(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工システムを用いて、複数の複合電子デバイスを個別化するための方法であって、前記複数の複合電子デバイスは、階層的に構成された第１の基板及び第２の基板を含む組立体として製造されており、前記複数の複合電子デバイスは、前記複合電子デバイスの間にストリートが設けられ、前記第１の基板は前記第２の基板に面した第１面を有し、前記第２の基板は前記第１の基板に面した第２面を有し、前記第１の基板は回路を支持し、前記第１の基板は前記ストリートに沿って配置されたスペーサによって前記第２の基板と接続され、前記スペーサは前記第１の基板と前記第２の基板との間の間隔を形成し、前記スペーサは前記回路に到達する汚染を防ぐシールを形成し、前記レーザ加工システムは、焦点スポット、速度、波長、エネルギ、スポットサイズ、スポット形状、パルス幅、パルス波形及びパルス繰返し率を含むパラメータを含むレーザビームを有し、前記レーザビームビームは、前記組立体をマシニングするように動作し、前記第１の基板はアブレーション閾値を有し、前記方法は、
第１の所定のレーザパラメータ値を有する前記レーザビームによって、前記第１の基板に、前記複合電子デバイスの間の前記ストリートの１つに一致するとともに前記スペーサ間に整列されたスルーカットをレーザマシニングするステップであって、前記第１の所定のレーザパラメータ値は前記第１の基板の前記アブレーション閾値の１から１０倍の間のパルスエネルギー値を含む、ステップと、
第２の所定のレーザパラメータ値を有する前記レーザビームによって、前記第２の基板に、前記第１の基板内の前記スルーカットに揃えられた前記第２の基板内のスクライブをレーザマシニングするステップであって、前記第２の所定のレーザパラメータ値は前記焦点スポットを前記第２面の上に位置決めする値を含む、ステップと、
前記スクライブに沿って前記第２の基板を機械的に分割することによって、前記複合電子デバイスを個別化するステップであって、前記スペーサによって形成される前記シールは前記複合電子デバイスを分離する間は維持される、ステップと、
を有する方法。
【請求項２】
前記第１の基板の前記レーザマシニングを実行するために用いられる前記レーザパラメータは、１００ピコ秒以下のパルス幅を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記レーザビームの前記焦点スポットは、前記第１の基板の前記上面近傍にフォーカスされ、前記第１の基板内に前記スルーカットの前記レーザマシニングを実行する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記レーザビームの前記焦点スポットは、前記第１の基板の前記上面から約１００μｍ乃至１０００μｍ上方にフォーカスされ、前記第２の基板内に前記スクライブの前記レーザマシニングを実行する請求項１または３記載の方法。
【請求項５】
前記第１および第２の所定のパラメータ値は互いに異なる、
請求項１または４記載の方法。
【請求項６】
前記第１の基板に前記スルーカットをレーザマシニングするステップは、前記第１の基板にカーフエッジを生成し、
前記焦点スポットを前記第２の基板の前記第２面の上に位置決めするステップは、デフォーカスされたレーザビームを提供して前記カーフエッジ上のデブリと脆性材料を溶融させ、これにより亀裂に対する強度を高める、
請求項１または４記載の方法。
【請求項７】
前記レーザビームを用いて前記第２の基板にスクライブをレーザマシニングするステップは、スクライビング方向において実施され、
前記焦点スポットを前記第２面の上に位置決めするステップは、前記第１の基板に形成される前記スルーカットを前記レーザビームが通過する際に回折と反射を生じさせ、前記スクライビング方向に対して垂直な方向において空間分布のピークを生成し、これにより前記第２の基板における前記スクライブは前記スクライビング方向に対して平行な方向における空間分布よりも狭くなる、
請求項１または４記載の方法。
【請求項８】
前記第１の基板はウェハであり、前記第２の基板はガラスである、
請求項１または４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイスの個別化（singulation）に関する。詳しくは、本発明は、潜在的に異なる基板の層を組み立てることによってデバイスが構成される複合電子デバイス（compound electronic devices）の個別化に関する。より詳しくは、本発明は、アクティブ回路素子を含む、多くの場合シリコンである基板又はウェハが、多くの場合ガラス又はサファイアである光学的に透明な保護基板に結合されたイメージセンサ複合半導体デバイスの個別化に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体及び他の電子デバイスは、通常、基板上にデバイスの複数のコピーを作成し、続いて、これらのデバイスを個別化することによって製造されている。基板は、シリコン、サファイア、セラミック、ガラス又はガラスに類する材料から構成することができる。個別化は、デバイス間にカット又はブレイクを作成して、個々のデバイスを形成することによって、基板上に形成された複数のデバイスを互いに分離する作業である。個別化は、様々な手法で実行できる。スクライビングと呼ばれる一手法は、まず、基板全体を切断することなく、基板の表面に取り付けられた基板又は材料の表面にカット又はトレンチをマシニング（機械加工）することによって達成される。これに続いて、基板を機械的に分断又は分割して、ダイを分離する。このカット又はトレンチは、機械的ノコギリ、化学エッチング、レーザ放射又はこれらの組合せによって形成できる。基板の個別化の他の手法は、ダイシングと呼ばれ、ここでは、機械的ノコギリ、化学エッチング、レーザ放射又はこれらの組合せによって、所望の分離の深さ全体が切断され、機械的な分割を行う必要がない。
