KR101160158B1 - 레이저 리프트 오프 공정의 기판 분리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LLO공정에서 기판과 질화갈륨계 LED구조물을 자동으로 분리하는 LLO공정의 기판 분리장치에 관한 것으로, 기판과, 상기 기판상에 형성되는 버퍼층과, 상기 버퍼층상에 형성되는 질화갈륨계 LED구조물과, 상기 질화갈륨계 LED구조물의 표면에 형성된 다수의 구조지지층을 포함하는 LED소자에서 상기 기판을 분리하되, 상기 기판 상부에 레이저빔(Laser Beam)을 조사하여 상기 버퍼층을 용융하는 LLO(Laser Lift-off)공정에 의해 상기 기판을 상기 질화갈륨계 LED구조물로부터 분리하기 위한 LLO공정의 기판 분리장치에 있어서, 상기 기판과 구조지지층을 각각 상부와 하부로 진공흡착하는 진공척 및 상기 기판과 질화갈륨계 LED구조물 사이에 여러방향에서 공압을 가하여, 상기 기판과 질화갈륨계 LED구조물을 분리하면서 그 사이에 잔류된 상기 버퍼층을 제거하는 에어나이프(Air Knife)를 포함하여 이루어진다.

Description

레이저 리프트 오프 공정의 기판 분리장치{substrate detaching apparatus of LLO process}
본 발명은 LLO공정의 기판 분리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LLO공정에서 기판과 질화갈륨계 LED구조물을 자동으로 분리하는 LLO공정의 기판 분리장치에 관한 것이다.
종래 질화갈륨계 LED소자를 제조하는 방법으로는 보통 사파이어(Al2O3) 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 기판위에 기판 제거를 위한 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층 상에 질화갈륨계 LED구조물을 형성한 다음, 상기 질화갈륨계 LED구조물의 표면에 다수의 구조지지층을 형성하고, 상기 구조지지층의 상단을 가압하는 과정을 거치게 된다.
참고로, 상기 사파이어 기판의 경우 단위 칩의 사파이어두께는 80~100μm 정도이다. 그런데 사파이어는 부도체이기 때문에 n-전극 및 p-전극을 상층에 수평으로 형성함으로써 전류집중이 발생되고, 또한 양 전극을 수평으로 배열함에 따라 칩 사이즈를 축소하는데 한계가 있으며, 더구나 사파이어는 열전도율이 좋지 않기 때문에 고출력 구동 시 발생되는 열이 충분히 방출되지 못하게 됨으로써 소자 성능에 제약을 초래하였다.
또한, 사파이어 기판의 열전도 특성은 약 40W/mK 정도인데, 사파이어 기판의 두께가 약 80 미크론일 경우, 열 저항 값은 3.5℃/W 정도로 소자 시스템 전체의 열저항의 약 90%를 차지하게 된다. 사파이어의 이러한 특성은 특히 최근의 고밀도, 대전력 광원을 실현하기 위하여 대전류로 구동할 경우, 소자의 신뢰성을 저하시키는 주원인이 되어왔다.　
따라서, 상기 질화갈륨계 LED소자는 상기 사파이어 기판이 상부에 위치하도록 뒤집은 다음, 상기 사파이어 기판 상부에 레이저빔(Laser Beam)을 조사하여 상기 버퍼층을 용융하면서 사파이어 기판을 분리하는 LLO(Laser Lift-off) 추가적으로 공정을 거치게 된다.
