KR20060100773A - A semiconductor wafer dicing and scribing system and appratus with a high speed laser beam focus positioning system to arbitrary 3d positions and laser beam diffraction system - Google Patents

A semiconductor wafer dicing and scribing system and appratus with a high speed laser beam focus positioning system to arbitrary 3d positions and laser beam diffraction system Download PDF

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Abstract

본 발명은 광음향변조기나 갈바노미러 혹은 폴리곤미러와 같은 레이저빔의 편향장치와 초점위치를 임의의 3차원으로 고속이동 시킬 수 있는 집속장치를 가진 레이저빔을 이용하여 반도체 웨이퍼를 다이싱 또는 스크라이빙하는 방법에 관한 것이다. 상기 편향장치와 집속장치는 각기 단독 혹은 동시에 사용된다. 레이저빔, 특히 355nm 파장을 갖는 UV레이저빔을 이용하여 반도체웨이퍼를 다이싱 또는 스크라이빙 하는 가공방법의 적용이 활발히 이루어지고 있다. 이는 레이저빔을 이용한 다이싱 또는 스크라이빙의 경우 가공물과 접촉하지 않아 물리적 하중에 의한 균열 등의 문제를 유발하지 않고 다이아몬드 톱날을 이용한 기계적 절단 방법을 이용했을 때 보다 절단폭을 작게 할 수 있어 웨이퍼 한 장 당 수율을 높일 수가 있으며 특히 두께가 얇은 반도체웨이퍼의 경우 레이저 절단이 기계적 절단보다 절단특성이 월등히 우수하다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 특정한 패턴 물질에서 일어나는 chipping 현상으로 인해 기계적 작업에 비해 열악한 절단면과 절단면의 열영향, 절단부산물로 인한 반도체웨이퍼의 오염문제가 레이저 적용에 걸림돌이 되고 있다. The present invention uses a laser beam having a deflecting device of a laser beam, such as an optoacoustic modulator, a galvano mirror or a polygon mirror, and a laser beam having a focusing device capable of moving the focus position in any three dimensions at high speed. It is about how to crush. The deflecting device and the focusing device are used alone or simultaneously. Application of a processing method for dicing or scribing a semiconductor wafer using a laser beam, particularly a UV laser beam having a wavelength of 355 nm has been actively performed. In the case of dicing or scribing using a laser beam, the cutting width can be made smaller than when using a mechanical cutting method using a diamond saw blade without causing problems such as cracking due to physical load because it does not come into contact with the workpiece. Yield per sheet can be increased. Especially in the case of thin semiconductor wafers, laser cutting is superior to mechanical cutting. Despite these advantages, however, chipping phenomena occurring in specific pattern materials are a barrier to the application of lasers due to poor cutting and thermal effects compared to mechanical work, and contamination of semiconductor wafers due to cutting by-products.

본 발명은 레이저 발생장치에서 나오는 레이저빔을 광음향변조기를 이용하여 동적으로 편향시키거나, 원통면 렌즈로 레이저빔을 한쪽방향으로만 길게하여 가공에 적절한 레이저 세기로 조절하여 전송된 평행한 레이저빔을 집속하는 질량이 적은 집속광학계를 고속으로 전.후, 좌.우 및 상.하로 이동시켜 피가공물체의 초점위치에 고속으로 조사할 수 있는 집속광학계 고속이동장치를 장착하여 중첩가공 함으 로써, 특정한 패턴 물질에서 일어나는 chipping 현상을 제거하여 절단면의 가공품질을 개선시킬 뿐만 아니라 가공시간도 단축시킬수 있는 기술에 관한 것이다.In the present invention, the laser beam from the laser generator is deflected dynamically using a photoacoustic modulator, or the parallel laser beam is transmitted by adjusting the laser beam to a laser intensity suitable for processing by lengthening the laser beam in only one direction with a cylindrical lens. By superimposing and processing the focused optical system with a small mass to focus on the focused optical system, it can move to the left, right and up and down at high speed to irradiate the focus position of the object at high speed. The present invention relates to a technology that can reduce the machining time as well as improve the cutting quality by removing the chipping phenomenon occurring in a specific pattern material.

