KR101259580B1 - 펄스 레이저의 분산 조절을 이용한 레이저 가공장치 및 가공방법 - Google Patents

펄스 레이저의 분산 조절을 이용한 레이저 가공장치 및 가공방법 Download PDF

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Abstract

펄스 레이저의 분산을 조절하는 단계, 및 상기 분산이 조절된 펄스 레이저를 가공물에 입사시켜 상기 가공물을 가공하는 단계를 포함하는 레이저 가공방법이 공개된다. 상기 분산은, 상기 가공물 내에서 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 상기 가공물 중 상기 펄스 레이저의 입사 지점을 지난 미리 결정된 지점에서 최소가 되도록 조절된다.

Description

펄스 레이저의 분산 조절을 이용한 레이저 가공장치 및 가공방법{Laser processing apparatus and method using dispersion control of pulse laser}
본 발명은 펄스 레이저를 이용한 레이저 가공장치 및 가공방법에 관한 것으로서, 특히 레이저 펄스의 분산을 조절함으로써 가공깊이를 제어하는 기술에 관한 것이다.
글라스(glass), 실리콘, 세라믹 등의 취성 기판을 절단하여 분리시키기 위해 스크라이빙(scribing), 블레이드 다이싱(blade dicing), 레이저 절단, 스텔스 다이싱(stealth dicing) 및 TLS(Thermal Laser Separation) 등의 방법을 사용할 수 있다. 이 중 스크라이빙과 블레이드 다이싱은 기계적인 절단 방법이고, 스텔스 다이싱과 TLS 방법은 레이저를 이용한 비접촉 절단 방법이다.
기존의 기계적 절단 방법을 사용하여 가공할 때에는, 가공물에 다량의 칩과 잔류 응력을 남기게 되며, 100 um 두께 이하의 박막을 가공할 때에는 심각한 파손이 유발될 수 있다.
기존의 레이저 절단은 열전달을 기반으로 하는 가공 공정이므로, 이로 인한 열부하(thermal load)가 커서, 열영향지대(HAZ: Heat Affected Zone)를 형성하므로 가공물에 금이 가거나 강도를 떨어뜨리는 등의 한계를 갖는다. 또한, 가공물의 레이저 흡수도에 따라 가공 정도가 달라지게 되어, 다양한 재료로 이루어진 다층구조를 절단하는데에 어려움이 있다.
스텔스 다이싱 방법과 TLS 방법은 기판을 표면에서 직접 제거하지 않고, 기판 내부에 변형층을 형성하거나 인장 잔류응력을 발생시켜 기판을 절단하므로 절단 과정에서 파편 또는 입자의 발생을 줄일 수 있다. 그러나 이 역시 열적 공정을 기반으로 하기 때문에, 열영향지대가 형성되며, 잔류응력이 그대로 남아 기판의 특성을 변화시킬 수 있다. 또한, TLS의 경우에는, 열을 냉각시키는 냉각제의 별도 클리닝이 요구된다. 또한, 기존의 광학 기반 가공에서는 빛의 회절한계(diffraction limit)에 의해 가공 정밀도가 제한되는 문제점이 있다.
레이저 가공의 응용 예에 따라, 레이저에 의해 가공물 내부에 형성되는 개질영역을 가공물의 깊이 방향을 따라 연장하여 형성할 필요가 있다. 따라서 가공 위치를 가공물의 깊이 방향을 따라 조절하기 위하여 레이저 집광 렌즈의 초점을 이동시키는 방법이 사용되어 왔다. 그러나 렌즈의 초점을 이동하기 위해서는 렌즈 자체를 기계적으로 이동시켜야 하는데, 이때 렌즈의 이동 속도를 고속으로 제어하기 어렵다. 따라서 가공물의 깊이 방향에 따른 가공 위치를 쉽게 고속 제어할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명에서는 펄스 레이저를 이용하여 가공할 때에 레이저 집광 렌즈의 위치 이동 없이 가공물의 가공 깊이를 제어하고, 가공점의 크기를 작게 만드는 기술을 제공하고자 한다. 그러나, 본 발명의 범위가 상술한 과제에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 펄스 레이저를 이용하여 투명재료, 웨이퍼 및 기판 등을 가공하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 좀 더 상세히는, 가공물의 깊이 방향으로 형성하기 위하여 극초단 펄스 레이저의 분산을 고속으로 제어함으로써 가공물의 가공 지점의 깊이를 조절하는 기술에 관한 것이다. 가공 지점의 깊이를 조절함으로써 예컨대 절취선 형태의 가공 패턴을 형성할 수 있다. 본 발명에 의해 레이저를 이용한 가공물 가공 속도를 향상시킬 수 있다.
극초단 펨토초 펄스 레이저와 같이 짧은 펄스를 갖는 레이저는 넓은 파장대역을 갖는다. 이러한 넓은 파장대역을 포함하는 펄스가 물질을 투과하게 될 경우, 파장에 따라 단파장의 빛과 장파장의 빛이 물질을 통과하는 데는 서로 다른 시간이 소요될 수 있다. 따라서 펨토초 펄스 레이저를 구성하는 파장 성분 간의 물질 내의 진행 시간 차로 인해, 펄스가 물질에 입사된 직후의 펄스 폭에 비해 펄스가 물질을 빠져나올 때의 펄스 폭이 넓어질 수 있다.
