JP2009072829A - 超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置及びその切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ディスプレイの用途及び特性によって少しずつ異なるガラスに関係なく簡単な工程だけで迅速且つ高精度の切断加工を達成した超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置及びその切断方法を提供する。
【解決手段】超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置は、超短パルスレーザービームを発生するためのレーザー発生手段と、前記超短パルスレーザービームの焦点が切断しようとする基板の内部に合わせられるように調節するための焦点調節手段とを備え、前記超短パルスレーザービームを前記基板の内部に焦点を合わせて所望の切断経路に沿って照射することによって、内部フィラメンテーション現象を誘導し、前記基板の内部に切断溝を形成する。これにより、各種ディスプレイに使用される基板をクラックや損傷なしに簡単な工程で迅速且つ精度よく切断することができる効果がある。
【選択図】図２

Description

本発明は、超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置及びその切断方法に関し、より詳細には、フェムト秒（Femto Second、ＦＳ）〜ピコ秒（Pico Second、ＰＳ）パルスを有する超短パルスレーザービームの焦点位置を多様に調節し、各種ディスプレイに使用される基板をクラックや損傷なしに簡単な工程で迅速且つ精度よく切断することができる超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置及びその切断方法に関する。

最近、情報通信技術の高速化、集積化、軽量化に伴って、非常に速い情報処理能力を有する情報処理装置の開発が加速化され、これにより、高速で処理された情報を作業者が認識することができるように表示するインターフェースの役目をする情報表示装置（以下、’ディスプレイ装置’という）の技術開発は、産業界において重要な比重を占めている。

通常のＣＲＴ（Cathode Ray Tube）は、２０世紀全般にわたって持続的に使用されてきたディスプレイ装置であるが、２０世紀末から始まって２１世紀に至ってさらに重要になる携帯用ディスプレイ装置あるいは大型化、高解像度、低体積などに対する要求を充足させることには限界があった。

したがって、既存のＣＲＴ（Cathode Ray Tube）方式を脱したＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）、ＴＦＴ（Thin Film Transistor)など多様な方式のディスプレイ装置が広く使用されており、ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Device)、ＯＥＰ（Organic Electroluminescence Panel)も既に具現段階に来ていることが現実である。

このようなディスプレイ装置は、光を利用した視覚的信号を使用することができなければならないので、透明な材質が必ず含まれるが、通常の場合、ガラスが使用される。

例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）の場合、透明な２枚のガラス基板の間に液晶を注入した後、液晶が注入された透明基板を非常に微細な区域に分割し、各区域別に液晶の配列を電場で調節するようにし、発光体から出た光を液晶の配列によって通過、遮断したり、または光量を調節し、光が透明基板を通過した後、ＲＧＢ画素を通過しつつ、光がそれぞれ指定された色にフィルタリングされるようにして、モザイク形態で情報を視覚的に表示することができる。

また、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）の場合、２つの透明基板内にＣＣＰ（Charge-Coupled Plasma）が発生し得る非常に微細なセルを配列し、各セルを電気的に調節し、所望の部分にのみプラズマが発生するようにして、プラズマ発生時に出る紫外線領域の光を前方ガラスの裏面に付着した発光体が吸収し、可視光線の光に切り替えて伝送する方式で情報表示をするようになる。

このようなディスプレイ装置に使用される基板は、主として所定の強度を有するガラス基板が使用されるが、最近の傾向は、まず、非常に大きいサイズのガラス母基板に複数のディスプレイ装置を同時に形成し、所望のサイズだけを切り出して最終完成する技術が経済的且つ時間的に有利であると判断され、脚光を浴びている。

前記切断分離過程に最も先に使用され最も広く使用されたものは、ダイヤモンドカッター技術である。ダイヤモンドを利用する方法によって高速で回転するダイヤモンドブレードを用いて基板に切断用溝を形成し切削するダイシング方式、またはダイヤモンドよりなるスクライビングホイール（scribing wheel）によって基板に切断用溝を形成し、基板の厚さ方向にクラックを形成するスクライビング方式に分けることができる。

しかし、この場合、切断過程が全体製作工程の最終に該当するので、切断中に狙いと異なる方向への切断、クラックまたは損傷が発生する場合、損失が非常に大きく発生するという短所がある。

このような狙いと異なる損傷の原因は、様々なものがあり得るが、主としてダイヤモンドカッターなど機械的な力を加えて切断する時、切断面が滑らかでなく、荒く切断された部分に応力が集中されるからであると見られる。

すなわち、鋭いブレードで機械的な力を加えて切断線を引く場合、ガラスは、非晶質材料なので、深さ方向はもちろん広さ方向にも一定の形状の跡の残らない非常に不規則な形状の溝が形成されるようになり、これに圧力が加えられる場合、切断方向が意図された方向と異なって発生することはもちろん、微細断片または破片により部分損傷が発生するようになる。

また、ダイヤモンドブレードまたはスクライビングホイールは、高価の材料を使用し、寿命が短いため、製造コストが上昇するという点も短所として指摘されている。

このような短所を補完するために、最近、レーザーを照射して切断する方式が開発されて使用されている。使用されるレーザーは、例えば、二酸化炭素レーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーなど加工を望む材料の特性によって少しずつ異なるが、基本的に動作原理は、次の通りである。

