Ｓｉウエハのレーザダイシングに関する研究
ピコ秒パルスレーザによる液中加工の検討
茨城大学 山本武幸，周 立波，清水 淳，溝口高史
1. はじめにて，ナノ秒パルスレーザは熱的加工なため溝幅が大きくア

これまで，半導体チップはシリコンウエハに諸々の工程スペクト比も小さくなっている．それに対し，ピコ秒パルを施し，最終的に厚さ 300μm 程度に加工されて提供されスレーザでは上述のような加工が施され，溝幅も小さくアてきたが，SiP(System in Package)やIC カード用チップ，スペクト比も大きい．

RFID タグなどの普及に伴い，量産化ベースでも 50μm 厚

一方，飛散物の再付着などを防ぐ手法として，水中でのが一般的になり，一部では30μm 厚までも製造されている．

レーザ照射(6)(7)に期待が寄せられている．水中でのレーザさらに，デザインルールの微細化も手伝って，ウエハ品質加工では，工作物を水中に設置もしくは水を噴霧するなどへの要求はより厳しくなっている．それに伴い，極めてちの方法によりレーザを照射する．大気中の加工に比べ，屈密なパターンが施されたウエハをチップに切り分ける，ダ折率の違いによるスポット径の最小化，破片の除去効果にイシング工程においても新たな技術が求められている．

よる周辺への飛散物の付着防止およびプラズマ圧力によ

ウエハのダイシング加工は，薄刃のダイヤモンドブレーる除去能率の向上，冷却による熱影響の減少などが期待さドを用いたブレードダイシング法と，短波長レーザを用いれる．他方，加工中に生成された飛散物によるレーザ光のたレーザダイシング法に大別される．

吸収，水中および水面の気泡によるレーザ光の散乱，水の現在，広く用いられているブレードダイシングは，接触加工であるために加工時のブレードによる衝撃や応力が冷却効果によるパワーロス，水の光分解による爆発の危険性，水による加工物の腐食などの問題点も有する．

問題となり，チッピングやクラックといったウエハ欠陥の本稿では，超短パルスレーザによる精密ダイシング加工発生が避けられない．さらに，加工液，切りくずや脱落し技術の開発を目指し，その諸段階の試みとして，水中およた砥粒，ボンドはウエハ上のデバイスの汚染要因となり洗びさらなる加工レート向上を目指し，アルカリ溶液中にお浄工程を欠かせない．

いてシリコンウエハのレーザ溝加工を行った結果を紹介

それらの問題への解決策として，レーザダイシング法がする．

用いられている．レーザダイシングは非接触加工であることから，上述の諸問題の解決はもとより，ブレードダイシングに比べ高速な加工が可能である．ブレードダイシング
はブレード幅分の切り代が必要なのに対し，レーザダイシングはレーザのスポット径が微小なため，切り代を少なくし無駄が極めて少ないダイシングが可能となる(1)(2)．
このように，レーザによるダイシングは多くの利点を有するが，従来用いられてきたナノ秒パルスレーザなどの短100μm

100μm

パルスレーザによるダイシングでは，切断部周辺への熱影響に伴う材料特性の変化や，溝加工時の溶融飛散物のチップ表面への付着などにより，チップ強度や半導体製品の信ナノ秒(100×10－9ｓ)

ピコ秒(60×10－12ｓ)

図１ 短パルス・超短パルスレーザ溝形状の比較(Si3N4)

頼性に悪影響を及ぼしてしまう．ウエハの極薄化に伴う，これらの影響は計り知れない．

2. ピコ秒パルスレーザ加工システム

そのような中，ピコ秒(10-12 s)やフェムト秒(10-15 s)とい

本レーザ加工システムの概観を図２に示す．ピコ秒レー

った極めて短いパルス幅の適用によって高いエネルギ密ザ発振器から出力されたレーザ光が，光学系を通り，3 軸度が得られる，超短パルスレーザが注目され，ウエハダイ自由度を有する３軸加工機上に設置された試料ホルダへシング(3)(4)はもとより，微細加工(5)などの研究が行われていと照射されるシステムとなっている．

