KR101345229B1 - 기판의 절단장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판의 절단장치에 관한 것으로서, 레이저를 이용하여 기판 절단시 광초점을 고정시키지 않고 Z축 방향으로 진동시켜 크랙을 기판의 두께 전층에 걸쳐 생성시킴으로써 이종형질 구조나 이종형질 접합구조의 기판에서도 크랙이나 열팽창이 균일하게 발생하여 브레이킹 후 깨끗한 단면을 얻을 수 있다.

Description

기판의 절단장치{CUTTING APPARATUS OF SUBSTRATE}
본 발명은 기판의 절단장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저를 이용하여 기판 절단시 광초점을 고정시키지 않고 Z축 방향으로 진동시켜 크랙을 기판의 두께 전층에 걸쳐 생성시키는 기판 절단장치에 관한 것이다.
정보통신 분야의 급속한 발전으로 말미암아, 원하는 정보를 표시해 주는 디스플레이 산업의 중요성이 날로 증가하고 있으며, 현재까지 정보 디스플레이 장치 중 CRT(Cathode Ray Tube)는 다양한 색을 표시할 수 있고, 화면의 밝기도 우수하다는 장점 때문에 지금까지 꾸준한 인기를 누려왔다.
하지만, 대형, 휴대용, 고해상도 디스플레이에 대한 욕구 때문에 무게와 부피가 큰 CRT 대신에 평판 디스플레이(flat panel display) 개발이 절실히 요구되고 있다.
이러한 평판 디스플레이는 컴퓨터 모니터에서 항공기 및 우주선 등에 사용되는 디스플레이에 이르기까지 응용분야가 넓고 다양하다.
현재 생산 혹은 개발된 평판 디스플레이는 액정표시장치(liquid crystal display : LCD), 전계 발광 디스플레이(electro luminescent display : LED), 전계 방출 디스플레이(field emission display : FED), 플라즈마 디스플레이(plasma display panel : PDP) 등이 있다.
이와 같은 평판 디스플레이는 일반적으로 대규모 집적회로 등의 반도체 칩(chip)과 같이 취성기판 상에 다수 개를 매트릭스 모양으로 형성되어 기판을 각 소자 단위로 절단 분리하는 공정을 거쳐 제조된다.
그런데 글라스(glass), 실리콘(silicon), 세라믹(ceramic) 등의 취성기판의 절단분리에 사용되는 방법으로서는, 기판을 고속으로 회전하는 50~200㎛ 정도 두께의 다이아몬드 블레이드(diamond blade)에 의하여 절삭하고 기판에 절단용 홈을 형성하는 다이싱(dicing)과, 0.6~2㎜정도의 두께를 갖는 다이아몬드로 만든 스크라이빙 휠(scribing wheel)에 의하여 기판의 표면에 절단홈을 형성하여 기판의 두께 방향으로 크랙(crack)을 발생시키는 스크라이빙(scribing)의 2가지 방법이 대표적이다.
먼저, 다이싱은 스크라이빙에 비하여 매우 얇은 블레이드를 이용하는 것이기 때문에, 표면에 박막이나 볼록부가 형성된 기판을 절단하는 데에도 적합하다.
그런데 다이싱에 있어서는, 블레이드가 절삭하고 있는 영역에서 마찰열이 발생하고, 절삭은 이 영역에 냉각수를 공급하면서 이루어지기 때문에 금속 전극층 및 금속 단자 등의 금속 부분을 포함하고 있는 평판 디스플레이에 있어서는 결코 바람직한 방법이라고는 할 수 없다.
즉, 다이싱에 의한 경우에는, 다이싱을 한 후에 냉각수의 제거에 완전을 기하는 것이 실제로는 어렵고, 냉각수의 제거가 불완전하여 잔류수분이 있으면 평판 디스플레이의 금속 부분에 부식이 발생할 우려가 있다. 또한, 다이싱은 스크라이빙에 비하여 절단시간이 길고 나아가서는 생산성이 좋지 않다는 문제도 있다.
이에 대하여 스크라이빙은 냉각수가 일체 불필요하기 때문에 다이싱에 의한 경우보다 제품의 수율이 좋고, 또한 절단시간이 다이싱에 비하여 짧기 때문에 생산성에 있어서 우수하다는 이점을 가지고 있다.
