KR20100136471A - 레이저 동작에서 트렌치 깊이 및 폭의 실시간 제어를 위한 스폿 크기 및 절삭 속도의 레이저 처리 도중 조작 - Google Patents

레이저 동작에서 트렌치 깊이 및 폭의 실시간 제어를 위한 스폿 크기 및 절삭 속도의 레이저 처리 도중 조작 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔의 단일 패스를 사용하여 물질 내에서 다중 폭 트렌치를 절삭하는 시스템 및 방법이다. 레이저 펄스의 제 1 열(series)은 제 1 스폿 크기를 사용하는 제 1 절삭 속도로 물질의 작업 표면을 절삭한다. 제 1 트렌치 폭으로부터 제 2 트렌치 폭으로의 전이 영역에서, 레이저 펄스의 제 2 열은 상기 제 1 절삭 속도로부터 제 2 절삭 속도로 점진적으로 변화시키면서 스폿 크기를 순차적으로 변화시킨다. 그 다음, 레이저 펄스의 제 3 열은 제 2 스폿 크기를 사용하여 상기 제 2 절삭 속도로 작업 표면을 절삭하는 것을 지속시킨다. 상기 방법은 상기 전이 영역에서 증가 된 깊이 제어를 제공한다. 시스템은 상기 작업 표면에 대한 초점 면의 위치를 조절함으로써 스폿 크기를 신속히 변화시키기 위한 상기 레이저 빔 경로에서 선택적으로 조절할 수 있는 광학 요소를 사용한다.

Description

레이저 동작에서 트렌치 깊이 및 폭의 실시간 제어를 위한 스폿 크기 및 절삭 속도의 레이저 처리 도중 조작{ON-THE-FLY MANIPULATION OF SPOT SIZE AND CUTTING SPEED FOR REAL-TIME CONTROL OF TRENCH DEPTH AND WIDTH IN LASER OPERATIONS}
본 개시내용은 레이저로써 물질을 처리하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 레이저 마이크로 가공(micro-machining) 응용에서 스폿 크기(spot size) 및 절삭 속도(cutting speed)의 처리 도중 조작을 통한 트렌치(trench) 깊이 및 폭의 실시간 제어에 관한 것이다.
레이저 마이크로 가공 시스템을 사용하는 전형적인 라우팅(routing) 응용은빔(beam) 및/또는 기판 자체가 이동하는 동안 레이저 에너지의 기판으로의 전달을 포함한다. 대부분 경우에서, 에너지 전달률("작업 표면상에서의 전력")과 빔 및/또는 기판이 이동("절삭 속도")하는 비율은 절삭을 통하여 절단면(kerf) 또는 "트렌치(trench)"의 폭 및 깊이에 대한 균일성을 제공하기 위하여 일정한 값으로 유지된다. 결과 트렌치의 깊이 및 폭은 작업 표면상의 빔 스폿 크기, 각 레이저 펄스의 에너지, 연속적인 펄스 사이에서의 공간적 분리("바이트 크기"), 및 레이저 물질의 상호작용 특성으로부터 좌우된다.
일반적으로, 하나 이상의 스폿 크기, 펄스 에너지 및/또는 바이트 크기는 동일한 기판상에서 상이한 단면의 기하학적 형태의 트렌치를 절삭하기 위하여 조절된다. 전형적인 레이저 마이크로 가공에서, 이러한 3가지 시스템 세팅의 하나를 변화시키는 것은 시스템으로 하여금 상이한 "패스(pass)"에서 상이한 단면의 기하학적 형태의 트렌치를 생성하게 한다. 예를 들어, 시스템은 한가지 타입의 트렌치를 처리하고, 3가지 세팅의 하나 이상을 변화시키고, 그 다음 새로운 세팅에 대응하는 트렌치들을 처리할 수 있다. 이러한 처리는 각 트렌치 타입을 위해 반복될 것이다. 이러한 간단한 접근은 일반적으로는 "다중 패스" 처리로써 참고된다.
위에서 논의된 상이한 폭들의 트렌치를 병합하기 위한 종래의 다중 패스 처리는 다수의 문제점을 가진다. 예를 들어, 상이한 패스에서 상이한 폭의 트렌치를 처리하는 것은 빔 포지셔너(beam positioner)가 상이한 폭을 갖는 새로운 트렌치의 라우팅을 시작하기 위하여 이전의 패스에서 트렌치를 마친 동일한 스폿으로 돌아온다는 것을 의미한다. 이러한 것은 빔 포지셔너 하부시스템의 반복성에 대한 중대한 요구를 부가한다. 또한 그것은 일반적으로 전반적인 시스템 처리량을 감소시킨다.
상이한 기하학적 형태의 트렌치를 절삭하기 위하여 다중 패스 처리를 사용하는 것의 또 다른 문제는, 시스템 반복성/정확성의 염려가 언급되었음에도 불구하고, 상이한 폭을 가진 트렌치의 월(wall) 각도들 사이의 차 때문에 전이 영역을 통한 일정한 깊이를 유지하는 것이 어렵다는 것이다.