극초단 펄스는 재료 내를 전파하면서, 분산 및 처프가 발생하여 펄스 폭이 증가할 수 있다. 이렇게 재료 내에서 발생하는 분산 및 처프를 미리 보상해 줄 경우, 재료 내에서 펄스 폭이 최소화 되는 지점을 조절할 수 있다. 펄스 폭이 최소화 되는 지점에서는 펄스의 첨두출력(펄스 당 출력/펄스폭)이 최대가 되어 효과적인 비선형 흡수 가공이 수행될 수 있다. 펨토초 레이저를 사용하면 비선형 가공 현상에 의하여 재료를 가공할 수 있는데, 기존의 일반 레이저 가공과는 달리, 약 1013W/cm2이상의 높은 광 출력에서만 선택적으로 가공을 수행할 수 있다. 따라서 투명 재료 내의 분산 및 처프를 실시간으로 제어해 줌으로써, 레일레이(Rayleigh) 영역 내에서 가공 지점을 고속으로 제어할 수 있다.
렌즈를 사용하여 빛을 집광할 때에, 기하광학에서는 초점이 한 점에 맺힌다. 이와 비교하여, 빔 광학(Beam Optics)에서는 렌즈로 빛을 집광할 때, 초점이 한 점에 맺히는 것이 아니라, 빛의 진행방향 및 이에 대한 수직면에 걸친 일정 공간 영역에 걸쳐서 분포하게 되는데, 이러한 초점이 분포하는 영역을 레일레이 영역이라고 지칭할 수 있다. 따라서 기하 광학적으로는 초점이 한 점에 형성되는 것이 아니고 실제로는 깊이 방향으로 공간적으로 긴 형태로 분포하기 때문에 펄스 레이저의 첨두 출력이 떨어지게 된다. 본 발명에서는 펄스 레이저의 분산 조절을 통해, 레일레이 영역 내의 일정한 좁은 영역에 광 출력을 집중시킴으로써, 비선형 광학 흡수현상을 강하게 일으켜 가공을 수행할 수 있다.
펄스 레이저의 펄스폭이 10 ps 이하인 극초단 펌토초 펄스 레이저인 경우에는 극초단 펄스의 높은 첨두출력을 이용하여 가공물을 플라즈마 상태로 직접 변화시켜 제거하거나 물질의 상태를 변화시킬 수 있다. 또한 좁은 펄스 폭으로 인해, 주변 물질로 열이 전도되기 전에 모든 가공이 수행되므로, 가공 주변부에 영향을 주지 않는 깨끗하고, 정밀한 가공이 가능하다.
위와 같이 극초단 팸토초 펄스 레이저를 사용하는 경우에는, 기존 레이저 가공에서 요구되는 피가공물의 비결정적 결함전자(Defect Electron)에 의존하지 않고, 비선형 광흡수에 의해 가공이 시작 및 진행되기 때문에, 가공물에 의존하지 않는 결정적 공정(Deterministic)이 가능하여 가공의 제어가 매우 용이하게 된다. 구체적으로 살펴보면, 펨토초 펄스 레이저를 사용한 가공은 광학 브레이크 다운(Optical Breakdown)을 기반으로 한다. 이때 광 에너지가 물질에 전파되고, 이는 다수의 전자를 이온화 시키게 되는데, 그 결과, 에너지가 물질의 래티스(Lattice)로 전달되어, 물질의 상 변화 혹은 구조적 변화를 발생시킬 수 있다. 따라서 레이저 집속 구역에 집중된 굴절률의 변화 및 공동(void)을 생성하기도 한다. 극초단 펄스 앞 단의 수십 펨토 초에 해당하는 시간 동안 비선형 이온화를 통해 시드 전자(Seed Electron) 군이 충분히 생성되며 이를 통해 가공이 시작되고 진행될 수 있다. 따라서 가공 부위의 선택성과 공정의 반복성을 크게 높일 수 있으므로, 실제 응용 분야에 적용에 있어서 매우 유리하다. 또한, 10 fs 이상의 펄스 폭을 가질 경우, 비선형적으로 여기된 전자는 광자를 통한 선형적 흡수 메커니즘을 통해 충분한 에너지를 얻어 다른 속박 전자를 추가 여기시키는 아발란치(Avalanche) 이온화 과정을 발생시켜, 추가적인 가공속도의 향상을 얻을 수 있다.
극초단 펄스 레이저를 사용하는 경우에는 비선형 광흡수 현상에 의해 초점 부근의 부피에만 가공 및 변화를 집중시킬 수 있어서, 가공 정밀도를 높일 수 있으며 주변 영역에 응력변화를 최소화할 수 있다. 그리고 비선형 광흡수 현상은 피가공 물질의 물성에 의존하지 않기 때문에 다양한 피가공물의 가공이 가능하며, 특히 서로 다른 다양한 물질들의 조합 및 층으로 구성된 가공물을 단일 레이저로 용이하게 가공할 수 있다는 장점을 갖는다.
