薄化ウェーハのハンドリングとは

THEME 06 後工程・パッケージ · 3D積層の製造Thin Wafer Handling

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薄化ウェーハのハンドリングとは、研削で薄くしたウェーハを、割らずに次の工程まで運び、保持し、受け渡すための方法の総称です。 300mmウェーハを100µm以下まで薄くすると、反りやエッジの欠けによって搬送中に割れやすくなり、薄化の後も搬送と保持の方法が歩留まりに影響します。支持基板やテープで支えると割れにくくなりますが、そのぶん貼る・剥がす・洗う工程が増えます。支えをどこまで外から借りるかが、この分野の設計の中心です。

775µmの剛性を失ったウェーハを、吸着して次の装置へ渡す

前工程の間、300mmウェーハは775µm前後の厚さで形を保っています。裏面を削ると、この剛性が失われます。ディスコは、装置の課題を機械的強度が下がって非常に割れやすくなったウェーハを、いかに安全にハンドリングするか¹だとしています。SiPなどの普及とともに、100µm以下の厚さを歩留まりよく実現する薄仕上げ研削技術が注目されています。

どこまで薄くできるかの例もあります。ディスコは、直径300mmのシリコンウェーハを研削だけで厚さ5µmまで薄化した例¹を示しています。同社の試作では、300mmのDRAMウェーハを4µmまで薄化しています²。元の厚さ775µmの0.5%にあたり、可視光も透過する薄さです。このような薄い円板を、真空で吸着して持ち上げ、次の装置へ渡す必要があります。

反りは吸着を外し、尖ったエッジは欠けて割れる

薄化でエッジが尖る仕組み

R形状のエッジをそのまま削ると、残った薄い部分の先端が鋭くなって欠けます。研削前にエッジへ溝を入れておくと、薄化後も角の立った端面が残ります。

1つ目の問題は反りです。反りはウェーハ表裏面のストレスの不均衡によって生じ、強い反りは加工中のバキュームリークや、ハンドリング時の吸着不足によるウェーハ落下の原因になります³。裏面研削ダメージのストレスが表面より大きいときの反りを順反りと呼び、表面を下にして凸の向きに反ります。凹の向きの反りは逆反りと呼びます。反りの向きと量によって、吸着できるかどうかが決まります。

2つ目はエッジの欠けです。ウェーハのエッジ断面はもともとR形状で、薄化するとこのR部分がシャープな形状になり、機械的強度が大きく落ちます¹。研削水の影響や加工条件によってエッジ部がばたつくとチッピングが生じ、ウェーハ破損の原因になります。対策は、研削前にエッジへ溝入れをしておくエッジトリミングで、ディスコは薄化後にエッジがシャープな形にならず、大幅なエッジチッピング低減を実現できるとしています。

研削条件でも負荷を下げられます。ディスコは、粗研削と仕上げ研削のどちらでも、最終仕上げ厚みの付近で砥石軸の送り込み速度を下げると低負荷研削ができるとし、エッジチッピングには砥石軸の回転を下げてウェーハ吸着テーブル側を上げる設定が有効だとしています。

支えは外から借りるか、ウェーハの外周に残す

4つの支え方の断面

テープ、ワックス、支持基板は剛性を外から借り、TAIKOはウェーハの外周に枠を残します。外から借りる支えほど、貼る材料と剥がした後の洗浄が付いてきます。

薄いウェーハは、剛性を外から借りるか、自分の一部を支えとして残すかのどちらかで運ばれます。

GaAsのように破損しやすいウェーハでは、保持力の高いワックス固定による薄化研削が主流です⁴。ディスコによるGaAsウェーハの比較では、ワックス固定は保持力が高く研削時の破損リスクが低い一方、精度の高い貼り付けが難しいため研削後の厚みがばらつきやすくなります。剥離後にはワックスを除去する洗浄工程が加わり、薄化後の洗浄でウェーハが破損するリスクも高くなります。テープ固定は工程が簡略で固定精度が高いため厚みがばらつきにくい一方、加工条件を外すと薄化時の破損リスクが高くなります。同社は、ホイールや加工条件、テープを選べば、GaAsでもテープ固定で薄化研削ができるとしています。

支持基板を貼る方法は、より薄いウェーハで使われます。EV Groupは、仮接合をウェーハ薄化と薄ウェーハ搬送に不可欠な工程としています⁵。剥離の方式には、熱スライドオフ剥離、UVレーザー剥離、IRレーザー剥離があります。東京エレクトロンのデボンディング装置Synapse Z Plusは、ウェーハ剥離とデバイス・キャリアウェーハ洗浄を1台で行い⁶、厚さ50µm以下の薄いウェーハでも安定した搬送と加工を実現しているとしています。さらに薄い側では、Brewer Scienceが、Fraunhofer IZM ASSIDがシリコンの支持基板と赤外レーザー剥離を組み合わせて15 µmまで薄くした300 mmウェーハを扱う工程をWaferBond ‘25で発表すると告知しました。

支持基板を使わず、ウェーハ自体に支えを残すのがTAIKOプロセスです。ウェーハ最外周の約3mmを枠として残し、内周だけを研削します⁷。ディスコは、この技術で薄ウェーハの搬送リスクと反りを減らせるとしています。利点は、反りの低減、ウェーハ強度の向上、ハンドリングのしやすさ、スルーホール形成やバンプ配置といった薄化後の加工のしやすさです。小口径ホイールで太いリングを残したウェーハの内側を器のように使い、4インチや6インチのウェーハを8インチウェーハとして搬送した例もあります⁸。ディスコの加工実績では、8インチウェーハでリング幅約25mm、内周部の直径約150mmです。