【０００３】
半導体デバイスは、通常、基板上の行及び列に並べられ、これらの間には、重要な部品がない領域が設けられる。これらのフリーな領域は、「ストリート」と呼ばれ、通常、互いに直交する２組の直線から構成され、個別化が行われると、矩形のデバイスが形成される。図１は、１つを符号１２で示す複合デバイス及び１つを符号１４で示すストリートから構成された典型的な半導体ウェハ１０を示している。また、１つを符号１６で示す上面金属（top surface metal）も示されている。
【０００４】
半導体デバイスは、顧客がより多くの機能をより小型に実現することを望むために、より複雑になってきており、より小型化されたパッケージのために、製造業者は、より小さい体積により多くの回路を設けるように努力している。この実装密度の高まりから、３つの傾向が生じている。第１に、基板は、より薄くなっており、このため、亀裂（cracks）又は欠け（chips）からのダメージの影響を受けやすくなっている。第２に回路密度がより高まり、基板空間がより貴重になっているので、ストリートとして使用される面積を最小化することが望まれている。最後に、電子デバイスは、複合デバイスとしてパッケージ化されることが増え、この場合、ウェハスケールの集積に生来的な並列性（parallelism）を利用し、より小さい体積により多くの能力をパッケージ化し、又は基底の部品を保護するために、個別化の前に複数の基板が組み立てられる。
【０００５】
複合半導体デバイスは、複数の基板から形成でき、これは、単一の機能的デバイスに組み立てられた複数の半導体デバイスを含んでいてもよい。これらの複合デバイスは、多くの場合、デバイス個別化の前に組み立てられ、典型的な個別化処理において、問題が生じることがある。図２は、例示的な複合デバイス、ここでは、相補型金属酸化膜半導体（complementary metal-oxide semiconductor：ＣＭＯＳ）イメージセンサの側面図であり、アクティブ回路素子（図示せず）を含むシリコンウェハ２０と、１つを符号２２で示すはんだバンプと、１つを符号２４で示す上面金属とを示している。ウェハ２０は、１つを符号２８で示すシム（shim）によって、ガラスカバープレート２６から分離されている。隣接する点線の間の領域として、ストリートの１つを符号３０で示している。このデバイスでは、イメージセンサは、ガラスカバープレート２６に面するシリコンウェハ２０の表面上にある。透明なカバープレートは、光をセンサに到達させながら、センサを保護している。
【０００６】
半導体デバイスを個別化するための従来の加工１つは、例えば、ＤＩＳＣＯ  ＤＡＤ３３５０（日本国東京の株式会社ディスコ製）等の機械的ノコギリでウェハを切断することである。機械的ノコギリの短所の１つは、機械的ノコギリが作成するカーフ又はカットに沿って、欠け（chipping）及び亀裂（cracking）が生じる場合があるという点である。これらの欠け及び亀裂は基板を脆弱化し、最終的な半導体デバイスに問題を引き起こすことがある。欠け及び亀裂のための基板のこの脆弱化は、基板がより薄くなる程、深刻になる。また、機械的ノコギリは、ノコギリの最小サイズに基づく最小のカーフサイズを有する。これによって、ストリートサイズを縮小し、基板の使用可能面積を拡大するための製造の能力が制約される。亀裂に関する問題の１つの可能な解決策は、ノコギリが基板を介して動く速度を減速させることである。亀裂の発生を回避するには、材料を介するノコギリの切断圧力及び速度を慎重に調整する必要があるが、圧力を下げれば、機械的ノコギリをより多く通過させる必要があり、速度を下げれば、一回の通過に必要な時間が長くなるため、これらの両方によって、スループットが低下する。これによって亀裂及び欠けの問題を低減できるが、個別化プロセスの速度が容認できないほどに遅くなることがある。
【０００７】
半導体デバイスを個別化するための他の手法は、化学エッチング又はプラズマエッチングを用いて、カットを形成することである。この具体例は、ＯＭＭ社（カリフォルニア州サンディエゴ、OMM Inc.）に譲渡されている米国特許第６，５７３，１５６号に開示されている。このプロセスでは、ウェハの一方の面にトレンチをエッチングし、この側に一時的な保持材料を適用した後、反対側をエッチングする。そして、一時的な保持材料が除去され、個々の半導体デバイスが分離される。この方法は、製造工程に幾つかの更なる工程及び更なる設備を追加し、このために、製造コスト及び時間を増加させるという短所がある。
【０００８】
カットを作成する他の一般的な手法として、レーザビームを使用する手法がある。レーザビームは、デバイスのアウトライン又はストリートが直線でなく、又は直交していない場合に、非線形のカットを作成することもできる。個別化は、達成できるレーザビームを用いて基板を完全にマシニングして、スルーカットを形成し、デバイスを分離すること（ダイシング）によって、又はスクライブ又は部分的カットを基板に形成し、続いて、スクライブの底部から基板の反対面に亘って、機械的に分割又は破断すること（スクライビング）によって達成することができる。レーザビームは、最も小さいノコギリ歯より更に小さいカーフをマシニングできるので、レーザビームによって半導体デバイスを個別化することによって、ストリートに使用される基板領域を減少させることができる。レーザビームは、通常、複合半導体デバイスを構成するシリコンウェハやガラスカバープレート等の材料にカーフを形成することもスクライブを作成することもできる。これらのカーフ又はスクライブは、機械的ノコギリによって典型的に形成される１００μｍより小さくすることができる。図３は、ナノ秒レーザビームパルスでスクライビングされた後のガラス基板を示している。この場合、パルス式の周波数２倍化Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いて、ガラス基板にレーザパルスを向け、スクライブを形成する。レーザは、５３２ｎｍで動作し、約１０ナノ秒（ｎｓ）の時間的パルス幅を有するパルスを出射する。
