KR20170048969A

KR20170048969A - 다중 초점을 이용한 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치

Info

Publication number: KR20170048969A
Application number: KR1020150149730A
Authority: KR
Inventors: 박정래; 이홍
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2017-05-10
Also published as: WO2017073907A1; TW201714694A

Abstract

다중 초점을 이용한 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치가 개시된다. 개시된 레이저 가공방법은, 스테이지에 적재된 가공대상물을 레이저를 이용하여 가공하는 것으로, 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할시키는 단계; 상기 분할된 복수개의 레이저 빔을 상기 가공대상물에 투과시켜 서로 다른 깊이에 각각 집광점을 형성하는 단계; 및 상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 단계;를 포함하고, 상기 가공대상물의 상기 레이저 빔이 입사하는 면으로부터 더 깊은 위치에 형성된 집광점은 더 얕은 위치에 형성된 집광점보다 상기 가공 예정 라인에서 상기 레이저 빔의 이동방향 쪽에 형성된다.

Description

다중 초점을 이용한 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치{Laser processing method and laser processing apparatus using multi focusing}

레이저 가공방법 및 레이저 가공장치에 관한 것으로, 상세하게는 가공대상물 내부에 복수개의 집광점을 형성하여 절단하는 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치에 관한 것이다.

레이저 가공장치는 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔을 광학계를 이용하여 가공대상물에 조사하게 되고, 이러한 레이저빔의 조사에 의해 가공대상물에 대한 마킹, 노광, 식각, 펀칭, 스크라이빙(scribing), 다이싱(dicing) 등과 같은 레이저 가공작업을 수행하게 된다.

최근에는 가공대상물의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 레이저빔을 투과성이 있는 가공대상물의 내부에 집광점을 형성하여 크랙을 생성시킴으로써 가공대상물을 가공하는 방법이 각광을 받고 있다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼의 높은 출력의 레이저빔이 포커싱되어 집광점을 형성하게 되면, 그 집광점 부근에서는 개질영역이 형성되고, 이렇게 형성된 개질영역으로부터 크랙이 발생하게 된다. 이어서, 레이저빔을 반도체 웨이퍼의 가공 예정 라인을 따라 이동시키게 되면 가공대상물 내부에는 크랙열이 형성되며, 이후 자연적으로 또는 외력에 의해 크랙이 반도체 웨이퍼의 표면까지 확장됨으로써 가공대상물이 절단될 수 있다.

그러나, 종래의 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치에서는 집광점이 가로방향으로 나열되어 있으며, 집광점은 동일한 깊이에 형성되어 가공대상물의 절단 등에서 요구되는 가공 횟수가 많아 빠른 속도로 가공하는데 적용이 불가능한 단점이 있다.

본 발명은 가공대상물 내부에 복수개의 집광점을 형성하여 가공하는 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공방법은 스테이지에 적재된 가공대상물을 레이저를 이용하여 가공하는 레이저 가공방법에 있어서, 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할시키는 단계; 상기 분할된 복수개의 레이저 빔을 상기 가공대상물에 투과시켜 서로 다른 깊이에 각각 집광점을 형성하는 단계; 및 상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 단계;를 포함하고, 상기 가공대상물의 상기 레이저 빔이 입사하는 면으로부터 더 깊은 위치에 형성된 집광점은 더 얕은 위치에 형성된 집광점보다 상기 가공 예정 라인에서 상기 레이저 빔의 이동방향 쪽에 형성된다.

상기 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할시키는 단계는, 상기 레이저 빔을 서로 초점거리가 다른 복수개의 렌즈를 통과시켜 상기 레이저 빔을 분할시킬 수 있다.

상기 복수개의 렌즈는 상기 레이저 빔의 이동방향에 위치한 렌즈가 상기 레이저 빔의 이동방향의 반대방향에 위치한 렌즈보다 초점거리가 더 큰 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할시키는 단계는, 상기 레이저 빔을 회절광학소자 렌즈에 통과시켜 상기 레이저 빔을 분할시킬 수 있다.

상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 상기 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 단계는, 상기 스테이지를 이동하거나 상기 레이저 빔을 스캔하여 상기 가공대상물을 가공할 수 있다.

