KR20140020776A - 프레넬 영역 소자를 이용한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 기판 절단 방법 - Google Patents

프레넬 영역 소자를 이용한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 기판 절단 방법 Download PDF

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Abstract

빠른 속도로 정밀하게 레이저 가공을 수행할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 기판 절단 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원과, 레이저 빔의 일부를 회절시켜 레이저 빔을 회절된 제1 빔 성분과 회절되지 않은 제2 빔 성분으로 분리시키는 프레넬 영역 소자와, 제1 빔 성분과 제2 빔 성분을 일직선 상으로 집속시키는 집광기를 포함한다. 일직선 상으로 집속된 복수의 레이저 초점은 가공물의 두께 방향을 따라 배열된다.

Description

프레넬 영역 소자를 이용한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 기판 절단 방법 {LASER MACHINING DEVICE USING FRESNEL ZONE PLATE AND SUBSTRATE CUTTING METHOD USING THE DEVICE}
본 발명은 레이저 가공 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 가공 효율을 높이기 위한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 기판 절단 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 기판이나 발광 장치의 기판 등을 분할하기 위해 기판 상의 가상 절개 라인을 따라 레이저 빔을 조사하는 방법이 사용되고 있다. 기판에 레이저 빔을 조사하면 레이저 빔의 에너지에 의해 기판의 두께 방향을 따라 기판이 전체 또는 부분적으로 용융되어 절단이 이루어진다.
종래의 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 발진하는 레이저 광원과, 레이저 빔을 전달하는 전달 광학계와, 레이저 빔을 집속하는 대물 렌즈와, 가공물을 이동시키는 정밀 스테이지 등으로 구성된다. 이러한 레이저 가공 장치는 단일 초점의 레이저 빔을 발생시키므로 가공 속도가 느리고, 정밀한 가공에 어려움이 있다.
본 발명은 빠른 속도로 정밀하게 레이저 가공을 수행할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 기판 절단 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원과, 레이저 빔의 일부를 회절시켜 레이저 빔을 회절된 제1 빔 성분과 회절되지 않은 제2 빔 성분으로 분리시키는 프레넬 영역 소자와, 제1 빔 성분과 제2 빔 성분을 일직선 상으로 집속시키는 집광기를 포함하며, 일직선 상으로 집속된 복수의 레이저 초점은 가공물의 두께 방향을 따라 배열된다.
레이저 광원은 피코초(picosecond), 펨토초(femtosecond), 나노초(nanosecond) 중 어느 하나의 펄스 지속시간을 가진 펄스 레이저, 또는 연속발진 (continuous wave)레이저를 생성할 수 있다.
제1 빔 성분은 발산되는 성분과 수렴되는 성분을 포함할 수 있다. 프레넬 영역 소자는 1 또는 2의 회절 차수(m)를 가질 수 있으며, 레이저 빔을
Figure pat00001
개로 분리시킬 수 있다.
프레넬 영역 소자는 레이저 빔의 진행 방향을 따라 전후진 이동할 수 있다. 프레넬 영역 소자는 레이저 빔의 진행 방향을 따라 나란히 위치하는 복수의 프레넬 영역 소자로 구성되며, 레이저 빔을
Figure pat00002
개(여기서 n은 프레넬 영역 소자의 개수)의 빔 성분으로 분리시킬 수 있다.
집광기는 대물 렌즈를 포함하고, 프레넬 영역 소자와 집광기 사이에 다이크로익 미러가 장착될 수 있다. 집광기는 입체 스캐너와 스캐닝 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 절단 방법은 레이저 광원에서 레이저 빔을 생성하는 단계와, 프레넬 영역 소자를 이용하여 레이저 빔을 회절된 제1 빔 성분과 회절되지 않은 제2 빔 성분을 포함하는 복수의 빔 성분으로 분리시키는 단계와, 집광기를 이용하여 복수의 빔 성분을 기판의 두께 방향을 따라 일직선 상으로 집속시켜 복수의 레이저 초점을 형성함으로써 기판을 절단하는 단계를 포함한다.
제1 빔 성분은 발산되는 성분과 수렴되는 성분을 포함하며, 프레넬 영역 소자는 1 또는 2의 회절 차수를 가질 수 있다. 복수의 레이저 초점은 연속으로 형성되어 기판이 자동으로 절단될 수 있다.
