KR100701013B1 - 레이저 빔을 이용한 비금속 기판의 절단방법 및 장치 - Google Patents

레이저 빔을 이용한 비금속 기판의 절단방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

레이저를 이용한 비금속 기판의 절단방법 및 장치가 개시되어 있다. 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 상기 비금속 기판을 구성하는 물질의 분자간의 결합을 절단할 수 있는 파장의 제1 레이저 빔을 주사하여 소정 깊이의 크랙을 갖는 스크라이브 라인을 형성한다. 이어서, 상기 제1 레이저 빔의 주사 경로를 따라 제2 레이저 빔을 주사하여 상기 기판의 깊이 방향으로 상기 크랙을 전파함으로써 상기 비금속 기판을 완전히 절단한다. 스크라이빙용 제1 레이저 빔의 속도로 절단 속도를 제어할 수 있으므로, 종래의 급속 가열과 급속 냉각에 의한 온도 차이를 이용한 절단 방식에 비해 절단 속도의 제어가 용이하고 절단 속도를 높일 수 있다.

Description

레이저 빔을 이용한 비금속 기판의 절단방법 및 장치{Method and Apparatus for cutting non-metal substrate using a laser beam}
도 1은 종래 방법에 의한 레이저 빔을 이용한 유리기판 절단장치를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 의한 유리기판 절단장치의 절단 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 4차 고주파 야그 레이저의 특징을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 3차 고주파 야그 레이저 및 4차 고주파 야그 레이저에 의해 각각 유리 모기판에 형성된 크랙 형상을 도시한 단면도이다.
도 5는 3차 고주파 야그 레이저 및 4차 고주파 야그 레이저의 유리에 대한 빔 투과율을 비교 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 유리 모기판
110 : 제1 레이저 빔 발생수단 120 : 제1 레이저 빔
130 : 제2 레이저 빔 발생수단 140 : 제2 레이저 빔
150 : 절단 경로 160 : 스크라이브 라인
170, 180 : 크랙 200 : 볼록 렌즈
본 발명은 비금속 재료, 예를 들어 유리나 실리콘과 같은 재료로 제작된 평판 형상의 비금속 기판을 보다 작은 복수개의 조각으로 정밀하게 절단하는 비금속 기판의 절단방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 냉각 수단을 사용하지 않고 스크라이브(scribe)용 레이저 빔과 브레이크(break)용 레이저 빔만으로 유리나 실리콘과 같은 재료로 제작된 비금속 기판을 완전히 절단할 수 있는 비금속 기판의 절단방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 반도체 박막 공정 기술의 개발에 힘입어 고집적, 고성능 반도체 제품을 생산하는 반도체 산업의 발달이 꾸준히 이루어지고 있는 실정이다. 반도체 제품은 비금속 재료 중 하나인 단결정 실리콘으로 제작된 웨이퍼라 불리는 순도가 매우 높은 기판 상에 수∼수천만 개의 반도체 소자들이 반도체 박막 공정에 의해 집적된다. 이와 같은 반도체 제품은 디지털 신호의 형태로 데이터를 저장하거나, 저장된 데이터를 매우 빠른 시간 내에 연산 처리하는 역할을 한다.
또한, 반도체 산업의 응용 분야로, 정보처리장치에서 처리된 아날로그 형태의 영상 신호를 디지털 방식으로 디스플레이하는 액정표시장치의 기술 개발이 급속히 진행되고 있다. 액정표시장치는 투명한 2장의 기판 사이에 액정을 주입한 후, 액정의 특정한 분자배열에 전압을 인가하여 다른 분자배열로 변환시키고, 이러한 분자 배열에 의해 발광하는 액정셀의 복굴절성, 선광성, 2색성 및 광산란특성 등의 광학적 성질의 변화를 시각 변화로 변환시키는 디스플레이 장치이다.
이들 반도체 제품과 액정표시장치는 비금속 기판, 즉 순도가 높은 실리콘 기판 및 유리 기판에 형성되는 공통점을 갖고 있는데, 이들 비금속 기판은 충격에 약하여 깨지기 쉽다는 단점을 갖고 있지만 한 매의 웨이퍼 또는 한 매의 대형 유리 기판에 복수개의 반도체 칩 또는 LCD 단위셀을 형성한 후 개별화하기 쉬운 장점을 갖는다.
