KR100601905B1 - 산소 차폐 장치와 이를 이용한 레이저 가공 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 빔을 이용한 대상물 가공시 대상물로부터 분출되는 용융물과 산소의 결합을 방지하여 가공 효율을 향상시키기 위한 산소 차폐 장치와 이를 이용한 레이저 가공 장치 및 방법에 관한 것으로, 기둥 형상의 레이저 빔 입사부, 레이저 빔 입사부로부터 연장되는 기둥 형상을 가지며 대상물 표면에 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 1 가스 유입부, 제 1 가스 유입부의 외주면에 제 1 가스 유입부와 독립적인 공간을 갖도록 제 1 가스 유입부의 둘레보다 큰 둘레의 기둥 형상으로 형성되며, 대상물 가공시 대상물 표면에 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 2 가스 유입부, 레이저 빔 입사부로 유입되는 레이저 빔과 제 1 및 제 2 가스 유입부로 주입되는 기체를 각각 방출하기 위한 가스 및 레이저 빔 방출부 및 레이저 빔 입사부와 제 1 가스 유입부 사이에 형성되어 외부 장치와 결합되는 고정부재를 포함하는 산소 차폐 장치를 이용하여 대상물을 가공함으로써, 가공 효율을 증대시키고 다이 강도를 향상시킬 수 있다.
레이저 가공, 용융물 산화, 산소 차폐, 실리콘 웨이퍼 절단
Description
도 1은 레이저 빔을 이용한 일반적인 대상물 가공 방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 의한 산소 차폐 장치의 단면도,
도 3은 본 발명에 의한 산소 차폐 장치의 상부 사시도,
도 4는 본 발명에 의한 산소 차폐 장치의 하부 사시도,
도 5는 본 발명에 의한 산소 차폐 장치의 레이저 빔 방출부의 구조를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 의한 산소 차폐 장치에서 가스 분사 속도 및 대상물과의 이격 거리 관계를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명에 의한 산소 차폐 장치를 이용한 대상물 가공 원리를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명에 의한 산소 차폐 장치를 이용한 대상물 가공 장치의 구조도,
도 9는 본 발명에 의한 산소 차폐 장치를 이용한 대상물 가공 방법을 설명하 기 위한 흐름도,
도 10은 산소 차폐 장치 사용 여부에 따른 가공 속도와 가공 깊이의 관계를 설명하기 위한 그래프,
도 11a 및 11b는 산소 차폐 장치 사용 여부에 따른 실리콘 웨이퍼의 가공 깊이 차이를 설명하기 위한 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100 : 산소 차폐 장치 110 : 레이저 빔 입사부
112 : 레이저 빔 입사구 120 : 고정부재
120a, 120b, 120c, 120d : 체결부 130 : 제 1 가스 유입부
132 : 제 1 가스 유입구 140 : 제 2 가스 유입부
142 : 제 2 가스 유입구 150 : 가스 및 레이저 빔 방출부
152 : 레이저 빔 출사구 154, 154a, 154b : 제 1 가스 분사구
156, 156a, 156b : 제 2 가스 분사구 200 : 대상물 가공 장치
210 : 이송수단 220 : 안착부
230 : 제어부 232 : 입력부
234 : 표시부 236 : 저장부
240 : 드라이버 250 : 불활성기체 공급 수단
252, 254 : 노즐 260 : 레이저 발생 수단
270 : 반사수단 280 : 챔버
본 발명은 레이저 빔을 이용한 대상물 가공에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 빔을 이용한 대상물 가공시 대상물로부터 분출되는 용융물과 산소의 결합을 방지하여 가공 효율을 향상시키기 위한 산소 차폐 장치와 이를 이용한 레이저 가공 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 웨이퍼, 금속, 플라스틱 등과 같은 다양한 재료를 이용하여 물질을 제조하기 위해서는 절단, 그루빙 등과 같은 가공 절차가 필요하다. 일례로, 반도체 제조 공정을 완료한 후에는 웨이퍼 상에 형성된 복수의 칩을 개별적인 칩 단위로 절단하기 위한 공정이 후속된다. 웨이퍼의 절단 공정은 후속 공정에서의 품질 및 생산성에 큰 영향을 미치기 때문에 매우 중요한 의미를 가지며, 현재, 웨이퍼의 절단에는 기계적 절단 방법, 레이저를 이용한 절단 방법 등이 이용되고 있다.
