KR20130076446A

KR20130076446A - 인고트 절단 방법

Info

Publication number: KR20130076446A
Application number: KR1020110145037A
Authority: KR
Inventors: 김환; 박상영
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-08
Also published as: KR101309805B1

Abstract

인고트 형태의 가공 대상물을 소정 두께로 절단하는 절단 방법이 개시된다. 개시된 절단 방법은, 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 내부에 집광시켜 제1개질영역에 의하여 가공 대상물을 그 두께 방향과 교차되는 방향으로 분리하기 위한 제1분리면을 형성하고, 제1분리면을 따라 상기 가공 대상물을 분리하여 제1분리물을 형성한다. 그런 다음, 레이저 빔을 제1분리물의 내부에 집광시켜 복수의 제2개질영역에 의하여 제1분리물의 내부에 그 두께 방향과 교차되는 방향으로 분리하기 위한 제2분리면을 형성하고, 제2분리면을 따라 제1분리물을 분리하여 복수의 제2분리물을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

인고트 절단 방법{Ingot slicing method}

본 발명은 인고트 절단 방법에 관한 것으로서, 레이저 빔을 이용하여 인고트를 소정의 두께로 절단(slicing)하는 방법에 관한 것이다.

반도체 공정 등에 사용되는 실리콘, 사파이어 등의 웨이퍼는 인고트(ingot)형태로 제조된다. 이 인고트를 소정의 두께로 절단하여 웨이퍼의 형태로 공정에 투입하게 된다.

통상적으로 다이아몬드 와이어를 이용하는 기계적 절단방식이 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 기계적 절단방식은 다이아몬드 와이어의 두께로 인하여 절단공정에서 손실되는 재료의 양이 매우 많다. 통상적으로 웨이퍼의 두께는 수백 미크론 정도인데, 절단 과정에서 거의 40% 정도의 재료가 손실될 수 있다. 또, 절단과정에서 분진이 발생된다. 또, 절단 후의 절단면이 평탄하지 않기 때문에 절단면을 폴리싱하는 후처리 공정이 필요하여 많은 공정비용이 소요된다.

본 발명은 기계적 절단방식 대신에 레이저 빔을 이용하여 인고트를 절단할 수 있는 절단방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 인고트 절단 방법은, 인고트 형태의 가공 대상물을 소정 두께로 절단하는 절단 방법으로서, 집광 렌즈를 이용하여 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 내부에 집광시키고 상기 레이저 빔을 이동시켜, 상기 집광점의 위치에 형성되는 복수의 제1개질 영역에 의하여 상기 가공 대상물의 내부에 상기 가공 대상물을 그 두께 방향과 교차되는 방향으로 분리하기 위한 제1분리면을 형성하는 단계; 상기 제1분리면을 따라 상기 가공 대상물을 분리하여 제1분리물을 형성하는 단계; 상기 집광 렌즈를 이용하여 레이저 빔을 상기 제1분리물의 내부에 집광시키고 상기 레이저 빔을 이동시켜, 상기 집광점의 위치에 형성되는 복수의 제2개질 영역에 의하여 상기 제1분리물의 내부에 상기 제1분리물을 그 두께 방향과 교차되는 방향으로 분리하기 위한 제2분리면을 형성하는 단계; 상기 제2분리면을 따라 상기 제1분리물을 분리하여 복수의 제2분리물을 형성하는 단계;를 포함한다.

상기 집광점의 위치를 상기 제1분리물의 두께 방향으로 서로 다른 복수의 위치에 위치시킴으로써, 상기 제1분리물의 내부의 서로 다른 깊이에 복수의 상기 제2분리면을 형성할 수 있다. 상기 복수의 제2분리면은 상기 제1분리물의 광입사면으로부터 멀리 떨어진 곳으로부터 가까운 곳의 순서로 형성할 수 있다.

상기 집광렌즈의 상기 제1분리물의 광입사면에 대한 작업거리는 일정하게 할 수 있다. 줌 렌즈 유닛을 이용하여 상기 집광렌즈의 광축에 대한 상기 레이저 빔의 기울기를 변경함으로써 상기 집광점의 위치를 상기 제1분리물의 두께 방향으로 서로 다른 위치에 위치시킬 수 있다. 상기 줌렌즈 유닛은 상기 레이저 빔을 상기 집광렌즈의 광축에 대하여 평향한 광, 미세 발산광 또는 미세 수렴광으로 변경할 수 있다.

광 분리기를 이용하여 상기 레이저 빔을 복수의 레이저 빔으로 분리하여 상기 집광렌즈에 입사시킬 수 있다. 상기 광분리기는 회절광학소자를 포함할 수 있다.

복수의 레이저 발생기로부터 조사되는 복수의 레이저 빔 각각에 대응되는 복수의 상기 집광렌즈를 이용하여 동일한 깊이에 복수의 상기 집광점을 형성할 수 있다. 광 분리기를 이용하여 상기 복수의 레이저 빔 각각을 복수 개로 분리하여 상기 복수의 집광렌즈에 입사시킬 수 있다. 상기 광분리기는 회절광학소자를 포함할 수 있다.

