KR101181718B1 - Efficient Substrate Dicing by Optimized Temporal Intensity Distribution of Ultrafast Femtosecond Pulses - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법에 관한 것으로, 펨토초 펄스 레이저를 이용한 절단방법에 있어서, 적어도 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스를 펄스 딜레이를 이용하여 시간차를 갖도록 별도로 생성시키고, 각각의 펄스가 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization)를 기반으로 가공물의 전자를 여기시키고, 아발란치 이온화(Avalanche Ionization)를 통해 상기 다중광자이온화에서 여기된 전자를 씨드(seed)전자로 하여 물질의 이온화를 증폭시켜 절단하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 플라즈마나 아발란치 원리를 기반으로 가공물을 가공하기 때문에 잔류응력발생, 열영향지대의 형성, 물성 변화 등 열적 가공에 따른 문제점을 해소할 수 있다.The present invention relates to a cutting method by controlling the light intensity over time of a femtosecond pulse laser, and in the cutting method using a femtosecond pulse laser, at least two or more femtosecond laser pulses are separately generated to have a time difference using a pulse delay. Each pulse excites the electrons of the workpiece based on multi-photon ionization, and the electrons excited in the multi-photon ionization are seed electrons through avalanche ionization. It is characterized by amplifying and cleaving the ionization of the material. The present invention configured as described above can solve the problems caused by thermal processing, such as the generation of residual stress, the formation of heat-affected zones, changes in physical properties because the workpiece is processed based on the principle of plasma or avalanche.

Description

펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법{Efficient Substrate Dicing by Optimized Temporal Intensity Distribution of Ultrafast Femtosecond Pulses}Cutting method by controlling the intensity of light of femtosecond pulsed laser over time {Efficient Substrate Dicing by Optimized Temporal Intensity Distribution of Ultrafast Femtosecond Pulses}

본 발명은 펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법에 관한 것으로, 적어도 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스를 생성하고 이를 가공물에 조사함으로써 가공 정밀도, 가공 효율, 생산성을 향상시킬 수 있는 광강도 조절을 통한 절단방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a cutting method by adjusting the light intensity over time of a femtosecond pulse laser, and to generate at least two femtosecond laser pulses and to irradiate the workpiece to the light intensity to improve the processing precision, processing efficiency, productivity It relates to a cutting method through adjustment.

글라스, 실리콘, 세라믹 등의 취성기판을 절단하여 분리시키는 데 사용되는 방법으로는, 스크라이빙(Scribing), 블레이드 다이싱(Blade Dicing), 레이저 절단, 스텔스 다이싱(Stealth Dicing) 및 TLS(Thermal Laser Seperation) 등의 절단 방법이 사용되고 있다. 이 중, 스크라이빙과 블레이드 다이싱 방법은 기계적인 절단 방법이고, 스텔스 다이싱과 TLS 방법은 레이저를 이용한 비접촉식 절단 방법이다.Methods used to cut and separate brittle substrates such as glass, silicon, ceramics, etc. include scribing, blade dicing, laser cutting, stealth dicing and thermal Laser Seperation) is used. Among them, the scribing and blade dicing methods are mechanical cutting methods, and the stealth dicing and TLS methods are non-contact cutting methods using lasers.

기존 기계적 절단 방법은, 가공 시 다량의 칩을 형성하며 잔류응력 등을 가공물에 남기게 되므로, 100 um 이하의 박막에서는 심각한 파손과 찢어짐을 유발시킨다.Existing mechanical cutting methods form a large amount of chips during processing and leave residual stresses on the workpiece, which causes severe breakage and tearing in thin films of 100 um or less.

기존 레이저 기반 가공은 열전달을 기반으로 하는 가공공정으로, 이로 인한 Thermal Load가 커 열영항지대(HAZ: Heat Affected Zone)를 형성하므로, 가공물에 금이 가거나 강도를 떨어뜨리는 등의 한계점을 가지며, 가공물의 흡수도에 따라 가공 정도가 달라져 다양한 재료로 이루어진 다층구조를 절단하는데 어려움이 있다.Conventional laser-based machining is a process based on heat transfer, which results in a large thermal load resulting in the formation of a heat-affected zone (HAZ), which has limitations such as cracking or deterioration of the workpiece. Depending on the degree of absorption, the degree of processing is different, there is a difficulty in cutting a multi-layer structure made of a variety of materials.

