JP5335576B2

JP5335576B2 - 半導体ウエーハの加工方法

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Publication number: JP5335576B2
Application number: JP2009152714A
Authority: JP
Inventors: シュトラルカゲラルド
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Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2013-11-06
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Also published as: JP2011009562A; DE102010030339B4; DE102010030339A1

Description

本発明は、表面に複数の半導体回路を有し、各半導体回路は所定の深さに埋設された複数の埋め込み電極を備えた半導体ウエーハを分割して、埋め込み電極が裏面から突出する半導体デバイスを製造する半導体ウエーハの加工方法に関する。

近年の半導体デバイス技術においては、ＭＣＰ（マルチ・チップ・パッケージ）やＳＩＰ（システム・イン・パッケージ）といった複数の半導体チップを積層した積層型の半導体パッケージが、高密度化や小型化・薄型化を達成する上で有効に利用されている。

この種の半導体パッケージの製造方法としては、インターポーザと呼ばれるパッケージ基板上に半導体チップを積層し、インターポーザと半導体チップの電極同士、或いは複数積層した半導体チップの電極同士を、金線ワイヤで電気的に結線した後、半導体チップをインターポーザに樹脂モールド封止するといった方法が知られている。

ところがこの方法では、半導体チップの電極から金線ワイヤを面方向に張り出して下に固定されたインターポーザや半導体チップの電極に接続するため、パッケージサイズが半導体チップより確実に大きくなってしまったり、通常半導体チップの端部に電極が設けられるので、半導体チップの四辺の長さに電極数が制限されるといった問題が生じていた。

このような問題を解決するため、半導体チップに厚さ方向に貫通して自身の電極に導通する複数の貫通電極を設け、半導体チップの積層と同時に貫通電極同士を接合させて電気的に結線する技術が開発された（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００４−２４１４７９号公報特開２００８−１３０７０４号公報

貫通電極で結線される半導体チップは、半導体チップに個片化される前の集合体である半導体ウエーハが裏面研削加工により薄肉化される工程で、半導体チップに対応して予め形成されている埋め込み電極が裏面側に露出し、更に裏面がエッチングによって僅かの厚さ除去される工程で、該埋め込み電極は貫通電極としてウエーハ裏面から突出させられる。

このように埋め込み電極が突出状態とされて貫通電極となることにより、積層する相手側の半導体チップの電極に対して積層時に確実に電気的に導通するように接続することができる。ところが、裏面研削やエッチング等で加工される際に、貫通電極を有する半導体ウエーハの厚さに均一性がなくなると、半導体チップを積層した際に、埋め込み電極同士の接触状態が不良となり電気的導通が取れないという問題が生じる。

また、半導体チップを複数積層することが前提であるため、各半導体チップは２０〜５０μｍと非常に薄く加工されるので、積層などの工程において脆く欠けやすいという問題がある。

更に、裏面に貫通電極が露出した半導体ウエーハを、通常ウエーハの分割で用いられるダイシング装置で分割すると、水をかけながら加工するため貫通電極に水がかかり、貫通電極を形成する金属が腐食してしまうという問題も生じる。

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、ウエーハの厚さを均一に保ったままウエーハを薄肉化できるとともに、ウエーハをチップに分割するときに貫通電極が腐食する恐れがない半導体ウエーハの加工方法を提供することである。

本発明によると、表面に格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画された複数の半導体回路を有し、該各半導体回路は、該半導体回路から少なくとも半導体デバイスの仕上がり厚さ以上の深さに埋設された複数の埋め込み電極を有し、ウエーハ面内の厚さばらつきが所定の許容値内である半導体ウエーハの加工方法であって、半導体デバイスの仕上がり厚さ以上の深さの分割溝を前記ウエーハの前記各分割予定ラインに沿って形成する分割溝形成ステップと、円盤状の支持部材の表面を前記ウエーハの前記半導体回路を有する面に剥離可能な接着剤で接着して、貼り合わせウエーハを製造する貼り合わせウエーハ製造ステップと、該貼り合わせウエーハの前記支持部材の裏面側から該支持部材に対して透過性を有する波長のレーザビームを前記分割予定ラインに沿って照射して、該支持部材の内部に変質層を形成する変質層形成ステップと、前記支持部材の内部に変質層が形成された前記貼り合わせウエーハの前記ウエーハ側の裏面を研削装置のチャックテーブル上に直接載置して、該貼り合わせウエーハを吸引保持する貼り合わせウエーハ第１保持ステップと、該貼り合わせウエーハの前記支持部材を研削して該貼り合わせウエーハの厚さばらつきを吸収する支持部材研削ステップと、前記貼り合わせウエーハの前記支持部材の研削面を研削装置のチャックテーブル上に直接載置して、該貼り合わせウエーハを吸引保持する貼り合わせウエーハ第２保持ステップと、該貼り合わせウエーハの前記ウエーハの裏面をデバイスの仕上がり厚さ相当に研削して、該ウエーハを個々の半導体デバイスに分割するウエーハ研削ステップと、前記貼り合わせウエーハの前記支持部材の裏面をエッチング装置のチャックテーブル上に直接載置して、個々の半導体デバイスに分割された該ウエーハをエッチングして、ウエーハの裏面から前記埋め込み電極を突出させるエッチングステップと、該貼り合わせウエーハに外力を付与して、該貼り合わせウエーハの前記支持部材を該支持部材の内部に形成された前記変質層に沿って破断する支持部材破断ステップと、を具備した半導体ウエーハの加工方法が提供される。

