KR101782608B1 - 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법 - Google Patents

Abstract

레이저에 의한 열 영향을 최소화하여 소재의 열변형을 방지하면서 소재 표면에 묻은 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있도록, 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 장치로, 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하는 레이저조사부를 포함하여, 상기 레이저조사부로부터 조사되는 레이저를 통해 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 구조의 소재 표면 세정 장치를 제공한다.

Description

소재 표면 세정 장치 및 세정 방법{DEVICE AND METHOD FOR CLEANING SURFACE OF MATERIAL}

본 발명은 레이저를 이용하여 금속이나 세라믹 등의 부품 표면에서 오염물을 제거하기 위한 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법에 관한 것이다.

예를 들어, 반도체 및 디스플레이 공정에서는 기능성 적층을 위하여 다양한 종류의 금속 증착을 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition) 등을 이용하여 수행한다. 증착 공정의 원리는 금속 증기와 기체를 반응 시켜 기능을 하고자 하는 기판 (금속, 세라믹)의 표면에 금속, 금속 산화물, 질화물 등의 금속 반응 생성물을 코팅층으로 형성하는 것이다.

그런데 기판에 금속 반응 생성물이 증착되는 동시에 반응 공정에 관여된 반응기의 주변 모든 부품에도 역시 금속 반응 생성물로 인하여 표면 코팅이 일어난다. 반응기 내 부품의 종류에는 챔버, 셔터, 액체 분사기, 기체 분사기, 샤워헤드, 진공 지그, 뷰포인터(유리창), 기타 고정기 등이 있으며 주로 금속이나 세라믹, 유리 재질로 제조된다. 이러한 부품의 표면에는 반복 공정을 통하여 금속 반응 생성물이 코팅층 형태로 형성되며, 이렇게 생성된 부품 표면의 오염 코팅층은 공정이 거듭될수록 두께가 두꺼워진다. 이에, 상기 오염 코팅층이 쉴드(Shield)의 역할을 하거나 일부 박리되어 코팅이 되고자 하는 기판에 불순물로 작용되는 등 문제 발생 가능성이 있으므로 주기적으로 제거해야 한다.

일반적으로 오염 코팅층 제거를 위해, 강산 세정, 알카리 세정, 가열, 초음파 세정 등의 일관 공정을 걸쳐 세정을 진행하였다. 그러나, 종래와 같이 강산이나 알카리를 쓰게 되는 경우 사용상의 주의와 인체의 유해성뿐만 아니라 화학물질의 처리에 많은 비용이 소요된다. 이와 더불어 표면 오염 코팅층 제거를 위해 고온으로 가열하는 공정은 부품 전체에 열을 가하게 되어 제품의 변형이 발생할 가능성이 있어 사용의 제약이 있다. 금속 모재 뿐만 아니라 세라믹, 유리, 고분자 소재 역시 표면에 생성되는 금속 또는 금속 산화물을 제거하기 위하여 상기의 공정을 사용하는데 마찬가지로 강산, 강염기 물질 사용으로 인한 위험성 및 고처리 비용 문제뿐만 아니라 고온 가열에 의한 제품 손상의 문제가 있다. 또한, 유기용제를 이용한 초음파 세정의 경우, 인체에 악영향을 미치는 에틸렌이나 오존층을 파괴하는 플로오르 등의 유기 용제를 사용하기 때문에 인체 및 환경에 좋지 않고, 초음파와 유기용제의 증기 방출에 의해 작업자의 건강을 해칠 우려가 높다.

이와 더불어 레이저를 이용하여 소재 표면의 오염물질을 제거하는 기술이 제안되어 있으나, 세정액을 이용해야 하므로 불편하고 세정장치나 공정이 복잡해지며, 무엇보다도 레이저에 의해 소재 표면이 가열되어 소재에 열변형이 일어나는 문제가 있다.

이에, 레이저를 이용하여 소재 표면에 묻은 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있도록 된 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.

또한, 레이저에 의한 열 영향을 최소화하여 소재의 열변형을 방지하면서 소재 표면에 묻은 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있도록 된 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.

본 실시예의 세정 장치는 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 장치로, 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하는 레이저조사부를 포함하여, 상기 레이저조사부로부터 조사되는 레이저를 통해 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 구조일 수 있다.

본 실시예의 세정 장치는 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 장치로, 소재 표면에 레이저를 조사하는 레이저조사부, 소재가 놓여지는 작업대, 상기 작업대 상에서 상기 레이저조사부를 수평면을 따라 이동시키기 위한 평면이동부, 상기 작업대를 레이저조사부에 대해 상하로 이동시키는 수직이동부를 포함할 수 있다.

상기 세정 장치는 상기 레이저 세정시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 흡입부를 더 포함할 수 있다.

상기 세정 장치는 레이저 조사영역으로 유체를 분사하여 세정시 발생된 파티클을 제거하는 분사부를 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 세정 방법은 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 방법으로, 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 생성하는 단계와, 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 상기 레이저를 조사하여 초단 펄스의 피크 에너지를 가하여 오염물질을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 세정 방법은 소재의 표면을 따라 레이저 조사 영역을 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 세정 방법은 오염물질 제거시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 흡입단계를 더 포함할 수 있다.

상기 세정 방법은 오염물질 제거시 레이저 조사 영역으로 유체를 분사하여 파티클을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 레이저조사부는 고체레이저, 액체레이저, 기체레이저 또는 반도체레이저를 모드잠금(mode-locking)하고 큐스위칭(Q-switching)하여 펄스 폭을 줄이고 출력을 높여 피코초 이하의 초단 펄스를 갖는 레이저를 생성하는 구조일 수 있다.

상기 레이저는 팸토초 또는 아토초 펄스를 가지는 구조일 수 있다.

상기 소재는 금속, 세라믹, 유리 또는 고분자 재질의 소재일 수 있다.

상기 레이저의 피크 에너지는 0.1 ~ 125μJ일 수 있다.

상기 소재에 대한 레이저 조사 각도는 30 ~ 90도 일 수 있다.

상기 레이저의 파장은 300nm ~ 1064nm 일 수 있다.

상기 레이저조사부는 레이저 조사 영역이 고정된 적어도 하나 이상의 고정레이저부, 소재에 대해 회동되어 레이저 조사 영역을 이동하는 적어도 하나의 회동레이저부 및 회동레이저부를 회동시키기 위한 회동부를 포함할 수 있다.

상기 수직이동부는 베이스부재와 베이스부재 상에 회전가능하게 설치되고 수직으로 연장된 복수개의 이송스크류, 상기 작업대에 설치되어 상기 이송스크류에 나사결합되는 이송블럭, 상기 베이스부재에 설치되고 상기 이송스크류에 연결되어 이송스크류를 회전시키는 서보모터를 포함할 수 있다.

상기 수직이동부는 상기 서보모터의 구동축에 설치된 구동기어와, 상기 각 이송스크류에 설치되는 피동기어, 및 상기 구동기어와 피동기어를 하나로 연결하여 동력을 전달하는 타이밍벨트를 더 포함할 수 있다.

상기 평면이동부는 수평면에 y축 방향을 따라 연장되어 상기 레이저조사부가 이동가능하게 놓여지는 y축 이송레일, 상기 y축 이송레일을 따라 레이저조사부를 이동시키기 위한 y축 구동부, 상기 수평면에 x축 방향을 따라 연장되어 상기 y축 이송레일이 이동가능하게 놓여지는 x축 이송레일, 상기 x축 이송레일을 따라 y축 이송레일을 이동시키기 위한 x축 구동부를 포함할 수 있다.

상기 분사부는 레이저 조사부에서 이격되어 상기 작업대 상에서 작업대를 가로질러 연장되는 분사관과, 상기 분사관을 따라 형성되어 레이저 조사부를 포함하여 작업대 상에 유체를 분사하는 분사노즐, 상기 분사관에 연결되어 유체를 공급하는 유체공급부를 포함할 수 있다.

상기 분사부는 상기 레이저조사부와 연동되어 분사관의 분사 위치를 이동시키는 분사부이동부를 더 포함할 수 있다.

