KR101312284B1 - 레이저 가공 방법 - Google Patents

Abstract

<과제> 사파이어 기판 등의 취성 재료 기판을 분단할 때에, 비산물없이, 또한 비교적 두께가 두꺼운 기판에 있어서도 주사수를 줄여 용이하게 분단할 수 있도록 한다.
<해결 수단> 이 레이저 가공 방법은, 펄스 레이저 광선을 조사(照射)하여 취성 재료 기판을 분단하는 레이저 가공 방법이고, 제1 및 제2 공정을 포함하고 있다. 제1 공정은, 소정의 반복 주파수의 펄스 레이저광을, 집광점이 취성 재료 기판의 내부에 위치하도록 조사하고, 취성 재료 기판의 내부에 개질 층을 형성한다. 제2 공정은 펄스 레이저광을 분단 예정 라인을 따라 주사한다. 그리고, 이상의 공정에 의하여, 취성 재료 기판의 두께 t에 대하여, 두께 t의 15% 이상 55% 이하의 길이로 개질 층으로부터 기판의 표면을 향하여 균열을 진전시킨다.

Description

레이저 가공 방법{LASER PROCESSING METHOD}

본 발명은, 레이저 가공 방법, 특히, 펄스 레이저 광선을 조사(照射)하여 취성 재료 기판을 분단하는 레이저 가공 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 레이저 가공에 의하여 얻어진 취성 재료 기판에 관한 것이다.

발광 다이오드 등의 발광 소자는, 사파이어 기판 상에 질화물 반도체를 적층하는 것에 의하여 형성되어 있다. 이와 같은 사파이어 기판 등으로 구성되는 반도체 웨이퍼(wafer)에는, 복수의 발광 다이오드 등의 발광 소자가, 분단 예정 라인에 의하여 구획되어 형성되어 있다. 그리고, 이와 같은 반도체 웨이퍼를 분단 예정 라인을 따라 분단할 때에는, 레이저 가공이 이용되고 있다.

사파이어 기판 등의 취성 재료 기판을 분단하는 레이저 가공 방법의 하나가 특허 문헌 1에 나타나 있다. 이 특허 문헌 1에 나타난 방법은, 사파이어 기판의 분단 예정 라인에 대응하는 영역에 레이저 광선을 조사하여 가열 용해를 진행시키고, 이것에 의하여 분단 홈을 형성하여 개개의 발광 소자로 분할하는 것이다.

또한, 다른 레이저 가공 방법이 특허 문헌 2에 나타나 있다. 이 특허 문헌 2에 나타난 방법은, 기판의 내부에 레이저 광선의 집광점을 맞추고, 집광점을 분단 예정 라인을 따라 주사(走査)하여, 기판의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질 영역을 형성하여 분단하는 것이다.

일본국 공개특허공보 특개소58－44738호 일본국 공개특허공보 특개2002－192371호

특허 문헌 1에 나타난 레이저 가공 방법에서는, 기판 표면에 분단 홈이 형성된다. 이 때문에, 분단 홈이 형성된 다음은 항절(抗折) 강도가 낮아져, 후속 공정에서 분단하기 위한 힘이 작아 좋다고 하는 이점이 있다. 그러나, 기판 표면이 가열 용해되기 때문에, 용해된 비산물이 소자 영역에 부착하는 경우가 있어, 불량품이 생기기 쉽다.

또한, 특허 문헌 2에 나타난 레이저 가공 방법에서는, 기판 내부에 개질 영역이 형성되기 때문에, 비산물이 소자 영역에 부착한다고 한 문제는 없다. 그러나, 이 경우는, 기판 표면에 분단 홈이 형성되지 않기 때문에, 후의 분단 공정에 있어서 큰 힘이 필요하게 된다.

그래서, 기판 내부에 있어서의 집광점의 깊이 위치를 변경하고, 먼저 형성된 개질 영역의 층과는 다른 깊이 위치에 별도의 개질 층을 형성하는 것도 행하여지고 있다. 그러나, 이 경우는, 여러 차례의 주사가 필요하게 되어, 택트 타임이 길어져 버린다. 또한, 분단력을 작게 하기 위해서는, 개질 층을 기판 표면 근처에 형성할 필요가 있지만, 비산물없이 기판 표면 근처에 개질 층을 형성하는 것은 곤란하다.