본 발명과 관련된 선행기술로는 대한민국 공개특허 10-2005-0113917호(2005.12.05.) "기판의 절단장치 및 이를 이용한 기판의 절단방법"이 있다.
이와 같이 스크라이빙에 의한 기판의 절단방법은 스크라이빙 휠의 회전에 의해 절단하고자 하는 기판에 소정깊이의 크랙을 형성한 후 브레이크 바(break bar)로 기판 표면에 소정깊이로 형성된 크랙을 따라 가압함으로써 기판을 절단한다.
이후 스크라이브 및 브레이크 작업에서 기판의 절단면 및 모서리를 일정 메쉬(mesh)를 가진 연마 숫돌을 사용하여 그라인딩(grinding)하여 절단면 처리를 수행한다.
그런데, 최근에는 기판의 강도를 보완하기 위해 유리표면에 강도개선 재료를 첨가하여 내부와 표면이 다른 구조를 갖는 기판을 사용할 뿐만 아니라 이종의 유리를 접합하여 강도를 개선한 기판을 사용함에 따라 어느 일 측에만 크랙을 발생시킨 후 가압할 경우 단일 특성의 기판보다 크랙의 확장이 균일하지 않게 되어 양호한 단면을 얻을 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창작된 것으로서, 레이저를 이용하여 기판 절단시 광초점을 고정시키지 않고 Z축 방향으로 진동시켜 크랙을 기판의 두께 전층에 걸쳐 생성시키는 기판 절단장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 기판의 절단장치는 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 레이저 발생부에서 발생된 레이저를 집속하여 스테이지에 놓여진 기판에 광초점이 맺히도록 하는 집광렌즈; 레이저 발생부와 집광렌즈의 광경로에 위치하여 굴절율의 변화로 레이저의 발산각을 변화시켜 광초점을 기판의 두께 방향으로 진동시키기 위한 광경로 조절부; 및 레이저 발생부에서 발생되는 레이저의 출력 및 노출시간을 조절할 뿐만 아니라 광경로 조절부를 통해 굴절율을 변화시켜 기판의 두께 전체에 걸쳐 광초점이 이동되도록 진동폭과 주기를 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 광경로 조절부는 음향광학소자, 전기광학소자 및 자기광학소자 중 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 기판은 이종형질 구조 및 이종형질의 접합구조인 것을 특징으로 한다.
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본 발명은 레이저를 이용하여 기판 절단시 광초점을 고정시키지 않고 Z축 방향으로 진동시켜 크랙을 기판의 두께 전층에 걸쳐 생성시킴으로써 이종형질 구조나 이종형질 접합구조의 기판에서도 크랙이나 열팽창이 균일하게 발생하여 브레이킹 후 깨끗한 단면을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 절단장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 절단장치에 의해 기판에 발생된 크랙을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판의 절단장치를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 기판의 절단장치의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 절단장치를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 절단장치에 의해 기판에 발생된 크랙을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 절단장치는 레이저 발생부(10), 집광렌즈(30), 광경로 조절부(20) 및 제어부(60)를 포함한다.
레이저 발생부(10)는 레이저(15)를 발생시킨다.
이때 레이저(15)로는 나노초 단위의 펄스를 갖는 YAG 레이저나 엑시머 레이저일 수 있으며, 펄스 방사시간이 10-15 s 대인 펨토초(femto second) 레이저일 수도 있다.
1 피코초 즉 1×10-12 s 이하의 극초단 펄스 방사시간에 발진하는 레이저를 이용하면 레이저 에너지의 발진 밀도는 매우 크기 때문에 일반적으로 1mJ의 광에너지를 가지고 100 펨토초 정도의 펄스 방사시간을 가지면 레이저의 에너지 밀도는 대략 10 기가와트의 수준에 달해 어떠한 재질의 가공도 가능하게 된다.
또한, 극초단 펄스 레이저를 기판에 방사하면 재료의 구성격자에 다광자 현상이 발생하고 이에 의한 원자의 들뜸 현상이 일어나는 동안 광자가 주위의 구성격자에 열을 전달하는 시간보다 입사 펄스가 짧으므로 기판을 절단하는 동안 열확산으로 인한 가공 정밀도의 저하와 재질의 물리, 화학적 변화와 가공물의 가공부위가 일부분 용융되는 문제점이 해결되어 고정밀도의 가공 수행이 가능하게 된다.
