WO2020130165A1 - 취성재료의 레이저 절단 가공방법 - Google Patents

취성재료의 레이저 절단 가공방법 Download PDF

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laser
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이석준
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이석준
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    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices

Definitions

  • the present invention relates to a laser cutting processing method for brittle materials, and heats the inside of a non-metallic brittle material such as sapphire, silicon, or SiC wafer with a high-power laser beam, and immediately cools to melt, crack or micropores inside the non-metallic brittle material. It relates to a laser cutting processing method of a brittle material so that the object to be processed can be cut in any desired direction as well as in the crystal direction by generating a thermal shock without generating.
  • a silicon wafer is formed by using a wavelength around 1 ⁇ m through which silicon is transmitted and condensing inside the wafer to continuously form a modified layer.
  • it is necessary to apply a force in the direction of bending the wafer and propagate internal cracks. Therefore, if the tape attached to the back surface of the silicon wafer is separated and cut in parallel with the silicon wafer (expand method), yield is deteriorated.
  • This conventional technique is called stealth cutting.
  • This technique is a method of cutting the inside of the object to be cut by giving it melting and heat damage, which involves cracks and damage to the cut surface and requires additional post-treatment such as polishing. The case arises.
  • the laser cutting processing method of the brittle material of the present invention devised to solve the problems of the prior art as described above is to be cut without generating cracks and damages inside by heating and cooling without melting the non-metallic brittle material to be processed. There is a purpose.
  • the present invention has an object to cut a workpiece in a desired direction irrespective of the crystal orientation of the object to be processed, unlike mechanical cutting that is influenced by the crystal direction of the semiconductor wafer or LED material.
  • the object of the present invention includes a step of laser cutting a brittle material, irradiating a laser beam in the cutting direction inside a non-metallic brittle material to be processed, and spraying a refrigerant to cool the laser irradiation area. It is achieved by a laser cutting processing method of a non-metallic material, characterized in that.
  • the laser cutting processing method of the brittle material of the present invention has an effect that can be cut without generating thermal damage or thermal melting inside the non-metallic brittle material to be processed.
  • the present invention has another effect capable of cutting the object to be processed in a desired direction regardless of the crystal direction of the brittle material that is the object to be processed.
  • FIG. 2 is an exemplary configuration for forming a laser beam irradiation area and a cooling area according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a surface, cross-section and internal temperature distribution of the object to be processed according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is an exemplary configuration for forming a laser beam irradiation area and a cooling area according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a surface, cross-sectional and internal temperature distribution diagram of a workpiece according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG 2 is an exemplary view for configuring a laser beam irradiation area and a cooling area according to a first embodiment of the present invention.
  • the present invention is due to the reduction of the strength of the cutting material due to cracks, impurity particles, etc. generated when cutting a brittle material by conventional techniques such as sapphire, silicon, SiC wafer, etc.
  • irradiating a laser beam in the cutting processing direction inside the object to be processed which is a brittle material such as sapphire, silicon, or SiC wafer, and spraying a refrigerant to cool the laser beam irradiation area.
  • the laser beam irradiated in the cutting direction of the object to be processed is a pulse laser or a continuous wave laser, with a wavelength of more than 0.2 to less than 11 ⁇ m and 1 ⁇ 10 2 (mW/ It is irradiated with an energy density of 3 mm or more, and the laser beam irradiated to the object to be processed is a laser beam of a wavelength that allows a certain amount of absorption under the surface of the object to be processed.
  • this laser beam is a high-power laser beam
  • a heat shock is generated by heating the inside of the cutting direction of the object to be processed, so that the object to be processed can be cut in any desired direction, not only in the crystal direction, but also in the continuous laser beam.
  • the cooling zone is formed by the cooling means so that the thermal shock caused by irradiation does not propagate in a direction other than the cutting processing direction.
  • the cutting direction is determined irrespective of the crystal direction of the brittle material, compared to the general cutting process processed along the crystal direction, and is cut by thermal shock inside the brittle material.
  • the laser beam is irradiated to the surface of the object to be processed.
  • a cooling area is formed to cool the entire laser beam irradiation area.
  • FIG. 3 is a surface, cross-sectional and internal temperature distribution diagram of the object to be processed according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3(a) shows a laser beam irradiation area and a cooling area formed on the surface of the object to be processed
  • FIG. 3(b) is a cross-section of the object to be cut
  • FIG. 3(c) Shows the distribution of the internal temperature of the object to be processed by irradiation of the laser beam and cooling of the cooling means.
  • the object to be processed which is the brittle material shown in FIG. 3(b), has a thickness H, and in FIG. 3(a), the laser beam irradiation area irradiated to the surface of the object to be processed is perpendicular to the horizontal length L and the cutting direction L in the cutting direction. It has been shown to have the shape of an ellipse created by the vertical length W of.
  • the shape of the laser beam irradiation region can be changed according to the shape of use, such as a rectangle, as well as an ellipse.
  • the laser beam is irradiated so that the surface of the object to be processed has an elliptical laser beam irradiation area S, and the laser beam is absorbed in the thickness H direction of the object to be processed and the total absorbed laser beam has a volume V. .
  • the cooling region can be formed in various directions, but more preferably, the L of the laser beam irradiation region is more preferably formed in an elliptical or rectangular shape having a length of 2 to 200 times W.
  • the cooling region is more preferably formed to be more biased toward the local region at the end of the cutting direction of the object to be processed, even when forming a cooling region for cooling the entire laser beam irradiation region.
  • FIG. 3(b) is an exaggerated illustration of the cooling region formed on the surface in order to highlight the features of the present invention.
  • FIG. 4 is an exemplary view for forming a laser beam irradiation area and a cooling area according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a surface, cross-sectional and internal temperature distribution diagram of a processing object according to the second embodiment of the present invention .
  • the cooling area for the laser beam irradiation area of the object to be processed transmits the laser beam and is formed locally at the end of the laser beam irradiation area in the cutting direction of the laser beam irradiation area.
  • cooling region of the type shown in FIG. 3, but it is necessary to form a partial cooling region rather than the entire laser beam irradiation region according to the properties of the object to be processed, which is the internal temperature of the object to be processed. It goes without saying that the size of the cooling zone can be changed according to the characteristics of the distribution diagram.
  • FIG. 5(b) exaggerates the cooling region formed on the surface in order to highlight the features of the present invention.

