[논문]LED 칩 제조용 사파이어 웨이퍼 절단을 위한 내부 레이저 스크라이빙 시스템 개발

김종수; 유병소; 김기범; 송기혁; 김병찬; 조명우

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.6.104

[국내논문] LED 칩 제조용 사파이어 웨이퍼 절단을 위한 내부 레이저 스크라이빙 시스템 개발
Development of Internal Laser Scribing System for Cutting of Sapphire Wafer in LED Chip Fabrication Processes 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.14 no.6, 2015년, pp.104 - 110

김종수 ((주)QMC) , 유병소 ((주)QMC) , 김기범 (인하대학교 기계공학과) , 송기혁 (인하대학교 기계공학과) , 김병찬 (인하대학교 기계공학과) , 조명우 (인하대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

LED has added value as a lighting source in the illuminating industry because of its high efficiency and low power consumption. In LED production processes, the chip cutting process, which mainly uses a scribing process with a laser has an effect on quality and productivity of LED. This scribing process causes problems like heat deformation, decreasing strength. The inner laser method, which makes a void in wafer and induces self-cracking, can overcome these problems. In this paper, cutting sapphire wafer for fabricating LED chip using the inner laser scribing process is proposed and evaluated. The aim is to settle basic experiment conditions, determine parameters of cutting, and analyze the characteristics of cutting by means of experimentation.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 InGaN이 증착된 사파이어 웨이퍼에 대한 내부 레이저 스크라이빙 장치를 설계하였고, 이를 위한 광학 시스템, 정밀 이송 시스템 및 측정 시스템을 구축하였다. 최종적으로 사파이어 웨이퍼의 내부 레이저 스크라이빙 실험을 통하여 개발된 시스템의 LED 칩 절단 적용 가능성을 검토하고자 한다.
본 실험은 사파이어 웨이퍼에 레이저 빔을 조사하고, 초점 위치를 변경하여 가공 후, 전이된 균열 방향을 측정하여, 웨이퍼에서 균열의 수직, 수평방향의 위치편차를 측정하여, 내부 가공 시 정밀한 균열 방향성을 제어 방법에 대해 분석하고자 실험을 진행하였다.
본 연구는 InGaN이 증착된 사파이어 웨이퍼의 절단을 위한 내부 레이저 스크라이빙 시스템 구축 및 가공에 대한 연구로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 InGaN이 증착된 사파이어 웨이퍼에 대한 내부 레이저 스크라이빙 장치를 설계하였고, 이를 위한 광학 시스템, 정밀 이송 시스템 및 측정 시스템을 구축하였다. 최종적으로 사파이어 웨이퍼의 내부 레이저 스크라이빙 실험을 통하여 개발된 시스템의 LED 칩 절단 적용 가능성을 검토하고자 한다.
