KR20210059818A - 스텔스 다이싱 장치 및 스텔스 다이싱 방법 - Google Patents

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KR20210059818A
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김창현
이병호
성장운
장준혁
최철수
한만희
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삼성전자주식회사
서울대학교산학협력단
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Abstract

레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 나온 빔을 선형으로 집광시키는 선형 집속 렌즈; 를 포함하되, 상기 선형 집속 렌즈는: 수평면; 및 상기 수평면과 경사각 α를 이루는 경사면; 을 포함하고, 상기 α는 상기 선형 집속 렌즈의 굴절률 R과 34.97R2-146.6R+162.5 < α < 52.45R2-207.6R+224.9 의 관계를 갖는 스텔스 다이싱 장치가 제공된다.

Description

스텔스 다이싱 장치 및 스텔스 다이싱 방법{Apparatus for stealth dicing and method thereof}
본 발명은 스텔스 다이싱 장치 및 스텔스 다이싱 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 빔을 선형 집속 시킬 수 있는 스텔스 다이싱 장치 및 스텔스 다이싱 방법에 관한 것이다.
반도체 제조는 다양한 공정을 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, 반도체 제조 공정에 웨이퍼 웨이퍼 등을 절단하는 과정이 포함될 수 있다. 웨이퍼는 다양한 방법으로 절단될 수 있다. 웨이퍼는 블레이드(blade)를 사용하여 절단될 수 있다. 또는, 웨이퍼는 레이저를 사용하여 절단될 수 있다. 레이저를 사용하여 웨이퍼를 절단시키기 위해서, 웨이퍼의 내부에 레이저 빔을 집속 시키는 스텔스 다이싱(stealth dicing) 방법이 사용될 수 있다. 웨이퍼의 내부에서 레이저 빔이 집속되는 부분에는 균열이 발생할 수 있다. 균열이 발생한 부분을 기준으로 웨이퍼가 절단될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 한 번의 가공으로 웨이퍼를 절단할 수 있는 스텔스 다이싱 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 두꺼운 웨이퍼를 절단할 수 있는 스텔스 다이싱 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 신속하고 용이하게 웨이퍼를 절단할 수 있는 스텔스 다이싱 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 DBG 방식을 사용하면서도 생산성을 향상시킬 수 있는 스텔스 다이싱 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 스텔스 다이싱 장치는 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 나온 빔을 선형으로 집광시키는 선형 집속 렌즈; 를 포함하되, 상기 선형 집속 렌즈는: 수평면; 및 상기 수평면과 경사각 α를 이루는 경사면; 을 포함하고, 상기 α는 상기 선형 집속 렌즈의 굴절률 R과 34.97R2-146.6R+162.5 < α < 52.45R2-207.6R+224.9 의 관계를 가질 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 스텔스 다이싱 장치는 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 나온 빔을 선형으로 집광시키는 선형 집속 렌즈; 를 포함하되, 상기 선형 집속 렌즈는 원통형 렌즈 및 상기 원통형 렌즈의 하면에 결합되는 원뿔형 렌즈를 포함하되, 상기 원뿔형 렌즈의 측면은 상기 원통형 렌즈의 하면과 경사각 α를 이루며, 상기 α는 상기 선형 집속 렌즈의 굴절률 R과 34.97R2-146.6R+162.5 < α < 52.45R2-207.6R+224.9 의 관계를 가질 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 스텔스 다이싱 방법은 빔 사이즈 조절부를 제어하여 빔의 사이즈를 조절하는 것; 선형 집속 렌즈가 상기 빔을 굴절 시키는 것; 상기 굴절된 빔이 웨이퍼 내에서 선형으로 집속되는 것; 및 선형으로 집속된 빛이 웨이퍼에 균열을 형성하는 것; 을 포함하되, 상기 선형 집속 렌즈는: 수평면; 및 상기 수평면과 경사각 α를 이루는 경사면; 을 포함하고, 상기 α는 상기 선형 집속 렌즈의 굴절률 R과 34.97R2-146.6R+162.5 < α < 52.45R2-207.6R+224.9의 관계를 가질 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 스텔스 다이싱 장치 및 방법에 따르면, 한 번의 가공으로 웨이퍼를 절단할 수 있다.
본 발명의 스텔스 다이싱 장치 및 방법에 따르면, 두꺼운 웨이퍼를 절단할 수 있다.
본 발명의 스텔스 다이싱 장치 및 방법에 따르면, 신속하고 용이하게 웨이퍼를 절단할 수 있다.
본 발명의 스텔스 다이싱 장치 및 방법에 따르면, DBG 방식을 사용하면서도 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 나타낸 개념도이다.
도 1b는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2a는 본 발명의 실시 예들에 따른 빔 사이즈 조절부의 작동 원리를 나타낸 개념도이다.
