KR101064352B1 - 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어방법 및 제어장치 - Google Patents

광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어방법 및 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 뛰어난 가공 정밀도를 갖고 있는 펨토초 및 피코초 등 초고속 레이저 초미세 공정 기술의 한계이었던 테이퍼(taper) 혹은 원뿔형태의 가공 단면 형성 및 이에 의한 광학적인 반사율 증가 및 단면에 의한 레이저 광의 흡수유발 현상 등 한계점을 극복하고자 하는 기술에 관한 것으로 본 발명에 의한 물질의 비선형 광학현상 중 하나인 광유발 과도흡수 현상을 이용한 레이저 가공방법은 공정 단면 제어 효과를 극대화하기 위하여 레이저의 파장을 공정 대상 물질의 적절하게 제어 및 초고속레이저 펄스 자체 혹은 초고속레이저 펄스와 다른 레이저 펄스를 동기화하여 공정대상 물질을 과도적인 광흡수를 최적화하여 레이저 흡수과정을 공간적으로 제어함으로써 궁극적으로 가공단면을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 나노초 레이저 등 기존의 상용화된 레이저 혹은 상용화된 초고속 레이저의 파장을 과도흡수에 의한 제어가 극대화되도록 파장을 바꾸거나 혹은 초고속 레이저 자체 혹은 하나이상의 다른 레이저를 시간-공간상으로 동기화를 함으로써 공정 대상 물질의 과도 흡수를 유발함으로써 종래의 초고속 레이저 미세가공기술이 가지고 있는 가공 단면을 공정목적에 최적화하도록 제어가능하게 고안되었다.
초고속 레이저 미세가공, 공정단면, 과도흡수유발

Description

광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어방법 및 제어장치{Control of laser processing rate and processed depth profile based on photo-induced absoprtion process}
본 발명은 기존의 뛰어난 가공 정밀도를 갖고 있는 초고속 레이저 초미세 공정 기술의 한계이었던 테이퍼(taper) 형태 혹은 원뿔형태의 가공 단면 형성 및 이에 의한 광학적인 반사율 증가 및 단면에 의한 레이저 광의 흡수유발현상 등 한계점을 극복하고자 하는 기술에 관한 것이다.
지속적인 패키징 공정/제어의 정밀도 향상은 고품질의 전자소자와 MEMS/NEMS 구조물 및 이들의 퓨전디바이스 제작 등에서 매우 중요하다. 특히, 전자/통신용 소자의 전기적, 광학적, 기계적 특성의 고품질화는 더욱 더 좋은 특성의 미세공정에 대한 기술적인 발전을 요구하고 있다. 현재 소자의 양산공정에서의 다이몬드 칼날 혹은 톱날 등에 의한 기계적인 공정이나 비교적 긴 레이저 펄스를 기반으로 하는 레이저 공정 기술들은, 첨단의 소재에 적용함에 있어서 기계적 혹은 물리/화학/광학적인 변형을 최소화하면서 요구사항의 정도의 공정 분해능 수준의 기술적 진보가 이루어지지 않고 있다. 예를 들어 기계적인 공정에서는 대상 물질의 경도 및 깨짐 성질의 증가에 따라 기계적인 손상으로부터 더 이상 자유롭지 못한 실정이며, 자외선 영역의 레이저를 기반으로 한 공정기술은 물질의 광학 특성에 손상을 주고 공정 대상 물질의 두께가 감소함에 따라 발생하는 열적-기계적 (thermo-mechanical) 과정에 의한 미세 균열 발생을 피할 수 있는 기술적인 진보가 아직 이루어지지 않은 실정이다. 또한 리소그라피(lithography) 및 고에너지 입자 (전자 혹은 이온빔, 플라즈마 등)기반 공정은 그 정밀도는 극히 뛰어나나, 높은 설치 및 유지비와 생물체의 비적용성 및 양산공정 측면과 환경적인 측면에서 그 적용성에 한계점이 드러난다. 이상의 차세대 패키징 및 어셈블리공정에서 특히 박형 기판의 다이싱 및 via-hole 공정 등 주요 공정에 대한 기술적인 진보가 매우 시급한 실정이다.
특히 기존의 다이아몬드 소잉(sawing)을 대표로 하는 기계적인 공정이 더 이상 적용이 가능하지 못한 두께인 80 ㎛ 미만의 반도체 기판에 대한 기술적인 한계 극복을 위한 전혀 새로운 공정기술 및 장비 설계 및 생산기술에 대한 원천기술 확보가 당면해 있다.
