(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハの両面のいずれか一方の面から、該半導体ウェーハの第１の所定深さ位置に焦点を合わせてレーザ光線を照射する第１工程と、
前記第１の所定深さ位置とは同一照射線上で深さの異なる前記半導体ウェーハの第２の所定深さ位置に焦点を合わせてレーザ光線を照射する第２工程と、
を行うことにより、前記第１および第２の所定深さ位置にある前記半導体ウェーハの特定部分のみに多光子吸収過程を生じさせて、前記半導体ウェーハの同一照射線上に、前記半導体ウェーハの位置合わせを行うための複数のアライメントマークを形成することを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記第１工程では前記半導体ウェーハの両面のいずれか一方の表面に焦点を合わせ、前記第２工程では前記半導体ウェーハの他方の表面に焦点を合わせ、レーザ光線を照射する請求項１に記載の半導体ウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記レーザ光線の波長が１０００〜１２００ｎｍの範囲である請求項１または２に記載の半導体ウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記レーザ光線が、超短パルスレーザから照射されるものである請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体ウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハの製造方法に関し、特に、半導体ウェーハの位置合わせを行うためのアライメントマークを該半導体ウェーハの深さ方向の任意の位置に形成することが可能な半導体ウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェーハは、例えばフォトレジストを行う場合や、複数のデバイスに分割する場合などに、所望の位置に位置合わせをする必要があり、その基準点として、半導体ウェーハにアライメントマークを形成することがある。従来、ＹＡＧ／ＹＬＦレーザなどの高出力の短波長レーザによって、半導体ウェーハ表面を加工する技術が知られており（特許文献１参照）、このようにして形成されたレーザマークをアライメントマークとして利用することも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２５４１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザで半導体ウェーハ表面を加工して、これをアライメントマークとすることは、マーク形成プロセスが容易であることから望ましい形態である。一方で、アライメントマークは、半導体ウェーハの任意の箇所に形成できることが好ましい。例えば、半導体ウェーハ表面にアライメントマークがあると、回路パターンニングのためにレジスト溶液を塗布した際に表面に凹凸が生じ、マスクとウェーハとの間に空隙が生じ、マスクのポジショニングにズレが生じるという不都合がある場合などは、アライメントマークを半導体ウェーハの内部に形成することが望まれる。また、ＭＥＭＳなどの半導体材料への加工物形成という要請から、半導体ウェーハの深さ方向に複数のアライメントマークを形成することも望まれる場合がある。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、レーザ光線が半導体ウェーハを透過する波長ではなく、半導体ウェーハの表面にしかレーザマークをすることができない。すなわち、半導体表面のみをアブレーションし、半導体ウェーハの深さ方向の任意の位置にアライメントマークを加工形成することは困難であった。
【０００６】
そこで本発明は、上記課題に鑑み、レーザ加工によって半導体ウェーハの深さ方向の任意の位置にアライメントマークを形成することが可能な半導体ウェーハの製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、レーザ加工によって半導体ウェーハの深さ方向の任意の位置にアライメントマークを形成するために鋭意検討を行った結果、半導体ウェーハの表面から低出力のレーザ光線を照射して半導体ウェーハの所定の深さ位置のみに多光子吸収過程を生じさせることにより改質部分を形成し、この改質部分がアライメントマークとして光学的に観察可能であることを見出した。