도 1, 도 2, 및 도 3은 전이 영역(예를 들면, 상이한 트렌치 폭을 완수하기 위하여 다중 패스에서 하나의 스폿 크기에서 다른 스폿크기로 변화하는 경우)내에서 일정한 피크 누적 에너지 분포를 유지하는 것의 어려움을 도시한다. 도 1은 가우시안 스폿을 사용하는 스폿 크기 및 절삭 속도의 돌연한 전이로부터 초래되는 누적 펄스 에너지 밀도의 공간적 분포를 나타내는 2개의 그래프(2차원 그래프 및 3차원 그래프)를 포함한다. 도 1에서 도시된 누적 펄스 에너지 밀도는 예를 들어, 거의 완벽한 반복성을 가진 2중 패스 수행에 대응한다. 이러한 예에서, 제 1 패스는 10㎛ 스폿 크기 및 3㎛ 바이트 크기를 사용한다. 제 2 패스는 20㎛ 스폿 크기 및 1.5㎛ 바이트 크기를 사용한다. 도 1에서 2차원 그래프는 개념상으로 전이 영역(110)에서 트렌치의 확장을 도시한다. 도 1에서 3차원 그래프는 전이 영역(110) 내에서의 피크 누적 에너지 분포에서 변동(112)을 도시한다.
또한, 도 2는 제 2(더 두꺼운) 트렌치 위치가 반복성 에러 때문에 3㎛만큼 오정렬된 경우, 2중 패스 수행으로부터 초래되는 누적 펄스 에너지 밀도의 공간적인 분포를 나타내는 2개의 그래프(2차원 그래프 및 3차원 그래프)를 포함한다. 이전처럼, 2개의 패스 모두 가우시안 스폿을 사용한다. 제 1 패스는 10㎛ 스폿 크기 및 3㎛ 바이트 크기를 사용한다. 제 2 패스는 20㎛ 스폿 크기 및 1.5㎛ 바이트 크기를 사용한다. 도 2에서 2차원 그래프는 개념상으로 전이 영역(210)에서 트렌치의 확장을 도시한다. 도 2에서 3차원 그래프는 전이 영역(210) 이내의 피크 누적 에너지 분포에서 변동(212)을 도시한다.
도 3은 도 1, 도 2에서 도시된 2개의 돌연한 전이 시나리오로부터 피크 누적 에너지 밀도 사이의 차를 도시하는 그래프이다. 도시되는 것처럼, 반복적인 시나리오 및 3㎛ 반복성 오류를 가진 시나리오 모두는 각각의 전이 영역(110, 210) 이내에서 상당한 변동(112, 212)을 초래한다. 피크 누적 에너지 밀도에서 변동(112, 212) 모두는 전이 영역(110, 210) 내의 깊이에서 바람직하지 않은 변동을 초래한다.
레이저 빔의 단일 패스를 사용하는 시스템들 및 방법들은 물질에서 다중 폭의 트렌치를 절삭한다. 트렌치 깊이 제어는 상이한 폭들을 갖는 트렌치 구간 사이의 전이 영역에서 지속 된다.
하나의 실시예에서, 레이저 빔의 단일 패스로써 물질에서 다중 폭의 트렌치를 절삭하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 물질의 작업 표면에 관한 레이저 빔의 제 1 절삭 속도로, 레이저 펄스의 제 1 열(series)을 사용하여 작업 표면을 절삭하는 단계를 포함한다. 제 1 열에서 각 레이저 펄스는 작업 표면에서 제 1 스폿 크기를 가진다. 전이 영역에서, 본 방법은 전이 영역의 처음에서 제 1 절삭 속도로부터 전이 영역의 끝에서 제 2 절삭 속도로 점진적으로 변화하는 것을 포함한다. 절삭 속도가 전이 영역에서 점차 변화하기 때문에, 본 방법은 레이저 펄스의 제 2 열로써 작업 표면을 절삭하는 것을 포함한다. 레이저 펄스의 제 2 열은 전이 영역의 처음에서 제 1 스폿 크기로부터 전이 영역의 끝에서 제 2 스폿 크기로 스폿 크기를 순차적으로 변화시킨다. 그 다음에는 레이저 빔의 제 2 절삭 속도로, 본 방법은 각각 제 2 스폿 크기를 갖는 레이저 펄스의 제 3 열을 사용하는 작업 표면을 절삭하는 것을 지속한다.
또 다른 실시예에서, 레이저 빔의 단일 패스로써 물질에서 다중 폭의 트렌치를 절삭하기 위한 시스템은 레이저 빔을 발생시키는 레이저 소스(source)와 레이저 빔을 수신하는 제 1 광학 요소를 포함한다. 제 1 광학 요소는 물질의 작업 표면에 관한 초점면(focal plane)의 위치를 변화시키기 위해 선택적으로 조절될 수 있다. 또한, 본 시스템은 물질의 작업 표면으로 레이저 빔을 향하게 하는 제 2 광학 요소를 포함한다. 레이저 빔으로써 작업 표면을 절삭하는 제 1 트렌치 폭 및 제 2 트랜치 폭 사이의 전이 동안, 레이저 빔 및 작업 표면 사이의 절삭 속도는 점차 변화하고, 제 1 광학 요소는 작업 표면에서 연속적으로 스폿 크기를 변화시키기 위하여 일련의 변화를 겪는다.