다른 한편으로, 복수의 레이저 초점은 불연속으로 형성되어 기판 내부에 복수의 변질층을 형성할 수 있다. 복수의 레이저 초점 중 가장 외측에 위치하는 어느 하나의 레이저 초점이 기판의 표면과 접하도록 형성되어 기판의 표면에 가공 홈을 형성하고, 기판에 외력을 가하여 가공 홈으로부터 복수의 변질층을 따라 기판을 파단 및 절단할 수 있다.
복수의 레이저 초점은 등간격으로 배치될 수 있으며, 프레넬 영역 소자의 위치를 조절하여 복수의 레이저 초점간 거리를 변화시킬 수 있다. 프레넬 영역 소자는 복수개로 구비될 수 있으며, 복수의 프레넬 영역 소자는 레이저 빔을
Figure pat00003
개(여기서 n은 프레넬 영역 소자의 개수)로 분리시킬 수 있다.
레이저 빔은 피코초(picosecond), 펨토초(femtosecond), 나노초(nanosecond) 중 어느 하나의 펄스 지속시간을 가진 펄스 레이저, 또는 연속발진 (continuous wave) 레이저일 수 있다.
본 실시예의 레이저 가공 장치는 프레넬 영역 소자를 빔 분할기로 사용함에 따라 가공물에 다중 초점을 생성한다. 따라서 가공물에 단일 초점을 생성하는 레이저 가공 장치보다 빠른 속도로 레이저 가공을 수행할 수 있다. 또한, 가공물의 특성에 맞게 레이저 초점의 간격과 에너지 강도를 다양하게 조절함으로써 가공성과 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도 2a와 도 2b는 각각 회절 차수가 1인 프레넬 영역 소자와 회절 차수가 2인 프레넬 영역 소자의 작용을 설명하기 위해 도시한 개략도이다.
도 3a와 도 3b 및 도 4는 도 1에 도시한 가공물의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도 8은 한 개의 프레넬 영역 소자를 구비한 레이저 가공 장치에서 프레넬 영역 소자와 집광기의 간격에 따른 제1 빔 성분의 초점 위치 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 두 개의 프레넬 영역 소자를 구비한 레이저 가공 장치에서 제1 및 제2 프레넬 영역 소자의 간격에 따른 제1 빔 성분의 초점 위치 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판 절단 과정을 나타낸 개략도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 기판 절단 과정을 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 레이저 가공 장치(100)는 레이저 광원(10), 빔 전송부(20), 프레넬 영역 소자(30), 다이크로익 미러(51), 및 집광기(40)를 포함한다.
레이저 광원(10)은 가공물(예를 들어 반도체 웨이퍼 기판이나 발광 장치의 기판 등)을 가공하기 위한 레이저 빔을 생성한다. 레이저 빔은 피코초(picosecond) 또는 펨토초(femtosecond)의 펄스 지속시간을 가진 극초단(ultra short) 펄스 레이저일 수 있다.
극초단 펄스 레이저는 에너지 강도가 매우 커서 다양한 재질의 가공물을 가공할 수 있고, 가공물이 가공되는 동안 열 확산에 의한 물리 화학적 변형 및 가공 정밀도 저하가 발생하지 않는다. 그리고 가공에 의한 파티클의 적층이나 크레이터 등의 부산물이 거의 생성되지 않아 초음파 세정 등의 부산물 제거 단계를 생략할 수 있다.
또한, 극초단 펄스 레이저는 열전달 계수가 높거나 광 흡수율이 낮은 물질의 가공도 가능하며, 두 종류 이상의 재료가 혼합된 가공물과 다층으로 적층된 복합 재질의 가공물도 단일 공정으로 용이하게 가공할 수 있다. 한편, 레이저 광원(10)은 전술한 극초단 펄스 레이저 이외에 다른 종류의 레이저 빔, 예를 들어 나노초(nanosecond)의 펄스 지속시간을 가진 펄스 레이저 또는 연속발진(continuous wave) 레이저를 발진할 수도 있다.
빔 전송부(20)는 레이저 광원(10)에서 발진된 레이저 빔의 경로 상에 위치한다. 빔 전송부(20)는 다양한 광학 장치들로 구성되는데, 예를 들어 레이저 빔의 폭을 증가시키는 빔 확장기와, 빔 확장기에서 확장된 레이저 빔의 에너지 강도를 조절하는 감쇄기 등을 포함할 수 있다. 이 경우 레이저 빔은 빔 전송부(20)를 거치면서 폭과 에너지 강도가 조절된다.