펄스 폭이 비교적 넓은 펄스 레이저를 사용하여 재료를 가공하는 경우에는, 첨두출력을 높이는 것이 어렵기 때문에 비선형 광학흡수 현상에 의한 가공을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 레이저 펄스의 재료 내에서의 분산에 의한 펄스 폭의 변화량이 원래 펄스 폭에 비해 상대적으로 작으므로, 펄스 폭을 줄임으로써 펄스의 첨두출력을 일정 수준 이상으로 높이는 것이 쉽지 않다.
펨토초 레이저와 같이 좁은 펄스 폭을 가지는 레이저는, 파장대역이 넓으므로 물질 내에서 생기는 파장대역 별 시간 차가 상당히 크다. 따라서, 좁은 펄스 폭을 가지는 레이저는 물질을 통과할 때 생기는 분산량에 의해서도 펄스 폭이 급격히 변화할 수 있다. 그러나, 피코초 혹은 나노초 레이저와 같이, 상대적으로 넓은 펄스 폭을 가지는 레이저의 경우, 파장대역이 상대적으로 좁으므로, 물질 내에서 생기는 파장대역 별 시간차가 크지 않기 때문에, 물질 내의 분산에 의해서는 펄스 폭이 거의 변화하지 않기 때문에, 이를 깊이방향의 가공특성 제어에 사용하는 것이 어렵다.
기존의 펨토초 레이저 공진기 관련 기술에서는 프리즘 및 회절격자 군을 레이저 공진기 내에 위치시켜 펄스의 분산을 보상함으로써 좁은 폭의 펄스를 생성한다. 이는 PZT 등의 기계적 구동장치를 기본으로 하므로 일반적으로 10 kHz 이상의 고속제어가 불가능하다는 한계점이 있다. 또한, 분산을 공진기 내에서 보상하기 때문에 분산을 변화시키는 도중에 레이저의 안정적인 발진특성을 깨뜨릴 수 있으므로, 안정성에 관한 문제가 발생할 수 있다. 또한, 기존의 기술에서는, 가공 목적과는 상관 없이, 레이저에서 나오는 출력 펄스 폭을 최소화하기 위해 프리즘 및 회절격자 군을 사용한다. 그리고 레이저 공진기 내에서는 펄스가 여러 번 왕복하게 되므로, 프리즘 및 회절격자의 정렬이 조정되게 되면 공진기 내 분산 뿐 아니라, 안정적인 펄스의 모드 잠금 조건이 깨어진다거나 펄스의 광출력 역시 변화하게 되어, 분산량 만이 아닌 다수의 조건이 변할 수 있다.
이에 비해 본 발명의 일 실시예와 같이 펄스의 특성을 공진기 외에서 조절할 경우, 펄스의 다른 특성들은 변화시키지 않으면서, 분산량만을 순수하게 조절하여, 가공물 내에서 펄스 폭을 최소화 할 수 있다.
펄스의 분산을 조절할 때, PZT와 같은 기계적 이송수단을 사용하게 되면, 거울의 질량과 PZT의 고유 진동수 등을 고려할 때, 가능한 분산의 제어 주파수는 10 kHz 이하로 제한될 수 있다. 이에 비해, 음향광변조기 혹은 전자광변조기를 사용하게 될 경우, 이들은 기계적 구동이 아닌 라디오파 대역의 모듈레이션에 의해 펄스의 분산을 조절하므로, 이러한 주파수 제한 없이, 10 kHz 이상의 높은 주파수 대역에서 분산의 조절을 할 수 있고, 이를 통해 펄스 폭의 최소화가 가능하다.
본 발명은 레이저 외부에 고속으로 펄스의 분산 보상이 가능한 음향광변조기, 전자광변조기 또는 액정위상제어기를 설치함으로써, 기존에 불가능하던 10 kHz 부터 수십 MHz 까지의 분산 보상 주파수를 안정적으로 구현할 수 있는 방법을 포함한다.
기존 기술에 따르면, 초점의 레일레이 영역에 걸쳐 전반적으로 가공이 수행된다. 그러나, 본 발명에 따라 가공물 혹은 초기 분산량을 주는 물질 내부의 분산을 이용하여 펄스의 첨두 출력을 조절함으로써, 가공점이 레일레이 영역보다 작게 되도록 미세하게 조정할 수 있다. 또한 이러한 가공점의 고속제어를 통해 절취선 형태의 가공 안내선 혹은 안내면을 생성함으로써 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 가공 정도 또한 높일 수 있다.
기존의 레이저 가공 기술에서는 가공점의 깊이 방향의 제어를 위해, 집속 렌즈 혹은 가공물에 부착된 스테이지를 기계적으로 이송시키므로 빠른 제어가 어렵다. 그러나 본 발명에 따른 장치 및 방법을 사용하면, 가공점의 깊이 방향 제어를 빠르게 수행할 수 있고, 가공점의 크기를 더 작게 줄일 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 레이저 가공방법이 제공된다. 이 방법은 펄스 레이저를 출력하는 단계, 상기 펄스 레이저의 분산을 조절하는 단계, 및 상기 분산이 조절된 펄스 레이저를 가공물에 입사시켜 상기 가공물을 가공하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 가공물 내에서, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 상기 가공물 중 상기 펄스 레이저가 입력되는 지점을 지난 미리 결정된 지점에서 최소가 된다. 즉, 상기 가공물 중 상기 펄스 레이저가 입사되는 지점을 제외한 지점 중 미리 결정된 지점에서 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 최소가 된다. 이 미리 결정된 지점은, 상기 가공물 중 상기 펄스 레이저가 출력되는 지점을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 레이저 가공장치는, 펄스 레이저의 분산을 조절하는 단계, 및 상기 분산이 조절된 펄스 레이저를 가공물에 입사시켜 상기 가공물을 가공하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 분산은, 상기 가공물 내에서 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 상기 가공물 중 상기 펄스 레이저의 입사 지점을 지난 미리 결정된 지점에서 최소가 되도록 조절된다.
