KR0132133B1 - Estimating method of laser working and laser working device - Google Patents
Estimating method of laser working and laser working deviceInfo
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Abstract
본 발명은, 피가공품에 대하여 레이저를 조사해서 가공을 행할 때 사용되는 레이저가 공의 예측방법, 레이저가공품의 제조방법 및 레이저가공장치에 관한 것으로서, 피가공품에 대해 적절한 레이저가공을 실시하는 것을 목적으로 한 것이며, 그 구성에 있어서, 본 발명의 경우, 시뮬레이션수법에 의한 레이저가공의 예측결과를, 피가공품(2)에 있어서의 미소부분의 융해 또는 증발제거를 검지하는 동시에, 이 미소부분의 융해 또는 증발제거의 검지결과를 피이백하므로서 얻을 수 있도록 하고 있는 것을 특징으로 한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for predicting a ball, a method for manufacturing a laser processed product, and a laser processing apparatus, which are used when a laser is irradiated and processed on a workpiece. The object of the present invention is to provide suitable laser processing for a workpiece. In this configuration, in the present invention, the prediction result of the laser processing by the simulation method is used to detect the melting or evaporation removal of the micro parts in the workpiece 2 and at the same time, the melting of the micro parts. Alternatively, the detection result of the evaporation removal is characterized in that it can be obtained by baekbaek.
Description
제1도는 본 발명에 있어서의 레이저조사(照射)의 모양을 나타내는 설명도.1 is an explanatory diagram showing a state of laser irradiation in the present invention.
제2도는 피가공품의 표면에서의 상대광강도분포 I (x, y, t) 및 에너지밀도를 표시한 그래프.2 is a graph showing the relative light intensity distribution I (x, y, t) and energy density on the surface of a workpiece.
제3도는 광에너지 밀도분포와 평균파우어밀도를 나타내는 특성곡선도.3 is a characteristic curve showing the light energy density distribution and the average power density.
제4도는 레이저조사 후의 피가공품의 개략온도변화를 나타내는 특성곡선도.4 is a characteristic curve diagram showing a change in the approximate temperature of a workpiece after laser irradiation.
제5도는 본 발명에서 이용하는 수정융점과 수정비점을 표시한 특성곡선도.5 is a characteristic curve showing the crystal melting point and the correction boiling point used in the present invention.
제6도는 본 발명에 이용하는 샐라무벌모델을 표시한 설명도.6 is an explanatory diagram showing a sala move model used in the present invention.
제7도는 시뮬레이션결과를 표시한 모니터화면예를 표시한 설명도.7 is an explanatory diagram showing an example of a monitor screen on which simulation results are displayed.
제8도는 본 발명의 레이저가공기의 요부구성예를 표시한 설명도.8 is an explanatory diagram showing an example of main components of the laser processing machine of the present invention.
제9도는 본 발명의 레이저가공방법에 의한 가공진행의 흐름을 표시한 순서도.9 is a flowchart showing the flow of processing by the laser processing method of the present invention.
제10도는 실시예에서의 박막의 온도상태를 표시한 곡선도.10 is a curve diagram showing the temperature state of the thin film in the embodiment.
제11도는 실시예에서의 시뮬레이션결과를 표시한 모니터화면의 설명도.11 is an explanatory diagram of a monitor screen displaying simulation results in the embodiment.
제12도는 실시예에서의 레이저가공후의 박막의 단면도.12 is a cross-sectional view of the thin film after laser processing in the embodiment.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 박막 2 : 피가공품1: thin film 2: workpiece
3 : 레이저(레이저 빔) 7 : 집광렌즈계3: laser (laser beam) 7: condenser lens system
본 발명은, 피가공품에 대해 레이저를 조사해서 가공을 행할 때에 사용되는 레이저 가공의 예측방법, 레이저 가공품의 제조방법 및 레이저가공장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a method for predicting laser processing, a method for manufacturing a laser processed product, and a laser processing apparatus, which are used when a laser is irradiated onto a workpiece.
레이저(레이저 빔)을 조사해서 반도체박막에 대해서 스크라이빙(scribing)을 실시한다고하는 레이저가공이 있다. 이 레이저가공을 실시하는 반도체박막은 단열층에 한정하지 않고, 적층형 화합물 반도체 태양전지의 경우와 같이 이종(異種) 재질을 겹쳐서 도포적층하는 다층(태양전지의 경우는 4층)의 경우도 있다.There is a laser processing for scribing a semiconductor thin film by irradiating a laser (laser beam). The semiconductor thin film to be subjected to laser processing is not limited to a heat insulating layer, and may be a multilayer (four layers in the case of a solar cell) in which a heterogeneous material is overlapped and laminated as in the case of a laminated compound semiconductor solar cell.
반도체박막에 스크라이빙을 실시하는 레이저가공의 경우, 1 재료의 박막성, 2 선택제거가공, 또 상기 태양전지에서는 부가해서 3 이종재질의 다층적층구조라고 안벌크재에는 없는 특수한 사정이 있다.In the case of laser processing for scribing a semiconductor thin film, there is a special situation in which the thin film of one material, two selective removal processing, and the above-mentioned solar cell, in addition to the multilayered multilayer structure of three different materials, do not exist in the bulk material.
반도체박막에 스크라이빙을 실시할 경우, 목표로 한 개소만 정밀도 좋게 제거가공하고, 또한, 주변영역이나 하부층에는 물리적 또는 열적인 손상을 주지 않는 것이 썩 중요하며 이를 위해서는 레이저조사조건이 적절하게 설정되어 있을 필요가 있다.When scribing a semiconductor thin film, it is important to remove and process only one target with high accuracy, and not to cause physical or thermal damage to the surrounding area or the lower layer. It needs to be done.
