KR101358672B1 - 극초단 펄스 레이저를 이용한 투명시편 절단방법 및 다이싱 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 소스로부터 10 fs ~ 10 ps의 펄스폭을 가지며, 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 극초단 펄스 레이저 빔을 생성하여 포커싱함으로써 집속점을 형성하는 단계, 상기 집속점이 투명시편의 양쪽 표면의 안쪽 내부영역에 위치되도록 상기 펄스 레이저 빔의 집속점을 위치시킴으로써, 상기 포커싱된 펄스 레이저 빔에 의해 투명시편 내부로 에너지가 전달되도록 하는 단계 및 원하는 형태의 절단선을 따라 상기 집속점 또는 투명시편을 상대이동시킴으로써, 투명시편상에 크랙이 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파되는 단계;를 포함하는 투명시편의 가공 방법과 상기 투명시편을 가공하기 위한 다이싱 장치에 관한 것이다.

Description

극초단 펄스 레이저를 이용한 투명시편 절단방법 및 다이싱 장치{Transparent material cutting method using ultrafast pulse laser and Dicing Apparatus for thereof}

본 발명은 입사되는 레이저의 중심파장에 대한 흡수율이 낮은 유리, 강화유리, 사파이어, 실리콘 등의 취성 투명시편 재료를 레이저를 이용하여 의도하는 방향으로 절단하거나 가공하는 방법 및 이를 구현하기 위한 투명시편 다이싱 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펄스폭 10 ps 이하의 극초단 펄스 레이저를 상기 투명시편 내부에 포커싱시켜 상기 투명시편 재료를 의도하는 방향으로 절단하거나 가공하는 방법 및 이를 구현하기 위한 투명시편 다이싱 장치에 관한 것이다.

유리, 실리콘, 세라믹 등의 취성기판을 절단하여 분리시키는데 사용되는 방법으로는, 스크라이빙(Scribing), 블레이드 다이싱(Blade Dicing)의 기계적인 절단 방법과 레이저 기반가공의 절단 방법이 사용되고 있다.

기존 기계적 절단 방법은 가공 시 다량의 칩을 형성하여 가공 후 칩 제거 및 세척 공정 등이 부가적으로 요구되며, 잔류응력을 가공물에 남겨 100 ㎛ 이하의 박막에서는 심각한 파손과 찢어짐을 유발할 수 있고, 공구와 시편간의 물리적인 접촉 과정에서 공구의 마모가 발생하며, 가공 후 절단면에 남아있는 마이크로 크랙들은 추후 시편의 파손을 야기하는 등의 단점이 존재한다.

상기 레이저 기반의 절단 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 첫째는 절단하려는 시편의 흡수대역에 해당하는 파장을 갖는 레이저를 사용하여 액화나 기화, 혹은 플라즈마화 등의 상변화를 통해 시편의 일부를 제거함으로써 시편을 절단하는 방법이다. 이러한 방법에서는 한 번의 레이저 조사를 통해 제거할 수 있는 시편의 양이 제한되어 있는 관계로, 통상적으로 여러 번의 스캔을 통해 깊이방향으로 시편 물질을 제거해 가는 형태로 절단이 진행된다. 때문에 가공시간이 오래 걸리며, 이 과정에서 가공 주변 영역으로 넓은 열영항지대(HAZ: Heat Affected Zone)를 형성하여, 가공물의 물성치를 변화시키고 잔류응력을 남겨 강도를 약화시키거나 시편의 균일도를 떨어뜨리는 등의 한계를 가지고 있으며, 상기 기계적 절단 방법과 마찬가지로 가공 중 많은 debris가 발생하여 이를 제거하는 공정이 요구되는 등의 단점이 있다. 레이저의 출력을 증가시켜 한 번의 스캔으로 절단을 수행하는 경우도 있으나 출력 증가에 따라 동반되는 악영향은 위의 언급된 단점들과 유사하다.

레이저 기반의 두 번째 절단 방법으로는 물리적인 시편 물질의 제거가 아닌 크랙을 발생시키고 전파하여 절단을 돕거나 직접적으로 절단을 수행하는 것이다. 여기서 상기 레이저는 시편의 원하는 영역의 온도를 높이는데 사용되고, 시편의 온도가 식는 과정에서 인장력이 형성되어 크랙이 발생 및 전파된다.

이러한 원리를 이용한 여러 방법들이 현재 산업계에서 개발되어 사용되고 있다. 첫 번째 예로는 JENOPTIK 사의 TLS(Thermal Laser Separation) 다이싱이나 Corning사의 다이싱 방법들이 있다. 이들은 시편이 흡수하는 파장 대역의 레이저를 광원으로 사용하며 크게 세 단계의 공정을 거쳐 절단이 이루어지는데, 먼저 시편의 윗면 모서리에 초기 크랙을 형성시킨 다음 직선 가공 패턴을 따라 레이저를 조사시켜 압축력을 유발하고 마지막으로 에어로졸이나 가스를 이용한 냉각 시스템이 레이저를 뒤따르며 급격한 인장력을 발생시켜 크랙을 발전시켜 나간다. 이 방법은 절단 라인이나 절단 옆면의 형상이 우수한 장점이 있는 반면, 시편에 조사되는 레이저로 인해 넓은 열영향지대가 발생한다는 단점이 있다.

두 번째 예로는 Rofin사의 MLBA(Multiple Laser Beam Absorption)방법이 있다. 여기서는 시편이 투과시키는 파장 대역의 CW 다이오드 레이저나 디스크 레이저를 광원으로 사용한다. 보통 레이저의 중심파장이 시편에 흡수되지 않는 경우에는 레이저를 이용하여 시편을 가열하는 것이 어려운데, 여기서는 수백 W 급의 고출력과, 레이저의 지름을 수 mm 수준으로 유지시켜 시편에 입사시킴으로써 시편 내에서 몇 번의 다중 반사가 일어나며 흡수가 지속되도록 하는 방법으로 이를 극복하였다. 이 방법은 레이저 조사 후 별도의 냉각 시스템 없이 공기냉각만으로도 충분한 인장력이 발생되고, 직선 및 곡선의 절단라인을 형성할 수 있다는 장점이 있으나, 고출력의 레이저로 인해 시편의 열적 변형이 우려되며, 시편의 어느 면에 여타 다른 물질이 절단라인 가까이에 코팅되어 있는 경우 적용이 불가능한 단점이 있다.

마지막 예로는 Hamamatsu사의 Stealth dicing 방법이 있다. 여기서는 시편이 투과시키는 파장 대역의 레이저를 광원으로 사용하여 절단하고자 하는 라인을 따라 시편 내부에 레이저를 집광시킴으로써 개질 및 크랙을 형성시키고 이를 성장시킴으로써 절단을 수행한다. 이 방법은 절단 라인이 우수한 장점이 있으나 곡선 가공이 불가능하고, 개질면이 절단 옆면으로서 그대로 노출되기 때문에 면이 거칠어 하중이 가해졌을 경우에는 임의의 방향으로 추가 크랙이 자랄 가능성이 높아 응용 분야가 제한되는 단점이 있다.

한편, 최근 들어 수 ps 이하 수준의 펄스폭을 갖는 극초단 펄스 레이저가 연구분야 뿐 아니라 산업계에서도 각광받고 있다.

극초단 펄스 레이저는 수 fs ~ 수 ps 수준의 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스 레이저로서, 주로 레이저 공진기 내 여러 주파수 모드들 간의 모드잠금 현상을 통해 위상이 정렬되어 펄스형태로 발진되는 레이저이다. 극초단 펄스 레이저는 다양한 형태의 증폭 매질을 통해 구성이 가능한데, 크게 Ti:Sapphire을 증폭 매질로 사용하는 780 nm 중심파장의 bulk type 레이저와 Er 또는 Yb 이온 첨가 광섬유를 기반으로 하는 1550 nm 또는 1040 nm 중심파장의 광섬유 기반 레이저로 나눌 수 있다.

상기 Ti:Sapphire 극초단 펄스 레이저의 경우 레이저 공진기의 광경로의 대부분이 공기로 이루어져 펄스의 분산 컨트롤이 용이하고 증폭매질의 방출 스펙트럼이 넓어 수 fs 수준의 좁은 펄스까지도 생성이 가능한 장점이 있으나 증폭 시스템의 경우에는 시스템이 커지고 환경의 변화에 민감하며 증폭매질의 열적인 손상 문제 때문에 평균출력의 향상이 어렵고 반복률을 수백 kHz 이상으로 증가시키기 어려운 단점이 있다. 반면 광섬유를 기반으로 하는 극초단 펄스 레이저의 경우에는 대부분의 광경로가 광섬유로 구성되어 있어 광섬유의 고차 분산의 축척으로 인해 bulk type 극초단 펄스 레이저 수준의 좁은 펄스폭은 획득하기 어려우며 통상적으로 100 fs 수준의 펄스폭이 얻어지는 반면, 환경에 둔감하고 부피가 작으며 유지보수가 수월하고 증폭 시스템의 경우 광섬유 자체의 우수한 발열 특성으로 인해 수십 W 이상, 수십 MHz이상의 고평균출력, 고반복률 시스템도 수월하게 구성이 가능한 장점이 있다. 예컨대, 가공하고자 하는 가공대상물의 스테이지 상의 이동속도가 상대적으로 빠르고 특히 곡선가공이 요구되는 경우에는 연속적이고 부드러운 가공 결과를 위해 높은 반복률이 요구되기 때문에 이러한 광섬유 기반 극초단 펄스 레이저의 고반복률 특성이 큰 장점을 지닌다.

이러한 극초단 펄스 레이저는 발진되는 에너지의 대부분이 수 fs ~ 수 ps 에 이르는 좁은 펄스폭 내에 집중되어 있기 때문에 적절한 대물렌즈 등을 통해 공간적인 집중을 병행할 시에는 10¹² W/cm² 이상의 매우 높은 첨두출력까지도 획득이 용이하다. 높은 첨두출력과 수 ps 이하 수준의 좁은 펄스폭은 다양한 비선형 현상을 유발하는데 특히 투명한 시편에 레이저를 집광시키는 경우 다광자흡수(Multi Photon Absorption) 현상과 아발란치 이온화 현상 (Avalanche Ionization)에 의해 흡수율이 비약적으로 상승하는 결과를 초래하므로 이를 이용하면 투명시편의 내부에 레이저의 에너지를 효과적으로 전달시킬 수 있게 된다.

상기 레이저와 물질이 반응하는 과정은 도 1에서 보여주는 바와 같이 시간 스케일에 따라 몇 가지 물리적인 현상들로 나타낼 수 있다.

일단 레이저 광자가 시편에 입사되면 수 fs에서 수십 fs의 시간동안에는 역제동복사 현상(Inverse Bremsstrahlung)에 의해 광자의 에너지가 전자로 전달되며 동시에 전자들 간에도 에너지의 확산(Carrier-Carrier Scattering)이 일어난다. 이후 수 ps 동안 전자와 물질의 격자(Lattice)간 에너지 전달(Carrier-Phonon Scattering)이 일어나며 이 현상으로 인해 물질의 온도가 상승하기 시작한다. ns 수준의 시간이 지나면서 압력이나 쇼크파(Shock Wave)가 집광점 외부로 퍼지기 시작하며, 인근 영역으로의 열확산이 본격화된다. 때문에 수 ps 이하 수준의 펄스폭을 갖는 레이저와 물질이 반응하는 경우에는 수 ps 의 시간도 지나기 전, 즉 전자와 격자 간 에너지 확산이 본격적으로 일어나기도 전에 레이저에서 시편으로의 에너지 전달이 완료가 되며 따라서 레이저가 집광되는 지점은 일시적으로 광에너지가 공급만 될 뿐 확산은 되지 않고 갇혀있는 상황이 연출된다. 따라서 수 ps 이하의 펄스폭을 갖는 극초단 펄스 레이저를 투명시편의 내부에 강하게 집속시키면 높은 첨두출력에서 기인하는 비선형 흡수의 향상을 기대할 수 있을 뿐 아니라, 에너지가 공급되는 수 ps 이내의 시간에서는 에너지의 확산이 물리적으로 차단되어 CW 레이저나 여타 long pulse로는 얻을 수 없는 높은 온도 및 온도 구배를 실현할 수 있게 된다. 이러한 온도구배는 추후 강력한 인장력 발생의 근원이 될 수 있다.

상기 극초단 펄스 레이저를 이용한 기판 절단 방법에 관한 종래기술로서, 공개특허 제10-2011-0139007호(2011.12.28)에서는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법에 관해 기재되어 있고, 공개특허 제10-2012-0073249호(2012.07.04) 1kHz의 주파수에서 작동하는 펄스 레이저 빔을 이용하여 기판으로부터 제품을 절단하는 방법에 관해 기재되어 있다.

그러나 상기 선행기술들에서는 직선외 가공이 곤란하며 가공 단면이 매끄럽지 못하고 물리적인 힘을 가하는 공정이 추가로 요구될 수 있는 단점이 있거나, 또는 한 번의 레이저 조사만으로 윗면에서 바닥면을 관통하는 크랙을 생성시키지 못해 반복된 두 번의 레이저 조사 공정을 필요로 하고, 시드 크랙 형성을 위해 레이저의 조사 초점이 반드시 투명시편의 에지(edge)를 통과해야 한다는 단점이 존재하여 추가 개선의 여지를 포함하고 있다.

한편, 현재 디스플레이 분야에 투명 기판의 다이싱 기술의 중요성은 점차 높아지고 있는 추세로서, 시편으로 사용되는 폐곡면의 절단 라인 및 절단 단면이 깨끗하고 열영향지대가 전무하여 시편의 기능에 전혀 영향을 미치지 않으며, 직선·곡선 및 임의의 패턴 가공이 용이하고, 파편·칩·데브리(debris)등이 발생하지 않으며, 다이싱과정상의 절단, 세척 등 여러 공정 단계를 줄여 제품 제작에 필요한 시간 및 비용을 단축시킬 수 있는, 보다 개선된 기술개발에 대한 필요성이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다. 특히 표면이 화학적으로 강화 처리된 강화유리의 경우에는 직선 및 곡선 가공이 자유자재로 가능한 절단 방법이 없어 새로운 기술개발이 필수적이다.

