KR20120069302A

KR20120069302A - 레이저 리프트 오프 장치

Info

Publication number: KR20120069302A
Application number: KR1020100130799A
Authority: KR
Inventors: 엄승환; 김대진; 고건섭; 이광재; 조운기; 김종한
Original assignee: 디앤에이 주식회사
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-06-28

Abstract

본 발명은 LED기판에서 예전에는 trench 구조의 기판을 사용하였으나, 최근 제조 비용에 따른 생산 단가 절약뿐 아니라 process의 단순화로 많은 이점이 있는 monolithic 구조로 변경 사용하는 추세이다. 이러한 monolithic 구조의 기판에서 레이저 빔의 오버랩에 의한 칩의 결함이 발생하는 것이 방지되도록 구조가 개선된 레이저 리프트 오프 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 레이저 리프트 오프 장치는 레이저 빔을 방출하는 레이저 빔 광원과, 레이저 빔 광원에서 방출된 레이저 빔의 장축은 수 mm에서 수 백mm의 길이로 장축 방향으로 flattop 프로파일의 균일한 빔으로 가공하고 단축은 수 um에서 수백 um의 크기로 가우시안 프로파일 혹은 플렛탑의 형상으로 가공하는 광학계와, 산란 빔과 고스트 빔을 제거하기 위한 슬릿과 기판의 크기에 따라 빔 크기를 조절할 수 있는 빔 커터가 광학계 내부에 장착되어 있으며, 단축의 빔프로파일을 쉽게 변형시키기 위한 특수 미러 마운트가 장착되며, 박막이 증착된 기판이 배치되고, 레이저 빔 광원에 대하여 상대이동가능하게 배치되는 스테이지와, 박막과 기판을 분리하기 위해 필요한 에너지를 측정하는 측정기가 스테이지 내에 장착이 되고, 이 필요 에너지를 제어하기 위한 제어기와 빔 감쇄기가 광학계 내에 장착이 되며, 박막을 기판으로부터 분리하기 위하여, 스테이지가 이동하는 상태에서, 라인 형상의 레이저 빔이 기판에 복수회로 중첩되게 조사되어 중첩된 레이저 빔의 에너지가 박막과 기판 사이의 결합에너지 이상이 되도록 레이저 빔 광원을 제어하는 제어부와 박막과 기판을 분리시키는 과정에서 발생되는 잔재물을 제거하기 위한 석션 장치를 포함함으로써, 레이저 빔의 overlap에 의한 칩의 damage를 최소화 할 수 있으며, 이에 따른 공정 수율을 극대화 할 수 있으며, 제품 생산성을 현저히 향상 시킬 수 있다.

Description

레이저 리프트 오프 장치{Laser lift off apparatus}

본 발명은 박막을 성장시키기 위한 기판과 그 기판 위에 성장시킨 박막을 분리하는데 이용되는 레이저 리프트 오프 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 들어 LCD backlight unit, 자동차 헤드라이트, 가정용 및 산업용 조명 등 고출력 발광 다이이드의 수요가 많아지게 됨으로써 수평형 LED에서 수직형 LED의 대량 생산에 주력하고 있는 상황에서 liftoff 공정이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 이 liftoff 공정은 사파이어 기판에 GaN 박막을 성장시킨 후에 사파이어 기판을 제거하기 위한 공정으로써 Chemical liftoff와 laser liftoff등 다양한 방법에 의해 liftoff가 연구되었지만, 공정의 안정성, 생산성 등을 고려하여 laser를 이용한 liftoff가 현재는 대부분의 자리를 대신하고 있다.

또한, 근래 들어 엑시머 레이저(Eximaer Laser) 빔의 안정성과 출력이 향상됨에 따라 다양한 반도체 물질을 가공하는 공정으로까지 그 사용 범위가 넓어지고 있다. 특히 고출력을 위한 수직형 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode), 플렉시블 디스플레이에서와 같은 소자를 형성하기 위하여, 레이저 빔을 이용하여 기판 위의 박막을 분리하는 공정이 많이 이루어지는데, 이러한 공정을 레이저 리프트 오프(Laser Life Off : LLO) 공정이라고 한다.

LED용 반도체 재료는 크게 직접 천이형(direct transition)과 간접 천이형(indirect transition)으로 구별할 수 있다. 반도체의 에너지 구조에서 전도대의 전자가 가전자대의 정공과 결합할 때 에너지가 방출하게 된다. 규소 (Si) 등 간접천이형 반도체 내에서는 이 에너지는 주로 열과 진동으로 소모되어 발광 효율이 크게 저하되는 반면, 질화갈륨 (GaN) 등 직접천이형 반도체에서는 전자와 정공의 재결합시 발생하는 에너지가 모두 발광 형태로 나타나기 때문에 LED를 구성하기 위한 적합한 재료라고 볼 수 있다. 이러한, 직접천이로부터 발생하는 빛의 파장은 반도체의 고유한 특성인 에너지 밴드갭 (Eg)에 따라 결정되며, 빛의 에너지와 발광파장은 다음과 같은 관계가 있다.