반도체 제품의 경우, 한 장의 웨이퍼에 수∼수백개의 반도체 칩을 동시에 형성한 후, 개별화 공정을 통해 개별화된 반도체 칩에 패키지 공정을 진행하여 반도체 제품을 제작한다.
액정표시장치의 경우에는, 모기판(mother board)이라 불리우는 대형 유리기판에 적어도 2개 이상의 LCD 단위셀을 동시에 형성한 후, 개별화 공정에 의해 LCD 단위셀을 모기판으로부터 개별화시키고 어셈블리 공정을 진행한다.
이때, 개별화 공정은 제품 생산의 거의 마지막 단계에 속하므로 개별화 공정에서의 불량, 즉 절단 불량은 제품의 양산성 및 수율에 많은 영향을 미치게 된다. 특히, 액정표시장치에 사용되는 모기판의 경우, 유리 특성상 결정 구조를 갖지 않기 때문에 실리콘 웨이퍼에 비하여 취성이 더욱 약하고, 절단 과정에서 엣지에 형성된 미세 크랙에 의해 후속 공정이 진행되면서 취약한 곳을 따라 응력이 급속히 증폭되어 원하지 않는 부분이 절단되는 불량이 발생하기 쉽다.
종래에는 소정 직경을 갖는 원판의 원주면에 미세한 다이아몬드가 박힌 상태 로 고속 회전하는 다이아몬드 블레이드를 절단하고자 하는 “절단 경로”에 접촉시켜 상기 절단 경로를 따라 기판의 표면에 소정 깊이의 스크라이브 라인을 형성한 후, 상기 기판에 물리적인 충격을 가하여 스크라이브 라인을 따라 기판의 하부면으로 크랙을 전파시킴으로써 웨이퍼 또는 유리 모기판으로부터 반도체 칩 또는 LCD 단위셀들을 분리시킨다.
이러한 다이아몬드 블레이드를 사용하여 웨이퍼나 유리 모기판의 개별화 공정을 진행할 때에는 필연적으로 절단을 위한 소정 면적, 즉 일정 면적 이상의 절단 마진을 필요로 하므로 정밀한 절단이 이루어지지 않을 경우 단위 웨이퍼당 형성될 반도체 칩의 수를 증가시키는데 많은 어려움이 있다.
특히, 액정표시장치의 경우에는 다이아몬드 블레이드에 의해 절단된 절단면이 매끄럽지 못하게 가공됨으로써 절단면 상에 응력이 집중된 부분이 많이 존재하게 된다. 이와 같이 절단면 상에 응력이 집중된 부분은 외부로부터 가해지는 미세한 충격에도 쉽게 깨져 절단면에 대해 수직 방향으로 크랙이나 칩핑을 유발하게 된다.
또한, 다이아몬드 블레이드를 이용할 경우 유리 파티클이 매우 많이 발생하므로 이를 제거하기 위한 별도의 세정 공정 및 건조 공정이 요구되는 단점이 있다.
최근에는 이와 같은 문제점을 극복하기 위하여 미국 특허 제4,467,168호 (발명의 명칭: 레이저를 이용한 글래스 절단방법 및 이를 이용한 물품 제작방법), 미국 특허 제4,682,003호(발명의 명칭: 레이저 빔을 이용한 유리절단), 미국 특허 제5,622,540호(발명의 명칭: 유리 기판의 절단방법)등에 레이저 빔을 이용한 절단 방법들이 제시되어 있다. 레이저 빔에 의한 절단방법은 비접촉 방식이기 때문에, 다이아몬드 블레이드를 이용한 접촉식 마찰에 의한 절단방법에 비해 절단면에 대해 수직 방향으로 크랙이 발생하지 않는다.