도 2b는 본 발명의 실시 예들에 따른 빔 사이즈 조절부의 작동 원리를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치의 작동 원리를 나타낸 개념도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치에 의한 다이싱 과정을 순차대로 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 반치폭과 세기에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 집속 길이에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 누설 빔의 비율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 반치폭에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 선형 집속 렌즈의 굴절률과 경사각의 적정 비율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 웨이퍼 내부의 온도 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 웨이퍼 내부의 응력 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명한다. 명세서 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 나타낸 개념도이다.
이하에서, 도 1a의 D1을 제1 방향, D2를 제2 방향, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 실질적으로 수직한 D3를 제3 방향이라 칭할 수 있다.
도 1a를 참고하면, 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용하여 기판(7)을 절단할 수 있다. 스텔스 다이싱 장치는 레이저 광원(5), 빔 사이즈 조절부(3) 및 선형 집속 렌즈(1)를 포함할 수 있다.
레이저 광원(5)은 레이저 빔를 조사할 수 있다. 레이저 광원(5)은 웨이퍼(71) 등을 절단할 수 있는 레이저 빔을 조사할 수 있다. 조사되는 레이저는 펄스 레이저(pulse laser)를 포함할 수 있다. 실시 예들에서, 조사되는 펄스 레이저 빔의 펄스 폭은 100ns 이하일 수 있다. 실시 예들에서, 레이저 빔의 평균 출력은 2W 이상일 수 있다. 레이저 빔에 대한 상세한 내용은 도 10 내지 도 16을 참고하여 후술하도록 한다.
빔 사이즈 조절부(3)는 빔의 사이즈를 조절할 수 있다. 빔 사이즈 조절부(3)는 레이저 광원(5)과 선형 집속 렌즈(1) 사이에 위치할 수 있다. 빔 사이즈 조절부(3)는 레이저 광원(5)에서 나온 빔을 투과시켜 선형 집속 렌즈(1)로 보낼 수 있다. 빔 사이즈 조절부(3)에 대한 상세한 내용은 도 2a 및 도 2b를 참고하여 후술하도록 한다.
선형 집속 렌즈(1)는 레이저 빔에 투과성이 있는 물질을 포함할 수 있다. 실시 예들에서, 선형 집속 렌즈(1)는 유리(glass)를 포함할 수 있다. 선형 집속 렌즈(1)에 빔 사이즈 조절부(3)에서 나온 빔이 입사될 수 있다. 빔은 선형 집속 렌즈(1)을 투과하여 빠져나갈 수 있다. 선형 집속 렌즈(1)를 빠져나가는 과정에서 빔은 굴절될 수 있다. 굴절된 빔은 일정 영역에서 집속될 수 있다. 굴절된 빔은 일정 영역에서 선형(Bessel-like beam, BLB)으로 집속될 수 있다. 즉, 선형 집속 렌즈(1)는 가우시안 빔(Gaussian beam)을 선형 집속 빔(BLB)으로 변환시킬 수 있다. 굴절된 빔은 기판(7)의 내부에서 선형으로 집속될 수 있다. 실시 예들에서, 선형 집속 렌즈(1)는 원뿔형 렌즈(11) 및 원통형 렌즈(13)를 포함할 수 있다. 원뿔형 렌즈(11)은 수평면(12)을 포함할 수 있다. 경사면(111)은 원뿔형 렌즈(11)의 일부일 수 있다. 수평면(12)은 제1 방향(D1)에 실질적으로 수직할 수 있다. 실시 예들에서, 수평면(12)은 원뿔형 렌즈(11)와 원통형 렌즈(13)와의 경계면이 될 수 있다. 레이저 빔은 수평면(12)을 통과할 수 있다. 레이저 빔은 수평면(12)에 실질적으로 수직하게 수평면(12)을 통과할 수 있다. 실시 예들에서, 수평면(12)에 입사되는 빔의 직경은 20μm 이상 40μm 이하일 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다. 레이저 빔은 수평면(12)을 지나 원뿔형 렌즈(11)의 내부를 투과할 수 있다. 원뿔형 렌즈(11)의 내부를 지난 빔은 경사면(111)을 통과할 수 있다. 레이저 빔은 경사면(111)을 통해 선형 집속 렌즈(1)를 빠져 나갈 수 있다. 경사면(111)은 원뿔의 측면을 형성할 수 있다. 경사면(111)은 수평면(12)과 일정한 경사각(α)을 이룰 수 있다. 경사각(α)은 선형 집속 렌즈(1)의 굴절률(R)과 일정한 관계가 있을 수 있다. 실시 예들에서, 경사각(α)과 굴절률(R)의 관계는 다음과 같을 수 있다.
