KR20140071528A - 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법 - Google Patents

Abstract

레이저 가공장치 및 레이저 가공방법이 개시된다. 개시된 레이저 가공장치는, 기판에 가공빔을 조사하여 레이저 가공 작업을 수행하는 것으로, 상기 기판에 제1 측정빔을 조사하여 상기 기판의 표면 높이를 측정하는 제1 높이 측정 유닛을 포함하는 레이저 가공유닛과, 상기 레이저 가공유닛과 소정 간격 이격되게 마련되는 것으로, 상기 기판에 제2 측정빔을 조사하여 상기 기판의 표면 높이를 측정하는 적어도 하나의 제2 높이 측정 유닛을 포함한다.

Description

레이저 가공장치 및 레이저 가공방법{Laser processing apparatus and laser processing method}

본 발명은 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 관한 것으로, 상세하게는 기판의 표면 높이를 측정할 수 있는 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 관한 것이다.

레이저 가공장치는 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔을 광학계를 이용하여 가공대상물인 기판 상에 조사하게 되고, 이러한 레이저빔의 조사에 의해 기판에 대한 마킹, 노광, 식각, 펀칭, 스크라이빙(scribing), 다이싱(dicing) 등과 같은 레이저 가공작업을 수행하게 된다.

최근에는 기판의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 레이저광을 투과성이 있는 기판 내부에 포커싱하여 개질영역을 형성함으로써 기판을 가공하는 방법이 각광을 받고 있다. 이러한 레이저 가공에는 높은 출력을 가지는 초단 또는 극초단 펄스의 레이저광이 사용될 수 있다. 구체적으로, 반도체 웨이퍼 등과 같은 기판 내부에 높은 출력의 레이저 광이 포커싱되게 되면, 그 집광점에서는 다광자 흡수로 인한 개질 영역이 형성된다. 그리고, 이렇게 형성된 개질 영역으로부터 크랙이 자연적으로 또는 외부 응력에 의해 기판의 표면까지 확장되면 브레이킹(breaking)에 의해 기판이 절단된다. 한편, 기판의 두께가 두꺼운 경우에는 기판의 두께 방향으로 개질 영역이 복수개로 형성되어야 가공 대상물을 절단하기가 용이해진다. 이 경우 기판의 표면 높이를 정확히 측정하여 기판 내부에 형성되는 가공 패스의 개수 및 간격을 조절함으로써 레이저 가공작업을 정밀하게 진행할 필요가 있다. 또한, 척 테이블에 장착된 기판이 척 테이블에서 잡아당기는 에어의 힘에 의해 휨 등이 발생할 수 있으며, 이 경우 가공하고자 하는 기판의 표면 높이를 정확히 측정하여 레이저 가공을 수행할 필요가 있다.

본 발명의 실시예는 기판의 표면 높이를 측정할 수 있는 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 있어서,

척테이블 상에 적재된 기판을 가공하는 레이저 가공장치에 있어서,

상기 기판에 가공빔을 조사하여 레이저 가공 작업을 수행하는 것으로, 상기 기판에 제1 측정빔을 조사하여 상기 기판의 표면 높이를 측정하는 제1 높이 측정 유닛을 포함하는 레이저 가공유닛; 및

상기 레이저 가공유닛과 소정 간격 이격되게 마련되는 것으로, 상기 기판에 제2 측정빔을 조사하여 상기 기판의 표면 높이를 측정하는 적어도 하나의 제2 높이 측정 유닛;을 포함하는 레이저 가공장치가 제공된다.

상기 레이저 가공유닛 및 상기 제2 높이 측정 유닛은 직선 운동 가능하게 마련되며, 상기 기판이 적재된 상기 척테이블은 회전가능하게 마련될 수 있다.

상기 레이저 가공유닛은 상기 제1 및 제2 높이 측정 유닛에 의해 측정된 기판의 표면 높이에 따라 상기 가공빔의 집광위치를 조절하여 상기 기판 상에 조사할 수 있다.

