KR102327735B1

KR102327735B1 - 레이저 가공장치 및 그 가공방법

Info

Publication number: KR102327735B1
Application number: KR1020150058903A
Authority: KR
Inventors: 윤도영; 천세경; 윤영수; 정병석; 장유민
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2021-11-17
Also published as: KR20160127462A

Abstract

본 발명의 레이저 가공장치는, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 빔이 상기 레이저 광원으로 역 반사되는 것을 차단하는 역반사 방지 수단과; 상기 레이저 광원으로부터 조사된 레이저 빔을 균일하게 가공하고, 이를 사각 형상으로 정형하여 출력하는 빔 정형 수단; 상기 빔 정형 수단에서 사각형으로 정형된 레이저 빔을 2차원 스캐닝을 이용하여 가공대상물에 조사하는 스캐너를 포함하여 구성된다.

Description

레이저 가공장치 및 그 가공방법{Laser apparatus and method of manufacturing the same}

레이저 가공장치 및 그 가공방법에 관한 것이다.

레이저 가공은 고밀도의 에너지원인 레이저를 이용하여 대상물을 가공하는 공정을 말한다. 레이저 가공의 일례로서, 박형의 기판을 레이저로 스크라이빙(scribing)하거나 절단하여 기판을 칩 분할(chip separation)하는 방법이 알려져 있다. 여기서, 기판의 형태는 실리콘 웨이퍼(Si Wafer), 화합물 반도체 웨이퍼, 세라믹(ceramic) 반도체 기판, 사파이어 기판, 금속 기판 및 유리 기판 등과 같이 매우 다양하다.

종래, 레이저를 이용한 스크라이빙 또는 절단 방법의 하나로서, 레이저 빔을 기판의 내부에 조사하여 상변이 영역을 형성하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 얇은 기판의 내부에 레이저를 조사하여 가공하기 위해서는, 기판의 내부에 형성되는 스폿(spot)의 위치와 형상을 정밀하게 제어할 필요가 있다.

또한, 이 과정에서 가공속도가 저감되지 않도록 해야 한다.한편, 레이저는 각각 고유의 발산각(divergence angle)을 갖고 있으며, 동일한 종류의 레이저 광원을 사용하는 경우에도 발산각에는 편차가 있다. 따라서, 기판의 내부 가공에 적합한 스폿을 형성하기 위해서 레이저 빔의 발산각을 교정할 필요가 있다.

미국 공개 특허 US 2008-0237204

일 측면(또는 관점)은 저 출력의 레이저 빔을 가공물에 알맞은 에너지 밀도의 레이저 빔 사이즈로 가공하여 이를 패턴 마스크에 조사할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것이다.

다른 측면은 저 출력의 레이저 빔을 가공물에 알맞은 에너지 밀도의 레이저 빔 사이즈로 가공하여 이를 패턴 마스크에 조사할 수 있는 레이저 가공방법을 제공하는 것이다.

일 실시 예에 따른 레이저 가공장치는, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 빔이 상기 레이저 광원으로 역 반사되는 것을 차단하는 역반사 방지 수단과; 상기 레이저 광원으로부터 조사된 레이저 빔을 균일하게 가공하고, 이를 사각 형상으로 정형하여 출력하는 빔 정형 수단; 상기 빔 정형 수단에서 사각형으로 정형된 레이저 빔을 2차원 스캐닝을 이용하여 가공대상물에 조사하는 스캐너를 포함하여 구성된다.

또한, 일 실시 예에 따른 레이저 가공방법은 레이저 광원으로부터 생성된 펄스 레이저 빔을 출사하는 단계와; 상기 출사된 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도를 균일하게 가공하는 단계; 상기 에너지 밀도가 균일하게 가공된 펄스 레이저 빔의 원형 형상을 사각형 형상으로 가공하는 단계; 및 상기 사각형 레이저 빔을 가공대상물에 위치시켜 스캔 조사하는 단계를 포함하여 구성된다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 레이저 빔의 형상을 사각형으로 가공한 것을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 레이저 가공장치를 이용하여 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하여 패턴을 가공하는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 가공방법에 대한 공정 순서도이다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 첨부 도면에 있어서, 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