프레넬 영역 소자(30)는 빔 전송부(20)로부터 출력된 레이저 빔의 경로 상에 위치한다. 프레넬 영역 소자(30)는 멀티레벨 위상 부조 회절 광학 소자(multilevel phase relief diffractive optical element, MLPR DOE)의 일종으로서, 회절에 의해 빔의 발산이나 수렴을 조절하는 렌즈를 의미하며, 이론적인 회절 효율 η은 하기 수학식으로 계산된다.
Figure pat00004
여기서, N은 프레넬 영역 소자(30)의 멀티레벨 수를 나타내고, m은 회절 차수를 나타낸다. 회절 차수를 1로 가정하면 회절 효율 η은 아래와 같이 간소화된다.
Figure pat00005
N이 2인 이진 위상(binary phase) 렌즈의 경우 회절 효율 η은 40.5%이고, N이 4인 4-레벨(quaternary phase) 렌즈의 경우 회절 효율 η은 81.1%이다. N이 8인 8-레벨 렌즈의 경우 회절 효율 η은 95.0%이며, N이 16인 16-레벨 렌즈의 경우 회절 효율 η은 98.7%이다.
멀티레벨 수에 관계없이 프레넬 영역 소자들의 회절 효율은 100%보다 작다. 따라서 프레넬 영역 소자(30)에 입사된 레이저 빔은 프레넬 영역 소자(30)에 의해 회절된 제1 빔 성분과, 프레넬 영역 소자(30)의 영향을 받지 않은, 즉 회절되지 않은 제2 빔 성분으로 분리된다. 프레넬 영역 소자(30)는 회절 여부에 따라 레이저 빔을 복수개로 분리시키는 빔 분할기로 작용한다.
집광기(40)는 프레넬 영역 소자(30)로부터 분리된 복수의 빔 성분을 제공받으며, 제공받은 복수의 빔 성분을 가공물(60)로 집속시킨다. 집광기(40)는 통상의 대물 렌즈로 구성될 수 있다.
다이크로익 미러(51)는 프레넬 영역 소자(30)와 집광기(40) 사이에 배치되어 복수의 빔 성분의 경로를 변화시킨다. 다이크로익 미러(51)는 적용된 레이저 빔의 파장대 대부분을 반사할 수 있도록 이 파장대에서 반사 효과가 우수한 물질로 코팅될 수 있다. 프레넬 영역 소자(30)와 집광기(40)가 일직선 상에 위치하는 경우 다이크로익 미러(51)는 생략된다.
가공물(60)은 집광기(40) 하부에 위치하고, 정밀 스테이지(52)에 의해 이동한다. 정밀 스테이지(52)는 가공물(60)을 x축 방향과 y축 방향으로 이동시키는 2차원 스테이지이거나, 높이 조절까지 가능한 3차원 스테이지일 수 있다.
제1 실시예의 레이저 가공 장치(100)에서 프레넬 영역 소자(30)의 회절 차수는 1 또는 2일 수 있다. 회절 차수가 1인 프레넬 영역 소자(30)는 입사된 레이저 빔을 세 개의 빔 성분으로 분리시키고, 회절 차수가 2인 프레넬 영역 소자(30)는 입사된 레이저 빔을 다섯 개의 빔 성분으로 분리시킨다.
도 2a는 회절 차수가 1인 프레넬 영역 소자와 집광기를 나타낸 개략도이다.
도 2a를 참고하면, 프레넬 영역 소자(30)는 복수의 동심원상 띠를 구비하며, 각 띠가 회절 격자로 작용하여 빛의 회절을 일으킨다. 프레넬 영역 소자(30)에 입사된 레이저 빔(LB)은 프레넬 영역 소자(30)를 거치면서 회절된 제1 빔 성분(LB1)과 회절되지 않은 제2 빔 성분(LB2)으로 분리된다.
이때 회절된 제1 빔 성분(LB1)은 프레넬 영역 소자(30)를 통과하면서 수렴되는 성분(LB1-1)과 발산되는 성분(LB1-2)으로 이루어진다. 즉 프레넬 영역 소자(30)는 회절 차수가 0보다 큰 수렴형 프레넬 영역 소자와 회절 차수가 0보다 작은 발산형 프레넬 영역 소자로 동시에 작용한다. 제1 빔 성분(LB1) 중 수렴되는 성분(LB1-1)과 발산되는 성분(LB1-2)은 동일한 에너지 강도를 가진다.