추가적인 양상 및 장점들은 첨부 도면에 관하여 진행하는 선호되는 실시예의 다음의 상세한 서술로부터 나타날 것이다.
본 발명은 레이저 동작에서 트렌치 깊이 및 폭의 실시간 제어의 효율적인 효과를 가진다.
도 1 및 도 2는 하나의 트렌치 폭으로부터 다른 트렌치 폭으로 돌연히 전이하는 경우 각각의 종래의 레이저 처리 시스템에 대응하는 누적 펄스 에너지 밀도의 공간적 분포를 나타내는 그래프.
도 3은 도 1 및 도 2에서 도시된 2개의 돌연한 전이 시나리오로부터 피크 누적 에너지 밀도들 사이의 차를 도시하는 그래프.
도 4는 예시적인 실시예에 따라, "고속" 전이 시나리오를 위한 펄스 위치 및 스폿 크기의 그래프.
도 5는 도 4의 예시적인 실시예에 따라, "고속" 및 "저속" 전이를 위한 선형으로 증가하는 중간 스폿 크기에 대응하는 절삭 속도의 시간 프로파일을 나타내는 그래프.
도 6은 도 4 및 도 5의 예시적인 실시예에 따라, 고속 전이로부터 초래되는 에너지 밀도 분포를 나타내는 그래프.
도 7은 도 4 및 도 5의 예시적인 실시예에 따라, 저속 전이로부터 초래되는 에너지 밀도 분포를 나타내는 그래프.
도 8은 도 4 및 도 5의 예시적인 실시예에 따라, 3개의 상이한 시나리오를 위한 전이 영역을 통하여 피크 에너지 밀도 변화의 비교를 나타내는 그래프.
도 9는 빔 조향(beam steering) 하부시스템 및 주사 렌즈(scan lens) 이전에 위치된 낮은 도수 렌즈(weak lens)를 이동시킴으로써 작업 표면 스폿 크기의 신속한 조작을 위한 장치의 블록도.
도 10은 빔 조향 하부시스템 및 주사 렌즈 이전에 위치된 "적응" 거울의 표면 굴곡을 조작함으로써 작업 표면 스폿 크기의 신속한 조작을 위한 장치의 블록도.
본 명세에서 언급된 레이저 처리 시스템 및 방법들은 상이한 폭의 트렌치들이 "병합"되도록 하면서 전이 영역을 통하여 대체로 동일한 폭을 유지한다. 하나의 실시예에서, 위에 나타난 다중 패스 처리의 문제점을 회피하기 위한 방법은 전이 영역을 통하여 깊이 제어를 유지하면서, 상이한 폭의 병합된 트렌치들 사이의 순조로운 전이를 달성하기 위하여 스폿 크기 및 절삭 속도를 "처리 도중" 조작하는 것을 포함한다.
스폿 크기 및 절삭 속도의 처리 도중 조작은 상이한 폭의 트렌치들 사이에서 지속적인 전이를 가능하게 한다. 이러한 것은, 차례차례, 단일 패스에서 트렌치의 상이한 타입의 처리를 가능하게 한다. 따라서, 시스템 정확성 및 빔 포지셔너 하부시스템의 반복성에 관한 염려들은 감소 또는 사라진다. 더욱이, 스폿 크기의 변화 동안 절삭 속도의 지속적인 조작은 차례차례 레이저 시스템이 전이 영역을 통한 일정한 트렌치 깊이를 유지하는 것을 가능하게 하기 위한 제 2 자유도를 제공한다.
1차 근사로, 트렌치의 기하학적 형태는 트렌치를 형성하는 동안 작업 표면으로 전달되는 레이저 펄스의 누적 에너지 분포(공간에서)의 크기 조정된 변형(scaled version)으로 예상된다. 따라서, 하나의 트렌치 폭으로부터 또 다른 트렌치 폭으로의 전이 동안, 일정한 누적 피크 에너지 밀도를 유지하는 것은 전이 영역을 통하여 깊이의 충분한 제어를 제공한다. 따라서, 본 개시내용에서 언급된 특정 실시예에서, 스폿 크기 및 절삭 속도의 동시 조작은 깊이의 충분한 제어를 유지하는 동안 트렌치 폭에서 변화를 허용한다. 따라서, 본 개시내용에서 언급된 방법은 이러한 전이 동안, 스폿 크기 및 절삭 속도를 위하여 시간적 프로파일을 계산하는 방법이다. 밑에서 언급되는 이러한 문제의 해결책은 가우시안 스폿에 특정된다. 하지만, 당업자는 본 명세서에서의 개시물로부터 유사한 해결 기술들이 또한 다른 기하학적 형태인 스폿에도 적용될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
가우시안 스폿을 갖는 레이저 펄스에 관련된 공간적인 에너지 분포 , E(r)은:
E(r) = A * exp(-r2 / 2 * sigma2),
처럼 나타나지고, 여기에서 A는 에너지 진폭, r은 가우시안 스폿의 중심으로부터의 거리, sigma는 중심 강도와 배경 강도 사이의 강도가 절반이 되는 지점의 가우시안 스폿의 중심으로부터의 거리이다. 그것은 "델타(delta)"의 바이트 크기만큼 균일하게 이격된 펄스의 무한 시퀀스로부터 초래되고 누적 피크 에너지 밀도, E_peak가:
E_peak = A * sigma * sqrt(2 * pi) / delta
로 근사될 수 있음을 보여준다. 이러한 "근사 방정식"은 delta <= 2 * sigma에 대해 매우 정확하다(예를 들어, 열 값 및 분석적인 식 사이의 대략 1%의 최악의 미스매치(mismatch))는 것에 주목되어야한다.
