KR20130142165A - 발광 소자의 개선된 싱귤레이션 방법 및 장치 - Google Patents

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이르빙 치어
조나단 할더만
주안 샤신
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일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 처리 표면과, 상기 처리 표면으로부터 연장되는 깊이를 갖는, 기판 상에 제조되는 발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 시스템 및 방법이다. 상기 방법은, 제어가능한 파라미터를 갖는 피코초 레이저를 가진 레이저 처리 시스템을 제공하는 단계와, 상기 레이저 파라미터를 제어하여, 상기 피코초 레이저로부터 광 펄스를 형성하고, 상기 기판의 상기 처리 표면을 실질적으로 포함하면서 상기 깊이의 약 50% 범위의 깊이와, 상기 영역 깊이의 약 5%보다 작은 폭을 갖는 변형 영역을 형성하는 단계와, 상기 기판에 기계적 응력을 가하고, 상기 선형 변형 영역과 협동으로 적어도 부분적으로 형성되는 측벽을 갖는 상기 발광 전자 소자 내로 상기 기판을 쪼갬으로써, 상기 기판을 싱귤레이션하는 단계를 포함한다.

Description

발광 소자의 개선된 싱귤레이션 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVED SINGULATION OF LIGHT EMITTING DEVICES}
본 발명은 공통 기판 상에 제조되는 발광 소자의 레이저-보조 싱귤레이션에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 수정 영역을 생성하도록 지향되는 피코초 레이저를 이용한 발광 소자의 싱귤레이션에 관한 것으로서, 상기 수정 영역은 상기 수정 영역과 정렬되는 기판의 표면 상에서 시작되고 내부 안으로 연장된다. 특히, 본 발명은 소자의 발광 성질을 개선시키도록 텍스처(texture) 표면을 갖는 발광 소자의 싱귤레이션에 관한 것이다.
전자 소자는 통상적으로, 공통 기판 상에 평행하게 소자의 복수의 복제본을 축적하고 그 후 소자를 개별적 유닛으로 싱귤레이션함으로써 제작된다. 기판은 전자 소자를 형성하도록 금속(전도성), 유전체(절연성), 또는 반-전도성 물질의 층과 조합되는 실리콘 또는 사파이어의 웨이퍼를 포함한다. 도 1은 로우 및 칼럼으로 배열되는 소자(12)를 지지하는 전형적인 웨이퍼(10)를 도시한다. 이러한 로우 및 칼럼은 소자(12)들 사이에서 스트리트(14, 16) 또는 직선을 형성한다. 소자(12) 및 스트리트(14, 16)의 이러한 배열은 직선을 따라 웨이퍼를 분리시킬 수 있어서, 회전 기계톱 및 기계적 클리빙(mechanical cleaving)을 이용할 수 있게 한다. 싱귤레이션 기술을 위한 바람직한 성질은 스트리트 크기를 감소시켜서 기판 당 더 큰 능동 소자 영역을 가능하게 하는 작은 커프(kerf) 크기와, 기계적 응력 하에 파괴에 견딜 수 있는 싱귤레이션된 소자의 능력의 측정치인 다이 파괴 강도를 증가시키는 매끄러운 무손상 에지와, 통상적으로 절단 속도 및 절단 당 패스(pass)의 수와 관련되는, 시간 당 수용가능한 품질로 처리될 수 있는 웨이퍼의 개수인 시스템 처리량을 포함한다. 기판은 다이싱에 의해 싱귤레이션될 수 있고, 상기 다이싱은 톱날과 같은 절삭 공구를 이용하여 로우 및 칼럼 배열의 스트리트를 따라 기판을 완전히 관통하도록 절삭하여 기판을 개별 소자로 싱귤레이션하는 프로세스다. 기판은 또한 스크라이빙(scribing)될 수 있고, 이 프로세스에서는 절삭 공구가 기판 표면의 스크라이브(scribe) 또는 얕은 트렌치를 만들고, 그 후 힘이, 통상적으로 기계적으로, 가해져서, 스크라이브에서 시작되는 크랙을 형성함으로써 기판을 분리시키거나 쪼개는(cleaving) 것이다. 싱귤레이션될 반도체 웨이퍼는 통상적으로, 원형 프레임에 의해 보지되는 다이 부착 필름(DAF)이라 불리는 신축성 접착 필름에 일시적으로 부착된다. 이러한 DAF는 개별 소자의 제어를 여전히 유지하면서 웨이퍼를 싱귤레이션시킬 수 있다.
