KR101282053B1 - 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 웨이퍼 또는 박막이 적층된 웨이퍼로 형성되는 가공 대상물에, 다중 광을 조사하여 패턴을 형성하거나 절단을 수행함으로써 공정 정밀도 및 공정 품질을 극대화시키는, 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법 및 장치를 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 본 발명은 둘 혹은 그 이상의 레이저 빔을 박형 웨이퍼 혹은 웨이퍼위에 적층된 박막의 상부에 직접 혹은 간접적으로 조사함으로써, 가공 대상물의 변형을 최소화함과 동시에 레이저 자체에서 발생하는 충격파를 수반하게 하여 가공 대상물을 절단 혹은 패터닝하는, 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법은, 웨이퍼(510) 또는 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)로 형성되는 가공 대상물(500)에 패턴을 형성하거나 절단을 수행하는 미세 가공 방법에 있어서, 레이저 및 상기 가공 대상물(500)의 특성에 따라 결정되는 소정 간격(D)으로 서로 이격된 다중의 레이저 광이 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 패턴 형상에 상응하도록 조사되어 다중 선로를 형성시키고, 상기 형성된 다중 선로의 내측부가 패턴 형성 과정에서 발생하는 충격파(shockwave) 에너지에 의해 자발적으로 제거되어 패턴이 형성되거나 또는 다중 선로 부위가 절단되어 절단이 수행되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법 및 장치 {Ultrathin wafer micro-machining method and system by laser rail-roading technique}
본 발명은 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법 및 장치에 관한 것이다.
박형 웨이퍼 혹은 웨이퍼상 적층된 (여기에서의 적층은 증착(deposition), 인쇄(printing)등의 방식을 통칭함) 박막에 패턴을 형성(patterning)하거나 절단하기 위해 사용되는 방법은, 크게 액상 혹은 기상에서의 화학적인 식각법, 금강석 날을 이용한 절단(diamond sawing)과 같은 기계적인 공정법, 통상적인 레이저의 에너지를 직접 조사함으로써 야기되는 삭마(ablation) 방법 등이 있다.
화학적인 식각법의 경우 그 공정의 정밀도는 매우 높다는 장점이 있으나, 다음과 같은 여러 단점이 있다. 먼저, 패턴 형성을 위해서 패턴 형상에 상응하는 마스크(mask)를 제작해야 하는 등 매우 복잡한 공정 단계를 거쳐야 한다. 또한 적용 가능한 재료가 제한적이며, 대면적의 공정에서는 그 적용에 한계가 있다는 문제가 있다. 더불어 식각용 재료의 독성 등을 고려할 때 환경에 끼치는 악영향이 크다는 문제가 있어 그 사용이 점차로 제한되는 경향이 있는 바, 향후 그 적용에 한계가 있다.
기계적인 공정법은 적용 대상의 박막 혹은 웨이퍼가 박형의 경우 기계적인 충격으로 인하여 손상이 일어날 우려가 있어 그 적용의 한계가 있다는 문제점이 있다. 또한, 공정에 사용되는 톱날 혹은 침형 구조물의 물리적인 크기를 대략 50μ 이하로 낮추어 제작해야 하는데 매우 큰 어려움이 따른다. 뿐만 아니라, 박막의 물리적-기계적 특성이 잘 부서지는 성질(brittle)을 가지는 경우, 공정 중 칩 발생(chipping) 현상을 극복할 수가 없어, 공정 정밀도가 크게 저하되고 표면 상에 이물질이 남게 되는 등의 문제점이 있고, 무엇보다도 적층된 박막과 하부 웨이퍼간의 접착력이 기계적인 공정에서 부가되는 토크(torque)에 비하여 작은 경우 박막의 박리(delamination) 현상을 극복하지 못한다는 큰 문제가 있다.
상술한 바와 같은 이유에 따라, 레이저를 이용한 절단 또는 패턴 형성 방법이 최근 활발히 개발 및 적용 확대가 이루어지고 있다. 현재 레이저를 이용한 직접 절단 혹은 패턴 형성 방법은 크게 다음과 같은 두 가지의 경우로 이루어지고 있다. 그 하나는 나노초 자외선 혹은 가시광선 및 근적외선과 적외선 레이저를 사용하여, 열에너지에 의하여 절단 또는 패턴 형성이 이루어지도록 하는 것이다. 그런데 이 방법의 경우 열적인 변형에 의한 재료 특성의 변화에 의하여 공정 정밀도의 저하 및 공정 생산물의 기계적인 강도의 저하 등을 피할 수 없다는 문제점이 있다. 다른 하나는 초고속 레이저를 이용한 공정으로, 이 경우 공정 정밀도 및 공정물의 기계적인 강도는 타 레이저의 공정에 비하여 매우 뛰어나다는 장점이 있다. 그러나 초고속 레이저 공정은 대면적 가공에 부적합하기 때문에 공정 생산성이 저하되는 문제가 발생한다.
뿐만 아니라, 기존의 레이저 공정에 의한 패턴 형성에서의 가장 주요한 기술적인 한계는, 공정 후 패턴 내부의 면이 공정 중에 변형되거나 잔해물(debris)과 같은 공정 부산물에 의한 오염(contamination)을 피할 수 없다는 것이다. 이와 같은 변형 또는 오염이 발생할 경우, 패턴 위에 새로운 재료를 적층하게 될 때 전기적 혹은 광학적인 접촉(contact)이 불량해지는 문제, 향후 적층 공정에서의 레이어 간의 분리 혹은 적층 불량 문제 등과 같이 다양한 문제점을 야기하게 된다.
또한 통상적으로 적용되는 펄스화된 레이저의 경우 펄스와 펄스 사이의 겹치는(overlap) 부분과 그 외의 부분과의 삭마(ablation) 정도 혹은 기작의 차이가 발생되기 때문에, 이상적으로 균일한 형태의 패턴을 얻을 수 없다는 문제가 있으며, 또한 가우시아 형태의 레이저 형상을 갖는 경우에는 특히, 공정 면이 대략 염주 모양을 나타내게 되어 공정 후의 부품 소재의 품질이 저하되게 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 웨이퍼 또는 박막이 적층된 웨이퍼로 형성되는 가공 대상물에, 다중 광을 조사하여 패턴을 형성하거나 절단을 수행함으로써 공정 정밀도 및 공정 품질을 극대화시키는, 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법 및 장치를 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 본 발명은 둘 혹은 그 이상의 레이저 빔을 박형 웨이퍼 혹은 웨이퍼위에 적층된 박막의 상부에 직접 혹은 간접적으로 조사함으로써, 가공 대상물의 변형을 최소화함과 동시에 레이저 자체에서 발생하는 충격파를 수반하게 하여 가공 대상물을 절단 혹은 패터닝하는, 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법은, 웨이퍼(510) 또는 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)로 형성되는 가공 대상물(500)에 패턴을 형성하거나 절단을 수행하는 미세 가공 방법에 있어서, 레이저 및 상기 가공 대상물(500)의 특성에 따라 결정되는 소정 간격(D)으로 서로 이격된 다중의 레이저 광이 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 패턴 형상에 상응하도록 조사되어 다중 선로를 형성시키고, 상기 형성된 다중 선로의 내측부가 패턴 형성 과정에서 발생하는 충격파(shockwave) 에너지에 의해 자발적으로 제거되어 패턴이 형성되거나 또는 다중 선로 부위가 절단되어 절단이 수행되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 소정 간격(D)은 하기의 수학식에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
D ≤ 2x0
여기에서,
레이저 광은 2중으로 조사되며, 2중 광이 상기 가공 대상물(500) 표면에 조사되는 각 위치를 서로 연결하는 선분의 중심점을 0이라 하고, 상기 선분 상에서의 임의의 위치를 x라 하고, 상기 선분의 각 끝점의 좌표를 -x0 및 x0라 할 때,
1) 상기 가공 대상물(500)이 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)일 경우,
Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
Fshock(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
Fshock(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
2) 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510)로만 이루어져 있는 경우,
Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
Fshock(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
3) 외부로부터 기계적인 힘이 가해지거나 2중 광 사이에 추가적으로 레이저 광이 조사되고, 상기 가공 대상물(500)이 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)일 경우,
Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 외부로부터 기계적으로 추가로 가해진 힘 또는 추가적으로 조사된 레이저 광에 의해 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
Fsum(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
Fsum(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
4) 외부로부터 기계적인 힘이 가해지거나 2중 광 사이에 추가적으로 레이저 광이 조사되고, 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510)로만 이루어져 있는 경우,
Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 외부로부터 기계적으로 추가로 가해진 힘 또는 추가적으로 조사된 레이저 광에 의해 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정된다.