레이저빔 다이싱, 스크라이빙, 반도체웨이퍼, 레이저 절단, 광음향변조기 초점위치, 고속이동, 집속장치, 레이저 가공  Laser beam dicing, scribing, semiconductor wafer, laser cutting, photoacoustic modulator focusing position, high speed movement, focusing device, laser processing

Description

레이저빔의 초점위치를 임의의 3차원으로 고속이동 시킬 수 있는 광집속장치와 광편향장치를 이용한 반도체웨이퍼의 레이저 다이싱 및 스크라이빙 방법과 장치{A semiconductor wafer dicing and scribing system and appratus with a high speed laser beam focus positioning system to arbitrary 3D positions and laser beam diffraction system}Laser dicing and scribing method and device for semiconductor wafers using optical focusing device and optical deflecting device which can move the focusing position of laser beam in high speed in any three-dimensional system {A semiconductor wafer dicing and scribing system and appratus with a high speed laser beam focus positioning system to arbitrary 3D positions and laser beam diffraction system}

도 1 : 초점위치 고속이동형 집속장치를 부착한 레이저빔 발생장치의 구성도1: Configuration diagram of a laser beam generator with a focusing position fast moving focusing device

도 1의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of the code | symbol about the principal part of FIG.

1: 레이저빔 발생장치 2: 광음향변조기  1: laser beam generator 2: photoacoustic modulator

3: 집속광학계 4: 집속광학계 고속이동장치  3: focused optical system 4: focused optical system

5: 레이저빔 6:초점위치   5: laser beam 6: focus position

7: 피가공물체 및 작업스테이지  7: Processed object and work stage

도 2 : 레이저빔의 초점위치 고속이동형 집속장치의 3축용의 집속광학계 구조도2 is a structural diagram of a focusing optical system for three axes of a focal position high speed mobile focusing apparatus of a laser beam;

도 2의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of the code | symbol about the principal part of FIG.

8: 레이저빔 9: X축 렌즈이동장치   8: laser beam 9: X-axis lens shifter

10: X축 집속용 원통면 광학렌즈 11: X축이 가변된 레이저빔  10: cylindrical optical lens for X-axis focusing 11: laser beam with X-axis variable

12: Y축 렌즈이동장치 13: Y축 집속용 원통면 광학렌즈  12: Y-axis lens shift device 13: Cylindrical optical lens for Y-axis focusing

14: X축과 Y축이 가변된 레이저빔 15: Z축 렌즈이동장치   14: X- and Y-axis laser beam 15: Z-axis lens shift device

16: X, Y, Z축이 가변된 레이저빔 초점  16: Laser beam focus with X, Y and Z axes

종래에는 다이아몬드 블레이드 다이싱 또는 스크라이빙 한 후 브레이킹 하는 기계적인 절단방법과 레이저빔을 이용한 반도체 웨이퍼를 다이싱하는 가공방법이 이루어지고 있다. 기계적 방법의 장점은 우수한 절단면의 품질을 얻을 수 있는 것이나 톱날 마모 등으로 인한 균일한 품질 유지가 어렵고, chipping 또는 크랙 발생 등의 문제점을 가지고 있다. 특히 얇은 웨이퍼(50-150㎛)의 경우 다이아몬드 톱날 하중에 의한 균열 및 깨짐 현상이 심해 매우 저속으로 가공할 수 밖에는 없다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 레이저빔을 이용한 다이싱의 적용이 활발히 진행중이다. 이 방법은 가공물과 접촉하지 않아 물리적 하중에 의한 균열의 문제를 유발하지 않고 또한 절단폭을 보다 작게 할 수 있어서 웨이퍼 한 장 당 수율을 높일 수 있다. 그러나 웨어퍼 상의 특정한 패턴 물질에서 일어나는 chipping 현상으로 인하여 기계적 작업에 비해 열악한 절단면의 품질로 인하여 레이저빔을 이용한 다이싱 또는 스크라이빙 방법 적용에 걸림돌이 되고 있다.Conventionally, a mechanical cutting method for breaking after diamond blade dicing or scribing and a processing method for dicing a semiconductor wafer using a laser beam have been made. The advantage of the mechanical method is that it is possible to obtain an excellent cutting surface quality, it is difficult to maintain a uniform quality due to saw blade wear, and has problems such as chipping or cracking. Especially in the case of thin wafers (50-150㎛), the cracks and cracks caused by the diamond saw blade load is severe and can only be processed at a very low speed. In order to solve this problem, the application of dicing using a laser beam is actively in progress. This method does not cause a problem of cracking due to physical loads because it does not come into contact with the workpiece, and can further reduce the cutting width, thereby increasing the yield per wafer. However, due to the chipping phenomena occurring in certain pattern materials on the wafer, the quality of the cut surface is inferior to the mechanical work, which makes it difficult to apply the dicing or scribing method using the laser beam.