好ましくは、前記支持部材破断ステップは、前記貼り合わせウエーハの前記支持部材の裏面を環状のフレームに装着されたダイシングテープの表面に接着する貼り合わせウエーハ支持ステップと、該ダイシングテープを半径方向に拡張して該支持部材に外力を付与し、該支持部材を前記変質層に沿って破断するダイシングテープ拡張ステップとを含んでいる。

本発明によると、貼り合わせウエーハの支持部材を研削して貼り合わせウエーハの厚さを一様にしてから、ウエーハの裏面を研削するので、ウエーハの厚さを均一に保ったままウエーハを薄肉化することができる。次いで、ウエーハをエッチングすることにより、個々の半導体デバイスの裏面から埋め込み電極を一様な長さ突出させることができる。

また、貼り合わせウエーハの支持部材の内部にレーザ加工により変質層を形成してから、支持部材に外力を付与して支持部材を変質層に沿って分割するので、ダイシング装置で個々の半導体デバイスに分割する加工方法に比較して、分割に水を用いないため、分割時に既に埋め込み電極が露出していても分割時に電極が腐食する恐れがない。

半導体ウエーハの表面側斜視図である。半導体ウエーハの模式的断面図である。ダイシングテープを介して環状フレームで支持された半導体ウエーハの斜視図である。分割溝形成ステップの説明図である。分割溝が形成された半導体ウエーハの模式的断面図である。貼り合わせウエーハの模式的断面図である。変質層形成ステップの説明図である。支持部材内部に変質層が形成された貼り合わせウエーハの模式的断面図である。支持部材研削ステップの説明図である。支持部材が所定の厚さに研削された貼り合わせウエーハの模式的断面図である。ウエーハの裏面が所定厚さに研削された貼り合わせウエーハの模式的断面図である。エッチングステップ終了後の貼り合わせウエーハの模式的断面図である。分割装置の斜視図である。ウエーハ分割ステップの説明図である（その１）。ウエーハ分割ステップの説明図である（その２）。

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は半導体ウエーハの表面側斜視図を示している。半導体ウエーハ２の表面２ａにおいては、複数のストリート４が格子状に形成されており、ストリート４によって区画された複数の領域に半導体回路６が形成されている。半導体ウエーハ２は例えば約６００μｍの厚さを有している。半導体ウエーハ２の厚さは、ウエーハ面内の厚さばらつきが所定の許容範囲内であるように均一の厚さに形成されている。

図２を参照すると、半導体ウエーハ２の模式的断面図が示されている。半導体ウエーハ２は表面２ａ及び裏面２ｂを有しており、各半導体回路６からは半導体デバイスの仕上がり厚さ以上の深さに埋設された複数の埋め込み電極８が裏面２ｂ側に伸長している。

本発明の半導体ウエーハの加工方法では、まず最初に分割溝形成ステップを実施する。この分割溝形成ステップを実施するには、図３に示すように半導体ウエーハ２をダイシングテープＴを介して環状フレームＦで支持する。そして、図４に示すように図示しない切削装置のチャックテーブルで半導体ウエーハ２を吸引保持し、よく知られたアライメントを実施して切削すべきストリート４を検出する。

図４において、切削装置のスピンドルユニット１０はスピンドルハウジング１２中に回転可能に収容されたスピンドル１４を有しており、スピンドル１４の先端部には切削ブレード１６が装着されている。スピンドル１４は図示しないモータに接続されており、モータを駆動するとスピンドル１４が３００００ｒｐｍ等の高速で回転される。