스텔스 다이싱 방법과 TLS 방법은, 기판을 표면에서 직접 제거하지 않고, 기판 내부에 변형층을 형성하거나 인장 잔류응력을 발생시켜 기판을 절단하므로 절단 과정에서 파편 혹은 입자의 발생을 줄일 수 있다. 하지만 이 역시 열적 공정을 기반으로 하여 열영향지대가 형성되며, 잔류응력 등이 그대로 남아 기판의 특성을 변화시킨다. 또한 TLS의 경우 열을 냉각시키는 냉각제의 별도 클리닝이 요구되는 제한점을 가진다.The stealth dicing method and the TLS method cut the substrate by directly forming a strained layer or generating tensile residual stress in the substrate without directly removing the substrate from the surface, thereby reducing generation of debris or particles during the cutting process. However, this also forms a thermal zone based on the thermal process, and the residual stress is left as it is to change the characteristics of the substrate. In addition, TLS has a limitation in that separate cleaning of the coolant to cool the heat is required.

기존의 펄스 레이저는 피가공물을 열적으로 여기시킴으로써, 물질의 상을 변화시켜 가공을 수행한다. 이에 반해, 극초단 펄스 레이저(펄스 폭 10 ps 이하)는 극초단 펄스의 높은 첨두출력을 이용하여 피가공물을 플라즈마 상태로 직접 변화시켜 제거하거나 물질의 상태를 변화시키는 것을 기반으로 한다. 또한, 좁은 펄스 폭으로 인해 주변 물질로 열이 전도되기 전에 모든 가공이 수행되므로, 가공 주변 부에 영향을 주지 않는 깨끗하고 정밀한 가공이 가능하다.Conventional pulsed lasers thermally excite the workpiece, thereby changing the phase of the material to perform the processing. In contrast, ultrashort pulse lasers (pulse widths less than 10 ps) are based on the high peak power of the ultrashort pulses to directly remove or remove the workpiece into the plasma state or change the state of the material. In addition, because of the narrow pulse width, all processing is performed before heat is conducted to the surrounding material, thereby enabling clean and precise processing without affecting the processing peripheral portion.

극초단 펄스 레이저의 가공에 있어서의 장점으로는 기존 레이저 가공에서 요구되는 피가공물의 비결정적 결함전자(Defect Electron)에 의존하지 않고, 비선형 광흡수에 의해 가공이 시작 및 진행된다. 따라서 가공물에 의존하지 않는 결정적 공정(Deterministic)으로 가공의 제어가 매우 용이하다. 극초단 펄스 앞단의 수십 펨토초에 해당하는 시간 동안 비선형 이온화를 통해 시드 전자(Seed Electron)군이 충분히 생성되고, 이를 통해 가공이 시작 및 진행된다. 따라서 가공 부위의 선택성과 공정의 반복성을 크게 높일 수 있으므로, 실제 응용 분야에 적용에 있어서 매우 유리하다.Advantages in the processing of ultra-short pulse lasers are that processing starts and proceeds by nonlinear light absorption, without depending on the non-defective defect electrons of the workpiece required in conventional laser processing. Therefore, the control of the machining is very easy with a deterministic process that does not depend on the workpiece. Seed electron groups are sufficiently generated through nonlinear ionization for tens of femtoseconds in front of the ultra-short pulse, and processing starts and progresses. Therefore, the selectivity of the processing site and the repeatability of the process can be greatly increased, which is very advantageous in application to practical applications.

극초단 펄스 레이저가 투명재료 가공에 있어서 가지는 장점은, 비선형 광흡수 현상에 의해 초점 부근의 부피에만 가공 및 변화를 집중시킬 수 있고, 가공 정밀도를 높일 수 있으며, 주변 영역에 응력변화를 최소화 할 수 있다.The advantage of ultra-short pulse laser in the processing of transparent materials is that it can concentrate processing and change only on the volume near the focus by nonlinear light absorption phenomenon, improve processing accuracy and minimize stress change in the surrounding area. have.

비선형 광흡수 현상은 피가공 물질의 물성에 의존하지 않으므로 다양한 피가공물의 가공이 가능하며, 특히 서로 다른 다양한 물질들의 조합 및 층으로 구성된 가공물을 단일 레이저로 용이하게 가공할 수 있다. Non-linear light absorption phenomenon does not depend on the physical properties of the workpiece, it is possible to process a variety of workpieces, in particular a workpiece consisting of a combination of different materials and layers can be easily processed with a single laser.

