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문제 정의
- 본 연구에서는 우수한 미세 관통 홀 가공성을 실현하고, 레이저로 인한 Si 웨이퍼의 열 손상 문제를 최소화하는 최적의 가공 조건을 찾기 위한 수치해석 및 실험을 실시하였다. 이를 위하여 극 초단(ultra-short duration) 펨토초 레이저 (fBnto-sec- ond laser)를 사용하여 Si 웨이퍼에 직경 100 呻의 미세 관통 홀을 가공하였다.
- 본 연구에서는 Si 웨이퍼에 대하여 극초단파 펨토초 레이저를 이용한 최적의 가공성 및 열영향부를 최소화하기 위한 100 |jm 직경의 미세 관통 홀 가공 조건을 찾기 위한 해석 및 실험을 실시하였으며, 이에 대한 결과 분석과 고찰을 종합하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 5 ps(10-%ec)이다% 따라서 아주 짧은 시간 내에 많은 양의 포톤 에너지가 흡수되는 경우 전달자와 포논간의 에너지 완화시간 스케일의 차이로 인해 레이저가 조사되는 초반부에 전달자의 온도가 격자온도에 비해 급격 하게 상승하는 비평 형 (nonequilibrium) 현상이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 전달자와 격자 간의 국부적인 비평형 현상이 발생하는 경우에 대한 볼츠만 수송방정 식 (Boltzmann Transport Equation)으로부터 유도된 2-온도 모델을 이용하여 펨토초 레이저와 피코초 레이저의 에너지 전달 현상에 대해 이론적 해석을 수행하였다. 일반적으로 2차원 2- 온도 모델은 완화시 간(relaxation time) 가정 과 격자내 의 음향 포논(acoustic phonon)과 광학 포논 (optical phonon)0] 열적 평형 상태에 있다는 가정
가설 설정
- 4 J/cn?내외의 레이저 플루언스가 최적 조건임을 이론과 실험을 통하여 유도하였다.
제안 방법
- 및 실험을 실시하였다. 이를 위하여 극 초단(ultra-short duration) 펨토초 레이저 (fBnto-sec- ond laser)를 사용하여 Si 웨이퍼에 직경 100 呻의 미세 관통 홀을 가공하였다. 특히 레이저의 펄스 에너지(pulse energy) 조건을 달리하여, 이와 어블레이션 가공도 및 열 손상에 대한 관계를 분석하고 검토하였다.
- 이를 위하여 극 초단(ultra-short duration) 펨토초 레이저 (fBnto-sec- ond laser)를 사용하여 Si 웨이퍼에 직경 100 呻의 미세 관통 홀을 가공하였다. 특히 레이저의 펄스 에너지(pulse energy) 조건을 달리하여, 이와 어블레이션 가공도 및 열 손상에 대한 관계를 분석하고 검토하였다.
- C 사의 펨토초 레이저 가공 장비(CPA-2061)를 사용하여 Si 웨이퍼에 지름 100呻의 미세 관통 홀을 가공하였다. 레이저의 펄스 에너지의 변화에 따른 Si 웨이퍼의 가공도와 손상정도를 비교하기 위하여, 장비의 상용 출력값 250mW을 기준으로 10 mW에서 250 mW까지 30 mW의 간격으로 10, 40, 70, 100, 130, 160, 190, 220, 250 mW 총 9단계의 서로 다른 출력 조건을 설정하였다. 나머지 가공조건으로 레이저의 펄스 반복 주파수(repetition rate)는 3kHz, 고정된 펄스 반복 주파수를 기준으로 최대 출력 조건인 250mW에서의 펄스 에너지는 약 0.
- 레이저의 펄스 에너지의 변화에 따른 Si 웨이퍼의 가공도와 손상정도를 비교하기 위하여, 장비의 상용 출력값 250mW을 기준으로 10 mW에서 250 mW까지 30 mW의 간격으로 10, 40, 70, 100, 130, 160, 190, 220, 250 mW 총 9단계의 서로 다른 출력 조건을 설정하였다. 나머지 가공조건으로 레이저의 펄스 반복 주파수(repetition rate)는 3kHz, 고정된 펄스 반복 주파수를 기준으로 최대 출력 조건인 250mW에서의 펄스 에너지는 약 0.085mJ, 펄스 지속시간(pulse duration time) 및 파장(wavelength)은 각각 15(治 와 780 nm의 값으로 설정하였다.