裏面の残留応力とTTVで、薄さの質を管理する

研削条件と裏面の残留応力の深さ

粗研削の圧縮応力は約450MPaで深さ40µmまで、仕上げ研削は120MPaで深さ10µmまで残り、CMP後は検出限界以下になります。

管理する数字は、厚みばらつき（TTV）と抗折強度の2つです。ディスコの試作でµ-Raman分光により測った裏面の圧縮応力は、粗研削（#320）の後は約450MPaで深さ40µmまで残り、約5µmまでは転位と積層欠陥が入ります。仕上げ研削（#2000）の後は120MPaで深さ10µmまでで、ダメージ層は0.2µm厚です。CMP後は検出限界以下になりました。CMPは、UPGやドライポリッシングと並ぶストレスリリーフの方法です。残留応力が浅いほど反りが小さくなり吸着が安定しますが、CMPなどの工程が1つ増えます。ディスコは、Poligrindなどで研削による薄仕上げの品質は上がっているものの、砥石による加工なのでわずかながら表面に破砕層が残るとしています。

TTVは、装置の剛性よりも加工点で決まります。ディスコがテープなしで研削した例では、セルフグラインド直後に同じ条件で研削したウェーハは谷型となり、TTVは約1.3µmでした⁹。加工レシピとチャックテーブルの傾きを調整して加工点を最適化すると、TTVは約0.3µmまで改善し、25枚を1セットとした連続研削でも安定しました。

抗折強度は、球抗折強度試験で測ります。ディスコは、研削ダメージ除去の指標である球抗折強度の結果から、ドライポリッシングで2µmの除去量を推奨しています¹⁰。

同一径の搬送パッドとインライン化で、破損を減らす

装置の対策も歩留まりに影響します。ウェーハと同一径の搬送パッドを使い、パッドとウェーハの間にパーティクルが入らないようパッド面を洗浄する機能¹が採用されています。人の手を極力介さずに、研削からDAF貼り付け、ウェーハマウント、表面保護テープ剥離までを一貫して行うインラインシステムも、ウェーハ破損への有効な解決手段とされています。

支えを強くするほど、貼る・剥がす・洗う工程が増える

支持基板を貼る場合は、接着材の塗布、貼り合わせ、剥離、デバイス面とキャリアの両方の洗浄が加わります。TAIKOは貼る材料が不要な代わりにリング部の処理が必要です。TAIKOウェーハをダイシングテープへ転写するとき、リング部とTAIKO部の段差が大きいとテープとウェーハの間に大きな気泡が生じ、ダイシング加工に悪影響を及ぼします¹¹。リング研削で段差を極小化すると、貼り付け状態とダイシング加工品質が向上します。

薄くする作業と、薄いまま運ぶ作業は、別の仕事です。TSVやハイブリッドボンディングで積層する製品ほど、後者の設計が歩留まりを決めます。

よくある質問（FAQ）

薄化ウェーハのハンドリングとは何ですか？

研削で薄くしたウェーハを、割らずに次の工程まで運び、保持し、受け渡すための方法の総称です。テープや支持基板で支える方法、外周に枠を残す方法、搬送部品と自動化で人手を減らす方法が含まれます。

どのくらい薄くなるのですか？

ディスコの試作では、300mmのDRAMウェーハを4µmまで薄化しました。元の厚さ775µmの0.5%にあたり、可視光も透過する薄さです。同社は、直径300mmのシリコンウェーハを研削だけで5µmまで薄くした例も示しています。

薄いウェーハで最初に困るのは何ですか？

反りです。反りはウェーハ表裏面のストレスの不均衡によって生じ、強い反りは加工中のバキュームリークや、ハンドリング時の吸着不足によるウェーハ落下の原因になります。

エッジが欠けるのはなぜですか？

ウェーハのエッジ断面はもともとR形状で、薄化するとこのR部分がシャープな形状になり、機械的強度が大きく落ちるためです。対策は、研削前にエッジへ溝入れをするエッジトリミングです。

支持基板（キャリア）を貼るとどうなりますか？

EV Groupは、仮接合をウェーハの薄化と薄ウェーハ搬送に不可欠な工程としています。剥離の方式は、熱スライドオフ剥離、UVレーザー剥離、IRレーザー剥離の3つで、剥離の後にはデバイス面とキャリアの洗浄が加わります。

TAIKOプロセスは何を変えるのですか？

ウェーハ最外周の約3mmを枠として残し、内周だけを研削する方法です。反りが減り、ウェーハ強度とハンドリングのしやすさが上がり、薄化後の加工もしやすくなります。

現場では何を測るのですか？

厚みばらつき（TTV）と抗折強度です。ディスコがテープなしで研削した例では、加工点を最適化したグラインダでTTVが約1.3µmから約0.3µmまで改善しました。

比較・違いを学ぶ

ウェハ薄化（バックグラインド）とは── ハンドリングの前にある研削工程
反りとは── 薄化ウェーハの搬送を難しくする当の現象です
ウェハ平坦度とは── TTVという測定量そのものの記事です

出典

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