KR100479962B1 - 반도체소자분리방법 - Google Patents

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어드밴스드 레이저 세퍼래이션 인터내셔널 비.브이.
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Abstract

본 발명은 반도체 물질의 웨이퍼(1)에 형성된 반도체 소자(2)를 분리하는 방법을 제공한다. 방사(radiation)(10)으로부터의 열에 의해 반도체 물질을 국부 증발(local evaporation)시킴으로써 웨이퍼(1)의 표면(3)에 스코어(score)(8)가 형성된다. 이러한 방사(10)은 레이저(laser)(11)에 의해 생성되어 광학 시스템(optical system)(12)에 의해 웨이퍼(1)상에 집속된다. 형성될 스코어(8)를 따르는 경로(9)를 따라 웨이퍼상에 집속되는 방사(10)에 대하여 웨이퍼(1)가 이동한다. 레이저(11)의 방사(10)은 적어도 2개의 빔(14 및 15)의 형태로 웨이퍼(1)상에 집속되며, 웨이퍼(1)는 빔(14 및 15)이 동일한 경로(9)를 차례로 이동하도록 빔(14 및 15)에 대하여 이동한다. 이로 인해, 2개의 빔이 함께 합쳐진 것과 동일한 에너지를 갖는 분할되지 않은 빔에 의해 형성된 스코어보다 더 깊은 스코어(8)가 형성될 수 있다.

Description

반도체 소자 분리 방법{LASER SEPARATION OF SEMICONDUCTOR ELEMENTS FORMED IN A WAFER OF SEMICONDUCTOR MATERIAL}
본 발명은 반도체 물질의 웨이퍼에 형성된 반도체 소자를 분리하는 방법에 관한 것으로, 이 방법에 의하면 레이저에 의해 발생되어 광학 시스템에 의해 웨이퍼에 조사되는 방사(radiation)에 의한 가열을 통해 반도체 물질을 국부 증발(local evaporation)시킴으로써 웨이퍼 표면에 스코어(score)를 형성하며, 형성될 스코어를 따르는 경로를 따라 웨이퍼로 조사되는 방사에 대하여 웨이퍼가 이동한다.
통상적으로 웨이퍼에 형성된 다이오드, 트랜지스터, 또는 집적 회로와 같은 반도체 소자는 실질적으로, 미처리된 반도체 물질의 레인(lanes)에 의해 서로 분리되는데, 이 레인은 스크라이빙 레인(scribing lane)이라고도 불린다. 그 후 이들 레인을 따라 웨이퍼를 조각들(pieces)로 세분함으로써 반도체 소자가 분리된다. 이는 웨이퍼를 조각나게 자르고, 웨이퍼의 전체 두께를 완전히 절단하는 스코어를 상기 방법으로 형성하거나, 또는 웨이퍼의 일부 두께만을 절단하는 스코어를 상기 방법으로 형성한 후 초음파 진동(ultrasonic vibration)에 의해 웨이퍼를 분리함으로써 수행될 수 있다.
스코어는 방사를 연속적으로 발산하는 레이저, 혹은 방사를 펄스식으로 발산하는 레이저에 의해 형성될 수 있다. 전자의 경우, 전체 길이에 걸쳐서 실질적으로 동일한 깊이로 스코어가 형성되며, 후자의 경우, 반도체 물질내에 형성된 홀(hole)의 열(row)로 구성되는 스코어가 형성된다. 스코어가 형성되는 동안 웨이퍼는 웨이퍼에 조사된 방사에 대하여 이동한다. 이는 광학 시스템이 고정된 상태에서 웨이퍼가 지나거나, 또는 웨이퍼가 고정된 상태에서 광학 시스템이 이동함으로써 수행될 수 있다.
