KR102617346B1 - 산란 억제를 위한 절단용 레이저 장치 - Google Patents

산란 억제를 위한 절단용 레이저 장치 Download PDF

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Abstract

본 개시의 예시적 실시예에 따른 절단용 레이저 장치는 가우시안(Gaussian) 레이저 광 출사부, 상기 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광의 형상을 변조하는 광 변조부, 상기 변조된 레이저 광을 집광시키는 집광 렌즈부 및 절단될 반도체 기판이 안착될 반도체 기판 안착부를 포함하고, 상기 변조된 레이저 광은 상기 반도체 기판 안착부에 안착된 반도체 기판의 내부에 집속되는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

산란 억제를 위한 절단용 레이저 장치{Laser dicing device for suppressing scattering}
본 개시의 기술적 사상은 절단용 레이저 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 기판 내 레이저 광의 산란을 억제하여 기판 내 형성된 반도체 소자의 광학적 손상을 방지하는 절단용 레이저 장치에 관한 것이다.
종래에는, 반도체 장치나 전자 부품등이 형성된 기판이 개개의 칩으로 분할되려면, 미세한 다이아몬드가 지립으로 형성된 얇은 절단 블레이드를 기판의 연삭홈에 넣어 기판을 절단하는 절단용 장치가 이용되고 있었다. 종래의 절단 블레이드에 의한 기판 절단 과정의 경우, 기판의 표면이나 이면에 칩핑이 생기고, 이 칩핑이 분할된 칩의 성능을 저하시키는 요인이 되고 있었다.
이와 같은 문제점으로 인해, 종래의 절단 블레이드에 의한 절단 대신에, 기판의 내부에 집광점을 갖는 레이저 광을 입사시켜, 다광자 흡수에 의해 기판 내부에 개질 영역 및 크랙을 형성하여 개개의 칩으로 분할하는 절단용 레이저 장치가 제안되었다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 기판의 내부에 집광되는 레이저 광이 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 공간적으로 중첩되지 않아 기판 내 입사되는 레이저 광의 산란을 막는 레이저 광 변조 방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 기판의 내부에 집광되는 레이저 광이 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 공간적으로 중첩되지 않아 기판 내 입사되는 레이저 광의 산란을 막는 절단용 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 기판의 내부에 집광되는 레이저 광이 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 공간적으로 중첩되지 않아 기판 내 입사되는 레이저 광의 산란을 막는 기판 절단 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 개시의 일 실시예로 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 출사하는 출사 단계; 및 상기 출사 단계에서 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광의 형상을 변조하는 변조 단계;를 포함하는 레이저 광 변조 방법을 제공한다.
본 개시의 다른 실시예로 가우시안(Gaussian) 레이저 광 출사부; 상기 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광의 형상을 변조하는 광 변조부; 상기 변조된 레이저 광을 집광시키는 집광 렌즈부; 및 절단될 반도체 기판이 안착될 반도체 기판 안착부;를 포함하고, 상기 변조된 레이저 광은 상기 반도체 기판 안착부에 안착된 반도체 기판의 내부에 집속되도록 구성된 것을 특징으로하는 절단용 레이저 장치를 제공한다.
본 개시의 다른 실시예로 가우시안(Gaussian) 레이저 광이 출사되는 광 출사 단계; 상기 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광의 형상을 변조하는 광 변조 단계; 상기 변조된 레이저 광이 집광되는 광 집광 단계; 상기 집광된 레이저 광을 기판의 내부에 집속시켜 개질영역 및 크랙을 형성하는 크랙형성 단계; 상기 레이저 장치와 기판을 절단 방향으로 상대적으로 이동시키는 장치 구동 단계; 및 상기 기판에 외력을 가해 상기 형성된 크랙을 확장시켜 기판을 개별로 절단하는 절단 단계;를 포함하는 기판 절단 방법을 제공한다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 절단용 레이저 장치는 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광의 형상을 변조하고, 상기 변조된 레이저 광을 기판 내 입사시키기 때문에, 상기 기판 내 집광되는 변조된 레이저 광과 기 형성된 개질 영역 및 크랙과의 공간적 중첩이 최소화될 수 있다. 따라서 기판 내부에서 레이저 광이 산란되지 않아 기판 내 형성된 반도체 소자의 광학적 손상을 방지할 수 있고, 반도체 기판의 절단 공정의 유연성이 증대될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 절단용 레이저 장치에서 출사된 레이저 광이 기판 내부의 집광점 근방에 집속되어 개질 영역 및 크랙을 형성하는 것을 설명하는 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 종래 절단용 레이저 장치에서 출사된 레이저 광이 기판 내부의 집광점 근방에 집속되어 개질영역 및 크랙을 형성하는 것을 설명하는 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 절단용 레이저 장치에서 출사된 레이저 광이 기판 내부의 집광점 근방에 집속되어 개질영역 및 크랙을 형성하는 것을 설명하는 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 형상 및 세기를 나타내는 도면 및 그래프이다.
도 4c 내지 도 4e는 본 개시의 예시적 실시예들에 따른 8자형(8-shaped) 레이저 광의 형상들을 나타내는 도면이다.
도 4f는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 4e에 도시된 8자형(8-shaped) 레이저 광의 방위각에 따른 광의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 4g 내지 도 4i는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 변조된 레이저 광의 형상들을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조하는 레이저 광 변조부를 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 슬릿(slit)을 이용한 레이저 광 변조부를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 공간 광 변조기를 이용한 레이저 광 변조부를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 복굴절 렌즈를 이용한 레이저 광 변조부를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 도 8에 따른 레이저 광의 변조 양태를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 방사형 및 방위형 CVB의 형상을 설명하는 도면 및 상기 CVB의 광의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 CVB로 변조한 후 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 다시 변조하는 레이저 광 변조부를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 나선상 요소를 이용한 CVB 변조를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 다수의 공간 광 변조기를 이용한 CVB 변조를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 광 섬유 편광 제어기를 이용한 CVB변조를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 공간적으로 분할된 반파장 플레이트를 이용한 CVB변조를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 8자형 광 변조 모듈의 한 예로 편광 필터를 나타낸 도면이다.
도 17a는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 방사형 CVB가 수직 편광 필터에 의해 8자형 광으로 변조되는 형상을 나타낸 도면이다.
도 17b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 방위형 CVB가 수평 편광 필터에 의해 8자형 광으로 변조되는 형상을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 CVB 와 8자형 광의 각도에 따른 세기를 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 절단용 레이저 장치의 절단 가공의 개략을 나타낸 구성도이다.
도 20은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 절단용 레이저 장치의 거리 측정의 개략을 나타낸 구성도이다.
도 21은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 외력을 통한 개별 반도체 기판으로의 분할을 나타낸 도면이다.
도 22는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 반도체 기판의 절단 방법의 흐름 및 광 변조 방법의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 23은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 반도체 기판의 절단 방법의 흐름 및 거리 측정의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 1a는 절단용 레이저 장치에서 출사된 레이저 광(L1)이 기판(S) 내부의 집광점 근방에 집속되어 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성하는 것을 설명하는 기판(S)의 측 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 기판(S)의 표면을 투과한 절단용 레이저 장치의 레이저 광(L1)은 집광점의 근방에서 에너지를 집중시킨다. 상기 기판(S) 내부의 집광점 근방에서 집광되는 상기 레이저 광(L1)은 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성할 수 있다.
상기 절단용 레이저 장치는 스텔스 다이싱(Stealth Dicing, SD) 레이저 장치일 수 있다. 상기 스텔스 다이싱 레이저 장치는 반도체 기판을 투과할 수 있는 파장의 절단용 레이저 광을 렌즈에 의해 집광시켜 반도체 기판 내부의 지점에 집속 시킬 수 있다. 상기 집속되는 절단용 레이저 광은 높은 반복 속도로 발진하는 짧은 펄스로 구성될 수 있고, 상기 절단용 레이저 광은 회절의 임계 레벨까지 고도로 응축될 수 있다. 기판 내에서 상기 절단용 레이저 광은 집광점 부근에서 매우 높은 피크 파워(peak power) 밀도로 집광됨과 동시에, 공간적으로 압축될 수 있다. 상기 반도체 기판을 투과하는 절단용 레이저 광이 응축되는 과정에서 피크 파워(peak power) 밀도를 초과할 때, 집광점 근방에서 극히 높은 비선형의 다광자 흡수 현상이 발생할 수 있다. 상기 집광점 근방에서 발생하는 높은 비선형의 다광자 흡수 현상으로 인해, 상기 기판(S)의 결정이 상기 기판(S) 내 집광되는 광의 에너지를 흡수하여 열 용융현상을 일으켜 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성할 수 있다. 상기 스텔스 다이싱 레이저 장치를 이용하면 반도체 기판 내부의 전면 및 후면을 손상시키지 않으면서 기판 내의 국부적인 지점만 선택적으로 가공할 수 있다. 또한 상기 절단용 레이저 장치는 절단 패턴에 따라 고속으로 기판을 절단하기 위해 레이저 광과 기판의 상대 위치를 이동시키는 메커니즘을 포함할 수 있다.
도 1b는 레이저 장치가 기판(S)내 일 부분에서 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성한 후, 가공 방향으로 상대적으로 이동하여 기판(S) 내에 복수의 개질 영역(P, P,…) 및 크랙(C, C,…)을 형성한 상태를 개념적으로 나타내는 기판(S)의 측 단면도이다. 상기 복수의 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성함으로써 상기 기판(S)은 분자간 힘의 밸런스가 무너질 수 있고, 상기 기판(S)에 외력을 가했을 경우 상기 기판(S)은 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 기점으로 자연스럽게 분할될 수 있다.
