KR20160047496A - 전자기력을 이용한 재료 절개를 위해 균열 전파를 제어하는 방법 - Google Patents

전자기력을 이용한 재료 절개를 위해 균열 전파를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벌크 기판 재료의 절개면을 따라 정렬되게 기판 재료에 초기 균열을 형성하는 단계; 제어된 환경에서 상부 전극과 하부 전극을 포함한 2개의 평행한 전극들 사이에 상기 절개면을 2개의 전극에 평행하게 정렬하되, 상기 기판 재료의 하부를 하부 전극에 전기적으로 연결되게 정렬하는 단계; 절개면을 따라 균열 전파를 유도하고 절개된 기판 재료를 기판 재료에서 분리할 수 있는 균일한 전자기력을 기판 재료의 윗면에 일으키기 위한 50kV 이상의 전압을 상기 2개의 평행한 전극들에 가하는 단계를 포함하는 기판 재료 절개방법에 관한 것이다.

Description

전자기력을 이용한 재료 절개를 위해 균열 전파를 제어하는 방법{METHOD OF CONTROLLED CRACK PROPAGATION FOR MATERIAL CLEAVAGE USING ELECTROMAGNETIC FORCES}
본 발명은 재료의 절개에 관한 것으로, 구체적으로는 수율이 높고 비용이 저렴한 절개 방법에 관한 것이다.
반도체 처리를 할 때, 벌크-성장한 결정들을 톱질에 의해 웨이퍼로 처리하는 것이 보통이지만, 이 경우 재료손실이 50% 정도로 아주 높아 비용이 증가하는 원인이 된다.
본 발명의 목적은 절개된 기판의 수율을 개선하고 비용을 줄이는 기판 재료의 절개 방법을 제공하는데 있다.
이런 목적 달성을 위해, 벌크 기판 재료의 절개면을 따라 정렬되게 기판 재료에 초기 균열을 형성하는 단계; 제어된 환경에서 상부 전극과 하부 전극을 포함한 2개의 평행한 전극들 사이에 상기 절개면을 2개의 전극에 평행하게 정렬하되, 상기 기판 재료의 하부를 하부 전극에 전기적으로 연결되게 정렬하는 단계; 절개면을 따라 균열 전파를 유도하고 절개된 기판 재료를 기판 재료에서 분리할 수 있는 균일한 전자기력을 기판 재료의 윗면에 일으키기 위한 50kV 이상의 전압을 상기 2개의 평행한 전극들에 가하는 단계를 포함하는 기판 재료 절개방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 초기 균열을 형성할 때 마스크 건식에칭, 마스크 플라즈마 에칭, 마스크 가스에칭, 마스크 습식에칭, 기계식 스크라이빙, 기계식 압입 또는 레이저 제거를 이용한다.
또, 제어된 환경이 진공실을 포함하고, 이런 진공실에 유전 개스가 들어있을 수 있다. 이런 유전 개스의 압력은 10-12 내지 10 torr이다. 유전 개스로는 건조한 질소, 질소산화물 또는 육불화황화물을 사용할 수 있다.
또, 제어된 환경이 압력실을 포함하고, 이런 진공실에 유전 개스가 들어있을 수도 있다. 이때의 유전 개스의 압력은 1,000 내지 80,000 torr이고, 이런 유전 개스는 건조한 질소, 질소산화물 또는 육불화황화물을 포함한다.
또, 제어된 환경이 대기압실을 포함하고, 이런 대기압실에 유전 액체가 들어있을 수 있다. 이때의 유전 액체는 실리콘 오일, 헥산, 변압기유, 액체질소 또는 액체산소를 포함할 수 있다.
또, 전압이 스위치드 DC 전압, 일단의 전압펄스 또는 스위치드 AC 전압을 포함할 수 있다.
또, 벌크 기판 재료가 Si, GaAs, InP, Ge를 포함할 수 있다.
또, 절개된 기판 재료와 상부 전극 사이에 절연재료가 배치되고, 이런 절연재료가 상부 전극을 보호하도록 할 수도 있다.
도 1a는 진공실 안에서 전기장으로부터 정전기력을 일으키는 2개의 전극 사이 위치하는 초기 균열이 있는 기판을 보여주는 단면도;
도 1b는 기판에서 절개된 기판이 떨어져 있는 상태의 단면도;
도 2a는 초기 균열 전의 기판, 도 2b는 도전막을 입힌 부도체 기판, 도 2c는 초기 균열이 하나만 생긴 기판, 도 2d는 초기 균열이 배열된 기판을 각각 보여주는 도면;
도 3a는 초기 균열이 생긴 기판이 양극과 음극 사이에 배치되고, 도 3b는 진공실 안에서 절개된 기판이 분리된 것을 보여주는 도면;
도 3c~d는 전극 보호를 위해 양극에 전극패드가 배치된 상태를 보여주는 도면;
도 3e~f는 대기압실 안에 고유전 액체가 채워진 상태를 보여주는 도면.
본 발명은 거의 모든 재료를 아주 높은 수율로 저렴하게 절개하는 방법에 관한 것으로, 주로 Si, GaAs, InP, Ge와 같은 반도체 재료에 관련되지만, 정밀한 절개가 요구되는 다른 분야에도 관련된다. 본 발명에 의하면, 원하는 경로를 따라 균열이 퍼지도록 절개할 기판이나 재료에 먼저 균열이나 균열 집단을 형성한다(도 2c~d 참조). 균열의 깊이는 가까이 있는 재료의 파괴인성과 가해지는 전자기력의 최대 크기에 좌우된다. 균열형성법에 의해 결정되는 초기 균열의 폭은 절개의 정확도를 높이고 불필요한 재료손실을 최소화하기 위해 가능한한 최소화해야 한다. 마스크 건식에칭, 마스크 플라즈마 에칭, 마스크 가스에칭, 마스크 습식에칭, 기계식 스크라이빙/압입, 레이저 제거 등의 방법이 초기균열 형성에 이용된다.
