KR100614106B1 - 취성재료의 가공방법 및 가공장치 - Google Patents

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Abstract

가공대상이 되는 취성재료W의 광(예를 들면 레이저 광)L의 흡수율을 미리 설정하고, 그 흡수율의 설정치와 가공대상인 취성재료W와 동일한 재질의 판자 모양의 샘플S의 두께를 사용하여 샘플S에 취성재료와 동일한 파장의 광L을 조사하였을 때의 샘플S의 흡수율을 연산하고, 이 흡수율의 연산치와 샘플S에 실제로 광L을 조사함으로써 얻어지는 흡수율의 실측 데이터에 의거하여 가공대상인 취성재료의 흡수율에 적합한 광의 파장을 선택하고, 그 선택된 파장의 광을 이용하여 취성재료W를 가공한다.

Description

취성재료의 가공방법 및 가공장치{METHOD AND DEVICE FOR PROCESSING FRAGILE MATERIAL}
본 발명은, 글래스(glass), 세라믹(ceramic) 또는 반도체 웨이퍼(半導體 wafer) 등의 취성재료(脆性材料)의 가공방법 및 가공장치에 관한 것이다.
레이저 광원(laser 光源)으로부터의 레이저 광(laser 光)을 가공대상의 취성재료의 표면으로 조사(照射)하고, 그 때에 발생하는 가열냉각(加熱冷却) 변화에 의한 열(熱) 비틀림을 이용하여 취성재료를 가공하는 것이 알려져 있다.
예를 들면 일본국 특허공보 특공평3-13040호 공보에는, 취성재료의 가공시점에서 형성한 균열(龜裂)을 레이저 광의 조사에 의한 열응력(熱應力)에 의하여 가공라인(加工 line) 상을 따라 유도함으로써 취성재료를 절단하는 가공방법이 개시되어 있다. 또한 일본국 특허공표 특표평8-509947호(일본국 특허 제3027768호) 공보에는, 취성재료로의 레이저 광의 조사에 의하 여 발생하는 열응력에 의하여 재료의 표면으로부터 소정의 깊이까지 도달하는 균열을 형성하고, 그 균열을 이용하여 취성재료를 절단하는 가공방법이 개시되어 있다.
이러한 종류의 가공에 사용되는 레이저 광원의 대표적인 것으로서, 발진파장(發振波長)이 2.9μm의 HF 레이저, 발진파장이 5.5μm의 CO 레이저, 발진파장이 10μm 부근의 CO2 레이저 등의 가스 레이저(gas laser)를 들 수 있다. 또한 고체 레이저(固體 laser)로서, 여러 가지의 파장을 발진하는 루비 레이저(ruby laser), 반도체 레이저(半導體 laser) 등이 시판(市販)되고 있다.
시판품(市販品)으로서 입수 가능한 레이저 광원 중에서 1∼3μm 부근의 파장의 레이저 광은 실리콘(silicon) 등의 반도체 웨이퍼(半導體 wafer)의 가공에 사용되고 있고, 5∼10.6μm 부근의 파장의 레이저 광은 글래스(glass) 등의 취성재료의 가공에 사용되고 있다. 또한 1∼10.6μm 부근의 파장의 레이저 광을 이용하여 각종 세라믹 재료를 가공하는 것이 이루어지고 있다. 또 레이저 광을 이용한 가공은 금속가공에도 응용되고 있다.
그런데 일본국 특허공보 특공평3-13040호 공보나 일본국 특허공표 특표평8-509947호(일본국 특허 제3027768호) 공보에 개시되어 있는 가공방법에 의하면, 사용하는 레이저 광원의 파장의 선택에 대하여는 특별하게 배려되고 있지 않고, 조사하는 레이저 광의 파장이 절단대상의 재료에 대하여 그 가열 에너지(加熱 energy)가 그 중에서 충분히 흡수되는 최적의 흡수파장(吸收波長)이 되지 않는 것이 많다. 이 때문에 재료 내부의 온도상승은 재료 표면의 가열부분으로부터의 열전도(熱傳導)에 의지할 수 밖에 없어, 필요한 온도상승까지 많은 시간을 요하기 때문에 레이저 광의 조사시간을 길게 잡아야 하므로 가공속도를 빠르게 할 수 없다. 또한 조사시간을 길게 하였을 때의 다른 문제로서, 재료의 내부가 가공(균열의 형성)에 필요한 온도에 도달하기 전에 조사부의 표면 부근의 온도가 재료의 용융온도(熔融溫度) 가까이 또는 그 이상으로 가열되어 재료 표면의 부근이 용융되어 버리면, 정밀도가 양호한 스크라이브 라인(scribe line)을 얻는 것이 곤란하게 된다는 문제가 있다. 또 일본국 특허공표 특표평8-509947호(일본국 특허 제3027768호) 공보에 개시되어 있는 가공방법에서는, 재료의 내부가 충분하게 가열될 때까지 많은 시간을 요하기 때문에 균열을 재료 내부의 깊은 곳까지 형성할 수 없다는 문제도 있다.