특히, 반도체 칩의 고집적화와 함께 반도체 웨이퍼의 두께 또한 점차적으로 얇아지고 있으며, 따라서 반도체 칩의 생산성 향상을 위해 기계적 방법 대신 레이저를 이용한 방법이 요구되고 있다.
레이저를 이용한 웨이퍼 절단 방법은 레이저 빔을 웨이퍼 표면에 집속시킴으로써 가열 및 화학 작용을 유발시켜 집속 부위가 제거되도록 하는 방법이다. 즉, 레이저 빔이 집속되어 웨이퍼에 가해지면 집속 부위는 순식간에 온도가 상승하게 되고, 빔의 집속도에 따라 웨이퍼 재료의 용융 뿐 아니라 승화가 발생하게 되며, 재료의 기화에 따라 압력이 상승하여 집속 부위가 폭발적으로 제거되게 된다.
도 1은 레이저 빔을 이용한 일반적인 대상물 가공 방법을 설명하기 위한 도면으로, 예를 들어 실리콘 웨이퍼를 가공하는 경우를 나타낸다.
가공 대상물(10)인 실리콘 웨이퍼에 레이저 빔(20)을 조사하여 대상물이 레이저 빔과 상호작용하여 어블레이션(ablation)될 때 증발하는 증기의 반발압력(Recoil pressure)에 의해 용융물 분출(melt ejection)이 발생한다. 여기에서, 어블레이션이란 레이저 빔과 가공 대상물이 상호작용하여 발생하는 상변화, 재료의 증발, 입자 분출, 레이저 빔과 증기의 상호작용, 플라즈마 생성 등을 포함하는 현상을 의미한다.
이와 같이 어블레이션이 일어날 때, 레이저 빔의 단위 면적당 용융물의 분출률(the rate of melt ejection per unit beam area; jm)은 열 확산율(thermal diffusivity; κ), 끓는 점(boiling point; Tlv), 녹는 점(melting point; Tsl), 용융물 분자질량(molar mass; M), 용융물 밀도(density of dense phase; ρd), 레이저 빔의 반경(radius of laser beam; w), 대기압과 용융압력간의 차(difference of ambient pressure and melt pressure; Δp)를 이용하여 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 1]에서 알 수 있는 것과 같이, 용융물 분출률은 열 확산율(κ)과 끓는 점(Tlv)이 높을수록, 그리고 녹는 점(Tsl)이 낮을수록 높아진다는 것을 알 수 있다. 한편, 녹는 점(Tsl)이 낮으면 용융 상태인 대상물의 점성도 또한 낮아지므로, 결과적으로 용융물 분출률은 대상물의 점성도가 낮을수록 증가한다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 레이저 빔을 이용하여 대상물을 가공할 때 대상물에서 발생하는 용융물의 점성도가 낮을수록 용융물 분출이 효과적으로 이루어져 가공 효율이 향상되게 된다.
한편, 레이저 빔을 이용하여 실리콘 웨이퍼를 가공하는 경우 실리콘 웨이퍼로부터 발생하는 용융물과 산소의 반응에 의해 이산화 실리콘(SiO2)이 생성되게 된다. 실리콘과 이산화 실리콘의 열적 성질은 [표 1]과 같다.
[표 1]
| 열적 특성 | 실리콘 | 이산화 실리콘 |
| 열 확산율(㎠/s), κ | 0.9 | 9×10-3 |
| 끓는 점(K), Tlv | 3173 | 2503 |
| 녹는 점(K), Tsl | 1687 | 1986 |
| 열팽창 계수(10-6/K) | 2.6 | 0.55 |
[표 1]에서 알 수 있는 것과 같이, 열 확산율과 끓는점/녹는점의 값이 이산화 실리콘에 비해 실리콘이 더 크기 때문에, 용융상태의 실리콘이 이산화 실리콘보다 더 빨리 가공부 밖으로 분출될 수 있다. 또한, 두 재료의 열팽창 계수는 실리콘이 이산화 실리콘보다 4배정도 큰 것을 알 수 있으며, 이러한 두 재료 간의 열팽창 계수 차이는 가공 후 실리콘 웨이퍼 단면에 크랙(Crack)이 발생하는 원인으로 작용할 수 있다.