이때, 상기 가공하는 단계에서, 상기 펄스 레이저는 렌즈를 통해 상기 가공물에 입사되고, 상기 가공은 상기 렌즈의 레일레이 영역 내의 상기 미리 결정된 지점에서 수행될 수 있다.
이때, 상기 미리 결정된 지점은 상기 조절된 분산에 의해 결정될 수 있다.
이때, 상기 분산을 조절하는 단계에서 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 증가될 수 있다.
이때, 상기 분산의 조절은 음향광변조기(Acousto Optic Modulator)를 포함하는 분산 제어부에 의해 수행될 수 있다.
이때, 상기 분산의 조절은 액체위상제어기(Liquid Crystal Phase Controller)를 포함하는 분산 제어부에 의해 수행될 수 있다.
이때, 상기 분산의 조절은 프리즘 또는 회절격자를 포함하는 분산 제어부에 의해 수행될 수 있다.
이때, 상기 가공하는 단계 이후에, 상기 미리 결정된 지점을 경계로 상기 가공물을 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 레이저 가공방법이 제공된다. 이 방법은, 제1 펄스 레이저를 출력하는 단계 ,상기 제1 펄스 레이저의 분산을 조절하는 제1 분산 조절 단계, 상기 분산이 조절된 제1 펄스 레이저를 가공물에 입사시켜 상기 가공물을 가공하는 단계, 제2 펄스 레이저를 출력하는 단계, 상기 제2 펄스 레이저의 분산을 조절하는 제2 분산 조절 단계, 및 상기 분산이 조절된 제2 펄스 레이저를 가공물에 입사시켜 상기 가공물을 가공하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 가공물 내에서, 상기 제1 펄스 레이저의 펄스 폭은 상기 가공물 중 상기 제1 펄스 레이저가 입력되는 지점을 지난 미리 결정된 제1 지점에서 최소가 되고, 상기 제2 펄스 레이저의 펄스 폭은 상기 가공물 중 상기 제2 펄스 레이저가 입력되는 지점을 지난 미리 결정된 제2 지점에서 최소가 된다. 여기서, 제1 지점과 제2 지점은 서로 다른 지점이다. 제1 지점과 제2 지점은 서로 불연속적으로 형성될 수 있다. 즉, 이 방법에 의해 가공물의 깊이 방향으로 절취선 형태의 불연속 패턴이 형성될 수 있다. 또한, 제1 펄스 레이저의 첨두 출력과, 제2 펄스 레이저의 첨두 출력을 서로 다르게 제어함으로써 가공물의 깊이 방향으로 크기가 서로 다른 절취선 형태의 불연속 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 레이저 가공장치가 제공된다. 이 장치는, 펄스 레이저를 발생하는 펄스 레이저 발생장치, 및 상기 펄스 레이저의 분산을 제어하는 분산 제어장치를 포함하며, 상기 가공물 내에서, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 상기 가공물 중 상기 펄스 레이저가 입력되는 지점을 지난 미리 결정된 지점에서 최소가 된다.
이때, 상기 레이저 가공장치는, 초점의 적어도 일부가 상기 가공물 내에 위치하도록 배치된 렌즈를 더 포함하 수 있다.
이때, 상기 분산 제어장치는 음향광변조기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 분산 제어장치는 액체위상제어기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 분산 제어장치는 전자광변조기(Electro-Optic Modulator), 프리즘, 및 회절격자 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 펄스 레이저는 렌즈를 통해 상기 가공물에 입사되고, 상기 가공물의 가공은 상기 렌즈의 레일레이 영역 내의 상기 미리 결정된 지점에서 수행될 수 있다.
이때, 상기 미리 결정된 지점은 상기 제어된 분산에 의해 결정될 수 있다.
이때, 상기 분산 제어장치에 의해 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 증가될 수 있다.
상술한 본 발명의 각 양상에 있어서, 상기 미리 결정된 지점은 상기 레일레이 영역보다 작을 수 있다.
상술한 본 발명의 각 양상에 있어서, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 상기 입력되는 지점부터 상기 미리 결정된 지점까지 줄어들다가, 상기 미리 결정된 지점부터 상기 펄스 레이저가 상기 가공물로부터 출력되는 지점까지 다시 증가될 수 있다.
상술한 본 발명의 각 양상에 있어서, 상기 가공물 중 상기 미리 결정된 지점을 제외한 지점에서는 상기 펄스 레이저의 첨두 출력이 상기 가공을 위해 필요한 가공 임계값보다 작을 수 있다.
상술한 본 발명의 각 양상에 있어서, 상기 미리 결정된 지점에서 상기 펄스 레이저의 첨두출력은 1013W/cm2 이상일 수 있다.
상술한 본 발명의 각 양상에 있어서, 상기 펄스 레이저에 의해 가공되는 가공영역의 크기는 상기 펄스 레이저의 첨두 출력에 의해 결정될 수 있다.