레이저 가공 장치

먼저, 본 발명의 레이저 가공장치는 도면을 참조하여 구체적으로 살펴볼 것이다. 이때, 참조되는 도면에 기재되지 않은 도면부호는 동일한 구성을 나타내는 다른 도면에서의 도면부호일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 레이저 가공장치는, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 광원(110); 상기 레이저 광원(110)으로부터 출력된 레이저 빔이 상기 레이저 광원(110)으로 역 반사되는 것을 차단하는 역반사 방지 수단(120)과; 상기 역반사 방지 수단(120)에서 출력된 레이저 빔의 크기를 확대하여 상기 빔 정형 수단으로 출력하는 빔 확대부(130); 상기 레이저 광원(120)으로부터 조사된 레이저 빔을 균일하게 가공하고, 이를 사각 형상으로 정형하여 출력하는 빔 정형 수단(140); 상기 빔 정형 수단(140)에서 출력된 레이저 빔을 평행하도록 투과시키는 콜리메이터 렌즈(150); 상기 빔 정형 수단(140)에서 사각형으로 정형된 레이저 빔을 2차원 스캐닝을 이용하여 가공대상물에 조사하는 스캐너(160); 상기 스캐너(160)에서 출사된 레이저 빔이 패턴 마스크(170)를 통과하여 가공대상물에 원래의 패턴 크기로 조사시키는 프로젝션 렌즈(180); 상기 가공대상물을 안착하고 2축 이상의 틸트를 조절하여 상기 프로젝션 렌즈를 투과한 레이저 빔이 패턴 상에 위치하도록 조절하는 스테이지(190); 및 상기 레이저 광원, 상기 스캐너 및 상기 스테이지를 제어하는 제어 수단(195)을 포함하여 구성된다.

상기 레이저 광원(110)은 가공 대상물의 가공에 이용되는 레이저 빔을 생성한다. 생성된 레이저 빔은 레이저 광원의 광축(optical axis; Lc)을 따라 배치된 미도시된 일련의 장치들을 통해 레이저 빔의 크기, 레이저 빔의 출력, 및 편광 방향 등이 조정될 수 있다.

도 1에서는 레이저 광원(110)으로부터 가공 대상물에 이르기까지 광경로가 광축(Lc)을 따라 일직선으로 형성되어 있으나, 미러(mirror) 등의 광학 요소를 이용하여 광경로를 임의의 다른 경로로 변경하는 것도 가능하다.

상기 레이저 광원(110)에서 생성된 레이저 빔은 DPSS(Diode Pumped Solid State) 광원이 사용되고, 가우시안 빔 프로파일(Gaussian beam profile)을 가질 수 있다. 또한, 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔(pulse type laser beam), 특히 비연속적인 초단 펄스 레이저 빔 일수 있다. 여기서, 초단 펄스 레이저는 광 펄스의 주기가 나노 세컨드(nano second), 피코 세컨드(pico second), 또는 펨토 세컨드(femto second) 급의 레이저를 의미한다.

이러한 초단 펄스 레이저를 이용하면, 박형의 대상물 내부에 스폿을 형성하여, 고속/고정밀도로 가공할 수 있다.

상기 역반사 방지 수단(back-reflection)(120)은 전 방향으로 방출된 레이저 빔의 일부가 장치의 구성품들에 의하여 반사되어 다시 광 경로를 역방향으로 되돌아 상기 레이저 광원(110)으로 들어와 레이저 발진기의 성능을 저하시키는 현상을 방지한다.

보다 구체적으로, 상기 역반사 방지 수단(back-reflection)(120)은 상기 레이저 광원(110)으로부터 출력된 레이저 빔이 역 반사가 차단되는 방향으로 조절하여 회전하는 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(미도시); 상기 레이저 빔의 위상차를 1/2 λ 변경하는 1/2 λ 플레이트(121); 상기 1/2 λ 플레이트를 투과한 레이저 빔을 편광시키는 편광판(122); 상기 편광된 레이저 빔의 위상차를 1/4λ 변경하는 1/4λ 플레이트(123) 및 슬릿(slit)(미도시)을 조합하여 구성할 수 있다.

특히, 본 발명에 사용되는 고반사 패턴마스크의 빔 블럭킹(blocking) 패턴 부분에서 반사된 레이저의 밀도(intensity)가 큰 반사 빔은 광로에 있는 광학계들과 특히 레이저 광원의 성능에 영향을 미쳐 균일하고 안정된 가공이 되지 않고 심할 경우는 레이저 광원의 발진기를 파괴시킬 가능성이 매우 커서 본 이를 방지하기 위한 구성 요소이다.

상기 빔 확대부(Beam expander)(130)는 다음 단의 렌즈에 적은 손실로 광을 입사시키기 위하여 빔(beam)의 사이즈를 크게 한다.

상기 빔 정형 수단(140)은 굴절광학소자를 이용하는 것으로, 상기 레이저 빔의 에너지 밀도를 균일하게 가공하는 빔 가공부(141), 상기 균일하게 가공된 레이저 빔의 원형 형상을 사각형 형상으로 변환시키는 빔 변형부(142); 및 상기 사각형 빔 형상을 포커싱하는 필드 렌즈(143)를 포함한다.

도 5a는 본 발명의 레이저 빔의 형상을 사각형으로 가공한 것을 도시한 도면이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 먼저 상기 빔 가공부(flat-top beam shaper)(141)는 가공영역을 모두 균일한 레이저 빔의 강도(intensity)로 조사하기 위하여 빔의 강도(intensity)를 원래의 가우시안(Gaussian) 분포에서 유니폼한(uniform)한 플랫-탑(flat-top)형태로 바꾸어 준다. 이때 가공에 필요한 에너지 밀도를 고려하여 크기와 강도(intensity)를 결정한다.

