JP2006156560A - 半導体ウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェーハに障害物がぶつかった場合の衝撃に強く、且つ、コストと時間を抑えた鏡面加工および面取加工を施した半導体ウェーハを提供する。
【解決手段】 半導体ウェーハは、周側面の上部が鏡面加工によって鏡面を成す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部からの衝撃に対する強度の向上を図った半導体ウェーハに関する。

近年におけるパワー半導体素子は、パッケージの薄型化および素子特性を向上するために、その製造工程において半導体ウェーハ（以下、ウェーハという）の状態である時に、パワー半導体素子が薄くなるように研削処理を施している。図９は、従来のウェーハ１００の、上面に垂直な面での断面図である。パワー半導体の製造工程においては、図９におけるウェーハ１００の上側の平面（以下、上側平面という）１０１に素子構造を形成した後、ウェーハの下側の平面（以下、下側平面という）１０２を研削して、ウェーハの厚さが２５〜１２０μｍ程度になるように加工する。このウェーハの薄型化に伴い、前述のウェーハ研削工程や運搬等において、ウェーハに障害物がぶつかった場合にクラックが生じやすくなったため、ウェーハの上側の周縁部１１０と下側の周縁部１１１へ、図９に示すような面取加工を行うことが知られている。１１２はウェーハ１００の周側面である。この面取加工を、下側平面の研削工程の前に行う、特許文献１、及び２の発明が公開されている。図１１は、特許文献１の発明による、ウェーハ３００の、上面に垂直な面での断面図である。この特許文献１の発明は、ウェーハ３００の周側面を滑らかな曲線で面取りする方法であるが、ウェーハの下側平面１０２を研削する際の厚さが大きくなる際には、ウェーハの最端部ｈは薄い形状となるため、ウェーハが脆くなりやすいという問題があった。

また、図１０は、特許文献２の発明によるウェーハ２００の、上面に垂直な面での断面図である。ｄは、ウェーハ２００の下側平面１０２を研削加工して形成される研削平面eの端部ｑから、鉛直方向に引いた直線である。直線ｄから端部ｑまでの距離をL、研削後のウェーハの断面の厚さをｔとする。特許文献２の発明は、距離Lをｔより小さくとるように、端面ｓを研削する面取加工の技術である。しかしながら、この技術は、端面ｓを研削した結果、その表面が粗くなるため、ウェーハ２００に力が加わった時にその力が集中する箇所ができ、クラックや割れを起こしやすいという問題があった。

他方、ウェーハの周側面を鏡面にし、且つ、面取りする処理方法が、特許文献３で公開されている。しかしながら、特許文献３の発明は、ウェーハの下側平面１０２の研削によって鏡面面取り加工部分の大半が削り取られることが考慮されていないため、本来使用しない部分にまで鏡面加工するコストがかかっているという問題がある。
特開2001−230166号公報 特開平9−199378号公報 特開平5−102111号公報

この発明は上記の点を鑑みてなされたもので、ウェーハに障害物がぶつかった場合の衝撃に強く、且つ、コストと時間を抑えた鏡面加工および面取加工を施した半導体ウェーハを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、半導体素子が形成される上面（例えば、実施の形態での上側平面１０１）と、裏面（例えば、実施の形態での下側平面１０２）と、周側面とを有する、半導体素子の製造過程で用いられる半導体ウェーハにおいて、前記周側面の上部（例えば、実施の形態における上側周側面１６）を鏡面加工によって鏡面としたことを特徴とする半導体ウェーハである。

好ましくは、本発明の半導体ウェーハは、前記周側面の上部を、上面に向かって徐々に内側に傾くテーパ面とする。

好ましくは、本発明の半導体ウェーハは、前記周側面の上部を、上面に向かって徐々に内側に傾く曲面とする。

好ましくは、本発明の半導体ウェーハは、前記周側面の上部が、半導体ウェーハの厚さの半分に相当する。

本発明によれば、半導体ウェーハの周側面の上部に鏡面加工を施すため、鏡面加工にかかるコストと時間を抑え、割れにくい半導体ウェーハを提供することが出来る。

また、本発明によれば、半導体ウェーハの周側面が上面に向かって徐々に内側に傾くテーパ面または曲面を成しているため、周側面への衝撃に強い半導体ウェーハを提供することが出来る。

