KR20210048000A - 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 관한 것으로서, 내부 변형라인 생성단계와, 표면 에칭단계와, 에칭 절단단계를 포함한다. 내부 변형라인 생성단계는 에너지 강도가 어블레이션 한계(ablation threshold)를 넘지 않는 레이저빔을 유리기판에 조사하여 유리기판의 표면으로부터 일정 거리 이격된 내부에 내부 변형라인을 생성한다. 표면 에칭단계는 유리기판을 에칭 용액에 침지하여 내부 변형라인이 형성되지 않은 유리기판의 표면 일부가 제1에칭속도로 에칭되어 제거되면서 유리기판의 박형화가 이루어진다. 에칭 절단단계는 유리기판이 에칭 용액에 침지된 상태에서 내부 변형라인이 제1에칭속도보다 빠른 제2에칭속도로 에칭되어 제거되면서, 유리기판을 내부 변형라인을 따라 절단한다.

Description

크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법{METHOD OF CUTTING AND THINNING GLASS SUBSTRATE WITHOUT CRACK}
본 발명은 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 절단면에 마이크로 크기 또는 나노 크기의 크랙 자국이 발생하지 않도록 하는 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 관한 것이다.
유리, 실리콘, 세라믹 등의 취성 기판을 절단하여 분리시키는데 사용되는 방법으로는, 스크라이빙(Scribing), 블레이드 다이싱(Blade Dicing)과 같은 기계적 절단 방법, 레이저빔을 기반으로 하는 절단 방법 및 KOH나 HF 같은 알칼리 또는 산성 용액을 사용하여 용해해 절단하는 방법이 사용되고 있다.
기계적 절단 방법은 가공 시 다량의 칩을 형성하여 가공 후 칩 제거 및 세척 공정 등이 부가적으로 요구되고, 공구와 기판 간의 물리적인 접촉 과정에서 공구의 마모가 발생하며, 가공 후 절단면에 남아있는 마이크로 크랙들이 추후 기판의 파손을 야기하는 등의 단점이 존재한다.
레이저빔을 기반으로 하는 절단 방법으로는 여러 방법이 있는데, 이 중, 한 방법으로는 절단하려는 기판의 흡수대역에 해당하는 파장을 갖는 레이저빔을 사용하여 기판의 일부를 제거함으로써 기판을 절단하는 방법이 있다.
이러한 방법에서는 한 번의 레이저빔 조사를 통해 제거할 수 있는 기판의 양이 제한되어 있는 관계로, 통상적으로 여러 번의 스캔을 통해 깊이 방향으로 기판 물질을 제거해 가는 형태로 절단이 진행된다. 때문에 가공시간이 오래 걸리고, 이 과정에서 가공 주변 영역으로 넓은 열영향지대(HAZ: Heat Affected Zone)를 형성하여 가공물의 열 데미지를 피할 수 없는 문제가 있다. 또한, 이러한 열영향지대는 가공물의 물성치를 변화시키고 잔류응력을 남겨 강도를 약화시키거나 기판의 균일도를 떨어뜨리는 등의 한계를 야기할 수 있다.
레이저빔을 기반으로 하는 다른 절단 방법으로는 물리적인 기판 물질의 제거가 아닌 크랙을 발생시키고 전파하여 절단을 돕거나 직접적으로 절단을 수행하는 것이다. 여기서 레이저빔은 기판에서 원하는 영역의 온도를 높이는데 사용되고, 기판의 온도가 식는 과정에서 인장력이 형성되어 크랙이 발생 및 전파되도록 하여 절단이 진행된다.
KOH나 HF 등 화학 용액을 사용하는 절단방법은 크랙없이 절단은 가능할 수 있으나, 절단을 위해 마스킹을 해야 하므로 포토 레지스트를 사용하기 위해 도포, 노광, 세정 등 매우 복잡한 공정이 필요하고, 유리 용해 시간도 매우 오래 걸리게 된다.
