KR20090006977A

KR20090006977A - Ｕｖ 레이저를 이용한 기판의 절단 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20090006977A
Application number: KR1020070070501A
Authority: KR
Inventors: 김일호; 정종갑
Original assignee: 주식회사 코윈디에스티; 김일호
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-01-16
Also published as: KR100921662B1

Abstract

본 발명은 금속, 비금속 또는 수지 기판을 절단하는 방법에 관한 것으로, 특히 UV 레이저를 이용한 기판의 절단 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 레이저 빔을 이용하여 기판을 절단하는 장치에 있어서, 고출력, 고반복주파수의 UV레이저를 발진하는 레이저 발진기; 상기 빔의 초점 깊이(Depth of Focus, DOF)를 조절할 수 있는 광학계; 및 상기 레이저 발진기에서 발진된 빔이 상기 광학계로 조사될 수 있도록 광 경로를 조절하는 미러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, UV 레이저를 이용함으로써 정밀가공이 가능하며, ITO, IZO 코팅된 기판이나 합착기판 역시 한번에 절단이 가능하다.

UV 레이저, 기판, 절단, 광학계, DOF

Description

ＵＶ 레이저를 이용한 기판의 절단 장치 및 방법{Apparatus and method for cutting substrate using UV laser}

종래의 CRT 대신에 평판 디스플레이(flat panel display)가 널리 사용되고 있고, 현재 생산 혹은 개발된 평판 디스플레이는 액정표시장치(LCD), 전계 발광 디스플레이(Field Emission Display, FED), 플라즈마 디스플레이(plasma display, PDP) 등이 있다.

상기와 같은 평판 디스플레이는 일반적으로 취성 기판 상에 다수 개를 매트릭스 모양으로 형성되어진 기판을 셀(cell) 단위로 절단 분리하는 공정을 거쳐 제조된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 재치(裁治)된 기판(G)을 진공흡착수단에 의하여 고정하는 수평 회전 가능한 테이블(table)(11)과, 상기 테이블(11)을 Y방향(지면과 직교하는 방향)으로 이동 가능하게 피벗 지지(pivot suspension)하는 평행한 한 쌍의 안내 레일(12)과, 상기 안내 레일(12)을 따라 테이블(11)을 이동시키는 볼 스크 류(13)와, X 방향(좌우방향)을 따라 상기 테이블(11)의 상방에 가설(架設)되는 가이드 바(14)와, 상기 가이드 바(14)에 X 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치되는 스크라이브 헤드(scribe head)(15)와, 상기 스크라이브 헤드(15)를 슬라이딩시키는 모터(16)와, 상기 스크라이브 헤드(15)의 하부에 승강(昇降) 이동이 가능함과 동시에 회전하도록 설치되는 팁 홀더(17)와, 상기 팁 홀더(17)의 하단에 회전 가능하게 장착되는 스크라이빙 휠(1)을 포함하여 구성되어 있다.

따라서 종래 기술에 의한 기판의 절단방법은 스크라이빙 휠(1)의 회전에 의해 절단하고자 하는 기판에 소정깊이의 크랙을 형성한 후, 브레이크 장치로 이송하여 브레이크 바로 기판 표면에 소정 깊이로 형성된 크랙을 따라 가압함으로써 기판을 절단하고 있다.

그러나 이러한 종래기술에 의하면, 물리적임 힘을 가하여 절단하게 되므로 기판의 절단면이 일정하지 않고, 칩핑(Chipping) 현상과 마모에 따른 휠 교체로 인하여 제품을 생산하는데 있어서 손실을 가져오며, 진행성 크랙에 의한 품질 저하의 원인이 된다. 또한 청정룸에 발생하는 파티클의 원인이 될 수 있다.

한편, CO₂레이저 등과 같은 산업용 레이저를 이용하여 절단하는 방법도 개시되고 있으나, 이러한 방법은 1차 레이저 빔으로 절단하고자 하는 부위를 가열하고 쿨링(cooling)에 의해 크랙을 형성한 후 2차 레이저 빔으로 절단하는 방법으로서, 공정이 복잡하고, CO₂레이저의 열전달로 인하여 기판이 열 손실을 입게 되어 품질이 나빠지는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 UV 레이저를 이용하여 기판을 절단하는 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 낮은 파워를 가지는 UV레이저를 사용하여도 높은 파워를 가지는 UV레이저와 같은 효과를 얻을 수 있는 광학계를 구비한 기판 절단 장치를 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 기판 절단 장치는 기판을 지지하는 테이블; UV 레이저를 발진하는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기로부터 발진된 빔의 초점 깊이(Depth of Focus, DOF)를 조절할 수 있는 광학계; 및 상기 빔이 상기 광학계로 조사될 수 있도록 광경로를 조절하는 미러;를 포함한다.

