KR20040070158A

KR20040070158A - 극초단 펄스 레이저 빔을 이용한 초정밀 직접 패터닝 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20040070158A
Application number: KR1020040056131A
Authority: KR
Inventors: 최지훈
Original assignee: 최지훈
Priority date: 2004-07-19
Filing date: 2004-07-19
Publication date: 2004-08-06

Abstract

본 발명은 극초단 펄스 레이저 빔을 이용한 초정밀 가공방법 및 장치에 관한 것으로, 극초단 펄스 레이저 발생부와; 상기 레이저 발생부에서 발진된 레이저 빔의 파워를 조절하는 광감쇄기로 이루어진 빔전송부와; 상기 레이저빔의 방향을 바꾸고 가공부를 비추도록 된 조명광원과, 가공부를 측정하는 촬상카메라로 이루어지는 비젼부와; 상기 레이저 빔을 모재에 집광하는 집광부로 이루어진 레이저 가공부; 가공물을 장착하여 이송하는 스테이지와, 모든 동작을 실시간 제어하는 PC 기반의 제어부로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저 빔의 공간 분포를 평탄화한 빔균질기를 통하여 가우시안 형태의 빔을 플랫탑 형태의 빔으로 바꾸어 가공면 가장자리의 정밀도와 표면 거칠기를 향상시키는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저 빔을 이용한 초정밀 가공 장치와,

가공 패턴이 겹치는 부분, 방향이 전환되는 부분, 리페어가 필요한 부분 등을 촬상카메라와 비젼장치, 비젼 S/W를 통하여 확인한 후 정밀 스텝 모터 구동장치를 컴퓨터로 정밀 컨트롤하여 X축과 Y축의 리니어 모션과 로테이터의 회전을 조합함으로서 원형, 삼각형, 사각형 등의 임의의 이미지를 형성하고 정확한 가공위치에 자동으로 극초단 펄스 레이저 빔을 포지셔닝하는 초정밀 가공 방법에 관한 것이다.

Description

극초단 펄스 레이저 빔을 이용한 초정밀 직접 패터닝 방법 및 장치{High Precision Direct Patterning Method and Apparatus using Ultrashort Pulse Laser Beam}

본 발명은, 예를 들어 반도체소자, 액정표시소자, 바이오칩, 광소자, 전자소자, 미세기계전자소자(MEMS) 등의 마이크로 디바이스를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 포토 리소그래피 공정에서 사용되는 펄스 빔을 이용하는 주사노광장치, 레이저 리페어 장치 및 에칭장치 등의 반도체 및 디스플레이 제조장치에 적용하기에 적합한 것이다.

반도체 소자나 액정표시소자 등을 포토 리소그래피 공정으로 제조할 때에는 포토마스크 또는 레티클(이하 레티클이라 총칭한다)의 패턴을 투영광학계를 거쳐 포토 레지스트가 도포된 웨이퍼 또는 유리 플레이트 등의 기판 상에 투영하는 투영노광장치가 사용되고 있다.

종래의 투영노광장치로는 투영광학계의 원형 이미지 필드의 거의 전면을 사용하는 스텝 앤 리피트 방식의 축소 투영형 노광장치, 소위 스텝퍼가 있다. 최근 반도체 소자의 고집적화에 따른 패턴선 폭의 미세화나 칩 사이즈의 대형화에 따라 보다 큰 이미지 필드를 갖는 고해상의 투영광학계가 요구되어지고 있다. 그래서 스텝 앤 스캐닝 방식의 투영노광장치 소위 스캐닝 스텝퍼가 주목받고 있다.

그러나 이들 장치들은 레티클 이라는 특수한 이미지가 있어야만 하고 이들은 패턴의 변화에 따라 새로 제작해야 함으로 제품 생산의 유연성이 떨어진다. 또한 레티클과 기판과의 얼라인먼트가 선행되어야만 하고 동기 이동해야만 하는 어려움이 있다.

종래의 투영노광장치에서는 조명광원으로서 수은 램프가 주로 이용되고 있으며 그 휘선인 g선(파장 436㎚) 또는 i선(파장 365㎚) 등의 연속광이 노광광으로서 이용되고 있다. 최근에는 보다 높은 해상력으로 노광을 행하기 위하여 보다 짧은 노광광을 이용할 필요가 있으므로 조명광원으로서 원자외선역(파장 360㎚ 이하)으로 발진하는 스펙트럼을 갖는 대출력의 KrF (파장 248㎚), ArF(파장 193㎚), F₂엑시머 레이저(파장 157㎚)등의 펄스 광원이 이용된다.