상기 흡입부는 상기 레이저조사부를 사이에 두고 상기 분사부의 반대쪽에서 상기 분사관과 나란하게 배치되어 작업대를 따라 설치되는 적어도 하나 이상의 흡입덕트, 상기 흡입덕트에 연결되어 흡입압을 제공하는 흡입펌프를 포함할 수 있다.

상기 작업대 상에 설치되어 소재가 놓여진 세정 영역을 감싸 외부와 차단하고 레이저가 투과되는 유리 재질의 하우징을 더 포함하고, 상기 흡입덕트는 상기 하우징 일측 단부에 설치되어 하우징 내부에 흡입압을 가하는 구조일 수 있다.

상기 흡입부는 레이저조사부 둘레를 따라 설치되고 하단은 개방되어 스패터 등 이물질을 흡입하는 흡입후드와, 상기 흡입후드 일측에 연결되어 흡입압을 제공하는 흡입펌프를 포함할 수 있다.

상기 분사부는 상기 흡입후드를 따라 연장되어 레이저조사부 둘레를 따라 배치되는 분사관과, 상기 분사관을 따라 형성되어 레이저 조사영역으로 유체를 분사하는 분사노즐, 및 상기 분사관에 연결되어 유체를 공급하는 유체공급부를 포함할 수 있다.

상기 분사관은 상기 흡입후드의 외측, 상기 흡입후드의 내부 공간 또는 상기 흡입후드와 상기 레이저부 사이에 설치될 수 있다.

상기 하우징의 일측 단부에 흡입덕트가 설치되고, 상기 흡입덕트와 대향되는 하우징의 타측 단부에 분사관이 설치된 구조일 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 피코초 이하의 초단 펄스 레이저를 조사하여 소재의 열변형을 방지하면서 오염물질에 열적 응력을 가해 소재 표면에 묻은 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

또한, 다양한 크기와 형태를 갖는 소재에 대해서도 오염물질 제거가 가능하다.

또한, 작업 영역 내에서 일정한 유체 흐름을 형성하여, 레이저 세정 과정에서 작업 영역 내에 발생된 파티클의 제거 효율을 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 소재 표면 세정장치의 구성을 도시한 개략적인 평면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 소재 표면 세정장치의 구성을 도시한 개략적인 측면도이다.
도 3과 도 4는 본 실시예에 따른 세정장치의 소재에 따른 레이저 세정 상태를 도시한 개략적인 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 실시예에 따른 세정장치의 흡입부와 분사부의 또다른 실시예들을 도시한 개략적인 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 소재 표면 세정장치의 레이저조사부의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따라 소재 표면을 세정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10과 도 11는 본 실시예에 따라 소재 표면을 세정한 후의 표면 영역과 세정 전의 표면 영역의 조성을 파악한 결과를 나타낸 도면이다.
도 12와 도 13은 본 실시예에 따라 소재 표면의 세정 부분 경계면을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 14와 도 15는 본 실시예에 따라 세라믹 소재의 표면 세정 결과를 나타낸 도면이다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

이하 설명에서 본 실시예는 오염물질 제거 대상인 소재로 반도체 및 디스플레이 공정의 증착장비에 사용되는 부품을 예로서 설명한다.

반도체 및 디스플레이 등의 공정내에 사용되는 부품은 주로 금속, 세라믹, 유리, 고분자 소재이다. 예를 들어 금속으로는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄 등의 소재가 사용되고, 세라믹으로는 알루미나, 지르코티아 등의 소재가 사용되고 있다. 이러한 소재의 표면 조도는 수 nm ~ 수십 마이크로 미터에 이르고, 증착 공정에 의해 상기 소재의 표면에 금속 및 금속 반응 생성물이 생성된다.

본 실시예의 세정 장치는 초단 펄스의 레이저를 이용하여 상기와 같은 금속, 세라믹, 유리 또는 고분자 재질의 소재에 있어서, 표면의 오염물질을 제거하는 구조로 되어 있다.

이를 위해, 본 실시예의 세정장치는 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 직접 조사하는 레이저조사부를 포함하여, 상기 레이저조사부로부터 소재 표면에 조사되는 레이저를 통해 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정한다.

상기 레이저조사부는 펄스레이저를 출력하기 위한 장치로, 이로부터 조사되는 레이저는 피코초 이하의 펄스 즉, 피코초, 팸토초 또는 아토초 등의 초단 펄스를 가질 수 있다.

이와 같이, 본 실시예는 피코초, 펨토초 또는 아토초와 같이 피코초 이하의 초단 펄스의 집속된 에너지를 갖는 레이저를 공정에서 발생하는 반응 생성물 코팅층에 바로 조사하여 소재로부터 반응 생성물을 제거하게 된다.

상기 레이저조사부는 다양한 종류의 펄스레이저, 예를 들어 고체레이저, 액체레이저, 기체레이저 또는 반도체레이저를 모드잠금(mode-locking)하고 큐스위칭(Q-switching)하여 펄스 폭을 줄이고 출력을 높여 피코파 이하의 초단 펄스를 갖는 레이저를 생성하는 구조일 수 있다.

고체레이저, 액체레이저, 기체레이저, 반도체레이저 등의 펄스레이저는 큐스위칭(Q-Switching)을 이용한 에너지 펌핑 작용을 통해 수W의 펄스 에너지에서 수 kW수준까지 광 펌핑되며, 모드잠금(mode locking)을 통하여 원하는 주파수를 가진 피코초 이하의 펄스 레이저로 생성된다.

본 실시예에서 상기 레이저조사부로부터 생성되어 소재에 조사되는 레이저의 피크(peak)에너지는 0.1 ~ 125μJ일 수 있다. 상기 피크에너지는 예를 들어, 주파수가 0.1MHz~2MHz이고 에너지가 1~50W인 레이저를 사용하여 얻어질 수 있다.

대부분의 물질의 변형에너지는 0.1~2μJ이므로, 본 실시예에서 소재로 입사되는 레이저의 피크 에너지는 대부분의 유기, 무기물질을 제거하는 임계 에너지를 넘어서게 된다. 본 실시예의 레이저 피크 에너지가 상기 범위보다 낮은 경우에는 소재에 대한 세정 효과가 떨어지고, 상기 범위를 넘는 경우 소재 자체에 손상을 일으킬 수 있다.

이와 같이 레이저조사부로부터 생성된 피코초 이하 펄스를 갖는 레이저는 소재의 표면에 존재하는 유기물질이나 무기물질의 표면에 극초단시간의 높은 에너지로 입사하여 제거하고자 하는 유기물질 또는 무기물질의 표면에 국부적인 열을 가하게 된다. 이에, 레이저조사부로부터 조사된 레이저에 의해 국소 부위가 열변형되어 깨지면서 소재 표면에 코팅된 오염물질이 제거된다.

그리고, 레이저조사부로부터 생성된 비연속적 펄스를 가지는 피코초 이하의 극초단파 레이저는 소재 표면에 열을 전달하지 않는다. 레이저의 극초단파 펄스와 집속된 에너지를 가진 입자는 에너지를 국부적인 부위에 전달함으로써 표면에 열을 발생시키지 않게 되어 소재의 변형은 일어나지 않는다. 이러한 원리로 인하여 소재의 사용에 제한이 없으며 소재의 변형없이 오염물질만의 제거가 가능하다.

본 실시예에 사용되는 레이저의 파장은 IR, 가시광선, 자외선 파장 등에 대하여 광범위하게 사용가능하다. 즉 파장이 1064nm 이상에서 300nm 파장에 해당하는 자외선 영역 등에 대하여 펄스파 레이저로 사용이 가능하다. 파장의 영역은 재료의 에너지 흡수 계수와 상호관계가 있으나, 본 실시예에서는 파장과 무관하게 피코초 이하의 극초단파 레이저 펄스에 의하여, 높은 입사에너지와 극초단파 펄스 유지 시간 등을 통해 세정이 이루어지게 된다. 이에 본 실시예는 상기 파장 범위와 같이 길게는 적외선 영역에서 짧게는 자외선 영역의 파장을 갖는 레이저를 모두 사용가능하다. 예를 들어, 본 실시예의 경우, 1064nm Nd:YVO4 레이저를 사용하고, Harmonic Coupling 기술을 이용하여 파장을 536nm, 354nm등으로 파장을 변화시켜 사용이 가능하다.

