KR102225208B1 - 반도체 표면처리 시스템 및 방법 - Google Patents

반도체 표면처리 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 표면처리 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템은 다수의 반도체 소자를 구비한 웨이퍼에 대해 한 라인씩 레이저 스캔을 통해 각 반도체 소자를 표면처리하는 시스템으로서, 레이저를 출력하는 광원부; 웨이퍼로 레이저를 가이드 하는 광학계; 및 레이저에 대한 빔 관통면 및 빔 차단면을 가지되, 빔 관통면의 크기 조절을 통해 웨이퍼에 조사되는 레이저의 빔 단면 형상의 크기 및 모양을 조절하는 가변 마스크;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 표면처리 시스템 및 방법{System and method for treating the surface of semiconductor device}
본 발명은 반도체 표면처리 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 반도체 소자를 가진 웨이퍼(wafer)에 대해 반도체 소자의 크기에 따라 레이저의 빔 크기 및 모양의 조절이 가능한 표면처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
레이저를 이용한 표면처리는 각종 반도체 소자 제조 공정 중에 사용될 수 있다. 이러한 레이저를 이용한 표면처리는 웨이퍼의 다수 반도체 소자를 레이저의 빔을 이용함으로써, 낮은 열처리량(thermal budget), 높은 도펀트(dopant) 활성화, 초계단 접합(super-abrupt junction)을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 레이저를 이용한 표면처리 시스템(이하, “종래 표면처리 시스템”라 지칭함)에서 레이저 빔(LB)이 처리되는 모습을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 종래 표면처리 시스템은 광원부에서 발생된 레이저 빔(LB)을 호모게나이저(homogenizer)(1)를 통해 균일화시킨 후, 필드 렌즈(2)를 통해 균일화된 레이저 빔을 집광한다. 이후, 종래 표면처리 시스템은 라인 형상 또는 사각 형상의 빔 관통면을 가지는 마스크(3)로 집광된 레이저 빔을 통과시켜 해당 빔 관통면에 따라 일정 크기 및 모양의 빔을 형성한 후, 미러(4) 및 종단 렌즈(5)를 거쳐 최종적으로 웨이퍼(w)에 조사하였다.
하지만, 종래 표면처리 시스템은 웨이퍼(W)에 최종 제공하는 라인 형상 또는 사각 형상의 레이저 빔에 대한 크기 및 모양의 가변이 불가능하다. 따라서, 종래 표면처리 시스템은 레이저 빔 스캔(scan) 시 웨이퍼(W)의 반도체 소자의 크기에 따라 조사되는 레이저 빔의 크기 및 모양을 변경시킬 필요가 있는 경우, 해당 크기 및 모양의 빔 관통면을 가진 마스크로 교환해야 하는 문제점이 있었다.
또한, 종래 표면처리 시스템은 레이저를 가이드 하는 광학계에서 웨이퍼(W)로 최종 레이저 빔을 전달하는 종단 렌즈(5)의 부피가 커서, 시스템 전체의 부피가 증가할 뿐 아니라, 해당 종단 렌즈(5)를 고정 또는 분리하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 종래 표면처리 시스템은 표면처리 중에 출력되는 레이저의 파워를 측정한 후 그 측정에 따른 레이저 파워 보정을 위한 구조를 가지고 있지 않아, 웨이퍼 또는 다이(die) 마다 표면처리 품질이 다를 수 있는 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 다수의 반도체 소자를 가진 웨이퍼에 대해 반도체 소자의 크기에 따라 레이저의 빔 크기 및 모양의 조절이 가능한 반도체 표면처리 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 광학계의 종단 위치의 렌즈 사이즈를 줄일 수 있으며, 해당 중단 위치 렌즈를 분리 가능한 형태로 구성하여 탈부착 및 취급이 용이한 반도체 표면처리 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 표면처리 중에 출력되는 레이저의 파워를 측정한 후 그 측정에 따른 레이저 파워의 보정 및 안정화가 가능해, 웨이퍼 또는 다이(die) 마다 표면처리 품질을 일정하게 유지시킬 수 있는 반도체 표면처리 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템은 다수의 반도체 소자를 구비한 웨이퍼에 대해 한 라인씩 레이저 스캔을 통해 각 반도체 소자를 표면처리하는 시스템으로서, (1) 레이저를 출력하는 광원부, (2) 웨이퍼로 레이저를 가이드 하는 광학계, (3) 레이저에 대한 빔 관통면 및 빔 차단면을 가지되, 빔 관통면의 크기 조절을 통해 웨이퍼에 조사되는 레이저의 빔 단면 형상의 크기 및 모양을 조절하는 가변 마스크를 포함한다.
