(57)【要約】【課題】ボンディングパッドに穴を開けることなく、ウエーハの基板にボンディングパッドに達するビアホールを効率よく形成することができるビアホールの加工方法を提供する。【解決手段】基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハの基板に、ボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法であって、エネルギー分布がトップハット形状に整形されたパルスレーザー光線を照射し、ボンディングパッドに達するビアホールを形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハの基板に、ボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法であって、
エネルギー分布がトップハット形状に整形されたパルスレーザー光線を基板の裏面側から照射し、ボンディングパッドに達するビアホールを形成する、
ことを特徴とするビアホールの加工方法。
【請求項２】
該パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度は、１８〜３０J／cm2に
設定されている、請求項１記載のアホールの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体チップを製造している。
【０００３】
装置の小型化、高機能化を図るため、複数の半導体チップを積層し、積層された半導体チップのボンディングパッドを接続するモジュール構造が実用化されている。このモジュール構造は、半導体ウエーハを構成する基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともに該デバイスにボンディングパッドが形成されており、このボンディングパッドが形成された箇所に基板の裏面側からボンディングパッドに達する細孔（ビアホール）を穿設し、このビアホールにボンディングパッドと接続するアルミニウム、銅等の導電性材料を埋め込む構成である。（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】特開２００３−１６３３２３号公報
【０００４】
上述した半導体ウエーハに形成されるビアホールは、一般にドリルによって形成されている。しかるに、半導体ウエーハに設けられるビアホールは直径が１００〜３００μmと小さく、ドリルによる穿孔では生産性の面で必ずしも満足し得るものではない。しかも、上記ボンディングパッドの厚さは１〜５μm程度であり、ボンディングパッドを破損することなくウエーハを形成するシリコン等の基板のみにビアホールを形成するためには、ドリルを極めて精密に制御しなければならない。
【０００５】
上記問題を解消するために本出願人は、基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともに該デバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを効率よく形成するウエーハの穿孔方法を特願２００５−２４９６４３号として提案した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
而して、半導体ウエーハの裏面からレーザー光線を照射してビアホールを形成する形成方法においては、同一個所に複数回パルスレーザー光線を照射する必要があり、しかも半導体ウエーハの表面に形成されたボンディングパッドと呼ばれる電極に穴を開けないように寸止めしなければならない。しかるに、レーザー光線のエネルギー分布は中心が最もエネルギーが強く外周部にいくに従ってエネルギーが減少するガウス分布であるため、照射するレーザー光線の中心部において最も加工され均一の深さのレーザー加工孔を形成することができないので、レーザー光線の中心部においてボンディングパッドが溶融して穴が開くという問題がある。
【０００７】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、ボンディングパッドに穴を開けることなく、ウエーハの基板にボンディングパッドに達するビアホールを効率よく形成することができるビアホールの加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハの基板に、ボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法であって、
エネルギー分布がトップハット形状に整形されたパルスレーザー光線を基板の裏面側から照射し、ボンディングパッドに達するビアホールを形成する、
ことを特徴とするビアホールの加工方法が提供される。
【０００９】
パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度は、１８〜３０J／cm2に設定されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるビアホールの加工方法においては、エネルギー分布がトップハット形状に整形されたパルスレーザー光線を基板の裏面側から照射し、ボンディングパッドに達するビアホールを形成するので、先端のエネルギー分布が均一となるため、ボンディングパッドを加工して穴を開けることなく、ウエーハの基板にボンディングパッドに達するレーザー加工孔を形成することができる。