또한, 상기 레이저조사부는 소재 표면에 대해 레이저의 조사각도를 크게 할 수 있다. 본 실시예에서 상기 레이저조사부는 소재 표면에 바로 조사되는 레이저를 소재 표면에 대해 30 ~ 90도의 각도로 조사할 수 있다. 레이저 조사 각도가 30도를 넘는 경우 소재에 가해지는 레이저의 에너지가 커지게 되나, 본 실시예의 경우 피코초 이하의 펄스를 갖는 레이저가 소재에 조사됨에 따라 소재에 대한 레이저 조사각도가 커지더라도 소재의 표면으로는 열을 전달하지 않고 오로지 소재 표면에 코팅된 오염물질만을 제거할 수 있게 된다.

이와 같이, 소재 표면에 대한 레이저 조사 각도를 30도를 넘어 직각으로 조사함으로써, 레이저의 에너지를 소재에 온전히 전달할 수 있어 오염물질 제거 효율을 높이면서도 소재 표면의 손상은 방지할 수 있게 된다.

또한, 소재에 대한 레이저의 조사각도가 30도 이하로 낮아질수록 소재에 가해지는 에너지가 조사면 전체에 걸쳐 균일하지 못하고 에너지 불균형이 일어난다. 본 실시예의 경우, 레이저의 조사각도가 30도 이상으로 커 소재에 균일하게 에너지를 입사할 수 있게 된다.

소재에 바로 입사된 피코초 이하 펄스 레이저에 있어서, 극초단파 에너지에 의하여 표면에 국부적인 에너지 입사 후 원자와 원자간, 전자와 이온간, 이온상호간 에너지 전달에 의한 열에너지 증가 및 용융 변형 등은 일어나지 않는다. 따라서, 상기와 같이 레이저를 소재에 직각으로 조사하여도 극초단 펄스 파장에 의하여 국부적인 열응력 발생 후 열전달이 없어 소재의 변형이나 원하지 않는 용융은 발생하지 않는다.

이에 비하여 다른 연속적인 파장을 가지는 레이저 (Continuous Wave, CW 레이저)의 경우, 레이저 에너지의 입사되는 시간이 약 0.2 마이크로초 이상으로써, 본 실시예의 피코초 이하의 펄스초와는 비교가 되지 않을 정도의 긴 시간동안 물질에 에너지가 입사되므로 열변형이나 열에 의한 손상이 발생하게 된다. 따라서, 연속파형 레이저는 긴 시간의 에너지 입사를 이용하여 표면에 에너지를 전달하는 방식으로써 열에너지를 함께 전달하여 소재에 손상을 초래한다.

실시예

도 1과 도 2는 본 실시예에 따른 소재 표면 세정장치의 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 이하, 수평면이나 평면은 도 1에서 xy 평면을 의미하며, 상하 또는 수직이라 함은 도 2에서 z축 방향을 의미한다.

본 실시예의 세정장치는 소재 표면에 레이저를 조사하는 레이저조사부(1), 소재가 놓여지는 작업대(2), 상기 작업대(2) 상에서 상기 레이저조사부(1)를 수평면을 따라 이동시키기 위한 평면이동부(3), 상기 작업대(2)를 레이저조사부(1)에 대해 상하로 이동시키는 수직이동부(4)를 포함할 수 있다.

이에, 작업대(2) 상에 놓여진 소재에 대해 레이저조사부(1)를 xy 평면을 따라 수평 이동하고, z축을 따라 수직방향으로 이동함으로써, 3차원 상에서 레이저 조사영역을 이동하여 소재 전체 표면에 레이저를 조사할 수 있게 된다.

상기 레이저조사부(1)는 레이저 조사 영역이 고정된 적어도 하나 이상의 고정레이저부(16), 소재에 대해 회동되어 레이저 조사 영역을 이동하는 적어도 하나의 회동레이저부(17)를 포함한다. 본 실시예에서 상기 레이저조사부(1)는 세 개의 고정레이저부(16)와 하나의 회동레이저부(17)를 구비한다. 상기 고정레이저부(16)와 회동레이저부(17)의 설치 개수는 다양하게 변형가능하다.

상기 회동레이저부(17)에는 회동레이저부(17)를 소재에 대해 회동시키기 위한 회동부(18)가 설치된다. 상기 회동레이저부(17)는 자체적으로 회동되어 움직이는 구조를 제외하고 레이저 조사를 위한 기본 구조는 고정레이저부와 동일하다. 레이저 조사를 위한 상기 레이저조사부(1)의 구체적인 구성에 대해서는 뒤에서 다시 설명한다.

상기 고정레이저부(16)는 레이저 조사영역이 고정된 상태로 평면이동부(3)의 구동에 따라 작업대(2) 상에서 수평면(도 1의 xy 평면)을 따라 이동한다. 이에 상기 고정레이저부(16)는 도 3에 도시된 바와 같이, 평면을 갖는 소재 표면에 대해 세정을 수행할 수 있다.

상기 회동레이저부(17)는 평면이동부(3)의 구동에 따라 작업대(2) 상에서 수평면을 따라 이동함과 더불어, 회동부(18)의 구동에 따라 자체적으로 회동하면서 레이저 조사영역을 이동시키게 된다. 이에, 상기 회동레이저부(17)는 도 4에 도시된 바와 같이, 요철 형태로 표면이 굴곡이 있는 소재에 대해 보다 용이하게 세정을 수행할 수 있다.

상기 평면이동부(3)는 레이저조사부(1)를 수평면을 따라 이동시키는 구조로 되어 있다. 본 실시예에서, 상기 평면이동부(3)는 수평면에 y축 방향을 따라 연장되어 상기 레이저조사부(1)가 이동가능하게 놓여지는 y축 이송레일(31), 상기 y축 이송레일(31)을 따라 레이저조사부(1)를 이동시키기 위한 y축 구동부(32), 상기 수평면에 x축 방향을 따라 연장되어 상기 y축 이송레일(31)이 이동가능하게 놓여지는 x축 이송레일(33), 상기 x축 이송레일(33)을 따라 y축 이송레일(31)을 이동시키기 위한 x축 구동부(34)를 포함한다.

이에, y축 구동부(32) 작동에 따라 레이저조사부(1)가 y축 방향으로 배치된 y축 이송레일(31)을 따라 왕복 이동하게 된다. 또한, x축 구동부(34)의 작동에 따라 레이저조사부(1)가 결합된 y축 이송레일(31) 자체가 x축 이송레일(33)을 따라 왕복 이동하게 되어, 레이저조사부(1)는 y축 이송레일(31)과 함께 x축 방향으로 이동하게 된다.

따라서, x축 구동부(34)와 y축 구동부(32)의 작동에 따라 레이저조사부(1)가 작업대(2) 상에서 수평면을 따라 이동하면서, 작업대(2)에 놓여진 소재의 표면 전체에 레이저를 조사할 수 있게 된다.

상기 x축 구동부(34)와 y축 구동부(32)는 예를 들어, 리니어 모터나 스텝 모터일 수 있으며, 레이저조사부(1)를 직선 왕복이동시키는 구조면 모두 적용 가능하다.

상기 수직이동부(4)는 작업대(2)를 수직방향으로 이동하여, 작업대(2) 상에 놓여진 소재의 표면을 레이저 조사영역에 맞춰 수직으로 이동시킨다.

상기 수직이동부(4)는 설비 바닥에 설치되는 베이스부재(41)와, 상기 베이스부재(41) 상에 회전가능하게 설치되고 수직으로 연장된 복수개의 이송스크류(42), 상기 작업대(2)에 설치되어 상기 이송스크류(42)에 나사결합되는 이송블럭(43), 상기 베이스부재(41)에 설치되고 상기 이송스크류(42)에 연결되어 이송스크류(42)를 회전시키는 서보모터(44)를 포함한다.

