JP2020021968A - 半導体加工対象物のスクライブ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 硬くて壊れやすい基板に形成された半導体デバイスを一度のプロセスで分離する、効率的かつ速いレーザー加工方法を開示する。【解決手段】本方法では、加工対象物のスクライブ方向に沿って基板層に伸びるダメージを与え、熱ストレスは少なくとも第１パルス及び第２パルスからなる、２つのパルスビームによって誘発する。第１パルスは熱蓄積領域を形成し、第２パルスの吸収を効率的にし、機械的欠陥を生じさせるために十分な熱勾配を与え、加工対象物を機械的に分離する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー加工技術に関する。特に、本発明は硬くて壊れやすい半導体基板又はダイを切り離す方法及びシステムに関する。

ウェーハダイシングは、半導体デバイスの製造にあたり重要な役割を有し、半導体デバイスはこれまで以上に小型化かつ複雑化してきている。炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）基板は、新世代の高周波数（ＨＦ）通信及び高電力（ＨＰ）変換器に用いられる。炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）は、非常に硬い素材であることから、このようなデバイスの製造にあたり、ウェハーダイシング（分離）の際、基板及び様々な機能層（コーティング）における内部及び外観の欠陥を最小限にするため、高度なダイ加工技術が必要となる。このプロセスは、元のウェーハ又は基板が、複雑にアレンジされた機能層及び金属電極によってコーティングされていることから、基板の素材は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の特別に硬い素材から選択される。このような場合、機能的表面は異なる物理的特性を有することから、加工率を高めるための解決策が必要であり、主に使用される、従来の「レーザーダイシング」に用いられる表面加工技術、その他の技術を使用することができない。

２０１３年１０月８日に発行された米国特許第8,551,792号（特表２０１１−５１９１７５号公報）は、半導体ウェーハをダイシングする方法を開示している。この方法は、１ピコ秒乃至１０００ピコ秒のパルス幅で、スクライビング対象の素材の熱緩和時間よりも短いパルス間隔に相当する繰り返し周波長のレーザーを用いて、ウェーハの表面からマテリアルを除去するために、ダイスレーンに沿って少なくとも一層の誘導体層に対してスクライビングを行う方法である。その後、ウェハは金属層を通って、かつ少なくとも部分的に半導体ウェハの基板を通って、ダイシングされる。

２００３年５月１３日に発行された米国特許第6,562,698号（特表２００４−５２６３３５号公報）は、半導体ウェーハを裁断する方法として、第１及び第２のレーザー光線を回路基板の上面へ向けるステップと、コーティング層を横断して第１のレーザー光線を走査してコーティング層のスクライブ線を形成するステップと、スクライブ線に沿って第２のレーザー光線で回路基板を切断するステップと、を備える。本装置は、回路基板のコーティング層の上に置かれた第１の波長をもつ第１のレーザーと、第１のレーザーとは波長が異なり回路基板の表面の上に置かれた第２の波長を持つ第２のレーザーと、を含む。コーティング層は、第１のレーザーの波長に対する第１の吸収係数を持っていて、半導体回路基板は、第１の吸収係数よりも小さい第２の吸収係数を持っている。第１のレーザー光線からのエネルギーは、コーティング層に吸収されてスクライブ線を形成し、第２のレーザー光線がスクライブ線に沿って回路基板を切断する。

２００５年４月２８日に発行された特開２００５−１１６８４４号公報は、半導体デバイスの製造方法に関する。この発明の目的は、半導体基板表面に半導体基板と異なる材料からなる表層が形成されていても、表層の欠けや剥がれを抑えながら、チッピングを少なくする。この方法は、半導体基板の半導体素子が形成された面のスクライブライン上に、半導体素子が形成された面側から、第１のレーザー光をスクライブライン表面に集光しながら走査し、溝を形成する工程と、スクライブラインに沿って、第２のレーザー光を半導体基板１の内部に集光しながら走査し、多光子吸収による改質領域１０を形成する工程とを含む。第１のレーザー光により、スクライブライン上に溝を形成することで、半導体基板の表面状態に関わらず、表層の欠けや割れを抑え、第２のレーザー光で多光子吸収による改質領域を形成した後の切断を容易にする。

