KR102611962B1 - 결정질 재료의 이형을 위한 레이저 보조 방법 - Google Patents
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Abstract
결정질 재료 처리 방법은 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴으로부터 바깥쪽으로 전파하는 기판 내부에 균열들을 형성하기 위해 제1 평균 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하고, 이어서 기판 상부 표면을 이미징하고, 기판 내 균열되지 않은 영역의 존재를 나타내는 조건을 식별하기 위해 이미지를 분석하고 분석에 응해 하나 이상의 조치를 취하는 것을 포함한다. 하나의 조치는 제1 깊이 위치에서 추가 손상을 반드시 형성하지 않고 후속 레이저 손상 형성(제2 또는 후속 평균 깊이 위치에서)을 생성하기 위한 명령 세트를 변경하는 것을 포함한다. 다른 조치는 제1 깊이 위치에서 추가 표면 아래 레이저 손상을 형성하는 것을 포함한다. 기판 표면은 주 기판 플랫에 수직으로 배열되고 기판의 제1 측에 위치한 확산 광원으로 조명되고, 기판의 제2 측에 위치한 이미징 디바이스로 이미지를 생성한다.
Description
본 개시내용은 결정질 재료를 처리하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 불(boule) 또는 웨이퍼와 같은 기판으로부터 결정질 재료의 비교적 얇은 층들을 분리하거나 제거하기 위한 레이저 보조 방법에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 진술
본 출원은 2019년 5월 13일에 출원된 미국 특허 출원 번호 16/410,487호에 대한 우선권을 주장하며, 본 명세서에 상기 출원의 전체 개시 내용은 인용에 의해 포함된다.
다양한 마이크로전자, 광전자 및 미세가공 응용은 다양한 유용한 시스템을 제조하기 위한 출발 구조로서 결정질 재료의 얇은 층을 필요로 한다. 결정질 재료의 큰 직경 결정질 잉곳에서 얇은 층(예: 웨이퍼)을 절단하는 전통적인 방법에는 와이어 톱질 절단(wire sawing)이 사용되었다. 와이어 톱질 절단 기술은 실리콘, 사파이어 및 실리콘 카바이드와 같은 다양한 결정질 재료에 적용되었다. 와이어 톱질 절단 공구는 하나 이상의 가이드 롤러의 홈을 통과하는 초극세 강철 와이어(일반적으로 직경 0.2mm 이하)를 포함한다. 슬라이싱 방법에는 느슨한 연삭재 슬라이싱과 고정 연삭 슬라이싱의 두 가지 방법이 있다. 느슨한 연삭재 슬라이싱은 고속으로 작동하는 강선에 슬러리(일반적으로 오일에 연삭재 현탁액)를 적용하는 것을 포함하며, 이에 의해 와이어와 공작물 사이의 연삭재의 롤링 동작으로 인해 잉곳이 절단된다. 불행히도 슬러리의 환경적 영향은 상당하다. 이러한 충격을 줄이기 위해, 다이아몬드 연삭재로 고정된 와이어를 슬러리가 아닌 수용성 냉각액만 필요로 하는 고정 연삭 슬라이싱 방식으로 사용할 수 있다. 고효율 병렬 슬라이싱을 통해 단일 슬라이싱 절차에서 많은 수의 웨이퍼를 생산할 수 있다. 도 1은 롤러(4A-4C) 사이에서 연장되고 잉곳(2)을 각각 단부면(6)에 일반적으로 평행한 면을 갖는 다수의 얇은 섹션(예를 들어, 웨이퍼(8A-8G))으로 동시에 절단하도록 배열된 평행 와이어 섹션(3)을 포함하는 종래의 와이어 절단 공구(1)를 도시한다. 톱질 절단 공정 동안 롤러(4A-4C)에 의해 지지되는 와이어 섹션(3)은 잉곳(2) 아래에 있는 홀더(7)를 향해 하향 방향(5)으로 눌려질 수 있다. 단면(6)이 잉곳(2)의 결정학적 c-평면에 평행하고, 단면(6)에 평행하게 잉곳(2)을 절단하면, 각각의 결과적인 웨이퍼(8A-8G)는 결정학적 c-평면에 평행한 "축상"(on-axis) 단면(6')을 가질 것이다.
결정학적 c-평면에 평행하지 않은 단면을 갖는 미사면(vicinal)(오프컷 또는 "축외"(off-axis)이라고도 함) 웨이퍼를 생산하는 것도 가능하다. 4도 오프컷(offcut)을 갖는 미사면(微斜面) 웨이퍼(예: SiC)는 다른 재료(예: AlN 및 기타 III족 질화물)의 고품질 에피택셜 성장 및 고품질 물리직 기상 전달(physical vapor transport)을 위한 성장 기판으로 자주 사용된다. 미사면 웨이퍼는 c-축에서 멀어지는 방향으로 잉곳을 성장시키고(예: 미사면 시드 재료 위로 성장) 잉곳 측벽에 수직으로 잉곳을 톱질 절단하여 생산하거나 축상 시드 재료를 사용하여 잉곳을 성장시키고 잉곳 측벽에 수직인 방향에서 벗어나는 각도로 잉곳을 톱질 절단하여 생산할 수 있다.
반도체 재료의 와이어 절단에는 다양한 제한 사항이 있다. 절단당 제거되는 재료의 너비에 따른 커프 손실(Kerf loss)은 톱질 절단(saw cutting)에 필연적이며 반도체 재료의 상당한 손실을 나타낸다. 와이어 톱질 절단은 웨이퍼에 적당히 높은 응력(stress)을 가하여 0이 아닌 휨(bow)및 뒤틀림(warp) 특성을 나타낸다. 단일 불(또는 잉곳)의 처리 시간은 매우 길며 와이어 파손과 같은 이벤트는 처리 시간을 증가시키고 바람직하지 않은 재료 손실로 이어질 수 있다. 웨이퍼의 절단면에 칩핑 및 균열이 발생하여 웨이퍼 강도가 감소할 수 있다. 와이어 톱질 절단 공정이 끝나면 결과 웨이퍼에서 파편을 청소해야 한다.
내마모성이 높은(다이아몬드 및 질화붕소에 필적하는 경도) 실리콘 카바이드(SiC)의 경우 와이어 톱질에 상당한 시간과 자원이 필요할 수 있으므로 상당한 생산 비용이 소요될 수 있다. SiC 기판은 원하는 전력 전자, 무선 주파수 및 광전자 장치의 제조를 가능하게 한다. SiC는 육방정계 결정 구조를 갖는 특정 다형(예: 4H-SiC 및 6H-SIC)과 함께 다형이라고 하는 다양한 결정 구조에서 발생한다.
도 2는 4H-SiC와 같은 육방정계 결정에 대한 좌표계를 나타내는 제1 투시도 결정 평면도로서, c-평면((0001) 평면, 에피택셜 결정 성장의 [0001](수직) 방향에 대응)이 m-평면(() 평면)과 a-평면(() 평면) 모두에 수직이며, () 평면은 [] 방향에 수직이고 () 평면은 [] 방향에 수직이다. 도 3은 c-평면에 평행하지 않은 경사면 평면(9)을 예시하는, 육방정계 결정에 대한 제2 투시도 결정 평면도이며, 여기서 벡터(10)(경사면 평면(9)에 수직)는 [0001] 방향에서 기울기 각도 β만큼 기울어져 있으며, 기울기 각도 β는 [] 방향으로 (약간) 기울어진다. 도 4a는 c-평면((0001) 평면)에 대한 미사면 웨이퍼(11A)의 배향(orientation)을 도시하는 투시도 웨이퍼 배향 다이어그램이고, 여기서 벡터(10A)(웨이퍼 면(9A)에 수직임)가 [0001] 방향으로부터 경사각 β만큼 기울어져 있다. 이 경사각(β)은 (0001) 평면과 웨이퍼면(9A)의 돌출부(12A) 사이에 걸쳐 있는 직교 경사(또는 오배향각)(β)와 동일하다. 도 4b는 미사면 웨이퍼(11A)가 정의되는 잉곳(14A)(예를 들어, (0001) 평면에 평행한 단부면(6A)을 갖는 축상 잉곳)의 일부 위에 중첩된 미사면 웨이퍼(11A)의 단순화된 단면도이다. 도 4b는 미사면 웨이퍼(11A)의 웨이퍼 면(9A)이 경사각(β)만큼 (0001) 평면에 대해 오정렬된 것을 도시한다.
도 5는 상부면(26)(예를 들어, (0001) 평면(c-평면)에 평행하고 [0001] 방향에 수직)을 포함하고 일반적으로 () 평면에 수직이고 [] 방향에 평행한 주 플랫(primary flat)(28)(길이 LF를 가짐)을 포함하는 라운드 가장자리(round edge)(27)(직경 D를 가짐)에 의해 측면이 경계가 되는 예시적인 SiC 웨이퍼(23)의 평면도(top plan view)이다. SiC 웨이퍼는 c-평면과 오정렬된(예를 들어, c-평면에 대해 비스드함 각도로 축에서 벗어난) 외부 표면을 포함할 수 있다.
SiC를 만들고 처리하는 것과 관련된 어려움으로 인해, SiC 디바이스 웨이퍼는 다양한 다른 반도체 재료의 웨이퍼에 비해 높은 비용을 가지고 있다. 와이어 절단 SiC에서 얻은 일반적인 커프 손실은 웨이퍼당 약 250마이크론 이상일 수 있으며, 이는 와이어 절단 공정으로 인한 웨이퍼의 두께가 약 350마이크론이고 후속적으로 (연삭에 의해) 용도에 따라 최종으로 약 100 ~ 180 마이크론인 것을 감안하면 상당한 손실이다. 와이어 절단 및 디바이스 제조 문제를 고려하여 약 350마이크론보다 얇은 웨이퍼를 슬라이스하는 것은 비실용적이었다.
와이어 절단과 관련된 제한 사항을 해결하기 위해 벌크 결정에서 반도체 재료의 얇은 층을 제거하는 대체 기술이 개발되었다. 더 큰 결정에서 실리콘카바이드 층을 제거하는 것과 관련된 한 기술은 김 등에 의한, "4H-SiC wafer slicing by using femtosecond laser double pulses", Optical Materials Express 2450, vol. 7, no. 7(2017)"에 기술되어 있다. 이러한 기술은 표면 아래 손상을 유도하기 위해 실리콘 카바이드에 레이저 펄스를 충돌시켜 레이저로 기록된 트랙을 형성한 다음 잠금 지그(locking jig)에 결정을 부착하고 표면 아래 손상 영역을 따라 파괴를 실행하기 위해 인장력을 적용하는 것을 포함한다. 레이저를 사용하여 재료의 특정 영역을 약화시킨 다음 해당 영역 사이를 파단시키면 레이저 스캔 시간이 단축된다.
펄스 레이저 빔으로 SiC 잉곳에 대한 레이저 표면 아래 손상의 형성 및 초음파 진동의 적용에 의한 후속 파단 유도를 포함하는 추가 분리 기술은 Disco Corporation의 미국 특허 번호 9,925,619 및 10,155,323에 개시되어 있다. 벌크 결정으로부터 반도체 재료의 얇은 층들을 제거하기 위한 추가 기술은 Siltectra GmbH의 미국 특허 출원 공개 번호 2018/0126484A1에 개시되어 있다.
반도체 재료에서 레이저 표면 아래 손상을 형성하기 위한 공구는 당업계에 알려져 있으며 Disco Corporation(일본 도쿄)과 같은 다양한 제공자로부터 상업적으로 입수할 수 있다. 이러한 공구는 레이저 방사가 결정질 기판의 내부에 집중되도록 하고 기판에 대한 레이저의 측방향 이동을 가능하게 한다. 전형적인 레이저 손상 패턴은 결정질 재료 기판 내의 깊이에서 서로에 대해 측방향으로 이격된 평행 라인의 형성을 포함한다. 초점 깊이, 레이저 출력, 변환 속도 등과 같은 매개변수는 레이저 손상을 주기 위해 조정될 수 있지만 특정 요인의 조정에는 절충이 수반된다. 레이저 출력을 높이면 파단의 용이성을 증가시킬 수 있는 더 큰 표면 아래 손상을 주는 경향이 있지만(예: 파단을 완료하는 데 필요한 응력을 줄임으로써), 더 큰 표면 아래 손상은 파단에 의해 노출된 표면을 따라 표면 불규칙성을 증가시켜, 후속 공정에서 표면을 충분히 부드럽게 하기 위해 (예를 들어 전자 디바이스에 통합을 위해) 추가 공정이 필요하다. 이러한 표면은 후속 처리를 위해 충분히 매끄럽다(예: 전자 장치에 통합하기 위해). 표면 아래 레이저 손상 라인 사이의 측면 간격을 줄이면 파단이 쉬워질 수 있지만 레이저 손상 라인 사이의 간격을 줄이면 기판과 레이저 사이의 전환 경로(translational pass) 수가 증가하여 공구 처리량이 감소한다. 추가로, 레이저 처리에 의해 얻어진 결과는 특정 수직 위치에서의 측면 또는 방사상 위치에 따라, 및/또는 잉곳의 일부로서 원래의 성장 위치에 대한 기판 면의 수직 위치에 따라 기판 내에서 달라질 수 있다.
SiC 잉곳과 같은 두꺼운 기판 내의 재료 및/또는 광학 특성의 변화, 그리고 동일한 조성의 다른 잉곳 사이에서의 변화는, 불필요한 재료 손실을 피하면서 레이저 가공 및 후속 파단에 의해 반복적으로 균일한 두께의 웨이퍼를 쉽게 제조하는 것을 어렵게 한다.
따라서, 당해 기술은 종래의 방법과 관련된 문제를 해결하기 위해 기판으로부터 비교적 얇은 결정질(예를 들어, 반도체) 물질 층들을 분리하거나 제거하기 위한 개선된 레이저 보조 방법을 계속 추구하고 있다.
본 개시 내용은 결정질 재료 기판 처리 방법 및 재료 처리 장치의 다양한 양태에 대한 것이다.
기판에서 표면 아래 레이저 손상이 형성된 후 균열이 발생하지 않은 영역들의 이미징 및 분석은, 제1 깊이 위치에서 추가 레이저 기판 손상이 필요한 때 및/또는 후속 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 명령 세트가 변해야 하는 때를 결정하기 위한 지표로 사용되며, 따라서 단일 기판 내의 다양한 깊이 위치뿐만 아니라 기판 별로 레이저 손상 형성 요구사항(예: 레이저 출력, 레이저 초점 깊이, 손상 형성 경로의 수)의 변화를 해결한다. 결정질 재료 처리 방법은 표면 아래 레이저 손상 패턴으로부터 바깥쪽으로 전파하는 기판 내부의 균열 형성을 촉진하기 위해 제1 평균 깊이 위치에서 결정질 재료 영역들에 표면 아래 레이저 손상 부위들을 생성하고, 기판 상부 표면을 이미징하고, 기판 내에 균열되지 않은 영역들을 가리키는 상태를 식별하기 위해 이미지를 분석하고, 분석에 응해 하나 이상의 조치를 취함(예를 들어 적절한 상태들의 달성 시)을 포함한다. 기판 내에 균열되지 않은 영역의 존재를 나타내는 조건을 식별하고, 분석에 응답하여 하나 이상의 조치를 취하는 것(예를 들어, 적절한 조건의 달성 시). 하나의 잠재적인 조치는 기판(예를 들어, 제1 웨이퍼)의 제1 감소된 두께 부분의 형성을 위해, 균열되지 않은 영역에서 추가 균열의 형성을 촉진하기 위해 제1 평균 깊이 위치에서 보조 표면 아래 레이저 손상을 형성하는 것을 포함한다. 다른 잠재적인 조치는 제1 평균 깊이 위치에서 추가 손상을 반드시 형성하지 않고 후속 표면 아래 레이저 손상 형성(기판의 제2 및 임의의 감소된 두께 부분의 형성을 위해 제2 또는 후속 평균 깊이 위치에서)을 생성하기 위한 명령 세트를 변경함을 포함한다. 레이저 손상은 기판의 후속 파단을 촉진하여 두께가 감소된 다중 기판 부분을 생성한다. 재료 처리 장치는 레이저를 갖는 레이저 처리 스테이션, 적어도 하나의 전환 스테이지, 기판의 제1 측면에 배치되도록 배열된 확산 광원, 및 제1 측면 반대측의 기판의 제2 측면에 배치된 이미징 디바이스를 포함한다. 광원은 기판의 주 플랫에 실질적으로 수직 및/또는 기판의 육방정계 결정 구조의 <> 방향에 수직에서 ±5도 이내로 위치하여 기판의 상면을 통한 균열되지 않은 영역들의 가시성을 향상시킬 수 있다.
일 양태에서, 본 개시내용은 결정질 재료 처리 방법에 대한 것으로서, 이 방법은: 기판의 결정질 재료의 내부 내에서 제1 평균 깊이 위치를 따라 집속된 레이저의 방사를 공급하고, 레이저와 기판 사이의 상대적인 측방향 이동을 하여, 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 표면 아래 레이저 손상을 형성하고 - 여기서 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 기판 내부에 적어도 하나의 복수의 균열의 형성을 촉진하도록 구성되고 균열들은 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴으로부터 실질적으로 외측으로 전파함 -; 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성 후에, 기판의 상부 표면의 적어도 하나의 이미지를 생성하고; 기판의 내부에 균열되지 않은 영역의 존재를 나타내는 조건을 식별하기 위해 적어도 하나의 이미지를 분석하고; 그리고, 분석에 응답하여, 하기 단계 (i) 또는 (ii) 중 적어도 하나를 수행함을 포함하며, 단계 (i) 기판의 제1 감소된 두께 부분의 형성을 위해, 적어도 균열되지 않은 영역들에서 기판의 내부에 집속된 레이저의 방사를 공급하면서 레이저와 기판 사이의 상대적인 이동을 수행하여, 적어도 하나의 레이저 손상 패턴을 보충하고 제1 평균 깊이 위치를 또는 그 위치에 근접한 영역을 따라 균열되지 않은 영역에 추가 균열의 형성을 촉진하는 보충 표면 아래 레이저 손상을 형성; 또는 (ii) 적어도 하나의 추가적인 기판의 감소된 두께 부분의 형성을 위해, 기판의 제2 평균 깊이 위치 및 임의의 후속 평균 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 생성할 때 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해 기판과 관련된 명령 세트를 변경.
어떤 실시예들에서, 분석은 기판의 내부에서 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역(upper area) 특성을 정량화하고, 상부 영역 특성을 적어도 하나의 미리 결정된 임계 영역 특성과 비교하는 것을 포함한다.
어떤 실시예들서, 적어도 하나의 미리 결정된 임계 영역 특성은 제1 미리 결정된 임계 영역 특성 및 제2 미리 결정된 임계 영역 특성을 포함하고, 여기서 제2 미리 결정된 임계 영역 특성은 제1 미리 결정된 임계 영역 특성보다 크고, 이 방법은: 상부 영역 특성이 적어도 제1 미리 결정된 임계 영역 특성과 동일한 단계 (ii)를 수행하는 단계; 그리고, 상기 상부 영역 특성이 적어도 제2 소정 임계 영역 특성과 동일한 단계 (i)를 수행함을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 방법은 분석에 응답하여 단계 (i) 및 (ii) 둘 다를 수행함을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 단계 (ii)는 기판의 제2 평균 깊이 위치 및 후속 평균 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상 패턴을 생성할 때, (a) 평균 레이저 출력, (b) 기판의 노출된 표면에 대한 레이저 초점 깊이, 또는 (c) 레이저 손상 형성 경로의 수 중 적어도 하나를 조정하는 것을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 단계 (ii)에 따른 명령어 세트의 변경은 0.15 내지 0.35 와트 범위의 값만큼 평균 레이저 전력을 증가시키는 것을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 단계 (i)는, 적어도 하나의 레이저 손상 패턴을 보충하고 제1 평균 깊이 위치를 또는 그 위치에 근접한 영역을 따라 균열되지 않은 영역에 추가 균열의 형성을 촉진하는 보충 표면 아래 레이저 손상을 생성할 때, (a) 평균 레이저 출력, 또는 (b) 기판의 노출된 표면에 대한 레이저 집속(초점) 깊이 중 적어도 하나를 조정하는 것을 포한다.
어떤 실시예들에서, 기판은 주 플랫을 갖는 일반적으로 둥근 가장자리를 포함하고, 적어도 하나의 이미지의 생성은 (a) 기판의 제1 측면에 배열되고 주 플랫에 대해 실질적으로 수직으로 배열된 확산 광원에 의해 생성된 확산 광으로 상부 표면을 조명하고, 그리고 (b) 제1 측면에 반대편의 기판의 제2 측면에 배열된 이미징 디바이스로 적어도 하나의 이미지를 캡처함을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 결정질 재료는 육방정계 결정 구조를 포함하고; 적어도 하나의 이미지를 생성하는 단계는 (a) 기판의 제1 측면에 배열되고 <> 방향에 수직에 대해 ±5도 이내에 배열된 확산 광원에 의해 생성된 확산 광으로 상부 표면을 조명하고; (b) 제1 측면에 대향하는 기판의 제2 측면에 배치된 이미징 디바이스로 적어도 하나의 이미지를 캡처함을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 및 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 후에 형성되는 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하고; 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하고 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하며; 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인들의 라인들 사이사이에 배치되고(interspersed); 그리고, 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 적어도 일부 라인은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 임의의 라인과 교차하지 않는다.
어떤 실시예들에서, 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 각각의 라인은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 인접한 라인의 상이한 쌍 사이에 배열된다.
어떤 실시예들에서, 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 각각의 라인 및 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 각각의 라인은 결정질 재료의 육방정계 결정 구조의 <> 방향에 수직에 대해서 ±5도 이내이고 실질적으로 기판의 표면에 평행하다.
어떤 실시예들에서, 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 및 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 후에 형성되는 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하고; 적어도 하나의 복수의 실질적으로 평행한 라인은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인 및 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하고; 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인은 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인에 평행하지 않고; 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들의 각도 방향은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들의 각도 방향과 10도 이하만큼 상이하고; 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 적어도 일부 라인은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 임의의 라인과 교차하지 않는다.
어떤 실시예들에서, 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴 후에 형성되는 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 더 포함하고; 적어도 하나의 복수의 실질적으로 평행한 라인은 제3 복수의 실질적으로 평행한 라인을 더 포함하고; 적어도 하나의 복수의 균열은 제1, 제2 및 제3 복수의 균열을 포함하고; 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴은 기판의 내부에 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 제1 복수의 균열을 형성하고; 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴은 기판의 내부에 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 제2 복수의 균열을 형성하고, 제2 복수의 균열은 제1 복수의 균열과 연결되지 않고; 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴은 기판 내부에 제3 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 제3 복수의 균열을 형성하고, 제3 복수의 균열의 적어도 일부 균열은 제1 복수의 균열 중 적어도 일부 균열 및 제2 복수의 균열 중 적어도 일부 균열과 연결된다.
어떤 실시예들에서, 방법은 기판의 표면의 적어도 일부에 걸쳐 결정질 재료의 불균일 도핑을 나타내는 조건을 검출하고 - 불균일 도핑은 제1 도핑 영역 및 제2 도핑을 포함 -; 그리고 결정질 재료의 불균일한 도핑을 나타내는 조건의 검출에 응답하여, 다음 단계 (A) 또는 (B) 중 적어도 하나를 수행함을 포함한다: 단계 (A) 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성 동안, 제1 도핑 영역에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제1 출력 레벨로 레이저 방사를 제공하고 제2 도핑 영역에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제2 출력 레벨로 레이저 방사를 제공하도록 레이저 출력을 변경하고; 또는 단계 (B) 제1 도핑 영역 또는 제2 도핑 영역 중 하나에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 기판에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 평균 깊이를 변경,
어떤 실시예들에서, 방법은 각각 기판에 대해 감소된 두께를 갖지만 기판과 실질적으로 동일한 길이 및 너비(폭)을 갖는 제1 및 제2 결정질 재료 부분을 생성하기 위해, 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 따라 실질적으로 결정질 재료를 파단함을 더 포함한다.
어떤 실시예들에서, 기판은 실리콘카바이드(silicon carbide)를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 기판은 150mm 이상의 직경을 갖는 잉곳을 포함한다.
다른 양태에서, 본 개시내용은 결정질 재료의 기판을 처리하도록 구성된 레이저 처리 스테이션을 포함하는 재료 처리 장치에 관한 것으로, 레이저 처리 스테이션은: 기판의 내부 내에 표면 아래 레이저 손상 영역들을 형성하도록 구성된 레이저; 레이저와 기판 사이의 상대적인 이동이 가능하도록 구성된 적어도 하나의 전환 스테이지; 기판의 상면을 조명하도록 구성된 확산 광원 - 확산 광원은 기판의 제1 측면에 위치하도록 배열됨 -; 그리고 기판의 상부 표면의 적어도 하나의 이미지를 생성하도록 구성된 이미징 디바이스를 포함하고, 이미징 디바이스는 제1 측면에 대향하는 기판의 제2 측면에 위치되도록 구성된다.
어떤 실시예들에서, 기판은 주 플랫을 갖는 일반적으로 둥근 가장자리를 포함하고, 확산 광원은 기판의 제1 측면에 위치되고 주 플랫에 실질적으로 수직하도록 배열된다.
어떤 실시예들에서, 결정질 재료는 육방정계 결정 구조를 포함하고, 확산 광원은 기판의 제1 측면에 그리고 육각형 결정 구조의 <> 방향에 수직에 대해 ±5도 이내에 위치하도록 배열된다.
어떤 실시예들에서, 재료 처리 장치는 기판의 내부에 균열되지 않은 영역의 존재를 나타내는 조건을 식별하기 위해 적어도 하나의 이미지를 분석하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스를 더 포함한다.
어떤 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스는 컴퓨팅 디바이스에 의한 분석에 응답하여 다음 단계 (i) 또는 (ii) 중 적어도 하나를 더 수행하도록 구성된다:
단계 (i) 기판의 제1 감소된 두께 부분의 형성을 위해, 적어도 균열되지 않은 영역들에서 기판의 내부에 집속된 레이저의 방사를 공급하면서 레이저와 기판 사이의 상대적인 이동을 수행하여, 기판에 보충 표면 아래 레이저 손상을 형성하고 제1 평균 깊이 위치를 또는 그 위치에 근접한 영역을 따라 균열되지 않은 영역들에 추가 균열들의 형성을 촉진; 또는 (ii) 제2 및 임의 개수의 후속의 기판의 감소된 두께 부분의 형성을 위해, 기판의 제2 평균 깊이 위치 및 임의의 후속 평균 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 생성할 때 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해 기판과 관련된 명령 세트를 변경.
어떤 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스에 의해 수행되는 분석은 기판의 내부에서 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역 특성을 정량화하고, 그리고 상부 영역 특성을 적어도 하나의 미리 결정된 임계 영역 특성과 비교하는 것을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 적어도 하나의 미리 결정된 임계 영역 특성은 제1 미리 결정된 임계 영역 특성 및 제2 미리 결정된 임계 영역 특성을 포함하고, 여기서 제2 미리 결정된 임계 영역 특성은 제1 미리 결정된 임계 영역 특성보다 크고, 이 방법은: 상부 영역 특성이 적어도 제1 미리 결정된 임계 영역 특성과 동일한 경우 단계 (ii)를 수행하는 단계; 그리고, 상기 상부 영역 특성이 적어도 제2 소정 임계 영역 특성과 동일한 경우 단계 (i)를 수행함을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 재료 처리 장치는 기판에 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해 기판과 연관된 명령 세트를 저장하도록 구성된 메모리를 더 포함하고, 메모리는 컴퓨팅 디바이스가 액세스 가능하다.
어떤 실시예들에서, 재료 처리 장치는 레이저 처리 스테이션으로부터 기판을 수용하도록 구성된 파단 스테이션을 더 포함한다.
다른 양태에서, 전술한 양태들 중 임의의 것, 및/또는 본 명세서에 기재된 바와 같은 다양한 개별 양태 및 특징은 추가 이점을 위해 결합될 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 다양한 특징 및 요소들 중 임의의 것은 본 명세서에서 달리 나타내지 않는 한 하나 이상의 다른 개시된 특징 및 요소와 결합될 수 있다.
본 개시의 다른 양태, 특징 및 실시예는 이어지는 개시 및 첨부된 청구범위로부터 보다 완전히 명백해질 것이다.
본 개시 내용의 하나 이상의 실시예들에 의해 얻어질 수 있는 기술적 이점들은 다음을 포함할 수 있다: 불필요한 재료 손실을 피하면서 레이저 처리 및 후속적인 파단에 의해 결정질 재료 기판(예를 들어, 잉곳)으로부터 균일한 두께의 웨이퍼 제조의 향상된 재현성; 레이저 보조 분리 방법을 수행할 때 단일 기판의 다양한 깊이 위치에서 뿐만 아니라 기판마다 레이저 전력 요구사항의 변화를 처리; 표면 아래 레이저 손상을 갖는 결정질 재료 기판 내의 균열되지 않은 영역의 향상된 검출; 와이어 톱질 절단과 비교하여 감소된 결정질 재료 커프 손실; 와이어 톱질 절단과 비교하여 결정질 재료 웨이퍼의 처리 시간 감소 및 처리량 증가; 이전의 레이저 기반 방법에 비해 레이저 처리 시간의 단축; 레이저 손상 영역을 따라 골절을 일으키는 데 필요한 힘의 감소; 분리 후 레이저 손상을 제거하기 위해 분리 후 표면 평활화의 필요성 감소; 및/또는 결정질 재료 휘어짐 및 파손의 감소.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 개시내용의 여러 양태를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 개시내용의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 종래의 와이어 절단 공구에 수용되어 와이어 절단 공정을 거친 잉곳의 사시도를 제공하는 제1 프레임과, 와이어 절단 공정에 의해 얻어진 다수의 웨이퍼의 사시도를 제공하는 제2 프레임을 포함한다.
도 2는 4H-SiC와 같은 육방정계 결정의 좌표계를 나타내는 제1 투시도 결정 평면도이다.
도 3은 c-평면에 평행하지 않은 미사면 평면을 도시하는, 육방정계 결정에 대한 제2 투시도 결정 평면도이다.
도 4a는 c-평면에 대한 미사면 웨이퍼의 배향을 나타내는 웨이퍼 배향 사시도이다.
도 4b는 잉곳의 일부 위에 겹쳐진 도 4a의 미사면 웨이퍼의 단순화된 단면도이다.
도 5는 결정학적 배향 방향을 나타내는 중첩된 화살표가 있는 예시적인 SiC 웨이퍼의 평면도이다.
도 6a는 결정질 재료의 축상(on-axis) 잉곳의 측면 입면(side elevation) 개략도이다.
도 6b는 4도 회전한 도 6a의 잉곳의 측면 입면 개략도로서, 잉곳의 단부 절단을 위한 중첩 패턴을 갖는다.
도 6c는 c-방향에 수직이 아닌 단부면(end surface)을 제공하기 위해 단부(end portion)를 제거한 후의 잉곳의 측면 입면 개략도이다.
도 7은 표면 아래 손상을 형성하기 위해 결정질 재료의 내부 내에 레이저 방사를 집중시키도록 구성된 이동 가능한 레이저 공구의 개략적인 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 결정질 재료 내의 표면 아래 손상의 형성을 위한 결정질 재료에 대한 예시적인 레이저 공구 이동 경로를 제공하며, 도 8b는 결정질 재료의 육방정계 결정 구조의 [] 방향에 대한 표면 아래 손상 라인의 방향을 나타내는 중첩된 화살표를 포함한다.
도 9는 파단 후 평활화 전의 축외(c-축에 대한) 또는 미사면 4H-SiC 결정의 표면 구조의 개략적인 사시도로서, 파단된 표면은 테라스 및 단차를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10d는 각각 미처리(bare) 기판으로, 캐리어에 의해 지지되는 기판의 표면을 통해, 캐리어 및 접착층을 통해 베어 기판으로 그리고 캐리어를 통해 기판으로 레이저 방사를 집속함으로써 결정질 재료의 기판에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하는 단면 개략도이다.
도 11a는 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2, 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면도를 제공하며, 각각의 손상 패턴은 [] 방향에 수직인 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하며 (그리고 주 기판 플랫(primary substrate flat)에 실질적으로 수직), 레이저 손상 패턴들이 조합되어 각각의 3-라인 그룹에서 인접한 라인 사이의 간격을 초과하는 그룹간 간격(inter-group spacing)에 의해 서로 이격(분리)되는 다중의 3-라인 그룹을 형성한다.
도 11b는 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성 후 제조 중의 도 11a의 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인으로부터 측방향 외측으로 전파하는 기판의 내부 내의 제1 복수의 균열을 도시한다.
도 11c는 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 이후에 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴이 형성된 때의 도 11b의 결정질 재료 기판의 평면도로서, 기판 내부 내의 제2 복수의 균열이 제2 복수의 실질적 평행 라인으로부터 측방향 외측으로 전파되지만 제1 복수의 균열과는 접촉하지 않는 것을 예시한다.
도 11d는 제1 및 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴 이후에 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴이 형성된 때의 도 11c의 결정질 재료 기판의 평면도로서, 기판 내부 내의 제3 복수의 균열이 제3 복수의 실질적 평행 라인으로부터 측방향 외측으로 전파되고 제1 및 제2 복수의 균열과 연결된다.
도 12는 도 11a에 도시된 것과 유사한 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1 내지 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도이며, 각각의 손상 패턴은 기판 표면을 따라 [] 방향의 수직에 대해 3도 벗어난 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하고 (주 기판 플랫에 실질적으로 수직), 레이저 손상 패턴들이 조합되어 각각의 3-라인 그룹에서 인접한 라인 사이의 간격을 초과하는 그룹간 간격(inter-group spacing)에 의해 서로 이격(분리)되는 다중의 3-라인 그룹을 형성한다.
도 13은 모든 라인이 서로 평행하고 기판 표면을 따라 [] 방향에 수직인 (그리고 주 기판 플랫에 실질적으로 수직임) 사이사이 배치된 제1 내지 제4 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도이다.
도 14는 일 실시예에 다라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 제1 및 제2 라인 그룹이 각각 서로 평행하고 기판 표면을 따라 [] 방향에 수직이고 (그리고 실질적으로 주 기판 플랫에 수직), 제3 그룹의 라인들은 제1 그룹의 라인 들 및 제2 그룹의 라인들과 평행하지 않고 기판 내에서 제1 그룹 및 제2 그룹의 라인들과 교차하지 않는다.
도 15는 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2, 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 여기서 제1 및 제2 라인 그룹은 각각 서로 평행하고 기판 표면을 따라 [] 방향에 수직으로부터 3도 벗어나 있고 (그리고 주 기판 플랫에 실질적으로 수직), 제3 라인 그룹은 주 기판 플랫에 수직이지만 기판 내에서 제1 및 제2 그룹의 라인들과 교차하지 않는다.
도 16은 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상을 포함하는 결정질 재료 기판의 개략도로서, 모든 레이저 손상 라인이 서로 평행하고, 레이저 손상 라인 그룹간 간격이 기판의 적어도 일부에 걸쳐 균일하지 않다.
도 17은 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상을 포함하는 결정질 재료 기판의 개략도로서, 모든 레이저 손상 라인이 서로 평행하고, 레이저 손상 라인이 그룹내 간격(intra-group spacing), 그룹간 간격(inter-group spacing) 및 그룹 성분에 있어 변화를 나타낸다.
도 18은 일 실시예에 따라 정의된 순차로 형성된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 제1 및 제2 그룹의 레이저 손상 라인이 서로 평행한 한편, 제3 그룹의 레이저 손상 라인은 제1 및 제2 그룹의 레이저 손상 라인들과 평행하지 않고 교차한다.
도 19는 일 실시예에 따라 정의된 순차로 형성된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 각 그룹의 레이저 손상 라인들은 평행한 라인들을 포함하고, 각 그룹의 레이저 손상 라인들은 다른 그룹의 레이저 손상 라인들과는 평행하지 않다.
도 20a는 레이저 손상 영역들이 형성될 수 있는 비중첩 제1, 제2 및 제3 영역을 도시하는 결정질 재료 기판의 평면도이다.
도 20b는 제1 내지 제3 영역에서 제1 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역의 형성된 이후의 도 20a의 결정질 재료 기판의 평면도이다
도 20c는 제1 내지 제3 영역에 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역이 형성된 후의 도 20b의 결정질 재료 기판의 평면도이다.
도 20d는 제1 내지 제3 영역에 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역이 형성된 후의 도 20c의 결정질 재료 기판의 평면도이다.