상기 빔 관통면은 Z축 방향으로 진행하는 레이저 빔을 관통시키되, X축 방향 및 Y축 방향에 대한 관통 길이 조절이 가능하다.
상기 빔 관통면은 X축 방향 및 Y축 방향의 양측 모두에 대한 관통 길이 조절이 가능하다.
상기 가변 마스크는 z축을 기준으로 빔 관통면에 대한 회전 조절이 가능하다.
상기 빔 차단면은 유전체 재질로 이루어지거나 그 단면이 빔 관통면에 가까울수록 두께가 얇아지는 형상의 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 광학계는, (1) 레이저를 균일화시키는 호모게나이저, (2) 균일화된 레이저를 집광하는 필드렌즈, (3) 집광된 후 가변 마스크를 통과한 레이저를 통과시키는 제1 텔레센트릭 렌즈, (4) 제1 텔레센트릭 렌즈를 통과한 레이저의 방향을 전환하는 미러, (5) 방향 전환된 레이저를 통과시키는 제2 텔레센트릭 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템은, (1) 상기 가변 마스크와 상기 제1 텔레센트릭 렌즈의 사이에서 회전하되, 회전 정도에 따라 레이저의 반사 여부를 결정하는 회전 미러, (2) 상기 회전 미러에 의해 반사된 레이저의 파워를 측정하는 파워 미터를 더 포함할 수 있다.
상기 회전 미러는 웨이퍼에 대한 제1 라인의 레이저 스캔 후부터 제2 라인의 레이저 스캔 전까지의 사이 시간에 파워 미터로 레이저를 반사시키도록 회전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템은 상기 파워 미터에서 측정된 레이저의 파워가 일정 범위를 벗어나는 경우, 레이저의 파워를 보정한 후 제2 라인의 레이저 스캔을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템은 상기 제1 라인에 대해 일 방향으로 레이저 스캔을 수행할 수 있으며, 상기 제2 라인에 대해 타 방향으로 레이저 스캔을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 방법은, 레이저를 출력하는 광원부와, 웨이퍼로 레이저를 가이드 하는 광학계와, 레이저에 대한 빔 관통면 및 빔 차단면을 가지되 빔 관통면의 크기 조절을 통해 웨이퍼에 조사되는 레이저의 빔 단면 형상의 크기를 조절하는 가변 마스크를 각각 포함한 반도체 표면처리 시스템을 이용하여, 다수의 반도체 소자를 구비한 웨이퍼에 대해 표면처리하는 방법으로서, (1) 가변 마스크의 빔 관통면에 대한 크기 및 모양을 조절하는 준비 단계, (2) 웨이퍼에 대해 한 라인씩 레이저 스캔을 통해 각 반도체 소자를 표면처리하는 스캔 단계를 포함한다.
상기 표면처리 단계는 웨이퍼에 대한 제1 라인의 레이저 스캔 후부터 제2 라인의 레이저 스캔 전까지의 사이 시간에 레이저를 반사시켜 레이저의 파워를 측정하며, 측정된 레이저의 파워가 일정 범위를 벗어나는 경우에 레이저의 파워를 보정한 후 제2 라인의 레이저 스캔을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 표면처리 단계는 상기 제1 라인에 대해 일 방향으로 레이저 스캔을 수행할 수 있으며, 상기 제2 라인에 대해 타 방향으로 레이저 스캔을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 준비 단계는 Z축 방향으로 진행하는 레이저 빔을 관통시키는 빔 관통면의 X축 방향 및 Y축 방향에 대한 관통 길이를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 준비 단계는 빔 관통면의 X축 방향 및 Y축 방향의 양측 모두에 대한 관통 길이를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 준비 단계는 z축을 기준으로 빔 관통면에 대한 회전각을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 다수의 반도체 소자를 가진 웨이퍼에 대해 반도체 소자의 크기에 따라 레이저의 빔 크기/모양 및 회전각의 조절이 가능하여, 필요한 다양한 사이즈 변화에 즉각적으로 대응할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 광학계의 종단 위치의 렌즈 사이즈를 줄여 시스템 전체의 부피를 줄일 수 있으며, 해당 중단 렌즈를 분리 가능한 형태로 구성하여 탈부착 및 취급이 용이한 이점이 있다.
