KR20110010693A

KR20110010693A - 웨이퍼 스크라이빙을 위한 오토포커스 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20110010693A
Application number: KR1020107021644A
Authority: KR
Inventors: 지우핑 자이; 준 주; 리프 서머필드; 청-포 후앙
Original assignee: 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2011-02-07
Also published as: TWI447468B; KR101666462B1; JP2011517428A; TW200951530A; CN101983420A; WO2009120706A2; CN101983420B; WO2009120706A3

Abstract

본 발명은, 웨이퍼 스크라이빙(scribing) 시스템을 위해 실시간 오토포커스를 실행하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 방법 및 장치는, 스크라이빙 레이저 빔을 위해 대물렌즈(26) 바로 아래에서 웨이퍼(10)의 표면(50)에 지표각으로 보내지는 편광 광(42)을 사용한다. 웨이퍼로부터 반사된 광은 필터링되어(56) 스크라이빙 레이저 빔으로부터 광을 제거한 후 위치 감응 장치(58) 상에 집속되어 대물렌즈로부터 웨이퍼 표면까지의 거리를 측정한다.

Description

웨이퍼 스크라이빙을 위한 오토포커스 방법 및 장치{AUTOFOCUS METHOD AND APPARATUS FOR WAFER SCRIBING}

본 발명은, 전자 웨이퍼를 스크라이빙(scribing)하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상세하게, 본 발명은, 싱귤레이션(singulation)을 돕기 위해 LED 웨이퍼를 스크라이빙하는데 사용되는 레이저 빔의 실시간 집속을 실행하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 더 상세하게, 본 발명은, 시스템이 레이저 빔의 초점과 웨이퍼 표면 사이의 정확한 관계를 실시간으로 지속하기 위해 웨이퍼를 스크라이빙하는 동안, 투명 또는 반투명 LED 웨이퍼의 표면의 위치를 정확하고 효율적으로 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

전자 디바이스는, 용이한 제조를 위해 디바이스의 다수의 복제 디바이스를 포함하는 기판이나 웨이퍼 상에 흔히 구성된다. 이들 디바이스는 패키징 및 판매 전에 분리 또는 싱귤레이트되어야 한다. 전자 디바이스를 싱귤레이트하는 하나의 통상적인 방법으로는, 레이저 스크라이빙 시스템을 사용하여 웨이퍼를 스크라이빙하고, 이를 통해 스크라이브를 따라서 기계적인 클리빙(cleaving)을 준비하는 것이다. 도 1은 전자 디바이스를 수용하고 있는 웨이퍼(10)를 도시하며, 이들 디바이스 중 하나를 12로 표시한다. 디바이스 서로 간의 후속한 기계적 분리를 위해 스크라이빙되는, 전자 디바이스 사이의 영역인, "스트릿(street)"(14)의 한 예를 또한 표시한다. 이러한 방식으로 제조한 예시적인 전자 디바이스는 발광 다이오드(LEDs)를 포함한다. LEDs는 결정 사파이어나 금속으로 된 웨이퍼 상에 통상 제조되지만, 다른 소재를 사용할 수도 있다. 제조 공정을 따라, 이들 웨이퍼는 그 후 기계톱이나 레이저로 스크라이빙하여 싱귤레이트된 후, 기계적으로 클리빙되어 디바이스를 분리한다.

레이저 스크라이빙 시스템은 레이저를 사용하여, 반도체 다이스가 웨이퍼의 한 표면 상에 성장한 웨이퍼를 스크라이빙한다. 웨이퍼는 수평 스테이지 상에 적재된다. 이 스테이지가 고속(통상 10mm/s와 100mm/s사이)으로 병진 운동할 때, 레이저 빔이, 웨이퍼의 상부면이나 바닥면 상에 형성된 개별 반도체 다이스를 분리하는 스트릿을 따라 상부면에 충돌한다. 매우 집속된 레이저 빔과 웨이퍼 사이의 상호작용이 표면 상에 커프(kerf)나 홈을 만들어, 웨이퍼로 하여금 스트릿을 따라 기계적으로 깨끗하게 절단되게 한다. 웨이퍼 상의 다이스는 그 후 분리되어, 각 다이스는 하나의 디바이스를 제조하는데 사용될 수 있다. 이러한 웨이퍼 스크라이빙 기능을 실행하는 예시적인 시스템이, 본 발명의 양수인이 제조한 AccuScribe-AS2000FX이다. 이 시스템은, 발광 다이오드(LED) 웨이퍼를 스크라이빙하기 위해 UV 파장으로 고조파 주파수 시프트하는 다이오드-펌핑(pumped) 고체 레이저를 사용한다.

