산화층 발생을 방지한 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치 및 이를 이용한 클리빙 방법{CLEAVING DEVICE PREVENTING SURFACE OXIDATION AND CLEAVING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 브릭(brick) 상태의 실리콘을 이온 빔을 주사하여 클리빙(cleaving)함으로써 실리콘 웨이퍼를 제조하는 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼 표면에 산화층이 발생하지 않도록 한 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치에 관한 것이다.

실리콘 웨이퍼 제조 기술에 있어서 큰 이슈가 되고 있는 것으로, 절단시에 발생하는 커프(kerf) 손실의 최소화와, 웨이퍼의 박형화가 있다.

커프 손실은 재료를 얼마나 효율적으로 사용할 수 있는 가의 척도가 되는 것으로, 커프 손실이 많으면 그만큼 재료의 낭비가 많아져 제품의 단가가 상승하게 된다.

웨이퍼가 박형화 되면 같은 두께를 가지는 실리콘 브릭으로부터 보다 많은 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있게 되므로, 역시 재료의 효율적인 활용과 원가의 절감이라는 효과를 가져오게 된다.

커프 손실을 최소화하기 위한 방법으로 브릭 상태의 실리콘 표면에 이온 빔을 주사하여 쪼개짐 면을 형성하고, 압축 공기를 이용하여 웨이퍼를 분리하는 방법이 사용되고 있다.

그런데, 이러한 과정에서 분리되는 웨이퍼의 표면이 산소와 접촉하게 되어 실리콘 웨이퍼 표면이 산화되는 문제점을 가지고 있었다.

관련선행기술로는 대한민국 공개특허공보 10-2006-0129374호가 있다.

본 발명의 목적은 이온 빔을 주사하여 실리콘 웨이퍼를 클리빙할 때 웨이퍼의 표면이 산화되지 않도록 한 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 표면이 이온 빔을 주사한 후, 실리콘 웨이퍼를 분리하되 표면이 산화되지 않도록 함으로써 제조 원가를 절감할 수 있는 웨이퍼 클리빙 방법을 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실리콘 브릭의 하부면을 고정하는 하부지그; 상기 실리콘 브릭의 상부면에 이온 빔을 주사하여 쪼개짐 면을 형성시키는 이온 빔 주입기; 상기 쪼개짐 면이 형성된 실리콘 브릭의 상부면을 흡착 고정하는 상부지그; 상기 상부지그를 틸팅 및 이동시키는 상부지그 이송부; 및 상기 쪼개짐 면의 측면에 불활성 기체를 분사하여 충격파를 생성시키는 충격파 발생부;를 포함하는 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치를 제공한다.

여기서 상기 충격파 발생부는, 상기 불활성 기체를 저장하는 저장탱크; 상기 쪼개짐 면에 불활성 기체를 분사하는 분사노즐; 및 상기 저장탱크와 분사노즐 사이에 연결되어 상기 불활성 기체의 분사 압력을 조절하는 압력펌프;를 포함한다.

그리고, 상기 하부지그는 승하강 가능하게 형성되어, 실리콘 브릭의 상부면이 일정한 높이를 유지할 수 있도록 한다.

또한, 상기 불활성 기체는 질소 가스 또는 아르곤 가스를 사용할 수 있다.

그리고, 본 발명은 실리콘 브릭의 상부면에 이온 빔을 침투시켜 쪼개짐 면을 형성하는 이온 빔 주사 단계; 상기 쪼개짐 면이 형성된 실리콘의 상부면을 상부지그로 흡착 고정하는 상부지그 고정 단계; 상기 상부지그를 틸팅시켜 일측면을 리프팅하며, 상기 리프팅 되는 일측면에 불활성기체를 분사하여 충격파를 가하여 실리콘 웨이퍼를 분리하는 웨이퍼 분리 단계;를 포함하는 실리콘 웨이퍼 클리빙 방법을 제공한다.

상기 불활성기체는 질소 가스 또는 아르곤 가스를 포함하며, 상기 충격파는 펄스파 형태로 가해진다.

본 발명에 따른 클리빙 장치 및 클리빙 방법은 이온 빔을 주사하여 브릭 상태의 실리콘에서 웨이퍼를 분리하되, 웨이퍼 표면에 산화층이 발생하지 않도록 함으로써 별도의 표면 산화층 제거가 필요치 않다. 따라서 웨이퍼 제조 비용을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 클리빙 장치 및 클리빙 방법은 커프 손실을 감소시켜 원재료의 손실을 최소화하는 효과도 가져온다.