여기에서 레이저 광의 파장을 고려한 가공방법이 몇 가지 제안되고 있다. 예를 들면 미국 특허 제5,138,131호에는, 가공대상의 글래스에 레이저 광이 충분히 흡수되도록 하기 위하여 가공대상의 글래스의 레이저 광 투과율(透過率)을 측정하고, 그 투과율이 제로(zero)에 가깝게 되는 파장영역(4μm 이상)을 선택하여, 그 파장영역에 있는 레이저 광을 글래스에 조사하는 가공방법이 개시되어 있다.
그러나 이 가공방법에서는, 레이저 광의 파장에 대한 가공재료의 흡 수율이 너무 지나치게 크기 때문에, 조사 레이저 광의 대부분이 재료의 표면 근방에서 흡수되어 조사 레이저 광에 의한 직접 가열은 재료의 표면으로부터 수 μm의 깊이까지 밖에 미치지 못한다. 이 때문에 재료의 표면 근방만이 가열되어, 재료의 내부에는 표면 부근에서 흡수된 광 에너지(光 energy)가 열로 변화된 후의 열전도에 의하여 전달될 뿐이다. 그 결과, 표면 부근의 가열시점으로부터 내부가 충분히 가열될 때까지 열전도시간에 상당하는 시간지연(時間遲延)이 발생한다. 이것은, 열에 의한 비틀림에 의하여 형성되는 균열의 발생이 내부에서는 늦다는 것을 의미하고 있다.
또한 재료의 표면 부근이 집중되어 가열되기 때문에 레이저 광의 조사 에너지(照射 energy)가 집중되는 표면 부근에서는, 상기한 시간지연도 겹치게 되어 필요 이상으로 가열되어 버린다. 이에 따라 최악의 경우에는 일부가 용융온도 가까이까지 가열되어 가공대상 재료를 절단한 후의 품질에도 영향이 나타난다. 또한 가열시간의 지연에 의한 절단속도의 저하를 보충하기 위하여 대출력(大出力)의 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 재료에 조사하여 대량의 가열 에너지가 재료의 내부로 신속히 이동하도록 하여야 한다.
본 발명은 이러한 실정에 감안하여 이루어진 것으로서, 가공속도가 빠른 취성재료(脆性材料)의 가공방법 및 가공장치의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 가공방법은, 가열원(加熱源)인 광원(光源)으로부터의 광(光)을 취성재료에 조사(照射)하고 또한 그 조사위치를 소정의 라인(line) 상을 따라 이동시킴으로써 취성재료를 가공하는 방법에 있어서, 가공대상이 되는 취성재료로 조사되는 광의 흡수율(吸收率)을 미리 설정하고, 그 흡수율의 설정치(設定置)와 가공대상의 취성재료와 동일한 재질의 판자 모양의 샘플(sample)의 두께를 사용하여 샘플에 취성재료와 동일한 파장(波長)의 광을 조사하였을 때의 샘플의 흡수율을 연산하고, 이 흡수율의 연산치(演算置)와 샘플에 실제로 광을 조사함으로써 얻어지는 흡수율의 실측 데이터(實測 data)에 의거하여 가공대상의 취성재료의 흡수율에 적합한 광의 파장을 선택하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가공방법에 있어서, 파장이 서로 다른 복수 종류의 광을 샘플에 순차적으로 조사하고, 그 광의 조사에 의하여 얻어지는 각 파장마다의 투과광(透過光)의 강도(强度) 측정치로부터 샘플의 흡수율의 실측 데이터를 산출하고, 그들 실측 데이터를 이용하여 광의 파장을 선택하더라도 좋다.
본 발명의 가공방법에 있어서, 가공을 하는 취성재료의 광조사위치(光照射位置)의 이면측(裏面側)에 반사층(反射層)을 형성하다라도 좋다. 또한취성재료를 테이블(table) 상에 재치(載置)하여 가공을 할 경우, 그 테이블의 재료 재치면(載置面)에 반사층을 형성하더라도 좋다.
본 발명의 가공방법에서 실시하는 연산처리(레이저 광의 파장을 선택 하는 연산)의 상세에 대하여 다음에서 설명한다.
또 실제의 취성재료의 경우에는, 입사면측(入射面側)인 재료 표면에서의 반사(反射)가 있거나 투과(透過)할 때에 재료의 내부로부터 출사면측(出射面側)으로 투과하는 투과면인 재료 이면(裏面)에서의 반사가 있다. 그러나 여기에서는 논의를 간단하게 하기 위하여, 이러한 재료의 입사부분이나 투과부분에서의 반사는 작은 것으로 하여 무시하여 논의하기로 한다.
