KR102172826B1 - 플랫 가공물을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 방법 및 기기 - Google Patents

플랫 가공물을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 방법 및 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 레이저 빔 분리 (TLS) 기술을 사용해 플랫 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법 및 기기에 관한 것이다. 방법에서, TLS 단계 전, 변성된 재료의 적어도 하나의 라인 (2) 이 추가 레이저를 사용하는 국부적 재료 프로세싱을 통하여 가공물 (1) 에서 하나 이상의 미리 규정된 분리 라인들을 따라 생성되어 분리 라인들을 따라 가공물 (1) 의 파괴 응력 감소를 유발한다. 따라서, 상기 라인 (2) 은 전적으로 또는 적어도 국지적으로 가공물 (1) 의 표면으로부터 거리를 두고 생성된다. 상기 방법에 의해, 분리된 섹션들의 가장자리들의 보다 높은 품질이 달성된다.

Description

플랫 가공물을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 방법 및 기기{METHOD AND DEVICE FOR SEPARATING A FLAT WORKPIECE INTO A PLURALITY OF SECTIONS}
본 발명은 플랫 가공물을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 방법에 관한 것으로, 제 1 단계에서 가공물의 표면을 통과하는 레이저 빔을 이용하는 국부적 재료 프로세싱에 의해, 변성된 재료의 하나 또는 복수의 라인들이 가공물에서 하나 또는 복수의 미리 규정된 분리 라인들을 따라 생성되어 분리 라인들을 따라 가공물의 파괴 응력 감소를 유발하고, 제 2 단계에서, 가공물은 열 레이저 빔 분리에 의해 분리 라인들을 따라 섹션들로 나누어진다. 본 발명은 또한 본원의 방법을 실시하기 위해 설계된 기기에 관한 것이다.
많은 기술 영역에서 보다 큰 가공물을 복수의 일반적으로 동일한 형상의 섹션들로 나누거나 가공물로부터 복수의 균일한 구조들을 분리할 필요가 있다. 한 가지 예로는 반도체 산업 또는 예컨대 MEMS, 태양 또는 광학과 같은 관련 산업들에서 구성요소들 또는 칩들의 싱귤레이션 (singulation) 이 있다. 그런 경우에는, 다수의 구성요소들이 공통 기판에서 제조된다. 일단 구성요소들이 완전히 프로세싱되고 나면, 구성요소들이 개별적으로 추가 프로세싱될 수 있도록 구성요소들은 서로 분리되어야 한다. 이 분리 프로세스, 구성요소들의 싱귤레이션은 제안된 방법 및 제안된 기기로 실시될 수 있다.
다양한 요건들, 예컨대 높은 처리율, 결과적으로 생성된 구성요소 가장자리들의 높은 품질과 충분히 정확한 기하학적 코스, 상이한 재료들로 된 층 스택들의 깨끗한 분리, 구성요소들의 품질 무손실 및 싱귤레이션 단계에 대한 낮은 비용이 싱귤레이션 프로세스에 요구된다. 본원의 방법과 기기는 또한 다른 기술 분야들에서, 예컨대 유리 및 세라믹 산업에서 동일한 방식으로 사용될 수 있다
플랫 가공물을 복수의 섹션들로 분리할 때 문제점은, 싱귤레이션 프로세스를 위해 다양한 방법들과 기기들이 존재하는 반도체 산업에서 용도를 기반으로 이하 설명된다. 현재, 기판들에 제조된 구성요소들은 보통 기계적 또는 레이저 기반 기술들을 사용해 분리된다.
게다가, 기계적 및 레이저 기반 방법들, 또한 플라즈마 에칭 방법들 및 연삭에 의한 박화 (thinning) 를 이용한 분리 방법들로부터 조합된 기술들이 있다.
언급한 마지막 2 가지 방법들과 조합된 방법들은 현재 단지 별로 중요하지 않다.
선택된 분리 기술에 독립적으로, 일반적으로 분리 프로세스 전 분리될 기판은, 기판이 프로세싱 중 미끄러지지 않고, 구성요소들은 제어식으로 분리될 수 있고 이미 분리된 구성요소들은 분실되지 않도록 캐리어에 고정된다. 고정 유형은 프로세싱되는 기판에 따라 선택된다. 마이크로일렉트로닉스에서, 예컨대 단면 접착 필름과 캐리어 프레임을 사용한 기판의 고정이 흔히 선택된다.
재료 제거 레이저 방법들에서, 모든 구성요소들이 분리될 때까지 하나 또는 복수의 펄스 레이저 빔들을 사용해 기판 재료는 스크라이빙 프레임을 따라 제거된다.
무제거 또는 무커프 (kerfs) 레이저 방법들은 기판을 통한 균열의 초기화 및 안내를 기반으로 한다. 이러한 무제거 분리 방법들의 예들로는 소위 스텔스 다이싱 (SD; stealth dicing) 과 열 레이저 빔 분리 (TLS) 가 있다.
예컨대 EP 1 716 960 B1 에서 가공물들을 분리하는데 사용되는 것과 같은 스텔스 다이싱에서, 높은 펄스 강도를 가지는 펄스 레이저 빔은 가공물에서 비선형 흡수에 의한 재료 약화를 발생시키고, 가공물은 추후 상기 재료 약화부에서 기계적 작용에 의해 파괴된다. 하지만, 200 ㎛ 이상의 두께를 가지는 분리 기판들은 분리 라인을 따라 레이저 빔을 갖는 복수의 패스들을 요구한다. 이것은 프로세스 시간을 증가시키고 따라서 처리율을 감소시킨다.
또한, 이 기술에서 가공물은 가공물에 충분한 깊이로 비선형 효과를 발생시킬 수 있도록 레이저 방사선을 지나치게 많이 흡수해서는 안 된다. 따라서, 레이저 방사선의 흡수가 표면에 너무 가깝게 일어나므로 고도로 도핑된 기판들을 분리할 수 없다.
열 레이저 빔 분리는, 가공물에 의해 충분히 흡수되는 레이저 빔을 이용해 높은 열 응력을 발생시킴으로써 가공물을 분리하는 것을 포함한다. 상기 열 응력에 의한 분리는 가공물 상에서 또는 내부에서 적절한 재료 약화에 의한 파단의 개시를 요구한다. 이 목적으로, 분리될 가공물의 가장자리에서 또는 분리 라인을 따라 가공물의 표면으로 노치를 도입하고, 그러면 레이저 빔에 의한 추후 고도의 국부적 가열 중 노치에 의해 균열이 개시되는 것이 공지되어 있다.
EP 1 924 392 B1 은 이와 관련해서 특허 청구항 1 의 전제부에 따른 방법을 개시한다. 상기 방법에서, TLS 단계 전, 가공물의 표면에서 펄스 레이저를 이용한 국부적 재료 변성에 의해, 변성된 재료의 트랙이 분리 라인을 따라 생성되어 분리 라인을 따라 가공물의 파괴 응력 감소를 유발한다. 상기 트랙은 이전에 도입된 노치를 대체하고 가공물의 가능한 가변 두께를 보상하도록 분리 라인을 따라 상이한 깊이로 또한 형성될 수 있다. 하지만, 노치 또는 표면에서 노치 대신에 도입된 재료 변성은 분리된 섹션 또는 구성요소의 가장자리의 품질을 떨어뜨릴 수 있다.
본 발명에 의해 해결되는 과제는, 이전 열 레이저 빔 분리와 비교해 섹션들의 결과적으로 생긴 가장자리들의 보다 높은 품질과 고속으로 분리가능하게 하는, 플랫 가공물을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 방법 및 기기를 명시하는 것이다.
상기 과제는 특허 청구항 1 및 청구항 19 에서 주장된 바와 같은 방법 및 기기에 의해 해결된다. 방법 및 기기의 유리한 구성들은 특허 종속항들의 주제이고 또는 하기 설명 및 예시적 실시형태들로부터 이해될 수 있다.
