[논문]실리콘 박막의 레이저 가공 시 발생하는 광기계적 손상 해석

실리콘 박막의 레이저 가공 시 발생하는 광기계적 손상 해석
Analysis of Photomechanical Damages in Laser Drilling of Thin Silicon Wafer 원문보기

오부국 (포스텍 기계공학과 대학원) , 김동식 (포스텍 기계공학과) , 김태현 (이오테크닉스) , 전은숙 (이오테크닉스) , 김남성 (이오테크닉스)

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

본 연구에서는 실리콘 박막의 레이저 미세 가공 시 열충격에 의해 발생하는 기계적 손상을 해석하였다. 계산을통해 시편 전면에서는 1~2 GW/cm2 조사도에서 원주방향 및 반경방향 균열이 발생할 수 있음을 보였다.
레이저를 이용하여 실리콘을 가공 시 발생하는 광기계적 손상에 대한 기존의 연구결과를 정리하면 실리콘 재료의 기계적 손상기작은 다음과 같다: (1) 열응력에 의한 손상[3], (2) 재료의 상변화 과정에서 발생하는 손상[4,5]. 실리콘의기계적 손상에 대한 기존 연구가 대부분 벌크(bulk) 웨이퍼에 국한된 반면 본 연구에서는 100 m 미만의 실리콘 박막의 광기계적 손상에 대한 실험적, 수치적 해석을 수행하고자 한다. 특히 나노초 레이저를 이용한 미세 드릴링 시발생하는 열탄성 거동을 분석하고 열충격에 의한 손상기작 을 규명하고자 한다.
실리콘의기계적 손상에 대한 기존 연구가 대부분 벌크(bulk) 웨이퍼에 국한된 반면 본 연구에서는 100 m 미만의 실리콘 박막의 광기계적 손상에 대한 실험적, 수치적 해석을 수행하고자 한다. 특히 나노초 레이저를 이용한 미세 드릴링 시발생하는 열탄성 거동을 분석하고 열충격에 의한 손상기작 을 규명하고자 한다.

실험에 사용된 단결정 실리콘은 p-type 이며 레이저 빔은 (100) 방향을 따라 조사된다. 60,70 80, 90 mm 두꼐의 시편의 드릴링 실험을 수행했고 주사전자현미경을 이용하여 가공 전면 및 후면을 분석 하였다.
본 연구에서는 플라즈마층을 표면의 증발깊이(δ)로 가정하고 평균적인 플라즈마 흡수계수(αpl)를 실험에서 구한 어블레이션 깊이와 맞춤하여 플라즈마 차단(plasma shielding)현상을 모델링 하였다[6].
이차원 축대칭 영역(r,z)에 대하여 열전달과 2 차원 열탄성 방정식을 결합하여 계산을 수행한다. 레이저 조사면의 기화로 인한 에너지 평형식은 식(1)과 같이 표현되며 이때 증발율(jev)은 Hertz-Knudsen 식을 이용하여 구한다(T: 온도, rw: 빔 반경, k: 열전도도, q: 레이저 빔 입사각, tw: 펄스폭, n: 표면 수직 좌표계, Reff: 표면반사율, E: 레이저 에너지, I(t):레이저에너지의 시간 분포함수, Lev: 증발잠열).

본 연구에서 사용된 플라즈마 흡수계수는 αpl = 1.34×106 1/m 이다.
초점 면에서의 빔의 크기는 대략 40 mm(2rw) 로 추정된다. 실험에 사용된 단결정 실리콘은 p-type 이며 레이저 빔은 (100) 방향을 따라 조사된다. 60,70 80, 90 mm 두꼐의 시편의 드릴링 실험을 수행했고 주사전자현미경을 이용하여 가공 전면 및 후면을 분석 하였다.
즉, 표면에 도달하는 레이저 빔의 강도는 I(t)=I0(t)×exp[-αplδ] 이고 플라즈마의 팽창효과는 무시하였다. 실험에서는 Nd:YAG 레이저(6 ns, 355 nm)가 사용되었다. 2 mm 조리개를 통과 한 가공빔은 10 mm 까지 확대된 후 f=100 mm 렌즈로 집속된다.

레이저 조사면의 기화로 인한 에너지 평형식은 식(1)과 같이 표현되며 이때 증발율(jev)은 Hertz-Knudsen 식을 이용하여 구한다(T: 온도, rw: 빔 반경, k: 열전도도, q: 레이저 빔 입사각, tw: 펄스폭, n: 표면 수직 좌표계, Reff: 표면반사율, E: 레이저 에너지, I(t):레이저에너지의 시간 분포함수, Lev: 증발잠열). 표면 반사율 (Reff)은 s-편광 과 p-편광 빔의 평균값을 이용하였다. 식(1)의 우변 첫 항은 본 계산에 사용된 에너지 생성 항을 의미한다.

3 GW/cm2 이었다. 박막시편은 벌크재료에 비해 후면파쇄(spallation)에 매우 취약하며 후면파쇄시편 두께 뿐 아니라 잔류 두께에도 크게 영향을 받음을 알았다.
이를 통해 본 연구에서 개발된 수치해석코드가 열탄성 거동을 잘 예측하고 있음을 알 수 있다. 그림 2 좌측 그래프는 레이저 강도와 시편 표면에서 생성되는 열응력의 크기가 비례함을 보여준다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증