(57)【要約】【課題】溶融シリコンの飛び散りを防止し、加工精度に優れるとともに、効率的にシリコン基板の穴あけ加工、切断を行うことができるレーザ処理方法および処理装置の提供。【解決手段】シリコン基板の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整した後、レーザを照射することを特徴とするシリコン基板のレーザ処理方法。シリコン基板の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整する手段と、レーザを照射する手段を有することを特徴とするシリコン基板のレーザ処理装置。この方法および装置は、特に、シリコン配線に設けられた短絡部を切断する場合に有用である。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
　シリコン基板の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整した後、レーザを照射することを特徴とするシリコン基板のレーザ処理方法。
【請求項２】
　シリコン基板の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整する手段と、レーザを照射する手段を有することを特徴とするシリコン基板のレーザ処理装置。
【請求項３】
　シリコン配線の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整した後、レーザを照射することを特徴とするシリコン配線のレーザ切断方法。
【請求項４】
　シリコン配線の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整する手段と、レーザを照射する手段を有することことを特徴とするシリコン配線のレーザ切断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、半導体デバイスを構成するシリコン基板のレーザ加工において、溶融シリコンの飛び散りが発生しないレーザ処理方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　近年、トランジスタ、ダイオードなどの個々の部品の小型化、電気回路の高集積化により、一つの半導体デバイスに接続される部品の数は増加してきている。このように多数の部品を用いて一つの半導体デバイスを作り、更に、多数の半導体デバイスを接続してシステムを作り上げると、電子装置はますます複雑化し、より高度な信頼性が要求される。
【０００３】
　例えば、半導体デバイスから作られたシステムの中には、数万個から数十万個のトランジスタやダイオードなどの部品が使用されるものもあるが、これらの部品の１個でも故障するとこのシステムが動作不能となるのでは、信頼性、冗長性（redundancy）を高めることができない。このため、各部品の動作不良に起因するデバイス全体の欠陥を修正する手段として、予め短絡部を設けた複数個の冗長回路をデバイスに組み込んでおき、動作不良が発生した箇所を切断、除去することが行われている。
【０００４】
　一方、最近の半導体デバイスでは、種々のオプション機能を持たせるため、予め、同様の機能を有する複数の電気回路を配設しておき、製造工程の最終段階で静電容量や抵抗の微調整を行う場合がある。
【０００５】
　図１は、デバイス性能の微調整を行うことができる電気回路の例を示す概略図であり、(a)は静電容量の調整が可能な電気回路を示し、(b)は抵抗の調整が可能な電気回路を示す。
【０００６】
　図１(a)に示すように、この電気回路1aは、コンデンサ2-1と、コンデンサ2-2〜2-5とが並列に接続されており、コンデンサ2-2〜2-5の配線には、短絡部3-2〜3-5が設けられている。このような構成により、短絡部3-2〜3-5の一部または全部を切断することで、電気回路1a全体として静電容量を微調整することができる。また、図１(b)に示すように、この電気回路1bは、抵抗4-1と、抵抗4-2〜4-5とが直列に接続されており、抵抗4-2〜4-5には短絡部5-2〜5-5が並列に接続されている。電気回路1bは、このような構成を有しているので、短絡部5-2〜5-5の一部または全部を切断することで、全体としての抵抗値の微調整が可能である。このような電気回路の短絡部の切断は、一般に、レーザ光の照射により行われる。
【０００７】
