KR102476687B1 - 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법 - Google Patents

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Abstract

대형의 소재에 대해 보다 신속하게 세정을 실시할 수 있도록, 소재 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 표면 세정장치로, 오염물질이 묻은 소재 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하여 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 레이저조사부와, 소재 표면을 따라 상기 레이저조사부를 이동시키기 위한 이동부를 포함하고, 상기 레이저조사부는 복수개가 구비되어 간격을 두고 배치되고, 각 레이저조사부는 소재 표면을 분할하여 각 분할된 영역에 대해 동시에 세정을 실시하는 구조의 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.

Description

소재 표면 세정 장치 및 세정 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CLEANING SURFACE OF MATERIAL}
본 발명은 레이저를 이용하여 금속이나 세라믹 등의 부품 표면에서 오염물을 제거하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 요철 형태의 표면을 갖는 대형의 소재를 보다 용이하게 세정하기 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, 장치나 공정이 복잡하다. 무엇보다도 레이저에 의해 소재 표면이 가열되어 소재에 열변형이 일어나는 문제가 있다.
특히, 대형 부품의 경우 그 크기가 매우 크고, 표면 형태가 다양하여 소재 표면 전체를 신속하고 고르게 세정하기 어렵고, 작업이 힘들고 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.
레이저를 이용하여 금속 증착 장비의 부품에 묻은 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있도록 된 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.
또한, 대형의 소재에 대해 보다 신속하게 세정을 실시할 수 있도록 된 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.
또한, 소재 표면의 형태에 관계없이 효과적이고 손쉽게 오염물질을 제거할 수 있도록 된 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.
본 구현예의 세정 장치는, 소재 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 표면 세정장치로, 오염물질이 묻은 소재 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하여 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 레이저조사부와, 소재 표면을 따라 상기 레이저조사부를 이동시키기 위한 이동부를 포함하고, 상기 레이저조사부는 복수개가 구비되어 간격을 두고 배치되고, 각 레이저조사부는 소재 표면을 분할하여 각 분할된 영역에 대해 동시에 세정을 실시하는 구조일 수 있다.
상기 이동부는 복수개의 레이저조사부가 설치되어 복수개의 레이저조사부를 동시에 이동시키는 이동부재와, 상기 이동부재를 소재의 수평면을 따라 이동시키기 위한 평면이동부, 상기 이동부재를 소재 표면에 대해 상하로 이동시키기 위한 수직이동부를 포함할 수 있다.
상기 세정장치는 소재 표면의 요철 형태에 따라 레이저조사부를 회동시켜 소재 표면에 대한 레이조 조사 방향을 변환시키는 회동부를 더 포함할 수 있다.
상기 회동부는 이동부재에 설치되고 하단에는 레이저조사부가 결합되어 레이저조사부를 회동시키는 회동구동부와, 소재 표면의 요철 형태에 따라 상기 회동구동부를 제어작동시켜 레이저조사부의 조사 방향을 변환하는 제어부를 포함하여, 소재 표면의 요철면에 대해 레이저를 균일하게 조사하는 구조일 수 있다.
본 구현예의 세정 방법은 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 표면 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 단계, 소재 표면을 복수개의 분할된 영역으로 나눠 각 영역에 동시에 레이저를 조사하는 단계, 소재의 표면을 따라 레이저 조사 위치를 이동시키는 단계를 포함하여, 소재 표면의 각 분할된 영역에 각각 레이저를 조사하여 동시에 세정하는 구조일 수 있다.
상기 세정 방법은, 소재 표면의 요철 형태에 따라 레이저 조사 방향을 변환시키는 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.
이상 설명한 바와 같이 본 구현예에 의하면, 요철 형태로 표면에 양각 또는 음각이 형성된 소재에 대해서도 보다 용이하게 간편하게 오염물질을 세정할 수 있게 된다.
또한, 피코초 이하의 초단 펄스 레이저를 조사하여 소재의 열변형을 방지하면서 오염물질에 열적 응력을 가해 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 소재를 세정하기 위한 세정장치의 구성을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 세정장치의 소재 표면 세정 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 세정장치의 소재 표면 요철부 세정 구조를 도시한 개략적인 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 대상 설비로 반도체 또는 디스플레이 공정의 증착 장비에 사용되는 부품으로 크기가 매우 큰 대형의 부품이고 표면에 음각 또는 양각이 형성되어 요부와 철부를 갖는 대형 소재를 예로서 설명한다. 물론, 본 발명은 증착 장비의 부품 외에 오염물질이 부착되는 다양한 공정 장비의 다양한 부품에 대해 적용가능하다.
