KR20160010397A

KR20160010397A - 평판 기판의 레이저-기반 기계가공을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20160010397A
Application number: KR1020157022066A
Authority: KR
Inventors: 리하르트 그룬트뮐러; 헬무트 쉴링
Original assignee: 코닝 레이저 테크놀로지스 게엠베하
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2016-01-27
Also published as: JP6496248B2; US20190352215A1; KR102165804B1; EP2945770B1; KR20160010396A; US11028003B2; JP6422033B2; EP2945770A1; JP2016509540A; LT2945769T; US20150360991A1; EP2754524B1; EP2754524A1; CN105209218A; WO2014111385A1; TWI639479B; US11345625B2; US10421683B2; TW201436914A; JP2016513024A

Abstract

기판을 다수의 섹션들로 분리하기 위해, 웨이퍼 또는 유리 요소와 같은 평판 기판(1)을 레이저-기반 기계가공하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 평판 기판(1)을 기계가공하기 위한 레이저(3)의 레이저 빔(2a, 2b)을 상기 평판 기판으로 지향시키고, 상기 레이저(3)의 빔 경로에 위치된 광학 장치(6)에 의해, 상기 빔 방향 따라 본 바와 같이 확장되는 레이저 빔 초점 라인(2b)이 상기 광학 장치 상에 비추어진(shone) 레이저 빔(2a)으로부터 상기 광학 장치(6)의 빔 출력측에 형성되며, 상기 평판 기판(1)이 상기 레이저 빔 초점 라인(2b)에 위치됨으로써, 빔 방향에서 본 바와 같이 확장되는 상기 레이저 빔 초점 라인(2b)의 섹션(2c)을 따라 상기 평판 기판(1)의 내부에서 그 기판의 재료에 유도 흡수가 생성되고, 상기 유도 흡수에 의해, 확장 섹션(2c)을 따라 기판의 재료에 유도된 크랙 형성이 생성된다.

Description

평판 기판의 레이저-기반 기계가공을 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR LASER-BASED MACHINING OF FLAT SUBSTRATES}

본 발명은 바람직하게 청구항 1의 포괄적인 부분에 따른 평판 기판의 레이저-기반 기계가공을 위한 방법 및 대응하는 장치와 그 발명에 따른 방법 및 장치의 사용에 관한 것이다. 그러한 방법 및 장치는 특히 반도체 웨이퍼, 유리 요소 등(특히 깨지기 쉬운 취성 재료(brittle material))과 같은 평판 기판을 다수의 조각들로 분리하는(웨이퍼 또는 유리 요소들을 절삭(dicing)하는) 것을 목적으로 한다. 좀더 상세히 기술하는 바와 같이, 통상 그러한 재료들이 본질적으로 투과되는 파장을 갖는 펄스 레이저가 사용된다.

레이저 수단에 의해 그와 같은 재료를 분리하기 위한 장치 및 방법은 이미 종래기술로 공지되어 있다.

어느 한 경우(예컨대, DE 10 2011 000 768 A1), 레이저들의 파장 또는 파워로 인해 그러한 재료에 의해 크게 흡수되거나 또는 첫 상호작용(예컨대 전하 캐리어(charge carrier) 생성에 의한 가열; 유도 흡수) 후 그 재료가 크게 흡수하게 하고, 이후 그러한 재료를 제거할 수 있는 레이저를 사용할 수 있다. 많은 재료들에 있어, 이들 방법들은 예컨대 제거 동안 입자 형성으로 인한 오염; 입열(heat input)로 인한 절단 에지의 미소 균열; 절단 에지의 용융된 가장자리; 그 재료 두께에 걸친 불균일한 잘린 자국을 가질 수 있는 단점이 있다(각기 다른 깊이의 각기 다른 폭을 가짐; 예컨대, 거기에는 웨지(wedge)형 절단 노치(notche)가 있을 수 있다). 재료가 증발 또는 기화되어야 하기 때문에, 높은 평균 레이저 파워가 이용될 수 있어야 한다.

또 다른 경우, 타겟된 레이저-유도 크랙 형성을 통해 이루어지는 취성 재료 분리를 위한 공지의 레이저 방법이 있다. 예컨대, 제놉틱(Jenoptik)은 처음에 레이저에 의해 트랙의 표면이 크게 가열되고, 이후 곧바로 그 트랙이 빠르게 냉각(예컨대 워터 제트에 의해)되고, 이에 의해 생성된 열 응력이 크랙의 형성을 야기하여, 그 재료의 두께에 걸쳐 상기 크랙이 전파되어(기계적 응력) 상기 재료를 분리시키는 방법을 제공한다.

더욱이, 재료의 내부에 초점이 생성될 수 있도록, 재료가 상당히 투명한 파장에서 레이저를 사용하는 방법이 있다. 레이저의 세기는 조사된(irradiated) 기판 재료의 이러한 내부 초점에 내부 손상이 일어날 정도로 높아야 한다.

상기 마지막에 언급된 방법은 그러한 유도된 크랙 형성이 소정 깊이의 지점에서, 또는 표면 상에서 이루어지며, 이에 따라 추가의 기계적 및/또는 열적으로 유도된 크랙 전파를 통해서만 그 재료의 전체 두께가 분리된다는 단점이 있다. 크랙이 불균일하게 확산하려는 경향이 있기 때문에, 대개 그러한 분리 표면은 상당히 거칠고 이후 자주 기계가공되어야 한다. 게다가, 그러한 동일한 공정이 각기 다른 깊이에서 반복적으로 채용되어야 한다. 이는 결국 그러한 대응하는 요인에 의해 공정률을 느리게 한다.

따라서, 그러한 종래기술로부터 비롯된 본 발명의 과제는 가능하면 입자 형성 없이, 용융된 에지 없이, 에지에 최소의 크랙 형성을 가지면서, 절단된 에지에 심한 잘린 자국(이에 따른 재료 손실)이 없이 평판 기판들, 특히 취성 재료들이 기계가공될 수 있는, 특히 가능하면 평탄하게 그리고 높은 공정률로 완벽하게 분리될 수 있는 방법(및 대응하는 장치)을 이용할 수 있게 하는 것이다.

이러한 문제는 청구항 1에서와 같은 방법 및 청구항 11에서와 같은 장치에 의해 해결된다. 그러한 방법 또는 장치의 유효 디자인 변경 및/또는 다른 전개는 각각의 경우 종속 청구항으로부터 취해질 수 있다. 본 발명에 따른 중요한 적용은 청구항 16에 기술된다. 본 발명에 따라 이루어진 유리 물품은 청구항 17 및 18에 기술된다.

본 발명은 우선 이하 통상적으로 기술되고, 이후 다수의 실시예의 형태로 상세히 기술된다. 그러한 개별 실시예들을 함께 조합하여 나타낸 형태들은 본 발명의 범주 내에서만 행해지지 않고, 모두 실시되어야 한다. 특히, 개별 형태들은 또한 생략될 수 있거나 또는 그러한 동일한 실시예에 제공된 또는 심지어 다른 실시예들에 제공된 다른 형태들과 다른 형태로 조합될 수 있다. 또한, 그들 자신에 의한 실시예들의 개별 형태들은 종래기술보다 진보된 다른 장점으로 나타날 수 있다.

우선, 본 발명의 기초(발명에 따라 기판을 개별 부품으로 분리하는 메카니즘)가 이하 기술된다.

본 발명에 따른 분리 방법은 적절한 레이저 옵틱(laser optic; 이하 '광학 장치'라고도 부르는)에 의해 레이저 펄스당 레이저 초점 라인(초점과 대조)을 생성한다. 상기 초점 라인은 레이저와 기판의 재료간 상호작용의 영역을 결정한다. 만약 초점 라인이 분리될 재료에 드리워지(fall)면, 본 발명에 따른 그러한 초점 라인을 따라 크랙킹(cracking) 영역을 생성하는 재료와 상호 작용이 일어나도록 레이저 파라미터가 선택될 수 있다. 여기서 중요한 레이저 파라미터들은 레이저의 파장, 레이저의 펄스 지속시간(pulse duration), 레이저의 펄스 에너지, 및 가능한 경우 레이저의 편광이 있다.

그러한 재료와 레이저 광의 상호작용에 있어서, 바람직하게 아래와 같은 본 발명에 따른 것들이 특정될 것이다:

1) 바람직하게 레이저의 파장(1)은 재료가 본질적으로 이러한 파장에서 투명해지도록 선택된다(특히, 예컨대: 재료 깊이의 밀리미터당 흡수 << 10% =>

<<1/cm;

=Lambert-Beer 흡수 계수).

2) 바람직하게 레이저의 펄스 지속시간은 상호작용 기간 동안 바깥쪽으로 상호작용 영역으로부터 상당한 열 전달(열 확산)이 일어나지 않도록 선택된다(특히, 예컨대: τ << d²/α, d=초점 직경, τ=레이저 펄스 지속시간; α=재료의 열 확산 상수).

3) 바람직하게 레이저의 펄스 에너지는 상호작용 영역에서의 세기, 이에 따른 초점 라인에서의 세기가 그 초점 라인을 따라 재료의 로컬 가열을 야기하여, 이후 재료에 유도된 열 응력의 결과로 초점 라인을 따라 크랙 형성을 야기하는 유도 흡수를 생성하도록 선택된다.

4) 레이저의 편광은 유도 흡수 동안 재료의 내부에서의 상호작용 및 표면에서의 상호 작용(반사율) 모두에 영향을 준다. 그러한 유도 흡수는 유도된 자유 전하 캐리어(통상 전자)를 통해, 또는 열 자극 후, 다광자 흡수 및 내부 광 이온화를 통해, 또는 다이렉트(direct) 전계 이온화(그러한 광의 전계 강도가 직접적으로 전자 결합을 파괴)를 통해 일어날 수 있다. 그와 같은 전하 캐리어의 생성은 예컨대 켈디시(Keldysh) 파라미터(기준)를 통해 평가될 수 있으나, 본 발명에 따른 방법의 사용에 있어 어떠한 역할도 하지 않는다. 이는 단지 레이저 광의 추가의 흡수/전달이 편광에 의존하고, 따라서 예컨대 단지 체험적인 근거에 따라 적절한 옵틱(위상판)에 의한 관련 재료의 분리에 호의적인 편광이 선택될 것이다. 따라서, 만약 그 재료가 광학적으로 균등하지 않고, 오히려, 예컨대 복굴절일 경우, 그 재료에서의 레이저 광의 전파 또한 그 편광에 영향을 줄 것이다. 그래서, 그러한 편광 및 편광 벡터의 방위는 원할 경우 2개가 아닌 단지 하나의 초점 라인만이 형성되도록 선택될 수 있다(통상적인 그리고 특정 빔). 이는 광학적으로 균등한 재료의 경우에는 역할하지 않는다.

5) 더욱이 그러한 세기는, 제거나 용융이 고체 바디의 프레임워크(framework) 내에서 일어나지 않고, 단지 크랙만 형성되도록 상기 펄스 지속시간, 펄스 에너지, 및 초점 라인 직경을 통해 선택될 것이다. 유리 또는 투명 크리스탈과 같은 통상의 재료에 있어서, 이러한 요건은 서브나노초(subnanosecond) 범위, 특히 그에 따라 예컨대 10과 100 ps 사이의 펄스 지속시간을 갖는 펄스 레이저에 대부분 쉽게 만족한다. 이와 관련하여, 도 1 참조: 약 1 ㎛의 눈금 길이에 걸쳐(0.5 내지 5.0 ㎛, 도면의 중간 참조), 유리와 같은 열등한 열전도체의 경우, 열전도는 서브마이크로초(submicrosecond) 영역까지 영향을 주고(2개의 라인간 영역 참조), 반면 크리스탈 및 반도체와 같은 양호한 열전도체의 경우, 열전도는 이미 나노초로 유효하게 개시하고 있다.

