(57)【要約】ウェハ（２００）を、標的材料のアブレーション閾値を小さくするような短いパルス幅のレーザパルスでスクライブするシステム及び方法が提供される。材料層（２０２，２０４，２０６）の積層体では、最小レーザアブレーション閾値はレーザパルス幅に基づいて、これらの層（２０２，２０４，２０６）の各層に関して決定される。複数の最小レーザアブレーション閾値の中から最大のレーザアブレーション閾値が選択され、そして（選択されたレーザアブレーション閾値）〜（選択されたレーザアブレーション閾値の約１０倍の値）の範囲のフルエンスを有する一つ以上のレーザパルスのビームが生成される。一の実施形態では、約０．１ピコ秒〜約１０００ピコ秒の範囲のレーザパルス幅が使用される。更に、または他の実施形態では、高いパルス繰り返し周波数を選択することによりスクライブ速度を速くする。一の実施形態では、パルス繰り返し周波数は約１００ｋＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲である。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された複数の層を切断する方法であって、前記複数の層の各層は、レーザパルス幅に応じて変化する各々のレーザアブレーション閾値を有し、前記方法では：
複数の層の各層に関して最小レーザアブレーション閾値を決定し；
前記複数の最小レーザアブレーション閾値の中から最大のレーザアブレーション閾値を選択し；
前記選択したレーザアブレーション閾値と該閾値の約１０倍の値の間の範囲のフルエンスを有する一つ以上のレーザパルスのビームを生成し；そして
スクライブを行なって、前記複数の層に形成された複数の集積回路の間に、前記複数の層を貫通して前記基板の上側表面に達する加工溝を、形成する、
方法。
【請求項２】
前記レーザパルスは、約０．１ピコ秒〜約１０００ピコ秒の範囲のパルス幅を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ビームは、約１００ｋＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周波数を有する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記レーザパルスのエネルギー／パルスは、約１μＪ〜約１００μＪの範囲である、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ビームの平均パワーは、約１０ワット〜約５０ワットの範囲である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記複数の層は約８μｍ〜約１２μｍの範囲の合計膜厚を有し、そして前記ビームは、スクライブを約２００ｍｍ／秒〜約１０００ｍｍ／秒の範囲の速度で行なって、前記複数の層を貫通する加工溝を形成するように設定される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
更に、前記基板をダイシングソーで前記加工溝の長さに沿って切断する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記加工溝は、第１能動素子領域を第２能動素子領域から分離する第１スクライブライン及び第２スクライブラインを構成する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
更に、前記複数の層及び前記基板をダイシングソーで、前記第１スクライブラインと前記第２スクライブラインとの間で切断する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記ビームを１回走査することにより前記複数の層及び前記基板を貫通して切断する、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
更に、前記ビームを、ほぼ均一な照射分布が得られるように整形する、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の層の内の少なくとも一つの層は低ｋ誘電体材料を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記ビームは、前記選択したレーザアブレーション閾値と該閾値の約５倍の値の間の範囲のフルエンスを有する、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
請求項１記載の方法によるダイシングによって得られる集積回路。
【請求項１５】
表面又は内部に形成された複数の集積回路を有するウェハをスクライブする方法であって、前記複数の集積回路は一つ以上のストリートによって分離され、前記方法では：
標的材料のレーザアブレーション閾値が最小となるように選択されたパルス幅を有する一つ以上のレーザパルスのビームを生成し；そして
前記標的材料の一部分を、約５．１ＭＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周波数のビームでアブレーション除去する、
方法。
【請求項１６】
前記パルス幅は、約０．１ピコ秒〜約１０００ピコ秒の範囲である、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記レーザパルスのエネルギー／パルスは、約１μＪ〜約１００μＪの範囲である、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記標的材料は約８μｍ〜約１２μｍの範囲の厚さを有し、そして前記ビームは、前記標的材料を約２００ｍｍ／秒〜約１０００ｍｍ／秒の範囲の速度で貫通して切断するように設定される、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