도 1은 종래의 레이저 빔을 이용한 유리기판 절단장치를 도시한 개념도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 유리 모기판(10)에 형성된 절단 경로(12)를 따라 스크라이빙(scribing) 레이저 빔(13)으로, 예컨대 유리에 대해 95% 이상의 흡수율을 갖는 이산화탄소(CO2) 레이저 빔을 주사하여 상기 유리 모기판(10) 중 스크라이빙 레이저 빔(13)이 주사된 절단 경로(12)를 급속 가열한다.
이어서, 상기 급속 가열된 절단 경로(12) 상에 유리 모기판(10)의 가열 온도보다 현저히 낮은 온도를 갖는 냉각 유체빔(14)을 분사한다. 그러면, 상기 유리 모기판(10)이 급속 냉각되면서 그 표면에 소정 깊이의 크랙이 발생하여 스크라이브 라인(15)이 형성된다. 이때, 상기 냉각 유체빔(14)은 상기 스크라이빙 레이저 빔(13)과 일정 거리를 두거나 서로 접하여 위치할 수 있다. 또한, 상기 스크라이빙 레이저 빔(13)의 내부에 상기 냉각 유체빔(14)을 둘 수도 있다.
이어서, 상기 스크라이브 라인(15)을 따라 일직선으로 브레이킹(breaking) 레이저 빔(16)으로, 예컨대 이산화탄소 레이저 빔을 주사하여 상기 스크라이브 라인(15)을 급속 가열한다. 그러면, 상기 스크라이브 라인(15)에 매우 큰 인장력이 발생되어 유리 모기판(10)이 스크라이브 라인(15)을 따라 완전히 절단된다. 이때, 상기 브레이킹 레이저 빔(16)은 상기 스크라이브 라인(15)을 기준으로 좌우 대칭으 로 위치하여 상기 스크라이브 라인(15)의 양쪽 부분을 급속 가열할 수도 있다.
상술한 종래의 레이저 절단장치는 크게 레이저 빔 발생수단과 냉각 수단으로 구성되며, 열전도율이 매우 낮은 유리와 같은 비금속 기판을 레이저 빔에 의해 가열한 후 상기 가열된 부분을 급속 냉각시켜 열 응력(thermal stress)을 가열 이동 방향으로 전파시킴으로써 상기 기판을 절단한다. 따라서, 스크라이빙 레이저 빔의 주사 후 액체나 기체 등으로 이루어진 냉각 물질을 사용하여 가열과 냉각에 의한 온도 차이를 급속히 발생시켜야 하므로, 절단 속도를 높이는데 한계가 있다.
금속의 경우 열전도율이 57㎉/mh℃인 반면, 보로 실리케이트 글라스(boro silicate glass)와 같이 열전도율이 0.36㎉/mh℃ 정도로 매우 낮은 유리와 같은 피 절단물을 가열하기 위해서는 레이저 빔을 집속하여야 하지만, 단위 면적당 가열되는 레이저 빔 에너지가 절단 속도에 반비례하기 때문에 레이저 빔을 아무리 집속하여도 절단 속도를 높이게 되면 레이저 빔 에너지가 낮아져서 완전 절단(full cutting)이 이루어지지 못할 수 있다. 따라서, 기구적인 속도만 높여서 절단 속도를 제어할 수 있는 종래의 기계적 절단방법에 비해, 레이저 빔을 이용한 절단방법은 절단 속도면에서 열세에 있다.
또한, 상술한 열 응력의 전파 방식은 절단 초기에 미세 크랙(micro crack)을 발생시켜야 하므로, 이산화탄소 레이저 빔과 같은 스크라이빙 레이저 빔 이외에 절단 초기점(cutting initial point)에 물리적으로 초기 크랙을 발생시키거나 야그(YAG)와 같은 충격 에너지를 기본 원리로 하는 레이저 빔을 이용하여 초기 크랙을 발생시켜야만 한다. 따라서, 초기 크랙 발생용 레이저, 스크라이빙 레이저 및 브레이킹 레이저 등 총 3개의 레이저를 장착하여야만 하나의 절단장치가 구성되므로 설비 원가가 상승하는 단점이 있다. 더욱이, 설비 가동시 반복적인 사용에 의해 레이저 헤드가 움직일 경우, 초기 크랙과 스크라이브 라인이 일치하지 않게 되어 절단이 시작되는 부위에서 불균일한 절단선이 형성되는 공정 불량이 발생할 수 있다.
