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キャリアウェーハとは

THEME 06 後工程・パッケージ · 3D積層の製造Carrier Wafer
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キャリアウェーハとは、それ自体は製品にならず、薄くしたウェーハや組み上げ途中のパッケージを工程の間だけ支える台になる1枚です。 支持基板、サポートガラスとも呼ばれます。貼れば薄いウェーハでも既存の装置で搬送と加工ができるかわりに、接着層と剥離・洗浄の工程が加わり、使用温度にも上限がかかります。

費用を分けるのは、ガラスとシリコンのどちらを使うかと、最後にキャリアをどう取り除くかです。

薄化したウェーハは、単体では装置の前提から外れる

Section titled “薄化したウェーハは、単体では装置の前提から外れる”
キャリアが補う剛性と平坦さ
薄いウェーハ1枚薄化したウェーハ端が浮く真空チャックキャリアに貼った状態デバイスウェーハ仮止め接着剤キャリア真空チャック平らなまま吸着
薄化したウェーハ1枚は反って、真空チャックに平らに載りません。キャリアウェーハに貼ると剛性と外形が戻り、既存の搬送系と吸着面をそのまま使えます。

ウェーハ工場の装置は、決まった直径と厚みの円盤を前提に組まれています。ロボットハンドの掴み代、真空チャックの吸着面、搬送容器の溝の間隔まで、その前提の上にあります。薄化したウェーハは、この前提から遠ざかります。

東京工業大学が共同研究先と2014年に公表した結果では、DRAMを作り込んだ直径300mmシリコンウェーハを4µmまで薄化すると可視光が透過します1。厚さ4µmの300mmウェーハは、単体では形を保つことが困難です。EVグループによると、壊れやすいデバイスウェーハでも接着剤などの中間層を挟んで支持基板と仮に貼り合わせれば、後の工程へ進められます2。この支持基板がキャリアウェーハです。同社は、この仮接合を3D IC、パワーデバイス、ファンアウト・ウェーハレベル・パッケージ、化合物半導体のように薄化した基板を安全に処理するための重要な工程と位置づけ、自社の仮接合装置を2001年に初めて出しています。

キャリアウェーハの役割は3つです。1つ目は、薄いウェーハが失った剛性を補うことです。2つ目は、装置が受け入れる外形と厚さを保ち、既存の搬送系をそのまま使えるようにすることです。3つ目は、研削、洗浄、成膜が続く間、平坦さを保つことです。東京エレクトロンのデボンディング装置Synapse Z Plusは、剥離とデバイスウェーハおよびキャリアウェーハの洗浄を1台で行い3、TSV工程の後の複雑な工程をまとめます。同社は、厚さ50µm以下の非常に薄いウェーハでも安定した搬送と処理ができるとしています。装置の仕様でも、キャリアウェーハは洗浄の対象です。

ガラスは紫外線で、シリコンは赤外線で剥がす

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ガラスとシリコンの剥がし方
ガラス＋有機接着剤紫外線レーザーガラス数µm接着剤を分解して剥がす使用温度 300℃以下シリコン＋無機剥離層赤外線レーザーシリコン数nm剥離層でシリコンが劈開1000℃までの工程に適合キャリア有機接着剤無機剥離層デバイス層
ガラスのキャリアは紫外線レーザーで数µmの有機接着剤を分解して剥がし、使用温度は一般に300℃以下に限られます。シリコンのキャリアは赤外線レーザーを数nmの無機剥離層に吸収させてシリコンを劈開し、1000℃までの工程に耐えます。

東京応化工業の三次元実装向けの手順では、ウェーハまたはサポートガラスへ仮止め接着剤を塗り、ウェーハへサポートガラスを貼ります4。裏面の薄化とデバイス作成を経てから、サポートガラスを剥がして洗います。この場合のキャリアはガラスです。同社のウェーハレベルのファンアウトの手順では、チップ貼付け、モールド、再配線とバンプの工程を経た後に、サポートガラスを剥がして洗います。再配線とバンプの後の基板に2枚目のサポートガラスを貼り、1枚目の側にも同じ処理をすることもできます。

EVグループによると、有機接着剤でガラスの支持基板へ仮接合し、紫外線レーザーで接着剤を分解してデバイス層を剥がし、最終製品のウェーハへ永久接合する方法は、すでに確立した積層方法です5。ただ、製造装置はシリコン基板を前提に設計されているため、ガラス基板の処理は難しく、装置を改造する費用も高くなります。有機接着剤の処理温度も一般に300℃以下で、用途は後工程に限られます。

EVグループによると、シリコンの支持基板に無機の剥離層を設けると、この温度の上限とガラス基板との相性の問題を解決でき、無機の剥離層は1000℃までの高温工程に適合します。有機接着剤では使えなかったエピタキシャル成長、成膜、アニールといった前工程でも、層転写ができるようになります。剥離層の厚さも、有機接着剤の数µmに対して数nmです。剥離では、シリコンを透過する波長の赤外線をウェーハの裏面から照射し、あらかじめ形成した無機の剥離層が赤外光を吸収して、所定の層でシリコンが劈開します。

材質を選ぶ軸は、光と熱と装置です。紫外線で剥がすならガラス、赤外線で剥がすならシリコン、熱で剥がすなら光の透過から自由な材質も選べます。工場が持っている装置がシリコンを前提にしているほど、シリコンのキャリアが選ばれやすくなります。