34.97R2-146.6R+162.5 < α < 52.45R2-207.6R+224.9 ------ 식 (1) (degree)
경사각(α)이 선형 집속 렌즈(1)의 굴절률(R)에 대해 식 (1)과 같은 범위 내에 있을 때, 선형 집속 렌즈(1)에 의해 선형 집속된 빔의 절삭 능력은 최적화될 수 있다. 실시 예들에서, α는 25˚ 이상 35 ˚ 이하일 수 있다. 이에 대한 상세한 내용은 도 14를 참고하여 후술하도록 한다. 원통형 렌즈(13)는 원뿔형 렌즈(11)에 결합될 수 있다. 원통형 렌즈(13)는 원뿔형 렌즈(11)의 상측에 결합될 수 있다. 원통형 렌즈(13)는 원뿔형 렌즈(11)의 수평면(12) 상에 결합될 수 있다. 원통형 렌즈(13)와 원뿔형 렌즈(11)는 수평면(12)을 공유할 수 있다. 실시 예들에서, 원통형 렌즈(13)와 원뿔형 렌즈(11)는 일체로 형성될 수 있다. 원통형 렌즈(13)는 입사면(131)을 포함할 수 있다. 입사면(131)은 제1 방향(D1)에 실질적으로 수직할 수 있다. 따라서 입사면(131)은 수평면(12)에 실질적으로 평행할 수 있다. 입사면(131)에 레이저 빔이 입사될 수 있다. 레이저 빔은 입사면(131)을 통해 선형 집속 렌즈(1) 내에 들어올 수 있다. 실시 예들에서, 선형 집속 렌즈(1)는 원뿔형 렌즈(11)만 포함할 수 있다. 즉, 선형 집속 렌즈(1)는 원통형 렌즈(13) 없이 원뿔형 렌즈(11)만을 포함할 수도 있다.
기판(7)은 웨이퍼(71) 및 회로층(73)을 포함할 수 있다. 실시 예들에서, 웨이퍼(71)는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 웨이퍼(71)는 실리콘(silicon)을 포함할 수 있다. 회로층(73)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 회로층(73)은 트랜지스터들 및 배선들 등을 포함할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1b를 참고하면, 스텔스 다이싱 방법(S)은 빔 사이즈 조절부를 제어하는 것(S1), 웨이퍼 내에 빔을 선형 집속시키는 것(S2), 균열이 성장하는 것(S3), 그라인딩 하는 것(S4) 및 팽창시키는 것(S5)을 포함할 수 있다.
이하에서, 도 2a 내지 도 9를 참고하여 스텔스 다이싱 방법(S)의 각 단계를 서술하도록 한다.
도 2a는 본 발명의 실시 예들에 따른 빔 사이즈 조절부의 작동 원리를 나타낸 개념도이고, 도 2b는 본 발명의 실시 예들에 따른 빔 사이즈 조절부의 작동 원리를 나타낸 개념도이다.
도 2a를 참고하면, 빔 사이즈 조절부(3)는 전방 렌즈(31) 및 후방 렌즈(33)를 포함할 수 있다. 전방 렌즈(31)는 두께 가변 렌즈를 포함할 수 있다. 후방 렌즈(33)는 위치 가변 렌즈를 포함할 수 있다. 후방 렌즈(33)의 위치는 변할 수 있다. 후방 렌즈(33)의 위치가 변하여, 레이저 빔의 사이즈를 변화시킬 수 있다. 즉, 후방 렌즈(33)의 위치가 변하여, 빔 사이즈 조절부(3)를 빠져나가는 레이저 빔의 직경을 변화시킬 수 있다. 실시 예들에서, 후방 렌즈(33)의 위치는 제1 방향(D1) 및/또는 제1 방향(D1)의 반대 방향으로 이동될 수 있다. 후방 렌즈(33)가 이동하면 후방 렌즈(33)를 투과한 레이저 빔의 사이즈가 변할 수 있다. 예를 들어, 후방 렌즈(33)의 위치가 제1 위치에 있을 때, 전방 렌즈(31)를 투과한 레이저 빔(B1)이 후방 렌즈(33)를 거쳐 나가면, 레이저 빔(B1'')은 제1 직경(d1)을 가질 수 있다. 후방 렌즈(33)가 제1 방향(D1)의 반대 방향으로 이동하면, 후방 렌즈(33')를 투과한 레이저 빔(B2'')은 제2 직경(d2)을 가질 수 있다. 제1 직경(d1)과 제2 직경(d2)은 상이할 수 있다. 이러한 방식으로 레이저 빔의 사이즈가 조절될 수 있다.
