KR20150085177A - 취성 소재의 임의 형상 절단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 펄스빔을 조사하여 취성 소재의 기판을 절단하되, 절단 예정선 공정과 같은 선공정 없이도 또한, 냉각 방식 없이도 직접 타겟 경로를 따라 취성 소재를 완전 절단할 수 있는 취성 소재의 임의 형상 절단 방법에 관한 것이다.

Description

취성 소재의 임의 형상 절단 방법 {Method of Completely Cutting Brittle Substrate with Arbitrary Form}

본 발명은 깨지기 쉬운 유리, 반도체 웨이퍼 등 취성(Brittle) 소재를 절단하는 방법에 관한 것으로서, 취성 소재의 기판 상에 레이저를 조사하여 타겟 경로를 따라 임의 형상으로 완전 절단하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 레이저를 이용하여 깨지기 쉬운 유리, 반도체 웨이퍼 등 취성(Brittle) 소재를 절단하기 위해서는, 레이저를 절단 대상 기판 상에 조사하여 표면 또는 기판 내부에 디펙트를 형성하여 절단 예정선 공정을 수행한 후 기판에 적절히 힘을 가하여 절단 예정선을 따라 기판을 절단하거나, 냉각제를 사용하여 절단하는 기술이 있으나, 원하지 않는 방향으로 깨지기 쉽기 때문에, 직접 절단하거나 원하는 절단 예정선을 확보 하는데 어려움이 있다. 이와 같은 방법은 레이저에 의해 한번에 완전 절단되는 방식이 아니고 절단 예정선을 따라 절단이 이루어지도록 힘을 가하는 공정이 수반되므로 공정 비용과 시간이 추가되며 수율 저하에도 영향을 미치는 단점이 있다.

또한, 절단 대상 기판 상에 레이저를 조사하는 과정에서 발생되는 열은 탄성파를 불규칙 방향으로 전달하여 기판을 원하지 않는 방향으로 깨뜨리기 때문에 직접 절단하거나 원하는 절단 예정선을 획득하기가 곤란한 경우가 있으며, 냉각제를 사용하여 절단할 경우 원하지 않는 방향으로 깨지기 때문에 위치 정밀도, 절단 품질을 확보 하는데 어려움이 있다.

관련 선행 문헌으로서, 대한민국공개특허번호 제 10-2009-0079342호 (2009년07월22일 공개), 대한민국등록특허번호 제10-1124347호 (2012년02월29일 공고) 등이 참조될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 레이저 펄스빔을 조사하여 취성 소재의 기판을 절단하되, 레이저 조사 후 추후의 절단 공정이나, 열원으로 작용하는 레이저 빔과 냉각하는 방식을 사용하지 않고, 직접 타겟 경로를 따라 취성 소재를 완전 절단할 수 있는 취성 소재의 임의 형상 절단 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 레이저 가공 장치에서 취성 소재 절단 방법에 있어서, 제어 장치에 레이저 발생 조건과 절단 대상 기판(예, 유리 기판, 반도체 웨이퍼, 또는 사파이어 기판 등 취성 소재의 기판)의 절단될 경로를 미리 지정한 타겟 경로를 설정하는 단계; 스테이지 상에 상기 기판을 로딩하는 단계; 및 상기 레이저 발생 조건에 따라 레이저 발생 장치에서 발생하는 레이저(예, 펨토초 레이저)를 상기 타겟 경로를 따라 상기 기판에 조사하여 레이저가 조사된 상기 기판의 해당 부분에서 완전 절단이 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판의 가장자리의 측면 중 레이저 조사 시작 위치는 경면이 아닌 측면 디펙트가 있으며(도3), 상기 완전 절단이 이루어지는 단계에서, 상기 기판의 상기 레이저 조사 시작 위치 밖에서 레이저를 조사하기 시작하고, 레이저가 조사되는 부분이 상기 레이저 조사 시작 위치를 거쳐 상기 기판 상의 상기 타겟 경로를 따라가도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판 상의 레이저가 조사되는 부분에 대한 냉각 없이 이루어지고, 상기 기판 상의 레이저가 조사되는 부분에서 불규칙한 방향으로의 깨짐과 녹임 없이 완전 절단하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판 상의 레이저가 조사되는 부분에서의 열발생 최소화에 의한 음파 진동의 전달을 제거하여 불규칙한 방향으로의 깨짐이 발생하지 않도록 한 원리를 이용한 것을 특징으로 한다.

