JP6219904B2 - 半導体ウェハを個片化するためのレーザファイバアレイ - Google Patents

Description

本発明は半導体ウェハの個片化（ｓｉｎｇｕｌａｔｉｏｎ）に関し、特にレーザエネルギーを使用した半導体ウェハの個片化に関する。

従来から、半導体チップのマトリックスを備える半導体ウェハのレーザ切断のために単一レーザビームが使用されてきた。半導体工業用のレーザ個片化機器は通常、１つの高出力レーザを使用する。通常、赤外発光、緑色発光、又は紫外発光を有するｑ−スイッチ固体レーザが使用される。レーザビームは、ミラー及びレンズを介して半導体ウェハ上に焦点を合わされて、半導体ウェハの材料を溶融し、半導体ウェハの半導体チップを分離する。レーザ出力は、外付けの減衰器によって調整される。

複数のレーザビームが半導体ウェハを切り出すために同時に使用されることになる場合には、レーザビームは単一のレーザ出力源から回折光学素子（ＤＯＥ）システムの手段によって複数のビームに分けられ（ｓｐｌｉｔ）てもよい。望ましいレーザ分割の結果を得るために、ビームスプリッタ及び自由空間光通信が通常はそのようなＤＯＥシステムに組み込まれる。

既存の個片化プロセスの例は、溝切り（ｇｒｏｏｖｉｎｇ）、ダイシング、及びステルスダイシングを含む。溝切り中には、溝が半導体ウェハ上に形成されて、ウェハの低誘電率の頂上層のみを除去し、ウェハは後続のステップにおいてだけ分離される。ダイシングプロセスでは、レーザビームは十分な半導体ウェハ材料を除去して、ウェハの厚みを完全に切断する。ステルスダイシング中には、レーザビームは半導体ウェハの両面間で焦点を合わされて、ウェハへの表面損傷を回避しつつ、ウェハを溶融する。上記個片化プロセスのいずれかを使用するレーザ切断に対しては、異なる波長、パルスエネルギー、繰り返し周波数、若しくはパルス長さ、又はビーム当たりの異なる偏光によって、切断のためのレーザビームの複数のパスが必要とされる場合がある。しかし、単一出力源への依存は、レーザ個片化装置の切断効率を制限する。

さらに、ＤＯＥシステムは一般的に高価であり、定期的な予防保全を必要とする。現在のＤＯＥシステムに使用される回折ビームスプリッタは、多くのレンズ及び空間フィルタによる高機能のビーム供給光学（ｂｅａｍ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｏｐｔｉｃｓ）を必要とする。単一の高出力レーザのみの使用によって、光学要素の寿命が制限される。

レーザビームの数及びレーザビームそれぞれの特性が、ＤＯＥシステムの光路設計によって本質的に決定されるので、レーザビームは互いから独立して容易に制御することができない。これは、レーザビームが同じレーザ源から発生しているからである。したがって、それぞれのレーザビームを独立して制御できるようにして、レーザによる個片化を行う際に、従来技術の前述した欠点を回避することが有益である。

したがって、本発明の目的は、複数のレーザビームを同時に生成することができ、従来技術に比較してより大きな柔軟性を持って使用することができるレーザ個片化装置を提供しようとすることである。

したがって、本発明は基板を切断するための装置を提供し、この装置は、第１及び第２のレーザと；第１及び第２の光ファイバであって、これら光ファイバが入力端と、この入力端に対向する出力端と、を有し、第１及び第２の光ファイバの入力端が第１及び第２のレーザそれぞれに接続されている、第１及び第２の光ファイバと；を備え、第１及び第２の光ファイバの出力端は、基板に対して可動であるとともに、第１及び第２のレーザビームを、基板を切断するために同時に基板上に結像させる（ｉｍａｇｅ）ように構成されている。