그리고, 상기 빔 변형부(Rectangular beam shaper)(142)는 레이저 빔의 단면모양을 원형에서 사각형의 모양으로 바꾸어 가공하는 전공간이 빈틈이 없고 균일한 빔의 스캔이 가능하도록 한다. 여기서, 사각형의 빔은 형상은 상기 원형의 빔의 형상에서 내접하는 사각형으로 만든 후, 바깥 부분을 잘라내어 만들게 된다.

상기 콜리메이터 렌즈(collimator)(150)는 두 개의 렌즈로 구성하여 레이저 빔이 다음 경로인 스캐너 단까지 평행한 경로로 전달이 되도록 빔의 경로를 잡아준다. 이때, 상기 콜리메이팅 렌즈(150)의 유효 조첨거리는 200 mm 정도가 적절하다.

상기 스캐너(160)는 2차원 빔 스캐너로 갈바노미터(galvanometer)를 사용하여 사각의 레이저 빔을 가공단에 라인-바이-라인(line-by-line)으로 위치를 이동시켜 스캔하여 조사하도록 빔의 경로를 조절한다. 이때, 상기 스캐너(160)에는 레이저 빔을 균일하게 수직으로 패턴 마스크에 입사되도록 빔의 경로를 조절하는 스캔 렌즈(161)를 포함한다. 상기 스캔 렌즈(Scan lens)(161)는 스캐너에 의해서 각도를 가지고 조절된 빔의 경로를 레이저 빔이 균일하게 수직으로 다음 단의 패턴 마스크(170)에 입사되도록 한다. 여기서, 일반적으로 스캔(Scan lens)는 f-theta 렌즈의 형태로 구성한다.

상기 패턴 마스크(170)는 가공하고자 하는 패턴이 형성되어 있으며, 가공되는 패턴의 영역만 레이저 빔을 통과시키고, 나머지 영역에 조사되는 레이저 빔은 반사시키게 된다. 여기서, 패턴 마스크(170)는 가공에 필요한 고 에너지 밀도의 레이저 빔을 견뎌내야 하기 때문에 레이저 빔을 블럭킹(blocking) 하는 부분은 레이저를 흡수하지 않고 반사시키는 고 반사(high-reflection) 성질을 가지고, 마스크 패턴의 레이저를 통과시키는 패턴 부분은 손실이 없게 하기 위하여 안티-리플렉션(Anti-reflection)성질을 가지도록 한다.　이때, 가공할 패턴은 N배의 크기로 마스크를 확대하여 제작할 수 있다.

상기 프로젝션 렌즈(180)는 상기 패턴 마스크(170)가 가공대상물의 가공 크기의 N배로 형성되었다면, 레이저 빔을 1/N 배로 조절하여 가공대상물에 조사되도록 한다.

상기 프로젝션(Projection) 렌즈(180)는 상기 패턴 마스크(170)를 통과한 레이저 빔의 패턴 이미지가 가공 단에 왜곡 없이 전달되도록 한다. 마스크를 가공 패턴의 N배를 하였다면 projection 렌즈는 1/N배를 하여 원래의 가공하고자 하는 패턴의 크기가 되도록 한다.

상기 스테이지(190)는 가공물을 올려놓고 원하는 x, y 틸트를 조절하여 이동 방향의 가공위치로 이동시키는 동시에 상기 프로젝션(projection) 렌즈(180)의 패턴 이미지 상이 맺히는 초점 위치에 정확히 가공물이 위치할 수 있도록 z방향 포커스 조절의 역할을 한다.

상기 제어 수단(195)은 가공대상물의 모든 지점에 반복 조사되는 사각형 형상의 레이저 빔의 겹침 횟수가 균등하도록 상기 스캐너를 제어하고, 상기 사각형의 레이저 빔의 한 변의 길이와 연속되는 펄스 레이저 빔의 펄스 피치의 출력간 이동 거리를 계산하여 상기 스캐너의 스캔 속도를 조절하게 된다.

한편, 도 6은 본 발명의 레이저 가공장치를 이용하여 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하여 패턴을 가공하는 것을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 패턴 이미지　전사를 위한 광학계 구성 시에 한꺼번에 가공 영역 전반에 레이저 빔을 조사할 경우 가공에 필요한 에너지 밀도를 얻기 어려운 경우에는 가공이 가능한 만큼의 에너지 밀도를 가지는 크기로 빔 사이즈를 작게 만들고 이를 2차원 스캐너(160)를 이용하여 순차적으로 패턴 마스크(pattern mask)(170)에 조사하는 방법으로 가공이 가능하다.

이러한 레이저 가공은 사용하고자 하는 레이저의 평균 출력의 크기에 관계없이 가공에 알맞은 에너지 밀도를 가지도록 원하는 빔 사이즈를 만들어 마스크의 크기에 비하여 작은 빔을 마스크 위를 라인-바이-라인(line-by-line) 형식으로 2차원 레이저 빔이 스캔 하여 지나가는 영역대로 순차적으로 패턴을 가공해 나가는 방식이다.

