KR101373421B1 - 웨이퍼 절단 장치 - Google Patents

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KR101373421B1
KR101373421B1 KR1020120115964A KR20120115964A KR101373421B1 KR 101373421 B1 KR101373421 B1 KR 101373421B1 KR 1020120115964 A KR1020120115964 A KR 1020120115964A KR 20120115964 A KR20120115964 A KR 20120115964A KR 101373421 B1 KR101373421 B1 KR 101373421B1
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장경영
최성호
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치는 웨이퍼의 상부에 위치되어 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기, 상기 레이저 발생기 및 웨이퍼 사이에 배치되어 레이저 빔이 통과할 수 있는 복수 개의 슬릿을 포함하는 슬릿마스크 및 상기 슬릿마스크 및 상기 웨이퍼 사이에 배치되어 상기 슬릿마스크를 통과한 레이저 빔을 굴절시키는 렌즈를 포함하며, 상기 슬릿의 개수에 대응하는 수의 선 배열 레이저 빔이 상기 웨이퍼 상에 조사되고, 상기 선 배열 레이저 빔 사이에 상기 웨이퍼에 가해진 초기 균열이 전파되어 상기 웨이퍼를 절단할 수 있다.

Description

웨이퍼 절단 장치{WAFER CUTTING APPARATUS}
본 발명은 웨이퍼 절단 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선 배열 레이저 빔을 이용하여 균열을 전파시킴으로써 웨이퍼를 절단하는 장치에 관한 것이다.
가간섭성의 레이저 빔이 반도체 물질에 입사하면, 반도체 물질의 특성과 입사 빔의 주파수에 의존하는 다양한 경로로 에너지의 일부가 물질에 흡수되며 나머지는 표면으로부터 반사되거나 물질을 투과하게 된다. 입사되는 레이저 빔과 물질 간의 상호작용 효과는 E=hv로 표현되는 주파수에 의한 에너지효과와 단위 시간당 입사되는 에너지인 파워에 의한 열 효과로 대별할 수 있다. 레이저 빔과 물질 간의 상호작용에 의한 열 효과는 첨단의 고효율 제조기술인 레이저 가공 기술로 이용되고 있으며 현재 항공산업, 국방산업, 자동차산업, 기계산업, 재료산업 등에 널리 응용되고 있다.
특히 펄스 레이저 기술은 레이저와 재료 간의 상호작용에 의해 발생하는 열이 주변 분자들로 전달되는 시간에 비해 상대적으로 짧은 레이저 펄스 기간을 가지고 있기 때문에 매우 작은 열영향부를 발생시킬 수 있는 특징이 있다.
일반적인 실리콘 웨이퍼 절단 기법은 다이아몬드 톱(diamond saw)을 이용하여 접촉식으로 절단하는 기법으로 이 경우에는 가공 중 실리콘 웨이퍼가 파손되거나 절단면 주위에 균열이 발생하여 제품의 성능을 저하시킬 수 있다.
이러한 접촉식의 절단 기법의 단점을 보완하기 위해 피코 세컨드 레이저 빔을 이용하여 실리콘 웨이퍼를 삭마(ablation)하는 비접촉식의 절단 기법들이 연구되고 있다.
일 실시예에 따른 목적은, 선 배열 레이저 빔을 이용한 조사에 의해 균열을 전파시킴으로써 웨이퍼를 절단하는 장치를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은, 레이저 빔의 스캐닝 공정이 불필요하여 장비 구축이 용이한 웨이퍼 절단 장치를 제공하는 것이다.
일 실시에에 따른 목적은, 웨이퍼의 절단 가공의 정확성 및 신속성을 향상시킬 수 있는 웨이퍼 절단 장치를 제공하는 것이다.
