KR101063040B1 - 레이저를 이용한 미세가공 방법 및 그 장치 - Google Patents

레이저를 이용한 미세가공 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 가공물 측에 액체를 공급하는 단계와, 광학계를 통과한 펄스 레이저 빔을 상기 액체에 집속시켜 상기 액체의 절연파괴를 유도하는 단계와, 상기 액체가 절연파괴됨에 따라 상기 가공물 측으로 진행하는 펄스 형태의 액체 제트를 발생시키는 단계, 및 상기 액체 제트가 상기 가공물에 충돌함에 따라 상기 가공물을 가공하는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 미세가공 방법 및 그 장치를 제공한다.
개시된 레이저를 이용한 미세가공 방법 및 그 장치에 따르면, 가공물 측에 공급된 액체 부분에 펄스 레이저 빔을 집속시켜서 레이저 유기 절연파괴에 의한 충격파를 발생시킴에 따라, 가공물 측에 충돌되는 펄스 형태의 고속의 액체 제트를 이용하여 가공물을 설정된 크기와 두께로 용이하게 미세 가공할 수 있다. 또한, 펄스 레이저 빔의 펄스 개수 또는 강도를 조절하는 경우, 가공물의 가공 깊이 또는 가공 영역을 손쉽게 조절할 수 있는 이점이 있다. 더욱이, 광학계와 가공물의 사이에 구조물을 배치한 경우, 구조물을 통과되는 액체 제트의 크기 또는 진행방향을 가이드할 수 있다.

Description

레이저를 이용한 미세가공 방법 및 그 장치{Processing method using laser and apparatus thereof}
본 발명은 레이저를 이용한 미세가공 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 펄스 레이저를 이용하여 펄스 형태의 액체 제트를 생성하여 가공물을 미세가공하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근 마이크로/나노 미터 수준으로 소재(가공물)를 가공하기 위한 다양한 기법이 개발되고 있다. 현재 대부분의 미세 가공 공정은 MEMs, 레이저 가공 등의 기법을 통해 수행되고 있다.
그 중에서 상기 레이저를 이용한 미세가공 기술은 기존의 MEMS 제조 기법에 비해서 가공 단계가 매우 간단하고 적용가능 분야가 넓은 편이다. 상기 레이저를 이용한 소재의 가공에 있어서, 종래에는 상기 레이저를 소재에 자체적으로 조사하는 방식을 이용하고 있다. 그런데, 이러한 경우, 상기 소재에 조사되는 레이저의 열에 의해 상기 소재에 열변형이 발생될 수 있고 가공부 상에 마이크로미터 수준의 크랙이 발생될 수 있다. 따라서, 기존의 레이저 가공 공법의 경우, 가공 효율이 다소 떨어지고 그 응용에 한계가 있는 단점이 있다. 또한, 목적하는 가공 형상이
Figure 112009046330908-pat00001
Figure 112009046330908-pat00002
인 경우, 실제로 레이저 가공을 수행하면
Figure 112009046330908-pat00003
형태로 가공될 수 있어, 가공면이 매끄럽지 못하고 가공폭이 불균일하게 되는 문제점이 있다.
상술한 레이저 방식 이외에도, 워터 제트를 이용하여 소재를 가공하는 방식이 있다. 그러나, 워터 제트 방식의 경우, 큰 사이즈의 가공에는 유리하지만, 미세 사이즈의 가공에는 어려움과 한계가 따르는 단점이 있다.
본 발명은, 가공 효율이 우수하고 미세 가공이 가능한 레이저를 이용한 미세가공 방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 가공물 측에 액체를 공급하는 단계와, 광학계를 통과한 펄스 레이저 빔을 상기 액체에 집속시켜 상기 액체의 절연파괴를 유도하는 단계와, 상기 액체가 절연파괴됨에 따라 상기 가공물 측으로 진행하는 펄스 형태의 액체 제트를 발생시키는 단계, 및 상기 액체 제트가 상기 가공물에 충돌함에 따라 상기 가공물을 가공하는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 미세가공 방법을 제공한다.
또한, 상기 액체를 공급하는 단계에서, 상기 액체는 액적 또는 액체 제트일 수 있다. 그리고, 상기 액체를 공급하는 단계에서, 상기 액체는 상기 가공물로부터 설정된 거리만큼 이격된 위치에 공급되거나, 상기 가공물의 표면 상에 공급될 수 있다.