상기 레이저 가공유닛은 상기 가공빔의 직경을 확대하는 것으로 복수의 렌즈들을 포함하는 빔 확장기와, 상기 빔 확장기로부터 출사된 가공빔을 상기 기판의 소정 위치에 집속하는 집속 렌즈를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 가공빔의 초점은 상기 빔 확장기 내의 렌즈들 사이의 간격을 변화시키거나 상기 집속 렌즈의 위치를 변화시킴으로써 조절될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 있어서,

전술한 레이저 가공장치를 이용하여 상기 기판을 가공하는 레이저 가공방법에 있어서,

상기 제1 및 제2 높이 측정 유닛으로부터 각각 상기 제1 및 제2 측정빔을 상기 기판에 조사함으로써 소정 위치에서의 상기 기판의 표면 높이를 측정하는 단계; 및

상기 기판의 표면 높이 변화에 따라 상기 가공빔의 초점을 조절하여 상기 레이저 가공유닛으로부터 상기 가공빔을 조사하는 단계;를 포함하는 레이저 가공방법이 제공된다.

상기 제1 및 제2 높이 측정유닛은 직선 운동하면서 회전하는 상기 기판의 표면에 제1 및 제2 측정빔을 조사함으로써 일정 간격으로 상기 기판의 전 표면의 높이를 측정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 기판의 표면 높이를 측정할 수 있는 제1 및 제2 높이 측정 유닛을 포함함으로써 레이저 가공 속도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 가공대상물인 기판의 평면을 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 레이저 가공장치를 이용하여 기판 내부에 기판의 두께 방향을 따라 복수의 개질영역을 형성함으로써 기판을 절단하는 모습을 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 레이저 가공 유닛에서, 집광 광학계의 집속 렌즈를 이동함으로써 기판 내부의 서로 다른 위치에 집광점들을 형성하는 모습을 도시한 것이다.
도 5는 도 1에 도시된 레이저 가공 유닛에서, 집광 광학계의 빔 확장기 내부의 렌즈들 사이의 간격을 변화시킴으로써 기판 내부의 서로 다른 위치에 집광점들을 형성하는 모습을 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 가공장치는 척테이블(100) 상에 적재된 기판(W)에 레이저 빔을 조사하여 레이저 가공작업을 수행한다. 상기 레이저 가공작업에는 마킹, 노광, 식각, 펀칭, 스크라이빙(scribing), 다이싱(dicing) 등이 포함될 수 있다. 상기 척테이블(100)은 회전 가능하게 설치되어 있고, 이에 따라 상기 기판(W)은 척테이블(100)에 의해 회전 운동을 할 수 있다. 가공대상물인 상기 기판(W)은 예를 들면 반도체 웨이퍼 등이 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 2에는 상기 척테이블(100) 상에 적재되는 기판(W), 예를 들면 반도체 웨이퍼의 평면이 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 상기 기판(W) 상에는 레이저 가공을 위한 절단 예정라인이 예시적으로 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 상기 기판(W)에 절단 예정라인을 따라 레이저 가공작업, 예를 들면 다이싱(dicing) 공정을 수행하게 되면, 상기 기판(W)은 다수개의 칩들로 분할될 수 있다.

본 실시예는 기판(W) 상의 원하는 위치에 정확하게 가공빔(S)을 조사하여 렝저 가공할 수 있는 레이저 가공장치를 제공한다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 레이저 가공장치는, 제1 높이 측정 유닛(120)을 포함하는 레이저 가공유닛(110)과, 상기 레이저 가공유닛(110)과 이격되게 마련되는 적어도 하나의 제2 높이 측정 유닛(130)을 포함한다. 상기 레이저 가공유닛(110)은 기판(W)의 소정 위치에 가공빔(S)을 조사하여 레이저 가공작업을 수행하는 장치로서, 이러한 레이저 가공 유닛(110)에는 기판(W)의 표면 높이를 측정할 수 있는 제1 높이 측정 유닛(120)을 포함되어 있다. 여기서, 상기 제1 높이 측정 유닛(120)은 제1 측정빔(L1)을 이용하여 소정 위치에서의 상기 기판(W)의 표면 높이를 측정한다. 구체적으로, 상기 제1 높이 측정 유닛(120)은 제1 측정빔(L1)을 기판(W)의 표면에 조사하고, 기판(W)의 표면으로부터 반사된 제1 측정빔(L1)을 수광함으로써 제1 측정빔(L1)이 조사된 위치에서의 기판(W)의 표면 높이를 측정할 수 있다. 여기서, 상기 제1 측정빔(L1)과 상기 가공빔(S)은 상기 기판(W) 상에 동축 경로로 조사될 수 있다.