상술한 본 발명의 각 양상에 있어서, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 10 ps 이하일 수 있다.
상술한 본 발명의 각 양상에 있어서, 가공물 내에 절취선 형태의 불연속 패턴을 형성한 후에, 기계적, 열적 응력, 또는 초음파 진동 등을 통해 가공물을 절단하거나 가공할 수 있다.
본 발명에 따르면 펄스 레이저를 이용하여 가공할 때에 레이저 집광 렌즈의 위치 이동 없이 가공물의 가공 깊이를 제어하고, 가공점의 크기를 작게 만드는 기술을 제공할 수 있다. 본 발명에 따르면, 가공물 내에 절취선 형태의 가공패턴을 형성함으로써, 재료의 절단 속도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 가공물의 절단 방향을 정확히 안내함으로써, 가공물의 절단 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 가공물의 표면에 가까운 부분일수록 미세한 개질부를 형성시켜 미세한 가공 패턴을 형성함으로써 가공물의 절단시 표면의 매끄러움을 향상시킬 수 있다. 또한, 가공물에 절취선 형태의 가공 패턴을 형성함으로써 절단 시에 요구되는 기계적, 열적 응력, 또는 초음파 진동의 양을 줄임으로써, 가공물에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 범위가 상술한 효과에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 1은 레이저 가공장치의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치를 나타낸다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 지점 변경의 원리를 설명한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성할 수 있는 가공물 내의 개질부에 대해 설명하기 위한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 분산 제어부의 일 예를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 분산 제어부의 다른 예를 나타낸 것이다.
본 명세서에는 본 발명의 실시예들을 제공하기 위한 참조번호가 제공된다. 이 참조번호는 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 도시되어 있으며, 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 참조번호를 갖는다. 발명의 상세한 설명에서 참조번호는 괄호 안에 표시된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 대하여 상세하게 설명한다. 이하의 구체적인 실시예는 본 발명에 따른 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 레이저 가공장치의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 레이저 가공장치(1)는 레이저 발생장치(100), 미러(101), 및 렌즈(102)를 포함할 수 있다. 레이저 발생장치(100)로부터 나온 레이저(107)는 렌즈(102)를 통해 가공물(103)에 입사될 수 있다. 렌즈(102)의 초점(500)은 레이저(107)의 회절한계 및 렌즈(102)의 크기에 의해 하나의 점으로 정의되지 않고 렌즈(102)의 축을 따라 연장되는 일정한 공간(즉, 레일레이 영역)으로 정의될 수 있다. 도 1에서는 초점(500)이 z 방향을 따라 연장되는 공간에 형성될 수 있으며, 초점(500)은 x-y 평면을 따르는 면적을 가질 수 있다. 초점(500)의 전부 또는 일부는 가공물(103)에 위치할 수 있다. 레이저(107)의 광 강도가 초점(500)에서 강하기 때문에 가공물(103)의 가공은 초점(500)에서 일어날 수 있다. 따라서 가공의 크기는 초점(500)의 크기에 의해 결정될 수 있고, 초점(500)의 크기를 최대한 줄임으로써 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.
렌즈(102)를 z 방향(105)으로 기계적으로 이동시키거나, 가공물(103)을 z 방향(106)으로 기계적으로 이동시킴으로써 초점(500)의 위치를 가공물(103) 내에서 z 방향(104)으로 조절할 수 있다. 그런데 이러한 기계적 이동 속도를 높이는 데에는 한계가 있기 때문에 가공되는 지점의 위치를 고속으로 제어하는 것이 어렵다. 이러한 문제점을 본 발명에 의해 해결할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치(1)를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 레이저 가공장치(1)는 도 1에 따른 레이저 가공장치에 분산 제어부(201)를 더 포함할 수 있다. 분산 제어부(201)는 레이저 발생장치(100)의 내부에 포함되거나 또는 레이저 발생장치(100)의 외부에 포함될 수 있다. 분산 제어부(201)가 레이저 발생장치(100)의 외부에 포함되는 경우에는, 레이저(107)의 분산만을 제어하고 다른 특성을 바꾸지 않을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 분산 제어부(201)가 레이저 발생장치(100)의 내부에 포함되는 경우에는 레이저(107)의 분산을 변경하기 위해 레이저(107)의 다른 특성까지 변경되는 단점이 있을 수 있다. 레이저 가공장치(1)는, 도 1과는 달리, 가공물(103)의 가공지점을 변경하기 위해 렌즈(102) 또는 가공물(103)을 기계적으로 이동시키지 않아도 된다. 가공물(103)의 가공지점은 펄스 레이저(107)의 분산을 분산 제어부(201)를 사용하여 제어함으로써 이동시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 깊이 조절의 원리를 설명한 것이다.
도 3의 펄스 레이저(700)는 레이저 발생장치(100)로부터 출력된 레이저(107)로서, 분산 제어부(201)에 의해 분산이 조절되지 않은 것을 나타낸다. 펄스 레이저(700)는 z 방향으로 진행한다. 도 3의 (a)를 참조하면, 펄스 레이저(700)는 펄스 폭(W)으로 가공물(103)에 입사할 수 있다. 이때, 펄스 레이저(700)는 두 개 이상의 파장(701, 702)을 포함할 수 있다. 도 3 내지 도 5에서는 편의를 위해 하나의 펄스 레이저(700)를 두 개의 파장(701, 702)으로 대체하여 도시하였으나, 이보다 더 많은 파장을 포함할 수 있다.