상기에 있어서, 상기 레이저를 이용한 미세가공 방법은, 상기 광학계와 상기 가공물 사이에 배치되어 상기 액체 제트가 통과하는 구조물을 이용하여, 상기 액체 제트의 크기 또는 진행방향을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 구조물에서, 상기 고속의 액체 제트의 크기 또는 진행방향을 가이드하도록 내부에 가이드홀이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 개수 또는 강도 조절을 통해 상기 가공 물의 가공 깊이 또는 가공 영역을 조절할 수 있다. 또한, 상기 액체 제트는 상기 가공물에 수직 방향으로 입사될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 가공물 측에 액체를 공급하는 공급수단과, 상기 액체를 향하도록 펄스 레이저 빔을 조사하는 레이저 건, 및 상기 레이저 건에서 조사되는 상기 펄스 레이저 빔을 상기 액체에 집속시킴에 따라 상기 액체의 절연파괴를 유도하는 광학계를 포함하는 레이저를 이용한 미세가공 장치를 제공한다. 이러한 장치에 있어서, 상기 액체가 절연파괴됨에 따라 상기 가공물 측으로 진행하는 펄스 형태의 액체 제트가 발생되고, 상기 액체 제트가 상기 가공물에 충돌함에 따라 상기 가공물을 가공하게 된다.
또한, 상기 공급수단은, 액적 또는 액체 제트를 상기 액체로서 공급할 수 있다. 그리고, 상기 공급수단은, 상기 액체를 상기 가공물로부터 설정된 거리만큼 이격된 위치에 공급하거나, 상기 가공물의 표면 상에 공급할 수 있다.
또한, 상기 레이저를 이용한 미세가공 장치는, 상기 광학계와 상기 가공물의 사이에 배치되어 상기 액체 제트가 통과되고, 상기 통과되는 액체 제트의 크기 또는 진행방향을 가이드하도록 내부에 가이드홀이 형성된 구조물을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 미세가공 방법 및 그 장치에 따르면, 가공물 측에 공급된 액체 부분에 펄스 레이저 빔을 집속시켜서 레이저 유기 절연파괴에 의한 충격파를 발생시킴에 따라, 가공물 측에 충돌되는 펄스 형태의 고속의 액체 제트를 이용하여 가공물을 설정된 크기와 두께로 용이하게 미세 가공을 수행할 수 있다. 또한, 펄스 레이저 빔의 펄스 개수 또는 강도를 조절하는 경우, 가공물의 가공 깊이 또는 가공 영역을 손쉽게 조절할 수 있는 이점이 있다. 더욱이, 광학계와 가공물의 사이에 구조물을 배치한 경우, 구조물을 통과되는 액체 제트의 크기 또는 진행방향을 가이드할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 레이저를 이용한 미세가공 장치의 개략도를 나타낸다. 먼저, 레이저를 이용한 미세가공 방법의 설명에 앞서, 상기한 방법을 구현하기 위한 미세가공 장치의 구성에 관하여 알아보기로 한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 레이저를 이용한 미세가공 장치(100,200)는, 공급수단(110), 레이저 건(120) 및 광학계(130)를 포함한다.
상기 공급수단(110)은, 가공 대상인 가공물(30) 측에 액체를 공급한다. 상기 액체로는 액체 제트(Liguid jet) 또는 액적(Droplet)이 이용된다. 도 1의 경우는 상기 액체 제트(10)가 사용된 예이고, 도 2의 경우는 액적(20)이 사용된 예이다. 상기 공급수단(110)은 상기 액체 제트(10) 또는 액적(20)을 상기 가공물(30)의 표면과 평행한 방향으로 공급하는데, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 레이저 건(120)은 상기 액체(10 또는 20)를 향하도록 펄스 레이저 빔을 조사한다. 레이저 건(120)은 펄스형의 레이저 빔을 조사할 수 있는 공지된 다양한 건 형태가 적용 가능하다.
상기 광학계(130)는 상기 레이저 건(120)에서 조사되는 상기 펄스 레이저 빔 을 상기 액체(10 또는 20)에 집속시켜서 초점을 형성함에 따라 상기 액체(10 또는 20)의 레이저 유기 절연파괴(laser-induced breakdown)를 유도한다. 이때, 사용되는 광학계(130)는, 집속 강도, 각도, 집속 효율 등에 따라 하나 또는 복수 개가 이용될 수 있다.
