KR101154339B1

KR101154339B1 - 레이저 빔의 파장 변환기 및 이를 이용한 절단 시스템

Info

Publication number: KR101154339B1
Application number: KR1020110089579A
Authority: KR
Inventors: 박일홍; 김형원; 임영대; 이영우; 민현홍
Original assignee: 옵토켐 (주)
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2012-06-13

Abstract

다종의 파장을 갖는 레이저 빔을, 효율적으로 물체에 조사하는 효과적인 절단 시스템을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 파장 변환기는, 광원 발생부로부터 공급된 제1 파장의 레이저 빔의 파장을 제2 파장의 레이저 빔으로 변환하는 제1 파장 변환부; 제2 파장의 레이저 빔을 제3 파장의 레이저 빔으로 변환하는 제2 파장 변환부; 광원 발생부와 제1 파장 변환부 사이에 설치되어, 광원 발생부에서 발생된 제1 파장의 레이저 빔을, 제1 파장 변환부로 입사시키는 것을 제어하는 제1 스위치; 제1 파장 변환부와 제2 파장 변환부 사이에 설치되어, 제1 파장 변환부에서 변환된 제2 파장의 레이저 빔을 제2 파장 변환부로 입사시키는 것을 제어하는 제2 스위치; 및 제1 스위치에서 반사된 제1 파장의 레이저 빔, 제2 스위치에서 반사된 제2 파장의 레이저 빔 및 제2 파장 변환부에서 변환된 제3 파장의 레이저 빔 중 적어도 하나를 집광하여 조합한 레이저 빔을 생성하는 파장 조합부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 빔의 파장 변환기 및 이를 이용한 절단 시스템{WAVE TRANSFORMER OF LASER BEAM AND CUTTING SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은, 레이저 빔을 이용한 물체 절단 및 가공 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 다양한 물성을 갖는 물체들을 단일 광원을 이용하여 절단 또는 가공 시, 물체에 대한 물리적 영향을 최소화하여, 물체의 절단 또는 가공 시 절단 또는 가공 선을 제외한 물체의 손상을 방지하는 기술에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조공정에 있어서, 반도체 웨이퍼가 그 표면상에 격자 형상으로 배열된 절단 예상 라인에 의해 복수의 영역으로 구획된다. 이러한 영역에는 각각 집적회로 등의 회로가 형성된 뒤, 절단 예상 라인에 따라서 반도체 웨이퍼를 절단하여, 회로가 형성된 영역을 각각 분리하여 반도체 칩으로 사용된다.

웨이퍼에는 실리콘 웨이퍼가 일반적으로 널리 사용되고 있으며, 이러한 웨이퍼를 절단 라인에 따라서 절단하는 방법으로는 다이싱(Dicing), 스크라이빙(Scribing) 등의 방법이 사용되고 있다.

이때, 실리콘 웨이퍼의 표면에 레이저 빔을 연속적으로 조사하고 냉각하는 방식으로 실리콘 웨이퍼를 절단하는 기술이 사용되고 있다. 사용되고 있는 레이저 빔을 이용한 절단 기술은, 실리콘 웨이퍼에 최적화된 파장을 갖는 레이저 빔을 조사하여 실리콘 웨이퍼 외형의 변환을 최소화하는 기술을 사용하고 있다.

한편, 레이저 빔을 이용한 다양한 물체의 절단에 있어서, 물체의 재질에 따라서 레이저 빔의 파장에 따른 흡수율이 달라질 수 있다. 따라서, 실리콘 웨이퍼 뿐 아니라 반도체 소자 제조공정 시 절단 또는 스크라이빙이 필요한 LED와 OLED 등의 물체에 레이저 빔을 이용할 때에는, 실리콘 웨이퍼와는 다른 파장의 레이저 빔을 조사할 필요가 있다. 이를 위해, 일반적으로는 다른 파장의 레이저 빔을 발생하는 다수의 레이저 빔 발생 장치를 이용하여 왔으나, 물체의 종류에 따라서 레이저 빔 발생 장치를 일일이 구비하게 됨에 따라서 비용 및 설치 면적 상의 문제점이 지적되어 왔다.

