Review



写真位置

レーザを用いた積層ウエハの熱応力割断レーザを用いた積層ウエハの熱応力割断

削除しないでください

古本*古本達明達明

T. Furumoto
１．緒言

結ぶ．図  は，ビームプロファイラを用いて，半導体レー 携帯型機器には多くの電子部品が搭載され，ガラス，サザのスポット位置でのプロファイルを測定した結果であファイア，シリコンなどを母材とした薄板状脆性材料が使る．&2 レーザはシングルモードであるのに対して，半導用されている．薄板状硬脆材料は，これまでダイシングや体レーザのビーム形状は楕円であり，スポット位置でのビスクライビングによって分断されてきたが，マイクロクラーム径は ×PP である．

ックによる歩留まりの低下，加工液の併用による後処理工  積層ウエハ

程の追加などが課題であった．一方，機械的な分断法の代 実験では，結晶方位が  であるシリコンとホウケイ替として，レーザを用いた熱的な分断法が注目されている．

酸ガラスを陽極接合した積層ウエハを用いた．積層ウエハ

材料表面にあらかじめ導入したき裂を制御しながら分断を構成するシリコンおよびホウケイ酸ガラスの材料物性する手法で，取り代が不要で完全ドライプロセスで分断でを表  に示す  ．吸収係数は，シリコンウエハは PP，きる．/XPOH\ によって材料内部の熱応力場を利用したレ

ホウケイ酸ガラスは PP の試料を用いて，近赤外分光ーザ割断手法が紹介されて以来，ガラスやシリコンなど各光度計と顕微 FTIR イメージング装置で透過率を測定し，種硬脆材料の割断特性が報告されている



ランベルトベールの式から求めた値である 7)．ホウケイ酸．

 本研究は，シリコンウエハ上にホウケイ酸ガラスが陽極ガラスは，シリコンと比較して熱伝導率が著しく小さく，接合された積層ウエハに対して，レーザによる高精度な熱レーザ照射で生じた熱が周囲へ伝わりにくい性質を有し応力割断技術を確立することを目的とする．熱源としてだていることがわかる．また，積層ウエハを構成するホウケ円状のスポット径を有する半導体レーザを適用し，$( 波イ酸ガラスの厚さは PP であるため，照射された半導の測定と割断面に生じるき裂進展痕から積層ウエハの割体レーザは，ホウケイ酸ガラス内部でほとんど吸収される断メカニズムを詳細に検討した．また，炭酸ガスレーザをことなく透過し，&2 レーザはホウケイ酸ガラス表面でほ同時照射することで割断品質の改善を試みたので，以下に[W/cm2]0.4報告する．
２．実験方法0.3

  熱応力割断の原理

0.2 薄板状硬脆材料の表面にレーザ照射すると，レーザ照射0.1部は急激に温度が上昇し，それに伴って熱膨張する．この

0.5 mm

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

0うに引張応力場が生じる  ．引張応力場内部では，応力が図  半導体レーザのビームプロファイル 

レーザ照射部を中心として円周方向に働くため，引張応力表  積層ウエハの物性

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．
  レーザ
 実験で使用するレーザは，波長が μP の半導体レーザと波長が μP の &2 レーザである．いずれも連続発振型であり，半導体レーザは焦点距離が PP，&2
レーザは焦点距離が PP の集光レンズを介して焦点を* 金沢大学

理工研究域機械工学系教授- 94 -

材料
厚さ>PP@密度>NJP@ヤング率>*3D@線膨張係数>.@熱伝導率>:P·.@比熱>-NJ·.@吸収係数>PP@半導体レーザ
&2レーザ

ガラス×

シリコン
×


積層ウエハ&2レーザ

D

半導体レーザレーザ走査方向図  マルチレーザによる割断実験方法

図  実験方法概略
 表  実験条件
レーザ
半導体
波長>P@
発振形態
&:出力>:@ビーム径>PP@×焦点距離>PP@走査速度>PPV@


$(波始端
レーザ走査方向&2&:
×



終端

PP

9ホウケイ酸ガラス
レーザ出力:走査速度PPV

図  ガラス単層割断時の $( 出力波形
裂の上面を通るようにレーザを走査した．加えて，積層ウエハの割断時に生じる $( 波と比較するため，厚さが PP であるホウケイ酸ガラス単層に対して垂直方向に &2レーザを照射し，割断時に得られる $( センサからの出力を調べた．レーザ照射後，積層ウエハの割断面および表面を光学顕微鏡で観察した．また，割断時に発生した $( セホウケイ酸ガラスンサの出力から割断中のき裂先端の位置とレーザ照射位シリコン置との関係を求め，積層ウエハの割断メカニズムを調べた．