도 2는 웨이퍼 스크라이빙 시스템의 개략도를 도시한다. 레이저(20)는 작업 레이저 빔(22)을 발생시키며, 이 빔(22)은 레이저 빔 광학기기(24)에 의해 성형되어, 작업 레이저 빔(22)을 레이저 초점 스폿(30)에 집속하는 대물렌즈(26) 상에 보내지며, 이 경우 웨이퍼인 작업물(32)로 보내진다. 대물렌즈(26)는 갠트리(gantry)(28)에 부착되며, 갠트리(28)는, 화강암이나 다른 고밀도 소재로 된 대형 베이스 판을 통상 포함하는 시스템 베이스(36)에 부착된다. 시스템 베이스(36)는, 작업물(32)을 단단히 유지하는 XY 척(chuck)(34)을 유지한다. XY 척(34)은 작업 레이저 아래에서 웨이퍼를 프로그램 가능하게 이동시켜, 레이저 초점 스폿(30)이 작업물(32)로부터 소재를 가공함에 따라 표면 상에 스크라이브를 형성한다. 갠트리(28), 시스템 베이스(36), 및 XY 척(34)은, 작업물(32)이 XY 척(34)에 의해 이동함에 따라 이 작업물(32)과 정밀하게 수직인 관계로 레이저 초점 스폿(30)을 유지하는데 협력하여, 정확한 크기, 형상 및 품질의 커프를 지속한다.

웨이퍼의 효율적이고 균일한 스크라이빙을 위해, 레이저 빔은 웨이퍼 상단면에 근접한 면에 집속되어야 한다. 다시 말해, 대물렌즈와 웨이퍼 표면 사이의 거리는 최적 값을 갖는다. 이점은, 웨이퍼 표면 편평도 및 웨이퍼 두께 균일도에 엄격한 요구사항을 부과하여, 이들 웨이퍼가 효율적으로 처리될 수 없다면, 수율을 떨어드리고, 가격을 높인다. 진공 척에 실장될 경우에, 사파이어 웨이퍼의 평균 두께는, 상이한 웨이퍼에 대해 10㎛까지 변하며, 표면 편평도는 2-inch(5.08cm) 웨이퍼 위에서 15㎛까지 변한다. 진공 척에 실장하더라도, 금속 웨이퍼 표면은 휠 수 있고, 2-inch 웨이퍼 위에서 150㎛까지의 표면 높이 차를 가질 수 있다. 웨이퍼 표면에 스크라이브된 트렌치가 원하는 폭과 깊이를 갖도록 하기 위해, 웨이퍼의 표면 근처에서 10-50㎛의 최소 스폿 크기를 갖도록 작업 레이저 빔을 집속하는 것이 바람직할 수도 있다. 레이저를 이러한 작은 스폿 크기로 집속하는 것은 큰 개구수(NA) 렌즈를 필요로 하며, 이러한 렌즈는 또한 빔을 초점 스폿 위 및 아래로 신속하게 디포커스(defocus)하게 한다. 그 결과, 스크라이빙하는 동안에, 레이저 스폿을 웨이퍼 상부면의 ±5㎛내에서, 더 바람직하게는 ±2㎛ 내에서 유지하는 것이 바람직하다.

이러한 문제점의 가능한 해법으로는, 오토포커스 기술을 사용하여 작업물과 레이저 초점 스폿 사이의 관계 변화를 검출하기 위해 스크라이빙하는 동안에 웨이퍼 표면을 추적하는 방법이 있다. 오토포커스 기술은 수동 방법과 능동 방법을 포함한다. 수동 방법은 영상 콘트래스트를 사용하여 아웃-어브-포커스(out-of-focus) 양을 정량화한다. 능동 방법은 광원으로부터 빔을 필요로 하고, 이 빔이나 영상의 시프트를 사용하여, 아웃-어브-포커스 양을 정량화한다. 능동 방법은 수동 방법보다 훨씬 빠르며, 웨이퍼-실장 스테이지와 UV 레이저 빔 사이의 상대 속도가 10mm/s보다 클 경우 오토포커스를 추적하는 실시간 요구사항을 충족할 수 있다. 흔히 사용되는 하나의 오토포커스 방법이 미국특허(제 6,486,457호)에 기재되어 있고, 이 미국특허에서, 시준된 레이저 빔이 대물렌즈를 오프-축으로 통과하여 웨이퍼 표면 근처의 면에 집속된다. 반사된 빔은 그 후 두 번째로 대물렌즈를 통과하여 위치 감응 검출기에 의해 검출될 것이다. 웨이퍼 표면과 대물렌즈 사이의 거리 변화로 인해 반사된 빔은 시프트하게 되며, 위치 감응 검출기는 이 시프트에 비례하는 신호를 산출할 것이다. 이 신호는, 웨이퍼 표면과 대물렌즈 사이의 거리를 조정하여, 일정하게 하는데 사용되어, 오토포커스 추적을 실현한다. 그러나 이 방법은 LED 제조에 사용한 사파이어 웨이퍼와 같은 투명한 얇은 웨이퍼에 대한 제한된 캡쳐 범위(capture range)를 가지며, 이는, 웨이퍼의 상부/바닥면으로부터의 반사가 모두 위치 감응 검출기에 의해 검출될 수 있기 때문이다. 바닥면은 상이한 구역에서 불균일한 반사도를 가지므로, 오토포커스 정밀도는 불량할 것이다.