図１は、従来技術によるレーザーを利用した基板切断装置を概略的に示す図である。

図１を参照すれば、レーザービーム１をガラス母基板２の切断経路に沿って照射し、基板２においてレーザービーム１が照射された切断経路を急速加熱し、急速加熱された切断経路上に基板２の加熱温度より顕著に低い温度を有する冷却体３を噴射し、基板２の急速膨脹及び収縮による熱応力によって基板２を切断経路に沿って切断する。

その他、レーザービーム１を照射する前に、ダイヤモンドカッターを用いてまず微小な溝を形成する方式や、レーザービーム１の照射後にダイヤモンドカッターを用いてレーザービーム１が照射された経路に沿って追加的に線を引く方式、またはレーザービーム１を先に照射し、冷却体３を噴射した後、さらにレーザービーム１をもう一度照射する方式などさまざまな技術が提案された。

しかし、最近、ディスプレイ装置の大型化に伴って、ガラス母基板の平面積及び厚さが次第に増加する傾向にあり、そのため、現在使用されているガラス基板は、約０．７ｍｍ程度の厚さを有している。このように厚いガラス基板を一度に切断するためには、非常に高いエネルギーのレーザービームが照射されなければならない。

この場合、冷却体を利用した急速冷却時に温度差異が大きすぎるので、これによるクラック及び損傷が発生し、製作に困難をもたらすことができる。また、強いエネルギーの注入による材料内部の衝撃波も内部に意図しないクラックを発生させる主要原因として現われるようになる。

また、レーザービームを利用した切断方式であるだけに、機械的な方式では重要でなかった他の変数が存在し得るが、レーザービームの照射時に材料で発生するデブリ（debris）が加工面に融着されるので、このデブリによって精度よく合わせられたレーザービームの焦点距離や照射方向などに良くない影響を及ぼすことができる。

特開２００４−０７４２７９号公報 特開２００６−１３０５５６号公報 特開２００６−１３０５５７号公報 特開２００６−１３０９０３号公報

本発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、その目的は、フェムト秒（ＦＳ）からピコ秒（ＰＳ）に至る超短パルスレーザーを利用してディスプレイの用途及び特性によって少しずつ異なるガラスあるいは透明材質の基板特性に関係なく複雑な前／後工程を最大限低減し、簡単な工程だけで迅速且つ高精度の切断加工を達成し、意図しない破断、クラック及び損傷を防止し、不良率を極小化することができるようにした超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置及びその切断方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１実施例に係る超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置は、超短パルスレーザービームを発生するためのレーザー発生手段と、前記超短パルスレーザービームの焦点が、切断しようとする基板の内部に合わせられるように調節するための焦点調節手段と、を備え、前記超短パルスレーザービームを前記基板の内部に焦点を合わせて所望の切断経路に沿って照射することによって、内部フィラメンテーション（filamentation）現象を誘導し、前記基板の内部に切断溝を形成する。

好ましくは、前記超短パルスレーザービームは、フェムト秒（ＦＳ）乃至ピコ秒（ＰＳ）のパルス幅を有する。

好ましくは、前記焦点調節手段は、所望の切断経路によって前記超短パルスレーザービームの焦点が前記基板の内部に合わせられるように調節して切断溝を形成した後に、または同時に、同一の切断経路に前記超短パルスレーザービームの焦点が前記基板の上面に合わせられるように調節し、前記基板の上面に切断溝をさらに形成するか、さらに、前記基板の内部に合わせられるように調節し、二重に切断溝を形成することができる。

また、本発明の第２実施例に係る超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置は、超短パルスレーザービームを発生するためのレーザー発生手段と、前記超短パルスレーザービームの焦点が切断しようとする基板の下面から一定の間隔をもって離隔された空気層に合わせられるように調節するための焦点調節手段とを備え、前記超短パルスレーザービームを前記基板の下面から一定の間隔をもって離隔された空気層に焦点を合わせて所望の切断経路に沿って照射することによって、前記基板の下面と空気層との境界面で反射される光によって前記基板の上面部位に一定の深さの第１切断溝が形成され、前記超短パルスレーザービームの焦点で発生する空気分子とプラズマ層との境界で反射される光によって前記基板の下面に前記第１切断溝と同一線上に一定の深さの第２切断溝を形成する。

好ましくは、前記超短パルスレーザービームは、フェムト秒（ＦＳ）乃至ピコ秒（ＰＳ）のパルス幅を有する。

好ましくは、前記基板は、１つまたは少なくとも２つ以上の多層構造を有する絶縁性基板よりなることができる。

好ましくは、前記レーザー発生手段と前記基板との間に配置され、前記超短パルスレーザービームを所望の焦点位置に集中する集光手段をさらに備えることができる。

好ましくは、前記集光手段は、約０．３〜０．７の開口数（ＮＡ）を有する少なくとも１つのレンズを含むことができる。

好ましくは、前記焦点調節手段に連結され、所望の切断経路に沿って前記焦点調節手段が所望の速度で移動するように所定の駆動力を伝達するための駆動手段をさらに備えることができる。

