KR101149594B1 - 펨토초 펄스 레이저 응용 ｐｚｔ 소자를 이용한 가공면 절단 방법 - Google Patents

펨토초 펄스 레이저 응용 ｐｚｔ 소자를 이용한 가공면 절단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법에 관한 것으로, (a) 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물을 확장 테이프를 이용하여 굽힘형 PZT 소자(piezoelectric element, 압전 소자) 위에 부착하는 단계; (b) 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안, 펨토초 펄스 레이저를 사용하여 상기 가공대상물 내부의 개질 영역들을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 굽힘형 PZT 소자의 하단에 전압을 가하여 상기 가공 대상물에 굽힘 응력을 가함으로써 가운데가 올라오는 둥근 타원형으로 힘이 작용되고, 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안 상기 가공 대상물에 형성된 개질 영역으로 조사되는 상기 펨토초 펄스 레이저에 의해 일정한 간격으로 상기 가공 대상물에 형성된 다수의 개질 영역들이 그 굽힘 응력에 의해 이격시켜 분리되고 상기 가공대상물의 가공면들의 절단을 유도하는 단계를 포함한다. 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법은 굽힘형 PZT 소자 또는 확장형 PZT 소자에 펨토초 펄스 레이저를 사용하여 빠른 반응속도로 가공대상물에 형성된 개질 영역을 절단 라인에 따라 분리하여 절단 속도를 크게 향상시키고, 굽힘형 PZT 소자와 확장형 PZT 소자에 전압을 가해주는 간단한 조작에 의해 투명재료, 웨이퍼 기판 등의 가공대상물의 절단의 효율을 향상시킨다.

Description

펨토초 펄스 레이저 응용 ＰＺＴ 소자를 이용한 가공면 절단 방법{Method for cutting processing side using femtosecond pulse laser applied PZT element}
본 발명은 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세히는 투명재료, 웨이퍼 및 기판의 절단 방법으로 굽힘형 및 확장형 PZT 소자(piezoelectric element, 압전 소자)를 사용하여 빠른 반응 속도와 간편한 조작으로 펨토초 펄스 레이저 가공에 의해 형성된 가공면을 절단하는 기술을 제공하는, 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법에 관한 것이다.
○ 기존 취성 기판 절단 및 분리 방법
글라스, 실리콘, 세라믹 등의 취성기판을 절단하여 분리시키는데 사용되는 방법은 스크라이빙(Scribing), 블레이드 다이싱(Blade Dicing), 레이저 절단, 스텔스 다이싱(Stealth Dicing) 및 TLS(Thermal Laser Seperation) 등의 절단 방법이 사용되고 있다.
이 중, 스크라이빙과 블레이드 다이싱 방법은 기계적인 절단 방법이고, 스텔스 다이싱과 TLS 방법은 레이저를 이용한 비접촉식 절단 방법이다.
기존 기계적 절단 방법은, 가공시 다량의 칩을 형성하며 잔류응력 등을 가공물에 남기게 되므로, 100 ㎛ 이하의 박막에서는 심각한 파손과 찢어짐을 유발한다.
기존 레이저 기반 가공은 열전달을 기반으로 하는 가공공정으로, 이로 인한 Thermal Load가 커 열영항지대(HAZ: Heat Affected Zone)를 형성하므로, 가공물에 금이 가거나 강도를 떨어뜨리는 등의 한계점을 가지고, 또한, 가공물의 흡수도에 따라 가공 정도가 달라지게 되어, 다양한 재료로 이루어진 다층구조를 절단하는데 어려움이 있다.
스텔스 다이싱 방법과 TLS(Thermal Laser Seperation) 방법은, 기판을 표면에서 직접 제거하지 않고, 기판 내부에 변형층을 형성하거나 인장 잔류응력을 발생시켜 기판을 절단하므로 절단 과정에서 파편 또는 입자의 발생을 줄일 수 있다. 하지만, 이 역시 열적 공정을 기반으로 하여, 열영향지대(HAZ)가 형성되며, 잔류응력 등이 그대로 남아, 기판의 특성을 변화시킨다. 또한, TLS(Thermal Laser Seperation)의 경우는 열을 냉각시키는 냉각제의 별도 클리닝이 요구되는 제한점을 가진다.
○ 극초단 펄스 레이저 절단 및 가공
기존의 펄스 레이저는 피가공물을 열적으로 여기시킴으로써, 물질의 상을 변화시켜 가공을 수행한다.
