KR20230049143A - 반도체 그라인딩 공정을 위한 레이저 빔 조사 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

반도체 그라인딩 공정을 위한 레이저 빔 조사 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따른 웨이퍼 가공을 위한 레이저 빔 조사 장치에 있어서, 상기 레이저 빔 조사 장치는, 상기 웨이퍼의 일면에 미리 설정된 진행 영역에서 상기 웨이퍼의 회전 방향과 직교하도록 설정된 진동 방향으로 일정 진폭을 갖도록 레이저 빔을 진동시키는 레이저 빔 출력부 및 상기 진동 방향으로 진동하는 레이저 빔이 상기 웨이퍼의 일면에 조사되는 입사 각도를 조절하는 집속 렌즈를 포함할 수 있다.

Description

반도체 그라인딩 공정을 위한 레이저 빔 조사 장치 및 그 동작 방법 {LASER BEAM IRRADIATION DEVICE FOR SEMICONDUCTOR GRINDING PROCESSING AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 개시의 기술적 사상은 반도체 그라인딩 공정을 위한 레이저 빔 조사 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 자세하게는 반도체 소재 특히, 웨이퍼 소재의 손상을 방지하기 위한 레이저 빔 조사 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
전자 산업의 비약적인 발전 및 사용자의 요구에 따라 전자기기는 더욱 더 소형화, 고집적화 및 대면적화되고 있다. 이에 따라 전자기기에 포함되는 반도체 소자의 크기가 나노미터 단위의 미세 영역으로 진입하고 있는 실정이다.
본 개시와 관련한 반도체 가공 방법으로는, 절단 가공의 한 종류로써 대면적 웨이퍼를 복수의 칩들로 절단 및 분리해내는 다이싱(dicing) 가공, 웨이퍼의 두께를 얇게 만드는 그라인딩(grinding) 공정, 그리고 도전성 배선을 형성시키기 위한 홈을 만들어내는 그루빙(grooving) 공정이 포함된다.
그라인딩 공정과 관련하여, 반도체에 사용되는 웨이퍼의 두께를 얇게 하는 공정은 웨이퍼 백 그라인딩으로 지칭될 수 있다. 돌판을 이용한 그라인딩을 수행하는 방법의 경우, 회전하는 웨이퍼 위에서 돌판도 함께 회전하며 웨이퍼를 얇게 깎아낼 수 있다. 거친 표면을 가진 돌판으로 웨이퍼를 빠르게 깎은 후, 고운 표면을 가진 돌판으로 웨이퍼의 표면을 미세하게 가공하고 웨이퍼의 두께를 조정할 수 있다. 그러나, 돌판을 이용하는 그라인딩 공정의 경우, 공정 과정에서 돌판의 교체가 필요하며, 미세한 조정이 어렵다는 문제가 있다. 또한, 마찰열로 인하여 웨이퍼의 소재가 손상될 수 있으며, 이에 따라 칩의 성능이 저하될 수 있다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는, 진동하는 레이저 빔을 이용하여 웨이퍼를 가공함으로써 칩 성능을 개선할 수 있는 반도체 그라인딩 공정을 위한 레이저 빔 조사 장치 및 그 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 상기 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일 측면에 따른 웨이퍼 가공을 위한 레이저 빔 조사 장치에 있어서, 상기 웨이퍼의 일면에 미리 설정된 진행 영역에서 상기 웨이퍼의 회전 방향과 직교하도록 설정된 진동 방향으로 일정 진폭을 갖도록 레이저 빔을 진동시키는 레이저 빔 출력부 및 상기 진동 방향으로 진동하는 레이저 빔이 상기 웨이퍼의 일면에 조사되는 입사 각도를 조절하는 집속 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 빔 조사 장치에 있어서, 일정 진폭은 상기 웨이퍼의 반지름과 동일하게 설정될 수 있다.