그간 초고속 레이저 공정 기술은 이러한 고유의 장점에 비하여 충분한 레이저 출력을 이용하여 공정속도를 증가하기 위하여 필수적이고 적절한 증폭기술의 부재뿐만 아니라, 충분한 첨두 출력을 갖는 레이저 펄스가 있더라도 공정 간에 피할 수 없는 공기 중에서 고차 비선형 효과에 의한 레이저빔 특성의 변형 등에 내재된 문제점으로 인하여 공정품질에 직접적으로 영향을 주는 공정 단면을 제어할 수 있는 방안이 없었다. 한편 이상의 한계를 극복하는 새로운 기술의 선결조건은 반드시 열적 및 기계적 손상으로부터 자유로운 초고속 레이저 공정의 특성을 변함없이 유지하여야 한다는 것이다.
현재 초고속 레이저 기반 초미세 공정 및 가공 기술은 레이저 펄스 모양에 따른 원추형 혹은 V 자홈으로 되는 한계를 극복하지 못하여 공정용 초고속 레이저 에너지가 대부분 벽면의 효과에 의하여 많은 양이 손실되는 단점을 극복하지 못하였다. 그 한계를 극복하기 위하여서는 기존의 비교적 긴 펄스 레이저 공정에서 레이저 빔의 프로화일을 평탄하게 만드는 기술인 균일화기(homogenizer)에서 일반적으로 채택되는 적응 광학(adaptive optics)을 채용하는 기술이 있어야 한다. 그러나 이 경우 본래의 초고속 레이저 펄스 폭 및 빔 특성이 완전히 변하기 때문에 적용이 불가능하기 때문이다. 특히 적응 광학(adaptive optics)을 적용하는 경우, 펄스 폭 증가에 의하여 기존의 비교적 긴 펄스폭 레이저 공정에서 문제를 야기하는 열적 변형이 공정 품질을 저하할 수 있기 때문에 사용이 불가하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 초고속 레이저 기반 초미세 공정 및 가공 기술에서 대상 물질의 비선형 광학현상을 유발함으로써 가공 단면에 대한 취약성을 나타내는 문제점을 개선하고자 하는 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어방법 및 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어방법은 펄스의 폭이 피코초 이하인 초고속 레이저를 이용하여 가공하되, 선형적 흡수에 해당하는 파장의 초고속 레이저 빔을 공정대상 물질에 조사하여 흡수되도록 하고 흡수된 에너지에 의해 공정대상 물질에 존재하는 전자가 다른 에너지 준위로 이동하는 전자 전이를 발생시키는 광유발 과도흡수 현상(Photo-induced transient absorption)을 이용하여 초고속 레이저의 공정 속도와 공정단면을 제어하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 초고속 레이저의 자체 펄스를 시간적 동기화 및 공간적 동기화하여 가공단면을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초고속 레이저의 자체 펄스와 상기 초고속 레이저 펄스보다 긴 다른 레이저의 펄스를 시간적 동기화 및 공간적 동기화하여 가공단면을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 다른 레이저의 펄스의 폭은 초고속 레이저 펄스보다 긴 것을 특징으로 한다.
아울러, 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어장치는 펄스의 폭이 피코초 이하인 초고속 레이저 빔을 발진시키는 초고속 레이저 발진기(10); 초고속 레이저 발진기(10)에 의해 발진된 초고속 레이저 빔을 선형적 흡수에 해당하는 파장의 초고속 레이저 빔을 물질에 조사되도록 하고 흡수된 에너지에 의해 물질에 존재하는 전자가 다른 에너지 준위로 이동하는 전자 전이를 발생시키는 광유발 과도흡수 현상(Photo-induced transient absorption)이 유발되도록 펄스를 변환시키는 파장 변환기(20); 파장 변환기(20)에 의해 파장이 변환된 빔을 시간적으로 동기화하여 초고속레이저의 공정 속도를 제어하는 전자장치 또는 광릴레이 장치; 상기 전자장치 또는 광릴레이 장치에 의해 시간적으로 동기화된 빔의 초점을 공간적으로 동기화시켜 집속하여 초고속 레이저의 공정단면을 제어하는 집속광학계(30); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초고속 레이저 발진기(10)와 별도로 구비되는 다른 레이저 발진기가 더 구비되며, 상기 전자장치 또는 광릴레이 장치는 상기 초고속 레이저 발진기(10)에 의해 발진된 초고속 레이저 빔과 상기 다른 레이저 발진기에 의해 발진된 레이저 빔을 시간적으로 동기화시키는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 다른 레이저의 펄스의 폭은 초고속 레이저 펄스보다 긴 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 초고속레이저의 파장을 공정 대상 물질의 비선형흡수 및 자체 레이저유발 자체-흡수(self-absorption) 공정 단면을 목적에 맞도록 최적화할 수 있는 방법을 고안하고 이를 이론적 및 실험적으로 증명하였다. 