DE-A-3705500에서는 서두에서 언급한 유형의 방법을 개시하는데, 이 방법에 의하면 레이저 방사는 빔(beam)의 형태로 웨이퍼에 조사되어서 타원형의 초점(oval focal spot)으로 반도체 몸체에 닿는다. 이 경우 방사는 상기 초점에서 균일한 밀도를 갖는다. 초점의 장축(longitudinal axis)은 웨이퍼가 지나는 동안 형성될 스코어의 방향으로 놓인다.
기술된 공지의 방법으로는 단지 제한된 깊이를 갖는 스코어만을 형성할 수 있다. 비교적 두꺼운 웨이퍼를 분리하기 위해 공지된 방법을 사용할 경우 문제가 발생될 수 있다. 초음파 진동에 의해 웨이퍼를 분리하는 동안 충분히 깊지 않은 스코어를 사용할 경우 웨이퍼는 반도체 소자를 지나가는 파단면을 따라 국부적으로 분리될 수 있다. 이 문제는 더 높은 에너지를 갖는 레이저 방사를 사용하여도 해결할 수 없다는 것을 알 수 있다. 형성된 스코어는 깊지도 않으면서, 스코어 옆의 반도체 몸체가 과열에 의해 손상을 입을 수도 있다.
본 발명은 특히 비교적 두꺼운 반도체 물질의 웨이퍼에 형성된 반도체 소자를 분리할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
서두에서 언급한 방법의 특징은 레이저 방사가 적어도 2개의 빔의 형태로 웨이퍼에 조사되며, 웨이퍼는 상기 빔들이 동일한 경로를 차례로 지나도록 상기 빔에 대하여 지나는 것을 목적으로 하는 것이다.
레이저 방사가 하나의 빔이 아니라 2개 이상의 빔으로 웨이퍼에 입사되어 비교적 두꺼운 웨이퍼에 형성된 반도체 소자가 분리될 수 있으므로 더 깊은 스코어를 형성할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 레이저 방사에 의한 반도체 물질의 증발로 인해, 레이저에 의해 방출된 방사를 흡수하는 증발물(evaporation products)의 가스 쿠션(gas cushion)이 형성될 지도 모른다. 더욱이, 반도체 물질의 증발이 가스 쿠션에 의해 방해받을 수도 있다. 더 높은 에너지의 레이저 방사가 사용될 때, 더 두꺼운 가스 쿠션이 형성될 것이며, 이에 따라 방사는 더욱 강하게 흡수되어 증발은 더욱 강하게 방해받을 것이다. 따라서, 스코어는 더 낮은 에너지의 레이저 방사에 의해 형성된 스코어보다 더욱 깊게 형성되지는 않을 것이다. 동일한 경로를 차례로 지나는 적어도 2개의 빔의 형태로 레이저 방사가 웨이퍼에 입사될 때 증발은 보다 적게 방해받을 것이다. 그 다음, 스코어는 단계적으로 형성되어 각각의 빔에 의한 방사시마다 점점 깊어질 것이다. 증발물에 의해 스코어에 형성된 소정의 가스 쿠션은 단계가 진행됨에 따라 사라질 수 있다. 더욱이, 반도체 몸체는 단계가 진행됨에 따라 냉각될 수 있어서, 가열에 의한 손상을 방지할 수 있다.
바람직하게, 빔들이 동일한 경로를 매번 각 단계 사이에 적어도 10㎲의 시간간격을 두고 지나도록 웨이퍼가 빔들에 대하여 이동할 수 있다. 스코어의 형성을 방해하는 가스 쿠션은 적어도 10㎲ 후에 명백히 사라져서 각 새로운 단계에서 방해없이 증발이 시작될 수 있게 된다.
