され、透過されたパワーが、基板の背面領域において、例えば基板上で、または基板から離隔して、ターゲット材料に変化を与えることができるように、基板を通過するように向けられる。基板は、透過された中赤外レーザ光が基板の材料に変化を与えることなくターゲット材料に変化を与えることができるように、十分に透過性であってよい。一例において、希土類元素がドープされたファイバーレーザは、連続波（ＣＷ）モードでかつ２μｍのスペクトル域で作動する高平均パワーツリウムファイバーレーザである。

Description

本発明は、レーザを用いた熱処理に関し、より詳細には、半導体基板を通過する中赤外レーザ光の透過による熱処理に関する。

レーザは、例えば、アブレーション、溶融、およびアニーリングによって、何らかの点で材料を変化させるように様々な材料処理を実施するために使用されてきた。特に、材料は、材料が蒸発するまで、液化するまで、または他の方法でその状態または構造を変えるまで、レーザエネルギーの吸収によって加熱され得る。レーザ熱処理は、半導体製造において、ＬＥＤ、レーザダイオード、および他の半導体装置などの様々な用途に対して半導体材料を加工、分離、結合、および処理するために使用されてきた。そのような用途は、これらの装置の寸法が小さいため、要求される精度のため、および使用される半導体材料の性質のため、課題を有することが多い。

半導体製造での適用の間、材料を熱処理するために十分なレーザエネルギーを提供するための１つの方法は、例えば、処理される材料に対して直接の見通し線を有するレーザ光を向けることである。しかしながら、場合によっては、直接の見通し線が不可能であるか、またはより複雑かつ高価な製造工程をもたらす可能性がある。半導体材料によって透過されるスペクトル域のレーザ光が熱処理の効果をもたらすのに十分なパワーを有して透過されることができなかったため、基板の背面において材料を処理するために特定のタイプの半導体基板、例えばシリコンを通過してレーザ光を透過する試みは、上手くいっていない。そのような従来法を用いた背面処理は、幅広い透過範囲および／または超短パルスを有する特定のタイプの透過性が高い材料に限定されてきた。

国際公開第２０１２／１５０９３５号米国特許第７，３８８，１７２号公報米国特許第７，８４６，８４７号公報米国特許出願公開第２０１１／０１３２５４９号公報

したがって、シリコンなど透過性に劣る半導体材料を通過するレーザ光の透過による熱処理方法に対する必要性が存在する。

一実施形態によれば、中赤外レーザ透過による熱処理のための方法が提供される。本方法は、１３００から５０００ｎｍのスペクトル域において希土類元素がドープされたファイバーレーザからレーザ光を生成する段階、およびレーザ光を、半導体基板を通過するように向ける段階であって、半導体基板を通過して透過するレーザ光が、半導体基板の背面領域においてターゲット材料に変化を与えることができる透過されたパワーを有するように、１３００から５０００ｎｍのスペクトル域において半導体基板がレーザ光に対して十分に透過性である段階、を含む。

他の実施形態によれば、中赤外レーザ透過による熱処理方法は、２μｍのスペクトル域においてツリウムファイバーレーザから連続波（ＣＷ）レーザ光を生成する段階、およびレーザ光を、基板を通過するように向ける段階であって、基板を通過して透過するレーザ光が、基板の材料に変化を与えることなく、基板の背面領域においてターゲット材料に変化を与えることができる透過されたパワーを有するように、２μｍのスペクトル域において基板がレーザ光に対して十分に透過性である段階、を含む。

これらのおよび他の特徴および利点が、図面と共に以下の詳細な説明を読むことによってさらに理解されるだろう。

本開示の実施形態による、背面レーザ熱処理システムの概略図である。本開示の他の実施形態による、背面レーザ熱処理システムの概略図である。本開示の実施形態による、ガリウムヒ素ウェハを通過する中赤外レーザ透過によるターゲットゲルマニウムウェハに形成されたスクライブの画像である。