각 펄스, E_pulse에 대한 총 에너지는 원통 좌표(r은 0에서 무한대까지 적분 되고, r의 각도 옵셋(angular offset)인 theta는 0에서 2 * pi까지 적분되는)에서 E(r)의 체적분을 통해 계산되어:
E_pulse = A * 2 * pi * sigma2
를 산출할 수 있다.
스폿 크기가 스폿 크기(SS1)로부터 스폿 크기(SS2)로 변화하는 경우, 스폿 크기로써 표준 직경(1/e2)을 사용하면:
SS1 = 4 * sigma1 및 SS2 = 4 * sigma2
가 된다.
2개의 펄스 타입 하에 총 에너지가 동일하게 남아있어야 하기 때문에, 진폭들 사이의 다음의 관계:
A1 * sigma12 = A2 * sigma22 => A1 * SS12 = A2 * SS22
이 존재한다.
E_peak에 대해 동일한 값을 유지하기 위하여:
A1 * sigma1 * sqrt(2 * pi) / delta1 = A2 * sigma2 * sqrt(2 * pi) / delta2 => A1 * SS1 / delta1 = A2 * SS2 / delta2 이고,
여기에서 바이트 사이즈는 delta1으로부터 delta2로 변한다. 이들 수학식은 바이트 크기(delta1 및 delta2) 사이의 다음의 관계를 얻기 위하여 결합 된다.
SS1 * delta1 = SS2 * delta2.
전이 동안 스폿 크기에서 일시적인 변화는 SS(t)로부터 주어지고, 여기에서 SS(0) = SS1 및 SS(T) = SS2이다. 이러한 식에서, t = 0은 전이의 시작을 나타내고, t = T는 전이의 끝을 나타낸다. 전이의 시작 이전에 바이트 크기를 "delta1"으로 추정하는 경우, 전이 동안, 바이트 크기의 시간 프로파일 "delta(t)"은:
SS1 * delta1 = SS1(t) * delta(t) => delta(t) = SS1 * delta1 / SS(t)
로부터 계산될 수 있다. 변이의 끝에서 delta(T)는
delta(T) = SS1 * delta1 / SS(T) = SS1 * delta1 / SS2 = delta2
가 되는 것에 주목한다. 따라서, delta(T)는 경계 조건 delta(T) = delta2를 만족한다.
바이트 크기 "delta"와 절삭 속도 "Vc" 사이의 비례관계가 존재한다. 펄스 반복 주파수(PRF: pulse repetition frequency)가 주어지는 경우, 이러한 관계는
Vc = delta * PRF
로 주어진다. 그러므로 절삭 속도를 위한 시간 프로파일은:
Vc(t) = delta(t) * PRF(t) = PRF(t) * SS1 * delta1 / SS(t)
로부터 얻어질 수 있다.
펄스 반복 주파수가 처음부터 끝까지 일정한 비율로 지속 되는 경우, 이러한 관계는 다음의 방식으로 더 단순화될 수 있다:
Vc1 = delta1 * PRF => delta1 = Vc1 / PRF;
Vc2 = delta2 * PRF => Vc(t) = PRF * SS1 * delta1 / SS(t) =
PRF * SS1 * Vc1 / (PRF * SS(t)) = Vc1 * SS1 / SS(t).
새니티 체크(sanity check)로써:
Vc(T) = Vc1 * SS1 / SS(T) = Vc1 * SS1 / SS2 =
PRF * (delta1 * SS1 / SS2) = PRF * delta2 = Vc2,
이들은 다시 이러한 전이의 끝에서 경계 조건 Vc(T) = Vc2를 만족시킨다.
전이 동안 "중간" 펄스들은 펄스들을 둘러싸는 무한한 수많은 "시블링(siblings)"을 가지지는 않을 것이기 때문에, 상기 분석에서 전개된 알고리즘은 알고리즘의 순전한 성질로써 근사 된다는 것에 주목되어야 한다. 그 결과로써, 위의 수학식들이 유도되는 피크 에너지 분포 계산은 전이 동안 오직 "대략" 만족 된다. 그럼에도 불구하고, 스폿 크기 및 절삭 속도 프로파일 사이에서 확립된 관계가 필요한 경우, 대부분 경우에서 충분할 것이고, 다음의 정밀한 것을 위한 시작점(point)으로서 작용할 수 있음이 예상된다.