일 실시에에 따른 목적은, 다수의 초기 균열 및 선 배열 레이저 빔을 이용하여 한 번의 레이저 빔 조사로 다수의 절단 공정을 동시에 수행할 수 있는 웨이퍼 절단 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치는, 웨이퍼의 상부에 위치되어 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기, 상기 레이저 발생기와 웨이퍼 사이에 배치되어 상기 레이저 빔이 통과할 수 있는 복수 개의 슬릿을 포함하는 슬릿마스크 및 상기 슬릿마스크 및 상기 웨이퍼 사이에 배치되어 상기 슬릿마스크를 통과한 레이저 빔을 굴절시키는 렌즈를 포함하며, 상기 슬릿의 개수에 대응하는 수의 선 배열 레이저 빔이 상기 웨이퍼 상에 조사되고, 상기 선 배열 레이저 빔 사이에 상기 웨이퍼에 가해진 초기 균열이 전파되어 상기 웨이퍼를 절단할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 레이저 발생기 및 상기 슬릿마스크 사이에는 레이저 확대기가 더 배치되어, 상기 레이저 확대기를 통해 상기 레이저 빔의 조사 영역이 확대될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 슬릿은 일정한 폭을 가지고, 복수 개의 슬릿들은 일정한 간격을 가지면서 선 배열로 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 선 배열 슬릿들의 간격에 의해 상기 선 배열 레이저 빔들의 간격이 조절될 수 있으며, 상기 슬릿의 폭에 의해 상기 레이저 빔의 폭이 조절될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 렌즈와 상기 웨이퍼 사이의 거리가 변화함에 따라 상기 웨이퍼 상에 조사되는 상기 선 배열 레이저 빔들의 간격이 조절될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 렌즈 또는 상기 웨이퍼 중 하나를 승하강시킬 수 있는 승하강 요소를 더 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 렌즈는 실린더리컬 렌즈를 포함하며, 상기 실린더리컬 렌즈의 초점은 상기 웨이퍼의 하부에 위치되어 상기 선 배열 레이저 빔들의 간격을 좁아지게 할 수 있다.
일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에 의하면 레이저 빔 조사에 의한 웨이퍼의 온도가 용융점 이하인 조건에서 웨이퍼를 절단할 수 있다.
일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에 의하면 선 배열 레이저 빔을 이용한 조사에 의해 균열의 진행 방향성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에 의하면 레이저 빔의 스캐닝 공정이 불필요 하여 장비 구축이 용이하다.
일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에 의하면 웨이퍼의 절단 가공의 정확성 및 신속성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에 의하면 다수의 초기 균열 및 선 배열 레이저 빔을 이용하여 한 번의 레이저 빔 조사로 다수의 절단 공정을 동시에 수행할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치의 슬릿마스크를 개략적으로 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에서 웨이퍼에 조사되는 레이저 빔을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에서 선 배열 레이저 빔을 이용한 웨이퍼가 절단되는 모습을 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 방법을 이용하여 한 번의 레이저 빔 조사로 다수의 절단 공정을 수행하는 모습을 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에 사용되는 웨이퍼의 그리드 구조를 도시한다.
도 7은 레이저 빔으로 조사되는 웨이퍼의 온도 분포를 도시한다.
도 8은 레이저 빔으로 조사되는 웨이퍼의 응력 분포를 도시한다.
도 9는 시간에 따른 웨이퍼의 응력 확대계수의 변화를 도시한다.
도 10은 시간에 따른 웨이퍼의 응력 확대계수의 변화를 레이저 출력에 따라 도시한다.
도 11은 시간에 따른 응력 확대계수의 변화를 레이저 빔의 중심선과 균열과의 거리에 따라 도시한다.
도 12는 레이저 출력에 따른 균열 전파 시간의 변화를 레이저 빔의 중심선과 균열과의 거리에 따라 도시한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치를 개략적으로 도시하고, 도 2는 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치의 슬릿마스크를 개략적으로 도시하고, 도 3은 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에서 웨이퍼가 조사되는 레이저 빔을 도시하고, 도 4는 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에서 선 배열 레이저 빔을 이용한 웨이퍼가 절단되는 모습을 도시하고, 도 5는 도 4에 도시된 방법을 이용하여 한 번의 레이저 빔 조사로 다수의 절단 공정을 수행하는 모습을 도시한다.
도 1 내지 도 5를 참조하여, 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치(100)는 레이저 발생기(110), 레이저 확대기(120), 슬릿마스크(130) 및 렌즈(140)를 포함할 수 있다.
