레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off: LLO)는 수직형 LED 제조를 위하여 GaN 또는 AlN박막을 사파이어 웨어퍼로부터 레이저를 이용하여 제거하는 공정으로 광원, 레이저의 출력 파워를 조절해주는 감쇠기, 빔의 형태를 잡아주는 빔 성형 광학계, 원하는 빔 사이즈를 만들어 주고 빔을 균일하게 섞어주는 빔 균일 광학계, 기판에 투사 이전에 빔을 한번 잘라주는 조리개 부분과 마스크 단에서 잘린 빔을 기판에 투사해주는 투사렌즈 부분으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 LLO 시스템을 구성하고 있는 광학계 중 감쇠기와 투사렌즈 부분의 설계 및 분석을 진행하였다. 투사렌즈의 $7{\times}7mm^2$ 빔 사이즈 구현을 위하여 광학 설계 프로그램인 지맥스를 통해 설계 및 초점심도를 분석하였으며, 조명 설계 프로그램인 라이트 툴을 사용하여 빔 사이즈 및 균일도를 분석하였다. 성능 분석 결과 사각형 빔의 크기 $6.97{\times}6.96mm^2$, 균일도 91.8%, 초점심도 ${\pm}30{\mu}m$를 확인하였다. 또한 고출력의 엑시머레이저의 빔 강도를 감쇠시키기 위한 장치인 감쇠기의 투과율을 높이기 위하여 에센설 맥클라우드 코팅 프로그램을 사용하여 유전체 코팅을 실시한 결과 총 23층의 박막과 s 편광의 입사각도 $45{\sim}60^{\circ}$에서 10-95%의 투과율을 확인 할 수 있었다.
레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off: LLO)는 수직형 LED 제조를 위하여 GaN 또는 AlN 박막을 사파이어 웨어퍼로부터 레이저를 이용하여 제거하는 공정으로 광원, 레이저의 출력 파워를 조절해주는 감쇠기, 빔의 형태를 잡아주는 빔 성형 광학계, 원하는 빔 사이즈를 만들어 주고 빔을 균일하게 섞어주는 빔 균일 광학계, 기판에 투사 이전에 빔을 한번 잘라주는 조리개 부분과 마스크 단에서 잘린 빔을 기판에 투사해주는 투사렌즈 부분으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 LLO 시스템을 구성하고 있는 광학계 중 감쇠기와 투사렌즈 부분의 설계 및 분석을 진행하였다. 투사렌즈의 $7{\times}7mm^2$ 빔 사이즈 구현을 위하여 광학 설계 프로그램인 지맥스를 통해 설계 및 초점심도를 분석하였으며, 조명 설계 프로그램인 라이트 툴을 사용하여 빔 사이즈 및 균일도를 분석하였다. 성능 분석 결과 사각형 빔의 크기 $6.97{\times}6.96mm^2$, 균일도 91.8%, 초점심도 ${\pm}30{\mu}m$를 확인하였다. 또한 고출력의 엑시머레이저의 빔 강도를 감쇠시키기 위한 장치인 감쇠기의 투과율을 높이기 위하여 에센설 맥클라우드 코팅 프로그램을 사용하여 유전체 코팅을 실시한 결과 총 23층의 박막과 s 편광의 입사각도 $45{\sim}60^{\circ}$에서 10-95%의 투과율을 확인 할 수 있었다.
Laser Lift-Off (LLO) is a process that removes a GaN or AIN thin layer from a sapphire wafer to manufacture vertical-type LEDs. It consists of a light source, an attenuator, a mask, a projection lens and a beam homogenizer. In this paper, we design an attenuator and a projection lens. We use the 'ZE...
Laser Lift-Off (LLO) is a process that removes a GaN or AIN thin layer from a sapphire wafer to manufacture vertical-type LEDs. It consists of a light source, an attenuator, a mask, a projection lens and a beam homogenizer. In this paper, we design an attenuator and a projection lens. We use the 'ZEMAX' optical design software for analysis of depth of focus and for a projection lens design which makes $7{\times}7mm^2$ beam size by projecting a beam on a wafer. Using the 'LightTools' lighting design software, we analyze the size and uniformity of the beam projected by the projection lens on the wafer. The performance analysis found that the size of the square-shaped beam is $6.97{\times}6.96mm^2$, with 91.8 % uniformity and ${\pm}30{\mu}m$ focus depth. In addition, this study performs dielectric coating using the 'Essential Macleod' to increase the transmittance of an attenuator. As a result, for 23 layers of thin films, the transmittance total has 10-96% at angle of incidence $45-60^{\circ}$ in S-polarization.