이러한 내부 레이저 스크라이빙 시스템을 구축하기 위해 사파이어 웨이퍼의 공급 장치, 정밀 가공을 위한 정밀 이송 장치, 위치 보정 및 가공 방향을 선정을 위한 비전 시스템, 내부 레이저 가공을 위한 레이저 및 광학계를 이용하여 Fig. 1과 같이 시스템을 구축하였다.
최종적으로 빔의 스폿 크기를 감소시켜 공극이 생성되는 부분에 에너지를 집중시키기 위해 x50 배율의 대물렌즈를 장착하여 Fig. 2와 Table 1과 같이 광학 시스템을 구축하였다.
사파이어 웨이퍼의 투과율은 두께 85µm에서 InGaN 층이 6µm로 증착 시 스크라이빙 시 광원의 파장인 1010nm~2000nm에서 87~88%로 나타났다. 사파이어 웨이퍼의 투과율을 고려하여 레이저 광원은 1064nm 파장을 가지는 피코초 레이저를 사용하였고 Expander를 장착하여 레이저 빔을 확대한 후 실린더 렌즈를 이용하여 스크라이빙 방향으로 장축을 가지는 타원 형태의 빔을 형성시켰다. 이 때 빔의 경로는 1~3차 반사경을 통해 제어하였고 빔의 경로상의 손실을 감소시키기 위해 광학계별로 투과율 및 반사율을 측정한 뒤 이를 향상시키기 위해 코팅 처리를 하였다.
사파이어 웨이퍼의 투과율을 고려하여 레이저 광원은 1064nm 파장을 가지는 피코초 레이저를 사용하였고 Expander를 장착하여 레이저 빔을 확대한 후 실린더 렌즈를 이용하여 스크라이빙 방향으로 장축을 가지는 타원 형태의 빔을 형성시켰다. 이 때 빔의 경로는 1~3차 반사경을 통해 제어하였고 빔의 경로상의 손실을 감소시키기 위해 광학계별로 투과율 및 반사율을 측정한 뒤 이를 향상시키기 위해 코팅 처리를 하였다. 최종적으로 빔의 스폿 크기를 감소시켜 공극이 생성되는 부분에 에너지를 집중시키기 위해 x50 배율의 대물렌즈를 장착하여 Fig.
3과 같이 X-축, Y-축, θ-축으로 구성되어, 내부 레이저 스크라이빙에 필요한 정밀 위치보정 및 가공이 가능한 형태로 구성된다. 본 연구에서는 레이저 가공을 위한 초점 위치 이동에 필요한 Z-축 이송계의 구성을 광학 부품에 구성하여 대물렌즈와 결합되어 이동하는 구조로 시스템을 구성하였다.
따라서 조명의 균일도를 유지하기 위한 방법으로 균일화 알고리즘을 적용하였다. Fig. 3와 같이 원본 이미지와 조명의 명암 영역을 구분하여 이미지 처리 후, 검출 이미지를 재생성하여 영상을 분석하였다.
균열의 전이 각도에 대한 측정은 사파이어 웨이퍼 표면을 기준으로 깊이가 63~79 µm지점에서의 전이된 균열과 이루는 각을 확인하였다.
본 연구에서는 기 설정된 에너지 밴드 갭 (Energy Band Gap) 범위 중에서 에너지 밀도가 0.44J/cm² ~ 11.12J/cm²인 범위를 가지는 레이저 출력인 0.4W ~ 0.7W를 설정하여 출력 변화에 따른 절단면의 상태변화를 실험하였다. 가공 조건은 Table 2와 같다.
본 실험의 가공 조건은 레이저 출력을 0.35W, 반복률 100khz, 스테이지 이동속도 480mm/sec으로 설정하고 실험하였다. 균열의 전이 각도에 대한 측정은 사파이어 웨이퍼 표면을 기준으로 깊이가 63~79 µm지점에서의 전이된 균열과 이루는 각을 확인하였다.
본 실험에서는 초점 위치를 사파이어 웨이퍼 표면을 기준으로 30 ~ 80µm 까지 10µm 단위로 변경하고, 동일한 가공 조건인 레이저 출력을 0.35W, 반복률 100khz, 스테이지 이동속도 480mm/sec으로 설정하고 실험을 실시하였다.
1) 내부 레이저 스크라이빙 공정을 위해 사파이어 웨이퍼의 공급 장치, 정밀 가공을 위한 정밀 이송 장치, 위치 보정 및 가공 방향을 선정을 위한 비전 시스템, 내부 레이저 가공을 위한 레이저 및 광학계를 이용하여 시스템을 구축하였고, 이에 대한 기초 실험을 진행하였다.
위 실험 결과를 토대로 LED 공정에 사용되고 있는 사파이어 웨이퍼에 대한 내부 레이저 스크라이빙 공정의 적용 가능성을 검토할 수 있었으며 제작된 시스템의 유효성에 대해 확인하였다.

대상 데이터

가공 재료의 경우 두께 140µm이고 칩 크기가 600×260µm으로 다이 간 거리를 30µm으로 기준을 설정하고 실험을 진행 하였다.