발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드와 같은 발광 소자용의 소자 싱귤레이션에 있어서 중요한 인자는, 적어도 부분적으로 싱귤레이션 프로세스의 함수인, 싱귤레이션된 소자가 손상없이 견딜 수 있는 휨의 정도인 다이 파괴 강도를 포함한다. 레이저 펄스 위치를 둘러쌀 수 있는 열영향부(HAZ)의 결과로 물질의 싱귤레이션된 에지에 손상을 일으킬 수 있는 싱귤레이션 프로세스는 결과적인 싱귤레이션된 소자의 다이 파괴 강도를 감소시킬 수 있다. 마지막으로, 인가되는 전기 에너지의 함수로 소자의 광 출력은 싱귤레이션된 소자의 품질을 결정함에 있어서 중요한 인자다. 얼마나 많은 광이 소자 내로 다시 반사되는지와, 얼마나 많은 광이 소자로부터 유용하게 투과되는지를 에지 품질이 결정하기 때문에, 결과적인 에지의 광학적 성질이 광 출력의 결정 요인이기 때문에, 발광 소자로부터 출력되는 광은, 적어도 부분적으로 싱귤레이션 프로세스의 함수다. 에지 품질을 결정하는 인자는, 열 파편의 존재와, 쪼개진 에지의 임의적 패시팅(ramdom faceting)과, HAZ에 의해 야기되는 에지에 대한 손상을 포함한다. 마지막으로, 주어진 기계 상에서 단위 시간 당 싱귤레이션될 수 있는 소자의 개수인 시스템 처리량은, 싱귤레이션 기술의 만족도를 결정함에 있어서 중요한 인자다. 시스템 처리량의 감소를 대가로 하여 품질을 증가시키는 기술은 시스템 처리량을 감소시키지 않는 기술에 비해 바람직하지 않다.
레이저는 전자 소자의 싱귤레이션에 유리하게 적용되고 있다. 레이저는 값비싼 다이아몬드 코팅 톱날을 소모하지 않는 장점을 갖고, 톱에 비해 작은 커프를 가지면서 더 빠르게 절단할 수 있으며, 요구될 경우 직선과는 다른 패턴을 절단할 수 있다. 레이저의 문제점은 파편으로부터의 오염과 과량의 열에 의해 소자에 야기되는 손상을 포함한다. 본 출원의 양수인에게 양도된 미국특허 제6,676,878호("LASER SEGMENTED CUTTING", 발명자 James N. O'Brien, Lian-Cheng Zou, 및 Yunlong Sun)는 열 축적을 제어함으로써 소자 품질을 유지하면서 시스템 처리량을 개선시키기 위해 멀티 패스의 자외선 레이저 펄스를 이용하는 웨이퍼 싱귤레이션 방법을 논의하고 있다. 발광 소자의 광 출력에 대한 싱귤레이션 효과는 본 특허에서 논의되지 않는다. 미국특허 제7,804,043호("METHOD AND APPARATUS FOR DICING OF THIN AND ULTRA THIN SEMICONDUCTOR WAFER USING ULTRAFAST PULSE LASER", 발명자 Tan Deshi)는 파편 생성을 제어하기 위해 초고속(펨토초 또는 피코총) 펄스 지속시간을 이용하는 방안을 논의한다. '043 특허는 초고속 펄스가 다량의 열 파편의 생성하지 않으면서 웨이퍼를 스크라이빙 또는 다이싱할 수 있는 방안을 제시한다. 이러한 파편이 발광 소자로부터의 광 출력에 가질 수 있는 효과는, '043 특허에서 논의되지 않는다. 외견상 초고속 펄스는, 펄스의 에너지를 이용하여 물질을 열적 제거보다는 실질적으로 애블레이션할 만큼 충분히 빠르게 제거될 물질에 에너지를 연결할 수 있다. 애블레이션은 물질의 원자가 대전된 분자, 핵, 및 전자의 플라즈마 클라우드 내로 분리될 만큼 충분히 빠르게 물질 내로 충분한 에너지를 연결함으로써 기판으로부터 물질이 제거되는 프로세스다. 이는 물질이 액체 내로 용융되어 가스로 기화되거나 또는 레이저 에너지에 의해 가스로 직접 승화된다. 추가적으로, 레이저 가공 사이트에서 가열된 가스의 팽창으로부터 액체 또는 고체 물질을 방출함으로써 레이저 가공 사이트로부터 물질을 또한 제거할 수 있다. 실제로, 임의의 레이저 물질 제거는 애블레이션 프로세스 및 열 프로세스의 조합인 것이 일반적이다. 짧은 펄스 지속시간을 갖는 고도로 여기된 레이저 펄스는, 열적인 방식보다 애블레이션 방식으로 물질 제거를 유도하는 경향이 있다. 더 긴 펄스 지속시간에 걸쳐 인가되는 동일한 펄스 에너지는 물질 제거를 애블레이션 방식보다는 열 방식이게 하는 경향이 있다.
발광 소자의 레이저-보조 싱귤레이션은 싱귤레이션 프로세스에 의해 소자 상에 남은 에지의 품질이 최종 소자의 광 출력, 따라서, 가치에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 문제점을 제시한다. 본 특허 출원의 양수인에게 양도된 미국특허 제6,580,054호("SCRIBING SAPPHINRE SUBSTRATES WITH A SOLID STATE LASER", 발명자 Kuo-Ching Liu, Pei Hsien Fang, Dan Dere, Jenn Liu, Jih-Chuang Huang, Antonio Lucero, Scott Pinkham, Steven Oltrogge, 및 Duane Middlebusher)는 발광 소자 제작에 사용되는 사파이어 물질을 스크라이빙하기 위해 자외선 레이저 펄스의 이용을 논의한다. 미국특허 제6,992,026호("LASER PROCESSING METHOD AND LASER PROCESSING APPARATUS", 발명자 Fumitsugo Fukuyo, Kenshi Fukumitsu, Kaoki Uchiuyama, 및 Toahimitsu Wakuda)는 싱귤레이션 후 손상되지 않은 웨이퍼의 표면을 남기면서 기계적 클리빙을 안내하기 위해 웨이퍼 내의 저하 영역의 형성을 논의한다. 여기서 언급되는 어떤 특허도 소자 에지 광학적 품질에 대한 레이저-보조 싱귤레이션의 영향 또는 광 출력에 대한 그 영향에 대해 논의하지 않는다.
