KR101259982B1

KR101259982B1 - 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101259982B1
Application number: KR1020090091300A
Authority: KR
Inventors: 박승철; 배진수
Original assignee: (주)티엔스; 한국산업기술대학교산학협력단
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2013-06-03
Also published as: KR20110033711A

Abstract

본 발명에 의한 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템은 엑시머 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기; 발진된 상기 엑시머 레이저 빔이 투과되는 다수의 마스크가 배열되는 마스크 블록; 상기 마스크 블록 내의 마스크 하단에 배치되고 상기 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 측정하는 측정 블록; 측정된 출력값 중 최대 출력값에 상응하는 상기 마스크 블록의 위치 정보를 확인하고 확인된 상기 위치 정보를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 출력하는 관리자 단말기; 및 출력된 상기 제어 신호를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하는 제어 블록을 포함한다. 이를 통해, 본 발명은 작업 공정의 시간을 줄이고, 가공 효율을 증대시키며, 시스템 성능에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

엑시머 레이저, 마이크로머시닝, 마스크, 파워미터

Description

엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템 및 그 제어 방법{micromachining system using excimer laser beam and control method thereof}

본 발명은 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

지금까지의 산업기술의 발달은 대규모 플랜트의 개발, 대형 기계의 개발 등 거대화를 추구해왔다. 그러나 최근 환경에 대한 의식이 달라지면서 에너지의 소비를 줄이고 공간을 작게 차지하면서 고기능을 갖춘 기계에 대한 필요성이 증대하여 미세화(micronization)에 대한 연구가 폭넓게 이루어지고 있는 실정이다.

특히, 마이크로미터(micrometer)에서 서브-밀리미터(sub-millimeter) 단위인 미세 부품으로 구성된 고기능의 시스템을 마이크로 머신(micro machine)이라고 하는데, 그 마이크로 머신을 구성하는 미세 부품을 제작하는 마이크로머시닝 시스템이 필요하다.

이러한 마이크로머시닝 시스템에는 자외선 영역의 빛을 고출력으로 발진하는 레이저를 일컫는 엑시머 레이저가 사용된다. 엑시머 레이저는 진공용기 중에서 불소와 아르곤 또는 불소와 크립톤 등 두 가지 원소를 혼합해 기체를 봉입, 발진시키 는 가스레이저의 일종인데, 원소는 보통상태에서는 결합해서 화합물을 만들지 않으나 방전이나 전자빔 등으로 자극하면 극히 불안정한 화합물을 만들 수 있다. 이를 익사이티드 다이머라 하는데 극히 불안정한 물질 상태이기 때문에 곧 붕괴되면서 자외선을 방출한다.

이러한 발광현상을 이용하여 레이저를 발진시키는 것이 엑시머 레이저로서 파장이 고른 아름다운 자외선 영역의 빛을 강력히 방출할 수 있는 것이 특징이다.

그러나 엑시머 레이저는 빔의 모양, 광축의 위치가 환경 온도와 가스 압력 등 외부 또는 내부 요인으로 인해 항상 일정한 광축을 가지지 못한다. 이로 인해 엑시머 레이저를 이용하는 마이크로머시닝 시스템에서 작업자가 마스크를 변경할 때마다 광축을 새로 확인해야 해서 작업 공정 시간이 매우 늘어나는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 서로 다른 모양의 마스크를 직렬 어레이 방식으로 배치하고 마스크의 뒷단에 센서를 설치하여 이를 통해 마스크를 통과한 레이저 빔의 출력 변화에 따라 마스크의 최적 위치를 판단함으로써, 작업 공정의 시간을 줄일 수 있도록 하는 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 서로 다른 모양의 마스크를 직렬 어레이 방식으로 배치하고 마스크의 뒷단에 센서를 설치하여 이를 통해 마스크를 통과한 레이저 빔의 출력 변화에 따라 마스크의 최적 위치를 판단함으로써, 가공 효율을 증대시킬 수 있도록 하는 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 작업 공정의 시간을 획기적으로 줄이면서 가공 효율을 증대시킬 수 있기 때문에, 시스템 성능에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.

이를 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템은 엑시머 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기; 발진된 상기 엑시머 레이저 빔이 투과되는 다수의 마스크가 배열되는 마스크 블록; 상기 마스크 블록 내의 마스크 하단에 배치되고 상기 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 측정하는 측정 블록; 측정된 출력값 중 최대 출력값에 상응하는 상기 마스크 블록의 위치 정보를 확인하고 확인된 상기 위치 정보를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 출력하는 관리자 단말기; 및 출력된 상기 제어 신호를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하는 제어 블록을 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 마스크 블록은 적어도 두 개 이상의 마스크가 직렬 어레이 방식으로 일렬로 일정 간격마다 배열될 수 있다. 또한, 상기 마스크 블록은 적어도 두 개 이상의 마스크가 두열 이상으로 일정 간격마다 나란히 배열될 수 있다.