이론/모형

경계 검출의 문제는 상부 조명과 하부 조명간의 균일도 문제로 인해 해당 현상이 발생한다. 따라서 조명의 균일도를 유지하기 위한 방법으로 균일화 알고리즘을 적용하였다. Fig.

성능/효과

3은 생성된 균열의 전이 각을 측정한 결과로 초점이 평균 67.4µm인 지점을 기준으로 레이저 가공에 의해 생성된 공극으로 인하여 전이된 균열은 수직방향으로 평균 6µm 가공이 진행되고, 수평방향으로 평균 4.07µm이 진행된 것을 확인할 수 있었다.
또한 사파이어 웨이퍼 두께가 140µm임에도 불구하고 펄스 에너지가 5.0uJ이상인 경우, 균열의 전이가 하부까지 전달되어 InGaN에 물리적인 손상을 줄 수 있다는 것을 확인하였다.
4) 레이저 침투에 대한 InGaN층의 안정성 실험 결과, 초점 50µm 이상의 조건에서 가공할 경우, Breaking Shift가 3µm이하로 진행되는 것을 확인할 수 있었고 균열 전이에 따른 InGaN의 물리적인 손상을 최소화할 수 있었다.
3) 스크라이빙 공정 시 사파이어 웨이퍼에서 나타나는 균열 전이 각을 측정한 결과, 초점이 평균 67.4µm인 지점을 기준으로 레이저 가공에 의해 생성된 공극으로 인하여 전이된 균열은 수직방향으로 평균 6µm 가공이 진행되고, 수평방향으로 평균 4.07µm이 진행된 것을 확인할 수 있었다.
실험결과 초점 50µm 이상의 조건에서 가공할 경우, Breaking Shift가 3µm이하로 진행되는 것을 확인할 수 있었다.
실험결과 초점 50µm 이상의 조건에서 가공할 경우, Breaking Shift가 3µm이하로 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험을 통하여 균열 전이에 따른 InGaN의 물리적인 손상을 최소화하고, 절단 너비를 확보할 수 있는 초점과 Crack Shift 량을 확인할 수 있었다.
2) 레이저 출력에 따른 절단면의 변화 실험을 통해 펄스 에너지가 높을수록 절단면이 고르지 못하기 때문에 내부가공 진행시 출력 설정에 따른 Kerf Width 문제로 인해 다이간의 간격 불균형과칩 손상이 문제될 수 있다는 것을 파악할 수 있었고, 최적의 레이저 출력을 0.35W로 설정하였다.

