KR100484498B1 - 레이저를 이용한 미세 원통 구조물 제조를 위한 빔과 회전중심축 정렬장치 - Google Patents

Abstract

레이저를 이용하여 미세 원통 구조물 및 이와 유사한 회전체 구조물 가공할 때, 레이저 빔과 원통 구조물의 중심축을 정확히 정렬하기 위하여 레이저 빔 발생수단과, 레이저 빔을 회전중심축에 정렬하는 수단을 포함하는 레이저 빔의 정렬장치에 있어서, 평면운동을 수행하는 XY이송계와 회전 운동을 수행하는 회전이송계를 구비하는 이송부와, 상기 회전이송계의 테이블 상에 설치되고 수평면과 소정의 각도조절이 가능한 광분할기와, 위치센싱이 가능한 수광소자가 소정 각도로 테이블의 연장선상에 고정배치된 평면측정부 및, 조리개에서 반사되는 빔을 측정하는 위치센싱이 가능한 수광소자와 빔경로를 조정하기 위한 소정의 반사판이 구비된 수직측정부를 포함함을 특징으로 레이저빔 정렬장치로서, 구조물의 치수정밀도를 향상시키고 초보자들도 쉽게 정밀하고 반복적인 정렬 결과를 얻을 수 있는 광학적 레이저 빔 정렬 장치이다.

Description

레이저를 이용한 미세 원통 구조물 제조를 위한 빔과 회전 중심축 정렬 장치{Laser beam alignment system with the rotation axis of cylindrical structures for laser-assisted fabrication}

본 발명은 레이저를 이용한 미세가공에 있어서 미세 원통 구조물 제조를 위한 레이저 빔의 정렬장치에 관한 것으로서, 특히 레이저빔의 바닥면과의 수직여부 및 회전중심축과의 일치여부를 수직정렬과 평면정렬의 정확한 조정으로, 가공시 오동작 방지와 측정작업시간을 단축시켜 작업효율을 향상시킬 수 있게 한 레이저 빔의 회전중심축에 대한 정렬장치에 관한 것이다.

근래에 급속히 성장하고 있는 정보통신, 전자, 생명산업 등의 발전에 있어서 주목할 만한 경향 중의 하나는 제품의 소형화 및 집적화라고 할 것이다. 반도체 분야를 중심으로한 마이크로 가공기술은 평면가공의 경우 이미 마이크로미터 이하의 정밀도를 달성하였고, 최근에는 마이크로센서 및 액츄에이터을 중심으로한 MEMS 및 마이크로 시스템에 활용하기 위한 3차원 마이크로 가공기술에 대한 관심과 기술개발 노력이 크게 증대되고 있다.

레이저 미세가공 기술은 복잡한 3차원 구조물을 기존의 반도체 가공기술을 이용할 때보다 비교적 손쉽게 제조가 가능하며 설비가 상대적으로 간단하다는 장점으로 인해 많은 관심을 끌고 있다. 또한 레이저 가공기술은 반도체 재료뿐만 아니라 세라믹, 금속, 폴리머 등과 같은 다양한 소재의 가공이 가능한 잇점이 있다. 레이저를 이용한 3차원 구조물 제조기술의 대표적인 예로 레이저 빔의 위치에서 국소적으로 증착을 유도하여 증착물이 3차원 구조를 형성하도록 하는 증착가공, 식각액체나 기체 속에서 레이저 빔이 조사된 영역만이 식각(etching)을 통해 조금씩 깍여 나가도록 하는 식각가공, 혹은 광폴리머(photopolymer)에 레이저 빛을 조사하여 빛에 노출된 폴리머용액 만이 경화되게 하는 광조형법(microstereolithography) 등이 있다.

위의 레이저 미세가공기술로 제조가 가능한 3차원 구조물의 형상은 주로 직선구조와 곡선구조의 복합으로 되어 있으며 이송계의 직선 및 회전운동에 의해 형상이 정의된다. 구조물 제조시 원통형 회전체의 경우 마이크로미터 크기 구조물의 반경을 설정하기 위해서는 레이저 빔과 회전 중심축과의 정렬이 선행되어야하며 레이저 빔과 회전 중심축의 정확한 정렬은 원통형 구조물의 직경 정밀도와 직접 연관되어 있다.