도 1은 종래의 레이저빔 기반의 유리기판 절단방법의 일례를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 유리기판 절단방법으로 절단된 유리기판의 절단면을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 1의 (a)에서 보는 바와 같이, 유리기판(10)에 레이저빔이 조사되어 절단하고자 하는 절단선에 대응되는 스폿(20)이 형성될 수 있다. 이후, 도 1의 (b)에서와 같이 유리기판(10)의 온도를 낮춰주면 각각의 스폿(20)이 연결되도록 크랙(30)이 전파되고, 이를 통해 유리기판(10)은 절단되게 된다.
그런데, 이러한 방법으로 절단되는 유리기판은 도 2에서 보는 바와 같이 절단면에 크랙 자국(40)이 발생하게 된다. 따라서, 이러한 크랙 자국(40)을 제거하기 위한 에지 그라인드(Edge Grind) 공정이 추가되어야 하며, 이에 따라 공정 시간이 늘어나게 되는 문제점이 있다.
한편, 유리기판의 두께가 100㎛ 이하인 초박판 글라스(Ultra-thin Glass)에서는 에지 그라인드 공정을 적용하기가 곤란하기 때문에, 크랙 자국을 제거하기가 어려운 문제점이 있다.
또한, 100 ㎛ 이하의 유리기판의 제조가 매우 어려워 100 ㎛ 이하 두께의 유리기판 가격은 두께가 얇아질수록 급상승하는 경향을 보이고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2009-0079342호(2009. 07. 22. 공개)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저빔을 조사하여 유리기판 내부에 내부 변형라인을 형성하고, 이후 에칭 용액에 유리기판을 침지함으로써, 절단면의 품질을 향상시킬 수 있고, 절단과 동시에 박형화된 유리기판을 확보할 수 있으며, 유리기판 표면의 오염을 방지할 수 있는 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법은, 에너지 강도가 어블레이션 한계(ablation threshold)를 넘지 않는 레이저빔을 유리기판에 조사하여 상기 유리기판의 표면으로부터 일정 거리 이격된 내부에 내부 변형라인을 생성하는 내부 변형라인 생성단계; 상기 유리기판을 에칭 용액에 침지하여 상기 내부 변형라인이 형성되지 않은 유리기판의 표면 일부가 제1에칭속도로 에칭되어 제거되면서 상기 유리기판의 박형화가 이루어지는 표면 에칭단계; 및 상기 유리기판이 상기 에칭 용액에 침지된 상태에서 상기 내부 변형라인이 상기 제1에칭속도보다 빠른 제2에칭속도로 에칭되어 제거되면서, 상기 유리기판을 상기 내부 변형라인을 따라 절단하는 에칭 절단단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 있어서, 상기 표면 에칭단계에서 제거되는 상기 유리기판의 표면 일부의 제1두께는, 상기 에칭 절단단계에서 제거되는 상기 내부 변형라인이 형성된 부분의 제2두께보다 얇을 수 있다.
본 발명에 따른 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 있어서, 상기 내부 변형라인 생성단계에서, 상기 내부 변형라인은 알파 페이즈(α-phase)에서 베타 페이즈(β-phase)로 바뀔 수 있다.
본 발명에 따른 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 있어서, 상기 내부 변형라인 생성단계에서, 상기 레이저빔은 하나의 초점으로 상기 유리기판의 내부에서 상기 내부 변형라인의 상단부에서 하단부까지 상기 내부 변형라인의 페이즈를 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 있어서, 상기 내부 변형라인 생성단계에서, 상기 레이저빔은 상기 내부 변형라인의 상단부에서 하단부까지 연속적으로 초점이 이동되면서 상기 내부 변형라인의 페이즈를 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 있어서, 상기 유리기판의 두께는 0 초과 100 ㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 따르면, 깨끗한 절단면을 얻어 절단면의 품질을 향상시킬 수 있고, 절단과 동시에 박형화된 유리기판을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 따르면, 유리기판 표면의 오염을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법에 따르면, 전체적으로 박형화 및 절단 공정에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 레이저빔 기반의 유리기판 절단방법의 일례를 나타내는 도면이고,
도 2는 도 1의 유리기판 절단방법으로 절단된 유리기판의 절단면을 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법의 순서도이고,
도 4는 도 3의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 5는 도 3의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법 중 내부 변형라인 생성단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 유리기판의 내부 전체에 변형라인이 형성될 경우 유리기판의 표면이 오염된 상태를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법의 순서도이고, 도 4는 도 3의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 3의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법 중 내부 변형라인 생성단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법은, 절단면에 마이크로 크기 또는 나노 크기의 크랙 자국이 발생하지 않도록 하는 것으로서, 내부 변형라인 생성단계(S110), 표면 에칭단계(S120) 및 에칭 절단단계(S130)를 포함한다.