본 발명의 과제는, 사파이어 기판 등의 취성 재료 기판을 분단할 때에, 비산물없이, 또한 비교적 두께가 두꺼운 기판에 있어서도 주사수를 줄여 용이하게 분단할 수 있도록 하는 것에 있다.

청구항 1에 관련되는 레이저 가공 방법은, 펄스 레이저 광선을 조사하여 취성 재료 기판을 분단하는 방법이고, 제1 공정, 제2 공정 및 제3 공정을 포함하고 있다. 제1 공정에서는, 소정의 반복 주파수의 펄스 레이저광을, 집광점이 취성 재료 기판의 내부에 위치하도록 조사하고, 취성 재료 기판의 내부에 개질 층을 형성한다. 제2 공정에서는, 펄스 레이저광을 분단 예정 라인을 따라 주사한다. 제3 공정에서는 분단 예정 라인의 양측에 힘을 가하여 취성 재료 기판을 분단한다. 그리고, 제1 공정 및 제2 공정에서, 개질 층으로부터 기판의 일방의 면 측으로 균열을 진전시키는 것과 함께, 타방의 면으로 균열이 진전하지 않도록 하여, 기판의 두께 방향으로 균열 진전 폭이 기판의 두께의 39% 이상 54% 이하인 균열을 진전시킨다.

여기에서는, 취성 재료 기판의 표면은 용해되지 않는다. 또한, 기판 내부에 개질 층이 형성되지만, 이 개질 층으로부터 기판 표면을 향하여 소정의 길이의 균열이 형성된다. 이 때문에, 후속 공정인 분단 공정에 있어서, 비교적 작은 힘으로 분단할 수 있다.

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청구항 3에 관련되는 레이저 가공 방법은, 청구항 1의 레이저 가공 방법에 있어서, 제2 공정에 있어서의 레이저광의 주사 속도는, 25mm/s 이상 또한 100mm/s 이하이다.

이와 같은 주사 속도로 레이저광을 주사하는 것에 의하여, 레이저광이 적절한 범위에서 오버랩하여, 적절한 길이의 균열을 진전시킬 수 있다.

청구항 4에 관련되는 레이저 가공 방법은, 청구항 1의 레이저 가공 방법에 있어서, 제1 공정에 있어서의 레이저광의 출력은, 4.27W 이상이다.

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청구항 6에 관련되는 레이저 가공 방법은, 청구항 1의 레이저 가공 방법에 있어서, 분단 하중은 60N 이하이다.

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청구항 9에 관련되는 취성 재료 기판은, 청구항 1, 3, 4 중 어느 하나의 레이저 가공 방법에 있어서, 취성 재료는 사파이어이다.

이상과 같은 본 발명에서는, 기판 내부에 개질 층을 형성하는 것과 함께, 이 개질 층으로부터 기판 표면을 향하여 균열을 진전시키도록 하였기 때문에, 비산물없이, 또한 주사수를 줄여 용이하게 분단을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가공 방법에 의하여 분단되는 반도체 웨이퍼의 외관 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가공 방법을 실시하기 위한 레이저 가공 장치의 개략 구성도.
도 3은 웨이퍼에 형성되는 개질 영역을 설명하기 위한 모식도.
도 4는 개질 층 및 균열 진전 층이 형성된 기판의 현미경 사진을 도면으로 한 것.
도 5는 레이저 출력 및 레이저 광선의 상대 속도를 파라미터로서 실험한 균열 진전의 결과를 도시하는 도면.
도 6은 레이저 광선의 상대 속도와 개질 폭의 관계를 도시하는 도면.
도 7은 레이저 광선의 상대 속도와 균열 진전 폭의 관계를 도시하는 도면.
도 8은 레이저 광선의 출력과 개질 폭의 관계를 도시하는 도면.
도 9는 레이저 광선의 출력과 균열 진전 폭의 관계를 도시하는 도면.
도 10은 레이저 광선의 출력과 균열 진전 폭/개질 폭의 관계를 도시하는 도면.
도 11은 레이저 광선의 각 출력에 있어서의 레이저광의 주사 속도와 분단 하중의 관계를 도시하는 도면.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 의한 가공 방법이 적용되는 반도체 웨이퍼의 일례이다. 이 도 1에 도시하는 반도체 웨이퍼(1)는, 사파이어 기판(2) 상에 질화물 반도체가 적층되고, 복수의 발광 다이오드 등의 발광 소자(3)가 분할 예정 라인(4)에 의하여 구획되어 형성된 것이다.