특히, 상기 레이저 빔의 초점을 1차 이미지 면에 맺히게 하는 결상 광학계; 상기 1차 이미지 면을 지난 레이저 빔의 조사 범위를 적게 하거나 동일하게 하면서 빔을 평행하게 출력하는 빔 전달 광학계; 및 상기 레이저 빔을 상기 기판에 초점이 정밀하게 맺히도록 상기 테이블과의 간격을 조절하는 대물렌즈;가 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 빔의 펄스 에너지는 0.5mJ ~ 1mJ이고, 상기 레이저의 반복주파수는 50KHz ~ 1MHz이며, 상기 레이저의 파장은 300nm ~ 400nm인 것이 바람직하다.

또한 상기 레이저 빔의 초점이 흐려지는 경우 초점을 조절하는 초점조절 수단이 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 레이저 발진기에서 발진된 빔을 분할하는 빔 스플리터가 구비되고, 상기 빔 스플리터에서 출사된 빔이 X축 또는 Y축으로 출사되도록 광경로를 변경하는 스캔 구동 장치 또는 마이크로스코프가 더 구비될 수 있다.

또한 상기 테이블은 X축 또는 Y축 방향으로 구동되는 것이 바람직하고, 이 경우, 상기 테이블은 상기 기판을 이송할 수 있는 승강 가능한 롤러가 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 레이저 발진기를 X축 또는 Y축 방향으로 구동하는 갠트리가 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 레이저 발진기는 복수개 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 광학계와 미러는 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 광학계는 초점거리를 조정할 수 있는 것이 바람직하다.

또한 상기 광학계의 후면에 기판의 절단 여부를 확인하는 모니터링 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 모니터링 장치는 레이저 변위 센서 또는 실시간 카메라인 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 레이저 빔을 이용한 기판의 절단 방법은 1) 절단하고자 하는 기판을 스테이지상에 정렬하고 상기 기판에 UV 레이저를 조사하는 단계; 2) 상기 기판의 두께에 따라 상기 레이저 빔의 초점 두께(DOF)를 결정하는 단계; 및 3) 상 기 레이저 빔을 절단하고자 하는 곳에 조사하여 기판을 절단하는 단계;를 포함한다.

또한 상기 2)단계 이후에, 상기 레이저 빔을 복수 개로 분할한 후, 빔 경로를 좌우(X축) 또는 상하(Y축)로 조정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 3)단계 이후에, 상기 기판의 절단 여부를 확인하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 고출력, 고반복율을 가지는 UV 레이저를 이용함으로써 기판을 한번에 절단할 수 있다. 또한 기존에 기계식 장치와 달리 레이저를 이용한 비접촉 방식이기 때문에 정밀 절단이 가능하여 수율, 생산성 및 공정 장비의 감소의 효과가 있다.

또한 낮은 파워를 가지는 레이저를 사용하여도 높은 파워를 가지는 레이저와 같은 효과를 얻는 광학계 시스템을 구성하기 때문에 장비의 가격적 측면에서 상당한 부분을 차지하는 레이저 소스의 가격을 다운시켜 경쟁력 우위의 이점을 가질 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 복수 개의 UV 레이저 발진기를 이용하여 기판을 절단하는데 소요되는 시간을 줄일 수 있다.

광학계를 통해 DOF를 조절함으로써 다양한 두께의 기판을 한번에 절단할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 스캔 구동 장치를 이용함으로써 X축 또는 Y축으로 절단함으로써 한 번의 공정으로 기판을 셀 형태로 절단할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 다수의 광학계를 사용하여 합착 기판 중 일부 기판만을 절단하는 경우에도 DOF를 이용하여 한번에 절단할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 갠트리와 스테이지를 이동하여 X축 또는 Y축으로 자유롭게 절단할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, UV 레이저 빔의 출력이 낮은 경우에 초점 거리를 조절하고 레이저 빔을 연속적으로 조사하여 기판을 절단할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 광학계 후방에 실시간 모니터링 장치를 추가하여 실시간으로 절단 여부를 확인할 수 있다. 따라서, 절단 여부를 확인하는데 소요되는 시간을 줄일 수 있고, 비용도 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 두 개의 스테이지를 사용하여 작업을 수행함으로써 작업에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 살펴본다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 UV 레이저를 이용하여 기판을 절단하는 장치 및 방법을 나타낸 구성도이다.

