KR20110040150A - 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 빔을 이용한 가공대상물의 절단작업시 절단면의 열영향을 최소화하고 매끈한 절단면을 제공할 수 있으면서 동시에 가공속도를 향상시킬 수 있는 레이저 가공장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치는 가공대상물의 내부에 집광점을 형성하여 상기 가공대상물의 절단예정라인을 따라서, 절단의 기점이 되는 개질영역을 상기 가공대상물의 내부에 형성하는 레이저 가공장치로서, 레이저 빔을 출사하는 레이저 빔원; 및 상기 레이저 빔원으로부터 출사된 상기 레이저 빔을 상기 가공대상물의 내부에 집광하되, 적어도 두 개 이상의 초점거리를 가지며, 상기 가공대상물의 내부에 개질 촉진부를 형성하는 다중초점렌즈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 가공대상물의 절단 시 절단면을 평탄하고 균일하게 형성시킬 수 있기 때문에 절단면의 품질을 극대화시킬 수 있으며, 가공속도가 증가되기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

다중초점렌즈, 레이저 가공, 개질영역, 크랙스폿, 에너지 밀도, 초점거리, 집광점, 개질 촉진부

Description

레이저 가공장치{LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 빔을 이용한 가공대상물의 절단작업시 절단면의 열영향을 최소화하고 매끈한 절단면을 제공할 수 있으면서 동시에 가공속도를 향상시킬 수 있는 레이저 가공장치에 관한 것이다.

종래에는 다이아몬드 등의 초경 재료에 의해 절단라인을 생성한 후, 기계적 응력을 가하여 반도체 웨이퍼나 글래스 등의 가공대상물을 절단하였다.

이러한 방법에 따르면, 가공대상물의 절단면이 날카롭고 불규칙하여 액정 디스플레이와 같은 정밀한 제품에는 적합하지 않으며, 별도의 복잡하고 장시간이 소요되는 연마공정이 필요하였다.

이로 인해, 최근에는 레이저를 이용한 절단장치가 사용되고 있다.

그런데, 레이저를 이용한 절단장치는, 레이저 빔의 에너지 밀도가 도 1에 도시된 바와 같이, 절단하려는 절단예정라인(가운데 점선)에서 최대값을 가지며, 이를 중심으로 외측으로 갈수록 에너지 밀도가 감소하는 형태로 나타내기 때문에 절단예정라인이 주위의 온도보다 높게 형성되어 절단면이 용융되거나 용융점에 가까 워져서 절단면이 매끄럽지 못하고, 용융되어 흐른 흔적이 남게 되므로 절단면의 불량이 발생하는 문제점이 있었다.

따라서, 절단선의 직진성이 떨어지며, 절단면의 평탄도도 저하되어 제품의 외관과 품질을 해치게 되는 문제점이 있었다.

또한, 직진성 저하로 인해 원하는 궤도를 이탈하여 가공대상물이 절단되는 경우가 발생하는 문제점이 있었다.

또한, 레이저를 이용한 절단장치는 레이저의 특성상 정밀하게 에너지의 세기 집광점 등을 정밀하게 조절하여야 하기 때문에 생산효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저 빔을 이용하여 가공대상물의 절단 시 절단면의 열영향을 최소화하고 절단면을 매끈하게 할 뿐만 아니라 동시에 가공속도를 향상시킬 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 가공대상물의 내부에 집광점을 형성하여 상기 가공대상물의 절단예정라인을 따라서, 절단의 기점이 되는 개질영역을 상기 가공대상물의 내부에 형성하는 레이저 가공장치로서, 레이저 빔을 출사하는 레이저 빔원; 및 상기 레이저 빔원으로부터 출사된 상기 레이저 빔을 상기 가공대상물의 내부에 집광하되, 적어도 두 개 이상의 초점거리를 가지며, 상기 가공대상물의 내부에 개질 촉진부를 형성하는 다중초점렌즈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 가공대상물의 절단 시 절단면을 평탄하고 균일하게 형성시킬 수 있기 때문에 절단면의 품질을 극대화시킬 수 있으며, 가공속도가 증가되기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치는 가공대상물의 내부에 개질영역을 형성하기 위해서 다광자 흡수라고 하는 현상을 이용한다.

