KR100614108B1 - 취성재료의 가공방법 및 가공장치 - Google Patents

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Abstract

레이저 광원으로부터의 레이저 광을 취성재료에 조사하고 또한 그 조사위치를 소정의 라인 상을 따라 이동시킴으로써 취성재료를 가공하는 방법에 있어서, 복수의 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn으로부터의 레이저 광L을 동시에 취성재료W에 조사하여 취성재료 표면 상의 레이저 광의 조사범위를 소정의 형상으로 하여 이동시킴으로써 가공을 한다. 또한 각 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn으로부터의 레이저 광을 취성재료로 인도하는 광도파로10 … 10을 설치하고 또한 이들 광도파로10 … 10을 묶은 상태에서 취성재료W의 표면에 레이저 광L을 합성하여 조사한다.

Description

취성재료의 가공방법 및 가공장치{METHOD AND SYSTEM FOR MACHINING 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 표면에 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.
그런데 레이저 광을 이용한 가공방법에 의하면, 조사 레이저 광의 파장에 의하여 가공재료의 광흡수율(光吸收率)이 크게 변경된다. 그 흡수율이 큰 경우에는, 조사 레이저 광의 대부분이 재료의 표면 부근에서 흡수되어 열전도(熱傳導)에 의하지 않는 조사 레이저 광의 직접적인 가열은 재료의 표면으로부터 수 μm의 깊이까지 밖에 미치지 못한다.
이러한 상황을 도6에 나타내면, 레이저 광L의 조사에 의하여 가열되는 가열영역(加熱領域)은 취성재료W의 두께에 비하면 표면 부근의 매우 국부적(局部的)인 영역으로서, 재료의 내부에는 열전도(열전도영역(熱傳導領域))에 의하여 열이 전파(傳播)된다. 이 때문에 재료의 내부가 넓은 범위로 가열될 때까지 많은 시간이 소요되어 이것이 가공시간의 고속화를 도모하는 것에 있어서 장해가 되었다.
일본국 특허공보 특공평3-13040호 공보나 일본국 특허공표 특표평8-509947호(일본국 특허 제3027768호) 공보에 개시되어 있는 가공방법에 의하면, 레이저 광의 파장 선정은 그 정도로 엄밀하게 배려되어 있지 않아 조사되는 레이저 광이 알맞은 흡수파장(吸收波長)으로 되어 있지 않는 것이 대부분이다. 이 때문에 재료 내부의 온도상승에 많은 시간을 필요로 하므로 레이저 광의 조사시간을 길게 하여 가공속도를 빠르게 할 수 없다.
또한 조사시간을 길게 하였을 때의 다른 문제로서, 재료의 내부가 가공(균열의 형성)에 필요한 온도에 도달하기 전에 조사부(照射部)의 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 필요 로 하기 때문에 실제로 사용되는 주사속도에 있어서의 가열시간에서는 균열을 재료의 내부 깊은 곳까지는 형성할 수 없다는 문제도 있다.
실제적으로 사용되는 유효한 가공속도를 얻기 위해서는, 가공에 사용되는 레이저 광의 조사면적이 가능한 한 넓은 범위로 되는 것을 의도하여 레이저 발진부(laser 發振部)에서 나오는 레이저 빔의 넓이를 주사방향을 따라 타원(楕圓) 모양이라든가 긴 원(圓) 모양이 되도록 각종 렌즈(lens)나 광학부품을 조합시켜서 광학장치 시스템에 고안을 부가함으로써 실현되어 있는 예가 개시되어 있다.
본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 가공속도가 빠른 취성재료의 가공방법 및 가공장치의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 가공방법은, 레이저 광원(laser 光源)으로부터의 레이저 광(laser 光)을 취성재료(脆性材料)에 조사(照射)함으로써 상기 취성재료의 넓은 범위에 걸쳐 열(熱)에 의한 비틀림을 발생시켜서 상기 취성재료의 내부에 균열(龜裂)을 넣고 또한 그 조사위치를 상기 취성재료의 소정의 라인(line) 상을 따라 이동시킴으로써 취성재료를 절단하는 절단방법에 있어서, 복수의 레이저 광원으로부터 각 레이저 광을 취성재료로 인도하는 복수의 광파이버(光 fiber)를 설치하고, 상기 취성재료에 조사되는 상기 각 레이저 광의 조사 스폿(照射 spot)이 행렬(行列) 모양으로 배치되도록 상기 복수의 광파이버를 묶은 상태에서, 상기 복수의 레이저 광원을 구동함으로써 소정의 형상을 이루는 레이저 합성광(laser 合性光)을 상기 취성재료의 표면에 조사하고 또한 상기 복수의 레이저 광원의 광 강도를 각각 제어함으로써 이 레이저 합성광의 광 강도분포(光 强度分布)를 조정하는 것을 특징으로 한다.