상기 제어 수단(195)에서는 펄스 레이저(Pulsed laser)를 사용하는데 있어 상기 스캐너에 의해 가공대상물의 동일지점에 여러 번 레이저 펄스를 반복 조사하여 모든 지점에 균일한 가공이 가능하게 한다.

이러한 방식을 구현하기 위해 한 스캔 라인(line) 안에서 가공물의 모든 위치에 동일한 에너지를 조사하기 위해서는 겹침 횟수가 정수(예를 들어,

)여야 한다. 이때,

을 정 사각형태의 빔의 한 변의 길이라 할 때, 연속되는 펄스(pulse) 출력 간 이동 거리 피치( pitch)는 하기 식과 같다.

------- 수식 (1)

즉, 빔 사이즈를 정수의 겹침 횟수로 균등 분할한 피치(pitch)의 위치에 왔을 때 펄스를 출력하도록 스캔 속도를 맞추어 조정한다. 이때, 스캔 속도는 레이저 펄스 반복비(pulse repetition rate)를 r이라 할 때,

-------- 수식 (3)

스캔 라인간 겹침에도 수식 (1)이 동일하게 적용되어 스캔 라인간의 이동 피치(pitch)로 맞추어 주면 스캔라인간의 겹침도 모든 영역에 동일하게 된다.

따라서 수식 (1)에 의해서 한 스캔 line안에서 모든 지점이 동일한 레이저 펄스를 조사받고, 수식 (2)에 의해서 라인이 변경 방향으로도 모든 지점이 동일한 횟수로 반복하여 레이저 펄스를 조사받기 때문에 가공물의 전 영역에서 균일한 가공이 가능한 방식이다.

이에 더하여 스캔방식은 한 라인(line)을 원하는 양의 가공이 되도록 반복 스캔 한 후 다음 라인(line)으로 옮겨 스캔하는 방식을 사용하면 레이저 빔의 강도(intensity)와 가공하고자 하는 물질의 레이저 흡수도가 정해져 있어도 반복횟수를 조절하여 원하는 만큼 가공이 가능하게 할 수 있다.

즉, 마스크의 전체 영역에 대하여 스캐닝을 완료하여 한 번의 패턴 가공이 끝나면 가공 대상물을 다음의 가공위치로 이동 시켜 마스크와 정렬한 후 다시 2차원 레이저 스캐닝을 통하여 가공을 한다.

또한, 도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 이때, 전술한 제 1 실시 예가 참조될 것이고, 이에 따라 중복되는 설명들은 생략될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 가공장치는, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 광원(210); 상기 레이저 광원(210)으로부터 출력된 레이저 빔이 상기 레이저 광원(210)으로 역 반사되는 것을 차단하는 역반사 방지 수단(220)과; 상기 역반사 방지 수단(220)에서 출력된 레이저 빔의 크기를 확대하여 상기 빔 정형 수단으로 출력하는 빔 확대부(230); 상기 레이저 광원(220)으로부터 조사된 레이저 빔을 균일하게 가공하고, 이를 사각 형상으로 정형하여 출력하는 빔 정형 수단(240); 상기 빔 정형 수단(240)에서 출력된 레이저 빔을 평행하도록 투과시키는 콜리메이터 렌즈(250); 상기 빔 정형 수단(240)에서 사각형으로 정형된 레이저 빔을 2차원 스캐닝을 이용하여 가공대상물에 조사하는 스캐너(260); 상기 스캐너(260)에서 출사된 레이저 빔이 패턴 마스크(270)를 통과하여 가공대상물에 원래의 패턴 크기로 조사시키는 프로젝션 렌즈(280); 상기 가공대상물을 안착하고 2축 이상의 틸트를 조절하여 상기 프로젝션 렌즈를 투과한 레이저 빔이 패턴 상에 위치하도록 조절하는 스테이지(290); 및 상기 레이저 광원, 상기 스캐너 및 상기 스테이지를 제어하는 제어 수단(295)을 포함하여 구성된다.

상기 빔 정형 수단(240)은 회절광학소자를 이용한 구성으로, 상기 레이저 빔의 원형 형상을 회절 시켜 사각형 형상으로 투과시키는 회절광학소자(241)와 상기 회절광학소자(241)를 투과한 레이저 빔을 포커싱하는 싱글렛 렌즈(single let) (242)를 포함한다.

상기 회절광학소자(DOE, diffractive optical element)(241) 하나만으로 레이저 빔을 균일하게 가공하면서 사각형 빔 형상을 만들게 된다.

도 5b는 본 발명의 레이저 빔의 형상을 사각형으로 가공한 것을 도시한 도면이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 상기 회절광학소자(DOE, diffractive optical element)(241)은 가공영역을 모두 균일한 레이저 빔의 강도(intensity)로 조사하기 위하여 빔의 강도(intensity)를 원래의 가우시안(Gaussian) 분포에서 유니폼한(uniform)한 플랫-탑(flat-top)형태로 바꾸어 주면서 사각형 형상으로 변형한다.

