JP2011512256A - レーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

基板から薄膜を分離するレーザーリフトオフ工程に使われるレーザー加工装置を提供する。
レーザービームを放出するレーザービーム光源と、レーザービーム光源から放出されたレーザービームの形状及びエネルギー分布を加工する光学系と、光学系により加工されたレーザービームが照射され、照射されたレーザービームにより加工される加工対象物が配されるステージと、光学系により加工されたレーザービームが通過するようにレーザービームの進行経路上に配され、加工対象物の加工時に発生する副産物を吸入するための吸入ユニットと、を備えるレーザー加工装置。

Description

本発明のレーザー加工装置に係り、より詳細には、基板から薄膜を分離するレーザーリフトオフ工程に使われるレーザー加工装置に関する。

最近、エキシマーレーザービームの安定性及び出力が向上するにつれて、半導体物質を加工する工程にまでその使用範囲が広くなっている。特に、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のような素子を形成するために、レーザービームを利用してウェーハ基板上の薄膜を分離する工程が多く行われているが、これらの工程をレーザーリフトオフ（Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ Ｏｆｆ：ＬＬＯ）工程という。図１には、ＬＬＯ工程を行う従来のレーザー加工装置が図示されている。

図１を参照するに、レーザー加工装置は、２４８?の波長を持つＫｒＦエキシマーレーザー１と、複数のレンズで形成される光学系２とを備える。以下、前記レーザー加工装置９でＬＬＯ工程を行う過程について説明する。まず、ＫｒＦエキシマーレーザー１からレーザービームを放出すれば、このレーザービームは、光学系２を通過しつつ適切な形状及び強度で加工され、以後、サファイアウィンドウＰ１とＧａＮ系列のエピ層Ｐ２とを備える加工対象物Ｐに照射される。この時、レーザービームのエネルギーがサファイアのバンドギャップ（約１０．０ｅＶ）よりは低く、ＧａＮのバンドギャップ（約３．３ｅＶ）よりは高いので、レーザービームはサファイアウィンドウＰ１に吸収されずにそのまま透過された後、ＧａＮ系列のエピ層Ｐ２に吸収される。そして、このように吸収されるレーザービームのエネルギーによりサファイアウィンドウと接するエピ層Ｐ２の界面が加熱及び分解されることによって、サファイアウィンドウＰ１とエピ層Ｐ２とが分離される。

一方、前述したＬＬＯ工程中にエピ層の界面が分解されることによって、フューム及びパーチクルの形態で副産物０が発生し、この副産物０は、図１に示したように、レンズの表面や、サファイアウィンドウの上面に付着される。そして、このように副産物が付着されれば、エピ層Ｐ２に照射されるレーザービームの一部が進行途中に副産物０に吸収され、これにより、エピ層界面に到達するレーザービームのエネルギー分布が不均一になる。したがって、エピ層の界面のうち過度なエネルギーが吸収される部分ではストレスによる亀裂または欠陥が発生し、少量のエネルギーが吸収される部分では、サファイアウィンドウとエピ層とが分離されず、その結果、生産される製品の品質及び収率が低下するという問題点がある。

また、前記副産物０によりレーザー加工装置内の他の構成が汚染または損傷して、レーザー加工装置の耐久性が落ちるという問題点もあった。

本発明は、前記問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、加工対象物の加工時に発生する副産物により生産される製品の品質及び収率が低下するか、周辺機構の汚染が防止されるように構造が改善されたレーザー加工装置を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明によるレーザー加工装置は、レーザービームを放出するレーザービーム光源と、前記レーザービーム光源から放出されたレーザービームの形状及びエネルギー分布を加工する光学系と、前記光学系により加工されたレーザービームが照射され、前記照射されたレーザービームにより加工される加工対象物が配されるステージと、前記光学系により加工されたレーザービームが通過するように前記レーザービームの進行経路上に配され、前記加工対象物の加工時に発生する副産物を吸入するための吸入ユニットと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、前記吸入ユニットは、前記レーザービームが通過するように貫設される貫通孔と、前記副産物が流動して貫設される排出孔を持つハウジングと、前記貫通孔を閉塞するように前記ハウジングに結合されるビームスプリッタと、前記副産物が排出孔に吸入されるように前記副産物を吸入するファンと、を備え、前記ビームスプリッタで反射されたレーザービームを利用して前記レーザービームをモニタリングするモニタリングユニットをさらに持つことが望ましい。

