KR101202256B1

KR101202256B1 - Ultrashort pulse laser and water cutting device and method using coagulation

Info

Publication number: KR101202256B1
Application number: KR1020100119980A
Authority: KR
Inventors: 김승우; 김영진; 김윤석; 김승만; 유준호; 한승회; 박상욱
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-11-16
Also published as: KR20120058276A

Abstract

본 발명은 극초단 펄스 레이저와 수분 응고를 이용한 절단 장치 및 방법에 관한 것으로, 절단 장치에 있어서, 극초단 펄스 레이저를 출력하여 가공 대상물에 공동(void)을 형성시키기 위해 집광렌즈로 집광하여 상기 가공 대상물에 레이저를 조사하는 레이저소스, 상기 가공 대상물 저면을 접하여 내측으로 소정의 공간부를 형성하고, 양쪽으로 수증기 공급부와 냉각 기체 공급부가 구비된 베이스 플레이트, 상기 수증기 공급부로 수증기를 공급하는 수증기 공급수단; 및 상기 냉각 기체 공급부로 냉각 기체를 공급하는 냉각 기체 공급수단을 포함하고, 상기 레이저소를 통해 가공 대상물에 조사하여 균열을 발생시키고, 수증기를 공급한 후 냉각 기체를 공급하여 수증기 응고에 따른 팽창으로 기판을 절단하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 가공 대상물 표면으로 파편 입자 생성을 방지할 수 있고, 수분 팽창을 이용하여 최종적으로 절단하기 때문에 공정의 간소화, 공정의 청정성을 확보할 수 있다.The present invention relates to a cutting device and method using an ultra-short pulse laser and moisture coagulation, in the cutting device, the ultra-short pulse laser is output by condensing with a condensing lens to form a cavity on the object to be processed A laser source for irradiating a laser to an object, forming a predetermined space portion in contact with a bottom surface of the object to be processed, a base plate having a steam supply part and a cooling gas supply part on both sides, and steam supply means for supplying steam to the vapor supply part; And cooling gas supply means for supplying cooling gas to the cooling gas supply unit, irradiating the object to be processed through the laser, causing cracks, supplying steam, and then supplying the cooling gas to expand due to steam coagulation. It is characterized by cutting the substrate. It is possible to prevent the generation of debris particles on the surface of the object to be configured as described above, and finally cut by using water expansion, thereby simplifying the process and ensuring cleanliness of the process.

Description

Ultrashort pulse laser and water cutting device and method using coagulation}

본 발명은 극초단 펄스 레이저와 수분 응고를 이용한 절단 장치 및 방법에 관한 것으로, 투명재료, 웨이퍼 및 기판 절단을 위해 레이저 가공과 함께 물리적 방법을 적용하여 효과적으로 기판을 절단하기 위한 절단 장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a cutting device and method using an ultra-short pulse laser and moisture coagulation, and to a cutting device and method for effectively cutting a substrate by applying a physical method with laser processing for cutting transparent materials, wafers and substrates. will be.

기존의 취성 기판 절단 및 분리 방법은 글라스, 실리콘, 세라믹 등의 취성기판을 절단하여 분리시키는 데 사용되는 방법으로는, 스크라이빙(Scribing), 블레이드 다이싱(Blade Dicing), 레이저 절단, 스텔스 다이싱(Stealth Dicing) 및 TLS(Thermal Laser Seperation) 등의 절단 방법이 사용되고 있다. Conventional methods for cutting and separating brittle substrates are used to cut and separate brittle substrates such as glass, silicon, and ceramics, and include scribing, blade dicing, laser cutting, and stealth dies. Cutting methods such as sealing (Dicing) and Thermal Laser Seperation (TLS) are used.

이 중에서 스크라이빙과 블레이드 다이싱 방법은 기계적인 절단 방법이고, 스텔스 다이싱과 TLS 방법은 레이저를 이용한 비접촉식 절단 방법이다. 기존 기계적 절단 방법은, 가공 시 다량의 칩을 형성하며 잔류응력 등을 가공물에 남기게 되므로, 100 um 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 가짐. 또한 가공물의 흡수도에 따라 가공 정도가 달라져 다양한 재료로 이루어진 다층구조를 절단하는데 어려움이 있다.Among them, the scribing and blade dicing methods are mechanical cutting methods, and the stealth dicing and TLS methods are non-contact cutting methods using lasers. Existing mechanical cutting method forms a large amount of chips during processing and leaves residual stress on the workpiece, which causes severe breakage and tearing in the thin film of less than 100 um. Conventional laser-based processing is a heat transfer-based processing process, which results in a large thermal load resulting in a heat affected zone (HAZ), which has limitations such as cracking or dropping strength of the workpiece. In addition, the degree of processing changes depending on the absorbency of the workpiece, there is a difficulty in cutting a multi-layer structure made of a variety of materials.