증착 장비는 기판 등에 유기물질을 증착하여 박막을 형성하는 데 사용되는 장비로, 공정 챔버 내에서 기판에 대한 박막 증착이 이루어진다. 이 과정에서 많은 유기물이 장비를 구성하는 부품의 표면에 증착된다. 상기 부품은 예를 들어, 금속이나 세라믹, 유리, 고분자 소재로 이루어질 수 있다. 금속으로는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄 등의 소재가 사용될 수 있고, 세라믹으로는 알루미나, 지르코티아 등의 소재가 사용될 수 있다. 이러한 부품의 표면 조도는 수 nm ~ 수십 마이크로 미터에 이르고, 증착 공정에 의해 부품의 표면에 금속 및 금속 반응 생성물이 부착 생성된다.
도 1은 본 실시예에 따른 세정장치의 구성을 개략적으로 도시하고 있고, 도 2는 본 실시예에 따른 세정장치에 의한 소재 표면 세정 구조를 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 세정 장치는, 금속 증착 공정 장치의 요철형 표면을 갖는 대형 소재(100)에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 세정장치이다.
이를 위해, 상기 세정장치는 오염물질이 묻은 소재 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하여 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 레이저조사부(10)와, 소재 표면을 따라 상기 레이저조사부를 이동시키기 위한 이동부를 포함하고, 상기 레이저조사부(10)는 복수개가 구비되어 간격을 두고 배치되고, 각 레이저조사부는 소재 표면을 분할하여 각 분할된 영역(도 2의 A,B,C 참조)에 대해 동시에 세정을 실시하는 구조로 되어 있다.
상기 레이저조사부(10)로부터 조사되는 레이저를 통해 부품 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정한다.
본 실시예의 세정장치는 복수개의 레이저조사부(10)를 구비하여, 대형의 소재(100)에 대해 동시에 세정을 실시한다. 각 레이저조사부(10)는 대형의 소재(100) 표면에 임의로 분할된 복수개의 영역에 각각 배치되어 각 분할 영역을 세정하게 된다. 이에 복수개의 레이저조사부(10)에 의해 소재(100) 표면에 대한 세정 작업 동시에 이루어지게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 세정장치는 3개의 레이저조사부(10)를 구비하여 서로 일정 간격을 두고 이격 배치된다. 상기 레이저조사부(10)의 설치 개수나 이격된 배치 간격은 소재의 크기나 레이저조사부(10)의 사양, 조건 등에 따라 적절하게 변경가능하다.
소재(100)의 표면은 각 레이저조사부(10)의 레이저 스캐닝 범위에 따라 임의의 영역으로 분할된다. 도 2에서 소재의 표면은 3개의 레이저조사부(10)에 맞춰 3개의 영역(A,B,C)으로 분할될 수 있다. 소재(100) 표면의 각 분할 영역(A,B,C)은 각각의 레이저조사부(10)에 의해 조사되는 레이저에 의해 세정된다. 이에, 도 2에서 소재의 표면은 각 분할된 영역(A,B,C)을 세정하는 3개의 레이저조사부(10)에 의해 동시에 세정이 이루어진다.
이와 같이, 세정 면적이 큰 대형의 소재(100)에 대해서도 복수개의 레이저조사부(10)가 소재의 각 영역을 분할하여 동시에 세정함으로써, 보다 신속하게 세정 작업을 완료할 수 있게 된다.
상기 복수개의 레이저조사부(10)는 이동부에 의해 동시에 이동하면서 소재 표면을 세정하게 된다.
상기 이동부는 복수개의 레이저조사부(10)가 설치되어 복수개의 레이저조사부(10)를 동시에 이동시키는 이동부재(20)와, 상기 이동부재(20)를 소재(100)의 수평면을 따라 이동시키기 위한 평면이동부(30), 상기 이동부재(20)를 소재(100) 표면에 대해 상하로 이동시키기 위한 수직이동부(32)를 포함한다.