이에 반해, 극초단 펄스 레이저(펄스 폭 10 ps 이하)는 극초단 펄스의 높은 첨두출력을 이용하여 피가공물을 플라즈마 상태로 직접 변화시키며 제거하거나 물질의 상태를 변화시키는 것을 기반으로 하고, 또한, 좁은 펄스 폭으로 인해, 주변 물질로 열이 전도되기 전에 모든 가공이 수행되므로, 가공 주변부에 영향을 주지 않는 깨끗하고, 정밀한 가공이 가능하다.
○ 극초단 펄스 레이저의 가공에 있어서의 장점
극초단 펄스 레이저 가공은 기존 레이저 가공에서 요구되는 피가공물의 비결정적 결함전자(Defect Electron)에 의존하지 않고, 비선형 광흡수에 의해 가공이 시작 및 진행되고, 따라서, 가공물에 의존하지 않는 결정적 공정(Deterministic)으로 가공의 제어가 매우 용이하다.
극초단 펄스 레이저 가공 방법은 극초단 펄스 앞단의 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안 비선형 이온화를 통해 시드 전자(Seed Electron)군이 충분히 생성되고, 이를 통해 가공이 시작 및 진행된다.
따라서, 극초단 펄스 레이저 가공은 가공 부위의 선택성과 공정의 반복성을 크게 높일 수 있으므로, 실제 응용 분야에 적용에 있어서 매우 유리하다.
○ 극초단 펄스 레이저가 투명재료 가공에 있어서 가지는 장점
극초단 펄스 레이저가 투명재료 가공에 있어서 가지는 장점은 비선형 광흡수 현상에 의해, 초점 부근의 부피에만 가공 및 변화를 집중시킬 수 있고, 가공 정밀도를 높일 수 있으며, 주변 영역에 응력변화를 최소화한다.
비선형 광흡수 현상은 피가공 물질의 물성에 의존하지 않으므로, 다양한 피가공물의 가공이 가능하며, 특히 서로 다른 다양한 물질들의 조합 및 층으로 구성된 가공물을 단일 레이저로 용이하게 가공할 수 있다.
○ 펨토초 레이저 마이크로 가공 원리
펨토초 레이저 마이크로 가공 원리는 극초단 레이저 기반 광학 브레이크 다운(Optical Breakdown)을 기반으로 하고, 광 에너지가 물질에 전파되고, 이는 다수의 전자를 이온화시키게 되고, 이 결과 에너지가 물질의 래티스(Lattice)로 전달되어, 물질의 상 변화 또는 구조적 변화를 발생시킨다. 레이저 집속 구역에 집중된 굴절률의 변화 및 공동(void)을 생성하기도 한다.
1 ps 이하의 펄스 폭을 가질 경우, 비선형적으로 여기된 전자는 광자를 통한 선형적 흡수 메커니즘을 통해 충분한 에너지를 얻어 다른 속박 전자를 추가여기시키는 아발란치(Avalanche) 이온화 과정을 발생시켜, 추가 가공속도의 향상을 가져온다.
도 1a 내지 1c는 종래의 웨이퍼 다이싱 방법을 설명한 도면이다.
도 1a에 도시된 웨이퍼 다이싱 방법은 펨토초 펄스 레이저(femto(10-15 )second pulse laser)를 이용하여, 절단 안내홈을 형성하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 1b의 실시예에 있어서, 절단안내홈이 형성된 웨이퍼에 초음파를 이용하여 진동(vibration)을 가함으로써, 균열을 발생시키는 과정을 설명한 도면이다. 도 1c는 다이싱 테이프를 신장시켜, 각각의 반도체 다이를 분리시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
웨이퍼(100)는 도 1a에 도시된 바와 같이, 환형 프레임(30)에 고정되며, 신축가능한 재질로 이루어진 다이싱 테이프(20)의 상면에 점착되어 있다. 환형의 프레임(30)에 고정된 다이싱 테이프(20)는 척 테이블(40) 위에 놓여진다. 척 테이블(40)의 상면은 다공성 물질로 이루어진 다이싱 테이프(20)를 흡착하여, 웨이퍼(100)를 고정시키는 역활을 한다. 척 테이블(40)에는 프레임(30)을 고정시키기 위한 클램프가 구비된다. 척 테이블(40) 상에 다이싱 테이프(20) 및 웨이퍼(100)가 안착되면, 펨토초 펄스 레이저(310)가 격자선(110)을 따라서 조사되도록, 척 테이블(40)이 전후 좌우 방향으로 이송되어 진다. 이러한 방식으로, 웨이퍼(100)의 표면에는 격자형 패턴으로 쳄토초 펄스 레이저(310)를 사용하여 절단안내홈(120)이 형성된다. 펨토초 펄스 레이저(310)는 펨토초 펄스 레이저 조사기(300)에 마련된 집광렌즈(320)에 의해 웨이퍼(100)의 표면으로 집속되어 웨이퍼(100)의 표면에 절단안내홈(120)을 형성하게 된다. 펨토초 펄스 레이저(310)는 펄스 지속시간이 1피코초(pico-second) 미만으로, 수 펨토초 내지 수백 펨토초의 펄스 지속 시간을 가진다. 나노초 또는 피코초 펄스 레이저(210)를 사용하는 종래의 웨이퍼 다이싱 방법은 나노초 또는 피코초 펄스 레이저(210)에 의해 웨이퍼(100) 표면이 가열되므로, 열충격에 의한 미세균열 및 반도체 다이의 회로부가 손상되는 문제점이 있엇다.