이상의 방법은 기존의 초고속레이저 공정 방법으로는 불가능하였던 공정 단면 제어를 레이저 펄스의 왜곡이 전혀 없이 매우 간단하며 경제적인 방법으로 가능하게 함으로써 초고속 레이저 미세가공의 산업화에 기여할 것이다. 특히 기존의 기계적인 공정기술이 적용될 수 없는 차세대 반도체 및 디스플레이 공정에서 반드시 필요한 커팅, 드릴링, 스크라이빙, 다이싱과 같은 다양한 가공 공정을 가능하다. 특히 산업의 첨단화에 따라서 수반되는 공정 물질의 고품질화에 수반되는 사항으로써, 공정대상 물질의 광학적-전기적인 특성의 변화는 유발되지 않으면서도 공정 정밀도는 수십 마이크로미터로 더욱 향상시킬 수 있는 유일한 공정 기술로써 그 의미가 매우 크다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 물질의 비선형 현상을 극대화하기 위하여 가공 대상 물질의 특성에 맞는 적절한 파장대역을 갖는 초고속 레이저 펄스 하나 및 혹은 다른 하나 이상의 보조레이저의 펄스를 동기화하여 처리대상 물질을 비선형적인 과도 흡수율을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 초고속레이저 자체 혹은 하나이상의 레이저를 이용하여 공정 대상 물질의 순간적인 광유발 과도흡수율을 변화시킴으로써 공정단면의 형상을 임의적으로 제어할 수 있도록 하였다.
좀더 자세하게는 파장이 적절하게 구성된 펨토초 레이저 자체 혹은 다른 하나의 레이저를 대상 공정 물질에 단독 혹은 동시에 조사함으로써 물질의 광학비선형성에 의한 과도흡수 현상을 유발한다.
이때 광도흡수율의 변화를 야기하는 레이저 혹은 동일한 펄스 에너지는 물질의 상태를 가역적으로 변화시키는 정도에 유지되도록 함으로써 실질적으로 물질의 상태 변화를 일으키지 않도록 한다. 이러한 상태 변화는 동시에 같은 지점에 조사되는 초고속 레이저에 의한 공정 및 가공이 같은 에너지 상태에서도 공정 단면의 형상을 임의적으로 제어할 수 있도록 하는 것이다. 이때 변화를 야기하는 레이저의 파장 및 레이저 편광과 펄스 에너지, 펄스폭 등을 최적화함으로써 공정대상 물질의 과도 흡수율의 변화를 공간적으로 고려하여 3차원적으로 최적화되도록 고안한다. 이상의 고안된 개념을 실현하기 위하여 본 발명에서는 서로 다른 혹은 동일한 레이저들의 펄스를 시간적으로 또한 공간적으로 동기화함으로써 구현하였다.
또한, 본 발명은 초고속 레이저 공정 단면을 임의적으로 제어할 수 있음으로 단면으로부터 야기되는 조사된 레이저의 빔의 산란과 빔의 왜곡 등을 최소화하여 이로 발생하는 공정면의 범프(bump) 등 원치 않는 공정 품질 저하문제를 최소화하며 공정의 속도를 증가시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 초고속레이저의 빔 에너지 프로화일을 가우시안 형태로 이 해하고 이의 단면을 도식화 한 것이다.
이러한 상태의 빔 프로화일을 갖는 레이저가 예를 들어 실리콘 표면에 조사된 경우 선형적 광 흡수 및 이광자흡수(two-photon absorption)을 포함하는 비선형적인 광흡수가 일어나는 경우 그 조사된 실리콘 표면 영역에서의 운반자의 단위부피에서의 밀도는 다음과 같이 표현된다. (A. J. Sabbah and D. M. Riffe, "Femtosecond pump-probe reflectivity study of silicon carrier dynamics", PHYSICAL REVIEW B 66, 165217 (2002))
N0 = (1-Rn)feff{αEph + β(1-Rn)feff/2EphτFWHM }----- (1)
이때 Rn은 레이저 파장에서의 반사율 (예를 들어 실리콘의 경우 0.328cm-1 @ 1030 nm)이고, feff 는 레이저 플루언스 (F(x,y), J/cm2), α는 선형흡수율 (예를 들어 실리콘의 경우 100 cm-1 @ 1030 nm; 1020 cm-1 @ 810 nm), β는 이광자흡수율(예를 들어 실리콘의 경우 1.9 cm/GW @ 1030 nm, (APL, 2007, 90 191104), 6.8 cm/GW @810 nm)이며, Eph는 광자 하나의 에너지 (1.93 × 10-19 J/cm2 @1030 nm; 2.49 x 10-19 J/cm2 @810 nm) 이며 τFWHM는 펄스의 폭(본 발명에서는 실시예로 250 fs pulse width @ 1030 nm; 150 fs pulse width @810 nm)을 의미한다.