이 방법에 있어서, 상기 복수의 레이저 광원을 선택적으로 구동함으로써 상기 레이저 합성광의 형상을 설정하는 것이 바람직하다.
또한 상기 복수의 광파이버를 묶는 방법을 선정함으로써 상기 레이저 합성광의 형상을 설정하더라도 좋다.
또한 상기 복수의 레이저 광원의 출력강도(出力强度)를 다르게 되도록 하더라도 좋다.
또한 상기 복수의 레이저 광원의 조사를 순차적으로 제어함으로써 조사 스폿의 위치가 이동되더라도 좋다.
본 발명의 가공방법의 작용에 대하여 설명한다.
복수의 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 동시에 취성재료에 조사하면, 레이저 광이 조사되는 조사면적이 증가하여 가공대상의 취성재료 표면 상의 레이저 광의 조사면적이 대폭적으로 넓어지게 되어 조사시간당 가열되는 내부의 가열체적이 증가한다. 이에 따라 열에 의한 비틀림이 넓은 범위에 걸쳐서 발생하여 레이저 광을 취성재료의 표면 상의 소정의 방향을 따라 상대운동(相對運動)을 시키면서 주사할 때에, 깊은 영역까지 연장되는 균열을 고속으로 진전시킬 수 있는 결과, 가공속도를 향상시킬 수 있다.
또한 다수의 레이저 광원으로부터의 저레이저 광(低 laser 光)을 취성재료에 동시에 조사함으로써, 레이저 광원으로서 저출력(低出力)의 반도체 레이저를 이용하는 것이 가능하게 된다.
즉 가스 레이저(gas laser)와 비교하면 보통 반도체 레이저는 출력강도가 낮아 1개당 출력강도는 충분하지는 않지만, 다수의 반도체 레이저를 사용하여 가공대상의 취성재료의 표면에 레이저 광을 동시에 조사함으로써 필요한 열효과를 취성재료의 넓은 표면 영역에 있어서 동시에 작용시켜서 열에 의한 비틀림을 넓은 범위에 걸쳐서 발생시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 가공방법의 작용에 대하여 더 상세하게 설명한다.
우선, 레이저 광원의 출력은 가우스 함수(Gauss 函數)로 근사(近似)할 수 있다.
지금, 쉽게 알아볼 수 있도록 하기 위하여 1개의 레이저 광원의 광출력강도(光出力强度)의 2차원에서의 분포 형상을 2차함수로 근사한다. 도2에 나타나 있는 바와 같이 3개의 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 조금 어긋나는 3개의 장소에 동시에 조사하는 경우를 상정한다. ㄱ, ㄴ, ㄷ으로 나타나 있는 출력강도 분포의 그래프 형상을 적당한 정수a, b, c, d를 사용하여 각각,
y1 = a(x + b)2 + c
y2 = ax2 + c
y3 = a(x - d)2 + c
로 나타내면, 3개의 광출력이 합성된 광 강도분포는 마찬가지로 2차함수의 모양으로서,
Y = A(x - B)2 + C
로 나타낼 수 있다. 여기에서 A, B, C는 적당한 정수(定數)이다. 따라서 마치 1개의 레이저 광원으로부터의 레이저 광이 넓은 면적을 조사하는 것과 같은 결과가 된다. 또한 실제의 경우에는, 레이저 광원(레이저 광의 조사 스폿)의 배열을 3차원 배열로 하기 때문에 상기와 같은 2차원 변화가 3차원적인 분포변화가 된다. 도3A와 도3B에 이러한 예를 모식적으로 나타내었다. 도3A는 빔의 피크(peak) 위치가 2차원 평면 모양으로 동일한 간격으로 배치된 격자점(格子點)에 위치하고 있는 상황을 모식적으로 나타내고 있다. 각 피크위치가 3차원 좌표를 이용하여 나타나 있다. 이에 대하여 도3B는, 중앙의 빔의 피크위치가 다른 열(列)의 피크위치보다 2차원 평면 모양으로 동일한 간격으로 배치된 격자점의 위치로부터 하측으로 일단(一段) 어긋나 있는 상황을 모식적으로 나타내고 있다. 이러한 상황은 각 빔의 출력이 대략적으로 동일한 경우에는, 중앙 열의 빔에 대응하는 레이저의 출력부의 설치위치를 하측으로 비키어 놓았을 경우에 해당한다. 또한 각 빔의 출력부의 설치위치가 2차원 평면 모양으로 동일한 간격으로 배치된 격자점인 경우에, 중앙 열의 빔에 대응하는 레이저의 출력이 큰 경우 에도 적합하다.