表面又は内部に形成された複数の集積回路を有するウェハをスクライブする方法であって、前記複数の集積回路は一つ以上のストリートによって分離され、前記方法では：
約０．６ピコ秒〜約１９０ピコ秒の範囲のパルス幅を有する一つ以上のレーザパルスのビームを生成し；そして
前記標的材料の一部分をビームでアブレーション除去する、
方法。
【請求項２０】
前記ビームは、約１００ｋＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周波数を有する、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
表面又は内部に形成された複数の集積回路を有するウェハをスクライブする方法であって、前記複数の集積回路は一つ以上のストリートによって分離され、前記方法では：
約２１０ピコ秒〜約１０００ピコ秒の範囲のパルス幅を有する一つ以上のレーザパルスのビームを生成し；そして
前記標的材料の一部分をビームでアブレーション除去する、
方法。
【請求項２２】
前記ビームは、約１００ｋＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周波数を有する、請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、レーザ切削またはレーザスクライビングに関し、特に集積回路を高い繰り返し周波数の超短レーザパルスを用いて材料をアブレーション除去することにより製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路（ＩＣ）は普通、半導体基板上にアレイ状に、または半導体基板内にアレイ状に形成される。ＩＣ（集積回路）は普通、基板上に形成される幾つかの層を含む。これらの層の内の一つ以上の層は、スクライブレーンまたはスクライブストリートに沿って、機械ダイシングソーまたはレーザを使用して除去することができる。スクライビングの後、基板は、ダイシングソーまたはレーザを使用して、基板の厚さ全体に亘って、ダイシングと呼ばれることがある方法で切断して、回路要素群を互いから分離することができる。
【０００３】
半導体製造業者はＩＣにおけるトランジスタのサイズを縮小して、チップ性能を向上させている。これにより、速度が速くなり、そして素子密度が高くなっている。更なる改善を容易にするために、半導体製造業者は、誘電体層の容量を小さくする材料を使用する。例えば、更に微細な回路パターンを形成するために、低誘電率（低ｋ）絶縁膜を有する半導体ウェハを半導体基板の表面に積層させる。低ｋ誘電体は、例えばＳｉＯＦ（フッ素ドープ酸化シリコン）またはＳｉＯＢ（ボロンドープ酸化シリコン）のような無機材料、またはポリイミド系ポリマーまたはパリレン系ポリマーのような有機材料を含むことができる。
【０００４】
しかしながら、従来の機械的切削法、及びレーザ切削法は、例えば低Ｋ誘電体材料を含む多くの高性能の完成ウェハをスクライブするために非常に適合している訳ではない。密度が非常に低く、機械的強度が無く、そして熱応力に対する感度が高いことによって、応力に対する低ｋ誘電体材料の感度が非常に高くなる。従来の機械的なウェハダイシング方法及びウェハスクライブ方法では、チッピング（chips）、クラック、及び他の種類の欠陥が低ｋ材料に発生してＩＣ素子にダメージを与えることが知られている。これらの問題を軽減するために、切削速度を遅くする。しかしながら、これによってスループットが極めて悪くなる。
【０００５】
更に、公知のレーザ技術では、過剰な熱、及び加工屑（debris）が発生し得る。従来から、数十ナノ秒以上のレーザパルス幅が半導体切削またはスクライビングに使用されている。しかしながら、これらの長いパルス幅によって、過剰な熱の拡散が可能になり、これによって熱影響層、再熱酸化による酸化膜層、過剰な加工屑、及び他の問題が発生する。例えば、図１は、従来のレーザ切削法を使用してダイシングされた半導体材料１００の側面模式図である。切削領域１０２の近傍には、熱影響層１０４、及び再熱酸化による酸化膜層１０６が形成されている。クラックが熱影響層１０４に形成され、そしてクラックによって半導体材料１００のチップ破壊強度が低下する。従って、信頼性及び歩留まりが低下する。更に、切削領域１０２からの加工屑１０８が半導体材料１００の表面に散乱し、そして例えばボンディングパッドを汚染する恐れがある。
【０００６】
更に、従来のレーザ切削形状では、レーザで掘り出された材料が、開口したトレンチを埋め戻してしまうという問題を生じる恐れがある。ウェハ厚さが厚くなると、この埋め戻しが更に顕著になって、ダイシング速度を低下させる。更に、幾つかの材料が多くのプロセス条件で処理される場合、掘り出された埋め戻し材料は、目的とする元々の材料よりも後続の過程で除去することが難しくなる。従って、ＩＣ素子にダメージを与え得る、品質の低下した切削部が形成され、そしてこれらの切削部によって、基板上の素子を更にクリーニングし、そして／または広い間隔で分離する必要が生じる。
【０００７】
従って、スループットを高め、かつ切削面の品質、または加工溝品質を向上させるレーザ切削法またはレーザスクライビング法が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，６５６，１８６号
【特許文献２】米国特許第６，４３３，３０１号
【特許文献３】米国特許第６，７９１，０６０号
【発明の概要】
【０００９】