펨토초 펄스 레이저(310)를 이용하여, 격자선(110)을 따라서 웨이퍼(100)의 표면에 절단안내홈(120)을 형성한 다음, 절단안내홈(120)으로부터 웨이퍼(100)의 길이방향 또는 절단안내홈의 형성방향으로 균열을 발생시킨다. 균열 유발 단계는 초음파를 이용하여 상기 웨이퍼(100)에 진동을 가함으로써, 웨이퍼(100)에 균열을 발생시키는 가진(加振) 단계로 이루어진다.
도 1b를 참조하면, 절단안내홈(120)이 형성된 웨이퍼(100)가 점착된 다이싱 테이프(20)는 척 테이블(40)에서 이송되어, 원통형의 확장드럼(50) 상에 놓여지게 된다. 상기 확장드럼(50)의 내부 공간에는 초음파 발생기(400)가 마련되어 있으며, 초음파 발생기(400)는 확장드럼(50) 위에 다이싱 테이프(20)가 놓여지게 된다. 초음파 발생기에 의해 발생된 초음파 웨이퍼(400)에 의해 발생된 초음파가 웨이퍼(100)를 진동시키게 되면, 웨이퍼(100)에는 격자선(110)을 따라 형성된 절단안내홈(120)으로부터 연장되어 균열(122)이 발생된다.
도 1c를 참조하면, 다이싱 테이프(20)를 신장시키기 위해, 다이싱 테이프(20)가 확장드럼(50) 위에 놓여진 상태에서 상기 프레임(30)을 하방으로 이동시킨다. 본 실시예서, 프레임(30)을 하강시키기 위해 하강수단(60)이 마련되어 있고, 하강수단(60)은 클램프(62)에 의해 프레임(30)과 밀착 결합하게 된다. 하강수단(60)이 하강하게 되면 프레임(30)도 함께 하강하게 되고, 결과적으로 다이싱 테이프(20)는 방사상으로 신장된다.
펨토초 펄스 레이저로 가공된 웨이퍼(100)에는 격자선(110)을 따라 형성된 절단안내홈(120)으로부터 연장되어 균열(122)이 발생된 상태에서 확장드럼(50) 위에 이동 장착한 후, 확장 드럼(50)을 상방 이동시켜 다이싱 테이프(20)를 확장시키고 다이싱(dicing)을 실시한다.
다이싱 테이프(20)가 방사상으로 신장되게 되면, 다이싱 테이프(20)의 상면에 점착된 각각의 반도체 다이(130)는 서로 분리되어 진다. 즉, 웨이퍼(100)에는 격자선(110)을 따라 절단안내홈(120) 및 균열(122)이 형성되어 있으므로, 다이싱 테이프(20)가 신장될 때, 각 반도체 다이(130)가 분리된다.
또한, 다이싱 테이프(20)의 신장으로 반도체 다이(130)들이 분리된 후에는 점착제를 경화시켜서, 점착력을 상설시킴으로써, 각 반도체 다이(130)들 상호간 및 다이싱 테이프(20)로부터 완전히 분리하게 된다.