Fsum(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
또한, 상기 미세 가공 방법은 자외선 영역 파장 이하의 파장을 가지는 레이저 광을 사용하여 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 가공 방법은 펄스폭이 펨토초, 피코초, 나노초 중 선택되는 어느 한 가지인 레이저 광을 사용하여 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 가공 방법은 다중의 레이저 광이 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 동시 선형 조사되어 다중 선로가 형성될 때, 상기 가공 대상물(500) 표면에 압축 가스가 분사되어 초음속 단열 팽창을 통해 상기 가공 대상물(500) 표면이 직접 냉각되며, 상기 가공 대상물(500) 표면의 이물질 및 가공 부산물이 제거되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 가공 방법은 레이저 광의 진행 방향에 대하여 레이저 편광이 수직이 되도록 하여 상기 가공 대상물(500) 표면에 편광된 레이저가 조사되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 가공 방법은 2중 광을 사용하여 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 장치는, 웨이퍼(510) 또는 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)로 형성되는 가공 대상물(500)에 패턴을 형성하거나 절단을 수행하는 미세 가공 장치(100)에 있어서, 상기 미세 가공 장치(100)는, 레이저 및 상기 가공 대상물(500)의 특성에 따라 결정되는 소정 간격(D)으로 서로 이격된 다중의 레이저 광을 상기 가공 대상물(500) 표면 상에 조사하여 가공을 수행하는 광 조사부(110), 상기 가공 대상물(500)이 그 위에 배치되는 스테이지(120), 및 상기 광 조사부(110) 및 상기 스테이지(120)의 상대 위치를 이동시키는 이동수단(130)을 포함하여 이루어지되, 상기 광 조사부(110)에서 조사되는 다중 광이 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 패턴 형상에 상응하도록 조사되어 다중 선로를 형성시키고, 상기 형성된 다중 선로의 내측부가 패턴 형성 과정에서 발생하는 충격파(shockwave) 에너지에 의해 자발적으로 제거되어 패턴이 형성되거나 또는 다중 선로 부위가 절단되어 절단이 수행되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 소정 간격(D)은 하기의 수학식에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
D ≤ 2x0
여기에서,
레이저 광은 2중으로 조사되며, 2중 광이 상기 가공 대상물(500) 표면에 조사되는 각 위치를 서로 연결하는 선분의 중심점을 0이라 하고, 상기 선분 상에서의 임의의 위치를 x라 하고, 상기 선분의 각 끝점의 좌표를 -x0 및 x0라 할 때,
1) 상기 가공 대상물(500)이 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)일 경우,
Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
Fshock(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
Fshock(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
2) 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510)로만 이루어져 있는 경우,
Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
Fshock(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
3) 외부로부터 기계적인 힘이 가해지거나 2중 광 사이에 추가적으로 레이저 광이 조사되고, 상기 가공 대상물(500)이 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)일 경우,
Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 외부로부터 기계적으로 추가로 가해진 힘 또는 추가적으로 조사된 레이저 광에 의해 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
Fsum(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
Fsum(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
4) 외부로부터 기계적인 힘이 가해지거나 2중 광 사이에 추가적으로 레이저 광이 조사되고, 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510)로만 이루어져 있는 경우,
Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 외부로부터 기계적으로 추가로 가해진 힘 또는 추가적으로 조사된 레이저 광에 의해 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정된다.
Fsum(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
또한, 상기 광 조사부(110)는 레이저 광원(111); 상기 레이저 광원(111)으로부터 발산된 레이저 기본 광을 비선광학결정으로 통과시켜 최소한 2차 이상의 다차 조화파 광을 발생시키는 SHG(second harmonic generator, 112); 상기 SHG(112)를 통과하여 나온 광을 기본 광과 다차 조화파 광으로 분리하는 광 분리기(beam splitter, 113); 상기 광 분리기(113)를 통과하여 나온 기본 광 및 다차 조화파 광의 광경로를 조절하여 소정 간격 이격시키는 광학계(114); 상기 광학계(114)를 통과하여 나온 기본 광 및 다차 조화파 광을 합치는 광 결합기(beam combiner, 115); 상기 광 결합기(115)를 통과하여 나온 서로 소정 간격 이격된 기본 광 및 다차 조화파 광을 상기 가공 대상물(500) 표면 상에 조사 집속하는 광 집속기(116); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 조사부(110)는 자외선 영역 파장 이하의 파장을 가지는 레이저 광을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 조사부(110)는 펄스폭이 펨토초, 피코초, 나노초 중 선택되는 어느 한 가지인 레이저 광을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 가공 장치(100)는 압축 가스를 분사하여 초음속 단열 팽창을 통해 웨이퍼 표면을 직접 냉각하며, 상기 가공 대상물(500) 표면의 이물질 및 가공 부산물을 제거하는 노즐(140); 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 조사부(110)는 레이저 광의 진행 방향에 대하여 레이저 편광이 수직이 되도록 하여 상기 가공 대상물(500) 표면에 편광된 레이저가 조사되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 조사부(110)는 2중 광을 발생시켜 조사하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 분리기(113)는 이색성 광 분리기(dichroic beam splitter)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 결합기(115)는 이색성 광 분리기(dichroic beam splitter)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 레이저에 의한 물질의 국부적인 손상이나 제거 시 레이저 에너지의 선형적 혹은 비선형적인 흡수에 의하여 유발된 열적 변형에 의한 하부 기판 혹은 지지대에 공정 대상물인 웨이퍼 혹은 코팅된 박막의 부착력의 변화를 최소화함으로써 그 공정 품질을 뛰어나게 하며, 둘 혹은 그 이상의 레이저 빔이 시간적 공간적으로 잘 제어된 상태에서 절단 부위 혹은 패턴의 품질이 극대화되는 큰 효과가 있다. 즉 본 발명에 의하면, 가공 부산물이 제거된 후 남은 기판 부위의 손상이나, 절단면 자체의 칩 발생(chipping) 등에 의한 품질 손상을 최소화한다는 큰 효과가 있다.
더불어 본 발명에 의하면 레이저 광 간격을 제어함으로써 절단폭 혹은 패턴 선폭을 자유롭게 조절 가능한 효과가 있으며, 또한 공정상 레이저의 조사 방향에 직각으로 레이저의 편광을 제어함으로써 공정의 생산성 및 품질이 더욱 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 가공 부위에 압축 가스를 분사하여 직접 냉각에 의한 단열 팽창이 일어나도록 함으로써 가공 부산물의 자발적인 제거가 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 할 수 있으며, 또한 이 경우 웨이퍼를 구성하는 물질의 응집력 혹은 박막의 부착력 정도에 따라 외기 주입 가스의 단열팽창 정도를 제어함으로써 궁극적으로 기판의 공정상 온도를 제어함으로써 공정 품질을 최적화할 수 있는 큰 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 미세 가공 장치.