복수의 레이저 발생기로부터 조사되는 복수의 레이저 빔 각각에 대응되는 복수의 상기 집광렌즈를 이용하여 서로 다른 깊이에 복수의 상기 집광점을 형성할 수 있다. 광 분리기를 이용하여 상기 복수의 레이저 빔 각각을 복수 개로 분리하여 상기 복수의 집광렌즈에 입사시킬 수 있다. 상기 광분리기는 회절광학소자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 인고트 절단 방법에 의하면, 다이아몬드 와이어를 이용하는 종래의 절단 방법에 비하여, 절단 과정에서 버려지는 재료가 거의 없으므로, 거의 40%의 절단 부산물이 발생되는 종래의 기계적 절단 방법에 비하여 인고트의 사용 효율을 높일 수 있으며, 절단된 웨이퍼의 가격 경쟁력을 높일 수 있다. 또한, 레이저 빔을 이용한 절단 가공과정에서는 인고트에 열적 손상이 거의 없으며 절단면의 품질이 매우 우수하여 절단 후에 절단면을 후가공할 필요가 거의 없다. 따라서, 공정 시간 및 공정 비용을 절감할 수 있다. 또한, 기계적 절단 방법에 비하여 매우 높은 절단 속도를 구현할 수 있다. 또한, 1차분리과정에 의하여 인고트로부터 소정 두께의 1차분리물을 얻고 이 1차 분리물을 2차적으로 분리하여 원하는 웨이퍼를 얻는 과정을 거치므로, 큰 크기의 인고트로부터 원하는 두께의 웨이퍼를 얻는 방식에 비하여 작업 속도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 인고트 절단 방법을 수행하기 위한 절단 장치의 일 실시예의 개략적인 구성도.
도 2와 도 3은 가공 대상물의 내부의 집광점 부근에 미세 크랙이 형성되는 과정을 설명하기 위한 도면들.
도 4는 레이저 빔과 가공 대상물을 상대 이동시킴으로써 미세 크랙에 의한 분리 면이 형성되는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 블레이드를 이용하여 기계적 충격을 가함으로써 분리 면을 따라 가공 대상물을 분리하는 모습을 보여주는 도면.
도 6은 두 개의 레이저 빔을 이용하여 절단 가공을 수행하기 위한 장치의 일 실시예의 개략적인 구성도.
도 7은 줌 렌즈 유닛의 일 실시예의 광학적 구성을 도시한 도면.
도 8은 도 7에 도시된 줌 렌즈 유닛의 일 실시예에 의하여 집광점의 위치가 변하는 모습을 도시한 도면.
도 9는 줌 렌즈 유닛의 다른 실시예의 광학적 구성을 도시한 도면.
도 10은 도 9에 도시된 줌 렌즈 유닛의 일 실시예에 의하여 집광점의 위치가 변하는 모습을 도시한 도면.
도 11은 인고트의 내부에 제1분리면을 형성하는 모습을 도시한 도면.
도 12는 제1분리면을 따라 블레이드를 이용하여 기계적 충격을 가함으로써 제1분리물을 분리하는 모습을 보여주는 도면.
도 13은 제1분리물의 내부에 제2분리면을 형성하는 모습을 도시한 도면.
도 14는 제2분리면을 따라 블레이드를 이용하여 기계적 충격을 가함으로써 제2분리물을 분리하는 모습을 보여주는 도면.
도 15는 복수의 제2분리면을 동시에 형성하는 모습을 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 인고트 절단 방법 및 장치의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

본 발명에 따른 인고트 절단 방법은 레이저 빔을 가공 대상물의 내부에 집광시키고, 다광자 흡수 또는 이에 준하는 물리광학적 현상에 의하여 가공 대상물의 내부에 물성이 변화된 개질영역을 형성하고, 이 개질 영역에 의하여 가공 대상물의 내부에 분리의 기준이 되는 내부 분리 면을 형성하는 것을 특징으로 한다. 레이저 빔은 가공 대상물에 대하여 투과성을 갖는 파장 대역을 가진다. 레이저 빔은 그 펄스 폭이 1 ㎲ 이하, 바람직하게는 피코초 오더 또는 펨토초 오더의 펄스 폭을 가지는 초단 펄스 레이저 빔일 수 있다. 레이저 빔의 피크 파워 밀도는 1×10⁸ (W/㎠) 이상일 수 있다. 이러한 레이저 빔은 매우 높은 집광성을 가지며, 회절 한계에까지 집광이 가능하다. 이러한 레이저 빔을 가공 대상물의 내부에 집광시키면 집광점 부근에서 시간적, 공간적으로 압축되어 국소적으로 매우 높은 피크 파워가 밀집된 상태를 형성한다. 그러면, 가공 대상물에 대하여 투과성을 가진 레이저 빔이 다광자흡수 또는 이에 준하는 비선형 흡수 효과에 의하여 국소적으로 매우 높은 흡수 특성을 나타낸다. 이에 의하여 가공 대상물의 내부에는 재료의 물성이 변화된 개질영역이 형성되며, 이 개질영역에 의하여 내부 분리 면을 형성할 수 있다. 내부 분리 면을 형성한 후에 가공 대상물에 외부로부터 물리적 충격, 예를 들어 기계적, 열적 응력을 가하거나 또는 자연스런 분열에 의하여 내부 분리 면을 따라 가공 대상물을 분리함으로써 가공 대상물을 절단할 수 있다.

도 1은 레이저 가공 장치의 일 예를 도시한 구성도이다. 도 1을 보면, 레이저 발생기(100)와, 집광유닛(200), 및 스테이지(300)가 도시되어 있다. 레이저 발생기(100)는 레이저 빔(L)을 발생시킨다. 레이저 빔(L)은 예를 들어 콜리메이트된 평행광일 수 있다. 레이저 빔(L)은 예를 들어 미러(101)에 의하여 반사되어 집광 유닛(200)으로 입사된다. 집광 유닛(200)은 레이저 빔(L)을 가공 대상물(1)의 내부에 집광시킨다.