한편 실리콘의 자유운반자(carrier)의 흡수단면적 Ccarrier에 대한 1030 nm에 서의 값은 보고된 바 없는 반면에, 5 x 10-18 J/cm2 @1060 nm로 알려져 있으며, 이 값은 파장에 대하여 큰 차이가 없는 것으로 알려져 있기 때문에 이를 사용하였다.
한편 초고속레이저의 펄스 당 어블레이션(abulation) 되는 깊이 L은 광투과 깊이(Optical penetration depth) δ와 레이저 플루언스 F 및 임계치 Fth 대한 의존성은 다음과 같이 표현되는 것으로 알려져 있다.
L = δ ln(F/Fth) --- (2)
1030 nm 파장에서 250 fs의 펄스폭을 갖는 초고속레이저에 의한 선형 및 이 광자흡수에 의한 흡수율과 레이저 자체에 의하여 여기된 자유운반자에 의하여 발생하는 총-광흡수율, αeff는 다음과 같이 표현할 수 있다.
αeff = N0 × Ccarrier + α + β(1-Rn)feff/2τFWHM --- (3)
한편 이상의 상황에서 광투과 깊이 δ는 αeff와 다음과 같은 관계를 갖고 있다.
δ = 1/αeff --------------- (4)
따라서 펄스 하나당 어블레이션 되는 깊이 L은 다음과 같이 표현된다.
L = 1/(N0 × Ccarrier + α + β(1-Rn)feff/2τFWHM) ln(F/Fth) ---- (5)
한편 특정 레이저 빔 프로화일에서의 x 및 y 평면상에서의 플루언스를 F(x,y)와 같이 표현할 수 있다. 본 발명에서는 일차원 즉 x 축에서의 결과만을 설명하고 있으나, 본 발명에서는 x-y 2차원에서의 레이저 공정에 의한 단면 모양제어를 모두 포함한다.
한편 본 발명에서는 전기 전자 산업 및 바이오 분석 및 MEMS/MOMS 등 다양한 형태의 디바이스에서 가장 널리 사용되는 실리콘 기판의 경우를 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다. 더 상세하게는 선형 흡수율이 매우 큰 800 nm 및 선형 흡수율이 적은 경우에 해당하는 전자전이 경계에 해당하는 1030 nm 에서 그 적용 예를 살펴보면 다음과 같다.
파장이 1030 nm인 레이저에 대한 실리콘 기판의 흡수율 α 는 약 1 × 102 cm-1이다. 한편 1030 nm에서 어블레이션 임계플루언스 Fth는 0.48 J/cm2로 알려져 있다(레퍼런스(reference) 혹은 실험 데이터). 상술한 실리콘의 1030 nm에서의 선형 및 비선형 광학상수 parameter를 이용하여, 빔 프로화일이 가우시안(gaussian)인 레이저 빔이 초점에서의 지름이 6 μm인 경우 빔의 크기(amplitude)를 1에서부터 100까지 변화하며 실리콘 표면에 조사한 경우에 대하여 식 5를 이용하여 이론적으로 계산한 어블레이션 깊이(ablation depth)의 변화를 도 2에서 보여주고 있다. 이때 빨간 실선은 비선형 광학현상인 이광자흡수 및 광유발과도흡수에 의한 영향을 무시하고 계산한 결과를 표시하여 주며 그 크기는 세로 축에 표시하였다. 선형 및 비선형광학현상을 고려하여 계산한 어블레이션 깊이(ablation depth)의 빔의 크기(amplitude)에 대한 의존성을 도 3a에 보여주고 있으며 도 3b는 이때 계산된 자 유운반자 밀도 N0의 최대치를 보여주고 있다.
