KR100489827B1 - 레이저 스크라이빙공정를 이용한 반도체 웨이퍼 절단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼 절단방법에 관한 것이다. 본 발명은, 반도체층이 형성된 상면을 갖는 웨이퍼를 소정의 크기를 갖는 칩 단위로 절단하는 방법에 있어서，상기 웨이퍼가 소정의 두께를 갖도록 상기 웨이퍼의 하면을 래핑하는 단계와, 상기 웨이퍼의 하면에 칩 크기로 레이저 빔을 주사하여 스크라이브 라인을 형성하는 단계와, 상기 스크라이브 라인이 형성된 상기 웨이퍼 하면을 폴리싱하는 단계와, 상기 웨이퍼를 상기 스크라이브 라인을 따라 칩단위로 분리하는 단계를 포함하는 반도체 웨이퍼 절단방법을 제공한다.

상기 방법에 따르면, 세척공정과 같은 추가적인 공정없이 스크라이브 형성과정에서 발생되는 분진 및 얼룩 등의 오염물을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼 두께를 감소시키는 래핑공정과 레이저 빔을 이용한 스크라이빙공정을 결합하여 GaN계 반도체 웨이퍼와 같은 경도가 큰 반도체 웨이퍼를 용이하게 절단할 수 있다.

Description

레이저 스크라이빙공정를 이용한 반도체 웨이퍼 절단방법{A METHOD OF CUTTING A SEMICONDUCTOR WAFER USING A LASER SCRIBING}

본 발명은 반도체 웨이퍼 절단방법에 관한 것으로, 특히 레이저 스크라이빙(scribing) 공정을 이용하면서도 그 과정에서 발생되는 오염물을 제거할 수 있는 반도체 웨이퍼 절단방법에 관한 것이다.

종래에는, 반도체층이 형성된 웨이퍼를 칩단위로 절단하는 방법으로서, 다이아몬드 팁을 구비한 다이싱 소우(dicing saw) 또는 스크라이버(scriber)가 사용되었다．다이싱 소우는 다이아몬드 팁을 구비한 원반상 브레이드를 회전 운동시켜서 웨이퍼를 완전히 절단하거나, 브레이드 폭에 상당하는 넓은 폭의 홈을 형성하는 절단장치를 말한다. 반면에, 스크라이버는 다이아몬드 팁으로 갖춘 선단의 왕복직선운동을 이용하여 웨이퍼 상에 매우 얇은 폭과 소정의 깊이를 갖는 스크라이브 라인(scribe line)을 형성하는 장치를 말한다. 일반적으로, 다이싱 소우을 이용한 방법은 절단면에 치핑(chipping)이나 크랙(crack)이 발생하기 쉬우며, 정밀한 절단공정을 보장하기 어려우므로, 스크라이버를 이용한 절단방법이 반도체 칩을 제조하기 위한 절단공정으로서 보다 적극적으로 이용되고 있다.

하지만, 스크라이버에 이용한 웨이퍼 절단방법도 다이아몬드 팁의 기계적인 구동을 이용하므로, 절단과정에서 오염물질이 다량으로 발생될 뿐만 아니라, 기계적 힘에 의해서 원하지 않는 반도체층의 박리현상도 야기될 수 있다.

이러한 문제는, 청색 발광다이오드를 제조하기 위한 반도체 웨이퍼 절단공정에서 보다 심각하게 대두된다. 즉, 청색 발광다이오드의 반도체층은 GaN, InGaN, GaAlN 등의 GaN계 화합물 반도체 물질이 사용되며, 이러한 반도체 결정을 성장시키기 위해, 웨이퍼로서 사파이어기판이 주로 이용된다. 사파이어 기판과 GaN계 화합물 반도체층은 결정 성질상 상이하여 박리현상이 발생되기 쉽다. 또한, 사파이어 및 GaN계 화합물 반도체층의 모스 경도는 약 ９정도로 매우 견고하므로 다이아몬드 팁을 갖는 스크라이버를 이용하더라도, 그 절단공정이 상당히 많은 시간이 소요되며, 통상 절단공정에 소요되는 시간은 전체 제조공정시간 중 70%를 차지하게 된다.

