KR20130143433A

KR20130143433A - 레이저 가공방법 및 장치

Info

Publication number: KR20130143433A
Application number: KR1020120066990A
Authority: KR
Inventors: 구제훈; 박상영
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-12-31

Abstract

레이저 가공방법 및 장치가 개시된다. 개시된 레이저 가공방법은, 투과성 기판층과 기능 소자층을 포함하는 가공대상물의 내부에 절단 예정선을 따라 집광점을 맞추어 레이저 빔을 조사함으로써, 가공대상물을 두께방향에 수직으로 분리하는 레이저 가공방법으로서, 스테이지에 상기 가공대상물을 상기 투과성 기판층이 상부를 향하도록 탑재하는 단계; 탑재된 상기 가공대상물에 측정용 빔을 조사하여, 상기 투과성 기판층과 상기 기능 소자층의 계면인 제1면의 위치를 검출하는 단계; 및 검출된 상기 제1면의 위치정보를 기초로, 상기 제1면으로부터 두께 방향으로 소정 거리에 집광점을 맞추어 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함한다.

Description

레이저 가공방법 및 장치{Laser machinning method and the apparatus adopting the same}

본 발명은 레이저 가공방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 가공대상물을 두께방향과 수직으로 분할하기 위한 레이저 가공방법 및 장치에 관한 것이다.

종래에는 레이저를 이용하여 가공대상물, 예를 들어 반도체 웨이퍼나 유리 기판 등을 절단하는 경우, 가공대상물이 흡수하는 파장의 레이저 빔을 조사하여, 레이저 빔의 흡수에 의해 절단하고자 하는 영역에서 가공대상물의 표면으로부터 이면을 향하여 가열 용융을 진행시켜 가공대상물을 절단한다. 그러나, 이러한 절단 방법에서는 가공대상물의 표면 중 절단하고자 하는 영역의 주변도 용융된다. 따라서, 가공대상물의 표면에 예를 들어 반도체 소자 등이 형성되어 있는 경우에는 가공대상물의 절단시 이 절단 영역 주위에 있는 반도체 소자 등이 용융될 우려가 있다.

최근에는 가공대상물의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 레이저 빔을 투과성이 있는 가공대상물 내부에 포커싱하여 개질영역을 형성함으로써 가공대상물을 가공하는 방법이 각광을 받고 있다. 이러한 레이저 가공에는 높은 출력을 가지는 예를 들면 피코초(pico second) 또는 펨토초(femto second) 등과 같은 초단 또는 극초단 펄스의 레이저 빔이 사용될 수 있다. 구체적으로, 반도체 웨이퍼 등과 같은 가공대상물 내부에 높은 출력의 레이저 빔이 포커싱되면, 그 집광점에서는 다광자 흡수로 인한 개질 영역이 형성된다. 그리고, 이렇게 형성된 개질 영역으로부터 크랙이 자연적으로 또는 외부 응력에 의해 가공대상물의 표면까지 확장되면 브레이킹(breaking)에 의해 가공대상물이 절단됨으로써 가공대상물에 다이싱(dicing) 공정이 수행된다.

특히, 도 1a와 같이 복수의 층(11, 13)으로 구성된 가공대상물(10)을 두께방향과 수직인 방향으로 분리하고자 하는 경우에, 도 1b와 같이 가공대상물(10)의 두께방향과 수직인 방향으로 절단 예정선(S)을 설정하여 그에 따라 레이저 빔(L)을 조사한다. 두께방향과 수직인 방향으로 절단 예정선(S)을 설정하기 위하여, 종래에는 가공대상물(10)의 표면(13b)에 반사되는 측정용 빔(미도시)을 사용하여, 측정용 빔의 반사광을 수광하고 그 광량에 따른 전압치를 포토다이오드를 통해 출력하고, 액츄에이터를 통해 가공대상물에 조사되는 레이저 빔(L)의 조사 위치를 조절하는 방식이 사용되었다. 즉, 가공대상물(10)의 표면(13b)까지의 거리를 측정한 후, 레이저 가공부(100)를 이용하여 표면(13b)으로부터 소정 거리(t)에 집광점을 맞추어 레이저 빔(L)을 조사하는 방식이 사용되었다.