기존의 회전 중심축 정렬기술들을 살펴보면 회전 기계장치의 축에 다이알 게이지, 레이저 시스템등을 사용하여 동력전달 축의 중심을 정확히 연결하는 방법과, 광학 부품의 제거와 재배치를 요하는 일반 정렬작업의 어려움을 제거하여 빔의 위치와 각도 조정을 신속하고 정밀하게 수행하도록 한 Seward 정렬모듈이라는 장치가 있으나 미세 원통과 같은 회전구조물의 레이저 가공시 레이저 빔을 구조물의 회전 중심축에 정렬시키는 방법은 제시되지 않고 있다. 한편 시행착오를 통해 수동으로 레이저 빔과 회전 중심축을 정렬할 수는 있으나 이 경우 매번 정렬을 숙련자의 경험에 의존해야 하는 어려움이 있고 숙련자들에게도 시간이 많이 걸린다. 또한 수동정렬의 경우 레이저 빔을 육안으로 보면서 정렬하기 때문에 안전성에 문제가 있을 수 있고 반복적으로 정밀한 정렬 결과를 얻기가 힘들다.

본 발명은 레이저 가공 현장에서 숙련자들이 사용하는 시행착오를 통한 빔 정렬 방법의 대안으로 특히 원통과 같이 중심축에 대해 대칭인 회전체 구조물 제조시 회전 중심축과 레이저 빔을 정렬하는 광학적 방법을 제시한다. 레이저를 이용하여 미세한 크기의 원통형 구조물 및 이와 유사한 회전체 구조물 제조시 이 측정 시스템을 활용하여 초보자도 쉽게 마이크로미터 단위 수준으로 정확하게 레이저 빔과 회전 중심축의 정렬을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 반복적으로 동일한 정렬 결과를 얻을 수 있으므로 미세 구조물의 치수정밀도 및 치수균일성을 확보할 수 있도록 함을 본 발명의 목적으로 한다.

상기 목적달성을 위한 수단으로 본 발명은 레이저 빔의 정렬장치로서,

레이저 빔 발생수단과, 레이저 빔을 회전중심축에 정렬하는 수단을 포함하는 레이저 빔의 정렬장치에 있어서,

적어도 평면운동을 수행하는 XY이송계와 회전 운동을 수행하는 회전이송계를 구비하는 이송부와,

상기 회전이송계의 테이블 상에 설치되고 수평면과 소정의 각도조절이 가능한 광분할기와,

위치센싱이 가능한 수광소자가 소정 각도로 테이블의 연장선상에 고정배치된 평면측정부 및,

적어도 조리개에서 반사되는 빔을 측정하는 위치센싱이 가능한 수광소자와 빔경로를 조정하기 위한 소정의 반사판이 구비된 수직측정부를 포함함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 전체 구성도를 나타내고 있다.

이송부는 평면운동을 하는 XY 이송계(10), 회전 운동을 하는 회전이송계(11)와 그 운동을 전달하는 회전축(12)으로 구성되며, 여기에 연결된 2축 각도 조정판 1(14)과 이 위의 회전테이블의 수평을 맞추는데 사용되는 반사판 1(31)이 부착되고 그 위에 다시 2축 각도 조정판 2(15)가 연결되며 평면거울이 부착된 광분할기(34)가 그 위에 결합된다.

빔 경로를 조정하기 위한 반사판 2(32)와 레이저 빔의 직경과 동일한 지름의 구멍을 가진 조리개(33), 조리개에서 반사된 빔을 측정하는 위치센싱이 가능한 수광소자 3(22)가 수직측정부에 해당한다.