스텔스 다이싱 방법과 TLS 방법은, 기판을 표면에서 직접 제거하지 않고, 기판 내부에 변형층을 형성하거나 인장 잔류응력을 발생시켜 기판을 절단하므로 절단 과정에서 파편 혹은 입자의 발생을 줄일 수 있음. 하지만 이 역시 열적 공정을 기반으로 하여, 열영향지대가 형성되며, 잔류응력 등이 그대로 남아, 기판의 특성을 변화시킴. 또한 TLS의 경우, 열을 냉각시키는 냉각제의 별도 클리닝이 요구되는 제한점을 가진다.The stealth dicing method and the TLS method cut the substrate by forming a strained layer or generating tensile residual stress in the substrate without directly removing the substrate from the surface, thereby reducing the occurrence of debris or particles during the cutting process. However, this is also based on the thermal process, the heat affected zone is formed, the residual stress is left as it is, it changes the characteristics of the substrate. In addition, in the case of TLS, there is a limitation in that separate cleaning of the coolant to cool the heat is required.

기존의 펄스 레이저는 피가공물을 열적으로 여기시킴으로써, 물질의 상을 변화시켜 가공을 수행한다. 이에 반해, 극초단 펄스 레이저(펄스폭 10 ps 이하)는 극초단 펄스의 높은 첨두출력을 이용하여 피가공물을 플라즈마 상태로 직접 변화시켜 제거하거나 물질의 상태를 변화시키는 것을 기반으로 한다. 또한 좁은 펄스폭으로 인해, 주변 물질로 열이 전도되기 전에 모든 가공이 수행되므로, 가공 주변 부에 영향을 주지 않는 깨끗하고 정밀한 가공이 가능하다.Conventional pulsed lasers thermally excite the workpiece, thereby changing the phase of the material to perform the processing. In contrast, ultrashort pulse lasers (pulse widths of 10 ps or less) are based on the high peak power of the ultrashort pulses to directly remove or remove the workpiece into the plasma state or change the state of the material. In addition, due to the narrow pulse width, all processing is performed before heat is conducted to the surrounding material, thereby enabling clean and precise processing without affecting the processing peripheral portion.

극초단 펄스 레이저의 가공의 장점으로는 기존 레이저 가공에서 요구되는 피가공물의 비결정적 결함전자(Defect Electron)에 의존하지 않고 비선형 광흡수에 의해 가공이 시작 및 진행됨. 따라서 가공물에 의존하지 않는 결정적 공정(Deterministic)으로 가공의 제어가 매우 용이하다.The advantages of the ultra short pulse laser The process starts and proceeds by nonlinear light absorption without relying on the non-defective defect electrons of the workpiece required for conventional laser processing. Therefore, the control of the machining is very easy with a deterministic process that does not depend on the workpiece.

극초단 펄스 앞단의 수십 펨토초에 해당하는 시간 동안 비선형 이온화를 통해 시드 전자(Seed Electron)군이 충분히 생성 되므로, 이를 통해 가공이 시작 및 진행된다. 따라서 가공 부위의 선택성과 공정의 반복성을 크게 높일 수 있으므로, 실제 응용 분야에 적용에 있어서 매우 유리하다.Seed electron groups are sufficiently generated through nonlinear ionization for tens of femtoseconds in front of the ultra-short pulse, so processing starts and progresses. Therefore, the selectivity of the processing site and the repeatability of the process can be greatly increased, which is very advantageous in application to practical applications.

극초단 펄스 레이저가 투명재료 가공에 있어서 가지는 장점은 비선형 광흡수 현상에 의해, 초점 부근의 부피에만 가공 및 변화를 집중시킬 수 있음 가공 정밀도를 높일 수 있으며, 주변 영역에 응력변화를 최소화 할 수 있다. 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.The advantage of ultra-short pulse lasers in the processing of transparent materials is that due to the non-linear light absorption phenomenon, processing and changes can be concentrated only on the volume near the focus. The processing precision can be increased and the stress change in the surrounding area can be minimized. . Since the nonlinear light absorption phenomenon does not depend on the physical properties of the workpiece, various workpieces can be processed, and in particular, a workpiece composed of a combination of various different materials and layers can be easily processed with a single laser.

