KR20130048006A - 레이저 절단 장치 및 레이저 절단 방법 - Google Patents

레이저 절단 장치 및 레이저 절단 방법 Download PDF

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Abstract

하이브리드 레이저를 이용한 레이저 절단 장치 및 레이저 절단 방법이 개시된다. 개시된 레이저 절단 장치는, 기판의 절단 예정부를 가열하기 위한 열빔을 출사시키는 제1 레이저 발진기; 상기 열빔에 의해 가열된 기판의 절단 예정부를 절단시키기 위한 가공빔을 출사시키는 제2 레이저 발진기; 및 열빔과 상기 제2 레이저 발진기로부터 출사되는 가공빔을 기판의 절단 예정부에 조사하는 스캔 미러;를 구비한다. 여기서, 상기 열빔은 기판의 이동방향을 따라 가공빔보다 선행하여 기판의 절단 예정부에 조사된다.

Description

레이저 절단 장치 및 레이저 절단 방법{Laser cutting apparatus and laser cutting method}
본 발명은 레이저 절단에 관한 것으로, 상세하게는 하이브리드 레이저를 이용하여 두꺼운 기판을 절단하는 레이저 절단 장치 및 레이저 절단 방법에 관한 것이다.
실리콘 기판이나 세라믹 기판 등을 절단함에 있어 종래에는 블레이드 쏘잉(blade sawing) 등과 같은 물리적 접촉에 의한 기계적 절단 방법이 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 기계적 절단 방법은 기판의 절단 가공 중에 치핑(chipping)이나 크랙(crack) 등이 발생될 염려가 있으며, 특히 기판의 두께가 얇은 경우에는 기판에 균열이나 깨짐이 발생하기 쉬워 가공 속도를 높일 수 없다는 단점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 방안으로, 최근에는 레이저를 이용한 기판 절단 방법이 활발하게 개발되고 있다. 이러한 레이저를 이용한 기판 절단 방법은 기판에 물리적 및 기계적인 손상을 주지 않고 가공할 수 있다는 장점 있다. 다만, 두꺼운 두께의 기판을 가공하는 경우에는 고출력 레이저가 요구되고, 또한 가공 시간도 길어져 가공 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 적어도 일 실시예는 하이브리드 레이저를 이용하여 두꺼운 기판을 절단하는 레이저 절단 장치 및 이를 이용한 레이저 절단 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
기판의 절단 예정부를 가열하기 위한 열빔을 출사시키는 제1 레이저 발진기;
상기 열빔에 의해 가열된 기판의 절단 예정부를 절단시키기 위한 가공빔을 출사시키는 제2 레이저 발진기; 및
상기 제1 레이저 발진기로부터 출사되는 열빔과 상기 제2 레이저 발진기로부터 출사되는 가공빔을 기판의 절단 예정부에 조사하는 스캔 미러;를 구비하고,
상기 열빔은 상기 기판의 이동방향을 따라 상기 가공빔보다 선행하여 상기 기판의 절단 예정부에 조사되는 레이저 절단 장치가 제공된다.
상기 레이저 절단 장치는 상기 제1 레이저 발진기로부터 출사된 열빔을 반사시키는 것으로, 회전가능하게 설치되는 회전미러; 및 상기 회전미러의 회전에 의해 열빔이 선택적으로 입사되는 것으로, 입사된 열빔은 상기 스캔 미러쪽으로 반사시키는 제1 및 제2 반사미러;를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 반사미러는 상기 스캔 미러에 입사되는 열빔의 입사각도를 조절할 수 있도록 이동가능하게 설치될 수 있다. 또한, 상기 스캔 미러와 기판 사이에는 스캔 렌즈가 더 배치될 수 있다. 이러한 스캔 렌즈는 예를 들면, 텔레센트릭 에프-쎄타 렌즈(telecentric f-θ lens)를 포함할 수 있다.
상기 제1 레이저 발진기는 CO2 연속파형 레이저의 열빔을 출사시키며, 상기 제2 레이저 발진기는 펄스형 레이저의 가공빔을 발진시킬 수 있다. 여기서, 상기 열빔 및 가공빔은 대략 0.8 ~ 11㎛의 파장을 가질 수 있다. 그리고, 상기 가공빔은 예를 들면 밀리초(millisecond)에서 펨토초(femtosecond)의 펄스폭을 가질 수 있다.