본 발명은 레이저빔을 이용한 가공의 장점을 그대로 활용하면서 chipping 현상으로 인한 기계적 작업에 비해 열악한 절단면의 품질을 향상 시키기 위하여 집속 광학계 고속이동장치로 구성된 광음향 변조기를 레이저저빔의 편향장치로 사용하여 중첩 가공하는 방법을 사용하는 것이다. 레이저 발생장치에서 나오는 레이저빔을 광음향변조기를 이용하여 동적으로 편향시키거나, 원통면 렌즈로 레이저빔을 한쪽방향으로만 길게하여 가공에 적절한 레이저 세기로 조절하여 전송된 평행한 레이저빔을 집속하는 질량이 적은 집속광학계를 고속으로 전.후, 좌.우 및 상.하로 이동시켜 피가공물체의 초점위치에 고속으로 조사할 수 있는 집속광학계 고속이동장치를 장착하여 중첩가공 함으로써, 특정한 패턴 물질에서 일어나는 chipping 현상을 제거하여 절단면의 가공품질을 개선시킬 뿐만 아니라 가공시간도 단축시킬수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention superimposes an optoacoustic modulator composed of a focused optical system as a deflector for a laser low beam in order to improve the quality of the cutting surface which is poor compared to the mechanical work due to the chipping phenomenon while utilizing the advantages of the processing using the laser beam as it is. Is to use the processing method. The laser beam emitted from the laser generator is deflected dynamically by using an optoacoustic modulator, or the cylindrical lens is focused in one direction by lengthening the laser beam in one direction to focus the parallel laser beam transmitted by adjusting the laser intensity suitable for processing. It is possible to move the focusing optical system with a small mass forward, backward, left, right and up and down at high speed so that the focusing optical system can move to the focal position of the object at high speed. The present invention relates to a technology capable of shortening the processing time as well as improving the machining quality of the cutting surface by eliminating the chipping phenomenon.

본 발명은 상기의 기술적과제를 해결하기 위한 것으로 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.The present invention is to solve the above technical problem is described with reference to FIG. 1 as follows.

(a) 레이저 발생장치(1)에서 나오는 빔을 광음향변조기(2)를 이용하여 동적으로 편향하는 단계와(a) dynamically deflecting the beam from the laser generator 1 using the optoacoustic modulator 2;

(b) 원통면 렌즈(3)로 빔형상을 변화시키는 단계와(b) changing the beam shape with the cylindrical lens 3 and

(c) 이렇게 동적으로 평향된 레이저 빔을 집속광학계(3)의 크기 이내의 좁은 영영역에서 전·후, 좌·우, 상·하로 고속 이동해 초점위치(6)를 이동시킬 수 있는 집속광학계 고속이동장치(4)로 집속하는 단계와(c) A fast focusing optical system capable of moving the focusing position 6 by moving the dynamically beamed laser beams forward, backward, left, right, up and down in a narrow zero region within the size of the focusing optical system 3. Focusing on the moving device (4) and

(d) 피가공물체(7)의 표면에 집속광학계 고속이동장치(4)를 이용하여 레이저빔(5)을 원하는 초점위치(6)에 조사하여 반도체웨이퍼의 소정의 절단선을 따라 고 속으로 chipping 현상 없이 다이싱 또는 스크라이빙하는 단계를 포함하는 것을 특징하는 방법과 장치이다(d) The laser beam 5 is irradiated to the desired focal position 6 using the focusing optical high speed moving device 4 on the surface of the workpiece 7 at high speed along a predetermined cutting line of the semiconductor wafer. A method and apparatus comprising dicing or scribing without a chipping phenomenon.