또한, 상기 레이저 빔 조사 장치에 있어서, 상기 미리 설정된 진행 영역은 상기 웨이퍼의 반지름에 상응하는 직선 영역으로 설정되며, 상기 웨이퍼의 일면에서의 회전 방향과 직교하도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 레이저 빔 조사 장치에 있어서, 상기 레이저 빔 출력부는, 상기 레이저 빔을 발진하여 출력하는 레이저 발진부 및 상기 레이저 빔을 상기 진동 방향으로 진동시키도록 상기 레이저 빔 조사 장치의 물리적 진동을 제어하는 진동부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 빔 조사 장치는, 웨이퍼 가공을 위한 조작 명령을 수신하는 입력부 및 상기 조작 명령에 기반하여, i) 상기 레이저 빔의 출력, ii) 상기 레이저 빔의 진동을 위한 일정 진폭 및 iii) 상기 레이저 빔의 진동 속도 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 빔 조사 장치에 있어서, 상기 집속 렌즈는, 상기 레이저 빔이 상기 웨이퍼의 일면으로부터 수직하는 방향으로 소정의 입사 각도를 갖도록 상기 레이저 빔을 출력할 수 있다. 여기에서, 상기 입사 각도는 i) 실질적으로 직각(right angle)에 일치하거나, ii) 0 도 초과 및 90도 미만일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일 측면에 따른 웨이퍼 가공을 위한 레이저 빔 조사 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 동작 방법은, 상기 웨이퍼의 회전 방향과 정반대의 방향으로 상기 웨이퍼의 일면과 일정 예각을 갖도록 설정된 제1 레이저 빔을 상기 웨이퍼의 일면에 출력하는 단계, 상기 웨이퍼의 회전 방향과 수직 방향으로 설정된 제2 레이저 빔을 상기 웨이퍼의 일면에 출력하는 단계, 상기 웨이퍼의 회전 방향과 동일한 방향으로 상기 웨이퍼의 일면과 일정 예각을 갖도록 설정된 제3 레이저 빔을 상기 웨이퍼의 일면에 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동작 방법에 있어서, 상기 제1 레이저 빔, 상기 제2 레이저 빔 및 상기 제3 레이저 빔은, 상기 웨이퍼의 일면에 미리 설정된 진행 영역에서 상기 웨이퍼의 회전 방향과 직교하도록 설정된 진동 방향으로 일정 진폭을 가지며 진동하도록 설정될 수 있다. 여기에서, 상기 일정 진폭은 상기 웨이퍼의 반지름과 동일하게 설정될 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 그라인딩 판을 이용하는 방식과 달리 판의 교체가 불필요하며, 용이한 방식으로 미세하게 표면을 다듬거나 두께를 조정함으로써 공정 수율을 상승시킬 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 진동(vibration)의 속도, 레이저의 주파수(frequency) 및/또는 웨이퍼의 회전 속도에 대한 값을 정확하게 설정함으로써 최적의 결과물을 도출할 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 레이저 변위 센서 등을 이용하여 세밀한 높이 측정이 가능하므로 나노미터(Nm) 스케일의 높이 즉, 웨이퍼 시닝(thining) 공차를 맞출 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 진동하는 레이저 빔을 이용함에 따라 웨이퍼 소재가 녹는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라 불량율을 낮추어 수율을 상승시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시 예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 반도체 그라인딩 공정 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피조사체의 회전을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피조사체에 형성되는 가공 라인을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 회전 방향 및 입사 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피조사체 가공 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피조사체의 가장자리 가공을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 반도체 그라인딩 공정 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 그라인딩 공정 시스템은 레이저 빔 조사 장치(10)및 피조사체(ST)를 포함할 수 있다. 레이저 빔 조사 장치(10)는 입력부(100), 제어부 (200), 레이저 빔 출력부(300) 및 집속 렌즈(400)를 포함할 수 있다. 레이저 빔 출력부(300)는 레이저 발진부(310), 진동부(320) 및 광학소자(330)를 더 포함할 수 있다.
레이저 빔 조사 장치(10)는 레이저 빔을 출력함으로써 레이저 스팟을 피조사체(ST)에 결상시킬 수 있다.
피조사체(ST)는 반도체, 반도체 기판 및/또는 웨이퍼를 포함할 수 있다. 설명의 편의상, 이하에서 피조사체(ST)는 반도체 웨이퍼와 같이 설명할 수 있다. 이 경우, 반도체 웨이퍼는 레이저 빔의 열에너지에 의한 방법으로 가공될 수 있으며, 상기 방법은 웨이퍼의 두께를 얇게 만드는 그라인딩(grinding) 가공을 포함할 수 있다.
또한, 피조사체(ST)는 반도체 막(예컨대, 산화막)을 포함할 수 있다. 예컨대, 레이저 빔 조사 장치(10)는 반도체 막을 어닐링(annealing)할 수 있다.
이하에서 '가공'이라 함은 레이저 빔 조사 장치(10)의 레이저 빔에 의해 피조사체(ST)에 물리적 변형을 야기하는 공정(process)을 의미할 수 있으며, 전술한 예시들에 본 개시의 기술적 사상이 제한되는 것은 아니다.
