KR101421091B1

KR101421091B1 - 극초단파 펄스 레이저를 이용한 미세패턴 가공장치 및 미세패턴 가공방법

Info

Publication number: KR101421091B1
Application number: KR1020130011728A
Authority: KR
Inventors: 신동식; 손현기; 최상규
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-07-21

Abstract

본 발명은 펄스 레이저를 발생시키는 레이저 발생기와, 상기 레이저 발생기에서 나온 레이저 빔을 가공대상에 집광시켜 상기 가공대상의 표면에 규칙적인 배열을 갖는 미세 패턴을 가공하는 집광 유닛과, 상기 레이저 발생기와 집광 유닛 사이의 상기 레이저 빔의 광경로 상에 배치되며 상기 레이저 빔을 멀티 빔으로 분광시키는 패턴 이미지를 출력하는 실리콘 액정표시유닛(LCoS)과, 상기 실리콘 액정표시유닛에 연결되며 상기 실리콘 액정표시 유닛에 상기 패턴 이미지의 제어를 위한 신호를 인가하는 제어유닛을 포함하는 펄스 레이저를 이용한 미세패턴 가공장치 및 미세패턴 가공방법을 개시한다.

Description

극초단파 펄스 레이저를 이용한 미세패턴 가공장치 및 미세패턴 가공방법{MICRO-PATTERN PROCESSING DEVICE AND METHOD USING ULTRA-SHORT PULSE LASER}

본 발명은 극초단파 펄스 레이저를 멀티 빔으로 분광시켜 가공 대상에 미세 패턴을 가공하기 위한 미세패턴 가공장치 및 미세패턴 가공방법에 관한 것이다.

표면패턴 가공기술은 가공대상의 표면에 수백 마이크로미터에서 수 마이크로미터의 미세패턴을 가공하여 가공대상의 표면에 기능성을 부여하는 기술을 말한다. 예를 들어, 마찰 부품(베이링, 피스톤 등)의 표면에 미세패턴을 형성하여 부품 표면에 마찰 저감 특성을 부여하거나, 광학소자의 표면에 미세패턴을 가공하여 광학소자의 광효율을 향상시킬 수 있다.

이러한 미세패턴 가공은 종래에는 롤링, 블라스팅 등 기계적 가공방법이 주를 이루었으나, 최근에는 레이저를 이용한 미세패턴 가공기술이 급속도로 발전하고 있다. 레이저 가공의 경우 비접촉 가공이 가능하여 기계적 가공방법에서 발생하는 공구의 마모 문제를 해결할 수 있으며, 레이저의 파장과 출력 조절을 통해 고정밀도의 가공이 가능한 장점이 있다.

최근에는 피코초 또는 펨토초 펄스 레이저와 같은 극초단파 펄스 레이저를 이용한 가공 기술이 개발되어 수 미크론급의 미세 패턴 가공이 가능하게 되었다. 극초단 펄스 레이저를 이용한 가공 기술은 가공대상에 가해지는 열적 영향을 최소화시킬 수 있어 고정밀도의 가공이 가능하다. 이와 같은 극초단 펄스 레이저 기술의 경우 기존에는 평균 출력이 수 와트(W) 급으로 매우 낮은 수준에 머물렀으나, 최근 평균 출력을 수백 와트(W)급까지 증대시킬 수 있는 발진 기술이 개발되고 있는 실정이다.

