JP2020096186A - ウエハダイのプラズマ化学処理 - Google Patents

Abstract

【課題】低出力、および比較的複雑さの少ない装置を用いる、高強度で損傷の少ないシンギュレートされたウエハを提供するための方法論を提供すること。【解決手段】ウエハの表面に形成されたカットラインによって少なくとも部分的に分離されたウエハダイを処理する方法が、たとえばＲＦ源を用いて、プラズマを生成するステップと、カットラインの近傍においてウエハをエッチングするように、カットラインの近傍でプラズマのウエハ表面との反応を局所化するステップと、を含む。【選択図】図４

Description

本発明は、ウエハダイを処理する方法、およびシンギュレートされたウエハダイを作製する方法に関する。

シンギュレーションは半導体産業においてよく知られているプロセスであり、たとえばシリコンを含み得るが、このように限定されない、半導体ウエハのようなワークピースまたは基板を加工するために切断機が用いられる。本明細書を通して、「ウエハ」という用語は、これらの製品をすべて包含するように用いる。シンギュレーションプロセス（ダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）、断裁（ｓｅｖｅｒｉｎｇ）、劈開（ｃｌｅａｖｉｎｇ）とも呼ばれる）においては、一般にフレームによって支持されたキャリアテープ上に取り付けられるウエハが、このウエハを個別のダイにシンギュレートするよう、完全に切り開かれる。

シリコン半導体ウエハは従来、０．００５ｍｍから１ｍｍのオーダーの厚さである。従来のシンギュレーション方法はダイヤモンドソーを用いており、これは約０．１ｍｍまたは１００μｍまでの厚さの厚いウエハにはよく機能するが、この場合は、チッピング、層剥離、および大きなカーフ幅のような物理的な制約がそれほど厳しくない。

しかしながら、小型化における全体的な半導体技術の傾向は、ウエハの厚さを減少させることであり、近年、半導体製造者は、ここで１００μｍ未満の厚さを有するウエハと定義する「薄い」ウエハの使用に移行し始めた。

ウエハの厚さが減少するにつれて、レーザ技術が、機械鋸を用いるよりシンギュレーションに有利になることが示されてきた。このような材料加工に高出力レーザを利用することは、たとえば、ドリルおよび鋸のような機械的なものと比較して大きな利点を有するとともに、レーザ加工は、小さく繊細なワークピースに対処することにおいて大きな汎用性を有する。

半導体材料のレーザ除去は、レーザビームが集中している比較的小さな領域の急速な温度上昇のために起こり、これにより、局所的な材料が溶け、爆発的に沸騰し、蒸発して除去される。レーザシンギュレーションは、プロセススループットとワークピース（ダイ）の品質との間の繊細なバランスを含む、困難な要件を有する。プロセスの品質およびスループットは、フルエンス、パルス幅、繰り返し数、および波長のようなレーザパラメータによって決定される。

レーザプロセス品質の量的な評価の１つは、ダイまたはウエハの破壊強度であり、これにより、ウエハが壊れる引っ張り応力が決定される。一軸曲げ試験が通常、脆性材料についての破壊強度の決定に利用されており、ウエハ強度の測定のために採用されてきた。これらの試験は３および４点曲げ試験を含み、これらは通常、破壊強度を測定するために用いられる。

レーザ分離ウエハの破壊強度は、ウエハに存在しているマイクロクラックおよびチップアウトのようなレーザ誘起の欠陥のレベルに依存すると信じられている。これらの欠陥は、バルク半導体材料と局所的レーザ加工領域との間の界面で、いわゆる「熱影響域（ｈｅａｔ−ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ）」またはＨＡＺで、高応力によって生成される。高応力は、加工された領域における急速な温度上昇によって生まれる。破壊強度は通常、ウエハの表側と裏側とでは異なる。