また、エネルギー分布がガウス分布のパルスレーザー光線を用いた場合には、シリコンからなる半導体ウエーハの基板にビアホールを形成するには１パルス当たりのエネルギー密度が３０J／cm2以上必要であるが、本発明のようにパルスレーザー光線のエネルギー分布をトップハット形状に整形すると、１パルス当たりのエネルギー密度が１８J／cm2以上でシリコンからなる半導体ウエーハの基板にビアホールを形成することが可能となり、エネルギー効率が向上する。
更に、エネルギー分布がガウス分布のパルスレーザー光線を用いた場合には、外周に広がる裾野のエネルギーがビアホールの外周部を加工して設計仕様のビアホールを形成することが困難であるが、本発明のようにパルスレーザー光線のエネルギー分布をトップハット形状に整形すると外周に広がる裾野のエネルギーがトップハット分布に集約されるので、設計仕様通りのビアホールを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明によるビアホールの加工方法について、添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
【００１２】
図１には本発明によるビアホールの加工方法によって加工されるウエーハとしての半導体ウエーハ２の斜視図が示されている。図１に示す半導体ウエーハ２は、厚さが例えば１００μmのシリコンによって形成された基板２１の表面２１aに格子状に配列された複数のストリート２２によって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス２３がそれぞれ形成されている。この各デバイス２３は、全て同一の構成をしている。デバイス２３の表面にはそれぞれ複数のボンディングパッド２４が形成されている。このボンディングパッド２４は、アルミニウム、銅、金、白金、ニッケル等の金属材からなっており、厚さが５μmに形成されている。
【００１３】
上記半導体ウエーハ２には、基板２１の裏面２１b側からパルスレーザー光線を照射しボンディングパッド２４に達するビアホールが穿設される。この半導体ウエーハ２の基板２１にビアホールを穿設するには、図２に示すレーザー加工装置３を用いて実施する。図２に示すレーザー加工装置３は、被加工物を保持するチャックテーブル３１と、該チャックテーブル３１上に保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段３２を具備している。チャックテーブル３１は、被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない加工送り機構によって図２において矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられるとともに、図示しない割り出し送り機構によって矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられるようになっている。
【００１４】
上記レーザー光線照射手段３２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング３２１内に配設されている。このレーザー光線照射手段３２について、図３を参照して説明する。
図３に示すレーザー光線照射手段３２は、パルスレーザー光線発振手段４と、出力調整手段５と、パルスレーザー光線発振手段４から発振され出力調整手段５によって出力調整されたパルスレーザー光線を集光する集光器６と、出力調整手段５と集光器６との間に配設されレーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を偏向する光軸偏向手段７と、出力調整手段５と光軸偏向手段７との間に配設されたレーザー光線整形手段８と、該レーザー光線整形手段８と光軸偏向手段７との間に配設されたコリメーションレンズ９を具備している。
【００１５】
上記パルスレーザー光線発振手段４は、パルスレーザー光線発振器４１と、これに付設された繰り返し周波数設定手段４２とから構成されている。パルスレーザー光線発振器４１は、図示の実施形態においてはＹＶＯ４レーザーまたはＹＡＧレーザー発振器からなり、シリコン等の被加工物に対して吸収性を有する波長(例えば３５５ｎｍ)のパルスレーザー光線LBを発振する。繰り返し周波数設定手段４２は、パルスレーザー光線発振器４１から発振されるパルスレーザー光線の周波数を設定する。このように構成されたパルスレーザー光線発振手段４から発振されるパルスレーザー光線LBのエネルギー分布は、ガウス分布LBGをなしている。上記出力調整手段５は、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線LBを所定の出力に調整する。
【００１６】
上記集光器６は、パルスレーザー光線LBを下方に向けて方向変換する方向変換ミラー６１と、該方向変換ミラー６１によって方向変換されたレーザー光線を集光する集光レンズ６２を具備しており、図２に示すようにケーシング３２１の先端に装着されている。
【００１７】