또한, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 의한 가공 방법을 실시하기 위한 레이저 가공 장치(5)의 개략 구성을 도시한 것이다. 레이저 가공 장치(5)는, 레이저 광선 발진기나 제어부를 포함하는 레이저 광선 발진 유닛(6)과, 레이저 광선을 소정의 방향으로 이끌기 위한 복수의 미러를 포함하는 전송 광학계(7)와, 전송 광학계(7)로부터의 레이저 광선을 웨이퍼(1)의 내부에 있어서 집광시키기 위한 집광 렌즈(8)를 가지고 있다. 덧붙여, 웨이퍼(1)는 테이블(9)에 재치(載置, 물건의 위에 다른 것을 올리는 것)되어 있고, 레이저 광선과 웨이퍼(1)가 재치되는 테이블(9)은, 상대적으로 상하 방향으로 이동이 가능한 것과 함께, 수평면 내에서 상대 이동이 가능하게 되어 있다.

이상과 같은 레이저 가공 장치(5)를 이용한 레이저 가공 방법은 이하와 같다.

우선, 레이저 광선 발진 유닛(6)에 있어서, 레이저광의 출력 파워 등의 가공 조건을 다광자(多光子) 흡수가 생기는 조건으로 제어하고, 웨이퍼(1)의 사파이어 기판의 내부에 집광점(P)을 맞춘다(도 3 참조). 그리고, 이 레이저 광선을 웨이퍼(1)에 조사하여, 사파이어 기판 내부에 개질 영역(10)을 형성한다.

그 후, 레이저 광선을 분단 예정 라인을 따라 상대적으로 이동시키는 것에 의하여, 집광점(P)을 분단 예정 라인을 따라 주사한다. 이것에 의하여, 현미경 사진인 도 4에 도시하는 바와 같이, 개질 영역(10)이 분단 예정 라인을 따라 이동하고, 사파이어 기판의 내부에만 개질된 영역으로 이루어지는 개질 층(12)이 형성된다. 이때, 웨이퍼(1)의 표면에서는 레이저 광선은 거의 흡수되지 않기 때문에, 웨이퍼(1)의 표면이 용해하는 일은 없다. 또한, 레이저 가공 조건을 제어하는 것에 의하여, 도 4에 도시하는 바와 같이, 개질 층(12)으로부터 웨이퍼(1)의 표면을 향하여 연장되는 균열이 형성된다. 즉, 개질 층(12)의 웨이퍼 표면 측에, 개질 층(12)으로부터 균열이 연장된 균열 진전 층(13)이 형성된다. 이 균열은, 개질 층(12)의 상하에 열 응력이 작용하는 것에 의하여 생기는 것이다.

이상과 같이 하여, 웨이퍼(1)의 내부에 개질 층(12) 및 균열 진전 층(13)이 형성된 다음은, 이들 층(12, 13)이 형성된 부분에 구부림 응력을 가하는 것에 의하여, 분단 홈을 경계로 용이하게 웨이퍼(1)를 분단할 수 있다.

이하에, 개질 층(12) 및 균열 진전 층(13)을 형성하는 레이저 가공 방법의 참고예 및 실시예를 나타낸다.

［실험 조건］

각 참고예 및 실시예에 공통의 실험 조건은 이하와 같다. 덧붙여, 여기에서는, 반도체 웨이퍼(1)를 구성하는 사파이어 기판을 분단 대상으로 하고 있다.

기판：사파이어 두께 t=330㎛

주사 횟수：1회

펄스 레이저 반복 주파수：5MHz

집광 위치：기판 내부 170㎛

＜참고예 1＞

레이저 출력 2.8W로, 레이저 광선의 기판에 대한 상대 주사 속도(이하, 단지 주사 속도라고 적는다)를 25mm/s, 50mm/s, 100mm/s, 200mm/s, 500mm/s로 변화시켜 관찰하였지만, 개질 층 및 균열 진전 층은 볼 수 없었다.