통상적으로, 상기와 같은 LLO공정의 경우, 작업자의 손에 의한 수작업으로 이루어지고 있었다. 이 경우, 2인치, 4인치 웨이퍼 단위에서는 작업자가 손으로 로딩, 언로딩하고 기판과 질화갈륨계 LED구조물을 분리하는 동작까지도 수행가능하지만, 6인치 이상으로 면적이 확대되면서 신속정확하며 안정적인 웨이퍼 분리를 위해 기판과 질화갈륨계 LED구조물을 자동으로 분리하는 장치의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 LED소자의 특성 저하를 방지하는 동시에 수직전극 구조의 장점을 유지함으로써 칩 크기를 축소하고, 기판의 실장 밀도를 높일 수 있는 LED소자를 제조하는 과정에서, 상기 기판과 질화갈륨계 LED구조물을 자동으로 분리하여 6인치 이상의 큰 면적의 웨이퍼 단위도 기판의 분리공정이 안정적이고 신속하게 이루어질 수 있어 LED소자의 불량 발생률을 현저히 감소시킬 수 있는 LLO공정의 기판 분리장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판과, 상기 기판상에 형성되는 버퍼층과, 상기 버퍼층상에 형성되는 질화갈륨계 LED구조물과, 상기 질화갈륨계 LED구조물의 표면에 형성된 구조지지층을 포함하는 LED소자에서, 상기 기판 상부에 레이저빔(Laser Beam)을 조사하여 상기 버퍼층을 용융하는 LLO(Laser Lift-off)공정에 의해 상기 기판을 상기 질화갈륨계 LED구조물로부터 분리하기 위한 LLO공정의 기판 분리장치에 있어서, 상기 기판과 상기 구조지지층을 각각 상부와 하부에서 진공흡착하는 진공척, 상기 진공척을 각각 상부와 하부로 승강시키는 승강부, 상기 기판과 상기 질화갈륨계 LED구조물 사이에 압축공기를 가하여, 상기 기판과 상기 질화갈륨계 LED구조물을 분리하면서, 그 사이에 잔류된 상기 버퍼층을 제거하는 에어나이프(Air Knife)를 포함하는 LLO공정의 기판 분리장치를 제공한다.
본 발명 LLO공정의 기판 분리장치에 따르면, LED소자의 특성 저하를 방지하는 동시에 수직전극 구조의 장점을 유지함으로써 칩 크기를 축소하고, 기판의 실장 밀도를 높일 수 있는 LED소자를 제조하는 과정에서, 상기 기판과 질화갈륨계 LED구조물을 자동으로 분리하여 6인치 이상의 큰 면적의 웨이퍼 단위도 기판의 분리공정이 안정적이고 신속하게 이루어질 수 있어 LED소자의 불량 발생률을 현저히 감소시킬 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1은 수직형 질화갈륨계 LED소자의 제조공정을 개략적으로 도시한 공정도,
도 2는 본 발명에 따른 LLO공정의 기판 분리장치의 단면도,
도 3은 본 발명 LLO공정의 기판 분리장치에 의해 기판이 분리되는 모습을 보인 단면도.
이하, 첨부된 도면에 따른 본 발명의 LLO공정의 기판 분리장치의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 수직형 질화갈륨계 LED소자의 제조공정을 개략적으로 도시한 공정도이고, 도 2는 본 발명에 따른 LLO공정의 기판 분리장치의 단면도이며, 도 3은 본 발명 LLO공정의 기판 분리장치에 의해 기판이 분리되는 모습을 보인 단면도이다.
상기 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명은 기판(10)과, 상기 기판(10) 상에 형성되는 버퍼층(20)과, 상기 버퍼층(20)상에 형성되는 질화갈륨계 LED구조물(30)과, 상기 질화갈륨계 LED구조물(30)의 표면에 형성된 다수의 구조지지층(40)을 포함하는 LED소자(1)에서 상기 기판(10)을 분리하되, 상기 기판(10) 상부에 레이저빔(Laser Beam)을 조사하여 상기 버퍼층(20)을 용융하는 LLO(Laser Lift-off)공정에 의해 상기 기판(10)을 상기 질화갈륨계 LED구조물(30)로부터 분리하기 위한 LLO공정의 기판 분리장치(100)에 관한 것으로, 진공척(110)과 에어나이프(120) 및 상기 진공척(110)을 각각 상부와 하부로 승강시키는 승강부(111)를 포함하여 구성된다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기위해 수직형 질화갈륨계 LED소자(1)의 제조공정을 간략히 설명한다.
