KR102295280B1 - Libs 측정이 가능한 고분해능 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

LIBS 측정이 가능한 고분해능 레이저 가공장치를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 레이저 광을 조사하는 광원과 상기 광원에서 조사된 레이저 광을 복수 개로 분리하여, 분리된 레이저 광 중 일부의 경로와 초점거리를 가변하는 광학계와 상기 광학계를 거쳐 전달되는 복수의 레이저 광을 가공할 샘플이 위치한 방향으로 포커싱시키는 대물렌즈 및 상기 샘플로부터 발생하는 분광신호를 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치를 제공한다.

Description

LIBS 측정이 가능한 고분해능 레이저 가공장치{High Resolution Laser Processing Unit with LIBS Measurements}

본 실시예는 LIBS 측정이 가능한 고분해능 레이저 가공장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

나노기술은 21세기 4차 산업혁명의 주요 기술로서 재료, 전자, 에너지, 의학 등 모든 산업분야에 응용이 가능함에 따라 높은 경제적 파급성을 지니고 있다. 마이크로, 나노기반 제품과 응용기술이 개발되면서 제조과정에서 발생하는 마이크로, 나노제품의 결함을 실시간으로 검사하고 선택적으로 제거하는 것이 중요한 이슈이며 경제적 가치가 매우 높다.

다층 박막으로 구성된 제품의 레이저가공 경우, 실제 가공되고 있는 위치의 예측이 어렵고 원하지 않는 층까지 가공되는 경우가 발생한다. 따라서 박막의 선택적 가공이 가능하기 위해서는 가공시 가공깊이를 실시간으로 예측할 필요가 있는데, 레이저 유도 붕괴 분광법(LIBS: Laser Induced Breakdown Spectroscopy. 이하에서 'LIBS'라 약칭함) 기술을 이용하여 각 펄스 조사 시 소재에서 발생하는 분광신호를 측정하면 가공 중에 실제 가공깊이를 예측하는 것이 가능하다.

LIBS는 고출력의 레이저를 사용하여 일종의 방전현상인 붕괴(Breakdown)를 발생시켜 생성되는 플라즈마를 여기원으로 사용하는 분광분석 기술이다. 레이저 조사 시 발생되는 플라즈마는 물질에 따라 특정한 파장의 빛을 방출하므로, 이 빛을 수집하여 물질의 구성 성분을 정성적 또는 정량적으로 분석할 수 있다. 레이저에 의해 유도된 플라즈마 속에서 시료는 증기화되어 원자 및 이온이 여기 상태로 존재할 수 있다. 여기 상태의 원자 및 이온은 일정 수명 이후 에너지를 방출하며 다시 바닥 상태로 돌아가는데, 이때, 원소의 종류 및 여기 상태에 따라 고유의 파장을 방출한다. 따라서 방출되는 파장의 스펙트럼을 해석하면 물질의 구성 성분을 정성적 또는 정량적으로 분석할 수 있다.

LIBS는 ① 전체 측정에 소요되는 시간이 1초 이내로 매우 짧다는 점, ② 측정을 위한 별도의 샘플링 및 전처리 과정이 거의 필요 없다는 점, ③ 1회 측정에 아주 미소량(수 ㎍)의 재료만이 소요되고 집속된 빔을 사용하기 때문에 ㎛단위의 높은 공간정밀도로 재료의 원소 구성을 측정할 수 있다는 점, ④ 측정을 위한 별도의 환경이 필요하지 않고, 공기 중에서 측정이 가능하다는 점, ⑤ 불활성 기체를 제외한 모든 원소를 ppm 정밀도로 분석해 낼 수 있다는 점 및 ⑥ 비교적 저렴한 비용으로 설비를 구성할 수 있다는 점에서 다른 측정 기술과 차별된다.

그러나 이러한 LIBS가 수십~수백 나노미터 단위의 초정밀 레이저 가공에 적용될 경우는 사정이 달라진다. 초정밀 레이저 가공시 발생하는 플라즈마의 크기는 상대적으로 아주 작기 때문에, 기존의 강화전자결합소자만으로 약한 플라즈마 신호를 수집하기에는 큰 어려움이 있다. 특히, 디스플레이 산업에서 많이 사용되는 다층구조의 박막을 레이저를 이용하여 선택적으로 제거하는 가공에서 LIBS는 각 박막의 경계를 파악하는데 효과적으로 적용될 수 있으나, 박막의 원소 구성을 실시간으로 측정하기 위해서는 미소한 플라즈마의 발광 효율을 극대화하기 위한 방법이 요구된다.