도 21은 하나 이상의 레이저로 표면 아래 레이저 손상이 형성될 수 있는 4개의 기판을 유지하도록 마련된 레이저 처리 장치의 홀더의 평면 개략도이다.
도 22a는 기판의 두 부분에서 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴에 따라 표면 아래 레이저 손상을 동시에 형성하기 위해 분할 레이저 빔으로 처리되는 단일 기판의 평면 개략도이다.
도 22b는 두 기판에서 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴에 따라 표면 아래 레이저 손상을 동시에 형성하기 위해 분할 레이저 빔으로 처리되는 두 기판의 평면 개략도이다.
도 23a는 제1 깊이에 집중된 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 개략적인 단면도이다.
도 23b는 제2 깊이에 집중되고 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴과 정합된 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성 후의 도 23a의 기판의 개략적인 단면도이며, 제1 및 제2 손상 패턴의 수직 범위가 중첩된다.
도 24a는 본 명세서에 기술된 방법에 따라 열가소성 접착제로 결합된(glue-bonded) 사파이어 캐리어로부터 분리된 후의 SiC 웨이퍼의 투시도 사진이다.
도 24b는 사파이어 캐리어의 투시도 사진으로 이로부터 도 24a의 SiC 웨이퍼가 분리되었다.
도 24c는 중앙 도핑 링(doping ring)과 웨이퍼의 환형 외부 부분 사이의 콘트라스트를 강조하기 위해, 도 24a의 SiC 웨이퍼 사진을 부분적으로 톤을 반전한 사진이다.
도 24d는 도 24c에서 중앙 도핑 링과 웨이퍼의 환형 외부 부분 사이의 경계를 나타내기 위해 파선 타원형으로 표시한 사진이다.
도 25는 시드 결정 상에 성장된 SiC 잉곳의 측단면 개략도로서, 중앙 부분을 따라 잉곳의 전체 두께를 통해 시드 결정으로부터 상부로 연장되는 원통형 도핑 영역을 도시한다.
도 26은 도 25의 도시된 얇은 섹션 부분을 따라 SiC로부터 유도된 SiC 웨이퍼의 평면 개략도이다.
도 27은 시드 결정 상에 성장된 SiC 잉곳의 측단면 개략도로서, 중앙 부분을 따라 잉곳의 전체 두께를 통해 위쪽으로 연장된 원뿔대 모양의 도핑 영역을 도시한다.
도 28은 미사면(예를 들어, 오프컷) 시드 결정 상에서 성장된 SiC 잉곳의 측단면 개략도로서, 중심으로부터 오프셋된 지점에서 시드 결정으로부터 위쪽으로 잉곳 전체 두께를 통해 위쪽으로 연장되는 원뿔대 모양의 도핑 영역을 도시한다.
도 29는 표면 아래 레이저 손상의 형성 및 후속 분리를 포함하는 공정에 의해 잉곳으로부터 분리된 SiC 웨이퍼의 Si 면의 사시도 사진으로, 삽입 그림 부분(우측 상단)은 가장자리를 포함하는 SiC 웨이퍼의 단편을 묘사(SEM 사진)하고 있다.
도 30a는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 15도 경사각에서 촬영한 45배 확대 SEM 이미지로서, 첨가된 화살표는 결정학적 평면들 [] 및 []의 방향을 나타낸다.
도 30b는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 15도 경사각에서 촬영한 1,300배 확대 SEM 이미지이다.
도 30c은 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 15도 경사각에서 촬영한 350배 확대 SEM 이미지이다.
도 30d는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 2도 경사각에서 촬영한 100배 확대 SEM 이미지이다.
도 30e는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 2도 경사각에서 촬영한 1,000배 확대 SEM 이미지이다.
도 31a는 도 29의 SiC 웨이퍼의 작은 중앙 부분의 공초점 레이저 주사 현미경 이미지이며, 덧붙여진 십자선은 레이저 스캐닝에 의해 형성된 "트렌치"의 위치를 표시한다.
도 31b는 도 31a의 SiC 웨이퍼 부분의 표면 프로파일 플롯이다.
도 32a는 도 29의 SiC 웨이퍼의 더 큰 상부 근접(그림과 같은) 부분의 공초점 레이저 스캐닝 현미경 이미지, 덧붙여진 십자선은 레이저 스캐닝에 의해 형성된 "트렌치"의 위치를 표시한다.
도 32b는 도 32a의 SiC 웨이퍼의 상부-근접 부분의 표면 프로파일 플롯이다.
도 33a는 도 29의 SiC 웨이퍼의 더 큰 하부 근접(그림과 같은) 부분의 공초점 레이저 스캐닝 현미경 이미지로서 덧붙여진 십자선은 레이저 스캐닝에 의해 형성된 "트렌치"의 위치를 표시한다.
도 33b는 도 33a의 SiC 웨이퍼의 하부-근접 부분의 표면 프로파일 플롯이다.
도 34a는 접착 물질이 표면에 결합된 강성 캐리어의 측단면 개략도이다.
도 34b는 접착 물질 립(lip) 근처에 표면 아래 레이저 손상 영역을 갖는 결정질 재료 기판에 결합된 도 34a의 강성 캐리어 및 접착 물질을 포함하는 조립체의 개략적인 단면도이다.
도 34c는 강성 캐리어의 표면은 액체 냉각 척 형태의 냉각 장치 상에 위치된 상태의, 도 34b의 어셈블리의 개략적인 단면도이다.
도 34d는 표면 아래 레이저 손상 영역을 따라 결정질 재료를 파단시킨 후에, 기판으로부터 제거된 결정질 재료의 일부 및 강성 캐리어를 포함하는 접합된 어셈블리(액체 냉각 척 상부)로부터 분리된 결정질 재료 기판의 대부분의 개략 단면도이다.
도 34e는, 위쪽으로 향한 표면을 따라 잔존하는 레이저 손상이 있는, 냉체 냉각 척으로부터 제거 후 도 34d의 접합된 조립체의 개략적인 단면도이다.
도 34f는 가열된 진공 척에 의해 지지되는 결정질 재료의 부분의 개략 단면도로서, 강성 캐리어 및 접착 물질은 접착 물질의 열 연화 및 이형 후에 결정 재료 부분으로부터 측방향으로 병진 이동된다.
도 35는 초음파 발생기의 액체 조 내에 배열된 결정질 재료 및 캐리어가 있는, 표면 아래 레이저 손상을 가지며 강성 캐리어에 결합된 결정질 재료의 개략적인 단면도이다.
도 36a 내지 도 36c는 캐리어의 적어도 일부에 굽힘 모멘트를 부여하기 위해 캐리어의 하나의 가장자리에 근접한 기계적 힘의 인가를 포함하는 표면 아래 레이저 손상을 갖는 결정질 재료를 파단시키는 단계를 예시하는 개략적인 단면도이다.
도 37a 내지 도 37o는 디바이스 웨이퍼 분할 공정의 단계를 예시하는 개략적인 단면도로서, 이에 따르면 두꺼운 웨이퍼가 결정질 재료로부터 파단되고, 적어도 하나의 에피택셜 층이 두꺼운 웨이퍼 상에 성장되고, 두꺼운 웨이퍼가 파단되어 각각 캐리어 및 두꺼운 웨이퍼로부터 분할된 얇은 웨이퍼를 포함하는 제1 및 제2 접합된 어셈블리를 형성하고, 이때 제1 접합된 어셈블리는 작동하는 반도체 기반 디바이스의 일부로서 적어도 하나의 에피택셜 층을 포함한다.
도 38은 표면 아래 레이저 손상을 생성하고 강성 캐리어를 결정질(예를 들어, SiC) 재료 잉곳에 접합한 후, 캐리어 및 결정질 재료의 일부를 포함하는 접합된 어셈블리의 레이저 분리(parting), 잉곳 및 강성 캐리어를 가공 시작 상태로 뒤집은 상태에서 추가적으로 접합된 어셈블리의 가공 및 디바이스 웨이퍼 상에 에피택셜 층의 형성을 포함하는 과정을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 39는 도 38의 결정질 재료 기판의 일부의 개략적인 단면도로서, 레이저 손상 및 후속 표면 처리(예: 연삭 및 평탄화)로 인해 예상되는 커프 손실 재료 영역을 식별하기 위한 파선이 표시된 표면 아래 레이저 손상을 보여준다.
도 40은 레이저 가공 스테이션, 재료 파단 스테이션, 병렬로 배열된 다중의 거친 연삭 스테이션, 미세 연삭 스테이션, 및 CMP 스테이션을 포함하는 일 실시예에 따른 재료 가공 장치의 개략도이다.
도 41은 도 40과 유사한 일 실시예에 따른 재료 처리 장치의 개략도이며, 미세한 연삭 스테이션과 거친 연삭 스테이션들 사이에 가장자리 연삭 스테이션이 마련된다.
도 42는 레이저 가공 스테이션, 재료 파단 스테이션, 병렬로 배열된 다중의 거친 연삭 스테이션, 미세 연삭 스테이션, 표면 코팅 스테이션, 가장자리 연삭 스테이션, 코팅 제거 스테이션 및 CMP 스테이션을 포함하는 재료 가공 장치를 개략적으로 도시한다.
도 43a는 일 실시예에 따른 측벽에 수직이 아닌 단면(end face)들을 갖는 잉곳을 유지하기 위한 제1 장치의 개략적인 단면도이다.
도 43b는 일 실시예에 따른 측벽에 수직이 아닌 단면들을 갖는 잉곳을 유지하기 위한 제2 장치의 개략적인 단면도이다.
도 44는 입사 수평 빔을 렌즈로 포커싱하여 렌즈의 초점 거리에 대응하는 하류 위치에서 최소 폭을 갖는 빔 웨이스트 패턴을 갖는 나가는 빔을 형성하는 종래의 레이저 집속 장치의 개략적인 측단면도이다.
도 45는 빔 웨이스트에 대한 상이한 수직 위치들에서의 분해 임계점을 예시하는, 결정질 재료 내의 빔 웨이스트를 나타내는 수직으로 배향된 집속된 레이저 빔의 개략적인 측단면도이다.
도 46a-46c는 3개의 SiC 잉곳에서 파생된 웨이퍼에 대한 순차적 웨이퍼 식별 대 레이저 출력의 플롯을 제공하며, 웨이퍼 식별 번호에 따라 레이저 출력이 증가함을 보여준다.
도 47은 중첩된 다항식 적합(polynomial fit)이 슬라이스 수에 따라 감소하는 비저항을 보여주면서 SiC 잉곳에서 생성된 50개에 대한 슬라이스 수 대 비저항(Ohm-cm)의 플롯으로, 슬라이스 수의 증가는 잉곳이 성장 (예를 들어, 물리적 증기 수송(PVT) 공정을 통해) 하는 시드 결정에 대한 증가하는 근접성을 나타낸다.
도 48은 도 47의 SiC 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼에 대한 저항 대 레이저 전력(와트)의 플롯으로, 중첩된 다항식 적합은 비저항 값이 증가함에 따라 달성하는 데 필요한 레이저 출력의 감소를 나타낸다
도 49a 및 49b는 레이저 처리 스테이션 내의 기판에 근접하게 배열된 이미징 디바이스 및 확산 광원의 개략적인 측단면도 및 평면도를 각각 제공한다.
도 50a는 표면 아래 레이저 손상을 갖는 결정질 SiC 기판의 상부 표면의 이미지로서, 기판 내의 균열되지 않은 영역들에 대응하는 다양한 색상의 영역 및 불규칙한 형태의 어두운 영역을 보여준다.
도 50b는 기판의 상면의 서로 다른 색 영역들 사이의 경계에 실질적으로 대응하는 점성 영역들 내에서 도 50a의 불규칙한 형상의 어두운 영역을 나타내는 기판의 개략도이다.
도 50c는 개별 영역들 주위에 직사각형 박스가 추가된, 도 50a 내지 도 50b의 불규칙한 형태의 어두운 영역을 확대한 도면이다.
도 51은 레이저를 포함하는 레이저 처리 스테이션, 적어도 하나의 전환 스테이지, 기판의 상부 표면을 조명하도록 구성된 확산 광원, 그리고 기판의 상부 표면의 적어도 하나의 이미지를 생성하도록 구성된 이미징 디바이스를 포함하는, 일 실시예에 따른 재료 처리 장치의 개략도이다.
도 52는 제1 결정질 재료 처리 방법의 단계들을 도시하는 흐름도로서, 상기 방법은: 표면 아래 레이저 손상을 갖는 기판의 상부 표면의 이미지를 생성하는 단계, 하나 이상의 균열되지 않은 영역을 나타내는 조건의 존재를 식별하기 위해 이미지를 분석하는 단계, 균열되지 않은 영역들의 하나 이상의 특성을 제1 및 제2 임계값과 비교하는 단계, 비교에 응해 기판으로부터 생성한 기판 부분들(예를 들어 웨이퍼들)의 신뢰성을 높이기 위해 조치를 취하는 단계 (즉, (A) 보충 레이저 손상을 형성하기 위해, 선택적으로 하나 이상의 레이저 파라미터의 조정과 함께, 실질적으로 동일한 깊이 위치에 추가 레이저 처리를 하고 및/또는 (B) 제2 위치 및 후속 위치들에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해 하나 이상의 레이저 파라미터를 조정)를 포함한다.
도 53은 제2 결정질 재료 처리 방법의 단계들을 도시하는 흐름도로서, 상기 방법은: 표면 아래 레이저 손상을 갖는 기판의 상부 표면의 이미지를 생성하는 단계, 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역 특성을 정량화하기 위해 이미지를 분석하는 단계, 상부 영역 특성을 제1 및 제2 임계 영역 특성과 비교하는 단계, 비교에 응해 기판으로부터 생성한 기판 부분들(예를 들어 웨이퍼들)의 신뢰성을 높이기 위해 조치를 취하는 단계 (즉, 동일한 깊이 위치에서 추가 레이저 경로를 수행하고 및/또는 후속 깊이 위치들에서 표면 아래 레이저 손상을 위한 전력을 조정)를 포함한다.
도 54는 본 명세서에 개시된 시스템 또는 방법의 임의의 구성요소에 포함될 수 있는 컴퓨터 시스템의 일반화된 표현의 개략도이다.
도 1은 종래의 와이어 절단 공구에 수용되어 와이어 절단 공정을 거친 잉곳의 사시도를 제공하는 제1 프레임과, 와이어 절단 공정에 의해 얻어진 다수의 웨이퍼의 사시도를 제공하는 제2 프레임을 포함한다.
도 2는 4H-SiC와 같은 육방정계 결정의 좌표계를 나타내는 제1 투시도 결정 평면도이다.
도 3은 c-평면에 평행하지 않은 미사면 평면을 도시하는, 육방정계 결정에 대한 제2 투시도 결정 평면도이다.
도 4a는 c-평면에 대한 미사면 웨이퍼의 배향을 나타내는 웨이퍼 배향 사시도이다.
도 4b는 잉곳의 일부 위에 겹쳐진 도 4a의 미사면 웨이퍼의 단순화된 단면도이다.
도 5는 결정학적 배향 방향을 나타내는 중첩된 화살표가 있는 예시적인 SiC 웨이퍼의 평면도이다.
도 6a는 결정질 재료의 축상(on-axis) 잉곳의 측면 입면(side elevation) 개략도이다.
도 6b는 4도 회전한 도 6a의 잉곳의 측면 입면 개략도로서, 잉곳의 단부 절단을 위한 중첩 패턴을 갖는다.
도 6c는 c-방향에 수직이 아닌 단부면(end surface)을 제공하기 위해 단부(end portion)를 제거한 후의 잉곳의 측면 입면 개략도이다.
도 7은 표면 아래 손상을 형성하기 위해 결정질 재료의 내부 내에 레이저 방사를 집중시키도록 구성된 이동 가능한 레이저 공구의 개략적인 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 결정질 재료 내의 표면 아래 손상의 형성을 위한 결정질 재료에 대한 예시적인 레이저 공구 이동 경로를 제공하며, 도 8b는 결정질 재료의 육방정계 결정 구조의 [] 방향에 대한 표면 아래 손상 라인의 방향을 나타내는 중첩된 화살표를 포함한다.
도 9는 파단 후 평활화 전의 축외(c-축에 대한) 또는 미사면 4H-SiC 결정의 표면 구조의 개략적인 사시도로서, 파단된 표면은 테라스 및 단차를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10d는 각각 미처리(bare) 기판으로, 캐리어에 의해 지지되는 기판의 표면을 통해, 캐리어 및 접착층을 통해 베어 기판으로 그리고 캐리어를 통해 기판으로 레이저 방사를 집속함으로써 결정질 재료의 기판에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하는 단면 개략도이다.
도 11a는 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2, 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면도를 제공하며, 각각의 손상 패턴은 [] 방향에 수직인 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하며 (그리고 주 기판 플랫(primary substrate flat)에 실질적으로 수직), 레이저 손상 패턴들이 조합되어 각각의 3-라인 그룹에서 인접한 라인 사이의 간격을 초과하는 그룹간 간격(inter-group spacing)에 의해 서로 이격(분리)되는 다중의 3-라인 그룹을 형성한다.
도 11b는 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성 후 제조 중의 도 11a의 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인으로부터 측방향 외측으로 전파하는 기판의 내부 내의 제1 복수의 균열을 도시한다.
도 11c는 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 이후에 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴이 형성된 때의 도 11b의 결정질 재료 기판의 평면도로서, 기판 내부 내의 제2 복수의 균열이 제2 복수의 실질적 평행 라인으로부터 측방향 외측으로 전파되지만 제1 복수의 균열과는 접촉하지 않는 것을 예시한다.
도 11d는 제1 및 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴 이후에 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴이 형성된 때의 도 11c의 결정질 재료 기판의 평면도로서, 기판 내부 내의 제3 복수의 균열이 제3 복수의 실질적 평행 라인으로부터 측방향 외측으로 전파되고 제1 및 제2 복수의 균열과 연결된다.
도 12는 도 11a에 도시된 것과 유사한 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1 내지 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도이며, 각각의 손상 패턴은 기판 표면을 따라 [] 방향의 수직에 대해 3도 벗어난 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하고 (주 기판 플랫에 실질적으로 수직), 레이저 손상 패턴들이 조합되어 각각의 3-라인 그룹에서 인접한 라인 사이의 간격을 초과하는 그룹간 간격(inter-group spacing)에 의해 서로 이격(분리)되는 다중의 3-라인 그룹을 형성한다.
도 13은 모든 라인이 서로 평행하고 기판 표면을 따라 [] 방향에 수직인 (그리고 주 기판 플랫에 실질적으로 수직임) 사이사이 배치된 제1 내지 제4 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도이다.
도 14는 일 실시예에 다라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 제1 및 제2 라인 그룹이 각각 서로 평행하고 기판 표면을 따라 [] 방향에 수직이고 (그리고 실질적으로 주 기판 플랫에 수직), 제3 그룹의 라인들은 제1 그룹의 라인 들 및 제2 그룹의 라인들과 평행하지 않고 기판 내에서 제1 그룹 및 제2 그룹의 라인들과 교차하지 않는다.
도 15는 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2, 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 여기서 제1 및 제2 라인 그룹은 각각 서로 평행하고 기판 표면을 따라 [] 방향에 수직으로부터 3도 벗어나 있고 (그리고 주 기판 플랫에 실질적으로 수직), 제3 라인 그룹은 주 기판 플랫에 수직이지만 기판 내에서 제1 및 제2 그룹의 라인들과 교차하지 않는다.
도 16은 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상을 포함하는 결정질 재료 기판의 개략도로서, 모든 레이저 손상 라인이 서로 평행하고, 레이저 손상 라인 그룹간 간격이 기판의 적어도 일부에 걸쳐 균일하지 않다.
도 17은 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상을 포함하는 결정질 재료 기판의 개략도로서, 모든 레이저 손상 라인이 서로 평행하고, 레이저 손상 라인이 그룹내 간격(intra-group spacing), 그룹간 간격(inter-group spacing) 및 그룹 성분에 있어 변화를 나타낸다.
도 18은 일 실시예에 따라 정의된 순차로 형성된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 제1 및 제2 그룹의 레이저 손상 라인이 서로 평행한 한편, 제3 그룹의 레이저 손상 라인은 제1 및 제2 그룹의 레이저 손상 라인들과 평행하지 않고 교차한다.
도 19는 일 실시예에 따라 정의된 순차로 형성된 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 결정질 재료 기판의 평면 개략도로서, 각 그룹의 레이저 손상 라인들은 평행한 라인들을 포함하고, 각 그룹의 레이저 손상 라인들은 다른 그룹의 레이저 손상 라인들과는 평행하지 않다.
도 20a는 레이저 손상 영역들이 형성될 수 있는 비중첩 제1, 제2 및 제3 영역을 도시하는 결정질 재료 기판의 평면도이다.
도 20b는 제1 내지 제3 영역에서 제1 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역의 형성된 이후의 도 20a의 결정질 재료 기판의 평면도이다
도 20c는 제1 내지 제3 영역에 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역이 형성된 후의 도 20b의 결정질 재료 기판의 평면도이다.
도 20d는 제1 내지 제3 영역에 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역이 형성된 후의 도 20c의 결정질 재료 기판의 평면도이다.
도 21은 하나 이상의 레이저로 표면 아래 레이저 손상이 형성될 수 있는 4개의 기판을 유지하도록 마련된 레이저 처리 장치의 홀더의 평면 개략도이다.
도 22a는 기판의 두 부분에서 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴에 따라 표면 아래 레이저 손상을 동시에 형성하기 위해 분할 레이저 빔으로 처리되는 단일 기판의 평면 개략도이다.
도 22b는 두 기판에서 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴에 따라 표면 아래 레이저 손상을 동시에 형성하기 위해 분할 레이저 빔으로 처리되는 두 기판의 평면 개략도이다.
도 23a는 제1 깊이에 집중된 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판의 개략적인 단면도이다.
도 23b는 제2 깊이에 집중되고 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴과 정합된 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성 후의 도 23a의 기판의 개략적인 단면도이며, 제1 및 제2 손상 패턴의 수직 범위가 중첩된다.
도 24a는 본 명세서에 기술된 방법에 따라 열가소성 접착제로 결합된(glue-bonded) 사파이어 캐리어로부터 분리된 후의 SiC 웨이퍼의 투시도 사진이다.
도 24b는 사파이어 캐리어의 투시도 사진으로 이로부터 도 24a의 SiC 웨이퍼가 분리되었다.
도 24c는 중앙 도핑 링(doping ring)과 웨이퍼의 환형 외부 부분 사이의 콘트라스트를 강조하기 위해, 도 24a의 SiC 웨이퍼 사진을 부분적으로 톤을 반전한 사진이다.
도 24d는 도 24c에서 중앙 도핑 링과 웨이퍼의 환형 외부 부분 사이의 경계를 나타내기 위해 파선 타원형으로 표시한 사진이다.
도 25는 시드 결정 상에 성장된 SiC 잉곳의 측단면 개략도로서, 중앙 부분을 따라 잉곳의 전체 두께를 통해 시드 결정으로부터 상부로 연장되는 원통형 도핑 영역을 도시한다.
도 26은 도 25의 도시된 얇은 섹션 부분을 따라 SiC로부터 유도된 SiC 웨이퍼의 평면 개략도이다.
도 27은 시드 결정 상에 성장된 SiC 잉곳의 측단면 개략도로서, 중앙 부분을 따라 잉곳의 전체 두께를 통해 위쪽으로 연장된 원뿔대 모양의 도핑 영역을 도시한다.
도 28은 미사면(예를 들어, 오프컷) 시드 결정 상에서 성장된 SiC 잉곳의 측단면 개략도로서, 중심으로부터 오프셋된 지점에서 시드 결정으로부터 위쪽으로 잉곳 전체 두께를 통해 위쪽으로 연장되는 원뿔대 모양의 도핑 영역을 도시한다.
도 29는 표면 아래 레이저 손상의 형성 및 후속 분리를 포함하는 공정에 의해 잉곳으로부터 분리된 SiC 웨이퍼의 Si 면의 사시도 사진으로, 삽입 그림 부분(우측 상단)은 가장자리를 포함하는 SiC 웨이퍼의 단편을 묘사(SEM 사진)하고 있다.
도 30a는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 15도 경사각에서 촬영한 45배 확대 SEM 이미지로서, 첨가된 화살표는 결정학적 평면들 [] 및 []의 방향을 나타낸다.
도 30b는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 15도 경사각에서 촬영한 1,300배 확대 SEM 이미지이다.
도 30c은 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 15도 경사각에서 촬영한 350배 확대 SEM 이미지이다.
도 30d는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 2도 경사각에서 촬영한 100배 확대 SEM 이미지이다.
도 30e는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 2도 경사각에서 촬영한 1,000배 확대 SEM 이미지이다.
도 31a는 도 29의 SiC 웨이퍼의 작은 중앙 부분의 공초점 레이저 주사 현미경 이미지이며, 덧붙여진 십자선은 레이저 스캐닝에 의해 형성된 "트렌치"의 위치를 표시한다.
도 31b는 도 31a의 SiC 웨이퍼 부분의 표면 프로파일 플롯이다.
도 32a는 도 29의 SiC 웨이퍼의 더 큰 상부 근접(그림과 같은) 부분의 공초점 레이저 스캐닝 현미경 이미지, 덧붙여진 십자선은 레이저 스캐닝에 의해 형성된 "트렌치"의 위치를 표시한다.
도 32b는 도 32a의 SiC 웨이퍼의 상부-근접 부분의 표면 프로파일 플롯이다.
도 33a는 도 29의 SiC 웨이퍼의 더 큰 하부 근접(그림과 같은) 부분의 공초점 레이저 스캐닝 현미경 이미지로서 덧붙여진 십자선은 레이저 스캐닝에 의해 형성된 "트렌치"의 위치를 표시한다.
도 33b는 도 33a의 SiC 웨이퍼의 하부-근접 부분의 표면 프로파일 플롯이다.
도 34a는 접착 물질이 표면에 결합된 강성 캐리어의 측단면 개략도이다.
도 34b는 접착 물질 립(lip) 근처에 표면 아래 레이저 손상 영역을 갖는 결정질 재료 기판에 결합된 도 34a의 강성 캐리어 및 접착 물질을 포함하는 조립체의 개략적인 단면도이다.
도 34c는 강성 캐리어의 표면은 액체 냉각 척 형태의 냉각 장치 상에 위치된 상태의, 도 34b의 어셈블리의 개략적인 단면도이다.
도 34d는 표면 아래 레이저 손상 영역을 따라 결정질 재료를 파단시킨 후에, 기판으로부터 제거된 결정질 재료의 일부 및 강성 캐리어를 포함하는 접합된 어셈블리(액체 냉각 척 상부)로부터 분리된 결정질 재료 기판의 대부분의 개략 단면도이다.
도 34e는, 위쪽으로 향한 표면을 따라 잔존하는 레이저 손상이 있는, 냉체 냉각 척으로부터 제거 후 도 34d의 접합된 조립체의 개략적인 단면도이다.
도 34f는 가열된 진공 척에 의해 지지되는 결정질 재료의 부분의 개략 단면도로서, 강성 캐리어 및 접착 물질은 접착 물질의 열 연화 및 이형 후에 결정 재료 부분으로부터 측방향으로 병진 이동된다.
도 35는 초음파 발생기의 액체 조 내에 배열된 결정질 재료 및 캐리어가 있는, 표면 아래 레이저 손상을 가지며 강성 캐리어에 결합된 결정질 재료의 개략적인 단면도이다.
도 36a 내지 도 36c는 캐리어의 적어도 일부에 굽힘 모멘트를 부여하기 위해 캐리어의 하나의 가장자리에 근접한 기계적 힘의 인가를 포함하는 표면 아래 레이저 손상을 갖는 결정질 재료를 파단시키는 단계를 예시하는 개략적인 단면도이다.
도 37a 내지 도 37o는 디바이스 웨이퍼 분할 공정의 단계를 예시하는 개략적인 단면도로서, 이에 따르면 두꺼운 웨이퍼가 결정질 재료로부터 파단되고, 적어도 하나의 에피택셜 층이 두꺼운 웨이퍼 상에 성장되고, 두꺼운 웨이퍼가 파단되어 각각 캐리어 및 두꺼운 웨이퍼로부터 분할된 얇은 웨이퍼를 포함하는 제1 및 제2 접합된 어셈블리를 형성하고, 이때 제1 접합된 어셈블리는 작동하는 반도체 기반 디바이스의 일부로서 적어도 하나의 에피택셜 층을 포함한다.
도 38은 표면 아래 레이저 손상을 생성하고 강성 캐리어를 결정질(예를 들어, SiC) 재료 잉곳에 접합한 후, 캐리어 및 결정질 재료의 일부를 포함하는 접합된 어셈블리의 레이저 분리(parting), 잉곳 및 강성 캐리어를 가공 시작 상태로 뒤집은 상태에서 추가적으로 접합된 어셈블리의 가공 및 디바이스 웨이퍼 상에 에피택셜 층의 형성을 포함하는 과정을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 39는 도 38의 결정질 재료 기판의 일부의 개략적인 단면도로서, 레이저 손상 및 후속 표면 처리(예: 연삭 및 평탄화)로 인해 예상되는 커프 손실 재료 영역을 식별하기 위한 파선이 표시된 표면 아래 레이저 손상을 보여준다.
도 40은 레이저 가공 스테이션, 재료 파단 스테이션, 병렬로 배열된 다중의 거친 연삭 스테이션, 미세 연삭 스테이션, 및 CMP 스테이션을 포함하는 일 실시예에 따른 재료 가공 장치의 개략도이다.
도 41은 도 40과 유사한 일 실시예에 따른 재료 처리 장치의 개략도이며, 미세한 연삭 스테이션과 거친 연삭 스테이션들 사이에 가장자리 연삭 스테이션이 마련된다.
도 42는 레이저 가공 스테이션, 재료 파단 스테이션, 병렬로 배열된 다중의 거친 연삭 스테이션, 미세 연삭 스테이션, 표면 코팅 스테이션, 가장자리 연삭 스테이션, 코팅 제거 스테이션 및 CMP 스테이션을 포함하는 재료 가공 장치를 개략적으로 도시한다.
도 43a는 일 실시예에 따른 측벽에 수직이 아닌 단면(end face)들을 갖는 잉곳을 유지하기 위한 제1 장치의 개략적인 단면도이다.
도 43b는 일 실시예에 따른 측벽에 수직이 아닌 단면들을 갖는 잉곳을 유지하기 위한 제2 장치의 개략적인 단면도이다.
도 44는 입사 수평 빔을 렌즈로 포커싱하여 렌즈의 초점 거리에 대응하는 하류 위치에서 최소 폭을 갖는 빔 웨이스트 패턴을 갖는 나가는 빔을 형성하는 종래의 레이저 집속 장치의 개략적인 측단면도이다.
도 45는 빔 웨이스트에 대한 상이한 수직 위치들에서의 분해 임계점을 예시하는, 결정질 재료 내의 빔 웨이스트를 나타내는 수직으로 배향된 집속된 레이저 빔의 개략적인 측단면도이다.
도 46a-46c는 3개의 SiC 잉곳에서 파생된 웨이퍼에 대한 순차적 웨이퍼 식별 대 레이저 출력의 플롯을 제공하며, 웨이퍼 식별 번호에 따라 레이저 출력이 증가함을 보여준다.
도 47은 중첩된 다항식 적합(polynomial fit)이 슬라이스 수에 따라 감소하는 비저항을 보여주면서 SiC 잉곳에서 생성된 50개에 대한 슬라이스 수 대 비저항(Ohm-cm)의 플롯으로, 슬라이스 수의 증가는 잉곳이 성장 (예를 들어, 물리적 증기 수송(PVT) 공정을 통해) 하는 시드 결정에 대한 증가하는 근접성을 나타낸다.
도 48은 도 47의 SiC 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼에 대한 저항 대 레이저 전력(와트)의 플롯으로, 중첩된 다항식 적합은 비저항 값이 증가함에 따라 달성하는 데 필요한 레이저 출력의 감소를 나타낸다
도 49a 및 49b는 레이저 처리 스테이션 내의 기판에 근접하게 배열된 이미징 디바이스 및 확산 광원의 개략적인 측단면도 및 평면도를 각각 제공한다.
도 50a는 표면 아래 레이저 손상을 갖는 결정질 SiC 기판의 상부 표면의 이미지로서, 기판 내의 균열되지 않은 영역들에 대응하는 다양한 색상의 영역 및 불규칙한 형태의 어두운 영역을 보여준다.
도 50b는 기판의 상면의 서로 다른 색 영역들 사이의 경계에 실질적으로 대응하는 점성 영역들 내에서 도 50a의 불규칙한 형상의 어두운 영역을 나타내는 기판의 개략도이다.
도 50c는 개별 영역들 주위에 직사각형 박스가 추가된, 도 50a 내지 도 50b의 불규칙한 형태의 어두운 영역을 확대한 도면이다.
도 51은 레이저를 포함하는 레이저 처리 스테이션, 적어도 하나의 전환 스테이지, 기판의 상부 표면을 조명하도록 구성된 확산 광원, 그리고 기판의 상부 표면의 적어도 하나의 이미지를 생성하도록 구성된 이미징 디바이스를 포함하는, 일 실시예에 따른 재료 처리 장치의 개략도이다.
도 52는 제1 결정질 재료 처리 방법의 단계들을 도시하는 흐름도로서, 상기 방법은: 표면 아래 레이저 손상을 갖는 기판의 상부 표면의 이미지를 생성하는 단계, 하나 이상의 균열되지 않은 영역을 나타내는 조건의 존재를 식별하기 위해 이미지를 분석하는 단계, 균열되지 않은 영역들의 하나 이상의 특성을 제1 및 제2 임계값과 비교하는 단계, 비교에 응해 기판으로부터 생성한 기판 부분들(예를 들어 웨이퍼들)의 신뢰성을 높이기 위해 조치를 취하는 단계 (즉, (A) 보충 레이저 손상을 형성하기 위해, 선택적으로 하나 이상의 레이저 파라미터의 조정과 함께, 실질적으로 동일한 깊이 위치에 추가 레이저 처리를 하고 및/또는 (B) 제2 위치 및 후속 위치들에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해 하나 이상의 레이저 파라미터를 조정)를 포함한다.
도 53은 제2 결정질 재료 처리 방법의 단계들을 도시하는 흐름도로서, 상기 방법은: 표면 아래 레이저 손상을 갖는 기판의 상부 표면의 이미지를 생성하는 단계, 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역 특성을 정량화하기 위해 이미지를 분석하는 단계, 상부 영역 특성을 제1 및 제2 임계 영역 특성과 비교하는 단계, 비교에 응해 기판으로부터 생성한 기판 부분들(예를 들어 웨이퍼들)의 신뢰성을 높이기 위해 조치를 취하는 단계 (즉, 동일한 깊이 위치에서 추가 레이저 경로를 수행하고 및/또는 후속 깊이 위치들에서 표면 아래 레이저 손상을 위한 전력을 조정)를 포함한다.
도 54는 본 명세서에 개시된 시스템 또는 방법의 임의의 구성요소에 포함될 수 있는 컴퓨터 시스템의 일반화된 표현의 개략도이다.