또한 취성재료가 표시용(表示用)의 피절단패널(被切斷 panel) 재료로서 사용되는 경우에는, 입사면측의 이면측에는 화면 표시용이나 그 표시 제어용의 각종 구동·제어회로를 형성하기 위한 표면가공이 되어 있다. 이러한 경우에 있어서도 논의를 간단하게 하기 위하여, 표면가공부분의 영향은 받지 않고 표면가공이 되어 있지 않은 부분에 대하여 광이 입사하여 투과하는 것으로 하여 논의하기로 한다.
우선, 물체에 진공 중의 파장λ0, 강도I0의 광을 조사하였을 때에 깊이z의 장소에서의 광의 강도I는, I = I0·exp(-α·z)로 나타낼 수 있다. 여기에서 α는 흡수능(吸收能)이라고 불리는 물리량으로서, α = (4π/λ0)k = (4π/λ0)nκ로 나타내어진다. 다만 n은 그 물체의 굴절율(屈折率), k, κ는 감쇠계수(減衰係數)이다.
도2에 나타나 있는 바와 같이 가공대상의 취성재료와 같은 재질이고 두께가 몇 분의 1인, 두께d의 판자 모양의 샘플S에 파장이 이미 알려져 있는 레이저 광(강도I0)을 조사하였을 때에, 샘플S 중에서 레이저 광이 A% 흡수된 것으로 하면 다음의 관계가 성립한다.
(I0 - I) / I0 = A / 100 ‥‥ (1), I = I0·exp(-α·d)
I / I0 = (100 - A) / 100 = exp(-α·d) ‥‥ (2)
〔(100-A) / 100〕I/d = exp(-α) ‥‥ (3)
또한 도3에 나타나 있는 바와 같이 두께D의 취성재료W에 샘플S와 동일한 파장의 광을 조사하였을 때의 출사광 강도(出射光 强度)I′에서 투과율이 B%가 된다고 하면, 다음의 관계가 성립한다.
I′/ I0 = exp(-α·D) = B / 100
(3)을 이용하여 exp(-α·D) = ((100 - A) / 100)D/d = B / 100(100 - A) / 100 = (B / 100)d/D ‥‥ (4)
100 - A = 100·(B / 100)d/D
= (100)D/d·(100)d/D·(B / 100)d/D
= (100)D/d·Bd/D
∴ A = 100 - (100)D/d·Bd/D ‥‥ (5)
그리고 이상의 관계식과 두께d의 판자 모양의 샘플S의 투과광 강도 의 실측 데이터를 사용하여 가공대상의 취성재료에 알맞은 파장의 레이저 광을 선택할 수 있다. 그 방법을 다음에서 상세하게 설명한다.
우선, 가공대상인 두께D의 취성재료에 대하여 몇 % 흡수율의 레이저 광을 조사하여 가공을 하는 것이 좋을지를 결정한다.
지금, 흡수율을 B%라고 결정한 것으로 하면, 그 흡수율B%와 상기의 (5)식에 의거하여, 가공대상의 취성재료와 동일한 재질로 두께d의 샘플에 가공대상과 동일한 레이저 광을 조사한 경우에 어느 정도의 흡수율이 되는가를 연산한다. 그 연산결과를 흡수율A%라고 한다.
다음에 두께d의 샘플S에 실제로 레이저 광을 조사하여 상기 연산에 의하여 구한 흡수율A%에 가까운 흡수율의 값(실측 데이터)이, 어느 파장의 영역에서 얻어지는가를 조사한다. 구체적으로는, 샘플S에 레이저 광을 파장을 변경하면서 조사하거나 또는 파장이 다른 복수 종류의 레이저 광을 조사한다. 계속하여 레이저 광의 조사에 의하여 얻어지는 각 파장마다의 투과광 강도의 실측 데이터를 이용하여 샘플S의 실제의 흡수율을 구하고(상기의 (1)식을 사용), 그들 실제의 흡수율(실측 데이터)과 상기 연산에 의하여 구한 흡수율A%를 비교하여 흡수율A%에 대응하는 값의 레이저 광의 파장을 찾아낸다.
이상의 처리에 의하여 가공대상의 취성재료의 흡수특성에 알맞은 파장에 가까운 레이저 광의 파장을 선정할 수 있다.
이러한 레이저 광의 파장의 선택에 의하여 가공속도를 종래보다 높일 수 있다. 그 이유를 다음에서 설명한다.
