ウェーハ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、半導体ウェハから個々の集積回路またはチップを正確に分離するように設計されています。
鍵となるのはウエハース切断の目的は、チップに埋め込まれた繊細な構造と回路を保証しながら、個々のチップを分離できるようにすることです。ウエハース損傷を受けないようにする必要があります。切断プロセスの成否は、チップの分離品質と歩留まりに影響を与えるだけでなく、生産プロセス全体の効率にも直接関係します。
▲ウェーハ切断の一般的な3つのタイプ｜出典：KLA CHINA
現在、一般的なウエハース切断工程は以下のように分けられます。
刃物切断：低コスト、通常は厚いものに使用するウエハース
レーザー切断：高コスト、通常30μm以上の厚さのウェーハに使用される
プラズマ切断：コストが高く、制限が多く、通常は厚さ30μm未満のウェーハに使用されます。
機械刃切断
ブレードカットは、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プロセスです。ブレードは通常、研磨材または極薄ダイヤモンド材で作られており、シリコンウェーハのスライスや溝入れに適しています。しかし、機械的な切断方法であるブレードカットは、物理的な材料除去に依存するため、チップエッジの欠けや割れが発生しやすく、製品品質に影響を与え、歩留まりを低下させる可能性があります。
機械的な切断プロセスによって生成される最終製品の品質は、切断速度、ブレードの厚さ、ブレードの直径、ブレードの回転速度など、複数のパラメータによって影響を受けます。
フルカットは最も基本的な刃の切断方法で、固定された材料（スライステープなど）まで切断することでワークを完全に切断します。
▲機械刃切断-フルカット|画像ソースネットワーク
ハーフカットとは、ワークの中央まで切削することで溝を加工する加工方法です。溝入れ加工を連続的に行うことで、櫛形や針状の先端部を加工することができます。
▲機械刃切断-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フルカットまたはハーフカット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。この加工により、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つのスピンドルを持つダブルスライシングソーを用いて、フルカットとハーフカットを2段階で行います。ウェーハ表面の配線層を切断するためのブレードと、残りのシリコン単結晶を切断するためのブレードをそれぞれ最適化することで、高品質な加工を実現します。
▲機械式ブレード切断 - ステップカット | 画像ソースネットワーク
ベベルカットとは、ステップカット工程において、ハーフカットエッジにV字状の刃先を持つ刃を用いてウェーハを2段階に切断する加工方法です。切断工程中に面取り加工を行うため、高い金型強度と高品質な加工が可能です。
▲ 機械式ブレード切断 - ベベル切断 | 画像ソースネットワーク
レーザー切断
レーザー切断は、集光された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型の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光し、アブレーションまたは熱分解プロセスによって所定の切断ライン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、熱影響部が極めて小さいため、精密なコールドアブレーションによく使用されます。これにより、ウェ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、材料の深部まで浸透できるため、厚いウェハに適しています。フェムト秒レーザーは、超短光パルスにより、熱伝達をほぼ無視しながら、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、従来のブレード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、ウェーハ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砕や割れの問題を軽減できます。この特徴は、特に複雑な構造や微細な特徴を持つ、壊れやすいウェーハや極薄ウェーハの加工に特に適しています。
▲レーザーカット図｜画像元ネットワーク
さらに、レーザー切断は高精度かつ高精度であるため、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の分離を実現します。これは、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、レーザー切断にはいくつかの限界もあります。ブレード切断と比較すると、特に大規模生産においては、処理速度が遅く、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、パラメータを最適化することで、効率的な材料除去と熱影響部の最小化を実現することは、特定の材料や厚さで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の位置に正確に集束させ、レーザーエネルギーを所定の切断パターンに沿って誘導することで、ウェーハを徐々に底面まで切断します。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、冷却水を使用してウェーハを冷却し、熱損傷から保護します。同時に、冷却水は切断工程で発生するパーティクルを効果的に除去し、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」と呼ばれます。この方法では、レーザーの熱によってスクライブラインに隙間が生じます。この弱体化した領域は、ウェ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。
▲レーザー透明切断の主な工程
インビジブルカッティングプロセスは、レーザーアブレーション（表面でレーザーが吸収される）ではなく、内部吸収型のレーザープロセスです。インビジブルカッティングでは、ウェーハ基板材料に対して半透明となる波長のレーザービームエネルギーが使用されます。このプロセスは主に2つのステップに分かれており、1つはレーザーベースのプロセス、もう1つは機械的な分離プロセスです。
▲レーザービームはウェハ表面の下に穿孔を作成するため、前面と裏面は影響を受けません | 画像ソースネットワーク
最初のステップでは、レーザービームがウェーハを走査し、ウェーハ内部の特定の点に焦点を合わせ、内部にクラックポイントを形成します。ビームエネルギーによって、ウェーハの厚み全体、つまり上面と下面までまだ伸びていない一連のクラックが内部に形成されます。
▲ブレード方式とレーザー不可視切断方式で切断された100μm厚シリコンウェハの比較｜画像元ネットワーク
第二段階では、ウェーハ底部のチップテープが物理的に拡張され、第一段階でレーザー加工によって誘起されたウェーハ内部の亀裂に引張応力が発生します。この応力により、亀裂はウェーハの上下面に垂直に伸び、これらの切断点に沿ってウェーハをチップに分割します。インビジブルカットでは、通常、ハーフカットまたは底面ハーフカットが使用され、ウェーハをチップまたはチップに分割しやすくします。
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:
• 冷却剤は不要
• 破片は発生しない
• 敏感な回路に損傷を与える可能性のある熱影響部はありません
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）または深層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、プラズマを用いて所定の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、半導体ウェハを真空チャンバー内に配置し、制御された反応性ガス混合物をチャンバー内に導入します。そして電界を印加することで、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。これらの反応性種はウェハ材料と相互作用し、化学反応と物理的なスパッタリングの組み合わせによって、スクライブラインに沿ってウェ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、ウェハとチップへの機械的ストレスを軽減し、物理的な接触による潜在的な損傷を低減することです。しかし、このプロセスは他の方法よりも複雑で時間がかかり、特に厚いウェハやエッチング耐性の高い材料を扱う場合はその傾向が顕著です。そのため、量産への適用は限られています。
▲画像元ネットワーク
半導体製造においては、ウェーハの材料特性、チップのサイズと形状、必要な精度と正確さ、全体的な生産コストと効率など、多くの要因に基づいてウェーハ切断方法を選択する必要があります。
投稿日時: 2024年9月20日