이에 본 발명은, 물체 절단을 위한 피코초 단위 이하의 조사 속도를 갖는 초고속 레이저 빔을, 실리콘 웨이퍼를 포함하는 다양한 물체가 흡수할 수 있도록 그 파장을 다양화할 수 있는 기술을 제공함으로써, 단일 파장의 레이저 빔 조사에 따른 부작용을 최소화할 수 있는 절단 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 파장 변환기는, 광원 발생부로 부터 공급된 제1 파장의 레이저 빔의 파장을 제2 파장의 레이저 빔으로 변환하는 제1 파장 변환부; 상기 제2 파장의 레이저 빔을 제3 파장의 레이저 빔으로 변환하는 제2 파장 변환부; 상기 광원 발생부와 상기 제1 파장 변환부 사이에 설치되어, 상기 광원 발생부에서 발생된 제1 파장의 레이저 빔을, 상기 제1 파장 변환부로 입사시키는 것을 제어하는 제1 스위치; 상기 제1 파장 변환부와 상기 제2 파장 변환부 사이에 설치되어, 상기 제1 파장 변환부에서 변환된 제2 파장의 레이저 빔을 상기 제2 파장 변환부로 입사시키는 것을 제어하는 제2 스위치; 및 상기 제1 스위치에서 반사된 제1 파장의 레이저 빔, 상기 제2 스위치에서 반사된 제2 파장의 레이저 빔 및 상기 제2 파장 변환부에서 변환된 제3 파장의 레이저 빔 중 적어도 하나를 집광하여 조합한 레이저 빔을 생성하는 파장 조합부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 스위치는, 상기 제1 파장의 레이저 빔 전부를 상기 파장 조합부로 반사시키는 제1 스위치 측 제1 미러; 상기 제1 파장의 레이저 빔 중 일부를 상기 파장 조합부로 반사시키고, 나머지를 상기 제1 파장 변환부로 투과시키는 제1 스위치 측 제2 미러; 및 상기 광원 발생부와 상기 제1 파장 변환부 사이의 광로를 상기 제1 미러와 상기 제2 미러 중 적어도 하나로 차단하거나, 상기 광로를 유지하도록 상기 제1 스위치를 이동시키는 이동 수단;을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제2 스위치는, 상기 제2 파장의 레이저 빔 전부를 상기 파장 조합부로 반사시키는 제2 스위치 측 제1 미러; 상기 제2 파장의 레이저 빔 중 일부를 상기 파장 조합부로 반사시키고, 나머지를 상기 제2 파장 변환부로 투과시키는 제2 스위치 측 제2 미러; 및 상기 제1 파장 변환부와 상기 제2 파장 변환부 사이의 광로를 상기 제1 미러와 상기 제2 미러 중 적어도 하나로 차단하거나, 상기 광로를 유지하도록 상기 제2 스위치를 이동시키는 이동 수단;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1 파장의 레이저 빔의 파장은, 상기 제2 파장의 레이저 빔의 파장의 2배인 것이 바람직하다.

상기 제2 파장의 레이저 빔의 파장은, 상기 제3 파장의 레이저 빔의 파장의 2배인 것이 바람직하다.

상기 제1 스위치에서 반사된 제1 파장의 레이저 빔, 상기 제2 스위치에서 반사된 제2 파장의 레이저 빔 및 상기 제2 파장 변환부에서 변환된 제3 파장의 레이저 빔 각각을 상기 파장 변환부에 집광시키는 복수의 반사용 미러;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절단 시스템은, 절단되는 물체가 탑재되는 스테이지; 상기 스테이지의 상측에 이격되어 설치되고, 상기 물체의 절단될 부분에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사장치; 제1 파장의 레이저 빔을 생성하는 광원 발생기; 상기 광원 발생기로부터 제1 파장의 레이저 빔을 공급받아, 서로 다른 파장을 갖는 제1 파장의 레이저 빔, 제2 파장의 레이저 빔 및 제3 파장의 레이저 빔을 생성하고, 상기 제1 파장의 레이저 빔, 제2 파장의 레이저 빔 및 제3 파장의 레이저 빔 중 적어도 하나를 조합한 레이저 빔을 생성하여 상기 레이저 빔 조사장치에 공급하는 파장 변환기; 및 상기 레이저 빔 조사장치에 냉각 질소가스를 주입하기 위한 냉각 질소가스 주입수단;을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 스테이지와 상기 물체 사이에, 상기 조합한 레이저 빔의 조사에 따른 물리적 충격을 완화하기 위한 완충부재;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 조합된 레이저 빔은 복수의 경로로 상기 물체를 절단하는 것이 바람직하다.

상기 복수의 경로는, 일 방향으로 서로 연속하지 않는 방식으로 조합되어, 상기 물체를 절단하는 것이 바람직하다.

상기 복수의 경로의 조합된 레이저 빔의 에너지 패턴은 서로 오버랩되며, 상기 오버랩 범위는 1 내지 10um인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 제1 파장의 레이저 빔을 발생하는 하나의 광원에 의해, 세가지 파장의 레이저 빔을 발생하고, 이를 조합하여 물체에 조사하기 때문에, 물체의 성질에 따라서 다양한 파장을 조합하고, 이를 통해 물체의 성질에 관계없이 레이저 빔의 흡수율을 극대화하여, 효율적인 물체의 절단 및 스크라이빙이 가능하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 파장 변환기의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 파장 변환기의 구성 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 구현을 위한 제1 및 제2 스위치의 측단면도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 절단선 내 이동 경로를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물체 절단 방법을 설명하는 모식도이다.
도 7은 X축으로 레이저 빔을 이동시키는 경우를 나타내고, 도 8는 Y축으로 레이저 빔을 이동시킨 경우를 나타내는 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 시스템의 구현 예에 대한 사시도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 파장 변환기의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 파장 변환기는, 광원 발생부(10), 제1 스위치(20), 제1 파장 변환부(30), 제2 스위치(40), 제2 파장 변환부(50) 및 파장 조합부(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

광원 발생부(10)에서는, 제1 파장의 레이저 빔을 생성하게 된다. 본 발명에서 제1 파장의 레이저 빔은, 적외선 영역의 레이저 빔으로서, 예를 들어 약 1030~1064nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 의미한다.