흔히 사용하는 또 다른 능동 오토포커스 방법에 대한 기재를 미국 특허(제 4,363,962호 및 제 5,361,122호)에서 볼 수 있다. 대물렌즈를 통과하는 대신, 오토포커스 광원으로부터 빔은 추가 렌즈를 사용하여 먼저 웨이퍼 표면 상에 투사된 후, 또 다른 추가 렌즈를 사용하여 위치 감응 검출기 상에 더 투사된다. 빔은 웨이퍼에 충돌하여 지표각(grazing angle)으로 반사된다. 이 방법에서, 대물렌즈, 광원, 추가 렌즈 및 위치 감응 검출기는 고정된 상대 위치를 갖는다. 또 다른 방법은, 웨이퍼 실장 스테이지나 대물렌즈(및 이에 부착된 다른 구성요소)의 높이를, 웨이퍼 표면이 대물렌즈의 초점면에 있음을 보장하도록 조정하는 단계를 수반한다. 미국특허(제 5,008,705호)는 간섭계와 함께 이 방법을 사용한다. 미국특허(제 5,825,469호)는, 웨이퍼 표면 상에서 빔을 두 번 반사시켜 이 방법의 감도를 개선하였다. 미국특허(제 5,675,140호)는 이 방법을 비점수차 렌즈 접근법과 결합하며, 이 접근법은 논문: Automatic focus control: the astigmatic lens approach, Donald K. Cohen, Wing Ho Gee, M. Ludeke, and Julian Lewkowicz, Applied Optics, 23, pp. 565-570, 1984에 기재되었다. 이들 참고문헌은, 웨이퍼의 바닥면이 상이한 위치에 상이한 반사도를 가질 수 있다는 특별한 요구사항을 해결하지 못했다.

기판의 표면과 레이저 빔 스폿 위치 사이의 고정된 관계를 지키는데 있어서의 추가적인 어려움은, LED와 다른 전자 디바이스를 종종 사파이어나 유리 기판과 같은 투명 기판 상에 제조한다는데 있다. 이것은 추가적인 문제를 제기할 수 있으며, 이는 이들 웨이퍼의 상부면이 투명하거나 반투명할 수 있고, 평탄하거나 거칠 수 있기 때문이다. 사파이어 웨이퍼의 바닥면은 패턴을 가질 수 있어서, 반사도는 상이한 위치에서 변할 수 있다. 측정하기 위해 웨이퍼로부터의 반사에 의존하는 종래의 오토포커스 시스템에서, 이점으로 인해 가변 세기의 다수의 신호를 얻을 수 있고, 이들 신호는 시스템을 혼란스럽게 할 수 있어서 결국 더 낮은 정밀도의 측정을 야기하거나 시스템이 함께 작업하는 것을 막을 수 있다.

그러므로 웨이퍼를 스크라이빙함에 따라, 실시간으로 투명 또는 반투명 웨이퍼의 상부면 위치를 측정하고, 웨이퍼의 상부면과 바닥면으로부터 유래한 반사를 변경함으로써 혼란스럽게 되는 일 없이도 반투명 및 투명 웨이퍼의 표면을 정확히 검출하는 방법 및 장치가 필요하다.

본 발명의 한 목적은, 작업 레이저 빔 초점 스폿과, 이 작업 레이저 빔 초점 스폿에 의해 레이저 가공되는 작업물 사이의 변위를 측정하는 수단을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 작업 레이저 빔 초점 스폿과, 사파이어와 같은 투명 또는 반투명 소재로 되어 있는 작업물 사이의 변위를 측정하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 레이저 빔 초점 스폿과 작업물 사이의 변위를 실시간으로 측정하는 것이다.