상기 기판은 절단 방향을 따라 왕복 이동가능하게 마련될 수 있다. 이러한 기판은 예를 들면, 열흡수 재질을 포함하고, 10mm 이상의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
상기 제1 레이저 발진기로부터 출사된 열빔을 상기 스캔 미러를 통해 상기 기판의 절단 예정부에 조사하여 가열하는 단계; 및
상기 제2 레이저 발진기로부터 출사된 가공빔을 상기 스캔 미러를 통해 상기 기판의 가열된 절단 예정부에 조사하여 기판의 절단 작업을 수행하는 단계;를 포함하고,
상기 열빔은 상기 기판의 이동방향을 따라 상기 가공빔보다 선행하여 상기 기판의 절단 예정부에 조사하는 레이저 절단 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 제1 레이저 발진기를 이용하여 기판의 절단 예정부에 미리 열빔을 조사하여 가열시킨 후, 이렇게 가열된 기판의 절단 예정부에 제2 레이저 발진기를 이용하여 절단용 가공빔을 조사하여 절단 가공 작업을 수행함으로써 두꺼운 기판의 절단하는데 필요한 가공 시간을 줄일 수 있고 가공 효율도 향상시킬 수 있다. 또한, 고품질의 절단이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 절단 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 레이저 절단 장치를 이용하여 기판을 절단하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 절단 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
본 실시예에 따른 레이저 절단 장치를 이용하여 절단하고자 하는 기판(W)은 높은 열흡수율을 가지는 재질, 예를 들면, 세라믹 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 기판(W)은 비교적 두꺼운 두께, 예를 들면 10mm 이상의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 상기 기판(W)의 재질 및 두께는 다양하게 변형될 수 있다. 이러한 기판(W)은 스테이지(미도시) 상에 장착되어 예를 들면, 기판의 절단 방향, 예를 들면 도 1에서의 x 방향 및 -x 방향으로 왕복 이동할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 절단 장치는 열빔(115)을 출사시키는 제1 레이저 발진기(110), 절단용 가공빔(125)을 출사시키는 제2 레이저 발진기(120), 상기 제1 및 제2 레이저 발진기(110,120)로부터 출사된 열빔(115) 및 가공빔(125)을 절단하고자 하는 기판(W)에 조사하는 스캔 미러(scan mirror,150)를 구비한다. 구체적으로, 상기 제1 레이저 발진기(110)는 기판(W)의 절단 예정부를 미리 가열시키기 위한 열빔(115)을 출사시킨다. 이러한 제1 레이저 발진기(110)는 예를 들면 CO2 연속파형 레이저(continuous wave laser)에 따른 열빔(115)을 출사시킬 수 있다. 이러한 열빔(115)의 파장은 예를 들면, 대략 0.8 ~ 11㎛ 정도가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 제2 레이저 발진기(120)는 상기 제1 레이저 발진기(110)의 열빔(115)에 의해 가열된 기판(W)의 절단 예정부를 절단시키기 위한 가공빔(125)을 출사시킨다. 이러한 제2 레이저 발진기(120)는 예를 들면, 펄스형 레이저(pulse laser)에 따른 가공빔(125)을 출사시킬 수 있다. 여기서, 상기 가공빔(125)은 예를 들면, 밀리초(millisecond)에서 펨토초(femtosecond) 범위의 펄스폭을 가질 수 있다. 예시적으로, 상기 가공빔(125)으로 DPSS(diode pumped solid state) IR-PICO 레이저가 사용될 수 있다. 또한, 상기 가공빔(125)의 파장은 전술한 열빔(115)과 마찬가지로, 대략 0.8 ~ 11㎛ 정도가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기한 제1 및 제2 레이저 발진기(110,120)로부터 출사되는 열빔(115) 및 가공빔(125)은 각각 스캔 미러(150)에 의해 소정 각도로 반사되어 가공하고자 하는 기판(W)의 절단 예정부에 조사되게 된다. 여기서, 상기 열빔(115)은 후술하는 바와 같이 기판(W)의 이동방향을 따라 가공빔(125) 보다 항상 앞선 위치에 포커싱된다. 이러한 스캔 미러(150)는 예를 들면 0.8 ~ 11㎛ 정도의 파장을 가지는 레이저를 대략 95% 이상 반사시킬 수 있는 미러가 사용될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 제1 레이저 발진기(110)와 상기 스캔 미러(150) 사이의 열빔(115)이 진행하는 광경로 상에는 회전 미러(130)와 제1 및 제2 반사미러(1141,142)가 배치될 수 있다. 이러한 회전 미러(130), 제1 및 제2 반사미러(141,142)로는 예를 들면, 열빔(115)의 손실을 최소화할 수 있도록 고반사 미러가 사용될 수 있다. 상기 회전 미러(130)는 제1 레이저 발진기(110)로부터 출사된 열빔(115)을 회전에 의해 제1 반사미러(141)와 제2 반사미러(142) 중 어느 하나 쪽으로 반사시키는 역할을 한다. 여기서, 상기 회전 미러(130)는 소정 각도, 예를 들면 180°정도로 회전 가능하게 설치될 수 있다. 이와 같이, 상기 회전 미러(130)가 제1 레이저 발진기(110)로부터 출사된 열빔(115)을 제1 반사미러(141) 또는 제2 반사미러(142) 쪽으로 선택적으로 반사시킴으로써 후술하는 바와 같이 가공하고자 하는 기판(W)의 이동방향에 따라 열빔(115)을 절단용 가공빔(125)보다 향상 선행하도록 기판(W)에 조사할 수 있게 된다.