펨토초 레이저 마이크로 가공 원리는 극초단 레이저 기반 광학 브레이크다운(Optical Breakdown)을 기반으로 하는데, 광 에너지가 물질에 전파되고, 이는 다수의 전자를 이온화 시킨다.The femtosecond laser micromachining principle is based on an ultra-short laser-based optical breakdown, in which light energy propagates through the material, which ionizes a large number of electrons.

기존의 시간 축에서의 펄스 모양 변화 및 이를 가공에 적용한 논문의 경우 펄스 폭이 ns 이상이며, ns 펄스를 이용한 가공은 열가공에 해당한다. 따라서 열가공에서의 단점으로 지적되는 잔류 응력의 발생, 열영향지대의 형성, 가공 영역 부근의 시편의 물성 변화 등의 문제가 수반되어 왔다.
In the case of the conventional pulse shape change and the paper applied to the processing, the pulse width is more than ns, and the processing using ns pulse corresponds to thermal processing. Therefore, problems such as generation of residual stress, formation of heat-affected zone, and change of physical properties of the specimen near the processing area have been accompanied.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 펄스 폭이 ps 이하인 펨토초 레이저를 적용하면 열가공이 아닌 플라즈마나 아발란치 원리를 기반으로 가공하여 ns 펄스를 사용했을 경우의 단점을 극복할 수 있는 절단방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다. 펄스 폭이 ps 이하인 펨토초 레이저의 경우에도 시간에 따른 광강도의 조절을 통해 가공 중 발생하는 다중광자이온화 및 아발란치이온화 메커니즘의 특정 단계에 광량을 집중 혹은 분산시킴을 통해 펄스의 에너지를 해당 재료의 가공에 최적화 할 수 있고, 보다 정밀하고 효율적인 가공을 구현할 수 있는 절단방법을 제공하고자 한다.
In order to solve the above problems, the present invention, when applying a femtosecond laser having a pulse width of ps or less, cutting based on plasma or avalanche principles, not thermal processing, to overcome the disadvantages of using ns pulses. The purpose is to provide a method. Even for femtosecond lasers with pulse widths less than or equal to ps, the energy of the pulses can be concentrated by dispersing or concentrating the amount of light at specific stages of the multi-photon ionization and avalanche ionization mechanisms that occur during processing by controlling light intensity over time. It is to provide a cutting method that can be optimized for the processing of the, can realize a more precise and efficient machining.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 펨토초 펄스 레이저를 이용한 절단방법에 있어서, 적어도 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스를 펄스 딜레이를 이용하여 시간차를 갖도록 별도로 생성시키고, 각각의 펄스가 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization)를 기반으로 가공물의 전자를 여기시키고, 아발란치 이온화(Avalanche Ionization)를 통해 상기 다중광자이온화에서 여기된 전자를 씨드(seed)전자로 하여 물질의 이온화를 증폭시켜 절단하는 것을 특징으로 한다.In the present invention for achieving the above object, in the cutting method using a femtosecond pulse laser, at least two or more femtosecond laser pulses are separately generated to have a time difference using a pulse delay, and each pulse is multi-photon ionization ( Exciting the electrons of the workpiece based on Multi-Photon Ionization and amplifying and cutting the ionization of the material by using electrons excited in the multiphoton ionization as seed electrons through Avalanche Ionization It features.

또한, 상기 펨토초 레이저 펄스는, 적어도 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스 각각을 펄스 폭, 펄스 에너지 임계값, 펄스간 간격 중 어느 하나 또는 둘 이상을 달리하여 출력되는 것을 특징으로 한다.In addition, the femtosecond laser pulse, at least two or more femtosecond laser pulses are output by varying any one or two or more of the pulse width, pulse energy threshold value, the interval between pulses.

또한, 상기 펨토초 레이저 펄스는, 음향광변조기(Acousto Optic Modulator), 대즐러(Dazzler), 전자광변조기(Electro Optic Modulator), 액정위상제어기(Liquid Crystal Phase Cotroller), 변형 거울(Deformable Mirror) 중 하나 또는 이들의 조합을 통해 적어도 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스를 생성하는 것을 특징으로 한다.The femtosecond laser pulse may include one of an acoustic optical modulator, a dazzler, an electro optic modulator, a liquid crystal phase cotroller, and a deformable mirror. Or a combination thereof to generate at least two femtosecond laser pulses.