매우 낮은 amplitude에서의 ablation 깊이의 X-axis에 대한 프로파일(profile)은 레이저 빔 프로화일에 해당하는 가우시안(gaussian) 함수에 매우 흡사함을 알 수 있다. 또한 이는 비선형효과를 고려하지 않고 계산한 결과와도 모양이 일치한다. 즉 낮은 레이저 빔 플루언스에서는 비선형광학 현상인 이광자 흡수현상 및 광유발 과도흡수의 효과가 적음을 의미한다. 한편 레이저 빔의 amplitude를 어느 정도 이상 증가시킨 경우 어블레이션 깊이 프로파일(ablation depth profile)의 하단에서 매우 평면적인 현상을 갖고 있음을 확인할 수 있다. 이는 레이저 빔 프로화일에서 최대치 부근에서의 선형 광학현상 뿐만 아니라 실리콘의 밸런스(valence) 밴드내의 전자가 선형 및 비선형 광자 흡수에 의하여 발생한 자유운반자들에 의한 부가적인 양자(photon)의 흡수가 이루어져 효과적인 흡수율 αeff가 증가하여 궁극적으로 레이저 빔의 실리콘 내부로의 투과율이 현저하게 감소하여 나타나게 되는 현상이다. 이러한 현상은 레이저 빔의 amplitude가 더욱 증가한 경우에는 더욱 더 확실하게 나타나서 궁극적으로 레이저 빔 프로화일의 주변에서 어블레이션 깊이(ablation depth)가 레이저 빔의 중심에서보다 더욱 크게 되고 궁극적으로는 레이저 빔 주변에서만 어블레이션(ablation)이 이루어지고 초점의 중심에서는 어블레이션(ablation)이 거의 무시할 정도로 작은 매우 특이한 현상을 관찰할 수 있다.
도 4는 실험적으로 구현한 공정 단면을 보여주고 있다. 상기 이론적인 계산 을 통하여 예측되어진 낮은 레이저 플루언스에서의 레이저 빔프로화일을 매우 흡사하게 모사한 가우시안(Gaussian) 형태의 공정 단면을 보여주고 있으며 레이저 플루언스를 더욱 증가시킨 경우에는 공정단면의 하부가 거의 평탄한 형태를 보여주고 있으며 더욱 높은 레이저 플루언스에서의 공정 단면은 이론에서 예측된 바와 같이 초점 중심에서의 공정 깊이에 비하여 주위에서의 공정깊이가 더욱 깊어서 나타나는 형태를 실험적으로 보여주고 있다. 한편 이상의 실험적인 조건에 비하여 레이저를 집속하는 광학계를 변경하여 초점의 지름을 6 μm보다 적게 하는 경우에는 초점 중심에서 관찰되던 특이한 공정단면 형태를 실험적으로 관찰하기가 대단히 힘든 측면이 있다. 이는 이러한 매우 높은 레이저 플루언스의 경우, 광학적인 현상에 의한 레이저 공정과정 이외에도 열적 혹은 기계적인 충격 등 광흡수에 의하여 유발되는 다른 동력학적인 측면이 동시에 일어나고 있음을 고려하여야 한다. 다시 말하여 이러한 매우 강하게 집속된 레이저 빔의 경우 유발되는 예를 들어 충격파(shock wave)와 같은 기계적인 충격이 동반이 필수적이므로 이 과정이 초점 중심에 발생한 ablation 되지 않은 부분에 충격을 가하여 파괴하는 결과를 초래할 수 있음을 의미한다. 그러나 초점의 지름을 6μm보다 큰 집속 광학계를 적용하는 경우에는 대체적으로 이상의 기계적인 열적인 형상을 최소화하면서도 상술한 바와 같이 공정단면의 인위적인 제어를 아주 단순한 방법인 레이저 빔 플루언스 제어만으로 가능함이 매우 인상적인다. 또 다른 제어는 비록 초점의 지름이 6 μm보다 작은 고정밀 집속광학계를 사용하는 경우에도 대상 물체의 표면에 레이저 빔이 접속하는 지점을 변경하여 표면에서의 레이저 빔 지름을 효과적으로 제어함으로써 공정 단면의 인위적인 조작이 가능하도록 레이저 플루언스에 대한 빔프로화일을 갖도록 할 수도 있다.