제안된 방법은 무커프 방식으로 작동하는 레이저 기반 분리 방법이다. 상기 방법은, 분리 라인을 따라 레이저 빔과 냉각의 조합에 의해 높은 열 응력이 가공물로 도입되어 분리 라인을 따라 가공물 파괴를 유발하는 열 레이저 빔 분리 (TLS) 의 기술을 이용한다. 이 경우에, 가공물 재료가 레이저 빔에 의해 변성되지 않도록, 특히 용융되지 않도록 레이저 방사선의 에너지와 강도가 선택된다. CW 레이저 (CW: 연속파) 가 바람직하게 이 목적으로 사용된다. 제안된 방법에서, TLS 에서 파단을 개시하는데 요구되는 재료 약화는, 가공물의 표면을 통하여, 추가 레이저 빔, 특히 펄스 레이저 빔을 이용한 국부적 재료 프로세싱에 의해 달성된다. 이 경우에, 변성된 재료의 하나 또는 복수의 라인들이 분리 라인들을 따라 생성된다. 제안된 방법은, 상기 하나 또는 상기 복수의 라인들이 전적으로 표면을 따라 생성되지 않고, 오히려 가공물에서 표면으로부터 거리를 두고 완전히 또는 적어도 부분적으로 연장된다는 사실로 구별된다. 이것은 하나의 연속 라인, 그렇지 않으면 또한 분리 라인을 따라 서로에 대해 떨어져 있을 수 있는 복수의 분리 라인들을 포함할 수 있다. 라인들의 두께 또는 직경은 또한 그것의 길이에 걸쳐 가변될 수 있다.
특히 유리하게도, 각각의 라인은, 라인이 가공물의 표면에서 시작하고 추후 표면으로부터 이격되게 이동하여 가공물에서 표면으로부터 거리를 두고 연장되는 코스로 생성되고, 상기 거리는 또한 라인의 길이에 걸쳐 가변될 수 있다. 따라서, 분리될 섹션 또는 구성요소 각각의 가장자리의 품질은 단지 파단 개시 위치에서 표면에서의 재료 변성에 의해 영향을 받고, 그리하여 구성요소 또는 섹션 가장자리들의 나머지 코스는 높은 품질로 생성될 수 있다. 이 경우에, "고 품질" 은 언듈레이션 (undulations) 또는 스폴링 (spalling) 없이 원하는 분리 라인을 따라 가능한 한 정확한 가장자리의 기하학적 코스를 주로 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
제안된 방법으로, TLS 의 기술을 이용함으로써, 섹션들을 분리할 때 높은 처리율을 달성할 수 있다. 가공물의 표면에 대해 거리를 두고 적어도 부분적으로 파단을 개시 및 안내하는 역할을 하는 변성된 재료의 라인들의 생성은 분리된 섹션들 또는 구성요소들의 가장자리의 보다 높은 품질을 동시에 달성하는데 왜냐하면 표면에 대해 거리를 두고 뻗어있는 라인 부분들은 섹션 또는 구성요소의 가장자리에 악영향을 미치지 않기 때문이다. 이 경우에, 표면에 대해 거리를 두고 있는 라인 부분(들)의 길이는 가능한 한 길어야 하지만, 바람직하게 표면에서 뻗어있는 라인 부분(들)의 길이보다 더 길다.
제안된 방법의 추가 장점은, 추후 TLS 를 위해 가공물에서 레이저 방사선의 충분한 흡수를 가능하게 하도록 또는 예컨대 보안 RFID 들에서처럼 보안 관련 구조들을 제거하도록, 스크라이빙 프레임의 구역에서 가공물 및/또는 광범위한 PCM 구조들 (PCM: 프로세스 제어 모니터링) 의 표면에 가능하다면 위치한 금속화를 국부적으로 제거하는데 라인(들)을 생성하는 제 1 단계가 또한 미리 먼저 이용될 수 있다는 점이다. 따라서, 상기 방법은 스크라이빙 프레임에 광범위한 PCM 구조들을 가지는 가공물들의 분리 및 얇은 전방측 금속이 존재하는 분리를 모두 허용한다.
또한, 방법은, 예를 들어 또한, 분리 가장자리의 양호한 직선성을 가지면서 동시에 각각의 분리 라인에 대해 레이저를 이용해 단 한 번의 통과로, 즉 단 하나의 패스로, 비교적 큰 기판 두께들, 예를 들어 실리콘 기판들의 경우에 적어도 925 ㎛ 의 두께 또는 SiC 기판들의 경우에 450 ㎛ 의 두께를 가지는 기판들을 분리하는데 사용될 수 있다. 상기 방법은 또한 분리 가장자리의 직선성을 가지면서 동시에 고도로 도핑된 반도체 웨이퍼들의 분리를 가능하게 한다. 상이한 재료들의 적층 층들은 또한 제안된 방법에 의해 분리될 수 있다. 특히, 적층된 기판들, 예컨대 실리콘 온 유리는, 상기 방법에 의해 분리 가장자리의 양호한 직선성을 가지면서 동시에 완전히 분리될 수 있다.
상기 방법에서 제 1 방법 단계로 생성되는 분리 라인을 따라 변성된 재료의 라인들은 기하학적 함수 아니면 표면으로부터 거리에 대한 임의의 프로파일을 따를 수 있다. 예시적 기하학적 함수들은 예컨대 사인 함수, 포물선, 선형 함수, 톱니 함수 또는 삼각 함수이다. 이 경우에, 각각의 거리 함수는 또한 분리될 섹션들의 구조들 또는 치수들에 고정적으로 관련될 수 있고, 특히 각각 분리될 섹션의 길이에 의존한다.
각각의 라인이 표면에서 분리 라인들의 개시 및 교차 지점들에 놓이고 가공물에서 표면에 대해 가능하다면 가변 거리로 이 지점들 사이에서 연장되는 거리 프로파일이 특히 유리하다. 동일한 방식으로, 라인은 또한 표면 상의 스크라이빙 프레임에서 표면 금속화 및/또는 PCM 구조들을 가지고 구역들을 따라 뻗어있을 수 있다.
제안된 방법에서, 2 개 이상의 라인들은 또한 표면으로부터 가변 거리로 규정된 분리 라인을 따라 상하로 놓일 수 있고, 즉 표면에서 또는 표면에 수직 투영하여 보았을 때 분리 라인을 따라 완전히 또는 부분적으로 중첩된다.
표면으로부터 라인들의 거리 변화는 바람직하게 가공물의 깊이 방향으로 라인들을 생성하는데 사용된 레이저 빔의 초점 위치, 즉 분리될 가공물의 표면에 대한 초점의 z-값의 적합화에 의해 달성된다. 초점 위치의 이런 변화는 다양한 기술들에 의해 실현될 수 있다. 이 점에서, 초점 위치는, 예컨대, 상대 초점 위치에 영향을 미치는 소자에서 액추에이터, 예컨대 압전 소자 또는 자기 액추에이터를 사용해 구현될 수 있다. 이 점에서, 예컨대 가공물의 표면 앞에서 레이저 빔의 초점 조정 광학 유닛의 마지막 수렴 렌즈의 사인파 운동에 의해, 가공물에서 라인의 대응하는 사인파 거리 함수를 발생시킬 수 있다. 액추에이터에 의해 발생된 변화는 이러한 사인 함수에 제한되지 않고, 임의로 미리 규정된 프로파일 아니면 임의의 기하학적 함수들의 중첩을 따를 수 있음은 말할 필요도 없다.
또한, 라인의 추가 형상들을 만들기 위해서 가공물에 대한 레이저 빔의 패스 중 타겟 방식으로 레이저를 켜고 끌 수 있는 가능성이 있다.
가공물의 깊이 방향으로 초점 위치를 가변하기 위한 추가 가능성은, 이동 광학 소자들 또는, 예를 들어, 다각형 스캐너에서 가변 초점 거리의 거울 소자들과 같은, 가변 초점 거리의 광학 소자들의 사용, 또는 적응형 거울들의 사용으로 구성된다.
가공물 자체가 또한 거리 방향으로 레이저 프로세싱 헤드에 대해 또는 그 반대로 적합하게 이동될 수 있음은 말할 필요도 없다.
제안된 방법에서, 라인들은 라인들을 생성하는데 사용된 펄스 레이저 빔의 에너지 입력으로 생성될 수 있고, 에너지 입력은 라인들을 따라 가변된다. 이것은 예를 들어 펄스 에너지/레이저 전력의 변화에 의해 그리고/또는 또한 펄스 간격의 변화에 의해 실현될 수 있다. 분리될 가공물의 구조 또는 분리될 섹션들에 고정적으로 관련되게 변화가 이루어질 수 있다. 이 점에서, 각각의 경우에 보다 높은 펄스 에너지/레이저 전력이 도입될 수 있고 그리고/또는 예컨대 개재 구역들에서와 비교해 개시 및 교차 지점들에서 보다 작은 펄스 간격이 선택될 수 있다.
