KR101283557B1 - 레이저 가공장치 - Google Patents

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Abstract

여러 층이 적층된 다층기판에 대하여 복수 파장의 레이저빔을 조사하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 서로 다른 파장의 레이저빔을 조사하는 복수의 레이저광원과, 일차원 원형 빔 또는 사각형 빔을 조사하여 스테이지에 거치된 다층기판의 일부 층을 1차 가공하고, 1차 가공에 의해 노출된 영역에 일차원 원형 빔 또는 사각형 빔보다 작거나 큰 단면적을 가지는 레이저 빔을 조사하여 다층기판의 동일 지점에 대하여 나머지 층 전부 혹은 일부를 2차 가공하는 빔 조사부를 포함하는 레이저 가공장치가 제공된다. 이에 의하면, 다층기판 가공 중에 사용되는 서로 다른 파장을 가지는 복수의 레이저빔을 동축으로 입사시키는 구조를 가지며, 2회 이상의 반복동작이 요구되던 레이저 가공 과정을 1회로 단순화함으로써 가공시간을 단축시키는 것이 가능하다.

Description

레이저 가공장치{Laser machining device}
본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것이다.
예를 들어 박막형 태양전지(thin-film solar cell)와 같은 다층기판(multi-layer substrate)에 대하여 박막 패터닝(thin-flim patterning) 공정을 수행함에 있어서 서로 다른 파장의 레이저빔, 예를 들어 532nm 파장의 레이저빔과 1064nm의 레이저빔을 이용하여 아이솔레이션(isolation) 공정 및 세퍼레이션(separation) 공정을 수행하고 있다.
이 경우 서로 다른 복수 파장의 레이저빔을 이용하게 되는데, 각 레이저빔은 별도로 존재하는 광학계축을 따라 조사되며, 아이솔레이션 공정 및 세퍼레이션 공정 수행시 제1 파장의 레이저빔으로 1차 가공을 수행한 후 제2 파장의 레이저빔으로 2차 가공을 수행하거나 제2 파장의 레이저빔으로 1차 가공을 수행한 후 제1 파장의 레이저빔으로 2차 가공을 수행하는 등 반복적인 동작에 의해 레이저 가공이 이루어지고 있는 실정이다.
본 발명은 박막형 태양전지 제조공정 중 아이솔레이션 공정 및 세퍼레이션 공정과 같은 다층기판 가공 중에 사용되는 서로 다른 파장을 가지는 복수의 레이저빔을 동축으로 입사시키는 구조를 가지며, 2회 이상의 반복동작이 요구되던 레이저 가공 과정을 1회로 단순화함으로써 가공시간을 단축시키는 것이 가능한 레이저 가공장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 여러 층이 적층된 다층기판에 대하여 복수 파장의 레이저빔을 조사하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 서로 다른 파장의 레이저빔을 조사하는 복수의 레이저광원과, 일차원 원형 빔 또는 사각형 빔을 조사하여 스테이지에 거치된 다층기판의 일부 층을 1차 가공하고, 1차 가공에 의해 노출된 영역에 일차원 원형 빔 또는 사각형 빔보다 작거나 큰 단면적을 가지는 레이저 빔을 조사하여 다층기판의 동일 지점에 대하여 나머지 층 전부 혹은 일부를 2차 가공하는 빔 조사부를 포함하는 레이저 가공장치가 제공된다.
스테이지 상에 거치된 다층 기판에 대하여 복수 파장의 레이저빔을 조사하여 가공하는 레이저 가공장치는, 제1 파장의 레이저빔을 출사하는 제1 레이저 광원, 제1 파장의 레이저빔과 서로 다른 광학계축을 가지는 제2 파장의 레이저빔을 출사하는 제2 레이저 광원 및 제1 파장의 레이저빔이 제2 파장의 레이저빔과 동일한 광학계축을 가지도록 경로 변경시켜 다층 기판에 제1 파장의 레이저빔 및 제2 파장의 레이저빔이 동축으로 조사되도록 하는 빔 조사부를 포함할 수 있다.
빔 조사부는, 제1 파장의 레이저빔 및 제2 파장의 레이저빔 중 어느 하나를 조사하여 다층기판의 일부 층을 1차 가공하고, 1차 가공에 의해 노출된 영역에 나머지를 조사하여 다층기판의 동일 지점에 대하여 나머지 층 전부 혹은 일부를 2차 가공할 수 있다.
