KR20200117888A - 최적화된 레이저 절단 - Google Patents

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폴 크리스티안 베르버그
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에이에스엠 테크놀러지 싱가포르 피티이 엘티디
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Abstract

레이저 에너지로 웨이퍼를 조사함으로써 웨이퍼를 절단하는 방법은, 제 1 세트의 레이저 빔 펄스들 및 제 2 세트의 레이저 빔 펄스들을 가진 연속적인 레이저 빔 펄스들의 시퀀스를 방출하는 것을 포함하며, 제 1 세트의 레이저 빔 펄스들은: 0.1 내지 300 나노초의 범위에 있는 각각의 펄스 폭들을 가진 레이저 빔 펄스들, 또는 0.1 내지 100 나노초의 범위에 있는 버스트-간 간격을 가진 레이저 빔 펄스들의 복수의 버스트들을 포함하고, 버스트들 내에서의 각각의 펄스는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 가지며, 제 2 세트의 레이저 빔 펄스들은 100 피코초 이하의 펄스 폭들을 가진 레이저 빔 펄스들을 포함한다.

Description

최적화된 레이저 절단{OPTIMISED LASER CUTTING}
본 발명은 레이저 에너지로 웨이퍼를 조사함으로써 웨이퍼를 절단하는 방법 및 웨이퍼를 절단하기 위한 레이저 절단 장치에 관한 것이다.
싱귤레이션 및 스크라이빙은 반도체 산업에서 잘 알려진 공정들이며, 여기에서 절단 기계는, 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있지만 그렇게 제한되지 않는, 반도체 웨이퍼, 또는 금속 및/또는 세라믹 웨이퍼들과 같은 워크피스 또는 기판을 작동시키기 위해 사용된다. 본 명세서 전체에 걸쳐, 용어 "웨이퍼"는 이들 제품들 모두를 포함하기 위해 사용된다. 싱귤레이션 공정(예를 들어, 다이싱, 세버링, 클리빙으로도 불리움)에서, 웨이퍼는 완전히 절단되어 웨이퍼를 개별 다이들로 싱귤레이팅한다. 스크라이빙 공정(예를 들어, 그루빙, 스코어링, 가우징 또는 주름으로도 불리움)에서, 채널 또는 홈이 웨이퍼에 잘려 든다. 다른 공정들, 예를 들어, 절단 채널들을 따라 물리적 톱을 사용하는 것에 의한 전체 싱귤레이션이 그 다음에 이용될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 홀들이 드릴링 공정을 사용하여 웨이퍼내에 형성될 수 있다. 본 명세서 전체에 걸쳐, "절단"이라는 용어는 싱귤레이션, 스크라이빙 및 드릴링을 포함하기 위해 사용될 것이다.
그러나, 소형화에서 전체 반도체 기술 동향은 웨이퍼의 두께를 감소시키는 것이며, 웨이퍼 두께가 감소함에 따라, 레이저 기술이 기계적 톱의 사용보다 싱귤레이션에 더 유리해지게 되었음이 보여져 왔다. 이러한 재료 공정을 위해 고-전력 레이저들을 이용하는 것은 예를 들어, 드릴링 및 톱질과 같은 기계적 대응들과 비교하여 상당한 이점들을 가지며, 레이저 공정은 작고 정교한 워크피스들을 처리하는데 있어 매우 쓸모가 있다.
반도체 재료의 레이저 제거는 레이저 빔이 집중되는 비교적 작은 면적의 급속한 온도 증가로 인해 발생하며, 이것은 국소 재료를 녹이고, 폭발적으로 끊이고, 증발 및 제거되게 한다. 레이저 싱귤레이션은 공정 스루풋과 워드피스(다이) 품질간의 정교한 균형을 포함한, 도전적인 요건들을 갖는다. 공정의 품질 및 스루풋은 플루엔스, 펄스 폭, 반복률, 분극뿐만 아니라 분극의 분포, 파면 형태 및 그 위상 수정 및 파장과 같은 레이저 파라미터들에 의해 결정된다. 통상적으로, 품질 및 스루풋의 수용 가능한 균형을 제공하는, 나노초 레이저 펄스들, 즉, 나노초 단위의 펄스-폭을 갖는 레이저 펄스들이 사용된다.
반도체, 금속 및/또는 세라믹 웨이퍼들용의 기존의 레이저 절단 또는 스크라이빙 시스템들은 고정된 펄스 지속기간 또는 제한된 범위에서 변경될 수 있는 펄스 지속기간을 갖는 펄싱 레이저들을 이용한다. 레이저 펄스들간의 간격은 동일할 수 있다. 대안적으로, 펄스 트레인들(버스트들)이 이용될 수 있다. 버스트 안에서의 펄스들간의 시간 지속기간은 뒤이은 버스트들간의 시간에 비해 더 짧다.
예를 들어, WO 1997/029509 A1 에서 복수의 빔 레이저 절단 접근법을 사용하는 것이 제안되어 왔으며, 여기에서 레이저 스팟들의 선형 어레이로 배열될 수 있는, 집중된 레이저 빔들의 선형 클러스터는 스크라이브-라인을 따라 기판 재료를 절제하기 위해 사용되며, 그에 따라 기판이 절제 라인을 따라 방사상으로 스코어링되게 된다. 단일의 (보다 강력한) 빔과 대조되는 이러한 방식에서의 복수의 빔들의 사용은 다양한 이점들, 특히 절단 공정 동안 생성된 결함 빈도의 감소를 제공할 수 있다.