이와 같이, 현재의 레이저 가공 방식에서는 가공물과 산소의 접촉에 의해 가공물의 용융물이 산화되어 높은 점성도를 갖는 용융물이 발생하여 용융물의 분출율이 저하되며, 가공 대상물과 용융물의 열팽창 계수 차이로 인해 크랙이 발생하여 가공 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 대상물 가공 후 다이 품질을 평가하기 위하여, 다이가 굽힘 등과 같은 외력에 얼마나 잘 견딜 수 있는지 평가하는 다이강도 시험을 수행한다. 실리콘 웨이퍼와 같은 대상물 가공 후 다이의 가공단면 및 가공단면 끝단의 거칠기가 열악한 경우 굽힘 시험시 다이가 쉽게 부러지게 된다. 또한, 가공시 산화된 용융물이 균일하지 않은 두께로 가공 부위에 부착되는 경우 다이강도 시험시 굴곡이 있는 부분에서 집중 응력이 발생하여 다이가 쉽게 부러지게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레이저 빔을 이용하여 대상물을 가공할 때 가공 부위에서 대상물의 용융물과 산소가 결합되는 것을 방지하기 위한 산소 차폐 장치를 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.
또한, 본 발명은 산소 차폐 장치를 도입하여 대상물을 레이저 빔에 의해 가공함으로써, 용율물의 분출율을 향상시켜 가공 효율을 향상시키고 다이 강도를 향상시킬 수 있는 레이저 가공 장치 및 방법을 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 산소 차폐 장치는 레이저 빔 이 유입되는 기둥 형상의 레이저 빔 입사부; 상기 레이저 빔 입사부로부터 연장되는 기둥 형상을 가지며 레이저 빔을 이용한 대상물 가공시 대상물 표면에 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 1 가스 유입부; 상기 제 1 가스 유입부의 외주면에 제 1 가스 유입부와 독립적인 공간을 갖도록 상기 제 1 가스 유입부의 둘레보다 큰 둘레의 기둥 형상으로 형성되며, 대상물 가공시 상기 대상물 표면에 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 2 가스 유입부; 상기 레이저 빔 입사부로 유입되는 레이저 빔과 제 1 및 제 2 가스 유입부로 주입되는 기체를 각각 방출하기 위한 가스 및 레이저 빔 방출부; 및 상기 레이저 빔 입사부와 제 1 가스 유입부 사이에 형성되어 외부 장치와 결합되는 고정부재;를 포함한다.
또한, 본 발명의 레이저 가공 장치는 가공하고자 하는 대상물을 챔버 내로 로딩하여 안착부에 고정시키기 위한 이송수단; 상기 대상물을 가공하기 위한 파라미터가 저장되는 제어부; 상기 제어부의 제어에 의해 구동되는 드라이버; 상기 드라이버에 의해 상기 대상물 상에 지정된 거리 이격되도록 위치하여 상기 대상물로 기체를 분사하기 위한 산소 차폐 장치; 상기 산소 차폐 장치와 노즐로 연결되어 상기 산소 차폐 장치로 기체를 유입시키기 위한 기체 공급 수단; 상기 제어부의 제어에 의해 레이저 빔을 방출하는 레이저 발생부; 및 상기 레이저 발생부로부터 방출되는 레이저 빔을 반사하여 상기 산소 차폐 장치를 통해 상기 대상물에 조사하기 위한 미러;를 포함한다.
