レーザを用いた積層ウエハの熱応力割断
金沢大学 理工研究域機械工学系准教授 古本 達明（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013212）
キーワード：積層ウエハ，熱応力割断，半導体レーザ

１．研究の目的と背景

れも連続発振型であり，半導体レーザは焦点距離が 50 mm，携帯型機器には多くの電子部品が搭載され，ガラス，サCO2 レーザは焦点距離が 127 mm の集光レンズを介して焦点ファイア，シリコンなどを母材とした薄板状脆性材料が使を結ぶ．図 1 は，ビームプロファイラ((株)オフィールジ用されている．薄板状硬脆材料の分断は，速い加工速度，ャパン製: BeamStar FX-50)を用いて，半導体レーザのス高い加工精度，マイクロクラックの発生を抑えた高い端面ポット位置でのプロファイルを測定した結果である．CO2

強度が要求される 1)．これまで，ダイシングやスクライビ

レーザはシングルモードであるのに対して，半導体レーザングによって分断されてきたが，マイクロクラックによるのビーム形状は楕円であり，スポット位置でのビーム径は歩留まりの低下，加工液の併用による後処理工程の追加な0.4どが課題であった．

4.1 mm である．

2.3 積層ウエハ

一方，機械的な分断法の代替として，レーザを用いた熱実験では，結晶方位が(100)であるシリコンとホウケイ的な分断法が注目されている．材料表面にあらかじめ導入酸ガラスを陽極接合した積層ウエハを用いた．陽極接合部

したき裂を制御しながら分断するレーザ割断は，取り代がには，5不要で完全ドライプロセスで分断できることから，ダイシハを構成するシリコンおよびホウケイ酸ガラスの材料物

ングやスクライビングに並ぶ有力な加工法の 1 つである．

性を表 1 に示す 6,7)．吸収係数は，近赤外分光光度計((株)Lumley2) によって材料内部の熱応力場を利用したレーザ

パーキンエルマージャパン製: Spectrum ONE NTS)および割断手法が紹介されて以来，ガラスやシリコンなど各種硬顕微 FTIR イメージング装置(バリアンテクノロジーズジ

脆材料の割断特性が報告されている

3,4)m 程度の共有結合層が存在している．積層ウエャパンリミテッド(株)製: Varian 3100 FT-IR)で透過率を．

本研究では，シリコンウエハ上にホウケイ酸ガラスが測定し，ランベルトベールの式から求めた．表に示すよう陽極接合された積層ウエハに対して，レーザによる高精度に，ホウケイ酸ガラスはシリコンと比較して熱伝導率が著な熱応力割断技術を確立することを目的とする．熱源とししく小さく，レーザ照射で生じた熱が周囲へ伝わりにくいてだ円状のスポット径を有する半導体レーザを適用し，AE性質を有していた．また，ホウケイ酸ガラスの吸収係数は，波の測定と割断面に生じるき裂進展痕から積層ウエハの[W/cm2]
0.4

割断メカニズムを詳細に検討した．また，炭酸ガスレーザを同時照射することで割断品質の改善を試みたので，以下0.3に報告する．

0.2２．実験方法

0.1

2.1 熱応力割断の原理
0.5 mm

薄板状硬脆材料の表面にレーザ照射すると，レーザ照射部は急激に温度が上昇し，それに伴って熱膨張する．このとき，レーザ照射部は周囲の低温部分から拘束されるため

0

図 1 半導体レーザのビームプロファイル

圧縮応力場が生じ，その周辺には圧縮応力場とつり合うように引張応力場が生じる 5)．引張応力場内部では，応力がレーザ照射部を中心として円周方向に働くため，引張応力場にき裂の先端が存在すると，き裂はレーザ照射部の中心に向かって進展する．ここで，材料に任意の送り速度を与えてレーザ照射部を移動させると，き裂はレーザ照射位置に追従するように断続的に進展し，材料が分断できる．
2.2 レーザ
実験で使用するレーザは，波長が 0.808m の半導体レーザ((株)日鐵テクノリサーチ製: NSDL-120)と波長が10.6m の CO2 レーザ(SYNRAD 製: 48-1(s))である．いず