好ましくは、前記超短パルスレーザービームが所望の切断経路に沿って移動するように少なくとも１つの反射ミラーまたは干渉計を利用することができる。

好ましくは、前記超短パルスレーザービームの焦点と一致するように倍率を調節し、加工前に所望の超短パルスレーザービームの焦点位置をユーザが画面を見ながら直接指定し、切断工程時に工程過程を実時間で画面を通じて確認することができるモニタリング手段をさらに備えることができる。

好ましくは、前記切断溝に沿って切断されることができるように前記切断溝と一致する位置に一定の圧力を加えるための補助切断手段をさらに備えることができる。

好ましくは、前記超短パルスレーザービームの入出力及び焦点、前記焦点調節手段の動き及び速度を含めた全体的な制御を担当するための制御手段をさらに備えることができる。

また、本発明の第３実施例に係る超短パルスレーザービームを利用した基板切断方法は、（ａ）あらかじめ用意された基板を特定の位置に固定させる段階と、（ｂ）超短パルスレーザービームの焦点を前記基板の内部に合わせられるように調節する段階と、（ｃ）前記基板の内部に焦点が合わせられた超短パルスレーザービームを所望の切断経路に沿って照射し、前記基板の内部に切断溝を形成する段階と、を備える。

好ましくは、前記超短パルスレーザービームは、フェムト秒（ＦＳ）乃至ピコ秒（ＰＳ）のパルス幅を有する。

好ましくは、前記段階（ｃ）の後に、または同時に、前記超短パルスレーザービームの焦点が前記基板の上面に合わせられるように調節した後、前記基板の上面に焦点が合わせられた超短パルスレーザービームを同一の切断経路に沿って照射し、前記基板の上面に切断溝を形成する段階をさらに備えることができる。

好ましくは、前記段階（ｃ）の後に、前記超短パルスレーザービームの焦点がさらに前記基板の内部に合わせられるように調節した後、同一の切断経路に沿って照射し、前記基板の内部に二重に切断溝を形成する段階をさらに備えることができる。

また、本発明の第４実施例に係る超短パルスレーザービームを利用した基板切断方法は、（ａ’）あらかじめ用意された基板を特定の位置に固定させる段階と、（ｂ’）超短パルスレーザービームの焦点を前記基板の下面から一定の間隔をもって離隔された空気層に合わせられるように調節する段階と、（ｃ’）前記空気層に焦点が合わせられた超短パルスレーザービームを所望の切断経路に沿って照射し、前記基板の上面及び下面に一定の深さの切断溝を同時に形成する段階と、を備える。

好ましくは、前記段階（ｃ’）の後に、または同時に、前記超短パルスレーザービームの焦点が前記基板の内部に合わせられるように調節した後、同一の切断経路に沿って照射し、前記基板の内部に切断溝を形成する段階をさらに備えることができる。

好ましくは、前記超短パルスレーザービームは、フェムト秒（ＦＳ）乃至ピコ秒（ＰＳ）のパルス幅を有する。

以上説明したような本発明の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置及びその切断方法によれば、ガラスまたは透明な材質の基板に熱的、機械的損傷をほとんど与えない超短パルスレーザービームを利用して各種ディスプレイ装置に使用されるガラス基板は勿論、一般ガラス及び透明な材質の基板を不所望のクラックや損傷なしに非常に精度よく切断することができる利点がある。

また、本発明によれば、切断面の凸凹や不規則を無くすことができ、材質の熱的、機械的及び光学的損傷を避けることができ、既存の方式とは異なって超短パルスレーザービームが入射される部位を基準にして基板の後面の外側に焦点を合わせることによって、各種不所望の損傷を事前に防止し、切断加工時に発生するデブリによる工程上の妨害を除去することができる利点がある。

また、本発明によれば、フェムト秒レーザー特有のセルフフォーカシングと各面で反射された光の効果を適切に利用して一度の超短パルスレーザービームの照射により超短パルスレーザービーム経路上の基板上面及び下面に同時に打撃を与え、２つのスクライブラインを形成することによって、切断の正確性をさらに高めることができ、フェムト秒レーザーによって冷却体が不要であり、その他有毒の化学薬品や複雑な工程過程を必要とせずに単純な工程だけで精度よく切断することができる利点がある。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、次に例示する本発明の実施例は、いろいろな他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が次に説明する実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は、当該技術分野における通常の知識を有する者に本発明を一層完全に説明するために提供されるものである。

（第１実施例）
図２は、本発明の第１実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置を概略的に示す全体的なブロック構成図である。

図２を参照すれば、本発明の第１実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置は、大きく、超短パルスレーザービームを発生するレーザー発生モジュール１００と、基板Ｓ（図３乃至図５参照）を固定し、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームの焦点を自由に調節する焦点調節モジュール２００などを備えてなる。

ここで、前記超短パルスレーザービームは、例えば、フェムト秒ＦＳ（１０^−１５秒） 〜ピコ秒ＰＳ（１０^−１２秒）（好ましくは、約５０ＦＳ〜３ＰＳ程度）パルスを有する。