아울러, 본 발명은 기체 공급부와 노즐을 통해 연결되어 대상물 가공시 상기 대상물의 가공 부위에 기체를 공급하는 산소 차폐 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서, 가공 목적에 따른 제어 파라미터를 설정하는 단계; 상기 대상물을 챔버 내로 로딩하고 고정시키는 단계; 상기 산소 차폐 장치를 이동시켜 상기 대상물의 가공 부위 상에 위치시키는 단계; 상기 기체 공급부에서 기체를 공급하여, 상기 산소 차폐 장치를 통해 상기 대상물의 가공 부위 상에 기체를 공급하는 단계; 및 레이저 빔을 방출하여 상기 산소 차폐 장치를 통해 상기 대상물의 가공 부위에 조사하는 단계;를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 산소 차폐 장치의 단면도이다.
도시한 것과 같이, 본 발명에 의한 산소 차폐 장치(100)는 레이저 빔이 유입되는 기둥 형상의 레이저 빔 입사부(110), 레이저 빔 입사부(110)로부터 연장되는 기둥 형상을 가지며 레이저 빔을 이용한 대상물 가공시 대상물 표면에 불활성 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 1 가스 유입부(130), 제 1 가스 유입부(130)의 외주면에 제 1 가스 유입부(130)와 독립적인 공간을 갖도록 제 1 가스 유입부(130)의 둘레보다 큰 둘레의 기둥 형상으로 형성되며, 대상물 가공시 대상물 표면에 불활성 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 2 가스 유입부(140), 레이저 빔 입사부(110)로 유입되는 레이저 빔과 제 1 및 제 2 가스 유입부(130, 140)로 주입되는 불활성 기체를 각각 방출하기 위한 가스 및 레이저 빔 방출부(150), 레이저 빔 입사부(110) 와 제 1 가스 유입부(130) 사이에 형성되며 산소 차폐 장치(100)를 대상물 상에 고정시키기 위한 고정 부재(120)를 포함하여 이루어진다.
여기에서, 레이저 빔 입사부(110)는 레이저 빔이 주사되는 레이저 빔 입사구(112)를 구비하며, 바람직한 실시예에서, 레이저 빔 입사구(112)는 레이저 가공 장치에서 레이저 빔의 초점을 유지하기 위한 집광렌즈와 결합된다. 또한, 제 1 및 제 2 가스 유입부(130, 140)는 가스 공급부로부터 각각 불활성 기체를 공급받기 위한 제 1 및 제 2 가스 유입구(132, 142)를 구비한다. 아울러, 가스 및 레이저 빔 방출부(150)는 레이저 빔과 제 1 가스 유입부(130)로 유입되는 불활성 기체를 방출하기 위한 레이저 빔 출사구(152), 제 2 가스 유입부(140)로 유입되는 불활성 기체를 방출하기 위한 제 1 가스 분사구(154a, 154b) 및 제 2 가스 분사구(156a, 156b)를 포함한다. 또한, 불활성 기체로는 헬륨, 아르곤 또는 헬륨과 아르곤을 혼합하여 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 산소 차폐 장치의 상부 사시도로서, 레이저 빔 입사구 측에서 관찰한 산소 차폐 장치의 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에서, 레이저 빔 입사부(110), 고정부재(120), 제 1 및 제 2 가스 유입부(130, 140), 가스 및 레이저 빔 방출부(150)는 원기둥 형상으로 제작할 수 있다. 도 3에 도시한 것과 같이, 고정부재(120)는 복수의 체결부(120a, 120b, 120c, 120d)를 구비하여, 산소 차폐 장치(100)가 기타 장치(드라이버 등)와 결합될 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명에 의한 산소 차폐 장치의 하부 사시도로서, 가스 및 레이저 빔 방출부 측에서 관찰한 산소 차폐 장치의 사시도이다. 또한, 도 5는 본 발명에 의한 산소 차폐 장치의 레이저 빔 방출부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도시한 것과 같이, 레이저 빔 출사구(152)는 슬릿 형상으로 구성되어 레이저 빔 및 제 1 가스 유입부(130)로부터의 불활성 기체를 분출하며, 제 1 가스 분사구(154) 및 제 2 가스 분사구(156)는 제 2 가스 유입부(140)로부터의 불활성 기체를 분출한다. 본 발명에서, 레이저 빔 출사구(152), 제 1 및 제 2 가스 분사구(154, 156)는 돔(dome) 형상을 갖도록 설계함으로써, 대상물 가공시 발생하는 용융물이 튀어 올라 부착되는 것을 방지하는 댐퍼(damper)로 작용하도록 한다.