또한, 적어도 두 개 이상의 상기 펨토초 레이저 펄스는, 각각 ns 이하의 시간차를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, at least two or more femtosecond laser pulses are characterized in that each has a time difference of ns or less.

또한, 상기 펨토초 레이저는, 피코초(ps) 이하의 펄스 폭을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the femtosecond laser is characterized by including a pulse width of less than picoseconds (ps).

또한, 펨토초 펄스 레이저를 이용한 절단방법에 있어서, 펨토초 레이저 소스로부터 출력되는 펨토초 레이저 펄스를 펄스 쉐이퍼를 통해 하나의 펄스 모양을 조절하여 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization)를 기반으로 가공물의 전자를 여기시키고, 아발란치 이온화(Avalanche Ionization)를 통해 상기 다중광자이온화에서 여기된 전자를 씨드(seed)전자로 하여 물질의 이온화를 증폭시켜 절단하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the cutting method using a femtosecond pulse laser, the femtosecond laser pulse output from the femtosecond laser source is controlled by a pulse shaper to excite the electrons of the workpiece based on multi-photon ionization. And amplification and cleavage of ionization of the material by using electrons excited in the multiphoton ionization as seed electrons through Avalanche ionization.

또한, 상기 펄스 모양은, 하나의 펄스에서 펄스 폭, 펄스 에너지 임계값, 펄스간 간격 중 어느 하나 또는 둘 이상을 달리하여 출력되는 것을 특징으로 한다.The pulse shape may be output by changing one or two or more of a pulse width, a pulse energy threshold value, and an interval between pulses in one pulse.

또한, 상기 펄스 쉐이퍼는, 음향광변조기(Acousto Optic Modulator), 대즐러(Dazzler), 전자광변조기(Electro Optic Modulator), 액정위상제어기(Liquid Crystal Phase Controller), 변형 거울(Deformable Mirror) 중 하나 또는 이들의 조합을 통해 조절하는 것을 특징으로 한다.The pulse shaper may include one of an acoustic optical modulator, a dazzler, an electro optical modulator, a liquid crystal phase controller, a deformable mirror, or It is characterized by adjusting through a combination of these.

또한, 상기 펨토초 레이저는, 피코초(ps) 이하의 펄스 폭을 포함하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the femtosecond laser is characterized by including a pulse width of less than picoseconds (ps).

이와 같이 구성되는 본 발명은 펨토초 레이저 가공 시스템을 도입함으로써 ps 이하의 펄스폭과 더불어 10 MHz 이상의 높은 반복률 구현이 가능하므로 기존의 열가공 조건에 해당하지 않는 다중광자이온화 및 아발란치 이온화에 의한 플라즈마 가공 조건의 구현이 가능한 효과가 있다. The present invention configured as described above can implement a high repetition rate of 10 MHz or more with a pulse width of less than ps by introducing a femtosecond laser processing system, so that plasma by multi-photon ionization and avalanche ionization that do not correspond to conventional thermal processing conditions It is possible to implement the processing conditions.

펄스의 시간차 조절을 통해 ns 이하의 시간차를 갖는 펄스들을 구현하고 가공에 적용함으로써 다중광자이온화 및 아발란치 이온화 기반의 가공 메커니즘의 효과를 극대화 할 수 있는 효과가 있다.By controlling the time difference of pulses, pulses having a time difference of less than ns are realized and applied to processing, thereby maximizing the effect of multi-photon ionization and avalanche ionization based processing mechanisms.

또한, 펄스 모양 조절기(300)를 통한 다양한 형태의 펄스는 Plasma 가공이 진행되는 동안의 물리적인 여러 단계 중 특정 단계에 광량을 집중시켜 가공 임계점 극복, 가공 정밀도 및 효율 향상 등에 있어서 우수한 특성을 획득할 수 있는 효과가 있다.
In addition, various types of pulses through the pulse shape controller 300 can concentrate the light quantity at a specific stage among physical stages during plasma processing to obtain excellent characteristics in overcoming processing critical points, improving processing precision and efficiency, and the like. It can be effective.

