KR20210001923A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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Abstract

(과제) 레이저 광선을 조사하여 레이저 가공을 할 때에, 적정한 스폿 간격으로 가공을 할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공한다.
(해결 수단) 레이저 가공 장치에 있어서, 피가공물을 유지하는 척 테이블과, 상기 척 테이블에 유지된 피가공물에 펄스 레이저 광선의 스폿을 위치시키고 펄스 레이저 광선을 조사하여 피가공물에 가공을 실시하는 레이저 광선 조사 유닛과, 상기 레이저 광선 조사 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 포함한다. 상기 레이저 광선 조사 유닛은, 펄스 레이저를 발진하여 펄스 레이저 광선을 출사하는 레이저 발진기와, 펄스 레이저 광선을 솎아 내어, 반복 주파수를 조정하는 솎아냄부와, 펄스 레이저 광선의 스폿을 미리 정해진 간격으로 조작하는 스캐너와, 펄스 레이저 광선을 집광하는 fθ 렌즈를 포함한다.

Description

레이저 가공 장치{LASER MACHINING APPARATUS}
본 발명은, 척 테이블에 유지된 피가공물에 펄스 레이저 광선의 스폿을 위치시키고 조사하여 가공을 실시하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
사파이어 기판, SiC 기판 등의 에피택시 기판의 상면에, 에피택셜 성장에 의해 버퍼층을 통해, n형 반도체층 및 p형 반도체층으로 이루어지는 발광층이 형성된다. 이 발광층에 교차하는 복수의 분할 예정 라인에 의해 구획된 각 영역에 LED 등의 디바이스가 형성된 발광 웨이퍼는, 분할 예정 라인이 레이저 광선 등에 의해 에피택시 기판과 함께 분할되어 개개의 LED 칩이 제조된다(예컨대 특허 문헌 1를 참조).
또한, LED의 휘도를 향상시킴과 동시에, 냉각 효과를 높이기 위해, 발광 웨이퍼의 발광층에 접합제(인듐, 팔라듐 등)를 통해 몰리브덴 기판, 구리 기판, 실리콘 기판 등의 이설(移設) 기판을 접합하여 적층 웨이퍼를 제조하고, 그 후, 에피택시 기판 측으로부터 버퍼층에 레이저 광선을 조사하고 파괴하여, 발광층을 이설 기판으로 이동시킨 웨이퍼를 형성하는 기술이 제안되고 있다(예컨대, 특허 문헌 2를 참조).
상기한 특허 문헌 2에 기재된 기술과 같이, 에피택시 기판 측으로부터 버퍼층에 레이저 광선을 조사하여 파괴할 때에, 레이저 광선을 조사하는 대상이, 원형의 적층 웨이퍼인 경우는, 스캐너를 주사하는 것에 의해 펄스 레이저 광선을 적층 웨이퍼의 외측으로부터 내측의 중심을 향해 나선형으로 조사하여 버퍼층을 파괴하여 박리층을 형성하는 것이 행해진다.
(특허 문헌 1)일본특허공개공보 평10-305420호 (특허 문헌 2)일본특허공개공보 제2013-021225호
상기한 바와 같이, 박리층을 형성할 수 있도록 원형의 적층 웨이퍼에 대해 외측으로부터 내측의 중심을 향해 레이저 광선을 나선형으로 조사하는 경우, 레이저 광선이 조사되는 스폿의 간격을 일정 간격에 유지하기 위해는, 스폿 위치가 외주로부터 중심을 향함에 따라, 레이저 광선의 조사 위치를 주사하는 스캐너의 작동 주파수를 높게 할 필요가 있다. 그러나, 스폿의 간격을 일정 간격으로 유지하기 위해 스캐너의 작동 주파수를 변화시키려고 해도, 펄스 레이저 광선의 반복 주파수에 따라서는, 스캐너의 작동 주파수의 허용치를 초과하게 되어 버려, 상정되는 작동 주파수에 실제의 스캐너의 작동 주파수를 추종시킬 수 없어서, 스폿 간격에 불균일이 발생하여, 버퍼층을 확실히 파괴할 수 없거나, 또는 발광층이 파괴되는 문제가 발생한다. 또한, 상기한 적층 웨이퍼에 박리층을 형성하는 경우에 한정하지 않고, 피가공물의 표면을 연삭 가공할 때에, 연삭 가공을 촉진시키기 위해 피가공물의 상면에 나선형으로 레이저 광선을 조사하는 경우가 있지만, 그 경우에도, 상기와 마찬가지로 스캐너의 작동 주파수를 추종시키는 것을 할 수 없어, 피가공물의 상면에 실시되는 레이저 가공이 균일하게 되지 않는다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 레이저 광선을 조사하여 레이저 가공을 실시할 때에, 적정한 스폿 간격으로 가공할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 레이저 가공 장치에 있어서, 피가공물을 유지하는 척 테이블과, 상기 척 테이블에 유지된 상기 피가공물에 펄스 레이저 광선의 스폿을 위치시키고 상기 펄스 레이저 광선을 조사하여 상기 피가공물에 가공을 실시하는 레이저 광선 조사 유닛과, 상기 레이저 광선 조사 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 구비하고, 상기 레이저 광선 조사 유닛은, 펄스 레이저를 발진하여 상기 펄스 레이저 광선을 출사하는 레이저 발진기와, 상기 펄스 레이저 광선을 솎아 내어, 상기 펄스 레이저 광선의 반복 주파수를 조정하는 솎아냄부와, 상기 펄스 레이저 광선의 스폿을 미리 정해진 간격으로 주사하는 스캐너와, 상기 펄스 레이저 광선을 집광하는 fθ 렌즈를 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 스캐너의 작동 주파수가 미리 정해진 허용치 내에서 작동하도록, 상기 솎아냄부를 작동하여 상기 레이저 발진기가 출사하는 상기 펄스 레이저 광선을 솎아 내고, 상기 솎아냄부에서 출력되는 상기 펄스 레이저 광선의 반복 주파수를 조정하는 레이저 가공 장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 제어 유닛은, 상기 펄스 레이저 광선의 스폿을 상기 피가공물의 외측으로부터 내측을 향해 나선형으로 주사하도록 상기 스캐너를 제어하고, 상기 스캐너의 작동 주파수가, 상기 스폿이 상기 피가공물의 내측을 향해 반경이 작아짐에 따라 높아지도록 변화시키고, 상기 스캐너의 작동 주파수가 상기 허용치를 넘기 전에, 상기 솎아냄부에 의해 상기 펄스 레이저 광선의 반복 주파수를 저감시켜 상기 스캐너의 작동 주파수를 저감시킨다.