ウエハ強度を改善するため、レーザ加工領域（すなわちカット領域または単に「カット」）は、欠陥をアニールまたは除去するために別個に処理される。現在用いられている後処理方法は、ウエットエッチングおよびレーザ照射を含む。米国特許第９３１２１７８号に記載されたもののような、この後者の方法は、潜在的に生産性を増やしてコストを減らすため、特に魅力的である。

ドライ反応性イオンエッチング（ｄｒｙ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ： ＤＲＩＥ）ボッシュ（Ｂｏｓｃｈ）プロセッシングまたは同様のプロセスを用いて、プラズマダイシングと便利に名付けられた、ダイを分離するためのプラズマエッチングの使用、またはステルスダイシングのような専門的なレーザベースのダイシング技術のような、代替技術が提案されている。

現在のプラズマダイシング技術は、高真空および高価なツーリングを必要とし、所望の分離を達成するため、ボッシュプロセス（たとえば米国特許第５５０１８９３号参照）のような高度指向性の、すなわち異方性の、深掘り反応性イオンエッチング（ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ−ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ「ＤＲＩＥ」）プロセスを用いる。この適用は通常、シリコンは除去することができるが、上層および裏側金属層は他の手段によって分離する必要があるという点において限定されている。ＤＲＩＥ型プロセスを図１に概略的に示しているが、ここにおいて、レジストまたは硬化ポリマーコーティングのようなマスク層２によって、切断されるべきウエハ１が部分的に覆われている。イオン種３は、異方的にウエハ１に向けられ、したがって切り口の側面４でイオン種の衝撃がほとんどないため、比較的「きれいな」切り口を作成することができる。このような技術はしたがって、欠陥によるウエハ強度の低下の問題を克服することができるが、上記のとおりこれらは一般に高価で複雑である。

他の可能なアプローチは、全方向性の等方性エッチングに基づいて、化学ドライエッチングのような低エネルギープラズマエッチングを適用することである。遠隔源が用いられ（すなわち「遠隔プラズマエッチング」）、これは、スクライビング、グルービング、または分離のため、レーザシンギュレーション技術のような、別個のシンギュレーション技術に続いて任意選択で実行することができる。化学プラズマのこの適用は通常マイクロ波源を利用するが、これは高い流量および出力を必要とする。このプロセス設定の結果、通常きれいな等方性エッチングおよび高い熱負荷がもたらされる。この結果、上層の加速されたエッチングによる上面への望ましくないアンダーカッティングおよび損傷がもたらされることが見いだされている。このようなアプローチを概略的に図２に示しているが、ここで、図１のものと同様のウエハ１およびポリマーコーティングマスク２が示されており、ここでは、化学プラズマエッチングプロセスの間、反応性中性種またはラジカル５にさらされている。エッチングの等方性の性質により、マスク層２の下のウエハ材料が除去されている、アンダーカット領域６が作成されることが分かる。

化学ドライエッチングによる処理を受けた実際のウエハの顕微鏡像を図３に示している。ここで、ウエハ１０がレーザプロセスを用いてシンギュレートされており、そしてウエハ１０は、カットラインを画定している側壁１１を有する。カットラインの領域において、ウエハのポリマーコーティングマスク層１２は、矢印によって示すように、ここでは６．８μｍだけ、側壁１１に張り出していることが分かる。換言すれば、ウエハ１０は６．８μｍのアンダーカットを有するが、これはいくつかの用途について容認できないほどの大きさであることがある。

米国特許第９３１２１７８号 米国特許第５５０１８９３号 米国特許第９３８６６７７号

これらの課題を克服し、低出力、および比較的複雑さの少ない装置を用いる、高強度で損傷の少ないシンギュレートされたウエハを提供するための方法論を提供することが本発明の目的である。