상기 레이저 조사 시작 위치에서의 상기 측면 디펙트에 레이저 빔이 닿으면 이 부분부터 완전 절단되어 절단이 시작되고, 상기 측면 디펙트에 조사되는 레이저 빔 스팟과 그에 인접한 상기 기판 상의 레이저가 조사되는 부분의 레이저 빔 스팟이 중첩되면서 완전 절단이 시작되는 원리를 이용한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 취성 소재의 임의 형상 절단 방법에 따르면, 절단 예정선 공정과 같은 선공정 없이도 또한, 냉각 방식 없이도 직접 타겟 경로를 따라 취성 소재를 완전 절단하게 되므로, 공정 비용을 줄이며 절단면의 품질을 높일 수 있고, 원, 타원, 아크 형태 등 자유 곡선으로 된 타겟 경로는 물론 모서리 강도 제고를 위한 C면취(모따기)에 대하여도 같은 방법으로 용이하게 절단할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 취성 소재의 절단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 측면 디펙트가 있는 절단 대상 기판에서의 초기 절단 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 절단 대상 기판 상에서의 완전 절단 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 는 C 면취 확보 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 기판 측면 디펙트에 대한 사례를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 완전 절단 방식에 따른 절단 가공면의 상태에 대한 일례이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 취성 소재의 절단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 취성 소재 절단 방법은, 레이저 가공 장치의 제어 장치에 필요한 데이터의 설정(S100), 절단 대상 기판의 준비(S200), 레이저 가공 장치의 레이저 발생장치를 이용한 레이저 조사 시작(S300), 기판의 가장자리의 측면에서 절단시작(S400), 기판 상의 타겟 경로를 따라 절단 진행(S500) 등의 과정을 포함한다.

먼저, 본 발명에서 언급되는 절단 대상 기판은 유리 기판, 반도체 웨이퍼, 사파이어 기판, 쿼츠소재 및 각종 유기물을 포함한 고형상의 깨지기 쉬운 재료로 된 기판 등 취성(brittle) 소재로 된 기판을 의미한다.

또한, 도면으로 도시하지 하지는 않았지만, 이하에서 언급되는 레이저 가공 장치는 절단 대상 기판을 로딩하기 위한 스테이지, 스테이지 상에 구비된 레이저 발생장치, 레이저 발생장치의 레이저를 기판으로 조사시키기 위한 광학계 등을 포함하며, 이외에도 이와 같은 레이저 가공 장치의 각 구성 요소를 제어하기 위한 제어장치, 사용자가 제어 데이터의 입력을 위한 사용자 인터페이스 등을 포함한다. 이와 같은 제어장치는 제어 신호를 발생시켜 스테이지나 광학계의 이송, 레이저 발생장치의 레이저 발생, 레이저가 기판 상에 포커싱 되도록 하기 위한 광학계의 제어 등을 수행할 수 있다. 이와 같은 레이저 발생장치는 잘 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같은 취성 소재의 절단 대상 기판을 직선, 원, 타원, 아크 등 임의의 타겟 경로를 따라 절단하기 위하여, 위와 같은 사용자는 사용자 인터페이스를 이용하여 레이저 가공 장치의 제어장치에 레이저 발생 조건 및 절단 대상 기판의 절단될 경로를 미리 지정한 타겟 경로 등 절단에 필요한 데이터 입력으로 절단 제어 조건을 설정한다(S100). 여기서 기판 절단에 사용될 레이저는 펨토초(femto second)의 짧은 극초단 펄스 형태의 레이저로서, 레이저 발생장치를 제어하여 해당 펨토초 레이저를 발생시키기 위해 레이저 파워, 레이저 빔 스팟 사이즈 등에 대한 데이터의 입력으로 레이저 발생 조건을 설정할 수 있으며, 도 2와 같이 타겟 경로를 따라 기판을 자동으로 절단하기 위하여 해당 타겟 경로에 대한 데이터의 입력 등에 의한 절단 타겟(target) 경로를 설정할 수 있다.

