KR101267760B1 - 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분사액체(liquid jet)(7)와 분사되는 액체를 통해 조사되는 레이저(6)를 이용하여 웨이퍼(wafer)를 여러 개의 칩으로 절삭하는 가공장치(1)에 관한 것이다. 방사방향으로 퍼지는(blasting effect) 얇은 액체층(9)이 웨이퍼의 표면(5)에 형성된다. 이러한 액체층(9)은 웨이퍼의 표면(5)을 레이저로 절삭하는 중 배출물이 절삭면이나 소재의 표면에 다시 붙는 현상을 방지해줌으로써 절삭작업후 깨끗한 표면을 얻을 수 있다. 상기 액체층(9)은 가공포인트(8) 주위의 가공부위(10)에서는 그 두께가 얇고, 그 외의 범위에서는 두껍게 형성된다. 이와 같이, 가공부위(10)에서의 액체층의 제1 두께(14)가 얇기 때문에 레이저의 에너지가 웨이퍼의 표면으로 충분히 전달될 수 있게 하고, 가공부위(10) 이외의 부분 액체층의 제2 두께(15)가 두껍기 때문에 웨이퍼의 표면이 마르는 것을 방지하게 된다.

Description

레이저 가공장치 {Laser machining of workpiece}

본 발명은 레이저(laser)가 분사액체(liquid jet)내로 조사되면서 소재를 절삭하는 장치에 관한 것으로, 상기 레이저가 분사액체의 중심에 조사되어 소재의 가공포인트에서 소재를 가공하게 되는 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 레이저가 소재의 가공포인트로 조사되면서 가공하게 되는 가공장치와 레이저가 분사액체 중심에 조사되어 가이드되는 것에 관한 것이다.

레이저는 금속, 플라스틱 뿐 아니라 세라믹 까지 다양한 재료를 가공할 수 있어 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 가공범위도 그 종류가 다양해서, 절단, 드릴링, 용접(welding) 및 재료를 제거하거나 마킹하는 용도로 그 활용범위가 광범위하다.

레이저를 이용한 가장 전형적인 가공은 소재로부터 불필요한부분을 제거하는 가공이다. 이러한 가공의 경우, 배출물인 작은 알갱이가 생기는데, 이러한 알갱이는 소재의 표면에 다시 붙는 문제가 있다. 이러한 배출물들이 다시 붙은 경우 소재의 성질에 따라 그 접합력이 강해서 떼어내기 힘든 경우가 있다. 이러한 현상은 최 종 생산품의 하자를 유발하여 바람직스럽지 못하다. 따라서 상기 표면에 붙은 배출물을 제거하기 위해 큰 지출을 하여 제거해야한다. 또한, 레이저로 소재를 가공하는데 있어서, 레이저에 의해 소재가 가열됨으로써 소재에 해로운 영향을 줄 우려가 있다.

WO/95/32834에는 레이저가 분사액체내로 조사되면서 분사액체가 레이저의 가이드역할을 하는 기술을 개시하고 있다. 이는 레이저 조사에 의한 에너지로 소재를 가공하는 동시에 분사액체가 가공포인트에 충돌하면서 냉각액 역할을 한다. 이러한 기술에 의해 레이저에 의한 가공시 발생할 수 있는 증기(vapors), 알갱이, 에어로졸(aerosols) 등을 어느 정도 제거하거나 방지할 수 있었다. 그러나 레이저와 같이 분사되는 액체분사의 양만으로는 상기 배출물 및 부산물들을 모두 제거하기에 충분하지 못했다.

US 3 991 296 A는 레이저에 의한 웨이퍼의 가공 및 절단장치를 개시하고 있다. 가공후의 찌꺼기들이 웨이퍼에 다시 붙지 않게 하기위해 이온이 제거된(deionized) 물이 흐르는 닫힌 공간이 웨이퍼 바로 위에 투명한 유리판에 의해 제공된다. 레이저빔은 유리판과 물층을 통과한 후 웨이퍼로 조사되어 웨이퍼를 가공하고, 이때 발생된 배출물은 물에 의해 신속히 냉각되어 웨이퍼에 다시 붙지 않게 된다. 절삭작업 후 배출물들은 초음파를 이용해 씻어내게 된다.

그러나 이러한 장치는 레이저가 물층을 지나면서 반사, 확산, 진동폭 감소 등의 방해를 받기 때문에, 레이저의 조사범위가 넓어지고, 출력이 떨어지게 되어 그 효율이 크게 저하됨으로써 소재를 정확하게 가공하기 힘들다. 더욱이, 용해된 배출물을 절삭작업동안 가공부위 안에서 제거할 수 없다. 결국 최종가공품을 다시 세척하는 과정이 반드시 필요하다.

US 2003/129 814 A1은 레이저빔으로 반도체 소자를 가공하는 방법을 개시하고 있다. 배출물에 의해 레이저가 확산되는 현상을 방지하기 위해, 실리콘 소재는 한쪽으로 경사지게 설치되고 물로 씻어 내린다. 이로써 배출물을 물로 씻어냄과 동시에 가열되는 소재를 냉각시킬 수 있게 된다.