그리고, 본 발명은 웨이퍼의 표면에 산화층이 존재하지 않음으로써 후속공정에서 원활하게 텍스처링을 수행할 수 있도록 해주는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화층 발생을 방지한 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치를 나타낸 구성도,
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 산화층 발생을 방지한 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치의 작동을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 산화층 발생을 방지한 실리콘 웨이퍼 클리빙 방법을 나타낸 순서도임.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화층 발생을 방지한 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치를 나타낸 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치는, 실리콘 브릭을 장입하여 밀폐된 공간을 형성하는 챔버몸체(110)와, 상기 챔버몸체(110)의 바닥면에 형성되어 장입되는 실리콘 브릭(10)의 하부면을 고정하는 하부지그(120)와, 상기 하부지그(120)에 고정된 실리콘 브릭(10)의 노출된 상부면에 이온 빔을 주사하여 쪼개짐 면(12)을 형성시키는 이온빔 주입기(130)와, 상기 쪼개짐 면(12)이 형성된 실리콘 브릭(10)의 상부면(14)을 흡착 고정하는 상부지그(140)와, 상기 상부지그를 틸팅 및 이동시키는 상부지그 이송부(150)와, 상기 쪼개짐 면(12)의 측면에서 불활성 기체를 분사하여 충격파를 생성시키는 충격파 발생부(160)를 포함한다.

본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치는 브릭 상태의 폴리 실리콘을 상부면(14)에서부터 일정 두께로 순차적으로 분리하되, 분리시 기판의 표면이 산화되지 않도록 불활성 기체를 사용하는 것을 특징으로 한다.

쪼개짐 면(12)의 두께는 이온 빔 주사(implant)시 인가되는 에너지에 따라 결정될 수 있는데, 상부 표면으로부터 50~150㎛ 깊이에 이온 빔이 침투하도록 하는 것이 바람직하다.

실리콘 기판을 와이어 쏘잉(wire sawing) 방식으로 제조하면, 실리콘 기판의 두께가 200㎛ 정도까지만 제조 가능하며, 대략 15㎛ 정도의 톱니 자국(Saw Mark)이 발생하여 이를 제거하여야 했다.

그러나, 본 발명에서는 수소 이온 임플란트(implant)를 이용한 클리빙(cleaving) 방식을 적용한 결과, 50~150㎛ 두께이면서 대략 0.4㎛ 이하의 RMS(Root Mean Square) 거칠기를 갖는 실리콘 박판을 제조할 수 있었다.

실리콘 박판의 두께가 150㎛를 초과하는 경우, 박판형의 기판을 제조하는 의미가 상실될 수 있으며, 광전 효율 역시 저하되는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치(100)는 이온 빔을 침투 시켜 쪼개짐 면을 형성한 후, 쪼개짐 면의 상부면을 상부지그(140)로 흡착 고정한 후, 상부지그를 틸팅시킴과 동시에 쪼개짐 면(12)에 충격파를 전달하여 웨이퍼로 분리한다.

충격파는 충격파 발생부(160)에 의하여 생성되는 데, 본 발명은 불활성 기체를 펄스파 형태로 공급하여 충격파를 발생시킨다.

이를 위하여, 충격판 발생부(160)는 불활성 기체를 저장하는 저장탱크(166)와, 쪼개짐 면(12)을 향하여 불활성 기체를 분사하는 분사노즐(162)과, 저장탱크(166)와 분사노즐(162) 사이에 연결되어 불활성 기체의 분사 압력을 조절하는 압력펌프(164)를 포함한다.

사용되는 불활성 기체는 아르곤 가스, 질소 가스 또는 이들을 혼합한 가스 등이 사용될 수 있다.

상부지그(140)는 실리콘 브릭(10)의 상부면(14)을 흡착 고정한 후, 틸팅되며 웨이퍼를 실리콘 브릭으로 부터 분리한 후 별도의 웨이퍼 저장공간으로 이송시킨다. 상부지그(140)는 상부지그 이송부(150)에 의하여 승하강 이동, 수평이동, 틸팅이동하게 된다.

상부지그 이송부(150)는 도시한 바와 같이, 상부지그(140)를 고정하며 상부지그(140)가 틸팅 작동할 수 있도록 하는 이동판(152)과, 상기 이동판(152)을 수평 또는 수직 이동시키는 레일(154, 156)을 포함할 수 있다. 도시한 실시예의 경우 두 부분의 수직레일(154)과 수평레일(156)이 ㄷ자 형상으로 형성되어, 이동판(152)이 실리콘 브릭(10)의 상부에서 승하강이동할 수 있으며, 별도의 웨이퍼 저장공간으로 수평이동할 수 있고, 다시 웨이퍼 저장공간으로 승하강이동할 수 있도록 형성되어 있다. 상부지그 이송부(150)는 이러한 형태 이외에 다관절 로봇팔 등으로 구성될 수도 있다.

상부지그(140)는 진공수단에 의하여 실리콘 브릭(10)의 상부면(14)을 흡착고정한 후, 웨이퍼 저장공간에서 진공을 해제하여 분리된 실리콘 웨이퍼를 적재하게 된다.

