KR20150108312A

KR20150108312A - 판형물의 가공 방법

Info

Publication number: KR20150108312A
Application number: KR1020150030276A
Authority: KR
Inventors: 노보루 다케다; 히로시 모리카즈; 시아오밍 추; 후미테루 다시노; 겐 도가시
Original assignee: 가부시기가이샤 디스코
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2015-09-25
Also published as: JP2015174127A; CN104923917A; CN104923917B; KR102232130B1; TWI626107B; TW201540412A; US9517962B2; US20150259235A1; JP6262039B2

Abstract

본 발명은 유리 기판 등의 판형물에 원하는 형상의 관통구를 효율적으로 형성할 수 있는 판형물의 가공 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
판형물에 원하는 형상의 관통구를 형성하는 판형물의 가공 방법으로서, 레이저 광선을 조사하는 집광기를 구비한 펄스 레이저 광선 조사 수단에 의해 판형물에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선의 집광점을 판형물의 내부에 위치 부여하여 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 조사함으로써, 판형물의 내부에 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 레이저 가공을 하는 관통구 윤곽 형성 공정과, 관통구 윤곽 형성 공정이 실시된 판형물의 형성해야 할 관통구의 윤곽에 대응하여 초음파 부여 수단의 초음파 진동자를 위치 부여하여 초음파를 작용시킴으로써, 레이저 가공된 형성해야 할 관통구의 윤곽을 파괴하여 판형물에 관통구를 형성하는 관통구 형성 공정을 포함한다.

Description

판형물의 가공 방법{PROCESSING METHOD OF PLATE-LIKE OBJECT}

본 발명은, 유리 기판 등의 판형물에 원하는 형상의 관통구를 형성하는 판형물의 가공 방법에 관한 것이다.

스마트폰 등의 조작 화면은 유리 기판에 의해 형성되어 있고, 화면을 보면서 각종 어플리케이션 프로그램을 선택할 수 있다. 이러한 조작 화면에 이용하는 유리 기판에는 스피커나 카메라를 설치할 목적으로 관통구가 형성되어 있다.

전술한 유리 기판에 관통구를 형성하는 방법으로는, 샌드 블래스트 처리를 함으로써 구멍을 형성하고, 그 구멍의 주위를 에칭 처리하는 방법이 하기 특허문헌 1에 기재되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2013-91582호

그런데, 샌드 블래스트 처리 및 에칭 처리 가공은, 장시간을 필요로 하여 생산성이 나쁘다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 사실을 감안하여 이루어진 것으로, 그 주요 기술 과제는, 유리 기판 등의 판형물에 원하는 형상의 관통구를 효율적으로 형성할 수 있는 판형물의 가공 방법을 제공하는 것이다.

상기 주요 기술 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의하면, 판형물에 원하는 형상의 관통구를 형성하는 판형물의 가공 방법으로서,

레이저 광선을 조사하는 집광기를 구비한 펄스 레이저 광선 조사 수단에 의해 판형물에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선의 집광점을 판형물의 내부에 위치 부여하여 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 조사함으로써, 판형물의 내부에 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 레이저 가공을 하는 관통구 윤곽 형성 공정과,

그 관통구 윤곽 형성 공정이 실시된 판형물의 형성해야 할 관통구의 윤곽에 대응하여 초음파 부여 수단의 초음파 진동자를 위치 부여하여 초음파를 작용시킴으로써, 레이저 가공된 형성해야 할 관통구의 윤곽을 파괴하여 판형물에 관통구를 형성하는 관통구 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 판형물의 가공 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 집광기의 집광 렌즈의 개구수(NA)는, 판형물의 굴절률(N)로 나눈 값이 0.05∼0.2가 되는 범위에서 설정되고,

상기 관통구 윤곽 형성 공정은, 펄스 레이저 광선의 집광점을 판형물의 내부에 위치 부여하여 조사함으로써, 판형물에 집광점과 펄스 레이저 광선이 입사된 측의 사이에 작은 구멍과 그 작은 구멍을 실드하는 비정질을 성장시킨 실드 터널을 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 형성한다.

바람직하게는, 상기 판형물은 석영 유리 기판이며, 집광기의 집광 렌즈의 개구수(NA)는 0.1∼0.025가 되는 범위에서 설정된다. 혹은, 상기 판형물은 사파이어 기판이며, 집광기의 집광 렌즈의 개구수(NA)는 0.1∼0.035가 되는 범위에서 설정된다.

