01소개
웨이퍼 다이싱은 반도체 소자 제조에서 중요한 단계입니다. 절단 방법과 품질은 웨이퍼의 두께, 거칠기, 치수, 생산 비용에 직접적인 영향을 미치며, 장치 제조에도 큰 영향을 미칩니다. 탄화규소는 3세대-세대 반도체 소재로서 전기 혁명을 촉진하는 데 중요한 소재입니다. 고품질 결정질 탄화규소의 생산 비용은 매우 높으며, 대형 탄화규소 잉곳을 가능한 한 많은 얇은 탄화규소 웨이퍼 기판으로 절단하고자 하는 경우가 많습니다. 동시에 산업 발전으로 인해 웨이퍼 크기가 증가하여 절단 공정에 대한 수요가 증가했습니다. 그러나 탄화규소 소재는 모스 경도가 9.5로 세계에서 가장 단단한 다이아몬드(10)에 이어 두 번째로 경도가 매우 높으며 결정의 취약성도 있어 절단이 어렵습니다. 현재 업계에서는 일반적으로 슬러리 와이어 절단 또는 다이아몬드 와이어 톱 절단을 사용합니다. 절단하는 동안 탄화규소 잉곳 주위에 고정된 와이어 톱을 동일한 간격으로 배치하고 와이어 톱에 장력을 가해 탄화규소 웨이퍼를 잘라냅니다. 와이어쏘 방법을 사용하여 직경 6{20}}인치 잉곳에서 웨이퍼를 분리하는 데 약 100시간이 걸립니다. 그 결과 웨이퍼는 절단면이 상대적으로 클 뿐만 아니라 표면 거칠기도 커져 재료 손실이 최대 46%에 달합니다. 이는 탄화규소 재료 사용 비용을 증가시키고 반도체 산업에서의 개발을 제한하므로 탄화규소 웨이퍼에 대한 새로운 절단 기술에 대한 연구가 시급합니다. 최근 몇 년 동안 반도체 재료의 생산 및 가공에서 레이저 절단 기술의 사용이 점점 더 대중화되고 있습니다. 이 방법의 원리는 집속된 레이저 빔을 사용하여 재료 표면이나 내부에서 기판을 수정하여 분리하는 것입니다. 이는 비접촉 공정이므로 공구 마모 및 기계적 응력의 영향을 방지합니다. 따라서 웨이퍼의 표면 거칠기와 정밀도를 크게 향상시키고 후속 연마 공정이 필요 없으며 재료 손실을 줄이고 비용을 절감하며 기존 연삭 및 연마 공정으로 인한 환경 오염을 최소화합니다. 레이저 절단 기술은 오랫동안 실리콘 잉곳 절단에 적용되어 왔지만, 실리콘 카바이드 분야에서의 적용은 아직 성숙되지 않았으며 현재 몇 가지 주요 기술이 이용 가능합니다.
2물-유도 레이저 절단
레이저 마이크로젯 기술이라고도 알려진 물{0} 유도 레이저 기술(Laser MicroJet, LMJ)은 레이저가 압력-변조 수 챔버를 통과할 때 레이저 빔을 노즐에 집중시키는 원리로 작동합니다. 낮은-압력의 물줄기가 노즐에서 배출됩니다. 물과 공기의 경계면에서는 굴절률 차이로 인해 광 도파관이 형성되어 레이저가 물 흐름 방향을 따라 전파되도록 하여 고압- 워터 제트 유도를 통해 재료 표면을 절단합니다. 수중-유도 레이저의 주요 장점은 절단 품질에 있습니다. 물의 흐름은 절단 영역을 냉각시켜 재료의 열 변형과 손상을 줄일 뿐만 아니라 가공 잔해물도 운반합니다. 와이어 톱 절단에 비해 속도가 크게 향상됩니다. 그러나 물이 흡수하는 파장은 다양하여 주로 사용되는 레이저 파장은 1064nm, 532nm, 355nm로 제한됩니다. 1993년 스위스 과학자 Beruold Richerzhagen이 처음으로 이 기술을 제안했으며 그의 회사인 Synova는 물{14}} 유도 레이저 연구 및 산업화를 전문으로 하며 국제 무대에서 기술적으로 선두를 달리고 있는 반면, 국내 기술은 Inno Laser 및 Shengguang Silicon과 같은 회사로 상대적으로 뒤쳐져 있습니다. 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
03스텔스 다이싱
스텔스 다이싱(SD)은 실리콘 카바이드 표면을 통해 칩 내부에 레이저를 집중시켜 웨이퍼 분리를 달성하기 위해 원하는 깊이에 수정된 레이어를 생성하는 과정을 포함합니다. 웨이퍼 표면에 상처가 없기 때문에 가공 정밀도가 높아집니다. 나노초 펄스 레이저를 사용하는 SD 공정은 실리콘 웨이퍼 분리 산업에서 사용되어 왔습니다. 그러나 나노초 펄스 레이저에 의해 유도된 탄화규소의 SD 처리 중에 펄스 지속 시간이 탄화규소의 전자와 포논 사이의 결합 시간(피코초 정도)보다 훨씬 길기 때문에 열 효과가 발생합니다. 웨이퍼에 대한 높은 열 입력으로 인해 분리가 원하는 방향에서 벗어나는 경향이 있을 뿐만 아니라 심각한 잔류 응력이 발생하여 파손 및 벽개 불량이 발생합니다. 따라서 탄화규소 가공 시 초-초단 펄스 레이저 SD 공정이 일반적으로 사용되어 열 영향을 크게 줄입니다.