또한, 레이저 가공 장치의 스테이지 상에 유리 기판, 반도체 웨이퍼, 사파이어 기판 등 깨지기 쉬운 재료로 취성(brittle) 소재의 절단 대상 기판을 로딩(loading)한다(S200). 기판 로딩은 자동 또는 수동으로 이루어질 수 있다. 여기서 로딩되는 기판의 가장자리의 측면은 도 2와 같이 경면이 아닌 측면 디펙트가 있는 기판이 사용되어야 하는 것이 핵심이며, 특히, 하기하는 바와 같이 기판의 가장자리의 측면 중 레이저 조사 시작 위치는 경면이 아닌 측면 디펙트가 있어야 한다.

절단 제어 조건의 설정(S100)과 기판 로딩(S200)이 이루어진 후, 절단 제어 조건의 설정(S100)에서 입력된 레이저 발생 조건에 따라 레이저 가공 장치의 레이저 발생 장치에서 발생하는 레이저를 기판 상의 타겟 경로를 따라 기판에 조사하여 레이저가 조사된 기판의 해당 부분에서 완전 절단이 이루어지도록 가공한다(S300~S500).

절단 제어 조건의 설정(S100)에 따라 스테이지 또는 광학계를 이동시키면서, 도 2와 같이, 기판의 밖에서 레이저를 조사하기 시작한다(S300). 여기서, 펨토초(femto second)의 짧은 극초단 펄스 형태의 레이저를 사용하는 것이 바람직하며, 이외에도 짧은 조사 시간의 특성을 지닌 펄스 형태를 갖는 레이저(Nanosecond, Picosecond그리고 Femtosecond)가 사용될 수도 있다.

도 2와 같이, 기판의 가장자리의 측면 중 레이저 조사 시작 위치는 경면(polishing surface)이 아닌 측면 디펙트가 있어야 한다. 보통 기판의 가장자리 측면들은 래핑, 연삭, 연마 등의 공정으로 표면 요철 거칠기가 수십 마이크로미터 이내까지 치수, 형상, 다듬질 정도를 갖도록 경면 가공되어 작업에 사용되도록 하지만, 여기서는 이와 같은 경면 가공이 되지 않거나 경면 가공되더라도 표면 요철 거칠기가 수백 마이크로미터 이상(예, 레이저 빔 스팟 사이즈보다 큰 정도)의 치수, 형상, 다듬질 정도를 갖는 측면 요철 디펙트가 있는 기판이 사용되는 것이 바람직하다.

여기서 기판의 가장자리의 측면에 디펙트를 형성하는 방법으로서, 취성 소재 안에 크랙을 유발시키는 Nanosecond, Picosecond 그리고 Femtosecond 레이저 펄스를 이용해 가공을 하거나(도 5a, 5b, 5c 참조), 그라인딩처럼 유리면을 탁하게 하는 후처리 방법 또는 사포와 같은 재질로 유리면을 문질러 유리면을 탁하게 하는 방법 등이 사용될 수 있다.