상기 레이저 발생기(110)는 웨이퍼(W)의 상부에 위치되어 레이저 빔을 발생시킬 수 있다.
상기 웨이퍼(W)는 반도체 기판이 되는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치용으로 사용하는 유리 따위의 투명 웨이퍼일 수 있다. 또한, 상기 웨이퍼(W)는 형상 및 크기가 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 원형 및 사각형 플레이트 등 다양한 형성 및 크기를 가질 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치(100)는 균열의 전파를 이용하여 절단하는 기법을 이용하는 것으로, 이러한 기법은 웨이퍼(W)의 온도가 용융점 이하로 증가하기 때문에, 상대적으로 작은 에너지의 레이저 빔을 적용할 수 있다.
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이때 사용되는 레이저는 재료 및 가공공정의 특성에 따라 이산화탄소, 루비, YAG 레이저 등 각종 레이저가 사용될 수 있다. 이러한 레이저는 재료의 절단뿐만 아니라, 용접, 열처리 등의 가공에 주로 이용될 수 있다.
또한, 레이저는 파의 단속성에 따라 펄스레이저 또는 연속레이저로 구별될 수 있다. 펄스레이저는 시간적으로 발생 및 정지가 있는 레이저를 말하며, 연속레이저는 연속적으로 발생시키는 레이저를 말한다. 이때 펄스레이저는 에너지의 시간적 집속성을 높일 수 있다는 점에서, 웨이퍼 절단 장치(100)에서 이용 시 효율적일 수 있다.
이와 같이 웨이퍼 절단 장치(100)에서 레이저를 이용함으로써, 비접촉식으로 절단 가능하며, 열에 의한 영향이 적고 절단면이 균일하게 할 수 있다.
상기 레이저 발생기(110)의 하부에는 레이저 확대기(120)가 배치될 수 있다.
상기 레이저 확대기(120)는 레이저 발생기(110)로부터 발생된 레이저 빔의 조사 영역을 확대시킬 수 있다.
구체적으로, 레이저 발생기(110)로부터 발생된 레이저 빔이 레이저 확대기(120)를 통과함으로써 레이저 빔의 지름 또는 레이저 빔의 단면적이 확대될 수 있다. 그에 의해 레이저 빔에 의한 조사 영역 또한 확대될 수 있다.
상기 레이저 확대기(120)의 하부에는 슬릿마스크(130)가 배치될 수 있다.
상기 슬릿마스크(130)는 복수 개의 슬릿들을 포함할 수 있다.
슬릿은 좁은 틈새이며, 레이저 빔의 단면을 적당하게 제한하여 통과시킬 수 있다. 일반적으로, 슬릿은 슬릿의 개수에 따라서 단일슬릿, 이중슬릿, 삼중슬릿 등으로 구분될 수 있다. 그러나, 슬릿의 개수는 임의적으로 웨이퍼(W)의 크기를 고려하여 선택될 수 있으며, 슬릿의 형상 또한 필요에 따라 다른 형상으로 구비될 수 있다.
상기 슬릿은 일정한 폭을 가지고, 복수 개의 슬릿들이 일정한 간격을 가지면서 선 배열로 배치될 수 있다. 이때 슬릿의 폭(w)은 복수 개의 슬릿들이 배치되는 방향으로 좁은 틈새의 거리를 의미하며, 슬릿들의 간격(d)은 하나의 슬릿의 중심선과 평행하게 인접한 슬릿의 중심선 사이의 거리를 의미한다.
이러한 구성의 슬릿마스크(130)를 통과한 레이저 빔은 슬릿마스크(130)에 구비된 슬릿의 개수에 대응하는 수에 따라 분할될 수 있다. 예를 들어, 슬릿마스크(130)에 네 개의 슬릿이 구비되어 있다면, 레이저 빔 또한 네 개의 레이저 빔으로 분할될 수 있다. 또한, 슬릿마스크(130)에 슬릿들이 선 배열로 형성되므로, 레이저 빔 또한 선 배열의 레이저 빔으로 형성될 수 있다.