그러나, 기존 레이저 가공물의 절단 방법은 레이저 빔을 조사하여 개질 영역을 형성하여, 절단 라인 형성 후 가공대상물을 옮겨 별도의 확장 테이핑 과정을 통해 가공 대상물을 절단 라인에 따라 분리하는 두 단계의 공정으로 제한되어 왔다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 투명재료, 웨이퍼 및 기판의 절단 방법으로 빠른 반응 속도를 갖는 PZT 소자((piezoelectric element, 압전 소자)를 사용하여 PZT 소자 위에 가공대상물을 확장 테이프로 고정한 후, 펨토초 펄스 레이저 가공에 의해 형성된 개질 영역 절단 라인을 별도의 두 단계의 공정을 거치지 않고 PZT 소자로 분리하여 효과적인 생산력 증가를 갖는 기판절단 및 가공하는, 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법은, (a) 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물을 확장 테이프를 이용하여 굽힘형 PZT 소자(piezoelectric element, 압전 소자) 위에 부착하는 단계; (b) 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안, 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 상기 가공대상물 내부의 개질 영역들을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 굽힘형 PZT 소자의 하단에 전압을 가하여 상기 가공 대상물에 굽힘 응력을 가함으로써 가운데가 올라오는 둥근 타원형으로 힘이 작용되고, 상기 펨토초 펄스 레이저에 의해 일정한 간격으로 상기 가공 대상물에 형성된 응력이 약한 다수의 개질 영역들이 그 굽힘 응력에 의해 이격시켜 분리되고 상기 가공대상물의 가공면들의 절단을 유도하는 단계를 포함한다.
상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법은, (a) 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물을 확장 테이프를 이용하여 확장형 PZT 소자 위에 부착하는 단계; (b) 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안 상기 가공 대상물로 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 상기 가공대상물 내부에 개질 영역들을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 확장형 PZT 소자의 하단에 전압을 가하여 상기 가공 대상물에 좌우로 당겨지는 확장 응력을 가함으로써 상기 펨토초 펄스 레이저에 의해 일정한 간격으로 상기 가공대상물에 형성된 응력이 약한 다수의 개질 영역들이 가해진 확장 응력에 의해 이격시켜 분리되고 상기 가공대상물의 가공면들의 절단을 유도하는 단계를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법은 PZT 소자의 빠른 반응속도로 가공물을 절단 라인에 따라 분리하여 절단 속도를 크게 향상시키는 효과가 있다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 펨토초 펄스 레이저를 통한 개질 영역의 절단 라인 형성 및 절단 라인에 따른 분리의 두 단계의 공정을 하나의 공정으로 해결함으로써 생산력을 효과적으로 증가시키고, 굽힘형 PZT 소자와 확장형 PZT 소자에 전압을 가해주는 간단한 조작에 의해 투명재료, 웨이퍼 기판, 가공대상물 절단의 효율을 향상시킨다.
도 1a 내지 1c는 종래의 웨이퍼 다이싱 방법을 설명한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 굽힘형 PZT 소자 위에 가공대상물을 부착하여 고정한 후 펨토초 레이저를 통해 개질 영역을 생성한 도면이다.
도 3은 도 2의 굽힘형 PZT 소자에 전압을 가하여 가공대상물에 굽힘 응력을 가함으로 가공대상물의 가공면 절단을 유도하는 기술을 설명한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 굽힘형 PZT소자를 윗면과 옆면에서 본 모습으로, 링 모양과 디스크 모양 굽힘형 PZT 소자 내부에 다공성 물질이 위치함을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 확장형 PZT소자 위에 가공대상물을 부착하여 고정한 후 펨토초 레이저를 통해 개질 영역을 생성한 도면을 나타낸다.
도 6은 도 3의 확장형 PZT소자에 전압을 가하여 가공대상물에 확장 응력을 가함으로 가공대상물의 가공면 절단을 유도하는 기술을 설명한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 확장형 PZT 소자를 윗면과 옆면에서 본 모습으로, 링 모양과 디스크 모양 확장형 PZT소자 내부에 다공성 물질이 위치함을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 굽힘형 PZT 소자 위에 가공대상물을 부착하여 고정한 후 펨토초 레이저를 통해 개질 영역을 생성한 도면이다.
투명재료, 웨이퍼 및 기판의 절단시, 본 발명의 장치는 굽힘형 PZT 소자(piezoelectric element, 압전 소자)(102), 굽힘형 PZT 소자(102) 위에 확장 테이프(103)로 부착하여 고정된 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물(101); 펨토초 펄스 레이저 조사기에 마련된 집광렌즈로부터 펄스 지속 시간이 수십 펨토초(femto second:10-15초)에 해당하는 시간 동안 가공대상물(101)로 조사되는 펨토초 펄스 레이저(femto pulse laser)(100); 펨토초 펄스 레이저(100)에 의해 일정한 간격으로 형성되는 다수의 개질 영역(104)을 포함한다.