る．超短パルスレーザでは，多光子吸収によるアブレーシピコ秒パルスレーザユニットとして，EKSPLA 社製ョン現象が生じるため，非熱的加工が可能となる．図１に

PL2200 を使用しており，その仕様を表１に示す．波長

ナノ秒短パルスレーザとピコ秒超短パルスレーザによる1064nm で，モードロッキングによるパルス幅 60ps，出力Si3N4（焼結体）の溝加工形状の比較を示す．図１においは 1 パルス当りのエネルギ 50μJ，LD 励起による Nd:YAGレーザである．
図３に光学系のモデル図を示す．2 枚のミラー，3 枚のレンズ，1/2 波長板，1/4 波長板そして SHG 結晶から構成ピコ秒パルスレーザ発振器されている．ミラーM1，M2 で方向を転換されたレーザ光

３軸加工機

は，SHG 結晶を通過する．SHG 結晶を通過する基本波長が 1064nm のレーザ光の数%は第 2 高調波 532nm に変換される．これにより，基本波長のままでは不可視光である光を，可視光領域である第 2 高調波 532nm が加工実験の際の加工物への照射位置を確認するガイド的役割を担う．
次に，HWP は 1/2 波長板で，入射した直線偏光の偏光方光学系

向を波長板自身の回転によって自由に変えることができる．さらに TFP と示した偏光子との組み合わせで，光学

図２ ピコ秒パルスレーザ加工システム系によるレーザ出力の調整が可能となる．偏光子は，特定の偏光方向の光のみ通過させるフィルターの役割で用いられており，この特定方向に対して通過できる光の割合を1/2 波長板によって変化させることでレーザ出力が調整される．次に QWP は 1/4 波長板で，レーザ加工における加工物への偏光依存性をなくすため直線偏光から円偏光へ変換されている．
図２に示す通り，本研究で使用したレーザ加工装置は Si

表１ PL2200(EKSPLA Ltd.）の仕様
方式
LD 励起 Nd:YAG レーザ
波長（nm）
1064
パルスエネルギ（mJ） 50
繰り返し率（Hz）
1000
空間モード
TEM00
パルス幅（ps）
60
ビーム径（mm）
1.5

ウエハに対して下方よりレーザ光が上向きに照射される構造となっているため，溶液を満たした容器の底面をレー直線偏光M1

レーザユニット

ザ光が透過する必要がある．そこで細胞培養等に用いられ直線偏光(YAG Laser:1064nm)

円偏光る石英シャーレを使用して，液中レーザ加工を行うための試料ホルダを製作した．
HWP

試料ホルダの外観およびモデル図を図４に示す．３軸加QWP

IRIS

工機のステージに固定されたアクリル板上に石英シャーレを固定し，シャーレ内に厚み 3mm のスペーサを配置，試験片の Si ウエハを固定している．
石英シャーレは水平調整ネジによって支持されており，傾きを調整することができ，容量 5ml，底面厚み 0.5mm である．石英シャーレ底を挟んでパワーメータによりレーザ強度を計測した結果，損失は確認できなかった．

M2

SHG

TFP

L1

L2

L3

M1,2：ミラー SHG：SHG 結晶 HWP：半波長板
QWP：1/4 波長板 TFP：TFP 偏光板 L1,L2,L3：レンズ

図３ 光学系のモデル図
試料（Siウエハ）＋０ 焦点位置－スペーサ

石英シャーレレーザ光束

図４ 試料ホルダ外観とモデル図

焦点位置

気中水中

水中

気中

焦点位置

-50μm+75μm-25μm+100μm

0μm+125μm+25μm+150μm+50μm+175μm

図５ 気中・水中加工後のウエハ表面3. 水中加工実験
走査速度 0.05mm/s，走査回数 1 往復で，試験片は厚さ600μm のポリシング済み Si ウエハを用い，気中および純水中にて加工実験を行った．焦点位置の変化に伴う溝形状の変化を観察するため焦点位置を表面に焦点を合わせた状態 0μm から 25μm ごとに-50～+175μm まで 10 段階に変化させた．

