KR100924280B1 - 광역 레이저 패터닝 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광역 레이저 패터닝 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수 개의 파이버 레이저 또는 다이오드 레이저의 광출력부를 구성하는 다수 개의 광섬유를 집적하여 레이저 광원부를 구성함으로써 레이저 빔의 광원 크기를 증가시켜 한 번에 비교적 넓은 영역에 레이저 빔을 조사시켜 패터닝을 수행할 수 있도록 하여 생산성을 향상시킬 수 있는 광역 레이저 패터닝 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광역 레이저 패터닝 시스템은, 기판을 장착하기 위한 스테이지와, 상기 스테이지 상부에 구비되어 레이저 빔을 발생시켜 상기 기판 방향으로 조사함으로써 상기 기판 상부에 형성된 피식각층을 식각하는 레이저 광원부, 및 상기 레이저 광원부와 상기 스테이지 사이에 구비되어 상기 기판에 조사되는 레이저 빔의 형상을 조절하기 위한 마스크를 포함하여 구성되는 레이저 패터닝 시스템에 있어서, 상기 레이저 광원부는, 광섬유로 구성되는 광출력부를 갖는 다수 개의 레이저 발진기와; 상기 다수 개의 레이저 발진기의 광출력부를 구성하는 다수 개의 광섬유를 집적하여 배열·고정하는 광섬유 홀더; 및 상기 광섬유 홀더에 연결되어 상기 광섬유를 통해 전달되는 레이저 빔을 균질화하여 상기 기판 방향으로 조사되도록 유도하는 균질기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
레이저 빔, 파이버 레이저(fiber laser), 다이오드 레이저(diode laser), 광섬유, 광역 패터닝

Description

광역 레이저 패터닝 시스템{A wide-area laser patterning system}
본 발명은 광역 레이저 패터닝 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수 개의 파이버 레이저 또는 다이오드 레이저의 광출력부를 구성하는 다수 개의 광섬유를 집적하여 레이저 광원부를 구성함으로써 레이저 빔의 광원 크기를 증가시켜 한 번에 비교적 넓은 영역에 레이저 빔을 조사시켜 패터닝을 수행할 수 있도록 하여 생산성을 향상시킬 수 있는 광역 레이저 패터닝 시스템에 관한 것이다.
박막기술은 단원자층으로부터 수 ㎛ 두께를 가진 막의 처리 기술을 의미하며, 집적 회로(IC)의 전극 배선, 배선 간의 절연 및 저항체 제조 등에 사용되며 박막의 제작과 응용을 종합한 기술로서, 반도체, LCD(Liquid Crystal Display), 태양전지(Solar Cell), LED(Light Emitting Diode) 등의 산업에 광범위하게 사용되고 있다.
이러한 박막기술을 이용하여 생산되는 제품들은 다양한 소자로 구성되며, 각각의 소자들은 여러 층의 박막을 순차적으로 적층하여 각각의 역할에 필요한 구조를 가지도록 구성된다.
각 층의 박막은 진공 증착법, 스퍼터링법, 열산화법 등을 통해 형성되며, 각 층은 패터닝을 통해 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일반적으로 사용되고 있는 패터닝 공정은 피식각층 상부에 포토레지스트(Photoresist)를 도포하고, 원하는 패턴이 형성된 마스크를 통해 자외선을 조사하여 노광공정을 실시한 다음, 현상공정을 통해 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 피식각층을 식각하여 피식각층패턴을 형성한 다음, 포토레지스트 패턴을 제거하는 과정을 거쳐 수행되고 있다.
이러한 패터닝 공정은 매우 복잡하여 오랜 공정시간을 필요로 하고 고가의 포토레지스트를 사용하고 있기 때문에 공정 비용이 증가하고, 다단계의 공정을 수행하기 때문에 잠재 불량요인의 내재 및 생산성의 저하 등과 같은 다양한 문제점을 발생시키며, 다단계의 공정을 수행하기 위한 고가의 다양한 장비를 필요로 하여 제조 비용을 증가시키는 동시에 다량의 화학물질을 사용함으로써 환경을 오염시키는 원인이 되고 있다.