상기 문제를 해결하기 위한 종래기술로는, 일본특허공개공보 평5-315646호에 개시된 GaN계 반도체 웨이퍼 절단방법이 있다. 상기 절단방법에서는, 견고한 GaN계 화합물반도체 웨이퍼를 절단하기 위해서, 다이서와 스크라이버를 이용하는 방안을 제공한다.

도1은 상기한 종래의 방식에 따라 칩 단위로 절단하기 위한 반도체 웨이퍼의 단면도를 도시한다. 도1을 참조하면, GaN계 화합물 반도체층(3)이 형성된 사파이어 웨이퍼(1)의 상면에 대해 1차적으로 다이서를 이용하여 반도체층(3)을 지나 사파이어 웨이퍼(1)의 상부에 이르도록 홈(4)을 형성하고, 이어 홈(4)이 형성된 사파이어 웨이퍼(1)부분에 스크라이브 라인(5)을 형성한다. 결과적으로 도1과 같이 가공된 반도체 웨이퍼를 얻을 수 있다.

상기 방법에 따르면, 다이서를 이용하여 미리 홈(5)을 형성함으로써 절단시간을 단축하면서, 스크라이브라인을 이용하여 반도체층(3)의 결정성에 손상을 미치지 않도록 칩으로 분리시킬 수 있다.

하지만, 상기 방법을 적용하더라도, 사파이어기판이나 GaN계 화합물 반도체는 상당히 견고하므로 여전히 많은 공정시간이 소요될 뿐만 아니라, 기계적 가공방식이 이용되기 때문에 반도체층의 결정이 손상을 줄 수 있는 위험이 있다.

이를 해결하기 위해서, 최근에는 기계적 가공없이, 레이저 빔을 주사하여 스크라이브 공정을 적용하는 방안이 검토되고 있다. 레이저 빔을 이용할 경우에는, 반도체 웨이퍼 상에 비교적 용이하게 스크라이브라인을 형성할 수 있으므로, 공정시간을 효과적으로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 가공보다 반도체층의 결정에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다. 하지만, 레이저 빔으로 스크라이브 라인을 형성할 때에, 그 결과물로 다량이 분진이 발생되고, 도2와 같이, 후속공정에서 디바이스를 구성하는 반도체층을 오염시킬 수 있다.

특히, 앞서 설명한 GaN계 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드의 경우에, 스크라이브 라인 형성과정에서 발생되는 반도체층의 오염은 휘도특성을 저하시키는 문제를 야기할 수 있다.

따라서, 종래에는 이를 방지하기 위한 세척공정이 필수적으로 수반되어야 하므로, 결과적으로 레이저빔을 이용한 절단공정에서도 전체 공정이 복잡해지게 되고, 전체 공정의 효율성 측면에서도 문제가 되어 왔다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 반도체 웨이퍼, 특히 큰 경도를 갖는 GaN계 화합물 반도체층이 형성된 사파이어 웨이퍼를 레이저 빔을 이용하여 신속하게 절단하며, 그 결과로 발생되는 분진과 얼룩 등의 오염물을 제거하기 위한 반도체 웨이퍼 절단방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,

반도체층이 형성된 상면을 갖는 웨이퍼를 소정의 크기를 갖는 칩 단위로 절단하는 방법에 있어서，상기 웨이퍼가 소정의 두께를 갖도록 상기 웨이퍼의 하면을 래핑하는 단계와, 상기 웨이퍼의 하면에 칩 크기로 레이저 빔을 주사하여 스크라이브 라인을 형성하는 단계와, 상기 스크라이브 라인이 형성된 상기 웨이퍼 하면을 폴리싱하는 단계와, 상기 웨이퍼를 상기 스크라이브 라인을 따라 칩단위로 분리하는 단계를 포함하는 반도체 웨이퍼 절단방법을 제공한다.