제안된 방법의 모든 변형예들에 대해, 센서 시스템과 함께 제 1 방법 단계에서 레이저 빔의 초점 위치를 위한 제어기를 사용할 수 있다. 센서 시스템은, 필요하다면, 라인의 깊이 위치, 즉 표면에 대한 라인의 거리를 가공물 또는 분리될 섹션들의 구조와 동기화하는 것을 가능하게 한다. 이 경우에, 센서 시스템은 레이저 초점에 대해 분리될 가공물의 표면의 상대 위치를 식별하는 역할을 하고, 제 2 프로세싱 단계에 대해 레이저 방사선의 투과를 가능하게 하도록 펄스 레이저 방사선을 사용해 표면 가까이에서 제거되어야 하는, 예를 들어, 금속화 층들과 같은 표면에 존재할 가능성이 있는 구조들을 식별하는 역할을 한다. 이 경우에, 제어기는, 교란 구조들을 제거하기 위해서, 이러한 구조들의 검출시 각각의 경우에 표면으로 초점을 안내한다.
제 1 단계는 별도로 전처리되지 않은 기판에서 실시될 수 있다. 하지만, 일부 방법 변형예들에서, 제 1 단계 전에, 제 1 단계로부터 분리된 전처리 단계가 실시되고, 이 전처리 단계에 의해 가공물의 표면에서 하나 또는 복수의 예상되는 미리 규정된 분리 라인들의 구역에 위치하는 재료, 특히 금속화 및/또는 PCM 구조들이 제거되고 그리고/또는 표면이 제 1 단계에서 레이저 빔을 커플링-인 (coupling in) 하기 위해 마련된다. 결과적으로, 적절하다면, 후속 단계들의 효율성 및 정밀도가 개선될 수 있다.
전처리 단계는 예컨대 표면에 위치한 재료에 대한 삭마 한계값보다 높고 가공물의 재료에 대한 삭마 한계값보다 낮은 빔 에너지를 가지는 전처리 레이저 빔에 의한 선택적 레이저 삭마를 포함할 수 있다. 이것은 예컨대 금속화 및/또는 PCM 구조들을 제거하는데 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 전처리 단계는 레이저 방사선에 의한 국부적 재용융에 의한 기판 표면의 평활화를 포함할 수 있다. 그리하여, 예컨대 후속 제 1 단계에서 레이저 빔의 커플링-인이 비평활화 기판에서 커플링-인과 비교해 개선되도록 거친 면들은 평활화될 수 있다.
국부적 레이저 프로세싱의 제 1 단계에서, 많은 경우에, 표면에 가장 가까운 변성된 재료의 라인이 가공물에서 표면으로부터 30 ㎛ ~ 150 ㎛ 의 거리에서, 특히 40 ㎛ ~ 60 ㎛ 의 거리에서 길이의 대부분에 걸쳐 생성된다면 유리하다. 이런 최상부 트랙이 표면에 매우 가깝다면, 일반적으로 달성될 수 있는 것은, 추후 발생되는 균열이 재료에 유지되어서, 표면은 균열 잔류물들에 의해 오염되지 않는다는 점이다. 더욱이, 균열 로케이션은 후속 TLS 단계의 응력장 (stress field) 에서 충분히 정확하게 미리 규정될 수 있어서, 균열은 이동할 수 없거나 거의 이동할 수 없고 정확한 가장자리 코스가 달성가능하다. 분리 라인들을 따라 상하로 놓이는 라인들 중 적어도 2 개가 생성되는 구역에서, 라인들 사이 깊이 거리가 적어도 200 ㎛ 이면, 심지어 비교적 두꺼운 기판들도 단지 소수의 라인들로 정확히 예비 손상될 수 있어서 후속 균열 평면이 정확히 규정된 상태로 유지된다. 바람직하게, 이러한 경우에, 먼저 표면으로부터 더 이격되어 놓여있는 라인이 생성되고 그 후 표면에 더 가까운 라인이 생성되어서, 레이저 빔은 항상 손상되지 않은 재료를 통하여 커플링-인된다.
기판을 분리하기 위해, 바람직하게, 열 레이저 분리의 제 2 단계에서, 가열 존을 생성하기 위한 제 2 레이저 빔은 가공물로 향하고, 가열 존 가까이에서 또는 가열 존과 부분적으로 중첩하여, 냉각 매체는 냉각 존을 생성하기 위한 표면에 적용된다. 이 경우에, 분리 라인을 따라 가열 존의 중심과 냉각 존의 중심 사이 거리가 적어도 하나의 가공물 파라미터 및/또는 분리률에 따라 설정된다면 유리한 것으로 판명되었다. 그리하여, 균열 기하학적 구조의 개선을 조성할 수 있다.
일부 방법 변형예들에서, 제 2 단계에서, 초점 위치가 가공물의 내부에서 표면에 대해 거리를 두고 있도록 제 2 레이저 빔의 초점 조정이 설정된다. 그러면, 열은 가열될 구역을 내부 영역으로부터 바깥쪽으로 가열할 수 있다. 이것은 기판 표면에서 가열 빔의 초점 조정의 경우보다, 특히 흡수 계수가 온도에 크게 의존하는 재료들의 경우보다 더 깊은 가열을 가능하게 한다. 냉각과 함께 깊은 가열은, 정확한 균열 전파를 조성하는 강하고 매우 국부적인 응력장들을 조성한다. 표면에 대한 유리한 거리들은 예컨대 50 ㎛ ~ 500 ㎛ 의 범위, 특히 100 ㎛ ~ 400 ㎛ 의 범위에 있을 수 있다.
가공물의 내부에서 용융 없이 가열에 적합한 레이저 빔의 이런 초점 조정은, 분리 라인이 표면에서 선행하는 단계로 생성된 방법들을 비롯한, 모든 TLS 방법들에 대해 독립적인 유용한 양태로서 간주된다.
그러므로, 본원의 방법을 실시하기 위한 기기는, 변성된 재료의 하나 또는 복수의 라인들을 가공물에 생성할 수 있는 제 1 레이저 유닛, 분리 라인들을 따라 가공물의 열 레이저 빔 분리를 위해 설계된 제 2 레이저 유닛, 및 본 방법을 실시하기 위해 제 1 및 제 2 레이저 빔 유닛들을 구동하는 제어기를 포함한다. 이 경우에, 제 1 레이저 유닛은 가공물의 깊이로 (z-방향) 레이저 빔의 초점 위치를 변경하기 위한 수단을 갖는다. 제어기가 제 1 레이저 유닛 또는 가공물에서 표면으로부터 가변 거리로 하나 또는 복수의 라인들을 생성하기 위해 초점 위치 변화에 의해 초점 위치를 변경하기 위한 수단을 구동하도록 제어기가 설계된다.
일 구성에서, 기기는 또한 냉각 유닛을 포함하고, 이 냉각 유닛으로 분리 라인들을 따라 열 레이저 빔 분리하는 동안 가공물의 표면에 냉각 매체가 국부적으로 적용될 수 있다. 예로서, 물, 물-공기 혼합물, 공기, CO2 또는 N2 가 냉각 매체로서 사용될 수 있고, 레이저 빔과 조합하여, 가공물에서 분리에 필요한 기계적 응력을 유발하도록 분무 노즐에 의해 가공물의 표면으로 향하게 될 수 있다. 다른 냉각 매체들이 또한 사용될 수 있다.
이 경우에, 제어기는 제안된 방법의 다른 구성들에 따라 분리 라인들의 다른 코스들을 생성하기 위해 제 1 레이저 유닛을 구동하도록 다양한 작동 모드들을 가질 수 있다.
본원의 방법 및 기기는, 매우 다양한 기술 분야들에서 플랫 취성 가공물들을 분리하기 위해, 특히 얇은 기판들 또는 웨이퍼들에 생성된 구성요소들을 분리하기 위해 사용될 수 있다. 이 점에서, 마이크로일렉트로닉스 또는 나노일렉트로닉스의 영역에서, 분리될 층 스택들 및 기판 재료에 대해 다른 조성들의 반도체 웨이퍼들을 분리할 수 있다. 종래 기술에서 공지된 방법들에 의해 또한 프로세싱될 수 있는 모든 기판들이 여기에서 적절하다. 이들은 예컨대 그 중에서도 단결정 및 다결정 반도체들, 화합물 반도체들, 광전 변환 공학에서 사용하기 위한 비정질 반도체들이 있다. 조합된 전기적, 기계적, 화학적 및/또는 생물학적 구성 부품들, 예컨대 마이크로 전자 기계 시스템들 (MEMS) 또는 나노 전자 기계 시스템들 (NEMS) 을 포함하는 시스템들이 제안된 방법에 따라 또한 프로세싱될 수 있다. 유리 산업에서, 본원의 방법은 예컨대 디스플레이들, 타일들 등의 생산에 이용될 수 있다. 본원의 방법과 기기는 예로서 제공된 상기 용도들에 제한되지 않음은 말할 필요도 없다.