한편, 최근에는 레이저와 광학소자를 이용하여 기존의 패터닝 공정에 비해 공정이 간단하고 저가이며 환경적으로 무해하게 박막을 패터닝 할 수 있는 레이저 다이렉트 패터닝(Laser Direct Patterning, 이하, LDP라 함)방식이 다양하게 응용되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 레이저 패터닝 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이저를 패터닝 시스템은, 기판(60)을 장착하기 위한 스테이지(50)와, 스테이지(50) 상부 일측에 위치하여 소정 파장의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기(10)와, 레이저 발진기(10)에서 발생된 레이저 빔을 박막 식 각에 필요한 형태로 변환시키는 빔 쉐이퍼(12)와, 빔 쉐이퍼(12)를 통과한 레이저 빔을 균질화시키는 균질기(14)와, 균질기(14)를 통과한 레이저 빔을 반사시켜 기판(60) 방향으로 반사시키는 반사경(20)과, 기판(60)에 조사되는 레이저 빔의 형상을 조절하기 위한 마스크(30)와, 마스크(30) 하단에 구비되어 피식각층(62)을 식각할 수 있는 에너지를 갖도록 레이저 빔을 집속해주는 프로젝션 렌즈(40) 및 각 장치들을 제어하는 마이크로 프로세서(미도시)를 포함하여 구성된다.
여기에서 사용되는 레이저 발진기(10)는 주로 1064㎚ 또는 355㎚의 파장을 가지는 고체 레이저(Solid State Laser) 또는 자외선의 파장을 가지는 엑시머 레이저(Excimer Laser)가 사용되고 있다.
이들 중, 고체 레이저는 부피가 작고, 유지 및 보수가 비교적 단순하여 사용하기 편리하다는 이점을 갖지만, 출력되는 레이저의 에너지가 제한적이기 때문에 필요한 에너지로 집속하다 보면 한 번에 식각되는 면적이 줄어들게 된다.
예를 들어, LCD 산업에서 유리기판 상의 투명전극(Induim Tin Oxide ; ITO)박막을 패터닝하기 위해서는 파장에 따라 1J/㎠ 내지 5J/㎠의 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔이 필요한데, 고체 레이저의 경우 수 mJ의 레이저가 주로 상용화되어 있어, 필요한 에너지 밀도를 얻기 위해 광학계를 사용해 레이저 빔을 집속하여 사용하고 있다.
따라서 고체 레이저는 레이저 빔의 에너지를 집속함에 따라 공정 면적이 1㎟ 이하로 줄어드는 결과가 초래되어 특히, 넓은 면적을 패터닝해야 하는 디스플레이 분야에서는, 축소된 레이저를 ㎛ 단위로 이동하며 넓은 면적을 패터닝하는데 많은 시간이 소요되고, 이동에 따른 오차발생으로 인하여 품질 및 수율이 저하되며, 이러한 고체 레이저를 다수 개 사용하더라도 레이저 빔의 에너지가 피식각층을 식각하는데 적절하지 못해 여전히 높은 비율로 집속해서 사용해야 하므로 한 번에 식각할 수 있는 식각 면적에 제한이 있다는 문제점이 있다.
또한, 엑시머 레이저는 고체 레이저에 비해 약 1J 정도로 높은 출력의 에너지를 갖지만, 장비의 가격이 매우 높고, 장비의 체적이 크며, 자주 가스(gas)를 교환해주어야 하기 때문에 유지 및 보수하는데 많은 노력을 들여야된다는 단점이 있다.
게다가 엑시머 레이저는 고체 레이저에 비해서 높은 에너지를 방출하지만, 여전히 ㎟ 단위의 작은 면적을 패터닝할 수 있기 때문에 식각시 잦은 위치 이동이 불가피하고, 식각 면적을 증가시키기 위하여 여러 대의 엑시머 레이저를 사용하게 되는 경우에는 비용 및 공간 활용면에서 상술한 바와 같은 이유로 인해 여전히 부적절하다는 문제점이 있다.