펨토초 레이저 마이크로 가공 원리는 극초단 레이저 기반 광학 브레이크 다운(Optical Breakdown)을 기반으로 한다. 광 에너지가 물질에 전파되고, 이는 다수의 전자를 이온화 시키게 된다. 이 결과 에너지가 물질의 래티스(Lattice)로 전달되어 물질의 상(phase) 변화 혹은 구조적 변화를 발생시킴. 레이저 집속 구역에 집중된 굴절률의 변화 및 공동(void)을 생성하기도 한다. 10 fs 이상의 펄스폭을 가질 경우 비선형적으로 여기된 전자는 광자를 통한 선형적 흡수 메커니즘을 통해 충분한 에너지를 얻어 다른 속박 전자를 추가 여기시키는 아발란치(Avalanche) 이온화 과정을 발생시켜 추가 가공속도의 향상을 가져온다.The femtosecond laser micromachining principle is based on ultra-short laser-based optical breakdown. Light energy propagates through the material, which causes many electrons to ionize. As a result, energy is transferred to the material's lattice, causing a phase change or structural change in the material. It also produces voids and changes in refractive index concentrated in the laser focusing zone. With a pulse width of 10 fs or more, nonlinearly excited electrons generate sufficient energy through a linear absorption mechanism through the photons, resulting in an Avalanche ionization process that further excites other bond electrons, resulting in additional processing speed. It brings an improvement.

하지만, 기존의 레이저 가공은 가공 시 가공재료 윗면에 가공잔류물을 생성하고, 절단 시 파편 혹은 입자가 생성될 뿐만 아니라, 가공재료의 개질면 생성 및 절단을 위해 여러 단계의 장치로 이송해야하는 프로세스의 복잡한 단점을 가지고 있다.Conventional laser processing, however, generates processing residues on the upper surface of the workpiece during processing, fragments or particles are generated during cutting, and transfers to various stages of equipment to create and cut modified surfaces of the workpiece. It has a complicated drawback.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공 대상물 밑면에 공동을 생성함으로써 레이저 가공시 시편위에 발생하는 가공잔류물을 형성하지 않고, 공동에 공급된 수분의 응고시 발생하는 응력을 이용하므로 절단 시 발생하는 파편 혹은 입자의 생성을 줄여 깨끗한 가공을 진행할 수 있고, 가공 대상물의 이송 없이 하나의 장치에서 공동 생성 및 절단을 하므로 가공속도를 향상시킬 수 있는 기판 절단 장치 및 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
The present invention for solving the above problems by using the ultra-short pulse laser to create a cavity on the bottom of the object to be processed does not form the processing residue generated on the specimen during laser processing, occurs during the solidification of the water supplied to the cavity Substrate cutting device and method that can improve the processing speed by reducing the generation of debris or particles generated during cutting, thereby making clean processing, and co-creating and cutting in one device without transferring the object. Its purpose is to provide it.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 절단 장치에 있어서, 극초단 펄스 레이저를 출력하여 가공 대상물에 공동(void)을 형성시키기 위해 집광렌즈로 집광하여 상기 가공 대상물에 레이저를 조사하는 레이저소스, 상기 가공 대상물 저면을 접하여 내측으로 소정의 공간부를 형성하고, 양쪽으로 수증기 공급부와 냉각 기체 공급부가 구비된 베이스 플레이트, 상기 수증기 공급부로 수증기를 공급하는 수증기 공급수단; 및 상기 냉각 기체 공급부로 냉각 기체를 공급하는 냉각 기체 공급수단을 포함하고, 상기 레이저소tm를 통해 가공 대상물에 조사하여 균열을 발생시키고, 수증기를 공급한 후 냉각 기체를 공급하여 수증기 응고에 따른 팽창으로 기판을 절단하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, in the cutting device, a laser source for outputting an ultra-short pulse laser to condense with a condenser lens to form a cavity in the object to be irradiated the laser to the object A base plate provided with a water vapor supply part and a cooling gas supply part on both sides thereof, the vapor supply means supplying water vapor to the water vapor supply part; And a cooling gas supply means for supplying a cooling gas to the cooling gas supply part, and irradiates the object to be processed through the laser element tm to generate a crack, and after supplying water vapor, supplying the cooling gas to expand the water according to the water vapor coagulation. It is characterized by cutting the substrate.

또한, 상기 레이저소스는, 레이저가 조사된 상기 가공 대상물의 반대면으로 공동이 형성되도록 펄스 레이저 에너지를 조절하는 것을 특징으로 한다.In addition, the laser source is characterized in that for controlling the pulse laser energy to form a cavity on the opposite surface of the object to be irradiated laser.

또한, 상기 절단장치는, 상기 베이스 플레이트에 공급된 수증기를 냉각시켜 절단하는 과정에서 가공 대상물을 고정하기 위한 진공척이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.The cutting device may further include a vacuum chuck for fixing the object to be processed in the process of cooling and cutting the water vapor supplied to the base plate.