特に、
熱の影響を最小にし、したがってエッチングによって引き起こされる損傷を最小限に抑え、
レーザコーティング、すなわちレーザプロセスの間、ウエハを保護するために従来用いられているコーティングを、保護マスクフィルムとして用いることを可能にし、
マイクロ波源を用いて通常達成されるような純粋な等方性エッチングに起因するアンダーカットのない化学エッチングを可能にし、そして
等方性エッチングを利用し、したがって側壁エッチングを可能にする（高度に指向性であるプラズマダイシング技術とは対照的に）、
処理方法およびシステムを提供しようと努めることが本発明の目的である。

本発明によれば、この目的は、レーザ切断プロセスに続いて、ＲＦ源プラズマを用いて作成された化学エッチングプロセスをウエハに適用することによって達成される。ＲＦ源プラズマは、等方性を示し、したがって、溝または切り口の側壁からＨＡＺを除去することができるが、いくらかの指向性（異方性）が残るので、アンダーカットの生成は、既知の、完全に等方性の方法と比較して、減少する。

本発明の第１の態様によれば、ウエハダイを処理する方法であって、
ウエハをチャンバに配置するステップであって、ウエハは、ウエハの表面に形成されたカットラインによって少なくとも部分的に分離された複数のウエハダイを含む、ステップと、
チャンバ内部にプラズマを生成するステップと、
カットラインの近傍においてウエハをエッチングするように、カットラインの近傍でプラズマのウエハ表面との反応を局所化するステップと、
を含む、方法が提供される。

本発明の第２の態様によれば、シンギュレートされたウエハダイを作製する方法であって、
レーザを用いてウエハをその表面で切断し、カットラインによって少なくとも部分的に分離された複数の個別のウエハダイを作製するステップと、
第１の態様の方法を用いてウエハダイをエッチングし、ウエハダイからリキャスト材料を除去するステップであって、リキャスト材料は、ウエハのレーザ切断によって作成される、ステップと、
を含む、方法が提供される。

本発明の他の具体的な態様および特徴は、添付の請求項に提示している。

ここで、添付の図面（一定の縮尺ではない）を参照して本発明を説明する。

ＤＲＩＥ型異方性プロセスを概略的に示す図である。 等方性遠隔プラズマエッチングプロセスを概略的に示す図である。 先行技術のプラズマ処理技術に従って処理された実際のウエハの顕微鏡像を示す図である。 本発明の一実施形態によるウエハシンギュレーションプロセスの主な段階を概略的に提示するフローチャートである。 グルービングされたウエハの断面を概略的に示す図である。 スクライビングされたウエハの断面を概略的に示す図である。 ダイシングされたウエハの断面を概略的に示す図である。 プラズマエッチングのためにプラズマエッチング機内に取り付けられたウエハの断面側面を概略的に示す図である。 エッチング後の図５のグルービングされたウエハを概略的に示す図である。 エッチング後の図７のダイシングされたウエハを概略的に示す図である。 本発明に従って処理された実際のウエハの顕微鏡像を示す図である。

本発明の一実施形態による半導体ウエハシンギュレーションプロセスの主な段階を概略的に提示しているフローチャートを図４に示している。図４に示すように、例示的なシンギュレーションプロセスは、次のステップによって要約することができる。

ｉ）前処理
何らかの前処理がシンギュレーションの前に行われることは、既知および従来のことであるので、これは詳細には説明しない。前処理の終わりで、半導体ウエハは、フレームによって支持されたテープ上に取り付けられることになる。

前処理ステップに次いでレーザシンギュレーション手順が続くが、これは、当該技術において知られているように、次の主なプロセスステップを含む。

ｉｉ）前洗浄
次のステップにおいて高品質なコーティングを保証するためにウエハを洗浄する。

ｉｉｉ）コーティング
洗浄したウエハの上面に保護ポリマーコーティングを塗布する。

ｉｖ）乾燥
さらなる処理を行い得る前に、塗布したポリマーコーティングを乾燥させる。

ｖ）ウエハ位置合わせ
フレーム内に支持されたテープ上に取り付けられたままのウエハを、レーザ切断機内に配置し、対応するレーザ切断の正確さを保証するために正確に位置合わせする。ウエハは一般に、機械内のチャック上に支持されることになり、チャックは、レーザ光学系に対して相対的に移動可能である。通常、チャックは移動するように構成される一方、レーザ光学系は固定されて保持されるが、これは必須ではなく、レーザ光学系は、チャックが固定されて保持されるか、またはこれも移動するように適合させて、移動するように適合させることができる。