그러나 이러한 광원은 펄스의 지속시간이 나노세컨드 이상으로서 원자의 열전달 임계속도인 10피코세컨드보다 수천 배 길기 때문에 열전달로 인한 재료의 열적 충격으로 인해 패턴의 미세화가 어렵고 열 및 기계적인 스트레스로 인해 손상되기 쉬운 단점이 있다. 원자의 열전달 임계속도인 10 피코세컨드에서 대략 30 펨토세컨드 정도가 초정밀 가공에 적용될 경우 레이저 가공에서 가장 큰 단점인 고입열량에 따른 가공 물체의 변형과 손상을 줄이고 가공 정밀도를 높이며 초미세 가공에도 적용이 용이하다.

최근 사용되고 있는 극초단 펄스 레이저 빔 가공 장치는 빔균질기나 빔성형기 및 공간 필터를 사용하지 않아 빔의 형상 제어나 품질 제어가 어려워 정확하고 다양한 패턴을 형성하기 어려웠다.

또한 일반적으로 타이 사파이어를 매질로 하여 발진 하는 스펙트럼의 경우에 근적외선(파장이 800㎚) 광원이 사용되므로 패턴의 해상력이 떨어진다. 집광되는 레이저광의 직경(ω)은 다음과 같은 식으로 얻어진다. ω = (ｆλ)/(πφ) 단, ｆ는 렌즈의 초점거리, λ는 레이저의 파장, φ는 렌즈에 입사되는 빔 직경이다. 레이저의 직접 노출에 의한 미세한 가공에서는 집광되는 레이저광의 직경을 줄여야한 한다. 빔의 직경을 줄이려면 렌즈 초점거리 ｆ가 짧은 것을 사용하거나 렌즈에 입사되는 빔의 직경 φ를 크게 하거나 레이저의 파장 λ를 짧게 해야만 한다.

본 발명의 제1목적은 극초단 펄스 레이저 빔을 이용하고 레티클과 같은 이미지가 없이 직접 패턴을 형성 하여 레티클과 가공물과의 초정밀 얼라인먼트 단계를 줄이고 공정수를 줄여 장비의 저가화와 생산성 향상을 통하여 산업에 용이하게 이용 할 수 있으며 특수한 레티클이 필요 없어 패턴 형성에 유연성이 있는 유연가공시스템(Flexible Manufacturing System)에서 고밀도 레이저 빔을 접목이 하는데 있다. 본 발명의 제2목적은 빔균질기를 통하여 빔의 강도 분포를 공간상에 일정하게 균질화 하여 레이저 빔의 공간 밀도 분포가 가우시안 형태의 빔 대신 플랫탑 형태의 빔을 사용하여 가공물의 가장자리의 정밀도와 표면거칠기를 향상시키데 있다. 본 발명의 제3목적은 빔성형기를 사용하여 사각형, 원형, 삼각형 등의 다양한 임의의 이미지 패턴을 사용하는데 있다. 본 발명의 제4목적은 공간 필터를 사용하여 빔의 필터링을 통해 공간적인 분포를 99% 이상 안정화하는데 있다. 본 발명의 제5목적은 빔조화장치를 통하여 파장을 1차 혹은 2차, 3차까지 하모닉하여 최대 200㎚영역까지 파장을 줄여 패턴을 미세화 하는데 있다. 본 발명의 제 6목적은 스텝 모터 구동 장치와 컴퓨터 컨트롤을 통하여 정교한 임의의 이미지 패턴을 형성하여 가공면의 가장자리의 품질을 향상하고 가공 형상의 유연성을 확보하는데 있다. 본 발명의 제 7목적은 레이저 발진부에 빔 프로파일러, 오토콜리레이터, 주파수 체크기 등을 내장하여 실시간 모니터링을 통하여 피드백 컨트롤하는 함으로서 레이저 점검 및 최적화를 자동화 하고 작업자의 안전도를 높이는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 극초단 펄스 레이저 빔을 이용한 초정밀 가공 장치에 관한 것으로, 극초단 펄스 레이저 발생부와; 상기 레이저 발생부에서 발진된 레이저 빔의 파워를 조절하는 광감쇄기로 이루어진 빔전송부와; 상기 레이저빔의 방향을 바꾸고 가공부를 비추도록 된 조명광원과, 가공부를 측정하는 촬상카메라로 이루어지는 비젼부와; 상기 레이저 빔을 모재에 집광하는 집광부로 이루어진 레이저 가공부; 가공물을 장착하여 이송하는 스테이지와, 모든 동작을 실시간 제어하는 PC 기반의 제어부로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저 빔의 공간 분포를 평탄화한 빔균질기를 통하여 가우시안 형태의 빔을 플랫탑 형태의 빔으로 바꾸어 가공면 가장자리의 정밀도와 표면 거칠기를 향상시키는 것을 특징으로 하고 스텝 모터 구동 장치와 컴퓨터 컨트롤을 통하여 정교한 임의의 마스크 패턴을 형성하여 가공면의 가장자리의 품질을 향상하고 가공 형상의 유연성을 확보하는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저를 이용한 초정밀 가공장치와,

