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소개
웨이퍼 다이싱은 반도체 소자 제조에 있어서 중요한 부분입니다. 다이싱 방법과 품질은 웨이퍼의 두께, 거칠기, 치수, 생산 비용에 직접적인 영향을 미치며, 디바이스 제작에도 큰 영향을 미칩니다. 탄화규소는 3세대-세대 반도체 소재로서 전기 혁명을 이끄는 중요한 소재입니다. 고품질 결정질 탄화규소의 생산 비용은 매우 높으며, 사람들은 일반적으로 큰 탄화규소 잉곳을 가능한 한 많은 얇은 탄화규소 웨이퍼 기판으로 절단하기를 희망합니다. 동시에, 산업 성장으로 인해 웨이퍼 크기가 점차 커지면서 다이싱 공정에 대한 요구 사항도 증가했습니다. 그러나 탄화규소는 모스 경도가 9.5로 다이아몬드(10)에 이어 두 번째로 매우 단단하고 부서지기 쉬워 절단이 어렵습니다. 현재 산업적 방법은 일반적으로 슬러리 와이어 쏘잉(Slurry Wire Sawing)이나 다이아몬드 와이어 쏘잉(Diamond Wire Sawing)을 사용한다. 절단하는 동안 탄화규소 잉곳 주위에 일정한 간격으로 고정된 와이어 톱을 배치하고, 늘어난 와이어 톱을 사용하여 잉곳을 절단합니다. Wire Saw 방식을 사용하면 직경 6인치 잉곳에서 웨이퍼를 분리하는 데 약 100시간이 소요됩니다. 결과적으로 생성된 웨이퍼는 상대적으로 넓은 커프, 더 거친 표면 및 46%에 달하는 재료 손실을 갖습니다. 이는 탄화규소 재료 사용 비용을 증가시키고 반도체 산업에서의 개발을 제한하므로 새로운 탄화규소 웨이퍼 다이싱 기술에 대한 연구의 긴급한 필요성이 강조됩니다.
최근 몇 년 동안 반도체 재료 제조에서 레이저 절단 기술의 사용이 점점 더 대중화되고 있습니다. 이 방법은 집중된 레이저 빔을 사용하여 재료 표면이나 내부를 수정하여 분리하는 방식으로 작동합니다. 비접촉 공정이므로 공구 마모와 기계적 응력이 방지됩니다. 따라서 웨이퍼 표면 거칠기와 정밀도를 크게 향상시키고 후속 연마 공정이 필요 없으며 재료 손실을 줄이고 비용을 낮추며 전통적인 연삭 및 연마로 인한 환경 오염을 최소화합니다. 레이저 절단 기술은 오랫동안 실리콘 잉곳 다이싱에 적용되어 왔지만, 실리콘 카바이드 분야에서의 적용은 아직 미숙합니다. 현재 몇 가지 주요 기술이 있습니다.
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수중-유도 레이저 절단
레이저 마이크로-젯 기술로도 알려진 수중-유도 레이저 기술(레이저 마이크로젯, LMJ)은 레이저 빔이 압력 조절 워터 챔버를 통과할 때 노즐에 초점을 맞추는 원리에 따라 작동합니다.- 노즐에서 저압{4}}워터 제트가 분사되고, 물-공기 경계면의 굴절률 차이로 인해 광 도파관이 형성되어 레이저가 물 흐름 방향을 따라 전파될 수 있습니다. 이는 고압-워터 제트를 유도하여 재료 표면을 처리하고 절단합니다. 물-유도 레이저 절단의 주요 장점은 절단 품질에 있습니다. 물의 흐름은 절단 영역을 냉각시켜 재료의 열 변형과 열 손상을 줄일 뿐만 아니라 가공 잔해물도 제거합니다. Wire Saw 절단에 비해 훨씬 빠릅니다. 그러나 물은 다양한 레이저 파장을 다양한 정도로 흡수하기 때문에 레이저 파장은 주로 1064nm, 532nm 및 355nm로 제한됩니다.
1993년 스위스 과학자 Beruold Richerzhagen이 처음으로 이 기술을 제안했습니다. 그는 국제적으로 선두에 있는 수중- 유도 레이저 기술의 연구, 개발 및 상용화에 전념하는 회사인 Synova를 설립했습니다. 국내 기술은 상대적으로 뒤떨어져 있지만 Innolight, Shengguang Silicon Research 등의 기업이 적극적으로 개발하고 있습니다.