빔 조사부는 하단에 렌즈가 연결되어 있고 상단에는 하단 방향으로 제2 파장의 레이저 빔을 출사하는 제2 레이저 광원이 결합되어 있으며 측면에 제1 레이저 광원이 결합되어 있는 몸체를 포함하며, 레이저 가공장치는, 제1 레이저 광원의 내부 혹은 하부에 배치되어 제1 파장의 레이저빔을 몸체 쪽으로 반사시키는 제1 미러와, 몸체 내부의 소정 위치에 배치되어 제1 미러에 의해 반사된 제1 파장의 레이저 빔을 하단 방향으로 반사시키고, 제2 파장의 레이저 빔을 투과시키는 제2 미러를 더 포함할 수 있다.
다층 기판은 박막형 태양전지 기판이며, 아이솔레이션(isolation) 공정 및 세퍼레이션(separation) 공정 중 적어도 하나의 공정에서 적용될 수 있다. 제1 파장은 532nm 및 1064nm 중 어느 하나이고, 제2 파장은 532nm 및 1064nm 중 다른 하나일 수 있다.
다층기판을 촬상한 영상의 분석을 통해 제1 파장의 레이저 빔 및 제2 파장의 레이저 빔이 동축으로 다층기판의 동일 지점에 조사되는지 여부를 확인하는 비젼부를 더 포함할 수 있다.
비젼부는, 제1 파장의 레이저 빔과 제2 파장의 레이저 빔이 동축으로 조사되지 않는 경우 그 오차를 산출하고 제1 파장의 레이저 빔의 경로를 변경시키기 위해 제1 미러 및 제2 미러 중 적어도 하나를 구동시키는 제어 신호를 출력하여 오차를 보정할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 박막형 태양전지 제조공정 중 아이솔레이션 공정 및 세퍼레이션 공정과 같은 다층기판 가공 중에 사용되는 서로 다른 파장을 가지는 복수의 레이저빔을 동축으로 입사시키는 구조를 가지며, 2회 이상의 반복동작이 요구되던 레이저 가공 과정을 1회로 단순화함으로써 가공시간을 단축시키는 것이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 조사되는 서로 중첩되는 빔 스팟을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 레이저 가공된 다층기판의 단면을 도식화한 도면.
본 발명에서는 박막형 태양전지를 예시로 설명하지만, 서로 다른 파장을 가지는 복수의 레이저를 이용하여 동일 지점을 가공할 필요가 있는 다층기판이라면 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해해야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 조사되는 서로 중첩되는 빔 스팟을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에 의해 레이저 가공된 다층기판의 단면을 도식화한 도면이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 제1 레이저광원(10a), 제2 레이저광원(10b), 제1 미러(20a), 제2 미러(20b), 몸체(30), 렌즈(40), 제1 비젼 미러(52a), 제2 비젼 미러(52b), 조명부(54), 촬상부(56), 다층기판(1), 제1 빔 스팟(70a), 제2 빔 스팟(70b), 제1 분리홈(80a), 제2 분리홈(80b), 제1 파장의 레이저빔의 경로(L1), 제2 파장의 레이저빔의 경로(L2)가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 레이저광원(10a)은 제1 파장(예를 들어, 532nm)의 레이저빔을 발진시켜 출사하며, 제2 레이저광원(10b)은 제1 파장과 서로 다른 제2 파장(예를 들어, 1064nm)의 레이저빔을 발진시켜 출사한다. 제1 레이저광원(10a) 또는/및 제2 레이저광원(10b)에 의해 조사되는 레이저빔은 원형, 타원형, 사각형 등 다양한 형상의 단면을 가지는 일차원 빔일 수 있다.
제1 레이저광원(10a)과 제2 레이저광원(10b)은 서로 이웃하여 배치되어 있으며, 제1 파장의 레이저빔과 제2 파장의 레이저빔은 최초 서로 다른 광학계축을 가지고 있게 된다.
몸체(30)의 하단에 렌즈(40)가 연결되고 몸체(30)의 상단에 제2 레이저광원(10b)이 결합되어 있으며 몸체(30)의 측면에 제1 레이저광원(10a)이 결합되어 있어 제2 레이저광원(10b)으로부터 조사된 제2 파장의 레이저빔에 대한 광학계축을 동축으로 가지는 경우를 예시로 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 미러 또는/및 레이저광원은 다양하게 배치될 수 있음은 물론이다.
제1 레이저광원(10a)의 내부 혹은 하부에 제1 파장의 레이저빔을 반사하는 제1 미러(20a)가 구비되어 있어, 제1 레이저광원(10a)으로부터 출사된 제1 파장의 레이저빔의 경로를 변화시킨다. 제1 미러(20a)에 의해 경로가 변화된 제1 파장의 레이저빔은 몸체(30) 내부의 소정 위치에 배치되어 제1 파장의 레이저빔을 반사하고 제2 파장의 레이저빔을 투과시키는 제2 미러(20b)에 의해 다시 경로가 변화하여 제2 미러(20b)를 투과한 제2 파장의 레이저빔과 동일한 광학계축을 가지게 된다.