이때, 상기 측정 블록은 상기 엑시머 레이저 빔의 출력값을 와트 단위로 측정할 수 있는 레이저 파워미터를 포함할 수 있다.

필요에 따라, 상기 관리자 단말기는 주기적으로 상기 마스크 블록과 상기 측정 블록을 이동시켜, 이동된 위치마다 상기 마스크 블록 내의 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 측정하고, 측정된 상기 엑시머 레이저 빔의 출력값을 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하여 생성된 상기 제어 신호를 출력할 수 있다.

본 발명의 다른 한 관점에 따른 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템의 제어 방법은 엑시머 레이저 빔을 발진하는 단계; 마스크 블록 내의 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 측정하는 단계; 측정된 출력값 중 최대 출 력값에 상응하는 상기 마스크 블록의 위치 정보를 확인하고 확인된 상기 위치 정보를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 출력하는 단계; 및 출력된 상기 제어 신호를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

필요에 따라, 상기 제어 신호를 출력하는 단계는 주기적으로 상기 마스크 블록과 상기 측정 블록을 이동시켜, 이동된 위치마다 상기 마스크 블록 내의 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 측정하고, 측정된 상기 엑시머 레이저 빔의 출력값을 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하여 생성된 상기 제어 신호를 출력할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템 및 그 제어 방법을 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 서로 다른 모양의 마스크를 직렬 어레이 방식으로 배치하고 마스크의 뒷단에 센서를 설치하여 설치된 센서를 통해 마스크를 통과한 레이저 빔의 출력 변화에 따라 마스크의 최적 위치를 자동으로 판단하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로머시닝 시스템을 나타내는 예시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로머시닝 시스템은 레이저 발진기(110), 반사 미러(120), 마스크 블록(130), 측정 블록(140), 제어 블록(150), 렌즈(160), 가공물(170), 이미지 블록(180) 및 관리자 단말기(190) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

레이저 발진기(110)는 엑시머 레이저 또는 엑시머 레이저 빔을 발진시키기 위한 장치로서, 엑시머 레이저는 진공용기 중에서 불소와 아르곤 또는 불소와 크립톤 등 두 가지 원소를 혼합해 기체를 봉입, 발진시키는 가스레이저의 일종인데, 원소는 보통상태에서는 결합해서 화합물을 만들지 않으나 방전이나 전자빔 등으로 자극하면 극히 불안정한 화합물을 만들 수 있다. 이를 익사이티드 다이머라 하는데 극히 불안정한 물질 상태이기 때문에 곧 붕괴되면서 자외선을 방출한다.

반사 미러(120)는 레이저 발진기로부터 발진된 엑시머 레이저 빔을 마스크에 제공할 수 있다.

마스크 블록(130)은 가공하고자 하는 가공물의 모양에 따라 다양한 형태의 마스크(130a)를 가질 수 있는데, 서로 다른 모양의 마스크(130a)를 직렬 어레이 방식으로 일렬로 일정 간격마다 배치할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 마스크 블록(130)의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 마스크 블록(130)은 멀티 마스크 형태 즉, 각 마스크 홀더에 서로 다른 모양의 마스크(130a)를 다수 개 장착하게 되 는데, 예컨대, 5개의 마스크 M1, M2, M3, M4, 및 M5를 탑재하고 있는 것을 볼 수 있다.

이때, 본 발명은 직렬 어레이 방식으로 다수 개의 마스크(130a)를 일렬로 일정 간격마다 배치하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 예컨대, 두열로 나란히 배치될 수도 있다.

본 발명은 이러한 멀티 마스크 형태의 마스크 블록(130)으로 작업자가 마스크를 변경할 때마다 교체하지 않고 마스크 블록(130)의 좌우 이동만으로도 마스크를 변경할 수 있기 때문에 한번에 여러 가지 형태의 가공을 실현할 수 있다.

측정 블록(140)은 레이저 빔의 출력 또는 세기를 측정하는데, 레이저 빔의 진행 경로 상에 배치되어 마스크를 통과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 측정할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 측정 블록(140)의 동작 원리를 설명하기 위한 예시도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 측정 블록의 파워미터(140a)는 마스크(130a)의 하단에 배치되는데, 마스크(130a)로부터 일정 간격 예컨대, 50 mm 정도 떨어진 곳에 배치될 수 있다. 이렇게 배치된 센서(140a)는 마스크(130a)를 통과한 엑시머 레이저 빔의 출력을 측정할 수 있다.