また本発明によれば、前記吸入ユニットは、前記レーザービームが通過するように貫設される貫通孔と、前記貫通孔と連通して前記副産物が流動する排出孔と、前記貫通孔と連通して前記排出孔に向けて外部から供給される不活性ガスを噴射するノズル部を持つハウジングと、前記副産物が排出孔に吸入されるように前記副産物を吸入するファンと、を備えることが望ましい。

また本発明によれば、前記ハウジングには、前記貫通孔を閉塞するようにビームスプリッタが結合され、前記貫通孔と連通して前記ビームスプリッタに向けて不活性ガスを噴射する噴射部が設けられていることが望ましい。

また本発明によれば、前記副産物の流動経路上に、前記排出孔と前記ファンとの間に配されて前記副産物を濾すフィルタをさらに備えることが望ましい。

また本発明によれば、前記加工対象物と前記レーザービームとを整列させる整列ユニットと、前記加工対象物に対する前記レーザービームの焦点を整列するフォーカシングユニットと、をさらに備えることが望ましい。

本発明によれば、加工対象物の加工時に発生する吸入ユニットの内部に効率的に吸入できる。したがって、副産物による加工条件の劣化が防止され、その結果生産される製品の品質が優秀になり、レーザー加工装置の生産収率が向上する。

また、副産物によるレーザー加工装置の汚染または損傷が防止されるので、レーザー加工装置の耐久性が向上する。

従来のレーザー加工装置の概念図である。 本発明の一実施形態によるレーザー加工装置の概念図である。 図２に図示された吸入ユニットの斜視図である。 図３のIV−IV線の断面図である。 図４のV−V線に沿って、図３に図示されたレーザー加工装置を切り取った断面図である。 整列ユニットの作動原理を説明するブロック図である。 フォーカシングユニットの作動原理を説明するブロック図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の一実施形態によるレーザー加工装置について説明する。

図２は、本発明の一実施形態によるレーザー加工装置の概念図であり、図３は、図２に図示された吸入ユニットの斜視図であり、図４は、図３のIV−IV線の断面図であり、図５は、図４のV−V線に沿って図３に図示されたレーザー加工装置を切り取った断面図である。

図２ないし図５を参照するに、本実施形態によるレーザー加工装置１００は、レーザービーム光源１０と、減衰器２０と、光学系３０と、ステージ４０と、吸入ユニット５０と、モニタリングユニット６０と、映像撮影器７０とを備える。

レーザービーム光源１０は、レーザービームを発生させる公知の構成であって、利用しようとするレーザービームの波長によってＫｒＦエキシマーレーザーと、ＡｒＦエキシマーレーザーなど多様な種類のものが採用されうる。

減衰器２０は、レーザービームの進行経路上に配され、レーザービームの強度を調節する。減衰器２０は公知の構成であるため、詳細な説明は省略する。

光学系３０は、レーザービーム光源から放出されたレーザービームの進行経路上に配され、レーザービームの形状及びエネルギー分布を加工する。本実施形態で光学系３０は、レーザービームの形状を加工するビーム膨脹望遠鏡３１と、加工されたレーザービームのエネルギー分布を均一にするビーム均一剤３２と、レーザービームの焦点を調節するプロジェクションレンズ３３とを備える。また、必要に応じてレーザービームを反射させてレーザービームの進行経路を変化させるミラー３４と、ビーム均一剤３２を通過したレーザービーム断面のエッジをマスキングするマスク３５と、フィールドレンズ３６とを備えてもよい。前述したように構成される光学系３０は、大韓民国登録特許第１０−０７２４５４０号明細書に開示された公知の構成であるため、個別的構成についての詳細な説明は省略する。

ステージ４０は、光学系３０を通過したレーザービームの進行経路上に配される。ステージ４０の上面にはレーザービームの照射時に加工される加工対象物Ｐが配される。ステージ４０はステージ駆動部に連結される。ステージ駆動部はモーション制御部と電気的に連結され、モーション制御部から出力された移動信号を印加されて、ステージ４０を水平及び垂直方向に移動させる。