이러한 방식은 도 2a과 같이 가공대상물(10)의 각 층들, 예를 들어 제1층(11), 제2층(13)이 형성과정에서 불균일한 두께를 가지게 되는 경우, 단순히 가공대상물(10)의 표면(13b)으로부터 소정 깊이(t)에 집광점을 맞추어 레이저 빔(L)을 조사하기 때문에, 제1층(11), 제2층(13)의 불균일한 두께를 반영하지 못하게 된다. 다시 말하면, 제2층(13)으로부터 제1층(11)을 분리하기 위하여, 두께가 불균일한 제2층(13)의 표면(13b)으로부터 일정한 깊이(t)에 설정된 절단 예정선(S)을 따라 레이저 빔(L)이 조사되기 때문에, 도 2b와 같이 제1층의 일부(11')가 함께 절단되거나, 또는 분리된 제1층(11")에 잔류하는 제2층(13")의 두께가 불균일해져, 이에 대한 추가적인 공정이 요구되는 문제가 발생한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 레이저 가공방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 있어서,

투과성 기판층과 기능 소자층을 포함하는 가공대상물의 내부에 절단 예정선을 따라 집광점을 맞추어 레이저 빔을 조사함으로써, 가공대상물을 두께방향에 수직으로 분리하는 레이저 가공방법으로서,

스테이지에 상기 가공대상물을 상기 투과성 기판층이 상부를 향하도록 탑재하는 단계;

탑재된 상기 가공대상물에 측정용 빔을 조사하여, 상기 투과성 기판층과 상기 기능 소자층의 계면인 제1면의 위치를 검출하는 단계; 및

검출된 상기 제1면의 위치정보를 기초로, 상기 제1면으로부터 두께 방향으로 소정 거리에 집광점을 맞추어 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하는 레이저 가공방법을 제공한다.

상기 제1면의 위치정보를 검출하는 단계에서는 상기 투과성 기판층의 상부 표면인 제2면에 반사된 반사광과, 상기 제1면에 반사된 반사광을 수광할 수 있다.

상기 제1면의 위치를 검출하는 단계에서는 상기 제2면에 반사된 반사광을 수광하여 상기 제2면의 위치정보를 검출하고, 상기 제1면에 반사된 반사광을 수광하여 상기 투과성 기판층의 두께를 검출하여, 상기 제2면의 위치정보와 상기 투과성 기판층의 두께를 기초로 제1면의 위치정보를 검출할 수 있다.

상기 레이저 빔을 조사하는 단계는, 상기 제1면으로부터 상기 제2면을 향하는 방향으로 소정 거리에 레이저 빔의 집광점을 맞출 수 있다.

상기 기능 소자층은 투과성 기판층을 투과한 측정용 빔을 반사할 수 있다.

상기 제1면의 위치정보를 검출하는 단계에서는 레이저 빔이 조사되는 광축과 동일 축에서 측정용 빔이 조사될 수 있다. 또는, 상기 제1면의 위치정보를 검출하는 단계에서는 레이저 빔이 조사되는 광축과 다른 축에서 측정용 빔이 조사될 수 있다.

상기 레이저 빔을 조사하는 단계에 의해 상기 투과성 기판층에 형성된 크랙을 따라 가공대상물을 절단할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 있어서,

투과성 기판층과 기능 소자층을 포함하는 가공대상물의 내부에 절단 예정선을 따라 집광점을 맞추어 레이저 빔을 조사함으로써, 가공대상물을 두께방향에 수직으로 분리하는 레이저 가공장치에 있어서,

상기 투과성 기판층이 상부를 향하도록 상기 가공대상물이 탑재되는 스테이지;

상기 스테이지에 탑재된 상기 가공대상물의 상기 투과성 기판층과 상기 기능 소자층의 계면인 제1면의 위치정보를 검출하는 위치 검출부; 및

상기 제1면의 위치정보를 기초로, 상기 제1면으로부터 두께 방향으로 소정 거리에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공부;를 포함하는 레이저 가공장치가 제공된다.

상기 위치 검출부는 상기 투과성 기판층의 상부 표면인 제2면에 반사된 반사광과, 상기 제1면에 반사된 반사광을 수광할 수 있다.

상기 위치 검출부는 상기 제2면에 반사된 반사광을 수광하여 상기 제2면의 위치정보를 검출하고, 상기 제1면에 반사된 반사광을 수광하여 상기 투과성 기판층의 두께를 검출하여, 상기 제2면의 위치정보와 상기 투과성 기판층의 두께를 기초로 상기 제1면의 위치정보를 검출 할 수 있다.

상기 레이저 가공부는 상기 제1면으로부터 상기 제2면을 향하는 방향으로 소정 거리에 레이저 빔의 집광점을 맞출 수 있다.

상기 기능 소자층은 상기 투과성 기판층을 투과한 측정용 빔을 반사할 수 있다.

상기 위치 검출부는 레이저 빔이 조사되는 광축과 동일 축에서 상기 제1면의 위치정보 또는 상기제2면의 위치정보 중 적어도 하나를 검출할 수 있다. 또는, 상기 위치 검출부는 레이저 빔이 조사되는 광축과 다른 축에서 상기 제1면의 위치정보 또는 상기제2면의 위치정보 중 적어도 하나를 검출할 수 있다.