예를 들면, 상기 알고리즘들은 다음의 문제에 적용된다:
SS1 = 10㎛; delta1 = 3㎛ ; SS2 = 20㎛; 및 delta2 = SS1 * delta1 / SS2 = 10 * 3 / 20 = 1.5㎛. 즉, 가우시안 레이저 빔은 단일 패스에서 10㎛ 스폿 크기 및 3㎛ 바이트크기로부터 20㎛ 스폿 크기 및 1.5㎛ 바이트 크기로 변한다. 이러한 예에서, 스폿 크기가 전이 동안 시간의 선형 함수로써 변하는 것이 추정된다.
이러한 예에서 제 1 시나리오는 스폿 크기가 펄스당 1㎛만큼 변화하는 "고속" 전이를 포함한다. 이러한 예에서 제 2 시나리오는 스폿 크기가 펄스당 0.5㎛만큼 변하는 "저속" 전이를 포함한다. 펄스 반복률이 두 가지 경우에서 전이를 통하여 일정하게 유지하는 것으로 추정되는 것은 주목할만하다. 따라서, 스폿 크기가 시간의 선형 함수로써 변화한다는 단정은 펄스마다 기초로 하는 스폿 크기의 일정한 변화율로 환언(translate)된다.
도 4는 "고속" 전이 시나리오를 위한 펄스 위치(x-축에 따른) 및 스폿 크기의 그래프이다. 전이 영역(410)에서, 10개의 레이저 펄스(412)는 스폿 크기가 10㎛에서 20㎛로 균일하게 증가한다. 제 2 분포, "저속" 시나리오를 위한 분포는 도 4에서 도시되는 것과 유사하나, 전이 동안 2배 많은 중간 펄스를 포함한다.
도 5는 이러한 예시적인 실시예에서, "고속"(프로파일 510) 및 "저속"(프로파일 512) 전이를 위한 선형으로 증가하는 중간 스폿 크기에 대응하는 절삭 속도의 시간 프로파일를 나타내는 그래프이다. 절삭 속도의 프로파일(510, 512)은 위에 전개된 수학식으로부터 계산된다.
도 6, 도 7, 및 도 8은 (도 1, 도 2, 및 도 3에서 도시된 종래의 다중 패스 처리와 비교될 때) 전이 영역 내에서 일정한 피크 누적 에너지 분포를 유지하는 것의 향상을 도시한다. 도 6은 고속 전이로부터의 초래되는 에너지 밀도 분포를 나타내는 2개의 그래프(2차원 그래프 및 3차원 그래프)를 포함한다. "고속" 전이의 이러한 예에서, 전이 영역(610)에서 균일하게 증가하는 스폿 크기의 10개의 중간 펄스들이 존재한다. 도 6에서 2차원 그래프는 전이 영역(610)에서 트렌치의 확장을 개념상으로 도시한다. 도 6에서 3차원 그래프는 도 1 및 도 2의 그래프와 비교될 때, 전이 영역(610) 내의 피크 누적 에너지 분포에서 변동(612)의 실질적인 감소를 도시한다.
또한, 도 7은 저속 전이로부터 초래되는 에너지 밀도 분포를 나타내는 2개의 그래프(2차원 그래프 및 3차원 그래프)를 포함한다. 저속 전이의 이러한 예에서, 전이 영역(710)에서 균일하게 증가하는 스폿 크기의 20개의 중간 펄스들이 존재한다. 도 7에서 2차원 그래프는 전이 영역(710)에서 트렌치의 확장을 개념상으로 도시한다. 도 7에서 3차원 그래프는 도 1, 도 2, 및 도 6의 그래프와 비교될 때, 전이 영역(610) 내의 피크 누적 에너지 분포에서 변동(712)의 실질적인 감소를 도시한다.
도 8은 도 1, 도 6 및 도 7에서 도시된 전이 시나리오를 위한 피크 누적 에너지 밀도 사이에서 차를 나타내는 그래프이다. 도 8에서 도시되는 것처럼, 도 1의 돌연한 전이 시나리오(2중 패스 수행을 간주하는 경우 반복성 오류가 없는)는 도 6의 고속 전이 시나리오의 변동(612)(10개의 중간 펄스를 사용하는) 및 도 7의 저속 전이 시나리오의 변동(712)(20개의 중간 펄스를 사용하는)보다 대체로 더 큰 변동(112)을 가진다. 따라서, 본 개시내용에서 서술된 것으로써 절삭 속도와 함께 스폿 크기의 점진적인 조작은 "돌연한" 전이와 비교할 때, 피크 누적 에너지 밀도에서 보다 적은 변이를 산출한다. 더욱이, 본 개시내용에서 서술된 알고리즘의 근접 성질로부터 관측된 것으로써, 더욱 저속인 전이의 변동(712)은 더욱 고속인 전이의 변동(612)보다 적다.