前記基板Ｓは、各種ディスプレイ装置（例えば、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＯＬＥＤ、ＦＥＤなど）に使用されることができ、１つまたは少なくとも２つ以上の多層構造を有する絶縁性基板（例えば、ガラス基板、シリコーン基板またはサファイア基板など）で具現されることが好ましいが、これらに限定されるものではなく、例えば、一般ガラス及び透明な材質の多様な基板で具現されることもできる。

また、焦点調節モジュール２００は、基板Ｓを安定的に固定することができるようにステージ（図示せず）を備えることが好ましく、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームの焦点が基板Ｓの内部（好ましくは、内側中央部）に合わせられるように調節する機能を行う。

このような焦点調節モジュール２００は、ステージの特定の位置に基板Ｓを固定させ、自体駆動力によって所望の位置、すなわち基板Ｓの内部に超短パルスレーザービームの焦点が合わせられるように調節されることができると共に、所望の切断経路に沿って所望の速度でＸ、Ｙ、Ｚ方向に自由に移動することができるように構成されることが好ましい。

追加的に、焦点調節モジュール２００に連結され、所望の切断経路に沿って焦点調節モジュール２００が所望の速度で移動することができるように所定の駆動力を伝達するための駆動モジュール３００をさらに備えることもできる。

このような駆動モジュール３００は、例えば、モーター及び動力伝達機構（例えば、ギア、ベルト、軸、カムなど）で構成されることが好ましいが、これらに限定されるものではなく、例えば、油圧式または空圧式を含めた多様な駆動装置で具現することもできる。

また、レーザー発生モジュール１００と基板Ｓとの間に配置され、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームを所望の焦点位置に集中することができるように集光モジュール４００をさらに備えることができる。

このような集光モジュール４００には、約０．３〜０．７程度（好ましくは、約０．５５程度）の開口数（Numerical Aperture、ＮＡ）を有する少なくとも１つのレンズを含むことが好ましい。

一方、焦点調節モジュール２００を移動するための駆動モジュール３００を備えることなく、焦点調節モジュール２００が固定された状態でレーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームが所望の切断経路に沿って移動することができるように少なくとも１つの反射ミラーまたは干渉計（図示せず）などを利用して具現することもできる。

また、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームの焦点と一致するように倍率を調節し、切断加工前に所望の超短パルスレーザービームの焦点位置をユーザが画面を見ながら直接指定し、切断工程時に工程過程を実時間で画面を通じて確認することができるようにモニタリングモジュール５００をさらに備えることができる。

このようなモニタリングモジュール５００は、少なくとも１つのＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ、モニターなどを含むことが好ましい。

また、相対的に低い出力の超短パルスレーザービームを利用して基板Ｓを効率的に切断するために、焦点調節モジュール２００のステージに固定された基板Ｓの切断経路上にレーザー発生モジュール１００から発生した相対的に低い出力の超短パルスレーザービームを照射し、スクライブラインを形成した後、前記形成されたスクライブラインに沿って均一の機械的な圧力を加える補助切断モジュール６００をさらに備えることができる。

このような補助切断モジュール６００は、基板Ｓのスクライブラインと一致するように移動した後、均一の力で押圧する役目を行う。既存の方式とは異なって、機械的な力を下から上に与えたり、上から下に与えても、きれいな切断面を得ることができる。

また、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームの入出力及び焦点、焦点調節モジュール２００の動き及び速度、実時間モニタリング情報の処理及び、その他の補助的な装置の処理を全体的に制御するための制御モジュール７００をさらに備えることができる。

このような制御モジュール７００は、各種制御実行をプログラム化し、簡単な数値入力とプログラミングを総括して調節することができる個人用コンピューター（Personal Computer、ＰＣ）で具現されることが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、ノート・パソコン（Notebook computer）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、無線携帯端末機などで具現することもできる。

以下、本発明の第１実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式を具体的に説明する。

図３は、本発明の第１実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式を説明するための概念図である。

図２及び図３を参照すれば、本発明の第１実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式は、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームを焦点調節モジュール２００のステージに固定された基板Ｓの内部に焦点を合わせて所望の切断経路に沿って照射することによって、内部フィラメンテーション現象などを誘導し、基板Ｓの内部に一定の深さの切断溝を形成する方式である。

さらに具体的に説明すれば、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームを基板Ｓの内部に焦点を合わせて照射し、基板Ｓの内部のフィラメンテーションを生成する。

すなわち、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームが基板Ｓを通過しつつ、一部は吸収され、構成分子にエネルギーを伝達するようになり、エネルギー密度が高い超短パルスレーザーパルスの特性上、吸収されるエネルギー密度も高いため、瞬間的に基板Ｓの内部にプラズマが形成される。

このようなプラズマは、連続パルスが入る場合、後に入るパルスの光特性に影響を及ぼすこともある。このように生成されたプラズマは、一定のライフタイム以後に消滅するようになり、これにより、超短パルスレーザービームの照射部分が周辺物質と異なる構造に変形されたりし、切断加工条件によって超短パルスレーザービームの照射部分に厚さ方向に幅が狭くて且つ長い空間が形成されたりするが、これを「フィラメンテーション」と言う。