그러나 이러한 방법도 흘러내리는 물에 의해 레이저가 확산 내지 진동폭 감소 등의 방해를 받게 되어 소재를 정확하게 가공하는 것이 용이하지 않다. 또한, 용해된 배출물을 커팅가스(cutting gas)를 사용하지 않는 한 가공부위 안에서 제거할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 종래기술에서 언급된 단점들을 극복하고, 레이저에 의한 가공효율을 높이고, 가공 중 발생되는 배출물들을 소재의 표면으로부터 효과적으로 제거하는 기술을 제공하는 것에 그 목표가 있다.

청구항 1은 본 발명의 목적달성을 위한 기술내용을 정의한다. 본 발명은 레이저빔이 분사액체 내로 조사되어 분사액체가 레이저를 가이드하고, 상기 레이저빔을 포함하는 분사액체는 소재의 표면에 충돌하며, 소재는 가공포인트에서 가공되는 것에 있어서, 흐르는 액체(예로 물)층이 소재의 표면에 형성되고, 가공포인트주변 가공부위상의 상기 액체층의 제1 두께가 1mm 이하이며, 특히 그 제1 두께가 0.01-0.5mm인 것을 특징으로 한다.

가이드역할을 하는 분사액체 내로 조사되는 레이저는 먼저 소재 위에 형성된 액체층을 방해받지 않고 통과하게 된다. WO/95/32834에서 개시된 바와 같이 분사액체의 분사속도는 매우 빠르다. 따라서 분사액체의 표면을 따라 하강기류가 생기게된다. 분사액체가 하강기류와 함께 얇은 액체층과 충돌하게 되면, 하강기류는 액체층을 가공포인트에서 분리시켜 레이저가 소재에 효율적으로 도달할 수 있도록 가이드한다. 이로써, 레이저는 얇은 액체층에 의해 반사, 확산, 진동폭 감소 등의 영향을 최소화하면서 예리하게 소재에 조사되어 소재를 효율적으로 가공할 수 있다. 상기 액체층의 두께가 1mm를 넘는 경우, 분사액체에 의해서도 레이저가 방해받지 않고 소재에 조사되도록 하는 것이 용이하지 않다. 따라서 효율적이고 정확한 소재의 가공이 이루어질 수 없다. 소재의 표면의 가공포인트 주변에 형성된 액체층은 소재를 레이저로 가공시 발생하는 배출물들을 냉각시켜 소재의 표면에 다시 붙지 않도록 한다. 액체층은 상기 배출물들을 신속하게 씻어내게 된다. 나아가, 액체분사는 가공중 가공포인트 외의 범위에의 용융현상을 방지하여 커팅가스(cutting gas)를 필요치 않게 한다. 동시에, 소재의 가공포인트의 절단에지부를 냉각시켜준다. 분사액체는 길이 100mm 이상의 콤팩트 레이저빔과 함께 구성시키는 것이 적합하다. 이러한 기술은 레이저의 초점을 조절하지 아니하고도 수직의 측벽에서도 좁고 깊은 커트와 드릴링을 가능하게 해준다. 또한, 수증기나 냄새들도 효과적으로 제거될 수 있다.

흐름이 느리거나 흐르지 않는 액체층이 소재의 표면에 형성된 경우, 충분한 냉각효과를 기대할 수 없고, 배출물들을 씻어낼 수 없는 문제점이 있다. 또한 액체층의 두꼐를 지속적으로 1mm이하로 유지하기 용이하지 않다. 따라서, 소재 표면의 액체층은 가공부위에서 "슈팅흐름"(shooting flow)을 취하는 것이 바람직하다. 이러한 방법으로 액체층의 두께를 지속적으로 1mm이하로 용이하게 유지할 수 있다. 더욱이, 이러한 구성은 액체층의 두께를 조절하기 용이하고, 일정한 유속을 가짐으로써 배출물들을 효과적으로 냉각시키고 씻어낼 수 있음으로써 깨끗한 소재의 가공면을 얻을 수 있어 추가적인 세척공정이 필요하지 않는 효과가 있다.

용어 "슈팅흐름"(shooting flow)은 유체역학에서 정의된다. 이는 프루드수(FR)(Froude number)수와 관련되며, 프루드수(FR)는 유체가 흐름에 있어서 유체의 흐름속도(v)와 중력에 의한 전파속도(c)(propagation velocity(wave velocity))의 비율로 결정되고, FR=v/c로 표현할 수 있다. 전파속도(c)는 중력가속도(g)와 액체의 높이(h)의 곱의 루트값으로 정의되며,

로 표현할 수 있다. 따라서 프루드수(FR)은

가 된다. 즉, 슈팅흐름(shooting manner)인 액체는 프루드수(FR)가 1보다 큰 것을 의미한다. 프루드수(FR)가 0과 1사이인 상태의 액체는 흐름상태(flowing manner)이다. 따라서, 흐르지 않는 물의 프루드수(FR)는 0이 된다.

액체층을 형성함에 있어서 다음과 같은 조건이 충족되어야 한다. 먼저, 앞에서 언급한 바와 같이, 레이저가 조사되는 분사액체가 조사되는 것에 있어서, 액체막에 의해 레이저가 방해받지 않도록 가공포인트에서의 액체층의 두께가 두꺼워서는 안 된다. 그렇다고 해서, 액체막의 두께가 너무 얇아서도 안 된다. 소재의 표면이 마르지 않게 하여 녹은 물질 또는 녹은 배출물이 액체층을 벗어나지 않게 한다.

