JP2011210915A - 単結晶基板の切断装置、および単結晶基板の切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切断面に割れや欠けを生じさせること無く単結晶基板を切断可能であり、かつ、切断時に単結晶基板に強いダメージが加わることが無い単結晶基板の切断装置、単結晶基板の切断方法を提供する。
【解決手段】カッティングライン２５の加工幅ｔ１よりも外側領域まで、レーザ光源装置１２からレーザー光線ＬＲを照射する。このレーザー光線ＬＲの照射幅ｔ２は、カッティングライン２５の加工幅ｔ１よりも広くなるように設定する。即ち、レーザー光線ＬＲは、カッティングライン２５のエッジを越えて、半導体チップ２０の形成領域の端部まで細長く照射する。この照射によって単結晶が多結晶化または非晶質化した改質領域Ｓｎを形成し、そこをブレード１１で切断する。
【選択図】図３

Description

本発明は、単結晶基板の切断装置、および単結晶基板の切断方法に関し、詳しくは、単結晶基板の切断面を損傷させることなく切断する技術に関する。

従来、例えばシリコン単結晶ウェーハなどの単結晶基板に多数の半導体回路を形成した後、個々のチップに切り分けるダイシングを行う際には、ブレード（回転刃）を用いて切断を行っていた。
しかしながら、単結晶基板は強い物理的な応力が加わると結晶の劈開面に沿って劈開しやすいという特性がある。このため、ブレードなどで切断を行うと単結晶基板の厚み方向に沿って切断部分に強い応力が加わり、切断部分に割れや欠けが生じやすいという課題があった。

このため、ブレードを用いたダイシングに代えて、カッティングラインに沿って単結晶基板にレーザー光線を照射して蒸発させ（アブレーション）ダイシングを行う方法が知られている。
例えば、特許文献１には、レーザー光線の焦点位置をダイシングラインの表層側にして照射し、更にレーザー光線の焦点位置を切断領域に対応する半導体ウェーハの内部に設定し、レーザー光線を照射して、半導体ウェーハを個々のチップに分割する半導体装置の製造方法が記載されている。
また、例えば、特許文献２には、切断予定ラインに予め凹部を形成し、この凹部に沿ってレーザービームを照射して切断する半導体基板の切断方法が記載されている。

特許第２８２５７５３号公報 特開２００８−１６６４４５号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に代表される、レーザー光線のエネルギーによって単結晶基板の一部を蒸発、分解させて切断する方法では、単結晶基板を完全に切断可能な程度の高エネルギーのレーザー光線を照射することになるため、単結晶基板の切断面のダメージが大きすぎるという課題があった。また、こうした高エネルギーのレーザー光線を照射可能な高出力レーザー光源も必要となり、切断装置が大型化、高コスト化してしまうという課題もある。

本発明にかかるいくつかの態様は、上記事情に鑑みてなされたものであり、切断面に割れや欠けを生じさせること無く単結晶基板を切断可能であり、かつ、切断時に単結晶基板に強いダメージが加わることが無い単結晶基板の切断装置、単結晶基板の切断方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は次のような単結晶基板の切断装置、および単結晶基板の切断方法を提供した。
すなわち、本発明の単結晶基板の切断装置は、単結晶基板を所定のカッティングラインに沿って切断する単結晶基板の切断装置であって、前記カッティングラインに沿って電磁波または粒子線を照射し、前記単結晶基板の一部を多結晶化または非晶質化させる照射線源と、前記カッティングラインに沿って、前記単結晶基板を切断するブレードと、を少なくとも備えたことを特徴とする。

前記照射線源はレーザー光源であればよい。
また、このレーザー光源は、パルスレーザー光源であればよい。

本発明の単結晶基板の切断方法は、単結晶基板を所定のカッティングラインに沿って切断する単結晶基板の切断方法であって、前記カッティングラインに沿って電磁波または粒子線を照射し、前記単結晶基板の一部を多結晶化または非晶質化させる多結晶化工程と、前記カッティングラインに沿ってブレードを移動させ、前記単結晶基板を切断する切断工程と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