상기 회전 미러(130)에 의해 반사된 열빔(115)은 제1 반사미러(141) 또는 제2 반사미러(142)에 선택적으로 입사된다. 그리고, 상기 제1 반사미러(141) 또는 제2 반사미러(142)는 입사되는 열빔(115)을 스캔 미러(150) 쪽으로 반사시키게 된다. 여기서, 상기 제1 및 제2 반사미러(141,142)는 일 방향, 예를 들면 도 1에서는 z 및 -z방향을 따라 왕복 이동가능하게 설치될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 반사미러(141,142)가 이동하게 되면, 상기 제1 반사미러(141) 또는 제2 반사미러(142)로부터 반사된 열빔(115)이 상기 스캔 렌즈(150)로 입사되는 각도를 변화시킬 수 있고, 이에 따라, 상기 스캔 렌즈(150)에 입사되는 열빔(115)과 가공빔(125) 사이의 입사각도(θ)를 조절할 수 있게 된다. 한편, 상기 입사각도(θ)를 조절하기 위해서 상기 제1 및 제2 반사미러(141,142)가 y방향을 회전축으로 하여 회전 가능하게 설치되는 것도 가능하다.
상기 스캔 미러(150)와 상기 기판(W) 사이에는 기판(W)의 절단 예정부 상의 원하는 위치에 열빔(115) 및 가공빔(125)을 포커싱시킬 수 있도록 스캔 렌즈(160)가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 스캔 렌즈(160)로는 가공 위치의 정밀도 및 품질 향상을 위해 예를 들면, 텔레센트릭 에프-쎄타 렌즈(telecentric f-θ lens)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 스캔 렌즈(160)의 재질로 ZnSe를 사용하게 되면 대략 0.8 ~ 11㎛ 정도의 파장을 가지는 레이저들은 상기 스캔 렌즈(160)에 대한 투과율이 동일한 특성을 가질 수 있다. 상기 스캔 렌즈(160)를 투과한 열빔(115) 및 가공빔(125)은 기판(W)의 절단 예정부 상에 소정 간격(d) 이격되게 포커싱된다. 여기서, 상기 기판(W) 상에서 열빔(115)과 가공빔(125) 사이의 간격(d)는 스캔 렌즈(150)와 기판(W) 사이의 초점 거리(f)와 스캔 렌즈(160)에 입사되는 열빔(115)과 가공빔(125) 사이의 입사각도(θ)의 곱으로 표현될 수 있다. 이러한 열빔(115)과 가공빔(125) 사이의 간격(d)는 대략 수mm ~ 수십 mm 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
이하에서는, 상기한 레이저 절단 장치를 이용하여 기판(W)을 절단하는 방법을 설명하기로 한다. 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 레이저 절단 장치를 이용하여 기판(W)을 절단하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2는 스테이지(미도시)에 장착된 기판(W)이 x방향으로 이동하는 경우, 도 1에 도시된 레이저 절단 장치가 기판(W)에 레이저 절단 작업을 수행하는 모습을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 제1 레이저 발진기(110)로부터 출사된 열빔(115')은 회전 미러(130)에 의해 제1 반사미러(141) 쪽으로 반사되고, 이렇게 반사되는 열빔(115')은 스캔 미러(150)에 의해 반사된 후, 스캔 렌즈(160)를 통해 기판(W) 상의 소정 위치에 포커싱된다. 그리고, 제2 레이저 발진기(120)로부터 출사된 절단용 가공빔(125')은 상기 스캔 미러(150)에 의해 반사된 후, 상기 스캔 렌즈(160)를 통해 기판(W) 상의 소정 위치에 포커싱된다. 여기서, 상기 열빔(115')은 상기 회전 미러(130)의 조정에 의해 기판(W)의 이동방향, 예를 들면 x방향을 따라 상기 가공빔(125')보다 항성 앞서는 위치에 포커싱될 수 있다. 상기 기판(W) 상에 포커싱되는 열빔(115')과 가공빔(125') 사이의 간격(d1)은 상기 제1 반사미러(141)를 이동시켜 스캔 미러(150)에 입사되는 열빔(115')과 가공빔(125') 사이의 입사각도(θ1)를 조절함으로써 변경할 수 있다.