또한, 본 발명은 표면처리 중에 출력되는 레이저의 파워를 실시간으로 측정한 후 그 측정에 따른 레이저의 파워를 실시간으로 보정 및 안정화시킬 수 있어, 웨이퍼 또는 다이(die) 마다 표면처리 품질을 일정하게 유지시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 레이저를 이용한 표면처리 시스템에서 레이저 빔(LB)이 처리되는 모습을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템의 블록 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템에서 레이저 빔(LB)이 처리되는 모습을 나타낸다.
도 4는 z축에서 바라본 x축-y축 상의 가변 마스크(120)의 평면도를 나타낸다.
도 5는 x축 상에서 바라본 도 4(a)의 A-A'의 단면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 방법의 순서도를 나타낸다.
도 7은 스캔 단계(S220)의 보다 상세한 순서도를 나타낸다.
도 8은 스캔 단계(S220)에 따라 웨이퍼(W)의 각 라인을 스캔하는 일 예시를 나타낸다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 표면처리 시스템 또는 장치(이하, “시스템”이라 지칭함)의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템의 블록 구성도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템은 다수의 반도체 소자(S)를 가진 웨이퍼(W)에 대해 한 라인씩 레이저(LB) 스캔(scan)을 통해 각 반도체 소자(S)를 도 2에 도시된 바와 같이, 광원부(110), 광학계(120), 가변 마스크(130), 측정부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템은 반도체 소자(S)의 크기에 따라 레이저(LB)의 빔 크기 및 모양의 조절이 가능하다.
이때, 표면 처리는 레이저(LB) 스캔을 통해, 반도체 소자(S)의 도핑 농도를 증가시킬 수 있는 광학적 어닐링(annealing), 반도체 소자(S) 표면의 극성을 변환(예를 들어, 질소 극성을 Ⅲ족 원소 극성으로 변환 등) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 소자(S)의 상태, 성질 등을 변화시키는 모든 처리를 포함할 수 있다. 특히, 레이저(LB)의 빔 크기 및 모양의 조절은 어닐링 처리 시에 더욱 효과적일 수 있다.
광원부(110)는 레이저(LB)를 생성 출력하는 구성이다. 예를 들어, 광원부(110)는 DPSS(Diode pumped solid state) 레이저, 플래쉬 LPSS(lamp pumped solid state) 레이저 등을 생성할 수 있다. 광원부(110)는 다양한 반복율(예를 들어, 50Hz 이하)과 다양한 펄스당 에너지를 가지는 레이저를 생성할 수 있다.
예를 들어, 광원부(110)에서 생성되는 레이저는 파장이 500nm이상 내지 600nm이하일 수 있고, 그 방출 시간이 반치폭 기준 30ns 이하일 수 있으며, 웨이퍼(W) 상에서의 에너지 밀도는 0.3J/cm2 ~ 1.0J/cm2일 수 있다. 한편, 종래 표면 시스템에 사용된 레이저(LB)의 파장은 400nm 이하이고, 방출 시간은 50ns 이상, 에너지 밀도는 260~500mJ/cm2으로 제안되었다. 즉, 본 발명은 높은 에너지의 레이저(LB)를 사용할 수 있어, 표면처리 효율을 높일 수 있다. 또한, 본 발명은 30ns 이하의 단펄스 레이저(LB) 방출 시간을 가지므로, 레이저(LB) 스캔에 따른 웨이퍼(W)의 충격 및 손상을 줄일 수 있으며, 웨이퍼(W) 하부 층에 손상을 주기 않아 웨이퍼(W)의 각 라인에 대한 레이저(LB) 스캔 시 빔의 중첩 부분을 웨이퍼(W)의 스크라이브 라인(scribe Line)에 국한시키지 않아도 되는 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 시스템에서 레이저 빔(LB)이 처리되는 모습을 나타낸다.
광학계(120)는 레이저(LB)를 처리하여 웨이퍼(W)로 가이드(guide) 하는 구성이다. 도 3을 참조하면, 광학계(120)는 호모게나이저(homogenizer)(121), 필드렌즈(122), 제1 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)(123), 미러(mirror)(124) 및 제2 텔레센트릭 렌즈(125)를 포함한다.
호모게나이저(121)는 레이저(LB)를 균일화시키는 구성이다. 즉, 균일화 전의 레이저(LB)는 빔의 중간 부분에서 에너지가 높고 가장자리 부분에서 에어지가 낮은 가우시안(Gaussian) 빔 형태를 가진다. 이러한 가우시안 빔 형태의 레이저(LB)이 대상물의 표면에 조사될 경우, 레이저(LB)의 빔이 닿는 부위에 따라 불균일한 표면처리가 발생될 수 있다. 반면, 호모게이나저(121)를 통해 균일화된 레이저(LB)는 빔의 중간 부분과 가장자리 부분의 에너지 차이를 최소화하여, 빔 전 영역에서 에너지가 균일한 Flat-top 빔 형태를 가진다.