일반적으로 평균출력의 상승에 따라 레이저의 펄스 에너지도 상승하는데, 금속 가공시 단위 면적당 펄스에너지가 5J/㎠ 이상인 경우 극초단 펄스 레이저를 사용하여도 열적 영향이 상승하여 가공품질이 나빠지는 문제가 발생한다. 따라서 고출력의 극초단파 펄스 레이저를 분광시켜 복수의 영역을 동시 가공하는 기술이 제안되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 실리콘 액정표시장치(LCos) 기술을 레이저 기반 미세패턴 가공기술에 적용하여 생산성과 가공 정밀도를 동시에 향상시킬 수 있는 미세패턴 가공기술을 제공하기 위한 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 펄스 레이저를 발생시키는 레이저 발생기와, 상기 레이저 발생기에서 나온 레이저 빔을 가공대상에 집광시켜 상기 가공대상의 표면에 규칙적인 배열을 갖는 미세 패턴을 가공하는 집광 유닛과, 상기 레이저 발생기와 집광 유닛 사이의 상기 레이저 빔의 광경로 상에 배치되며 상기 레이저 빔을 멀티 빔으로 분광시키는 패턴 이미지를 출력하는 실리콘 액정표시유닛(LCoS)과, 상기 실리콘 액정표시유닛에 연결되며 상기 실리콘 액정표시 유닛에 상기 패턴 이미지의 제어를 위한 신호를 인가하는 제어유닛을 포함하는 펄스 레이저를 이용한 미세패턴 가공장치를 개시한다.

본 발명의 일 예로서, 상기 레이저 발생기는 피코초 또는 펨토초 펄스 레이저를 발생시키도록 구성 될 수 있다.

본 발명의 일 예로서, 상기 집광유닛으로서 기설정된 경로를 따라 상기 레이저 빔을 집광시키는 레이저 스캐너가 사용될 수 있다.

본 발명의 일 예로서, 상기 패턴 이미지는 원하는 멀티 빔의 배열이 표시된 빔 이미지를 반복적 퓨리에 변환 알고리즘을 통해 변환하여 구현 가능하다.

한편, 본 발명은 원하는 멀티 빔의 배열에 대응되는 패턴 이미지를 실리콘 액정표시유닛(LCoS)에 출력하는 단계와, 상기 패턴 이미지가 표시된 실리콘 액정표시유닛에 펄스 레이저 빔을 통과시켜 멀티 빔으로 분광시키는 단계, 및 집광 유닛을 통해 가공대상에 상기 멀티 빔을 집광시켜 상기 가공대상에 복수의 패턴을 동시에 형성하는 단계를 포함하는 미세패턴 가공방법을 개시한다.

상기 미세패턴 가공방법은 상기 실리콘 액정표시유닛에 출력된 패턴 이미지와 다른 패턴 이미지를 출력하여 상기 멀티 빔의 배열을 단위 패턴의 거리만큼 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 미세패턴 가공방법은 상기 실리콘 액정표시유닛에 출력된 패턴 이미지와 다른 패턴 이미지를 출력하여 상기 멀티 빔의 배열을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 고출력의 극초단파 펄스 레이저를 분광시켜 패턴 가공하여 복수 영역의 동시 가공이 가능할 뿐 아니라 가공 표면의 균일성도 향상시킬 수 있으므로, 가공 생산성과 가공 정밀도를 동시에 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 실리콘 액정표시장치의 제어를 통해 다양한 형태의 멀티 빔 배열을 실시간으로 구현할 수 있으므로, 가공영역의 형상에 구애받지 않고 고속 가공이 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세패턴 가공장치의 개념도.
도 2는 도 1의 실리콘 액정표시유닛에 의해 출력된 패턴 이미지의 일 예를 보인 도면.
도 3a 및 3b는 도 1의 실리콘 액정표시유닛의 작동 상태를 보인 개념도.
도 4a는 멀티 빔의 배열이 표시된 빔 이미지의 일 예를 보인 도면.
도 4b는 도 4a의 빔 이미지에 대응되는 패턴 이미지를 보인 도면.
도 5 및 6은 단일 빔을 사용하여 가공한 경우와 레이저 빔을 분광시켜 가공한 경우를 비교한 가공 사례를 보인 도면.
도 7 내지 10은 멀티 빔의 배열이 표시된 빔 이미지와 그의 빔 배열에 대응되는 패턴 이미지의 다른 예들을 보인 도면들.
도 11은 도 7 내지 10에서 보인 멀티 빔을 이용하여 특정 영역에 미세패턴을 순차 가공한 가공 사례를 보인 도면.