이상에서 설명한 것으로부터 더 많은 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 동시에 취성재료에 조사함으로써 넓은 면적의 표면 영역을 동시에 조사할 수 있다. 그 결과, 취성재료 내부의 넓은 체적을 동시에 가열할 수 있어 가공속도를 높이는 것이 가능하다.
본 발명의 가공장치는 이상의 특징을 갖는 취성재료 가공방법의 실시에 적당한 장치로서, 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 취성재료에 조사하고 또한 그 조사위치를 소정의 라인 상을 따라 이동시킴으로써 취성재료를 가공하는 절단장치에 있어서, 복수의 레이저 광원(laser 光源)과, 각 레이저 광원으로부터 레이저 광을 당해 취성재료의 표면으로 인도하고 또한 상기 취성재료에 조사되는 상기 각 레이저 광의 조사 스폿이 행렬 모양으로 배치되도록 묶인 복수의 광파이버(光 fiber)와, 당해 취성재료로의 레이저 광의 조사위치를 이동시키는 주사수단(走査手段)을 구비하고, 상기 묶인 복수의 광파이버에 의하여 당해 취성재료의 표면에 소정의 형상을 이루는 레이저 합성광을 조사하고 또한 상기 복수의 레이저 광원의 광 강도를 각각 제어함으로써 이 레이저 합성광의 광 강도분포(光 强度分布)를 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 있어서, 상기 취성재료의 상기 레이저 합성광의 조사면(照射面)의 광 강도분포를 측정하는 광강도 측정수단(光强度 測定手段)을 구비하는 것이 바람직하다. 또한 이 구성에 있어서, 상기 광강도 측정수단을 당해 취성재료의 레이저 광의 조사면을 따라 이동시키는 이동수단(移動手段)을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 가공장치에 의하면, 광강도 측정수단의 출력에 의거하여 취성재료에 조사하는 레이저 광의 합성강도분포가, 목적으로 하는 강도분포로 되어 있는가 아닌가를 확인할 수 있다. 또한 출력강도가 다른 복수의 레이저 광원을 이용하는 경우에, 합성강도분포가 어떤 강도분포로 되어 있는가를 확인할 수도 있다.
또 본 발명은, 레이저 광원으로부터의 레이저 광의 조사에 의하여 취성재료에 깊은 균열을 넣는 절단가공 또는 레이저 광의 조사만으로 취성재료를 가공선(加工線)(스크라이브 라인(scribe line))의 좌우로 완전하게 분리하는 절단가공의 어느 쪽의 가공에도 적용할 수 있다.
또 본 발명의 가공방법 및 가공장치는, 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 취성재료에 조사함으로써 상기 취성재료의 넓은 범위에 걸쳐 열에 의한 비틀림을 발생시키고, 그 조사위치를 상기 취성재료의 소정의 라인 상을 따라 이동시킴으로써 상기 취성재료의 가공 시작점에 형성한 균열(龜裂)을 진전시켜서 상기 취성재료를 절단하는 절단방법에 있어서도 상기 절단방법 및 절단장치와 마찬가지의 구성으로 적용된다.
도1은 본 발명의 실시예의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도2는 복수의 레이저 광원으로부터 레이저 광을 취성재료에 조사하였을 때의 2차원적인 광 강도분포를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도3은 복수의 레이저 광원으로부터 레이저 광을 취성재료에 조사하였을 때의 3차원적인 광 강도분포를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도4는 복수의 레이저 광원을 이용한 경우에 설정할 수 있는 빔 형상(평면 형상)의 예를 나타내는 도면이다.
