(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスを構成するシリコン基板にパルス発振によるレーザー穴あけ加工する際に、レーザーを照射して前記シリコン基板表面の加工想定領域に改質処理を施した後、レーザー穴あけ加工を行うことを特徴とするシリコン基板のレーザー加工方法。
【請求項２】
半導体デバイスを構成するシリコン基板にパルス発振によるレーザー穴あけ加工する際に、加工表面におけるエネルギー密度が6,500〜55,000J/m２であるレーザーを照射して前記シリコン基板表面の加工想定領域に改質処理を施した後、レーザー穴あけ加工を行うことを特徴とするシリコン基板のレーザー加工方法。
【請求項３】
上記シリコン基板がリング型振動ジャイロを構成する半導体振動子であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のシリコン基板のレーザー加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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ー穴あけ加工方法に関し、さらに詳しくは、シリコン基板の表面にレーザー光を照射することによって改質処理を施し、溶融シリコンの飛び散りをなくし、加工精度に優れた穴あけ加工が可能になる、シリコン基板のレーザー加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス、特に半導体集積回路（ＩＣ）、マイクロエレクトロニクスデバイス、または精密測定デバイスにおいて、シリコンが最も代表的な基板材料として用いられている。このように、シリコン基板が多用されるのは、工業的に高純度のシリコンウェーハが廉価に製造でき、さらに化学的に極めて安定な酸化膜（SiＯ２）をシリコン基板上に形成することにより、高集積化デバイスの製造に重要な素子間の絶縁分離が容易に図れるからである。
【０００３】
例えば、バッチシステムによるＩＣの製造においては、多数のデバイスが１枚のシリコンウエーハ上に同時に形成されるが、個々のデバイスは互いに電気的に絶縁分離されなければならない。このデバイス特性に要求される絶縁分離は、ウエーハ上に0.3〜1.0μm程度の酸化膜を生成させることによって達成することができる。
【０００４】
一方、デバイスの微細化に伴って、その製造工程ではマイクロマシーニング技術の開発が要請されるようになる。これに対応して、被加工物を非接触で高精度かつ高効率に切断、穴あけ、金属の溶接または熱処理等の加工する手段として、レーザー光の照射による加工方法が開発されている。
【０００５】
このレーザー加工装置には、その発光媒体によって、固体レーザー、気体レーザー、エキシマレーザー、金属蒸気レーザーおよび色素レーザー等に分類される。そして、固体レーザーの光源としてルビー、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、気体レーザーの光源としてＣＯ２、ＣＯ、Arイオン、エキシマレーザーの光源としてArＦ、KrＦ、XeCl、XeＦ、金属蒸気レーザーの光源としてCuイオン、色素レーザーとしてDyeレーザーが知られている。
【０００６】
これらのレーザーによる加工特性を左右する要因には、集光特性、被加工物のビーム反射率に影響するビーム波長、被加工物への入熱状態を最適化するために必要な出力形態、加工の能力に影響するレーザーの平均出力等がある。従って、各種レーザーの加工特性を考慮して、被加工物の材質や厚み、加工の目的等に応じてレーザーを使い分ける必要があるが、一般的には、大きな出力が得られることから、ＹＡＧレーザーまたはＣＯ２レーザーが広く普及している。
【０００７】
図１は、レーザ出力を時間的モードで示した図である。同図に示すように、レーザーの発振形式には、(a)に示すＣＷ（連続波）と周期的に断続照射するパルスとがある。さらに、パルス発振には(b)に示すノルマルパルスと、(c)に示すようにピーク値は高いが照射時間の極めて短いＱ−スイッチパルスに分類される。
【０００８】