에지 품질 및 그 광학적 성질을 논의하는 문헌은, 저자 Hung-Wen Huang, C.F. Lai, W.C. Wang, T.C. Lu, H.C. Kuo, S.C. Wang, R.J. Tsai, 및 C.C Yu의 논문 "Efficiency Enhancement of GaN-Based Power-Chip LEDs with Sidewall Roughness by Natural Lithography", Electrochemcal and Solid State Letters, Vol. 10 No. (2)이다. 이 논문은 측벽 러프니스(sidewall roughness)의 함수로 발광 다이오드(LED)의 광 출력을 논의한다. 이 논문은 폴리스티렌 비드(beads)를 이용한 에칭의 추가 단계를 추가함으로써 측벽 러프니스를 제어하는 방안을 개시한다. 폴리스티렌 비드를 이용한 에칭 단계는 새로운 장비를 추가하고, 발광 소자 싱귤레이션의 기본 작업과 관련없는 요건을 추가하며, 따라서, 프로세스에 대한 비용을 추가하고, 전체 프로세스의 처리량을 감소시킨다. 논문의 저자는 측벽 품질이 싱귤레이션 중 레이저를 이용하여 바람직하게 영향받거나 제어될 수 있음을 고려하거나 이해하지 못하고 있다.
따라서, 소자 품질 및 시스템 처리량을 유지시키면서 소자로부터 개선된 광 출력을 제공하도록 측벽 품질을 제어하는 기판으로부터 발광 소자의 레이저-보조 싱귤레이션을 위한, 가격 경쟁력있고, 신뢰가능하며, 반복가능한 방법이 지속적으료 요구된다.
본 발명은 처리 표면과, 상기 처리 표면으로부터 연장되는 깊이를 갖는, 기판 상에 제조되는 발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 시스템 및 방법이다. 상기 방법은, 제어가능한 파라미터를 갖는 피코초 레이저를 가진 레이저 처리 시스템을 제공하는 단계와, 상기 레이저 파라미터를 제어하여, 상기 피코초 레이저로부터 광 펄스를 형성하고, 상기 기판의 상기 처리 표면을 실질적으로 포함하면서 상기 깊이의 약 50%보다 큰 범위의 깊이와, 상기 영역 깊이의 약 5%보다 작은 폭을 갖는 변형 영역을 형성하는 단계와, 상기 기판에 기계적 응력을 가하고, 상기 선형 변형 영역과 협동으로 적어도 부분적으로 형성되는 측벽을 갖는 상기 발광 전자 소자 내로 상기 기판을 쪼갬으로써, 상기 기판을 싱귤레이션하는 단계를 포함한다. 본 발명의 형태는 레이저 처리 시스템을 이용하여 기판 상에 제조되는 발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션을 수행한다. 레이저 처리 시스템은 제어가능한 레이저 파라미터를 갖는 펄스형 피코초 레이저를 이용하여, 기판의 내부로 연장되는 변형 영역을 기판의 표면 상에 형성하고, 상기 레이저 파라미터는 횡방향으로 상기 변형 영역의 크기를 제한하도록 제어된다. 그 후 상기 기판은 상기 변형 영역에 인접하여 상기 기판에 기계적 응력을 가함으로써, 따라서, 상기 변형 영역을 포함하는 면(facets)을 따라 기판을 쪼갬으로써, 싱귤레이션된다. 변형 영역을 포함하는 이러한 면들은 발광 소자에 의해 방출되는, 면에 충돌하는 광의 약 80% 이상을 투과시키도록 작동한다.