또한, 상기 진공척은, 상기 가공 대상물이 각각 분리되는 면적마다 진공흡입 가능하도록 다수의 흡입로가 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the vacuum chuck is characterized in that a plurality of suction passages are formed so as to enable vacuum suction for each area in which the object to be processed is separated.

또한, 상기 극초단 펄스 레이저는, 10 피코초(ps) 이하의 펄스폭을 가지는 레이저에 해당하는 것을 특징으로 한다.In addition, the ultra-short pulse laser is characterized by corresponding to a laser having a pulse width of less than 10 picoseconds (ps).

또한, 상기 가공 대상물은, 투명재료 또는 웨이퍼 인 것을 특징으로 한다.The object to be processed may be a transparent material or a wafer.

또한, 절단 방법에 있어서, 가공 대상물로 극초단 펄스 레이저를 조사하여 절단 영역에 따라 공동(void)을 형성시키는 단계, 상기 가공 대상물의 공동이 형성된 면에 접하고 있는 베이스 플레이트의 수증기 공급부로 수증기를 공급하는 단계, 상기 수증기 공급 후 냉각 기체 공급부로 냉각 기체를 공급하여 수증기 팽창을 이용하여 상기 가공 대상물에 형성된 공동을 따라 절단하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Further, in the cutting method, irradiating an ultra-short pulsed laser to the object to be formed to form a cavity according to the cutting area, supplying water vapor to the water vapor supply portion of the base plate which is in contact with the surface on which the cavity of the object is formed. And supplying a cooling gas to the cooling gas supply unit after the steam supply, and cutting along the cavity formed in the object to be processed using steam expansion.

또한, 상기 절단하는 단계에는, 각각 분리되는 상기 가공 대상물을 진공척으로 고정한 후 절단하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the cutting step, characterized in that the cutting after fixing the workpiece to be separated by a vacuum chuck, respectively.

이와 같이 구성되는 본 발명은 레이저 가공 시 발생하는 가공잔류물을 줄여 깨끗한 가공 공정을 달성할 수 있고, 수분 응고를 팽창을 이용하여 공동 형성 후 절단을 수행함으로써 간단하고 청정한 가공을 달성할 수 있고, 가공물의 이송과정이 적어 신속한 가공을 수행할 수 있는 이점이 있다.
The present invention constituted as described above can achieve a clean processing process by reducing processing residues generated during laser processing, and can achieve simple and clean processing by performing cutting after cavity formation using expansion of moisture coagulation, The process of transporting the workpiece is small, so there is an advantage in that rapid machining can be performed.

도 1은 본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저와 수분 응고를 이용한 절단 장치 및 방법의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 절단 장치 및 방법에서 펄스 레이저 조사하여 균열을 생성시키는 과정을 도시한 상세도,
도 3은 본 발명에 따른 절단 장치 및 방법에서 베이스플레이트 내에 수증기가 공급된 상태를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 절단 장치 및 방법에서 수분 응고를 통한 절단 상태를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 절단 방법의 순서도.1 is a schematic configuration diagram of a cutting device and method using an ultra-short pulse laser and moisture coagulation according to the present invention,
2 is a detailed view showing a process of generating a crack by pulsed laser irradiation in the cutting device and method according to the invention,
3 is a view illustrating a state in which water vapor is supplied into a base plate in the cutting device and method according to the present invention;
4 is a view showing a cutting state through moisture solidification in the cutting device and method according to the present invention,
5 is a flow chart of a cutting method according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저와 수분 응고를 이용한 절단 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a cutting device and method using an ultra-short pulse laser and moisture coagulation according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저와 수분 응고를 이용한 절단 장치 및 방법은, 절단 장치에 있어서, 극초단 펄스 레이저를 출력하여 가공 대상물에 공동(void)을 형성시키기 위해 집광렌즈로 집광하여 상기 가공 대상물에 레이저를 조사하는 레이저소스, 상기 가공 대상물 저면을 접하여 내측으로 소정의 공간부를 형성하고, 양쪽으로 수증기 공급부와 냉각 기체 공급부가 구비된 베이스 플레이트, 상기 수증기 공급부로 수증기를 공급하는 수증기 공급수단; 및 상기 냉각 기체 공급부로 냉각 기체를 공급하는 냉각 기체 공급수단을 포함하고, 상기 레이저소를 통해 가공 대상물에 조사하여 균열을 발생시키고, 수증기를 공급한 후 냉각 기체를 공급하여 수증기 응고에 따른 팽창으로 기판을 절단하는 것을 특징으로 한다.In the cutting device and method using the ultra-short pulse laser and moisture coagulation according to the present invention, in the cutting device, the ultra-short pulse laser is output by condensing with a condensing lens to form a cavity in the object to be processed A laser source for irradiating a laser to a laser source, forming a predetermined space inwardly in contact with a bottom surface of the object to be processed, a base plate having a steam supply part and a cooling gas supply part on both sides thereof, and steam supply means for supplying steam to the vapor supply part; And cooling gas supply means for supplying cooling gas to the cooling gas supply unit, irradiating the object to be processed through the laser, causing cracks, supplying steam, and then supplying the cooling gas to expand due to steam coagulation. It is characterized by cutting the substrate.