하기에서는 다광자 흡수에 의해 개질영역을 형성하기 위한 레이저 가공에 대해 설명하기로 한다.

재료 흡수의 밴드 갭 EG보다도 광자의 에너지 hν가 작으면 광학적으로 투명하게 된다. 따라서 재료에 흡수가 생기는 조건은 hν > EG이다. 그러나 광학적으로 투명해도 레이저 빔의 강도를 매우 크게 하면 nhν > EG의 조건(n = 2, 3, 4, …)에서 재료에 흡수가 생긴다. 이 현상을 다광자 흡수라고 한다.

펄스파의 경우, 레이저 빔의 강도는 레이저 빔의 집광점의 피크파워밀도(W/㎠)로 정해지는데, 예를 들면 피크파워밀도가 1 X 108(W/㎠) 이상의 조건에서 다광자 흡수가 생긴다. 피크파워밀도는 (집광점에서의 레이저 빔의 1펄스당 에너지) / (레이저 빔의 빔 스폿 단면적 X 펄스폭)에 의해 구해진다. 또, 연속파의 경우, 레 이저 빔의 강도는 레이저 빔의 집광점의 전계강도(W/㎠)로 정해진다.

다음은 이와 같은 다광자 흡수를 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치(도 5 참조, 100)의 원리에 대해서, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 등의 가공대상물(1)의 표면(3)에는 상기 가공대상물(1)을 절단하기 위한 절단예정라인(5)이 형성된다. 상기 절단예정라인(5)은 직선 모양으로 연장된 가상선이다.

다광자 흡수가 생기는 조건에서 상기 가공대상물(1)의 내부에 집광점(P)을 맞추어 레이저 빔(L)을 조사하면 개질영역(7)을 형성한다. 이때, 상기 집광점(P)은 레이저 빔(L)이 집광하는 개소이다.

또한, 상기 절단예정라인(5)은 직선 모양으로 한정하지 않고 곡선 모양이어도 되며, 가상선으로 한정하지 않고 상기 가공대상물(1)에 실제로 형성된 선이어도 된다.

레이저 빔(L)을 상기 절단예정라인(5)을 따라서(즉, 도 2의 화살표 A방향으로) 상대적으로 이동시키는 것에 의해, 상기 집광점(P)을 상기 절단예정라인(5)을 따라서 이동시킨다.

이로 인해, 상기 개질영역(7)이 상기 절단예정라인(5)을 따라서 상기 가공대상물(1)의 내부에 형성되고, 상기 개질영역(7)이 절단기점영역(8)이 된다.

여기서, 절단기점영역(8)은 가공대상물(1)이 절단될 때에 절단(갈라짐)의 기점이 되는 영역을 의미한다.

상기 가공대상물(1)의 표면(3)에서는 레이저 빔(L)이 거의 흡수되지 않기 때문에 상기 가공대상물(1)의 표면(3)이 용융되지 않는다.

상기 가공대상물(1)의 내부에 상기 절단기점영역(8)을 형성하면, 상기 절단기점영역(8)을 기점으로 하여 갈라짐이 발생하기 쉬워지기 때문에 비교적 작은 힘으로 가공대상물(1)을 절단할 수 있으며, 상기 가공대상물(1)의 표면(3)에 불필요한 갈라짐을 발생시키지 않고, 상기 가공대상물(1)을 고정밀도로 절단하는 것이 가능하게 된다.

전술한 바와 같은 상기 가공대상물(1)의 절단은 도 5에서 나타낸 레이저 가공장치(100)에 의해서 실시된다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치(100)는 레이저 빔원(110), 반사미러(120), 다중초점렌즈(130), 지지대(140), 이동부(150) 및 제어부(160)를 포함하여 구성된다.

상기 레이저 빔원(110)은 레이저 빔(L)을 출사한다.