본 개시는 다양한 양태에서 결정질 재료 기판을 처리하기 위한 방법 및 재료 처리 장치에 관한 것이다. 결정질 재료 처리 방법(crystalline material processing method)은 표면 아래 레이저 손상 패턴(subsurface laser damage pattern)으로부터 바깥쪽으로 전파하는 기판 내부의 균열(crack)들 형성을 촉진하기 위해 제1 평균 깊이 위치(average depth position)에서 결정질 재료의 영역(area)들에 표면 레이저 손상 부위(site)들을 생성하고, 기판 상부 표면을 이미징하고(기판 상부 표면에 대한 이미지를 얻고), 기판 내에 균열되지 않은(uncrack) 영역들의 존재를 나타내는 조건(condition)을 식별하기 위해 이미지를 분석하고, 분석에 응답하여 (예를 들어 적절한 조건들의 달성 시) 하나 이상의 조치를 취하는 것을 포함한다. 하나의 잠재적인 조치는 기판(예를 들어, 제1 웨이퍼)의 제1 감소된 두께 부분의 형성을 위해, 균열되지 않은 영역에서 추가 균열들의 형성을 촉진하기 위해 제1 평균 깊이 위치에서 보충 표면 아래 레이저 손상(supplemental subsurface laser damage)을 형성하는 것을 포함한다. 다른 잠재적인 조치는, 제1 평균 깊이 위치에서 추가 손상을 반드시 형성할 필요없이, 후속 표면 아래 레이저 손상 형성(subsequent laser damage)(기판의 제2 감소된 두께 부분 및 임의의 개수의 감소된 두께 부분의 형성을 위해 제2 또는 후속 평균 깊이 위치에서)을 생성하기 위한 명령 세트(instruction set)를 변경함을 포함한다. 레이저 손상은 기판의 후속 파단(subsequent fracture)을 촉진하여 두께가 감소된 여러 개의 기판 부분을 생성한다,
어떤 실시예들에서, 분석은 기판 내부의 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역 특성(top area property)(상부 면적 특성)을 정량화(quantification)하고, 상부 영역 특성을 적어도 하나의 미리 결정된 임계 영역 특성과 비교하는 것을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 제1 임계 영역 특성이 초과되면, 제1 평균 깊이 위치에서 추가적인 손상을 반드시 형성할 필요 없이, 후속 레이저 손상 형성 단계에서(제2 감소된 두께 기판 부분 및 후속의 감소된 두께 기판 부분들을 생성하기 위해, 제2 또는 후속 평균 깊이 위치에서) 평균 레이저 전력(average laser power)을 점진적으로 증가한다. 레이저 전력의 증가에 대한 대안으로서 또는 레이저 전력의 증가에 더해, 제2 및 후속 레이저 손상 형성 단계를 위한 명령어 세트에서, 상부 표면에 대한 레이저 집속(포커싱, 초점) 깊이(laser focusing depth)가 변경 및/또는 레이저 손상 형성 경로(pass)들의 수가 변경될 수 있다. 제2, 더 큰 임계 영역 특성이 초과되면(균열되지 않은 영역들이 파단을 방해하기에 충분히 크다는 것을 암시), 기판의 감소된 두께 부분(reduced thickness portion of the substrate)의 형성을 위해, 적어도 하나의 표면 아래 손상 패턴을 보충하고 제1 평균 깊이 위치를 따라 또는 그에 인접한 영역의 균열들에서 추가 균열들의 형성을 촉진하는 보충 표면 아래 레이저 손상이 제1 평균 깊이 위치에 형성된다. 이 같은 보충 손상은 레이저 처리 스테이션(laser processing station)으로부터 기판이 제거되기 전에 형성될 수 있고 이에 따라 불필요한 기판의 탈장착(demounting) 및 재장착 단계들을 방지함으로써 레이저 처리 스테이션 처리량을 향상시킬 수 있다.
추가 양태들에서, 본 개시내용은 결정질 재료의 기판을 처리하도록 구성된 레이저 처리 스테이션을 포함하는 재료 처리 장치에 관한 것으로, 상기 레이저 처리 스테이션은: 기판의 내부에 표면 아래 레이저 손상 영역들을 형성하는 레이저; 레이저와 기판 사이의 상대적인 이동을 하게 하는 적어도 하나의 전환 스테이지(translation stage); 상기 기판의 상부 표면(top surface)을 조명하도록 구성된 확산 광원(diffuse light source) - 상기 확산 광원은 상기 기판의 제1 측면(lateral side)에 위치하도록 배열됨 -; 그리고, 상기 기판의 상부 표면의 적어도 하나의 이미지를 생성하도록 구성된 이미징 디바이스(imaging device)를 포함하고, 상기 이미징 디바이스는 상기 제1 측면에 대향하는(반대편) 상기 기판의 제2 측면에 위치되도록 구성된다. 이러한 장치는 기판 내부 내의 표면 아래 레이저 손상에 인접한 균열되지 않은 영역들이 기판의 상부 표면 상의 어두운(예를 들어, 검은색 또는 거의 검은색) 반점으로서 그 표면에서 보이도록 한다. 이러한 장치는 또한 표면 아래 레이저 손상 영역들 중 균열 정도가 다른 영역들이 기판의 상부 표면에서 다른 색상을 나타내도록 한다. 검은 반점들은 전형적으로 면 영역(facet area)(도핑 링(doping ring)에 대응함)에서 먼저 나타나기 때문에, 어떤 실시예들에서, 면 영역은 분리될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 두꺼운 기판(SiC 잉곳과 같은) 내에서, 재료 특성 및/또는 광학 특성의 변화(variation), 그리고 또한 동일한 조성의 서로 다른 잉곳들에서의 재료 특성 및/또는 광학 특성의 변화는 불필요한 재료 손실을 피하면서 레이저 처리에 의해 쉽게 그리고 반복적으로 균일한 두께의 웨이퍼를 제조하는 것을 어렵게 한다. 본 출원인은 표면 아래 레이저 손상의 형성 및 후속의 파단에 의해 SiC 잉곳으로부터 순차로 형성될 때, 성공적인 파단을 가능하게 하기 위해 깊이 위치에서 손상 형성이 진행됨에 따라 레이저 출력을 증가시킬 필요가 있음을 발견하였다. (다시 말하지만, SiC 잉곳에서 여러 웨이퍼를 형성할 때, 시드 결정(seed crystal)에서 먼 곳에 있는 초기 웨이퍼들은 더 낮은 평균 레이저 출력에서 생성된 레이저 손상의 형성에 따라 성공적으로 분할될 수 있지만, 분리된 웨이퍼들의 성장 위치가 시드 결정에 더 가까워짐에 따라 후속 웨이퍼들을 분리하는데 사용되는 레이저 손상을 위해 점진적으로 높은 레이저 출력 레벨이 필요하다.) 이 같은 거동은 주로 벌크 광 흡수 변화에 의해 주도되는 것으로 생각되지만, 또한 결정 격자의 변화에 의해 영향을 받을 수도 있다. 이 문제에 대한 한 가지 이론적 해결책은 표면 아래 손상을 형성할 때 각각의 순차적 깊이 위치에서 높은 레이저 출력을 사용하는 것이지만, 잉곳에서 손상이 "조기"(early) 생성될 때(예: 시드 결정으로부터 먼 쪽의 처음 몇몇의 깊이 위치들(first several depth positions)에서) 불필요한 재료 손실이 발생하고, 레이저 빔 웨이스트(laser beam waist)(빔 포커싱 광학의 초점 거리로 인한)에 대해 분해가 도달되는 지점 및 손상 깊이 모두에서 가변성으로 인해 웨이퍼-웨이퍼 간의 두께 확산이 상당히 증가할 것이다. 웨이퍼 두께를 지속적으로 조정하려는 시도는, 레이저 분리 공정에서 생성된 거친 표면으로 인한 측정 부정확성과 레이저 깊이와 필요한 레이저 출력 간의 관계로 인해, 실용적이지도 정확하지도 않다.
전술한 방법 및 장치(도 45 내지 도 51과 관련하여 설명된 특정 실시들예)의 특정 특징을 상세히 설명하기 전에, 결정질 재료 기판을 처리하기 위한 장치 및 방법이 소개될 것이다.
용어 및 정의(Terminology and Definitions)
제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소는 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다. 이러한 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 관련된 나열된 항목 중 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
층, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "상에" 있거나 "상으로" 확장되는 것으로 언급될 때, 그것은 다른 요소 바로 상에 있거나 또는 그 사이에 개재 요소가 존재할 수 있음을 이해해야 한다. 대조적으로, 요소가 다른 요소의 "바로 상에" 있거나 "바로 상으로" 확장되는 것으로 언급되는 경우 개재 요소가 존재하지 않는다. 마찬가지로, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소에 "걸쳐서" 또는 "걸쳐서" 연장되는 것으로 언급될 때, 다른 요소에 바로 걸쳐서 또는 바로 걸쳐서 연장하거나 그 사이에 다른 개재 요소가 존재할 수 있다. 대조적으로, 어떤 요소가 다른 요소 "바로 걸쳐서" 또는 "바로 걸쳐서" 확장되는 것으로 언급되는 경우 중간 요소가 존재하지 않는다. 또한, 어떤 요소가 다른 요소에 "연결된" 또는 "결합된" 것으로 언급될 때, 그것은 다른 요소에 직접 연결되거나 결합될 수 있거나 또는 그 사이에 개재 요소가 존재할 수 있음을 이해할 것이다. 대조적으로, 어떤 요소가 다른 요소에 "바로 연결된" 또는 "바로 결합된" 것으로 언급되는 경우에는 중간 요소가 존재하지 않는다.
"아래" 또는 "위" 또는 "위쪽" 또는 "아래쪽" 또는 "수평" 또는 "수직"과 같은 상대적인 용어는, 도면들에 도시된 바와 같은 다른 요소, 층 도는 영역에 대한 한 어떤 요소, 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 이들 용어 및 위에서 논의된 용어는 도면에 도시된 방향에 더하여 디바이스의 상이한 방향을 포함하도록 의도된 것으로 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 어떤 실시예들를 설명하기 위한 것이며 본 개시를 제한하려는 의도가 아니다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어 "포함한다", "포함하는", "구비한다" 및/또는 "구비하는"은 언급된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에서 사용된 모든 용어(기술 및 과학 용어 포함)는 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 사용된 용어는 본 명세서 및 관련 기술 분야의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에 명시적으로 정의되지 않는 한 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것임을 추가로 이해할 것이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "기판"(substrate)는 옵션으로 잉곳 또는 웨이퍼를 포함하여 예를 들어 단결정 반도체 재료 같은 결정질 재료(crystalline material)를 가리키는데, 이는 기판과 실질적으로 동일한 측방향 치수(lateral dimension)(예를 들어, 직경, 또는 길이 및 너비)를 가지며 (i) 하나 이상의 반도체 재료 층의 에피택셜 증착을 지원하기 위해 표면 처리(예: 갉기(lapping) 및 연삭)되기에 충분한 두께를 갖고, 선택적으로 (ii) 강성 캐리어(rigid carrier)로부터 분리될 때 독립형이 되기에 충분한 두께를 갖는 적어도 두 개의 얇은 부분(thin portion)으로 분할될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 기판은 일반적으로 원통형 형상을 가질 수 있고 및/또는 다음 두께 중 적어도 약 하나 이상의 두께를 가질 수 있다: 300㎛, 350㎛, 500㎛, 750㎛, 1mm, 2mm, 3mm, 5mm, 1cm, 2cm, 5cm, 10cm, 20cm, 30cm 또는 그 이상. 어떤 실시예들에서, 기판은 2개의 더 얇은 웨이퍼로 분할될 수 있는 더 두꺼운 웨이퍼를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 기판은 복수의 전기적으로 작동하는 디바이스들을 갖는 디바이스 웨이퍼의 일부로서 그 상에 배열된 하나 이상의 에피택셜 층(선택적으로 하나 이상의 금속 접촉부와 함께)을 갖는 더 두꺼운 웨이퍼의 일부일 수 있다. 디바이스 웨이퍼는 본 개시내용의 양태들에 따라 분할되어 더 얇은 디바이스 웨이퍼 및 그 상에 하나 이상의 에피택셜 층(선택적으로 하나 이상의 금속 접촉부와 함께)이 형성될 수 있는 더 얇은 제2 웨이퍼를 생성할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 기판은 150mm 이상, 또는 200mm 이상의 직경을 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 기판은 150mm, 200mm 또는 그 초과의 직경, 및 100 내지 1000마이크론 범위, 또는 100 내지 800마이크론 범위, 또는 100 내지 600마이크론, 또는 150 내지 500마이크론의 범위, 또는 150 내지 400마이크론의 범위, 또는 200 내지 500마이크론의 범위, 또는 임의의 다른 두께 범위 또는 본원에 명시된 임의의 다른 두께 값을 가질 수 있는 4H-SiC를 포함할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "제1 평균 깊이 위치"(first average depth position), "제2 평균 깊이 위치"(second average depth position) 및 "후속 평균 깊이 위치"(subsequent average depth position)는, 기판의 감소된 두께 부분들을 생성하기 위해, 기판의 초기 상부 표면으로부터 측정된 바와 같이 기판 내의 깊이 위치(예를 들어 수평면)를 지칭한다. 예를 들어, 제1 평균 깊이 위치는 잉곳으로부터 제1 웨이퍼를 형성하기 위한 표면 아래 레이저 손상 위치에 대응할 수 있고, 제2 평균 깊이 위치는 잉곳으로부터 제2 웨이퍼를 형성하기 위한 표면 아래 레이저 손상 위치에 대응할 수 있고 다른 깊이에 대해서도 동일하다. 어떤 실시예들에서, 기판으로부터 유도된 각각의 감소된 두께 부분들 각각은 동일하거나 실질적으로 동일한 두께를 갖는다. "평균 깊이 위치"라는 용어는, 어떤 실시예들에서 레이저 포커싱 깊이(laser focusing depth)가 기판의 하나의 감소된 두께 부분의 형성을 위한 레이저 손상 패턴 형성을 위한 단일경로 내에서 또는 경로들 사이에서 약간의 차이를 나타낼 수 있다는 점에서 "깊이 위치" 대신에 사용되며, 이러한 작은 차이는 바람직하게는 1 내지 10마이크론, 또는 2 내지 8마이크론, 또는 2 내지 6마이크론의 범위에 있다. 이것은 일반적으로 적어도 100마이크론(또는 적어도 150마이크론, 200마이크론, 300마이크론, 400마이크론, 500마이크론 이상)의 범위에 있는, 제1 평균 깊이 위치 및 제2 평균 깊이 위치 사이의 훨씬 더 큰 차이와 구별된다.
아래에 설명된 실시예들은 당업자가 실시예들을 실시하고 실시예들을 실시하는 최상의 모드를 설명하는 데 필요한 정보를 나타낸다. 첨부된 도면에 비추어 다음 설명을 읽을 때, 당업자는 본 개시의 개념을 이해하고 여기에서 특별히 다루지 않은 이러한 개념의 적용을 인식할 것이다. 이러한 개념 및 응용은 본 개시 및 첨부된 청구범위의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
재료(Materials)
본 명세서에 개시된 방법은 다양한 단결정들, 단결정 및 다결정 변종 둘 다의 다양한 결정질 재료의 기판에 적용될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 본원에 개시된 방법은 입방정계, 육방정계 및 기타 결정 구조를 이용할 수 있고 축상(on-axis) 및 축외(off-axis) 결정학적 배향을 갖는 결정질 재료에 관한 것일 수 있다. 어떤 실시예들에서, 본 명세서에 개시된 방법은 반도체 재료 및/또는 넓은 밴드갭 재료에 적용될 수 있다. 예시적인 재료는 Si, GaAs 및 다이아몬드를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 어떤 실시예들에서, 그러한 방법은 4H-SiC, 6H-SIC, 또는 III족 질화물 재료(예를 들어, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, 또는 AlInGaN)와 같은 육방정계 결정 구조를 갖는 단결정 반도체 재료를 이용할 수 있다. 이하에서 설명되는 다양한 예시적인 실시예는 일반적으로 SiC 또는 4H-SiC를 구체적으로 언급하지만, 임의의 적합한 결정질 재료가 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 다양한 SiC 폴리타입(polytype) 중에서 4H-SiC 폴리타입은 높은 열전도도, 넓은 밴드갭 및 등방성 전자 이동도로 인해 전력 전자 디바이스에 특히 매력적이다. 벌크 SiC는 축상(즉, c-평면으로부터 의도적인 각도 편차 없고, 도핑되지 않은 또는 반절연 재료 형성에 적합) 성장 또는 축외(전형적으로 0.5 내지 10도의 범위(또는 그 하위 범위, 2도 내지 6도 또는 다른 하위 범위)의, 0이 아닌 각도에 의해 c-축과 같은 성장 축에서 벗어나고, N-도핑되거나 고도로 전도성인 재료를 형성하기에 적합) 성장될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예는 축상 및 축외 결정질 재료 뿐만 아니라 도핑 및 비의도적으로 도핑된 결정질 반도체 재료에 적용될 수 있다. 도핑된 반도체 재료(예: N-도핑된 SiC)는 약간의 적외선 흡수를 나타내므로 표면 아래 레이저 손상을 주기 위해 도핑되지 않은 재료보다 더 높은 레이저 출력을 사용해야 한다. 어떤 실시예들에서, 결정질 재료는 단결정 물질을 포함할 수 있고, 단결정 반도체 물질을 더 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 어떤 실시예들은 축상 4H-SiC 또는 1도 내지 10도, 또는 2도 내지 6도, 또는 약 4도 범위의 오프컷을 갖는 미사면(微斜面)(vicinal)(축외) 4H-SiC를 이용할 수 있다..
본 명세서의 어떤 실시예들은 물리적 증기 수송(physical vapor transport)(PVT) 또는 다른 통상적인 잉곳 제조 방법에 의해 성장될 수 있는 SiC 잉곳(불(boule)이라고도 함)과 같은, 도핑되거나 도핑되지 않은 SiC의 기판을 사용할 수 있다. 도핑된 SiC가 사용되는 경우 이러한 도핑은 SiC N형 또는 반-절연성을 나타낼 수 있다. 어떤 실시예들에서, N형 SiC 잉곳은 의도적으로 질소로 도핑된다. 어떤 실시예들에서, N형 SiC 잉곳은 0.015 내지 0.028 Ohm-cm 범위 내의 저항값을 포함한다. 어떤 실시예들에서, SiC 잉곳은 수직 위치에 따라 변하는 저항성 값을 가질 수 있어, 기판의 상이한 부분들(예를 들어, 웨이퍼들)이 상이한 저항성 값을 가질 수 있으며, 이는 잉곳 성장 동안 벌크 도핑 레벨의 변화로 인한 것일 수 있다. 어떤 실시예들에서, SiC 잉곳은 잉곳의 중심 근처에서 더 높은 도핑 영역으로부터 그 측면 가장자리에서 더 낮은 도핑 레벨까지 수평 방향으로 변하는 도핑 레벨을 가질 수 있다. 수직 및 수평 위치에 대한 잉곳 도핑 및 저항의 변화는 기판(예를 들어, 잉곳)의 상이한 감소된 두께 부분들(예를 들어, 웨이퍼들)의 형성을 위해 및/또는 기판의 단일 감소된 두께 부분 중에, 레이저 손상 형성 파라미터의 조정이 필요하게 한다. 어떤 실시예들에서, 저항은 잉곳의 노출된 표면에 근접하여 가장 크고 성장 시드에 근접하여 가장 낮다. 저항의 감소는 도핑의 증가 및 레이저 흡수의 증가에 해당한다다.
도 6a 및 도 6c는 본 명세서에 개시된 방법들과 함께 이용될 수 있는 잉곳 형태의 축상 및 축외 결정질 기판들을 개략적으로 예시한다. 도 6a는 c-방향(즉, 4H-SiC와 같은 육방정계 결정 구조 재료의 경우 [0001] 방향)에 수직인 제1 및 제2 단부면(end surface)(16, 17)을 갖는 결정질 재료의 축상 잉곳(15)의 측면 입면 개략도이다. 도 6b는 4도 회전된 도 6a의 잉곳(15)의 측면 입면 개략도로서, 더해진 패턴(18)(점선으로 도시됨)은 단부면들(16, 17) 근처에서 잉곳(15)의 단부 부분(end portion)들을 절단 및 제거하기 위한 것을 가리킨다. 도 6c는 c-방향에 수직이 아닌 새로운 단부면(16A, 17A)을 제공하기 위해 단부 부분들을 제거한 후의, 도 6b의 잉곳(15)으로부터 형성된 축외 잉곳(15A)의 측면 입면 개략도이다. 잉곳(15)의 단부면(16)을 통해 제1 깊이의 레이저 방사(laser emission)를 공급하여 표면 아래 레이저 손상을 형성하면, 단부면(16)에 캐리어(미도시)가 결합되고, 잉곳(15)은 표면 레이저 손상을 따라 파단(fracture)되고, 그런 다음 축상 웨이퍼가 형성될 수 있다. 반대로, 제1 깊이의 레이저 방사가 축외 잉곳(15A)의 단부면(16A)을 통해 공급되어 표면 아래 레이저 손상을 형성하면 캐리어(도시되지 않음)가 단부면(16A)에 결합되고 잉곳(15A)은 표며 아래 레이저 손상을 따라 파단되고 축외 웨이퍼가 형성될 것이다.
표면 아래 레이저 손상 형성(Subsurface Laser Damage Formation )
본 개시내용의 양태는 기판의 감소된 두께의 제1 및 제2 결정질 재료 부분을 생성하기 위해 기판의 후속 파단(fracture)을 용이하게 하는 표면 아래 레이저 손상(subsurface laser damage)의 다중의 패턴들을 형성하기 위해 결정질 재료 기판(crystalline material substrate)을 처리(process)(가공)하는 방법을 제공한다. 어떤 방법들은 다중의 표면 아래 레이저 손상 패턴들의 순차적으로 형성된 다중의 복수의 실질적으로 평행한 라인을 사이사이 배치(사이에 삽입)(intersperse)하는 것을 포함하며, 여기서 제2(예를 들어, 후속적으로 형성되는) 복수의 라인의 적어도 일부 라인은 제1 복수의 라인의 라인들과 교차하지 않는다. 어떤 방법들은 각각이 결정질 재료(crystalline material)의 기판에 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하는 초기 및 후속 표면 아래 레이저 손상 패턴들의 형성을 포함하고, 초기 및 후속 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들은 서로 평행하지 않으며, 여기서 후속 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들의 각도 방향(angular direction)은 초기 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들의 각도 방향과 10도 이하만큼 상이하고, 후속 복수의 실질적으로 평행한 라인의 적어도 일부 라인은 초기 복수의 실질적으로 평행한 라인의 어떠한 라인들과도 교차하지 않는다. 어떤 방법들은 기판의 결정질 재료 내부의 초기 깊이(initial depth)에 실질적으로 집중된(center) 초기 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성, 및 실질적으로 후속 깊이(subsequent depth)(초기 깊이와 다름)에 집중된 후속 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성을 포함하며, 여기서, 후속 표면 아래 레이저 손상 패턴은 초기 표면 아래 레이저 손상 패턴과 d(위치가) 실질적으로 정합되고(register), 초기 및 후속 표면 아래 레이저 손상 패턴들의 적어도 일부의 수직 범위(vertical extent)는 중첩된다.
결정질 재료 위에 분포된 사이사이 배치된 또는 인터리빙된(interleaved) 표면 아래 레이저 손상 패턴들의 순차적 형성은, 적당한 재료 손상과 수반되는 낮은 커프 손실 함께 높은 레이저 공구 처리량을 가능하게 하는 동시에, 본 명세서의 방법들을 사용하여 후속 재료 파단을 촉진하기 위해 결정질 재료 내에서 충분한 응력(stress)을 유리하게 유지하는 것으로 믿는다. 원칙적으로 높은 레이저 출력을 사용하고 거의 전체 결정질 재료를 스캔하면 레이저 손상 라인을 따라 파단을 용이하게 하는 것은 간단하다. 이러한 접근 방식은 벌크 기판(예: 잉곳)에서 결정질 재료의 얇은 층을 안정적으로 분리할 수 있지만 높은 레이저 출력은 재료 손상을 증가시키는 경향이 있어 손상을 제거하기 위해 상당한 표면 처리(예: 연삭(grinding) 및 평탄화(planarization)가 필요하다. 레이저 손상 라인들 사이의 간격이 좁으면 파단을 촉진하는 데 도움이 되지만 레이저 가공 공구의 처리량이 크게 감소한다. 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 기존의 접근 방식은 결정질 재료를 가로질러 순방향으로 표면 아래 레이저 손상 라인을 형성한 다음 재료와 레이저 사이의 측방향으로(lateral direction) 상대 인덱싱(indexing)을 수행한 다음 후방 방향으로 표면 아래 레이저 손상 라인을 형성하고, 이어 동일한 측방향으로 측면 인덱싱(lateral indexing)을 하는 등의 공정을 포함한다. 이러한 접근 방식은 일반적으로 더 높은 레이저 출력 또는 순차적으로 형성된 레이저 손상 라인들 사이의 더 가까운 간격을 필요로 하며, 이는 처리량을 감소시키거나 더 큰 손상 정도를 부여하는 경향이 있어, 레이저 손상 제거를 위해 레이저 처리된 표면들에서 추가 재료를 제거해야 하기 때문에 커프 손실(kerf loss)이 증가한다. 이러한 종래의 접근 방식은, 제1 분포된 표면 아래 레이저 손상 패턴을 형성한 후(예를 들어, 기판의 다중의 비중첩 영역(non-overlapping area)들에 걸쳐 제1 복수의 레이저 손상 영역(laser damage region)들의 형성을 수반함) 제2 분포된 표면 아래 레이저 손상 패턴을 형성하되(예를 들어, 기판의 동일한 다중의 비중첩 영역들 위에 제2 복수의 레이저 손상 영역들을 형성하는 것을 수반함) 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴이 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 사이에 인터리빙되거나 사이사이 배치되는 방식은 수반하지 않는다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예는 과도하게 높은 레이저 출력 없이 기판으로부터 결정질 재료의 얇은 층들(예를 들어, 웨이퍼들)의 신뢰성 있는 분리를 촉진하는 동시에 높은 레이저 공구 처리량을 가능하게 하고 낮은 커프 손실을 제공하는 문제를 다룬다. 본 명세서의 어떤 실시예들은 (예를 들어, 기판의 복수의 비중첩 영역의 각각의 영역에 걸쳐) 결정질 재료 기판에 초기 분포된 표면 아래 레이저 손상 패턴(initial distributed subsurface laser damage pattern)을 형성한 다음, 동일한 기판에 (예를 들어, 동일한 복수의 비중첩 영역의 각각의 영역에 걸처) 적어도 하나의 후속 분포된 표면 아래 레이저 손상 패턴(subsequent distributed subsurface laser damage pattern)을 형성하는 것을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 후속 표면 아래 레이저 손상 패턴의 적어도 일부(at least portions)(예를 들어, 라인들(lines)는 초기 레이저 손상 패턴의 레이저 손상 라인들 사이의 간극(gap)에 배열되며, 따라서 사이사이 배치된 또는 인터리빙된 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 제공한다. 어떤 실시예들에서, 적어도 하나의 후속적으로 형성된 레이저 손상 패턴의 적어도 일부(또는 모든) 레이저 손상 라인들은 초기 표면 아래 레이저 손상 패턴의 레이저 손상 라인들과 교차하지 않는다. 레이저 손상 패턴들의 비교차(non-crossing)는 소산되는 국부적 응력을 유리하게 피할 수 있다고 믿어진다. 어떤 실시예들에서, 제1 및 제2 사이사이 배치된 표면 아래 레이저 손상 패턴들은 그 사이에 국부적인 표면 아래 균열(subsurface crack)의 전파(propagation)를 방지하는 방식으로 형성되지만, 제3(또는 후속) 사이사이 배치된 표면 아래 레이저 손상 패턴의 적용은 국부적인 표면 아래 균열이 전파되고 결정질 재료 기판의 전체 내부 평면에 걸쳐 실질적으로 연속적인 방식으로 결합(join)하여, 이에 의해 본 명세서에 개시된 기술을 사용하여 레이저 손상 영역을 따라 후속 파단을 용이하게 할 수 있다. 본 명세서에 기술된 방법에 따른 사이사이 배치된 표면 아래 레이저 손상의 형성은 제거될 층당 더 적은 수의 레이저 손상 라인으로 기판으로부터 결정질 재료의 얇은 층의 신뢰성 있는 분리를 허용하는 것으로 관찰되었으며, 유리하게는 레이저 공구 처리량을 증가시키면서 낮은 수준의 레이저 손상(낮은 커프 손실)이 가능하다.
다양한 실시예는 기판의 결정 구조에 대해 배향된 라인(line)들을 포함하는 레이저 표면 아래 손상을 제안한다. 어떤 실시예들에서, 기판은 육방정계 결정 구조(hexagonal crystal structure)를 갖는 결정질 재료를 포함하고, 여기서 레이저 손상 라인들은 육방정계 결정 구조의 <> 방향에 수직으로 또는 수직에서 ±5도 이내로 배향되고, 기판의 표면에 평행하거나 실질적으로 평행(예를 들어, 기판의 표면에 대해 ±5도, ±3도, 또는 ±1도 이내)하다. 기존의 4H-SiC 웨이퍼의 주 플랫(primary flat)은 육방정계 결정 구조의 <> 방향과 평행하게 배향되도록 의도되었지만, 제조상의 변동으로 인해 주 플랫이 그 방향과 진정으로 평행하지 않을 수 있다. 다양한 SiC 웨이퍼 제조업체는 육방정계 결정 구조의 <> 방향에 평행한 것에서부터 ±5도의 배향을 갖는 주 플랫에 대해 공개된 사양을 제공한다. 따라서 표면 아래 레이저 손상의 형성을 위한 적절한 레이저 방향을 결정하기 위해 웨이퍼 플랫 정렬보다 X선 회절(XRD) 데이터를 사용하는 것이 바람직하다.
결정질 재료에서 레이저 표면 아래 손상을 형성하기 위한 공구는 당업계에 공지되어 있으며 Disco Corporation(일본 도쿄)과 같은 다양한 제공자로부터 상업적으로 입수할 수 있다. 이러한 공구는 레이저 방사가 결정질 재료 기판의 내부에 집중되도록 하고 기판에 대한 레이저의 측방향 이동(lateral movement)을 가능하게 한다. 당해 기술 분야의 전형적인 레이저 손상 패턴은 결정질 기판 내의 깊이에서 서로에 대해 측방향으로 이격된 평행 라인들의 형성을 포함한다. 초점 깊이, 레이저 출력, 전환 속도(translation speed) 및 표면 아래 손상 라인 간격과 같은 매개변수는 레이저 손상을 부여하기 위해 조정될 수 있지만 특정 요인의 조정은 상충 문제를 야기한다. 레이저 출력을 높이면 파단의 용이성을 향상시킬 수 있는 더 큰 표면 아래 손상을 주는 경향이 있지만(예: 파단을 완료하는 데 필요한 응력을 줄임으로써) 더 큰 표면 아래 손상은 파단에 의해 노출된 표면을 따라 표면 불규칙성을 증가시켜 후속 처리(예: 전자 디바이스에 통합)를 위해 표면을 충분히 매끄럽게 하기 위해 추가 공정이 필요하고 이는 커프 손실을 추가로 야기한다. 표면 아래 레이저 손상 라인들 사이의 측면 간격을 줄이면 파단의 용이성을 높일 수 있지만 레이저 손상 라인들 사이의 간격을 줄이면 기판과 레이저 사이의 전환 경로(translation pass)의 수가 증가하여 공구 처리량이 감소한다.
도 7은 표면 아래 손상(40)을 형성하기 위해 결정질 재료(30)의 내부 내에 레이저 방사를 집중시키도록 구성된 레이저 공구(29)의 일 예의 개략적인 사시도이다. 결정질 재료(30)는 상부 표면(32) 및 맞은편의 하부 표면(34)을 포함하고, 표면 아래 손상(40)은 상부 표면(32)과 하부 표면(34) 사이의 결정질 재료(30)의 내부에 형성된다. 레이저 방사(36)는 렌즈 어셈블리(35)를 사용하여 포커싱되어 포커싱된 빔(focused beam)(38)을 형성하며 그것의 초점(focal point)은 결정질 재료(30)의 내부에 위치한다. 이 같은 레이저 방사(36)는 표면 아래의 표적 깊이에 초점이 맞춰지도록(집중되도록) 결정질 재료(30)의 밴드갭 아래의 파장으로, 임의의 적절한 주파수(일반적으로 나노초, 피코초 또는 펨토초 범위) 및 빔 강도에서 펄스화될 수 있다. 초점에서 빔 크기와 짧은 펄스 폭은 표면 아래 손상을 형성하는 매우 국부적인 흡수를 초래하기에 충분히 높은 에너지 밀도를 초래한다. 렌즈 어셈블리(35)의 하나 이상의 특성은 포커싱된 빔(38)의 초점을 결정질 재료(30) 내에서 원하는 깊이로 조정하도록 변경될 수 있다. 렌즈 어셈블리(35)와 결정질 재료(30) 사이의 상대적인 측방향 이동은 점선(44)로 개략적으로 도시된 바와 같이 표면 아래 손상(40)을 원하는 방향으로 전파하도록 할 수 있다. 이러한 측방향 이동은 이하에 설명되는 패턴들을 포함하여 다양한 패턴들로 반복될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 결정질 재료 내의 표면 아래 손상의 형성을 위한 결정질 재료에 대한 예시적인 레이저 공구 이동 경로를 제공한다. 어떤 실시예들에서, 레이저 공구 부분(예를 들어, 렌즈 어셈블리를 포함함)은 결정질 재료가 고정되어 있는 동안 이동하도록 구성될 수 있고; 다른 실시예에서, 레이저 공구 부분은 고정된 상태로 유지될 수 있는 반면 결정질 재료는 공구 부분에 대해 이동된다. 도 8a는 제1 결정질 재료(45A) 내에 측방향으로 이격된 평행 라인들의 패턴으로 표면 아래 손상을 형성하기에 적합한 역방향 y-방향 선형 스캐닝 이동(46)을 도시한다. 도 8b는 결정질 재료(45B)에 분포된 평행한 표면 아래 레이저 손상 라인들을 형성하기에 충분한, (y-방향으로 각각의 반전시 x-방향으로 약간의 전진과 함께) 결정질 재료(45B)의 전체 표면에 (및 그 너머) 걸쳐 y-방향 선형 스캐닝 이동(48)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 레이저 손상 라인들은 결정질 재료(45B)의 표면을 따라 결정질 재료(45B)의 육방정계 결정 구조의 [] 방향에 수직이고, 결정질 재료(45B)의 표면과 실질적으로 평행하다.
각각의 y-방향 반전 후에 x-방향의 한방향 전진하면서, y-방향으로 형성된 레이저 라인들로 결정질 재료의 전체 표면을 담당하는 것은 레이저 손상 형성의 단일 경로(single pass)로 지칭될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 표면 아래 손상을 형성하기 위한 결정질 재료의 레이저 처리는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 또는 8개의 경로, 또는 임의의 다른 적절한 수의 경로로 수행될 수 있다. 더 낮은 레이저 출력에서 경로 수를 늘리면 커프 손실을 줄일 수 있다. 재료 손실 대 공정 속도의 바람직한 균형을 달성하기 위해 바람직한 수의 레이저 표면 아래 손상 형성 경로의 수는 파단 단계를 수행하기 전에 2~5회 또는 3~4회 진행되는 것으로 밝혀졌다.
어떤 실시예들에서, 인접한 레이저 표면 아래 손상 라인(단일 경로로 형성되든 다중의 경로로 형성되든) 사이의 측면 간격(lateral spacing)은 80 내지 400마이크론, 또는 100 내지 300마이크론, 또는 125 내지 250마이크론의 범위일 수 있다. 인접한 레이저 표면 아래 손상 라인 사이의 측면 간격은 레이저 처리 시간, 파단 용이성 및 (c-평면 방향 또는 벗어난 방향에 따라) 효과적인 레이저 손상 깊이에 영향을 준다.
결정질 재료에 표면 아래 레이저 손상 라인들을 형성하면 레이저 손상 라인들에서 바깥쪽으로(예: 측방향 바깥쪽으로) 전파되는 재료 내부에 작은 균열(crack)들이 형성되는 것으로 관찰되었다. 이러한 균열은 C-평면을 따라 실질적으로 또는 주로 확장되는 것으로 보인다. 이러한 균열의 길이는 기능적으로 레이저 출력 수준(펄스 주파수에 펄스당 에너지를 곱한 값으로 계산할 수 있음)과 관련이 있는 것으로 보이다. 특정 거리만큼 떨어져 있는 인접한 레이저 표면 아래 손상 라인들의 경우, 이러한 레이저 표면 손상 라인들을 형성할 때 레이저 출력을 증가시키면 균열들이 레이저 표면 손상 라인들 사이를 연결하거나 결합하는 능력이 증가하는 경향이 있는 것으로 관찰되었으며, 이는 파단의 용이성을 촉진한다.
레이저 손상 형성의 대상이 되는 결정질 재료가 축외(즉, 비 c-평면) 방향(예: 0.5-10도, 1-5도 범위 또는 다른 범위의 벗어난 방향)을 포함하는 경우 이러한 벗어난 방향은 바람직한 레이저 손상 라인 간격에 영향을 미칠 수 있다.