通常、被加工物の切断または穴あけ加工を行う場合のように、急激な加熱により被加工物に割れが生じる可能性がある場合には、パルスを繰り返し照射する加工方法が採用され、金属の溶接や熱処理等にはＣＷによる加工が適している。
【０００９】
さらに、加工目的によって、被加工物の表面に照射されるエネルギー密度を変更する必要もある。被加工物の切断や穴あけを行う場合には、被加工物を溶融、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ーを照射させる。例えば、ＹＡＧレーザー（波長：532μm）よってシリコン基板に穴あけ加工する場合には、通常、110,000J/m２程度のエネルギー密度のレーザーで加工する必要がある。
【００１０】
しかしながら、被加工物に照射されるレーザーのエネルギー密度が高い場合には、レーザーが照射された部分において、溶融したシリコン基板が飛び散るという現象がある。このような飛び散りが発生すると、半導体デバイスで最も重要な要素である素子間分離を破壊して、絶縁特性を阻害することになる。これにより、デバイスの信頼性を著しく低下させるという問題が生じる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
精緻なデバイスの事例として、リング型振動ジャイロが挙げられる。従来から、振動ジャイロの信頼性を向上されるため種々の改善が検討され、その一環として、リング型振動ジャイロを構成する半導体振動子の駆動状態を調整する方法が提案されている（特開平11-83498号公報参照）。ここで提案された方法であっても、絶縁特性を確保するために、加工精度に優れる穴あけ加工法の検討が必要になる。
【００１２】
図２は、リング型振動ジャイロの構成を模式的に表した図である。同図に示すように、リング型振動ジャイロ１は、リング２を略Ｓ字状ビーム３で懸架する構成のサスペンションを有している。さらに、リング２の内側には、図示しないが、マグネットが設置され、リング２周辺には磁界が発生しており、一方で略Ｓ字状ビーム３を介してリング２には電流が流されるので、リング２はローレンツ力を受けて径方向に振動モードが生じる。
【００１３】
このような構成を有するリング型振動ジャイロは、マイクロマシーニング技術を応用して、高精度な加工が施されるが、センサーヘッドとしての性能にばらつきが見られる場合がある。具体的には、リングの周方向における質量や剛性の不均一から生じる振動モードの駆動位置の角度エラーまたは各振動方向での共振周波数のばらつきが発生する場合である。そこで、上記公報で提案された調整方法では、振動モードの駆動位置の角度エラー位置および共振周波数を検出して、検出箇所にレーザー光を照射してシリコン基板の一部を除去することとしている。
【００１４】
図３は、シリコン基板に形成されたリングを上方から見た拡大図である。リング２は、シリコン基板４の上にマーク６を有した帯状電極５を設置した構成を有する。ここで、マーク６は、角度エラー等を検出した位置にレーザーを照射する場合に、その位置を特定するために設置された角度指示マークである。上記公報で提案された調整方法では、この角度指示マークの位置を目安として、レーザーの照射によってシリコン基板の一部を除去し、穴７を作製することによって、リングの周方向における質量のバランスを調整して、振動子の駆動状態のばらつきを防止することとしている。
【００１５】
図４は、上記図３におけるＡ−Ａ断面の構成を拡大して示した図である。同図に示すとおり、シリコン基板４は、シリコンウエーハ4-1の表面に酸化膜（SiＯ２）4-2が絶縁層として形成され、酸化膜上に帯状電極５が構成されている。このため、シリコンウエーハ4-1および帯状電極５は、酸化膜4-2によって分離されているため、目的とされる電気的な絶縁性能が確保される。
【００１６】
しかしながら、前述した110,000J/m２以上という通常のエネルギー密度のレーザーの照射によって、シリコン基板４に穴あけ加工を施す際に、糸状の飛び散り８が発生し、場合によってはシリコンウエーハ4-1と帯状電極５との間でリークが発生し（図中の左側の飛び散り８参照）、振動ジャイロとしての信頼性を低下させる事態が発生することもある。
【００１７】