제안된 방법 및 연관된 기기는 도면들과 관련하여 예시적 실시형태들을 기반으로 이하 더욱더 상세히 다시 설명된다.
도 1 은 평면에서 보았을 때 구성요소들을 가지는 기판 일부의 개략도를 도시한다.
도 2 는 제안된 방법에 따라 사인파형 라인이 생성된 기판 일부의 개략적 단면도이다.
도 3 은 본 방법에 따라 생성된 변성된 재료의 라인을 갖는 2 개의 예시적 구성요소들 또는 섹션들의 개략적 단면도를 도시한다.
도 4 는 변성된 재료의 복수의 라인 세그먼트들 (실시예에서, 2 개) 이 제안된 방법에 따라 생성된 기판 일부의 개략적 단면도를 도시한다.
도 5 는 변성된 재료의 복수의 라인 세그먼트들 (실시예에서, 2 개) 이 제안된 방법에 따라 생성된 기판 일부의 추가 개략적 단면도를 도시한다.
도 6 은 도 6a 에서 플랫 가공물들을 섹션들로 분리하기 위한 기기의 일 실시형태의 개략도를 도시하고 도 6b 내지 도 6d 에서 상세도들로 도시한다.
도 7 은 상하로 놓여있는 변성된 재료의 라인들을 생성하기 위한 프로세싱의 개략도를 도시한다.
도 8 은 열 레이저 분리 중 가열을 위해 가공물의 내부에서 제 2 레이저 빔의 초점 조정을 도시한다.
도 9 는 연속적 시점들로 열 레이저 분리 중 가공물을 가열하기 위한 제 2 레이저 프로세싱의 상세도들을 도시한다.
도 1 은 본원에 나오는 용어들을 명확히 하기 위해서 구성요소들로서 분리될 칩들 (101) 을 가지는 기판 (1) 으로부터 발췌 부분을 평면도로 도시한다. 도면에서, 칩들 (101) 이외에, 스크라이빙 프레임 (102), 스크라이빙 프레임 폭 (103), 커프 (104), 커프 폭 (105) 및 분리 단계들을 실시할 때 운동 방향들 (203, 204; x- 및 y-방향) 이 또한 나타나 있다.
도 2 는 개별 섹션들 또는 구성요소들로 싱귤레이션되도록 된 대응하는 기판 (1) 의 단면도를 도시한다. 이 경우에, 제안된 방법은 2 개의 별개의 프로세싱 단계들을 사용한다. 제 1 단계에서, 변성된 재료의 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은, 분리될 기판 (1) 상으로 그리고/또는 안으로 펄스 레이저 빔 (5) 의 적합한 초점 조정에 의해 TLS 균열 개시를 국부화하고 TLS 균열을 안내하기 위해 규정된 분리 라인을 따라 생성된다. 도 2 의 실시예에서, 레이저 빔 (5) 에 의해 생성되는 변성된 재료의 라인 (2) 은 기판 (1) 의 표면으로부터 사인파형 가변 거리와 또한 후방측으로부터 대응하는 거리를 갖는다. 표면에 대한 최소 거리 (4) 와 또한 기판 (1) 의 후방측에 대한 최소 거리 (3) 는 이 실시예에 따른다. 거리의 변화는 기판 (1) 에서 레이저 빔 (5) 의 초점 (6) 의 깊이 위치 변경에 의해 발생된다. 제안된 방법에서, 라인 (2) 이 또한 기판 (1) 의 표면 및/또는 후방측에서 부분적으로 뻗어있을 수 있도록 최소 거리들 (3, 4) 은 또한 영 (zero) 으로 될 수 있다. 제안된 방법에서, 분리된 구성요소들의 구성요소 가장자리들의 품질이 이런 재료 변성에 의해 악영향을 받지 않도록 표면에서 코스는 예컨대 균열을 개시하기 위한 단지 특정 로케이션들에서 또는 분리 라인들의 교차 지점들에서 바람직하게 생성된다.
도 3 은, 표면으로부터 생성된 라인 (2) 의 거리 함수가 주기적으로 진행하고 분리될 구성요소들 (7) 의 치수들에 적합화된 실시예를 도시한다. 이 경우에, 도 3 은 기판의 2 개의 예시적 구성요소들 (7) 의 단면도를 도시한다. 이 경우에, 라인 (2) 이 구성요소들 (7) 의 각각의 가장자리들 또는 마진 존들에서 표면에 놓여있고, 라인은 구성요소들 사이 깊이로 연장되도록 라인 (2) 의 코스가 선택된다. 구성요소들 (7) 의 싱귤레이션 중 TLS 균열을 국부화 및 안내하기 위한 각각의 라인의 이런 개시 및 종료점들 (8) 은 따라서 여기에서 표면에 선택된다.
끝으로, 도 4 는 기판 (1) 에서 라인들 (2) 의 가능한 코스의 추가 실시예를 도시한다. 이 구성에서, 분리 라인을 따라 연속되는 2 개의 라인들 (2) 은 단면도에 도시된 기판 (1) 의 부분에서 생성되고, 상기 라인들 (2) 은 구역 (9) 에서 특정 값만큼 중첩된다. 중첩은, 중첩 구역 (9) 에서 표면으로부터, 이 실시예에서는 만곡된, 2 개 라인들 (2) 의 다른 거리들만큼 실현된다.
끝으로, 도 5 는 이 실시예에서는 만곡된 라인들 (2) 의 변형예의 추가 실시예를 도시하고, 이 경우에 라인들은 중첩되지 않고, 오히려 각각의 분리 라인의 방향으로 서로 대응하는 거리 (10) 에 있다.
라인들 (2) 의 기하학적 코스, 가능한 중첩 또는 가능한 거리는, 가공물 재료 및 가공물 두께에 따른 구성요소들의 원하는 분리 결과와 요건들에 따라 선택된다. 제 1 단계에서 대응하는 라인(들)의 도입 후, 기판을 완전히 분리하기 위해서 TLS 프로세스가 제 2 단계에서 실시된다 (클리브 (cleave) 단계). 이것은 분리 라인을 따른 추가 레이저 및 냉각의 조합에 의해 도입되는 열 유도 기계 응력에 의해 실시된다.
이 점에서, 예로서, 400 ㎛ 의 두께를 가지는 실리콘 기판을 개별 칩들로 분리하기 위해, 1.2 W 의 평균 전력을 가지는 펄스 Nd:YAG 레이저가 제 1 단계에서 라인들을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 130 W 의 cw 레이저 전력 및 250 mm/s 의 공급 속도를 가지는 Yb:YAG CW 레이저가 그 후 후속 TLS 단계에 사용될 수 있다.
방법 및 기기의 변형예들을 추가 설명하기 위해, 도 6 은 부도면 6a 에서 플랫 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기 (600) 의 개략도를 도시한다. 기기는 생산 라인의 방식으로 구성되고 가공물에 의해 연속적으로 통과될 복수의 프로세싱 유닛들을 포함하고 각각의 경우에 일시적으로 연속적으로 상이한 프로세싱 단계들이 가공물에서 실시된다.
전처리 유닛 (PRE) 은, (변성된 재료의 라인들을 생성하기 위한) 전술한 제 1 단계 전, 적어도 하나의 전처리 단계를 실시하도록 구성되고, 이 단계에 의해 예를 들어 금속화 및/또는 PCM 구조들과 같은 스크라이빙 프레임들의 구역들에서 하나 또는 복수의 예상된 미리 규정된 분리 라인들의 구역에서 가공물의 표면에 위치한 재료가 제거될 수 있고 그리고/또는, 적절하다면, 표면은 또한 후속 제 1 단계에서 레이저 빔과 커플링-인하기 위해 마련될 수 있다. 전처리는, 여기에서 "레이저 연마" 로도 지칭되는, 국부적 재용융에 의한 예컨대 기판 표면의 평활화를 포함할 수 있다.