【０００９】
ナノ秒スケールのレーザパルスによるガラスのスクライビング又は切断に関する他の問題は、亀裂の発生である。図４ａは、図３及び図４のスクライブと同じレーザパラメータでスクライブされたガラス基板５０におけるレーザスクライブの断面図を示している。このイメージは、スクライブ５４の周囲の熱影響部（heat affected zone：ＨＡＺ）５２を明瞭に示している。更に、スクライブ５４の底部近傍には、空隙５６及び応力破損（stress fractures）５８が示されている。ナノ秒長のレーザパルスからの熱的作用によって引き起こされる可能性があるこれらの欠陥は、図４ｂに示すように、スクライビングに続いてガラス基板を分割する際に亀裂を生じさせる。図４ｂは、図４ａの基板５０の分割後の側面図を示しており、スクライブ５４は右側にあり、代表的な亀裂６０は、スクライブ５４の領域から伝播している。これらの亀裂６０は、図４ａの符号５６、５８で示すような空隙及び応力破損が存在する状態で基板５０を分割した結果である。後続するパッケージ化では、これらの亀裂が伝播して、デバイス故障を引き起こす可能性がある。また、機械的ノコギリもこの種の亀裂を生じさせることがある。
【００１０】
この欠け及び亀裂を克服するために設計されたプロセスでは、化学エッチング又はプラズマエッチングを用いて、エッジを「溶融」し、機械的ノコギリの影響を除去することを試みる。この具体例は、米国特許公開番号第２００６／０２４９４８０号、「Laser Machining Using an Active Assist Gas」に開示されている。この出願では、ハロゲンアシストガス（halogen assist gas）を用いて、基板のレーザマシニングから生じる欠け及び亀裂を低減するプロセスが開示されている。この出願では、欠け及び亀裂を低減することによって、ダイの強度が高まるが、加工領域に／から苛性ガス（caustic gas）を安全に送達及び排気するために必要な更なる設備のコストが必要であることが示唆されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
既存の方法によって個別化を行う際、複合デバイスでは、更なる問題が生じる。機械的ノコギリの場合、ノコギリは、図２の点線の間のストリート３０を、シリコンウェハ２０及びガラスカバープレート２６の両方を貫通するように切断する。複合デバイスに特有の問題は、カーフの品質である。一方の材料に作用するソーイングパラメータ（sawing parameters）が、他方の材料には最適ではないことがある。複合デバイス、特に、イメージセンサは、異なる材料の基板から構成されているので、一組のソーイングパラメータ、例えば、特定のカットの速度、ノコギリの回転速度若しくは圧力、又は一組のレーザパラメータ、例えば、パルスエネルギ又は繰返し率が、１つの基板材料に適していても、他の基板材料には適していないことがある。ガラスは、通常、シリコンウェハより脆性が高く、ノコギリ又はレーザで加工されたとき、カーフに沿って欠けや亀裂が生じやすい傾向がある。欠け及び亀裂を防ぐためには、ガラス基板を挽いている間のダイヤモンドのノコギリが移動する速度は、シリコンのみを挽く場合より、遙かに遅くする必要がある。また、これは、レーザ加工でも同様であることがある。これは、システムスループットに悪影響を与える。更に、機械的ノコギリは、機械的要因のために、最小の幅に限界があり、この結果、機械的ノコギリによってノコギリ挽きを行う場合、形成されるカーフを含む必要があるストリートの最小の幅には限界がある。機械的ノコギリのカーフのための一般的な最小幅は、約１００μｍである。ストリートは、ストリートを設けなければ、アクティブデバイス素子のために用いることができる基板上の無駄な空間であり、ストリートによって占められる空間を最小化し、アクティブデバイス素子のために利用可能な空間を広げることが望まれる。
【００１２】
上述した事情により、デバイスに対する欠け又は亀裂のダメージを防止し、個別化プロセスに更なる化学物質、設備及び製造ステップを追加することを回避し、従来の方法に対してシステムスループットを維持できる複合半導体デバイスの個別化の方法が継続的に望まれている。
【００１３】
本発明の１つの目的は、複合電子デバイスの個別化のための方法を提供することである。本発明の他の目的は、許容できる切断速度を維持しながら、亀裂又は欠けの発生を回避する複合電子デバイスの個別化のための方法を提供することである。本発明の更なる目的は、ストリートのサイズを最小化する複合電子デバイスの個別化のための方法を提供することである。複合電子デバイスは、個別化を実行するために同時に分離する必要がある２つ以上の基板を有する構造のために、個別化が特に難しい。特に、イメージセンサデバイスは、通常、厚さが異なる、シリコン等のアクティブ電子デバイス基板及びガラス又はガラスに類する材料から形成された透明保護基板の両方を含む。ここに開示する本発明の一実施の形態は、複合半導体デバイスの異なる層のために異なる分離技術を用いる。具体的には、少なくとも１つの基板は、ダイシング又はレーザマシニングされて、スルーカットカーフを形成し、少なくとも１つの他の層は、スクライビングされた後、機械的に分割される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一実施の形態では、許容できるスループットを維持しながら、レーザ加工後の基板の品質を向上させるレーザパラメータを予め決定する。レーザパラメータを調整して、異なる材料のためのカットの速度及び深さを決定し、レーザ加工の結果として生じる望ましくない亀裂及び欠けの量も決定することができる。調整できるパラメータの幾つかは、波長、ビーム品質、時間的パルス幅、時間的パルス波形、空間的パルス幅、空間的パルス波形、パルス繰返し周波数、偏光、パルスエネルギ、レーザスポットサイズ、レーザスポット位置、及びレーザビーム軸方向である。また、複合電子デバイスを個別化するために、複数のレーザビームを有利に使用することができる。これらの複数のビームは、単一のレーザ光源、又は同じ若しくは異なる波長を採用した２つ以上のレーザ光源から導出することができる。