表 1 積層ウエハの物性
材料
厚さ [mm]密度 [kg/m3]
ヤング率 [GPa]線膨張係数 [1/K]
熱伝導率 [W/m K]
比熱 [J/kg K]
吸収係数 [mm-1]
半導体レーザCO2レーザガラス
0.42230643.3×10-61.2980

シリコン
0.352329
1302.6×10-6156713

0.19.24.61.5

半導体レーザ
積層ウエハ AEセンサ

ホウケイ酸ガラス

銅板

シリコン

初期き裂

初期き裂

レーザ光
X-Yステージ

走査方向
0.2 mm

レーザ照射部の詳細

図 3 シリコン端面に導入した初期き裂

図 2 実験方法概略
積層ウエハ
表 2 実験条件
レーザ
波長 [ m]発振形態
出力 [W]
ビーム径 [mm]焦点距離 [mm]走査速度 [mm/s]

半導体
0.808
CW
60
0.4×4.1
502CO2レーザ

CO210.6CW21.1×1.5
1272a0半導体レーザ

レーザ
走査方向
図 4 マルチレーザによる割断実験方法

ホウケイ酸ガラス
レーザ出力: 2 W
走査速度: 2 mm/s

半導体レーザの場合 0.1 mm-1，CO2 レーザの場合 9.2 mm-1となった．ホウケイ酸ガラスの厚さは 0.4 mm であり，半終端面でほとんどが吸収されることとなる．一方，シリコンのAE波
始端
レーザ走査方向吸収係数は，半導体レーザの場合 4.6 mm-1，CO2 レーザの場合 1.5 mm-1 となった．積層ウエハのシリコン厚さは 0.35mm であり，半導体レーザはシリコン内部で 80%程度が吸収

2 mm

2 V

導体レーザはガラス内部を透過し，CO2 レーザはガラス表

図 5 ガラス単層割断時の AE 出力波形され，CO2 レーザは 40%程度が吸収されることとなる．
2.4 半導体レーザによる割断実験
実験方法の概略を図 2 に，実験条件を表 2 に示す．積層られる AE センサからの出力を調べた．

ウエハは，シリコンの割断面が(0-10)面となるように 20レーザ照射後，積層ウエハの割断面および表面を光学顕× 10 mm の大きさで切り出し，X-Y 自動ステージ上に固定微鏡((株)ニコン製: ECLIPSE ME600L)を用いて観察した．

した銅板に対してホウケイ酸ガラスが上面となるようにまた，割断時に発生した AE センサの出力から割断中のき設置した．このとき，シリコングリス((株)サンワサプラ

裂先端の位置とレーザ照射位置との関係を求め，積層ウエイ製: TK-P3S)を試料裏面に塗布し，積層ウエハと銅板をハの割断メカニズムを調べた．

密着させた．初期き裂は，図 3 に示すように積層ウエハ断2.5

CO2 レーザの併用による割断品質の改善

面のシリコン中央位置にビッカース圧子を押し込んで導積層ウエハ終端部のき裂進展を改善するため， CO2 レー入した．そして，試料中央位置を短手方向に分断するようザを併用しながらレーザ照射を行い，き裂進展に必要な入に割断を行った．

熱を補うことで割断品質の改善を試みた．図 4 に，レーザまた，き裂進展時に発生する弾性波を観測するため，ガ照射部の詳細を示す．CO2 レーザは，半導体レーザの長軸ラス表面に AE センサ((株)富士セラミック製: M5W)を貼付方向に対して 45 度の角度で照射した．試料表面でのスポした．そして，半導体レーザの長軸方向と走査方向を一致

ット径は 1.1×1.5 mm である．各レーザの中心をそろえたさせながら，導入した初期き裂の上面を通るようにレーザ位置を原点とし，レーザ走査方向に対する各レーザの中心を走査した．加えて，積層ウエハの割断時に生じる AE 波位置のずれ量を a と定義した．そして，半導体レーザとと比較するため，厚さが 0.5 mm であるホウケイ酸ガラス