빛이 어떤 물질에 입사하였을 때에 그 매질의 성질에 따라 파장별 진행속도에 차이가 존재할 수 있다. 도 3에서 파장(701)의 진행속도가 파장(702)의 진행속도보다 느린 것으로 표시하였다. 도 3의 (b)와 같이 펄스 레이저(700)가 가공물(103)에 입사할 당시의 펄스 레이저(700)의 폭(W0)은 파장(701) 및 파장(702)의 폭(W)과 동일하다. 그러나 가공물(103) 내에서의 파장(701)과 파장(702)의 속도 차이로 인해, 펄스 레이저(700)가 가공물(103) 내를 진행할 때에 펄스 레이저(700)의 펄스 폭은 점점 길어지게 된다(W0<W1<W2<W3). 따라서, 가공물(103) 내에서 펄스 레이저(700)의 첨두 출력이 가장 강한 곳은 가공물(103)의 레이저 입사 표면이다. 이하 본 발명의 일 실시예에 따라 레이저의 첨두 출력이 가장 강하게 나타나는 지점의 깊이를 조절하는 원리에 대해 설명한다.
도 4의 (a)의 펄스 레이저(700)는 레이저 발생장치(100)로부터 출력된 레이저(107)로서, 분산 제어부(201)에 의해 분산이 조절된 것을 나타낸다. 펄스 레이저(700)는 z 방향으로 진행한다. 펄스 레이저(700)를 구성하는 파장(701)과 파장(702)의 분산이 조절되었기 때문에, 도 3과 비교해 보았을 때에 펄스 레이저(700)의 폭이 넓어진 것을 확인할 수 있다. 도 4의 (b), (c), (d), (e)를 살펴보면, 펄스 레이저(700)가 가공물(103)에 입사하는 당시에는 파장(702)의 위상이 파장(701)의 위상에 비해 뒤쳐저 있지만, 가공물(103) 내에서의 파장(702)의 속도가 파장(701)의 속도보다 빠르기 때문에, 깊이(d1)에서는 파장(701)과 파장(702)의 위상이 동일하게 됨을 확인할 수 있다. 따라서, 펄스 레이저(700)의 펄스 폭은 깊이(d1)에서 가장 짧게 되어, 이 위치에서 펄스 레이저(700)의 첨두 출력이 최대가 될 수 있다. 깊이(d1)보다 깊은 위치에서는 파장(702)의 위상이 파장(701)의 위상보다 앞서 펄스 레이저(700)의 펄스 폭이 다시 증가된다. 도 4에서 펄스 레이저(700)의 폭은 가공물(103) 내에서 W0>W1>W2, W2<W3의 관계를 갖는다.
도 5의 (a)의 펄스 레이저(700)는 레이저 발생장치(100)로부터 출력된 레이저(107)로서, 분산 제어부(201)에 의해 분산이 조절된 것을 나타내는데, 도 4의 펄스 레이저에 비해 분산이 더 커진 것을 나타낸다. 도 4와 마찬가지 방식으로, 펄스 레이저(700)의 폭은 가공물(103)의 깊이(d2)에서 최소가 되는데, 도 4의 깊이(d1)보다 도 5의 깊이(d2)가 더 깊은 것을 알 수 있다.
도 3 내지 도 5의 설명에서 확인한 바와 같이 펄스 레이저(700)의 분산을 조절함으로써, 가공물(103) 내에서 펄스 레이저(700)의 첨두 출력이 최대가 되는 깊이를 조절할 수 있다. 펄스 레이저의 분산을 조절한다는 것은, 펄스 레이저를 구성하는 각 파장들 간의 상대적인 위상 관계를 조절하는 것으로 볼 수 있다. 일반적으로 펄스 레이저를 구성하는 각 파장들 간의 위상이 일치할 때에 가장 강한 peak-to-peak 값을 갖는 펄스 레이저가 발생할 수 있다.
도 4의 (d), 도 5의 (d)의 위치에서는 펄스 레이저(700)의 첨두 출력이 가공물(103) 내에 비선형 광학현상을 유발할 정도로 강한 값을 가지지만, 그 외의 깊이에서는 펄스 레이저(700)의 첨두 출력이 가공물(103) 내에 비선형 광학현상을 유발할 정도로 강한 값을 갖지 않도록 제어할 수 있다. 또한, 도 4의 (d)와 도 5의 (d)에서 펄스 레이저(700)의 폭(W2)은 렌즈(102)의 레일레이 영역의 렌즈 축 방향 길이에 비해 작을 수 있다. 즉, 펄스 레이저(700)는 상술한 레일레이 영역을 통해 진행하다가, 레일레이 영역의 일 지점(d1 또는 d2)에서 최대의 첨두 출력을 나타낼 수 있다. 따라서 레일레이 영역 전체에서 가공이 일어나는 것이 아니라, 레일레이 영역 중 펄스 레이저가 최대의 첨두 출력을 나타내는 일부분에서만 가공이 일어나게 제어할 수 있다. 이와 같은 방법을 사용하면, 레일레이 영역의 크기를 줄이기 위해 렌즈(102)의 특성을 향상시키는 노력을 줄일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성할 수 있는 가공물 내의 개질부에 대해 설명하기 위한 것이다.