하부지그(120)는 승하강수단(122)을 구비한다. 승하강수단(122)은 하부지그(120)가 승하강 가능하도록 하는 것인데, 이는 실리콘 브릭(10)의 상부면이 항상 일정한 높이를 유지할 수 있도록 하기 위한 것이다. 실리콘 브릭(10)은 상부면에서부터 순차적으로 실리콘 웨이퍼로 절단되어 분리되는 것이므로, 절단되어 분리되는 웨이퍼의 두께 손실만큼 하부지그(120)가 상승하도록 하면, 실리콘 브릭(10)의 상부면(14)와 이온빔 주입기(130)가 일정한 거리를 유지하고, 쪼개짐 면(12)이 동일한 높이에 형성되도록 할 수 있다. 승하강수단(122)에 의하여 하부지그(120)의 높이를 조절함으로써 항상 일정한 위치에 쪼개짐 면이 형성됨으로써 이온빔 주입기(130)와 충격파 발생부(160)는 고정된 위치에서 연속적으로 동작하게 된다.

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 산화층 발생을 방지한 실리콘 웨이퍼 클리빙 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 쪼개짐 면이 형성된 상태를 나타낸 것이며, 도 3은 상부지그가 실리콘 브릭의 상부면을 흡착한 상태를 나타낸 것이고, 도 4는 상부지그가 틸팅되며 웨이퍼를 분리한 상태를 나타낸 것이고, 도 5는 상부지그가 실리콘 웨이퍼를 적재부로 이동시킨 상태를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 이온 빔 주입기(130)가 이온을 침투시킬 때에는 이온 빔 주입기(130)와 실리콘 브릭(10)의 사이에 간섭하는 것이 없어야 한다. 따라서 상부지그(140)는 실리콘 브릭(10)의 상부면(14)에서 벗어난 위치에 있어야 한다.

이온 빔이 실리콘 브릭(10)의 상부면(12)으로 침투하여 쪼개짐 면(14)을 형성한 후에는 도 3에 도시한 바와 같이, 상부지그(140)가 실리콘 브릭(10)의 상부면(14)으로 이동하여, 쪼개짐 면(12)이 형성된 실리콘 브릭의 상부면(14)을 흡착 고정한다.

상부지그(140)가 수평 또는 수직방향으로 이동하여, 실리콘 브릭(10)의 상부면(14)을 흡착한 후, 도 4에 도시한 바와 같이 상부지그(140)는 틸팅 동작하게 된다. 즉, 쪼개짐 면(12) 위쪽의 실리콘 층을 일측부터 들어올려 쪼개짐 면(12)을 기준으로 실리콘 브릭(10)의 일부가 웨이퍼(W)로 분리될 수 있도록 하는 것이다. 이때 웨이퍼(W)의 분리를 원활하게 하기 위하여 충격파 발생부(160)가 불활성 기체를 분사하여 쪼개짐 면(12)에 충격파가 전달되도록 한다. 충격파는 불활성 기체를 펄스 형태로 분사하여 생성된다.

상부지그(140)의 틸팅 작동과, 충격파 발생부(160)에서 가해지는 불활성 기체의 압력파에 의하여, 웨이퍼(W)가 물리적으로 완전히 분리되면, 상부지그(140)가 이동한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상부지그(140)는 별도로 마련된 웨이퍼 저장공간으로 이동하여, 실리콘 웨이퍼(W)를 언로딩 한다. 이후, 새롭게 노출된 실리콘 브릭(10)의 상부면에 이온 빔을 조사하고 상기의 동작을 반복하여 실리콘 브릭(10)을 순착적으로 웨이퍼(W)로 분리하게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 산화층 발생을 방지한 실리콘 웨이퍼 클리빙 방법을 나타낸 순서도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 클리빙 방법은 실리콘 브릭의 상부면에 이온 빔을 침투시켜 쪼개짐 면을 형성하는 이온 빔 주사 단계(S-61)와, 상기 쪼개짐 면이 형성된 실리콘의 상부면을 상부지그로 흡착 고정하는 상부지그 고정 단계(S-62)와, 상기 상부지그를 틸팅시켜 일측면을 리프팅하며, 상기 리프팅 되는 일측면에 불활성기체를 분사하여 충격파를 가하여 실리콘 웨이퍼를 분리하는 웨이퍼 분리 단계(S-63);를 포함한다.

이 때, 본 발명에 따른 클리빙 방법은 충격파를 발생시키는 불활성기체로 질소 가스, 아르곤 가스 또는 이들을 혼합한 기체를 사용한다. 종래에는 압축공기를 사용하였는데, 압축공기에는 산소가 다량 포함되어 있어 웨이퍼 분리시에 표면에 산화층이 생성되는 문제점을 가지고 있었다. 반면에 본원발명은 실리콘과 반응하지 않는 질소 가스 또는 아르곤 가스를 이용함으로써 웨이퍼 표면에 산화층이 발생하지 않도록 하는 효과를 가져온다.

불활성기체는 압력이 펄스파의 형태를 나타내도록 분사되어, 쪼개짐 면에 충격파를 가하게 된다. 즉, 기체의 압력이 순각적으로 고압과 저압이 반복되도록 함으로써 쪼개짐 면에 충격을 가함으로써 실리콘의 물리적 분리에 도움을 주게 된다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

100 : 클리빙 장치
110 : 챔버몸체
120 : 하부지그
130 : 이온빔 주입기
140 : 상부지그
150 : 상부지그 이송부
160 : 충격파 발생부