本明細書に開示される実施形態は、低ｋ誘電体及び／又は他の材料を含む完成ウェハを、既存の機械的切削法及び／又はレーザ切削法と同等の速度で、またはこれらの方法よりも速い速度でスクライブするシステム及び方法を提供する。しかしながら、レーザスクライビングは、機械応力及び／又は熱応力を低減するようにして、または無くすようにして、更には加工屑を減らすようにして、または加工屑を無くすようにして行なわれる。従って、プロセス後のクリーニングは、ほとんど必要ではない、または全く必要ではない。更に、清浄度が高く、かつ真っ直ぐなエッジ切断部が、スクライビングプロセスを施すために必要とされるウェハ上の素子群の横方向の間隔を更に開けて分離する必要を生じることなく形成される。
【００１０】
一の実施形態では、基板の上に形成された複数の層を切削する方法が提供される。複数の層の各層は、レーザパルス幅に応じて変わる、各レーザアブレーション閾値を有する。本方法では、複数の層の各層に関して最小のレーザアブレーション閾値を決定し、そしてそれら最小のレーザアブレーション閾値の中から最大のレーザアブレーション閾値を選択する。本方法では更に、こうして選択したレーザアブレーション閾値と該閾値の約１０倍の値の間の範囲のフルエンス（単位面積を通過するエネルギーの時間積分値）を有する一つ以上のレーザパルスのビームを生成し、そしてスクライブを行なって、複数の層に形成された複数の集積回路の間に、複数の層を貫通して基板の上側表面に達する加工溝を、形成する。
【００１１】
このような所定の実施形態では、レーザパルスは、約０．１ピコ秒〜約１０００ピコ秒の範囲のパルス幅を有する。更に、ビームは、約１００ｋＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周波数を有し、そして約１０μｍの材料を約２００ｍｍ／秒〜約１０００ｍｍ／秒の範囲の速度で貫通して切断することができる。更に、または他の実施形態では、エネルギー／パルスは、約１μＪ〜約１００μＪの範囲である。
【００１２】
別の実施形態では、複数の集積回路がその上に、またはその中に形成されているウェハをスクライブする方法が提供される。これらの集積回路は、一つ以上のストリートによって分離される。本方法では、一つ以上のレーザパルスのビームを生成する。レーザパルスは、標的材料のレーザアブレーション閾値を最小にするように選択されるパルス幅を有する。本方法では更に、標的材料の一部分を、約５．１ＭＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周波数のビームでアブレーション除去する。
【００１３】
別の実施形態では、約０．６ピコ秒〜約１９０ピコ秒の範囲のパルス幅を有する一つ以上のレーザパルスのビームを生成する方法が提供される。本方法では更に、標的材料の一部分をビームでアブレーション除去する。
【００１４】
別の実施形態では、約２１０ピコ秒〜約１０００ピコ秒の範囲のパルス幅を有する一つ以上のレーザパルスのビームを生成する方法が提供される。本方法では更に、そのビームで標的材料の一部分をアブレーション除去する。
【００１５】
更に別の態様及び利点は、添付の図面を参照した好適な実施形態に関する以下の詳細な記述から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来のレーザ切削法を使用してダイシングされた半導体材料の側面模式図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の或る実施形態に従って切削される例示としての被加工物の側面模式図である。
【図３】図３Ａは、本発明の別の実施形態に従って切削される被加工物の透視図であり、図３Ｂは、図３Ａに示す被加工物の側面模式図である。
【図４】簡易化したガウス分布ビーム照射分布と、簡易化した整形ビーム照射分布との差をグラフで示している。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、ビーム断面形状の差をグラフで示している。
【図６】図６Ａ〜図６Ｄは、本発明の或る実施形態による回折光学素子（ＤＯＥ）を通って伝搬するガウス分布ビームによって生成される例示としてのほぼ均一な照射分布を示している。
【図７】本発明の一の実施形態による配線層及び低ｋ誘電体層を貫通するようにスクライブして形成される加工溝の電子顕微鏡写真である。
【図８】本発明の一の実施形態による被加工物をレーザパルスで切削方向に連続的に照射する様子を模式的に示している。
【図９】本発明の一の実施形態によるレーザアブレーション法を使用する微細加工により半導体材料に形成されるパターンの電子顕微鏡写真である。
【図１０】本発明の一の実施形態によるレーザアブレーション法を使用する微細加工により半導体材料に形成されるパターンの電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
材料がレーザエネルギーを吸収する能力によって、当該エネルギーでアブレーション除去することができる深さが決まる。アブレーション深さは、材料によって決まる吸収深さ、及び材料の蒸発熱によって決まる。波長、パルス幅期間、パルス繰り返し周波数、及びビーム品質のようなパラメータを制御することにより、切削速度を速くし、そして切削面または加工溝の品質を向上させることができる。一の実施形態では、これらのパラメータの内の一つ以上のパラメータは、標的材料をアブレーション除去するために丁度十分な大きさのエネルギーの非常に低いフルエンス（単位面積を通過するエネルギーの時間積分値：通常、Ｊ／ｃｍ２で測られる）が得られるように選択される。従って、材料に照射される余剰エネルギーの量は小さくなる、またはゼロになる。相対的に低いフルエンスを使用することにより、再熱酸化による酸化膜層、熱影響層、チッピング、クラック、及び加工屑を減らす、または無くす。従って、チップ破壊強度が高まり、そしてレーザ照射後に必要なクリーニングの回数が減る。