도 6의 (a)는 도 1과 같이 렌즈(102)의 초점(500)을 렌즈(102)를 기계적으로 이동시킴으로써 형성한 가공물(103) 내의 개질부(300)를 나타낸 것이다. 렌즈(102)의 이동이 느리기 때문에 z 방향으로 길게 형성된 개질부(300)가 형성된다.
도 6의 (b) 및 (c)는 상술한 본 발명의 실시예에 의해 형성될 수 있는 개질부(400, 401, 402)를 나타낸다. 개질부(400)는 어레이(array) 형태로 형성될 수 있는데, 이러한 가공 패턴은 도 2의 분산 제어부(201)에서 펄스 레이저(107)의 분산량을 조절함으로써 만들어 낼 수 있다. 예를 들어, 펄스 레이저(107)의 제1 펄스의 분산량을 Δ만큼 조절하고, 제2 펄스의 분산량을 2Δ만큼 조절함으로써 불연속적이며 서로 다른 깊이에 존재하는 일련의 개질부(400)를 형성할 수 있다. 여기서 Δ의 크기가 충분히 크지 않다면 연속적인 개질부를 만들어 낼 수도 있다. 도 6의 (c)와 같이 개질부(401)와 개질부(402)의 크기를 서로 다르게 형성할 수 있다. 이는 레이저 발생장치(100)로부터 출력되는 펄스 레이저(107)의 각 펄스의 첨두 출력 또는 펄스 폭을 조절하면서 분산 제어부(201)에 의해 분산을 함께 제어함으로써 제어할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 분산 제어부의 일 예를 나타낸 것이다.
도 7은 분산 제어부(201)로서 음향광변조장치(501)를 사용한 것을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 고속 분산 제어를 위한 음향광변조장치(501)가 레이저 발생장치(100)와 가공물(103) 사이에 배치될 수 있다. 여기서 렌즈(102)는 생략되었으나, 음향광변조장치(501)와 가공물(103) 사이에 배치될 수 있다. 레이저 발생장치(100)로부터 출력된 펄스 레이저(107)는 음향광변조장치(501)를 통과하기 이전에는 펄스 폭(511)을 갖지만, 음향광변조장치(501)를 통과하면서 증가된 펄스 폭(512)을 갖게 되며 첨두 출력은 떨어지게 된다. 증가된 펄스 폭(512)을 갖는 펄스 레이저(107)는 가공물(103)로 입사되면서, 파장 별 진행 속도의 차이에 의해 펄스 폭이 변화된다(513 < 514 > 515). 펄스 레이저(107)의 펄스 폭이 최소 펄스 폭(514)에 도달하는 지점에서만 비선형 광학현상에 의한 가공이 발생하도록 펄스 레이저(107)의 첨두 출력을 조절해 놓을 수 있다. 즉, 레이저 발생장치(100)에서는 가공물(103) 내에서 비선형 광학현상을 일으키기 위한 임계 첨두출력(521)보다 큰 첨두출력(A1)을 갖는 펄스 레이저(107)를 생성할 수 있다. 이때, 레이저 발생장치(100)로부터 출력된 펄스 레이저(107)의 첨두출력(A1)과 임계 첨두출력(521)의 차이 값(δ)에 의해 개질부(502)의 크기(즉, 레이저 진행방향의 길이)가 결정될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 즉, 도 6의 (c)에 도시한 개질부(401, 402)의 크기 차이는 레이저 발생장치(100)로부터 출력된 펄스 레이저(107)의 첨두출력(A1)과 임계 첨두출력(521)의 차이 값(δ)에 의해 조절할 수 있다. 위와 같이, 펄스 레이저(107)의 펄스 폭이 가공물(103) 내의 가공하고자 하는 점에서 최소화 되어 정밀 가공이 수행 되도록 하고, 또한 펄스 레이저(107)의 펄스 첨두출력이 가공물(103) 내의 가공하고자 하는 점 부근에서만 가공 임계치(Threshold)를 넘어 가공이 수행되도록 할 수 있다. 이때, 가공물(103) 내의 가공을 원치 않는 영역에서는 펄스 레이저(107) 펌스 첨두출력이 가공 임계치(Threshold)를 넘어서지 않도록 할 수 있다.