바람직하게는, 상기 레이저 광선 조사 유닛은, 상기 솎아냄부에 의해 펄스 레이저 광선이 솎아 내어져 조정된 반복 주파수에 대응하는 적정한 펄스 에너지가 설정된 조정 테이블을 더 포함하고, 상기 솎아냄부는, 음향 광학 소자에 의해 구성되고, 상기 레이저 발진기로부터 출사된 상기 펄스 레이저 광선의 반복 주파수를 조정하고, 아울러 상기 레이저 광선 조사 유닛에 지시되는 펄스 에너지를, 상기 조정 테이블에 설정된 반복 주파수에 대응하는 펄스 에너지에 기초하여 조정한다.
본 발명에 의하면, 원형의 적층 웨이퍼의 버퍼층에 대해 외주로부터 중심을 향해 나선형으로 레이저 광선을 조사하는 경우에도, 레이저 광선의 스폿을 스캐너의 작동 주파수가 허용치를 넘지 않는 범위에서 미리 정해진 간격으로 조사하여 버퍼층을 균일하게 파괴할 수 있어, 적층 웨이퍼의 내측으로 감에 따라, 스캐너의 작동 주파수를 추종하지 못하거나, 스폿 간격에 불균일이 발생하여, 버퍼층을 확실히 파괴할 수 없거나, 발광층이 파괴되는 문제가 해소된다. 또한, 피가공물의 상면에 조사하는 경우에도, 피가공물의 상면에 균일한 레이저 가공을 실시할 수 있으므로 연삭 가공을 원활히 촉진시킬 수 있다.
도 1은 본 발명 실시형태의 레이저 가공 장치에 의해 가공되는 적층 웨이퍼의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 적층 웨이퍼를 가공하는 레이저 가공 장치의 전체 사시도이다.
도 3(a)는 도 2에 도시한 레이저 가공 장치에 탑재되는 레이저 광선 조사 유닛의 광학계를 설명하기 위한 블록도이고, 도 3(b)는 레이저 가공 장치에 의해 적층 웨이퍼가 가공될 때의 모양을 도시한 일부 확대 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시한 레이저 가공 장치에 의해 박리층 형성 공정이 실시될 때의 모양을 도시한 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시한 레이저 광선 조사 유닛을 제어할 때에 사용되는 조정 테이블이다.
도 6은 박리층 형성 공정을 실시할 때의 적층 웨이퍼의 중심으로부터의 거리에 따른 펄스 레이저 광선의 반복 주파수의 변화, 및, 스캐너의 작동 주파수의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 적층 웨이퍼로부터 사파이어 기판을 박리하는 모양을 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명 실시형태의 레이저 가공 장치에 대해 첨부 도면을 참조하면서, 상세하게 설명한다.
도 1에는, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치에 있어서 레이저 가공이 실시되는 피가공물에 있어서, 발광 웨이퍼(10)와, 이설 기판(16)에 의해 구성되는 적층 웨이퍼(W)의 사시도가 기재되어 있다.
발광 웨이퍼(10)는, 도 1의 우측에 발광 웨이퍼(10)의 일부를 확대하여 도시한 측면도로부터 이해되는 바와 같이, 에피택시 기판으로서 준비된 사파이어 기판(12)의 표면에 발광층(11), 및 버퍼층(13)이 에피택셜 성장법에 따라 형성되어 있다. 발광층(11)은, 예컨대, n형 질화 갈륨 반도체층, p형 질화 갈륨 반도체층, 및 적절한 도체 패턴으로 구성되고(도시는 생략함), 도 1에 도시한 바와 같이 격자형으로 형성된 복수의 분할 예정 라인(15)에 의해 구획된 복수의 영역에 LED(14)이 형성되고 있다. 발광층(11)은, 상기한 질화 갈륨(GaN)에 의해 형성되는 것에 한정되지 않고, 예컨대, GaP, GaInAs 등에 의해 형성되는 것이라도 좋다. 또한, 버퍼층(13)은, 발광층(11)과 동종의 반도체로 형성된다. 이와 같이 구성된 발광 웨이퍼(10)는, 발광층(11)이 발광 웨이퍼(10)의 표면(10a)을 구성하고, 사파이어 기판(12)이 이면(10b)을 구성한다. 본 실시 형태에 있어서는, 발광 웨이퍼(10)의 직경은 100 mm이고 두께가 600 ㎛이며, 발광 웨이퍼(10)를 구성하는 버퍼층(13)의 두께는 1 ㎛, 발광층(11)의 두께는 10 ㎛로 형성되어 있다.
상기한 발광 웨이퍼(10)에 있어서의 사파이어 기판(12)을 발광층(11)으로부터 박리하여 이설 기판(16)에 이동하기 위해, 우선, 도 1에 도시한 바와 같이, 발광 웨이퍼(10)의 표면(10a)에 이설 기판(16)을 접합하는 이설 기판 접합 공정을 실시한다. 이설 기판 접합 공정에서는, 발광 웨이퍼(10)의 표면(10a)을 구성하는 발광층(11) 상에, 구리 기판으로 이루어지는 이설 기판(16)을, 예컨대 금 주석 등의 접합제로 이루어지는 접합층(17)을 통해 접합한다. 이 이설 기판 접합 공정은, 발광 웨이퍼(10)의 발광층(11) 상, 또는 이설 기판(16) 측의 표면에 상기 접합제를 증착하여 두께가 3 ㎛ 정도의 접합층(17)을 형성하고, 이 접합층(17)과 이설 기판(16)의 표면 또는 발광 웨이퍼(10)의 발광층(11)의 표면(10a)을 대면시켜 압착하는 것에 의해, 발광 웨이퍼(10)와 이설 기판(16)을, 접합층(17)을 통해 접합하여 적층 웨이퍼(W)를 형성한다. 또한, 이설 기판(16)은, 발광 웨이퍼(10)와 마찬가지로 직경이 100 mm로 형성되며, 아울러 두께가 예컨대 1 mm로 설정되어 있다. 또한, 도 1의 하단에 도시한 적층 웨이퍼(W)는, 발광 웨이퍼(10)의 이면(10b) 측, 즉 사파이어 기판(12)을 상방으로, 이설 기판(16)을 하방으로 한 상태를 도시하며, 발광층(11), 버퍼층(13)의 도시는 생략되어 있다. 또한, 도 1에 도시한 치수는, 실제의 치수에 따른 것은 아니다.