여기서, 수평면이나 평면은 도 1에서 xy 평면을 의미하며, 상하 또는 수직이라 함은 도 2에서 z축 방향을 의미한다.
이에, 소재에 대해 레이저조사부(10)를 xy 평면을 따라 수평 이동하고, z축을 따라 수직방향으로 이동함으로써, 삼차원 상에서 레이저 조사영역을 이동하여 소재 전체 표면에 레이저를 조사할 수 있게 된다.
상기 이동부재(20)는 복수개의 레이저조사부(10)가 설치되어, 이동부재(20)를 이동시킴으로써, 복수개의 레이저조사부(10) 전체를 동시에 같이 움직일 수 있게 된다.
상기 평면이동부(30)는 예를 들어, x축과 y축으로 설치된 이송레일과 구동력을 제공하는 모터를 구비하여 이동부재를 직선왕복 운동시키는 구조일 수 있다. 상기 평면이동부는 다양하게 변형가능하며, 이동부재를 평면에 대해 이동시키는 구조면 모두 적용가능하다.
상기 수직이동부(32)는 예를 들어, z축으로 배치되어 구동력을 제공하는 구동실린더를 구비하여 이동부재를 상하로 승하강시키는 구조일 수 있다. 상기 수직이동부는 다양하게 변형가능하며, 이동부재를 상하로 이동시키는 구조면 모두 적용가능하다.
이와 같이, 평면이동부(30)와 수직이동부(32)가 구동되면 이동부재(20)는 소재(100) 표면에 대해 이동되고, 이동부재(20)에 설치된 복수개의 레이저조사부(10)가 소재 표면을 따라 이동되어 소재 전면에 레이저 세정을 실시할 수 있게 된다.
또한, 상기 세정장치는 소재 표면에 요철 형태와 같이 복잡한 형태로 굴곡이 형성된 경우, 이러한 요철 형태에 따라 레이저조사부(10)를 회동시켜 소재 표면에 대한 레이저 조사 방향을 변환시키는 회동부를 더 포함할 수 있다. 이하, 도 1과 도 3을 참조하여 상기 회동부에 대해 설명한다.
세정 대상물인 상기 소재 표면에 형성된 요철 형태는 양각이나 음각이 형성되어 오목하게 파인 요부나 볼록하게 돌출된 철부가 표면에 형성된 형태를 의미한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 소재(100) 표면에 요철 형태의 굴곡이 형성된 경우, 레이저조사부(10)로부터 조사된 레이저가 요철부의 굴곡진 부분으로 조사되지 않고 그림자가 생겨 제대로 세정하기 힘들다.
본 실시예의 세정 장치는 레이저조사부(10)를 회동시켜 레이저 조사 방향을 변환시킴으로써, 소재(100) 표면의 요철 부분에도 레이저가 제대로 조사되도록 하여 세정을 진행할 수 있다.
상기 회동부는 이동부재(20)에 설치되고 하단에는 레이저조사부(10)가 결합되어 레이저조사부(10)를 회동시키는 회동구동부(40)와, 소재 표면의 요철 형태에 따라 상기 회동구동부(40)를 제어작동시켜 레이저조사부(10)의 조사 방향을 변환하는 제어부(50)를 포함하여, 소재(100) 표면의 요철면에 대해 레이저를 균일하게 조사하는 구조일 수 있다.
상기 회동구동부(40)는 이동부재(20)와 각 레이저조사부(10) 사이에 설치되어 이동부재(20)에 대해 레이저조사부(10)를 회동시키게 된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 회동구동부(40)는 이동부재(20)에 대해 yz평면을 따라 레이저조사부(10)를 회동시킨다. 레이저조사부(10)의 회동에 따라 소재 표면에 대한 레이저조사부(10)의 레이조 조사 방향이 변환된다.
이에, 소재 표면에 형성된 요철부의 굴곡진 부분 깊숙한 모서리로도 레이저가 조사되어 그림자 형성없이 레이저에 의해 세정이 이루어질 수 있게 된다.
회동구동부(40)는 상기 복수개의 레이저조사부(10)에 각각 설치되어, 각각의 레이저조사부(10)는 회동구동부(40)에 의해 각각 개별적으로 회동된다.