본 발명은 종래 기술(도 1a,1b,1c)의 펨토초 펄스 레이저로 가공된 웨이퍼(100)에 격자선(110)을 따라 형성된 절단안내홈(120)으로부터 연장되어 균열(122)이 발생된 상태에서 확장드럼(50) 위에 이동 장착한 후, 확장 드럼(50)을 상방 이동시켜 다이싱 테이프(20)를 확장시키고 다이싱(dicing)을 실시하는 것과 달리, 굽힘형 PZT 소자 또는 확장형 PZT 소자 위에 가공대상물(101)을 확장테이프(103)로 부착하여 고정한 후, 펨토초 펄스 레이저 조사기로부터 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 절단을 위한 개질 영역들을 생성하고, 별도의 확장 드럼에 이동 장착하지 않고 그 PZT 소자 위에서 PZT 소자에 전압을 가하여 굽힘 응력 또는 확장 응력을 가하여 투명재료, 웨이퍼 기판 등의 가공대상물(101)의 절단을 하는데 그 특징이 있다.
주파수 안정화된 펨토초 레이저에 의해 생성된 광 빗(Optical Comb)은 고정밀 분광, 광 주파수 측정, 고차 조화파 생성 등의 광범위한 정밀 응용 분야에서 사용되어 왔다. 이러한 높은 안정도를 갖는 광 빗(Optical Comb)을 생성하기 위한 광원으로 티타늄-사파이어(Ti:sapphire) 펨토초 레이저를 사용하여 왔다. 그러나, 티타늄-사파이어(Ti:sapphire) 펨토초 레이저는 환경에 민감하여 산업적으로 사용하기에는 어려운 점이 있으며, 이에 대한 대안으로 광섬유 기반 펨토초 레이저(fiber femtosecond laser)에 대한 연구가 진행되고 있으며, 광섬유 기반 펨토초 레이저에 의해 생성된 광 빗이 티타늄-사파이어(Ti:sapphire) 펨토초 레이저 광 빗에 비해 높은 위상 잡음 특성을 가지고 있으므로, 이를 해결하기 위해 본 발명에서 기존보다 광섬유 기반 펨토초 레이저은 상대적으로 낮은 위상 잡음을 갖는 펨토초 레이저를 사용한다.
어븀 첨가 광섬유를 이득 매질로 갖는 광섬유 펨토초 레이저는 수동적 잠금 모드(passively mode locking)에 의해 통신 대역인 1550nm 파장으로 중심으로 20~80nm의 대역폭을 갖는 광 빗을 생성하고, 이는 시간 영역에서 100 fs 이하의 좁은 펄스를 생성한다. 광섬유 펨토초 레이저 생성된 광 빗은 티타늄 사파이어 펨토초 레이저에 의해 생성된 광 빗과 마찬가지로 gate time 1000초에서 1.3x10-18 까지 획득하여 티타늄 사파이어 펨토초 레이저의 안정도에 거의 근접한 만큼의 낮은 잡음 특성을 가지고, 좁은 선폭의 옵셋 주파수 제어를 통해 많은 정밀 응용 분야에 적용되기 위해 기존 보다 안정화된 광 빗을 사용한다.
도 3은 도 2의 굽힘형 PZT 소자에 전압을 가하여 가공대상물에 굽힘 응력을 가함으로 가공대상물의 가공면 절단을 유도하는 기술을 설명한 도면이다.
본 발명의 장치는 굽힘형 PZT 소자(102)의 하단에 전체적으로 전압을 가하여 투명재료, 웨이퍼, 기판 등의 가공 대상물(101)에 굽힘 응력을 가함으로써 가운데가 올라오는 둥근 타원형으로 힘이 작용되고, 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안 펨토초 펄스 레이저 조사기로부터 펨토초 펄스 레이저(100)를 가공대상물(101)에 조사하여 가공대상물(101)내에 일정한 간격으로 형성된 응력이 약한 다수의 개질 영역(104)들이 그 굽힘 응력에 의해 이격시켜 분리되고 가공대상물(101)의 가공면들의 절단을 유도한다.