상기 제2 높이 측정 유닛(130)은 레이저 가공유닛(110)으로부터 일정한 간격으로 이격되게 마련되어 기판(W)의 표면 높이를 측정한다. 상기 제2 높이 측정 유닛(130)은 제2 측정빔(L2)을 이용하여 기판(W)의 표면 높이를 측정한다. 구체적으로, 상기 제2 높이 측정 유닛(130)은 제2 측정빔(L2)을 기판(W)의 표면에 조사하고, 상기 기판(W)의 표면으로부터 반사된 제2 측정빔(L2)을 수광함으로써 제2 측정빔(L2)이 조사된 위치에서의 기판(W)의 표면 높이를 측정할 수 있다.

상기 레이저 가공유닛(110)은 가공빔(S)을 발진시키는 레이저 광원(미도시)과, 상기 레이저 광원으로부터 발진된 가공빔(S)을 소정 경로를 경유하여 기판의 소정 위치에 집속시키는 집광 광학계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 집광 광학계에는 예를 들면, 반사율이 70% 이상인 고반사율 광학거울(미도시)과, 상기 가공빔(S)의 직경을 확대하기 위한 것으로 복수의 렌즈들을 포함하는 빔확장기(BET; Beam Expanding Telescope, 도 5의 116)와, 상기 빔확장기(116)를 나온 가공빔(S)을 상기 기판(W)의 소정 위치에 집속하기 위한 것으로, 개구수가 대략 0.1 이상인 집속 렌즈(도 4의 117)를 포함할 수 있다. 상기 가공빔(S)은 도 4에 도시된 바와 같이 집속 렌즈(117)를 위치를 변화시키거나 또는 도 5에 도시된 바와 같이 빔확장기(116) 내의 렌즈들 사이의 간격을 변화시킴으로써 집광 위치가 조절될 수 있다.

상기한 제1 높이 측정 유닛(120)을 포함하는 레이저 가공유닛(110)과, 상기 제2 높이 측정 유닛(130)은 직선으로 왕복 운동이 가능하도록 마련되어 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 높이 측정 유닛(120,130)이 직선으로 운동하면서 상기 척테이블(100)에 의해 회전 운동하는 기판(W) 상에 제1 및 제2 측정빔(L1,L2)을 조사하게 되면, 빠른 시간내에 일정한 간격으로 기판(W)의 전 표면의 높이를 측정할 수 있게 된다.

이와 같이, 직선 이동가능하게 설치된 제1 및 제2 높이 측정 유닛(120,130)과 회전 이동가능하세 설치된 척테이블(100)에 의해 기판(W)의 전 표면의 높이를 측정하게 되고, 이렇게 측정된 기판(W) 표면의 높이를 근거로 레이저 가공 유닛(110)이 가공빔(S)의 집광위치를 조절하여 기판(W)에 조사하게 된다. 이에 따라, 상기 기판(W)의 원하는 위치(예를 들면, 기판(W)의 표면이나 기판(W)의 표면으로부터 소정 깊이를 가지는 내부 등)에 정확하게 가공빔(S)의 집광점을 형성하게 된다. 여기서, 상기 가공빔(S)의 집광위치는 전술한 바와 같이 집속 렌즈(117)를 위치를 변화시키거나 또는 빔확장기(116) 내의 렌즈들 사이의 간격을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 그리고, 레이저 가공 유닛(110)으로부터 기판(W)의 높이 변화에 따라 그 집광 위치가 조절된 가공빔(S)을 기판(W)에 조사하면서 이동함으로써 레이저 가공작업을 수행하게 된다.

이하에서는, 본 실시예에 따른 레이저 가공장치를 이용하여 기판(W)의 내부에 기판(W)의 두께 방향을 따라 복수의 개질영역을 형성함으로써 기판(W)을 두께 방향으로 절단하는 다이싱 공정을 예를 들어 설명한다.

도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 본 실시예에 따른 레이저 가공장치를 이용하여 기판(W) 내부에 기판(W)의 두께 방향을 따라 복수의 개질영역을 형성함으로써 기판(W)을 절단하는 모습을 도시한 것이다.

