KR100474141B1 - 레이저를 이용한 부품의 구멍 정렬방법 및 이를 이용한 부품의 정렬 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 구멍(aperture)의 정렬방법에 관한 것으로서, 복수개 부품의 각 구멍간의 수직 정렬을 레이저 빔을 이용하여 회절 패턴을 형성시킴으로서 정렬하는 방법에 관한 것이다.

Description

레이저를 이용한 부품의 구멍 정렬방법 및 이를 이용한 부품의 정렬 방법{METHOD FOR ALIGNING APERTURES OF PARTS USING LASER AND METHOD FOR ALIGNING PARTS USING THE SAME}

본 발명은 레이저를 이용한 미세 홀의 정렬방법에 관한 것으로서, 특히 초소형 전자빔 장치에 있어서 다양하고 매우 작은 핀 홀(pin hole) 형태의 전자렌즈를 정밀하게 일직선으로 정렬하는데 있어 각각의 사각 또는 원형 박막(membrane)의 중앙에 위치한 전자렌즈 주변에 기준으로 사용할 표시 구멍을 레이저를 이용하여 발생하는 간섭무늬를 해석하여 정렬하는 레이저를 이용한 미세한 홀이 구성된 박막 판들을 여러 층으로 정렬하는 방법에 관한 것이다.

종래 기술에 있어서는 초소형 전자빔 장치에서 전자렌즈(통상 두께 수 ㎛ 정도의 박막 중앙에 수 ~ 수백 ㎛ 정도의 원형 홀이 가운데 뚫려 있는 구조로 되어 있다)를 여러 층으로 정렬할 때에 고배율 광학현미경 또는 얼라이너(aligner) 등의 장비를 활용하여 정렬을 하게 된다.

그러나, 상기의 방법들은 정밀도는 현미경과 얼라이너의 분해능에 의해 결정되며, 고가 장비를 구입해야 활용 가능한 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로서, 파동광학에 기초하여 일정한 위상(phase)을 가진 레이저빔이 일정 모양의 구멍(aperture)을 통과할 때에 형성되는 회절패턴(diffraction pattern)과 정밀 선형위치조정장치(linear stage) 등의 상대적으로 간단한 기술을 활용하여 미세한 홀이 구성된 박막 판들을 여러 층으로 정렬할 수 있도록 하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 레이저를 이용한 미세 홀의 정렬방법은, 정밀 선형위치조정장치 위의 한 점에 구경이 수 ~ 수백 ㎛ 정도의 미세 원형 홀 또는 구멍(aperture)이 있는 부품(이하 '제1 부품' 이라 함)을 고정하여 놓은 후, 상기 구멍을 통하여 레이저빔을 입사하여 일정한 거리만큼 떨어진 위치에 놓인 스크린 상에 에어리 패턴(Airy pattern)이 나타나도록 레이저빔을 정렬(align)하는 제1 정렬단계와; 상기 정렬단계의 수행이 완료되면 영상(imaging) 스크린 상에 형성된 에어리 패턴을 기억시킨 후, 선형위치조정장치 위에 부착된 3차원 정밀 X-Y-Z 위치조정장치를 사용하여 미세 원형 홀이 뚫린 또는 다른 부품(이하 '제2 부품' 이라 함)을 에어리 패턴의 정 중앙에 위치시키는 제2 정렬단계와; 상기 제2 정렬단계의 수행이 완료되면 스크린을 고정한 상태로 두고, 3차원 위치에 고정된 제2 부품을 선형위치조정장치를 사용하여 제1 부품 방향으로 이송하면서, 제2 부품의 구멍(aperture)을 통해 나오는 또 다른 패턴이 원래의 기억된 패턴과 중심이 일치하도록 3차원 위치를 미세 조정하는 미세조정단계와; 상기 미세조정단계의 수행이 완료된 다음, 원하는 위치까지 제2 부품을 이동한 후, 고정한 다음 상기 제1 부품과 제2 부품을 본딩(bonding) 등의 결합방법을 사용하여 결합시키는 결합단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명을 적용하기 위한 장치의 구성을 간략하게 보인 예시도로서, 이에 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명은 간섭의 원리를 이용하는 데, 즉 광학 정렬에 사용할 첫 번째 마이크로 홀을 통과한 빛의 간섭무늬에서 발생한 간섭무늬는 마다 보강간섭에 의해 밝은 무늬(fringe)가 발생하여 전자결합소자(CCD)를 이용하여 측정하면 모니터의 화면상에서 볼 때 정확한 보강 간섭과 소멸 간섭에 의한 간섭무늬의 위치를 확인할 수 있다.

이와 같은 상태에서 두 번째 박막의 광학정렬용 마이크로 홀을 첫 번째 마이크로 홀과 그리고 전자결합소자 사이에 삽입하면 정확한 시준이 이루어지지 않을 경우 m = 0에 해당하는 가장 밝은 부위의 위치에 변화가 발생하게 되고, 또한 첫 번째 마이크로 렌즈와 두 번째 마이크로 렌즈의 경우도 광학정렬용 마이크로 홀의 경우와 동일하게, 이것들을 일직선상에 맞춤으로써, 일직선상에 여러 개의 박막을 시준할 수 있다.