본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저와 수분 응고를 이용한 절단 장치 및 방법은, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공 대상물로 공동(void)을 형성하고, 상기 공동으로 일정의 수분을 공급한 후 상기 수분을 냉각시켜 팽창에 의한 가공 대상물 절단을 위해 냉각 기체를 공급하여 수분 응고에 따른 팽창으로 가공 대상물을 절단하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.
The cutting device and method using the ultra-short pulse laser and moisture coagulation according to the present invention, by forming a cavity to the object to be processed using the ultra-short pulse laser, and supplying a predetermined amount of moisture to the cavity to the water The main technical point is to cut the object to be processed by expansion by cooling by supplying a cooling gas for cutting the object to be processed by expansion by cooling.

도 1은 본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저와 수분 응고를 이용한 절단 장치 및 방법의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a cutting device and method using an ultra-short pulse laser and moisture coagulation according to the present invention.

본 발명에 따른 가공 대상물은 바람직하게는 투명재료 또는 웨이퍼 기판을 절단하기 위한 것으로, 레이저소스(100)는 피코초(ps) 이하의 펄스폭을 가지는 소스를 사용하여 가공 대상물에 조사한다. 이때, 레이저의 에너지는 가공 대상물의 조사 방향 반대면으로 공동이 형성되도록 에너지를 조절하여 레이저를 조사한다. 또한, 상기 레이저를 가공 대상물에 조사하기 위해서는 광학적으로 미러(111)와 집광렌즈(110)가 구성될 수 있는데, 레이저소스에서 출력되는 레이저는 가공 대상물에 조사하기 위한 광학적 부품들은 얼마든지 변경 설계할 수 있는 것으로, 이에 한정되지 않는다. 상기 집광렌즈(120)는 일예로 개구수(NA: Numerical Aperture)가 0.5 수준의 빠른 집광렌즈를 이용하여 레이저를 집광함으로써 가공물(기판, 투명재료)에 조사한다. 또한, 상기 집광렌즈는 배율을 20× 이상을 가지는 것이 바람직하다.The object to be processed according to the present invention is preferably for cutting a transparent material or a wafer substrate, and the laser source 100 irradiates the object to be processed using a source having a pulse width of picosecond or less. At this time, the energy of the laser is irradiated by adjusting the energy so that the cavity is formed on the surface opposite the irradiation direction of the object. In addition, in order to irradiate the laser on the object to be processed, the optical mirror 111 and the condenser lens 110 may be optically configured. As it can, it is not limited to this. For example, the condenser lens 120 irradiates a workpiece (substrate or transparent material) by condensing a laser using a condenser lens having a numerical aperture (NA) of about 0.5. In addition, the condensing lens preferably has a magnification of 20 × or more.

펄스 에너지 조절에 대해 좀 더 상세히 설명하면, 집광렌즈를 통해 조사된 레이저에 의해 투명재료가 다중광자흡수를 통해 이온화되어 플라즈마 상태로 변화하게 되면 이 레이저 빔이 공간적으로 퍼지는 플라즈마 디포커싱을 유발하게 된다. 따라서, 투명재료 내부의 3 ~ 30 ㎛ 내외의 얕은 깊이에 집광을 하게 되면 초점까지 도달하는 과정에서 높은 펄스 당 에너지에 의해 개질영역이 생성되기 시작하고, 전파가 계속 진행되면서 펄스 에너지가 임계값을 넘어서면 플라즈마 디포커싱 현상이 발생한다. 이러한 개질영역과 플라즈마 디포커싱은 레이저의 집속을 방해하는 효과를 유발한다. 첫 번째 초점영역에서 개질영역이 형성되고 플라즈마 디포커싱 현상이 발생 후 펄스 당 에너지가 증가할수록 이러한 개질영역 및 플라즈마 디포커싱에 의한 레이저의 공간적 집속의 방해에 의해 초점거리가 점점 깊어지는 비선형 초점이동 현상이 일어나게 된다. 또한 펄스 당 에너지가 증가할수록 개질영역 및 플라즈마 디포커싱 현상이 시작되는 영역은 점점 얕아지게 된다. 따라서, 펄스 당 에너지가 증가할수록 개질영역 및 플라즈마 생성 영역이 점점 길어지게 되고, 투명재료 내의 비선형 초점이동(깊은 방향)과 개질 및 플라즈마 생성(얕은 방향)은 수십~ 백 um 내외의 길이영역으로 확장되는 것이다. 이러한 원리를 이용하여 펄스 에너지를 조절함으로써 공동 형성 영역을 제어할 수 있는 것이다.The pulse energy control is described in more detail. When a transparent material is ionized through multiphoton absorption by a laser irradiated through a condenser lens and changed into a plasma state, the laser beam causes spatially spread plasma defocusing. . Therefore, when the light is focused at a shallow depth of about 3 to 30 μm inside the transparent material, a modified region is generated by the high energy per pulse in the process of reaching the focal point, and as the propagation continues, the pulse energy sets the threshold value. The plasma defocusing phenomenon occurs. Such modified region and plasma defocusing cause an effect that disturbs the focusing of the laser. As the reformed region is formed in the first focal region and the plasma defocusing phenomenon occurs, as the energy per pulse increases, the nonlinear focal shift phenomenon in which the focal length becomes deeper due to the disturbance of the spatial focusing of the laser by the reformed region and plasma defocusing occurs. Get up. Also, as the energy per pulse increases, the region where the reforming region and the plasma defocusing phenomenon starts becomes shallower. Therefore, as the energy per pulse increases, the reformed region and the plasma generating region become longer, and the nonlinear focus movement (deep direction) and the modification and plasma generation (shallow direction) in the transparent material extend to the length region of about tens to hundred um. Will be. Using this principle it is possible to control the cavity forming area by adjusting the pulse energy.

