KR101010601B1 - 보조 가스를 이용한 레이저 가공 방법 - Google Patents

보조 가스를 이용한 레이저 가공 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 가공시 발생하는 용융물을 제거하기 위한 보조 가스를 이용한 레이저 가공 방법을 제시한다.
본 발명에 의한 레이저 가공 방법은 가공 대상물을 스테이지에 안착시키고 가공 챔버 내로 로딩하는 단계, 폴리곤 미러 회전속도, 스테이지 이송속도, 레이저 빔 방출 조건, 보조가스 분사 조건을 포함하는 제어 파라미터를 설정하는 단계, 제어 파라미터를 참조하여 폴리곤 미러를 회전시키고, 스테이지를 지정된 방향으로 이송하는 단계, 제어 파라미터에 따라 할로겐 화합물 보조가스를 분사하는 단계, 제어 파라미터에 따라 레이저 빔을 방출하여 폴리곤 미러로 조사하는 단계 및 폴리곤 미러에서 반사된 레이저 빔을 집광하여 대상물에 조사하는 단계를 포함하여, 용융물 발생률을 감소시키고, 이러한 용융물을 실시간으로 제거할 수 있어 다이 강도를 향상시킬 수 있다.
레이저 가공, 할로겐 화합물

Description

보조 가스를 이용한 레이저 가공 방법{Laser Processing Method Using Assistance Gas}
본 발명은 레이저를 이용한 대상물 가공 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 레이저 가공시 발생하는 용융물을 제거하기 위한 보조 가스를 이용한 레이저 가공 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다양한 재료에 대하여 절단, 그루빙 등의 가공 절차를 수행하기 위하여 레이저를 이용하고 있다.
레이저를 이용한 대상물 가공시에는 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 가공 부위에 집속시키고, 집속 부위에 순간적으로 온도가 상승함에 따라 대상물의 용융 및 승화가 발생하여 집속 부위가 제거되는 원리를 이용한다.
아울러, 대상물을 고속으로 가공하기 위하여 높은 에너지의 레이저 빔을 이용하여 가공 반복 횟수를 최소화하여 대상물을 가공한다.
그런데, 높은 에너지의 레이저 빔을 이용하여 대상물을 가공하는 경우 가공 부위 주변에 용융물질이 생성되며, 용융물질이 다시 굳으면서 다이 강도가 저하되게 된다.
반도체 제조 공정 완료 후, 웨이퍼 상에 형성된 복수의 칩을 개별 칩 단위로 절단하기 위한 후속 공정에 레이저 가공이 종종 사용되고 있다. 이 경우, 다이 강도가 저하되면 웨이퍼 다이싱 이후의 공정인 칩 이송(pick&place)시에 칩이 깨지게 되거나, 와이어 본딩시 칩 가장자리에 가해지는 힘에 의해 칩이 깨지게 되거나, 또는 몰드로 칩을 패키징할 때 몰드의 열적 변형에 의해 칩이 깨지게 되는 등의 문제를 유발한다.
아울러, 높은 에너지를 갖는 레이저 빔에 의해 대상물을 가공하는 경우 용융물이 넓은 영역에 걸쳐 두껍게 생성되므로, 후속 세정 공정에서도 용융물을 완전히 제거하기 어렵다.