- 따라서 높은 어블레이션 효율을 보이며, 정밀하고 깨끗하게 가공이 이루어지는 trepanning 방법을 레이저 조사 방법으로 적용하였다. 실제 실험 공정에서는 레이저 빔을 회전하는 대신 3축 스테이지(stage)를 가진 레이저 워크스테이션을 회전하는 방식이 적용되었다. 시료 표면에 입사되는 레이저 빔의 직경은 28 μm로 설정하고, 초점의 위치는 시료 표면 높이에서 고정되었다.
- 시료 표면에 입사되는 레이저 빔의 직경은 28 μm로 설정하고, 초점의 위치는 시료 표면 높이에서 고정되었다. 가공 궤적의 직경은 86, 78, 70, 62, 54, 46, 38, 30, 22, 14 μ이의 크기로, 순차적으로 흘 중심부 기준으로 해칭 (hatching) 간격 4呻씩 이동하며 0.3 mm/s의 속도로 가공하였다. 이런 가공 작업을 총 5회 반복하여 최종적으로 지름 100 呻의 미세 관통 홀을 형성하였다.
- 펨토초 레이저를 사용하여 가공된 미세 관통 홀의 가공면을 비교, 분석하기 위하여 가공 표면 및 단면 형상을 관찰하였다. 관통 홀의 표면 형상은 K사의 광학현미경(VHX-Z450)을 사용하여 관찰하였다.
- 관통 홀의 표면 형상은 K사의 광학현미경(VHX-Z450)을 사용하여 관찰하였다. 관통 흘 가공 직후 어블레이션 과정 중에 생성되어 Si 웨이퍼 표면에 부착된 미세 파편들의 발생 량과 분포도를 확인하고, IPA(iso-propyl alco- hol)용액으로 초음파 세척 공정을 통해 파편 등의 이물질을 제거한 후에 다시 한 번 가공 표면을 관찰하였다. 또한, 플루언스 조건에 따른 미세 관통 홀의 입구 및 측벽 형상의 차이를 비교하기위해 FESEM(field emission scanning electron micro scope, S-4700)을 사용하였다.
- 관통 흘 가공 직후 어블레이션 과정 중에 생성되어 Si 웨이퍼 표면에 부착된 미세 파편들의 발생 량과 분포도를 확인하고, IPA(iso-propyl alco- hol)용액으로 초음파 세척 공정을 통해 파편 등의 이물질을 제거한 후에 다시 한 번 가공 표면을 관찰하였다. 또한, 플루언스 조건에 따른 미세 관통 홀의 입구 및 측벽 형상의 차이를 비교하기위해 FESEM(field emission scanning electron micro scope, S-4700)을 사용하였다. 그리고 플루언스 조건별 Si 웨이퍼의 어블레이션 깊이 및 단면 형상을 관찰하기 위해, 시편을 에폭시 수지로 몰딩하고 #2000 SiC 연마지에서 연마하여 광학현미경으로 단면 관찰을 실시하였다.
- 또한, 플루언스 조건에 따른 미세 관통 홀의 입구 및 측벽 형상의 차이를 비교하기위해 FESEM(field emission scanning electron micro scope, S-4700)을 사용하였다. 그리고 플루언스 조건별 Si 웨이퍼의 어블레이션 깊이 및 단면 형상을 관찰하기 위해, 시편을 에폭시 수지로 몰딩하고 #2000 SiC 연마지에서 연마하여 광학현미경으로 단면 관찰을 실시하였다. 이를 통해 조건을 달리한 플루언스 값에 대한 Si 웨이퍼의 어블레이션 깊이를 분석하여 플루언스 조건 대비 어블레이션가공 도의 추세를 살펴보았다.
- 그리고 플루언스 조건별 Si 웨이퍼의 어블레이션 깊이 및 단면 형상을 관찰하기 위해, 시편을 에폭시 수지로 몰딩하고 #2000 SiC 연마지에서 연마하여 광학현미경으로 단면 관찰을 실시하였다. 이를 통해 조건을 달리한 플루언스 값에 대한 Si 웨이퍼의 어블레이션 깊이를 분석하여 플루언스 조건 대비 어블레이션가공 도의 추세를 살펴보았다.