이러한 미세가공 장치의 가공 원리는 다음과 같다. 상기 펄스 레이저 빔에 의해 상기 액체(10 또는 20)가 절연파괴됨에 따라, 가공물(30) 측으로 고속으로 진행하는 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)가 발생된다. 또한, 이 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)가 상기 가공물(30)에 고속으로 충돌함에 따라 상기 가공물(30)을 가공하게 된다. 상기 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)는 가공물(30)의 표면을 설정된 크기와 두께로 제거하면서 가공할 수 있다.
상기의 과정에 있어서, 상기 액체 제트(11 또는 21)는 가공물(30)에 대해 수직 방향으로 입사되면서 충돌된다. 그러나, 그 입사 방향이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 미세가공 장치에 따른 가공물(30)에 대한 가공의 형태는, 표면 가공, 절단 가공, 구명 가공 등의 각종 미세 가공 분야를 포괄하는 개념임은 자명하다. 이상과 같은 레이저를 이용한 미세가공 장치에 따르면, 상기 레이저와 액체를 함께 이용함에 따라 소재의 열변형을 줄일 수 있고, 가공의 크랙 발생을 방지할 수 있으며, 최종적으로 가공 품질을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 상기 레이저 유기 절연파괴를 이용한 가공 원리에 관하여, 도 1 및 도 2를 참조로 하여, 보다 상세히 설명한다. 상기 광학계(130)를 통과한 펄스 레이저 빔이 집속되는 곳에 액적(20) 또는 액체 제트(10)가 존재하면, 레이저 유기 절연파괴(laser-induced breakdown)가 일어남에 따라, 플라즈마(plasma), 충격파, 그리고 액체 제트(11 또는 21)가 발생하게 된다. 이러한 액체의 레이저 유기 절연파괴를 이용함에 따라 동일한 에너지가 조사되었을 때 생성되는 충격파의 강도가 크게 증가한다.
즉, 높은 에너지 밀도를 가지는 펄스 레이저 빔을 작은 부피를 가지는 액적(20) 또는 마이크로 액체 제트(10)에 포커싱하여 액체의 절연파괴를 유도하면, 펄스 레이저 빔의 진행방향과 동일 방향으로 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)가 빠른 속도로 분출되게 된다. 이렇게 유도된 액체 제트(11 또는 21)를 가공물(30)에 충돌시키면 가공물(30) 표면의 일정부분을 원하는 크기와 깊이로 제거할 수 있게 된다.
또한, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 개수 또는 강도 조절을 통해 상기 가공물(30)의 가공 깊이 또는 가공 영역을 조절할 수 있다. 따라서, 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)를 이용함에 따라, 상기 가공물(30)의 절단뿐만 아니라, 가공물(30)의 가공 정도 또한 조절할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 공급수단(110)은, 상기 액체(10 또는 20)를 상기 가공물(30)로부터 설정된 거리만큼 이격된 위치에 공급하고 있는 형태이다. 이러한 경우, 발생된 액체 제트(11 또는 21)는 상기 설정된 거리만큼 이동하면서 가공물(30)에 충돌한다.
상술한 방식 이외에도, 도 3 및 도 4을 참조하면, 상기 공급수단(110)은 상기 액체(10 또는 20)를 상기 가공물(30)의 표면 상에 직접 공급한다. 이때, 발생되 는 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)는 상기 표면 상에 바로 충돌하면서 가공물(30)을 가공한다. 도면에서는 발생된 액체 제트(11 또는 21)에 대한 표시는 생략하였다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 미세가공 장치(300)를 나타낸다. 이러한 도 5를 참조하면, 상기 미세가공 장치(300)는 상기 공급수단(110), 레이저 건(120), 광학계(130) 이외에도, 상기 광학계(130)와 상기 가공물(30)의 사이에 배치되어 상기 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)가 통과되는 구조물(140)을 포함한다. 상기 구조물(140)은 상기 통과되는 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)의 크기 또는 진행방향을 가이드하도록 내부에 가이드홀(141)이 형성되어 있다. 상기 가이드홀(141)의 형상, 길이, 홀의 형성방향 등을 조절함에 따라, 상기 발생된 액체 제트(11 또는 21)의 크기 또는 진행방향의 조절이 가능하다.