LED 스크라이빙 시스템의 성능을 개선하고, 고객을 위해 생산 단가를 낮추기 위해, 추적 오토포커스 디바이스를 사용하여, 레이저 스크라이빙 시스템으로 하여금, 작업 레이저 빔을 LED 웨이퍼 표면 상에 집속하는 대물렌즈와 웨이퍼 표면 사이의 거리를, 웨이퍼가 수평으로 병진운동하고 있는 동안에, 제어하게 한다. 본 발명의 실시예에서, 추적 오토포커스 디바이스는, 핀홀(pinhole)과 집속 렌즈를 통해 보내진, 시준되고 편광된 레이저 다이오드 빔으로 구성된다. 표면을 측정하는데 사용되는 레이저 빔의 파장은 충분히 짧게 되도록 선택되어, 웨이퍼를 정확히 측정하지만, 작업 레이저 빔에 의해 생성된 플라즈마 클라우드로부터 방출된 방사나 작업 레이저 빔과의 간섭을 피하기에 충분히 작은 스폿 크기를 활용한다.

레이저 빔은 그 후, 프리즘에 의해 웨이퍼의 상부면에 수직에 대해 84°와 87°사이의 지표각으로 보내진다. 게다가, 선형 편광 레이저 빔은, 편광면이 웨이퍼 표면에 평행하게 되도록 배치된다(s-편광된다). 지표각과 편광 방향의 조합으로, 대부분의 레이저 빔 에너지는 웨이퍼의 상부면으로부터 반사되어, 투명 웨이퍼의 바닥면으로부터의 반사와의 간섭을 피하게 된다. 이러한 배치는 또한 금속 기판으로부터의 반사를 최대가 되게 하며, 이는 s-편광된 파는 금속 표면에 의해 크게 반사되기 때문이다.

레이저 빔이 웨이퍼의 상부면에 의해 반사되면, 레이저 빔은 프리즘에 의해 반사된 레이저 빔을 대역통과 필터 상에 집속하는 렌즈로 보내지며, 이 필터는 작업 레이저 빔 주파수로부터의 방사를 필터링하여 제거하고(filters out), 표면을 측정하는데 사용되는 레이저 빔으로부터의 방사를 통과시킨다. 이것은 결과적인 데이터의 신호대잡음비를 개선한다. 이로부터, 레이저 빔은, 레이저 빔의 위치를 측정하는 위치 감응 디바이스(PSD) 상에 투사된다. 이 정보는 디지털화되어 제어기로 통과되며, 제어기는 PSD 상의 레이저 빔의 변위로부터 웨이퍼의 높이를 계산한다.

본 발명의 실시예는 웨이퍼 표면의 높이를, 실시간으로(작업 레이저 빔이 웨이퍼의 커프를 가공하는 동안에 높이를 측정할 수 있음을 의미함), 계산하도록 또한 동작한다. 이로 인해, 레이저 처리 시스템은 웨이퍼 높이 측정을 주기적으로 업데이트할 수 있다. 대물렌즈와 웨이퍼 사이의 변위를 실시간으로 변경할 수 있는 갠트리에 부착된 제어와 결합되기 때문에, 이 실시예는, 웨이퍼를 스크라이빙하고 있는 동안에, 변위를 측정하여 변경할 수 있다. 이로 인해, 시스템은, 높이를 실시간으로 추적하여 조정하지 못하는 시스템이 요구하는 편평도를 벗어나 있어서 다른 방식으로는 스크라이빙할 수 없었던 웨이퍼를 스크라이빙하게 되어, 제조 수율을 증가시킨다.

게다가, 본 발명의 실시예는 측정 레이저 빔을 작업물 상에 투사하여, 레이저 스폿 크기보다 훨씬 더 큰 타원을 투사한다. 레이저 빔을 원형 핀홀을 통해 투사한 후 레이저 빔을 84°내지 87°의 지표각으로 작업물 상에 투사함으로써, 레이저 빔은 작업물 상에 타원 형상을 형성한다. 이것은 원래의 스폿 크기보다 더 큰 영역에 대한 반사 평균을 구하여, 작업물 상의 오염, 즉 예상치 않은 형상(features)으로 인한 기생 반사의 평균을 내(averaging out), 측정을 더 강력하게(robust) 한다.

본 발명에 의하면, 웨이퍼를 스크라이빙함에 따라, 실시간으로 투명 또는 반투명 웨이퍼의 상부면 위치를 측정하고, 웨이퍼의 상부면과 바닥면으로부터 유래한 반사를 변경함으로써 혼란스럽게 되는 일 없이도 반투명 및 투명 웨이퍼의 표면을 정확히 검출하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

도 1은, 전자 디바이스를 포함하고 있는 통상적인 종래의 웨이퍼의 개략도.
도 2는, 종래의 웨이퍼 스크라이빙 시스템의 개략도.
도 3은, 오토포커스 시스템의 개략도.
도 4는, 오토포커스 시스템을 구비한 웨이퍼 스크라이빙 시스템의 개략도.