상기 내부 변형라인 생성단계(S110)는 에너지 강도가 유리기판(10)의 어블레이션 한계(ablation threshold)를 넘지 않는 레이저빔(L)을 유리기판(10)에 조사하여 내부 변형라인(M)을 생성한다.
내부 변형라인 생성단계(S110)에서 유리기판(10)에 조사되는 레이저빔(L)은 피코초(Picosecond) 펄스 레이저빔 또는 펨토초(Femtosecond) 펄스 레이저빔을 포함하는 초단파 레이저빔이 사용될 수 있다.
피코초 펄스 레이저빔 또는 펨토초 펄스 레이저빔이 유리기판(10)에 조사될 경우, 조사되는 영역 이외의 영역에서 용융층이 생성되지 않고, 주변영역에서 소재의 변질이 발생하지 않을 수 있다. 즉, 피코초 펄스 레이저빔 또는 펨토초 펄스 레이저빔이 조사되면, 조사되는 부분에만 열에너지가 효과적으로 가해질 수 있으며, 이를 통해, 유리기판(10)에는 내부 변형라인(M)이 명확하게 구분될 수 있다.
도 4의 (a)를 참조하면, 본 실시예의 내부 변형라인(M)은 유리기판(10)의 표면으로부터 일정 거리 이격된 유리기판(10) 내부에 형성된다. 내부 변형라인(M)은 유리기판(10)의 상면으로부터 일정 거리 이격되고, 유리기판(10)의 하면으로부터 일정 거리 이격된 상태로 유리기판(10)의 내부에 형성되는 것이 바람직하다.
유리기판(10)에 이러한 레이저빔(L)이 조사되면 레이저빔(L)이 조사되는 부분은 알파 페이즈(α-phase)에서 베타 페이즈(β-phase)로 바뀔 수 있다.
내부 변형라인(M)은 초단파 레이저빔에 의한 비선형 광 이온화 메커니즘에 의해 물리적, 화학적 영구적인 구조변형이 일어난다. 레이저빔(L)의 초점이 맺힌 영역은 Si가 풍부한 영역으로 형성되고 치밀화가 이루어지면서 굴절률의 변화 등이 일어난다.
초단파 레이저빔에 의해 변형된 내부 변형라인(M)은 유리기판(10)에서 변형되지 않은 다른 영역보다 20~300 배 빠르게 알칼리 또는 산성의 화학 용액에 반응하여 에칭될 수 있다. 에칭 속도의 빠르기는 레이저 에너지, 펄스 지속 시간, 반복속도, 파장, 촛점길이, 스캔속도, 화학용액 농도 등 매우 많은 변수로 조절될 수 있다.
이러한 내부 변형라인(M)을 형성하는 방법으로, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 레이저빔(L)은 하나의 초점으로 유리기판(10)의 내부에서 내부 변형라인(M)의 상단부에서 하단부까지 내부 변형라인(M)의 페이즈를 변화시킬 수 있다.
또한, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 레이저빔(L)은 내부 변형라인(M)의 상단부에서 하단부까지 연속적으로 초점이 이동될 수 있다. 즉, 레이저빔(L)은 유리기판(L)의 두께 방향을 따라 초점이 이동되도록 조사되고, 이를 통해 내부 변형라인(M) 영역 전체의 페이즈를 변화시킬 수 있다.
상기 표면 에칭단계(S120)는 유리기판(10)을 에칭 용액(60)에 침지하여 내부 변형라인(M)이 형성되지 않은 유리기판(10)의 표면 일부가 제1에칭속도로 에칭되어 제거되면서 유리기판(10)의 박형화가 이루어진다.