SiC 기판은 오정렬된(예를 들어, c-평면에 대해 비스듬한 각도로 축에서 벗어난) 표면을 포함할 수 있다. 축외 기판은 또한 미사면 기판으로 지칭될 수 있다. 그러한 기판을 파단한 후, 파단된 상태의 표면은 테라스 및 단차를 포함할 수 있다(이후 연삭 및 연마와 같은 표면 처리에 의해 평활화될 수 있음). 도 9는 파단 후 후 평활화 전의 축외 4H-SiC 결정(50)(c-축 기저면에 대한 각도 A를 가짐)의 표면 구조의 개략 사시도이다. 파단된 표면은 c-축 기저면(56)에 대한 단차(52) 및 테라스(54)를 나타낸다. 4도 축외 표면의 경우, 단차는 이론적으로 테라스 폭 250마이크론에 대해 약 17마이크론의 높이를 갖는다. 표면 아래 레이저 손상이 있는 4H-SiC 결정의 경우, 레이저 라인들 사이의 250마이크론 간격이 250마이크론 너비의 테라스를 형성한다. 파단 후, 단차형 표면은 그 상에 하나 이상의 층의 에피택셜 성장을 준비하기 위해 매끄럽게 연삭되고, 평탄화되고, 연마된다.
결정질 재료(예: SiC)에 표면 아래 레이저 손상이 형성되고 표면 아래 레이저 손상 라인들이 기판 플랫에 수직에서 벗어나는 경우 (즉, [] 방향에 수직이 아닌 경우), 이러한 레이저 손상 라인들은 축외 반도체 재료와 동일한 방식으로 여러 단차와 테라스를 통해 확장된다. 후속 논의의 목적을 위해 "축외 레이저 표면 손상 라인들"이라는 용어는 [] 방향에 수직이 아닌 레이저 표면 손상 라인들을 나타내는 데 사용된다.
인접한 표면 아래 레이저 손상 라인들 사이에 너무 큰 간격을 제공하면 결정질 재료의 파단이 억제된다. 인접한 표면 아래 레이저 손상 라인들 사이에 너무 작은 간격을 제공하면 단차 높이가 감소하는 경향이 있지만 수직 단차 수가 증가하고 수직 단차 수를 늘리면 일반적으로 파단을 완료하기 위해 더 큰 분리력이 필요하다.
인접한 레이저 손상 라인들 사이의 간격을 너무 작은 거리로 줄이면 수율이 줄어들고 처리 시간과 비용이 크게 증가할 수 있다. SiC 분해에는 최소 레이저 에너지 임계값이 필요하다. 이 최소 에너지 수준이 약 100마이크론 간격으로 떨어진 두 개의 레이저 라인 사이에 연결된 균열들을 생성하는 경우 이 임계값 아래로 레이저 라인 간격을 줄이는 것은 커프 손실을 줄이는 측면에서 거의 이점을 제공하지 않을 수 있다.
파단에 의해 노출된 결정질 재료의 표면 거칠기는 로봇 진공과 같은 후속 처리뿐만 아니라 주요 소모품 비용인 연삭 휠(grinding wheel) 마모에도 영향을 미칠 수 있다. 거칠기는 표면 아래 레이저 손상 라인들의 간격과 반도체 재료의 결정질 구조에 대한 표면 아래 손상 라인의 방향 모두에 의해 영향을 받는다. 표면 아래 손상 라인 사이의 간격을 줄이면 잠재적인 단차 높이가 감소한다. 축외 레이저 표면 아래 손상 라인을 제공하면, 그렇지 않으면 레이저 손상 영역에 존재하는 긴 평행한 단차들을 깨는 경향이 있으며 C 평면 기울기(slope) 또는 곡률(curvature)에서 최소한 일부 영향을 완화하는 데 도움이 된다. 레이저 라인이 기판의 플랫에 수직일 때, C 평면을 따라 레이저 라인들에 평행한 균열 평면(cleave plane)은 플랫에서 반대편의 웨이퍼의 곡선 단부까지 약 150mm 연장된다. C 평면 기울기 또는 곡률(SiC 기판에 일반적임)에서 약간의 편차는 파단이 전파될 때 평면 점프(plane jumping)를 강제하기 때문에 파단된 표면에 상당한 변동성을 생성할 수 있다. 축외 레이저 표면 아래 손상 라인을 제공하는 것의 단점은 이러한 표면 아래 손상 라인이 일반적으로 인접한 레이저 라인 사이에 연결된 균열을 형성하기 위해 증가된 레이저 출력을 필요로 한다는 것이다. 따라서, 어떤 실시예들에서, (주 플랫에 수직인) 축상 하부 표면 레이저 손상 라인과 축외 레이저 표면 하부 손상 라인의 조합은, 인접한 레이저 라인들 간의 균열들을 형성하기 위해서, 과도하게 레이저 출력을 증가할 필요 없는 것과 파단된 표면의 과도한 가변성 사이에서 좋은 균형을 제공한다.
어떤 실시예들에서, 1064nm의 파장을 갖는 레이저는 본 명세서에 개시된 방법을 구현하기 위해 사용될 수 있으며, 본 발명자들은 4H-SiC의 처리에 대한 경험을 얻었다. 어떤 실시예들에서 광범위한 펄스 주파수가 사용될 수 있지만, 120kHz 내지 150kHz의 펄스 주파수가 성공적으로 사용되었다. 레이저와 처리될 기판 사이의 936mm/s의 변환 단계 속도가 성공적으로 활용되었다; 그러나, 원하는 레이저 펄스 중첩을 유지하기 위해 어떤 실시예들에서 주파수의 적절한 조정과 함께 더 높거나 더 낮은 변환 단계 속도가 사용될 수 있다. 도핑된 SiC 재료에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 평균 레이저 출력 범위는 3W~8W, 도핑되지 않은 SiC 재료의 경우 1W~4W이다. 레이저 펄스 에너지는 전력을 주파수로 나눈 값으로 계산할 수 있다. 3ns 내지 4ns의 레이저 펄스 폭이 사용될 수 있지만, 다른 실시예에서 다른 펄스 폭이 사용될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 0.3 내지 0.8 범위의 레이저 렌즈 개구수(NA)가 사용될 수 있다. SiC 처리에 관한 실시예의 경우, 굴절률 변화를 감안할 때(공기(~1)에서 SiC(~2.6)), 굴절각(refractive angle)의 상당한 변화가 처리될 SiC 재료 내부에서 발생하므로 원하는 결과를 얻기 위해 레이저 렌즈 NA 및 수차 보정이 중요하다.
커프 손실의 주요 동인 중 하나는 잉곳 측의 주요 파단 영역 아래의 표면 아래 레이저 손상이다. 일반적으로 표면 아래 레이저 손상이 증가하면 절단 손실이 증가한다. 표면 아래 레이저 손상이 증가하는 잠재적 원인 중 하나는 결정질 재료의 광학적 특성을 적절하게 보상하지 못하는 것이다. 어떤 실시예들에서, 광학 파라미터 최적화는 기판에 표면 아래 레이저 손상이 형성되기 전에 주기적으로(예를 들어, 결정질 재료 기판(예를 들어, 잉곳)이 레이저 공구에 공급될 때마다) 수행될 수 있다. 이러한 최적화는 레이저 빔의 최상의 초점이 결정질 재료 기판의 상부 표면에 형성되는 초기 상태의 달성을 위해 가변 높이 조정을 활용할 수 있으며, 이어서 후속 상태에 따라 결정질 재료의 표면 레이저 손상의 원하는 깊이에 대응하는 레이저 공구의 개구 및/또는 보정 칼라 조정 링(correction collar adjustment ring)을 조정할 수 있다.
어떤 실시예들에서, 결정질 물질 기판은 기판의 주요 표면(예를 들어, 면)에 걸쳐 위치(예를 들어, 측방향 및/또는 직경에 따라)에 따라 변하는 도핑을 나타낼 수 있다. 도펀트 밀도는 일반적으로 SiC {0001} 웨이퍼의 중앙 영역에서 더 높으며 이러한 영역에서 더 어두운 색상으로 관찰할 수 있다. 이러한 증가된 도펀트 밀도는 면 성장(facet growth) 동안 발생하는 증가된 불순물 혼입 때문이다. SiC {0001} 잉곳이 성장하는 동안 잉곳의 중심 근처에 {0001} 면(facet)이 나타난다. {0001} 면(facet)에서, 빠른 나선형 성장이 일어나지만, <0001> 방향을 따라서 결정 성장은 상대적으로 느리다. 따라서 불순물 농도는 {0001}면(facet) 영역을 따라 증가한다. SiC 웨이퍼의 중앙(즉, 면(facet) 영역)에서의 도펀트 밀도는 이 영역 밖의 도펀트 밀도보다 20% 내지 50% 더 높을 수 있다. SiC에서 증가된 도펀트 농도의 도핑 링 영역(doping ring region)의 형성이 도 24a, 24c 및 24d에 도시되어 있다. 이러한 영역은 더 높은 레이저 흡수 및 약간 변경된 굴절률을 나타내며, 여기서 전술한 두 현상 모두 기판에서 레이저 방사의 포커싱 깊이에 영향을 미친다. 집속된 레이저 방사를 도핑 링 영역 외부의 재료에 충돌시킬 때 사용된 전력에 비해 도핑 링 영역 내로 집속된 레이저 방사를 충돌시킬 때 레이저 출력을 증가시키면 도핑 링 영역의 상이한 특성을 보상할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 적어도 하나의 제1 도핑 영역 및 적어도 하나의 제2 도핑 영역의 존재를 결정하기 위해서, 기판의 표면의 적어도 일부에 걸친 결정질 재료의 불균일한 도핑을 나타내는 조건의 존재가 검출될 수 있다. (상이한 도핑 조건을 검출하기 위한 방법은 간섭계, 저항률 측정, 흡수 또는 반사율 측정, 및 당업자에게 공지된 기타 기술을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.) 그 후, 결정질 재료의 불균일한 도핑을 나타내는 조건의 검출에 응답하여, 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성 중에 레이저 출력(laser power)이 변경되어 제1 도핑 영역에 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제1 평균 전력으로 레이저 방사를 제공하고, 제2 도핑 영역에 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제2 평균 전력으로 레이저 방사를 제공하며, 여기서 제1 평균 전력 레벨과 제2 평균 전력 레벨은 서로 다르다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 기판에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 깊이(즉, 기판의 노출된 표면에 대해)는 제1 도핑 영역 또는 제2 도핑 영역 중 하나에서 변경될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 기판의 하나의 감소된 두께 부분(예를 들어, 하나의 웨이퍼)의 형성을 위한 제1 도핑 영역과 제2 도핑 영역 사이의 레이저 포커싱 깊이의 차이는 1 내지 15마이크론, 또는 1 내지 10마이크론의, 또는 2 내지 8마이크론, 또는 4 내지 6마이크론의 범위일 수 있다.
어떤 실시예들에서, 결정질 재료 기판은 특히 의도적으로 도핑된 재료의 경우 기판(예를 들어, 잉곳 내)의 수직 위치에 따라 변하는 레이저 흡수 수준을 나타낼 수 있다. 레이저 흡수 수준은 기판마다 다를 수 있다(예: 잉곳마다 다를 수 있다). 이러한 변화는 도핑 변화에 기인한 것으로 여겨진다. 어떤 실시예들에서, 더 낮은 평균 레이저 전력(예를 들어, 3W)이 성장 시드(growth seed)로부터 먼 기판 영역에서 표면 아래 레이저 손상의 형성을 위해 사용될 수 있고, 더 높은 평균 레이저 전력(예를 들어, 5.5W)이 성장 시드에 인접한 기판 영역의 표면 아래 레이저 손상 형성을 위해 사용될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 결정질 재료 기판의 표면에 대한 정확한 깊이에 대한 레이저 표면 아래 손상의 초기 설정을 위해, 반도체 재료에 레이저 초점 깊이의 광학적 측정이 수행되고(예를 들어, 반도체 재료/공기 굴절률 변경을 고려하여) 기판 전체 표면을 스캔하기 전에 그 같은 측정에 응해 레이저 손상 설정(예: 레이저 출력, 레이저 초점 및/또는 레이저 손상 형성 경로의 수)이 조정될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 레이저 초점 깊이의 광학적 측정은 잉곳당 한 번, 또는 잉곳의 일부가 파단되고 제거된 후(즉, 후속 파단에 의해 제거될 각 기판 층에 대한 표면 아래 레이저 손상 패턴(들)의 형성 전에) 매번 수행될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 여기에 개시된 반도체 재료 처리 방법은 다음 항목 및/또는 단계의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 제2 캐리어 웨이퍼는 결정질 재료 기판(예를 들어, 잉곳)의 바닥면에 부착될 수 있다. 그 후, 레이저 에너지를 전달하기 위한 표면을 준비하기 위해 약 5나노미터 미만의 평균 표면 거칠기 Ra를 제공하도록 결정질 재료 기판의 상부면이 연삭되거나 연마될 수 있다. 그 다음 레이저 손상이 결정질 재료 기판 내의 원하는 깊이 또는 깊이들에 부여될 수 있으며, 이때 레이저 손상 자취의 간격 및 방향은 선택적으로 결정질 재료 기판의 결정 배향에 의존한다. 제1 캐리어는 결정질 재료 기판의 상부면에 접합될 수 있다. 제1 캐리어에 연결된 식별 코드 또는 다른 정보는 결정질 재료 기판으로부터 유도될 웨이퍼와 연관된다. 대안적으로, 레이저 마킹이 분리 전에 웨이퍼(캐리어가 아님)에 적용되어 제조 중 및 제조 후에 웨이퍼의 추적성을 용이하게 할 수 있다. 그 다음, 결정질 재료 기판은 표면 아래 레이저 손상 영역을 따라 (본 명세서에 설명된 하나 이상의 방법을 사용하여) 파단되어 제1 캐리어에 결합된 반도체 재료 기판의 일부와, 제2 캐리어에 결합된 결정질 재료 기판의 나머지 부분을 얻는다. 제거된 반도체 재료 기판의 부분과 반도체 재료 기판의 나머지 부분을 모두 매끄럽게 연삭하고 필요에 따라 세정하여 잔존하는 표면 아래 레이저 손상을 제거한다. 제거된 반도체 재료 기판의 부분은 캐리어로부터 분리될 수 있다. 이어서, 반도체 재료 기판의 나머지 부분에 대해서 상기 공정이 반복될 수 있다.
SiC 웨이퍼의 와이어 절단(wire sawing)은 일반적으로 웨이퍼당 적어도 약 250마이크론의 커프 손실을 수반하지만, 여기에 개시되고 SiC에 적용된 레이저 및 캐리어 보조 분리 방법들은 커프 손실이 80 내지 140마이크론 범위이다.
어떤 실시예들에서, 기판을 강성 캐리어에 결합하기 전에 레이저 표면 아래 손상이 결정질 재료 기판에 형성될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 원하는 파장의 레이저 방사가 투과하는(transparent) 강성 캐리어는 표면 아래 레이저 손상 형성 전에 결정질 재료 기판에 접합될 수 있다. 그러한 실시예에서, 레이저 방사는 선택적으로 강성 캐리어를 통과해 그리고 결정질 재료 기판의 내부로 전송될 수 있다. 상이한 캐리어-기판 표면 아래 레이저 형성 구성이 도 10a 내지 도 10d에 도시되어 있다. 도 10a는 기판(62) 내에 표면 아래 레이저 손상(63)을 형성하기 위해 베어 기판(bare substrate)(62)의 표면을 통해 포커싱되는 레이저 방사(61)의 개략도이며, 이에 의해 표면 아래 레이저 손상의 형성 후에 강성 캐리어가 기판(62)에 부착될 수 있다. 도 10b는 기판(62)이 접착 물질(64)를 사용하여 강성 캐리어(66)에 미리 결합된 상태에서 기판(62) 내의 표면 아래 레이저 손상(63)을 형성하는, 기판(62)의 표면을 통해 포커싱되는 레이저 방사(61)의 개략도이다. 도 10c는 강성 캐리어(66)에 미리 접합된 기판(62) 내에 표면 아래 레이저 손상(63)을 형성하기 위해 강성 캐리어(66) 및 접착제(64)를 통과해 포커싱되는 레이저 방사(61)의 개략도이다. 어떤 실시예들에서, 기판(62)은 표면 아래 레이저 손상(63)의 형성 이전에 작동 가능한 전기 디바이스를 내장하면서, 강성 캐리어(66)에서 먼 쪽의 기판(62)의 표면은 하나 이상의 에피택셜 층 및/또는 금속화 층을 포함할 수 있다. 도 10d는 (예를 들어, 양극 접합 또는 다른 무접착제 수단을 통해) 사전에 강성 캐리 에(66)에 접합된 기판(62) 내에 표면 아래 레이저 손상(63)을 형성하기 위해 강성 캐리어(66)를 통과해 기판(62) 내로 포커싱되는 레이저 방사(61)의 개략도이다.
사이사이 배치된 표면 아래 레이저 손상(Interspersed Subsurface Laser Damage)
어떤 실시예들에서, 표면 아래 레이저 손상은 다중의 사이사이 배치된 레이저 손상 패턴의 순차적 형성에 의해 결정질 재료에 형성될 수 있으며, 각각의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 각각의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 실질적으로 전체 길이(예를 들어, 기판 플랫에 수직)에 걸쳐 연장될 수 있고 결정질 재료의 기판의 실질적으로 전체 폭(너비)에 걸쳐 분포된 이격된 라인들을 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 사이사이 배치된 손상 패턴들은 순차적으로 형성된 제1 및 제2, 또는 제1 내지 제3, 또는 제1 내지 제4 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함할 수 있으며, 각각의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 다수의 평행한 라인들을 포함한다. 사이사이 배치된 방식으로 다중의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 순차적으로 형성(예를 들어, 제1 표면 아래 손상 패턴을 형성한 다음, 제2 표면 아래 손상 패턴을 형성하고, 다음에 임의의 후속 표면 아래 손상 패턴(들)을 형성하며, 각 손상 패턴의 라인이 다른 손상 패턴들 사이에 분포됨)하는 것이, 표면 아래 레이저 손상 영역을 따라 또는 그에 인접하여 결정질 재료의 파단 용이성을 촉진하기 위해, 사이사이 배치시키지 않고 동일한 트레이스(trace)를 형성하는 것에 비해 바람직하다. 결정질 재료에 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 사이사이 배치하여 얻은 개선된 파단 결과의 이유는 특정 이론에 얽매이지 않고, 사이사이 배치된 표면 레이저 손상 패턴들의 순차적 형성은 반도체 재료 내에서 내부 응력의 보존 정도가 더 크며 다른 표면 아래 레이저 손상 라인들에서 나오는 균열들의 측방향 전파를 촉진한다.
어떤 실시예들에서, 결정질 재료의 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴은 결정질 재료의 내부에 제1 복수의 평행한 라인 및 제1 복수의 균열을 포함하며, 상기 제1 복수의 균열은 상기 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로(예를 들어 주로 또는 실질적으로 c-평면을 따라) 전파하며, 각 라인으로부터 나온 균열들은 각 인접한 라인으로부터 나온 균열들과 연결되지 않는다. 어떤 실시예들에서, 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성 후에 결정질 재료에 제2 복수의 평행 라인을 포함하는 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴이 형성되고, 여기서 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴은 결정질 재료 내에 상기 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 제2 복수의 균열을 포함하고, 제2 복수의 균열 중 적어도 일부 균열은 제1 복수의 라인의 인접한 두 라인에서 나오는 균열들과 연결된다(즉, 연속적인 균열들을 형성한다).
어떤 실시예들에서, 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴은 결정질 재료로 순차적으로 형성되며, 각각의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 다중의 평행 라인을 포함하고, 각 표면 아래 레이저 손상 패턴의 라인들은 다른 표면 아래 레이저 손상 패턴의 라인들 사이에 분포된다. 어떤 실시예들에서, 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 결정질 재료의 내부에 있는 제1 복수의 균열을 포함하고; 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 결정질 재료의 내부에 제2 복수의 균열을 포함하며, 제2 복수의 균열은 제1 복수의 균열과 연결되지 않고; 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제3 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 결정질 재료의 내부에 제3 복수의 균열을 포함한다. 이러한 실시예에서, 제3 복수의 균열의 적어도 일부 균열은 (i) 제1 복수의 균열의 적어도 일부 균열 및 (ii) 제2 복수의 균열의 적어도 일부 균열과 연결된다(예를 들어, 연결되어 연속적인 균열들을 형성한다). 어떤 실시예들에서, 제4 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1 내지 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴 형성 후에 형성될 수 있으며, 제4 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1, 제2, 또는 제3 라인 중 임의의 2개 이상으로부터 발생하는 균열들을 추가로 연결하는 역할을 한다. 어떤 실시예들에서, 3개, 4개, 5개 또는 그 이상의 사이사이 배치된 표면 아래 레이저 손상 패턴이 제공될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 기판의 하나 이상의 부분은 사이사이 배치된 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 포함할 수 있는 반면, 기판의 다른 부분들은 사이사이 배치되지 않은 레이저 손상 패턴들을 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 표면 아래 레이저 손상의 상이한 사이사이 배치 패턴들이 동일한 기판 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 단일 기판에 사이사이 배치된 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1 영역에 5개의 손상 라인, 제2 영역에 4개의 손상 라인, 제3 영역에 3개의 손상 라인, 제4 영역에 2개의 손상 라인, 제5 영역에 하나의(사이사이 배치되지 않음) 손상 라인, 제6 영역에는 0개의 손상 라인을, 또는 전술한 방식의 둘 또 는 세 개의 조합을 선택적으로 전술한 영역 각각은 실질적으로 동일한 단위 면적을 갖는다. 어떤 실시예들에서, 사이사이 배치된 손상 라인들의 규칙적인(예를 들어, 규칙적으로 반복되는) 패턴이 기판의 적어도 하나의 영역에 존재할 수 있고, 사이사이 배치된 손상 라인들 또는 사이사이 배치되지 않은 손상 라인들의 불규칙한(예를 들어, 규칙적인 반복이 없는) 패턴이 기판의 적어도 하나의 다른 영역에 존재한다.
도 11a는 일 실시예에 따라 정의된 사이사이 배치된 제1, 제2, 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하는 결정질 재료 기판(70)의 평면도를 제공한다. 제1, 제2, 및 제3 표면 아래 손상 패턴은 각각 주 기판 플랫(78)에 수직으로(그리고 [] 방향에 수직으로) 연장되는 제1, 제2, 제3 복수의 평행 라인(71, 72, 73)을 포함한다. 3개의 레이저 손상 패턴이 조합되어 다중 3-라인 그룹(74)을 형성하고, 각 3-라인 그룹(74)은 그룹간 간격(inter-group spacing)(75)에 의해 서로 이격되며, 그룹간 간격(75)은 각 3-라인 그룹에서 인접한 라인들 간의 간격(76, 77)보다 넓다. 명확성을 위해 형성된 균열 제1 복수의 평행 라인(71), 제2 복수의 평행 라인(72) 및 제3 복수의 평행 라인(73)에 의해 형성된 균열들은 도 11a에는 도시되어 있지 않다. 어떤 실시예들에서, 제1 복수의 평행 라인(71)은 제1 경로(pass)로 형성되고, 제2 복수의 평행 라인(72)은 제2 경로로 형성되고, 제3 복수의 평행 라인(73)은 제3 경로로 형성된다. 제3 경로는 제1 및/또는 제2 복수의 평행 라인(71, 72) 중 임의의 것에서 원래 발생하는 균열을 연결하는 역할을 할 수 있다.
계속해서 도 11a를 참조하면, 일 실시예에서 제1 복수의 평행 라인(71)은 500마이크론 피치(즉, 라인 사이의 간격)로 형성될 수 있고, 제2 복수의 평행 라인(72)은 500마이크론 피치로 형성되고 제1 복수의 평행 라인(71)으로부터 250 마이크론으로 이격(offset)되어 형성될 수 있다. 그 후, 제3 복수의 평행 라인(73)은 500마이크론 피치로 형성되고 제1 복수의 평행 라인(71)에 대해 125마이크론으로 이격되어 형성될 수 있다. 이 같은 배열은 다중의 3-라인 그룹(74)을 형성하며 이는 250마이크로 간격에 의해 다른 3-라인 그룹으로부터 이격되고, 각 3-라인 그룹 내에서 인접한 라인들은 125마이크론의 간격으로 서로 이격되어 있다.
본 발명자들은 도 11a와 관련하여 설명된 3-경로 레이저 손상 형성 공정의 순서가 중요하다는 것을 발견하였다. 경로 순서를 제1 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인, 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인 및 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인을 순차적으로 형성하도록 변경하면, 250마이크론의 그룹 간 간격(75)에 걸쳐 균열을 완료하기 위해 더 높은 레이저 출력이 필요하다. 이것은 원래(제1, 제2, 제3 경로) 순차 순서를 사용할 때 제2 경로에서 125마이크론 간격의 라인들 사이에서 발생하는 균열에 기인하는 것으로 보이며, 제3 경로에서 형성된 균열은 125마이크론 간격(77)을 가로질러 제2 경로에서 발생하는 균열을 연결하기에 충분한 크기이다. 경로의 순서가 제1, 제3, 제2 인 경우 레이저 출력이 증가하지 않는 한 그룹 간 간격(75)을 가로지르는 균열이 관찰되지 않지만 레이저 출력이 증가하면 일반적으로 커프 손실이 증가한다. 따라서, 경로 순서가 제1, 제2, 제3인 어떤 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 경로에서 형성된 균열이 서로 연결되지 않고 제3 경로에서 형성된 균열이 125마이크론 간격(76, 77)과 250마이크론의 그룹간 간격(75)을 가로질러 연결된 균열을 생성하는 것이 바람직할 수 있다.
어떤 실시예들에서, 각 3-라인 그룹(74)의 경계는 기판(70)에서 손상-부담 영역(damage-bearing area)을 경계짓는 것으로 간주될 수 있으며, 각 3-라인 그룹(74)의 손상-부담 영역은 다른 각 3-라인 그룹의 손상-부담 영역으로부터 이격된다(즉, 그룹 간 간격(75)에 의해). 특히, 도 11d에 도시된 바와 같이, 표면 아래 레이저 손상에 의해 형성된 균열은 그룹간 간격(75)을 가로질러 인접한 3-라인 그룹(74) 사이에서 전파될 수 있다.
도 11b 내지 도 11d는 도 11a의 결정질 재료 기판(70)의 제조를 예시한다. 도 11b는 피치(또는 라인간 간격)(71B)를 갖고 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴(71A)을 형성하는 제1 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인(71)(기판(70)의 플랫(78)에 수직)의 형성 이후에 기판(70)을 도시한다. 균열(71C)은 제1 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인(71)으로부터 측방향 외측으로 전파되지만, 상이한 표면 아래 레이저 손상 라인(71)에서 발생하는 균열은 서로 연결되지 않는다.
도 11c는 피치(또는 라인간 간격)(72B)를 갖고 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴(72A)을 형성하는 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인(72)(기판(70)의 플랫(78)에 수직)의 형성 이후에 기판(70)을 도시한다. 균열(72C)은 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인(72)으로부터 측방향 외측으로 전파되지만, 상이한 표면 아래 레이저 손상 라인(72)에서 발생하는 균열은 서로 연결되지 않는다.
도 11d는 피치(또는 라인간 간격)(73B)를 갖고 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴(73A)을 형성하는 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인(73)(기판(70)의 플랫(78)에 수직)의 형성 이후에 기판(70)을 도시한다. 균열(73C)은 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인(73)으로부터 측방향 외측으로 전파되며, 이러한 균열(73C)은 제1 및 제2 표면 레이저 손상 라인(71, 72)에 의해 형성된 균열(71C, 72C)을 연결한다. 도시된 바와 같이, 제1, 제2 및 제3 표면 아래 손상 라인들 간의 균열들의 연결은 또한 균열들이 전파되어 그룹 간 간격(75)을 가로질러 연결된다.
어떤 실시예들에서, 제3 표면 아래 손상 패턴을 형성하는 제3 레이저 경로는 각 3-라인 그룹(74) 내의 라인들 간의 간격(76, 77)보다 더 넓은 그룹간 간격(75)을 가로질러 균열들이 확장하여 연결되는 것을 돕기 위해, 처음 두 레이저 경로보다 더 높은 레이저 출력 레벨에서 수행된다. 본 발명자들은 제3 레이저 경로 동안 레이저 출력을 증가시키면 125㎛ 떨어져 있는 레이저 표면 아래 손상 라인들 사이에서 뿐만 아니라 250㎛ 떨어져 있는 레이저 표면 아래 손상 라인들 사이에서도 (도 11d) 균열들을 충분히 연결하는 것을 발견했다). 이는 커프 손실에 약간의 손해(예: 100㎛ 대신 약 110㎛ 커프 손실)가 있으나 약 25% 공구 처리량 증가를 가져온다.
어떤 실시예들에서, 모든 레이저 표면 아래 손상 라인은 주 기판 플랫(및 [] 방향)에 대해 수직이 아닐 수 있고 수직으로부터 약 1도 내지 5도의 범위 내에 있다. 예를 들어, 도 12는 기판 플랫(88) 및 제1 내지 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 형성하기 위해 서로 사이사이 배치되어 있는 제1, 제2 및 제3 복수의 실질적으로 평행한 표면 아래 레이저 손상 라인(81-83)을 포함하는 결정질 재료 기판(80)의 평면 개략도이다. 각각의 복수의 실질적으로 평행한 표면 아래 레이저 손상 라인(81-83)은 주 기판 플랫(및 [] 방향)의 수직에 대해서 약 3도만큼 벗어나고, 레이저 손상 패턴들이 조합되어 다중의 3-라인 그룹(89)을 형성하며, 3-라인 그룹(89)에서 인접한 라인들 사이의 간격(또는 간극)(86, 87)을 초과하는 그룹간 간격(85)에 의해 다중의 3-라인 그룹(89)은 서로 이격된다. 일 실시예에서 제1 복수의 평행 라인(81)은 500마이크론 피치(즉, 라인 사이의 간격)로 형성되고, 제2 복수의 평행 라인(82)은 500마이크론 피치로 형성되고 제1 복수의 평행 라인(81)에 대해 250마이크론 이격되어 형성된다. 그리고, 제3 복수의 평행 라인(83)이 500마이크론 피치로 형성되고 제1 복수의 평행 라인(81)에 대해 125마이크론 이격되어 형성된다. 이 같은 배열은 250마이크론의 간극을 갖는 다중의 3-라인 그룹(89)을 형성하며, 각 3-라인 그룹 내의 인접한 라인들은 125마이크론 간격으로 서로 이격된다. 도시된 바와 같이, 각 그룹의 평행한 표면 아래 레이저 손상 라인(81-83)은 서로 평행하다.
도 13은 기판 플랫(98) 및 제1 내지 제4 복수의 실질적으로 평행한 표면 아래 레이저 손상 라인(91-94)을 갖는 결정질 재료 기판(90)의 평면 개략도로서, 제1 내지 제4 복수의 실질적으로 평행한 표면 아래 레이저 손상 라인(91-94)은 서로 사이사이 배치되거나 인터리빙되어 제1 내지 제4 복수의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 형성하며, 모든 라인들은 서로 평행하고 기판 플랫(98)(및 [] 방향)에 수직이다. 어떤 실시예들에서, 제1 내지 제4 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인(91-94)은 각각 500㎛의 피치를 갖는 라인을 포함할 수 있으며, 여기서 제2 복수의 라인(92)은 제1 복수의 라인(91)으로부터 250㎛ 떨어져 있고(오프셋), 제3 복수의 라인(93)은 제1 복수의 라인(91)으로부터 125㎛ 떨어져 있고, 제4 복수의 라인(94)은 제1 복수의 라인(91)으로부터 375㎛ 떨어져 있다. 따라서 제1 내지 제4 라인은 125㎛의 간극이 있다. 제1 내지 제4 라인(91-94)이 4-라인 그룹(95)을 형성한다.
도 13에 도시된 기판(90)과 유사하게 결정질 재료 기판을 형성하기 위한 대안적인 방법은, 레이저 표면 아래 손상 형성을 위한 네 개의 레이저 경로를 사용하며, 각 경로는 500㎛ 피치를 갖는 라인들을 형성한다. 제1 경로 이후에 제2 경로에 의해 형성되는 라인들은 제1 경로에 의해 형성된 라인들로부터 125㎛ 이격되어 형성되고, 이후 제3 경로에 의해 형성되는 라인들은 제1 경로에 의해 형성된 라인들로부터 250㎛ 이격되어 형성되고, 이후 제4 경로에 의해 형성되는 라인들은 제1 경로에 의해 형성된 라인들로부터 375㎛ 이격되어 형성된다.
도 14는 기판 플랫(108)을 포함하고 제1, 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 형성하는 사이사이 배치된 제1 내지 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인(101-103)을 포함하는 결정질 재료 기판(100)의 평면 개략도이다. 제1 및 제2 복수의 라인(101, 102)은 각각 서로 평행하고 주 기판 플랫(108)(및 [] 방향)에 수직인 반면, 제3 복수의 라인(103)은 제1 및 제2 복수의 라인(101, 102)과 평행하지 않지만(예를 들어, 1 내지 5도 범위의 각도 차이를 가짐) 기판(100) 내에서는 제1 및 제2 라인(101, 102) 중 어느 것과도 교차하지 않는다. 어떤 실시예들에서, 제1 및 제2 복수의 평행 라인(101, 102)이 먼저 형성된 후, 제3 복수의 평행 라인(103)이 형성된다. 어떤 실시예들에서, 제1 및 제2 복수의 평행 라인(101, 102)은 각각 500마이크론 피치를 가지며, 제2 복수의 평행 라인(102)은 제1 복수의 평행 라인(101)에 대해 250마이크론 이격된다. 제1 내지 제3 라인(101-103)이 반복되는 다중-라인 그룹(104)을 형성한다.
비록 도 14에서 표면 아래 레이저 손상 라인이 교차하지 않지만, 어떤 실시예들에서 하나 이상의 표면 아래 레이저 손상 라인(예를 들어 후속 레이저 손상 형성 경로에서 형성됨)은 하나 이상의 다른 표면 손상 라인(예를 들어 이전 또는 초기 레이저 손상 형성 단계에서 형성됨)과 교차할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 교차하는 표면 아래 레이저 손상 라인 사이의 상대 각도는 4도 내지 30도, 또는 5도 내지 20도, 또는 5도 내지 15도, 또는 5도 내지 10도의 범위에 있을 수 있다.
도 15는 기판 플랫(118)을 포함하고 제1 내지 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 형성하는 사이사이 배치된 제1 내지 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인(111-113)을 포함하는 결정질 재료 기판(110)의 평면 개략도이다. 제1 및 제2 복수의 라인(111, 112)은 각각 서로 평행하고 주 기판 플랫(108)에 수직이 아닌(예를 들어, 수직에서 1도 내지 5도 범위의 각도 차이를 가짐) 반면, 제3 복수의 라인(113)은 주 기판 플랫(118)에 수직이지만 기판(110) 내에서는 적어도 일부(또는 모든) 제3 라인은 제1 및 제2 라인(111, 112)과 교차하지 않는다. 어떤 실시예들에서 제1 및 제2 복수의 평행 라인(111, 112)은 각각 510마이크론 피치를 가지며, 제2 복수의 평행 라인(112)은 제1 복수의 평행 라인(111)에 대해 250마이크론 이격된다. 반복되는 3-라인 그룹(114)은 제1 내지 제3 라인(111-113)으로 구성된다.
도 16은 일 실시예에 따른 사이사이 배치된 제1 내지 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도이며, 모든 레이저 손상 라인이 서로 평행하고, 레이저 손상 라인들의 그룹간 간격이 기판의 적어도 일 부분에서 일정하지 않다.
도 17은 일 실시예에 따른 사이사이 배치된 제1 내지 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도이며, 모든 레이저 손상 라인들은 서로 평행하고, 레이저 손상 라인들은 그룹간 간격, 그룹내 간격 및 그룹 성분에 있어서 다양하다.
도 18은 일 실시예에 따른 순차로 형성된 제1 내지 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도이며, 레이저 손상 라인들의 제1 및 제2 레이저 손상 라인은 서로 평행하고, 제3 레이저 손상 라인은 제1 및 제2 레이저 손상 라인들에 평행하지 않고 이들과 교차한다.
도 19는 일 실시예에 따른 순차로 형성된 제1 내지 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 포함하는 결정질 재료 기판의 평면 개략도이며, 각 그룹(제1 내지 제3) 내에서 레이저 손상 라인들 서로 평행하고, 다른 그룹의 라인들끼리는 서로 평행하지 않다. 비록 11a 내지 도 19는 3개 또는 4개의 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인을 포함하는 실시예를 도시하지만, 임의의 적절한 수의 표면 레이저 손상 라인 그룹이 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 어떤 실시예들에서, 제1 및 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인은 제3 및/또는 제4 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인의 부재 하에 사이사이 배치될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 제1 및 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 라인은 각각 제1 및 제2 경로에서 형성될 수 있으며, 각각의 복수의 레이저 손상 라인은 250마이크론 피치를 갖고, 제2 복수의 레이저 손상 라인은 제1 복수의 레이저 손상 라인에 대해 125마이크론 이격된다.