초기 균열과 커버리지 평면이 정해지면, 절개할 기판 재료를 평탄하게 연마된 2개의 금속 전극들 사이의 제어환경 안에 둔다(도 1a~b 참조). 커버리지 평면을 양쪽 전극에 평행하게 정렬하고, 벌크기판 재료 자체를 한쪽 전극에 전기적으로 연결한다. 이어서, 절개할 재료 표면에 강력하고 균일한 전자기력이 생기도록 양쪽 전극 사이에 50kV 정도의 아주 높은 전압을 걸어준다. 이런 전자기력으로 인해 미리 피시된 커버리지 평면을 따라 균열이 급격히 전파된다. 이런 균열이 적당한 크기로 정렬되면, 제2 절개부 조각내의 커버리지 평면을 따라 재료가 쪼개지고 절개된 부분은 기판 재료가 연결된 반대쪽 전극으로 바로 끌려간다. 한편, 반대쪽 전극을 절개할 부분의 부근이나 멀리 둘 수도 있다.
기판과 전극이 위치한 환경은 전극에 걸린 고전압이 전극 사이에서 전기적 절연파괴를 일으키지 않는 환경이다. 이를 위한 방법이 3가지 있다. 첫째는 진공실을 만들고, 건조한 질소, 질소산화물, 육불화황화물(sulfur hexafluoride)과 같은 고유전 강도의 개스를 진공실에 채워넣어 10-12 내지 10 torr 정도의 진공압력으로 하는 것이다(도 3a~b 참조). 둘째는 건조한 질소, 질소산화물, 육불화황화물을 진공실에 채워넣어 기체압력을 1,000 내지 80,000 torr 정도의 압력으로 높이는 것이다(도 3c~d 참조). 세째는 실리콘 오일, 헥산, 변압기유, 액체질소, 액체산소 등의 고유전 강도의 액체를 대기압실에 채워넣는 것이다(도 3e~f 참조). 어떤 경우에도 전극들 사이의 공간의 절연파괴 전계강도는 기판재료 균열에 사용되는 전계의 강도보다 높아진다.
절개할 재료는 양쪽 전극 사이에 걸린 전압이 전기장을 일으키고 재료가 연결된 전극의 표면을 마주보는 재료의 표면에서 전기장이 끝날 정도의 도전성을 갖는 것이 바람직하다(도 1a~b 참조). 절연 재료일 경우 표면에 얇은 도전막을 코팅하여 재료 표면에 강력하게 접착시킨다(도 2b 참조). 이런 코팅은 스퍼터링, 증착, 원자막 증착, CVD, 전기증착, 분무열분해 등의 다양한 방법으로 이루어질 수 있다.
균열 전파 단계 동안, 재료가 절개되고 절개된 조각은 반대쪽 전극으로 강력하게 끌려간다. 전극의 손상을 막기 위해, 전극 표면을 절연재 막으로 덮거나, 재료의 반대쪽 전극 사이에 절개된 조각을 절연재 막으로 붙잡아두는 것이 좋다(도 3c~d 참조). 전극과 절개된 재료 사이의 전자기력 분포에 큰 영향을 주지 않는 유전 재료라면 어떤 것도 사용할 수 있지만, 반대쪽 전극을 향해 끌려가는 절개된 조각에 가해지는 강력한 힘을 견딜 수 있는 물성은 가져야 한다.
2개의 전극 사이에 가해지는 전압으로는 스위치드 DC 전압, 일단의 전압펄스 또는 스위치드 AC 전압이 가능하다. 전압이 균열 전파에 필요한 것보다 크면, 비슷한 결과를 일으킨다. DC 전압이 걸린 시간이 전체 균열 전파에 필요한 시간보다 약간 길게하는 것이 에너지 사용측면에서 적당하다. 균열 전파에 필요한 전압이 DC 전원에서 공급되는 전압보다 너무 크면 펄스형 전압시스템이 필요하다.
본 발명은 실리콘이나 다른 반도체재료 잉곳의 무흔적 절개에 아주 중요하게 적용할 수 있다. 각종 용융성장법으로 제작된 원통형 잉곳을 다양한 두께의 웨이어로 쉽고 저렴하게 절개할 수 있다. 이 방식은 정밀한 결정 절개가 요구되는 어떤 경우에도 적용할 수 있다.
본 발명은 재료손실을 거의 완전히 없앤다는 점에서 기존의 방법보다 더 경제적이고, 해당 장비도 상대적으로 저렴하며 시간손실도 거의 없음은 물론, 수율이 아주 높아 절개과정이 느리고 지저분하거나 이온주입 단계가 복잡하고 손상을 주기 쉬운 현재의 방법에 비해 훨씬 더 매력적이다.
본 발명에 의하면, 절개할 재료의 형상을 다양하게 할 수 있어, 복잡한 형상의 재료도 전극의 크기와 형상을 바꿔 쉽게 절개할 수 있다. 또, 절개가 일어나는 환경도 고유전 강도의 개스가 들어있는 저압 진공실이나, 고유전강도의 개스가 들어있는 고압실이나, 고유전 강도의 액체가 들어있는 대기압 실 등의 환경을 이용할 수 있다. 진공이나 고압실의 경우, 시스템에 존재하는 개스를 조절해 높은 유전강도를 갖고 압력을 적절하게 할 수 있다. 환경의 선택은 초기비용은 물론 유지비용에도 영향을 준다. 또, 사용되는 전압원도 다양하게 할 수 있어, DC 전압원을 적절히 선택하면 어떤 재료도 절개할 수 있고, 필요에 따라 더 높은 전압의 펄스를 이용할 수도 있다. 적용되는 전압의 크기는 절개면에서의 초기 균열의 전파에 필요한 힘에 의해 좌우된다.