도 2b를 참고하면, 전방 렌즈(31)의 두께는 변할 수 있다. 전방 렌즈(31)의 두께가 변하여, 레이저 빔의 사이즈를 변화시킬 수 있다. 즉, 전방 렌즈(31)의 두께가 변하여, 빔 사이즈 조절부(3)를 빠져나가는 레이저 빔의 직경을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(B3)이 전방 렌즈(31) 및 후방 렌즈(33)를 투과할 수 있다. 전방 렌즈(31)가 제1 두께를 가질 때, 후방 렌즈(33)를 투과한 레이저 빔(B3'')은 제3 직경(d3)을 가질 수 있다. 전방 렌즈(31')의 두께가 변하여 제2 두께를 가지면, 후방 렌즈(33)를 거친 레이저 빔(B4'')은 제4 직경(d4)을 가질 수 있다. 제3 직경(d3)과 제4 직경(d4)은 상이할 수 있다. 이러한 방식으로 레이저 빔의 사이즈가 조절될 수 있다. 실시 예들에서, 전방 렌즈(31)는 유연한 물질을 포함할 수 있다. 전방 렌즈(31)의 유연한 물질 내에 유체가 차 있을 수 있다. 즉, 전방 렌즈(31)는 유연한 물질 내에 유체가 차 있는 구조를 포함할 수 있다. 전방 렌즈(31)를 당기거나 압축하여 전방 렌즈(31)의 두께를 조절할 수 있다.
빔 사이즈 조절부를 제어하는 것(S1)은 전방 렌즈(31)의 두께를 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 전방 렌즈(31)의 두께를 변화시켜 레이저 빔의 사이즈를 조절할 수 있다. 빔 사이즈 조절부를 제어하는 것(S1)은 후방 렌즈(33)의 위치를 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 후방 렌즈(33)의 위치를 변화시켜 레이저 빔의 사이즈를 조절할 수 있다. 따라서 전방 렌즈(31) 및/또는 후방 렌즈(33)를 제어하여 레이저 빔의 사이즈를 적절히 제어할 수 있다. 실시 예들에서, 빔 사이즈 조절부를 제어하는 것(S1)에서 레이저 빔의 사이즈(직경)를 수십 μm로 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 레이저 빔의 사이즈는 20μm 내지 40μm일 수 있다. 이에 대한 상세한 내용은 후술하도록 한다.
본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치 및 스텔스 다이싱 방법에 따르면, 빔 사이즈 조절부에 의해 선형 집속 렌즈에 입사될 레이저 빔의 사이즈(직경)를 조절할 수 있다. 따라서 선형 집속되는 영역에서 집속되는 레이저 빔의 세기, 길이 및/또는 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM) 등을 용이하게 조절할 수 있다. 이에 따라 웨이퍼를 효율적으로 절단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치의 작동 원리를 나타낸 개념도이다.
도 3을 참고하면, 웨이퍼 내에 빔을 선형 집속시키는 것(S2)은 선형 집속 렌즈(1)를 투과하며 꺽인 레이저 빔이 웨이퍼(71) 내에서 선형으로 집속되는 것을 포함할 수 있다. 실시 예들에서, 레이저 광원(5)에서 나온 레이저 빔이 빔 사이즈 조절부(3)를 지나 적절한 사이즈로 변환된 다음, 선형 집속 렌즈(1)로 입사될 수 있다. 보다 구체적으로, 입사면(131)을 통해 원통형 렌즈(13)로 레이저 빔이 입사될 수 있다. 원통형 렌즈(13)를 투과한 레이저 빔은 수평면(12)을 통해 원뿔형 렌즈(11)로 입사될 수 있다. 레이저 빔은 경사면(111)을 통해 원뿔형 렌즈(11)를 빠져나갈 수 있다. 레이저 빔은 경사면(111)을 통과하면서 매질의 굴절률의 차이 때문에 꺽일 수 있다. 즉, 레이저 빔은 경사면(111)을 통과하면서 굴절될 수 있다. 보다 구체적으로, 레이저 빔은 경사면(111)을 지나며 원통형 렌즈(11)의 꼭지점 쪽으로 굴절될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔의 오른쪽 외측선(L1)은 경사면(111)을 지나며 왼쪽으로 굴절될 수 있다. 레이저 빔의 왼쪽 외측선(L1')은 경사면(111)을 지나며 오른쪽으로 굴절될 수 있다. 레이저 빔의 오른쪽 중간선(L2)은 경사면(111)을 지나며 왼쪽으로 굴절될 수 있다. 레이저 빔의 왼쪽 중간선(L2')은 경사면(111)을 지나며 오른쪽으로 굴절될 수 있다. 레이저 빔의 오른쪽 내측선(L3)은 경사면(111)을 지나며 왼쪽으로 굴절될 수 있다. 레이저 빔의 왼쪽 내측선(L3')은 경사면(111)을 지나며 오른쪽으로 굴절될 수 있다. 