ウェハー切断は、パワー半導体製造における重要な工程の一つです。この工程は、半導体ウェハーから個々の集積回路（チップ）を正確に分離するために設計されています。
鍵となるのはウェハー切断とは、個々のチップを分離しつつ、チップに埋め込まれた繊細な構造や回路を確実に保護することです。ウェハー損傷を受けない。切断工程の成否は、切りくずの分離品質と歩留まりに影響を与えるだけでなく、生産工程全体の効率にも直接関係する。
▲ウェーハ切断の3つの一般的なタイプ｜出典：KLA CHINA
現在、一般的なウェハー切断工程は以下のように分類されます。
刃物切断：低コスト、通常は厚いウェハー
レーザー切断：高コスト、通常は厚さ30μm以上のウェハーに使用される
プラズマ切断：高コスト、制約が多い、通常は厚さ30μm未満のウェーハに使用される
機械式ブレード切断
ブレード切断とは、高速回転する研削ディスク（ブレード）を用いて、スクライブラインに沿って切断する加工方法です。ブレードは通常、研磨材または極薄のダイヤモンド材料で作られており、シリコンウェハのスライスや溝加工に適しています。しかし、ブレード切断は機械的な切断方法であるため、物理的な材料除去に依存しており、切削片の欠けやひび割れが発生しやすく、製品の品質低下や歩留まりの低下につながる可能性があります。
機械切断工程で製造される最終製品の品質は、切断速度、刃の厚さ、刃の直径、刃の回転速度など、複数のパラメータによって影響を受ける。
フルカットは最も基本的な刃物切断方法で、固定された材料（例えばスライステープ）まで切断することで、加工対象物を完全に切断します。
▲ 機械刃による切断 - 全切断 | 画像ソースネットワーク
ハーフカットとは、加工物の中央まで切削することで溝を形成する加工方法です。この溝加工を連続的に行うことで、櫛形や針状の先端形状を作り出すことができます。
▲ 機械刃による切断 - ハーフカット | 画像ソースネットワーク
ダブルカットとは、2つのスピンドルを備えたダブルスライシングソーを用いて、2つの生産ラインで同時に全切断または半切断を行う加工方法です。ダブルスライシングソーは2つのスピンドル軸を備えています。この方法により、高いスループットを実現できます。
▲ 機械刃切断 - ダブルカット | 画像ソースネットワーク
ステップカットは、2つのスピンドルを備えたダブルスライシングソーを使用し、2段階で全切断と半切断を行います。ウェーハ表面の配線層を切断するために最適化されたブレードと、残りのシリコン単結晶を切断するために最適化されたブレードを使用することで、高品質な加工を実現します。
▲ 機械刃切断 – 段付き切断 | 画像ソースネットワーク
ベベルカットは、ステップカット工程において、ハーフカットエッジにV字型の刃先を持つブレードを用いてウェハを2段階で切断する加工方法です。切断工程中に面取り加工が行われるため、高い金型強度と高品質な加工を実現できます。
▲ 機械刃切断 – 斜め切断 | 画像ソースネットワーク
レーザー切断
レーザー切断は、集束レーザービームを用いて半導体ウェハから個々のチップを分離する非接触ウェハ切断技術です。高エネルギーレーザービームをウェハ表面に集束させ、アブレーションまたは熱分解プロセスによって、あらかじめ定められた切断線に沿って材料を蒸発または除去します。
▲レーザー切断図｜画像提供：KLA CHINA
現在広く使用されているレーザーの種類には、紫外線レーザー、赤外線レーザー、フェムト秒レーザーなどがあります。中でも紫外線レーザーは、光子エネルギーが高く、熱影響部が非常に小さいため、精密な低温アブレーションによく用いられ、ウェーハや周囲のチップへの熱損傷のリスクを効果的に低減できます。赤外線レーザーは、材料内部に深く浸透できるため、厚いウェーハに適しています。フェムト秒レーザーは、超短パルス光を用いることで、熱伝達をほぼ無視できるほどに抑えながら、高精度かつ効率的な材料除去を実現します。
レーザー切断は、従来の刃物切断に比べて大きな利点があります。まず、非接触プロセスであるため、レーザー切断ではウェハーに物理的な圧力をかける必要がなく、機械切断でよく見られる破片化やひび割れの問題を軽減できます。この特性により、レーザー切断は、特に複雑な構造や微細な特徴を持つ、壊れやすいウェハーや極薄ウェハーの加工に最適です。
▲レーザー切断図｜画像ソースネットワーク