상기 위치 검출부는 상기 투과성 기판층의 두께와 상기 제2면의 위치정보를 검출하는 제1모드, 상기 제2면의 위치정보만을 검출하는 제2모드로 전환가능하다.

상기 제1모드에서는 상기 제1면의 위치를 결정할 수 있다. 상기 제2모드에서는 집광렌즈로부터 상기 제2면까지의 거리를 결정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 복수의 층으로 구성된 가공대상물의 내부 구조를 정확히 파악함으로써, 정밀한 가공이 가능하며, 그에 따라 가공시간의 단축, 수율 향상을 유도할 수 있다.

도 1은 종래 레이저 가공방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 두께가 불균일한 가공대상물에 대한 종래 레이저 가공과정 및 결과를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 검출부의 위치 검출과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 스테이지의 이동을 통해 가공대상물과 집광렌즈의 위치를 조절한 것을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 검출부의 배치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 상태의 가공대상물의 레이저 가공상태를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공방법을 나타내는 순서도이다.

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.

본 발명에 따른 레이저 가공 장치 및 방법은 레이저 빔을 가공대상물의 내부에 집광시키고, 다광자 흡수 또는 이에 준하는 물리광학적 현상에 의하여 가공대상물의 내부에 물성이 변화된 개질영역을 형성하고, 이 개질 영역에 의하여 가공대상물의 내부에 두께 방향에 수직으로 절단의 기준이 되는 절단선을 형성하는 것에 관한 것이다. 레이저 빔은 가공대상물에 대하여 투과성을 갖는 파장 대역을 가진다. 레이저 빔은 그 펄스 폭이 1 ㎲ 이하, 바람직하게는 피코초 오더 또는 펨토초 오더의 펄스 폭을 가지는 초단 펄스 레이저 빔일 수 있다. 레이저 빔의 피크 파워 밀도는 1×108 (W/㎠) 이상일 수 있다. 이러한 레이저 빔은 매우 높은 집광성을 가지며, 회절 한계에까지 집광이 가능하다. 이러한 레이저 빔을 가공대상물의 내부에 집광시키면 집광점 부근에서 시간적, 공간적으로 압축되어 국소적으로 매우 높은 피크 파워가 밀집된 상태를 형성한다. 그러면, 가공대상물에 대하여 투과성을 가진 레이저 빔이 다광자흡수 또는 이에 준하는 비선형 흡수 효과에 의하여 국소적으로 매우 높은 흡수 특성을 나타낸다. 이에 의하여 가공대상물의 내부에는 재료의 물성이 변화된 개질영역이 형성되며, 이 개질영역에 의하여 가공대상물의 내부에 절단선을 형성할 수 있다. 절단선을 형성한 후에 가공대상물에 외부로부터 물리적 충격, 예를 들어 기계적, 열적 응력을 가하거나 또는 자연스런 분열에 의하여 절단선을 따라 가공대상물을 절단할 수 있다. 가공대상물 내부의 집광점 내부의 초점 부근에서만 국소적인 비선형 흡수 효과를 보이기 때문에 가공대상물의 표면 또는 이면으로의 열영향을 줄일 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 가공장치는, 가공대상물(10)을 가공하기 위한 레이저 빔을 조사하는 레이저 가공부(100)와, 가공대상물(10)을 탑재하는 스테이지(200) 및 가공대상물(10)의 내부 구조를 측정하는 위치 검출부(300)를 포함한다.

레이저 가공부(100)는 레이저 발진기(110)와 집광렌즈(131)를 포함할 수 있다. 레이저 발진기(110)는 레이저 빔을 발생시킨다. 레이저 빔은 미러에 의하여 반사되어 집광렌즈(131)로 입사된다. 집광렌즈(131)는 레이저 빔을 가공대상물(10)의 내부에 집광시킨다. 집광렌즈(131)는 가급적 높은 개구수(Numerical Aperture : N.A.)를 가질 수 있다. 개구수가 높을수록 레이저 빔의 에너지가 가공대상물(10)의 표면에서 흡수되는 것을 방지할 수 있으며, 높은 효율로 레이저 빔을 가공대상물(10)의 내부에 집광시킬 수 있다. 스테이지(200)에는 가공대상물(10)이 탑재된다. 스테이지(200)에는 가공대상물(10)을 고정할 수 있는 고정수단(미도시)이 마련된다. 고정수단은 예를 들어 진공 척(chuck)일 수 있다. 스테이지(200)는 도시되지 않은 이동수단에 의하여 X방향 또는 X, Y 방향으로 이동될 수 있다. 스테이지(200)를 이동시키는 이동수단은 XY테이블 등 당업계에서 통용되는 다양한 구도가 채용될 수 있다. 물론 집광렌즈(131)를 포함하는 광학 유닛(130)이 이동될 수도 있다. 집광렌즈(131)는 소정 각도 범위 이내의 레이저 빔을 가공대상물(10)에 수직으로 입사시킬 수 있는 텔레센트릭 렌즈일 수 있다.