우선, 레이저 광의 파장의 선택이 부적절한 경우, 가공대상의 재료 내에서의 흡수율이 제로(zero)%에서 거의 흡수되지 않고 투과하는 경우가 있다. 반대로 재료 내의 흡수율이 100%에 가깝다면, 도4에 나타나 있는 바와 같이 취성재료W에 조사된 레이저 광L은 취성재료W의 표면 가까이에서 흡수된다. 이에 따라 취성재료W의 표면부분은 순간적으로 가열되지만, 재료 내부에서는 열전도(熱傳導)에 의하여 내부온도가 상승하기 때문에 그 열전도에 필요로 되는 시간만큼 재료 내부의 온도상승이 늦어지게 된다.
이에 대하여 본 발명의 가공방법과 같이 가공대상의 취성재료의 흡수특성에 알맞은 파장에 가까운 파장의 레이저 광을 선택하면, 도5에 나타나 있는 바와 같이 취성재료W로의 레이저 광L의 조사에 의하여 취성재료W의 표면 부근과 재료 내부의 영역이 흡수영역(吸收領域)이 되어 넓은 체적이 동시에 가열된다. 이에 따라 재료 내부의 가열은 광전파속도(光傳播速度)의 지연시간만큼 늦어지는 것만으로 완료되어 취성재료W의 표면 부근이 가열되는 것과 거의 동시에 재료의 내부 깊은 곳까지 가열됨으로써 짧은 시간에 필요로 하는 온도상승이 얻어진다. 그 결과로서, 가공속도를 빠르게 할 수 있다. 또한 취성재료의 표면 부근으로부터 내부 깊은 곳까지 열에 의한 비틀림을 발생시킬 수 있기 때문에 균열(龜裂)을 취성재료W의 내부 깊은 곳까지 형성할 수 있다.
또한 도6에 나타나 있는 바와 같이 가열 스폿(加熱 spot) 부근의 온 도상승에 의하여 발생하는 열응력(熱應力)(실선)의 변화가, 레이저 광의 파장의 선택이 부적절한 경우(종래의 가공방법 : 점선)보다 급격하게 높아지게 되어 재료 중의 좁은 영역에 열응력이 집중하는 결과, 열응력의 강도도 강하게 된다.
여기에서 본 발명에 있어서, 조사부(照射部)의 재료 표면과 내부의 온도구배(溫度句配)를 작게 하는 가열방법이 실현되도록 배려함으로써 판의 두께방향으로 비교적 균일한 가열대(加熱帶)를 발생시킬 수 있다. 예를 들면 미리 소정의 온도에서 가공재료를 예열(豫熱)한다든가, 판의 두께방향 재료의 광흡수율(光吸收率)이 작은 광원을 사용함으로써 열구배(熱句配)는 판의 두께방향에서 작아지게 되는 상황이 된다. 따라서 여러 가지의 재료를 절단가공의 대상으로 하는 경우에, 흡수율이 작은 파장의 광으로 절단가공이 가능한 재료가 대부분 대상에 적합하게 된다. 경우에 따라서는, 조사 에너지(照射 energy)의 일부가 재료를 투과하는 경우이더라도 절단 성능 그 자체에는 문제가 없다. 재료의 바닥면이나 테이블 면에 반사층(反射層)을 형성하여 바닥면이나 테이블 면에서 입사광(入射光)을 반사시키는 방법 등도 유효한 방책이 된다. 이러한 방법을 채용함으로써 판의 두께방향에 비교적 균일한 가열대를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 가공할 때에 얻어지는 크랙(crack)의 깊이는 조사하는 광의 파장을 변경(즉 가공재료 내의 흡수율을 변화시킨다)시킴으로써 제어할 수 있다. 또한 조사광의 주사(走査) 방향에 좌우의 조사 표면 의 한 쪽 면으로 근접하도록 조사각도를 경사지게 함으로써 경사지는 면에서 가공재료를 절단할 수 있다. 이 절단면에 있어서도, 통상의 절단면(切斷面)과 같이 베벨링(beveling) 가공이 불필요한 평활면(平滑面)이 절단 후에 얻어진다.
본 발명에 있어서, 가공재료의 소정의 조사위치의 이면측이나 테이블의 재료 재치면에 적당한 반사층을 형성함으로써 가공재료의 깊숙한 곳까지 조사 에너지가 충분히 넓게 퍼지도록 하면, 크랙이 표면으로부터 이면측까지 침투하는 정도로 진전되도록 가공이 이루어지는 풀 보디 커트(full body cut)에 본 발명을 효과적으로 활용할 수 있다.
또한 본 발명은, 레이저 광에 의한 조사열(照射熱)이 조사부의 하측 방향으로 열전도보다 먼저 흡수된다는 특징을 가지고 있다. 그 결과, 가공대상이 되는 취성재료의 표면을 향하고 있는 소정 각도의 조사각도로 레이저 빔을 조사시키면, 크랙이 표면으로부터 소정의 각도로 경사지도록 내부에 형성되기 때문에 가공의 자유도(自由度)가 증가한다는 이점이 있다.
