KR100822198B1 - 비금속 재료의 절단 장치 및 절단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비금속 재료의 절단 장치 및 절단 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 절단하고자 하는 비금속 재료가 장착되는 테이블과, 상기 테이블의 상부에 설치되는 절단부위를 가열한 후 냉각시켜 가한 1차 열충격으로 마이크로 크랙을 형성하는 제 1 열충격수단과; 레이저빔 발생부로부터 발생된 레이저빔을 두 개의 레이저빔으로 분리하는 레이저빔 분리수단을 포함하고, 분리된 두 개의 레이저빔으로 절단부위에 2차 열충격을 가하는 제 2 열충격수단;을 구비하는 비금속 재료의 절단장치와 이를 이용한 비금속 재료의 절단방법이 제공된다.

Description

비금속 재료의 절단 장치 및 절단 방법{Apparatus and method of splitting non-metallic materials}

도 1a는 종래 기술에 따른 비금속 재료 절단 장치의 정면도,

도 1b는 종래 기술에 따른 비금속 재료의 절단 장치에 의해 비금속 재료에 조사된 레이저빔의 형상을 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 비금속 재료 절단 장치의 사시도,

도 3a는 본 발명에 따른 비금속 재료의 절단 장치에 의해 비금속 재료에 조사된 레이저빔의 형상을 나타낸 사시도,

도 3b는 도 3의 레이저빔의 에너지 수준을 나타낸 사시도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명.>

24; 레이저빔 발생부 25; 레이저빔 분리수단

22; 크랙 형성부 23; 냉각부

32; 레이저빔

본 발명은 비금속 재료의 절단 장치 및 절단 방법에 관한 것으로, 더욱 상세 하게는 광학계를 사용하지 않고 레이저빔을 분리하여 비금속 재료를 절단하는 장치 및 그 절단 방법에 관한 것이다.

최근, 반도체 박막 공정기술이 개발됨에 따라 고집적, 고성능의 반도체 제품을 생산하는 반도체 산업의 발달이 이루어지고 있으며, 이러한 반도체 산업의 응용 분야로 정보처리장치에서 처리된 아날로그 형태의 영상 신호를 디지털 방식으로 디스플에이하는 화상표시장치의 기술 개발이 급속히 진행되고 있다. 반도체 제품의 경우는 비금속 재료 중 하나인 단결정 실리콘으로 제작된 웨이퍼라는 고순도의 기판 상에 수천만개의 반도체 소자들이 반도체 박막공정에 의해 집적되고, 화상표시장치는 투명한 비금속 기판에 형성된 여러 가지 광학적 성질을 이용하여 화상을 표시해준다. 이들 반도체 제품과 화상표시장치는 비금속 기판, 즉 순도가 높은 실리콘 기판 및 유리 기판에 형성되는 공통점을 갖고 있는데. 이들 비금속 기판은 충격에 약하여 깨지기 쉽다는 단점이 있는데 반해, 한 매의 웨이퍼 또는 대형 유리 기판에 복수개의 반도체 칩 또는 단위 화상표시장치 셀을 형성한후 개별화하기 쉽다는 장점이 있다.

즉, 반도체 제품의 경우는 한 장의 웨이퍼에 많은 수의 반도체 칩을 동시에 형성한 후, 개별화 공정을 통해 개별화된 반도체 칩에 팩키지 공정을 진행하여 반도체 제품을 제작하고, 화상표시장치의 경우에는 모기판(mother board)이라 불리는 대형 유리기판에 적어도 2개 이상의 단위셀을 형성한 후, 개별화 공정에 의해 단위셀을 모기판으로부터 개별화시키고 어셈블리공정을 진행한다.