이하에서는, 도 1 내지 도 6을 참조로 하여, 상기 레이저를 이용한 미세가공 방법에 대하여 설명하고자 한다. 도 6은 레이저를 이용한 미세가공 방법의 흐름도이다.
먼저, 상기 공급수단(110)을 이용하여 상기 가공물(30) 측에 액체를 공급한다(S110). 이때, 상기 액체는 도 1의 액체 제트(10) 또는 도 2의 액적(20)이 이용된다. 상기 액체 공급 단계(S110)에서 상기 액체(10 또는 20)는, 상기 가공물(30)로부터 설정된 거리만큼 이격된 위치에 공급(도 1 및 도 2 참조)되거나, 상기 가공물(30)의 표면 상에 공급(도 3 및 도 4 참조)된다.
이후, 상기 레이저 건(120)에서 조사되어 상기 광학계(130)를 통과한 펄스 레이저 빔을 상기 액체(10 또는 20)에 집속시켜, 액체(10 또는 20)에 포커싱(focusing) 시킴에 따라, 상기 액체(10 또는 20)의 절연파괴를 유도한다(S120). 상기 S120 단계에서 펄스 레이저 빔의 포커싱에 따른 실제 촬영 영상은 도 7을 참조한다.
도 7은 액체 제트(10)를 액체로 공급하여 사용한 도 1의 경우에 있어서, 펄스 레이저 빔이 액체 제트(10)에 포커싱되어 조사될 때 발생하는 현상을 실험적인 기법으로 촬영한 영상이다. 도 7에서 4개의 영상인 1번은 100 ㎱ 구간, 2번은 500 ㎱ 구간, 3번은 1 ㎲ 구간, 4번은 1.5 ㎲ 구간을 나타낸다. 1 ㎲ 구간 내에서 조사 지점을 중심으로 충격파가 전파되고 펄스 레이저 빔의 조사 방향과 동일 방향으로 또 하나의 고속의 액체 제트(11)가 분사됨을 알 수 있다. 이때, 분사되는 액체 제트(11)의 속도는 약 100~1000 m/s를 갖는다.
상기 S120단계에 따라, 액체(10 또는 20)의 레이저 유기 절연파괴(laser-induced breakdown)가 진행됨에 따라, 플라즈마(plasma)와 충격파, 그리고 액체 제트(11 또는 21)가 발생하게 된다. 이에 따라, 펄스 레이저 빔의 진행방향과 동일 방향으로 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)가 빠른 속도로 분출하면서, 가공물(30) 측으로 진행하는 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)를 발생시킨다(S130).
여기서, 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)가 상기 가공물(30)에 충돌함에 따라 상기 가공물(30)을 가공한다(S150). 이때, 액체 제트(11 또는 21)는 상기 가공물(30)에 수직 방향으로 입사되어 충돌한다. 또한, 이러한 가공 단계(S150)에서는 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 개수 또는 강도 조절을 통해 상기 가공물(30)의 가 공 깊이 또는 가공 영역을 조절하도록 한다.
상기 S130 단계와 S150단계 사이에는, 상기 구조물(140)의 가이드홀(141)을 통해 상기 펄스 형태의 액체 제트(11 또는 21)를 통과시키는 과정(S140)이 추가적으로 포함되는데, 이러한 경우 액체 제트(11 또는 21)의 크기 또는 진행방향을 용이하게 조절할 수 있다.