本開示の実施形態によれば、限定された中赤外透過範囲を有する半導体基板などの基板を通過する中赤外レーザ光の透過によって熱処理が実施される。レーザ光が、希土類元素がドープされたファイバーレーザによって生成され、透過されたパワーが基板の背面領域において、例えば基板上で、または基板から離隔されて、ターゲット材料に変化を与えることができるように、基板を通過するように向けられる。透過された中赤外レーザ光が、基板材料に変化を与えずに、ターゲット材料に変化を与えることを可能にするように基板は十分に透過性であってよい。一例において、希土類元素がドープされたファイバーレーザは、連続波（ＣＷ）モードで、２μｍのスペクトル域において操作される高平均パワーツリウムファイバーレーザである。

本明細書において、「中赤外」は１３００ｎｍから５０００ｎｍのスペクトル域を示し、「中赤外レーザ光」は、このスペクトル域に波長を有するレーザにより生成された光を示す。「限定された中赤外透過範囲」は、中赤外範囲の少なくとも一部において、４０％を超える透過性を有するが、１２００ｎｍ未満の赤外波長の少なくとも一部に対しては１０％未満の透過性を有する、レーザ光を透過するための材料の性能を示す。限定された中赤外透過範囲を有する半導体材料の例としては、非制限的に、シリコン（Ｓｉ）およびガリウムヒ素（ＧａＡｓ）が挙げられる。本明細書において、「２μｍのスペクトル域」とは１９００から２０５０ｎｍの間の中赤外スペクトル域の一部を示す。本明細書において、「材料に変化を与える」とは、材料の特性または性質を変化させる、または変更することを示し、非制限的に、アブレーション、アニーリング（固体状態相から再溶融まで、全ての種類の再結晶化を含む）、溶融、硬化、および軟化を含み、「熱処理」または「熱的に処理する」は、材料に変化を与えるためにレーザエネルギーから材料に吸収された熱の使用を示す。

半導体基板を通過する中赤外レーザ透過による熱処理は、様々な用途に対して、例えば発光ダイオード、レーザダイオード、および他の半導体装置の製造において、使用されてよい。ある用途は、ターゲット基板に対する直接の見通し線が不可能であるとき、半導体基板の背面領域上でターゲット基板をスクライビングまたは機械加工することを含む。他の用途は、基板の背面に堆積された結合材料を熱的に処理するために半導体基板を通過してレーザを透過させることによる、半導体基板の背面領域への結合を含む。さらなる用途としては、半導体基板を通って基板と層との間の界面にレーザを透過することによって、１つ以上の半導体層を半導体基板から分離するためのレーザリフトオフ（ＬＬＯ）が挙げられる。さらに他の用途としては、半導体基板を通過してレーザを透過することによって半導体基板から他の基板にフィルムまたは層を転写するためのレーザ転写堆積が挙げられる。他の用途も可能である。

図１および２を参照すると、本開示の実施形態による背面レーザ熱処理システム１００、１００’は、中赤外レーザ光１０２を生成する、一般的に希土類元素がドープされたファイバーレーザ１１０を含む。背面レーザ熱処理システム１００、１００’は、中赤外レーザ光の少なくとも一部（すなわち透過された中赤外レーザ光１０６）が基板１３０の背面領域１３２に到達するように、中赤外レーザ光１０２を、半導体基板１３０を通過するよう向けるビームデリバリシステム１２０も含む。中赤外レーザ光１０２は入力パワーを有し、半導体基板１３０は、透過された中赤外レーザ光１０６が基板１３０の背面領域１３２においてターゲット材料１４０に変化を与えることが可能である透過されたパワーを有するように、中赤外レーザ光１０２に対して十分に透過性である。