CO2 レーザの中心位置のずれ量を変えながら実験を行い，単層に対して垂直方向に CO2 レーザを照射し，割断時に得CO2 レーザ照射の有無による割断品質を比較した．

1 V始端Ⅰ

終端

レーザ走査方向積層ウエハレーザ出力: 60 W
レーザ走査速度：2 mm/s

1 mm

図 6 積層ウエハ割断時の AE 出力波形

はレーザ照射位置が先行し，これに追従するようにき裂がレーザ走査方向進展する．そのため，終端部近傍ではき裂進展に必要な応力場を形成する十分な入熱が得られず，き裂の進展が停止する．終端部近傍の AE 波は，き裂進展が停止した後に出Ⅰ
ホウケイ酸ガラス

始端シリコン力されており，ガラスの冷却に伴う自爆作用や曲げモーメントが作用したことによるき裂進展などが考えられる．
3.2 積層ウエハ割断時の AE 出力波形
半導体レーザを用いて積層ウエハを割断したときに得られた AE 出力波形例を図 6 に示す．AE 波は，試料始端部初期き裂からのレーザ走査にともなって出力され，始端部近傍では0.2 mm

出力間隔が次第に短くなった．そして，図中Ⅰで示す大きな AE 出力が得られた後は，振幅の増減を繰り返しながらほぼ一定間隔で AE 波が出力された．一方，終端部近傍で(a) 始端部は，AE 波の出力間隔が次第に長くなりながら出力が小さホウケイ酸ガラスくなった．前述したように，ホウケイ酸ガラス単層では，試料中央部で AE 波が出力されなかった．したがって，積層ウエハ割断時に得られた AE 波は，シリコン内部のき裂進展方向である(0-10)面にき裂が進展した時に出力されたと考えられる．
3.3 積層ウエハ割断面の観察
図 7 は，積層ウエハ割断面の始端部および終端部を光学レーザ走査方向

シリコン0.2 mm

顕微鏡で観察した結果である．図 7(a)に示すように，始端部近傍にはシリコン内部のみでき裂が進展する領域が存在し，その後，き裂がガラス内部にも進展した．図 6
中のⅠで示した大きな AE 出力は，ガラス内部にき裂が進(b) 終端部近傍
図 7 始端部および終端部近傍の割断面展し始めた位置であった．
割断初期のシリコン内部でのき裂進展は，各材料に対するレーザの吸収特性に起因していると考えられる．ガラス上方から照射されたレーザは，ガラス内部を透過してシリ３．実験結果および考察コン上面まで到達し，境界部から吸収されることとなる．

3.1 ホウケイ酸ガラス単層割断時の AE 出力波形

そのため，シリコン上面が熱源となり，き裂進展に必要な

図 5 は，ホウケイ酸ガラス単層を割断したときに得られ十分な応力場が得られ，シリコン内部のみでき裂が進展した AE 出力波形である．図中の点線は，ホウケイ酸ガラスたと考えられる．シリコン上面で生じた熱はガラス側にもの始端および終端を表している．AE 波は，始端部近傍で伝導するが，表 1 で示したようにホウケイ酸ガラスの熱伝初期き裂からき裂が進展する時，大きなエネルギ解放にと導率は著しく小さい．そのため，割断初期ではガラス内部もなって出力されたが，き裂が連続的に進展する試料中央にき裂が進展するための十分な応力場が得られなかった部では出力が小さく測定されなかった．一方，AE 波はガと考えられる．しかしながら，ガラス内部に対してもき裂ラスの終端部近傍にも確認された．レーザを用いた割断でが進展すると，レーザ照射による直接的なシリコンの加熱

1.0mmシリコンとガラスシリコン

0.5 積層ウエハ
レーザ出力: 60 W
レーザ走査速度: 2 mm/s
00462始端からの距離

810mm

始端からのき裂進展長さ

き裂間隔

mm

1.5

9.5

9.0

CO2レーザ: 2 W
半導体レーザ: 60 W
レーザ走査速度: 2 mm/s

8.58.0-1.5 -1.0 -0.5

図 8 始端からの距離とき裂間隔の関係
図91.0 1.5

2.0

CO2レーザのスポット位置ずれ量

mm

00.5

2.5

CO2 レーザ照射位置とき裂進展長さと，シリコンの加熱に伴うガラスへの熱伝導により，積層ウエハ全体にき裂が進展できる応力場が形成され，安定したき裂進展が得られたと考えられる．