전처리 단계 후, 가공물은 하류의 제 1 레이저 프로세싱 유닛 (DS) 으로 운반되고, 상기 제 1 레이저 프로세싱 유닛에서 변성된 재료의 적어도 하나의 라인 (LM) 을 생성하기 위한 제 1 단계가 실시된다. 상기 라인은 재료 내 임의의 깊이에서 가공물 (1) 의 표면 (S) 아래에 거리를 두고 적어도 부분적으로 생성되므로, 유닛은 또한 디프 스크라이브 유닛 (DS 로 약칭됨) 으로 지칭된다. 상기 유닛은 제 1 레이저 유닛 (L1) 을 포함하고, 상기 제 1 레이저 유닛으로, 가공물 (1) 의 표면 (S) 을 통과하는 레이저 빔 (5) 에 의한 국부적 재료 프로세싱에 의해 가공물에서 하나 또는 복수의 미리 규정된 분리 라인들을 따라 변성된 재료의 하나 또는 복수의 라인들 (LM) 이 생성될 수 있다. 변성된 재료의 라인들이 분리 라인들을 따라 가공물의 파괴 응력 감소를 유발하도록 여기에서 레이저 프로세싱이 이루어진다.
가공물은 추후 하류 유닛으로 운반되고, 하류 유닛은 열 레이저 빔 분리를 위해 구성되고 또한 여기에서 TLS 유닛 (TLS) 으로 지칭된다. TLS 유닛은, 분리 라인들을 따라 가공물의 열 레이저 빔 분리를 위해 설계된 제 2 레이저 유닛 (L2), 및 또한 냉각 유닛 (CL) 을 포함하고, 상기 냉각 유닛에 의해, 냉각 매체는 분리 라인들을 따라 열 레이저 빔 분리 중 가공물의 표면에 국부적으로 적용될 수 있고, 그 결과 열 유도 기계 응력들이 온도 차이로 인해 가공물에 축적되고, 상기 기계적 응력은 미리 규정된 분리 라인들을 따라 가공물 재료의 정확한 균열을 발생시킨다. 각각의 상기 유닛은, 프로세스의 조건에 따라 개별 방법 단계들을 제어하는 제어기 (ST) 에 연결된다.
예를 들어, PCM 구조들 (PCM) 및/또는 금속화와 같은 스크라이빙 프레임들 (102) 의 구역에서 가공물의 표면 (S) 에 위치한 재료들의 선택적 레이저 삭마가 레이저 빔 (50) 에 의해 일어나도록 전처리 유닛 (PRE) 의 레이저 유닛 (L0) 이 설계된다. 이 경우에 레이저 빔 (50) 이 표면에서 제거될 구조들로 초점이 맞추어지도록 발산 변경자 (DIV0) 및 하류 수렴 렌즈 (LS0) 가 구성된다 (도 6b). 표면에 위치한 제거될 재료에 대한 삭마 한계값 (AS2) 은 크게 초과되고, 가공물 (1) 의 재료에 대한 삭마 한계값 (AS1) 은 크게 못 미치도록 레이저 빔의 빔 특성들이 설정된다 (도 6c). 결과적으로, 실제로 가공물 재료에서 재료 제거는 일어나지 않고, 표면에 위치한 구조들의 조사된 재료는 어떤 다른 방식으로 증발 또는 제거된다.
전처리 유닛 (PRE) 에 의해, 스크라이빙 프레임 (102), 즉 섹션들 (101) 의 원하는 구조들 사이 구역, 또는 스크라이빙 프레임들의 적어도 하나의 규정된 부분이 세정될 수 있다. 가능하다면, 후속 제 1 단계에서 레이저의 더 나은 커플링-인을 촉진하도록 표면이 또한 변성될 수 있다. 단펄스 레이저, 특히 나노초 레이저, 피코초 레이저 또는 펨토초 레이저가 바람직하게 전처리 레이저로서 사용된다. 가공물 재료에 레이저 방사선이 실제로 흡수되지 않지만, 위에 놓인 층들 또는 구조들의 재료에서 높은 흡수가 존재하도록 레이저 파장이 바람직하게 선택된다.
대안적으로 또는 부가적으로, 예컨대 수 ns ~ 수 ms 범위의 펄스 길이들을 가지는 예컨대 레이저에 의해 기판 재료의 국부적 재용융이 이루어질 수 있다. 여기에서 "레이저 연마" 로도 지칭되는 이런 전처리 프로세스는 예컨대 매우 거친 면들인 경우에 유리할 수도 있고 이런 거친 면들에서, 변성된 재료의 라인들을 생성할 때, 즉 하류 DS 스테이션에서 레이저 빔의 커플링-인은 높은 표면 조도 (roughness) 때문에 교란되는데 왜냐하면 레이저 광이 지나치게 확산 산란되기 때문이다. 재용융에 의한 평활화는 짧은 주파수의 조도를 감소시킬 수 있어서 보다 나은 커플링-인 및/또는 감소된 확산 산란을 가능하게 한다. 전형적인 재용융 깊이는 일부 경우에 수 ㎛, 예컨대 최대 5 ㎛ 일 수 있지만, 가능하다면 또한 상당히 더 클 수 있고, 예를 들어 최대 수백 마이크로미터, 예컨대 200 ㎛ 일 수 있다.
재료 유동 방향으로 전처리 유닛의 하류에 배열된 제 1 레이저 유닛 (L1) 을 포함하는 디프 스크라이브 유닛 (DS) 은 변성된 재료의 라인들 (LM) 을 생성하는 역할을 한다. 이 경우에, 미리 규정된 깊이에서 가공물 (1) 의 재료 내에서 표면 (S) 아래에 다소간의 거리를 두고 긴 구역들에 걸쳐 라인들이 뻗어있도록 레이저 빔은 초점이 맞추어져야 한다. 원하는 깊이에서 커플링-인 및 초점 조정을 달성하도록, 가공물의 깊이에서 레이저 빔 (5) 의 초점 위치를 변경하기 위한 수단들이 제공된다. 실시예의 경우에, 상기 수단들은 가변 설정가능한 발산 변경자 (DIV1) 및 하류 수렴 렌즈 (L1) 를 포함한다. 수렴 렌즈는 고정되어 있고, 다시 말해서 이동될 필요가 없다. 가변 발산 변경자 (DIV1) 는, 제어기 (ST) 의 제어 신호들에 따라 수렴 렌즈 (L1) 의 방향으로 나오는 빔의 발산을 가변하도록 구성된다. 이 경우에, 발산 증가는 보다 작은 발산 각도들 또는 평행한 방사선 입사와 비교해 더 깊은 초점 위치를 유발한다. 본원에서 설명한 초점 위치를 변경하기 위한 다른 방법들도 마찬가지로 가능하다.
일부 방법 변형예들에서, 변성된 재료의 라인 (LM), 다시 말해서 균열 안내를 위한 손상 트랙이 대략 가공물의 상부 1/3 에서 (표면 (S) 으로부터 보았을 때), 특히 표면 (S) 으로부터 30 ㎛ ~ 150 ㎛ 의 거리 (D1) 에 대응하는 깊이 범위에서 발생하도록 이런 부분 프로세스가 제어된다. 표면 (S) 에 대한 거리 (D1) 가 예를 들어 40 ~ 60 ㎛ 이면, 일반적으로, 디프 스크라이브 단계에서 균열은 재료 내에 유지되고 표면으로 위로 이탈하지 않도록 보장될 수 있다. 한편, 후속 열 레이저 분리 중 균열이 열 레이저 분리의 열 응력장 내 정확한 로케이션에서 발생하고 거기에서 유지되도록 보장하기에 깊이는 충분히 작다.
도 6 을 참조하여 설명한 방법 변형예들에서, 특정 상황에서는 변성된 재료의 많은 라인들 (LM) 이 기판 상에 그리고/또는 내부에 적용되고, 상기 라인들은 위에서 보았을 때 교차 지점들의 구역에서 불가피하게 또한 상호 교차한다 (도 1 참조). 레이저에 의한 프로세싱 또는 조사가 거기에서 적어도 2 번 일어나므로 교차 지점들은 잠재적으로 더 많은 손상을 지속할 수 있으므로, 일부 변형예들에서, 일 방향 및 그것에 대해 횡단하여 뻗어있는 다른 방향의 라인들이 교차 지점들의 구역에서 다른 깊이들에 위치하도록 라인들의 깊이 위치를 미리 규정하기 위해 제공된다.