본 발명에서 레이저 빔은, 물체의 절단에 사용되는 레이저 빔으로서, 그 종류는 제한되지 않는다.

광원 발생부(10)에서 생성되는 제1 파장의 레이저 빔은, 제1 파장 변환부(30) 측으로 형성된 광로를 통해 제1 파장 변환부(30)로 입사된다. 광원 발생부(10)와 제1 파장 변환부(30) 사이에는, 제1 스위치(20)가 설치되어 있다.

제1 스위치(20)는 이동이 가능한 복수의 미러를 포함하고 있다. 즉, 제1 스위치(20)가 “닫힘”이 되면, 미러가 광로 사이에 존재하게 되므로, 제1 파장 변환부(30)로 형성된 광로는, 미러에 의해 변형되어 제1 파장 변환부(30)를 통과하지 않고, 바로 파장 조합부(60)로 입사된다.

한편 파장 조합부(60)에서 다수의 파장을 갖는 레이저 빔을 조합하기 위해서는, 제1 파장 변환부(30) 측으로 레이저 빔이 입사되는 동시에 미러에 의해 광로가 변형되어 제1 파장 변환부(30)에 의해 파장이 변환되지 않도록 할 필요가 있다.

이에 따라서, 제1 스위치(20)에는, 두 개의 미러가 존재할 수 있다. 제1 미러에 의해 제1 스위치(20)가 “닫힘”이 되면, 광원 발생부(10)에서 생성된 제1 파장의 레이저 빔 전부의 광로가 변형되어 파장 조합부(60)로 입사되며, 이때 최종적으로 형성되는 레이저 빔의 파장은 제1 파장을 띈다.

한편 제2 미러에 의해 제1 스위치(20)가 “닫힘”이 되면, 광원 발생부(10)에서 생성된 제1 파장의 레이저 빔의 일부의 광로는 변형되어 파장 조합부(60)로 입사되고, 나머지 제1 파장의 레이저 빔은 제2 미러를 투과하여 원래 광원 발생부(10)와 제1 파장 변환부(30)에 형성된 광로를 따라, 제1 파장 변환부(30)로 입사된다.

이에 의해, 파장 조합부(60)에서는 제1 파장의 레이저 빔과 함께, 제1 파장 변환부(30)에서 파장이 제2 파장으로 변환된 레이저 빔을 조합할 수 있다. 결과적으로, 파장 조합부(60)에서 조합된 레이저 빔은 제1 파장과 제2 파장이 조합된 레이저 빔이 될 수 있다.

제1 파장 변환부(30)와 제2 파장 변환부(50) 사이에서도, 상기 설명과 마찬가지의 동작이 가능하다. 즉, 제1 파장 변환부(30)에서 변환된 제2 파장의 레이저 빔은, 제2 파장 변환부(50)에 의해 제3 파장의 레이저 빔으로 변환된다.

제1 파장 변환부(30)와 제2 파장 변환부(50) 사이에 형성된 광로 사이에는, 제2 스위치(40)가 존재할 수 있다. 제1 스위치(20)와 마찬가지로, 제2 스위치(40) 역시 두 개의 미러를 포함하고 있으며, 제2 스위치(40)가 제2 스위치(40) 측의 제1 미러에 의해 “닫힘”이 되면, 제2 파장의 레이저 빔 전부의 광로가 변형되어 파장 조합부(60)로 집광된다.

한편, 제2 스위치(40)가 제2 스위치(40) 측의 제2 미러에 의해 “닫힘”이 되면, 제2 파장의 레이저 빔 일부의 광로는 파장 조합부(60)를 향해 변형되고, 나머지는 제2 파장 변환부(50)로 향하는 광로를 유지하여 제3 파장의 레이저 빔으로 변환된다. 물론, 제1 스위치(20)와 제2 스위치(40)가 “열림” 상태가 되면, 각각 제1 파장의 레이저 빔 및 제2 파장의 레이저 빔들은 원래 형성된 광로를 유지한다. 이에 의해, 제1 파장의 레이저 빔은 제1 파장 변환부(30)로, 제2 파장의 레이저 빔은 제2 파장 변환부(50)로 입사된다.

결과적으로, 제1 스위치(20)와 제2 스위치(40)의 조합에 의해, 본 발명에서는 6개의 파장 조합을 갖는 레이저 빔이 생성될 수 있다. 즉, 제1 내지 제3 파장 각각으로만 이루어진 레이저 빔, 제1 파장과 제2 파장, 제1 파장과 제3 파장 및 제2 파장과 제3 파장의 조합의 레이저 빔 및 제1 내지 제3 파장 전부가 조합된 레이저 빔이 생성될 수 있는 것이다.