さらに、レーザー切断の高い精度と正確性により、レーザービームを極めて小さなスポットサイズに集束させ、複雑な切断パターンに対応し、チップ間の最小間隔での分離を実現できます。この特長は、小型化が進む先端半導体デバイスにとって特に重要です。
しかし、レーザー切断にもいくつかの制約があります。刃物切断と比較すると、特に大規模生産においては、速度が遅く、コストも高くなります。さらに、適切なレーザーの種類を選択し、効率的な材料除去と熱影響部の最小化を実現するためのパラメータを最適化することは、材料の種類や厚さによっては困難な場合があります。
レーザーアブレーション切断
レーザーアブレーション切断では、レーザービームをウェーハ表面の特定位置に精密に集束させ、あらかじめ定められた切断パターンに従ってレーザーエネルギーを誘導し、ウェーハを徐々に切断して底部まで到達させます。切断要件に応じて、パルスレーザーまたは連続波レーザーが使用されます。レーザーの局所的な過熱によるウェーハの損傷を防ぐため、冷却水を用いてウェーハを冷却し、熱損傷から保護します。同時に、冷却水は切断プロセス中に発生する粒子を効果的に除去し、汚染を防ぎ、切断品質を確保します。
レーザーによる目に見えない切断
レーザーを集束させてウェーハ本体に熱を伝える方法もあり、これは「不可視レーザー切断」と呼ばれています。この方法では、レーザーからの熱によってスクライブレーンに隙間が生じます。これらの弱くなった部分は、ウェーハが引き伸ばされた際に破断することで、同様の貫通効果を発揮します。
▲レーザーによる不可視切断の主な工程
不可視切断プロセスは、レーザーが表面に吸収されるレーザーアブレーションとは異なり、内部吸収レーザープロセスです。不可視切断では、ウェハ基板材料に対して半透明な波長のレーザービームエネルギーが使用されます。このプロセスは、レーザーを用いたプロセスと機械的な分離プロセスの2つの主要なステップに分かれています。
▲レーザービームはウェハ表面の下に穴を開け、表裏面には影響を与えない｜画像出典：ネットワーク
最初のステップでは、レーザービームがウェーハを走査する際に、ウェーハ内部の特定の一点にレーザービームが集束し、内部に亀裂点が形成されます。ビームのエネルギーによって内部に一連の亀裂が生じますが、これらの亀裂はまだウェーハの厚み全体にわたって上面と下面まで達していません。
▲刃物切断法とレーザー不可視切断法で切断した厚さ100μmのシリコンウェハーの比較｜画像ソースネットワーク
第２段階では、ウェーハ底面のチップテープが物理的に拡張され、第１段階のレーザー加工でウェーハ内部に生じた亀裂に引張応力が発生します。この応力により亀裂がウェーハの上面と下面に垂直に伸び、これらの切断点に沿ってウェーハがチップに分離されます。インビジブルカッティングでは、ウェーハをチップに分離しやすくするために、通常、ハーフカッティングまたは底面ハーフカッティングが使用されます。
レーザーアブレーションと比較した、目に見えないレーザー切断の主な利点：
・冷却液は不要です
・破片は発生しない
・繊細な回路を損傷する可能性のある熱影響部がない
プラズマ切断
プラズマ切断（プラズマエッチングまたはドライエッチングとも呼ばれる）は、反応性イオンエッチング（RIE）または深反応性イオンエッチング（DRIE）を用いて半導体ウェハから個々のチップを分離する、高度なウェハ切断技術です。この技術は、プラズマを用いてあらかじめ定められた切断線に沿って材料を化学的に除去することで切断を実現します。
プラズマ切断プロセスでは、半導体ウェーハを真空チャンバー内に設置し、制御された反応性ガス混合物をチャンバー内に導入するとともに、電界を印加して高濃度の反応性イオンとラジカルを含むプラズマを生成します。これらの反応性物質はウェーハ材料と相互作用し、化学反応と物理的スパッタリングの組み合わせによって、切断線に沿ってウェーハ材料を選択的に除去します。
プラズマ切断の主な利点は、ウェーハやチップにかかる機械的ストレスを軽減し、物理的な接触による損傷の可能性を低減できる点です。しかし、このプロセスは他の方法に比べて複雑で時間もかかるため、特に厚いウェーハやエッチング耐性の高い材料を扱う場合は、量産への応用が制限されます。
▲画像ソースネットワーク
半導体製造において、ウェーハ切断方法は、ウェーハ材料の特性、チップのサイズと形状、要求される精度と正確性、そして全体的な生産コストと効率など、多くの要因に基づいて選択する必要がある。
投稿日時：2024年9月20日