상기 가공대상물은 투명 매질일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공방법은 스테이지에 적재된 가공대상물을 레이저를 이용하여 가공하는 레이저 가공방법에 있어서, 레이저 빔을 복수개의 곡면을 갖는 구면렌즈에 통과시켜 초점거리가 서로 다른 복수개의 레이저 빔으로 분할시키는 단계; 상기 분할된 복수개의 레이저 빔을 상기 가공대상물에 투과시켜 서로 다른 깊이에 각각 집광점을 형성하는 단계; 및 상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 단계;를 포함한다.

상기 구면렌즈의 상기 복수개의 곡면은 서로 다른 초점거리를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치는 스테이지에 적재된 가공대상물을 레이저를 이용하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저 빔을 출사하는 레이저 광원; 상기 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할하여, 상기 가공대상물의 서로 다른 깊이에 각각 집광점을 형성하는 광학계;를 포함하며, 상기 가공대상물의 상기 레이저 빔이 입사하는 면으로부터 더 깊은 위치에 형성된 집광점은 더 얕은 위치에 형성된 집광점보다 가공 예정 라인에서 상기 레이저 빔의 이동방향 쪽에 형성된다.

상기 광학계는 서로 초점거리가 다른 복수개의 렌즈를 포함할 수 있다.

상기 광학계는 회절광학소자 렌즈를 포함할 수 있다.

상기 스테이지는 상기 레이저 빔에 대해 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공할 수 있다.

상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 상기 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치는 스테이지에 적재된 가공대상물을 레이저를 이용하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저 빔을 출사하는 레이저 광원; 상기 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할하여, 상기 가공대상물의 서로 다른 깊이에 각각 집광점을 형성하는 복수개의 곡면을 갖는 구면렌즈;를 포함하며, 상기 구면렌즈는 초점거리가 서로 다른 복수개의 곡면으로 형성될 수 있다.

상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 상기 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동시키는 스캐너를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가공대상물 내부에 복수개의 집광점을 가공대상물의 깊이 방향으로 형성하여 절단 등의 가공과정에서 여러 번 반복하는 가공이 필요하지 않으므로, 소요되는 시간을 단축할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 빔이 입사하는 면으로부터 더 깊은 위치에 형성된 집광점은 더 얕은 위치에 형성된 집광점보다 레이저 빔의 이동방향 쪽에 형성되므로, 가공대상물의 가공 시 레이저 빔이 개질영역에 의해 간섭 받는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공방법을 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공방법을 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공방법을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 가공된 가공대상물을 도시한 것이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 가공장치는 레이저 빔(L)을 출사하는 레이저 광원(110), 빔 전달 시스템(120), 스캐너(130), 및 가공대상물(150)이 안착되는 스테이지(160)를 포함한다.

레이저 광원(110)은 레이저를 방출하는 수단을 말하는 것으로, 이러한 레이저 광원(110)은 레이저를 발생시키는 물질의 종류에 따라 기체, 액체, 고체 레이저 광원 등으로 다양하게 분류될 수 있다.

레이저 광원(110)으로부터 방출된 레이저 빔(L)은 빔 전달 시스템(120)으로 입사된다. 빔 전달 시스템(120)은 레이저 광원(110)으로부터 방출된 레이저 빔(L)을 소정의 진행 경로를 따라 전달하기 위한 것으로, 예를 들면 복수의 거울을 포함하거나 또는 광 케이블 등을 포함할 수 있다.

빔 전달 시스템(120)을 통과한 레이저 빔(L)은 스캐너(130)로 입사된다. 스캐너(130)는 레이저 빔(L)을 가공대상물(150) 상에 스캔 함으로써, 가공대상물(150)의 가공작업을 수행하는 역할을 한다. 스캐너(130)는 레이저 빔(L)을 가공하고자 하는 영역에 위치시킬 수 있으며, 레이저 빔(L)의 선 운동을 제어할 수 있다.

광학계(140)는 스캐너(130)를 경유한 레이저 빔(L)이 가공대상물(150)의 내부에 집광점을 형성할 수 있도록 레이저 빔(L)의 초점을 조절하는 역할을 한다. 광학계(140)의 구체적인 실시예, 역할 및 작동 원리는 이하 후술하기로 한다

가공대상물(150)은 레이저 빔(L)이 투과할 수 있는 투명 매질로 형성될 수 있다.