또한, 도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 이때, 전술한 제 1 실시 예가 참조될 것이고, 이에 따라 중복되는 설명들은 생략될 수 있다

도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 가공장치는, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 광원(110); 상기 레이저 광원(310)으로부터 출력된 레이저 빔이 상기 레이저 광원(310)으로 역 반사되는 것을 차단하는 역반사 방지 수단(320)과; 상기 역반사 방지 수단(320)에서 출력된 레이저 빔의 크기를 확대하여 상기 빔 정형 수단으로 출력하는 빔 확대부(330); 상기 레이저 광원(320)으로부터 조사된 레이저 빔을 균일하게 가공하고, 이를 사각 형상으로 정형하여 출력하는 빔 정형 수단(340); 상기 빔 정형 수단(340)의 후단 부에 구성하여 반사빔을 차단하는 슬릿(345); 상기 슬릿(345)을 투과한 레이저 빔을 평행하도록 투과시키는 콜리메이터 렌즈(350); 상기 빔 정형 수단(340)에서 사각형으로 정형된 레이저 빔을 2차원 스캐닝을 이용하여 가공대상물에 조사하는 스캐너(360); 상기 스캐너(360)에서 출사된 레이저 빔이 패턴 마스크(370)를 통과하여 가공대상물에 원래의 패턴 크기로 조사시키는 프로젝션 렌즈(380); 상기 가공대상물을 안착하고 2축 이상의 틸트를 조절하여 상기 프로젝션 렌즈를 투과한 레이저 빔이 패턴 상에 위치하도록 조절하는 스테이지(390); 및 상기 레이저 광원(310), 상기 스캐너(360) 및 상기 스테이지(390)를 제어하는 제어 수단(395)을 포함하여 구성된다.

상기 빔 정형 수단(340)의 후단 부에 구성하여 반사빔을 차단하는 슬릿(345) 더 포함한 구성으로 상기 역반사 방지 수단(back-reflection)(320)에서 반사되어 돌아오는 레이저 빔의 강도(intensity)가 강하여 역반사(back-reflection)를 방지할 수 없을 경우를 대비하여 슬릿(slit)을 추가하여 반사 빔을 한 번 더 차단하게 된다.

상기 슬릿(345)은 레이저 빔이 선택적으로 투과될 수 있도록 소정의 개구가 형성된다. 이렇게 형성된 개구에 의해 레이저 빔의 폭 등이 조절되어 투과될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 이때, 전술한 제 1 실시 예가 참조될 것이고, 이에 따라 중복되는 설명들은 생략될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 가공장치는, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 광원(410); 상기 레이저 광원(110)으로부터 출력된 레이저 빔이 상기 레이저 광원(410)으로 역 반사되는 것을 차단하는 역반사 방지 수단(420)과; 상기 역반사 방지 수단(420)에서 출력된 레이저 빔의 크기를 확대하여 상기 빔 정형 수단으로 출력하는 빔 확대부(430); 상기 레이저 광원(4100)으로부터 조사된 레이저 빔을 균일하게 가공하고, 이를 사각 형상으로 정형하여 출력하는 빔 정형 수단(440); 상기 빔 정형 수단(440)에서 출력된 레이저 빔을 평행하도록 투과시키는 콜리메이터 렌즈(450); 상기 빔 정형 수단(440)에서 사각형으로 정형된 레이저 빔을 2차원 스캐닝을 이용하여 가공대상물에 조사하는 스캐너(460); 상기 스캐너(160)에서 출사된 레이저 빔이 패턴 마스크(470)를 통과하여 가공대상물에 원래의 패턴 크기로 조사시키는 프로젝션 렌즈(480); 상기 가공대상물을 안착하고 2축 이상의 틸트를 조절하여 상기 프로젝션 렌즈를 투과한 레이저 빔이 패턴 상에 위치하도록 조절하는 스테이지(490); 및 상기 레이저 광원, 상기 스캐너 및 상기 스테이지를 제어하는 제어 수단(495)을 포함하여 구성된다.

상기 빔 정형 수단(440)은 회절광학소자를 이용한 구성으로, 상기 레이저 빔의 원형 형상을 회절 시켜 사각형 형상으로 투과시키는 회절광학소자(441)와 상기 회절광학소자(441)를 투과한 레이저 빔을 포커싱하는 싱글렛 렌즈(242)를 포함한다.

상기 빔 정형 수단(440)의 후단 부에 구성하여 반사빔을 차단하는 슬릿(445) 더 포함한 구성으로 상기 역반사 방지 수단(back-reflection)(320)에서 반사되어 돌아오는 레이저 빔의 강도(intensity)가 강하여 역반사(back-reflection)를 방지할 수 없을 경우를 대비하여 슬릿(slit)을 추가하여 반사 빔을 한 번 더 차단하게 된다.