상기 기판은 금속, 비금속, 또는 수지 기판을 모두 포함하는 개념으로, 평판 디스플레이에 사용되는 글래스(Bare Glass, ITO/IZO coated Glass, 합착 Glass), 태양전지 기판, 평판 디스플레이 소자(LCD, PDP, OLED, PLED, SED), 반도체 재료 및 소자(웨이퍼, 플레쉬, D램 등), PCB, FPCB용 기판과 수지기판에 올라간 소자, 광학필름(Polarizer Film, 위상차 필름, 광학부품) 등 다양한 종류의 기판을 포함한다.

도 2에 도시된 것과 같이 레이저발진기(21), 제 1 반사미러(22), 초점의 두께(Depth of Focus, 이하 DOF)를 결정하고 초점 거리를 조절하는 광학계(23), 초점 조절 수단(24), 제 2 반사미러(25), 모니터링 수단(26) 및 유리 기판(27)으로 이루어져 있다. 도면 부호 28은 기판에 형성되는 DOF를 나타낸다. 상기 광학계(23)는 초점의 두께 뿐만 아니라 초점 거리를 모두 조절할 수 있으므로 xyz광학계라고 할 수 있다. 편의상 이하에서는 광학계(23)라 칭한다.

기판의 절단되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

레이저 발진기(21)에서 UV 레이저가 발진되고 제 1미러(22)와 광학계(23)를 통과하여 기판(27)에 조사되고 기판(27)이 절단된다. 기판을 절단하는 방법으로 미러(22)와 광학계(23)를 갠트리에 장착하여 갠트리(도시하지 않음)를 이동하거나, 기판(27)이 놓여진 스테이지(도시하지 않음)가 이동되면서 기판이 절단된다. 갠트리와 스테이지가 동시에 이동시킬 수도 있다. 자세한 사항은 도 8을 참조하여 후술하기로 한다.

절단시 기판(27)이 이동됨에 따라 초점이 흐려질 수 있는데 초점조절 수단(24)에 의해 초점을 자동으로 조정하고 모니터링 수단(26)을 통해 기판(27)의 절단이 원하는 절단부위로 정확하게 이루어지고 있는지 여부를 실시간을 확인한다. 모니터링 수단(26)으로는 일반적으로 CCD 카메라가 이용된다. 초점조절 수단(24)은 테스트 패턴을 기판에 조사하여 반사되는 빛을 수신하여 초점을 확인하여 조절하는 장치이다.

또한 본 실시예에서는 광 경로를 조절하는 반사미러(22) DOF를 조절하는 광학계(23)가 분리된 경우를 도시하고 설명하지만, 일체로 형성될 수도 있다.

상기 광학계(23)는 초점의 두께를 조절할 수 있는 수단을 포함한다. 상기 광학계(23)는 가공하고자 하는 물체의 두께를 고려하여 DOF가 물체 두께보다 크도록 사전 설계하고 물체 중심 부근에 빔의 포커스가 맺히도록 조절한다. 상기의 광학계(23)와 같이 초점의 두께를 조정하거나 초점 거리를 조정하는 기술은 공지의 기술이므로 광학계(23)에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명에서는 광학계를 이용하여 DOF가 물체 두께보다 크게 함으로써 1회의 조사만으로 기판의 절단이 가능하다. 또한, 단일 기판이 아닌 ITO/IZO 막 등이 성막되어 기판의 두께가 달라지더라도 DOF를 조절하여 1회로 절단이 가능하다. 마찬가지로 TFT(thin film transistor) 기판과 컬러 필터 기판이 결합된 합착기판 또한 완전한 커팅이 가능하다.