어떤 실시예들에서, 결정질 재료의 비중첩 제1 및 제2 영역에 제1 그룹의 표면 아래 레이저 손상 부위들을 형성한 후 상기 제1 및 제2 영역에 제2 그룹의 표면 아래 레이저 손상 부위들을 형성하는 것에 의해 표면 아래 레이저 손상이 결정질 재료의 다중의 비중첩 영역에 분포될 수 있으며, 여기서, 제2 그룹의 표면 아래 레이저 손상 부위들의 적어도 일부(또는 모든) 부위는 비중첩 영역들에 형성된 제1 그룹의 표면 아래 레이저 손상 부위들과 교차하지 않는다. 하나 이상의 추가 그룹의 표면 아래 레이저 손상 부위들이 이후에 형성될 수 있고 결정질 재료의 동일한 비중첩 제1 및 제2 영역에 분포될 수 있다. 제1 및 제2 영역이 설명되었지만, 임의의 적절한 수의 비중첩 영역이 정의될 수 있음을 이해해야 한다(예를 들어, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 영역). 어떤 실시예들에서, 그러한 영역은 임의의 중첩이 안 될 뿐만 아니라 비접촉 관계에서 서로 이격될 수 있다(예를 들어, 측방향으로 이격될 수 있음).
도 20a는 레이저 손상 영역이 형성될 수 있는 비중첩 제1, 제2 및 제3 영역(150A-150C)을 예시하는 결정질 재료 기판(150)의 평면도이다. 제1 내지 제3 영역(150A-150C) 사이의 경계를 강조하기 위해 예시의 목적으로 제1 및 제3 영역(150A, 150C)에 음영이 추가되었지만, 실제 결정질 재료 기판(150)은 일반적으로 색상이 균일하다는 것을 이해해야 한다. 각각의 영역(150A-150C)은 기판(150)의 주 플랫(150')의 일부와 접촉한다. 도 20a-20d에서 3개의 영역(150A-150C)이 도시되었지만, 임의의 갯수의 영역이 예를 들어 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 영역이 고려되고, 이러한 영역은 1차원 어레이, 2차원 어레이, 중심점에서 연장되는 섹터(예를 들어 쐐기형 섹터)와 같은 임의의 적절한 형태로 배열될 수 있다.
도 20b는 제1 내지 제3 영역(150A-150C)에 제1 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(151)을 형성한 후의 도 20a의 결정질 기판(150)의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 레이저 손상 영역(151)들은 기판(150)의 주 플랫(150')에 실질적으로 수직인 실질적으로 평행한 라인들로 제공된다. 다중의 레이저 손상 영역(151)은 제1 내지 제3 영역(150A-150C) 각각에 제공된다. 도 20b에는 도시되지 않았지만, 측방향으로 연장하는 균열들(예를 들어 도 11b에 도시된 것과 같은 균열들)이 레이저 손상 영역(151)으로부터 나올 수 있지만 바람직하게는 인접한 레이저 손상 영역(151) 사이에 연결되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 어떤 실시예들에서, 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(151)의 표면 아래 레이저 손상 영역들이 제1 영역(150A)에 형성되고, 이어서 제2 영역(150B)에 형성되고, 마지막으로 제3 영역(150C)에 형성될 수 있다.
도 20c는 제1 내지 제3 영역(150A-150C)에 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(152)을 형성한 후 도 20b의 결정질 기판(150)의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(152)의 레이저 손상 영역(152)들은 주 플랫(150')에 실질적으로 수직인 실질적으로 평행 라인들로 제공되고, 다중의 레이저 손상 영역(152)이 제1 내지 제3 영역(150A-150C) 각각에 형성된다. 추가적으로, 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(152)의 각각의 레이저 손상 영역(152)은 제1 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(151)에 실질적으로 평행하다. 도 20c에는 도시되지 않았지만, 각 레이저 손상 영역(151, 152)에서 측방향으로 연장되는 균열들이 형성될 수 있지만, 그러한 균열들은 바람직하게는 인접한 레이저 손상 영역(151, 152) 사이에 연결되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 어떤 실시예들에서, 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(152)의 표면 아래 레이저 손상 영역들은 제1 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(151)과 동일한 순서로 형성될 수 있다(예를 들어, 표면 아래 레이저 손상 영역(152)들이 제1 영역(150A)에 형성된 후, 제2 영역(150B)에, 마지막으로 제3 영역(150C)에 형성될 수 있다). 이러한 방식으로, 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(152)의 레이저 손상 영역(152)들은 제1 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(151)의 레이저 손상 영역(151)들 사이에 배치된다.
도 20d는 제1 내지 제3 영역(150A-150C)에 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(153)을 형성한 후의 도 20c의 결정질 재료 기판의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(153)의 레이저 손상 영역(153)들은 주 플랫(150')에 실질적으로 수직인 실질적으로 평행한 라인들로 제공되고, 제3 복수의 표면 레이저 손상 영역(153)의 레이저 손상 영역(153)들이 제1 내지 제3 영역(150A-150C) 각각에 제공된다. 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(153)의 각각의 레이저 손상 영역(153)은 제1 및 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(151, 152)과 실질적으로 평행할 수 있다. 제1 내지 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(151-153)에 의해 제공되는 표면 아래 레이저 손상 패턴들은 복수의 3-라인 그룹(154)을 형성하고, 서로에 대해 그룹간 간격(154')에 의해 이격되며, 그룹간 간격(154')는 각 3-라인 그룹(154) 내의 인접한 레이저 손상 영역들 사이의 간격보다 넓다. 도 20d에는 도시되지 않았지만, 측방향으로 연장되는 균열들이 각각의 레이저 손상 영역(151-153)으로부터 형성될 수 있고, 균열들은 모든 레이저 손상 영역(151-153)(도 11d에 도시된 것과 같은) 사이에서 측방향으로 연장되어 기판(150)의 나머지 부분으로부터 기판(150)의 상부 부분의 파단을 촉진한다. 어떤 실시예들에서, 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(153)의 표면 아래 레이저 손상 영역(153)들은 제1 및 제2 표면 아래 레이저 손상 영역(151, 152)과 동일한 순서로 형성될 수 있다. (예를 들어, 표면 아래 레이저 손상 영역(153)들이 제1 영역(150A)에 형성되고, 이어서 제2 영역(150B)에 형성되고, 마지막으로 제3 영역(150C)에 형성될 수 있음). 이러한 방식으로, 제3 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(153)의 레이저 손상 영역(153)들은 제1 및 제2 복수의 표면 아래 레이저 손상 영역(151, 152)의 레이저 손상 영역(151, 152)들 사이에 배치된다.
병렬 처리 및/또는 레이저 빔 분할(Parallel Processing and/or Laser Beam Splitting)
어떤 실시예들에서, 하나의 기판의 여러 영역들이 동시에 처리되어 다중의 기판 영역에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 수 있고, 및/또는 여러 기판들이 하나의 공구 내에 배치되어 공구 처리량을 향상시키기 위해 동시 또는 실질적으로 동시 레이저 처리될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 하나의 레이저의 출력 빔은 하나 이상의 빔 스플리터를 사용하여 다중의 빔으로 분할될 수 있으며, 개별 빔은 여기에 개시된 방법을 활용하여 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해 다른 기판들 또는 단일 기판의 다른 영역들에 공급될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 여기에 개시된 방법을 이용하여 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해, 다중의 레이저들이 다중의 기판들 또는 단일 기판의 다중의 영역들에 빔들을 동시에 공급할 수 있다.
도 21은 하나 이상의 레이저로 표면 아래 레이저 손상이 형성될 수 있는 4개의 기판(155A-155D)을 유지하는 레이저 처리 장치의 홀더(163)의 평면 개략도이다. 도시된 바와 같이, 각각의 기판(155A-155D)은 내부에 정의된 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 포함하며, 이러한 패턴들은 제1, 제2 및 제3 복수의 실질적으로 평행한 라인(156-158)을 포함한다. 3개의 레이저 손상 패턴은 조합되어 다중 3-라인 그룹(159)을 형성하며 각 3-라인 그룹은 인접한 3-라인 그룹에 대해 라인간 간격(160)에 의해 이격되며, 라인간 간격(160)은 각 3-라인 그룹 내의 인접한 라인들 간의 간격(161, 162)을 초과한다. 어떤 실시예들에서, 제1 레이저 또는 제1 분할 레이저 빔 부분(split laser beam portion)을 사용하여 제1 및 제3 기판(155A, 155C)에 레이저 손상 패턴들을 형성하고, 제2 레이저 또는 제2 분할 레이저 빔 부분을 사용하여 제2 및 제4 기판(155B, 155D)에 레이저 손상 패턴들을 형성할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 기판(155A-155D)을 유지하는 홀더(163)는 (예를 들어, 2(x, y) 측방향으로) 이동하도록 구성되는 한편, 하나 이상의 레이저 및/또는 그 초점 광학계는 측방향 이동이 제한된다(그러나 수직(z 방향) 이동).
도 22a는 하나의 기판(164)의 다중의 영역에서 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴에 따라 표면 아래 레이저 손상 영역들을 동시에 형성하기 위해 다중의 부분으로 분할된 레이저 빔으로 처리되는 하나의 기판(164)의 평면 개략도이다. 도시된 바와 같이 기판(164)은 (예를 들어, 도 20a-20c에 도시된 영역(150A-150C)와 유사한) 다수의 영역(164A-164C)을 포함한다. 초기 레이저 손상 형성 단계는 제1 및 제2 영역(164A, 164B)에 레이저 손상 영역(165')을 동시에 형성하기 위해 2개의 분할 레이저 빔 부분을 충돌시키는 것을 포함한다. 기판(164)은 레이저에 대해 측방향으로 인덱싱될 수 있고(예를 들어, 오른쪽 화살표 반대 방향으로), 후속 레이저 손상 형성 단계는 두 개의 분할 레이저 빔 부분을 충돌시켜 제1 및 제2 영역(164A, 164B)에 동시에 레이저 손상 영역( 165")을 형성한다. 이 프로세스는 제1 및 제2 영역(164A, 164B)에 추가적인 레이저 손상 영역(165''', 165'''')을 형성하기 위해 반복되고, 궁극적으로 제1, 제2 및 제3 영역(164A-164C)을 커버하여 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴을 형성한다. 이후, 상기 공정을 반복하여 상기 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴들 사이에 배치된 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 각각 형성할 수 있다. 제1 및 제2 분할 레이저 빔 부분은, 단일의 분할되지 않은 레이저 빔으로 형성될 수 있는 시간의 절반으로, 기판(164) 전체에 걸쳐 분포된 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 형성하는 데 사용될 수 있다. 도 22b는 홀더(168)에 의해 지지되고 두 부분으로 분할된 레이저 빔으로 처리되는 두 기판(166A, 166B)의 평면 개략도로서, 두 기판(166A, 166B)은 두 부분으로 분할된 레이저 빔으로 처리되어 두 기판(166A, 166B) 모두에서 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴에 따라 표면 아래 레이저 손상을 동시에 형성한다. 초기 레이저 손상 형성 단계는 제1 및 제2 기판(166A, 166B)에 2개의 분할 레이저 빔 부분을 충돌시켜 제1 및 제2 기판(166A, 166B)에 레이저 손상 영역(167')을 동시에 형성하는 것을 포함한다. 기판(166A, 166B)을 유지하는 홀더는 레이저에 대해 측방향으로 인덱싱될 수 있고(예를 들어, 오른쪽 화살표 반대 방향으로), 후속 레이저 손상 형성 단계는 2개의 분할 레이저 빔 부분을 충돌시켜 제1 및 제2 기판(166A, 166B)에 동시에 레이저 손상 영역(167")을 형성하는 것을 포함한다. 이 프로세스는 제1 및 제2 기판(166A, 166B)에 추가적인 레이저 손상 영역(167''', 167'''')을 형성하기 위해 반복되고, 결국 제1 및 제2 기판(166A, 166B)을 커버하여 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 형성한다. 그 후, 공정이 반복되어 기판(166A, 166B)에 각각 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴들 사이에 배치된 제2 및 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 형성할 수 있다.
서로 다른 깊이에서 중첩하는 표면 아래 레이저 손상의 형성(Formation of Overlapping Subsurface Laser Damage at Different Depths)
어떤 실시예들에서, 제1 깊이에 집중된(중심을 둔) 초기 표면 아래 레이저 손상은 결정질 재료 기판의 내부 내에 형성될 수 있고, 제2 깊이에 집중된 추가 표면 아래 레이저 손상이 기판의 내부 내에 형성될 수 있으며, 여기서 추가 표면 아래 레이저 손상은 초기 표면 아래 레이저 손상과 실질적으로 정합하고(register), 추가 표면 아래 레이저 손상의 적어도 일부의 수직 범위(vertical extent)는 초기 레이저 손상의 적어도 일부의 수직 범위와 중첩된다. 다시 말해서, 수직 범위가 중첩하는 표면 아래 레이저 손상을 제공하기 위해서, 다른 깊이에서 레이저 손상을 생성하도록 구성된 하나 이상의 후속 경로가 하나 이상의 이전 경로 위에(on top) 추가될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 중첩되는 표면 아래 손상의 추가는, 파단 전에, 하나 이상의 이전의 표면 아래 레이저 손상 형성 단계가 불완전하다는 것을 판단(예를 들어, 광학 분석에 의한)에 응해 수행될 수 있다. 상이한 깊이들에서 중첩되는 표면 아래 레이저 손상의 형성은 다중의 사이사이 배치된 표면 아래 레이저 손상 패턴들의 형성을 포함하여(이에 제한되지 않음) 본 명세서의 임의의 다른 방법 단계와 함께 수행될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 기판(예를 들어, 하나의 웨이퍼)의 단일 감소된 두께 부분의 형성을 위한 제1 및 제2 레이저 손상 패턴 사이의 레이저 포커싱 깊이의 차이는 1 내지 10 마이크론, 또는 2 내지 8 마이크론 또는 2 내지 6 마이크론의 범위일 수 있다. 상이한 깊이에서 중첩되는 표면 아래 레이저 손상의 형성은 다중 사이사이 삽입된 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 본 명세서에 개시된 임의의 다른 방법 단계와 함께 수행될 수 있다.
도 23a는 기판(1770)의 제1 표면(171)에 대해 제1 깊이에 집중된(중심을 둔)(centered) 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴(173)을 포함하는 결정질 재료 기판(170)의 개략 단면도로서, 표면 아래 손상 패턴(173)은 레이저(179)의 포커싱된 방사에 의해 생성된다. 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴(173)은 제1 표면(171)과 맞은 편의 제2 표면(172) 사이에서 기판(170)의 내부에 있는 수직 범위(174)를 갖는다. 도 23b는 제2 깊이에 집중되고 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴(173)과 정합된 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴(175)을 형성한 후의 도 23b의 기판의 개략적인 단면도이며, 여기서, 제2 손상 패턴(175)의 수직 범위(176)는 손상 중첩 영역(177)에서 제1 손상 패턴(173)의 수직 범위(174)와 중첩한다. 어떤 실시예들에서, 결정질 재료(170)의 후속 파단은 손상 중첩 영역(177)을 따라 또는 통해 수행될 수 있다.
서로 다른 깊이에서 비중첩 표면 아래 레이저 손상의 형성(Formation of Non-Overlapping Subsurface Laser Damage at Different Depths )
어떤 실시예들에서, 표면 아래 레이저 손상 라인들은 다른(예를 들어, 이전에 형성된) 표면 아래 레이저 손상 라인들과 정합하지 않고 및/또는 초기 및 후속 레이저 손상의 수직 범위의 중첩 없이, 기판의 다른 깊이에 형성될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 표면 아래 레이저 손상의 사이사이 배치된 패턴은 레이저 라인들의 그룹들을 포함하며, 다른 그룹들은 기판의 표면에 대해 다른 깊이들에 포커싱된다. 어떤 실시예들에서, 기판의 내부 내에서 레이저 방사의 포커싱 깊이(focusing depth)는 레이저 라인들의 상이한 그룹들(예를 들어, 제1 및 제2 그룹, 제1 내지 제3 그룹, 제1 내지 제4 그룹 등의 적어도 2개의 상이한 그룹 등) 간에 상이하며, 약 2마이크론에서 약 5마이크론까지의 범위(즉, 약 2㎛ 내지 약 5㎛) 만큼 서로 상이하다.
레이저 공구 보정(Laser Tool Calibration)
커프 손실의 주요 동인 중 하나는 잉곳 측의 주요 파단 영역(primary fracture region) 아래의 표면 아래 레이저 손상이다. 일반적으로 표면 아래 레이저 손상이 증가하면 커프 손실이 증가한다. 표면 아래 레이저 손상이 증가하는 잠재적 원인 중 하나는 결정질 재료의 광학적 특성을 적절하게 보상하지 못하는 것이다.
어떤 실시예들에서, 레이저 보정은 표면 아래 레이저 손상의 형성 전에, 결정질 재료 기판(예를 들어 잉곳)이 레이저 공구에 공급될 때마다 수행될 수 있다. 이러한 보정은 결정질 재료 기판의 상부면에 레이저 빔의 최상의 초점에서 초기 상태의 달성을 위해 가변 높이 조정을 활용할 수 있고, 이어서 후속 상태에 따라 결정질 재료의 표면 아래 레이저 손상의 형성의 원하는 깊이에 대응하여 레이저 공구의 개구 또는 보정환(correction collar)를 조정한다.
도핑 영역(a/k/a 도핑 영역)을 보여주는 웨이퍼 사진 (Wafer Photographs Showing Doping Region (a/k/a Doping Ring)
도 24a는 본 명세서에 기술된 열-유도 파단 방법을 사용하여 캐리어(즉, 도 24b에 도시된 열가소성 접착제로 결합된(glue-bonded) 사파이어 캐리어(181))로부터 분리된 후의 SiC 웨이퍼(180)의 사시도 사진이다. 웨이퍼(180) 및 캐리어(181)는 모두 150mm의 직경을 갖는다. 열적으로 유도된 파단 후 웨이퍼 파손은 관찰되지 않았다. 도 24c는 SiC 웨이퍼(180)의 환형 외부 부분(183)과 중앙 도핑 링(182) 사이의 콘트라스트를 강조하기 위해 도 24a의 SiC 웨이퍼 사진의 부분적으로 톤-반전된 버전이다. 도 24d는 SiC 웨이퍼(180)의 환형 외부 부분(183)과 중앙 도핑 링(182) 사이의 경계를 나타내기 위해 파선 타원이 덧붙여진 도 24c의 이미지이다. 도핑 링(182)은 SiC 웨이퍼의 환형 외부 부분(183)에 비해 증가된 도핑 영역을 나타낸다. SiC와 같은 도핑된 반도체 재료는 IR 파장의 증가된 흡수를 나타내기 때문에, 환형 외부 부분(183)과 비교하여 도핑 링(182)에서 SiC 웨이퍼의 표면 아래 레이저 손상을 형성하려고 할 때 더 높은 레이저 출력이 유리할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 기판의 표면의 적어도 일 부분에서 결정질 재료의 비-균일 도핑을 나타내는 상태의 존재는, 예를 들어 적어도 하나의 제1 도핑 영역 및 적어도 하나의 제2 도핑 영역(예를 들어, 도핑 링(182) 및 환형 외부 부분(183))의 존재를 검출하기 위해 광학 수단에 의해 광 반사 또는 흡수의 변화를 검출함으로써, 검출될 수 있다. 그 후, 결정질 재료의 불균일한 도핑을 나타내는 상태의 검출에 응답하여, 제1 도핑 영역(예를 들어 도핑 링(182))에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제1 평균 전력으로 레이저 방사를 제공하고, 제2 도핑 영역(예를 들어 환형 외부 부분(183))에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제2 평균 전력으로 레이저 방사를 제공하도록 레이저 출력은 표면 아래 레이저 손상 패턴들의 형성 중에 변경될 수 있으며, 여기서 제1 평균 출력의 레밸과 제2 평균 출력의 레벨은 서로 다르다.
도핑 링을 나타내는 잉곳의 개략도(Schematic Views of Ingots Exhibiting Doping Ring)
도 25는 시드 결정(185) 상에서 성장된 SiC 잉곳(184)의 측단면 개략도로서, (잉곳(184)의 제1 바닥 표면(185')에서) 잉곳(184)의 중앙 영역을 따라 잉곳 시드 결정(185)으로부터 위쪽으로 연장하는 일반적으로 실린더형 도핑 영역(187)을 도시하며, 여기서 도핑 영역(187)은 잉곳(184)의 제2 또는 상부 표면(186')에 존재한다. 도핑 영역(187)의 측면은 일반적으로 환형 형상인 도핑되지 않은(예를 들어 적게 도핑되거나 의도하지 않게 도핑된) 영역(186)에 의해 둘러싸인다. 제1 및 제2 표면(185', 186') 사이에서 취해진 잉곳(184)의 얇은 단면 부분(189)은 도 26에 도시된 바와 같이 웨이퍼(189A)를 정의할 수 있다. 웨이퍼(189A)는 중앙 도핑 영역(187) 및 일반적으로 환형 형상의 도핑되지 않은 영역(186)을 포함하며, 도핑되지 않은 영역(186)의 일부는 주 플랫(189')에 의해 부분적으로 경계가 형성된다. 어떤 실시예들에서, 웨이퍼(189A)는 본 명세서에 기술된 바와 같은 레이저 보조 절단 방법을 사용하여 잉곳(184)으로부터 생성될 수 있다.
도 26은 잉곳(184)의 두께 전체에 걸쳐 실질적으로 일정한 것으로서 도핑 영역(187)의 크기(예를 들어, 폭 또는 직경)를 도시하지만, 본 발명자들은 도핑 영역의 크기가 잉곳에서의 수직 위치에 따라 다를 수 있음을 발견하였다(예를 들어, 일반적으로 시드 결정에 가까울수록 너비 또는 직경이 더 크고 시드 결정에서 멀어질수록 더 작아짐).
도 27은 시드 결정(185A) 상에서 성장된 SiC 잉곳(184A)의 측단면 개략도로서, (잉곳(184A)의 제1 또는 바닥 표면(185A')에서) 시드 결정으로부터 잉곳(184A)의 중앙 영역을 따라 잉곳(184A)의 전체 두께를 통해 위쪽으로 연장하는 원뿔대 모양의 도핑 영역(187A)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 도핑 영역(187A)은 잉곳(184A)의 제2 또는 상부 표면(186A')에 존재하지만, 도핑 영역(187A)은 제1 표면(185A')에서보다 제2 표면(186A')에서 폭 또는 직경이 더 작다. 도핑 영역(187A)의 측면은 일반적으로 형상이 환형인 도핑되지 않은(예를 들어, 더 낮게 도핑된 또는 의도하지 않게 도핑된) 영역(186A)에 의해 둘러싸여 있다. 어떤 실시예에서, 도핑 영역(187A)은 시드 결정(185A)에 대한 수직 위치에 따라 변하는 폭 및 도핑 레벨을 가질 수 있다.
본 발명자들은 또한 미경사(예를 들어 c-평면에 수직이 아닌 오프컷 각도의) 시드 결정이 SiC 잉곳의 성장에 사용될 경우, 도핑 영역의 측방향 위치 및 형상이 도 27에 도시된 구성에 대해 상이할 수 있음을 발견하였다. 예를 들어, 미경사 시드 결정이 사용되는 경우, 도핑 영역은 모양이 둥근것 보다 더 타원형일 수 있고 및/또는 도핑 영역이 잉곳의 중심에 대해 측방향으로 오프셋될 수 있다(잉곳의 중심에서 벗어날 수 있다).
도 28은 미경사(예를 들어, 오프컷) 시드 결정(185B) 상에서 성장된 SiC 잉곳(184B)의 측단면 개략도로서, 시드의 중심으로부터 오프셋된 지점에서 시드 결정(185B)으로부터 잉곳(184B)의 전제 두께를 통해 위쪽으로 연장되는 원뿔대 모양의 도핑 영역(187B)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 도핑 영역(187B)은 잉곳(184B)의 제2 또는 상부 표면(186B')에 존재하지만, 도핑 영역(187B)은 제1 표면(185B')에서보다 제2 표면(186B')에서 폭 또는 직경이 더 작다. 도핑 영역(187B)은 위에서 볼 때 대체로 타원형일 수 있다. 도핑 영역(187B)은 도핑되지 않은(예를 들어, 더 낮게 도핑된 또는 의도하지 않게 도핑된) 영역(186B)에 의해 측방향으로 둘러싸여 있다. 어떤 실시예에서, 도핑 영역(187B)은 시드 결정(185B)에 대한 수직 위치에 따라 변하는 형상, 폭, 및/또는 도핑 레벨을 가질 수 있다.
확대된 웨이퍼 사진(Magnified Wafer Photographs)
도 29는 표면 아래 레이저 손상의 형성 및 후속 분리를 포함하는 공정에 의해 잉곳으로부터 분리된 SiC 웨이퍼의 Si 면의 사시도 사진으로서, 삽입된 부분(오른쪽 상측)은 후속 주사 전자 현미경(SEM) 이미지에 묘사된 가장자리를 포함하는 SiC 웨이퍼의 분리된 단편을 보여준다.
도 30a는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 15도 경사각에서 촬영한 45배 확대 SEM 이미지로서, 첨가된 화살표는 결정학적 평면들 [] 및 []의 방향을 나타낸다. 레이저 라인들은 []에 수직이면서 라인들 간의 간격은 250마이크론이다. 도 30b는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 15도 경사각에서 촬영한 1,300배 확대 SEM 이미지이다. 도 30c는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 15도 경사각에서 촬영한 350배 확대 SEM 이미지이다. 도 30c에서 보이는 바와 같이, 축외 균열 평면(off-axis cleave planes)은 대략 레이저 간격과 상관관계가 있지만, 전체 웨이퍼 표면에서 일정하지 않다. 이것은 적어도 부분적으로는 균열 평면들에서 레이저 라인 위치의 변화에 기인할 수 있다. 이 웨이퍼에서 파단은 다결정 개재물(polycrystalline inclusion)에서 시작되었다.
도 30d는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 2도 경사각에서 촬영한 100배 확대 SEM 이미지이다. 도 30e는 도 29의 SiC 웨이퍼 단편의 일부를 2도 경사각에서 촬영한 1,000배 확대 SEM 이미지이다. 도 30d 및 도 30e는 레이저 손상이 파단 영역을 따라 표면 형상(surface feature)에 비해 상당히 얕음을 보여줍니다. 파단 손상의 가변성은 특히 도 30e의 중앙 부분에서 볼 수 있다.
도 31a는 도 29의 SiC 웨이퍼의 작은 중앙 부분의 공초점 레이저 주사 현미경 이미지이며, 덧붙여진 십자선은 레이저 스캐닝에 의해 형성된 "트렌치"의 위치를 표시한다. 도 31b는 도 31a의 SiC 웨이퍼 부분의 표면 프로파일 플롯이다. 도 31b를 참조하면, SiC 균열 평면들에 대한 상대적인 레이저 라인 위치에서의 가변성을 볼 수 있다.
도 32a는 도 29의 SiC 웨이퍼의 더 큰 상부 근접(그림과 같은) 부분의 공초점 레이저 스캐닝 현미경 이미지, 덧붙여진 십자선은 레이저 스캐닝에 의해 형성된 "트렌치"의 위치를 표시한다. 도 32b는 도 32a의 SiC 웨이퍼의 상부-근접 부분의 표면 프로파일 플롯이다. 도 32b에서, 레이저 손상에 대응하는 첫 번째 라인 쌍(타원(200) 내의 십자선으로 표시)은 30마이크론 이상의 깊이로 분리되고, 레이저 손상에 대응하는 두 번째 라인 쌍(타원(201) 내에서 십자선으로 표시)은 20마이크론 이상의 깊이로 분리된다. 레이저 라인들 사이의 불규칙한 간격은 도 32a 및 도 32b에 도시되어 있으며, 첫 번째 라인 쌍(타원(200) 내) 내의 개별 라인은 서로 더 가깝고, 두 번째 라인 쌍(타원(201) 내) 내의 개별 라인은 도시된 다른 레이저 손상 라인들보다 서로 더 가깝다.
도 33a는 도 29의 SiC 웨이퍼의 더 큰 하부 근접(그림과 같은) 부분의 공초점 레이저 스캐닝 현미경 이미지로서 덧붙여진 십자선은 레이저 스캐닝에 의해 형성된 "트렌치"의 위치를 표시한다. 도 33b는 도 33a의 SiC 웨이퍼의 하부-근접 부분의 표면 프로파일 플롯이다. 도 33b는 레이저 손상 라인들 중 인접한 쌍 사이의 측방향 거리 변화(variation)를 도시하며, 한 쌍은 334마이크론으로 분리되고 다른 쌍은 196마이크론으로 분리되지만 최대 깊이 변화는 13마이크론이다.
표면 아래 레이저 손상의 형성 후의 기판의 파단(Fracturing of Substrate Following Formation of Subsurface Laser Damage)
여기에서 이전에 논의된 바와 같이, 기판으로부터 결정질 재료(예를 들어, 웨이퍼)의 적어도 하나의 얇은 층을 제거하기 위해 파단을 위해 기판을 준비하기 위해 표면 아래 레이저 손상이 결정질 재료 기판 내에 형성될 수 있다. 특정 파단 기술의 예가 아래에 설명되어 있지만(예: 기판에 결합된 CTE 불일치 캐리어 냉각, 기판에 초음파 충돌 또는 기판에 장착된 캐리어에 굽힘 모멘트 부여) 본 명세서에 기술된 다양한 표면 아래 레이저 손상 형성 기술은 당업자에게 이미 알려진 파단 기술을 포함하여 임의의 적합한 파단 기술 내에서 사용될 수 있다.
캐리어/기판 CTE 불일치가 있는 냉각 강성 캐리어에 의한 파단(Fracturing by Cooling Rigid Carrier with Carrier/Substrate CTE Mismatch)
도 34a 내지 도 34f는 결정질 재료에 결합된 결정질 재료보다 더 큰 CTE를 갖는 강성 캐리어를 활용하는, 본 개시내용의 일 실시예에 따른 결정질 재료를 파단하는 캐리어 보조 방법의 단계들을 예시한다. 34a는 강성 캐리어(202)의 제1 표면(203)에 결합된 접착 물질 층(198)을 갖고 제1 표면(203)의 반대편인 제2 표면(204)을 갖는 강성 캐리어(202)의 측단면 개략도이다.
도 34b는 표면 아래 레이저 손상 영역(196)을 구비하는 결정질 재료 기판(190)에 결합한, 도 34a의 강성 캐리어(202) 및 접착 물질(198)를 포함하는 어셈블리(188)의 개략적인 단면도이다. 강성 캐리어(202)는 기판(190)보다 더 큰 직경 또는 측방향 범위를 갖는다. 기판(190)은 접착 물질(198)에 근접한 제1 표면(192)을 포함하고 그 반대면인 제2 표면(194)을 포함하며, 표면 아래 레이저 손상(196)은 제2 표면(194)보다는 제1 표면(192)에 더 가깝다. 접착 물질(198)은 결정질 기판(190)의 제1 표면(192)과 강성 캐리어(202)의 제1 표면(203) 사이에서 연장된다. 접착 물질(198)은 선택된 방법의 조건에 따라 경화될 수 있다(예: 열압착 접착 결합, 압축 보조 UV 결합, 화학적 반응성 결합 등). 어떤 실시예들에서, 제2 캐리어(미도시)가 기판(190)의 제2 표면(194)에 접합될 수 있고, 제2 캐리어는 선택적으로 기판(190)보다 넓지 않고 및/또는 기판(190)과 정합되는 CTE이다.
도 34c는 냉각 액체를 수용하도록 구성된 냉각된 척(206)의 형태로 냉각 장치의 지지 표면(208) 상에 강성 캐리어(202)의 제2 표면(204)을 배치한 후의 도 34b의 어셈블리의 개략적인 단면도이다. 강성 캐리어(202)와 냉각된 척(206) 사이의 접촉은 열이 강성 캐리어(202)로부터 냉각된 척(206)으로 전달되게 한다. 냉각 프로세스 동안, 강성 캐리어(202)는 기판(190)보다 캐리어(202)의 CTE가 더 크기 때문에, 결정질 재료 기판(190)보다 더 심하게 측방향으로 수축하여 캐리어(202)는 전단 응력을 기판(190)에 가한다. 강성 캐리어(202)를 기판(190)에 결합하는 접착 물질 층(198) 가까이에 표면 아래 레이저 손상(196)이 존재하기 때문에, 기판(190)에 대한 전단 응력의 작용은 결정질 재료가 표면 아래 레이저 손상 영역(196)을 따라 또는 그에 근접하여 파단되게 한다.
어떤 실시예들에서, 냉각 척(206)은 강성 캐리어(202)의 직경보다 작은 직경을 갖는다. 냉각 척(206)에 냉각 액체가 공급될 수 있지만, 결정질 재료 기판(190)의 성공적인 열-유도 파단을 완료하기 위해서 강성 캐리어(202)가 액체 질소 온도(-160℃)에 도달할 필요는 없다. -70℃로 유지되는 냉각된 척을 사용하여 단결정 사파이어 기판에 지지된 단결정 SiC 재료를 파단할 때 유리한 분리 결과가 얻어졌다. 이러한 온도는 2상 펌프식 증발 냉각 시스템에서 받은 액체 메탄올(-97℃에서 어는점 이상에서 유동성을 유지함)과 같은 다양한 냉각 액체를 사용하여 유지될 수 있다. 캐리어, 접착제 및 기판을 -20℃로 유지되는 냉동고에서 냉각함으로써 유리한 분리 결과를 얻었으며, 이러한 온도는 단일상 증발 냉각 시스템을 사용하여 유지될 수 있다. 액체 질소 대신 단일상 증발식 냉각 시스템 또는 2상 펌프식 증발 냉각 시스템의 사용은 운영 비용을 크게 절감시킨다.
도 34d는 표면 아래 레이저 손상 영역을 따라 결정질 재료를 파단시킨 후에, 강성 캐리어(202), 접착 물질(198), 및 기판(190A)의 나머지로부터 제거된 결정질 재료(210)의 일부를 포함하는 접합된 어셈블리로부터 분리된 결정질 재료 기판(190A)의 나머지 부분의 개략 단면도이다. 결정질 재료 기판(190A)의 나머지 부분은 제2 표면(194) 반대편에 새로운 제1 표면(193)(잔여 레이저 손상(196A)을 가짐)을 가진다. 따라서 결정질 재료(210)의 제거된 부분은 제1 표면(192)의 반대편에 새로운 제2 표면(212)(잔여 레이저 손상(196B)을 가짐)을 가진다. 그 후, 강성 캐리어(202), 접착 물질(198), 및 결정질 재료(160)의 제거된 부분을 포함하는 접합된 어셈블리(215)는 냉각된 척(206)으로부터 회수될 수 있다.
도 34e는 액체 냉각된 척(206)으로부터 제거된 도 34d의 접합된 어셈블리(215)의 개략적인 단면도이다. 강성 캐리어(202)에 부착된 결정질 재료(210)의 제거된 부분을 유지하는 것은, 새로운 표면(212)에 대해 하나 이상의 표면 처리 단계(예를 들어 연삭, 연마 등)가 수행될 수 있도록 결정질 재료(210)의 제거된 부분에 대한 기계적 지지를 제공하고, 잔류 레이저 손상(196B)을 제거하고 결정질 재료(210)의 원하는 두께를 달성하는데 유용하다(예를 들어, 연삭을 통해, 선택적으로 화학적 기계적 평탄화 및/또는 연마 단계가 뒤따름). 어떤 실시예들에서, 레이저 손상 제거 및 박형화는 순차 연삭/연마 작업, 및 후속 작업(예를 들어, 표면 주입, 레이저 마킹(예를 들어, 웨이퍼 플랫을 따라), 에피택셜 층들의 형성, 금속화 등)을 위해 새로운 표면(212)을 준비하기 위한 임의의 적절한 연삭 및 세척 단계를 포함할 수 있다.