그러나, 이 적절한 레이저조사조건을 간단히는 알 수 없는 것이다. 커트 앤드 트라이(cut-and-try)에 의한 실험을 행하여, 적절한 레이저조사조건을 아는 것은 가능할 지도 모르나, 대단한 시간이 필요한 데다, 얻어진 결과는 프로세스의 변경에 대한 유효성이 낮고, 커트 앤드 트라이에 의한 레이저조사조건의 탐색은 현실적이 아니다.However, this proper laser irradiation condition is simply unknown. It may be possible to conduct cut-and-try experiments to know the proper laser irradiation conditions, but it takes a great deal of time, and the results obtained are less effective for process changes, and The search for laser irradiation conditions is not realistic.
즉, 종래는, 적절한 레이저조사조건을 그리 간단히 알 수 없기 때문에, 박막에 대해 적절한 레이저가공을 실시하는 것이 곤란하였던 것이다.That is, conventionally, since it is not easy to know appropriate laser irradiation conditions, it was difficult to perform appropriate laser processing on a thin film.
본 발명은, 상기 사정에 비추어, 레이저가공의 대상인 피가공품에 대한 적절한 레이저조사조건을 간단히 알 수 있는 방법을 제공하는 것을 과제로 하는 동시에, 피가공품에 대해 적절한 레이저가공을 실시할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for easily knowing appropriate laser irradiation conditions for a workpiece to be processed by laser, and at the same time, a method capable of performing appropriate laser processing on a workpiece and The object is to provide a device.
상기의 적절한 레이저조사조건을 간단히 알아야 한다는 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 레이저가공의 예측방법에서는, 피가공품에 대해 레이저를 조사해서, 조사부분을 융해를 거쳐서, 또는 융해를 거치지 않고 증발제거시키므로서 행하는 가공을 시뮬레이션수법에 의해 예측하는데 있어서, 피가공품 내부에서의 레이저 조사에 의한 에너지밀도 분포와 필요에 따라서 피가공품내부에서의 복사에너지분포를 산출하고, 상기 에너지밀도분포의 산출결과 도는 상기 양산출결과에 의거해서 피가공품에 있어서의 미소부분에서의 발열량을 산출해서, 이발열량의 산출결과를 사용해서 미소부분의 융해 또는 증발제거를 검지하는 동시에, 이 미소부분의 융해 또는 증발제거의 검지결과를 상기 에너지 밀도분포의 산출과정과 필요에 따라서 복사에너지분포의 산출과정에 짜넣어서 레이저가공의 시뮬레이션을 행하는 구성으로 되어 있다. 이 레이저가공이 예측방법의 구체적 형태로서는, 피가공품이 박막을 가진 피가공품으로서, 레이져조사가 피가공품의 박막부분에 대해 이루어지는 형태를 들 수 있으나, 이에 한정하지 않고, 피가공품은 비박막체의 벌크재라도 된다. 본 발명에 있어서의 시뮬레이션은 물론 컴퓨터 연산을 이용하는 것이다.In order to solve the problem of simply knowing the above appropriate laser irradiation conditions, in the laser processing prediction method of the present invention, the workpiece is irradiated with a laser, and the irradiation portion is removed by evaporation or without melting. In order to predict the processing to be performed by the simulation method, the energy density distribution by laser irradiation inside the workpiece and the radiation energy distribution in the interior of the workpiece are calculated as necessary, and the calculation result of the energy density distribution is shown in the above. Based on the mass production result, the calorific value in the micro part of the workpiece is calculated, and the melting or evaporation removal of the micro part is detected using the calculation result of the barbering calorific value, and the melting or evaporation removal of the micro part is detected. The results of the calculation of energy density distribution and the radiative energy It incorporates into the calculation process of the equity gun and performs the simulation of laser processing. As a specific form of the laser processing prediction method, the workpiece is a workpiece having a thin film, and the laser irradiation is performed on the thin film portion of the workpiece, but the present invention is not limited thereto. Bulk material may be sufficient. The simulation in the present invention is, of course, using computer arithmetic.
에너지밀도분포의 산출결과만으로도 시뮬레이션은 가능하나, 에너지밀도분포의 산출결과에 부가해서 복사에너지분포의 산출결과도 사용하므로서 고정밀도의 시뮬레이션을 기대할 수 있다.Simulation is possible only with the calculation result of the energy density distribution, but a high precision simulation can be expected by using the calculation result of the radiation energy distribution in addition to the calculation result of the energy density distribution.
그리고, 상기의 피가공품에 대한 적절한 레이저가공을 실시할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다고 하는 후자의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 레이저가공품의 제조방법은, 레이저가공이 실시된 제품을 얻는 방법에 있어서, 상기 레이저가공의 조건 설정을 시뮬레이션 수법에 의한 레이저가공의 예측결과에 의거해서 행하는 것을 특징으로 하고 있으며, 또, 본 발명에 관한 레이저가공장치는, 피가공품에 대해 레이저가공을 실시하기 위한 레이저조사수단과, 상기 레이저가공의 조건을 설정하는 가공조건설정 수단을 구비하고, 상기 가공조건설정수단은 시뮬레이션수법에 의한 레이저가공의 예측결과에 의거해서 레이저가공의 조건설정을 행할 수 있도록 되어 있는 구성을 특징으로 하고 있다.In order to solve the latter problem of providing a method and an apparatus capable of performing appropriate laser processing on the above-mentioned workpiece, the method of manufacturing a laser-processed article according to the present invention provides a laser-processed product. In the method, the condition setting of the laser processing is performed based on the prediction result of the laser processing by the simulation method, and the laser processing value according to the present invention is to perform laser processing on the workpiece. And laser processing means for setting the processing conditions for the laser processing, and the processing condition setting means for setting the laser processing conditions based on the prediction result of the laser processing by the simulation method. It is characterized by the configuration that there is.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
먼저, 본 발명에서의 필수요소의 시뮬레이션수법에 의한 레이저가공의 예측을 먼저 설명한다.First, the prediction of the laser processing by the simulation method of the essential elements in the present invention will be described first.