도1은 제1실시형태에 의한 직접 패터닝 장치의 전체 개략도 이다.

도2는 도1과 도2와 도3의 공간필터를 설명하는 도면이다.

도3은 도1과 도2의 도3의 빔균질기를 설명하는 도면이다.

도4는 도3의 공간 빔 밀도 분포를 설명하는 도면이다.

도5는 도1과 도2의 도3의 빔감쇄기를 설명하는 도면이다.

도6은 도1과 도2의 도3의 빔성형기를 설명하는 도면이다.

도7은 제2실시형태에 의한 직접 패터닝 장치의 전체 개략도 이다.

도8은 제3실시형태에 의한 직접 패터닝 장치의 전체 개략도 이다.

도9는 레이저를 이용한 직접 패터닝 공정을 나타낸 흐름도이다.

도10은 빔성형기와 가공 및 구동 S/W의 컴퓨터 컨트롤 공정 흐름도이다.

도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 발진부

2 : 셔터

3 : 공간필터

4 : 빔조화장치

5 : 빔균질기

6 : 광감쇄기

7 : 빔성형기

8 : 이미지렌즈

9 : 빔집광기

10 : 가공물체

11 : X축 스테이지

12 : Y축 스테이지

13 : Z축 스테이지

14 : 촬상소자

15 : 가공용 반사거울

16 : 포커스 렌즈

17 : 조명광원

18 : 조명용 반사거울

19 : 레이저빔

20 : 레이저빔

21 : 레이저빔

22 : 레이저빔

23 : 집광빔

24 : 컨트롤 PC

25 : X축 반사거울

26 : Y축 반사거울

27 : 스캐너

28 : Z축 스테이지

29 : 빔집광기

30 : 집광빔

31 : Z축 스테이지

32 : 입사빔

33 : 집광렌즈

34 : 핀홀

35 : 콜리메이터

36 : 출사빔

37 : 입사빔

38 : 오목렌즈

39 : 분할 및 집광렌즈

40 : 콜리메이터

41 : 출사빔

42 : 입사빔의 공간밀도분포

43 : 출사빔의 공간밀도분포

44 : 입사빔

45 : λ/4 플레이트

46 : 박막편광기

47 : λ/2 플레이트

48 : X축 빔성형기

49 : Y축 빔성형기

50 : 회전 빔성형기

본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현 할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제1목적을 달성하기 위한 가공장치는 극초단 펄스 레이저를 이용하고 레티클이 없이 레이저를 결상 광학계를 통해 물체에 직접 조사하여 일정한 패턴을 형성하는 것이다.

본 발명에 의하면 결상 광학계에 레이저 빔을 직접 전송하거나 정밀 구동 모터를 장착한 한 쌍의 반사거울을 이용하여 전송할 수 있다. 또한 극초단 펄스 레이저를 이용하여 물체의 열적, 기계적 손상이 없이 보다 정밀한 패턴을 만들 수 있다.

본 발명의 제2목적을 달성하기 위한 가공장치는 오목 렌즈와, 플라노 컨벡스 렌즈, 볼록 렌즈, 플라이 아이 렌즈를 사용하여 빔의 강도 분포를 공간상에 일정하게 균질화한 플랫탑 형태의 빔을 생성한다. 오목렌즈로 확대된 빔이 플라이 아이 렌즈를 통해 여러 개로 나뉘고 다시 겹치게 되어 균질화된 후에 다시 플라노 컨벡스 렌즈를 통해 평행빔으로 만들어진다.