집광 유닛(200)은 집광 렌즈(210)와, 줌 렌즈 유닛(220)을 포함할 수 있다. 집광 렌즈(210)는 가급적 높은 개구수(N.A.)를 가질 수 있다. 개구수가 높을수록 레이저 빔(L)의 에너지가 가공 대상물(400)의 표면에서 흡수되는 것을 방지할 수 있으며, 높은 효율로 레이저 빔(L)을 가공 대상물(400)의 내부에 집광시킬 수 있다. 스테이지(300)에는 가공 대상물(400)이 탑재된다. 스테이지(300)에는 가공 대상물(400)을 고정할 수 있는 고정수단(미도시)이 마련된다. 고정수단은 예를 들어 진공 척(chuck)일 수 있다. 스테이지(300)는 도시되지 않은 이동수단에 의하여 X방향 또는 X, Y 방향으로 이동될 수 있다. 스테이지(300)를 이동시키는 이동수단은 XY테이블 등 당업계에서 통용되는 다양한 구도가 채용될 수 있다. 물론 집광 렌즈(210)를 포함하는 줌 렌즈 유닛(200)이 X, Y방향으로 이동될 수도 있다. 또한, 미러(1010)가 회동가능한 미러인 경우에 미러를 회동시킴으로써 레이저 빔(L)을 제1방향(Y) 및/또는 제2방향(Y)으로 스캔할 수도 있다. 집광 렌즈(210)는 소정 각도 범위 이내의 레이저 빔(L)을 가공 대상물(400)에 수직으로 입사시킬 수 있는 텔레센트릭 렌즈일 수 있다.

가공 대상물(400)은 원통형 또는 각주 형상의 인고트일 수 있다. 예를 들어 가공 대상물(400)은 실리콘 인고트, 사파이어 인고트 등, 반도체 공정에 사용되는 웨이퍼의 인고트일 수 있다.

도 2를 참조하면, 가공 대상물(400)에 입사된 레이저 빔(L)은 집광렌즈(210)에 의하여 그 집광점(1)이 가공 대상물(400)의 내부, 즉 광입사면(401)으로부터 두께 방향(C)으로 소정 거리 떨어진 위치에 형성된다. 레이저 빔(L)은 가공 대상물(400)에 대하여 투과성을 가지므로 광입사면(401)에서 흡수되지 않고 투과되나, 집광점(1) 부근에서는 다광자 흡수 또는 이에 준하는 비선형 흡수 효과에 의하여 국부적으로 가공 대상물(400)의 물성이 변화되어 개질 영역(2)이 형성된다. 즉, 집광점(1) 부근에서 레이저 빔(L)의 에너지가 가공 대상물(400)에 흡수되어 순간적으로 용융이 일어나며, 레이저 빔(L)이 통과되고 난 후에는 냉각되면서 수축 및 응고가 일어난다. 또한 용융, 냉각 과정 동안에 집광점(1) 부근에서 가공 대상물(400)을 구성하는 물질이 팽창, 수축되는데, 이 팽창, 수축에 의하여 도 3에 도시된 바와 같이 미세한 크랙(3)이 형성될 수 있다. 미세한 크랙(3)은 가공 대상물(400)의 두께방향 및 이에 직교하는 방향으로 형성될 수 있다. 개질 영역(2)은 미세한 크랙(3)을 포함하는 영역일 수 있다.

레이저 빔(L)과 가공 대상물(400)을 X방향과 Y방향으로 상대적으로 이동시켜 레이저 빔(L)을 가공 대상물(400) 내부의 복수의 위치에 집광시킴으로써 도 4에 도시된 바와 같이 가공 대상물(400)의 내부에 복수의 미세 크랙(3)에 의한 분리 면(5)을 형성할 수 있다. 미세 크랙(3)들 사이의 간격은 가공 대상물(400)의 재료의 종류, 물성, 레이저 빔(L)의 강도 등을 고려하여 적절히 선정될 수 있다.

분리 면(5)은 가공 대상물(400)을 두께 방향과 교차되는 방향으로 분리하기 위한 기준이 되는 면이다. 분리 면(5) 내에서 인접하는 미세 크랙(3)들은 서로 연결되거나 또는 미소한 간격으로 이격되어 있어서, 분리물(410)이 자연스럽게 분리 면(5)을 기준으로 하여 가공 대상물(400)로부터 분리될 수 있다.

자연스럽게 분리되지 않는 경우에는 미세 크랙(3)이 분리 면(5)을 따라 전파될 수 있도록 가공 대상물(400)에 물리적인 충격을 가할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 블레이드(10)를 사용하여 분리 면(5)을 따라 기계적 힘을 가하여 미세 크랙(3)을 분리 면(5)을 따라 전파함으로써 분리물(410)을 분리할 수 있다. 미세 크랙(3)을 분리 면(5)을 따라 전파시키는 방법으로는 블레이드(10)를 이용하는 방법에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 워터 제트(미도시)를 가공 대상물(400)에 쏘는 워터 제트법, 압축 공기를 가공 대상물(400)에 쏘는 에어로졸 제트법 등에 의하여 가공 대상물(400)에 기계적 충격을 가함으로서 미세 크랙(3)을 분리 면(5)을 따라 전파시키는 것도 가능하다. 또한, 레이저 빔을 가공 대상물(400)에 조사하여 열적 충격을 가함으로써 미세 크랙(3)을 분리 면(5)을 따라 전파시킬 수도 있다. 이 경우 레이저 빔은 분리 면(5)을 형성하는 레이저 빔(L)과 다를 수 있다. 즉, 이 경우의 레이저 빔은 가공 대상물(400)을 적절히 가열하였다가 냉각되는 과정에서 미세 크랙(3)에 충격을 가하여 분리 면(5)을 따라 전파되도록 할 수 있는 적절한 에너지를 가지면 되며, 따라서 그 파장 대역은 가공 대상물(400)에 흡수될 수 있는 대역으로 선정될 수 있다.