또한, 종래의 레이저 빔 절단방법은 물, 드라이 아이스, 헬륨 가스 등의 냉각 물질을 반드시 사용하여야 하므로, 냉각 부산물에 의한 오염 문제가 발생할 수 있다. 즉, 피 절단물이 액정표시장치에 사용되는 유리 모기판일 경우, 절단 후 잔여 냉각 물질이 액정 주입구로 혼입되어 액정 주입시 공정 불량을 발생시킬 수 있으므로 절단이 완료된 후 잔여 냉각 물질을 완전히 제거하는 단계가 필수적으로 요구된다. 상기 냉각 물질로 가스를 사용할 경우, 가스가 액체 물질보다 밀도가 낮기 때문에 냉각 효과를 높이기 위해서는 액체 냉각 물질을 사용할 때보다 온도를 낮추어야 한다. 이와 같이 온도를 주변보다 낮추게 되면, 절단 시 주변의 온도가 급격히 떨어져 수분 기체 성분이 응결된다. 따라서, 절단 후 주변에 잔여 수분 물질이 발생되므로 상술한 바와 같은 공정 불량을 유발할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1의 목적은 냉각 장치를 사용하지 않고 스크라이빙 레이저 빔과 브레이킹 레이저 빔만 이용하여 유리나 실리콘과 같은 재료로 제작된 비금속 기판을 완전히 절단할 수 있는 비금속 기판의 절단방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제2의 목적은 상술한 비금속 기판의 절단방법을 수행하는데 적합 한 비금속 기판의 절단장치를 제공하는데 있다.
상기 제1의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 상기 비금속 기판을 구성하는 물질의 분자간의 결합을 절단할 수 있는 제1 레이저 빔을 주사하여 소정 깊이의 크랙을 갖는 스크라이브 라인을 형성하는 단계; 및 상기 제1 레이저 빔의 주사 경로를 따라 제2 레이저 빔을 주사하여 상기 기판의 깊이 방향으로 상기 크랙을 전파함으로써 상기 비금속 기판을 완전히 절단하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단방법을 제공한다.
상기 제2의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 비금속 기판에 설정된 절단 경로를 가열하여 소정 깊이의 크랙을 갖는 스크라이브 라인을 형성하기 위해 상기 비금속 기판을 구성하는 물질의 분자간의 결합을 절단할 수 있는 파장을 갖는 제1 레이저 빔을 제공하는 제1 레이저 빔 발생수단; 및 상기 제1 레이저 빔의 주사 경로를 따라 상기 기판의 깊이 방향으로 상기 크랙을 전파하기 위한 제2 레이저 빔을 제공하는 제2 레이저 빔 발생수단을 구비하는 비금속 기판의 절단 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 비금속 기판을 구성하는 물질의 분자간의 결합을 절단할 수 있는 파장을 갖는 광선으로서는 비금속 기판의 고유 진동수와 일치하는 파장의 제1 레이저 빔을 사용한다. 예를 들면, 유리와 같은 비금속 기판인 경우에 발진 파장이 266㎚이고 비금속 기판에 대해 90% 이상의 흡수율을 갖는 4차 고주파 야그 레이저를 사용하여 비금속 기판 상의 절단 경로 상에 좁고 깊은 크랙을 갖는 스크라 이브 라인을 형성한다. 이어서, 상기 스크라이브 라인 상에 제2 레이저 빔으로서, 예컨대 이산화탄소 레이저를 주사하여 상기 크랙을 기판의 깊이 방향으로 전파하여 비금속 기판을 완전 절단한다.
따라서, 냉각 장치를 사용하지 않으면서 스크라이빙 레이저(즉, 제1 레이저)와 브레이킹 레이저(즉, 제2 레이저)만으로 하나의 절단장치가 구성되므로, 종래에 비해 설비가 단순화되고 원가를 절감시킬 수 있다.