前記電磁波または粒子線は、少なくとも前記カッティングラインの外側領域に照射されればよい。
前記電磁波または粒子線は、前記カッティングラインの両側端にそれぞれ沿うように２本同時に照射されればよい。

前記電磁波または粒子線は、前記単結晶基板の表面から所定の深さまでをアブレーションによって除去すればよい。
前記電磁波または粒子線は、前記カッティングラインに沿って間欠的に照射されればよい。

前記電磁波はレーザー光線であればよい。
前記単結晶基板はシリコン単結晶ウェーハであればよい。

本発明の単結晶基板の切断装置、および切断方法によれば、単結晶基板の多結晶化工程と平行して、または、多結晶化工程の完了後に、多結晶化、または非晶質化されたカッティングラインに沿って、ブレードの回転によって単結晶基板を切断する。この時、カッティングラインの外側、即ちカッティングラインの加工幅よりも広い幅で単結晶基板多結晶化、または非晶質化されているので、ブレードの回転によって比較的強い応力が単結晶基板に加わっても、カッティングラインの両側端に劈開などによる割れや欠けが生じることを効果的に防止することができる。よって、エッジ部分の割れや欠けの発生を防止した半導体チップを得ることができる。

本発明の切断装置を示す模式図である。 単結晶基板を示す平面図である。 本発明の切断方法を示す模式図である。 多結晶化工程における改質領域の形成の様子を示す断面図である。 他の実施形態の多結晶化工程における改質領域の形成の様子を示す断面図である。 他の実施形態における切断方法を示す模式図である。 他の実施形態における切断方法を示す模式図である。 他の実施形態における切断方法を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る単結晶基板の切断装置の一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本発明の単結晶基板の切断装置の一例を示す全体構成図である。
本発明の切断装置１０は、円形の回転刃であるブレード（ダイシングブレード）１１と、照射線源１２と、被切断物である単結晶基板Ｗを載置するステージ１３と、冷却液供給ユニット１４を備えている。
ブレード１１は、例えば周縁部に微細なダイヤモンド粒子が散在され、全体がステンレス鋼などから形成されている。こうしたブレード１１はモータ１５によって回転駆動される。

照射線源１２は、電磁波または粒子線を単結晶基板Ｗの一面に向けて照射させるものであり、電磁波としては、例えばレーザー光線、Ｘ線、ガンマ線などが挙げられる。また、粒子線としては、イオン化された原子や分子など、電子線、陽子線、中性子線などの粒子からなる粒子ビームが挙げられる。このうち、レーザー光線は、小型の光源装置によって比較的容易、かつ安価に得られるので、以下の実施形態における照射線源１２としてはレーザ光源装置を用いる。

ステージ１３は、ブレード１１やレーザ光源装置（照射線源）１２に対して、切断方向に沿って移動する。なお、本実施形態ではステージ１３を移動可能に構成しているが、ブレード１１やレーザ光源装置１２を移動可能にした構成であっても良い。以下の説明においては、ステージ１３に載置された単結晶基板Ｗと、ブレード１１およびレーザ光源装置１２とは、互いに相対移動するものとする。

冷却液供給ユニット１４は、切断時のブレード１１と単結晶基板Ｗとの摩擦による発熱を抑制するために冷却液を切断部分に供給するものである。こうした冷却液は、例えば純水が好ましく用いられる。

被切断物である単結晶基板Ｗは、例えば一面（表面）に多数の集積回路を形成したシリコン単結晶ウェーハであればよい。
図２（ａ）に示すように、単結晶基板Ｗの一面Ｗａは、切断中心線Ｃに沿って、個々の集積回路が形成された領域ごとに切断（Dicing）され、多数の半導体チップ２０が１枚の単結晶基板Ｗから形成される（切り出される）。この時、図２（ｂ）に示すように、ブレード１１の厚みに相当する分だけ加工しろとして切断屑となり除去される。