도 2는 본 발명의 미세 가공 장치 내 광 조사부의 구성도.
도 3은 본 발명의 미세 가공 장치 내 광학계의 한 실시예.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 미세 가공 방법의 원리.
도 8은 본 발명의 미세 가공 방법에 의해 가공된 결과물.
도 9는 종래 및 본 발명의 레이저 가공 방법에 의해 가공된 결과물 비교.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법을 간략히 설명하자면, 웨이퍼(510) 또는 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)로 형성되는 가공 대상물(500)에 패턴을 형성하거나 절단을 수행하는 미세 가공 방법에 있어서, 레이저 및 상기 가공 대상물(500)의 특성에 따라 결정되는 소정 간격(D)으로 서로 이격된 다중의 레이저 광이 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 패턴 형상에 상응하도록 조사되어 다중 선로를 형성시키고, 상기 형성된 다중 선로의 내측부가 패턴 형성 과정에서 발생하는 충격파(shockwave) 에너지에 의해 자발적으로 제거되어 패턴이 형성되거나 또는 다중 선로 부위가 절단되어 절단이 수행되도록 하는 것이다.
또한 이 때, 다중의 레이저 광이 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 동시 선형 조사되어 다중 선로가 형성될 때, 상기 가공 대상물(500) 표면에 압축 가스가 분사되어 초음속 단열 팽창을 통해 상기 가공 대상물(500) 표면이 직접 냉각되며, 상기 가공 대상물(500) 표면의 이물질 및 가공 부산물이 제거되도록 한다.
더불어, 본 발명의 미세 가공 방법에서는 상기 미세 가공 방법은 레이저 광의 진행 방향에 대하여 레이저 편광이 수직이 되도록 하여 상기 가공 대상물(500) 표면에 편광된 레이저가 조사되도록 하는 것이 바람직하며, 또한 펨토초 레이저 광을 사용하여 가공이 수행되도록 하는 것이 바람직하다. 더불어, 본 발명을 구체적으로 실현함에 있어서, 상기 다중 선로 공정은 2중 광에 의해 수행되어, 2중 선로의 내측부가 제거됨으로써 패턴 형성이 일어나도록 할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 미세 가공 방법을 구현하는 미세 가공 장치(100)를 도 1 및 도 2에 간략하게 도시하였다. 상술한 바와 같이 가공 대상물(500)에 본 발명의 미세 가공 방법을 수행하기 위하여, 본 발명의 미세 가공 장치(100)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 미세 가공 장치(100)는, 레이저 및 상기 가공 대상물(500)의 특성에 따라 결정되는 소정 간격(D)으로 서로 이격된 다중의 레이저 광을 상기 가공 대상물(500) 표면 상에 조사하여 가공을 수행하는 광 조사부(110), 상기 가공 대상물(500)이 그 위에 배치되는 스테이지(120), 및 상기 광 조사부(110) 및 상기 스테이지(120)의 상대 위치를 이동시키는 이동수단(130)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 광 조사부(110)에서 조사되는 다중 광이 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 패턴 형상에 상응하도록 조사되어 다중 선로를 형성시키고, 상기 형성된 다중 선로의 내측부가 패턴 형성 과정에서 발생하는 충격파(shockwave) 에너지에 의해 자발적으로 제거되어 패턴이 형성되거나 또는 다중 선로 부위가 절단되어 절단이 수행되게 된다.
상기 스테이지(120)는 상기 가공 대상물(500)이 놓여지게 되며, 이 때 상기 광 조사부(110)와 상기 스테이지(120)는 상기 이동수단(130)에 의해 상대 운동을 하게 된다. 상기 이동수단(130)은 물론, 상기 광 조사부(110)만 이동시키거나, 상기 스테이지(120)만 이동시키거나, 또는 둘 다를 이동시키도록 구성될 수 있는 등, 상기 광 조사부(110)와 상기 스테이지(120) 간의 상대 위치를 이동시킬 수만 있다면 그 어떤 형태로 구성되어도 무방하다.
더불어 상기 미세 가공 장치(100)는, 압축 가스를 분사하여 초음속 단열 팽창을 통해 웨이퍼 표면을 직접 냉각하며, 상기 가공 대상물(500) 표면의 이물질 및 가공 부산물을 제거하는 노즐(140)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 노즐(140)은 도 1에서는 상기 광 조사부(110)에 밀착되어 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 물론 이는 하나의 예시일 뿐으로 이로써 본 발명이 제한되는 것은 전혀 아니며, 사용자의 설계나 목적에 따라 상기 노즐(140)의 위치나 형태는 자유롭게 결정될 수 있다.
이 때, 상기 광 조사부(110)의 상세 구성을 도 2를 통해 보다 상세히 설명한다. 상기 광 조사부(110)는 레이저 광원(111), SHG(second harmonic generator, 112), 광 분리기(beam splitter, 113), 광학계(114), 광 결합기(beam combiner, 115), 광 집속기(116)를 포함하여 이루어지게 된다.
상기 레이저 광원(111)은 말 그대로 레이저 빔을 발생시키는 장치이다. 이후 보다 상세히 설명하겠지만, 상기 레이저 광원(111)에서는 펨토초 레이저를 발생시키도록 하는 것이 바람직하다.
상기 SHG(112)는 상기 레이저 광원(111)으로부터 발산된 레이저 기본 광을 비선광학결정으로 통과시켜 최소한 2차 이상의 다차 조화파 광을 발생시키며, 상기 광 분리기(113)는 상기 SHG(112)를 통과하여 나온 광을 기본 광과 다차 조화파 광으로 분리하게 된다.
상기 광학계(114)는 상기 광 분리기(113)를 통과하여 나온 기본 광 및 다차 조화파 광의 광경로를 조절하여 소정 간격 이격시키는 역할을 한다. 상기 SHG(112), 상기 광 분리기(113) 및 상기 광학계(114)의 일실시예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 광학계(114)에 의하여 기본 광과 다차 조화파 광의 광경로가 조절되며, 또한 이에 따라 각 광들 간 간격(D)가 조절될 수 있게 된다. 물론 도 3에 도시된 것은 하나의 실시예로서, 도 3으로 본 발명이 제한되는 것은 전혀 아니며, 기본 광과 다차 조화파 광의 광경로 및 간격을 조절할 수 있다면 상기 광학계(114)는 어떤 형태로 형성되어도 무방하다.
상기 광 결합기(115)는 상기 광학계(114)를 통과하여 나온 기본 광 및 다차 조화파 광을 합쳐 주게 되며, 마지막으로 상기 광 집속기(116)에서는 상기 광 결합기(115)를 통과하여 나온 서로 소정 간격 이격된 기본 광 및 다차 조화파 광을 상기 가공 대상물(500) 표면 상에 조사 집속하게 된다.
이하에서 본 발명 미세 가공 방법 및 장치에 적용된 단위기술들의 원리 또는 해당 단위기술들에 의한 기술적인 효과에 대하여 보다 상세히 설명한다.
가) 다중 선로 공정(rail-roading)에 의한 패터닝 원리
도 4를 기본적으로 참조하여, 본 발명의 다중 선로 공정에 의한 패터닝 원리에 대하여 보다 상세히 설명한다.
