KR100721391B1 - 비금속성 재료 분리 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

비금속성 기판을 분리하는 방법 및 장치는, 레이저 빔을 발생하는 레이저를 구비한다. 일체화된 크랙킹 장치는, 레이저 빔을 수신하여 그 레이저 빔을 비금속성 기판 상으로 향하게 하고, 가열 영향 구역을 정의하고, 가열 영향 구역 내에 포함된 담금질 영역에서 상기 기판을 담금질한다. 이 일체화된 크랙킹 장치는, 하우징과, 상기 하우징 내에 상기 레이저 빔을 수신하여 상기 기판 상으로 향하게 하도록 끼워 맞추어진 광학부재를 구비한다. 담금질 노즐은, 상기 가열 영향 구역 내에 정의된 담금질 영역에서 상기 기판을 담금질하는 상기 하우징 상에 장착된다.
비금속성 기판, 레이저, 분리 공정, 일체화된 크랙킹 장치, 담금질

Description

비금속성 재료 분리 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SEPARATING NON-METALLIC MATERIALS}
(관련 출원)
본 출원은 1999년 11월 24일에 출원되어 계속중인 종래의 미국특허출원번호 60/167,285호에 기초를 둔 것이다.
본 발명은, 비금속성 재료를 복수의 작은 조각으로 정밀하게 분리하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 본 발명은 소망하는 경로를 따라 재료를 분리하기 위해서, 내력을 제어하여 미소 균열을 전파(傳播)시킴으로써, 비금속성 재료를 분리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
부서지기 쉬운 재료에 대하여 미소 균열을 레이저를 사용하여 전파시키는 것은, 당업자들에게는 적어도 30년에 걸쳐 알려져 왔다. 개시내용이 참고를 위해 본문에 원용되는 Lumley의 미국특허 제 3,610,871호에서는 레이저 빔의 초점이 기판의 맨 에지의 하부면 상에 입사하도록 포커스된 레이저 빔을 거울면으로부터 반사시킴으로써, 세라믹 기판을 분리할 수 있다. 국부적으로 갈라진 틈이 생긴 후, 기판은 거울면으로부터 반사되기 전에 빔을 차단하기 위해서, 레이저 빔에 대하여 변위된다. 레이저 빔은, 초점에 도달하기 전에 기판의 상부 표면에 의해 차단되므로, 빔 에너지가 큰 면적에 걸쳐 분산된다. 변위가 계속됨에 따라, 국부적으로 갈라진 틈이 제어 가능하게 전파된다.
이 기술은, 느린 처리 속도, 복잡한 레이저 모드, 레이저 스크라이브 기구의 이해 부족 및 미립자 및 미소 균열을 발생하는 것에 의한 시간 낭비, 고체의 2단계 공정(예: 스크라이브 및 파단)에 의해, 레이저 분리의 중요한 장점을 상쇄하므로, 많은 용도에 대해서 아직 상업적으로 실시할 수 있게 되어 있지 않다.
상기 단점 및 다른 종래의 단점을 해결하기 위해서는, 빠르고, 신뢰할 수 있는 레이저 스크라이빙, 단일 단계의 분리 및 간단하고 강력한 장치의 효율적인 사용방법이 바람직하다.
(발명의 요약)
본 발명의 목적은, 미소 균열의 고도로 제어된 전파 및 정밀한 분할에 의해 비금속성 재료를 분리하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 빠른 처리속도, 완전한 분리, 정밀도 향상, 고도로 제어된 열적 구배, 에지 품질 개선, 효과적인 교차 절단, 에지 효과(edge effect) 감소, 간단한 설계, 가요성 향상 및 비용 감소를 가능하게 하는 이점과 특징을 포함한다.
또한, 본 발명은 실리콘 또는 세라믹 등과 같은 한정되지 않은 비금속성 기판을 분할하기 위한 방법 및 장치를 제공하여, 기판 내에 미소 균열을 일으키고, 레이저 빔에 의해 기판상에 주어진 가열 영향 구역에서 레이저 빔에 의해 기판을 스크라이브 하는 단계를 포함한다. 미소 균열은, 담금질 노즐로부터의 유체를 기판상에 통과시켜서 가열 영향 구역 내에 포함된 담금질 영역 (quenching region)에서 담금질 된다. 기판을 파단하기 위해서 담그질 영역 뒤의 위치에서, 힘이 기판 상에 인가되는 한편, 담금질 영역의 전방에서 잔류력을 임계 파단(또는, 파괴)력보다 작게 유지한다.
미소 균열은, 기계적인 개시기에 의해 시작될 수 있다. 본 발명의 일 국면에서는, 레이저 빔이 담금질 노즐과 연관된 거울을 거쳐 담금질 노즐의 주위로 향하게 된다. 담금질 노즐로부터 보내지는 유체는, 액체 및/또는 가스일 수 있다. 또한, 소정의 잔류 액체를 제거하고 가스 흐름을 제어하기 위해, 노즐을 통해 진공을 형성할 수도 있다. 기판의 온도는, 스크라이빙 전에, 단면 광학 소자 또는 회절형의 광학 렌즈 소자에 레이저 광을 통과시키는 등의 프로그램된 방법으로 상승시킬(올릴 수) 수 있다.