한편 펨토초 레이저를 사용하여 기판(40)을 절단할 경우에는 가공에 의한 파티클의 적층이나 크레이터 등 부산물이 거의 생산되지 않아 초음파 세정 등의 부산물 제거단계가 필요 없게 된다. 또한, 높은 열전달 계수를 가지거나 적은 광흡수율을 가지는 물질의 가공이 가능하며, 또한 두 종류 이상의 이종형질의 가공과 다층으로 적층된 복합재질의 기판(40)을 단일 공정으로 가공이 가능하게 된다.
집광렌즈(30)는 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저(15)를 집속하여 스테이지(50)에 놓여진 기판(40)에 광초점이 맺히도록 하여 크랙(45)을 발생시킨다.
이때 집광렌즈(30)는 높은 NA(Numerical Aperture; 개구경)를 갖는 대물렌즈로써 미세한 초점사이즈의 광초점이 맺히도록 한다.
광경로 조절부(20)는 레이저 발생부(10)와 집광렌즈(30)의 광경로에 위치하여 광초점을 기판(40)의 두께 방향으로 진동시키기 위한 음향광학소자, 전기광학소자나 자기광학소자로써 이들 소자의 굴절율을 변화시킴으로써 레이저(15)의 발산각을 변화시킨다.
이때 제어부(60)에서 광경로 조절부(20)를 제어하여 필요에 따라 인가되는 전원을 조절하여 진동폭 및 진동주기에 따라 굴절율을 변화시킬 수 있다.
따라서 집광렌즈(30)에 입사되는 레이저(15)는 광경로 조절부(20)에서 변화된 굴절율에 따라 발산각이 변경되면서 광초점의 위치가 변하게 된다.
즉 제어부(60)에서 광경로 조절부(20)를 통해 집광렌즈(30)로 입사되는 레이저(15)의 발산각이 연속적으로 변하면서 광초점을 Z축으로 진동시켜 초점이 f1, f2, f3 등으로 연속적으로 이동 하면서 스테이지(50)를 절단방향으로 이동시켜 절단할 경우 도 2에 도시된 바와 같이 기판(40)의 두께방향 전체에 걸쳐 크랙(45)이 발생됨으로써 이종형질 구조나 이종형질 접합구조의 기판(40)에서도 크랙(45)이나 열팽창이 균일하게 발생하여 브레이킹 후 깨끗한 단면을 얻을 수 있다.
위와 같이 스테이지(50)를 절단방향으로 이동시켜 크랙(45)을 발생시킬 수도 있으나 레이저(15)를 수평으로 이동시킬 수도 있으며, 절단하고자 하는 기판(40)의 크기 및 작업 조건이나 환경에 따라 스테이지(50)와 레이저(15) 모두를 이동시켜 크랙(45)을 발생시킬 수도 있다.
이때 레이저(15)로 펨토초 레이저를 사용할 경우 짧은 펄스폭과 펄스당 높은 첨두 출력을 지니고 있어 기판(40)의 절단시 절단부 주변에 열팽창 및 충격파를 전혀 발생시키지 않는다.
또한, 집광렌즈(30)를 통해 증폭된 펨토초 레이저는 피크 파워가 지금까지의 레이저에 비해 매우 높아 테라(1012)와트에서 최근에는 페타(1015)와트의 피크 파워를 갖는 T3 레이저(Table Top Terawatt Laser)라고 칭할 수 있어 초점 부근에 놓인 물질을 고온의 플라즈마 상태로 바꾸어 버린다.
그러나 펨토초 레이저의 경우 레이저 에너지와 흡수와 그 후의 물질 변화가 시간적으로 분리되기 때문에 펨토초 레이저를 통해 기판(40)을 절단했을 때 절단하고자 하는 절단 주변에는 열 영향부(Heat Affected Zone)가 없는 절단이 이루어진다.