이하, 본 발명과 관련된 극초단파 펄스 레이저를 이용한 미세패턴 가공장치 및 미세패턴 가공방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세패턴 가공장치의 개념도이다.

본 실시예에 따른 웨이퍼 다이싱용 레이저 가공장치는 레이저 발생기(110), 집광 유닛(120), 실리콘 액정표시유닛(130, LCoS), 및 제어유닛(140)을 포함한다.

레이저 발생기(110)는 가공대상(10)의 표면 가공을 위한 레이저 빔(L)을 발생시킨다. 본 실시예에 적용되는 레이저는 나노초 이하의 펄스 레이저가 적용될 수 있으며, 금속 가공의 경우 하나의 레이저 빔이 단위면적당 펄스 에너지가 5J/㎠ 이하인 영역에서 최적의 가공 특성을 보이는 피코초 또는 펨토초 펄스 레이저가 적용되는 것이 바람직하다.

집광 유닛(120)은 레이저 발생기(110)에서 나온 펄스 레이저 빔(L)을 가공대상(10)에 집광시켜 가공대상(10)의 표면에 규칙적인 배열을 갖는 미세 패턴이 가공되도록 한다. 집광 유닛(120)으로서 기설정된 경로를 따라 레이저 빔을 집광시키는 레이저 스캐너가 사용될 수 있으며, 집광 유닛(120)의 집광에 따라 가공대상(10)의 표면이 패터닝된다.

레이저 발생기(110)와 집광 유닛(120)은 컨트롤러(180)에 연결되며, 사용자는 컨트롤러(180)를 통해 레이저 발생기(110)와 집광 유닛(120)의 동작을 제어할 수 있다.

실리콘 액정표시유닛(130)은 레이저 발생기(110)와 집광 유닛(120) 사이의 레이저 빔(L)의 광경로 상에 배치된다. 실리콘 액정표시유닛(130), 즉 LCoS(Liquid Crystal on Silicon)는 액정디스플레이(LCD)소자에서 하판의 유리를 실리콘 웨이퍼로 대치하고 그 위에 회로를 형성한 디스플레이 장치를 말하며, 본 발명에서는 레이저 빔(L)의 편광 특성을 변경시키는 패턴 이미지를 출력하기 위한 용도로 사용된다. 패턴 이미지가 출력된 실리콘 액정표시유닛(130)을 통과한 레이저 빔은 복수의 빔(이하 '멀티 빔')으로 분광된다. 실리콘 액정표시유닛(130)은 공지된 구성이므로 구체적인 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 도 1의 실리콘 액정표시유닛에 의해 출력된 패턴 이미지의 일 예를 보인 도면이고, 도 3a 및 3b는 도 1의 실리콘 액정표시유닛의 작동 상태를 보인 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 실리콘 액정표시유닛(130)은 흰색(밝은색) 부분과 검정색(어두운색) 부분의 조합에 의해 특정 이미지를 출력하는데, 도 2의 경우 복수의 슬릿이 반복적으로 배열된 다중 슬릿의 형태의 이미지를 출력한 것을 예시하고 있다. 도 2에서 흰색 부분은 실리콘 액정표시유닛(130)의 액정에 전압이 인가된 부분이며, 검정색 부분은 액정으로의 전압 인가가 오프(OFF)된 부분을 의미한다.

도 3a 및 3b는 왼쪽에서 레이저 빔(L)이 입사되어 실리콘 액정표시유닛(130)에 반사되어 오른쪽으로 나가는 것을 나타내고 있으며, 레이저 빔(L)에 표시된 화살표는 레이저 빔의 편광 방향을 나타내고 있다.

도 3a는 전압이 인가된 부분의 액정 분자(131) 정렬 상태를 나타내고 있으며, 도 3b는 전압 인가가 오프된 부분의 액정 분자(131) 정렬 상태를 나타내고 있다. 전압 인가가 오프된 부분의 액정 분자(131)는 전압 인가된 부분의 분자 정렬 상태에서 일정 각도 회전된 상태로 배열되며, 그에 따라 레이저 빔(L)의 편광 회전각을 회전시킬 수 있게 된다.