또한, 도 2에 도시한 바와 같이 레이저 파장과 박막 및 CCD 감지기까지의 정확한 거리를 미리 알 수 있으므로, 각각의 박막에 대해 모니터 상에 측정한 간섭무늬의 위치 y_m으로부터 전자렌즈의 정확한 직경을 알아낼 수 있다.

이상에서와 같이 구성한 본 발명에 따른 실시예의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 파동광학의 이론에 의하면 단색 평행광이 임의의 형태의 미세한 구멍에 입사하면 이 광은 구멍을 통과한 후에 경로가 사방으로 휘게되며, 구멍으로부터 일정한 거리만큼 떨어진 위치에 스크린을 위치시키면 구멍의 모양에 따라 명암의 무늬가 발생하게 되고, 이를 회절 패턴이라고 하는데, 특히 광원, 구멍 및 스크린들이 빛의 파장 크기에 비해 멀리 떨어져 있는 경우에 발생하는 프라운호퍼 회절(Fraunhofer diffraction)이라고 한다.

도 3에 도시한 바와 같이 단색광원에서 멀리 떨어져 있는 직경이 D(반경이 a)인 원형 홀 모양의 구멍에 광원을 입사한다고 가정하면 단색광은 구멍을 통과한 후에 역시 멀리 떨어진 스크린 상에 원형의 명암 무늬를 만들어 낸다. 이 원형의 명암 무늬를 수식으로 표현하기 위해 다음과 같은 좌표계를 도입하도록 한다. 즉 구멍이 있는 평면을 평면 yz라 하고, 이 평면에 평행하게 놓여진 스크린이 있는 평면을 평면 YZ라 하고, 구멍의 중심에서 yz 평면에 수직하고, 스크린을 향하는 방향을 x축 혹은 X축이라고 하면 이런 좌표계에서 스크린 상의 임의의 한 점은 (X, Y, Z)로 표현된다. 만일 구멍과 스크린까지의 수직거리를 L이라 하면 다시 스크린 상의 한 점의 좌표는 (L, Y, Z)로 표현되며, 여기서 스크린 상의 한 점(L, Y, Z)과 스크린을 내포하고 있는 평면의 원점(L, 0, 0) 사이의 거리(radial distance)를 q라고 하면 도 4에 도시한 바와 같이 스크린 상의 한 점 P(L, Y, Z)에서의 빛의 강도는 와 같이 주어진다.

상기에서 J₁(x)는 첫 번째 순위(first-order) 베셀함수(Bessel Function)로서 다음과 같이 급수로 표현될 수 있다.

또, R은 이며, 원형 구멍의 중심에서 스크린 상의 한점 P(L, X, Y)까지 거리이다.

여기서, 이라는 관계식을 이용하면 로도 쓸 수 있는데, 이를 에어리 패턴이라고 한다.

상기 베셀 함수의 해를 그래프로 그리면 도 5에 도시한 바와 같이 주어지며, 첫 번째 어두운 링(ring)이 나타나는 위치는 을 만족하는 곳이고, 스크린 상의 원점에서부터 첫 번째 어두운 링까지의 반경을 q₁이라고 하면, 를 만족하며, 이를 에어리 디스크 반경이라 부른다.

두 번째와 세 번째 링은 각각 및 인 곳에 나타나게 되며, 이때 전체 광강도의 대략 85 % 정도가 에어리 디스크 내에 존재하게 된다.

이러한 원형 구멍에서의 회절 패턴을 이용하면 미세 홀들이 뚫려있는 부품들의 정렬에 활용할 수 있다.

예를 들어 사용하는 레이저 광원이 He-Ne 레이저의 6,328 A 라인이고, 원형 홀의 직경이 10 ㎛라 가정하면,

이다.

따라서, R 이 대략 1 m인 경우에 이며, 를 만족하게 된다.

마찬가지로 q₂는 14.11 ㎝, q₃은 20.50 ㎝를 만족하며, 만일 R이 로 줄어든 20 ㎝ 정도라면 각각의 링 반경 역시 로 줄어들게 되지만 여전히 q₁은 = 1.22 ×0.2 ×6.328 ㎝ = 1.544 ㎝ 정도로 충분히 큰 반경을 이루고 있다.

따라서, 도 6에 도시한 바와 같이 각 단계(step)를 수행하면 원형 홀이 있는 부품들을 정렬시킬 수 있다.