제1 스위치(20)와 제2 스위치(40)는 각각의 상태를 “열림”과 “제1 미러에 의한 닫힘” 또는 “제2 미러에 의한 닫힘” 상태로 제어하기 위해서, 이동 수단을 포함할 수 있다. 이동 수단은 수동 또는 자동으로 제1 스위치(20)와 제2 스위치(40)의 상태를 변환할 수 있다. 제1 스위치(20)와 제2 스위치(40)의 상태는, 절단 또는 스크라이빙 하고자 하는 물체의 재질에 따라서 변환될 수 있다.

이에 따라서, 광원 발생부(10)에서 생성되는 단일 파장의 레이저 빔의 파장이 변환 및 조합되고, 파장 조합부(60)에서 생성되는 레이저 빔의 파장은 총 6개의 종류를 띌 수 있다. 이에 의해, 다양한 물질에도 흡수가 최대화되는 레이저 빔이 생성된다.

본 발명에서 제1 파장은 상기 언급한 바와 같이 적외선 영역(예를 들어 1030~1064nm)의 파장이며, 제1 파장 변환부(30) 및 제2 파장 변환부(50)에서는 각각 입사되는 파장을 반으로 줄인 파장의 레이저가 생성된다.

즉, 제2 파장은 제1 파장의 반(예를 들어 500~600nm)이 되어 가시광선 영역이 되며, 제3 파장은 제2 파장의 반(예를 들어 180~360nm)이 되어 자외선 영역이 된다. 결과적으로, 적외선 영역의 단일 파장 레이저로, 본 발명에서는 적외선, 가시광선, 자외선 영역의 파장을 갖는 레이저 빔을 생성할 수 있으며, 각 영역을 조합한 레이저 빔 역시 생성 가능하게 되는 것이다.

본 발명에서, 제1 스위치(20)에 의해 변환된 광로, 제2 스위치(40)에 의해 변환된 광로 및 제2 파장 변환부(50)를 통과한 레이저 빔의 광로는 파장 조합부(60)를 향해야 한다. 이를 위해, 제1 스위치(20), 제2 스위치(40) 및 제2 파장 변환부(50)로부터의 광로를 파장 조합부(60)로 향하게 하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 변환기에는, 복수의 반사용 미러가 포함될 수 있다. 본 발명에서 미러는 모두 일정 각도를 갖고 설치되어 있어, 최종적으로 모든 파장의 레이저 빔이 파장 조합부(60)를 향하도록 설치되어 있다.

파장 조합부(60)는 투과용 렌즈를 의미한다. 투과용 렌즈에 의해 집광되는 레이저 빔이 조합되고, 그 초점은 절단 대상이 되는 물체 또는 절단 시스템에서 물체로 레이저 빔을 조사하기 위한 조사 장치가 되어, 레이저 빔을 집광하여 효율적으로 물체에 조사할 수 있도록 설계될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 시스템의 블록도이다. 이하의 설명에서 도 1에 대한 설명과 중복되는 부분은 그 설명을 생략하기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 시스템은, 절단되는 물체(1)가 탑재되는 스테이지(200)를 포함한다.

스테이지(200)와 물제(1) 사이에는, 레이저 빔 가공에 따른 물리적인 충격, 즉 쇼크를 흡수하기 위한 완충부재(300)가 더 포함될 수 있다. 완충부재(300)는 박막 폴리머 물질등과 같은 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 테이프 또는 갭 페이퍼(Gap Paper) 등과 같은 소재가 될 수 있다.

완충부재(300)에 의해, 레이저 빔 조사에 따른 물체(1)의 물리적 충격을 효과적으로 흡수하기 때문에, 실제 물체(1)와 스테이지(200)가 접촉하여 발생 가능한 물체(1)의 물리적 균열 등을 효과적으로 방지할 수 있다.

절단 시스템에는, 광원 발생부(10)와 파장 변환기(100)가 포함될 수 있다. 파장 변환기(100)는, 광원 발생부(10)와의 상호 동작을 통해, 도 1에서 설명한 바와 같이 제1 파장 내지 제3 파장의 레이저 빔을 생성할 수 있다.

파장 변환기(100)에는 파장 조합부(60)가 포함되거나, 도 2와 같이 연결되어 있을 수 있다. 파장 조합부(60)는 그 자체로, 물체(1)의 절단될 부분에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사장치를 구성할 수 있다. 또는, 레이저 빔 조사장치는, 파장 조합부(60)로부터 제1 내지 제3 파장의 레이저 빔 또는 이를 상호 조합한 파장의 레이저 빔을 수신하고, 이를 물체(1)의 절단될 부분에 조사하도록 독립적인 구성을 가질 수 있다.

절단 시스템에는 질소가스 주입수단(400)이 포함될 수 있다. 질소가스 주입수단(400)은, 레이저 빔이 조사되는 위치에 냉각 질소가스를 주입하는 기능을 수행한다.