切削すべきストリート４を検出したら、チャックテーブルに保持されたウエーハ２を矢印Ｘ方向に加工送りしながら、高速回転させた切削ブレード１６を所定の切り込み深さまで下降させて、位置合わせされたストリート４を切削して図５に示すように分割溝１８を形成する。この分割溝１８の深さが半導体デバイスの仕上がり厚さ以上となるように切削ブレード１６でウエーハ２を切削する。

この分割溝形成ステップが終了すると、半導体ウエーハ２の表面側にはストリート４に沿って複数の分割溝１８が形成される。次いで、図６に示すように半導体ウエーハ２の表面２ａに剥離可能な接着剤２２で支持部材２０の表面２０ａ側を接着して貼り合わせウエーハ２４を製造する。

支持部材２０は半導体ウエーハ２と外径が同程度のベアウエーハが好ましい。接着剤２２は均一の厚さに塗布することができるため、貼り合わせウエーハ２４の厚さばらつきが接着剤２２の厚さに影響されることはない。

図６に示した貼り合わせウエーハ２４を製造してから、支持部材２０の裏面２０ｂ側から支持部材２０に対して透過性を有する波長のレーザビームを分割予定ライン４に沿って照射して、支持部材２０の内部に変質層を形成する変質層形成ステップを実施する。

この変質層形成ステップは、図７にその要部を示すようなレーザ加工装置２６で実施する。レーザ加工装置２６のチャックテーブル２８上に半導体ウエーハ２に支持部材２０を貼り合わせた貼り合わせウエーハ２４を吸引保持する。

３０はレーザビーム照射ユニットであり、ハウジング３２中に従来よく知られたレーザビーム発振器、繰り返し周波数設定手段等が収容されている。レーザビーム照射ユニット３０のレーザビーム発振器から発振されたレーザビーム３５は、集光器（レーザ照射ヘッド）３４により図８に示すように支持部材２０内部に集光されて強度の低下された変質層３８を形成する。

３６は集光器３４でレーザビームを集光するためのアライメントを実施する撮像手段であり、通常のＣＣＤカメラの他に赤外線ＣＣＤカメラを備えている。撮像手段３６は集光器３４とＸ軸方向に整列するようにレーザビーム照射ユニット３０に一体的に取り付けられている。チャックテーブル２８は図示しない移動機構によりＸ軸方向に移動可能であり、レーザビーム照射ユニット３０は図示しない移動機構によりＹ軸方向に移動可能である。

本実施形態の変質層形成ステップでは、支持部材２０の裏面２０ｂ側からレーザビーム３５を照射して変質層３８を形成する。従って、撮像手段３６の赤外線カメラで支持部材２０を通して切削すべきストリート４を検出するため、支持部材２０の裏面２０ｂに凹凸があると赤外線カメラの焦点が合わせにくくなる。そのため、変質層形成ステップを実施する前に、貼り合わせウエーハ２４の支持部材２０の裏面２０ｂを予め研削装置で２０μｍ程度研削して、裏面２０ｂの凹凸を除去しておくのが好ましい。

変質層形成ステップにおける加工条件は例えば以下のように設定されている。

光源：ＬＤ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ４パルスレーザ
波長：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：４０ｎｓ
平均出力：１Ｗ
集光スポット径：φ１μｍ
加工送り速度：１００ｍｍ／秒

貼り合わせウエーハ２４の支持部材２０に対して変質層形成ステップを実施すると、図８に示すように半導体ウエーハ２の分割溝１８に対応して支持部材２０の内部に変質層３８が形成される。尚、図８では変質層３８を各ストリート４に沿って４層形成しているが、レーザビームのパワーが十分強い場合にはこの変質層３８を１層又は２層形成するようにしてもよい。

変質層形成ステップを実施したならば、図９に示すように、支持部材２０の内部に変質層３８が形成された貼り合わせウエーハ２４のウエーハ２の裏面２ｂを研削装置のチャックテーブル４０上に直接載置して、貼り合わせウエーハ２４をチャックテーブル４０で吸引保持する。

図９において、４２は研削装置のスピンドルであり、スピンドル４２の先端にはホイールマウント４４が固定されている。ホイールマウント４４には研削ホイール４６が複数のねじ４５により取り付けられている。研削ホイール４６は、環状基台４８と、環状基台４８の自由端面に固着された複数の研削砥石５０から構成される。