가공 대상물에 레이저를 조사할 때, 레이저가 직접 조사된 영역에서는, 최초에는 선형 혹은 비선형적인 레이저 흡수가 일어난다. 이와 같이 흡수된 에너지는 물질 내에서 일정한 밀도의 자유 전자 또는 정공을 발생시키게 된다. 이 때 발생된 자유 전자 또는 정공의 밀도가 어느 정도 이상이 되면 물질의 실질적인 삭마(ablation)가 일어나게 되는데, 이러한 현상이 두 다른 레이저 빔 선에서 동시에 일어남으로써 미시적으로 보아 박막의 타 영역으로부터 분리되도록 하게 된다.
한편 상술한 바와 같은 레이저를 매우 작은 영역에 집속하였을 경우, 가공 대상물이 레이저를 흡수함에 따라 발생되는 실질적인 삭마 현상과 더불어, 레이저에 의해 유발되는 음향 충격(acoustic-shock) 현상이 동시에 일어나게 된다. 이 때 발생하는 충격파 압력(shock-pressure)은 물질 내부에서 최초 등방적으로(isotropic) 발생하나, 특히 공정 대상물이 레이어 형태로 웨이퍼 상에 박막이 적층되어 형성된 형태로 이루어져 있는 경우, 이 충격파 압력은 박막과 웨이퍼 경계면을 따라 매우 빠르게 진행하게 된다. (SAW, surface-acoustic wave)
본 발명에서는 이와 같이 레이저에 의하여 유발된 SAW가, 다중 선로 상에서 동시에 발생되게 한다. 이 때, 레이저 공정 중 혹은 후에 발생하는 열적인 변화에 의한 삭마된 단면에서의 접착력의 변화가 없다고 가정하면, SAW가 박막에 가하는 힘이 다중 선로 내측부에 위치하는 박막의 총면적이 갖고 있는 하부 웨이퍼와의 접착력보다 커지면, 다중 선로 내측부의 박막이 자연스럽게 매우 효과적으로 들려 올라가 제거(lift-off, 이하 '리프트-오프'라고 칭함)될 수 있게 되는 것이다.
도 4에서는 2중 광을 사용한 경우를 보여 주고 있는데, CIGS 박막이 적층되어 있는 웨이퍼에서 본 발명의 다중 선로 공정에 의해 패터닝이 형성될 때 발생되는 각 힘들 간의 관계가 나타나 있다. 도 4에서 나타나는 바와 같이, 2중 광이 서로 이격된 소정 간격(D)에 따라 2중 선로 내측부에 전달되는 힘의 합력이 달라지게 되며, 따라서 2중 광 간의 소정 간격(D)이 너무 멀어지면 리프트-오프가 제대로 일어날 수 없는 바, 리프트-오프 현상이 효과적으로 일어날 수 있는 간격(D)을 결정하는 것이 중요하다.
또한, 박막이 적층된 웨이퍼가 아닌 일반 웨이퍼의 경우에도 이와 유사한 원리가 적용되게 된다. 레이저에 의하여 삭마가 수행되었을 때, 삭마된 부분의 끝단부에서는 크랙(crack)을 발생시키는 힘이 전파되게 되며, 이 힘이 다중 선로의 내측부에서는 서로 합쳐지게 된다. 웨이퍼를 구성하는 물질의 응집력보다 이 합력이 커지게 되면 다중 선로의 내측부의 삭마된 부분의 끝단부 깊이 위치에서 크랙이 발생 및 전파되게 되며, 따라서 다중 선로의 내측부가 얇게 떨어져 나와 역시 리프트-오프될 수 있게 된다. 물론 이 경우에도 리프트-오프 현상이 효과적으로 일어날 수 있는 간격(D)이 결정되어야 한다.
도 4 내지 도 7을 통해, 여러 가지 경우에 대한 상기 간격(D)을 결정하게 되는 이론적 배경 및 원리에 대하여 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다.
먼저 도 4의 실시예는 세라믹 기판(glass) 위에 몰리브덴(Mo)으로 배면 전극을 만들고 그 위에 CIGS(Cu(InGa)Se2) 박막이 적층되어 있는 형태의 가공 대상물에 2중 광을 조사하여 리프트-오프시키는 원리를 설명하고 있다. 도 4에서, Fa,CISG는 CIGS와 Mo 간의 부착력을, Fa,Mo은 Mo과 기판 간의 부착력을, Fc,CISG는 CIGS의 응집력을, Fc,Mo은 Mo의 응집력을, Fshock는 레이저 조사에 의해 발생되는 충격파에 의한 힘을 각각 나타내고 있다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이 x0 및 -x0의 위치에 두 다른 레이저 빔을 동시에 조사하였을 때, 소정 위치 x=x에서의 충격파 Fshock(x)는 두 다른 레이저 빔에 의한 충격파 Fshock,1(x0,x) 및 Fshock,2(-x0,x)의 합으로 표시 가능하므로 다음과 같이 표현할 수 있다.
Fshock(x) = Fshock,1(x0,x) + Fshock,2(-x0,x)
한편 Fshock(x)는 레이저가 조사된 위치 즉 x0 및 -x0 위치에서 CIGS의 응집력 Fc,CIGS보다 커야 CIGS 박막을 절단할 수 있으며, 또한 x0 와 -x0 구간 내에서는 CIGS와 Mo 간의 부착력 Fa,CIGS보다 커야 CIGS를 Mo로부터 분리해 낼 수 있다. 즉 다중 선로 공정에 의한 패턴 형성이 가능하도록 하기 위하여 다음의 식을 만족하여야 한다.
Fshock(x=x0, -x0) > Fc,CIGS(x=x0, -x0)
Fshock(x0>x>-x0) > Fa,CIGS(x0>x>-x0)
이상의 식들을 정리하면, 상기 소정 간격 (D)는 다음의 식과 같이 나타날 수 있다.
D ≤ x0 - (-x0) = 2x0
도 5는 보다 일반화된 가공 대상물에 대하여 상기 소정 간격(D)의 결정 원리를 설명하는 도면이다. 도 5(A)에는 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510) 상에 박막(520)이 적층되어 있는 형태를, 도 5(B)에는 상기 가공 대상물(500)이 그냥 웨이퍼(510)로만 되어 있는 형태를 각각 도시하고 있다. 도 5(A)의 예시는 도 4에 도시된 실시예와 같은 것으로 간주할 수 있다. (엄밀하게는 도 5(A)에서의 웨이퍼는 도 4에서의 세라믹 기판(glass)와 대응될 수 있으나, 도 4에서의 세라믹 기판에 Mo이 적층 형성된 물체 전체를 웨이퍼(510)로 간주하면 도 5(A)의 예시와 도 4의 예시는 동일하게 된다.)
도 5(A)의 경우 충격파에 의한 힘(Fshock)은, x0 및 -x0 위치에서는 박막(520)의 응집력보다 커야 하고, x0 와 -x0 사이에서는 박막(520)과 웨이퍼(510) 간의 부착력보다 커야 한다. 따라서 이 경우, D의 조건은 다음과 같은 식으로 나타날 수 있다.
D ≤ 2x0
여기에서, Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정된다.
Fshock(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
Fshock(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
도 5(B)의 경우에는 충격파의 합력에 의하여 2중 광의 내측부 위치의 웨이퍼(510) 내부에 크랙이 발생하고, 이 크랙에 의하여 리프트-오프 현상이 일어나게 된다. 따라서 이 경우 충격파에 의한 힘(Fshock)은, x0 및 -x0 위치 및 x0 와 -x0 사이 모두에서 웨이퍼(510)의 응집력보다 커야 한다. 따라서 이 경우, D의 조건은 다음과 같은 식으로 나타날 수 있다.