실제 적용에 있어서, 액체층에 대한 상기 조건들은 상호배타적일 수 있다. 다시 말하면, 액체층이 전체적으로 동일한 두께를 가질 경우, 레이저가 통과할 수 있도록 하는 최대허용 두께가, 소재의 표면이 마르지 않게 하기위한 최소의 두께보다 작을 수 있다. 즉, 액체층이 배출물들을 충분히 씻겨 내려갈 정도로 충분히 두껍게 형성된다면 레이저가 그 액체층을 뚫고 나갈 수 없게 될 우려가 있는 것이다. 또한, 이를 우려하여 레이저의 조사가 충분한 출력으로 통과할 수 있도록 보장하기 위해 충분히 얇게 선택되면, 소재가 충분히 씻겨 내려갈 수 없는 상황이 발생할 수 있는 것이다.

이러한 이유로 액체층의 두께가 전체적으로 동일하게 하는 것이 바람직하지 않다. 본 발명에 따르면, 액체층이 가공포인트 주변인 가공부위에서는 그 두께가 얇고, 가공부위 이외의 지점에서는 그 두께가 두꺼운 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 가공부위에서의 액체층의 두께는 제1 두께로서 1mm 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 가공부위 이외 지역에서의 액체층의 두께는 제2 두께로서 1mm 이상, 바람직하게는 1-5mm으로 설정한다.

가공부위에서의 액체층의 두께는 제1 두께로서 얇게 설정하고, 가공부위 이외 지역에서의 액체층의 두께는 제2 두께로서 두껍게 설정함으로써 상기 소재위에 형성된 액체층의 상기 요건들은 동시에 충족될 수 있다. 가공부위 중 특히, 가공포인트에서, 액체층의 두께는 레이저가 소재의 표면에 충분한 출력으로 도달할 수 있도록 선택된다. 가공부위 이외의 지역에서는 액체층의 두께가 소재의 표면이 마르지 않고 배출물이 액체층의 밖으로 나오지 않도록 충분히 두껍게 설정된다. 동시에, 액체층은 소재가 가공되는 과정에서 소재를 충분히 냉각시켜줄 수 있도록 한다. 가공중 발생할 수 있는 수증기나 냄새들은 효과적으로 액체층에 잡히게 된다. 가공부위에서 액체층의 두께가 얇기 때문에 옵티컬맵핑조건(optocal mapping condition)에 의한 영향은 적거나 무시할 수 있다.

다양한 종류의 액체가 상기 액체층을 구성하기 위해 적용될 수 있으며, 예로 기름 중 실리콘그룹으로 부터의 오일 또는 액체섬유(liquid fivers)가 포함된 액체를 들 수 있다. 일반적으로, 액체층을 이루는 액체와 레이저가 조사되는 분사액체는 같은 액체가 사용된다. 이러한 액체로 얻기 쉽고, 기름보다 더 친환경적인 물을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 액체층에 사용될 물은 가공작업의 종류에 따라 정수 또는 이온을 제거하는 전처리를 거칠 수 있다. 이러한 전처리는 소재가 물에 의해 손상되는 것, 특히 물속의 염에 의해 손상되는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이러한 물(예로, 정수 또는 이온을 제거하는 전처리를 거친 물)에 이산화탄소(CO₂)로 전도성을 부여할 수 있다. 이러한 전도성은 가공 중 발생되는 배출물이 극성을 띠는 경우 효과적으로 배출물과 상호작용을 할 수 있다.

전도성을 갖는 물과 같은 전도성 액체를 사용하면 다음과 같은 이점이 있다. 예로, 웨이퍼로부터 절단해낸 정전기에 민감한 마이크로일렉트릭칩은 전도성을 갖는 액체가 정전기 전하를 흘려보냄으로써 보호를 받을 수 있다. 본 발명의 방법은 웨이퍼의 가공에 적합하다. 특히, 일반적으로 다량의 칩들이 같이 생산되는 실리콘 웨이퍼의 가공에 적합하다. 본 발명에 의한 레이저와 분사액체의 의한 방법은 톱으로 웨이퍼를 절단하는 것에 비해, 웨이퍼에 가해지는 열 및 기계적 스트레스가 현저히 감소하는 장점이 있다. 이는 불량률을 줄이고 보다 효율적인 생산을 가능하게 한다.

또한, 본 발명은 웨이퍼 외의 다른 소재의 가공에도 적합하다. 본 발명은 커팅, 드릴링, 소재의 제거 등의 가공은 물론 거칠기가공, 스트럭쳐링(structureing), 박피가공 등의 표면가공에도 적용이 가능하다. 가공소재에 있어서도 반도체 소재 뿐 아니라 금속(스틸, 스틸합금, 비철금속들) 및 플라스틱, 세라믹, 직물(fabric), 생물학적 재질 등에도 그 적용이 가능하다.

소재가 마르지 않게 하기위해 액체층의 두께를 충분히 해야 한다. 소재가 마르지 않게 하기위해서 액체층의 제2 두께가 조절되어야하는데, 이는 액체의 양과 흐름을 조절함으로써 가능하다. 물이 흘러나가는 양을 조절하기 위해, 예로, 소재를 지지하는 지지대 또는 소재 자체의 형상에 의한 조절방법이 있다. 소재를 지지하는 지지대는 예로 양 에지부가 소재에 대해 높게 형성됨으로써, 액체가 흘러나가는 것을 막아주어 원하는 높이를 얻을 수 있다.