스테이지(160)에는 가공대상물(150)이 안착되어 고정된다. 광학계(140)를 통과한 레이저 빔(L)이 가공대상물(150)에 조사될 때, 가공대상물(150)이 안착된 스테이지(160)의 이동에 의해 가공대상물(150)이 가공될 수 있다. 즉, 레이저 빔(L)을 가공대상물(150)상에 지속적으로 조사하면서 스테이지(160)를 원하는 형태로 이동시키면 피가공체인 가공대상물(150)을 가공할 수 있다.

또한, 스테이지(160)는 고정시킨 채로 스캐너(130)를 이용하여 레이저 빔(L)을 원하는 형태로 스캐닝 하는 경우에도 원하는 형태로 가공대상물(150)을 가공할 수 있다. 즉, 스캐너(130)에 포함된 미러의 움직임에 의해 레이저 빔(L)의 경로가 변경되어 스테이지(160) 상의 가공대상물(150)과의 상대적인 이동을 통해 가공대상물(150)을 가공할 수 있다.

이하에서는 도 1에 도시된 레이저 가공장치를 이용하여 가공대상물(150)을 절단하는 공정을 도 2a 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공방법을 도시한 것이다.

도 2a는 레이저 가공장치로부터 출사된 레이저 빔이 복수개의 레이저 빔(L1, L2)으로 분할되어 가공대상물(250) 내부에 제1 및 제2 집광점(P1, P2)을 형성한 상태에서, 제1 및 제2 집광점(P1, P2)이 이동하는 모습을 도시한 것이다.

도 2a를 참조하면, 먼저 가공대상물(250)을 준비한다. 가공대상물(250)은 레이저 빔(L)이 투과할 수 있는 투명 매질로 형성될 수 있다.

제1 및 제2 렌즈(10, 20)는 도 1에 도시된 레이저 가공장치의 광학계(140)로 사용될 수 있다. 도 1에서 스캐너(130)로부터 나온 레이저 빔(L)은 제1 및 제2 렌즈(10, 20)를 통과한 후, 제1 및 제2 레이저 빔(L1, L2)으로 분할될 수 있다. 제1 렌즈와 제2 렌즈(10, 20)는 서로 다른 초점거리를 가질 수 있으며, 레이저 빔(L)의 이동방향에 위치한 제2 렌즈(20)의 초점거리는 레이저 빔(L2)의 이동방향의 반대방향에 위치한 제1 렌즈(10)보다 초점거리가 더 큰 값을 가질 수 있다.

제1 렌즈(10)와 제2 렌즈(20)가 서로 다른 초점거리를 갖기 위하여, 제1 렌즈의 곡률과 제2 렌즈(20)의 곡률은 서로 다를 수 있다. 또는, 제1 렌즈(10)와 제2 렌즈(20)가 서로 동일한 곡률을 갖는다 하더라도, 제1 렌즈(10)의 굴절률과 제2 렌즈(20)의 굴절률이 서로 다를 수 있다. 또는, 제1 렌즈(10)와 제2 렌즈(20)는 곡률과 굴절률이 모두 다를 수도 있다.

제1 및 제2 레이저 빔(L1, L2)은 가공대상물(250)을 투과하여 각각 제1 및 제2 집광점(P1, P2)을 형성한다. 제2 렌즈(20)의 초점거리가 제1 렌즈(10)의 초점거리보다 더 큰 값을 가지므로, 제2 집광점(P2)은 제1 집광점(P1)보다 가공대상물(250)의 제1 및 제2 레이저 빔(L1, L2)이 입사하는 면으로부터 더 깊은 위치에 형성될 수 있다.

또한, 제1 렌즈(10)보다 더 큰 초점거리를 갖는 제2 렌즈(20)는 가공 예정 라인(S)에서 제1 렌즈(10) 보다 레이저 빔(L1, L2)의 이동방향 쪽에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제2 집광점(P2)은 가공 예정 라인(S)에서 제1 집광점(P1) 보다 더 레이저 빔(L1, L2)의 이동방향 쪽에 형성될 수 있다.

