[논문]나노초 펄스 레이저 응용 사파이어/실리콘 웨이퍼 미세 드릴링

김남성; 정영대; 성천야

문제 정의

하지만 에칭은 설비가 비싸고 환경적이 문제가 있으며 기계적 드릴링은 유지비용 및 기계적인 최소 흘의 한계 때문에 새로운 방식이 요구 되고 있다. 따라서 본 연구에서는 Nd:YVO₄ 레이저의 제 2 고조파인 532nm 파장의 레이저를 사용하여 LED 소자의 기판으로 사용되는 직경 2 인치, 두께 430|im 의 사파이어 웨이퍼에 고속으로 미세 홀을 드릴링할 수 있는 시스템을 개발하였다.
따라서 본 연구에서는 이 현상을 개선하기 위해서 가공 시 실리콘 웨이퍼 표면에 표면 장력 값이 매우 낮은 PVA 물질을 도포하여 웨이퍼 표면에 고르게 유동성 액체를 도포함으로써 가공 시발 생하는 실리콘 입자들이 도포된 PVA 물질 위에서 응고되게 만들고, 가공 시 웨이퍼 표면을 공기 중의 산소와 격리시켜서 plume 발생을 억제 시켜서 plasma 발생에 따른 열적 표면 손상을 최소화하기 위해 cooling 레이저 공정인 coating & cleaning 공정을 테스트 하여 표면 분진이 제거되는 현상을 확인하였다.
본 기술의 목적은 미세 천공의 위치 보정과 정밀도 향상, 그리고 가공 홀의 다양한 품질을 구현이다. 이를 위해 먼저 드릴링 가공을 위해서 드릴링 전용의 S/W 를 제 작하였 다(Fig.
Y 스캐너 제어 기술이다. 본 연구에서는 레이저 및 스캐너 광학계를 정밀 제어 할 수 있는 컨트롤 보드를 자체 개발하여 핵심 기술의 국산화를 도모하였다. 500kHz 까지 레이 저 모듈레 이 션 발진 신호를 정 밀하게 발생시킬 수 있으며 스캐너를 정밀하고 고속으로 제어할 수 있도록 동작 클럭 20MHz 의 레이저 발진 및 스캐너 제어보드를 개발하였으며 향후 레이저 드릴 장비의 고속화를 추구하기 위하여 XY 스캐너 4쌍을 한 번에 제어할 수 있도록 4 빔 지원의 스캐너를 개발하여 레이저 발진 안정화 및 스캐너 위치 정밀도 확보하였다.