공개특허 제10-2011-0139007호(2011.12.28) 공개특허 제10-2012-0073249호(2012.07.04)

상기와 같은 문제점들을 해결하고자 본 발명은 취성 투명시편의 절단 단면이 경면(鏡面) 형태로 깨끗하고, 레이저로 인해 발생할 수 있는 열영향지대를 절단 라인을 중심으로 임의의 한쪽 영역으로 선택적으로 위치시킴으로써 취하고자 하는 폐곡면 내에 열영향지대가 전무한 절단방법 및 상기 방법을 적용하기 위한 다이싱 장치를 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 직선·곡선 및 임의의 패턴 가공이 가능하면서 파편·칩·데브리(debris)등이 발생하지 않고, 추가의 물리적인 공정이 필요없이 단 한 번의 레이저 조사만으로도 크랙의 생성 및 전파가 실시간으로 이루어는 취성 투명시편의 절단방법 및 이를 적용하기 위한 다이싱 장치를 제공하는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 일반 취성 투명시편 뿐 아니라 표면이 강화처리된 다양한 취성 투명시편까지도 절단이 가능한 방법을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 레이저 소스로부터 10 fs ~ 10 ps의 펄스폭을 가지며, 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 극초단 펄스 레이저 빔을 생성하여 포커싱함으로써 집속점을 형성하는 단계; 상기 집속점이 투명시편의 양쪽 표면의 안쪽 내부영역에 위치되도록 상기 펄스 레이저 빔의 집속점을 위치시킴으로써, 상기 포커싱된 펄스 레이저 빔에 의해 투명시편 내부로 에너지가 전달되어 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배가 형성되도록 하는 단계; 및 원하는 형태의 절단선을 따라 상기 집속점 또는 투명시편을 상대이동시킴으로써, 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여, 투명시편상에 크랙이 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파되는 단계;를 포함하는 투명시편의 가공 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 레이저 소스로부터 10 fs ~ 10 ps의 펄스폭을 가지며, 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 극초단 펄스 레이저 빔을 생성하여 포커싱함으로써 집속점을 형성하는 단계; 상기 집속점이 투명시편의 양쪽 표면의 안쪽 내부영역에 위치되도록 상기 펄스 레이저 빔의 집속점을 위치시킴으로써, 상기 포커싱된 펄스 레이저 빔에 의해 투명시편 내부로 에너지가 전달되어 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배가 형성되도록 하는 단계; 및 원하는 형태의 절단선을 따라 상기 집속점 또는 투명시편을 상대이동시킴으로써, 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여, 투명시편상에 크랙이 상기 집속점의 이동 라인을 기준으로 투명시편의 일측면방향인 양의 오프셋 간격을 유지하며 전파되거나 또는 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 타측면방향인 음의 오프셋 간격을 유지하며 전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파되는 단계;를 포함하는 투명시편의 가공 방법을 제공한다.

일 실시예로서, 상기 전파되는 크랙은 집속점의 이동라인을 따라서, 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면방향으로 간격을 두고 이격되어 전파되다가, 상기 집속점의 이동라인을 통과하여 투명시편의 타측면방향으로 간격을 두고 이격되어 전파되는 과정을 적어도 1회이상 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 전파되는 크랙은 집속점의 이동라인을 따라서, 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 방향으로만 간격을 두고 이격되어 전파됨으로써, 상기 크랙의 전파방향은 상기 투명시편의 타측면 방향으로 간격을 두고 이격되어 전파되는 과정을 포함하지 않을 수 있다.

일 실시예로서, 상기 투명시편은 유리, 실리콘, 표면강화 유리, 사파이어, SiC 기판, GaN 기판, 투명 세라믹 기판, OLED용 투명기판, 또는 플렉시블 디스플레이(flexible display)에 사용되는 투명 고분자 기판 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

일 실시예로서, 상기 집속점의 주변지역중 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 방향 또는 타측면 방향에 냉각공정, 또는 가열공정, 또는 냉각공정과 가열공정의 혼합공정을 수행함으로써, 집속점 주변의 온도 분포를 제어하여 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 전파방향을 조절할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 레이저집속점과 시편간의 상대운동속도, 시편 내 집속점의 깊이, 레이저의 첨두출력, 평균출력, 반복률, 레이저와 시편간의 입사각으로부터 선택되는 어느 하나이상을 조절하여 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 전파방향을 조절할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 가공된 투명시편은 크랙의 전파로 인한 투명시편의 가공된 단면이 경면을 이룰 수 있다.

일 실시예로서, 상기 크랙은 직선, 곡선 또는 직선과 곡선이 혼합형태로 전파될 수 있고, 또한 상기 크랙은 폐곡면을 형성하도록 전파되되, 크랙의 전파 라인을 상기 집속점의 이동라인의 내부에 위치시키도록 가공될 수 있다.

일 실시예로서, 상기 투명시편의 가공 방법은 상기 집속점의 이동의 시작이 투명시편의 에지가 아닌 내부에서 시작됨으로서, 투명시편의 가공을 위한 크랙의 형성이 내부에서 시작될 수 있다.

일 실시예로서, 상기 투명시편은 강화유리이며, 상기 강화유리의 내부에 집속되는 펄스 레이저 빔은 10¹¹ W/cm²이상의 피크 파워 밀도를 가질 수 있다.

일 실시예로서, 상기 펄스 레이저 빔의 평균 출력은 0.1 W ~ 1 kW 사이의 값을 가지며, 반복률이 0.1 ~ 250 MHz인 고반복률 펄스 레이저를 사용할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 이동되는 집속점 또는 투명시편의 속도는 초당 0.1 mm 내지 1000 mm 의 범위일 수 있다.

일 실시예로서, 상기 투명시편의 가공 방법은 상기 투명시편내 집속점의 이동라인을 따라 레이저 빔이 1회 이동함으로써, 상기 투명시편이 절단되거나 또는 투명시편의 일부영역이 다른영역과 분리되어 가공이 완료될 수 있다.

또한 본 발명은 펄스 레이저 빔의 중심 파장이 투명시편의 투과 대역에 해당하고, 최종 출력단의 펄스폭이 10 fs ~ 10 ps 사이의 값을 가지는 펄스 레이저를 투명시편의 양쪽 표면의 안쪽 내부영역에 포커싱되도록 집속점을 형성하여 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배를 형성시키고, 상기 집속점을 원하는 형태의 절단선을 따라 이동시킴으로써, 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여 상기 투명시편내 집속점 인근에서의 온도구배에 기인하는 스트레스가 최대가 되는 점들을 연결한 라인을 따라 크랙이 전파되어, 상기 크랙이 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되도록 하는 것을 특징으로 하는 투명시편의 가공 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 최종 출력단의 펄스폭이 10 fs ~ 10 ps 사이의 값을 갖는 펄스 레이저 빔을 생성하며, 상기 펄스 레이저 빔은 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 레이저 공진기를 포함하는 레이저 소스; 상기 레이저 소스에서 조사된 빔을 집속하기 위한 다수의 거울과 집속 렌즈를 포함하는 집광 시스템; 상기 집속된 레이저 빔의 이동에 의해 투명시편에 크랙이 형성되어 전파됨으로써 투명시편이 가공될 수 있도록, 투명시편을 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동시킬 수 있는 3축이동 스테이지 시스템; 상기 투명시편내 집속되는 집속점의 주변지역중 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 또는 타측면의 온도 분포를 제어하여 크랙의 전파방향을 조절하는 크랙방향 조정부; 및 상기 레이저 소스, 집광 시스템, 3축이동 스테이지 시스템 및 크랙방향 조정부를 각각 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 집속점은 투명시편의 양쪽표면의 안쪽 내부영역에 위치하며 상기 집속점을 중심으로 한 온도구배가 형성되고, 상기 크랙은 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여, 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되는 것을 포함하도록 크랙이 생성되어 전파되는 것을 특징으로 하는 투명시편 다이싱 장치를 제공한다.

일 실시예로서, 상기 크랙방향 조정부는 상기 투명시편내 집광되는 집속점의 주변지역중 웨이스트의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면부 또는 타측면부를 냉각시키거나, 또는 가열하거나, 또는 상기 냉각과 가열을 병행함으로써, 상기 집속점 주변의 온도 분포를 제어하여 상기 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 전파방향을 제어할 수 있다.

일 실시예로서, 레이저와 시편이 반응하여 크랙이 발생 및 전파하는 과정에서 PZT 등의 광축방향 모듈레이션 장비 등을 통해 시편 내 레이저 초점의 깊이에 변화를 유도하여 크랙의 발생 확률을 높이고 크랙 특성에 변화를 가할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 레이저 소스는 레이저 공진기에 상기 펄스를 펼쳐서 확장시켜주는 펄스 확장기, 상기 확장된 펄스를 증폭시키는 펄스 증폭기, 상기 증폭된 펄스를 압축하여 주는 펄스 압축기 및 상기 압축된 펄스의 특성을 조절하는 펄스 컨트롤러가 순차적으로 조합되어 구성된 극초단 레이저 시스템일 수 있다.

일 실시예로서, 상기 다이싱장치에 사용되는 레이저 소스의 펄스 레이저 빔은 10¹¹ W/cm²이상의 피크 파워 밀도를 가질 수 있다.

일 실시예로서, 상기 다이싱장치에 사용되는 상기 레이저 소스의 레이저 빔의 평균 출력은 0.1 W ~ 1 kW 사이의 값을 가질 수 있고, 광섬유 기반의 레이저 공진기에 의해 반복률이 0.1 ~ 250 MHz의 범위로 구현될 수 있다.

일 실시예로서, 상기 투명시편 다이싱 장치는 투명시편을 이동시키는 대신에, 상기 집속된 레이저 빔을 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동시킬 수 있다.

일 실시예로서, 상기 투명시편 다이싱 장치는 상기 집속된 레이저빔을 투명시편내 양쪽 표면의 안쪽 내부영역의 원하는 곳에 위치시키고 실시간으로 위치를 제어하기 위한 자동초점제어(auto-focusing) 시스템을 추가로 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 크랙방향 조정부는 투명시편내 집광되는 집속점의 주변지역중 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 또는 타측면을 가열되거나 냉각된 기체를 분사하거나 복사열을 제공함으로써 투명시편의 일부를 가열 또는 냉각하거나, 또는 가열되거나 냉각된 플레이트(plate)를 상기 투명시편의 일측면 또는 타측면에 접촉함으로써 투명시편의 일부를 가열 또는 냉각하거나, 또는 열에너지(thermal energy) 공급을 위한 추가적인 레이저를 포함함으로써 상기 집속점 주변의 온도 분포를 제어할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 크랙은 투명시편내 집속점 인근에서의 온도구배에 기인하는 스트레스가 최대가 되는 점들을 연결한 라인을 따라 생성되어 전파됨으로서, 상기 크랙이 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 투명시편의 절단 단면이 경면(鏡面) 형태로 깨끗하고, 레이저로 인해 발생할 수 있는 열영향지대를 절단 라인을 중심으로 임의의 한쪽 영역으로 선택적으로 위치시킴으로써 취하고자 하는 폐곡면 내에 열영향지대가 전무한 투명시편의 절단방법 및 이를 적용하기 위한 다이싱 장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 직선·곡선 및 임의의 패턴 가공이 가능하면서 파편·칩·데브리(debris)등이 발생하지 않고, 추가의 물리적인 공정이 필요없이 단 한 번의 레이저 조사만으로도 크랙의 생성 및 전파가 실시간으로 이루어는 취성 투명시편의 절단방법 및 이를 적용하기 위한 다이싱 장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 일반 취성 투명시편 뿐 아니라 표면이 강화처리된 취성 투명시편까지도 절단이 가능한 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 극초단 펄스 레이저와 투명 시편간의 물리적 현상을 시간에 따라 분석해 놓은 도표이다.
도 2는 200 fs 수준의 펄스폭을 갖는 극초단 펄스가 대물렌즈를 통해 투명시편으로 조사되었을 때 집광점의 시간에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 10 ps 이상의 펄스폭을 갖는 펄스가 대물렌즈를 통해 시편으로 조사되었을 때 집광점의 시간에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시편의 내부 한 지점에 극초단 펄스 레이저가 대물렌즈를 통해 조사되는 상황에서 R-R' 단면의 온도 분포와 이로 인한 온도 구배 분포, 그리고 이때 얻어지는 잔류응력 분포 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 극초단 펄스 레이저와 시편이 상대운동을 하는 과정에서 크랙이 전파되고 있는 모습을 보여주는 개략도와, A-A' 단면의 온도 분포와 이로 인한 온도 구배 분포, 그리고 이때 얻어지는 잔류응력 분포 그래프이다.
도 6은 두께 0.7 mm, 강화두께 0.02 mm, 표면 강도 700 Mpa 수준의 강화유리를 좌·우 영역 비대칭이 약간 존재하는 상황에서 절단하였을 때 반복적으로 나타나는 두 결과이다.
도 7은 도 6에서의 강화유리를 좌·우 영역 비대칭이 큰 상황에서 절단한 결과이다.
도 8은 도 6에서의 강화유리를 좌·우 영역 대칭 상황에서 절단하였을 때 나타나는 결과이다.
도 9는 도 6에서의 강화유리를 곡선 패턴으로 절단하였을 때 보여지는 결과이다.
도 10은 레이저가 시편에 입사하는 과정에서 수직입사 때와 비스듬 입사 때에 나타나는 크랙 전파 특성을 보여주는 개략도이다.
도 11은 비스듬 입사를 적용하여 도 6에서의 시편을 절단하였을 때 얻어지는 여러 절단 결과이다.
도 12는 레이저 조사 지점을 중심으로 주변 영역의 온도분포가 조절됨에 따라 두 잔류응력 지점 간 잔류응력 크기가 달라짐을 보여주는 그림이다.
도 13은 도 6에서의 강화유리를 완벽한 좌·우 대칭 상황에서 절단하였을 때, 바닥판의 온도 분포 조절을 통해 크랙 전파 특성을 조절한 결과이다.
도 14은 도 6에서의 강화유리를 직선 및 곡선이 포함된 폐곡면 형태로 절단하는 과정에서, 레이저 조사라인 인근의 온도 분포 조절을 통해 곡선 가공을 수행한 결과를 보여주는 사진이다.
도 15은 도 6에서의 강화유리를 다양한 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단한 결과이다.
도 16은 도 6에서의 강화유리를 다양한 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단한 결과를 확대한 사진이다.
도 17은 도 6에서의 강화유리를 다양한 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단한 결과를 확대한 사진이다.
도 18은 Hamamatsu 사의 Stealth dicing 방법을 이용하여 실리콘 웨이퍼를 절단하였을 경우 얻어지는 단면 형상 측정 결과 사진이다.
도 19는 본 발명을 통해 도 6의 강화유리 시편을 절단하였을 경우 얻어지는 단면부의 형상을 광학적으로 측정한 결과 사진이다.
도 20은 펄스폭 1 ps 수준의 펄스를 이용하여, 다양한 광량 및 반복률, 이동속도 조합에서 절단이 일어나는 지점 및 제한조건을 도시한 그래프이다.
도 21는 본 발명에서 제안하는 방법을 통해 고릴라 2 글래스 시편을 절단한 결과 예이다.
도 22는 본 발명에서 레이저 조사를 시편의 내부에서 시작하여 내부에서 멈췄을 경우 발생하는 크랙을 보여주는 결과이다.
도 23은 본 발명의 투명시편 다이싱 장치를 도시한 그림이다.
도 24는 본 발명에서 레이저 집속점을 중심으로 좌·우 영역을 냉각 혹은 가열하기 위한 크랙방향 조정부의 일 실시예를 도시한 그림이다.
도 25는 본 발명에서 레이저 집속점을 중심으로 좌·우 시편의 온도를 다르게 제어하여 온도 구배를 형성시켜주기 위한 크랙방향 조정부가 열 바닥판을 포함하는 것을 도시한 그림이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에서 투명시편의 '가공방법'은 '투명시편에 형성된 스트레스 라인을 따라 표면의 상하방향으로 크랙이 발생됨으로써 유발되는, 투명시편의 일부분을 타부분과 공간상으로 분리시키는 방법'을 의미한다. 따라서 상기 투명시편의 가공이 시편의 양쪽 에지를 포함하는 경우에는 투명시편의 절단이 되며, 절단선이 투명시편의 일측 내부에서 타측 내부까지만 이루어지도록 가공하거나 또는 상기 절단선이 투명시편의 에지에서 일측 내부까지만 이루어지도록 가공하는 경우에는 상기 투명시편의 일부분을 부분적으로 절단하게 된다. 또한 상기 투명시편 내 절단선이 폐곡선을 이루어지도록 가공하게 되면 상기 폐곡선의 형태를 따라 투명시편의 일부가 오려지게 되어 나머지 부분과 분리됨을 의미한다.