본 발명에 의한 판형물의 가공 방법은, 레이저 광선을 조사하는 집광기를 구비한 펄스 레이저 광선 조사 수단에 의해 판형물에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선의 집광점을 판형물의 내부에 위치 부여하여 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 조사함으로써, 판형물의 내부에 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 레이저 가공을 하는 관통구 윤곽 형성 공정과, 그 관통구 윤곽 형성 공정이 실시된 판형물의 형성해야 할 관통구의 윤곽에 대응하여 초음파 부여 수단의 초음파 진동자를 위치 부여하여 초음파를 작용시킴으로써, 레이저 가공된 형성해야 할 관통구의 윤곽을 파괴하여 판형물에 관통구를 형성하는 관통구 형성 공정을 포함하고 있기 때문에, 종래의 가공 방법과 비교하여 단시간에 원하는 형상의 관통구를 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 판형물의 가공 방법에 의해 가공되는 판형물을 고리형의 프레임에 장착한 다이싱 테이프에 접착한 상태를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 판형물의 가공 방법을 실시하기 위한 가공 장치의 사시도.
도 3은 도 2에 나타내는 가공 장치에 장비되는 초음파 부여 수단의 정면도.
도 4는 도 2에 나타내는 가공 장치에 의해 실시하는 관통구 윤곽 형성 공정의 설명도.
도 5는 렌즈의 개구수(NA)와 판형물의 굴절률(N)과 개구수(NA)를 굴절률(N)로 나눈 값(S=NA/N)의 관계를 나타내는 도면.
도 6은 도 2에 나타내는 가공 장치에 의해 실시하는 개질층 형성 가공의 설명도.
도 7은 도 2에 나타내는 가공 장치에 의해 실시하는 관통구 형성 공정의 설명도.

이하, 본 발명에 의한 판형물의 가공 방법의 바람직한 실시형태에 관해 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1에는, 본 발명에 의한 판형물의 가공 방법에 의해 가공되는 판형물로서의 석영 유리 기판의 사시도가 나타나 있다. 도 1에 나타내는 판형물(10)은, 두께가 500 ㎛인 직사각형으로 형성되어 있고, 표면에는 형성해야 할 관통구의 윤곽(101) 및 가공 개시 위치(101a)가 표시되어 있다. 이와 같이 형성된 석영 유리 기판이나 사파이어 기판으로 이루어진 판형물(10)은, 고리형의 프레임(F)에 장착된 보호 테이프(T)의 표면에 접착된다.

도 2에는, 본 발명에 의한 판형물의 가공 방법을 실시하기 위한 가공 장치의 사시도가 나타나 있다. 도 2에 나타내는 가공 장치(2)는, 정지 베이스(20)와, 그 정지 베이스(20)에 화살표 X로 나타내는 X축 방향으로 이동 가능하게 배치되어 피가공물을 유지하는 척테이블 기구(3)와, 베이스(20) 상에 배치된 레이저 광선 조사 수단으로서의 레이저 광선 조사 유닛(4)을 구비하고 있다.

상기 척테이블 기구(3)는, 정지 베이스(20) 상에 X축 방향을 따라서 평행하게 배치된 한쌍의 안내 레일(31, 31)과, 그 안내 레일(31, 31) 상에 X축 방향으로 이동 가능하게 배치된 제1 슬라이딩 블록(32)과, 그 제1 슬라이딩 블록(32) 상에 X축 방향과 직교하는 화살표 Y로 나타내는 Y축 방향으로 이동 가능하게 배치된 제2 슬라이딩 블록(33)과, 그 제2 슬라이딩 블록(33) 상에 원통 부재(34)에 의해 지지된 지지 테이블(35)과, 피가공물 유지 수단으로서의 척테이블(36)을 구비하고 있다. 이 척테이블(36)은 다공성 재료로 형성된 흡착척(361)을 구비하고 있고, 도시하지 않은 흡인 수단을 작동시킴으로써 흡착척(361)의 상면인 유지면 상에 피가공물인 판형물(10)을 보호 테이프(T)를 통해 흡인 유지하도록 되어 있다. 또, 본 실시형태에서의 흡착척(361)에는, 상기 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)보다 약간 큰 여유 오목부(361a)가 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 척테이블(36)은, 원통 부재(34) 내에 배치된 도시하지 않은 펄스 모터에 의해 회전된다. 또, 척테이블(36)에는, 판형물(10) 등의 피가공물을 보호 테이프(T)를 통해 지지하는 고리형의 프레임(F)을 고정하기 위한 클램프(362)가 배치되어 있다.