본 발명의 일 실시예는, 샘플로의 레이저 조사시 발생하는 플라즈마의 양을 증폭시킴으로써, 실시간으로 정밀하게 샘플의 가공상태를 측정할 수 있는 고분해능 레이저 가공장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 레이저 광을 조사하는 광원과 상기 광원에서 조사된 레이저 광을 복수 개로 분리하여, 분리된 레이저 광 중 일부의 경로와 초점거리를 가변하는 광학계와 상기 광학계를 거쳐 전달되는 복수의 레이저 광을 가공할 샘플이 위치한 방향으로 포커싱시키는 대물렌즈 및 상기 샘플로부터 발생하는 분광신호를 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치를 제공한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광학계로부터 분리된 레이저 광 중 나머지는 상기 대물렌즈를 거쳐 샘플의 표면으로 조사되는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 샘플은 레이저가 표면으로 조사되며 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마에 의해 분광신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광학계는 분리된 레이저 광 중 일부가 발생하는 플라즈마로 포커싱되도록 초점거리를 가변하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 플라즈마는 상기 플라즈마로 포커싱되는 레이저 광에 의해 증폭되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 일 측면에 따르면, 샘플로의 레이저 조사시 발생하는 플라즈마의 양을 증폭시킴으로써, 실시간으로 정밀하게 샘플의 가공상태를 측정할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능 레이저 가공장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능 레이저 가공장치로부터 레이저가 조사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 3 및 4는 종래의 레이저 가공장치에서 레이저가 조사되는 모습을 각각 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능 레이저 가공장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능 레이저 가공장치(100)는 광원(110), 광학계(120), 대물렌즈(130), 수광 카메라(140) 및 측정부(150)를 포함한다.

광원(110)은 샘플(160)의 고정밀 미세 가공을 위한 레이저 광을 조사한다. 광원(110)은 고정밀 미세 가공을 위한 레이저 광을 조사하기 위해, 펨토초 레이저 광원일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

광학계(120)는 광원(110)으로부터 조사된 레이저 광이 대물렌즈(130)를 거쳐 샘플(160) 방향으로 조사되도록 하며, 레이저 광을 분리하여 일부의 초점거리와 경로를 가변한다.

반파장판(121, Half Wave Plate)은 광원(110)으로부터 조사되는 레이저 광을 최초로 입사받아, 레이저 광의 에너지를 감소시킨다. 너무 강한 에너지를 갖는 레이저 광이 직접 샘플로 조사될 경우, 정밀한 가공이 곤란할 수 있어 광원(110)으로부터 조사되는 레이저 광의 에너지를 감소시킨다.

제1 빔 스플리터(122a)는 반파장판(121)을 거친 레이저 광을 복수 개로 분리한다.

전술한 대로, 샘플의 미세하고 정밀한 가공을 위해서는 낮은 에너지의 레이저가 샘플로 조사되어야 한다. 그러나 낮은 에너지로 조사될 경우, 레이저를 인가받은 샘플에서 충분하게 플라즈마가 발생하지 못하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하고자, 제1 빔 스플리터(122a)는 레이저 광을 분리하여 샘플로 복수의 광이 시간차를 가지며 조사될 수 있도록 한다. 복수의 레이저 광이 시간차를 가지며 조사됨에 따라, 어느 하나의 레이저 광이 샘플로 조사되며 발생한 플라즈마가 완전히 소멸되기 전에, 다른 하나의 레이저 광이 다시 조사됨으로써 플라즈마가 증폭될 수 있도록 한다.

경로차 조절부(124)와 초점거리 조절부(125)는 레이저 광의 이동을 지연시켜 광 경로차를 발생시키고 레이저 빔을 굴절시켜 궁극적으로 광의 초점거리를 변화시키기 때문에, 제1 빔 스플리터(122a)로부터 분리된 광 중 하나의 광(이하에서, '제1 레이저 광'이라 칭함)은 경로차 조절부(124)와 초점거리 조절부(125)를 거치며 초점거리와 경로차가 변한 채 제2 빔 스플리터(122b)를 향하도록 진행한다. 제2 빔 스플리터(122b)로 향하도록 진행한다. 반면, 제1 빔 스플리터(122a)로부터 분리된 광 중 다른 하나의 광(이하에서, '제2 레이저 광'이라 칭함)은 제1 미러(123a) 및 제2 미러(123b)를 거치며 별도의 초점거리와 경로차의 변경없이 제2 빔 스플리터(122b)를 향하도록 진행한다.