こうした切断中心線Ｃを中心とした幅ｔ１の細長い領域である加工しろに相当する部分を、以下の説明においてカッティングライン２５と称する。このカッティングラインという表現は、切断を行う際に予め設定する予定線を示すとともに、実際に切断が行われた後の領域（ダイシングストリート）も含む。
また、半導体チップ２０という表現は、カッティングライン２５に沿って実際に切断されて切り出されたものを示す以外に、これから切断を行うのに伴って形成される（区画される）予定の、個々の半導体チップの形成領域も含むものとする。

次に、上述した本発明の切断装置の作用、および本発明の切断方法について説明する。
図３（ａ）は、本発明の切断方法を示す模式図である。本発明による単結晶基板Ｗの切断（ダイシング）にあたっては、まず、単結晶基板Ｗに対して加工幅ｔ１の細長いカッティングライン（切断予定線）２５を設定する。このカッティングライン２５は、互いに隣接する半導体チップ２０の形成領域のどうしの中間に設定された切断中心線Ｃ（図２参照）を中心として、ブレード１１の厚みを勘案して設定すればよい。

次に、このカッティングライン２５の加工幅ｔ１よりも外側領域まで、レーザ光源装置１２からレーザー光線ＬＲを照射する。このレーザー光線ＬＲの照射幅ｔ２は、カッティングライン２５の加工幅ｔ１よりも広くなるように設定される。即ち、レーザー光線ＬＲは、カッティングライン２５のエッジを越えて、半導体チップ２０の形成領域の端部まで細長く照射される。

図４に示すように、単結晶基板Ｗにレーザー光線ＬＲが照射されると、レーザー光線のエネルギーによって単結晶領域Ｓｐに歪が生じ、結晶構造が多結晶化、または非晶質化した改質領域Ｓｎが形成される（多結晶化工程）。

単結晶基板Ｗの単結晶領域Ｓｐは、原子が所定の方位に沿って整然と配列しているので、機械的な切断などの応力が加わると、特定の結晶面に沿って割れる劈開が生じやすい。一方、結晶構造を多結晶化、または非晶質化させた改質領域Ｓｎでは、原子がランダムに乱れて配列しているので特定の結晶面が存在せず、従って劈開が生じることが無い。

なお、この多結晶化工程においては、レーザー光線ＬＲの単結晶基板Ｗの一面に対する照射角度（入射角度）は、単結晶基板Ｗが劈開しやすい方向、即ち劈開面に沿って照射し、単結晶基板Ｗの劈開面に沿った方向を特に多結晶化、または非晶質化するのも好ましい。

再び図３（ａ）を参照して、こうした単結晶基板Ｗの多結晶化工程と平行して、または、多結晶化工程の完了後に、改質領域Ｓｎが形成されたカッティングライン２５に沿って、ブレード１１の回転によって単結晶基板１０を切断（ダイシング）する（切断工程）。この時、カッティングライン２５の外側、即ちカッティングライン２５の加工幅ｔ１よりも広い幅ｔ２の改質領域Ｓｎが形成されているので、ブレード１１の回転によって比較的強い応力が単結晶基板Ｗに加わっても、カッティングライン２５の両側端２５ａ，２５ｂに劈開などによる割れや欠けが生じることを効果的に防止することができる。

このようにして切り出された（ダイシングされた）半導体チップ２０は、その周囲が幅Δｔ（（ｔ２−ｔ１）／２）の改質領域Ｓｎが形成された状態となる。こうした半導体チップ２０のエッジ部分を、多結晶構造や非晶質構造からなる改質領域Ｓｎとすることによって、半導体チップ２０のエッジ部分の割れや欠けの発生を防止することができる。
なお、個々の半導体チップ２０の周縁部に形成される改質領域Ｓｎの幅Δｔは、半導体チップ２０の回路配線に影響を与えない程度の幅に設定される。このため、多結晶化工程におけるレーザー光線ＬＲの照射幅ｔ２は、切断後の半導体チップ２０に残る改質領域Ｓｎが半導体チップ２０の回路配線にかからない程度に設定すればよい。