이상의 내용을 정리하면 매우 간단하게 레이저 빔의 세기를 변화시킴으로써 적절한 레이저 조사조건에서 레이저에 의한 ablation depth profile을 인위적으로 변화할 수 있음을 의미한다. 특히 레이저 빔의 특정한 세기 조건에서 도 2에서와 같은 레이저 가공 단면이 원래의 레이저 빔프로화일인 가우시안(gaussian) 형태에서 완전하게 벗어난 형태의 사각형의 모양을 갖도록 할 수도 있으며, 혹은 초점 중심에서는 ablation이 거의 일어나지 않고 레이저 스폿(spot)의 주위에서만 ablation이 이루어지도록 할 수도 있다. 특히 직사각형 모양의 가공단면이 갖도록 하기 위하여 전통적으로 사용하였던 렌즈 조합 구성 등이 복잡하고 값비싼 방법인 빔 균일화기(beam homogenizer)를 전혀 사용하지 않고도 이를 구현할 수 있음은 매우 큰 기술적인 진보를 이룩하였음을 의미한다. 특히 NIR 영역인 1030 nm에서의 레이저 공정이 갖고 있는 깊은 관통 깊이(penetration depth)를 고려할 때 이상의 비선형 현상을 이용한 물질 내부의 3차원적인 공정 가능성 및 적용의 용이함은 본 발명의 중요성 중 하나로 판단된다.
한편 이상의 비선형광학현상에 의한 공정 단면의 인위적인 제어는 일반적으로 단일광자 흡수가 상대적으로 큰 경우에는 그 제어가 그리 단순하지 않다. 이를 이론적인 방법으로 그 이유를 이해하기 위하여 선형적인 광 흡수율이 비교적 큰 800 nm에서의 실리콘 기판의 초고속레이저 공정에 대하여 다음과 같은 이론적인 시도를 하여 보았다.
도 5는 이상의 800 nm에서의 이론적인 결과와 같은 방법으로 계산된 이론적 인 ablation depth profile이다. 이때 실리콘 기판의 흡수율 α 는 약 1030 cm-1이며 문헌치로 알려져 있는 , 800 nm Fth = 0.2 J/cm2 를 이용하여 계산하였으며, 다른 변수(parameter)는 상기 적시한 값들을 사용하였다. 이때 빨간 실선은 비선형 광학현상을 무시하고 선형 흡수만을 고려하여 계산한 결과를 표시하여 주며 그 크기는 세로축에 표시하였다. 선형 및 비선형광학현상을 고려하여 계산한 ablation depth의 amplitude에 대한 의존성을 도 6에 보여주고 있으며 도 3b는 이때 계산된 자유운반자 밀도 N0의 최대치를 보여주고 있다.
매우 단순하게는 비선형 광학현상을 고려한 계산의 경우 실리콘 기판의 공정 단면의 레이저 플루언스 및 amplitude 의존성은 800 nm와 1030 nm 에 대하여 큰 차이가 없다고 이해할 수 있다. 그러나 앞서 언급한바와 같이 이상의 두 다른 파장의 초고속 레이저 공정 시 발생하는 자유 운반자밀도 N0는 두 경우가 약4배 이상 차이가 난다. 특히 비선형 광학현상을 고려한 두 다른 파장에서의 최대 공정 깊이가 800 nm와 1030 nm에 대하여 거의 동일함에도 불구하고 자유 운반자의 밀도는 800 nm의 경우가 4 배 이상 임은 선형적인 흡수율이 높은 경우 자유운반자 밀도가 매우 높다는 것을 매우 주목하여야 한다. 이러한 높은 레이저 조사에 따른 운반자 밀도 증가는 궁극적으로 실리콘내의 전자 전이를 통한 매우 매우 큰 밀도의 포논이 생성됨을 의미한다. 높은 선형 흡수가 일어나는 800 nm의 경우에 발생하는 높은 밀도의 포논 생성은 열적인 혹은 충격파(shock wave)와 같은 기계적인 손상 위험을 더욱 높이게 되고 이는 선형 및 비선형적인 광학적으로 야기된 공정 단면에 이상의 열적- 혹은 기계적인 부가적인 손상이 발생하여 본 발명에서 이론적으로 해석되는 공정단면을 더 이상 실험적으로 구현하기 어렵게 된다.
결론적으로 본 발명은 기존의 뛰어난 가공 정밀도를 갖고 있는 초고속 레이저 초미세 공정 기술의 단점이었던 공정 단면의 제한성의 한계를 극복하는 기술을 개발에 관한 내용을 관한 것이다. 펨토초 레이저 증폭기술의 기술적인 한계 및 집속과정에서의 고차 비선형 효과로 인하여 열적 및 기계적 손상으로부터 자유로운 펨토초 레이저 공정의 특성을 변함없이 유지하며, 공정 단면이 레이저 빔 프로화일인 gaussian 형태를 벗어나지 못하여 발생하는 그 응용의 문제점을 갖고 있었다. 본 발명은 기존의 초고속레이저의 파장을 적절히 제어하여 공정 대상 물질의 비선형성을 제단함으로써 공정 단면을 인위적으로 제어할 수 있도록 하는 최초의 초고속 레이저 공정 기술이다. 좀더 자세하게는 파장이 적절하게 구성된 초고속레이저를 대상 공정 물질에 조사함으로써 물질의 내부의 자유 운반자의 밀도의 분포를 과도기적으로 제어한다. 이때 야기하는 레이저의 파장 및 펄스의 폭을 최적화함으로써 물질 내부의 운반자 밀도 변화를 깊이에 따른 분포를 초고속 레이저의 펄스의 투과 깊이 및 공정 속도를 고려하여 3차원적으로 최적화되도록 고안한다.