레이저 공정 품질의 양적 평가들중 하나는 다이 또는 웨이퍼 파괴 강도이며, 이것은 웨이퍼가 부서지는 인장 응력을 결정한다. 단축 휨 테스트들은 일반적으로 취성 재료들에 대한 파괴 강도의 결정을 위해 이용되며 웨이퍼 강도 측정들을 위해 채택되어 왔다. 이들 테스트들은 일반적으로 파괴 강도를 측정하기 위해 사용되는 3- 및 4-포인트 굽힘 테스트들을 포함한다.
레이저-분리된 웨이퍼들의 파괴 강도는 웨이퍼에서 레이저 싱귤레이션 공정 후 나타나는 미세-균열들 및 칩-아웃들과 같은 레이저-유도 결함들의 수준에 달려있는 것으로 믿어진다. 이들 결함들은 벌크 반도체 재료와 국소적 레이저-처리된 영역사이의 계면에서 높은 응력에 의해 발생된다. 높은 응력은 공정중 발생하는 음향 충격파와 다이 공정 측벽들의 화학적 변형들에 의해 벌크 구역과 처리 구역들 간의 고온 기울기에 의해 발생된다. 이러한 결함들을 포함하는 반도체 재료의 영역은 일반적으로 "열-영향 구역"으로 불리운다. 파괴 강도는 통상적으로 웨이퍼의 앞면과 뒷면에 대해 상이하며, 실제로 상당히 상이한 뒷면 및 최상부면 강도들을 야기할 수 있는 기술들, 공정들 및 웨이퍼 레이아웃들이 있다.
최근 초단 펄스("USP") 레이저들의 발전은 웨이퍼 처리를 더욱 섬세하게 수행될 수 있게 하는데, 이들 레이저들의 일시적 펄스 폭들은 광-여기 전자들에서 격자로의 열 전달을 담당하는, 고체들에서의 전자-포논 완화의 통상적인 시간들보다 짧으므로, 펄스 폭은 공정되는 특정 재료에 따라 1 내지 10 ps 미만이다. USP 레이저들은 재료의 다이 강도를 개선시키지만, 이러한 USP 레이저들을 사용한 웨이퍼 공정 시스템들의 생산성은, 예를 들어 이러한 시스템들로 생산된 더 작은 열 확산-유도 상호작용 볼륨을 포함한, 여러가지 이유들로 인해 감소된다. 게다가, 절단 또는 스크라이빙 깊이에서 더 큰 변화가 자주 관찰된다.
본 발명은 단일의 최적화된 시스템에서 상이한 레이저 펄스 지속기간들의 이점들을 조합하고자 한다.
본 발명에 따르면, 이러한 목표는 조사 시퀀스 전체에 걸쳐 상이한 펄스 폭들을 갖는 레이저 빔 펄스들의 사용으로 달성된다.
이러한 방식에서, 공정될 웨이퍼는 초단 펄스들과 나노초 펄스들(또는 버스트 엔벨로프들) 양쪽 모두로 조사된다. 이들 펄스들은 단일 또는 복수의 레이저 소스들에 의해 생성될 수 있다. 나노초 버스트 엔벨로프는 나노초 영역에서 간격을 가진 복수의 초단 펄스들로 이루어지며, 이러한 버스트는 나노초 펄스의 거동을 특정 범위까지 시뮬레이션할 수 있다. 이러한 버스트 사용의 이점은 그것이 간단한 방식으로 초단 펄스들과 동일한 레이저 소스에 의해 생성될 수 있다는 것이다.
일 실시예는 초단 펄스들과 나노초 펄스들(또는 나노초 버스트 엔벨로프들)의 교번하는 패턴을 생성하는 것일 수 있다.
또다른 실시예는 초단 펄스들을 이용하는 후-처리 단계에 앞서, 나노초 펄스들 또는 나노초 버스트 엔벨로프들로 먼저 웨이퍼에 조사하는 것일 수 있다.
두 실시예들은 동일한 작업 원칙을 공유한다. 즉, 초단 펄스들은 나노초 펄스들 또는 나노초 버스트 엔벨로프들에 의해 생성된 손상의 일부 또는 모두를 제거해야 한다. 이러한 손상은 조각, 빈 공간, 미세-균열, 표면 거칠기 및/또는 파형 또는 위상-변형 재료로 나타날 수 있다.
본 발명은 단일의 최적화된 시스템에서 상이한 레이저 펄스 지속기간들의 이점들을 조합하고자 한다.
본 발명의 제 1 양상에 따르면, 레이저 에너지로 웨이퍼를 조사함으로써 웨이퍼를 절단하는 방법이 제공되고 있으며, 상기 방법은:
i) 연속적인 레이저 빔 펄스들의 시퀀스를 방출하도록 적응된 레이저 소스를 제공하는 단계,
ii) 상기 레이저 소스로부터 레이저 빔 펄스들을 방출하는 단계,
iii) 절단될 웨이퍼를 조사하도록 상기 방출된 레이저 빔 펄스들을 유도하는 단계, 및
iv) 절단 라인을 따라 상기 웨이퍼를 절단하기 위해 상기 조사한 레이저 빔 펄스들에 대하여 상기 웨이퍼를 이동시키는 단계를 포함하며,
상기 레이저 빔 펄스들의 시퀀스는:
제 1 및 제 2 세트들의 레이저 빔 펄스들을 포함하고,
상기 제 1 세트는:
0.1 내지 300 나노초의 범위에 있는 펄스 폭을 가진 적어도 하나의 레이저 빔 펄스, 또는
레이저 빔 펄스들의 적어도 하나의 버스트로서, 상기 버스트 내에서의 각각의 펄스는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 갖는, 상기 적어도 하나의 버스트를 포함하며,
상기 제 2 세트는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 가진 적어도 하나의 레이저 빔 펄스를 포함한다.