필드렌즈(122)는 호모게나이저(121)를 거쳐 균일화된 레이저(LB)를 집광하는 렌즈이다. 즉, 필드렌즈(122)는 상(像)을 만들 목적이 아니고, 레이저(LB)를 가변 마스크(130)로 집중시키는데 사용되는 렌즈이다.
도 4는 z축에서 바라본 x축-y축 상의 가변 마스크(120)의 평면도를 나타낸다. 즉, 도 4(a)는 가변 마스크(120)가 x축-y축 상의 평면에서 회전하기 전의 모습을 나타내며, 도 4(b)는 가변 마스크(120)가 x축-y축 상의 평면에서 소정 각도(θ)로 회전한 후의 모습을 나타낸다.
집광된 레이저(LB)는 가변 마스크(130)를 거치면서 조절된 크기 및 모양을 가지는 빔 형태로 출력된다. 즉, 가변 마스크(130)는 빔 차단면(131, 132, 133, 134) 및 빔 관통면(135)을 가지되, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)의 위치를 이동시켜 빔 관통면(135)의 크기 조절를 조절할 수 있다. 이때, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 레이저(LB)를 흡수 또는 반사하여 차단하는 부분이다. 또한, 빔 관통면(135)은 빔 차단면(131, 132, 133, 134)에 의해 형성된 라인 형상 또는 사각 형상(즉, 직사각형)의 개구 영역으로서 레이저(LB)를 관통시키는 부분이며, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)의 이동에 따라 그 크기 및 모양이 조절될 수 있다.
도 4를 참조하면, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 Z축 방향으로 진행하는 레이저(LB)를 차단하도록 X축 및 Y축이 이루는 평면 상에서 면적을 가지면서 그 위치가 변경될 수 있다. 이때, 빔 관통면(135)을 사이에 두고 그 Y축 방향의 양측에 2개의 빔 차단면(131, 132)(이하, 제1 빔 차단면”이라 지칭함)이 구비된다. 또한, 빔 관통면(135)을 사이에 두고 그 X축 방향의 양측에 2개의 빔 차단면(133, 134)(이하, 제2 빔 차단면”이라 지칭함)이 구비된다.
제1 빔 차단면(131, 132)은 Y축 방향에서 Y축의 양방향으로 이동이 가능하며, 빔 관통면(135)의 Y축 방향의 관통 길이(HY)를 조절할 수 있다. 또한, 제2 빔 차단면(133, 134)은 X축 방향에서 X축의 양방향으로 이동이 가능하며, 빔 관통면(135)의 X축 방향의 관통 길이(HX)를 조절할 수 있다. 즉, 제1 빔 차단면(131, 132) 및 제2 빔 차단면(133, 134)의 위치 이동에 따라, 빔 관통면(135)은 X축 방향 및 Y축 방향에 대한 관통 길이(HX, HY)이 조절되면서, 그 크기 및 모양이 조절될 수 있다.
예를 들어, 제1 빔 차단면(131, 132)이 서로를 향하도록 이동하는 경우, Y축 방향의 관통 길이(HY)는 줄어들면서 점차 넙적한 라인 형상 또는 직사각형 빔의 레이저(LB)가 출력될 수 있다. 또한, 제1 빔 차단면(131, 132)이 서로에게서 멀어지도록 이동하는 경우, Y축 방향의 관통 길이(HY)는 늘어나면서 점차 길쭉한 라인 형상 또는 직사각형 빔의 레이저(LB)가 출력될 수 있다.
마찬가지로, 제2 빔 차단면(133, 134)이 서로를 향하도록 이동하는 경우, X축 방향의 관통 길이(HX)는 줄어들면서 점차 길쭉한 라인 형상 또는 직사각형 빔의 레이저(LB)가 출력될 수 있다. 제2 빔 차단면(133, 134)이 서로에게서 멀어지도록 이동하는 경우, X축 방향의 관통 길이(HX)는 늘어나면서 점차 넙적한 라인 형상 또는 직사각형 빔의 레이저(LB)가 출력될 수 있다.