가공대상물(10)은 복수의 층으로서, 레이저 빔 또는 후술할 위치 검출부(300)에 의해 조사되는 측정용 빔(M)이 투과될 수 있는 투과성 기판층(13)과, 투과성 기판층(13)의 표면에 형성된 기능 소자층(11)을 포함할 수 있다. 투과성 기판층(13)의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예로서 일면에 기능 소자층(11)이 형성될 수 있는 기판으로서 실리콘 기판, 사파이어 기판 등일 수 있다. 기능 소자층(11)의 종류 역시 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 일련의 반도체 제조 공정에 의하여 기판(substrate)이 되는 웨이퍼에 형성될 수 있는 발광다이오드, 레이저 다이오드 또는 회로로서 형성된 회로 소자 등일 수 있다.

가공대상물(10)은 투과성 기판층(13)이 상부를 향하도록 스테이지(200)에 배치된다. 투과성 기판층(13)이 상부를 향하도록 배치되어, 가공대상물(10)의 투과성 기판층(13)의 표면으로 레이저 빔(L) 및 측정용 빔(M)이 입사된다.

위치 검출부(300)는 가공대상물(10)의 투과성 기판층(13)과 기능 소자층(11)의 계면인 제1면(13a)의 위치를 검출한다. 검출된 제1면(13a)의 위치정보를 기초로, 가공대상물(10)의 내부 구조를 정확히 파악할 수 있어, 보다 정밀한 레이저 가공이 가능해진다. 다시 말하면, 기능 소자층(11)의 상부 표면(13a)에 나타나는 굴곡을 정확히 파악함으로써, 기능 소자층(11)의 상부 표면(13a)으로부터 미리 설정된 소정 거리(t1)에 집광점을 맞추어 정확한 레이저 빔을 조사할 수 있다.

이를 위해, 위치 검출부(300)는 측정용 빔(M)을 가공대상물(10)에 조사한 후, 제1면(13a)에서 반사된 반사광(R2)과 상기 제1면(13a)과 대향하는 면 즉, 투과성 기판층(13)의 상부 표면인 제2면(13b)에서 반사된 반사광(R1)을 수광하여, 제2면(13b)의 위치정보 및 투과성 기판층(13)의 두께를 검출한다. 검출된 제2면(13b)의 위치정보 및 투과성 기판층(13)의 두께를 기초로, 제1면(13a)의 위치정보를 검출(결정)한다. 제1면(13a)의 위치정보, 즉 집광렌즈(131)로부터 제1면(13a)까지의 거리는 제2면(13b)의 위치정보, 즉 제2면(13b)까지의 거리와, 투과성 기판층(13)의 두께의 합과 실질적으로 동일하다.

위치 검출부(300)가 투과성 기판층(13)의 두께를 결정하는 방식은 다양한 방식이 이용될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 측정용 빔(M)을 가공대상물(10)의 표면인 제2면(13b)에 수직으로 입사시킨 후, 제1면(13a)에 반사된 반사광(R2)과 제2면(13b)에 반사된 반사광(R1)을 간섭시킴으로써 두께를 측정하는 방식을 이용할 수 있다. 또한, 투과성 기판층(13)의 두께를 결정하는 다른 방식으로, 도 4와 같이 측정용 빔(M)을 제2면(13b)에 비스듬히 조사하여 제1면(13a)에 반사된 반사광(R2)과 제2면(13b)에 반사된 반사광(R1)이 수광되는 위치와 미리 구해진 가공대상물(10)의 굴절율을 이용하는 방식을 이용할 수 있다. 이 때, 제2면(13b)에 반사된 반사광(R1)은 집광렌즈(131)로부터 가공대상물(10)의 제2면(13b)까지의 거리를 결정하는데 이용될 수 있다.

이러한 투과성 기판층(13)의 두께 및 집광렌즈(131)로부터 가공대상물(10)의 제2면(13b)까지의 거리에 대한 정보를 바탕으로, 제1면(13a)의 위치정보, 즉 집광렌즈(131)로부터 제1면(13a)까지의 거리가 결정된다. 스테이지(200) 또는 위치 검출부(300)가 X방향 또는 X, Y방향으로 이동함으로써, 가공대상물(10)의 제1면(13a)의 전반적인 위치정보를 결정할 수 있다.