상기한 바와 같이, 발광 웨이퍼(10) 및 이설 기판(16)을 접합하여 적층 웨이퍼(W)를 형성하여 준비했다면, 도 2에 도시한 레이저 가공 장치(2)에 반송한다. 레이저 가공 장치(2)에 적층 웨이퍼(W)를 반송할 때에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 이설 기판(16) 측을 환형의 프레임(F)에 장착된 점착 테이프(T)의 표면에 점착하고, 이설 기판(16) 측을 하측으로, 사파이어 기판(12) 측을 상측으로 하여 환형의 프레임(F)에 의해 지지를 받은 상태로 한다.
적층 웨이퍼(W)를 점착 테이프를 통해 환형의 프레임(F)에 의해 지지했다면, 도 2에 도시한 레이저 가공 장치(2)를 사용하여, 발광 웨이퍼(10)의 사파이어 기판(12) 측으로부터 펄스 레이저 광선을 조사하여 버퍼층(13)을 파괴한다. 도 2를 참조하면서, 레이저 가공 장치(2)의 개략에 대해 이하에 설명한다.
레이저 가공 장치(2)는, 베이스(2A) 상에 배치되고, 피가공물(적층 웨이퍼(W))에 대해 레이저 광선을 조사하는 레이저 광선 조사 유닛(8)과, 적층 웨이퍼(W)를 유지하는 유지 유닛(22)과, 레이저 광선 조사 유닛(8)과 유지 유닛(22)을 상대적으로 이동시키는 이동 기구(23)과, 베이스(2A) 상의 이동 기구(23)의 측방에 화살표 Z로 나타내는 X 방향 및 Y 방향과 직교하는 Z 방향에 설치되는 수직 벽부(261) 및 수직 벽부(261)의 상단부에서 수평 방향으로 연장되는 수평 벽부(262)로 이루어지는 프레임(26)을 구비하고 있다.
프레임(26)의 수평 벽부(262)의 내부에는, 레이저 광선 조사 유닛(8)을 구성하는 광학계(이후에 상세히 설명함)가 수용된다. 수평 벽부(262)의 선단부 하면측에는, 레이저 광선 조사 유닛(8)의 일부를 구성하는 집광기(86)가 배치되고, 아울러 집광기(86)에 대해 도면 중 화살표 X로 도시된 방향에서 인접하는 위치에 얼라인먼트 유닛(90)이 배치된다.
얼라인먼트 유닛(90)은, 유지 유닛(22)을 구성하는 척 테이블(34)에 유지되는 적층 웨이퍼(W)를 촬상하고, 집광기(86)와, 적층 웨이퍼(W)와의 위치 맞춤을 실시하기 위해 이용된다. 얼라인먼트 유닛(90)은, 적층 웨이퍼(W)의 표면을, 가시광선을 사용하여 촬상하는 촬상 소자(CCD)와 함께, 적외선을 조사하는 적외선 조사 수단과, 적외선 조사 수단에 의해 조사된 적외선을 포착하는 광학계와, 상기 광학계가 포착한 적외선에 대응하는 전기 신호를 출력하는 촬상 소자(적외선 CCD)를 포함한다.
유지 유닛(22)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 화살표 X로 나타내는 X 방향에 있어서 이동 가능하게 베이스(2A)에 탑재된 직사각형 형상의 X 방향 가동판(30)과, 화살표 Y로 나타내는 X 방향과 직교하는 Y 방향에 있어서 이동 가능하게 X 방향 가동판(30)에 탑재된 직사각형 형상의 Y 방향 가동판(31)과, Y 방향 가동판(31)의 상면에 고정된 원통형의 지주(32)와, 지주(32)의 상단에 고정된 직사각형 형상의 커버판(33)을 포함한다. 커버판(33)에는 커버판(33) 상에 형성된 긴 구멍을 통해 상방으로 연장되는 척 테이블(34)이 배치되어 있다. 척 테이블(34)은, 원 형상의 피가공물을 유지하고, 지주(32) 내에 수용된 도시하지 않은 회전 구동 수단에 의해 회전 가능하게 구성된다. 척 테이블(34)의 상면에는, 통기성을 갖는 다공질 재료로 형성되고 실질적으로 수평으로 연장되는 원 형상의 흡착 척(35)이 배치되어 있다. 흡착 척(35)은, 지주(32)를 통과하는 유로에 의해 도시하지 않은 흡인 수단에 접속되고 있고, 흡착 척(35)의 주위에는, 간격을 두고 클램프(36)가 4개 배치되어 있다. 클램프(36)는, 적층 웨이퍼(W)를 척 테이블(34)에 고정할 때에 프레임(F)을 붙잡는다.