以下、本発明を、パワー半導体素子の製造工程において用いられる半導体ウェーハ（以下、ウェーハという）に適用した、第1の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態によるウェーハ１０の周側面２０の、ウェーハ表面に垂直な面での断面図である。ここで、パワー半導体素子は、図１において、ウェーハ１０の上側平面１０１に形成されるものとする。１０２は、上側平面１０１の反対側にある、下側平面である。２０は、ウェーハ１０の周側面である。

aは、上側平面１０１及び下側平面１０２から等距離（ウェーハ１０の厚さの半分の距離）にある、仮想平面である。ｂは、仮想平面aと周側面２０との交差部である。１５は、仮想平面aより図１において下側の部分である下側周側面である。周縁部１１１は、従来の面取り加工技術により、周側面２０に対して傾斜している。なお、周縁部１１１は面取り加工が施されていなくても良い。１６は、周側面２０のうち、仮想平面aより図１において上側の部分である上側周側面である。
ここで、仮想平面aと上側平面１０１との距離は、パワー半導体素子の薄型化に適した距離に設定され、仮想平面aより下側の部分は、研削・除去される。

上側周側面１６は、表面を研磨する鏡面加工が施され、鏡面を形成している。ここでいう鏡面とは、平坦度が０．１μｍ以下、面の粗さがＲａ０．００５μｍ以下、及び平行度が１μｍ以下の形状の面をいう。また、鏡面加工は、任意の既存の研磨技術を適用することも可能であり、例えば、ウェーハを回転させ、周側面の仮想平面aより上部に、鏡面処理用の素材を取り付けた回転砥石を設置し、回転砥石をウェーハ上に周回させて鏡面加工を施す技術がある。

また、上側周側面１６は、交差部ｂから、下側周側面１５の延長線ｃに対して傾斜したテーパ面を形成しており、詳しくは、円錐形の側面の一部の形状をしている。

次に、第２の実施形態について説明する。図２は、本実施形態によるウェーハ１１の周側面２１付近の、ウェーハ上面に垂直な面での断面図である。以下では、第１の実施形態と異なる点のみ説明する。
上側周側面１７は、ウェーハ上面に向かって徐々に内側に傾く曲面を成しており、その表面は鏡面加工が施されている。

ここで、ウェーハの一部に力が加わった場合について、有限要素解析ソフトウェアを用いて、三次元線形応力解析を行った結果を示す。なお、この解析において使用したウェーハのモデルを、図３に示す。（ア）は、従来のウェーハ１００であり、１１２は、表面が粗い形状の周側面１１２である。（イ）は、ウェーハ９の周側面のうち、上側周側面１８を鏡面、下側周側面１５は粗い面としたウェーハ９（モデル１）である。（ウ）は、上述の第１の実施形態による、下側周側面１５の延長線ｃに対して、上側周側面１６が４５度傾斜したテーパ面を成した鏡面で、下側周側面１５が粗い面を成しているウェーハ１０（モデル２）である。（エ）は、上述の第２の実施形態による、上側周側面１７が曲面を成した鏡面で、下側周側面１５が粗い面であるウェーハ１１（モデル３）である。

なお解析においては、前述のモデル１、モデル２、及びモデル３のウェーハにおいて、それぞれの上側周側面１６、１７、１８の厚さを１００μｍとした。また、図３の（ア）で示す従来のウェーハ１００の周側面１１２、（イ）〜（エ）のウェーハの下側周側面１５は、細かい溝を表面に形成させた粗い面で、モデル化した。

図４は、本解析で仮定した、ウェーハの周側面近辺へ加えた、力の方向を示す図である。なお、本図は、従来のウェーハ１００に前述の力を加えた場合の一例である。ここで、ウェーハの右端Ｒ及び左端Ｌは固定されているものとし、ウェーハを小さなブロック３０の集合体とした。また、ウェーハの材料物性値として、シリコンのヤング率は1.8E+11[Pa]、ポアソン比は0.3とした。なお、上述においてヤング率を1.8E+11と表記したが、これは1.8×10¹¹を意味し、以下では同様の表記をする。図４に示すように、ウェーハの周側面付近に、矢印Ｆで示すような下方向からの外力が加わった場合について、ウェーハにかかる応力の最大値を解析した結果を表１（単位Pa）に示す。

解析結果から、鏡面加工を施したモデル１〜３の最大引張応力の値は、いずれも従来のウェーハの最大引張応力の値より小さい結果となった。これによると、粗い面として仮定した細かい溝の部分に応力が集中するため、クラックが生じやすくなることがわかるので、鏡面加工を施すことで、ウェーハにクラックを生じにくくすることができる。

また、上述の解析は、ウェーハの下から上に力が加わった場合のものであるが、ウェーハの製造工程においては周縁部に力が加わることもある。この場合の二次元非線形応力解析の結果を以下に示す。
図５〜図７は、前述のウェーハのモデル１〜３の上側平面の周縁部に、衝突物４００が衝突したと仮定した概要図である。衝突物４００からウェーハにかかる圧力は、図５〜図７の矢印Ｇの方向に、1E+7[Pa]とした。なお、解析においては、衝突物が、ウェーハの周縁部に当たる角度θを7.5[°]〜82.5[°]の範囲で変化させ、ウェーハに生じる角度θに対しての引張応力を解析した。その結果を表２（単位Pa）に示す。