따라서, 한 번에 넓은 영역을 식각할 수 있도록 넓은 조사면적을 가지며 적절한 크기의 에너지를 갖는 레이저 빔을 발생시킬 수 있고, 또한, 비용 및 공간 활용 등 여러 방면에서 효율적인 레이저 발진기의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 다수 개의 파이버 레이저 또는 다이오드 레이저의 광출력부를 구성하는 다수 개의 광섬유를 집적하여 레이저 광원부를 구성함으로써 한 번에 조사되는 레이저 빔의 면적을 증가시킬 수 있으므로 단위 시간당 처리량(throughput)을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 소요되는 공정시간 및 비용을 절감할 수 있는 광역 레이저 패터닝 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 광역 레이저 패터닝 시스템은, 기판을 장착하기 위한 스테이지와, 상기 스테이지 상부에 구비되어 레이저 빔을 발생시켜 상기 기판 방향으로 조사함으로써 상기 기판 상부에 형성된 피식각층을 식각하는 레이저 광원부, 및 상기 레이저 광원부와 상기 스테이지 사이에 구비되어 상기 기판에 조사되는 레이저 빔의 형상을 조절하기 위한 마스크를 포함하여 구성되는 레이저 패터닝 시스템에 있어서, 상기 레이저 광원부는, 광섬유로 구성되는 광출력부를 갖는 다수 개의 레이저 발진기와; 상기 다수 개의 레이저 발진기의 광출력부를 구성하는 다수 개의 광섬유를 집적하여 배열·고정하는 광섬유 홀더; 및 상기 광섬유 홀더에 연결되어 상기 광섬유를 통해 전달되는 레이저 빔을 균질화하여 상기 기판 방향으로 조사되도록 유도하는 균질기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광역 레이저 패터닝 시스템은, 다수 개의 파이버 레이저 또는 다이오드 레이저의 출력단에 연결된 다수 개의 광섬유를 일정한 크기의 면적을 갖도록 집적하여 레이저 광원부를 구성함으로써 다수 개의 광섬유를 통해 전달되는 레이저 빔의 조사면적을 증가시켜 한 번에 넓은 영역에 걸쳐 식각이 수행될 수 있도록 하여 식각 공정을 수행하는 동안 레이저 광원부의 위치 이동 회수를 감소시켜 공정 시간을 줄일 수 있고, 이에 따른 오차 발생을 감소시켜 공정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에 단위 시간당 처리량을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명에 따른 광역 레이저 패터닝 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광역 레이저 패터닝 시스템은, 기판(1130)을 장착하기 위한 스테이지(120)와; 광출력부에 각각 광섬유(110)가 연결되어 있는 다수 개의 레이저 발진기(100)와, 다수 개의 광섬유(110)를 집적하여 일정한 크기의 면적을 갖도록 배열하여 고정하는 광섬유 홀더(140) 및 광섬유 홀더(140) 하부에 연결되어 광섬유(110)를 통해 전달되는 레이저 빔을 균질화시켜 기판(130) 방향으로 조사되도록 유도하는 균질기(homogenizer, 142)로 구성되는 레이저 광원부(100')와; 스테이지(120)와 레이저 광원부(100') 사이에 구비되어 기판(130)에 조사되는 레이저 빔의 형상을 조절하기 위한 마스크(150); 및 각각의 구성요소들을 제어하기 위한 마이크로 프로세서(160)를 포함하여 구성된다. 또한, 마스크(150) 하단에는 마스크(150)를 투과한 레이저 빔을 기판(130) 상부에 형성된 피식각층(132)을 식각할 수 있을 정도의 에너지로 집속하기 위한 프로젝션 렌즈(152)가 추가로 구비될 수도 있다.
레이저 발진기(100)는 다수 개의 파이버 레이저 또는 다이오드 레이저로 구성된다.
파이버 레이저 또는 다이오드 레이저는 고출력의 에너지를 발생시키며, 주로 적외선(IR)영역의 방출 파장을 가지고 있어 일부 박막에는 그 사용이 제한적일 수 있지만, 가격이 저렴하여 설치비용을 절감할 수 있고, 부피가 작아 여러 대를 적층하여 구성함으로써 설치공간을 줄일 수 있으며, 엑시머 레이저와 같이 가스(gas)를 충전할 필요가 없기 때문에 유지 및 보수가 용이하다는 장점이 있다.
