[논문]LED 칩 제조용 사파이어 웨이퍼 절단을 위한 내부 레이저 스크라이빙 가공 특성 분석

송기혁; 조용규; 김병찬; 강동성; 조명우; 김종수; 유병소

doi:10.5762/kais.2015.16.9.5748

LED 칩 제조용 사파이어 웨이퍼 절단을 위한 내부 레이저 스크라이빙 가공 특성 분석
Analysis of Cutting Characteristic of the Sapphire Wafer Using a Internal Laser Scribing Process for LED Chip 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.9, 2015년, pp.5748 - 5755

송기혁 (인하대학교 기계공학과) , 조용규 (인하대학교 기계공학과) , 김병찬 (인하대학교 기계공학과) , 강동성 (인하대학교 기계공학과) , 조명우 (인하대학교 기계공학과) , 김종수 ((주)큐엠씨) , 유병소 ((주)큐엠씨)

초록
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스크라이빙 공정은 LED 칩 생성을 위한 절단 공정으로 칩의 특성 및 생산량을 결정하는 중요한 공정이다. 기존의 기계적 방식 및 레이저 방식의 스크라이빙 공정은 칩의 열 변형 및 강도 저하, 절단 영역의 제한 등의 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 웨이퍼 내부에 공극을 생성하여 자가 균열을 유도하는 내부 레이저 스크라이빙 공정이 연구되고 있으나 LED 칩 제작을 위한 사파이어 웨이퍼의 절단에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 논문은 LED 칩 제작에 사용되는 사파이어 웨이퍼의 내부 레이저 스크라이빙 공정을 적용하기 위해 주요 가공 변수를 정립하고 가공 실험을 통하여 절단 특성을 분석함으로써 내부 레이저 스크라이빙 시스템 구축을 위한 기초 가공 조건을 확립하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Scribing is cutting process to determine production amount and characteristic of LED chip. So it is an important process for fabrication of LED chip. Mechanical process and conventional scribing process with laser source has several problems such as thermal deformation, decreasing of material strength and limitation of cutting region. To solve these problems, internal laser scribing process that generates void in wafer and derives self-crack has been researched. However, studies of sapphire wafer cutting by internal laser scribing process for fabrication of LED chip are still insufficient. In this paper, cutting parameters were determined to apply internal laser scribing process for sapphire wafer for fabrication of LED chip. Then, foundation of cutting condition was established to set up internal laser scribing system through investigation of cutting characteristics by several experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 기초 실험에서는 레이저의 펄스 조건 및 렌즈의 N.A(Numerical Aperture) 조건, 에너지 밀도에 따른 가공 실험을 통해 InGaN 증착 웨이퍼에 대한 내부 레이저 스크라이빙 공정의 적용 가능성을 확인하고 이에 대한 최적의 가공 조건을 분석하였다. 이를 위해 사용된 내부 레이저 스크라이빙 장치의 구성은 Fig.
따라서 본 연구에서는 InGaN이 증착된 사파이어 웨이퍼에 대한 내부 레이저 스크라이빙 공정의 가공 메커니즘을 분석하고, 주요 가공 인자에 대한 기초 실험을 통해 사파이어 웨이퍼 절단을 위한 최적 가공 조건을 제시함으로써 내부 레이저 스크라이빙 공정의 LED 칩 절단 공정에 적용 가능성을 검토하고자 한다.
본 연구는 InGaN이 증착된 사파이어 웨이퍼의 절단을 위한 내부 레이저 스크라이빙 가공에 대한 연구로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