즉, 펨토초 레이저가 조사된 물질을 구성하고 있는 원자가 이온화되고 플라즈마가 발생하는 시간 규모는 펄스 폭 보다도 길기 때문에 이 플라즈마는 레이저와는 상호 작용을 하지 않게 되고, 조사부에서 열이 그 주위로 확산하는 시간보다도 레이저(15)의 펄스폭이 짧기 때문에 레이저의 에너지는 조사 영역에 국소 존재하여 그 영역에서만 물질의 상태 변화를 일으킨다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판의 절단장치를 나타낸 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판의 절단장치는 레이저 발생부(10), 집광렌즈(30), 렌즈진동부(70) 및 제어부(60)를 포함한다.
레이저 발생부(10)는 레이저(15)를 발생시킨다.
이때 레이저는 펄스 방사시간이 10-15 s 대인 펨토초(femto second) 레이저를 발생시킬 수도 있다.
집광렌즈(30)는 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저(15)를 집속하여 스테이지(50)에 놓여진 기판(40)에 광초점이 맺히도록 하여 크랙(45)을 발생시킨다.
이때 집광렌즈(30)는 높은 NA(Numerical Aperture; 개구경)를 갖는 대물렌즈로써 미세한 초점사이즈의 광초점이 맺히도록 한다.
렌즈진동부(70)는 기판(40)에서 광초점이 Z축 방향으로 진동시킬 수 있도록 하기 위해 집광렌즈를 진동시키기 위한 렌즈진동부(70)를 구비할 수 있다.
렌즈진동부(70)는 압전소자나 보이스코일 진동자를 통해 집광렌즈(30)를 Z축으로 선형운동을 시켜 기판(40)에 맺히는 초점을 f1, f2, f3로 이동시켜 크랙(45)을 발생시킨다.
따라서, 제어부(60)에서 기판(40)의 특성에 따라 레이저 발생부(10)를 제어하여 출력 및 노출시간을 조절하여 레이저(15)를 발생시키면 집광렌즈(30)에 의해 기판(40)에 초점이 맺혀 크랙(45)을 발생시킨다. 이때 렌즈진동부(70)를 작동시켜 집광렌즈(30)를 Z축 방향으로 진동시킴과 동시에 절단방향으로 스테이지(50)를 이동시킴으로써 기판(40)의 두께 전체에 걸쳐 초점이 이동되면서 크랙(45)을 발생됨으로써 브레이킹 후 깨끗한 단면을 얻을 수 있다.
위와 같이 스테이지(50)를 절단방향으로 이동시켜 크랙(45)을 발생시킬 수도 있으나 레이저(15)를 수평으로 이동시킬 수도 있으며, 절단하고자 하는 기판(40)의 크기 및 작업 조건이나 환경에 따라 스테이지(50)와 레이저(15) 모두를 이동시켜 크랙(45)을 발생시킬 수도 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 기판의 절단장치에 의하면, 레이저(15)를 이용하여 기판(40) 절단시 광초점을 고정시키지 않고 Z축 방향으로 진동시켜 크랙(45)을 기판(40)의 두께 전층에 걸쳐 생성시킴으로써 이종형질 구조나 이종형질 접합구조의 기판(40)에서도 크랙(45)이나 열팽창이 균일하게 발생하여 브레이킹 후 깨끗한 단면을 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 레이저 발생부 15 : 레이저
20 : 광경로 조절부 30 : 집광렌즈
40 : 기판 45 : 크랙
50 : 스테이지 60 : 제어부
70 : 렌즈진동부

Claims (6)

  1. 레이저를 발생시키는 레이저 발생부;
    상기 레이저 발생부에서 발생된 상기 레이저를 집속하여 스테이지에 놓여진 기판에 광초점이 맺히도록 하는 집광렌즈;
    상기 레이저 발생부와 상기 집광렌즈의 광경로에 위치하여 굴절율의 변화로 레이저의 발산각을 변화시켜 상기 광초점을 상기 기판의 두께 방향으로 진동시키기 위한 광경로 조절부; 및
    상기 레이저 발생부에서 발생되는 상기 레이저의 출력 및 노출시간을 조절할 뿐만 아니라 상기 광경로 조절부를 통해 굴절율을 변화시켜 상기 기판의 두께 전체에 걸쳐 상기 광초점이 이동되도록 진동폭과 주기를 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 절단장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광경로 조절부는 음향광학소자, 전기광학소자 및 자기광학소자 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 기판의 절단장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 이종형질 구조 및 이종형질의 접합구조인 것을 특징으로 하는 기판의 절단장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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