또한, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 가변 마스크(130)는 z축을 기준으로 빔 차단면(131, 132, 133, 134)을 회전시킬 수 있어, 그 결과 빔 관통면(135)에 대한 회전 조절이 가능하다. 즉, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)을 θ만큼 회전시킬 경우, X축 및 Y축도 함께 θ만큼 이동하면서, 빔 관통면(135)이 θ만큼 회전한 형태를 가지게 된다. 이 경우, 가변 마스크(130)를 통과한 레이저(LB)의 빔은 마름모 형태를 가질 수 있으며, 제1 빔 차단면(131, 132) 및 제2 빔 차단면(133, 133)의 이동에 따라 그 마름모 형태의 크기가 조절될 수 있다.
제1 빔 차단면(131, 132)의 Z축 상의 상부 또는 하부에 제2 빔 차단면(133, 133)이 위치할 수 있다. 또한, 제1 빔 차단면(131) 및 제2 빔 차단면(133)의 Z축 상의 상부 또는 하부에 제1 빔 차단면(132) 및 제2 빔 차단면(134)이 위치할 수 있다. 즉, 차단면(131, 132, 133, 134)들 Z축 상에서 적어도 2가지의 높이 위치를 가질 수 있다.
빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 이들에 연결된 나사산 바 및 나사산 바의 회전을 조절하는 손잡이 등의 구성을 통해, 그 이동 및 회전이 조절될 수 있다. 또한, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 리니어 모터 등에 연결되어 해당 모터의 작용에 따라 그 이동 및 회전이 조절될 수도 있다.
도 5는 x축 상에서 바라본 도 4(a)의 A-A'의 단면도를 나타낸다.
한편, 가변 마스크(130)를 통해 그 빔의 크기 및 모양이 조절된 레이저(LB)는 스티프니스(steepness) 영역을 가질 수 있다. 즉, 스티프니스 영역은 레이저(LB)의 에너지가 0에서 시작하여 점점 증가하여 일정하게 되는 영역까지의 영역으로서, 그 빔의 크기 및 모양이 조절된 레이저(LB)의 가장자리에 형성된다. 예를 들어, 이러한 스티프니스 영역에 대한 설계 기준은 웨이퍼(W) 상의 스크라이브 라인(scribe Line) 폭 보다 작은 50㎛ 이하일 수 있다.
이때, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)가 일정 이상의 두께를 가질 경우, 레이저(LB)에 회절 현상이 심화되면서 스티프니스 영역이 늘어날 수 있다. 특히, 본 발명은 즉, 차단면(131, 132, 133, 134)들 Z축 상에서 적어도 2가지의 높이 위치를 가지므로, 이러한 회절 현상에 의한 스티프니스 영역이 더 쉽게 늘어날 수 있다.
한편, 빔 차단면(131, 132, 133, 134)의 두께가 너무 얇아지는 경우, 유연성(flexibility)이 증가하면서 그 형상을 유지하기 어렵거나 레이저(LB)에 의해 쉽게 손상될 수 있다.
이에 따라, 스티프니스 영역을 줄여 그 설계 기준에 맞추기 위해, 가변 마스크(130)의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 유전체 재질로 이루어질 수 있다. 즉, 유전체 재질의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 Z축 상에서 2가지 높이 위치를 가지더라도, 50㎛ 이하에 해당하는 스티프티스 영역의 설계 기준에 맞으면서 동시에 그 형상 유지 및 레이저(LB)에 의한 손상 방지가 가능한 일정 이하의 두께를 가질 수 있다.
다만, 금속 재질의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 50㎛ 이하에 해당하는 스티프티스 영역의 설계 기준에 맞는 두께를 가지는 경우, 그 두께가 너무 얇아 유연성 증가로 인해 그 형상 유지의 불가능 및 레이저(LB)에 의한 손상이 발생할 수 있다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 금속 재질의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 그 단면이 빔 관통면(135)에 가까울수록 두께가 얇아지는 형상으로 이루질 수 있다. 즉, 금속 재질의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)은 Z축 상에서 2가지 높이 위치를 가지더라도, 빔 관통면(135)에 근접 부분만이 그 두께가 점차 얇아지고 나머지 부분은 일정 두께 이상으로 형성됨으로써, 50㎛ 이하에 해당하는 스티프티스 영역의 설계 기준에 맞으면서 동시에 그 형상 유지 및 레이저(LB)에 의한 손상 방지가 가능할 수 있다.