単に、上述の飛び散り８を防止するためであれば、エネルギー密度の低いレーザーを繰り返し照射して穴あけ加工を行えば、ある程度の飛び散りを抑えることができる。しかし、このような低いエネルギー密度のレーザーによる繰り返し照射では、浅い穴を作製する場合でも時間的ロスが大きく、深い穴を作製するのは不可能である。また、レーザーの照射によって気化したシリコンが、その加工穴付近に再び蒸着（析出）し、加工形状が悪くなるので、実用上採用できない。
【００１８】
本発明は、上述したような半導体デバイスを構成するシリコン基板をレーザー穴あけ加工する際の問題に鑑みなされたものであり、レーザー光の照射によってシリコン基板表面を改質処理した後、穴あけ加工することによって、発生する溶融シリコンの飛び散りを防止し、加工精度に優れるレーザ加工方法を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の溶融シリコンの飛び散り現象を究明するために、下記の基礎的実験を行った。
【００２０】
図５は、シリコンウエーハ表面にＹＡＧレーザーによって穴あけ加工をした後に撮影した顕微鏡写真である。図中の(a)〜(d)の穴は、左から(a)−(b)−(c)−(d)の順に同じ条件のレーザー（エネルギー密度：110,000J/m２、パルス数：15 )を照射して作製したものである。
【００２１】
同図に示すとおり、(a)の穴、即ち、周りにレーザー加工が施されていない状態で加工された穴には溶融シリコンの糸状の飛び散りが発生している。これに対し、(b)〜(d)の穴、即ち、レーザー加工を施した部分の周辺に加工した穴には、一切飛び散りが発生しないことが明らかになる。
【００２２】
本発明者らは、このような現象がシリコンウエーハ表面上に形成される酸化膜の有無によって左右されないことも確認した。さらに、１番目の(a)の穴を作製し、１時間経過した後に(a)の穴の周辺に２番目の(b)の穴を作製しても、上記と同様に２番目の(b)の穴には飛び散りが発生しないことを確認している。これにより、穴あけ加工後その加工周辺であれば、穴あけ加工に伴う溶融シリコンの飛び散りが発生しないという現象は、温度に依存したものではないことも明確になる。
【００２３】
そこで、本発明者らは、厳密な理由は定かではないが、加工穴周辺に光学顕微鏡では確認できないレベルの微小な加工飛散物の堆積が発生すること、または、加工穴周辺のシリコンの結晶構造が変化することによって、加工穴周辺においてシリコンのレーザーエネルギー吸収率の変化、シリコンの融点および沸点の低下が生じる、即ち、加工穴周辺においてシリコンが改質されることを想定した。
【００２４】
本発明者は、この想定に基づき、さらに鋭意研究を重ねた結果、シリコン基板のレーザー加工において、ある一定の条件下で基板表面の加工領域に改質処理を施した後であれば、レーザー穴あけ加工を行っても、溶融シリコンの飛び散りが発生しないことを知見して、本発明の完成に至った。したがって、本発明は、下記の(1)および(2)のシリコン基板のレーザー加工方法を要旨としている。
(1) 半導体デバイスを構成するシリコン基板をパルス発振によるレーザー穴あけ加工する際に、レーザーを照射して前記シリコン基板表面の加工想定領域に改質処理を施した後、レーザー穴あけ加工を行うことを特徴とするシリコン基板のレーザー加工方法である。
(2) 半導体デバイスを構成するシリコン基板をパルス発振によるレーザー穴あけ加工する際に、加工表面におけるエネルギー密度が6,500〜55,000J/m２であるレーザーを照射して前記シリコン基板表面の加工想定領域に改質処理を施した後、レーザー穴あけ加工を行うことを特徴とするシリコン基板のレーザー加工方法である。
【００２５】
上記(1)および(2)のシリコン基板のレーザー加工方法は、リング型振動ジャイロを構成する半導体振動子の加工方法として採用することができる。
【００２６】
本発明方法における「改質処理」とは、所定のエネルギー密度のレーザーをシリコン基板表面に照射することによって、微小な加工飛散物の堆積を促したり、または、加工穴周辺のシリコンの結晶構造を変化させ、基板表層部において単結晶SiからアモルファスSiに構造変化させることであると想定できる。これによって、加工穴周辺においてシリコンのレーザーエネルギーに対する吸収率が変化し、以後のレーザ吸収率が上昇して、効率的に穴あけ加工が行われるようになる。