제1 빔 스플리터(122a)를 거친 제1 레이저 광은 광학계(120) 내 경로차 조절부(124)로 입사된다. 경로차 조절부(124)는 제4 미러(124a)와 제5 미러(124b)를 포함한다. 제4 미러(124a)는 경로차 조절부(124)로 입사된 제1 레이저 광이 제5 미러(124b)를 향하도록 하는 방향으로, 제5 미러(124b)는 입사되는 제1 레이저 광이 초점거리 조절부(125)로 진행하도록 각각 배치되어, 경로차 조절부(124)로 입사되는 광의 진행방향을 변화시킨다. 다만, 제4 미러(124a)와 제5 미러(124b)는 레이저 광이 경로차 조절부(124)로 입사되는 축 방향으로 이동 가능함에 따라, 제1 레이저 광의 경로가 제2 레이저 광과 상이해지도록 한다. 경로차 조절부(124)에 의해 제1 레이저 광이 후술할 제2 빔 스플리터(122b)에서 제2 레이저 광과 합쳐지더라도 상호 간에 간섭이 발생하지 않는다.

경로차 조절부(124)를 거친 제1 레이저 광은 초점거리 조절부(125)로 입사된다. 초점거리 조절부(125)는 제1 렌즈(125a) 및 제2 렌즈(125b)를 포함한다. 초점거리 조절부(125)는 복수의 렌즈를 포함하여, 입사된 제1 레이저광의 초점거리를 가변한다. 통상적으로 광원(110)에서 조사되는 레이저 광은 샘플의 특정 부위를 가공하기 위해, 샘플의 표면으로 포커싱되어 조사된다. 이에 따라, 제2 레이저 광은 샘플의 표면으로 포커싱되어 조사되는 반면, 제1 레이저 광은 초점거리 조절부(125)를 거치며, 샘플의 표면이 아닌 제2 레이저 광의 조사에 의해 샘플의 표면 주변에서 발생하는 플라즈마로 포커싱되어 조사된다. 즉, 초점거리 조절부(125)는 입사되는 제1 레이저 광이 샘플의 표면이 아닌 제2 레이저 광의 조사에 의해 샘플의 표면 주변에서 발생하는 플라즈마로 포커싱되도록 초점거리를 조절한다. 이러한 이유는 도 2 내지 4를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능 레이저 가공장치로부터 레이저가 조사되는 모습을 도시한 도면이고, 도 3 및 4는 종래의 레이저 가공장치에서 레이저가 조사되는 모습을 각각 도시한 도면이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 종래의 레이저 가공장치는 샘플(160)로부터 발생하는 플라즈마(230)를 증폭시키기 위해, 동일한 초점거리로 시간차를 두어 복수 회 레이저 광을 조사하였다. 레이저 광이 복수 회 조사됨에 따라 샘플(160)로부터 발생하는 플라즈마(230)가 증폭되는 효과는 가질 수 있었으나, 샘플(160)로 복수 회의 레이저 광이 조사됨에 따라 정밀한 레이저 가공은 곤란한 문제가 있었다.

이러한 문제를 해소하고자, 도 4에 도시된 레이저 가공장치가 등장하였다. 도 4에 도시된 종래의 레이저 가공장치는 샘플(160)로 하나의 레이저 광을 조사하고, 나머지 하나의 레이저 광을 샘플(160)이 아닌 발생하는 플라즈마(230)로 직접 조사함으로써 샘플(160)로의 영향을 최소화하며 플라즈마(230)를 증폭시켰다. 그러나 이와 같이 레이저 광의 조사 방향을 달리하여 조사하기 위해서는 광학계의 구성이 복잡해지는 문제가 존재하였으며, 조사되는 양 레이저 광이 전혀 다른 방향으로 조사되기 때문에 정밀한 초점거리의 조절이 필요한 불편이 존재하였다.

반면, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치로부터 조사되는 레이저 광은 서로 경로를 달리한 채 동일한 광축에서 조사되며, 먼저 조사되는 제2 레이저 광(210)은 샘플로 직접 조사되며 샘플을 가공함과 동시에 플라즈마의 발생을 유도하고, 경로차가 발생하여 나중에 조사되는 제1 레이저 광(220)은 샘플이 아닌 샘플에서 발생한 플라즈마로 포커싱되어 조사되며 플라즈마를 증폭시킨다. 이와 같은 동작에 따라, 광학계의 구성이 복잡해지지 않으면서도, 플라즈마를 증폭하는 동시에 정밀하고 미세하게 샘플을 가공할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 초점거리 조절부(125)에 포함된 렌즈는 각각 볼록렌즈와 오목렌즈나 각각과 동일한 기능을 렌즈로 구현되어, 초점거리 조절부(125)로 입사되는 제1 레이저 광의 초점거리를 조절할 수 있다. 조절되는 초점거리는 제1 렌즈(125a)와 제2 렌즈(125b) 간 거리에 따라 조정될 수 있으며, 광원(110)에서 조사되는 레이저 빔의 세기, 대물렌즈의 포커싱 정도 또는 제1 레이저 광을 포커싱하고자 하는 위치에 따라 제1 렌즈(125a)와 제2 렌즈(125b) 간 거리는 가변될 수 있다.