＜참고예 2＞

레이저 출력 3.3W로, 주사 속도를 마찬가지로 25mm/s ~ 500mm/s까지 변화시켜 관찰하였지만, 개질 층 및 균열 진전 층은 볼 수 없었다.

＜참고예 3＞

레이저 출력 3.84W로, 주사 속도를 마찬가지로 25mm/s ~ 500mm/s까지 변화시켜 관찰하였지만, 일부에서 개질 층은 관찰되었지만, 균열 진전 층은 볼 수 없었다.

＜실시예 1＞

레이저 출력 4.27W로, 주사 속도를 25mm/s ~ 500m/s까지 변화시킨 경우, 주사 속도가 25mm/s ~ 300mm/s에 있어서 이하에 나타내는 바와 같은 길이의 균열 진전을 관찰할 수 있었다. 덧붙여, 균열 진전 길이와 함께, 기판에 대한 비율을 나타내고 있다.

25mm/s：165㎛---------(50%)

50mm/s：159.5㎛-------(48%)

100mm/s：158.9㎛------(48%)

200mm/s：189.9㎛------(58%)

300mm/s：93.6㎛-------(28%)

＜실시예 2＞

레이저 출력 4.62W로, 주사 속도를 25mm/s ~ 500m/s까지 변화시킨 경우, 주사 속도가 25mm/s ~ 400mm/s에 있어서 이하에 나타내는 바와 같은 길이의 균열 진전을 관찰할 수 있었다. 덧붙여, 균열 진전 길이와 함께, 기판에 대한 비율을 나타내고 있다.

25mm/s：128.2㎛-----(39%)

50mm/s：86.8㎛------(26%)

100mm/s：71.4㎛-----(22%)

200mm/s：104.3㎛----(32%)

300mm/s：113.1㎛----(34%)

400mm/s：54.6㎛-----(17%)

＜실시예 3＞

레이저 출력 4.95W로, 주사 속도를 25mm/s ~ 500m/s까지 변화시킨 경우, 주사 속도가 25mm/s ~ 500mm/s에 있어서 이하에 나타내는 바와 같은 길이의 균열 진전을 관찰할 수 있었다. 덧붙여, 균열 진전 길이와 함께, 기판에 대한 비율을 나타내고 있다.

25mm/s：137.9㎛-------(42%)

50mm/s：130.5㎛-------(40%)

100mm/s：105㎛--------(32%)

200mm/s：84㎛---------(25%)

300mm/s：111.9㎛------(34%)

400mm/s：75㎛---------(23%)

500mm/s：78.7㎛-------(24%)

＜실시예 4＞

레이저 출력 6.62W로, 주사 속도를 25mm/s ~ 500 m/s까지 변화시킨 경우, 주사 속도가 25mm/s ~ 500mm/s에 있어서 이하에 나타내는 바와 같은 길이의 균열 진전을 관찰할 수 있었다. 덧붙여, 균열 진전 길이와 함께, 기판에 대한 비율을 나타내고 있다.

25mm/s：179.4㎛-------(54%)

50mm/s：165㎛---------(50%)

100mm/s：152.7㎛------(46%)

200mm/s：134.2㎛------(41%)

300mm/s：140㎛--------(42%)

400mm/s：125.4㎛------(38%)

500mm/s：107.4㎛------(33%)

이상의 실험 결과를 정리한 표를 도 5에 도시한다. 도 5에 있어서, 「×」은 균열 진전을 볼 수 없었던 것, 「○」은 균열 진전이 관찰된 것을 나타내고 있다. 또한, 「○」의 란에 나란히 놓아 기재하고 있는 수치가 균열 진전의 길이이다. 이 결과로부터, 이상의 실험에서는, 기판 두께 t에 대하여, 이 두께 t의 15% 이상 55% 이하의 길이의 균열 진전이 관찰된 것을 알 수 있다. 또한, 레이저광의 반복 주파수에 관해서는, 모든 가공 조건으로 실험이 이루어진 것은 아니지만, 예를 들어 출력 5.5W, 주사 속도 300mm/s에 있어서는, 2MHz ~ 5MHz로 소망한 균열 진전을 관찰할 수 있었다.