제1 빔 성분(LB1)과 제2 빔 성분(LB2)의 에너지 비율은 프레넬 영역 소자(30)의 회절 효율에 따라 결정된다. 프레넬 영역 소자(30)의 회절 효율이 50%라고 가정하면, 제2 빔 성분(LB2)은 50%의 에너지 강도를 가지며, 제1 빔 성분(LB1) 중 수렴되는 성분(LB1-1)과 발산되는 성분(LB1-2)은 각각 25%의 에너지 강도를 가진다. 프레넬 영역 소자(30)의 회절 효율은 레이저 가공을 위해 요구되는 복수의 빔 성분의 에너지 강도에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
도 2a에서 회절되지 않은 제2 빔 성분(LB2)의 초점 위치를 B로 표시하였다. 제1 빔 성분(LB1) 중 수렴되는 성분(LB1-1)의 초점 위치(A1)는 B보다 집광기(40)에 가깝게 위치하고, 발산되는 성분(LB1-2)의 초점 위치(A2)는 B보다 집광기(40)로부터 멀리 위치한다. 이와 같이 회절 차수가 1인 프레넬 영역 소자(30)는 입사된 레이저 빔을 세 개의 성분으로 분리시키며, 세 개의 빔 성분은 서로 다른 초점 위치를 가진다.
도 2b는 회절 차수가 2인 프레넬 영역 소자와 집광기를 나타낸 개략도이다.
도 2b를 참고하면, 회절 차수가 2인 프레넬 영역 소자(30)는 제공받은 레이저 빔을 다섯 개의 빔 성분, 즉 회절된 네 개의 제1 빔 성분(LB1)과 회절되지 않은 하나의 제2 빔 성분(LB2)으로 분리시킨다. 회절된 네 개의 제1 빔 성분(LB1)은 서로 다른 수렴각으로 수렴되는 두 개의 성분(LB1-1, LB1-2)과, 서로 다른 발산각으로 발산되는 두 개의 성분(LB1-3, LB1-4)으로 이루어진다. 회절된 네 개의 제1 빔 성분(LB1-1, LB1-2, LB1-3, LB1-4)은 동일한 에너지 강도를 가진다.
도 2b에서 회절되지 않은 제2 빔 성분(LB2)의 초점 위치를 B로 표시하였다. 그리고 네 개의 제1 빔 성분(LB1) 중 수렴되는 두 개의 빔 성분(LB1-1, LB1-2)의 초점 위치를 각각 A1와 A2로 표시하였고, 발산되는 두 개의 빔 성분(LB1-3, LB1-4)의 초점 위치를 각각 A3과 A4로 표시하였다. 프레넬 영역 소자(30)에 의해 분리된 다섯 개의 빔 성분은 서로 다른 초점 위치를 가진다.
프레넬 영역 소자(30)가 분리하는 레이저 빔의 성분 개수는
Figure pat00006
으로 표현될 수 있다. 이때 m은 회절 차수를 나타낸다.
도 3a와 도 3b는 도 1에 도시한 가공물의 단면도이다. 도 3a는 프레넬 영역 소자의 회절 차수가 1인 경우를 나타내고, 도 3b는 프레넬 영역 소자의 회절 차수가 2인 경우를 나타낸다.
도 1과 도 3a 및 도 3b를 참고하면, 집광기(40)는 프레넬 영역 소자(30)에서 분리된 복수의 빔 성분을 일직선 상으로 집속시켜 복수의 레이저 초점을 형성한다. 이때 회절된 복수의 제1 빔 성분과 회절되지 않은 하나의 제2 빔 성분은 초점 위치가 서로 상이하다(도 2a 및 도 2b의 빔 성분 경로 참조).
도 3a에서 A1과 A2는 프레넬 영역 소자(30)에 의해 회절된 두 개의 제1 빔 성분의 초점 위치를 나타내고, B는 회절되지 않은 제2 빔 성분의 초점 위치를 나타낸다. 도 3b에서 A1, A2, A3, A4는 프레넬 영역 소자(30)에 의해 회절된 네 개의 제1 빔 성분의 초점 위치를 나타내고, B는 회절되지 않은 제2 빔 성분의 초점 위치를 나타낸다.
이와 같이 프레넬 영역 소자(30)에 의해 복수개로 분리된 빔 성분의 초점 위치는 가공물(60)의 두께 방향을 따라 일직선 상에 위치한다.