D ≤ 2x0
여기에서, Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정된다.
Fshock(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
한편 도 6에서는 2중 광 이외의 제 3의 레이저 빔 혹은 기계적인 방법 등을 이용하여 부가적인 힘 (Fadd)을 가함으로써 이상의 발명의 효과를 극대화 할 수 있는 윈라를 설명하고 있다. 즉 2중 선로에 의하여 가해진 힘(Fshock)이 대상 재료의 응집력 및 부착력보다 적은 경우일 경우, 이상의 부가적인 힘 (Fadd)과의 합이 되는 힘 (Fsum)이 응집력 및 부착력보다 크게 함으로써 원하는 패터닝이 가능하게 할 수 있다.
도 7에서는 이를 일반화시킨 도면을 도시하고 있다. 도 7(A)에는 (도 5(A)와 같이) 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510) 상에 박막(520)이 적층되어 있는 형태를, 도 7(B)에는 (역시 도 5(B)와 같이) 상기 가공 대상물(500)이 그냥 웨이퍼(510)로만 되어 있는 형태를 각각 도시하고 있다.
도 7(A)의 경우 충격파에 의한 힘(Fshock)과 추가 힘(Fadd, 다른 레이저 광에 의한 힘 또는 외부에서 가해진 기계적인 힘 등)의 합력(Fsum)은, x0 및 -x0 위치에서는 박막(520)의 응집력보다 커야 하고, x0 와 -x0 사이에서는 박막(520)과 웨이퍼(510) 간의 부착력보다 커야 한다. 따라서 이 경우, D의 조건은 다음과 같은 식으로 나타날 수 있다.
D ≤ 2x0
여기에서, Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정된다.
Fsum(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
Fsum(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
도 7(B)의 경우 합력(Fsum)은, x0 및 -x0 위치 및 x0 와 -x0 사이 모두에서 웨이퍼(510)의 응집력보다 커야 한다. 따라서 이 경우, D의 조건은 다음과 같은 식으로 나타날 수 있다.
D ≤ 2x0
여기에서, Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정된다.
Fsum(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
나) 레이저 광원: 종래의 레이저 공정에서의 열변화에 의한 악영향 제거를 위한 UV 레이저공정 및 초고속레이저 공정 우의성
한편 종래의 레이저 가공 방법, 즉 선형 흡수에 의존하는 기존의 나노초 혹은 그 이상의 펄스폭을 갖는 레이저를 재료에 직접 조사하는 레이저 가공 방법의 경우, 투여된 에너지 중 물질의 기화에 필요한 에너지를 제외한 상당한 수준의 레이저는 집속 영역 이외로 빠르게 확산(diffusion)되어 부분적으로 박막을 용융하게 된다. 이 때 레이저 공정 후에 이면은 매우 빠르게 온도가 감소하면서 다시 하부 웨이퍼에 공정 전과는 확연히 다른 상태로 접착된다. (이는 일종의 고온 큐어링 현상(high-temperature curing)이 매우 국소적으로 일어나는 것으로 이해할 수 있다.) 따라서 레이저 조사된 부위의 박막의 접착력은 타 부분과 완전히 다른 형태가 됨으로 레이저 유발 충격파에 의한 리프트-오프의 질적인 품질 저하가 유발된다. 이와 같은 레이저 유발 용융에 의한 접착력 변화를 극복할 수 있을 정도의 SAW를 발생하기 위하여 레이저 플루언스(fluence)를 증가시킬 경우 두 선로간 사이 이외의 박막에까지도 힘이 미치게 되어, 원하지 않는 영역에서의 박리(delamination) 혹은 칩 발생(chipping) 현상을 방지하도록 제어하는 것은 매우 어려운 것이 사실이다.
본 발명에서는 자외선 영역의 레이저, 초고속 레이저와 같은 레이저를 사용하도록 함으로써, 레이저 공정 중 발생되는 레이저 유발 열에너지를 극소화할 수 있다. 이러한 레이저 공정 기술은 공정 단면의 변화를 최소화할 수 있다는 큰 장점을 가진다. 구체적으로, 본 발명에서 이와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 하기 위해서 펨토초 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상술한 바와 같은 본 발명의 기술을 구현하기 위하여서는, 레이저 광을 투여한 영역 x0 및 -x0에서 레이저에 의하여 열적인 변형이 발생하여 응집력 및 부착력이 증가하는 경우, 가)에서 기술한 조건들을 만족하기 위하여 부가적인 충격 에너지가 필요하게 된다. 따라서 레이저 가공 시 발생할 수 있는 열적인 변형에 의한 부착력 및 응집력의 증가를 최소화할 수 있는 레이저 광을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서의 실시예에서는 펨토초 레이저 광을 사용하여 가공을 수행하여 이러한 조건이 만족하는 것을 확인하였으며, 다른 레이저 미세 가공 방법 즉 나노초 혹은 피코초 레이저의 경우에도 자외선 영역의 파장을 사용하는 경우 대상 물질의 열적 변형을 최소화하며 가)에서 기술한 조건들을 만족함을 실험적으로 확인하였다. 따라서 본 발명의 미세 가공 방법에서 사용되는 레이저는 자외선 영역 파장 이하의 파장을 가지는 것이 바람직하다.
즉 요약하자면, 본 발명의 다중 선로 공정에 사용되는 레이저는 대상 물질의 물리적인 특성 변화를 최소화할 수 있어야 하며, 또한 국소적인 선로 및 충격파를 발생할 수 있어야 한다. 본 발명에서 사용되는 레이저는 이러한 조건을 만족시키도록, 펄스폭이 펨토초 혹은 피코초인 초고속 레이저이거나, 또는 펄스폭이 피코초나 나노초인 레이저의 경우에도 자외선 영역 이하의 파장을 가지는 레이저가 되도록 한다. 실용적인 관점에서 보자면, 본 발명의 방법 및 장치를 실제로 구현함에 있어서, 물론 본 발명의 실시예에서와 같이 펨토초 레이저와 같은 초고속 레이저를 사용하여 가장 좋겠으나, 본 발명을 상용화할 경우 상대적으로 장비 구성 비용이 저렴한 나노초 레이저를 사용하되 자외선 영역 이하의 파장을 가지도록 함으로써, 상술한 바와 같은 조건(가공 대상물의 물리적 특성 변화 최소화, 국소적 선로 및 충격파 발생 가능)을 만족시키도록 할 수 있다.
더불어, 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 공정 단면의 변화를 최소화하게 되므로, 패턴 형성 공정 뿐만 아니라 절단 공정에서도 공정의 품질을 크게 높일 수 있다. 패턴 형성 공정 시에는, 박막이 적층된 웨이퍼의 경우 박막의 두께만큼, 일반 웨이퍼의 경우 원하는 깊이만큼 레이저 조사에 의한 삭마가 일어나도록 하면 되고, 절단 공정 시에는 가공 대상물의 두께만큼의 삭마가 발생될 수 있는 정도의 에너지를 가지는 레이저를 조사하면 된다.