본 발명의 제3목적을 달성하기 위한 가공장치는 정밀한 직선 구동 모터를 장착한 슬릿 쌍으로 사격형 혹은 삼각형의 형태와 크기를 결정하고 회전 모터를 장착하여 이를 회전시켜 사각형의 방향을 결정한다.

본 발명의 제4목적을 달성하기 위한 노광방법 및 장치는 결상 렌즈와 핀홀, 콜리메이팅 렌즈를 이용하여 공간상의 흩어진 빔을 필터링하여 품질을 향상한다. 결상 렌즈로 빔을 결상한 후 결상된 빔의 직경보다 대략 2~3배 큰 핀홀을 사용하여 결상빔 주위의 불안정한 빔을 필터링하고 다시 콜리메이팅 렌즈를 통해 평행빔으로 만들어진다.

본 발명의 제5목적을 달성하기 위한 가공장치는 빔조화장치를 통하여 파장을 1차 혹은 2차까지 하모닉하여 최대 200㎚영역까지 파장을 줄여 패턴을 미세화 하는 것이다.

본 발명의 제 6목적을 달성하기 위한 가공장치는 스텝 모터 구동 장치와 컴퓨터 컨트롤을 통하여 정교한 임의의 마스크 패턴을 형성하여 가공면의 가장자리의 품질을 향상하고 가공 형상의 유연성을 확보하는 것이다.

본 발명의 제 7목적을 달성하기 위한 가공장치는 레이저 발진부에 빔 프로파일러, 오토콜리레이터, 주파수 체크기 등을 내장하여 실시간 모니터링을 통하여 피드백 컨트롤하는 함으로서 레이저 점검 및 최적화를 자동화 하고 작업자의 안전도를 높이는 것이다.

[제 1 실시형태]

이하, 본 발명의 제 1 실시형태를 도1 ~ 도6에 의거해서 설명한다.

도1은, 제 1 실시형태에 따른 초정밀레이저가공장치 51의 전체구성을 개략적으로 나타낸다. 도1의 초정밀레이저가공장치 50은, 극초단 펄스 레이저 발생부(1)와, 레이저빔의 On/Off 기능을 하는 셔터(2)와, 빔의 핵심부 주위의 잡빔을 제거하는 공간필터(3)와, 파장을 하모닉하여 줄이는 빔조화장치(4)와, 빔의 공간밀도 분포를 균질화하는 빔균질기(5)와, 레이저 빔의 세기를 조절하는 광감쇄기(6)와, 가공빔의 형상을 결정하는 빔성형기(7)를 갖는 빔전송부와, 측정과 관찰을 위한 촬상소자(14)와 조명광원(17)을 포함한 비젼부와, 레이저 빔을 가공물체에 집적하는 집광렌즈(9)와, 반사거울(15)을 포함한 가공부와, 가공물체(10)와, XYZ이송장치(12, 12, 13)를 포함한 가공부등을 구비하고 있다. 도1의 레이저 빔 전송부의 각 장치들을 거친 레이저 빔들(19, 20, 21, 22)은 초정밀 가공에서 레이저 소스에서 컨트롤 할 수 있는 광세기와, 분포 안정도와, 빔형상 등이 최적화 된다.

빔전송부의 공간필터(3)은, 입사빔(32)이 집광렌즈(33)를 통해 대락 10배로 집광된 후 집광된 빔 사이즈 보다 두 배정도 큰 직경의 핀홀(34)을 통하여 가공에 필요한 충분한 에너지를 가지고 있는 중앙부외에 주변부의 잡빔을 제거하여 공간상 밀도 분포를 99%까지 안정화 한 시킨 후에 콜리메이팅렌즈(35)를 거쳐 평행빔(36)으로 진행한다.

빔전송부의 빔조화장치(4)는 레이저 파장을 1차 혹은 2차로 하모닉하여 200㎚대로 줄여 가공 선폭을 미세화한다.