도5는 복수의 레이저 광원을 이용한 경우에 설정할 수 있는 빔 형상(평면 형상)의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도6은 레이저 광 조사에 의하여 취성재료의 표면 부근만이 가열되는 상황을 모식적으로 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 설명한다.
도1은 본 발명의 실시예의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도1의 가공장치(加工裝置)는 복수의 레이저 광원(laser 光源)11, 12, … , m1, m2, … , mn을 구비하고 있다. 이들 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn에는 반도체 레이저(半導體 laser)가 사용되고 있다.
복수의 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn은, 가공대상이 되는 취성재료(脆性材料)W의 상방위치에 행렬(行列) 모양으로 배치되어 있다. 각 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn으로부터의 레이저 광(laser 光)은 각각 중공 광파이버(中空 光 fiber)10 … 10을 통하여 취성재료W의 표면으로 인도되어 취성재료W의 표면에 동시에 조사(照射)된다.
복수 개의 중공 광파이버10 … 10의 선단측(先端側)은 묶여 있고, 각 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn으로부터의 레이저 광L은 묶인 상태에서 취성재료W에 조사된다. 이들 레이저 광L의 조사 스폿(照射 spot)은 X-Y방향으로 행렬 모양으로 배치되어 있고, 취성재료W로의 레이저 광의 조사에 의하여 도3A 또는 도3B의 모식도에 나타나 있는 바와 같은 3차원적인 광 강도분포(光 强度分布)가 형성된다.
가공대상이 되는 취성재료W는, X-Y 테이블(X-Y table) 등의 주사기구(走査機構)2에 의하여 X-Y방향으로 이동된다. 복수의 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn의 하방에는 광 강도측정기(光 强度測程器)3이 배치되어 있다.
광 강도측정기3은, 가공대상이 되는 취성재료W의 표면 부근에 선택적으로 배치된다. 광 강도측정기3은, 이동기구(移動機構)4에 의하여 취성재료W의 표면과 평행한 방향(수평방향)으로 이동되고, 그 이동에 의하여 취성재료W의 표면에 조사되는 레이저 광L의 합성광 강도분포(合性光 强度分布)를 측정할 수 있다.
광 강도측정기3의 출력은 신호처리회로(信號處理回路)5에서 소정의 신호처리가 실시된 후에 모니터 장치(monitor 裝置)6에 입력되고, 그 모니터의 화면 상에 광 강도분포의 화상(畵像)이 표시된다. 또 광 강도측정기3은 취성재료W를 가공할 때에는, 가공의 장해가 되지 않는 위치까지 이동된다. 각 레이저 광원11 … mn에는, 동작에 필요한 전력(電力)이 컨트롤러(controller)7을 통하여 전원(電源)8로부터 공급되도록 전기적 접속이 실시되어 있다. 또한 광 강도측정기3의 표면에서 얻어진 강도분포의 데이터(data)가 신호처리회로5에서 전기적으로 신호처리된다. 즉 광 강도측정기3 표면 상의 다수의 피조사위치(被照射位置)와 그 피조사위치에 대한 피조사강도(被照射强度)가 대응하는 모양으로 가공되어 대응하는 데이터가 컨트롤러7로 보내어진다. 모니터 장치에서 광 강도분포를 확인하면서 필요한 장소의 강도분포를 변경하기 위하여, 변경이 필요한 위치로 강도 데이터를 컨트롤러에 입력함으로써 레이저 광원11 … mn 중에서 해당되는 레이저 광원으로 공급하는 전력을 변경함으로써 그 레이저 광원으로부터 출력되는 빔 강도(beam 强度)가 변경되도록 제어된다.
또한 광 강도측정기3과 동등한 검출기(檢出器)3'를 취성재료W의 이면측(裏面側)에 설치하고, 재료의 이면과 평행한 수평방향으로 이동하도록 이동기구(移動機構)4'를 설치하면, 취성재료W의 표면측에 대응하는 이면측으로 투과한 광 강도를 확인하는 것도 가능하다.
예를 들면 취성재료W가 얇을 때에는 이면측에서의 광 강도가 필요 이상으로서, 그 누설(漏泄)되는 광 에너지(光 energy)는 크랙(crack)의 형성에 기여하지 않는 필요 없는 에너지 소비에 상당한다. 이러한 낭비를 억제하기 위해서도 절단작업 전에 이면측의 투과광 강도를 측정하고, 혹시 그 값이 국부적(局部的) 또는 전체적으로 크다면 각 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn으로부터의 광출력을 감소시킨 후에 절단작업을 실행하더라도 동등한 가공성능이 얻어지게 된다.