상기 제1 슬라이딩 블록(32)은, 그 하면에 상기 한쌍의 안내 레일(31, 31)과 감합하는 한쌍의 피안내홈(321, 321)이 형성되어 있음과 함께, 그 상면에 Y축 방향을 따라서 평행하게 형성된 한쌍의 안내 레일(322, 322)이 설치되어 있다. 이와 같이 구성된 제1 슬라이딩 블록(32)은, 피안내홈(321, 321)이 한쌍의 안내 레일(31, 31)에 감합함으로써, 한쌍의 안내 레일(31, 31)을 따라서 X축 방향으로 이동 가능하게 구성된다. 본 실시형태에서의 척테이블 기구(3)는, 제1 슬라이딩 블록(32)을 한쌍의 안내 레일(31, 31)을 따라서 X축 방향으로 이동시키기 위한 제1 가공 이송 수단(37)을 구비하고 있다. 제1 가공 이송 수단(37)은, 상기 한쌍의 안내 레일(31과 31) 사이에 평행하게 배치된 수나사 로드(371)와, 그 수나사 로드(371)를 회전 구동시키기 위한 펄스 모터(372) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(371)는, 그 일단이 상기 정지 베이스(2)에 고정된 베어링 블록(373)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(372)의 출력축에 전동 연결되어 있다. 또, 수나사 로드(371)는, 제1 슬라이딩 블록(32)의 중앙부 하면에 돌출되어 설치된 도시하지 않은 암나사 블록에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(372)에 의해 수나사 로드(371)를 정회전 및 역회전 구동시킴으로써, 제1 슬라이딩 블록(32)은 안내 레일(31, 31)을 따라서 X축 방향으로 이동된다.

본 실시형태에서의 가공 장치(2)는, 상기 척테이블(36)의 X축 방향 위치를 검출하기 위한 X축 방향 위치 검출 수단(374)을 구비하고 있다. X축 방향 위치 검출 수단(374)은, 안내 레일(31)을 따라서 배치된 리니어 스케일(374a)과, 제1 슬라이딩 블록(32)에 배치되어 제1 슬라이딩 블록(32)과 함께 리니어 스케일(374a)을 따라서 이동하는 판독 헤드(374b)를 포함하고 있다. 이 X축 방향 위치 검출 수단(374)의 판독 헤드(374b)는, 본 실시형태에 있어서는 1 ㎛마다 1 펄스의 펄스 신호를 후술하는 제어 수단에 보낸다. 그리고 후술하는 제어 수단은, 입력한 펄스 신호를 카운트함으로써, 척테이블(36)의 X축 방향 위치를 검출한다. 또, 상기 제1 가공 이송 수단(37)의 구동원으로서 펄스 모터(372)를 이용한 경우에는, 펄스 모터(372)에 구동 신호를 출력하는 후술하는 제어 수단의 구동 펄스를 카운트함으로써, 척테이블(36)의 X축 방향 위치를 검출할 수도 있다. 또한, 상기 제1 가공 이송 수단(37)의 구동원으로서 서보 모터를 이용한 경우에는, 서보 모터의 회전수를 검출하는 로터리 인코더가 출력하는 펄스 신호를 도시하지 않은 제어 수단에 보내고, 제어 수단이 입력한 펄스 신호를 카운트함으로써, 척테이블(36)의 X축 방향 위치를 검출할 수도 있다.

상기 제2 슬라이딩 블록(33)은, 그 하면에 상기 제1 슬라이딩 블록(32)의 상면에 설치된 한쌍의 안내 레일(322, 322)과 감합하는 한쌍의 피안내홈(331, 331)이 형성되어 있고, 이 피안내홈(331, 331)을 한쌍의 안내 레일(322, 322)에 감합함으로써, Y축 방향으로 이동 가능하게 구성된다. 본 실시형태에서의 척테이블 기구(3)는, 제2 슬라이딩 블록(33)을 제1 슬라이딩 블록(32)에 설치된 한쌍의 안내 레일(322, 322)을 따라서 Y축 방향으로 이동시키기 위한 제2 가공 이송 수단(38)을 구비하고 있다. 제2 가공 이송 수단(38)은, 상기 한쌍의 안내 레일(322와 322) 사이에 평행하게 배치된 수나사 로드(381)와, 그 수나사 로드(381)를 회전 구동시키기 위한 펄스 모터(382) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(381)는, 그 일단이 상기 제1 슬라이딩 블록(32)의 상면에 고정된 베어링 블록(383)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(382)의 출력축에 전동 연결되어 있다. 또, 수나사 로드(381)는, 제2 슬라이딩 블록(33)의 중앙부 하면에 돌출되어 설치된 도시하지 않은 암나사 블록에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(382)에 의해 수나사 로드(381)를 정회전 및 역회전 구동시킴으로써, 제2 슬라이딩 블록(33)은 안내 레일(322, 322)을 따라서 Y축 방향으로 이동된다.