집광렌즈(131)로부터 제1면(13a)까지의 거리에 대한 정보는 위치 제어부(400 : 도 3 참조)로 전달된다. 위치 제어부(400)로의 정보 전달은 실시간 처리방식 또는 일정 주기마다 처리되는 일괄처리방식이 이용될 수 있다. 위치 제어부(400)는 위치 검출부(300)로부터 전달받은 집광렌즈(131)로부터 제1면(13a)까지의 거리에 대한 정보를 기초로, 제1면(13a)으로부터 두께방향으로 소정 거리에 집광점이 위치되도록 집광렌즈(131)로부터 제1면(13a)까지의 상대적인 거리를 조절한다. 위치 제어부(400)는 집광점의 위치를 조절하기 위하여, 집광렌즈(131)를 Z 방향으로 이동시킬 수 있다. 다만, 위치 제어부(400)를 통한 집광점의 위치 조절은 집광렌즈(131)를 이동시키는 방법에 한정되는 것은 아니며, 다양한 방식이 적용될 수 있다. 그 예로서, 도 5와 같이 가공대상물(10)을 Z 방향으로 이동시키는 방식 즉, 스테이지(200)를 Z방향으로 이동시키는 방식이 이용될 수 있다. 다만, 편의상 이하에서는 위치 제어부(400)가 집광점의 위치 조절을 위해 집광렌즈(131)를 이동시키는 방식을 이용한 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

위치 제어부(400)에 의해 가공대상물(10)에 대한 집광렌즈(131)의 위치가 결정 된 후, 레이저 발진기(110)로부터 방출된 레이저 빔(L)은 집광렌즈(131)에 의하여 그 집광점이 가공대상물(10)의 내부 중 제1면(13a)으로부터 두께 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 위치된다. 레이저 빔(L)은 투과성 기판층(13)에 대하여 투과성을 가지므로 가공대상물(10)의 제2면(13b)에서 흡수되지 않고 투과되나, 집광점 부근에서는 다광자 흡수 또는 이에 준하는 비선형 흡수 효과에 의하여 국부적으로 가공대상물(10)의 물성이 변화되어 개질 영역이 형성된다. 즉, 집광점 부근에서 레이저 빔(L)의 에너지가 가공대상물(10)에 흡수되어 순간적으로 용융이 일어나며, 레이저 빔(L)이 통과되고 난 후에는 냉각되면서 수축 및 응고가 일어난다. 또한 용융, 냉각 과정 동안에 집광점 부근에서 가공대상물(10)을 구성하는 물질이 팽창, 수축되는데, 이러한 팽창, 수축에 의하여 제1면(13a)으로부터 소정 거리(t1)에 미세한 크랙(C)이 형성될 수 있다. 개질 영역은 미세한 크랙(C)을 포함하는 영역일 수 있다.

미세한 크랙(C)은 복수 개가 형성될 수 있다. 예를 들어, 가공대상물(10)이 탑재된 스테이지(200)가 이동함에 따라, 스테이지(200)의 이동방향과 반대방향으로 복수 개의 미세한 크랙(C)이 형성될 수있다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 스테이지(200)가 1차원 이동 예를 들어 1방향(Y방향)으로 이동하면, 복수 개의 크랙(C)들이 1방향과 반대방향(-Y방향)을 따라 1차원으로 배열된다. 그리고, 도면상 도시되어 있지는 않지만, 스테이지(200)가 2차원 이동하면, 복수 개의 크랙(C)들이 2차원으로 배열된다. 이와 같이 복수 개의 크랙(C)들이 연결되어 절단선 또는 절단면이 형성될 수 있다. 미세 크랙(C)의 간격은 가공대상물(10)의 재료의 종류, 물성, 레이저 빔(L)의 강도 등을 고려하여 적절히 선정될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 미세한 크랙(C)은 가공대상물(10)의 투과성 기판층(13) 내부에서 제1면(13a)의 굴곡을 따라 평행하게 형성될 수 있다. 이 경우 가공대상물(10)은 자연스러운 분열에 의하여 도 6에 도시된 바와 같이 두께 방향과 수직으로 절단될 수 있다. 또한, 크랙(C)이 가공대상물(10)의 외부 표면까지 도달되지 않도록 형성되는 경우에는 가공대상물(10)에 열적 또는 기계적인 충격을 가함으로써 크랙(C)을 외부 표면에까지 전파시켜 가공대상물(10)을 두께 방향과 수직으로 절단할 수도 있다. 기계적 충격을 가하는 방식으로는 절단선에 대응되는 가공대상물(10)의 외부 표면을 도시되지 않은 블레이드로 누르는 브레이킹 방식이 있을 수 있다. 블레이드의 형태는 절단선의 형태에 따라 달라질 수 있다. 또한, 레이저 빔(L)을 가공대상물(10)에 조사하여 가공대상물(10)에 열적 충격을 가하여 크랙(C)을 외부 표면에까지 전파시킬 수도 있다. 이 경우 레이저 빔(L)은 가공대상물(10)을 적절히 가열하였다가 냉각되는 과정에서 미세 크랙(C)에 충격을 가하여 절단선을 따라 전파되도록 할 수 있는 적절한 에너지를 가지면 되며, 그 파장 대역은 가공대상물(10)에 흡수될 수 있는 대역으로 선정될 수 있다.