가공물 재료의 감소된 파괴 응력을 가지는 변성된 재료 또는 구역들의 라인들이 제 1 레이저 유닛 (L1) 을 사용해 발생된 후, 제 2 단계, 즉, 열 레이저 빔 분리에 의해 분리 라인들을 따라 가공물을 분리하는 것은, 가공물이 TLS 유닛 (TLS) 으로 운반된 후 실시된다. 제 2 레이저 유닛 (L2) 은 이 목적으로 레이저 빔 (60) 을 사용하고 가공물 재료가 레이저 빔에 의해 변경되지 않고, 특히 용융되지 않고, 오히려 가공물 재료의 단지 국부적 가열만 가열 존 (HZ) (도 6d, 위에서 본 가공물 표면의 도면) 에서 일어나도록 레이저 빔의 파장, 에너지 및 강도가 선택된다. 동시에, 표면에 가까운 구역에서 가공물 재료는 냉각 유닛 (CL) 을 사용해 냉각 존 (CZ) 의 구역에서 국부적으로 냉각된다. 이 목적으로, 냉각 유닛은, 가공물 표면 (S) 으로 유체 냉각 매체를 분무 또는 블로잉하는데 사용될 수 있는 냉각재 노즐 (CD) 을 갖는다. 예로서, 냉각 가스 (예를 들어, 공기) 와 물 액적들의 혼합물이 냉각재로서 사용될 수 있다.
특히 가열 존으로부터 냉각 존으로 전이시 높은 열 유도 응력은 균열 (R) 을 유발하고, 균열은 주로 표면에 수직인 균열 평면에서 고 정밀도로 진행하고 열 레이저 분리 중 가공물의 공급 속도로 제어 방식으로 전파된다.
TLS 유닛 (TLS) 의 한 가지 특별한 특징은, 가열 존의 중심과 냉각 존의 중심 사이 거리 (HC) 가 예컨대, 대략 1 mm ~ 5 mm 의 거리 범위에서, 적절하다면 또한 그보다 위 또는 아래에서 연속 가변식으로 조절될 수 있다. 이것은 예를 들어 냉각재 노즐 (CD) 이 레이저 유닛 (L2) 에 대해 선형으로 변위될 수 있고 설정 유닛에 의해 다른 위치들에 로킹될 수 있다는 사실에 의해 실현된다. 결과적으로, 열 응력장의 특성들은, 예를 들어, 가공물의 공급 속도, 가공물 재료 등과 같은 분리 프로세스의 프로세스 파라미터들에 최적으로 맞출 수 있다.
가공물 재료 내에 변경된 라인들을 생성하는, 즉 제 1 단계의 추가 변형예들이 도 7 을 참조하여 설명될 것이다. 도면은, 고정 방식으로 끼워맞추어진 마지막 수렴 렌즈 (L1), 및 연속 가변 방식으로 빔 발산을 설정할 수 있는 상류에 배치된 발산 변경자 (DIV1) 를 도시한다. 실시예의 경우에, 400 ㎛ 초과 두께를 가지는 가공물 (1) 에서, 후속 열 레이저 분리 중 표면 (S) 에 수직인 분리 평면의 코스를 정확히 규정하도록 변성된 재료의 복수의 라인들이 분리 라인을 따라 수직으로 상하로 생성되도록 되어있다. 제 1 작동 모드에서, 변성된 재료의 제 1 라인 (LM1) 을 생성하도록 예를 들어 표면 아래 40 ~ 60 ㎛ 의 거리 (D1) 에 놓여있는 제 1 초점 (F1) 에서 평면으로 표면 (S) 을 통하여 레이저 빔의 초점이 맞추어지도록 제 1 레이저 빔 유닛이 설정된다. 제 1 라인은 표면 (S) 에 대략 평행하게 그 길이 대부분에 걸쳐 뻗어있고 마진 존들에서 표면까지 뻗어있을 수 있다. 이 경우에, 마진 존들은 또한 직교 방향으로 분리의 결과로서 후에 단지 섹션의 마진 존이 되는 구역들일 수 있다.
제 2 작동 모드에서, 스크라이빙 프레임의 동일한 구역은 원하는 분리 라인을 따라 다시 횡단되고, 발산 변경자 (DIV1) 에서 나오는 빔은 더 높은 발산으로 설정되어서, 레이저 빔의 제 2 초점 (F2) 의 평면은 그러면 재료 내부 더 깊은 깊이, 구체적으로 제 1 라인 (LM1) 으로부터 깊이 거리 (D2) 에 위치한다. 대략 200 ㎛ 이상 크기의 수직 거리들 (D2) 은, 후속 열 레이저 분리 중, 분리 라인을 따라 원하는 분리 평면에서 균열이 대체로 정확하게 진행하도록 보장하기에 충분하다는 것을 발견하였다. 여기에서, 재료에서 고도로 국부화된 응력장들이 가공물 표면에 실질적으로 수직인 균열 진행을 조성하여서, 손상 라인들 사이 비교적 큰 거리들이 원하는 분리 평면을 미리 규정하기에 충분하다는 사실로 이루어진 열 레이저 분리의 한 가지 장점이 이용된다.
일부 변형예들에서, 먼저 더 깊은 라인 (LM2) 이 생성되고 그 후 표면에 더 가까운 라인 (LM1) 이 생성된다. 더 두꺼운 기판들에서, 깊이로 상하로 놓여있는 3 개 또는 3 개 초과의 라인들을 또한 생성할 수 있다.
전처리 단계 (PRE), 변성된 재료의 라인들의 생성 (제 1 레이저 프로세싱 유닛 (DS) 에 의한 제 1 레이저 프로세싱 단계 (디프 스크라이브)), 및 각각의 경우에 전체 기판에 대한 후속 열 레이저 분리 (TLS) 의 도면으로 도시된 배분 및 연속 수행에 대한 대안으로서, 다른 방법 구현들 및 시스템 구성들이 또한 가능하다. 예로서, 전처리 단계 (PRE), 변성된 재료의 라인들의 생성 (DS) 및 열 레이저 분리를 위한 모듈들은 하나 뒤에 다른 하나가 바로 배치될 수 있어서, 분리 라인에 평행하거나 수직인 다음 분리 라인이 프로세싱되기 전 이 단계들은 분리 라인을 따라 각각의 경우에 차례로 수행된다. 모듈들을 조합 모듈로 조합할 수 있어서, 각각의 다이싱 단계 (분리 단계) 에 대해 모든 작동들은 각각의 경우에 하나 뒤에 다른 하나가 바로 수행된다. 조합 모듈을 형성하도록 예컨대 단지 전처리 유닛 (PRE) 과 변성된 재료의 라인들을 생성하기 위한 유닛 (DS) 을 조합함으로써, 단지 개별 모듈들로 이것을 또한 수행할 수 있다. 여기에서, 레이저 소스는 특정 상황에서 통상적인 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔에 의해 세이브될 수 있는데, 상기 레이저 빔은 표면의 전처리를 위한 제 1 부분 빔 및 변성된 재료의 라인들을 생성하기 위한 제 2 부분 빔으로 빔 스플리터 유닛에 의해 분할된다. 빔 분할은 예컨대 전처리 중 및/또는 제 1 레이저 프로세싱 단계 중 2 개 이상의 부분 빔들을 생성하도록 개별 모듈 내에 또한 제공될 수 있고, 상기 부분 빔들은 서로 평행한 분리 라인들을 따라 기판을 동시에 프로세싱한다.
많은 경우에 열 레이저 분리 단계가 선행하는 단계들, 특히 제 1 레이저 프로세싱 단계보다 더욱 느리게 또는 더 낮은 공급 속도로 수행되어야 한다는 사실을 고려하여, 일시적으로 동시에 작동될 수 있는 2 개 이상의 제 2 레이저 프로세싱 유닛들 및 냉각 유닛들을 제 1 레이저 프로세싱 유닛의 하류에 배치하고 제 1 레이저 프로세싱 단계의 마무리 후 분배 유닛에 의해 하류 TLS 스테이션들을 따라 기판들을 분배하기 위해 제공될 수 있다.