【００１８】
モーロー（Mourou）らによる米国特許第５，６５６，１８６号は、材料のアブレーション閾値はレーザパルス幅の関数であることを教示している。本明細書において使用するように、「アブレーション閾値という用語は、当該用語の普通の、かつ慣用的な意味を含む広義の用語であり、そして例えば、材料をスクライブして、または切削して除去するために必要な十分に大きいフルエンスを意味する。ナノ秒の範囲の従来のパルス幅に対するアブレーション閾値に関しては普通、相対的に短いパルス幅に対するアブレーション閾値よりも大きくする必要がある。パルスが短くなると、ピークパワーが大きくなり、かつ熱伝導率が小さくなる。空間分解能を高めるために、モーローらによる特許には、フェムト秒の範囲のパルス幅を使用することが教示されている。しかしながら、フェムト秒範囲のレーザパルス幅では、従来のナノ秒範囲のパルスよりもパルス当たりの材料除去量が小さくなる。従って、ラインを切削する、またはスクライブするために必要な時間の長さが長くなり、そしてスループットが低下する。更に、フェムト秒程度のパルス幅の範囲では、アブレーション閾値は、フェムト秒パルスの幅が短くなるとともに大きくなる。
【００１９】
従って、ここに開示する一の実施形態では、パルス幅を、ピコ秒範囲の幅になるように選択することにより、フェムト秒パルスよりもパルス当たりの材料除去量を増やしながら、アブレーション閾値を小さくする。ピコ秒範囲では、レーザパルスによって最初に励起される電子がエネルギーをバルク材料と交換する（例えば、連続的な電子−格子間相互作用による電子熱化）際の時定数は、ピコ秒範囲になる。例えば、時定数は約１〜１０ピコ秒の程度とすることができる。従って、パルスが相対的に短い、または同じ程度の長さの持続期間を持つことによって、「コールド（Cold）」のクーロン（Coulomb）型アブレーションを、大きな熱を生じることなく引き起こす。従って、材料の熱応力及び／又は溶融が無くなる、または軽減される。
【００２０】
当業者であれば、本明細書における開示から、約１ピコ秒〜約１０ピコ秒の範囲のパルスによってかなりの熱的アブレーションが起こることが理解できるであろう。しかしながら、アブレーション閾値よりもほんのわずかだけ大きく比較的小さい１パルス当たりのフルエンスを使用することにより、溶融屑を発生させる余剰エネルギーを小さくすることができる。従って、滑らかな加工溝が得られる。更に、熱による影響がほぼレーザスポットに限定される、というのは、パルス幅が非常に短いので、熱が照射領域の外部に拡散することがない、または伝搬することがないからである。しかしながら、パルスが短すぎる場合、レーザ光が材料と相互作用する実効深さが浅くなり、アブレーション効率が低下する（例えば、レーザパルスで最初に励起される電子の数が少なくなる）。
【００２１】
切削速度を或る実施形態において速くするために、パルス繰り返し周波数は、従来のダイシングソーまたはレーザによる半導体切削プロセスにおける切削速度を実現するように選択される。高いパルス繰り返し周波数を使用して材料をより高速にアブレーション除去する。更に、パルス繰り返し周波数を高くすることによって、相対的に大きいエネルギーを、エネルギーが周囲材料の中で消費される前にアブレーション（焼灼）に使用することができる。
【００２２】
以下に詳細に議論するように、ビーム整形を或る実施形態において使用して加工溝品質（kerf quality）を向上させる。レーザビームを整形することにより、例えばほぼ平坦な加工溝底面を形成することができ、これにより、発生する加工屑が少なくなり、かつ基板へのダメージが軽減される、または無くなる。側壁形状が滑らかになる他に、ビーム整形によって、再熱酸化による酸化膜層の幅も狭くなる。
【００２３】
便宜上、「切削（cutting)」という用語を使用して、スクライビング（目的とする被加工物の深さ全体を貫通することがない切削）及びスルーカッティング（through cutting）を広く指すようにしており、スルーカッティングはスライシング（多くの場合、ウェハ列の分離加工に関連する）またはダイシング（多くの場合、ウェハ列からの部品シンギュレーション(個別化）に関連する）を含む。スライシング及びダイシングは本開示における説明では同じ意味に使用される。
【００２４】
次に、同様の参照番号が同様の構成要素を指す図を参照する。図を分かり易くするために、参照番号の第１桁は、該当する構成要素が初めて使用される図形番号を指している。以下の記述では、多くの特定の詳細を提示して、本明細書に開示する実施形態を完全に理解することができるようにしている。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、本発明は、一つ以上の特定の詳細を用いることなく実施することができる、または他の方法、要素、または材料を用いて実施することができることを理解できるであろう。更に、或る場合においては、公知の構造、材料、または動作は、本発明の態様を不明瞭にすることがないようにするために詳細には示されない、または記載されない。更に、記載される機能、構造、または特徴は、いずれの適切な態様でも、一つ以上の実施形態において組み合わせることができる。
【００２５】