본 발명에 따르면, 기판 평면에 수직으로 확장된 크랙 형성을 위한 중요한 프로세스는 그러한 재료의 구조적인 강도(MPa의 압축 강도)를 초과하는 기계적인 응력이다. 여기서 그러한 기계적인 강도는 신속한 불균일(inhomogeneous) 가열(열적으로 유도된 응력)을 통해 레이저 에너지에 의해 생성된다. 본 발명에 따른 크랙 형성은 기판의 표면 상에서 초점 라인에 대한 기판의 적절한 포지셔닝을 가정하여 자연스럽게 시작하는데, 그 이유는 거기서 변형이 최고이기 때문이다. 이는 그 표면 상의 절반의 공간에 힘을 받을 수 있는 물질이 없기 때문이다. 이러한 논점은, 경화된 또는 프리스트레스(prestress)된 층의 두께가 초점을 따라 갑자기 가열된 재료의 직경에 비해 크기만 하면, 경화된 또는 프리스트레스된 표면을 갖는 재료에 적한된다.(이와 관련하여, 이하 기술된 도 2 참조)

그와 같은 상호작용은, 1) 바람직하게 그러한 재료의 표면 상에서 또는 그 내부에서 용융이 일어나지 않고, 2) 바람직하게 제거시 입자 형성이 그 표면 상에 일어나지 않도록 선택된 초점 라인 직경에 대한 레이저 펄스 지속시간 및 그 작용(cm²당 줄(joule)의 에너지 밀도)을 통해 확립될 수 있다. 다수의 유도 흡수 타입은 본질적으로 투명한 재료로 알려져 있다:

a) 낮은 밴드 갭(band gap)을 갖는 반도체 및 절연체에 있어서, 레이저 펄스 지속시간의 제1마찰 내에서의 신속한 가열은 추가의 전하 캐리어의 열 자극을 이끌고, 이에 따라 이후 보다 높은 흡수를 야기하여, 그 결과 예컨대 낮은 나머지 흡수를 통해 초점 라인에서의 레이저 흡수의 다량의 부착물을 야기한다(레이저 기계가공 전의 온도에서 이미 열적으로 자극된 전하 캐리어 또는 그 재료에서의 오염의 자국으로 인해).

b) 절연체에 있어서, 만약 거기에 충분한 광 세기가 가해지면, 광 흡수는 그 재료의 원자와 비선형 광 상호작용을 통해 이온화를 이끌고 이에 따라 이후 자유 전하 캐리어의 생성을 야기하여, 그 결과 레이저 광의 보다 높은 선형 흡수를 야기한다.

원하는 분리 표면 형태의 생성이 이하 기술된다(그 기판 표면 상의 라인을 따라 레이저 빔과 기판간 상대적인 동작).

본 발명에 따른 그러한 재료와의 상호작용은 레이저 펄스당 초점 라인을 따라 재료에서의 단일의 연속(기판 표면에 수직인 방향에서 본 것과 같이) 크랙킹 영역을 생성한다. 그러한 재료의 완전한 분리에 있어서, 일련의 이들 크랙킹 영역들은 그 재료의 원하는 크랙킹 표면/윤곽(contour)에 그 크랙의 측면 연결을 야기시키는 레이저 펄스당 원하는 분리 라인을 따라 서로 아주 가깝게 확립된다. 이를 위해, 상기 레이저는 특정 반복률로 펄스된다. 레이저 스폿(spot)의 라인을 따라 그 표면 상에 원하는 방위의 크랙 형성이 보장되도록 그 스폿 크기 및 공간이 선택된다. 상기 원하는 분리 표면에 따른 개별 크랙킹 영역들의 그러한 공간은 레이저 펄스에서 레이저 펄스까지의 시간 범위에서 상기 재료에 대한 초점 라인의 이동으로부터 야기된다. 이와 관련하여, 이하 기술된 도 9 참조.

상기 재료에 그러한 원하는 분리 표면을 생성하기 위해, 펄스 레이저 광이 기판 평면에 평행하게 이동(그리고 선택적으로 또한 거기에 수직인)될 수 있는 광학 장치에 의해 그 고정 재료에 걸쳐 이동될 수 있거나, 또는 그 재료 자체가 그러한 원하는 분리 라인이 형성되도록 고정식 광학 장치에 대해 이동가능 홀더에 의해 이동된다. 상기 재료의 표면에 대한 초점 라인의 방위는, 그 표면에 수직이든 또는 그 표면에 90°-β의 각도이든, 변하지 않고 선택되거나, 또는 원하는 분리 라인을 따라 회전가능 레이저 빔 경로 및/또는 회전가능 광학 장치(이하 간단히 '옵틱'이라고도 부르는)에 의해 변경될 수 있다.

전체적으로, 그러한 원하는 분리 라인의 형성을 위한 초점 라인은 5개의 분리적으로 이동가능한 축까지 그 재료를 통해 안내될 수 있다. 즉, 상기의 5개의 축은 상기 재료에 초점 라인의 입구 지점을 정하는 2개의 공간 축(x, y), 입구 지점부터 상기 재료까지의 초점 라인의 방위를 정하는 2개의 각도 축(θ(theta), φ(phi)), 및 그 초점 라인이 그 표면에 입구 지점으로부터 그 재료 내로 얼마나 깊이 관통되는지를 정하는 추가의 공간 축(z'; x, y에 반드시 직각일 필요는 없는)이다. 데카르트 좌표(x, y, z)에서의 그러한 배열 형태는 또한 예컨대 이하 기술된 도 5a 및 6 참조. 기판 표면 상에 그 레이저 빔의 수직 입사의 경우(β=0°), z = z'이다.

원칙적으로, 거기에는 그러한 옵틱 및 레이저 파라미터로부터 비롯되는 한계가 있다. 즉, 각도(θ 및 φ)의 방위는 단지 재료에서의 레이저 광의 회절이 이를 허용하는 범위에서만 발생하고(그 재료의 총 반사의 각도보다 작은), 그 레이저 초점 라인의 투과 깊이는 이용가능한 레이저 펄스 에너지에 의해 본 발명에 따른 크랙킹 영역을 생성할 수 있는 단지 하나의 초점 라인의 길이만을 형성하는 대응적으로 선택된 레이저 옵틱 및 상기 이용가능한 레이저 펄스 에너지에 의해 제한된다.

모두 5개의 축에서 그 초점 라인을 이동시키기 위한 하나의 가능한 디자인은 예컨대 구동된 회전식 틸팅 테이블(tilting table) 상에서 좌표 x, y로 그 재료를 이동시키는 것으로 이루어질 수 있으며, 반면 그 초점 라인은 좌표 x', y'로 그 렌즈 중심에 대해 렌즈의 영역에서 비-텔레센트릭(non-telecentric) F-θ 렌즈 및 갈보스캐너(galvoscanner)를 통해 이동되고 각도 θ 및 φ로 틸팅된다. 상기 좌표 x 및 x'와 y 및 y'는 상기 초점 라인이 그 재료 표면 상의 원하는 입사 지점에 조준되도록 계산될 수 있다. 상기 갈보스캐너 및 F-θ 렌즈는 상기 재료에 수직인 초점 라인의 위치(상기 재료에서의 초점 라인의 깊이)를 결정하는 상기 회전식 틸팅 테이블의 x, y 평면에 직각인 z축에 추가로 부가된다.

다수의 조각으로 기판을 분리하는 마지막 단계가 이하 기술된다(분리 또는 절삭).

생성된 크랙킹 표면/윤곽에 따른 재료의 분리는 그 재료의 고유 응력을 통해 또는 예컨대 기계적인(응력) 또는 열적인(불균일 가열/냉각) 유도된 힘을 통해 일어난다. 본 발명에 따르면, 재료가 제거되지 않기 때문에, 원칙적으로 처음에는 그 재료에 연속의 갭이 아니라, 크게 왜곡된 분열면(미소 균열)만이 있으며, 이는 인터락(interlock)되어 어떻게든지 계속 브릿지(bridge)에 의해 연결된다. 그러한 나중에 유도된 힘을 통해, 남아있는 브릿지들은 측면 크랙 성장(기판 평면에 평행하게 일어나는) 및 인터락킹(interlocking) 파열을 통해 분리되고, 이에 따라 그 재료는 분리 표면을 따라 분리될 수 있다.

이하 특허 청구항에 의해 본 발명에 따른 방법 및 장치의 중요한 형태가 기술된다.

청구항 1은 본 발명에 따른 방법의 중요한 형태를 기술하며, 청구항 11은 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 이루어진 장치의 중요한 구성요소를 기술한다.

청구항 1 및 11에 기술되고 광학 장치에 의해 생성된 레이저 빔 초점 라인은 상기 및 하기 모두에서 간단히 대안적으로 레이저 빔의 초점 라인이라고도 부른다. 본 발명에 따르면, 기판은, 그 기판 평면에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른(기판 평면에 수직으로 확장된 초점 라인을 따라 유도 흡수) 크랙 형성을 통해 다수의 조각들로 분리되거나 또는 절삭된다. 따라서, 그러한 본 발명에 따른 크랙 형성은 기판 내로 그 기판 평면에 수직으로 또는 상기 기판의 내부로 발생한다(세로 크랙 형성). 이미 기술한 바와 같이, 원칙적으로 다수의 개별 레이저 빔 초점 라인들은 서로 그 기판의 개별 조각들을 분리할 수 있도록 그 기판 표면 상에 라인을 따라 기판 내로 유도되어야 한다. 이를 위해, 상기 기판이 레이저 빔 또는 광학 장치에 대해 기판 평면에 평행하게 이동되거나, 또는 반대로 그 광학 장치가 고정된 기판에 대해 기판 평면에 평행하게 이동될 수 있다.

장점적으로, 본 발명에 따르면, 종속 방법 또는 장치 청구항들 중 적어도 하나의 형태가 추가적으로 실시된다. 이러한 경우, 다수의 종속 청구항들의 형태들은 또한 소정의 조합으로 실시될 수 있다.

만약 청구항 2에 따른 방법이 실시될 경우, 기판 내부의 유도 흡수의 확장 세그먼트(extended segment)는 그 기판의 한 표면부터 그 기판의 규정된 깊이에 이르기까지(또는 심지어 그 넘어)로 확장한다. 그러한 유도 흡수의 확장 세그먼트는 어느 한 표면에서 다른 표면까지 그 전체 기판 깊이를 포함할 수 있다. 또한 기판 내부에서만 그 유도 흡수의 세로 확장 세그먼트를 생성할 수도 있다(포함되는 그 기판 표면 없이).