이때, 선 배열 슬릿들의 간격(d)에 의해 슬릿마스크(130)를 통과하여 분할된 선배열 레이저 빔들의 간격(d´)이 조절될 수 있으며, 슬릿의 폭(w)에 의해 레이저 빔의 폭(w)이 조절될 수 있다. 즉, 선 배열 슬릿들의 간격(d)이 넓어질수록 분할된 선배열 레이저 빔들의 간격(d´) 또한 넓어질 수 있으며, 슬릿의 폭(w)이 넓어질수록 레이저 빔의 폭(w´) 또한 넓어질 수 있다.
이와 같이 슬릿마스크(130)를 통해, 레이저 발생기(110)로부터 발생된 레이저 빔을 선 배열의 레이저 빔으로 만들 수 있으며, 선 배열 레이저 빔의 폭(w´) 또는 분할된 레이저 빔들 간의 간격(d´)을 조절할 수 있다.
상기 슬릿마스크(130) 및 웨이퍼(W) 사이에는 렌즈(140)가 마련될 수 있다.
렌즈(140)는 유리와 같이 투명한 물질의 면을 구면으로 곱게 갈아 물체로부터 오는 빛을 모으거나 발산시켜 광학적 상을 맺게 하는 물체로써, 일반적으로 가운데가 두꺼워 빛을 모으는 작용을 하는 볼록렌즈 및 주변 쪽이 두꺼워 빛을 발산시키는 작용을 하는 오목렌즈로 나뉠 수 있다.
상기 렌즈(140)는 실린더리컬 렌즈(cylindrical lens)를 포함할 수 있으며, 이하에서는 렌즈(140)를 실린더리컬 렌즈를 예로 들어 설명한다.
실린더리컬 렌즈는 양쪽 표면이 서로 평행인 모선을 갖고, 원기둥 곡면을 갖는 렌즈로서, 원기둥 렌즈 또는 원주 렌즈로 불린다. 실린더리컬 렌즈는 한쪽 면이 평면으로 된 것도 있다. 그리고 실린더리컬 렌즈에 입사된 빛은 원주의 축과 평행인 면에서는 굴절이 일어나지 않고 축과 수직인 면에서만 굴절이 생길 수 있다.
또한, 실린더리컬 렌즈의 초점(F)은 웨이퍼(W)의 하부에 위치되므로, 실린더리컬 렌즈를 통과한 선 배열 레이저 빔들이 초점(F)을 향하여 굴절되어, 선 배열 레이저 빔들의 간격(d')이 좁아지게 할 수 있다. 이를 통해, 슬릿마스크(130)를 통과하는 레이저 빔의 회절 효과를 억제할 수 있다.
또한, 실린더리컬 렌즈와 웨이퍼(W) 사이의 거리(L)를 조절함에 의해 웨이퍼(W) 상에 조사되는 선 배열 레이저 빔들의 간격(d´)이 조절될 수 있다. 다음의 식을 통해 알 수 있다.
f : (f-L) = d : d'
여기에서,
f : 실린더리컬 렌즈의 초점거리
L : 실린더리컬 렌즈와 웨이퍼(W) 사이의 거리
d : 슬릿마스크(130)에서 슬릿들 사이의 간격
d' : 웨이퍼(W) 상에 선 배열 레이저 빔들 사이의 간격
이 식에 따라, 실린더리컬 렌즈와 웨이퍼(W) 사이의 거리(L)가 커질수록 웨이퍼(W) 상에 선 배열 레이저 빔들 사이의 간격(d')이 좁아지고, 실린더리컬 렌즈와 웨이퍼(W) 사이의 거리(L)가 작아질수록, 웨이퍼(W) 상에 선 배열 레이저 빔들 사이의 간격(d')이 넓어질 수 있다.
또한, 전술한 것과 같이, 실린더리컬 렌즈와 웨이퍼(W) 사이의 거리(L)가 일정하다면, 슬릿마스크(130)에서 슬릿들 사이의 간격(d)이 넓어질수록 웨이퍼(W) 상에 선 배열 레이저 빔들 사이의 간격(d') 또한 넓어질 수 있다는 것을 알 수 있다.