질소가스 주입수단(400)은 노즐(401)이 일 단부에 구비된 관에 연결된 노즐 형태로서, 노즐(401)은 레이저 빔이 조사되는 위치로 냉각 질소가스를 불어주도록 구성된다. 본 발명에서는, 상기의 기능을 수행하기 위해, 질소가스 주입수단(400)이 파장 조합부(60)인 레이저 빔 조사장치에 고정된 노즐 형태로 구성되어 있으나, 그 구성은 이에 제한되지 않을 것이다.

본 발명에서는 냉각 질소가스를 사용하여, 물체(1)에 대한 열적인 데미지를 감소시키기 위해, 질소가스 주입수단(400)은 질소가스 냉각수단(402)에 연결될 수 있다. 질소가스 냉각수단(402)은 질소가스 통(403)에 냉각된 질소가스를 주입하고, 질소가스 통(403)을 통해 냉각된 질소가스가 질소가스 주입수단(400)에 공급되고, 노즐(401)에서 냉각된 질소가스가 물체(1)에 분사된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 파장 변환기의 구성 예를 도시한 것이다. 이하의 설명에서 도 1 및 2에 대한 설명과 중복되는 부분은 그 설명을 생략하기로 한다.

도 3을 참조하면, 레이저 빔의 파장 변환기(100)는, 광원 발생기(10)로부터 제1 파장의 레이저 빔(12)을 수광하게 된다.

입사된 제1 파장의 레이저 빔(12)은, 제1 스위치(20)가 “닫힘” 상태가 되면, 광로가 변형되어 반사용 미러(70)에 입사된다. 반사용 미러(70)는 제1 파장의 레이저 빔(12)의 광로를 변형하여, 파장 조합부(60)로 제1 파장의 레이저 빔(12)이 향하도록 한다.

제1 스위치(20)은 상기 언급한 바와 같이 전반사 또는 일부 반사가 가능한 두 개의 미러로 구성될 수 있다. 도 3에서는 제1 스위치(20)의 동작의 이해를 돕기 위해 하나의 미러를 포함하는 것으로 구성되어 있으나, 상기 언급한 바와 같이 두 개의 미러로 구성될 수 있다.

제1 스위치(20)가 “열림” 상태가 되거나, 상기의 제2 미러에 의해 “닫힘” 상태가 되면, 제1 파장의 레이저 빔 전부 또는 일부가 제1 파장 변환부(30)에 입사된다. 제1 파장 변환부(30)를 통과한 레이저 빔은, 제2 파장의 레이저 빔(13)이 된다.

제2 파장의 레이저 빔(13)은 제2 스위치(40)로 입사된다. 제1 스위치(20)의 동작과 마찬가지로, 제2 스위치(40)가 “닫힘” 상태가 되면, 그 광로가 변형되어 반사용 미러(71)에 입사된다. 반사용 미러(71)는 제2 파장의 레이저 빔(13)의 광로를 변형하여, 그 레이저 빔이 파장 조합부(60)를 향하도록 한다.

제2 스위치(40)가 “열림” 상태가 되거나, 제2 스위치 측의 제2 미러가 “닫힘” 상태가 되면, 전부 또는 일부의 제2 파장의 레이저 빔(13)이 제2 파장 변환부(50)에 입사된다. 제2 파장 변환부(50)는 제2 파장의 레이저 빔(13)을 제3 파장의 레이저 빔(14)으로 변환한다. 제3 파장의 레이저 빔(14)은, 반사용 미러(51)에 의해 그 광로가 변형되어, 반사용 미러(72)에 입사된다. 반사용 미러(72)는 제3 파장의 레이저 빔(14)의 광로를 다시 한 번 변형하여, 파장 조합부(60)를 향하도록 한다.

파장 조합부(60)에서는 제1 내지 제3 파장의 레이저 빔(12, 13, 14) 또는 이들을 하나 이상 조합한 파장의 레이저 빔을 송출하게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예의 구현을 위한 제1 및 제2 스위치의 측단면도이다. 이하의 설명에서 도 1 내지 3에 대한 설명과 중복되는 부분은 그 설명을 생략하기로 한다. 구체적으로 도 4의 설명은 제1 스위치에 대한 설명을 하고 있으나, 제2 스위치 역시 동일한 구성을 갖고 있을 것이다.

도 4를 참조하면, 파장 변환기에는 케이스(110)가 있으며, 케이스(110)의 내부에는 광로(11)가 형성되어 있다. 광로(11)를 통해서 제1 레이저 빔(12)이 입사된다.

제1 레이저 빔(12)은, 제1 파장 변환부로 그 광로(11)가 형성되어 있다. 제1 스위치에는 이동수단으로서 슬라이드 수단(22)이 형성되어 있다. 슬라이드 수단(22)은 케이스(110)의 홈(23)에 삽입되어, 제1 스위치의 미러(21)를 평행운동 하도록 한다.