따라서, 제1 파장의 레이저빔과 제2 파장의 레이저빔은 렌즈(40)에 대하여 동축으로 입사되어 동일한 초점을 가지도록 가공물, 예를 들어 다층기판(1)에 조사될 수 있어, 제1 파장의 레이저빔 및 제2 파장의 레이저빔은 최종적으로 스테이지(미도시)에 거치된 다층기판(1)의 동일 지점(P)에 위치하도록 할 수 있다.
이로 인해 종래 제1 파장의 레이저빔을 위한 제1 광학계축과 제2 파장의 레이저빔을 위한 제2 광학계축, 즉 2개 이상의 광학계축을 구비하고 있어야 하며, 수평 방향(예를 들어, X축 방향) 혹은 회전(예를 들어, X축 방향전환)에 따른 각 광학계축의 정렬문제로 인하여 레이저 가공에 필요한 시간이 길이지게 되는 문제점이 해결될 수 있다.
즉, 본 실시예에 의하면, 동일 지점(P)을 가공하기 위해 서로 다른 광학계축을 반복적으로 이동시키는 것과 같이 여러번 반복해야 하는 반복동작을 복수의 미러를 이용하여 단순화함으로써 가공시간을 단축시킬 수 있어 다층기판의 생산성을 향상시키고 원가절감을 기대할 수 있는 효과가 있다.
다층기판(1)이 박막형 태양전지인 경우, 서로 다른 파장의 레이저빔이 동일 지점에 조사될 필요가 있는 아이솔레이션 공정과 세퍼레이션 공정을 예시로 설명하면 다음과 같다.
아이솔레이션 공정 및 세퍼레이션 공정은 기판에 적층된 전면전극층, 반도체층, 후면전극층을 모두 제거하여 박막형 태양전지의 액티브영역을 분리하기 위한 레이저 가공공정이다. 이 경우 반도체층 및 후면전극층은 532nm 파장의 레이저빔에 의해 가공되며, 전면전극층은 1064nm 파장의 레이저빔에 의해 가공된다.
이 때 전술한 제1 미러(20a)와 제2 미러(20b)를 이용하여 서로 다른 광학계축을 가지고 있던 532nm 파장의 레이저빔과 1064nm 파장의 레이저빔이 동일한 광학계축을 가지도록 하여, 렌즈(40)에는 동일한 광학계축으로 입사되도록 할 수 있다. 여기서, 532nm 파장의 레이저빔이 선 조사된 후 1064nm 파장의 레이저빔이 후 조사되거나 1064nm 파장의 레이저빔이 선 조사된 후 532nm 파장의 레이저빔이 후 조사되는 등 각 레이저빔의 조사 순서는 다양할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 532nm 파장의 레이저빔은 상대적으로 큰 단면적인 직경이 D1인 제1 빔 스팟(70a)을 가지며, 1064nm 파장의 레이저빔은 상대적으로 작은 단면적인 직경이 D2(여기서, D1>D2)인 제2 빔 스팟(70b)을 가지게 된다. 이 경우 작은 단면적을 가지는 1064nm 파장의 레이저빔이 일정구간 내에서 532nm 파장의 레이저빔보다 높은 반복률을 가지도록 함으로써 수평 방향으로 끊김없이 연속적인 레이저 가공이 이루어지도록 할 수 있을 것이다.
제1 레이저광원(10a)에서 조사된 제1 파장의 레이저빔은 광학계(35)를 거치고 렌즈(40)를 통과해 스테이지에 거치된 다층기판(1)의 일부 층을 1차 가공하여 제1 분리홈(80a)을 형성하며, 제2 레이저광원(10b)에서 조사된 제2 파장의 레이저빔 역시 광학계(35)를 거치고 렌즈(40)를 통과해 제1 파장의 레이저빔에 의해 1차 가공되어 노출된 영역에 대하여 나머지 층 전체 혹은 일부를 2차 가공하여 제2 분리홈(80b)을 형성함으로써, 다층기판(1)의 동일 지점(P)에 대하여 서로 다른 파장을 가지는 레이저빔에 의한 가공이 단시간 내에 이루어지도록 함을 확인할 수 있다. 여기서, 광학계(35)는 제1 미러(20a)와 제2 미러(20b)를 포함하는 구성요소로, 이를 간략히 표현한 것이다.