본 발명의 다른 국면에서는, 기판은 일체화된 크랙킹 장치(integrated cracking device)를 거쳐 레이저 빔에 의해 스크라이브된다. 담금질 노즐은, 일체화된 크랙킹 장치와 일체화된다. 본 발명의 또 다른 국면에서는, 일체화된 크랙킹 장치는 하우징에 탑재된 담금질 노즐을 갖는 하우징을 구비한다. 광학 부재는, 레이저 빔을 받아 기판에 향하도록 하기 위해서 하우징 내에 장착된다. 본 발명의 일 국면에서, 광학 부재는, 하우징 내에 장착된 거울과 단일 소자 렌즈를 구비한다. 단일 소자 렌즈는, 2중 비대칭 원통 렌즈소자를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 본 발명의 상세한 설명으로부터 첨부도면을 참조하여 고찰할 경우에 명백해질 것이다:
도 1은 파단에 의해 수반되는 다양한 단계의 미소 균열 시작, 가속, 스크라이빙 및 담금질을 갖는 분할 또는 레이저 분리 공정을 나타낸 기판의 확대도,
도 2는 본 발명의 비금속성 기판을 분할하는 장치의 동일한 크기의 도면,
도 3a는 본 발명의 일체화된 크랙킹 장치의 확대 단편 단면도,
도 3b는 본 발명의 레이저 스크라이빙 가속장치의 확대 단편 단면도,
도 4는 본 발명의 일체화된 크랙킹 장치 내에 포함된 2중 비대칭 원통렌즈 소자의 확대 단편도,
도 5는 본 발명의 2중 비대칭 원통형 렌즈소자에 의해 현상된 레이저 빔 프로파일을 나타내고,
도 6은 담금질 노즐의 측면도(도 6a), 상면도(도 6b) 및 측면도(도 6c)를 나타내고, 조정 가능형 거울의 사용을 나타낸 잘린(평면으로된) 빔 구성도,
도 7은 본 발명에 의해 사용될 수 있는 평창가능한 채널 블래더(inflatable channel bladder)의 사용을 나타내고,
도 8은 기판의 전방(leading) 에지 및 후방(trailing) 에지를 나타내고, 절단선에 대해 속도와 빔 제어를 나타내고, 에지 효과 제어 방법을 나타내고,
도 9는 도시된 것처럼 동작 가능한 모드와 다양한 모드의 구성을 나타내고,
도 10은 본 발명의 동작을 설명하는 사진의 복사본이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하겠다. 그러나, 본 발명은, 다른 많은 형태로 실시되어도 되고, 여기서 제안된 실시예로 한정된 것으로 해석되지는 않는다. 오히려, 이들 실시예들은, 본 개시내용으로 철저하고 완전하게, 당업자에게 본 발명의 범위를 완벽히 전달하도록 구성되어 있다. 동일 참조번호는 전체에 걸쳐서 동일 소자를 나타낸다.
설명을 위해, 현존하는 시스템과 부합되는 일부 문제점, 이들 시스템과 관련된 문제점 및 기본적인 종래기술에 대한 논쟁사항에 관하여 상세하게 설명한다.
비금속성 재료를 분리하기 위한 시스템을 설계하는데 사용된 2개의 주요 메커니즘, 즉 (1) 열 메커니즘과 (2) 응력/변형 메커니즘이 있다. 열 메커니즘에 있어서는, 소정의 부서지기 쉬운 재료는, 그 온도가 원하는 레벨까지 상승된 후에 급속하게 식어 그것의 분자 결합을 파괴할 경우, 그것의 임계 열적 충격 온도를 초과한다. 이에 의해, 그 재료 내에 "블라인드 크랙(blind crack)"이 형성된다. 두 번째 메커니즘에서는, 재료 내의 3차원 응력/변형 필드 관계가 분석된다. 이 필드 관계는, 내부 열적 변화, 외부 힘, 내부 힘 및 그 재료의 에지 강도 때문에 변화한다. 이러한 본 발명의 일 국면은, 미리 스크라이브 되고 제어된 방법으로 완전히 비금속성 재료를 분리하기 위해서, 일관되고 제어 가능한 열적 크랙킹(예를 들면, "레이저 스크라이빙")의 최적 열 조건과 최적 응력/변형 필드 조건을 일치시킨다.
부서지기 쉬운 재료를 통해 소정의 미소 균열을 전파하기 위해서, 본 시스템은, 임계 열적 충격온도(ΔTcr) 또는 재료 내의 분자 결합이 파괴되어 그 재료 내의 블라인드 크랙을 형성하는 지점을 초과해야(넘어야) 한다. 이것은, 보통 재료를 소정 온도로 가열하고, 그 재료를 냉각제 흐름을 사용하여 담금질을 하여 임계 열적 충격 온도(ΔTcr)를 초과하도록 함으로써, 달성된다.
일부 재료의 경우, ΔTcr은 최소이고 미소 균열을 성공적으로 전파하는데 있어서 담금질이 거의 불필요하다. 이들 예에서는, 헬륨 등의 냉각 가스만을 담금질을 위해 사용할 수 있다. 다른 재료, 특히 낮은 열적 팽창계수를 갖는 재료의 경우, 높은 구배가 ΔTcr를 초과하는 것이 필요하고, 가스/물 혼합물이 효과적인 담금질을 위해 필요하다. 이 경우에, 액체의 증발로부터 방출된 잠열은, 대류적이고 전도성의 열 전달과 결합되어, 더욱 효율적인 방법으로 재료를 담금질하는데 기여하므로, 임계 열적 파열온도를 초과한다.