이동 기구(23)는, X 방향 이동 기구(50)와, Y 방향 이동 기구(52)를 포함한다. X 방향 이동 기구(50)는, 모터(50a)의 회전 운동을, 볼 나사(50b)를 통해 직선 운동으로 변환하여 X 방향 가동판(30)에 전달하고, 베이스(2A) 상의 안내 레일(27, 27)을 따라 X 방향 가동판(30)을 X 방향에 있어서 진퇴시킨다. Y 방향 이동 기구(52)는, 모터(52a)의 회전 운동을, 볼 나사(52b)를 통해 직선 운동으로 변환하고, Y 방향 가동판(31)에 전달하고, X 방향 가동판(30) 상의 안내 레일(37,37)에 따라 Y 방향 가동판(31)을 Y 방향에 있어서 진퇴시킨다. 또한, 도시는 생략하지만, 척 테이블(34), X 방향 이동 기구(50), 및 Y 방향 이동 기구(52)에는, 각각 위치 검출 수단이 배치되어 있어, 척 테이블(34)의 X 방향의 위치, Y 방향의 위치, 원주 방향의 회전 위치가 정확하게 검출되고, X 방향 이동 기구(50), Y 방향 이동 기구(52), 및 도시하지 않은 척 테이블(34)의 회전 구동 수단이 구동되어, 임의의 위치 및 각도로 척 테이블(34)을 정확하게 위치시키는 것이 가능하게 되어 있다.
도 3(a)에는, 레이저 광선 조사 유닛(8)의 광학계의 개략을 도시한 블록도가 도시되어 있다. 레이저 광선 조사 유닛(8)은, 미리 정해진 반복 주파수(본 실시 형태에서는, 200 kHz)의 펄스 레이저 광선(LB0)을 출사하는 레이저 발진기(81)와, 레이저 발진기(81)로부터 출사된 펄스 레이저 광선(LB0)으로부터 임의의 비율로 펄스 레이저 광선을 솎아내는 것에 의해, 원하는 반복 주파수로 조정한 펄스 레이저 광선(LB)을 출력하는 솎아냄부(82)와, 솎아냄부(82)로부터 출력된 펄스 레이저 광선(LB)의 스폿을, 척 테이블(34)의 상면의 X 방향, 및 Y 방향의 임의의 위치에 주사하는 스캐너(83)와, 스캐너(83)로부터 출력된 펄스 레이저 광선(LB)을 반사하여 광로를 변경하는 고정 미러(84)와, 고정 미러(84)에서 반사한 펄스 레이저 광선(LB)을 집광하여 척 테이블(34) 상에 조사하는 fθ 렌즈(85)를 구비한 집광기(86)와, 솎아냄부(82) 및 스캐너(83)의 작동을 제어하는 제어 유닛(100)을 구비하고 있다. 또한, 제어 유닛(100)은, 레이저 광선 조사 유닛(8)을 제어하는 것 이외에, 레이저 가공 장치(2)의 각 작동부(이동 기구(22) 등)에 접속되어, 각 작동부를 제어하는 것이라도 좋다. 또한, fθ 렌즈(85)는, 상기한 고정 미러(84)의 하방에 위치하고 있고, 스캐너(83)에 의해 주사된 펄스 레이저 광선(LB)의 각도가 소정 범위에서 변화하는 것에 따라, 펄스 레이저 광선(LB)이, 적층 웨이퍼(W)의 전역에 분산하여 조사되도록 기능한다.
솎아냄부(82)는, 예컨대, 음향 광학 소자에 의해 구성되고, 제어 유닛(100)에 접속된다. 솎아냄부(82)를 구성하는 음향 광학 소자로서는, 예컨대, AOM(어쿠스틱　옵티컬　모듈레이터)를 채용할 수 있다. 이 솎아냄부(82)에 대한 제어 유닛(100)으로부터의 지시 신호에 기초하여, 레이저 발진기(81)가 레이저를 발진하고, 솎아냄부(82)에 도입된 펄스 레이저 광선(LB0)으로부터 임의의 비율로 펄스 레이저 광선을 솎아내는 것에 의해 반복 주파수를 조정하고, 또한, 상기 지시 신호에 기초하여 펄스 레이저 광선(LB)의 강도(펄스 에너지)를 임의의 값으로 조정하여, 펄스 레이저 광선(LB)를 출력한다.
스캐너(83)는, 펄스 레이저 광선(LB)의 스폿을, 척 테이블(34) 상에 있어서의 X 방향(도면 중 좌우 방향)으로 주사하기 위한 X축 갈바노 스캐너(831)와, Y 방향(도면에 수직인 방향)으로 주사하기 위한 Y축 갈바노 스캐너(832)를 구비하고 있다. X축 갈바노 스캐너(831)는, X축 갈바노 모터(831a), 및 X축 스캔 미러(831b)를 구비하고, Y축 갈바노 스캐너(832)는, Y축 갈바노 모터(832a), 및 Y축 스캔 미러(832b)를 구비하고 있다. X축 갈바노 모터(831a), 및 Y축 갈바노 모터(832a)를 소정 범위에서 회전시키는 것에 의해, X축 스캔 미러(831b), Y축 스캔 미러(832b)의 각도를 변경하여 반사 방향을 변경하고, 펄스 레이저 광선(LB)의 스폿을 척 테이블(34) 상의 임의의 위치에 위치시키는 것이 가능하다. 제어 유닛(100)에는, X축 갈바노 스캐너(831), 및 Y축 갈바노 스캐너(832)를 제어하기 위한 제어 프로그램이 기억되고 있고, X축 갈바노 모터(831a), 및 Y축 갈바노 모터(832a)를 미리 정해진 작동 주파수의 범위에서 제어하고, 펄스 레이저 광선(LB)의 조사 위치를, 임의의 속도로 척 테이블(34) 상에서 이동시킬 수 있다. 여기서, 본 실시 형태의 X축 갈바노 모터(831a), 및 Y축 갈바노 모터(832a)를 작동시킬 수 있는 작동 주파수의 한계치는 40 Hz이며, 정밀한 제어를 실시하기 위해 설정되는 허용치는 30 Hz이다.
또한, 레이저 광선 조사 유닛(8)은, 도시하지 않은 집광점 위치 조정 수단을 구비하고 있다. 집광점 위치 조정 수단의 구체적인 구성의 도시는 생략하지만, 예컨대, 너트부가 집광기(86)에 고정되어 Z 방향(도 2를 참조)으로 연장하는 볼 나사와, 이 볼 나사의 편단부에 연결된 모터를 갖는 구성으로 좋다. 이러한 구성에 의해 모터의 회전 운동을 직선 운동으로 변환하여, Z 방향으로 배치되는 안내 레일(도시는 생략)에 따라 집광기(86)를 이동시키고, 이에 의해, 집광기(86)에 의해 집광되는 레이저 광선(LB)의 집광점의 Z 방향의 위치가 조정된다.