또한, 본 실시예에 따른 레이저 가공장치는 서로 다른 파장의 레이저빔이 동일한 광학계축으로 입사되어 동일 지점에 조사되는지 여부를 확인하고 레이저 가공을 위한 목표면을 확인하기 위한 비젼장치를 더 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가공물의 목표면을 비추기 위한 조명부(54)로부터 조사되는 조명광이 비젼광학계를 구성하는 제1 비젼 미러(52a) 및 제2 비젼미러(52b)를 통해 가공물의 목표면에 조사되면, 역시 비젼광학계를 통해 촬상부(56)로 광학 영상이 전달되어 이미지로 촬상될 수 있다.
촬상부(56)는 CCD 혹은 CMOS 이미지 센서를 포함할 수 있으며, 촬상부(56)에서 촬상된 이미지를 통해 복수의 레이저빔이 동축으로 입사되었는지 여부를 확인하고, 동축으로 입사되지 않은 경우 그 오차를 산출하여 제1 미러(20a) 또는/및 제2 미러(20b)를 구동시킴으로써 각 레이저빔의 경로를 변경시켜 동축으로 입사되도록 보정할 수 있다. 이 경우 제1 미러(20a) 또는/및 제2 미러(20b)에는 각각 구동모터(미도시)가 연결되어 있어 촬상부(56)에서 촬상된 이미지의 분석 결과에 따른 제어신호를 입력받아 동작될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10a: 제1 레이저광원 10b: 제2 레이저광원
20a: 제1 미러 20b: 제2 미러
20c: 제3 미러 30: 몸체
40: 렌즈 52a: 제1 비젼 미러
52b: 제2 비젼 미러 54: 조명부
56: 촬상부 70a: 제1 빔 스팟
70b: 제2 빔 스팟 80a: 제1 분리홈
80b: 제2 분리홈 1: 다층기판

Claims (7)

  1. 스테이지 상에 거치된 다층 기판에 대하여 복수 파장의 레이저빔을 조사하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서,
    제1 파장의 레이저빔을 출사하는 제1 레이저 광원;
    상기 제1 파장의 레이저빔과 서로 다른 광학계축을 가지는 제2 파장의 레이저빔을 출사하는 제2 레이저 광원; 및
    상기 제1 파장의 레이저빔이 상기 제2 파장의 레이저빔과 동일한 광학계축을 가지도록 경로 변경시켜 상기 다층 기판에 상기 제1 파장의 레이저빔 및 상기 제2 파장의 레이저빔이 동축으로 조사되도록 하는 빔 조사부를 포함하되,
    상기 빔 조사부는 하단에 렌즈가 연결되어 있고 상단에는 하단 방향으로 상기 제2 파장의 레이저 빔을 출사하는 상기 제2 레이저 광원이 결합되어 있으며 측면에 상기 제1 레이저 광원이 결합되어 있는 몸체를 포함하며,
    상기 레이저 가공장치는, 상기 제1 레이저 광원의 내부 혹은 하부에 배치되어 상기 제1 파장의 레이저빔을 상기 몸체 쪽으로 반사시키는 제1 미러와; 상기 몸체 내부의 소정 위치에 배치되어 상기 제1 미러에 의해 반사된 상기 제1 파장의 레이저 빔을 하단 방향으로 반사시키고, 상기 제2 파장의 레이저 빔을 투과시키는 제2 미러를 더 포함하고,
    상기 다층 기판은 박막형 태양전지 기판이며,
    아이솔레이션(isolation) 공정 및 세퍼레이션(separation) 공정 중 적어도 하나의 공정에서 적용되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔 조사부는,
    상기 제1 파장의 레이저빔 및 상기 제2 파장의 레이저빔 중 어느 하나를 조사하여 상기 다층기판의 일부 층을 1차 가공하고, 상기 1차 가공에 의해 노출된 영역에 나머지를 조사하여 상기 다층기판의 동일 지점에 대하여 나머지 층 전부 혹은 일부를 2차 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장은 532nm 및 1064nm 중 어느 하나이고, 상기 제2 파장은 532nm 및 1064nm 중 다른 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다층기판을 촬상한 영상의 분석을 통해 상기 제1 파장의 레이저 빔 및 상기 제2 파장의 레이저 빔이 동축으로 상기 다층기판의 동일 지점에 조사되는지 여부를 확인하는 비젼부를 더 포함하는 레이저 가공장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비젼부는, 상기 제1 파장의 레이저 빔과 상기 제2 파장의 레이저 빔이 동축으로 조사되지 않는 경우 그 오차를 산출하고 상기 제1 파장의 레이저 빔의 경로를 변경시키기 위해 상기 제1 미러 및 상기 제2 미러 중 적어도 하나를 구동시키는 제어 신호를 출력하여 상기 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
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