이와 같은 가공의 디펙트의 사례로서 강화유리(예, 코닝 고릴라III, 40um DOL 강화) 기판에서, 도 5a와 같이 글라스 면취용 그라인딩 가공이나 사포 등으로 가공한 경우 기판 측면이 전체적으로 거친면을 확보할 수 있으며, 도 5b와 같이 펄스 레이저를 이용해 기판 내부에 레이저 포커싱하여 가공한 경우(Inter-volume에 가공) 기판의 측면이 될 목적 부분에 목적하는 디펙트를 확보할 수 있으며, 또한, 도 5c와 같이 펄스 레이저를 이용해 기판 외부에 레이저 포커싱하고 필라멘테이션(filamentation) 현상으로 가공한 경우에도 기판의 측면이 될 목적 부분에 목적하는 디펙트를 확보할 수 있다.

이와 같은 기판의 밖에서 레이저를 조사하기 시작하여(S300), 레이저가 기판의 레이저 조사 시작 위치에 다다르면, 해당 레이저 조사 부분의 측면 디펙트에서 크랙 발생으로 완전 절단이 이루어지기 시작하면서(S400), 이와 같은 기판의 레이저 조사 시작 위치를 거쳐 도 3과 같이 기판 상의 타겟 경로를 따라가 연속적으로 분리되는 완전 절단이 이루어지게 된다(S500). 이에 따라 타겟 경로를 따라 분리 절단된 목적물을 언로딩하면(꺼내면), 별도의 후속 브레이킹 공정없이 원하는 목적물을 획득할 수 있게 된다.

이와 같이 기판의 레이저 조사 시작 위치에서 측면에 디펙트가 있는 기판의 사용으로, 해당 측면 디펙트에서 완전 절단이 이루어지도록 기판의 측면 디펙트에서 절단이 시작하게 된다. 측면 디펙트가 없이 경면 가공된 경우에는 레이저 빔의 반사나 산란으로 인하여 레이저를 흡수하지 못하고 완전 절단이 시작되지 못하게 된다.

이때 도 3과 같이 레이저가 조사되는 부분에서 불규칙한 방향으로의 깨짐없이 완전 절단하기 위하여, 기판의 측면 디펙트에 조사되는 레이저 빔 스팟과 그에 인접한 기판 상의 레이저가 조사되는 부분의 레이저 빔 스팟(spot)이 중첩되면서 완전 절단이 시작되는 원리를 이용한다. 즉, 광학계나 스테이지 이동에 의해 레이저가 타겟 경로를 따라가는 속도는 중요하며, 레이저 펄스 빔의 적절한 중첩이 없으면 기판을 절단하는 에너지 부족으로 인접 부분에서의 완전 절단이 연속되지 못할 수도 있으며 내부에 개질되는 크랙만 발생하여 추후 힘을 가하여 절단하여야 하는 후속 공정이 필요하게 될 수도 있다. 또한, 레이저 파워가 과도하여 레이저 빔 스팟들의 중첩 시에 기판에서 발생되는 열은 음파 진동을 유발하고, 이와 같은 음파 진동은 취성 소재의 기판이 불규칙한 방향으로 깨지게 되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 레이저 파워, 레이저 이동속도에 따른 레이저 빔 스팟들의 연속적인 중첩(오버랩) 정도 등을 적절히 조절함으로써, 기판 상의 레이저가 조사되는 부분에서의 열발생이 최소화되도록 하여 음파 발생과 발생된 음파 진동의 전달을 제거 또는 억제하는 조건에서 공정을 진행하여 기판이 불규칙한 방향으로의 깨짐이 발생하지 않도록 한 원리를 이용하였다(S500).

이와 같은 취성 소재의 완전 절단 방법으로 절단된 기판의 절단면에 대한 현미경 사진을 도 6에 예시하였다. 여기서, 100~500 femtosecond laser, 반복률 50~200kHz, 파워 5~20W, 절단속도(스테이지나 광학계의 이송 속도) 10~300mm/sec의 조건에서 도 6의 절단면 사진과 같은 경면의 절단품질을 얻을 수 있었다. 이 경우 강성평가(Bending Strength, 4 point bending 실험)의 결과로 600MPa 이상의 강성 확보가 가능함을 확인하였다.