본 발명의 레이저 가공 장치(2)는, 대략 상기한 바와 같은 구성을 구비하고 있고, 그 작용에 대해 이하에 설명한다.
본 실시 형태의 레이저 가공 장치(2)에 의해 레이저 가공을 실시할 때에, 도 2에 도시한 바와 같이, 점착 테이프(T)를 통해 환형의 프레임(F)에 지지된 적층 웨이퍼(W)를 준비하고, 유지 유닛(22)을 구성하는 척 테이블(34)의 흡착 척(35) 상에 장착하고, 도시하지 않은 흡인 수단을 작동시키고, 아울러 클램프(36) 등에 의해 고정된다.
적층 웨이퍼(W)를 흡착 척(35)에 유지했다면, 이동 기구(23)에 의해 척 테이블(34)을 X 방향, 및 Y 방향으로 적절하게 이동시켜, 척 테이블(34) 상의 적층 웨이퍼(W)를 얼라인먼트 유닛(90)의 바로 아래에 위치시킨다. 적층 웨이퍼(W)를 얼라인먼트 유닛(90)의 바로 아래에 위치시켰다면, 얼라인먼트 유닛(90)에 의해 적층 웨이퍼(W) 상을 촬상한다. 그 다음에, 얼라인먼트 유닛(90)에 의해 촬상한 적층 웨이퍼(W)의 화상에 기초하여, 척 테이블(34)을 X 방향으로 이동시키는 것에 의해, 적층 웨이퍼(W)의 상방에 집광기(86)를 위치시킨다. 그 다음에, 도시하지 않은 집광점 위치 조정 수단에 의해 집광기(86)를 Z 방향으로 이동시켜, 적층 웨이퍼(W)를 구성하는 사파이어 기판(12) 측으로부터, 버퍼층(13)의 위치에, 집광점을 위치시킨다(도 3(b)를 참조).
상기한 바와 같이, 집광점 위치 조정 수단에 의해 집광점을 버퍼층(13)에 위치시키면, 제어 유닛(100)에 의해 레이저 광선 조사 유닛(8)의 레이저 발진기(81), 솎아냄부(82), 및 스캐너(83)를 작동하여, 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시한 바와 같이, 펄스 레이저 광선(LB)의 스폿을, 적층 웨이퍼(W)의 외측에 있는 상태(LB1로 나타냄)로부터 내측을 향해 나선형으로 주사하면서, 도면 중에 도시한 LB2, LB3이 되도록 이동시키고, 적층 웨이퍼(W)의 중심에 도달할 때까지 조사하고, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 버퍼층(13)을 파괴하여 박리층(132)을 형성하는 박리층 형성 공정을 실시한다.
여기서, 상기한 박리층 형성 공정을 실시할 수 있도록 레이저 광선 조사 유닛(8)을 제어하여 펄스 레이저 광선(LB)의 스폿을, 적층 웨이퍼(W)의 외측으로부터 내측을 향해 나선형으로 주사할 때에, 제어 유닛(100)에 기억된 조정 테이블(110)(도 5를 참조)에 기초하여, 펄스 레이저 광선(LB)의 반복 주파수, 및 펄스 에너지의 조정이 실시된다. 이 조정 테이블(110)의 작용에 대해, 도 4 내지 6을 참조하면서 이하에 설명한다.
도 5에 도시한 조정 테이블(110)에서는, 적층 웨이퍼(W)를 평면에서 보았을 때의 최외주 위치에서 중심까지의 영역을, 중심까지의 거리에 따라 9개의 영역(1~9)으로 구분하고, 각 영역에 대응하여 조정치가 설정되어 있다. 상기 조정치로서는, 솎아냄부(82)에 의해 조정되는 반복 주파수와, 이 반복 주파수에 따라 적정한 펄스 에너지를 출력시키기 위해 지시되는 펄스 에너지가 설정되어 있다. 또한, 도 6에서는, 횡축이, 적층 웨이퍼(W)의 중심으로부터의 거리(반경)(mm)를 도시하고, 하단에는, 적층 웨이퍼(W)의 중심으로부터의 거리(반경)에 따른 스캐너(83)의 작동 주파수의 변화를, 상단에는, 솎아냄부(82)에 의해 조정되는 펄스 레이저 광선의 반복 주파수의 변화를 나타내고 있다. 상기한 영역(1~9)은, 최외주 위치로부터, 적층 웨이퍼(W)의 중심까지의 거리 중에서, 절반에 이르는 영역을 1개의 영역으로 하여, 각 구분을 규정했다. 즉, 영역(1)은, 중심까지의 거리까지 50 mm의 최외주의 위치에서, 중심까지의 거리가 절반이 되는 25 mm의 지점까지로 규정되고, 영역(2)은, 중심까지의 거리가 25 mm의 지점에서 볼 때 중심까지의 거리가 절반이 되는 12.5 mm의 지점까지로 규정되고, 영역(3)은, 동일하게, 중심까지의 거리가 12.5 mm의 지점에서 볼 때 중심까지의 거리가 절반이 되는 6.25 mm의 지점까지로 규정되며, 이하 동일한 순서에 의해 중심을 포함하는 영역(9)까지 규정되어 있다.
도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 적층 웨이퍼(W)의 최외주 위치, 즉, 적층 웨이퍼(W)의 중심으로부터의 거리가 50 mm의 위치에서 펄스 레이저 광선(LB1)의 조사를 개시하는 경우, 해당 영역(1)에 대응하여, 펄스 레이저 광선(LB)의 반복 주파수는 200 kHz로 설정되고, 펄스 에너지는 10 μJ로 설정된다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 스캐너(83)를 구성하는 X축 갈바노 스캐너(831), 및 Y축 갈바노 스캐너(832)의 작동 개시 시의 작동 주파수는 12.74 Hz로 설정되어 있다. 이는, 직경이 100 mm인 적층 웨이퍼(W)의 외주는 314 mm이며, 스폿의 간격을 후술하는 바와 같이 20 ㎛로 설정한 경우, 외주에 조사되는 스폿의 수는 15,700개가 되고, 반복 주파수 200 kHz는 200,000개/초의 펄스 레이저 광선을 조사하는 것에 의해, 스캐너의 작동 주파수가 200,000/15,700=12.74/초로 산출되는 것에 기초한다.