참고로, 여기서 기판(10)은 보통 사파이어(Al2O3) 및 탄화규소(SiC) 등과 같은 공지의 다양한 기판소재로 이루어질 수 있으며, 본 발명에서는 특히 사파이어기판을 예시로 설명한다.
사파이어 기판(10) 상부에는 추후 상기 사파이어 기판(10)을 제거하기 위해 버퍼층(20)이 형성된다. 상기 버퍼층(20)의 표면에는 질화갈륨계 LED구조물(30)이 적층되는데, 상기 질화갈륨계 LED구조물(30)은 N형 질화갈륨층(31), 활성층(32) 및 P형 질화갈륨층(33), P형 전극층(34) 및 반사층(35)을 순차적으로 적층하여 형성된다.
또한, 상기 LED구조물(30)의 상부 표면에는 다수의 구조지지층(40)을 도전성접합층(36)을 이용하여 접합하고, 상기 각층이 고정되도록 구조지지층(40)의 상단을 가압한 다음 상기 사파이어 기판(10)이 상부에 위치하도록 뒤집는 공정을 추가로 거친다.
이후 상기 사파이어 기판(10)의 상부에 레이저빔(LB)을 조사하여 상기 버퍼층(20)을 용융하고 사파이어 기판(10)을 분리제거하는 LLO(Laser Lift-off)공정을 거치게 된다.
또한, LLO공정이 완료되면, 상기 N형 질화갈륨층(31) 표면에 요철을 형성하고, 요철된 표면에 N형 전극(50)을 형성하여 수직형 질화갈륨계 LED소자(1)의 제조공정이 완료된다.
이 과정에서, 사파이어 기판(10)을 분리제거하는 상기 LLO공정은 일반적으로 사파이어 기판(10)을 분리하는 작업이 거의 수작업으로 진행되지만, 본 발명에서는 상기 분리공정이 자동으로 이루어지도록 한다.
본 발명 LLO공정의 기판 분리장치(100)는 진공척(110)과 에어나이프(120)로 이루어지는데, 먼저 상기 진공척(110)은 상기 기판(10)과 구조지지층(40)을 각각 상부와 하부로 진공흡착하도록 구비된다.
상기 진공척(110)은 진공펌프와 연결되고, 상기 기판(10)과 구조지지층(40)의 노출면을 진공압을 이용하여 파지하며, 상기 기판(10)과 구조지지층(40)을 수작업으로 분리하였던 종래와는 달리 상기 진공척(110)을 이용하여 상기 기판(10)과 구조지지층(40)을 파지하여 분리함에 따라 상기 기판(10)과 구조지지층(40)은 보다 신속하고 정확하게 분리될 수 있으며 불량 발생률을 현저히 줄일 수 있다.
또 상기 승강부(111)는 상기 진공척(110)을 각각 상부와 하부로 승강시키기 위한 구성으로, 스프링, 리니어모터, 실린더, 솔레노이드를 비롯한 공지의 다양한 승강수단으로 마련될 수 있다.
상기와 같은 승강부(111)의 작용으로 상기 기판(10)과 구조지지층(40)을 공압에 의해 파지한 진공척(110)이 각각 상부와 하부로 상승 및 하강하면서 기판(10)과 구조지지층(40)사이가 이격되고 이 과정에서 상기 기판(10)이 분리되는 것이다.
여기서, 상기 승강부(111)는 기판(10) 또는 구조지지층(40) 중 어느 하나만 승강하도록 기판(10) 또는 구조지지층(40)을 파지하는 어느 하나의 진공척(110)에만 선택하여 설치할 수 있다.