또한 본 발명에서 '오프셋 간격'은 기준선으로 작용하는 직선, 곡선 또는 직선과 곡선을 포함하는 선(line)을 기준으로 상기 선(line)으로부터 벗어나 있는 특정 선(line)을 이루는 점과의 간격을 의미하며, 양의 오프셋 간격은 상기 기준선을 기준으로 시편을 2차원공간으로 나누었을 때 어느 한쪽 방향으로 벗어나 있는 오프셋 간격을 의미하며, 음의 오프셋 간격은 상기 기준선을 기준으로 다른 나머지 방향으로 벗어나 있는 오프셋 간격을 의미한다.

본 발명은 취성 투명시편의 투과대역에 해당하는 파장을 중심파장으로 갖는 극초단 펄스 레이저를 이용하여 수 펨토초 ~ 수 피코초 수준의 극초단 펄스 레이저와 공간적인 에너지 집중을 위한 집속렌즈를 통한 포커싱 과정을 통해 투명시편의 내부 집속점에 충분한 에너지를 집광시키는 경우에, 상기 에너지가 주변으로 전도되어 확산되기 전에 펄스 에너지를 시편에 전달 완료함으로써, 포커싱 지점에서의 높은 온도 형성 및 이를 중심으로 일정 간격 떨어진 지점들에 최대의 온도 구배 및 잔류응력 패턴을 형성시키고, 이를 통해 시편의 아랫면과 윗면을 관통하는 크랙을 생성시키는 데 충분한 인장력을 획득하며, 동시에 레이저와 시편을 상대운동시킴으로써 레이저가 이동하는 과정에서 형성되는 잔류응력 최대 라인이 레이저의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 상기 크랙이 전파되는 것을 포함하도록 하여 상기 투명시편 재료를 의도하는 방향으로 절단하는 동시에 절단면 전면에 걸쳐 경면(鏡面)을 얻는 방법에 관한 것이다. 이하 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 레이저 소스로부터 10 fs ~ 10 ps의 펄스폭을 가지며, 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 극초단 펄스 레이저 빔을 생성하여 포커싱함으로써 집속점을 형성하는 단계; 상기 집속점이 투명시편의 양쪽 표면의 안쪽 내부영역에 위치되도록 상기 펄스 레이저 빔의 집속점을 위치시킴으로써, 상기 포커싱된 펄스 레이저 빔에 의해 투명시편 내부로 에너지가 전달되어 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배가 형성되도록 하는 단계; 및 원하는 형태의 절단선을 따라 상기 집속점 또는 투명시편을 상대이동시킴으로써, 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여, 투명시편상에 크랙이 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파되는 단계;를 포함하는 투명시편의 가공 방법을 제공한다.

상기 펄스 레이저 빔을 생성하여 집속점을 형성하는 단계에서 사용되는 레이저는 투명시편의 내부에 집속점을 형성시키기 위해서 중심 파장이 상기 투명시편의 투과 대역에 해당하여야 한다. 일 실시예로서, 상기 레이저의 출력 파장은 바람직하게는 산업에서 널리 쓰이는 시편들의 투과 대역에 해당하는 300 nm 내지 3000 nm의 범위 내일 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 투명시편은 유리, 실리콘, 표면강화 유리, 사파이어, SiC 기판, GaN 기판, 투명 세라믹 기판, OLED용 투명기판, 또는 플렉시블 디스플레이(flexible display)에 사용되는 투명 고분자 기판 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 유리, 표면 강화유리, 사파이어 기판, 실리콘 기판이 사용될 수 있다.

여기서 상기 표면 강화 유리는 화학적으로 강화된 표면 압축영역과 내부 신장영역을 구비하고 있어, 상기 내부 신장영역내에서 레이저 빔 웨이스트가 이동함에 따라 크랙이 용이하게 형성될 수 있다.

또한 본 발명에서 투명시편의 가공공정에 사용되는 레이저는 가공하고자 하는 시편의 내부에서 충분한 비선형 흡수 현상을 유발할 수 있도록, 10 fs ~ 10 ps의 펄스폭을 가지는 극초단 펄스 레이저가 사용될 수 있다. 만약 상기 10 ps 보다 큰 펄스폭을 가지는 경우 본 발명에서 사용되는 극초단 펄스 레이저에 비해 상대적으로 낮은 온도 및 온도 구배가 형성되어 시편의 가공에 있어 원하는 결과를 얻지 못할 수 있으며, 10 fs보다 작은 펄스폭을 구현하기 위해서는 높은 경제적 비용 또는 상기 레이저를 구현하기 위한 기술적 난이도가 높은 단점을 가지고 있다.

앞서 배경기술에서 살펴본 바와 같이, 일반적으로 극초단 펄스 레이저와 투명 시편이 반응할 때 나타나는 물리적인 현상을 시간에 따라 기술해 보면 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 아래의 현상을 따른다.

우선, 시편의 투과 파장에 해당하는 레이저가 시편에 조사되면 역제동복사 현상에 의해 레이저의 광자 에너지가 시편 내에 존재하는 자유 전자에 일차적으로 흡수된다. 글래스 계열의 취성 시편은 시편 내 자유전자의 밀도가 매우 낮으며, 따라서 초기에는 여러 광자가 하나의 속박된 전자를 자유전자로 여기시키는 다광자 흡수 현상(Multi-Photon Ionization)이 주로 발생한다 (수십 ~ 수백 fs 수준). 이후 에너지를 흡수하여 자유전자가 된 전자가 직접 광자의 에너지를 흡수한 후 원자에 속박되어 있는 전자에 에너지를 전달하여 추가적인 자유전자를 형성시키며 (Avalanche Ionization), 이로 인해 높아진 자유전자밀도는 시편의 레이저 흡수율 상승을 유발한다. 이러한 현상이 일어나는 시간 스케일은 광자가 입사된 후 수 ps 까지 지속된다. 이와 더불어 레이저가 시편에 입사하여 전자에 에너지가 공급됨과 동시에, 전자와 원자 격자 간 충돌이 일어나는데 (Carrier-Phonon Vibration) 이를 통해 비로소 시편의 온도 상승이 시작된다. 이러한 열전달 현상은 수 ps 수준까지 계속된다. 결국 펄스폭이 수 ps 이하인 극초단 펄스를 시편에 조사하게 되면, 조사된 영역의 열에너지가 미처 주변으로 확산되기 전에 에너지의 공급이 완료되는 현상이 발생하며, 따라서 열에너지의 축적으로 인한 높은 온도 및 온도 구배 형성이 가능해진다.

이를 보다 구체적으로 도 2 및 도 3을 통해 살펴보고자 한다. 도 2는 펄스폭이 수 ps보다 작은 레이저를 사용한 경우로서, 펄스폭이 200 fs 에 해당하는 극초단 펄스 레이저가 시편에 입사하는 경우에 시편의 온도 변화를 시간에 따라 기술한 개략도이다. 상기 언급한 것과 같이, 열확산에 필요한 시간(수 ps 수준)보다 짧은 펄스폭으로 인해 국부적으로 매우 높은 온도 및 이를 중심으로 한 급격한 온도 구배가 형성되는 것을 알 수 있다.

한편 도 3은 펄스폭이 10 ps 이상에 해당하는 펄스 레이저가 시편에 입사하는 경우에 시편의 온도 변화를 시간에 따라 기술한 개략도이다. 열확산에 필요한 시간(수 ps 수준)보다 긴 펄스폭으로 인해, 펄스의 에너지 공급과 열에너지 확산이 동시에 일어나게 되며, 따라서 극초단 펄스 레이저에 비해 상대적으로 낮은 온도 및 온도 구배가 형성되는 것을 볼 수 있다.

따라서 본 발명은 투명시편에 집광된 집속점이 열확산에 필요한 시간(수 ps 수준)보다 짧은 펄스폭을 가진, 10 fs ~ 10 ps의 펄스폭을 가지는 극초단 펄스 레이저를 사용함으로써, 국부적으로 매우 높은 온도 및 이를 중심으로 한 급격한 온도구배를 나타내는 현상을 이용하여 투명시편을 가공하는 것이다.

본 발명에서 상기 포커싱된 펄스 레이저 빔에 의해 투명시편 내부로 에너지가 전달되도록 하는 단계는 상기 극초단 펄스 레이저를 투명시편의 양쪽 표면의 안쪽 내부영역에 집속점(beam waist)이 위치하도록 포커스함으로써 이루어질 수 있다.

이를 도 4를 통해 구체적으로 살펴본다. 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 극초단 펄스 레이저(502)를 대물렌즈(503)를 이용하여 투명시편(500) 내부에 집속시켰을 때 집속점(501)과 집속점 부근에 형성되는 R-R' 단면의 온도 분포와 이로 인한 온도 구배 분포, 그리고 이때 얻어지는 잔류응력 분포 그래프를 도시하고 있다.

이 경우에 상기 시편의 중앙에 레이저를 집속시킴으로써, 집속점(501)을 중심으로 방사형의 온도 구배를 형성시키면, 상기 온도구배로부터 기인하는 잔류응력 역시 방사형의 패턴을 보인다. 통상적으로 집광에 사용되는 대물렌즈(503)는 X5 내지 X100 이상까지의 범위에서 필요로 하는 첨두 출력 및 시편의 여러 특성에 따라 다양하게 선택할 수 있으며, 이를 통해 얻어지는 집속점의 지름은 대략 수 ㎛에서 수십 ㎛수준이다. 이러한 집속점의 지름은 뒤에 서술될 레이저 조사 라인과 크랙 라인간의 오프셋 간격과 비슷한 스케일을 보인다.

여기서, 도 4의 오른쪽 그림의 상부에서 보는 바와 같이 투명시편의 온도는 레이저의 집속점에서 최대치를 나타내나, 온도구배는 레이저의 집속점에서 일정거리를 유지하는 위치(504, 505)에서 최대가 됨을 알 수 있고 또한 잔류응력도 레이저의 집속점에서 일정거리를 유지하는 위치(504, 505)에서 최대가 되는 것을 볼 수 있다.

본 발명에서 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파되는 단계는 상기 레이저의 집속점 또는 투명시편을 원하는 형태의 절단선을 따라 상대이동시키는 과정을 포함한다, 여기서 상기 투명시편의 이동은 예를 들면, 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동시킬 수 있는 3축이동 스테이지에 투명시편을 장착하여 상기 스테이지를 이동함으로써 이루어질 수 있다. 또한 상기 레이저의 집속점의 이동은 상기 투명시편을 고정할 수 있는 스테이지 또는 플레이트상에 이를 고정한 후에, 상기 레이저 빔을 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동함으로써 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 극초단 펄스 레이저와 시편이 상대운동을 하는 과정에서 크랙이 전파되고 있는 모습을 보여주는 개략도와, A-A' 단면의 온도 분포와 이로 인한 온도 구배 분포, 그리고 이때 얻어지는 잔류응력 분포 그래프를 나타낸다. 이를 통해 본 발명에서의 크랙의 생성 및 전파 단계를 보다 구체적으로 살펴볼 수 있다.

상기 극초단 펄스 레이저(502)를 투명시편(500)의 양 표면(600, 601)의 내부에 집속한 후 상대운동(602)을 통해 상기 집속점이 원하는 방향으로 이동되면, 이에 따라 상기 포커싱된 레이저에 의한 열을 통해 투명시편 내부에 강력한 스트레스 분포를 형성시키고 이를 통해 투명시편의 표면 상하방향으로 크랙을 형성하게 되며 상기 크랙 라인(604, 605)이 전파되게 된다.