본 실시 형태에서는, 적층 웨이퍼(W)의 최외주 위치로부터 중심을 향해, 펄스 레이저 광선(LB1)의 스폿 위치를 나선형으로 주사하고 조사하여, 버퍼층(13)에 박리층(132)을 형성하지만, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 나선의 반경이 서서히 작아지게 되어, 스폿의 위치가 중심으로 가까워짐에 따라, 스폿의 간격을 일정한 간격으로 유지할 수 있도록, X축 갈바노 스캐너(831), 및 Y축 갈바노 스캐너(832)의 작동 주파수를 12.74 Hz로부터 서서히 높게 할 필요가 있다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 상기 나선의 반경이 작아지게 되어, 스폿 위치가 중심으로부터 25 mm에 도달할 때에는, 스캐너(83)의 작동 주파수가 25.48 Hz에 이른다. 상기한 바와 같이, 본 실시 형태의 스캐너(83)의 작동 주파수의 허용치는 30 Hz 이하이기 때문에, 이 30 Hz에 도달하기 전의 이 타이밍(조정 테이블(110)에 설정된 영역(2)에 들어가는 시점)에서, 솎아냄부(82)에 의해 펄스 레이저 광선(LB0)의 절반의 펄스를 솎아 내어, 반복 주파수를 절반의 100 kHz로 조정한 펄스 레이저 광선(LB2)으로 한다. 이와 같이, 펄스 레이저 광선(LB2)의 반복 주파수를, 레이저 발진기(81)로부터 출사된 펄스 레이저 광선(LB0)의 절반의 100 kHz로 조정하는 것에 의해, 스캐너(83)의 작동 주파수를 그 이상 높게 할 필요가 없게 되고, 반대로 스폿의 간격을 그 때까지의 간격과 일치시키기 위해, 25.48 Hz에서, 12.74 Hz로 저감한다.
본 실시 형태에 있어서는, 또한, 나선형으로 주사된 스폿 위치가 상기한 영역(2)에 들어가고, 반복 주파수가 100 kHz로 조정되었을 경우, 제어 유닛(100)으로부터 레이저 광선 조사 유닛(8)의 솎아냄부(82)에 지시되는 펄스 레이저 광선(LB2)의 펄스 에너지 설정값을, 솎아냄부(82b)에 의해 조정되는 반복 주파수에 대응하여 조정 테이블(110)에 설정된 값에 기초하여, 10 μJ로부터, 10.5 μJ로 조정한다.
스폿 위치가 영역(2)에 진입한 후에도 레이저 가공은 계속되고, 펄스 레이저 광선(LB2)의 스폿이 나선형으로 주사되고, 상기 나선의 반경이 서서히 작게 됨에 따라, 영역(1)에 있어서 실시한 것과 마찬가지로, 스폿의 간격을 일정한 간격으로 유지할 수 있도록, 스캐너(83)(X축 갈바노 스캐너(831), 및 Y축 갈바노 스캐너(832))의 작동 주파수를, 다시 12.74 Hz로부터 서서히 높게 변화시킨다. 여기서, 도 6에 도시한 바와 같이, 영역(2)에 있어서, 스폿 위치가 적층 웨이퍼(W)의 중심으로부터 12.5mm의 위치에 도달한 시점에서, 스캐너(83)의 작동 주파수가 25.48 Hz에 이르고, 최대 허용치 30 Hz에 근접한다. 이에 대응하기 위해, 본 실시 형태에서는, 스폿 위치의 중심으로부터의 거리가 12.5 mm 미만이 되는 영역을 영역(3)으로서, 스캐너(83)의 작동 주파수가 30 Hz에 이르기 전의 이 타이밍(조정 테이블(110)에 설정된 영역(3)에 들어가는 시점)에서, 솎아냄부(82)에 의해 펄스 레이저 광선(LB1)의 절반의 펄스를 더 솎아 내어, 반복 주파수를 50 kHz로 조정한 펄스 레이저 광선(LB3)으로 한다. 이와 같이, 펄스 레이저 광선(LB3)의 반복 주파수를, 레이저 발진기(81)로부터 출사된 펄스 레이저 광선(LB0)의 1/4의 50 kHz로 조정하는 것에 의해, 스캐너(83)의 작동 주파수를 그 이상 높게 할 필요가 없게 되고, 반대로 스폿의 간격을 그 때까지의 간격과 일치시킬 수 있도록, 다시 25.48 Hz로부터, 12.74 Hz로 저감할 수 있다.
또한, 나선형으로 주사된 스폿 위치가 상기한 영역(3)에 들어가고, 반복 주파수가 50 kHz로 조정되었을 경우, 제어 유닛(100)으로부터 레이저 광선 조사 유닛(8)의 솎아냄부(82)에 지시되는 펄스 레이저 광선(LB3)의 펄스 에너지 설정값이, 솎아냄부(82b)에 의해 조정되는 반복 주파수에 대응하여 조정 테이블(110)에 설정된 값에 기초하여, 10.5μJ로부터, 10.8μJ로 조정된다.
상기한 바와 같이, 펄스 레이저 광선(LB)의 스폿 위치가 나선형으로 주사되어, 적층 웨이퍼(W)의 중심으로 가까워지며, 스폿 위치가, 영역(3)으로부터 영역(4) 이후에 진입하고, 영역(5~8)을 거쳐, 최종적으로 적층 웨이퍼(W)의 중심을 포함한 영역(9)에 이른다. 그 때, 도 5에 도시한 조정 테이블(110)에 설정된 조정치에 기초하여, 솎아냄부(82)에 지시되는 펄스 레이저 광선(LB)의 반복 주파수, 및 펄스 에너지가 조정된다. 이상과 같이 행하여 펄스 레이저 광선(LB)의 조사를 적층 웨이퍼(W)의 외주로부터 중심까지 실시함으로써, 적층 웨이퍼(W)의 버퍼층(13)의 전역에, 스폿이 일정한 간격으로 위치되어, 균일하게 박리층(132)이 형성된다.