　また、昨今特に注目されているＭＥＭＳ（マイクロマシーニング技術）分野においても、精緻なデバイスの製造方法の開発、改良が進んでいる。精緻なデバイスの事例としては、例えばリング型振動ジャイロが挙げられるが、振動ジャイロの信頼性を向上させるため種々の改善が検討されてきており、特許文献１に開示される方法もその一つである。同公報には、リング型振動ジャイロを構成するリングの所定箇所にレーザによる穴あけ加工を施すことにより、リング自体の質量バランスを調整して、駆動状態を調整する方法が開示されている。
【０００８】
　上記のようにシリコン基板をレーザによって切断や穴あけ加工をする場合には、シリコン基板を溶融、蒸発させる必要があるため、高いエネルギー密度のレーザを照射する。例えば、ＹＡＧレーザ（波長：532μm）を用いて、シリコン基板の切断や穴あけ加工を行う場合には、通常、110,000J/m2程度のエネルギー密度のレーザを照射する必要がある。
【０００９】
　図２は、鏡面のシリコンにレーザで穴あけ加工を施す場合を示す図であり、(a)は加工時のシリコン表面の状態を示す概略断面図であり、(b)はレーザの照射エネルギーの分布、(c)はレーザの実効エネルギーの分布を示す図である。
【００１０】
　図２(a)に示すように、レーザ光７をシリコン基板6-1の表面に照射して穴あけ加工を施す場合には、レーザ光７が照射された部分において、シリコン基板6-1が溶融、飛散して、飛び散り6-2が発生する。このような飛び散り6-2が発生すると、半導体デバイスの絶縁特性を阻害したり、近傍の部品に付着して誤作動を招くことがある。これにより、デバイスの信頼性が著しく低下する。
【００１１】
【特許文献１】特開平11-83498号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
　本発明者は、図２(a)に示すような飛び散り6-2が発生する原因について研究したところ、以下の知見を得た。
【００１３】
　即ち、鏡面加工されたシリコン基板6-1にレーザ光７を照射して加工穴を設ける場合には、レーザ光７はシリコン基板6-1の表面で正反射する。また、図２(b)に示すように、シリコンに照射されるレーザ光７のエネルギー密度は、通常、レーザ光７の進行方向の中心部で最も高く、中心部から離れるほど低い。このため、図２(c)に示すように、シリコン基板6-1表面でレーザ光７が正反射しても、加工穴の中心部付近では、エネルギー密度が高いレーザ光７が照射されるので、その実効エネルギー（シリコンの溶融、ガス化に実質的に寄与する吸収エネルギーを意味する）は高く、この部分ではシリコン基板6-1がガス化する。
【００１４】
　しかし、加工穴の円周部付近に照射されるレーザ光７のエネルギー密度はもともと低く、レーザ光７が正反射すると、その実効エネルギーが低くなり、シリコン基板6-1がガス化せず、液化するのみとなる。このように、加工穴の円周部付近で液化したシリコンが中心部付近でガス化したシリコンの圧力により加工穴の周囲に飛散するのである。
【００１５】
　本発明者は、レーザ光のエネルギー密度が最も高くなる位置を、加工穴の中心部から円周部方向にシフトさせて上記と同様の実験を行ったところ、エネルギー密度が最も高くなる位置をシフトさせた方向と反対側に飛散するシリコンの量が多いことが分かった。これは、レーザ光のエネルギー密度が最も高くなる位置をシフトさせた方向の加工穴円周部で液化するシリコンよりも、シフトさせた反対方向の加工穴円周部で液化するシリコンが多いためである。
【００１６】
　本発明は、溶融シリコンの飛び散りを防止し、加工精度に優れるとともに、効率的にシリコン基板の穴あけ加工、切断を行うことができるレーザ処理方法およびその処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
　本発明は、下記の(1)に示すシリコン基板のレーザ処理方法、および下記の(2)に示すレーザ処理装置を要旨とする。この処理方法および処理装置は、特に、シリコン配線を切断する場合に有用である。
(1)シリコン基板の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整した後、レーザを照射することを特徴とするシリコン基板のレーザ処理方法。
(2)シリコン基板の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整する手段と、レーザを照射する手段を有することを特徴とするシリコン基板のレーザ処理装置。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