이때, 개별화 공정은 제품 생산의 거의 마지막 단계에 속하므로 개별화 공정 에서의 불량, 즉 절단 불량은 제품의 양산성 및 수율에 많은 영향을 미치게 된다. 특히 화상표시장치에 쓰이는 모기판의 경우, 유리 특성상 결정구조를 갖지 않기 때문에 실리콘 웨이퍼에 비해 취성이 더욱 약하고, 절단 과정에서 에지에 형성된 미세 크랙에 의해 후속 공정이 진행되면서 취약한 곳을 따라 응력이 급속히 증폭되어 원하지 않는 부분이 절단되는 불량이 발생하기 쉽다.

종래에는 고속으로 회전하는 다이아몬드 블레이드를 이용하여 기판의 절단경로를 따라 스크라이브라인을 형성한 후, 상기 기판에 물리적인 충격을 가함으로써 기판에 크랙을 전파시켜 기판을 절단하는 방법을 사용하였으나, 이는 일정의 절단 마진이 필요하고, 절단 파티클이 발생한다는 점, 절단면이 매끄럽지 못해 응력집중부가 많이 발생한다는 점, 그리고 별도의 세정 공정 및 건조 공정이 필요하다는 단점이 있다.

최근에는 이와 같은 문제점을 극복하기 위해서 미국 특허 제4467168호 "레이저를 이용한 글래스 절단방법 및 이를 이용한 물품 제작방법", 미국 특허 제4682003호 "레이저 빔을 이용한 유리절단", 미국 특허 제5622540호 "유리 기판의 절단방법" 등 레이저 빔을 이용한 절단 방법들이 개발되고 있으며, 더욱 최근에는 국내 특허공개공보 제2002-0031573호 "레이저 빔을 이용한 비금속 기판의 절단 방법 및 장치"에 개시된 바와 같이 레이저 빔을 이용하여 1차 가열을 한 후 냉각을 하여 스크라이브를 형성하고 다시 2차 가열을 하여 기판을 절단하는 방법이 이용되고 있다.

그런데 종래에는 상기 2차 가열을 할 때, 2 ~ 4 개의 렌즈를 사용하여 형성 한 두 개의 평행한 레이저 빔을 스크라이브 선을 사이에 두고 주사하여 기판을 절단하게 되는데, 이 경우 두 개의 평행선이 일정한 에너지 밀도를 갖게 형성하는 것이 어렵고, 스크라이브 선과 등거리를 유지하고 얼라인(align)하는 것이 어려운 문제가 있다. 그리하여 절단선을 벗어나서 절단되는 불량이 발생하기 쉽다.

도 1a와 도 1b에는 종래의 레이저 절단 시스템에서 2차 가열을 하는 과정을 개략적으로 나타내었다.

도면을 참조하면, 기판을 절단하기 위한 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생부(11)와, 발생한 레이저 빔을 평행한 두 개의 빔으로 분리 형성하는 복수의 렌즈로 이루어진 광학계(12)와, 상기 분리된 레이저빔이 조사되는 기판(13)이 나타나 있다. 상기 광학계(2)에 의해 형성된 평행한 두 개의 빔(14)은 두께가 일정한 10mm 이상의 평행선이며, 에너지 밀도가 일정해야 한다. 그러나 렌즈의 비용이 고가이고, 렌즈를 얼라인하는 것이 용이하지 않으며, 상기 레이저빔과 스크라이브 선을 얼라인하는 것도 어렵다는 문제점이 있다. 또한 이 경우는 초기에 스크라이브된 부위와 2차적으로 가열이 되는 두 부위를 포함한 3개의 부위가 취약한 상태이며, 따라서 3개의 부위에서 절단이 일어날 수 있다. 따라서 절단선이 빗나가는 문제가 자주 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저빔의 진행경로에 형성되어 레이저빔을 두 개로 분리하는 스트립(strip)을 이용하여 구조적으로 간단하고 기판의 원하는 곳을 정확하게 절단할 수 있는 비금속 재료의 절단 장치와 절단 방법을 제공함에 그 목적을 두고 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 비금속 재료의 절단장치는, 절단하고자 하는 비금속 재료가 장착되는 테이블과, 상기 테이블의 상부에 설치되는 절단부위를 가열한 후 냉각시켜 가한 1차 열충격으로 마이크로 크랙을 형성하는 제 1 열충격수단과, 레이저빔 발생부로부터 발생된 레이저빔을 두 개의 레이저빔으로 분리하는 레이저빔 분리수단을 포함하고, 분리된 두 개의 레이저빔으로 절단부위에 2차 열충격을 가하는 제 2 열충격수단을 구비한다.