半導体基板１３０は、ＳｉウェハまたはＧａＡｓウェハなどの限定された中赤外透過範囲を有する半導体材料を含んでよい。本明細書に記載の方法は、サファイアなど、中赤外レーザ光の透過を可能にする他のタイプの材料で用いられてもよい。ターゲット材料１４０は、非制限的に、ポリマー材料など、透過されたレーザ光１０６によって熱処理されることができる半導体材料または任意の他の材料であってよい。ターゲット材料１４０は、半導体基板１３０と比較して比較的小さな寸法で示されるが、ターゲット材料１４０は半導体基板１３０と同じ寸法または半導体基板１３０よりも大きくてよい。また、ターゲット材料１４０は、同じかまたは異なるタイプの材料の、複数の異なる層またはセグメントを含んでよい。

ターゲット材料１４０は、図１に示されるように、半導体基板１３０上に直接コーティングまたは堆積されてよい。ターゲット材料１４０は、レーザ光によって加熱されかつ軟化された後、例えば半導体基板１３０と他の構造体（図示されない）との間の結合のために半導体基板１３０上に堆積された結合材料を含んでよい。ターゲット材料１４０は、半導体基板１３０上に堆積された半導体材料の１つ以上の追加の層を含んでもよく、この追加の層は基板１３０を通じて機械加工されてよく、または基板１３０から分離されてよい（例えば、ターゲット材料１４０と基板１３０との界面のアブレーションによって）。

ターゲット材料１４０は、図２に示されるように、半導体基板１３０から離隔されてもよい。ターゲット材料１４０が半導体基板１３０から離隔されるとき、ターゲット材料１４０は、所望の熱処理を実施するのに十分に近い範囲内にある。半導体基板１３０から離隔されたターゲット材料１４０は、他の基板、対象物、または、例えば半導体装置パッケージ中の、装置または装置の一部であってよい。

本明細書に記載の方法は半導体基板１３０を変えることなくターゲット材料１４０に変化を与えることができるが、中赤外レーザ光１０２は、レーザ光が基板を通過して透過する際、レーザ光が半導体基板１３０の一部に変化を与えるように、焦点が合わされてよい。例えば、中赤外レーザ光１０２は、半導体基板１３０の前面を除去してよく、その後背面のターゲット材料１４０を処理するために半導体基板１３０を通過して透過されてよい。他の実施形態において、中赤外レーザ光１０２は、半導体基板１３０の前面（図示されない）および背面上の層を、例えば前面の層をスクライブし、基板１３０を通って透過し、その後背面の層をスクライブすることによって、処理してよい。

ある実施形態において、希土類元素がドープされたファイバーレーザ１１０が、２μｍのスペクトル域において作動する高平均パワーツリウムファイバーレーザを含んでよい（例えば、１２０ワット、１９４０ｎｍツリウムファイバーレーザ）。中赤外レーザ光を生成することができるエルビウムがドープされたファイバーレーザ（例えば１５４０ｎｍエルビウムドープファイバーレーザ）など、他のタイプの希土類元素がドープされたファイバーレーザ１１０が使用されてもよい。２μｍのスペクトル域において最大１２０Ｗの、１．５μｍのスペクトル域で最大５００Ｗの、平均パワーを示すことが出来るレーザが商業的に入手可能である。

希土類元素がドーピングされたファイバーレーザ１１０は、連続波（ＣＷ）レーザ光、時間的に変調するＣＷレーザ光、またはパルスレーザ光を生じてよい。高平均パワーツリウムファイバーレーザなど、希土類元素でドーピングされたファイバーレーザ１１０は、たとえＣＷ中赤外レーザ光を用いるときでも、または、たとえ１ナノ秒を超える長いパルスを有する、パルス化された、または時間的に変調されたＣＷレーザ光を用いるときでも、熱処理に十分なパワーを生じる。したがって、本明細書に記載される方法は、基板を通って透過することによる熱処理に十分なパワーを得るために短い波長および／または短いパルスを必要とする他の方法に対して利点を提供する。