　図３は、本発明法によりシリコンに穴あけ加工を施す場合を示す図であり、(a)は加工時のシリコン表面の状態を示す概略断面図であり、(b)はレーザの照射エネルギーの分布、(c)はレーザの実効エネルギーの分布を示す図である。
【００１９】
　図３(a)に示すように、本発明法では、予め、表面に所定の粗さの凹凸を形成させたシリコンにレーザ光７を照射するので、前掲の図２(a)で発生したような飛び散り6-2が発生することなく、穴あけ加工ができる。これは、表面に凹凸のあるシリコンに照射したレーザ光７は、シリコン基板の表面で乱反射してシリコン内部に吸収され易くなり、図３(c)に示すように、レーザ光７の実効エネルギーは、照射したエネルギーよりは小さくなるものの、全体として高いレベルを維持できる。このため、加工穴の中心部付近だけでなく、円周部付近でもシリコンがガス化し、シリコンの飛び散りを抑制することができる。
【００２０】
　本発明者は、上記の知見に基づき種々の研究を行った結果、シリコン基板の表面にRaで0.05μｍ〜１μｍの凹凸を形成した後、レーザを照射することを特徴とする本発明のレーザ処理方法を完成させた。
【００２１】
　ここで、予めシリコン基板の表面に形成させた凹凸の粗さ（Ra）が0.05μｍ未満の場合、照射したレーザの実効エネルギーを照射位置の全面で高めることができず、加工穴の円周部ではシリコンがガス化しないため、シリコンの飛び散りを抑制することができない。従って、シリコン基板の表面のRaの下限値を0.05μｍとした。望ましい下限値は、0.1μｍである。
【００２２】
　一方、シリコン表面の粗さ（Ra）が１μｍを超える場合には、乱反射が十分に起こらず、実効エネルギーを高く維持することができない。また、エネルギー吸収率の高い部分と低い部分とが点在することになり、飛び散りを抑制することができない。従って、シリコン基板の表面のRaの上限値を１μｍとした。望ましい上限値は、0.5μｍである。
【００２３】
　従って、本発明のレーザ処理方法では、シリコン基板の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整した後、レーザを照射することとした。このレーザ処理方法は、シリコン配線を切断する場合に特に有用である。
【００２４】
　なお、上記の説明では、シリコン基板に穴あけ加工を施す場合について述べたが、シリコン製の配線の幅より大きな照射径のレーザを照射することで、配線の切断を行うことができ、また、レーザを照射した状態で走査させれば、シリコン基板の切断や微細加工を行うことができるのはいうまでもない。
【００２５】
　シリコン基板の表面の粗さ（Ra）を0.05μｍ〜１μｍに調整する手段としては、たとえば、下記(1)〜(5)の方法が考えられる。
【００２６】
　(1)フォトリソグラフィ技術によるパターニング加工を用いた方法
　この方法は、酸化膜が形成されたシリコン基板に、レジスト塗布、露光、現像・リンスした後、ドライエッチングまたはウエットエッチングを施すものである。このとき、通常より短い時間でエッチングを施すことにより、シリコン基板の表面に、所定の粗さの凹凸を形成させることができる。
【００２７】
　(2)プラズマエッチングを用いた方法
　この方法は、シリコン基板上にマスク開口部を設け、Ｃ3Ｆ8またはＣ4Ｆ8プラズマにより上記開口部に微細レベルで不均一なデポ膜を形成した後、ＳＦ6プラズマに曝すものである。これにより、デポ膜の薄い部分から等方性エッチングが開始され、デポ膜がなくなった部分から部分的にエッチングされる。このとき、上記マスク開口部の口径、プラズマに曝す時間、チャンバー圧力、基板への印加電力等を調整することにより、シリコン基板の表面に所定の粗さの凹凸を形成させることができる。
【００２８】
　(3)シングルイオン照射技術を用いた方法
　この方法は、シリコン基板上に形成させた酸化膜に収束シリコンイオンビームを部分的に照射し、イオン照射された部分を2.5％ＨＦで除去して酸化膜をパターニングした後、酸化膜をマスクとしてヒドラジンによって異方性エッチングを行ってシリコン基板上にエッチピットを形成するものである。このとき、酸化膜のイオン照射された部分はＨＦに対するエッチングレートが増加するので、酸化膜に照射する収束シリコンイオンビームの条件（加速電圧、照射時間など）を調整することにより、シリコン基板の表面に所定の粗さの凹凸を形成させることができる。
【００２９】
　(4)表面研磨技術を用いた方法