特表２０１１−５１９１７５号公報 特表２００４−５２６３３５号公報 特開２００５−１１６８４４号公報

上述の先行技術に関する方法では、ウェーハの分離にあたり、半導体の厚み、素材の種類及び加工品質に制限が必要となる。上述の技術によって、複数の機能コーティングを持つ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）等の硬くて壊れやすい材料を加工するためには、レーザーの出力及び分離ラインを通過するレーザービームの数を増やす必要がある。幾つかのケースでは、層の材料の変更する必要がある。その結果、半導体デバイスの性能及び生産量の双方に、悪影響を及ぼす結果となる。

上述の欠点を解消するために、本発明は硬くて壊れやすい基板に形成された半導体デバイスを分離する、効率的かつ速いレーザー加工方法を開示する。劈開／切断（ダイシング）加工を行うデバイス又は基板の用意にあたり、損傷を受ける部分（「変形」とも言われる）は、好ましくは平面である第１表面上に、熱ストレスに伴うクラック又は破損を生じる箇所であり、所望の分離軌道に沿って形成される。部分的な熱的加熱並びにその後の素材の冷却を一度のプロセスで行うことによって、ストレスを誘発し、その結果生産数が増加する。用語「加工対象物」は、基板、複数層基板、ウェーハ、ウェーハシート、デバイス、又は加工及びその後の機械的分離工程によって用意される同様のアイテム（ダイス平面上で分離する工程）を含み、いずれも相互に使用される。

本発明は半導体の加工対象物のレーザースクライブ方法に関し、加工対象物は少なくとも一層の基板層を有し、前記基板層の素材のエネルギーバンドギャップは２．５〜４ｅＶの間であり、前記加工対象物は平行になるように配置された第１及び第２の表面を有し、基板層はパルス化されたレーザービームで照射され、前記加工対象物又はレーザービームは所望のスクライブ方向に沿って移動する。この方法は、以下のステップを含むことを特徴とする：少なくとも第１パルス及び第２パルスを有し、パルスビームレーザー源より送られる初期レーザービームから、少なくとも２つのパルスビームを形成するステップ（パルスビームを処理するステップ）と、前記第１パルス及び第２パルスに対して線状に相対的に移動する加工対象物に対し、集束手段によってパルスビームを照射するステップと、を有する。インターバル時間によって遅延するパルスが、基板層の材料の電子フォノン緩和時間、すなわち材料の格子フォノン吸収時間をわずかに上回る。インターバル時間は０．１〜０．０１ピコ秒の間で設定され、第１パルスのスクライブ領域が熱によって影響を受ける領域において、表面のアブレーション及び熱蓄積を初期化して維持し、対応する第２パルスは熱によって影響を受ける領域と重なり合い、エネルギー（熱）蓄積及び「予熱」（熱によって影響を受ける領域）されることにより、第２パルスによって誘発されるアブレーション及びエネルギー吸収をさらに効率化する。「予熱」及びその後のアブレーションは、基板層の表面の外観にダメージを与え、ダメージ構造は、熱勾配及びその後の急速な冷却に伴う欠陥及びクラックを引き起こす（基板層の深さにまで伸びる）。このようなクラック及び欠陥は、スクライブ方向に沿って分離面に生じる張力に起因して発生する。

本発明の方法及び適用を理解するにあたり、以下の図面及びレファレンスを提供する。これらの図は参考例であり、本発明の範囲を制限するものではない。
二重パルスーペア構造によって加工する際、加工対象物の表面に生じる変化を示す。加工対象物は方向（１）に対し、直線状に移動する。 炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板による第１及び第２パルスエネルギー吸収に伴い、体積に生じた張力を示す。 開示する方法を実現するために必要である、一般的なレーザー加工の設定である。 開示する方法を実現するために必要な加工の設定の図である。 表面が金でコーティングされた、スクライブされた基板の図である。 金でコーティングされた基板の劈開後の側面図である。

本発明は少なくとも一層の硬くて壊れやすい層、好ましくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）層を有する、一枚の基板に形成された半導体デバイスを分離するためのレーザー加工方法に関する。ダイシング／劈開／切断工程のサンプルを用意する段階において、欠陥を最小限に抑えつつ、所定の分離面に沿って加工対象物を分離するために、バルクダメージ構造を形成する（スクライブされたウェーハをダイス又はチップに分離する技術は、当業者にとって自明である）。