도 3a는 기판(W) 내부에 기판(W)의 두께 방향을 따라 복수개의 집광점을 형성한 상태를 도시한 것이다. 도 3a는 기판(W)의 두께 방향을 따라 2개의 집광점이 형성된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 먼저, 본 실시예에 따른 레이저 가공장치, 구체적으로는, 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 높이 측정 유닛(120,130)을 이용하여 소정 간격으로 기판(W)의 전 표면의 높이를 측정한다. 이어서, 도 3a를 참조하면, 먼저 기판(W) 내부의 소정 위치, 예를 들면 P1 위치에 레이저 가공 유닛(110)으로부터 출사된 고출력의 펄스 형태의 가공빔(S)을 집속하여 제1 집광점을 형성한다. 여기서, 상기 기판(W)은 가공빔(S)에 대한 투과성이 있는 재질을 포함할 수 있다. P1 위치 바로 상부의 기판(W)의 표면 높이는 제1 또는 제2 높이 측정 유닛(120,130)에 의해 측정되고, 이렇게 측정된 기판(W)의 표면 높이로부터 소정 깊이에 해당하는 위치를 P1 위치로 결정할 수 있다. 그리고, 상기 가공빔(S)의 제1 집광점은 도 4에 도시된 바와 같이 집속 렌즈(117)를 위치를 변화시키거나 또는 도 5에 도시된 바와 같이 빔확장기 (116)내의 렌즈들 사이의 간격을 변화시킴으로써 P1 위치에 정확하게 형성할 수 있다.

이와 같이, 기판(W) 내부의 P1 위치에 제1 집광점이 형성됨으로써 이에 대응하는 개질영역이 형성될 수 있다. 이러한 개질 영역은 고출력 레이저 광의 가공빔(S)이 기판(W) 내부에 포커싱되면서 발생되는 다광자(multiple photon) 흡수에 의해 형성될 수 있다. 이러한 다광자 흡수에 의한 개질영역 형성을 위해 상기 가공빔(S)은 예를 들면, 1ns(nano second) 이하의 펄스폭을 가지는 초단 또는 그촉단의 펄스 레이저 광이 될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 이와 같이, 기판 (W) 내부의 P1 위치에 제1 집광점에 의한 개질 영역을 형성하게 되면, 상기 개질 영역으로부터 크랙(crack)이 발생할 수 있다. 이어서, 상기 레이저 가공장치가 예를 들면, 도 2에 도시된 절단 예정 라인을 따라 이동하면서 가공빔(S)을 상기 기판(W) 내부에 조사하게 된다. 여기서, 상기 레이저 가공장치는 절단 예정 라인을 따라 미리 측정된 기판(W)의 표면 높이를 근거로 하여 가공빔(S)의 집광 위치를 조절하면서 조사하게 된다.

다음으로, 상기 기판(W) 내부의 P1 위치의 상부 P2 위치에 제2 집광점을 형성한다. 여기서, P2 위치 바로 상부의 기판(W)의 표면 높이는 제1 또는 제2 높이 측정 유닛(120,130)에 의해 측정되고, 이렇게 측정된 기판(W)의 표면 높이로부터 소정 깊이에 해당하는 위치를 P2 위치로 결정할 수 있다. 그리고, 상기 가공빔(S)의 제2 집광점은 도 4에 도시된 바와 같이 집속 렌즈(117)를 위치를 변화시키거나 또는 도 5에 도시된 바와 같이 빔확장기(116) 내의 렌즈들 사이의 간격을 변화시켜 그 위치를 조절함으로써 상기 P2 위치에 정확하게 형성될 수 있다.

이와 같이, 기판(W) 내부에 P2 위치에 제2 집광점이 형성됨으로써 이에 대응하는 개질영역이 형성될 수 있으며, 이러한 개질 영역으로부터 크랙(crack)이 발생 될 수 있다. 이어서, 상기 레이저 가공장치가 예를 들면, 도 2에 도시된 절단 예정 라인을 따라 이동하면서 상기 기판(W) 내부에 가공빔(S)을 조사하게 된다. 여기서, 상기 레이저 가공장치는 절단 예정 라인을 따라 미리 측정된 기판(W)의 표면 높이를 근거로 하여 가공빔(S)의 집광 위치를 조절하면서 조사하게 된다.