그러나, 최적화된 담금질에 대해서 조차, 레이저 스크라이빙을 성공적으로 달성하려면 적합한 초기 경계조건이 필요하다. 재료의 온도는, 임계 열적 파괴온도를 넘기 위해서 담금질의 "여지"를 일으키도록 상승 되어야 한다. 흔히, 최저 온도와 최고 온도(예를 들면, 유리용 연화 온도) 사이의 공정 윈도우는, 매우 작다. 이것은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 열에 영향을 받는 구역의 정밀한 제어가 필요로 하는데, 도 1에는 기판 S에서 미소 균열 시작, 파단 영역, 담금질 영역, 스크라이브 빔 및 가속 빔, 각 스크라이브 빔과 담금질용 에너지 Qin 및 Qout를 나타내고 있다.
일반적으로 종래의 스크라이빙 동작은, 초기 가스 빼기(vent) 또는 블라인드 크랙이 그 재료 내에 형성된 후 두 번째 파단 단계를 필요로 하였다. 상기 파단을 완료하기 위한 종래의 기계적인 방법을 사용하여, 굽힘 모멘트가 ("길로틴(guillotine)" 브레이커의 사용에 의한 것과 같이) 나뉘어졌다. 스크라이빙된 영역을 따라 재료의 분리를 완료하기 위해 힘을 인가하였다. 완전한 분리를 이루는데 필요한 힘의 양은, 임계 파단력(Critical Breaking Force, Fcb)이라 칭한다. 얇은 재료(예를 들어, 0.5mm 미만)를 스크라이브 하는 경우, 그 재료에서의 잔류 인장력은 유리를 분리한다. 그러나, 더욱 두꺼운 재료의 경우, 보통 레이저 스크라이빙 동작으로부터 발생되는 잔류 인장력은, 재료를 완전히 분리하기에는 충분하지 않다. 다른 경우에, 인장력은 과대하고, 재료의 분리는 제어가 불가능한 상태로 행해져 담금질 영역의 충분히 전방으로 이동한다. 파단은, 열적 구배가 대칭적 분리 다이내믹을 제어하기 때문에 직선이 아니다. 일부 종래기술의 설계는, 분리 메커니즘으로서 담금질 없이 이중 평행 빔을 사용하였다. 그러나, 이러한 설계는 비대칭성을 가지고 있어 불규칙한 절단을 일으켰다. 한편, 본 발명은, 도 1에 도시한 바와 같이, 담금질 영역의 전방의 잔류력을 임계 파단력(Fcb) 보다 낮게 유지하면서, 충분한 힘(Fcb)을 담금질 영역의 배후의 적당한 영역에 인가하여, 제어된 방법으로 기판을 분리한다.
기판을 제어된 방법으로 분리할 때, 소정 재료에서의 입구 및 출구 크랙은, 중요한 고려할 문제이다. 기판의 에지는 그 본체보다 훨씬 약하기 때문에, 열적 충격을 도입한 후에는 재료는 제어되지 않는 크랙을 발생하기 쉬워진다. 또한, 소정의 미소 균열은, 에지 그라인딩 또는 다른 기계적 공정에 의해 생성된 것과 같은 재료에 존재할 수 있다. 그래서, 미소 균열을 고려해야 한다. 또한, 에지가 전도성의 열 전달영역과 대류적인 열 전달영역 사이의 경계의 역할을 하기 때문에, 재료 에지가 다른 부분보다 더 빨리 가열되는 경향이 있다. 본 발명은, 침입(intrusion)과 압출(extrusion) 등의 에지 효과를 해결하는데 도움이 된다.
재료를 통해 미소 균열을 전파시키기 위해, 초기 미소 균열이 필요하다. 많은 재료는, 이전의 제조공정 결과로서 이미 그들의 에지를 따라 위치 결정된 미소 균열을 갖는다. 그러나, 여기서 알 수 있는 것은, 잔류 미소 균열에 의존하기 보다 소정 위치에서의 제어된 방법으로 미소 균열을 도입하는 것이 바람직하다는 것이다. 그러나, 에지 처리 기술이 개선되었으므로, 크랙킹에 견디기 위해 설계된 이들 새로운 형태의 에지를 따라 미소 균열이 시작되기 더욱 어렵다. 본 발명은, 이러한 양호하게 설계된 에지를 따라 신뢰성 있는 스크라이브의 개시를 돕는 것이다.
일단 기판이 일 방향으로 완전히 분리되면, 다음 방향(보통 90도)으로의 절단이 더욱 어려워진다. 새로운 방향으로 기판을 파단하기 위한 종래의 방법의 하나는, Ariglio 등의 미국특허번호 제 5,826,772호에 개시되어 있고, 그 명시된 전체는 여기에 참조를 위해 원용된다. Ariglio 등의 특허에서, 레이저는, 표면을 가로질러 이동하여 각 측면에 2개의 가스 빼기 크랙을 형성한다. 굽힘 모멘트는, 가스 빼기 크랙 아래에 인가되어 시트(sheet)를 파단한다. 시스템은 분리된 경계에 적절하게 작용하지 않는다.