제안 방법

본 연구에서는 레이저 및 스캐너 광학계를 정밀 제어 할 수 있는 컨트롤 보드를 자체 개발하여 핵심 기술의 국산화를 도모하였다. 500kHz 까지 레이 저 모듈레 이 션 발진 신호를 정 밀하게 발생시킬 수 있으며 스캐너를 정밀하고 고속으로 제어할 수 있도록 동작 클럭 20MHz 의 레이저 발진 및 스캐너 제어보드를 개발하였으며 향후 레이저 드릴 장비의 고속화를 추구하기 위하여 XY 스캐너 4쌍을 한 번에 제어할 수 있도록 4 빔 지원의 스캐너를 개발하여 레이저 발진 안정화 및 스캐너 위치 정밀도 확보하였다. 개발된 레이저 및 스캐너 제어 보드의 사양은 다음 Fig.
Percussion 및 trepan, spiral 방식의 드릴링 가공을 지원하는 구동소프트웨어를 사용하고 비전을 이용 하여 기판 축 교정 및 가공탐색이 가능하도록 하였다. 또한 비전을 이용하여 스캐너의 위치 왜곡 오차를 ±20μm 미만으로 보정할 수 있었다.
드릴 장비의 표준 형식인 excellon data 를 사용하여 가공 할 수 있도록 되어 있으며, 40μm 미만의 직경 홀에 대해서는 percussion 방식을 사용하고 40pim 이상의 홀에 대해서는 spiral 및 trepan 방식의 가공이 될 수 있도록 하였으며, 나선형 방정식을 사용한 spiral 가공 데이터를 생성할 수 있도록 제작하였다. X/Y/Z/Rotational chuck 의 4 죽을 제어할 수 있도록 하였으며 두 점을 즉정하여 웨이퍼 수직 위치 보상이 가능하도록 하였다.
가공 시 발생하는 기판의 열적 변형에 의한 홀의 진원도 불량문제를 해결하기 위해 기판을 전기적으로 냉각시키는 냉각 척 (cooling chuck)을 사용하였으며 (Fig. 7), 가공 소프트웨어 알고리즘을 최적화하여 인접한 홀에 열적손상이 최소화되도록 가공 순서를 조절하는 방식을 구현하였다(Fig. 8).
또한 비전을 이용하여 스캐너의 위치 왜곡 오차를 ±20μm 미만으로 보정할 수 있었다. 가공된 홀을 측정하기 위하여 2 인치 사파이 어 웨이퍼의 표면을 12 개 영역으로 분할하여 각 영역에서 9 개의 홀을 3차원 비접촉 현미경을 사용하여 홀의 정확도를 측정하였다. 측정된 흘 직경은 수직 방향 30.
가공영역 50mm 영역에 대해서는 스캐너 광학계를 사용하도록 되어있으며 50mm 영역을 넘어가는 data 에 대해서는 XY 스테이지를 이동하여 가공이 되도록 S/W 를 제작하였다. 관측면적 4mm x 3mm, 분해능 2.
되도록 S/W 를 제작하였다. 관측면적 4mm x 3mm, 분해능 2.8nm 의 광역 카메라와 관측면적 1mm X 0.8mm, 분해능 0.8pm 의 협대역 카메라를 사용하여 가공 샘플 위치 조절 및 가공물의 결과물을 확인할 수 있도록 되어 있으며 z 축 제어와 연동하여 정확한 레이저의 포커스를 얻을 수 있도록 제작되었다. 드릴 장비의 표준 형식인 excellon data 를 사용하여 가공 할 수 있도록 되어 있으며, 40μm 미만의 직경 홀에 대해서는 percussion 방식을 사용하고 40pim 이상의 홀에 대해서는 spiral 및 trepan 방식의 가공이 될 수 있도록 하였으며, 나선형 방정식을 사용한 spiral 가공 데이터를 생성할 수 있도록 제작하였다.
8pm 의 협대역 카메라를 사용하여 가공 샘플 위치 조절 및 가공물의 결과물을 확인할 수 있도록 되어 있으며 z 축 제어와 연동하여 정확한 레이저의 포커스를 얻을 수 있도록 제작되었다. 드릴 장비의 표준 형식인 excellon data 를 사용하여 가공 할 수 있도록 되어 있으며, 40μm 미만의 직경 홀에 대해서는 percussion 방식을 사용하고 40pim 이상의 홀에 대해서는 spiral 및 trepan 방식의 가공이 될 수 있도록 하였으며, 나선형 방정식을 사용한 spiral 가공 데이터를 생성할 수 있도록 제작하였다. X/Y/Z/Rotational chuck 의 4 죽을 제어할 수 있도록 하였으며 두 점을 즉정하여 웨이퍼 수직 위치 보상이 가능하도록 하였다.
레이저의 출력 및 가공 시간을 조절하면서 홀 직경 25-4 이un, 가공 깊이 100- 30um 까지를 구현하는 실험을 진행하였다. 또한 30uJ 에서 450uJ 까지 펄스에 너지를 변화시키 면서홀 직경 변화 및 펄스에너지변화에 따른 사파이어 웨이퍼의 홀 깊이 변화에 대한 실험을 진행하였으며 Fig. 10, 11 에 그래프로 나타내었다.
산업적으로 적용 가능한 직경 30nm, 깊이 100nm 이상인 홀들을 초당 30 개 가공할 수 있는 속도를 구현하였다. 또한 Nd:YVO₄ 레이저의 제 3 고조파인 355nm 파장의 레이저를 사용하여 반도체 멀티칩(multi-chip) 패키징 공정 중 TSV(Through Silicon Viahole) 공정에서 홀 직경 별 가공속도를 측정하였으며, 직경 15pm, 깊이 150)im 의 홀을 초당 100 홀 가공할 수 있는 시스템을 개발하였다.