표면 에칭단계(S120) 및 후술할 에칭 절단단계(S130)에서 적용되는 에칭 용액(60)은 불소(HF), 질산(HNO3), 수산화칼륨(KOH) 등과 같은 화학적 에칭 용액일 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 표면 에칭단계(S120)를 통해 유리기판(10)을 에칭 용액(60)에 침지하면 유리기판(10)의 박형화가 이루어지면서 유리기판(10)의 두께가 얇아진다. 즉, 표면 에칭단계(S120)에서 제1두께(t1)로 형성된 부분이 제거되면서, 유리기판의 두께는 표면 에칭 전 유리기판의 두께(t)에서 표면 에칭 후 유리기판의 두께(t2)로 변화된다.
여기서, 유리기판(10) 내부에서 내부 변형라인(M)의 상측의 변형되지 않은 일부의 두께를 t11, 유리기판(10) 내부에서 내부 변형라인(M)의 하측의 변형되지 않은 일부의 두께를 t12라고 하면, 유리기판(10)에서 표면 에칭단계(S120)에서 제거되는 부분의 두께인 제1두께(t1)는 t11과 t12를 합한 두께를 의미한다.
표면 에칭단계(S120)를 통해 유리기판(10)의 두께(t2)는 얇아지고, 유리기판(10) 내부에 형성된 내부 변형라인(M)이 에칭 용액(60)과 접촉하게 된다.
상기 에칭 절단단계(S130)는 유리기판(10)이 에칭 용액(60)에 침지된 상태에서 내부 변형라인(M)이 제1에칭속도보다 빠른 제2에칭속도로 에칭되어 제거되면서, 유리기판(10)을 내부 변형라인(M)을 따라 절단한다.
에칭 용액(60)에 침지될 때, 유리기판(10)에서 내부 변형라인(M)이 형성된 부분(베타 페이즈 상태)이 에칭되는 제2에칭속도는 내부 변형라인(M)이 형성되지 않은 부분(알파 페이즈 상태)이 에칭되는 제1에칭속도보다 약 100 배 이상으로 빠를 수 있다.
따라서, 내부 변형라인(M)이 형성된 유리기판(10)이 에칭 용액(60)에 침지되면, 내부 변형라인(M)이 형성된 부분에서만 에칭이 주로 발생하고, 내부 변형라인(M)이 형성되지 않은 부분은 거의 에칭이 발생하지 않는다. 따라서, 내부 변형라인(M)이 형성된 부분이 에칭되어 제거되면서(도 4의 (c)에서 11로 표시된 부분), 유리기판(10)은 복수의 유리기판으로 분리될 수 있다.
일반적인 포토레지스트를 이용해 화학적으로 용해하는 방식은 심한 테이퍼 앵글을 가지고 절단되는데 반해, 초단파 레이저빔의 초점을 맺혀 내부 변형라인(M)으로 변형한 후 에칭하여 절단하는 방식은 절단각이 0도에 가까운 절단면이 형성된다. 그리고 이렇게 절단되는 유리기판(10)의 절단면은 크랙 자국이 없이 깨끗한 상태를 이룰 수 있다.
본 실시예의 표면 에칭단계(S120)에서 제거되는 유리기판(10)의 표면 일부의 제1두께(t1)는 에칭 절단단계(S130)에서 제거되는 내부 변형라인(M)이 형성된 부분의 제2두께(t2)보다 얇은 것이 바람직하다. 여기서, 제2두께(t2)는 에칭 절단단계(S130)에서 에칭 용액(60)에 의해 제거되는 내부 변형라인(M)의 두께를 의미하고, 표면 에칭단계(S120) 후 표면 일부가 제거된 유리기판(10)의 두께와 실질적으로 동일하다.