本発明を、以下に添付の図面を参照することによって詳細に記載するのが都合がよい。図面の詳細および関連する記載は、特許請求の範囲に記載された発明の広い特定の一般的概念にとって代わるものと理解すべきではない。

本発明によるレーザ個片化装置の例が、添付の図面を参照しつつ以下に説明される。

個片化されるべき半導体チップのマトリックスを備える半導体ウェハの平面図である。 複数のレーザビームを生成するための本発明の第１の好ましい実施形態によるレーザファイバアレイを図示する図である。 ２つの異なるタイプのレーザ源を備える、本発明の第２の好ましい実施形態によるレーザファイバアレイを図示する図である。 治具上に配置されているレーザファイバアレイに供えられた光ファイバの断面図である。 図２に示されたレーザファイバアレイを使用した第１の例示の切断方法の図である。 図２に示されたレーザファイバアレイを使用した第２の例示の切断方法の図である。

図１は、切断によって個片化される半導体チップ１２のマトリックスを備える半導体ウェハ１０の平面図である。半導体ウェハ１０は移動可能なウェハプラットホーム１１上に支持されている。多くの切断線１４が半導体ウェハ１０の表面に図示されている。参照目的で、図１はまた、多くの切断線１４の長手方向中心軸１４’をも示している。

これら切断線１４は、半導体チップ１２間において略水平な平面上にＸ−Ｙグリッドパターンで延びており、半導体チップ１２は半導体ウェハ１０の表面にマトリックス配置で分散されている。通常、典型的な半導体ウェハ１０上には多くのこのような半導体チップ１２があるが、ここでは簡単のため、及び明瞭さのために数個のみが示されている。図１は、半導体ウェハ１０を特定の方向（この場合には±Ｙ）における複数の連続する切断線１４に沿ってダイシングするための、縦方向の切断の後に横方向のステップが行われる方法が示されている。

以下は、ダイシングプロセスが行われる方法の例である。半導体ウェハ１０は、レーザビームを−Ｙ方向にスキャンすることによって切断線１４ａに沿ってダイシングされる。実際には、このような相対的動作は、ウェハプラットホーム１１を＋Ｙ方向に移動する（図示されていない）駆動システムを使用することによって達成可能である。

切断線１４ａに沿ったダイシングランを完了した後に、駆動システムは、ウェハプラットホーム１１を＋Ｘ方向に量ΔＸだけステップさせるように駆動される。結果として、レーザビームは効果的に半導体ウェハ１０に対して量−ΔＸだけシフトさせられる。ここで、半導体ウェハ１０は、レーザビームを＋Ｙ方向にスキャンすることによって、切断線１４ｂに沿ってダイシングされる。実際には、この相対的な動作は、ウェハプラットホーム１１を−Ｙ方向に移動させるように、駆動システムを作動させることによって達成可能である。

図１に図示されている装置では、２つの別々の（図示されていない）リニアモータが、ウェハプラットホーム１１を直行するＤ１及びＤ２軸に沿って独立して駆動するように作動可能であり、Ｄ１及びＤ２軸は、Ｘ及びＹ軸に対して４５°の角度をなしている（ｓｕｂｔｅｎｄ）。そのように、Ｘ及び／又はＹにおけるウェハプラットホーム１１の動作は、同時に生じるＤ１及びＤ２の駆動を含んでいる。

図２は、半導体ウェハ１０のような基板を切断するための複数のレーザビームを生成するための、本発明の第１の好ましい実施形態によるレーザビームアレイ２０を図示している。図示された実施形態において、複数のレーザＬ１〜Ｌ５は、それらの組み合された出力が、半導体ウェハ１０上にレーザスポットのリニアアレイを形成するように構成されている。簡単のために５つのレーザＬ１〜Ｌ５しか示されていないが、より多くの、又はより少ないレーザをレーザファイバアレイ中に組み込むことができる。例えば、第１及び第２のレーザが、望ましい結果に依存して十分である場合がある。