これは、熱膨脹によって発生する隙間またはクラックとは区分されるもので、レーザーによる熱エネルギーだけよりなる熱膨脹は、分子の結合または連結構造が維持されている状態での構造変換であり、これによる隙間は、厚さ方向に細くて且つ長く形成されず、形成形態が不規則であり、隙間の成長方向も統計的特性を多少現わすようになる。

これに対し、エネルギー密度が高くて且つパルス幅が短い超短パルスレーザービームを使用する場合、分子結合構造の反応時間よりパルス幅が短いため、周辺分子に熱または振動エネルギーで影響を及ぼすよりは、超短パルスレーザービームの照射部分にエネルギーが集中し、瞬間的にプラズマが形成される。

したがって、周辺部分に影響をほとんど及ぼすことなく、所望の部分だけが瞬間的に溶融され、空乏領域が形成されるので、超短パルスレーザービームの進行方向に細くて且つ長く形成され、不要なクラックを低減することができ、切断面の精度を高めることができる。

一方、２つ以上の基板が多層構造を形成している場合にも、各層の内部に焦点を合わせて上記のような方式を各層に適用すれば、高精度の切断結果を得ることができる。

（第２実施例）
本発明の第２実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置は、前述した本発明の第１実施例と同様に、レーザー発生モジュール１００及び焦点調節モジュール２００と、補助的な装置、例えば、駆動モジュール３００、集光モジュール４００、モニタリングモジュール５００、補助切断モジュール６００及び制御モジュール７００などが同一に適用されるところ、これらに関する具体的な説明は、本発明の第１実施例を参照する。

特に、本発明の第２実施例に適用された焦点調節モジュール２００は、所望の切断経路に沿ってレーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームの焦点が基板Ｓの内部に合わせられるように調節した後に、または同時に、同一の切断経路にレーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームの焦点が基板Ｓの上面に合わせられるように調節し、基板Ｓの上面に一定の深さの切断溝Ｖをさらに形成するか、さらに基板Ｓの内部に合わせられるように調節し、二重に切断溝を形成する機能を行う。

以下、本発明の第２実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式を具体的に説明する。

図４は、本発明の第２実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式を説明するための概念図である。

図２及び図４を参照すれば、本発明の第２実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式は、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームを焦点調節モジュール２００のステージに固定された基板Ｓの内部に焦点を合わせて所望の切断経路に沿って照射し、切断溝を形成した後に、または同時に、同一の切断経路にレーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームを基板Ｓの上面に焦点を合わせて照射することによって、基板Ｓの上面に一定の深さの切断溝Ｖをさらに形成する方式である。

また、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームを焦点調節モジュール２００のステージに固定された基板Ｓの内部に焦点を合わせて所望の切断経路に沿って少なくとも２回以上繰り返して照射することによって、基板Ｓの内部に二重、三重のように多重で切断溝を形成することもできる。

さらに具体的に説明すれば、前述した本発明の第１実施例と同様に、まず、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームを基板Ｓの内部に焦点を合わせて照射し、基板Ｓの内部にフィラメンテーションを生成する。

以後にまたは同時に、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームの焦点を基板Ｓの上部表面に合わせ、さらに同一の切断経路に超短パルスレーザービームを照射し、基板の上面に一定の深さの切断溝Ｖを追加に形成する。

このように追加に形成された切断溝Ｖは、基板Ｓの切断時に精度をさらに高め、不所望の方向へのクラックや破れ現象を効果的に低減することができる。

前述したように、本発明の第２実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式は、基板Ｓの内部にフィラメンテーション現象などをまず誘導することが特徴である。その上の追加される切断溝Ｖは、ただ切断時に初期に切断位置を誘導する役目を行うので、切断溝Ｖを深くまたは大きく形成する必要がない。

したがって、強度が弱い超短パルスレーザービームでも切断効果を得ることができ、基板の表面に強度の強い超短パルスレーザービームで照射した時に発生する表面のダメージを効果的に低減することができる。

一方、２つ以上の多層構造よりなるディスプレイ装置の場合、ガラス板の間に液晶やその他の物質が満たされているので、各ガラス板に本発明の第２実施例による切断方式をそれぞれ適用する場合、非常に高精度の切断結果を得ることができる。

（第３実施例）
本発明の第３実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置は、前述した本発明の第１実施例と同様に、レーザー発生モジュール１００及び焦点調節モジュール２００と、補助的な装置、例えば、駆動モジュール３００、集光モジュール４００、モニタリングモジュール５００、補助切断モジュール６００及び制御モジュール７００などが同一に適用されるところ、これに対する具体的な説明は、本発明の第１実施例を参照する。

一方、本発明の第３実施例に適用された焦点調節モジュール２００は、前述した本発明の第１及び第２実施例とは異なって、基板Ｓを固定し、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームの焦点が基板Ｓの下面から一定の間隔をもって離隔された空気層に合わせられるように調節する機能を行う。

また、本発明の第３実施例に適用された焦点調節モジュール２００は、本発明の第１実施例に適用された焦点調節モジュール２００のように、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームの焦点が基板Ｓの内部に合わせられるように調節し、基板Ｓの内部に切断溝をさらに形成することもできる。