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스텔스 다이싱
스텔스다이싱(SD)은 탄화규소 웨이퍼 내부 표면을 통해 레이저를 집중시켜 원하는 깊이에 개질된 층을 형성함으로써 웨이퍼 분리를 가능하게 하는 기술이다. 웨이퍼 표면에 상처가 없기 때문에 더 높은 가공 정밀도를 얻을 수 있습니다. 나노초 펄스 레이저를 사용한 SD 공정은 이미 실리콘 웨이퍼 분리를 위해 산업적으로 사용되었습니다. 그러나 나노초 펄스 레이저에 의해 유도된 탄화규소의 SD 처리 중에는 펄스 지속 시간이 탄화규소의 전자와 포논 사이의 결합 시간(피코초 규모)보다 훨씬 길어 열 효과가 발생합니다. 웨이퍼에 대한 높은 열 입력으로 인해 분리가 원하는 방향에서 벗어나기 쉬울 뿐만 아니라 상당한 잔류 응력이 발생하여 균열이 발생하고 벽개 불량이 발생합니다. 따라서 탄화규소를 가공할 때 SD 공정에서는 일반적으로 열 영향을 크게 줄이는 초단 펄스 레이저를 사용합니다.
일본 회사인 DISCO는 KABRA(Key Amorphous{0}}Black Repetitive Absorption)라는 레이저 절단 기술을 개발했습니다. 예를 들어, 직경 6-인치, 두께 20mm의 탄화규소 잉곳을 처리할 때 탄화규소 웨이퍼의 생산성이 4배 증가했습니다. KABRA 공정은 기본적으로 탄화규소 소재 내부에 레이저의 초점을 맞춥니다. '비정질-흑색 반복흡수'를 통해 탄화규소가 비정질 실리콘과 비정질 탄소로 분해되면서 웨이퍼 분리점 역할을 하는 층, 즉 흑색 비정질층이 형성되는데, 이 층이 더 많은 빛을 흡수해 웨이퍼 분리가 훨씬 쉬워진다.
인피니언이 인수한 실텍트라가 개발한 콜드 스플릿 웨이퍼 기술은 다양한 종류의 잉곳을 웨이퍼로 분할할 수 있을 뿐만 아니라 각 웨이퍼 손실을 80μm로 줄여 재료 손실을 최대 90%까지 줄여 궁극적으로 전체 장치 생산 비용을 최대 30%까지 낮출 수 있다. Cold Split 기술은 두 단계로 구성됩니다. 첫째, 레이저를 잉곳에 조사하여 박리층을 생성하고 탄화규소 재료의 내부 부피 팽창을 유발하여 인장 응력을 생성하고 매우 좁은 미세{4}}균열을 형성합니다. 그런 다음 폴리머 냉각 단계를 통해 미세-균열이 주요 균열로 바뀌고 결국 웨이퍼가 나머지 잉곳에서 분리됩니다. 2019년에는 제3자가 이 기술을 평가한 결과 분할 웨이퍼의 표면 거칠기 Ra가 3μm 미만으로 측정되었으며 가장 좋은 결과는 2μm 미만이었습니다.
중국 기업 Han's Laser가 개발한 변형 레이저 다이싱은 반도체 웨이퍼를 개별 칩이나 다이로 분리하는 데 사용되는 레이저 기술입니다. 또한 이 공정에서는 정밀한 레이저 빔을 사용하여 웨이퍼 내부에 수정된 층을 스캔하고 형성합니다. 이를 통해 웨이퍼는 가해진 응력 하에서 레이저 스캔 경로를 따라 균열이 생기고 정밀한 분리가 가능해집니다.
그림 5. 수정된 레이저 다이싱 공정 흐름
현재 국내 제조업체들은 슬러리-기반 탄화규소 다이싱 기술을 마스터했습니다. 그러나 슬러리 다이싱은 재료 손실이 높고 효율성이 낮으며 오염이 심해 점차 다이아몬드 와이어 다이싱 기술로 대체되고 있습니다. 동시에 레이저 다이싱은 성능과 효율성 측면에서 두각을 나타냅니다. 기존의 기계적 접촉 가공 기술과 비교하여 높은 가공 효율성, 좁은 스크라이브 라인, 높은 커프 밀도 등 많은 이점을 제공하므로 다이아몬드 와이어 다이싱을 대체할 수 있는 강력한 경쟁자입니다. 이는 탄화규소와 같은 차세대 반도체 소재 응용을 위한 새로운 길을 열어줍니다.- 산업 기술의 발전과 탄화규소 기판 크기의 지속적인 증가로 인해 탄화규소 다이싱 기술은 빠르게 발전할 것이며 효율적인 고품질{7}}레이저 다이싱은 미래의 탄화규소 절단에 중요한 추세가 될 것입니다.