도 3은 기판의 두께에 따라 DOF가 조절되는 실시예를 나타낸 도면이다. 도 3의 (a)는 일반적인 기판(37a)일 경우의 DOF이고 (b)는 합착 기판(37b)일 경우의 DOF 이다. 도면에서 확인할 수 있는 것과 같이, (a)에서는 기판 두께가 T1이고 (b)에서는 기판의 두께가 T2이다. T1과 T2는 임의의 두께가 될 수 있고 두께가 다양하게 변하더라도 광학계(33)를 조절하여 기판을 절단하기에 적합한 DOF를 조절할 수 있다.

도 4는 복수개의 UV 레이저를 이용하여 기판을 절단하는 예를 나타낸 도면이다. 복수개의 레이저를 사용하는 경우 생산 시간이 단축되는 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예로써 스캔 구동 장치를 이용한 X축 절단과 Y축 절단을 동시에 할 수 있는 방법을 나타낸 도면이다. 상기 실시예와 중복되는 부분은 설명의 간명화를 위해 도면에서 생략하고 본 실시예의 특징만을 도시하였다.

레이저 발진기(51)에서 발진된 레이저 빔은 광학계(52)를 거쳐 반사되고 스캔구동장치(53)에서는 빔의 각도를 조절하여 빔의 출사 방향을 X축 또는 Y축으로 조절이 가능하다. 도면에서 도시된 것과 같이 광학계를 이용하여 빔을 여러 개로 쪼개어 다수의 스캔 구동 장치를 이용하여 기판을 절단할 수 있다. 광학계(52)를 다수 개 사용함으로써 빔 스플리터의 기능을 하게 되고 빔을 여러 개로 쪼개어 기판을 절단할 수 있다. 즉, 도면에 도시된 것과 같이 다수의 광학계(52)는 빔을 분할하는 빔 스플리터의 역할을 한다.

도 5의 (a)는 X축으로 절단하는 예를 나타낸 것이고, (b)는 Y 축으로 절단하는 예를 나타낸 것이다. 도시된 것과 같이 빔 스플리터(52)를 사용하여 빔을 분할하고, 이렇게 분할된 빔을 스캔구동장치(53)를 사용하여 광경로를 X축 또는 Y축으로 변경할 수 있다. 도면번호 58은 X축으로 절단한 절단선을 나타낸 것이고, 59는 Y축으로 절단한 절단선을 나타낸 것이다.

상기 X축 절단선(58)과 Y축 절단선(59)이 만나면 네모칸 모양의 셀로 절단된다. 도면에서와 같이 빔 스플리터를 이용하여 레이저 빔을 여러 갈래로 분할하는 것이 가능하고 여러 개의 셀을 한 번의 공정으로 절단할 수 있다. (c)는 상기와 같 이 기판(57)이 셀모양으로 절단된 것을 나타낸 것이다. 본 발명에서는 이러한 절단을 편의상 면절단이라고 칭하기로 한다. 상기와 같은 면절단으로 생성된 셀은 하나하나가 모두 디스플레이 장치의 패널이 될 수 있다. 대형 LCD TV 뿐만 아니라 핸드폰 등의 소형 디스플레이 장치에 사용되는 패널까지 다양하게 생산할 수 있다. 즉, 빔 스플리터(52)와 스캔구동장치(53)를 사용해 한 번의 공정으로 면절단이 가능하고 공정시간을 획기적으로 단축할 수 있다.

도 6은 복수 개의 광학계를 사용하여 기판의 두께에 따라 DOF의 변경이 가능하도록 한 실시예이다. 예를 들어, 광학계 1은 두께가 T1인 기판을 절단하기에 적합한 DOF를 생성하고 광학계 2는 두께가 T2인 기판을 절단하기에 적합한 DOF를 생성한다고 하면, 두께 T1 기판을 절단할 때는 도 6 (a)에서와 같이 광학계1을 사용하고 T2 기판(67a)을 절단할 때는 (b)에서와 같이 광학계2를 사용하여 합착기판(67b)을 절단한다. 두께의 정도는 다양하게 변경할 수 있다.

도 7도 도 6과 마찬가지로 복수의 광학계를 사용하여 기판을 절단하는 시스템을 나타낸 실시예로써, LCD 패널을 절단하는 경우를 나타낸 도면이다. LCD 패널의 경우 TFT 기판(77)과 컬러 필터 기판(78)을 합착하여 하나의 패널을 완성시킨다. TFT 기판(77)과 컬러 필터 기판(78)을 합착시킨 후 컬러 필터 기판(78)의 가장자리 부분을 절단하여 절단한 부분에 FPC(Flexible Printed Circuits)를 접속시키기 위하여 가장자리 부분을 절단하는 예를 나타낸 것이다.