종래의 하나의 시스템은, 재료를 파단하는데 2단계, 즉 (1) 스크라이브 단계 및 (2) 기계적 파단 단계를 필요로 한다. 일반적으로, 이러한 형태의 시스템은, 기판 두께가 0.5mm보다 더 클 때에 사용되고, 그 기판에서의 잔류 인장력은, 기판을 분리하는데 충분하지 않다.
다른 종래의 시스템은, 통상적으로 8mm보다 큰 폭이 넓은 이중 파단 빔을 사용하여, 의도된 절단부분의 주변에 열적 충격을 일으킨다. 이로 인해 유리가 약해지고 또는 그 유리가 제어할 수 없는 균열이 생긴다. 때때로 분리는, 전자 장치 또는 코팅/층이 절단부분의 양측에 위치되어 있기 때문에 제한된 경로폭 내에서 일어난다.
또한, 다수의 광학 소자를 필요로 하는 레이저 빔 방출 시스템은, 그들의 설계에 있어서 거의 가요성이 없다. 이러한 다수의 광학 소자는, 상당한 양의 레이저 파워, 예를 들어 AR 코팅된 ZnSe 원소에 대해 소자 당 5%를 흡수 또는 반사하여, 6개의 소자 시스템이 사용되는 경우 36% 이상의 손실이 생긴다. 또한, 복합 광학계는 대형이고, 이동이 곤란하고, 적정 위치로부터 쉽게 벗어나기 때문에 정밀한 정렬과 교정을 필요로 한다. 끝으로, 담금질 노즐 사이에 보통 존재하는 임계 거리, 스크라이브 빔, 파단 빔 및 스크라이브 개시는 조정하기 어렵고, 본질적으로 불안정하다.
많은 종래의 시스템은, 빔 방출 시스템이 큰 부피를 갖기 때문에, 또 스크라이브 시작뿐만 아니라, 담금질 노즐 및 유사한 소자의 독립적인 제어 때문에, 단방향의 절단을 실시한다.
일부 제조 시스템에서는, 기계마다 단지 하나의 레이저 헤드만을 위한 공간이 있다. 따라서, 제조시에 시간을 절약하기 위해 동시에 절단하는 다수의 헤드는 있을 수 없다. 일부 고정된 광학계는, 레이저를 가공물(workpiece)에 대해 이동시키는 대신에, 레이저 빔의 하부에서 가공물을 이동시키는 것에 의해 발생하는 본질적인 비능률성 때문에, 종래 장치의 설치면적(footprint)의 거의 2배를 필요로 한다.
스크라이브 빔과 파단 빔 사이의 거리는, 많은 종래 기술 설계에서 기계의 설치면적은 유한 폭으로 제한되어, 1개의 재료로부터 다른 재료로 변경할 때 기계의 가요성이 제한된다. 또한, 스크라이브 빔과 파단 빔 사이의 상대적인 빔 파워는, 물리적으로 빔 스플리터를 변경하거나 또는 단면 소자를 조정하는 것에 의해 조정된다. 빔 스플리터를 사용할 경우, 상대적인 파워는, 빔 스플리터에 있어서의 코팅의 함수이며, 재생이 어렵다. 종래의 노즐 설계에 의해, 일치하지 않는 흐름이 생기고, 가공물 상에 물 또는 그 이외의 액체의 잔류물을 남긴다.
다음에 도면들, 특히 도 2를 참조하면, 본 발명의 주요 구성요소는, 완전 재료 분리 레이저 시스템으로 구성되고, 통상 20으로 도시되어 있다. 시스템은, 통상 21로 나타낸 광학계를 구성하는 단일 또는 다수의 레이저 광원과 관련 옵션을 구비한다. 도시된 실시예에서, 광학계(21)는, 기계 프레임(26) 상에 지지된 2개의 레이저(22, 24)를 구비한다. 이동 시스템(28)은, 벨트 구동 기구(28b)에 의해 프레임을 횡단하고, 레이저(22, 24)에 의해 형성된 광학계(21)에 대하여 가공물을 이동시키는 테이블(28a)을 구비한다. 레이저는, 2개(또는 그 이상)의 빔 경로를 형성한다. 시스템은, 일체화된 높은 구배를 갖는 크랙킹 장치(Integrated high gradient cracking device, ICD)(30), 레이저 스크라이브 가속장치(laser scribe acceleration device, LSAD)(32) 및 보조(supplemental) 파단 장치(34)를 구비한다.
레이저 광원은, 분리할 재료에 의거하여 하나 또는 2개의 레이저를 선택할 것인지를 결정한다. 레이저 광원은, 효율적이고, 신뢰성 있고, 분리하려고 하는 재료의 표면에서 레이저 방사가 주로 흡수되게 하는 100%에 가까운 흡수 계수를 갖는 출력 파장을 가져야 한다. 예를 들면, 유리를 스크라이브 하는 경우, 출력 주파수가 10.6미크론인 CO2 레이저 광원이 바람직하다. 실리콘을 스크라이브 하는 경우, 출력 주파수가 1.06미크론 미만인 YAG 레이저 광원이 바람직하다. 레이저는, TEM00 모드에서 동작하여 주로 가우시안 형상인 빔 프로파일을 제공한다.
플라잉(flying) 광학이 사용될 경우, 레이저 빔 프로파일이 한 점에서 다른 점으로 현저하게 변화하지 않도록 균일한 시준 출력이 달성되어야 한다. 또한, 레이저의 출력과 플라잉 광학계와의 사이에 충분한 공간을 제공하여, 레이저 빔에 "원시야(far field)" 조건에 대해 천이할 시간을 허용하는 것이 바람직하다.