또한, 파이버 레이저 또는 다이오드 레이저의 광출력단에는 레이저 빔의 이동통로로 사용되는 미세한 광섬유(110)가 연결되어 있어, 다수 개의 광섬유(110)를 일정한 형태로 배열하여 집적하기 용이하고, 이를 통해 다수 개의 광섬유(110)를 통해 출력되는 레이저 빔의 면적을 증가시킬 수 있으며, 필요에 따라 광섬유(110)의 길이를 조절하여 구성할 수 있기 때문에 레이저 발진기(100)를 원하는 영역에 설치할 수 있도록 구성할 수 있어 시스템 전체 부피를 최소화할 수 있다.
광섬유 홀더(140)는 광섬유(110)를 통해 전달되는 레이저 빔이 일정한 크기의 면적을 갖도록 광섬유(110)를 집적하여, 배열·고정할 수 있도록 구성된다.
이러한 구성을 통해 본원 발명에 따른 레이저 광원부(100')는, 각각의 광섬유(110)를 통해 전달되는 레이저 빔을 집적하여 종래의 레이저 광원에 비해 훨씬 넓은 면적(1㎠ 이상)으로 빔을 조사할 수 있도록 구성됨으로써 한 번에 넓은 면적에 걸쳐 식각 공정을 수행할 수 있도록 하여 식각 공정을 수행하는 동안 레이저 광원부(100')나, 또는 기판(130)의 이동 회수를 줄일 수 있도록 하고, 이를 통해 단위 시간당 처리량을 증가시킬 수 있다.
균질기(142)는 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array) 또는 광회절소자(Diffractive Optical Element)가 사용될 수 있으며, 광섬유 홀더(140)에 집적되어 배열·고정된 다수 개의 광섬유(110)를 통해 전달된 레이저 빔을 균질화시켜 에너지 분포를 균일하게 함으로써 하부에 구비되는 기판(130) 방향으로 평행하고 균일한 레이저 빔이 조사되도록 유도할 수 있도록 한다.
마스크(150)는 레이저 광원부(100')와 스테이지(120) 사이에 구비되어 기판(130)에 조사되는 레이저 빔의 형상을 조절하는 역할을 한다.
마이크로 프로세서(160)는 레이저 광원부(100'), 스테이지(120) 및 마스크(150)에 연결되어 구성되며, 레이저 광원부(100')와 마스크(150) 또는 스테이지(120)의 이동을 제어하고 레이저 발진기(100)로부터의 발생되는 레이저 빔의 출력량을 제어한다.
한편, 마스크(150) 하단에 구비되는 프로젝션 렌즈(152)는 마스크(150)를 투과한 레이저 빔의 에너지를 집속하여 기판(130)으로 조사시킨다.
즉, 기판(130) 상부에 형성된 피식각층(132)을 식각할 수 있을 정도의 높은 에너지를 마스크(150)에 직접 조사하는 경우에는 마스크(150)가, 특히 레이저 빔 투과영역 이외의 영역에서 레이저 빔을 흡수하여 마스크(150)의 구조적 손상이 유발되기 때문에 피식각층(132)을 식각하기 위한 에너지보다 낮은 에너지의 레이저 빔을 마스크(150)에 주사하고, 마스크(150)를 투과한 레이저 빔을 프로젝션 렌즈(152)에서 집속하여 기판(130) 측에는 피식각층(132)이 식각될 수 있을 정도의 높은 에너지를 갖는 레이저 빔이 조사될 수 있도록 함으로써 마스크(150)의 구조적 손상을 최소화될 수 있도록 한다.
이러한 구성을 통해 피식각층(132)을 식각할 때 마이크로 프로세서(160)를 제어하여 레이저 광원부(100'), 마스크(150) 및 프로젝션 렌즈(152)를 동기화하여 이동시키거나, 또는 기판(130)이 장착된 스테이지(120)을 이동시키면서 레이저 빔을 조사하여 피식각층(132) 전체에 걸쳐 패터닝을 수행할 수 있으며, 본 발명에 따른 레이저 광원부(100')의 구성으로 한 번에 식각될 수 있는 면적을 증가시킬 수 있으므로 레이저 광원부(100') 또는 스테이지(120)의 이동 회수를 상대적으로 감소시킬 수 있으므로 이동에 따른 오차 발생을 줄일 수 있는 동시에 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 광역 레이저 패터닝 시스템의 다른 구성을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광역 레이저 패터닝 시스템은, 기판(1130)을 장착하기 위한 스테이지(120)와; 광출력부에 각각 광섬유(110)가 연결되어 있는 다수 개의 레이저 발진기(100)와, 다수 개의 광섬유(110)를 집적하여 일정한 크기의 면적을 갖도록 배열하여 고정하는 광섬유 홀더(140) 및 광섬유 홀더(140) 하부에 연결되어 광섬유(110)를 통해 전달되는 레이저 빔을 균질화시켜 기판(130) 방향으로 조사되도록 유도하는 균질기(homogenizer, 142)로 구성되는 레이저 광원부(100')와; 스테이지(120)에 장착된 기판(130)과 인접하게 구비되어 기판(130)에 조사되는 레이저 빔의 형상을 조절하기 위한 반사형 마스크(200); 및 각각의 구성요소들을 제어하기 위한 마이크로 프로세서(160)를 포함하여 구성된다.