Laser Lift-Off (LLO) is a process that removes a GaN or AIN thin layer from a sapphire wafer to manufacture vertical-type LEDs. It consists of a light source, an attenuator, a mask, a projection lens and a beam homogenizer. In this paper, we design an attenuator and a projection lens. We use the 'ZEMAX' optical design software for analysis of depth of focus and for a projection lens design which makes $7{\times}7mm^2$ beam size by projecting a beam on a wafer. Using the 'LightTools' lighting design software, we analyze the size and uniformity of the beam projected by the projection lens on the wafer. The performance analysis found that the size of the square-shaped beam is $6.97{\times}6.96mm^2$, with 91.8 % uniformity and ${\pm}30{\mu}m$ focus depth. In addition, this study performs dielectric coating using the 'Essential Macleod' to increase the transmittance of an attenuator. As a result, for 23 layers of thin films, the transmittance total has 10-96% at angle of incidence $45-60^{\circ}$ in S-polarization.
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문제 정의
본 논문에서는 엑시머 레이저를 이용한 LLO 시스템에서 고출력의 엑시머 레이저의 빔 강도를 감쇠시키기 위한 장치인 감쇠기와 빔을 기판에 투사시켜주는 역할을 하는 투사렌즈의 설계를 진행하였다. 또한 설계된 투사렌즈를 라이트 툴프로그램을 사용하여 flat-top 형태 및 사이즈, 균일도 등을 분석하였으며, 광학 정렬 오차를 위한 초점심도도 진행하였다.
[2] 엑시머 레이저는 정밀 가공 및 이중 접합체의 분리와 다양한 물질 가공을 위한 용도로 사용 되고 최근에는 빔의 안전성과 출력이 향상되어 반도체 물질을 가공하는 공정, 특히 소자 형성을 하기 위해 웨이퍼 기판 위에 박막을 분리하는 공정(LLO)으로 사용범위가 넓어지고 있다. 본 연구에서는 LLO 공정에서 기판에 원하는 빔 사이즈를 투사하기 위한 투사렌즈와 그에 따른 초점심도, 고출력 레이저인 엑시머 레이저의 빔 투과율을 조절하기 위한 감쇠기의 연구를 진행하였다.[3]
제안 방법
기존의 장비보다 더 큰 투과율의 범위를 가질 수 있거나, 투과율 변화 폭이 적은 감쇠기 설계를 위하여 광학 코팅 프로그램인 에센설맥클라우드를 이용하여 코팅 설계를 진행하였다. 감쇠기의 투과율 변화는 감쇠판의 코팅으로 조절이가능함에 따라 감쇠판의 유전체 코팅을 진행하였다. 고출력의 엑시머 레이저로부터 감쇠판을 보호하기 위하여 판의 재질은 LLO 장비에 들어가는 렌즈의 재질과 같은 Fused_Silica (n=1.
고출력의 레이저의 빔 세기를 조절하기 위하여 에센설 맥클라우드 프로그램을 이용하여 감쇠기의 코팅설계를 진행하 였다. 기존에 사용하고 있는 장비는 유전체 타입으로 코팅된 두 개의 판을 이용하여 빛의 반사, 투과, 흡수를 이용하여 빛의 세기를 조절하는 장비이다.
기존의 장비보다 더 큰 투과율의 범위를 가질 수 있거나, 투과율 변화 폭이 적은 감쇠기 설계를 위하여 광학 코팅 프로그램인 에센설맥클라우드를 이용하여 코팅 설계를 진행하였다. 감쇠기의 투과율 변화는 감쇠판의 코팅으로 조절이가능함에 따라 감쇠판의 유전체 코팅을 진행하였다.
이 레이저는 248 nm의 파장대를 가지는 펄스 레이저로 1×3mrad2 의발산각과 10×24 mm2 의 사이즈를 가지고 있다. 라이트툴 프로그램을 사용하여 모델링을 실시하였으며, 빔 프로파일은 배광데이터를 입력하여 가우시안과 사각형 형태가 조합된 분포를 가지고 있다.[1]
설계된 7×7 mm2 투사렌즈를 적용한 전체 광학계의 오정렬에 의한 성능 저하를 예측하기 위한 초점면의 이동이 허용되는 오차 범위인 초점심도의 분석을 실시하였다.
설계된 파일의 기판을 전후로 ±10 μm씩 이동시키면서 균일도와 edge spread 값의 변화를 통하여 초점심도 값을 추정하였다.
투사렌즈 설계에 앞서 시제품들의 조합을 통하여 빔 사이즈 7×7 mm2 를 구현하고자 하였으나, 시제품의 조합을 통해서 빔 사이즈는 만족하나 왜곡 등의 수차의 발생으로 용이 불가능함에 따라 광학 설계 프로그램인 지맥스를 통하여 투사렌즈의 설계를 실시하였다.