Eg = hν = hc /λ (h : 플랭크상수, c : 광속, λ : 파장)

λ [nm] = 1240 / E [eV]

적색 LED에서는 GaAlAs와 같은 3원계, 혹은 InGaAlP와 같은 4원계 조성의 화합물 반도체가 사용되고 있다.

녹색 LED의 경우에는 처음에 GaP로 구현되었는데, 이는 간접 천이형 재료로서 효율이 떨어져서 실용적인 순녹색 발광을 얻을 수 없었다. 하지만, 추후에 InGaN 박막성장이 성공함에 따라 고휘도 청색 및 녹색 LED 구현이 가능하게 되었다. 현재, InGaN의 In 조성을 조절함에 따라 적색에서 near UV에 해당하는 빛을 얻을 수 있다.

적색 LED 뿐만 아니라, 질화물 반도체 InGaN를 이용한 녹색 및 청색 LED의 조명 효율 (luminous efficiency)이 백열 전구 수준을 능가하게 되어 고휘도 총천연색 디스플레이를 비롯한 광범위한 분야로의 LED의 응용이 본격화 되었다. LED가 처음 발견되었을 때와 비교하면 최근 10여 년 간 질화물 반도체 LED의 급성장은 혁명에 가까운 발전이라고 해도 과언이 아닐 수 없으며, 1996년 InGaN 청색 LED에 형광 물질을 결합시켜서 구현한 고휘도 백색 LED의 등장은 마침내 반도체 조명의 시대를 열기에 이르렀다.

이 후 질화물 반도체 GaN을 이용한 청색 발광 다이오드가 상업적으로 이용되기 시작하면서 GaN에 기초한 발광다이오드 기술이 급속도로 발전하고 있으며 최근 가정용 조명 및 자동차 헤드라이트에도 사용될 만큼 그 수요도 점차 많아 지고 있다.

이러한 GaN에 기초한 발광 다이오드의 경우는 에피텍셜 성장시 결정 결함을 줄이기 위해 격자 상수가 비슷한 사파이어 기판 위에 GaN을 성장 시킨다.

Materials	Structure	Lattice const . a (A)	Lattice const . c (A)	Density (g/ cm ³ )	Bandgap ( eV )	Thermal expansion (x10 ^-6 K)
Sapphire	Hexagonal	4.758	12.991	3.97	9.9	7.50
GaN	Hexagonal	3.189	5.815	6.1	3.3	5.59

종래의 발광다이오드는 수평형 구조로서 도 1a 및 1b 에 도시되어 있는 것과 같은 구조로 되어 있으며, 사파이어 기판 위에 N형 GaN, MQW의 활성층, P형 GaN, 투명 전극이 순차적으로 적층되며, 투명 전극 위로 제 1전극이 형성된다. 그리고 이어 투명 전극, P형 GaN 및 MQW층을 선택적으로 식각을 하여 N형 GaN층 위에 제 2전극을 형성하는데 이러한 수평형 LED에서는 고출력 발광다이오드를 생산하는데 많은 어려움이 있다. 이러한 구조의 LED에서 고출력, 고효율의 LED로 개선하기 위해 발생되는 열을 효율적으로 방출하고 광손실을 얼마나 줄일 수 있는가가 중요한 이슈로 제기 되고 있다. 따라서, 기존의 수평형 LED에서 가지고 있는 단점과 구동 중에 발생되는 열을 효율적으로 방출하기 위해 사파이어 기판이 없는 수직형 LED로 대량 생산을 하기 시작하였고, 사파이어 기판을 제거하기 위해 레이저를 이용한 liftoff가 필요하게 되었다. 최근 수년간에 걸쳐 레이저를 이용한 liftoff 장치의 연구가 진행되었으나, 수직형 LED의 대량 생산을 위해 아직 해결되고 있지 않은 부분이 있다.

이러한 수직형 LED는 도2와 같이 사파이어 기판 위에 GaN 계열의 버퍼층, N형 GaN, MQW의 활성층, P형 GaN, 반사층 및 전도성 물질을 마지막으로 적층하고 전도성 물질을 지지층으로 하여 GaN계열의 박막을 레이저 리프트 오프 공정에 의하여 사파이어와 분리할 수 있다.

레이저 리프트 오프 공정의 기본적 원리는 물질의 밴드갭 에너지와 레이저의 광자 에너지와의 관계에 있다. 사파이어 기판의 경우는 9.9eV, GaN 박막의 경우 3.3eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있으며, 사파이어 기판에 영향을 주지 않고 GaN 박막에만 영향을 주기 위해서, 사파이어 기판의 9.9eV보다는 작고, GaN의 3.3eV 보다는 큰 광자에너지를 가지는 레이저를 사용해야 한다. 레이저 파장에 따른 광자 에너지에 대한 수식은 아래와 같다.