여기에서 반사형 마스크(200)에는 레이저 빔의 투과영역을 제외한 나머지 영역에 레이저 빔을 반사하는 반사막패턴이 형성되어 있어 식각 시 조사되는 레이저 빔을 반사막패턴을 통해 반사시킴으로써 피식각층(132)을 식각하기 위한 높은 에너지의 레이저 빔에 의해서 마스크의 구조적 손상을 최소화할 수 있다. 이러한 마스크의 특성으로 인해 상대적으로 높은 에너지의 레이저 빔의 직접 주사가 가능하게 되므로 프로젝션 렌즈 등의 구성 없이 반사형 마스크(200)를 기판(130)에 인접하게 위치하도록 구성함으로써 패터닝 시스템을 단순하게 구성할 수 있다.
또한, 이러한 특성을 이용하여 반사형 마스크(200)를 기판(130)과 동일한 크기로 구성하고, 반사형 마스크(200)를 기판(130)에 얼라인먼트하여 고정함으로써 반사형 마스크(200)와 기판(130)을 서로 고정한 상태에서 레이저 빔을 주사하여 식각공정을 수행할 수 있으므로 보다 정확한 패턴을 구현할 수 있다는 이점이 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였 으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 레이저 패터닝 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 광역 레이저 패터닝 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 광역 레이저 패터닝 시스템의 다른 구성을 보여주는 도면.
<도면의 주요부에 대한 설명>
10, 100 : 레이저 발진기 12 : 빔 쉐이퍼
14, 142 : 균질기 20 : 반사경
30, 150 : 마스크 40, 152 : 프로젝션 렌즈
50, 120 : 스테이지 60, 130 : 기판
62, 132 : 피식각층 100' : 레이저 광원부
110 : 광섬유 140 : 광섬유 홀더
160 : 마이크로 프로세서 200 : 반사형 마스크

Claims (4)

  1. 기판을 장착하기 위한 스테이지와, 상기 스테이지 상부에 구비되어 레이저 빔을 발생시켜 상기 기판 방향으로 조사함으로써 상기 기판 상부에 형성된 피식각층을 식각하는 레이저 광원부, 및 상기 레이저 광원부와 상기 스테이지 사이에 구비되어 상기 기판에 조사되는 레이저 빔의 형상을 조절하기 위한 마스크를 포함하여 구성되는 레이저 패터닝 시스템에 있어서,
    상기 레이저 광원부는,
    광섬유로 구성되는 광출력부를 갖는 다수 개의 레이저 발진기와;
    상기 다수 개의 레이저 발진기의 광출력부를 구성하는 다수 개의 광섬유를 집적하여 배열·고정하는 광섬유 홀더; 및
    상기 광섬유 홀더에 연결되어 상기 광섬유를 통해 전달되는 레이저 빔을 균질화하여 상기 기판 방향으로 조사되도록 유도하는 균질기;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광역 레이저 패터닝 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크의 하단에는,
    레이저 빔의 에너지를 집속하기 위한 프로젝션 렌즈가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 광역 레이저 패터닝 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 발진기는,
    파이버 레이저 또는 다이오드 레이저인 것을 특징으로 하는 광역 레이저 패터닝 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 균질기는,
    마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array) 또는 광회절소자(Diffractive Optical Element)로 구성되는 것을 특징으로 하는 광역 레이저 패터닝 시스템
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