본 발명에 있어서, 상기 레이저빔 분리 수단은 레이저빔의 진행경로에 설치되어 레이저빔을 대칭적인 두 개의 부분으로 분리하는 장방형의 스트립(strip)으로 할 수 있으며, 상기 스트립은 0.4 ~ 1 mm의 두께를 갖고, 5 ~ 10 mm의 폭을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 스트립과 절단 하고자 하는 비금속 재료와의 최단 거리는 1 ~ 10 mm 인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 스트립의 길이 방향으로 인장력을 가하는 인장수단을 더 구비할 수 있다.

본 발명인 비금속 재료 절단 방법은, 절단하고자 하는 비금속 재료를 준비하는 제 1단계와, 비금속 재료의 절단부위에 1차적으로 가열 및 냉각하여 열충격을 가하는 제 2단계와, 상기 2단계에서 열충격이 가하여지는 절단부에 스트립에 의해 분리된 레이저빔을 조사하여 열충격을 가하는 제 3단계를 구비한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 비금속 재료의 절단장치의 일 실시예를 도시하였다.

도시된 바와 같이 비금속 재료의 절단장치(20)는 제 1열 충격수단과 제 2열 충격수단으로 구성되는데, 본 실시예의 제 1열 충격수단은 절단하고자 하는 비금속 재료가 장착되는 테이블(21)과, 비금속 재료에 초기 크랙을 형성하는 크랙 형성부(22)와 상기 크랙 형성부(22)에 의해 가열된 비금속 기판을 급랭하는 냉각부(23)를 포함하여 이루어진다. 제 2열충격수단은 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생부(24)와 상기 레이저빔 발생부(24)로부터 발생한 레이저를 분리하는 분리수단(25)을 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성된 비금속 재료 절단 장치를 구성요소별로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

테이블(21)은 절단하고자 하는 장치가 장착되는 부분으로 도시되지 않은 별도의 회전 및 이송장치에 의해 회전과 이송이 가능하게 할 수 있으며, 베이스부(미도시)에 장착할 수 있다. 또한 비금속 비금속 재료의 장착을 위해 테이블의 상면에 다수의 흡입공을 형성하여 비금속 재료를 고정할 수 있으며, 기타 통상의 방법 및 기구에 의해 절단 대상 재료를 장착할 수 있을 것이다.

크랙 형성부(22)는 절단 대상 재료에 초기 크랙을 형성하기 위하여 비금속 재료를 가열하는 기구로서 레이저빔을 이용하여 할 수도 있으며, 도시되지 않은 승 강장치에 고정된 엑튜에이터(22a)가 마련되고 이에 의해 승강되는 팁(22b)을 구비할 수 있다. 크랙 형성부(22)에 의해 가열된 비금속 재료는 냉각부(23)에 의해 급랭됨으로써 마이크로 크랙이 형성되게 되는데, 이에는 노즐(23a)과, 이 노즐(23a)과 연결되는 공급관(23b)이 마련되며 냉각매체인 N₂ 및 CO₂ 가스등의 냉각 가스가 상기 공급관(23b)을 통해 공급되게 구성할 수 있다.

레이저빔 발생부(24)는 고체 또는 기체를 이용하여 레이저를 발생할 수 있는 장치이면 어느 것이나 가능한데, CO₂ 레이저를 사용함이 바람직하다. 그리고 이에는 레이저빔의 경로를 변경시키는 수단이 포함된다.