본 발명의 형태는, 열 파편의 양을 감소시키고 기판에 대한 열 손상을 제어하는 레이저 펄스 파라미터를 이용함으로써, 싱귤레이션된 발광 소자로부터 광 출력을 개선시킨다. 75kHz 내지 800kHz 범위의 펄스 반복율로 반출되는 약 10ps 미만의 펄스 폭을 갖는 532nm 또는 그보다 짧은 파장의 레이저 펄스가 사파이어 기판을 스크라이빙하는 데 유리하게 사용된다. 레이저 펄스는 적응형 레이저 스크라이빙 시스템을 이용하여 기판에 전달된다. 이러한 펄스는 적응형 레이저 스크라이빙 시스템의 빔 위치설정 광학계와 모션 제어 스테이지 사이의 협동에 의해, 기판에 대해 위치하는 약 1 마이크로미터 미만으로부터 약 5 마이크로미터까지의 초점에 포커싱된다. 레이저 파라미터를 조정하여, 기판 물질의 요망되는 변화가 초점 내에서 그리고 초점에 인접하여 나타나게 되고 초점 주변의 물질에서 바람직하지 않은 변화가 최소한으로 나타나게 된다. 레이저 펄스의 요망 효과는 크랙 개시 또는 전파를 개선시키도록 물질의 분자 또는 결정질 구조를 변경시키는 과정과, 클리빙 이후 조사되는 에지에 지정 양의 텍스처를 제공하는 과정을 포함한다. 레이저 펄스 파라미터를 적절히 선택함으로써, 기판 물질에 대해 이루어지는 변형은 크랙 개시 및 전파를 개선시킬 수 있어서, 레이저 스크라이빙 이후 물질을 쪼개는 데 감소된 기계적 힘이 요구되고, 따라서, 치핑 기회 및 다른 바람직하지 않은 클리빙 영향을 감소시킬 수 있다. 추가적인 바람직하지 않은 영향은 열 파편과, 조사되는 위치 근처의 열영향부(HAZ)에 의해 야기되는 손상을 포함한다. HAZ 손상은 다이 파괴 강도를 감소시키는 마이크로크랙의 생성과, 광을 흡수하여 소자 내로 다시 반사시키는, (그래서 광 출력을 감소시키는) 에지 영역의 생성을 포함한다. 열 파편 역시 광을 흡수하고 다시 소자 내로 반사시켜서 광 출력을 또한 감소시킨다. 본 발명의 형태는, 측벽을 통한 광 투과를 촉진시키고 광 투과를 금지시키도록 횡방향으로 충분하게 멀리 연장되지 않는 텍스처 표면을 형성하도록, 딱 충분하게 분해 또는 변형된 물질로 기판 내 변형 영역의 형성을 촉진시키는 레이저 파라미터를 이용한다.
본 발명의 형태는, 스크라이브 형성을 위해 기판 상의 동일 인근으로 지향되는 반복 레이저 펄스가, 기판 내에 요망 변화를 유도하지만, 바람직하지 않은 열 손상을 야기하기에 충분하게 HAZ의 온도를 상승시키지 않도록, 피코초 레이저 펄스를 이용하여 이를 기판에게로 지향시킴으로써 요망 성질을 갖는 기판 상의 스크라이브를 생성한다. 이는 앞서 나열한 파장, 펄스 지속시간, 반복율, 펄스 에너지, 및 초점 크기에 추가하여 레이저 파라미터를 선택함으로써 실현된다. 이러한 레이저 파라미터는 레이저 빔이 기판에 대해 이동할 때 레이저가 펄스화됨에 따라 기판 상의 인접 레이저 펄스의 간격 및 타이밍을 포함하며, 이는 레이저 반복율, 펄스 지속시간에 의존하고, 통상적으로 mm/s로 표시된다. 본 발명의 실시예에 대한 전형적인 레이저 빔 속도는 20 내지 1000mm/s 이고, 특히, 50 내지 450mm/s 다.
본 발명의 형태는 변형 영역을 따라 기판을 분리시키는 크랙을 개시하기 위해 선형 변형 영역에 인접하여 기판에 기계적 응력을 가함으로써 스크라이빙된 기판을 쪼갠다. 기계적 클리빙 프로세스를 개시 및 안내하기 위해 기판 표면 상에 스크라이브를 형성하면, 표면에 도달하지 않은 변형 영역에서 크랙이 시작되는 경우에 비해, 더 우수한 광학적 성질을 갖는 결과적 측벽 표면이 제공될 수 있다. 일본, 610-0313 쿄토에 소재한 Opto-System Co. Ltd. 사에서 제조한 Opto-System Semi Auto Breaker WBM-1000과 같은 기계적 클리빙 공구를 이용함으로써 또는 DAF를 기계적으로 신축시킴으로써, 기판에 일반적으로 가해지는 응력은, 스크라이브 영역에서 크랙이 시작되게 하고 기판을 통해 크랙이 전파되게 한다. 표면 스크라이브없이 내부 스크라이브를 갖는 기판 상에서 클리빙이 수행되면, 표면을 향해 임의적 방향으로 크랙을 전파시키는 경향이 있어서, 공통 표면 배향을 갖는 에지의 작은 영역으로 규정되는 복수의 면을 야기하게 된다. 이러한 복수의 임의적 면은 더 많은 광을 다시 싱귤레이션된 소자 내로 반사시켜서 광 출력을 저하시키는 경향이 있다. 표면 스크라이브를 갖는 기판의 클리빙은, 결과적 면들이 스크라이빙 방향에 평행하게 일반적으로 정렬되기 때문에, 소자 내로 광을 덜 반사시키는 면을 갖는 에지를 생성하는 경향이 있어서, 광 출력을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 실시예는 기판의 표면 상에 이루어져서 기판 내로 연장되는 스크라이브를 따라 클리빙을 수행함으로써 기판을 싱귤레이션한다.
본 발명을 통해, 소자 품질 및 시스템 처리량을 유지시키면서 소자로부터 개선된 광 출력을 제공하도록 측벽 품질을 제어하는 기판으로부터 발광 소자의 레이저-보조 싱귤레이션을 위한, 가격 경쟁력있고, 신뢰가능하며, 반복가능한 방법이 제공된다.
도 1은 웨이퍼 도면.
도 2는 레이저 처리 시스템 도면.
도 3은 스크라이빙된 기판 도면.
도 4는 스크리이빙된 기판의 SEM 이미지.
도 5는 스크라이빙된 기판의 SEM 이미지.