아울러, 본 발명에서 제 1 가스 유입부(130)와 제 2 가스 유입부(140)를 독립적으로 설계한 이유는 제 1 가스 유입부로 유입되는 가스와 제 2 가스 유입부로 유입되는 가스가 분출되는 분출구의 크기가 다르기 때문이다. 즉, 가스 유입부를 하나로 구성하게 되면, 가스는 작은 저항을 갖는 측 즉, 레이저 빔 출사구(152)로 빠져 나오려 할 것이므로, 각 공간에서 적정한 내부 압력을 유지하면서 균일하게 가스를 분사하기 위해서 가스 유입부(130, 140)를 독립적인 공간으로 구성한 것이다.
이와 같은 구조를 갖는 산소 차폐 장치(100)를 이용하여 대상물을 가공하는 경우, 대상물의 가공 부위와 산소와의 접촉을 막기 위해서는 레이저 빔 출사구(152)로부터 출사되는 제 1 가스와 제 1 및 제 2 가스 분사구(154, 156)로부터 출사되는 제 2 가스가 유선(streamline)을 그리며 층류 운동(laminar flow)하도록 제어하여야 한다. 이를 위하여 가스 분사 속도를 적절히 조절함과 동시에, 산소 차 폐 장치(100)의 바닥면과 대상물 간의 거리가 수 ㎜가 되도록 제어해야 한다.
도 6은 본 발명에 의한 산소 차폐 장치에서 가스 분사 속도 및 대상물과의 이격 거리 관계를 설명하기 위한 도면이다.
가스의 유동을 단순화하여 대상물(10)과 산소 차폐 장치(100) 바닥면 사이의 유동을 도 6과 같이, 고정된 두 평판 사이의 유동으로 가정한다. 그리고, 가스가 대상물(10)과 산소 차폐 장치(100) 사이에서 층류운동하기 위한 바람직한 분사 속도, 대상물(10)과 산소 차폐 장치(100) 바닥면 간의 바람직한 이격 거리를 도출하기 위해 [수학식 2]와 같이 나타내어지는 레이놀즈 수(Reynolds number, Re)를 고려한다. 레이놀즈 수는 물체를 지나는 유체의 흐름 또는 유로 속에서의 유체 흐름의 관성력과 점성력의 크기의 비율을 구하는 지표가 되는 무차원 수이다.
[수학식 2]
[수학식 2]에서 ρ는 유동 가스의 밀도, V(=2/3umax)는 유동 평균 속도, μ는 유체의 동점성 계수(Dynamic viscosity)를 나타내고, 레이놀즈 수가 1400보다 작은 경우 가스가 층류운동을 할 수 있으며, 특히 대상물(10)과 산소 차폐 장치(100) 바닥면 간의 거리(2h)가 작을수록 층류 운동에 유리하다는 것을 알 수 있다. 한편, 유동 평균 속도(V)에서, u는 대상물(10)과 산소 차폐 장치(100) 바닥면 사이의 공간 각 높이에서 가스의 유속을 나타낸다. 유속(u)은 대상물(10)과 산소 차폐 장치(100) 바닥면 사이의 높이가 h인 지점에서 최대가 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 h를 1.5㎜로 설정하고, 가스로서 아르곤을 사용하는 경우 [수학식 2]로부터, 층류가 형성되기 위해서는 평균 속도(V)가 5.76m/s 이하, 바람직하게는 3 내지 5m/s가 되어야 하고, 헬륨을 사용하는 경우에는 평균 속도(V)가 54.5m/s 이하, 바람직하게는 43 내지 53m/s가 되어야 하는 것을 알 수 있다.