정리하면, 가공대상물(10) 특히, 투과성 기판층(13)과 기능 소자층(11)으로 구성된 가공대상물(10)은 위치 검출부(300)에 의해 제1면(13a)의 위치를 검출한 후, 제1면(13a)의 위치정보를 기초로 제1면(13a)으로부터 제2면(13b)을 향하는 방향으로 소정 거리(t1)에 위치한 지점에 레이저 빔(L)을 조사함으로써, 제1면(13a)으로부터 일정한 높이에서 제1면(13a)의 굴곡에 따라 분리될 수 있다.

본 실시예에서는 위치 검출부(300)가 레이저 빔(L)의 광축(A)과 동일한 축을 통해 측정용 빔(M)을 조사하는 것을 중심으로 설명하였다. 그러나, 위치 검출부(300)가 측정용 빔(M)을 조사하는 위치는 레이저 빔(L)의 광축(A)과 동일한 축에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 실시예로서, 레이저 빔(L)의 광축(A)과 다른 축을 통해 측정용 빔(M)을 조사하는 방식을 이용할 수 있다. 이를 통해, 위치 검출부(300)를 레이저 가공부(100)에 용이하게 조립가능하다.

본 실시예에 따른 위치 검출부(300)는 투과성 기판층(13)의 두께를 검출하는 제1모드와, 가공대상물(10)의 변위를 검출하는 제2모드로 전환가능하다.

제1모드는 측정용 빔(M)을 가공대상물(10)에 조사하여 제1면(13a)에 반사된 반사광(R2) 및 제2면(13b)에 반사된 반사광(R1)을 수광하여, 투과성 기판층(13)의 두께를 검출한다. 제2모드는 제2면(13b)에 반사된 반사광(R1)을 수광하여 제2면(13b)으로부터 집광렌즈(131)까지의 거리를 결정한다. 제1모드, 제2모드는 가공대상물(10)의 형상, 재질 및 전력소모량을 고려하여 선택될 수 있다.

도 8a 및 8b는 본 실시예에 따라 절단되는 가공대상물의 다양한 모습을 나타낸 것이다.

본 실시예에서는 절단 예정선(S)이 제1면(13a)으로부터 일정한 높이(t1)에 설정되기 때문에 도 8a와 같이 가공대상물(10)의 형성과정에서 투과성 기판층(13)이 불균일한 두께로 형성되는 경우에, 제2면(13b)으로부터 소정 거리(t)에 절단 예정선(S')을 설정하여 절단하는 종래 방식과 달리, 기능 소자층(11)의 손상 없이 가공대상물(10)을 안정적으로 분리할 수 있다. 그리고, 도 8b와 같이 가공대상물(10)의 가공과정에서, 가공대상물(10)을 고정하기 위하여 스테이지(200')로서 진공 척(chuck)을 이용하는 경우에, 통상적으로 음(-)압 적용으로 인해 가공대상물(10)의 하부에 굴곡이 나타나는 경우에도, 기능 소자층(11)의 손상 없이 가공대상물(10)을 안정적으로 분리할 수 있다. 이를 통해, 가공대상물(10)이 주변 환경요소에 의해 영향을 받더라도 투과성 기판층(13)과 기능 소자층(11)을 안정적으로 분리할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예인 레이저 가공방법을 나타낸 순서도이다.

도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 가공대상물(10)을 분리하는 레이저 가공방법은 먼저 투과성 기판층(13)과 기본 소자층을 포함하는 가공대상물(10)을 투과성 기판층(13)이 상부를 향하도록 스테이지(200)에 탑재한다.(S10)

스테이지(200)에 탑재된 가공대상물(10)에 측정용 빔(M)을 조사하여, 투과성 기판층(13)과, 나머지층인 기능 소자층(11)의 계면인 제1면(13a)의 위치를 검출한다.(S20)

제1면(13a)의 위치를 검출하기 위해서는, 투과성 기판층(13)의 상부 표면인 제2면(13b)에서 반사된 반사광(R1)을 수광하여 제2면(13b)과 집광렌즈(131) 사이의 거리를 결정하고, 제1면(13a)에서 반사된 반사광(R2)을 수광하여 제2면(13b)과 제1면(13a) 사이의 거리 즉, 투과성 기판층(13)의 두께를 결정함으로써, 제1면(13a)의 위치를 검출한다.