미러(21)는 슬라이드 수단(22)과 결합되어 홈(23)의 형성 방향으로 평행운동을 하게 된다. 이를 통해, 미러(21)는 광로(11)를 차단하는 위치로 이동이 가능하다.

미러(21)가 광로(11)를 차단하면, 빛이 일정 각도로 반사되어 광고가 변형된다. 미러(21)가 도 4의 위치와 같이 “열림” 상태가 되면, 광고(11)는 차단되지 않게 되며, 제1 파장의 레이저 빔(12)은 제1 파장 변환부에 입사될 것이다.

도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 절단선 내 이동 경로를 나타낸 것이다. 이하의 설명에서 도 1 내지 5에 대한 설명과 중복되는 부분은 그 설명을 생략하기로 한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 레이저 빔 경로가 복수개로 설정되는 방식이 제공된다.

도 5을 참조하면, 절단선 내의 레이저 빔은 A, B, C의 세 경로로 웨이퍼를 절단한다. 이때, 각 경로의 레이저 빔의 집광밀도(에너지 패턴)는 서로 맞닿거나, 또는 소정 수준으로 교차(오버랩)하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서 각 경로의 레이저 빔의 오버랩 범위는 1 내지 10μm, 보다 바람직하게는 3 내지 8μm인 것이 바람직하다. 만약, 레이저 빔 경로가 서로 이격된 경우, 충분한 절단 효과를 기대하기 어렵고, 상기 범위보다 크게 오버랩되면, 절단선 내에서 균일한 절단 효과가 발생하지 않는다.

더 나아가, 본 발명은 상기 절단선 내의 레이저 빔의 이동 경로 순서를 좌측이나 우측으로의 연속적 방식으로 구성하지 않고, 불연속적인 방식으로 구성한다.

예를 들면, A-B-C 경로 중 B를 먼저, 다시 A, 마지막으로 C의 경로로 웨이퍼를 절단할 수 있다. 또는, A를 먼저, 다시 C, 마지막으로 B의 경로로 웨이퍼를 절단할 수 있다. 즉, 본 발명은 A-B-C 또는 C-B-A와 같이 연속적으로 레이저 빔 가공 경로를 이동시키지 않는데, 그 이유는 레이저 빔에 의한 균일한 절단효과를 발생시키기 위함이다.

하기 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 A, B, C 경로에 대한 절단 순서(숫자)를 나타낸다.

	A	B	C
실시예 1	2	1	3
실시예 2	1	2	3
실시예 3		1
실시예 4	1,4	3	2,5

또한 본 발명의 경우, 각 경로에서의 적절한 레이저 빔 이동 속도를 0 내지 400mm/s로 선택하였다. 만약 상기 속도보다 빠른 경우, 충분한 레이저 빔 절단 효과를 기대할 수 없다.

또한, 본 발명의 경우 레이저 빔 조사 횟수를 복수로 설정하며, 본 발명의 일 실시예의 경우 상기 조합된 레이저 빔의 조사 횟수를 10회 이하로 설정하였다. 여기에서 레이저 빔 조사 횟수는 해당 절단선 내를 상기 레이저 빔이 표 1과 같은 조합으로 모두 조사하는 경우를 1회로 계산한다.

본 발명에 따른 웨이퍼 절단 시스템은 레이저 빔의 전기적 파워(Laser E-power (W))와 물리적 파워(Laser P-poer(W))를 하기 표 2와 같이 제공한다. 여기에서 전기적인 파워는 레이저에서 공급되고 있는 전기 전자적 파워를 의미하며, 물리적인 파워는 광학적으로 레이저 빔의 사이즈를 조정하여 파워를 가변하는 것을 의미한다.

	A	B	C
Laser E-power(W)	6	6	6
	5.5	5.5	5.5
	5	5	5
Laser P-power(W)	5.5	5.5	5.5
	5	5	5
	4.5	4.5	4.5

더 나아가, 본 발명은 웨이퍼의 두께에 따라 레이저의 초점심도(DOF, depth of focus), 초점 렌즈의 배율, 가공 속도가 웨이퍼 단면에 영향을 주는 점을 발견하였다. 이로써 가공속도는 0~ 400mm/s, 렌즈배율 2~ 50배, 초점심도 0~ 30um인 경우, 웨이퍼 단면 상태가 좋아지며, 칩 강도가 향상된다.

본 발명은 이상의 공정 조건, 즉, 절단선 내에서의 레이저 빔 이동 경로 순서, 속도, 횟수, 오버랩 수준 및 레이저 빔의 파워라는 공정 조건의 조합에 따라 웨이퍼의 절단 효과가 극명하게 달라지는 점에 기초하여 본 발명에 이르렀으며, 이상의 고정 조건 조합과 함께 냉각 질소 주입, 그리고, 완충부재를 웨이퍼와 스테이지 사이에 구비시킴으로써, 웨이퍼 단면의 풀 커팅(full cutting)을 효과적으로 수행하며, 특히 칩 강도를 블레이 소잉 수준으로 향상시켰다.