도 3a와 같이 특정 편광 방향을 갖는 레이저 빔(L)이 전압 인가 부분에 입사되었다 반사되는 경우 레이저 빔(L)의 편광 방향이 그대로 유지되게 된다. 그러나 도 3b와 같이 특정 편광 방향을 갖는 레이저 빔(L)이 전압 오프 부분에 입사되었다 반사되는 경우 레이저 빔의 편광 방향이 90도만큼 회전하게 된다. 도 3b에 도시된 반사광의 편광 방향은 지면에 수직한 방향을 나타내고 있다.

이와 같이 패턴 이미지를 출력한 실리콘 액정표시유닛(130)에 레이저 빔(L)이 반사(또는 통과)하게 되면, 레이저 빔은 편광 방향을 유지하는 성분과 편광 방향이 회전된 성분의 2 종류의 성분을 포함하게 되어 편광 특성이 변경되게 되는 것이다. 이 2 종류의 성분은 방향은 동일하지만 파면(wave front)이 다른 특성을 갖는다. 이와 같은 파면이 상이한 2종류 성분의 빔은 진행 방향을 따라 진행하면서 회절을 일으키게 되며, 각 성분 사이의 간섭 현상에 의해 멀티 빔이 구현되게 되는 것이다.

이상에서는 설명의 편의상 2종류 성분의 빔을 예로 들어 설명하였으나, 실리콘 액정유닛(130)을 통과한 레이저 빔이 그 이상의 성분을 갖도록 파면(wave front)당 휘도의 종류를 다양하게 표시할 수 있으며, 이는 전기적으로 제어되는 편광 방향의 종류에 비례한다. 이와 같은 원리에 의해 패턴 이미지의 형태에 따라 다양한 형태의 레이저 빔 배열을 구현할 수 있다.

이와 같은 패턴 이미지는 원하는(목표하는) 멀티 빔의 배열이 표시된 빔 이미지를 반복적 퓨리에 변환 알고리즘(Iterative Fourier Transform Algorithm: IFTA)을 통해 변환하여 구현될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 제어유닛(140)은 실리콘 액정표시유닛(130)에 연결되며, 실리콘 액정표시유닛(130)에 패턴 이미지의 제어를 위한 신호를 인가하는 기능을 한다. 제어유닛(140)은 사용자의 입력에 따라 실리콘 액정표시유닛(130)에 출력되는 패턴 이미지의 형태를 변경시키도록 구성된다.

레이저 발생기(110)와 실리콘 액정표시유닛(130)의 사이에는 레이저 빔(L)의 편광 방향을 특정 각도 회전시키기 위한 웨이브 플레이트(150, wave plate 또는 retarder)가 추가로 설치될 수 있으며, 웨이브 플레이트(150)의 후방에는 웨이브 플레이트(150)를 통과한 레이저 빔(L)의 사이즈를 확대시키기 위한 빔 익스팬더(160)가 설치될 수 있다.

한편 실리콘 액정표시유닛(130)과 집광유닛(120)의 사이에는 레이저 빔(L)의 방향을 전환하기 위한 미러(170)가 설치될 수 있다. 본 실시예의 경우 실리콘 액정표시유닛(130)과 집광유닛(120)이 90도만큼 이격되어 있어 미러(170)를 사용하여 레이저 빔(L)의 방향을 전환하였으나, 실리콘 액정표시유닛(130)과 집광유닛(120)의 배치 상태에 따라 미러(170)가 적용되거나 적용되지 않을 수 있다.

이하, 도 4a 내지 4h를 참조하여 본 발명과 관련된 미세패턴 가공방법을 설명하기로 한다.