E = h×υ

E = (h×c) / λ = 1245 / λ

h = 6.626 × 10^-34J?s

c = 2.998 × 10⁸m/s

1eV = 1.6 × 10^-19J

따라서, 수식에 의거하여 기판을 분리하기 위한 레이저의 파장을 결정되어지며, 이러한 것에 만족하는 상용 레이저 중에는 308nm의 파장을 갖는 XeCl 엑시머 레이저(4.04eV), 248nm의 KrF 엑시머 레이저(5.02eV), 193nm의 ArF 엑시머 레이저(6.45eV) 등이 사용될 수 있으며, 고체 레이저 중에서는 355nm 파장의 레이저(3.5eV) 및 266nm 레이저(4.68eV) 등이 있지만, 266nm 레이저의 경우, 레이저 펄스당 에너지가 너무 작아 아직은 상용화 하기 어렵다. 따라서, 레이저를 이용한 리프트 오프의 원리는 사파이어 기판에서 레이저는 투과하고 GaN층에서 흡수하여, GaN층 계면에 열이 발생하고 GaN 분자 구조를 분해시킴으로써 사파이어 기판과 GaN층을 분리할 수 있게 된다.

종래에는 단위 조사 영역에 하나의 펄스에 의해 레이저 빔을 순간적으로 조사한 후 다음 조사 영역으로 이동하여 동일한 방법으로 레이저 빔을 조사하는 펄스 방식의 리프트 오프를 하였으나, 이는 트렌치 구조의 LED 기판에서는 문제가 없지만, monolithic 기판에서는 이러한 방식에 문제가 대두되고 있다.

트렌치 구조의 LED의 경우, 칩과 칩 사이의 스트리트가 에칭되어 있고 빔의 크기를 칩 크기의 배수배 만큼 만들어 레이저 빔을 조사하게 되면, GaN 분자가 분리되면서 발생되는 충격이 에칭된 스트리트로 빠져 나가 근접한 칩에 영향을 주지 않게 된다. 그러나, 에칭된 스트리트를 만들기 위해 리소그라피, 에칭, 클리닝 등 다수의 공정을 추가되어 공정의 복잡성 및 제조 단가 상승, 생산량 감소 등의 문제로 인하여 최근에는 트렌치 구조보다는 칩과 칩 사이가 분리되어 있지 않는 단일 결정으로 이루어진 모놀리틱 구조로 사용하는 추세로 변화하고 있다.

이러한 모놀리틱 구조의 LED 기판에서의 기존에 사용되는 방식인 단위 조사 영역에 하나의 펄스에 의해 레이저 빔을 순간적으로 조사하는 방식의 리프트 오프를 하게 되면, 기판의 전 영역을 리프트 오프하기 위해 조사하는 영역과 다음에 조사하는 영역 사이에 빔의 중첩이 되는 영역이 발생하여, 그 중첩된 부분에서 쉽게 칩이 깨지는 현상이 발견 되며, 중첩이 되지 않는 상황이라면 리프트오프가 되지 않는 영역이 발생할 것이며, 그 위치를 정확히 제어하더라도 레이저 빔의 순간적인 조사에 의한 충격파에 의해서도 쉽게 깨지기도 한다. 이러한 조사 방식에서는 레이저 에너지 측정 방법과 빔의 크기를 측정하는 방법에 따라 그 단위 면적당 에너지가 조금 달라지겠지만, 실험에 따르면, 빔 사이즈를 3mm x 3mm, 이 영역을 균일한 빔으로 만들어 실험을 한 결과, 900mJ/cm2에서 리프트오프가 되었으며, 빔과 빔 사이의 경계면에서 깨지는 현상을 발견하지 못하였으나, 그 보다 작은 890mJ/cm2에서는 리프트 오프가 완벽하게 이루어지지 않았으며, 10mJ/cm2 이상 높은 에너지에서는 깨지는 것을 관찰하였으며, 기판 전체에 레이저 빔을 조사하였더니, 리프트 오프된 영역과 되지 않은 영역이 공존하기도 하였다. 따라서 이러한 모놀리틱 구조의 LED 기판에서의 단위 펄스 조사에 의한 방식은 그 에너지 대역이 상당히 좁아 대량 생산을 목적으로 할 경우, 잦은 문제 발생 및 장비의 가동시간이 줄어들어 생산량 감소 등 많은 문제를 갖게 될 수 있다.

이를 극복하기 위해 빔의 형태를 라인 형태로 그 길이는 수 mm에서 수백 mm로 장축 방향으로의 빔의 세기가 플렛탑 모양을 가지도록 빔을 균일하게 하고 단축(빔폭)의 경우는 가우시안 프로파일을 가지는 빔의 형태로 가공하여 만들어 실험하였다. 실험의 예로써 레이저 빔의 길이는 100mm, 빔 폭은 0.3mm으로 가공하고 에너지는 700mJ/cm2 부터 775mJ/cm2까지 빔의 단축 방향으로 빔을 중첩하여 스캔하는 방식으로 빔의 중첩은 74%부터 87%까지 진행하였다. 이 때 실험한 700mJ/cm2, 725mJ/cm2의 에너지를 제외하고 모든 영역에서 리프트 오프 되었으며 리프트 오프된 에너지 영역에서 빔의 중첩은 74% ~ 87% 까지 모두 만족하였다.