빔전송부의 빔균질기(5)는, 공간필터(3)를 거쳐 나온 빔(37)이 입사되고 오목렌즈(38)를 통해 빔이 확대되며 플라이아이렌즈(39)를 거쳐 빔의 공간 밀도 분포가 도4의 가우시안분포(42)에서 플랫탑(43)으로 바뀐 후에 콜리메이팅렌즈(35)를 통해 평행빔(36)으로 출사된다. 극초단 펄스 레이저의 펄스지속시간이 늘어나는 것을 막기 위해 렌즈 표면에 극초단 펄스 레이저 전용 코팅을 하고 보상렌즈를 사용하여 원래 펄스 지속시간을 유지하도록 한다.

빔전송부의 광감쇄기(6)는, 입사빔(44)이 λ/2 플레이트(45)와 박막편광기(46)를 세기가 조절된 후 λ/4 플레이트(47)를 거쳐 선평광에서 가공에 유리한 원편광으로 바뀌게 된다. 일반적으로 글랜톰슨 혹은 큐빅 타입의 편광기를 사용하면 레이저 빔이 소자를 통과하는 동안 광의 세기에 따라 진행 경로가 조금 꺾이게 되어 가공 시에 가공 포인트의 안정도에 문제가 되지만 박막편광기를 사용하고 브루스터각으로 진행하면 진행 경로가 전혀 바뀌지 않게 된다. 즉, 가공 재현성과 정밀도가 향상된다.

빔전송부의 빔성형기(7)는, 정밀구동 모터의 제어를 통해 X축성형기(48)와, Y축성형기(49)와, 회전성형기(50)로 구성되어 기공에 필요한 레이저 빔의 기본 형상을 결정한다. 즉, 다양한 크기 모양으로 기본 형상을 만들어 가공의 유연성을 높이고 가공 공정수를 줄일 수 있다.

[제 2 실시형태]

이하, 본 발명의 제 2 실시형태를 도7을 참고 하여 설명한다. 여기서 제 1 실시형태와 동일, 혹은 동등한 구성부분에 대해서는, 동일한 도면 부호를 이용함과 동시에, 그 설명을 간략화하거나 생략한다.

도7은, 제 2 실시형태에 따른 초정밀레이저가공장치 52의 전체구성을 개략적으로 나타낸다. 도7의 초정밀레이저가공장치 51은, 극초단 펄스 레이저 발생부(1)와, 셔터(2)와, 공간필터(3)와, 빔조화장치(4)와, 빔균질기(5)와, 광감쇄기(6)와, 빔성형기(7)를 갖는 빔전송부와, 빔의 방향을 3차원 공간상에 결상하는 정밀 스텝 모터로 구동하는 한 쌍의 반사거울(25, 26)로 구성된 스캐너(27)부와, 측정과 관찰을 위한 촬상소자(14)와 조명광원(17)을 포함한 비젼부와, 레이저 빔을 가공물체에 집적하는 집광렌즈(29)와, 반사거울(15)을 포함한 가공부와, 가공물체(10)와, XYZ이송장치(11, 12, 28)를 포함한 가공부등을 구비하고 있다.

도7의 초정밀레이저가공장치 52에서는, 제 1 실시형태에서 전술한 초정밀레이저가공장치 50의 비젼부와 일체형인 Z축 스테이지 대신에 집광렌즈(29)를 상하로 이송하는 Z축 스테이지(28)가 설치되고, 집광렌즈(9) 대신에 텔레센트릭 집광렌즈(29)를 사용하고, XY축 반사거울(25, 26)로 구성된 스캐너(27)가 설치되어 있다.

XY축 반사거울(25, 26)을 사용하여 미소 영역에서는 이 반사 거울만을 사용하여 가공하고 넓은 영역을 가공할때는 XY축 스테이지로 이동하면서 가공한다. 나노미터 혹은 마이크로미터와 수 밀리미터 영역과 수십 밀리미터 영역에서의 가공이 모두 초정밀급으로 이루어지기에는 상당히 어려운 기술적 난관에 부딪친다. 그러나 나노미터 혹은 마이크로미터와 수 밀리미터 영역 가공 시에는 스캐너(27)를 이용하고 수십 밀리미터 이상 급에서는 XY축 스테이지(11, 12)를 사용한다. 즉 시스템의 비용을 줄이고 나노 혹은 마이크로 가공에서 매크로 가공까지 넓은 영역에 사용될 수 있다.

텔레센트릭 집광렌즈(29)는 렌즈를 통해 집광되는 모든 2차원 표면에서 수직으로 빔을 집광하여 가공 형상 정밀도와 치수 정밀도가 유지되도록 한다.