光ファイバ２４が、複数のレーザＬ１〜Ｌ５に接続されている。光ファイバ２４それぞれは、レーザＬ１〜Ｌ５に接続された入力端と、レーザビームを半導体ウェハ１０上に出力し結像させるように構成された出力端を有している。光ファイバ２４の出力端は、直線的に配置されて、レーザスポットの直線的なアレイを得ることができ、ファイバ２４の端部から出力されるレーザビームは、レンズアセンブリ２６を介して、半導体ウェハ１０の表面上に結像される。レンズアセンブリ２６は、所定の光拡大係数または縮小係数Ｍを有し、ウェハプラットホーム１１上に支持された半導体ウェハ１０の表面上の高強度のレーザスポットのアレイを結果的にもたらす。光ファイバ２４は半導体ウェハ１０に対して可動であって、ウェハを切断するために使用されるレーザスポットを動かす。

レーザＬ１〜Ｌ５のそれぞれは、制御システムのコントローラＣ１〜Ｃ５それぞれによって別々に制御される。出力、パルス幅、及びレーザＬ１〜Ｌ５それぞれの活性化／非活性化のような、レーザＬ１〜Ｌ５によって使用される作動パラメータは、レーザそれぞれの作動が、別のレーザの作動から独立であるように制御可能である。レンズアセンブリ２６は、最適化された結像条件から、イメージコントローラ３２によってレンズアセンブリを調整することによって、Ｚ‐方向に離調させる（ｄｅｔｕｎｅ）ことができ、それによって所定の量の焦点ボケを、半導体ウェハ１０上に結像されるパターンに適用することができる。ｘ−ｙ軸に沿った半導体ウェハ１０の水平位置は、ウェハプラットホーム１１に動作的に接続された位置コントローラによって制御される。さらに、主コントローラが、図１を参照して記載されるように、半導体ウェハ１０の個片化プロセス全体を制御する。

最後のレーザファイバアレイ２０に含まれるレーザの組み合わせの異なるタイプの使用には柔軟性がある。赤外線レーザ個片化装置の場合には、低出力のパルスファイバレーザの束を使用することができる。他方で、緑色のレーザ個片化装置に対しては、低出力周波数倍加ＤＰＳＳｑ−スイッチレーザそれぞれをパッシブ光ファイバ中に連結させることができる。溝切り用途に対しては、紫外線レーザの束を、いわゆるトレンチングパスのためにそれぞれのパッシブファイバ中に結合させることができる。さらに、１つ以上の赤外線ファイバレーザを、トレンチングパスの後に、ウェハに内部溝を形成するために束に加えることができる。レーザファイバアレイ２０全体を、デュアル波長の反射防止コーティングを有する対物レンズアセンブリ２６を介して、半導体ウェハ１０上に結像させることができる。

図３は、２つの異なるタイプのレーザ源４６、５０を備える本発明の第２の好ましい実施形態によるレーザファイバアレイ２０’の図である。リニアレーザファイバアレイ２０に備えられる単一タイプのレーザＬ１〜Ｌ５の代わりに、レーザファイバアレイ２０’は、第２の周波数で赤外波長のレーザビームを発光する赤外線レーザ５０と組み合わされた、第１の周波数で紫外周波数を有するレーザビームを発光する紫外線レーザ４６のような、異なるタイプのレーザの組み合わせを備えることができる。

赤外線レーザ４６は、光ファイバ結合アセンブリ４８に接続され、光ファイバ結合アセンブリ４８は、紫外線レーザ４６の出力を複数の分けられた（ｓｐｌｉｔ）レーザビームに分ける。

光ファイバ結合アセンブリ４８はビームスプリッタ４９及びミラー５１を備える。光ファイバ結合アセンブリ４８は、光ファイバ２４それぞれに接続され、光ファイバのそれぞれは別々の分けられたレーザビームに結合し、その出力端において溝４２を含む固定具に固定されている。光ファイバ２４は、接着剤とカバー４４とによって固定具４０に固定されている。