일례로, 레이저 빔 출사구(152)로부터 3m/s, 제 1 및 제 2 가스 분사구(154, 156)로부터 4m/s의 속도로 아르곤 가스를 분사하면서 대상물을 가공하는 경우, 산소 차폐 장치를 이용하지 않는 경우보다 20 내지 56% 정도로 가공 깊이가 증가된 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명에 의한 산소 차폐 장치를 이용한 대상물 가공 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도시한 것과 같이, 대상물(10)로부터 수 ㎜ 이격되도록 산소 차폐 장치(100)를 설치한 후, 제 1 가스 유입부(130) 및 제 2 가스 유입부(140)로 불활성 기체를 유입시키고, 레이저 빔 입사구(110)로 레이저 빔을 조사하여 대상물(10)을 가공한다. 이때, 레이저 빔 출사구(152)로부터 레이저 빔이 조사됨과 함께 제 1 가스 유입부(130)로부터의 불활성 기체가 분사되고(30), 이와 동시에 제 2 가스 유입부(140)로부터의 불활성 기체가 제 1 및 제 2 가스 분사구(154, 156)로부터 분사된다(40).
이와 같이 분사되는 불활성 기체(30, 40)는 유선을 그리면서 층류운동을 하여 대상물(10)의 가공 부위에 기체 커튼을 형성하여 산소가 유입되는 것을 방지한 다. 따라서, 대상물로부터 발생하는 용융물이 산소와 결합되지 않게 되며, 결과적으로 원래의 낮은 점성도를 갖고 외부로 분출되게 된다.
도 8은 본 발명에 의한 산소 차폐 장치를 이용한 대상물 가공 장치의 구조도이다.
도시한 것과 같이, 본 발명에 의한 산소 차폐 장치를 이용한 레이저 가공장치(200)는 웨이퍼와 같은 가공 대상물(10)을 챔버(280) 내로 이송시키기 위한 이송수단(210), 대상물(10)을 흡착 고정하는 안착부(220), 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부(230), 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하기 위한 입력부(232), 작동 상태 등의 정보를 표시하기 위한 표시부(234) 및 데이터 저장을 위한 저장부(236), 대상물(10) 상에 지정된 거리 이격되어 설치되는 산소 차폐 장치(100), 산소 차폐 장치(100)를 고정 및 구동하기 위한 드라이버(240), 제 1 및 제 2 노즐(252, 254)을 통하여 산소 차폐 장치(100)로 가스를 공급하기 위한 불활성 기체 공급수단(250), 지정된 구경의 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 발생수단(260) 및 레이저 발생수단(260)으로부터 출사되는 레이저 빔의 방향을 전환하여 웨이퍼와 같은 대상물(10)의 가공 위치로 집속시키기 위한 반사수단(270)을 포함하여 이루어진다.
이러한 구성을 갖는 레이저 가공 장치의 동작을 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 9는 본 발명에 의한 산소 차폐 장치를 이용한 대상물 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
대상물을 가공하기 위하여, 가공하고자 하는 대상물에 따른 제어 파라미터를 설정한다(S110). 이러한 설정 과정은 가공하고자 하는 대상물의 종류, 가공 형태(절단, 그루빙 등) 등에 따라 기 설정된 메뉴로 등록하여 저장부(236)에 저장하여 두고, 메뉴를 호출함으로써 용이하게 이루어질 수 있다. 아울러, 제어 파라미터는 레이저 빔의 출력 크기, 주파수, 가공 위치, 가공 길이, 가공 깊이, 불활성 기체 유입량/유입속도/압력 등이 포함된다. 제어 파라미터 설정이 완료되면, 이송수단(210)을 이용하여 대상물(10)을 챔버(280) 내로 로딩하고, 안착부(220) 상에 대상물(10)을 고정시킨다(S120).
이후, 드라이버(240)는 제어부(230)의 제어에 의해 산소 차폐 장치(100)를 이동시켜 대상물(10)의 가공 부위 상에 위치시키며(S130), 불활성 기체 공급 수단(250)은 제어부(230)의 제어에 의해 제 1 및 제 2 노즐(252, 254)을 통해 산소 차폐 장치(100)의 제 1 가스 유입부(130) 및 제 2 가스 유입부(140)로 불활성 기체를 공급하여 레이저 빔 출사구(152), 제 1 및 제 2 가스 분사구(154, 156)로부터 불활성 기체가 분출되도록 한다(S140). 여기에서, 불활성 기체는 헬륨, 아르곤 또는 헬륨과 아르곤을 혼합하여 사용할 수 있다.