전술한 슬릿들의 폭(w)과 레이저 빔의 폭(w')은 다음의 식을 통해 조절될 수 있다.
f : (f-L) = w : w'
여기에서,
w : 슬릿들의 폭
w' : 레이저 빔의 폭
이 식에 따라, 전술한 것과 같이, 실린더리컬 렌즈와 웨이퍼(W) 사이의 거리(L)가 일정하다면, 슬릿들의 폭(w)이 커질수록 레이저 빔의 폭(w') 또한 커질 수 있다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 실린더리컬 렌즈를 구비함으로써, 선 배열 레이저 빔들의 간격(d') 또는 레이저 빔의 폭(w')을 조절할 수 있다.
또한, 웨이퍼 절단 장치(100)는 실린더리컬 렌즈 또는 웨이퍼(W)를 승하강시킬 수 있는 승하강 요소(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 승하강 요소(150)에 의해 실린더리컬 렌즈와 웨이퍼(W) 사이의 거리를 조절할 수 있다. 구체적으로 승하강 요소(150)가 실린더리컬 렌즈에 연결될 경우, 실린더리컬 렌즈를 승하강시킬 수 있으며, 실린더리컬 렌즈가 상승될 때에는 웨이퍼(W)와의 거리가 멀어지고, 실린더리컬 렌즈가 하강될 때에는 웨이퍼(W)와의 거리가 가까워질 수 있다. 즉, 이에 의해 웨이퍼(W)에 조사되는 선 배열 레이저 빔들의 간격 또는 레이저 빔의 폭을 조절할 수 있다.
이러한 구성에 의해, 웨이퍼 절단 장치(100)는 다음과 같이 작동될 수 있다.
우선 초기 균열이 발생된 웨이퍼(W)가 제공된다. 이어서, 웨이퍼(W)의 상부에 웨이퍼 절단 장치(100)가 제공된 다음, 레이저 발생기(110)를 통해 레이저 빔이 발생된다. 레이저 발생기(110)로부터 발생된 레이저 빔은 레이저 발생기(110)의 하부에 배치된 레이저 확대기(120)를 통해 레이저 빔의 지름이 커져서 레이저 빔의 조사 영역이 확대될 수 있다. 이어서, 레이저 확대기(120)의 하부에 배치된 선 배열된 복수 개의 슬릿들이 구비된 슬릿마스크(130)를 통해 레이저 빔이 슬릿의 개수에 대응하는 수로 분할되어 선 배열의 레이저 빔이 될 수 있다. 이어서, 선 배열의 레이저 빔은 슬릿마스크(130)의 하부에 배치된 실린더리컬 렌즈를 통과하면서 선 배열 레이저 빔들 사이의 간격이 좁아지면서 웨이퍼(W) 상에 조사될 수 있다.
특히 도 4 및 도 5를 참조하여, 웨이퍼(W) 상의 균열 주위에, 특히 레이저 가열 영역에, 레이저 빔의 조사가 시작되면서 균열의 끝부분에서 열응력이 집중되는데, 응력 확대 계수(stress intensity factor, K1)가 웨이퍼의 파괴 인성(facture toughness, KIC) 이상으로 증가하면 균열이 전파될 수 있다. 이러한 현상을 이용하면 비접촉 방식으로 웨이퍼(W)를 절단할 수 있다.
또한, 선 배열 레이저 빔을 이용함으로써 별도의 레이저 빔의 스캐닝 공정을 필요로 하지 않기 때문에 장비 구축이 용이하고, 균열의 진행 방향성이 향상될 수 있다. 더 나아가, 다수의 초기 균열 및 다수의 선 배열 레이저 빔을 이용하면 한 번의 레이저 빔 조사로 절단 공정을 수행할 수 있어 더욱 효율적일 수 있다.
이하에서는, 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치(100)를 통해 웨이퍼(W)가 레이저 빔에 의해 조사되면서 발생되는 실험예들을 구체적으로 설명한다.
도 6은 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치에 사용되는 웨이퍼의 그리드 구조를 도시하고, 도 7은 레이저 빔으로 조사되는 웨이퍼의 온도 분포를 도시한다. 도 8은 레이저 빔으로 조사되는 웨이퍼의 응력 분포를 도시하고, 도 9는 시간에 따른 웨이퍼의 응력 확대계수의 변화를 도시하고, 도 10은 시간에 따른 웨이퍼의 응력 확대계수의 변화를 레이저 출력에 따라 도시하고, 도 11은 시간에 따른 응력 확대계수의 변화를 레이저 빔의 중심선과 균열과의 거리에 따라 도시하고, 도 12는 레이저 출력에 따른 균열 전파 시간의 변화를 레이저 빔의 중심선과 균열과의 거리에 따라 도시한다.