본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 레이저 빔 조사 장치(10)는 레이저 스팟에 따라 집광된 열 에너지의 축적을 낮추기 위해 레이저 빔을 진동시킬 수 있다.
구체적으로는, 레이저 빔 조사 장치(10)는 피조사체(ST)의 가공을 수행하도록 레이저 빔을 진동 시킬 수 있다. 이 경우, 피조사체(ST)의 회전 방향과는 다른 진동 방향으로, 일정한 진폭(가공 진폭)을 갖도록 레이저 빔을 진동시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔은 웨이퍼의 반지름에 대응되는 진폭으로 진동하도록 설정될 수 있다. 이로써, 레이저로 인한 실리콘 소재의 용융을 방지할 수 있으며, 이를 통해 피조사체(ST)의 불량율을 낮출 수 있다.
한편, 도 6에서 후술하는 바와 같이, 레이저 빔 조사 장치(10)는 피조사체(ST)의 가장자리를 가공하기 위해 특정 진폭을 갖도록 레이저 빔을 진동시킬 수도 있다. 이를 통해, 피조사체(ST)의 가장자리에 코팅액 등이 집중되는 문제를 해소할 수 있다.
입력부(100)는 사용자의 조작 명령을 수신할 수 있다. 일 예로, 조작 명령은 사용자가 피조사체(ST)에 새겨지는 선폭을 결정하는 명령을 포함할 수 있다. 다른 예로, 조작 명령은 피조사체(ST)를 가공하는 속도를 제어하는 명령을 포함할 수 있다. 또 다른 예로, 조작 명령은 피조사체(ST)를 가공하는 레이저의 진동 속도를 제어하는 명령을 포함할 수 있다. 또 다른 예로, 조작 명령은 피조사체(ST)를 가공하는 레이저의 주파수를 제어하는 명령을 포함할 수 있다.
입력부(100)는 제1 공정 모드, 제2 공정 모드 및 제3 공정 모드 중 적어도 하나를 사용자에 의해 선택 받을 수 있다. 일 예로, 사용자는 레이저 빔 조사 장치가 제1 공정 모드, 제2 공정 모드, 제3 공정 모드의 시계열적 순서로 동작하도록 설정할 수 있다. 제1 공정 모드는 피조사체(ST)의 회전 방향과 정반대로 레이저 조사 방향이 기울어져 설정되는 모드일 수 있다. 제2 공정 모드는 피조사체(ST)의 회전 방향과 수직으로 레이저 조사 방향이 설정되는 모드일 수 있다. 제3 공정 모드는 피조사체(ST)의 회전 방향과 동일하게 레이저 조사 방향이 기울어져 설정되는 모드일 수 있다.
한편, 입력부(100)는 사용자의 조작 명령을 수신하여 제어부(200)로 전달할 수 있는 장치(예컨대, 키보드), 소프트웨어(입력 유저 인터페이스)로 구현될 수 있다. 또는, 입력부(100)는 운영 체제(operating system, O/S)의 입력 인터 페이스일 수 있다. 이에 제한되지 않으며, 입력부(100)는 다양한 방식의 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어 방식의 입력 수단을 포함할 수 있다.
제어부(200)는 레이저 발진부(310)를 제어하기 위해 발진 신호(SO)를 출력할 수 있다.
레이저 발진부(310)는 반도체 장치 또는 반도체 부품이거나 이에 포함되는 구성인 피조사체(ST)를 가공할 수 있는 모든 종류의 발진 장치를 포함할 수 있다. 예컨대, 레이저 발진부(310)는 수백 와트 출력의 레이저부터 수백 킬로와트 출력의 레이저를 포함할 수 있다. 발진 신호(SO)는 레이저 발진부(310)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
제어부(200)는 진동부(320)를 제어하기 위해 진동 신호(SV)를 출력할 수 있다. 진동 신호(SV)는 진동폭, 진동 속도 등에 관한 정보를 포함 할 수 있다. 예컨대, 진동부(320)는 공명 모터를 포함할수 있다. 이하에서 공명 모터란, 진동자가 공명하여 진동하는 구동 장치를 의미할 수 있으며, 갈보 모터(galvo motor)보다 높은 진동수를 가질 수 있다. 한편, 진동부(320)는 갈보 모터도 포함할 수 있지만, 공명 모터보다 낮은 진동속도로 인하여 가공성이 낮기 때문에, 진동부(320)는 공명 모터로 구현되는 것이 바람직할 수 있다.