이와 같이 하여, 대상물의 가공 부위에 산소 차폐를 위한 불활성 기체 커튼이 형성되면, 제어부(230)는 레이저 발생수단(260)을 제어하여 레이저를 발생시킨다(S150). 이에 따라, 레이저 발생수단(260)에서 생성된 레이저 빔이 반사수단(270)을 통해 산소 차폐 장치(100)를 경유하여 대상물(10)에 조사되어 가공이 이루어진다(S160). 이와 같이 하여 대상물 가공이 완료되면 대상물을 챔버로부터 언로 딩하여 이후 공정을 진행할 수 있도록 한다.
도 10은 산소 차폐 장치 사용 여부에 따른 가공 속도와 가공 깊이의 관계를 설명하기 위한 그래프로서, 720㎛의 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼를 아르곤을 이용한 산소 차폐 장치를 사용하여 가공한 경우와, 산소 차폐 장치를 사용하지 않고 가공한 경우, 가공 속도에 대한 가공 깊이의 변화를 나타낸다.
도시한 것과 같이, 산소 차폐 장치를 사용한 경우 동일한 가공 속도에서 실리콘 웨이퍼가 더욱 깊게 가공된 것을 알 수 있다. 그리고, 가공 속도가 증가함에 따라 가공 깊이는 낮아지지만 산소 차폐 장치를 사용하는 경우 여전히 가공 효율이 우수한 것을 알 수 있다.
도 11a 및 11b는 산소 차폐 장치 사용 여부에 따른 실리콘 웨이퍼의 가공 깊이 차이를 설명하기 위한 사진으로, 도 10과 같은 조건에서 10㎜/s의 가공 속도로 실리콘 웨이퍼를 가공한 경우의 단면 사진을 나타낸다.
먼저 도 11a는 산소 차폐 장치를 사용하지 않고 가공한 경우의 단면 사진으로서, 141㎛의 깊이만큼 가공된 상태를 나타낸다. 그리고, 도 11b는 산소 차폐 장치를 사용하여 가공한 경우의 단면 사진으로서, 220㎛의 깊이만큼 가공된 상태를 나타낸다.
결과적으로, 산소 차폐 장치를 도입하여 대상물을 가공하는 경우 가공 효율이 증대되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것 을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 의하면 레이저 빔을 이용한 대상물 가공시 대상물 가공 부위에서 발생하는 용융물과 산소가 결합되어 용융물의 점성도가 증가하는 것을 방지하기 위하여, 레이저 빔을 대상물의 가공 부위에 조사할 때, 불활성 기체를 이용하여 산소를 차폐함으로써, 용융물의 분출 속도 및 분출율을 증대시킬 수 있다.
이에 따라, 가공 속도 및 가공 품질 등 가공 효율을 증대시킬 수 있으며, 대상물의 가공 부위 표면에 대상물과 열적 성질이 상이한 물질(산소와 결합된 용융물)이 불균일하게 침착하는 것을 방지할 수 있어 다이 강도를 향상시킬 수 있다.
Claims (15)
- 레이저 빔이 유입되는 기둥 형상의 레이저 빔 입사부;상기 레이저 빔 입사부로부터 연장되는 기둥 형상을 가지며 레이저 빔을 이용한 대상물 가공시 대상물 표면에 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 1 가스 유입부;상기 제 1 가스 유입부의 외주면에 제 1 가스 유입부와 독립적인 공간을 갖도록 상기 제 1 가스 유입부의 둘레보다 큰 둘레의 기둥 형상으로 형성되며, 대상물 가공시 상기 대상물 표면에 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 2 가스 유입부;상기 레이저 빔 입사부로 유입되는 레이저 빔과 제 1 및 제 2 가스 유입부로 주입되는 기체를 각각 방출하기 위한 가스 및 레이저 빔 방출부; 및상기 레이저 빔 입사부와 제 1 가스 유입부 사이에 형성되어 외부 장치와 결합되는 고정부재;를 포함하여 이루어지는 산소 차폐 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 레이저 빔 입사부는 상부에 레이저 빔이 주사되도록 하기 위한 레이저 빔 입사구를 구비하는 것을 특징으로 하는 산소 차폐 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 가스 유입부는 노즐을 통해 기체 공급부로부터 각각 기체를 공급받기 위한 제 1 및 제 2 가스 유입구를 구비하는 것을 특징으로 하는 산소 차폐 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 가스 및 레이저 빔 방출부는 상기 제 1 가스 유입부로 유입되는 기체 및 레이저 빔을 방출하기 위한 레이저 빔 출사구;상기 제 2 가스 유입부로 유입되는 기체를 방출하기 위한 제 1 가스 분사구 및 제 2 가스 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 차폐 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 가스 유입부로 유입되는 기체는 불활성 기체인 것을 특징으로 하는 산소 차폐 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 불활성 기체는 헬륨, 아르곤 또는 헬륨과 아르곤의 혼합 기체인 것을 특징으로 하는 산소 차폐 장치.