상기한 박리층 형성 공정에 있어서의 레이저 가공 조건은, 예컨대 이하와 같이 설정된다.
파장: 266 nm
반복 주파수: 200 kHz~0.781 kHz
평균 출력: 2W
펄스 에너지: 10μJ~12.5μJ
스폿 직경: 50㎛
스폿 간격: 20㎛
또한, 조정 테이블(110)에 설정된 스캐너(83)의 작동 주파수 범위의 상한은, 상기한 바와 같이 스캐너(83)의 최대 허용치로 설정되는 것이지만, 하한(12.74 Hz)는, 솎아내기 전의 반복 주파수(200 kHz)에 의해 펄스 레이저 광선을 조사하고, 적층 웨이퍼(W)의 최외주의 원주 길이(314 mm)에서 상기한 스폿 간격(20 ㎛)으로 스폿을 주사하는 경우에 상술한 바와 같이 저절로 결정되는 값이며, 본 발명은, 특히 이 수치 범위로 한정되는 것은 아니다.
상기한 바와 같이, 적층 웨이퍼(W)의 버퍼층(13)의 전역에 박리층(132)을 형성하면, 도 7에 도시한 바와 같이, 도시하지 않은 박리 수단 등을 이용하여 사파이어 기판(12)을 박리층(132)에 따라 적층 웨이퍼(W)로부터 박리한다. 이에 의해, 발광층(11)이 이설 기판(16)에 이설되고, 새로운 발광 웨이퍼(10’)이 완성된다.
상기한 실시형태에서는, 박리층 형성 공정에 있어서, 조정되는 반복 주파수에 대응하는 펄스 에너지를 조정 테이블(110)에 설정해 두고, 조정 테이블(110)에 기초하여 펄스 에너지를 조정했지만, 그 이유, 및 상기 펄스 에너지의 설정 방법에 대해, 이하에 설명한다.
상기한 실시형태에서는, 레이저 발진기(81)로부터 출사된 펄스 레이저 광선(LB0)은, 솎아냄부(82)에 의해 미리 정해진 비율로 펄스가 솎아 내어짐으로써, 그 반복 주파수가 조정된 펄스 레이저 광선(LB)으로 되며, 적층 웨이퍼(W)에 조사된다. 또한, 적층 웨이퍼(W)에 조사되는 펄스 레이저 광선(LB0)의 펄스 에너지는, 제어 유닛(100)으로부터 솎아냄부(82)에 대해 지시 신호가 보내지고, 원하는 펄스 에너지가 되도록 조정된다. 그런데, 상기한 박리층 형성 공정을, 펄스 에너지의 조정을 행하지 않고, 고정치(10μJ)로서 실시한 경우에도, 적층 웨이퍼(W)의 버퍼층(13)에 따라 주사되는 스폿의 간격은 일정하게 되어, 스캐너(83)의 작동 주파수가 허용치를 넘지 않고, 버퍼층(13)의 전역에 박리층(132)이 형성되는 것이 확인되었다. 그러나, 적층 웨이퍼(W)의 외주 측의 버퍼층(13)에 형성되는 박리층(132)의 상태와, 내주측의 버퍼층(13)에 형성되는 박리층(132) 상태를 확인한 바, 박리층(132) 상태가 일치하지 않는 것이 판명되었다.
이 현상이 발생하는 원인으로서는, 솎아냄부(82)에 있어서의 제어의 추종성이나, 반복 주파수를 저감시키는 것에 의한 영향 등을 생각할 수 있지만, 명확한 것은 아니다. 그러나, 상기한 박리층 형성 공정에서는, 스캐너(83)의 작동 주파수를 허용치 이하로 억제하면서 적층 웨이퍼(W)에 조사되는 스폿 간격을 일정하게 할 수 있도록, 펄스 레이저 광선의 반복 주파수를 저감시키고 있기 때문에, 인접하는 스폿의 거리 간격은 일정하게 되지만, 인접하여 조사되는 스폿의 시간 간격은 길어지고 있어, 이것이 하나의 원인으로서 포함된다고 생각된다.
따라서, 본 발명의 발명자들은, 상기한 문제에 펄스 에너지의 조정에 의해 대처하기 위해, 시험용의 더미 웨이퍼(예컨대 실리콘 웨이퍼 등)를 준비하고, 이하와 같은 순서에 의해 실험을 실시했다.
(1) 펄스 에너지를 10μJ, 반복 주파수를 200 kHz, 스폿 간격을 20 ㎛로 설정하고, 상기 더미 웨이퍼에 펄스 레이저 광선을 조사하고, 그에 따라 형성되는 레이저 가공 자국을 촬상 유닛에 의해 촬상하고, 상기 레이저 가공 자국의 색감을 256 계층의 색감으로 평가했다.
(2) 다음에, 상기(1)와 동일한 더미 웨이퍼에 대해, 반복 주파수를 상기한 조정 테이블(110)의 영역(2~8)에서 설정한 것과 동일한 반복 주파수(100 kHz, 50 kHz, 25 kHz … 0.781 kHz)의 8 단계로 변화시키면서, 스폿 간격이 20㎛로 일정하게 되도록 레이저 가공을 실시하고, 또한, 각 단계 각각에 있어서, 펄스 에너지를 미리 정해진 범위(예컨대 10μJ~13μJ) 에 있어서, 0.1μJ씩 변화시켜 조사했다. 그 후, 이 결과 얻어진 레이저 가공 자국을 촬상 유닛에 의해 촬상하고, 각 단계에 있어서의 색감 변화를 펄스 에너지와 대응시켜 256 계층의 색감으로 평가했다.