以下、本発明の第３実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式を具体的に説明する。

図５は、本発明の第３実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式を説明するための概念図である。

図２及び図５を参照すれば、本発明の第３実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式は、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームを基板Ｓの下面から一定の間隔（好ましくは、数ｃｍ以内）をもって離隔された空気層に焦点を合わせて所望の切断経路に沿って照射することによって、基板Ｓの下面と空気層との境界面で反射される光によって基板Ｓの上面（または上面部位）に一定の深さの第１切断溝Ｖ１が形成され、前記超短パルスレーザービームの焦点で発生する空気分子とプラズマ層との境界で反射される光によって基板Ｓの下面に第１切断溝Ｖ１と同一線上に一定の深さの第２切断溝Ｖ２を形成する方式である。

さらに具体的に説明すれば、レーザー発生モジュール１００は、フェムト秒（ＦＳ）からピコ秒（ＰＳ）（好ましくは、約５０ＦＳ〜３ＰＳ程度）に至る超短波パルスレーザービームが発振される。このように非常に短いパルスを作って発振するようになれば、ピークエネルギーが非常に大きくなるようになり、基板Ｓに照射される時に、さまざまな非線形現象が発生する。

また、追加的に開口数ＮＡの値が非常に大きい約０．３〜０．７程度（好ましくは、約０．５５程度）のレンズを使用する場合、焦点距離が非常に短く、また非常に小さい面積に超短パルスレーザービームを集中させることができる。このように強力な超短パルスレーザービームによって基板Ｓ内の分子は、非常に強い電場の影響を受けるようになり、そのため、屈折率が変わるようになる。

これにより、前記超短パルスレーザービームは、基板Ｓ内で一層高密度に集中されるが、これをセルフフォーカシング効果と言う。このようなセルフフォーカシング効果によって、非常に幅が狭くて且つ長いスクライブラインを基板Ｓの深さ方向に形成することができる。

しかし、前記超短パルスレーザービームのパワーが強いため、それによる熱的効果による不所望のクラックや損傷が発生することができるので、前述したように、実際に超短パルスレーザービームの焦点を基板Ｓの下面より基板Ｓの外側に設定するようになる。

一方、前記超短パルスレーザービームの焦点を基板Ｓの上面上側に取らないことは、さまざまな理由があるが、第一に、使用するレンズが焦点距離が非常に短いため、焦点を基板Ｓの上面上側に合わせて切断加工をする場合には、切断加工時に発生するデブリ（debris）によってレンズが損傷を受ける恐れがある。

また、前記超短パルスレーザービームのうち基板Ｓの表面から反射される光がレンズを介して逆流し、レーザーシステム自体に損傷を与える恐れも排除することができない。やはり同様の理由で非常に強いエネルギーが極小した点に集中されるので、焦点上にある空気分子が分解され、プラズマが形成されるが、これもレンズに損傷を及ぼすことができる。

反対に、前記超短パルスレーザービームの焦点を基板Ｓの下面外側に合わせる場合、前述したレンズまたはレーザーシステムへの損傷を防止することができ、また、切断加工時に発生するデブリが重力によって自然的に基板Ｓの下面下側に落下し、基板Ｓの表面に残存しないようになり、一層最適化された状態で切断加工を進行することができる。

一方、既存に使用されるレーザーは、主としてナノ秒程度のパルス幅を有するので、非線形現象を起こすほど十分なピークエネルギーを光が有しないため、本発明で提案される方式で加工をする場合、基板Ｓの内部に十分なスクライブラインを形成せず、熱的または光学的損傷だけを与えやすい。しかし、フェムト秒パルスレーザーの場合、前述した損傷がほとんど発生しない。

切断加工が発生する状況を具体的に見れば、レーザー発生モジュール１００から発生した超短パルスレーザービームは、それぞれの互いに異なる媒質の境界面で反射が起きるようになるが、切断加工に影響を及ぼす反射は、２つに分けることができる。

第一に、基板Ｓの下面と空気層との境界面で反射される光であり、他の１つは、強い超短パルスレーザービームによって焦点で発生する空気分子とプラズマ層との境界で反射される光である。

前者の場合、反射された光は、基板Ｓ内部の上面すぐ下方部分に集められるようになり、基板Ｓの上面から深さ方向へのスクライブラインを深さ方向（ｚ軸方向）に形成するようになり、前記プラズマ層で反射された光は、基板Ｓの下面内部に集められるようになり、やはり基板Ｓの下面から内側の深さ方向にスクライブラインを形成する。

したがって、１回の超短パルスレーザービームの照射によって同一の切断面上で両端の境界面から始まる２つの深さ方向へのスクライブラインが形成される。焦点調節モジュール２００のステージを適切な速度で移動することによって、このような２つのスクライブラインが長さ方向（ｘ軸方向）に均一に続いて形成されて行くので、深さ方向に充分に溝が形成された長さ方向へのスクライブラインが基板Ｓの上面及び下面に各々１つずつ同一の延長線上に平行に形成されるようになる。