본 발명의 제 2 양상에 따르면, 청구항 1의 방법을 수행하기 위한 레이저 절단 장치가 제공되고 있다.
본 발명의 제 3 양상에 따르면, 웨이퍼를 절단하기 위한 레이저 절단 장치가 제공되고 있으며, 상기 레이저 절단 장치는:
연속적인 레이저 빔 펄스들의 시퀀스를 방출하도록 적응된 레이저 소스로서, 상기 시퀀스는 제 1 및 제 2 세트들의 레이저 빔 펄스들을 포함하고, 상기 제 1 세트는 0.1 내지 300 나노초의 범위에 있는 펄스 폭을 가진 적어도 하나의 레이저 빔 펄스 또는 레이저 빔 펄스들의 적어도 하나의 버스트를 포함하며, 상기 버스트내의 각각의 펄스가 100 피코초 이하의 펄스 폭을 가지며, 상기 제 2 세트는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 가진 적어도 하나의 빔 펄스를 포함하는, 상기 레이저 소스,
절단될 웨이퍼를 조사하기 위해 상기 레이저 소스로부터 상기 레이저 빔 펄스들을 지향시키기 위한 레이저 빔 유도 어셈블리, 및
상기 반도체 재료 및 상기 조사한 레이저 빔 펄스들을 상대적으로 이동시키기 위한 구동 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 다른 특정한 양상들 및 특징들은 첨부한 청구항들에서 제시된다.
본 발명에 따른 조사 시퀀스 전체에 걸쳐 상이한 펄스 폭들의 레이저 빔 펄스들의 인가에 의해, 단일의, 최적화된 시스템에서 상이한 레이저 펄스 지속기간들의 이점들을 조합할 수 있다.
본 발명은 첨부 도면들(일정한 비율은 아님)을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조사 방식의 타이밍도를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조사 방식의 타이밍도를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 조사 방식의 타이밍도를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 조사 방식의 타이밍도를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 방법을 가능하게 하는 레이저 절단 장치를 개략적으로 도시한 도면.
본 발명은 연속적인 레이저 빔 펄스들의 시퀀스들이 레이저 소스에 의해 방출되는 조사 방식들을 이용한다. 이들 조사 방식들 모두는 적어도 두 개의 세트들 또는 "서브시퀀스들"의 펄스들을 포함하는 시퀀스를 포함한다. 제 1 세트에서, 방출된 레이저 빔 펄스 또는 펄스들은 우수한 재료 제거율을 달성하기 위한 것이지만, 제 2 세트에서 적어도 하나의 초단 펄스(예를 들어, 피코초 또는 펨토초 범위의 펄스 폭을 가짐)는 그 기계적 강도를 포함하여, 조사된 웨이퍼의 품질을 개선하기 위한 것이다. 다양한 이들 조사 방식들에서, 시퀀스들은 주기적으로 반복될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 제 1 세트는 다양하게 다음을 포함할 수 있다:
a. 범위가 1ns 내지 300ns에 있는 지속기간(펄스 폭)을 가진 단일의 나노초 펄스;
b. 각각 범위가 1ns 내지 300ns에 있는 지속기간(펄스 폭)을 갖는 복수의 나노초 펄스들. 펄스들의 수는 전체 웨이퍼를 절단/스크라이빙/그루빙하기에 충분할 수 있다;
c. 피코초 또는 펨토초 범위에서의 펄스 폭들을 가진 펄스들("피코-/펨토초 펄스들")과 같은 초단 펄스들의 단일 버스트로서, 상기 버스트내의 각각의 펄스는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 갖는다; 또는
d. 초단 펄스들의 복수의 버스트들로서, 상기 버스트들내의 각각의 펄스는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 갖는다. 버스트들의 수는 전체 웨이퍼를 절단/스크라이빙/그루빙하기에 충분할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 제 2 세트는 다양하게 다음을 포함할 수 있다:
a. 100 피코초 이하의 펄스 폭들을 가진 단일 초단 펄스; 또는
b. 100 피코초 이하의 펄스 폭들을 가진 복수의 초단 펄스들. 펄스들의 수는 전체 웨이퍼의 후-처리에 충분할 수 있다. 이러한 복수는, 펄스-간 간격이 바람직하게는 10ns 내지 1ms의 범위에 있을 것이므로, 이 기술분야의 숙련자들에 의해 이해되는 바와 같이 바람직하게는 버스트를 형성하지 않는다.
나노초 펄스들 대신에 초단 펄스들의 버스트들을 사용하는 이점은 나노초 펄스들에 비해 표준 초단 펄스 레이저로부터 이것들을 생성하는 것이 훨씬 더 간단하다는 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 각각의 조사 방식들을 개략적으로 도시하며, 이들 도면들은 그 방식의 단일 펄스 시퀀스를 도시하고 있다.