도 34f는 가열된 진공 척(216)의 상부 표면(218)에 의해 지지되는 결정질 재료(210)의 제거된 부분의 개략 단면도로서, 강성 캐리어(202) 및 접착 물질(198)이 결정질 재료(212)의 제거된 부분으로부터 측방향으로 전환 이동된다. 즉, 가열된 진공 척(216)은 접착 물질(198)를 연화 및/또는 유동하기에 충분한 온도로 가열하여 외부 전단 응력을 강성 캐리어(202)의 제2 표면(204)에 적용시, 강성 캐리어(202)는 가열된 진공 척(216)에 의해 제자리에 일시적으로 유지되는 결정질 재료(212)의 제거된 부분으로부터 측방향으로 멀어지게 전환 이동하는 것이 허용된다. 그 후, 가열된 진공 척(216)이 비활성화될 수 있고, 결정질 재료(212)의 제거된 부분은 독립형(free-standing) 재료를 구현한다. 원하는 경우, 접착제(198)로 인한 임의의 잔류물은 강성 캐리어(202)의 제1 표면(203)으로부터 제거되고 세정될 수 있고, 강성 캐리어(202)는 선택적으로 다른 파단 작업을 위해 재사용될 수 있다. 제거된 결정질 재료는 디바이스 웨이퍼를 형성하기 위해 하나 이상의 에피택셜 층 및 도전성 금속 층의 증착을 위한 성장 기판으로서 사용될 수 있고, 소자 웨이퍼는 개별화 공정(singulation)을 거쳐 반도체 디바이스들을 형성한다.
초음파 에너지에 의한 균열(Fracturing Induced by Ultrasonic Energy)
강성 캐리어에 결합된 결정질 재료의 레이저 유도 표면 아래 손상 영역을 따라 파단을 실행하기 위한 또 다른 방법은 결합된 상태에 있는 동안 결정질 재료에 초음파 에너지를 적용하는 것을 포함한다. 도 35는 개재 접착 물질(198A)을 사용하여 강성 캐리러(202A)에 접합되고 표면 아래 레이저 손상(196A)을 갖는 결정질 재료(190A)를 포함하는 어셈블리(188A)의 개략적인 단면도로서, 어셈블리(188A)는 초음파 발생 장치(220)의 액체 조(liquid bath)(225)에 마련되다. 장치(220)는 초음파 발생 요소(224)와 접촉하도록 배열된 용기(222)를 더 포함하고, 용기(222)는 액체 조(225)를 수용한다. 강성 캐리어(202A)의 존재는 초음파 에너지를 받을 때, 특히 분리되기 전에 잔류 응력이 강성 캐리어(202A)와 결정질 재료(190A) 사이에 남아 있는 경우(예를 들어, CTE 불일치로 인해)에, 결정질 재료(190A)의 파손을 감소시키거나 제거할 수 있다. 이러한 잔류 응력은 결정질 재료의 파단을 시작하는 데 필요한 초음파 에너지의 양을 줄여 재료 파손 가능성을 줄일 수 있다.
기계적 힘에 의한 파단(Fracturing Induced by Mechanical Force)
어떤 실시예들에서, 강성 캐리어에 결합된 결정질 재료의 파단은 (i) 캐리어의 적어도 하나의 가장자리 근처에서 기계적 힘(예를 들어, 선택적으로 하나 이상의 지점에 국소화됨)의 적용에 의해 촉진될 수 있다. 이러한 힘은 캐리어의 적어도 일부에 굽힘 모멘트(bending moment)를 부여할 수 있으며, 이러한 굽힘 모멘트는 파단을 시작하기 위해 표면 아래 레이저 손상 영역으로 전달된다. 예시적인 실시예가 도 36a 내지 도 36c에 도시되어 있다.
도 36a 내지 도 36c는 기판(236)이 접합되는 캐리어(238)의 한 가장자리에 근접한 기계적 힘의 인가에 의해 표면 아래 레이저 손상(233)을 갖는 결정질 재료 기판(236)을 파단시키는 단계를 예시하는 개략적인 단면도이다. 접합된 어셈블리는 강성 캐리어들(238, 238') 사이에 접합되는 표면 아래 레이저 손상 영역(233)을 갖는 결정질 재료 기판(236)을 포함한다. 각각의 강성 캐리어(238, 238')는 기판(236)의 플랫(235)에 맞춰진 측방향 돌출 탭 부분(239, 239')을 포함하여, 공구(219)가 삽입될 수 있는 리세스(recess)(231)를 정의하는 국소적으로 증가된 경계 영역을 제공한다. 도 36a는 공구(219)를 리세스(191)에 삽입하기 전의 상태를 도시한다. 도 36b는 공구(219)가 리세스에 삽입된 후의 상태를 도시하며, 공구(219)가 위쪽으로 기울어져 강성 캐리어(238, 238') 사이의 분리를 촉진하는 방향으로 지레형 반력(prying force)을 가하여 굽힘 모멘트(M)를 적어도 하나의 캐리어(238)에 가한다. 어떤 실시예들에서, 기판(236)은 육방정계 결정 구조를 갖는 재료(예를 들어, 4H-SiC)를 포함하고 굽힘 모멘트(M)는 [(] 방향의 수직방향에 대해 ±5도 내에 배향(또는, 동등하게, 육방정계 결정 구조의 [()] 방향과 평행한 방향에 대해 ±5도 이내로 배향된다. 도 36c는 표면 아래 레이저 손상 영역(233)을 따라 결정질 기판(236)의 초기 파단 이후의 상태를 도시하며, 이에 의해 결정질 재료의 상부 부분(236)은 상부 캐리어(238)에 결합된 상태를 유지하고, 결정질 재료의 하부 부분(236B)은 하부 캐리어(238')에 결합된 상태를 유지하며, 상부 캐리어(238)는 하부 캐리어(238')에 대해 위쪽으로 기울어져 있다. 이러한 파단은 제2 접합된 어셈블리(229B)(하부 캐리어(238') 및 결정질 재료의 하부 부분(236B)을 포함)로부터 분리된 제1 접합된 어셈블리(229A)(상부 캐리어(238) 및 결정질 재료의 상부 부분(236A)을 포함)를 생성한다. 어떤 실시예들에서, 기계적 힘은 기판이 결합되는 강성 캐리어의 대향 가장자리들(opposing edges) 근처에 가해져서 캐리어에 결합되는 표면 아래 레이저 손상을 갖는 결정질 재료의 파단을 촉진할 수 있다.
둘 이상의 파단 기술(예: CTE 불일치 및 초음파 유도 파단, 또는 CTE 불일치 및 기계적 유도 파단, 또는 초음파 유도 및 기계적 유도 파단)을 결합하는 것도 특히 고려된다. 어떤 실시예들에서, 초음파 조의 액체는 초음파 에너지의 적용 전 또는 적용 중에 냉각될 수 있다. 파단을 완료하는 데 필요한 기계적 힘의 양은 기판과 캐리어 간의 CTE 차이에 의해 영향을 받을 수 있다. 어떤 실시예들에서, CTE 차동 및 기계적 힘이 결합될 수 있다. 캐리어와 기판 사이의 CTE 차이가 작거나 존재하지 않는 경우(즉, 일치하는 CTE), 완전한 파단을 위해 더 많은 기계적 힘이 필요할 수 있다. 반대로 CTE 불일치가 크면 기계적 힘이 감소하거나 완전한 파단을 위해 기계적 힘이 필요하지 않을 수 있다.
디바이스 웨이퍼 분할 프로세스(Device Wafer Splitting Process)
어떤 실시예들에서, 레이저 및 캐리어 보조 분리 방법은 작동하는 반도체 기반 디바이스의 일부로서 그 위에 적어도 하나의 에피택셜 층(및 선택적으로 적어도 하나의 금속 층)을 형성한 후, 결정질 재료에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스 웨이퍼 분할 공정은 디바이스 형성 후에 기판 재료를 연삭할 필요성을 상당히 감소시킴으로써 결정질 재료의 수율을 증가시키는(및 낭비를 감소시키는) 점에서 특히 유리하다.
도 37a 내지 도 37o는 디바이스 웨이퍼 분할 공정의 단계를 예시하는 개략적인 단면도로서, 이에 따라 두꺼운 웨이퍼가 결정질 재료로부터 파단되고, 적어도 하나의 에피택셜 층이 두꺼운 웨이퍼 상에 성장되고, 두꺼운 웨이퍼가 파단되어 각각 캐리어 및 두꺼운 웨이퍼로부터 분할된 얇은 웨이퍼를 포함하는 제1 및 제2 접합된 어셈블리를 형성하며, 제1 접합된 어셈블리는 작동하는 반도체 기반 디바이스의 일부로서 적어도 하나의 에피택셜 층을 포함한다.
도 37a는 제1 표면(241) 및 제1 표면에 대해 깊이에 배열된 표면 아래 레이저 손상(243)을 갖는 결정질 재료 기판(240)을 예시한다. 도 37b는 제1 표면(241) 위에 접착 물질(244)를 추가한 후의 도 37a의 기판(240을 도시한다. 도 37c는 접착 물질(244)를 사용하여 기판(240)에 강성 캐리어(246)를 결합한 후의 도 37b에 도시된 아이템들을 도시한다. 도 37d는 (예를 들어, 본 명세서에 개시된 하나 이상의 방법을 사용하여) 표면 아래 레이저 손상(243)을 따라 기판(240)을 파단한 후의, 도 37d의 아이템들을 도시하며, 파단으로 접합된 어셈블리로부터 분리된 기판(240)의 나머지 부분을 생성하며, 접합된 어셈블리는 캐리어(246), 접착 물질(244), 및 기판(240)으로부터 제거된 결정질 재료 부분(예를 들어 두꺼운 웨이퍼)를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 두꺼운 웨이퍼(242)는 대략 350 내지 750마이크론 범위의 두께를 가질 수 있다. 두꺼운 웨이퍼(242)의 노출된 표면(243A, 243B) 및 기판(240)의 나머지 부분은 각각 연삭, CMP, 연마 등과 같은 표면 처리 단계에 의해 감소될 수 있는 표면 불규칙성을 나타낼 수 있다. 도 37e는 캐리어(246)로부터의 탈결합(debonding) 및 제거 후의 두꺼운 웨이퍼(242)를 도시하며, 두꺼운 웨이퍼(242)는 수직 가장자리 프로파일을 포함한다. 웨이퍼의 수직 가장자리는 쉽게 파손되어 웨이퍼를 취급하는 동안 허용되지 않는 가장자리 칩과 입자를 생성한다. 파손 위험을 줄이기 위해, 웨이퍼 가장자리는 가장자리 연삭되어 경사지거나 둥근 가장자리를 갖는 비수직 웨이퍼 가장자리를 생성할 수 있다. 도 37f는 두꺼운 웨이퍼(242)에 둥근 가장자리 프로파일(247)을 부여하도록 구성된 오목 절단 표면(249A)(예를 들어, 다이아몬드 입자로 함침된)을 갖는 회전 프로파일 연삭 공구(249)에 근접한 턴테이블의 대향하는 상부 및 하부 그립 부분(248A, 248B) 사이에 지지된 두꺼운 웨이퍼(242)를 도시한다. 도 37g는 가장자리 연삭(또한 가장자리 프로파일로도 알려짐) 후의 두꺼운 웨이퍼(242)를 도시하며, 두꺼운 웨이퍼는 제1 및 제2 웨이퍼 표면(251, 252) 사이의 경계를 제공하는 둥근 가장자리(247)를 포함한다.
도 37h는 두꺼운 웨이퍼(242)의 제1 표면(251) 상에 또는 위에 하나 이상의 에피택셜 층(253)이 증착된 후의 도 37g의 두꺼운 웨이퍼(242)를 도시한다. 에피택시 고유의 고온과 접착제와의 비호환성으로 인해, 도 37d에 도시된 캐리어는 존재하지 않는다. 도 37i는 에피택셜 층(253) 위에 전도성(예를 들어, 금속) 접촉부(254)를 형성하여 적어도 하나의 작동 반도체 디바이스를 형성한 후의 도 37h의 구조를 도시하며, 두꺼운 웨이퍼(242)는 여전히 둥근 가장자리(247)를 갖는다. 통상적으로, 연삭은 두꺼운 웨이퍼(242)를 얇게 하기 위해 두꺼운 웨이퍼(242)의 제2 표면(252) 상에서 수행되며, 형성될 디바이스에 대해 적절한 두께로 연삭된다(예를 들어, 쇼트키 다이오드 또는 MOSFET의 경우 100 내지 200마이크론). 여기에 개시된 접근 방식은 웨이퍼 연삭의 필요성을 감소시켰고, 대신에 두꺼운 웨이퍼의 일부를 제거하기 위해 레이저 및 캐리어 보조 분리를 활용하여 표면 처리되고 또 다른 작동 반도체 디바이스를 제조하는 데 사용될 수 있다.
본 발명자들은 둥근 프로파일이 레이저 초점 및 깊이 제어에 부정적인 영향을 미치기 때문에 두꺼운 웨이퍼(242)의 둥근 가장자리(247)의 존재가 가장자리(247)에 근접한 표면 아래 레이저 손상의 제어된 형성을 억제한다는 것을 발견했다. 이 문제를 해결하기 위해, 두꺼운 웨이퍼(242)의 둥근 가장자리(247)는 추가 레이저 처리 전에 제거될 수 있다. 도 37j는 장자리 연삭기(256)로 둥근 가장자리(247)를 연삭하고 두꺼운 웨이퍼(242)의 제1 및 제2 표면(251, 252) 사이에서 연장되는 실질적으로 수직인 가장자리(255)를 부여하는 연삭을 받는 도 37i의 구조를 도시하며, 에피택셜 층(253) 및 접촉부(254)가 제1 표면(251) 위에 배열되어 있다.
도 37k는 제1 캐리어를 수용하고 접착하기 위한 준비로, 두꺼운 웨이퍼(242)의 제1 표면(251), 에피택셜층(253), 및 접촉부(254) 위에 일시적인 접착 물질(257)을 첨가한 후의 도 37j의 구조를 도시한다. 도 37l은 일시적인 접착 물질(257) 위에 제1 캐리어(258)를 둔 후에 그리고 두꺼운 웨이퍼(242)의 제2 표면(252)을 통해 집중된 레이저 방사의 충돌에 의해 두꺼운 웨이퍼(242) 내에 표면 아래 레이저 손상(259)이 형성된 후의 도 37k의 구조를 도시한다. 도 37m은 표면 아래 레이저 손상(259)에 근접한 두꺼운 웨이퍼(242)의 제2 표면(252)에 강성 제2 캐리어(260)를 접합한 후의 37l의 구조를 도시한다. 분리를 위해, 강성 제2 캐리어(260)는 두꺼운 웨이퍼(242)의 일부(즉, 층)을 제거하기 위해 전방측 캐리어로 작용할 것이다.
어떤 실시예들에서, 레이저 방사는 독립형 디바이스 두꺼운 웨이퍼에 적용될 수 있고, 제1 및 제2 캐리어는 실질적으로 동시에 두꺼운 웨이퍼의 전면 및 후면에 접합될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 접착 물질은 전면 및 후면 중 하나 또는 둘 모두에 대해 캐리어 또는 웨이퍼 상에 적용될 수 있다.
도 37n은 제1 및 제2 접합된 서브어셈블리(262A, 262B)를 생성하기 위해 표면 아래 레이저 손상(259)을 따라 두꺼운 웨이퍼(242)를 파단하기 위해 본 명세서에 개시된 바와 같은 적어도 하나의 파단 공정이 적용된 후의 도 37m의 아이템을 보여준다. 제1 접합된 서브어셈블리(262A)는 (도 37m의 두꺼운 웨이퍼(242)로부터 분리된) 제1 얇은 웨이퍼 부분(242A), 에피택셜 층(253), 접촉부(254), 임시 접착 물질, 및 제1 캐리어(258)를 포함한다. 제2 접합된 서브어셈블리(262B)는 (도 37m의 두꺼운 웨이퍼(242)로부터 분리된) 제2 얇은 웨이퍼 부분(242B) 및 제2 캐리어(260)를 포함한다. 얇은 웨이퍼 부분(242A, 242B)의 노출된 표면(259A, 259B)은 레이저 손상 및/또는 파단으로 인해 표면 불규칙성을 나타낼 수 있으며 이는 기존의 표면 처리 단계(예: 연삭, CMP 및/또는 연마)에 의해 감소될 수 있다. 도 37o는 임시 접착 물질(257) 및 제1 캐리어(258)의 제거에 의해 제1 접합된 서브어셈블리(262A)로부터 유도된 작동 반도체 디바이스(264)를 도시한다. 이 도면은 또한 추가 공정(예를 들어 에피택셜 성장)을 위한 제2 얇은 웨이퍼 부분(242b)을 준비하기 위해 제2 캐리어(260)의 제거 후의 제2 얇은 웨이퍼 부분(242B)을 도시한다.
캐리어 웨이퍼의 재사용을 포함한 예시적인 방법(Exemplary Method Including Re-use of Carrier Wafers)
도 38은 본 개시내용에 따른 방법의 단계들을 개략적으로 예시하는 흐름도이다. 좌측 상단에서 시작하여, 레이저(266)는 두꺼운 결정질 재료 기판(270)(예를 들어, SiC 잉곳)의 제1 표면(272) 아래에 레이저 방사를 집중시켜 표면 아래 레이저 손상 영역(268)을 생성할 수 있다. 이어 캐리어 웨이퍼(274)가 결정질 재료 기판(270)의 제1 표면(272)에 결합될 수 있고, 이때 캐리어 웨이퍼(274)는 제1 표면(276)(기판(270)의 제1 표면(272)에 근접함) 및 제1 표면(276) 반대측의 제2 표면(278)을 포함한다. 캐리어 웨이퍼(274)와 결정질 재료 기판(270) 사이의 이러한 접합은 접착제 접합 또는 양극 접합과 같은 본 명세서에 개시된 임의의 방법에 의해 수행될 수 있다. 결정질 재료 기판과 캐리어 사이의 양극 결합에 관한 세부 사항은 미국 특허 출원 공개 번호 2016/0189954에 개시되어 있으며, 이러한 공개의 내용은 모든 목적을 위해 여기에 참조로 포함된다. 그 후, 본 명세서에 개시된 바와 같은 파단 프로세스(예를 들어, CTE 불일치 캐리어 냉각, 초음파 에너지 인가, 및/또는 기계적 힘 인가)가 표면 아래 레이저 손상 영역(268)을 따라 결정질 재료(270)를 파단시켜, 결정질 재료 기판의 나머지 부분(270A)에서 분리가 되는, 캐리어 웨이퍼(274)에 접합된 결정질 재료 부분(280)를 생성한다. 잔류 레이저 손상을 갖는 결정질 재료 기판의 나머지 부분(270A)의 새롭게 노출된 표면(282A)은 매끄럽게 연삭되고 세정되고, 프로세스의 시작 부분(도 38의 좌측 상단)으로 복귀된다. 또한, 제거된 결정질 재료(280)의 새롭게 노출된 표면(284)은 캐리어(274)에 부착되는 동안 매끄럽게 연삭된다. 또한 캐리어(274)에 접착된 상태에서 제거된 결정질 재료(280)의 새로이 노출된 표면(284)도 매끄럽게 연삭된다. 그런 다음, 캐리어 웨이퍼(274)는 제거된 결정질 재료(280) 부분으로부터 분리되고, 결정질 재료(280)에 대해 에피택셜 디바이스(280')를 형성하기 위해 하나 이상의 층의 에피택셜 성장 공정을 수행하며, 반면 캐리어 웨이퍼(274)는 세정되어 공정의 시작 부분(도 38의 좌측 상단)으로 복귀하여 결정질 재료(270)의 또 다른 상대적으로 얇은 섹션의 제거를 효과적으로 수행한다.
도 39는 도 38의 결정질 재료 기판(예를 들어, SiC 잉곳)(270)의 일부의 개략적인 단면도로서, 예상되는 커프 손실 재료 영역(290)을 식별하는 파선이 표시된 표면 아래 레이저 손상(268)이 도시되어 있다. 예상된 커프 손실 재료 영역(290)은, 레이저 손상(268)과, 기판(270)으로부터 분리될 결정질 재료 부분(280)(예를 들어 SiC 웨이퍼)의 하면(288)(예를 들어 Si- 종결된 면)으로부터 (예를 들어 연삭 및 연마에 의해) 기계적으로 제거될 물질(284)과, 기판(270)의 나머지 부분(270A)의 상면(282A)(예를 들어 C- 종결된 면)으로부터 (예를 들어 연삭 및 연마에 의해) 기계적으로 제거될 물질(286)을 포함한다. 결정질 재료 부분(280)의 하면(288)은 그의 상면(272)과 반대측에 있다. 어떤 실시예들에서, 전체 커프 손실 재료 영역은 추가 처리에 충분한 기판 상면(282A) 및 웨이퍼 하면(288)을 제공하기 위해 SiC에 대해 80-120마이크론 범위의 두께를 가질 수 있다.
다중의 연삭 스테이션/단계를 통한 재료 처리(Material Processing with Multiple Grinding Stations/Steps)
어떤 실시예들에서, 레이저 가공 및 파단을 거친 결정질 재료는 표면 아래 손상을 제거하고 경사진 또는 둥근 가장자리 프로파일을 제공하기 위해 다중의 표면 연삭 단계로 추가 처리될 수 있으며, 여기서 연삭 단계들의 순서는 선택되고 및/또는 표면 보호 코팅이 적용되어 추가 표면 손상 가능성을 줄이고 화학적 기계적 평탄화를 위해 결정질 재료 웨이퍼가 준비되도록 한다. 이러한 단계들은 예를 들어 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 재료 처리 장치들을 사용하여 수행될 수 있으며, 여기서 예시적인 장치는 레이저 처리 스테이션, 파단 스테이션, 파단 스테이션의 하류에 평행하게 배열된 다중의 거친 연삭 스테이션, 및 거친 연삭 스테이션의 하류에 배열된 적어도 하나의 미세 연삭 스테이션을 포함한다. 와이어 톱질로 절단된 웨이퍼를 가공할 때 와이어 톱질 표면 손상을 제거하기 위해 표면 연삭 또는 연마 전에 가장자리 연삭을 수행하는 것이 일반적이다. 그러나, 파단 손상과 조합된 레이저 손상을 갖는 기판 부분(예를 들어, 웨이퍼)의 가장자리 연삭이 기판 부분을 균열할 가능성이 증가한다는 것을 발명자들이 발견하였다. 이 현상에 대한 이유에 대해 특정 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 가장자리 연삭이 적어도 일부 표면 처리(연삭 및/또는 연마) 전에 수행되면, 표면 파단으로 인해 노출된 균열 평면이 표면들이 균열될 가능성을 높이는 것으로 보인다. 이러한 이유로, 가장자리 연삭 전에 적어도 일부 표면 처리(예: 연삭 및/또는 연삭)를 수행하는 것이 유익한 것으로 밝혀졌다.
거친 연삭 단계들(즉, 벌크 기판 및 기판 부분의 파단된 표면들을 따라 레이저 손상 및 파단 손상을 제거하기 위해)는 레이저 가공 및 파단의 이전 단계들보다 완료하는 데 훨씬 더 오래 걸리고 후속하는 미세 연삭의 단계들보다는 보다 훨씬 더 긴 경향이 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 이유로 벌크 결정질 재료(예: 잉곳)에서 여러 웨이퍼를 제조할 때 병목 현상을 제거하기 위해 여러 개의 거친 연삭 스테이션이 병렬로 제공된다. 어떤 실시예들에서, 로봇 핸들러는 기판 부분의 로딩 및 언로딩을 제어하기 위해 다수의 거친 연삭 스테이션의 상류 및 하류에 배열될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 캐리어 접합 스테이션은 레이저 처리 스테이션과 파단 스테이션 사이에 제공될 수 있고, 캐리어 제거 스테이션은 가장자리 연삭 스테이션의 상류에(직접적으로 또는 간접적으로) 제공될 수 있다. 캐리어는, 특히 얇은 기판 부분(예를 들어, 웨이퍼)에 대한 파손 가능성을 줄이기 위해 적어도 일부 표면 연삭 단계 동안 기판 부분에 결합된 상태로 유지되는 것이 바람직할 수 있으며; 그러나, 캐리어는 바람직하게는 가장자리 연삭 전에(또는 가장자리 연삭에 앞서 보호 코팅으로 웨이퍼를 코팅하기 전에) 제거된다.
어떤 실시예들에서, 캐리어 접합 스테이션은 임시 접합 매체로 사전 코팅된 캐리어를 사용하고, 캐리어를 기판 표면에 정렬 및 가압하고, 접합 매체에 필요한 조건(예: 열 및 압력)을 적용하여 캐리어와 기판 사이의 결합을 수행한다. 대안적으로, 캐리어 접합 스테이션은 요구에 따라 캐리어 또는 기판을 코팅하는데 사용될 수 있는 코팅 스테이션을 포함할 수 있다.
도 40은 레이저 처리 스테이션(302), 캐리어 접합 스테이션(303), 재료 파단 스테이션(304), 병렬로 배열된 다수의 거친 연삭 스테이션(308A, 308B), 미세 연삭 스테이션(312), 캐리어 제거 스테이션(313), CMP 스테이션(314)를 포함하는, 일 실시예에 따른 재료 처리 장치(300)를 개략적으로 도시한다. 레이저 처리 스테이션(302)은 적어도 하나의 레이저, 결정질 재료(예: 잉곳)에서 표면 아래 레이저 손상의 형성을 위한 적어도 하나의 레이저 빔을 받도록 마련된 적어도 하나의 기판을 위한 홀더를 포함한다. 캐리어 접합 스테이션(303)은 (표면 아래 레이저 손상을 갖는) 결정질 재료를 적어도 하나의 강성 캐리어에 접합하도록 구성된다. 파단 스테이션(304)은 캐리어 접합 스테이션(303)으로부터 하나 이상의 어셈블리(각각 강성 캐리어에 본딩된 기판을 포함함)를 수용하고, 기판 부분(캐리어에 결합된 웨이퍼와 유사할 수 있음)을 제거하기 위해 표면 아래 레이저 손상 영역을 따라 적어도 하나의 기판을 파단하도록 마련된다. 제1 및 제2 거친 연삭 스테이션(308A, 308B)은 파단 스테이션(304)의 하류에 평행하게 배열되고, 제1 로봇 핸들러(306)는 파단 스테이션(304)으로부터 받은 기판 부분(접합된 어셈블리의 일부로서)을 교대로 제1 거친 연삭 스테이션(308A) 또는 제2 거친 연삭 스테이션(308B)로 전달하도록 제공된다. 제1 및 제2 거친 연삭 스테이션(308A, 308B)의 하류에 제2 로봇 핸들러(310)이 제공되어 거친 기판 부분(접합된 어셈블리의 일부로서)을 미세 연삭 스테이션(312)로 전달한다. 캐리어 제거 스테이션(313)은 미세 연삭 스테이션(312)의 하류에 제공되고, 캐리어로부터 연삭된 기판 부분을 분리하는 역할을 한다. 화학적 기계적 평탄화(CMP) 스테이션(314)은 세정 및 에피택셜 성장과 같은 추가 처리를 위해 기판 부분을 준비하기 위해 캐리어 제거 스테이션(313)의 하류에 배열된다. CMP 스테이션(314)은 미세 연삭 후 남은 손상을 제거하는 기능을 하며, 이는 자체적으로 거친 연삭 후 남은 손상을 제거한다. 어떤 실시예들에서, 각각의 거친 연삭 스테이션(308A, 308B)은 5000그릿 미만의 연삭 표면을 갖는 적어도 하나의 연삭 휠을 포함하고, 미세 연삭 스테이션(312)은 적어도 5000그릿의 연삭 표면을 갖는 하나 이상의 연삭 휠을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 각각의 거친 연삭 스테이션(308A, 308B)은 결정질 재료 부분(예를 들어, 웨이퍼)으로부터 20마이크론 내지 100마이크론 두께의 결정질 재료를 제거하도록 구성되고, 미세 연마 스테이션(312)은 3~15마이크론 두께의 결정질 재료를 제거하도록 구성된다. 어떤 실시예들에서, 각각의 거친 연삭 스테이션(308A, 308B) 및/또는 미세 연삭 스테이션(312)은 다중 연삭 서브스테이션을 포함할 수 있으며, 여기서 상이한 서브스테이션은 상이한 그릿의 그라인딩 휠을 포함한다.
도 40에 따른 장치(40)는 웨이퍼와 같은 결정질 기판 부분에 둥글거나 경사진 에지 프로파일을 부여하기 위해 에지 연삭을 수용하도록 수정될 수 있다. 그러한 에지 프로파일은 웨이퍼 에지의 파손 위험을 감소시킬 것이다. 기판 부분이 캐리어에 접합될 때 가장자리 연삭이 수행되지 않을 수 있다. 따라서, 캐리어 제거 스테이션은 가장자리 연삭 스테이션의 상류에(직접적으로 또는 간접적으로) 배열될 수 있다.
도 41은 도 40과 유사한 일 실시예에 따른 재료 처리 장치(320)로서 가장자리 연삭 스테이션(332)을 포함한다. 재료 처리 장치(320)는 레이저 처리 스테이션(322), 캐리어 접합 스테이션(323), 재료 파단 스테이션(324), 제1 로봇 핸들러(326), 병렬로 배열된 다중의 거친 연삭 스테이션(328A, 328B), 제2 로봇 핸들러(328), 캐리어 제거 스테이션(331), 가장자리 연삭 스테이션(332), 미세 연삭 스테이션(334), 및 CMP 스테이션(336)을 포함한다. 예시적인 가장자리 연삭 스테이션(332)은 오목한 표면을 갖는 회전 연삭 공구에 근접하게 배열된 턴테이블의 상부 및 하부 그립 부분 사이에서 웨이퍼를 그립하도록 마련될 수 있다(도 37f에 도시된 바와 같이). 이 같은 방식으로 웨이퍼를 잡는 것은 웨이퍼 표면(예를 들어, SiC 웨이퍼의 Si-종결 표면)에 바람직하지 않은 손상을 줄 수 있다. 이러한 이유로, 도 41에 도시된 가장자리 연삭 스테이션(332)이 미세 연삭 스테이션(334)의 상류에 배치되어, 가장자리 연삭 스테이션(332)에 의한 표면 손상이 미세 연삭 스테이션(334)에서 제거되도록 한다. 미세 연삭 스테이션(334)이 웨이퍼의 작은 두께를 제거할 수 있지만 그에 의해 가장자리 연삭 스테이션(332)에 의해 생성된 둥글거나 비스듬한 가장자리 프로파일을 변경함으로써, 충분한 정도의 둥글거나 비스듬한 가장자리 프로파일이 남아서 웨이퍼 가장자리의 파손을 억제할 것이다.
도 41에 따른 장치(320)는 표면 손상이 있는 제1 표면을 포함하는 결정질 재료 웨이퍼를 처리하기 위한 방법을 수행하는 데 사용될 수 있으며, 제1 표면은 가장자리에 의해 경계가 지워진다. 이 방법은 표면 손상의 제1 부분을 제거하기 위해 적어도 하나의 제1 연삭 장치로 제1 표면을 연삭하는 단계; 적어도 하나의 제1 연삭 장치로 제1 표면을 연삭한 후, 가장자리를 연삭하여 비스듬하거나 둥근 가장자리 프로파일을 형성하는 단계; 및 가장자리 연삭 후에, 화학적 기계적 평탄화에 의한 추가 처리에 적합한 제1 표면을 제공하기에 충분하도록 표면 손상의 제2 부분을 제거하기 위해 적어도 하나의 제2 연삭 장치로 제1 표면을 연삭하는 단계를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 제1 연삭 장치는 거친 연삭 스테이션(328A, 328B)에서 구현될 수 있고, 가장자리 연삭은 가장자리 연삭 스테이션(332)에 의해 수행될 수 있고, 제2 연삭 장치는 미세 연삭 스테이션(312)에서 구현될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 캐리어 제거 단계는 적어도 하나의 제1 연삭 장치로 제1 표면을 연삭한 후, 그리고 가장자리를 연삭하여 경사진 또는 둥근 가장자리 프로파일을 형성하기 전에 수행될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 보호 표면 코팅은 가장자리 연삭 동안 추가적인 표면 손상을 줄 가능성을 감소시키고 결정질 재료 웨이퍼를 화학적 기계적 평탄화를 위해 준비되도록 하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 표면 코팅은 포토레지스트 또는 임의의 다른 적절한 코팅 재료를 포함할 수 있고, 가장자리 연삭 전에 적용될 수 있고, 가장자리 연삭 후에 제거될 수 있다.
도 42는 도 40과 유사한 일 실시예에 따른 재료 처리 장치(340)의 개략도이며 미세 연삭 스테이션(352)과 가장자리 연삭 스테이션(356) 사이에 표면 코팅 스테이션(354)를 포함하고, 가장자리 연삭 스테이션(356)과 CMP 스테이션(360) 사이에 코팅 제거 스테이션(358)을 포함한다. 재료 처리 장치(340)는 또한 레이저 처리 스테이션(342), 재료 파단 스테이션(344), 제1 로봇 핸들러(346), 병렬로 배열된 다수의 거친 연삭 스테이션(348A, 348B), 미세 연삭 스테이션(352)의 상류에 있는 제2 로봇 핸들러(348)를 포함한다. 코팅 스테이션(354)은 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 등과 같은 방법에 의해 보호 코팅(예를 들어, 포토레지스트)을 적용하도록 구성된다. 보호 코팅은 가장자리 연삭 스테이션(365)에 의해 부여될 수 있는 손상을 흡수하기에 충분한 두께와 견고성을 가져야 한다. SiC 웨이퍼의 경우, Si-종료된 표면은 보호 코팅으로 코팅될 수 있는데, Si-종결된 표면이 전형적으로 에피택셜 성장이 수행되는 표면이기 때문이다. 코팅 제거 스테이션(358)은 화학적, 열적, 및/또는 기계적 수단에 의해 코팅을 벗겨내도록 구성될 수 있다.
도 42에 따른 장치(340)는 표면 손상이 있는 제1 표면을 포함하는 결정질 재료 웨이퍼를 처리하기 위한 방법을 수행하는 데 사용될 수 있으며, 제1 표면은 가장자리에 의해 경계가 지정된다. 이 방법은 표면 손상의 제1 부분을 제거하기 위해 적어도 하나의 제1 연삭 장치(예를 들어, 거친 연삭 스테이션(348A, 348B))로 제1 표면을 연삭하는 단계; 그 후, 제1 표면을 화학적 기계적 평탄화에 의한 추가 처리에 적합하게 만들기에 충분하도록 표면 손상의 제2 부분을 제거하기 위해 적어도 하나의 제2 연삭 장치(예를 들어, 미세 연삭 스테이션(352))로 제1 표면을 연삭하는 단계; 그 후에 (예를 들어, 표면 코팅 스테이션(354)을 사용하여) 제1 표면 상에 보호 코팅을 형성하는 단계; 그 후 가장자리를 연삭하여 비스듬하거나 둥근 가장자리 프로파일을 형성하는 단계(예를 들어, 가장자리 연삭 스테이션(356)을 사용하여); 그리고 그 후에 (예를 들어, 코팅 제거 스테이션을 사용하여) 제1 표면으로부터 보호 코팅을 제거하는 단계를 포함한다. 제1 표면은 그 후 화학적 기계적 평탄화(예를 들어, CMP 스테이션(360)에 의해)에 의해 처리될 수 있고, 이에 의해 제1 표면(예를 들어, 웨이퍼의 Si 종단 표면)은 표면 세정 및 에피택셜 성장과 같은 후속 처리를 위한 상태가 된다.
어떤 실시예들에서, 파지 장치(gripping apparatus)는 단면이 표면 아래 손상의 형성을 위해 레이저로 처리될 수 있도록, 그 측벽에 수직이 아닌 단부면(end face)을 갖는 잉곳을 유지하기 위해 구성될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 파지 이펙터(gripping effector)는 위에서 볼 때 둥근 단부면을 갖는 경사진 측벽에 부합할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 파지 이펙터는 경사진 측벽에 들어맞도록 하는 조인트를 포함할 수 있다.