평면 정렬을 측정하는 평면측정부는 위치센싱이 가능한 수광소자 1,2(20,21)로 이루어져 있으며, 여기서 위치센싱이 가능한 수광소자 1, 2(20,21)는 평면거울이 부착된 광분할기를 중심으로 도2와 같이 90° 각도로 배치되어 있다.

그리고, 광원인 레이저(16)로 구성된다.

본 발명에 따른 정렬의 기본 원리 및 정렬 순서에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 기본 원리를 설명하기 위한 구성도이다.

레이저 빔이 회전 테이블에 대해서 수직하게 조사된다고 가정하고 45°경사면을 가진 거울(35)을 그 위에 부착하면 레이저 빔의 회전축에서 벗어난 오차를 다음과 같이 측정할 수 있다.

a 빔은 회전 테이블(13)의 초기 상태(0°)의 반사빔의 위치를 나타내고 테이블이 180°회전하면 거울의 반사면이 점선부분과 같이 반대로 되고 b의 위치로 빔이 반사된다. 만약, 반사된 빔 a와 b사이에 H 만큼의 높이 편차가 발생하면 입사되는 레이저 빔은 회전중심축(12)에 정렬되어 있지 않음을 알 수 있다. 이 축정렬 오차에 의한 높이 편차는 도 3에서처럼 좌우 양쪽에 설치된 위치센싱이 가능한 수광소자로 측정할 수 있다.

이 경우 위치센싱이 가능한 수광소자는 표면에서부터 동일한 높이에 위치하여야 하는데, 도 3의 위치센싱이 가능한 수광소자 1,1-1(20,20-1)과 같이 두 센서를 양쪽의 동일선상에 정확히 설치하는 것이 곤란한 문제점이 있다.

이 문제를 보완하기 위해 본 발명에서는 평면거울(36)이 부착된 광분할기 (34)를 사용한다. 광분할기는 빛의 일부는 투과시키고 잔부는 반사시킬 수 있어, 평면거울이 부착된 경우 도 4와 같이 양방향으로 빛을 반사시킬 수 있다.

초기 상태에서 조사된 빔은 광분할기의 경사면에서 일부는 a 위치로 반사되고 나머지는 투과되어서 평면거울(36)에서 반사된 후 다시 광분할기를 통해 a' 위치로 나아간다. 즉, 빔이 수직하게 조사된다고 가정하였으므로 입사빔에 대해서 반사빔이 서로 직각을 이루며 T자형으로 빔이 각각 반사된다. 회전 테이블이 180°회전하면 점선부분과 같이 광분할기의 위치가 바뀌게 되고 b 빔과 b'의 빔으로 나뉘어지므로 왼쪽에서 센서 한 개로 a와 b'의 빔을 비교해서 정렬오차에 의한 높이 H를 측정할 수 있다. 그리고, 도 2와 같이 90°와 270°에 대해서도 동일한 방식으로 측정한다.

따라서, 위치센싱이 가능한 수광소자는 광분할기에 대하여 90°간격으로 2개만 설치하면 된다.

회전테이블의 회전에 의해 회전축 중심은 변화가 없으므로, 광분할기를 부착할 때 이것의 중심축과 회전 테이블의 회전축을 정확히 일치시키지 않아도 되며 회전에 대해서 광분할기의 영역에 레이저가 조사되기만 하면,측정이 가능한 장점이 있으므로 광분할기의 초기 설치에 대한 어려움은 없다.

이렇게 측정된 회전 중심축 정렬 오차의 보상량은 도 5처럼 광분할기의 기하학적인 형상으로부터 구할 수 있다. 레이저 빔과 회전 중심축과의 정렬오차를 S라 하고 측정된 높이 편차가 H라 하면, 다음과 같은 관계가 성립한다.

즉, 위치센싱이 가능한 수광소자에서 측정된 값의 절반만큼 회전 중심축 방향으로 XY이송계(10)로 광분할기(34)를 이동시키면 오차가 보정된다. 도 6에서 보는 것처럼 회전 중심축 정렬오차는 X, Y축 방향에 대해서 존재하므로 90°씩 광분할기를 1회전시킨 후 측정된 오차를 이용하여 X축 방향(A→B), Y축 방향(B→O)으로 순차적으로 광분할기를 이동시켜 레이저 빔이 회전 중심축인 O점에 일치하도록 보정해 준다.