【０００８】
本発明は、上記の知見に基づくものであり、その要旨構成は以下の通りである。
（１）  半導体ウェーハの両面のいずれか一方の面から、該半導体ウェーハの第１の所定深さ位置に焦点を合わせてレーザ光線を照射する第１工程と、
前記第１の所定深さ位置とは同一照射線上で深さの異なる前記半導体ウェーハの第２の所定深さ位置に焦点を合わせてレーザ光線を照射する第２工程と、
を行うことにより、前記第１および第２の所定深さ位置にある前記半導体ウェーハの特定部分のみに多光子吸収過程を生じさせて、前記半導体ウェーハの同一照射線上に、前記半導体ウェーハの位置合わせを行うための複数のアライメントマークを形成することを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
（２）  前記第１工程では前記半導体ウェーハの両面のいずれか一方の表面に焦点を合わせ、前記第２工程では前記半導体ウェーハの他方の表面に焦点を合わせ、レーザ光線を照射する上記（１）に記載の半導体ウェーハの製造方法。
（３）  前記レーザ光線の波長が１０００〜１２００ｎｍの範囲である上記（１）または（２）に記載の半導体ウェーハの製造方法。
（４）  前記レーザ光線が、超短パルスレーザから照射されるものである上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の半導体ウェーハの製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体ウェーハの任意の所定深さ位置に焦点を合わせてレーザ光線を照射することにより、前記所定深さ位置にある半導体ウェーハの特定部分のみに多光子吸収過程を生じさせるため、半導体ウェーハの深さ方向の任意の位置にアライメントマークを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の参考例を示す第１の実施形態（以下、同じ。）において、半導体ウェーハにレーザ光線の照射を開始した直後におけるレーザ光線の焦点位置近傍を説明するための断面拡大図である。
【図２】本発明の参考例を示す第２の実施形態（以下、同じ。）において、図１と同様の断面拡大図である。
【図３】本発明の参考例を示す第３の実施形態（以下、同じ。）において、図１と同様の断面拡大図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す第４の実施形態の製造工程を説明するための、レーザ光線焦点位置近傍の断面拡大図である。
【図５】本発明の半導体ウェーハの製造方法で使用するレーザ光学系のうち、アライメントマークを形成するための光学系部分の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の半導体ウェーハの製造方法で使用するレーザ光学系のうち、半導体ウェーハ表面を観察するための光学系部分の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態において、半導体ウェーハにレーザ光線の照射を開始した直後におけるレーザ光線の焦点位置近傍を説明するための断面拡大図である。半導体ウェーハ２０の両面２０ａ，２０ｂのいずれか一方の面（図１においては２０ａ）から、半導体ウェーハの任意の所定深さ位置２１に焦点を合わせてレーザ光線１０を照射する。レーザ光線１０は、集光レンズ１１を通って、所定深さ位置２１に焦点が合わせられる。これにより、所定深さ位置２１にある半導体ウェーハの特定部分のみに多光子吸収過程が生じ、改質部分２２が形成される。この改質部分は、半導体ウェーハの他の部分とは光学的に異なることから、半導体ウェーハの位置合わせを行うためのアライメントマーク２２として利用することができる。
【００１３】
ここで、任意の所定深さ位置２１にアライメントマークを形成するためには、集光するまでにレーザ光線１０の通り道となる表面層２３を改質することなく、レーザ光線が確実に透過する条件でレーザ照射することが重要である。表１に、一例として、半導体材料全般とＳｉ半導体に対し好適なレーザ照射条件を示す。レーザ照射条件は、半導体材料の基礎物性値であるバンドギャップにより決定される。本発明に用いられる半導体ウェーハの材料の一例として、例えば、Ｓｉ半導体ではバンドギャップが１．１ｅＶであることから、入射波長が１０００ｎｍ以上の場合、透過性が顕著となる。このようにしてレーザの波長は、半導体材料のバンドギャップを考慮して決定することができる。