알파 페이즈 상태인 유리기판의 제1에칭속도가 베타 페이즈 상태인 유리기판의 제2에칭속도보다 훨씬 느리기 때문에, 알파 페이즈 상태인 부분(유리기판(10)의 표면 일부)을 상대적으로 얇게 형성하고 베타 페이즈 상태인 부분(내부 변형라인(M)이 형성된 부분)을 상대적으로 두껍게 형성함으로써, 전체적으로 박형화 및 절단 공정에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
여기서, 유리기판(10)은 두께가 0 초과 100㎛ 이하인 초박판 글라스(Ultra-thin Glass)일 수 있는데, 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법을 적용하면, 초박판 글라스에 대해서도 깨끗한 절단면을 가지도록 절단이 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법은, 레이저빔을 조사하여 유리기판에 변형라인을 형성하고, 에칭 용액에 유리기판을 침지함으로써, 깨끗한 절단면을 얻어 절단면의 품질을 향상시킬 수 있고, 절단과 동시에 박형화된 유리기판을 확보할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 6은 유리기판의 내부 전체에 변형라인이 형성될 경우 유리기판의 표면이 오염된 상태를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 베타 페이즈 상태로 변형된 변형라인을 유리기판(10) 두께 전체에 형성할 경우, 변형라인을 생성하는 단계에서 레이저빔에 의해 용융된 유리기판 소재가 유리기판(10) 표면으로 분출되면서 유리기판(10) 표면이 오염되는 현상을 볼 수 있다.
그러나, 본 발명과 같이, 유리기판(10) 내부에 내부 변형라인(M)을 생성할 경우, 내부 변형라인(M)의 상측 및 하측에서 변형되지 않은 유리기판의 표면 일부가 내부에서 용융된 유리기판 소재가 외부로 분출되는 것을 막아주므로, 유리기판(10) 표면의 오염을 방지할 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법은, 레이저빔을 조사하여 유리기판 내부에 내부 변형라인을 형성한 후 이를 에칭함으로써, 유리기판 표면의 오염을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법은, 알파 페이즈 상태인 부분을 상대적으로 얇게 형성하고 베타 페이즈 상태인 부분을 상대적으로 두껍게 형성함으로써, 전체적으로 박형화 및 절단 공정에 소요되는 시간을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10 : 유리기판
60 : 에칭 용액
L : 레이저빔
M : 내부 변형라인
S110 : 내부 변형라인 생성단계
S120 : 표면 에칭단계
S130 : 에칭 절단단계

Claims (6)

  1. 에너지 강도가 어블레이션 한계(ablation threshold)를 넘지 않는 레이저빔을 유리기판에 조사하여 상기 유리기판의 표면으로부터 일정 거리 이격된 내부에 내부 변형라인을 생성하는 내부 변형라인 생성단계;
    상기 유리기판을 에칭 용액에 침지하여 상기 내부 변형라인이 형성되지 않은 유리기판의 표면 일부가 제1에칭속도로 에칭되어 제거되면서 상기 유리기판의 박형화가 이루어지는 표면 에칭단계; 및
    상기 유리기판이 상기 에칭 용액에 침지된 상태에서 상기 내부 변형라인이 상기 제1에칭속도보다 빠른 제2에칭속도로 에칭되어 제거되면서, 상기 유리기판을 상기 내부 변형라인을 따라 절단하는 에칭 절단단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면 에칭단계에서 제거되는 상기 유리기판의 표면 일부의 제1두께는, 상기 에칭 절단단계에서 제거되는 상기 내부 변형라인이 형성된 부분의 제2두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 변형라인 생성단계에서, 상기 내부 변형라인은 알파 페이즈(α-phase)에서 베타 페이즈(β-phase)로 바뀌는 것을 특징으로 하는 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내부 변형라인 생성단계에서, 상기 레이저빔은 하나의 초점으로 상기 유리기판의 내부에서 상기 내부 변형라인의 상단부에서 하단부까지 상기 내부 변형라인의 페이즈를 변화시키는 것을 특징으로 하는 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 내부 변형라인 생성단계에서, 상기 레이저빔은 상기 내부 변형라인의 상단부에서 하단부까지 연속적으로 초점이 이동되면서 상기 내부 변형라인의 페이즈를 변화시키는 것을 특징으로 하는 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유리기판의 두께는 0 초과 100 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 크랙 프리 유리기판 절단 및 박형화 방법.
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