제어부(200)는 입력부(100)에서의 조작 명령에 기반하여, 레이저 빔의 출력, 레이저 빔의 진동을 위한 일정 진폭, 및/또는 레이저 빔의 진동 속도를 제어할 수 있다.
레이저 빔 출력부(300)는 레이저 빔을 발진하여 출력하는 레이저 발진부(310)를 포함할 수 있다. 레이저 발진부(310)는 발진된 레이저를 광학소자(330)로 출력함으로써 피조사체(ST)를 가공할 수 있다. 진동부(320)는 레이저 발진부(310)로부터 조사받은 레이저 빔을 진동 방향으로 진동시키도록 레이저 빔 조사 장치(10)를 진동시킬 수 있다.
일 예로, 조사되는 레이저 빔은 단일선(single ray)일 수 있으며, 다른 예로 레이저 빔 조사 장치(10)는 복수의 레이저 빔들이 출력될 수 도 있다. 복수의 레이저 빔들이 출력되는 경우, 레이저 발진부(310)는 복수의 레이저 빔들을 출력하기 위한 복수의 발진 모듈들을 포함할 수 있다.
일 예로, 조사되는 레이저 빔은 피코세컨드(picosecond) 레이저 또는 펨토세컨드(femtosecond) 레이저가 이용될 수 있다. 이는 극초단 펄스레이저로 지칭될 수도 있다. 일 예로, 반도체 웨이퍼의 시닝 그라인딩(thining grinding)에 이용되는 레이저는 1 피코세컨드보다 짧은 레이저일 수 있다.
진동부(320)는 레이저 빔 조사 장치(10)의 진동폭과 진동 속도를 결정할 수 있다. 이를 통해, 진동부(320)는 레이저 빔의 진동폭과 진동 속도를 결정할 수 있다.
광학소자(330)는 거울을 포함할 수 있다. 즉, 광학소자(330)는 레이저 발진부(310)로부터 출력된 레이저 빔을 반사시켜 집속 렌즈(400)로 출력할 수 있다.
집속 렌즈(400)는 레이저 빔이 피조사체(ST)의 평면으로부터 수직하는 방향으로 소정의 입사 각도를 갖도록 레이저 빔을 출력할 수 있다. 일 예로, 집속 렌즈(400)는 일정 진동 방향으로 진동하는 레이저 빔이 웨이퍼의 일면(예컨대, 웨이퍼의 백사이드(back side))에 조사되는 입사 각도를 조절할 수 있다.
소정의 입사 각도는 실질적으로 직각(right angle)에 일치하거나, 0도(zero degree) 이상 90도 이하일 수 있다. 일 예로, 집속 렌즈(400)는 상술한 제1 공정 모드, 제2 공정 모드 및 제3 공정 모드에 적용되는 레이저 빔의 입사 각도를 조절하는데 이용될 수 있다.
집속 렌즈(400)는 대물 렌즈, 단초점 렌즈 또는 F-theta 렌즈일 수 있다. 집속 렌즈(400)는 대물 렌즈, 단초점 렌즈 및 F-theta 렌즈 중 가공 방법 및 사용자의 요구에 따라 하나로 선택될 수 있다.
또한, 집속 렌즈의 배율에 따라 가공 모드를 달리할 수도 있다. 일 예로, 초점 길이가 길면 레이저 폭을 넓게 가져갈 수 있어 빠른 가공이 가능하다. 다른 예로, 초점 길이가 짧으면 레이저 폭이 좁아 가공 속도가 저하될 수 있다. 다만, 초점 길이가 짧은 렌즈는 가공 속도는 저하되지만 면(surface) 품질을 향상시킬 수 있다.
피조사체(ST)는 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 의해 정의되는 평면을 따라 확장하는 원판 형태를 가질 수 있다. 피조사체(ST)의 일면은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 의해 정의되는 평면과 평행할 수 있다. 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)은 서로 교차할 수 있다. 일 예로, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)은 서로 직교할 수 있다.
피조사체(ST)는 레이저 빔 조사 장치(10)와 제3 방향(D3)으로 중첩되도록 배치될 수 있다. 일 예로, 피조사체(ST)는 레이저 빔 조사 장치(10)와 수직적으로 중첩될 수 있다. 다시 말해, 피조사체(ST)의 수직 위에 레이저 빔 조사 장치(10)가 배치될 수 있다. 제3 방향 (D3)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)과 교차할 수 있다. 일 예로, 제3 방향(D3)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)과 직교할 수 있다.