도 1c는 기판(S)의 내부에 개질 영역(P) 및 크랙(C)이 다층으로 형성된 상태를 나타내는 기판(S)의 측 단면도이다. 상기 레이저 광(L1)의 집광점의 위치를 조절하면 상기 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 기판(S)내 다양한 높이에서 형성할 수 있다. 상기 다양한 높이의 개질 영역(P) 및 크랙(C)으로 인해, 상기 기판(S)의 절단 공정의 유연성이 증대될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 절단용 레이저 장치에서 출사된 레이저 광(L2)이 반도체 기판 내에서 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성하는 모습을 도시한다. 구체적으로, 도 2a는 종래의 레이저 광(L2)이 기판(S) 내부의 집광점 근방에 집속되어 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성하는 것을 설명하는 기판(S)의 측 단면도이고, 도 2b는 상기 종래의 레이저 광(L2)이 기판(S) 내부의 집광점 근방에 집속되어 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성하는 것을 설명하는 기판(S)의 평면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조할 때, 종래의 절단용 레이저 장치에서 출사된 레이저 광(L2)과 기 형성된 개질 영역(P) 및/또는 크랙(C) 사이에서 공간적 중첩(D)이 일어날 수 있다. 상기 공간적 중첩(D)으로 인해, 기판 내로 입사되는 레이저 광(L2)의 일부는 반도체 기판(S) 내에서 산란될 수 있으며, 산란된 광(L2’)은 반도체 기판(S)에 형성된 반도체 소자들에 광학적 손상을 야기할 수 있다. 또한 종래의 절단용 레이저 장치는 반도체 기판(S)의 절단력 향상을 위해 레이저 광(L2)을 촘촘히 입사할 경우 레이저 광(L2)과 기 형성된 개질 영역(P) 및/또는 크랙(C) 사이 공간적 중첩(D)을 증가시켜 상기 레이저 광(L2)의 산란으로 인한 기판의 손상이 증가하는 위험성이 있다. 이하 하기에서 설명되는 본 개시의 실시예들로 종래의 절단용 레이저 장치의 상기 문제점을 해결할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시예에 따른 절단용 레이저 장치에서 출사된 레이저 광(L3)이 반도체 기판 내에서 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성하는 모습을 도시한다. 구체적으로, 도 3a는 본 개시의 일 실시예에 따른 절단용 레이저 광(L3)이 기판(S) 내부의 집광점 근방에 집속되어 개질 영역(P) 및 크랙(C)을 형성하는 것을 설명하는 기판(S)의 측 단면도이고, 도 3b는 본 개시의 상기 실시예에 따른 기판(S)의 평면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 종래의 절단용 레이저 장치와는 달리, 본 개시의 절단용 레이저 장치에서 출사되어 기판(S)으로 입사되는 레이저 광(L3)은 위에서 내려다 볼 때, 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재한 형상일 수 있다. 실질적으로, 상기 레이저 광(L3)의 가공 방향과 평행한 방향에서 광은 부재할 수 있다. 다만 이에 한정되지 않고, 상기 레이저 광(L3)의 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광은 가공 방향과 수직한 방향의 부근의 광보다 상대적으로 약한 세기로 존재할 수 도 있다.
일 실시예로, 상기 기판(S)으로 입사되는 레이저 광(L3)은 위에서 내려다 볼 때 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재한 8자형(8-shaped)의 형상을 할 수 있다. 상기 절단용 레이저 광(L3)의 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재한 형상으로 인해, 기 형성된 개질 영역(P) 및 크랙(C)과 상기 레이저 광(L3) 사이의 공간적 중첩을 방지 또는 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 레이저 광(L3)의 산란을 방지하거나 감소시켜 반도체 기판(S)에 형성된 반도체 소자들의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
이하의 발명의 설명에서는 상기 레이저 광의 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 광의 세기를 감소시키는 방법, 예를 들어 상기 레이저 광을 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조하는 방법에 대해 보다 자세히 설명한다. 도 4a 및 도 4b는 가우시안(Gaussian) 분포의 레이저 광의 형상 및 광의 세기를 설명한다. 도 4a는 원형의 가우시안 레이저 광의 형상을 도시하며, 도 4b는 상기 도 4a의 가우시안 레이저 광의 임의의 지름을 따라 나타낸 레이저 광의 세기 분포를 나타낸 그래프이다.
가우시안 분포란 도수 분포 곡선이 평균값을 중심으로 좌우 대칭을 이루는 분포를 의미한다. 도 4b의 그래프를 참조할 때, 상기 원형의 가우시안 레이저 광의 세기(intensity)는 좌우 대칭을 이루고 있으며 중심에서 가장 세며, 상기 중심에서 멀어질수록 약해진다. 또한 상기 가우시안 레이저 광은 공간적으로 균질한 편광(예를 들어, 선형 또는 원형)을 가질 수 있다.
본 개시는 반도체 기판 내 레이저 광의 산란을 방지하거나 감소시켜 반도체 기판에 형성된 반도체 소자들을 보호하기 위해, 상기 원형의 가우시안 레이저 광(도 4a)을 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재한 형상의 광으로 변조하여 기판 내에 입사시킬 수 있다.
도 4c 내지 도 4i는 본 개시의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재한 형상의 변조된 레이저 광을 나타내는 도면이다.
도 4c 내지 도 4e를 참조할 때, 본 개시의 일 실시예에 따른 기판 내 입사되는 변조된 레이저 광의 형상은 8자형(8-shaped)일 수 있다. 도 4c 내지 도 4e에 도시된 8자형(8-shaped) 레이저 광들은 형상에서 상호 일부 차이가 있을 수 있지만, 공통적으로 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재하거나 광의 세기가 상대적으로 약할 수 있고, 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 수직인 방향의 부근에서 광의 세기는 상기 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 광보다 상대적으로 셀 수 있다. 하기에서는 보다 구체적으로 8자형(8-shaped) 레이저 광들의 형상 및 특징을 설명한다.
도 4c를 참조할 때, 본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 8자형(8-shaped) 레이저 광(L4c)은 대체로 모래시계의 모양을 가진 형상일 수 있다. 상기 8자형 레이저 광(L4c)은 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에는 광이 부재하거나 광의 세기가 상대적으로 약할 수 있다. 하지만, 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 수직인 방향의 부근에서의 광의 세기는 상기 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 광보다 상대적으로 셀 수 있다.
상기 모래시계 형상의 8자형 레이저 광(L4c)은 레이저 가공방향과 수직인 방향으로 광의 중심을 지나는 직선(c)을 그었을 때, 상기 직선(c)과 교차하는 광의 중심 부근에서 빛의 세기가 세고, 직선(c)을 따라 광의 중심 부근에서 멀어질수록 빛의 세기가 약해질 수 있다. 또한 모래시계 형상의 8자형 레이저 광(L4c)의 세기는 직선(c)을 따라 균일할 수도 있다. 상기 모래시계 형상의 8자형 레이저 광(L4c)은 중심 축에 대칭되지 않는 편광을 가질 수도 있다. 상기 모래시계 형상의 8자형 레이저 광(L4c)은 가우시안 레이저 광을 후술하는 슬릿(slit), 공간 광 변조기 등의 광 변조 모듈을 통해 변조하여 만들어질 수 있다. 상기 슬릿을 통해 가우시안 레이저 광을 8자형 레이저 광(L4c)으로 변조한 경우에는 상기 광의 세기는 중심 부근에서 빛의 세기가 셀 수 있고, 상기 공간 광 변조기를 통해 가우시안 레이저 광을 8자형 레이저 광(L4c)으로 변조한 경우에는 중심 부근에서 빛의 세기가 셀 수도 있고 또한 직선(c)를 따라 세기가 균일할 수도 있다.
도 4d를 참조할 때, 도시된 8자형(8-shaped) 레이저 광(L4d)은 모래시계 형상에서 중심에서 소정거리(d)만큼 떨어진 부분은 광이 비어있는 형상일 수 있다. 상기 8자형 레이저 광(L4d)은 광의 중심에서부터 중심에서 소정거리(d) 떨어진 부분까지 광이 부재하거나 약할 수 있다. 또한 상기 8자형 레이저 광(L4d)은 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에는 광이 부재하거나 광의 세기가 상대적으로 약할 수 있다. 하지만, 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 수직인 방향의 부근에서의 광의 세기는 상기 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 광보다 상대적으로 셀 수 있다.
상기 도 4d의 8자형(8-shaped) 레이저 광(L4d)은 후술하는 복굴절 렌즈 및 슬릿의 조합을 통해 가우시안 레이저 광을 변조하여 만들어질 수 있다.
도 4e를 참조할 때, 도시된 8자형(8-shaped) 레이저 광(L4e)은 모래시계의형상에서 중심에서부터 제1 거리(t)만큼 떨어진 부분은 비어있는 형상일 수 있다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 방위각(theta, Θ)의 360도 회전에 따라 중심에서 제1 거리(t) 보다 멀고 제2 거리(t’)보다 가까운 링 형상의 영역(R)에서 광이 다른 세기로 존재할 수 있다. 상기 링 형상의 영역(R)에서의 광의 세기는 상기 방위각이 90도, 270도인 부근(즉, 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 수직인 방향의 부근)에서 상대적으로 세고, 상기 방위각이 0도, 180도인 부근(즉, 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 평행인 방향의 부근)에서 상대적으로 약할 수 있다.
도 4f는 상기 도 4e에 도시된 8자형(8-shaped) 레이저 광(L4e)의 방위각(theta, Θ)의 360도 회전에 따른 링 형상의 영역(R)에서의 광의 세기의 그래프를 도시한다. 도 4f를 참조하면, 상기 링 형상의 영역(R)에서의 광의 세기는 상기 방위각의 회전에 따라 절대값 사인(sine)곡선을 이룰 수 있다. 상기 방위각이 90도, 270도인 경우 레이저 광의 세기는 최대값(M)을 갖고, 상기 방위각이 0도, 180도인 경우 레이저 광은 부재할 수 있다. 도 4f의 그래프에서는 8자형(8-shaped) 레이저 광(L4e)의 세기의 최대값(M)의 1/SQRT(2)(SQRT(A)는 A의 제곱근을 나타낸다.) 이상 최대값(M) 이하의 광의 세기를 갖는 부분을 빗금으로 나타내었다. 보다 구체적으로, 도 4f를 참조하면, 방위각이 45도 내지 135도 및 225도 내지 315도인 구간에서 8자형(8-shaped) 레이저 광(L4e)의 세기는 최대값(M)의 1/SQRT(2) 이상 최대값(M) 이하의 세기를 가질 수 있다.
상기 최대값(M)의 1/SQRT(2)이상 최대값(M) 이하의 세기를 갖는 부분(즉, 45도 내지 135도 및 225도 내지 315도 )에서의 광의 세기가 기판 절단의 레이저 가공에 있어서 주요한 광의 세기가 될 수 있다. 따라서 상기 최대값(M)의 1/SQRT(2) 이상 최대값(M) 이하의 세기를 갖는 부분의 광을 도시한다면 도 4e의 8자형의 레이저 광의 형상(L4e)으로 나타날 수 있다.