본 실시예의 레이저 가공 장치(100)는 프레넬 영역 소자(30)를 빔 분할기로 사용함에 따라 가공물(60)에 다중 초점을 생성한다. 따라서 가공물에 단일 초점을 생성하는 레이저 가공 장치보다 빠른 속도로 레이저 가공을 수행할 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 레이저 가공 장치(100)는 조명 광원(53), 반사 미러(54), CCD 카메라(55), 및 모니터(56)를 포함할 수 있다. 조명 광원(53)에서 방출된 빛은 반사 미러(54)를 거쳐 가공물(60)로 조사되고, CCD 카메라(55)는 가공물(60)을 촬영하며, 모니터(56)는 CCD 카메라(55)가 촬영한 영상 정보를 표시한다. 도 1에서 부호 57은 경통을 나타내고, 부호 58은 레이저 광원(10), 빔 전송부(20), 스테이지(52) 등을 제어하는 제어부를 나타낸다.
한편, 다중 초점을 생성하는 프레넬 영역 소자(30)는 레이저 빔의 진행 방향을 따라 전후진 이동한다. 이를 위해 프레넬 영역 소자(30)에 일축 스테이지(35)가 구비될 수 있다. 이로써 프레넬 영역 소자(30)와 집광기(40) 사이의 거리를 변화시켜 회절된 제1 빔 성분의 발산과 수렴을 조절함으로써 제1 빔 성분의 초점 위치를 바꿀 수 있다.
도 4는 도 1에 도시한 가공물의 단면도이다. 도 4에서는 프레넬 영역 소자의 회절 차수가 1인 경우를 도시하였다.
도 1과 도 4를 참고하면, 프레넬 영역 소자(30)의 위치 변화에 따라 두 개의 제1 빔 성분의 초점 위치(A1, A2)가 변한다. 즉 회절되지 않은 제2 빔 성분의 초점 위치(B)를 기준으로 두 개의 제1 빔 성분의 초점 위치(A1, A2)가 변하며, 세 개로 분리된 빔 성분들 사이의 초점간 거리를 조절할 수 있다.
프레넬 영역 소자의 회절 차수가 2인 경우에서도 프레넬 영역 소자의 위치 변화에 따라 네 개의 제1 빔 성분의 초점 위치(A1, A2, A3, A4)가 변하며, 다섯 개로 분리된 빔 성분들 사이의 초점간 거리를 조절할 수 있다(도 3b 참조).
이와 같이 본 실시예의 레이저 가공 장치(100)는 다중 초점을 형성함으로써 단일 초점을 생성하는 레이저 가공 장치보다 빠른 속도로 레이저 가공을 수행할 수 있다. 또한, 프레넬 영역 소자(30)의 위치를 변화시켜 복수개로 분리된 빔 성분의 초점간 거리를 변화시킴에 따라, 가공물(60)의 특성(소재, 두께 등)에 맞게 최적화된 레이저 초점을 생성하여 가공 성능을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도 5를 참고하면, 제2 실시예의 레이저 가공 장치(200)는 다이크로익 미러가 생략되고, 집광기(401)가 입체 스캐너(41)와 스캐닝 렌즈(42)로 구성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 레이저 가공 장치와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 다른 부분에 대해 주로 설명한다.
입체 스캐너(41)는 한 쌍의 갈바노미터 스캐너일 수 있다. 갈바노미터 스캐너는 모터의 회전축에 미러를 장착한 것으로서, 미러 회전에 의해 레이저 빔을 일정한 각도 범위 내에서 주사한다. 스캐닝 렌즈(42)는 F-theta 텔레센트릭 렌즈로 구성될 수 있다. 집광기(401)가 스캐닝 광학계로 구성됨에 따라, 레이저 가공 장치(200)는 가공물(60)로 레이저 빔을 스캐닝하면서 가공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도 6을 참고하면, 제3 실시예의 레이저 가공 장치(300)는 프레넬 영역 소자(301)가 두 개의 프레넬 영역 소자(31, 32)로 구성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 레이저 가공 장치와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 다른 부분에 대해 주로 설명한다.
제1 프레넬 영역 소자(31)와 제2 프레넬 영역 소자(32)는 레이저 빔의 진행 방향을 따라 나란히 위치한다. 프레넬 영역 소자(31, 32) 한 개당 레이저 빔을
Figure pat00007
개로 분리시키므로
Figure pat00008
의 초점 분할이 가능하다. 여기서, n은 프레넬 영역 소자(301)의 개수를 나타낸다.
제1 프레넬 영역 소자(31)와 제2 프레넬 영역 소자(32)의 회절 차수가 1인 경우 제3 실시예의 레이저 가공 장치(300)는 레이저 빔의 초점을 9개로 분리시킬 수 있다. 제1 프레넬 영역 소자(31)와 제2 프레넬 영역 소자(32)의 회절 차수가 2인 경우 제3 실시예의 레이저 가공 장치(300)는 레이저 빔의 초점을 25개로 분리시킬 수 있다.