도 3b를 참조하면, 도 3a를 도시된 바와 같이 기판(W) 내부에 기판(W)의 두께 방향을 따라 복수의 개질영역이 형성된 상태에서, 외력에 의해 또는 자연적으로 상기 기판(W) 내부에 형성된 개질영역들로부터 발생된 크랙들이 전파되어 서로 연결될 수 있다. 그리고, 이 상태에서 기판(W)이 외력에 의해 또는 자연적으로 브레이킹됨으로써 도 3c에 도시된 바와 같이 기판(W)이 분리될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(W)이 도 2에 도시된 절단 예정라인을 따라 분리되면 상기 기판(W)은 다수개의 칩들로 분할될 수 있다.

한편, 이상에서는 본 실시예에 따른 레이저 가공장치를 이용하여 기판(W) 내부에 복수개의 개질영역을 형성하는 경우가 예시적으로 설명되었다. 하지만, 이에 한정되지 않고 본 본 실시예에 따른 레이저 가공장치는 기판 내부에 하나의 개질영역을 형성하는 경우나 또는 기판의 표면에 레이저 가공작업을 수행하는 경우에도 얼마든지 적용가능하다. 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.

100... 척테이블 110... 레이저 가공유닛
116... 빔확장기 117... 집광렌즈
120... 제1 높이 측정 유닛 130... 제2 높이 측정 유닛
L1... 제1 측정빔 L2... 제2 측정빔
S... 가공빔 W... 기판

Claims (9)

1. 척테이블 상에 적재된 기판을 가공하는 레이저 가공장치에 있어서,
   상기 기판에 가공빔을 조사하여 레이저 가공 작업을 수행하는 것으로, 상기 기판에 제1 측정빔을 조사하여 상기 기판의 표면 높이를 측정하는 제1 높이 측정 유닛을 포함하는 레이저 가공유닛; 및
   상기 레이저 가공유닛과 소정 간격 이격되게 마련되는 것으로, 상기 기판에 제2 측정빔을 조사하여 상기 기판의 표면 높이를 측정하는 적어도 하나의 제2 높이 측정 유닛;을 포함하는 레이저 가공장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 가공유닛 및 상기 제2 높이 측정 유닛은 직선 운동 가능하게 마련되며, 상기 기판이 적재된 상기 척테이블은 회전가능하게 마련되는 레이저 가공장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 가공유닛은 상기 제1 및 제2 높이 측정 유닛에 의해 측정된 기판의 표면 높이에 따라 상기 가공빔의 집광위치를 조절하여 상기 기판 상에 조사하는 레이저 가공장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 레이저 가공유닛은 상기 가공빔의 직경을 확대하는 것으로 복수의 렌즈들을 포함하는 빔 확장기와, 상기 빔 확장기로부터 출사된 가공빔을 상기 기판의 소정 위치에 집속하는 집속 렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 가공빔의 집광위치는 상기 빔 확장기 내의 렌즈들 사이의 간격을 변화시키거나 상기 집속 렌즈의 위치를 변화시킴으로써 조절되는 레이저 가공장치.
6. 제 1 항에 기재된 레이저 가공장치를 이용하여 상기 기판을 가공하는 레이저 가공방법에 있어서,
   상기 제1 및 제2 높이 측정 유닛으로부터 각각 상기 제1 및 제2 측정빔을 상기 기판에 조사함으로써 소정 위치에서의 상기 기판의 표면 높이를 측정하는 단계; 및
   상기 기판의 표면 높이 변화에 따라 상기 가공빔의 집광위치를 조절하여 상기 레이저 가공유닛으로부터 상기 가공빔을 조사하는 단계;를 포함하는 레이저 가공방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 높이 측정유닛은 직선 운동하면서 회전하는 상기 기판의 표면에 제1 및 제2 측정빔을 조사함으로써 일정 간격으로 상기 기판의 전 표면의 높이를 측정하는 레이저 가공방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 레이저 가공유닛은 상기 가공빔의 직경을 확대하는 것으로 복수의 렌즈들을 포함하는 빔 확장기와, 상기 빔 확장기로부터 출사된 가공빔을 상기 기판의 소정 위치에 집속하는 집속 렌즈를 포함하는 레이저 가공방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 빔 확장기 내의 렌즈들 사이의 간격을 변화시키거나 상기 집속 렌즈의 위치를 변화시킴으로써 상기 가공빔의 집광위치를 조절하는 레이저 가공방법.

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