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Abstract

본 발명은 취성재료의 레이저 절단 가공방법에 관한 것으로 사파이어, 실리콘, SiC웨이퍼와 같은 비금속 취성재료의 내부를 고출력의 레이저 빔으로 가열하고, 바로 냉각하여 내부의 비금속 취성재료 내부의 용융, 크랙 또는 미공을 발생시키지 않고 열충격을 생성시켜서 결정방향 뿐만 아니라 결정방향이 아닌 임의의 원하는 방향으로 가공대상물을 절단할 수 있도록 한 취성재료의 레이저 절단 가공방법에 관한 것이다.

Description

취성재료의 레이저 절단 가공방법
본 발명은 취성재료의 레이저 절단 가공방법에 관한 것으로 사파이어, 실리콘, SiC웨이퍼와 같은 비금속 취성 재료의 내부를 고출력의 레이저 빔으로 가열하고, 바로 냉각하여 내부의 비금속 취성 재료 내부의 용융, 크랙 또는 미공을 발생시키지 않고 열충격을 생성시켜서 결정방향 뿐만 아니라 결정방향이 아닌 임의의 원하는 방향으로 가공대상물을 절단할 수 있도록 한 취성재료의 레이저 절단 가공방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이저 가공에 의해서 가공대상물중 실리콘 웨이퍼를 절단하는 방법으로서 실리콘이 투과하는 1㎛ 부근의 파장을 사용하고, 웨이퍼 내부에서 집광하여 개질층(改質層)을 연속적으로 형성하도록 하여 실리콘 웨이퍼를 절단하는 경우에는 웨이퍼를 굽힐 방향으로 힘을 가하고 내부 균열을 진전시킬 필요가 있다. 따라서 실리콘 웨이퍼의 이면에 붙인 테이프를 실리콘 웨이퍼에 병행하여 떼어놓아 절단하는 방법(익스팬드법)을 채용하면 수율이 나빠진다.
이를 개선하기 위한 종래기술로서는 대한민국 등록특허 10-1119289호의 "절단방법이 제안된 바 있으며, 이를 도 1에 도시하였다.
이러한 종래의 기술은 스텔스(stealth) 절단이라고 하는데 이 기술은 절단 대상물 내부를 용융 및 열 손상을 주어서 절단하는 방식으로써 절단면에 크랙과 손상이 수반되고 이를 연마하는 등의 후처리 추가공정이 필요로 하는 경우가 발생한다.
또한 이런한 크랙은 절단물의 강도 저하로 이어지고 청정해야하는 가공대상물인 반도체, LED 공정에서 불순물 파티클이 발생되므로써 수율에 악역향이 있다. 또한 이런한 내부 용융 및 열손상은 가공대상물에 대하여 레이저를 작은 깊이까지 밖에 가공할 수 밖에 없어서, 100μm이상의 두께를 가지는 가공대상물인 웨이퍼는 여러번 초점을 변경하면서 추가적으로 내부를 다시 가공해야하는 등 생산성에 많은 한계가 발생하였다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 취성재료의 레이저 절단 가공방법은 가공대상물인 비금속 취성재료를 용융시키지 않고 내부 가열과 냉각으로 내부에 크랙과 손상을 발생시키지 않고 절단 하기 위한 목적이 있다.
또한, 본 발명은 반도체용 웨이퍼나 LED용 재료가 가지고 있는 결정방향에 영향을 받는 기계식 절단 가공과 달리 가공대상물의 결정방향과 상관없이 원하는 방향으로 가공대상물을 절단하기 위한 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 취성재료의 레이저 절단 가공방법에 있어서, 비금속취성재료인 가공대상물 내부에 절단가공 방향으로 레이저 빔을 조사하며, 상기 레이저 조사영역을 냉각할 수 있도록 냉매를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속재료의 레이저 절단 가공방법에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 취성재료의 레이저 절단 가공방법은 가공대상물인 비금속 취성재료 내부에 열손상이나 열 용융을 발생시키지 않고 절단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 가공대상물인 취성재료의 결정 방향과 무관하게 원하는 방향으로 가공대상물을 절단할 수 있는 또 다른 효과가 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 절단장치의 원리도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 빔 조사영역 및 냉각 영역 형성을 위한 구성 예시도,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가공대상물의 표면, 단면 및 내부온도 분포도,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 빔 조사영역 및 냉각 영역 형성을 위한 구성 예시도,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가공대상물의 표면, 단면 및 내부온도 분포도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 빔 조사영역 및 냉각 영역 형성을 위한 구성 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 가공대상물인 사파이어, 실리콘, SiC웨이퍼 등과 같은 기존 종래의 기술에 의하여 취성재료를 절단 가공하는 경우 발생되는 크랙에 의한 절단물의 강도저하, 불순물 파티클 발생 등에 의한 수율의 악영향을 개선하기 위하여, 사파이어, 실리콘, SiC웨이퍼 등의 취성재료인 가공대상물 내부에 절단가공방향으로 레이저 빔을 조사하며, 레이저 빔 조사영역을 냉각할 수 있도록 냉매를 분사하는 단계를 포함한다.
