KR20080003900A - 레이저 빔에 의하여 감열성 유전 물체를 미세하게연마/구성하는 방법 - Google Patents

레이저 빔에 의하여 감열성 유전 물체를 미세하게연마/구성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔에 의하여 감열성 유전 물체, 특히 낮은 열팽창 계수를 나타내는 감열성 유전 물체를 미세하게 연마/구성하는 방법에 관한 것으로서, 가공 가능한 물체 표면을 향하여 강한 초단 레이저 빔이 방사되고, 실행 시간은 10-13으로부터 10-11 사이의 범위 내로 조절되고, 레이저 펄스 에너지는 어블레이션 한계 미만이지만 쿨롱 폭발을 야기하기에는 충분하도록 조절된다. 본 발명의 방법은 피코세컨드와 서브피코세컨드 사이의 범위의 레이저 초단 펄스에 의하여 나노미터 범위 이내로 물체의 제거를 달성할 수 있게 한다. 여기에서, 물체 표면은 프리-어블레이션 공정 스텝동안 미세하게 연마되고 (어블레이션 범위 미만에서의 제거), 가공 가능한 표면은 매우 짧은 레이저 빔 실행 시간으로 인하여 작은 크기(단지 약 10℃까지)로 가열된다 .

Description

레이저 빔에 의하여 감열성 유전 물체를 미세하게 연마/구성하는 방법{Method for finely polishing/structuring thermosensitive dielectric materials by a laser beam}
본 발명은 레이저 방사(laser radiation)에 의하여 감열성 유전 물체(thermosensitive dielectric materials)를 미세하게 연마/구성(polishing/structuring)하는 방법에 관한 것이다.
초정밀 기술에는, 거시 단위(macroscopic measurements)의 몸체 및 표면을 매우 정밀한 형상 및 평탄도로 만드는 가공 방법들이 포함된다. 표면이 더욱 정밀하게 형성되고 평탄해질수록, 광학적 특성(optical property)은 더욱 우수해진다. 그러나, 광학적으로 사용 가능한 파장의 스펙트럼은 매우 넓기 때문에, 대부분의 다양한 물체의 가공은 연구될 필요가 있다. 또한, 가시 영역용으로 가공되는 평탄하고 정밀하게 형성된 렌즈에 더하여, 자외선 및 x-레이 영역뿐 아니라 적외선 영역의 광학 기술이 점차 요구되고 있다. 이러한 이유로, 종래 및 완전히 새로운 제조 방법의 조합을 포함하여, 연마 기술의 고도화가 요구되고 있다.
전통적인 기계적 방법에 더하여, 현재, 빔을 이용하여 물체를 연마하는 방법으로, 본질적으로 두 가지 방법이 알려져 있다.
한편으로, 유전 물체를 미세하게 연마하기 위하여 이온 빔을 사용하는 방법이 확립되어 있고, 다른 한편으로, CO2 레이저를 이용하는 방법이 있다. 또한, YAG 레이저를 이용하여 금속을 연마하는 방법이 한동안 존재해왔다.
두 레이저 방법은 표면의 단기 융해(short-term fusion)를 이용하여 비평탄부를 평탄화시키고, 이에 의하여 연마 효과를 얻는다. 이 때문에, 어떠한 파괴적인 제거도 발생되지 않고 오직 미시적으로 작은 첨두(peaks)의 융해 및 기화만이 발생되도록, 표면의 에너지 밀도가 선택된다. 예컨대, 광섬유의 섬유 끝단은 CO2 레이저로 가공되어 고 레이저 파워를 전달한다. 이에 대해서는, "Appl. Optics, Vol. 39, No. 33, 2000년 11월 20일, 6136-6143"에 기재되어 있다. 복합 금속(complex metal) 형태는 YAG 레이저를 이용하여 연마되는데 (DGM AKTUELL 2001, 3, No. 12, "Light Polishes metal" 및/또는 DE 102 28 743 A1 참조), 이를 위하여 한때 수작업이 많이 필요하였다. 그러나, 용해에 기초한 이들 레이저 방법들 중 어느 방법도, 미소한 온도 증가만으로도 표면 평탄화가 수반될 수 있는 Zerodur와 같은 감열성 물체에 적합하지 않다.
이러한 이유 때문에, 현재 이온 빔이 상기와 같은 물체를 미세하게 연마하는데 사용된다. 다른 무엇보다 단점은, 가공 가능한 구성 요소의 크기가 커질수록 고가가 되는 진공 장치가 필요하다는데 있다.
본 발명의 목적은 레이저 방사에 의하여, 감열성 유전 물체, 특히 낮은 열팽창 계수를 갖는 감열성 유전 물체를 미세하게 연마/구성하는 방법을 개시하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 강한 초단 레이저 방사(intense ultrashort laser radiation)가 피가공 물체의 표면을 향하여 행해지고, 레이저 방사의 실행 시간이 10-13초와 10-11초 사이의 범위 내로 조절되고, 레이저 펄스의 에너지가 어블레이션 한계(ablation threshold)보다는 작지만 쿨롱 폭발(Coulomb explosion)은 야기할 수 있도록 조절함으로써 달성된다.
본 발명에 따른 상기 방법은 피코세컨드(picosecond)와 서브-피코 세컨드 범위의 초단 레이저 펄스(ultrashort laser pulses)를 이용하여 나노미터(nanometer) 범위의 제거(removal)를 가능하게 한다. 이에 의하여 물체의 표면은 프리-어블레이티브(pre-ablative) 공정 스텝 동안 미세하게 연마된다 (어블레이션 한계 미만에서의 제거). 피가공 표면에 레이저 방사가 매우 짧은 시간 동안 실행되는 결과로, 단지 수십 도(degree)의 범위 내의 매우 작은 크기의 가열이 일어난다. 이 때문에, 본 발명에 따른 방법은 콜드 가공 방법으로 일컬어 진다. 이 방법은 샘플 제거의 온라인 제어가 가능하도록 공기 중에서 수행되고, 따라서 고가의 진공 장치가 필요하지 않게 된다.