상기 도 4e의 8자형(8-shaped) 레이저 광은 중심 축에 대칭인 편광을 갖는 링 형상의 원통형 벡터 광(Cylindrical Vector Beam, CVB)이 편광필터를 거치면서 변조되어 만들어질 수 있고, 상기 내용은 뒤에서 자세히 서술한다.
도 4c 내지 도 4f에서 도시된 상기 8자형(8-shaped) 레이저 광은 반도체 기판 내에 광을 집속시켜 기판을 절단하는 단계에 있어서, 광이 부재하거나 광의 세기가 상대적으로 약한 8자의 측면 부분이 기판 상의 절단 가공라인에 맞닿도록 하고, 광의 세기가 상대적으로 강한 8자의 상면 및 하면 부분은 상기 기판 상의 절단 가공라인에서 이격될 수 있다. 따라서, 기판 내에 입사되어 절단 가공방향으로 상대적으로 이동되는 절단용 8자형(8-shaped) 레이저 광은 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 중첩되지 않아 기판 내에서 산란되지 않아 기판 내부에 형성된 반도체 소자들의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
도 4g 내지 도 4i는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 변조된 레이저 광의 형상들을 설명하는 도면이다. 상기 도 4g 내지 도 4i를 참조하여 설명할 변조된 레이저 광들은 도 4c 내지 도 4f를 참조하여 설명한 8자형 레이저 광들과 형상에서 차이가 있지만, 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재하거나 광의 세기가 약하다는 점에서 전술한 8자형 레이저 광들과 공통점이 있다.
도 4g를 참조할 때, 본 개시의 변조된 레이저 광(L4g)은 원형의 레이저 광에서 상기 원의 중심을 지나는 가공 라인에서 수직으로 소정 거리(f) 이격된 부분까지 광이 부재한 형상일 수 있다.
상기 도 4g의 변조된 레이저 광(L4g)은 원형의 가우시안 레이저 광이 후술할 슬릿(도 6b의 601b)을 통과하면서 만들어질 수 있다. 상기 슬릿(601b)을 통해, 가우시안 레이저 광을 상기 변조된 레이저 광(L4g)으로 변조한 경우, 상기 변조된 레이저 광(L4g)의 세기는 중심 부근에서 상대적으로 셀 수 있고, 가장자리 부근에서 상대적으로 약할 수 있다.
도 4h를 참조할 때, 본 개시의 변조된 레이저 광(L4h)은 원형의 레이저 광에서 상기 원의 중심을 지나는 가공 라인에서 수직으로 소정 거리(f) 이격된 일정 부분 까지 광이 부재한 형상일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 변조된 레이저 광(L4h)의 중심에서 레이저 가공 방향과 수직인 방향으로 상기 변조된 레이저 광(L4h)의 중심을 지나는 직선(c)을 그었을 때, 상기 직선(c)을 기준으로 상기 레이저 가공 방향의 반대 방향의 광(L4h)은 가공 라인으로부터 수직으로 소정 거리(f) 이격된 부분까지 광이 부재하거나 과으이 세기가 약할 수 있다. 상기 변조된 레이저 광(L4h)에서 상기 직선(c)을 기준으로 상기 레이저 가공 방향의 광(L4h)은 광이 변조되지 않아 온전한 반원 형상일 수 있다. 상기 도 4h의 변조된 레이저 광(L4h)은 원형의 레이저 광이 후술할 슬릿(도 6c의 601c)을 통과하면서 만들어질 수 있다. 상기 슬릿(601b)을 통해 가우시안 레이저 광을 상기 변조된 레이저 광(L4h)으로 변조한 경우, 상기 변조된 레이저 광(L4h)의 세기는 중심 부근에서 상대적으로 셀 수 있고, 가장자리 부근에서 상대적으로 약할 수 있다.
도 4i를 참조할 때, 상기 변조된 레이저 광(L4i)는 상기 원 형상의 레이저 광의 중심을 기준으로 회전하는 방위각(theta, Θ)이 형성하는 일정 부분에서 광이 부재한 형상일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 변조된 레이저 광(L4i)의 중심에서 레이저 가공 방향과 수직인 방향으로 상기 변조된 레이저 광(L4i)의 중심을 지나는 직선(c)을 그었을 때, 상기 직선(c)을 기준으로 상기 레이저 가공 방향의 반대 방향의 광(L4i)은 상기 방위각(Θ)이 형성하는 부채꼴 형상의 부분에서 광이 부재하거나 광의 세기가 약할 수 있다. 상기 변조된 레이저 광(L4i)에서 상기 직선(c)을 기준으로 상기 레이저 가공 방향의 광(L4i)은 광이 변조되지 않아 온전한 반원 형상일 수 있다.
상기 방위각(Θ)은 상기 가공 라인을 기준으로 약 30도 내지 약 60도일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 방위각(Θ)은 상기 가공 라인을 기준으로 약 45도일 수 있다.
도 4g 내지 도 4i에 따른 변조된 레이저 광(L4g, L4h, L4i)은 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재하거나 광의 세기가 상대적으로 약할 수 있고, 광의 중심에서 레이저 가공 방향과 수직인 방향의 부근에서 광의 세기는 상기 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 광보다 상대적으로 셀 수 있다. 따라서, 기판 내에 입사되어 절단 가공 방향으로 상대적으로 이동되는 상기 변조된 레이저 광(L4g, L4h, L4i)은 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 중첩되지 않아 기판 내에서 산란되자 않아 상기 기판 내부에 형성된 반도체 소자들의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광의 형상을 변조하는 레이저 광 변조부(500)를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예로, 레이저 광 출사부(50)에서 출사된 가우시안 레이저 광(L5)은 레이저 광 변조부(500)를 통해 8자형(8-shaped) 레이저 광(L5’)으로 변조될 수 있다. 상기 변조된 8자형(8-shaped) 레이저 광(L5’)이 기판 내 입사되면, 상기 입사된 8자형 레이저 광(L5’)은 앞서 설명한 바와 같이 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 공간적으로 중첩되지 않아 기판 내부에서 상기 광(L5’)의 산란을 막아 기판 내 형성된 반도체 소자들의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
이하에서는 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광의 세기가 상대적으로 약한 레이저 광으로 변조하는 방법에 대해, 본 개시의 실시예들로써 보다 자세히 설명한다.
도 6a 내지 도 6d는 각각 본 개시의 예시적 실시예에 따른 슬릿(slit)을 이용한 레이저 광 변조부(600)를 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 레이저 광 변조부(600)는 슬릿(slit)(601a)을 이용하여, 레이저 광 출사부(60)에서 출사된 가우시안 레이저 광(L6)을 8자형(8-shaped) 레이저 광(L6a’)으로 변조할 수 있다.
상기 슬릿(slit)(601a)은 빛을 제한하여 통과시키는 장치를 뜻한다. 상기 레이저 광 변조부(600)의 일 실시예인 상기 슬릿(slit)(601a)은 가우시안 레이저 광(L6)의 일부분은 통과시키고, 다른 일부분은 통과시키지 않으면서 차단시킬 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 슬릿(601a)은 90도 회전된 8자형 또는 무한대(∞)의 모양으로 형성될 수 있다. 또한 상기 슬릿(601a)은 복수개의 슬릿으로 형성될 수도 있다. 상기 레이저 광 출사부(60)에서 출사된 가우시안 레이저 광(L6)의 측부는 상기 슬릿(601a)에 의해 광선이 차단될 수 있고, 상기 가우시안 레이저 광(L6)의 상부 및 하부는 상기 슬릿(601a)에 의해 광선이 차단되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 슬릿(601a)에 의해 가우시안 레이저 광(L6)의 일부분이 차단되어, 상기 가우시안 레이저 광(L6)은 8자형(8-shaped) 레이저 광(L6a’)으로 변조 될 수 있다. 상기 변조된 8자형(8-shaped) 레이저 광(L6a’)은 상기 가우시안 레이저 광(L6)의 광학적 모드의 변경이 없기 때문에, 가우시안 레이저 광과 마찬가지로 광의 세기는 중심부에서 상대적으로 세고, 측부에서 상대적으로 약할 수 있다.
도 6b 내지 도 6d를 참조할 때, 본 개시의 실시예들인 슬릿들(601b 내지 601d)은 다양한 형상일 수 있고, 이를 통해 상기 가우시안 레이저 광(L6)을 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재하는 다양한 형상의 광(L6b’, L6c’ L6d’)으로 변조할 수 있다.도 6b를 참조할 때, 상기 슬릿(601b)은 반원 형상의 두 개의 공동들이 상부 및 하부에 형성된 판 모양일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 반원 형상의 공동들은 원 형상의 공동에서 상기 원의 중심을 수평으로 가로지르는 레인(lane)에 의해 상부 반원 공동 및 하부 반원 공동으로 형성될 수 있다.
상기 레이저 광 출사부(60)에서 출사된 원형의 가우시안 레이저 광(L6)은 상기 슬릿(601b)에 의해 상기 원의 중심을 수평으로 지나는 라인에서 수직으로 소정 거리 이격된 부분까지 광이 부재하는 형상의 레이저 광(L6b’)으로 변조될 수 있다. 상기 변조된 레이저 광(L6b’)은 가우시안 레이저 광(L6)의 광학적 모드의 변경이 없기 때문에, 상기 가우시안 레이저 광(L6)과 마찬가지로 광의 세기는 중심부에서 상대적으로 세고, 측부에서 상대적으로 약할 수 있다.
상기 변조된 레이저 광(L6b’)은 도 4g를 참조하여 설명한 내용과 기술적 사상이 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 상기 변조된 레이저 광(L6b’)은 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근에서 광이 부재하거나 과으이 세기가 상대적으로 약할 수 있다. 따라서, 상기 변조된 레이저 광(L6b’)은 기판 내에서 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 중첩되지 않아 기판 내에서 산란되지 않아 기판 내부에 형성된 반도체 소자들의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
도 6c를 참조할 때, 상기 슬릿(601c)의 공동은 원 형상의 공동에서 상기 원의 가장자리에서 중심까지 수평으로 연장된 레인에 의해 형성될 수 있다.