이와 같이, 현재는 높은 에너지를 갖는 레이저 빔으로 대상물을 가공함에 따라, 열적 잔류 응력(thermal residual stress) 및 용융물에 의해 다이 강도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 낮은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용하여 대상물을 반복 가공함으로써 용융물 생성률을 낮추고, 가공시 생성된 용융물을 보조 가스에 의해 제거할 수 있는 보조가스를 이용한 레이저 가공 장치를 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 레이저를 이용한 대상물 가공시 생성되는 용융물을 실시간으로 제거하여 대상물의 강도를 보장할 수 있는 보조가스를 이용한 레이저 가공 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법은 가공 대상물을 스테이지에 안착시키고 가공 챔버 내로 로딩하는 단계; 폴리곤 미러 회전속도, 스테이지 이송속도, 레이저 빔 방출 조건, 보조가스 분사 조건을 포함하는 제어 파라미터를 설정하는 단계; 상기 제어 파라미터를 참조하여 상기 폴리곤 미러를 회전시키고, 상기 스테이지를 지정된 방향으로 이송하는 단계; 상기 제어 파라미터에 따라 할로겐 화합물 보조가스를 분사하는 단계; 상기 제어 파라미터에 따라 레이저 빔을 방출하여, 상기 폴리곤 미러로 조사하는 단계; 및 상기 폴리곤 미러에서 반사된 레이저 빔을 집광하여 대상물에 조사하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면 낮은 에너지의 레이저 빔을 이용하여 대상물을 가공함으로써 용융물 발생률을 감소시킬 수 있고, 이러한 용융물을 실시간으로 제거할 수 있어 다이 강도를 향상시킬 수 있다.
아울러, 보조 가스에 의해 용융물을 제거함과 동시에 부산물을 외부로 배출함으로써, 부산물이 대상물에 재침착하는 것을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도시한 것과 같이, 본 발명에 적용되는 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하는 제어부(10), 레이저 빔을 반사시키는 미러(110)를 구동하기 위한 미러 구동부(20), 레이저 빔을 방출하는 레이저 발생부(30), 레이저 가공시 발생하는 용융물을 제거하기 위한 보조가스를 분사하는 보조가스 공급부(40), 레이저 가공시 발생하는 부산물을 흡입하기 위한 부산물 배출부(50), 운용자에 의해 제어 파라미터, 제어 명령 등이 설정되는 입력부(60), 작동 상태 등의 정보를 표시하기 위한 출력부(70), 데이터 저장을 위한 저장부(80), 대상물이 안착된 스테이지(130)를 이송하기 위한 스테이지 이송부(90) 및 대상물 가공이 이루어지는 가공 챔버(100)를 포함한다.
가공 챔버(100) 내에는 레이저 발생부(30)로부터 방출되는 레이저 빔을 반사시키기 위한 미러(110)와, 미러(110)로부터 반사되는 레이저 빔을 집광하는 광학 계(120) 및 대상물(140)이 안착되는 스테이지(130)가 로딩된다.
여기에서, 미러(110)는 폴리곤 미러를 사용할 수 있고, 폴리곤 미러는 입력부(60)를 통해 설정된 제어 파라미터에 따라 미러 구동부(20)에 의해 축을 중심으로 정속도로 회전한다.
폴리곤 미러가 정속 회전함에 따라, 한 면의 반사면이 회전하면서 반사되어 광학계(120)로 전달되는 레이저 빔의 스캐닝 각도와, 광학계(120)의 초점 거리에 따라, 레이저 빔이 대상물(140)에 조사되는 길이인 스캐닝 길이가 결정된다. 그리고, 폴리곤 미러가 복수의 반사면을 가지므로, 1회 회전시 스캐닝 길이가 반사면의 수만큼 반복 스캐닝된다. 즉, 폴리곤 미러를 이용하는 경우 가공 부위에 레이저 빔이 중첩 조사되므로 대상물(140)을 낮은 에너지의 레이저 빔을 이용하여 고속으로 가공할 수 있다.
대상물(140)을 낮은 에너지로 가공함에 따라 용융물 생성률이 낮아지게 되고, 대상물(140) 가공과 동시에 보조가스를 이용하여 용융물을 효과적으로 제거할 수 있다.
아울러, 광학계(120)는 텔레센트릭 에프-세타 렌즈(Telecentric f-theta lens)를 이용하여 구성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 렌즈군으로 구성할 수 있음은 물론이다.
보조가스 공급부(40)는 가공 챔버(100) 내로 연장된 분사 노즐을 통해 보조 가스를 분사하고, 레이저 가공에 의해 발생하는 부산물과 폐가스, 보조 가스에 의해 용융물을 용해시킴으로써 발생되는 부산물은 부산물 배출부(50)에 의해 흡입된 다.