また、この引張応力の解析結果を図８においてグラフで示す。
また、最大引張応力が生じる部分を図５〜図７に矢印ＭＸで示す。なお、図７において矢印ＭＸの示す位置は、代表箇所であり、モデル３の場合、他の箇所にも応力が分散されることがわかっている。図５のウェーハ９、図６のウェーハ１０、図７のウェーハ１１の内部に描かれている曲線で囲まれた部分は、等しい引っ張り応力が生じている箇所である。

これによると、上側周側面１７がテーパ面または曲面を成す、モデル２、モデル３のウェーハは、モデル１よりも、生じる最大引張応力が小さくなることがわかるので、周側面を曲面またはテーパ面にすることで、ウェーハを割れにくくすることができる。

また、これにより、研削され除去される部分である下側周側面１５は鏡面加工を施さず、仮想平面aより上部のみに鏡面加工を施すため、鏡面加工に費やされるコストを抑え、処理時間を短縮することが可能である。

なお、上述の実施形態において、仮想平面aは、上側平面１０１及び下側平面１０２から等距離（ウェーハ１０の厚さの半分の距離）にあるとしたが、上側平面１０１または下側平面１０２のどちらかに近い位置にあっても良い。

また、上述の第１、第２の実施形態において、仮想平面aより下側の部分は、研削され、除去されるとしたが、研削削除の処理が施されなくても良い。

なお、上述の実施形態において、パワー半導体素子の製造工程に用いられるウェーハを用いたが、一般の半導体素子の製造工程に用いられるウェーハを使用することも可能である。

なお、本実施の形態中で説明されている特徴の全ての組み合わせが発明の解決手段に必須のものとは限らない。

本発明の第１の実施形態による、ウェーハの、上側平面に垂直な面での断面図である。 本発明の第２の実施形態による、ウェーハの、上側平面に垂直な面での断面図である。 三次元線形応力解析に使用した、モデル化した4種類のウェーハの、上側平面に垂直な面での断面図である。 三次元線形応力解析で仮定した、ウェーハに加えた力の方向を示す説明図である。 二次元非線形応力解析で仮定した、モデル１のウェーハに衝突物が衝突したと仮定した概要図である。 二次元非線形応力解析で仮定した、モデル２のウェーハに衝突物が衝突したと仮定した概要図である。 二次元非線形応力解析で仮定した、モデル３のウェーハに衝突物が衝突したと仮定した概要図である。 二次元非線形応力解析において、衝突物が、ウェーハの周縁部に当たる角度と、ウェーハにかかる最大引張応力の関係を解析した結果のグラフである。 従来のウェーハの、ウェーハの周側面付近における、上側平面に垂直な面での断面図である。 従来の他のウェーハの、ウェーハの周側面付近における、上側平面に垂直な面での断面図である。 従来の他のウェーハの、ウェーハの周側面付近における、上側平面に垂直な面での断面図である。

符号の説明

９…ウェーハ
１０…ウェーハ
１１…ウェーハ
１５…下側周側面
１６…上側周側面
１７…上側周側面
１８…上側周側面
２０…周側面
２１…周側面
３０…ブロック
１００…ウェーハ
１０１…上側平面
１０２…下側平面
１１０…周縁部
１１１…周縁部
１１２…周側面
２００…ウェーハ
３００…ウェーハ
４００…衝突物
ａ…仮想平面
ｂ…交差部
ｃ…延長線
ｄ…鉛直線
e…研削平面
ｈ…最端部
ｐ…周縁部
ｑ…端部
ｓ…端面
Ｆ…外力
Ｇ…衝突圧力
Ｒ…ウェーハ右端
Ｌ…ウェーハ左端
θ…角度
ＭＸ…最大応力発生箇所

Claims (4)

1. 半導体素子が形成される上面と、裏面と、周側面とを有し、半導体素子の製造過程で用いられる半導体ウェーハにおいて、
   前記周側面の上部を鏡面加工によって鏡面としたことを特徴とする半導体ウェーハ。
2. 前記周側面の上部を、上面に向かって内側に傾くテーパ面としたことを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハ。
3. 前記周側面の上部を、上面に向かって徐々に内側に傾く曲面としたことを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハ。
4. 前記周側面の上部は、半導体ウェーハの厚さの半分に相当することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの項に記載の半導体ウェーハ。
   
   

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