가공물의 작업 표면에서 스폿 크기는 예를 들어, 초점(주사) 렌즈 및 작업 표면의 사이에서 상대 거리를 변화시킴으로써, 변화될 수도 있다. 이러한 것은 초점 렌즈 또는 가공물을 고정하는 척(chuck)을 이동함으로써 달성될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 작업 표면의 스폿 크기는 빔 경로에서 광학 요소를 조작에 의해 유효 초점 면을 변경함으로써 변경될 수 있다.
이러한 2가지 접근법에서, 초점 렌즈 및 작업 표면 사이의 상대 거리를 변화 시키는 것은 트렌치 폭에서 "처리 도중" 변화를 위한 실질적인 해결책이 아닐 수 있다. 명칭으로서 "처리 도중" 스폿 크기 조절 제안은, 스폿 크기의 변화가 이루어지는 시간의 양이 매우 적을 것(예를 들어, 대략 0.1 msec정도)을 제안한다. 시간의 양에서 주사 렌즈 또는 척처럼, 크고 무거운 물체를 이동시키는 것은 어렵거나 불가능할 것이다. 따라서, 하나의 실시예에서는, 광 경로에서 다른 "더 소형이고/이동하기 더 쉬운" 구성요소들이 조절되어 레이저 빔의 유효 초점 길이를 변화시킴으로써 스폿 크기를 변경한다.
도 9는 하나의 실시예에 따른 작업 표면(908)에서 레이저 빔(906)의 스폿 크기(904)를 신속히 조작하기 위한 시스템(900)의 블록도이다. 본 시스템(900)은 입력 레이저 빔(906)의 광 경로에서 낮은 도수 이동 렌즈(910), 빔 조향 광학계(912), 및 주사 렌즈(914)를 포함한다. 낮은 도수 이동 렌즈(910) 및 주사 렌즈(914)는 시스템의 유효 초점 거리를 변경시키기 위한 "혼합" 렌즈로서의 기능을 한다. 따라서, 초점 면의 위치(916)는 낮은 도수 이동 렌즈(910) 및 주사 렌즈(914) 사이의 거리 함수로써 변화한다. 그 결과로, 초점 면(916)은 주사 렌즈(914)의 이동 없이 낮은 도수 렌즈(910)를 이동함으로써 "이동될" 것이다. 하나의 실시예에서, 렌즈(910)는 다중 렌즈 요소이고, 이 다중 요소에서 하나 이상의 렌즈 요소들이 주사 렌즈(914)에 대해 이동하도록 구성되어, 초점 면(916)의 위치를 변화시킨다.
초점 면(916)의 위치를 변화시키는 것은 작업 표면(908)에서 스폿 크기(904)를 변화시킨다. 예를 들어, 도 9는 제 1 위치(실선으로 도시된) 및 제 2 위치(파선으로 도시된)에서 작은 도수 이동 렌즈(910)를 도시한다. 작은 도수 이동 렌즈(910)가 제 1 위치에 있는 경우, 초점 면(916)은 작업 표면(908)에 대해 제 1 위치(실선으로 도시된)에 있다. 따라서, 레이저 빔(906)은 작업 표면(908)에서 제 1 스폿 크기(904)(실선으로 도시된)를 형성한다. 작은 도수 이동 렌즈(910)가 제 2 위치로 이동된 이후, 초점 면(916)은 작업 표면(908)에 관해 제 2 위치(파선으로 도시된)에 있다. 따라서, 레이저 빔(906)은 작업 표면(908)에서 제 2 스폿 크기(파선으로 도시된)를 형성한다.
주사 렌즈(914)는 다중 광학 요소를 포함할 수 있고, 작은 도수 이동 렌즈(910)에 비교하여 크고 무거울 수 있다. 따라서, 주사 렌즈(914)는 고속으로 이동하기 어렵다. 또 다른 한편으로, 낮은 도수 이동 렌즈(910)는 대략 입력 레이저 빔(906)의 직경 만큼 작고, 오직 1개 또는 2개의 광학 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 작은 도수 이동 렌즈(910)는 주사 렌즈(914)보다 대체로 더 가볍고, 고속으로 이동하기 매우 쉬워진다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 작업 표면(908)에서 레이저 빔(906)의 스폿 크기(904)를 신속히 조작하기 위한 시스템(1000)의 블록도이다. 시스템(1000)은 입력 레이저 빔(906)의 광 경로에서 적응 렌즈 또는 거울(1010), 빔 조향 광학계(912), 및 주사 렌즈(914)를 포함한다. 적응 렌즈 또는 거울(1010)의 표면 굴곡은 시스템의 초점 거리를 변화하기 위하여 외부에서 조작될 수 있다(예를 들어, 피에조-액추에이터(piezo-actuators)를 사용하여).