본 발명에 따른 솔루션은 (예컨대 "Phys. Rev. B 62 (2000) 13167-13173; Phys. Rev. Letters 88, (2002) 097603; Appl. Phys. A 79 (2004) 1153-1155"에 기재된 바와 같은) 소위 쿨롱 폭발 효과를 이용한다. 그 효과로, 물체의 표면에 근접한 영역(0.1 ~ 수 nm)만이 표면에 행해지는 강한 초단 레이저 방사의 실행에 의하여 축출된다. 이러한 공정에서, 광이온화에 의하여 표면으로부터 전자가 방출되는데, 높은 레이저 강도로 인하여 표면에 근접한 영역의 잔류 이온들이 높은 정전 스트레스(electrostatic stress)를 받아 이온들의 분리가 발생하도록 많은 수의 전자가 방출된다.
일 실시예에서, 필요한 에너지 밀도는, 피가공 표면에 행해지는 레이저 방사의 플루언스(fluence)가 한계 플루언스의 70%와 95%의 사이에서 조절될 수 있도록 조절된다. 이는, 예컨대 피가공 표면을 레이저 빔의 초점의 전방에 배치함으로써 달성될 수 있다.
다른 실시예에서, 피가공 표면은 레이저 빔으로 스캔(scan)된다. 이는, 본 발명에 따른 방법이 공기 중에서 행해지기 때문에, 공지의 수단을 이용하여 상대적으로 용이하게 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 개략적인 원리를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법에 의하여 가공된 표면을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부 도면의 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
상기 실시예에서, Zerodur 표면은 본 발명에 따른 방법을 이용하여 가공되었다. 여기서, 도 1에 도시한 바와 같이 렌즈의 도움을 받아 샘플 표면이 초점의 전방에 위치하도록 샘플 방향으로 레이저 빔이 포커싱되었다. 샘플 표면의 위치는, 플루언스 F가 대략적으로 플루언스 한계 Fth의 70~95%가 되도록 선택되었다. 초점 후방에 위치시키는 것은 불가능한데, 이는, 높은 레이저 강도가 주어졌을 때 플라즈마 브레이크스루우(plasma breakthrough)가 초점 영역의 공기 중에서 발생되고, 이는 빔 프로파일의 파괴 및 에너지 손실로 이어지기 때문이다. 추가적으로 직사각형 구멍이 레이저 빔 내에 위치되어 대략적으로 탑햇 프로파일(top hat profile)을 시뮬레이트(simulate)하였다. 비록 샘플의 내부에 변형이 발생되었지만 (결함), 그 변형은 샘플 표면에 아무런 영향을 미치지 않을 정도로 깊었다. 스캐닝 방법에서의 제거가 이메징 프로세스(imaging process)에 비하여 작은 거칠기를 얻는데 유리한 것으로 판명되었기 때문에, 상기 탑햇 프로파일이 선택되었다. 본 실시예에서, 샘플 표면은 스트립 형태로 스캔되고, 그 스트립은 상호 인접하게 배치된다. 샘플 표면의 거칠기의 관점에서, 초단 펄스 레이저의 초기 프로파일 (가우스 프로파일, Gaussian profile)에 스트립의 오버랩(overlap)이 적당하지 않았기 때문에, 상기의 대략적인 탑햇 프로파일이 더욱이 사용되었다.
또한 상기와 같은 탑햇 프로파일은 제어 가능한 DOE(Diffractometric Optical Element)에 의하여 만들어지거나, 또는 상기와 같은 DOE가 피가공 표면 상에 직접 원하는 탑햇 프로파일을 만드는데 사용된다.
사용된 레이저 시스템으로는 800nm의 파장, 50fs의 펄스폭을 가지는 증강된 상업적 TiSa 시스템(enhanced commercial Tisa)이 사용되었다. 포텐셜이 충분한 에너지가 이용 가능하기 때문에 출력 방사(output radiation)의 2차 고조파(second harmonic)의 파장(대략적으로 400nm)이, 포텐셜 파장(potential wavelength)으로 생각될 수 있지만, 어떠한 파장의 변조도 아직까지 실행되지 않고 있다.
도 2는, 0.1mm/sec의 트래버스 스피드(traverse speed)에서 만들어지고, 본 발명에 따른 방법에 의하여 어블레이션 한계 미만에서 제거되어진 와이드 스트립(wide strip)을 보여준다. 여기에서, 플루언스 F는, 1.6 J/cm2과 같고, 물체의 어블레이션에 필요한 플루언스 값인 플루언스 한계의 80% 가량이었다. 샘플은 50mm 렌즈의 초점으로부터 3.9mm의 위치에 위치되었다. 펄스 당 레이저 에너지는 사각형 구멍 뒤에서 0.9 J/cm2이었고, 레이저의 펄스 반복율은 700 Hz이었다. 이는, 본 발명에 따른 방법의 수행 중에, 대략 500 펄스가 동일한 샘플 부위를 때린다는 것을 의미한다. 20 라인들이 상호 Δz = 70 ㎛의 거리를 두고 인접하게 위치되었다. 도면은 균일하고 균등한 제거를 보여준다; 각 라인들은 인지되지 않는다. 물론, 더 많은 라인들이 상호 인접하게 위치될 수 있다. 그 결과는 샘플의 전 표면에서의 제거로 귀착된다. 본 발명에 따른 방법에 의하여 가공된 표면의 거칠기는 1±0.15 nm의 제곱 평균-거칠기(rms-roughness)였다.