본 명세서에서 기술할 바와 같이, 본 발명은, 작업 레이저 빔이나 플라즈마 플륨(plume)으로부터의 간섭을 피하여 작업 레이저 빔의 초점 스폿과 작업물 사이의 변위를 실시간으로 측정하도록 선택된 파장을 갖는, 편광된 지표각의 레이저 빔을 사용하여, 종래 기술의 문제점을 해결한다. 도 3은 본 발명의 실시예를 도시한다. 시준된 빔(42)은 레이저 다이오드(40)가 방출하며, 후속하여 소형 원형 개구, 즉 핀홀(44), 조명 렌즈(46) 및 프리즘 거울(48)을 통과한다. 이러한 목적으로 사용된 예시적인 레이저 다이오드는, Coherent, Inc.(California, Santa Clara 소재) 사가 제조한, 대략 1.6mW의 출력으로 650nm 파장에서 동작하는 0222-002-01이 있다. 개구(44)와 렌즈(46) 사이의 거리, 그리고 렌즈(46)와 웨이퍼 상부면(50) 사이의 거리는 렌즈(46)의 초점 길이의 대략 두 배이다. 개구는 그에 따라 웨이퍼 상부면(50) 근처의 면에 투영된다. 빔은 웨이퍼 상부면(50)에 지표각으로 충돌하며; 이 입사각은 84°와 87°사이이다. 대부분의 빔은 상부면으로부터 반사되어, 후속하여 프리즘 거울(52), 집광 렌즈(54) 및 대역통과 필터(56)를 통과하여, 점(74)에서 위치 감응 검출기(PSD)(58)에 도달한다. 대역통과 필터(56)는 웨이퍼 스크라이빙 동안에 플라즈마 광 방출을 포함한 주변 광을 차단하여 신호대잡음비(SNR)를 개선한다. 레이저 다이오드(40)는, 빔이 웨이퍼 표면에 충돌할 때, 빔이 s-편광되게 하도록 정렬된다. s-편광된 빔을 사용하면, 웨이퍼가 얇고 투명할 때 SNR을 증가시키며, 이는, 더 적은 광이 웨이퍼의 바닥면으로부터 반사될 것이기 때문이며, 그에 따라, PSD(58)에 도달한 대부분의 광은 상부면 반사로부터 유래한 것일 것이다. 큰 입사각으로 인해, 긴 타원 빔이 웨이퍼 표면 상에 생겨, 큰 영역에 걸쳐 반사도의 평균을 낸다. 웨이퍼 표면 상의 긴 타원 스폿은 또한, 상부 또는 바닥면 상의 미세한 패턴 또는 미립자 오염(particulate contamination)에 의한 측정 오차를 최소화하게 된다. 웨이퍼 상부면(50)과 렌즈(54) 사이의 거리와, 렌즈(54)와 PSD(58) 사이의 거리는 렌즈(54)의 초점 길이의 대략 두 배이다. 개구(44)는 그에 따라 결과적으로 PSD(58) 상에 투영된다. 웨이퍼는 x-y 스테이지(미도시) 상에 실장되는데 반해, 출력부(38)를 구성하는 구성요소(40, 42, 44, 46 및 48)와 입력부(51)를 구성하는 구성요소(52, 54, 56, 58 및 60)는 z-스테이지 상에 실장된다. PSD 출력은 위치 감지 증폭기(60)에 연결되어, 제어기(미도시)와 연계하여 z-스테이지를 위한 서보 루프를 형성하는데 사용된다. 웨이퍼나 광학 시스템 또는 둘 다는 z-스테이지 상에 실장될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예를 도시한다. 시준된 빔(42)은 레이저 다이오드(40)가 방출하며, 후속하여 소형 원형 개구, 즉 핀홀(44), 조명 렌즈(46) 및 프리즘 거울(48)을 통과한다. 이러한 목적으로 사용된 예시적인 레이저 다이오드는, Coherent, Inc.(California, Santa Clara 소재) 사가 제조한, 대략 1.6mW의 출력으로 650nm 파장에서 동작하는 0222-002-01이 있다. 개구(44)와 렌즈(46) 사이의 거리, 그리고 렌즈(46)와 웨이퍼 상부면(50) 사이의 거리는 렌즈(46)의 초점 길이의 대략 두 배이다. 개구는 그에 따라 웨이퍼 상부면(50) 근처의 면에 투영된다. 빔은 웨이퍼 상부면(50)에 지표각으로 충돌하며; 이 입사각은 84°와 87°사이이다. 대부분의 빔은 상부면으로부터 반사되어, 후속하여 프리즘 거울(52), 집광 렌즈(54) 및 대역통과 필터(56)를 통과하여, 점(74)에서 위치 감응 검출기(PSD)(58)에 도달한다. 대역통과 필터(56)는 웨이퍼 스크라이빙 동안에 플라즈마 광 방출을 포함한 주변 광을 차단하여 신호대잡음비(SNR)를 개선한다. 레이저 다이오드(40)는, 빔이 웨이퍼 표면에 충돌할 때, 빔이 s-편광되게 하도록 정렬된다. s-편광된 빔을 사용하면, 웨이퍼가 얇고 투명할 때 SNR을 증가시키며, 이는, 더 적은 광이 웨이퍼의 바닥면으로부터 반사될 것이기 때문이며, 그에 따라, PSD(58)에 도달한 대부분의 광은 상부면 반사로부터 유래한 것일 것이다. 큰 입사각으로 인해, 긴 타원 빔이 웨이퍼 표면 상에 생겨, 큰 영역에 걸쳐 반사도의 평균을 낸다. 웨이퍼 표면 상의 긴 타원 스폿은 또한, 상부 또는 바닥면 상의 미세한 패턴 또는 미립자 오염(particulate contamination)에 의한 측정 오차를 최소화하게 된다. 웨이퍼 상부면(50)과 렌즈(54) 사이의 거리와, 렌즈(54)와 PSD(58) 사이의 거리는 렌즈(54)의 초점 길이의 대략 두 배이다. 개구(44)는 그에 따라 결과적으로 PSD(58) 상에 투영된다. 웨이퍼는 x-y 스테이지(미도시) 상에 실장되는데 반해, 출력부(38)를 구성하는 구성요소(40, 42, 44, 46 및 48)와 입력부(51)를 구성하는 구성요소(52, 54, 56, 58 및 60)는 z-스테이지 상에 실장된다. PSD 출력은 위치 감지 증폭기(60)에 연결되어, 제어기(미도시)와 연계하여 z-스테이지를 위한 서보 루프를 형성하는데 사용된다. 웨이퍼나 광학 시스템 또는 둘 다는 z-스테이지 상에 실장될 수 있다.