初期き裂

  &2 レーザの併用による割断品質の改善
積層ウエハ終端部のき裂進展を改善するため，&2 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PP熱を補うことで割断品質の改善を試みた．図  に，レーザ照射部の詳細を示す．&2 レーザは，半導体レーザの長軸

図  シリコン端面に導入した初期き裂

方向に対して  度の角度で照射した．試料表面でのスポット径は 1.1×1.5 mm である．各レーザの中心をそろえたとんどが吸収されることとなる．一方，半導体レーザが照位置を原点とし，レーザ走査方向に対する各レーザの中心射されると，シリコン内部で 程度が吸収され，&2 レ位置のずれ量を D と定義した．そして，半導体レーザとーザが照射されると 程度が吸収されることとなる．

&2 レーザの中心位置のずれ量を変えながら実験を行い，

  半導体レーザによる割断実験

&2 レーザ照射の有無による割断品質を比較した．

実験方法の概略を図  に，実験条件を表  に示す．積層ウエハは，シリコンの割断面が  面となるように ３．実験結果および考察

× 10 mm の大きさで切り出し，;< 自動ステージ上に固定  ホウケイ酸ガラス単層割断時の $( 出力波形

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 図  は，ホウケイ酸ガラス単層を割断したときに得られ設置した．このとき，シリコングリスを試料裏面に塗布し，た $( 出力波形である．図中の点線は，ホウケイ酸ガラス積層ウエハと銅板を密着させた．初期き裂は，図  に示すの始端および終端を表している．$( 波は，始端部近傍でように積層ウエハ断面のシリコン中央位置にビッカース

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圧子を押し込んで導入した．そして，試料中央位置を短手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方向に分断するように割断を行った．

部では出力が小さく測定されなかった．一方，$( 波はガ

また，き裂進展時に発生する弾性波を観測するため，ガ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ラス表面に $( センサを貼付した．そして，半導体レーザ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の長軸方向と走査方向を一致させながら，導入した初期き進展する．そのため，終端部近傍ではき裂進展に必要な応- 95 -

9

始端Ⅰ

終端

レーザ走査方向積層ウエハ
レーザ出力:レーザ走査速度：PPV

PP

図  積層ウエハ割断時の $( 出力波形
試料中央部で $( 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 $( 波は，シリコン内部のき裂レーザ走査方向進展方向である  面にき裂が進展した時に出力されたと考えられる．

Ⅰホウケイ酸ガラス

始端  積層ウエハ割断面の観察 図  は，積層ウエハ割断面の始端部および終端部を光学

シリコン顕微鏡で観察した結果である．図  D 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初期き裂存在し，その後，き裂がガラス内部にも進展した．図 PPD中のⅠで示した大きな $( 出力は，ガラス内部にき裂が進展し始めた位置であった．

始端部

 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．ガラスホウケイ酸ガラス

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コン上面まで到達し，境界部から吸収されることとなる．
そのため，シリコン上面が熱源となり，き裂進展に必要な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と考えられる．シリコン上面で生じた熱はガラス側にも伝導するが，表  で示したようにホウケイ酸ガラスの熱伝レーザ走査方向導率は著しく小さい．そのため，割断初期ではガラス内部

シリコンPP

E 終端部近傍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と考えられる．しかしながら，ガラス内部に対してもき裂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 と，シリコンの加熱に伴うガラスへの熱伝導により，積層図  始端部および終端部近傍の割断面

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．

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 一方，図  E は積層ウエハ終端部近傍を観察した結果する．終端部近傍の $( 波は，き裂進展が停止した後に出である．始端部と同様に，シリコン内部のみでき裂が進展力されており，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ントが作用したことによるき裂進展などが考えられる．

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  積層ウエハ割断時の $( 出力波形

ザの走査方向に対する長径は PP である．そのため，

 半導体レーザを用いて積層ウエハを割断したときに得始端から PP の位置を過ぎると，試料への入熱量が次られた $( 出力波形例を図  に示す．$( 波は，試料始端部第に少なくなる．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出力間隔が次第に短くなった．そして，図中Ⅰで示す大き要因と考えられる．しかしながら，シリコン内部では少なな $( 出力が得られた後は，振幅の増減を繰り返しながら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ほぼ一定間隔で $( 波が出力された．一方，終端部近傍で停止した後もシリコン内部でき裂が進展した．これらの結は，$( 波の出力間隔が次第に長くなりながら出力が小さ果から，試料内部に形成される応力場は試料の熱伝導率にくなった．前述したように，ホウケイ酸ガラス単層では，大きく影響を受けることが示唆される．

- 96 -

PP

シリコンとガラス始端からのき裂進展長さ

き裂間隔 PPシリコン 積層ウエハ
レーザ出力:レーザ走査速度PPV





始端からの距離





PP







&2レーザ:半導体レーザ:レーザ走査速度PPV




  図  始端からの距離とき裂間隔の関係 

&2レーザのスポット位置ずれ量

PP







図  &2 レーザ照射位置とき裂進展長さ  積層ウエハの割断メカニズム 試料始端から半導体レーザのスポット位置までの距離と，進展したき裂間隔との関係を調べた結果を図  に示す．