레이저 가공방법

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 가공방법에 대한 공정 순서도이다.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 광원으로부터 생성된 펄스 레이저 빔을 출사시키게 된다(S701). ;

상기 레이저 광원(110)에서 생성된 레이저 빔은 DPSS(Diode Pumped Solid State) 광원이 사용되고, 가우시안 빔 프로파일(Gaussian beam profile)을 가질 수 있다. 또한, 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔(pulse type laser beam), 특히 초단 펄스 레이저 빔 일수 있다. 여기서, 초단 펄스 레이저는 광 펄스의 주기가 나노 세컨드(nano second), 피코 세컨드(pico second), 또는 펨토 세컨드(femto second) 급의 레이저를 의미한다. 이러한 초단 펄스 레이저를 이용하면, 박형의 대상물 내부에 스폿을 형성하여, 고속/고정밀도로 가공할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 레이저 광원(110)으로부터 출력된 레이저 빔이 상기 레이저 광원(110)으로 다시 반사되어 입사되는 빔을 차단시키는 역반사 방지수단(120)을 거쳐 빔을 투과시키고, 상기 빔 확대부(130)를 거쳐 투과되는 레이저 빔의 크기를 확대하게 된다.

다시 말해, 상기 레이저 광원으로부터 전 방향으로 출사된 레이저 빔의 일부가 장치의 구성품들에 의하여 반사되어 다시 광 경로를 역방향으로 되돌아 상기 레이저 광원(110)으로 들어와 레이저 발진기의 성능을 저하시키는 현상을 방지한다.

특히, 본 발명에 사용되는 고반사 패턴마스크의 빔 블럭킹(blocking) 패턴 부분에서 반사된 레이저의 밀도(intensity)가 큰 반사 빔은 광로에 있는 광학계들과 특히 레이저 광원의 성능에 영향을 미쳐 균일하고 안정된 가공이 되지 않고 심할 경우는 레이저 광원의 발진기를 파괴시킬 가능성이 매우 커서 본 이를 방지하게 된다.

그리고, 상기 투과되는 레이저 빔을 다음 단의 렌즈에 적은 손실로 광을 입사시키기 위하여 빔 확대부(130)를 거쳐 빔(beam)의 사이즈를 크게 한다.

그리고, 상기 출사된 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도를 균일하게 가공하게 된다(S702). 보다 상세하게는, 상기 펄스 레이저 빔을 가공영역을 모두 균일한 레이저 빔의 강도(intensity)로 조사하기 위하여 빔의 강도(intensity)를 원래의 가우시안(Gaussian) 분포에서 유니폼한(uniform)한 플랫-탑(flat-top)형태로 바꾸어 준다. 이때 가공에 필요한 에너지 밀도를 고려하여 크기와 강도(intensity)를 결정한다. 여기서, 상기 레이저 빔의 에너지 밀도를 균일하게 하기 위한 빔 가공부 또는 회절광학소자가 사용된다.

그 다음, 상기 에너지 밀도가 균일하게 가공된 펄스 레이저 빔의 원형 형상을 사각형 형상으로 가공하게 된다(S703). 여기서, 상기 굴절광학소자 또는 회절광학소자를 이용하여 원형의 빔을 사각형으로 변형시키게 된다.

상기 굴절광학소자인 빔 변형부(Rectangular beam shaper)는 레이저 빔의 단면모양을 원형에서 사각형의 모양으로 바꾸어 가공하는 전공간이 빈틈이 없고 균일한 빔의 스캔이 가능하도록 한다. 여기서, 사각형의 빔은 형상은 상기 원형의 빔의 형상에서 내접하는 사각형으로 만든 후, 바깥 부분을 잘라내어 만들게 된다.

그리고, 상기 회절광학소자(DOE, diffractive optical element)(241) 하나만으로 레이저 빔을 균일하게 가공하면서 사각형 빔 형상을 만들게 된다. 여기서, 상기 가공된 사각형 레이저 빔이 다시 레이저 광원으로 반사되는 것을 차단시켜 투과할 수 있다.

이어서, 상기 사각형 레이저 빔을 가공대상물에 위치시켜 스캔 조사하게 된다(S704).

보다 구체적으로, 상기 사각형으로 변환된 레이저 빔의 경로를 평행하도록 콜리메이터 렌즈(150)를 통해 투과시키고, 상기 투과된 레이저 빔을 균일하게 수직으로 패턴 마스크에 입사되도록 빔의 경로를 조절하게 된다.

그리고, 상기 패턴 마스크(170)에 입사되는 레이저 빔은 N배로 확대하게 되고, 상기 패턴 마스크에서 N 배 확대된 레이저 빔은 상기 프로젝션 렌즈(180)를 거쳐 다시 원래 크기인 1/N 배로 조절하여 가공대상물에 조사하게 된다.