なお、上述した実施形態においては、図４に示すように、単結晶基板Ｗの一面側から他面側までの厚み全体を改質領域Ｓｎとしているが、これ以外にも、例えば図５に示すように、単結晶基板Ｗの一面側から所定の深さＤ１までを改質領域Ｓｎとし、それよりも他面側は単結晶領域Ｓｐとして残すことも好ましい。このような、単結晶基板Ｗの厚みのうち所定の深さＤ１までを改質領域Ｓｎとする場合には、レーザ光源装置１２から照射されるレーザー光ＬＲの強度や焦点を適宜設定することによって実現できる。

図６は、本発明の切断方法の別な実施形態を示す模式図である。
この実施形態では、単結晶基板Ｗの多結晶化工程において、カッティングライン２５の両側端２５ａ，２５ｂにそれぞれ沿うように、２本のレーザー光線ＬＲ１，ＬＲ２を同時に照射するものである。このため、この実施形態における切断装置は、２つのレーザ光源装置１２ａ，１２ｂを備えている。

そして、多結晶化工程において、カッティングライン２５の一方の端部２５ａに向けて、レーザ光源装置１２ａからレーザー光線ＬＲ１を照射する。また、カッティングライン２５の他方の端部２５ｂに向けて、レーザ光源装置１２ｂからレーザー光線ＬＲ２を照射する。これによって、カッティングライン２５の両側端部分が、幅ｔ３でそれぞれ改質（多結晶化、または非晶質化）され、改質領域Ｓｎ１，Ｓｎ２が形成される。こうした改質領域Ｓｎ１，Ｓｎ２も、それぞれカッティングライン２５の外側、即ちカッティングライン２５の加工幅ｔ１よりも外側まで形成される。

これによって、切断工程において、ブレード１１の回転によって比較的強い応力が単結晶基板Ｗに加わっても、多結晶化、または非晶質化された改質領域Ｓｎ１，Ｓｎ２によって、カッティングライン２５の両側端２５ａ，２５ｂに、劈開などによる割れや欠けが生じることを効果的に防止することができ、エッジ部分に割れや欠けのない半導体チップ２０を得ることができる。

なお、この実施形態においては、複数本のレーザー光線を照射させるために、２つのレーザ光源装置１２ａ，１２ｂを設けているが、これ以外にも、例えば１つのレーザ光源装置から照射された１本のレーザー光線を、プリズムやハーフミラーなどの光学分光装置を用いて、複数本のレーザー光線に分割してから単結晶基板に向けて照射するような構成であっても良い。

図７は、本発明の切断方法の更に別な実施形態を示す模式図である。
図７（ａ）に示すように、この実施形態における多結晶化工程では、カッティングライン２５の加工幅ｔ１よりも広い照射幅ｔ２のパルスレーザー光線ＬＲｐで、単結晶基板Ｗのカッティングライン２５に沿って、間欠的に改質領域Ｓｎ３，Ｓｎ３…を形成する。このため、この実施形態におけるレーザ光源装置は、パルスレーザー光源装置１７を用いる。

そして、カッティングライン２５の外側領域まで、レーザ光源装置１７からパルスレーザー光線ＬＲｐを照射する。これによって、結晶構造が多結晶化、または非晶質化したスポット状の改質領域Ｓｎ３，Ｓｎ３…が、カッティングライン２５の外側、即ちカッティングライン２５の加工幅ｔ１よりも外側まで形成される。

これによって、切断工程において、ブレード１１の回転によって比較的強い応力が単結晶基板Ｗに加わっても、多結晶化、または非晶質化された改質領域Ｓｎ３，Ｓｎ３…によって、カッティングライン２５の両側端２５ａ，２５ｂに、劈開などによる割れや欠けが生じることを効果的に防止することができる。図７（ｂ）に示すように、こうして得られた半導体チップ２０は、その周縁部分に間欠的に改質領域Ｓｎ３，Ｓｎ３…が残り、半導体チップ２０のエッジ部分の割れや欠けの発生を防止することができる。