이들 방식들은 타이밍 파라미터들이 광범위한 범위로 변경된다면 어느 정도까지 상호 교환 가능하다. 방식들 모두는 반복적이며, 따라서 도시된 시퀀스들은 그 전체 방식을 생성하도록 반복될 수 있다. 펄스 시퀀스를 완료할 때, 시퀀스는 부가적인 시간 지연후 처음부터 재시작될 수 있다. 웨이퍼 표면에서의 극히 빠른 포토다이오드가 무엇을 측정할지를 나타내도록 방식들이 고려될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 조사 방식의 타이밍도가 도 1에서 개략적으로 도시된다. 이러한 조사 방식은 나노초-범위에서의 펄스 폭들을 가진 제 1 세트의 펄스들(1) 및 피코초 또는 펨토초 범위에서의 펄스 폭들을 가진 제 2 세트의 펄스들(2)을 가진 레이저 빔 펄스들의 시퀀스를 포함한다. 이러한 방식에서, 펄스 지속기간은 각각의 펄스 후 스위칭되며, 따라서 시퀀스는 제 1 및 제 2 세트들로부터 교번하는 펄스들을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이:
"Ep"는 펄스 동안 레이저 빔의 강도에 대응하는, 개별의 레이저 펄스들의 에너지를 나타낸다;
"t"는 시간을 나타낸다;
T1, 각각의 펄스 1의 지속 기간은 1ns 내지 300ns의 범위에 있다;
T2, 각각의 나노초 펄스(1)와 바로 다음의 피코-/펨토초 펄스(2)간의 펄스-간 간격은 100ps 내지 1ms의 범위에 있다; 및
T3, 각각의 피코-/펨토초 펄스(2)의 지속기간은 10fs 내지 100ps의 범위에 있다.
나노초 펄스들(1)의 에너지인 E1 과 피코-/펨토초 펄스들(2)의 에너지인 E2 는 상이할 수 있다. 도 1에 도시된 시퀀스에서, 피코-/펨토초 펄스들(2)의 에너지는 나노초 펄스들(1)의 에너지보다 크다. 통상적인 시퀀스 반복률, 즉, 도 1에 도시된 시퀀스의 반복 주파수는 범위 1kHz 내지 100MHz에 있을 것이며, 시퀀스는 인덱싱 동안 중단(게이팅)될 수 것이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 조사 방식의 타이밍도는 도 2에서 개략적으로 도시된다. 여기에서, 각각의 시퀀스 내에서, 나노초 범위의 펄스 폭들을 가진 복수의 잠재적으로 매우 많은 펄스들(3)을 포함한 제 1 세트는, 피코-/펨토초 범위의 펄스 폭들을 가진 복수의 펄스들(4)을 포함한 제 2 세트로 스위칭하기 전에 방출될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이:
"Ep"는 펄스 동안 레이저 빔의 강도에 대응하는, 개별의 레이저 펄스들의 에너지를 나타낸다;
"t"는 시간을 나타낸다;
T1, 각각의 펄스(3)의 지속기간은 1ns 내지 300ns의 범위에 있다;
T2, 연속적인 나노초 펄스들(3) 간의 펄스-간 간격은 1μs 내지 1ms의 범위에 있다;
T3은 시퀀스에서의 최종 나노초 펄스(3)와 바로 다음의 피코-/펨토초 펄스(4) 간의 펄스-간 간격을 나타낸다. T3의 값은 펄스 지속기간 스위칭 지연에 의해 통제된다;
T4, 각각의 피코-/펨토초 펄스(4)의 지속기간은 10fs 내지 100ps의 범위에 있다.
T5, 연속적인 피코-/펨토초 펄스들(4) 간의 펄스-간 간격은 10ns 내지 1ms의 범위에 있다.
시퀀스에서 나노초 펄스들(3)의 수인 N은 범위 1≤N<∞에 있다;
시퀀스에서 피코-/펨토초 펄스들(4)의 수인 M은 1≤M<∞에 있다.
도 2에서 시퀀스는 전체 웨이퍼에 대한 공정 시간(예를 들어, 약 1분에서 1시간 넘게까지)만큼 길 수 있다. 예를 들어, 도시된 단일 시퀀스는 나노초 펄스들을 사용하여 웨이퍼를 절단하며 그 후 초단 펄스들로 후-처리하기 위해 이용될 수 있다. 그러므로, 이러한 시퀀스는 웨이퍼에서 단일 홈 또는 절단-라인을 공정하는 동안 반복될 필요가 없다.
나노초 펄스들(3)의 에너지 E1 및 피코-/펨토초 펄스들(4)의 에너지 E2 는 상이할 수 있다. 도 2에 도시된 시퀀스에서, 피코-/펨토초 펄스들(4)의 에너지는 나노초 펄스들(3)의 에너지보다 낮다.
이러한 방식의 가능한 적용은 나노초 펄스들(3)로 다이싱 스트리트 또는 전체 웨이퍼를 절단하며, 그 다음에 피코-/펨토초 펄스들(4)로 후-처리하는 것이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 조사 방식의 타이밍도는 도 3에서 개략적으로 도시된다. 이러한 조사 방식은 시퀀스의 끝에서 비교적 고-에너지 피코-/펨토초 펄스(7)를 포함한 제 2 세트와 함께, 수 N의 피코-/펨토초 펄스들(6)의 버스트(5)를 포함한 제 1 세트를 포함한 펄스 시퀀스를 사용한다.