먼저 원하는 멀티 빔의 배열에 대응되는 패턴 이미지를 실리콘 액정표시유닛(130)에 출력한다. 도 4a는 멀티 빔의 배열이 표시된 빔 이미지의 일 예를 보이고 있으며, 도 4b는 도 4a의 빔 이미지에 대응되는(반복적 퓨리에 변환 알고리즘을 통해 변환된) 패턴 이미지를 보이고 있다.

다음으로 패턴 이미지가 표시된 실리콘 액정표시유닛(130)에 펄스 레이저 빔을 통과시켜 멀티 빔으로 분광시킨다. 레이저 발생기(110)의 펄스 레이저가 도 4b와 같은 패턴 이미지가 출력된 실리콘 액정표시유닛(130)를 통과하게 되면, 펄스 레이저가 도 4a에 표시된 바와 같이 5개의 빔으로 분광되게 된다.

다음으로 집광 유닛(120)을 통해 가공대상(10)에 멀티 빔을 집광시켜 가공대상(10)에 복수의 패턴을 동시에 형성한다. 도 4c는 5개의 빔이 레이저 스캐너(120, 집광 유닛)의 동작에 의해 기설정된 경로를 따라 가공대상(10)에 집광되는 것을 보이고 있다. 도 4c의 화살표는 5개의 레이저 빔의 집광 경로를 나타내고 있으며, 이와 같은 과정에 의해 도 4d와 같이 5개의 원형 패턴(그루브, 11)가 형성되게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 미세패턴 가공방법은 실리콘 액정표시유닛(130)에 출력된 패턴 이미지와 다른 패턴 이미지를 출력하여 멀티 빔의 배열을 단위 패턴의 거리만큼 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 4e 내지 4h는 5개의 레이저 빔의 배열을 단위 패턴의 거리만큼 순차적으로 이동시키면서 가공하여 규칙적인 배열의 원형 패턴(11)을 형성하는 것을 예시하고 있다. 여기서 단위 패턴의 거리만큼의 이동이란 미세패턴의 피치(p)만큼 이동하는 것을 의미하며, 도면에서 해칭된 영역은 멀티 빔이 조사된 영역을 의미한다.

이와 같은 방법에 따르면 하나의 원형 패턴(10)은 형성하기 위해 분광된 레이저 빔이 순차적으로 여러 번 조사되게 된다. 본 실시예의 경우에도 하나의 원형 패턴(10)은 순차적으로 5번의 레이저 빔을 조사받아 형성되게 된다. 이에 따르면 분광된 레이저 빔의 균일도가 낮더라도 최종적으로는 단일 빔을 사용한 경우 대비 조사된 빔 에너지의 합이 동일하므로 균일한 깊이의 가공이 가능하게 된다.

도 5 및 6은 본 발명과 같이 실리콘 액정표시유닛을 사용하여 레이저 빔을 분광시켜 가공한 경우와 실리콘 액정표시유닛을 사용하지 않고 단일 빔을 사용하여 가공한 경우를 비교한 가공 사례를 보이고 있다. 여기서 도 5는 구리의 표면 가공 사례를 보이고 있으며, 도 6은 초경합금의 표면 가공 사례를 보이고 있다.

도 5 및 6의 (a)는 실리콘 액정표시유닛(130)을 사용하지 않고 단일 빔을 사용하여 가공한 경우의 현미경 사진 및 가공 표면 프로파일을 보이고 있으며, 도 5 및 6의 (b)는 실리콘 액정표시유닛(130)을 사용하여 단일 빔을 5개의 빔으로 분광시켜 도 4d 내지 4h에서 나타낸 방법을 통해 가공한 경우의 현미경 사진 및 가공 표면 프로파일을 보이고 있다.

도 5 및 6의 (a)와 (b)의 가공 표면 프로파일을 비교하면, (a)의 경우보다 (b)의 경우가 가공면의 균일도가 뛰어남을 알 수 있다. 이를 통해 총주입 에너지가 동일하더라도 단일 빔을 사용하여 가공한 것보다 멀티 빔으로 분광시켜 가공한 경우가 가공면의 균일도가 뛰어난 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 미세패턴 가공기술은 동시에 복수의 패턴을 형성하여 생산성의 향상이 가능하면서도 가공 품질 또한 우수한 이점이 있다.