본 발명의 또 다른 일 실시예는 레이저 빔의 집광밀도 축과 웨이퍼 이동방향 축을 45도로 하는 기술구성을 제공한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물체 절단 방법을 설명하는 모식도이다.

도 6를 참조하면, 절단하고자 하는 웨이퍼에 조사되는 레이저 빔은 장축(x)과 단축(y)을 갖는 타원의 집광밀도를 갖는다. 즉, 레이저 빔의 형태가 S(horizontal)파와 P(vertical) 파로 구성되어 있으며, 이 경우 동일하지 않은 두 파의 에너지 밀도로 인하여, 원형이 아닌 타원 형태로 레이저 빔이 웨이퍼에 집광, 조사된다. 여기에서 집광밀도는 레이저 빔의 에너지 패턴에 대응되며, 종래 기술의 경우 레이저 빔의 이러한 에너지 패턴 특성에도 불구하고, 직교하는 형태로 웨이퍼를 절단하므로, 웨이퍼 절단선의 X축과 Y축의 절단면의 프로파일이 달라지는 문제가 있었다. 따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 발견하고, 이를 해결하기 위하여 웨이퍼의 절단선을 레이저 빔의 타원축에 대하여 45도만큼 기울어진 형태로 구성한다.

즉, 도 6를 참조하면, 타원 형태의 레이저 빔의 타원의 기준축(타원축)인 x축(장축), y축(단축)에 대하여, 절단선의 직교축인 X축, Y축은 45도를 이룬다. 즉, 절단선을 따라 레이저 빔의 조사지점이 이동되는 경우, 레이저 빔은 45도로 기 울어진 형태로 절단선을 이동하며, 이에 따라, X축, Y축에서의 집광밀도 프로파일이 모두 45도 기울어진 형태가 된다.

도 7은 X축으로 레이저 빔을 이동시키는 경우를 나타내고, 도 8는 Y축으로 레이저 빔을 이동시킨 경우를 나타내는 도면이다.

도 7및 도 8를 참조하면, X축의 레이저 빔 패턴과 Y축의 레이저 빔 패턴은 동일하게 45도로 기울어진 것을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 빔은 고정된 배향각을 가지며, 웨이퍼를 90도 회전시킴에 따라, 사각구조로 웨이퍼를 동일 패턴으로 절단할 수 있으며, 이는 45도로 웨이퍼를 기울이는 형태로 절단 공정을 진행함으로써 달성될 수 있는, 본 발명의 특유 효과이다.

도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 시스템의 구현 예에 대한 사시도이다.

도 9을 참조하면, 본 발명에 따른 웨이퍼 절단 시스템에 있어서 반도체 웨이퍼(1)는 소정의 수평방향(X방향 또는 Y방향)을 따라 왕복 이동하는 슬라이드 테이블(slide table) 상에 마련된 스테이지(200)에 탑재된다. 상기 슬라이드 테이블은 수평한 상태에서 X방향 또는 Y방향으로 슬라이드 가능하도록 다수의 가이드 레일(guide rail)에 의해 지지되어 있다. 또 스테이지(100)는 회전 가능한 테이블을 사용할 수도 있다. 즉, 기준위치에 대하여 임의의 회전각도 θ가 되도록 스테이지(200)를 회전시킬 수 있다. 또한, 스테이지(200)의 상면에 탑재된 웨이퍼(1)는 예를 들어 흡인 척(suction chuck)에 의하여 스테이지(200)에 고정된 후에 위치가 결정된다. 이하 설명의 편의상, 슬라이드 테이블, 다수의 가이드 레일 등 스테이지의 위치를 이동시키는 구성을 '이동 수단'이라 한다. 상기 스테이지 상측으로는 레이저 빔 조사장치인 파장 조합부(60)가 배치되며, 상기 파장 조합부(60)로부터 단일 또는 복수 파장의 레이저 빔은 집광되어, 상기 스테이지(100) 상면의 웨이퍼(1)로 조사된다. 이때 상기 파장 조합부(60)의 고정된 좌표축(이것은 타원형태인 레이저 빔 에너지 패턴의 타원축, 즉, 장축(x)과 단축(y)을 기준함)에 대한 상기 스테이지(200)의 이동 방향의 좌표축은 45도를 이룬다. 이와 달리 상기 파장 조합부(60)를 상기 웨이퍼의 수직 좌표에 대하여 45도로 이동시킬 수 있으며, 어떠한 경우라고 하더라도 집광되는 레이저 빔에 의하여 절단되는 웨이퍼 절단선은 상기 레이저 빔의 타원축에 대하여 45 도를 구성하게 된다.

이와 같이 본 발명은 레이저의 광로를 최단거리를 설계하며 광에 의한 충격(shock)을 줄이며 물리적인 충격을 완화시킬 수 있도록 빔을 확장시키는 장치를 설치, 제어하는 구성을 제공한다. 또한 정밀도를 높이기 위해서 변위 센서를 이용한 측정 포커싱과 웨이퍼의 편차를 커버하기 위해서 좀더 정밀한 비젼 포커싱을 복합적으로 사용함으로써 정밀 가공하는데 원활하게 한다.