본 발명에서는, 제1도에 표시한 바와 같이, 박막(1)을 가진 피가공품(2)의 박막부분에 대해 레이저(파장 λ, 출력 p)(3)을 조사해서, 조사부분을 융해를 거쳐서, 또는 융해를 거치지 않고 증발제거시키므로서 행하는 가공을 컴퓨터연산을 이용하는 시뮬레이션수법에 의해 가공전에 예측하게 된다. 또한, 제1도에 있어서, (7)은 집광렌즈계(개구수 NA)이며, (8)은 개구이다.In the present invention, as shown in FIG. 1, the laser (wavelength λ, output p) 3 is irradiated to the thin film portion of the workpiece 2 having the thin film 1, and the irradiation portion is melted. Machining performed by evaporating and removing without undergoing or melting is predicted before processing by a simulation method using computer operation. In Fig. 1, reference numeral 7 denotes a condensing lens system (aperture NA), and 8 denotes an opening.
레이저가공의 시뮬레이션에는, 박막내에 있어서의 레이저조사에 의한 에너지밀도분포 EE(x, y, z, t)와 박막 내부에서의 단위시간, 단위면적당의 복사에너지분포 Ef(x, y, z, t)를 각각 산출할 필요가 있다.The simulation of laser processing includes the energy density distribution EE (x, y, z, t) by laser irradiation in the thin film and the unit time in the thin film and the radiant energy distribution Ef (x, y, z, t per unit area). ), Respectively.
에너지밀도분포 EE(x, y, z, t)는, 다음과 같이 해서 산출할 수 있다.The energy density distribution EE (x, y, z, t) can be calculated as follows.
제1도의 (a)에 표시한 레이저조사계의 경우, 박막(1)의 표면상의 상대광강도(相對光强度) 분포 I(x, y, t)는, 하기의 식 ①, ②로 주어지고, 도면으로 표시하면 제2도의 (a)와 같은 분포가 된다.In the laser irradiation system shown in Fig. 1 (a), the relative light intensity distribution I (x, y, t) on the surface of the thin film 1 is given by the following formulas ① and ②, When it is shown by drawing, it becomes a distribution like (a) of FIG.
여기서 J1(ur) : ur의 1차 제1종베셀함수, λ : 레이저의 파장, NA : 광학계 개구수, x, y : 충립면(衝立面)에서부터의 x, y 방향거리로 한다.Here, J 1 (ur) is the primary type 1 Bessel function of ur, λ is the wavelength of the laser, NA is the numerical aperture of the optical system, and x and y are the distances in the x and y directions from the filling surface.
광학계 및 공간에 의한 에너지손실은 없는 것으로 간주하고, 박막표면의 광에너지 밀도분포 E(x, y, t)는 상대광강도분포 I(x, y, t)에 따르는 것으로 하면,It is assumed that there is no energy loss due to the optical system and space, and the optical energy density distribution E (x, y, t) on the surface of the thin film depends on the relative light intensity distribution I (x, y, t).
으로 되는 관계가 성립한다.The relationship becomes
여기서, S : 박막상의 레이저스포트면적, C : 단위면적당의 에너지의 단위를 가지는 정수, P : 출력파우어로 한다.Here, S is a thin film laser spot area, C is an integer having a unit of energy per unit area, and P is an output power.
또,로 되는 IB를 정의하면, 출력파우어 P는로서 나타내게 된다. 여기서 로 정의하면, 앞의 식으로부터,로 되고, 이 E0는 평균파우어밀도라고 정의되는 것이다.In addition, If IB is defined, output power P is It is represented as here If we define as, from the previous expression, This E 0 is defined as the average power density.
그리고, 실제의 광에너지밀도분포 E(x, y, t)와 평균파우어밀도 E0를 겹쳐서 도시하면 제3도에 표시한 바와 같이 된다. 우측상향사선부가 광에너지 밀도분포를 표시하고, 좌측상향사선부가 평균파우어밀도를 표시한다. 우측 상향사선부의 크기(면적)가이며, 우측상향사선부의 크기(면적)가이다.When the actual optical energy density distribution E (x, y, t) and the average power density E 0 are overlapped and shown, it is as shown in FIG. The right upward diagonal line shows the light energy density distribution, and the left upward diagonal line shows the average power density. The size (area) of the right upward diagonal line The size (area) of the right upward diagonal line is to be.
한편, 제1도의 (b)에 표시한 개구가 없는 레이저조사계의 경우, 박막(1)의 표면상의 광에너지밀도분포 E(x, y, t)는, 싱글빔모우드라고 가정하면, 하기의 식(A)으로 부여되고, 도시하면 제2도의 (b)와 같이 된다.On the other hand, in the case of the laser irradiation system without the opening shown in Fig. 1B, it is assumed that the optical energy density distribution E (x, y, t) on the surface of the thin film 1 is a single beam mode. It is given by (A), and when it shows in FIG. 2, it will become (b) of FIG.
여기서, I0: 최대에너지밀도, P : 출력파우어, r0: E=I0/e2으로 되는 집광빔반경으로 한다.Here, I 0 is the maximum energy density, P is the output power, and r 0 is E = I 0 / e 2 .
한편, 박막(1)의 레이저가공과정에서는, 박막(1)에 조사된 레이저는, 먼저, 박막(1)의 표면에서 그 일부가 반사되고, 나머지가 박막(1) 내부에 입사하여, 박막(1) 내부를 통과하는 동안에 흡수되어서 감쇠하면서, 그 일부가 투과하게 된다.On the other hand, in the laser processing process of the thin film 1, the laser irradiated to the thin film 1 is first partially reflected on the surface of the thin film 1, and the rest is incident on the inside of the thin film 1, 1) It is absorbed and attenuated while passing through the inside, and part of it is transmitted.
레이저의 박막(1)의 표면에서의 반사율을 R, 박막(1)의 투과율을 T로 하면, 가공에 기여하는 레이저에너지 EE(x, y, t)는 하기의 식 ④으로 주어진다.When the reflectance on the surface of the thin film 1 of the laser is R and the transmittance of the thin film 1 is T, the laser energy EE (x, y, t) which contributes to the processing is given by the following equation (4).