上記光軸偏向手段７は、図３に示す実施形態においては音響光学偏向手段によって構成されており、レーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を偏向する音響光学素子７１と、該音響光学素子７１に印加するRF（radio frequency）を生成するRF発振器７２と、該RF発振器７２によって生成されたRFのパワーを増幅して音響光学素子７１に印加するRFアンプ７３と、RF発振器７２によって生成されるRFの周波数を調整する偏向角度調整手段７４と、RF発振器７２によって生成されるRFの振幅を調整する出力調整手段７５を具備している。上記音響光学素子７１は、印加されるRFの周波数に対応してレーザー光線の光軸を偏向する角度を調整することができるとともに、印加されるRFの振幅に対応してレーザー光線の出力を調整することができる。なお、上記偏向角度調整手段７４および出力調整手段７５は、図示しない制御手段によって制御される。
【００１８】
図示の実施形態における音響光学偏向手段からなる光軸偏向手段７は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
音響光学偏向手段からなる音響光学偏向手段７の偏向角度調整手段７４に例えば１０Vの電圧が印加され、音響光学素子７１に１０Vに対応する周波数のRFが印加された場合には、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、その光軸が図３において実線で示すように偏向され集光点Pに集光される。また、音響光学偏向手段７の偏向角度調整手段７４に例えば０Vの電圧が印加され、音響光学素子７１に０Vに対応する周波数のRFが印加された場合には、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、図３において破線で示すようにレーザー光線吸収手段７０に導かれる。
【００１９】
なお、レーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を偏向する光軸偏向手段７として音響光学偏向手段を用いた例を示したが、光軸偏向手段として他に例えば所定の間隔をもって互いに平行に対向して配設された一対のミラーと、該一対のミラーの設置角度を調整する角度調整アクチュエータとからなるガルバノスキャナーを用いてもよい。
【００２０】
上記レーザー光線整形手段８は、図３に示す実施形態においては非球面レンズ８１からなっている。この非球面レンズ８１は、上記パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線LBのエネルギー分布をガウス分布LBGからトップハット形状LBHに整形する。
【００２１】
上記コリメーションレンズ９は、図３に示す実施形態においては凸レンズ９１からなっている。この凸レンズ９１は、非球面レンズ８１の焦点位置に凸レンズ９１の焦点位置が位置付けられるように配設される。即ち、図４に示すように非球面レンズ８１の焦点距離(f1)を４０mm、凸レンズ９１の焦点距離(f2)を４０mmとすると、凸レンズ９１は非球面レンズ８１から８０mmの間隔(d1)を置いた位置に配設する。このように、非球面レンズ８１の焦点距離(f1)と凸レンズ９１の焦点距離(f2)および非球面レンズ８１と凸レンズ９１との間隔(d1)を設定することにより、非球面レンズ８１と凸レンズ９１とからなる組レンズの焦点距離が無限大となり、レーザー光線整形手段８としての非球面レンズ８１によって整形されたレーザー光線が凸レンズ９１によって平行なレーザー光線に修正される。
【００２２】
次に、上記コリメーションレンズ９を凹レンズ９２とした実施形態について、図５を参照して説明する。コリメーションレンズ９を凹レンズ９２とした場合、非球面レンズ８１の焦点距離(f1)を４０mm、凹レンズ９２の焦点距離(f3)を−３０mmとすると、凹レンズ９２は非球面レンズ８１から１０mmの間隔(d2)を置いた位置に配設する。このように、非球面レンズ８１の焦点距離(f1)と凹レンズ９２の焦点距離(f3)および非球面レンズ８１と凹レンズ９２との間隔(d2)を設定することにより、非球面レンズ８１と凹レンズ９２とからなる組レンズの焦点距離が無限大となり、レーザー光線整形手段８としての非球面レンズ８１によって整形されたレーザー光線が凹レンズ９２によって平行なレーザー光線に修正される。なお、コリメーションレンズ９を凹レンズ９２とした場合には、非球面レンズ８１と凹レンズ９２との間隔(d2)を小さくすることができる。
【００２３】
次に、レーザー光線整形手段８の他の実施形態について、図６を参照として説明する。
図６に示すレーザー光線整形手段８は、例えばφ５００μmの穴８２aを備えたマスク８２を用いたものである。このようにφ５００μmの穴８２aを備えたマスク８２を用いることにより、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線LBは、その中心部だけが穴８２aを通過するため、エネルギー分布をトップハット形状に整形される。そして、コリメーションレンズ９としての凸レンズ９３を該凸レンズ９３の焦点位置がマスク８２の穴８２aに位置付けられるように配設される。即ち、凸レンズ９３の焦点距離(f4)が５００mmの場合には、凸レンズ９３はマスク８２から５００mmの間隔(d3)を置いた位置に配設する。このように、コリメーションレンズ９としての凸レンズ９３を該凸レンズ９３の焦点位置がマスク８２の穴８２aに位置付けられるように配設することにより、マスク８２の穴８２aを通過したレーザー光線が凸レンズ９３によって平行なレーザー光線に修正される。なお、図６に示す実施形態においては、上記集光器６の集光レンズ６２の焦点距離を(f5)とすると、集光レンズ６２によって集光される像の大きさは(f5／f4)となる。