피조사체(ST)는 회전축(R1)을 중심으로 회전할 수 있다. 회전축(R1)은 피조사체(ST)의 회전 중심을 정의하는 가상의 선일 수 있다. 피조사체(ST)의 회전축(R1)은 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 피조사체(ST)가 반도체 웨이퍼에 해당하며, 회전축(R1)은 반도체 웨이퍼의 회전 중심을 의미할 수 있다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피조사체의 회전을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 피조사체(ST)의 회전축(R1)은 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 피조사체(ST)는 회전축(R1)을 중심으로 시계 방향으로 회전할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 도시된 것과 달리, 피조사체(ST)는 회전축(R1)을 중심으로 반시계 방향으로 회전할 수도 있다. 피조사체(ST)의 회전 속도는 레이저 빔의 주파수, 출력 강도, 진동 속도 등에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
레이저 빔 조사 장치(10)의 진동 방향은 제2 방향(D2)과 중첩될 수 있다. 다시 말해, 레이저 빔 조사 장치(10)은 피조사체(ST)의 일면에서 진행 영역(PR)에서 진동하도록 레이저 빔을 조사할 수 있다. 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 의해 정의되면 평면적 관점에서, 진행 영역(PR)은 직선의 형태를 가질 수 있다.
레이저 빔 조사 장치(10)의 진동 폭은 피조사체(ST)의 반지름에 대응되도록 설정될 수 있다. 이 경우, 진행 영역(PR)의 길이는 피조사체(ST)의 반지름과 동일할 수 있다. 일 예로, 레이저 빔 조사 장치(10)의 진동 폭은 반도체 웨이퍼의 반지름에 대응될 수 있다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피조사체에 형성되는 가공 라인을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 피조사체(ST)의 회전에 대응하여 레이저 빔이 피조사체(ST)에 조사될 수 있다. 도 2에서 설명한 것과 같이, 진행 영역(PR)을 따라 레이저 빔의 진행 경로가 반복적으로 변하므로, 피조사체(ST)의 일면에서 레이저 빔은 직선의 진행 영역(PR)을 따라 조사될 수 있다.
피조사체(ST)가 회전하면서 레이저 빔이 조사되어, 피조사체(ST)에 가공 라인들(PL)이 형성될 수 있다. 가공 라인들(PL)은 레이저 빔이 조사된 피조사체(ST)의 부분들을 연결한 라인일 수 있다. 피조사체(ST)의 일면에서 레이저 빔이 직선의 진행 영역(PR)을 따라 조사되더라도, 피조사체(ST)가 회전하므로, 레이저 빔이 조사된 피조사체(ST)의 부분들은 곡선의 가공 라인들(PL)을 형성할 수 있다. 피조사체(ST)의 회전에 따라, 서로 다른 부분들에 가공 라인들(PL)이 형성될 수 있다.
레이저 빔이 조사된 피조사체(ST)의 부분들은 레이저 빔에 의해 가공될 수 있다. 다시 말해, 가공 라인들(PL)이 형성되는 피조사체(ST)의 부분들은 레이저 빔에 의해 가공될 수 있다. 일 예로, 레이저 빔의 열에 의해 피조사체(ST)의 부분들이 제거될 수 있다.
레이저 빔의 조사 및 피조사체(ST)의 회전을 충분한 시간 동안 진행하면, 가공 라인들(PL)이 중복적으로 형성되면서 피조사체(ST)가 전체적으로 가공될 수 있다. 일 예로, 직선 방향으로 진동하는 레이저 빔 및 회전하는 반도체 웨이퍼에 기반하여, 반도체 웨이퍼에 대한 면 가공(즉, 그라인딩 공정)이 수행될 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 가공 라인들(PL)은 방사형으로 구현될 수 있다. 레이저 빔 조사 장치(10)의 진동 및 피조사체(ST)의 회전에 대응하여, 피조사체(ST)의 반지름에 대응되는 직경을 갖는 타원 형태의 가공 라인(PL)을 형성할 수 있다. 곡선 내지는 타원 형태의 가공 라인(PL)으로 인해 가공 품질이 뛰어난 면을 형성할 수 있으며, 별도의 공정 없이 파티클이 제거될 수 있다.