본 실시형태에서의 가공 장치(2)는, 상기 제2 슬라이딩 블록(33)의 Y축 방향 위치를 검출하기 위한 Y축 방향 위치 검출 수단(384)을 구비하고 있다. Y축 방향 위치 검출 수단(384)은, 안내 레일(322)을 따라서 배치된 리니어 스케일(384a)과, 제2 슬라이딩 블록(33)에 배치되어 제2 슬라이딩 블록(33)과 함께 리니어 스케일(384a)을 따라서 이동하는 판독 헤드(384b)를 포함하고 있다. 이 Y축 방향 위치 검출 수단(384)의 판독 헤드(384b)는, 본 실시형태에 있어서는 1 ㎛마다 1 펄스의 펄스 신호를 후술하는 제어 수단에 보낸다. 그리고 후술하는 제어 수단은, 입력한 펄스 신호를 카운트함으로써, 척테이블(36)의 Y축 방향 위치를 검출한다. 또, 상기 제2 가공 이송 수단(38)의 구동원으로서 펄스 모터(382)를 이용한 경우에는, 펄스 모터(382)에 구동 신호를 출력하는 후술하는 제어 수단의 구동 펄스를 카운트함으로써, 척테이블(36)의 Y축 방향 위치를 검출할 수도 있다. 또한, 상기 제2 가공 이송 수단(38)의 구동원으로서 서보 모터를 이용한 경우에는, 서보 모터의 회전수를 검출하는 로터리 인코더가 출력하는 펄스 신호를 도시하지 않은 제어 수단에 보내고, 제어 수단이 입력한 펄스 신호를 카운트함으로써, 척테이블(36)의 Y축 방향 위치를 검출할 수도 있다.

상기 레이저 광선 조사 유닛(4)은, 상기 정지 베이스(20) 상에 배치된 지지 부재(41)와, 그 지지 부재(41)에 의해 지지되어 실질적으로 수평으로 연장되는 케이싱(42)과, 그 케이싱(42)에 배치된 레이저 광선 조사 수단(5)과, 케이싱(42)의 전단부에 배치되어 레이저 가공해야 할 가공 영역을 검출하는 촬상 수단(6)을 구비하고 있다.

상기 레이저 광선 조사 수단(5)은, 케이싱(42) 내에 배치된 도시하지 않은 YAG 펄스 레이저 발진기 등의 펄스 레이저 발진기나 반복 주파수 설정 수단을 구비한 펄스 레이저 광선 발진 수단과, 케이싱(42)의 선단부에 배치되어 도시하지 않은 펄스 레이저 광선 발진 수단으로부터 발진된 펄스 레이저 광선을 집광하기 위한 집광 렌즈(511)를 구비한 집광기(51)를 구비하고 있다. 이 집광기(51)의 집광 렌즈(511)는, 개구수(NA)가 다음과 같이 설정되어 있다. 즉, 집광 렌즈(511)의 개구수(NA)는, 개구수(NA)를 단결정 기판의 굴절률(N)로 나눈 값이 0.05∼0.2의 범위로 설정된다(개구수 설정 공정). 또, 레이저 광선 조사 수단(5)은, 집광기(51)의 집광 렌즈(511)에 의해 집광되는 펄스 레이저 광선의 집광점 위치를 조정하기 위한 집광점 위치 조정 수단(도시하지 않음)을 구비하고 있다.

상기 레이저 광선 조사 수단(5)이 배치된 케이싱(42)의 선단부에 장착된 촬상 수단(6)은, 피가공물을 조명하는 조명 수단과, 그 조명 수단에 의해 조명된 영역을 포착하는 광학계와, 그 광학계에 의해 포착된 이미지를 촬상하는 촬상 소자(CCD) 등을 구비하고, 촬상한 화상 신호를 도시하지 않은 제어 수단에 보낸다.

상기 레이저 광선 조사 유닛(4)을 구성하는 케이싱(42)의 선단부에는, 초음파 부여 수단(7)이 배치되어 있다. 초음파 부여 수단(7)은, 도 3에 나타낸 바와 같이 초음파 진동자(71)를 구비하고 있고, 이 초음파 진동자(71)가 승강 수단(72)에 의해 상기 척테이블(36)의 유지면에 대하여 수직인 방향으로 이동되도록 되어 있다. 또, 초음파 진동자(71)의 하단에는, 상기 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)과 대응하는 진동 단자(711)가 설치되어 있다. 이 진동 단자(711)의 돌기폭(t)은, 본 실시형태에 있어서는 0.15 mm로 설정되어 있다. 또, 진동 단자(711)는 본 실시형태에 있어서는 경량이며 초음파 진동자(71)의 진동에 대하여 추종성이 양호한 티탄에 의해 형성되어 있다.

가공 장치(2)는 이상과 같이 구성되어 있고, 전술한 웨이퍼 지지 공정이 실시된 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 관통구를 형성하는 방법에 관해 설명한다. 또, 가공 장치(2)의 도시하지 않은 제어 수단을 구성하는 메모리에는, 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)의 좌표 및 가공 개시 위치(101a)가 저장된다. 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 관통구를 형성하기 위해서는, 우선 피가공물로서의 판형물(10)에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선의 집광점을 판형물(10)의 내부에 위치 부여하여 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 조사함으로써, 판형물(10)의 내부에 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 레이저 가공을 하는 관통구 윤곽 형성 공정을 실시한다. 이 관통구 윤곽 형성 공정을 실시하기 위해서는 우선, 전술한 도 2에 나타내는 가공 장치(2)의 척테이블(36) 상에 판형물(10)이 접착된 보호 테이프(T)측을 배치한다. 이 때, 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 흡착척(361)에 형성된 여유 오목부(361a)와 대응하는 위치에 위치 부여한다. 그리고, 도시하지 않은 흡인 수단을 작동시킴으로써, 보호 테이프(T)를 통해 판형물(10)을 흡착척(361) 상에 유지한다(웨이퍼 유지 공정).