이러한 구성을 갖는 레이저 가공 장치를 이용한 대상물 가공 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 대상물은 스테이지에 안착되어 가공 챔버(100) 내로 로딩된다. 그리고, 대상물을 가공하기 전 입력부(60)를 통해 대상물(140)의 가공 영역, 미러(110)의 회전 속도, 스테이지(130) 이송 속도, 레이저 빔 출력 조건, 가공 시간, 보조가스 공급 조건 등을 포함하는 제어 파라미터를 설정한다(S101).
여기에서, 레이저는 550nm 이하, 바람직하게는 355nm의 파장을 갖는 레이저를 이용할 수 있고, 레이저 빔의 에너지 밀도는 0.1~10GW/㎠로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 미러(110)로서 30~90각 폴리곤 미러를 사용하는 경우, 미러(110)의 회전 속도는 100~5000RPM으로 설정할 수 있다.
그리고, 보조가스로는 할로겐 화합물 보조가스를 이용할 수 있으며, 예를 들어 CF4 또는 SF6를 0.5~15L/min의 유량으로 분사하도록 한다.
레이저 가공이 개시됨에 따라, 제어부(10)는 기 설정된 제어 파라미터에 의해 미러 구동부(20), 스테이지 이송부(90) 및 보조가스 공급부(40)를 동작시킨다. 이에 따라, 미러(110)가 정속 회전을 시작하고(S103), 스테이지(130)가 지정된 방향으로 이동하며(S105), 보조가스 공급부(40)로부터 챔버(100) 내로 보조 가스가 분사된다(S107).
또한, 제어부(10)는 기 설정된 제어 파라미터에 따라 레이저 발생부(30)를 구동하여 레이저 빔을 방출하도록 한다(S109). 레이저 발생부(30)에서 방출된 레이저 빔은 미러(110)의 반사면에서 반사된 후, 광학계(120)에서 집광되어 대상물(140)의 가공 부위에 수직 조사된다.
대상물(140)에 레이저 빔이 조사되면서 가공 부위가 제거되기 시작하고(S111), 이 때 생성되는 용융물은 보조가스 공급부(40)에서 분사되는 보조가스에 의해 실시간으로 제거되게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 보조가스 분사 노즐을 스테이지 이송부(90)에 의해 이송되는 대상물(140)의 이송 방향과 동축으로 이동시키면서 보조가스를 분사할 수 있으며, 이에 따라 용융물을 더욱 효과적으로 제거할 수 있다.
한편, 레이저 가공 및 용융물 제거에 따라 생성되는 부산물은 부산물 배출부(50)를 통해 외부로 배출함으로써, 부산물이 대상물에 재침착되지 않도록 한다(S113).
본 발명의 다른 실시예에서, 대상물(140)을 레이저로 가공하기 전 수용성 고분자 용액을 사용하여 대상물(140) 표면에 코팅층을 형성할 수 있다. 이 경우 레이저 가공이 완료된 후 세정 공정을 수행하여(S115), 대상물 표면(140)의 코팅층을 제거한다. 코팅층은 스핀 코팅 방법으로 형성할 수 있으며, 세정 공정은 고압의 증류수를 분사하는 방법으로 수행될 수 있다.
도 3은 가공 환경에 따른 다이 강도 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
보조가스를 분사하면서 대상물을 가공하는 경우의 다이 강도를 테스트하기 위하여, 75㎛의 실리콘 미러 웨이퍼를 레이저 빔을 이용하여 가공하였다. 레이저 빔으로는 355nm 파장을 갖는 레이저 빔을 이용하였으며, 출력 전력은 8W, 주파수는 80㎑로 설정하였다. 또한, 폴리곤 미러의 회전속도는 3000RPM, 커팅 속도는 140㎜/s로 설정하였다.
그리고, 실리콘 미러 웨이퍼를 가공하기 전 수용성 고분자 용액을 이용하여 코팅층을 형성하였으며, 가공 완료 후에는 고압의 증류수를 분사하여 코팅층을 제거하였다.