레이저빔 분리수단(25)은 종래의 기술과는 달리 광학적인 수단, 즉 렌즈의 조합을 이용하지 않고, 단순히 레이저빔의 진행경로에 설치되어 레이저빔의 일부를 차단함으로써 상기 레이저빔을 대칭적인 두 개의 부분으로 분리하는 장치가 이용된다. 본 실시예에서는 장방형의 얇은 스트립(25a)이 이용된다. 즉 레이저빔의 진행 경로에 스트립(25a)을 설치하여 스트립의 두께에 해당되는 레이저빔을 차단하여 초기 크랙이 형성된 절단선 양측에 인접하게 두 개의 분리된 레이저빔이 조사되게 하여준다. 또한 레이저빔에 의해 스트립(25a)자체의 열 팽창을 줄이고 열 방출을 늘이기 위하여 레이저 빔 방향으로 스트립의 폭을 길게 하는 것이 바람직하며, 스트립(25a)에 미리 인장력을 가하는 장치(25b)을 사용하여 스트립(25a) 자체의 열 변형을 감소시킬 수 있다. 도 3a과 도 3b에는 상기 스트립(25a)에 의해 분리되어 절단 대상인 비금속 재료에 조사된 레이저빔의 형상과 이 레이저빔의 에너지 밀도가 도시되어 있다. 레이저빔은 초기 크랙선(31)을 중심선으로 하여 반원형상이 대칭적으로 형성되게 조사되며, 그 에너지 밀도는 초기 크랙선(31)과 인접한 부근에서 최대치를 나타낸다. 따라서 종래의 기술에 의한 경우와는 달리 절단 대상인 비금속 재료에서 취약한 부위가 초기 크랙선(31) 한군데 형성되므로 절단성이 빗나가는 현상이 방지된다. 스트립의 두께는 0.4 ~ 1mm로 형성하는 것이 바람직하며, 스트립의 폭은 5 ~ 10mm 로 하는 것이 바람직하다. 또한 스트립과 절단대상 비금속 재료와의 수직최단 거리는 1 ~ 10mm로 하는 것이 바람직하다. 주어진 범위에서 여러 가지 조합에 의할 수 있으나 0.4mm의 두께와 10mm의 폭을 가진 스트립을 절단대상 비금속 재료로부터 2mm에 배치하는 것이 가장 바람직하다.

도 2 내지 3b를 참조하여 설명한 본 실시예는 위에서 설명한 요소 외에도 여리 장치를 구동하고 이송하는데 필요한 제어수단을 구비하며, 이러한 제어수단은 기판의 위치를 정열하는 카메라와, 상기 입력 정보에 따라 각 구동부를 제어하는 데이터 프로세서를 더 구비할 수 있다. 또한 위에서 설명되지는 않았으나 테이블(21)의 전후 또는 측면에 비금속 재료를 간헐적으로 이송하여 공급하는 컨베이어가 설치될 수 있으며, 절단된 비금속 재료를 로딩 및 언로딩시키기 위한 매니퓰레이터가 더 구비될 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 비금속 재료 절단 장치의 작용과 그 사용방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저 절단하고자 하는 비금속 재료(29)를 준비한다. 비금속 재료는 유리나 실리콘으로 이루어진 기판이다. 이러한 비금속 재료(29)를 테이블(21)위에 올려놓 으며, 진공에 의한 흡착이나 다른 물리적인 수단을 이용하여 비금속 재료(29)를 테이블(21)에 고정할 수 있다. 상기와 같이 비금속 재료(29)의 고정이 완료되면 위치 결정용 카메라(미도시)를 이용하여 비금속 재료(29)의 장착상태를 촬영한 후 이 데이터를 바탕으로 여러 구동수단을 이용하여 비금속 재료(29)의 정열을 완료한다.