최상의 스크라이빙 결과인 경우, UV 대물렌즈의 초점면과 웨이퍼 표면 사이의 유한한 오프셋을 사용할 수 있다. 이러한 스크라이빙 결과를 점검하여, 대물렌즈와 웨이퍼 표면 사이의 거리를 초기화한다. 도 3의 오토포커스 구성요소는 그 후 조정되어, 개구의 영상이 대물렌즈 바로 아래에 위치하게 하는 것을 보장한다. 이 영상은 그 후 PSD(58)의 점(74)에 투사한다. 이상적인 조건에서, 빔 경로는 도 3의 실선을 따른다. 스크라이빙 중인 웨이퍼의 상부면이 편평하지 않다면, x-y 스테이지가 병진 운동할 때, 빔 경로는 변할 것이다. 예컨대, 도 3의 점선(72)이, 작업물(50)의 상부면이 새로운 위치(70)로 이동할 때, 웨이퍼의 편평도나 두께가 변동(variance)한 결과로 인한, 빔 경로가 된다. 이 경우에, 대물 렌즈와 웨이퍼 사이의 거리는 최적의 거리보다 더 길다. 레이저 빔은 이제 PSD(58)의 점(74)으로부터 새로운 위치(76)로 시프트하여, PSD(58)는 레이저 빔의 측면 시프트에 비례한 신호를 산출한다. 이 신호를 증폭하고, 디지털화하여 z-스테이지 제어기에 보내서, z-스테이지를 하강시켜 대물렌즈와 웨이퍼 표면 사이의 최적 거리를 회복한다. PSD 신호 피드백 및 수직 스테이지 제어기에 의해 형성한 서보 루프는 그리하여, 스테이지 병진운동 동안에, 대물렌즈와 웨이퍼 표면 사이의 거리를 항상 최적이게 하는 것을 보장한다. 이로 인해, 전체 웨이퍼에 걸쳐 최상의 스크라이빙 결과를 보장한다.