상기와 같은 구조에서, 상기 기판(W)의 절단 예정부에 열빔(115')이 조사되면 그 주위는 기판(W)이 열을 흡수함에 따라 가열되게 되며, 이러한 열빔(115')에 인접하여 가공빔(125')이 열빔(115')에 의한 가열 영역에 조사됨으로써 기판(W)의 절단 작업이 이루어지게 된다. 이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 스테이지에 장착된 기판(W)이 x방향으로 이동하게 되면 x방향을 따라 선행하는 열빔(115')이 먼저 기판(W)의 절단 예정부를 가열하게 되고, 이렇게 가열된 상태의 절단 예정부에 상기 열빔(115')에 후행하는 가공빔(125')이 조사됨으로써 기판(W)의 절단 작업이 수행되게 된다. 그리고, 이러한 기판(W) 절단 작업은 상기 스테이지 상에 장착된 기판(W)이 x방향으로 이동하면서 상기 열빔(115') 및 가공빔(125')이 절단 예정부의 모든 부분에 조사됨으로써 완료될 수 있다. 한편, 상기 기판(W)의 두께나 재질에 따라 상기와 같은 절단 작업을 반복적으로 수행하여야 할 필요가 있다. 이 경우, 상기한 x방향으로 이동하면서 절단 작업이 수행된 기판(W)은 도 3에 도시된 바와 같이 다시 -x방향으로 이동하면서 기판(W)의 절단 작업을 반복적으로 수행할 수 있다.
도 3은 스테이지에 장착된 기판(W)이 -x방향으로 이동하는 경우, 도 1에 도시된 레이저 절단 장치가 기판(W)에 레이저 절단 작업을 수행하는 모습을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 제1 레이저 발진기(110)로부터 출사된 열빔(115")은 회전 미러(130)의 회전에 의해 제2 반사 미러(142) 쪽으로 반사되고, 이렇게 반사된 열빔(115")은 스캔 미러(150)에 의해 반사된 후, 스캔 렌즈(160)를 통해 기판(W) 상의 소정 위치에 포커싱된다. 그리고, 제2 레이저 발진기(120)로부터 출사된 절단용 가공빔(125")은 상기 스캔 미러(150)에 의해 반사된 후, 상기 스캔 렌즈(160)를 통해 기판(W) 상의 소정 위치에 포커싱된다. 이때, 상기 회전 미러(130)는 회전에 의해 상기 열빔(115")이 기판(W)의 이동방향, 예를 들면 -x방향을 따라 상기 가공빔보다 항상 선행하도록 조절할 수 있다. 여기서, 상기 기판(W) 상에 포커싱되는 열빔(115")과 가공빔(125") 사이의 간격(d2)은 상기 제2 반사미러(142)를 이동시켜 스캔 렌즈(150)에 입사되는 열빔(115")과 가공빔(125") 사이의 입사각도(θ2)를 조절함으로써 변경할 수 있다.