- 미세 관통 홀 주변에 형성된 열영향부를 관찰하고 분석하기 위하여, 0.01 μm의 분해능을 구현하는 K사의 초심도 3차원 형상측정 분석기(VK- 9500)를 사용하였다. 해당 장비의 3차원 표면 프로파일 계측 기능을 이용하여 가공 홀 입구 주변의 변형된 열영향부를 관찰하였다.
- 01 μm의 분해능을 구현하는 K사의 초심도 3차원 형상측정 분석기(VK- 9500)를 사용하였다. 해당 장비의 3차원 표면 프로파일 계측 기능을 이용하여 가공 홀 입구 주변의 변형된 열영향부를 관찰하였다. 각 조건별로 가공된 시편의 미세 관통 홀 주변의 열영향부의 넓이를 계산하고, 관통 홀 입구 주변의 36지점을 선택하여 Si 웨이퍼의 열변형에 의한 높이 변화를 측정하고 3차원으로 분석하였다.
- 해당 장비의 3차원 표면 프로파일 계측 기능을 이용하여 가공 홀 입구 주변의 변형된 열영향부를 관찰하였다. 각 조건별로 가공된 시편의 미세 관통 홀 주변의 열영향부의 넓이를 계산하고, 관통 홀 입구 주변의 36지점을 선택하여 Si 웨이퍼의 열변형에 의한 높이 변화를 측정하고 3차원으로 분석하였다. 이를 통해 플루언스 조건의 변화에 따른 열영향부의 넓이변화 및 높이 변화의 연관성을 비교, 분석해 보았다.
- 각 조건별로 가공된 시편의 미세 관통 홀 주변의 열영향부의 넓이를 계산하고, 관통 홀 입구 주변의 36지점을 선택하여 Si 웨이퍼의 열변형에 의한 높이 변화를 측정하고 3차원으로 분석하였다. 이를 통해 플루언스 조건의 변화에 따른 열영향부의 넓이변화 및 높이 변화의 연관성을 비교, 분석해 보았다.
- 여러 플루언스 조건으로 형 성 된 미 세 관통 홀 주변의 열영향부를 관찰하고 비교하기 위하여, 초심도 3차원 형 상측정 분석 장비를 사용한 표면 계측을 실시하여 레이저에 의해 변형된 열영향부의 면적 과 높이 등을 관찰하고 분석하였다.
- 따라서 미소균열을 일으키거나 기계적 스트레스를 유발할 수 있는 인자이므로, 이를 발생시키지 않거나 최소화하는 것이 바람직하다. 그러므로 본 연구에 사용된 펨토초 레이저가 나노초 또는 피코초 레이저와 비교하여 Si 웨이퍼 가 공시 현저히 작은 열영향부가 형성되는 이점을 얻을 수 있음에도, 열영향부를.최소화하고 최상의 가공도를 갖는 공정 조건을 설정해야 한다.
대상 데이터
- 가공 재료는 3차원 패키징에 적용되는 칩의 재료인 Si 웨이퍼를 15x15x0.52 mm의 크기로 절단 (sawing)하여 시편으로 사용하였다. 웨이퍼의 결정성장 방향은 (100)이며, 가공면의 표면이 연마되어있는 폴리시드(polished) 웨이퍼를 사용하였다.
- 52 mm의 크기로 절단 (sawing)하여 시편으로 사용하였다. 웨이퍼의 결정성장 방향은 (100)이며, 가공면의 표면이 연마되어있는 폴리시드(polished) 웨이퍼를 사용하였다. C 사의 펨토초 레이저 가공 장비(CPA-2061)를 사용하여 Si 웨이퍼에 지름 100呻의 미세 관통 홀을 가공하였다.
- 형상을 관찰하였다. 관통 홀의 표면 형상은 K사의 광학현미경(VHX-Z450)을 사용하여 관찰하였다. 관통 흘 가공 직후 어블레이션 과정 중에 생성되어 Si 웨이퍼 표면에 부착된 미세 파편들의 발생 량과 분포도를 확인하고, IPA(iso-propyl alco- hol)용액으로 초음파 세척 공정을 통해 파편 등의 이물질을 제거한 후에 다시 한 번 가공 표면을 관찰하였다.