도 43a는 일 실시예에 따른 측벽(370)에 수직이 아닌 단부면(366, 368)을 갖는 잉곳(364)을 유지하기 위한 제1 파지 장치(362)의 개략적인 측단면도이다. 상단면(366)은 레이저 빔(376)을 수용하도록 수평으로 배열된다. 하단면(368)은 거기에 부착된 캐리어(372)를 구비하며, 척(374)(예를 들어 진공 척)은 캐리어(372)를 유지한다. 수직이 아닌 면을 갖는 파지 이펙터(378)는 잉곳(364)의 측벽(370)을 파지하기 위해 제공되며, 파지 이펙터(378)는 수평 작동 로드(380)에 대해 수직이 아닌 각도(A1, A2)로 배열된다. 파지 장치(362)를 사용하여 도시된 바와 같이 잉곳(364)을 유지하게 되면(잉곳의 바닥 부분에 근접하게), 본 명세서에 개시된 방법을 사용하여 측벽(370)의 상부 단부면(366) 및 상부 부분들을 처리할 수 있다
도 43b는 일 실시예에 따른 측벽(370')에 측벽(370')에 수직이 아닌 단부면(366', 368')을 갖는 잉곳(364')을 유지하기 위한 제2 파지 장치(362')의 개략적인 측단면도이다. 상단면(366')은 레이저 빔(376)을 받도록 수평으로 배열되는 반면, 하단면(368')은 그에 부착된 캐리어(372')를 가질 수 있고, 캐리어(372')는 척(374')에 의해 유지된다. 비수직 면을 갖는 파지 이펙터(378')는 잉곳(364')의 측벽(370')을 파지하도록 제공되며, 파지 이펙터(378')는 수평 작동 로드(380')에 대해 수직이 아닌 각도(A1, A2)로 배열된다. 회전 가능한 조인트(382')는 작동 로드(380')와 그리핑 이펙터(378') 사이에 제공되어, 그리핑 이펙터(378')와 잉곳(364')의 측벽(370') 사이의 자동 정렬을 용이하게 한다.
일 예에서, 10mm 초과의 두께를 갖는 150mm 직경의 단결정 SiC 기판(잉곳)은 355마이크론의 두께를 갖는 SiC 웨이퍼의 생산을 위한 출발 물질로서 사용된다. 레이저 방사는 SiC 기판의 C 말단 상부면을 통해 충돌하여 표면 아래 레이저 손상을 형성한다. 본 명세서에 개시된 열가소성 접착재를 이용하여 SiC 기판의 상면에 사파이어 캐리어를 접합하고, 열에 의한 파단을 수행하여 SiC의 상부(웨이퍼) 부분을 잉곳의 나머지 부분으로부터 분리시킨다. 분리된 웨이퍼 부분의 Si 종단면과 나머지 잉곳의 C 종단면 모두 2000그릿 연삭 휠(예: 금속, 유리질 또는 수지 결합형 연삭 휠)을 사용하여 거칠게 연삭하여 눈에 보이는 레이저 및 파단 손상을 모두 제거한다. 그 후, 분리된 웨이퍼 부분의 Si 종단면과 나머지 잉곳의 C 종단면 모두 7000 이상의 그릿(예: 최대 30,000 그릿 또는 그 이상)으로 미세 연삭(예: 유리질 연삭 표면 사용)하여 더 부드러운 표면, 바람직하게는 4 nm 미만의 평균 거칠기(Ra), 더 바람직하게는 1-2 nm Ra의 범위의 거칠기의 부드러운 표면을 생성한다. 나머지 잉곳에서는 후속 레이저 가공에 영향을 미치지 않도록 매끄러운 표면이 필요하다. 웨이퍼는 CMP 준비가 되어 있어야 하고 필요한 CMP 제거량을 최소화하기에 충분한 평활도를 가져야 하는데, CMP는 일반적으로 비용이 더 많이 드는 공정이기 때문이다. 미세 분쇄 공정 중에 전형적인 재료 제거는 거친 연삭 인한 모든 잔류 표면 아래 손상과 남아 있는 레이저 손상(눈에 보이는 것과 보이지 않는 것 모두)을 제거하기 위해 5~10마이크론의 두께 범위에 있을 수 있다. 그 후, 나머지 잉곳은 추가 처리를 위해 레이저로 반환되고 웨이퍼는 가장자리 연삭되고 에피택셜 성장을 위한 준비를 위해 화학적 기계적 평탄화(CMP)가 수행된다. 미세 연삭 Si 면이 긁힐 위험을 피하기 위해 거친 표면 연삭과 미세 표면 연삭 사이에 가장자리 연삭을 수행할 수 있다. CMP 중 재료 제거는 약 2 마이크론의 두께 범위에 있을 수 있다. 기판(잉곳)에서 소비되는 총 재료는 475마이크론 미만일 수 있다. 최종 웨이퍼 두께가 355마이크론일 때, 커프 손실은 120마이크론 미만이다.
레이저 출력 및 결정 변동에 의해 영향을 받는 웨이퍼 간 두께의 변동성(Variability in Wafer-to-Wafer Thickness Influenced by Laser Power and Crystal Variation)
본 명세서에서 이전에 언급한 바와 같이, 시드 결정으로부터 먼 위치에서 시작하여 단면 위치들에서 점차적으로 시드 결정으로 가까이 가면서 웨이퍼들을 얻는, 파단에 의해 결정질 재료를 분할하기에 충분한 레이저 손상의 형성을 위해 점진적으로 더 높은 레이저 출력 레벨이 필요할 수 있다. 표면 아래 손상을 형성할 때 각 순차적 깊이 위치에서 높은 레이저 출력을 사용하면 불필요한 재료 손실이 수반되고, 손상 깊이와 레이저 빔 웨이스트에(laser beam waist) 대해 분해에 도달하는 지점 모두의 가변성으로 인해 웨이퍼 간 두께 확산이 크게 증가한다. 이러한 개념은 도 44 내지 도 45를 참조하여 이해될 수 있다.
도 44는 입사 수평 빔(400)을 렌즈(404)로 전파 방향으로 포커싱하여 위치(406)에서 렌즈(404)의 초점 길이(focal length)(f)에 대응하는 위치(406)에서 최소 폭(Wf)을 갖는 빔 웨이스트 패턴(beam waist pattern)을 갖는 나가는 빔(outgoing beam)(402)을 형성하는, 종래의 레이저 집속 장치의 개략적인 측단면도이다. 이 위치(406)의 하류(downstream)에서 빔 폭은 더 넓은 영역(408)으로 넓어진다. 도 45는 결정질 재료 내로 지향될 수 있고 빔 웨이스트 패턴(렌즈의 초점 길이에 대응하는 위치(406)에서 최소 폭을 가짐)을 나타내는 수직으로 배향된 집속된 레이저 빔(402)의 개략적인 측단면도로서, 빔 폭은 더 넓은 영역(408)으로 갈수록 넓어진다. 집속된 레이저 빔(402)이 결정질 재료(예를 들어, SiC 잉곳과 같은 기판) 내로 향할 때, 결정질 재료는 다른 임계점들(threshold points)(즉 다른 깊이들)에서 열적으로 분해될 것이며 임계점들은 레이저 출력, 결정질 재료에 의한 방사선 흡수 정도(기판 내의 깊이(그리고 폭) 위치에 따라 변할 수 있는 도펀트 및/또는 결정 결함의 존재 여부에 따라 영향을 받을 수 있음) 및 수직 위치에 따라 달라지는 초점의 정도에 의존한다. 3개의 상이한 분해 임계점(410A-410C)이 도 45에 도시되어 있다.
본원에 개시된 방법 및 장치는 기판 내의 균열되지 않은 영역을 검출하기 위해 표면 아래 레이저 손상을 갖는 결정질 재료 기판의 상부 표면을 이미징하고, 기판 내의 균열되지 않은 영역의 존재를 나타내는 조건을 식별하는 하나 이상의 이미지를 분석하고, 분석에 응해 하나 이상의 조치를 취하는 것(예: 적절한 조건에 도달한 경우)을 포함한다. 이러한 조치들은 동일한 깊이 위치에서 추가 레이저 통과를 수행하고 및/또는 후속 깊이 위치들에서 표면 아래 레이저 손상을 생성하기 위한 명령 세트를 변경하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방법 및 장치는 불필요한 재료 손실 없이 균일한 두께의 기판 부분의 생산을 용이하게 한다.
도 46a-46c는 각각 3개의 SiC 잉곳에서 파생된 웨이퍼(즉, 1에서 55까지의 순차 웨이퍼 식별(ID) 번호)에 대한 레이저 전력 대 순차적 웨이퍼 식별의 플롯을 제공하며, 여기서 각 경우에 시드 결정에 가까울수록 웨이퍼 ID 번호가 증가한다. (즉, 슬라이스(slice) 1은 시드 결정에서 가장 멀리 있음). 도 46a는 제1 SiC 잉곳에 대한 결과를 보여주며 여기서, 제1 웨이퍼 그룹(411A)은 약 3.75W의 레이저 전력 레벨에서 표면 아래 레이저 손상이 형성된 후 파단되었고, 제2 웨이퍼 그룹(412A)은 약 4W의 레이저 전력 레벨에서 표면 아래 레이저 손상이 형성된후 파단되었고, 제3 웨이퍼 그룹(413A)은 약 4.25W의 레이저 전력 레벨에서 표면 아래 레이저 손상이 형성된후 파단되었고, 제4 웨이퍼 그룹(414A)은 약 4.5W의 레이저 전력 레벨에서 표면 아래 레이저 손상이 형성된후 파단되었고, 제5 웨이퍼 그룹(415A)은 약 4.6W의 레이저 전력 레벨에서 표면 아래 레이저 손상이 형성된 후 파단되었다. 도 46b는 제2 SiC 잉곳에 대한 결과를 보여주며 여기서, 제1 웨이퍼 그룹(411B)은 약 3.2W 미만의 레이저 전력 레벨에서 표면 아래 레이저 손상이 형성된 후 파단되었고, 제2 웨이퍼 그룹(412B)은 약 3.4W의 레이저 전력 레벨에서 표면 아래 레이저 손상이 형성된 후 파단되었고, 제3 내지 제5 웨이퍼 그룹(413B-415B)은 각각 마지막보다 약 0.25W 높은 레이저 전력 레벨에서 표면 아래 레이저 손상이 형성된 후 파단되었다. 도 46c는, 서로 다른 웨이퍼 그룹들(411C-420C) 중에서 약 4W 내지 5.5W의 범위의 레이저 출력 레벨에서의 웨이퍼 그룹들(411C-420C)에 따라, 단일 SiC 잉곳으로부터 (표면 아래 레이저 손상 형성 후 파단에 의해) 분리된 55개의 웨이퍼를 성공적으로 형성하는데 10개의 서로 다른 레이저 출력 레벨이 필요했음을 보여준다. 도 46a 내지 도 46c는 따라서 레이저 보조 절단에 의해 실질적으로 동일한 두께의 다중 웨이퍼를 형성하기 위해, 각 잉곳 내에서 뿐만 아니라 잉곳 사이에서도 레이저 전력 요구사항의 상당한 변화를 보여준다.
도 47은 약 50개의 SiC 잉곳으로부터 생성된 잉곳당 웨이퍼 50개에 대한 저항률(Ohm-cm) 대 슬라이스 수의 플롯으로, 중첩된 다항식 적합(superimposed polynomial fit)이 슬라이스 수에 따라 저항률이 감소함을 보여준다. 각각의 경우에 증가하는 슬라이스 번호는 잉곳이 에피택셜 성장된 시드 결정에 증가하는 근접성을 나타내며, 슬라이스 1은 시드 결정에서 가장 먼 잉곳의 상단을 나타낸다. 저항 범위는 잉곳마다 크게 다르지만 시드 결정에 근접할수록 저항은 각 잉곳 전체에서 일관되게 감소한다. 도 47의 y축의 비저항 값 범위는 N형 SiC와 일치한다. 저항률의 감소는 도핑의 증가 및 레이저 흡수의 증가에 해당한다.
도 48은 중첩된 다항식 적합이 있는 약 50개의 SiC 잉곳에서 생산된 웨이퍼에 대한 저항 대 레이저 출력(와트)의 플롯이며, 레이저 출력은 본 명세서에 개시된 방법에 의해 (표면 아래 레이저 손상 형성 후 파단으로) 분리된 성공적인 레이저 보조 절단을 달성하는 데 필요한 값을 나타낸다. 도 48은 레이저 출력 요구사항이 잉곳마다 크게 다르지만 성공적인 분할을 달성하는 데 필요한 레이저 출력 레벨은 잉곳의 저항 수준이 증가함에 따라 감소한다는 것을 보여준다.
확산 광원 및 이미징 디바이스를 포함하는 장치(Apparatus Including Diffuse Light Source and Imaging Device )
어떤 실시예들에서, 재료 처리 장치는 결정질 재료의 기판을 처리하여 그 안에 표면 아래 레이저 손상을 형성하도록 구성된 레이저 처리 스테이션을 포함하며, 레이저 처리 스테이션은 결정질 재료의 내부에 균열되지 않은 영역들의 존재를 나타내는 조건의 검출을 허용하도록 구성된 조명 디바이스 및 이미징 디바이스를 포함한다. (잉곳으로부터 유도된 제1 웨이퍼와 같은 기판의 제1 감소된 두께 부분의 형성을 위해) 제1 평균 깊이 위치에서 추가적인 레이저 기판 손상이 필요할 때 및/또는 (잉곳에서 파생된 후속 웨이퍼들과 같은 기판의 후속 감소된 두께 부분들의 형성을 위해) 후속 평균 깊이 위치들에서 레이저 손상을 형성하기 위해 추가적인 레이저 출력이 필요할 때를 결정하기 위해 균열되지 않은 영역들을 가시적인 지시자(visible indicator)로 사용하여, 안정적이고 반복적인 레이저 분리 공정이, 불필요한 커프 손실을 피하면서 웨이퍼 두께 분포의 균일성 측면에서 제공될 수 있다. 레이저 초점 깊이 위치들에서 약간의 변화(예를 들어 일반적으로 10마이크론 이하)가 기판의 동일한 감소된 두께 부분을 형성하기 위한 표면 아래 레이저 손상 형성 경로들 사이에 및/또는 단일 레이저 손상 형성 경로 내에서(예를 들어, 도핑 링과 같은 증가된 도핑 영역의 존재를 다루기 위해) 사용될 수 있기 때문에, 이러한 맥락에서 "평균 깊이 위치"라는 용어가 사용된다.
바람직하게는, 조명 디바이스 및 이미징 디바이스는 기판이 레이저 처리 척에 의해 유지되는 동안 기판 표면의 이미징(이미지 생성)을 허용하도록 배치된다. 이러한 기능을 통해, 기판을 제거하여 레이저 처리 척에 재장착할 필요없이, 파단 전에 추가 레이저 처리가 필요한지를 신속하게 평가하기 위해 기판을 검사(예를 들어 자동화된 방식으로 이미지화 및 분석)할 수 있다. 레이저 처리 스테이션이 있는 동안 기판을 그 자리에서 검사(in situ inspection)하면 가동 중지 시간을 방지하여 레이저 가공 공구 활용도를 높이고, 레이저 절단 공정 처리량을 향상시킬 수 있다. 어떤 실시예들에서, 레이저가 기판 표면의 조명 또는 이미징을 차단 하지 않고 이미징이 수행될 수 있도록 레이저 처리 척에 의해 유지된 기판으로부터 레이저가 멀리 이동될 수 있다.
도 49a 및 49b는 레이저 처리 스테이션(425) 내의 결정질 재료 기판(430)에 근접하게 배열된 이미징 디바이스(imaging device)(442) 및 확산 광원(diffuse light source)(438)의 개략적인 측단면도 및 평면도를 각각 제공한다. 도 49a에 도시된 바와 같이, 결정질 재료 기판(430)은 상부 표면(433) 및 상부 표면(433) 아래의 기판(430) 내부 내에 배열된 표면 아래 레이저 손상(434)을 포함한다. 표면 아래 레이저 손상(434)은 기판이 육방정계 결정 구조를 갖는 경우 <> 방향에 평행한 방향으로 불규칙적인 톱니 패턴을 대략 닮을 수 있다. 기판(430)은 중심축(436)을 포함한다. 확산 광원(438)은 중심축(436)에 대해 제1 방향(437A)으로 측방향으로 위치되고, 이미징 디바이스(442)는 중심축(436)에 대해 제1 방향에 반대되는 제2 방향(437B)으로 측방향으로 위치된다. 확산 광원(438) 및 이미징 디바이스(442) 모두는 기판(430)의 상부 표면(433)에 대해 위쪽에 위치될 수 있다. 또한, 확산 광원(438)은 기판(430)의 제1 측(431)에 마련될 수 있고, 이미징 디바이스(442)는 그 반대하는 제2 측(432)에 마련될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 확산 광원(438)의 발광 표면과 이미징 디바이스(442)의 수광 표면 사이에서 정의 가능한 각도(선택적으로 확산 광원(438)을 빠져나가는 빔(440)과 이미징 디바이스(442)에 의해 수신된 입사광 빔(444) 사이의 각도)는 약 100도 내지 170도의 범위일 수 있다. 어떤 실시예들에서, 확산 광원(438)은 임의의 적합한 하나 이상의 발광 디바이스(예를 들어, 발광 다이오드)를 포함할 수 있고, 확산기(diffuser)가 발광 디바이스(들)과, 확산 광원(438)을 나가는 광 빔(440) 사이에 마련될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 이미징 디바이스(442)는 선택적으로 어레이로 배열된, 하나 이상의 전하 결합 소자(CCD) 또는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 이미지 센서를 포함할 수 있다.
도 49b는 도 49a에 도시된 것과 동일한 요소의 평면도를 제공한다. 기판(430)은 <> 방향(도 49a에 도시)에 실질적으로 평행한 주 플랫(435)(도 49b)을 포함할 수 있다. 본 발명자들은 기판(430)에 대한 확산 광원(438) 및 이미징 디바이스(442)의 배향이 표면 아래 레이저 손상의 이미징을 돕는 데 중요하다는 것을 발견했다. 어떤 실시예들에서, 기판(430)의 상부 표면(433)을 통해 균열되지 않은 영역들의 가시성을 향상시키기 위해, 광원은 기판(430)의 주 플랫(435)에 실질적으로 수직 및/또는 기판(430)의 육각형 결정 구조의 <> 방향의 수직에 대해 ±5도 이내로 위치될 수 있다.
도 50a은 도 49a 및 도 49b에 도시된 것과 유사한 장치로 기판 아래 손상 및 이미지 처리된 결정질 SiC 기판(450)의 상부 표면의 이미지이다. 도 50a의 기판(450)은 (원본 이미지에서) 상이한 색상의 3개의 영역(451-453) 및 기판(450) 내의 균열되지 않은 영역들에 대응하는 불규칙한 형태의 어두운 영역들(456)을 포함한다. 원본 이미지에서 최외각의 대략 환형 영역(451)(주 플랫(455) 포함)은 주로 녹색이고, 대략적으로 중간인 환형 영역(annular region)(452)은 주로 빨간색이고, 대략적으로 중앙인 대략 원형 영역(453)은 주로 금색이다. 중앙 영역(453) 내에서, 불규칙한 형태의 흑색 영역(456)이 보인다. 흑색 영역(456)은 기판(450)의 상부 표면 아래의 표면 아래 레이저 손상을 따라 균열되지 않은 영역의 존재에 상응한다. 상이한 영역(451-453)의 상이한 색상(녹색, 적색 및 금색)은 균열 손상의 정도에 상응하는 것으로 믿어진다. 어떤 실시예들에서, 본원에 개시된 방법은 상이한 정도의 균열 손상을 갖는 영역을 식별하기 위해 이미지의 적어도 하나의 특성을 분석하고, (제1 웨이퍼와 같은 기판의 제1 감소된 부분을 형성하기 위한) 동일한 (예를 들어 제1 ) 평균 깊이 위치에 보충 표면 아래 레이저 손상의 형성을 위해 및/또는 (제2 웨이퍼 및 후속 웨이퍼와 같이 제2 및 후속의 기판의 감소된 두께 부분들을 형성하기 위한) 다른 (예를 들어 제2 또는 후속) 평균 깊이 위치들에 후속 표면 아래 레이저 손상의 형성을 위해, 하나 이상의 레이저 손상 형성 파라미터(예를 들어, 레이저 출력, 레이저 초점 깊이, 레이저 펄스 지속시간, 및/또는 레이저 손상 형성 경로들의 수 등)을 조정하는 것을 포함하며, 기판 내의 수직(깊이) 위치 및/또는 수평 위치에 따라 변할 수 있는 기판 특성에서의 차이를 해결한다.
비록 도 49a-49b는 기판의 대향 측면을 따라 배열된 확산 광원(438) 및 이미징 디바이스(442)의 사용을 예시하고 있지만, 어떤 실시예들에서 다른 구성 및/또는 유형의 광원 및 이미징 디바이스가 사용될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 기판의 상부 표면의 하나 이상의 부분(또는 전체)은, 광학 현미경, 공초점 현미경, 주사 전자 현미경 및/또는 투과 전자 현미경과 같은 적어도 하나의 현미경으로, 기판과 현미경을 상대적으로 이동시키면서, 주사될 수 있다.
도 50b는 도 50a의 기판(450)의 상부 표면의 상이하게 착색된 영역(451-453)들 사이의 경계들에 실질적으로 대응하는, 점선 영역들(451A-453A)(최외곽 영역(453A은 주 플랫(455A)을 포함함) 내에서 도 50a의 불규칙한 형상의 어두운 영역(456)을 보여주는 기판 표현(450A)의 개략도이다. 어떤 실시예들에서, 어두운 영역(456)을 제외하고 모든 영역은 어두운 영역(456)의 하나 이상의 영역(면적) 특성의 분석을 용이하게 하기 위해 캡처된 이미지에서 제거될 수 있다.
도 50c는 도 50a-50c에 도시된 불규칙한 형상의 어두운 영역(456)의 확대도로서, 연속적인 어두운 영역들은 개별적으로 456A-456D로 참조번호가 매겨지고 개별 영역(456A-456D) 주위에 직사각형 상자가 추가되었다. 각각의 어두운 영역(456A-456D)은 L1-L4 및 W1-W4에 대응하는 최대 길이 및 최대 폭을 갖는다. 어떤 실시예들에서, 기판의 이미지의 분석은 결정질 재료의 내부에 균열되지 않은 영역들(예를 들어, 어떤 실시예들에서 어두운 영역 및/또는 흑색 영역)의 존재를 나타내는 조건의 식별, 및 내부에 있는 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역 특성(top area property)(또는 적어도 하나의 상부 영역 특성)의 정량화(quantification)를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 정량화된 상부 영역(면적) 특성은 모든 균열되지 않은 영역의 면적의 총합을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 정량화된 상부 영역 특성은, 각각의 연속적인 균열되지 않은 영역의 상부 영역의 정량화 및/또는 연속적인 균열되지 않은 영역들의 최대 길이 및 폭 치수의 정량화 및/또는 연속적인 균열되지 않은 영역들의 길이/폭 비율의 식별과 함께, 임의의 연속적인 균열되지 않은 영역들의 개별적인 식별을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 길이 및 폭은 결정학적 방향 및/또는 기판의 주 플랫에 대해 설정될 수 있다(예를 들어, 주 플랫에 수직인 길이 및 주 플랫에 평행한 폭). 본 발명자들은 주어진 면적의 큰 연속적인 균열되지 않은 영역의 존재가 면적의 합이 동일한 다수의 불연속 균열되지 않은 영역들의 존재보다 더 쉽게 파단 억제한다는 것을 발견하였다. 추가적으로, 본 발명자들은 연속적인 균열되지 않은 영역들의 배향 및/또는 종횡비가 파단 억제에 영향을 미칠 수 있음을 발견하였다. 균열되지 않은 영역을 나타내는 작은 국부적 검은색 영역들은 일반적으로 파단에 의한 분리를 방해하지 않지만 검은색 영역의 크기가 증가함에 따라(특히 주 플랫에 일반적으로 수직 및/도는 레이저 손상 라인들에 일반적으로 수직인 폭 방향으로), 이러한 영역들은 후속 평균 깊이 위치들에서 레이저 손상을 형성할 때, 레이저 전력을 증가시킬 수 있고 및/또는 동일한 평균 깊이 위치에서 또 다른 레이저 손상 형성 경로를 추가할 필요성을 식별할 수 있다. (예를 들어, 주 플랫에 수직인 방향으로) 큰 길이를 갖는 균열되지 않은 영역들은 큰 폭을 갖는 균열되지 않는 영역들보다 파단 억제 문제가 덜할 수 있다.
도 51은 레이저(465), 일 실시예에 따른, 레이저 처리 스테이션(459)을 포함하는 재료 처리 장치(458)를 개략적으로 도시하며, 이 레이저 처리 스테이션(459)은, 레이저(456), 기판(460)과 레이저(456) 사이의 상대적인 이동을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 전환 스테이지(translation stage)(466)(예를 들어 바람직하게는 x-y-z 전환 스테이지), 기판(460)의 상부 표면(463)을 조명하도록 구성된 확산 광원(468), 그리고 기판(460)의 상부 표면(463)의 적어도 하나의 이미지를 생성하도록 구성된 이미징 디바이스(472)를 포함한다. 기판(460)은 레이저 공구 척(laser tool chuck)을 포함할 수 있는 지지대(464) 위에 마련된다. 재료 처리 장치(458) 내의 다양한 아이템들은 관련 메모리(476)를 갖는 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스(474)와 전기적으로 통신한다. 컴퓨팅 디바이스(474)는 확산 광원(468), 이미징 디바이스(472), 레이저(465) 및 전환 스테이지(들)(466)의 동작을 제어할 수 있다. 메모리(476)는 개별 기판 기반으로 사용 및 수정될 수 있는 기판-특정 명령 세트(예를 들어, 제조 레시피)를 추가로 저장할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(474) 및 메모리(476)는, 기판 내부에 균열되지 않은 영역들의 존재를 나타내는 조건을 식별하기 위한 기판 이미지 분석, 균열되지 않은 영역들의 하나 이상의 상부 영역 특성의 정량화, 및 상부 영역 특성을 하나 이상의 미리 결정된 임계 영역 특성과 비교하는 것을 포함하여(이들에 제한되는 것은 아님), 본 명세서에 개시된 다양한 단계들을 수행하는데 사용될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(474)는 이미지를 분석하고 상이한 색상 영역들의 존재(예를 들어, 흑색 또는 어두운 점들의 존재 제외)를 검출하고, 분석에 응해서 레이저 면(fact) 오염을 보상하기 위해 레이저(465)의 동작을 조정하는 데 추가로 사용될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(474)는 기판의 상이한 영역들에서 상이한 도핑 조건들의 존재를 검출하고 이에 응답하여 레이저 전력 전달을 변경하기 위해 추가로 사용될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 결정질 재료의 불균일한 도핑을 나타내는 조건의 검출에 응답하여, 제1 도핑 영역에 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제1 평균 전력 레벨의 레이저 방사를 제공하고 제2 도핑 영역에 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제2 평균 전력 레벨의 레이저 방사를 제공하도록, 표면 아래 레이저 손상의 형성 동안 레이저 전력이 변경될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 평균 전력 레벨은 서로 상이하다.
이미징, 비교 및 레이저/전력 조정을 포함한 방법(Methods Including Imaging, Comparison, and Lasering / Power Adjustment)
도 52는 결정질 재료 제1 처리 방법에서의 단계들을 설명하는 흐름도(480)로서, 전반적으로 이 방법은 표면 아래 레이저 손상을 갖는 기판의 상부 표면의 이미지를 생성하는 단계, 하나 이상의 균열되지 않은 영역을 나타내는 조건의 존재를 식별하기 위해 이미지를 분석하는 단계, 균열되지 않은 영역의 하나 이상의 특성을 제1 및 제2 임계값고 비교하는 단계, 비교에 응해 조치를 취하는 단계(즉, (A) 선택적으로 하나 이상의 레이저 파라미터의 조정과 함께, 보충 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해 실질적으로 동일한 깊이 위치에서 추가 레이저 경로를 수행하고 및/또는 (B) 제2 및 후속 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 하나 이상의 레이저 매개변수를 조정). 이 방법은 블록(482)에서 시작된다. 블록(484)으로 진행하여, 제1 단계는 기판의 상부 표면 아래의 제1 (또는 새로운) 깊이 위치를 따라 (여기에 개시된 바와 같이 적어도 하나의 실질적으로 평행한 라인을 선택적으로 포함하는) 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 결정질 재료 기판에 표면 아래 레이저 손상을 형성하는 것을 포함하며, 여기서, 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 결정질 재료의 내부에서 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴으로부터 바깥쪽으로 전파하는 적어도 하나의 복수의 균열의 형성을 촉진하도록 구성된다. 블록(486)으로 진행하면, 제2 단계는 기판의 상부 표면의 적어도 하나의 이미지를 생성하는 것을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 이미지 생성 단계는 기판의 제1 측에 배열된 확산 광원으로 상부 표면을 조명하고(바람직하게는 기판의 주 플랫에 대해 실질적으로 수직으로 배열되고 및/또는 육방정계 결정구조의 <> 방향의 수직에 대해 ±5도 이내에 배열), 제1 측에 대향하는 기판의 제2 측에 배치된 이미징 디바이스로 적어도 하나의 이미지를 촬상함을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 여기에 개시된 하나 이상의 대안적 또는 추가적인 이미징 방법이 사용될 수 있다.
블록(488)로 진행하면, 추가 단계는 결정질 재료의 내부에 균열되지 않은 영역(예를 들어, 어떤 실시예들에서 어두운 영역 및/또는 검은색 영역)의 존재를 나타내는 조건을 식별하기 위해 적어도 하나의 이미지를 분석하는 것을 포함한다. 선택적으로, 내부의 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 적어도 하나의 상부 영역(면적) 특성이 정량화될 수 있으며, 여기서 정량화된 상부 영역 특성은 선택적으로 모든 균열되지 않은 영역들의 상부 면적 총합을 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 정량화된 상부 영역 특성은 각각의 연속적인 균열되지 않은 영역의 상부 영역의 정량화 및/또는 연속적인 균열되지 않은 영역들의 최대 길이 및 폭 치수의 정량화 및/또는 연속적인 균열되지 않은 영역들의 길이/폭 비율의 식별과 함께, 임의의 연속적인 균열되지 않은 영역들의 개별적인 식별을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 길이 및 폭은 결정학적 방향 및/또는 기판의 주 플랫에 대해 설정될 수 있다(예를 들어, 주 플랫에 수직인 길이 및 주 플랫에 평행한 폭). 본 발명자들은 주어진 면적의 큰 연속적인 균열되지 않은 영역의 존재가 면적의 합이 동일한 다수의 불연속 균열되지 않은 영역들의 존재보다 더 쉽게 파단 억제한다는 것을 발견하였다. 추가적으로, 본 발명자들은 연속적인 균열되지 않은 영역들의 배향 및/또는 종횡비가 파단 억제에 영향을 미칠 수 있음을 발견하였다. 균열되지 않은 영역을 나타내는 작은 국부적 검은색 영역들은 일반적으로 파단에 의한 분리를 방해하지 않지만 검은색 영역의 크기가 증가함에 따라(특히 주 플랫에 일반적으로 수직 및/도는 레이저 손상 라인들에 일반적으로 수직인 폭 방향으로), 이러한 영역들은 후속 평균 깊이 위치들에서 레이저 손상을 형성할 때, 레이저 전력을 증가시킬 수 있고 및/또는 동일한 평균 깊이 위치에서 또 다른 레이저 손상 형성 경로를 추가할 필요성을 식별할 수 있다. (예를 들어, 주 플랫에 수직인 방향으로) 큰 길이를 갖는 균열되지 않은 영역들은 큰 폭을 갖는 균열되지 않는 영역들보다 파단 억제 문제가 덜할 수 있다.
결정 블록(490)으로 진행하여, 균열되지 않은 영역(들)의 하나 이상의 특성(선택적으로 적어도 하나의 정량화된 상부 영역 특성을 포함)은 적어도 하나의 미리 결정된 제1 임계값과 비교된다. 제1 임계값은 (반드시 제한되는 것은 아니지만) 연속적인 균열되지 않은 영역 상부 면적 임계값, 균열되지 않은 상부 면적 총계 임계값, 최대 균열되지 않은 영역 너비(폭) 임계값, 최대 길이/폭 종횡비 임계값 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 균열되지 않은 영역(들)의 적어도 하나의 특성이 적어도 하나의 미리 결정된 제1 임계값을 초과하지 않으면, 이 방법은 블록 498로 진행하고, 이에 따라 기판은 일반적으로 두께에 있어 제1 평균 깊이 위치에 대응하는, 기판의 제1 감소된 두께 부분(예를 들어, 잉곳으로부터의 제1 웨이퍼)을 생성하기 위한 파단 스테이션으로 이송된다. 반대로 균열되지 않은 영역(들)의 적어도 하나의 특성이 적어도 하나의 미리 결정된 제1 임계값을 초과하는 경우, 이 방법은 블록(492)으로 진행하고, 이에 따라 기판과 관련된 명령어 세트(예를 들어, 제조 레시피)가 (예를 들어 잉곳으로부터 제2 웨이퍼 및 후속 웨이퍼와 같이 기판의 적어도 하나의 추가 감소된 두께 부분의 형성을 위해) 기판에서 제2 평균 깊이 위치 및 임의의 후속 평균 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상 패턴을 생성할 때 표면 아래 레이저 손상의 형성을 위한 적어도 하나의 레이저 매개변수를 점진적으로 조정함으로써 수정된다. 조정될 수 있는 레이저 매개변수는 레이저 전력, 레이저 초점 깊이, 레이저 경로의 수, 레이저 경로간 간격, 레이저 펄스 폭 등 중 임의의 하나 이상을 포함한다. 레이저 전력의 변경을 포함하는 어떤 실시예들에서 명령 세트는 평균 레이저 전력을 0.10 내지 0.50와트, 또는 0.15 내지 0.35와트, 또는 0.20 내지 0.30와트 범위의 값, 또는 약 0.25와트 값만큼 증가하도록 변경된다. 제2 및 후속 평균 깊이 위치에서의 후속 레이저 손상의 형성을 위한 하나 이상의 레이저 파라미터의 조정은 반드시 이전에 확립된 제1 평균 깊이 위치에서의 추가 손상의 형성으로 이어지는 것은 아니다. 파단을 촉진하기 위해 제1 평균 깊이 위치에서 추가적인 레이저 손상이 필요한지 여부에 대한 결정은 결정 블록(494)에서 수행될 수 있다.
결정 블록(494)은 균열되지 않은 영역(들)의 하나 이상의 특성(선택적으로 적어도 하나의 정량화된 상부 영역 특성을 포함)을 적어도 하나의 미리 결정된 제2 임계값과 비교하는 단계를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 미리 결정된 제2 임계값은 미리 결정된 제1 임계값보다 더 크다. 제2 임계값은 (반드시 제한되는 것은 아니지만) 연속적인 균열되지 않은 영역 상부 면적 임계값, 균열되지 않은 상부 면적 총계 임계값, 최대 균열되지 않은 영역 너비(폭) 임계값, 최대 길이/폭 종횡비 임계값 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 균열되지 않은 영역(들)의 적어도 하나의 특성이 적어도 하나의 미리 결정된 제2 임계값을 초과하지 않으면, 이 방법은 블록(498)로 진행하고, 이에 따라 기판은 파단 스테이션으로 이동하는데, 왜냐하면 추가적인 레이저 손상이 제1 평균 깊이 위치를 따라 기판의 파단을 지원하기 위해 필요하지 않기 때문이다. 반대로 균열되지 않은 영역(들)의 적어도 하나의 특성이 적어도 하나의 미리 결정된 제2 임계값을 초과하는 경우, 이 방법은 블록(496)으로 진행하고, 이에 따라 제1 평균 깊이 위치를 따라 추가적인 표면 아래 레이저 손상이 형성된다. 어떤 실시예들에서, 이것은 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 보충하고 보충된 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴으로부터 외측으로 전파하는 결정질 재료의 내부에 추가 균열들의 형성을 촉진하기 위해서, 적어도 균열되지 않은 영역(들)에서 그러나 선택적으로 전체 기판 위에서 기판의 내부 내에 집속된 레이저의 방사를 제공하면서 기판과 레이저 간의 상대 운동을 수반한다. 이 같은 보충 표면 아래 레이저 손상의 형성 후에, 이 방법은 블록(498)로 진행하며, 이에 따라 기판은 파단 스테이션으로 이송된다.