상기 투명 시편 내 레이저 집속점의 이동 라인(603)은 레이저의 높은 첨두출력으로 희미한 열변형지대(Heat Affected Zone)가 관찰되며 이는 시편의 광학적 특성을 변화시키고 원치 않는 크랙의 발전을 유발하는 결과를 나타낼 수 있다. 따라서 본 발명에서는 이 열변형지대가 투명시편의 특정부분의 온도제어를 통해 선택적으로 위치시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 투명시편을 최종적으로 폐곡면의 형태로 가공 시 상기 열변형지대가 크랙의 전파에 의해 형성되는 폐곡면의 외부쪽으로 위치시킴으로써 본 발명에 의해 최종적으로 얻어지는 투명시편은 상기 열변형 지대를 포함하지 않도록 할 수 있다. 이에 관해서는 이후에 따로 상세히 설명하도록 한다.

한편, 본 발명에서의 상기 투명시편상에 전파되는 크랙은 집속점의 이동라인을 따라, 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면방향인 양의 오프셋 간격을 유지하며 진행하다가, 상기 집속점의 이동라인을 통과하여 투명시편의 타측면방향인 음의 오프셋 간격을 유지하며 진행하는 과정을 적어도 1회이상 포함할 수 있다.

본 발명에서의 기술적 특징으로서 종래기술과 다른 주목할만한 점은, 통상적인 종래기술들의 예에서처럼 크랙 라인이 레이저 집속점의 이동라인 상에 위치하여 전파되는 것과는 달리, 상기 극초단 펄스 레이저에 의해 유발되는 투명시편의 크랙전파 라인(604, 605)은 레이저 집속점의 이동라인(603)과 간격을 두고 이격되어 전파되어 오프셋을 유지하며 집속점 이동라인을 따라 전파되며, 때때로 투명시편내 집속점의 이동라인을 가로질러 반대편 방향으로 오프셋을 유지하도록 크랙전파 라인이 형성되는 것이 관찰된다는 점이다.

이를 도 5를 통해 보다 상세히 설명하면 상기 투명시편상에 전파되는 크랙은 집속점의 이동라인(603)을 따라, 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면방향(607)으로 오프셋 간격을 유지하며 진행(604)하다가, 상기 집속점의 이동라인(603)을 통과하여 투명시편의 타측면방향(606)으로 오프셋 간격을 유지하며 진행(605)하는 과정을 적어도 1회이상 포함하며, 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면방향 또는 타측면 방향의 온도조건 등을 변화시킴으로서 크랙이 상기 집속점의 이동라인을 넘나들게 크랙이 전파되도록 제어할 수 있다.

여기서 집속점의 이동라인(603)을 기준으로 투명시편의 일측면방향은 도 5에서 보는 바와 같이 604쪽의 방향을 의미하며, 또한 집속점의 이동라인(603)을 기준으로 투명시편의 타측면방향은 605쪽의 방향을 의미한다.

본 발명에서 상기 크랙의 전파방향이 상기 집속점의 이동라인을 통과하여 넘나드는 결과는 극초단 펄스 레이저의 높은 온도 구배 형성 능력과, 집속렌즈를 통한 수 ㎛에서 수십 ㎛ 수준에 이르는 작은 집속지름에서 기인하는 것으로 추정된다.

즉, 도 4에서 살펴본 바와 같이, 상기 극초단 펄스 레이저가 투명시편에 집속되면 투명시편의 온도는 레이저의 집속점에서 최대치를 나타내나, 상기 집속점(501)을 중심으로 방사형으로 분포하게 되는 최대의 온도 구배 및 최대 잔류응력 지점은 레이저와 시편의 상대운동(602)로 인해 레이저 이동 라인과 일정 오프셋(δ)을 둔 평행한 라인 형태(도5내 우측그림의 606, 607)를 띄게 되며, 레이저와 시편의 초기 반응에 의해 형성된 시드(seed) 크랙은 최대 잔류응력 라인을 따라 진행하기 때문에 이론적으로 평행한 크랙 라인이 얻어지게 되는 것이다. 즉, 레이저가 조사되는 라인은 전파되고 있는 크랙 입장에서는 진행이 어려운 하나의 장벽(Barrier)이 되어, 외부조건의 변화가 없게 되는 경우에는 일정 오프셋을 유지하며 크랙이 전파됨으로써 평행한 크랙라인을 얻게 되는 것이다.

따라서, 본 발명의 투명시편의 가공방법은 원하는 형태의 절단선을 따라 상기 집속점 또는 투명시편을 상대이동시킴으로써, 상기 집속점 인근에서의 온도구배에 기인하는 스트레스가 최대가 되는 점들을 연결한 라인이 상기 집속점의 이동 라인과 오프셋 간격을 유지하며, 상기 스트레스가 최대가 되는 점들을 연결한 라인을 따라 크랙이 생성되어 전파되는 것이다.

본 발명에서 상기 집속점의 이동 라인과 크랙의 전파라인 사이의 간격의 범위는 사용한 레이저의 평균 출력 및 반복률, 펄스폭과 집광렌즈의 배율에 따라 변화가 있으며 통상적으로는 1 ㎛ 내지 수 mm 일 수 있고 바람직하게는 10 ㎛ 내지 200 ㎛ 일 수 있다.

한편, 수십 ㎛ 수준의 작은 집속지름으로 인해 최대 잔류응력 라인 간 간격(606, 607. 2δ) 또한 수십 ~ 수백 ㎛ 수준으로 좁아 투명시편의 주변 스트레스 변화, 온도변화 등의 가공 조건의 변화에 따라서 크랙 라인은 잔류응력 라인들을 넘나들며 진행할 수 있도록 하는 특성을 갖는다. (도 5의 크랙 라인 604, 605 참고)

도 6은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 크기가 30 * 40 * 0.7 mm 이고 표면 강화 두께가 0.02 mm, 표면 강화 압력이 700 Mpa인 IOX-FX 시편(Soda-lime 글래스)을 중심파장 1 ㎛, 5 MHz 반복률, 2.5 W 평균출력, 200 fs 펄스폭을 갖는 극초단 펄스 레이저를 이용하여 절단하였을 때 반복적으로 나타나는 결과들을 보여주는 사진이다. 크랙 라인과 레이저 조사 라인의 위치를 명확히 파악하기 위해 현미경을 통해 촬영된 사진을 세로로 압축한 후 이어 붙여 도시하였다. 도 6의 왼쪽 그림에서 표현한 것과 같이, 레이저 입사 시작 위치는 시편 왼쪽 라인에서부터 중앙 쪽으로 약 12 mm 이동한 지점으로, 중앙에서부터 왼쪽으로 약 3 mm 떨어진 지점이며, 레이저 진행 방향은 시편의 옆 라인과 평행하다. 참고로 사진에서 레이저 조사 라인이 기울어져 보이는 것은 사진을 세로로 압축한 정도만큼 약간의 기울어짐 또한 같은 비율로 증폭되기 때문이다. 상기 레이저 집속점의 진행 라인(701)을 중심으로 좌·우의 시편 영역에 일정량의 비대칭이 존재하는데, 이러한 좌·우 시편의 비대칭성은 레이저에서 흡수된 에너지가 좌·우 시편으로 확산되어 나가는 속도 간 차이를 유발하게 되고 따라서 확산 속도가 늦은 좁은 영역의 온도가 상대적으로 높게 형성되면서 잔류응력 라인 간 응력 값의 차이를 발생시킨다. 이러한 잔류응력 라인 간의 응력 차이는 잔류응력 라인 간 크랙이 넘나드는 경향을 완화시키기 때문에 도 6의 CASE I과 같이 레이저 진행 라인(701)을 중심으로 일정한 음의 오프셋(-δ)값(약 80 ㎛)을 갖는 정밀도 높은 절단 결과를 얻어낼 수 있다.

하지만 일정 비율로 도 6의 CASE II와 같은 절단 결과도 얻어지는데, 이는 레이저가 시편에 막 입사되어 시드(seed) 크랙이 생성되는 시점에서는 좌·우 시편의 비대칭성 특성이 상대적으로 크지 않아 음 양의 오프셋을 갖는 잔류응력 라인 간 응력 차가 비슷함에 기인하는 것으로 추정된다. CASE I의 (700) 지점과 달리 CASE II의 (703)지점에서는 크랙이 양의 오프셋(+δ)을 갖는 잔류응력 라인을 선택하여 진행하였고(705), 그 결과 약 1 cm 정도를 진행한 후 결국 (706) 지점에서 레이저 진행 라인 장벽을 지나 큰 오프셋 값을 보이며 음의 오프셋(-δ)을 갖는 잔류응력 라인으로 넘어서는 것을 확인할 수 있다.

도 7 은 6에서와 같은 시편 및 레이저 펄스를 이용하고, 레이저 입사 시작 위치는 시편 왼쪽 라인에서부터 중앙 쪽으로 약 5 mm 이동한 지점으로, 중앙에서부터 왼쪽으로 약 10 mm 떨어진 지점이며, 레이저 진행 방향은 시편의 옆 라인과 평행하게 하여 절단한 결과이다. 투명시편의 좌·우 시편 간 비대칭성이 크게 증가하게 되면, 크랙 진행의 관성으로 인해 크랙 라인(801)과 레이저 진행 라인(800) 간 오프셋 값이 증가하는 형태로 크랙이 진행되다가 결국에는 오프셋 값이 줄어들며 절단이 완료된다(801). 이때 최대 오프셋 값은 약 200 ㎛이다.

도 8은 도 6에서와 같은 시편 및 레이저 펄스를 이용하고, 시편 중앙에 레이저를 입사시켜 절단한 결과이다. 이 경우에는 레이저 진행 라인(901)을 중심으로 좌·우의 시편이 대칭을 이루고 있기 때문에, 시편의 비대칭성에서 기인하는 잔류응력 라인 간 응력 차 현상은 미미하며, 따라서 레이저 진행 라인(901)과 크랙 라인(902), 크랙 라인이 위치하지 않은 반대편의 최대 잔류응력 라인 간 공간적인 배열에서 기인하는 잔류응력 라인 간 응력 차 정도만으로도 크랙이 한 잔류응력 라인에서 다른 잔류응력 라인으로 주기적으로 반복되며 넘나드는 현상이 관찰된다.

도 9는 도 6에서의 강화유리를 곡선 패턴으로 절단하였을 때 보여지는 결과로서, 보다 상세하게는 도 6에서와 같은 시편 및 레이저 펄스를 이용하고, 직선에서 곡선, 다시 직선으로 이어지는 절단을 수행한 결과이다. 절단이 일어나는 라인을 중심으로 좌·우 비대칭성에 의해 크랙은 양의 오프셋을 갖는 최대 잔류응력 라인을 따라 진행하며, 곡선 부분의 가공이 시작되는 시점(1000)에서는 곡선의 회전중심이 위치하는 영역으로 열이 쌓이는 특징으로 인해 크랙이 음의 오프셋을 갖는 최대 잔류응력 라인으로 넘어선다. 이후 다시 직선 가공이 일어나는 시점에서는 크랙은 다시 한 번 양의 오프셋을 갖는 최대 잔류응력 라인으로 위치를 바꾸어 진행하는 것을 보여준다.

본 발명에서 상기 레이저집속점과 시편간의 상대운동속도, 시편 내 집속점의 깊이, 레이저의 첨두출력, 평균출력, 반복률, 레이저와 시편간의 입사각으로부터 선택되는 어느 하나이상을 조절하는 경우에 상기 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 전파방향이 조절될 수 있다.

예시적으로, 상기 레이저는 입사하는 각도에 따라 크랙의 전파특성이 달라질 수 있고 이를 통해 원하는 방향으로 제어할 수 있어, 이를 도 10 및 도 11을 통해 살펴본다.

도 10은 레이저가 시편에 입사하는 과정에서 수직입사 때와 비스듬 입사 때에 나타나는 크랙 전파 특성을 보여주는 개략도로서, 도 10의 상단 그림에서와 같이 레이저가 시편에 수직으로 입사하는 경우(1100) 크랙 라인은 두 잔류응력 라인 중 임의의 한 라인(1101 or 1102)을 선택하여 전파하게 된다. 하지만 레이저의 입사각을 조금만 변화시키면(1103) 국부적인 비대칭을 유발할 수 있으며, 이 결과로 크랙은 항상 두 절단 영역 중 좁은 영역에 위치하고 있는 잔류응력 라인을 따라 전파하게 된다.

도 11a) 내지 도 11c)는 비스듬 입사를 적용하여 도 6에서의 시편을 절단하였을 때 얻어지는 여러 절단 결과를 도시한 그림이다.

도 11 a)는 비스듬 입사를 적용하여 양의 오프셋을 갖는 잔류응력 라인을 따라 크랙(1201)을 유도한 결과이고, 도 11 b)는 비스듬 입사를 적용하여 음의 오프셋을 갖는 잔류응력 라인을 따라 크랙(1203)을 유도한 결과이다. 도 11 c)는 도 11 a)와 같은 경우로 시편의 크기를 12 cm로 늘려 절단한 결과이다. 도 11 a)와 비교하여 보면, 레이저를 비스듬하게 입사시킨 도입부와 가공 말미의 불안한 구간의 길이는 일정한 반면 중간의 정밀한 절단 구간이 늘어나 있음을 확인할 수 있으며, 따라서 본 발명을 이용하면 절단 길이가 길어지더라도 정밀한 절단 구간을 얻어낼 수 있음을 알 수 있다.

따라서 도 6과 같이 레이저가 시편에 입사한 직후의 국부적인 대칭 특성으로 인해 시드 크랙이 두 잔류 응력 라인 중 특정한 라인이 아닌 임의의 한 라인을 따라 전파하는 불확정 특성을 개선하고 원하는 잔류응력 라인으로 시드 크랙을 유도하여 특정방향으로 크랙이 전파되기 위한 하나의 방법으로서 레이저를 시편에 비스듬하게 입사시키는 것을 적용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 특성을 이용하여 투명시편내 존재하는 두 잔류응력 라인을 국부적인 비대칭을 유발함으로써 크랙의 진행 방향을 조절할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명은 상기 투명시편내 집속점 부근의 온도 제어, 또는 스트레스의 제어를 통해 절단의 전체 과정동안 전파되는 크랙의 진행 방향을 조절할 수 있어 정밀도 높은 절단을 구현할 수 있게 된다.