이론/모형
- 또한 X와 z는 재료의 표면 방향과 표면에 수직인 깊이 방향을 의미한다. 펨토초 레이저와 피코초 레이저가 조사되는 극 초반부의 에너지 전달 현상에 대해서 비교하기 위해서 식 (1)과 (2)를 유한 체 적 법 (finite volume method, FVM)을 통해 차분 방정식을 유도하였다.
- 두 방법의 가장 큰 차이점은, 동일한 에너지가 주어지는 가공 조건에서 레이저의 직경이 상대적으로 작은 trepanning 방법이 percussion 방법 보다 상대적으로 높은 단위 면적당 에너지로 가공이 이루어진다는 점이다. 따라서 높은 어블레이션 효율을 보이며, 정밀하고 깨끗하게 가공이 이루어지는 trepanning 방법을 레이저 조사 방법으로 적용하였다. 실제 실험 공정에서는 레이저 빔을 회전하는 대신 3축 스테이지(stage)를 가진 레이저 워크스테이션을 회전하는 방식이 적용되었다.
성능/효과
- 따라서 펨토초 레이저는 재료를 가공하는데 비열적인 특성에 의한 가공이 가능하다. 그리고 수치해석 결과로부터 펨토초 레이저를 이용하여 가공하였을 때 펄스 당 가공 깊이는 대략 142 nm정도인데 비해 동일한 에너지를 가진 피코초 레이저의 경우 약 76nm로 조사되었다. 또한 펨토초 레 이저 가 피코초 레 이저 에 비해서 높은 가로세로비 가공에 유용하다는 결과를 얻을 수 있었다.
- 그리고 수치해석 결과로부터 펨토초 레이저를 이용하여 가공하였을 때 펄스 당 가공 깊이는 대략 142 nm정도인데 비해 동일한 에너지를 가진 피코초 레이저의 경우 약 76nm로 조사되었다. 또한 펨토초 레 이저 가 피코초 레 이저 에 비해서 높은 가로세로비 가공에 유용하다는 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 펨토초 레이저는 Si 웨이퍼를 가공할 때 열 영향을 최소화할 수 있고 높은 가로세로비 가공이 가능하기 때문에 마이크로 홀 가공을 하는데 매우 유용하다고 판단된다.
- 또한 펨토초 레 이저 가 피코초 레 이저 에 비해서 높은 가로세로비 가공에 유용하다는 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 펨토초 레이저는 Si 웨이퍼를 가공할 때 열 영향을 최소화할 수 있고 높은 가로세로비 가공이 가능하기 때문에 마이크로 홀 가공을 하는데 매우 유용하다고 판단된다.
- 다른 레이저 조사 방법으로는 홀의 직경과 레이저의 직경을 동일하게 설정하고 고정된 한 지점에서 레이저를 반복해 조사하여 가공하는 percussion 방법이 있다. 두 방법의 가장 큰 차이점은, 동일한 에너지가 주어지는 가공 조건에서 레이저의 직경이 상대적으로 작은 trepanning 방법이 percussion 방법 보다 상대적으로 높은 단위 면적당 에너지로 가공이 이루어진다는 점이다. 따라서 높은 어블레이션 효율을 보이며, 정밀하고 깨끗하게 가공이 이루어지는 trepanning 방법을 레이저 조사 방법으로 적용하였다.
- 또한 관통홀의 입구 주변부에서 눈에 띄게 검게 그을린 자국이 관찰되었다. 플루언스조건이 증가함에 따라 발생 되는 파편들의 양은 조금씩 증가하였으며 , 검게 그을린 자국 또한 그 직경이 점차 커지는 형상을 보였다. Fig.
- 플루언스 조건이 높을수록 관통 흘의 측벽 이 상대적으로 매끄럽게 가공되어진 것을 확인할 수 있었으나 그 차이는 크지 않았다. 반면에 관통 홀 입구 주변부의 관찰 결과, 높은 플루언스 조건으로 가공되어진 시편일수록 돌기 형상의 변형된 부위들의 크기 와 개수가 눈에 띄 게 증가하는 것이 관찰되었다. 앞서 관찰한 내용과 분석을 통해, 약 4 J7 cm2 내외의 플루언스 조건이 가장 양호한 측벽 가공도를 보이며, 홀 주변의 열영향부도 최소화할 수 미세 관통 홀을 가공 조건인 것으로 판단된다.