도 3에 도시된 바와 같이:
"Ep"는 펄스 동안 레이저 빔의 강도에 대응하는, 개별의 레이저 펄스들의 에너지를 나타낸다;
"t"는 시간을 나타낸다;
T1, 각각의 펄스(6)의 지속기간은 10fs 내지 100ps의 범위에 있다;
T2, 버스트(5) 내에서의 연속적인 피코-/펨토초 펄스들(6) 사이에서의 펄스-간 간격은 100ps 내지 100ns의 범위에 있다;
T3은 버스트(5)의 최종 피코-/펨토초 펄스(6)와 다음의 피코-/펨토초 펄스(7) 사이의 펄스-간 간격을 나타내며, 100ps 내지 100ns의 범위에 있다;
버스트(5)에서 피코-/펨토초 펄스들(6)의 수인 N 은 범위 2≤N≤100에 있다; 및
피코-/펨토초 펄스(7)의 에너지인 E2 >> 버스트(5)에서 각각의 피코-/펨토초 펄스(6)의 에너지인 E1.
피코-/펨토초 펄스들(6)의 버스트(5)는 단일 나노초 펄스와 유사하게 동작하며, 따라서 도 3의 방식은 도 1에 도시된 방식과 개념적으로 유사하다. 그러나, 도 3의 방식은 도 1의 방식보다 실제로 생성하기에 더 간단할 수 있는데, 레이저 소스가 피코-/펨토초 펄스들과 나노초 펄스들 간의 스위칭보다, 피코-/펨토초 펄스들을 독점적으로 방출할 수 있기 때문이다.
통상적인 시퀀스 반복률, 즉 도 3에 도시된 시퀀스의 반복 주파수는 1kHz 내지 100MHz의 범위에 있으며, 시퀀스는 인덱싱 동안 중단(게이팅)될 것이다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 조사 방식의 타이밍도는 도 4에서 개략적으로 도시된다. 이 조사 방식은 각각이 수 N의 피코-/펨토초 펄스들(8)인, 복수의 버스트들(5)을 포함한 제 1 세트, 및 시퀀스의 끝에 복수의 피코-/펨토초 펄스들(9)을 포함한 제 2 세트를 가진 펄스 시퀀스를 사용한다.
도 4에 도시된 바와 같이:
"Ep"는 펄스 동안 레이저의 강도에 대응하는, 개별의 레이저 펄스들의 에너지를 나타낸다;
"t"는 시간을 나타낸다;
T1, 각각의 펄스(8)의 지속기간은 10fs 내지 100ps의 범위에 있다;
T2, 버스트(5)내의 연속적인 피코-/펨토초 펄스들(8) 간의 펄스-간 간격은 100ps 내지 100ns의 범위에 있다;
T3, 연속적인 버스트들(5) 간의 버스트-간 간격은 0.1 내지 100 나노초의 범위에 있다;
T4는 최종 버스트(5)의 최종 피코-/펨토초 펄스(8)와 다음의 피코-/펨토초 펄스(8) 사이에서의 펄스-간 간격을 나타낸다. T4는, 그것이 전체 웨이퍼를 절단/스크라이빙/그루빙하는 것을 포함할 수 있으므로, 비교적 넓은 범위의 값들 내에 있지만, 적어도 100ps일 것이다.
T5, 각각의 펄스(9)의 지속 기간은 10fs 내지 100ps의 범위에 있다.
T6, 연속적인 피코-/펨토초 펄스들(9) 간의 펄스-간 간격은 10ns 내지 1ms의 범위에 있다;
각각의 버스트(5)에서 피코-/펨토초 펄스들의 수인 N은 범위 2≤N≤100에 있다;
피코-/펨토초 펄스(9)의 에너지 E2 는 이 실시예에서 각각의 피코-/펨토초 펄스(8)의 에너지 E1 와 실질적으로 동일하다. 다른 관련된 실시예들에서, 에너지들은 상이할 수 있다.
피코-/펨토초 펄스들(8)의 각각의 버스트(5)는 단일의 나노초 펄스와 유사하게 동작하며, 따라서 도 4의 방식은 도 2에 도시된 방식과 개념적으로 유사하다. 그러나, 도 4의 방식은 도 2의 방식보다 실질적으로 생성하기에 더 간단할 수 있는데, 레이저 소스가 피코-/펨토초 펄스들과 나노초 펄스들 사이에서 스위칭하기보다는, 피코-/펨토초 펄스들을 독점적으로 방출할 수 있기 때문이다.
도 4의 시퀀스는 전체 웨이퍼에 대한 공정 시간(예를 들어, 약 1분 내지 1시간 넘게까지)만큼 길 수 있다. 예를 들어, 도시된 단일 시퀀스는 나노초 버스트 엔벨로프들을 사용하여 웨이퍼를 절단하며 그 후 초단 펄스들로 후-처리하기 위해 이용될 수 있다. 그러므로, 이 시퀀스는 웨이퍼에서 단일 홈 또는 절단-라인 공정 동안 반복될 필요가 없다.
본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 레이저-절단 장치(10)가 도 5에서 개략적으로 도시된다.