즉, 본 발명은 상기 집속점의 주변지역중 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 방향 또는 타측면 방향에 냉각공정, 또는 가열공정, 또는 냉각공정과 가열공정의 혼합공정을 수행함으로써, 집속점 주변의 온도 분포를 제어하여 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 전파방향을 조절할 수 있다.

이를 통해 본 발명에서의 상기 투명시편상에 전파되는 크랙은 투명시편의 주변 스트레스 변화, 온도변화 등의 가공 조건의 변화를 조절하여, 상기 전파되는 크랙은 집속점의 이동라인을 따라서, 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 방향으로만 간격을 두고 이격되어 전파됨으로써, 상기 크랙의 전파방향은 상기 투명시편의 타측면 방향으로 간격을 두고 이격되어 전파되는 과정을 포함하지 않도록 제어할 수 있다.

상기와 같이 크랙의 진행방향을 투명시편내 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 방향으로만 전파시키거나 또는 일측면방향으로부터 타측면 방향으로 상기 집속점의 이동라인을 넘나들게 하기 위해서, 본 발명은 상기 집속점의 주변지역중 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 방향 또는 타측면 방향에 냉각공정, 또는 가열공정, 또는 냉각공정과 가열공정의 혼합공정을 수행할 수 있고, 상기 냉각공정, 또는 가열공정, 또는 냉각공정과 가열공정의 혼합공정을 통해 집속점 주변의 온도 분포를 제어하여 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 진행방향을 조절할 수 있다.

이를 도 12를 통해 살펴보면, 도 12는 레이저 조사 지점을 중심으로 주변 영역의 온도분포가 조절됨에 따라 두 잔류응력 지점 간 잔류응력 크기가 달라짐을 보여주는 그림이다. 상기 도 12의 좌측그림상의 1300 과 1301 영역을 동시에, 혹은 둘 중 어느 하나의 영역을 가열하거나 냉각함에 의해 기존의 잔류응력곡선(1302)을 (1303)형태로 변화를 줄 수 있고 결국 음의 오프셋을 갖는 지점(606)에 최대 응력(1304)을 형성시킬 수 있어 크랙 라인을 정밀하게 유도할 수 있게 된다.

상기 결과를 통해 상기 레이저 조사 지점(501) 인근 좌·우 영역(1300, 1301)의 온도 제어를 통해 레이저 조사 라인(603)을 중심으로 하는 좌·우 시편의 대칭성 또는 지나친 비대칭성을 극복하여 크랙이 크게 휘거나 레이저 조사 라인(603)을 중심으로 넘나드는 현상을 억제하고 하나의 최대 잔류응력 라인을 따라 정밀도 높은 절단을 가능함을 보여주고 있다. 앞선 실험 결과들을 통해 크랙의 전파와 시편의 열 분포는 밀접한 관계가 있다는 것을 확인할 수 있으며, 결국 투명시편의 능동적인 온도 제어를 적용하면 시편의 비대칭성에서 기인하는 스트레스 분포 형성을 역으로 보상해줄 수 있어 정밀도 높은 절단을 구현할 수 있다.

도 13은 도 6에서의 강화유리를 완벽한 좌·우 대칭 상황에서 절단하는 경우에 상기 투명시편의 바닥판의 온도 분포 조절을 통해 크랙 전파 특성을 조절한 결과이다. 상기 도 13의 좌측그림은 양쪽 투명시편의 온도차이가 1도 차이가 나는 경우이고, 우측그림은 상기 온도차이가 -2도 차이가 나는 경우로서 상기 투명시편의 아래에 열판 또는 냉각판의 바닥판을 설치함으로써 상기 온도차이가 발생하도록 하였다. 상기 도 13을 통해 시편에 입사하는 레이저의 위치가 일정함에도 바닥판의 온도 변화에 의해 레이저의 조사 라인(1600, 1602)을 중심으로 서로 다른 오프셋 부호를 보이며 크랙(1601, 1603)이 진행된 것을 확인할 수 있다.

본 발명에서 상기 크랙은 집속점의 이동라인과 간격을 두고 이격되어 직선, 곡선 또는 직선과 곡선이 혼합형태로 전파될 수 있다.

도 14는 도 6에서의 강화유리를 직선 및 곡선이 포함된 폐곡면 형태로 절단하는 과정에서, 레이저 조사라인 인근의 투명시편의 온도 분포 조절을 통해 곡선 가공을 수행한 결과(1700)와 이 중 일부의 확대 사진을 나타내고 있다.

상기 확대 사진으로부터 직선에서 반지름이 4 mm인 곡선, 그리고 다시 직선으로 이어지는 레이저 조사 라인(1701)을 따라 크랙(1702)이 일정한 양의 오프셋 값을 가지고 진행한 결과를 보여준다. 레이저 조사 라인(1701)이 제공하는 장벽(barrier)을 따라 크랙의 전파방향이 일정한 오프셋 량을 유지하며 절단이 진행되었음을 확인할 수 있다.

본 발명의 투명시편 가공방법에서 상기 크랙은 폐곡면을 형성하도록 전파되되, 크랙의 전파 라인을 상기 집속점의 이동라인의 내부에 위치시킬 수 있다. 상기와 같은 형태로 폐곡면이 구성되면 레이저로 인해 발생할 수 있는 열변형지대를 절단 라인을 중심으로 임의의 한쪽 영역으로 선택적으로 위치시킴으로써 취하고자 하는 폐곡면 내에 열영향지대를 배제시킬 수 있고, 결과적으로 크랙에 의해서 형성된 폐곡면(1702)의 내부에는 열변형지대가 남지 않아 디스플레이 용도의 시편 제작에 장점을 갖는다.

또한 본 발명에서의 투명시편의 가공 방법은 상기 집속점이 1회의 이동만으로도, 스트레스가 최대로 형성되는 라인을 따라 상기 크랙이 전파됨으로서 투명시편의 영역들이 공간적으로 분리되어 가공이 완료될 수 있는 장점을 가진다. 이는 종래기술로서 인용되었던, 공개특허 제10-2012-0073249호의 단점을 개선할 수 있는 본 발명의 유리한 효과에 해당될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 투명시편을 가공하기 위한 집속점의 이동전에 투명시편의 표면 또는 내부에 시드(seed) 크랙을 생성하거나 또는 시드(seed) 크랙 역할을 할 수 있는 처리를 미리 수행할 수 있다.

상기 시드(seed) 크랙은 다이아몬드, 칼 등에 의한 물리적인 접촉을 통해 시편 표면의 임의의 위치 및 경로를 따라 생성시킬 수 있으며, 또는 비접촉식 방식으로 레이저 빔을 사용하여 생성할 수 있다. 상기 레이저 빔을 사용하는 경우에는 레이저 집속점의 z축방향 위치 조절을 통해 시편의 윗면, 아랫면 또는 내부의 임의의 위치나 경로에 생성시킬 수 있다.

이러한 처리를 통해 집속점의 이동에 따른 크랙의 생성을 보다 수월하게 할 수 있으며 또한 크랙이 임의의 방향으로의 전파하려는 경향을 억제하여 원하는 절단 결과를 보다 용이하게 얻을 수 있다.

예시적으로, 시편 내 크랙을 생성시키는 경우, 집속점이 위치하는 z축의 깊이에 연속적인 변화를 줌과 동시에 레이저의 조사를 시작하면 시편 내부에 크랙이 생성되고 집속점의 이동 방향을 따라 크랙이 전파되는 확률이 높아짐을 확인할 수 있다.

또한, 상기 레이저의 펄스 에너지 및 집속점의 이동 속도나 반복률 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 조건에 연속적인 변화를 줌과 동시에 레이저의 조사를 시작함으로써, 이를 개선시킬 수 있음을 확인하였다. 이러한 조치를 통해 일단 크랙이 생성되고 나면 추후에는 크랙의 전파가 용이해지는데, 이렇게 초기 빔의 시간에 따른 z축 위치 변화, 광량 변화, 빔의 이동 속도 및 반복률의 변화를 통해 크랙의 전파특성을 개선시키는 행위 또한 시드 크랙을 생성하는 범주에 들어간다고 볼 수 있다.

본 발명에서 상기 펄스폭에 따른 투명시편의 가공능력을 확인하기 위해 다양한 펄스폭의 레이저를 이용하여 도 6에서의 강화유리를 절단하였다.

도 15는 도 6에서의 강화유리를 다양한 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단한 결과를 보여준다. 보다 구체적으로 중심파장 1 ㎛, 5 MHz 반복률, 2.5 W 평균출력을 갖는 레이저의 펄스폭을 조절해가며 투명시편을 절단하였는데, 오른쪽에서부터 200 fs (1800), 2.5 ps (1801), 5 ps (1802), 7.5 ps (1803), 10 ps (1804), 12.5 ps (1805), 15 ps (1806), 17.5 ps (1807)의 펄스폭을 갖는 레이저에 의한 절단 결과가 도시되었다.

도 16 및 도17은 도 6에서의 강화유리를 다양한 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단한 결과를 확대한 사진이다. 도 15의 절단사진의 확대 사진들인 도 16을 보면 200 fs 부터 7.5 ps 수준의 펄스폭을 이용한 절단은 성공적으로 수행된 반면, 10 ps 펄스폭의 결과에서는 위치에 따라 불안한 구간이 관찰된다.

또한 도 17의 12.5 ps와 15 ps의 펄스폭을 이용한 절단 결과에서는 레이저 조사 라인을 중심으로 수많은 크랙들이 발생하여 정상적인 절단을 수행할 수 없음을 확인할 수 있다. 이는 펄스폭이 넓어짐에 따라 레이저 조사 라인에서부터 원치 않는 크랙들이 생성되어 발전함에 기인한다. 17.5 ps 의 펄스폭을 이용하여 절단을 시도한 경우에는 넓은 펄스폭과 낮은 첨두 출력으로 인해 비선형 흡수현상이 약화되어 절단이나 불안정한 크랙 발생 등이 관찰되지 않았다.

한편, 종래기술에 해당하는 Hamamatsu사의 Stealth dicing 방법으로 실리콘 웨이퍼 내부에 개질(2100)을 형성한 후 물리적인 힘을 가해 절단하고 절단된 단면을 도 18에 도시(Hamamatsu 보도 자료 인용)하였다. 상기 Stealth dicing 방법은 실리콘에 투과하는 파장을 중심파장으로 하고 100 kHz 수준의 펄스 반복률, 수 μJ의 펄스 에너지, 100 ns 수준의 펄스폭을 갖는 펄스 레이저를 이용하여 실리콘 웨이퍼 내부에 레이저를 조사한 것이다.

상기 도 18의 사진에서 확인할 수 있듯이, 수많은 시드 크랙들(2101)이 개질면 근처에 존재함을 알 수 있다. 이러한 거친 개질면 및 시드 크랙은 하중이 가해졌을 경우 시편의 파손을 유발하므로 개선이 요구되나, 개질면에서부터 시드 크랙을 생성하고 이를 수직으로 발전시켜 절단을 수행하는 stealth dicing 방법으로는 이를 회피하기 불가능한 단점이 있다.

반면 본 발명은 레이저 조사 라인과 오프셋을 유지하며 크랙이 전파하는 원리에 기반을 두고 있기 때문에 레이저 조사로 인한 열변형지대가 절단면으로 노출되지 않도록 제어할 수 있으며, 또한 폐곡면 제작 시 열변형지대를 폐곡면 바깥에 위치시키면 이러한 열변형지대로 인한 문제를 완벽하게 해결할 수 있다.

본 발명에 의한 투명시편의 가공결과 얻어지는 투명시편의 단면을 도 19에서 살펴볼 수 있다.

도 19는 본 발명을 통해 도 6의 강화유리 시편을 절단하였을 경우 얻어지는 단면부의 형상을 광학적으로 측정한 결과 사진이다.

상기 도 19에서의 (2200)은 (1700) 절단 시편의 직선 가공 부분이고, (2201)은 절단 시편의 곡선 가공 부분인데, 이들을 광학적으로 확대하여 관찰한 사진이 (2202, 2203)이다. 상기 도 19에서 볼 수 있듯이 본 발명에 의한 크랙은 단면의 deviation은 최대 약 20 ㎛ 수준이며 가공된 단면이 경면(鏡面)이어서 시드 크랙 등의 성장 가능성이 없는 것을 보여주고 있다.

본 발명에서의 펄스레이저 빔에 의해 레이저 집속점의 이동라인과 간격을 두고 이격되어 크랙이 전파될 수 있는 레이저의 첨두출력은 투명시편의 종류 및 두께에 따라 달라질 수 있으나, 시편에 충분한 비선형 흡수 현상을 활발히 일으킬 수 있는 첨두출력을 갖는 레이저빔이 집속되는 경우에 본 발명은 시편의 종류 또는 그 두께에 제한받지 않고 구현될 수 있다.

또한 상기 펄스 레이저 빔의 평균 출력은 상기 투명시편내 레이저 집속점의 이동라인과 간격을 두고 이격되어 크랙이 전파될 수 있는 정도의 첨두출력를 가질 수 있도록 설정되는 범위내에의 임의의 값을 가질 수 있으나, 1 kW보다 높은 평균출력을 구현하기 위해서는 높은 경제적 비용이 필요하고 기술적 난이도가 높은 단점이 있어, 바람직하게는 0.1 W ~ 1 kW 사이의 값을 가질 수 있다.

또한 상기 펄스 레이저의 반복률도 펄스레이저 빔에 의해 레이저 집속점과 오프셋을 이루며 투명시편이 절단될 수 있는 조건을 만족하는 범위내에의 임의의 값을 가질 수 있으나, 0.1 MHz 보다 낮거나 250 MHz보다 높은 반복률을 구현하기 위해서는 높은 경제적 비용이 필요하고 기술적 난이도가 높은 단점이 있어 바람직하게는 0.1 ~ 250 MHz인 고반복률 펄스 레이저를 사용할 수 있다.

상기 레이저의 첨두출력과 평균출력, 반복률의 범위와 관련, 본 발명에서 상기 레이저의 펄스폭을 고정시키고, 평균출력과 펄스 반복률을 변화시킴으로써 투명시편을 절단하는 실험을 실시하여, 본 발명에서의 레이저 집속점과 오프셋을 이루며 투명시편이 절단될 수 있는 평균출력과 펄스 반복률의 범위를 탐색하였다.