열 레이저 분리 중, 다시 말해서 제 2 단계에서, 레이저 빔 기반 가열의 특별한 특징들이 도 8 및 도 9 를 참조하여 설명될 것이다. 레이저 빔의 초점 구역이 가공물의 표면 (S) 또는 그 부근에 위치하도록 제 2 레이저 빔 유닛의 초점을 맞출 수 있다. 하지만, 조사한 바에 의하면 초점 구역 (F3) 을 재료 내에, 즉 가공물 (1) 의 표면 (S) 에 대한 수직 거리에 초점 구역을 위치결정하는 것이 유리할 수도 있음을 보여주었다. 초점 위치와 표면 사이 최적 거리들 (D3) 은 재료 의존적 방식으로 가변될 수 있고 예를 들어 100 ㎛ ~ 500 ㎛ 의 범위에 있을 수 있다. 게다가, 재료를 가열하기 위해서 재료에서 충분한 흡수가 일어나도록 제 2 레이저 빔의 파장은 가공물의 재료에 적합화된 방식으로 선택되어야 한다. 실리콘의 프로세싱에 대해, 예컨대 대략 1070 ㎚ 의 파장이 특히 적합한 것으로 판명되었다. 일반적으로, 반도체 재료들을 가열하기 위해, 각각의 재료의 밴드 갭보다 에너지가 다소 낮은 레이저 파장을 선택하는 것이 유리한 것으로 보인다. 레이저 빔과 표면 (S) 사이 교차 영역이 섹션들의 인접한 구조들 (STR) 에 대해 측방향 안전 거리를 가지고 스크라이빙 프레임 내에 완전히 놓여서, 상기 섹션들의 인접한 구조들 (STR) 이 레이저 빔에 의해 영향을 받지 않도록 제 2 레이저 빔 (60) 은 바람직하게 초점이 맞추어진다.
최고 에너지 밀도의 구역, 즉 초점 구역이 가공물 재료 내로 전이된다면, 달성될 수 있는 것은 가열된 존이 표면에서 초점 조정하는 경우보다 더 깊은 깊이까지 도달한다는 것이다. 결과적으로 달성될 수 있는 것은, 얻기 위해 노력한 열 유도 응력장이 또한 표면에서 초점 조정하는 경우보다 더 깊은 깊이까지 재료 내로 연장한다는 점이다. 이것은 결국 단지 표면 가까이에서 가열하는 경우보다 더 양호하게 균열 평면의 코스 (이상적으로 표면에 수직) 를 제어할 수 있도록 한다.
제 2 단계에서 가공물 내에서 레이저 빔을 초점 조정하는 것은 가공물의 내부로부터 표면 방향으로 원하는 가열을 발생시킬 수 있도록 한다. 가공물 재료 내에서 초점 조정과 함께, 표면으로부터 더 긴 거리에서 더 깊은 존들의 가열이 또한 이런 가공물들에 대해 가능하고 이 가공물들의 가공물 재료는 제 2 단계에서 레이저 빔에 대해 매우 온도 의존적인 흡수 계수를 갖는다. 이 경우에, 레이저 빔의 투과 깊이는 온도가 증가하거나 조사 지속기간이 증가함에 따라 변한다. 이 점에 있어서, 도 9 는 가공물 재료를 가열하기 위해 조사하는 동안 다른 시간들에서 가공물 일부를 설명하기 위해 개략적으로 도시한다. 가열 단계 초반에 시점 (t1) 에서, 표면으로부터 멀리 떨어져 재료 내에 위치한 초점 구역에서 최대 비율의 열이 발생한다. 가열이 증가함에 따라, 가공물 재료의 흡수가 증가하여서, 추후 시점 (t2 > t1) 에서 레이저 빔의 투과 깊이는 이미 감소되어 있다. 더욱 추후 시점 (t3 > t2) 에서, 다시 증가된 흡수 때문에, 레이저 빔은 여전히 거의 재료로 투과할 수 없다. 이런 식으로 달성될 수 있는 것은, 심지어 초점 위치의 기계 기반 조절 없이, 재료의 깊이로 하향 연장되는 응력장을 생성하도록 충분히 더 깊은 깊이까지 예상된 분리 구역에서 가공물이 가열되는 것이다. 원형과 또한 타원형, 정사각형 또는 비정사각형의 기다란 직사각형 빔 단면들이 이 목적으로 사용될 수 있다.
이 변형예는, 본원에서 설명한 본 발명의 다른 특징들과 독립적으로, 열 레이저 분리의 다른 방법들에서도 유리할 수 있고, 독립 발명으로 간주된다. 특히, 가열 중 이 절차는, 선행하는 제 1 단계에서, 손상된 재료의 라인들이 단지 가공물의 표면을 따라 생성되었다면 또한 사용될 수 있다.
더 구체적으로 상세히 도시되지 않은, 후속 세정 단계에서, 현재 서로 분리된 섹션들을 갖는 프로세싱된 가공물은 세정 작동으로 세정될 수 있다. 이 목적으로, 예로서, 표면은 가능한 잔류물들을 제거하도록 압축 공기 또는 그밖의 다른 압축 가스에 의해 블로잉될 수 있다. 또한, 원심력을 이용해 표면을 세정하도록 가공물을 전체적으로 빠르게 회전시킬 수 있다. 이 조치들은 조합될 수 있다.
제안된 방법은, 하기 표에서 알 수 있듯이, 가공물의 표면을 따라 스크라이빙 가장자리 또는 라인을 갖는, 스텔스 다이싱 (SD) 의 공지된 방법들 및 종전의 공지된 열 레이저 빔 분리 (TLS) 에 비해 많은 장점들을 갖는다.
# 특징 제안된 방법 SD TLS
1 얇은 후방측 금속의 무삭마 분리
 있음 없음 있음
2 스크라이빙 프레임에서 아주 넓은 PCM 구조들의 분리
 있음 없음 제한적
3 전방측 금속의 분리 있음 없음 없음
4 925 ㎛ (Si) 또는 450 ㎛ (SiC) 까지의 기판 두께에 대한 조합된 "단일 패스 프로세스" 있음 없음 있음
5 고도로 도핑된 웨이퍼들의 분리 있음 없음 있음
6 분리 카드의 직선성 양호 양호 양호하지 않음
7 측면의 품질 수 ㎛ 변성,
기판 두께에 독립적,
나머지 평활 		기판 두께의 대략 50% 변성,
나머지 평활
8 웨이퍼 두께에 대한 스크라이빙 프레임 폭의 의존
 낮음 높음 낮음
9 적층된 기판들의 선택적 분리 양호
직선적		 없음 양호,
덜 직선적임
10 적층된 기판들의 완전 분리 양호
직선적		 없음 양호,
덜 직선적임
11 진동- 및/또는 충격-감응 구성요소들, 예컨대 MEMS 의 분리 있음 제한적 제한적

Claims (26)

  1. 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법으로서,
    - 제 1 단계에서 상기 가공물의 표면을 통과하는 레이저 빔 (5) 을 사용하는 국부적 재료 프로세싱에 의해, 변성된 재료의 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은 상기 가공물 (1) 에서 하나 또는 복수의 미리 규정된 분리 라인들을 따라 생성되어 상기 분리 라인들을 따라 상기 가공물 (1) 의 파괴 응력 감소를 유발하고,
    - 제 2 단계에서, 상기 가공물 (1) 은 열 레이저 빔 분리에 의해 상기 분리 라인들을 따라 상기 섹션들 (7) 로 나누어지고,
    상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은 완전히 또는 적어도 부분적으로 상기 가공물 (1) 에서 표면으로부터 거리를 두고 생성되고,
    상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은, 각각의 경우에, 이들이 상기 가공물 (1) 의 표면에서 시작하고 그 후 상기 가공물 (1) 에서 상기 분리 라인을 따라 상기 표면에 대해 가변 거리로 연장되도록 생성되고,
    상기 가공물 (1) 로 상기 열 레이저 빔 분리를 위한 레이저 방사선의 커플링을 방해하는 상기 분리 라인들에서 표면 구조들 또는 표면 금속화의 구역에서 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은, 각각의 경우에, 상기 레이저 빔 (5) 을 사용해 상기 분리 라인들에서 상기 표면 구조들 또는 표면 금속화를 국부적으로 제거하도록 상기 표면으로 안내되고,
    상기 제 2 단계에서, 가열 존 (HZ) 을 생성하기 위한 제 2 레이저 빔 (60) 은 상기 가공물로 향하고, 상기 가열 존 가까이에서 또는 상기 가열 존과 부분적으로 중첩하여, 냉각 존 (CZ) 을 생성하기 위한 표면에 냉각 매체가 적용되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은, 각각의 경우에, 이들이 상기 표면에서 각각의 섹션 (7) 의 마진 위치에서 시작하고, 그 후 상기 가공물 (1) 에서 상기 분리 라인을 따라 상기 표면에 대해 가변 거리로 연장되도록 생성되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은, 각각의 경우에, 이들이 상기 표면에서 각각의 섹션 (7) 의 제 1 마진 위치에서 시작하고, 그 후 상기 가공물 (1) 에서 상기 분리 라인을 따라 상기 표면에 대해 가변 거리로 연장되고 상기 섹션 (7) 에서 상기 제 1 마진 위치에 대향하여 위치하는 제 2 마진 위치에서 상기 표면에 다시 도달하도록 생성되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은 용융 재료 및/또는 비정질 재료 및/또는 상기 표면에서 제거된 재료의 라인들로서 생성되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 라인들을 따라 부분적으로 상하로 놓이는 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 중 적어도 2 개가 생성되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 을 따라 가변하는 상기 레이저 빔 (S) 의 에너지 입력으로 생성되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은 펄스 레이저 빔 (S) 을 사용해 생성되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가공물의 상기 표면으로부터 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 의 가변 거리는 상기 가공물 (1) 의 두께 방향으로 상기 레이저 빔 (5) 의 초점 위치의 변화에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  10. 삭제