또한, 스크라이빙용 제1 레이저 빔의 속도만으로 절단 속도를 제어할 수 있으므로, 종래의 가열과 냉각에 의한 온도 차이를 이용한 절단 방식에 비해 절단 속도의 제어가 용이할 뿐만 아니라 절단 속도를 높일 수 있다.
더욱이, 냉각 장치를 사용하지 않기 때문에 절단 후 액정 주입구의 오염 등과 같은 공정 불량을 방지할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 유리기판 절단장치의 절단 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유리기판 절단장치는 유리 모기판(100)의 절단 경로(150)를 가열하기 위해 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생 장치 및 상기 레이저 빔 발생 장치가 유리 모기판(100)과 상대 운동하도록 이송시키기 위한 이송 장치(도시 안됨)로 구성된다.
상기 레이저 빔 발생 장치는 상기 절단 경로(150)를 가열하여 소정 깊이의 크랙을 갖는 스크라이브 라인(160)을 형성하기 위해 제1 레이저 빔(120)을 제공하는 제1 레이저 빔 발생 부재(110)과, 상기 제1 레이저 빔(120)의 주사 경로를 따라 상기 기판(100)의 깊이 방향으로 상기 크랙을 전파하기 위한 제2 레이저 빔(140)을 제공하는 제2 레이저 빔 발생 부재(130)로 구성된다.
상기 제1 레이저 빔(120)은 유리 모기판(100)의 유리를 구성하는 분자간의 결합을 절단하기 위하여, 유리의 고유 진동수와 일치하는 파장을 갖는 레이저 빔으로서, 유리 모기판(100)의 절단 경로(150)를 가열하여 상기 절단 경로(150)의 표면으로부터 소정 깊이의 크랙을 발생시켜 스크라이브 라인(160)을 형성한다. 바람직하게는, 발진 파장이 266㎚이고 유리에 대해 90% 이상의 흡수율을 갖는 4차 고주파 야그 레이저를 사용하여 제1 레이저 빔(120)을 형성한다. 4차 고주파 야그 레이저 빔은 유리 모기판(100)의 고유 진동수와 일치하는 파장을 갖기 때문에 유리 모기판(100)의 분자간 결합을 파괴하여 스크라이브 라인(160) 전체에 대해 표면 크랙(도 4의 참조부호 180)을 발생시킨다.
야그 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저로서, 화학적인 조성은 Nd3+ 이온이 Y3+ 이온 대신에 약 1% 정도 야그(yttirum aluminium garnet) 결정에 들어있는 Nd:Y3Al5O12를 갖고, 근적외선 파장을 발진한다. 고주파화 장치를 이용하여 상기 야그 레이저를 고주파화시키면 파장이 532㎚인 2차 고주파 야그 레이저, 파장이 355㎚인 3차 고주파 야그 레이저 및 파장이 266㎚인 4차 고주파 야그 레이저를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명에 사용되는 4차 고주파 야그 레이저의 특징을 설명하기 위한 개념도로서, 레이저 빔의 광 경로를 도시한다.
도 3을 참조하면, 볼록 렌즈(200)를 통해 입사되는 4차 고주파 야그 레이저 빔의 스폿(spot) 사이즈 d는 다음의 식으로 얻을 수 있다.
Figure 112001011737497-pat00001
여기서, f는 렌즈의 초점거리이고, λ는 레이저 빔의 파장이며, M은 레이저 종류에 의존하는 물질 상수이고, D는 레이저 빔의 출력 폭이다.
상기 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 스폿 사이즈 d는 레이저 빔의 파장에 비례하므로 파장이 짧을수록 스폿 사이즈가 작아져 빔 세기(beam intensity)를 집중시킬 수 있다. 종래의 레이저 절단장치에서 초기 크랙을 발생시키기 위한 레이저 빔으로 사용되는 3차 고주파 야그 레이저 빔은 파장이 355㎚로 본 발명에 사용되는 4차 고주파 야그 레이저 빔보다 길고 스폿 사이즈는 약 25㎛이다. 이에 반하여, 본 발명에 사용되는 4차 고주파 야그 레이저 빔은 파장이 266㎚로 단파장이기 때문에, 스폿 사이즈가 3차 고주파 야그 레이저 빔보다 작은 10㎛ 정도가 된다.