ｖｉ）ウエハ切断
位置合わせに続いて、レーザ切断機を動作させ、複数のカットラインまたは「ダイシングストリート」に沿ってウエハを少なくとも部分的に切断する。上記のとおり、通常チャックは、レーザ光学系に対して移動可能であり、その移動は、レーザビーム照射スポットが意図されたカットラインに正確に従うように、慎重に制御されている。レーザビームスポットのアレイを用いて、たとえば回折光学素子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ： ＤＯＥ）を用いて、主な出力レーザビームを、ウエハに向けられる複数のサブビームに分けてウエハに照射することも可能である。レーザは、切断プロセス中にポリマーコーティングを除去するように動作可能である。

可能な３つの主なシンギュレーションアプローチ、すなわち、グルービング、スクライビング、およびダイシングがある。グルービング、スクライビング、およびダイシングされたウエハの断面図をそれぞれ図５から図７に示している。これらの図のすべてにおいて、半導体ウエハ１がキャリアテープ１３上に取り付けられており、ウエハのカットラインの外側の上面はポリマーコーティング２によって覆われている。ウエハ１の上部領域において活性層１４を非常に概略的に示しているが、これは、たとえば金属、窒化シリコン（ＳｉＮ）およびＳｉＯ_２の組み合わせを主に含むことができる。ウエハ上でのレーザの除去作用により、除去された領域の周囲にリキャスト材料１５が形成される。これらの図には示していないが、ウエハ１上には通常デブリが堆積することがあり、このデブリはレーザ切断の副作用である。グルービングは、図５に概略的に示しているが、ウエハ１においてカットラインに沿った比較的広いチャネルを作成することを含み、カーフの幅は、矢印によって示しているが、通常およそ４０μｍである。図５に示すように、グルービングの結果、ウエハの活性層１４の下と上との両方に少なくとも部分的に延びるリキャスト材料１５の熱影響域が生じる。

スクライビングは、図６に概略的に示しているが、ウエハにおいてより狭いチャネルを作成することを含み、カーフの幅は通常およそ８μｍである。

ダイシングは、図７に概略的に示しており、スクライビングと同様であるが、切断はウエハの深さ全体を通して続けられるので、テープ１３が露出する。この結果、カーフ幅は通常およそ１２μｍになる。

これによりレーザシンギュレーションプロセスが完了する。

ｖｉｉ）プラズマエッチング
本発明によれば、レーザシンギュレーションに続いて、プラズマエッチングを行って、活性およびベースウエハ材料に対するリキャストおよび損傷を除去する。有利なことに、レーザ切断機はプラズマ生成装置を装備することもでき、この場合、シンギュレートされたウエハを同じ機械内でプラズマエッチングすることができるが、これは必須ではなく、キャリアテープ上に取り付けられたままのウエハを、プラズマエッチングのため、別個の、専用の機械に移動させることができる。ウエハはまず、機械のプラズマチャンバ取り付けアセンブリに配置する。

図８は、専用のプラズマエッチング機２０のプラズマチャンバ２１内にプラズマエッチングのために取り付けられたシンギュレートされたウエハ１の断面側面図を概略的に示している。ウエハ１は、キャリアテープ１３およびその関連するフレーム（図示せず）上に取り付けられたままであり、当該技術において一般に知られているように、たとえば真空クランピングによって、チャック２２上に保持される。この実施形態において、チャック２２は温度規制手段２８を含み、このためチャック２２の温度は、プロセッサ、コンピュータなどのような制御手段（図示せず）によって制御することができる。温度規制手段２８は、たとえば、チャック２２、チャック２２内に埋め込まれた抵抗性加熱素子、赤外ランプなどと熱連通している冷媒または加熱流体移送チュービングを含むことができる。