가변 마스크(130)를 통해 그 크기 및 모양이 조절된 레이저(LB)는 제1 텔레센트릭 렌즈(123)를 통과한다. 이후, 미러(124)는 제1 텔레센트릭 렌즈(123)를 통과한 레이저(LB)의 방향을 전환(예를 들어, 90˚ 전환)하도록 반사하며, 제2 텔레센트릭 렌즈(125)는 미러(124)를 통해 방향 전환된 레이저(LB)를 통과시켜 웨이퍼(W)로 최종 조사한다.
즉, 본 발명의 광학계(120)에서 웨이퍼(W)에 최종 레이저(LB)를 전달하는 종단 렌즈는 하나가 아닌 제1 텔레센트릭 렌즈(123) 및 제2 텔레센트릭 렌즈(125)의 2개로 분리된 구조(더블 텔레센트릭 구조)를 갖되, 미러(124)를 통해 그 레이저(LB) 방향을 전환한다. 그 결과, 본 발명의 시스템 전체의 Z축 방향의 길이를 줄여, 시스템 전체의 부피를 줄일 수 있다. 또한, 종단 렌즈가 2개로 분리됨에 따라, 그 탈부착이 용이할 뿐 아니라, 취급이 편리한 이점이 있다.
측정부(140)는 표면처리 중에 출력되는 레이저(LB)의 파워를 측정을 위한 구성이다. 즉, 도 2를 참조하면, 측정부(140)는 회전 미러(141) 및 파워 미터(power meter)(142)를 포함한다.
회전 미러(141)는 가변 마스크(130)와 제1 텔레센트릭 렌즈(123)의 사이에서 회전하는 거울이다. 즉, 회전 미러(141)는 그 회전 정도에 따라 가변 마스크(130)와 제1 텔레센트릭 렌즈(123)의 사이에서 진행하는 레이저(LB)의 반사 여부를 결정한다.
파워 미터(142)는 회전 미러(141)에 의해 반사된 레이저(LB)의 파워를 측정한다. 이후, 측정된 파워 값은 제어부(150)로 전달된다.
한편, 본 발명은 이동부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 즉, 이동부는 웨이퍼(W)에 조사되는 레이저(LB)의 위치를 이동시켜 라인을 따라 레이저(LB) 스캔이 가능하게 하는 구성이다. 이를 위해, 이동부는 웨이퍼(W)를 이동시키거나 광학계(120)를 이동시킬 수 있다.
제어부(150)는 각 구성을 제어하는 구성이다. 특히, 제어부(150)는 광원부(110), 가변 마스크(130), 측정부(140) 및 이동부(미도시)의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 제어부(150)는 가변 마스크(130)의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)의 이동 및 회전을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 측정부(140)에 의한 측정 동작과, 측정부(140)에서 측정된 값에 따른 광원부(110)에서 생성되는 레이저(LB)의 파워를 보정하는 동작과, 웨이퍼(W)의 라인에 대한 위한 레이저(LB) 스캔을 위한 이동부의 이동 동작 등을 제어할 수 있다.
이하, 제어부(150)에 의해 제어 동작되는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 방법의 순서도를 나타낸다..
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 표면처리 방법은 다수의 반도체 소자(S)를 구비한 웨이퍼(W)에 대해 표면처리하는 방법으로서, S210 및 S220을 포함한다.
S210은 준비 단계로서, 가변 마스크(130)의 빔 차단면(131, 132, 133, 134)의 위치 또는 회전각(θ)을 조절하여 빔 관통면(135)에 대한 크기/모양 및 회전각(θ)을 조절하는 단계이다. 즉, S220에서 웨이퍼(W)의 하나의 라인을 표면처리할 수 있을 만큼의 레이저(LB)의 빔이 웨이퍼(W)에 조사될 수 있도록, S210에서는 빔 관통면(135)에 대한 크기 및 모양을 조절한다.
이때, 하나의 라인은 일렬로 정렬된 반도체 소자(S)들로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반도체 소자(S)는 5mm X 5mm에서 40mm X 40mm 크기를 가질 수 있으며, 이러한 반도체 소자(S)의 크기에 따른 하나의 라인 두께에 따라, S210에서 빔 관통면(135)의 크기/모양 회전각(θ)이 조절될 수 있다.
S220은 스캔 단계로서, 웨이퍼(W)에 대해 한 라인(line)씩 레이저(LB) 스캔을 통해 각 반도체 소자(S)를 표면처리하는 단계이다.
도 7은 스캔 단계(S220)의 보다 상세한 순서도를 나타내며, 도 8은 스캔 단계(S220)에 따라 웨이퍼(W)의 각 라인을 스캔하는 일 예시를 나타낸다.