발명의 형태는 레이저 처리 시스템을 이용하여 기판 상에 제조되는 발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션을 수행한다. 레이저 처리 시스템은 제어가능한 레이저 파라미터를 갖는 펄스형 피코초 레이저를 이용하여, 기판의 내면 내로 연장되는, 변형 영역을 기판의 표면 상에 형성하고, 상기 레이저 파라미터는 횡방향으로 상기 변형 영역의 정도를 제한하도록 제어된다. 그 후 기판은 변형 영역에 인접한 기판에 기계적 응력을 가함으로써, 그리고, 변형 영역을 포함하는 면(facets)을 따라 기판을 쪼갬으로써, 싱귤레이션된다. 변형 물질을 포함하는 이러한 면은 소자의 내부로부터 외부로 광의 투과를 개선시키는 고투과성, 확산형, 비-정반사 측벽 표면을 제공함으로써 발광 소자로부터 광 출력을 개선시킨다. 소자 내로 다시 반사되는 광은 바람직하지 못한데, 첫 번째로, 소자의 유용한 광 출력에 기여하지 못하기 때문이고, 두 번째로, 재흡수가능성이 있고 원하지 않는 열-축적에 기여하여 소자의 효율을 더 감소시킬 수 있기 때문이다. 발명의 형태는 소자를 지지하는 기판이 클리빙(cleaving) 준비를 위해 레이저 스크라이빙되는 특별한 방식의 결과로 소자 측벽의 광 투과 능력을 개선시킴으로써 발광 소자의 개선된 광 출력 효율을 얻는다. 적절히 선택된 레이저 파라미터를 이용하여 발광 소자를 지지하는 기판을 스크라이빙함으로써, 싱귤레이션 프로세스에 의해 형성되는 측벽 상에 요망되는 광 투과 성질이 변형 영역에 제공될 것이다.
본 발명의 형태는 기판에 대한 열 손상 및 열 파편의 양을 감소시키는 레이저 펄스 파라미터를 이용함으로써 싱귤레이션된 발광 소자로부터의 광 출력을 개선시킨다. 3 내지 1500 kHz 범위, 특히 75 내지 600 kHz 범위의 펄스 반복율로 방출되는, 10ns 미만, 특히 300ps 미만의 펄스 폭을 갖는, 150 내지 3000nm 범위, 특히, 150 내지 600 nm 범위의 파장을 갖는 레이저 펄스가 기판의 스크라이빙에 유리하게 사용된다. 펄스는 약 1 마이크로미터 미만으로부터 약 25 마이크로미터까지의 범위로, 특히, 1 마이크로미터 미만으로부터 약 2 마이크로미터까지의 범위로 초점에 포커싱된다. 레이저는 미국, 오레곤 97239, Portland에 소재한 Electro Scientific Industires, Inc. 사에서 제조한 적응형 AccuScribe 2600 LED Laser Scribing System을 이용하여 기판에 전달된다. 구현되는 적응예 중 하나는 스위스, CH-8005 취리히에 소재한 Time-Bandwidth Products AG에 의해 제조되는 고상 적외선 레이저 모델 Duetto와 들어맞는다. 이러한 레이저는 1064 nm 파장에서 10ps 펄스를 방출하며, 이는 고상 고조파 발생기를 이용하여 532nm 파장으로 주파수 이배화되고, 선택적으로, 고상 고조파 발생기를 이용하여 355nm 파장으로 주파수 3배화된다. 선택적으로, 독일, 67661 Kaiserslautern, Opelstr. 10에 소재한 Lumera Laser GmbH에서 제조한 Lumeral Rapid Green 레이저 모델 SHG-SS는 Time-Bandwidth Duetto 대신에 AccuScribe 2600 LED Laser Scribing System에 끼워맞춰질 수 있다. Lumera 레이저는 1064 nm 및 532 nm 파장에서 10ps 펄스를 방출한다. Lumera 레이저의 이중 출력을 사용하여, 고상 고조파 발생기를 이용하여 355nm 출력을 생성할 수 있다. 이러한 레이저들은 0.1 내지 1.5 와트의 출력 파워를 갖는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판(30)을 스크라이빙하도록 구성되는 레이저 스크라이빙 시스템(18)의 도면을 도시한다. 적응된 레이저 스크라이빙 시스템(18)은 레이저 펄스(22)를 방출하도록 작동하는 레이저(20)를 갖는다. 이러한 펄스는 빔 성형 및 조향 광학계(24)에 의해 성형 및 조향되고, 그 후 필드 광학계(26)에 의해 기판(30)으로 지향된다. 파편 제어 노즐(28)은 스크라이빙 프로세스에 의해 생성되는 파편을 기판의 표면 상에 내려앉지 못하도록 진공 및 압축 공기를 이용한다. 기판(30)은 빔 성형 및 조향 광학계(24)와 협력하여 작동하는 모션 제어 스테이지(32)에 의해 레이저 펄스에 대해 이동한다. 추가적으로, 대물 광학계를 포함한 이미징 시스템(34)을 이용하여 레이저 펄스(22)에 대해 기판(30)을 정렬시킨다. 레이저(20), 빔 성형 및 조향 광학계(24), 모션 제어 스테이지(32) 및 이미징 시스템(34) 모두는 시스템 컨트롤러(36)의 제어 하에서 작동한다.