【００１５】
図６ａ、図６ｂ及び図６ｃは、本発明の実施の形態が複合電子デバイスの個別化をどのように開始するかを説明する複合電子デバイスの断面図である。図６ａでは、第１の所定の値に設定されたレーザパラメータを有するパルスレーザビーム８０が、第１の基板８２の表面の近傍にフォーカスされている。この具体例では、第１の基板８２は、シリコンウェハであり、ウェハの前面８４にイメージセンサ電子回路８５を有し、及び１つを符号８６で示す、後の相互接続及びパッケージを可能にするためのウェハバンプを有する。第１の基板８２は、１つを符号８８で示すスペーサによって、第２の基板９０に接続されており、スペーサ８８は、基板８２から第２の基板９０を離間させ、第１の基板８２の前面８４上の回路８５に汚染物質が到達することを防ぐシールを形成する。スペーサ８８は、第１の基板８２の、１つを符号９２で示すストリートに沿って配置され、これによって、上述したシールを維持しながら、個別化を可能にしている。なお、レーザビーム８０は、ストリート９２の真上にフォーカスされている。図６ｂでは、レーザビーム８０が第１の基板８２内にカーフ９４の形成を開始し、カーフ９４からデブリ９６が排出されている。図６ｃでは、レーザビーム８０が第１の基板８２を貫通して完全にマシニングし、スルーカット９８を形成している。なお、マシニング加工によって発生したデブリ９６は、ストリート９２を含むスペーサ８８の間の領域に収まり、この結果、基板の前面８４にある回路８５の汚染が防止される。レーザビーム８０は、レーザ加工システム（図示せず）によって、カーフの好ましい方向に沿って動かされ、この結果、ストリート９２の領域に沿って、第１の基板８２内にスルーカットを形成する。
【００１６】
図７ａ及び図７ｂは、パルスレーザビームを用いる複合電子デバイスの個別化の第２のフェーズの概略図である。図７ａでは、第２の所定の値に設定されたレーザパラメータを有するパルスレーザビーム１０４が、第１の基板８２内のマシニングされたカーフ９８を介して、第２の基板９０に衝突するように方向付けられ、スクライブ１００を形成する。なお、このマシニングステップから生じるデブリ１０２は、上述と同様に、スペーサ８８によって、ストリート９２の領域に収まる。図７ｂは、第２の基板９０内に完成したスクライブ１００を示している。レーザ焦点スポットを第２の基板９０の表面上方に設定し、第１の基板８２内のマシニングされたカーフ９８を介して方向付けることによって、カーフに垂直な方向に、レーザビーム１０４の空間的エネルギ分布におけるピークが生成され、これは、第２の基板９０内に鋭いスクライブ１００を形成する傾向がある。レーザ加工システム（図示せず）によって、レーザビーム１０４がマシニングされたカーフ９８によって形成された経路に沿って動かされると、第２の基板９０のスクライブ１００は、ストリート９２の領域に沿って拡張され、これによって、第２の基板９０がスクライビングされる。
【００１７】
図８ａ及び図８ｂは、第１の基板内に形成されたカットを介してレーザビームを方向付ける効果を示している。図６ｃに示すような、レーザビーム８０が、第１の基板８２内のカット９８を通過するセットアップを用いて、レーザビームを測定した。レーザビームプロファイルは、第２の基板９０に衝突しているものとして測定した。レーザビーム８０は、波長が５２３ｎｍであり、ビームＭ２が１．０であり、第２の基板９０の４００μｍ上方で、１０μｍの焦点スポットをフォーカスした。この実施の形態では、第１の基板８２の厚さは、７０〜１８０μｍであり、第１の基板８２と第２の基板９０の間のギャップは、１５μｍである。図８ａは、上述したように、レーザビーム１１６が第１の基板８２を介して方向付けられると、第２の基板９０の表面に現れるレーザビーム１１６のプロファイルのシミュレーションのグラフ１１０を示しており、これは、第１の基板８３のカット９８に垂直な方向に測定された光軸からのｍｍ単位の距離１１４に対して、Ｗ／ｍｍ２単位の放射照度１１２をプロットしたものである。図８ａのプロファイルは、分布における鋭いピーク１１８を示している。この鋭いピーク１１８は、レーザビームが第１の基板８２内のカット９８を通過する際の回析及び反射の結果として形成される。図８ｂは、カット９８の方向に平行に測定された同じレーザビーム９０のシミュレーションのグラフ１２０を示している。このグラフは、ｍｍ単位のレーザビームの光軸からの距離１２４に対して、Ｗ／ｍｍ２単位の放射照度１２２をプロットしたものである。なお、レーザビーム照射のこの分布１２６は、符号１１６として示すスパイクがある分布と異なり、ガウス分布に従っている。カットの方向に垂直な方向におけるパルスの空間的分布の鋭いピークは、ガラス内に形成されるスクライブをより狭くし、スクライブのエッジに近い溶融を促進するため、亀裂又は欠けなしで分割できる可能性を高める。更に、第１の基板を通過するデフォーカスされたビームは、デブリ及び脆性材料、例えば、カーフのエッジ上の低誘電体を溶融させることができ、これによって、カーフをより強化し、亀裂に対する抵抗を高めることができる。
【００１８】