검출된 제1면(13a)의 위치정보를 기초로, 투과성 기판층(13)에서 제1면(13a)으로부터 두께방향으로 제2면(13b)를 향하여 소정 거리(t1)에 집광점을 맞추어 레이저 빔(L)을 조사한다.(S30)

레이저 빔(L)을 정확한 위치에 집광시키기 위해서는, 위치 제어부(400)는 위치 검출부(300)로부터 제1면(13a)의 위치정보를 전달받아, 집광렌즈(131)와 가공대상물(10)의 제1면(13a) 사이의 거리를 조절한다.

위치 제어부(400)에 의해 가공대상물(10)에 대한 집광렌즈(131)의 위치가 결정된 후, 레이저 발진기(110)로부터 방출된 레이저 빔(L)은 집광렌즈(131)에 의하여 그 집광점이 가공대상물(10)의 내부 중 제1면(13a)으로부터 두께 방향으로 소정 거리(t1) 떨어진 위치에 위치된다. 레이저 빔(L)은 가공대상물(10)의 투과성 기판층(13)에 대하여 투과성을 가지므로 가공대상물(10)의 제2면(13b)에서 흡수되지 않고 투과되나, 집광점 부근에서는 다광자 흡수 또는 이에 준하는 비선형 흡수 효과에 의하여 국부적으로 가공대상물(10)의 물성이 변화되어 개질 영역이 형성된다. 즉, 집광점 부근에서 레이저 빔(L)의 에너지가 가공대상물(10)에 흡수되어 순간적으로 용융이 일어나며, 레이저 빔(L)이 통과되고 난 후에는 냉각되면서 수축 및 응고가 일어난다. 또한 용융, 냉각 과정 동안에 집광점 부근에서 가공대상물(10)을 구성하는 물질이 팽창, 수축되는데, 이러한 팽창, 수축에 의하여 제1면(13a)으로부터 소정 거리에 미세한 크랙(C)이 형성될 수 있다. 개질 영역은 미세한 크랙(C)을 포함하는 영역일 수 있다.

미세한 크랙(C)은 가공대상물(10)의 투과성 기판층(13) 내부에서 제1면(13a)의 굴곡을 따라 평행하게 형성될 수 있다. 이 경우 가공대상물(10)은 자연스러운 분열에 의하여 도 6에 도시된 바와 같이 두께 방향과 수직으로 절단될 수 있다. 또한, 크랙(C)이 가공대상물(10)의 외부 표면까지 도달되지 않도록 형성되는 경우에는 가공대상물(10)에 열적 또는 기계적인 충격을 가함으로써 크랙(C)을 외부 표면에까지 전파시켜 가공대상물(10)을 두께 방향과 수직으로 절단할 수도 있다. 기계적 충격을 가하는 방식으로는 절단선에 대응되는 가공대상물(10)의 외부 표면을 도시되지 않은 블레이드로 누르는 브레이킹 방식이 있을 수 있다. 블레이드의 형태는 절단선의 형태에 따라 달라질 수 있다. 또한, 레이저 빔(L)을 가공대상물(10)에 조사하여 가공대상물(10)에 열적 충격을 가하여 크랙(C)을 외부 표면에까지 전파시킬 수도 있다. 이 경우 레이저 빔(L)은 가공대상물(10)을 적절히 가열하였다가 냉각되는 과정에서 미세 크랙(C)에 충격을 가하여 절단선을 따라 전파되도록 할 수 있는 적절한 에너지를 가지면 되며, 그 파장 대역은 가공대상물(10)에 흡수될 수 있는 대역으로 선정될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 위치 검출부(300)가 측정용 빔(M)을 통해 제1면(13a)의 위치를 검출하여 가공대상물(10)의 기능소자층(11)의 상부 표면 굴곡을 정확히 파악한 후, 제1면(13a)으로부터 일정한 높이(t1)에 레이저 빔의 집광점을 위치시켜, 기능소자층(11)을 안정적으로 분리할 수 있는 정확한 위치에 개질영역을 형성하면서 레이저 가공작업을 수행할 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.

10 : 가공대상물 11 : 기능 소자층
13 : 투과성 기판층 100 : 레이저 가공부
110 : 레이저 발진기 130 : 광학 유닛
131 : 집광렌즈 200 : 스테이지
300 : 위치 검출부 400 : 위치 제어부
L : 레이저 빔 M : 측정용 빔
R1, R2 : 반사광 C : 크랙
S : 절단 예정선