본 실시예에서, 상기 작업대(2)는 사각형태로 이루어질 수 있고, 베이스부재(41) 역시 작업대(2)에 대응하여 사각형태로 이루어질 수 있다. 상기 베이스부재(41)의 4곳의 모서리에 각각 이송스크류(42)가 배치되어 수직으로 설치된다. 그리고 작업대(2)의 4곳의 모서리에 각각 이송블럭(43)이 설치되어 이송스크류(42) 각각에 체결된다.

상기 작업대(2)는 각 모서리에 설치된 이송블럭(43)이 각각의 이송스크류(42)에 체결되어 있어서, 작업대(2)가 수평상태를 유지하면서 상하로 이동하기 위해서는 각 이송스크류(42)가 같이 회전되어 이송블럭(43)의 상하 이동량이 동일해야 한다.

상기 각 이송스크류(42)를 동일하게 정역회전시키기 위해, 상기 수직이동부(4)는 상기 서보모터(44)의 구동축에 설치된 구동기어(45)와, 상기 각 이송스크류(42)에 설치되는 피동기어(46), 및 상기 구동기어(45)와 피동기어(46)를 하나로 연결하여 동력을 전달하는 타이밍벨트(47)를 더 포함한다.

이에, 서보모터(44)가 구동되면 구동기어(45)가 회전되면서 구동기어(45)에 연결된 타이밍벨트(47)가 움직이게 된다. 상기 타이밍벨트(47)는 폐곡선 형태를 이루어 베이스부재(41)의 각 모서리를 지나면서 피동기어(46)에 맞물려 있으므로, 타이밍벨트(47)가 움직이면 맞물려 있는 각 피동기어(46)가 같이 회전하게 된다.

이와 같이, 타이밍벨트(47)에 체결된 각 피동기어(46)가 동시에 동일한 양으로 회전함으로써, 피동기어(46)가 설치된 모든 이송스크류(42) 역시 동일하게 회전하게 된다. 따라서 이송스크류(42)에 이송블럭(43)을 매개로 결합되어 있는 작업대(2)가 수평상태를 유지하면서 상하로 이동하게 된다.

이에, 작업대(2)에 놓여진 소재의 표면 위치를 상하로 이동시킴으로써, 수직방향에 대해 소재 표면을 레이저조사부(1)의 레이저 조사영역에 정확히 맞출 수 있게 된다.

본 실시예에서, 상기 세정 장치는 레이저 조사영역으로 유체를 분사하여 세정시 발생된 파티클을 제거하는 분사부(5)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 세정 장치는 상기 레이저 세정시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 흡입부(6)를 더 포함할 수 있다.

상기 분사부(5)는 레이저 조사부에서 이격되어 상기 작업대(2) 상에서 작업대(2)를 가로질러 연장되는 분사관(51)과, 상기 분사관(51)을 따라 형성되어 레이저 조사부를 포함하여 작업대(2) 상에 유체를 분사하는 분사노즐(52), 상기 분사관(51)에 연결되어 유체를 공급하는 유체공급부(53)를 포함할 수 있다.

상기 분사부(5)는 상기 레이저조사부(1)와 연동되어 분사관(51)의 분사 위치를 이동시키는 분사부이동부(54)를 더 포함할 수 있다.

상기 흡입부(6)는 상기 레이저조사부(1)를 사이에 두고 상기 분사부(5)의 반대쪽에서 상기 분사관(51)과 나란하게 배치되어 작업대(2)를 따라 설치되는 적어도 하나 이상의 흡입덕트(61), 상기 흡입덕트(61)에 연결되어 흡입압을 제공하는 흡입펌프(62)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 다섯 개의 흡입덕트(61)가 작업대(2)의 측면을 따라 일렬로 배치된 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 작업대(2)의 측면 길이에 대응되는 크기를 갖는 단일 흡입덕트(61) 역시 적용 가능하다.

상기 분사관(51)은 도 1에 도시된 바와 같이, x축 방향을 따라 작업대(2) 전면을 가로질러 설치된다. 분사관(51)에는 축방향을 따라 분사노즐(52)이 간격을 두고 설치되어 있어서, x축 방향을 따라 작업대(2) 전면에서 분사노즐(52)을 통해 유체가 분사된다.

그리고, 레이저조사부(1)를 사이에 두고 x축 방향을 따라 흡입덕트(61)가 분사관(51)과 나란하게 배치된다. 이에. 분사관(51)에서 분사된 유체는 레이저조사부(1)의 레이저 조사영역 뿐만 아니라, x축 방향 전체에서 작업대(2)로 분사된다.

작업대(2)에서 분사관(51)의 대향하는 면에는 흡입덕트(61)가 배치되어 있어서, 작업대(2) 전면에서 흐르는 유체는 바로 흡입덕트(61)를 통해 흡입된다.

이와 같이, 유체는 분사관(51)을 통해 작업대(2) 전체로 분사되고 바로 대향 배치된 흡입덕트(61)를 통해 빨려나감에 따라, 작업대(2) 전면에서 흡입덕트(61)를 향하는 일정한 유체 흐름을 형성하게 된다. 즉, 작업대(2) 전면에서 동일한 방향으로의 유체 흐름이 형성된다. 본 실시예의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 작업대(2) 상에 x축 방향으로 분사관(51)과 흡입덕트(61)가 배치되어 있어, 작업대(2) 상에 y축 방향으로의 유체 흐름이 형성된다.

레이저조사부(1)는 일방향의 유체 흐름이 형성되어 있는 작업대(2) 상을 이동하면서 소재 표면에 레이저를 조사하게 된다. 이에, 레이저조사부(1)에 의한 레이저 조사영역 뿐만 아니라, 레이저 세정된 부분으로도 계속해서 유체가 흐르게 된다.

따라서, 레이저 세정과정에서 발생된 스패터 등의 이물질 제거는 물론, 레이저 세정 작업 후 소재에서 미처 제거되지 못한 이물질 역시 작업대(2) 전면에서 지속적으로 형성되는 유체 흐름을 따라 보다 원활하게 흡입덕트(61)를 통해 빨려나가게 된다.

상기 분사관(51)은 분사부이동부(54)의 구동에 따라 작업대(2)의 y축 방향을 따라 이동된다. 상기 분사부이동부(54)는 레이저조사부(1)의 이동량에 연동되어 분사관(51)을 이동시킨다. 상기 레이저조사부(1)가 y축 방향을 따라 이동하게 되면 상기 분사부이동부(54)는 레이저조사부(1)와의 간격을 유지하며 상기 분사관(51)을 y축 방향으로 이동한다. 분사부이동부(54)의 구동에 따라 상기 분사관(51)은 y축 레일을 따라 이동될 수 있다.

분사관(51)은 레이저조사부(1)의 위치에 연동되어 이동하는 구조 외에, 작업자의 수동 작업에 따라 설정된 위치로 이동시킬 수 있다.

본 실시예에서 상기 흡입덕트(61)는 작업대(2) 일측에 고정 설치될 수 있다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 보다 효과적인 이물질 흡입 제거를 위해, 상기 작업대(2) 상에 설치되어 소재(P)가 놓여진 세정 영역을 감싸 외부와 차단하고 레이저가 투과되는 유리 재질의 하우징(21)을 더 포함하고, 상기 흡입덕트(61)는 상기 하우징(21) 일측 단부에 설치되어 하우징(21) 내부에 흡입압을 가하는 구조일 수 있다.

상기 하우징(21)은 유리재질로 이루어져, 외부에 배치된 레이저조사부(1)에서 조사된 레이저는 유리 재질의 하우징(21)을 투과하여 소재(P) 표면에 조사된다. 따라서, 하우징(21)에 관계없이 소재(P) 세정에 필요한 에너지의 레이저를 소재(P)에 가할 수 있게 된다.

이에, 레이저 세정 시 소재(P) 표면에서 발생된 이물질이 외부로 비산되지 않고 하우징(21) 내에서 흡입덕트(61)를 통해 모두 빨려나감으로써, 보다 용이하게 이물질을 흡입 제거할 수 있게 된다.