상기 제어부(50)는 각 회동구동부(40)를 제어작동하여 레이저조사부(10)의 회동각도를 제어한다. 제어부(50)는 소재(100) 표면의 요철부 형태에 따라 회동구동부(40)에 제어신호를 출력한다. 이에, 소재 표면의 요철부에 맞춰 각 회동구동부(40)가 구동되고, 회동구동부(40)의 구동에 따라 각 레이저조사부(10)가 회동되어 레이저의 조사 방향을 요철부에 맞춰 변환하게 된다. 상기 제어부(50)는 예를 들어 화상 카메라나 기타 소재 표면 형태를 검출하는 검출 센서를 통해 소재 표면의 요철부 상태를 정확히 검출할 수 있다.
상기 레이저조사부(10)는 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 소재의 표면에 바로 조사하여 소재 표면에 부착된 오염물질을 제거하게 된다.
상기 레이저조사부(10)는 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 레이저조사부(10)로부터 생성되어 소재의 표면에 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 소재 표면으로 입사되는 레이저의 피크 에너지는 대부분의 유기, 무기물질을 제거하는 임계 에너지를 넘어서게 된다. 본 실시예의 레이저 피크 에너지가 상기 범위보다 낮은 경우에는 소재의 표면에 부착된 오염물질에 대한 세정 효과가 떨어지고, 상기 범위를 넘는 경우 소재 자체에 손상을 일으킬 수 있다.
이와 같이 레이저조사부(10)로부터 생성된 피코초 이하 펄스를 갖는 레이저는 소재의 표면에 부착된 유기물질이나 무기물질 등의 오염물질에 극초단시간의 높은 에너지로 입사하여 제거하고자 하는 유기물질 또는 무기물질의 표면에 국부적인 열을 가하게 된다. 이에, 레이저조사부(10)로부터 조사된 레이저에 의해 국소 부위가 열변형되어 깨지면서 소재 표면에 부착된 오염물질이 제거된다.
그리고, 레이저조사부(10)로부터 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 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 레이저조사부(10)는 소재 표면에 대해 레이저의 조사각도를 크게 할 수 있다. 본 실시예에서 상기 레이저조사부(10)는 소재 표면에 바로 조사되는 레이저를 소재 표면에 대해 30 ~ 90도의 각도로 조사할 수 있다. 레이저 조사 각도가 30도를 넘는 경우 소재 표면에 가해지는 레이저의 에너지가 커지게 되나, 본 실시예의 경우 피코초 이하의 펄스를 갖는 레이저가 조사됨에 따라 소재 표면에 대한 레이저 조사각도가 커지더라도 소재 표면으로는 열을 전달하지 않고 오로지 소재 표면에 부착된 오염물질만을 제거할 수 있게 된다.
이와 같이, 소재 표면에 대한 레이저 조사 각도를 30도를 넘어 직각으로 조사함으로써, 레이저의 에너지를 오염물질에 온전히 전달할 수 있어 오염물질 제거 효율을 높이면서도 소재 표면의 손상은 방지할 수 있게 된다.
또한, 소재 표면에 대한 레이저의 조사각도가 30도 이하로 낮아질수록 소재 표면에 가해지는 에너지가 조사면 전체에 걸쳐 균일하지 못하고 에너지 불균형이 일어난다. 본 실시예의 경우, 레이저의 조사각도가 30도 이상으로 커 소재 표면에 부착된 오염물질에 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 소재의 표면에 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.
이하, 본 실시예의 오염물질 제거 과정을 살펴보면 다음과 같다.
소재(100) 표면에 대한 오염물질 제거 공정이 진행되면, 레이저조사부(10)로부터 소재 표면에 레이저가 조사된다. 레이저조사부(10)로부터 피코초 이하의 초단 펄스를 갖는 레이저가 생성되고, 이렇게 생성된 레이저는 소재 표면에 조사된다. 이에, 레이저는 오염물질이 묻은 소재 표면에 국부적으로 조사되고, 오염물질에 초단 펄스의 피크 에너지을 가하여 오염물질을 제거하게 된다.
레이저는 복수개의 레이저조사부(10)로부터 소재 표면에 동시에 조사된다. 각 레이저조사부(10)로부터 조사되는 레이저는 소재 표면을 복수개의 분할된 영역으로 나눠 각 영역에 동시에 조사된다.