참고로, PZT 소자(piezoelectric element, 압전 소자)는 압전기 현상을 나타내는 소자이고, 피에조 전기소자라고도 한다. 압전기는 어떤 종류의 결정판(結晶板)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양?음의 전하가 나타나는 현상인데 1880년 프랑스의 자크 퀴리(Jacque Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie; 1859~1906) 형제가 처음 발견하였다. 이후 한 장의 결정판에 나타나는 압전기는 미약하지만 금속박을 삽입하면서 여러 장을 겹칠 경우, 그 양이 크게 증대된다는 것이 알려졌다. 또한, 결정판에는 고유의 진동이 있고 탄성진동과 전기진동이 일치하면 압전기와 결합되어 더욱 강한 진동이 일어난다는 사실도 발견되었다. PZT 소자(압전 소자)의 원리는 이온 결정들이 음이온과 양이온이 동수로 있기 때문에 전기적으로 중성인데, 표면에도 음이온과 양이온 수가 같기 때문에 중성이고, 힘이 가해질 경우에 이들 전하들의 움직임이 다르다면 표면에 특정 전하들이 많이 쌓이게 되고. 그 표면 사이에 전기가 생긴다. 압전 효과(Piezoelectric Effect)는 수정이나 로셀염 등의 결정에 압력을 가하면 전압이 발생하는데 이것을 압전 직접효과라고 하며, 이와 반대로 전압을 주면 결정체가 변형을 일으키는 현상을 압전 역효과라 한다. 발견자의 이름을 따서 직접효과를 퀴리효과, 역효과를 리프먼 효과라고도 한다. 결정체에 가해지는 힘의 방향과 전하가 발생하는 방향이 같은 경우를 종효과, 직각인 경우를 횡효과라 한다. 압전현상을 나타내는 압전소자는 초기에 로셀염 계통과 인산화수소가리 계통의 두 종류가 있었고, 그 후 티탄산바륨 계통의 압전소자가 알려졌으나 센서로 사용하기에는 몇가지 문제점이 있었다. 그이후 이성분계로 PZT 라고 불리는 압전 세라믹이 발견되어 가속도계등의 센서용으로 널리 사용되고 있다. 이 PZT 세라믹은 티탄산납(PbTiO3)과 지르코산납(PbZrO3)을 일정한 비율로 섞은 것으로 사용용도에 따라 불순물을 첨가하여 여러가지 재료물성을 갖는 압전 세라믹으로 사용되고 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 굽힘형 PZT소자를 윗면과 옆면에서 본 모습으로, 링 모양과 디스크 모양 굽힘형 PZT소자(102) 내부에 다공성 물질(105)이 위치함을 나타낸 도면이다. 화살표는 굽힘형 PZT소자(102)에 전압이 가해져 굽힘 응력이 일어나 확장이 일어나는 방향을 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예(도 2, 3, 4)에 따른 펨토초 펄스 레이저 응용 굽힘형 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법은 (a) 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물(101)을 확장 테이프(103)를 이용하여 굽힘형 PZT 소자(piezoelectric element, 압전 소자)(102) 위에 부착하는 단계; (b) 수십 펨토초(femto second:10-15초)에 해당하는 시간 동안 가공 대상물(101)로 펨토초 펄스 레이저(100)를 조사하여 가공 대상물(101) 내부에 개질 영역(104)들을 형성하는 단계; 및 (c) 굽힘형 PZT 소자(102)의 하단에 전체적으로 전압을 가하여 가공 대상물(101)에 굽힘 응력을 가함으로써 가운데가 올라오는 둥근 타원형으로 힘이 작용되고, 펨토초 펄스 레이저(100)에 의해 일정한 간격으로 상기 가공대상물(101)에 형성된 응력이 약한 다수의 개질 영역(104)들이 그 굽힘 응력에 의해 이격시켜 분리되고 절단을 유도하는 단계를 포함하고, 상기 펨토초 펄스 레이저(100)는 티타늄 사파이어(Ti:sapphire) 펨토초 레이저에 의해 생성된 광 빗과 마찬가지로 gate time 1000초에서 1.3x10-18 까지 획득하여 티타늄 사파이어 펨토초 레이저의 안정도에 거의 근접한 만큼의 낮은 잡을 특성을 가진 광섬유 펨토초 레이저를 사용한다.
본 발명은 굽힘형 PZT소자(102) 위에 확장 테이프(103)로 부착된 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물(101) 내에 일정한 간격으로 절단하기 위한 개질 영역(104)들을 형성하기 위해 펨토초 펄스 레이저(100)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 굽힘형 PZT소자는 링 모양, 디스크 모양, 및 원판 모양 중 어느 하나의 형태를 갖는다.
또한, 굽힘형 PZT소자(102)는 링 모양을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 굽힘형 PZT소자(102)는 디스크 모양을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 굽힘형 PZT소자(102)는 원판 모양을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 링 모양 굽힘형 PZT소자(102)의 빈 원형 공간의 내부는 도 5에 도시된 바와 같이, 다공성 물질(105)이 위치하여 가공대상물(101)을 흡착시키는데 용이하도록 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 굽힘형 PZT소자(102)에 전압을 가하여 개질 영역(104)들이 형성된 가공대상물(101)에 굽힘(bending)이 작용하여 절단하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 확장형 PZT소자 위에 가공대상물을 부착하여 고정한 후 펨토초 레이저를 통해 개질 영역을 생성한 도면을 나타낸다.