전술한 웨이퍼 유지 공정을 실시했다면, 판형물(10)을 흡인 유지한 척테이블(36)은, 제1 가공 이송 수단(37)에 의해 촬상 수단(6)의 바로 아래에 위치 부여된다. 그리고, 촬상 수단(6) 및 도시하지 않은 제어 수단에 의해 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)의 가공 개시 위치(101a)를 검출하는 얼라이먼트 작업을 실행한다. 그리고, 제어 수단은 제1 가공 이송 수단(37) 및 제2 가공 이송 수단(38)을 작동시켜 척테이블(36)에 유지된 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)의 가공 개시 위치(101a)를 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이 레이저 광선 조사 수단(5)의 집광기(51)의 바로 아래에 위치 부여한다. 다음으로, 집광기(51)의 집광 렌즈(51a)에 의해 집광되는 펄스 레이저 광선(LB)의 집광점(P)이 판형물(10)의 두께 방향의 원하는 위치에 위치 부여되도록 도시하지 않은 집광점 위치 조정 수단을 작동시켜 집광기(51)를 광축 방향으로 이동시킨다(위치 부여 공정). 또, 본 실시형태에 있어서는, 펄스 레이저 광선의 집광점(P)은, 판형물(10)에서의 펄스 레이저 광선이 입사되는 측(표면측)과 반대측의 면(이면)에 인접하는 내측에 설정되어 있다.

전술한 바와 같이 위치 부여 공정을 실시했다면, 레이저 광선 조사 수단(5)을 작동시켜 집광기(51)로부터 펄스 레이저 광선(LB)을 조사하여 판형물(10)에 위치 부여된 집광점(P)과 펄스 레이저 광선이 입사된 측(표면측)의 사이에 작은 구멍과 그 작은 구멍을 실드하는 비정질을 형성시켜 실드 터널을 형성하는 실드 터널 형성 가공을 실시한다. 즉, 집광기(51)로부터 판형물(10)에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선(LB)을 조사하면서 제1 가공 이송 수단(37) 및 제2 가공 이송 수단(38)을 작동시켜 척테이블(36)을 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 이동시킨다. 그리고, 가공 개시 위치(101a)가 집광기(51)의 바로 아래에 도달하면, 펄스 레이저 광선의 조사를 정지함과 함께 제1 가공 이송 수단(37) 및 제2 가공 이송 수단(38)의 작동을 정지하여 척테이블(36)의 이동을 정지한다.

전술한 실드 터널 형성 가공을 실시함으로써, 판형물(10)의 내부에는, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 펄스 레이저 광선(LB)의 집광점(P)이 위치 부여된 이면(하면)측으로부터 조사면인 표면(상면)에 걸쳐 작은 구멍(111)과 그 작은 구멍(111)의 주위에 형성된 비정질(112)이 성장하고, 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 미리 정해진 간격(본 실시형태에 있어서는 10 ㎛의 간격(가공 이송 속도 : 500 mm/초)/(반복 주파수 : 50 kHz))으로 비정질의 실드 터널(110)이 형성된다. 이 실드 터널(110)은, 도 4의 (c) 및 (d)에 나타낸 바와 같이 중심에 형성된 직경이 φ1 ㎛ 정도인 작은 구멍(111)과 그 작은 구멍(111)의 주위에 형성된 직경이 φ10 ㎛인 비정질(112)로 이루어지고, 본 실시형태에 있어서는 서로 인접하는 비정질(112)끼리 이어지도록 형성되는 형태로 되어 있다. 또, 전술한 실드 터널 형성 가공에 있어서 형성되는 비정질의 실드 터널(110)은, 판형물(10)의 이면(하면)측으로부터 조사면인 표면(상면)에 걸쳐 형성할 수 있기 때문에, 웨이퍼의 두께가 두껍더라도 펄스 레이저 광선을 1회 조사하면 되기 때문에, 생산성이 매우 양호해진다.