Claims

투과성 기판층과 기능 소자층을 포함하는 가공대상물의 내부에 절단 예정선을 따라 집광점을 맞추어 레이저 빔을 조사함으로써, 가공대상물을 두께방향에 수직으로 분리하는 레이저 가공방법으로서,
스테이지에 상기 가공대상물을 상기 투과성 기판층이 상부를 향하도록 탑재하는 단계;
탑재된 상기 가공대상물에 측정용 빔을 조사하여, 상기 투과성 기판층과 상기 기능 소자층의 계면인 제1면의 위치정보를 검출하는 단계; 및
검출된 상기 제1면의 위치정보를 기초로, 상기 제1면으로부터 두께 방향으로 소정 거리에 집광점을 맞추어 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하는 레이저 가공방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제1면의 위치정보를 검출하는 단계에서는,
상기 투과성 기판층의 상부 표면인 제2면에 반사된 반사광과, 상기 제1면에 반사된 반사광을 수광하는 레이저 가공방법.
제 2 항에 있어서,
상기 제1면의 위치정보를 검출하는 단계에서는,
상기 제2면에 반사된 반사광을 수광하여 상기 제2면의 위치정보를 검출하고,
상기 제1면에 반사된 반사광을 수광하여 상기 투과성 기판층의 두께를 검출하여, 상기 제2면의 위치정보와 상기 투과성 기판층의 두께를 기초로 상기 제1면의 위치정보를 검출하는 레이저 가공방법.
제 3 항에 있어서,
상기 레이저 빔을 조사하는 단계는,
상기 제1면으로부터 상기 제2면을 향하는 방향으로 소정 거리에 레이저 빔의 집광점을 맞추는 레이저 가공방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기능 소자층은 투과성 기판층을 투과한 측정용 빔을 반사하는 레이저 가공방법.
제 3 항에 있어서,
상기 제1면의 위치정보를 검출하는 단계에서는,
레이저 빔이 조사되는 광축과 동일 축에서 측정용 빔이 조사되는 레이저 가공방법.
제 3 항에 있어서,
상기 제1면의 위치정보를 검출하는 단계에서는,
레이저 빔이 조사되는 광축과 다른 축에서 측정용 빔이 조사되는 레이저 가공방법.
제 1 항에 있어서,
상기 레이저 빔을 조사하는 단계에 의해 상기 투과성 기판층에 형성된 크랙을 따라 가공대상물을 절단하는 레이저 가공방법.
투과성 기판층과 기능 소자층을 포함하는 가공대상물의 내부에 절단 예정선을 따라 집광점을 맞추어 레이저 빔을 조사함으로써, 가공대상물을 두께방향에 수직으로 분리하는 레이저 가공장치에 있어서,
상기 투과성 기판층이 상부를 향하도록 상기 가공대상물이 탑재되는 스테이지;
상기 스테이지에 탑재된 상기 가공대상물의 상기 투과성 기판층과 상기 기능 소자층의 계면인 제1면의 위치정보를 검출하는 위치 검출부; 및
상기 제1면의 위치정보를 기초로, 상기 제1면으로부터 두께 방향으로 소정 거리에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공부;를 포함하는 레이저 가공장치.
제 9 항에 있어서,
상기 위치 검출부는,
상기 투과성 기판층의 상부 표면인 제2면에 반사된 반사광과, 상기 제1면에 반사된 반사광을 수광하는 레이저 가공장치.
제 10 항에 있어서,
상기 위치 검출부는,
상기 제2면에 반사된 반사광을 수광하여 상기 제2면의 위치정보를 검출하고,
상기 제1면에 반사된 반사광을 수광하여 상기 투과성 기판층의 두께를 검출하여, 상기 제2면의 위치정보와 상기 투과성 기판층의 두께를 기초로 상기 제1면의 위치정보를 검출하는 레이저 가공장치.
제 11 항에 있어서,
상기 레이저 가공부는,
상기 제1면으로부터 상기 제2면을 향하는 방향으로 소정 거리에 레이저 빔의 집광점을 맞추는 레이저 가공장치.
제 9 항에 있어서,
상기 기능 소자층은 상기 투과성 기판층을 투과한 측정용 빔을 반사하는 레이저 가공장치.
제 11 항에 있어서,
상기 위치 검출부는,
측정용 빔을 레이저 빔이 조사되는 광축과 동일 축에서 조사하는 레이저 가공장치.
제 11 항에 있어서,
상기 위치 검출부는,
측정용 빔을 레이저 빔이 조사되는 광축과 다른 축에서 조사하는 레이저 가공장치.
제 11 항에 있어서,
상기 위치 검출부는,
상기 투과성 기판층의 두께와 상기 제2면의 위치정보를 검출하는 제1모드, 상기 제2면의 위치정보만을 검출하는 제2모드로 전환가능한 레이저 가공장치.
제 16 항에 있어서,
상기 제1모드에서는 상기 제1면의 위치를 결정하는 레이저 가공장치.
제 16 항에 있어서,
상기 제2모드에서는 집광렌즈로부터 상기 제2면까지의 거리를 결정하는 레이저 가공장치.