실제로 레이저에 의해 발생된 방사는 완전히 안정적이지는 않다는 것을 알 수 있다. 이러한 방사가 2개의 빔으로 웨이퍼에 입사될 때, 완전히 고정되지 않은 2개의 초점이 형성된다. 이에 따라 웨이퍼가 지나는 동안 두 번째 레이저 빔은 첫 번째 레이저 빔의 경로와 정확히 동일한 경로를 따르지는 않을 것이다. 이에 따라 형성된 스코어는 더 깊어지기 보다는 국부적으로 더 넓어질 것이다. 불균일한 깊이를 갖는 홈(groove)이 형성될 수 있다. 그러나, 빔이 동일한 경로를 서로간에 길어도 10ms의 시간간격으로 지나도록 웨이퍼를 빔에 대해서 이동시킬 때, 이러한 것은 실제로는 발생되지 않는다. 빔은 10ms 보다 더 짧은 시간에 확실히 변위되어 전체 경로를 따라 동일한 깊이를 갖는 홈이 형성된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 이동할 경로를 횡단하는 광학 평면(optical plane)을 갖고 있는 광학 시스템에 의해 레이저 방사가 웨이퍼에 입사되며, 이 평면에 대해 방사가 대칭적인 빔으로 분할되는 것을 특징으로 한다. 간단한 경우를 예로 들면, 방사는 동일한 에너지를 가지며, 상기 광학 평면과 동일한 각(angle)을 이루는 2개의 빔으로 분할된다. 이제 웨이퍼는 서로 인접해 있는 스크라이빙 레인에서 반대 방향으로 이동될 수도 있어서 많은 스크라이빙 레인을 갖고 있는 웨이퍼에 스코어가 보다 신속하게 형성될 수 있다. 대칭성으로 인해 2개의 스크라이빙 레인 모두에서 동일한 방법으로 웨이퍼에 방사가 조사되어, 2개의 스크라이빙 레인 모두에 동일한 깊이의 스코어가 형성된다. 만약 이러한 대칭성이 없다면 예를 들어, 첫 번째 빔은 두 번째 빔보다 더 강해질 것이며, 슬라이스는 한 방향으로는 우선 강한 빔에 의해 조사된 후, 다음에 약한 빔에 의해 조사되고, 다른 방향으로는 우선 약한 빔에 의해 조사된 후, 그 다음에 강한 빔에 의해 조사될 것이다. 이로 인해 다른 깊이를 갖는 스코어가 형성될 수 있다.
상기 대칭적인 빔 분할은 이상 회절 격자(binary phase diffraction grating)를 갖는 광학 시스템에 의해 레이저 방사가 웨이퍼에 입사되는 간단한 방법으로 실현될 수 있다.
전술한 방법에서, 예를 들어 초당 25cm의 고속으로, 예를 들어 12㎛의 폭과 105㎛의 깊이를 갖는 스코어가 실리콘 웨이퍼에 형성될 수 있다. 따라서, 반도체 물질의 웨이퍼에 형성된 반도체 소자는 신속하게 분리될 수 있다. 또한, 두 번째의 유사한 레이저의 방사가 적어도 2개의 빔의 형태로 웨이퍼에 입사되며, 두 번째 레이저 빔이 첫 번째 레이저 빔으로부터 조정가능한 거리에서 첫번째 빔에 평행하게 경로를 차례로 지나기 때문에 이 분리 속도는 2 배가 될 수 있다. 그 후 2개의 평행한 스코어가 동시에 형성된다. 반도체 소자 사이에 2개의 스코어가 정확히 형성되도록 2개의 스코어간의 공간이 조절되어야 한다.
본 발명은 도면을 참조한 실시예를 통해 보다 상세히 후술될 것이다.
도 1은 반도체 소자가 형성된 반도체 웨이퍼의 일부를 도시하는 도면,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 방법에 의해 도 1에 도시된 반도체 소자를 분리하는 몇 단계를 도시하는 개략적인 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 방법에 의해 반도체 소자를 분리하기 위한 장치의 개략도,
도 5는 광학 시스템에서 사용될 수 있는 이상 회절 격자의 개략적인 단면도.