いったんチャック２２上に取り付けられると、プラズマエッチングを開始することができる。ガスがガスサプライ２３を介してＲＦプラズマ源２４へ供給され、これにより活性種が生成される。適切なプロセスがたとえば米国特許第９３８６６７７号に記載されている。このようなＲＦプラズマ源の設計を用いることにより、効率化によりラジカル密度を高くすること、およびエネルギーイオンの数を少なくすることが可能になる。このＲＦプラズマ源の設計により、低流量、低出力、および低圧の処理条件が可能になる。例示的なプロセスは、
ＣＦ_４ ＋ Ｏ_２ −＞ ４Ｆ＊ ＋ ＣＯ ＋ その他
を含む。

これらのプラズマ生成種２５は、プラズマチャンバ内に形成された圧力勾配のためにウエハ１の表面に向けられる。このように、プラズマのウエハ表面との反応は、カットラインの近傍で局所化することができ、カットラインの近傍においてウエハ１の化学エッチ、たとえば
Ｓｉ ＋ ４Ｆ −＞ ＳｉＦ_４ （ｇ）
を作成する。

未反応の種が、廃棄物２６と同様、排出装置２７を介して機械から流れ出る。ウエハ１の上面上のポリマーコーティングは、プラズマのためのマスク層として作用し、マスク層は、レーザ切断プロセスによって形成されたカットラインでそれぞれの開口を有し、これにより、生成されたプラズマが通過することが可能になり、プラズマがカットラインの領域においてウエハ１をエッチングすることが可能になるが、カットラインから間隔を置かれたウエハの他の領域におけるエッチングを防止する。

ウエハ１上へのこのプラズマ作成化学エッチングの効果を、グルービングされたウエハ（エッチング前の図５に示したものような）のエッチング後を示している図９、および完全にダイシングされたウエハ（エッチング前の図７に示したもののような）のエッチング後を示している図１０において概略的に示している。まず図９を見ると、エッチングは、活性層１４の上部および下部に位置していたものを含む、すべてのリキャスト材料を除去することに成功していることが分かる。これは、プラズマエッチングが等方性を示し、したがって切り口の側壁に作用することになるために可能である。対照的に、既知のＤＲＩＥ様のプロセスであれば、異方性であるので、活性層１４またはポリマーコーティング２の下にあるリキャスト材料を除去することはできないであろう。しかしながら、プラズマエッチングは等方性であるが、完全には等方性でないので、いくらかの指向性を示し、したがって切り口の底を強くエッチングすることになるということに留意されるべきである。これは、たとえば、ここでもすべてのリキャスト材料が除去されている図１０に示すように、ダイシングされたウエハをエッチングするとき有利である。加えて、図１１を参照して以下に説明するように、異方性によりポリマーコーティング層の張り出しが減少する。

ｖｉｉｉ）洗浄
プラズマエッチングが完了した後、従来の洗浄技術を用いて、ウエハダイを洗浄し、表面デブリを除去することができる。

ｉｘ）後処理
上のステップに続いて、処理されたウエハダイは、当該技術において理解されているように、具体的な用途に必要とされるような後処理ステップを受けることができる。

本発明の方法論は実際に有益な効果を生むことが見いだされた。図１１は、本発明に従って処理された実際のウエハ３０の顕微鏡像であり、これは、完全に等方性の化学ドライエッチング技術が用いられた図３と直接比較することができる。図３のウエハは６．８μｍのポリマーコーティング層の張り出しを有したが、図１１のウエハは４．５μｍの張り出しを有するに過ぎず、これは大きな減少である。これは、本発明のプラズマエッチングによって示された部分的異方性に起因し得る。