이와 같이 제3 실시예의 레이저 가공 장치(300)는 레이저 빔을 제1 실시예보다 많은 개수로 분리시킬 수 있으며, 분리된 복수의 빔 성분은 집광기(40)에 의해 가공물(60)의 두께 방향을 따라 일직선 상으로 집속된다.
이때 제1 및 제2 프레넬 영역 소자(31, 32) 각각은 레이저 빔의 진행 방향을 따라 전후진 이동한다. 이로써 제1 및 제2 프레넬 영역 소자(31, 32)에 의해 회절된 빔 성분들의 초점 위치를 변화시켜 복수개로 분리된 빔 성분들 사이의 초점간 거리를 변화시킬 수 있다. 또한, 제1 및 제2 프레넬 영역 소자(31, 32)의 회절 효율에 따라 복수개로 분리된 빔 성분들의 에너지 강도를 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도 7을 참고하면, 제4 실시예의 레이저 가공 장치는 다이크로익 미러가 생략되고, 집광기(401)가 입체 스캐너(41)와 스캐닝 렌즈(42)로 구성된 것을 제외하고 전술한 제3 실시예의 레이저 가공 장치와 동일한 구성으로 이루어진다. 또한, 입체 스캐너(41)와 스캐닝 렌즈(42)의 구성은 전술한 제2 실시예에서 설명한 것과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 1과 도 5 내지 도 7에서는 레이저 빔을 투과시키는 투과형 프레넬 영역 소자(30)를 도시하였으나, 프레넬 영역 소자(30)는 반사형 프레넬 영역 소자로 구성될 수도 있다. 반사형 프레넬 영역 소자는 액정을 구비한 엘코스(LCOS, Liquid Crystal On Silicon) 소자이거나, 디지털 마이크로미러 디바이스(Digital Micro-mirror Device, DMD) 타입의 공간 광 변조기(spatial light modulator)로 구성될 수 있다.
도 8은 한 개의 프레넬 영역 소자를 구비한 제1 및 제2 실시예의 레이저 가공 장치에서 프레넬 영역 소자와 집광기의 간격에 따른 제1 빔 성분의 초점 위치 변화를 나타낸 그래프이다. 도 8에서는 수렴된 빔 성분의 초점 위치 변화를 나타내었다. 레이저 빔의 입사 직경은 5mm이며, 파장은 355nm이다. 집광기(대물 렌즈)의 유효 초점 길이는 4mm이며, 프레넬 영역 소자의 유효 초점 길이는 250mm이다.
도 8을 참고하면, 프레넬 영역 소자에 의해 회절된 제1 빔 성분의 초점 위치는 약 3.93mm부터 약 3.80mm까지 변한다. 한편, 프레넬 영역 소자에 의해 회절되지 않은 제2 빔 성분의 초점 위치는 4mm로서 고정된 위치를 유지한다. 프레넬 영역 소자와 집광기의 간격이 20mm에서 180mm 범위로 변화하는 경우 제1 및 제2 빔 성분의 초점간 거리는 약 70㎛에서 200㎛까지 변화하는 것을 알 수 있다.
도 9는 두 개의 프레넬 영역 소자를 구비한 제3 및 제4 실시예의 레이저 가공 장치에서 제1 및 제2 프레넬 영역 소자의 간격에 따른 제1 빔 성분의 초점 위치 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9에서는 제1 및 제2 프레넬 영역 소자를 거치면서 모두 수렴된 빔 성분의 초점 위치 변화를 나타내었다. 레이저 빔의 입사 직경은 5mm이며, 파장은 355nm이다. 집광기(대물 렌즈)의 유효 초점 거리는 4mm이고, 제1 및 제2 프레넬 영역 소자의 유효 초점 거리는 각각 250mm와 1000mm이다. 제1 프레넬 영역 소자와 집광기 사이의 거리를 100mm로 고정시킨 상태에서 제1 프레넬 영역 소자와 제2 프레넬 영역 소자의 간격을 조절하였다.
도 9를 참고하면, 제1 및 제2 프레넬 영역 소자에 의해 회절된 제1 빔 성분의 초점 위치는 약 3.847mm에서 약 3.60mm까지 변한다. 제1 프레넬 영역 소자와 제2 프레넬 영역 소자의 간격이 700mm 이내 범위로 변화하는 경우 제1 빔 성분의 초점 위치는 0.247mm(247㎛) 이내 범위에서 변화하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 전술한 레이저 가공 장치를 이용한 기판 절단 방법에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판 절단 과정을 나타낸 개략도이다.