다른 장점적으로 실시가능한 형태가 청구항 3으로부터 취해질 수 있다(이하 기술된 도 3b 참조). 따라서 상기 유도 흡수의 확장 세그먼트(따라서, 예컨대 기판 평면에 수직으로 도입된 크랙 길이)는 유도 흡수의 확장 세그먼트를 따라 기판 내부의 지점부터 기판의 후방측 표면에 이르기까지 확장하거나, 또는 심지어 예컨대 기판의 전면측 표면부터 그 기판 내부의 지점에 이르기까지 확장할 수 있다. 그러한 레이저 두께(d)는 각각의 경우 평판 기판의 2개의 대향의 기판 표면에 수직으로 측정될 수 있다(이에 따라, 심지어 경사 입사의 경우 레이저 빔이 기판 표면에 수직으로 각도 β＞0°로 지향될 지라도).

청구항 3 뿐만 아니라 다른 모든 청구항에 있어서, 그러한 상기 각각의 범위 한계는 표시된 상한 및 하한치를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 유도 흡수는 장점적으로 청구항 4에 따라 생성된다. 이는 이하 예시의 범위 내에서 더 설명되고 종속 청구항 5 내지 7에 언급된 이미 기술된 레이저 파라미터, 광학 장치의 파라미터, 및 본 발명에 따른 장치의 개별 요소들의 배열의 형태적 파라미터를 설정함으로써 이루어진다. 기본적으로, 청구항 5-7에 나타낸 바와 같은 파라미터들의 형태의 소정 조합이 가능하다. 청구항 6에 있어서, τ≪δ²/α는 τ가 1%보다 작은, 바람직하게 δ²/α의 1‰보다 작은 것을 의미한다. 예컨대, 그러한 펄스 지속시간(τ)은 10ps(또는 더 작은), 10과 100ps 사이, 또는 심지어 100ps보다 클 수 있다. 바람직하게, 1.5와 1.8㎛ 사이의 파장을 갖는 Er:YAG 레이저가 Si 기판의 분리를 위해 사용된다. 일반적으로, 광자 에너지가 반도체의 밴드갭보다 작아지도록 선택된 파장을 갖는 레이저가 반도체 기판에 사용되는 것이 바람직하다.

기판 상에 레이저 빔을 비밍(beaming)하기 위한 본 발명의 방법에 따른 유효한 빔 방향(이후 또한 기판 평면에 대한 레이저 빔 초점 라인의 방위를 규정하는)은 청구항 8로부터 취해질 수 있다.

다수의 조각으로 기판의 최종 분리 또는 절삭을 위해 여전히 필요로 하는 추가의 프로세스 단계들이 종속 청구항 9 및 10에 기술되어 있다. 이미 알고 있는 바와 같이, 기판이 광학 장치(레이저를 포함하는)에 대해 이동하거나 또는 광학 장치(레이저를 포함하는)가 그 기판에 대해 이동한다. 청구항 10에 청구된 크랙 형성은 기판 평면에 걸친 방향(기판이 분리되는 라인의 코스와 관련되는)의 측면 크랙 형성과 같은 횡단 크랙(본 발명에 따른 본질적인 유도된 크랙 형성과 반대의)으로 이해되어야 한다.

특히 레이저 초점 라인의 생성 및 포지셔닝을 위한 광학 장치의 다른 가능한 디자인들을 기술하는 청구항 11 발명에 따른 장치의 유효한 진전된 발전은 종속 청구항 12 내지 15로부터 취해질 수 있다. 이와 관련하여 또한 이하의 실시예 및 도 3a, 4, 5a, 5b, 6, 7, 및 8을 참조. 청구항 11에 따른 볼록 렌즈는 특히 평면-볼록 렌즈(plano-convex lens)일 수 있다.

본 발명에 따른 중요한 적용(이하 좀더 기술되는)이 청구항 16으로부터 취해질 수 있다.

청구항 17에 따라 추가로 청구된 것은 하나 또는 그 이상의 평탄 영역(특히, 하나 또는 그 이상의 표면)을 갖는 유리 물품이다. 각각의 경우 다수의 재료 변경이 존재하는 하나 또는 그 이상의 표면 중 적어도 하나를 따라, 그러한 각각의 재료 변경은 0.1 mm와 100 mm 사이 범위의 길이 및 0.5 ㎛와 5 ㎛ 사이 범위의 평균 직경을 갖는다.

청구항 18에 따라 추가로 청구된 것은 하나 또는 그 이상의 평탄 영역(특히, 하나 또는 그 이상의 표면)을 갖는 유리 물품이다. 하나 또는 그 이상의 표면 중 적어도 하나를 따라, 적어도 다수의 재료 변경이 제공된다. 그러한 각각의 재료 변경은 비율 V3 = a/δ를 갖는데, 즉 바로 인접한 재료 변경의 평균 간격 및 개략적으로 2.0의 재료 변경을 생성한 레이저 빔 초점 라인의 평균 직경(δ)을 갖는다.

종래 기술로부터 알려진 방법 또는 장치와 반대로, 본 발명은 다수의 중요한 장점을 갖는다.

우선, 본 발명에 따르면, 입자 형성 없이, 용융된 에지 없이, 에지에 최소의 크랙킹으로, 상당한 잘린 자국 없이(이에 따라 기판 재료의 손실 없이), 그리고 직선 절단된 에지를 갖는 절단이 이루어진다. 그러한 절단은 사용자가 원하는데로 기판 법선에 대해 수직(기판 평면 쪽에서 보아) 또는 각도 β로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 매우 높은 평균 레이저 파워가 필요치 않음에도 불구하고, 비교적 높은 분리 속도가 달성될 수 있다. 이는 본 발명이 레이저 펄스당(또는 버스트 펄스당) 하나의 레이저 빔 초점 라인(그리고 확장되지 않거나 또는 단지 로컬적으로 확장되는 초점뿐 아니라)을 생성하는 경우에 중요하다. 이하 상세히 기술된 레이저 옵틱은 이를 위해 사용된다. 따라서 그러한 초점 라인은 레이저와 기판간 상호작용의 영역을 결정한다. 만약 그러한 초점 라인이 적어도 절단-방향(깊이의 방향에서 본)으로 드리워지면, 그 레이저 파라미터는 본 발명에 따른 전체 초점 라인을 따라(또는 그 기판에 드리워지는 레이저 빔 초점 라인의 전체 확장 세그먼트를 따라) 크랙킹 영역을 생성하는 그 재료와의 상호작용이 일어나도록 선택될 수 있다. 선택가능한 레이저 파라미터는 예컨대 레이저의 파장, 레이저의 펄스 지속시간, 레이저의 펄스 에너지, 그리고 또한 가능한 레이저의 편광이 있다.

입자 형성의 부재(또는 적어도 최소 입자 형성) 외에, 본 발명에 따른 방법이 예컨대 기계적인 스코어링(scoring) 및 파단(breaking) 동안 갖는 다른 장점은 기계적인 스코어링과 반대로 높은 종횡비(aspect ratio; 폭 대 깊이)가 달성될 수 있다는 사실이다. 기계적인 스코어링 및 파단의 경우, 대체로 제어 불가능한 크랙 성장을 통해 그 재료에 그러한 파단선이 생성되는 동안, 본 발명에 따른 분리가 기판 법선에 매우 정밀하게 확립가능한 각도(β)로 이루어진다. 따라서, 본 발명에 따르면 절단 방향에 직접적으로 의존하지 않고, 쉽게 각 절단(angular cut)할 수 있다.

또한, 기판 재료의 표면 상에 또는 심지어 그 내부에 레이저의 점형 포커싱에 의한 점형(포커스된) 결함의 생성 및 각기 다른 재료 깊이로 그와 같은 점형 포커스를 설정한 이후의 파단과 비교해, 본 발명은 특히 확실히 보다 높은 절단 종횡비가 달성될 수 있다는 장점을 갖는다. 따라서, 낮은 유도된 크랙 형성 때문에 야기되는, 특히 보다 더 두꺼운 기판의 경우에 야기되는 이들 공지 방법들의 문제를 피할 수 있다. 또한, 특히 보다 더 두꺼운 기판이 갖는 기계가공 비율(기판의 표면부터 그 하측에 이르기까지 각기 다른 기판 깊이로 점형 손상의 다수의 설정이 그 기판 평면의 특정 위치에 필요한)은 여러 번에 걸쳐 증가한다.

그러한 표면 상의 제거, 표면 상의 페더링(feathering), 및 입자 형성을 피할 수 있다(맨 마지막은 특히 본 발명의 방법이 기판의 표면에서 그 기판의 내부로 이어지는 발명의 크랙 형성 및 확장된 유도 흡수를 위해 제공되도록 기판에 대한 초점 라인의 위치가 설정될 때). 이 경우, 따라서 첫번째 (의도적인) 손상이 표면 상에서 발생하여 특정 방식으로 그리고 유도 흡수로 인한 기판 깊이로 크랙 형성 영역을 따라 진행한다.

다양한 재료, 특히 유리 디스크, 사파이어 디스크, 반도체 웨이퍼 등은 본 발명에 따라 기계가공될 수 있다. 그러한 대응하는 재료들의 개별 층들 뿐만 아니라 층 샌드위치(다수의 개별 기판 층들의 스택) 모두가 기계가공될 수 있다. 심지어 한 스택 내에서도 단지 하나의 특정 층만이 분리되도록 초점 라인이 위치되어 지향될 수 있다. 층 스택의 각기 다른 샌드위치들이 기계가공될 수 있는데, 즉 유리-공기-유리 샌드위치, 유리-필름-유리 샌드위치, 유리-유리 샌드위치가 있다. 따라서, 심지어 스택 내에서도 개별 위치들의 선택적인 절단은 오직 중간층들(예컨대 필름 또는 접착 필름)의 분리만이 가능하다.

이미 코팅된 재료(예컨대 AR 코팅, TCO 코팅) 또는 심지어 한 측면에 불투명하게 인쇄된 기판 또한 본 발명에 따라 기계가공되어 분리될 수 있다.

본 발명에 따르면, 기판에서의 크랙 형성에 의해 제한되는 형태 없이 자유로운 형태 절단이 가능하다. 따라서, 투명 매체에서 소정의 자유로운 형태 절단이 이루어질 수 있다(그러한 절단 방향은 방위적으로 의존하지 않는다). 따라서, 법선으로부터 β = 30°또는 β = 45°에 이르는 각도를 갖는 각도로 각각의 절단이 그 기판에서 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 실질적으로 잘린 자국 없이 절단하는 것은 일반적으로 단지 1과 10 ㎛ 범위 사이에 놓인 재료 손상만을 야기할 수 있다. 따라서, 특히 재료 또는 영역에 대한 절단 손실이 일어나지 않는다. 이는, 절단 손실이 웨이퍼의 활용할 수 있는 사용가능한 영역을 감소시키기 때문에, 반도체 웨이퍼의 절단에 특히 효과적이다. 이에 따라 본 발명에 따른 방법을 통해, 초점 라인 절단은 증가된 면적 수득률(area yield)을 제공한다. 그러한 재료 손실의 부재는 또한 보석용 원석(예컨대, 다이아몬드)의 절단에 특히 효과적이다. 바람직하게 본 발명의 이용 영역이 평판 기판의 절단 또는 분리이나, 비평판 기판 또는 작업편이 본 발명에 따라 기계가공될 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 방법은 특히 제조 프로세스의 인라인 동작(inline operation)에 사용될 수도 있다. 이는 롤-투-롤(roll-to-roll) 프로세스에서 동작하는 제조 프로세스에 특히 효과적이다.