赤外線レーザ５０は、別の固定具４０’に固定された光ファイバ２４’に接続されている。光ファイバ２４、２４’それぞれからの出力は、レーザビーム出力を調整するためにビーム拡大器（ｚｏｏｍ ｂｅａｍ ｅｘｐａｎｄｅｒ）５２、５２’を通過する。赤外線レーザ５０に接続された光ファイバ２４’からの出力は、二色性ビームスプリッタ（ｄｉｃｈｒｏｉｔｉｃ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）５６へ、ミラーによって反射される。その一方で、紫外線レーザ４６に接続された光ファイバ２４からの出力は、二色性ビームスプリッタ５６を通過する。紫外線及び赤外線レーザ４６、５０によって生成されるレーザビームは、したがって二色性ビームスプリッタ５６を介する単一の出力経路に合流し、また別のミラーによって反射され、次いでレンズアセンブリ２６を通じて半導体ウェハ１０上に焦点を結ぶ。

このような配置によって、紫外線及び赤外線によって生成されたレーザビームの異なる焦点サイズが可能となる。したがって、トレンチを形成するため高い周波数での紫外線レーザビームと、単一経路における溝を掘るための赤外線レーザビームと、を一緒に同時使用することが可能である。

したがって、そのような装置は、レーザのマルチタイプ又は構成が設定されるのを可能にし、レーザそれぞれは、異なるパラメータ（例えば波長、パルスエネルギー、若しくはパルス繰り返し率）を、１つの切断パス中に同時に有することを可能にする。

記載された実施形態は、直線的に配置されたレーザファイバアレイ２０を開示するが、レーザファイバアレイを好適な固定具によって二次元に配置することもまた可能である。さらに、１つ以上のレーザＬ１〜Ｌ５は、他のレーザより大きな出力を有することができる。

図４は、レーザファイバアレイ２０に備えられた光ファイバ２４の断面図であり、光ファイバ２４の出力端は固定具４０上に配置されている。固定具４０は、平坦な表面と、固定具４０の平面状表面上に形成された略平面方向に配置された複数の溝４２（ｖ字状の形状であって良い）と、を有する。レーザＬ１〜Ｌ５から出る光ファイバ２４は、このように溝４２上に載置され、光ファイバを互いに対して望ましい配置に位置付ける。光ファイバ２４を配置した後、光ファイバ２４はカバー４４によって固定具４０上に固定されて、そのさらなる相対的な移動を防止している。

図５は、図２に示されたレーザファイバアレイ２０を使用する第１の例示の切断方法の図である。レーザファイバアレイ２０は、レーザスポットのアレイ５８を生じさせ、このレーザスポットのアレイ５８は、ウェハを切断するために、半導体ウェハ１０上の切断線１４に沿って直線的に配置される。この例では、レーザスポットのアレイ５８は６つのレーザスポット６０を備えているが、レーザスポットの数は設計によって変化させることができる。

直線状のレーザスポットのアレイ５８が、金属のテスト用要素グループ（ＴＥＧ）６２のような、切断しにくい切断ライン１４に沿った領域に遭遇すると、ＴＥＧ６２に到達するレーザスポット６０それぞれに対するレーザ出力を、ＴＥＧ６２の位置において増加させることができる。したがって、ＴＥＧ６２に作用するように配置された測定のレーザスポット６０が、増加した出力によってＴＥＧ６２を切断するのにより効果的になる。個々のレーザスポット６０は、一旦ＴＥＧ６２の位置を通過すると、そのレーザエネルギーを、ウェハ材料を切断するための通常の処理出力まで再度削減される。

図６は、図２に示されたレーザファイバアレイ２０を使用する第２の例示の切断方法の図である。直線状に配置されたレーザスポットのアレイ５８は、ここではほとんど完全にＴＥＧ６２の位置を通過している。