굴절된 오른쪽 외측선(L1)은 웨이퍼(71) 내에서 굴절된 왼쪽 외측선(L1')과 만날 수 있다. 굴절된 오른쪽 외측선(L1)은 하부 집속점(X1)에서 굴절된 왼쪽 외측선(L1')과 보강 간섭에 의해 집속될 수 있다. 굴절된 오른쪽 중간선(L2)은 웨이퍼(71) 내에서 굴절된 왼쪽 중간선(L2')과 만날 수 있다. 굴절된 오른쪽 중간선(L2)은 중간 집속점(X2)에서 굴절된 왼쪽 중간선(L2')과 보강 간섭에 의해 집속될 수 있다. 굴절된 오른쪽 내측선(L3)은 웨이퍼(71) 내에서 굴절된 왼쪽 내측선(L3')과 만날 수 있다. 굴절된 오른쪽 내측선(L3)은 상부 집속점(X3)에서 굴절된 왼쪽 내측선(L3')과 보강 간섭에 의해 집속될 수 있다. 하부 집속점(X1), 중간 집속점(X2) 및 상부 집속점(X3) 사이에 다른 집속점이 연속적으로 더 존재할 수 있다. 복수 개의 집속점들은 제1 방향(D1)에 평행한 일직선 상에 정렬될 수 있다. 따라서 레이저 빔은 웨이퍼(71) 내에서 제1 방향(D1)으로 연장되는 선형으로 집속될 수 있다. 즉, 레이저 빔은 웨이퍼(71) 내에서 선형 집속될 수 있다. 집속되는 영역은 복수 개의 집속점들이 형성하는 선을 기준으로 제2 방향(D2) 및 제2 방향(D3)으로 일정 길이 연장될 수 있다. 실시 예들에서, 집속 영역(G)은 장축이 제1 방향(D1)에 평행한 형태를 포함할 수 있다. 실시 예들에서, 집속 영역(G)의 장축의 제1 방향(D1)으로의 길이는 약 150μm 이상 200μm 이하일 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 다른 길이로 형성될 수도 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치에 의한 다이싱 과정을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 4를 참고하면, 스텔스 다이싱 장치에 의한 집속 영역 형성 과정이 여러 번 수행될 수 있다. 스텔스 다이싱 장치는 제2 방향(D2)으로 이동해가며 작업을 수행할 수 있다. 따라서 집속 영역이 복수 개가 제공될 수 있다. 복수 개의 집속 영역의 각각은 서로 제2 방향(D2)으로 이격될 수 있다. 가장 왼쪽에 있는 집속 영역을 제1 집속 영역(G1)이라 칭할 수 있다. 제1 집속 영역(G1)의 오른 쪽에 있는 집속 영역은 제2 집속 영역(G2)이라 칭할 수 있다. 총 n개의 집속 영역(G1, G2, …Gn)이 제공될 수 있다.
도 5를 참고하면, 복수 개의 집속 영역(G1, G2, …Gn)은 측면에서 볼 때 하나로 겹쳐질 수 있다. 즉, 복수 개의 집속 영역(G1, G2, …Gn)은 모두 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 정의되는 평면(D1-D2) 상에서 정렬될 수 있다.
도 6을 참고하면, 동일한 평면(D1-D2) 상에 정렬된 복수 개의 집속 영역(G1, G2, …Gn)을 따라 균열선(G')이 발생할 수 있다. 보다 구체적으로, 집속 영역(G)에 선형으로 집속된 레이저 빔의 에너지에 의해 웨이퍼(W) 내에 균열이 발생하여, 균열선(G')이 발생할 수 있다. 실시 예들에서, 균열이 성장하는 것(S3, 도 1b 참고)은 균열선(G')이 제1 방향(D1)을 따라 성장하는 것을 포함할 수 있다. 실시 예들에서, 성장된 균열선(G')은 회로층(73) 부근까지 연장될 수 있다. 실시 예들에서, 균열선의 중심은 웨이퍼의 하부로부터 50μm 이상 100μm 이하의 영역에위치할 수 있다. 실시 예들에서, 균열이 성장하는 것(S3)은 균열선(G')이 제2 방향(D2)을 따라 성장하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 균열선(G')은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 정의되는 평면(D1-D2)을 따라 성장할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치 및 스텔스 다이싱 방법에 따르면, 레이저를 선형으로 집속시킬 수 있다. 따라서 한 번의 레이저 가공으로 웨이퍼를 절단할 수 있다. 두꺼운 웨이퍼의 가공도 한번에 가능할 수 있다. 따라서 웨이퍼의 다이싱 공정은 신속하게 수행될 수 있고, 전체 공정에 소요되는 시간은 단축될 수 있다. 이에 따라 공정에 소요되는 비용도 절감될 수 있다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치에 의한 다이싱 과정을 순차대로 나타낸 개념도이다.