레이저의 광학적 특성을 연구하고 비전, 스테이지, 스캐너를 사용하여 정밀한 드릴링 공정이 가능하도록 장비를 제작하여 사파이어 웨이퍼는 위치 오차 ±20|μm, 직경 30μm, 깊이 100μm 이상의 홀을 초당 30 홀의 가공속도가 되도록 구현하였으며, 실리콘 웨이퍼는 위치오차 ±10μm, 직경 15em, 깊이 150pm 이상의 홀을 초당 100 홀의 가공속도가 되도록 구현하였다. 개발된 사파이어/실리콘웨이퍼 드릴링 장비 기술을 적용하면 LED 산업, 솔라셀 드릴링/스크라이빙, 반도체용 실리콘 웨이퍼 드릴링/dicing 분야에 적용이 가능하다.
측정하였다. 레이저의 발수가 400 발 일때 가공 깊이는 100μm 정도였으며 800 발에서는 160μm, 1200 발에서는 260μm 의 가공 깊이에 대한 연구를 수행하였다. Fig.
사용하고. 레이저의 출력 및 가공 시간을 조절하면서 홀 직경 25-4 이un, 가공 깊이 100- 30um 까지를 구현하는 실험을 진행하였다. 또한 30uJ 에서 450uJ 까지 펄스에 너지를 변화시키 면서홀 직경 변화 및 펄스에너지변화에 따른 사파이어 웨이퍼의 홀 깊이 변화에 대한 실험을 진행하였으며 Fig.
비전검사장치 및 Z 축 자동 초점 조절 장치는 가공 전후의 가공물 상태 검사를 위한 비전검사 장치(홀 미세관측용 고해상도 카메라 (관측면적 1mm x0.8mm, 해상도 0.8|im, 픽셀 1392x1040), 가공물 거시 관측용 저해상도 카메라(관측면적 4mmx3mm, 해상도 3.5pm, 픽셀 1392x1040), 대물렌즈키트), 항상 최적초점을 유지하기 위한 자동초점 조절프로그램(명암비 방식 또는 높이피드백방식), 가공하는 동안에 일정한 높이 유지를 위한 높이 감지 센서(해상도 ±100nm, 레이저간섭 위상차 방식 변위센서) 로 구성된다. 사파이어 웨이퍼 및 실리콘 웨이퍼 드릴링 작업을 위해 웨이퍼 드릴러 1 호기(Model: WD09F1)를 개 발/제작하였다(Fig.
사파이어 웨이퍼 드릴링 가공 특성을 연구하기 위해 레이저의 가공 발수에 따른 가공 깊이 변화를 측정하였다. 레이저의 발수가 400 발 일때 가공 깊이는 100μm 정도였으며 800 발에서는 160μm, 1200 발에서는 260μm 의 가공 깊이에 대한 연구를 수행하였다.
5pm, 픽셀 1392x1040), 대물렌즈키트), 항상 최적초점을 유지하기 위한 자동초점 조절프로그램(명암비 방식 또는 높이피드백방식), 가공하는 동안에 일정한 높이 유지를 위한 높이 감지 센서(해상도 ±100nm, 레이저간섭 위상차 방식 변위센서) 로 구성된다. 사파이어 웨이퍼 및 실리콘 웨이퍼 드릴링 작업을 위해 웨이퍼 드릴러 1 호기(Model: WD09F1)를 개 발/제작하였다(Fig. 3 참조).
진행하였다. 산업적으로 적용 가능한 직경 30nm, 깊이 100nm 이상인 홀들을 초당 30 개 가공할 수 있는 속도를 구현하였다. 또한 Nd:YVO₄ 레이저의 제 3 고조파인 355nm 파장의 레이저를 사용하여 반도체 멀티칩(multi-chip) 패키징 공정 중 TSV(Through Silicon Viahole) 공정에서 홀 직경 별 가공속도를 측정하였으며, 직경 15pm, 깊이 150)im 의 홀을 초당 100 홀 가공할 수 있는 시스템을 개발하였다.
. 실리콘 가공 깊이는 드릴의 가공 피치를 조밀하게 하고 가공 후 mechanical saw 를 사용하여 절단 시켜서 단면을 관찰하였으며, 다음 사진과 같이 측정되었다. 가공 홀의 직경 이 15iim 정도로 매우 작기 때문에 단면 절단 시 가공 홀 주변으로 crack 이 발생한 거처럼 보이나 실제로는 percussion 방식으로 홀 가공이 이루어 졌기 때문에 매우 매끄럽게 가공 면이 형성되었다.
실리콘 웨이퍼의 경우에는 가공 홀 직경에 따른 가공 속도 변화를 관찰하기 위해서 15μm 홀의 경우에는 percussion 방식을 사용하고 40)j, m, lOOfim, 200em 의 경우에는 spiral 방식을 사용하여 원하는 직경을 만들어서 직경에 따른 가공 속도 변화를 측정하였으며 결과는 Fig. 13-15 와 같다.
제 작된 장비 는 600 mm x 600 mm 크기의 XY 스테이지를 사용하여 웨이퍼의 위치이동을 구현하였으며, 비전시스템을 사용한 위치 보정 프로그램을 사용하여 ±10μm 의 스캐너 위치 정밀도를 구현하였다. 제작된 장비 스테이지의 위치 홀 위치 정밀도는 laser interferometer 즉정 하여 X 죽 ±8.
펄스 에너지, 반복주파수, 가공발수를 변화시킬 때 가공특성 및 홀 직경과 가공 깊이 변화를 조사함으로써 최적의 가공 조건 및 특성을 파악하는 실험을 진행하였다. 산업적으로 적용 가능한 직경 30nm, 깊이 100nm 이상인 홀들을 초당 30 개 가공할 수 있는 속도를 구현하였다.
펄스당 에너지에 따른 펄스당 가공 깊이 변화를 관찰하기 위해서 펄스 에너지를 변화시키면서 가공 깊이를 측정하는 실험을 하였으며 Fig. 11 의 그래프에서 그 결과를 보여주고 있다. 펄스당 에너지가 1OO|1J 에서는 홀 직경이 27μm, 펄스당 가공 깊이는 0.