殆どの望ましい実施例において、加工対象物は、金属、半導体又は誘導体被膜を含む、ポリタイプ４Ｈの炭化ケイ素（４Ｈ−ＳｉＣ）の層からなる主基板（他の変形例を使用しても良い）である。加工対象物は、互いに平行となるように形成された、第１及び第２の表面を有する。パルスレーザー源は、ＵＶ−ＩＲスペクトル範囲で照射をし（例えば、５１５〜１,０３０ｎｍ）、パルス長さは１ｐｓ以下、望ましくは２００〜５００ｆｓの範囲（半値幅／１．４１）である。
初期ビームは、ガイドされたビーム操作アセンブリであり、例えば少なくとも２つのスプリッタと、一時的遅延ライン（２つのスライド可能なミラー）である。第１ビームスプリッタは、初期ビームを第１及び第２パルスビームに分離し、第１パルス及び第２パルスの間に発生する制御された一時的遅延の後、第２ビームスプリッタが第１パルスビームと第２パルスビームとを１つの光路で結合する。第１及び第２パルスを生成するにあたり、複数の方法によってビーム操作アセンブリを配置可能であることは、当業者にとって自明である。双方のパルスビームは、好ましい開口数が０．１〜０．４の範囲であるビーム集束方法（集光ミラー、対物レンズ等）によって、少なくとも１つのスクライブに沿って方向付けされる。このようなケースは、図１に図示されており、第１及び第２パルスビーム（２）が加工対象物の表面に劈開される。加工対象物は線状に沿って移動し、第１及び第２パルスは所望のスクライブ線に沿って、マイクロメーター毎に２〜８パルスを照射する。第１パルスの後、少なくとも対応する第２パルスが照射され、第２パルスの照射までには主基板の電子フォノン緩和時間よりも若干超えるインターバル時間の遅延が生じ、望ましいケースでは、例えば周波数２００ｋＨｚに設定した場合、当初のレーザービーム源のパルス反復周期の半分の間隔で遅延する。他のケースでは、１０〜１０００ｐｓの範囲で選択される。スクライブ領域に照射される第１パルスは、表面を初期化及び管理するために使用され、表面は機能層（３）又は主基板層に蒸着する層に対応し、アブレーション及び熱蓄積が行われる（熱を追加、「余熱」を行う）。また、第１パルスは基板層の表面にわずかな物理的変化を与え、その結果、機械的欠陥によって生じるストレスのダメージ閾値を軽減し、クラック又は破損の前兆を生じる（４）。パルス長さはフェムト秒であることから、第２パルスの到着までのインターバル時間は、ＳｉＣの電子フォノン緩和時間に相当し、熱によって影響を受ける箇所が少なくとも一か所生じる。熱による影響を受けた箇所では、その後のパルスアブレーション及びエネルギー吸収の効率が一段と高まる。熱によって影響を受ける箇所で第１パルスと重なり合う第２パルスによって、十分な熱勾配及び急速な非均一的冷却によって基板の緊張を生成し、ダメージ構造（５）−機械的欠陥のシステムが、基板層の表面に生じる。第２パルスは、熱影響を受けた箇所における熱蒸着としての役割を果たすのみではなく、基板表面及びコーティングのアブレーションをサポートすると理解される（３）。さらに、これらの加工方法の原理は、一つ以上のパルスが蓄積することに基づくため、第１パルスの前にパルスが発せられた場合には、第１パルスは第２パルスとしての役割を果たす。
図１では、入射するパルスビームペア（２）、コーティング層（３）、半導体基板（６）、クラック前駆体（４）、ひび割れ発生ライン（５）、単一テンションによって生成された一対の第１及び第２パルス（７）（一対のパルス）、加工対象物の移動方向（１）が示されている。図２は、ＳｉＣ基板による第１及び第２パルスエネルギー吸収に伴う、体積に生じた張力を示す。最も良い結果を出すために、パルスエネルギーは４〜５０μＪの範囲で選択されるべきである。

他の望ましい実施形態では、前述の第１及び第２パルスビームは、ビーム操作アセンブリにおけるビーム操作要素によってガイドされ、例えば波長、パルス持続時間、パルスの一時的エンベロープの形状又はスペクトル、ビーム発散、空間スペクトル、一時的または空間的位相変調等、少なくとも１つのパルスビームパラメータが変更される。