【００１４】
【表１】
0005471692.tif 000002
【００１５】
レーザ光線の発生装置としては、ＹＡＧレーザのような高出力レーザでは、所定深さ位置だけではなく、それ以外の半導体ウェーハ部分にも熱エネルギーが伝達するため、低出力レーザを用いることが好ましい。低出力レーザとしては、例えば、フェムト秒レーザのような超短パルスレーザを用いることがより好適である。超短パルスレーザは、半導体レーザなどを用いてチタンサファイヤ結晶（固体レーザ結晶）を励起することによりレーザ波長を好適範囲にすることができる。また、半導体レーザ励起ＹＬＦレーザあるいは、ＣＯ２ガスレーザーなどにより最適波長範囲を選択することもできる。
【００１６】
低出力のレーザ光線とはいえ、集光レンズ１１を用いて集光することによって、集光位置の温度は局所的に１００００Ｋ程度の高温に達し、レーザ照射を停止すると集光位置は急速に冷却する。その結果、多光子吸収過程を生じさせて形成した改質部分２２は、アモルファス状になっているものと推定される。
【００１７】
また、超短パルスレーザの波長を１０００ｎｍ以上とすれば、シリコンウェーハに対しても透過性が高く、表面層２３の結晶組織に影響を与えることなく、改質部分２２を形成することができる。なお、波長が１２００ｎｍを超えると、長波長ゆえに、レーザ光線を集光しても半導体内部の改質に十分な光子エネルギーを得ることができない懸念があることから、１２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００１８】
エネルギー密度は、１×１０−６〜１×１０−３Ｊ／Pulseであることが好ましい。エネルギー密度が１×１０−６Ｊ／Pulse未満の場合、エネルギーが小さすぎるため、改質部分２２を十分に形成することができない恐れがあるからであり、一方、エネルギー密度が１×１０−３Ｊ／Pulseを超えると、エネルギーが大きすぎるため、ウェーハの表面近傍での光吸収が大きくなり、所望の深さ位置までレーザ光線２０が到達しない恐れがあるからである。
【００１９】
なお、レーザ光線の照射時間については、レーザの波長やエネルギー密度の大きさ、および形成するマークの大きさによって種々の値をとることができるが、１×１０−１２〜１×１０−６秒の範囲であることが好ましい。１×１０−１２秒未満の場合、照射時間が短いため、改質部分２２を十分に形成することができない恐れがあるからであり、一方、１×１０−６秒を超えると、照射時間が長すぎるため、半導体ウェーハに過剰なダメージを与え、転位発生の恐れがあるからである。
【００２０】
なお、半導体ウェーハのアライメントマークとしては、幅ｗは１００ｎｍ〜１μｍ程度が好適である。
【００２１】
改質部分２２の位置、すなわち半導体ウェーハ２０の表面２０ａから所定深さ位置２１までの距離ｄは、半導体ウェーハ２０の位置を上下させて焦点を結像させることによって、所望の深さ位置２１に設定することができる。
【００２２】
図２に示した本発明の第２の実施形態は、半導体ウェーハの片方の表面２０ａ側から、当該表面２０ａに焦点を合わせて、上記のような低出力のレーザ光線を照射する。すなわち、所定深さ位置２１が半導体ウェーハ表面２０ａと一致する。その結果、半導体ウェーハの表面２０ａ上にアライメントマーク２２を形成することができる。
【００２３】
図３に示した本発明の第３の実施形態は、半導体ウェーハ２０の両面のいずれか一方の表面２０ａから、他方の表面２０ｂに焦点を合わせて、上記のような低出力のレーザ光線を照射する。その結果、半導体ウェーハの表面２０ｂ上にアライメントマーク２２を形成することができる。本実施形態では、一方の面２０ａ側からレーザ照射するにも関わらず、反対側の面２０ｂ上にアライメントマークを形成することができる。
【００２４】
また、本発明では上記のように半導体ウェーハに対して透過性を有する波長のレーザ光線を用いて、任意の深さ位置に焦点を合わせて照射するため、例えば、半導体ウェーハのいずれか一方の面から、半導体ウェーハの第１の所定深さ位置に焦点を合わせてレーザ光線を照射する第１工程と、当該第１の所定深さ位置とは同一照射線上で深さの異なる半導体ウェーハの第２の所定深さ位置に焦点を合わせてレーザ光線を照射する第２工程と、を行えば、半導体ウェーハの同一照射線上に複数のアライメントマークを形成することができる。