図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の或る実施形態に従って切削される例示としての被加工物２００の側面模式図である。被加工物２００は、基板２０８の上に形成される層２０２，２０４，２０６を含む。当業者であれば理解することができることであるが、層２０２，２０４，２０６は、低ｋ誘電体を含む絶縁層によって分離される配線層を含むことにより電子回路を形成することができる。例えば、層２０２，２０４，２０６は、Ｃｕ，Ａｌ，ＳｉＯ２，ＳｉＮ，フッ化ケイ酸塩ガラス（ＦＳＧ），有機ケイ酸塩ガラス（ＯＳＧ），ＳｉＯＣ（炭素含有酸化シリコン），ＳｉＯＣＮ（炭素及び窒素を含有する酸化シリコン）のような材料、及びＩＣ製造に使用される他の材料を含むことができる。例示のために、３つの層２０２，２０４，２０６が図２Ａ〜２Ｃに示される。しかしながら、当業者であれば、図示の層の数よりも多くの層、または少ない層を特定のＩＣに使用することができることが理解できるであろう。図示のように、基板２０８はＳｉを含む。しかしながら、当業者であれば、ＩＣ製造に有用である他の材料を基板２０８に使用することができ、このような材料として、例えばガラス、ポリマー、金属、複合材料、及び他の材料を挙げることができることも理解できるであろう。例えば、基板２０８はＦＲ４（高耐熱エポキシ樹脂）を含むことができる。
【００２６】
電子回路は能動素子領域２１０，２１２に形成され、これらの領域は、互いからスクライブレーンまたはスクライブストリート２１４によって分離される。当業者であれば、テスト構造は多くの場合、ストリート２１４の中に、そしてストリート２１４の近傍に形成されることが理解できるであろう。個々のＩＣを取り出すために、被加工物２００をストリート２１４に沿ってスクライブする、スルーカットする、またはスクライブし、かつスルーカットする。図２Ａでは、一の実施形態によるレーザビーム２１６によって被加工物２００を、ストリート２１４の領域内の層２０２，２０４，２０６をアブレーション除去することによりスクライブする様子が示される。図２Ｂに示すように、レーザスクライビングプロセスを施した結果、上部層２０２の上側表面から層２０２，２０４，２０６を通って基板２０８の上側表面に達するレーザ加工溝２１８が形成される。以下に議論するように、或る実施形態では、レーザビーム２１６を整形することにより、加工溝側壁形状の品質を向上させ、そして基板２０８へのダメージを減らす、または防止する。
【００２７】
レーザビーム２１６は一連のレーザパルスを含み、これらのレーザパルスは、被加工物２００に照射されるレーザのフルエンスを出来る限り小さくしても、このフルエンスによって層２０２，２０４，２０６及び／又は基板２０８の材料を所望通りにアブレーション除去することができるように設定される。一の実施形態では、レーザビーム２１６のフルエンスは、（被加工物２００のアブレーション閾値）〜（被加工物２００のアブレーション閾値の約１０倍の値）の範囲になるように選択される。別の実施形態では、レーザビーム２１６のフルエンスは、（被加工物２００のアブレーション閾値）〜（被加工物２００のアブレーション閾値の約５倍の値）の範囲になるように選択される。
【００２８】
アブレーション閾値を小さくするために、一の実施形態によれば、パルス幅は、約０．１ピコ秒〜約１０００ピコ秒の範囲に設定される。他の実施形態では、パルス幅は、約１ピコ秒〜約１０ピコ秒の範囲に設定される。他の実施形態では、パルス幅は、約１０ピコ秒〜約４０ピコ秒の範囲に設定される。しかしながら、当業者であれば、本明細書における開示から、他のパルス幅を使用することができることが理解できるであろう。例えば、一の実施形態では、パルス幅は、約０．６ピコ秒〜約１９０ピコ秒の範囲であるのに対して、別の実施形態では、パルス幅は、約２１０ピコ秒〜約１０００ピコ秒の範囲である。
【００２９】
一の実施形態では、レーザビーム２１６は、約１０Ｗ〜約５０Ｗの範囲の平均パワー、及び約１μＪ〜約１００μＪの範囲のエネルギー／パルスを使用して生成される。層２０２，２０４，２０６が、約８μｍ〜約１２μｍの範囲の合計膜厚を有する場合、レーザビーム２１６は、層２０２，２０４，２０６を、約２００ｍｍ／秒〜約１０００ｍｍ／秒の範囲の速度で、高いパルス繰り返し周波数を使用して貫通切断するように設定される。
【００３０】
或る実施形態では、パルス間隔を約１ナノ秒〜約１０ナノ秒の範囲とすることにより、熱をほぼ完全に放散させることができる。他の実施形態では、パルス間隔を約１０ナノ秒〜約１マイクロ秒の範囲とすることにより、第１パルスによってアブレーション除去された材料の噴煙(plume)を十分低い密度となるように分散させ、後続のパルスと著しく相互作用することがないようにする。このような或る実施形態では、パルス繰り返し周波数は、約１ＭＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲である。他の実施形態では、パルス繰り返し周波数は、約５．１ＭＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲である。別の実施形態では、パルス繰り返し周波数は、約５０ｋＨｚ〜約４ＭＨｚの範囲である。
【００３１】
高いパルス繰り返し周波数（例えば、約１ＭＨｚ超の周波数、特に約１０ＭＨｚ超の周波数）では、残留パルスエネルギーが熱として蓄積する可能性がある、というのは、照射されるエネルギーにとっては、エネルギーをパルスとパルスの間で放散するための時間が十分に長くはないからである。熱が蓄積する効果によって普通、アブレーション効率が高くなり、かつ溶融が加速されることにもなる。しかしながら、溶融は普通、被照射領域に限定され、かつ加工溝の中心に集中する。溶融が加工溝の中心で加速されることにより、特定の用途によって変わるが、加工溝の所望の品質が向上する、または低下する。
【００３２】