다) 노즐: 초음속 가스 분사 효과
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 펨토초 레이저와 같은 초고속 레이저를 사용하여 다중 선로를 형성하고(rail-roading), 이에 따라 다중 선로의 내측부에서 리프트-오프 현상이 일어나게 되어 자발적으로 박막 또는 웨이퍼 표면의 일부가 제거됨으로써 패턴이 형성되게 된다. (또는 가공 대상물의 두께만큼 삭마가 일어나 절단이 수행된다.) 이 때, 패턴이 형성되거나 절단이 수행되는 부분에 압축 가스를 분사함으로써, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
최근의 미세 공정용 레이저의 PRR(pulse repetition rate)은 수십 kHz 이상 1 MHz 이상까지 매우 높게 설정되어 있는데, 이는 총 레이저 출력을 높임과 동시에 공정 생산성을 증대하고자 하는 경향 때문이다. 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 단일 펄스 하나하나에 의한 집속 부위의 열에너지 증가에 의한 온도 변화는 비교적 물질을 변화시키는 영향이 적게 발생되기는 하나, 투여된 펄스 열이 열적 완화(thermal relaxation) 시간 상수에 비하여 매우 빠르게 투여되는 경우 축적된 열효과로 인하여 궁극적으로 조사 영역의 레이저 유발 온도 변화는 무시하지 못할 만큼 높아지게 된다. 이 효과는 대상 재료의 기계적인 손상(damage)을 야기함으로써 항보 강도를 감소시킬 뿐만 아니라, 앞서 논의한 바와 같이 박막 공정 단면에서 하부 웨이퍼에 부착된 접착력(adhesion force)에 국부적인 변형을 야기하여 효과적인 다중 선로 공정을 방해하도록 할 가능성이 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점이 발생되는 것을 극복하도록, 즉 효과적으로 레이저 유발 열에너지를 확산(diffusion)시킬 수 있도록, 단열팽창에 의하여 가공 부위에 저온화된 압축 가스를 집속하여 상기 축적된 열의 효과적인 완화(relaxation)을 유발시키게 하는 것이다. 물론 이에 따라 리프트-오프 역시 보다 효과적으로 일어날 수 있게 된다.
또한, 이와 같이 압축 가스를 가공 부위에 분사하여 줌에 따라, 레이저 유발 SAW를 공간적으로 제한함으로써 좀더 효과적으로 박막의 리프트-오프가 일어나도록 할 수 있다. 즉, 고압의 압축 가스가 국부적으로 집속됨에 따라, 레이저가 집속된 부위에서의 충격파가 가공 대상물의 상측 방향, 즉 공기 중으로 전파하는 것을 매우 효과적으로 제한하고, 궁극적으로는 충격파가 보다 더 효과적으로 박막 방향으로 전파되도록 한다. 이를 풀어서 설명하자면, 압축 가스가 다중 선로의 외측부 쪽으로 분사되도록 함으로써, 다중 선로 외측부로 확산되어 나가는 충격파를 압축 가스에 의해 발생되는 압력으로 상쇄시켜 줌으로써 다중 선로 외측부로의 박리 또는 크랙 전파를 효과적으로 막을 수 있으며, 이에 따라 다중 선로 내측부에서의 리프트-오프가 보다 더 효과적으로 수행될 수 있게 되는 것이다.
상기 압축 가스는, 열용량이 크며 물질의 전기적, 물리적, 광학적인 특성에 영향을 주지 않는 압축 가스로서, 공정상 레이저 펄스의 중첩에 따른 축적열(accumulated thermal energy)에 의하여 증가되는 공정 대상 물질의 온도가 대상 물질의 녹는점과 같은 열변형 온도보다 낮도록 냉각할 수 있도록 하면 된다. 이러한 조건을 만족하는 압축 가스의 구체적인 종류나 특성에 대해서는 본 출원인에 의해 출원된 한국특허출원 제2010-0085412호("웨이퍼 가공 및 그 장치", 정세채 외)에 상세히 기재되어 있는 바, 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
라) 광학계: 편극(polarization) 효과
일반적으로 레이저의 편극(polarization)에 따른 충격파 발생은 등방적인 형태로 발생한다. 한편 이미 만들어진 미소 크랙(micro-crack)이 표면에 대하여 직각의 경우, 크랙 방향에 평행한 편극을 갖는 경우와 그 반대의 경우에 각기 다른 LIEF(Light Intensity enhancement factor)를 가지며, 특히 후자의 경우가 전자의 경우에 비하여 3.9/2.7 정도 크고, 더욱 특이하게는 후자의 경우 크랙의 깊은 곳에서의 LIEF의 최대치가 이룩된다는 것이 이론적으로 밝혀진 바 있다.(F. Y. Genin, A. Salleo, T. V. Pistor, and L. L. Chase, "Role of light intensification by cracks in optical breakdown on surfaces" Vol. 18, No. 10/October 2001/J. Opt. Soc. Am. A 2607-2617) 이러한 이론에 따르면, 동일한 에너지를 투여한 경우 상기 편광을 갖는 레이저 광학체계를 선택하는 경우, 이전에 만들어진 레이저 가공 선에 의하여 삭마 단면의 깊은 곳에서 좀더 효과적으로 LIFE를 박막과 하부 웨이퍼간의 계면에 에너지를 국부화(localizing)하여 충격파 압력(shock-pressure)를 원하는 곳에서 발생할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에서는 상술한 바와 같은 이론적인 실험 결과에 의거하여, 레이저가 진행하는 방향에 대하여 레이저 편광을 직각으로 하도록 하는 광학계를 더 구비시켜 줌으로써, 동일한 레이저 플루언스에서도 더욱 효과적으로 충격파 압력를 야기시킴으로써 편극 방향 제어에 의한 기술적인 진보성을 이룩할 수 있다.
마) 다중 선로 공정: 제한적인 영역 조사에 의한 넓은 면적의 리프트-오프 야기를 통한 생산성 증대 효과
일반적으로 특정 영역의 재료의 부분을 레이저를 이용하여 삭마함으로써 제거하고자 하는 경우 원하는 영역의 전부에 레이저를 투사하여야 한다. 특히 공정하고자 하는 영역이 비교적 넓고 레이저의 단위 펄스당 에너지가 낮아서, 집속된 단면적을 넓은 영역에 조사되는 경우 삭마 임계 플루언스 값에 비하여 적게 되는 경우가 있다. 또한 주어진 레이저 출력을 사용하여 원하는 정도의 깊이의 절단을 이룩하지 못하는 경우도 발생할 수 있다. 일상적으로 레이저 공정에서는 이상의 원하는 면적을 원하는 깊이로 삭마하기 위하여 한 번 이상 레이저를 스캐닝(scanning)하여 주어진 공정을 수행하는데, 이에 따라 상대적으로 생산성 저하가 일어나게 된다.
본 발명에서는, 원하는 패턴 면적 전체에 대하여 레이저를 조사하지 않고 국부적으로 매우 적은 영역 즉 선로 상에만 레이저를 조사하여 삭마에 의해서는 박막 두께에 해당하는 깊이만이 절단되도록 하고, 가)에서 설명된 바와 같이 삭마 시 부가적으로 발생하는 SAW를 이용하여 다중 선로의 내측부가 제거되도록 함으로써, 상대적으로 적은 레이저 출력을 갖고도 원하는 넓은 면적의 박막을 하부 웨이퍼로부터 제거할 수 있다. 따라서 본 발명에서 제안한 방법은 기존의 레이저 공정에 비하여 훨씬 뛰어난 생산성을 발휘할 수 있게 되는 것이다.