도 3은 상부 표면(42) 및 하부 표면(44)을 갖는 기판(40)의 섹션을 도시한다. 기판의 상부 표면(42) 상에서, 적응형 레이저 스크라이빙 시스템(18)의 빔 성형 및 조향 광학계(24)와 모션 제어 스테이지(32) 사이에서 협동에 의해 기판(40)에 대해 위치하는 약 1 마이크로미터 미만으로부터 5 마이크로미터까지의 초점에 포커싱되는 레이저 펄스(22)에 의해 스크라이브(46)가 형성된다. 펄스는 스크라이빙 수행을 위해 표면(42) 상의 또는 근처의 점에 포커싱된다. 상부 표면(42)으로부터 소정 거리(50)로 기판(40) 내로 연장되는 변형 물질(48)의 볼륨을 형성하도록 초점 주위의 물질에서 원치않는 변화가 최소한으로 나타나도록, 그리고 초점 내에서 그리고 초점 인근에서 기판 물질의 요망되는 변화가 나타나도록, 레이저 파라미터가 조정된다. 변형 영역(48)은 스크라이브의 선형 방향에 수직인 측벽(52)에서 눈에 보이고, 레이저에 의해 변형되는 물질의 횡방향 한도를 설명한다. 레이저 펄스의 요망 효과는 물질의 분자 또는 결정질 구조를 변경시켜서 크랙 개시 또는 전파를 개선시키는 과정과, 클리빙 이후 조사된 에지에 텍스처를 제공하는 과정을 포함한다. 클리빙(cleaving)은 스크라이브 인근에서 기판에 기계적 응력이 가해질 때 라인(AA)을 따라 수직으로, 그리고, 스크라이브를 따라 선형으로 나타날 것이다. 바람직하지 않은 효과는, 열 파편과, 조사되는 위치 근처의 열영향부(HAZ)에 의해 야기되는 손상을 포함한다. HAZ 손상은 다이 파괴 강도를 감소시키는 마이크로크랙스의 생성과, 광을 흡수하여 소자 내로 다시 반사시키며 따라서 광 출력을 감소시키는, 에지 영역의 생성을 또한 포함한다. 열 파편 또한 광을 흡수하여 소자 내로 다시 반사시켜서 광 출력을 또한 감소시킨다. 미리 선택된 레이저 파라미터를 이용함으로써, 요망 효과를 달성하면서도 레이저 스크라이빙의 이러한 부정적 영향을 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 형태는, 기판 상의 동일 근처로 지향되는 반복 레이저 펄스가 기판의 요망 변화를 야기하면서도 바람직하지 않은 열 손상을 일으키기에 충분한 HAZ의 온도를 상승시키지 않도록, 피코초 레이저 펄스를 이용하고 이러한 펄스를 기판으로 지향시킴으로써, 요망 성질을 갖도록, 기판 상에 스크라이브를 생성한다. 이는 앞서 나열한 파장, 펄스 지속시간, 반복율, 펄스 에너지, 및 초점 크기에 추가하여 레이저 파라미터를 선택함으로써 실현된다. 이러한 레이저 파라미터는 레이저 빔이 기판에 대해 이동할 때 레이저가 펄스화됨에 따라 기판 상의 인접 레이저 펄스의 간격 및 타이밍을 포함하며, 이는 레이저 반복율, 펄스 지속시간에 의존하고, 통상적으로 mm/s로 표시된다. 본 발명의 실시예에 대한 전형적인 레이저 빔 속도는 20 내지 1000mm/s 이고, 특히, 50 내지 450mm/s 다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 스크라이빙되는 웨이퍼의 주사 전자 현미경 이미지를 보여준다. 도 4는 측벽(52)에 수직으로 보았을 때, 스크라이빙된 기판(60)을 보여준다. 이 도면은 측벽(66)을 따라 기판의 상부 표면(62) 및 하부 표면(64)을 보여준다. 상부 표면(62)은 측벽(52) 상에서 눈에 보이는 기판(60) 내부의 변형 물질(70)을 갖는 스크라이브(68)를 보여준다. 변형 영역은 기판 내로 소정 거리(72)로 연장된다. 본 이미지에 나타나는 변형 물질의 횡방향 한도는, 변형의 수직 한도가 선형 스크라이브에 수직인, 횡방향 한도보다 큼을 보여준다.