본 발명에 따르면, 단펄스(single pulse) 레이저 뿐만 아니라, 버스트 펄스(burst pulse)를 생성하는 레이저가 사용될 수 있다. 기본적으로, 연속파 동작의 레이저들의 사용 또한 고려될 수 있다.

다음과 같은 특정의 적용 영역을 예로 든다:

1. 사파이어 웨이퍼 전체 또는 일부 절단의 가능성을 갖는 사파이어 LED의 분리. 본 발명에 따른 방법에 따라, 금속층 또한 분리될 수 있으며, 이는 단일 단계일 수 있다.

2. 테이프의 손상 없이 반도체 웨이퍼의 절삭이 가능하다. 이를 위해, 표면 상(레이저로부터 외면된 기판의 후면측 표면 상)에서 시작되어 그 테이프된 필름 앞에서 멈추도록 초점 라인이 기판 재료의 내부의 일부에만 드리워진다. 예컨대, 그 재료의 약 10%가 분리되지 않는다. 따라서 그 필름은 초점 라인이 그 필름 앞에서 "멈추기" 때문에 전혀 손상되지 않고 그대로 유지된다. 이후에 반도체 웨이퍼가 기계적인 힘(또는 다른 힘, 예컨대 이하 CO₂ 레이저에 의한)을 통해 나머지 10%에 걸쳐 분리될 수 있다.

3. 코팅된 재료의 절단: 여기서 예로는 분포 브래그 반사기(DBR; Distributed Bragg Reflector) 또는 심지어 금속-코팅 사파이어 웨이퍼가 있다. 활성 금속 또는 금속 산화물 층이 이미 적층된 처리된 실리콘 웨이퍼 조차 본 발명에 따라 절단될 수 있다. 다른 예로는 예컨대 터치스크린 또는 스마트 윈도우의 생산을 위해 요구되는 기판에 코팅된 기계가공의 ITO 또는 AlZnO이 있다. 상당히 확장된(그 직경에 비해) 초점 라인으로 인해, 그 초점 라인의 일부는 금속층(또는 또 다른 층)을 제거하고, 반면 나머지 초점 라인은 투명 재료 내로 관통하여 그것을 절단한다. 이는 특히 또한 대응적으로 코팅된 기판이 일-단계(one-step) 프로세스로 분리될 수 있고, 이에 따라 한 프로세스에서 한 동작으로 코팅 및 기판이 분리될 수 있다는 장점을 갖는다.

4. 본 발명에 따른 특정 장점은 매우 얇은 재료(예컨대, 300 ㎛보다 작은, 100 ㎛보다 작은, 또는 심지어 50 ㎛보다 작은 두께를 갖는 유리 기판)들의 절단이다. 이들 재료는 매우 높은 비용으로만 기존의 기계적인 방법에 의해 기계가공될 수 있다. 분명히, 그러한 기계적인 방법의 경우, 기판을 쓸모없게 만들거나 또는 비용이 많이 드는 2차 기계가공 동작을 필요케 할 수 있는 에지, 손상[망가진, "에지 손상"], 크랙, 스폴링(spalling)을 야기한다. 반면, 본 발명에 따른 절단, 특히 얇은 재료의 절단은 에지 손상 및 크랙을 피하는 장점을 제공함으로써, 2차 기계가공이 필요치 않고, 매우 높은 절단 속도(＞ 1 m/s), 매우 높은 수율, 및 단일 단계 프로세스의 생산을 제공한다.

5. 또한 본 발명에 따른 방법은 특히 필름 에지를 깍아 다듬기 위해 연속으로 이어지는 유리 드로잉 공정에 의해 생성되는 박막 필름 유리의 생산에 사용될 수도 있다.

이제 본 발명이 상기 설명에 기초한 몇몇 실시예들에 의해 이하 기술될 것이다. 여기서:
도 1은 각기 다른 재료들에 대한, 열확산계수(α)와, 재료의 선형 범위(눈금 길이, 여기서 d로 나타냄)와, 시간(τ), 예컨대 레이저 펄스 지속시간 사이의 관계를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 초점 라인의 포지셔닝의 원리, 이에 따라 그 초점 라인에 따른 유도 흡수에 기초한 레이저 파장에 투명한 재료의 기계가공의 원리를 나타낸다.
도 3a는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 제1광학 장치를 나타낸다.
도 3b는 기판에 대한 레이저 빔 초점 라인의 각기 다른 포지셔닝에 의한 기판의 기계가공의 각기 다른 가능성을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 제2광학 장치를 나타낸다.
도 5a 및 5b는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 제3광학 장치를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 제4광학 장치를 나타낸다.
도 7은 도 3a로부터의 사용가능한 제1광학 장치의 예를 이용하여 그 방법을 행하기 위한 본 발명에 따른 구성을 나타낸다(이러한 광학 장치 대신, 상기 장치들 중 어느 하나로 도 7에 나타낸 광학 장치(6)를 교체함으로써, 그러한 나타낸 장치의 프레임워크 내에 도 4, 5 및 6에 나타낸 다른 광학 장치들을 사용할 수도 있다).
도 8은 본 발명에 따른 초점 라인의 생성을 상세히 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따라 기계가공된 유리 패널 표면의 현미경 이미지(기판 평면에서 본)를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 기계가공 방법의 개요이다. 레이저(3; 여기에 나타내지 않음, 도 7 참조)에 의해 방출된 레이저 빔(2)은 본 발명의 광학 장치(6) 상에 빔((beam))되며(이와 관련하여 이하의 실시예 참조), 여기서 상기 광학 장치(6)의 빔 입력측 상의 레이저 빔은 참조부호 2a로 나타낸다. 상기 광학 장치(6)는 빔 출력측 상의 방사된 레이저 빔으로부터 그 빔 방향에 따른 특정 확장된 범위(초점 라인의 길이 l)에 걸쳐 확장된 레이저 빔 초점 라인(2b)을 형성한다. 적어도 절단-방향에서, 상기 레이저 빔(2)의 레이저 빔 초점 라인(2b)은 광학 장치 다음의 빔 경로의 기계가공될 기판, 즉 여기서 평판 기판(1)을 오버라잉(overlying)하여 위치된다. 참조부호 1a는 상기 광학 장치(6) 또는 레이저를 향해 턴된 평판 기판의 표면을 나타내고, 참조부호 1b는 표면 1a에서 좀 떨어진 상기 기판(1)의 통상 평행한 후면측 표면(1b)을 나타낸다. 그러한 기판 두께(표면 1a 및 1b에 수직이고, 이에 따라 기판 평면과 관련하여 측정된)는 여기서 d로 나타냈다.

도 2의 a)에 나타낸 바와 같이, 기판(1)은 세로 빔 축에 수직이고, 이에 따라 그(도면의 평면에 수직인 기판 스탠드) 넘어 광학 장치(6)에 공간 이격되어 생성된 초점 라인에 수직이며, 그 초점 라인(2b)에 대해 빔 방향을 따라 보는 바와 같이 위치됨으로써, 그 빔 방향에서 보는 바와 같은 초점 라인(2b)은 그 기판의 표면(1a) 앞에서 시작하고 그 기판의 표면(1b) 앞에서 종료되어, 그 기판의 내부에 여전히 존재한다. 따라서 그러한 확장된 레이저 빔 초점 라인(2b)은, 세그먼트(2c)를 따라 그 기판 재료에 크랙 형성을 유도하는 그 유도 흡수가 그 기판 재료에 생성되는 레이저 빔 방향을 따라 보는 바와 같이, 기판(1)과 레이저 빔 초점 라인(2b)의 오버랩 영역에 생성되고, 이에 따라 초점 라인(2b)과, 확장된 세그먼트(2c)가 통과하는 기판 재료에 생성된다(길이(1)의 세그먼트 상에 레이저 빔(2)의 포커싱에 의해, 그리고 이에 따른 길이(1)의 선형 포커스에 의해 보장된 레이저 빔 초점 라인(2b)을 따라 적절한 레이저 강도를 갖는). 그러한 크랙 형성이 단지 국소적으로 일어나는 것이 아니라, 유도 흡수의 확장 세그먼트(2c)의 전체 길이에 걸쳐 일어난다. 상기 세그먼트(2c)의 길이(따라서, 긍극적으로 기판(1)과 레이저빔 초점 라인(2b)의 오버랩핑(overlapping)의 길이)는 여기서 L로 나타냈다. 유도 흡수의 세그먼트의 평균 직경 또는 평균 범위(또는 크랙 형성되는 그 기판 재료의 영역)는 여기서 D로 나타냈다. 이러한 평균 범위(D)는 본질적으로 레이저 빔 초점 라인(2b)의 평균 직경(δ)에 대응한다.

도 2의 a)에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔(2)의 파장(λ)에 투명한 기판 재료는 초점 라인(2b)을 따라 유도 흡수에 의해 본 발명에 따라 가열된다. 도 2의 b)는, 긍극적으로 그러한 가열된 재료가 확장되고, 이에 따라 대응적으로 유도된 응력이 본 발명에 따른 미소 균열 형성을 이끄는 것을 나타내며, 그 응력은 표면(1a)에서 가장 크다.

초점 라인(2b)을 생성하는데 사용될 수 있는 특정 광학 장치(6)들과 이들 광학 장치들이 사용될 수 있는 특정 광학 구성(도 7)이 이하 기술된다. 모든 장치 또는 구성들은 상기 설명에 기초하며, 이에 따라 각각의 경우 동일한 참조부호들이 동일한 요소 또는 형태들이나 또는 기능이 대응되는 것들에 사용된다. 따라서, 각각의 경우, 이하 단지 일부 차이만이 기술된다.

본 발명에 따르면 긍극적으로 분리되는 분리 표면이 높은 품질(파단 강도, 형태 정밀도, 거칠기, 및 2차 기계가공 필요성의 회피와 관련한)을 가져야 하기 때문에, 기판의 표면 상에 분리 라인(5)을 따라 위치될 개별 초점 라인들이 이하 기술되는 바와 같이 광학 장치에 의해 생성될 것이다(그러한 광학 장치는 이하 선택적으로 레이저 '옵틱'이라고도 칭한다). 이러한 경우 상기 거칠기는 특히 초점 라인의 스폿 크기 또는 스폿 직경으로부터 비롯된다. 작은 스폿 크기, 예컨대 레이저(3; 기판(1)의 재료와 상호작용)의 주어진 파장(λ)에 대한 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛의 스폿 크기를 달성할 수 있게 하기 위해, 일반적으로 소정의 요건들이 레이저 옵틱(6)의 개구수에 부과될 필요가 있다. 이들 요건들은 이하 기술된 레이저 옵틱(6)들에 충족된다.

원하는 개구수를 달성하기 위해, 어느 하나에 대한 옵틱은 공지의 공식

에 따라, 주어진 초점 길이를 위한 필요한 개구를 가져야 한다(N.A. = n sin (θ); n = 기계가공되는 유리의 굴절률; θ = 1/2의 개구 각도; 및 θ = arctan (D/2f); D = 개구; f = 초점 길이). 또 다른 어느 하나에 있어서, 레이저 빔은 통상 레이저와 포커싱 옵틱간 확장 텔레스코프(expansion telescope)에 의해 빔 확장을 야기하는 필요한 개구까지 그 옵틱을 조명해야 한다.

