KR101180705B1 - 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자 소자 등의 가공시에 레이저를 이용하여 패턴을 형성할 수 있도록 하는 패턴 가공장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회절광학계(DOE,diffrative optic element)를 이용하여 빔을 분산한 후 2개의 렌즈를 통해 빔을 모아 가공렌즈로 초점을 조절하면서 가공물의 가장자리가 테이퍼(taper)지지 않도록 가공 패터닝 하는 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치에 관한 것이다.

Description

회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치{a laser beam patterning device}
본 발명은 전자 소자 등의 가공시에 레이저를 이용하여 패턴을 형성할 수 있도록 하는 패턴 가공장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회절광학계(DOE, diffrative optic element)를 이용하여 빔을 분산한 후 2개의 렌즈를 통해 빔을 모아 가공렌즈로 초점을 조절하면서 가공물의 가장자리가 테이퍼(taper)지지 않도록 가공 패터닝 하는 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치에 관한 것이다.
현대의 전자 소자들은 공통적으로, 전극 또는 배선용 금속 박막 패턴을 필요로 한다. 이들 금속 박막 패턴은 통상적으로, 박막의 진공 증착과 결합한 포토리소그래피 공정을 거쳐 형성된다.
포토리소그래피는 높은 해상도를 갖는 패터닝을 가능케 하는 장점이 있지만, 고가의 장비, 다단계 공정, 많은 에너지 소모를 필요로 하며, 증착과 에칭의 반복으로 상당량의 화학 폐기물의 배출 또한 수반된다.
플렉시블 전자소자의 도래와 더불어 저온에서 대면적화가 가능한 패터닝 공정의 중요성이 제기되고 있으며, 따라서 고비용, 고온공정으로 대표되는 기존의 포토리소그래피 공정을 대체하는 대안을 찾고자 하는 많은 연구개발이 진행되고 있다.
예컨대, 잉크젯 프린팅, 소프트 리소그래피, 레이저-유도식 포워드 트랜스퍼(laser-indcued forward transfer)등이 있으나, 이와 같은 방식들은 모두 additive patterning방식이라는 장점이 있고 일부는 상당한 기술적 진보를 보이기도 하였으나, 해상도, 신뢰성, 공정속도에 있어서의 각각의 한계로 인해 여전히 포토리소그래피 공정을 대체하지 못하고 있는 실정이다.
상기와 같은 종래의 패터닝 가공장치(50)는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 다중 레이저빔(51)을 렌즈(52)를 통해 투과시키고 이로 인해 형성되는 다중 초점부(53)에서 레이저의 열에너지가 절정에 이르러 가공물(54)을 가공하여 패턴을 형성할 수 있도록 하는 구조로 되어 있다.
KR 10-0593841 (등록번호) 2006.06.20. KR 10-0723935 (등록번호) 2007.05.25.
상기와 같은 종래의 패터닝 가공장치(50)는 다중 레이저빔(51)을 렌즈(52)를 통해 투과시키고 이로 인해 형성되는 다중 초점부(53)에서 레이저의 열에너지가 절정에 이르러 가공물(54)이 가공되어 패턴을 형성될 때 레이저빔이 경사지게 조사되어 그 가장자리부에 테이퍼형상(t)이 형성됨으로써 가공면이 깨끗하게 되지 못하는 단점이 있다.
또한, 가장자리부에 테이퍼형상(t)으로 인해 가공 효율과 품질이 떨어지는 문제가 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 레이저를 발생기키는 광원부와, 상기 광원을 반사시켜주는 반사미러, 빔 회절광학계(DOE), 상기 빔 회절광학계(DOE)의 후방에서 다수개의 빔을 굴절시킬 수 있도록 하는 제1렌즈와 제2렌즈, 및 상기 제1렌즈와 제2렌즈를 통해 굴절되는 레이저 빔의 다중 초점거리를 조절하여 가공물을 가공 패턴닝 하는 가공렌즈로 구성되어, 가공물에 레이저 빔의 다중 초점을 조사시켜 패턴의 가장자리 형상이 테이퍼지지 않도록 하여 가공효율과 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있도록 하는 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 해결하기 위한 본 발명은 회절광학계를 이용하여 다중레이저빔으로 가공물에 패턴을 형성하는 가공 장치에 있어서,
레이저빔을 생성하는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저빔을 반사킬 수 있도록 하는 반사미러와, 상기 반사미러의 전방에 설치되고 오목렌즈와 볼록렌즈로 구성되어 레이저빔의 확산을 조절할 수 있도록 하는 빔확산조절기, 상기 빔확산조절기의 전방에 구비되어 다중레이저빔이 생성될 수 있도록 하는 회절광학계, 상기 회절광학계의 전방에 순차로 일정한 거리를 두면서 구비되고 상기 회절광학계에서 확산되어 투사되는 레이저빔을 모아줄 수 있도록 하는 제1렌즈와 제2렌즈, 및 상기 제2렌즈의 전방 다중레이저빔이 교차되는 지점에 설치되어 가공물에 다중초점이 투사되도록 하면서 가공물이 가공 패터닝될 수 있도록 하는 가공렌즈로 구성되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명의 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치는 제1렌즈와 제2렌즈를 통해 굴절되는 다중의 레이저 빔을 가공렌즈를 통해 그 초점거리를 조절하면서 가공물의 가장자리를 가공할 수 있도록 함으로써, 가공물의 가장자리 형상이 깨끗하게 가공될 수 있는 장점이 있다.