  11. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 전에, 상기 제 1 단계로부터 분리된 전처리 단계가 실시되고, 상기 전처리 단계에 의해 상기 가공물, 또는 금속화 및/또는 PCM 구조들의 표면에서 하나 또는 복수의 예상되는 미리 규정된 분리 라인들의 구역에 위치한 재료가 제거되고 그리고/또는 상기 표면은 상기 제 1 단계에서 상기 레이저 빔에 커플링하기 위해 마련되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전처리 단계는, 상기 표면에 위치한 재료에 대한 삭마 한계값보다 높고 상기 가공물의 재료에 대한 삭마 한계값보다 낮은 빔 에너지를 가지는 전처리 레이저 빔에 의한 선택적 레이저 삭마를 포함하고, 그리고/또는 상기 전처리 단계는 국부적 재용융에 의한 기판 표면의 평활화를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  13. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면에 가장 가까운 변성된 재료의 라인은, 그 길이의 대부분에 대해, 상기 가공물 (1) 에서 상기 표면으로부터 30 ㎛ ~ 150 ㎛ 의 거리 (D1) 에서, 또는 40 ㎛ ~ 60 ㎛ 의 거리에서 생성되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  14. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 라인들을 따라 상하로 놓인 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 중 적어도 2 개가 생성되는 구역에서, 상기 라인들 사이 깊이 거리 (D2) 는 적어도 200 ㎛ 이고, 그리고/또는 상기 분리 라인들을 따라 상하로 놓인 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 중 적어도 2 개가 생성되는 구역에서, 먼저 상기 표면으로부터 더 이격되게 놓이는 라인이 생성되고 그 후 상기 표면에 더 가까운 라인이 생성되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 라인을 따라 상기 가열 존 (HZ) 의 중심과 상기 냉각 존 (CZ) 의 중심 사이 거리 (HC) 는 적어도 하나의 가공물 파라미터 및/또는 분리률에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  17. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서, 상기 제 2 레이저 빔의 초점 조정은, 상기 가공물의 내부에서 표면에 대해 거리 (D3) 에 초점 위치가 있도록 설정되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 거리 (D3) 는 50 ㎛ ~ 500 ㎛ 의 범위, 또는 100 ㎛ ~ 400 ㎛ 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들 (7) 로 분리하기 위한 방법.
  19. 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기로서,
    상기 기기는 적어도:
    - 제 1 레이저 유닛으로서, 상기 제 1 레이저 유닛으로, 가공물의 표면을 통과하는 레이저 빔 (5) 을 사용하는 국부적 재료 프로세싱에 의해, 변성된 재료의 하나 또는 복수의 라인들 (2) 이 상기 가공물 (1) 에서 하나 또는 복수의 미리 규정된 분리 라인들을 따라 생성될 수 있어 상기 분리 라인들을 따라 상기 가공물 (1) 의 파괴 응력 감소를 유발하는, 상기 제 1 레이저 유닛,
    - 상기 분리 라인들을 따라 상기 가공물의 열 레이저 빔 분리를 위해 설계된 제 2 레이저 유닛, 및
    - 상기 가공물 (1) 에 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 을 생성하고 추후 상기 열 레이저 빔 분리를 실시하기 위해 상기 제 1 레이저 빔 유닛 및 상기 제 2 레이저 빔 유닛을 위한 제어기를 포함하고,
    - 상기 제 1 레이저 유닛은 상기 가공물 (1) 의 깊이에서 상기 레이저 빔 (5) 의 초점 위치를 변경하기 위한 수단을 포함하고, 상기 제어기는 상기 가공물 (1) 에서 표면으로부터 가변 거리로 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 을 생성하기 위해 상기 초점 위치를 변화시킴으로써 상기 제 1 레이저 유닛을 구동하고,
    상기 제어기는, 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 이, 각각의 경우에, 이들이 상기 가공물 (1) 의 표면에서 시작하고 그 후 상기 가공물 (1) 에서 상기 분리 라인을 따라 상기 표면에 대해 가변 거리로 연장되도록 생성되도록 상기 제 1 레이저 유닛을 구동하고,
    상기 제어기는, 상기 가공물 (1) 로 상기 열 레이저 빔 분리를 위한 레이저 방사선의 커플링을 방해하는 상기 분리 라인들에서 표면 구조들 또는 표면 금속화의 구역에서 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 은, 각각의 경우에, 상기 레이저 빔 (5) 을 사용해 상기 분리 라인들에서 상기 표면 구조들 또는 표면 금속화를 국부적으로 제거하도록 상기 표면으로 안내되도록 설계되고,
    상기 제어기는, 가열 존 (HZ) 을 생성하기 위한 제 2 레이저 빔 (60) 은 상기 가공물로 향하고, 상기 가열 존 가까이에서 또는 상기 가열 존과 부분적으로 중첩하여, 냉각 존 (CZ) 을 생성하기 위한 표면에 냉각 매체가 적용되도록 설계되는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    냉각 유닛이 제공되고, 상기 냉각 유닛은 상기 제어기에 의해 구동될 수 있고 상기 냉각 유닛으로 상기 분리 라인들을 따라 열 레이저 빔 분리 중 상기 가공물의 상기 표면에 냉각 매체가 국부적으로 적용될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 유닛은 펄스 레이저를 포함하고 상기 제 2 레이저 유닛은 cw-레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 이 상기 표면에서 각각의 섹션 (7) 의 - 상기 제어기에 대해 미리 규정된 - 마진 위치에서 시작하고, 그 후 상기 가공물 (1) 에서 상기 분리 라인을 따라 상기 표면에 대해 가변 거리로 연장되도록 상기 제어기가 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 을 생성하기 위해 상기 제 1 레이저 유닛을 구동하는 작동 모드를 가지는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기.
  23. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 이 상기 표면에서 각각의 섹션 (7) 의 - 상기 제어기에 대해 미리 규정된 - 제 1 마진 위치에서 시작하고, 그 후 상기 가공물 (1) 에서 상기 분리 라인을 따라 상기 표면에 대해 가변 거리로 연장되고 상기 섹션 (7) 에서 상기 제 1 마진 위치에 대향하여 위치하는 - 상기 제어기에 대해 미리 규정된 - 제 2 마진 위치에서 상기 표면에 다시 도달하도록 상기 제어기가 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 을 생성하기 위해 상기 제 1 레이저 유닛을 구동하는 작동 모드를 가지는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기.
  24. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 을 따라 가변하는 상기 레이저 빔 (5) 의 에너지 입력으로 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 을 생성하기 위해 상기 제어기가 상기 제 1 레이저 유닛을 구동할 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기.
  25. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 분리 라인들의 구역에서 상기 가공물의 상기 표면에 존재하는 구조들을 식별하는 센서 배열체에 연결되고, 상기 분리 라인들에서 이러한 구조들의 검출시, 상기 구조들이 상기 레이저 빔 (5) 에 의해 제거되도록 상기 제어기는 상기 하나 또는 복수의 라인들 (2) 의 생성 중 상기 레이저 빔 (5) 의 초점 위치를 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기.
  26. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    변성된 재료의 라인들을 생성하기 위한 제 1 단계 전, 적어도 하나의 전처리 단계를 실시하도록 구성되는, 레이저 유닛 (L0) 을 구비한 전처리 유닛 (PRE) 이 제공되고, 상기 전처리 단계에 의해 상기 가공물의 표면에서 하나 또는 복수의 미리 규정된 분리 라인들의 구역에 위치하는 재료가 제거될 수 있고 그리고/또는 상기 전처리 단계에 의해 상기 표면은, 국부적 재용융에 의한 기판 표면의 평활화에 의해, 후속 제 1 단계에서 상기 레이저 빔에 커플링하도록 마련될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가공물 (1) 을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 기기.
KR1020167004244A 2013-07-23 2014-07-01 플랫 가공물을 복수의 섹션들로 분리하기 위한 방법 및 기기 KR102172826B1 (ko)

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