ると考えられる．

スポット位置が PP までは，シリコンのみがき裂進展

 これらの結果から，積層ウエハの割断は，レーザ照射にした領域である．この領域では，レーザ走査にしたがって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ることが明らかとなった．また，シリコンに対して吸収特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スの領域は大きくなる．したがって，シリコン内部でき裂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，よりレーせることが可能であることがわかった．

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  &2 レーザの併用による終端部割断品質の改善

大きくなったと考えられる．しかしながら，き裂間隔が大 各レーザのスポット位置のずれ量 D と始端からき裂がきくなると先端に生じる応力も併せて増加するため，ガラ進展した距離との関係を調べた結果を図  に示す．半導体

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レーザのみの割断では，前述したように始端から PP



進展した ．スポット位置が PP のとき，き裂間隔がの位置でき裂が停止したが，&2 レーザを併用することで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ガラス内部のき裂進展距離が長くなった．&2 レーザがガとでき裂進展に対する抵抗が無くなったためである．

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

 スポット位置が PP から PP までは，積層ウエハし，ガラス内部でき裂が進展できる応力場が形成されたた全体にき裂が進展した領域である．この領域では，増減をめである．また，レーザ走査方向に対して &2 レーザが前繰り返しながらき裂間隔が次第に小さくなった．前述した方にある方 D! がき裂進展距離は長くなった．&2 レーザ

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きくなるため，き裂が進展する距離が長くなる．そして，場と相まってき裂の進展性が向上したためである．また，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D PP のときき裂進展距離が最大値となった．これら力値に到達するための入熱が必要となる．き裂が進展するの結果から，半導体レーザと &2 レーザを併用することでためには，き裂先端に生じる応力と臨界応力値に到達する割断距離が伸び，割断品質が改善できることがわかった．

ための入熱時間が密接に関連しており，き裂間隔の増減はこれらの作用が交互に生じたためと考えられる．一方，次４．結言

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 本研究では，シリコンウエハ上にホウケイ酸ガラスが陽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

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

ためと考えられる ．

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 スポット位置が PP 以降は，再びシリコンのみでき裂進展時の $( 波を測定すると共に，$( 出力から割断中の裂が進展した領域である．この領域では，レーザ走査にしき裂先端の位置とレーザ照射位置との関係を求め，積層ウたがってき裂間隔が次第に大きくなった．これは，ビームエハの割断メカニズムを詳細に検討した．また，積層ウエ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

ハ終端部のき裂進展を改善することを目的として，&2

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果を以下に示す．

- 97 -参考文献

 積層ウエハ割断時の $( 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1）R. M. Lumley: Controlled Separation of Brittle Materials
Using a Laser, The American Ceramic Society Bulletin, 48-9出力される．
 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，シリコンの加熱に伴うガラスへの熱伝導により，各試料に対して同時(1969) 850.
2）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.
3) 黒部利次，市川和浩，永井久司：YAG レーザによるシにき裂を進展させることが可能である．
 割断初期では，シリコンとホウケイ酸ガラスのレーザリコンウエハの割断，材料, 44-497 (1995) 159.

吸収特性および熱物性の違いにより，シリコン内部の4) 今井康文・森田英毅・高瀬徹・古賀博之：ぜい性材料

みでき裂が進展する領域が存在する．しかしながら，の熱応力による割断加工の可能性，日本機械学会論文集

レーザ照射による十分な入熱が行われるとホウケイ(A 編), 55-509 (1989) 147.
5) 日本工業規格，JIS R 3802(1995) 2.

酸ガラス内部にもき裂を進展させることができる．
 積層ウエハ内部のき裂進展は，き裂先端に生じる応力

6) S. M. Sze and Kwok K. Ng: Physics of Semiconductorと臨界応力値に到達するための入熱時間が密接に関Devices, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey,

連し，これらにしたがってき裂間隔が増減を繰り返し(2007) 790.
7) 山田啓司・西岡真吾・細川晃・上田隆司：パルス YAGながら進展する．
 &2 レーザを併用しながら割断することで，半導体レーザ単体では不足していた試料終端部近傍の入熱量を増加させることができ，半導体レーザ単体と比較しレーザによる脆性材料の割断加工，精密工学会誌 69-1
(2003) 120.
8) 沢田博司・今井康文・才本明秀・山本良之:線熱源による 割 断 に お け る き 裂 進 展 挙 動 ， 精 密 工 学 会 誌 66-7て割断距離を伸ばすことが可能である．

(2000) 1135.

謝 辞
本研究は，公益社団法人天田財団からの一般研究開発助成(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．

- 98 -