예를 들어, 도 10은 제 1 위치(실선으로 도시된) 및 도 2 위치(파선으로 도시된)에서 적응 렌즈 또는 거울(1010)의 표면을 도시한다. 적응 렌즈 또는 거울(1010)의 표면이 제 1 위치에 있는 경우, 초점 면(916)은 작업 표면(908)에 대해 제 1 위치(실선으로 도시된)에 있다. 따라서 레이저 빔(906)은 작업 표면(908)에서 제 1 스폿 크기(904)(실선으로 도시된)를 형성한다. 적응 렌즈 또는 거울(1010)의 표면이 제 2 위치로 이동된 이후, 초점 면(916)은 작업 표면(908)에 대해 제 2 위치(파선으로 도시된)에 있다. 따라서, 레이저 빔(906)은 작업 표면(908)에서 제 2 스폿 크기(904)(파선으로 도시된)를 형성한다. 적응 렌즈 또는 거울(1010)의 표면이 급속도로 변화되기 때문에, 작업 표면(908)에서 스폿 크기(904)는 급속도로 조절된다.
본 명세에서 개시된 실시예들은 상이한 폭의 트렌치 라우팅을 완수하기 위하여 더 적은 패스들을 사용함으로써 처리량을 향상시킨다. 또한, 상기 실시예들은 상이한 폭의 트렌치들을 성공적으로 병합하기 위하여 시스템 정확성 및 반복성에서 더 큰 유연성을 허용한다. 더욱이, 상기 실시예들은 하나의 트렌치 폭에서 또 다른 트렌치 폭으로 전이 영역 내의 깊이 제어를 상당히 향상시킨다.
당업자라면 본 발명의 기초가 되는 원리를 벗어나는 것 없이도 상기 서술된 실시예의 세부사항에 다수의 변화가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 오직 다음의 청구항으로써 결정되어야 한다.
410, 610, 710 : 전이 영역 412 : 10개의 레이저 펄스
612, 712 : 각 10개, 20개의 중간 펄스를 사용하는 변동
906 : 레이저 빔 908 : 작업 표면
910 : 낮은 도수 이동 렌즈 912 : 빔 조향 광학계
914 : 주사 렌즈 1010 : 적응 렌즈 또는 거울

Claims (21)

  1. 레이저 빔의 단일 패스를 이용하여 물질 내에서의 다중 폭 트렌치(trench) 절삭 방법으로서,
    상기 물질의 작업 표면에 대한 레이저 빔의 제 1 절삭 속도로, 각 레이저 펄스가 상기 작업 표면에서 제 1 스폿 크기를 가지는 레이저 펄스들의 제 1 열(series)을 사용하여, 상기 작업 표면을 절삭하는 단계와,
    전이 영역에서,
    상기 전이 영역의 처음에서 제 1 절삭 속도로부터 상기 전이 영역
    의 끝에서 제 2 절삭 속도로 점진적으로 속도를 변화시키는 단계와,
    상기 절삭 속도가 점차 변화하기 때문에, 레이저 펄스의 제 2 열을
    이용하여 작업 표면을 절삭하는 단계로서, 레이저 펄스의 상기 제 2 열은
    상기 전이 영역의 시작에서 제 1 스폿 크기로부터 상기 전이 영역의 끝에서
    제 2 스폿 크기로 순차적으로 스폿 크기를 변화시키는, 레이저 펄스의 제 2
    열을 이용하여 작업 표면을 절삭하는 단계와,
    상기 레이저 빔의 상기 제 2 절삭 속도로, 각 레이저 펄스가 상기 제 2 스폿 크기를 갖는 레이저 펄스의 제 3 열을 사용하여 상기 작업 표면의 절삭을 지속하는 단계
    를 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 레이저 펄스들의 상기 제 2 열에서 연속적인 펄스 사이의 공간적인 거리에 대응하는 다음의 바이트 크기를 상기 전이 영역의 시작에서 제 1 바이트 크기로부터 상기 전이 영역의 끝에서 제 2 바이트 크기로 순차적으로 변화시키는 단계를 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 스폿 크기를 상기 전이 영역의 시작에서 제 1 스폿 크기로부터 상기 전이 영역의 끝에서 상기 제 2 스폿크기로 순차적으로 변화시키는 단계는 상기 작업 표면에 대해 상기 레이저 빔의 초점 면을 순차적으로 변화시키기 위하여 제 2 렌즈에 대해 제 1 렌즈를 이동시키는 단계를 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 스폿 크기를 상기 전이 영역의 시작에서 상기 제 1 스폿 크기로부터 상기 전이 영역의 끝에서 상기 제 2 스폿크기로 순차적으로 변화시키는 단계는 상기기 작업 표면에 대해 상기 레이저 빔의 초점 면을 순차적으로 변화시키기 위하여 적응 렌즈의 표면 굴곡을 변화시키는 단계를 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 스폿 크기를 상기 전이 영역의 시작에서 상기 제 1 스폿 크기로부터 상기 전이 영역의 끝에서 상기 제 2 스폿 크기로 순차적으로 변화시키는 단계는 상기 작업 표면에 대해 상기 레이저 빔의 초점 면을 순차적으로 변화시키기 위하여 적응 거울의 표면 굴곡을 변화시키는 단계를 포함하는. 