본 발명에서는 위치센싱이 가능한 수광소자로서 4분할 포토다이오드를 사용하였는바, 도 10은 4분할 포토다이오드의 기본적인 작동원리를 나타낸다. 4분할 포토다이오드는 4개의 독립된 포토다이오드가 하나의 묶음으로 만들어진 것과 같다. 도 10에서 A, B, C, D는 각각 독립된 하나의 포토다이오드로 각면에 빛이 비칠 경우 전류를 발생시킨다. 도 10에서처럼 레이저빔(빗금친 부분)이 A, B, C, D영역에 각각 다른 양만큼비칠 경우 각 포토다이오드는 비친 빛의 양에 해당하는 만큼의 전류를 발생시킨다. A, B, C, D 각 면에서 발생한 전류의 양을 이용하여 레이저빔 중심의 위치를 아래의공식을 이용하여 결정하는 것이 4분할 포토다이오드이다.

이상 상술한 기본원리와 함께 본 발명의 실시예에 따른 전체적인 빔 정렬 방법을 도 7의 흐름도를 참조하여 설명한다.

도 3의 설명에서 회전테이블(13) 면에 수직 조사되는 레이저 빔을 가정하였다. 그러나, 실제 시스템에서 광분할기(34)에 형상오차가 존재하거나 회전테이블(13)이 회전중심축에 대하여 기울어져 있을 경우 회전하면서 거울면의 높이가 변하게 되는 수평오차를 발생시키므로 레이저 빔의 회전 중심축 정렬 오차를 최소화 하기 위해서는 먼저 단계(100)에서 회전 테이블에 대해 빔이 수직하게 입사되도록 정렬을 수행한다.

도 1에서 테이블은 2축 각도 조정판 1(14)로 되어 있고 빛의 반사를 위해서 반사체를 윗면에 부착하는데 여기서는 반사판 1(31)이 사용되며 레이저 빔의 직경과 동일한 지름의 조리개(33)와 위치센싱이 가능한 수광소자가 측정도구로 사용된다. 도 8은 조리개 구멍을 나온 입사빔이 반사판 1로 조사되고 0°와 180°로 회전했을 때 상태를 나타낸다. 만일 기준면에 대한 반사판 1의 수평오차가 0이라고 하면 입사되는 레이저 빔은 기준면에 수직하게 조사되며 이때 반사된 빔은 반사원리(reflection law)에 의해 조리개 구멍을 다시 통과할 것이다. 그러나 반사판 1이 초기 위치에서 기준면에 대해 만큼 기울어져 있었다면 반사광(18)은 입사광(17)에 대해서 만큼 각도오차를 가지고 진행한다. 반사판 1이 180°회전하게 되면 반사광(18) 역시 같은 오차를 가지며 대칭되는 방향으로 진행하며 1 회전 시 도 8과 같은 원궤적을 그리게 된다. 이 원궤적은 조리개에서 반사된 빔이 도1의 위치센싱이 가능한 수광소자 3(22)에 형성하게 되며 조리개에서 반사판 2(32)까지 거리를 , 반사판 2에서 반사판 1(31)까지 거리를 이라고 한다면 관찰되는 빔 궤적의 반경 d는 점선으로 표시된 기하학적인 대칭 도형으로부터 다음과 같은 관계가 성립한다.

2축 각도조정판 1(14)의 기울기를 조정하여 반사광 궤적의 반경 d를 줄임으로써 반사판 1이 회전축에 수직이 되도록 하며 수직 정렬이 완성될 경우 반사광은 조리개 구멍을 통과하게 된다.

상기에서 반사판은 빛을 반사시킬 수 있는 재질을 가진 것으로서, 평면거울, 폴리싱처리된 스테인레스강·구리·청동·니켈 등과 같은 금속면, 실리콘웨이퍼와 같이 금속은 아니지만 빛의 반사가 뛰어난 표면을 가진 재료 등이 이에 해당한다.