例示としての実施形態では、レーザビーム２１６は、スイスのチューリッヒにあるタイム・バンドウィズス・プロダクツ（Time Bandwidth Products）社から入手可能なドュエット（DuettoＴＭ）・レーザを使用して生成される。ドュエット・レーザは、約１０６４ｎｍの波長、約５０ｋＨｚ〜約４ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周波数、約１０Ｗ以上の平均パワー、最大約１６ＭＷのピークパワー、最大約２００μＪのエネルギー／パルス、及び最大約１２ピコ秒のパルス幅を有する。別の構成として、例示としての別の実施形態では、レーザビーム２１６は、ドイツのカイザースラウテルンにあるルメラレーザ社(Lumera Laser GmbH)から入手可能なラピッド・シリーズピコ秒レーザ（RAPID picosecond laser）を使用して生成される。
【００３３】
波長が１０６４ｎｍのレーザの高調波を用いて、特定材料に対するアブレーション特性を向上させることもできる。例えば、約５３２ｎｍの波長を使用してＣｕをアブレーション除去することができ、約３５５ｎｍの波長を使用してＳｉ及び所定の低ｋ誘電体をアブレーション除去することができ、そして約２６６ｎｍの波長を使用してガラスをアブレーション除去することができる。一の実施形態では、波長を、層２０２，２０４，２０６及び／又は基板２０８のそれぞれの材料、及び相対的な厚さに少なくとも部分的に基づいて選択して、切削速度が速くなるようにする。例えば、波長を最適化することにより、非常に薄い誘電体層ではなく、厚いＣｕ層をアブレーション除去することができる。別の実施形態では、波長は、層２０２，２０４，２０６及び／又は基板２０８の内の一つ以上に対するアブレーションの間で切り替えることができる。当業者であればまた、レーザの集光特性が波長によって異なるので、高調波を用いることによってレーザビームを集光する能力が高まることも理解できるであろう。
【００３４】
層２０２，２０４，２０６をスクライブするために、一の実施形態によれば、各レーザパルスのフルエンスを、所定の、波長、パルスエネルギー、及びパルス持続期間に対して、層２０２，２０４，２０６の積層体における最大アブレーション閾値に、または最大アブレーション閾値を超える値に設定する。一の実施形態では、各レーザパルスのフルエンスを、積層体における最大アブレーション閾値の約１〜１０倍に設定する。別の実施形態では、各レーザパルスのフルエンスを、積層体における最大アブレーション閾値の約１〜５倍に設定する。
【００３５】
例えば、第３層２０６が第１及び第２層２０２，２０４よりも大きいアブレーション閾値を持つように決定することができる。従って、ピコ秒範囲の短いパルスを使用して、レーザパルスのフルエンスを、第３層２０６をアブレーション除去するように設定することによっても、第１及び第２層２０２，２０４のアブレーション除去が可能になる。例示としての実施形態では、フルエンスを、積層体における最大アブレーション閾値の約１．５倍に設定する。例えば、第３層２０６が、パルス幅が約１０ピコ秒のときに約１０Ｊ／ｃｍ２のアブレーション閾値を有する場合、レーザビーム２１６は、スポットサイズが約１０μｍの約２０μＪのパルスを生成して、約１５μＪ／ｃｍ２〜約２０μＪ／ｃｍ２の範囲のフルエンスが得られるように設定される。
【００３６】
当業者であれば、図示の層の数よりも多くの層、または少ない層を、レーザスクライビングプロセスの間にアブレーション除去することができる、または部分的にアブレーション除去することができることを理解できるであろう。例えば、レーザビーム２１６は、上側の２つの層２０２，２０４を、第３層２０６をアブレーション除去することなく、アブレーション除去するように設定することができる。別の構成として、図２Ｃに示すように、レーザビーム２１６は、層２０２，２０４，２０６及び基板２０８を貫通切断して、能動素子領域２１０，２１２を互いに完全に分離する（例えば、ダイシング）ように設定することができる。或る実施形態では、約１０μｍ〜約７６０μｍの範囲の厚さを有するシリコン基板は、レーザ切削プロセスを使用してスルーカット(through cut)される。当業者であれば、本明細書における開示から、他の厚さの基板も、本明細書に記載される方法に従ってスルーカットすることができることを理解できるであろう。
【００３７】
しかしながら、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、一の実施形態では、被加工物２００をスクライブしてストリート２１４の層２０２，２０４，２０６の少なくとも一部分を除去する。次に、被加工物２００を、加工溝経路２１８に沿って機械的に破断して、またはダイシングソーで機械的に切断してダイシングプロセスを完了することができる。従って、ダイシングソーによってダメージを受ける可能性のある、そして／またはダイシングソーにダメージを与え得る低ｋ誘電体またはテスト構造のような材料は、ダイシングソーによる切断の前に除去することができる。一の実施形態では、ダイシングソーで、層２０２，２０４，２０６とソーが接触することがないように加工溝２１８に沿って切り込んでいく。有利な点として、クラック及び加工屑が減り、チップ破壊強度が高まり、そして総合歩留まりが向上する。
【００３８】
図３Ａは、本発明の別の実施形態に従って切削される被加工物３００の透視図である。被加工物３００は、基板３０６の上に形成される層３０２，３０４を含む。上に議論したように、層３０２，３０４は、例えばＣｕ，Ａｌ，ＳｉＯ２，ＳｉＮ，フッ化ケイ酸塩ガラス（ＦＳＧ），有機ケイ酸塩ガラス（ＯＳＧ），ＳｉＯＣ，ＳｉＯＣＮのような材料、及びＩＣ製造に使用される他の材料を含むことができる。基板３０６は、例えばＳｉ，ＦＲ４（高耐熱エポキシ樹脂）、ガラス、ポリマー、金属、複合材料、及びＩＣ製造に使用される他の材料を含むことができる。
【００３９】