균일한 상호작용 동안, 스폿 크기는 초점 라인을 따라 심하게 크게 변하지 않아야 한다. 이는 예컨대 좁은 링형 영역에만 그 포커싱 옵틱을 조명하는 한편, 이후 빔 개구를 자연스럽게 변경하여, 개구수를 퍼센테이지로 치면 조금만 변경함으로써 보장될 수 있다.

도 3a에 따르면(레이저 빔(2)의 레이저 빔 다발에서 중심 빔의 레벨로 기판 평면에 수직인 섹션; 여기서, 또한 그 레이저 빔(2)의 조명은 기판 평면에 수직을 이루고, 즉 각도 β는 0°이며, 이에 따라 초점 라인(2b) 또는 유도 흡수의 확장 세그먼트(2c)는 기판 법선에 평행), 레이저(3)에 의해 방출된 레이저 빔(2a)은 초기에 사용되는 레이저 빔에 완전히 불투명한 원형 다이어프램(8; diaphragm)으로 지향한다. 그러한 원형 다이어프램(8)은 빔의 세로 축에 수직으로 방위되고 표시된 빔 다발(2a)의 중심 빔의 중심에 있다. 빔 다발(2a)의 중심 부근에 놓인 빔 다발(여기에서는 2aZ로 표시) 또는 중심 빔은 상기 다이어프램에 부딪치고 그것에 의해 완전히 흡수되도록, 상기 다이어프램(8)의 직경이 선택된다. 빔 직경보다 작은 감소된 다이어프램 크기 때문에 상기 빔 다발(2a)의 바깥 둘레 영역에 놓인 빔(에지 빔, 여기서 2aR로 표시)들만이 흡수되지 않고, 오히려 측면으로 상기 다이어프램(8)을 통과하여 여기서 구면 형상으로 연마된 양면 볼록 렌즈(7)로서 이루어진 광학 장치(6)의 포커싱 광학 요소의 에지 영역에 부딪친다.

그 중심 빔의 중심에 있는 렌즈(6)는 의도적으로 기존의 구면 형상으로 연마된 렌즈 형태의 비교정 양면 볼록 포커싱 렌즈로 이루어진다. 즉, 그와 같은 렌즈의 구면 수차(spherical aberration)가 의도적으로 이용된다. 대안으로, 또한 이상적으로 교정된 시스템으로부터 벗어나며, 이상적인 초점을 형성하지 않고 오히려 규정된 길이의 명확한 세로 확장된 초점 라인을 형성하는 비구면 렌즈 또는 다중 렌즈를 이용할 수도 있다(따라서, 정확히 단일 초점을 갖지 않는 렌즈 또는 시스템). 따라서 그 렌즈의 영역들은 초점 라인(2b)에 따른 렌즈의 중심으로부터의 거리에 따라 정확히 포커스한다. 빔 방향을 가로지르는 상기 다이어프램(8)의 직경은 여기서 빔 다발 직경(1/e로 감소에 이르는 그 확장에 의해 규정된 빔 다발 직경)의 약 90% 및 광학 장치(6)의 렌즈 직경의 약 75%가 된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 중심의 빔 다발을 마스킹 아웃(masking out)함으로써 생성된 비-수차-교정 구면 렌즈(7)의 초점 라인(2b)이 사용된다. 초점 라인(2b)에 대해 어느 하나가 그 대표의 나타낸 빔을 회전하면 완전하게 3차원 다발을 제공하는 중심 빔에 걸친 평면의 섹션이 나타난다.

이러한 초점 라인의 한가지 단점은 조건들(스폿 크기, 레이저 강도)이 초점 라인을 따라 변하고 이에 따라 그 재료의 원하는 깊이에 따라 변한다는 것이며, 그래서 가능한 한 원하는 종류의 상호작용(크랙 형성에 이르는 용융, 유도 흡수, 열적/플라스틱 변형이 없는)만이 그 초점 라인의 일부 내에서 이루어질 수 있다. 역으로, 이는 가능한 한 방사된 레이저 광의 일부만이 원하는 형태로 흡수된다는 것을 의미한다. 따라서, 어느 한 경우, 그러한 방법의 효율(원하는 분리 비율에 필요한 평균 레이저 파워)이 저하되고, 반면 다른 어느 한 경우, 어떻게든 레이저 광은 원하지 않는 좀더 깊이 놓여 있는 사이트(기판을 결합하는 부분 또는 층들 또는 기판 홀더)로 전송되어 거기서 바람직하지 않는 상호작용(가열, 산란, 흡수, 원하지 않는 변경)을 야기한다.

도 3b는 기판(1)에 대한 광학 장치(6)의 적절한 포지셔닝 및/또는 방위에 의해 그리고 그 광학 장치(6)의 파라미터의 적절한 선택에 의해 레이저 빔 초점 라인(2b)이 다르게 위치될 수 있는 것을 나타낸다(도 3a의 광학 장치를 위해서만이 아니라, 기본적으로 모든 다른 사용가능한 광학 장치(6)들을 위한). 도 3b의 첫번째 행에 나타낸 바와 같이, 그러한 초점 라인의 길이(1)는 그것이 기판 두께(d; 여기서 2의 계수로)를 오버슈트(overshoot)하도록 설정될 수 있다. 따라서, 만약 빔의 방향에서 보는 바와 같이, 기판(1)을 초점 라인(2b) 중심에 두면, 유도 흡수의 확장 세그먼트(2c)는 전체 기판 두께에 걸쳐 생성된다.

도 3b의 두번째 부분에 나타낸 경우에 있어서, 기판의 범위(d)에 거의 대응되는 길이(1)의 초점 라인(2b)이 생성된다. 라인(2b)이 그 앞 지점, 즉 기판 외측에서 시작되도록 기판(1)이 라인(2)에 대해 위치되기 때문에, 유도 흡수의 확장 세그먼트(2c)의 길이(L; 기판의 표면에서 규정된 기판 깊이로 확장하나, 후면측 표면(1b)까지는 확장하지 않는)는 여기서 초점 라인(2b)의 길이(1)보다 작다. 도 3b의 세번째 행은 빔 방향을 따라 보는 바와 같이 기판(1)이 초점 라인(2b)의 시작 앞에 일부 위치되는 경우를 나타내며, 이에 따라 여기에서도 또한 라인(2b)의 길이(1)에 대해, 1＞L(L = 기판(1)에서의 유도 흡수의 세그먼트(2c)의 범위)이다. 따라서, 초점 라인은 기판의 내부에서 시작되어 그 후면측 표면을 통해 기판의 바깥측으로 확장한다. 마지막으로, 도 3b의 네번째 행은 그 생성된 초점 라인 길이(l)가 기판 두께(d)보다 작은 경우를 나타내며, 이에 따라 만약 기판이 빔 방향에서 보는 바와 같이 초점 라인에 대해 중심에 위치되면, 그 초점 라인은 기판의 내부에서 표면(1a) 근처에서 시작되어 그 기판의 내부에서 표면(1b) 근처에서 종료된다(1 = 0.75·d).

본 발명에 따르면, 초점 라인 포지셔닝을 실시하는데 특히 효과적이며, 이에 따라 표면 1a, 1b 중 적어도 하나가 초점 라인까지 확대되고, 따라서 유도 흡수의 세그먼트(2c)가 적어도 한 표면에서 시작된다. 이렇게 하여, 표면에서 제거, 페더링, 및 입자 형성의 회피를 통해 거의 이상적인 절단이 달성될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 또 다른 광학 장치(6)를 나타낸다. 기본적인 구조는 도 3에 나타낸 것을 따르며, 이하 단지 일부 차이에 대해서만 기술한다. 그러한 나타낸 광학 장치는 초점 라인(2b)을 형성하기 위해 비구면 자유 표면을 갖는 옵틱을 이용하는 사상에 기초하며, 그 표면은 규정된 길이(1)의 초점 라인이 형성되도록 형성된다. 이를 위해, 비구면 렌즈는 광학 장치(6)의 광학 요소로 사용될 수 있다. 예컨대, 액시콘(axicon)이라고도 부르는 소위 원뿔형 프리즘이 도 4에 사용되었다. 액시콘은 광축을 따라 라인 상에 점광원을 형성하는(또는 레이저 빔을 링으로도 변환하는) 특수한 원뿔형으로 연마된 렌즈이다. 그와 같은 액시콘의 구조는 기본적으로 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다. 여기서 콘 각도는 예컨대 10°이다. 여기서 참조부호 9로 나타낸 그러한 액시콘은 빔 방향에 대향하는 그 정점으로 지향되고 그 빔의 중심에 있다. 액시콘(9)의 초점 라인(2b)이 이미 그 액시콘 내에서 시작되기 때문에, 기판(1; 메인 빔 축에 수직 배열된)은 빔 경로에서 그 액시콘(9) 바로 다음에 위치될 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 그러한 액시콘의 광학 특성 때문에, 그 초점 라인(2b)의 영역을 벗어나지 않고 빔 방향을 따라 기판(1)의 이동도 가능하다. 따라서, 기판(1) 재료에서의 유도 흡수의 확장 세그먼트(2c)는 전체 기판 깊이(d)에 걸쳐 확장한다.

당연히, 그러한 나타낸 구조는 다음의 제한 조건을 갖는다. 액시콘(9)의 초점 라인이 렌즈와 재료간 유한(finite) 작동 거리로 그 렌즈 내에서 이미 시작되기 때문에, 소정 일부의 레이저 에너지가 그 재료에 놓인 초점 라인(2b)의 부분(2c)에 포커스되지 않는다. 게다가, 액시콘(9)의 이용가능한 굴절률 및 콘 각도와 함께, 그 초점 라인(2b)의 길이(l)는 그 빔 직경과 연관되고, 이에 따라 비교적 얇은(수 밀리미터) 재료의 경우, 나중에 레이저 에너지가 목적을 갖고 그 재료 내로 포커스될 수 없기 때문에 그 초점 라인은 대체로 사당히 길다.

이러한 이유 때문에, 액시콘 및 포커싱 렌즈 모두를 포함할 경우 본 발명에 따른 향상된 광학 장치(6)가 사용될 수 있다.

도 5a는 그와 같은 광학 장치(6)를 나타내며, 확장된 레이저 빔 초점 라인(2b)의 형성을 위해 형성된 비구면 자유 표면을 갖는 제1광학 요소가 빔 방향을 따라 보는 바와 같이 레이저(3)의 빔 경로에 위치된다. 그러한 나타낸 경우에 있어서, 이러한 제1광학 요소는 빔 방향에 수직 위치되고 그 레이저(3) 빔의 중심에 있는 5°의 콘 각도를 갖는 액시콘(10)이다. 그 액시콘의 정점은 그 빔 방향에 대향하는 방향으로 향해 있다. 액시콘(10)으로부터 거리 z1의 빔 방향에는 제2의 포커싱 광학 요소(간단히 '제2광학 요소'라고도 함), 여기에서는 평면-볼록 렌즈(11; 굴곡이 액시콘 쪽으로 향해 있는)가 있다. 상기 거리(z1)는 여기서 약 300 mm로 선택되며, 이에 따라 액시콘(10)에 의해 형성된 레이저 빔은 링 형상로 렌즈(11)의 바깥 영역에 부딪친다. 상기 렌즈(11)는 규정된 길이, 여기서는 1.5 mm 길이의 초점 라인(2b) 상에 그 렌즈(11)로부터 거리(z2), 여기서는 약 20 mm의 거리의 빔 출력측에 그 링 형상 빔을 포커스한다. 여기서 상기 렌즈(11)의 유효 초점 길이는 25 mm이다. 액시콘(10)에 의한 레이저 빔의 링 형상 변환은 여기서 참조부호 SR로 나타냈다.