【００２７】
本発明方法で施される「改質処理」には、前記図１(b)または(c)に示したようなパルス発振によるレーザー光を使用するのが好ましいが、同図(a)に示したような連続波（ＣＷ）であってもよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明方法における改質処理は、例えば、加工表面におけるエネルギー密度が6,500〜55,000J/m２であるレーザー光をシリコン基板表面の加工想定領域に照射することによって行う。
【００２９】
図６は、ＹＡＧレーザーを使用して改質処理を施した際に、加工表面におけるエネルギー密度と改質効果がある最低パルス数との関係を示した図である。ここで、改質効果があるとは、同図に示すエネルギー密度のレーザーを照射した後に、通常のレーザー穴あけ加工（エネルギー密度：110,000J/m２）を行ったときに、糸状の飛び散りが発生しないことをいう。また、図中の▲１▼は、改質処理時に粒状のシリコンの飛び散りが発生するエネルギー密度域であり、▲２▼は、改質処理時に糸状のシリコン飛び散りが発生するエネルギー密度域である。
【００３０】
同図に示すとおり、加工表面におけるエネルギー密度が6,500J/m２未満と低いと、実質的にシリコンの改質を行うことができない。従って、加工表面におけるエネルギー密度の下限値を6,500J/m２とした。また、同図から明らかなとおり、加工表面におけるエネルギー密度を大きくすると、数十パルス程度のパルス数で改質効果が得られるようになるが、30,000J/m２を超えて大きくすると、シリコンの飛び散りが発生し始める。但し、このエネルギー密度域（図中の▲１▼）で発生する飛び散りの形状は粒状であるため、前記の図４で示したような、シリコンと電極部との間のリークが発生するという事態にまで発展する可能性が極めて低い。しかし、加工表面におけるエネルギー密度を55,000J/m２を超えて大きくすると、飛び散るシリコンの形状が糸状のものとなり、前記の図４に示したように、シリコンと電極部との間でリークが発生する可能性が大きくなる。従って、加工表面におけるエネルギー密度の上限値を55,000J/m２とした。更に望ましくは、30,000J/m２である。
【００３１】
なお、本発明方法を実施するためレーザー加工装置は、特に限定されず、個体レーザー、エキシマレーザー、色素レーザー等のいずれを使用してもよい。
【００３２】
ここで、加工表面におけるエネルギー密度は、パワーメータ（Gentec社製）等によって測定することができる。さらに、上記の実験においては、下記の（１）〜（３）に示す要領で、レーザー加工装置の対物レンズの減衰率を求め、この値に基づいて加工条件を設定し、穴あけ加工を行ったものである。
（１）レーザー加工装置の周波数、出力値等を一定値に設定し、レーザー加工装置のレンズを外した状態で、加工表面の位置にパワーメーターを設置して、加工表面位置でのレーザーの出力値を測定する（この値を測定値Ａとする）。
（２）上記と同じ設定値のまま、レーザー加工装置のレンズを透過した状態で、加工表面位置にパワーメーターを設置して、加工表面位置でのレーザーの出力を測定する（この値を測定値Ｂとする）。
（３）上記の測定値Ａおよび測定値Ｂより、このレーザー加工装置の減衰率〔（測定値Ａ−測定値Ｂ）／測定値Ａ〕を求める。この減衰率は、各レーザー加工装置に固有の値である。
【００３３】
例えば、予め求めた減衰率が0.8であるレーザー加工装置を用いて、本発明の穴あけ処理を行う場合に、レーザーの出力：0.022Ｗ、周波数：8,000Hz、ビーム径：8μmに設定するとき、加工表面におけるエネルギー密度は、0.022×0.8／（8,000×8×8×π×10−１２）＝10,497Ｊ/m２となる。
【００３４】
実際の操業においては、予め、各レーザー加工装置における対物レンズの減衰率を求めておくことで、容易に加工表面におけるエネルギー密度を設定することができる。
【００３５】
なお、レーザー光をシリコン基板表面の加工想定領域に照射するとは、穴あけ加工を行う位置の中心に改質処理に係るレーザーの焦点位置を設定して照射する場合だけでなく、穴あけ加工の中心から半径80μmの範囲内に改質処理に係るレーザーの焦点位置を設定して照射する場合も含む。これは、改質処理の効果がそのレーザー照射位置から半径80μmの範囲内に及ぶからである。