本発明の実施の形態は、高い繰返し率で、ピコ秒（ｐｓ）又はより短いレーザパルスを使用し、システムスループットを維持しながら、レーザ加工によって生じる応力破損及び亀裂を減少させることによって、複合デバイス個別化の品質を向上させる。図１０は、ピコ秒パルスによるスクライビングの後のガラス基板１４０を示している。なお、スクライブ１４２には、図３（従来の技術）に示すような目立った欠け及び亀裂は殆どない。図１１は、分割前のスクライブ１５２を示すガラス基板１５０の横断面図を示している。熱影響部１５４は、比較的無傷であり、図４（従来の技術）に示すような目立った空隙５６及び破損５８がないことが示されている。図１２は、ピコ秒パルスによるスクライビング及び基板１６０の右側に示すスクライブ１６２による分割の後の基板１６０の側面図を示している。図５（従来の技術）に示す同様の図では顕著であった亀裂６０に比べ、ガラス基板１６０には亀裂がない。この断面における欠け又は亀裂の不在は、ピコ秒又はより短いパルスが、ガラスをスクライビングし、亀裂がない分割面を実現できることを示している。
【００１９】
本発明の実施の形態は、選択されたエネルギレベルで、ピコ秒又はフェムト秒の継続時間レーザパルスを使用し、マシニングの際の基板の欠け及び亀裂の量を低減する。図５は、ピコ秒レーザパルスによるスクライビングの後の基板７０を示している。スクライブ７２の滑らかなエッジには、従来のナノ秒パルスによるスクライビングで生じる欠け又は亀裂が殆どない。これらの短期間パルスは、欠け又は亀裂を引き起こすことなく、被加工物から材料をアブレート（ablate）又は除去することができ、これは、加工によって生成される熱がレーザスポットの箇所から周囲の材料に移動して、熱影響部（ＨＡＺ）を生成するために要する時間よりパルスの継続時間が短いためである。更に、１パルスあたりのエネルギ量は、アブレーション閾値とも呼ばれる、材料のアブレートを開始するために必要な最小量のエネルギの１〜１０倍の範囲内に慎重に設定される。もちろん、所与の材料のアブレーション閾値の１倍未満のエネルギでは、材料のアブレーションを行うことができない。アブレーション閾値の１０倍を超えるエネルギは、材料のアブレーションを行うことに加えて、周囲の材料にエネルギを伝え、亀裂及び欠けを含むＨＡＺを生成してしまう。特定の材料のアブレーション閾値の１〜１０倍のパルスエネルギによるフェムト秒又はピコ秒継続時間のレーザパルスによれば、周囲の材料に対する加熱効果を最小限にして、レーザビームの焦点スポット内の材料を除去できる。
【００２０】
第１及び第２の基板のレーザマシニングに続いて、図９ａ及び図９ｂは、スルーカット及びスクライビングによって基板を分割するための２つの手法を図式的に示している。図９ａは、第１の基板８２をカットしてカーフ９８を形成し、第２の基板９０をスクライビングしてスクライブ１００を形成した後の図６及び図７からの複合電子デバイスを示している。デバイスを含む基板は、ダイシングテープ１３０に取り付けられ、ダイシングテープ１３０は、通常、基板より大きい開口を有する金属リングに取り付けられた接着テープである。そして、ダイシングテープ１３０は、スクライブ１００に垂直な方向１３２に伸ばされ、この結果、第２の基板がスクライブ１００から分割（１３４）される。図９ｂに示す本発明の他の実施の形態では、分割１３４の形成を補助するために、第２の基板９０に垂直にテープを伸ばしながら（１３２）、スクライブ１００の直下の第２の基板９０の底部に上方への圧力１３５を加えるデバイス（図示せず）を用いる。図１０は、本発明に基づいてスクライビング１４２及び分割された基板１４２の側面図である。図４ｂに示す従来の側面図と比べ、亀裂及び欠けがない点が注目に値する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】半導体ウェハの概略的な平面図である。
【図２】基板上の複合電子デバイスの側面図である。
【図３】ナノ秒パルスによって形成されたスクライブの写真図である。
【図４】ナノ秒パルスによってガラス基板内に形成されたスクライブの断面写真図である。
【図５】ナノ秒パルスによるスクライビング及び分割の後のガラス基板の側面写真図である。
【図６ａ】本発明の実施の形態に基づく複合電子デバイスの個別化加工のステップを示す概略図である。
【図６ｂ】本発明の実施の形態に基づく複合電子デバイスの個別化加工のステップを示す概略図である。
【図６ｃ】本発明の実施の形態に基づく複合電子デバイスの個別化加工のステップを示す概略図である。
【図７ａ】本発明の実施の形態に基づく個別化加工の更なるステップを示す概略図である。
【図７ｂ】本発明の実施の形態に基づく個別化加工の更なるステップを示す概略図である。
【図８ａ】レーザパルスの空間的な放射照度の分布を示すグラフ図である。
【図８ｂ】レーザパルスの空間的な放射照度の分布を示すグラフ図である。
【図９ａ】本発明の実施の形態に基づく基板の分割を示す概略図である。
【図９ｂ】本発明の実施の形態に基づく基板の分割を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施の形態に基づくパルスによってガラス基板内に形成されたスクライブの写真図である。
【図１１】本発明の実施の形態に基づくスクライビングの後のガラス基板のスクライブの断面写真図である。