이와 같이, 가공대상물(250)의 내부에 제1 및 제2 집광점(P1, P2)이 형성됨에 따라 제1 및 제2 집광점(P1, P2) 주변에는 개질 영역이 형성될 수 있으며, 이러한 개질 영역으로부터 크랙(crack)이 형성될 수 있다. 여기서, 제2 집광점(P2)은 제1 집광점(P1) 보다 가공 예정 라인(S)에서 레이저 빔(L1, L2)의 이동방향 쪽에 형성되므로, 제2 집광점(P2)은 제1 집광점(P1)에 의해 형성된 개질 영역에 의해 방해 받지 않고 형성될 수 있다.

도 2b는 도 2a의 Ⅰ-Ⅰ‘선을 따라 본 단면도이다.

도 2b를 참조하면, 도 2a에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 집광점(P1, P2)이 각각 가공대상물(250)의 내부에서 서로 다른 깊이에 형성된 상태에서 제1 및 제2 집광점(P1, P2)을 가공 예정 라인(S)을 따라 상대적으로 이동시킨다. 이에 따라, 제1 및 제2 집광점(P1, P2)은 일정 방향(즉, 가공대상물의 이동방향과 반대방향)으로 이동한다. 제1 및 제2 집광점(P1, P2)의 이동은 스캐너(도 1의 130)의 구동에 의해 제어될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 집광점(P1, P2)의 이동은 가공대상물(250)이 안착된 스테이지(도 1의 160)의 이동에 의해서도 제어될 수 있다.

이 과정에서, 제1 및 제2 집광점(P1, P2)의 이동에 따라, 가공대상물(250)의 내부에는 크랙열(211, 212)이 가공 예정 라인(S)을 따라 형성되고, 이러한 크랙열(211, 212)에서 가공대상물(250)의 상면 및 하면 까지 크랙들이 확장될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 집광점(P1, P2)의 가공대상물(250) 내부에서의 이동이 끝나게 되면 도 2c에 도시된 바와 같이 가공대상물(250)의 내부에는 크랙열(211, 212) 형성이 완료된다.

위 실시예에서는 초점거리가 서로 다른 두 개의 렌즈(10, 20)와 형성 깊이가 서로 다른 두 개의 집광점(P1, P2)으로 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 두 개 이상의 렌즈 및 두 개 이상의 집광점을 형성하여 가공대상물을 가공할 수도 있다.

위 실시예에 따르면, 가공대상물(250) 내부에 복수개의 집광점(P1, P2)을 서로 다른 깊이에 형성하여 가공대상물(250)을 가공하는 바, 가공과정에서 여러 번 반복하는 가공이 필요하지 않으므로 소요시간이 단축될 수 있다. 또한, 레이저 빔(L1, L2)이 입사하는 면으로부터 더 깊은 위치에 형성된 집광점(P2)은 더 얕은 위치에 형성된 집광점(P1)보다 가공 예정 라인(S)에서 레이저 빔(L1, L2)의 이동방향 쪽에 형성되므로, 가공대상물(250)의 가공 시 제2 집광점(P2)은 제1 집광점(P1)으로부터 형성된 개질 영역에 의해 방해 받지 않고 형성될 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공방법을 도시한 것이다.

도 3a는 레이저 가공장치로부터 출사된 레이저 빔이 복수개의 레이저 빔(L1’, L2’, L3’)으로 분할되어 가공대상물(350) 내부에 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)을 형성한 상태에서, 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)이 이동하는 모습을 도시한 것이다.

도 3a를 참조하면, 회절 광학 소자(170) 및 집속렌즈(175)는 도 1에 도시된 레이저 가공장치의 광학계(140)로 사용될 수 있다. 도 1에서 스캐너(130)로부터 나온 레이저 빔(L)은 회절 광학 소자(170)를 통과한 후, 제1, 제2 및 제3 레이저 빔(L1’, L2’, L3’)으로 분할될 수 있다.