図８は、本発明の切断方法の更に別な実施形態である、単結晶基板の厚み方向に沿った断面図である。
この実施形態では、図８（ａ）に示すように、複層、例えば２層の単結晶基板ＷＳを用いて、カッティングライン２５を設定する。２層の単結晶基板ＷＳを構成する第一層３１は、例えばシリコン単結晶から構成されれば良い。また、この第一層３１に重ねて形成される第二層３２は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、アモルファスシリコン、石英ガラスなどの薄膜であればよい。

そして、図８（ｂ）に示すように、多結晶化工程ではレーザ光源装置１２から比較的強度の強いレーザー光線ＬＲｓを照射し、カッティングライン２５の幅ｔ１よりも広い幅ｔ２の範囲で、第二層３２をアブレーション（蒸発、侵食による分解）によって除去する。この時、単結晶構造の第一層３１の表面（露呈部分）に、幅ｔ２の範囲で多結晶化、または非晶質化した改質領域Ｓｎ４を形成することが好ましい。

これによって、ブレードによる切断工程においては第一層３１だけを切断する形となり、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、アモルファスシリコン、石英ガラスなど、割れや欠けが生じやすい第二層３２にブレードの応力が加わることが無い。このため、切り出した多層膜の半導体チップのエッジ部分の割れや欠けの発生を効果的に防止することができる。

１０…切断装置（単結晶基板の切断装置）、１１…ブレード（ダイシングブレード）、１２…レーザ光源装置（照射線源）、２５…カッティングライン、Ｗ…単結晶基板。

Claims (10)

1. 単結晶基板を所定のカッティングラインに沿って切断する単結晶基板の切断装置であって、
   前記カッティングラインに沿って電磁波または粒子線を照射し、前記単結晶基板の一部を多結晶化または非晶質化させる照射線源と、
   前記カッティングラインに沿って、前記単結晶基板を切断するブレードと、
   を少なくとも備えたことを特徴とする単結晶基板の切断装置。
2. 前記照射線源はレーザー光源であることを特徴とする請求項１記載の単結晶基板の切断装置。
3. 前記レーザー光源は、パルスレーザー光源であることを特徴とする請求項２記載の単結晶基板の切断装置。
4. 単結晶基板を所定のカッティングラインに沿って切断する単結晶基板の切断方法であって、
   前記カッティングラインに沿って電磁波または粒子線を照射し、前記単結晶基板の一部を多結晶化または非晶質化させる多結晶化工程と、
   前記カッティングラインに沿ってブレードを移動させ、前記単結晶基板を切断する切断工程と、
   を少なくとも備えたことを特徴とする単結晶基板の切断方法。
5. 前記電磁波または粒子線は、少なくとも前記カッティングラインの外側領域に照射されることを特徴とする請求項４記載の単結晶基板の切断方法。
6. 前記電磁波または粒子線は、前記カッティングラインの両側端にそれぞれ沿うように２本同時に照射されることを特徴とする請求項４または５記載の単結晶基板の切断方法。
7. 前記電磁波または粒子線は、前記単結晶基板の表面から所定の深さまでをアブレーションによって除去することを特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記載の単結晶基板の切断方法。
8. 前記電磁波または粒子線は、前記カッティングラインに沿って間欠的に照射されることを特徴とする請求項４ないし７いずれか１項記載の単結晶基板の切断方法。
9. 前記電磁波はレーザー光線であることを特徴とする請求項４ないし８いずれか１項記載の単結晶基板の切断方法。
10. 前記単結晶基板はシリコン単結晶ウェーハであることを特徴とする請求項４ないし９いずれか１項記載の単結晶基板の切断方法。
    

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