【００２４】
次に、レーザー光線整形手段８の更に他の実施形態について、図７を参照として説明する。
図７に示す実施形態は、上記レーザー光線整形手段８としての非球面レンズ８１を上記集光器６の集光レンズとして用いた例である。図７に示す実施形態においては上記コリメーションレンズ９を除去することができる。なお、図７に示す実施形態における他の構成は上記図３に示す構成と同一でよく、従って同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図７に示す実施形態においては、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたエネルギー分布がガウス分布LBGを有するパルスレーザー光線LBは、集光器６に配設された非球面レンズ８１によってエネルギー分布がトップハット形状LBHに整形されて集光される。
【００２５】
図２に戻って説明を続けると、図示のレーザー加工装置３は、上記レーザー光線照射手段３２を構成するケーシング３２１の先端部に装着された撮像手段３３を備えている。この撮像手段３３は、可視光線によって撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を図示しない制御手段に送る。
【００２６】
以下、上記図２乃至図４に示すレーザー加工装置３を用いて上記図１に示す半導体ウエーハ２の基板２１にボンディングパッド２４に達するビアホールを形成するビアホールの加工方法について説明する。
先ず、図２に示すようにレーザー加工装置３のチャックテーブル３１上に半導体ウエーハ２の表面２aを載置し、チャックテーブル３１上に半導体ウエーハ２を吸引保持する。従って、半導体ウエーハ２は、裏面２１bを上側にして保持される。
【００２７】
上述したように半導体ウエーハ２を吸引保持したチャックテーブル３１は、図示しない加工送り機構によって撮像手段３３の直下に位置付けられる。チャックテーブル３１が撮像手段３３の直下に位置付けられると、チャックテーブル３１上の半導体ウエーハ２は、所定の座標位置に位置付けられた状態となる。この状態で、チャックテーブル３１に保持された半導体ウエーハ２に形成されている格子状のストリート２２がX方向とY方向に平行に配設されているか否かのアライメント作業を実施する。即ち、撮像手段３３によってチャックテーブル３１に保持された半導体ウエーハ２を撮像し、パターンマッチング等の画像処理を実行してアライメント作業を行う。このとき、半導体ウエーハ２のストリート２２が形成されている基板２１の表面２１ａは下側に位置しているが、撮像手段３３が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成された撮像手段を備えているので、基板２１の裏面２１ｂから透かしてストリート２２を撮像することができる。
【００２８】
上述したアライメント作業を実施することにより、チャックテーブル３１上に保持された半導体ウエーハ２は、所定の座標位置に位置付けられたことになる。なお、半導体ウエーハ２の基板２１の表面２１aに形成されたデバイス２３に形成されている複数のボンディングパッド２４は、その設計上の座標位置が予めレーザー加工装置３の図示しない制御手段に格納されている。
【００２９】
上述したアライメント作業を実施したならば、図８に示すようにチャックテーブル３１を移動し、半導体ウエーハ２の基板２１に所定方向に形成された複数のデバイス２３における図８において最左端のデバイス２３を集光器６の直下に位置付ける。そして、図８において最左端のデバイス２３に形成された複数のボンディングパッド２４における最左端のボンディングパッド２４を集光器６の直下に位置付ける。
【００３０】
次に、レーザー光線照射手段３２を作動し集光器６からパルスレーザー光線を基板２１の裏面２１ｂ側から照射し、基板２１に裏面２１ｂからボンディングパッド２４に達するビアホールを形成するビアホール形成工程を実施する。このとき、パルスレーザー光線のスポットSを基板２１の裏面２１ｂ(上面)付近に合わせる。なお、照射するレーザー光線はシリコンからなる基板２１に対して吸収性を有する波長(例えば３５５ｎｍ)のパルスレーザー光線を用い、パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギー密度はシリコンからなる基板２１は飛散加工(アブレーション加工)するが金属からなるボンディングパッド２４は飛散加工されない１８〜３０J／cm2に設定することが望ましい。
【００３１】
上記ビアホール形成工程における加工条件の一例について説明する。
光源                          ：ＬＤ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ４