전술한 실드 터널 형성 가공에 있어서, 양호한 실드 터널(110)을 형성하기 위해서는, 전술한 바와 같이 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)는, 개구수(NA)를 단결정 기판의 굴절률(N)로 나눈 값(S)이 0.05∼0.2의 범위로 설정되어 있는 것이 중요하다. 여기서, 개구수(NA)와 굴절률(N)과 개구수(NA)를 굴절률(N)로 나눈 값(S=NA/N)의 관계에 관해, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5에 있어서 집광 렌즈(51a)에 입사한 펄스 레이저 광선(LB)은 집광 렌즈(51a)의 광축에 대하여 각도(θ)를 갖고 집광된다. 이 때, sinθ가 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)이다(NA=sinθ). 집광 렌즈(51a)에 의해 집광된 펄스 레이저 광선(LB)이 단결정 기판으로 이루어진 판형물(10)에 조사되면, 판형물(10)을 구성하는 단결정 기판은 공기보다 밀도가 높기 때문에 펄스 레이저 광선(LB)은 각도(θ)로부터 각도(α)로 굴절되어 집광점(P)에 집광된다. 이 때, 집광 렌즈(51a)의 광축에 대한 각도(α)는, 판형물(10)을 구성하는 단결정 기판의 굴절률(N)에 따라 상이하다. 굴절률(N)은 (N=sinθ/sinα)이기 때문에, 개구수(NA)를 단결정 기판의 굴절률(N)로 나눈 값(S=NA/N)은 sinα가 된다. 따라서, sinα를 0.05∼0.2의 범위(0.05≤sinα≤0.2)로 설정하는 것이 중요하다.

이하, 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)를 단결정 기판의 굴절률(N)로 나눈 값(S=NA/N)이 0.05∼0.2의 범위로 설정된 이유에 관해 설명한다.

[실험 1-1]

판형물(10)로서의 두께가 500 ㎛인 사파이어(Al₂O₃) 기판(굴절률 : 1.76)을 이하의 가공 조건으로 실드 터널을 형성하여, 실드 터널의 불량 여부를 판정했다.

가공 조건

광원 : YAG 펄스 레이저

파장 : 1064 nm

반복 주파수 : 50 kHz

펄스폭 : 10 ps

평균 출력 : 2 W

집광 스폿 직경 : Φ10 ㎛

가공 이송 속도 : 500 mm/초

집광 렌즈의 개구수(NA) 실드 터널의 불량 여부 S=NA/N

0.05 불량 : 없음

0.1 약간 양호 0.057

0.15 양호 0.085

0.2 양호 0.114

0.25 양호 0.142

0.3 양호 0.170

0.35 양호 0.198

0.4 불량 0.227

0.45 불량 : 보이드가 생긴다

0.5 불량 : 보이드가 생긴다

0.55 불량 : 보이드가 생긴다

0.6 불량 : 보이드가 생긴다

이상과 같이 사파이어 기판(굴절률 : 1.76)에 있어서는, 펄스 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)가, 개구수(NA)를 단결정 기판의 굴절률(N)로 나눈 값(S=NA/N)을 0.05∼0.2의 범위로 설정함으로써, 실드 터널이 형성된다. 따라서, 사파이어 기판(굴절률 : 1.76)에 있어서는, 펄스 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)는, 0.1∼0.35로 설정하는 것이 중요하다.

[실험 1-2]

판형물(10)로서의 두께가 500 ㎛인 탄화규소(SiC) 기판(굴절률 : 2.63)을 다음 가공 조건으로 실드 터널을 형성하여, 실드 터널의 불량 여부를 판정했다.

가공 조건

광원 : YAG 펄스 레이저

파장 : 1064 nm

반복 주파수 : 50 kHz

펄스폭 : 10 ps

평균 출력 : 0.5 W

집광 스폿 직경 : φ10 ㎛

가공 이송 속도 : 500 mm/초

집광 렌즈의 개구수(NA) 실드 터널의 불량 여부 S=NA/N

0.05 불량 : 없음

0.1 불량 : 없음

0.15 약간 양호 0.057

0.2 양호 0.076

0.25 양호 0.095

0.3 양호 0.114

0.35 양호 0.133

0.4 양호 0.152

0.45 양호 0.171

0.5 양호 0.19

0.55 약간 양호 0.209

0.6 불량 : 보이드가 생긴다

이상과 같이 탄화규소(SiC) 기판(굴절률 : 2.63)에 있어서는, 펄스 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)를 단결정 기판의 굴절률(N)로 나눈 값(S=NA/N)을 0.05∼0.2의 범위로 설정함으로써, 실드 터널이 형성된다. 따라서, 탄화규소(SiC) 기판에 있어서는, 펄스 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)는, 0.15∼0.55로 설정하는 것이 중요하다.

[실험 1-3]

판형물(10)로서의 두께가 500 ㎛인 석영 유리 기판(굴절률 : 1.45)을 다음 가공 조건으로 실드 터널을 형성하여, 실드 터널의 불량 여부를 판정했다.