도 20은 표면 강화 두께가 0.02 mm, 표면 강화 압력이 700 Mpa인 IOX-FX 시편(Soda-lime 글래스)을 펄스폭 1 ps 수준의 펄스를 이용하여, 다양한 광량 및 반복률, 이동속도 조합에서 절단이 일어나는 지점 및 제한조건을 도시한 그래프이다.

도 20 a)는 펄스폭이 1 ps 이고 레이저 집광점의 반지름이 3 ㎛인 상황에서 펄스의 반복률과 평균출력을 조절해가며 절단 여부를 체크해 본 결과이다. 우선 도 20 a)에서 가공 유무를 결정짓는 기울기 5 *10¹¹ W/cm²의 라인을 확인할 수 있다. 상기 시편의 가공에 필요한 첨두 출력 값은 시편에 입사되기 직전 펄스의 첨두 출력 값을 의미한다. 또한 도 20 a)에서 절단에 성공한 영역은 절단 확률이 95 % 이상으로 매우 높은 조건만을 선별하여 표기한 영역들로, 실험 중 절단현상이 발견되는 영역으로 조건을 넓혀보면 10¹¹ W/cm² 이상의 첨두 출력이 절단의 최소 필요조건으로 판단된다.

상기 첨두출력 라인의 아래쪽에 위치하는 조건에서는 레이저가 시편에 조사되더라도 비선형흡수 현상이 활발하게 일어나지 않아 절단 확률이 상대적으로 낮으며 첨두출력이 점점 더 작아질수록 seed 크랙 생성이 원활하지 않고 크랙이 생성되더라도 레이저 이동라인을 따라 전파되지 않는다. 취성 기판의 종류가 달라지더라도 이러한 경향성은 유지될 것이며, 단지 비선형 흡수현상을 일으키는데 요구되는 첨두출력 값이 달라질 것으로 예상된다. 참고로 본 발명의 검증에 사용된 시스템의 출력 한계는 8.5 W 수준이며, 따라서 이 역시 평균출력의 상한선으로 도 20 a)에 표기되어 있다.

도 20 b)는 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz의 반복률을 갖는 펄스 레이저를 이용하여, 평균출력과 스테이지 이동 속도를 조절해가며 얻은 절단 결과 그래프이다. 이 그래프들에서도 특정 기울기를 갖는 하나의 라인을 발견할 수 있는데, 이 라인의 단위는 mm/J로서, 이의 물리적 의미는 '단위 길이 당 공급되는 에너지'의 양이다. 펄스 반복률이 1 MHz인 경우에는 상대적으로 낮은 평균출력 및 이동속도에서 대부분의 절단현상이 관찰되며, 평균출력이 4 W수준으로 높아질 경우에는 펄스 당 에너지가 높아져 절단 중 레이저 조사라인에 원치 않는 크랙이 추가로 발생하여 정상적인 절단 현상이 일어나지 않는다. 펄스 반복률이 1 MHz에서 15 MHz로 점점 증가되더라도, 상기 언급된 3.3 mm/J의 값을 갖는 '단위 길이 당 공급되는 에너지' 라인은 계속해서 발견된다. 펄스 반복률이 15 MHz인 경우에는, 2.5 W이하의 상대적으로 낮은 평균출력에서는 펄스의 첨두출력 값이 낮아 비선형 흡수가 잘 일어나지 않으며 3 W 이상의 출력이 공급되어야 비로소 절단 결과가 얻어진다.

본 실험에 사용된 시스템의 한계로 인해 15 MHz 이상의 반복률과 4.3 W이상의 평균출력을 갖는 펄스 레이저를 이용한 절단 결과는 관찰할 수 없었지만, 도 20 a) 와 도 20 b)에서 얻어진 결과를 토대로 유추하여 보았을 때, 펄스 레이저의 평균 출력과 레이저의 반복률 및 스테이지의 이동속도가 동시에 같은 비율로 증가할 경우 증가되기 전과 같은 절단조건(펄스 에너지, 펄스 첨두 출력, 시편 단위면적당 에너지 입사 량, 펄스 간 입사 간격 등)을 구현할 수 있어, 반복률 및 평균출력의 향상을 통해 절단 속도를 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 상기 상대 이동되는 집속점의 속도는 초당 0.1 mm 내지 1000 mm의 범위 내일 수 있다. 일반적으로 시편의 두께와 종류, 직선과 곡선 및 곡선 가공 시 곡률 반지름, 시편 내부에 형성되어 있는 인장력 및 압축력 등의 차이에 따라 시편 가공에 필요로 하는 펄스 에너지나 반복률, 첨두 출력 등의 조건이 달라질 수 있으며, 상기 집속점의 속도 또한 이와 밀접한 관련이 있고, 상기 도 20의 실험 경향을 보면 반복률과 평균출력이 증가할수록 절단속도를 향상시킬 수 있는 것을 볼 수 있다.

위의 통상적인 상황에서 통용되는 집속점의 속도는 초당 0.1 mm에서 초당 1000 mm 사이이며, 이보다 속도가 빠를 경우에는 크랙이 생성되지 않거나 생성된 크랙이 집속점의 이동을 실시간으로 쫓아오지 못한다. 반면 속도가 느릴 경우에는 제품 생산성이 낮아질 뿐 아니라, 단위면적 및 단위시간에 입사되는 펄스가 과도하게 많아져 크랙이 집속점의 이동 방향이 아닌 임의의 다른 방향으로 전파되어 시편이 파손되는 경우가 발생한다.

한편, 본 발명의 투명시편 가공방법은 상업적으로 이용가능한 압축강화유리에 적용할 수 있다. 예시적으로, 도 21은 본 발명의 투명시편 가공 방법을 고릴라 2 글래스 시편에 적용하여 절단한 결과를 보여준다.

고릴라 2 글래스는 두께가 약 600 ㎛이며, 강화 강도가 기존 강화 글래스보다 수십 %이상 향상된 제품이다. 이 제품은 탁월한 표면 강도 뿐 아니라 저렴한 제품 가격으로 인해 다양한 모바일 기기에 널리 적용되고 있으며 점차 그 추세가 증가되고 있는 실정이다. 하지만 높은 표면 강도로 인해 아직까지 이 글래스를 절단할 수 있는 레이저 기반 절단 솔루션은 전무한 상태이며, 현재는 강화 전의 시편을 절단 및 연마하여 각각의 시편을 개별적으로 강화시키는 방법으로 제품 제작이 이루어져 왔다. 하지만 이러한 고릴라 2 시편에도 본 발명의 방법을 적용하면 도 21와 같이 절단이 성공적으로 수행됨을 확인할 수 있으며, 이는 본 발명의 우수한 효과를 입증하는 결과이다.

또한, 본 발명의 투명시편 가공방법은 상기 집속점의 이동의 시작이 투명시편의 에지가 아닌 내부에서 시작됨으로서, 투명시편의 가공을 위한 크랙의 형성이 내부에서 시작되도록 가공할 수 있다.

일반적으로 레이저 집속점의 이동 경로가 시편의 에지(edge)를 지나는 경우에는 반응의 불연속성 및 급격한 스트레스 변화로 인해 크랙의 생성이 수월한 반면, 시편의 내부에서부터 레이저 집속점이 이동을 시작하는 경우에는 크랙의 생성이 어렵다. 도 22는 투명시편 중 하나인 양면 강화된 두께 700 μm의 Soda-lime 글래스에 반복률 5 MHz, 펄스 폭 200 fs, 평균출력 2.4 W, 중심파장 1030 nm의 레이저를 깊이 650 μm 에 해당하는 위치에 집속시켜, 레이저 조사를 시편의 내부에서 시작하여 내부에서 멈췄을 경우 발생하는 크랙을 보여주는 결과이다.

또한, 본 발명은 최종 출력단의 펄스폭이 10 fs ~ 10 ps 사이의 값을 갖는 펄스 레이저 빔을 생성하며, 상기 펄스 레이저 빔은 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 레이저 공진기를 포함하는 레이저 소스; 상기 레이저 소스에서 조사된 빔을 집속하기 위한 다수의 거울과 집속 렌즈를 포함하는 집광 시스템; 상기 집속된 레이저 빔의 이동에 의해 투명시편에 크랙이 형성되어 전파됨으로써 투명시편이 가공될 수 있도록, 투명시편을 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동시킬 수 있는 3축이동 스테이지 시스템; 상기 투명시편내 집속되는 집속점의 주변지역중 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 또는 타측면의 온도 분포를 제어하여 크랙의 전파방향을 조절하는 크랙방향 조정부; 및 상기 레이저 소스, 집광 시스템, 3축이동 스테이지 시스템 및 크랙방향 조정부를 각각 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 집속점은 투명시편의 양쪽표면의 안쪽 내부영역에 위치하며 상기 집속점을 중심으로 한 온도구배가 형성되고, 상기 크랙은 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여, 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파되는 것을 특징으로 하는 투명시편 다이싱 장치를 제공한다.

여기서 상기 투명시편내에 형성되어 전파되는 크랙은 앞서 살펴본 바와 같이 투명시편내 레이저 집속점 인근에서의 온도구배에 기인하는 스트레스가 최대가 되는 점들을 연결한 라인을 따라 생성되어 전파될 수 있다.

도 23에서는 본 발명의 투명시편 다이싱 장치를 도시하였다.

이를 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 다이싱 장치는 최종 출력단의 펄스폭이 10 fs ~ 10 ps 사이의 값을 갖는 펄스 레이저 빔을 생성하며, 상기 펄스 레이저 빔은 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 레이저 공진기를 포함하는 레이저 소스를 포함하여 이루어진다.

상기 레이저 소스는 레이저 공진기에 상기 펄스를 펼쳐서 확장시켜주는 펄스 확장기, 상기 확장된 펄스를 증폭시키는 펄스 증폭기, 상기 증폭된 펄스를 압축하여 주는 펄스 압축기 및 상기 압축된 펄스의 특성을 조절하는 펄스 컨트롤러가 순차적으로 조합되어 구성된 극초단 레이저 시스템으로 구성된다.

이를 위해서 예시적으로, CPA(처프 펄스 증폭) 타입의 증폭 시스템을 사용하여 펄스를 펼쳐서 증폭 후 다시 압축 시키는 방법을 통해 고반복률, 수백 펨토초 수준의 좁은 펄스폭의 펄스 트레인(train)이 생성 될 수 있다.

상기 생성된 펄스는 펄스 컨트롤러를 지나면서 의도하는 특성이 부여되는데, 예로서 원하는 시간대역에만 펄스 열(pulse train)이 통과되고, 렌즈와 거울의 조합을 통해 펄스 파면의 공간적인 모양이 바뀌며, 여러 종류의 파장판 (waveplates)을 통해 편광이 바뀌고, 투과 필터나 편광 빔 분할기(polarization beam splitter)나 파장판(waveplates)등의 조합을 통해 광량이 바뀔 수 있다.

본 발명에서 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 파면의 공간적인 모양은 일반적으로 가우시안 형태를 가질 수 있으나, 렌즈와 거울의 조합을 통해 펄스 파면의 공간적인 모양을 타원 형태로 변화시킬 수 있다. 상기 타원 형태의 펄스를 생성시키고 이를 투명 시편에 조사하는 경우, 크랙의 생성 및 전파 경향이 타원의 축 방향과 밀접한 연관성을 보이며, 이에 따라 상기 크랙의 빔 웨이스트 유도 특성을 개선시키거나 상기 크랙의 전파방향을 조절할 수 있다.

또한 상기 타원의 축 방향을 빔 웨이스트의 이동 방향과 일정 각을 갖도록 설정하면, 이로 인해 시편의 절단된 단면은 빔 웨이스트의 이동 경로를 따라 형성됨과 동시에 물결무늬의 주기적인 패턴을 갖도록 할 수 있다.

상기 극초단 레이저 시스템을 이용하여 강화유리를 가공하고자 하는 경우에 바람직한 레이저 빔의 평균 출력은 0.1 W ~ 1 kW 사이의 값을 가질 수 있다.

또한 상기 레이저는 광섬유 기반의 레이저 공진기에 의해 반복률이 0.1 ~ 250 MHz의 범위로 구현되는 것을 사용할 수 있다.

통상적으로 수십 ps 이하의 펄스폭을 갖고 수십 MHz 이상의 반복률을 갖는 펄스 열은 모드 잠금 된 레이저 공진기에서 생성된다. 이러한 레이저 공진기는 크게 벌크(고체) 타입과 광섬유 타입이 있는데, 벌크(고체) 타입의 경우 거울과 렌즈, 증폭 크리스탈로 공진기가 구성되는 반면에, 광섬유 타입의 경우 증폭 매질 및 광경로의 대부분이 광섬유로 대체된다. 벌크(고체) 타입은 일반적으로 티타늄-사파이어 펨토초 레이저로 대표될 수 있는데, 높은 펄스당 에너지, 높은 출력 및 좋은 펄스 특성을 구현할 수 있는 우수한 광원이나, 평균 출력의 확장성(Scalability)이 부족하고 직접적인 다이오드 레이저 펌핑이 어려운 관계로 효율이 낮으며 시스템의 복잡성으로 인해 광 정렬, 유지 보수 등에 어려움이 있다.

반면 광섬유 타입의 레이저 공진기는 진동이나 온도변화 등의 환경 변화에 둔감하고 장기 운용시 추가 정렬이 필요치 않아 안정적인 장기 구동이 가능하며 이로 인해 산업쪽으로의 적용에 큰 장점을 갖는 반면, 공진기 내의 펄스가 광섬유를 지나면서 광섬유 고유의 고차 분산에 의한 영향을 받기 때문에 펄스 모양이 비대칭적이거나 펄스 폭이 이상적인 경우에 비해 넓어지는 단점을 갖는다.

본 실시예에서는 광섬유 기반 레이저 공진기를 제작하여 상기 고반복률 펄스를 구현하도록 하였으며, 펄스폭 200 fs 수준의 안정적인 펄스를 얻을 수 있었다.

펄스의 반복률은 통상적으로 레이저 공진기의 반복률에 의해 결정되는데, 일반적인 공진기의 경우 대략 30 ~ 250 MHz 수준의 반복률이 얻어진다. 이보다 낮은 반복률을 얻는 경우에, 공진기 내 광섬유의 길이를 늘리고 늘어난 광섬유에서 기인하는 비선형 현상 및 분산 현상 등을 적절히 보상하여 수 MHz 수준의 반복률까지도 얻어낼 수 있으며, 공진기 뒷단의 pulse picker 적용을 통해 낮게는 수 Hz이하의 반복률까지도 구현이 가능하다.