상기 레이저 광 출사부(60)에서 출사된 원형의 가우시안 레이저 광(L6)은 상기 슬릿(601c)에 의해 상기 원의 중심을 수평으로 지나는 가공 라인에서 수직으로 소정 거리 이격된 일정 부분까지 광이 부재하는 형상의 레이저 광(L6c’)으로 변조될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 변조된 레이저 광(L6c’)의 중심을 기준으로 상기 레이저 가공 방향의 반대 방향의 상기 변조된 레이저 광(L6c’)은 상기 가공 라인으로부터 수직으로 소정 거리 이격된 부분까지 광이 부재하거나 광의 세기가 약할 수 있다. 상기 변조된 레이저 광(L6c’)의 중심을 기준으로 상기 레이저 가공 방향의 상기 변조된 레이저 광(L6’c)은 광이 변조되지 않아 온전한 반원 형상일 수 있다.
상기 변조된 레이저 광(L6c’)은 도 4h를 참조하여 설명한 내용과 기술적 사상이 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 변조된 레이저 광(L6c’)은 가우시안 레이저 광(L6)의 광학적 모드의 변경이 없기 때문에, 가우시안 레이저 광(L6)과 마찬가지로 광의 세기는 중심부에서 상대적으로 세고, 측부에서 상대적으로 약할 수 있다. 따라서, 상기 변조된 레이저 광(L6’c)은 기판 내에서 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 중첩되지 않아 기판 내에서 산란되지 않을 수 있어서, 기판 내부에 형성된 반도체 소자들의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
도 6d를 참조할 때, 상기 슬릿(601d)의 공동은 원 형상의 공동에서 상기 원의 중심을 기준으로 가공 방향의 반대 방향에서 형성된는 부채꼴 형상의 판에 의해 형성될 수 있다.
상기 레이저 광 출사부(60)에서 출사된 원형의 가우시안 레이저 광(L6)은 상기 슬릿(601d)에 의해 상기 부채꼴 형상의 부분에서 광이 부재하는 형상의 레이저 광(L6d’)으로 변조될 수 있다.
상기 레이저 가공 방향의 반대 방향에서 상기 변조된 레이저 광(L6d’)은 부채꼴 형상의 부분에서 광이 부재하거나 광의 세기가 상대적으로 약할 수 있다. 상기 레이저 가공 방향의 상기 변조된 레이저 광(L6d’)은 광이 변조되지 않아 온전한 반원 형상일 수 있다.
상기 변조된 레이저 광(L6d’)은 도 4i를 참조하여 설명한 내용과 기술적 사상이 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 변조된 레이저 광(L6’d)은 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 일정 부근에서 광이 부재하거나 광의 세기가 상대적으로 약할 수 있다. 따라서, 상기 변조된 레이저 광(L6’d)은 기판 내에서 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 중첩되지 않아 기판 내에서 산란되지 않을 수 있어서, 기판 내부에 형성된 반도체 소자들의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 공간 광 변조기(Spatial Light Modulation, SLM)를 이용한 레이저 광 변조부(700)를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 레이저 광 변조부(700)는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulation, SLM)(701)를 이용하여, 가우시안 레이저 광(L7)의 형상을 변조할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 공간 광 변조기(701)는 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 상기 가우시안 레이저 광(L7)의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광(L7)의 형상을 변조할 수 있다. 일 실시예로, 상기 공간 광 변조기(701)는 상기 가우시안 레이저 광(L7)을 8자형(8-shaped) 레이저 광(L7’)으로 변조할 수 있다.
상기 공간 광 변조기(701)는 광원에서 상기 공간 광 변조기(701)로 입사되는 입사광을 외부의 전기신호로 변조를 가해서 빛의 정보를 바꿔 출력하는 장치이다. 상기 공간 광 변조기(701)는 전압을 변화시킴으로써, 매질로 입사되는 광의 편광면의 회전방향을 조절하여 상기 입사되는 원형의 가우시안 레이저 광(L7)의 강도를 변조할 수 있다.
또한 상기 공간 광 변조기(701)는 다수의 픽셀(pixel, 702)로 이루어져 있으며, 외부에서 인가한 전압에 의해서 상기 공간 광 변조기(701)는 각 픽셀(pixel, 702)별로 입력되는 원형의 가우시안 레이저 광(L7)의 강도 및 위상을 변조할 수 있다.
따라서, 상기 레이저 광 출사부(70)에서 출사된 가우시안 레이저 광(L7)은 상기 공간 광 변조기(701)의 픽셀(pixel, 702)별 강도 및 위상 변화에 의해, 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 광이 부재하는 형상, 예를 들어 8자형(8-shaped) 형태의 레이저 광(L7’)으로 변조될 수 있다. 이 때, 슬릿(slit)(601)을 이용할 때와 달리, 광의 강도 및 위상의 변조가 공간 광 변조기(701)내에서 각 픽셀(pixel, 702)별로 가능하므로, 상기 변조된 8자형(8-shaped) 레이저 광(L7’)의 중심부의 세기가 상대적으로 세고 측면부의 세기가 상대적으로 약할 수 있고,, 또한, 세기는 전체적으로 고를 수도 있다. 도 6a 내지 도 6d의 상기 슬릿들(slit)(601a 내지 601d)을 이용할 때와 비교하여, 도 7의 상기 공간 광 변조기(701)는 입사 광의 세기 및 위상의 조절을 자유롭게 할 수 있다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 복굴절 렌즈를 이용한 레이저 광 변조부(800)를 나타낸 도면이다. 도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 도 8에 따른 레이저 광의 변조 양태를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 레이저 광 변조부(800)는 복굴절 렌즈(801), 대물렌즈(802) 및 복수의 슬릿(slit)(803, 804)을 이용하여, 원형의 가우시안 레이저 광(L8)을 8자형(8-shaped) 레이저 광(도 9의 (c))으로 변조할 수 있다.
도 8의 레이저 광 변조부(800)는 복굴절 렌즈(801), 대물 렌즈(802), 중심 슬릿(slit)(803) 및 측면 슬릿(slit)(804)을 포함하고 있다. 상기 복굴절 렌즈(801)는 오목면(81a)을 가지는 유리체(81)와 볼록면(82a)을 가지는 결정체(82)를 결합하여 구성될 수 있다. 상기 복굴절 렌즈(801)는 원형의 가우시안 레이저 광(L8)을 실선으로 나타내는 제1 분리광(L8’)과 점선으로 나타내는 제2 분리광(L8”)으로 분리한다. 상기 제1 분리광(L8’)은 진동 방향이 가공 진행 방향에 대해서 직교하는 직선 편광이며, 다른 상기 제2 분리광(L8”)은 진동 방향이 가공 진행 방향에 대해서 평행한 직선 편광이다. 상기 복굴절 렌즈(801)는 제1 분리광(L8’)에 대해서는 굴절시키지 않고 그대로 통과시키고, 제2 분리광(L8”)에 대해서는 결정체(82)에 의해 외측으로 굴절시켜 통과시킨다.
도 8 및 도 9를 참조할 때, 원형의 가우시안 레이저 광(L8)이 상기 복굴절 렌즈(801)를 통과하면 도 8의 단면 a에서 원형의 링 안에 작은 원이 있는 형상(도 9a)으로 상기 레이저 광이 변조될 수 있다.
도 8의 대물렌즈(802)는 상기 복굴절 렌즈(801)에 의해 분리된 분리광들(L8`, L8”)을 집광시키는 역할을 한다. 상기 복굴절 렌즈(801)를 통해 굴절된 분리광(L8”)들은 굴절되지 않고 그대로 통과된 분리광(L8’)들 보다 더 깊은 위치에서 집광점을 형성할 수 있다.
상기 대물렌즈(802)를 통과한 분리광들(L8`, L8”)은 중심 슬릿(slit)(803)에 의해 상기 원형의 링 안에 작은 원이 있는 형상의 레이저 광(도 9의 (a))에서 분리광(L8’)이 형성하는 링 안의 작은 원의 광이 필터링될 수 있다. 따라서, 상기 중심 슬릿(slit)(803)을 통과한 레이저 광은 링 형상의 레이저 광(도 9의 (b))으로 변조될 수 있다.
상기 중심 슬릿(slit)(803)을 통과한 링 형상(도 9의 (b))의 레이저 광은 측면 슬릿(804)에 의해 상기 링 형상(도 9의 (b))의 레이저 광의 측면의 일부의 광선이 필터링될 수 있다. 따라서, 상기 측면 슬릿(slit)(804)을 통과한 레이저 광은 8자형(8-shaped)의 레이저 광(도 9의 (c))으로 변조될 수 있다.
따라서, 도 8의 복굴절 렌즈(801), 대물렌즈(802) 및 복수의 슬릿들(slit)(803, 804)을 포함한 레이저 광 변조부(800)를 통해, 원형의 가우시안 레이저 광을 8자형(8-shaped)의 레이저 광(도 9의 (c))으로 변조할 수 있다. 상기 광 변조부(800)에 의해 변조된 8자형(8-shaped) 레이저 광(도 9의 (c))은 도 6의 슬릿(slit)을 이용한 광 변조부(600)에 의해 변조된 8자형(8-shaped) 레이저 광과 비교했을 때, 중심부의 빛이 차단되어 상대적으로 중심의 빛의 세기가 약할 수 있다. 또한 도 7의 공간 광 변조기(700)와 비교했을 때는, 외부의 전력이 필요하지 않을 수 있다.이하에서는 원형의 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 모드를 변경하여 원통형 벡터 빔(Cylindrical Vector Beam, CVB)로 변조하고, 변조된 상기 원통형 벡터 빔(Cylindrical Vector Beam, CVB)을 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 최종적으로 변조하는 실시예를 도면을 참조하여 보다 자세히 설명한다.
원통형 벡터 빔(Cylindrical Vector Beam, CVB, 이하 CVB)은 광의 진폭과 위상 모두에서 축을 중심으로 대칭을 만족하는 맥스웰(Maxwell) 방정식의 벡터 빔 솔루션이다. CVB는 방사형(radial) 및 방위형(azimuthal)의 편광을 가질 수 있다.
도 10의 (a)는 방사형(radial) 편광을 가지는 CVB를 도시하고, 도 10의 (b)는 방위형(azimuthal) 편광을 가지는 CVB를 도시한다. CVB는 도 10에 나타난 바와 같이 링 형상을 띠고 있는데, 도 10의 (c)를 참조할 때 CVB의 중심부로 갈수록 빛의 세기가 약해지며, 중심부에서 측면으로 갈수록 빛의 세기가 강해져 링 모양의 형상을 띠게 된다. 도 8에서 복굴절 현상에 의해 만들어진 링 형상의 광(도 9의 (b))과 모양은 실질적으로 유사할 수 있다. 다만, CVB는 축을 중심으로 편광의 방향이 대칭적이며 이점에서 편광의 방향이 중심 축을 기준으로 대칭되지 않는 도 9의 (b)의 링 형상의 광과 비교하여 차이점이 있다.