이러한 광음향변조기(2)를 이용한 빔의 동적 편향에 대한 주파수는 수백kHz에 이를 수 있고 편향의 효과는 거리에 따라 대상물의 표면에서 수십㎛로 부터 수mm까지 얻을 수 있다. 또한 기존의 피가공물체의 스테이지(7)를 작업방향으로 이동할 때 광음향변조기(2)가 동시에 작동하여 레이저빔을 편향시키는 방법에서 본 발명은 질량이 레이저빔 발생장치(1)나 피가공물체의 스테이지(7)에 비하여 상대적으로 현저히 적은 집속광학계(3)만을 집속집속광학계 고속이동장치(4)를 이용함으로써 고속으로 초점위치(6)에 조사할 수 있도록 하여 레이저빔(5)의 고속 편향을 가능하게 했다. 초점위치 고속이동형 집속장치(4)를 부착한 레이저빔 발생장치(1)의 구체적인 방법으로는The frequency of the dynamic deflection of the beam using the optoacoustic modulator 2 can reach several hundred kHz and the effect of the deflection can be obtained from several tens of micrometers to several millimeters on the surface of the object depending on the distance. In addition, in the method of deflecting a laser beam by simultaneously operating the optoacoustic modulator 2 when the stage 7 of the existing workpiece is moved in the working direction, the present invention has a mass of the laser beam generator 1 or the workpiece. High-speed deflection of the laser beam 5 by allowing the focused optical system 3 to irradiate the focus position 6 at high speed by using the focused optical system high speed moving device 4, which is relatively less than the stage 7 of Made it possible. As a specific method of the laser beam generator 1 with the focusing position fast moving focusing device 4,

가. 서보모터, 리니어모터, 압전소자와 같은 구동장치와end. Driving devices such as servo motors, linear motors and piezoelectric elements

나. 볼스크류, LM가이드와 같은 기계장치부와I. Mechanical parts such as ball screw and LM guide

다. 엔코더, 리니어 스케일과 같은 위치 인식 장치들을 조합하여 구성할 수 있다. 미세한 영역에서 가장 빠른 초점위치 이동을 위하여 압전소자를 구동장치로 사용한다. 한축의 이동을 위한 집속광학계(3)는 구면광학렌즈들을 사용하면 되고 2축 이상(X축,Y축)의 구동을 구현하기 위하여 원통면 광학렌즈들을 사용한다.All. Position recognition devices such as encoders and linear scales can be combined. A piezoelectric element is used as a driving device for the fastest focusing position movement in minute areas. The focusing optical system 3 for one-axis movement may use spherical optical lenses and cylindrical optical lenses to implement two or more axes (X-axis, Y-axis).

또한 초점위치 고속이동형 집속장치는 2축용의 집속광학계 구조도를 갖을 수 있다. 도 2와 같이 레이저빔(8)을 X축으로 집속하는 원통면 광학렌즈(10)을 통과하면 X축으로만 집속되고 Y축은 평행광이 된다. 이 X축 집속용 원통면 광학렌즈 (10)를 X축 렌즈 이동장치(9)로 이동시키면 초점위치(7)에서 X축방향으로 초점이 이동된다. 마찬가지로 X축으로 집속 및 이동된 레이저빔(10)을 Y축으로 집속하는 원통면 광학렌즈(11)를 통과하면 X축으로 집속 및 이동된 레이저빔(10)을 Y축으로도 집속 하는 원통면 광학렌즈(11)를 통과하면 Y축으로도 이동된 레이저빔(13)을 얻을 수 있으며 이 결과로 X축과 Y축에 가변된 레이저빔 초점(13)이 얻을 수 있는 것이다. In addition, the focal position high-speed moving focusing apparatus may have a biaxial focusing optical structure. As shown in FIG. 2, when the laser beam 8 passes through the cylindrical optical lens 10 that focuses on the X axis, the laser beam 8 is focused only on the X axis, and the Y axis becomes parallel light. When the X-axis focusing cylindrical optical lens 10 is moved to the X-axis lens shifting device 9, the focus is shifted in the X-axis direction at the focus position 7. Similarly, when passing through the cylindrical optical lens 11 focusing and moving the laser beam 10 focused on the X-axis to the Y-axis cylindrical surface focusing the laser beam 10 focused and moved on the X-axis also on the Y-axis Passing through the optical lens 11, the laser beam 13 moved also in the Y axis can be obtained, and as a result, the laser beam focus 13 that is variable in the X and Y axes can be obtained.