상기와 같은 구조에서, 도 2에 도시된 바와 같은 공정을 거친 기판(W)의 절단 예정부에 열빔(115")이 다시 조사되면 그 주위는 기판(W)이 열을 흡수함에 따라 가열되게 되며, 이러한 열빔(115")에 인접하여 가공빔(125")이 열빔(115")에 의한 가열 영역에 조사됨으로써 기판(W)의 절단 작업이 수행된다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 스테이지에 장착된 기판(W)이 -x방향으로 이동하게 되면 -x방향을 따라 선행하는 열빔(115")이 먼저 기판(W)의 절단 예정부를 다시 가열하게 되고, 이렇게 가열된 상태의 절단 예정부에 상기 열빔(115")에 후행하는 가공빔(125")이 조사됨으로써 절단 작업이 반복적으로 수행되게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 기판(W)의 절단 예정부를 연속파형 레이저에 따른 열빔(115,115',115")에 의해 먼저 가열한 다음, 가열된 절단 예정부에 펄스형 레이저에 따른 가공빔(125,125',125")을 조사하여 절단 작업을 수행함으로써 가공 시간을 줄일 수 있고 가공 효율도 향상시킬 수 있으며, 고품질의 절단도 가능해진다. 그리고, 이러한 하이브리드 레이저를 이용한 레이저 절단 장치는 열흡수 재질을 포함하고 두꺼운 두께를 가지는 기판을 보다 효과적으로 절단할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
110... 제1 레이저 발진기 115... 열빔
120... 제2 레이저 발진기 125... 가공빔
130... 회전미러 141... 제1 반사미러
142... 제2 반사미러 150... 스캔 미러
160... 스캔 렌즈

Claims (15)

  1. 기판의 절단 예정부를 가열하기 위한 열빔을 출사시키는 제1 레이저 발진기;
    상기 열빔에 의해 가열된 기판의 절단 예정부를 절단시키기 위한 가공빔을 출사시키는 제2 레이저 발진기; 및
    상기 제1 레이저 발진기로부터 출사되는 열빔과 상기 제2 레이저 발진기로부터 출사되는 가공빔을 기판의 절단 예정부에 조사하는 스캔 미러;를 구비하고,
    상기 열빔은 상기 기판의 이동방향을 따라 상기 가공빔보다 선행하여 상기 기판의 절단 예정부에 조사되는 레이저 절단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발진기로부터 출사된 열빔을 반사시키는 것으로, 회전가능하게 설치되는 회전미러; 및
    상기 회전미러의 회전에 의해 열빔이 선택적으로 입사되는 것으로, 입사된 열빔은 상기 스캔 미러쪽으로 반사시키는 제1 및 제2 반사미러;를 포함하는 레이저 절단 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반사미러는 상기 스캔 미러에 입사되는 열빔의 입사 각도를 조절할 수 있도록 이동가능하게 설치되는 레이저 절단 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 스캔 미러와 기판 사이에 배치되는 스캔 렌즈;를 더 포함하는 레이저 절단 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스캔 렌즈는 텔레센트릭 에프-쎄타 렌즈(telecentric f-θ lens)를 포함하는 레이저 절단 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발진기은 CO2 연속파형 레이저의 열빔를 출사하며, 상기 제2 레이저 발진기는 펄스형 레이저의 가공빔을 출사하는 레이저 절단 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열빔 및 가공빔은 0.8 ~ 11㎛의 파장을 가지는 레이저 절단 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 가공빔은 밀리초(millisecond)에서 펨토초(femtosecond)의 펄스폭을 가지는 레이저 절단 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 절단 방향을 따라 왕복 이동가능하게 마련되는 레이저 절단 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 열흡수 재질을 포함하고, 10mm 이상의 두께를 가지는 레이저 절단 장치.
  11. 제 1 항에 기재된 레이저 절단 장치를 이용하여 기판을 절단하는 방법에 있어서,
    상기 제1 레이저 발진기로부터 출사된 열빔을 상기 스캔 미러를 통해 상기 기판의 절단 예정부에 조사하여 가열하는 단계; 및
    상기 제2 레이저 발진기로부터 출사된 가공빔을 상기 스캔 미러를 통해 상기 기판의 가열된 절단 예정부에 조사하여 기판의 절단 작업을 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 열빔은 상기 기판의 이동방향을 따라 상기 가공빔보다 선행하여 상기 기판의 절단 예정부에 조사하는 레이저 절단 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발진기와 상기 스캔 렌즈 사이에는 상기 제1 레이저 발진기로부터 출사된 열빔을 반사시키는 것으로, 회전가능하게 설치되는 회전미러와, 상기 회전미러의 회전에 의해 열빔이 선택적으로 입사되는 것으로, 입사된 열빔은 상기 스캔 미러쪽으로 반사시키는 제1 및 제2 반사미러가 마련되며, 상기 스캔 미러와 기판 사이에는 스캔 렌즈가 마련되는 레이저 절단 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반사미러는 이동가능하도록 설치되어 상기 기판에 포커싱되는 열빔과 가공빔 사이의 간격을 조절하는 레이저 절단 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발진기는 CO2 연속파형 레이저의 열빔을 출사하며, 상기 제2 레이저 발진기는 펄스형 레이저의 가공빔을 출사하는 레이저 절단 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판은 절단 방향을 따라 왕복 이동 가능하게 마련되는 레이저 절단 방법.
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