도 7을 참조하여, S220을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 웨이퍼(W)에서 하나의 라인에 대해 스캔한다(S221). 즉, S221에서, 제어부(150)는 광원부(110)가 레이저(LB)를 생성 출력하도록 제어하면서, 웨이퍼(W)의 해당 라인에 대한 레이저(LB) 스캔이 가능하도록 이동부가 이동 동작하도록 제어할 수 있다.
이후, 모든 라인에 대해 스캔이 완료되었는지 확인하고(S222), 모든 라인에 대한 스캔이 완료된 경우, 표면처리를 종료한다(S226).
반면, 아직 미 스캔된 라인이 있는 경우, 회전 미러(141)가 레이저(LB)를 반사시키도록 회전되면서 레이저(LB)를 블로킹한다(S223).
이후, 회전 미러(141)에 의해 반사된 레이저(LB)의 파워를 파워 미터(142)가 측정함으로써 레이저(LB) 파워를 체크한다(S224). 이때, 측정된 레이저(LB)의 파워가 일정 범위를 벗어나는 경우, 제어부(150)는 광원부(110)의 레이저(LB) 생성 출력을 제어하거나 기 설치된 감쇄기(attenuator)(미도시) 등이 동작하도록 제어하여 레이저(LB)의 파워를 해당 범위 내로 보정하여 안정화시킬 수 있다.
레이저(LB)의 파워 체크/보정이 완료되면, 웨이퍼(W)의 다음 라인을 스캔할 수 있도록 이동부를 제어하여 대상 라인을 이동시킨다. 이후, 해당 대상 라인에 대해, 상술한 S221부터 다시 수행한다.
특히, 이전 S221에서 제1 라인에 대해 일 방향으로 레이저(LB) 스캔이 수행되면, 다음의 SS21에서는 제2 라인에 대해 타 방향으로 레이저(LB) 스캔이 수행될 수 있다. 즉, 221에서, 각 라인에 대해 지그재그 방식으로 레이저(LB) 스캔이 수행될 수 있다.
이에 따라, S223 및 S224는 웨이퍼(W)에 대한 제1 라인의 레이저(LB) 스캔 후부터 제2 라인의 레이저 스캔 전까지의 사이 시간(BT)에 수행될 수 있다. 예를 들어, BT는 수십 us일 수 있다. 즉, 본 발명은 대상 라인을 변경하는 중의 시간인 BT에서 실시간으로 레이저(LB) 파워에 대한 체크/보정이 이루어지므로, 스캔 시간을 아껴 보다 효율적인 레이저(LB) 스캔이 가능할 뿐 아니라, 웨이퍼 또는 다이(die)에 마다 표면처리 품질을 일정하게 유지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1, 121: 호모게나이저 2, 122: 필드렌즈
3: 마스크 4, 124: 미러
5: 종단렌즈 110: 광원부
120: 광학계 123, 125: 텔레센트릭 렌즈
130: 가변 마스크 131, 132, 133, 134: 빔 차단면
135: 빔 관통면 140: 측정부
141: 회전 미러 142: 파워 미터
150: 제어부 LB: 레이저
HX, HY: 관통 길이 S: 반도체 소자
W: 웨이퍼 θ: 회전각

Claims (12)

  1. 다수의 반도체 소자를 구비한 웨이퍼에 대해 한 라인씩 레이저 스캔을 통해 각 반도체 소자를 표면처리하는 시스템으로서,
    레이저를 출력하는 광원부;
    웨이퍼로 레이저를 가이드 하는 광학계; 및
    레이저에 대한 빔 관통면 및 빔 차단면을 가지되, 빔 관통면의 크기 조절을 통해 웨이퍼에 조사되는 레이저의 빔 단면 형상의 크기 및 모양을 조절하는 가변 마스크;를 포함하며,
    상기 빔 관통면은 Z축 방향으로 진행하는 레이저 빔을 관통시키되, X축 방향 및 Y축 방향에 대한 관통 길이 조절이 가능하고,
    상기 빔 차단면은 그 단면이 빔 관통면에 가까울수록 두께가 얇아지는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  2. 다수의 반도체 소자를 구비한 웨이퍼에 대해 한 라인씩 레이저 스캔을 통해 각 반도체 소자를 표면처리하는 시스템으로서,
    레이저를 출력하는 광원부;
    웨이퍼로 레이저를 가이드 하는 광학계;
    레이저에 대한 빔 관통면 및 빔 차단면을 가지되, 빔 관통면의 크기 조절을 통해 웨이퍼에 조사되는 레이저의 빔 단면 형상의 크기 및 모양을 조절하는 가변 마스크;
    가변 마스크를 통과한 레이저가 진행하는 광 경로 상에서 회전하되, 회전 정도에 따라 레이저의 반사 여부를 결정하는 회전 미러; 및
    상기 회전 미러에 의해 반사된 레이저의 파워를 측정하는 파워 미터;
    를 포함하며,
    상기 회전 미러는 웨이퍼에 대한 제1 라인의 레이저 스캔 후부터 제2 라인의 레이저 스캔 전까지의 사이 시간에 파워 미터로 레이저를 반사시키도록 회전하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템..