이상의 실시예에 의하면, 복수의 레이저 광원(반도체 레이저)11, 12, … , m1, m2, … , mn을 사용하여 가공대상의 취성재료W의 표면에 복수의 레이저 광L을 동시에 조사하고 있기 때문에, 필요한 열효과를 취성재료W의 넓은 표면 영역에 있어서 동시에 작용시켜서 열(熱)에 의한 비틀림을 넓은 범위에 걸쳐서 발생시키는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 레이저 광L을 취성재료W 표면 상의 소정의 방향을 따라 상대운동(相對運動)을 시키면서 주사할 때에 깊은 영역까지 연장되는 균열(龜裂)을 고속으로 진전시킬 수 있다.
또 본 실시예에서는, 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn으로부터 의 레이저 광L의 조사에 의하여 취성재료W의 내부 깊은 곳까지 균열을 넣는 절단가공 또는 취성재료W의 가공시점에 형성한 균열을 레이저 광의 조사에 의하여 진전시켜서 취성재료W를 완전하게 분리하는 절단가공의 어느 쪽의 가공도 가능하다.
본 실시예에 의하면, 광 강도측정기3을 취성재료W의 표면 가까이에서 수평으로 이동시키고, 그 광 강도측정기3으로부터의 출력신호를 처리하여 합성강도분포를 모니터 화면에 표시하도록 되어 있기 때문에, 복수의 레이저 광의 합성강도분포가 필요로 하는 강도분포로 되어 있는지(예를 들면 소정의 위치에서 소정 강도의 값이 얻어지는지) 아닌지가 모니터의 화면 상에 표시되어, 예를 들면 조사위치와 강도 데이터의 값으로 확인할 수 있다.
또한 출력강도가 다른 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn을 사용하여, 예를 들면 도1의 레이저 광원11, 12, …, . m1 , m2, …, mn의 배열에 있어서, 도3B에 나타나 있는 바와 같이 중앙에 위치하는 레이저 광원의 광 강도를 양측 열(列)의 레이저 광원의 광 강도에 비하여 강하게 하였을 경우에 합성광 강도분포가, 어떤 형태로 되어 있는가를 광 강도측정기3으로부터의 출력신호를 해석함으로써 확인할 수 있다. 이러한 경우에 합성광 강도분포가 소정의 형상으로 되어 있지 않은 경우에는, 각 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn의 전류치(電流値)를 컨트롤러7에 필요한 데이터를 입력하여 제어함으로써 희망하는 합성광 강도분포를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 복수의 레이저 광원11, 12, … , m1, m2, … , mn 중에서 구동하는 레이저 광원의 선택 또는 중공 광파이버10 … 10의 선단측의 배치(묶는 방향)를 적당하게 선정함으로써 취성재료W에 조사하는 레이저 광의 빔 형상을 임의로 설정할 수 있다.
예를 들면 도4(A)∼(D)에 모식적으로 나타나 있는 바와 같은 타원 링 모드(楕圓 ring mode)의 빔 또는 도4(E), (F), (G)에 나타나 있는 바와 같이 타원 링 모드의 외형 형상을 갖는 광 강도분포에 있어서, 각 링 모양 각각의 광 강도 분포 영역 내의 우단(右端) 부근, 중앙 부근, 좌단(左端) 부근에 그들의 주변 영역보다 광 강도가 높은 영역을 갖도록 구성시키는 것도 가능하다. 이러한 상황을 모식적으로 나타내기 위하여, 특히 광 강도가 강한 영역을 해칭(hatching)하여 표시하였다. 도5(A)에 나타나 있는 V자 모양의 빔, 도5(B)에 나타나 있는 U자 모양의 빔, 도5(C)에 나타나 있는 삼각형 모양의 빔, 도5(D)에 나타나 있는 슬릿(slit) 모양의 빔 등 여러 가지의 빔 형상을 특수한 렌즈(lens)나 회절격자(回折格子)라는 광학소자(光學素子)를 이용하여 광학장치에 고안을 부가하지 않고 형성시킬 수 있다. 이 경우에 빔의 세로 폭(幅)이 좁은 것이 속도와 정밀도에 효과적이다. 또한 빔의 가로 폭이 긴 것이 속도와 정밀도에 효과적이다.