この時、前記スクライブラインの幅、深さなどは、超短パルスレーザービームのパワー、超短パルスレーザービームの繰り返し率、レンズの特性、基板の材質、そしてステージの移動速度に依存する関数形態を示し、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）用基板の場合、２つの基板の間に液晶が存在する形態なので、本発明の第３実施例による切断方式によって１回の超短パルスレーザービームの照射により２つの基板に共にスクライブラインを形成することができるので、非常に有利に適用されることができる。

また、フェムト秒ＦＳパルスレーザーは、極めて短い瞬間に非常に強いエネルギーが集約されて放出されるので、他のレーザー装備に比べて低い出力でも速い速度の切断加工が可能であるという長所がある。

上記の切断方式で超短パルスレーザービームの照射を終えた後、長さ方向に生成されたスクライブラインの両側に付加的な補助切断モジュール６００を利用して均一の圧力を印加する場合、生成された深さ方向のスクライブラインに沿ってきれいに切断が完了することができる。

前述したように、本発明は、基板を精度よく且つ迅速に切断するための装置及び方法に関するもので、特に、ディスプレイ用ガラス基板など多層構造よりなる複数層のガラス基板を精度よく切断することができる。

すなわち、本発明は、超短波（パルスフェムト秒〜ピコ秒）レーザーを利用する方式のうち基板の内部に超短パルスレーザービームによって生成されるプラズマフィラメンテーションによる切断方式と、基板の内部にプラズマフィラメンテーションを生成した後、基板の表面に超短パルスレーザービームをさらに照射し、切断誘導溝を追加で形成して切断する方式と、フェムト秒ＦＳレーザーの非線形効果を充分に利用して１回の超短パルスレーザービームの照射により２つの極めて微細な切断線を基板の上下表面のすぐ下方に同時に形成して切断する遠距離後面焦点方式を提案している。

第１方式は、フェムト秒ＦＳからピコ秒ＰＳ程度のパルス幅を有する超短パルスレーザービームを利用して一般的に適用することができる方式でエネルギー密度が高い超短パルスレーザーパルスを利用して基板の内部に短時間に多いエネルギーを伝達することによって、基板の内部にプラズマを生成し、厚さ方向への細くて且つ長い空乏領域、すなわちフィラメンテーションを形成し、きれいな切断面を得ることができる。

第２方式は、第１方式に追加に基板の上面に焦点を合わせて超短パルスレーザービームを追加に照射し、基板の上面に切断溝をさらに形成することによって、基板の内部に形成されたフィラメンテーションの延長線上にある切断溝が切断の初期方向を決定し、切断面の形成を助けるようになり、さらに高精度の切断結果を得ることができる。

第３方式は、フェムト秒ＦＳレーザーだけがすることができる方式であって、基板の上面から超短パルスレーザービームが照射される時に、基板の下面よりさらに下側に焦点を合わせて光を放出することによって、ただ１回の超短パルスレーザービームの照射により基板の内部両端に極めて微細な切断線をそれぞれ形成し、強い超短パルスレーザーのパワーによる不要なガラスのクラックを防止することができ、切断加工時に発生するデブリが重力によって自然に除去されるので、これによる加工誤差の最小化、そしてフェムト秒ＦＳパルス特有の非線形現象であるセルフフォーカシングによって鋭くて且つ長い切断線を基板の内部に製作することができるので、超精密切断が可能である。

上記本発明で提案された切断方式は、非常に単純なので、工程時間を多く必要とせず、有毒な化学物質の使用も必要ない。前記超短パルスレーザービームによって生じた切断線の厚さは、数十マイクロメータ以内であり、誤差が数マイクロメータ以内で均一であることを示す。

また、前記超短パルスレーザービームは、所望の部分にのみエネルギーを伝達することができるので、例えば、２つのガラス板の間に液晶が挟持されている液晶表示装置ＬＣＤのようなディスプレイ基板を含む一般的な２つ以上のガラス板の積層構造を有する基板を切断する時にも、本発明で提案した方式を同じく適用することができ、他の既存の方式より優れた切断特性を示すことができる。

前述した本発明による超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置及びその切断方法の好ましい実施例について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求範囲と発明の詳細な説明及び添付の図面の範囲内で様々に変形して実施することが可能であり、これも本発明に属する。

従来技術によるレーザーを利用した基板切断装置を概略的に示す図である。 本発明の第１実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置を概略的に示す全体的なブロック構成図である。 本発明の第１実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式を説明するための概念図である。 本発明の第２実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式を説明するための概念図である。 本発明の第３実施例による超短パルスレーザービームを利用した基板切断方式を説明するための概念図である。

符号の説明

１００ レーザー発生モジュール
２００ 焦点調節モジュール
３００ 駆動モジュール
４００ 集光モジュール
５００ モニタリングモジュール
６００ 補助切断モジュール
７００ 制御モジュール

Claims (20)