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 빔 관통면은 X축 방향 및 Y축 방향의 양측 모두에 대한 관통 길이 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가변 마스크는 z축을 기준으로 빔 관통면에 대한 회전 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 빔 차단면은 유전체 재질 또는 금속 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는,
    레이저를 균일화시키는 호모게나이저;
    균일화된 레이저를 집광하는 필드렌즈;
    집광된 후 가변 마스크를 통과한 레이저를 통과시키는 제1 텔레센트릭 렌즈;
    제1 텔레센트릭 렌즈를 통과한 레이저의 방향을 전환하는 미러; 및
    방향 전환된 레이저를 통과시키는 제2 텔레센트릭 렌즈;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가변 마스크와 상기 제1 텔레센트릭 렌즈의 사이에서 회전하되, 회전 정도에 따라 레이저의 반사 여부를 결정하는 회전 미러; 및
    상기 회전 미러에 의해 반사된 레이저의 파워를 측정하는 파워 미터;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 회전 미러는 웨이퍼에 대한 제1 라인의 레이저 스캔 후부터 제2 라인의 레이저 스캔 전까지의 사이 시간에 파워 미터로 레이저를 반사시키도록 회전하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  9. 제2항 또는 제8항에 있어서,
    상기 파워 미터에서 측정된 레이저의 파워가 일정 범위를 벗어나는 경우, 레이저의 파워를 보정한 후 제2 라인의 레이저 스캔을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  10. 제2항 또는 8항에 있어서,
    상기 제1 라인에 대해 일 방향으로 레이저 스캔을 수행하며, 상기 제2 라인에 대해 타 방향으로 레이저 스캔을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 시스템.
  11. 레이저를 출력하는 광원부와, 웨이퍼로 레이저를 가이드 하는 광학계와, 레이저에 대한 빔 관통면 및 빔 차단면을 가지되 빔 관통면의 크기 조절을 통해 웨이퍼에 조사되는 레이저의 빔 단면 형상의 크기를 조절하는 가변 마스크를 각각 포함한 반도체 표면처리 시스템을 이용하여, 다수의 반도체 소자를 구비한 웨이퍼에 대해 표면처리하는 방법으로서,
    Z축 방향으로 진행하는 레이저 빔을 관통시키되 X축 방향 및 Y축 방향에 대한 관통 길이 조절이 가능한 가변 마스크의 빔 관통면에 대해 크기 및 모양을 조절하는 준비 단계; 및
    웨이퍼에 대해 한 라인씩 레이저 스캔을 통해 각 반도체 소자를 표면처리하는 스캔 단계;를 포함하며,
    상기 빔 차단면은 그 단면이 빔 관통면에 가까울수록 두께가 얇아지는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 방법.
  12. 레이저를 출력하는 광원부와, 웨이퍼로 레이저를 가이드 하는 광학계와, 레이저에 대한 빔 관통면 및 빔 차단면을 가지되 빔 관통면의 크기 조절을 통해 웨이퍼에 조사되는 레이저의 빔 단면 형상의 크기를 조절하는 가변 마스크를 각각 포함한 반도체 표면처리 시스템을 이용하여, 다수의 반도체 소자를 구비한 웨이퍼에 대해 표면처리하는 방법으로서,
    가변 마스크의 빔 관통면에 대한 크기 및 모양을 조절하는 준비 단계; 및
    웨이퍼에 대해 한 라인씩 레이저 스캔을 통해 각 반도체 소자를 표면처리하는 스캔 단계;를 포함하며,
    상기 스캔 단계는 웨이퍼에 대한 제1 라인의 레이저 스캔 후부터 제2 라인의 레이저 스캔 전까지의 사이 시간에 레이저를 반사시켜 레이저의 파워를 측정하며, 측정된 레이저의 파워가 일정 범위를 벗어나는 경우에 레이저의 파워를 보정한 후 제2 라인의 레이저 스캔을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 표면처리 방법.
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