바) 광학계: SHG 결합 광학계 채택에 따른 레이저 에너지의 사용 극대화를 통한 생산성 증대효과
상술한 바와 같이 본 발명에서는 다중 선로, 최소한으로는 2중 선로가 형성되도록 하여야 하는 바, 반드시 레이저 빔을 두 개 이상으로 나누어 집속하여야 한다. 한편 요구되는 높은 공정 정밀도를 고려하면, 일반적인 레이저 빔 사이즈보다 매우 적은 간격으로 레이저 빔을 이격한 후 비교적 높은 배율의 대물 렌즈를 이용하여 집속하여야 한다. 예를 들어 수직 입사(telecentric) 렌즈를 이용하는 경우 공정 정밀도에 해당하는 정도의 레이저 빔간 간격을 이격하여야만 한다. 이를 위하여 일반적으로는, 레이저로부터 얻어진 빔을 광 분리기(beam splitter)를 이용하여 두 빔으로 분리한 후 또 다른 광 분리기를 이용하여 결합(combining)하는 방식을 사용하게 된다. 이 경우 편극(polarization)이 다른 두 레이저빔의 경우 편광 광 분리기(polarization beam splitter)를 이용하여 비교적 에너지 손실(energy loss) 없이 두 빔을 다시 원하는 간격으로 이격한 상태에서 합치할 수 있다. 그러나 이상의 방법은 현실적으로 원하는 정도를 갖는 레이저 빔 간 간격을 동일 파장 및 동일 편광을 가지면서도 레이저 출력의 손실 없이 레이저 빔을 이격할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명에서는 이를 극복하고자 레이저의 기본(fundamental) 출력 빔을 비선형 광학결정을 통과하여 2차 조화파(second harmonic generation)를 발생하여 공정에 적용함으로써, 출력의 손실 없이 레이저 빔을 이격할 수 있도록 한다. 즉 도 2에서 보여주는 바와 같이 레이저가 먼저 SHG(111)를 투과하면, 레이저의 기본(fundamental) 파장 및 이의 2차 조화파에 해당하는 파장의 레이저 빔이 동시에 있는 빔이 된다. 이를 광 분리기(112)를 이용하여 기본 파장에 해당하는 빔을 분리해 낸다. 이 때 상기 광 분리기(112)는 이색성 광 분리기(dichroic beam splitter)인 것이 바람직하다. 상기 광 분리기(112)에서 분리된 2차 조화파 레이저 빔은 상기 광학계(114)를 통해 다른 경로로 우회되며, 이에 따라 레이저 총 에너지의 손실 없이 두 개의 빔이 발생되도록 할 수 있다. 그 후 일정한 광 경로를 통한 후에 광 결합기(115)를 사용하여, 기본 파장 레이저 빔과 2차 조화파 레이저 빔을 결합(combining)하게 된다. 이 때 상기 광 결합기(115) 역시 이색성 광 분리기(dichroic beam splitter)인 것이 바람직하다.
이와 같이 장치를 구성함으로써, 에너지의 손실 없이 두 개 이상의 레이저 빔을 얻을 수 있으며, 또한 레이저 빔 간 간격을 원하는 만큼 조절할 수 있게 된다. 이와 같이 얻어진 다중 광을 광 집속부(115)를 통하여 박형 웨이퍼 혹은 웨이퍼 상에 적층된 박막에 집속함으로써 다중 선로 공정을 수행할 수 있다. 이는 기존의 방법에 비하여 레이저 에너지의 사용 극대화를 통한 생산성 증대 효과를 얻을 수 있게 한다. 상기 광 집속부(115)는 단순히 단일의 대물 렌즈로 이루어질 수 있으며, 물론 사용자의 설계나 목적에 따라 2개 이상의 렌즈 등으로 이루어지는 광학계로 형성될 수도 있다.
사) 박형 웨이퍼 다이싱 절단 시 하부 지지(supporting) 구조
본 발명에서 고안한 다중 선로 공정을 사용하여 박형 웨이퍼를 절단 혹은 다이싱(dicing)하는 경우에 다음과 같은 지지 구조를 갖는 경우 생산성 및 품질을 향상을 극대화할 수 있다.
조사된 레이저의 에너지가 절단 혹은 다이싱하고자 하는 재료에 비하여 지지 구조물이 매우 효과적으로 흡수하여 흡수 유발 충격파가 매우 높은 효율로 발생하는 경우, 레이저 빔 조사선 간 내부 영역에 리프트-오프 현상이 증대된다. 또한 지지 구조물은 절단 혹은 다이싱하고자 하는 재료와의 접착력(adhesion force)이 단일 레이저 펄스에 의하여 생성되는 음향 충격 압력(acoustic shock pressure)에 의한 힘과 비슷하도록 설계된 경우, 원하는 칩의 면적이 두 레이저 빔에 의한 선간 영역 보다 크다면 칩의 박리 없이 매우 효과적으로 절단 혹은 다이싱할 수 있다. 도 8에서 보여주는 바와 같이 이러한 기술적인 검토 사항은 특히 몰리브데넘(molybdenum) 등과 같은 금속을 하부 전극으로 사용되는 증착식(deposition type)의 태양 전지(solar cell)의 패터닝에서 매우 효과적으로 작용함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 의하여 가공된 CIGS 형 태양 전지 공정에서 필수적인 P3 패터닝을 수행한 결과의 광학사진(A), 전자현미경(SEM) 사진(B) 및 원자력 현미경(AFM) 사진(C)을 각각 보여주고 있다.
도 9는 제시된 통상적으로 사용되고 있는 레이저를 이용하여 웨이퍼 위에 적층된 박막을 패터닝하였을 때 형성되는 패턴 결과(A), 잘 부서지는 성질을 가지는(brittle) CIGS 박막의 상부에 다이아몬드 바늘을 접촉하여 긁는 기계적인 방식을 통해 통상적으로 얻어지는 패턴 결과(B) 및 본 발명의 공정에 의해 형성된 패턴 결과(C)를 비교하여 보여주고 있다. 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 레이저를 이용한 패터닝의 경우 패턴 선이 염주 모양을 형성하게 되며(도 9(A)), 또한 기계적인 방법을 사용할 경우 패턴 주변이 깨져 나가는 손상이 매우 많이 발생하는 등(도 9(B)) 불량한 결과가 나오고 있는 반면, 본 발명의 방법 및 장치에 의하여 형성된 패턴은 도 9(C)에 도시되어 있는 바와 같이 높은 공정 정밀도를 가지는, 매우 우수한 결과가 나옴을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 미세 가공 장치
110: 광 조사부
111: 레이저 광원 112: SHG(second harmonic generator)
113: 광 분리기(beam splitter) 114: 광학계
115: 광 결합기(beam combiner) 116: 광 집속기
120: 스테이지 130: 이동수단
140: 노즐
500: 가공 대상물
510: 웨이퍼 520: 박막

Claims (17)

  1. 웨이퍼(510) 또는 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)로 형성되는 가공 대상물(500)에 패턴을 형성하거나 절단을 수행하는 미세 가공 방법에 있어서,
    레이저 및 상기 가공 대상물(500)의 특성에 따라 결정되는 소정 간격(D)으로, 레이저 가공 부위가 서로 겹치지 않도록 이격된 다중의 레이저 광이 동시에 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 패턴 형상에 상응하도록 조사되어 다중 선로를 형성시키고, 상기 형성된 다중 선로의 내측부가, 상기 다중의 레이저 광의 조사 부위 각각에서 발생되는 충격파들 중 상기 다중 선로의 내측부 방향의 횡방향으로 작용하는 충격파(shockwave) 에너지의 합에 의해 자발적으로 제거되어 패턴이 형성되거나 또는 다중 선로 부위가 절단되어 절단이 수행되도록 하며,
    가공 시 가공 부위의 열적 변형이 방지되도록, 상기 레이저 광은 펨토초, 피코초, 나노초 중 선택되는 어느 한 가지 펄스폭을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 소정 간격(D)은
    하기의 수학식에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법.