본 발명에 따른 폴리싱단계는 상기 스크라이브 라인 형성단계에서 발생된 오염물을 제거할 수 있다. 상기 폴리싱 단계에서 제거되는 웨이퍼 부분의 두께는 스크라이브 라인의 깊이보다 작게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 절단방법이 적용되는 웨이퍼는 사파이어 기판일 수 있으며, 상기 웨이퍼 상에 형성된 반도체층은 GaN계 화합물 반도체 웨이퍼일 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 큰 경도를 갖는 반도체 웨이퍼를 절단하는 공정에서 큰 잇점을 가질 수 있다.

우선, 본 발명의 보다 완전한 이해를 돕기 위해, 통상의 반도체 웨이퍼 절단공정을 추가적으로 설명하기로 한다. 일반적으로, 반도체 웨이퍼의 절단공정은 웨이퍼의 두께를 감소시키면서 웨이퍼의 하면에 조도를 개선하기 위해서, 래핑(lapping)공정 및 폴리싱(polishing)공정을 수반한다.

여기서, 래핑공정은 웨이퍼의 두께를 크게 감소시키므로, 후속 공정에서 형성된 스크라이브 라인을 이용한 웨이퍼의 절단공정이 보다 효과적으로 수행될 수 있도록 보장한다. 이러한 래핑공정은 가공물보다 높은 경도를 갖는 입자를 희석한 용액, 즉 슬러리와 웨이퍼 하면의 마찰력을 이용하여 수행될 수 있다. 이와 같이 래핑공정으로 얻어진 웨이퍼 표면은 원하는 표면조도 이상으로 거친 상태가 된다.

따라서, 폴리싱 공정을 연속적으로 수행하여, 래핑공정으로 얻어진 웨이퍼 하면이 원하는 표면조도로 갖도록 할 수 있다.

본 발명의 주요한 특징은 보다 효율적인 공정을 위해 레이저 스크라이빙공정을 채용함과 동시에, 스크라이빙공정 전에 수행되던 래핑공정과 폴리싱공정의 순서를 적절하게 조정함으로써 레이저 스크라이빙 공정에서 발생되는 오염물을 효과적으로 제거하는데 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도3a 내지 3e은 본 발명에 따른 레이저 스크라이빙 공정를 이용한 반도체 웨이퍼 절단방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

우선 도3a와 같이, 반도체층(13)이 형성된 웨이퍼(11)를 제공한다. 본 발명의 절단방법에 적용될 수 있는 반도체층(13)과 웨이퍼(11)의 종류에 한정되지는 않지만, 비교적 견고한 반도체층과 웨이퍼에서 종래의 방식보다 큰 효과를 얻을 수 있다. 대표적인 예로는, 청색 발광다이오드를 제조하는데 사용되는 GaN계 화합물 반도체 웨이퍼, 즉 GaN계 화합물 반도체층과 사파이어 웨이퍼가 있다.

이어, 도3b와 같이, 도3a에 도시된 웨이퍼(11)의 하면을 래핑하여 소정의 두께(t1)를 갖는 웨이퍼부분을 제거한다. 그 결과, 웨이퍼(11')는 래핑공정을 통해 두께를 감소시킴으로써, 보다 용이하게 반도체 웨이퍼를 절단할 수 있다. 본 단계는 높은 경도를 갖는 입자를 희석한 용액을 가공면인 웨이퍼의 하면과 마찰시킴으로써 수행될 수 있으며, 이 과정에서 웨이퍼 하면의 표면조도도 다소 개선할 수 있다.

다음으로, 도3c와 같이, 래핑처리된 웨이퍼(11')의 하면에 레이저 빔을 조사하여 반도체 웨이퍼를 칩 단위로 분리하기 위한 스크라이브 라인(15)을 형성한다. 상기 스크라이브 라인(15)은 웨이퍼(11) 하면에 바둑판 무늬로 형성되며, 소정의 크기를 갖는 칩으로 분리하기 위한 구획을 정의하게 된다. 또한, 상기 스크라이브 라인(15)은 미세한 폭으로 소정의 깊이(D1)를 갖도록 형성되므로, 후속공정에서 반도체 웨이퍼에 일정한 외력을 인가함으로써 용이하게 칩 단위로 분리시키는 작용을 한다.