박막(1)에 입사한 레이저가, 그 내부를 통과할 때, 박막 표면에 있어서의 강도의 1/e로 감쇠하는 깊이를 흡수길이 a로 하면, 박막(1) 표면에서부터 깊이 z에 있는 위치에서의 상대광강도분포 I(x, y, z, t)는, 하기의 식 ⑤으로서 주어진다.When the laser incident on the thin film 1 passes through the inside, and the absorption length a is a depth that attenuates to 1 / e of the intensity on the thin film surface, the absorption length a is a position at a depth z from the surface of the thin film 1. The relative light intensity distribution I (x, y, z, t) is given by the following equation (5).
따라서, 에너지밀도분포 EE(x, y, z, t)는 하기의 식 ⑥에 의해서 산출할 수 있게 된다.Therefore, the energy density distribution EE (x, y, z, t) can be calculated by the following equation (6).
또한, 여기서는, 가공진행에 수반하는 박막표면의 요철의 변화에 의한 레이저의 나반사, 박막의 승온, 상변화에 의한 레이저광흡수율의 변화, 플라즈마발생에 의한 레이저광산란, 흡수, 박막의 흡열(吸熱)에 의한 변질, 레이저광발산각의 영향 등의 무시가능한 요인은 고려하고 있지 않다.In addition, here, the laser reflection due to the unevenness of the surface of the thin film accompanying the processing, the temperature rise of the thin film, the change of the laser light absorption rate due to the phase change, the laser light scattering due to plasma generation, the absorption, the heat absorption of the thin film (吸熱) ), Negligible factors such as alteration of the laser beam and influence of the laser light divergence angle are not considered.
그리고, 박막 내부에서의 단위시간, 단위면적당의 복사에너지 분포 Ef(x, y, z, t)쪽은, 다음과 같이 해서 산출할 수 있다.In addition, the radiant energy distribution Ef (x, y, z, t) per unit time in a thin film inside can be computed as follows.
박막(1)과 외계와의 에너지수는, 주요인인 레이저에 의한 에너지의 주입과 박막(1)로부터의 복사에 의한 에너지의 방출로 줄이고, 무시가능한 외계의 공기의 대류는 고려하고 있지 않다. 복사에 대해서는, 사용한 좌표방향(직교계)에 대해서만 취급하였다. 박막(1) 내부의 적당한 위치의 1방향 1면으로부터의 단위시간, 단위면적당의 복사에너지, 즉 복사에너지분포 Ef(x, y, z, t)는, 하기식 ⑦에 의해서 산출할 수 있다.The number of energies between the thin film 1 and the outer space is reduced by the injection of energy by a laser, which is the main factor, and the release of energy by radiation from the thin film 1, and the convection of negligible external air is not considered. Regarding the copy, only the coordinate direction (orthogonal system) used was handled. The unit time from one surface in one direction at a suitable position inside the thin film 1, the radiant energy per unit area, that is, the radiant energy distribution Ef (x, y, z, t) can be calculated by the following equation (7).
여기서, σ : 스테판 ·볼쓰만정수(5.67032×10-8w/(m2·k2), ε : 복사율, f : 형태계수, Tp: 복사원의 온도, T0: 복사행선지의 온도로 한다.Where σ: Stefan-Boltzmann constant (5.67032 × 10 -8 w / (m 2 · k 2 ), ε: emissivity, f: form factor, T p : temperature of radiation source, T 0 : temperature of radiation destination do.
이와같이 해서, 박막내부에 있어서의 레이저조사에 의한 에너지밀도분포 EE(x, y, z, t)와 박막 내에서의 복사에너지 분포 Ef(x, y, z, t)를 각각 산출할 수 있으면, 박막(1) 내부의 적당한 위치에서의 발열량(에너지흡수량)을 구할 수 있다. 박막(1) 내부의 적당한 위치에서의 단위시간, 단위체적당(미소부분)의 발열량, 즉, 박막(1) 내부의 발열량분포 S(x, y, z, t)를 하기의 식 ⑧에 의해 산출할 수 있는 것이다. 즉,In this way, if the energy density distribution EE (x, y, z, t) by laser irradiation in the thin film and the radiant energy distribution Ef (x, y, z, t) in the thin film can be respectively calculated, The heat generation amount (energy absorption amount) at a suitable position inside the thin film 1 can be obtained. The unit time at a suitable position inside the thin film 1, the calorific value per unit volume (ie, the minute portion), that is, the calorific value distribution S (x, y, z, t) in the thin film 1 is calculated by the following equation ⑧ You can do it. In other words,
로 되는 식에 의거한 산출을 행하는 것이다.The calculation is performed based on the equation of.
여기서, Efx=Efx(x, y, z, t), Efy=Efy(x, y, z, t), Efz=Efz(x, y, z, t)이며, 각각 x, y, z 방향에 있어서의 단위시간당의 복사에너지인 것이다.Where Efx = Efx (x, y, z, t), Efy = Efy (x, y, z, t), and Efz = Efz (x, y, z, t), respectively, in the x, y, z directions. Radiant energy per unit time.
레이저의 조사에 수반하여 박막(1) 내부에서는 발열량 분포 S(x, y, z, t)에서 산출된 양의 발열이 발생하고 있으며, 그 결과, 제4도에서 볼 수 있는 바와 같이, 재료의 승온, 용융, 증발 등이 일어난다. 한편, 박막(1) 내부의 적당한 위치(미소부분)의 온도는, 하기의 식 ⑨에서 표시한 Fourier의 3차원 비정상열전도방정식에 의해 산출할 수 있으므로, 박막(1) 내부의 적당한 위치에서의 온도를 산출하고, 이어서, 그 구한 온도로부터 그 위치에서의 재료의 용융 또는 증발을 검지하도록 한다.Due to the laser irradiation, the amount of heat generated in the heat generation distribution S (x, y, z, t) is generated inside the thin film 1, and as a result, as shown in FIG. Elevated temperatures, melting, evaporation, etc. On the other hand, since the temperature of the appropriate position (micro part) inside the thin film 1 can be calculated by Fourier's three-dimensional abnormal thermal conductivity equation represented by the following equation ⑨, the temperature at the proper position inside the thin film 1 Is calculated, and then melting or evaporation of the material at that position is detected from the obtained temperature.