波長                          ：３５５ｎｍ
繰り返し周波数                ：１０kHz
１パルス当たりのエネルギー密度：２０J／cm2 
スポット径                    ：φ７０μm
このような加工条件によってビアホール形成工程を実施すると、パルスレーザー光線１パルスによって５μmの深さの孔を形成することができる。従って、基板２１の厚さが１００μmの場合には、パルスレーザー光線を２０パルス照射することにより、図９に示すように基板２１には裏面２１bから表面２１a即ちボンディングパッド２４に達するビアホール２５を形成することができる。なお、ビアホール形成工程において半導体ウエーハ２の基板にパルスレーザー光線を所定パルス照射する際には、上記音響光学偏向手段７の偏向角度調整手段７４に例えば１０Vの電圧を印加し、音響光学素子７１に１０Vに対応する周波数のRFが印加することにより、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線を図３において実線で示すように集光器６に導く。一方、半導体ウエーハ２の基板にパルスレーザー光線を所定パルス照射したならば、音響光学偏向手段７の偏向角度調整手段７４に例えば０Vの電圧を印加し、音響光学素子７１に０Vに対応する周波数のRFが印加することにより、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線を図３において破線で示すようにレーザー光線吸収手段７０に導く。
【００３２】
上述したビアホール形成工程において半導体ウエーハ２の基板２１に照射されるパルスレーザー光線はエネルギー分布がトップハット形状に整形されているので、先端のエネルギー分布が均一であるため、ボンディングパッド２４を加工して穴を開けることなく、ウエーハの基板にボンディングパッド２４に達するビアホール２５を形成することができる。
また、エネルギー分布がガウス分布のパルスレーザー光線を用いた場合には、シリコンからなる半導体ウエーハ２の基板２１にビアホールを形成するには１パルス当たりのエネルギー密度が３０J／cm2以上必要であるが、本発明のようにパルスレーザー光線のエネルギー分布をトップハット形状に整形すると、１パルス当たりのエネルギー密度が１８J／cm2以上でシリコンからなる半導体ウエーハ２の基板２１にビアホールを形成することが可能となり、エネルギー効率が向上する。従って、エネルギー分布をトップハット形状に整形したパルスレーザー光線を用いることにより、エネルギー分布がガウス分布のパルスレーザー光線を用いた場合と比較して、１パルス当たりのエネルギー密度を同一とすると照射するパルス数を低減することができ、照射するパルス数を同一にした場合には１パルス当たりのエネルギー密度を低減することができる。
更に、エネルギー分布がガウス分布のパルスレーザー光線を用いた場合には、外周に広がる裾野のエネルギーがビアホールの外周部を加工して設計仕様のビアホールを形成することが困難であるが、本発明のようにパルスレーザー光線のエネルギー分布をトップハット形状に整形すると外周に広がる裾野のエネルギーがトップハット分布に集約されるので、設計仕様通りのビアホールを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明によるビアホールの加工方法によって加工されるウエーハとしての半導体ウエーハの斜視図。
【図２】本発明によるビアホールの加工方法を実施するためのレーザー加工装置の要部斜視図。
【図３】図２に示すレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段の構成ブロック図。
【図４】図２に示すレーザー光線照射手段を構成するレーザー光線整形手段とコリメーションレンズの第１の実施形態を示す説明図。
【図５】図２に示すレーザー光線照射手段を構成するレーザー光線整形手段とコリメーションレンズの第２の実施形態を示す説明図。
【図６】図２に示すレーザー光線照射手段を構成するレーザー光線整形手段とコリメーションレンズの第３の実施形態を示す説明図。
【図７】図２に示すレーザー光線照射手段を構成するレーザー光線整形手段の他の実施形態を示す説明図。
【図８】本発明によるビアホールの加工方法におけるビアホール形成工程の説明図。
【図９】本発明によるビアホールの加工方法におけるビアホール形成工程が実施されることによってビアホールが形成された半導体ウエーハの一部拡大断面図。
【符号の説明】
【００３４】
２：半導体ウエーハ
２１：半導体ウエーハの基板
２２：ストリート
２３：デバイス
２４：ボンディングパッド
２５：ビアホール
３：レーザー加工装置
３１：レーザー加工装置のチャックテーブル
３２：レーザー光線照射手段
３３：撮像手段
４：パルスレーザー光線発振手段
５：出力調整手段
６：集光器
７：光軸偏向手段（音響光学偏向手段）
８：レーザー光線整形手段
８１：非球面レンズ
８２：マスク
９：コリメーションレンズ
【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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