만약 시편의 종류나 두께, 내부 스트레스 분포 등의 차이에 의해 보다 높은 평균 출력값이 요구될 경우, 쳐프 펄스 증폭 (chirped pulse amplification)을 통해 펄스 폭은 유지하면서 보다 높은 출력값을 얻을 수 있다. 쳐프 펄스 증폭 시스템은 펄스 펼침기(stretcher)와 증폭기(amplifier), 압축기 (compressor)로 구성된다. 펄스 펼침기를 지나는 동안 펄스를 구성하는 주파수 성분들은 주파수 간 분산값의 차이에 의해 시간축에서 확장되며, 이로 인해 첨두출력을 10³ 이상의 스케일로 낮출 수 있어, 증폭과정에서 높은 첨두출력 때문에 발생할 수 있는 시스템의 optical damage나 펄스의 degradation현상을 방지할 수 있다. 증폭단을 지나며 원하는 출력으로 증폭된 펄스는 펄스 압축기를 지나면서 다시 압축되어 원래의 펄스 폭 수준을 회복하게 된다.

또한, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 300 nm 내지 3000 nm의 범위일 수 있다.

상기 레이저 공진기에서 생성된 레이저 펄스가 펄스 확장기와 증폭기, 그리고 압축기를 거쳐 0.1W에서 1 kW, 10 ps 이하의 원하는 광량 및 펄스폭으로 증폭 및 압축이 가능해진다.

또한 레이저 소스의 펄스 레이저 빔은 10¹¹ W/cm²이상의 피크 파워 밀도를 가질 수 있다.

또한 본 발명의 다이싱 장치는 상기 레이저 시스템에서 조사된 빔을 포커싱하기 위한 다수의 거울과 집속 렌즈를 포함하는 집광 시스템을 구비한다. 상기 집광 시스템은 사용자가 의도하는 특성이 부여된 펄스를 여러 거울과 렌즈 등을 통해 스테이지 시스템으로 전달하는 기능을 가지며, X5 ~ X100 사이의 배율을 갖는 집속렌즈를 통해 수십 μm 이하의 지름을 갖는 영역으로 포커싱되며, 이로 인해 최종적으로 원하고자 하는 피크 파워 밀도를 형성시켜 시편을 가공할 수 있게 된다.

또한 본 발명에서 상기 시편 내 시트크랙을 형성하기 위해서, 집속렌즈에 해당하는 대물렌즈에 PZT를 설치하고 이를 이용하여 시편 내 초점의 깊이방향 모듈레이션을 조절할 수 있고, 이를 통해 크랙의 생성 및 전파 특성을 개선시킬 수 있다.

또한 본 발명의 다이싱 장치는 상기 집속된 레이저 빔에 의해 투명시편이 가공될 수 있도록, 투명시편을 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동시킬 수 있는 3축이동 스테이지 시스템을 구비할 수 있다. 또한 본 발명은 상기 투명시편을 이동시키는 대신에 집속된 레이저 빔을 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동시키는 것을 통해 투명시편을 가공할 수 있다.

본 발명에서 상기 크랙방향 조정부는 상기 투명시편내 집광되는 집속점의 주변지역중 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면부 또는 타측면부를 냉각시키거나, 또는 가열하거나, 또는 상기 냉각과 가열을 병행함으로써, 상기 집속점 주변의 온도 분포를 제어하여 상기 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 전파방향을 제어할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 크랙방향 조정부는 투명시편내 집광되는 집속점의 주변지역중 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 또는 타측면을 가열되거나 냉각된 기체를 분사하거나 복사열을 제공함으로써 투명시편의 일부를 가열 또는 냉각할 수 있다.

이를 위해서 상기 집속점의 주변지역에 aerosol, cooling gas 등을 분사하거나, 광원을 투명시편에 조사함으로써 복사열을 제공할 수 있다.

도 24는 레이저 조사 라인(1402) 끝 포인트를 중심으로 좌·우 영역 (1500, 1501)을 냉각 혹은 가열하기 위한 크랙방향 조정부의 일 실시예를 도시한 그림이다.

여기서 상기 크랙방향 조정부가 투명시편을 냉각 혹은 가열하는 방법은 통상적인 전도나 대류, 혹은 복사의 방법을 적용할 수 있는데, 냉각봉이나 열봉, coolant나 heating flow, 가열 램프, 레이저 등 다양한 솔루션 적용이 가능하다.

상기 도 24 a) 및 도 24 b) 에서 보는 바와 같이 레이저 빔이 조사되는 투명시편의 상부쪽에 크랙방향 조정부가 위치되며, 상기 도 24 a)에서 보는 바와 같이 투명시편의 가공하고자 하는 부분이 곡면인 경우에 상기 크랙방향 조정부는 회전하거나 수평이동을 통해 원하는 부분을 연속적으로 용이하게 온도제어가 가능하다.

또한 도 24 b) 에서 보는 바와 같이 상기 크랙방향 조정부는 복수의 가열 또는 냉각장치를 구비함으로써, 투명시편의 온도제어를 보다 상세하게 진행할 수 있으며 도 24 a)에서와 같은 회전 파트 없이 시스템의 구성이 가능한 장점이 있다. 도 24 c) 에서는 상기 크랙방향 조정부가 투명시편을 가열하거나 냉각시키기 위한 구체적인 수단으로서 복사열을 이용하거나, 가열되거나 냉각된 기체를 분사하거나 또는 가열되거나 냉각된 부분이 접촉하도록 함으로써 투명시편의 온도제어를 진행하는 것을 도시하고 있다.

본 발명에서 상기 크랙의 전파에 영향을 주는 온도 제어 영역(1500, 1501)의 넓이는 시편 전체에 해당할 만큼 상당히 광범위 하며, 통상적으로 회전곡률반경이 작은 가공을 할 경우에는 온도 제어 영역 또한 작고 레이저 조사 라인에 가깝게 위치하는 것이 유리하다. 또한 이러한 제어 영역은 레이저 조사 라인을 중심으로 좌·우에 위치해야 하므로, 곡선 가공 등이 조합되어 있는 절단을 수행할 경우에는 온도 제어 영역 또한 레이저 조사 포인트를 중심으로 회전해야 한다. 혹은 레이저 조사 포인트를 중심으로 방사형으로 여러 온도 조절 모듈을 설치하여 각 모듈의 ON/OFF를 통해서도 제어가 가능하다.

또한 본 발명의 상기 크랙방향 조정부는 투명시편내 집광되는 집속점의 주변지역중 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 또는 타측면에 가열되거나 냉각된 플레이트(plate)를 접촉함으로써 투명시편의 일부를 가열 또는 냉각할 수 있다.

도 25는 레이저 조사 라인(1402)을 중심으로 좌·우 시편의 온도를 다르게 제어하여 온도 구배를 형성시켜주기 위한 열 바닥판(1400, 1401)을 적용한 그림이다. 이는 직선 가공 시 적용 가능한 열 바닥판의 예를 도시하고 있으며, 레이저 조사 라인이 임의의 패턴인 경우 그 패턴에 따라 열 바닥판을 제작하여 적용할 수 있다. 상기 도 25 a)에서 보는 바와 같이 열바닥판의 하부에는 온도조절장치가 부착되어 크랙 라인을 중심으로 좌·우에 일정한 온도 구배를 형성시켜 줄 수 있으며, 위치나 시간에 따라 가해 주어야 할 온도 구배가 달라지는 경우에는, 서로 다른 온도 구배를 구현하기 위해서는 도 25 b)처럼 열 바닥판의 파트 여럿으로 나누어 따로 제어하거나, 도 25 c)와 같이 heating film등을 이용하여 레이저 조사 포인트의 이동을 따라 연속적으로 가열 및 냉각을 시켜주는 장치도 적용 가능하다.

또한 본 발명에서 상기 크랙방향 조정부는 투명시편내 집광되는 집속점의 주변지역중 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 또는 타측면에 열에너지(thermal energy) 공급을 위한 추가적인 레이저를 포함함으로써 상기 집속점 주변의 온도 분포를 제어할 수 있다.

상기 크랙방향 조정부에 의한 투명시편의 집속점 부근에 온도 분포를 제어함으로써, 집속점을 중심으로 시편 좌·우의 열적 스트레스(thermal stress) 분포를 원하는 대로 조절할 수 있으며, 따라서 생성된 크랙이 집속점의 위치를 오프셋 부호와 값을 유지하며 따라갈 수 있도록(following) 유도하거나, 혹은 원하는 형태로 부호와 값을 변화시킬 수 있다

또한 본 발명에서 상기 투명시편 다이싱 장치는 집속된 레이저빔을 투명시편내 양쪽 표면의 안쪽 내부영역의 원하는 곳에 위치시키고 실시간으로 집속점의 위치를 제어하기 위한 자동초점제어(auto-focusing) 시스템을 추가로 포함할 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 제어부에 의해 레이저 소스, 집광 시스템. 스테이지 시스템, 크랙방향조정부 등의 본 발명에 포함된 모든 시스템들을 제어하며 컴퓨터를 통해 정상 동작 여부가 실시간으로 모니터링될 수 있다.

예를 들어, 상기 제어부는 레이저 집광 지점과 크랙 라인 간 간격, 크랙이 진행하는 속도 등을 실시간으로 모니터링 할 수 있고 이를 통해 제어에 필요한 정보를 얻어낼 수 있다.

또한, 상기 제어부는 도 23에서는 1개의 제어부가 본 발명의 레이저 소스, 집광 시스템. 스테이지 시스템, 크랙방향조정부 등의 본 발명에 포함된 모든 시스템들을 제어하였지만, 필요에 따라 복수개 구비되어 그중 일부가 상기 레이저 소스, 집광 시스템. 스테이지 시스템, 크랙방향조정부중 선택된 일부분을 제어하고 나머지 제어부가 상기 레이저 소스, 집광 시스템. 스테이지 시스템, 크랙방향조정부중 선택된 일부분을 제외한 나머지를 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.

이하, 본 발명의 극초단 펄스레이저를 이용한 투명시편의 크랙형성과 이를 이용한 투명시편의 가공방법을 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하였으나, 이는 본 발명에 관련한 대표적 예시에 해당함으로써, 상기 예시적 설명에 의해 본 발명의 권리범위를 결코 제한할 수 없음을 밝히는 바이다.

[부호의 설명]

500: 투명 시편 501:투명 시편 내부의 레이저 집광점

502: 극초단 펄스 레이저 503: 집속 렌즈군 (대물렌즈)

504: R-R' 선상에서 온도 구배가 최대가 되는 두 지점 중, 레이저를 중심으로 음의 오프셋(-δ) 값을 갖는 지점

505: R-R' 선상에서 온도 구배가 최대가 되는 두 지점 중, 레이저를 중심으로 양의 오프셋(+δ) 값을 갖는 지점

600: 투명 시편의 윗면 601: 투명 시편의 아랫면

602: 시편에 대한 극초단 펄스 레이저 상대운동 경로

603: 시편내에서의 극초단 펄스 레이저 집광점 이동 경로

604: 레이저 상대운동 경로를 중심으로 양의 오프셋(+δ)을 갖고 레이저 상대운동 경로와 평행하게 진행하는 크랙 라인

605: 레이저 상대운동 경로를 중심으로 음의 오프셋(-δ)을 갖고 레이저 상대운동 경로와 평행하게 진행하는 크랙 라인

606: A-A' 선상에서 온도 구배가 최대가 되는 두 지점 중, 레이저를 중심으로 음의 오프셋(-δ) 값을 갖는 지점

607: A-A' 선상에서 온도 구배가 최대가 되는 두 지점 중, 레이저를 중심으로 양의 오프셋(+δ) 값을 갖는 지점

700: 극초단 펄스 레이저가 입사되어 초기 시드 크랙이 생성된 후 레이저 진행 라인을 중심으로 음의 오프셋(-δ)을 갖는 라인으로 크랙이 전파되기 시작하는 시점

701: 극초단 펄스 레이저 조사 라인

702: 크랙 전파 라인

703: 극초단 펄스 레이저가 입사되어 초기 시드 크랙이 생성된 후 레이저 진행 라인을 중심으로 양의 오프셋(+δ)을 갖는 라인으로 크랙이 전파되기 시작하는 시점

704: 극초단 펄스 레이저 조사 라인

705: 레이저 진행 라인을 중심으로 양의 오프셋(+δ)을 갖는 크랙 전파 라인

706: 크랙이 오프셋 부호를 바꿔 진행하는 지점

707: 크랙의 오프셋 부호 변환으로 인한 관성으로 레이저 조사 라인을 크게 이탈한 크랙 라인

800: 극초단 펄스 레이저 조사 라인

801: 크랙 전파 라인

900: 극초단 펄스 레이저가 입사되어 초기 시드 크랙이 생성된 후 레이저 진행 라인을 중심으로 음의 오프셋(-δ)을 갖는 라인으로 크랙이 전파되기 시작하는 시점

901: 극초단 펄스 레이저 조사 라인

902: 크랙 전파 라인

1000: 레이저 진행 라인을 중심으로 양의 오프셋(+δ)값을 가지고 진행하던 크랙이 음의 오프셋(-δ)값을 가지고 진행하게 되는 교차점

1001: 레이저 진행 라인을 중심으로 음의 오프셋(-δ)값을 가지고 진행하던 크랙이 양의 오프셋(+δ)값을 가지고 진행하게 되는 교차점

1100: 수직 입사된 극초단 펄스 레이저 조사 라인

1101: 레이저 진행 라인을 중심으로 양의 오프셋(+δ)값을 가지고 진행하는 크랙 라인

1102: 레이저 진행 라인을 중심으로 음의 오프셋(-δ)값을 가지고 진행하는 크랙 라인

1103: 양의 방향으로 비스듬히 입사된 극초단 펄스 레이저 조사 라인

1104: 레이저 진행 라인을 중심으로 국부적으로 좁은 영역에 위치하는 오프셋 라인을 따라 이동하는 크랙

1200: 양의 방향 비스듬 입사를 도입한 레이저 진행 라인

1201: 양의 방향 비스듬 입사를 도입한 레이저 진행 라인에 양의 오프셋(+δ)값을 가지고 진행하는 크랙 라인

1202: 음의 방향 비스듬 입사를 도입한 레이저 진행 라인

1203: 음의 방향 비스듬 입사를 도입한 레이저 진행 라인에 음의 오프셋(-δ)값을 가지고 진행하는 크랙 라인

1204: 양의 방향 비스듬 입사를 도입한 레이저 진행 라인 (총 12 cm)