도 6을 참조하여, 본 발명에서 제시하는 선 배열 레이저 빔을 이용한 실리콘 웨이퍼 절단 기법에 대한 유한 요소해석 모델을 알 수 있다. 실리콘 웨이퍼의 크기는 20 * 20 * 0.5 (mm)이고 초기 균열의 길이는 2 mm로 하였다. 선 배열 레이저 빔이 조사되는 영역은 각각 20 * 1 (mm)로 라인 빔의 중심 라인은 절단 라인에서 2 mm 떨어져 있다. 경계조건으로 자연대류와 복사효과를 고려하였다. 유한요소 해석에 사용된 레이저의 파장은 1064 nm이고 레이저 출력은 100 W로 하였다. 또한 레이저 빔의 공간적인 세기 분포는 x 방향으로 가우시안 분포를 가지도록 하였다. 일반적으로 실리콘 웨이퍼의 물성치는 온도에 의존하며, 온도에 따른 밀도, 열전도도, 열용량, 열팽창계수, 탄성 계수, 푸아송 비, 레이저 빔의 반사율, 레이저 빔의 흡수계수를 적용하였다. 매쉬는 xy평면에선 삼각 매쉬를 이용하였으며 균열부분은 매쉬 사이즈가 0.1 mm이다. z축에 대해서는 swept 매쉬를 이용하여 요소가 5개가 되도록 하였다. 0.005초 간격으로 0.1초까지 해석을 수행하였으며 초기온도는 20℃로 하였다.
도 7을 참조하여, 웨이퍼(W)는 100 W의 레이저 빔이 0.1초 동안 조사되었을 때, 표면부의 최대온도는 약 133℃까지 증가하였다. 이 온도는 실리콘의 용융점인 1412℃ 보다 현저히 낮은 온도로 레이저 빔 조사에 의한 열적인 손상은 발생하지 않을 것으로 예상된다. 또한, 즉, 레이저 빔이 직접적으로 조사되는 부분의 온도가 가장 높고, 레이저 빔의 조사 영역으로부터 멀어질수록 온도가 낮아질 수 있다.
도 8을 참조하여, 응력은 균열 끝부분에 집중되어 나타났으며 약 105 MPa까지 증가하였다. 또한, 균열 부분으로부터 멀어질수록 응력 또한 작아짐은 당연하다.
도 9를 참조하여, 응력은 균열 끝부분에 집중되어 나타났으며 약 105 MPa까지 증가하였다. 균열의 전파를 이용하여 절단하는 기법(Controlled fracture technique)은 Fracture mode I에 해당하며 응력 확대계수가 파괴인성 이상으로 증가하게 되면 균열이 전파하게 된다. 실리콘의 파괴인성은 약 0.7~1.2 MPa*m1/2으로 응력 확대계수가 약 1.27 MPa*m1/2까지 증가하였기 때문에 균열이 전파하여 실리콘 웨이퍼가 절단될 것으로 예상된다.
도 10을 참조하여, 라인 빔의 중심 라인과 균열과의 거리가 2 mm이고 레이저 빔 출력이 각각 60 W, 100 W, 140 W일 때의 응력 확대계수의 변화를 나타낸다. 레이저 빔 출력이 증가할수록 응력 확대계수는 증가하였다. 이 결과는 레이저 빔의 출력이 증가할수록 더 짧은 시간 동안의 레이저 빔 조사로 균열을 전파시킬 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 레이저 빔 출력이 높을수록 절단 속도는 빨라지게 된다.
도 11을 참조하여, 레이저 빔 출력이 100 W이고 라인 빔의 중심 라인과 균열과의 거리가 각각 1 mm, 2 mm, 3 mm일 때의 응력 확대계수의 변화를 나타낸다. 라인 빔의 중심 라인과 균열과의 거리가 가까워질수록 응력 확대계수는 증가하였다. 이 결과 또한 라인 빔의 중심 라인과 균열과의 거리가 가까워질수록 절단 속도가 빨라진다는 것을 의미한다.