따라서 가공대상이 되는 취성재료W에 알맞은 빔 형상을, 미리 컴퓨터(computer)를 이용한 응용분석의 해석, 열전도(熱傳導)에 의한 온도분포의 해석으로부터 가공대상의 조건(글래스(glass)의 재질, 두께 등)에 대응하여 예상되는 최적의 광 강도분포 형상에 따라 조합에 필요한 수, 강도와 배치를 적절하게 설정한 빔 형상의 레이저 광을 취성재료W에 조사하는 것이 가능하게 된다.
또한 출력강도가 다른 복수의 레이저 광원을 사용함으로써 취성재료의 표면에 조사하는 레이저 광의 합성광 강도분포도 임의로 설정할 수 있기 때문에, 강도분포를 고려한 역학적 계산 등을 함으로써 알맞은 빔 형상으로 또한 알맞은 광 강도분포의 레이저 광을 취성재료W에 조사할 수 있어 가공의 고속화를 더 한층 높일 수 있다. 또한 사용하는 레이저 광원의 단가와 수량을 고려하여 실시하는 경우에 경제성을 고려하여야만 하지만, 가공대상 재료의 표면 영역의 전체 길이에 걸쳐 합성된 레이저 광이 조사되도록 배치하고, 순차적으로 끝 부분의 레이저 광원으로부터 레이저 광이 조사되도록 각 레이저 광원의 빔 출력의 발생시간을 제어함으로써 통상의 단일 레이저 광원의 경우에 이루어지는 레이저 광원의 이동이나 테이블의 기계적인 이동을 하지 않고, 균열(龜裂)의 형성을 재료의 일단(一端)으로부터 타단(他端)까지 유도시키는 것도 가능하다. 이러한 조사방법을, 곡면(曲面)을 따라 레이저를 조사하여 절단하는 경우나 원형(圓形)으로 재료를 절단하는 경우에도 응용할 수 있다.
이상의 실시예에서는 반도체 레이저를 이용한 예를 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 CO2·레이저나 YAG 레이저 등의 다른 각종 레 이저 장치를 적용하더라도 좋다. 또 CO2·레이저 등의 고출력의 레이저 장치를 사용하는 경우에 레이저 광을 취성재료의 표면으로 인도하는 광도파로(光導波路)로서는, 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 이용하는 것이 가능하다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 레이저 광이 동시에 조사되는 조사면적이 증가하여 가공대상의 취성재료 표면 상의 레이저 광의 조사면적이 대폭적으로 넓어지게 되어 조사시간당 가열되는 내부의 가열체적이 증가하는 결과, 가공속도를 향상시킬 수 있다. 또한 취성재료의 가공에 저출력(低出力)의 반도체 레이저를 이용하는 것이 가능하게 되는 등 가공대상이 되는 취성재료에 알맞은 조건에서 가공을 할 수 있다는 점에서도 유익하다.