1205: 양의 방향 비스듬 입사를 도입한 레이저 진행 라인에 양의 오프셋(+δ)값을 가지고 진행하는 크랙 라인 (총 12 cm)

1300: 냉각, 가열 등 열 제어를 통해 크랙 전파 특성을 제어할 수 있는 영역 (극초단 펄스 레이저 진행 라인을 중심으로 양의 방향에 위치하는 영역)

1301: 냉각, 가열 등 열 제어를 통해 크랙 전파 특성을 제어할 수 있는 영역 (극초단 펄스 레이저 진행 라인을 중심으로 음의 방향에 위치하는 영역)

1302: 레이저 진행 라인을 중심으로 좌·우의 시편 영역이 대칭인 경우, 열 제어를 수행하지 않았을 때 나타나는 잔류응력 분포그래프

1303: 도 12의 1300 부분을 가열하거나, 도 12의 1301 부분을 냉각하는 열 제어를 수행하였을 때 얻어지는 잔류응력 분포 그래프

1304: 열 제어를 수행하여 잔류응력이 최대가 된 지점

1400: 극초단 펄스 레이저 조사 라인을 중심으로 좌·우에 온도 기울기를 형성시킬 목적으로 설치된 열 제어 바닥 1 (temperature control plate)

1401: 극초단 펄스 레이저 조사 라인을 중심으로 좌·우에 온도 기울기를 형성시킬 목적으로 설치된 열 제어 바닥 2 (temperature control plate)

1402: 극초단 펄스 레이저 조사 라인

1403: 크랙 라인

1500: 크랙 라인의 제어를 위해 가열 또는 냉각이 가해지는 영역 1

1501: 크랙 라인의 제어를 위해 가열 또는 냉각이 가해지는 영역 2

1600: 극초단 펄스 레이저 조사 라인

1601: 크랙 전파 라인

1602: 극초단 펄스 레이저 조사 라인

1603: 크랙 전파 라인

1700: 직선과 곡선이 조합된 시편 절단 결과

1701: 곡선 형태로 진행하는 극초단 펄스 레이저 조사 라인

1702: 극초단 펄스 레이저 조사 라인을 중심으로 일정한 양의 오프셋(+δ)값을 유지하며 진행하는 크랙 라인

1800: 200 fs 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단을 수행하였을 때의 결과

1801: 2.5 ps 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단을 수행하였을 때의 결과

1802: 5 ps 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단을 수행하였을 때의 결과

1803: 7.5 ps 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단을 수행하였을 때의 결과

1804: 10 ps 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단을 수행하였을 때의 결과

1805: 12.5 ps 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단을 수행하였을 때의 결과

1806: 15 ps 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단을 수행하였을 때의 결과

1807: 17.5 ps 펄스폭의 레이저를 이용하여 절단을 수행하였을 때의 결과

1900: 극초단 펄스 레이저 조사 라인

1901: 크랙 전파 라인

1902: 레이저 조사 라인에서 불안정한 크랙이 자라는 현상

2100: 나노초 펄스 레이저 조사에 의해 형성된 Si 웨이퍼의 개질면

2101: 개질면에 의해 생성된 마이크로 크랙

2200: 본 발명을 통해 얻어진 직선 절단 구간

2201: 본 발명을 통해 얻어진 곡선 절단 구간

2202: 본 발명을 통해 얻어진 직선 절단면

2203: 본 발명을 통해 얻어진 곡선 절단면

Claims (25)

1. 레이저 소스로부터 10 fs ~ 10 ps의 펄스폭을 가지며, 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 극초단 펄스 레이저 빔을 생성하여 포커싱함으로써 집속점을 형성하는 단계;
   상기 집속점이 투명시편의 양쪽 표면의 안쪽 내부영역에 위치되도록 상기 펄스 레이저 빔의 집속점을 위치시킴으로써, 상기 포커싱된 펄스 레이저 빔에 의해 투명시편 내부로 에너지가 전달되어 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배가 형성되도록 하는 단계; 및
   원하는 형태의 절단선을 따라 상기 집속점 또는 투명시편을 상대이동시킴으로써, 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여, 투명시편상에 크랙이 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파되는 단계;를 포함하는 투명시편의 가공 방법
2. 레이저 소스로부터 10 fs ~ 10 ps의 펄스폭을 가지며, 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 극초단 펄스 레이저 빔을 생성하여 포커싱함으로써 집속점을 형성하는 단계;
   상기 집속점이 투명시편의 양쪽 표면의 안쪽 내부영역에 위치되도록 상기 펄스 레이저 빔의 집속점을 위치시킴으로써, 상기 포커싱된 펄스 레이저 빔에 의해 투명시편 내부로 에너지가 전달되어 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배가 형성되도록 하는 단계; 및
   원하는 형태의 절단선을 따라 상기 집속점 또는 투명시편을 상대이동시킴으로써, 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여, 투명시편상에 크랙이 상기 집속점의 이동 라인을 기준으로 투명시편의 일측면방향인 양의 오프셋 간격을 유지하며 전파되거나 또는 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 타측면방향인 음의 오프셋 간격을 유지하며 전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파되는 단계;를 포함하는 투명시편의 가공 방법
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 전파되는 크랙은 집속점의 이동라인을 따라서, 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면방향으로 간격을 두고 이격되어 전파되다가, 상기 집속점의 이동라인을 통과하여 투명시편의 타측면방향으로 간격을 두고 이격되어 전파되는 과정을 적어도 1회이상 포함하는 것을 특징으로 하는 투명시편의 가공방법
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 전파되는 크랙은 집속점의 이동라인을 따라서, 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 방향으로만 간격을 두고 이격되어 전파됨으로써, 상기 크랙의 전파방향은 상기 투명시편의 타측면 방향으로 간격을 두고 이격되어 전파되는 과정을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 투명시편의 가공방법
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 투명시편은 유리, 실리콘, 표면강화 유리, 사파이어, SiC 기판, GaN 기판, 투명 세라믹 기판, OLED용 투명기판, 또는 플렉시블 디스플레이(flexible display)에 사용되는 투명 고분자 기판 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 투명시편의 가공 방법
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 집속점의 주변지역중 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 방향 또는 타측면 방향에 냉각공정, 또는 가열공정, 또는 냉각공정과 가열공정의 혼합공정을 수행함으로써, 집속점 주변의 온도 분포를 제어하여 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 전파방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 투명시편의 가공방법
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 레이저집속점과 시편간의 상대운동속도, 시편 내 집속점의 깊이, 레이저의 첨두출력, 평균출력, 반복률, 레이저와 시편간의 입사각으로부터 선택되는 어느 하나이상을 조절하여 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 전파방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 투명시편의 가공방법
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가공된 투명시편은 크랙의 전파로 인한 투명시편의 가공된 단면이 경면을 이루는 것을 특징으로 하는 투명시편의 가공방법
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 크랙은 직선, 곡선 또는 직선과 곡선이 혼합형태로 전파되는 것을 특징으로 하는, 투명시편의 가공 방법
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 크랙은 폐곡면을 형성하도록 전파되되, 크랙의 전파 라인을 상기 집속점의 이동라인의 내부에 위치시키는 것을 특징으로 하는, 투명시편의 가공 방법
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투명시편의 가공 방법은 상기 집속점의 이동의 시작이 투명시편의 에지가 아닌 내부에서 시작됨으로서, 투명시편의 가공을 위한 크랙의 형성이 내부에서 시작되는 것을 특징으로 하는 투명시편의 가공 방법
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투명시편은 강화유리이며, 상기 강화유리의 내부에 집속되는 펄스 레이저 빔은 10¹¹ W/cm²이상의 피크 파워 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는, 투명시편의 가공 방법
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔의 평균 출력은 0.1 W ~ 1 kW 사이의 값을 가지며,
    반복률이 0.1 ~ 250 MHz인 고반복률 펄스 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는, 투명시편의 가공 방법
14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이동되는 집속점 또는 투명시편의 속도는 초당 0.1 mm 내지 1000 mm 의 범위내인 것을 특징으로 하는, 투명시편의 가공 방법
15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투명시편의 가공 방법은 상기 투명시편내 집속점의 이동라인을 따라 레이저 빔이 1회 이동함으로써, 상기 투명시편이 절단되거나 또는 투명시편의 일부영역이 다른영역과 분리되어 가공이 완료되는 것을 특징으로 하는 투명시편의 가공 방법
16. 펄스 레이저 빔의 중심 파장이 투명시편의 투과 대역에 해당하고, 최종 출력단의 펄스폭이 10 fs ~ 10 ps 사이의 값을 가지는 펄스 레이저를 투명시편의 양쪽 표면의 안쪽 내부영역에 포커싱되도록 집속점을 형성하여 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배를 형성시키고, 상기 집속점을 원하는 형태의 절단선을 따라 이동시킴으로써, 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여 상기 투명시편내 집속점 인근에서의 온도구배에 기인하는 스트레스가 최대가 되는 점들을 연결한 라인을 따라 크랙이 전파되어, 상기 크랙이 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되도록 하는 것을 특징으로 하는 투명시편의 가공 방법
17. 최종 출력단의 펄스폭이 10 fs ~ 10 ps 사이의 값을 갖는 펄스 레이저 빔을 생성하며, 상기 펄스 레이저 빔은 중심 파장이 하기 투명시편의 투과 대역에 해당하는 레이저 공진기를 포함하는 레이저 소스;
    상기 레이저 소스에서 조사된 빔을 집속하기 위한 다수의 거울과 집속 렌즈를 포함하는 집광 시스템;
    상기 집속된 레이저 빔의 이동에 의해 투명시편에 크랙이 형성되어 전파됨으로써 투명시편이 가공될 수 있도록, 투명시편을 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동시킬 수 있는 3축이동 스테이지 시스템;
    상기 투명시편내 집속되는 집속점의 주변지역중 상기 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 또는 타측면의 온도 분포를 제어하여 크랙의 전파방향을 조절하는 크랙방향 조정부; 및
    상기 레이저 소스, 집광 시스템, 3축이동 스테이지 시스템 및 크랙방향 조정부를 각각 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 집속점은 투명시편의 양쪽표면의 안쪽 내부영역에 위치하며 상기 집속점을 중심으로 한 온도구배가 형성되고,
    상기 크랙은 상기 집속점을 중심으로 한 온도 구배의 형성으로 인하여, 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어 전파되는 것을 포함하도록 크랙이 생성되어 전파되는 것을 특징으로 하는 투명시편 다이싱 장치
18. 제17항에 있어서,
    상기 크랙방향 조정부는 상기 투명시편내 집광되는 집속점의 주변지역중 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면부 또는 타측면부를 냉각시키거나, 또는 가열하거나, 또는 상기 냉각과 가열을 병행함으로써, 상기 집속점 주변의 온도 분포를 제어하여 상기 크랙의 전파시 상기 집속점의 이동 라인과의 간격 또는 크랙의 전파방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 투명시편 다이싱 장치
19. 제17항에 있어서,
    상기 레이저 소스는 레이저 공진기에 상기 펄스를 펼쳐서 확장시켜주는 펄스 확장기, 상기 확장된 펄스를 증폭시키는 펄스 증폭기, 상기 증폭된 펄스를 압축하여 주는 펄스 압축기 및 상기 압축된 펄스의 특성을 조절하는 펄스 컨트롤러가 순차적으로 조합되어 구성된 극초단 레이저 시스템인 것을 특징으로 하는 투명시편 다이싱 장치
20. 제17항에 있어서,
    상기 레이저 소스의 펄스 레이저 빔은 압축강화유리를 투명시편의 재료로서 사용하는 경우, 10¹¹ W/cm²이상의 피크 파워 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는, 투명시편 다이싱 장치
21. 제17항에 있어서,
    상기 레이저 소스의 레이저 빔의 평균 출력은 0.1 W ~ 1 kW 사이의 값을 가지며, 광섬유 기반의 레이저 공진기에 의해 반복률이 0.1 ~ 250 MHz의 범위로 구현되는 것을 특징으로 하는, 투명시편 다이싱 장치
22. 제17항에 있어서,
    상기 투명시편 다이싱 장치는 투명시편을 이동시키는 대신에, 상기 집속된 레이저 빔을 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 투명시편 다이싱 장치
23. 제17항에 있어서,
    상기 투명시편 다이싱 장치는 상기 집속된 레이저빔을 투명시편내 양쪽 표면의 안쪽 내부영역의 원하는 곳에 위치시키고 실시간으로 위치를 제어하기 위한 자동초점제어(auto-focusing) 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 투명시편 다이싱 장치
24. 제18항에 있어서,
    상기 크랙방향 조정부는 투명시편내 집광되는 집속점의 주변지역중 집속점의 이동라인을 기준으로 투명시편의 일측면 또는 타측면을 가열되거나 냉각된 기체를 분사하거나 복사열을 제공함으로써 투명시편의 일부를 가열 또는 냉각하거나, 또는 가열되거나 냉각된 플레이트(plate)를 상기 투명시편의 일측면 또는 타측면에 접촉함으로써 투명시편의 일부를 가열 또는 냉각하거나, 또는 열에너지(thermal energy) 공급을 위한 추가적인 레이저를 포함함으로써 상기 집속점 주변의 온도 분포를 제어하는 것을 특징으로 하는 투명시편 다이싱 장치
25. 제17항에 있어서,
    상기 크랙은 상기 투명시편내 집속점 인근에서의 온도구배에 기인하는 스트레스가 최대가 되는 점들을 연결한 라인을 따라 크랙이 전파됨으로써, 상기 크랙이 상기 집속점의 이동 라인과 간격을 두고 이격되어전파되는 것을 포함하도록, 크랙이 생성되어 전파되는 것을 특징으로 하는 투명시편 다이싱 장치

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