레이저 출력 주파수의 선택은, LSAD(32) 빔 경로에서 최대 흡수 효율과 반드시 대응할 필요는 없다. 재료 본체 전체에 걸쳐 가열하는 것을 허용하기 위해서는 100% 보다 현저하게 작은 레이저 주파수를 선택하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것은, 관심 영역에서 많은 재료를 효율적으로 가열하는데 기여하면서, 표면에서 인장력과 방사 열 손실을 제한하는데 기여한다. 그러나, 상술한 동일한 시준 기준을 달성하는 것이 중요하다.
경우에 따라서는, 다른 레이저 주파수가, 동일한 영역 또는 빔 스폿 내에서 혼합될 수 있다. 예를 들어, 레이저는, 높게 흡수되는 주파수에서 재료를 예열하기 위해 사용된다. 그 다음, 재료는, 통상적으로 재료에 의해 높게 흡수되지 않는 다른 주파수의 레이저에 의해 연속하여 가열될 수 있다. 이것은, 증가된 온도 의존 흡수 또는 자유 캐리어 흡수 때문에 가능하다.
이동 시스템(28)은, 레이저 출력에 대하여 가공물 W의 이동을 제어하기 위해 컴퓨터(36)를 사용한다. 하나의 가능한 제어방법은, 컴퓨터로부터 제어신호를 발생하여 광학 부재를 움직이지 않게 붙잡으면서 x, y 및 θ로 가공물을 이동시킨다. 반대로, 가공물은, 움직이지 않은 채로 있고, 레이저를 이송하는 광학계가 모든 방향으로 이동한다. 혼합 방법으로, 광학계와 가공물 모두를 제한된 방향으로 이동시킨다. 광학계를 180도 회전함으로써 양 방향 절단이 가능하다. 즉, 작용적으로 결합된 ICD(30) 유니트로부터 형성된 다수의 ICD 어레이는, 생산을 증가시킬 수 있다. 다수의 ICD(30)는, 적절한 때에 빔 경로 내로 이동될 수 있다. 또한, 슬롯을 임의의 원하는 절단부 하부에 갖는 공정 테이블 위에 가공물을 설치하여 재료의 상부측과 하부측 상에서 절단하는 것이 가능하다. 또한, 공정 테이블은, 로울러 파단장치가 가공물 하부에 설치될 경우 파단을 용이하게 할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일체화된 높은 구배를 갖는 크랙킹 장치(30)를 나타낸 것이다. 일체화된 광 경로(40)는, 레이저 빔을 수신하는 거울(M1)(41)에 의해 형성된다. 또한, ICD(30)는, 담금질 기구(42), 선택적 셔터(44) 및 담금질 기구와 관련된 물 제거 기구(46)를 구비한다. 이 장치는, 단순하고 유연하여, 사용자가 재료에서의 원하는 높은 열적 구배를 달성하도록 한다. 본 발명의 바람직한 담금질 노즐(50)의 형태인 3중 반사 담금질 기구(TRQM)는, 도 6a, 도 6b 및 도 6c에 도시되어 있고, 기판에서의 제어형 높은 온도 구배에 사용될 수 있다.
노즐(50)에는, 레이저 빔을 노즐 주변으로 향하게 하고, 레이저 빔 방사의 일부가 담금질 영역의 주변 중, 담금질 영역에 인접하고, 담금질 영역과 교차한 담금질 영역의 주변 혹은 담금질 영역 내의 가공물에 대해서 입사하도록 하는, 반사 덮개(52)(도 6b)가 장착되어 있다.
본 발명의 일 국면에서는, 보통 53으로 도시된 주문형 단일 소자 렌즈 L1이 레이저 스크라이빙을 위해 ICD(30)에서 사용된다. 이로 인해 설계가 효율적이고 유연해진다. 단일 소자는, 70% 이상만큼 레이저 헤드의 크기 및 무게를 감소시킬 수 있다. 본 발명의 다른 국면에서는, 주문형 렌즈가, 이중 비대칭 원통 렌즈소자(DACLE, Double Asymmetric Cylinder Lens Element)(54)(도 3a 및 도 4)를 구비하고, 이 렌즈소자는 본 발명에서는 원하는 레이저 빔 프로파일을 달성하는데 사용된다.
미소 균열 개시기(Microcrack Initiator, MI)(60)는, ICD 하우징(30) 상에 직접 탑재되고, 본 발명의 일 국면에서는, 수직 구동, Z 스트로크 기구(64) 위에 탑재되어, 분리할 재료의 에지의 미소 균열을 생성하는 표준 스크라이브 휠(62)에 의해 동작 가능하다. LSAD에 의해 발생된 열이 이른 시간에 미소 균열을 전파하게 되는 소정의 기회를 감소시키도록, MI(60)는 레이저 스크라이브 가속장치(LSAD)(32) 동작 후에 동작 가능하다. 또한, 본 발명의 시스템은, 도 9의 사진 1에 도시된 바와 같이, 유리의 표면에서 제거 가능한 YAG 펄스를 사용하는 레이저 스크라이브 시작 옵션을 포함할 수도 있다.