한편, 본 발명에 따른 주요 구성요소로 가공 대상물 절단을 위하여 기판과 접하는 베이스 플레이트(base plate ; 104)가 구비된다. 상기 베이스 플레이트는 기판 절단에 적용되는 수증기 공급과 수증기를 냉각시키기 위한 냉각 기체를 수용하기 위한 수용체에 해당한다. 도 2는 본 발명에 따른 절단 장치 및 방법에서 펄스 레이저 조사하여 균열을 생성시키는 과정을 도시한 상세도이다. 도 2를 참조하여 베이스 플레이트를 설명하면, 가공 대상물과 접하는 면으로는 소정의 공간부(103)가 형성되고, 상기 공간부를 관통하는 수증기 공급부(106)와 냉각 기체 공급부(107)가 각각 형성된다.On the other hand, the main component according to the present invention is provided with a base plate (base plate; 104) in contact with the substrate for cutting the object to be processed. The base plate corresponds to a steam supply applied to cutting the substrate and a receptor for receiving a cooling gas for cooling the steam. Figure 2 is a detailed view showing a process for generating a crack by pulsed laser irradiation in the cutting device and method according to the present invention. Referring to FIG. 2, a base portion 103 is formed on a surface in contact with an object to be processed, and a water vapor supply portion 106 and a cooling gas supply portion 107 penetrating the space portion are formed, respectively. .

베이스 플레이트는 가공 대상물 저면에 형성되는 공동으로 수증기를 주입하여 정체시키고, 다시 상기 냉각 기체를 공급하여 상기 수증기를 냉각시켜 공동에 유입된 수증기의 부피 팽창을 유도함으로써 대상물 절단을 유도한다. 이러한 베이스 플레이는 금속재나 합성수지 계열로 제작될 수 있으며, 냉각 기체 공급에 따른 저온 안정화 재료로 준비되는 것이 바람직하다.The base plate injects water into the cavity formed on the bottom of the object to be stagnated, and supplies the cooling gas to cool the steam to induce volume expansion of water vapor introduced into the cavity, thereby inducing object cutting. The base play may be made of a metal material or a synthetic resin series, and preferably prepared from a low temperature stabilizing material according to a supply of cooling gas.

이와 같이 구성되는 베이스 플레이트를 가공 대상물 저면에 접하도록 위치시키고 펄스 레이저를 조사하여 공간부 내측에서 공동이 형성되도록 조사한다.The base plate thus constructed is placed in contact with the bottom of the object to be processed and irradiated with a pulsed laser to form a cavity inside the space.

도 3은 본 발명에 따른 절단 장치 및 방법에서 베이스플레이트 내에 수증기가 공급된 상태를 도시한 도면이다. 펄스 레이저를 조사하여 가공 대상물 저면으로 공동을 형성시킨 후에는 수증기 공급부(106)로 수증기 공급수단(108)을 통해 수증기를 주입한다. 상기 수증기 공급수단은 물(H₂0)을 가열하거나 초음파 등을 이용하여 수증기를 생성하는 수단에 해당한다. 이때 수증기를 충분히 공급하여 공동 내부로 수증기가 밀실히 채워지도록 공급한다.3 is a view illustrating a state in which water vapor is supplied into a base plate in the cutting device and method according to the present invention. After irradiating the pulsed laser to form a cavity in the bottom of the object to be processed, water vapor is injected into the water vapor supply unit 106 through the water vapor supply means 108. The steam supply means corresponds to a means for heating water H ₂ 0 or generating steam using ultrasonic waves or the like. At this time, the water vapor is supplied sufficiently so that the water vapor is tightly filled into the cavity.