도 1은 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법을 위한 개략적인 구성도와 펨토초 레이저 펄스의 시간차 발생으로 인한 광강도 배치의 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법의 다른 예와 이에 따른 시간영역에서의 광강도 배치의 예를 도시한 도면,
도 3은 반응시간(가로축) 및 광강도(세로축)에 따른 물질의 가공 메커니즘을 나타낸 도면,
도 4는 다중광자이온화에 따른 가공물에서의 Seed Electron의 생성 과정을 나타낸 도면,
도 5는 아발란치 이온화에 따른 Seed Electron의 증폭에 의한 가공과정을 나타낸 도면,
도 6은 다중광자이온화에 따른 가공물에서의 Seed Electron의 생성 과정을 상세히 나타낸 도면,
도 7은 아발란치 이온화에 따른 가공물에서의 Seed Electron의 증폭에 의한 가공과정을 상세히 나타낸 도면,
도 8은 아발란치 이온화에 따른 가공물에서의 Seed Electron의 선형적 증폭에 의한 가공과정을 나타낸 도면,1 is a view showing a schematic configuration for the cutting method by adjusting the light intensity with time of the femtosecond pulse laser according to the present invention and an example of the light intensity arrangement due to the time difference generation of the femtosecond laser pulse,
2 is a view showing another example of a cutting method by adjusting the light intensity over time of the femtosecond pulse laser according to the present invention and an example of light intensity arrangement in the time domain according to the present invention;
3 is a view showing the processing mechanism of the material according to the reaction time (horizontal axis) and light intensity (vertical axis),
4 is a view showing the generation process of Seed Electron in the workpiece according to the multi-photon ionization,
5 is a view showing the processing by amplification of Seed Electron according to avalanche ionization,
6 is a view showing in detail the production process of Seed Electron in the workpiece according to the multi-photon ionization,
7 is a view showing in detail the processing by amplification of Seed Electron in the workpiece according to avalanche ionization,
8 is a view showing the processing by linear amplification of Seed Electron in the workpiece according to avalanche ionization,

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the cutting method by adjusting the light intensity over time of the femtosecond pulse laser according to the present invention.

본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 절단방법에 있어서, 펨토초 펄스 레이저를 이용한 절단방법에 있어서, 적어도 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스를 펄스 딜레이를 이용하여 시간차를 갖도록 별도로 생성시키고, 각각의 펄스가 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization)를 기반으로 가공물의 전자를 여기시키고, 아발란치 이온화(Avalanche Ionization)를 통해 상기 다중광자이온화에서 여기된 전자를 씨드(seed)전자로 하여 물질의 이온화를 증폭시켜 절단하는 것을 특징으로 한다.In the cutting method using a femtosecond pulse laser according to the present invention, In the cutting method using a femtosecond pulse laser, at least two or more femtosecond laser pulses are separately generated to have a time difference using a pulse delay, and each pulse is a multi-photon Excitation of the electrons of the workpiece based on multi-photon ionization, and amplification and cleavage of ionization of the material using electrons excited in the multi-photon ionization as seed electrons through avalanche ionization Characterized in that.

본 발명에 따른 절단방법은, 펨토초 레이저 펄스의 시간차 지연을 통한 2개 이상의 레이저를 이용하여 다중광자 이온화와 아발란치 이온화 현상을 통해 기판을 절단하거나, 펨토초 레이저 펄스의 모양을 조절하여 다중광자 이온화와 아발란치 이온화 현상을 통해 가공물을 효율적으로 절단할 수 있는 절단방법을 제공하고자 하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.Cutting method according to the present invention, by cutting the substrate through the multi-photon ionization and avalanche ionization using two or more lasers through the time difference delay of the femtosecond laser pulse, or by controlling the shape of the femtosecond laser pulse multi-photon ionization The main technical gist of the present invention is to provide a cutting method for efficiently cutting a workpiece through avalanche ionization.

도 1은 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법을 위한 개략적인 구성도와 펨토초 레이저 펄스의 시간차 발생으로 인한 광강도 배치의 예를 도시한 도면이다. 본 발명에 일 예로 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스를 발생시키기 위한 시스템은 펨토초 레이저 소스(100)와 상기 소스에서 출력되는 펨토초 레이저를 두 개로 분리하는 빔스플리터(110)와 빔을 반사시키는 다수의 미러(111), 상기 빔스플리터를 통해 분리된 빔에서 하나의 빔에 대해 상대적 시간 지연을 주기 위한 펄스 딜레이(120)와 분리된 두 개의 빔을 하나의 영역에서 집광하여 가공물(200)에 조사하기 위한 집광렌즈(140)를 포함하여 구성된다.1 is a view showing a schematic configuration for the cutting method by adjusting the light intensity over time of the femtosecond pulse laser according to the present invention and an example of the light intensity arrangement due to the time difference generation of the femtosecond laser pulse. In one embodiment of the present invention, a system for generating two or more femtosecond laser pulses includes a beam splitter 110 for separating a femtosecond laser source 100 and a femtosecond laser output from the source and a plurality of mirrors reflecting beams ( 111), a light condenser for concentrating two beams separated from a pulse delay 120 for giving a relative time delay with respect to one beam in the beam split through the beam splitter in one region to irradiate the workpiece 200. It is configured to include a lens 140.