[제 3 실시형태]

이하, 본 발명의 제 3 실시형태를 도8을 참고 하여 설명한다. 여기서 제 1, 제2 실시형태와 동일, 혹은 동등한 구성부분에 대해서는, 동일한 도면 부호를 이용함과 동시에, 그 설명을 간략화하거나 생략한다.

도8은, 제 3 실시형태에 따른 초정밀레이저가공장치 53의 전체구성을 개략적으로 나타낸다. 도8의 초정밀레이저가공장치 53은, 극초단 펄스 레이저 발생부(1)와, 셔터(2)와, 공간필터(3)와, 빔조화장치(4)와, 빔균질기(5)와, 광감쇄기(6)와, 빔성형기(7)를 갖는 빔전송부와, 한 쌍의 반사거울(25, 26)로 구성된 스캐너(27)부와, 측정과 관찰을 위한 촬상소자(14)와 조명광원(17)을 포함한 비젼부와, 레이저 빔을 가공물체에 집적하는 집광렌즈(29)와, 반사거울(15)을 포함한 가공부와, 가공물체(10)와, XYZ이송장치(11, 12, 31)를 포함한 가공부등을 구비하고 있다.

도8의 초정밀레이저가공장치 52에서는, 제 2 실시형태에서 전술한 초정밀레이저가공장치 51의 비젼부와 일체형인 Z축 스테이지 대신에 텔레센트릭 집광렌즈(29)와 스캐너(27)를 상하로 이송하는 Z축 스테이지(31)가 설치되고, 집광렌즈(9) 대신에 텔레센트릭 집광렌즈(29)를 사용하고, XY축 반사거울(25, 26)로 구성된 스캐너(27)가 설치되어 있다.

XY축 반사거울(25, 26)을 사용하여 미소 영역에서는 이 반사 거울만을 사용하여 가공하고 넓은 영역을 가공할 때는 XY축 스테이지로 이동하면서 가공한다. 나노미터 혹은 마이크로미터와 수 밀리미터 영역과 수십 밀리미터 영역에서의 가공이 모두 초정밀급으로 이루어지기에는 상당히 어려운 기술적 난관에 부딪친다. 그러나 나노미터 혹은 마이크로미터와 수 밀리미터 영역 가공 시에는 스캐너(27)를 이용하고 수십 밀리미터 이상 급에서는 XY축 스테이지(11, 12)를 사용한다. 즉 시스템의 비용을 줄이고 나노 혹은 마이크로 가공에서 매크로 가공까지 넓은 영역에 사용될 수 있다.

도8의 초정밀레이저가공장치 53에서는 제 1실시형태에서 가공 빔 집광부와 비젼부가 동축으로 비젼 해상도가 높다는 장점과 제 2실시형태에서 시스템의 비용을 줄이고 나노 혹은 마이크로 가공에서 매크로 가공까지 넓은 영역에 사용한다는 장점을 모두 갖추고 있는 가공장치이다.

도9는, 제1, 2, 3 실시 형태에 공통으로 적용되는 공정으로 극초단 펄스 레이저 빔을 이용한 직접 패터닝 공정이다.

도10은, 제1, 2, 3 실시 형태에 공통으로 적용되는 공정으로 가공 패턴이 겹치는 부분, 방향이 전환되는 부분, 리페어가 필요한 부분 등을 촬상카메라와 비젼장치, 비젼 S/W를 통하여 확인한 후 정밀 스텝 모터 구동장치를 컴퓨터로 정밀 컨트롤하여 X축 성형기(48)과 Y축 성형기(49)의 리니어 모션과 로테이터(50)의 회전을 조합함으로서 원형, 삼각형, 사각형 등의 임의의 이미지를 형성하고 정확한 가공위치에 자동으로 극초단 펄스 레이저 빔을 포지셔닝하는 초정밀 가공 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 펄스 지속 시간이 짧아 노광에 따른 물체의 열적, 기계적 손상이 적고 빔균질기를 통해 펄스 빔의 강도 분포가 플랫탑을 만들어 노광된 패턴의 바닥형상이 균일하다. 또한 빔성형기를 통해 삼각형, 사각형의 다양한 형태와 크기, 방향의 빔 모양을 만들 수 있어 패턴을 생성하는데 있어서 매우 유연하다. 공간필터를 사용하여 빔의 품질을 기존 보다 99%이상 향상시키고 가공 물체에 결상된 후 생성된 패턴의 가장자리의 정밀도가 향상되고 패턴의 반복 생성함에 있어 재현성이 우수하다.