본 발명의 가공장치는 이상의 특징을 가지는 취성재료의 가공방법의 실시에 적합한 장치로서, 서로 다른 파장의 광을 발진(發振)하는 복수의 광원(光源)과, 이들 광원과 취성재료를 상대적으로 이동시키는 주사수단(走査手段)과, 미리 설정된 흡수율의 설정치와 샘플의 두께를 사용하여 샘플에 취성재료와 동일한 파장의 광을 조사하였을 때의 샘플의 흡수율을 연산하는 흡수율 연산수단(吸收率 演算手段)과, 각 광원으로부터의 광을 샘플에 조사하였을 때의 투과광의 강도를 측정하기 위한 광강도 측정수단(光强度 測定手段)과, 광강도 측정수단에서 측정된 각 파장마다의 투과광 강도의 측정치로부터 샘플의 흡수율의 실측 데이터를 구하는 실측 데이터 산출수단(實測 data 算出手段)과, 이들 흡수율의 실측 데이터와 상기 흡수율의 연산결과에 의거하여 가공대상의 취성재료의 흡수율에 적합한 광의 파장을 선택하는 선택수단(選擇手段)을 구비하고, 그 선택된 파장에 해당하는 광을 출력하는 광원을 복수의 광원 중에서 선택하여 취성재료의 가공을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 광강도 측정수단을 사용하여 가공 전의 단계에서 미리 가공재료의 표면 부근의 광 강도I0을 측정한다. 그 후에 샘플과 가공재료의 이면측에서 투과광의 광 강도를 측정하여, I0과 비교함으로써 각 재료 내에서의 흡수율을 산정한다.
본 발명은, 광원으로부터의 광(레이저 광 등)의 조사에 의하여 취성재료에 깊은 균열을 넣는 절단가공 또는 광의 조사만으로 취성재료를 가공선(加工線)(스크라이브 라인(scribe line))의 좌우로 완전하게 분리하는 절단가공의 어느 쪽의 가공에도 적용할 수 있다.
또한 본 발명에 있어서 가열원으로서의 광원은, 재료 표면에서 흡수되지 않고 재료 내부에 진입하여 내부에서 열로 변환되는 파장의 광이라면 특별하게 한정되지 않고, 레이저 광 이외에 가시광(可視光), 자외선(紫 外線) 등 여러 가지의 파장을 갖는 광 또는 파장이 다른 레이저를 복수 조합시킨 광원을 들 수 있고, 이들 광원을 사용하여 조사부의 재료 표면과 내부의 온도구배를 작게 하는 가열방법을 이용하여 가공함으로써 속도와 정밀도를 향상시키고 또한 경사절단이 가능하게 되는 특징이 얻어진다. 레이저 이외의 광원으로서는, 자외선 램프(紫外線 lamp)나 적외선 램프(赤外線 lamp)가 사용 가능하고, 레이저 광원에서는 백색 레이저(白色 laser)도 적용할 수 있다.
또한 본 발명에 이용되는 광원으로서는, 단일 파장의 발광원(發光源)인 레이저 광원 이외에 적외선 램프라든가 가열램프(加熱 lamp) 등 복수의 파장을 방출하는 열광원(熱光源)도 포함되지만, 지금까지의 상기 설명에서는 기술을 간단하게 하기 위하여 단일 파장을 발생하는 레이저 광원을 대표적인 가열원으로서 설명하였다.
가열램프를 사용하는 경우에는, 다수의 시판품(市販品) 중에서 미리 그들의 분광(分光) 특성에 관한 데이터(data)를 그들 램프의 제조 메이커로부터 입수하거나 또는 그러한 데이터를 스스로 측정하여 입수한다.
이러한 복수의 파장 성분을 포함하는 광을 방사(放射)하는 광원을 사용하는 경우에는, 광원으로부터의 광 중에 포함되는 파장 성분 중에서 스펙트럼(spectrum) 성분의 광 강도가 제일 강한 것 또는 그에 준하는 강도인 파장 성분에 주목하여, 미리 정하여진 소정의 파장 폭(幅)의 광 성분에 대하여 광 강도를 측정함으로써 흡수율이라든가 투과율의 표준으로 한 다.
그 방법으로서는, 예를 들면 가공대상 재료의 소정 두께의 샘플을 사용하여 각 광원의 광을 그 샘플에 조사하였을 경우의 흡수특성이나 투과율에 관한 데이터를 수집한다.
도1은 본 발명의 실시예의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도2는 두께d의 판자 모양의 샘플에 레이저 광을 조사한 모양을 나타내는 모식도이다.
도3은 두께D의 취성재료에 레이저 광을 조사한 모양을 나타내는 모식도이다.