도 1 및 도 2는 반도체 물질의 웨이퍼(1)의 일부에 대한 정면도 및 단면도를 각각 도시한 것이며, 이 실시예에서는, 반도체 소자(2)(여기서는, 다이오드)가 통상적인 방법으로 형성된 대략 120㎛ 두께의 n 타입 실리콘 웨이퍼를 도시한다. 반도체 소자(2)는 웨이퍼(1)의 표면(3)에 형성되며 240 x 240㎛의 p 타입 반도체 영역(4)을 포함한다. 웨이퍼(1)의 후면(5)에는 금속 컨택트층(metal contact layer)(6)이 형성된다. 이 실시예에서, 반도체 소자(2)는 다이오드이지만, 이는 선택적으로 트랜지스터 또는 집적 회로일 수 있다.
일반적으로 반도체 소자(2)는 실질적으로 미처리된 반도체 물질의 레인(lane)(7)에 의해 서로 분리된다. 반도체 소자(2)는 웨이퍼(1)가 이들 레인(7)을 따라 조각들로 세분됨으로써 분할된다.
이 예에서, 스코어(8)가 각 레인에 형성된다. 이러한 스코어(8)는 웨이퍼의 전체 두께를 완전히 절단하거나, 또는 본 실시예에서와 같이, 웨이퍼의 두께의 단지 일부만을 절단할 수 있다. 본 실시예에서, 웨이퍼(1)는 스코어 형성 후에 초음파 진동에 의해 조각들로 분리된다.
스코어(8)는 도 4에 도시된 장치에 의해 웨이퍼(1)의 표면(3)에 형성된다. 반도체 물질은 레이저(11)에 의해 발생된 방사(10)에 의한 가열을 통해 국부적으로 증발된다. 이 실시예에서 레이저(11)는 파장이 1.06㎛인 방사가 생성되는 5W의 25kHz 펄스형 Q 스위치 YAG 레이저이다. 직경이 16mm인 빔의 형태를 취하는 방사(10)가 광학 시스템(12)에 의해 웨이퍼(1)상에 집속된다. 여기서 도 1에서 점선으로 개략적으로 표시되고, 형성될 스코어(8)를 따라가는 경로(9)를 따라, 웨이퍼에 집속된 방사(10)에 대하여 웨이퍼(1)가 이동한다. 이 목적을 위해 웨이퍼는 웨이퍼에 입사된 방사(10)에 대하여 이동할 수 있는 테이블(13)상에 위치한다. 이 실시예에서 경로(9)는 초당 대략 25cm의 속도로 진행된다.
이 예에서, 레이저(11)의 방사는 적어도 2개의 빔(14 및 15)의 형태로 웨이퍼(1)에 입사되며, 웨이퍼(1)는 빔(14 및 15)에 대해서 지나서 빔(14 및 15)은 차례로 동일한 경로(9)를 지난다.
동일한 에너지의 분할되지 않은 빔과 비교해 볼 때, 레이저(11)의 방사(10)가 하나의 빔이 아니라 2개 이상의 빔(14 및 15)으로 웨이퍼(1)에 조사되면 더 깊은 스코어(8)가 형성될 수 있다. 레이저 방사에 의한 반도체 물질의 증발로 인해, 레이저에 의해 방출되는 방사를 흡수하는 증발물의 가스 쿠션이 형성될 지도 모른다. 더욱이 반도체 물질의 증발이 가스 쿠션에 의해 방해받을 수 있다. 더 높은 에너지의 레이저 방사를 사용하면 더 두꺼운 가스 쿠션이 형성되어, 방사는 더욱 강하게 흡수되며, 이에 따라 증발은 더욱 강하게 방해받을 것이다. 이렇게 형성된 스코어는 낮은 에너지의 레이저로 형성된 스코어보다 더 깊지는 않다. 레이저 방사가 동일한 경로(9)를 차례로 지나는 적어도 2개의 빔(14 및 15)의 형태로 웨이퍼(1)에 입사될 때, 증발은 방해를 덜 받게 될 것이다. 그 다음 스코어는 단계적으로 형성되며, 빔에 의한 각 방사시 점점 깊어질 것이다. 스코어에 형성된 증발물의 가스 쿠션은 단계가 진행되는 동안 사라질 수 있다. 또한, 반도체의 몸체는 단계가 진행되는 동안 냉각될 수 있어서 가열에 의한 손상을 방지하게 된다.