다시 도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 국면에서, 일체화된 크랙킹 장치(30)는, 단면이 원형 또는 정방형의 단일 튜브로서 형성된 하우징(30a)을 구비한다. ICD(30)는, 본 발명의 일 국면에서 통상 53으로 나타낸 DACLE(54) 형태의 단일 주문형 광학소자(L1)와, 미소 균열 개시자(MI)(60), 노즐(50)의 일부로서 담금질 기구(Q1)(42), 거울 소자(M1)(41) 및 셔터(44)를 구비한다.
단일 광학소자(53)는, 최적인 열적 푸트프린트를, 즉 일반적으로, 길이가 80mm보다 크지 않고 5mm보다 넓지 않은 타원형 빔을 발생하도록 설계되어 있다. 또한, 이 소자는 각 방향으로 평탄한 상부 프로파일을 나타내는 것이 바람직하다. 이것은, 시준 입력 빔을 사용하여 여러 가지 방법으로 달성될 수 있다. 회절성 광학 소자는, 렌즈의 내부 구조를 사전에 프로그램된 출력 프로파일을 제공하여 변경할 경우 사용될 수 있다. 또 다른 비용이 값싼 방법은, 도 4에 더욱 상세하게 도시된 것처럼, 이중 비대칭 원통형 렌즈소자(DACLE)(54)를 사용하는 방법이다. 만곡된 "오목" 표면(S1)(68)은, 최적의 음의 초점 길이를 갖고, 빔 길이(l)와 절단 방향의 에너지 분포(X)를 제어하도록 구성된다. 반대로, 만곡된 또는 "볼록" 표면(S2)(70)은, 최적 양의 초점 길이를 갖고, 빔 폭(w)과 그것의 절단 방향에 수직한 에너지 분포(Y)를 제어하도록 구성된다. 만곡된 표면은, 절단하는데 최적인 출력을 제공하도록 프로그램되어 있다.
최적인 프로파일의 일례는, "X" 및 "Y" 면의 그림과 가우시안 빔 프로파일을 나타낸 도 5의 DACLE 빔 프로파일에 도시되어 있다.
또한, 담금질 노즐(50) 내부에서 강화된 반사 특징은, 최적인 출력 프로파일을 더욱 수정할 수 있고, 담금질 영역이, 도 1에 도시된 것처럼, 가열 영향 구역 내에 전체적으로 설치 가능하게 한다. 이로 인해 담금질 영역에서의 원하는 높은 구배를 이루는데 도움이 되고, 담금질 영역 뒤에 인장력을 두고, 노즐로부터 임의의 잔류 액체를 증발하는데 사용되도록 노즐 뒤에 가열 구역을 생성한다. 그것에 의해, 빔 스폿의 경계 내 어디든지 사실상 담금질 영역을 사용자가 설정하게 함으로써 시스템에 가요성이 더해진다. 이는, 종래기술의 노즐이, 필요한 경우, 빔 스폿 내에 또는 빔 스폿과 직접 접촉하는 담금질 영역을 설치하는 것이 곤란한 가공물로부터 방사선을 차단하기 때문에 종래의 무반사 노즐 설계를 사용하여 이룰 수 없다. 또한, 반사 노즐은, 연장된 빔 경로를 허용하여 에너지 밀도가 빔의 정단면(front section)보다도 높아져, 담금질 영역 뒤에 보다 높은 인장력을 생성한다.
도 6a("X"면의 그림)는, 본 발명의 일 국면의 담금질 노즐(50)을 나타내고, 조정 가능형 거울(72)과 반사 덮개(52)를 나타낸다. 거울은, 필수적이지는 않지만, 약간 등변형으로 위치 결정되고, 거울을 벗어나 반사하여 빔 스폿을 형성한다. 본 발명에 의하면, 담금질 영역은 도 6a-도 6c에 도시된 가열 영향 영역 내에 포함된다. 조정 가능형 거울이 구비된 반사 특징과 아울러, TQRD는, 도 6b에 도시된 것처럼, 효율적인 담금질을 제공하도록 3개의 독특한 유체 시스템을 갖는다. 바람직한 구성에서는, 물 등의 액체가 중간 튜브(74)를 통과하도록 유도되고, 가스가 동축으로 구성된 외부 튜브(76)를 통과하도록 향하게 되어, 진공은 최외각 영역(78)에 형성된다(도 6b). 이 구성에서, 고압 공기는, 액체를 담금질 영역의 중앙으로 동적으로 통하게 하고, 진공은, 어떠한 잔류 액체도 제거하여 공기의 흐름을 조절한다. 선택적인 고주파 압전 변환기(상세하게 미도시됨)는, 물을 분쇄하여 분무하는데 도움을 주는 노즐 상에 탑재되어, 담금질 효율을 향상시킬 수 있다. 도 6c는 "Y" 면의 그림을 나타낸 것이다.
도 3a에 도시된 것처럼, 선택적인(옵션) 셔터(44)는, 주문형 렌즈소자(53)와 가공물 W 사이에 설치되고, 레이저 방사의 일부를 선택적으로 차단하여 효과적으로 가공물 상에 빔 스폿을 짧게 하는데 사용될 수 있다. 셔터(44)는, 레이저 절단 공정시 빔 길이를 변경하여 원하는 효과를 달성할 수 있다. 예를 들면, 셔터는, 도 8의 에지 효과 다이어그램에 도시된 것처럼, 에지를 과열시키는 것을 방지하기 위해, 레이저 빔이 기판의 전방 에지 또는 후방 에지 근처에 있는 동안, 레이저 빔의 전측 부분을 평면으로(truncate) 할 수 있다.