図３Ｂは、図３Ａに示す被加工物３００の側面模式図である。図示のように、電子回路は能動素子領域３０８，３１０に形成され、これらの領域は、互いからストリート３１２によって分離されている。この例では、被加工物３００は、レーザ加工溝３１４，３１６が、本明細書に記載されるレーザパラメータを使用して、ストリート３１２の両側に形成されるようにスクライブされる。一の実施形態では、レーザ加工溝３１４，３１６はそれぞれ、約５μｍ〜約１０μｍの範囲の幅を有する。図３Ａ及び３Ｂに示すように、或る実施形態では、レーザ加工溝３１４，３１６は基板３０６の内部にまで延びる。しかしながら、他の実施形態では、レーザ加工溝３１４，３１６では、材料が、層３０２，３０４の内の一方の層のみから、または両方の層から除去される。
【００４０】
レーザスクライブ部分３１４，３１６は、「クラック停止部」として、または後続の加工中の熱応力及び機械応力の物理的バリアとして作用する。従って、レーザスクライブ部分３１４，３１６によって、ストリート３１２と能動素子領域３０８，３１０との間の機械的分離及び熱的分離が可能になる。例えば、レーザスクライブライン３１４，３１６を、本明細書に記載されるレーザアブレーション法を使用して形成した後、ストリート３１２をダイシングソーで機械的に切断して、能動素子領域３０８，３１０をダイシングすることができる。ストリート３１２をダイシングソーで切断することによってできる粗い切削痕は、能動素子領域３０８，３１０にまで食い込むことがないので、ダイシングソーによる機械的な切断に付随するクラック及びチッピングはこれらの領域では減少する、または無くなる。
【００４１】
上に議論したように、或る実施形態では、図２Ａに示すレーザビーム２１６を整形して加工溝側壁形状の品質を向上させ、そして基板２０８へのダメージを減らす、または無くす。図４は、簡易化したガウス分布ビーム照射分布４０２と、簡易化した整形ビーム照射分布４０４との差をグラフで示している。ガウス分布ビーム照射分布４０２の中心は整形ビーム照射分布４０４と比べると、蒸発閾値４０６及び溶融閾値４０８よりもずっと大きくなっている。従って、ガウス分布ビームは相対的に多量の余剰エネルギーを標的材料に、特にビームの中心部分で与える。
【００４２】
更に、溶融閾値４０８と蒸発閾値との間のガウス分布ビーム照射分布４０２の傾斜は、整形ビーム照射分布４０４の傾斜よりも小さい。従って、ガウス分布ビームによって相対的に広い再熱酸化による酸化膜層が形成される、というのは、相対的に広い面積の材料が溶融するが、蒸発しないからである。例えば、矢印４１０は、ガウス分布ビームによって形成される再熱酸化による酸化膜層の幅を表わし、矢印４１２は、整形ビームによって形成される再熱酸化による酸化膜層の幅を表わす。溶融閾値４０８と蒸発閾値４０６との間の整形ビーム照射分布４０４の傾斜が急峻であるので、整形ビームでは、相対的に狭い再熱酸化による酸化膜層が形成される。
【００４３】
図５Ａ〜図５Ｃは、ビーム断面形状の差をグラフで示している。図５Ａは、ガウス分布断面形状５１０を示している。図５Ｂ，図５Ｃは、「シルクハット」型断面形状を示している。図５Ｂは、方形断面形状５１２を示し、そして図５Ｃは、釣鐘断面形状５１４を示している。
【００４４】
ダンスキー（Dunsky）らによる米国特許第６，４３３，３０１号及び第６，７９１，０６０号には、或る実施形態によるビーム整形システム及びビーム整形法が開示されている。図６Ａ〜図６Ｄは、米国特許第５，８６４，４３０号に記載されている回折光学素子（ＤＯＥ）を通って伝搬するガウス分布ビームによって形成される例示としてのほぼ均一な照射分布を示している。図６Ａ〜図６Ｄは、「シルクハット」型整形ビームを示している。図６Ａ〜図６Ｃは方形の照射分布を示し、そして図６Ｄは円筒形の照射分布を示している。図６Ｃの照射分布は「反転して」、分布のエッジの方が分布の中心に向かう領域よりも強度が大きくなることを示している。ビーム整形素子は、図６Ｃに示す反転照射分布を有するパルスを生成するように選択することができ、反転照射分布を破線６１０の外側に集中させてアブレーションを容易にすることにより、加工溝の先細り形状を更に改善する。当業者であれば、ビーム整形素子は、特定の用途に有用となり得る種々の他の照射分布を実現するように設計することができることが理解できるであろう。
【００４５】
図７は、配線層及び低ｋ誘電体層７０２を貫通するようにスクライブされた加工溝７００の電子顕微鏡写真である。加工溝７００は約３５μｍの幅であり、そして約３５５ｎｍの波長を有するレーザを使用してスクライブされた。ここに説明するように、短いパルス幅（例えば、ピコ秒範囲の）、及び高いパルスレート周波数を使用して、低フルエンスのアブレーションを高速で実現した。加工溝７００は、「シルクハット」型整形ビームを使用して５００ｍｍ／ｓ超の速度でスクライブされた。ビーム整形により、ほぼ平坦な加工溝底面、及びほぼ垂直で、かつ正確に画定された側面が得られる。更に、チッピングまたはクラックがほとんど発生しない。
【００４６】
本明細書に開示される或る実施形態では、スクライビングはレーザを１回走査するだけで行なうことができる。しかしながら、他の或る実施形態では、パルス１回当たりに除去される材料の量は、所望のスクライブ深さを、レーザを１回走査するだけで得るためには十分ではない。このような或る実施形態では、スクライブラインの各位置にパルスを複数回照射して、材料を所望通りに除去する。このような一の実施形態では、材料にパルスを切削方向に重ねて照射する。
【００４７】