　この方法は、ウエーハ回転によるインフィード方式のグラインダーにより、ダイヤモンドホイールを用いてシリコンウエーハの表面研削を行うものである。このとき、スピンドルの回転数、研削時間、ダイヤモンドホイールの番手等を調整することにより、シリコンウエーハの表面に所定の粗さの凹凸を形成させることができる。
【００３０】
　(5)インクジェット方式を用いた方法
　この方法は、インクジェットプリンターなどに用いられる顔料吐出方法を応用したものである。即ち、インクジェットプリンターでは、カーボンブラックなどの無機顔料をＭＥＫ（メチルエチルケトン）などの速乾性の溶剤に分散させたものをノズルから吐出させることで紙面に印字する方式を採用している。このとき、吐出させる顔料の粒径を所定範囲に調整することにより、シリコンウエーハの表面に所定の粗さの凹凸を形成させることができる。
【００３１】
　レーザの照射手段としては、固体レーザ（光源：ルビー、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、ガラス、アレキサンドライトなど）、気体レーザ（光源：ＣＯ2、ＣＯ、Arイオンなど）、エキシマレーザ（光源：ArＦ、KrＦ、XeCl、XeＦなど）、金属蒸気レーザ（光源：Cuイオンなど）および色素レーザ（Dyeレーザなど）などいずれの手段を用いてもよいが、大きな出力が得られることから、ＹＡＧレーザまたはＣＯ2レーザを用いるのが望ましい。
【００３２】
　例えば、ＹＡＧレーザと非線形結晶（波長：532nm）を用いてシリコンウエハに径15μｍ、深さ40μｍ程度の穴を形成する場合には、上述の方法によりウエハ表面の粗さを調製した後、下記の条件を満たすレーザー光を照射すればよい。この条件を満たせば、良好な加工効率を維持でき、このようなエネルギー密度のレーザー光による加工であっても溶融シリコンの飛び散りが発生しないのは上述のとおりである。
シリコンウエハ表面でのエネルギー密度：100,000〜130,000J/m2
照射パルス数：20〜35
【実施例】
【００３３】
　本発明の効果を確認すべく、表１に示すサンプルについて、ＹＡＧレーザと非線形結晶（波長：532nm）を用いて径15μｍ、深さ40μｍ程度の穴を形成する実験を行った。なお、シリコンウエハ表面でのレーザーのエネルギー密度は110,000J/m2、照射パルス数は30であった。
【００３４】
【表１】
2004074279.tif 000002
【００３５】
　なお、No.1は、鏡面シリコンを用い、No.2〜7は、鏡面シリコンに上記の(2)の方法（プラズマエッチングを用いた方法）を実施したものを用いた。No.2〜7の表面粗さは、マスク開口部の口径、プラズマに曝す時間、チャンバー圧力、基板への印加電力等を変更して調整した。
【００３６】
　表１に示すように、表面粗さ（Ra）が本発明で規定される範囲にあるサンプルNo.3、4、5および6では、溶融シリコンの飛び散りが発生しなかった。一方、粗さ（Ra）が本発明で規定される範囲を外れるサンプルNo.1、2および7では、溶融シリコンの飛び散りが発生した。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
　本発明によれば、シリコン基板をレーザ光の照射によって穴あけ加工やシリコン性の配線を切断する際に、溶融シリコンの飛び散りを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】デバイス性能の微調整を行うことができる電気回路の例を示す概略図であり、(a)は静電容量の調整が可能な電気回路を示し、(b)は抵抗の調整が可能な電気回路を示す。
【図２】鏡面のシリコンにレーザで穴あけ加工を施す場合を示す図であり、(a)は加工時のシリコン表面の状態を示す概略断面図であり、(b)はレーザの照射エネルギーの分布、(c)はレーザの実効エネルギーの分布を示す図である。
【図３】本発明法によりシリコンに穴あけ加工を施す場合を示す図であり、(a)は加工時のシリコン表面の状態を示す概略断面図であり、(b)はレーザの照射エネルギーの分布、(c)はレーザの実効エネルギーの分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
1a、1b．電気回路、2-1〜2-5.コンデンサ、3-2〜3-5．短絡部、4-1〜4-5．抵抗、
5-2〜5-5．短絡部、6-1．シリコン基板、6-2．飛び散り、７．レーザ光
【図１】
2004074279.tif 000003
【図２】
2004074279.tif 000004
【図３】
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