레이저 스크라이브 가속장치(LSAD)(32)(도 3b)는, 가공물의 온도를 프로그램된 방법으로 상승시켜, 공정 속도를 증가시킨다. 이 장치(32)는, ICD 전방의 유한 거리에 배치되어, 스크라이브 빔에 대한 적절한 열적 경계조건의 확립을 돕는다. 이와 같이, ICD는, 정밀한 극히 미세한 열적 구배를 달성하여 스크라이빙을 실시한다.
도 3b에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 국면에 있어서, LSAD(32)는, 설계와 구조에 있어서 ICD와 유사하다. LSAD(32)는, 하우징(80), 거울 M2(82) 및 하우징(80) 내에 차례로 고정된 장착 장치(86)내에 일체화된 단일 렌즈소자(84)를 구비한다(도 3b). 단일 렌즈소자(84)는, 단면 소자 또는 회절성 소자일 수 있다. 단일의 긴 빔 또는 일련의 빔 스폿이 응용에 따라 사용될 수 있다. 일련의 빔 스폿을 사용하는 이점은, 각 스폿의 상대적 파워가 재료의 가열 또는 에너지 밀도에 있어서의 점진적인 증가를 제공하도록 조정된다는 것이다. 또한, 다양한 레이저 파장은, 재료의 Z 방향으로 가열을 맞추는데 사용될 수 있다. 모델링 및 실험에 의해 최적의 LSAD 파라미터를 결정할 수 있다.
기판 파단장치(34)는, (1) 기판의 하부면을 냉각(chilling)하는 것, (2) 뜨거운 공기의 스트림, 이중 레이저 빔, 단일 레이저 빔 또는 TEM20 모드로 동작하는 단일 레이저 빔을 사용하여 기판의 상부를 가열하는 것, (3) 공정 테이블 내에 설치된 혁신적인 특징을 이용하여 원하는 방법으로 기판에 기계적인 응력을 주는 것, (4) 역방향 로울러 파단장치로 기판에 원하는 압축력/인장력을 생성하는 것, (5) 적층된 유리에 대한 전단력 분리 기술로 미소 균열을 제거 또는 감소시키는 것을 포함하는 다양한 기술을 사용하여 기판을 완전히 분리하는 것을 가능하게 한다.
기판의 하부 표면을 선택적으로 냉각하거나 의도된 절단부 바로 밑에 히트 싱크를 제공하는 것에 의해, 완전한 분리를 돕는 압축력이 도입된다. 이것은, 다른 기술과 조합될 수 있다. 기판의 표면에서의 열을 도입하면, 완전한 분리를 용이하게 하는 기판 표면에 인장력을 생성한다. 팽창 가능형 튜브(88)를 도 7에 도시된 것처럼, 기판용 지지 테이블의 채널 내에 설치하면, 기판 표면상에 인장력이 증가한다. 평창 가능한 튜브는, 기판을 다시 평탄한 상태로 되돌리기 때문에 수축할 수 있다. 이것은 교차 절단을 용이하게 한다. 튜브는, 그것의 하부 표면에 있는 기판을 냉각시키는 냉각된 물로 채워질 수 있다. 또한, 로울러 파단장치는, 기판 하부에 위치되어, 절단 경로를 따라 스크라이브 영역 뒤의 소정 거리를 이동하여 완전한 분리를 이룰 수 있다. 이것으로, 공정 테이블이 의도된 절단부 하부에 슬롯을 가질 경우 가장 좋게 동작한다. 그 결과, 힘은, 스크라이브 영역 뒤에 형성되어서, 일직선을 확실히 유지한다. 또한, 전단력은, 기판을 분리하는데 사용될 수 있다. 이들 형태의 힘은, 특히 적층된 재료에 유용하고, 상술한 다른 기술에 의해 소개된 굽힘 모멘트를 제거하여서 적층된 층의 중간층에서의 미소 균열을 최소화하거나 감소시키는데 도움이 될 것이다.