도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 CVB로 변조한 후 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 다시 변조하는 레이저 광 변조부(1100)를 나타낸 도면이다. 도 11을 참조할 때, 레이저 광 변조부(1100)는 CVB 변조 모듈(1110) 및 8자형 광 변조 모듈(1120)로 구성될 수 있다.
도 11에 도시된 CVB 변조 모듈(1110)은 레이저 광 출사부(110)에서 출사된 원형의 가우시안(Gaussian) 레이저 광(L11)을 광의 진폭과 위상이 중심축에 대칭되는 고차원의 원통형 벡터 빔(Cylindrical Vector Beam, CVB)(L11’)으로 변조한다. 이 때 변조된 CVB(L11’)는 축을 중심으로 편광의 방향이 대칭적인 방사형 CVB(도 10의 (a)) 또는 방위형 CVB(도 10의 (b))일 수 있다. 상기 가우시안(Gaussian) 레이저 광(L11)을 CVB로 변조하는 방법에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명한다.
상기 CVB 변조 모듈(1100)은 상기 CVB 변조 모듈(1100)이 포함되는 위치에 따라 두 유형으로 분류가 가능할 수 있다.
첫째로, 상기 CVB 변조 모듈(1100)은 상기 레이저 광 출사부(110)와 결합되어 하나의 시스템 내에 같이 존재할 수 있다. 이 경우 CVB(L11’)가 주도적으로 발진될 수 있고, 고차원의 CVB(L11’)모드가 아닌 다른 모드들은 상기 변조 시스템 내에서 억압될 수 있다. 상기 CVB 변조 모듈(1100)에서 CVB(L11’)는 주도적으로 발진될 수 있으므로, 상기 변조 시스템의 구조적 소형화가 가능할 수 있다. 다만, 상기 CVB 변조 모듈(1100)의 구현의 난이도는 다소 높을 수 있다. 상기 CVB 변조 모듈(1100)은 실시예로써 원추형 브루스터 프리즘(Conical Brewster Prism, CBP), 사냐 간섭계(Sagnal Interferometer), 광섬유 편광 제어기, 특수 광섬유, 섬유 격자(Fiber Grating) 등을 포함할 수 있다.
둘째로, 상기 CVB 변조 모듈(1100)은 상기 레이저 광 출사부(110)와 이격된 외부에서 다른 시스템으로 존재할 수 있다. 상기 레이저 광 출사부(110)와 이격되어 외부에서 다른 시스템으로 존재하는 상기 CVB 변조 모듈(1100)은 레이저 광 출사부(110)에서 출사된 가우시안 광(L11)을 CVB(L11’)로 변조할 수 있다. 상기 변조 시스템은 레이저 광 출사부(110)와 이격되어 존재할 수 있으므로, 기존의 가우시안 레이저 광(L11)을 사용하는 종래의 반도체 절단 설비에 효과적으로 적용이 가능할 수 있다. 다만 CVB 변조 모듈(1100)의 광학계의 복잡성이 증가하여 관리 난이도가 다소 높을 수 있다. 상기 CVB 변조 모듈(1100)은 실시예로써 음향 웨이버(Acoustic Waver), 미세구조 격자(Microstructures Grating), 공간 광 변조기(Spatial Light Modulation) 등을 포함할 수 있다.
도 11에 도시된 8자형 광 변조 모듈(1120)은 상기 CVB 변조 모듈(1100)에 의해 변조된 CVB(L11’)를 반도체 기판에 집속될 8자형(8-shaped) 광(L11”)의 형상으로 변조할 수 있다. 상기 변조된 8자형(8-shaped) 광(L11”)이 기판 내 입사되면, 상기 입사된 8자형 레이저 광(L11”)은 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 공간적으로 중첩되지 않아 기판 내부에서 상기 광(L11”)의 산란을 막아 기판의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
이하 도 12 내지 도 15는 상기 레이저 광 출사부(110)에서 출사된 원형의 가우시안 레이저 광을 CVB로 변조하는 다양한 실시예들을 도시한다. 가우시안 레이저 광을 CVB로 변조하는 방법 자체는 1972년 이래 다양한 방법으로 연구되어 왔다. 하기 개시될 CVB 변조 실시예들은 Q.Zhan, Advances In Optics and Photonics, Vol. 1, 2009 및 R. Zheng, C. Gu, A. Wang, L. Xu, H. Ming, An all-fiber laser generating cylindrical vector beam, Opt. Express 18, 2010 에 개시되어 있으며, 이들로 그 전체가 여기에 인용되어 포함된다.
도 12는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 나선상 요소를 이용한 CVB 변조모듈(1210)을 나타낸 도면이다. 도 12를 참조할 때, 상기 나선상 요소를 이용한 CVB 변조 모듈(1210)은 방사형 분석기(121), 나선 상 요소(spiral phase element, SPE)(122) 및 반파장 플레이트들(123)을 포함할 수 있다.
상기 CVB 변조 모듈(1210)은 일반적으로 레이저 광 출사부(110)에서 출사된 공간적으로 균질한 편광을 갖는 가우시안 광(L12)을 공간적으로 비균질한 편광을 갖는 CVB로 변조한다. 상기 방사형 분석기(121)는 편광 전송 축이 방사형 또는 방위형 중 하나를 따라 정렬된 장치이다. 상기 방사형 분석기(121)에 입사되기 전의 광(L12)은 일반적으로 공간적으로 균질한 편광을 갖는 가우시안 레이저 광일 수 있다. 예를 들어 입사되기 전의 가우시안 레이저 광(L12)은 선형 또는 원형의 균질한 편광을 가질 수 있다. 상기 광(L12)이 상기 방사형 분석기(121)를 통과하게 되면, 광(L12)은 방사형 분석기의 편광 전송축의 방향에 따라 방사형 또는 방위형으로 편광될 수 있다.
도 12의 나선 상 요소(SPE)(122)는 상기 광(L12)을 CVB(L12’)로 만들기 위해, 기하학적 위상을 보상하기 위해 반대의 헬리시티(helicity)를 가질 수 있다. 상기 나선상 요소(122)는 전자 광 리소그래피 또는 공간 광 변조기 등에 의해 다양한 방법으로 생성될 수 있다.
도 12의 직렬로 연결된 반파장 플레이트들(123)들은 상기 나선 상 요소(SPE)를 통과한 광의 편광을 원하는 패턴으로 회전시키는 기능을 할 수 있다.
따라서 상기 도 12를 참조할 때, 공간적으로 균질한 편광을 갖는 가우시안 레이저 광(L12)이 CVB 변조 모듈(1210)의 방사형 분석기(121), 나선 상 요소(spiral phase element, SPE)(122) 및 반파장 플레이트들(123)을 거쳐 방사형 또는 방위형으로 편광 된 CVB(L12’)로 변조될 수 있다.
도 13은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 다수의 공간 광 변조기를 이용한 CVB 변조를 나타낸 도면이다. 도 13을 참조할 때, 상기 다수의 공간 광 변조기를 이용한 CVB 변조 모듈(1310)은 한 쌍의 공간 광 변조기(131a, 131b), 4분의 1 파장 플레이트(132), 및 복수의 광학 렌즈(133)들을 포함할 수 있다. 상기 공간 광 변조기를 이용한 CVB 변조 모듈(1310)로 입사된 가우시안 분포의 레이저 광(L13)은 상기 복수의 광학 렌즈(133)에 의해 제1 공간 광 변조기(131a)로 입사되고, 상기 제1 공간 광 변조기(131a)는 입사된 광(L13)을 CVB의 위상 패턴으로 변조한다. 상기 위상 패턴이 변조된 광은 복수의 광학 렌즈(133)를 통해 4분의 1 파장 플레이트(132)를 거쳐 제2 공간 광 변조기(131b)로 입사될 수 있다. 상기 입사된 광은 상기 4분의 1 파장 플레이트(132) 및 상기 제2 공간 광 변조기(131b)를 거쳐, 중심축에 대칭된 편광을 갖는 링 형상의 CVB(L13’)로 변조될 수 있다.
따라서, 가우시안 분포의 레이저 광(L13)은 도 13의 CVB 변조 모듈(1310)을 거친 후 방사형 또는 방위형의 CVB(L13’)로 변조될 수 있다.
도 14는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 광 섬유 편광 제어기를 이용한 CVB 변조 모듈(1410)을 나타낸 도면이다. 도 14를 참조할 때, 상기 광 섬유 편광 제어기(1410)는 루프 미러(141), 파장 분할 멀티플랙서(142), 이터븀 광섬유(143), 섬유 콜리메이터(144) 및 편광 제어기(145)를 포함할 수 있다. 상기 광 섬유 편광제어기(1410)를 통해 CVB를 생성하는 과정은 R. Zheng, C. Gu, A. Wang, L. Xu, H. Ming, An all-fiber laser generating cylindrical vector beam, Opt. Express 18, 2010에 보다 자세히 소개되어 있으며 상기 논문은 그 전체가 여기에 인용되어 포함된다. 상기 광섬유 편광 제어기(1410)에서 발생되는 레이저 광은 방사형 또는 방위형 편광을 가진 CVB일 수 있고, 상기 CVB 변조 모듈(1410) 내에서 CVB가 주도적으로 발진될 수 있고, 고차원의 CVB모드가 아닌 다른 모드들은 상기 CVB 변조 모듈(1410)에서 억압될 수 있다.
도 15는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 공간적으로 분할된 반파장 플레이트를 이용한 CVB 변조 모듈을 나타낸 도면이다. 도 15를 참조할 때, 상기 CVB 변조 모듈은 공간적으로 다양하게 분할된 반 파장 플레이트(1500)로 구성될 수 있다. 레이저 광 출사부(110)에서 출사된 공간적으로 균질한 편광을 갖는 원형의 가우시안 광(L15)이 상기 공간적으로 다양하게 분할된 반 파장 플레이트(1500)에 입력된 경우, 공간적으로 다른 축 방향을 갖는 반 파장 플레이트를 통하여 상기 공간적으로 균질한 편광을 갖는 가우시안 광(L15)은 축을 중심으로 대칭된 편광을 갖는 CVB(L15’)로 변조될 수 있다. 이는 서로 다른 결정 각도를 갖는 여러 개의 분절된 반파장의 판을 하나의 판으로 접착함으로써 달성될 수 있는 것이다. 따라서, 상기 공간적으로 다양하게 분할된 반 파장 플레이트(1500)를 이용하여, 가우시안 광(L15)을 CVB(L15’)로 변조할 수 있다.