상기에서 조리개는 반사광의 위치를 확인할 수 있게 해 주는 역할을 하나, 실제 실험시 조리개에 나타나는 레이저 빔의 궤적이 미세하여 반사판 1의 조절에 의한 빛의 수직정렬여부 판단이 어려우나, 거울면 조리개를 사용할 경우 거울면에 비친 레이저 빔을 수광소자를 통해 확인할 수 있어 레이저 빔의 정렬이 쉽다.

도11에서 레이저에서 나온 빔은 거울면 조리개에 나 있는 작은 구멍을 통해 반사판 1까지 진행하며 반사판 1에서 반사되어 되돌아온다. 만약 레이저빔이 반사판 1에 수직으로 입사되었다면 되돌아온 빔은 반사의 법칙에 의해 정확히 원래의 경로를 따라 거울면 조리개에 나 있는 구멍 안을 통과하여야 한다. 그러나 레이저빔이 수직으로 입사되지 않을 경우에는 원래의 경로에서 벗어나 다른 방향으로 향하게 되고 아래 그림에서처럼 구멍을 통과하지 못하게 된다. 반사판 1에 입사되는 레이저빔이 수직에서 아주 조금 벗어나 있을 경우에는 되돌아온 빔은 거울면 조리개의 구멍에서 아주 조금 떨어진 위치로 돌아오게 되는데 일반 조리개를 쓸 경우에는 이 거리가 매우 작아서 눈으로 정확한 위치를 식별하기가 매우 힘들게 되고 오차도 커지게 된다.

도 11의 거울면 조리개는 일반적인 조리개를 쓸 때의 반사되어 되돌아온 빔이 구멍에서 얼마나 벗어나 있는지를 측정하고자 할 때 발생되는 어려움을 극복하기 위한 것이다. 거울면 조리개를 이용할 경우 반사판 1에서 반사되어온 빔을 거울면 조리개 표면에서 재반사시켜 반사된 빛의 양을 측정한다. 만일 반사판 1에서 반사되어온 빔이 정확히 원래의 경로를 따라 진행할 경우에는 모두 구멍 속으로 들어가게 되므로 거울면 조리개 표면에서 반사된 빛의 양은 거의 영에 가깝게 된다. 이를 통해 원래 목적했던 레이저빔이 반사판 1에 수직으로 입사되는지 여부를 알게 된다.

단계(101)에서 광분할기를 이 회전면 위에 올려 놓으면 광분할기 밑에 부착된 평면거울에 의해 광원쪽으로 반사가 되는데 이 부품에 형상오차가 존재하면 반사빔은 조리개 구멍을 통과하지 못하여 수직정렬이 되지 않는다. 이때는 회전면인 반사판 1(31)위에 2축 각도 조정판 2(15)를 설치하고 그 위에 평면거울이 부착된 광분할기(34)를 설치한 후 2축 각도 조정판 2(15)만을 조정하여 반사광이 조리개 구멍을 통과하도록 함으로써 측정기구와 기준면이 일치하게 된다.

단계(102)에서 위치센싱이 가능한 수광소자 1, 2를 사용하여 광분할기에 수직 조사되어 반사된 빔의 높이 편차를 측정하여 회전 중심축 정렬오차를 보정한다. 이때 레이저 빔은 고정된 것이므로 회전축을 XY 이송계를 이용하여 평면상에서 XY방향으로 이동시켜 보정한다.

단계(103)에서 레이저 가공할 때 초점렌즈 삽입으로 발생하는 정렬오차를 보정한다. 도 9에서 r이 정렬된 상태의 빔 경로로서 기준빔을 나타내고 t는 렌즈 삽입 후 변한 빔 경로를 나타낸다. 위치센싱이 가능한 수광소자로 r 빔에 대한 t 빔의 차이값,를 측정하고 틀어진 t 빔이 r 빔의 위치로 올 수 있도록 렌즈를 XY방향으로 이동 및 각도 조정한다.