또한 액체층의 두께는 액체에 포함된 표면장력에 영향을 주는 첨가된 기질의 영향을 받아 얇아지거나 두꺼워진다. 액체층의 두게는 표면장력이 커짐에 따라 두꺼워진다. 사용되는 액체에 따라 이러한 첨가기질은 다양하다. 물이 사용되는 경우 계면활성제(surfactant)로 표면장력을 낮출 수도 있다.

액체층을 형성하기 위해서 다양한 방법이 존재한다. 예로, 규칙적으로 두꺼운 층을 형성시키고, 에어제트를 이용하여 가공포인트 근처의 두께를 감소시키는 방법이 있을 수 있다. 에어제트의 분사속도와 분사압이 선택되면, 가공포인트 근처의 액체층을 밀어내어 그 두께를 감소시킬 수 있다. 그러나 이러한 방법으로 얻어지는 액체층의 표면은 매우 불균일해서 안정적인 가공작업을 하기 힘들다. 가공포인트 근처의 가공부에서 액체층의 흐름이 슈팅흐름으로 기대되기도 어렵다. 또한, 레이저가 조사되는 분사액체도 상기 에어제트의 영향으로 방해를 받을 우려가 있다.

바람직한 실시예로, 액체층은 노즐이나 튜브와 같은 첫번째 액체 공급장치로부터 공급된다. 이경우, 액체층은 소재의 가공포인트 근처에 형성되도록 생성된다. 분사액체의 적용에 대해서 차후 서술될 것이며, 각각의 액체 공급장치 및 단면에서의 복수개의 액체 공급장치에 대해 살펴본다. 즉, 각각의 원형의 단면을 갖는 액체 공급장치를 살펴보기로 한다. 생성된 액체층, 예로 분출 또는 팬노즐에 관한 사항이 본 단락의 내용에 포함된다. 분사액체가 소재의 표면에 충돌하게되며, 소재의 표면에서 액체들이 방사방향으로 흐르게 되고, 흐르는 속도는 충돌하는 지점에서 멀어질 수록 느려진다. 상기 분사액체에 의한 액체층은 충돌하는 지점에 가까울 수록 그 두께가 얇아지고 속도가 빨라진다. 충돌하는 지점에서 멀어질 수록 흐르는 속도가 임계속도에 이르지 못하면 액체층의 두께는 두꺼워진다. 본 발명의 보다 바람직한 실시예로, 두 번째 액체공급장치(예를들면 하나 또는 복수개의 노즐)가 액체층을 형성하기 위해 사용된다. 두 번째 액체공급장치는 소재의 표면에 유속이 완만한(sluggish) 액체층을 형성하며, 상기 액체층은 제2 두께를 갖고, "완만한(sluggish)"의 의미는 유속이 낮은 것을 의미한다. 두 개의 액체공급장치가 각각 사용될 수도 있고 조합되어 사용될 수도 있다. 각각 사용되는 경우 대부분의 경우에 두께가 일정한 액체층을 형성시킬 수 있다. 또한 더욱 바람직한 방법으로, 두 개의 액체 공급장치가 동시에 사용될 수 있다. 즉, 두 번째 액체공급장치는 제2 두께를 갖는 유속이 느린 액체층을 형성시키고, 이와 동시에, 첫 번째 액체공급장치는 가공포인트 주위의 가공범위의 액체층의 두께를 줄여 제1 두께를 갖는 액체층을 형성시킨다. 이러한 분사액체는 가공범위에서의 액체가 가공범위 외측의 액체보다 유속이 빠르게 해주는 역할을 한다. 이러한 결과에 따라, 가공범위에서의 액체층의 높이가 감소되고, 가공범위 외측의 두께는 그 두께를 유지하게 된다.

분사액체의 분사각, 분사량이 설정되면, 가공포인트 근처의 가공부위의 액체들은 "슈팅흐름"을 띠게 되고, 그 외의 부분은 일반적인 흐름을 띠게 된다. 분사액체가 소재의 표면에 충돌함에 따라, 액체층의 흐름의 평형이 방해를 받게 되고, 소재의 표면에서 액체의 흐름이 분사지점을 중심으로 방사상으로 "슈팅흐름"으로 퍼져나가게 된다. 이러한 "슈팅흐름"은 일정한 범위 안에서 유지되다가, 결국 일반흐름으로 전환되게 된다. "슈팅흐름"에서 일반흐름으로 급격히 변하는 경우 또는 그 반대의 현상은 도수(hydraulic jump)를 발생시킨다.

분사액체의 성질을 조절하는 많은 파라메타가 있으며, 이러한 파라메타들은 결국 가공부위에서 액체층의 두께를 조절하게 된다. 상기 분사액체의 성질을 조절하는 파라메타로서 분사액체의 직경, 가공범위 액체층으로의 분사각, 액체층에서 흐르는 액체의 양 및 속도, 액체분사의 방출압력 등이 있다. 가공부위에서 액체층의 두께를 조절하기 위해서 이러한 파라메터들의 조정이 필요하다.

일반적으로, 분사액체의 횡단면이 일정하게 유지되더라도, 분사액체의 분사각과 분사량에 의해 소재의 가공 중에도, "슈팅흐름"과 일반흐름 사이의 전환 및 이에 따른 가공부위의 크기와 상기 가공부위의 액체층의 두께가 일정하게 조절되어야한다.