他の実施形態では、第１及び第２パルスビームは単一のビームパラメータである。

他の実施形態では、加工対象物は基板層と、異なる素材によって形成された２つ以上のコーティング層と、を有する。

他の実施形態では、第１パルスビームは第１表面又はその下に集光し、交軸点又は集光点は加工対象物の第１表面の下に配置／形成され、コーティング層をアブレーションし、コーティング層の厚みは少なくとも一層の硬くて壊れやすい基板層から減少または取り除かれ、熱影響を受ける箇所が形成され、第２パルスレーザービームの集光点は、加工対象物の第１表面の下に配置される。

他の実施形態では、第２パルスビームは、所望のスクライブ領域に照射される前に発散が増加するように変形し、集光点が第１パルスビームの集光点（又はビーム集束点）の下に配置されて多光子吸収によって供給される熱の量が増える熱影響領域と重なり合い、内部温度の上昇に伴い、多光子吸収の断面係数が上昇する。

他の実施形態では、少なくとも1層の基板層からなる加工対象物は、窒化ガリウムである。

他の実施形態では、加工対象物は基板層と、異なる素材による二層以上のコーティング層と、を有し、ビーム加工を行い、前記層を段階的に取り除き、熱蓄積領域を形成する。

他の望ましい実施形態では、加工対象物は非平面的な表面を有し、加工時において、加工対象物の第１表面と集束手段との距離が主体的に維持される。

当業者が本発明を適切に理解できるように、図３及び図４を示す。図３は、開示された方法による結果を生成するために最も一般的なシステムを開示しており、初期パルスビーム（１１）を生成するためにレーザー源（８）が使用され、パルスビームは一般的なビーム操作アセンブリ（９）によってガイドされ、パルスレーザービームが分散し、第１及び第２パルスの間に遅延が生じる。ビーム操作アセンブリ（９）によってガイドされる少なくとも１つの第１及び第２パルスビームは、ビーム集束手段（１０）を通してガイドされる。ビーム集束手段は、球面レンズ、非球面レンズ、対物レンズ又は集光ミラーであってよい。特記すべき点は、ビーム操作アセンブリの内部における最初のパルスビーム（１１）は分散される必要があり、２つ以上の第１及び第２パルスを累積的に生成し、第１及び第２加工ビーム（１２）に含まれるパルスは、一対又は複数のパルスで生成される。また、この方法によれば、加工ビーム（１２）又は加工対象物（１３）あるいは両方は、横方向に移動する必要があり、これを達成するための最も単純な方法は、加工時に、モーター化されたステージ（１４）に加工対象物（１３）を取り付ける方法であり、又はガルバノメトリックスキャナを使用し、加工システムを移動する方法である。

図４は、例示するビーム操作アセンブリを選択する方法に関し、初期パルスビーム（１１）は、２つのビームスプリッタ（１５）及び遅延を生じさせるための２つの移動可能なミラー（１６）からなる操作アセンブリ（９）で分散し、ミラーは公知技術においては一般的な解決案として知られている、移動可能なルーフトップ型反射板又は誘電体プリズムである。他の解決案は、電気光学モジュレータ、音響光学モジュレータ、反射光学、複屈折素材によって構成された素材の使用であり、これらによって初期パルスビーム（１１）の主な光学軸からビームを移動させることなく、パルスの遅延を生じさせる。また、パルスビームパラメータを変更する光路、例えば少なくとも１つの分離したパルスビームの波長、パルス幅、一次的エンベロープ、空間強度分布又は位相変調、発散、極性化には、少なくとも１つのビーム操作要素又はデバイスが含まれていてもよい（１７）。操作要素（１７）は、ビームを複数の平行ビームに分散する回折素子、フェーズ板、非線的波長発生水晶子、フォーカス又はデフォーカスレンズ、液晶相モジュレータ、補償光学素子又はパルスビームの空間的、一時的又はスペクトル的性質を変更する特性である。ビーム操作アセンブリ及び集束手段は、一つのデバイスに統合されていてもよい。

本発明を適切に開示するために、以下の実施例を提示する。下記の例及び言及するパラメータは、発明の理解を与えるためのものに過ぎず、発明の範囲を制限するものではない。これらのパラメータは、広いインターバルで変更可能であり、同様又は異なる結果を生成しても、ダイシング加工の主なコンセプトは同じである。