회절 광학 소자(170)의 구조를 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다. 일반적으로 사용되는 볼록 렌즈와 같은 굴절 광학 소자와는 달리 회절 광학 소자는 표면에 형성된 다수의 회절 격자를 통해 렌즈의 기능을 수행하는 것이다. 도 3b는 이러한 회절 광학 소자(170)의 구조를 설명한다. 회절 광학 소자(170)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 일반적인 볼록 렌즈의 표면(172)을 일정한 높이로 분할하여, 분할된 각 구간의 렌즈 표면 형상을 그대로 기판(171) 위에 옮겨 놓은 형태이다. 일반적으로 볼록 렌즈에서 빛이 꺾이는 부분은 바로 렌즈의 표면이므로, 초점이 형성되는 쪽을 절단하여 도 3b와 같이 형성하더라도 일반적인 렌즈의 기능을 그대로 수행할 수 있다.

다시 도 3a를 참조하면, 회절 광학 소자(170)를 통과한 제1, 제2 및 제3 레이저 빔(L1’, L2’, L3’)은 집속렌즈(175)를 통과한 후, 가공대상물(350) 내부에 각각 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)을 형성한다. 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)은 가공대상물(350)에서 서로 다른 깊이에 형성될 수 있다. 제2 집광점(P2’)은 가공대상물(350)의 상면으로부터 제1 집광점(P1’) 보다 더 깊은 위치에 형성되고, 제3 집광점(P3’)은 가공대상물(350)의 상면으로부터 제2 집광점(P2’) 보다 더 깊은 위치에 형성되도록 회절 광학 소자(170)의 위치 및 형태가 조절될 수 있다.

또한, 제2 집광점(P2’)은 가공 예정 라인(S)에서 제1 집광점(P1’) 보다 더 레이저 빔의 이동방향 쪽에 위치하고, 제3 집광점(P3’)은 가공 예정 라인(S)에서 제2 집광점(P2’) 보다 더 레이저 빔의 이동방향 쪽에 위치하도록 회절 광학 소자(170)의 위치 및 형태가 조절될 수 있다.

이와 같이, 가공대상물(350)의 내부에 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)이 형성됨에 따라 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’) 주변에는 개질 영역이 형성될 수 있으며, 이러한 개질 영역으로부터 크랙(crack)이 형성될 수 있다. 여기서 제2 집광점(P2’)은 가공 예정 라인(S)에서 제1 집광점(P1’) 보다 더 레이저 빔의 이동방향 쪽에 형성되므로, 제2 집광점(P2’)은 제1 집광점(P1’)에 의해 형성된 개질 영역에 의해 방해 받지 않고 형성될 수 있다. 또한, 제3 집광점(P3’)은 가공 예정 라인(S)에서 제2 집광점(P2’) 보다 더 레이저 빔의 이동방향 쪽에 형성되므로, 제3 집광점(P3’)은 제2 집광점(P2’)에 의해 형성된 개질 영역에 의해 방해 받지 않고 형성될 수 있다.

도 3c는 도 3a의 Ⅱ-Ⅱ‘선을 따라 본 단면도이다.

도 3c를 참조하면, 도 3a에 도시된 바와 같이 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)이 각각 가공대상물(350)의 내부에서 서로 다른 깊이에 형성된 상태에서 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)을 가공 예정 라인(S)을 따라 상대적으로 이동시킨다. 이에 따라, 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)은 일정 방향(즉, 가공대상물의 이동방향과 반대방향)으로 이동한다. 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)의 이동은 스캐너(도 1의 130)의 구동에 의해 제어될 수 있다. 한편, 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)의 이동은 가공대상물(350)이 안착된 스테이지(도 1의 160)의 이동에 의해서도 제어될 수 있다.

이 과정에서, 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)의 이동에 따라, 가공대상물(350)의 내부에는 크랙열(311, 312, 313)이 가공 예정 라인(S)을 따라 형성되고, 이러한 크랙열(311, 312, 313)에서 가공대상물(350)의 상면 및 하면 까지 크랙들이 확장될 수 있다. 이와 같이, 제1, 제2 및 제3 집광점(P1’, P2’, P3’)의 가공대상물(350) 내부에서의 이동이 끝나게 되면 도 3d에 도시된 바와 같이 가공대상물(350)의 내부에는 크랙열(311, 312, 313) 형성이 완료된다.

위 실시예에서는 회절 광학 소자(170) 및 집속렌즈(175)를 이용하여 레이저 빔을 세 개로 분할하고, 가공대상물(350) 내부에 세 개의 집광점(P1’, P2’ P3’)을 형성하여 가공대상물(350)을 가공하는 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치를 설명하였다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 회절 광학 소자를 통해 레이저 빔을 세 개 이상의 레이저 빔으로 분할하고, 가공대상물 내부에 세 개 이상의 집광점을 형성하여 가공대상물을 가공할 수도 있다.