상기 도 12 내지 도 15의 다양한 실시예의 CVB 변조 모듈들을 통하여, 레이저 광 출사부에서 출사된 가우시안 레이저 광을 CVB로 변조할 수 있다. 상기 CVB는 본 개시의 실시예에 한정되지 않고 보다 다양한 방법으로 생성될 수 있다.
예를 들어, 레이저 광 출사부와 결합되어 하나의 시스템 내에서 주도적으로 CVB를 발진하는 CVB 변조 모듈의 실시예로 원추형 브루스터 프리즘(Conical Brewster Prism, CBP), 사냐 간섭계(Sagnal Interferometer), 광섬유 편광 제어기, 특수 광섬유, 섬유 격자(Fiber Grating) 등이 있을 수 있다. 또한 레이저 광 출사부와 이격되어 다른 시스템으로 존재하여 CVB를 발진하는 CVB 변조 모듈의 실시예로 음향 웨이버(Acoustic Waver), 미세구조 격자(Microstructures Grating), 공간 광 변조기(Spatial Light Modulation) 등이 있을 수 있다.
본 개시의 CVB 변조 모듈은 상기 예시적으로 개시된 모든 CVB 변조 모듈들을 포함할 수 있으며, 상기 개시된 본 발명의 실시예에 한정되지 않고 보다 더 다양한 장치들로 구성된 CVB 변조 모듈을 포함할 수 있다. 상기 CVB 변조 모듈을 통과하여 변조된 CVB는 방사형 편광(도 10의 (a)) 또는 방위형 편광(도 10의 (b))을 가질 수 있다.
도 16은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 8자형 광 변조 모듈의 한 예로 편광 필터를 나타낸 도면이다. 도 16을 참조하면, 상기 CVB변조 모듈(1110)에서 변조된 방사형 편광을 갖는 CVB(L16) 또는 방위형 편광을 갖는 CVB(L16’)는 8자형 광 변조 모듈(1600)로 입사될 수 있다. 상기 변조된 CVB는 상기 8자형 광 변조 모듈(1600)을 통과하여, 8자형(8-shaped) 광으로 변조될 수 있다. 상기 8자형 광 변조 모듈(1600)은 편광 필터로 구성될 수 있으며, 일 실시예로 수직 편광 필터(1601) 또는 수평 편광 필터(1602)를 포함할 수 있다.
편광 필터란, 광의 선 편광을 만들어 내는 데 쓰이는 필터의 일종으로, 질산셀룰로스로 만들어진 얇은 막에 바늘 모양의 황산요드퀴닌 결정을 바른 뒤, 막에 전기장 또는 자기장을 걸어 결정을 한 방향으로 고르게 정렬하여 만들어질 수 있다. 편광 방향이 침상 결정과 나란한 광은 잘 흡수되고, 수직 방향인 광은 거의 그대로 통과시키게 된다. 따라서 편광 필터를 통과하는 광의 편광 방향은 침상 결정 방향과 직교하고, 통과한 광은 선 편광이 될 수 있다.
도 17a 및 도 17b는 각각 본 개시의 예시적 실시예에 따른 방사형 및 방위형 CVB가 수직 및 수평 편광 필터에 의해 8자형 광으로 변조되는 형상을 나타낸 도면들이다.
도 17a를 참조하면, 방사형 편광을 가진 CVB(L17a)는 수직 편광 필터(1701)를 통과해 8자형(8-shaped) 광(L17a’)으로 변조될 수 있다. 상기 수직 편광 필터(1701)는 수직 방향의 벡터 성분의 편광을 가진 CVB만을 통과시키고, 수평 방향의 벡터 성분의 편광을 가진 CVB는 통과시키지 못한다. 따라서 방사형 CVB에서 링 형상의 중심을 기준으로 가로축 및 세로축을 그었을 때, 가로축에서는 CVB의 편광 방향이 편광 필터와 직교하므로, 빛이 편광 필터에 의해 차단되어 부재할 수 있다. 세로축에서는 CVB의 편광 방향이 편광 필터와 평행하므로, 광이 편광필터에 의해 차단되지 않고 통과될 수 있다. 대각 방향의 편광벡터를 갖는 CVB는 상기 CVB의 편광 벡터를 가로축 및 세로축에 따라 분해하였을 때, 가로축 성분의 편광 벡터는 수직 편광 필터에(1701)에 의해 차단되고, 세로축 성분의 편광 벡터는 수직 편광 필터에(1701)에 의해 차단되지 않고 상기 필터를 통과할 수 있다. 따라서 상기 수직 편광 필터(1701)에 의해 방사형 편광을 가진 CVB(L17a)는 8자형(8-shaped) 광으로 변조될 수 있다. 상기 방사형 CVB(L17a)에서 변조된 상기 8자형(8-shaped) 광(L17a’)은 도 17a에 도시된 바와 같이 수직 편광필터의 방향과 평행한 세로축 성분의 편광 벡터를 가질 수 있다. 도 17a를 참조할 때, 8자형(8-shaped) 광(L17a’)의 내부에 표현된 화살표는 변조된 상기 8자형(8-shaped) 광(L17a’)의 세기 및 편광 방향을 설명한다. 상기 도 17a의 8자형(8-shaped) 광(L17a’)의 내부에 표현된 화살표는 수직 편광 필터(1701)의 방향과 평행하고 세로축에 가까울수록(즉 90도, 270도 부근) 화살표의 길이가 긴데, 이는 변조된 8자형 광(L17a’)의 편광 벡터는 상기 수직 편광 필터(1701)의 방향과 평행하고, 상기 세로축의 부근(즉 90도, 270도 부근)에서 광의 세기가 상대적으로 세다는 것을 의미한다.
이와 마찬가지로, 도 17b를 참조하면 방위형 편광을 가진 CVB(L17b)는 수평 편광 필터(1702)를 통과해 8자형(8-shaped) 광(L17b’)으로 변조될 수 있다. 상기 수평 편광 필터(1702)는 수평 방향의 벡터 성분의 편광을 가진 CVB만을 통과시키고, 수직 방향의 벡터 성분의 편광을 가진 CVB는 통과시키지 못한다. 따라서 방위형 CVB에서 링 형상의 중심을 기준으로 가로축 및 세로축을 그었을 때, 가로축에서는 CVB의 편광 방향이 편광 필터와 직교하므로, 빛이 편광 필터에 의해 차단되어 부재할 수 있다. 세로축에서는 CVB의 편광 방향이 편광 필터와 평행하므로, 광이 편광필터에 의해 차단되지 않고 통과될 수 있다. 대각 방향의 편광벡터를 갖는 CVB는 상기 CVB의 편광 벡터를 가로축 및 세로축에 따라 분해하였을 때, 세로축 성분의 편광 벡터는 수평 편광 필터에(1702)에 의해 차단되고, 가로축 성분의 편광 벡터는 수평 편광 필터에(1702)에 의해 차단되지 않고 상기 필터를 통과할 수 있다. 따라서 상기 수평 편광 필터(1702)에 의해 방위형 편광을 가진 CVB(L17b)는 8자형(8-shaped) 광으로 변조될 수 있다. 상기 방위형 CVB(L17b)에서 변조된 상기 8자형(8-shaped) 광(L17b’)은 도 17b에 도시된 바와 같이 수평 편광필터의 방향과 평행한 가로축 성분의 편광 벡터를 가질 수 있다. 도 17b를 참조할 때, 8자형(8-shaped) 광(L17b’)의 내부에 표현된 화살표는 변조된 상기 8자형(8-shaped) 광(L17b’)의 세기 및 편광 방향을 설명한다. 상기 도 17b의 8자형(8-shaped) 광(L17b’)의 내부에 표현된 화살표는 수평 편광 필터(1702)의 방향과 평행하고 세로축에 가까울수록(즉 90도, 270도 부근) 화살표의 길이가 긴데, 이는 변조된 8자형 광(L17b’)의 편광 벡터는 상기 수평 편광 필터(1702)의 방향과 평행하고, 상기 세로축의 부근(즉 90도, 270도 부근)에서 광의 세기가 상대적으로 세다는 것을 의미한다.
도 18은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 CVB와 8자형 광의 각도에 따른 세기를 나타내는 그래프이다. 도 18을 참조할 때, CVB 변조 모듈에 의해 변조된 방사형 CVB(L18)가 수직 편광 필터(1800)에 의해 8자형 광(L18’)으로 변조되는 것을 볼 수 있다. CVB 변조 모듈에 의해 변조된 방사형 CVB(L18)는 방위각(theta, Θ)의 회전방향(0도에서 360도)에 따라 일정한 광의 세기를 가질 수 있다. 상기 일정한 광의 세기를 가진 방사형 CVB(L18)는 수직 편광 필터(1800)에 의해 8자형 광 (L18’)으로 변조될 수 있고, 상기 변조된 8자형 광(L18’)의 세기는 방위각의 회전 방향(0도에서 360도)에 따라 절대값 사인(sine)곡선을 이룰 수 있다. 방위각이 0도, 180도일 때 변조된 8자형 광(L18’)의 세기는 이상적으로 0이며, 방위각이 90도, 270도인 경우에 변조된 8자형 광(L18’)의 세기는 이상적으로 방사형 CVB의 세기와 같고 최대값(M)을 가질 수 있다.
도 18에 도시된 그래프에서는 변조된 8자형 광(L18’)의 세기의 최대값(M)의 1/SQRT(2) 이상 최대값(M) 이하의 광의 세기를 갖는 부분을 빗금으로 나타내었다. 보다 구체적으로, 상기 빗금 친 부분은 상기 방위각이 45도 내지 135도 및 225도 내지 315도 부분일 수 있다. 상기 변조된 8자형 광(L18’)의 세기의 최대값(M)의 1/SQRT(2) 이상 최대값(M) 이하를 갖는 상기 변조된 8자형 광(L18’)의 세기는 기판 절단의 레이저 가공에 있어서 주요한 광의 세기가 될 수 있다. 상기 최대값(M)의 1/SQRT(2)이상 최대값(M) 이하의 광의 세기를 갖는 부분을 도시한다면, 도 18과 같이 8자형(8-shaped)의 레이저 광(L18’)의 형상으로 표현될 수 있다.