気 中

気中および水中加工後におけるウエハ表面の SEM（電図６ 気中・水中加工後のウエハ側面子顕微鏡）写真を図５に示す．これらの結果から，気中加4工ではどの条件においても加工溝周辺に飛散物が付着し3.5アスペクト比ていることがわかる．飛散物の付着幅は全般的におよそ100 μm となり，溝幅は焦点位置が深くなるにつれて 10～35 μm まで広がり，逆に溝深さは 23～0μm に浅くなる

気中
水中2.521.50.5の付着，溝幅は気中に比べ大きくなっていることがわかる．

0-75 -50 -25 0

水中加工における溝幅はクラックおよびチッピングが発ている．
溝深さは焦点位置＋25μm で最大値 42μm を示す．

31

傾向を示す．一方，水中加工においては，周辺への飛散物生した焦点位置+50μm を除いて，13～30 μm まで変化し

水 中

図７

25 50 75 100 125 150 175 200
焦点位置(μm)

気中・水中における加工溝のアスペクト比の比較

5μm

5μm

5μm

5μm

5μm5μm

気 中TMAH(2%)

水 中

図８ 気中・水中・TMAH 溶液(2%)中における加工表面および溝断面形状
図６は水中および気中加工後の Si ウエハ側面の SEM 写り，ある程度の加工レート向上が望めるものとみなせる．

真である．この結果から，気中加工では溝内部にまで溶融物あるいは飛散物が付着して溝を浅くしているのに対し，水中加工では綺麗な溝が形成される様子が把握できる．

5. おわりに
本稿では，ピコ秒パルスレーザによる精密ダイシングを

図７に気中・水中加工における加工溝のアスペクト比の目指し，水中・アルカリ溶液中においてシリコンウエハの比較を示す．図７から，全般的に気中に比べ水中の方がアレーザ溝加工を行った結果を紹介した．検討の結果，水中スペクト比は高くなることがわかる．これは，水による飛およびアルカリ溶液中のレーザ加工は飛散物の付着を防散物の除去，冷却効果によるものと考えられる．水中加工

止し，アスペクト比の向上が期待できることや，アルカリのごく一部の焦点位置（+50μm）において脆性破壊が生じ溶液の導入により，水中より高アスペクト比の溝が形成でていることから，焦点位置付近で発生した水蒸気またはプきる可能性が見出された．本研究は，まだ初段階のため，ラズマによってキャビテーションが発生し，その勢いによ

将来的に，溶液の種類，溶液濃度・温度，走査速度，焦点って飛散物を除去している様子がうかがえる．

位置などの加工条件を最適化する必要があるものの，本情報が読者の研究開発の一助となれば幸いである．

4. 液中加工実験
加工レート向上のために，気中，水中，アルカリ溶液中において加工実験を行い，比較検討を試みた．アルカリ溶
液には，TMAH（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液の濃度 2％を用い，加工条件は走査速度 50μｍ/s，液温 23℃
焦点位置は試料表面である．なお，経年劣化に伴い前節の検討に比べレーザ強度は低下していることを断っておく．
図８は気中・水中・TMAH 溶液中加工後におけるウエハ表面の SEM 写真および溝断面形状である．この結果か
ら，水中，TMAH(2%)溶液中を比べると溝幅に大差はないが，水中加工の溝深さ 10μm に対し，TMAH(2%)溶液中は20 μm を超え，高アスペクト比の溝が形成されていることがわかる．加工メカニズムの解明や最適加工条件の探索などといった検討課題は残るものの，溶液中加工の導入によ

参考文献(1) 沖山俊裕：レーザ割断，精密工学会誌，60, 2 (1994)169.
(2) 山田啓司：パルス YAG レーザによる Si ウエハの割断機構に関する研究，精密工学会誌，67, 11 (2001) 1861.
(3) 二宮孝文：フェムト秒レーザを用いた薄厚シリコンウ
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(4) J. Hagiya, T. Yamamoto, H. Ojima L. Zhou, J. Shimizu, H.
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