현재국내 기술의 5×5 mm2 에서 수율 향상을 위한 7×7 mm2 의 빔 사이즈를 갖는 투사렌즈를 설계해 보았다.
대상 데이터
감쇠기의 빔 세기 강도의 비교를 위하여 현재 레이저 리프트 오프 장비에서 사용하고 있는 KrF 레이저(LPXpro 210)의 모델링을진행 하였다.
감쇠기의 투과율 변화는 감쇠판의 코팅으로 조절이가능함에 따라 감쇠판의 유전체 코팅을 진행하였다. 고출력의 엑시머 레이저로부터 감쇠판을 보호하기 위하여 판의 재질은 LLO 장비에 들어가는 렌즈의 재질과 같은 Fused_Silica (n=1.458)를 사용하였으며, 감쇠판 코팅재료 또한 엑시머 레이저의 파장 248 nm 에서 사용 가능한 여러 재료 중 Na3AlF6, Al2O3,ZrO2, SiO2 를 사용하였다.[10-11] 시뮬레이션 결과 총 23층의 박막 코팅을 설계하였으며, 그래프에서 S-pol AOI 45~60°에서 투과율 10~95%을 인 할 수 있었다.
설계된 투사렌즈는 총 3장으로 구성되어 있으며, Edge spread 154.7 μm, 작동거리, 163.8 mm, 91.8% 균일도를 확인 하였다.
이 레이저는 248 nm의 파장대를 가지는 펄스 레이저로 1×3mrad2 의발산각과 10×24 mm2 의 사이즈를 가지고 있다.
데이터처리
본 논문에서는 엑시머 레이저를 이용한 LLO 시스템에서 고출력의 엑시머 레이저의 빔 강도를 감쇠시키기 위한 장치인 감쇠기와 빔을 기판에 투사시켜주는 역할을 하는 투사렌즈의 설계를 진행하였다. 또한 설계된 투사렌즈를 라이트 툴프로그램을 사용하여 flat-top 형태 및 사이즈, 균일도 등을 분석하였으며, 광학 정렬 오차를 위한 초점심도도 진행하였다.
성능/효과
시뮬레이션 결과 균일도의 값은 전반적으로 큰 변화가 없었으나, ± 30 μm 이후로 edge spread 값의 변화율이 큰 경향을 나타내었으며, 따라서 이 광학계의 초점심도는 ± 30 μm값임을 확인하였다
[10-11] 시뮬레이션 결과 총 23층의 박막 코팅을 설계하였으며, 그래프에서 S-pol AOI 45~60°에서 투과율 10~95%을 인 할 수 있었다.
광학계의 오정렬에 의한 성능 저하 요인을 고려하여 초점심도를 분석해 본 결과 초점 면이 ±30 μm까지 이동했을 때 성능에 영향을 주지 않는 것으로 분석 되었다.
설계 결과 한 장의 렌즈와 200 mm의곡률 값을 갖는 평 볼록 렌즈가 서로 마주는 형식의 총 3장의 렌즈로 구성되어 있으며, 154.7 μm의 Edge spread, 163.8 mm의 작동 거리를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
설계된 투사렌즈를 전체 광학계에 적용시켜본 결과 6.97×6.96 mm2 의 빔 사이즈를확인 할 수 있었다.
엑시머 레이저의 세기는 너무 강하므로 판의 재질은 LLO 장비에 들어가는 렌즈 재질과 같은 Fused_Silica, 코팅 물질은 248 nm에서 사용 가능한 Na 3 AlF6 , Al 2 O 3 ,ZrO2 , SiO 2 을 사용하여 설계를 실시한 결과 총 23층의 박막과 S-pol AOI 45~60°에서 10~95%를 확인할 수 있었다.
후속연구
또한 라이트툴 프로그램을 사용하여 빔 사이즈 구현 여부와 균일도를 확인한 결과 7×7 mm2 의 빔 사이즈와 91.8%의균일도를확인 할 수 있었으며, 추후 투과율 향상을 위한 렌즈의 코팅과 빔 쉐이핑을 실시할 예정이다.
또한 설계된투사렌즈를 최종 광학계에 적용시켜 6.97×6.96 mm2 의 빔 사이즈를 확인 하였고, 추후 투과율 향상을 위한 렌즈의 코팅과 빔 쉐이핑을 실시할 예정이다.