당업자에게 있어서 본 발명의 많은 변형 및 다른 실시예들은, 상기 설명과 관련 도면들에서 제시된 설명의 이점을 갖게 될 것이라고 생각된다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예들로 한정되지 않고, 변형 및 실시예들은 종속항의 범위 내에 포함될 것이라는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (32)

  1. 레이저 스크라이빙 장치로부터 이격된 레이저 스크라이브 가속장치를 사용하여 기판의 온도를 올리는 단계와,
    레이저에 의해 기판 상에 나누어진 가열 영향 구역에서 레이저 스크라이빙 장치로부터의 레이저 빔에 의해 기판을 스크라이브하는 단계와,
    담금질 노즐로부터 상기 기판 상에 유체를 통과시켜 상기 가열 영향 구역 내에 있는 담금질 영역에서 미소 균열을 담금질하는 단계와,
    상기 담금질 영역 뒤의 위치에서 상기 기판 상에 힘을 인가하여 상기 기판을 파단하고, 상기 담금질 영역 앞에 임계 파단력 미만의 잔류 힘을 유지하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미소 균열을 기계적인 개시기에 의해 시작하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐과 연관된 거울을 통해 상기 담금질 노즐 주변에 상기 레이저 빔을 향하게 하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방 법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐로부터 액체와 가스를 상기 담금질 영역에 있는 상기 기판 상으로 향하게 하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 노즐을 통해 진공으로 만들어 잔류 액체를 제거하고 공기 흐름을 제어하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    스크라이빙 이전에 프로그램된 방법으로 상기 기판의 온도를 올리는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    단면의 또는 회절성의 광학 렌즈소자 중의 하나를 통해 레이저 광을 통과시켜 온도를 올리는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  8. 기판 내에 미소 균열을 시작하는 단계와,
    레이저 빔에 의해 기판 상에 나누어진 가열 영향 구역상에 상기 레이저 빔을 향하게 하는 일체화된 크랙킹 장치를 통해 레이저 빔으로 상기 기판을 스크라이브하는 단계와,
    상기 일체화된 크랙킹 장치와 일체화된 담금질 노즐로부터 상기 가열 영향 구역 내에 있는 담금질 영역에서 미소 균열을 담금질하는 단계와,
    상기 담금질 영역 뒤의 위치에서 기판 상에 힘을 인가하여 상기 기판을 파단하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 담금질 영역 앞에 임계 파단력 미만의 잔류 힘을 유지하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 일체화된 크랙킹 장치와 일체화된 기계적 개시기에 의해 미소 균열을 시작하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐과 연관된 거울을 통해 상기 담금질 노즐 주변에 상기 레이저 빔을 향하게 하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐로부터 액체와 가스를 상기 담금질 영역에 있는 상기 기판 상으로 향하게 하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐을 통해 진공으로 만들어 잔류 액체를 제거하고 공기 흐름을 제어하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    스크라이빙 이전에 프로그램된 방법으로 상기 기판의 온도를 올리는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    단면의 또는 회절성의 광학 렌즈소자 중의 하나를 통해 레이저 광을 통과시켜 온도를 올리는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리방법.
  16. 레이저 빔을 발생하는 레이저와,
    상기 레이저 빔을 수신하고 상기 레이저 빔을 비금속성 기판 상으로 향하게 하여 가열 영향 구역을 정의하고, 상기 가열 영향 구역 내에 포함된 담금질 영역에 있는 상기 기판을 담금질하되,
    하우징,
    상기 레이저 빔을 수신하고 상기 기판 상으로 향하도록 상기 하우징 내에 끼워 맞추어진 광학부재 및
    상기 가열 영향 구역 내에 정의된 담금질 영역에 있는 상기 기판을 담금질하기 위한 상기 하우징 상에 탑재된 담금질 노즐을 갖는 일체화된 크랙킹 장치를 구비하고,
    상기 일체화된 크랙킹 장치로부터 보내진 레이저 빔을 수신하는 미소 균열을 시작하기 위해 상기 하우징 상에 탑재된 기계적 개시기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  17. 삭제
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 담금질 노즐 주변으로 향하게 하기 위해 상기 담금질 노즐과 연관된 거울을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐은, 적어도 액체 또는 가스 중의 하나를 상기 기판 상에 통과시키는 유체 채널을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐은, 액체와 가스를 상기 기판 상에 통과시키는 액체 채널 및 가스 채널을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐은, 상기 담금질 노즐을 통해 진공으로 만들어 임의의 잔류 액체를 제거하여 가스 흐름을 제어하는 진공 채널을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 일체화된 크랙킹 장치 이전에 레이저 광을 상기 기판 상으로 향하게 하여 상기 기판의 온도를 올리는 레이저 스크라이브 가속장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 레이저 스크라이브 가속장치는, 단면의 또는 회절성의 렌즈소자 중의 하나를 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  24. 레이저 빔을 발생하는 레이저와,
    상기 레이저 빔을 수신하고 상기 레이저 빔을 비금속성 기판 상으로 향하게 하여 가열 영향 구역을 정의하고, 상기 가열 영향 구역 내에 포함된 담금질 영역에 있는 상기 기판을 담금질하되,
    하우징,
    상기 레이저 빔을 수신하고 상기 기판 상으로 향하게 하는 상기 하우징 내에 끼워 맞추어진 거울 및 단일 소자 렌즈, 및
    상기 가열 영향 구역 내에 정의된 담금질 영역에 있는 상기 기판을 담금질하기 위한 상기 하우징 상에 탑재된 담금질 노즐을 갖는 일체화된 크랙킹 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 단일 소자 렌즈는, 2중 비대칭 원통렌즈소자를 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 일체화된 크랙킹 장치로부터 보내진 레이저 빔을 수신하는 미소 균열을 시작하기 위해 상기 하우징 상에 탑재된 기계적 개시기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 담금질 노즐 주변으로 향하게 하기 위해 상기 담금질 노즐과 연관된 거울을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐은, 적어도 액체 또는 가스 중의 하나를 상기 기판 상에 통과시키는 유체 채널을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐은, 액체와 가스를 상기 기판 상에 통과시키는 액체 채널 및 가스 채널을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 담금질 노즐은, 상기 담금질 노즐을 통해 진공으로 만들어 임의의 잔류액체를 제거하여 가스 흐름을 제어하는 진공 채널을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 일체화된 크랙킹 장치 이전에 레이저 광을 상기 기판 상으로 향하게 하여 상기 기판의 온도를 올리는 레이저 스크라이브 가속장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 레이저 스크라이브 가속장치는, 단면의 또는 회절성의 렌즈소자 중의 하나를 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속성 기판 분리장치.
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