이와 같이, 단위 조사 영역에서의 순간적인 빔의 조사 방식보다 리프트 오프 되기 위한 필요 에너지의 크기가 더 작으며 그 에너지 영역대가 크고, 빔의 중첩을 고려하여 레이저 펄스 수를 적당히 가져 갈 수 있어서 수율 및 생산성이 크게 향상될 수 있으며, 장비의 가동시간도 크게 향상될 수 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 최근에 공정 단순화에 의한 제조단가절감 및 생산량 증대를 위해 GaN층이 monolithic 구조로 제조되고 있으며, 종래의 장치에서 리프트 오프를 하기 위한 기판에 가할 수 있는 레이저 에너지 대역의 폭이 작아 레이저가 가지고 있는 사양을 충족하더라도 박막 손상이 발생되는 수가 잦아 이를 대량 생산에 적합하지 않는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결 하기 위해 레이저 빔의 충격을 완화하여 사파이어와 박막을 분리하기 위해 필요한 에너지 대역폭을 넓게 가져갈 수 있으며, 이에 따르는 장비의 안정성 및 수율 및 생산성에 적합하도록 개선, 고안된 레이저 리프트 오프 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 리프트 오프 장치는 레이저 빔을 방출하는 레이저 빔 광원과, 레이저 빔 광원에서 방출된 레이저 빔의 장축은 수 mm에서 수 백mm의 길이로 장축 방향으로 flattop 프로파일의 균일한 빔으로 가공하고 단축은 수 um에서 수백 um의 크기로 가우시안 프로파일 혹은 플렛탑의 형상으로 가공하는 광학계와, 산란 빔과 고스트 빔을 제거하기 위한 슬릿과 기판이 사각의 형태가 아닌 원형이나 다각형의 경우 레이저 빔의 길이를 조절하기 위한 빔커터와 제어기가 장착되며, 단축의 빔프로파일을 쉽게 변형시키기 위한 특수 미러 마운트가 장착되며, 박막이 증착된 기판이 배치되고, 레이저 빔 광원에 대하여 상대이동가능하게 배치되는 스테이지와, 박막과 기판을 분리하기 위해 필요한 에너지를 측정하는 측정기가 스테이지 내에 장착이 되고, 이 필요 에너지를 제어하기 위해 빔 감쇄기가 광학계 내에 장착이 되며, 박막을 기판으로부터 분리하기 위하여, 스테이지가 이동하는 상태에서, 라인 형상의 레이저 빔이 기판에 복수회로 중첩되게 조사되어 중첩된 레이저 빔의 에너지가 박막과 기판 사이의 결합에너지 이상이 되도록 레이저 빔 광원을 제어하는 제어부와 박막과 기판을 분리시키는 과정에서 발생되는 잔재물을 제거하기 위한 석션 장치를 포함함으로써, 박막에 손상을 입히지 않고 사파이어 기판과 박막을 분리하기 위해 필요 에너지 대역폭을 크게 하여, 장비의 안정성이 좋아짐으로써 제품 수율 및 생산성을 현저히 향상 시킬 수 있다.

박막에 손상을 입히지 않고 사파이어 기판과 박막을 분리하기 위해 레이저 조사에 의한 기판에서의 충격을 완화하여 그 필요 에너지 대역폭을 크게 함으로써 장비의 안정성 개선, 향상되어 제품 수율 및 생산성을 현저히 향상 시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 인터널 트리거 방식으로 레이저 빔 광원을 제어할 수 있으므로, 레이저 빔의 피크 안정성(Peak stability)이 향상된다.

도 1a 및 1b는 발광다이오드의 구조도이며, 도 2는 종래의 리프트 오프 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리프트 오프 장치의 개략적인 구성도이며, 도 4는 라인 빔의 에너지 분포를 나타내는 사진 및 그래프이이며, 도 5는 도 3에 도시된 흡입부재의 사시도이며, 도 6은 기판에 라인 빔의 조사되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 흡입부재의 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 리프트 오프 장치에 관하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리프트 오프 장치의 개략적인 구성도이며, 도 4는 라인 빔의 에너지 분포를 나타내는 사진 및 그래프이이며, 도 5는 도 3에 도시된 흡입부재의 사시도이이며, 도 6은 기판에 라인 빔의 조사되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

레이저 리프트 오프 장치는 기판에 증착된 박막을 기판으로부터 분리하기 위한 것으로, 예를 들어 사파이어 기판에 증착된 LED 박막인 GaN의 분자구조를 분해함으로써 박막과 기판을 분리하는데 이용될 수 있는 장치이다. 또한, 이 장치는 유리 기판에 증착된 Flexible OLED 박막을 분리하는데 이용될 수도 있다. 도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 리프트 오프 장치는 레이저 빔 광원(10)과, 감쇠기(attenuator)(20)와, 광학계(30)와, 광학계 내에 빔 슬릿과 빔커터와 빔의 단축의 빔의 프로파일을 쉽게 변형하기 위한 미러를 조절하기 위한 제어 장치, 스테이지(40)와 석션 유닛과 이를 제어하기 위한 제어부(도면 미도시)를 포함한다.