일 예로, 가공 라인(PL)은 원점 대칭의 복수의 타원 모양으로 형성될 수 있다. 다른 예로, 가공 라인(PL)은 가로 방향, 세로 방향 및 대각선 방향의 폐곡선을 이룰 수 있다. 또 다른 예로, 가공 라인(PL)은 원첨 대칭의 방사 형태의 곡선으로 이루어질 수도 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 회전 방향 및 입사 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 레이저 빔의 조사 방향에 따른 피조사체(ST)의 그라인딩 공정은 세 가지로 구분될 수 있다. 여기에서, 레이저 빔의 조사 방향은 피조사체(ST)에 조사되는 레이저 빔의 각도를 의미할 수 있다. 일 예로, 도 4a는 상술한 제1 공정 모드에 해당하며, 도 4b는 상술한 제2 공정 모드에 해당하며, 도 4c는 상술한 제3 공정 모드에 해당할 수 있다.
또한, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에서는, 앞서 도 2에서 설명한 것과 같이 레이저 빔 조사 장치(10)를 통해 출력되는 레이저 빔은 진행 영역(PR)을 기준으로 진동하며, 피조사체(ST)는 회전축(R1)을 중심으로 회전한다. 또한, 피조사체(ST)는 설정된 속도에 따라 일정한 속도로 회전한다.
이하 설명의 편의를 위하여, 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 피조사체(ST)가 웨이퍼인 경우를 예시로 하여 설명한다.
도 4a를 참조하면, 제1 공정 모드의 경우, 레이저 빔 출력부(300) 및 집속 렌즈(400)를 통해 조사되는 레이저 빔의 방향은 웨이퍼의 회전 방향과 정반대로 기울어져 설정된다. 이 경우, 레이저 빔 조사 장치(10)를 통해 출력되는 레이저 빔은 제1 방향(D1) 상에서 웨이퍼의 표면과 예각(θa)을 형성하며 조사될 수 있다. 즉, 제1 공정 모드에서의 레이저 빔은, 웨이퍼의 회전 방향과 정반대의 방향으로 웨이퍼의 일면과 일정 예각을 갖도록 해당 웨이퍼의 일면에 출력될 수 있다.
제1 공정 모드와 같은 방식은 황삭(rough machining)으로 지칭될 수 있다. 제1 공정 모드의 경우, 웨이퍼 표면에서 제거되는 양을 최대로 올릴 수 있는 효과가 있다. 즉, 해당 모드에서 레이저 빔의 출력을 크게 설정하고, 진동 속도를 빠르게 설정하며, 웨이퍼의 회전 속도를 빠르게 설정함으로써 웨이퍼의 가공 정도를 최대치로 상승시킬 수 있다.
제1 공정 모드에서 사용되는 레이저는 피코세컨드(picosecond) 내지 펨토세컨드(femtosecond)로 설정되는데, 특히 1 피코세컨드(picosecond) 내지 800 펨토세컨드(femtosecond)의 펄스 폭의 레이저가 바람직할 수 있으며, 수 와트(Watt) 내지 수백 와트의 출력으로 설정될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제2 공정 모드의 경우, 레이저 빔 출력부(300) 및 집속 렌즈(400)를 통해 조사되는 레이저 빔의 방향은 웨이퍼의 회전 방향과 수직으로 설정된다. 이 경우, 레이저 빔 조사 장치(10)를 통해 출력되는 레이저 빔의 방향은 제3 방향(D3)와 중첩될 수 있으며, 제1 방향(D1) 상에서 웨이퍼의 표면과 직각을 형성하며 조사될 수 있다. 즉, 제2 공정 모드에서의 레이저 빔은, 상기 웨이퍼의 회전 방향과 수직 방향으로 해당 웨이퍼의 일면에 출력될 수 있다.
제2 공정 모드와 같은 방식은 정삭으로 지칭될 수 있다. 제2 공정 모드의 경우, 제1 공정 모드에 비해 웨이퍼가 가공되는 양은 적지만, 웨이퍼 표면의 조도를 올리고 웨이퍼 가공의 두께를 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다. 이 때, 제1 공정 모드에서 이용되는 렌즈보다 초점 거리가 짧은 렌즈를 사용하면 웨이퍼 표면의 가공 품질을 향상시킬 수 있다.