여기서, 가공대상물의 절단가공방향으로 조사되는 레이저 빔은 펄스 레이저(pulse laser) 또는 연속파 레이저(continuous wave laser)로서, 0.2 초과 내지 11㎛ 미만의 파장 및 가공대상물 내부에 1×102(mW/mm3) 이상의 에너지 밀도로 조사되며, 가공대상물에 조사되는 레이저 빔은 레이저 빔은 가공대상물 표면 밑으로 일정량이 흡수되도록 하는 파장의 레이저 빔이다.
이후 이러한 레이저 빔은 고출력의 레이저 빔이므로 가공대상물의 절단가공방향 내부를 가열함으로써 열충격을 생성시켜 결정방향 뿐만 아니라 결정방향이 아닌 임의의 원하는 방향으로 가공대상물을 절단할 수 있도록 하고, 지속적인 레이저 빔의 조사에 의한 열충격이 절단가공방향 이외의 방향으로 전파되지 않도록 냉각수단에 의하여 냉각영역을 형성한다.
여기에서, 절단가공방향은 일반적인 절단가공이 결정방향을 따라 가공됨에 비하여 취성재료의 결정방향과 무관하게 결정되며, 취성재료 내부의 열충격으로 절단가공된다.
또한, 절단가공시에는 취성재료의 절단가공 시작부분에서 취성재료 내부의 열충격 생성을 용이하기 위하여 기계식 휠 또는 레이저로 미리 미세한 크랙을 발생시키는 것이 더욱 바람직하다.
만약 냉각수단에 의한 냉각영역이 형성되지 않는 경우에는 취성재료인 가공대상물의 내부 용융, 크랙 또는 미공을 발생을 방지하기 위한 것으로, 본 발명의 제1 실시예에서는 레이저 빔이 가공대상물 표면에 조사되어 형성되는 레이저 빔 조사영역 전체를 냉각할 수 있도록 냉각영역을 형성한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가공대상물의 표면, 단면 및 내부온도 분포도이다. 도 3(a)는 가공대상물의 표면에 형성되는 레이저 빔 조사영역과 냉갹영역을 도시한 것이며, 도 3(b)는 가공대상물의 절단방향에 따라 절단한 단면을 표현한 것이며, 도 3(c)는 레이저 빔의 조사 및 냉각수단의 냉각에 의하여 가공대상물 내부온도 분포도를 도시한 것이다.
도 3(b)에 도시한 취성재료인 가공대상물은 두께 H를 가지며, 도 3(a)에는 가공대상물 표면에 조사되는 레이저 빔 조사 영역은 절단방향의 가로 길이 L 및 절단방향 L에 대하여 수직 방향의 세로 길이 W에 의해서 만들어지는 타원의 형상을 가지는 것으로 도시하였다.
이러한 레이저 빔 조사 영역의 형상은 타원뿐만 아니라 직사각형 등 사용의 형태에 따라 형상의 변경은 가능하다.
이러한, 가공대상물 표면에 타원형 등의 레이저 빔 조사면적이 S가 되도록 레이저 빔이 조사되며, 레이저 빔은 가공대상물의 두께 H 방향으로 흡수되며 가공대상물의 총 흡수되는 레이저 빔은 부피 V를 가지도록 한다.
이 경우 가공대상물에 레이저 빔이 흡수되는 부피인 V에 흡수되는 열량과 비례하도록 냉각영역에 대하여 냉매의 분사에 의한 냉각량을 증가시키므로써 가공대상물의 절단방향이외에 대한 열충격을 최소화한다.
여기서, 냉각영역은 다양향 형상으로 형성이 가능하나, 보다 바람직하기로는 레이저 빔 조사영역의 L은 W의 2 내지 200배의 길이를 가지는 타원 또는 직사각형 형상으로 형성되는 것이 보다 바람직하다.
또한, 냉각영역은 레이저 빔 조사영역 전체를 냉각하는 냉각영역을 형성하는 경우에도 보다 바람직하기로는 가공대상물의 절단방향 끝 국부영역으로 조금 더 치우치도록 형성하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 도 3(b)에 냉각영역의 도시는 본 발명의 특징을 부각하기 위하여 표면상에 형성되는 냉각영역을 과장되게 도시한 것임을 참조하여야 한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 빔 조사영역 및 냉각 영역 형성을 위한 구성 예시도이며, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가공대상물의 표면, 단면 및 내부온도 분포도이다.
도 4 및 도 5의 제2 실시예에 따른 설명들은 도 2 및 도 3에 도시하였거나 설명한 것과 중복되는 것은 그 기재를 생략한다.
도 4에 도시된 바와 같이 가공대상물의 레이저 빔 조사 영역에 대한 냉각영역은 레이저 빔을 투과하고, 레이저 빔 조사영역 가공대상물의 절단 방향의 레이저 빔 조사영역의 끝부분에 국부적으로 형성되도록 한다.
이는 일반적으로는 도 3에 도시한 형태의 냉각영역을 형성하는 것이 바람직하나, 가공대상물의 물성에 따라 레이저 빔 조사영역 전체가 아닌 부분적인 냉각영역을 형성하는 것이 필요하며, 이는 가공대상물의 내부온도 분포도의 특성에 따라 냉각영역의 크기를 달리할 수 있음은 물론이다.
도 5(b)의 냉각영역 도시는 본 발명의 특징을 부각하기 위하여 표면상에 형성되는 냉각영역을 과장되게 도시한 것임을 참조하여야 한다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (10)