레이저 빔 광원(10)은 레이저 빔을 발생시키는 공지의 구성으로서, 이용하고자 하는 레이저 빔의 파장에 따라 XeCl 엑시머 레이저, KrF 엑시머 레이저, ArF 엑시머 레이저 및 DPSS UV 레이저 등 다양한 종류의 UV 레이저가 채용될 수 있으며, 기판과 박막 사이의 결합에너지 및 가공하고자 하는 박막에 밴드갭 에너지에 따라 레이저 빔 광원의 종류가 결정된다.

감쇠기(20)는 레이저 빔의 진행경로 상에 배치되며, 레이저 빔의 세기를 조절한다. 스테이지와 함께 장착된 에너지 측정기와 기판을 분리하기 위해 필요 에너지를 제어하기 위해 에너지를 측정하여 감쇠기를 통해 제어되는 제어부가 필요하다.

광학계(30)는 레이저 빔 광원에서 방출된 레이저 빔의 진행경로 상에 배치된다. 광학계(30)는 레이저 빔의 형상을 라인 형상(라인 빔)으로 가공하며, 이 라인 빔의 에너지분포를 가공한다. 본 실시예에서 광학계(30)는 레이저 빔의 형상을 가공하는 빔 팽창 망원렌즈(Beam Expansion Telescopelens)(31)와, 가공된 레이저 빔의 에너지 분포를 균일하게 하는 빔 균일제(Beam Homogenizer)(32)와, 레이저 빔의 초점을 조절하는 프로젝션 렌즈(33)를 포함한다. 또한, 광학계(30)는 레이저 빔을 반사시켜 레이저 빔의 진행경로를 변화시키는 미러(34)와, 빔 균일제(32)를 통과한 레이저 빔의 길이를 제어하는 빔커터(35) 및 산란빔을 제거하기 위한 빔슬릿과, 필드 렌즈(36)를 구비한다. 또한, 레이저 빔의 일부를 분리하는 빔 스플리터(37)를 구비하며, 빔 스플리터에서 분리된 레이저 빔은 에너지 분석부(60)로 입사되어 라인 빔의 에너지 프로파일이 실시간으로 분석된다.

한편, 상술한 바와 같이 구성된 광학계에 의해 레이저 빔은 도 3에 도시된 형태, 즉 라인 빔 형태로 가공된다. 라인 빔의 장축(길이) 방향으로의 에너지 분포는 중앙 부분이 균일하고 양측 가장자리부분에서 감소되는 형태, 즉 플렛탑 모양의 분포를 가진다. 그리고, 라인 빔의 단축 방향으로의 에너지 분포 역시 빔 균일제를 사용하여 가우시안 분포를 가지도록 가공하는 것을 기본으로 하지만, 필요에 따라 도 3의 (a)와 같이 플렛탑 모양의 분포을 가지도록 가공할 수 있으며, 도 3의 (b) 및 (c)와 같이 비대칭적으로 가공할 수도 있다. 이런 빔의 분포도를 갖게 하기 위해 빔 균일제는 두 개의 렌즈 어레이로 되어 있으며 각 어레이는 원통형 렌즈 타입으로 직경은 수백 마이크로에서 수십 미리미터의 크기를 가지며 길이는 수 센티미터에서 수십 센티미터로 구성된 한 개의 렌즈의 수가 최소 2개에서 수십 개로 병렬로 연결되어 있다. 제 1 호모지나이저를 통과한 빔은 수렴 후 발산하며 제 2 호모지나이저를 통과하게 되며 제 2 호모지나이저를 통과한 빔은 제 1 호모지나이저와 제 2 호모지나이저의 간격에 따라 발산, 평행, 수렴하게 되며, 제 1 호모지나이저를 고정한 상태에서 제 2 호모지나이저의 위치를 조절함으로써 발산, 평행, 수렴 출사를 하도록 구현될 수 있다. 이렇게 빔 균일제를 통과한 빔은 제 1 수렴부에서 빔 커터가 위치해 있으며, 이를 통과한 빔은 미러를 거쳐 포커스 렌즈의 중심을 통해 기판에 입사하게 된다. 이 때 미러를 거쳐 포커스 렌즈로 입사될 때의 각도를 1도에서 20도 사이가 되도록 설치를 한다. 기판과 수직으로 입사가 될 경우, 기판의 반사도에 따라 다르지만, 기판 에서의 반사빔이 레이저 광원에 영향을 미치는 경우가 발생하기도 한다.