チャックテーブル４０で貼り合わせウエーハ２４を吸引保持したならば、チャックテーブル４０を矢印ａ方向に例えば３００ｒｐｍで回転しつつ、研削ホイール４６をチャックテーブル４０と同一方向に、即ち矢印ｂ方向に例えば６０００ｒｐｍで回転させるとともに、図示しない研削ユニット送り機構を作動して研削砥石５０を支持部材２０の裏面２０ｂに接触させる。

そして、研削ホイール４６を所定の研削送り速度（例えば３〜５μｍ／秒）で下方に所定量研削送りして、支持部材２０の研削を実施する。図示しない接触式の厚み測定ゲージによって支持部材２０の厚みを測定しながら、図１０に示すように支持部材２０を所望の厚み、例えば３００μｍ程度に仕上げる。これにより、支持部材２０研削後の貼り合わせウエーハ２４は、図６に示した貼り合わせウエーハ２４の厚みばらつきを吸収して均一の厚みに仕上げられることになる。

支持部材研削ステップ実施後、貼り合わせウエーハ２４を反転して支持部材２０の研削面を研削装置のチャックテーブル４０上に直接載置して、半導体ウエーハ２側を上にして貼り合わせウエーハ２４をチャックテーブル４０で吸引保持する。この時、半導体ウエーハ２の表面２ａは支持部材２０で保護されているため、従来のウエーハの研削時のように半導体ウエーハの表面に厚さばらつきの大きい保護テープを貼付する必要はない。

そして、支持部材研削ステップと同様に、チャックテーブル４０を矢印ａ方向に例えば３００ｒｐｍで回転しつつ、研削ホイール４０を矢印ｂ方向に例えば６０００ｒｐｍで回転して半導体ウエーハ２の研削を実施して、図１１に示すように半導体ウエーハ２を個々の半導体デバイス７に分割する。

この半導体ウエーハ２の研削時には、研削初期にはシリコンのみ研削されるが、埋め込み電極８付近まで研削が進むと、埋め込み電極８とともにシリコンが研削される。研削終了後、研削面を研磨するのが好ましい。

半導体ウエーハ２の研削終了後、埋め込み電極８を半導体デバイス７の裏面から突出させるために、よく知られたプラズマエッチングによってシリコンのみを１〜２０μｍ除去し、図１２に示すように埋め込み電極８を半導体デバイス７の裏面から所定量突出させて貫通電極８´とする。

エッチングステップの終了した貼り合わせウエーハ２４は、図１５（Ａ）に示すように、貼り合わせウエーハ２４を支持部材２０を下にして環状フレーム５２に装着されている粘着テープ（ダイシングテープ）５４上に搭載する。即ち、環状フレーム５２の開口部を覆うように外周部が環状フレーム５２に装着された粘着テープ５４上に貼り合わせウエーハ２４を貼着する。

次に、図１３に示す分割装置６０を用いて貼り合わせウエーハ２４の支持部材２０を変質層３８が形成されたストリート４に沿って個々のチップに分割する支持部材破断ステップを実施する。

図１３に示す分割装置６０は、環状フレーム５２を保持するフレーム保持手段６２と、フレーム保持手段６２に保持された環状フレーム５２に装着された粘着テープ５４を拡張するテープ拡張手段６４を具備している。

フレーム保持手段６２は、環状のフレーム保持部材６６と、フレーム保持部材６６の外周に配設された固定手段としての複数のクランプ６８から構成される。フレーム保持部材６６の上面は環状フレーム５２を載置する載置面６６ａを形成しており、この載置面６６ａ上に環状フレーム５２が載置される。

そして、載置面６６ａ上に載置された環状フレーム５２は、クランプ６８によってフレーム保持部材６６に固定される。このように構成されたフレーム保持手段６２はテープ拡張手段６４によって上下方向に移動可能に支持されている。

テープ拡張手段６４は、環状のフレーム保持部材６６の内側に配設された拡張ドラム７０を具備している。この拡張ドラム７０は、環状フレーム５２の内径より小さく、該環状フレーム５２に装着された粘着テープ５４に貼着される貼り合わせウエーハ２４の外径より大きい内径を有している。

拡張ドラム７０はその下端に一体的に形成された支持フランジ７２を有している。テープ拡張手段６４は更に、環状のフレーム保持部材６６を上下方向に移動する駆動手段７４を具備している。この駆動手段７４は支持フランジ７２上に配設された複数のエアシリンダ７６から構成されており、そのピストンロッド７８がフレーム保持部材６６の下面に連結されている。

複数のエアシリンダ７６から構成される駆動手段７４は、環状のフレーム保持部材６６をその載置面６６ａが拡張ドラム７０の上端と略同一高さとなる基準位置と、拡張ドラム７０の上端より所定量下方の拡張位置の間を上下方向に移動する。