【００２５】
このようにすれば、半導体ウェーハ２０の深さ方向にズレなく複数のアライメントマークを形成することができる。また、第１工程の照射と第２工程の照射では、半導体ウェーハをステージによって上下させるだけで済むので、プロセスが容易である。
【００２６】
そのような実施形態の一例として、図４に本発明の第４の実施形態を示す。第１工程（図４（ａ））では、半導体ウェーハの表面２０ａ側から、当該表面２０ａに焦点を合わせ、第２工程（図４（ｂ））では、同じく半導体ウェーハの表面２０ａ側から、他方の表面２０ｂに焦点を合わせて、レーザ光線を照射する。すなわち、第１の所定深さ位置２１ａを表面２０ａとし、第２の所定深さ位置を表面２０ｂとする。その結果、アライメントマーク２２ａ，２２ｂを形成することができる。本実施形態によれば、半導体ウェーハの両表面２０ａ，２０ｂ上にアライメントマークを形成するに当たり、深さ方向に位置ずれがなく精度が高いのみならず、半導体ウェーハを裏返したりする必要がなく、ハンドリング回数が減らせるため、ウェーハ表面を不用意に傷つけるおそれも少なくなる。
【００２７】
（本発明で使用するレーザ光学系）
図５及び図６は、本発明の半導体ウェーハの製造方法で使用するレーザ光学系の一例を示す模式図である。図５は、アライメントマークを形成するための光学系部分を抜き出したものであり、図６は、半導体ウェーハ表面を観察するための光学系部分を抜き出したものである。
【００２８】
図５を参照し、レーザ光学系１００は、レーザ光線１０が照射される半導体ウェーハ２０と、レーザ光線１０をパルス発振するレーザ発生装置１５と、レーザ光線のパルス等を制御するパルス制御回路（Ｑスイッチ）１６と、レーザ光線１０を反射してレーザ光線１０の進行方向を９０°変換するように配置されたビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ａと、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ａで反射されたレーザ光線１０を集光する集光レンズ１１と、集光されたレーザ光線１０を半導体ウェーハの任意の位置で焦点を合わせるために鉛直方向および水平方向に移動可能なステージ４０と、ステージ４０の移動を制御するステージ制御回路４５とを備える。また、パルス制御回路１６及びステージ制御回路４５は、中央制御回路５０により制御される。
【００２９】
レーザ発生装置１５およびパルス制御回路（Ｑスイッチ）１６は、上記の表１に示した好適範囲のレーザ光線を発生できるものであればよく、特に限定はされないが、半導体材料内部の任意の位置に改質部分を形成するためには透過性のレーザ波長であって、かつ短パルス周期での発振が可能であるチタンサファイヤレーザが好適である。
【００３０】
レーザ発生装置１５で発生したレーザ光線１０は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ａで反射され９０°方向を転換する。集光レンズ１１により集光したレーザ光線１０が半導体ウェーハ２０の所定深さ位置２１で焦点を結像するように、ステージ４０をコンピュータ制御で鉛直方向に可動する。集光レンズ１１は、倍率：１０〜３００倍、開口数（Ｎ．Ａ．）：０．３〜０．９およびレーザ光線の波長に対する透過率：３０〜６０％の範囲がそれぞれ好適である。
例えば、表面から２μｍの位置に改質部分を形成する場合には、レーザ光線の波長を１０８０ｎｍに設定し、透過率が６０％の集光レンズ(倍率５０倍)を用いて表面から２μｍの位置にレーザ光線を結像し多光子吸収過程を生じさせることにより改質部分を形成することができる。半導体材料中におけるレーザ照射により生じた改質部分は、顕微赤外ＣＣＤカメラ（不図示）などにより観察し、加工状態の確認を行うことができる。
【００３１】
図６を参照し、レーザ光学系１００はさらに、可視光レーザ発生装置１９と、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ｂと、ＣＣＤカメラ３０と、ＣＣＤカメラ制御回路３５と、結像レンズ１２と、中央制御回路５０と、表示手段５１とを備えている。