도 5b는 도 5에 따른 기판(1)의 재료에서의 초점 라인(2b) 또는 유도 흡수의 세그먼트(2c)의 전개를 상세히 나타낸다. 여기서 2개의 요소 10 및 11의 광학 특성 및 그 포지셔닝은 빔 방향의 초점 라인(2b)의 범위(l)가 기판(1)의 두께(d)와 정확히 대응되도록 이루어진다. 따라서, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 기판(1)의 2개의 표면 1a와 1b 사이에 정확하게 그 초점 라인(2b)을 위치시키기 위해, 빔 방향에 따른 기판(1)의 정확한 포지셔닝이 필요하다.

따라서, 본 발명에 따르면, 이는 그러한 초점 라인이 레이저 옵틱으로부터 소정 거리에서 발생하고, 레이저 빔의 더 큰 부분이 그 초점 라인의 원하는 단부까지 포커스될 경우 효과적이다. 이는 제1포커싱 요소(11; "렌즈" 또는 "초점 렌즈"라고도 칭함)가 원하는 영역에 링 형상으로만 조명되는 것으로 기술한 것과 같이 달성될 수 있으며, 어느 한 경우 원하는 개구수 및 이에 따른 원하는 스폿 크기가 실시되나, 또 다른 경우 그 원하는 초점 라인(2b) 이후에, 흐트러진 원은 그 스폿의 중심에서 매우 짧은 거리에 걸쳐 강도를 손실하는데, 이는 본질적으로 링 형상 스폿이 형성되기 때문이다. 따라서, 본 발명 목적의 크랙 형성은 기판의 원하는 깊이에 짧은 거리 내에서 정지한다. 액시콘(10)과 초점 렌즈(11)의 조합은 이러한 요건을 만족한다. 여기서 액시콘(10)은 이중 방식으로 작용하는데, 즉 그 액시콘(10)을 통해, 보통 원형 레이저 스폿은 포커싱 렌즈(11)로 링 형상으로 보내지고, 액시콘(10)의 비구면성은 그 렌즈의 초점 평면 내의 초점 대신 그 초점 평면 바깥측에 초점 라인을 형성하게 한다. 그러한 초점 라인(2b)의 길이(1)는 액시콘 상에 빔 직경을 통해 조절될 수 있다. 이후 그 초점 라인에 따른 개구수가 액시콘의 거리(z1)를 통해 그리고 그 액시콘의 콘 각도를 통해 조절될 수 있다. 이렇게 하여, 전체 레이저 에너지가 그 초점 라인으로 집중될 수 있다.

본 발명 목적의 크랙 형성이 기판의 출구측 앞에서 정지되면, 그 링 형상 조명은 여전히 유효한데, 즉 어느 한 경우 레이저 광의 큰 부분이 초점 라인의 원하는 길이에 계속해서 집중되기 때문에 레이저 파워가 사용될 뿐만 아니라 가능하고, 또 다른 경우 다른 광학 기능에 의해 확립된 원하는 수차와 함께 링 형상의 조명된 영역으로 인해, 균일한 스폿 크기가 초점 라인을 따라 달성될 수 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 균일한 분리 프로세스가 그 초점 라인을 따라 달성될 수 있다.

도 5a에 나타낸 평면-볼록 렌즈 대신, 포커싱 요철 렌즈(focusing meniscus lens) 또는 또 다른 좀더 높게 교정된 포커싱 렌즈(비구면 렌즈, 다중 렌즈)를 사용할 수도 있다.

도 5a에 나타낸 액시콘과 렌즈의 조합에 의해 매우 작은 초점 라인(2b)을 생성하기 위해 액시콘에 부딪치는 레이저 빔의 매우 작은 빔 직경을 선택해야 한다. 이는 그 액시콘의 피크 상에 빔의 센터링(centering)이 매우 정확해야 하는 실질적인 단점이 있으며, 이에 따라 그러한 결과는 레이저 방향의 변경에 매우 민감해진다(빔 드리프트(drift) 안정성). 게다가, 좁게 시준된 레이저 빔은 크게 발산되는데, 즉 그러한 빔 다발은 광 굴절 때문에 짧은 경로의 거리에 걸쳐 분산된다.

그 모두는 추가의 렌즈, 즉 시준 렌즈(12; 도 6)를 삽입함으로써 회피될 수 있다. 이러한 추가의 포지티브 렌즈(12)를 통해, 그 포커싱 렌즈(11)의 링 형상 조명이 매우 좁아지도록 설정할 수 있다. 원하는 링 직경(d_r)이 초점 길이(f')와 동일한 액시콘에서 시준 렌즈(12)까지의 간격(z1a)에서 생기도록 그 시준 렌즈(12)의 초점 길이(f')가 선택된다. 그러한 링의 원하는 폭(b_r)은 간격 z1b(시준 렌즈(12)에서 포커싱 렌즈(11)까지)를 통해 선택될 수 있다. 이제 짧은 초점 라인은 그 링 형상 조명의 작은 폭을 통해 순전히 형태만을 따른다. 이후 그러한 간격 f'에서 최소가 달성된다.

따라서, 도 6에 나타낸 광학 장치(6)는 도 5a에 나타낸 것을 기초하며, 이하 차이에 대해서만 기술한다. 여기에서도 마찬가지로 평면-볼록 렌즈(빔의 방향에 반대로 향하는 굴곡을 갖는)로 이루어진 시준 렌즈(12)는 한쪽 상의 액시콘(10; 여기서 빔 방향의 반대의 그 정점에 배치되는)과 또 다른쪽 상의 평면-볼록 렌즈(11)간 빔 경로의 중심에 추가로 도입된다. 여기서, 액시콘(10)으로부터 시준 렌즈(12)의 간격은 z1a로 나타냈고, 시준 렌즈(12)로부터 포커싱 렌즈(11)의 간격은 z1b로 나타냈으며, 포커싱 렌즈(11)로부터 그 생성된 초점 라인(2b)의 간격은 z2로 나타냈다(각각의 경우 빔 방향에서 보는 바와 같이). 도 6에 나타낸 바와 같이, 액시콘(10)에 의해 형성된 링 형상 빔(SR)은 발산하면서 시준 렌즈(12)에 부딪치고, 반면 링 직경(d_r)이 적어도 거의 일정하게 유지되면서 스트레치(stretch) z1b를 따라 포커싱 렌즈(11)의 지점에 원하는 링 폭(b_r)으로 그 링 직경(d_r)이 설정된다. 그러한 나타낸 경우에 있어서, 매우 짧은 초점 라인이 생성되고, 이에 따라 렌즈(12)의 지점에서 약 4 mm의 링 폭(b_r)이 렌즈(11)의 지점에서 후자의 포커싱 특성에 의해 약 0.5 mm로 감소한다(여기서 링 직경(d_r)은 예컨대 22 mm이다).

그러한 나타낸 예에 있어서, 0.5 mm 이하의 초점 라인 길이(l)는 2 mm의 레이저로부터 통상의 빔 직경, f = 25 mm 초점 길이의 포커싱 렌즈, 및 f' = 150 mm 초점 길이의 시준 렌즈에 의해 달성될 수 있다. 또한, z1a = z1b = 140 mm이고 z2 = 15 mm이다.

도 7에서와 같은 본 발명에 따른 구성에서, 도 3a에서와 같은 광학 장치에 의해 비경화 유리의 본 발명에 따른 분리의 예가 이하 주어진다(도 3a에 나타낸 광학 장치(6) 대신, 도 7에 나타낸 다이어프램/렌즈 조합(8, 7)을 대응적으로 교체하여 도 7에 따른 구성에 상기 기술된 또 다른 광학 장치(6)들을 이용할 수도 있다).

특정 안료(특히 낮은 철 성분) 없는 붕규산 또는 소다 석회 유리(1)는 약 350 nm 내지 약 2.5 ㎛까지 광학적으로 투명하다. 일반적으로, 수 나노초의 레이저 펄스 지속시간은 초점 라인(2b)으로부터 바깥쪽으로의 어떠한 상당한 열 확산도 허용하지 않기 때문에, 유리는 열등한 열전도체이다. 그럼에도 불구하고, 보다 짧은 레이저 펄스 지속시간은, 비선형 효과를 통해 원하는 유도 흡수가 서브나노초 또는 피코초 펄스로 좀더 쉽게 달성되기 때문에(상당히 높은 세기), 여전히 효과적이다.

다음의 파라미터들을 갖는 상업적인 피코초 레이저(3)는 예컨대 본 발명에 따른 평판 유리의 분리에 적합하다: 파장 1064 nm, 펄스 지속시간 10 ps, 펄스 반복률 100 kHz, 50 W까지의 평균 파워(레이저에 대해 직접 측정된). 그러한 레이저 빔은 초기에 약 2 mm의 빔 직경을 갖는다(13% 피크 세기에서 측정된, 즉 가우시안 빔 다발의 1/e²-직경); 그러한 빔 퀄리티(quality)는 적어도 M²＜1.2(DIN/ISO 11146 마다 결정된)이다. 그러한 빔 직경은 빔 확대 옵틱(22; 상업적인 케플러 빔 텔레스코프)에 의해 약 20-22 mm로 10배 증가한다(21, 23, 24, 및 25는 빔-편향 미러). 9 mm 직경을 갖는 소위 환형 다이어프램(8)에 의해, 그러한 빔 다발의 내부가 마스크 오프(masked off)되며, 이에 따라 링 형상 빔이 형성된다. 28 mm 초점 길이를 갖는 평면 볼록 렌즈(7; 반경 13 mm를 갖는 석영 유리)는 예컨대 링형 빔으로 조명된다. 본 발명에 따른 그러한 초점 라인은 렌즈(7)의 강한(strong)(원하는) 구면 수차를 통해 생성한다. 이와 관련하여 도 7 외에, 렌즈(7)를 통해 에지 빔으로부터 초점 라인(2b)의 생성을 개략적으로 보여주는 도 8 또한 참조.

초점 라인의 그러한 이론적인 직경(δ)은 빔 축을 따라 변한다; 따라서, 이는 기판 두께(d)가 여기서 약 1 mm 보다 작을(디스플레이 유리에 대한 통상의 두께는 0.5 mm 내지 0.7 mm이다) 경우, 균일한(또는 균질한) 크랙 표면의 생성에 효과적이다. 약 2 ㎛의 스폿 크기 및 5 ㎛의 스폿-스폿 간격의 경우, 0.5 m/sec의 속도를 제공하고, 이에 의해 초점 라인이 기판(1)에 걸쳐 안내될 수 있다(도 9 참조). 기판에 25 W의 평균 파워를 갖는 경우(포커싱 렌즈 이후에 측정된), 250 μJ의 펄스 에너지는 10 kHz의 펄스 반복률로부터 제공되며, 이러한 펄스 에너지는 또한 2 내지 5 서브펄스(subpulse)의 구조화 펄스(단지 20 ns 간격의, 소위 버스트 펄스인 고속 시퀀스의 단펄스)에서 발생할 수도 있다.