【図１２】本発明の実施の形態に基づくスクライビング及び分割の後のガラス基板の側面写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の１つの目的は、複合電子デバイスの個別化のための方法を提供することである。本発明の他の目的は、許容できる切断速度を維持しながら、亀裂又は欠けの発生を回避する複合電子デバイスの個別化のための方法を提供することである。本発明の更なる目的は、ストリートのサイズを最小化する複合電子デバイスの個別化のための方法を提供することである。複合電子デバイスは、個別化を実行するために同時の分離が必要な２つ以上の基板を有するそれらの構造のために、個別化が特に難しい。特に、イメージセンサデバイスは、通常、厚さが異なる、シリコン等のアクティブ電子デバイス基板及びガラス又はガラスに類する材料から形成された透明保護基板の両方を含む。ここに開示する本発明の一実施の形態は、複合半導体デバイスの異なる層のために異なる分離技術を用いる。具体的には、少なくとも１つの基板は、ダイシング又はレーザマシニングされて、スルーカットカーフを形成し、少なくとも１つの他の層は、スクライビングされた後、機械的に分割される。本発明によって開示される方法を実施するために使用できる例示的なシステムとしては、米国、オレゴン州ポートランドのエレクトロサイエンティフィックインダストリーズインコーポレーテッド社（Electro Scientific Industries, Inc.）が製造しているＣｙｇｎｕｓ７０００ウェハ個別化システム（Wafer Singulation System）がある。このシステムは、通常、２０Ｗの平均パワーを有し、５３２ｎｍの波長で動作する、スイスのジュネーブのＴｉｍｅ  Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ＡＢ社が製造する光ファイバレーザを使用する。また、本発明によって指定されるパラメータ範囲内で動作するように調整できる限り、他のレーザを使用して、この個別化を実行してもよい。
【００２３】
本発明の一実施の形態では、許容できるスループットを維持しながら、レーザ加工後の基板の品質を向上させるレーザパラメータを予め決定する。レーザパラメータを調整して、異なる材料のためのカットの速度及び深さを決定し、レーザ加工の結果として生じる望ましくない亀裂及び欠けの量も決定することができる。調整できるパラメータの幾つかは、波長、ビーム品質、時間的パルス幅、時間的パルス波形、空間的パルス幅、空間的パルス波形、パルス繰返し周波数、偏光、パルスエネルギ、レーザスポットサイズ、レーザスポット位置、及びレーザビーム軸方向である。また、複合電子デバイスを個別化するために、複数のレーザビームを有利に使用することができる。これらの複数のビームは、単一のレーザ光源、又は同じ若しくは異なる波長を採用した２つ以上のレーザ光源から導出することができる。レーザ加工用途のためにレーザビームを有利に組み合わせるための方法は、本発明の譲受人に譲渡されている米国特許出願番号第２００６／０２６１０５１号、「Synthetic Pulse Repetition Rate Processing for Dual-Headed Laser Processing Systems」（Unrath他）に開示されている。
【００２４】
本発明が開示する方法によって個別化できる複合電子デバイスの具体例は、Ａｐｔｉｎａ  Ｉｍａｇｉｎｇ社によって製造されている。部品番号ＭＴ９Ｍ００１Ｃ１２ＳＴＭの相補型金属酸化膜半導体イメージセンサである。このセンサは、ガラス保護カバーを有するアクティブセンサデバイスを含み、図６及び図７に示すように、図式的に表すことができる。図６ａ、図６ｂ及び図６ｃは、本発明の実施の形態が複合電子デバイスの個別化をどのように開始するかを説明する複合電子デバイスの断面図である。図６ａでは、第１の所定の値に設定されたレーザパラメータを有するパルスレーザビーム８０が、第１の基板８２の表面の近傍にフォーカスされている。この具体例では、第１の基板８２は、シリコンウェハであり、ウェハの前面８４にイメージセンサ電子部品８５を有し、及び１つを符号８６で示す、後の相互接続及びパッケージを可能にするためのウェハバンプを有する。第１の基板８２は、１つを符号８８で示すスペーサによって、第２の基板９０に接続されており、スペーサ８８は、基板８２から第２の基板９０を離間させ、第１の基板８２の前面８４上の回路８５に汚染物質が到達することを防ぐシールを形成する。スペーサ８８は、第１の基板８２の、１つを符号９２で示すストリートに沿って配置され、これによって、上述したシールを維持しながら、個別化を可能にしている。なお、レーザビーム８０は、ストリート９２の真上にフォーカスされている。この実施の形態では、レーザビームは、基板表面に垂直に方向付けられているが、必要であれば、他の角度を有利に用いて、異なる形状に形成されたカーフを形成してもよい。
【００２５】
このステップのためのレーザパラメータは、約１００ｆｓ〜１ｎｓの間、好ましくは、約１ｐｓ〜１ｎｓの間、より好ましくは約１００ｐｓのパルス幅を含む。そして、レーザ波長は、約２５５μｍ〜１０μｍ、好ましくは、約２５５μｍ〜１．０μｍ、より好ましくは、特に約５３２ｎｍである。レーザビームは、フォーカスされ、第１の基板８２の前面８４又はその近傍に焦点スポットを形成し、焦点スポットのサイズは、約１μｍ〜１００μｍ、好ましくは、約１μｍ〜２０μｍ、より好ましくは約１０μｍである。このステップのためのパルス繰返し周波数は、約１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ、好ましくは、約１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、より好ましくは、１００ｋＨｚである。パルスエネルギは、好ましくは、１ｎＪ〜１ｍＪ、より好ましくは、約１ｎＪ〜１μＪ、特に好ましくは、約１００ｎＪである。このステップのためのビーム品質Ｍ２は、約１．０〜１．５、特に好ましくは、約１．０である。
【００２６】