도 7의 (a)는 TFT 기판(77)이 아래에 있는 경우를, (b)는 TFT 기판(77)이 위에 있는 경우를 나타내는 것이다. 상기 도면 (a)와 (b)에서 표시된 기판에서 TFT 기판(77) 및 컬러 필터 기판(78)의 위치는 상이하지만, 절단하고자 하는 기판(78)의 두께는 동일하기 때문에 동일한 DOF를 생성하는 광학계를 사용하고 칼라필터 기판(78)만을 절단할 수 있다. 도면에서 점선부위는 절단된 부분을 나타낸다.

도 8은 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 레이저 공급부(100), 결상 광학계(140), 빔 전달 광학계(160), 자동초점 조절부(170), 모니터링부(190), 대물렌즈(200), 스테이지(210) 및 제어부(도면에 미도시)로 이루어진다.

상기 레이저 공급부(100)는 UV레이저를 발진하는 레이저 발진기(110), 레이저 세기 조절기/레이저 출력 안정기(114), 셔터(116), 레이저 빔 형성기(118)로 이루어진다.

상기 레이저 세기 조절기/레이저 출력 안정기(114)는 레이저 빔의 출력 세기를 조절하는 레이저 세기 조절기와 출력되는 레이저 빔 세기를 균일화시키는 레이저 출력 안정기로 구분된다.

여기서, 상기 레이저 출력 안정기는 레이저 펄스-펄스 간의 세기 불균일성이 사용 전에는 통상 3% ~ 4%인 것을 사용 후에는 통상 0.03% ~ 0.1%수준으로 낮추는 역할을 한다.

상기 셔터(116)는 상기 레이저 세기 조절기/레이저 출력 안정기(114)를 거친 레이저 빔의 출력시 자동 또는 수동에 의해 ON/OFF하는 스위치 역할을 한다.

상기 레이저 빔 형성기(118)는 가우시안(Gaussian) 형태의 레이저 빔 크기를 수 배에서 수십 배 확장하는 빔 확장기(Beam Expander)와 레이저 빔을 평행하게 하 여 평행 광을 생성하는 평행 광 생성기(Collimator)로 구성된다.

그리고 상기 레이저 빔 형성기(118)의 후방에는 레이저 빔의 조사 방향을 조절하는 제1, 2, 3 반사미러(122, 124, 126)가 각각 구비되며 상기 제1 반사미러(122)를 기점으로 이 레이저 빔 형성기(118)와 대향되는 타측에 레이저 파워를 측정하여 빔의 세기가 설정 스팩(Spec)을 벗어나면 상기 레이저 세기 조절기/레이저 출력 안정기(114)로 피드백(Feedback)하여 설정 스팩으로 자동 조절할 수 있도록 하는 레이저 파워 측정기(120)가 더 구비된다.

상기 결상 광학계(140)는 레이저 빔을 임의의 1차 이미지 면 위치에 초점이 맺히도록 한다. 즉, 레이저 빔이 초점거리(ℓ₁)가 동일한 1차 이미지 면에 초점이 맺히도록 한다.

상기 빔 전달 광학계(160)는 1차 이미지 면을 지난 레이저 빔을 후술할 대물렌즈(200)로 전달하는 역할을 한다. 상기 역할을 수행하고자 상기 1차 이미지 면에서 상기 빔 전달 광학계(160)의 입력단까지의 거리(ℓ₂)는 상기 결상 광학계(140)의 레이저 빔 출력단에서 1차 이미지 면까지의 거리(ℓ₁)와 동일하도록 구성한다.

상기 대물렌즈(200)로 입사한 빔은 대물렌즈(200)를 지나 2차 이미지 면인 기판의 절단면에서 빔 스폿 크기가 1차 이미지 면의 빔 스폿 크기 대비 대물렌즈(200) 배율의 제곱 분의 일로 감소하게 되고, 따라서 펄스 에너지 밀도는 대물렌즈(200) 배율의 제곱배만큼 상승하게 된다. 결국, 가공 빔의 스폿의 크기는 감소되어 정밀 가공이 가능하고, 펄스 에너지 밀도가 상승하므로 기존 대비 낮은 파워를 가지는 레이저를 사용하여도 높은 파워를 가지는 레이저를 사용하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 것이다.