블록(500)으로 진행하여, 어떤 실시예들에서 캐리어는 결합된 어셈블리를 형성하기 위해 파단 스테이션에서 기판에 결합될 수 있다. 그 후, 블록(502)에 따르면, 결정질 재료는 기판의 나머지 부분으로부터 접합된 어셈블리(캐리어 및 기판의 제거된 부분 포함)를 분리하기 위해 제1 깊이 위치를 따라 파단되며, 이러한 단계는 기판의 새로운 상부를 노출시키는 역할을 한다. 그 후, 블록(504)에 따라, 블록(484)에 따른 또 다른 표면 아래 레이저 손상 단계의 수행을 가능하게 하기 위해 기판은 레이저 처리 스테이션으로 복귀될 수 있다(선택적으로 새로이 노출된 기판 표면의 연삭 및/또는 연마와 같은 표면 처리 후에). 블록(492)에 따라 평균 레이저 전력을 증가시키도록 기판과 관련된 명령어 세트가 수정된 경우, 수정된 명령어 세트는 블록(484)에 설명된 단계의 수행을 위해 표면 아래 손상의 형성에 사용될 것이다. 이 수정된 명령어 세트는 바람직하게 메모리에 저장되고 특정 기판과 연관된다(예를 들어, 기판 내에서 표면 아래 레이저 손상의 형성을 위한 파라미터 및 기판 식별자를 포함하는 관계형 데이터베이스의 기록으로 저장된다). 이러한 방식으로, 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 기판별 레시피가 유지되고 동적으로 업데이트될 수 있다.
블록(502)에서 기판으로부터 접합된 어셈블리를 파단한 후, 접합된 어셈블리는 캐리어에 부착된 기판 부분을 변경하기 위해 (블록(506)에 따라) 하나 이상의 표면 처리 스테이션으로 이송될 수 있다. 수행될 수 있는 표면 처리 단계의 예는 각각 블록(508, 510, 512, 514)에 따른 거친 연삭, 가장자리 연삭, 미세 연삭 및 세정을 포함한다. 그 후, 처리된 기판 부분은 에피택셜 성장을 위해 준비될 수 있다.
도 53은 결정질 재료 제2 처리 방법에서의 단계들을 설명하는 흐름도(520)로서, 이 방법은 표면 아래 레이저 손상을 갖는 기판의 상부 표면의 이미지를 생성하는 단계, 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역(면적) 특성을 정량화하기 위해 이미지를 분석하는 단계, 상부 영역 특성을 제1 및 제2 임계값 영역 특성과 비교하는 단계, 기판으로부터 기판 부분들(예를 들어 웨이퍼들)의 생성 신뢰성을 향상시키기 위해 비교에 응해 조치(즉, 동일한 깊이 위치에서 추가 레이저 경로를 수행하고 및/또는 후속 깊이 위치들에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 레이저 전력을 조정)를 취하는 단계를 포함한다. 이 방법은 블록(522)에서 시작된다. 블록(524)로 진행하여, 제1 단계는 기판의 상부 표면 아래의 (새로운) 제1 깊이 위치를 따라 (선택적으로 적어도 하나의 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하여) 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 결정질 재료 기판에 표면 아래 레이저 손상을 형성하는 것을 포함하며, 여기서, 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 결정질 재료의 내부에서 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴으로부터 실질적으로 바깥쪽으로 전파하는 적어도 하나의 복수의 균열의 형성을 촉진하도록 구성된다. 블록(526)으로 진행하면, 제2 단계는 기판의 상부 표면의 적어도 하나의 이미지를 생성하는 것을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 이미지 생성 단계는 기판의 제1 측에 배열된 확산 광원으로 상부 표면을 조명하고(바람직하게는 기판의 주 플랫에 대해 실질적으로 수직으로 배열되고 및/또는 육방정계 결정구조의 <> 방향의 수직에 대해 ±5도 이내에 배열), 제1 측에 대향하는 기판의 제2 측에 배치된 이미징 디바이스로 적어도 하나의 이미지를 촬상함을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 여기에 개시된 하나 이상의 대안적 또는 추가적인 이미징 방법이 사용될 수 있다.
블록(528)로 진행하면, 추가 단계는 결정질 재료의 내부에 균열되지 않은 영역(예를 들어, 어떤 실시예들에서 어두운 영역 및/또는 검은색 영역)의 존재를 나타내는 조건을 식별하고 내부에 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역 특성(또는 적어도 하나의 상부 영역 특성)을 정량화하기 위해 적어도 하나의 이미지를 분석함을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 정량화된 상부 영역 특성은 모든 균열되지 않은 영역들의 상부 면적 총합을 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 정량화된 상부 영역 특성은, 각각의 연속적인 균열되지 않은 영역의 상부 영역의 정량화 및/또는 연속적인 균열되지 않은 영역들의 최대 길이 및 폭 치수의 정량화 및/또는 연속적인 균열되지 않은 영역들의 길이/폭 비율의 식별과 함께, 임의의 연속적인 균열되지 않은 영역들의 개별적인 식별을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 길이 및 폭은 결정학적 방향 및/또는 기판의 주 플랫에 대해 설정될 수 있다(예를 들어, 주 플랫에 수직인 길이 및 주 플랫에 평행한 폭).
결정 블록(530)으로 진행하여, 적어도 하나의 정량화된 상부 영역 특성이 적어도 하나의 미리 결정된 제1 영역(또는 면적 특성) 임계값과 비교된다. 제1 임계값은, 연속적인 균열되지 않은 영역 상부 면적 임계값, 균열되지 않은 상부 면적 총계 임계값, 최대 균열되지 않은 영역 너비(폭) 임계값, 최대 길이/폭 종횡비 임계값 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 정량화된 상부 영역 특성이 적어도 하나의 미리 결정된 제1 임계 영역 특성을 초과하지 않으면, 이 방법은 블록(538)로 진행하고, 이에 따라 기판은 파단 스테이션으로 이송된다. 반대로 적어도 하나의 정량화된 상부 영역 특성이 적어도 하나의 미리 결정된 제1 임계영역 특성을 초과하는 경우, 이 방법은 블록(532)으로 진행하고, 이에 따라 기판과 관련된 명령어 세트(예를 들어, 제조 레시피)가 기판에서 제2 평균 깊이 위치 및 임의의 후속 평균 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상 패턴을 생성할 때 표면 아래 레이저 손상의 형성을 위한 평균 레이저 전력을 점진적으로 증가시킴으로써 수정된다. 추가로 혹은 대안으로서 조정될 수 있는 레이저 매개변수는 레이저 초점 깊이, 레이저 경로의 수, 레이저 경로간 간격, 레이저 펄스 폭 등 중 임의의 하나 이상을 포함한다. 레이저 전력의 변경을 포함하는 어떤 실시예들에서 명령 세트는 평균 레이저 전력을 0.10 내지 0.50와트, 또는 0.15 내지 0.35와트, 또는 0.20 내지 0.30와트 범위의 값, 또는 약 0.25와트 값만큼 증가하도록 변경된다. 제2 및 후속 평균 깊이 위치에서의 후속 레이저 손상의 형성을 위한 레이저 전력의 점진적 증가는 반드시 이전에 확립된 제1 평균 깊이 위치에서의 추가 손상의 형성으로 이어지는 것은 아니다. 파단을 촉진하기 위해 추가적인 레이저 손상이 필요한지 여부에 대한 결정은 결정 블록(534)에서 수행된다.
결정 블록(534)은 적어도 하나의 정량화된 상부 영역 특성을 적어도 하나의 미리 결정된 제2 임계 영역 특성과 비교하는 단계를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 미리 결정된 제2 임계 영역 특성은 미리 결정된 제1 임계값보다 더 크다. 제2 임계 영역 특성은 연속적인 균열되지 않은 영역 상부 면적 임계값, 균열되지 않은 상부 면적 총계 임계값, 최대 균열되지 않은 영역 너비(폭) 임계값, 최대 길이/폭 종횡비 임계값 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 정량화된 상부 영역 특성이 적어도 하나의 미리 결정된 제2 임계 영역 특성을 초과하지 않으면, 이 방법은 블록(538)로 진행하고, 이에 따라 기판은 파단 스테이션으로 이동하는데, 왜냐하면 추가적인 레이저 손상이 제1 평균 깊이 위치를 따라 기판의 파단을 지원하기 위해 필요하지 않기 때문이다. 반대로 적어도 하나의 정량화된 상부 영역 특성이 적어도 하나의 미리 결정된 제2 임계 영역 특성을 초과하는 경우, 이 방법은 블록(536)으로 진행하고, 이에 따라 제1 평균 깊이 위치를 따라 보충 표면 아래 레이저 손상이 형성된다. 어떤 실시예들에서, 이것은 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 보충하고 보충된 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴으로부터 외측으로 전파하는 결정질 재료의 내부에 추가 균열들의 형성을 촉진하기 위해서, 제1 평균 깊이 위치 또는 그 부근에 보충 표면 아래 레이저 손상을 형성하도록 기판의 내부 내에 집속된 레이저의 방사를 제공하면서 기판과 레이저 간의 상대 운동을 수반한다. 이 같은 보충 표면 아래 레이저 손상의 형성 후에, 이 방법은 블록(538)로 진행하며, 이에 따라 기판은 파단 스테이션으로 이송된다.
블록(540)으로 진행하여, 어떤 실시예들에서 캐리어는 결합된 어셈블리를 형성하기 위해 파단 스테이션에서 기판에 결합될 수 있다. 그 후, 블록(542)에 따르면, 결정질 재료는 접합된 어셈블리(캐리어 및 기판의 제거된 부분 포함)과 기판의 나머지 부분을 분리하기 위해 제1 깊이 위치를 따라 파단되며, 이러한 단계는 기판의 새로운 상부를 노출시키는 역할을 한다. 그 후, 블록(544)에 따라, 블록(524)에 따른 또 다른 표면 아래 레이저 손상 단계의 수행을 가능하게 하기 위해 기판은 레이저 처리 스테이션으로 복귀될 수 있다(선택적으로 새로이 노출된 기판 표면의 연삭 및/또는 연마와 같은 표면 처리 후에). 블록(532)에 따라 평균 레이저 전력을 증가시키도록 기판과 관련된 명령어 세트가 수정된 경우, 수정된 명령어 세트는 블록(524)에 설명된 단계의 수행을 위해 표면 아래 손상의 형성에 사용될 것이다. 이 수정된 명령어 세트는 바람직하게 메모리에 저장되고 특정 기판과 연관되는데, 예를 들어, 기판 내에서 표면 아래 레이저 손상의 형성을 위한 파라미터 및 기판 식별자를 포함하는 관계형 데이터베이스의 기록으로 저장된다.
블록(542)에서 기판으로부터 접합된 어셈블리를 파단한 후, 접합된 어셈블리는 캐리어에 부착된 기판 부분을 변경하기 위해 (블록(546에 따라) 하나 이상의 표면 처리 스테이션으로 이송될 수 있다. 수행될 수 있는 표면 처리 단계의 예는 각각 블록(548, 550, 552, 554)에 따른 거친 연삭, 가장자리 연삭, 미세 연삭 및 세정을 포함한다. 그 후, 처리된 기판 부분은 에피택셜 성장을 위해 준비될 수 있다.
시스템 및 방법과 함께 사용할 수 있는 대표적인 컴퓨터 시스템 (Representative Computer System Useable with Systems and Methods)
도 54는 본 명세서에 개시된 시스템 또는 방법의 임의의 구성요소에 포함될 수 있는 컴퓨터 시스템(600)(선택적으로 컴퓨팅 디바이스에서 구현됨)의 일반화된 표현의 개략도이다. 이와 관련하여, 컴퓨터 시스템(600)은 컴퓨터 판독가능 매체로부터 명령들을 실행하여 이들 및/또는 본 명세서에 설명된 기능 또는 처리 중 임의의 것을 수행한다. 이와 관련하여, 도 54의 컴퓨터 시스템(600)은 지원되는 통신 서비스의 스케일링을 지원하기 위해 프로그램 가능한 디지털 신호 처리 회로들을 프로그래밍하고 구성하기 위해 실행될 수 있는 명령어 세트를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(600)은 LAN, 인트라넷, 엑스트라넷, 또는 인터넷의 다른 기계에 연결(예를 들어, 네트워크)될 수 있다. 단일 디바이스만이 예시되어 있지만, "디바이스"라는 용어는 여기서 논의된 방법론 중 임의의 하나 이상을 수행하기 위해 명령 세트(또는 명령의 다중 세트)를 개별적으로 또는 공동으로 실행하는 디바이스의 임의의 집합을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 컴퓨터 시스템(600)은 인쇄 회로 기판(PCB) 같은 전자 보드 카드(electronic board card), 서버, 개인용 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 컴퓨팅 패드, 모바일 디바이스, 또는 임의의 다른 디바이스에 포함된 회로 또는 회로들일 수 있고 예를 들어 서버 또는 사용자의 컴퓨터를 나타낼 수 있다.
이 실시예의 컴퓨터 시스템(600)은 처리 디바이스 또는 프로세서(602), 메인 메모리(604)(예를 들어, 읽기 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리, 동기식 DRAM(SDRAM)와 같은 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 등), 및 정적 메모리(606)(예를 들어, 플래시 메모리, 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM) 등)를 포함하며, 이는 데이터 버스(608)를 통해 서로 통신할 수 있다. 대안으로 처리 디바이스(602)는 메인 메모리(604) 및/또는 정적 메모리(606)에 직접 또는 일부 다른 연결 수단을 통해 연결될 수 있다. 프로세싱 디바이스(602)는 컨트롤러일 수 있고, 메인 메모리(604) 또는 정적 메모리(606)는 임의의 유형의 메모리일 수 있다.
처리 디바이스(602)는 마이크로프로세서, 중앙 처리 유닛 등과 같은 하나 이상의 범용 처리 디바이스를 나타낸다. 보다 구체적으로, 처리 디바이스(602)는 CISC(complex instruction set computing) 마이크로프로세서, RISC(reduced instruction set computing) 마이크로프로세서, VLIW(very long instruction word) 마이크로프로세서, 다른 명령어 세트를 구현하는 프로세서, 또는 명령어 셀트들의 조합을 구현하는 다른 프로세서일 수 있다. 처리 디바이스(602)는 본 명세서에서 논의된 동작(조치) 및 단계를 수행하기 위한 명령에서 처리 로직을 실행하도록 구성된다.
컴퓨터 시스템(600)은 네트워크 인터페이스 장치(610)를 더 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(600)은 또한 명령을 실행할 때 컴퓨터 시스템(600)에 전달될 입력 및 선택을 수신하도록 구성된 입력(612)을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 컴퓨터 시스템(600)은 또한 디스플레이, 비디오 디스플레이 유닛(예를 들어, 액정 디스플레이(LCD) 또는 음극선관(CRT)), 영어숫자 입력 장치(예를 들어 키보드), 및/또는 커서 제어 디바이스(예를 들어 마우스)를 포함하지만 이에 국한되지 않는 출력(614)을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
컴퓨터 시스템(600)은 컴퓨터 판독 가능 매체(618)에 저장된 명령어(616)를 포함하는 데이터 저장 디바이스를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 명령어(616)는 또한 메인 메모리(604) 내에 및/또는 컴퓨터 시스템(600)에 의해 실행되는 동안 처리 디바이스(602) 내에 완전히 또는 적어도 일부가 상주할 수 있고, 메인 메모리(604) 및 처리 디바이스(602)도 컴퓨터 판독 가능 매체를 구성한다. 명령(616)은 또한 네트워크 인터페이스 디바이스(610)를 경유하여 네트워크(620)를 통해 전송 또는 수신될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체(618)가 실시예에서 단일 매체인 것으로 도시되어 있지만, "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 명령어 세트를 저장하는, 단일 매체 또는 다중 매체(예를 들어, 중앙 집중식 또는 분산 데이터베이스, 및/또는 연관된 캐시 및 서버)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 처리 디바이스에 의한 실행을 위한 명령 세트를 저장, 인코딩 또는 전달할 수 있고 처리 디바이스가 본 명세서에 개시된 실시예들의 임의의 하나 이상의 방법을 수행하도록 하는, 임의의 매체를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서 "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 솔리드 스테이트 메모리, 광학 매체 및 자기 매체를 포함하지만 이에 국한되지 않는 것은 아니다.
여기에 공개된 실시예들은 다양한 단계를 포함한다. 본 명세서에 개시된 실시예들의 단계들은 하드웨어 구성요소에 의해 실행 또는 수행될 수 있거나, 기계 실행 가능 명령으로 구현될 수 있으며, 이는 명령으로 프로그래밍된 범용 또는 특수 목적 프로세서가 단계들 수행하도록 하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 단계들은 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 수행될 수 있다.
본 명세서에 공개된 실시예들은, 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 프로세스를 수행하기 위해, 컴퓨터 시스템(또는 기타 전자 디바이스들)을 프로그래밍하는 데 사용할 수 있는 명령이 저장된 기계 판독 가능 매체(또는 컴퓨터 판독 가능 매체)를 포함할 수 있는 컴퓨터 프로그램 제품 또는 소프트웨어로 제공될 수 있다. 기계 판독 가능 매체(machine-readable medium)는 기계(예: 컴퓨터)에 의해 판독 가능한 형태로 정보를 저장하거나 전송하기 위한 임의의 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 기계 판독 가능 매체는 기계 판독 가능 저장 매체(예를 들어, ROM, 랜덤 액세스 메모리("RAM"), 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시 메모리 장치 등); 등등을 포함한다.
달리 구체적으로 언급되지 않고 이전 논의에서 명백한 바와 같이, 설명 전반에 걸쳐 "분석", "처리", "컴퓨팅", "결정", "디스플레이" 또는 이들의 문법적 활용 형태는 컴퓨터 시스템의 레지스터 내에서 물리적(전자적) 수량으로 표현된 데이터와 메모리를 조작하고, 비슷하게 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 또는 다른 정보 저장, 전송 또는 디스플레이 디바이스 내에 물리적 수량으로 표시되는 다른 데이터로 변환하는, 컴퓨터 시스템 또는 유사한 전자 컴퓨팅 디바이스의 동작(조치) 및 프로세스를 말한다.
여기에 제시된 알고리즘 및 디스플레이는 본질적으로 특정 컴퓨터 또는 기타 장치와 관련이 없습니다. 다양한 시스템이 여기의 교시에 따라 프로그램과 함께 사용될 수 있거나, 필요한 방법 단계들을 수행하기 위해 보다 전문화된 장치를 구성하는 것이 편리할 수 있다. 이러한 다양한 시스템에 필요한 구조는 위의 설명에 나와 있다. 또한, 여기에 설명된 실시예는 임의의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 기술되는 것은 아니다. 다양한 프로그래밍 언어가 본 명세서에 설명된 바와 같은 실시예의 교시를 구현하기 위해 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
당업자는 여기에 개시된 실시예와 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록, 모듈, 회로 및 알고리즘이 메모리 또는 다른 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 명령, 전자 하드웨어로서 구현될 수 있고 프로세서 또는 다른 처리 디바이스 또는 이들의 조합에 의해 실행될 수 있음을 이해할 것이다. 여기에 설명된 시스템의 구성 요소는 예로서 임의의 회로, 하드웨어 구성 요소, 집적 회로(IC) 또는 IC 칩에 사용될 수 있다. 여기에 개시된 메모리는 임의의 유형 및 크기의 메모리일 수 있으며 원하는 임의의 유형의 정보를 저장하도록 구성될 수 있다. 이러한 호환성을 명확하게 설명하기 위해 다양한 예시적인 구성요소, 블록, 모듈, 회로 및 단계가 일반적으로 기능면에서 위에서 설명되었다. 이러한 기능이 구현되는 방식은 특정 애플리케이션, 설계 선택 및/또는 전체 시스템에 부과된 설계 제약 조건에 따라 다르다. 숙련된 기술자는 각각의 특정 애플리케이션에 대해 다양한 방식으로 설명된 기능을 구현할 수 있지만, 그러한 구현 결정이 본 실시예의 범위를 벗어나는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록, 모듈, 및 회로는 프로세서, DSP(디지털 신호 프로세서), ASIC(주문형 집적 회로), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 또는 다른 프로그램 가능 논리 장치, 이산 게이트 또는 트랜지스터 논리, 이산 하드웨어 구성요소, 또는 여기에 설명된 기능을 수행하도록 설계된 이들의 임의의 조합으로 구현 또는 수행될 수 있다. 또한, 컨트롤러는 프로세서일 수 있다. 프로세서는 마이크로프로세서일 수 있지만, 대안으로 프로세서는 임의의 기존 프로세서, 컨트롤러, 마이크로컨트롤러 또는 상태 머신일 수 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 디바이스의 조합(예를 들어, DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서, DSP 코어와 결합된 하나 이상의 마이크로프로세서, 또는 임의의 다른 그러한 구성)으로서 구현될 수 있다.
본 문서에 공개된 실시예는 하드웨어 및 하드웨어에 저장된 명령어로 구현될 수 있으며, 예를 들어 RAM, 플래시 메모리, ROM, EPROM(Electrically Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 레지스터, 하드 디스크, 이동식 디스크, CD-ROM, 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태의 컴퓨터 판독 가능 매체에 상주할 수 있다. 저장 매체는 프로세서가 저장 매체로부터 정보를 읽고 정보를 기록할 수 있도록 프로세서에 연결된다. 대안으로, 저장 매체는 프로세서에 통합될 수 있다. 프로세서 및 저장 매체는 ASIC에 상주할 수 있습니다. ASIC은 원격 스테이션에 있을 수 있다. 대안으로, 프로세서 및 저장 매체는 원격 스테이션, 기지국 또는 서버에서 개별 구성요소로 상주할 수 있다.
또한 여기의 실시예들 중 임의의 것에 설명된 작동 단계는 실시예 및 논의를 제공하기 위해 설명된다는 점에 유의해야 한다. 설명된 동작은 설명된 순서와는 다른 수많은 다른 순서로 수행될 수 있다. 또한, 단일 작업 단계에서 설명된 작업은 실제로 여러 다른 단계에서 수행될 수 있다. 추가적으로, 실시예에서 논의된 하나 이상의 동작 단계가 결합될 수 있다. 당업자는 또한 정보 및 신호가 다양한 기술 및 기법 중 임의의 것을 사용하여 표현될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 위의 설명 전체에서 참조될 수 있는 데이터, 명령어, 지시, 정보, 신호, 비트, 기호 및 칩은 전압, 전류, 전자파, 자기장, 입자, 광학 필드 또는 임의의 이들의 조합에 의해 표현될 수 있다.
달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 여기에 설명된 모든 방법은 해당 단계가 특정 순서로 수행되어야 하는 것으로 해석되지 않는다. 따라서 방법 청구항이 실제로 그 단계들이 따라야 할 순서를 언급하지 않거나 단계가 특정 순서로 제한되어야 한다고 청구범위 또는 설명에서 달리 구체적으로 언급되지 않은 경우에는 어떤 특정한 순서가 유추되어서는 안된다.
여기에 개시된 하나 이상의 임의의 실시예의 임의의 또는 그 이상의 특징 또는 특성은 본 명세서에서 반대로 구체적으로 나타내지 않는 한 다른 실시예의 특징 또는 특성과 조합될 수 있다.
당업자는 본 개시내용의 바람직한 실시예에 대한 개선 및 수정을 인식할 것이다. 이러한 모든 개선 및 수정은 여기에 개시된 개념 및 뒤따르는 청구범위 내에 있는 것이다.
Claims (45)
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- 결정질 재료의 기판을 처리하도록 구성되고, 상기 기판의 내부 내에 표면 아래 레이저 손상 영역들을 형성하도록 구성된 레이저를 포함하는, 레이저 처리 스테이션;
상기 레이저 및 상기 기판 간의 상대적인 이동이 가능하도록 구성된 적어도 하나의 전환 스테이지;
상기 기판의 제1 측면에 위치하도록 배치되고, 상기 기판의 상부 표면을 조명하도록 구성된 확산 광원;
상기 기판의 상기 제1 측면의 반대편인 제2 측면에 위치되고, 상기 기판의 상부 표면에 대한 적어도 하나의 이미지를 생성하도록 구성된 이미징 디바이스; 그리고,
상기 기판의 상기 내부에 균열되지 않은 영역들의 존재를 나타내는 조건을 식별하기 위해 상기 적어도 하나의 이미지를 분석하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스를 포함하며,
상기 컴퓨팅 디바이스에 의한 상기 분석은 상기 기판의 상기 내부에 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역 특성을 정량화 하고, 상기 상부 영역 특성을 적어도 하나의 미리 결정된 임계 영역 특성과 비교함을 포함하는,
재료 처리 장치. - 제18항에 있어서,
상기 기판은 주 플랫을 갖는 일반적으로 둥근 가장자리를 포함하고,
상기 확산 광원은 상기 기판의 상기 제1 측면에 위치하고 상기 주 플랫에 실질적으로 수직이 되도록 배치되는,
재료 처리 장치. - 제18항에 있어서,
상기 결정질 재료는 육방정계 결정 구조를 포함하고,
상기 확산 광원은 상기 기판의 상기 제1 측면에 그리고 상기 육방정계 결정 구조의 <> 방향에 수직에 대해서 ±5도 이내가 되도록 배치되는,
재료 처리 장치. - 제18항에 있어서,
상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 컴퓨팅 디바이스에 의한 상기 분석에 응해서:
(i) 상기 기판의 제1 감소된 두께 부분의 형성 목적으로, 적어도 상기 균열되지 않은 영역들에서 상기 기판의 상기 내부에 집속된 상기 레이저의 방사를 공급하면서 상기 레이저와 상기 기판 사이의 상대적인 이동을 수행하여, 상기 제1 평균 깊이 위치를 또는 그 위치에 근접한 영역을 따라 상기 균열되지 않은 영역들에 추가 균열들의 형성을 촉진하고 상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 보충하는 보충 표면 아래 레이저 손상을 형성하는 단계와,
(ii) 적어도 하나의 추가적인 기판의 감소된 두께 부분의 형성 목적으로, 상기 기판의 제2 평균 깊이 위치 및 임의의 후속 평균 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 생성할 때 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해 상기 기판과 관련된 명령 세트를 변경하는 단계 중 적어도 하나를 더 수행하도록 구성되는,
재료 처리 장치, - 제21항에 있어서,
상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 컴퓨팅 디바이스에 의한 상기 분석에 응해서 상기 단계 (i) 및 상기 단계 (ii) 둘 모두를 수행하도록 구성된,
재료 처리 장치. - 제21항에 있어서,
상기 기판의 상기 제2 평균 깊이 위치 및 후속 평균 깊이 위치에서 표면 아래 레이저 손상 패턴들을 생성할 때, 상기 단계 (ii)는 (a) 평균 레이저 출력, (b) 상기 기판의 노출된 표면에 대한 레이저 초점 깊이, 및 (c) 레이저 손상 형성 경로의 수 중 적어도 하나를 조정하는 것을 포함하는,
재료 처리 장치. - 제21항에 있어서,
상기 단계 (ii)에 따른 상기 명령 세트의 변경은 0.15 내지 0.35 와트 범위의 값만큼 평균 레이저 전력을 증가시키는 것을 포함하는,
재료 처리 장치. - 제21항에 있어서,
상기 적어도 하나의 미리 결정된 임계 영역 특성은 제1 미리 결정된 임계 영역 특성 및 제2 미리 결정된 임계 영역 특성을 포함하며, 상기 제2 미리 결정된 임계 영역 특성은 상기 제1 미리 결정된 임계 영역 특성보다 크고,
상기 컴퓨팅 다비이스는:
상기 상부 영역 특성이 적어도 상기 제1 미리 결정된 임계 영역 특성만큼 큰 경우 상기 단계 (ii)를 수행하고;
상기 상부 영역 특성이 적어도 상기 제2 소정 임계 영역 특성만큼 큰 경우 상기 (i)를 수행하도록 상기 재료 처리 장치를 제어하도록 구성되는,
재료 처리 장치. - 제21항에 있어서,
상기 기판에 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해 상기 기판과 연관된 명령 세트를 저장하도록 구성된 메모리를 더 포함하고, 상기 메모리는 컴퓨팅 디바이스가 액세스 가능한,
재료 처리 장치. - 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 처리 스테이션으로부터 상기 기판을 수용하도록 구성된 파단 스테이션을 더 포함하는,
재료 처리 장치. - 제27항에 있어서,
상기 파단 스테이션은, 각각이 상기 기판에 대해 감소된 두께를 가지나 상기 기판과 실질적으로 동일한 길이 및 폭을 갖는 제1 및 제2 결정질 재료 부분을 생성하기 위해서, 상기 표면 아래 레이저 손상 영역들 중 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 영역을 실질적으로 따라 상기 결정질 재료를 파단하도록 구성되는,
재료 처리 장치. - 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 기판의 표면의 적어도 일부에서 상기 결정질 재료의 비균일 도핑을 나타내는 조건의 존재를 검출하도록 구성되고,
상기 비균일 도핑은 제1 도핑 영역 및 제2 도핑 영역을 포함하고,
상기 결정질 재료의 비균일 도핑을 나타내는 상기 조건의 검출에 응해, 상기 컴퓨팅 디바이스는, 상기 표면 아래 레이저 손상 영역들의 형성 동안, 상기 제1 도핑 영역에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제1 출력 레벨로 레이저 방사를 제공하고 상기 제2 도핑 영역에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제2 출력 레벨로 레이저 방사를 제공하도록 레이저 출력을 변경하도록 구성되는,
재료 처리 장치. - 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 기판의 표면의 적어도 일부에서 상기 결정질 재료의 비균일 도핑을 나타내는 조건의 존재를 검출하도록 구성되고,
상기 비균일 도핑은 제1 도핑 영역 및 제2 도핑 영역을 포함하고,
상기 결정질 재료의 비균일 도핑을 나타내는 상기 조건의 검출에 응해, 상기 컴퓨팅 디바이스는, 상기 제1 도핑 영역 및 상기 제2 도핑 영역 중 하나에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 상기 기판에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 평균 깊이를 변경하도록 구성되는,
재료 처리 장치. - 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정질 재료인 상기 기판은 150mm 이상의 직경을 갖는 잉곳을 포함하는,
재료 처리 장치. - 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정질 재료인 상기 기판은 실리콘카바이드(silicon carbide)를 포함하는,
재료 처리 장치. - 결정질 재료 처리 방법으로, 상기 방법은:
적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 갖는 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위해, 기판의 결정질 재료의 내부 내의 제1 평균 깊이 위치를 따라 포커싱된 레이저의 방사를 공급하는 단계, 상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 상기 기판의 내부에서 상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴으로부터 외측으로 전파되는 적어도 하나의 복수의 크랙의 형성을 촉진하도록 구성됨;
상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 형성 한 후에, 상기 기판의 상부 표면의 적어도 하나의 이미지를 생성하는 단계;
상기 기판의 상기 내부에 균열되지 않은 영역들의 존재를 나타내는 조건을 식별하기 위해 상기 적어도 하나의 이미지를 분석하는 단계; 그리고,
상기 분석에 응해, 상기 기판의 제1 감소된 두께 부분의 형성 목적으로, 적어도 상기 균열되지 않은 영역들에서 상기 기판의 내부에 집속된 상기 레이저의 방사를 공급하면서 상기 레이저와 상기 기판 사이의 상대적인 이동을 수행하여, 상기 제1 평균 깊이 위치를 또는 그 위치에 근접한 영역을 따라 상기 균열되지 않은 영역들에 추가 균열들의 형성을 촉진하고 상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 보충하는 보충 표면 아래 레이저 손상을 형성하는 단계; 를 포함하는,
결정질 재료 처리 방법. - 제33항에 있어서,
상기 분석은 상기 기판의 내부에 하나 이상의 균열되지 않은 영역의 상부 영역 특성을 정량화 하고, 상기 상부 영역 특성을 적어도 하나의 미리 결정된 임계 영역 특성과 비교함을 포함을 포함하는,
결정질 재료 처리 방법. - 제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 기판은 주 플랫을 갖는 일반적으로 둥근 가장자리를 포함하고,
상기 적어도 하나의 이미지를 생성하는 단계는 (a) 상기 기판의 제1 측면에 배열되고 상기 주 플랫에 대해 실질적으로 수직으로 배열된 확산 광원에 의해 생성된 확산 광으로 상기 상부 표면을 조명하고, 그리고 (b) 상기 제1 측면의 반대편인 상기 기판의 제2 측면에 배열된 이미징 디바이스로 상기 적어도 하나의 이미지를 캡처함을 포함하는,
결정질 재료 처리 방법. - 제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 결정질 재료는 육방정계 결정 구조를 포함하고;
상기 적어도 하나의 이미지를 생성하는 단계는 (a) 상기 기판의 제1 측면에 배열되고 <> 방향에 수직에 대해 ±5도 이내에 배열된 확산 광원에 의해 생성된 확산 광으로 상기 상부 표면을 조명하고; (b) 상기 제1 측면의 반대편인 상기 기판의 제2 측면에 배치된 이미징 디바이스로 상기 적어도 하나의 이미지를 캡처함을 포함하는,
결정질 재료 처리 방법. - 제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 및 상기 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 후에 형성되는 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하고;
상기 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하고 상기 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하며;
상기 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들은 상기 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인들의 라인들 사이사이에 배치되고; 그리고,
상기 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 적어도 일부 라인은 상기 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 임의의 라인과 교차하지 않는,
결정질 재료 처리 방법. - 제37항에 있어서,
상기 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 각각의 라인은 상기 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 인접한 라인들의 상이한 쌍 사이에 배열되는,
결정질 재료 처리 방법. - 제37항에 있어서,
상기 결정질 재료는 육방정계 결정 구조를 포함하고;
상기 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 각각의 라인 및 상기 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 각각의 라인은 상기 육방정계 결정 구조의 <> 방향에 수직에 대해서 ±5도 이내이고 실질적으로 상기 기판의 표면에 평행한,
결정질 재료 처리 방법. - 제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 및 상기 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴 후에 형성되는 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴을 포함하고;
상기 적어도 하나의 복수의 실질적으로 평행한 라인은 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인 및 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인을 포함하고;
상기 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들은 상기 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들과 평행하지 않고;
상기 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들의 각도 방향은 상기 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들의 각도 방향과 10도 이하만큼 상이하고;
상기 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 적어도 일부 라인은 상기 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 임의의 라인과 교차하지 않는,
결정질 재료 처리 방법. - 제40항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴은 상기 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴 후에 형성되는 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴을 더 포함하고;
상기 적어도 하나의 복수의 실질적으로 평행한 라인은 제3 복수의 실질적으로 평행한 라인을 더 포함하고;
상기 적어도 하나의 복수의 균열은 제1, 제2 및 제3 복수의 균열을 포함하고;
상기 제1 표면 아래 레이저 손상 패턴은 상기 기판의 내부에 상기 제1 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 상기 제1 복수의 균열을 형성하고;
상기 제2 표면 아래 레이저 손상 패턴은 상기 기판의 내부에 상기 제2 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 상기 제2 복수의 균열을 형성하고, 상기 제2 복수의 균열은 상기 제1 복수의 균열과 연결되지 않고;
상기 제3 표면 아래 레이저 손상 패턴은 상기 기판의 내부에 상기 제3 복수의 실질적으로 평행한 라인의 라인들로부터 측방향 외측으로 전파하는 상기 제3 복수의 균열을 형성하고, 상기 제3 복수의 균열의 적어도 일부 균열은 상기 제1 복수의 균열 중 적어도 일부 균열 및 상기 제2 복수의 균열 중 적어도 일부 균열과 연결되는,
결정질 재료 처리 방법. - 제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 결정질 재료 처리 방법은:
상기 기판의 표면의 적어도 일부에 걸쳐 상기 결정질 재료의 불균일 도핑을 나타내는 조건을 검출하는 단계 - 상기 불균일 도핑은 제1 도핑 영역 및 제2 도핑을 포함 -; 그리고
상기 결정질 재료의 상기 불균일한 도핑을 나타내는 조건의 검출에 응답하여, 상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴의 형성 동안, 상기 제1 도핑 영역에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제1 출력 레벨로 레이저 방사를 제공하고 상기 제2 도핑 영역에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 제2 출력 레벨로 레이저 방사를 제공하도록 레이저 출력을 변경하는 단계 (A); 및 상기 제1 도핑 영역 및 상기 제2 도핑 영역 중 하나에서 표면 아래 레이저 손상을 형성할 때 상기 기판에서 표면 아래 레이저 손상을 형성하기 위한 평균 깊이를 변경하는 단계 (B); 중 적어도 하나를 수행하는 단계; 를 더 포함하는,
결정질 재료 처리 방법. - 제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 결정질 재료 처리 방법은, 각각 상기 기판에 대해 감소된 두께를 갖지만 상기 기판과 실질적으로 동일한 길이 및 폭을 갖는 제1 결정질 재료 부분 및 제2 결정질 재료 부분을 생성하기 위해, 상기 적어도 하나의 표면 아래 레이저 손상 패턴을 따라 실질적으로 상기 결정질 재료를 파단함을 더 포함하는,
결정질 재료 처리 방법. - 제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 기판은 실리콘카바이드(silicon carbide)를 포함하는,
결정질 재료 처리 방법. - 제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 기판은 150mm 이상의 직경을 갖는 잉곳을 포함하는,
결정질 재료 처리 방법.
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