このステップのための空間的パルス波形は、略々ガウス形であるが、他の形状を有利に用いることもできる。例えば、アパーチャ及びフィルタ等の光学部品の組合せによって形成される正方形の空間的分布を用いて、加工を遅くしたり、欠け又は亀裂を発生させたりすることなく、カーフ壁の形状を変化させてもよい。また、これは、偏光に関しても同様である。円偏光によって、マシニングは、レーザビームの中心軸からあらゆる方向に一様に行われ、直線偏光レーザビームは、偏光に平行な方向に沿って、優先的に材料を除去する。ラジアル偏光は、所与の波長について、スポットサイズをより小さくする。時間的なパルス波形は、略々ガウス形であるが、他の形状を用いてもよい。レーザ共振器から放出されるパルスは、通常、ガウス形時間的プロファイルを有するが、これらのプロファイルは、利用可能な光学手段によって、正方形からより複雑なテイラード形状（tailored shape）までの範囲のパルスを有するように変更してもよい。特に、テイラードパルスの生成は、本発明の譲受人に譲渡され、引用によって本願に援用される米国特許第７，１２６，７４６号、「Generating Sets of Tailored Pulses」（Ｓｕｎ他）に開示されている。また、レーザスポット形状を変更して、他の形状を生成してもよい。例えば、アパーチャやレンズ等の標準の光学部品を用いて、空間的分布を楕円又は矩形にすることができる。更に、ホログラフィック光学素子を用いて、「トップハット（top hat）」構成、「リング」構成又は他の形状を含む様々な有用な形状にビームを形成してもよい。レーザマイクロマシニング用途で使用できるホログラフィック光学素子又は回折光学素子は、米国特許第６，４３３，３０１号、「Beam Shaping and Projection Imaging with Solid State UV Gaussian Beam to Form Vias」（Ｄｕｎｓｋｙ他）及び米国特許第６，７９１，０６０号、「Beam Shaping and Projection Imaging with Solid State UV Gaussian Beam to Form Vias」（Ｄｕｎｓｋｙ他）に開示されており、これらは、何れも本発明の譲受人に譲渡されており、引用によっ
て本願に援用される。
【００２７】
本発明の一実施の形態では、基板に形成されるカーフ又はスクライブは、通常、直線であるが、ある具体例では、曲線及び他の形状が有利に用いられることがある。更に、レーザビームは、一回の通過で、基板をダイシング又はスルーカットできる速度でパルスを送達させるように、被加工物に対して動くように方向付けることができ、すなわち、レーザビームは、基板上の経路に沿って、１つの点から他の点に動き、方向を反転することなく、又は同じ点を二回以上マシニングすることなく、レーザパルスが次の位置に動く前に基板を確実に完全にマシニングするようにしてもよい。より典型的には、レーザビームは、一回より多くの通過で被加工物をマシニングするように方向付けられ、この場合、レーザビームは、カーフ又はスクライブに沿った各点に二回以上方向付けられ、各通過が深さ方向に更なる材料を除去し、所望の深さ又はスルーカットが達成されるまで、これが続けられる。
【００２８】
図６ｂでは、レーザビーム８０が第１の基板８２内にカーフ９４の形成を開始し、カーフ９４からデブリ９６が排出されている。図６ｃでは、レーザビーム８０が第１の基板８２を貫通して完全にマシニングし、スルーカット９８を形成している。なお、マシニング加工によって発生したデブリ９６は、ストリート９２を含むスペーサ８８の間の領域に収まり、この結果、基板の前面８４にある回路８５の汚染が防止される。レーザビーム８０は、レーザ加工システム（図示せず）によって、カーフの好ましい方向に沿って動かされ、この結果、ストリート９２の領域に沿って、第１の基板８２内にスルーカットを形成する。
【００２９】
図７ａ及び図７ｂは、パルスレーザビームを用いる複合電子デバイスの個別化の第２のフェーズの概略図である。図７ａでは、第２の所定の値に設定されたレーザパラメータを有するパルスレーザビーム１０４が、第１の基板８２内のマシニングされたカーフ９８を介して、第２の基板９０に衝突するように方向付けられ、スクライブ１００を形成する。なお、このマシニングステップから生じるデブリ１０２は、上述と同様に、スペーサ８８によって、ストリート９２の領域に収まる。図７ｂは、第２の基板９０内に完成したスクライブ１００を示している。レーザ焦点スポットを第２の基板９０の表面上方に設定し、第１の基板８２内のマシニングされたカーフ９８を介して方向付けることによって、カーフに垂直な方向に、レーザビーム１０４の空間的エネルギ分布におけるピークが生成され、これは、第２の基板９０内に鋭いスクライブ１００を形成する傾向がある。レーザ加工システム（図示せず）によって、レーザビーム１０４がマシニングされたカーフ９８によって形成された経路に沿って動かされると、第２の基板９０のスクライブ１００は、ストリート９２の領域に沿って拡張され、これによって、第２の基板９０がスクライビングされる。
【００３０】
この実施の形態の第２のフェーズのためのレーザパラメータは、スクライビングされる表面の上方にレーザスポットがフォーカスされることを除いて、第１のフェーズと同じであってもよい。レーザスポットは、表面から約１００μｍ〜約１０００μｍ上方にフォーカスされる。より具体的には、スポットは、スクライビングされる表面から約４００μｍ上方にフォーカスされる。これには、被加工物の表面においてレーザビームをデフォーカスし、これによって、表面上のあらゆる所与の点においてレーザ放射照度を減少させ、この結果、過度のエネルギのために材料に亀裂が生じる可能性を低減する効果がある。更に、デフォーカスされたビームは、表面上のデブリを溶かす傾向があり、この結果、何れも望ましくない物質の遊離又は鋭いエッジの可能性を低減する。更に、第１の基板８２内に先にマシニングされているカーフ内でレーザビームをフォーカスすることによって、ビームを有利に整形及びリフォーカスすることができる。
【００３１】