도 12를 참조하여, 일반적으로 알려진 절단 방향의 실리콘의 파괴인성은 약 1 MPa*m1/2로 응력 확대계수가 1 MPa*m1/2까지 증가하면 균열 전파한다는 가정 하에, 라인 빔의 중심 라인과 균열과의 거리와 레이저 빔 출력에 따른 균열이 전파할 것으로 예상되는 시간을 나타낼 수 있다. 구체적으로 레이저 출력이 커질수록 균열 전파 시간은 짧아지며, 레이저 빔의 중심선과 균열과의 거리가 가까울수록, 균열 전파 시간은 더욱 짧아질 수 있다.
이와 같이, 일 실시예에 따른 웨이퍼 절단 장치(100)에 의하여, 선 배열 레이저 빔을 이용한 조사에 의해 균열의 진행 방향성을 향상시킬 수 있으며, 웨이퍼 절단 가공의 정확성 및 신속성을 향상시킬 수 있다. 또한 다수의 초기 균열이 있는 웨이퍼 상에 이용될 때에는, 다수의 슬릿을 구비한 슬릿마스크를 이용함으로써, 한 번의 레이저 빔 조사를 통해 다수의 절단 공정을 동시에 수행할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
W: 웨이퍼
100: 웨이퍼 절단 장치
110: 레이저 발생기
120: 레이저 확대기
130: 슬릿마스크
140: 렌즈
150: 승하강 요소

Claims (7)

  1. 웨이퍼의 상부에 위치되어 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기;
    상기 레이저 발생기 및 웨이퍼 사이에 배치되어 레이저 빔이 통과할 수 있는 복수 개의 슬릿을 포함하는 슬릿마스크; 및
    상기 슬릿마스크 및 상기 웨이퍼 사이에 배치되어 상기 슬릿마스크를 통과한 레이저 빔을 굴절시키는 렌즈;
    를 포함하며,
    상기 슬릿의 개수에 대응하는 수의 선 배열 레이저 빔이 상기 웨이퍼 상에 조사되고, 상기 선 배열 레이저 빔 사이에 초기 균열이 제공되며, 상기 레이저 빔의 조사가 시작되면 상기 초기 균열의 끝부분에 열 응력이 집중되면서 상기 웨이퍼에 제공된 초기 균열이 전파되어 상기 웨이퍼를 절단할 수 있고,
    상기 레이저 발생기는 상기 웨이퍼의 온도를 용융점 이하까지 상승시키는 레이저 빔을 발생시킴으로써, 상기 레이저 빔 조사에 의한 상기 웨이퍼의 열적 손상을 방지할 수 있는 웨이퍼 절단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 발생기 및 상기 슬릿마스크 사이에는 레이저 확대기가 더 배치되어, 상기 레이저 확대기를 통해 상기 레이저 빔의 조사 영역이 확대될 수 있는 웨이퍼 절단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿은 일정한 폭을 가지고, 복수 개의 슬릿들은 일정한 간격을 가지면서 선 배열로 배치될 수 있는 웨이퍼 절단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿들의 간격에 의해 상기 선 배열 레이저 빔들의 간격이 조절될 수 있으며, 상기 슬릿의 폭에 의해 상기 레이저 빔의 폭이 조절될 수 있는 웨이퍼 절단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈와 상기 웨이퍼 사이의 거리가 변화함에 따라 상기 웨이퍼 상에 조사되는 상기 선 배열 레이저 빔들의 간격이 조절될 수 있는 웨이퍼 절단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 또는 상기 웨이퍼 중 하나를 승하강시킬 수 있는 승하강 요소를 더 포함하는 웨이퍼 절단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈는 실린더리컬 렌즈를 포함하며, 상기 실린더리컬 렌즈의 초점은 상기 웨이퍼의 하부에 위치되어 상기 선 배열 레이저 빔들의 간격을 좁아지게 하는 웨이퍼 절단 장치.
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