여기서, 음향광변조장치(501), 즉 분산 제어부(201)는 펄스 레이저(107)로 하여금 가공물(103) 내부에서 생성되는 분산과 반대의 분산을 겪도록 하는 역할을 한다. 이러한 반대의 분산은 펄스 레이저(107)가 가공물(103)을 통과하는 도중에 가공물(103)의 분산에 의해 보상되며, 가공물(103) 내에서 펄스 레이저(107)의 첨두 출력이 최대가 되는 지점에서 분산은 최적으로 보상된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 분산 제어부의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 8에서는 분산 제어부(201)가 액체위상제어장치(600)를 포함한 예를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 분산 제어부(201)는 입사거울(601), 파장별로 서로 다른 광경로를 부여하기 위한 회절격자(602), 회절격자를 지나 산개된 파장성분들을 액체위상제어기로 입사시키는 렌즈(603), 파장성분별 광강도 및 위상을 조절해 주는 액체위상제어기(604), 액체위상제어기를 지나 산개된 파장성분들을 회절격자로 입사시키는 렌즈(605), 파장별로 서로 다른 광경로를 겪은 빔들을 합쳐주는 회절격자(606), 및 출력거울(607)을 포함할 수 있다. 도 8에 의한 분산 제어부는 도 7에 의한 분산 제어부와 기본적으로 유사한 기능을 하므로 도 7과 중복되는 내용의 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 실시예에서, 분산 제어부(201)로서 전자광변조기(Electro-Optic Modulator)를 사용할 수 있다. 또한 펄스 레이저의 분산 및 처프의 미세제어를 위해 프리즘 쌍, 회절격자 쌍을 함께 적용할 수 있다. 또한, 분산 제어부(201)를 구성하기 위하여 상술한 다양한 방법들을 조합할 수 있다.
본 발명의 각 실시예에서 설명한 분산 제어부(201)는 펄스 레이저의 분산 및/또는 처프를 제어할 수 있다.
본 발명의 각 실시예에서 가공물 내에서 펄스 레이저의 펄스 폭이 최소가 되는 지점은 렌즈의 레일레이 영역에 속할 수 있다.
발명의 상세한 설명은 본 발명의 실시예들을 설명하도록 의도된 것이며, 본 발명에 따라 구현될 수 있는 유일한 실시예를 나타내기 위한 것은 아니다. 본 발명의 상세한 설명은 본 발명의 용이한 이해를 위하여 특정용어를 사용하여 서술될 수 있다. 그러나 본 발명의 이러한 특정용어에 의해 제한되도록 의도한 것은 아니다. 따라서, 상술한 본 발명의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다.
상술한 실시예들은 각각 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것이다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 본 발명의 사상에 반하지 않는다면 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응되는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
당업자는 본 발명의 실시예에서 개시된 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다.
본 발명의 범위는 특허청구범위 합리적 해석을 고려하여 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명의 기술 분야에 속하는 기술자라면 본 발명의 실시예들 및 특허청구범위로부터 본 발명의 사상을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
1: 레이저 가공장치 100: 레이저 발생장치
101: 미러 102: 렌즈
103: 가공물 107: 레이저
201: 분산 제어부 300, 400~402: 개질부
501: 음향광변조장치 503: 개질부
511~515: 레이저 펄스 521: 임계 첨두출력
604: 액체위상제어장치 700: 펄스 레이저
701: 제1 파장 702: 제2 파장

Claims (15)

  1. 펄스 레이저의 분산을 조절하는 단계; 및
    상기 분산이 조절된 펄스 레이저를 가공물에 입사시켜 상기 가공물을 가공하는 단계
    를 포함하며,
    상기 분산은, 상기 가공물 내에서 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 상기 가공물 중 상기 펄스 레이저의 입사 지점을 지난 미리 결정된 지점에서 최소가 되도록 조절되어 있으며,
    상기 미리 결정된 지점은 상기 조절된 분산에 의해 결정되는,
    레이저 가공방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가공하는 단계에서, 상기 펄스 레이저는 렌즈를 통해 상기 가공물에 입사되고, 상기 가공은 상기 렌즈의 레일레이 영역 내의 상기 미리 결정된 지점에서 수행되는, 레이저 가공방법.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 상기 미리 결정된 지점은 상기 레일레이 영역보다 작은, 레이저 가공방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분산을 조절하는 단계에서 상기 펄스 레이저의 펄스 폭이 증가되는, 레이저 가공방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 상기 입사 지점부터 상기 미리 결정된 지점까지 줄어들다가, 상기 미리 결정된 지점부터 상기 펄스 레이저가 상기 가공물로부터 출력되는 지점까지 다시 증가되는, 레이저 가공방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 펄스 레이저에 의해 가공되는 가공영역의 크기는 상기 펄스 레이저의 첨두 출력에 의해 결정되는, 레이저 가공방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 지점에서 상기 펄스 레이저의 첨두출력은 1013W/cm2 이상인, 레이저 가공방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 10 ps 이하인, 레이저 가공방법.
  10. 삭제
  11. 펄스 레이저를 발생하는 펄스 레이저 발생장치; 및
    상기 펄스 레이저의 분산을 제어하는 분산 제어장치
    를 포함하며,
    가공물 내에서, 상기 펄스 레이저의 펄스 폭은 상기 가공물 중 상기 펄스 레이저의 입력 지점을 지난 미리 결정된 지점에서 최소가 되며,
    상기 미리 결정된 지점은, 상기 펄스 레이저의 분산을 제어하는 상기 분산 제어장치에 의해 제어된 분산에 의해 결정되는,
    레이저 가공장치.
  12. 제11항에 있어서, 초점의 적어도 일부가 상기 가공물 내에 위치하도록 배치된 렌즈를 더 포함하는, 레이저 가공장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 분산 제어장치는 음향광변조기를 포함하는, 레이저 가공장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 분산 제어장치는 액체위상제어기를 포함하는, 레이저 가공장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 분산 제어장치는 전자광변조기(Electro-Optic Modulator), 프리즘, 및 회절격자 중 하나 이상을 포함하는, 레이저 가공장치.
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