추적 오토포커스 시스템을 사용하여 LED 제조에서의 사파이어나 금속 웨이퍼 스크라이빙을 돕는 것은 새로운 것이다. 이 시스템은, 적절한 빔 편광을 사용하고, PSD 이전에 대역통과 필터를 추가하며, 안정된 출력 모드의 레이저 다이오드를 사용하며, 적절한 개구 크기를 사용하며, 고해상도 측면-타입 PSD를 사용함으로써, 상술한 종래의 시스템보다 더 간단하고 더 강력하게 된다. 시스템 설명에서 논의한 바와 같이, 적절한 빔 편광을 사용하고, PSD 이전에 대역통과 필터를 추가하면 SNR을 증가시킨다. 레이저 다이오드는 안정된 빔 형상을 갖는다. 레이저 다이오드 빔을 직접 PSD 상에 방사하는 대신, 개구를 투영하며, 따라서 기준 암(arm)은 필요치 않다. 레이저 다이오드 출력 및 개구 크기는 PSD에 도달하기에 충분한 레이저 출력을 갖도록 선택되여, PSD와 증폭기가 레이저 LED 스크라이빙 동안에 최적인 조건 아래에서 작업하게 한다. 핀홀 크기 또한, 웨이퍼 표면 상에 충분히 긴 타원 스폿을 투사하기에 충분한 크기여서, PSD 신호는 웨이퍼 상의 영역에 걸쳐서 평균을 내어, 웨이퍼 상부면 상의 더트(dirt)로부터의 허위 응답을 피한다. 고해상도 PSD(58)는 오토포커스 감도를 증가시키고, 웨이퍼 상의 이중 반사는 필요치 않다. 분할된(segmented) 광다이오드 PSD 대신, 2-측면이나 3-측면 PSD(On-Trak Photonics, Inc.의 부품 번호 1L5SP)를 사용하여, 시스템 정렬을 간략화하고, PSD 상에서 수백 ㎛에서 수 mm까지 오토포커스 캡쳐 범위를 증가시킨다. 렌즈(46) 및 렌즈(54)의 초점 길이는 상이할 수 있다. 개구(44)와 렌즈(46) 사이의 거리, 렌즈(46)와 웨이퍼 표면(50) 사이의 거리, 웨이퍼 표면(50)과 렌즈(54) 사이의 거리 및 렌즈(54)와 PSD(58) 사이의 거리는 렌즈 초점 길이의 정확히 2배일 필요는 없다. 수 mm만큼 벗어나는 것은 오토포커스 추적 성능에 영향을 미치지 않을 것이며, 시스템의 정렬은 그에 따라 중요하지 않다.

도 4는 Z-축 서보(78)에 모두 부착되는 오토포커스 출력부(38), 입력부(51) 및 대물렌즈(26)를 구비한 레이저 처리 시스템(80)을 도시한다. 전술한 바와 같이, 레이저 빔(42)이 작업물(32)과 대물렌즈(26) 사이에 변위 변화를 검출할 때, 출력부(51)는 신호를 제어기(미도시)에 보내며, 이 제어기는 Z-축 서보(78)가 대물렌즈(26), 출력부(38) 및 입력부(51)를 이동시키게 하여, 변위 변화를 보상하고 이것을 그 공칭값으로 복구시키며, 이를 통해 작업 레이저 초점 스폿(30)과 작업물(32) 사이에는 원하는 관계를 지키게 된다.

z 스테이지와 PSD 신호에 의해 형성한 서보 루프의 이득 및 대역폭을 적절히 설정하여, 오토포커스 응답은, 70mm/s의 x-y 스테이지 속도에서 2-inch 웨이퍼에 걸쳐서 150㎛의 웨이퍼 표면 높이 변동을 따를 수 있다. 서보 루프의 대역폭은 이 응용에 대해 50Hz까지이다. 추적 오토포커스 디바이스를 통해, LED 스크라이빙 시스템은, 바닥면 상에 패턴이 있는 2-inch 투명 사파이어 웨이퍼에 대해 5~10㎛ 웨이퍼 두께 변동을 추적할 수 있다. 서보 루프의 대역폭은 이 응용에 대해 5Hz까지이다. 빠른 국지적 높이 변화를, 이러한 대역폭에서는 무시할 것이며, 시스템을 더 강력하게 한다. 더 빠른 x/y 스테이지 속도와 상이한 표면 높이 변동에 대해, 서보 루프를 적절히 최적화할 수 있어서 최적의 결과를 얻을 수 있다.

본 발명의 기저 원리에서 벗어나지 않고도, 본 발명의 상술한 실시예에 대한 상세한 내용은 많이 변화시킬 수 있다는 점은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 범위는 그러므로 다음의 청구항에 의해서만 결정되어야 한다.

40: 레이저 다이오드 42: 시준된 빔
44: 원형 개구(핀홀) 46: 조명 렌즈
48: 프리즘 거울 50: 웨이퍼 상부면
54: 집광 렌즈 56: 대역통과 필
58: PSD 78: Z-축 서보