투명재료, 웨이퍼 및 기판의 절단시, 본 발명의 장치는 확장형 PZT소자(200), 확장형 PZT 소자(200) 위에 확장 테이프(103)로 부착하여 고정된 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물(101); 펨토초 펄스 레이저 조사기에 마련된 집광렌즈로부터 펄스 지속 시간이 수십 펨토초(femto second)에 해당하는 시간 동안 가공대상물(101)로 조사되는 펨토초 펄스 레이저(100); 펨토초 펄스 레이저(100)에 의해 일정한 간격으로 형성되는 다수의 개질 영역(104)을 포함한다.
도 6은 도 5의 확장형 PZT 소자에 전압을 가하여 가공대상물에 확장 응력을 가함으로 가공대상물의 가공면 절단을 유도하는 기술을 설명한 도면이다.
본 발명의 장치는 확장형 PZT 소자(200)의 하단에 전체적으로 전압을 가하여 투명재료, 웨이퍼, 기판 등의 가공 대상물(101)에 좌우로 당겨지는 확장 응력을 가함으로써 수십 펨토초(femtosecond)에 동안 펨토초 펄스 레이저 조사기로부터 펨토초 펄스 레이저(100)에 의해 가공대상물(101)에 일정한 간격으로 형성된 응력이 약한 다수의 개질 영역(104)들이 가해진 확장 응력에 의해 이격시켜 분리되고 가공대상물(101)의 가공면들의 절단을 유도한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 확장형 PZT소자를 윗면과 옆면에서 본 모습으로, 링 모양과 디스크 모양 확장형 PZT소자(200) 내부에 다공성 물질(105)이 위치함을 나타낸 도면이다.
화살표는 확장형 PZT소자(200)에 전압이 가해져 확장 응력이 일어나 확장이 일어나는 방향을 나타낸다.
본 발명의 제2 실시예(도 3,4,6)에 따른 펨토초 펄스 레이저 응용 확장형 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법은 (a) 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물(101)을 확장 테이프(103)를 이용하여 확장형 PZT 소자(200) 위에 부착하는 단계; (b) 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안 가공대상물(101)의 개질 영역(104)으로 조사되는 펨토초 펄스 레이저(100)를 사용하여 가공대상물(101) 내부에 개질 영역(104)들을 형성하는 단계; (c) 확장형 PZT 소자(200)의 하단에 전압을 가하여 가공 대상물(101)에 좌우로 당겨지는 확장 응력을 가함으로써 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안 개질 영역(104)으로 조사되는 펨토초 펄스 레이저(100)에 의해 일정한 간격으로 상기 가공대상물(101)에 형성된 다수의 개질 영역(104)들이 가해진 확장 응력에 의해 이격시켜 분리되고 가공대상물(101)의 가공면들의 절단을 유도하는 단계를 포함하고, 상기 펨토초 펄스 레이저(100)는 티타늄 사파이어(Ti:sapphire) 펨토초 레이저에 의해 생성된 광 빗과 마찬가지로 gate time 1000초에서 1.3x10-18 까지 획득하여 티타늄 사파이어 펨토초 레이저의 안정도에 거의 근접한 만큼의 낮은 잡을 특성을 가진 광섬유 펨토초 레이저를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 확장형 PZT소자(200) 위에 확장 테이프(103)로 부착된 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물(101)의 개질 영역(104)들을 형성하기 위해 펨토초 펄스 레이저(100)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 확장형 PZT소자(200)는 링 모양을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 확장형 PZT소자(200)는 디스크 모양을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 확장형 PZT소자(200)는 원판 모양을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 링 모양 확장형 PZT소자(200)의 빈 원형 공간의 내부는 다공성 물질(105)이 위치하여 가공대상물(101)을 흡착시키는데 용이하도록 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 디스크 모양 확장형 PZT소자(200) 내부는 다공성 물질(105)이 위치하여 가공대상물(101)을 흡착시키는데 용이하도록 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 확장형 PZT소자(200)에 전압을 가하여 개질 영역(104)들이 형성된 가공대상물(101)에 확장(expanding)력이 작용하여 절단하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법은 굽힘형 PZT 소자(102) 또는 확장형 PZT 소자(200)에 펨토초 펄스 레이저(100)를 사용하여 빠른 반응속도로 가공대상물(101)의 개질영역들(104)을 절단 라인에 따라 분리하여 절단 속도를 크게 향상시키고, 굽힘형 PZT 소자(102)와 확장형 PZT 소자(200)에 전압을 가해주는 간단한 조작에 의해 투명재료, 웨이퍼 기판 등의 가공대상물(101)의 절단의 효율을 향상시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용이 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 펨토초 펄스 레이저 101: 가공대상물
102: 굽힘형 PZT소자 103: 확장 테이프