바람직하게, 웨이퍼(1)는 빔(14 및 15)에 대해서 지나므로 빔(14 및 15)은 동일한 경로(9)를 서로간에 적어도 10㎲ 간격을 두고 이동한다. 스코어(8)는 이 경우 각각의 단계 동안 실질적으로 동일한 깊이를 얻는다. 스코어의 형성을 방해하는 가스 쿠션은 적어도 10㎲의 기간 후에 현저히 사라져, 각각의 단계에서 방해받지 않고 증발을 시작할 수 있다.
실제로 레이저(11)에 의해 생성된 방사(10)은 완전히 안정적이지는 않다는 것을 알 수 있다. 이러한 방사(10)이 2개의 빔(14 및 15)으로 웨이퍼(1)에 입사될 때, 완전히 안정적이지 않은 2개의 초점(16 및 17)이 형성된다. 이에 따라 웨이퍼(1)가 지나는 동안 제 2 레이저 빔(15)은 제 1 레이저 빔(14)의 경로와 정확히 동일한 경로를 따르지 않는다. 이에 따라 형성된 스코어(8)는 더 깊어지기 보다는 더 넓어진다. 그러나, 만약 빔(14 및 15)이 서로간에 동일한 경로(9)를 길어도 10ms 간격으로 지나도록 웨이퍼가 빔에 대해서 이동할 경우 이러한 일은 실제로는 발생되지 않는다. 빔은 10ms 보다 짧은 시간에 확실히 변위되므로 빔은 실질적으로 동일한 경로를 따른다.
레이저(11)의 방사(10)는 이동할 경로(9)를 횡단하는 광학 평면(18)을 갖는 광학 시스템(12)에 의해 웨이퍼(1)에 입사되며, 이 평면에 대해서 방사(10)는 대칭적인 빔(14 및 15)으로 분할된다. 여기서 방사는 동일한 에너지를 갖는 2개의 빔(14 및 15)으로 분할되어 상기 광학 평면(18)과 동일한 각(19)을 이룬다. 이제, 레인을 표시하는 점선 화살표(9)가 나타내는 바와 같이, 웨이퍼는 서로 인접하게 놓여 있는 스크라이빙 레인(7)에서 반대 방향으로 지나는 것이 가능하다. 결과적으로 스코어(8)는 더 신속하게 형성될 수 있다. 대칭성으로 인해 서로 인접하게 놓여 있는 스크라이빙 레인에서 동일한 방법으로 웨이퍼(1)가 조사되어, 스크라이빙 레인 모두에 동일한 깊이의 스코어가 형성된다.
빔(14 및 15) 모두는 방사된 레이저 에너지의 대략 40%를 갖는다. 이로 인해 스코어(8)는, 동일한 레이저(11)의 방사(10)가 완전히(100%) 방사된 레이저 에너지를 포함하는 하나의 빔으로 웨이퍼(1)에 조사되어 형성된 스코어보다 대략 30% 더 깊게 형성된다.
이 예에서 광학 시스템은, 방사를 90o 굴절시키는 거울(20)과, 방사 빔을 2개의 빔으로 분할하는 이상 회절 격자(21)와, 분할된 방사를 웨이퍼상으로 집속시키며 초점 거리가 50mm인 볼록 렌즈(22)를 포함한다.