이와 같은 스크라이빙 공정은 종래의 방식에서는 다이아몬드 팁을 갖춘 선단부를 구비한 스크라이버 장치를 이용하여 그 선단부의 왕복운동으로 원하는 스크라이브 라인을 형성하였으나, 본 발명에서는 레이저 빔을 이용함으로써 사파이어 기판과 같은 높은 경도를 갖는 웨이퍼에서도 보다 용이하게 스크라이브 라인을 형성할 수 있다.

이어, 상기 스크라이버라인이 형성된 웨이퍼(11')의 하면을 폴리싱한다. 도3d는 하면이 폴리싱처리된 웨이퍼(11")를 도시한다. 상기 폴리싱공정에서는 웨이퍼(11") 하면의 표면조도를 향상시키며, 이 과정에서 도3c에서 두께(t2)에 해당하는 부분이 제거된다. 상기 폴리싱공정에서 제거되는 두께(t2)는 도3c에서 형성된 스크라이브라인(15)의 깊이(D1)보다는 작게 형성하는 것이 바람직하며, 결과적으로 폴리싱가공된 양만큼 감소된 깊이(D2)를 갖는 스크라이브라인(15')이 잔류한다.

예를 들어, 스크라이브 라인의 깊이(D1)을 약 100㎛로 형성하는 경우에는 폴리싱공정에서 제거되는 웨이퍼부분의 두께(t2)가 약 80㎛이하로 제어하는 것이 바람직하다. 1차적으로 래핑처리되어 표면조도가 일정한 수준으로 개선되므로, 폴리싱공정에서 약 80㎛정도 가공하더라도, 충분히 원하는 조도를 얻을 수 있으며, 스크라이브 라인의 깊이(D2)가 약 20㎛정도로 형성되기만 하면, 후속공정에서 외력을 통해 칩단위로 용이하게 분리할 수 있기 때문이다.

종래에는 절단공정에 적용되는 폴리싱공정을 공정조건이 유사한 래핑공정에 이어서 연속적으로 수행하였으나, 본 발명에서는 래핑공정 후에 스크라이브 라인을 형성하고, 스크라이브 라인이 형성된 웨이퍼 하면을 폴리싱한다.

이와 같이 폴리싱공정을 스크라이빙 공정 후에 배치함으로써, 도3c와 같이 레이저 스크라이빙공정에서 발생되는 다량의 분진과 그로 인해 웨이퍼 표면에 형성되는, 원하지 않는 얼룩을 세척공정없이도 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 절단방법에서는, 스크라이빙에 의한 분진과 얼룩 등의 오염물을 제거하기 위한 세척공정을 생략할 수도 있다.

최종적으로, 도3d의 결과로 얻어진 반도체 웨이퍼에 일정한 외력을 인가하여 도3e와 같이 스크라이브 라인(15')에 따라 반도체 웨이퍼를 칩(20) 단위로 분리시킨다. 본 단계에서 스크라이브 라인(15')을 따라 칩(20)으로 분리하는 공정은, 반도체 웨이퍼를 롤러 사이로 통과시켜 그 구동력에 의해 칩단위로 분리하는 방식으로 실현될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 절단방법에서는, 스크라이브라인을 형성하는 과정에서 발생된 분진이나 얼룩과 같은 오염물을 제거하기 위한 세척공정을 생략할 수 있다. 즉, 래핑단계와 폴리싱단계를 연속적으로 수행하지 않고, 폴리싱단계를 스크라이빙단계 후에 수행함으로써, 스크라이빙단계에서 발생된 오염물을 폴리싱공정을 통해 제거시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 절단방법은 청색 발광다이오드를 제조하기 위한 절단공정에 보다 유익하게 채용될 수 있다. 일반적으로, GaN계 화합물 반도체층과 그 성장을 위해 사용되는 사파이어 웨이퍼는 모오스 경도가 9 정도로 매우 견고하여, 종래의 절단방법으로는 칩 표면에 치핑(chipping) 또는 크랙(crack)이 발생하거나, 절단공정에 상당히 많은 시간이 요구된다.