제2 공정 모드에서 사용되는 레이저는 제1 공정 모드에서와 동일한 레이저일 수 있으며, 200 펨토세컨드(femtosecond) 내지 800 펨토세컨드(femtosecond)의 펄스 폭으로 설정된 레이저일 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 제1 공정 모드에서는 웨이퍼를 빠르고 깊게 가공하는 것이 주된 목적이라면, 제2 공정 모드에서는 웨이퍼의 두께를 정확하게 가공하는 것이 주된 목적일 수 있다. 따라서, 제2 공정 모드에서 사용되는 레이저는 제1 공정 모드에서 사용되는 레이저의 펄스 폭 보다 짧을 수 있으며, 예컨대, 제2 공정 모드의 레이저의 펄스 폭은 1 피코세컨드 이하의 펨토세컨드 레이저가 선택될 수 있고, 나아가 제2 공정 모드의 레이저의 펄스 폭은 펨토세컨드 레이저 중 펄스 폭이 짧을수록 웨이퍼를 균일하고 곱게 공정하고자 하는 목적을 효과적으로 달성할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 제3 공정 모드의 경우, 레이저 빔 출력부(300) 및 집속 렌즈(400)를 통해 조사되는 레이저 빔의 방향은 웨이퍼의 회전 방향과 동일하게 기울어져 설정된다. 이 경우, 레이저 빔 조사 장치(10)를 통해 출력되는 레이저 빔은 제1 방향(D1) 상에서 웨이퍼의 표면과 예각(θb)을 형성하며 조사될 수 있다. 즉, 제3 공정 모드에서의 레이저 빔은, 웨이퍼의 회전 방향과 동일한 방향으로 웨이퍼의 일면과 일정 예각을 갖도록 해당 웨이퍼의 일면에 출력될 수 있다.
제3 공정 모드의 경우, 제1 공정 모드 및 제2 공정 모드보다 웨이퍼가 가공되는 양은 적지만, 미세한 가공량 조절을 통해 최종적으로 목적하는 웨이퍼 두께로 가공하거나, 웨이퍼 표면의 조도를 향상시키는 목적으로 이용될 수 있다.
제3 공정 모드에서 사용되는 레이저는 100 펨토세컨드(femtosecond) 내지 500 펨토세컨드(femtosecond)의 펄스 폭으로 설정된 레이저일 수 있다.
상술한 제1 공정 모드, 제2 공정 모드 및 제3 공정 모드를 참고할 때, 제1공정 모드에서 제3 공정 모드로 진행할수록 레이저의 출력이 낮아지고, 진동 속도도 느려지며, 웨이퍼의 회전 속도도 느리게 설정되는 경향이 있다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피조사체 가공 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에서 상술한 그라인딩 공정의 예로, 그라인딩 공정 전의 웨이퍼의 두께는 hS에 해당하며, 그라인딩 공정 후의 웨이퍼의 두께는 hF에 해당할 수 있다.
예를 들어, 웨이퍼 그라인딩 공정은 상술한 바와 같이 제1 공정 모드, 제2 공정 모드, 제3 공정 모드의 순서대로 진행될 수 있다. 이 경우, 웨이퍼에 조사되는 레이저 빔의 각도를 순차적으로 기울임으로써, 빠르게 가공한 후 웨이퍼 두께의 정확도를 맞추는 방식으로 가공이 진행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 공정 모드에 따른 웨이퍼 가공 정도(h1)은 제2 공정 모드에 따른 웨이퍼 가공 정도(h2) 및 제3 공정 모드에 따른 웨이퍼 가공 정도(h3)와 비교할 때 가장 클 수 있다. 또한, 제3 공정 모드에 따른 웨이퍼 가공 정도(h3)는 미세한 가공 및 두께 조절 측면을 고려할 때 가장 작을 수 있다.
추가적으로, 피조사체(ST)에 대한 면 가공에 있어서, 피조사체(ST)의 가장자리에 대한 추가 공정 및/또는 집중 공정 등이 요구될 수도 있다. 일 예로, 웨이퍼의 면 가공의 경우, 웨이퍼의 가장자리에 코팅(coating)액이 집중될 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 웨이퍼의 가장자리에 집중된 코팅액에 의한 뭉침을 해소하기 위한 방안이 추가적으로 고려될 수 있다.
구체적인 예로, 상술한 도 2에서와 같은 공정에서, 피조사체(ST)의 가장자리 부근에서 레이저 빔의 강도(즉, 출력)를 높이거나, 레이저 빔이 조사되는 시간을 다른 부분 보다 늘리는 방식이 적용될 수 있다.