여기서, 상기 가공대상물은 스테이지(190)에 안착하고 2축 이상의 틸트를 조절하여 상기 프로젝션 렌즈(180)를 투과한 레이저 빔이 패턴 상에 위치하도록 조절하게 된다.

상기 가공대상물에 조사되는 사각형의 레이저 빔은 가공대상물에 반복 조사되면서 진행하게 된다.

즉, 도 6에서와 같이, 가공대상물의 패턴 이미지　전사를 위한 광학계 구성 시에 한꺼번에 가공 영역 전반에 레이저 빔을 조사할 경우 가공에 필요한 에너지 밀도를 얻기 어려운 경우에는 가공이 가능한 만큼의 에너지 밀도를 가지는 크기로 빔 사이즈를 작게 만들고 이를 2차원 스캐너(160)를 이용하여 순차적으로 패턴 마스크(pattern mask)(170)에 조사하는 방법으로 가공이 가능하다.

이러한 레이저 가공은 사용하고자 하는 레이저의 평균 출력의 크기에 관계없이 가공에 알맞은 에너지 밀도를 가지도록 원하는 빔 사이즈를 만들어 마스크의 크기에 비하여 작은 빔을 마스크 위를 라인-바이-라인(line-by-line) 형식으로 2차원 레이저 빔이 스캔 하여 지나가는 영역대로 순차적으로 패턴을 가공하게 된다.

따라서, 상기 제어 수단(195)에서는 펄스 레이저(Pulsed laser)를 사용하는데 있어 상기 스캐너(160)에 의해 가공대상물의 동일지점에 여러 번 레이저 펄스를 반복 조사하여 모든 지점에 균일한 가공이 가능하게 한다. 즉, 가공대상물의 모든 지점에 반복 조사되는 사각형 형상의 레이저 빔의 겹침 횟수가 균등하도록 상기 스캐너를 제어하고, 상기 사각형의 레이저 빔의 한 변의 길이와 연속되는 펄스 레이저 빔의 펄스 피치의 출력간 이동 거리를 계산하여 상기 스캐너의 스캔 속도를 조절하게 된다.

이러한 스캔방식은 한 라인을 원하는 양의 가공이 되도록 반복 스캔 한 후 다음 라인으로 옮겨 스캔을 하면 레이저 빔의 강도와 가공하고자 하는 물질의 레이저 흡수도가 정해져 있어도 반복횟수를 조절하여 원하는 만큼 가공이 가능하게 할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

110, 210, 310, 410 --- 레이저 광원
120, 220, 320, 420 --- 역반사 방지수단
130, 230, 330, 430 --- 빔 확대부
140, 240, 340, 440 --- 빔 정형 수단
150, 250, 350, 450 --- 콜리메이터 렌즈
160, 260, 360, 460 --- 스캐너
170, 270, 370, 470 --- 패턴 마스크
180, 280, 380, 480 --- 프로젝션 렌즈
190, 290, 390, 490 --- 스테이지
195, 295, 395, 495 --- 제어수단