반도체 재료, 여기에서 반도체 웨이퍼(11)는 청크(13) 상에 지지된다. 청크(13), 및 따라서 웨이퍼(11)는, 드라이브(14)에 의한 사용 시 구동되며, 따라서 웨이퍼(11)와 조사한 레이저 광(이하에서 참조) 사이에 상대적인 움직임이 있다. 펄스 레이저 소스(15)는 상기 설명된 것과 같은 타이밍 스케줄에 따라 분극된 레이저 빔(16)의 펄스들을 출력하도록 적응된다. 레이저 소스(15)는 레이저 빔 펄스들, 즉 펄싱된 레이저 빔(16)을 출력하도록 동작한다. 통상적으로, 레이저 소스(15)는, 예를 들어, 발진기와 증폭기 사이에 변조기(도시되지 않음)를 포함하는데, 이 변조기는 방출된 레이저 펄스들의 강도를 조정할수 있고, 이로써 상기 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 E1 및 E2의 값들을 제어할 수 있다. 다른 실시예들(도시되지 않음)에서, 이러한 강도 제어를 가능하게 하기 위해 외부 변조기가 사용될 수 있다. 펄싱 레이저 빔(16)은 어셈블리에 의해 웨이퍼(11)로 유도된다. 보다 상세하게, 미러(17)는 빔의 제어를 위해 빔을 감쇠기/셔터(18)로 유도한다. 여기에서 전동식 반-파장 판(19)의 형태로 있는, 선택적으로 작동 가능한 광학 분극 구성요소는 펄싱된 레이저 빔(16)과의 상호작용을 위해 선택적으로 이동 가능하도록 제공된다. 바람직하게는 반-파장 판(19)은 레이저 빔 축 주위에서의 회전을 위해 장착된다. 그러므로, 반-파장 판(19)을 선택적으로 회전시킴으로써, 레이저 빔(16)의 분극 상태는 스위칭 방식으로 제어될 수 있다. 선택적 움직임은 컴퓨터, 프로세서 등과 같은 제어 수단(도시되지 않음)에 의한 모터의 제어된 동작에 의해 구현된다. 또다른 미러(20)는 확장된 빔을 생성하기 위해 펄싱된 레이저 빔(16)을 빔 확장기(21)로 유도한다. 회절 광학 요소("DOE")(22)는 확장된 빔을 회절시키거나 또는 미리 결정된 패턴의 공간적으로-분리된 출력 서브-빔들로 나눈다. 렌즈들(23 및 27)은 함께 중계 망원경을 형성한다. 추가 미러들(24, 25)은 서브-빔들을 공간 필터(26)로 유도하며, 이것은 원하는 미리 결정된 빔 패턴을 형성하기 위해 사용된다. 공간 필터(26)는 렌즈(23)에 의해 생성되는 중간 초점에 위치된다. 미러(28)는 서브-빔들을 집중 렌즈(29)로 유도한다. 이것은, 미리 결정된 패턴의 조명 스팟들에서, 레이저 광을 지지 청크(13) 상에서의 웨이퍼(11)로 집중시킨다. 조사한 펄싱된 레이저 빔(16)에 대하여 웨이퍼를 이동시킴으로써, 레이저 빔 펄스들은 조사하며 따라서 절단 라인(도시되지 않음)을 따라 웨이퍼(11)를 절단한다.
초단 펄스들의 버스트들은 시드 레이저(발진기)로부터 복수의 펄스들로 증폭기를 시딩함으로써 생성될 수 있다. 또다른 옵션은 또다른 펄스가 하나의 부가적인 캐비티 왕복 시간 후 생성될 수 있도록 재생 증폭기로부터의 펄스를 단지 부분적으로 덤핑하는 것이다. 이것들은 많은 상업적으로 이용 가능한 레이저들에 대한 표준 옵션들이다. 동일한 레이저로부터 나노초 펄스들을 생성하는 것은 예를 들어 복수의 시드 레이저들사이에서 스위칭하거나 또는 Q-스위칭 모드에서 재생 증폭기를 동작시킴으로써 달성될 수 있다. 또다른 실시예(도시되지 않음)에서, 레이저 소스는 각각 나노초 펄스들과 초단 펄스들을 각각 제공하기 위해 두 개의 별개의 레이저들을 포함할 수 있다.
절단될 반도체 재료, 및 절단 동작의 유형(그루빙, 싱귤레이션 등과 같은)에 의존하여, 시퀀스 또는 방식 내에서의 연속적인 펄스들 또는 버스트들 사이에서의 레이저 빔 펄스 특성들을 변경하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 레이저 소스(15)의 적절한 제어에 의해, 방식에서의 연속적인 버스트들은 상이한 펄스 반복 주파수들을 가질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 연속적인 버스트들 또는 펄스들로 송신된 에너지는, 예를 들어, 제 1 버스트내의 펄스의 펄스 에너지가 제 2 또는 뒤이은 버스트 내의 펄스의 펄스 에너지와 상이하도록 레이저 소스의 내부 또는 외부에 있는 변조기를 제어함으로써 상이할 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 방출된 레이저 빔 펄스들의 분극은, 예를 들어, 반-파장 판(19)의 선택적 회전에 의해 제어될 수 있으며, 따라서 방식 또는 시퀀스 내에서의 레이저 빔 펄스들은 상이한 레이저 빔 분극 상태들을 가질 수 있다. 예를 들어, 버스트의 레이저 빔 펄스들은, 예를 들어, 절단 라인에 평행하거나 또는 수직인, 선형 분극을 가질 수 있지만, 뒤이은 레이저 빔 펄스는 버스트의 레이저 빔 펄스들의 분극에 직교한 분극 방향을 갖고 선형적으로 분극될 수 있다. 시퀀스 또는 방식의 하나 이상의 레이저 빔 펄스들이, 예를 들어, 레이저 빔(16)의 경로에서 1/4-파장 판(도시되지 않음)의 선택적 인가에 의해, 원형으로 또는 타원형으로 분극되게 하는 것이 또한 가능하다.