스크라이빙의 정확도를 높이기 위해서는 집광된 레이저 빔의 직경이 작을수록 좋다. 따라서, 4차 고주파 야그 레이저 빔은 3차 고주파 야그 레이저 빔보다 빔의 스폿 사이즈가 작기 때문에, 도 4에 도시한 바와 같이 유리 모기판(100)과 레이저 빔이 접촉하는 면적이 작아져서 크랙을 예리하고(sharp) 깊게 발생시킨다. 즉, 스폿 사이즈가 약 25㎛인 3차 고주파 야그 레이저 빔에 의해 유리 모기판(100)에 발생하는 크랙(170)은 넓고 얇게 형성되지만, 스폿 사이즈가 약 10㎛인 4차 고주파 야그 레이저 빔에 의한 크랙(180)은 샤프하고 깊게 형성된다. 이로 인해 유리 모기판(100)의 절단 경로(150)와 수직 방향으로 존재할 수 있는 미세 크랙을 방지할 수 있으므로, 절단 후의 표면 품질을 개선시킬 수 있다.
도 5는 3차 고주파 야그 레이저 및 4차 고주파 야그 레이저의 유리(두께: 0.7mm 및 1.1mm)에 대한 빔 투과율을 비교 도시한 그래프이다. 도 5에서 세로축은 투과율을 나타내고, 가로축은 레이저 빔의 파장을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 종래의 레이저 절단장치에서 사용되는 3차 고주파 레이저 빔은 0.7㎜ 두께의 유리에 대한 투과율이 약 85%이고 1.1㎜ 두께의 유리에 대한 투과율이 약 80%이기 때문에, 유리에 대한 흡수율이 약 10∼15%로 낮다. 이에 반하여, 본 발명에 사용되는 4차 고주파 야그 레이저 빔은 0.7㎜ 두께의 유리에 대한 투과율이 약 5%이고 1.1㎜ 두께의 유리에 대한 투과율이 약 1%이기 때문에, 유리에 대한 흡수율이 약 90∼97%로 높다.
따라서, 상기 4차 고주파 야그 레이저 빔으로 유리 모기판(100)을 스크라이빙하면 유리에 대한 높은 흡수율로 인해 스크라이브 라인(160)의 깊이를 깊고 좁게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 스크라이빙 속도를 높일 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 의한 레이저 절단장치를 이용하여 0.7㎜ 두께의 유리로 이루어진 LCD 패널을 절단할 경우, 완전 절단 속도를 400㎜/sec 정도까지 높일 수 있다. 또한, 냉각 수단을 사용하지 않기 때문에 상기 제1 레이저 빔(120)의 속도만으로 절단 속도를 제 어할 수 있어 종래의 급속 가열과 급속 냉각에 의한 온도 차이를 이용한 절단 방식에 비해 절단 속도의 제어가 용이해진다.
상기 제2 레이저 빔(140)은 이산화탄소(CO2) 레이저 빔과 같은 고전력 레이저 빔으로서, 단축과 장축을 갖는 긴 타원 형상의 빔 패턴을 가지고 상기 절단 경로(150) 상에 그 장축이 얼라인된 상태로 유리 모기판(100)에 주사된다. 상기 제2 레이저 빔(140)은 상기 제1 레이저 빔(120)과는 소정 거리 이격되고 상기 제1 레이저 빔(120)의 주사 경로를 따라 유리 모기판(100)에 주사된다. 바람직하게는, 상기 제2 레이저 빔(140)은 제1 레이저 빔(120)에 의해 유리 모기판(100)의 절단 경로(150) 상에 형성된 스크라이브 라인(160)의 바로 위에 주사한다. 이때, 상기 스크라이브 라인(160)을 유리의 용융점 이상으로 가열시키게 되면 크랙이 생성된 부위가 다시 접합되는 문제가 발생하므로, 상기 제2 레이저 빔(140)은 유리의 용융점 온도보다 같거나 낮은 온도로 주사되어야 한다.