이 경우, 유해잠열분을 고려한 융점을 수정융점 θmc, 기화잠열분을 고려한 비점을 수정비점 θvc로 해서, 이들 가상의 물리량(가상온도 Tc)를 결합하므로서 산출을 용이화할 수 있다. 즉, 제5도에 표시한 바와 같이, 열전도 계산으로서는 T를 사용하고, 상변화에 사용하는 가상온도로서는 Tc를 사용하는 것이다. 또한, 융해를 거치지 않고 승화하는 물질의 경우는 융점 즉 비점이므로 수정융점 θmc 즉 수정비점 θvc로 된다.In this case, calculation can be facilitated by combining these imaginary physical quantities (virtual temperature Tc) by making the melting point which considers a latent latent component into crystal | crystallization melting point (theta) mc, and the boiling point which considers the latent heat of vaporization as a correction boiling point (theta) vc. That is, as shown in FIG. 5, T is used as a heat conductivity calculation, and Tc is used as a virtual temperature used for phase change. In the case of the material which sublimes without melting, the melting point, that is, the boiling point, is the crystal melting point θmc, that is, the crystal boiling point θvc.
즉, θmc=θm+hm/c1로 하고, θvc=θv+hv/c2로 하는 것이다. 여기서, θm : 융점, hm : 융해잠열, C1 : 고상(固相)비열, θv : 융점, hv : 기화잠열 , C2 : 액상비열로 한다.That is, it is set as [theta] mc = [theta] m + hm / c1 and [theta] vc = [theta] v + hv / c2. Where θm: melting point, hm: latent heat of fusion, C1: solid phase specific heat, θv: melting point, hv: latent heat of vaporization, and C2: liquid specific heat.
Fourier의 3차원 비정상열전도 방정식은, 예를 들면, 제어·볼륨법을 사용하여, 완전음해법(임프리시트법)의 형(形)으로 이산화(離散化)하고, 계산시킴으로서 선순법(line-by-line method)을 사용하도록 하면, 산출은 용이하게 행할 수 있다.Fourier's three-dimensional unsteady heat conduction equations are, for example, discretized into a form of a complete sound solution method (impresit method) using a control-volume method and calculated by the linear-line method. By using the by-line method, calculation can be performed easily.
레이저가공의 진행에 따라 박막(1)에서는 상경계(相境界)의 이동이 일어나나, 이 상경계 이동은, 2차원의 예에서 표시하면 제6도에서 볼 수 있는 바와 같이, 박막(1)을 장방형(정 4각형 포함)의 셀(미소 부분)으로 분할해서 셀마다 용해·증발을 고려하는 셀리무벌 모델을 사용하므로서 간략화해서 포착하도록 할 수도 있다. 셀리 무벌 모델에서는, 셀리 단위로 에너지의 수, 즉 발열량을 산출해서, 용융을 거쳐서 증발현상을 취하는 물질에 있어서는 수정융점 θmc에 도달한 셀은 증발한 것으로 해서 액상으로 취급하고, 수정비점 θvc에 도달한 셀은 증발한 것으로 해서 제거조작을 행한다. 또한, 용융과 증발이 동시에 일어나는 승화성물질의 경우는 수정융점 θme에 도달한 셀은, 수정융점 θmc가 수정비점 θvc이기 때문에 증발한 것으로 해서 제거조작을 행한다.As the laser processing progresses, the phase boundary shifts in the thin film 1, but this phase boundary shift is a rectangular shape of the thin film 1 as shown in FIG. It can also be simplified by capturing by dividing it into cells (including a regular square) and using a cellival model that considers dissolution and evaporation for each cell. In the Seli bee model, the number of energy, that is, the calorific value, is calculated in celery units, and in the case of a substance that evaporates through melting, the cell reaching the crystal melting point θmc is treated as a liquid and evaporated to reach the crystal boiling point θvc. One cell is evaporated and a removal operation is performed. In the case of a sublimable material in which melting and evaporation occur at the same time, the cell reaching the crystal melting point θme is removed because the crystal melting point θmc is the crystal boiling point θvc.
완전음해법의 경우, 셀마다 식(9)의 방정식이 설정되고(즉, 셀의 수만큼 방정식이 있다), 메트릭스연산에 의해서 산출이 이루어지는 방식이며, 이 완전음해법에서는, △t를 조악하게더라도 정밀도 좋은 결과를 얻을 수 있기 때문에, 연산에 요하는 시간이 짧아도 된다.In the case of the complete speech method, the equation of formula (9) is set for each cell (that is, there are equations corresponding to the number of cells), and the calculation is performed by the matrix operation. Even if the result can be obtained with high precision, the time required for calculation may be short.
또한, 박막(1)의 제거는, 재료의 흡열에 의한 증발만을 고려하고, 열용력의 영향이나 박막으로부터 뛰어나오는 입자의 운동의 방향, 박막으로부터의 가스발생의 영향 등의 제거가능한 인자에 대해서는 고려하고 있지 않으나, 가스의 내뿜기 등에 의한 액상 제거수단을 사용할 경우와 같이 다른 제거인자를 산출과정에 결합하는 것도 있다.In addition, the removal of the thin film 1 considers only evaporation due to the endotherm of the material, and considers removable factors such as the influence of heat capacity, the direction of movement of particles out of the thin film, and the influence of gas generation from the thin film. However, other removal factors may be combined in the calculation process, such as when the liquid phase removal means such as gas blowing is used.