＜実施例１＞
加工対象物の基板材料は、金のコーティングが施された炭化ケイ素（４Ｈ−ＳｉＣ）である。同量で結合された第１及び第２パルスエネルギーは、１０ミクロジュールである。レーザー源はフェムト秒レーザー、発振波長は１０３０ｎｍ、パルス幅は３００ｆｓ（半値幅／１．４１）、出力周波数は２００ｋＨｚである。第１および第２のパルスビームは、非線形第２高調波発生結晶を用いて波長を５１５ｎｍに変えた。第１及び第２パルスは、 遅延が１００ｐｓとなるように設定する。集束ユニットは、ビーム集束方法として、０．１５ＮＡ集光対物レンズでアレンジされ、集束長さが１５ｍｍとなる。直線状の加工対象物の移動速度は１００ｍｍ／ｓで設定される。
このような加工の結果は、図５及び図６で表される。

Claims (9)

1. 少なくとも１つの硬くて壊れやすい基板層及び少なくとも１つのコーティング層を有する半導体の加工対象物のレーザースクライブ方法であって、
   パルス化されたレーザー源を使用し、前記加工対象物又は加工レーザービームはスクライブ領域に沿って相対的に移動し、
   パルス化されたレーザービーム源から初期ビームを分離し、前記初期ビームは第１パルスを含む第１パルスビームと第２パルスを含む第２パルスビームとに分割され、前記第１パルスビームと前記第２パルスビームはビーム集束手段によって前記スクライブ領域に到達し、前記加工対象物の少なくとも一つのスクライブ領域に沿って移動し、
   前記スクライブ領域の前記第１パルスは、前記基板層を露わにするため少なくとも一つの熱影響を受ける領域において前記コーティング層のアブレーション及び熱影響を引き起こして維持し、熱勾配及び急速な非均一冷却が前記基板層の表面から前記基板の深さにまで伸びるクラック及び破損を形成するように、前記基板層の熱影響を受ける領域に蓄熱する、半導体加工対象物のレーザースクライブ方法。
2. 前記第１パルスビーム及び第２パルスビームの少なくとも一つは、ビーム操作アセンブリの内部で変形し、前記変形は、波長、パルス持続時間、一時的エンベロープ形状／スペクトル、ビーム発散、空間スペクトルを含むパルスビームパラメータの少なくとも一つを変形する、請求項１に記載の半導体加工対象物のレーザースクライブ方法。
3. 前記第１パルスと前記第２パルスとの遅延は１０〜１０００ｐｓであり、前記第１パルスビーム及び第２パルスビームのパラメータは同一のビームパラメータである、請求項１に記載の半導体加工対象物のレーザースクライブ方法。
4. 前記加工対象物は平行になるように配置された第１表面及び第２表面を有し、
   前記基板の第１表面は、異なる材料による一層又は複数層のコーティング層を有する、請求項１に記載の半導体加工対象物のレーザースクライブ方法。
5. 前記パルスビームレーザー源は、ＵＶ及びＩＲの範囲の波長及び２００〜１０００ｆｓの範囲のパルス持続時間で照射する、請求項１に記載の半導体加工対象物のレーザースクライブ方法。
6. 前記第１パルスビーム及び前記第２パルスビームのエネルギーは、４〜５０μＪの範囲である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体加工対象物のレーザースクライブ方法。
7. 前記加工対象物は平行になるように配置された第１表面及び第２表面を有し、
   前記第１パルスビームは前記第１表面又はその下に集光し、コーティング層をアブレーションし、前記コーティング層の厚みは少なくとも一層の硬くて壊れやすい基板層から減少または取り除かれ、熱影響を受ける箇所が形成される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体加工対象物のレーザースクライブ方法。
8. 前記第２パルスビームは、所望のスクライブ領域に照射される前に発散が増加するように変形されて多光子吸収による熱蒸着の量が増える熱影響領域と重なり合い、内部温度の上昇に伴い、多光子吸収の断面係数が上昇する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体加工対象物のレーザースクライブ方法。
9. 前記加工対象物の少なくとも一層は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体加工対象物のレーザースクライブ方法。