以上のように構成された分割装置６０を用いて実施する支持部材破断ステップについて図１４及び図１５を参照して説明する。図１４（Ａ）及び図１５（Ａ）に示すように、貼り合わせウエーハ２４を粘着テープ５４を介して支持した環状フレーム５２を、フレーム保持部材６６の載置面６６ａ上に載置し、クランプ６８によってフレーム保持部材６６を固定する。このとき、フレーム保持部材６６はその載置面６６ａが拡張ドラム７０の上端と略同一高さとなる基準位置に位置付けられる。

次いで、エアシリンダ７６を駆動してフレーム保持部材６６を図１４（Ｂ）及び図１５（Ｂ）に示す拡張位置に下降する。これにより、フレーム保持部材６６の載置面６６ａ上に固定されている環状フレーム５２も下降するため、環状フレーム５２に装着された粘着テープ５４は拡張ドラム７０の上端縁に当接して主に半径方向に拡張される。

その結果、粘着テープ５４に貼着されている支持部材２０には放射状に引張力が作用する。このように支持部材２０に放射状に引張力が作用すると、ストリート４に沿って形成された変質層３８は強度が低下されているので、この変質層３８が分割基点となって支持部材２０は変質層３８に沿って破断され、破断された支持部材２０ａに貼着された個々の半導体チップ（デバイス）７に分割される。

このように支持部材２０を破断して、支持部材２０ａ付の半導体チップ７を得たならば、半導体チップ７を支持部材２０ａから剥離する。

２半導体ウエーハ
６半導体回路
８埋め込み電極
８´ 貫通電極
１８分割溝
２０支持部材
２４貼り合わせウエーハ
３０レーザビーム照射ユニット
３４集光器（レーザ照射ヘッド）
３８変質層
５２環状フレーム
５４粘着テープ
６０分割装置

Claims

表面に格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画された複数の半導体回路を有し、該各半導体回路は、該半導体回路から少なくとも半導体デバイスの仕上がり厚さ以上の深さに埋設された複数の埋め込み電極を有し、ウエーハ面内の厚さばらつきが所定の許容値内である半導体ウエーハの加工方法であって、
半導体デバイスの仕上がり厚さ以上の深さの分割溝を前記ウエーハの前記各分割予定ラインに沿って形成する分割溝形成ステップと、
円盤状の支持部材の表面を前記ウエーハの前記半導体回路を有する面に剥離可能な接着剤で接着して、貼り合わせウエーハを製造する貼り合わせウエーハ製造ステップと、
該貼り合わせウエーハの前記支持部材の裏面側から該支持部材に対して透過性を有する波長のレーザビームを前記分割予定ラインに沿って照射して、該支持部材の内部に変質層を形成する変質層形成ステップと、
前記支持部材の内部に変質層が形成された前記貼り合わせウエーハの前記ウエーハ側の裏面を研削装置のチャックテーブル上に直接載置して、該貼り合わせウエーハを吸引保持する貼り合わせウエーハ第１保持ステップと、
該貼り合わせウエーハの前記支持部材を研削して該貼り合わせウエーハの厚さばらつきを吸収する支持部材研削ステップと、
前記貼り合わせウエーハの前記支持部材の研削面を研削装置のチャックテーブル上に直接載置して、該貼り合わせウエーハを吸引保持する貼り合わせウエーハ第２保持ステップと、
該貼り合わせウエーハの前記ウエーハの裏面をデバイスの仕上がり厚さ相当に研削して、該ウエーハを個々の半導体デバイスに分割するウエーハ研削ステップと、
前記貼り合わせウエーハの前記支持部材の裏面をエッチング装置のチャックテーブル上に直接載置して、個々の半導体デバイスに分割された該ウエーハをエッチングして、ウエーハの裏面から前記埋め込み電極を突出させるエッチングステップと、
該貼り合わせウエーハに外力を付与して、該貼り合わせウエーハの前記支持部材を該支持部材の内部に形成された前記変質層に沿って破断する支持部材破断ステップと、
を具備した半導体ウエーハの加工方法。
前記支持部材破断ステップは、前記貼り合わせウエーハの前記支持部材の裏面を環状のフレームに装着されたダイシングテープの表面に接着する貼り合わせウエーハ支持ステップと、
該ダイシングテープを半径方向に拡張して該支持部材に外力を付与し、該支持部材を前記変質層に沿って破断するダイシングテープ拡張ステップとを含んでいる請求項１記載の半導体ウエーハの加工方法。