상술한 바와 같이 분리 면(5)이 형성된 가공 대상물(400)에 기계적, 열적 충격을 가함으로써 미세 크랙(3)을 분리 면(5)을 따라 전파시켜 분리 면(5)을 기준으로 하여 분리물(410)을 가공 대상물(400)로부터 분리할 수 있다.

레이저 빔(L)에 의하여 분리 면(5)을 형성하는 과정에서 가공 대상물(400)의 내부에는 위치에 따른 열소산 속도의 차이에 의하여 열응력이 축적될 수 있으며, 이에 의하여 가공 대상물(400)의 휨이 유발될 수 있다. 이 휨에 의하여 레이저 빔(L)이 가공 대상물(400) 내부로 입사될 때에 광경로의 교란이 발생될 수 있으며, 이는 개질 영역(2)의 균일성을 저하시켜 분리 면(5)의 품질을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 가급적 빠른 시간 내에 가공을 수행할 필요가 있다.

이러한 점을 감안하여, 도 1에 도시된 바와 같이 레이저 빔(L)을 복수의 레이저 빔으로 분할하는 광분리기(230)가 채용될 수 있다. 광분리기(230)는 예를 들어 복수의 반투과미러를 채용하고 반투과미러의 투과율을 적절히 선정함으로서 구현될 수 있다. 또한, 광분리기(230)는 회절오더를 갖는 회절광학소자에 의하여 구현될 수도 있다. 예를 들어, 3차 이상의 회절 오더를 갖는 회절광학소자를 채용함으로써 레이저 빔(L)을 세 개 이상으로 분리할 수 있다. 광분리기(230)를 채용함으로써 일 회의 스캔에 의하여 복수의 집광점(1)을 가공 대상물(400)의 내부에 형성할 수 있기 때문에 가공 시간을 단축하여 열영향을 줄일 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 두 개의 레이저 발생기(100)를 채용하여 두 개의 레이저 빔(L1)(L2)을 동시에 가공 대상물(400)에 조사함으로써 가공 시간을 단축할 수도 있다. 물론 두 개의 레이저 빔(L1)(L2)은 하나의 레이저 발생기(100)로부터 발생된 레이저 빔(L)을 반투과미러 등을 이용하여 분리함으로써 형성될 수도 있다. 여기서, 두 개의 레이저 빔(L1)(L2) 각각은 예를 들어 회절광학소자(도 1: 230)를 이용하여 복수의 레이저 빔으로 분리될 수도 있다. 또한, 도면으로 도시되지는 않았지만, 3개 이상의 레이저 빔을 사용하는 것도 가능하다.

집광 렌즈(210)는 고정된 초점거리를 가지며, 이 초점거리에 해당되는 가공 대상물(400)의 내부에 집광점(1)이 형성된다. 가공 대상물(400)의 내부의 다른 깊이에 분리 면(5)을 형성하기 위하여는 집광 렌즈(210)와 가공 대상물(400) 사이의 거리인 작업 거리(도 1: WD: Working Distance)를 조절할 필요가 있다. 작업 거리를 조절하기 위하여는 가공 대상물(400)을 Z 방향으로 이동시키거나 또는 집광 렌즈(210)를 Z 방향으로 이동시켜야 한다. 그러나, 집광 렌즈(210)는 개구수가 매우 커서 작업 거리(WD)는 수 밀리미터 정도에 지나지 않으므로 작업 거리(WD)를 조절하는 과정에서 집광 렌즈(210)와 가공 대상물(400)이 접촉될 위험이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 작업 거리(WD)를 변경하지 않고, 즉 집광 렌즈(210)를 가공 대상물(400)에 대하여 고정된 위치에 위치시키고, 레이저 발생기(100)와 집광 렌즈(210) 사이에 줌 렌즈 유닛(220)을 배치할 수 있다. 줌 렌즈 유닛(220)은 집광 렌즈(210)의 광축에 대한 레이저 빔(L)의 기울기를 변경함으로써 집광 렌즈(210)에 의한 집광점(1)의 가공 대상물(1)의 두께 방향(C)의 위치를 변경한다. 즉, 줌 렌즈 유닛(220)은 레이저 빔(L)을 집광 렌즈(210)의 광축에 대하여 평행한 광, 미세 발산광 또는 미세 수렴광으로 변경하여 집광 렌즈(210)에 입사시킴으로써, 집광점(1)의 두께 방향(C)의 위치를 변경한다.