물론, 분사액체의 횡단면은 가공의 중간에, 노즐이나 튜브를 횡단면이 보다 크거나 작은 것으로 교체함으로써 조절될 수 있다.

상술했던 바와 같이, 상기 파라메터들은 조절될 수 있다. 분사액체의 분사각은 액체층의 표면과 분사액체의 분사점 및 분사액체의 분사방향이 이루는 각으로 0-90도의 각이 선택될 수 있다. 흐름이 완만한 액체층이 이미 형성된 경우, 분사액체를 적용하지 않을 수 도 있으며, 평면의 저부에서 액체를 공급할 수 있다. 그러나 이러한 방법에서는 가공부위에서 "슈팅흐름"을 얻기 힘들 수 있다.

물분사의 양(시간당 액체의 분사량)이 선택되어질 수 있으며, 1㎖/min에서부터 10ℓ/min까지의 선택이 가능하다. 분사액체의 횡단면의 직경은 0.01mm에서 50mm 또는 매우 큰 경우 100mm까지의 선택이 가능하다.

위와 같은 설정범위에서, 액체층이 필요한 "슈팅흐름"과 일반흐름을 올바르게 취하기 위해서는 액체분사의 분사량을 20㎖/min-500㎖/min, 분사액체 횡단면의 직경을 0.5-4mm, 분사각을 45-90도로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 레이저 가공장치의 정의가 청구항 12에 설명되어있다. 본 발명의 레어저 가공장치는 레이저빔이 분사액체 내로 조사되어 분사액체가 레이저를 가이드하고, 상기 레이저빔을 포함하는 분사액체는 소재의 표면에 충돌하며, 소재는 가공포인트에서 가공되는 장치에 부가하여, 흐르는 액체층이 소재의 표면에 형성되게하고, 가공포인트 주변 가공부위상의 상기 액체층의 두께가 1mm 이하이며, 특히 그 두께가 0.01-0.5mm이게 하는 장치를 가지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 액체층을 형성시키는 장치는 상기 액체층이 가공부위 내에서 "슈팅흐름"을 취하고, 그 두께가 1mm 이하가 되도록 설계된다.

또한, 액체층을 형성시키는 장치는 가공부위 내의 액체층의 제1 두께가 가공부위 외의 액체층의 제2 두께보다 얇게 설계된다. 이미 언급한 바와 같이, 제2 두께는 1mm 이상이며, 1mm-5mm인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 두 번째 액체공급장치를 갖는다. 상기 두 번째 액체공급장치는 유속이 완만한 제2 두께를 갖는 액체층을 소재의 표면에 생성한다. 이에 따라 생성된 액체층은 그 두께가 일정하도록 유지되며, 가공포인트 근처의 "슈팅흐름" 상태의 액체층은 상술한 바와 같이 분사액체에 의해 형성된다.

본 발명의 장치는 다양한 소재를 다양한 방법으로 가공할 수 있도록 디자인될 수 있다. 그러나, 본 발명의 장치는 웨이퍼의 커팅 및 여러개의 칩으로 절단하는 가공에 가장 큰 관심이 있다.

액체층을 형성하기 위해, 본 발명의 장치는 첫 번째 액체공급장치를 포함하며, 상기 첫 번째 액체공급장치는 소재의 가공포인트 근처에 분사액체를 분사하도록 설계된다. 또한, 첫 번째 액체공급장치는 일정한 두께 또는 얇은 액체막을 소재의 표면에 생성시킬 수 있다. 두 번째 액체공급장치는 상술한 바와 같이, 액체층을 작업공간과 작업공간의 외부에 다른 두께의 액체층을 생성하게 한다.

첫 번재 액체공급장치는 분사액체를 분사함에 있어서, 분사각과 분사량이 조절될 수 있다. 결과적으로, 분사액체는 그 성질이 다양해질 수 있어 이에 생성되는 액체층은 가공부위에서는 "슈팅흐름"을, 그 외의 부분에서는 일반흐름을 취할 수 있다.

이하, 본 발명의 보다 자세한 실시예의 설명 및 청구항을 살펴보기로 한다.

도 1 은 본 발명의 레이저 가공장치의 설명도.

도 2 는 본 발명의 레이저 가공장치의 가공포인트 부분의 확대 설명도.

도 3 은 본 발명의 다른 실시예의 레이저 가공장치에 대한 설명도.

도 1은 소재(2)인 웨이퍼(wafer)를 절삭가공하는 본 발명의 레이저 가공장치(1)의 설명도이다. 웨이퍼는 공지의 기술로 제작된 다중의 집적회로가 있는 실리콘디스크이다. 웨이퍼를 가공하는 것은 웨이퍼의 회로를 절삭하는 것과, 웨이퍼를 절삭하여 칩(chip)(3)을 형성시키는 것을 포함한다. 일반적으로 웨이퍼는 수십에서 수백 밀리미터(mm)의 직경을 가지며, 수십에서 수백 마이크로미터의 두께를 갖는다.