또한, 가공물의 가장자리가 테이퍼지지 않도록 패터닝함으로써 가공효율과 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치의 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치에 구비된 가공렌즈에 의해 가공물의 가장자리가 테이퍼지지 않도록 패터닝되는 개략적인 상태도이고,
도 3은 본 발명에 따른 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치에 구비된 가공렌즈를 조절하면서 가공물의 가장자리가 다양하게 가공되어 패터닝 폭이 조절되는 개략적인 상태도이고,
도 4는 종래의 레이저가공장치에 의해 가공물의 가장자리가 테이퍼되면서 가공되는 개략적인 상태도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.
본 발명에 따른 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치(100)는 도 1 내지 도 2에 도시되어 있는 바와 같이,
레이저빔을 생성하는 레이저 광원(110)과,
상기 레이저 광원(110)으로부터 발생되는 레이저빔을 반사킬 수 있도록 하는 반사미러(120)와,
상기 반사미러(120)의 전방에 설치되고 오목렌즈와 볼록렌즈로 구성되어 레이저빔의 확산을 조절할 수 있도록 하는 빔확산조절기(130),
상기 빔확산조절기(130)의 전방에 구비되어 다중레이저빔이 생성될 수 있도록 하는 회절광학계(140,DOE, diffractive optic element),
상기 회절광학계(140)의 전방에 순차로 일정한 거리를 두면서 구비되고 상기 회절광학계(140)에서 확산되어 투사되는 레이저빔을 모아줄 수 있도록 하는 제1렌즈(150)와 제2렌즈(160),
상기 제2렌즈(160)의 전방 다중레이저빔이 교차되는 지점에 설치되어 가공물(170)에 다중초점이 투사되도록 하면서 가공 패터닝될 수 있도록 하는 가공렌즈(180)로 구성되어 이루어진다.
그리고 상기 회절광학계(140)와 상기 제1렌즈(150)와의 거리(L)는 상기 제1렌즈(150)의 초점거리(f1)보다 길게 구성되어 있다.
또한 상기 제1렌즈(150)와 상기 제2렌즈(160)와의 거리는 상기 제1렌즈(150)의 초점거리(f1)에 상기 제2렌즈(160)의 초점거리(f2)를 더한 길이로 구성된다.
그리고 상기 가공렌즈(180)는 상기 제2렌즈(160)의 전방측에 상기 제2렌즈(160)의 초점거리(f2) 만큼의 거리를 두고 설치 구성된다.
여기서 상기 회절광학계(140)와 상기 가공렌즈(180)는 상용화된 제품으로 누구나 구입 활용되는 표준부품이다.
그리고 상기 가공물(170)은 이를 설치하고 이동할 수 있도록 하는 가공물스테이지(190)에 장착 구비되게 된다.
상기 가공물스테이지(190)에는 이를 컨트롤할 수 있도록 하는 스테이지조절기(191)가 연결 구비되어 있다.
또한 상기 가공렌즈(180)에는 컨트롤러(181)가 연결 설치되어 상기 가공렌즈(180)와 상기 가공물(170) 사이의 거리를 조절하면서 상기 가공물(170)의 패터닝 폭을 용이하게 조절할 수 있도록 되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치(100)는 다음과 같이 레이저빔을 상기 가공물(170)에 투사하여 패터닝을 실시하게 된다.
우선, 상기 레이저광원(110)에서 레이저빔이 발생되면 이를 상기 반사미러(120)에서 반사시켜 상기 빔확산조절기(130)를 통해 상기 회절광학계(140)로 투사된다.
그러면, 상기 회절광학계(140)에서는 다중레이저빔을 발생시켜 상기 제1렌즈(150)로 투사하게 되는데, 이 경우 상기 회절광학계(140)에서 발생되는 다중레이저빔은 상기 제1렌즈(150)까지 각각 평행하게 투사된다.