이상의 고안된 개념을 실현하기 위하여 본 발명에서는 서로 다른 레이저 파장 즉 800 nm 및 1030 nm의 초고속레이저의 경우에서 실리콘에 집속한 경우의 이론적인 측면 및 실험적인 측면을 실시예로 들어 구현하였다.
아울러, 본 발명에 의한 레이저 유발 과도흡수 유발을 통한 레이저 가공장치 는 도 7과 같이 초고속 레이저 발진기(10)와, 과도흡수에 의한 공정 제어 효과를 극대화하기 위하여 레이저의 파장을 공정 대상 물질의 적절하게 제어하는 레이저 파장 변환기(20)와, 하나이상의 레이저 빔을 시간에 따라 동기화하는 전자장치 혹은 광릴레이 장치와, 상기 초고속 레이저 발진기(10)에서 발생된 초고속 레이저빔 혹은 초고속레이저빔과 하나 이상의 다른 레이저 빔을 시간에 따른 동기화하여 초점을 공간적으로 동기화시켜 집속하는 집속광학계(30)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 초고속 레이저 발진기(10)는 펄스의 폭이 피코초 이하인 초고속 레이저 빔을 발진시킨다.
상기 레이저 파장 변환기(20)는 과도흡수에 의한 공정 제어 효과를 극대화하기 위하여 레이저의 파장을 공정 대상 물질의 적절하게 제어하는 역할을 한다.
상기 전자장치 또는 광릴레이 장치(미도시됨)는 상기 초고속 레이저 발진기(10)에 의해 발진된 초고속 레이저 빔을 선형적 흡수에 해당하는 파장의 초고속 레이저 빔을 물질에 조사되도록 하고 흡수된 에너지에 의해 물질에 존재하는 전자가 다른 에너지 준위로 이동하는 전자 전이를 발생시키는 광유발 과도흡수 현상(Photo-induced transient absorption)이 유발되도록 펄스를 시간적으로 동기화하여 초고속레이저의 공정 속도를 제어한다. 이때, 상기 전자장치 또는 광릴레이 장치는 상기 초고속 레이저 발진기(10)에 의해 발진된 초고속 레이저 빔의 펄스 자체를 제어할 수 있지만, 초고속 레이저 발진기(10)와 별도로 구비된 다른 레이저 발진기(미도시됨)가 구비되는 경우에는 초고속 레이저 발진기(10)에 의해 발진된 초고속 레이저 빔과 다른 레이저 발진기에 의해 발진된 레이저 빔을 시간적으로 동기화시킬 수 있다.
상기 집속광학계(30)는 상기 전자장치 또는 광릴레이 장치에 의해 시간적으로 동기화된 빔의 초점을 공간적으로 동기화시켜 집속하여 초고속 레이저의 공정단면을 제어한다.
이에 따라 본 발명은 상용화된 초고속 레이저의 자체 파장을 과도흡수에 의한 제어가 극대화되도록 바꾸어 시간-공간상으로 동기화하거나, 상용화된 초고속 레이저의 파장과 하나이상의 다른 레이저를 시간-공간상으로 동기화를 함으로써 공정 대상 물질의 과도 흡수를 유발함으로써 초고속 레이저 에너지를 이용하여 종래의 초고속 레이저 미세가공기술이 가지고 있는 가공 단면을 공정 목적에 최적화하도록 제어가능하게 고안되었다.
미설명부호 40은 제어 PC이며 레이저 발진을 제어하고, 시편이 안착되는 스테이지의 이동을 제어한다. 50은 빔확대기(Beam expender)로 파장 변환기(20)에 의해 변환된 레이저 빔의 출력을 증폭시킨다. 60은 빔세기 조절기로 빔확대기에 의해 증폭된 레이저 빔의 출력세기를 조절한다.
도 1은 통상의 초고속 레이저 빔 에너지 프로화일을 가우시안 형태로 이해하고 레이저 빔 지름을 6 μm로 고정하고 amplitude를 1부터 100 까지 변화하며 도식화한 단면.