이와 같은 본 발명의 취성 소재의 절단 방법에 따라, 기판 상의 레이저가 조사되는 부분에 대한 냉각 없이도 열발생이 최소화되는 조건에서 공정을 수행하여 기판이 불규칙한 방향으로 깨짐없이 녹여 완전 절단할 수 있게 된다. 또한 절단 예정선 공정과 같은 크랙 형성을 위한 선공정 후에 힘을 가하여 브레이킹하는 후속공정 없이도 취성 소재를 완전 절단하게 되므로, 공정 비용을 줄이며 절단면의 품질을 높일 수 있다. 그리고, 원, 타원, 아크 형태 등 자유 곡선으로 된 타겟 경로는 물론 모서리 강도 제고를 위한 C면취(모따기)나 라운딩(도 4 참조)에 대하여도 같은 방법으로 용이하게 절단할 수 있다. C면취(모따기)나 라운딩에 있어서는 스테이지 또는 광학계를 적절히 움직여 레이저가 기판의 모서리를 향하도록 함으로써 측면 디펙트가 있는 기판의 모서리를 일정 길이 잘라내거나 둥글게 가공할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (7)

1. 레이저 가공 장치에서 취성 소재 절단 방법에 있어서,
   제어 장치에 레이저 발생 조건과 절단 대상 기판의 절단될 경로를 미리 지정한 타겟 경로를 설정하는 단계;
   스테이지 상에 상기 기판을 로딩하는 단계; 및
   상기 레이저 발생 조건에 따라 레이저 발생 장치에서 발생하는 레이저를 상기 타겟 경로를 따라 상기 기판에 조사하여 레이저가 조사된 상기 기판의 해당 부분에서 완전 절단이 이루어지는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 소재 절단 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기판의 가장자리의 측면 중 레이저 조사 시작 위치는 경면이 아닌 측면 디펙트가 있으며,
   상기 완전 절단이 이루어지는 단계에서,
   상기 기판의 상기 레이저 조사 시작 위치 밖에서 레이저를 조사하기 시작하고, 레이저가 조사되는 부분이 상기 레이저 조사 시작 위치를 거쳐 상기 기판 상의 상기 타겟 경로를 따라가도록 하는 것을 특징으로 하는 취성 소재 절단 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 기판 상의 레이저가 조사되는 부분에 대한 냉각 없이 이루어지고, 상기 기판 상의 레이저가 조사되는 부분에서 불규칙한 방향으로의 깨짐없이 녹여 완전 절단하는 것을 특징으로 하는 취성 소재 절단 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 기판 상의 레이저가 조사되는 부분에서의 열발생 최소화에 의한 음파 진동의 전달을 제거하여 불규칙한 방향으로의 깨짐이 발생하지 않도록 한 원리를 이용한 것을 특징으로 하는 취성 소재 절단 방법.
5. 제2항에 있어서,
   상기 레이저 조사 시작 위치에서의 상기 측면 디펙트가 레이저를 흡수하여 완전 절단이 이루어지도록 상기 기판의 상기 측면 디펙트 부분을 녹이기 시작하고, 상기 측면 디펙트에 조사되는 레이저 빔 스팟과 그에 인접한 상기 기판 상의 레이저가 조사되는 부분의 레이저 빔 스팟이 중첩되면서 완전 절단이 시작되는 원리를 이용한 것을 특징으로 하는 취성 소재 절단 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 기판은 유리 기판, 반도체 웨이퍼, 또는 사파이어 기판을 포함하는 취성 소재의 기판인 것을 특징으로 하는 취성 소재 절단 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 레이저는 펨토초 레이저인 것을 특징으로 하는 취성 소재 절단 방법.

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