도 1의 아래에 도시된 바와 같이 적어도 두 개 이상의 펌토초 레이저 펄스를 별도로 생성한 후 가공물 절단을 위해 조사하면 초기 레이저에 의해 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization)를 기반으로 하여 가공물에서의 전자를 여기시키는 작용을 하고 두 번째 펄스에서 아발란치 이온화(Avalanche Ionization)를 통해 상기 과정에서 여기된 전자를 Seed로 하여 선형적으로 물질의 이온화를 증폭시킨다. 즉, 10 fs 이상의 펄스 폭을 가지는 펄스의 경우 가공 메커니즘은 크게 다음의 두 메커니즘으로 구분된다. 초기 10 fs 동안은 비선형 다중광자이온화를 기반으로 가공물에서 전자를 여기시키는 작용을 하게 되며, 둘째 펄스 중에 10 fs 이후의 부분에서는 아발란치 이온화를 통해 초기 10 fs 동안 여기된 전자를 Seed로 하여 선형적으로 물질의 이온화를 증폭시키는 역할을 하게 된다.As shown below in FIG. 1, at least two or more Permtosecond laser pulses are generated separately and irradiated for cutting the workpiece, and electrons in the workpiece are generated based on multi-photon ionization by the initial laser. In the second pulse, avalanche ionization (Avalanche Ionization) is used to amplify the ionization of the material linearly by using the electrons excited in the process as Seed. That is, for pulses with a pulse width of 10 fs or more, the processing mechanism is largely divided into the following two mechanisms. During the initial 10 fs, the electrons are excited in the workpiece based on nonlinear multiphoton ionization.In the second pulse after 10 fs, the electrons excited during the initial 10 fs through avalanche ionization are linear. As a result, they act to amplify the ionization of the material.

상기 빔스플리터에 의해 분리된 두 개의 레이저 펄스에 대해 상대적 시간 지연을 주기 위한 펄스 딜레이(120)로는 음향광변조기(Acousto Optic Modulator), 대즐러(Dazzler), 전자광변조기(Electro Optic Modulator), 액정위상제어기(Liquid Crystal Phase Cotroller), 변형 거울(Deformable Mirror) 및 이들의 조합을 통해 상대적 시간 지연을 준다. 도 1의 아래에 도시에서 보면, 펄스 딜레이를 지난 펄스(105), 펄스 딜레이는 지나지 않는 펄스(106), 펄스 딜레이를 지난 이전 펄스(107) 및 펄스 딜레이를 지나지 않은 이전 펄스(108)에 해당한다. 펄스 딜레이를 지나지 않는 펄스는 적어도 하나 이상의 미러를 통해 집광렌즈로 입사된다.As a pulse delay 120 for giving a relative time delay for the two laser pulses separated by the beam splitter, an acoustic optical modulator, a dazzler, an electro optic modulator, a liquid crystal A relative time delay is achieved through a Liquid Crystal Phase Cotroller, a Deformable Mirror and a combination thereof. In the illustration below in FIG. 1, it corresponds to a pulse 105 past the pulse delay, a pulse 106 past the pulse delay, a previous pulse 107 past the pulse delay, and a previous pulse 108 not past the pulse delay. do. Pulses that do not pass through the pulse delay are incident on the condenser lens through at least one mirror.