대상 데이터

LED 소자의 기판으로 사용되는 직경 2 인치, 두께 430μm 인 사파이어 웨이퍼의 상하부의 전기적 소통을 위한 홀 가공용으로 532nm 파장의 레이저를 사용하고. 레이저의 출력 및 가공 시간을 조절하면서 홀 직경 25-4 이un, 가공 깊이 100- 30um 까지를 구현하는 실험을 진행하였다.
가공 된 실리콘 웨이퍼는 Olympus 사 STM- 6/1000x 마이크로 스코프를 사용하여 측정하였다 . 실리콘 가공 깊이는 드릴의 가공 피치를 조밀하게 하고 가공 후 mechanical saw 를 사용하여 절단 시켜서 단면을 관찰하였으며, 다음 사진과 같이 측정되었다.
레이저 및 광학부의 구성은 광원발생장치인 레이저(532nm: 평균출력 20W, 펄스 폭 6ns, 펄스 반복률 20-40kHz, M2 2, 빔 직경 5mm, 빔확산각 0.18mrad, 파워 안정성 99%; 가변 빔확대 장치 : 2-8 배, 입사 빔 직경 최대 8mm, 출사빔 직경 최대 31mm; 빔 평탄화 장치(Homogenizer, 필요 시 선택적으로 사용; 레이저 빔의 XY 위치 이동을 위한 XY 스캐너: 입사 빔 직경 15mm)로 구성된다(Fig. 1, 2 참조).
실리콘 웨이퍼의 경우는 직경 8 인치, 두께 150pm 웨이퍼를 사용하여 실험하였으며, 웨이퍼를 4 부분으로 나누고 각 영역에서 3 X 3 으로 9 개로 총 36 개의 홀을 측정하였으며 이때 수평 방향 평균 14.55μm, 수직 방향 평균 13.777μm 로 측정 되었으며, 흘 직경 평균은 14.168μm, 진원도 95%로 측정되었으며, 레이저 펄스당 fluence 는 60J/cm² 에서 가공 깊이는 15(Him 으로 초당 100 홀 가공성을 얻었다.

성능/효과

제작된 장비 스테이지의 위치 홀 위치 정밀도는 laser interferometer 즉정 하여 X 죽 ±8.964p, m, Y 축 ±5.375μm; 진직도는 X 죽 ±1.25|_im, Y 죽 ±l.lp, m; 평탄도는 X 죽 ±4.977μm, Y 죽 ±1.187um; 반복 정 밀도는 X축 ±0.22μm, Y 축 ±0.3μm 로 측정되었다.
가공된 홀을 측정하기 위하여 2 인치 사파이 어 웨이퍼의 표면을 12 개 영역으로 분할하여 각 영역에서 9 개의 홀을 3차원 비접촉 현미경을 사용하여 홀의 정확도를 측정하였다. 측정된 흘 직경은 수직 방향 30.080nm, 수평방향 30.92%im, 평균 직경 30.505nm 로 측정되었으며, 평균 진원도는 97%로측정되 었다(Fig. 9 참조).

후속연구

되도록 구현하였다. 개발된 사파이어/실리콘웨이퍼 드릴링 장비 기술을 적용하면 LED 산업, 솔라셀 드릴링/스크라이빙, 반도체용 실리콘 웨이퍼 드릴링/dicing 분야에 적용이 가능하다.
큰 역할을 담당하게 된다. 또한 기술 개발 진행에 따라 레이저 응용 장비의 확대를 가져올 것이다. 즉 개발 후에는 기술응용을 통하여 Laser Cleaning, Laser Repair, Laser 3D inspection, Laser Lithography 및 새로운 LED 개발, 3D stacking chip 접합 등 다양한 응용장비에 적용이 가능하다.
또한 기술 개발 진행에 따라 레이저 응용 장비의 확대를 가져올 것이다. 즉 개발 후에는 기술응용을 통하여 Laser Cleaning, Laser Repair, Laser 3D inspection, Laser Lithography 및 새로운 LED 개발, 3D stacking chip 접합 등 다양한 응용장비에 적용이 가능하다.

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