위 실시예에 따르면 가공대상물(350) 내부에 복수개의 집광점(P1’, P2’ P3’)을 서로 다른 깊이에 형성하여 가공대상물(350)을 가공하는 바, 가공과정에서 여러 번 반복하는 가공이 필요하지 않으므로 소요시간이 단축될 수 있다. 또한, 레이저 빔(L1’, L2’, L3’)이 입사하는 면으로부터 더 깊은 위치에 형성된 집광점은 더 얕은 위치에 형성된 집광점 보다 가공 예정 라인(S)에서 레이저 빔의 이동방향 쪽에 형성되므로, 가공대상물(350)의 가공 시 더 깊은 위치에 형성된 집광점은 더 얕은 위치에 형성된 집광점으로부터 형성된 개질 영역에 의해 방해 받지 않고 형성될 수 있다.

도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공방법을 도시한 것이다.

도 4a는 레이저 가공장치로부터 출사된 레이저 빔이 복수개의 레이저 빔(L1”, L2”, L3”)으로 분할되어 가공대상물(450) 내부에 제1, 제2, 제3 집광점(P1”, P2”, P3”)을 형성한 상태에서, 제1, 제2, 제3 집광점(P1”, P2”, P3”)이 이동하는 모습을 도시한 것이다.

도 4a를 참조하면, 구면렌즈(180)는 도 1에 도시된 레이저 가공장치의 광학계(140)로 사용될 수 있다. 도 1에서 스캐너(130) 나온 레이저 빔(L)은 구면렌즈(180)를 통과한 후, 제1, 제2 및 제3 레이저 빔(L1”, L2”, L3”)으로 분할될 수 있다.

구면렌즈(180)는 복수개의 곡면(181, 182, 183)을 가질 수 있으며, 복수개의 곡면(181, 182, 183)은 각각 서로 다른 초점거리를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 곡면(181)은 제2 곡면(182) 보다 초점거리가 더 클 수 있으며, 제2 곡면(182)은 제3 곡면(183) 보다 초점거리가 더 클 수 있다. 이에 따라, 제1 곡면(181)에 의해 분할된 제1 레이저 빔(L1”)이 형성하는 제1 집광점(P1”)은 제2 곡면(182)에 의해 분할된 제2 레이저 빔(L2”)이 형성하는 제2 집광점(P2”) 보다 가공대상물(450)의 상면으로부터 더 깊은 위치에 형성될 수 있다. 또한, 제2 곡면(182)에 의해 분할된 제2 레이저 빔(L2”)이 형성하는 제2 집광점(P2”)은 제3 곡면(183)에 의해 분할된 제3 레이저 빔(L3”)이 형성하는 제2 집광점(P3”) 보다 가공대상물(450)의 상면으로부터 더 깊은 위치에 형성될 수 있다.

구면렌즈(180)는 복수개의 곡면(181, 182, 183) 각각 서로 다른 초점거리를 갖기 위하여, 복수개의 곡면(181, 182, 183)은 서로 다른 곡률을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 곡면(181)은 제2 곡면(182) 및 제3 곡면(183) 보다 큰 곡률을 가질 수 있고, 제2 곡면(182)은 제3 곡면(183) 보다 큰 곡률을 가질 수 있다.

이와 같이, 가공대상물(450)의 내부에 제1, 제2 및 제3 집광점(P1”, P2”, P3”)이 형성됨에 따라 제1, 제2 및 제3 집광점(P1”, P2”, P3”) 주변에는 개질 영역이 형성될 수 있으며, 이러한 개질 영역으로부터 크랙(crack)이 형성될 수 있다.

도 4b는 도 4a의 Ⅲ-Ⅲ‘선을 따라 본 단면도이다.