아울러 도 6에서 보이는 바와 같이 기계적 가공이 어려운 초경합금의 경우에도 본 발명의 미세패턴 가공기술에 의해 일정한 표면 균일도로 가공 가능한 것을 알 수 있다.

도 7 내지 10은 멀티 빔의 배열이 표시된 빔 이미지와 그의 빔 배열에 대응되는 패턴 이미지의 다른 예들을 보이고 있다. 도 7 내지 10의 (a)는 다양한 형태의 빔 배열이 표시된 빔 이미지들을 각각 보이고 있으며, 도 7 내지 10의 (b)는 (a)에 표시된 빔 이미지의 빔 배열에 대응되는(반복적 퓨리에 변환 알고리즘을 통해 변환된) 패턴 이미지들을 각각 보이고 있다.

본 발명의 미세패턴 가공장치는 도 7 내지 10에서 보인 바와 같이 단일의 장치를 사용하여 다양한 배열의 멀티 빔을 구현할 수 있으므로, 실리콘 액정표시유닛(130)에 기출력된 패턴 이미지와 다른 형태의 패턴 이미지를 출력하여 멀티 빔의 배열을 변경하여 가공하는 것이 가능하다. 즉, 멀티 빔의 배열을 순차적으로 변경해가면서 패터닝이 가능하다.

도 11은 도 7 내지 10에서 보인 다양한 배열의 멀티 빔을 이용하여 특정 영역에 미세패턴을 순차 가공한 가공 사례를 보이고 있다. 도 11의 (a) 내지 (d)에 각각 나타난 가공 과정은 도 7 내지 10에서 각각 나타낸 빔 배열을 이용하여 수행된 것을 보이고 있다.

도 11의 (a)는 도 7에 표시된 것과 같은 배열을 갖는 4개의 빔을 사용하여 가공한 것을 나타내고 있으며, 도 11의 (b)는 기형성된 패턴 아래에 도 8에 표시된 것과 같은 배열을 갖는 4개의 빔을 사용하여 가공한 것을 나타내고 있다. 그리고 도 11의 (c)는 기형성된 패턴 아래에 도 9에 표시된 것과 같은 배열을 갖는 5개의 빔을 사용하여 가공한 것을 보이고 있으며, 도 11의 (d)는 기형성된 패턴 왼쪽에 도 10에 표시된 4개의 빔을 사용하여 가공한 것을 보이고 있다.

이와 같은 가공방법은 가공 영역의 형상에 구애받지 않고 고속 가공(대면적 가공)을 가능케 하는 이점을 제공한다.

이상에서 설명한 극초단파 펄스 레이저를 이용한 미세패턴 가공장치 및 미세패턴 가공방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
원하는 멀티 빔의 배열에 대응되는 패턴 이미지를 실리콘 액정표시유닛(LCoS)에 출력하는 단계;
상기 패턴 이미지가 표시된 실리콘 액정표시유닛에 펄스 레이저 빔을 통과시켜 멀티 빔으로 분광시키는 단계;
집광 유닛을 통해 가공대상에 상기 멀티 빔을 집광시켜 상기 가공대상의 표면에 규칙적인 배열을 갖는 복수의 미세 패턴을 동시에 형성하는 단계; 및
상기 실리콘 액정표시유닛에 출력된 패턴 이미지와 다른 패턴 이미지를 출력하여 상기 멀티 빔의 배열을 상기 미세 패턴의 피치만큼 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 미세 패턴은 상기 멀티 빔이 이동하면서 특정 영역에 순차적으로 복수 횟수로 조사되어 형성되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 미세패턴 가공방법.
제6항에 있어서,
상기 패턴 이미지는 원하는 멀티 빔의 배열이 표시된 빔 이미지를 반복적 퓨리에 변환 알고리즘을 통해 변환하여 구현되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 미세패턴 가공방법.
삭제
삭제