그리고, 셀에서의 액상화나 셀의 제거는, 상기한 에너지밀도분포 EE(x, y, z, t)와 복사에너지분포 Ef(x, y, z, t)의 산출결과에 피이드백하도록 한다. 그로 인해, 레이저조사부분의 시시각각의 변화에 추종한 정확한 산출이 이루어지기 때문에, 시뮬레이션은 실제의 가공결과에 잘 매치하게 된다. 셀에서의 고상으로부터 기상에의 변화는, 예를 들면, 식 ⑥의 EE(x, y, z, t)=Ee(x, y, t)e-2a에서는 a의 변경으로 되고, 식 ⑦의 Ef(x, y, z, t)=σ·ε·t(Tp 4-T0 4)에서는, ε의 변경으로 되어서 피이드백된다.Liquefaction in the cell and removal of the cell feed back to the calculation results of the energy density distribution EE (x, y, z, t) and the radiant energy distribution Ef (x, y, z, t). Therefore, since the accurate calculation following the change of the time of the laser irradiation part is made, the simulation matches well with the actual machining result. The change from the solid phase to the gaseous phase in the cell is, for example, a change of a in EE (x, y, z, t) = Ee (x, y, t) e -2a in equation (6), At Ef (x, y, z, t) = sigma ε t (T p 4 -T 0 4 ), the change of ε is fed back.
셀에서의 액상으로부터 기상에의 변화는, 박막표면위치의 변경이므로, 예를 들면, 식 ⑥의 EE(x, y, z, t)=Ee(x, y, t)e-2a, 식 ⑦의 Ef(x, y, z, t)=σ·ε·t(Tp 4-T0 4)에서의 깊이(z)의 변경으로 되어서 피이드백된다.Since the change from the liquid phase to the gaseous phase in the cell is a change in the position of the thin film surface, for example, EE (x, y, z, t) = Ee (x, y, t) e -2a in the equation ⑥, equation ⑦ Is fed as a change in the depth z at E f (x, y, z, t) = sigma ε t (T p 4 -T 0 4 ).
또한, 식 ⑨에 있어서도, 고상으로부터 액상에의 변화는, 식 ⑨의 밀도, 비열, 열전도율의 변화로서 결합되어 있다.Also in the formula (9), the change from the solid phase to the liquid phase is combined as a change in density, specific heat, and thermal conductivity of the formula (9).
물론, 셀리무벌모델이 아니고, 박막(1)의 표면에서부터 내부로 향하는 다수의 선분을 미리 정해두고, 각 선분을 따라서 특정한 점을 정해놓고, 이들 점에 대해서, 온도를 산출하여, 용융 또는 증발제거를 판정하고, 상경계점(相境界点)을 연결하는 경계로부터 상부는 제거되어 있는 것으로 하도록 해도 된다. 이 경우, 박막(1)의 표면에서부터 내부로 향하는 다수의 선분을 완전히 미리 결정하지 않고 상경계점을 연결하는 경계와 수직이 되는 방향으로 선분이 향하도록 수시 선분을 정해간다고 하는 방법이어도 된다.Of course, instead of the cellival model, a large number of line segments that are directed from the surface of the thin film 1 to the inside are determined in advance, and specific points are set along each line segment. May be determined, and the upper portion may be removed from the boundary connecting the upper boundary point. In this case, the method may be such that a line segment is determined from time to time so that the line segment is oriented in a direction perpendicular to the boundary connecting the upper boundary points, without completely determining a plurality of line segments directed from the surface of the thin film 1 to the inside.
제1표에 알루미늄의 상(相)의 변화와 물성치의 변화를 표시한다.In the first table, changes in phase and properties of aluminum are shown.
알루미늄의 경우, 밀도는 고상에서 약 2.6, 액상에서 약 2.3이며, 융점은 933.5K 비점은 2723k이다.For aluminum, the density is about 2.6 in the solid phase and about 2.3 in the liquid phase, and the melting point is 933.5K and the boiling point is 2723k.
이와 같이 산출되는 박막(1)에서의 시시각각의 온도변화, 상변화, 증발은, 제7도에서 보는 바와 같이, 통상의 컴퓨터그래픽기술을 이용해서 모니터(TV)상에 표시할 수 있다. 예를 들면, 모니터화면이, 레이저가공의 진행에 따라 제7도의 (a)→(b)→(c)로 변화하는 모니터화면이, 레이저가공의 진행에 따라 제7도의 (a)→(b)→(c)로 변화하는 것이 눈으로 볼 수 있게 되고, 레이저가공에 의해서 박막(1)이 연삭되어 가는 모양이 시뮬레이션에 의해서 사전에 잘 이해할 수 있다. 컬러모니터에서 온도의 상위나 상의 상위를 색변화로서 부여하면, 보다 알기쉬운 시뮬레이션이 된다.The temporal change, phase change, and evaporation of the thin film 1 thus calculated can be displayed on the monitor TV using conventional computer graphics techniques as shown in FIG. For example, the monitor screen changes from (a) to (b) to (c) in FIG. 7 in accordance with the progress of laser processing. The change from) to (c) becomes visible, and the shape of the thin film 1 being ground by laser processing can be well understood by simulation. If the upper or upper temperature is given as color change in the color monitor, the simulation becomes easier to understand.
이어서, 본 발명의 레이저가공기(레이저가공장치)의 일예에 대해서 설명한다.Next, an example of the laser processing machine (laser processing apparatus) of this invention is demonstrated.
제8도의 레이저가공기(20)에서는, 피가공품의 박막부분에 대해 레이저가공을 실시하기 위한 레이저조사수단(21)과, 레이저가공의 조건을 설정하는 가공조건설정수단(22)를 구비하고 있다.The laser processing machine 20 of FIG. 8 includes laser irradiation means 21 for performing laser processing on the thin film portion of the workpiece, and processing condition setting means 22 for setting the conditions for laser processing.