使用され得るツリウムファイバーレーザの１つのタイプは、参照によりここに全体が組み込まれる国際公開第２０１２／１５０９３５号に詳細に記載されるタイプなどの、２μｍスペクトル域で作動する波長のための高パワーシングルモードファイバーレーザシステムである。このタイプの高パワーファイバーレーザシステムが、カスケードポンプおよびカスケードレーザを備えて構成される。カスケードポンプはエルビウム（Ｅｒ）またはイッテルビウム／エルビウム（Ｙｂ／Ｅｒ）のどちらかを含む希土類元素のイオンをドープされたマルチモード（ＭＭ）コアを備え、二重のボトルネック型の断面を有するファイバー増幅器を含む。カスケードレーザは、ツリウム（Ｔｍ）イオンでドープされたコアで構成されたファイバーレーザを有する。二重ボトルネック形状ファイバー増幅器は、ポンプ光をＴｍファイバーレーザの上流端に結合する。１３００ｎｍから５０００ｎｍのスペクトル域の波長において中赤外レーザ光を生じるために他の希土類元素ドープファイバーレーザが使用されてもよい。

ビームデリバリーシステム１２０は、レーザ光を変更する、および／または所定の位置にレーザ光を向ける光学系を含んでよい。そのような光学系の例として、非制限的に、焦点レンズ、ビームエクスパンダー、ビームコリメータ、ビームシェイピングレンズ、リフレクタ、マスク、ビームスプリッタ、およびスキャナ（例えば、ガルバノメータ）が挙げられる。ビームデリバリーシステム１２０は、レーザ光１０２の固定ビームを基板１３０を通るように向けてよく、例えば検流計または他のスキャナを用いて、基板を横切ってレーザ光１０２のビームを走査してよい。ビームデリバリーシステム１２０は、様々な寸法、およびターゲット材料１４０上のビームスポット形状を有するレーザ光１０２のビームを供給してよい。ビームスポット寸法および／または形状は、ターゲット材料１４０上に様々な異なるフルエンスを生じるように構成され、または調節されてよい。ビーム寸法は、大きな面積の熱処理のために大きな寸法（例えば直径５ｍｍ以上）であってよく、または局所的な処理に関して半導体ウェハ背面の小さな面積をターゲットとするために、小さく焦点が合わされたビーム（例えば１００μｍ未満）であってよい。

図１に示されるように、ビームデリバリーシステム１２０は、レーザ光１０２の視準されたビームを、半導体基板１３０を通るよう向けてよい。他の実施形態において、図２に示されるように、例えばビームデリバリーシステム１２０は、レーザ光１０２のビームの焦点を合わせ、レーザ光１０２の、焦点が合わされた、収束ビームを半導体基板１３０を通るよう向けるための１つ以上の焦点レンズを含んでよい。レーザ光１０２のビーム（視準された、または発散された）は、半導体基板１３０によって屈折されてもよく、半導体材料の結晶配向に従って変更されてよい。結果的に、ターゲット材料１４０への透過のためにレーザ光１０２を基板１３０に向けるとき、ビームデリバリーシステム１２０は、透過されたレーザ光１０６における任意の変更の原因となり得る。

ビームデリバリーシステム１２０は、例えばマスクまたはビームシェイピング光学系を用いて、ビームに形状を与えてもよい。ビームデリバリーシステム１２０の一例として、参照によりここに全体が組み込まれる米国特許第７，３８８，１７２号公報に詳細に開示されるタイプのものなどの、非点収差の焦点ビームスポットを生じるためのビームシェイピング光学系が挙げられる。ビームデリバリーシステム１２０のさらなる例として、参照によりここに全体が組み込まれる米国特許第７，８４６，８４７号公報および米国特許出願公開第２０１１／０１３２５４９号公報に詳細に開示されるタイプのものなどの、パターン化されたレーザリフトオフ（ＬＬＯ）のためのビームシェイピング光学系が挙げられる。