Claims (13)

  1. a. 벌크 기판 재료의 절개면을 따라 정렬되게 기판 재료에 초기 균열을 형성하는 단계;
    b. 제어된 환경에서 상부 전극과 하부 전극을 포함한 2개의 평행한 전극들 사이에 상기 절개면을 2개의 전극에 평행하게 정렬하되, 상기 기판 재료의 하부를 하부 전극에 전기적으로 연결되게 정렬하는 단계;
    c. 상기 절개면을 따라 균열 전파를 유도하고 절개된 기판 재료를 기판 재료에서 분리할 수 있는 균일한 전자기력을 기판 재료의 윗면에 일으키기 위한 50kV 이상의 전압을 상기 2개의 평행한 전극들에 가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  2. 제1항에 있어서, 초기 균열을 형성할 때 마스크 건식에칭, 마스크 플라즈마 에칭, 마스크 가스에칭, 마스크 습식에칭, 기계식 스크라이빙, 기계식 압입 또는 레이저 제거를 이용하는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어된 환경이 진공실을 포함하고, 이런 진공실에 유전 개스가 들어있는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유전 개스의 압력이 10-12 내지 10 torr인 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 유전 개스가 건조한 질소, 질소산화물 또는 육불화황화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어된 환경이 압력실을 포함하고, 이런 진공실에 유전 개스가 들어있는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유전 개스의 압력이 1,000 내지 80,000 torr인 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 유전 개스가 건조한 질소, 질소산화물 또는 육불화황화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제어된 환경이 대기압실을 포함하고, 이런 대기압실에 유전 액체가 들어있는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 유전 액체가 실리콘 오일, 헥산, 변압기유, 액체질소 또는 액체산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전압이 스위치드 DC 전압, 일단의 전압펄스 또는 스위치드 AC 전압을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 벌크 기판 재료가 Si, GaAs, InP, Ge를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 절개된 기판 재료와 상부 전극 사이에 절연재료가 배치되고, 이런 절연재료가 상부 전극을 보호하는 것을 특징으로 하는 기판 재료 절개방법.
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