상기와 같은 조건에서, 하나의 챔버에서는 보조가스로 CF4를 사용하여 1.8L/min의 유량으로 분사하면서 실리콘 미러 웨이퍼를 가공하고, 다른 챔버에서는 에어(Air)를 동일한 유량으로 공급하면서 가공하였다.
실험 결과, 도 3에 도시한 것과 같이 보조가스를 분사하면서 가공한 경우 대상물의 강도가 2.1~3.7배 향상된 것을 확인할 수 있었다.
특히, 보조가스를 사용하지 않고 대상물을 가공한 경우 윗면 강도(A1)가 밑면 강도(B1)보다 매우 낮지만, 본 발명에서와 같이 가공한 경우 윗면 강도(A2)와 밑면 강도(B2)가 거의 동일한 정도로 향상된 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 폴리곤 미러를 이용하여 대상물을 낮은 에너지의 레이저 빔으로 가공하여 용융물 생성률을 낮추고, 생성된 용융물은 할로겐 화합물 보조가스를 이용하여 실시간으로 제거함으로써, 다이 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
반도체 칩이 형성된 웨이퍼의 강도는 후속 공정에서 신뢰성을 결정하는 중요한 요소이다. 따라서, 웨이퍼 상에 형성된 복수의 칩을 개별 칩 단위로 절단하기 위하여 레이저 가공을 이용할 때, 낮은 에너지의 레이저 빔을 이용하여 웨이퍼를 가공하면 용융물의 생성 정도를 감소시킬 수 있다. 아울러, 웨이퍼를 가공함과 동시에 할로겐 화합물 보조가스를 이용하여 용융물을 실시간으로 제거하게 되면 웨이퍼의 강도를 향상시킬 수 있어, 반도체 칩의 신뢰성을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 레이저 가공 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 3은 가공 환경에 따른 다이 강도 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 제어부 20 : 미러 구동부
30 : 레이저 발생부 40 : 보조가스 공급부
50 : 부산물 배출부 60 : 입력부
70 : 출력부 80 : 저장부
90 : 스테이지 이송부 100 : 가공 챔버
110 : 폴리곤 미러 120 : 광학계
130 : 스테이지 140 : 대상물

Claims (12)

  1. 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
    가공 대상물을 스테이지에 안착시키고 가공 챔버 내로 로딩하는 단계;
    폴리곤 미러 회전속도, 스테이지 이송속도, 레이저 빔 방출 조건, 보조가스 분사 조건을 포함하는 제어 파라미터를 설정하는 단계;
    상기 제어 파라미터를 참조하여 상기 폴리곤 미러를 회전시키고, 상기 스테이지를 지정된 방향으로 이송하는 단계;
    상기 제어 파라미터에 따라 할로겐 화합물 보조가스를 분사하는 단계;
    상기 제어 파라미터에 따라 레이저 빔을 방출하여, 상기 폴리곤 미러로 조사하는 단계; 및
    상기 폴리곤 미러에서 반사된 레이저 빔을 집광하여 대상물에 조사하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 할로겐 화합물 보조가스는, 상기 대상물의 이송 방향과 동축으로 이동하는 노즐을 통해 분사하는 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 할로겐 화합물 보조가스는 CF4 또는 SF6인 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 할로겐 화합물 보조가스의 유량은 0.5~15L/min인 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 집광하여 대상물에 조사하는 단계 이후, 상기 가공 챔버 내의 부산물을 흡입하여 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 대상물은 표면에 코팅층이 형성되어 있으며, 상기 레이저 빔을 집광하여 대상물에 조사하는 단계 이후, 상기 대상물을 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 세정 단계는 고압의 증류수를 분사하는 단계인 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 550nm 이하의 파장을 갖는 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 0.1~10GW/㎠인 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리곤 미러의 반사면의 수는 30~90개인 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 폴리곤 미러의 회전 속도는 100~5000RPM인 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지는 상기 폴리곤 미러의 회전에 의해 상기 대상물에 레이저 빔이 조사되는 방향과 역방향으로 이송하는 것을 특징으로 하는 보조가스를 이용한 레이저 가공 방법.
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