덧붙여, 이상의 실시예에 있어서, 「균열 진전의 길이」란, 균열의 최대 길이를 말한다.

또한, 이상의 실험 데이터를 기초로, 도 6에 출력마다의 주사 속도와 개질 폭과의 관계를 도시하고, 도 7에 출력마다의 주사 속도와 균열 진전 폭의 관계를 도시하고 있다. 이들 도면으로부터, 주사 속도를 내려 레이저 스폿의 오버랩율을 높게 하면, 개질 폭이 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 균열 진전 폭도 마찬가지의 경향을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 도 7로부터, 주사 속도를 100mm/s 이하로 하였을 때에, 출력에 따라서는 기판의 반분(半分) 정도의 길이의 균열이 생기는 것을 알 수 있다. 덧붙여, 도 9에 관하여 후술하는 바와 같이, 균열 진전 폭은 출력의 크기에 비례하여 커지는 것은 아니다.

또한, 도 8에 주사 속도마다의 출력에 대한 개질 폭을, 도 9에 주사 속도마다의 출력에 대한 균열 진전 폭을 도시하고 있다. 도 8에서는, 출력을 증가시키는 것에 의하여 개질 폭이 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 9로부터, 출력에 대하여 균열 진전 폭은 극소값을 가지는 것을 알 수 있다.

도 10은, 출력에 대하여, 개질 폭과 균열 진전 폭의 비율(균열 진전 폭/개질 폭)이 어떻게 변화하는지를 도시하고 있다. 이 도 10으로부터, 주사 속도가 25 ~ 500mm/s, 출력이 4.2 ~ 7W의 범위에서는, 균열 진전 폭/개질 폭은 1.4 ~ 3.6인 것을 알 수 있다.

도 11은, 레이저 출력을 바꾸어, 레이저광의 주사 속도와 분단 하중의 관계를 측정한 결과를 도시하고 있다. 이 도면으로부터 분명한 바와 같이, 각 출력 모두, 주사 속도가 늦을수록, 즉, 레이저광이 조사되는 영역의 오버랩 범위가 클수록, 분단 강도가 작아지는 경향에 있는 것을 알 수 있다.

［다른 실시예］

본 발명은 이상과 같은 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범위를 일탈하는 것 없이 여러 가지의 변형 또는 수정이 가능하다.

상기 실시예에서는, 웨이퍼를 구성하는 기판으로서 사파이어 기판을 예를 들어 설명하였지만, 다른 취성 재료 기판에 있어서도 본 발명을 마찬가지로 적용할 수 있다.

2: 사파이어 기판
4: 분단 예정 라인
12: 개질 층
13: 균열 진전 층

Claims (9)

1. 펄스 레이저 광선을 조사(照射)하여 취성 재료 기판을 분단하는 레이저 가공 방법이고,
   소정의 반복 주파수의 펄스 레이저광을, 집광점이 취성 재료 기판의 내부에 위치하도록 조사하고, 취성 재료 기판의 내부에 개질 층을 형성하는 제1 공정과,
   펄스 레이저광을 분단 예정 라인을 따라 주사하는 제2 공정과,
   상기 분단 예정 라인의 양측에 힘을 가하여 취성 재료 기판을 분단하는 제3 공정
   을 포함하고,
   상기 제1 공정 및 제2 공정에서, 상기 개질 층으로부터 상기 기판의 일방의 면 측으로 균열을 진전시키는 것과 함께, 타방의 면으로 균열이 진전하지 않도록 하여, 상기 기판의 두께 방향으로 균열 진전 폭이 상기 기판의 두께의 39% 이상 54% 이하인 균열을 진전시키는,
   레이저 가공 방법.
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3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 공정에 있어서의 레이저광의 주사 속도는, 25mm/s 이상 또한 100mm/s 이하인, 레이저 가공 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 공정에 있어서의 레이저광의 출력은, 4.27W 이상인, 레이저 가공 방법.
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6. 제1항에 있어서,
   상기 분단 하중은 60N 이하인, 레이저 가공 방법.
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8. 삭제
9. 제1항, 제3항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 취성 재료는 사파이어인, 레이저 가공 방법.

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