이때 X축 집속용 원통면 광학렌즈(9)와 Y축 집속용 원통면 광학렌즈(11)의 초점거리는 각 렌즈가 있는 위치에 따라 다르다.At this time, the focal lengths of the X-axis focusing cylindrical optical lens 9 and the Y-axis focusing cylindrical optical lens 11 differ depending on the positions of the respective lenses.

본 발명은 Q-스위치된 kHz이상 고반복의 펄스 레이저빔을 이용하여 반도체웨이퍼를 다이싱 또는 스크라이빙 할 때에 같은 지점에 레이저 펄스가 계속 조사될때 가공효율이 떨어지는 점을 개선하기 위하여 레이저빔의 초점위치를 미세한 영역에서 가장 빠른 초점위치 이동을 구동할 수 있는 집속장치를 가진 광음향변조기와 반도체웨이퍼 가공에 적합한 레이저 세기로 한쪽으로 긴 형상의 빔을 만들기 위한 원통면 렌즈를 이용하여 편향시킴으로써 반도체산업 등과 같은 정밀한 결과물이 요구되는 분야에서 산업적 이용 효용성이 높은 다이싱 또는 스크라이빙 방법을 제공한다.The present invention focuses on laser beams to improve processing efficiency when laser pulses are continuously irradiated at the same point when dicing or scribing a semiconductor wafer using a Q-switched kHz high-repetitive pulsed laser beam. Semiconductor industry by deflecting the photoacoustic modulator with a focusing device capable of driving the fastest focal position movement in the minute area and the cylindrical lens to make a long shape beam to one side with laser intensity suitable for semiconductor wafer processing. The present invention provides a dicing or scribing method having high industrial utility in fields requiring precise results.

Claims (7)