他の実施形態において、背面レーザ処理システム１００、１００’が、基板を支持および移動するために加工対象物支持体およびステージ（図示されない）も含んでもよい。加工対象物支持体およびステージは、例えば基板１３０の背面領域１３２上でターゲット材料１４０をスクライブするために、基板１３０を移動し得る。背面レーザ処理システム１００、１００’は、処理を監視するための視覚検査システムおよびレーザ１１０を制御するための制御システム、ビームデリバリーシステム１２０、および／または加工対象物支持体およびステージを含んでもよい。

本開示の実施形態による、中赤外レーザ透過による熱処理方法は、一般的に、例えば１７００から３０００ｎｍの範囲の、より詳細には２μｍのスペクトル域の、中赤外レーザ光１０２を生成する段階を含む。熱処理方法は、透過されたパワーが基板１３０の背面領域１３２上のターゲット材料１４０に変化を与えることができるように、半導体基板１３０を通るように中赤外レーザ光１０２を向ける段階をさらに含む。ターゲット材料１４０に変化を与えるために必要とされる透過されたパワーは、融点（Ｔｍ）およびガラス転移温度（Ｔｇ）などの材料特性に依存してよい。透過されたパワーは、一般的に、入力パワーおよびレーザ光が透過される基板１３０の材料および厚みの関数である。基板１３０の材料および厚みに依存して、本明細書に記載されるシステムおよび方法の実施形態は、入力パワーの３０％、５５％、または８０％程度の透過を可能としてよい。

一例によれば、１９４０ｎｍ連続波レーザビームが、上述の高平均パワーシングルモードファイバーレーザシステムなどのツリウムファイバーレーザによって生成され、単結晶シリコン（Ｓｉ）ウェハを通過して透過される。この例において、５ｎｍの直径を有する１２０ワット平均パワーＣＷレーザビームが、厚み１ｍｍの単結晶Ｓｉウェハを通過して入力パワーの約５５％、厚み２ｍｍの単結晶Ｓｉウェハを通過して入力パワーの約３０％透過する。

他の実施例によれば、１９４０ｎｍ連続波レーザビームが、上述の高平均パワーシングルモードファイバーレーザシステムなどのツリウムファイバーレーザによって生成され、単結晶ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ウェハを通過して透過される。この例において、０．６５ｍｍの厚みのＧａＡｓウェハを通過して透過された、様々な入力パワーからもたらされた透過されたパワーが、以下の表１に示される。ここに示されるように、この例において入力パワーの最大８０％が、ＧａＡｓウェハを通過して透過され得る。

さらなる例によれば、ツリウムレーザにより生成された１９４０ｎｍのＣＷレーザビームが、ＧａＡｓウェハを通過して透過され、ＧａＡｓウェハの背面領域上のゲルマニウム（Ｇｅ）ウェハをスクライブするために走査される。図３は、１００ｍｍｆθスキャンレンズを用いて１９４０ｎｍのＣＷレーザ光の４０Ｗビームの焦点を合わせ、集束ビームの焦点面においてＧａＡｓウェハを１ｍ／ｓで走査することによってＧｅウェハに形成されたスクライブラインを説明する画像を示す。スクライブラインは、約３７μｍの幅の比較的狭い切ミゾを有する非常に浅い溝である。この例において、ＧａＡｓウェハの背面領域に生じたフルエンスは約２ＭＷ／ｃｍ^２である。

したがって、本明細書に記載される実施形態によれば、シリコンまたはガリウムヒ素などの半導体基板を通過する中赤外レーザ光の透過による熱処理は、ターゲット材料への直接の見通し線を必要とすることなく、熱処理（例えば半導体装置製造において）を可能とする。