도 7을 참고하면, 그라인딩 하는 것(S4, 도 1b 참고)은 웨이퍼(71)의 상부를 그라인딩(grinding) 하는 것을 포함할 수 있다. 그라인딩 작업은 웨이퍼(71')를 갈아낼 수 있다. 웨이퍼(71')의 불필요한 부분은 절삭될 수 있다. 웨이퍼(71')의 두께는 얇아질 수 있다.실시 예들에서, 균열선(G1'')의 길이는 더욱 길어질 수 있다. 즉, 균열선(G1'')은 더 성장할 수 있다. 균열선(G1'')은 제1 방향(D1)을 따라 성장할 수 있다. 예를 들어, 균열선(G1'')은 회로층(73)의 하면 부근까지 성장할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치 및 스텔스 다이싱 방법에 따르면, 다이싱(dicing) 후에 그라인딩(grinding) 작업이 수행될 수 있다. 즉, 선 다이싱(dicing before grinding, DBG) 방식이 사용될 수 있다. 따라서 웨이퍼 내부에 레이저에 의한 상(phase) 변이 영역이 남지 아니할 수 있다. 이에 따라 웨이퍼의 파괴 강도는 향상되고, 웨이퍼는 더욱 견고해질 수 있다. 또한, 선형 집속 레이저를 사용하므로, 한 번에 두꺼운 웨이퍼를 절단할 수 있어, 그라인딩 전의 두꺼운 웨이퍼를 한 번에 절단할 수 있다. 이에 따라 DBG 방식에서도 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
도 8을 참고하면, 팽창시키는 것(S5, 도 1b 참고)은 그라인딩된 웨이퍼(71', 도 9 참고)를 팽창시키는 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 웨이퍼(71')는 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)으로 힘을 받을 수 있다. 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)으로 힘을 받은 웨이퍼(71')는, 균열선을 기준으로 서로 분리될 수 있다. 즉, 웨이퍼(71') 및/또는 회로층(73)은 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)으로 분리되어 복수 개의 반도체 칩(81, 83 등)이 될 수 있다. 팽창 작업은 익스팬디드 테이프(expanded tape) 등을 사용하여 수행될 수 있다. 즉, 기판의 하면에 익스팬디드 테이프가 부착되고, 익스팬디드 테이프에 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)으로 힘이 가해질 수 있다. 익스팬디드 테이프가 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)으로 늘어날 수 있다. 이에 따라 기판도 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)으로 힘을 받아, 복수 개의 반도체 칩(81, 83 등)으로 분리될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 반치폭과 세기에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참고하면, 세 개의 그래프가 제공될 수 있다. 각각의 그래프는 웨이퍼 내에 집속되는 레이저 빔의 집속 영역의 형상을 나타낼 수 있다. 선형 집속 렌즈(1, 도 1 참고)를 사용하는 경우, 레이저 빔이 선형으로 집속될 수 있다. 즉, 레이저 빔은 웨이퍼 내에서 웨이퍼의 두께 방향을 따라 선형으로 집속될 수 있다. W0는 선형 집속 렌즈(1, 도 1 참고)에 입사되는 레이저 빔의 사이즈(직경)를 의미할 수 있다. W0는 빔 사이즈 조절부에 의해 조절될 수 있다. α는 경사각을 의미할 수 있다. 즉, α는 수평면(12, 도 1 참고)과 경사면(111, 도 1 참고) 사이의 각도를 의미할 수 있다. 세로축의 z는 웨이퍼 내에서 제1 방향(D1)에 따른 높이를 의미할 수 있다. 가로축의 r은 웨이퍼 내에서 제2 방향(D2)에 따른 너비를 의미할 수 있다. Imax는 집속되는 레이저 빔의 세기를 의미할 수 있다. FWHM(반치폭, Full Width at Half Maximum)은 빛의 세기가 최대치의 절반이 되는 영역의 가로 길이를 의미할 수 있다 즉, FWHM은 집속된 레이저 빔의 너비와 상관관계가 있을 수 있다. FWHM이 작을수록 집속력이 강할 수 있다. 따라서, FWHM이 작을수록 집속된 레이저 빔에 의한 절삭력이 우수할 수 있다. 집속된 레이저 빔의 제1 방향(D1)으로의 길이는 집속 길이(depth of focus, DOF)라 칭할 수 있다.
도 9를 참고하면, 빔 사이즈(W0)가 일정한 경우, 경사각(α)에 따라 집속된 레이저 빔의 FWHM, 집속된 레이저 빔의 집속 길이 및 세기가 변할 수 있다. 또한, 경사각(α)이 일정한 경우, 빔 사이즈(W0)에 따라 집속된 레이저 빔의 FWHM, 집속된 레이저 빔의 집속 길이 및 세기가 변할 수 있다. 즉, 경사각(α)과 빔 사이즈(W0)를 조절하여 웨이퍼 내에 선형으로 집속되는 레이저 빔의 FWHM, 집속된 레이저 빔의 집속 길이 및 세기를 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 집속 길이에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 10을 참고하면, depth of focus는 집속 길이를 의미할 수 있다. Axicon angle은 경사각(α)을 의미할 수 있다. 경사각(α)이 클수록 집속 길이가 길 수 있다. 또한, 빔 사이즈(W0)가 작을수록 집속 길이가 길 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 누설 빔의 비율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 11을 참고하면, Leakage Power(누설빔 비율)는 집속된 레이저 빔의 중심선을 기준으로 30μm 이상 벗어나는 비율을 의미할 수 있다. 경사각(α)이 클수록 누설빔 비율이 클 수 있다. 또한, 빔 사이즈(W0)가 클수록 누설빔 비율이 클 수 있다. 누설빔 비율이 큰 경우, 집속된 레이저 빔의 발산에 의해 절삭력이 떨어질 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 반치폭에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 12를 참고하면, 경사각(α)이 클수록 FWHM이 작을 수 있다.