이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명이 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

Claims

광원 발생부로부터 공급된 제1 파장의 레이저 빔의 파장을 제2 파장의 레이저 빔으로 변환하는 제1 파장 변환부;
상기 제2 파장의 레이저 빔을 제3 파장의 레이저 빔으로 변환하는 제2 파장 변환부;
상기 광원 발생부와 상기 제1 파장 변환부 사이에 설치되어, 상기 광원 발생부에서 발생된 제1 파장의 레이저 빔을, 상기 제1 파장 변환부로 입사시키는 것을 제어하는 제1 스위치;
상기 제1 파장 변환부와 상기 제2 파장 변환부 사이에 설치되어, 상기 제1 파장 변환부에서 변환된 제2 파장의 레이저 빔을 상기 제2 파장 변환부로 입사시키는 것을 제어하는 제2 스위치; 및
상기 제1 스위치에서 반사된 제1 파장의 레이저 빔, 상기 제2 스위치에서 반사된 제2 파장의 레이저 빔 및 상기 제2 파장 변환부에서 변환된 제3 파장의 레이저 빔 중 적어도 하나를 집광하여 조합한 레이저 빔을 생성하는 파장 조합부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 파장 변환기.
제1항에 있어서,
상기 제1 스위치는,
상기 제1 파장의 레이저 빔 전부를 상기 파장 조합부로 반사시키는 제1 스위치 측 제1 미러;
상기 제1 파장의 레이저 빔 중 일부를 상기 파장 조합부로 반사시키고, 나머지를 상기 제1 파장 변환부로 투과시키는 제1 스위치 측 제2 미러; 및
상기 광원 발생부와 상기 제1 파장 변환부 사이의 광로를 상기 제1 미러와 상기 제2 미러 중 적어도 하나로 차단하거나, 상기 광로를 유지하도록 상기 제1 스위치를 이동시키는 이동 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 파장 변환기.
제1항에 있어서,
상기 제2 스위치는,
상기 제2 파장의 레이저 빔 전부를 상기 파장 조합부로 반사시키는 제2 스위치 측 제1 미러;
상기 제2 파장의 레이저 빔 중 일부를 상기 파장 조합부로 반사시키고, 나머지를 상기 제2 파장 변환부로 투과시키는 제2 스위치 측 제2 미러; 및
상기 제1 파장 변환부와 상기 제2 파장 변환부 사이의 광로를 상기 제1 미러와 상기 제2 미러 중 적어도 하나로 차단하거나, 상기 광로를 유지하도록 상기 제2 스위치를 이동시키는 이동 수단;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 파장 변환기.
제1항에 있어서,
상기 제1 파장의 레이저 빔의 파장은, 상기 제2 파장의 레이저 빔의 파장의 2배인 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 파장 변환기.
제1항에 있어서,
상기 제2 파장의 레이저 빔의 파장은, 상기 제3 파장의 레이저 빔의 파장의 2배인 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 파장 변환기.
제1항에 있어서,
상기 제1 스위치에서 반사된 제1 파장의 레이저 빔, 상기 제2 스위치에서 반사된 제2 파장의 레이저 빔 및 상기 제2 파장 변환부에서 변환된 제3 파장의 레이저 빔 각각을 상기 파장 변환부에 집광시키는 복수의 반사용 미러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 파장 변환기.
절단되는 물체가 탑재되는 스테이지;
상기 스테이지의 상측에 이격되어 설치되고, 상기 물체의 절단될 부분에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사장치;
제1 파장의 레이저 빔을 생성하는 광원 발생기;
상기 광원 발생기로부터 제1 파장의 레이저 빔을 공급받아, 서로 다른 파장을 갖는 제1 파장의 레이저 빔, 제2 파장의 레이저 빔 및 제3 파장의 레이저 빔을 생성하고, 상기 제1 파장의 레이저 빔, 제2 파장의 레이저 빔 및 제3 파장의 레이저 빔 중 적어도 하나를 조합한 레이저 빔을 생성하여 상기 레이저 빔 조사장치에 공급하는 파장 변환기; 및
상기 레이저 빔 조사장치에 냉각 질소가스를 주입하기 위한 냉각 질소가스 주입수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 절단 시스템.
제7항에 있어서,
상기 스테이지와 상기 물체 사이에, 상기 조합한 레이저 빔의 조사에 따른 물리적 충격을 완화하기 위한 완충부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절단 시스템.
제7항에 있어서,
상기 조합된 레이저 빔은 복수의 경로로 상기 물체를 절단하는 것을 특징으로 하는 절단 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 파장의 레이저 빔의 파장은, 상기 제2 파장의 레이저 빔의 파장의 2배인 것을 특징으로 하는 절단 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제2 파장의 레이저 빔의 파장은, 상기 제3 파장의 레이저 빔의 파장의 2배인 것을 특징으로 하는 절단 시스템.
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