도 2는 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법의 다른 예와 이에 따른 시간영역에서의 광강도 배치의 예를 도시한 도면이다. 도 2는 펄스 쉐이퍼(130)를 이용하여 펨토초 레이저 소스에서 출력되는 펄스의 형태를 각각의 메커니즘에서 요구되는 최적의 펄스 폭과 펄스 에너지의 임계값 및 상호 메커니즘 사이의 간격을 위하여 펌스 형태를 조절하여 가공에 필요한 최적의 펄스 형태를 출력함으로써 가공물을 가공한다. 여기서 상기 펄스 쉐이퍼는 앞서 언급한 펄스 딜레이에 적용되는 동일한 구성요소를 적용하여 구현 가능하다.2 is a view showing another example of the cutting method by adjusting the light intensity over time of the femtosecond pulse laser according to the present invention and an example of light intensity arrangement in the time domain accordingly. FIG. 2 illustrates the shape of the pulse output from the femtosecond laser source using the pulse shaper 130 to adjust the shape of the pump for the optimal pulse width and the threshold value of the pulse energy and the interval between the mechanisms. The workpiece is processed by outputting the optimum pulse shape required for processing. Here, the pulse shaper may be implemented by applying the same components applied to the aforementioned pulse delay.

도 3은 반응시간(가로축) 및 광강도(세로축)에 따른 물질의 가공 메커니즘을 나타낸 도면이다. ps(피코초) 이내의 영역에서는 가공물에 대해 열적 가공이 수행되지만, 펨토초 영역을 포함하는 피코초 이상의 레이저 펄스와 1010 W/cm2 이상의 광세기를 가지는 영역에서는 다중광자이온화와 아발란치 이온화 메커니즘으로 가공물을 가공한다.3 is a view showing the processing mechanism of the material according to the reaction time (horizontal axis) and the light intensity (vertical axis). Thermal processing is performed on the workpiece in the region within ps (picoseconds), but multi-photon ionization and avalanche ionization in regions with laser pulses above picoseconds including femtoseconds and light intensity above 10 10 W / cm 2 The workpiece is processed by a mechanism.

도 4는 다중광자이온화에 따른 가공물에서의 Seed Electron의 생성 과정을 나타낸 도면이고, 도 5는 아발란치 이온화에 따른 Seed Electron의 증폭에 의한 가공과정을 나타낸 도면이다. 첫 번째 펄스를 통해 씨드 전자(405)를 생성하고 두 번째 펄스가 상기 씨드 전자를 통해 가공물의 이온화를 증폭시켜 가공물이 가공된다.4 is a view illustrating a process of generating Seed Electron in a workpiece according to multiphoton ionization, and FIG. 5 is a view illustrating a process of amplifying Seed Electron according to avalanche ionization. The first pulse generates seed electrons 405 and the second pulse amplifies the ionization of the workpiece through the seed electrons to process the workpiece.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 도 6은 다중광자이온화에 따른 가공물에서의 Seed Electron의 생성 과정을 상세히 나타낸 도면으로써, 다수의 광자(601)가 입사하면 가공물 원자를 구성하는 원자핵(602)과 전자(603)에 원자를 이온화시켜 하나의 Seed Electron이 생성된다. 즉, 펄스 딜레이를 지나지 않는 선행 펄스에 의해 우선적으로 다중광자이온화를 통해 씨드전자를 생성하게 된다. 도 7은 아발란치 이온화에 따른 가공물에서의 Seed Electron의 증폭에 의한 가공과정을 상세히 나타낸 도면이다.In more detail, FIG. 6 is a view illustrating in detail a process of generating Seed Electron in a workpiece according to multiphoton ionization. When a plurality of photons 601 are incident, an atomic nucleus 602 and an electron ( The atom is ionized in 603 to produce one Seed Electron. That is, seed electrons are first generated through multiphoton ionization by a preceding pulse that does not pass a pulse delay. 7 is a view showing in detail the processing by amplification of Seed Electron in the workpiece according to avalanche ionization.

씨드 전자(702)의 생성 후 후행 펄스, 즉 펄스 딜레이를 지나 입사한 광자(701)로부터 가공물의 내부전자(704)가 이온화되기에 충분한 에너지를 받은 후, 자유전자(706)로 바뀌어 입사한 전자(705)와 함께 가공물(200)로 이동한다. 광자(701)의 에너지를 받아 하나의 입사전자(702)로부터 두 개의 출사전자(705, 706)가 생성되는 아발란치 증폭단계의 메커니즘을 실현하게 된다.After generation of the seed electrons 702, after receiving a sufficient energy for ionization of the internal electrons 704 of the workpiece from the trailing pulse, that is, the photons 701 incident through the pulse delay, the electrons are changed into the free electrons 706 and enter the incident electrons 702. It moves to the workpiece 200 with 705. The mechanism of the avalanche amplification step in which two emission electrons 705 and 706 are generated from one incident electron 702 by the energy of the photon 701 is realized.