상기 반사미러(120)는 상기 레이저 빔원(110)의 일측에 배치되어 상기 레이저 빔원(110)으로부터 출사된 레이저 빔(L)의 광축의 방향을 90도 변경한다.

상기 다중초점렌즈(130)는 상기 레이저 빔원(110)으로부터 출사된 상기 레이저 빔(L)을 상기 가공대상물(1)의 내부에 집광하되, 적어도 두 개 이상의 초점거리를 가진다.

특히, 상기 다중초점렌즈(130)는 상기 가공대상물(1)의 절단을 가이드하는 개질촉진부를 형성하는 역할로, 상기 가공대상물(1)이 절단되는 방향을 가이드해 준다.

상기 지지대(140)는 상기 가공대상물(1)을 지지한다.

상기 이동부(150)는 상기 지지대(140)를 X, Y, Z축 방향으로 이동시킨다.

상기 제어부(160)는 레이저 빔(L)의 출력이나 펄스폭 등의 조절이나 상기 이동부(150)의 이동 등, 상기 레이저 가공장치(100)의 전체를 제어한다.

이러한 구조에 의해서 상기 레이저 빔원(110)으로부터 출사된 레이저 빔(L)은 상기 반사미러(120)에 의해서 그 광축의 방향이 90도 변경되며, 상기 지지대(140) 상에 놓인 상기 가공대상물(1)을 향하여 상기 다중초점렌즈(130)에 의해서 집광된다.

그리고 상기 이동부(150)가 이동되면서 상기 가공대상물(1)이 레이저 빔(L)에 대해 절단예정라인(5)을 따라서 이동되므로, 상기 절단예정라인(5)을 따라서 절단의 기점이 되는 개질영역(7)이 상기 가공대상물(1)에 형성되게 된다.

다음은 상기 레이저 가공장치(100)의 구성요소 중 하나인 상기 다중초점렌즈(130)에 대해서 상세히 살펴보기로 한다.

도 6을 참조하면, 상기 다중초점렌즈(130)는 입사되는 레이저 빔(L) 중 에너지 밀도가 높은 중심부(131)의 광에 대하여 그 초점거리를 멀게 하여 초점을 형성시킨다.

그리고 상기 다중초점렌즈(130)의 중심부(131) 이외의(외측부(132))의 광에 대하여는 초점거리를 종래의 집광렌즈와 유사한 정도의 초점길이(F)를 형성시킨다.

따라서 입사광 중 상기 중심부(131)의 광은 원초점(f')에서 모이게 되고, 상기 외측부(132)의 광은 근초점(f)에서 모이게 되므로, 상기 중심부(131)의 광에 대한 초점거리(F')가 상기 외측부(132)의 광에 대한 초점거리(F)보다 더 긴 초점거리를 가지며, 높은 에너지 밀도를 가진다.

이러한 에너지 차등에 의해서 에너지가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 상기 가공대상물(1)의 절단방향을 가이드 할 수 있다.

그리고 절단할 상기 가공대상물(1)의 위치는 상기 다중초점렌즈(130)와 근초점(f) 사이에 위치하게 되어 그 에너지 밀도는 상기 절단예정라인(5)을 중심으로 한다.

도 7에 도시된 바와 같이 상기 중심부(131)의 레이저 빔(L)의 에너지가 저하되므로, 상기 절단예정라인(5)의 온도가 주위, 즉 상기 절단예정라인(5) 좌우의 온도보다 낮게 형성될 수 있다.

즉, 상기 다중초점렌즈(130)를 이용하여 상기 가공대상물(1)을 절단할 경우, 상기 절단예정라인(5)의 가열 온도가 그 주위의 온도보다는 낮게 형성되어, 문제점으로 지적된 응용되어 흐르는 현상을 막을 수 있어 매끄러운 절단면을 얻을 수 있게 된다.