Claims

레이저 처리 시스템에서 레이저 초점 스폿과 작업물 사이의 상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법으로서, 상기 레이저 처리 시스템은, 초점 스폿을 갖는 작업 레이저 및 측정 레이저 빔을 생성하는 측정 레이저와, 레이저 빔 검출기를 포함하며, 상기 측정 레이저 빔과 상기 레이저 빔 검출기는, 상기 레이저 초점 스폿과 상기 작업물 사이의 상기 변위를 정량화하도록 동작하며, 상기 작업물은 상부면과 바닥면을 포함하는, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법에 있어서,
상기 측정 레이저 빔의 편광을, 상기 작업물의 상기 상부면에 대해, 특정한 타입의 편광과 특정한 방향으로 설정하는 단계; 및
상기 작업물의 상기 상부면으로부터 반사된 측정 레이저 빔 에너지와, 상기 작업물의 상기 바닥면으로부터 반사되어 후속하여 상기 레이저 빔 검출기에 의해 검출된 측정 레이저 빔 에너지 양의 비가 최대가 되도록 선택되는 지표각(grazing angle)으로, 상기 측정 레이저 빔을 상기 작업물에 보내는 단계를 포함하며;
상기 작업 레이저 및 상기 측정 레이저는 상이한 파장에서 동작하며;
상기 작업물이 상기 레이저 초점 스폿에 대해 신속하게 이동하는 동안에, 상기 측정 레이저 빔과 상기 레이저 빔 검출기는 상기 레이저 초점 스폿과 상기 작업물 사이의 상기 상대적인 변위를 정량화하는,
상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 빔의 상기 특정한 타입의 편광은 실질적으로 선형인, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 빔의 상기 특정한 방향은 상기 작업물의 상기 상부면에 대해 실질적으로 s-편광인, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법.
제 1항에 있어서, 상기 지표각은 상기 작업물의 상기 상부면의 수직에 대해 대략 84°와 대략 87°사이인, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법.
제 1항에 있어서, 상기 신속한 이동은 대략 10mm/s보다 크고 1000mm/s미만인, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법.
제 1항에 있어서, 상기 측정 레이저는 대략 700nm미만의 파장에서 동작하는, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법.
제 1항에 있어서, 상기 측정 레이저 빔은 핀홀(pinhole) 개구를 사용하여 시준되는, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법.
제 1항에 있어서, 상기 측정 레이저 빔은 대역통과 필터링되는, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 방법.
레이저 처리 시스템에서 레이저 초점 스폿과 작업물 사이의 상대적 변위를 정량화하는 개선된 장치로서, 상기 레이저 처리 시스템은, 레이저 초점 스폿을 포함하는 작업 레이저, 측정 레이저, 및 측정 레이저 빔을 생성하는 측정 레이저 광학기기와, 레이저 빔 검출기를 포함하며, 상기 측정 레이저 빔, 측정 레이저 광학기기 및 상기 레이저 빔 검출기는, 상기 레이저 초점 스폿과 상기 작업물 사이의 상기 변위를 정량화하도록 동작하며, 상기 작업물은 상부면과 바닥면을 포함하는, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 장치에 있어서,
상기 측정 레이저 및 측정 레이저 광학기기는 상기 측정 레이저 빔을 보내어 상기 작업물로부터 반사되고 상기 레이저 빔 검출기에 의해 검출되어, 상기 레이저 초점 스폿과 상기 작업물 사이의 상대적 변위를 정량화하도록 동작 가능하며, 상기 레이저 빔은, 상기 작업물의 상기 상부면에 대해 특정한 방향으로 상기 작업물의 상기 상부면에 충돌하도록 보내지며;
상기 측정 레이저 빔은, 상기 작업물의 상기 상부면으로부터 반사된 레이저 빔 에너지와, 상기 작업물의 상기 바닥면으로부터 반사되어 후속하여 상기 레이저 빔 검출기에 의해 검출된 레이저 빔 에너지 양의 비가 최대가 되도록 선택되는 지표각으로, 상기 작업물에 또한 보내지며;
상기 작업 레이저 및 상기 측정 레이저는 상이한 파장에서 동작하며;
상기 작업물이 상기 레이저 초점 스폿에 대해 신속하게 이동하는 동안, 상기 레이저 빔은 보내져 상기 작업물에서 반사되어, 상기 레이저 초점 스폿과 상기 작업물 사이의 상대적 변위를 정량화하는,
상대적 변위를 정량화하는 개선된 장치.
제 9항에 있어서, 상기 레이저 빔의 상기 특정한 타입의 편광은 실질적으로 선형인, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 장치.
제 9항에 있어서, 상기 특정한 방향은 상기 작업물의 상기 상부면에 대해 실질적으로 s-편광인, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 장치.
제 9항에 있어서, 상기 지표각은 상기 작업물의 상기 상부면의 수직에 대해 대략 84°와 대략 87°사이인, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 장치.
제 9항에 있어서, 상기 이동은 대략 10mm/s와 대략 1000mm/s 사이인, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 장치.
제 9항에 있어서, 상기 작업 레이저와 상기 측정 레이저는 상이한 파장에서 동작하는, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 장치.
제 9항에 있어서, 상기 측정 레이저는 대략 700nm미만의 파장에서 동작하는, 상대적 변위를 정량화하는 개선된 장치.