加えて、ポリマーコーティング層はプラズマエッチングによって損傷されないので、このため、このコーティングをプラズマ処理用のマスクとして用いる可能性が認められる。

上述の実施形態は単なる例示であり、本発明の範囲内の他の可能性および代替例は当業者に明白であろう。たとえば、上の実施形態はポリマーコーティングを用いているが、他の形態のコーティング材料を用いることができ、いくつかの用途についてコーティングは任意選択であり得る。この場合、いわゆる「ハードマスク」のような、プラズマのための専用マスクをエッチングの前に適用することができる。本発明は、グルービング、スクライビング、またはレーザ完全切断を含む、レーザ切断が先に行われたウエハをエッチングするのに特に有益であるが、本発明はこのように限定されず、プラズマエッチングは、他の方法によって、たとえば鋸のような機械的切断手段、またはダイヤモンドチップを用いるウエハスクライビングを用いて切断されたウエハに適用することができる。

１ ウエハ
２ マスク
３ イオン種
４ 側壁
５ 反応性中性種
６ アンダーカット
７ 側壁
１０ ウエハ
１１ 側壁
１２ コーティング
１３ テープ
１４ 活性層
１５ リキャスト材料
２０ プラズマエッチング機
２１ プラズマチャンバ
２２ チャック
２３ ガスサプライ
２４ ＲＦプラズマ源
２５ プラズマ生成種
２６ 種および生成物の流れ
２７ 排出装置
２８ 温度規制システム
３０ ウエハ

Claims (13)

1. ウエハダイを処理する方法であって、
   ウエハをチャンバに配置するステップであって、前記ウエハは、前記ウエハの表面に形成されたカットラインによって少なくとも部分的に分離された複数のウエハダイを含む、ステップと、
   前記チャンバ内部にプラズマを生成するステップと、
   前記カットラインの近傍において前記ウエハをエッチングするように、前記カットラインの前記近傍で前記プラズマの前記ウエハ表面との反応を局所化するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記プラズマはＲＦ源を用いて生成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ウエハは、前記チャンバに配置された温度規制システムを組み込むチャック上に提供され、前記方法は、前記チャックの温度を制御するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ウエハダイは、前記チャンバに配置されるとき、シンギュレーションによって完全に分離されている、請求項１に記載の方法。
5. 前記ウエハダイは前記カットラインの近隣にリキャスト材料を含み、前記リキャスト材料を化学的にエッチングするように種が働く、請求項１に記載の方法。
6. 前記カットラインはグルーブラインを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記カットラインはスクライブラインを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記カットラインはダイシングラインを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ウエハは半導体ウエハを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記ウエハは前記表面上にマスク層を備え、前記マスク層は、前記カットラインで、前記生成されたプラズマがエッチングのために通過して前記ウエハ表面に達することを可能にするそれぞれの開口を有する、請求項１に記載の方法。
11. 前記マスク層はポリマーコーティングを含む、請求項１０に記載の方法。
12. シンギュレートされたウエハダイを作製する方法であって、
    レーザを用いてウエハをその表面で切断し、カットラインによって少なくとも部分的に分離された複数の個別のウエハダイを作製するステップと、
    請求項１の方法を用いて前記ウエハダイをエッチングし、前記ウエハダイからリキャスト材料を除去するステップであって、前記リキャスト材料は、前記レーザを用いて前記ウエハを切断するときに作成されたものである、ステップと、
    を含む、方法。
13. 前記ウエハ表面にポリマーコーティングを塗布するという最初のステップを含み、
    前記エッチングステップの間、前記ポリマーコーティングはマスクとして作用し、前記プラズマが前記カットラインの領域において前記ウエハをエッチングすることを可能にするが、前記ウエハの他の領域におけるエッチングを防止する、請求項１２に記載の方法。