도 11 및 도 12를 참고하면, 경사각(α)이 클수록 FWHM은 작지만, 누설빔 비율은 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서 적정 수준의 경사각(α)이 필요할 수 있다. 즉, FWHM과 누설빔 비율 양자를 모두 적정 수준으로 만들기 위해, 적정 범위의 경사각(α)이 필요할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 선형 집속 렌즈의 굴절률과 경사각의 적정 비율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13을 참고하면, Axicon Refractive index는 선형 집속 렌즈의 굴절률(R)을 의미할 수 있다. FWHM과 누설빔 비율 양자를 모두 적정 수준으로 만들기 위한 경사각(α)의 범위는 제한적일 수 있다. 경사각(α)이 일정해도, 선형 집속 렌즈의 굴절률(R)에 따라 FWHM과 누설빔 비율이 달라질 수 있다. 따라서 FWHM과 누설빔 비율 양자를 모두 적정 수준으로 만들기 위한 경사각(α)의 범위는 선형 집속 렌즈의 굴절률(R)에 대한 함수로 표현될 수 있다.
34.97R2-146.6R+162.5 < α < 52.45R2-207.6R+224.9 ------ 식 (1) (degree)
즉, 도 13에서 Upper limit 곡선의 식은 52.45R2-207.6R+224.9일 수 있다. Lower limit 곡선의 식은 34.97R2-146.6R+162.5일 수 있다. 경사각(α)이 52.45R2-207.6R+224.9보다 작을 때, 누설빔의 비율이 허용 가능한 수치 이내로 확보될 수 있다. 경사각(α)이 34.97R2-146.6R+162.5보다 클 때, FWHM이 허용 가능한 수치 이내로 확보될 수 있다. 즉, 경사각(α)이 식 (1)의 범위 내에 있을 때, FWHM과 누설빔 비율 양자 모두는 적정 수준으로 유지될 수 있다. 따라서, 웨이퍼 내에 선형으로 집속되는 레이저 빔의 세기는 적절할 수 있고, 레이저 빔에 의한 절삭력은 충분히 확보될 수 있다. 실시 예들에서, 선형 집속 렌즈가 유리(glass)를 포함하는 경우, 경사각(α)은 25˚ 이상이고, 35˚ 이하일 수 있다.
베셀 빔은 선형으로 집속되므로, 점으로 집속되는 가우시안 빔에 비하여 세기가 약할 수 있다. 따라서 웨이퍼에 대한 절삭력이 약할 수 있다. 이를 극복하기 위해, 베셀 빔의 펄스 폭과 평균 출력을 제어할 수 있다. 실시 예들에서, 레이저 광원은 펄스 폭이 100ns 이하인 펄스 레이저를 생성할 수 있다. 실시 예들에서, 레이저 광원은 평균 출력이 2W 이상인 펄스 레이저를 생성할 수 있다. 펄스 폭이 100ns 이상이고, 평균 출력이 2W 이상인 경우, 웨이퍼에 대한 절삭력이 확보될 수 있다. 실시 예들에서, 웨이퍼에 대한 절삭력을 확보하기 위해 FWHM은 약 1μm 정도로 선택될 수 있다. 따라서 레이저 빔의 종횡비(DOF:FWHM)는 150 이상일 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 웨이퍼 내부의 온도 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14를 참고하면, 가우시안(Gaussian) 빔과 베셀(Bessel) 빔을 사용했을 때, 각각 웨이퍼의 깊이(z)에 따른 온도 분포를 나타내는 그래프가 제공될 수 있다. 가우시안 빔의 펄스 폭은 150ns일 수 있다. 베셀 빔의 펄스 폭은 50ns일 수 있다. 가우시안 빔을 사용하는 경우, 웨이퍼의 일정 깊이에서만 온도가 올라갈 수 있다. 반면, 베셀 빔을 사용하는 경우, 웨이퍼의 두께 방향을 따라 지속적으로 온도가 높게 분포될 수 있다. 즉, 베셀 빔을 사용하는 경우, 웨이퍼의 두께 방향을 따라 높은 온도를 가할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 스텔스 다이싱 장치를 사용했을 때 얻을 수 있는 웨이퍼 내부의 응력 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15를 참고하면, 가우시안(Gaussian) 빔과 베셀(Bessel) 빔을 사용했을 때, 각각 웨이퍼의 깊이(z)에 따른 온도 분포를 나타내는 그래프가 제공될 수 있다. 가우시안 빔을 사용하는 경우, 웨이퍼의 일정 깊이에서만 응력(stress)이 발생할 수 있다. 반면, 베셀 빔을 사용하는 경우, 웨이퍼의 두께 방향을 따라 지속적으로 높은 응력이 분포될 수 있다. 즉, 베셀 빔을 사용하는 경우, 웨이퍼의 두께 방향을 따라 높은 응력을 발생시킬 수 있다. 따라서 베셀 빔을 사용하는 경우, 웨이퍼의 두께 방향을 따라 연장되는 형태의 균열선을 형성하는 것이 가능할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 선형 집속 렌즈
11: 원뿔형 렌즈
13: 원통형 렌즈
111: 경사면
α: 경사각
12: 수평면
131: 입사면
3: 빔 사이즈 조절부
5: 레이저 광원
7: 기판
71: 웨이퍼
73: 회로층

Claims (20)

  1. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 나온 빔을 선형으로 집광시키는 선형 집속 렌즈; 를 포함하되,