【００３６】
穴あけ加工の対象となるシリコン基板は、表面に酸化膜が形成されたものであっても、酸化膜が形成されていない活性なウェーハであってもよい。
【００３７】
上記のような改質処理を施した後であれば、通常どおりのエネルギー密度のレーザー光によって穴あけ加工を行っても、溶融シリコンの飛び散りが発生することはない。例えば、シリコン基板に穴あけ加工を施す場合には、加工表面におけるエネルギー密度を110,000J/m２以上としてもよい。
【００３８】
【実施例】
（実施例１）
酸化膜が形成されていない活性なウェーハに、加工表面におけるエネルギー密度が110,000J/m２であるレーザーを照射して、表１に示す条件で20箇所の穴あけ加工をし、そのときに発生した飛び散りの長さを測定した結果を合わせて表１に示す。
【００３９】
【表１】
0003761788.tif 000002
表１に示すとおり、実施例１（本発明例）では、本発明で規定する範囲内の改質処理を施した後に本加工を行ったので、本加工時に飛び散りが一切発生しなかった。一方、実施例２（比較例）では、本発明の改質処理を施すことなく、本加工を行ったので、9〜17μm（平均：11.8μm、標準偏差：1.97）の糸状の飛び散りが発生した。
（実施例２）
前記図２に示した構成からなる10mm角のリング型振動ジャイロを作製し、半導体振動子のリングに、波長532nmのＹＡＧレーザーによって、前記図３に示す調整用の外径20μｍ、深さ50μmの穴を加工した。なお、加工対象のリング表面には厚さ１μｍの酸化膜を形成している。この際の加工条件および加工後の不良率を表２に示す。
【００４０】
【表２】
0003761788.tif 000003
なお、表中の不良率は、試験に供したリングの総数に対するリークが発生したリングの数（不良品）を示すが、それぞれのリングには、４〜６個の加工穴が開けられる。従って、良品と判定されたリングは、いずれの加工穴からもリークの起点となるような糸状の飛び散りが発生しなかったものである。
【００４１】
表２に示すとおり、実施例３（本発明例）では、不良が全く発生しなかったが実施例４（比較例）では不良率は7.1％となっていた。これらの結果から、本発明の方法は半導体デバイスを構成するシリコン基板の穴あけ加工として最適な方法であることが分かる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のシリコン基板のレーザー加工方法によれば、レーザー光の照射によってシリコン基板を加工する際に発生する溶融シリコンの飛び散りを防止することができるとともに、優れた加工精度を確保できるので、半導体デバイスとして要求される絶縁特性を担保することができる。具体的には、シリコン基板表面に形成された酸化膜上に電導電極を取り付けて、その電導電極の周辺をレーザーによって穴あけ加工する場合であっても、溶融シリコンの飛び散りを防止してリークが発生することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ出力を時間的モードで示した図である。
【図２】リング型振動ジャイロの構成を模式的に表した図である。
【図３】シリコン基板に形成されたリングを上方から見た拡大図である。
【図４】上記図３におけるＡ−Ａ断面の構成を拡大して示した図である。
【図５】シリコンウエーハ表面にＹＡＧレーザーによって穴あけ加工をした後に撮影した顕微鏡写真である。
【図６】加工表面におけるエネルギー密度と改質効果がある最低パルス数との関係を示した図である。
【符号の説明】
１．リング型振動ジャイロ、  ２．リング、
３．略Ｓ字状ビーム、  ４．シリコン基板、
4-1．シリコンウエーハ、  4-2．酸化膜、
５．帯状電極、  ６．マーク、
７．穴、  ８．飛び散り
【図１】
0003761788.tif 000004
【図２】
0003761788.tif 000005
【図３】
0003761788.tif 000006
【図４】
0003761788.tif 000007
【図５】
0003761788.tif 000008
【図６】
0003761788.tif 000009