또한 빔조화장치를 통해 빔의 파장을 1차, 2차로 줄여 해상력을 높여 더 미세한 패턴을 제작할 수 있다.

즉 결과적으로 제품의 품질을 개선하고 생산성을 향상 시킬 수 있다.

또 상기 제1, 제2, 제3 실시형태의 설명에서는 본 발명이 반도체 및 디스플레이 제조 공정에 이용되는 직접노광장치에 적용되는 경우에 대해 설명하였으나 본 발명의 적용범위는 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기판용 주변 노광장치, 레이저 리페어 장치, 레이저 어닐링 장치, 레이저 클리닝장치, 드라이 에칭장치, 레이저 결상 결정화 장치, 레이저 프린팅 장치, 레이저 미세 밀링 장치 등에 적용이 가능하며, 어떠한 장치에 적용하는 경우에도 극초단 펄스 레이저를 이용하여 물체의 손상을 최소화하고 더 미세한 구조물 및 패턴과 형상을 구현 할 수 있다.

Claims

레이저를 발진시키는 레이저 발진부와 상기 레이저의 파워를 조절하는 광감쇄기를 포함하는 레이저 발생부와;

상기 레이저 발생부를 거친 레이저의 방향을 바꾸어주고 레이저를 가공부에 집광시켜주는 집광부와, 가공부를 비추도록 된 조명부와, 상기 집광기와 조명기, 이미지 렌즈, 촬상카메라가 내장된 비젼부와;

가공물을 올려 놓고 이송하는 스테이지와 모든 동작을 실시간으로 컴퓨터 기반 제어를 하는 제어부로 구성된 레이저 가공장치에 있어서,

상기 레이저 발진기에서 발진한 레이저의 빔의 공간 분포를 가우시안에서 플랫탑으로 바꾸어 가공물과 반응을 하게 되는 선단부의 형태를 평탄하게 하여 가공면의 측벽의 직각도와 표면거칠기를 향상시키고 가공 정밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 초정밀 가공장치.
가공 패턴이 겹치는 부분, 방향이 전환되는 부분, 리페어가 필요한 부분 등을 촬상카메라와 비젼장치, 비젼 S/W를 통하여 확인한 후 정밀 스텝 모터 구동장치를 컴퓨터로 정밀 컨트롤하여 X축과 Y축의 리니어 모션과 로테이터의 회전을 조합함으로서 원형, 삼각형, 사각형 등의 임의의 이미지를 형성하고 정확한 가공위치에 자동으로 극초단 펄스 레이저 빔을 포지셔닝하는 초정밀 가공 방법.
제 1항과 제 2항에 있어서, 레티클과 같은 이미지 패턴 없이 컴퓨터 수치 제어를 기반으로 레이저 빔을 직접 결상하여 원하는 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 1항과 제 2항에 있어서, 오목 렌즈와, 플라노 컨벡스 렌즈, 볼록 렌즈, 플라이 아이 렌즈로 구성된 빔균질기를 통하여 평탄화된 레이저 빔을 이용하여 패턴의 가장자리 정밀도와 형상을 향상시키는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
제 1항과 제 2항에 있어서, 정밀한 직선 구동 모터를 장착한 슬릿 쌍으로 사각형 혹은 삼각형의 형태와 크기를 결정하고 회전 모터를 장착하여 이를 회전시켜 사각형의 방향을 결정한 빔성형기를 통하여 다양한 기본 패턴을 만들어 가공 패턴의 가장자리의 형상과 정밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항과 제 2항에 있어서, 결상 렌즈와 핀홀, 콜리메이팅 렌즈로 구성된 공간 필터를 사용하여 레이저 빔을 3차원 공간상에서 필터링하여 강도 분포를 안정화 시킨 것을 특징으로 하는 제조 장치.
제 1항과 제 2항에 있어서, 빔조화장치를 사용하여 파장이 짧아진 레이저 빔을 사용하여 가공 패턴의 해상도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
제 1항과 제 2항에 있어서, 레이저 발진부에 파워, 펄스폭, 주파수 측정기를 내장하여 실시간 모니터링을 함으로서 피드백 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.