웨이퍼는 캐리어(4)에 고정된다. 웨이퍼는 캐리어의 상부와 하부에 고정될 수 있다. 예로서, 캐리어(4)가 대기압 환경 하에 있을 때, 캐리어(4)의 하부에 강력하거나 약한 진공이 생성되게 한다. 캐리어(4)가 다공성물질과 같은 공기가 통하는 재질로 형성되기 때문에, 웨이퍼는 캐리어의 표면에 흡착되어 고정된다. 또는, 웨이퍼를 접착필름에 의해 캐리어에 붙일 수도 있으며, 이러한 경우에도 상기 필름이 공기가 통할 수 있도록 구성시키는 것이 바람직하다.

웨이퍼를 절삭하기 위한 레이저빔(6)은 예로, 파장이 1.06㎛이고, 츨력이 100와트(W) Nd:YAG 레이저가 바람직하다. 레이저의 출력범위는 수와트에서 킬로와트까지의 범위를 가질 수 있다. 적용의 유형에 따라 다른 종류의 레이저도 사용이 가능하다. 레이저빔(6)은 웨이퍼 표면(5)의 가공포인트(8)로 조사되며, 정해진 절삭선을 따라 웨이퍼를 절삭하게 되며, 웨이퍼를 완전히 잘라내어 분리시킬 수 있다. 웨이퍼를 레이저빔(6)으로 절삭함에 있어서, 레이저빔(6)과 웨이퍼의 상대적인 위치를 변경시켜야 하는데, 이를 위해, 레이저빔(6)을 고정시키고 웨이퍼를 움직이는 방법, 웨이퍼를 고정시키고 레이저빔(6)을 움직이는 방법, 레이저빔(6)과 웨이퍼를 모두 움직이는 방법이 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저빔(6)은 분사액체(7)내로 조사되며, 분사액체(7)는 상기 레이저빔(6)을 가이드해준다. 분사액체의 분사압력은 수bar에서 수천bar 사이로 설정될 수 있으며, 50-100bar의 압력으로 설정되는 것이 바람직하다. 분사액체(7)의 폭은 밀리미터 이하의 범위로 설정되며, 일반적으로 5-500㎛ 사이로 설정되는 바, 바람직하게는 20-100㎛인 것이 적당하다.

Nd:YAG 레이저를 사용할 경우, 상기 분사액체(7)의 액체는 물인 것이 바람직하며, 필요에 따라 다른 액체를 혼합할 수 있다. 물에 혼합하는 액체로서, 전도성(conductive) 액체 또는 비전도성(nonconductive) 액체가 사용될 수 있다. 분사액체(7)에 혼합할 액체로서, 실리콘오일과 같은 오일을 혼합시킬 수 있다.

액체의 종류에 따라 레이저를 흡수(absorption)하는 정도가 상이하므로, 액체의 선택과 상기 흡수에 의한 에너지손실은 밀접한 관계가 있다. 즉, 상기 분사액체(7)가 레이저를 흡수하지 않거나 거의 흡수하지 않을 정도인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 웨이퍼의 표면(5) 또는 칩(3)의 표면에 액체층(9)이 형성되는데, 상기 액체층(9)은 가공포인트(8) 주위의 가공부위(10)에서는 그 제1 두께(14)가 얇고, 그 외의 범위에서는 그 제2 두께(15)가 두껍게 형성된다. 즉, 액체층(9)은 가공부위(10)에서 얇은 제1 두께(14)의 작업층(operating layer)(12)을 형성하고, 가공부위(10)의 외부에서는 세척층(flushing layer)(13)을 형성한다.

이와 같이, 액체층(9)이 다른 두께로 형성되는 것은 분사구를 가지는 첫번째 액체공급장치(21)로부터의 분사액체(20)에 의한 것이다. 웨이퍼의 가공포인트(8)의 근처로 분사액체(20)가 분사되는데, 가공포인트(8)와 분사액체(20)의 분사지점 사이의 거리(24)는 지나치게 가깝거나 멀지 않도록 한다. 그럼에도 불구하고, 가공포인트(8)와 분사액체(20)의 분사지점 사이의 거리(24)의 실제 적용거리의 편차는 상대적으로 크다. 즉, 가공포인트(8)와 분사액체(20)의 분사지점 사이의 거리(24)는 매우 가깝거나 매우 멀게 설정될 수 있다. 이러한 거리조절에 있어서 가장 유의해야할 점은 가공부위(10)내의 가공포인트(8)에서의 액체층의 제1 두께(14)이다. 레이저빔(6)과 웨이퍼의 상대적인 이동속도를 고려하여 가공포인트(8)가 항상 가공부위(10) 내에 위치하게 하는 것 또한 가공포인트(8)와 분사액체(20)의 분사지점 사이의 거리(24)를 결정하는 요소가 된다.

도면에 공급되는 액체의 흐름이 화살표로 도시되어있다. 분사각(23)과 분사액체(20)의 분사량은 다양한 범위 안에서 설정될 수 있다. 상기 분사각과 분사량은 작업층(12)에서의 액체가 "슈팅흐름"(프루드수(Froude number)가 1보다 높음)으로 움직이며, 세척층(13)에서의 액체가 일반흐름(프루드수(Froude number)가 1보다 낮음)으로 움직이게 하여, 작업층(12)에서 세척층(13)으로의 변위가 크도록 설정하는 것이 바람직하다.