(3) (1)에서 얻어진 레이저 가공 자국을 기준 색감으로 하고, (2)에서 얻어진 단계마다, 즉 반복 주파수마다의 색감 변화를 상기 기준 색감과 대비하고, 반복 주파수마다 가장 가까운 색감의 레이저 가공 자국을 특정하고, 이 가장 가까운 색감의 레이저 가공 자국을 생성한 때의 펄스 에너지를, 각 반복 주파수에 대응하는 적정한 펄스 에너지로서 선택하여, 도 5에 도시한 조정 테이블(110)에 설정했다.
상기한 바와 같이, 조정 테이블(110)에 각 영역에 대응하여 적정한 펄스 에너지를 설정함으로써, 상기한 실시형태와 같이, 펄스 레이저 광선(LB)의 반복 주파수, 스캐너(83)의 작동 주파수를 변화시킨 경우라도, 버퍼층(13)에 의해 균일한 박리층(132)을 형성할 수 있었다. 또한, 상기한 순서 (1)~(3)는, 작업자의 작업에 의해 실시해도 좋지만, 색감 판정을 실시하는 화상 처리 프로그램 등을 조합하여 제어 프로그램을 작성하고, 컴퓨터 프로그램에 의해 실시되는 자동 처리에 의해 설정하는 것도 가능하다.
상기한 실시형태에서는, 본 발명을, 발광 웨이퍼(10)에 이설 기판(16)을 접합하고, 버퍼층(13)에 펄스 레이저 광선의 집광점을 위치시키고 조사하여, 버퍼층(13)을 파괴하고 박리층(132)을 생성하고, 발광층(11)을 박리층(132)에서 박리하여 새로운 발광 웨이퍼(10’)을 생성하는 것에 적용하는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 피가공물(예컨대 실리콘 웨이퍼)의 표면을 연삭 가공할 때의 전 처리로서, 연삭 가공을 촉진시킬 수 있도록 피가공물의 상면에 대해 나선형으로 레이저 광선을 조사하여 레이저 가공을 실시하는 경우에도 적용할 수 있다.
2: 레이저 가공 장치 2A: 베이스 22: 유지 유닛
23: 이동 기구 26: 프레임 8: 레이저광선 조사 유닛
81: 레이저 발진기 82: 솎아냄부 83: 스캐너
831: X축 갈바노 스캐너 832: Y축 갈바노 스캐너
85: fθ 렌즈 86: 집광기 10: 발광 웨이퍼
11: 발광층 12: 사파이어 기판(에피택시 기판)
13: 버퍼층 14: LED 디바이스 15: 분할 예정 라인
16: 이설 기판 17: 접합 금속층 34: 척 테이블
35: 흡착 척 90: 얼라인먼트 유닛 100: 제어 유닛
110: 조정 테이블 LB0, LB: 펄스 레이저 광선
W: 적층 웨이퍼 F: 프레임 T: 점착 테이프

Claims (4)

  1. 레이저 가공 장치에 있어서,
    피가공물을 유지하는 척 테이블과,
    상기 척 테이블에 유지된 상기 피가공물에 펄스 레이저 광선의 스폿을 위치시키고 상기 펄스 레이저 광선을 조사하여 상기 피가공물에 가공을 실시하는 레이저 광선 조사 유닛과,
    상기 레이저 광선 조사 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 구비하고,
    상기 레이저 광선 조사 유닛은, 펄스 레이저를 발진하여 상기 펄스 레이저 광선을 출사하는 레이저 발진기와,
    상기 펄스 레이저 광선을 솎아 내어, 상기 펄스 레이저 광선의 반복 주파수를 조정하는 솎아냄부와,
    상기 펄스 레이저 광선의 스폿을 미리 정해진 간격으로 주사하는 스캐너와,
    상기 펄스 레이저 광선을 집광하는 fθ 렌즈를 포함하고,
    상기 제어 유닛은, 상기 스캐너의 작동 주파수가 미리 정해진 허용치 내에서 작동하도록, 상기 솎아냄부를 작동하여 상기 레이저 발진기가 출사하는 상기 펄스 레이저 광선을 솎아 내어, 상기 솎아냄부에서 출력되는 상기 펄스 레이저 광선의 반복 주파수를 조정하는 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 펄스 레이저 광선의 스폿을 상기 피가공물의 외측으로부터 내측을 향해 나선형으로 주사하도록 상기 스캐너를 제어하고, 상기 스캐너의 작동 주파수가, 상기 스폿이 상기 피가공물의 내측을 향해 반경이 작아짐에 따라 높아지도록 변화시키고,상기 스캐너의 작동 주파수가 상기 허용치를 넘기 전에, 상기 솎아냄부에 의해 상기 펄스 레이저 광선의 반복 주파수를 저감시켜 상기 스캐너의 작동 주파수를 저감시키는 레이저 가공 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광선 조사 유닛은, 상기 솎아냄부에 의해 상기 펄스 레이저 광선이 솎아 내어져 조정된 반복 주파수에 대응하는 적정한 펄스 에너지가 설정된 조정 테이블을 더 포함하고,
    상기 솎아냄부는, 음향 광학 소자에 의해 구성되고, 상기 레이저 발진기로부터 출사된 상기 펄스 레이저 광선의 반복 주파수를 조정하며, 또한 상기 레이저 광선 조사 유닛에 지시되는 펄스 에너지를, 상기 조정 테이블에 설정된 반복 주파수에 대응하는 펄스 에너지에 기초하여 조정하는 레이저 가공 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피가공물은, 에피택시 기판의 상면에 버퍼층을 통해 발광층이 형성된 발광 웨이퍼와, 상기 발광 웨이퍼의 상기 발광층의 상면에 배치된 이설 기판으로 이루어지는 적층 웨이퍼로 구성되고,
    상기 제어 유닛은, 상기 버퍼층에 상기 펄스 레이저 광선의 상기 스폿을 조사하여 상기 버퍼층을 파괴하고 박리층을 형성하도록 제어하고, 상기 발광층을 상기 박리층에서 박리하여 상기 이설 기판에 이설하는 레이저 가공 장치.
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