제1 레이저 광과 제2 레이저 광은 제2 빔 스플리터(122b)를 거치며 동일한 방향으로 진행하게 된다. 제1 레이저 광과 제2 레이저 광은 제3 미러(123c)와 제7 미러(142)를 거치며 대물렌즈(130)로 입사하게 된다.

대물렌즈(130)는 입사되는 레이저 광을 샘플(160)이 위치한 방향으로 포커싱시키며, 샘플(160)로부터 발생한 플라즈마에 의한 분광신호를 집광한다.

대물렌즈(130)는 제7 미러(142)를 거치며 입사하는 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 각각 샘플(160)이 위치한 방향으로 포커싱시킨다. 제1 레이저 광은 경로차 조정부(124)와 초점거리 조절부(125)를 거치며 제2 레이저 광보다 늦게 조사되며, 대물렌즈(130)에 의해 샘플(160)의 표면이 아닌 샘플(160)의 표면으로부터 기 설정된 거리만큼 떨어진 위치의 플라즈마로 포커싱된다. 기 설정된 거리는 제1 렌즈(125a)와 제2 렌즈(125b) 간 거리로 조정된다.

대물렌즈(130)는 샘플(160)로부터 발생한 플라즈마에 의한 분광신호를 집광한다. 샘플(160)로부터 발생한 플라즈마는 냉각되기 시작하는데, 냉각 과정에서 여기(Exiting)된 원자 또는 이온의 전자는 바닥상태로 떨어지며 분광신호를 발생시킨다. 대물렌즈(130)는 이처럼 샘플(160)로부터 발생하는 분광신호를 집광하여, 이파장 빔 스플리터(151)로 전달한다

수광 카메라(140)는 샘플(160)로부터 반사되는 반사광을 수광하여 샘플(160)의 표면을 출력한다. 외부의 가시광을 조사하는 광원(미도시) 또는 수광 카메라(140)에 구비된 (가시광을 조사하는) 광원(미도시)에 의해, 샘플(160)의 표면으로부터 가시광선 파장대역의 반사광이 반사될 수 있다. 이와 같은 반사광은 대물렌즈(130)를 거치며, 이파장 빔 스플리터(151)를 통과하고 제6 미러(141)를 거치며 수광 카메라(140)로 입사된다. 수광 카메라(140)는 샘플로부터 반사된 반사광을 센싱하여, 샘플(160)의 표면을 출력한다. 이에 따라, 레이저 가공장치(100)의 사용자는 샘플(160)의 표면을 직접 관찰할 수 있다

측정부(150)는 샘플로부터 발생한 분광신호를 수신하여, 샘플의 가공상태를 측정한다. 전술한 대로, 샘플(160)로부터 발생하는 분광신호는 대물렌즈(130)에 의해 집광되고, 이파장 빔 스플리터(151)로부터 반사되어 측정부(150) 내 분광계(152, Spectrometer)에서 측정된다. 레이저 가공장치(100)의 사용자는 측정부(150), 특히, 분광계(152)에서 측정된 분광신호 정보를 토대로, 샘플(160)의 가공상태를 정확히 파악할 수 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 레이저 가공장치
110: 광원
120: 광학계
121: 반파장판
122: 빔 스플리터
123, 124a, 124b, 141, 142: 미러
124: 경로차 조절부
125: 초점거리 조절부
130: 대물렌즈
140: 수광 카메라
150: 측정부
151: 이파장 빔 스플리터
160: 샘플
230: 플라즈마

Claims (5)

1. 레이저 광을 조사하는 광원;
   상기 광원에서 조사된 레이저 광을 복수 개로 분리하여, 분리된 레이저 광 중 일부의 경로와 초점거리를 가변하는 광학계;
   상기 광학계를 거쳐 전달되는 복수의 레이저 광을 가공할 샘플이 위치한 방향으로 포커싱시키는 대물렌즈; 및
   상기 샘플로부터 발생하는 분광신호를 측정하는 측정부를 포함하되,
   상기 광학계는,
   분리된 레이저 광 중 일부가 발생하는 플라즈마로 포커싱되도록 초점거리를 가변하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광학계로부터 분리된 레이저 광 중 나머지는,
   상기 대물렌즈를 거쳐 샘플의 표면으로 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 샘플은,
   레이저가 표면으로 조사되며 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마에 의해 분광신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마는,
   상기 플라즈마로 포커싱되는 레이저 광에 의해 증폭되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.

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