웨이퍼의 직경이 200-300mm인 경우, 거리(24)는 5-50mm로 설정하는 것이 바람직하며, 분사액체(20)가 분사되는 첫번째 액체공급장치(21)의 직경(22)은 0.5-5mm 사이인 것이 바람직하다. 또한, 분사각(23)의 크기는 45-90도로, 분사량은 20-500ml/min로, 작업층(12)의 제1 두께(14)는 0.01-0.5mm로, 세척층(13)의 제2 두께(15)는 0.5-5mm인 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 레이저 가공장치의 가공포인트 부분의 확대 설명도이다. 분사액체(7) 내로 조사되는 레이저빔(6)은 분사액체(7)의 폭과 같은 폭을 가지며, 도면에 점선으로 도시되어있다. 이러한 구성에서, 분사액체(7)는 그 표면에 공기의 흐름을 동반하고 있다는 것을 주의해야한다. 분사액체(7)에 의한 상기 공기의 흐름은 도면에 화살표(27)로 도시되어있다. 분사액체(7) 주위의 공기의 흐름은, 분사액체(7)가 작업층(12)에 충돌할 때, 작업층(12)의 액체를 가공포인트(8) 주변에서 밀어내어 분리시키는 작용을 하여, 레이저빔(6)을 포함한 분사액체(7)가 웨이퍼의 표면까지 연장되어 도달하게 한다. 즉, 작업층(12)으로 분사되는 분사액체(7)는 거의 소재의 표면에 도달하게 된다. 이러한 작용으로 인해, 레이저빔(6)은 그만큼 더 분사액체(7)의 가이드를 받을 수 있으며, 결국 레이저빔(6)의 에너지손실을 줄일 수 있다.

레이저빔(6)은 작업층(12)을 가로질러 웨이퍼의 표면에 조사되어 웨이퍼의 물질을 레이저의 에너지로 녹여버림으로써 절삭작업을 수행한다. 이러한 과정에서 배출물인 작은 알갱이(26)들이 생성되는데, 상기 알갱이(26)들은 레이저에 의해 녹은 웨이퍼의 물질이 빠르게 흐르는 작업층(12)의 액체에 의해 신속히 냉각되어 생성된 것이다. 이러한 현상은 알갱이(26)들이 웨이퍼의 표면(5)에 다시 붙게 되는 것을 방지해준다. 상기 알갱이(26)들은 작업층(12)으로부터 세척층(13)으로 씻겨 내려간다. 상술한 바와 같이, 세척층(13)의 제2 두께(15)는 웨이퍼의 표면이 마르지 않도록 설정된다. 이러한 이유로 인해 상기 알갱이(26)들이 웨이퍼에 다시 붙는 것이 효과적으로 방지되기 때문에, 웨이퍼의 표면(5)을 깨끗하게 유지할 수 있어 추가적인 세척과정이 필요하지 않다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예의 레이저 가공장치(1.1)에 대한 설명도이다. 레이저빔(6)은 분사액체(7)에 조사되며, 상기 레이저빔은 종래의 레이저-액체분사장치(30)에 의해 발생된다. 상기 레이저-액체분사장치는 레이저를 발생시키고 원하는 파장과 출력을 결정하는 장치(도시되지 않음) 뿐 아니라, 정해진 요건의 분사액체(7)를 생성하고, 레이저빔(6)을 상기 분사액체(7)에 조사하는 장치를 포함한다.

본 실시예에서, 첫번째 액체공급장치(21)를 구비한 액체공급장치(35)에 부가하여, 파이프, 호스, 노즐로 부터 선택되는 1개 또는 복수개의 분사구를 갖는 두번째 액체공급장치(32)가 설치된다. 두번째 액체공급장치(32)에서 분사되는 액체는 세척층(13)을 형성한다. 세척층(13)의 높이는 에지(34)에 의해 결정되는데, 상기 에지(34)는 캐리어(4)의 일부분이거나 레이저 가공장치(1.1)에 별도로 부착되어 설치된다. 보다 얇은 제1 두께(14)를 갖는 작업층(12)을 형성시키기 위해, 레이저 가공장치(1.1)는 분사액체(20)를 생성하는 액체공급장치(35)의 첫번째 액체공급장치(21)를 갖는다. 분사액체(20)가 액체층(9)에 충돌하게 되면, 액체층(9)의 유동상태에 영향을 주어 분사액체(20)의 분사지점 근처에 유속이 빠르고 두께가 얇은 작업층(12)이 형성된다. 이러한 작업층(12)의 성질은 상술한 바와 같다. 상기 분사액체(20)의 효과를 조정하기 위해, 액체공급장치(35)는 유량, 수직/수평위치, 분사액체(20)의 분사각(23)을 조절하게 된다. 이러한 조절방법은 도 3에 화살표(36)로 도시되어있다. 분사액체(20)의 분사지점과 가공포인트(8)의 거리를 일정하게 유지하기 위해서, 액체공급장치(35)는 레이저-액체분사장치(30)와 연동되어 움직이는 것이 바람직하다.

웨이퍼의 표면에 액체층을 형성시키기 위해 두번째 액체공급장치(32)와 첫번째 액체공급장치(21)로부터 분사되는 액체는 다양한 종류의 액체가 적용 가능하며, 단일 종류의 액체가 사용될 수 있다.