상기 주지된 바와 같이, DOE(22)는 빔(16)을 미리 결정된 패턴의 출력 레이저 서브-빔들로 회절시키기 위해 사용될 수 있으며, 이것은 공간 필터(26)와 함께, 반도체 재료 상에 원하는 미리 결정된 패턴의 조사 스팟들을 형성한다. 방식 또는 시퀀스 내에서 상이한 펄스들 또는 버스트들에 대한 상이한 패턴들의 조사 스팟들을 생성하는 것이 유리할 수 있으며, 다시 말해서, 연속적인 펄스들 또는 버스트들의 레이저 빔 펄스들은 방식에서 제 1 버스트 또는 펄스와 연관된 조사 스팟들의 패턴이 방식에서 다음 버스트 또는 펄스와 연관된 조사 스팟들의 패턴과 상이하도록 나뉠 수 있다. 이러한 효과는 복수의 방식들, 예를 들어 제 2 버스트 또는 펄스에 대해 상이한 DOE를 선택함으로써, 또는 버스트들 또는 펄스들 사이에서 공간 필터(26)를 조정함으로써 달성될 수 있다. 이러한 기술의 개선에서, 연속적인 버스트들 또는 펄스들 동안 생성된 조사 스팟들은, 반도체 재료에서 상이한 절단 라인들을 조사하기 위해 각각 공간적으로 분리될 수 있다. 이러한 방식으로, 제 1 버스트 또는 펄스는 메인 절단 라인에 평행하지만 그로부터 이격되어 실행하는 트렌치 라인들을 생성하기 위해 사용될 수 있지만, 뒤이은 버스트 또는 펄스는 메인 절단 라인을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
상기 설명된 실시예들은 단지 예시적이며, 본 발명의 범위 내에서 다른 가능성들 및 대안들이 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 예를 들어, 반도체 재료와 조사 레이저 빔 펄스들 간의 상대적 움직임은 레이저 광학들을 정지된 채로 유지하는 동안 반도체 재료를 이동시킴으로써 야기되지만, 대안적인 실시예들에서 상대적 모션은 반도체 재료를 정지한 채로 유지하고 레이저 및/또는 레이저 광학들을 이동시킴으로써 제공될 수 있거나, 또는 대안적으로 반도체 재료 및 레이저 및/또는 레이저 광학들 양쪽 모두가 이동될 수 있다.
상기 설명된 특정 실시예들에서, 개별의 레이저 빔 펄스들은 펄싱된 레이저의 사용에 의해 생성된다. 그러나, 예를 들어, 레이저 빔 경로에 성공적으로 위치되는 복수의 차단 요소들을 가진 고속-스프닝 휠을 사용하여, 개별의 펄스들을 생성하기 위해 외부 빔-초핑 메커니즘을 사용하는 것이 이론적으로 가능하다.
제 1 및 제 2 세트들의 상대적 에너지들은 특정한 애플리케이션을 위해 요구된 대로 변경될 수 있다.
다른 실시예들(도시되지 않음)에서, 제 1 및 제 2 세트들 외에, 특정한 애플리케이션을 위해 적절한 경우 각각의 시퀀스 내에 제 3 및 부가적인 세트들의 레이저 빔 펄스들이 있을 수 있다.