レーザスポットのアレイ５８が半導体ウェハの端縁に到達すると、半導体ウェハ１０の端縁を超えて延びるレーザスポット６０は、半導体ウェハ１０を支持している（図示されていない）ダイシングテープに作用することになる。必要に応じて、そのようなダイシングテープ上に到達するレーザスポット６０はスイッチを切られてダイシングテープへの損傷が無いように防止される。その一方で、切断線１４に沿ったウェハの端縁までの半導体ウェハ１０の完全な切断が、可能な正確な制御のおかげで、より正確に達成される。

本発明の記載された実施形態による装置が、複数のレーザスポットを半導体ウェハ１０上に結像させるように構成されている光ファイバのアレイを介した、半導体ウェハ１０上へのレーザビームの供給を提供していることが理解される。したがって、ビームスプリッタ及び自由空間光通信を使用する高価なＤＯＥシステムを回避することができる。光ファイバ２４を通じたレーザビームの供給の使用は、半導体ウェハ１０を切断するために使用されるレーザスポット６０の柔軟な配置を可能にする。

拡張された柔軟性は、複数のレーザビームに備えられた個々のレーザビームの特性の、互いから独立したリアルタイムの制御を可能にする。例えば、半導体ウェハ１０の端縁に到達すると、支持しているダイシングテープに作用するレーザスポット６０それぞれのスイッチを別々に切り、一方で別のレーザスポット６０は半導体ウェハ１０を切断し続けて、ダイシングテープを損傷するリスクを減少させる。

さらに、金属のテスト構造のような切り難い半導体ウェハ１０の領域に到達すると、その領域に位置するレーザスポット６０の出力を、その領域をより効果的に切断するように増加させることができる。そのような領域の配置に関する適切な知識によって、レーザスポット６０それぞれは、その領域上でホバリングしている際に、半導体ウェハ１０を高い出力で切断することができ、それによって、そのような高い出力を必要としない他の領域に関連する不必要な熱を導入することなく、半導体ウェハの切断用のプロセスパラメータを最適化することができる。

このように、溝を掘るための高価な高出力の紫外線レーザは、安価な赤外線レーザで置き換えることができる。トレンチの形成は、トレンチ形成に対する要求を単に満足するレベルに限定された技術仕様を有する比較的安価な紫外線レーザによって行うことができる。また、トレンチ形成と溝掘りとを、同じパス中に、低いコストで入手可能な速い単一パスの溝掘り装置で先導して達成することができる。

また、低いコストで達成可能である処理能力の改善が赤外線レーザによる個片化に適用可能である。ダイシング用途に対しては、通常４つのパスが適用され、最後の２つのパスは、残留する溶融物のブリッジを除去するためのいわゆる「洗浄」パスである。最初の２つのパスの後、典型的なウェハは既に完全にダイシングされている。しかし、溶融物のブリッジは小さなステップを使用した高いパルス繰り返し率で最も良く除去され、一方、ダイシングは大きなステップを使用する低いパルス繰り返し率を必要とする。本発明の好ましい実施形態による装置で可能なダイシング方法によって、レーザのうちの１つを高い繰り返し率で作動させ、一方で他のレーザを低い繰り返し率で作動させることができる。したがって、低い繰り返し率での複数のレーザスポット６０が半導体ウェハ１０をダイシングするために作動可能であり、一方で高い繰り返し率でのレーザスポット６０が続いて、同じパス中に溶融物のブリッジを除去する。この方法は、異なるパルス繰り返し率と、レーザスポット当たりの出力と、で同時に作動可能である複数の赤外線レーザを使用して可能である。この方法で、必要とされる切断パスの数を削減することによって、処理能力の改善が達成できる。

ここに記載されてきた本発明は、特に記載されたもの以外の変形、変態、及び／又は追加を許容し、本発明が上述の開示の精神及び技術的範囲に入るそのような変形、変態、及び／又は追加をすべて含むことが理解されるべきである。