에어나이프(120)는 상기 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30) 사이에 여러방향에서 공압을 가하여, 상기 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30)을 분리하면서 그 사이에 잔류된 상기 버퍼층(20)을 제거하도록 구비된다.
상기 에어나이프(120)는 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30) 사이에 슬릿 또는 노즐을 통해 압축공기를 방출함으로써, 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30) 사이에 잔존하는 버퍼층(20) 및 공정에서 유입된 먼지 등의 불순물을 제거한다.
참고로, 상기 버퍼층(20)은 공지의 다양한 소재가 쓰일 수 있지만, 본 발명에서는 용융점이 30℃인 버퍼층(20)을 예시로 설명한다.
상기와 같이 용융점이 30℃인 소재를 버퍼층(20)으로 사용할 경우 상기 기판(10)을 분리하는 공정이 진행되는 동안 상기 버퍼층(20)의 용융점인 30℃ 이상의 온도를 확보해 주기 위한 예열환경이 제공되야 하며, 버퍼층(20)의 소재에 따라 용융점이 달라질 수 있으므로, 버퍼층(20)의 소재와 대응하는 온도의 예열환경이 제공되어야 한다.
따라서, LLO공정이 진행되는 동안 버퍼층(20)이 용융되어 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30)의 분리가 용이하게 이루어지도록 LLO공정이 수행되는 주변의 온도를 30℃(바람직하게는 버퍼층의 용융점)이상으로 유지하거나, 기판(10)의 전체면적을 레이저 빔(LB)으로 반복하여 스캔해 줄 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 에어나이프(120)는 30℃이상(바람직하게는 버퍼층의 용융점)의 온도를 유지하도록 히터와 같은 발열수단을 구비한다.
LLO공정이 진행되는 과정에서 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30)을 분리하기 위한 버퍼층(20)의 분해가 완벽하게 진행될 수 있도록, 예열환경이 제공되야 한다.
이를 위해 LLO공정이 수행되는 동안 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30)사이에 공급되는 공압의 온도는 30℃(바람직하게는 버퍼층의 용융점) 이상을 유지해야하며, 따라서 에어나이프(120)는 노즐을 통해 분사되는 공기가 30℃ 이상으로 가열될 수 있도록 히터와 같은 발열수단을 구비한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 진공척(110) 및 에어나이프(120)는 30℃(바람직하게는 버퍼층의 용융점)이상의 온도를 확보할 수 있도록 열챔버(130) 내에 마련된다.
LLO공정이 진행되는 과정에서 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30)을 분리하기 위한 버퍼층(20)의 분해가 완벽하게 진행될 수 있도록, 용융점30℃ 이상을 확보해 주기 위한 온도환경이 제공되야 한다.
이를 위해 진공척(110) 및 에어나이프(120)가 열챔버(130) 내에 설치되고, LLO공정은 30℃이상의 온도가 확보된 열챔버(130) 내에서 진행된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 진공척(110)은 미세 기공이 균일하게 형성된 다공성 재질로 이루어진다.
일반적으로 LED소자(1)는 미세 소자의 형태를 취한다. 따라서, 일반적인 진공척으로 LED소자(1)를 파지할 경우 상기 LED소자(1)에 균일한 압력이 가해지지 않아 부분적인 파지가 이루어짐에 따라 일부 LED소자(1)는 흡착되지 않게 되고, 진공척의 유로 구멍에 LED소자(1)가 흡입될 우려가 있다.
따라서, 세라믹과 같이 미세 기공이 균일하게 형성된 다공성 재질로 진공척(110)을 형성하여 미세 소자의 형태의 LED소자(1)가 균일하게 압력을 받아 안정적으로 파지될 수 있도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 구조지지층(40)은 노출면이 다이싱용 필름 프레임 캐리어에 고정된다.
다이싱용 필름 프레임 캐리어는 필름을 지지하는 필름 프레임, 필름 상에 배치된 반도체 웨이퍼를 견고히 보관하기 위한 중앙부 및 주연부로 이루어진다.