【００３２】
可視光レーザ発生装置１９で発生した可視光レーザ光線１８ａは、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１７ｂで反射されることにより９０°方向を転換し、半導体ウェーハ２０を照射し、半導体ウェーハ２０の表面で反射される。反射された可視光レーザ光線１８ｂは、集光レンズ１１（図５に図示）およびビームスプリッタ１７ｂおよびビームスプリッタ１７ａ（図５に図示）を透過して結像レンズ１２に到達する。結像レンズ１２に到達した可視光レーザ光線１８ｂは、結像レンズ１２を介して半導体ウェーハ２０表面上に結像されてＣＣＤカメラ３０で撮像データとしてＣＣＤカメラ制御回路に入力される。この入力されたデータを基にステージ制御回路４５から出力されるデータによって、ステージ４０は水平方向に移動される。この機構により、同一深さ方向及び同一面内方向に複数のアライメントマークを形成することも可能となる。なお、図６においては、反射前のレーザ光線１８ａと反射されたレーザ光線１８ｂは、光路を把握しやすくするために光軸をずらして表示したが、実際は同一光軸となる。
【００３３】
（各実施形態のアライメントマークの観察手法）
形成されたアライメントマークは、公知の光学系で観察することが可能である。例えば、シリコンウェーハの表面及び表面近傍に本発明の製造方法でアライメントマークを形成した場合、当該アライメントマークは、可視光領域の光学顕微鏡により直接観察することができる。また、シリコンウェーハの内部や、観察光学系とは反対側のウェーハ表面にアライメントマークを形成した場合は、ウェーハを透過する波長１．１μｍ以上の波長に分光感度を有する顕微赤外ＣＣＤカメラにより観察可能である。
【００３４】
（各実施形態のアライメントマークの利用方法）
上記のような加工方法で形成したアライメントマークを利用して、例えば以下のようなウェーハの加工ができる。
（１）フォトレジストで半導体ウェーハ上にパターンを形成する際に、フォトマスクと半導体ウェーハとの位置合わせを行う。
（２）半導体ウェーハをデバイスごとに分割する際に、半導体ウェーハを精度よく位置決めする。
なお、従来の高出力レーザを用いたアブレーションによる加工では、アブレーションによるデブリなどが生じやすく、形成したマーク表面は凹凸が激しく、ラフニングした加工面しか得ることができなかったため、十分な精度のアライメントは困難であった。しかし、本発明の製造方法で形成したアライメントマークによれば、例えば、１〜２ｍｍ程度の厚さの半導体ウェーハを１０μｍ間隔で短冊状に精度よく切断することができる。
【００３５】
さらに、半導体ウェーハは、本発明で形成したアライメントマークで位置合わせをした上で、例えば円盤状や円柱状など、任意の形状に切断加工することができる。また、本発明で形成したアライメントマークは、一般的な微細加工用のアライメントマークとして用いることもできる。
【００３６】
また、上記加工方法は、アライメントマークとしての利用以外にも、所望の印字対象のレーザマーキング手法としても適用することができる。この手法によれば、半導体ウェーハの任意の深さ位置にレーザマークをすることが可能となる。
【実施例】
【００３７】
（参考例）
ウェーハ径が３００ｍｍ、厚さが０．７２５ｍｍのシリコンウェーハに表２に示す条件のレーザビームをチタンサファイヤレーザから照射し、レーザビームを照射する側の表面から深さ２μｍの位置に改質部分を形成したシリコンウェーハを作製した。
【００３８】
【表２】
0005471692.tif 000003
【００３９】
形成したレーザマークを可視光光学顕微鏡で観察することができた。
【符号の説明】
【００４０】
１０、１０ａ、１０ｂ  レーザ光線
１１  集光レンズ
２０  半導体ウェーハ
２０ａ，２０ｂ  半導体ウェーハ表面
２１  所定深さ位置
２１ａ  第１の所定深さ位置
２１ｂ  第２の所定深さ位置
２２  改質領域、アライメントマーク
２３  表面層
２４  改質部分の幅
【図１】
0005471692.tif 000004
【図２】
0005471692.tif 000005
【図３】
0005471692.tif 000006
【図４】
0005471692.tif 000007
【図５】
0005471692.tif 000008
【図６】
0005471692.tif 000009