- 반면에 관통 홀 입구 주변부의 관찰 결과, 높은 플루언스 조건으로 가공되어진 시편일수록 돌기 형상의 변형된 부위들의 크기 와 개수가 눈에 띄 게 증가하는 것이 관찰되었다. 앞서 관찰한 내용과 분석을 통해, 약 4 J7 cm2 내외의 플루언스 조건이 가장 양호한 측벽 가공도를 보이며, 홀 주변의 열영향부도 최소화할 수 미세 관통 홀을 가공 조건인 것으로 판단된다.
- 측정된 어블레이션 깊이는 흘의 입구부와 끝부분의 양 끝점을 기준으로 측정되었다. 본 연구에서 적용된 조건으로 직 경 100 呻의 미세 관통 홀 가공 시 , 약 6~7 J/cm2 의 플루언스 조건에서 520 wn 두께의 Si 웨이퍼를 관통하기 시 작하는 것으로 확인되었다. 그리고 각 조건별로 측정된 어블레이션 깊이의 평균값 추세를 분석한 결과, 저 플루언스 영역과 고 플루언스 영역 간에 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다.
- 본 연구에서 적용된 조건으로 직 경 100 呻의 미세 관통 홀 가공 시 , 약 6~7 J/cm2 의 플루언스 조건에서 520 wn 두께의 Si 웨이퍼를 관통하기 시 작하는 것으로 확인되었다. 그리고 각 조건별로 측정된 어블레이션 깊이의 평균값 추세를 분석한 결과, 저 플루언스 영역과 고 플루언스 영역 간에 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다.
- 7에는 플루언스의 변화에 따른 열영향부 면적 의 변화를 나타내었다. 플루언스 수치 가 증가함에 따라 열영향부의 면적은 점점 증가하는 추세를 나타내며, 그 증가폭 또한 거의 일정한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 이는 플루언스 값에 비례하여 동일한 면적의 Si 웨이퍼 표면에 전달되는 에너지 밀도 값이 증가하므로 열영향부도 함께 자연히 증가하는 것으로 판단된다.
- 9에 3차원 표면 계측을 통해 측정 된 각 플루언스 변화에 대한 열영 향부의 실제 변형된 높이 변화를 비교 분석하여 나타내었다. 열영향부의 면적 측정과 마찬가지로, 높은 플루언스 조건일수록 열영향부의 변형된 높이 역시 증가하는 경향을 보였다. 플루언스 조건에 따라 폭 5 ~30 |im, 높이 1~6 凹1를 갖는 돌기 형태의 열영향부가 관찰되었다.
- 최소화하고 최상의 가공도를 갖는 공정 조건을 설정해야 한다. 따라서 본 실험의 결과를 종합하여 분석한 결과, 4 J/cm2 내외의 플루언스를 적용하여 가공한 미세 관통 홀 의경 우가 열영 향부가 상대적으로 작으면서도 흘의가공도 또한 양호하게 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
- (2) 각기 다른 레 이저 플루언스 조건별로 가공된 미세 관통 홀들은 모두 수직에 가까운 우수한 어블레이션 가공도를 보였으며, 특히 흘의 가로세로비가 1 : 4 이상에서도 수직에 가까운 형상을 유지하는 것을 확인하였다. 반면 높은 레이저 플루언스 조건으로 가공될수록 관통 홀 입구 주변의 열영 향부가 증가하는 경향을 나타내었다.
- 것을 확인하였다. 반면 높은 레이저 플루언스 조건으로 가공될수록 관통 홀 입구 주변의 열영 향부가 증가하는 경향을 나타내었다.
- (1) 극초단 펄스레 이저가 조사되는 동안의 Si 재료 내부의 에너지 전달 현상에 대해서 예측한 결과, 펨토초 레이저의 경우 피코초 레이저에 비해서 전자와 격자간의 비평형 에너지 전달에 의한비열적인 가공이 가능하므로 펨토초 레이저의 미세가공성이 우수함을 확인하였다.
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