반도체웨이퍼를 소정의 절단선을 따라 Q-스위치된 kHz이상 고반복의 펄스 레 이저빔을 조사하여 다이싱 또는 스크라이빙하는 방법에 있어서 같은 표적에 레이저 펄스가 중복 조사되어 가공성능이 떨어짐을 개선하기 위하여In the method of dicing or scribing a semiconductor wafer by irradiating a pulse laser beam with a high repetition frequency of kHz or higher along a predetermined cutting line, the laser pulse is irradiated on the same target to improve processing performance. for 레이저빔을 광음향변조기를 이용하여 동적으로 편향시켜 편향된 빔을 이용하여 고속으로 피가공물체의 초점위치에 조사하여 반도체 표면에 chipping을 방지하여 가공의 품질과 속도를 개선한 다이싱 또는 스크라이빙 하는 방법과 장치Dicing or scribing the laser beam by deflecting it dynamically using the optoacoustic modulator to improve the quality and speed of processing by preventing chipping on the semiconductor surface by irradiating the focal position of the workpiece at high speed with the deflected beam. How and the device 반도체웨이퍼를 소정의 절단선을 따라 Q-스위치된 kHz이상 고반복의 펄스 레이저빔을 조사하여 다이싱 또는 스크라이빙하는 방법에 있어서 같은 표적에 레이저 펄스가 중복 조사되어 가공성능이 떨어짐을 개선하기 위하여 In the method of dicing or scribing a semiconductor wafer by irradiating a pulse laser beam with a high repetition frequency of kHz or higher along a predetermined cutting line, the laser pulses are irradiated on the same target to improve the processing performance. 레이저빔을 집속시키는 초점위치 고속이동형 집속장치의 3축용 집속광학계를 (집속광학계를 임의의 3차원 방향으로 고속이동 시킬 수 있는 장치를) 이용하여 고속으로 피가공물체의 초점위치에 조사하여 반도체 표면에 chipping을 방지하여 가공의 품질과 속도를 개선한 다이싱 또는 스크라이빙 하는 방법과 장치Focusing position for focusing the laser beam The semiconductor surface is irradiated to the focal position of the workpiece at high speed by using the 3-axis focusing optical system of the fast moving focusing device (a device capable of moving the focusing optical system in any three-dimensional direction at high speed). Method and apparatus for dicing or scribing which prevents chipping on the surface and improves the quality and speed of processing 전항의 집속광학계를 임의의 3차원 공간으로 구동하는 장치로써 압전소자(PZT)를 사용하는 방법A method of using a piezoelectric element (PZT) as a device for driving the focused optical system of the preceding paragraph into an arbitrary three-dimensional space 반도체웨이퍼를 소정의 절단선을 따라 Q-스위치된 kHz이상 고반복의 펄스 레이저빔을 조사하여 다이싱 또는 스크라이빙하는 방법에 있어서 가공 특성을 개선시키기 위하여 반도체웨이퍼 가공에 적합하게 원통면 렌즈를 이용하여 절단 진행방향 으로 길게 레이저빔 초점형상을 가변시키는 방법과 이 원통면 렌즈를 1축 혹은 직교하게 2축을 사용하여 초점 가변 영역내에서 임의의 레이저 빔을 조사 가공하는 방법In the method of dicing or scribing a semiconductor wafer with a high-repetition kHz or higher pulsed laser beam that is Q-switched along a predetermined cutting line, a cylindrical lens suitable for semiconductor wafer processing is used to improve processing characteristics. Method of varying the laser beam focusing shape in the cutting progress direction by using a single axis or two orthogonal axes of the cylindrical lens to irradiate an arbitrary laser beam within a variable focusing area. 청구항 1에 있어서 레이저 흡수율이 높은 여타 물질을 가공할 때 집속광학계 고속이동장치가 있는 광음향변조기를 써서 레이저빔을 동적으로 편향시켜 중첩가공을 고속으로 구현함으로써 고품질의 절단 및 스크라이빙 품질을 얻는 방법The method of claim 1, when processing other materials having a high laser absorption rate by using a photoacoustic modulator with a focusing optical high-speed moving device to dynamically deflect the laser beam to achieve high-speed cutting and scribing quality by superimposing the processing Way 반도체웨이퍼를 소정의 절단선을 따라 Q-스위치된 kHz이상 고반복의 펄스 레이저빔을 조사하여 다이싱 또는 스크라이빙하는 방법에 있어서 고출력의 펄스 레이저빔으로 주가공시 가공특성이 나빠지므로 고출력으로 주가공 후 레이저 출력을 줄여서 후가공하여 속도는 느려지지만 가공특성을 향상시키는 방법을 개선하기 위하여 레이저빔을 공간적으로 다중분할하여 일부는 주가공 광원으로 사용하고 일부는 후가공 광원으로 사용하는 방법.In the method of dicing or scribing a semiconductor wafer with a high-repetition pulse laser beam of kHz or higher, which is Q-switched along a predetermined cutting line, the processing characteristics worsen during the main processing with a high power pulse laser beam, so that the main processing is performed at high power. Post-processing by reducing the laser output to slow the speed, but to improve the processing characteristics to improve the method of spatially multi-segmenting the laser beam to use some as the main processing light source and some as a post-processing light source. 청구항 6에서 공간적으로 다중분할 된 레이저빔에 청구항 2, 3, 4의 방법을 단독 혹은 동시에 사용하여 가공의 품질과 속도를 개선한 반도체웨이퍼 다이싱 또는 스크라이빙 방법.7. A semiconductor wafer dicing or scribing method which improves the quality and speed of processing by using the method of claims 2, 3, and 4 alone or simultaneously in a spatially multi-segmented laser beam.
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