따라서, 다이싱공정을 비롯한 LED소자를 제조하는 전반적인 공정에서, LED소자(1)의 배치가 흐트지거나, 일부 LED소자(1)가 분실되지 않도록 하고 최종공정까지 그 형태를 유지하도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 장치(100)는, 상기 기판(10)의 전체면적에 레이저 빔(LB)을 반복하여 조사하는 다이오드레이저 조사수단(140)을 추가로 구비한다.
상기 다이오드레이저 조사수단(140)을 추가로 구비하는 이유는 LLO공정을 진행하는 과정에서 상기 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30)의 분리가 용이하게 이루어지도록 하기 위함이다.
구체적으로 설명하면, LLO공정이 수행되는 동안 기판(10)의 전체면적을 레이저 라인빔(LB)으로 반복 스캔하여 30℃(바람직하게는 버퍼층의 용융점) 이상을 확보하므로서 버퍼층(20)의 분해가 완벽하게 진행될 수 있도록 하기 위함이다. 이는 기존에 LLO공정에서 기판(10)에 레이저를 조사하였던 레이저조사수단과 별도로 마련되는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명 LLO공정의 기판 분리장치(100)에 따르면, 상기 기판(10)과 질화갈륨계 LED구조물(30)을 자동으로 분리하여 큰 면적의 웨이퍼 단위도 기판(10)의 분리공정이 안정적이고 신속하게 이루어질 수 있도록 하는 장점이 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
1 : LED소자 10 : 기판
20 : 버퍼층 30 : 질화갈륨계 LED구조물
31 : N형 질화갈륨층 32 : 활성층
33 : P형 질화갈륨층 34 : P형전극층
35 : 반사층 36 : 도전성접합층
40 : 구조지지층 50 : N형 전극
LB : 레이저빔 100 : 기판 분리장치
110 : 진공척 111 : 승강부
120 : 에어나이프 130 : 열챔버
140 : 다이오드레이저 조사수단

Claims (6)

  1. 기판과, 상기 기판상에 형성되는 버퍼층과, 상기 버퍼층상에 형성되는 질화갈륨계 LED구조물과, 상기 질화갈륨계 LED구조물의 표면에 형성된 구조지지층을 포함하는 LED소자에서, 상기 기판 상부에 레이저빔(Laser Beam)을 조사하여 상기 버퍼층을 용융하는 LLO(Laser Lift-off)공정에 의해 상기 기판을 상기 질화갈륨계 LED구조물로부터 분리하기 위한 LLO공정의 기판 분리장치에 있어서,
    상기 기판과 상기 구조지지층을 각각 상부와 하부에서 진공흡착하며, 미세 기공이 균일하게 형성된 다공성 재질로 이루어진 진공척;
    상기 진공척을 각각 상부와 하부로 승강시키는 승강부;
    상기 기판과 상기 질화갈륨계 LED구조물 사이에 압축공기를 가하여, 상기 기판과 상기 질화갈륨계 LED구조물을 분리하면서, 그 사이에 잔류된 상기 버퍼층을 제거하는 에어나이프(Air Knife);를 포함하는 것을 특징으로 하는 LLO공정의 기판 분리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에어나이프는 30℃ 이상 온도의 압축공기를 가하는 것을 특징으로 하는 LLO공정의 기판 분리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 진공척 및 상기 에어나이프는 30℃ 이상의 온도를 확보할 수 있도록 열챔버 내에 마련된 것을 특징으로 하는 LLO공정의 기판 분리장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 구조지지층은 노출면이 다이싱용 FFC(Film Frame Carrier)에 고정된 것을 특징으로 하는 LLO공정의 기판 분리장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 기판의 전체면적에 레이저 빔(LB)을 반복하여 조사하는 다이오드레이저 조사수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 LLO공정의 기판 분리장치.

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