제안 방법

5~6 펄스에서도 가공 특성은 4 펄스일 때와 유사한 경향을 보였으나 7 펄스 이상부터 벽계면 형성 시간이 30초 이상으로 증가하였다. 따라서 본 논문에서는 4 펄스를 최적 조건으로 선정하였다.
레이저 버스트 모드를 이용하여 1 펄스부터 10 펄스까지 변경하면서 4회씩 스크라이빙 기초 실험을 진행하였고 벽계면이 생성된 시간, 진행 높이를 확인하였다. 1, 2 펄스에 대한 가공 결과 벽계면 형성은 10초 이내에 진행되었으나, 내부에 가공영역이 불균일하게 생성되었다.
본 논문에서는 대물렌즈의 배율이 100배이고 N.A가 0.7인 경우와 50배이고 N.A가 0.55 값을 가지는 2가지 렌즈에 대해 레이저의 출력에 따른 가공 특성 분석 실험을 진행하였다. 가공물의 이송속도는 400mm/s로 설정하였으며 레이저의 파장은 532nm로 가공하였다.
본 논문에서는 레이저 광자에너지와 투과율을 고려하여 광원의 파장과 광자 에너지가 523nm(2.33eV)인 레이저를 이용하여 내부 레이저 스크라이빙 실험을 수행하였다. Table 1은 실험에 사용된 레이저 광원의 사양이고, 실험을 위한 공정 변수는 Table 2에 정의하였다.
본 연구에서는 레이저 광원의 파장을 532nm를 기준으로 계산하였으며 빔 전달 시스템 중 빔 익스팬더(Beam expander)를 제외하고, 초점 거리 40mm 위치를 기준으로 레이저 출력의 측정을 통해 최저 가공 임계 에너지 밀도를 계산하였다. 측정조건은 Table 3에 나타내었으며 에너지 밀도는 식 1을 통해 계산할 수 있다.
스크라이빙 공정 이전에 슬리밍(Slimming) 공정으로 래핑 공정이 사용된다. 이 때 래핑 공정에 따른 투과율 변화량을 확인하기 위해 웨이퍼의 래핑 전, 후 파장대별 투과율을 측정하였다. 측정 파장은 200nm의 UV 영역에서부터 2200nm의 NIR 영역이다.
이 때 InGaN이 증착된 경우 재료 혼합으로 인한 오차 범위가 넓어 정량화가 불가능 하였으나 70% 이상으로 나타났고 래핑 공정 이후 500nm에서 1000nm 사이의 파장에서 InGaN 증착에 의한 투과율 편차가 줄어드는 것을 확인하였다. 투과율 측정을 통해서 내부 레이저 스크라이빙 공정에 필요한 레이저의 파장은 532nm와 1064nm가 적절한 것으로 판단되었고 이를 이용하여 내부 레이저 스크라이빙 기초 실험을 수행하였다.

대상 데이터

그러나 레이저 출력에 따른 절단 깊이는 100x 렌즈에서 선형적으로 변화하고 적은 가공 편차를 가짐을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 가공의 안정성을 확보하기 위해 100x 렌즈로 장치를 구성하였다.
이 때 래핑 공정에 따른 투과율 변화량을 확인하기 위해 웨이퍼의 래핑 전, 후 파장대별 투과율을 측정하였다. 측정 파장은 200nm의 UV 영역에서부터 2200nm의 NIR 영역이다.