도 7은 줌 렌즈 유닛(400)의 광학적 구성의 일 예를 도시한 도면이다. 도 7을 보면, 줌 렌즈(221)와 고정 렌즈(222)가 도시되어 있다. 줌 렌즈(221)는 광축(211)을 따라 이동되는 렌즈로서, 마이너스 파워를 가진다. 즉, 줌 렌즈(221)는 오목 렌즈로서 레이저 발생기(100)로부터 조사되는 콜리메이트된 레이저 빔(L)을 그 파워에 비례하여 발산시킨다. 고정 렌즈(222)는 줌 렌즈(221)와 집광 렌즈(210) 사이에 고정적으로 배치된다. 고정 렌즈(222)는 줌 렌즈(221)의 위치에 따라 집광 렌즈(210)의 광축(211)에 대하여 평행한 광, 미세 발산광, 또는 미세 수렴광을 집광 렌즈(210)로 입사시킨다.

상술한 줌 렌즈 유닛(220)은 일종의 빔 익스팬더(beam expander) 광학계이나, 광을 확대하기 위한 파워를 갖는 줌 렌즈(221)가 이동된다는 점에서 차이가 있다. 줌 렌즈(221)가 소정의 기준 위치에 위치된 경우에는 도 8에 실선으로 도시된 바와 같이 고정 렌즈(222)를 통과한 광은 집광 렌즈(210)의 광축(211)과 평행한 광(L1)이 되며, 집광점(1-1)을 형성하게 된다. 이 상태에서 줌 렌즈 유닛(220)은 일반적인 고정 배율을 갖는 빔 익스팬더 광학계가 된다. 줌 렌즈(221)를 기준 위치를 중심으로 하여 고정 렌즈(222)로 접근시키거나 고정 렌즈(222)로부터 이격시키면 고정 렌즈(222)를 통과한 광의 집광 렌즈(210)의 광축에 대한 기울기가 변하며, 이 기울기의 변화에 의하여 집광점(1)의 위치가 변하게 된다. 즉, 기울기를 변화시킴으로써 집광 렌즈(210)를 광축(211) 방향으로 이동시키지 않고도 집광점(1)의 위치를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 줌 렌즈(221)가 기준위치에서 고정 렌즈(222)로부터 멀어지는 방향으로 이동되면, 고정 렌즈(222)를 통과한 광은 도 8에 점선으로 도시된 바와 같이 집광 렌즈(210)의 광축(211)에 대하여 수렴하는 방향의 기울기를 가진 미세 수렴광(L2)이 되며, 집광점(1-1)에 비하여 집광 렌즈(210)로 접근된 집광점(1-2)이 형성된다. 줌 렌즈(221)가 기준위치에서 고정 렌즈(222)에 접근되는 방향으로 이동되면, 고정 렌즈(222)를 통과한 광은 도 8에 일점쇄선으로 도시된 바와 같이 집광 렌즈(210)의 광축(211)에 대하여 발산하는 방향의 기울기를 가진 미세 발산광(L3)이 되며, 집광점(1-1)에 비하여 집광 렌즈(210)로부터 이격된 집광점(1-3)을 형성한다.

또한, 집광 렌즈(210)에 입사되는 광선의 입사높이가 높을수록 높은 개구수의 광학계를 구현할 수 있는데, 줌 렌즈 유닛(220)은 기본적으로 빔 익스팬더의 기능을 가지므로 집광 렌즈(210)에 입사되는 레이저 빔(L)의 광속을 확대함으로써 높은 개구수의 광학계를 구현할 수 있다. 또한, 높은 개구수의 광학계를 구현함으로써 가공 대상물(400) 내부에서의 집광점(1)의 위치 변화에 따른 수차량의 변화를 상당 부분 상쇄하여 품질높은 균일한 집광점(1)을 형성할 수 있다.

도 9에는 줌 렌즈 유닛(220)의 광학적 구성의 다른 예가 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 제1, 제2줌 렌즈(223)(224)와 고정 렌즈(225)가 도시되어 있다. 제1줌 렌즈(223)는 광축(211)을 따라 이동되는 렌즈로서, 마이너스 파워를 가진다. 즉, 제1줌 렌즈(223)는 오목 렌즈로서 레이저 발생기(100)로부터 조사되는 콜리메이트된 레이저 빔(L)을 그 파워에 비례하여 발산시킨다. 제2줌 렌즈(224)는 광축(211)을 따라 이동되는 렌즈로서, 플러스 파워를 가진다. 즉, 제2줌 렌즈(224)는 볼록 렌즈로서 제1줌 렌즈(223)에 의하여 발산된 레이저 빔(L)을 그 파워에 비례하여 압축(condensing)시킨다. 고정 렌즈(225)는 제2줌 렌즈(224)와 집광 렌즈(210) 사이에 고정적으로 배치된다. 고정 렌즈(225)는 제1, 제2줌 렌즈(223)(224)의 위치에 따라 집광 렌즈(210)의 광축(211)에 대하여 평행한 광, 미세 발산광, 또는 미세 수렴광을 집광 렌즈(210)로 입사시킨다.