図８ａ及び図８ｂは、第１の基板内に形成されたカットを介してレーザビームを方向付ける効果を示している。図６ｃに示すような、レーザビーム８０が、第１の基板８２内のカット９８を通過するセットアップを用いて、レーザビームを測定した。レーザビームプロファイルは、第２の基板９０に衝突しているものとして測定した。レーザビーム８０は、波長が５２３ｎｍであり、ビームＭ２が１．０であり、第２の基板９０の４００μｍ上方で、１０μｍの焦点スポットをフォーカスした。この実施の形態では、第１の基板８２の厚さは、７０〜１８０μｍであり、第１の基板８２と第２の基板９０の間のギャップは、１５μｍである。図８ａは、上述したように、レーザビーム１１６が第１の基板８２を介して方向付けられると、第２の基板９０の表面に現れるレーザビーム１１６のプロファイルのシミュレーションのグラフ１１０を示しており、これは、第１の基板８３のカット９８に垂直な方向に測定された光軸からのｍｍ単位の距離１１４に対して、Ｗ／ｍｍ２単位の放射照度１１２をプロットしたものである。図８ａのプロファイルは、分布における鋭いピーク１１８を示している。この鋭いピーク１１８は、レーザビームが第１の基板８２内のカット９８を通過する際の回折及び反射の結果として形成される。図８ｂは、カット９８の方向に平行に測定された同じレーザビーム９０のシミュレーションのグラフ１２０を示している。このグラフは、ｍｍ単位のレーザビームの光軸からの変位からの距離１２４に対して、Ｗ／ｍｍ２単位の放射照度１２２をプロットしたものである。なお、レーザビーム照射のこの分布１２６は、符号１１６として示すスパイクがある分布と異なり、ガウス分布に従っている。カットの方向に垂直な方向におけるパルスの空間的分布の鋭いピークは、ガラス内に形成されるスクライブをより狭くし、スクライブのエッジに近い溶融を促進するため、亀裂又は欠けなしで分割できる可能性を高める。更に、第１の基板を通過するデフォーカスされたビームは、デブリ及び脆性材料、例えば、カーフのエッジ上の低誘電体を溶融させることができ、これによって、カーフをより強化し、亀裂に対する抵抗を高めることができる。
【００３２】
本発明の実施の形態は、高い繰返し率で、ピコ秒又はより短いレーザパルスを使用し、システムスループットを維持しながら、レーザ加工によって生じる応力破損及び亀裂を減少させることによって、複合デバイス個別化の品質を向上させる。図１０は、ピコ秒パルスによるスクライビングの後のガラス基板１４０を示している。なお、スクライブ１４２には、図３（従来の技術）に示すような目立った欠け及び亀裂は殆どない。図１１は、分割前のスクライブ１５２を示すガラス基板１５０の横断面図を示している。熱影響部１５４は、比較的無傷であり、図４（従来の技術）に示すような目立った空隙５６及び破損５８がないことが示されている。図１２は、ピコ秒パルスによるスクライビング及び基板１６０の右側に示すスクライブ１６２による分割の後の基板１６０の側面図を示している。図５（従来の技術）に示す同様の図では顕著であった亀裂６０に比べ、ガラス基板１６０には亀裂がない。この断面における欠け又は亀裂の不在は、ピコ秒又はより短いパルスが、ガラスをスクライビングし、亀裂がない分割面を実現できることを示している。
【００３３】
詳しくは、本発明の実施の形態は、時間的パルス幅がピコ秒又はフェムト秒範囲のレーザパルスを採用して、加工される基板内の欠け及び亀裂を最小化する。図５は、ピコ秒レーザパルスによるスクライビングの後の基板７０を示している。スクライブ７２の滑らかなエッジには、従来のナノ秒パルスによるスクライビングで生じる欠け又は亀裂が殆どない。これらの短期間パルスは、欠け又は亀裂を引き起こすことなく、被加工物から材料をアブレート（ablate）又は除去することができ、これは、加工によって生成される熱がレーザスポットの箇所から周囲の材料に移動して、熱影響部（ＨＡＺ）を生成するために要する時間よりパルスの継続時間が短いためである。更に、１パルスあたりのエネルギ量は、アブレーション閾値とも呼ばれる、材料のアブレートを開始するために必要な最小量のエネルギの１〜１０倍の範囲内に慎重に設定される。もちろん、所与の材料のアブレーション閾値の１倍未満のエネルギでは、材料のアブレーションを行うことができない。アブレーション閾値の１０倍を超えるエネルギは、材料のアブレーションを行うことに加えて、周囲の材料にエネルギを伝え、亀裂及び欠けを含むＨＡＺを生成してしまう。特定の材料のアブレーション閾値の１〜１０倍のパルスエネルギによるフェムト秒又はピコ秒継続時間のレーザパルスによれば、周囲の材料に対する加熱効果を最小限にして、レーザビームの焦点スポット内の材料を除去できる。
【００３４】
第１及び第２の基板のレーザマシニングに続いて、図９ａ及び図９ｂは、スルーカット及びスクライビングによって基板を分割するための２つの手法を図式的に示している。図９ａは、第１の基板８２をカットしてカーフ９８を形成し、第２の基板９０をスクライビングしてスクライブ１００を形成した後の図６及び図７からの複合電子デバイスを示している。デバイスを含む基板は、ダイシングテープ１３０に取り付けられ、ダイシングテープ１３０は、通常、基板より大きい開口を有する金属リングに取り付けられた接着テープである。そして、ダイシングテープ１３０は、スクライブ１００に垂直な方向１３２に伸ばされ、この結果、第２の基板がスクライブ１００から分割（１３４）される。図９ｂに示す本発明の他の実施の形態では、分割１３４の形成を補助するために、第２の基板９０に垂直にテープを伸ばしながら（１３２）、スクライブ１００の直下の第２の基板９０の底部に上方への圧力１３５を加えるデバイス（図示せず）を用いる。図１０は、本発明に基づいてスクライビング１４２及び分割された基板１４２の側面図である。図４ｂに示す従来の側面図と比べ、亀裂及び欠けがない点が注目に値する。
【００３５】
本発明の基底にある原理から逸脱することなく、本発明の上述の実施の形態の詳細に多くの変更を加えることができることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲のみよって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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