레이저조사수단(21)에서는, 여기(勵起)램프(31)의 여기에 의해서 YAG로드(32)에 발생한 레이저(3)은 벤드미러(33)에서 90°의 방향으로 반사된 후, 집광렌즈계(7)에서 잘게 좁혀진 다음에 박막(1)의 표면에 조사된다. 또, 박막(1)의 표면은 TV카메라(36)에 의해 모니터(37)의 화면에 확대표시할 수 있도록 되어 있다. 또한, 발광부는 냉각수단(38)에서 냉각하고 과열상태로 되지 않도록 하고 있다.In the laser irradiation means 21, the laser 3 generated in the YAG rod 32 by excitation of the excitation lamp 31 is reflected by the bend mirror 33 in the direction of 90 degrees, and then the condensing lens system After narrowing finely in (7), the surface of the thin film 1 is irradiated. The surface of the thin film 1 can be enlarged and displayed on the screen of the monitor 37 by the TV camera 36. In addition, the light emitting portion is cooled by the cooling means 38 so as not to become overheated.
레이저가공의 조건을 설정하는 가공조건설정수단(22)에서는, 가공조건을 조작키이동으로 설정할 수 있도록 되어 있으며, 이 설정에 의해 여기램프(31)용의 전원(39) 등이 적절하게 제어되게 된다.In the processing condition setting means 22 for setting the laser processing condition, the processing condition can be set by moving the operation key, and this setting allows the power supply 39 for the excitation lamp 31 to be controlled appropriately. do.
본 발명에 있어서의 시뮬레이션으로부터 레이저가공종료까지의 흐름의 일예를, 제9도에 표시한다.An example of the flow from the simulation in the present invention to the end of laser processing is shown in FIG.
시뮬레이션의 전제조건을 결정하고, 시뮬레이션결과를 검토하고, 사용하는 레이저가공장치 및 가공조건을 결정한다. 그리고, 이 결정에 따라서 선택한 레이저가공장치를 사용하여 결정한 가공조건에 따라서 박막의 가공을 행한다.Determine the prerequisites for the simulation, review the simulation results, and determine the laser processing equipment and processing conditions to be used. Then, the thin film is processed according to the processing conditions determined by the laser selected according to this determination using a factory value.
또한, 시뮬레이션의 전제조건의 결정, 나아가서는, 시뮬레이션결과의 검토, 또는 사용하는 레이저가공장치 및 가공조건의 결정은 인간이 행하는 경우도 있거니와, AI(인공지능) 등을 탑재한 컴퓨터에 의해서 행하는 경우도 있으며, 후자의 경우, 컴퓨터를 포함하는 제어계 또는 다른 컴퓨터에 의해서, 가공에 사용하는 레이저가공장치의 가공조건설정수단(22)를 시뮬레이션결과에 의거해서 제어하게 된다.In addition, the determination of the preconditions for the simulation, and furthermore, the examination of the simulation results, or the laser processing apparatus and the processing conditions to be used may be performed by a human, but may be performed by a computer equipped with AI (artificial intelligence) or the like. In some cases, in the latter case, the processing condition setting means 22 of the laser processing apparatus used for processing is controlled by a control system including a computer or another computer based on the simulation result.
레이저가공장치의 결정은, 시뮬레이션결과로부터, 레이저의 종류, 즉 파장(YAG레이저, CO레이저), 최대출력, 펄스폭, 첨두치, 주사속도 등을 고려해서 행한다. 레이저가공장치가 결정되면, 조사파우어, 주파수, 포커스직경 등의 가공조건의 설정을 행한다. 물론, 레이저가공장치자체가, 레이저의 종류, 최대출력, 펄스폭, 첨두치(尖頭値), 주사속도의 1개 또는 복수의 설정도 가능하면, 물론, 이들도 가공조건으로 할 수 있다.The laser processing apparatus is determined in consideration of the type of laser, that is, the wavelength (YAG laser, CO laser), the maximum output, the pulse width, the peak value, the scanning speed, and the like from the simulation results. When the laser processing apparatus is determined, processing conditions such as irradiation power, frequency, and focus diameter are set. Of course, if the laser processing apparatus itself can also set one or more of the laser type, the maximum output, the pulse width, the peak value, and the scanning speed, these can also be the processing conditions.
본 발명은 상기에 한정하지 않는다. 피가공품이 박막이 아니고 벌크재라도 된다. 피가공품의 재질도 반도체 외에 예를 들면 금속이라도 된다.The present invention is not limited to the above. The workpiece is not a thin film but may be a bulk material. The material of the workpiece may be a metal, for example, in addition to the semiconductor.
상기의 경우, 산출과정에서 무시가능한 인자는 제거하거나 하였으나, 조건에 따라서는 적당히 산출과정에 보정계수로서 짜넣어 정확을 기하도록 하여도 된다.In the above case, the negligible factor is removed in the calculation process, but depending on the conditions, it may be incorporated into the calculation process as a correction factor to ensure accuracy.
본 발명의 레이저가공의 예측방법의 경우, 시시각각의 미소부분의 융해 또는 증발제거의 검지결과를 연산에 피이드백하고 있기 때문에, 실제와 잘 매치한 시뮬레이션을 행할 수 있다.In the laser processing prediction method of the present invention, since the detection results of melting or evaporation removal of minute portions at every minute are fed back to the calculation, simulations that match the actual conditions can be performed.
본 발명의 레이저가공품의 제조방법 및 레이저가공기에서는, 레이저가공의 조건설정을 시뮬레이션수법에 의한 레이저가공의 예측결과에 의거해서 행하기 때문에, 적절한 레이저가공이 실시된 제품을 얻을 수 있다.In the method for manufacturing a laser processed product of the present invention and a laser processing machine, the condition setting of the laser processing is performed based on the prediction result of the laser processing by the simulation method, whereby a product subjected to suitable laser processing can be obtained.
이어서, 실시예를 설명한다.Next, an Example is described.