제1, 제2줌 렌즈(223)(224)가 소정의 기준 위치에 위치된 경우에는 도 10에 실선으로 도시된 바와 같이 고정 렌즈(225)를 통과한 광은 집광 렌즈(210)의 광축(211)과 평행한 광(L1')이 되며, 집광점(1-1)을 형성하게 된다. 이 상태에서 줌 렌즈 유닛(220)은 일반적인 고정 배율을 갖는 빔 익스팬더 광학계가 된다. 제1, 제2줌 렌즈(223)(224)를 기준 위치를 중심으로 하여 고정 렌즈(225)로 접근시키거나 고정 렌즈(225)로부터 이격시키면 고정 렌즈(225)를 통과한 광의 집광 렌즈(210)의 광축(211)에 대한 기울기가 변하며, 이 기울기의 변화에 의하여 집광점(1)의 위치가 변하게 된다. 즉, 기울기를 변화시킴으로써 집광 렌즈(210)를 광축(211) 방향으로 이동시키지 않고도 집광점(1)의 위치를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 미세 수렴광(L2')을 형성하기 위하여 제1줌 렌즈(223)가 기준위치에서 고정 렌즈(225)로부터 멀어지는 방향으로 이동되며, 집광점(1-1)에 비하여 집광 렌즈(210)로 접근된 집광점(1-2)이 형성된다. 제1줌 렌즈(223)가 기준위치에서 고정 렌즈(225)에 접근되는 방향으로 이동되면, 고정 렌즈(225)를 통과한 광은 도 9에 일점쇄선으로 도시된 바와 같이 집광 렌즈(210)의 광축(211)에 대하여 발산하는 방향의 기울기를 가진 미세 발산광(L3')이 되며, 집광점(1-1)에 비하여 집광 렌즈(210)로부터 이격된 집광점(1-3)을 형성한다.

제1줌 렌즈(223)가 이동될 때에 제2줌 렌즈(244) 역시 이동되어 제1줌 렌즈(233)에 의하여 발산된 광을 그 파워에 비례하여 압축한다. 제2줌 렌즈(244)는 고정 렌즈(225)에 입사되는 광의 입사높이의 변화를 줄이는 방향으로 이동된다. 즉, 제2줌 렌즈(244)는 제1줌 렌즈(233)의 위치에 따른 고정 렌즈(225)에 입사되는 레이저 빔(l)의 입사높이의 차이를 보상하는 보상렌즈로서 기능할 수 있다. 고정 렌즈(225)에 입사되는 광의 입사높이가 달라지면 구면 수차량이 달라진다. 구면 수차량의 변화는 집광점(1)의 품질 균일성에 영향을 미칠 수 있다. 본 실시예의 줌 렌즈 유닛(220)은 제2줌 렌즈(244)를 채용하여 제1줌 렌즈(233)의 이동에 따라 고정 렌즈(225)에 입사되는 광의 입사 높이 차이를 보상하는 방향으로 이동시킴으로써 구면 수차를 보상할 수 있다. 여기서 보상이라 함은 구면 수차량의 변화를 제거하거나 또는 최소화한다는 것을 의미한다. 입사높이의 보상, 또는 구면 수차의 보상은 제2줌 렌즈(244)를 예를 들어 제1줌 렌즈(233)의 이동방향과 동일한 방향으로 이동시킴으로써 구현될 수 있다. 즉, 제1줌 렌즈(233)가 고정 렌즈(225)로부터 멀어지는 방향으로 이동되어 발산량이 커지는 경우에는 압축량이 증가되도록 제2줌 렌즈(244) 역시 동일한 방향으로 이동될 수 있으며, 제1줌 렌즈(233)가 고정 렌즈(225)에 접근되는 방향으로 이동되어 발산량이 작아지는 경우에는 압축량이 줄어들도록 제2줌 렌즈(244) 역시 고정 렌즈(225)에 접근되는 방향으로 이동될 수 있다. 제1줌렌즈(233)와 고정 렌즈(225) 사이의 거리가 가까울수록 제1줌 렌즈(233)와 제2줌 렌즈(244) 사이의 거리는 멀어질 수 있다. 다만, 상술한 설명은 일 예일 뿐이며, 제2줌 렌즈(244)의 제1줌 렌즈(233)에 대한 상대적인 이동의 방향과 거리는 제1줌 렌즈(233) 및 제2줌 렌즈(244)의 광학적 구성에 따라 달라질 수 있다.

도 8을 보면, 고정 렌즈(222)에서 평행 광(L1)이 출사될 때에 고정 렌즈(222)에 입사되는 광의 입사높이를 기준으로 하여 미세 수렴광(L2) 및 미세 발산광(L3)이 출사될 때의 광의 입사높이의 차이가 각각 h1, h2로 표시되어 있다. 마찬가지로, 도 10을 보면, 고정 렌즈(225)에서 평행 광(L1')이 출사될 때에 고정 렌즈(225)에 입사되는 광의 입사높이를 기준으로 하여 미세 수렴광(L2') 및 미세 발산광(L3')이 출사될 때의 광의 입사높이 차이가 각각 h1', h2'로 표시되어 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 줌 렌즈 유닛(220)에 의하면, 도 7 및 도 8에 도시된 줌 렌즈 유닛(220)에 비하여 광의 입사높이 차이를 줄일 수 있다. 다시 말하면, h1>h1', h2>h2'로 할 수 있다. 따라서, 집광점(1-1, 1-2, 1-3)을 형성하는 경우의 개구수의 변화를 줄여 균일한 품질의 집광점(1-1, 1-2, 1-3)을 형성할 수 있다. 또한, 렌즈계에 의한 구면 수차량의 변화를 최소화함으로써 균일한 품질의 집광점(1-1, 1-2, 1-3)을 형성할 수 있다.

상기한 바와 같이 줌 렌즈 유닛(220)을 이용하여, 가공 대상물(400)의 내부에서 집광점(1)의 위치, 즉 깊이를 변경할 수 있으며, 가공 대상물(400)의 내부의 원하는 위치에 집광점(1)을 형성할 수 있다. 따라서, 집광 렌즈(210)의 작업 거리(WD)를 변경하지 않고 집광점(1)의 위치를 변경할 수 있다.

이하에서 본 발명에 따른 인고트 절단 방법의 실시예를 설명한다.