상기한 구조의 세정장치를 통해 소재(P) 표면에 레이저를 조사함으로써, 소재 표면의 오염물질이 레이저의 에너지에 의해 가열되어 제거된다. 레이저조사부(1)의 이동에 따라 작업대(2)에 놓여진 소재 표면에 연속적으로 레이저 조사가 이루어진다. 이 과정에서 분사관(51)을 통해 공급된 유체는 분사관(51)의 분사노즐(52)을 통해 분사되어 오염물질 제거시 발생된 스패터 등의 이물질을 불어 제거하게 된다. 그리고 이물질은 유체와 함께 흡입덕트(61)쪽으로 날려가 흡입덕트(61)를 통해 제거된다.

도 3과 도 4는 상기 소재에 따른 세정 상태를 도시하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 평면을 갖는 소재(P)의 경우, 작업대(2)를 따라 고정레이저부(16)가 이동하면서 소재(P) 표면을 레이저 세정한다. 고정레이저부(16)는 레이저 조사영역이 고정되어 있고 단지 수평면을 따라 이동만 가능하나, 소재(P) 역시 평면 형태를 이루므로 소재(P) 표면에 정확히 레이저를 조사할 수 있다. 분사관(51)의 분사노즐(52)에서 분사된 유체는 레이저 세정시 발생된 스패터 등의 이물질을 흡입덕트쪽으로 불어낸다. 분사관(51)과 흡입덕트(61) 사이에 형성된 유체의 흐름에 의해 이물질은 흡입덕트쪽으로 이동하여 흡입덕트를 통해 배출 처리된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 소재(P)의 표면이 요철 형태로 올록볼록하게 형성된 구조의 경우, 고정레이저부(16)로는 세정이 제대로 이루어지기 힘들다. 이 경우 회동부의 구동에 따라 회동레이저부(17)가 회동되어 레이저 조사각도를 변경함으로써, 소재(P) 표면의 구석진 부분까지 레이저를 조사할 수 있다. 이와 같이 고정레이저부(16)와 별도로 회동레이저부(17)를 구비함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 요철 형태로 표면이 굴곡이 있는 소재(P)에 대해서도 용이하게 세정을 수행할 수 있다.

도 5는 레이저 세정시 발생되는 이물질의 효과적인 제거를 위한 또다른 실시예를 도시하고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 세정 장치는 작업대(2) 상에 소재(P)가 놓여진 세정 영역을 감싸 외부와 차단하고 레이저가 투과되는 유리 재질의 하우징(21)이 설치되고, 상기 하우징(21)의 일측 단부에 흡입덕트(61)가 설치되며, 상기 흡입덕트(61)와 대향되는 하우징(21)의 타측 단부에 분사관(51)이 설치된 구조일 수 있다. 상기 흡입덕트(61)와 분사관(51)은 하우징(21)을 따라 길게 연장 설치된다.

상기 흡입덕트(61)는 하우징(21) 내부에 흡입압을 가하며, 상기 분사관(51)은 흡입덕트(61)를 향해 유체를 분사한다. 이에, 하우징(21)의 타측 단부에서 분사된 유체는 하우징 내부 영역에서 레이저 조사영역을 거쳐 하우징의 반대쪽 단부로 흘러 흡입덕트(61)를 통해 빨려나가게 된다.

따라서, 레이저 세정이 이루어지는 하우징(21) 내부 영역에서는 한 방향으로의 유체 흐름이 지속적으로 일어나, 레이저 세정시 발생된 스패터 등의 이물질이 외부로 비산되지 않고 유체의 흐름을 따라 보다 용이하게 흡입덕트(61)를 통해 흡입 제거될 수 있다.

도 6과 도 7은 레이저 세정시 발생되는 이물질의 제거를 위한 또다른 실시예를 도시하고 있다.

도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 흡입부(6)는 레이저조사부(1) 둘레를 따라 설치되고 하단은 개방되어 스패터 등 이물질을 흡입하는 흡입후드(64)와, 상기 흡입후드(64) 일측에 연결되어 흡입압을 제공하는 흡입펌프(62)를 포함한다.

상기 흡입후드(64)는 도 7에 도시된 바와 같이, 사각의 링 형태로 이루어져 레이저조사부(1)의 둘레를 따라 배치된다. 상기 흡입후드(64)는 내부에 흡입 공간을 구비하며 하단은 개방되어 흡입구를 이루는 구조로 되어 있다. 이에, 상기 레이저조사부(1) 둘레를 따라 흡입후드(64)의 개방된 하단이 배치되어 레이저조사부(1) 위치를 벗어나 외부로 비산되는 스패터 등의 이물질이 흡입후드(64) 개방된 하단을 통해 빨려들어가 제거된다. 상기 흡입후드(64)는 레이저조사부(1) 외측부를 감싸고 있으므로, 레이저 조사 영역에서 발생된 스패터 등의 이물질이 어느 방향으로 비산되더라도 모두 흡입후드(64) 하단을 지나면서 흡입후드(64)로 흡입되어 제거될 수 있다.

상기 흡입후드(64)는 레이저조사부(1)에 연결 설치되어 레이저조사부(1)의 움직임에 연동하여 같이 움직이는 구조일 수 있다. 이에, 소재(P)를 따라 레이저조사부(1)가 이동함에 따라 흡입후드(64)도 같이 이동하면서 연속적으로 스패터 등의 이물질을 제거할 수 있게 된다.

이와 같이, 레이저조사부(1) 이동에 따라 레이저 조사영역이 이동하더라도 흡입후드(64)는 레이저 조사영역을 계속 감싸고 있어서, 레이저조사부(1) 이동에 관계없이 발생된 이물질을 모두 효과적으로 흡입하여 제거할 수 있게 된다.

본 실시예에서, 상기 분사부(5)는 상기 흡입후드(64)를 따라 연장되어 레이저조사부(1) 둘레를 따라 배치되는 분사관(56)과, 상기 분사관(56)을 따라 형성되어 레이저 조사영역으로 유체를 분사하는 분사노즐(57), 및 상기 분사관(56)에 연결되어 유체를 공급하는 유체공급부(53)를 포함할 수 있다. 분사부(5)를 통해 레이저 조사영역에 유체를 분사함으로써, 레이저 세정시 발생되는 스패터 등 이물질의 제거 효율을 보다 높일 수 있게 된다.

상기 분사관(56)은 도 7에 도시된 바와 같이, 흡입후드의 형태와 같이 사각의 링 형태로 이루어져 레이저조사부(1)의 둘레를 따라 배치된다. 분사관(56)을 따라 복수의 분사노즐(57)이 간격을 두고 배열 형성된다. 상기 각 분사노즐(57)은 각각의 위치에서 레이저 조사영역을 향하도록 형성될 수 있다.

상기 분사관(56)은 레이저조사부(1)에 연결 설치되거나, 흡입후드(64)와 연결될 수 있다. 이에, 소재(P)를 따라 레이저조사부(1)가 이동함에 따라 흡입후드(64)와 같이 분사관(56)도 같이 이동하여 레이저 조사영역에 연속적으로 유체를 분사할 수 있게 된다.

본 실시예에서, 상기 분사관(56)은 상기 흡입후드(64)의 외측 하단에 위치한다. 이러한 구조 외에 상기 분사관(56)은 상기 흡입후드(64)의 내부 공간 또는 흡입후드(64)와 레이저조사부(1) 사이에 설치될 수 있다. 이에, 분사관(56)의 분사노즐을 통해 레이저 조사영역 외측에서 레이저 조사영역으로 유체를 분사하여 스패터 등의 이물질을 조사영역에서 분리시켜 흡입후드(64)쪽으로 날려보냄으로써, 이물질 제거 효율을 높일 수 있다.

이와 같이, 상기 분사관(56)은 레이저 조사영역을 둘러싸고 있는 상태에서 레이저 조사영역으로 유체를 분사하고, 분사관에 바로 이웃하여 배치된 흡입후드(64)가 스패터 등의 이물질을 흡입함으로써, 이물질은 레이저 조사영역 외부로 빠져나가지 못하고 모두 흡입후드로 빨려들어가 제거될 수 있다.