한편, 상기 빔 전달 광학계(160)에서 출력된 레이저 빔은 입력된 레이저 빔과 평행하고 모두 상기 대물렌즈(200)에 입사될 수 있도록 하는 설정 범위 내에 출력되도록 한다.

상기 자동초점 조절부(Auto Focus Unit: 170)는 자동으로 초점을 맞추기 위해 상기 대물렌즈(200)를 Z축 방향으로 이동시킬 수 있도록 한다.

상기 모니터링부(190)는 상기 기판의 절단면을 실시간으로 출력할 수 있도록 CCD 카메라 등을 적용한다.

그리고 상기 모니터링부(190)의 후방에는 기판의 절단면 확인하기 위해 빛을 조사하는 반사 조명(194)이 더 구비되며, 상기 반사 조명(194)의 빛에 대한 조사 방향을 조절하는 제 7 반사미러(196)가 구비된다.

즉, 상기 반사 조명(194)의 빛이 제 7 반사미러(196)와 제 4 반사미러(162)에 의해 상기 기판(S)에 조사된다.

그리고 상기 자동초점 조절부(170)에도 상기 기판(S)의 영상에 대해 취득 방향을 이 자동초점 조절부(170)로 향하도록 조절하는 제 5 반사미러(172)가 구비되고, 상기 모니터링부(190)에도 절단면에 대한 영상의 취득 방향을 이 모니터링부(190)로 향하도록 조절하는 제 6 반사미러(192)가 구비된다.

도 9를 참조하면, 본 실시예에 의한 테이블(200)은 로딩부(210)와, 절단장치와, 언로딩부(230)로 구성된다.

상기 로딩부(210)와 언로딩부(230)는 기판을 이송시킬 수 있는 롤러(211, 231)가 다수 구비된다. 상기 절단장치는 석정반(221)상에 테이블(222)이 올려져 있고, 상기 테이블(222)에 기판(S)이 지지된다. 한편, 광학계와 CCD카메라가 내장된 빔 조사 헤드(241a, 241b) 한 쌍과, 레이저 소스(242)가 갠트리에 설치되어 있다. 상기 갠트리에는 X축 이동가이드(245)가 형성되어 상기 헤드(241)가 X축을 따라 수평이동이 가능하다.

또한 상기 석정반(221)의 양측에는 상기 갠트리를 Y축방향으로 이동시킬 수 있는 Y축 이동가이드(243)가 형성되어 있다. 따라서, 상기 갠트리는 상기 Y축 이동가이드(243)를 따라 이동할 수 있는 이동블록(244)이 구비된다.

본 실시예의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 로딩부(210)를 통해 기판(S)이 로딩되면, 상기 로딩부(210)의 롤러(211)를 구동시켜 테이블 상에 기판을 안착시킨다. 이 상태에서, 상기 헤드를 X축 및 Y축으로 이동시키면서 레이저 빔을 조사하여 기판을 절단한다.

도 10을 참조하면, 도 9에 도시된 실시예와 달리 헤드(241)는 X축으로만 이동이 가능함을 알 수 있다. 대신 기판이 Y축 방향으로 이동하면서 결과적으로 기판을 X축 및 Y축으로 절단할 수 있는 것이다.

도 11은 광학계를 이용하여 초점 거리를 조절하여 기판을 절단하는 실시예를 나타낸 도면이다.

앞서의 실시예에 의하면 광학계를 이용하여 DOF를 기판의 두께보다 두껍게 조절하여 기판을 한번에 절단할 수 있다. 그러나 레이저 빔의 출력이 낮거나 예기 치 못한 사정으로 DOF를 기판의 두께보다 두껍게 하지 못하여 한번에 절단할 수 없는 경우에는 초점 거리를 조절하고 UV 레이저를 연속해서 조사하여 기판을 절단할 수 있다.

도 11 (a)는 광학계(93)로 레이저 빔(94)의 X축 방향을 조절하는 것을 나타낸 도면이다. 도면번호 95는 레이저 빔(94)이 조사되는 범위를 X 축상에 나타낸 것이고 도면번호 96은 레이저 빔이 조사되는 범위를 각도로 나타낸 것이다. 즉, 레이저 빔은 광학계(93)에 따라서 일정 범위 내에서 조사된다.

도 11 (b)는 Y축 방향의 변화범위를 (c)는 Z축 방향의 변화범위를 나타낸다.