이때, 중요한 점은 실시예와 같이 사파이어 기판과 GaN 박막을 분리하는 과정에서 그 충격을 완화하기 위해, 빔의 길이가 적어도 기판의 폭과 같거나 혹은 커야 하고, 빔의 폭의 레이저 세기의 분포도는 빔폭 내에 중앙이 가장 높아야 하고 가장자리 방향으로 빔의 세기가 약해지는 분포도를 반드시 가져야 한다. 그 이유에 관하여 설명하면 다음과 같다.

종래의 싱글 펄스 조사방식에서는 기판과 박막의 분리하기 위해 필요한 문턱 에너지 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 1회 조사하여 기판과 박막을 분리하였다. 이와 같은 조사 방식에서의 이상적인 방법으로는 정확한 위치 제어를 통한 원하는 가공하고자 하는 위치에 레이저 빔을 조사하는 것으로써, monolithic 기판에서는 문턱 에너지 근방에서 완전 분리, 불완전 분리의 두 가지 결과를 얻을 확률이 크다. 그렇다 하여, 에너지를 더 주게 되면, 완전 분리가 되지만, 문제는 빔과 빔 경계선에서 박막에 균열, 결함과 같이 손상되기 쉽다. 이와 같은 방식에서 레이저 빔의 특징은 빔의 크기를 가지며 그 빔 내의 영역에서 에너지 분포가 균일하고, 가공하고자 하는 물질에 순간적으로 1회 조사한다는 점이다. 이렇게 조사를 하게 되면 박막에 충격이 가해져 쉽게 손상을 입히게 된다. 이는 가공 영역, 즉, 빔에 의한 가공 영역에서 사방으로 그 충격이 가해지게 되는데, 이는 레이저 조사에 의한 충격 뿐만 아니라 박막, GaN이 분해되면서 발생되는 질소 가스에 의한 팽창으로 발생하는 충격으로 인하여 빔의 조사 영역 중에 가장자리 부분에서 잦은 손상이 발생하게 되며, 빔의 크기가 커진다면 레이저 조사에 의한 충격과 이때 발생되는 질소 가스의 팽창에 의해 박막에 발생되는 손상은 더욱 심화될 것이 자명하다.

따라서, 그 충격을 완화시키기 위해 본 발명에서는 레이저 빔을 라인빔으로 가공하였으며, 라인 빔의 특징은 장축 방향으로의 충격인 경우, 빔의 가장자리에서 발생되는 충격은 그 폭이 작기 때문에 박막에 손상을 줄 정도가 아니며, 단축 방향으로의 충격은 에너지의 분포를 가우시안 분포로 가지도록 빔을 가공하여 조사하면 단축 방향으로 가공되는 영역은 실제 빔폭 보다 적은 영역만이 분해되기 때문에 그 충격이 미비하게 된다. 이러한 사실은 실험을 통해서도 기존의 장치보다 그 충격이 적어 박막에 손상을 주지 않다는 것을 확인하였으며, 또한 기존의 장치에서 리프트 오프하기 위한 필요한 에너지 보다 적은 에너지를 가지고 리프트 오프가 가능하다는 장점이 있다.

실험의 예로써, 빔 사이즈를 3mm x 3mm, 이 영역의 에너지분포가 균일하도록 빔을 만들어 실험을 한 결과, 900mJ/cm2에서 리프트오프가 되었으며, 빔과 빔 사이의 경계면에서 깨지는 현상을 발견하지 못하였으나, 그 보다 작은 890mJ/cm2에서는 리프트 오프가 완벽하게 이루어지지 않았으며, 10mJ/cm2 이상 높은 에너지에서는 깨지는 것을 관찰하였으며, 따라서, 4인치 기판 전체에 걸쳐, 모든 영역 내에서 레이저 빔은 1회 조사하여 실험하였더니, 리프트 오프된 영역과 되지 않은 영역이 공존하기도 하였다. 따라서 이러한 모놀리틱 구조의 LED 기판에서의 단위 펄스 조사에 의한 방식은 그 에너지 대역이 상당히 좁아 대량 생산을 목적으로 할 경우, 잦은 문제 발생 및 장비의 가동시간이 줄어들어 생산량 감소 등 많은 문제를 갖게 될 수 있다.