하지만, 본 발명과 같이, 래핑공정을 통해 웨이퍼의 두께를 적절히 감소시키고, 레이저빔을 이용하여 스크라이브를 형성한 후에, 폴리싱공정을 적용함으로써, 전체 공정시간을 감축시키고, 스크라이빙 공정에서 발생된 오염물을 제거하기 위한 세척공정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 양질의 절단면을 얻을 수 있다.

도4는 본 발명의 반도체 웨이퍼 절단방법이 적용된 반도체 웨이퍼의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도4와 같이, 본 발명의 반도체 웨이퍼 절단방법에 따라, 스크라이빙공정 후에 폴리싱공정을 완료한 상태를 나타내는 GaN계 화합물 반도체 웨이퍼이다. 도2의 종래방식에 따른 표면상태와 비교하여, 얼룩진 부분 없이 깨끗한 표면을 형성하고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 방법과 달리, 스크라이빙 공정을 적용하기에 앞서, 래핑 및 폴리싱 공정을 연속적으로 수행할 경우에는, 도2에 도시된 웨이퍼 표면상태와 같이 다량의 분진이 발생하여 얼룩부분이 발생된다. 이러한 오염으로 인해, 제품 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 특히, 발광소자로 사용되는 반도체 웨이퍼에서는 최종 칩의 표면에 얼룩이 잔류하여 발광 휘도를 저하시키는 문제를 야기하게 된다.

본 발명에 따른 방법은 이와 같이 스크라이빙에 의한 분진 또는 얼룩 등의 표면오염을 추가적인 공정없이 폴리싱공정을 이용하여 해결할 수 있다는 잇점이 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 반도체 웨이퍼 절단방법에 따르면, 래핑공정과 폴리싱공정 사이에 레이저 스크라이빙 공정을 배치함으로써, 스크라이브 라인 형성과정에서 발생되는 분진 또는 얼룩 등의 오염물을 추가적인 공정없이 폴리싱공정을 통해 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼 두께를 감소시키기 위한 래핑공정과 레이저 빔을 이용한 스크라이빙공정을 결합하여, 경도가 큰 GaN계 화합물 반도체 웨이퍼도 효과적으로 절단할 수 있다는 잇점을 제공할 수 있다.

도1은 종래의 반도체 웨이퍼 절단방법에 따른 GaN계 화합물 반도체 웨이퍼의 단면도이다.

도2는 통상의 레이저 스크라이빙공정이 적용된 반도체 웨이퍼의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도3a 내지 3e은 본 발명에 따른 레이저 스크라이빙공정를 이용한 반도체 웨이퍼 절단방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

도4는 본 발명의 반도체 웨이퍼 절단방법이 적용된 반도체 웨이퍼의 표면상태를 나타내는 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11: 웨이퍼

13: 반도체층

15: 레이저 스크라이브 라인

20: 반도체 칩

Claims (4)

1. 반도체층이 형성된 상면을 갖는 웨이퍼를 소정의 크기를 갖는 칩단위로 절단하는 방법에 있어서，

   상기 웨이퍼가 소정의 두께를 갖도록 상기 웨이퍼의 하면을 래핑하는 단계;

   상기 웨이퍼의 하면에 칩 단위로 구분하는 스크라이브 라인이 형성되도록 레이저 빔을 조사하는 단계;

   상기 스크라이브 라인이 형성된 상기 웨이퍼 하면을 폴리싱하는 단계; 및,

   상기 웨이퍼를 상기 스크라이브 라인을 따라 칩단위로 분리하는 단계를 포함하는 반도체 웨이퍼 절단방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 폴리싱 단계는, 상기 스크라이브 라인 형성단계에서 발생된 오염물이 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 절단방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 폴리싱 단계에서 제거되는 웨이퍼 부분의 두께는, 스크라이브 라인의 깊이보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 절단방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 웨이퍼 상에 형성된 반도체층은 GaN계 화합물 반도체 웨이퍼이며, 상기 웨이퍼는 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 절단방법.