구체적인 다른 예로, 상술한 도 2에서와 같은 공정 이후에, 피조사체(ST)의 가장자리 영역에 대하여 레이저 빔 진동을 이용한 추가적인 공정을 수행하는 방식이 적용될 수도 있다. 또는, 피조사체(ST)의 가장자리 영역에 대한 공정 이후에, 상술한 도 2에서와 같은 공정이 수행될 수도 있다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피조사체의 가장자리 가공을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 가장자리 경계(e1)을 기준으로 피조사체(ST)의 가장자리 영역이 설정될 수 있으며, 해당 영역에 대해 레이저 빔의 진동을 이용한 그라인딩 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. 피조사체(ST)의 회전에 대한 설명은 상술한 도 2에서의 설명과 중복되므로 생략한다.
레이저 빔 조사 장치(10)의 진동 방향은 제2 방향(D2)과 중첩될 수 있다. 다시 말해, 레이저 빔 조사 장치(10)은 피조사체(ST)의 일면에서 진행 영역(PR')에서 진동하도록 레이저 빔을 조사할 수 있다. 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 의해 정의되면 평면적 관점에서, 진행 영역(PR')은 직선의 형태를 가질 수 있다.
이 경우, 레이저 빔 조사 장치(10)의 진동 폭은 피조사체(ST)의 반지름과 가장자리 경계(e1)의 반지름 간의 차이에 해당하는 길이로 설정될 수 있다. 가장자리 영역에 대해서만 레이저 빔 진동에 의한 그라인딩 공정이 추가적으로 수행될 수 있으며, 이를 통해, 가장자리 영역에서의 일정 소재(예: 코팅액)의 뭉침 현상이 해소될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 웨이퍼 가공을 위한 레이저 빔 조사 장치에 있어서,
    상기 웨이퍼의 일면에 미리 설정된 진행 영역에서 상기 웨이퍼의 회전 방향과 직교하도록 설정된 진동 방향으로 일정 진폭을 갖도록 레이저 빔을 진동시키는 레이저 빔 출력부; 및
    상기 진동 방향으로 진동하는 레이저 빔이 상기 웨이퍼의 일면에 조사되는 입사 각도를 조절하는 집속 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 조사 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 일정 진폭은 상기 웨이퍼의 반지름과 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 조사 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 미리 설정된 진행 영역은 상기 웨이퍼의 반지름에 상응하는 직선 영역으로 설정되며, 상기 웨이퍼의 일면에서의 회전 방향과 직교하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 조사 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 빔 출력부는,
    상기 레이저 빔을 발진하여 출력하는 레이저 발진부; 및
    상기 레이저 빔을 상기 진동 방향으로 진동시키도록 상기 레이저 빔 조사 장치의 물리적 진동을 제어하는 진동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 조사 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    웨이퍼 가공을 위한 조작 명령을 수신하는 입력부; 및
    상기 조작 명령에 기반하여, i) 상기 레이저 빔의 출력, ii) 상기 레이저 빔의 진동을 위한 일정 진폭 및 iii) 상기 레이저 빔의 진동 속도 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 조사 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 집속 렌즈는,
    상기 레이저 빔이 상기 웨이퍼의 일면으로부터 수직하는 방향으로 소정의 입사 각도를 갖도록 상기 레이저 빔을 출력하며,
    상기 입사 각도는 i) 실질적으로 직각(right angle)에 일치하거나, ii) 0 도 초과 및 90도 미만인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 조사 장치.
  7. 웨이퍼 가공을 위한 레이저 빔 조사 장치의 동작 방법에 있어서,
    상기 웨이퍼의 회전 방향과 정반대의 방향으로 상기 웨이퍼의 일면과 일정 예각을 갖도록 설정된 제1 레이저 빔을 상기 웨이퍼의 일면에 출력하는 단계;
    상기 웨이퍼의 회전 방향과 수직 방향으로 설정된 제2 레이저 빔을 상기 웨이퍼의 일면에 출력하는 단계;
    상기 웨이퍼의 회전 방향과 동일한 방향으로 상기 웨이퍼의 일면과 일정 예각을 갖도록 설정된 제3 레이저 빔을 상기 웨이퍼의 일면에 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 레이저 빔, 상기 제2 레이저 빔 및 상기 제3 레이저 빔은,
    상기 웨이퍼의 일면에 미리 설정된 진행 영역에서 상기 웨이퍼의 회전 방향과 직교하도록 설정된 진동 방향으로 일정 진폭을 가지며 진동하도록 설정되며,
    상기 일정 진폭은 상기 웨이퍼의 반지름과 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는 동작 방법.

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