    상기 선형 집속 렌즈는:
    수평면; 및
    상기 수평면과 경사각 α를 이루는 경사면; 을 포함하고,
    상기 α는 상기 선형 집속 렌즈의 굴절률 R과
    34.97R2-146.6R+162.5 < α < 52.45R2-207.6R+224.9
    의 관계를 갖는 스텔스 다이싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원에서 나온 빔의 사이즈를 조절하는 빔 사이즈 조절부를 더 포함하며,
    상기 빔 사이즈 조절부는 상기 레이저 광원과 상기 선형 집속 렌즈 사이에 위치하는 스텔스 다이싱 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 빔 사이즈 조절부는 전방 렌즈 및 후방 렌즈를 포함하는 스텔스 다이싱 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전방 렌즈는 두께가 변하도록 형상이 변하는 두께 가변 렌즈를 포함하는 스텔스 다이싱 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 후방 렌즈는 상기 전방 렌즈와의 사이 거리가 변하는 위치 가변 렌즈를 포함하는 스텔스 다이싱 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 선형 집속 렌즈는 상기 빔 사이즈 조절부를 나온 빔이 상기 수평면을 수직으로 투과하도록 배치되는 스텔스 다이싱 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 경사면은 원뿔의 측면의 형상을 포함하는 스텔스 다이싱 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 α는 25 ˚ 이상 35 ˚ 이하인 스텔스 다이싱 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원에서 나오는 빔의 평균 출력은 2W 이상인 스텔스 다이싱 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원에서 나오는 빔의 펄스 폭은 100ns 이하인 스텔스 다이싱 장치.
  11. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 나온 빔을 선형으로 집광시키는 선형 집속 렌즈; 를 포함하되,
    상기 선형 집속 렌즈는 원통형 렌즈 및 상기 원통형 렌즈의 하면에 결합되는 원뿔형 렌즈를 포함하되,
    상기 원뿔형 렌즈의 측면은 상기 원통형 렌즈의 하면과 경사각 α를 이루며,
    상기 α는 상기 선형 집속 렌즈의 굴절률 R과
    34.97R2-146.6R+162.5 < α < 52.45R2-207.6R+224.9
    의 관계를 갖는 스텔스 다이싱 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    전방 렌즈 및 후방 렌즈를 포함하는 빔 사이즈 조절부를 더 포함하되,
    상기 빔 사이즈 조절부는 상기 레이저 광원과 상기 선형 집속 렌즈 사이에 위치하는 스텔스 다이싱 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전방 렌즈는 두께가 변하도록 형상이 변하는 두께 가변 렌즈를 포함하는 스텔스 다이싱 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 후방 렌즈는 상기 전방 렌즈와의 사이 거리가 변하는 위치 가변 렌즈를 포함하는 스텔스 다이싱 장치.
  15. 빔 사이즈 조절부를 제어하여 빔의 사이즈를 조절하는 것;
    선형 집속 렌즈가 상기 빔을 굴절 시키는 것;
    상기 굴절된 빔이 웨이퍼 내에서 선형으로 집속되는 것; 및
    선형으로 집속된 빛이 웨이퍼에 균열을 형성하는 것; 을 포함하되,
    상기 선형 집속 렌즈는:
    수평면; 및
    상기 수평면과 경사각 α를 이루는 경사면; 을 포함하고,
    상기 α는 상기 선형 집속 렌즈의 굴절률 R과
    34.97R2-146.6R+162.5 < α < 52.45R2-207.6R+224.9
    의 관계를 갖는 스텔스 다이싱 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 α는 25 ˚ 이상 35 ˚ 이하인 스텔스 다이싱 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 빔 사이즈 조절부는 전방 렌즈 및 후방 렌즈를 포함하는 스텔스 다이싱 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 후방 렌즈는 상기 전방 렌즈와의 사이 거리가 변하는 위치 가변 렌즈를 포함하는 스텔스 다이싱 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 전방 렌즈는 두께가 변하도록 형상이 변하는 두께 가변 렌즈를 포함하는 스텔스 다이싱 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 웨이퍼에 입사되는 빔의 펄스 폭은 100ns 이하인 스텔스 다이싱 방법.

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