웨이퍼의 표면에 형성되는 액체층을 이루는 액체는 다른 방법으로 적용될 수 있다. 예로서, "슈팅흐름"(shooting flow)의 가공부위를 형성하는 분사액체(20)를 생성하기 위해, 복수개의 분사방식을 적용할 수 있다. 레이저빔의 주변을 일정한 간격으로 고리모양으로 둘러싼 복수개의 노즐을 그 예로 들 수 있다. 또한, 세척층(13)을 형성시키는 두번째 액체공급장치(32)대신, 복수개의 노즐을 에지(34)와 통합하여 설계할 수도 있다.

요약하면, 본 발명은 레이저 조사에 의한 절삭작업으로 인해 발생되는 배출물들을 충분한 두께를 갖는 액체층에 의해 제거할 수 있으며, 레이저의 에너지가 충분히 소재에 닿아 절삭할 수 있도록 상기 액체층의 두께가 조절된다.

Claims (23)

1. 레이저빔(6)이 분사액체(7) 내로 조사되어 분사액체(7)가 레이저를 가이드하고, 상기 레이저빔(6)을 포함하는 분사액체(7)는 소재(2)의 표면(5)에 충돌하며, 소재(2)는 가공포인트(8)에서 가공되며,

   a) 소재(2) 표면(5)의, 가공포인트(8) 주변 가공부위(10)상에서 액체층(9)이 형성되고, 액체층(9)은 "슈팅흐름"(shooting flow)이고, 프루드수(FR)가 1보다 크며, 상기 액체층(9)은 가공부위에서 1mm이하의 제1두께(14)를 가지며.

   b) 액체층(9)은 소재(2) 표면의 가공부위(10) 밖에서, 프루드수가 1보다 작은 흐름을 가지며 두께가 1mm이상인 제2두께(15)를 가지는 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 가공부위(10) 밖의 제2두께(15)가 1~5mm인 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 가공되는 소재(2)가 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 액체층(9)의 제2 두께(15)가 조절되며, 그 조절은 표면장력에 영향을 주는 물질의 상기 액체층(9)을 이루는 액체에의 추가, 공급되는 액체량의 조절, 및 배출되는 액체의 양의 조절중에서 선택되는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 가공부위(10)에 형성된 상기 액체층(9)은 첫번째 액체공급장치(21)에 의해 소재의 가공포인트(8)와 분사액체(20)의 분사점 사이의 거리(24)내에 생성되는 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 가공부위(10)밖의 액체층(9)이 두 번째 액체공급장치(32)로부터 생성되며, 첫번째 액체공급장치(21)에 의해 공급되는 액체는 가공포인트(8)와 분사액체(20)의 분사지점 사이의 액체층(9)의 두께를 감소시키는 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
9. 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 소재(2)에 형성되는 액체층(9)는 첫번째액체공급장치(21)로부터 공급되는 분사액체(20)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 분사액체(20)의 분사각(23)과 분사량의 조절로 액체층(9)의 제1 두께(14)와 가공범위의 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
11. 제10항에 있어서, 분사액체(20)는 직경(22)이 0.5-4mm이고, 분사각(23)이 45-90도이며, 분사량이 1㎖/min-10ℓ/min인 분사구에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
12. 레이저빔(6)이 분사액체(7) 내로 조사되어 분사액체(7)가 레이저를 가이드하고, 상기 레이저빔(6)을 포함하는 분사액체(7)는 소재(2)의 표면(5)에 충돌하며, 소재(2)는 가공포인트(8)에서 가공되게 하는 레이저장치에 있어서,

    a) 소재(2)표면의 가공포인트(8)주변 가공부위(10)내에, "슈팅흐름"을 가지고 프루드수(FR)가 1보다 큰 액체층(9)을 형성시키고, 상기 액체층(9)이 1밀리리터이하의 제1두께(14)를 가지게 하는 장치와,

    b) 가공부위(10) 밖에 프루두수가 1 이하인 흐르는 액체층(9)을 소재(2)의 표면에 형성시키되, 그 액체층(9)을 1밀리미터 이상의 두께를 가지는 제2두께(15)의 액체층(9)으로 형성시키는 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저가공장치.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제12항에 있어서, 가공되는 소재(2)가 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
17. 제12항에 있어서, 가공부위(10)내에 제1두께(14)를 가지는 액체층(9)을 형성시키는 장치는 첫번째 액체공급장치(21)로서, 액체가 소재의 가공포인트(8)와 분사액체(20)의 분사점 사이의 거리(24)이내의 가공부위에서 소재(2)를 덮게 하는 것임을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
18. 제17항에 있어서, 첫번째액체공급장치(21)는 분사액체(20)를 생성하며, 분사각(23)과 분사량이 조절될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
19. 제12항에 있어서, 가공부위(10)밖에 제2두께(15)의 액체층(9)을 형성시키는 장치는 두번째 액체공급장치(32)인 것을 특징으로하는 레이저 가공장치.
20. 제12항에 있어서, 제1두께(14)는 0.01~0.5밀리미터이고 제2두께(15)는 1~5밀리미터인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
21. 제1항에 있어서, 소재(2)의 표면(5)에 형성되는 액체층(9)이 하나의 액체분사장치에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
22. 제1항에 있어서, 가공부위(10)내의 제1두께(14)는 0.01~0.5밀리미터인 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.
23. 제21항에 있어서, 소재의 표면에 형성되는 액체층(9)을 구성하는 액체는 물인 것을 특징으로 하는 소재를 가공하는 방법.

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