상기 도 18의 본 개시의 실시예에 대한 설명은 CVB 변조 모듈에 의해 변조된 방위형 CVB가 수평 편광 필터에 의해 8자형 광으로 변조될 때도 마찬가지로 적용될 수 있고 원리는 상기 내용과 실질적으로 동일하다.
앞선 도 6 내지 도 18 및 이에 따른 본 개시의 실시예의 설명에서는 가우시안 레이저 광을 광 변조부를 통해 최종적으로 8자형(8-shaped) 광으로 변조하는 것을 설명하였다. 보다 자세하게, 도 6 내지 도 9를 통해 가우시안 레이저 광을 CVB로 변조하지 않고 8자형 레이저 광으로 변조하는 다양한 실시예를 설명하고, 도 10 내지 도 15를 통해 가우시안 레이저 광을 CVB로 변조하는 다양한 실시예를 설명하고, 도 16 내지 도 18를 통해 가우시안 레이저 광에서 변조된 CVB를 8자형 레이저 광으로 변조하는 실시예를 설명하였다.
이하 도 19 내지 도 23에서는 상기 광 변조부를 포함하는 절단용 레이저 장치 및 상기 절단용 레이저 장치를 이용하여 기판을 절단하는 방법에 대해 자세히 설명한다.
도 19는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 절단용 레이저 장치의 절단 가공의 개략을 나타낸 구성도이다. 도 19를 참조할 때, 절단용 레이저 장치(1900)는 레이저 절단 가공부(1901), 거리측정부(1902) 및 기판안착부(1904)를 포함할 수 있다. 상기 절단용 레이저 장치(1900)의 레이저 절단 가공부(1901) 및 거리측정부(1902)는 상기 절단용 레이저 장치의 구동을 제어하는 제어부(1903)와 연결될 수 있다.
상기 절단용 레이저 장치(1900)의 레이저 절단 가공부(1901)는 광 출사부(191), 광 변조부(192), 전달 광학부(193), 집광 렌즈부(194), 집광 구동부(195), 및 위치 구동부(196)로 구성될 수 있다.
광 출사부(191)는 기판(S)의 내부에 개질 영역 및 크랙을 형성하기 위한 가공용 레이저 광을 출사한다. 예를 들어, 광 출사부(191)에서 출사되는 레이저 광(L19)은 가우시안(Gaussian)분포의 광의 세기를 가진 가우시안 광일 수 있고, 펄스폭이 1㎲ 이하이고, 집광점에 있어서의 피크 파워 밀도가 1 × 108(W/㎠) 정도 일 수 있다.
상기 광 출사부(191)에서 출사되는 가공용 레이저 광(L19)의 광로 상에는 순서대로 광 변조부(192), 전달 광학부(193), 집광렌즈부(194)가 배치될 수 있다.
광 변조부(192)는 앞서 도 6a 내지 도 18에서 살핀 바와 같이 상기 광 출사부(191)에서 출사되는 가공용 가우시안 레이저 광(L19)을 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 광의 세기가 상대적으로 감소된 레이저 광으로 변조시킨다. 일 실시예로, 상기 광 변조부(192)는 상기 출사된 가우시안 레이저 광(L19)을 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조시킬 수 있다.
상기 광 변조부(192)의 가우시안 레이저 광(L19)을 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조하는 방법은 예컨대 앞서 살펴본 도 5 내지 도 18의 본 개시의 다양한 실시예에 따른 방법에 의할 수 있다.
상기 광 변조부(192)에 의해 변조된 8자형 레이저 광(L19’)은 전달 광학부(193)를 통해 집광렌즈부(194)에 도달할 수 있다. 상기 전달 광학부(193)는 다이크로익 미러(dichroic mirror)일 수 있다. 상기 다이크로익 미러는 굴절률이 다른 물질의 많은 박층으로 이루어지는 반사경으로, 일정 파장의 광은 반사하고 일정 파장의 광은 투과시키는 성질을 가지고 있다. 상기 전달 광학부(193)는 변조된 8자형 레이저 광(L19’)은 투과를 시켜 상기 집광렌즈부(194)에 상기 레이저 광(L19’)을 전달할 수 있다. 또한 상기 전달 광학부(193)는 후술하는 거리측정부(1902)에서 출사되는 거리측정용 레이저 광은 반사할 수 있다.
집광렌즈부(194)는 상기 변조된 8자형 레이저 광(L19’)이 기판(S)내부에 집광되어 개질영역 및 크랙을 형성할 수 있도록 상기 변조된 8자형 레이저 광(L19’)을 집광한다. 상기 집광렌즈부(194)에 의해 집광되는 변조된 8자형 레이저 광(L19’)의 집광점의 위치를 제어하기 위해, 집광 구동부(195)가 집광 렌즈부(194)에 결합될 수 있다. 상기 집광 구동부(195)는 후술하는 거리측정부(1902)에 의해 측정된 기판(S)과 집광렌즈부(194) 사이의 거리를 전달 받은 제어부(1903)의 명령 신호에 의해 구동하여 집광렌즈부(194)의 위치를 제어할 수 있다. 따라서 다양한 두께의 기판(S)에 있어서, 기판의 절단에 가장 효율적인 높이의 부근에 레이저 광을 집광시켜 개질영역 및 크랙을 형성할 수 있다.
또한 상기 레이저 절단 가공부(1901)가 기판(S) 내부의 일 영역에서 개질영역 및 크랙을 형성시키면, 제어부(1903)의 제어 명령에 의해 위치 구동부(196)는 상기 레이저 절단 가공부(1901)를 절단 라인의 방향으로 이동시킬 수 있다.
또한 도 19에 도시되지 않았지만, 위치 구동부는 레이저 절단 가공부(1901)가 아닌 기판 안착부(1903)에 결합될 수 있다. 제어부(1903)의 제어 명령에 의해 위치 구동부는 상기 기판 안착부(1904)를 절단 라인의 방향에 따라 기판(S)을 이동시킬 수 있다.
따라서 위치 구동부가 레이저 절단 가공부(1901) 또는 기판 안착부(1904)에 결합함으로써, 기판(S)과 레이저 절단 가공부(1901)의 상대적 위치를 조절할 수 있다.
상기 절단 가공부(1901)를 통해 상기 기판 안착부(1904)에 안착된 반도체 기판에 집광되는 상기 8자형(8-shaped) 레이저 광은 8자형의 형상에 있어서 빛이 부재하거나 빛의 세기가 상대적으로 약한 8자의 측면 부분이 반도체 기판 상에 형성된 절단 가공라인에 맞닿도록 하고, 빛의 세기가 상대적으로 강한 8자의 상면 및 하면 부분은 상기 반도체 기판 상의 절단 가공라인에 떨어질 수 있다. 따라서, 기판(S) 내에 입사되어 절단 가공방향으로 상대적으로 이동되는 8자형(8-shaped) 레이저 광은 상기 8자형(8-shaped) 레이저 광이 미리 형성한 개질영역 및 크랙과 중첩되지 않아 기판 내에서 산란되지 않는다. 이에 따라 반도체 기판에 형성된 반도체 소자들의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
도 20은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 절단용 레이저 장치의 거리 측정의 개략을 나타낸 구성도이다. 상기 거리 측정부(2000)는 거리측정용 광 출사부(21), 집광 렌즈(22), 핀홀(23), 나이프 엣지(24), 조명계 렌즈(25), 하프미러(26), 포커스 렌즈(27), 결상 렌즈(28), 디텍터(29) 및 신호 처리부(30)로 구성될 수 있다.
도 20을 참조할 때, 상기 거리측정용 광 출사부(21)에서 출사된 거리 측정용 레이저 광(L20)은 집광 렌즈(32), 핀홀(23)을 통과하여, 나이프 엣지(24)에 의해 일부가 차단될 수 있다. 상기 나이프 엣지(24)에 의해 차단되지 않은 거리 측정용 레이저 광(L20)은 조명계 렌즈(25)를 통과한 후 하프 미러(26)에서 반사되고, 포커스 렌즈(27)를 개재하여 전달 광학부(193)로 유도된다. 상기 전달 광학부(193)는 다이크로익 미러일 수 있고, 상기 다이크로익 미러는 굴절률이 다른 물질의 많은 박층으로 이루어지는 반사경으로 일정 파장의 광은 반사하고 일정 파장의 광은 투과시키는 성질을 가질 수 있다. 상기 다이크로익 미러는 거리측정용 레이저 광(L20)을 반사시킬 수 있다. 상기 반사된 거리측정용 레이저 광(L20)은 가공용 레이저 광의 공유 광로를 따라 진행하고, 집광 렌즈(194)에 의해 집광되어 기판(S)에 조사된다. 상기 기판(S)에 조사된 거리 측정용 레이저 광(L20)의 반사광은 상기 집광 렌즈(194)로 돌아가 공유 광로를 따라 진행하고 상기 전달 광학부(193)에 의해 반사되어 포커스 렌즈(27), 하프미러(26)를 순차적으로 통과하여 결상렌즈(28)에 의해 집광되고, 디텍터(29) 상에 조사될 수 있다. 상기 디텍터(29)는 감지된 거리 측정용 레이저 광(L20)의 광량에 따른 출력신호를 신호처리부(30)에 전송한다. 상기 출력신호를 받은 제어부(2100)는 구동부(210)를 통해 포커스 렌즈(27)의 위치를 조절함으로써, 거리 측정용 레이저 광(L20)의 집광점을 조절할 수 있다.
또한 상기 거리 측정부(2000)로부터 전송된 신호를 입력 받은 제어부(2100) 구동부(211)에 신호를 전송하여 상기 집광렌즈(194)의 위치를 조절함으로써 기판 내 소정의 깊이에 가공용 레이저 광이 집광될 수 있도록 할 수 있다.
도 20의 레이저 절단 가공부(2200), 거리측정부(2000), 제어부(2100)를 통해, 반도체 기판(S)의 절단 라인에 연속적으로 개질영역 및 크랙을 형성할 수 있다.
도 21에 나타난 바와 같이, 기판(S)내에 절단라인에 따라 연속적으로 개질영역 및 크랙의 형성이 완료되면, 반도체 기판(S)에 외력을 가해 크랙을 확장시켜 개별 반도체 기판으로 절단할 수 있다.