이어, 상기 제1렌즈(150)에서는 그 초점거리(f1)까지 각각의 레이저빔이 모아진 후 다시 초점거리(f1) 이후에는 레이져빔이 확산되면서 초점거리(f2)에 위치한 상기 제2렌즈(160)까지 확상되면서 투사된다.
그리고, 상기 제2렌즈(160)까지 도달한 다중레이저빔은 상기 제2렌즈(160)에서 굴절되면서 상기 가공렌즈(180)에서 교차된 후 일정거리 만큼 떨어져 있는 상기 가공물(170)에 각각 초점이 형성되게 된다.
여기서 상기 제2렌즈(160)에서의 다중레이저빔은 각각 상기 가공렌즈(180)까지 평행하게 투사되고 상기 가공렌즈(180)를 통과하면서 다중레이저빔이 상기 가공물(170)에 초점이 각각 형성됨으로써 상기 가공물(170)이 가공 패터닝된다.
이때 상기 가공물(170)은 그 두께나 폭에 따라 상기 가공렌즈(180)에 연결 설치된 상기 컨트롤러(181)를 제어부(미도시)에서 제어하여 상기 가공렌즈(180)와 상기 가공물(170)의 거리를 적절히 조절하여 패터닝 작업을 실시함으로써, 가공물의 가장자리에 형성될 수 있는 테이퍼부가 형성되지 않고 깨끗하게 패터닝될 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명의 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치는 레이저를 발생기키는 광원부와, 상기 광원을 반사시켜주는 반사미러, 빔 회절광학계(DOE), 상기 빔 회절광학계의 후방에서 다수개의 빔을 굴절시킬 수 있도록 하는 제1렌즈와 제2렌즈, 및 상기 제1렌즈와 제2렌즈를 통해 굴절되는 레이저 빔의 다중 초점거리를 조절하여 가공물을 가공 패턴닝 하는 가공렌즈로 구성되어, 가공물에 레이저 빔의 다중 초점을 조사시켜 패턴의 가장자리 형상이 테이퍼지지 않도록 하여 가공효율과 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.
100:회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치
110:레이저광원 120:반사미러 130:빔확산조절기
140:회절광학계 150:제1렌즈 160:제2렌즈 170:가공물
180:가공렌즈 181:컨트롤러
190:가공물스테이지 191:스테이지조절기

Claims (4)

  1. 회절광학계를 이용하여 다중레이저빔으로 가공물에 패턴을 형성하는 가공 장치에 있어서,
    레이저빔을 생성하는 레이저 광원과,
    상기 레이저 광원으로부터 발생되는 레이저빔을 반사킬 수 있도록 하는 반사미러와,
    상기 반사미러의 전방에 설치되고 오목렌즈와 볼록렌즈로 구성되어 레이저빔의 확산을 조절할 수 있도록 하는 빔확산조절기,
    상기 빔확산조절기의 전방에 구비되어 다중레이저빔이 생성될 수 있도록 하는 회절광학계,
    상기 회절광학계의 전방에 순차로 일정한 거리를 두면서 구비되고 상기 회절광학계에서 확산되어 투사되는 다중레이저빔을 평행하게 직진시키는 제1렌즈와,
    상기 제1렌즈에서 평행하게 직진된 다중레이저빔을 모아주는 제2렌즈,
    상기 제2렌즈의 전방에서 다중레이저빔이 교차되는 지점에 설치되어 가공물이 가공 패터닝될 수 있도록 하는 가공렌즈로 구성되되,
    상기 회절광학계와 상기 제1렌즈와의 거리는 상기 제1렌즈의 초점거리보다 길게 구성되고, 상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈와의 거리는 상기 제1렌즈의 초점거리에 상기 제2렌즈의 초점거리를 더한 길이로 구성되며, 상기 가공렌즈는 상기 제2렌즈의 전방측에 상기 제2렌즈의 초점거리 만큼의 거리를 두고 설치 구성되고,
    상기 회절광학계에서 발생되는 각각의 다중레이저빔은 상기 제1렌즈까지 평행하게 투사되고, 상기 제2렌즈에서 굴절되는 각각의 다중레이저빔은 상기 가공렌즈까지 평행하게 투사되며,
    상기 가공렌즈까지 각각 평행하게 투사된 상기 다중레이저빔은 상기 가공물에 초점이 각각 형성되도록 구성되고,
    가공렌즈에는 상기 가공렌즈와 상기 가공물 사이의 거리를 조절하면서 상기 가공물의 가공 패터닝 폭을 조절할 수 있도록 하는 컨트롤러가 연결 설치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 회절광학계를 이용한 레이저 패턴 가공장치.
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