도 10을 참고하면, 제1 실시예의 기판 절단 방법은 레이저 광원에서 레이저 빔을 생성하는 제1 단계와, 프레넬 영역 소자를 이용하여 레이저 빔을 복수의 빔 성분으로 분리시키는 제2 단계와, 집광기를 이용하여 복수의 빔 성분을 기판(61)의 두께 방향을 따라 일직선 상으로 집속시켜 복수의 레이저 초점을 형성함으로써 기판(61)을 절단하는 제3 단계를 포함한다.
제3 단계에서 복수의 레이저 초점(A1, B, A2)은 서로간 거리를 두고 불연속으로 형성되고, 레이저 빔의 에너지에 의해 기판(61) 내부에는 초점 위치마다 복수의 변질층(71)이 형성된다. 이때 복수의 레이저 초점(A1, B, A2) 중 가장 외측에 위치하는 어느 하나의 레이저 초점(A2)이 기판(61) 표면과 접하도록 형성되어 기판(61) 표면에 가공 홈(72)을 형성할 수 있다. 도 10에서는 회절 차수가 1인 한 개의 프레넬 영역 소자가 적용된 경우를 예로 들어 도시하였다.
전술한 기판(61)에 외력을 가하면 가공 홈(72)으로부터 파단이 시작되어 복수의 변질층(71)을 따라 기판(61)을 파단 및 절단할 수 있다. 복수의 레이저 초점(A1, B, A2)은 등간격으로 위치하며, 복수의 레이저 빔은 같거나 극히 유사한 에너지 강도를 가질 수 있다.
프레넬 영역 소자가 66.6%의 회절 효율을 가지는 경우를 가정하면, 세 개의 빔 성분은 극히 유사한 에너지 강도를 가질 수 있다. 프레넬 영역 소자의 위치를 조절하여 세 개의 레이저 초점(A1, B, A2)간 거리를 용이하게 변화시킬 수 있다.
도시는 생략하였으나, 프레넬 영역 소자의 회절 차수가 2인 경우, 레이저 빔은 다섯 개의 빔 성분으로 분리된다. 다섯 개 빔 성분의 레이저 초점은 등간격으로 위치하며, 다섯 개의 빔 성분은 같거나 극히 유사한 에너지 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 프레넬 영역 소자의 회절 효율이 80%이면, 다섯 개의 빔 성분은 같은 에너지 강도를 가질 수 있다.
다른 한편으로, 프레넬 영역 소자의 회절 효율에 따라 제1 빔 성분의 에너지 강도는 제2 빔 성분의 에너지 강도와 다를 수 있다. 즉 제1 빔 성분의 에너지 강도는 제2 빔 성분의 에너지 강도보다 높거나 낮을 수 있다.
기판(61)은 강화층을 구비한 강화 유리 기판일 수 있다. 기판(61)의 내부에 강화층이 존재하는 경우, 회절 효율이 낮은 프레넬 영역 소자를 적용하여 초점 위치가 B로 표시된 제2 빔 성분의 에너지 강도를 높일 수 있다. 반대로 기판(61)의 표면에 강화층이 존재하는 경우, 회절 효율이 높은 프레넬 영역 소자를 적용하여 초점 위치가 A1 및 A2로 표시된 제1 빔 성분의 에너지 강도를 높일 수 있다.
전술한 두 경우 모두에서 강화층에 보다 높은 에너지를 가하여 강화층을 보다 쉽게 파단시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 기판 절단 과정을 나타낸 개략도이다.
도 11을 참고하면, 제2 실시예의 기판 절단 방법은 복수의 레이저 초점(A1, A2, B, A3, A4)이 연속으로 형성되어 외력 없이 기판(61)이 자동으로 절단되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 기판 절단 방법과 동일하다. 도 11에서는 회절 차수가 2인 한 개의 프레넬 영역 소자가 적용된 경우를 예로 들어 도시하였다.
기판(61)에 복수의 레이저 초점(A1, A2, B, A3, A4)이 연속으로 형성되므로 복수의 변질층은 서로 접하도록 형성된다. 따라서 제2 실시예에서는 기판(61)에 외력을 가하지 않고도 기판(61)을 자동으로 절단할 수 있다. 레이저 초점의 크기는 집광기의 사양에 따라 다양하게 조절될 수 있으므로, 복수의 레이저 초점을 연속으로 형성할 수 있다.