도 8은 피코초 이하의 펄스 레이저를 소재 표면에 조사하기 위한 레이저조사부(1)를 도시하고 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 레이저조사부(1)는 고체레이저를 기반으로 하여 피코초 이하 펄스를 갖는 레이저를 생성하는 레이저 발진원(10)과, 레이저 발진원에서 생성된 레이저의 파워 조절용 조절기(Attenuator)(12), 레이저 빔의 형상 전달을 위한 복수개의 미러(Mirror)(13), 레이저빔을 2차원 평면 내의 원하는 곳으로 전달하기 위한 스캐너(Scanner)(14)를 포함한다. 도 8에서 도면 부호 (15)는 레이저빔의 크기를 키우기 위한 볼록렌즈이다. 레이저빔의 크기를 보다 크게 키울수록 최종적으로 보다 작은 빔을 만들 수 있다.

또한, 작업대(2)는 언급한 바와 같이 상부에 소재를 고정하며, 상하로 이동된다. 상기 스캐너(14)는 소재 표면의 일정 영역에만 레이저빔을 조사하므로, 소재가 고정된 작업대와 레이저조사부가 같이 이동되어 소재의 전체 영역에 레이저빔을 조사할 수 있다.

레이저 발진원(10)에서 발진된 피코초 이하 펄스의 초극단파 고집적 레이저는 미러(13)와 스캐너(14)를 통하여 세정하고자 하는 목표 소재의 표면에 라인을 따라 스팟(spot) 스캔의 형태로 반복 조사된다. 세정시 이웃하는 스팟 스캔 영역들은 서로 간에 일부 중첩(overlapping)될 수 있다.

본 실시예에서 사용한 레이저는 상대적으로 극초단 펄스 레이저를 만들기 쉬운 고체레이저 기반의 펄스 레이저를 사용하였다. 고체레이저는 레이저 유도 방출을 위한 매질을 고체로 사용하는 것이며, 본 실시예에서 사용된 레이저 매질은 Nd:YVO4를 사용하였다. Nd:YVO4에서 나오는 파장은 1064nm이며 에너지는 25W인 고체레이저를 큐스위칭(Q-Switching)과 모드잠금(mode locking)을 통하여 펄스의 에너지가 증폭된 피코초 펄스유지시간을 가진 레이저를 만들었다. 증폭을 시킨후 나온 펄스를 주파스 영역 0.2~2MHz 정도로 만들어 (주파수는 1초당 펄스 갯수, 즉 1초동안 펄스의 on에서 다음 펄스 on까지의 횟수) 사용하였다. 파장이 400kHz인 피코초 펄스 레이저를 직경 30㎛의 원형 스팟(Spot)으로 소재에 스캔하였다. 증폭된 극초단 펄스 레이저의 평균 에너지는 J=WS 식을 통해 구할 수 있다. 이에, 본 실시예에서는 극초단파 피코초 레이저가 평균 6.25μJ 정도의 에너지로 소재 표면에 피코초 펄스유지시간으로 노출되었다.

본 실시예에서 상기 레이저는 1 ~ 50W로 설정될 수 있다. 레이저의 출력값이 상기 범위보다 작으면 피코초 이하 펄스 레이저로 출력을 높였을 때, 피크에너지 값이 너무 작아 오염물질의 제거가 제대로 이루어지지 않는다. 상기 레이저의 출력값이 상기 범위를 초과하게 되면 피코초 이하 펄스 레이저로 출력을 높였을 때, 피크에너지값이 너무 커 소재에 열변형을 초래하게 된다.

앞서 언급한 바와 같이 대부분의 유기물질이나 무기물질의 변형 또는 제거 임계 에너지 값이 0.1 ~ 2.0μJ이므로, 본 실시예의 레이저가 상기의 평균 에너지로 소재 표면에 입사한 경우 상기 임계 에너지를 넘어서는 값이 입사된다. 이에, 소재 표면에 일정량의 에너지를 주입하여 국부 변형을 유지함과 동시에 피코초 이하의 극초단파 펄스 유지 시간으로 인하여 소재 표면에 변형을 동반하지 않는 결과를 확인하였다.

본 실시예에서는 1064nm의 파장 외에 Coupling을 통하여 상기 파장의 반값인 532nmm, 1/4 값인 355nm 등을 사용하여 표면 처리가 가능하다. 파장이 변하는 경우 입력 에너지 대비 펄스에너지 값이 변한다.

또한, 본 실시예에서 사용한 레이저는 출력 범위를 1~50W 가용되는 고체레이저 발진기를 사용하였으며 최대 출력은 25W를 사용하였으며 파장은 1064nm 주파수는 0.2~2MHz 영역을 사용하였다. 레이저의 종류는 펄스 레이저로써 Single mode laser를 사용하여 가우시안 빔품질을 유지하였다.

허미트-가우시언 횡모드에서는 TEM₀₀를 사용하여 x,y 방향의 하나의 점에 집속되도록 조절하여 사용하였다. 즉 레이저 발진에서는 다양한 횡모드들이 존재하는 다중 횡모드 발진이므로 본 실험에 사용한 레이저 발진은 적당한 조리개를 공진기 내에 사용하여 다른 모드들의 이익을 작게하여 TEM₀₀단일 횡모드 발진을 얻어 사용하였다. 상기 횡모드 사용 이유는 공간적인 Coherence가 좋으며 이로 인해 지향성과 집광성이 우수기 때문이다.

피코초 이하의 펄스 레이저에 의한 소재 표면 처리 공정의 원리를 살펴보면 다음과 같다.

본 실시예의 레이저는 펄스 레이저로써, CW레이저 즉 연속광 레이저(continuous wave laser)는 레이저광의 에너지가 시간 축 상에서 연속적으로 분포하므로 고출력 (high power)의 광원이 되기 어렵지만, 이에 비해 펄스 레이저(pulsed laser)는 긴 시간에 펼쳐 있는 빛 에너지를 짧은 시간 간격 내에 압축시켜 높은 출력을 얻는다. 이렇게 얻어진 펄스광의 높은 첨두 출력(peak power)을 이용하면 효율적인 가공과 비선형광학 (nonlinear optics)적 응용이 가능하다. 간단히 원리를 정리하면 레이저매질에 펌핑시간을 짧게 함으로써 펄스광을 얻을 수 있지만, 그런 경우는 단지 연속광을 잠시 동안만 켜는 동작에 불과하므로 순간적 고출력을 얻을 수 없다. 펌핑매체로 매질내에 일정량의 에너지를 통하여 일정하게 지속적으로 레이저 매질을 펌핑하면 공진기의 손실보다 이득이 많이 발생하여 레이저의 발진이 일어난다. 공진기의 손실을 크게 하다가 순간적으로 공진기의 손실을 낮추게 되면 레이저의 밀도반전이 일어났던 영역에서 급격하게 여기영역에서 기저 영역으로 떨어지게 되어 순간적으로 고출력의 레이저가 발진가능하게 된다. 이를 큐스위칭(Q Swiching) 효과라고 하는 데, 공진기의 손실이 클 때는 Q의 값이 작게 되고, 공진기의 손실이 줄어들면 Q의 값이 커지게 된다. 즉, 순간적으로 고 출력의 에너지를 작동시킬때는 Q의 값이 작다가 급격히 Q의 값이 커지면 순간적으로 에너지의 출력이 최대화되는 효과이다. 이렇게 Q의 값을 변화시키는 방법에는 두 가지가 있는데 첫번째로는 두개의 거울을 매우 빠른 속도로 회전시켜 주파수가 일치되는 어느 순간 공진기의 Q 값이 커져서 손실을 작게 만들고 이에 따라 에너지가 발진되는 형태와, 고전압을 일정 공간에 인가하여 순간적으로 전압의 변화를 통하여 조절하는 방식이 있다.

본 실시예에서 사용하는 레이저는 고체레이저로서 소형장치로부터 큰 출력을 얻을 수 있고, 모드잠금(Mode Locking)에서는 매우 짧은 펄스광을 얻을 수 있으며, Q-스위칭(Q-Switching)에서는 첨두출력이 높은 펄스광을 얻을 수 있다. 고체레이저로는 예를 들어, 루비레이저, Nd:YAG, Nd:Glass 레이저가 있으며 파장은 560nm~1064nm까지 다양하다.