이때, 파워미터는 엑시머 레이저 빔의 출력 또는 세기를 와트(watt) 단위로 측정할 수 있는 기기로서, 예컨대, 레이저 파워미터를 의미할 수 있다.

관리자 단말기(190)는 측정을 위해 주기적으로 마스크 블록(130)과 측정 블록(140)을 좌우로 이동시키면서 그 이동된 위치마다 측정 블록(140)으로부터 측정된 엑시머 레이저 빔의 출력값을 제공받아 그 출력값 중 최대 출력값을 결정하고 결정된 최대 출력값에 상응하는 마스크 블록(130)의 위치 정보를 확인할 수 있다.

관리자 단말기(190)는 확인된 위치 정보에 따라 마스크 블록(130)(마스크들 중 해당 사용될 마스크)을 해당 위치로 조절하기 위한 제어 신호를 제어 블록(150)에 제공하고 제어 블록(150)은 제어 신호에 따라 예컨대, 모터를 제어하여 제어 블록(150)에 결합된 마스크 블록(130)과 측정 블록(140)의 위치를 조절할 수 있다.

이처럼 마스크가 최적의 위치 예컨대, 엑시머 레이저의 경로 또는 광축 상의 한 가운데에 정확히 배치되면 그 마스크를 통과한 엑시머 레이저 빔의 출력값이 최대가 되며, 마스크 블록(130)을 통과한 엑시머 레이저가 렌즈(160)로 갈 수 있도록 관리자 단말기(190)가 제어 블록(150)을 제어해 제어 블록(150)에 결합된 측정 블록(140)을 같이 이동시킬 수 있다.(이때, 마스크 블록(130)은 비이동)

다시 말해서, 관리자 단말기(190)가 제어 신호를 제어 블록(150)으로 제공하면 제어 블록(150)은 제어 블록(150)과 결합된 측정 블록(140)을(이때, 마스크 블록(130) 제외) 마스크 블록(130)의 하부로부터 이동시키게 되며, 이미지 블록(180)은 마스크 블록(130)의 마스크(130a)를 투과한 엑시머 레이저가 렌즈(160)를 통해 가공물(170)을 패터닝하면 그 패터닝된 가공물(170)의 이미지를 형성하고 그 이미지를 관리자 단말기(190)에 제공할 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 마스크(130a), 렌즈(160), 이미지 블록(180) 간의 거리를 나타내는 예시도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로머시닝 시스템은 카메라와 같은 방식의 결상을 이용하는데, 이를 적용하기 위한 마스크(130a), 렌즈(160), 이미지 블록(180) 간의 거리는 다음의 [수학식 1]과 같이 구할 수 있다.

[수학식 1]

1/O + 1/I = 1/F

여기서, O는 마스크에서 렌즈까지의 거리를 나타내고, I는 렌즈에서 이미지 블록 또는 이미지 상까지의 거리를 의미하며, 그리고 F는 렌즈의 초점 거리를 의미한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로머시닝 시스템의 제어 방법을 나타내는 예시도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 관리자 단말기는 레이저 발진기를 통해 엑시머 레이저 빔을 발진 또는 조사시키면(S510), 마스크 블록과 측정 블록을 이동시키면서(S520) 마스크 블록 내의 하나의 마스크로부터 투과된 엑시머 레이저 빔의 출력값을 측정 블록의 센서를 통해 측정하게 된다(S530).

관리자 단말기는 측정된 출력값 중 최대 출력값을 결정하고(S540), 결정된 최대 출력값에 상응하는 마스크 블록의 위치 정보를 확인할 수 있다(S550). 그리고나서 관리자 단말기는 확인된 위치 정보에 따라 마스크 블록을 해당 위치로 조절하기 위한 제어 신호를 제어 블록에 출력하여 제어 블록을 통해 마스크 블록의 위치를 조절할 수 있다(S560).

이때, 이러한 마스크 블록의 위치 조절은 마스크를 마스크 블록에 장착하는 과정에서 수행할 수 있고, 이와 상관없이 주기적으로 이루어질 수도 있다.