즉, 정밀한 선형위치조정장치 위치 위의 한 점에 구멍(aperture)이 있는 부품(이하 '제1 부품' 이라 함)을 고정하여 놓은 후(step 1), 상기 구멍을 통하여 레이저빔을 입사하여 일정한 거리만큼 떨어진 위치에 놓인 스크린 상(일반 스크린 또는 도1에 도시된 바와 같은 전자결합소자로 이루어진 스크린)에 에어리 패턴(Airy pattern)이 나타나도록 레이저빔을 정렬(align)한 다음(step 2), 상기 영상(imaging) 스크린 상에 형성된 에어리 패턴을 기억시킬 수 있는데(step 3), 기억시키는 방법으로 도1에 도시된 바와 같이 모니터를 통해 모니터링하는 한편 상기 모니터에 내장되어 연결되어 있거나 또는 외부적으로 연결되어있는 기록장치에 상기 에어리 패턴을 기억시키는 것이다. 선형위치조정장치 위에 부착된 3차원 정밀 X-Y-Z 위치조정장치를 사용하여 미세 원형 홀이 뚫린 또는 다른 부품(이하 '제2 부품' 이라 함)을 에어리 패턴의 정중앙에 위치시킨다(step 4).

이후, 스크린을 고정한 상태로 두고, 3차원 위치에 고정된 제2 부품을 선형위치조정장치를 사용하여 제1 부품 방향으로 이송(step 5)하면서, 제2 부품의 구멍(aperture)을 통해 나오는 또 다른 패턴이 원래의 기억된 패턴과 중심이 일치하도록 3차원 위치를 미세 조정한 다음(step 6), 원하는 위치까지 제2 부품을 이동한 후, 고정한 다음 상기 제1 부품과 제2 부품을 본딩(bonding) 등의 결합방법을 사용하여 결합시킨다(step 7).

위와 같은 과정을 거치면 미세한 원형 홀이 뚫려있는 부품들을 정밀하게 정렬할 수 있으며, 즉 상기 에어리 패턴은 구멍이 원형일 경우의 실시예 일 뿐이며, 만일 원형 홀이 아닌 부품인 경우에는 유사한 회절 패턴을 활용하면 이를 정렬할 수 있다.

본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 본 발명 분야의 당업자는 본 발명 사상과 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명 레이저를 이용한 미세 홀의 정렬방법은 파동광학에 기초하여 일정한 위상(phase)을 가진 레이저빔이 일정 모양의 구멍(aperture)을 통과할 때에 형성되는 회절패턴(diffraction pattern)과 정밀 선형위치조정장치 (linear stage) 등의 상대적으로 간단한 장비를 활용하여 첨단 기술의 습득이 필요 없이 정밀하게 미세한 홀이 구성된 박막 판들을 여러 층으로 정렬할 수 있도록 하는 등의 효과가 있다.

도 1은 본 발명을 적용하기 위한 장치의 구성을 간략하게 보인 예시도.

도 2는 도 1에서 전자렌즈의 직경을 파악하는 과정을 보인 예시도.

도 3은 본 발명에 적용되는 프라운 호퍼 회절 패턴을 보인 예시도.

도 4는 본 발명에 적용되는 원형 구멍과 스크린의 좌표 표현을 보인 예시도.

도 5는 본 발명에 적용되는 베셀 함수의 해를 그래프로 보인 예시도.

도 6은 본 발명의 동작 흐름을 보인 예시도.

Claims (6)

1. 관통 구멍(aperture)이 있는 부품(이하 '제1부품' 이라 함)을 상기 구멍으로 레이저빔을 입사하여 일정한 거리만큼 떨어진 위치에 놓인 스크린 상에 상기 구멍의 형상에 따른 회절 패턴(Diffraction pattern)이 나타나도록 레이저빔과 정렬(align)하는 제1 정렬단계; 및

   상기 제1 부품과 정렬될 관통 구멍이 있는 다른 부품(이하 '제2 부품' 이라 함)을 상기 레이저빔이 다시 제2 부품의 구멍(aperture)을 통해 통과되어 상기 스크린 상에 상기 레이저빔이 상기 스크린 상에 나타나도록 상기 제1 부품의 상부 또는 하부에 위치시키고 위치조정장치로 상기 스크린 상에 레이저빔이 다시 새로운 상기 제2 부품의 구멍의 형상에 따른 회절 패턴을 형성하도록 정렬하는 제2 정렬단계;

   를 포함하여 부품들의 구멍 정렬방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 정렬단계 이후 추가로 정렬될 다른 부품들을 정렬하기 위하여 상기 제2 정렬단계와 동일한 단계를 추가되는 부품 수만큼 반복하는 것을 특징으로 하는 구멍 정렬방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 부품의 회절 패턴들을 전자결합소자, 모니터, 및 기록장치를 이용하여 감지 기록하며, 상기 제1 부품 이외의 정렬될 부품의 회절 패턴들을 미리 기록된 제1 부품의 패턴과 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구멍 정렬방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저와 상기 각각의 부품들간의 거리를 소정의 거리로 미리 설정하여 상기 각각의 회절 패턴의 간섭무늬 위치로부터 정렬되는 상기 각 부품들의 구멍의 크기를 확인하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 구멍 정렬방법.
5. 기준용 관통구멍(aperture)을 구비한 부품들을 정렬하는 방법에 있어서, 상기 부품들을 상기 구멍을 제1항 또는 제2항의 정렬방법에 의해 정렬 하여 부품들을 정렬하는 것을 특징으로 하는 부품 정렬방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 부품들이 정렬되는 기준용 관통구멍을 두개 구비하는 것을 특징으로 하는 부품 정렬방법.