도 22 및 도 23은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 반도체 기판의 절단 방법의 흐름을 나타낸 플로우 차트이다. 도 22를 참조할 때, 절단용 레이저 장치를 이용하여 반도체를 절단하는 방법에 있어서, 본 개시의 일 실시예는 레이저 광이 출사되는 광 출사단계(2210)를 포함한다. 광 출사단계(2210)는 기판(S)의 내부에 개질 영역 및 크랙을 형성하기 위한 가공용 레이저 광을 출사한다. 예를 들어, 광 출사단계(2210)에서 출사되는 레이저 광은 가우시안(Gaussian) 분포의 광의 세기를 가진 가우시안 광일 수 있고, 펄스 폭이 1㎲ 이하이고, 집광점에 있어서의 피크 파워 밀도가 1 × 108(W/㎠) 정도 일 수 있다.
상기 광 출사단계(2210)에서 출사되는 가공용 레이저 광은 순서대로 광 변조단계(2220), 광 전달단계(2230), 광 집광단계(2240)를 거칠 수 있다.
상기 광 변조단계(2220)는 앞서 도 5 내지 도 18에서 살핀 실시예들과 같이 상기 광 출사단계(2210)에서 출사되는 가공용 가우시안 레이저 광(L22)의 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 상대적으로 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광(L22)의 형상을 변조할 수 있다. 일 실시에로, 상기 광 변조 단계(2220)는 상기 가우시안 레이저 광(L22)을 8자형(8-shaped) 레이저 광(L22”)으로 변조할 수 있다.
상기 광 변조단계(2220)는 가우시안 레이저 광을 도 5 내지 도 8에 개시된 본 발명의 실시예들과 같이 가우시안 레이저 광(L22)을 고차원의 CVB로 변조하지 않고 8자형(8-shaped) 광(L22”)으로 변조하는 단계로 이루어질 수 있다.
또한 상기 광 변조단계(2220)는 가우시안 레이저 광을 도 11 내지 도 18에 개시된 본 발명의 실시예들과 같이 가우시안 레이저 광(L22)을 고차원의 CVB(L22’)로 변조한 후, 상기 CVB(L22’)를 8자형(8-shaped) 광(L22”)으로 변조하는 단계로 이루어질 수 있다.
상기 변조된 8자형 레이저 광(L22’)은 광 전달 단계(2230)를 통해 전달될 수 있고, 상기 광 전달 단계(2230)는 적어도 하나 이상의 렌즈 및/또는 거울을 포함할 수 있다. 일 실시예로 상기 광 전달 단계(2230)는 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 사용할 수 있다. 상기 광 전달 단계(2230)는 변조된 8자형 레이저 광(L22”)을 투과하여 상기 광 집광단계(2240)에 상기 레이저 광(L22’)을 전달한다.
상기 전달된 변조된 8자형 레이저 광(L22’)은 광 집광단계(2240)를 거쳐 반도체 기판(S) 내부에 집광될 수 있다. 상기 광 집광단계(224)는 집광렌즈를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 광 집광단계(2240)는 집광렌즈를 이용하여 상기 가공용 8자형 레이저 광(L22”)을 기판(S)내부에 집광시켜 기판(S) 내에 개질영역 및 크랙을 형성할 수 있다. 상기 광 집광단계(2240)에 의해 집광되는 변조된 8자형 레이저 광(L22”)의 집광점의 위치를 제어하기 위해, 구동 단계(미도시)가 추가될 수 있다. 상기 구동 단계(미도시)는 후술할 거리측정단계에 의해 신호를 전달 받은 제어부(1903)의 명령 신호에 의해 구동하여 광 집광단계(2240)의 집광 렌즈의 위치를 제어할 수 있다.
기판(S) 내부의 일 영역에서 개질영역 및 크랙의 형성이 완료되면, 제어부의 제어 명령에 의해 구동 단계(미도시)는 상기 절단용 레이저 장치의 절단 가공부또는 기판 안착부를 절단 라인의 방향으로 상대적으로 이동시킬 수 있다. 따라서 반도체 기판(S) 내부에서 연속적인 개질영역 및 크랙의 형성이 가능할 수 있다. 이 때, 반도체 기판(S) 내부에서 집속되는 레이저 광은 8자형 모양으로 기 형성된 개질 영역 및 크랙과 공간적으로 중첩되지 않아 기판 내부에서 산란되지 않아 기판의 광학적 손상을 방지할 수 있다.
상기 광 출사 단계(2210), 광 변조 단계(2220), 광 전달 단계(2230), 광 집광 단계(2240), 및 절단용 레이저 장치의 이동 단계(2250)를 통해 반도체 기판(S)에 연속적으로 생긴 개질영역 및 크랙은 반도체 기판에 외력을 가해 크랙을 확장시켜 반도체 칩으로 절단하는 단계(2260)를 거쳐서 반도체 기판의 절단이 완료된다.
도 23을 참조할 ‹š, 레이저 광 전달 단계(2230)는 거리측정 단계(2301)를 더 포함할 수 있다. 상기 거리측정 단계(2301)는 집광 렌즈 및 기판(S) 사이의 거리를 측정하는 단계(2310), 상기 측정된 거리의 신호가 제어부로 전달된 후 제어부가 구동부에게 명령신호를 전달하는 단계(2320), 상기 명령신호를 받은 구동부가 렌즈를 구동하는 단계(2330)로 이루어질 수 있다. 상기 거리측정 단계(2301)의 원리 및 작동 방식은 도 20에서 개시한 실시예와 내용을 같이한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 출사하는 출사 단계; 및
    상기 출사 단계에서 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광의 형상을 변조하는 변조 단계;를 포함하고
    상기 변조 단계는
    상기 출사 단계에서 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 복굴절을 통해 분할하는 분할 단계;
    상기 분할 단계에서 중심 슬릿을 이용하여 분할된 광의 중심을 필터링하는 중심 필터링 단계;
    상기 중심 필터링 단계에서 측면 슬릿을 이용하여 필터링된 광의 측면을 필터링하는 측면 필터링 단계; 및
    상기 가우시안 레이저 광을 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조하는 단계; 를 포함하는
    레이저 광 변조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 변조 단계는 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulation)를 이용하여 상기 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광 변조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 변조 단계는,
    상기 출사 단계에서 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 CVB(Cylindrical Vector Beam)로 변조하는 CVB 변조 단계; 및
    상기 CVB 변조 단계에서 변조된 CVB를 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조하는 8자형 광 변조 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광 변조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 CVB 변조 단계는 나선상요소, 복수의 공간 광 변조기, 광섬유 편광 제어기, 및 공간적으로 분할된 반파장 플레이트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광 변조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 8자형 광 변조 단계는 편광 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 광 변조 방법.
  8. 가우시안(Gaussian) 레이저 광 출사부;
    상기 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광의 형상을 변조하는 광 변조부;
    상기 변조된 레이저 광을 광학적으로 이동시키는 전달 광학부;
    상기 변조된 레이저 광을 집광 시키는 집광 렌즈부; 및
    절단될 반도체 기판이 안착될 반도체 기판 안착부;
    를 포함하고,
    상기 광 변조부는 상기 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 분할하는 복굴절 렌즈;
    상기 복굴절 렌즈에서 분할된 레이저 광의 중심을 필터링하는 중심 슬릿; 및
    상기 중심 슬릿에서 중심이 필터링된 레이저 광의 측면을 필터링하는 측면 슬릿; 을 포함하고,
    상기 광 변조부는 상기 출사된 가우시안 레이저 광을 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조하는 것을 특징으로 하며,
    상기 변조된 레이저 광은 상기 반도체 기판 안착부에 안착된 반도체 기판의 내부에 집속되도록 구성된 것을 특징으로 하는 절단용 레이저 장치.
  9. 삭제
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 광 변조부는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulation, SLM)를 포함하는 것을 특징으로 하는 절단용 레이저 장치.
  11. 삭제
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 광 변조부는 상기 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 CVB(Cylindrical Vector Beam)로 변조하는 CVB 변조 모듈; 및
    상기 CVB 변조 모듈에서 변조된 CVB를 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조하는 8자형 광 변조 모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 절단용 레이저 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 CVB 변조 모듈은 나선상요소, 복수의 공간 광 변조기, 광섬유 편광 제어기, 및 공간적으로 분할된 반파장 플레이트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 절단용 레이저 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 8자형 광 변조 모듈은 편광 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 절단용 레이저 장치.
  15. 절단용 레이저 장치를 이용한 기판 절단 방법에 있어서,
    가우시안(Gaussian) 레이저 광이 출사되는 광 출사 단계;
    상기 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광의 레이저 가공 방향과 평행한 방향의 부근의 세기를 감소시켜 상기 가우시안 레이저 광의 형상을 변조하는 광 변조 단계;
    상기 변조된 레이저 광이 광학적으로 이동되는 광 전달 단계;
    상기 변조된 레이저 광이 집광되는 광 집광 단계;
    상기 집광된 레이저 광을 기판의 내부에 집속시켜 개질 영역 및 크랙을 형성하는 크랙 형성 단계;
    상기 레이저 장치와 기판을 절단 방향으로 상대적으로 이동시키는 장치 구동 단계; 및
    상기 기판에 외력을 가해 상기 형성된 크랙을 확장시켜 상기 기판을 개별로 절단하는 절단 단계;를 포함하며
    상기 광 변조 단계는 상기 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 복굴절렌즈를 통해 광을 분할하는 광 분할 단계;
    상기 광 분할 단계에서 중심 슬릿을 이용하여 분할된 레이저 광의 중심을 필터링하는 중심 필터링 단계; 및
    상기 중심 필터링 단계에서 측면 슬릿을 이용하여 필터링된 레이저 광의 측면을 필터링하는 측면 필터링 단계; 를 포함하며,
    상기 출사된 가우시안 레이저 광을 8자형(8-shaped) 레이저 광으로 변조하는 것을 특징으로 하는,
    기판 절단 방법.
  16. 삭제
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 광 변조 단계는 공간 광 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 절단 방법.
  18. 삭제
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 광 변조 단계는 상기 광 출사 단계에서 출사된 가우시안(Gaussian) 레이저 광을 CVB(Cylindrical Vector Beam)로 변조하는 CVB 변조 단계;
    상기 변조된 CVB를 8자형(8-shaped) 광으로 변조하는 8자형(8-shaped) 광 변조 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 절단 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 CVB 변조 단계는 나선상요소, 복수의 공간 광 변조기, 광섬유 편광 제어기, 및 공간적으로 분할된 반파장 플레이트 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 8자형 광 변조 단계는 편광 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 절단 방법.
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