본 발명의 형태는 기계적 클리빙 프로세스를 개시 및 안내하기 위해 기판의 표면 상에서 스크라이브에 인접하게 기판에 기계적 응력을 가함으로써, 스크라이빙된 기판을 쪼갠다. 기계적 클리빙 공구를 이용함으로써 또는 DAF를 기계적으로 신축함으로써, 기판에 일반적으로 가해지는 응력은, 변형 스크라이브 영역에서 크랙이 시작되게 할 것이고, 상부 표면으로부터 하부 표면으로 기판을 통해 크랙이 전파되게 할 것이다. 인접한 표면 스크라이브 없이 내부 스크라이브를 갖는 기판 상에서 수행되는 클리빙은 표면을 향해 임의적 방향으로 크랙을 전파시키는 경향이 있고, 따라서, 공통 표면 배향을 갖는 에지의 작은 영역으로 규정되는 복수의 면을 유도한다. 이러한 복수의 임의적 면들은 싱귤레이션되는 소자 내로 광을 다시 반사시켜서 광 출력을 감소시키는 경향이 있다. 표면 스크라이브를 이용하여 기판을 쪼갬으로써, 결과적인 면들이 스크라이빙 방향에 평행하게 대체로 정렬되기 때문에 광을 소자 내로 덜 반사시키고 따라서 광 출력을 증가시키는 면을 갖는 에지를 생성하는표면 상의 스크라이브로 크랙을 전파시킨다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 스크라이빙 이후 기판의 주사 전자 현미경 이미지를 보여준다. 도 5는 스크라이브의 선형 방향에 평행하게 도 3의 라인(AA)과 유사한 라인을 따라 기판을 쪼갬으로써 형성되는 측벽(86)과, 상부 표면(82) 및 하부 표면(84)을 갖는 기판을 보여준다. 이 이미지는 클리빙에 의해 측벽(86) 상에 드러나는 변형 영역(90)과 함께, 스크라이브(88)의 위치를 보여준다. 변형 영역은 소정 거리(92)만큼 기판 내로 연장된다. 측벽의 적어도 일부분을 형성하는 이러한 변형 영역은 수 마이크로미터 넘게 횡방향으로 기판 내로 연장되는 변형 영역을 갖는 측벽 또는 이러한 텍스처없는 측벽에 비해, 더 큰 효율로 소자에서 발원하는 광을 투과시키도록 작동한다.
본 발명의 실시예는, 시스템에 의해 이용되는 레이저 파장에 실질적으로 투과성일 수 있는 기판을 스크라이빙하는데 사용된다. 특히, 발광 다이오드를 제조하기 위해 기판으로 사용되는 사파이어 웨이퍼는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 사용되는 레이저 광의 파장에 실질적으로 투과성이다. 사파이어 웨이퍼는 355nm 내지 4000nm 사이의 파장에서 레이저 에너지의 약 85%를 투과시키고, 190nm 내지 355nm 사이의 파장에서 레이저 에너지의 60% 이상을 투과시킨다. 능동 회로를 지지하는 기판의 상부 표면에 도포되는 DAF를 기판이 갖는 것이 또한 일반적이다. 능동 소자들 사이의 스트리트의 상부 표면 상에서 기판을 스크라이빙하는 것이 또한 종종 바람직하다. 이러한 경우에, DAF는 부착된 기판과 함께 시스템 내로 로딩되어, 스크라이빙이 요망되는 표면에 대향된 표면 상의 기판에 레이저 펄스가 충돌하게 된다. 사용되는 레이저 파장에 대해 기판이 실질적으로 투과성이기 때문에, 레이저 펄스는 기판을 통해 투과될 수 있고 기판의 대향 표면 상에 포커싱될 수 있다. 초점이 기판과 교차하는 곳에서 물질 변형을 일으키기에 충분한 에너지만을 레이저 펄스가 갖기 때문에, 스크라이빙 또는 변형은 레이저 펄스가 기판에 충돌하는 곳과 대향된 표면 근처에서 이루어질 것이다.
본 발명의 근간을 형성하는 원리로부터 벗어나지 않으면서 본 발명의 상술한 실시예의 세부사항에 대해 많은 변화가 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.
10 : 웨이퍼 12 : 소자
14, 16 : 스트리트 18 : 레이저 스크라이빙 시스템
20 : 레이저 22 : 레이저 펄스
24 : 빔 성형 및 조향 광학계 28 : 파편 제어 노즐
30, 40 : 기판 32 : 모션 제어 스테이지
34 : 이미징 시스템 42 : 상부 표면
44 : 하부 표면 46 : 스크라이브
48 : 변형 물질

Claims (29)

  1. 처리 표면과, 상기 처리 표면으로부터 연장되는 깊이를 갖는, 기판 상에 제조되는 발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법에 있어서, 상기 방법은,
    선택가능한 파라미터를 갖는 피코초 레이저를 가진 레이저 처리 시스템을 제공하는 단계와,
    상기 레이저 파라미터를 선택하여, 상기 피코초 레이저로부터 광 펄스를 형성하고, 상기 기판의 상기 처리 표면을 실질적으로 포함하면서 상기 깊이의 약 50%보다 큰 범위의 깊이와, 상기 영역 깊이의 약 5%보다 작은 폭을 갖는 변형 영역을 형성하는 단계와,
    상기 기판에 기계적 응력을 가하고, 상기 선형 변형 영역과 협동으로 적어도 부분적으로 형성되는 측벽을 갖는 상기 발광 전자 소자 내로 상기 기판을 쪼갬으로써, 상기 기판을 싱귤레이션하는 단계를 포함하는
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 파라미터는 파장, 펄스 지속시간, 펄스 에너지, 펄스 반복율, 초점 크기, 초점 오프셋, 및 초점 속도 중 적어도 하나를 포함하는
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장은 약 600nm보다 짧거나 같은
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스 지속시간은 약 100ps보다 짧거나 같은
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스 에너지는 약 1.0 마이크로주울보다 크거나 같은
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스 반복율은 약 75Hz 내지 약 600kHz 사이에 있는
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 초점 크기는 약 1 마이크로미터 미만에서부터 약 5 마이크로미터까지 사이인
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 초점 오프셋은 상기 기판 표면에 대해 -50 마이크로미터 내지 +50 마이크로미터 사이인
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 초점 속도는 상기 기판 표면에 대해 약 25 내지 약 450mm/s 사이인