도 2는 1030 nm 파장을 갖는 초고속레이저를 초점에서 레이저 빔의 지름이 6 μm인 경우 빔의 amplitude를 변화시켜 실리콘 표면에 조사한 경우에 대하여 이론적으로 계산한 ablation 단면의 depth 프로화일.
도 3a는 도 2에서 계산된 최대 공정 깊이를 레이저 빔 amplitude에 대하여 도식한 그림.
도 3b는 1030 nm 및 800 nm 파장에서의 최대 공정 깊이에서 계산된 자유운반자 밀도를 레이저 빔 amplitude에 대하여 도식한 그림.
도 4는 초점에서 레이저 빔의 지름이 6 μm로 실리콘 기판에 집속하였을 경우 공정 단면의 프로화일을 레이저 플루언스의 변화에 따라 나타낸 그래프.
도 5는 800 nm 파장을 갖는 초고속레이저를 초점에서 레이저 빔의 지름이 6 μm인 경우 빔의 amplitude를 변화시켜 실리콘 표면에 조사한 경우에 대하여 이론적으로 계산한 ablation 단면의 depth 프로화일.
도 6은 도 5에서 계산된 최대 공정 깊이를 레이저 빔 amplitude에 대하여 도식한 그림.
도 7은 1030 nm의 파장을 갖는 초고속레이저를 실리콘 기판의 초점에 집속하여 가공하는 공정 개념도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 초고속 레이저 발진기 20: 파장 변환기
30: 집속광학계 40: 제어 PC
50: 빔확대기 60: 빔세기 조절기

Claims (7)

  1. 선형적 흡수에 해당하는 파장의 초고속 레이저 빔을 공정대상 물질에 조사하여 흡수되도록 하고 흡수된 에너지에 의해 공정대상 물질에 존재하는 전자가 다른 에너지 준위로 이동하는 전자 전이를 발생시키는 광유발 과도흡수 현상(Photo-induced transient absorption)을 이용하되,
    펄스의 폭이 피코초 이하인 초고속 레이저를 이용하여 공정 대상 물질의 순간적인 광유발 과도 흡수율을 변화시킴으로써 공정 단면의 형상을 제어하고,
    공정 단면으로부터 야기되는 공정 단면에 조사된 레이저 빔의 산란과 왜곡을 최소화하여 공정 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초고속 레이저의 자체 펄스를 변화시켜 시간적으로 동기화하고 시간적으로 동기화된 빔을 공간적 동기화하여 가공단면을 변화시키는 것을 특징으로 하는 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초고속 레이저의 자체 펄스와 상기 초고속 레이저 펄스보다 긴 다른 레이저의 펄스를 시간적으로 동기화하고 동기화된 빔을 공간적 동기화하여 가공단면을 변화시키는 것을 특징으로 하는 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다른 레이저의 펄스의 폭은 초고속 레이저 펄스보다 긴 것을 특징으로 하는 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어방법.
  5. 펄스의 폭이 피코초 이하인 초고속 레이저 빔을 발진시키는 초고속 레이저 발진기(10);
    초고속 레이저 발진기(10)에 의해 발진된 초고속 레이저 빔을 선형적 흡수에 해당하는 파장의 초고속 레이저 빔으로 변환시켜 물질에 조사되도록 하고 흡수된 에너지에 의해 물질에 존재하는 전자가 다른 에너지 준위로 이동하는 전자 전이를 발생시키는 광유발 과도흡수 현상(Photo-induced transient absorption)이 유발되도록 펄스를 변환시키는 파장 변환기(20);
    파장 변환기(20)에 의해 파장이 변환된 빔을 시간적으로 동기화하여 초고속레이저의 공정 속도를 제어하는 전자장치 또는 광릴레이 장치;
    상기 전자장치 또는 광릴레이 장치에 의해 시간적으로 동기화된 빔의 초점을 공간적으로 동기화시켜 집속하여 초고속 레이저의 공정단면을 제어하는 집속광학계(30);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정속도 및 공정단면 제어장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 초고속 레이저 발진기(10)와 별도로 구비되는 다른 레이저 발진기;가 더 구비되며,
    상기 전자장치 또는 광릴레이 장치는 상기 초고속 레이저 발진기(10)에 의해 발진된 초고속 레이저 빔과 상기 다른 레이저 발진기에 의해 발진된 레이저 빔을 시간적으로 동기화시키는 것을 특징으로 하는 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다른 레이저의 펄스의 폭은 초고속 레이저 펄스보다 긴 것을 특징으로 하는 광유발 과도흡수 현상을 이용한 초고속레이저 공정 속도와 공정단면 제어장치.
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