吸入ユニット５０は、加工対象物Ｐの加工時に発生する副産物０を吸入するためのものであって、レーザービームの進行経路上に配される。吸入ユニット５０は、ハウジング５１と、ビームスプリッタ５２と、ファン５３と、フィルタ５４と、カートリッジ５５とを備える。

ハウジング５１は、加工対象物Ｐの上側に配され、貫通孔５１１と、排出孔５１２と、ノズル部５１３と、噴射部５１４とを持つ。貫通孔５１１は、ハウジング５１の中央部に上下方向に貫設される。貫通孔５１１の内部にはレーザービームが通過する。排出孔５１２は、貫通孔５１１の内側面とハウジング５１とを貫通して形成される。排出孔５１２は、貫通孔５１１及びハウジング５１に結合された排気ダクト５１５と連通する。ノズル部５１３は、貫通孔５１１及びハウジング５１の側面に設けられた第１ガス供給管５１６と連通する。ノズル部５１３は、外部から第１ガス供給管５１６を通じて供給される不活性ガスを排出孔５１２に向けて噴射する。噴射された不活性ガスは排出孔５１２に流入され、この時、不活性ガスと共に副産物０が排出孔５１２に流入される。噴射部５１４は、貫通孔５１１及びハウジング５１の側面に設けられた第２ガス供給管５１７と連通する。噴射部５１４は、外部から第２ガス供給管５１７を通じて供給される不活性ガスを、後述するビームスプリッタ５２に向けて噴射する。噴射された不活性ガスは、ビームスプリッタ５２及び貫通孔５１１に沿って下方に流動する。したがって、ビームスプリッタ５２の下面は不活性ガス雰囲気にあり、副産物０は不活性ガスと共に下方に流動する。

ビームスプリッタ５２は板状に形成され、レーザービームの進行経路上にレーザービームの進行方向と４５°傾いて配される。ビームスプリッタ５２は、ハウジング５１の上面に結合され、貫通孔５１１を防止する。ビームスプリッタ５２は、入射されるレーザービームを透過及び反射させる。特に、本実施形態では、入射されるレーザービームの９５％は透過させ、５％は反射させる。

ファン５３は排気ダクト５１５内に設けられる。ファン５３は、貫通孔５１１及び排出孔５１２を通じて副産物０を吸入する。

フィルタ５４は、排気ダクト５１５の内部に設けられ、副産物０の排出経路上で排出孔５１２とファン５３との間に配される。フィルタ５４は、排気ダクト５１５を通じて排出されるガスをフィルタリングして、その中に含まれた副産物０を濾す。

カートリッジ５５は、収容部５５１を持ち、排気ダクト５１５に着脱自在に結合される。カートリッジ５５はフィルタ５４の下側に配され、カートリッジの収容部５５１にはフィルタ５４を通過できない大サイズの副産物０が溜まる。そして、カートリッジの収容部５５１には、発光素子５６１と受光素子５６２とで形成されるレベルセンサー５６が設けられている。発光素子５６１は光を発生させ、この光は、発光素子５６１と対向して配された受光素子５６２で受光される。カートリッジの収容部５５１に適正量以上の副産物０が溜まれば、この副産物により発光素子５６１で発生した光が遮断されて受光素子５６２で受信されず、この時、レベルセンサー５６と電気的に連結されたアラーム部（図示せず）でカートリッジ５５を空にせよという所定の信号が発生する。

モニタリングユニット６０は、ビームスプリッタ５２で反射されたレーザービームを受光し、これを利用してレーザービームをモニタリングする。特に、本実施形態でモニタリングユニット６０は、ビームプロファイラ６１とエネルギーメータ６２とを備える。ビームプロファイラ６１は、ビームスプリッタ５２で反射されたレーザービームの進行経路上に配され、反射されたレーザービームを受光する。ビームプロファイラ６１は、反射されたレーザービームのエネルギー分布図（ｐｒｏｆｉｌｅ）を測定する。エネルギーメータ６２は、ビームスプリッタ５２で反射されたレーザービームの進行経路上に配され、反射されたレーザービームを受光する。エネルギーメータ６２は、反射されたレーザービームの強度を測定する。そして、このように反射されたビームのエネルギー分布図及び強度を測定すれば、ビームスプリッタ５２を透過したレーザービームのエネルギー分布図及び強度も分かる。