[10-11] 시뮬레이션 결과 총 23층의 박막 코팅을 설계하였으며, 그래프에서 S-pol AOI 45~60°에서 투과율 10~95%을 인 할 수 있었다. 추후 효율 향상 및 제작이 유리한 시뮬레이션을 통하여 코팅 설계의 결과 확인 및 성능 검증을 실시할 예정이다.
[10-11] 시뮬레이션 결과 총 23층의 박막 코팅을 설계하였으며, 그래프에서 S-pol AOI 45~60°에서 투과율 10~95%을 인 할 수 있었다. 추후 효율 향상 및 제작이 유리한 시뮬레이션을 통하여 코팅 설계의 결과 확인 및 성능 검증을 실시할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LLO 공정에서 레이저 빔을 정밀하게 제어하여 높은 생산성과 수율을 동시에 만족해야 하는 이유는?
GaN 버퍼층의 두께가 약 50 nm로 매우 얇기 때문에 필요 이상의 높은 에너지가 공급될 경우 LED 칩에 열적 손상이 발생할 수 있으며, 반대로 에너지가 부족할 경우 사파이어 기판의 분리가 완전히 이루어지지 않는 문제점이 발생할 수 있다.[4] 따라서 LLO 공정에서 레이저 빔을 정밀하게 제어하여 높은 생산성과 수율을 동시에 만족해야 한다.
레이저 리프트 오프란?
레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off: LLO)는 수직형 LED 제조를 위하여 GaN 또는 AlN 박막을 사파이어 웨어퍼로부터 레이저를 이용하여 제거하는 공정으로 광원, 레이저의 출력 파워를 조절해주는 감쇠기, 빔의 형태를 잡아주는 빔 성형 광학계, 원하는 빔 사이즈를 만들어 주고 빔을 균일하게 섞어주는 빔 균일 광학계, 기판에 투사 이전에 빔을 한번 잘라주는 조리개 부분과 마스크 단에서 잘린 빔을 기판에 투사해주는 투사렌즈 부분으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 LLO 시스템을 구성하고 있는 광학계 중 감쇠기와 투사렌즈 부분의 설계 및 분석을 진행하였다.
레이저 리프트 오프는 무엇으로 구성되는가?
레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off: LLO)는 수직형 LED 제조를 위하여 GaN 또는 AlN 박막을 사파이어 웨어퍼로부터 레이저를 이용하여 제거하는 공정으로 광원, 레이저의 출력 파워를 조절해주는 감쇠기, 빔의 형태를 잡아주는 빔 성형 광학계, 원하는 빔 사이즈를 만들어 주고 빔을 균일하게 섞어주는 빔 균일 광학계, 기판에 투사 이전에 빔을 한번 잘라주는 조리개 부분과 마스크 단에서 잘린 빔을 기판에 투사해주는 투사렌즈 부분으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 LLO 시스템을 구성하고 있는 광학계 중 감쇠기와 투사렌즈 부분의 설계 및 분석을 진행하였다.
참고문헌 (11)
Y. J. Kim, "Design of an excimer laser beam homogenizer for vertical LED manufacturing equipment," Kongju National University, Master's Degree (2011).
C. F. Chu and F. I. Lai, "Study of GaN light-emitting diodes fabricated by laser lift-off technique," Appl. Phys. 95, 3916 (2004).
C. L. S. Lewis, I. Weaver, and L. A. Doyle, "Use of a random phase plate as a KrF laser beam homogenizer for thin film deposition applications," SCI 70, 2116 (1999).
Z. Guoxing and D. Chunlei, "A fluctuation-intensitive diffractive optical homogenizer for excimer beam-shaping," Proc. SPIE 5636, 499-504 (2005).
Y. S. Kim, "Resolution-enhancing techniques based on the modification of source and mask, and their optimization methods in optical lithography," Inha University, Master's Degree (2010).
M. Zimmermann, "Micro lens laser beam homogenizerfrom theory to application," SPIE, Optics and Photonics 6663, 1-2 (2007).
Y. J Matsuura, D. Akiyama, and M. Miyagi, "Beam homogenizer for hollow-fiber delivery system of excimer laser light," Appl. Opt. 42, 3505-3508 (2003).
QMC, "Method of laser beam delivery system and laser lift-off," Patent 10-0724540 (2007).
P. Gregorcic, A. Babnik, and J. Mozina, "Interference effects at a dielectric plate applied as a high-power-laser attenuator," Opt. Express 18, 3871-3882 (2010).
N. Kaiser, H. Uhlig, U. B. Schallengerg, B. Anton, U. Kaiser, K. Mann, and E. Eva, "High damage threshold $Al_{2}O_{3}/SiO_{2}$ Dielectric coatings for excimer lasers," Thin Solid Films 260, 86-92 (1995).
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