１０ 半導体ウェハ
１１ ウェハプラットホーム
１２ 半導体チップ
１４ 切断線
１４’ 長手方向中心軸
２０、２０’ レーザビームアレイ
２４ 光ファイバ
２６ レンズアセンブリ
３２ イメージコントローラ
４０ 固定具
４２ 溝
４４ カバー
４６、５０ レーザ源
４８ 光ファイバ結合アセンブリ
４９ ビームスプリッタ
５１ ミラー
５６ 二色性ビームスプリッタ
５８ レーザスポットのアレイ
６０ レーザスポット
６２ テスト用要素グループ（ＴＥＧ）
Ｃ１〜Ｃ５ 制御システムのコントローラ
Ｄ１、Ｄ２ 軸
Ｌ１〜Ｌ５ レーザ

Claims (13)

1. 基板を切断するための装置であって、該装置が、
   第１及び第２のレーザと、
   第１及び第２の光ファイバであって、それぞれが、入力端と、該入力端に対向する出力端と、を有し、前記第１及び第２の光ファイバの前記入力端が、前記第１及び第２のレーザにそれぞれ接続されている、第１及び第２の光ファイバと、
   １つ以上のさらなるレーザ及び該１つ以上のさらなるレーザにそれぞれ接続された入力端を有する１つ以上の光ファイバであって、結合した複数の前記光ファイバからの出力が前記基板の切断線に沿ったレーザスポットの水平アレイを形成するように設けられた、前記１つ以上のさらなるレーザ及び前記１つ以上の光ファイバと、
   前記第１及び第２のレーザのうちの一方のレーザの作動が他方のレーザから独立であるように、選択的に活性化するか又は非活性化するように前記レーザそれぞれを作動可能である制御システムと、
   を備え、
   前記第１及び第２の光ファイバの前記出力端、及び前記１つ以上のさらなる光ファイバの出力端は、前記基板に対して可動であるとともに、前記基板の切断のために第１のレーザビーム、第２のレーザビーム、及び１つ以上のさらなるレーザビームを前記基板上に同時に結像させるように構成されており、かつ前記装置が使用中に前記基板の端縁を越えて延在する前記水平アレイのレーザスポットを消すように動作可能であることを特徴とする、装置。
2. 前記制御システムは、レーザの作動が互いに独立した状態で使用される作動パラメータを制御するための、レーザそれぞれに結合した別々のレーザコントローラを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１及び第２のレーザから出力される前記レーザビームは、合流して、レンズアセンブリを介して前記基板上の異なる点に同時に焦点を結ぶことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第１のレーザは、前記第２のレーザによって生成されたのとは異なる波長又は異なる周波数のレーザビームを生成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記第１のレーザは赤外線レーザであり、前記第２のレーザは紫外線レーザであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記基板上に前記レーザから生成されたレーザビームを結像させるための二波長の反射防止コーティングを有する対物レンズアセンブリをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. 前記複数の光ファイバからの結合した出力が、前記基板上に直線的なレーザスポットのアレイを形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記第１のレーザは、前記第２のレーザと同じタイプのレーザを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記第１及び第２のレーザは、ＤＰＳＳｑ−スイッチレーザであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記第１及び／又は第２のレーザは、複数の分けられたレーザビームにさらに分割され、前記複数の分けられたレーザビームは、別々の光ファイバに結合させられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 少なくともビームスプリッタとミラーとを備える光ファイバ結合アセンブリをさらに備え、前記別々の光ファイバのそれぞれが、前記複数の分けられたレーザビームのそれぞれを受け取るための前記光ファイバ結合アセンブリに取り付けられていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記光ファイバの出力端が、前記光ファイバの出力端のそれぞれに対する相対的位置を固定するために固定される固定具をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記固定具は、略平面方向に配置された複数の溝と、前記光ファイバの前記出力端を前記溝の中に固定して、前記光ファイバのさらなる相対的な動きを防止するように構成されたカバーと、を含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。