가공 조건

광원 : YAG 펄스 레이저

파장 : 1064 nm

반복 주파수 : 50 kHz

펄스폭 : 10 ps

평균 출력 : 2 W

집광 스폿 직경 : φ10 ㎛

가공 이송 속도 : 500 mm/초

집광 렌즈의 개구수(NA) 실드 터널의 불량 여부 S=NA/N

0.05 불량 : 없음 0.035

0.1 양호 0.069

0.15 양호 0.103

0.2 양호 0.138

0.25 양호 0.172

0.3 약간 양호 0.207

0.35 불량 : 보이드가 생긴다 0.241

0.4 불량 : 보이드가 생긴다 0.276

이상과 같이 석영 유리 기판(굴절률 : 1.45)에 있어서는, 펄스 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)를 단결정 기판의 굴절률(N)로 나눈 값(S=NA/N)을 0.05∼0.2의 범위로 설정함으로써, 실드 터널이 형성된다. 따라서, 석영 유리 기판(굴절률 : 1.45)에 있어서는, 펄스 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)는, 0.1∼0.25로 설정하는 것이 중요하다.

전술한 실험 1-1, 실험 1-2, 실험 1-3으로부터, 펄스 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)를 단결정 기판의 굴절률(N)로 나눈 값(S=NA/N)을 0.05∼0.2의 범위로 설정함으로써, 실드 터널이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 관통구 윤곽 형성 공정의 다른 실시형태에 관해 설명한다.

전술한 실드 터널 가공은, 펄스 레이저 광선을 1회 조사함으로써 표리면에 이르는 실드 터널을 형성할 수 있는 장점이 있고, 후술하는 관통구 형성 공정을 실시함으로써 형성된 실드 터널을 따라서 판형물에 관통구를 형성할 수 있다.

또한, 관통구 윤곽 형성 공정의 다른 실시형태로는, 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이 집광 렌즈(51a)의 개구수(NA)를 0.7∼0.9로 설정하여 집광점(P)을 판형물의 내부에 위치 부여하여 펄스 레이저 광선을 조사함으로써, 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이 판형물(10)의 내부에 파단의 기점이 되는 개질층(120)을 형성할 수 있다(개질층 형성 가공).

따라서, 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 개질층을 형성한 후에, 후술하는 관통구 형성 공정을 실시함으로써 형성된 개질층을 따라서 판형물에 관통구를 형성할 수 있다.

단, 펄스 레이저 광선을 1회 조사함으로써 형성되는 개질층의 깊이는 30 ㎛ 정도이기 때문에 판형물의 두께가 500 ㎛인 경우에는, 판형물의 두께 방향으로 6층 이상의 개질층을 형성함으로써 관통구를 형성할 수 있다. 두께가 500 ㎛인 사파이어 기판, 탄화규소 기판, 석영 유리 기판에 개질층을 형성하는 가공 조건은 동일하며, 이하의 가공 조건에 의해 가공된다.

가공 조건

집광 렌즈의 개구수(NA) : 0.8

광원 : YAG 펄스 레이저

파장 : 1064 nm

반복 주파수 : 50 kHz

펄스폭 : 10 ps

평균 출력 : 2 W

집광 스폿 직경 : φ10 ㎛

가공 이송 속도 : 500 mm/초

샷수 : 6회

전술한 관통구 윤곽 형성 공정을 실시했다면, 관통구 윤곽 형성 공정이 실시된 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)에 대응하여 초음파 부여 수단의 초음파 진동자를 위치 부여하여 초음파를 작용시킴으로써, 상기 실드 터널 형성 가공 또는 개질층 형성 가공 등의 레이저 가공된 형성해야 할 관통구의 윤곽을 파괴하여 판형물에 관통구를 형성하는 관통구 형성 공정을 실시한다. 이 관통구 형성 공정을 실시하기 위해서는, 제1 가공 이송 수단(37) 및 제2 가공 이송 수단(38)을 작동시켜, 척테이블(36)을 초음파 부여 수단(7)에 의한 가공 영역으로 이동시키고, 척테이블(36)에 유지된 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 초음파 진동자(71)의 바로 아래에 위치 부여한다. 그리고, 승강 수단(72)을 작동시켜 초음파 진동자(71)를 하강하고, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이 진동 단자(711)를 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)과 대응시켜 접촉시킴과 함께, 초음파 부여 수단(7)을 작동시켜 초음파 진동자(71)를 초음파 진동시킴으로써, 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)에 대응하여 초음파 진동을 작용시킨다. 그 결과, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 형성된 실드 터널(110) 또는 개질층(120)이 파괴되어, 관통구(130)가 형성된다. 이 때, 척테이블(36)의 흡착척(361)에는 상기 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)보다 약간 큰 여유 오목부(361a)가 형성되어 있기 때문에, 판형물(10)이 접착되어 있는 보호 테이프(T)가 약간 여유 오목부(361a)에 침입한다. 또, 척테이블(36)의 흡착척(361)에 여유 오목부(361a)가 형성되지 않은 경우에는, 스테인리스 강판의 상면에 판형물(10)에 표시된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)보다 약간 큰 여유 오목부를 형성하고, 스테인리스 강판의 상면에 실리콘 수지를 2∼3 mm의 두께로 피복한 지지 기판을 척테이블(36)의 흡착척(361)형으로 배치하여 상기 관통구 형성 공정을 실시해도 좋다.