場が必要となる．き裂間隔が大きくなると生じる応力も大一方，図 8(b)は積層ウエハ終端部近傍を観察した結果きくなるため，き裂が進展する距離が長くなる．そして，である．始端部と同様に，シリコン内部のみでき裂が進展

一旦き裂が進展すると，次のき裂が進展するための臨界応する領域が存在した．これもやはりレーザ照射で生じた試力値に到達するための入熱が必要となる．き裂が進展する料内部の応力場に起因していると考えられる．半導体レーためには，き裂先端に生じる応力と臨界応力値に到達する

ザの走査方向に対する長径は 4.1 mm である．そのため，ための入熱時間が密接に関連しており，き裂間隔の増減は始端から 7.95 mm の位置を過ぎると，試料への入熱量が次これらの作用が交互に生じたためと考えられる．一方，次第に少なくなる．ガラス内部でき裂進展が停止した位置と第にき裂間隔が小さくなったのは，レーザ照射にしたがっほぼ同じであり，十分な応力場が形成されなかったことがて熱が試料内部に蓄積され，応力拡大係数が大きくなった要因と考えられる．しかしながら，シリコン内部では少なためと考えられる 9)．

い入熱量でき裂が進展することから，ガラスのき裂進展がスポット位置が 8.0 mm 以降は，再びシリコンのみでき停止した後もシリコン内部でき裂が進展した．これらの結裂が進展した領域である．この領域では，レーザ走査にし果から，試料内部に形成される応力場は試料の熱伝導率にたがってき裂間隔が次第に大きくなった．これは，ビーム大きく影響を受けることが示唆される．

形状に起因してレーザ照射にともなう入熱量が次第に減

3.4

積層ウエハの割断メカニズム少すること，および終端部のエッジ効果によりレーザ照射

試料始端から半導体レーザのスポット位置までの距離部とその周辺に形成される温度差が小さくなり，き裂が進と，進展したき裂間隔との関係を調べた結果を図 8 に示す．

展できる応力場が形成されにくくなったことが原因であスポット位置が 1.5 mm までは，シリコンのみがき裂進展ると考えられる．

した領域である．この領域では，レーザ走査にしたがってこれらの結果から，積層ウエハの割断は，レーザ照射にき裂間隔が次第に大きくなった．これはガラス内部でき裂したがって各試料内部に形成される応力場と，各試料の機が進展せず，ガラスがシリコン内部のき裂進展に対する抵械的物性および熱的物性とが密接に関連しながら行われ抗として作用したためである．レーザ走査によってシリコることが明らかとなった．また，シリコンに対して吸収特ン内部のき裂が進展するにつれて，割断されていないガラ性が優れた半導体レーザを用いることで，レーザ照射によスの領域は大きくなる．したがって，シリコン内部でき裂る直接的なシリコンの加熱と，シリコンの加熱に伴うガラが進展するために必要な応力場を形成するため，よりレースへの熱伝導により，各試料に対して同時にき裂を進展さザ照射にともなう入熱が必要となり，その結果き裂間隔がせることが可能であることがわかった．

大きくなったと考えられる．しかしながら，き裂間隔が大3.5

きくなると先端に生じる応力も併せて増加するため，ガラ各レーザのスポット位置のずれ量 a と始端からき裂がCO2 レーザの併用による終端部割断品質の改善

スにき裂が伝ぱする臨界値を超えガラス内部にもき裂が進展した距離との関係を調べた結果を図 9 に示す．半導体進展した 8)．スポット位置が 1.5 mm のとき，き裂間隔がレーザのみの割断では，前述したように始端から 7.9 mm急激に減少しているが，これはガラスにき裂が進展したこの位置でき裂が停止したが，CO2 レーザを併用することでとでき裂進展に対する抵抗が無くなったためである．