여기서 분리되지 않은 브릿지들에 의해 여전히 인터락되어 함께 연결된 왜곡 영역이 초기에 외부 작용 없이 함께 조각들을 여전히 유지하고 있기 때문에, 비경화 유리는 본질적으로 내부 응력을 갖지 않는다. 그러나, 만약 열 응력이 도입되면, 기판은 레이저 분열면(5)을 따라 추가적인 힘의 외부 도입 없이 완전히 분리된다. 이러한 경우, 250 파(Wave) 범위 파워에 이르는 파워를 갖는 CO₂레이저가 약 1 mm의 스폿 사이트에 포커스되며, 이러한 스폿은 0.5 m/s로 분리 라인(5)을 통해 안내된다. 그러한 도입된 레이저 에너지(분리 라인(5)의 cm당 5J)에 의해 야기된 로컬 열 응력은 작업편(1)을 완전히 분리한다.

좀더 두꺼운 유리 분리의 경우, 프로세스(유도 흡수 및 열 쇼크를 통한 왜곡 영역의 형성)를 위한 임계치 세기는 당연히 좀더 긴 초점 라인(1)에 걸쳐 달성되어야 한다. 따라서 보다 높은 요구된 펄스 에너지 및 보다 높은 평균 파워가 뒤따른다. 약 3 mm 두께 유리의 분리는 기판 상에 39 W의 최대 이용가능한 레이저 파워(이후 옵틱으로 인해 손실) 및 상술한 광학 구조에 의해 조절될 수 있다. 여기서, 환형 다이어프램(8)은 어느 한 경우 제거되고, 또 다른 경우 그 기판에 대한 렌즈(7)의 거리가 교정(명목상의 초점 거리의 방향으로 증가)되어, 좀더 긴 초점 라인이 그 기판에 생성된다.

경화 유리(마찬가지로 도 3a 및 7에 나타낸 장치와 마찬가지의)의 분리에 대한 또 다른 실시예가 이하 제공된다.

나트륨-함유 유리는 용융 칼륨염 욕조 내에 잠김을 통해 유리 표면에서 나트륨과 칼륨을 교환함으로써 경화된다. 이는 그 표면에서 5-50 ㎛ 두께 층에 상당한 내부 응력(압축 응력)을 야기하며, 이는 이후 보다 높은 안정성을 제공한다.

기본적으로 그러한 경화된 유리의 분리에 있어서의 프로세스 파라미터들은 유사한 치수 및 조성의 비경화 유리의 경우에 있어서의 것들과 유사하다. 그러나, 그러한 경화 유리는, 내부 응력으로 인해, 특히 레이저된 의도의 분열면(5)을 따라 발생하지 않고 오히려 재료 내로 진행되는 원하지 않는 크랙 성장으로 인해, 훨씬 더 쉽게 깨질 수 있다. 이러한 이유 때문에, 특정 경화된 유리의 성공적인 분리를 위한 파라미터 범위는 좀더 좁게 규정된다. 특히, 그러한 평균 레이저 파워 및 적절한 절단 비율은 특히 그러한 경화된 층의 두께에 따라 아주 정밀하게 유지되어야 한다. 0.7 mm의 총 두께 및 40 ㎛ 두께의 경화 층과 상기 구성을 갖는 유리의 경우, 다음의 파라미터들이 제공된다: 100 kHz 펄스 반복률에서 절단 속도 1 m/s, 이에 따라 14 W의 평균 파워에서 10 ㎛의 스폿 간격.

그러한 경화된 유리의 내부 응력은 얼마(수 초) 후 완전하게 형성되는 파단 영역(5)을 야기하고, 기판은 원하는 조각들로 분리된다.

매우 얇은 경화된 유리(＜ 100 ㎛)는 대체로 응력의 재료로 이루어지는데, 즉 그 전면측 및 후면측은 예컨대 나트륨-고갈되어 각각 30 ㎛에 걸쳐 경화되고, 단지 그 내부의 40 ㎛만이 비경화를 유지한다. 그와 같은 재료는 어느 한 표면이 손상되면 매우 쉽게 그리고 완전히 깨진다. 그와 같은 경화된 유리 필름은 이제까지 종래기술에서 기계가공할 수 없었다.

본 발명의 방법에 따른 그와 같은 재료의 분리는, a) 그러한 초점 라인이 매우 작으면, 즉 1 ㎛보다 작을 경우, b) 스폿-스폿 간격이 낮으면, 즉 1과 2 ㎛ 사이일 경우, 그리고 크랙 성장이 레이저 프로세스(높은 레이저 펄스 반복률, 예컨대 0.2 내지 0.6 m/s에서 200 kHz)에 앞서 일어날 수 없을 정도로 분리 속도가 빠를 경우 가능하다.

사파이어 유리 및 결정성 사파이어의 분리를 위한 또 다른 실시예(도 3a 및 7에 기술된 장치과 같은)가 이하 제공된다.

사실상 사파이어 결정 및 사파이어 유리가 광학적으로 유사한 유리(투명도 및 굴절률)이나, 그것들의 기계적 열적 작용은 상당히 다르다. 따라서, 사파이어는 우수한 열전도체이고, 기계적으로 극히 우수한 내구성을 가지며, 매우 단단하면서 내스크레치성(scratch resistant)을 갖는다. 그럼에도 불구하고, 얇은(0.3 mm 내지 0.6 mm) 사파이어 결정 및 유리는 상술한 레이저 및 광학 구성의 수단에 의해 분리될 수 있다. 높은 기계적 안정성 때문에, 이는 특히 분리될 조각들간 나머지 브릿지들이 최소화되어야 하는데, 그렇지 않을 경우 최후의 분리를 위해 매우 높은 힘이 필요하기 때문이다. 그러한 왜곡 영역은 가능한 한 기판 입구 표면(1a)부터 출구 표면(1b)까지 완전히 형성되어야 한다. 좀더 두꺼운 유리의 경우와 같이, 이는 보다 높은 펄스 에너지 및 이에 따른 보다 높은 평균 레이저 파워에 의해 달성될 수 있다. 게다가, 결정성 사파이어는 복굴절을 갖는다. 그러한 절단면은 광축에 수직이어야 한다(소위 C 절단). 다음의 파라미터들은 두꺼운 0.45 mm 두께의 결정성 사파이어의 분리에 이용될 수 있는데, 즉 그러한 파라미터들은 100 kHz 펄스 반복률에서 30 W의 평균 레이저 파워, 2 ㎛의 스폿 크기, 및 나타낸 펄스 반복률에서 0.5 m/s의 절단 속도에 대응하는 5 ㎛의 스폿 간격이다. 유리의 경우에서와 같이, 그것은, 열 응력을 통해 그러한 왜곡 영역이 크랙 성장에 의해 완전한 연속의 인터락(interlocked)되지 않은 분리 표면으로 전개되도록, 예컨대 CO₂ 레이저 스폿에 의해 절단 라인(5)의 다음 가열을 수행하도록 완전한 분리를 위해 필요하다.

마지막으로, 도 9는 본 발명에 따라 기계가공된 유리 패널의 표면의 현미경 이미지를 나타낸다. 여기서 참조부호 2c-1, 2c-2 등(나타낸 표면에 수직인 기판의 깊이의)으로 주어진 유도 흡수의 확장 세그먼트(2c) 또는 개별 초점 라인들은, 기판 조각들의 분리를 위한 분리 표면을 형성하기 위한 크랙 형성으로 인해, 그 기판의 표면에 걸쳐 레이저 빔이 안내되는 라인(5)을 따라 연결된다. 유도 흡수의 다수의 개별 확장된 세그먼트를 용이하게 볼 수 있으며, 여기서 그러한 나타낸 경우에, 레이저의 펄스 반복률은, 비율 V3 = a/δ이 바로 인접한 세그먼트 2c-1, 2 [sic], 2c-2, ...의 평균 간격으로 이루어지고 레이저 빔 초점 라인의 평균 직경(δ)이 약 0.2이도록 표면(4)에 걸쳐 레이저 빔의 이동에 대한 속도 비율에 매칭된다.