피코초 이하 펄스 레이저는 펄스의 짧은 시간폭(pulse width)으로 인하여 작은 에너지로도 큰 첨두출력을 낼 수 있고 매질에 열적인 변형을 일으킬 충분한 시간이 존재하지 않으므로 변형이 없다. 하지만 연속적인 파형 CW레이저의 경우 에너지 지속시간이 0.25초에 달해 재료의 표면 및 내부에 에너지 전달로 인하여 열적인 변형이 발생하게 된다.

모든 물질에는 고유의 흡수 스펙트럼이 존재하여 그 흡수 파장의 레이저 광을 조사하여 가공을 하게 되는데, 피코초 이하의 펄스 레이저는 첨두출력이 매우 높아서 비선형 현상인 다 광자 흡수(multi-photon absorption)가 가능하다. 본 실시예의 피코초 이하의 펄스 레이저는 이러한 메커니즘에 의하여 모든 물질에 대한 흡수가 가능하여 기존 자외선에서만 가공이 가능한 물질을 포함한 다양한 물질의 3차원 정밀 가공이 가능하다. 기존의 긴 펄스 레이저빔을 물질에 조사하면 레이저광의 에너지가 열로 변환되어 가공부 주변의 열변형을 발생시킬 뿐 아니라 미세한 크랙(crack)을 발생하는 등의 문제가 생긴다. 그러나, 본 실시예의 아토초 이하 펄스 레이저는 열영향이 최소화되기 때문에 온도상승에 의해 물성변화를 하는 반도체 재료를 손상 없이 정밀하게 가공하는 것이 가능하다.

본 실시예에 따른 레이저 공정을 이용한 세정 실험 결과를 살펴보면 다음과 같다.

본 실시예의 레이저 조사 공정은 극초단 피코초 펄스 레이저를 사용하였다. 레이저의 발진원은 고체레이저(Nd:YVO4)를 사용하였으며 일정한 피코초 펄스파를 소재에 조사하였다. 이에, 레이저의 펄스 파장을 최소화하여 표면에 입사되는 에너지의 노출 시간을 최소로 하고, 피크 에너지를 증폭하여 짧은 시간동안 국부적인 에너지 입사를 통하여 국소 변형을 일으키는 공정으로 진행하였다.

세정하고자 하는 소재를 스테이지에 장착하고, 레이저 발진원을 통해 발진된 레이저를 스캐너를 통해서 세정하고자 하는 소재에 조사하여 에너지를 입사시킨다. 본 레이저 조사 공정을 통해, 소재 표면에 0.1 ~ 125μJ의 에너지가 입사된다. 소재 표면의 세정하고자 하는 오염물질은 유기물질에서 무기물질에 이르며, 모든 물질의 변형 임계 에너지는 0.1~2.0μJ이므로, 이 값보다 높은 에너지를 소재 표면으로 입사할 수 있다. 본 공정은 극초단파 펄스 레이저가 제거하고자 하는 물질의 표면 국소부위에 에너지를 인가하여 변형 파괴되는 공정이므로 기판을 포함하여 금속, 고분자, 세라믹, 유리 등에 국한되지 않고 모든 소재 위의 불순물 및 오염물질 제거가 가능하다.

즉, 세정하고자 하는 금속 및 세라믹 소재 표면에 피코초 이하 펄스 레이저를 조사하여 국부적인 열을 주입하고 열적 응력으로 인하여 소재 표면의 금속 또는 금속 반응 생성물이 제거된다.

상기 피코초 이하의 펄스 레이저를 사용하는 이유는 큐스위칭(Q-swiching)과 모드잠금(mode locking)에 의하여 생긴 피코초 이하 펄스 레이저의 경우 펄스의 폭이 매우 짧아 입사된 레이저 빔의 에너지가 물질내에 투입하는 속도가 전자(electron)와 격자이온 (Lattice-ion) 시스템의 평형화 시간보다 빨라서 열전도 현상이 거의 무시될 수 있게 에너지를 전달할 수 있기 때문이다.

상대적으로 연속파형(CW :continuous wave) 레이저는 에너지의 지속시간이 0.25초에 달하여 물질에 전파되는 에너지가 이웃하는 원자나 전자의 용융에 관여하여 전체 시스템의 용융과 관련된다. 따라서, 본 실시예에 사용된 피코초 이하의 펄스 레이저는 소재의 열영향을 최소화하며 표면의 국부적인 급속 가열에 의한 표면 오염물질의 변형 및 제거에 사용 가능하다.

실험예

반도체 또는 디스플레이의 공정에 사용되는 금속 부품의 표면에 오염된 금속 반응 생성물 및 불균일층 금속 산화물 코팅층에 대해 피코초 이하 펄스의 레이저로 세정을 실시하였다.

본 실험에서 세정에 사용된 레이저는 Nd:YVO4 고체레이저로, 파장은 1064nm, 사용출력은 1,5,10,25W, 400kHz 주파수를 사용하였고, 출력을 수 kW로 증폭한 피코초 펄스폭을 가진 레이저를 사용하였다.

세정하고자 하는 소재의 표면에 30㎛의 원형 스팟(Spot) 형태로 빔을 입사하였으며 중첩(Overlapping)은 30%, 첫번째 스캔과 두번째 스캔 중첩 역시 30% 를 사용하였다.

본 레이저를 이용시 소재 표면에 입사되는 에너지는, 25W의 출력, 400kHz 주파수 사용시 6.25μJ이 되며, 본 실시예에서는 1㎠ 당 세정시간은 1초가 소요되었다.

도 9는 1㎠의 면적을 1W, 2.5W, 5W, 25W 피코초 펄스 레이저로 스캔 및 세정을 한 결과이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따라 세정을 한 결과 무지개 빛깔이 없어짐을 확인할 수 있다. 도 2의 왼쪽에서부터 1W, 2.5W, 5W, 25W 출력으로 세정한 결과이다. 출력이 높아질수록 소재 표면에 입사되는 에너지가 커져 세정 효과가 높아진다. 도 9에 도시된 바와 같이, 에너지를 높인 10W, 25W의 경우 세정이 보다 깨끗이 된 것을 확인할 수 있다.

도 10과 도 11은 표면처리 한 영역과 하지 않은 영역의 조성을 파악한 결과로 도 10은 세정후의 표면 이미지 및 조성 결과를 나타내며, 도 11은 세정전의 표면 이미지 및 조성 결과를 나타내고 있다. 결과에서 확인된 바와 같이, 세정전 표면에 지르코늄 등의 산화 피막이 존재한것으로 파악되며 세정후 지르코늄이 거의 세정된것을 알 수 있다.

소재 표면에 증착된 산화막은 지르코늄산화막으로써 400kHz 주파수 및 펄스 레이저의 에너지는 1~25W 사용시 1초의 시간이 소요되어 제거되며 펄스 에너지는 주파수(Repetition Rate)를 고려했을 때 표면에 입사되는 에너지가 1~125μJ 정도가 된다. 이와 더불어 증착된 금속 반응 생성성물 코팅층의 두께는 원자크기인 수 ~ 수십㎛ 이상으로 다양한 데, 이는 출력을 다양하게 사용하고 주파수를 조절하여 펄스 에너지를 1~125μJ 까지 다양하게 변화시켜 코팅층을 제거한다.

도 12와 도 13은 소재 표면에 생성된 금속 반응 생성물을 세정한 부분의 경계면을 확대하여 도시한 것으로, 본 실시예의 레이저 빔이 일정한 간격을 두고 스캔 방식으로 소재 표면에 조사되어 세정을 진행한 결과를 나타내고 있다.

소재 표면에 입사되는 레이저 빔의 크기는 30㎛이며 레이저 빔과 레이저 빔 사이의 거리 역시 30㎛ 이다. 도 12와 도 13에 나타난 바와 같이, 소재 위에 있던 지르코늄이 국부적인 극초단파 피코초 펄스 레이저의 입사에 의하여 변형 및 제거된 것을 확인할 수 있다.

도 14와 도 15는 세라믹 재질의 소재에 대한 표면 금속 반응 생성물 세정 결과를 나타내고 있다. 도 15는 도 14의 세정 부분을 확대하여 도시하고 있다.