ガラス内部のき裂進展距離が長くなった．CO2 レーザがガスポット位置が 1.5 mm から 8.0 mm までは，積層ウエハラス表面で吸収されることで終端部近傍の入熱量が増加全体にき裂が進展した領域である．この領域では，増減をし，ガラス内部でき裂が進展できる応力場が形成されたた

繰り返しながらき裂間隔が次第に小さくなった．前述しためである．また，レーザ走査方向に対して CO2 レーザが前ように，き裂が進展するためには臨界応力値を超える応力方にある方(a>0)がき裂進展距離は長くなった．CO2 レーザ

を前方で照射することで，あらかじめガラス内部が温度上(5) CO2 レーザを併用しながら割断することで，半導体レ昇して応力場が形成され，半導体レーザで形成される応力ーザ単体では不足していた試料終端部近傍の入熱量を場と相まってき裂の進展性が向上したためである．また，増加させることができ，半導体レーザ単体と比較して割a=1.0 mm のときき裂進展距離が最大値となった．これら断距離を伸ばすことが可能である．の結果から，半導体レーザと CO2 レーザを併用することで謝割断距離が伸び，割断品質が改善できることがわかった．

辞本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究開発

４．結言

本研究では，シリコンウエハ上にホウケイ酸ガラスが陽助成(AF-2013212)を受けて実施したことを付記すると共に，記して深甚なる謝意を表す．

極接合された積層ウエハに対して，半導体レーザを用いた高精度な熱応力割断技術を確立することを目的として，き参考文献

裂進展時の AE 波を測定すると共に，AE 出力から割断中の1) 八幡恵輔・清水政二・村上政直：レーザを用いたガラき裂先端の位置とレーザ照射位置との関係を求め，積層ウス基板の分断技術，レーザ加工学会誌, 22-1 (2015) 25.

エハの割断メカニズムを詳細に検討した．また，積層ウエ2 ） R. M. Lumley: Controlled Separation of Brittle

ハ終端部のき裂進展を改善することを目的として， CO2

Materials Using a Laser, The American Ceramic

レーザを併用しながらレーザ照射を行い，き裂進展に必要な入熱を補うことで割断品質の改善を試みた．得られた結果を以下に示す．
(1) 積層ウエハ割断時の AE 波は，き裂進展時のエネルギ解放に起因してシリコン内部でき裂が進展する時に出力される．
(2) 半導体レーザを用いた積層ウエハの割断は，レーザ照射による直接的なシリコンの加熱と，シリコンの加熱にSociety Bulletin, 48-9 (1969) 850.
3）黒部利次・川向徳康・高尾利幸：YAG レーザによるガラスの精密切断，材料, 42-479 (1993) 1004.
4) 黒部利次，市川和浩，永井久司：YAG レーザによるシリコンウエハの割断，材料, 44-497 (1995) 159.
5) 今井康文・森田英毅・高瀬徹・古賀博之：ぜい性材料の熱応力による割断加工の可能性，日本機械学会論文集(A 編), 55-509 (1989) 147.

伴うガラスへの熱伝導により，各試料に対して同時にき6) 日本工業規格，JIS R 3802(1995) 2.

裂を進展させることが可能である．

7) S. M. Sze and Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor(3) 割断初期では，シリコンとホウケイ酸ガラスのレーザ吸収特性および熱物性の違いにより，シリコン内部のみ

Devices, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., NewJersey, (2007) 790.

でき裂が進展する領域が存在する．しかしながら，レー

8) 山田啓司・西岡真吾・細川晃・上田隆司：パルス YAG

ザ照射による十分な入熱が行われるとホウケイ酸ガラ

レーザによる脆性材料の割断加工，精密工学会誌 69-1

ス内部にもき裂を進展させることができる．

(2003) 120.

(4) 積層ウエハ内部のき裂進展は，き裂先端に生じる応力

9) 沢田博司・今井康文・才本明秀・山本良之:線熱源によと臨界応力値に到達するための入熱時間が密接に関連る割断におけるき裂進展挙動，精密工学会誌 66-7

し，これらにしたがってき裂間隔が増減を繰り返しなが(2000) 1135.

ら進展する．