본 실시예의 인고트 절단 방법은 인고트를 소정의 두께로 1차 절단한 후에 절단된 1차 분리물을 다시 소정의 두께로 분리하여 소망하는 두께의 2차 분리물을 얻는 것을 특징으로 한다.

도 11을 참조하면, 집광유닛(200)을 이용하여 레이저 빔(L)을 인고트(500)의 광입사면(501)으로부터 두께방향으로 제1거리(d1) 이격된 내부에 집광시킨다. 이때, 줌 렌즈 유닛(220)을 채용함으로써 작업 거리(WD)를 변경하지 않고 집광점(1)의 위치를 조절할 수 있다. 제1거리(d1)는 최종적으로 얻고자 하는 웨이퍼의 두께를 고려하여 적절히 선정될 수 있다.

집광점(1) 부근에서는 다광자 흡수 또는 이에 준하는 비선형 흡수 효과에 의하여 국부적으로 인고트(500)의 물성이 변화되어 제1개질 영역(2-1)이 형성된다. 즉, 집광점(1) 부근에서 레이저 빔(L)의 에너지가 인고트(500)에 흡수되어 순간적으로 용융이 일어나며, 레이저 빔(L)이 통과되고 난 후에는 냉각되면서 수축 및 응고가 일어난다. 또한 용융, 냉각 과정 동안에 집광점(1) 부근에서 인고트(500)를 구성하는 물질이 팽창, 수축되는데, 이 팽창, 수축에 의하여 미세한 크랙(3)이 형성된다. 레이저 빔(L)과 인고트(500)를 X방향과 Y방향으로 상대적으로 이동시켜 레이저 빔(L)을 인고트(500) 내부의 복수의 위치에 집광시킴으로써 도 11에 도시된 바와 같이 인고트(500)의 내부에 복수의 미세 크랙(3)에 의한 제1분리 면(5-1)이 형성된다.

다음으로, 미세 크랙(3)이 제1분리 면(5-1)을 따라 전파될 수 있도록 인고트(500)에 물리적인 충격을 가할 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이 블레이드(10)를 사용하여 제1분리 면(5-1)을 따라 기계적 힘을 가하여 미세 크랙(3)을 제1분리 면(5-1)을 따라 전파함으로써 제1분리물(510)을 분리할 수 있다.

다음으로, 제1분리물(510)을 스테이지(300)에 거치하고, 제1분리물(510)을 소정의 두께로 분리하는 작업이 수행된다.

도 13을 참조하면, 집광유닛(200)을 이용하여 레이저 빔(L)을 제1분리물(510)의 상면(511)으로부터 두께방향으로 제2거리(d2) 이격된 내부에 집광시킨다. 이때, 줌 렌즈 유닛(220)을 채용함으로써 작업 거리(WD)를 변경하지 않고 집광점(1)의 위치를 조절할 수 있다. 레이저 빔(L)과 제1분리물(510)을 X방향과 Y방향으로 상대적으로 이동시켜 레이저 빔(L)을 제1분리물(510) 내부의 복수의 위치에 집광시킴으로써 도 13에 도시된 바와 같이 제1분리물(510)의 내부에 제2개질영역(2-2) 및 복수의 미세 크랙(3)에 의한 제2분리 면(5-2)이 형성된다. 다음으로, 예를 들어, 블레이드(10)를 사용하여 제2분리 면(5-2)을 따라 기계적 힘을 가하여 미세 크랙(3)을 제2분리 면(5-2)을 따라 전파함으로써 제2분리물(521)을 분리할 수 있다.

이 경우에, 제1분리물(510)에 레이저 빔(L)을 조사하기 전에 제1분리물(510)의 배면(512)을 연마하여, 배면(512)을 평탄하게 하는 평탄화 공정이 더 수행될 수 있다. 평탄화 공정은 예를 들어 컴파운트를 이용하는 폴리싱(polishing)법에 의하여 수행될 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이 제1분리물(510)의 내부의 제2거리(d2) 및 제3거리(d3) 이격된 위치에 복수의 제2분리면(5-2)(5-3)을 형성할 수도 있다. 제2분리면(5-2)을 먼저 형성한 후에 제2분리면(5-3)을 형성하는 경우에는 레이저 빔(L)이 제2분리면(5-2)을 통과하여야 하는데, 이 과정에서 제2분리면(5-2)을 형성하기 위한 제2개질영역(2-2)에 의하여 레이저 빔(L)의 경로가 왜곡되거나 레이저 빔(L)이 산란되어 아래에 위치되는 제2분리면(5-3)의 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서, 광입사면인 상면(511)로부터 멀리 떨어진 제2분리면(5-3)을 먼저 형성하고, 그 후에 광입사면인 상면(511)에 가까운 제2분리면(5-2)을 형성함으로써 균일한 품질을 갖는 복수의 제2분리면(5-2)(5-3)을 얻을 수 있다. 이와 같이 복수의 제2분리 면(5-2)(5-3)을 형성함으로써 복수의 제2분리물(521-523)을 얻을 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이 복수의 레이저 빔(L1)(L2)을 이용하는 경우에는 복수의 제2분리면(5-2)(5-3)을 동시에 형성하는 것도 가능하다. 이때, 도 15에 도시된 바와 같이 광입사면인 상면(511)으로부터 멀리 떨어진 제2분리면(5-3)을 형성하기 위한 레이저 빔(L2)이 광입사면인 상면(511)으로부터 가까운 제2분리면(5-2)을 형성하기 위한 레이저 빔(L1)보다 가공 방향으로 선행되도록 배치하여, 제2분리 면(5-3)이 먼저 형성되도록 할 수 있다.