소재 표면의 복수의 영역에 레이저가 조사되면서 오염물질이 제거되고, 소재 표면을 따라 각 레이저조사부(10)를 이동시킴으로서, 소재 표면의 각 분할된 영역을 따라 레이저조사부(10)가 이동되면서 오염물질이 동시에 세정된다. 이에, 소재 표면 전체에 걸쳐 오염물질 세정 작업이 신속하게 이루어진다.
이 과정에서, 소재의 표면에 형성된 요철 형태의 굴곡부에 대해 세정을 수행하는 경우, 소재 표면의 요철 형태에 따라 레이저 조사 방향을 변환시킴으로써, 요철부에 대해서도 효과적으로 세정을 실시할 수 있게 된다.
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.
10 : 레이저조사부 20 : 이동부재
30 : 평면이동부 32 : 수직이동부
40 : 회동구동부 50 : 제어부

Claims (10)

  1. 소재 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 표면 세정장치로,
    오염물질이 묻은 상기 소재 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하여 상기 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 레이저조사부와, 상기 소재 표면을 따라 상기 레이저조사부를 이동시키기 위한 이동부, 및 상기 소재 표면의 요철 형태에 따라 상기 레이저조사부를 회동시켜 상기 소재 표면에 대한 레이저 조사 방향을 변환시키는 회동부를 포함하고,
    상기 레이저조사부는 복수개가 구비되어 간격을 두고 배치되고, 상기 각 레이저조사부는 상기 소재 표면을 분할하여 각 분할된 영역에 대해 동시에 세정을 실시하는 구조이고,
    상기 이동부는 복수개의 레이저조사부가 설치되어 상기 복수개의 레이저조사부를 동시에 이동시키는 이동부재를 포함하고,
    상기 회동부는,
    상기 이동부재와 복수개의 레이저조사부의 상기 각 레이저조사부 사이에 각각 설치되어 상기 각 레이저조사부를 각각 개별적으로 회동시키는 회동구동부, 및
    상기 소재 표면의 요철 형태에 따라 상기 회동구동부를 제어작동시켜 상기 각 레이저조사부의 회동각도를 제어하는 제어부를 포함하는, 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 2 항에 있어서,
    상기 레이저는 팸토초 또는 아토초 펄스의 레이저인 소재 표면 세정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저의 피크 에너지는 0.1 ~ 125μJ인 소재 표면 세정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소재에 대한 레이저 조사 각도는 30 ~ 90도 인 소재 표면 세정 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동부는, 상기 이동부재를 상기 소재의 수평면을 따라 이동시키기 위한 평면이동부, 및 상기 이동부재를 상기 소재 표면에 대해 상하로 이동시키기 위한 수직이동부를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 표면 세정 방법으로,
    피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 생성하는 단계와,
    오염물질이 묻은 상기 소재의 표면에 국부적으로 상기 레이저를 조사하여 초단 펄스의 피크 에너지를 가하여 오염물질을 제거하는 단계,
    상기 소재 표면을 복수개의 분할된 영역으로 나눠 각 영역에 동시에 레이저를 조사하는 단계,
    상기 소재의 표면을 따라 레이저 조사 위치를 이동시키는 단계, 및
    상기 소재 표면의 요철 형태에 따라 레이저 조사 방향을 변환시키는 단계를 포함하고,
    상기 소재 표면의 각 분할된 영역에 각각 레이저를 조사하여 동시에 세정하고,
    상기 레이저 조사 위치를 이동시키는 단계는, 복수개의 레이저조사부가 설치되는 이동부재에 의하여 상기 복수개의 레이저조사부를 동시에 이동시키는 단계를 포함하고,
    상기 레이저 조사 방향을 변환시키는 단계는,
    상기 이동부재와 복수개의 레이저조사부의 상기 각 레이저조사부 사이에 각각 설치된 회동구동부에 의하여 상기 각 레이저조사부를 각각 개별적으로 회동시키는 단계, 및
    상기 소재 표면의 요철 형태에 따라 상기 회동구동부를 제어작동시켜 상기 각 레이저조사부의 회동각도를 제어하는 제어 단계를 포함하는, 소재 표면 세정 방법.
  10. 삭제
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