또한, 도 2를 참조하면, 상기 제2 레이저 빔(140)은 그 폭(x2)(단축 방향의 거리)이 상기 제1 레이저 빔(120)의 폭(x1)(단축방향의 거리)보다 더 크다. 또한, 상기 제2 레이저 빔(140)의 깊이는 상기 제1 레이저 빔(120)의 깊이보다 작도록 주사된다. 여기서, 레이저 빔의 깊이란 단위 면적당 레이저 빔의 세기(intensity)를 의미한다.
상기 제1 레이저 빔(120)은 유리 모기판(100)의 절단 경로(150) 상에 크랙을 형성해야 하므로 가능한 한 좁고 깊게 주사되어야 한다. 반면에, 상기 제2 레이저 빔(140)은 절단 경로(150)를 따라 유리 모기판(100)을 완전히 절단시키기 위해 주사하는 것이므로, 절단 경로(150) 이외의 유리 모기판(100)에 불필요한 크랙을 발생시키지 않도록 제1 레이저 빔(120)보다 넓고 얇게 주사되어야 한다.
상기 제2 레이저 빔(140)은 오목 렌즈와 볼록 렌즈가 결합된 실린더형 렌즈 한 개를 이용하여 빔 프로파일을 변환시킬 수 있다. 즉, 레이저 빔이 입사되는 상부면은 오목 렌즈부로 가공되고 하부면은 볼록 렌즈부를 갖도록 가공된 실린더형 렌즈를 사용할 경우, 상기 오목 렌즈부에 스폿 형상의 레이저 빔이 입사되면 상기 레이저 빔은 스폿 형상으로부터 단축과 장축을 갖는 긴 타원 형상으로 변형된다. 이와 같이 변형된 레이저 빔이 다시 볼록 렌즈부를 통과하면, 타원 형상의 단축 길이가 짧아지면서 단축보다 장축이 매우 긴 타원 형상을 갖게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 레이저 절단장치에 의하면, 냉각 장치를 별도로 사용하지 않고 스크라이빙 레이저(즉, 제1 레이저)와 브레이킹 레이저(즉, 제2 레이저)만으로 하나의 절단장치가 구성되므로 종래의 레이저 절단장치에 비해 설비가 단순화되고 원가를 절감시킬 수 있다. 또한, 냉각 장치를 사용하지 않기 때문에 절단 후 액정 주입구의 오염 등과 같은 공정 불량을 방지할 수 있다.
이하, 도 2에 도시한 유리기판 절단장치를 이용하여 유리 모기판(100)을 절단하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 유리 모기판(100)에 설정된 절단 경로(150)를 따라 제1 레이저 빔(120)을 주사하여 상기 절단 경로(150)를 형성한다. 상기 제1 레이저 빔(120)은 유리 모기판(100)의 고유 진동수와 동일한 파장을 갖기 때문에, 유리 모기판(100) 의 분자간 결합이 상기 제1 레이저 빔(120)에 의해 파괴되어 절단 경로(150)의 표면으로부터 좁고 깊은 크랙이 발생한다. 따라서, 상기 절단 경로(150)를 따라 소정 깊이의 크랙을 갖는 스크라이브 라인(160)이 형성된다.
이어서, 상기 제1 레이저 빔(120)이 절단 경로(150)를 따라 계속적으로 전진하는 상태에서, 상기 제1 레이저 빔(120)의 주사 경로를 따라 제2 레이저 빔(140)을 주사하여 스크라이브 라인(160)을 급속도로 가열시킨다. 즉, 상기 제2 레이저 빔(140)을 스크라이브 라인(160)의 바로 위에 주사한다.
그러면, 상기 유리 모기판(100)의 깊이 방향으로만 급속도로 열 변화도(thermal gradient)가 발생한다. 따라서, 상기 스크라이브 라인(160)의 표면에 형성된 크랙이 유리 모기판(100)의 하부면까지 일직선으로 전파되어 유리 모기판(100)이 완전히 절단된다.
종래의 냉각 수단을 사용하는 레이저 절단장치는 급속 가열 및 급속 냉각에 의한 온도 차이를 이용하여 미세 크랙을 형성하기 때문에 유리 모기판과 같은 피 절단물을 국부적으로 급속 가열시켜야 한다. 따라서, 레이저 빔으로 가열되지 않은 부위로의 열전달이 작아야만 하므로, 피 절단물의 열전도율이 중요한 변수가 되어 열전도율이 낮은 유리와 세라믹 물질로 피 절단물이 한정되는 단점이 있다.