도4는 레이저 광 조사에 의하여 취성재료의 표면 부근만이 가열되는 상황을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도5는 본 발명의 작용 설명도로서, 레이저 광 조사에 의하여 취성재료의 표면 부근과 내부의 영역이 동시에 가열되는 상황을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도6은 본 발명의 작용 설명도로서, 가열 스폿 부근의 온도상승에 의하여 발생하는 열응력의 크기의 변화를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명 실시예를 도면에 의거하여 설명한다.
도1은 본 발명의 실시예의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도1의 가공장치(加工裝置)는, 서로 다른 파장(波長)을 발진(發振)하는 복수의 레이저 광원(laser 光源)11, 12 … 1n을 구비하고 있다. 이들 레이저 광원11, 12 … 1n에는, 반도체 레이저(半導體 laser), 가스 레이저(gas laser), 고체 레이저(固體 laser) 또는 엑시머 레이저(excimer laser) 등의 각종 레이저가 적용된다.
또 레이저 광원11, 12 … 1n으로서 반도체 레이저를 사용하는 경우에 각 레이저 광원(소자(素子))의 배치는 특별하게 문제는 없지만, 가스 레이저, 고체 레이저나 엑시머 레이저를 복수 이용하는 경우에 레이저 광원의 형상 치수가 커지기 때문에, 복수의 레이저 광원의 모두를 가공대상인 취성재료(脆性材料)W의 상방이 되는 장소에 배치하는 것이 어렵게 되는 경우가 있다. 이 경우에 복수의 레이저 광원11, 12 … 1n을 설치하는 장소로부터 레이저 광L을 광 파이버(光 fiber) 등의 광학수단을 사용하여 가공대상이 되는 취성재료W의 표면으로 인도하도록 하면 좋다.
가공대상이 되는 취성재료W는, X-Y 테이블(X-Y table) 등의 주사기구(走査機構)2에 의하여 X-Y방향으로 이동된다. 취성재료W에는 복수의 레이저 광원11, 12 … 1n 중에서 1개의 레이저 광원11(또는 12 … 1n)로부터 레이저 광(laser 光)L이 조사된다. 이 레이저 광원11(또는 12 … 1n)의 선택·구동 및 주사기구2의 구동제어는, 후술하는 연산처리장치(演算處理裝置)4에 의하여 실행된다.
복수의 레이저 광원11, 12 … 1n의 하방(취성재료W의 하방)에 광강도 측정장치(光强度 測定裝置)3이 배치되어 있다. 광강도 측정장치3은, 각 레이저 광원11, 12 … 1n으로부터의 레이저 광L을, 후술하는 샘플(sample)S에 조사하였을 때의 투과광(透過光)의 강도를 측정하는 것이다. 광강도 측정장치3의 측정치는 연산처리장치4에 저장된다.
연산처리장치4는, 흡수율 연산부(吸收率 演算部)41, 실측 데이터 산출부(實測 data 算出部)42, 선택부(選擇部)43 및 구동제어부(驅動制御部)44 등을 구비하고 있다. 연산처리장치4에는, 가공형상 데이터(加工形狀 data), 가공대상 취성재료W의 두께, 샘플S의 두께 및 레이저 광L의 흡수율 설정치 등을 입력하기 위한 입력장치(入力裝置)5가 접속되어 있다.
흡수율 연산부41은, 입력장치5의 조작에 입력된 가공대상 취성재료W의 두께, 샘플S의 두께 및 흡수율의 설정치(設定値)를 사용하여 샘플S에 가공대상 취성재료W와 동일한 파장의 레이저 광L을 조사하였을 때의 샘플S의 흡수율을 연산한다. 구체적으로는, 취성재료W의 두께D, 샘플S의 두께d 및 흡수율의 설정치B%의 각 값을 앞에서 설명한 (5)식에 대입하여 샘플S의 흡수율A%를 연산한다.
구동제어부44에는, 실제의 가공을 하는 가공모드(加工 mode)와 실험모드(實驗 mode)로 설정되어 있고, 입력장치5의 조작에서 실험모드가 지정되었을 때에는, 각 레이저 광원11, 12…1n을 순차적으로 구동시킨다.
실측 데이터 산출부42는, 각 레이저 광원11, 12 … 1n으로부터의 레이저 광L이 샘플S에 조사되었을 때에, 광강도 측정장치3에서 측정되는 각 파장마다의 투과광의 측정치로부터 샘플S의 흡수율의 실측 데이터를 산출한다. 또 흡수율의 실측 데이터의 계산에는, 상기한 (1)식을 이용한다.
선택부43은, 흡수율 연산부41에서 연산된 샘플S의 흡수율A%와, 실측 데이터 산출부42에서 산출된 복수의 흡수율 실측 데이터를 비교하여, 연산에 의한 흡수율A%에 일치 또는 가까운 값을 나타내는 실측 데이터를 찾아내는 처리에 의하여 흡수율A%에 가까운 값을 나타내는 파장의 레이저 광원을 선택한다.