映像撮影器７０は貫通孔５１１の上側に配され、加工対象物Ｐの加工過程を撮影する。そして、映像撮影器７０にディスプレイ装置などを連結すれば、加工対象物の加工過程をリアルタイムで確認することができる。

また、レーザー加工装置１００は、整列ユニット８０と、フォーカシングユニット９０とをさらに備える。図６は、整列ユニットの作動原理を説明するブロック図であり、図７は、フォーカシングユニットの作動原理を説明するブロック図である。以下、図６及び図７を参照して説明する。

整列ユニット８０は、加工対象物Ｐとレーザービームとを整列させるためのものであって、さらに具体的に説明すれば、加工しようとする加工地点をレーザービームの進行経路上に配するためのものである。本実施形態で整列ユニット８０は、ビジョン８１とビジョン制御部８２とを備える。ビジョン８１は、加工対象物Ｐの上側に配される。加工対象物Ｐがビジョン８１の下方に移動すれば、ビジョン８１は加工対象物Ｐ内のマークを認識し、これを利用して加工地点の水平方向上での位置を測定し、測定された位置をビジョン制御部８２に伝送する。ビジョン制御部８２は、ビジョン８１から伝送された加工地点の位置とレーザービームの照射位置との差を算出し、これに対応する制御信号をモーション制御部４２に出力する。そして、制御信号を印加されたモーション制御部４２は、制御信号に対応する移動信号をステージ駆動部４１に出力し、ステージ駆動部４１は移動信号を受信し、これによりステージ４０を水平方向に移動させる。

フォーカシングユニット９０は、レーザービームの焦点を加工対象物Ｐに整列させるためのものであって、さらに具体的に説明すれば、レーザービームの焦点を加工地点に合わせるためのものである。本実施形態でフォーカシングユニット９０は、フォーカシング部９１とフォーカシング制御部９２とを備える。フォーカシング部８１は加工対象物Ｐの上側に配される。加工対象物Ｐがフォーカシング部８１の下方に移動すれば、フォーカシング部８１は加工対象物Ｐの曲げ程度を感知し、これを利用して加工地点の垂直方向上での位置を測定し、測定された位置をフォーカシング制御部８２に伝送する。フォーカシング制御部８２は、フォーカシング部８１から伝送された加工地点の位置とレーザービームの焦点との差を算出し、これに対応する制御信号をモーション制御部４２に出力する。そして、制御信号を印加されたモーション制御部４２は、制御信号に対応する移動信号をステージ駆動部４１に出力し、ステージ駆動部４１は移動信号を受信し、これによりステージ４０を垂直方向に移動させる。

以下、前述したように構成されたレーザー加工装置１００を使用して、ＬＬＯ工程を行う過程について説明する。

図４に示したように、光学系３０を通過したレーザービームは下方に進めてビームスプリッタ５２に到達する。ビームスプリッタ５２に到達したレーザービームのうち、５％は反射されて水平方向に進み、９５％はビームスプリッタ５２を透過して加工対象物Ｐに照射される。従来技術で説明したように、加工対象物Ｐに照射されたレーザービームは、サファイアウィンドウＰ１を透過した後でＧａＮ系列のエピ層Ｐ２に吸収され、これにより、エピ層Ｐ２の界面が加熱及び分解されることによってサファイアウィンドウＰ１とエピ層Ｐ２とが分離される。そして、エピ層Ｐ２が分解されることによって、副産物０がフューム及びパーチクル形態に発生する。

発生した副産物０は、ファン５３により発生する吸入力及びノズル部５１３と噴射部５１４とから噴射される不活性ガスにより、図４に示したように、貫通孔５１１及び排出孔５１２に沿って流動していてフィルタ５４により濾される。さらに詳細に説明すれば、ファン５３の吸入力により貫通孔５１１に沿って上方に流動する副産物０は、ノズル部５１３から排出口５１２側に噴射される不活性ガスと共にほぼ排出孔５１２に流入された後、排気ダクト５１５に沿って流動していてフィルタ５４により濾される。そして、排出口５１２に流入されないまま噴射口５１１に沿って上方に流動する一部の副産物０は、噴射部５１４から噴射されてビームスプリッタ５２及び透過区５１１に沿って下方に流動する不活性ガスにより再び下方に流動し、次いで、ファン５３の吸入力により排出孔５１２に流入された後、フィルタ５４により濾される。