또한, 주어진 레이저 빔(L)의 파워로 더 두꺼운 가공대상물(1)을 절단할 수 있고, 절단면에 잔존하는 파티클을 확실하게 제거할 수 있으며, 상기 가공대상물(1)을 절단함으로써 제작되는 반도체칩, 압전 디바이스칩, 액정 등의 표시장치 등의 제품 비율이나 생산성을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 레이저 가공장치(100)에 의해 상기 가공대상물(1)의 내부에는 크랙스폿(9)이 발생한다. 하기에서는 이러한 크랙스폿(9)의 형성에 의한 상기 가공대상물(1)의 절단 메커니즘에 대해서 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.

도 8과 같이 다광자 흡수가 생기는 조건에서 상기 가공대상물(1)의 내부에 집광점(P)을 맞추어 레이저 빔(L)을 조사하면, 상기 가공대상물(1)의 내부에 크랙스폿(9)을 형성한다.

상기 크랙스폿(9)은 상기 가공대상물(1)의 크랙을 가이드하는 역할로, 상기 가공대상물(1)이 절단되는 기점에 발생되며, 상기 가공대상물(1)을 절단하는 방향을 따라 형성된다.

이러한 상기 크랙스폿(9)을 기점으로 하여 크랙이 수직축 방향(화살표 D와 D'방향)으로 성장하고, 크랙이 상기 가공대상물(1)의 표면(3)과 이면(4)에 도달하게 된다.

그러면, 도 9에서와 같이 상기 가공대상물(1)이 갈라지는 것에 의해 상기 가공대상물(1)이 절단되는데, 상기 가공대상물(1)의 표면(3)과 이면(4)에 도달하는 크랙은 자연히 성장하는 경우도 있고, 상기 가공대상물(1)에 힘이 인가되는 것에 의해 성장하는 경우도 있다.

여기서, 상기 크랙스폿(9)은 상기 가공대상물(1)의 절단 방향을 따라 개질 촉진부(10)를 가지고, 상기 개질 촉진부(10)는 상기 크랙스폿(9) 중 높은 밀도의 에너지를 가진다.

따라서 상기 개질 촉진부(10)를 기준으로 상기 크랙스폿(9) 중 상기 개질 촉진부(10)보다 낮은 밀도의 에너지를 가지는 측으로 상기 가공대상물(1)의 절단이 일어나고, 이는 곧 상기 가공대상물(1)의 절단 방향을 가이드 하는 것이다.

한편, 상기 크랙스폿(9)의 형상은 조정이 가능한데, 이를 위해 상기 레이저 가공장치(100)는 도 5에 도시된 바와 같이 저장부(170), 입력부(180), 산출부(190) 및 조정부(200)를 더 포함하여 구성된다.

상기 저장부(170)는 상기 크랙스폿(9)의 형상을 조정하기 위한 함수식, 레이저 빔(L)의 지름, 상기 다중초점렌즈(130)의 곡률반경에 대한 각 파라미터 등의 정보를 저장하고 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 크랙스폿(9)의 수평축의 길이(d)는 주로 상기 다중초점렌즈(130)의 곡률반경을 조정함으로써 조정될 수 있다.

상기 입력부(180)는 형성시키고자 하는 상기 크랙스폿(9)의 형상을 입력받는다.

상기 산출부(190)는 상기 입력부(180)에 입력된 상기 크랙스폿(9)의 형상을 형성시키기 위해 상기 저장부(170)에 저장된 정보를 기준으로 상기 다중초점렌즈(130)가 이동될 위치를 산출한다.

상기 제어부(160)는 상기 산출부(190)에 의해 상기 다중초점렌즈(130)의 위치를 제어하는 신호를 출력한다.

상기 조정부(200)는 상기 제어부(160)로부터 출력된 신호를 수신하여 상기 다중초점렌즈(130)의 위치를 이동시킨다.

상기 다중초점렌즈(130)의 위치 이동은 수직 방향의 이동으로, 상기 크랙스폿(9)의 수직축의 길이(l)를 조정하는 것이다.

즉, 상기 조정부(200)는 상기 제어부(160)로부터 높이 위치의 설정신호를 수신하면 상기 설정신호에 의거하여 상기 다중초점렌즈(130)의 위치를 조정하여 상기 크랙스폿(9)의 수직축의 길이(l)를 조정할 수 있다.