세라믹 재질의 소재에 조사된 레이저는 1064nm의 파장을 갖는 Nd:YVO4 고체레이저로, 사용출력은 5W, 200kHz 주파수를 사용하였고, 출력을 수 kW로 증폭한 피코초 펄스폭을 가진 레이저를 사용하였다. 소재에 조사되는 레이저의 스팟 크기는 35㎛, 라인 피치(line pitch)는 20㎛의 조건을 적용하였다.

실험결과 도 14와 도 15에 도시된 바와 같이, 세라믹 재질의 소재에 대해서도 레이저가 조사된 부분에서 오염물질이 완벽하게 제거되었음을 확인할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

1 : 레이저조사부 2 : 작업대
3 : 평면이동부 4 : 수직이동부
5 : 분사부 6 : 흡입부
10 : 레이저 발진원 12 : 조절기
13 : 미러 14 : 스캐너
21 : 하우징 31 : y축 이송레일
32 : y축 구동부 33 : x축 이송레일
34 : x축 구동부 41 : 베이스부재
42 : 이송스크류 43 : 이송블럭
44 : 서보모터 45 : 구동기어
46 : 피동기어 47 : 타이밍벨트
51 : 분사관 52 : 분사노즐
53 : 분사부이동부 61 : 흡입덕트
62 : 흡입펌프

Claims (31)

1. 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 장치로, 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하는 레이저조사부를 포함하여, 상기 레이저조사부로부터 조사되는 레이저를 통해 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 구조이고,
   상기 레이저의 피크 에너지는 0.1 ~ 125μJ인 소재 표면 세정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저조사부는 고체레이저, 액체레이저, 기체레이저 또는 반도체레이저를 모드잠금(mode-locking)하고 큐스위칭(Q-switching)하여 펄스 폭을 줄이고 출력을 높여 피코초 이하의 초단 펄스를 갖는 레이저를 생성하는 구조의 소재 표면 세정 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저는 팸토초 또는 아토초 펄스의 레이저인 소재 표면 세정 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 소재는 금속, 세라믹, 유리 또는 고분자 재질인 소재 표면 세정 장치.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저의 파장은 300nm ~ 1064nm 인 소재 표면 세정 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 소재에 대한 레이저 조사 각도는 30 ~ 90도 인 소재 표면 세정 장치.
8. 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 장치로, 소재 표면에 레이저를 조사하는 레이저조사부, 소재가 놓여지는 작업대, 상기 작업대 상에서 상기 레이저조사부를 수평면을 따라 이동시키기 위한 평면이동부, 및 상기 작업대를 레이저조사부에 대해 상하로 이동시키는 수직이동부를 포함하고,
   상기 레이저조사부는 소재 표면에 조사되는 레이저의 피크 에너지가 0.1 ~ 125μJ인 소재 표면 세정 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 레이저조사부는 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하여, 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 구조의 소재 표면 세정 장치.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 수직이동부는 베이스부재와 베이스부재 상에 회전가능하게 설치되고 수직으로 연장된 복수개의 이송스크류, 상기 작업대에 설치되어 상기 이송스크류에 나사결합되는 이송블럭, 및 상기 베이스부재에 설치되고 상기 이송스크류에 연결되어 이송스크류를 회전시키는 서보모터를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 수직이동부는 상기 서보모터의 구동축에 설치된 구동기어와, 상기 각 이송스크류에 설치되는 피동기어, 및 상기 구동기어와 피동기어를 하나로 연결하여 동력을 전달하는 타이밍벨트를 더 포함하는 소재 표면 세정 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 평면이동부는 수평면에 y축 방향을 따라 연장되어 상기 레이저조사부가 이동가능하게 놓여지는 y축 이송레일, 상기 y축 이송레일을 따라 레이저조사부를 이동시키기 위한 y축 구동부, 상기 수평면에 x축 방향을 따라 연장되어 상기 y축 이송레일이 이동가능하게 놓여지는 x축 이송레일, 및 상기 x축 이송레일을 따라 y축 이송레일을 이동시키기 위한 x축 구동부를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저조사부는 레이저 조사 영역이 고정된 적어도 하나 이상의 고정레이저부, 소재에 대해 회동되어 레이저 조사 영역을 이동하는 적어도 하나의 회동레이저부, 및 상기 회동레이저부를 회동시키기 위한 회동부를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세정 장치는 상기 레이저 세정시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 흡입부를 더 포함하는 소재 표면 세정 장치.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 세정 장치는 레이저 조사영역으로 유체를 분사하여 세정시 발생된 파티클을 제거하는 분사부를 더 포함하는 소재 표면 세정 장치.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 분사부는 레이저 조사부에서 이격되어 상기 작업대 상에서 작업대를 가로질러 연장되는 분사관과, 상기 분사관을 따라 형성되어 레이저 조사부를 포함하여 작업대 상에 유체를 분사하는 분사노즐, 및 상기 분사관에 연결되어 유체를 공급하는 유체공급부를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 흡입부는 상기 레이저조사부를 사이에 두고 상기 분사부의 반대쪽에서 상기 분사관과 나란하게 배치되어 작업대를 따라 설치되는 적어도 하나 이상의 흡입덕트, 및 상기 흡입덕트에 연결되어 흡입압을 제공하는 흡입펌프를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 작업대 상에 설치되어 소재가 놓여진 세정 영역을 감싸 외부와 차단하고 레이저가 투과되는 유리 재질의 하우징을 더 포함하고, 상기 흡입덕트는 상기 하우징 일측 단부에 설치되어 하우징 내부에 흡입압을 가하는 구조의 소재 표면 세정 장치.
19. 제 14 항에 있어서,
    상기 흡입부는 레이저조사부 둘레를 따라 설치되고 하단은 개방되어 스패터 등 이물질을 흡입하는 흡입후드와, 상기 흡입후드 일측에 연결되어 흡입압을 제공하는 흡입펌프를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 세정 장치는 레이저 조사영역으로 유체를 분사하여 세정시 발생된 파티클을 제거하는 분사부를 더 포함하고,
    상기 분사부는 상기 흡입후드를 따라 연장되어 레이저조사부 둘레를 따라 배치되는 분사관과, 상기 분사관을 따라 형성되어 레이저 조사영역으로 유체를 분사하는 분사노즐, 및 상기 분사관에 연결되어 유체를 공급하는 유체공급부를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 분사관은 상기 흡입후드의 외측, 상기 흡입후드의 내부 공간 또는 상기 흡입후드와 상기 레이저조사부 사이에 설치되는 소재 표면 세정 장치.
22. 제 18 항에 있어서,
    상기 하우징의 일측 단부에 흡입덕트가 설치되고, 상기 흡입덕트와 대향되는 하우징의 타측 단부에 분사관이 설치된 구조의 소재 표면 세정 장치.
23. 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 방법으로, 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 생성하는 단계와, 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 상기 레이저를 조사하여 초단 펄스의 피크 에너지를 가하여 오염물질을 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 소재 표면에 조사되는 레이저의 피크 에너지는 0.1 ~ 125μJ인 소재 표면 세정 방법.
24. 제 23 항에 있어서,
    상기 소재의 표면을 따라 레이저 조사 영역을 이동시키는 단계를 더 포함하는 소재 표면 세정 방법.
25. 제 24 항에 있어서,
    상기 오염물질 제거시 레이저 조사 영역으로 유체를 분사하여 파티클을 제거하는 단계를 더 포함하는 소재 표면 세정 방법.
26. 제 25 항에 있어서,
    상기 오염물질 제거시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 흡입단계를 더 포함하는 소재 표면 세정 방법.
27. 삭제
28. 제 23 항에 있어서,
    상기 레이저 생성 단계에서 레이저는 팸토초 또는 아토초 펄스의 레이저인 소재 표면 세정 방법.
29. 제 23 항에 있어서,
    상기 소재는 금속, 세라믹, 유리 또는 고분자 재질인 소재 표면 세정 방법.
30. 제 28 항에 있어서,
    상기 레이저 생성 단계에서 레이저의 파장은 300nm ~ 1064nm 인 소재 표면 세정 방법.
31. 제 30 항에 있어서,
    상기 오염물질 제거 단계에서 소재에 대한 레이저 조사 각도는 30 ~ 90도 인 소재 표면 세정 방법.

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