도 8은 아발란치 이온화에 따른 가공물에서의 Seed Electron의 선형적 증폭에 의한 가공과정을 나타낸 도면이다. 입사한 단일 전자가 광자(801)로부터 충분한 에너지를 받은 후 가공물과 연이은 반응 과정에서 1개의 전자가 2개로, 2개의 전자가 4개로, 4개의 전자가 8개로 증폭되면서 가공이 이루어진다. 따라서, 시간 지연 또는 펄스 형태 조절을 통해 적어도 두 개 이상의 펄스 폭을 가지는 펨토초 레이저를 조사하여 다중광자이온화 현상과 아발란치 이온화 현상을 통해 가공물을 효율적으로 가공할 수 있는 이점이 있다.8 is a view showing the processing by the linear amplification of Seed Electron in the workpiece by avalanche ionization. After the incident single electron receives sufficient energy from the photon 801, the processing is performed by amplifying one electron into two, two electrons into four, and four electrons into eight during the subsequent reaction with the workpiece. Therefore, there is an advantage that the workpiece can be efficiently processed through the multi-photon ionization phenomenon and the avalanche ionization phenomenon by irradiating a femtosecond laser having at least two pulse widths through time delay or pulse shape control.

이와 같이 구성되는 본 발명은 열적 가공의 문제점을 해소하고 가공 정밀도 및 효율 향상 등 가공물 절단에 우수한 효과가 있다.The present invention constituted as described above has an excellent effect in solving the problem of thermal processing and cutting the workpiece, such as improving the processing precision and efficiency.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. On the contrary, those skilled in the art will appreciate that many modifications and variations of the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.

100 : 펨토초 레이저 소스 110 : 빔스플리터
111 : 미러 120 : 펄스 딜레이
130 : 펄스 쉐이퍼 140 : 집광렌즈
200 : 가공물100: femtosecond laser source 110: beam splitter
111 mirror 120 pulse delay
130: pulse shaper 140: condenser lens
200: workpiece

Claims (9)

펨토초 펄스 레이저를 이용한 절단방법에 있어서,
적어도 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스를 펄스 딜레이를 이용하여 시간차를 갖도록 별도로 생성시키고, 각각의 펄스가 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization)를 기반으로 가공물의 전자를 여기시키고, 아발란치 이온화(Avalanche Ionization)를 통해 상기 다중광자이온화에서 여기된 전자를 씨드(seed)전자로 하여 물질의 이온화를 증폭시키며,
상기 펨토초 레이저 펄스는,
적어도 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스 각각을 펄스 폭, 펄스 에너지 임계값, 펄스간 간격 중 어느 하나 또는 둘 이상을 달리하여 출력되고,
적어도 두 개 이상의 상기 펨토초 레이저 펄스는, 각각 ns 이하의 시간차를 가지며,
상기 펨토초 레이저는,
피코초(ps) 이하의 펄스 폭을 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법.In the cutting method using a femtosecond pulse laser,
At least two femtosecond laser pulses are generated separately with a time difference using a pulse delay, each pulse excites the electrons of the workpiece based on multi-photon ionization, and Avalanche ionization A) to amplify the ionization of the material by using the electrons excited in the multiphoton ionization as seed electrons,
The femtosecond laser pulse,
Each of the at least two femtosecond laser pulses is output by varying any one or two or more of a pulse width, a pulse energy threshold, and an interval between pulses,
At least two or more femtosecond laser pulses, each having a time difference of ns or less,
The femtosecond laser,
Method of cutting through light intensity control over time of a femtosecond pulsed laser, characterized in that it comprises a pulse width of less than picoseconds (ps). 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 펨토초 레이저 펄스는,
음향광변조기(Acousto Optic Modulator), 대즐러(Dazzler), 전자광변조기(Electro Optic Modulator), 액정위상제어기(Liquid Crystal Phase Cotroller), 변형 거울(Deformable Mirror) 중 하나 또는 이들의 조합을 통해 적어도 두 개 이상의 펨토초 레이저 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저의 시간에 따른 광강도 조절을 통한 절단방법.The method of claim 1, wherein the femtosecond laser pulse,
At least two of any one or combination of acoustic optic modulators, dazzlers, electro optic modulators, liquid crystal phase cotrollers, deformable mirrors, or a combination thereof Method for cutting through the light intensity over time of the femtosecond pulsed laser, characterized in that generating more than one femtosecond laser pulse. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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