도 11 (d)는 Z축 방향으로 초점 거리를 조절하여 기판을 절단하는 과정을 나타낸 것이다. 먼저 초점 위치를 광학계를 이용하여 기판의 상단에 맞춘 후 빔을 조사한 후 다시 초점 위치를 기판의 중앙에 맞춘 후 빔을 조사한다. 마지막으로, 초점 위치를 기판 하단에 맞춘 후 빔을 조사하여 하단을 절단함으로써 기판의 절단이 완료하게 된다. 상기 실시예에서는 초점거리를 2회 변경하고 레이저 빔을 3회 조사하여 절단하는 예를 나타내었지만 초점거리의 변경 및 레이저 빔의 조사 횟수는 다양하게 변경할 수 있다. 경우에 따라서는 상단ㆍ하단으로 나누어 2회만 조사할 수 있는 것이다.

즉, 광학계(93)를 이용하여 초점 두께를 기판의 두께보다 두껍게 하여 기판을 한번에 절단하는 것도 가능하지만, Y축 방향의 제어가 제대로 되지 않는다든지 등 여러 가지 이유로 인하여 기판을 한번에 절단할 수 없는 경우에는 Z축 방향으로 DOF의 거리를 조절하여 기판을 단계적이고 연속적으로 절단함으로써 기판을 절단할 수 있다.

비록 레이저 빔을 한번에 조사하지 않고 두세 번에 나누어 기판을 절단하지만, UV 레이저의 조사 및 초점 거리 변경 속도가 매우 빠르기 때문에 전체 절단 속도에는 큰 영향을 미치지 않는다.

이렇게 두 단계 이상으로 나누어서 절단하는 경우에는 한번에 절단하는 경우보다 낮은 출력을 가지는 UV 레이저를 사용할 수 있으므로 장치 제작 비용면에서 유리하다.

도 12는 본 발명의 일 실시예로써 광학계(102)의 후면에 기판의 절단이 제대로 되었는지를 확인하는 모니터링 장치(102)를 설치한 것을 나타낸 도면이다. 나머지 실시예와 모니터링 장치를 추가하는 것 외에는 동일하므로 나머지 구성은 도시하지 않았다.

실시간 모니터링의 과정을 살펴보면 다음과 같다.

광학계(102)를 통과한 레이저 빔(104)이 기판(106)을 절단하고 절단선(105)이 생기게 된다. 모니터링 장치(103)는 상기 절단선(105)을 관찰하여 절단이 완벽하게 이루어졌는지 여부를 관찰한다. 레이저 발진기에서 레이저 빔의 발진되지 않는 등의 이유로 기판이 절단되지 않는 에러를 방지하기 위한 것이다. 상기 광학계(102)와 모니터링 장치(103)를 하나의 모듈로 만들 수도 있다. 본 실시예에서는 편의상 커팅 헤드 유닛(101)이라 한다.

실시간으로 절단 여부를 확인하여 절단이 완전하게 되지 않은 경우에는 즉시 재작업을 하여 절단을 한다.

상기 모니터링 장치(103)는 레이저 변위 센서가 될 수도 있고 실시간 카메라가 될 수도 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예로써, 공정에 소요되는 작업 시간을 단축하기 위한 것이다. 종래에는 하나의 스테이지만을 사용하였기 때문에 대상물에 대한 작업을 행하는 작업시간보다 스테이지로 작업 대상물을 로딩하거나 언로딩하는 시간이 상대적으로 많이 소요되고 작업효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 그러나 상기의 실시예와 같이 두 개의 스테이지를 사용하는 경우 작업 시간을 단축할 수 있다.

작업 공정을 간략히 살펴보면, 기판 등의 작업 대상물이 모여 있는 곳으로부터 로봇(105)이 하나의 기판을 파지한 후 제 1스테이지(101) 위쪽에 배치한다. 이때 리프트 핀(103)은 위로 들려 있는 상태이고 로봇(105)에 의해 기판이 리프트 핀(103) 위에 안착된다. 안착후 로봇은 다시 작업 대상물이 있는 장소로 이동하여 기판(104)을 파지하여 제 2스테이지(103)에 안착시킨다. 스테이지에 안착한 순서대로 작업부(106)가 작업을 수행하게 된다. 본 발명에서는 레이저 빔을 이용한 절단 작업을 수행하게 되는 것이다. 상기와 같이 하나의 스테이지에서 수행하던 일을 2개의 스테이지에서 수행함에 따라 로딩 및 언로딩에 소요되는 시간이 줄어들고 시간당 처리하는 작업량이 많아진다.