이와 같이, 본 발명은 서로 다른 모양의 마스크를 직렬 어레이 방식으로 배치하고 마스크의 뒷단에 센서를 설치하여 이를 통해 마스크를 통과한 레이저 빔의 출력 변화에 따라 마스크의 최적 위치를 판단함으로써, 작업 공정의 시간을 줄이고, 가공 효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 작업 공정의 시간을 획기적으로 줄이면서 가공 효율을 증대시킬 수 있기 때문에, 마이크로머시닝 시스템의 성능에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한, 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템 및 그 제어 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로머시닝 시스템을 나타내는 예시도이고,

도 2는 도 1에 도시된 마스크 블록(130)의 상세한 구성을 나타내는 예시도이고,

도 3은 도 1에 도시된 측정 블록(140)의 동작 원리를 설명하기 위한 예시도이고,

도 4는 도 1에 도시된 마스크(130a), 렌즈(160), 이미지 블록(180) 간의 거리를 나타내는 예시도이고,

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110: 레이저 발진기

120: 반사 미러

130: 마스크 블록

130a: 마스크

140: 측정 블록

140a: 파워미터

150: 제어 블록

160: 렌즈

170: 가공물

180: 이미지 블록

190: 관리자 단말기

Claims

엑시머 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기;

발진된 상기 엑시머 레이저 빔이 투과되는 다수의 마스크가 배열되는 마스크 블록;

상기 마스크 블록 내의 마스크 하단에 배치되고 상기 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 측정하는 측정 블록;

측정된 출력값 중 최대 출력값에 상응하는 상기 마스크 블록의 위치 정보를 확인하고 확인된 상기 위치 정보를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 출력하는 관리자 단말기; 및

상기 측정 블록과 결합되며 출력된 상기 제어 신호를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하는 제어 블록을 포함하고,

상기 마스크 블록은 적어도 두 개 이상의 마스크가 직렬 어레이 방식으로 일렬로 일정 간격마다 배열되어 있으며,

상기 관리자 단말기는 주기적으로 상기 마스크 블록과 상기 측정 블록을 좌우로 이동시킨 후 이동된 위치마다 상기 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 상기 측정 블록에 의해 측정하고, 상기 측정 블록으로부터 상기 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값 중 최대 출력값에 상응하는 상기 마스크 블록의 위치 정보를 확인하여 상기 위치 정보에 따라 상기 제어 블록이 상기 마스크 블록의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하며, 상기 엑시머 레이저빔에 의한 가공물 패터닝 시 상기 생성된 제어 신호를 상기 제어 블록으로 출력하여 상기 마스크 블록이 상기 제어 신호에 따라 위치하면 상기 가공물 패터닝을 위해 상기 측정 블록 및 상기 제어 블록을 상기 마스크 블록의 하부로부터 이동시키는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템.
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제1 항에 있어서,

상기 마스크 블록은,

적어도 두 개 이상의 마스크가 두열 이상으로 일정 간격마다 나란히 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 측정 블록은,

상기 엑시머 레이저 빔의 출력값을 와트 단위로 측정할 수 있는 레이저 파워미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템.
삭제
엑시머 레이저 빔을 발진하는 단계;

마스크 블록 내의 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 측정하는 단계;

측정된 출력값 중 최대 출력값에 상응하는 상기 마스크 블록의 위치 정보를 상기 마스크 블록 하부에 위치하는 측정 블록에 의해 확인하고 관리자 단말기가 확인된 상기 위치 정보를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 출력하는 단계; 및

출력된 상기 제어 신호를 기반으로 상기 마스크 블록의 위치를 조절하는 단계를 포함하고,

상기 출력값을 측정하는 단계는 상기 관리자 단말기가 주기적으로 상기 마스크 블록과 상기 측정 블록을 좌우로 이동시킨 후 이동된 위치마다 상기 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값을 상기 측정 블록에 의해 측정하는 단계이며,

상기 제어 신호를 출력하는 단계는 상기 관리자 단말기가 상기 측정 블록으로부터 상기 마스크를 투과한 엑시머 레이저 빔의 출력값 중 최대 출력값에 상응하는 상기 마스크 블록의 위치 정보를 확인하여 상기 위치 정보에 따라 상기 마스크 블록 및 상기 측정 블록과 결합된 제어 블록이 상기 마스크 블록의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 생성한 후 상기 엑시머 레이저빔에 의한 가공물 패터닝 시 상기 생성된 제어 신호를 상기 제어 블록으로 출력하는 단계이고,

상기 마스크 블록의 위치를 조절하는 단계는 상기 가공물 패터닝을 위해 상기 마스크 블록이 상기 제어 신호에 따라 위치하면 상기 측정 블록 및 상기 제어 블록을 상기 마스크 블록의 하부로부터 이동시키는 단계인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저를 이용한 마이크로머시닝 시스템의 제어 방법.
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