본 발명의 효과로는 레이저를 이용하여 미세 원통 구조물 및 이와 유사한 회전체 구조물 제조시 레이저 빔과 원통 구조물의 중심축을 정확히 정렬하여 구조물의 치수정밀도를 향상시키고 초보자들도 쉽게 정밀하고 반복적인 정렬 결과를 얻을 수 있는 광학적 빔 정렬 방법을 제공하여 미세가공을 가능하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 측정 시스템의 전체 구성도

도 2는 본 발명의 측정 시스템의 측정부를 위에서 바라본 구성도

도 3은 본 발명의 기본 원리를 설명하기 위한 구성도

도 4는 본 발명에 따른 기본 원리의 적용을 설명하기 위한 구성도

도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔과 회전 중심축 정렬오차 보정량을 설명하기 위한 구성도

도 6은 본 발명에 따른 레이저 빔과 회전 중심축 정렬오차 보정순서를 설명하기 위한 구성도

도 7은 본 발명의 레이저 빔과 회전 중심축 정렬 순서를 나타내는 상세 흐름도

도 8은 본 발명에서 회전축에 수직한 가상의 기준면과 회전하는 평면거울 면의 수평오차에 의한 레이저 빔과 회전 중심축의 정렬 오차를 설명하기 위한 구성도

도 9는 본 발명에서 레이저 빔과 회전 중심축 정렬 완료 후 빔 경로에 초점 렌즈 삽입시 발생하는 정렬오차의 보정을 설명하기 위한 구성도

도 10는 본 발명에서 4분할 포토다이오드의 개략도

도 11는 본 발명에서 거울면 조리개의 개략도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: XY이송계 11: 회전이송계

12: 회전중심축 13: 회전테이블

14: 2축각도조정판 1 15: 2축각도조정판 2

16: 레이저 17: 입사광

18: 반사광 19: 초점렌즈

20: 위치센싱이 가능한 수광소자 1

20-1: 위치센싱이 가능한 수광소자 1-1

21: 위치센싱이 가능한 수광소자 2

22: 위치센싱이 가능한 수광소자 3

30: 기준면 31: 반사판 1

32: 반사판 2 33: 조리개

34: 평면거울이 부착된 광분할기 35: 45°경사면을 갖는 거울

36: 광분할기에 부착된 평면거울

Claims (7)

1. 레이저 빔 발생수단과, 레이저 빔을 회전중심축에 정렬하는 수단을 포함하는 레이저 빔의 정렬장치에 있어서,

   적어도 평면운동을 수행하는 XY이송계와 회전 운동을 수행하는 회전이송계를 구비하는 이송부와,

   상기 회전이송계의 회전테이블 상에 설치되고 수평면과 소정의 각도조절이 가능한 광분할기와,

   위치센싱이 가능한 수광소자가 소정 각도로 회전테이블의 연장선상에 고정배치된 평면측정부 및,

   적어도 조리개에서 반사되는 빔을 측정하는 위치센싱이 가능한 수광소자와 빔경로를 조정하기 위한 소정의 반사판이 구비된 수직측정부를 포함함을 특징으로 레이저빔 정렬장치.
2. 제 1항에 있어서, 회전테이블은

   적어도 2축각도 조정판 1과, 상기 조정판 1의 상면에 부착되는 반사판 1 및 상기 반사판의 상면에 부착되는 2축각도 조정판 2를 포함함을 특징으로 하는 레이저 빔 정렬장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   광분할기는 하단부에 평면거울이 더 부착된 것을 특징으로 하는 레이저빔 정렬장치.
4. 제 1항에 있어서,

   평면측정부는 수광소자가 90°간격으로 배치된 레이저빔 정렬장치.
5. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,

   반사판은 평면거울인 레이저빔 정렬장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   수광소자는 4분할 포토다이오드인 레이저빔 정렬장치.
7. 제 1항에 있어서,

   조리개는 거울면 조리개인 정렬장치.