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  10. 처리 표면과, 상기 처리 표면으로부터 연장되는 깊이를 갖는, 기판 상에 제조되는 발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션을 위한 레이저 스크라이빙 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    적어도 하나의 선택가능한 파라미터를 갖는 광 펄스를 생성하도록 구성되는 피코초 레이저와,
    상기 기판에 상기 광 펄스를 제어가능하게 운반하기 위한 레이저 광학계와,
    상기 펄스와 관련하여 상기 기판을 제어가능하게 이동시키기 위한 모션 제어 스테이지와,
    상기 펄스를 방출하도록 상기 피코초 레이저에 지시하고, 상기 기판에 상기 펄스를 운반하도록 상기 레이저 광학계에 지시하며, 상기 기판의 상기 처리 표면을 실질적으로 포함하면서 상기 깊이의 50% 범위의 깊이와, 상기 영역 깊이의 약 5% 미만의 폭을 갖는 변형 영역을 형성하도록 작동하는 상기 파라미터로 상기 펄스와 관련하여 상기 기판을 이동시키도록 상기 모션 스테이지에 지시하는, 컨트롤러를 포함하는
    레이저 스크라이빙 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 레이저 파라미터는 파장, 펄스 지속시간, 펄스 에너지, 펄스 반복율, 초점 크기, 초점 오프셋, 및 초점 속도 중 적어도 하나를 포함하는
    레이저 스크라이빙 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 파장은 약 600nm보다 짧거나 같은
    레이저 스크라이빙 시스템.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 펄스 지속시간은 약 100ps보다 짧거나 같은
    레이저 스크라이빙 시스템.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 펄스 에너지는 약 1.0 마이크로주울보다 크거나 같은
    레이저 스크라이빙 시스템.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 펄스 반복율은 약 75Hz 내지 약 600kHz 사이에 있는
    레이저 스크라이빙 시스템.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 초점 크기는 약 1 마이크로미터 미만에서부터 약 5 마이크로미터까지 사이인
    레이저 스크라이빙 시스템.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 초점 오프셋은 상기 기판 표면에 대해 -50 마이크로미터 내지 +50 마이크로미터 사이인
    레이저 스크라이빙 시스템.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 초점 속도는 상기 기판 표면에 대해 약 25 내지 약 450mm/s 사이인
    레이저 스크라이빙 시스템.
  19. 선택가능한 파라미터를 갖는 기판을 가진 레이저 스크라이빙 시스템을 이용하여, 처리 표면과, 상기 처리 표면으로부터 연장되는 깊이를 갖는 기판으로부터 싱귤레이션되는 측벽을 갖는 개선된 발광 전자 소자에 있어서,
    상기 기판의 표면으로부터 상기 기판의 내부로 연장되는 변형 영역을 상기 레이저로 생성하도록 상기 측벽에 텍스처(texture)를 형성하여, 더 큰 광 출력을 가능하게 하고, 따라서, 상기 발광 전자 소자를 개선시키는
    개선된 발광 전자 소자.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형 영역은 상기 기판의 상기 처리 표면을 실질적으로 포함하면서 상기 깊이의 50% 범위의 깊이와, 상기 영역 깊이의 약 5% 미만의 폭을 갖는
    발광 전자 소자의 레이저-보조 싱귤레이션 방법.
  21. 싱귤레이션될 발광 소자의 표면을 텍스처화하는 방법에 있어서,
    선택가능한 파라미터를 갖는 레이저 펄스를 적용하는 단계를 포함하며,
    상기 파라미터는 요망 텍스처를 제공하는 변형 영역을 상기 표면 상에 생성하도록 선택되는
    싱귤레이션될 발광 소자 표면의 텍스처화 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 레이저 파라미터는 파장, 펄스 지속시간, 펄스 에너지, 펄스 반복율, 초점 크기, 초점 오프셋, 및 초점 속도 중 적어도 하나를 포함하는
    싱귤레이션될 발광 소자 표면의 텍스처화 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 파장은 약 600nm보다 짧거나 같은
    싱귤레이션될 발광 소자 표면의 텍스처화 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 펄스 지속시간은 약 100ps보다 짧거나 같은
    싱귤레이션될 발광 소자 표면의 텍스처화 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 펄스 에너지는 약 1.0 마이크로주울보다 크거나 같은
    싱귤레이션될 발광 소자 표면의 텍스처화 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 펄스 반복율은 약 75kHz 내지 약 600kHz 사이에 있는
    싱귤레이션될 발광 소자 표면의 텍스처화 방법.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 초점 크기는 약 1 마이크로미터 미만에서부터 약 5 마이크로미터까지 사이인
    싱귤레이션될 발광 소자 표면의 텍스처화 방법.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 초점 오프셋은 상기 기판 표면에 대해 -50 마이크로미터 내지 +50 마이크로미터 사이인
    싱귤레이션될 발광 소자 표면의 텍스처화 방법.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 초점 속도는 상기 기판 표면에 대해 약 25 내지 약 450mm/s 사이인
    싱귤레이션될 발광 소자 표면의 텍스처화 방법.
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