1. 超短パルスレーザービームを発生するためのレーザー発生手段と、
   前記超短パルスレーザービームの焦点が、切断しようとする基板の内部に合わせられるように調節するための焦点調節手段と、を備え、
   前記超短パルスレーザービームを前記基板の内部に焦点を合わせて所望の切断経路に沿って照射することによって、内部フィラメンテーション（filamentation）現象を誘導し、前記基板の内部に切断溝を形成することを特徴とする超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
2. 前記超短パルスレーザービームは、フェムト秒（ＦＳ）乃至ピコ秒（ＰＳ）のパルス幅を有することを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
3. 前記焦点調節手段は、
   所望の切断経路によって前記超短パルスレーザービームの焦点が前記基板の内部に合わせられるように調節して切断溝を形成した後に、または同時に、同一の切断経路に前記超短パルスレーザービームの焦点が前記基板の上面に合わせられるように調節し、前記基板の上面に切断溝をさらに形成するか、さらに、前記基板の内部に合わせられるように調節し、二重に切断溝を形成することを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
4. 超短パルスレーザービームを発生するためのレーザー発生手段と、
   前記超短パルスレーザービームの焦点が切断しようとする基板の下面から一定の間隔をもって離隔された空気層に合わせられるように調節するための焦点調節手段とを備え、
   前記超短パルスレーザービームを前記基板の下面から一定の間隔をもって離隔された空気層に焦点を合わせて所望の切断経路に沿って照射することによって、前記基板の下面と空気層との境界面で反射される光によって前記基板の上面部位に一定の深さの第１切断溝が形成され、前記超短パルスレーザービームの焦点で発生する空気分子とプラズマ層との境界で反射される光によって前記基板の下面に前記第１切断溝と同一線上に一定の深さの第２切断溝を形成することを特徴とする超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
5. 前記超短パルスレーザービームは、フェムト秒（ＦＳ）乃至ピコ秒（ＰＳ）のパルス幅を有することを特徴とする請求項４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
6. 前記基板は、１つまたは少なくとも２つ以上の多層構造を有する絶縁性基板よりなることを特徴とする請求項１または４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
7. 前記レーザー発生手段と前記基板との間に配置された、前記超短パルスレーザービームを所望の焦点位置に集中する集光手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
8. 前記集光手段は、約０．３〜０．７の開口数（ＮＡ）を有する少なくとも１つのレンズを含むことを特徴とする請求項７に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
9. 前記焦点調節手段に連結され、所望の切断経路に沿って前記焦点調節手段が所望の速度で移動するように所定の駆動力を伝達するための駆動手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
10. 前記超短パルスレーザービームが所望の切断経路に沿って移動するように少なくとも１つの反射ミラーまたは干渉計を利用することを特徴とする請求項１または４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
11. 前記超短パルスレーザービームの焦点と一致するように倍率を調節し、加工前に所望の超短パルスレーザービームの焦点位置をユーザが画面を見ながら直接指定し、切断工程時に工程過程を実時間で画面を通じて確認することができるモニタリング手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
12. 前記切断溝に沿って切断されることができるように前記切断溝と一致する位置に一定の圧力を加えるための補助切断手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
13. 前記超短パルスレーザービームの入出力及び焦点、前記焦点調節手段の動き及び速度を含めた全体的な制御を担当するための制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断装置。
14. （ａ）あらかじめ用意された基板を特定の位置に固定させる段階と、
    （ｂ）超短パルスレーザービームの焦点を前記基板の内部に合わせられるように調節する段階と、
    （ｃ）前記基板の内部に焦点が合わせられた超短パルスレーザービームを所望の切断経路に沿って照射し、前記基板の内部に切断溝を形成する段階と、を備える超短パルスレーザービームを利用した基板切断方法。
15. 前記超短パルスレーザービームは、フェムト秒（ＦＳ）乃至ピコ秒（ＰＳ）のパルス幅を有することを特徴とする請求項１４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断方法。
16. 前記段階（ｃ）の後に、または同時に、前記超短パルスレーザービームの焦点が前記基板の上面に合わせられるように調節した後、前記基板の上面に焦点が合わせられた超短パルスレーザービームを同一の切断経路に沿って照射し、前記基板の上面に切断溝を形成する段階をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断方法。
17. 前記段階（ｃ）の後に、前記超短パルスレーザービームの焦点がさらに前記基板の内部に合わせられるように調節した後、同一の切断経路に沿って前記超短パルスレーザービームを照射し、前記基板の内部に二重に切断溝を形成する段階をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断方法。
18. （ａ’）あらかじめ用意された基板を特定の位置に固定させる段階と、
    （ｂ’）超短パルスレーザービームの焦点を前記基板の下面から一定の間隔をもって離隔された空気層に合わせられるように調節する段階と、
    （ｃ’）前記空気層に焦点が合わせられた超短パルスレーザービームを所望の切断経路に沿って照射し、前記基板の上面及び下面に一定の深さの切断溝を同時に形成する段階と、を備える超短パルスレーザービームを利用した基板切断方法。
19. 前記段階（ｃ’）の後に、または同時に、前記超短パルスレーザービームの焦点が前記基板の内部に合わせられるように調節した後、同一の切断経路に沿って照射し、前記基板の内部に切断溝を形成する段階をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断方法。
20. 前記超短パルスレーザービームは、フェムト秒（ＦＳ）乃至ピコ秒（ＰＳ）のパルス幅を有することを特徴とする請求項１８に記載の超短パルスレーザービームを利用した基板切断方法。

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