도 4는 본 발명에 따른 절단 장치 및 방법에서 수분 응고를 통한 절단 상태를 도시한 도면이다. 수증기 공급수단을 통해 베이스 플레이트 공간부 내부로 수증기를 충분히 공급하여 가공 대상물 공동으로 채워지면, 냉각 기체 공급수단(109)을 통해 냉각 기체 공급부로 냉각 기체를 주입하여 수증기를 응고시킨다. 이러한 냉각 기체로는 질소, 헬륨, 산소를 고려할 수 있으며, 이는 액화상태에서 압력을 조절하여 생성할 수 있으며, 액화 형태에서의 표면기화 역시 고려할 수 있다.4 is a view illustrating a cutting state through moisture coagulation in the cutting device and method according to the present invention. When water vapor is sufficiently supplied into the base plate space through the steam supply means and filled into the object to be processed, the cooling gas is injected into the cooling gas supply through the cooling gas supply means 109 to solidify the water vapor. Nitrogen, helium, oxygen may be considered as such cooling gas, which may be generated by adjusting the pressure in the liquefied state, and surface vaporization in the liquefied form may also be considered.

이때, 냉각 기체를 주입하여 수증기를 응고시키기 전에는 기판에 진공척(300)을 흡착시켜 절단되는 가공 대상물을 고정시킨다. 여기서 상기 진공척은 절단에 따라 분리되는 대상물 마다 각각 흡착하여 고정시킬 수 있도록 미세 흡입로가 형성되어 있어 분리되는 대상물을 고정시킨다. 상기 진공척을 이용하여 가공 대상물 상부면을 흡착하여 고정을 완료하고 냉각 기체를 주입하게 된다. 냉각 기체가 주입되면, 공동 내에 존재하는 수증기가 응고되면서 부피 팽창을 이루고 이는 재료균열에 응력을 발생시킴으로써 레이저 조사를 통해 형성된 공동에 수직하게 가공 대상물을 절단시킨다.At this time, before injecting the cooling gas to solidify the water vapor, the object to be cut is fixed by adsorbing the vacuum chuck 300 on the substrate. Here, the vacuum chuck is formed with a fine suction path to be fixed to each of the objects to be separated according to the cutting to fix the object to be separated. The vacuum chuck is used to adsorb the upper surface of the object to be fixed to inject cooling gas. When the cooling gas is injected, the water vapor present in the cavity solidifies, causing volume expansion, which causes the material crack to be stressed to cut the workpiece perpendicular to the cavity formed through laser irradiation.

도 5는 본 발명에 따른 절단 방법의 순서도이다. 도 5의 순서도를 살펴보면, 가공 대상물로 피코초(ps) 이하의 펄스 레이저를 조사하여 가공 대상물 저면으로 공동을 형성시킨다. 공동이 형성된 후에는 베이스 플레이트를 가공 대상물 저면에 위치시키고 수증기 공급부를 통해 수증기를 공급한다. 이때, 상기 베이스 플레이트는 레이저를 조사하기 전에 위치시킬 수도 있고 그 전에 위치시킬 수도 있는 것이다.5 is a flowchart of a cutting method according to the present invention. Referring to the flowchart of FIG. 5, a pulse laser of picoseconds (ps) or less is irradiated to a processing target to form a cavity in the bottom of the processing target. After the cavity is formed, the base plate is placed on the bottom of the object to be processed and steam is supplied through the steam supply. In this case, the base plate may be positioned before or before the laser irradiation.

상기 수증기 공급부를 통해 일정량의 수증기를 공급한 후에는 가공 대상물을 절단하기에 앞서 진공척을 이용하여 기판을 고정한다. 왜냐하면 절단 후에 각각 분리되는 기판을 고정하기 위한 것이다. 여기서 상기 진공척은 각각 분리되는 가공 대상물을 개별적으로 흡입할 수 있는 흡입로가 구비된 진공척을 사용한다.After supplying a certain amount of water vapor through the water vapor supply unit, the substrate is fixed by using a vacuum chuck prior to cutting the object. This is for fixing the substrates to be separated after cutting. Here, the vacuum chuck uses a vacuum chuck provided with a suction path capable of individually sucking the processing object to be separated.

상기 진공척을 이용하여 가공 대상물 고정이 완료되면, 베이스 플레이트에 구비된 냉각 기체 공급부로 냉각 기체를 공급한다. 냉각 기체가 공급되면 내부에 존재하던 수증기가 응고된다. 이때 가공 대상물에 형성된 공동내로 유입되어 있던 수증기가 응고 되면서 부피 팽창을 이루게 되어 공동 방향에 대해 수평하게 응력을 발생시키고 이에 따라 공동 방향으로 균열이 진행되면서 기판을 최종적으로 절단하게 되는 것이다.When fixing the object to be processed using the vacuum chuck, the cooling gas is supplied to the cooling gas supply unit provided in the base plate. When the cooling gas is supplied, the steam existing inside coagulates. At this time, the water vapor introduced into the cavity formed in the object to be solidified to achieve a volume expansion to generate a stress horizontally in the cavity direction, thereby cutting the substrate as the crack progresses in the cavity direction.

이와 같이 구성되는 본 발명은 가공 대상물 저면으로 펄스 레이저를 이용하여 공동을 형성함으로써 표면으로 파편 입자 생성을 방지할 수 있고, 형성된 공동으로 수분으로 공급하여 응고에 따른 팽창을 이용하여 절단함으로써 공정상의 청정도 확보와 간소화를 이룰 수 있는 장점이 있다.The present invention configured as described above can prevent the generation of debris particles on the surface by forming a cavity using a pulse laser on the bottom of the object to be processed, and clean the process by supplying with the formed cavity with water and cutting it using expansion due to solidification. There is also an advantage that can be achieved and simplified.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. On the contrary, those skilled in the art will appreciate that many modifications and variations of the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.

100: 레이저 101: 레이저광
102: 가공대상물 103: 공동(void)
104 : 베이스 플레이트 105: 공간부
106: 수증기 공급부 107: 냉각 기체 공급부
108: 수증기 공급수단 109: 냉각 기체 공급수단
110: 집광렌즈 111: 미러
200: 수증기 201: 냉각기체
300: 진공척(Vacuum chuck)100: laser 101: laser light
102: object 103: void
104: base plate 105: space part
106: steam supply 107: cooling gas supply
108: steam supply means 109: cooling gas supply means
110: condenser lens 111: mirror
200: water vapor 201: cooling gas
300: vacuum chuck

Claims

In the substrate cutting device,
A laser source for outputting an ultra-short pulse laser and condensing with a condenser lens to irradiate a laser beam to the object to be formed to form a cavity in the object;
A base plate having a predetermined space portion inwardly in contact with a bottom surface of the object to be processed, and having a water vapor supply portion and a cooling gas supply portion at both sides thereof;
Steam supply means for supplying steam to the steam supply part; And
And cooling gas supply means for supplying cooling gas to the cooling gas supply unit.
The substrate is cut using an ultra-short pulse laser and moisture coagulation, characterized by irradiating an object to be processed through the laser element to generate cracks, and supplying steam and then supplying a cooling gas to cut the substrate by expansion due to water vapor coagulation. Device.

The method of claim 1, wherein the laser source,
A substrate cutting device using an ultra-short pulse laser and moisture coagulation, wherein pulse laser energy is controlled to form a cavity on the opposite side of the object to which the laser is irradiated.

According to claim 1, The substrate cutting device,
And a vacuum chuck for fixing the object to be processed in the process of cooling and cutting the water vapor supplied to the base plate.

The method of claim 3, wherein the vacuum chuck,
A substrate cutting apparatus using ultra-short pulse laser and moisture coagulation, characterized in that a plurality of suction paths are formed to enable vacuum suction for each area where the object is separated.

The method of claim 1, wherein the ultra-short pulse laser,
Substrate cutting device using ultra-short pulse laser and moisture coagulation, characterized by corresponding to a laser having a pulse width of less than 10 picoseconds (ps).

The method of claim 2, wherein the processing object,
Substrate cutting device using ultra-short pulse laser and moisture coagulation, characterized in that the transparent material or wafer.

In the substrate cutting method,
Irradiating the ultra-short pulse laser to the object to form a cavity along the cutting region;
Supplying steam to a steam supply unit of a base plate in contact with a surface where a cavity of the object is formed;
Cutting the substrate by supplying a cooling gas to the cooling gas supply unit after supplying the steam and cutting along the cavity formed in the object by using steam expansion; cutting the substrate using an ultra-short pulse laser and moisture coagulation. Way.

The method of claim 7, wherein the cutting step,
A substrate cutting method using an ultra-short pulse laser and moisture coagulation, characterized in that each of the separated object to be processed by fixing with a vacuum chuck and then cut.

The method according to claim 7, wherein the processing object,
Substrate cutting method using ultra-short pulse laser and moisture coagulation, characterized in that the transparent material or wafer.