또, 상기 관통구 형성 공정의 가공 조건은, 다음과 같이 설정되어 있는

관통구 형성 공정의 가공 조건 :

초음파 진동자 : 티탄산지르콘산납(PZT)

출력 : 25 W

반복 주파수 : 20 kHz

진폭 : 15 ㎛

진동 단자의 재질 : 티탄

진동 단자의 돌기폭 : 0.15 mm

이상과 같이, 전술한 본 실시형태에서의 판형물의 가공 방법은, 레이저 광선을 조사하는 집광기(51)를 구비한 펄스 레이저 광선 조사 수단(5)에 의해 판형물(10)에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선의 집광점을 판형물(10)의 내부에 위치 부여하여 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 조사함으로써, 판형물(10)의 내부에 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 따라서 실드 터널(110) 또는 개질층(120) 등의 레이저 가공을 하는 관통구 윤곽 형성 공정과, 그 관통구 윤곽 형성 공정이 실시된 판형물(10)의 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)에 대응하여 초음파 부여 수단(7)의 초음파 진동자(71)를 위치 부여하여 초음파를 작용시킴으로써, 실드 터널(110) 또는 개질층(120) 등의 레이저 가공된 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)을 파괴하여 판형물(10)에 관통구(130)를 형성하는 관통구 형성 공정을 포함하고 있기 때문에, 상기 종래의 가공 방법과 비교하여 단시간에 원하는 형상의 관통구를 형성할 수 있다.

또, 전술한 실시형태에 있어서는 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)이 판형물(10)에 미리 형성되어 있는 예에 관해 설명했지만, 형성해야 할 관통구의 윤곽(101)이 형성되지 않은 판형물에 있어서도 본 발명을 실시할 수 있다. 즉, 판형물에 형성해야 할 관통구의 윤곽의 좌표를 제어 수단의 메모리에 저장해 두고, 판형물의 외측변으로부터 미리 정해진 위치를 레이저 광선을 조사하는 가공 개시 위치로서 윤곽의 좌표에 따라서 레이저 광선을 조사한다.

2 : 가공 장치 3 : 척테이블 기구
36 : 척테이블 37 : 제1 가공 이송 수단
38 : 제2 가공 이송 수단 4 : 레이저 광선 조사 유닛
5 : 레이저 광선 조사 수단 51 : 집광기
6 : 촬상 수단 7 : 초음파 부여 수단
71 : 초음파 진동자 711 : 진동 단자
10 : 판형물 F : 고리형의 프레임
T : 보호 테이프

Claims

판형물에 원하는 형상의 관통구를 형성하는 판형물의 가공 방법으로서,
레이저 광선을 조사하는 집광기를 구비한 펄스 레이저 광선 조사 수단에 의해 판형물에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선의 집광점을 판형물의 내부에 위치 부여하여 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 조사함으로써, 판형물의 내부에 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 레이저 가공을 하는 관통구 윤곽 형성 공정과,
상기 관통구 윤곽 형성 공정이 실시된 판형물의 형성해야 할 관통구의 윤곽에 대응하여 초음파 부여 수단의 초음파 진동자를 위치 부여하여 초음파를 작용시킴으로써, 레이저 가공된 형성해야 할 관통구의 윤곽을 파괴하여 판형물에 관통구를 형성하는 관통구 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 판형물의 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 집광기의 집광 렌즈의 개구수(NA)는, 판형물의 굴절률(N)로 나눈 값이 0.05∼0.2가 되는 범위에서 설정되고,
상기 관통구 윤곽 형성 공정은, 펄스 레이저 광선의 집광점을 판형물의 내부에 위치 부여하여 조사함으로써, 판형물에 집광점과 펄스 레이저 광선이 입사된 측의 사이에 작은 구멍과 상기 작은 구멍을 실드하는 비정질을 성장시킨 실드 터널을 형성해야 할 관통구의 윤곽을 따라서 형성하는 것인 판형물의 가공 방법.
제2항에 있어서, 판형물은 석영 유리 기판이며, 상기 집광기의 집광 렌즈의 개구수(NA)는 0.1∼0.025가 되는 범위에서 설정되는 것인 판형물의 가공 방법.
제2항에 있어서, 판형물은 사파이어 기판이며, 상기 집광기의 집광 렌즈의 개구수(NA)는 0.1∼0.035가 되는 범위에서 설정되는 것인 판형물의 가공 방법.