도 5는 사용된 이상 회절 격자(21)의 개략적인 단면도이다. 회절 격자(21)는 석영 유리(quartz glass)로 만들어지며, 대략 2mm의 두께를 갖는다. 회절 격자의 표면(23)에는 대략 55㎛의 폭과 대략 1.18㎛의 깊이를 갖는 다수의 평행한 홈(24)이 있으며, 홈(24) 사이의 공간은 대략 55㎛이다. 이러한 회절 격자는 입사된 빔을 대략 1.1o의 각을 이루는 2개의 빔으로 분할하며, 각각의 빔은 입사된 방사 에너지의 대략 40%를 포함한다. 이들 빔은 격자의 제 1 차 빔(first-order beam)을 형성한다. 대략 2.2o의 각을 이루는 제 2 차 빔은 입사된 방사의 대략 4.5%를 포함한다. 제 1 차 및 제 2 차 빔은 둘 다 광학 평면(18)에 대해서 대칭적으로 위치한다. 이러한 이상 회절 격자(21)는 제조하기가 용이하며 광학적 손실이 적다.
전술한 방법으로 15㎛의 폭과 대략 105㎛의 깊이를 갖는 스코어(8)를 대략 초당 25cm의 속도로 형성하는 것이 가능하다. 이에 따라 반도체 소자(2)는 신속하게 분리될 수 있다. 제 2의 유사한 레이저(도시되지 않음)의 방사가 적어도 2개의 빔의 형태로 웨이퍼에 입사될 때 분리 속도는 2 배로 될 수 있으며, 제 2 레이저 빔은 제 1 레이저(11)의 빔(14 및 15)으로부터 조정가능한 거리에서 이와 평행하게 경로를 차례로 이동한다. 그 다음 2개의 평행한 스코어가 동시에 형성된다. 반도체 소자(2)간의 레인(7)에 2개의 스코어가 정확하게 형성되도록 2개의 스코어간의 공간이 조정되어야 한다.

Claims (8)

  1. 반도체 물질의 웨이퍼 내에 형성된 반도체 소자들을 분리하는 방법으로서, 레이저에 의해 발생되어 광학 시스템에 의해 웨이퍼에 조사되는 방사(radiation)에 의한 가열을 통해 반도체 물질을 국부 증발(local evaporation)시킴으로써 상기 웨이퍼의 표면에 스코어(score)를 형성하되,
    상기 광학 시스템은 상기 레이저로부터 적어도 2개의 빔을 제공하도록 배치되며,
    상기 웨이퍼는 그 웨이퍼로 조사되는 상기 방사와 관련하여 형성될 상기 스코어를 따르는 경로를 따라 이동하게 되고,
    상기 레이저 방사는 상기 적어도 2개의 빔(beam)의 형태로 상기 웨이퍼에 조사되며,
    상기 웨이퍼는 그 웨이퍼로 조사되는 적어도 2개의 빔이 동일 경로를 차례로 지나도록 상기 적어도 2개의 형태의 빔과 관련하여 이동하게 되고,
    상기 동일한 경로를 지나는 상기 빔들 사이에는 그 경로에서 증발되는 반도체 물질을 상기 웨이퍼로부터 완전히 증발시키기에 충분한 최소한의 시간 간격이 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 분리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 상기 빔과 관련하여 상기 빔이 매번 서로간에 적어도 10㎲의 시간간격으로 동일한 경로를 지나도록 이동하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 분리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 상기 빔과 관련하여 상기 빔이 매번 서로간에 길어도 10ms의 시간간격으로 동일한 경로를 지나도록 이동하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 분리 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 방사는 이동할 상기 경로를 횡단하는 광학 평면(an optical plane)을 갖는 광학 시스템에 의해 웨이퍼에 입사되며, 상기 평면에 대해 상기 방사가 대칭적인 빔으로 분할되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 분리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 방사는 이상 회절 격자(a binary phase diffraction grating)를 갖는 광학 시스템에 의해 웨이퍼에 입사되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 분리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 2의 동일한 레이저(a second identical laser)의 방사가 적어도 2개의 빔의 형태로 웨이퍼에 입사되며, 두번째 레이저 빔은 제 1 레이저 빔의 경로로부터 조정가능한 거리에서, 첫번째 레이저 빔의 경로에 평행하게 경로를 차례로 이동하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 분리 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔은 실질적으로 동일한 에너지를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 분리 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저는 펄스 타입의 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는
    반도체 소자 분리 방법.
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