이를 극복하기 위해 빔의 형태를 라인 형태로 그 길이는 수 mm에서 수백 mm로 장축 방향으로의 빔의 프로파일이 플렛탑 모양을 가지도록 빔을 균일하게 하고 단축(빔폭)의 경우는 가우시안 프로파일을 가지는 빔의 형태로 가공하여 만들어 실험하였다. 실험의 예로써 레이저 빔의 길이는 100mm, 빔 폭은 0.3mm으로 가공, 장축 방향으로의 플렛탑 분포도를 가지며, 단축 방향은 가우시안 분포도를 갖도록 하고, 에너지는 700mJ/cm2, 725 mJ/cm2, 750 mJ/cm2, 775mJ/cm2까지 빔의 단축 방향으로 스캔하는 방식으로 75%부터 90%까지 빔을 중첩하여 실험하였으며, 4인치 기판을 분리해 보았다. 이 때 실험한 700mJ/cm2, 725mJ/cm2의 에너지를 제외하고 750mJ/cm2, 775mJ/cm2의 에너지와 빔의 중첩은 75% ~ 90%에서 리프트 오프 되었으며 725mJ/cm2의 에너지에서도 빔의 중첩을 80% 이상에서 진행한 결과는 리프트 오프 되었음을 알 수 있었으며, 박막에 미세 균열이나 결함 등의 손상은 없다는 것을 확인하였다. 한편, 위에서 사용된 에너지 수치 및 조사횟수는 설명의 편의를 위해 사용된 것이며, 실제 공정에서는 기판과 박막의 결합에너지, 박막의 밴드갭 에너지, 기판의 특성(데미지가 발생되는 에너지 강도) 및 레이저 빔의 에너지 등을 고려하여 변경될 수 있다. 그리고 레이저 빔의 길이는 기판의 크기에 따라 가변 되지만 무한정 길어질 수 없으나, 그 길이가 원하는 기판의 크기에 미치지 못하더라도 적당한 길이로 만들어 수 회에 걸쳐 스캔하는 방식을 택하여도 기존의 장치보다 더 좋은 결과를 얻을 수 있다.

스테이지(40)는 광학계(30)를 통과한 레이저 빔의 진행경로 상에 배치된다. 스테이지(40)의 상면에는 레이저 빔의 조사시 가공되는 기판(g)이 배치된다. 본 실시예의 경우 기판은 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode) 소자를 형성하기 위한 기판으로 주로 사파이어 소재로 이루어지며, 이 기판의 상면에는 발광 다이오드 박막이 증착되어 있으며 사파이어 기판의 반대편에는 전도성 기판이 bonding되어 있으며. 스테이지 상부에 사파이어 기판이 레이저 조사방향으로 놓여지며 스테이지 구동부에 의해 레이저 빔의 단축 방향으로 이동, 레이저를 조사하면서 사파이어 기판을 박막으로부터 분리하게 된다. 기판의 크기 혹은 모양에 따라 수~수백 차례에 걸쳐 기판 전체를 스캔 하도록 한다. 이렇게 조사 되어지게 되면 원형 혹은 다각형의 기판을 가공한다면, 레이저 빔의 길이가 정해져 있기 때문에 기판 외부로 빔의 조사되어 예기치 않게 장치의 다른 부속품에 손상을 입힐 수 있기 때문에 빔 균일제 이후에 설치되는 빔커터를 구동하고 제어함으로써 원하는 기판에만 레이저가 조사되도록 해야 한다. 예를 들어 100 mm의 길이를 가지는 레이저 빔을 4인치 원형 기판에만 정확히 조사하기 위해서 빔 커터를 스캔하는 위치마다 빔 커터를 이용해 빔을 잘라 주어야 하는데, Y축 방향으로 스캔한다고 하면, X축이 빔의 길이 방향이 되며 이때, 스테이지의 Y축 위치에 따른 빔커터의 길이를 조정하면 된다. 그 빔 커터의 길이는 아래와 같이 구해질 수 있다.

X = (R² - Y²)^0.5

X : 빔 커터의 간격 / 2

R : 기판의 반경

Y : stage의 y축 위치(기판에 대한 스테이지 상대값)

전 면적에 걸쳐 사파이어 기판을 박막으로부터 분리시키는 과정에서 기판의 모서리 부에서 발생하는 잔재물, 부산물을 제거, 흡입하기 위해 도xx와 같이 흡입장치를 스테이지 척과 일체형으로 구성하였으며, 그 흡입배기구를 통해 필터와 펌프로 구성된다. 흡입 장치는 스테이지 척에 원형으로 기판이 놓이는 가장자리부터 일정한 두께와 깊이로 홈이 파져 있으며, 그 내부에는 흡입구가 형성되어 있으며 연결부를 지나 필터와 펌프로 연결된 흡입 장치는 기판과 박막이 분리될 때 발생하는 부산물을 펌프의 흡입력에 의해 흡입구로 유입되며 유입된 부산물은 필터에 의해 걸러지고 외부로 배출된다. 이 때 스테이지 척 위에 필요한 기판 크기에 따라 다수개의 흡입구를 구성할 수 있다.

제어부는 스테이지(40)와 레이저 빔 광원(10), 빔커터를 제어한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 기판이 한 방향으로 이동되도록 스테이지를 제어한다. 그리고, 이와 같이 기판이 이동되는 상태에서, 기판에 라인 빔이 중첩되게 조사되도록 레이저 빔 광원을 제어한다. 이때, 기판에 따라 다각형 혹은 원형의 기판에 조사하기 위해서는 제어부는 레이저 빔 광원을 익스터널 트리거(External trigger) 방식으로 레이저 빔의 스테이지 위에 놓여진 기판에 정확히 조사하기 위한 스테이지의 위치 제어와 빔커터의 간격을 제어하거나, 인터널 트리거(Internal trigger) 방식으로 제어하고 스테이지 위치에 따른 빔커터의 간격을 제어해도 무방하다.