상기와 같이 비금속 재료(29)의 정열이 완료되면, 크랙 형성장치의 액츄에이터(22a)를 하강시켜 초기 크랙을 형성한다. 크랙의 형성이 완료되면 냉각부(21)에 냉각된 N₂ 가스나 CO₂ 가스를 공급하여 절단부위를 냉각하여 마이크로 크랙이 형성되게 한다.

그리고 나서 상기 레이저 발생부(24)로부터 레이저빔을 발진시켜 이 레이저빔이 분리수단(25)을 통하여 비금속 재료의 절단부(31)에 조사되도록 한다. 상기 절단부(31)에 조사되는 레이저빔은 높은 에너지를 가지고 있으므로 조사되는 빔에 의해 절단부가 가열되면서 절단되게 된다. 또한 도시되지 않은 이송수단에 의해 가열부위가 이동되며 계속적으로 절단을 하게 된다. 더욱 상세하게 설명하면, 약 0.4 mm의 두께를 가지는 스트립(25a)에 인장수단(25b)에 의한 인장력을 가하여 CO2 레이저빔을 발진하여 스트립으로부터 2 ~ 10mm의 거리에 있는 초기 크랙선(31)에 조사하면 열응력의 차이에 의해 초기 크랙선(31)이 있는 취약한 부근이 절단되게 된다. 이때 스트립의 두께는 0.4 mm이나 조사되는 레이저빔 형상에는 두께 1mm이상으로 스트립 두께보다 더 두껍게 나타나게 된다. 상기 스트립은 광학시스템이 아니므로 구성이 간단하고 신뢰성이 높고 간편하며 경제적이다. 또한 상술한 바와 같이 취약부가 한곳에서만 형성되므로 절단선이 빗나갈 우려가 없다. 그리고 반원형의 빔의 에너지가 초기 크랙부에 집중되므로 절단공정이 안정적이고 초기 크랙선과의 얼라인 유지등이 용이하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 스트립을 이용한 레이저빔 분리수단을 사용함으로써 구성이 간단하고 경제적이며, 신뢰성이 높은 비금속 재료 절단장치 및 절단 방법을 제공할 수 있고 이에 따라 비금속 재료로 이루어진 기판의 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

1. 절단하고자 하는 비금속 재료가 장착되는 테이블과, 상기 테이블의 상부에 설치되는 절단부위를 가열한 후 냉각시켜 가한 1차 열충격으로 마이크로 크랙을 형성하는 제 1 열충격수단과;

   레이저빔 발생부로부터 발생된 레이저빔을 두 개의 레이저빔으로 분리하는 레이저빔 분리수단을 포함하고, 분리된 두 개의 레이저빔으로 절단부위에 2차 열충격을 가하는 제 2 열충격수단;을 구비하는 비금속 재료의 절단장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 레이저빔 분리 수단은 레이저빔의 진행경로에 설치되어 레이저빔을 대칭적인 두 개의 부분으로 분리하는 장방형의 스트립(strip)인 것을 특징으로 하는 비금속 재료의 절단장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 스트립은 0.4 ~ 1 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 비금속 재료의 절단장치.
4. 제 2항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 스트립은 5 ~ 10 mm의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 비금속 재료의 절단장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 스트립과 절단 하고자 하는 비금속 재료와의 최단 거리는 1 ~ 10 mm 인 것을 특징으로 하는 비금속 재료의 절단장치.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 스트립의 길이 방향으로 인장력을 가하는 인장수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비금속 재료의 절단장치.
7. 절단하고자 하는 비금속 재료를 준비하는 제 1단계와;

   비금속 재료의 절단부위에 1차적으로 가열 및 냉각하여 열충격을 가하는 제 2단계와;

   상기 2단계에서 열충격이 가하여지는 절단부에 스트립에 의해 분리된 레이저빔을 조사하여 열충격을 가하는 제 3단계를; 구비한 비금속 재료의 절단 방법.

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