    D ≤ 2x0
    여기에서,
    레이저 광은 2중으로 조사되며, 2중 광이 상기 가공 대상물(500) 표면에 조사되는 각 위치를 서로 연결하는 선분의 중심점을 0이라 하고, 상기 선분 상에서의 임의의 위치를 x라 하고, 상기 선분의 각 끝점의 좌표를 -x0 및 x0라 할 때,
    1) 상기 가공 대상물(500)이 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)일 경우,
    Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
    Fshock(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
    Fshock(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
    2) 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510)로만 이루어져 있는 경우,
    Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
    Fshock(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
    3) 외부로부터 기계적인 힘이 가해지거나 2중 광 사이에 추가적으로 레이저 광이 조사되고, 상기 가공 대상물(500)이 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)일 경우,
    Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 외부로부터 기계적으로 추가로 가해진 힘 또는 추가적으로 조사된 레이저 광에 의해 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
    Fsum(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
    Fsum(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
    4) 외부로부터 기계적인 힘이 가해지거나 2중 광 사이에 추가적으로 레이저 광이 조사되고, 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510)로만 이루어져 있는 경우,
    Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 외부로부터 기계적으로 추가로 가해진 힘 또는 추가적으로 조사된 레이저 광에 의해 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정된다.
    Fsum(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
  3. 제 1항에 있어서, 상기 미세 가공 방법은
    자외선 영역 파장 이하의 파장을 가지는 레이저 광을 사용하여 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 미세 가공 방법은
    다중의 레이저 광이 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 동시 선형 조사되어 다중 선로가 형성될 때,
    상기 가공 대상물(500) 표면에 압축 가스가 분사되어 초음속 단열 팽창을 통해 상기 가공 대상물(500) 표면이 직접 냉각되며, 상기 가공 대상물(500) 표면의 이물질 및 가공 부산물이 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 미세 가공 방법은
    레이저 광의 진행 방향에 대하여 레이저 편광이 수직이 되도록 하여 상기 가공 대상물(500) 표면에 편광된 레이저가 조사되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 미세 가공 방법은
    2중 광을 사용하여 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 방법.
  8. 웨이퍼(510) 또는 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)로 형성되는 가공 대상물(500)에 패턴을 형성하거나 절단을 수행하는 미세 가공 장치(100)에 있어서,
    상기 미세 가공 장치(100)는, 레이저 및 상기 가공 대상물(500)의 특성에 따라 결정되는 소정 간격(D)으로 서로 이격된 다중의 레이저 광을 동시에 상기 가공 대상물(500) 표면 상에 조사하여 가공을 수행하는 광 조사부(110), 상기 가공 대상물(500)이 그 위에 배치되는 스테이지(120), 및 상기 광 조사부(110) 및 상기 스테이지(120)의 상대 위치를 이동시키는 이동수단(130)을 포함하여 이루어지되,
    상기 광 조사부(110)에서 조사되는 다중 광이 상기 가공 대상물(500)의 표면 상에 패턴 형상에 상응하도록 조사되어 다중 선로를 형성시키고, 상기 형성된 다중 선로의 내측부가 패턴 형성 과정에서 발생하는 충격파(shockwave) 에너지에 의해 자발적으로 제거되어 패턴이 형성되거나 또는 다중 선로 부위가 절단되어 절단이 수행되며,
    상기 광 조사부(110)는, 레이저 광원(111); 상기 레이저 광원(111)으로부터 발산된 레이저 기본 광을 비선광학결정으로 통과시켜 최소한 2차 이상의 다차 조화파 광을 발생시키는 SHG(second harmonic generator, 112); 상기 SHG(112)를 통과하여 나온 광을 기본 광과 다차 조화파 광으로 분리하는 광 분리기(beam splitter, 113); 상기 광 분리기(113)를 통과하여 나온 기본 광 및 다차 조화파 광의 광경로를 조절하여 소정 간격 이격시키는 광학계(114); 상기 광학계(114)를 통과하여 나온 기본 광 및 다차 조화파 광을 합치는 광 결합기(beam combiner, 115); 상기 광 결합기(115)를 통과하여 나온 서로 소정 간격 이격된 기본 광 및 다차 조화파 광을 상기 가공 대상물(500) 표면 상에 조사 집속하는 광 집속기(116); 를 포함하여 이루어지고,
    가공 시 가공 부위의 열적 변형이 방지되도록, 상기 레이저 광은 펨토초, 피코초, 나노초 중 선택되는 어느 한 가지 펄스폭을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 소정 간격(D)은
    하기의 수학식에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 장치.
    D ≤ 2x0
    여기에서,
    레이저 광은 2중으로 조사되며, 2중 광이 상기 가공 대상물(500) 표면에 조사되는 각 위치를 서로 연결하는 선분의 중심점을 0이라 하고, 상기 선분 상에서의 임의의 위치를 x라 하고, 상기 선분의 각 끝점의 좌표를 -x0 및 x0라 할 때,
    1) 상기 가공 대상물(500)이 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)일 경우,
    Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
    Fshock(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
    Fshock(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
    2) 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510)로만 이루어져 있는 경우,
    Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
    Fshock(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
    3) 외부로부터 기계적인 힘이 가해지거나 2중 광 사이에 추가적으로 레이저 광이 조사되고, 상기 가공 대상물(500)이 박막(520)이 적층된 웨이퍼(510)일 경우,
    Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 외부로부터 기계적으로 추가로 가해진 힘 또는 추가적으로 조사된 레이저 광에 의해 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,film은 박막의 응집력, Fa,film은 박막과 웨이퍼 간의 부착력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정되고,
    Fsum(x = x0, -x0) > Fc,film(x = x0, -x0)
    Fsum(-x0 < x < x0) > Fa,film(-x0 < x < x0)
    4) 외부로부터 기계적인 힘이 가해지거나 2중 광 사이에 추가적으로 레이저 광이 조사되고, 상기 가공 대상물(500)이 웨이퍼(510)로만 이루어져 있는 경우,
    Fshock는 2중 광 레이저 조사에 의해 발생된 충격파들의 합력, Fadd는 외부로부터 기계적으로 추가로 가해진 힘 또는 추가적으로 조사된 레이저 광에 의해 추가로 가해진 힘, Fsum은 Fshock +Fadd, Fc,wafer는 웨이퍼의 응집력이라 할 때, x0는 하기의 조건에 의하여 결정된다.
    Fsum(-x0 ≤ x ≤ x0) > Fc,wafer(-x0 ≤ x ≤ x0)
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서, 상기 광 조사부(110)는
    자외선 영역 파장 이하의 파장을 가지는 레이저 광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 장치.
  12. 삭제
  13. 제 8항에 있어서, 상기 미세 가공 장치(100)는
    압축 가스를 분사하여 초음속 단열 팽창을 통해 웨이퍼 표면을 직접 냉각하며, 상기 가공 대상물(500) 표면의 이물질 및 가공 부산물을 제거하는 노즐(140);
    을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 장치.
  14. 제 8항에 있어서, 상기 광 조사부(110)는
    레이저 광의 진행 방향에 대하여 레이저 편광이 수직이 되도록 하여 상기 가공 대상물(500) 표면에 편광된 레이저가 조사되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 장치.
  15. 제 8항에 있어서, 상기 광 조사부(110)는
    2중 광을 발생시켜 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 장치.
  16. 제 8항에 있어서, 상기 광 분리기(113)는
    이색성 광 분리기(dichroic beam splitter)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 장치.
  17. 제 8항에 있어서, 상기 광 결합기(115)는
    이색성 광 분리기(dichroic beam splitter)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 다중 선로 공정에 의한 웨이퍼 미세 가공 장치.
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