例えば図８は、被加工物８００にレーザパルスを切削方向に連続的に照射する様子を模式的に示している。各パルスで、所定のスポットサイズ８０２の領域を、パルスアブレーションの深さまでアブレーション除去する。アブレーションの合計除去深さを切削するために、連続するパルスに、切削方向に重複オフセット、または重複バイトサイズ８０４を持たせる。例えば、第１パルスで材料を第１領域８０６から除去する。次に、切削方向（例えば、図８の左側に）にシフトさせた第２パルスで、追加の材料を第２領域８０８及び第３領域８０８’から除去する。第２領域８０８及び第３領域８０８’の幅（合計したときの）は、第１領域８０６の幅（例えば、スポットサイズ８０２）と同じである。第２領域８０８は、切削方向の第１領域８０６の側部に位置し、かつバイトサイズ８０４に等しい幅を有する。第３領域８０８’は第１領域８０６の一部分の下に位置する。従って、アブレーションの合計除去深さが、第１パルスを照射してから第２パルスを照射した後に深くなる。
【００４８】
スクライビングプロセスを、追加パルスを連続的に被加工物８００に切削方向に印加しながら続ける。切削部の合計深さはパルスを印加するたびに、所望の深さ８１０に達するまで深くなる。所望の深さ８１０に達した後、追加パルスを印加し続けて、材料を切削方向に、合計深さが深くなって所望の深さ８１０を超えることがないようにしながら除去する。或るスポットサイズ８０２が与えられる場合、バイトサイズ８０４によって所望の深さ８１０が決まる。所望の深さ８１０は、単一パルスによるパルスアブレーションの除去深さに、バイトサイズ８０４に対するスポットサイズ８０２の比を乗算した値に等しい。図８に示す例では、バイトサイズ８０４は、スポットサイズ８０２の大きさの約７分の１である。従って、所望の深さ８１０は、単一パルスによるパルスアブレーションの除去深さの７倍である（そして、所望の深さには、パルスを７回印加した後に初めて達する）。
【００４９】
一の実施形態では、切削速度は、まず、パルス持続期間を上に議論したように選択して、アブレーション閾値を小さくすることにより制御される。有利な点として、或る実施形態では、パルス幅は、このパルス幅によって標的材料または標的材料群に関するアブレーション閾値がほぼ最小になるように選択される。次に、スポットサイズを選択することにより、所望のフルエンスのビームが、選択されたエネルギー／パルスに対して得られる。次に、単一パルスによるアブレーションの除去深さに基づいて、バイトサイズを選択してアブレーションの合計除去深さを得る。次に、上に議論したように、パルス繰り返し周波数を選択して切削速度を大きくする。或る実施形態では、相対的に低いパルス繰り返し周波数（例えば、約７０ｋＨｚ）を大きいパルスエネルギー（例えば、約５０μＪ〜約１００μＪ）と併せて使用して、低フルエンス、かつ高速でのアブレーション除去を、対称な（円形の）レーザスポットのアスペクト比から非対称な（例えば、楕円形の、または矩形の）レーザスポットのアスペクト比に変えて、パルスのエネルギーを切削方向に分散させることにより行なう。従って、エネルギーを小さい円形スポットに集中させるのではなく、楕円形または矩形のスポットで各パルスのエネルギーを分散させて、材料を切削方向に除去しながらフルエンスを小さくする。整形矩形ビームは、例えば矩形の相対的に長い方の寸法が切削方向に向くように設定することができる。
【００５０】
これまでの実施形態は、半導体ウェハのシンギュレーション(個別化)に関して記載されてきたが、当業者であれば、メモリリペア及びレーザ微細加工のような他の用途への適用が可能であることを理解できるであろう。例えば、図９は、上に説明したレーザアブレーション法を利用して微細加工により半導体材料に形成されたパターン９００の電子顕微鏡写真である。例示としてのパターン９００は、高精度パターンに基づいて切削された約５０μｍ幅のトレンチ９０２を含む。トレンチ９０２はほぼ平坦な底面、及び正確に画定された側壁を有する。更に、トレンチ間の距離９０４は約２５μｍと非常に短い。
【００５１】
当業者であれば、本明細書における開示から、他のパターンを実現することもでき、そして更に高精度の切削も可能であることが理解できるであろう。例えば、図１０は、上に説明したレーザアブレーション法を利用した微細加工により半導体材料に形成されるパターン１０００の電子顕微鏡写真である。例示としてのパターン１０００は、幾つかの位置１００４において、約１０μｍ幅の距離だけ分離された約５０μｍ幅のトレンチを含む。
【００５２】
図７，図８，及び図９では、チッピング、クラック、または汚染がほとんど発生していない状態を観察することができる。或る実施形態では、クリーニング処理を何回か実行して、少量の加工屑を取り除くことが望ましい。例えば、従来の高圧水「サンドブラスト」法、または固体ＣＯ２「サンドブラスト」法をレーザアブレーション除去後に使用して粒子または加工屑を除去することができる。しかしながら、本明細書において議論されるアブレーションプロセスは概して、従来のレーザ切削法またはダイシングソーによる機械的な切削法よりも清浄度が高く、かつ従来のプロセスよりもクリーニング処理の回数が少なくて済む、またはクリーニング処理を全く必要としない。従って、ダイシングプロセスを実行するために、ウェハ上の素子群を距離を更に開けて横方向に分離するという必要がない。更に、低いフルエンスを短い波長と併せて用いるので、熱影響層、クラック、剥がれ、及びチッピングに関する問題が軽減される。従って、チップ破壊強度が高まり、そして総合プロセス歩留まりが向上する。
【００５３】
この技術分野の当業者には、多くの変更を、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において、上に記載の実施形態の詳細部分に加え得ることが明らかであろう。従って、本発明の技術範囲は以下の請求項によってのみ規定されるべきである。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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