이에 반하여, 본 발명은 4차 고주파 야그 레이저 빔과 같은 제1 레이저 빔을 이용하여 유리 모기판과 같은 피 절단물에 직접 크랙을 발생시키기 때문에, 피 절단물의 열전도율이 종래에 비해 그다지 중요하지 않다. 따라서, 열전도율이 낮은 유리나 세라믹 물질 뿐만 아니라 실리콘 웨이퍼의 절단에도 본 발명에 의한 레이저 절단방법을 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 비금속 기판의 고유 진동수와 일치하는 (즉, 비금속 기판을 구성하는 물질의 분자간 결합을 절단할 수 있는) 파장의 제1 레이저 빔으로서, 예컨대 발진 파장이 266㎚이고 유리와 같은 비금속 기판에 대해 90% 이상의 흡수율을 갖는 4차 고주파 야그 레이저를 사용하여 비금속 기판 상의 절단 경로 상에 좁고 깊은 크랙을 갖는 스크라이브 라인을 형성한다. 이어서, 상기 스크라이브 라인 상에 제2 레이저 빔으로서, 예컨대 이산화탄소 레이저를 주사하여 상기 크랙을 기판의 깊이 방향으로 전파하여 비금속 기판을 완전 절단한다.
따라서, 별도의 냉각 장치를 사용하지 않으면서 스크라이빙 레이저(즉, 제1 레이저)와 브레이킹 레이저(즉, 제2 레이저)만으로 하나의 절단장치가 구성되므로, 종래에 비해 설비가 단순화되고 원가를 절감시킬 수 있다.
또한, 스크라이빙용 제1 레이저 빔의 속도만으로 절단 속도를 제어할 수 있으므로, 종래의 가열과 냉각에 의한 온도 차이를 이용한 절단 방식에 비해 절단 속도의 제어가 용이할 뿐만 아니라 절단 속도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
더욱이, 냉각 수단을 사용하지 않기 때문에 절단 후 액정 주입구의 오염 등과 같은 공정 불량을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 의해 한정되지 않고, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 상기 비금속 기판을 구성하는 물질의 분자간의 결합을 절단할 수 있는 제1 레이저 빔을 주사하여 소정 깊이의 크랙을 갖는 스크라이브 라인을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 레이저 빔의 주사 경로를 따라 제2 레이저 빔을 주사하여 상기 기판의 깊이 방향으로 상기 크랙을 전파함으로써 상기 비금속 기판을 완전히 절단하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔의 파장은 상기 비금속 기판에 대해 90% 이상의 흡수율을 갖는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비금속 기판은 유리로 구성되고, 상기 제1 레이저 빔은 발진 파장이 266㎚인 4차 고주파 야그 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 상기 절단 경로의 절단 시작점부터 절단 종료점까지 주사하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 레이저 빔은 이산화탄소 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔의 폭이 상기 제2 레이저 빔의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 레이저 빔은 상기 스크라이브 라인의 바로 위에 주사하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단방법.
  8. 비금속 기판에 설정된 절단 경로를 가열하여 소정 깊이의 크랙을 갖는 스크라이브 라인을 형성하기 위해 상기 비금속 기판을 구성하는 물질의 분자간의 결합을 절단할 수 있는 파장을 갖는 제1 레이저 빔을 제공하는 제1 레이저 빔 발생수단; 및
    상기 제1 레이저 빔의 주사 경로를 따라 상기 기판의 깊이 방향으로 상기 크랙을 전파하기 위한 제2 레이저 빔을 제공하는 제2 레이저 빔 발생수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔의 파장은 상기 비금속 기판에 대해 90% 이상의 흡수율을 갖는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 발진 파장이 266㎚인 4차 고주파 야 그 레이저인 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제2 레이저 빔은 이산화탄소 레이저인 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔의 폭이 상기 제2 레이저 빔의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단장치.
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