104: 개질 영역 105: 다공성 물질
200: 확장형 PZT소자

Claims (13)

  1. 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법에 있어서,
    (a) 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물을 확장 테이프에 부착하고 상기 가공대상물이 부착된 확장형테이프를 굽힘형 PZT 소자(piezoelectric element, 압전 소자) 위에 부착하는 단계;
    (b) 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안 상기 가공 대상물의 절단하고자 하는 부위로 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 상기 가공대상물의 절단하고자 하는 부위의 내부에 개질 영역들을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 굽힘형 PZT 소자에 전압을 가하여 확장테이프가 부착된 PZT 소자 상단부를 인장시켜 PZT 소자의 중간부분이 올라오도록 둥글게 변형시켜 굽힘응력이 발생하도록 하는 단계;
    (d) 상기 PZT 소자의 변형에 따라 상기 가공 대상물에 굽힘 응력을 가함으로써 확장테이프를 부착한 부위의 가운데가 올라오는 둥근 타원형으로 힘이 작용되고, 상기 펨토초 펄스 레이저에 의해 일정한 간격으로 상기 가공 대상물에 형성된 응력이 약한 다수의 개질 영역들이 그 굽힘 응력에 의해 이격시켜 분리되고 상기 가공대상물의 가공면들의 절단을 유도하는 단계;
    를 포함하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는,
    상기 굽힘형 PZT 소자 위에 상기 확장 테이프로 부착된 상기 가공대상물의 다수의 개질 영역들을 형성하기 위해 상기 펨토초 펄스 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 굽힘형 PZT 소자는 링 모양, 디스크 모양, 및 원판 모양 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 굽힘형 PZT 소자는 링 모양이며, 링 모양의 빈 공간 내부는 다공성 물질이 위치하여 상기 가공대상물을 흡착시키는데 용이하도록 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)는,
    상기 굽힘형 PZT 소자에 전압을 가하여 상기 개질 영역들이 형성된 상기 가공대상물에 굽힘(bending)이 작용하여 절단하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  6. 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법에 있어서,
    (a) 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등의 가공대상물을 확장 테이프에 부착하고 상기 가공대상물이 부착된 확장테이프를 확장형 PZT 소자 위에 부착하는 단계;
    (b) 수십 펨토초(femtosecond)에 해당하는 시간 동안 상기 가공 대상물의 절단하고자 하는 부위로 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 상기 가공대상물의 절단하고자 하는 부위의 내부에 개질 영역들을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 확장형 PZT 소자의 하단에 전압을 가하여 PZT 소자를 좌우로 확장시키는 단계;
    (d) 상기 PZT 소자가 좌우로 확장됨에 따라 그 위에 부착된 확장테이프가 확장되면서, 확장테이프에 부착된 가공대상물에 형성된 개질영역들이 위 확장응력에 의해 이격되면서 분리되어 상기 가공대상물의 절단을 유도하는 단계;
    를 포함하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (b)는,
    상기 확장형 PZT 소자 위에 상기 확장 테이프로 부착된 상기 가공대상물의 개질 영역들을 형성하기 위해 펨토초 펄스 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 확장형 PZT 소자는 링 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 확장형 PZT 소자는 디스크 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 확장형 PZT 소자는 원판 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  11. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 확장형 PZT 소자는 링 모양이며, 링 모양의 빈 원형 공간 내부는 다공성 물질이 위치하여 상기 가공대상물을 흡착시키는데 용이하도록 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  12. 제6항 또는 제9항에 있어서,
    상기 확장형 PZT 소자는 디스크 모양이며, 디스크 모양의 빈 원형 공간 내부는 다공성 물질이 위치하여 상기 가공대상물을 흡착시키는데 용이하도록 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 확장형 PZT 소자에 전압을 가하여 상기 개질 영역들이 형성된 가공대상물에 확장(expanding)력이 작용하여 절단하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저 응용 PZT 소자를 이용한 가공면 절단 방법.












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