이때, 상기 가공대상물(1)이 두꺼운 경우라도 가공속도가 지연되지 않도록 상기 크랙스폿(9)의 형상은 가공방향으로 장축을 갖는 타원형인 것이 바람직하다.

상기와 같이 상기 크랙스폿(9)이 가공방향으로 장축을 갖는 타원형이기 때문에 원형일 때보다 크랙이 상기 가공대상물(1)의 표면(3)과 이면(4)에 도달하는 시간이 단축되고, 이에 따라 크랙이 자연히 성장하는 시간을 단축시킬 수 있으므로 가공속도가 증가되어 생산성을 향상시킬 수 있다.

두께 10mm에 대해서 다중촛점렌즈를 이용하여 여러 개의 스폿을 결합하여 크랙스폿(9)을 타원형으로 만든 경우에 크랙스폿(9)이 원형인 경우보다 가공속도면에서 효과적이었다. 즉, 크랙스폿(9)에 개질촉진부(10)가 없는 경우에 비하여 있는 경우에 동일한 두께에 대해서 가공속도가 훨씬 빠른 것을 반복된 실험을 통해서 알 수 있었다.

이에 의하면, 가공속도를 향상시킬 수 있으며, 실험결과 절단면의 품질을 향 상시킬 수 있었으며 불량률도 줄일 수 있었음을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 집광렌즈를 사용할 경우의 에너지 밀도를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의한 레이저 가공후의 가공대상물의 평면도이다.

도 3은 도 2에 나타내는 가공대상물의 B-B선에 따른 단면도이다.

도 4는 도 3에 나타내는 가공대상물의 C-C선에 따른 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 6은 다중초점렌즈의 단면도이다.

도 7은 다중초점렌즈를 사용할 경우의 에너지 밀도를 도시한 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 절단 메커니즘에 따른 가공대상물의 단면도이다.

Claims (7)

1. 가공대상물의 내부에 집광점을 형성하여 상기 가공대상물의 절단예정라인을 따라서, 절단의 기점이 되는 개질영역을 상기 가공대상물의 내부에 형성하는 레이저 가공장치로서, 레이저 빔을 출사하는 레이저 빔원; 및 상기 레이저 빔원으로부터 출사된 상기 레이저 빔을 상기 가공대상물의 내부에 집광하되, 적어도 두 개 이상의 초점거리를 가지며, 상기 가공대상물의 내부에 개질 촉진부를 형성하는 다중초점렌즈; 을 포함하는 것을 특징으로 레이저 가공장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다중초점렌즈의 중심부의 초점거리는 상기 다중초점렌즈의 외측부의 초점거리보다 상기 다중초점렌즈에서 멀게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 가공대상물의 절단을 가이드하는 크랙스폿의 형상은 상기 가공대상물을 절단하는 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 크랙스폿의 형상이 상기 다중촛점렌즈에 의한 복수개의 스폿이 겹쳐져 상기 절단하는 방향을 따라 장축을 갖는 타원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 크랙스폿은 상기 가공대상물의 절단 방향을 따라 개질 촉진부를 가지는 레이저 가공장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 개질 촉진부는 상기 크랙스폿의 에너지 밀도보다 높은 밀도의 에너지를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
7. 제 3 항에 있어서,

   상기 크랙스폿의 형상을 조정하기 위한 정보를 저장하는 저장부;

   형성시키고자 하는 상기 크랙스폿의 형상을 입력받는 입력부;

   상기 입력부에 입력된 상기 크랙스폿의 형상을 형성시키기 위해 상기 저장부에 저장된 정보를 기준으로 상기 다중초점렌즈가 이동될 위치를 산출하는 산출부;

   상기 산출부에 의해 상기 다중초점렌즈의 위치를 제어하는 신호를 출력하는 제어부; 및

   상기 제어부로부터 출력된 신호를 수신하여 상기 다중초점렌즈의 위치를 이동시키는 조정부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.

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