실시예의 시뮬레이션에서는, 유리기판상에 형성한 두께 약 40μm의 cds 소결막에 대해서 레이저가공을 행하였다. cds는 고체로부터 직접 기체가 되는, 즉 융해하지 않고 승화하는 물질이다.In the simulation of the example, laser processing was performed on a cds sintered film having a thickness of about 40 μm formed on a glass substrate. cds is a substance that becomes a gas directly from a solid, that is, sublimes without melting.
cds의 경우, 밀도 : 4820[Kg/㎡], 열전도율 15.9[W·m ·k ], 순수한 승화점 : 1253.2[k], 승화잠열 : 1487.9[KJ·Kg ], 고상비열 : 0.337[KJ·Kg ·k ], 수정융점 : 1487.9÷0.337+1253.2=5668.3[k]가 된다.For cds, Density: 4820 [Kg / ㎡], Thermal Conductivity 15.9 [W · m K ], Pure sublimation point: 1253.2 [k], sublimation heat: 1487.9 [KJKg ], Specific Specific Heat: 0.337 [KJKg K ], Melting point: 1487.9 ÷ 0.337 + 1253.2 = 5668.3 [k]
시뮬레이션에 의해서 상정한 레이저가공기의 성능은, 하기와 같다. 레이저의 종류 : Yag레이저(파장 1.06μm), 발전모우드 TEMOO, 접속렌즈의 초점거리 : 25mm,The performance of the laser processing machine assumed by simulation is as follows. Type of laser: Yag laser (wavelength 1.06μm), power generation TEMOO, focal length of lens: 25mm
레이저조사후의 cds 소결막에서의 순간의 온도분포를 제10도에 표시한다. 제10도의 (a)는 조사중심으로부터 소정거리에 있는 위치에서의 깊이와 온도의 관계를 표시하고, 제10도의 (b)는 어느 깊이에서의 조사중심으로부터의 거리와 온도의 관계를 표시한다.The instantaneous temperature distribution in the cds sintered film after laser irradiation is shown in FIG. (A) of FIG. 10 shows the relationship between the temperature and the depth at a position which is a predetermined distance from the irradiation center, and (b) of FIG. 10 shows the relationship between the temperature and the distance from the irradiation center at a certain depth.
제7도는 컴퓨터그래픽에 의한 가공경과의 모니터화면을 표시하고 있으며, 제7도의 (a)가 조사개시로부터 1msec이후의 상태, 제7도의 (b)가 조사개시로부터 3msec 후의 상태, 제7도의 (c)가 조사개시로부터 5msec 후의 상태를 표시한다.7 shows a monitor screen of processing progress by computer graphics, in which (a) of FIG. 7 is 1 msec after the start of irradiation, and (b) of FIG. 7 is 3 msec after the start of irradiation, and FIG. c) indicates the state 5 msec after the start of irradiation.
cds소결막의 경우에는, 빔스포트센터부의 막표면과 뒷면에서는 약 600K의 온도차가 인지되고, 깊이방향으로 지수함수적인 변화를 나타내고 있다. 이에 대해서, 빔스포트센터에서부터 반경 30μm의 위치에서는, 상기의 온도차는 수 10K 정도이며, 깊이방향으로는, 대체로 균일한 온도로 되어 있다. 또, 마찬가지로 빔스포트의 센터에서부터 반경방향으로의 온도분포는, 그 도중에 편곡점을 가진 광강도분포에 유사했다.In the case of the cds sintered film, a temperature difference of about 600 K is recognized at the film surface and the back surface of the beam spot center portion, and exhibits an exponential change in the depth direction. On the other hand, at the position of the radius of 30 micrometers from a beam spot center, said temperature difference is about several 10K, and becomes a substantially uniform temperature in the depth direction. Similarly, the temperature distribution in the radial direction from the center of the beam spot was similar to the light intensity distribution having the bending point in the middle.
또한, cds 소결막의 가공형상 및 열손상영역은, 빔스포트센터를 중심으로 개략광강도분포에 강한 상관(相關)을 가진 형상으로 시시각각 진행하고 있는 것이 인지되었다.In addition, it was recognized that the processed shape and the thermally damaged region of the cds sintered film progressed from time to time in a shape having a strong correlation to the approximate light intensity distribution around the beam spot center.
Q스위치반복주파수 5HZ로서, 직경 약 20μm, 레이저파우어 0.5W, 레이저주사속도 50mm/s의 경우에 대해서, 레이저가공을 실제로 행하였다.As the Q switch repetition frequency of 5HZ, laser processing was actually performed in the case of a diameter of about 20 µm, a laser power of 0.5 W, and a laser scanning speed of 50 mm / s.
제11도에 시뮬레이션에 의한 가공결과를 제12도를 실제의 가공결과를 표시한다. 양자는 잘 일치하고 있으며, 본 발명의 시뮬레이션 수법에 의해 정확한 가공결과를 표시한다. 양자는 잘 일치하고 있으며, 본 발명의 시뮬레이션 수법에 의해 정확한 가공결과의 예측이 행하여지는 것을 잘 알 수 있다.FIG. 11 shows the machining result by simulation and FIG. 12 shows the actual machining result. Both of them are in good agreement and show accurate processing results by the simulation method of the present invention. It is well understood that both agree well, and that the accurate machining results are predicted by the simulation method of the present invention.
본 발명의 레이저가공의 예측방법의 경우, 시시각각의 미소부분의 융해 또는 증발제거의 검지결과를 연산에 피이드백하고 있기 때문에, 실제와 잘 매치한 시뮬레이션을 행할 수 있고, 이 결과에 의거하며, 매우 적절한 레이저가공에 실시된 제품을 얻을 수 있기 때문에, 본 발명은 대단히 유용한 것으로 말할 수 있다.In the laser processing prediction method of the present invention, since the results of detection of melting or evaporation removal of minute minute portions are fed back to the calculation, simulations that match the actual conditions can be performed. Since the product subjected to proper laser processing can be obtained, the present invention can be said to be very useful.
본 발명의 레이저가공품의 제조방법 및 레이저가공장치에서는, 레이저가공의 조건설정을 시뮬레이션수법에 의한 레이저가공의 예측결과에 의거해서 행하기 때문에, 적절한 레이저가공이 실시된 제품을 얻을 수 있기 때문에 대단히 유용하다.In the manufacturing method and the laser processing apparatus of the laser processed product of the present invention, since the condition setting of the laser processing is performed based on the prediction result of the laser processing by the simulation method, it is very useful because an appropriate laser processed product can be obtained. Do.
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|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20021122 Year of fee payment: 6 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |