KR101262859B1 - 레이저를 이용한 대상물 가공 장치 - Google Patents

레이저를 이용한 대상물 가공 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원; 상기 레이저 빔의 발산각을 교정하는 빔 정형 모듈(beam shaping module); 교정된 상기 레이저 빔을 대상물의 내부에 집광하여 스폿을 형성하는 집광렌즈(focusing Lens); 및 상기 레이저 광원, 상기 빔 정형 모듈 및 상기 집광렌즈와 연결되어 이들을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 빔 정형 모듈은 복수의 전환식 렌즈군(群)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 대상물 가공 장치를 제공한다.

Description

레이저를 이용한 대상물 가공 장치{APPARATUS FOR WORKPIECE PROCESSING USING LASER}
본 발명은 레이저를 이용한 대상물 가공 장치에 관한 것이다.
레이저 가공은 고밀도의 에너지원인 레이저를 이용하여 대상물을 가공하는 공정을 말한다. 최근에는, 레이저 기술의 발달에 따라 박형의 기판을 칩 분할(chip separation)하기 위해 기판을 레이저로 스크라이빙(scribing)하거나 절단하는 방법이 이용되고 있다. 기판의 형태는 실리콘 웨이퍼(Si Wafer), 화합물 반도체 웨이퍼, 세라믹(ceramic) 반도체 기판, 사파이어 기판, 금속 기판 및 유리 기판 등과 같이 매우 다양하다.
종래, 레이저를 이용한 스크라이빙 또는 절단 방법의 하나로서, 레이저 빔을 기판의 내부에 조사하여 상변이 영역을 형성함으로써, 기판을 스크라이빙 또는 절단하는 방법이 알려져 있다. 얇은 기판의 내부에 레이저를 조사하여 가공하기 위해서는, 기판의 내부에 형성되는 스폿(spot)의 위치와 형상을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 그런데 레이저는 각각 고유의 발산각(divergence angle)을 갖고 있고, 동일한 종류의 레이저 광원을 사용하는 경우에도 발산각에는 편차가 있기 때문에, 기판의 내부 가공에 적합한 스폿을 형성하기 위해서는 레이저 빔의 발산각을 교정할 필요가 있다.
이를 위해 레이저 빔의 발산각을 교정하는 빔 정형 모듈(beam shaping module)이 레이저 가공 장치 내에 도입되었다. 빔 정형 모듈은 레이저 빔의 발산각을 교정하기 위한 렌즈군(群)을 포함하고 있다. 그러나, 이들 렌즈군을 이루는 각각의 렌즈는 미리 결정되어 있기 때문에, 가공대상물의 종류, 치수, 가공속도, 레이저 광원의 특성 등 각종의 가공조건에 최적으로 대응하기가 곤란하였다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가공조건에 최적으로 대응할 수 있는 레이저를 이용한 대상물 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시예는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원; 상기 레이저 빔의 발산각을 교정하는 빔 정형 모듈(beam shaping module); 교정된 상기 레이저 빔을 대상물의 내부에 집광하여 스폿을 형성하는 집광렌즈(focusing lens); 및 상기 레이저 광원, 상기 빔 정형 모듈 및 상기 집광렌즈와 연결되어 이들을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 빔 정형 모듈은 복수의 전환식 렌즈군(群)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 대상물 가공 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 대상물 가공 장치에 의하면, 가공조건에 따라 적절한 렌즈군을 선택하여 전환할 수 있으므로, 기판의 내부에 형성되는 스폿의 위치와 형상을 정밀하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 대상물 가공 장치의 일실시예를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 대상물 가공 장치에 의해 가공되는 기판을 도시한 수평 단면도이다.
도 3은 도 1의 대상물 가공 장치에 의해 가공되는 기판을 도시한 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 대상물 가공 장치의 빔 정형 모듈을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 빔 정형 모듈의 일실시예를 나타낸 수직 단면도이다.
도 6은 도 5의 빔 정형 모듈의 렌즈군에 있어서 레이저 광경로를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 4의 빔 정형 모듈의 다른 실시예를 나타낸 수직 단면도이다.
도 8은 도 7의 빔 정형 모듈의 렌즈군에 있어서 레이저 광경로를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 대상물 가공 장치의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 대상물 가공 장치의 일실시예를 개략적으로 나타낸 구성도, 도 2는 도 1의 대상물 가공 장치에 의해 가공되는 기판을 도시한 수평 단면도, 도 3은 도 1의 대상물 가공 장치에 의해 가공되는 기판을 도시한 수직 단면도, 도 4는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 대상물 가공 장치의 빔 정형 모듈을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 레이저를 이용한 대상물 가공 장치(1)의 일실시예는 레이저 광원(10), 레이저 빔의 발산각을 교정하는 빔 정형 모듈(20), 레이저 빔을 대상물(S)의 내부로 집광하여 스폿을 형성하는 집광렌즈(30), 대상물(S)을 지지하는 적재대(40), 및 상기 레이저 광원(10), 빔 정형 모듈(20), 집광렌즈(30), 및 적재대(40)를 제어하는 제어부(50)를 포함한다.
대상물(S)은 예컨대, 칩 분할을 필요로 하는 기판 또는 가공, 절삭 등의 작업을 필요로 하는 금속, 비금속, 수지, 또는 유리일 수 있다. 특히 칩 분할을 필요로 하는 기판의 형태로는 실리콘 기판, 화합물 반도체 기판, 세라믹 반도체 기판, 사파이어 기판, 금속 기판 및 유리 기판 등이 있으나, 이러한 예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 기판의 표면에는 기판과 다른 재질의 적층부가 형성되어 있을 수 있으며, 적층부가 형성된 기판의 표면이 하측을 향한 상태로 적재대(50)에 지지될 수도 있다.
레이저 광원(10)은 대상물(S)의 가공에 이용되는 레이저 빔을 생성한다. 생성된 레이저 빔은 레이저 광원(10)의 광축(optical axis; Lc)을 따라 배치된 미도시된 일련의 장치들을 통해 레이저 빔의 크기, 레이저 빔의 출력, 및 편광 방향 등이 조정된다. 이후 레이저 빔은 빔 정형 모듈(20)로 입사된다.
레이저 광원(10)은 CO2 레이저, 엑시머 레이저, DPSS 레이저 중 어느 하나의 레이저 광원일 수 있으며, 레이저 광원(10)에서 생성된 레이저 빔은 가우시안 빔 프로파일(Gaussian beam profile)을 가질 수 있다.
또한, 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔(pulse type laser beam), 특히 초단 펄스 레이저 빔일수 있다. 여기서 초단 펄스 레이저는 광 펄스의 주기가 나노 세컨드(nano second), 피코 세컨드(pico second), 또는 펨토 세컨드(femto second) 급의 레이저로서, 박형의 기판을 고정밀도로 가공할 수 있다. 따라서 대상물(S)의 내부에 스폿을 형성하는데 유리하다.
빔 정형 모듈(20)은 레이저 광원(10)에서 생성된 레이저 빔의 발산각을 교정한다.
일반적으로 레이저 빔은 다른 광선에 비하여 단일 파장이며 직진성(collimation)을 가지므로 진행시 퍼지지 않고 광축에 평행하게 진행하는 성질을 가진다. 하지만 레이저 빔도 파동의 성질을 갖고 있기 때문에 회절의 영향을 받게 되어 어느 정도의 발산각을 가지게 된다. 예컨대, Gas 레이저의 경우(CO2 레이저, He-Ne 레이저 등), 1 mrad(0.05°) 정도의 발산각을 가질 수 있다.
레이저 빔의 발산각을 교정하기 위하여, 빔 정형 모듈(20)은 오목렌즈 및 볼록렌즈의 쌍을 포함하게 된다. 이들 오목렌즈와 볼록렌즈 사이의 거리를 조절함으로써 레이저 빔의 발산각이 교정된다.
빔 정형 모듈(20)은 도 4에 도시된 바와 같이 각각 렌즈군을 구비한 경통(23a; 23b, 23c, 23d)을 포함한다. 도 4에서는 4개의 경통(23a; 23b, 23c, 23d)이 원반 형태의 회전판(21)의 하면에 수직 연결된 것으로 도시되어 있으나, 이러한 형상으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 경통은 2개 또는 3개 등 임의의 개수가 마련될 수 있으며, 회전판(21)은 삼각 플레이트 또는 사각 플레이트 형상일 수 있다. 또한, 상기 회전판(21)과는 별도의 회전판이 경통(23a; 23b, 23c, 23d)의 하면에 연결되어 경통(23a; 23b, 23c, 23d)을 지지할 수도 있다.
각각의 경통(23a; 23b, 23c, 23d)의 내부에는 레이저 빔의 발산각을 교정할 수 있는 오목렌즈 및 볼록렌즈의 쌍이 포함되어 있다.
회전판(21)에 있어서 경통(23a; 23b, 23c, 23d)과 연결되는 부분에는 레이저 빔을 수광하기 위한 개구(22a, 22b, 22c, 22d)가 마련된다. 회전판(21)은 회전축(Ro)을 중심으로 회전가능하며, 이에 의해, 복수의 렌즈군 중 어느 하나의 렌즈군이 레이저 빔의 광축(Lc) 상에 놓이게 된다. 도 4에서는 경통(23a)이 레이저 빔의 광축(Lc) 상에 위치하고 있다. 회전판(21)을 반시계 방향으로 회전시킬 경우, 23a -> 23b -> 23c -> 23d의 순서로 각각의 경통이 레이저 빔의 광축(Lc) 상에 위치하게 된다.
이와 같이 각각의 경통(23a; 23b, 23c, 23d) 내에 구비된 렌즈군은 차례로 전환가능하다. 본 발명에 있어서 “복수의 전환식 렌즈군”이란 레이저 빔의 발산각을 교정할 수 있는 오목렌즈 및 볼록렌즈의 쌍(렌즈군)이 2개 이상 마련되며, 이들 렌즈군 중 어느 하나의 렌즈군이 레이저 빔의 광경로 상에 놓일 수 있도록 선택적으로 전환가능하게 구성됨을 의미한다.
집광렌즈(30)는 교정된 레이저 빔을 대상물(S) 내부의 집광점(P)으로 집광하여, 스크라이빙 또는 절단 등의 가공 공정을 수행한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 빔의 집광에 의하여 대상물(S)의 내부에 절단예정라인(CL)을 따라서 복수개의 스폿(Sp)이 단속적으로 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 빔 정형 모듈(20)에 의하여 발산각 교정이 수행되는데, 레이저 빔에 있어서 발산각 교정이 수행되는 방향으로 스폿(Sp)의 형상도 조절 가능하다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이 대상물(S)의 절단예정라인(CL)을 따라서 장축이 형성되도록 스폿(Sp)을 타원형 또는 선형으로 형성하는 것이 가능하다. 이로써, 대상물(S)의 스크라이빙 또는 절단이 보다 빠르고 정밀하게 이루어질 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 집광점(P) 부근에는 절단의 기점이 되는 상변이 영역(T)이 형성된다. 타원형 또는 선형 스폿이 형성되면, 상변이 영역(T)으로부터 수직 방향, 즉 광축(Lc) 방향으로 크랙(C)이 형성된다. 이러한 크랙(C)이 대상물(S)의 상면 또는 하면에 도달하면 자가절단(self-breaking)이 일어나며, 이 경우 후속 절단 공정이 불필요해지거나, 필요하더라도 극히 작은 응력만으로 절단 공정이 이루어질 수 있게 된다.
적재대(40)는 상부에 대상물(S)을 적재한다. 적재대(40)는 미도시된 액추에이터 또는 모터 등의 구동부에 의하여 이동 및 회전할 수 있으며, 이로써 상부에 적재한 대상물(S)을 원하는 형태로 가공할 수 있다.
제어부(50)는 레이저 광원(10), 빔 정형 모듈(20), 집광렌즈(30), 및 적재대(40)와 연결되어 이들을 제어한다. 예컨대, 제어부(50)는 적재대(40)의 위치를 제어하여 집광렌즈(30)와 기판(S) 사이의 거리를 조절할 수 있다. 또한, 제어부(50)는 가공조건에 따라 적절한 렌즈군이 선택되도록 빔 정형 모듈(20)을 제어할 수 있다.
이하에서는, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 빔 정형 모듈의 구성을 더 상세히 살펴보기로 한다.
도 5는 도 4의 빔 정형 모듈의 일실시예를 나타낸 수직 단면도, 도 6은 도 5의 빔 정형 모듈의 렌즈군에 있어서 레이저 광경로를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 빔 정형 모듈(20)은 복수의 전환식 렌즈군을 포함한다. 본 실시예에서, 하나의 렌즈군은 실린더형 오목렌즈(210) 및 실린더형 볼록렌즈(220)를 포함한다. 실린더형 오목렌즈(210) 및 실린더형 볼록렌즈(220)를 포함하는 렌즈군이 각각의 경통(23a, 23b, 23c, 23d) 내에 마련되며, 각각의 렌즈군은 광학적 특성이 서로 다르도록 구성된다. 따라서, 대상물(S)의 가공조건에 따라 적절한 광학적 특성을 갖는 렌즈군을 선택할 수 있게 된다.
실린더형 오목렌즈(210)는 레이저 광원(10)에서 생성된 레이저 빔을 발산시킨다. 실린더형 오목렌즈(210)는 레이저 빔의 직교하는 X축 방향 성분 또는 Y축 방향 성분 중 어느 한 방향의 성분만을 발산한다. 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이 실린더형 오목렌즈(210)는 레이저 빔의 X축 방향 성분만 발산하는 것일 수 있다.
실린더형 오목렌즈(210)를 통해 발산된 레이저 빔은 실린더형 볼록렌즈(220)를 통과하게 되고, 이 과정에서 레이저 빔의 발산각을 원하는 각도로 교정할 수 있다. 즉, 실린더형 오목렌즈(210) 및 실린더형 볼록렌즈(220)를 사용하면, 어느 일방의 방향 성분에 대한 발산각 교정이 수행되고, 이로 인해 스폿(Sp)의 형상에 있어서도 어느 일측 방향의 길이를 조절할 수 있게 된다.
한편, 대상물(S)의 스크라이빙 가공에서 스폿(Sp)의 장축이 스크라이빙 방향, 즉 절단예정라인(CL)을 따라 배열되도록 하면, 스폿(Sp)의 장축 방향으로는 발산각 교정이 불필요할 수 있다. 다시 말해, 절단예정라인(CL)에 수직인 방향으로의 폭(스폿의 단축)을 감소시키는 것으로 원하는 효과를 달성할 수 있고, 절단예정라인(CL)을 따른 방향의 길이(스폿의 장축)는 감소되는 것이 오히려 불리하므로, 실린더형 오목렌즈(210)와 실린더형 볼록렌즈(220)를 이용하여 어느 일방으로만 발산각 교정을 수행할 수 있다.
상기 실린더형 오목렌즈(210)와 실린더형 볼록렌즈(220) 사이의 거리는, 실린더형 오목렌즈(210) 또는 실린더형 볼록렌즈(220) 중 하나 이상을 이동시키는 미도시된 렌즈이동부에 의해 조절된다. 렌즈이동부는 나사 또는 액추에이터 등에 의해 렌즈의 위치를 미세조정할 수 있다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 빔 정형 모듈의 구성을 상세히 살펴보기로 한다.
도 7은 도 4의 빔 정형 모듈의 다른 실시예를 나타낸 수직 단면도, 도 8은 도 7의 빔 정형 모듈의 렌즈군에 있어서 레이저 광경로를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 빔 정형 모듈(20)은 구형(spherical) 오목렌즈(230), 제1 실린더형 볼록렌즈(240), 및 제2 실린더형 볼록렌즈(250)를 포함한다. 구형 오목렌즈(230), 제1 실린더형 볼록렌즈(240), 및 제2 실린더형 볼록렌즈(250)를 포함하는 렌즈군이 각각의 경통(23a, 23b, 23c, 23d) 내에 마련되며, 각각의 렌즈군은 광학적 특성이 서로 다르도록 구성된다. 따라서, 대상물(S)의 가공조건에 따라 적절한 광학적 특성을 갖는 렌즈군을 선택할 수 있게 된다.
구형 오목렌즈(230)는 레이저 광원(10)에서 생성된 레이저 빔을 발산시킨다. 구형 오목렌즈(230)는 레이저 빔의 직교하는 X축 방향 성분 및 Y축 방향 성분 모두에 대해 레이저 빔을 발산할 수 있다는 점에서, 전술한 실린더형 오목렌즈(210)와 구별된다. 이와 같이 X축 및 Y축 모두에 대해 레이저 빔이 발산하게 되므로, 발산된 레이저 빔의 수렴을 통해 발산각 교정을 행하기 위해서는 X축 및 Y축 방향 성분에 대해 각각 발산각 교정이 가능한 2개의 실린더형 볼록렌즈가 필요하게 된다.
구형 오목렌즈(230)를 통해 발산된 레이저 빔은 차례로 제1 실린더형 볼록렌즈(240)와 제2 실린더형 볼록렌즈(250)를 통과하게 된다. 도 8에 도시된 바와 같이 제1 실린더형 볼록렌즈(240)는 레이저 빔의 X축 방향 성분에만 작용하도록 배치되며, 제2 실린더형 볼록렌즈(250)는 레이저 빔의 Y축 방향 성분에만 작용하도록 배치된다. 따라서, 구형 오목렌즈(230)에 의해 발산된 레이저 빔의 X축 방향 성분은 제1 실린더형 볼록렌즈(240)에 의해 X축 방향 성분의 발산각이 교정되며, 제1 실린더형 볼록렌즈(240)를 통과한 레이저 빔의 X축 방향 성분은 제2 실린더형 볼록렌즈(250)를 그대로 통과하게 된다. 한편, 구형 오목렌즈(230)에 의해 발산된 레이저 빔의 Y축 방향 성분은 제1 실린더형 볼록렌즈(240)를 그대로 통과한 후, 제2 실린더형 볼록렌즈(250)에 의해 Y축 방향 성분의 발산각이 교정된다.
전술한 실린더형 오목렌즈(210) 및 실린더형 볼록렌즈(220)의 경우에는 스폿(Sp)의 일측 방향의 길이만 변화시킬 수 있으나, 본 실시예에서는 X축 및 Y축 모두에 대해 스폿(Sp)의 형상을 변경할 수 있기 때문에 스폿(Sp)의 장축 및 단축 길이를 모두 조정할 수 있다.
한편, 상기 구형 오목렌즈(230), 상기 제1 실린더형 볼록렌즈(240), 및 상기 제2 실린더형 볼록렌즈(250) 사이의 거리는, 구형 오목렌즈(230), 제1 실린더형 볼록렌즈(240), 및 제2 실린더형 볼록렌즈(250) 중 하나 이상을 이동시키는 미도시된 렌즈이동부에 의해 조절된다. 렌즈이동부는 나사 또는 액추에이터 등에 의해 렌즈의 위치를 미세조정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 대상물 가공 장치는 복수의 전환식 렌즈군을 포함한 빔 정형 모듈을 구비함으로써, 가공대상물의 종류, 치수, 가공속도, 레이저 광원의 특성 등 각종의 가공조건에 최적으로 대응할 수 있다. 따라서, 가공 정밀도 및 속도가 향상될 수 있다.

Claims (7)

  1. 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원;
    상기 레이저 빔의 발산각을 교정하는 빔 정형 모듈(beam shaping module);
    교정된 상기 레이저 빔을 대상물의 내부에 집광하여 스폿을 형성하는 집광렌즈(focusing Lens); 및
    상기 레이저 광원, 상기 빔 정형 모듈 및 상기 집광렌즈와 연결되어 이들을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 빔 정형 모듈은 복수의 전환식 렌즈군(群)을 포함하고, 단속적으로 형성되는 복수의 상기 스폿의 형상을 조절 가능하며,
    상기 제어부는 상기 대상물의 가공조건에 따라 상기 복수의 전환식 렌즈군 중 어느 하나가 상기 레이저 빔의 광 경로 상에 놓이도록 상기 빔 정형 모듈을 제어하고,
    상기 전환식 렌즈군은,
    생성된 레이저 빔을 발산시키는 실린더형 오목렌즈, 및
    상기 실린더형 오목렌즈를 통과한 레이저 빔의 발산각을 교정하는 실린더형 볼록렌즈를 포함하되,
    상기 실린더형 오목렌즈 및 상기 실린더형 볼록렌즈는 상기 대상물의 절단예정라인에 수직인 방향에 대하여 상기 스폿의 폭을 조절 가능하도록 배치되는 것인 레이저를 이용한 대상물 가공 장치.

  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실린더형 오목렌즈와 상기 실린더형 볼록렌즈 사이의 거리가 변경되도록 상기 실린더형 오목렌즈 또는 상기 실린더형 볼록렌즈를 이동시키는 렌즈이동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 대상물 가공 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전환식 렌즈군은 2개 이상의 렌즈군 중 어느 하나의 렌즈군이 레이저 빔의 광경로 상에 위치하도록 전환가능한 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 대상물 가공 장치.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 대상물을 지지하는 적재대를 더 포함하며, 상기 적재대는 상기 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 대상물 가공 장치.

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