  1. 취성재료의 레이저 절단 가공방법에 있어서,
    취성재료인 가공대상물 내부에 절단가공방향으로 레이저 빔을 조사하며, 상기 레이저 빔 조사영역을 냉각할 수 있도록 냉매를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 0.2 초과 내지 11㎛ 미만의 파장 및 상기 가공대상물 내부에 1×102(mW/mm3) 이상의 에너지 밀도로 조사되는 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가공대상물은 두께 H를 가지며, 상기 가공대상물 표면에 조사되는 영역은 절단방향의 가로 길이 L 및 절단방향 L에 대하여 수직 방향의 세로 길이 W에 의해서 만들어지는 타원 또는 직사각형의 레이저 빔에 의해서 상기 가공대상물 표면에 S의 조사 면적으로 상기 레이저 빔이 조사되고, 상기 레이저 빔이 상기 가공대상물 두께 H 방향으로 흡수되며 가공대상물의 총 흡수되는 레이저 빔은 부피 V를 가지는 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 빔이 흡수되는 부피인 V에 흡수되는 열량과 비례하도록 냉각영역에 대하여 상기 냉매의 분사에 의한 냉각량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각영역은 상기 레이저 빔 조사영역의 L은 W의 2 내지 200배의 길이를 가지는 타원 또는 직사각형 영역인 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 냉각영역은 상기 레이저 빔을 투과하고, 상기 레이저 빔 조사영역 전체를 냉각시키거나 절단 방향의 상기 레이저 빔 조사영역의 끝 국부영역으로 조금 더 치우치도록 형성되는 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 펄스 또는 연속파인 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 상기 가공대상물 표면 밑으로 일정량이 흡수되는 파장의 레이저인 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절단가공방향은 상기 취성재료의 결정방향과 무관하게 결정되며, 상기 취성재료 내부의 열충격으로 절단가공되는 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 취성재료의 절단가공 시작부분에서 상기 취성재료 내부의 열충격 생성을 용이하기 위하여 기계식 휠 또는 레이저로 미리 미세한 크랙을 발생시키는 것을 특징으로 하는 취성재료의 레이저 절단 가공방법.
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