Claims (16)

  1. 레이저 광원(laser 光源)으로부터의 레이저 광(laser 光)을 취성재료(脆性材料)에 조사(照射)함으로써 상기 취성재료의 넓은 범위에 걸쳐 열(熱)에 의한 비틀림을 발생시켜서 상기 취성재료의 내부에 균열(龜裂)을 넣고 또한 그 조사위치를 상기 취성재료의 소정의 라인(line) 상을 따라 이동시킴으로써 취성재료를 절단하는 절단방법에 있어서,
    복수의 레이저 광원으로부터 각 레이저 광을 취성재료로 인도하는 복수의 광파이버(光 fiber)를 설치하고, 상기 취성재료에 조사되는 상기 각 레이저 광의 조사 스폿(照射 spot)이 행렬(行列) 모양으로 배치되도록 상기 복수의 광파이버를 묶은 상태에서, 상기 복수의 레이저 광원을 구동함으로써 소정의 형상을 이루는 레이저 합성광(laser 合性光)을 상기 취성재료의 표면에 조사하고 또한 상기 복수의 레이저 광원의 광 강도를 각각 제어함으로써 이 레이저 합성광의 광 강도분포(光 强度分布)를 조정하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 광원을 선택적으로 구동함으로써 상기 레이저 합성광의 형상을 설정하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광파이버를 묶는 방법을 선정함으로써 상기 레이저 합성광의 형상을 설정하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 광원의 출력강도(出力强度)를 다르게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 광원의 조사를 순차적으로 제어함으로써 조사 스폿의 위치가 이동되는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  6. 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 취성재료에 조사하고 또한 그 조사위치를 소정의 라인 상을 따라 이동시킴으로써 취성재료를 가공하는 절단장치에 있어서,
    복수의 레이저 광원(laser 光源)과,
    각 레이저 광원으로부터 레이저 광을 당해 취성재료의 표면으로 인도하고 또한 상기 취성재료에 조사되는 상기 각 레이저 광의 조사 스폿이 행렬 모양으로 배치되도록 묶인 복수의 광파이버(光 fiber)와,
    당해 취성재료로의 레이저 광의 조사위치를 이동시키는 주사수단(走査手段)
    을 구비하고,
    상기 묶인 복수의 광파이버에 의하여 당해 취성재료의 표면에 소정의 형상을 이루는 레이저 합성광을 조사하고 또한 상기 복수의 레이저 광원의 광 강도를 각각 제어함으로써 이 레이저 합성광의 광 강도분포(光 强度分布)를 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 취성재료의 상기 레이저 합성광의 조사면(照射面)의 광 강도분포를 측정하는 광강도 측정수단(光强度 測定手段)을 구비하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광강도 측정수단을 당해 취성재료의 레이저 광의 조사면을 따라 이동시키는 이동수단(移動手段)을 구비하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단장치.
  9. 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 취성재료에 조사함으로써 상기 취성재료의 넓은 범위에 걸쳐 열에 의한 비틀림을 발생시키고, 그 조사위치를 상기 취성재료의 소정의 라인 상을 따라 이동시킴으로써 상기 취성재료의 가공 시작점에 형성한 균열(龜裂)을 진전시켜서 상기 취성재료를 절단하는 절단방법에 있어서,
    복수의 레이저 광원으로부터 각 레이저 광을 취성재료로 인도하는 복수의 광파이버를 설치하고, 상기 취성재료에 조사되는 상기 각 레이저 광의 조사 스폿이 행렬 모양으로 배치되도록 상기 복수의 광파이버를 묶은 상태에서, 상기 복수의 레이저 광원을 구동함으로써 소정의 형상을 이루는 레이저 합성광을 상기 취성재료의 표면에 조사하고 또한 상기 복수의 레이저 광원의 광 강도를 각각 제어함으로써 이 레이저 합성광의 광 강도분포를 조정하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 광원을 선택적으로 구동함으로써 상기 레이저 합성광의 형상을 설정하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 광파이버를 묶는 방법을 선정함으로써 상기 레이저 합성광의 형상을 설정하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 광원의 출력강도를 다르게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 광원의 조사를 순차적으로 제어함으로써 조사 스폿의 위치가 이동되는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단방법.
  14. 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 취성재료에 조사하고 또한 상기 취성재료의 넓은 범위에 열에 의한 비틀림을 발생시키고, 그 조사위치를 상기 취성재료의 소정의 라인 상을 따라 이동시킴으로써 상기 취성재료의 가공 시작점에 형성한 균열을 진전시켜서 상기 취성재료를 절단하는 취성재료의 절단장치에 있어서,
    복수의 레이저 광원과,
    각 레이저 광원으로부터 레이저 광을 당해 취성재료의 표면으로 인도하고 또한 상기 취성재료에 조사되는 상기 각 레이저 광의 조사 스폿이 행렬 모양으로 배치되도록 묶인 복수의 광파이버와,
    당해 취성재료로의 레이저 광의 조사위치를 이동시키는 주사수단
    을 구비하고,
    상기 묶인 복수의 광파이버에 의하여 당해 취성재료의 표면에 소정의 형상을 이루는 레이저 합성광을 조사하고 또한 상기 복수의 레이저 광원의 광 강도를 각각 제어함으로써 이 레이저 합성광의 광 강도분포를 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 취성재료의 상기 레이저 합성광의 조사면의 광 강도분포를 측정하는 광강도 측정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광강도 측정수단을 당해 취성재료의 레이저 광의 조사면을 따라 이동시키는 이동수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 취성재료의 절단장치.
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