이하에서는, 상기 미세가공 방법에 따른 가공물(30)의 가공 실험예를 살펴본다. 도 8은 발생된 200펄스의 액체 제트를 가공물에 충돌시켜 실리콘 웨이퍼(Si-wafer)를 가공한 사진예이다. 펄스당 450 mJ을 가지는 1064 ㎚ 파장의 Nd:YAG 레이저를 이용하여, 액체(10 또는 20)를 절연파괴하여 액체 제트(11 또는 21)를 생성할 때, 약 1 ㎲ 구간에서 액체 제트(11 또는 21)는 수백 m/s의 속도를 가진다. 또한, 액체 제트(11 또는 21)를 상기 액체(10 또는 20)로부터 2㎜ 떨어져 있는 500 ㎛의 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼에 충돌시켰을 때 높은 가공 효율을 갖도록 가공물(30)이 가공되었다. 200펄스의 액체 제트(11 또는 21)를 충돌시킨 도 8의 사진을 보면, 펄스 레이저 빔을 직접 조사하여 가공하는 기존의 레이저 가공 기법에 비하여, 주변부의 오염 정도가 매우 낮았으며, 높은 가공 속도를 보였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능한 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 레이저를 이용한 미세가공 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예 따른 레이저를 이용한 미세가공 장치의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 미세가공 장치의 변형예에 따른 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시된 미세가공 장치의 변형예에 따른 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저를 이용한 미세가공 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 미세가공 방법의 흐름도이다.
도 7은 레이저 빔이 액체 제트에 포커싱되어 조사될 때 발생하는 현상을 실험적인 기법으로 촬영한 사진이다.
도 8은 200펄스의 액체 제트를 가공물에 충돌시켜 실리콘 웨이퍼를 가공한 상태를 보여주는 사진이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
10: 액체 제트 20: 액적
11,12: 액체 제트 30: 가공물
100,200,300: 레이저를 이용한 미세가공 장치
110: 공급수단 120: 레이저 건
130: 광학계 140: 구조물
141: 가이드홀

Claims (12)

  1. 가공물 측에 액체를 공급하는 단계;
    광학계를 통과한 펄스 레이저 빔을 상기 액체에 집속시켜 상기 액체의 절연파괴를 유도하는 단계;
    상기 액체가 절연파괴됨에 따라 상기 가공물 측으로 진행하는 펄스 형태의 액체 제트를 발생시키는 단계; 및
    상기 액체 제트가 상기 가공물에 충돌함에 따라 상기 가공물을 가공하는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 미세가공 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 액체를 공급하는 단계에서,
    상기 액체는 액적 또는 액체 제트인 레이저를 이용한 미세가공 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 액체를 공급하는 단계에서,
    상기 액체는 상기 가공물로부터 설정된 거리만큼 이격된 위치에 공급되거나, 상기 가공물의 표면 상에 공급되는 레이저를 이용한 미세가공 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학계와 상기 가공물 사이에 배치되어 상기 액체 제트가 통과하는 구조물을 이용하여, 상기 액체 제트의 크기 또는 진행방향을 조절하는 단계를 더 포 함하는 레이저를 이용한 미세가공 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 구조물에서,
    상기 액체 제트의 크기 또는 진행방향을 가이드하도록 내부에 가이드홀이 형성된 레이저를 이용한 미세가공 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔의 펄스 개수 또는 강도 조절을 통해 상기 가공물의 가공 깊이 또는 가공 영역을 조절하는 레이저를 이용한 미세가공 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체 제트는 상기 가공물에 수직 방향으로 입사되는 레이저를 이용한 미세가공 방법.
  8. 가공물 측에 액체를 공급하는 공급수단;
    상기 액체를 향하도록 펄스 레이저 빔을 조사하는 레이저 건; 및
    상기 레이저 건에서 조사되는 상기 펄스 레이저 빔을 상기 액체에 집속시킴에 따라 상기 액체의 절연파괴를 유도하는 광학계를 포함하며,
    상기 액체가 절연파괴됨에 따라 상기 가공물 측으로 진행하는 펄스 형태의 액체 제트가 발생되고, 상기 액체 제트가 상기 가공물에 충돌함에 따라 상기 가공 물을 가공하는 레이저를 이용한 미세가공 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 공급수단은,
    액적 또는 액체 제트를 상기 액체로서 공급하는 레이저를 이용한 미세가공 장치.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 공급수단은,
    상기 액체를 상기 가공물로부터 설정된 거리만큼 이격된 위치에 공급하거나, 상기 가공물의 표면 상에 공급하는 레이저를 이용한 미세가공 장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 광학계와 상기 가공물의 사이에 배치되어 상기 액체 제트가 통과되고, 상기 통과되는 액체 제트의 크기 또는 진행방향을 가이드하도록 내부에 가이드홀이 형성된 구조물을 더 포함하는 레이저를 이용한 미세가공 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 액체 제트는 상기 가공물에 수직 방향으로 입사되는 레이저를 이용한 미세가공 장치.
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