- 가공하고자 하는 대상물을 챔버 내로 로딩하여 안착부에 고정시키기 위한 이 송수단;상기 대상물을 가공하기 위한 파라미터가 저장되는 제어부;상기 제어부의 제어에 의해 구동되는 드라이버;상기 드라이버에 의해 상기 대상물 상에 지정된 거리 이격되도록 위치하여 상기 대상물로 기체를 분사하기 위한 산소 차폐 장치;상기 산소 차폐 장치와 노즐로 연결되어 상기 산소 차폐 장치로 기체를 유입시키기 위한 기체 공급 수단;상기 제어부의 제어에 의해 레이저 빔을 방출하는 레이저 발생부; 및상기 레이저 발생부로부터 방출되는 레이저 빔을 반사하여 상기 산소 차폐 장치를 통해 상기 대상물에 조사하기 위한 미러;를 포함하는 레이저 가공 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 제어 파라미터는 레이저 빔의 출력 크기, 주파수, 가공 위치, 가공 길이, 가공 깊이, 기체의 유입량/유입속도/압력을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 산소 차폐 장치는 레이저 빔이 유입되는 기둥 형상의 레이저 빔 입사부;상기 레이저 빔 입사부로부터 연장되는 기둥 형상을 가지며 레이저 빔을 이용한 대상물 가공시 대상물 표면에 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 1 가스 유입부;상기 제 1 가스 유입부의 외주면에 제 1 가스 유입부와 독립적인 공간을 갖도록 상기 제 1 가스 유입부의 둘레보다 큰 둘레의 기둥 형상으로 형성되며, 대상물 가공시 상기 대상물 표면에 기체를 분사하여 산소와 대상물의 용융물이 결합하는 것을 방지하기 위한 제 2 가스 유입부;상기 레이저 빔 입사부로 유입되는 레이저 빔과 제 1 및 제 2 가스 유입부로 주입되는 기체를 각각 방출하기 위한 가스 및 레이저 빔 방출부; 및상기 레이저 빔 입사부와 제 1 가스 유입부 사이에 형성되어 외부 장치와 결합되는 고정부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 기체는 불활성 기체인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 불활성 기체는 헬륨, 아르곤 또는 헬륨과 아르곤의 혼합 기체인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
- 기체 공급부와 노즐을 통해 연결되어 대상물 가공시 상기 대상물의 가공 부위에 기체를 공급하는 산소 차폐 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,가공 목적에 따른 제어 파라미터를 설정하는 단계;상기 대상물을 챔버 내로 로딩하고 고정시키는 단계;상기 산소 차폐 장치를 이동시켜 상기 대상물의 가공 부위 상에 위치시키는 단계;상기 기체 공급부에서 기체를 공급하여, 상기 산소 차폐 장치를 통해 상기 대상물의 가공 부위 상에 기체를 공급하는 단계; 및레이저 빔을 방출하여 상기 산소 차폐 장치를 통해 상기 대상물의 가공 부위에 조사하는 단계;를 포함하는 레이저 가공 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제어 파라미터는 레이저 빔의 출력 크기, 주파수, 가공 위치, 가공 길이, 가공 깊이, 기체 유입량/유입속도/압력을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 기체는 불활성 기체인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 불활성 기체는 헬륨, 아르곤 또는 헬륨과 아르곤의 혼합기체인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
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