Claims

레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 광원;
상기 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 빔이 상기 레이저 광원으로 역 반사되는 것을 차단하는 역반사 방지 수단;
상기 레이저 광원으로부터 조사된 레이저 빔을 균일하게 가공하고, 이를 사각 형상으로 정형하여 출력하는 빔 정형 수단;
상기 빔 정형 수단에서 사각형으로 정형된 레이저 빔을 2차원 스캐닝을 이용하여 가공대상물에 조사하는 스캐너; 및
상기 레이저 광원 및 스캐너를 제어하여, 상기 가공대상물에 조사되는 사각형 형상의 레이저 빔이 정수 회 겹치도록 제어하는 제어 수단;
을 포함하는 레이저 가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 역반사 방지 수단에서 출력된 레이저 빔의 크기를 확대하여 상기 빔 정형 수단으로 출력하는 빔 확대부;
상기 빔 정형 수단에서 출력된 레이저 빔을 평행하도록 투과시키는 콜리메이터 렌즈;
상기 스캐너에서 출사된 레이저 빔이 패턴 마스크를 통과하여 가공대상물에 원래의 패턴 크기로 조사시키는 프로젝션 렌즈; 및
상기 가공대상물을 안착하고 2축 이상의 틸트를 조절하여 상기 프로젝션 렌즈를 투과한 레이저 빔이 패턴 상에 위치하도록 조절하는 스테이지;를
더 포함하고,
상기 제어 수단은 상기 스테이지를 더 제어하는, 레이저 가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 광원은 DPSS(Diode Pumped Solid State) 광원이 사용되고, 가우시안 빔 프로파일(Gaussian beam profile)을 갖는 펄스 레이저 빔을 출력하는 레이저 가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 역반사 방지 수단은,
상기 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 빔이 역 반사가 차단되는 방향으로 조절하여 회전하는 패러데이 로테이터;
상기 레이저 빔의 위상차를 1/2 λ 변경하는 1/2 λ 플레이트;
상기 1/2 λ 플레이트를 투과한 레이저 빔을 편광시키는 편광판; 및
상기 편광된 레이저 빔의 위상차를 1/4λ 변경하는 1/4λ 플레이트를
포함하는 레이저 가공장치..
청구항 1에 있어서,
상기 빔 정형 수단은,
상기 레이저 빔의 에너지 밀도를 균일하게 가공하는 빔 가공부
상기 균일하게 가공된 레이저 빔의 원형 형상을 사각형 형상으로 변환시키는 빔 변형부; 및
상기 사각형 빔 형상을 포커싱하는 필드 렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
청구항 5에 있어서,
상기 빔 정형 수단은
상기 레이저 빔의 원형 형상을 회절 시켜 사각형 형상으로 투과시키는 회절광학소자; 및
상기 회절광학소자를 투과한 레이저 빔을 포커싱하는 싱글렛 렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어 수단은 가공대상물의 모든 지점에 반복 조사되는 사각형 형상의 레이저 빔의 겹침 횟수가 균등하도록 상기 스캐너를 제어하는 레이저 가공장치.
청구항 7에 있어서,
상기 제어 수단은 상기 사각형의 레이저 빔의 한 변의 길이와 연속되는 펄스 레이저 빔의 펄스 피치의 출력간 이동 거리를 계산하여 상기 스캐너의 스캔 속도를 조절하는 레이저 가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 빔 정형 수단의 후단 부에 구성하여 반사빔을 차단하는 슬릿을 더 포함하는 레이저 가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스캐너에는 레이저 빔을 균일하게 수직으로 패턴 마스크에 입사되도록 빔의 경로를 조절하는 스캔 렌즈를 더 포함하는 레이저 가공장치.
청구항 2에 있어서,
상기 프로젝션 렌즈는 상기 패턴 마스크가 가공대상물의 가공 크기의 N배로 형성되었다면, 레이저 빔을 1/N 배로 조절하여 가공대상물에 조사되도록 하는 레이저 가공장치.
레이저 광원으로부터 생성된 펄스 레이저 빔을 출사하는 단계와;
상기 출사된 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도를 균일하게 가공하는 단계;
상기 에너지 밀도가 균일하게 가공된 펄스 레이저 빔의 원형 형상을 사각형 형상으로 가공하는 단계;
상기 사각형 레이저 빔을 가공대상물에 위치시켜 스캔 조사하는 단계; 및
상기 가공대상물에 조사되는 사각형 형상의 레이저 빔이 정수 회 겹치도록 제어하는 단계;
를 포함하는 레이저 가공방법.
청구항 12에 있어서,
상기 레이저 빔을 출사하는 단계 이후,
상기 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 빔이 상기 레이저 광원으로 역 반사되는 빔은 차단하면서 빔을 투과시키는 단계;
상기 투과되는 레이저 빔의 크기를 확대하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공방법.
청구항 12에 있어서,
상기 레이저 빔의 원형 형상을 사각형 형상으로 변환시키는 단계에서,
굴절광학소자 또는 회절광학소자를 이용하여 원형의 빔을 사각형으로 변형하는 레이저 가공방법.
청구항 12에 있어서,
상기 레이저 빔의 원형 형상을 사각형 형상으로 변환시키는 단계 이후,
상기 사각형으로 변환된 레이저 빔의 경로를 평행하도록 투과시키는 단계를 더 포함하는 레이저 가공방법.
청구항 12에 있어서,
상기 스캔 조사하는 단계는 레이저 빔을 균일하게 수직으로 패턴 마스크에 입사되도록 빔의 경로를 조절하는 단계를 포함하는 레이저 가공방법.
청구항 12에 있어서,
상기 스캔 조사 단계 이후,
상기 스캔 조사되는 레이저 빔이 패턴 마스크를 통과하여 N배로 확대시키는 단계; 및
상기 패턴 마스크에서 N 배 확대된 레이저 빔을 1/N 배로 조절하여 가공대상물에 조사하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공방법.
청구항 12에 있어서,
상기 가공대상물에 위치시켜 스캔 조사하는 단계에서,
상기 가공대상물을 안착하고 2축 이상의 틸트를 조절하여 프로젝션 렌즈를 투과한 레이저 빔이 패턴 상에 위치하도록 조절하는 단계를 포함하는 레이저 가공방법.
청구항 12에 있어서,
상기 사각형 형상으로 가공하는 단계 이후,
상기 가공된 사각형 레이저 빔이 다시 레이저 광원으로 반사되는 것을 차단하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공방법.
청구항 12에 있어서,
상기 스캔 조사하는 단계에서,
상기 가공대상물의 모든 지점에 반복 조사되는 사각형 형상의 레이저 빔의 겹침 횟수가 균등하도록 제어하는 레이저 가공방법.
청구항 20에 있어서,
상기 사각형의 레이저 빔의 한 변의 길이와 연속되는 펄스 레이저 빔의 펄스 피치의 출력간 이동 거리를 계산하여 스캐너의 스캔 속도를 조절하는 레이저 가공방법.