상술한 실시예에서, 제1거리(d)는 최종적으로 분리하고자 하는 제2분리물(521)의 두께의 두 배 이상으로 선정될 수 있다. 예를 들어, 인고트(500)로부터 0.25mm의 웨이퍼를 얻고자 하는 경우에, 두께 1mm의 제1분리물을 인고트(500)로부터 분리한 후에, 제1분리물의 내부에 3개의 제2분리 면을 형성함으로써 두께 0.25mm의 4개의 제2분리물을 얻을 수 있다.

상기한 바와 같은 인고트 절단방법에 따르면, 다이아몬드 와이어를 이용하는 종래의 절단 방법에 비하여, 절단 과정에서 버려지는 재료가 거의 없다. 따라서, 거의 40%의 절단 부산물이 발생되는 종래의 기계적 절단 방법에 비하여 인고트의 사용 효율을 높일 수 있으며, 절단된 웨이퍼의 가격 경쟁력을 높일 수 있다. 또한, 레이저 빔을 이용한 절단 가공과정에서는 인고트에 열적 손상이 거의 없으며 절단면의 품질이 매우 우수하여 절단 후에 절단면을 후가공할 필요가 거의 없다. 따라서, 공정 시간 및 공정 비용을 절감할 수 있다. 또한, 기계적 절단 방법에 비하여 매우 높은 절단 속도를 구현할 수 있다. 또한, 1차분리과정에 의하여 인고트로부터 소정 두께의 1차분리물을 얻고 이 1차 분리물을 2차적으로 분리하여 원하는 웨이퍼를 얻는 과정을 거치므로, 큰 크기의 인고트로부터 원하는 두께의 웨이퍼를 얻는 방식에 비하여 작업 속도를 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

A, B...제1, 제2방향 L, L1, L2...레이저 빔
1...집광점 2...개질 영역
3...미세 크랙 5...분리 면

Claims

인고트 형태의 가공 대상물을 소정 두께로 절단하는 절단 방법으로서,
집광 렌즈를 이용하여 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 내부에 집광시키고 상기 레이저 빔을 이동시켜, 상기 집광점의 위치에 형성되는 복수의 제1개질 영역에 의하여 상기 가공 대상물의 내부에 상기 가공 대상물을 그 두께 방향과 교차되는 방향으로 분리하기 위한 제1분리면을 형성하는 단계;
상기 제1분리면을 따라 상기 가공 대상물을 분리하여 제1분리물을 형성하는 단계;
상기 집광 렌즈를 이용하여 레이저 빔을 상기 제1분리물의 내부에 집광시키고 상기 레이저 빔을 이동시켜, 상기 집광점의 위치에 형성되는 복수의 제2개질 영역에 의하여 상기 제1분리물의 내부에 상기 제1분리물을 그 두께 방향과 교차되는 방향으로 분리하기 위한 제2분리면을 형성하는 단계;
상기 제2분리면을 따라 상기 제1분리물을 분리하여 복수의 제2분리물을 형성하는 단계;를 포함하는 인고트 절단 방법.
제1항에 있어서,
상기 집광점의 위치를 상기 제1분리물의 두께 방향으로 서로 다른 복수의 위치에 위치시킴으로써, 상기 제1분리물의 내부의 서로 다른 깊이에 복수의 상기 제2분리면을 형성하는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제2항에 있어서,
상기 복수의 제2분리면은 상기 제1분리물의 광입사면으로부터 멀리 떨어진 곳으로부터 가까운 곳의 순서로 형성하는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제2항에 있어서,
상기 집광렌즈의 상기 제1분리물의 광입사면에 대한 작업거리는 일정한 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제3항에 있어서,
줌 렌즈 유닛을 이용하여 상기 집광렌즈의 광축에 대한 상기 레이저 빔의 기울기를 변경함으로써 상기 집광점의 위치를 상기 제1분리물의 두께 방향으로 서로 다른 위치에 위치시키는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제5항에 있어서,
상기 줌렌즈 유닛은 상기 레이저 빔을 상기 집광렌즈의 광축에 대하여 평향한 광, 미세 발산광 또는 미세 수렴광으로 변경하는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
광 분리기를 이용하여 상기 레이저 빔을 복수의 레이저 빔으로 분리하여 상기 집광렌즈에 입사시키는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제7항에 있어서,
상기 광분리기는 회절광학소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 레이저 발생기로부터 조사되는 복수의 레이저 빔 각각에 대응되는 복수의 상기 집광렌즈를 이용하여 동일한 깊이에 복수의 상기 집광점을 형성하는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제9항에 있어서,
광 분리기를 이용하여 상기 복수의 레이저 빔 각각을 복수 개로 분리하여 상기 복수의 집광렌즈에 입사시키는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제10항에 있어서,
상기 광분리기는 회절광학소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 레이저 발생기로부터 조사되는 복수의 레이저 빔 각각에 대응되는 복수의 상기 집광렌즈를 이용하여 서로 다른 깊이에 복수의 상기 집광점을 형성하는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제12항에 있어서,
광 분리기를 이용하여 상기 복수의 레이저 빔 각각을 복수 개로 분리하여 상기 복수의 집광렌즈에 입사시키는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.
제13항에 있어서,
상기 광분리기는 회절광학소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 인고트 절단 방법.