도 4b를 참조하면, 도 4a에 도시된 바와 같이 제1, 제2 및 제3 집광점(P1”, P2”, P3”)이 각각 가공대상물(450)의 내부에서 서로 다른 깊이에 형성된 상태에서 제1, 제2 및 제3 집광점(P1”, P2”, P3”)을 가공 예정 라인(S)을 따라 상대적으로 이동시킨다. 이에 따라, 제1, 제2 및 제3 집광점(P1”, P2”, P3”) 은 일정 방향(즉, 가공대상물의 이동방향과 반대방향)으로 이동한다. 제1, 제2 및 제3 집광점(P1”, P2”, P3’)의 이동은 스캐너(도 1의 130)의 구동에 의해 제어될 수 있다. 한편, 제1, 제2 및 제3 집광점(P1”, P2”, P3”)의 이동은 가공대상물(450)이 안착된 스테이지(도 1의 160)의 이동에 의해서도 제어될 수 있다.

이 과정에서, 제1, 제2 및 제3 집광점(P1”, P2”, P3”)의 이동에 따라, 가공대상물(450)의 내부에는 크랙열(411, 412, 413)이 가공 예정 라인(S)을 따라 형성되고, 이러한 크랙열(411, 412, 413)에서 가공대상물(450)의 상면 및 하면 까지 크랙들이 확장될 수 있다. 이와 같이, 제1, 제2 및 제3 집광점(P1”, P2”, P3”)의 가공대상물(350) 내부에서의 이동이 끝나게 되면 도 4c에 도시된 바와 같이 가공대상물(450)의 내부에는 크랙열(411, 412, 413) 형성이 완료된다.

위 실시예에서는 복수개의 곡면(181, 182, 183)을 갖는 구면렌즈(180)를 이용하여 레이저 빔을 세 개로 분할하고, 가공대상물(450) 내부에 세 개의 집광점(P1”, P2” P3”)을 형성하여 가공대상물(450)을 가공하는 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치를 설명하였다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 세 개 이상의 곡면을 갖는 구면렌즈를 통해 레이저 빔을 세 개 이상의 레이저 빔으로 분할하고, 가공대상물 내부에 세 개 이상의 집광점을 형성하여 가공대상물을 가공할 수도 있다.

위 실시예에 따르면 가공대상물(450) 내부에 복수개의 집광점(P1”, P2” P3”)을 서로 다른 깊이에 형성하여 가공대상물(450)을 가공하는 바, 가공과정에서 여러 번 반복하는 가공이 필요하지 않으므로 소요시간이 단축될 수 있다.

도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 가공된 가공대상물(150’, 150”)을 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 도 5에 도시된 바와 같이 가공대상물(250, 350, 450) 내부에 가공 예정 라인(S)을 따라 크랙열(211, 212, 311, 312, 313, 411, 412, 413)이 형성된 상태에서 자연적으로 또는 외부에서 가공대상물(250, 350, 450)에 충격을 가해게 되면 브레이킹(breaking)에 의해 가공대상물(250, 350, 450)을 복수개의 가공대상물(150’, 150”)로 절단할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110 … 레이저 광원 120 … 빔 전달 시스템
130 … 스캐너 140 … 광학계
150, 150' 150" 250, 350, 450 … 가공대상물
160 … 스테이지 L … 레이저 빔
L1, L1' L1" … 제1 레이저 빔 L2, L2' L2" … 제2 레이저 빔 L3, L3' L3" … 제3 레이저 빔 P1, P1' P1" … 제1 집광점 P2, P2' P2" … 제2 집광점 P3, P3' P3" … 제3 집광점 S … 가공 예정 라인 10 … 제1 렌즈 20 … 제2 렌즈
211, 212, 311, 312, 313, 411, 412, 413 … 크랙열
170 … 회절 광학 소자 171 … 기판
172 … 볼록 렌즈의 표면 180 … 구면렌즈
181 … 제1 곡면 182 … 제2 곡면
183 … 제3 곡면