研削で除去すると、純水と有効チップ数を失う

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不要なシリコンの取り除き方
研削で除去研削ホイールエッジトリミングレーザで剥離再利用（開発中）除くSiウェーハデバイス層チップ下のウェーハ
研削で除去すると外周をエッジトリミングで削るため、チップを取れる範囲が内側に限られます。レーザで剥がせばエッジトリミングが要らず、剥がしたシリコンウェーハは再利用する技術が開発されています。

キャリアは貼られて運ばれ、最後に取り除かれます。費用がまとまって乗るのは、この最後の1手です。EVグループは、従来のシリコン支持基板は研削、研磨、エッチングで完全に除く必要があり、デバイス層の表面にミクロン単位のばらつきが生じるため、先端ノードの薄い層の積層には向かないとされてきたとしています5。

ウェーハ永久接合の工程では、東京エレクトロンの発表によると現在、2枚のシリコンウェーハを永久接合してから、上の1枚を研削で薄くして取り除いています6。同社は、デバイスの高積層化が進むにつれて歩留まり低下の懸念が生じているとし、その要因に研削時の応力、研削後の膜剥がれ、エッジトリミング領域の拡大による1枚あたりの有効チップ数の制限を挙げています。

東京エレクトロンが2023年12月に発表したレーザ剥離技術は、裏面研削・研磨・薬液エッチングといった複数の工程をレーザ剥離1つに置き換え、工程を簡素化します。研削に必要な純水がレーザ加工では不要になるため、同社は純水の使用量が従来の裏面研削とエッジトリミング加工より90%以上減ると試算しており、廃水の量も大きく減ります。剥がした上のシリコンウェーハを再利用する技術も開発中です。

この技術を搭載した装置Ulucus LXの販売開始を、東京エレクトロンは2024年12月に発表しました7。レーザ照射、ウェーハ分離、洗浄の3つを1台で行い、同社は、外周部を削る従来のエッジトリミングが不要になるため、ウェーハ1枚から取れる有効チップ数が増えるとしています。

TAIKOプロセスは、外周の枠でキャリアの役目を果たす

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ディスコのTAIKOプロセスは8、ウェーハ最外周の約3mmの縁を残し、内周だけを研削して薄くする方法です。ハードサブストレートなどを使わずウェーハだけで強度を保つ一体構造なので、薄化後に高温工程（メタライゼーションなど）が必要な場合でもアウトガスが発生しません。形状が単純なためパーティクルも入りにくくなります。外周の枠を残すことで、反りの低減、強度の向上、貫通孔形成やバンプ配置といった薄化後の加工のしやすさも得られます。

キャリアの代償は、接着層と剥離・洗浄の工程

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キャリアを1枚貼ると、剛性、外形、平坦さが得られます。その代わり、有機の接着層と貼り合わせの界面が1つ増え、剥離と洗浄の工程が加わり、キャリア自体の費用と除去の手間がかかります。後に高温工程が続くほど、この負担は大きくなります。キャリアを使わなければこの負担はなくなりますが、薄化の形状は外周に枠を残す形に限られます。

関連するデータ・ツール

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よくある質問（FAQ）

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キャリアウェーハとは何ですか？

それ自体は製品にならず、薄くしたウェーハや組み上げ途中のパッケージを工程の間だけ支える台になる1枚です。支持基板、サポートガラス、キャリア基板とも呼ばれます。

なぜキャリアが要るのですか？

薄化したウェーハは、単体では剛性が不足するためです。DRAMを作り込んだ直径300mmシリコンウェーハは、4µmまで薄化すると可視光が透過します（東京工業大学、2014年）。EVグループによると、壊れやすいデバイスウェーハでも、接着剤などの中間層を挟んで支持基板と仮に貼り合わせれば、後の工程へ送れます。

材質は何を使いますか？

ガラスとシリコンが代表的です。東京応化工業の三次元実装向けの手順ではサポートガラスを使います。EVグループによると、ガラス支持基板を有機接着剤で仮接合し、紫外線レーザーで接着剤を分解してデバイス層を剥がす方法はすでに確立しており、無機の剥離層を設けたシリコン支持基板を赤外線レーザーで剥がす方式もあります。

ガラスとシリコンでは何が違いますか？

装置と使用温度の上限です。EVグループによると、製造装置はシリコン基板を前提に設計されているため、ガラス基板の処理は難しく、装置を改造する費用も高くなります。有機接着剤の処理温度は一般に300℃以下ですが、シリコン支持基板に設ける無機の剥離層は1000℃までの高温工程に適合します。

キャリアは最後にどうなりますか？

研削で除去するか、剥離するかです。東京エレクトロンによると、ウェーハ永久接合の工程で不要になったシリコンウェーハは、裏面研削・研磨・薬液エッチングで除去されています。東京エレクトロンのレーザ剥離技術はこれらを置き換えるもので、剥がしたシリコンウェーハを再利用する技術も開発中です。

研削で除去する方法の欠点は何ですか？

純水と有効チップ数です。東京エレクトロンによると、研削工程は大量の冷却水を必要とし、研削時の応力や加工後の膜剥がれ、エッジトリミング領域の拡大によって有効チップ数が制限されます。レーザ剥離では純水使用量が従来比90%以上減ると東京エレクトロンは試算しており、エッジトリミング加工が不要になるため有効チップ数も増えます。

キャリアを省く方法はありますか？

ディスコのTAIKOプロセスです。ウェーハ最外周の約3mmの縁を残して内周だけを研削し、ハードサブストレートなどを使わずウェーハだけで強度を保つ一体構造にします。薄化後に高温工程が必要な場合でもアウトガスが発生せず、形状が単純なためパーティクルも入りにくくなります。

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