一方、モニタリングユニット６０を利用すれば、レーザービームのエネルギー分布図及び強度を測定でき、整列ユニット８０及びフォーカシングユニット９０を利用すれば、正確な位置にレーザービームを照射することができる。

前述したように、本実施形態によるレーザー加工装置１００には吸入ユニット５０が備えられているので、加工時に発生する副産物０が加工対象物に付着されるか、または周辺装置に付着されることを防止できる。特に、吸入ユニット５０が、吸入力を発生させるファン５３だけでなるものではなく、排出口５１２側に副産物０が流動するように不活性ガスを噴射するノズル部５１３と、副産物０がビームスプリッタ５２側に流動することが防止されるように不活性ガスを噴射する噴射部５１４とをさらに備えている。したがって、副産物０を排気ダクトの内部に効率的に吸入でき、同時に副産物０がビームスプリッタ５２に付着されることも防止できる。したがって、エピ層Ｐ２に到達するレーザービームのエネルギーが不均一になることが防止され、その結果、良質の製品を生産でき、レーザー加工装置１００の生産収率も向上する。また、副産物０によるレーザー加工装置の汚染及び損傷が防止されるので、レーザー加工装置の耐久性が向上する。

また、ビームスプリッタ５２が吸入装置５０内に設けられている。したがって、レーザービームの分布図及び強度を測定するためにレーザービームを分割する別途の構成を追加的に設置せずとも、ビームスプリッタ５２に反射されたレーザービームを利用すれば、ＬＬＯ工程中にもレーザービームの分布図及び強度をリアルタイムで測定できる。したがって、レーザー加工装置の空間活用性が優秀になり、その構成が単純になる。

以上、本発明の望ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は前述した特定の望ましい実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せずに当業者ならば多様な変形実施ができるということはいうまでもなく、それと同じ変更は特許請求の範囲に記載の範囲内にある。

本発明は、レーザー加工装置関連の技術分野に好適に用いられる。

１００ レーザー加工装置
１０ レーザービーム光源
２０ 可変減衰器
３０ 光学系
４０ ステージ
５０ 吸入ユニット
５１ ハウジング
５２ ビームスプリッタ
５３ ファン
６０ モニタリングユニット
７０ 映像撮影器
８０ 整列ユニット
９０ フォーカシングユニット

Claims (6)

1. レーザービームを放出するレーザービーム光源と、
   前記レーザービーム光源から放出されたレーザービームの形状及びエネルギー分布を加工する光学系と、
   前記光学系により加工されたレーザービームが照射され、前記照射されたレーザービームにより加工される加工対象物が配されるステージと、
   前記光学系により加工されたレーザービームが通過するように、前記レーザービームの進行経路上に配され、前記加工対象物の加工時に発生する副産物を吸入するための吸入ユニットと、を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
2. 前記吸入ユニットは、
   前記レーザービームが通過するように貫設される貫通孔と、前記副産物が流動して貫設される排出孔を持つハウジングと、
   前記貫通孔を閉塞するように前記ハウジングに結合されるビームスプリッタと、
   前記副産物が排出孔に吸入されるように前記副産物を吸入するファンと、を備え、
   前記ビームスプリッタで反射されたレーザービームを利用して前記レーザービームをモニタリングするモニタリングユニットをさらに持つことを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
3. 前記吸入ユニットは、
   前記レーザービームが通過するように貫設される貫通孔と、前記貫通孔と連通して前記副産物が流動する排出孔と、前記貫通孔と連通して前記排出孔に向けて外部から供給される不活性ガスを噴射するノズル部を持つハウジングと、
   前記副産物が排出孔に吸入されるように前記副産物を吸入するファンと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
4. 前記ハウジングには、前記貫通孔を閉塞するようにビームスプリッタが結合され、前記貫通孔と連通して前記ビームスプリッタに向けて不活性ガスを噴射する噴射部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のレーザー加工装置。
5. 前記副産物の流動経路上に、前記排出孔と前記ファンとの間に配されて前記副産物を濾すフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載のレーザー加工装置。
6. 前記加工対象物と前記レーザービームとを整列させる整列ユニットと、
   前記加工対象物に対する前記レーザービームの焦点を整列するフォーカシングユニットと、をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載のレーザー加工装置。

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