그리고 구동제어부44는 가공모드일 때에 있어서, 선택부43에서 선택된 1대의 레이저 광원11(또는 12 … 1n)만을 구동하고 또한 주사기구2를 가공 형상 데이터에 의거하여 구동제어한다. 이들 레이저 광원11(또는 12 … 1n) 및 주사기구2의 구동제어에 의하여 가공대상인 취성재료W의 표면에 레이저 광L이 주사(走査)된다.
다음에 취성재료W의 가공순서에 대하여 설명한다.
우선, 가공대상의 취성재료W와 같은 재질로 두께가 수분의 1의 판자 모양의 샘플S를 준비한다.
입력장치5를 조작하여 가공 형상 데이터, 샘플S의 두께d 및 가공대상의 취성재료W의 두께D 등의 각 데이터를 연산처리장치4에 입력한다. 또한 두께D의 취성재료에 대하여 몇 %의 흡수율의 레이저 광을 조사하여 가공을 하는 것이 좋은가를 결정하고, 그 결정치B%를 연산처리장치4에 설정한다.
다음에 광강도 측정장치3의 상방에 샘플S를 배치하고, 연산처리장치4에 실험모드를 지시한다. 이 조작에 의하여 레이저 광원11, 12 … 1n이 순차적으로 구동되어, 각 레이저 광원11, 12 … 1n으로부터의 레이저 광L이 샘플S에 조사되고, 그 레이저 광을 조사할 때마다 광강도 측정장치3에서 측정되는 샘플S의 투과광의 강도가 연산처리장치4에 저장된다.
모든 레이저 광원11, 12 … 1n으로부터의 레이저 광L에 의한 투과광 강도의 측정치가 채취된 시점에서 연산처리장치4는, 상기한 샘플S의 흡수율A%의 연산과 샘플S의 흡수율의 실측 데이터를 산출하고, 그들의 결과로부터 복수의 레이저 광원11, 12 … 1n 중에서 가공대상의 취성재료W의 흡수특성에 알맞은 파장에 가까운 레이저 광원11(또는 12 … 1n)을 선택한다.
이상의 처리가 완료된 후에 레이저 광원11, 12 … 1n의 하방에 가공대상인 취성재료W를 배치하고, 연산처리장치4에 가공모드를 지정한다. 이에 따라 연산처리장치4가, 상기한 처리에서 선택된 레이저 광원11(또는 12 … 1n)을 구동하고 또한 가공 형상 데이터에 의거하여 주사기구2를 구동제어함으로써 취성재료W가 소정의 형상으로 가공된다.
여기에서 본 실시예에서는, 레이저 광원11, 12 … 1n으로부터의 레이저 광L의 조사에 의하여 취성재료W의 내부 깊은 곳까지 균열(龜裂)을 넣는 절단가공 또는 취성재료W의 가공시점에서 형성한 균열을 레이저 광의 조사에 의하여 진전시켜서 취성재료W를 완전하게 분리하는 절단가공의 어느 쪽 의 가공도 가능하다.
이상의 실시예에서는 복수의 레이저 광원을 배치한 예를 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면 발진파장(發振波長)이 가변(可變)의 자유전자 레이저(自由電子 laser)를 이용하더라도 실시할 수 있다.
자유전자 레이저를 사용하는 경우에 레이저 광의 파장의 선택처리로서, 샘플S에 자유전자 레이저로부터의 레이저 광을 조사한 상태에서 레이저 광의 파장을 연속적으로 변화시켜서 흡수율이 알맞은 상황이 되는 파장영역을 찾아내는 처리가 가능하게 된다. 그리고 알맞은 파장영역이 판명된 후에 그 파장영역에 포함되거나 또는 그 파장영역에 가까운 파장의 레이저 광을 발진하는 레이저 광원을 선택하여 취성재료의 가공을 하면 좋다. 또 레이저 광의 파장의 선택처리 즉 레이저 광의 흡수율의 측정 후에 있어서도 자유전자 레이저의 설비가 이용 가능한 경우에는, 자유전자 레이저의 발진파장을 흡수율의 측정으로 찾아낸 알맞은 파장에 가까운 값으로 설정하여 레이저 광을 취성재료에 조사하는 가공도 가능하다.
또 가열원(加熱源)으로서의 광원은, 레이저 광원 이외에 가시광(可視光), 자외광(紫外光) 등 여러 가지 파장의 광을 출력하는 자외선 램프(紫外線 lamp)나 적외선 램프(赤外線 lamp) 등의 각종 광원을 적용하더라도 좋다.