本発明の原理が本明細書に説明されたが、この説明は例示としてのみ与えられ、本発明の範囲を制限するものではないことは、当業者には理解されることである。本明細書に示され、説明された例示的実施形態に加えて、他の実施形態が、本発明の範囲内で考えられる。当業者による変更および置換が本発明の範囲内で考えられ、これは以下の請求項による以外に制限されない。

１００、１００’ 背面レーザ熱処理システム
１０２中赤外レーザ光
１０６透過された中赤外レーザ光
１１０ファイバーレーザ
１２０ビームデリバリシステム
１３０半導体基板
１３２背面領域
１４０ターゲット材料

Claims

中赤外レーザ透過による熱処理方法であって、
１３００から５０００ｎｍのスペクトル域において希土類元素がドープされたファイバーレーザからレーザ光を生成する段階と、
半導体基板を通過してレーザ光を向ける段階であって、半導体基板を通過して透過されるレーザ光が半導体基板の背面領域においてターゲット材料に変化を与えることができる透過されたパワーを有するように、１３００から５０００ｎｍのスペクトル域において半導体基板がレーザ光に対して十分に透過性である段階と、を含む方法。
レーザ光が連続波（ＣＷ）レーザ光である、請求項１に記載の方法。
半導体基板を通過するようにレーザ光を向ける段階の前に、ＣＷレーザ光を時間的に変調する段階をさらに含む、請求項２に記載の方法。
レーザ光が１７００から５０００ｎｍのスペクトル域において生成される、請求項１に記載の方法。
レーザ光が２μｍのスペクトル域において生成される、請求項１に記載の方法。
希土類元素がドーピングされたファイバーレーザがツリウムファイバーレーザである、請求項１に記載の方法。
希土類元素がドーピングされたファイバーレーザが１９４０ｎｍのツリウムファイバーレーザである、請求項１に記載の方法。
半導体基板が限定された中赤外透過範囲を有する、請求項１に記載の方法。
半導体基板がガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板である、請求項１に記載の方法。
透過されたパワーが、希土類元素がドーピングされたファイバーレーザによって生成されるレーザ光の入力パワーの少なくとも約５０％である、請求項１に記載の方法。
透過されたパワーが、希土類元素がドーピングされたファイバーレーザによって生成されるレーザ光の入力パワーの少なくとも約８０％である、請求項１に記載の方法。
ターゲット材料が、半導体基板の背面領域で半導体基板上に堆積される、請求項１に記載の方法。
ターゲット材料が、半導体基板の背面領域において半相対基板から離隔している、請求項１に記載の方法。
材料に変化を与える段階が、アブレーション、アニーリング、および溶融からなる群から選択される材料に熱的に変化を与える段階を含む、請求項１に記載の方法。
レーザ光が、半導体基板の材料に変化を与えることなく、ターゲット材料に変化を与える、請求項１に記載の方法。
半導体基板がガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板であり、背面領域において材料に変化を与える段階がＧａＡｓ基板の背面上に位置するゲルマニウム基板にアブレーションを施す段階を含む、請求項１に記載の方法。
レーザ光を向ける段階が、レーザ光の焦点を合わせる段階を含む、請求項１に記載の方法。
レーザ光を向ける段階が、背面領域において材料をスクライブするためにレーザ光を走査する段階を含む、請求項１に記載の方法。
中赤外レーザ透過による熱処理方法であって、
２μｍのスペクトル域においてツリウムがドープされたファイバーレーザから連続波（ＣＷ）レーザ光を生成する段階と、
基板を通過してレーザ光を向ける段階であって、基板を通過して透過されるレーザ光が、基板の材料に変化を与えることなく基板の背面領域においてターゲット材料に変化を与えることができる透過されたパワーを有するように、２μｍのスペクトル域において基板がレーザ光に対して十分に透過性である段階と、を含む方法。
透過されたパワーが、ツリウムファイバーレーザによって生成されるレーザ光の入力パワーの少なくとも約５０％である、請求項１９に記載の方法。