성능/효과

1) 버스트 모드를 적용한 모든 펄스 조건에서 벽계면이 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 펄스가 1에 가까울수록 가공 편차가 심하게 발생함을 확인 할 수 있었다. 펄스가 작을수록 다이 형태로 분리되는데 있어 효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
레이저 버스트 모드를 이용하여 1 펄스부터 10 펄스까지 변경하면서 4회씩 스크라이빙 기초 실험을 진행하였고 벽계면이 생성된 시간, 진행 높이를 확인하였다. 1, 2 펄스에 대한 가공 결과 벽계면 형성은 10초 이내에 진행되었으나, 내부에 가공영역이 불균일하게 생성되었다. 또한 가공 후 벽계 면은 최소 16.
2) 400mm/s 이송속도에서 레이저 출력과 비례하여 선형적으로 절단 깊이를 유지 할 수 있고 가공 편차가 적은 N.A 0.7의 100x 대물렌즈가 내부 레이저 스크라이빙 시 적합한 것을 확인하였다.
3 펄스에 대한 가공 결과 벽계면 형성은 10초 이내에 진행되었으며, 다이 형태로 분리 시 감소하였다. Fig.
3) 본 실험을 통해 InGaN의 최저 가공 에너지 밀도는 0.06J/cm², 최대 가공 에너지 밀도는 30.03J/cm²로 나타났으며, 중첩 정도가 증가할수록 백점과 같은 InGaN층의 손상 정도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
6은 4 펄스로 가공 시 가공과 동시에 벽계 면이 생성되었으며, 다이 형태로 분리 시 적은 외력으로 인해 분리가 용이하였다. 5~6 펄스에서도 가공 특성은 4 펄스일 때와 유사한 경향을 보였으나 7 펄스 이상부터 벽계면 형성 시간이 30초 이상으로 증가하였다. 따라서 본 논문에서는 4 펄스를 최적 조건으로 선정하였다.
1과 같이 다이아몬드 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.[1] 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 가공조건이 달라지며 가공 중 발생되는 잔해, 열 변형문제, 열원에 의한 칩의 강도 저하와 절단영역 폭이 제한적인 문제점이 있다.[1-2]
칩 생성 공정 중 스크라이빙(Scribing)은 칩을 절단하기 위한 공정으로 가공방식에 따라 칩의 특성 및 생산량이 결정되는 중요한 공정이다.[3] 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.
최저 에너지 밀도로 가공한 경우 역시 중첩 정도에 따라 InGaN층이 손상되었다. 본 실험을 통해 InGaN층의 손상은 레이저의 에너지 밀도보다 중첩 정도에 더 큰 영향을 받는 것을 확인하였다.
7, 8에서 나타내었다. 실험 결과 레이저의 출력과 절단 깊이는 비례하는 경향을 보였으며 N.A가 0.55인 50x 렌즈의 경우 0.7인 100x 렌즈보다 벽계면이 깊게 형성되었다. 그러나 레이저 출력에 따른 절단 깊이는 100x 렌즈에서 선형적으로 변화하고 적은 가공 편차를 가짐을 알 수 있다.
위 실험 결과를 토대로 LED 공정에 사용되고 있는 사파이어 웨이퍼에 대한 내부 레이저 스크라이빙 공정의 적용 가능성을 확인 할 수 있었으며 시스템 구축을 위한 기초 가공 조건을 확립 할 수 있었다.
4는 래핑 공정에 따른 투과율 측정 결과로 래핑 전 후로 파장이 1000nm 이상에서 87%의 투과율을 나타내었다. 이 때 InGaN이 증착된 경우 재료 혼합으로 인한 오차 범위가 넓어 정량화가 불가능 하였으나 70% 이상으로 나타났고 래핑 공정 이후 500nm에서 1000nm 사이의 파장에서 InGaN 증착에 의한 투과율 편차가 줄어드는 것을 확인하였다. 투과율 측정을 통해서 내부 레이저 스크라이빙 공정에 필요한 레이저의 파장은 532nm와 1064nm가 적절한 것으로 판단되었고 이를 이용하여 내부 레이저 스크라이빙 기초 실험을 수행하였다.
9에 나타내었다. 최대 에너지가 증가함에 따라 열영향부가 증가하여 스폿의 크기도 증가하였는데 최대 에너지 밀도로 가공한 경우 중첩 정도에 따라 InGaN층이 손상되었다. Fig.
1) 버스트 모드를 적용한 모든 펄스 조건에서 벽계면이 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 펄스가 1에 가까울수록 가공 편차가 심하게 발생함을 확인 할 수 있었다. 펄스가 작을수록 다이 형태로 분리되는데 있어 효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 다이 형태로 분리하기 위한 최적의 펄스 조건은 4 펄스임을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED는 어떤 특성으로 어디에 사용되고 있는가?	LED(Light Emitting Diode)는 저 전력, 높은 내구성, 고 휘도, 빠른 응답속도, 친환경적 특성 등으로 인해 휴대 전화의 스위치, LED TV용 BLU(Back Light Unit)등 전자 부품으로 사용되고 있으며 조명분야로 적용범위가 확대되면서 매년 사용량이 증가되고 있다.
	LED 제작 공정은 어떻게 구분되는가?	LED 제작 공정은 크게 InGaN(Indium Gallium Nitride)을 성장시키는 EPI 공정, 칩 생성 공정, 패키징(Packaging) 공정 그리고 모듈화 공정으로 구분된다. 칩 생성 공정 중 스크라이빙(Scribing)은 칩을 절단하기 위한 공정으로 가공방식에 따라 칩의 특성 및 생산량이 결정되는 중요한 공정이다.
	LED 제작 공정에서 칩 생성 공정 중 스크라이빙은 무엇인가?	LED 제작 공정은 크게 InGaN(Indium Gallium Nitride)을 성장시키는 EPI 공정, 칩 생성 공정, 패키징(Packaging) 공정 그리고 모듈화 공정으로 구분된다. 칩 생성 공정 중 스크라이빙(Scribing)은 칩을 절단하기 위한 공정으로 가공방식에 따라 칩의 특성 및 생산량이 결정되는 중요한 공정이다.[3] 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.

참고문헌 (8)

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T. Monodane, E. Ohmura, F. Fukuyo, K. Fukumitsu, H. Morita, and Y. Hirata 'Thermo-Elastic-Plastic Analysis on Internal Processing Phenomena of Single-Crystal Silicon by Nanosecond Laser', JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering Vol.1,No.3, p231-235, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.2961/jlmn.2006.03.0016

상세보기
E. Ohmura, Y. Kawahito, K. Fukumitsu, J. Okuma and H. Morita 'Analysis of Internal Crack Propagatio in Silicon Due to Permeable Pulse Laser Irradiation: Study on Processing Mechanism of Stealth Dicing', Journal of Materials Science and Engineering, A1 46-52 2006.
D. Karnakis, E.K Illy, M. R. H Knowles, E. G, M. D.Dawson 'High throughput scribing for the manufacture of LED components', Journal of Vaccum Science Technology, B 24, 2852-2856, 2006.

상세보기
J. Choi, R. Bernathm M. Ramme and M. Richardson 'Increase of ablation rate using burst mode femtosecond pulses' Optical Society of America 2007.
R. Paetzel, C. Gmbh, 'Excimer Laser Processing and Laser-Lift-Off of High Brightness LEDs', Semicon Europe October, 11, 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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