전술한 기판 절단 방법에 따르면, 기판 내부에 기판의 두께 방향을 따라 레이저 다중 초점을 형성하여 빠른 속도로 기판을 절단할 수 있다. 또한, 기판의 특성에 맞게 레이저 초점의 간격과 에너지 강도를 다양하게 조절함으로써 가공성과 가공 정밀도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300, 400: 레이저 가공 장치
10: 레이저 광원 20: 빔 전송부
30, 301: 프레넬 영역 소자 31: 제1 프레넬 영역 소자
32: 제2 프레넬 영역 소자 40: 집광기
51: 다이크로익 미러 60: 가공물
61: 기판

Claims (16)

  1. 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원;
    상기 레이저 빔의 일부를 회절시켜 상기 레이저 빔을 회절된 제1 빔 성분과 회절되지 않은 제2 빔 성분으로 분리시키는 프레넬 영역 소자; 및
    상기 제1 빔 성분과 상기 제2 빔 성분을 일직선 상으로 집속시키는 집광기를 포함하며,
    상기 일직선 상으로 집속된 복수의 레이저 초점은 가공물의 두께 방향을 따라 배열되는 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 피코초(picosecond), 펨토초(femtosecond), 나노초(nanosecond) 중 어느 하나의 펄스 지속시간을 가진 펄스 레이저, 또는 연속발진 (continuous wave) 레이저를 생성하는 레이저 가공 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔 성분은 발산되는 성분과 수렴되는 성분을 포함하는 레이저 가공 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프레넬 영역 소자는 1 또는 2의 회절 차수(m)를 가지며, 상기 레이저 빔을
    Figure pat00009
    개로 분리시키는 레이저 가공 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 프레넬 영역 소자는 상기 레이저 빔의 진행 방향을 따라 전후진 이동하는 레이저 가공 장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레넬 영역 소자는 상기 레이저 빔의 진행 방향을 따라 나란히 위치하는 복수의 프레넬 영역 소자로 구성되며, 상기 레이저 빔을
    Figure pat00010
    개(여기서 n은 프레넬 영역 소자의 개수)의 빔 성분으로 분리시키는 레이저 가공 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 집광기는 대물 렌즈를 포함하고,
    상기 프레넬 영역 소자와 집광기 사이에 다이크로익 미러가 장착되는 레이저 가공 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 집광기는 입체 스캐너와 스캐닝 렌즈를 포함하는 레이저 가공 장치.
  9. 레이저 광원에서 레이저 빔을 생성하는 단계;
    프레넬 영역 소자를 이용하여 상기 레이저 빔을 회절된 제1 빔 성분과 회절되지 않은 제2 빔 성분을 포함하는 복수의 빔 성분으로 분리시키는 단계; 및
    집광기를 이용하여 상기 복수의 빔 성분을 기판의 두께 방향을 따라 일직선 상으로 집속시켜 복수의 레이저 초점을 형성함으로써 기판을 절단하는 단계
    를 포함하는 기판 절단 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 빔 성분은 발산되는 성분과 수렴되는 성분을 포함하며,
    상기 프레넬 영역 소자는 1 또는 2의 회절 차수를 가지는 기판 절단 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 초점은 연속으로 형성되어 상기 기판이 자동으로 절단되는 기판 절단 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 초점은 불연속으로 형성되어 상기 기판 내부에 복수의 변질층을 형성하는 기판 절단 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 초점 중 가장 외측에 위치하는 어느 하나의 레이저 초점이 상기 기판의 표면과 접하도록 형성되어 상기 기판의 표면에 가공 홈을 형성하고, 상기 기판에 외력을 가하여 상기 가공 홈으로부터 상기 복수의 변질층을 따라 상기 기판을 파단 및 절단하는 기판 절단 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 초점은 등간격으로 배치되며, 상기 프레넬 영역 소자의 위치를 조절하여 복수의 레이저 초점간 거리를 변화시키는 기판 절단 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레넬 영역 소자는 복수개로 구비되며,
    상기 복수의 프레넬 영역 소자는 상기 레이저 빔을
    Figure pat00011
    개(여기서 n은 상기 프레넬 영역 소자의 개수)로 분리시키는 기판 절단 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 피코초(picosecond), 펨토초(femtosecond), 나노초(nanosecond) 중 어느 하나의 펄스 지속시간을 가진 펄스 레이저, 또는 연속발진 (continuous wave) 레이저인 기판 절단 방법.
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