그리고, 위와 같이 스테이지와 레이저 빔 광원을 제어하는 방식으로 인터널 트리거를 사용하게 되면, 기판이 일정한 속도로 이동하는 상태에서 일정한 펄스로 라인 빔이 조사되므로, 기판 전체에 라인 빔이 일정한 횟수로 중첩되게 조사된다. 즉, 도 5에 실선으로 표시된 위치에서 가상 선으로 표시된 위치로 기판이 이동하는 과정에서, 라인 빔이 복수회 조사되면, 기판의 각 지점에 라인 빔이 복수회로 중첩 조사된다. 이때, 앞서 설명한 바와 같이, 기판과 박막의 결합에너지와 박막을 분해할 수 있는 에너지 및 라인 빔의 세기를 고려하여 중첩 조사된 라인 빔의 에너지의 합이 결합에너지 이상이 되도록 조사 횟수를 적절하게 설정한다.

상술한 바와 같이 구성된 레이저 리프트 오프 장치에 있어서, 스테이지에 기판을 안착하고 스테이지를 이동시키면서 레이저 빔을 조사하면, 기판 전체에 일정한 간격으로 레이저 빔이 중첩 조사되며, 이에 따라 기판과 박막이 안정적으로 분리되게 된다. 이때, 빔의 중첩의 정도는 주 제어부에서 설정하면 스테이지 제어부에서 스테이지의 속도를 제어하고 레이저 빔 제어부에서 레이저 발사 빈도수를 제어하게 된다. 이때 스테이지의 속도와 레이저 조사 빈도수에 의해 기판 위에서의 레이저 조사 위치를 결정하고 그 위치에서의 빔 커터의 간격을 조절하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 종래의 싱글 펄스 조사방식과 같이 익스터널 트리거를 사용하면 기판의 특정 부분 혹은 셀이 겹쳐지는 부분에 과도하게 큰 에너지가 조사되어 균열 및 결함이 발생하게 되거나, 적은 에너지 변화에도 조사되는 영역 가장자리에 쉽게 균열 및 결함이 발생하게 된다. 인터널 트리거를 사용하고 라인 빔으로 가공하여 사용할 경우, 이러한 간혹 발생하는 과도한 에너지의 발생에 따른 박막의 손상을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 상기 실험 결과에서도 보 듯이 사파이어와 박막을 분리하는데 필요한 에너지 영역대가 크기 때문에 불안정한 익스터널 트리거를 이용하여도 박막에 손상을 줄일 수 있다. 따라서, trench 구조의 기판뿐 아니라 monolithic 기판에서도 박막의 손상 없이 사파이어 기판과 박막을 안정적으로 분리할 수 있다.

그리고, 본 실시예에 따르면 인터널 트리거 방식으로 레이저 빔 광원을 제어한다. 따라서, 종래와 같이 익스터널 트리거 방식으로 레이저 빔 광원을 제어할 때의 문제점, 즉 레이저 빔이 불연속적으로 발진됨에 따라 레이저 빔의 피크 안정성(Peak stability)이 떨어지게 되는 문제점을 방지할 수 있다.

또한, 종래의 싱글 펄스 조사방식에서는 도 1에 도시된 바와 같이 세로 방향으로 기판을 이동시켜가면서 첫 번째 열(1)에 레이저를 조사한 다음, 다시 기판을 좌측(또는 우측)으로 한 셀 만큼 이동시킨 후 다시 세로 방향으로 이동시키면서 두 번재 열(2)에 레이저를 조사하는 과정을 반복하여야 한다. 따라서, 기판의 크기가 커지게 될수록 기판 전체에 레이저를 조사하는데 소요되는 시간이 급격하게 증가하게 된다. 하지만, 본 실시예에서는 세로 방향으로 한 번 이동하는 동안에 기판 전체, 혹은 종래의 방식보다 넓은 영역을 레이저로 조사할 수 있으므로, 기판의 크기가 커지더라도 상대적으로 짧은 시간 안에 가공할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100...레이저 리프트 오프 장치 10...레이저 빔 광원
20...감쇠기 30...광학계
31...빔 팽창 망원렌즈 32...빔 균일제
33...프로젝션 렌즈 34...미러
35...마스크 36...필드 렌즈
37...빔 스플리터 40...스테이지
50...흡입부재 60...에너지 분석부

Claims

레이저 빔을 방출하는 레이저 빔 광원;
상기 레이저 빔 광원에서 방출된 레이저 빔의 형상을 라인 형상으로 가공하는 광학계;
박막이 증착된 기판이 배치되며, 상기 레이저 빔 광원에 대하여 상대이동가능하게 배치되는 스테이지; 및
상기 박막을 상기 기판으로부터 분리하기 위하여, 상기 스테이지가 이동하는 상태에서, 상기 라인 형상의 레이저 빔이 상기 기판에 복수회로 중첩되게 조사되어 상기 중첩된 레이저 빔의 에너지가 상기 박막과 기판 사이의 결합에너지 이상이 되도록 상기 레이저 빔 광원을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 리프트 오프 장치.