Claims

기판을 다수의 조각들로 분리하기 위해, 웨이퍼 또는 유리 요소와 같은 평판 기판(1)을 레이저-기반 기계가공하기 위한 방법으로서,
상기 평판 기판(1)을 기계가공하기 위한 레이저(3)의 레이저 빔(2a, 2b)을 상기 평판 기판으로 지향시키고,
상기 레이저(3)의 빔 경로에 위치된 광학 장치(6)에 의해, 상기 빔 경로를 따라 확장되는 레이저 빔 초점 라인(2b)이 상기 광학 장치 상에 빔(beam)된 레이저 빔(2a)으로부터 상기 광학 장치(6)의 빔 출력측에 형성되며,
상기 평판 기판(1)이 상기 레이저 빔 초점 라인(2b)에 위치됨으로써, 빔 방향으로 확장되는 상기 레이저 빔 초점 라인(2b)의 세그먼트(2c)를 따라 상기 평판 기판(1)의 재료에 유도 흡수가 생성되고, 상기 유도 흡수로 인해, 확장 세그먼트(2c)를 따라 기판의 재료에 유도된 크랙 형성이 발생하는 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
청구항 1에 있어서,
평판 기판(1)이, 재료에서의 유도 흡수, 이에 따른 평판 기판(1)의 내부에서의 유도 흡수의 확장 세그먼트(2c)가 2개의 대향의 기판 표면(1a, 1b) 중 적어도 하나의 기판 표면까지 확장되도록, 레이저 빔 초점 라인(2b)에 위치되는 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
평판 기판(1)이, 재료에서의 유도 흡수, 이에 따른 평판 기판(1)의 내부에서의 유도 흡수의 확장 세그먼트(2c)가 2개의 대향의 기판 표면 중 하나의 기판 표면(1a)으로부터 상기 2개의 대향의 기판 표면 중 또 다른 기판 표면(1b)까지 확장되고, 이에 따라 평판 기판(1)의 전체 두께에 걸쳐 확장되도록, 레이저 빔 초점 라인(2b)에 위치되거나,
상기 평판 기판(1)이, 재료에서의 유도 흡수, 이에 따른 평판 기판(1)의 내부에서의 유도 흡수의 확장 세그먼트(2c)가 2개의 대향의 기판 표면 중 하나의 기판 표면(1a)에서 개시되어 평판 기판 내로 확장되나, 상기 2개의 대향의 기판 표면 중 또 다른 기판 표면(1b)에 이르기까지 확장되지 않고, 이에 따라 평판 기판(1)의 전체 두께(d)에 걸쳐 확장되지 않으며, 바람직하게 상기 두께의 80 내지 98%, 바람직하게 85 내지 95%, 특히 바람직하게 90%에 걸쳐 확장되도록, 레이저 빔 초점 라인(2b)에 위치되는 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
유도 흡수는 평판 기판(1)의 재료를 제거하지 않고 그리고 그 재료를 용융시키지 않고 평판 기판(1)의 프레임워크에서 크랙 형성이 발생하도록 생성되는 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
빔의 세로 방향에서 본 각각의 경우, 레이저 빔 초점 라인(2b)의 확장(1) 및/또는 재료에서의 유도 흡수, 이에 따른 평판 기판(1)의 내부에서의 유도 흡수의 세그먼트(2c) 확장은 0.1 mm와 100 mm 사이, 바람직하게 0.3 mm와 10 mm 사이이고, 그리고/또
2개의 대향의 기판 표면(1a, 1b)에 수직 측정된 평판 기판(1)의 두께(d)는 30 ㎛와 3000 ㎛ 사이, 바람직하게 100 ㎛와 1000 ㎛ 사이이며, 그리고/또
레이저 빔 초점 라인(2b)의 상기 확장(1)과 평판 기판(1)의 상기 두께(d)의 비율 V1 = 1/d는 10과 0.5 사이, 바람직하게 5와 2 사이이고, 그리고/또
빔의 세로 방향에서 본 재료에서의 유도 흡수, 이에 따른 평판 기판(1)의 내부에서의 유도 흡수의 세그먼트(2c)의 확장(L)과, 빔의 세로 방향을 가로질러 본 재료에서의 유도 흡수, 이에 따른 평판 기판(1)의 내부에서의 유도 흡수의 세그먼트(2c)의 평균 확장(D)의 비율 V2 = L/D는 5와 5000 사이, 바람직하게 50과 500 사이인 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 빔 초점 라인(2b)의 평균 직경(δ), 이에 따른 스폿 직경은 0.5 ㎛와 5 ㎛ 사이, 바람직하게 1 ㎛와 3 ㎛ 사이, 바람직하게 2 ㎛이고, 그리고/또
레이저(3)의 펄스 지속시간(τ)은 평판 기판(1)의 재료와 상호작용의 시간 내가 되도록 선택되고, 상기 재료에서의 열 확산은 무시되고, 바람직하게 열 확산이 일어나지 않으며, 바람직하게 τ, δ 및 평판 기판(1)의 재료의 열 확산 상수(α)는 τ≪δ²/α에 따라 설정되고, 그리고/또 바람직하게 10 ns보다 작도록, 바람직하게 100 ps보다 작도록 선택되며, 그리고/또
레이저(3)의 펄스 반복률은 10 kHz와 1000 kHz 사이, 바람직하게 100 kHz이고, 그리고/또
레이저(3)는 단펄스 레이저로 또는 버스트 펄스 레이저로 동작하며, 그리고/또
레이저(3)의 빔 출력측에서 곧바로 측정된 평균 레이저 파워는 10 W(watt)와 100 W 사이, 바람직하게 30 W와 50 W 사이인 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
레이저(3)의 파장(λ)은 평판 기판(1)의 재료가 상기 파장에 투명하거나 또는 본질적으로 투명하도록 선택되고, 상기 후자는 평판 기판(1)의 재료의 빔 방향을 따라 일어나는 레이저 빔 세기의 감소가 밀리미터의 투과 깊이당 10% 이하인 것을 의미하며,
가시광선 파장 범위에 투명한 기판(1)과 같은 유리 또는 결정을 위한 레이저는, 바람직하게 1064 nm의 파장(λ)을 갖는 Nd:YAG 레이저 또는 1030 nm의 파장(λ)을 갖는 Y:YAG 레이저이거나, 또는 특히 적외선 범위에 투명한 반도체 기판(1)의 경우 바람직하게 1.5 ㎛와 1.8 ㎛ 사이의 파장(λ)을 갖는 Er:YAG 레이저인 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 빔(2a, 2b)은 평판 기판(1) 상에 수직으로 빔(beam)되며, 상기 평판 기판(1)은 유도 흡수가 기판 평면에 수직인 레이저 빔 초점 라인(2b)의 확장 세그먼트(2c)를 따라 일어나도록 레이저 빔 초점 라인(2b)에 위치되거나,
레이저 빔(2a, 2b)은 평판 기판(1)의 평면의 법선에 대해 0°보다 큰 각도(β)로 평판 기판(1) 상에 빔되며, 상기 평판 기판(1)은 레이저 빔 초점 라인(2b)의 확장 세그먼트(2c)를 따라 유도 흡수가 평판 기판의 평면에 대해 각도 90°-β에서 일어나도록 레이저 빔 초점 라인(2b)에 위치되고, 여기서 바람직하게 β≤45°, 바람직하게 β≤30°인 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 빔(2a, 2b)은 평판 기판(1)이 다수의 조각을 얻도록 분리되는 라인(5)을 따라 평판 기판(1)의 표면(1a, 4)에 대해 이동하고, 상기 라인(5)을 따라 유도 흡수의 다수(2c-1, 2c-2, ...)의 확장 세그먼트(2c)가 평판 기판(1)의 내부에 생성되며,
바람직하게 유도 흡수의 바로 인접한 확장 세그먼트(2c)와, 이 세그먼트 바로 다음에 생성된 세그먼트의 평균 간격의 비율 V3 = a/δ이고, 레이저 빔 초점 라인(2b)의 평균 직경(δ), 이에 따른 스폿 직경은 0.5와 3.0 사이, 바람직하게 1.0과 2.0 사이인 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
평판 기판(1)의 내부에서의 유도 흡수의 다수(2c-1, 2c-2, ...)의 확장 세그먼트(2c)의 생성 동안 및/또는 생성 후, 기계적인 힘이 평판 기판(1)에 가해지고 그리고/또 열 응력이 평판 기판(1)으로 도입되며, 특히 평판 기판(1)은, 이 평판 기판의 다수의 부분으로의 분리를 위해, 유도 흡수의 바로 인접한(2c-1, 2c-2) 확장 세그먼트(2c)들간 크랙 형성을 야기하도록 불균일하게 가열되고 다시 냉각되며,
바람직하게 상기 열 응력은 라인(5)을 따라 CO₂ 레이저에 의해 상기 평판 기판(1)을 조사함으로써 도입되는 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하는 방법.
평판 기판을 다수의 조각들로 분리하기 위해 평판 기판(1)을 레이저-기반 기계가공하기 위한 장치로서,
상기 평판 기판(1)을 기계가공하기 위한 레이저(3)의 레이저 빔(2a, 2b)을 상기 평판 기판으로 지향시키고,
상기 레이저(3)의 빔 경로에 위치된 광학 장치(6)에 의해, 빔의 방향을 따라 확장되는 레이저 빔 초점 라인(2b)이 상기 광학 장치 상에 빔(beam)된 레이저 빔(2a)으로부터 상기 광학 장치(6)의 빔 출력측에 형성되며,
상기 평판 기판(1)이 상기 레이저 빔 초점 라인(2b)에 위치됨으로써, 빔 방향으로 확장되는 상기 레이저 빔 초점 라인(2b)의 세그먼트(2c)를 따라 상기 평판 기판(1)의 재료에 유도 흡수가 일어나고, 유도된 크랙 형성이 확장 세그먼트(2c)를 따라 기판의 재료에 발생하는 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하기 위한 장치.
청구항 11에 있어서,
광학 장치(6)는 구면 수차를 갖는 포커싱 광학 요소, 바람직하게 구면 형상으로 연마된 볼록 렌즈(7)를 포함하고,
포커싱 광학 요소(7)의 전방의 레이저(3)의 빔 경로에, 광학 장치(6)의 다이어프램(8), 바람직하게 환형 다이어프램이 위치되고, 그 다이어프램에 의해 이 다이어프램으로 입사되는 레이저 빔(2a)의 중심에 놓이는 빔 다발(2aZ)이 마스크 아웃됨으로써, 상기 중심의 바깥측에 놓이는 에지 빔(2aR)만이 상기 포커싱 광학 요소에 도달되는 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하기 위한 장치.
청구항 11 또는 12에 있어서,
광학 장치(6)는 규정된 확장(l), 이에 따른 빔 방향의 규정된 길이를 갖는 레이저 빔 초점 라인(2b)을 형성하도록 형태된 비구면 자유 표면을 갖는 광학 요소를 포함하고,
상기 비구면 자유 표면을 갖는 광학 요소는 바람직하게 원뿔형 프리즘 또는 액시콘(9)인 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하기 위한 장치.
청구항 11 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
레이저(3)의 빔 경로의 광학 장치(6)는, 확장된 레이저 빔 초점 라인(2b)의 형성을 위해 형태된 비구면 자유 표면을 갖는 제1광학 요소, 바람직하게 원뿔형 프리즘 또는 액시콘(10), 및 상기 제1광학 요소의 빔 출력측 상에 그리고 제1광학 요소로부터의 거리 z1에 포커싱의 제2광학 요소, 특히 볼록 렌즈(11)를 포함하며,
바람직하게 이들 2개의 광학 요소는 상기 제1광학 요소가 링 형상(SR)으로 제2광학 요소 상에 부딪치는 레이저 빔을 투사하도록 위치되고 지향되며, 이에 따라 상기 확장된 레이저 빔 초점 라인(2b)은 제2광학 요소로부터의 간격 z2에 제2광학 요소의 빔 출력측 상에 생성되는 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하기 위한 장치.
청구항 11 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
제1광학 요소와 제2광학 요소간 레이저(3)의 빔 경로에, 평면 볼록 시준 렌즈(12)인 포커싱의 제3광학 요소가 위치되고,
상기 제3광학 요소는, 바람직하게 규정된 평균 링 직경(d_r)을 갖는 링 형상(SR)의 제1광학 요소에 의해 형성된 레이저 빔이 제3광학 요소에 드리워지도록 그리고 상기 제3광학 요소가 상기 링 직경(d_r) 및 규정된 링 폭(b_r)을 갖는 링 형상의 레이저 빔을 상기 제2광학 요소 상에 투사하도록 위치되고 조준되는 것을 특징으로 하는, 평판 기판을 레이저-기반 기계가공하기 위한 장치.
아래와 같은 분리를 위한 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에서와 같은 방법 또는 장치의 용도로서,
- 결정성 Al₂O₃의, SiO₂·nH₂O(오팔; opal)의, 또는 반도체 재료의, 특히 Si, GaAs, GaN의 유리, 특히 석영, 붕규산염, 사파이어 또는 소다 석회 유리, 나트륨-함유 유리, 경화 유리 또는 비경화 유리의 기판의 분리,
- 단일 또는 다층 기판, 특히 유리-유리 샌드위치, 유리-필름 샌드위치, 유리-필름-유리 샌드위치, 또는 유리-공기-유리 샌드위치의 분리,
- 코팅된 기판, 특히 금속-코팅된 사파이어 웨이퍼, 금속 또는 금속 산화물층이 제공된 실리콘 웨이퍼, 또는 ITO 또는 AlZnO가 코팅된 기판의 분리, 및/또는
- 단일 또는 다층 기판의 전부의 분리나, 또는 다층 기판의 층들 중 하나 또는 그 이상, 그러나 그 층들 전부의 분리는 아닌, 방법 또는 장치의 용도.
표면을 따라 다수의 재료 변경을 갖는 적어도 하나의 표면을 갖춘 유리 물품으로서,
각각의 재료 변경은 0.1 mm와 100 mm 사이 범위의 길이 및 0.5 ㎛와 5 ㎛ 사이 범위의 평균 직경을 갖는, 유리 물품.
적어도 하나의 표면을 갖추고 이 표면을 따라 다수의 재료 변경을 갖는 유리 물품으로서,
각각의 재료 변경은 바로 인접한 재료 변경의 평균 간격(a)과 재료 변경이 야기된 레이저 빔 초점 라인의 평균 직경(δ)의 비율 V3 = a/δ, 개략적으로 2.0의 비율을 갖는, 유리 물품.