후속연구

사파이어 웨이퍼의 가공 시 레이저 출력의 설정은 가공 절단면 가공에 영향을 주는 주요 공정 인자이며, 또한 미세 균열 유도를 진행하기 위한 기본 요소이다. 특히 레이저 출력에 따라, 균열이 유도되는 방향이 수직방향으로 또는 사파이어의 결정방향으로 진행되기 때문에 InGaN에 물리적인 손상과 Kerf width 제어 시 문제를 야기할 수 있어 기초 실험에 의한 경향성 분석이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED의 장점은 무엇인가?	LED(Light Emitting Diode)는 높은 수명 및 낮은 소비 전력에 따른 에너지 절감, 색 온도 조절, 빠른 응답 속도, 친환경적 특성, 소형화 및 경량화 등의 장점으로 인해 휴대 전화의 스위치, LED TV용 BLU(Back Light Unit)등에 사용되고 있으며 조명분야로 적용범위가 확대되면서 매년 사용량이 증가되고 있다.[8]
	칩의 제작 공정 중 스크라이빙 공정은 어떤 공정인가?	LED 제작 공정은 크게 InGaN(Indiµm Galliµm Nitride)을 성장시키는 EPI 공정, 칩 제작 공정, 패키징(Packaging) 공정 및 모듈화 공정으로 구분된다. 칩의 제작 공정 중 스크라이빙(Scribing) 공정은 칩을 절단하기 위한 공정으로 칩의 특성과 생산량을 결정짓는 중요한 공정이다[1]. 특히 스크라이빙 가공 시 발생되는 IR(Reverse current), Double chip, Meandering, Chipping등의 불량은 LED 칩의 생산 수율을 저하시키고, 공정의 최적화 및 정량화를 어렵게 만드는 요소로 작용한다.
	기존의 스크라이빙 공정은 각각 어떤 문제점이 있는가?	스크라이빙은 가공 방식에 따라 다이아몬드가 코팅된 날을 이용하여 웨이퍼를 절단·분리하는 기계적 다이싱(Mechanical blade dicing), 웨이퍼 표면에 레이저를 조사하여 초점 부위를 미세 삭마하여 가공하는 레이저 어블레이션(Laser ablation scribing), 웨이퍼 내부에 공극 형성에 따른 자가 균열(Crack)을 유도하는 내부 레이저 스크라이빙 (Internal laser scribing)으로 분류된다[2]. 그중 기계적 다이싱 공정은 가공 시 발생하는 칩의 분진과 냉각수의 혼합 오염 유체로 인해 웨이퍼 표면에 미세 균열이 발생하는 문제를 가지고 있고, 레이저 어블레이션 공정은 재료의 투과율과 흡수율에 따라 가공 조건이 달라지며 가공 중 발생되는 잔해, 열 변형문제, 열원에 의한 칩의 강도 저하와 절단영역 폭이 제한적인 문제점이 있다[2,3].

참고문헌 (9)

Ohmura, E., Kumagai, M., Nakano, M., Kuno, K., Fukumitsu, K. and Morita, H., "Analysis of Processing Mechanism in Stealth Dicing of Ultra Thin Silicon Wafer," J. Adv. Mech. Des. Syst. Manuf., Vol. 2, No. 4. pp. 540-549, 2008.

상세보기
Fukuyo, F., Fukumitsu, K. and Uchiyama, N., "Stealth Dicing Technology and Applications," Proc. 6th Int. Symp. Laser Precision Microfabrication, pp. 1-7, 2005.
Rezaei, S., "Burs-Train Generation for Femtosecond Laser Filamentation-driven micromachining," A Thesis for a Doctorate, University of Toronto, Canada, 2011.
Monodane, T., Ohmura, E., Fukuyo, F., Fukuitsu, K., Morita, H. and Hirata, Y., "Thermo-Elastic-Plastic Analysis on Internal Processing Phenomena of Single-Crystal Silicon by Nanosecond Laser," J. Laser Micro/Nanoengineering, Vol. 1, No. 3, pp. 231-235, 2006.

상세보기
Ohmura, E., Kawahito, Y., Fukumitsu, K., Okuma, J. and Morita, H., "Analysis of Internal Crack Propagation in Silicon Due to Permeable Pulse Laser Irradiation: Study on Processing Mechanism of Stealth Dicing," J. Mater. Sci. Eng., pp. 46-52, 2011.
Karnakis, D., Illy, E. K., Knowles, M. R. H., Gu, E. and Dawson, M. D., "High Throughput Scribing for the Manufacture of LED Components," Integrated. Optoelectronics. Devices, pp. 207-211, 2004.
Choi, J., Bernathm, R., Ramme, M. and Richardson, M., "Increase of Ablation Rate using Burst Mode Femtosecond Pulses," Conf. Lasers and Electro-Optics p. JThD101, 2007.
Kim, B. C., "System Calibration Method for Silicon Wafer Warpage Measurement" J. Korean Soc. Manuf. Process Eng., Vol. 13, No. 6, pp. 139-144, 2014.
Hwang. J. H., Kwak. T. S., Lee. D. W., Jung. M. W. and Lee S. M., "A Study on the ELID Grinding Properties of Single Crystal Sapphire Wafer using Ultrasonic Table", J. Soc. Manuf. Process Eng., Vol. 12, No. 4, pp. 75-80, 2013.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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