1 - 나노초 펄스 2 - 피코-/펨토초 펄스
3 - 나노초 펄스 4 - 피코-/펨토초 펄스
5 - 펄스 버스트 6- 피코-/펨토초 펄스
7 - 피코-/펨토초 펄스 8 - 피코-/펨토초 펄스
9 - 피코-/펨토초 펄스 10 - 레이저 절단 장치
11 - 웨이퍼 13 - 청크
14 - 드라이브 15 - 펄싱된 레이저 소스
16 - 레이저 빔 17, 20, 24, 25, 28 - 미러들
18 - 감쇠기/셔터 19 - 전동식 반-파장 판
21 - 빔 확장기 22 - 회절 광학 요소
23, 27, 29 - 렌즈 26 - 공간 필터

Claims (17)

  1. 레이저 에너지로 웨이퍼를 조사함으로써 상기 웨이퍼를 절단하는 방법에 있어서,
    i) 연속적인 레이저 빔 펄스들의 시퀀스를 방출하도록 적응된 레이저 소스를 제공하는 단계,
    ii) 상기 레이저 소스로부터 레이저 빔 펄스들을 방출하는 단계,
    iii) 절단될 웨이퍼를 조사하도록 상기 방출된 레이저 빔 펄스들을 유도하는 단계, 및
    iv) 절단 라인을 따라 상기 웨이퍼를 절단하기 위해 상기 조사한 레이저 빔 펄스들에 대하여 상기 웨이퍼를 이동시키는 단계를 포함하며,
    상기 레이저 빔 펄스들의 시퀀스는:
    제 1 및 제 2 세트들의 레이저 빔 펄스들을 포함하고,
    상기 제 1 세트는:
    0.1 내지 300 나노초의 범위에 있는 펄스 폭을 가진 적어도 하나의 레이저 빔 펄스, 또는
    레이저 빔 펄스들의 적어도 하나의 버스트로서, 상기 버스트 내에서의 각각의 펄스는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 갖는, 상기 적어도 하나의 버스트를 포함하며,
    상기 제 2 세트는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 가진 적어도 하나의 레이저 빔 펄스를 포함하는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 복수의 레이저 빔 펄스들은 0.1 내지 300 나노초의 범위에서의 각각의 펄스 폭들을 갖는 레이저 빔 펄스들을 포함하는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 세트는 레이저 빔 펄스들의 적어도 하나의 버스트를 포함하며, 상기 버스트 내에서의 각각의 펄스는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 갖는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 세트는 0.1 내지 100 나노초의 범위에 있는 버스트-간 간격을 가진, 레이저 빔 펄스들의 복수의 버스트들을 포함하는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 펄스들의 시퀀스를 주기적으로 반복하는 단계를 포함하는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    각각의 시퀀스는 상기 제 1 세트의 단일 레이저 빔 펄스 또는 단일 레이저 빔 펄스 버스트, 및 상기 제 2 세트의 단일 레이저 빔 펄스를 포함하며, 상기 웨이퍼는 교번하는 상기 제 1 세트의 레이저 빔 펄스들 또는 레이저 빔 버스트들 및 상기 제 2 세트의 레이저 빔 펄스들로 조사되도록 하는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    각각의 시퀀스는 상기 제 2 세트의 레이저 빔 펄스에 앞서 상기 제 1 세트의 레이저 빔 펄스를 포함하며, 이들 두 개의 펄스들 간의 갭은 100ps 내지 1ms 사이에 있는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    각각의 시퀀스는 상기 제 2 세트의 레이저 빔 펄스에 앞서 상기 제 1 세트의 레이저 빔 펄스 버스트를 포함하며, 상기 버스트와 다음의 상기 펄스 간의 갭은 적어도 100ps인, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    각각의 시퀀스는 상기 제 2 세트의 레이저 빔 펄스에 앞서, 상기 제 1 세트의 적어도 두 개의 연속적인 레이저 빔 펄스들 또는 레이저 빔 펄스 버스트들을 포함하는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    각각의 시퀀스는 상기 제 2 세트의 적어도 두 개의 연속적인 레이저 빔 펄스들에 앞서, 상기 제 1 세트의 레이저 빔 펄스 또는 레이저 빔 펄스 버스트를 포함하는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 세트의 레이저 빔 펄스들의 각각의 레이저 빔 펄스의 에너지는 상기 제 1 세트의 레이저 빔 펄스들의 각각의 레이저 빔 펄스의 에너지와 상이한, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 세트의 레이저 빔 펄스들의 각각의 레이저 빔 펄스의 에너지는 상기 제 1 세트의 레이저 빔 펄스들의 각각의 레이저 빔 펄스의 에너지보다 큰, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 세트의 레이저 빔 펄스들의 각각의 레이저 빔 펄스의 에너지는 상기 제 1 세트의 레이저 빔 펄스들의 각각의 레이저 빔 펄스의 에너지보다 낮은, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 세트의 레이저 빔 펄스들이 상기 제 1 세트의 레이저 빔 펄스들과 상이한 레이저 빔 분극 상태를 갖도록, 상기 방출된 레이저 빔 펄스들의 분극을 제어하는 단계를 포함하는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 세트의 레이저 빔 펄스들은 상기 웨이퍼에 적어도 하나의 절단을 형성하기 위해 사용되며, 상기 제 2 세트의 레이저 빔 펄스들은 상기 적어도 하나의 형성된 절단의 후-처리를 수행하기 위해 사용되는, 웨이퍼를 절단하는 방법.
  16. 제 1 항의 방법을 수행하기 위한 레이저 절단 장치.
  17. 웨이퍼를 절단하기 위한 레이저 절단 장치에 있어서,
    연속적인 레이저 빔 펄스들의 시퀀스를 방출하도록 적응된 레이저 소스로서, 상기 시퀀스는 제 1 및 제 2 세트들의 레이저 빔 펄스들을 포함하고, 상기 제 1 세트는 0.1 내지 300 나노초의 범위에 있는 펄스 폭을 가진 적어도 하나의 레이저 빔 펄스 또는 레이저 빔 펄스들의 적어도 하나의 버스트를 포함하며, 상기 버스트내의 각각의 펄스가 100 피코초 이하의 펄스 폭을 가지며, 상기 제 2 세트는 100 피코초 이하의 펄스 폭을 가진 적어도 하나의 빔 펄스를 포함하는, 상기 레이저 소스,
    절단될 웨이퍼를 조사하기 위해 상기 레이저 소스로부터 상기 레이저 빔 펄스들을 지향시키기 위한 레이저 빔 유도 어셈블리, 및
    상기 반도체 재료 및 상기 조사한 레이저 빔 펄스들을 상대적으로 이동시키기 위한 구동 어셈블리를 포함하는, 레이저 절단 장치.
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