Claims

스테이지에 적재된 가공대상물을 레이저를 이용하여 가공하는 레이저 가공방법에 있어서,
레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할시키는 단계;
상기 분할된 복수개의 레이저 빔을 상기 가공대상물에 투과시켜 서로 다른 깊이에 각각 집광점을 형성하는 단계; 및
상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 단계;를 포함하고,
상기 가공대상물의 상기 레이저 빔이 입사하는 면으로부터 더 깊은 위치에 형성된 집광점은 더 얕은 위치에 형성된 집광점보다 상기 가공 예정 라인에서 상기 레이저 빔의 이동방향 쪽에 형성되는 레이저 가공방법.
제 1 항에 있어서,
상기 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할시키는 단계는, 상기 레이저 빔을 서로 초점거리가 다른 복수개의 렌즈를 통과시켜 상기 레이저 빔을 분할시키는 레이저 가공방법.
제 2 항에 있어서,
상기 복수개의 렌즈는 상기 레이저 빔의 이동방향에 위치한 렌즈가 상기 레이저 빔의 이동방향의 반대방향에 위치한 렌즈보다 초점거리가 더 큰 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
제 1 항에 있어서,
상기 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할시키는 단계는, 상기 레이저 빔을 회절광학소자 렌즈에 통과시켜 상기 레이저 빔을 분할시키는 레이저 가공방법.
제 1 항에 있어서,
상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 상기 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 단계는, 상기 스테이지를 이동하거나 상기 레이저 빔을 스캔하여 상기 가공대상물을 가공하는 레이저 가공방법.
제 1 항에 있어서,
상기 가공대상물은 투명 매질인 레이저 가공방법.
스테이지에 적재된 가공대상물을 레이저를 이용하여 가공하는 레이저 가공방법에 있어서,
레이저 빔을 복수개의 곡면을 갖는 구면렌즈에 통과시켜 초점거리가 서로 다른 복수개의 레이저 빔으로 분할시키는 단계;
상기 분할된 복수개의 레이저 빔을 상기 가공대상물에 투과시켜 서로 다른 깊이에 각각 집광점을 형성하는 단계; 및
상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 단계;를 포함하는 레이저 가공방법.
제 7 항에 있어서,
상기 구면렌즈의 상기 복수개의 곡면은 서로 다른 초점거리를 갖는 레이저 가공방법.
제 7 항에 있어서,
상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 상기 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 단계는, 상기 스테이지를 이동하거나 상기 레이저 빔을 스캔하여 상기 가공대상물을 가공하는 레이저 가공방법.
스테이지에 적재된 가공대상물을 레이저를 이용하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서,
레이저 빔을 출사하는 레이저 광원;
상기 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할하여, 상기 가공대상물의 서로 다른 깊이에 각각 집광점을 형성하는 광학계;를 포함하며,
상기 가공대상물의 상기 레이저 빔이 입사하는 면으로부터 더 깊은 위치에 형성된 집광점은 더 얕은 위치에 형성된 집광점보다 가공 예정 라인에서 상기 레이저 빔의 이동방향 쪽에 형성되는 레이저 가공장치.
제 10 항에 있어서,
상기 광학계는 서로 초점거리가 다른 복수개의 렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
제 11 항에 있어서,
상기 복수개의 렌즈는 상기 레이저 빔의 이동방향에 위치한 렌즈가 상기 레이저 빔의 이동방향의 반대방향에 위치한 렌즈보다 초점거리가 더 큰 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제 10 항에 있어서,
상기 광학계는 회절광학소자 렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
제 10 항에 있어서,
상기 스테이지는 상기 레이저 빔에 대해 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 레이저 가공장치.
제 10 항에 있어서,
상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 상기 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동시키는 스캐너를 더 포함하는 레이저 가공장치.
스테이지에 적재된 가공대상물을 레이저를 이용하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서,
레이저 빔을 출사하는 레이저 광원;
상기 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분할하여, 상기 가공대상물의 서로 다른 깊이에 각각 집광점을 형성하는 복수개의 곡면을 갖는 구면렌즈;를 포함하며,
상기 구면렌즈는 초점거리가 서로 다른 복수개의 곡면으로 형성되는 레이저 가공장치.
제 16 항에 있어서,
상기 구면렌즈의 상기 복수개의 곡면은 서로 다른 초점거리를 갖는 레이저 가공장치.
제 16 항에 있어서,
상기 스테이지는 상기 레이저 빔에 대해 상대적으로 이동하여 상기 가공대상물을 가공하는 레이저 가공장치.
제 16 항에 있어서,
상기 레이저 빔을 상기 스테이지에 대해 가공 예정 라인을 따라 상대적으로 이동시키는 스캐너를 더 포함하는 레이저 가공장치.