또한 광원으로부터 가공재료로 전송하는 에너지량이 큰 경우에는, 광 파이버를 대신하여 전송할 때의 손실이 최소가 되도록 적절한 전송수단을 선택함으로써 목적을 달성할 수 있다. 그 구체적인 전송수단으로서는, 저손실(低損失)의 전송이 가능한 중공 광 파이버(中空 光 fiber) 및 중공 도파로(中空 導波路) 등(마츠우라 유우지(松浦 祐司), 미야기 미쯔노부(宮城 光信) : 응용물리(應用物理), 제68권, pp. 41-43 1993년 및 동 제62권, pp. 44-46 1993년)을 들 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 표면 부근만을 가열하는 경우와 비교하여 재료 내부의 가열온도 상승이 빨라지게 되어 단시간에 필요로 하는 온도상승이 얻어지는 결과, 가공속도를 빠르게 할 수 있어 유익하다.
또한 광의 조사에 의하여 발생하는 균열이, 재료의 표면으로부터 내부를 통과하여 반대 면까지 도달하도록 연장되기 때문에 균열이 재료 내부의 깊은 곳까지 형성되고, 이에 따라 레이저 스크라이브(laser scribe) 후의 브레이크(brake) 공정에서의 절단작업이 용이하게 된다.
또한 재료의 두께에 따라 다르지만, 광의 조사공정만으로 취성재료를 스크라이브 라인(scribe line)의 좌우로 완전하게 절단하는 절단가공도 고속으로 할 수 있다. 이 경우에 후공정으로서, 컬릿(cullet)이 많이 발생하는 브레이킹 공정을 채용할 필요가 없기 때문에 컬릿과 무관한 1개의 공정에서 스크라이브와 절단작업을 진행시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 가열원(加熱源)인 광원(光源)으로부터의 광(光)을 취성재료(脆性材料)에 조사(照射)하고 또한 그 조사위치를 소정의 라인(line) 상을 따라 이동시킴으로써 취성재료를 가공하는 방법에 있어서,
    가공대상이 되는 취성재료의 표면 및 내부의 영역에서 조사되는 광이 흡수되도록 당해 조사되는 광의 흡수율(吸收率)을 미리 설정하고, 그 흡수율의 설정치(設定置)와 가공대상의 취성재료와 동일한 재질의 판자 모양의 샘플(sample)의 두께를 사용하여 샘플에 취성재료와 동일한 파장(波長)의 광을 조사하였을 때의 샘플의 흡수율을 연산하고, 이 흡수율의 연산치(演算置)와 샘플에 실제로 광을 조사함으로써 얻어지는 흡수율의 실측 데이터(實測 data)에 의거하여 상기 흡수율의 연산치에 대응하는 광의 파장을 선택하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 가공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    파장이 서로 다른 복수 종류의 광을 샘플에 순차적으로 조사하고, 그 광의 조사에 의하여 얻어지는 각 파장마다의 투과광(透過光)의 강도(强度) 측정치로부터 샘플의 흡수율의 실측 데이터를 산출하고, 그들 실측 데이터를 이용하여 광의 파장을 선택하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 가공방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    가공을 하는 취성재료의 광조사위치(光照射位置)의 이면측(裏面側)에 반사층(反射層)을 형성하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 가공방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    취성재료를 테이블(table) 상에 재치(載置)하여 가공을 할 때에, 그 테이블의 재료 재치면(載置面)에 반사층을 형성하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 가공방법.
  5. 가열원인 광원으로부터의 광을 취성재료에 조사하고 또한 그 조사위치를 소정의 라인 상을 따라 이동시킴으로써 취성재료를 가공하는 가공장치에 있어서,
    서로 다른 파장의 광을 발진(發振)하는 복수의 광원(光源)과, 이들 광원과 취성재료를 상대적으로 이동시키는 주사수단(走査手段)과, 가공대상이 되는 취성재료의 표면 및 내부의 영역에서 조사되는 광이 흡수되도록 미리 설정된 조사되는 광의 흡수율의 설정치와 샘플의 두께를 사용하여 샘플에 취성재료와 동일한 파장의 광을 조사하였을 때의 샘플의 흡수율을 연산하는 흡수율 연산수단(吸收率 演算手段)과, 각 광원으로부터의 광을 샘플에 조사하였을 때의 투과광의 강도를 측정하기 위한 광강도 측정수단(光强度 測定手段)과, 광강도 측정수단에서 측정된 각 파장마다의 투과광 강도의 측정치로부터 샘플의 흡수율의 실측 데이터를 구하는 실측 데이터 산출수단(實測 data 算出手段)과, 이들 흡수율의 실측 데이터와 상기 흡수율의 연산결과에 의거하여 이 흡수율의 연산결과에 대응하는 광의 파장을 선택하는 선택수단(選擇手段)을 구비하고, 그 선택된 파장에 해당하는 광을 출력하는 광원을 복수의 광원 중에서 선택하여 취성재료의 가공을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 취성재료의 가공장치.
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