Claims (5)

  1. 레이저 방사에 의하여 감열성 유전 물체를 미세하게 연마/구성하는 방법으로서,
    강한 초단 레이저 방사가 상기 피가공 물체의 표면을 향하여 행해지고,
    상기 표면 상에 행해지는 레이저 방사의 실행 시간이 10-13초와 10-11초 사이의 범위 내이고, 펄스의 에너지가 어블레이션 한계 미만으로 설정되지만 쿨롱 폭발을 야기하기에는 충분한 것을 특징으로 하는 레이저 방사에 의하여 감열성 유전 물체를 미세하게 연마/구성하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피가공 표면 상에 행해지는 레이저 방사의 플루언스는 어블레이션 한계의 70%와 95%의 사이로 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 방사에 의하여 감열성 유전 물체를 미세하게 연마/구성하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 피가공 표면은 레이저 빔의 초점의 전방에 배치되는 것을 특징으로 하 는 레이저 방사에 의하여 감열성 유전 물체를 미세하게 연마/구성하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 피가공 표면은 레이저 빔으로 스캔되는 것을 특징으로 하는 레이저 방사에 의하여 감열성 유전 물체를 미세하게 연마/구성하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    탑햇 프로파일이, 상기 피가공 표면을 향하여 행해지는 레이저 방사의 프로파일로 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 방사에 의하여 감열성 유전 물체를 미세하게 연마/구성하는 방법.
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