이상에서 살펴본 것과 같이 본 발명에 의하면 다양한 방법으로 기판을 절단하는 것이 가능하다.

도 1은 종래기술에 따른 유리기판을 절단하는 장치의 구성도

도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타낸 구성도

도 3은 본 발명에 따라 일 실시예로써 기판의 두께에 따라 DOF가 조절되는 실시예를 나타낸 도면

도 4는 본 발명의 일 실시예로써 복수의 광원을 나타낸 구성도

도 5는 본 발명의 일 실시예로써 X축 또는 Y축 방향의 절단 방법을 나타낸 구성도

도 6은 본 발명의 일 실시예로써 기판의 두께에 따라 광학계를 교체하는 구성도

도 7은 본 발명의 일 실시예로써 합착기판의 절단 부위에 따라 광학계를 교체하는 구성도

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 구성도

도 9 및 10은 테이블 및 갠트리의 다양한 실시예를 나타낸 구성도

도 11은 본 발명의 일 실시예로써 광학계를 이용하여 초점 거리를 조절하여 기판을 절단하는 방법을 나타낸 도면

도 12는 본 발명의 일 실시예로써 모니터링 장치를 설치하여 기판의 절단여부를 실시간 모니터링하는 방법을 나타낸 도면

도 13은 본 발명의 일 실시예로써 스테이지를 두 개로 하여 공정을 진행하는 방법을 나타낸 도면

Claims

레이저 빔을 이용하여 기판을 절단하는 장치에 있어서,

기판을 지지하는 테이블;

UV 레이저를 발진하는 레이저 발진기;

상기 레이저 발진기로부터 발진된 빔의 초점 깊이(Depth of Focus, DOF)를 조절할 수 있는 광학계; 및

상기 빔이 상기 광학계로 조사될 수 있도록 광경로를 조절하는 미러;를 포함하는 것을 특징으로 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 레이저 빔의 초점을 1차 이미지 면에 맺히게 하는 결상 광학계;

상기 1차 이미지 면을 지난 레이저 빔의 조사 범위를 적게 하거나 동일하게 하면서 빔을 평행하게 출력하는 빔 전달 광학계; 및

상기 레이저 빔을 상기 기판에 초점이 정밀하게 맺히도록 상기 테이블과의 간격을 조절하는 대물렌즈;가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 빔의 펄스 에너지는 0.5mJ ~ 1mJ인 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 레이저의 반복주파수는 50KHz ~ 1MHz인 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 레이저의 파장은 300nm ~ 400nm인 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 레이저 빔의 초점이 흐려지는 경우 초점을 조절하는 초점조절 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 레이저 발진기에서 발진된 빔을 분할하는 빔 스플리터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 테이블은 X축 또는 Y축 방향으로 구동되는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 테이블은 상기 기판을 이송할 수 있는 롤러가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 9항에 있어서,

상기 롤러는 승강되는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 레이저 발진기를 X축 또는 Y축 방향으로 구동하는 갠트리가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 레이저 발진기는 복수개 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 광학계와 미러는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 광학계는 초점거리를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 1항에 있어서,

상기 광학계의 후면에 기판의 절단 여부를 확인하는 모니터링 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
제 15항에 있어서,

상기 모니터링 장치는 레이저 변위 센서 또는 실시간 카메라인 것을 특징으로 하는 기판 절단 장치.
레이저 빔을 이용한 기판의 절단 방법에 있어서,

1) 절단하고자 하는 기판을 스테이지상에 정렬하고 상기 기판에 UV 레이저를 조사하는 단계;

2) 상기 기판의 두께에 따라 상기 레이저 빔의 초점 두께(DOF)를 결정하는 단계; 및

3) 상기 레이저 빔을 절단하고자 하는 곳에 조사하여 기판을 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 절단 방법.
제 17항에 있어서,

상기 2)단계 이후에,

상기 레이저 빔을 복수 개로 분할한 후, 빔 경로를 좌우(X축) 또는 상하(Y 축)로 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 절단 방법.
제 17항에 있어서,

상기 3)단계 이후에,

상기 기판의 절단 여부를 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 절단 방법.