일본 회사인 DISCO는 직경 6인치, 두께 20mm의 탄화규소 결정 잉곳을 가공하는 사례를 이용해 KABRA(Key Amorphous-Black Repetitive Absorption)라는 레이저 절단 기술을 개발하여 탄화규소 웨이퍼 생산 속도를 4배나 높였습니다. KABRA 공정의 핵심은 탄화규소 소재 내부에 레이저를 집중시켜 '비정질-흑색 반복흡수'를 통해 탄화규소를 비정질 실리콘과 비정질 탄소로 분해하고, 웨이퍼의 분리점 역할을 하는 층, 즉 흑색 비정질층을 형성해 더 많은 빛을 흡수함으로써 웨이퍼 분리가 용이하다는 점이다.
인피니언이 인수한 실텍트라가 개발한 콜드 분할 웨이퍼 기술은 다양한 종류의 잉곳을 웨이퍼로 분할할 수 있을 뿐만 아니라 웨이퍼당 손실을 80μm로 줄여 재료 손실을 90% 줄여 궁극적으로 디바이스의 총 생산 비용을 최대 30%까지 낮춘다. 냉간 절단 기술은 두 단계로 구성됩니다. 첫째, 레이저 노출로 잉곳에 박리층이 생성되어 탄화규소 재료의 부피가 팽창하여 인장 응력이 생성되고 매우 좁은 마이크로{4}}균열층이 형성됩니다. 그런 다음 폴리머 냉각 단계를 통해 이러한 미세-균열이 주 균열로 가공되어 궁극적으로 웨이퍼와 나머지 잉곳이 분리됩니다. 2019년에 이 기술에 대한 제3자 평가에서는 분할 웨이퍼의 표면 거칠기 Ra가 3μm 미만인 것으로 측정되었으며, 가장 좋은 결과는 2μm 미만이었습니다.
국내 대가족 레이저 회사가 개발한 변형 레이저 커팅은 반도체 웨이퍼를 개별 칩이나 그레인으로 분리하는 레이저 기술이다. 이 공정에는 수정된 층을 형성하기 위해 정밀 레이저 빔으로 웨이퍼 내부를 스캐닝하는 과정도 포함됩니다. 이를 통해 웨이퍼는 가해진 응력 하에서 레이저 스캐닝 경로를 따라 팽창하여 정밀한 분리를 달성할 수 있습니다.
현재 국내 제조사들은 탄화규소를 모르타르로 절단하는 기술을 습득했으나 절단 손실이 크고 효율이 낮으며 오염이 심해 점차 다이아몬드 와이어 절단 기술로 대체되고 있다. 동시에, 레이저 절단의 성능 및 효율성 이점은 탁월합니다. 높은 처리 효율성, 좁은 슬라이싱 경로, 높은 칩 밀도 등 기존의 기계적 접촉 처리 기술에 비해 많은 이점을 제공하므로 다이아몬드 와이어 절단 기술을 대체할 수 있는 강력한 경쟁자가 되고 실리콘 카바이드와 같은 차세대 반도체 재료 적용을 위한 새로운 길을 열 수 있습니다.- 산업 기술의 발전으로 탄화 규소 기판의 크기가 계속 증가하고 탄화 규소 절단 기술이 빠르게 발전할 것입니다. 효율적이고 고품질의-레이저 절단은 미래의 탄화규소 절단 분야에서 중요한 추세가 될 것입니다.