다중 폭 트렌치 절삭 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 열, 상기 제 2 열, 및 상기 제 3 열의 상기 레이저 펄스는 가우시안 스폿(Gaussian spots)을 생성하는, 다중 폭 트렌치 절삭 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 전이 영역에서의 펄스 반복 주파수(PRF: pulse repetition frequency)는 시간 프로파일(PRF(t))을 갖고, 상기 제 1 스폿 크기는 SS1으로 표시되고, 상기 제 2 열의 상기 레이저 펄스의 스폿 크기는 시간 프로파일SS(t)을 가지고, 상기 전이 영역의 시작에서 바이트 크기는 delta1으로 표시되고, 상기 전이 영역에서 절삭속도의 시간 프로파일은 Vc(t) = PRF(t) * SS1 * delta1 / SS(t)인, 다중 폭 트렌치 절삭 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 펄스 반복 주파수(PRF: pulse repetition frequency)는 상기 제 1 열, 상기 제 2 열, 및 상기 제 3 열 사이에서 대체로 일정하고, 상기 제 1 스폿 크기는 SS1으로 표시되고, 상기 제 2 열에서 상기 레이저 펄스들의 스폿 크기는 시간 프로파일 SS(t)를 가지고, 상기 제 1 절삭 속도는 Vc1으로 표시되고, 상기 전이 영역에서 상기 절삭 속도의 시간 프로파일은 Vc(t) = Vc1 * SS1 / SS(t)인, 다중 폭 트렌치 절삭 방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 제 1 스폿 크기는 SS1으로 표시되고, 상기 전이 영역의 시작에서 바이트 크기는 delta1으로 표시되고, 상기 전이 영역에서 바이트 크기의 시간 프로파일은 delta(t)이고, 상기 전이 영역에서 스폿 크기의 시간 프로파일은 SS(t) = SS1 * delta1 / delta(t)인, 다중 폭 트렌치 절삭 방법.
  10. 레이저 빔의 단일 패스를 사용하여 물질 내의 다중 폭 트렌치 절삭 시스템으로서,
    상기 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 소스와,
    상기 레이저 빔을 수신하기 위한 제 1 광학 요소로서, 상기 제 1 광학 요소는 상기 물질의 작업 표면에 대해 초점 면의 위치를 변경시키기 위하여 선택적으로 조절될 수 있는, 제 1 광학 요소와,
    상기 레이저 빔을 상기 물질의 상기 작업 표면에 향하게 하기 위한 제 2 광학 요소를 포함하고,
    상기 레이저 빔에 의해 상기 작업 표면에 절삭된 제 1 트렌치 폭 및 제 2 트랜치 폭 사이의 전이 동안, 상기 레이저 빔 및 상기 작업 표면 사이의 절삭 속도는 점진적으로 변화하고, 상기 제 1 광학 요소는 상기 작업 표면에서 스폿 크기를 순차적으로 변화시키기 위하여 일련의 변화들을 겪는, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 레이저 빔에 의한 처리 도중에 상기 물질을 고정하기 위한 척(chuck)을 더 포함하고, 상기 척과 상기 작업 표면상에 입사하는 상기 레이저 빔 사이의 상대적인 움직임은 상기 절삭 속도를 결정하는, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 광학 요소로부터 상기 레이저 빔을 수신하고 상기 제 2 광학 요소로 상기 레이저 빔을 선택적으로 방향을 고치기 위한 빔 조향 광학계(beam steering optics)를 더 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 광학 요소는 상기 레이저 소스 및 상기 제 2 광학 요소 사이에서 이동하도록 구성된 낮은 도수 렌즈(weak lens)를 포함하고, 상기 일련의 변화는 상기 낮은 도수 렌즈의 일련의 위치상의 이동을 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 광학 요소는 다-성분 렌즈를 포함하고, 하나 이상의 렌즈 성분은 상기 레이저 소스 및 상기 제 2 광학 요소 사이에서 이동하도록 구성되고, 상기 일련의 변화는 하나 이상의 렌즈 성분의 일련의 위치상의 이동을 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 광학 요소는 적응 렌즈를 포함하고, 상기 일련의 변화는 상기 적응 렌즈 굴곡을 순차적으로 변화시키는 것을 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  16. 제 10항에 있어서, 상기 광학 요소는 적응 거울을 포함하고, 상기 일련의 변화는 적응 거울 굴곡을 순차적으로 변화시키는 것을 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  17. 제 10항에 있어서, 상기 레이저 빔은 가우시안 스폿을 갖는 복수의 레이저 펄스를 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 전이 영역에서 펄스 반복 주파수(PRF: pulse repetition frequency)는 시간 프로파일(PRF(t))을 가지고, 상기 전이 영역의 시작에서 스폿 크기는 SS1으로 표시되고, 상기 전이 영역에서 스폿 크기는 시간 프로파일(SS(t))을 가지고, 상기 전이 영역의 시작에서 바이트 크기는 delta1으로 표시되고, 상기 전이 영역에서 절삭 속도의 시간 프로파일은 Vc(t) = PRF(t) * SS1 * delta1 / SS(t)인, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  19. 제 17항에 있어서, 펄스 반복 주파수(PRF: pulse repetition frequency)가 실질적이고, 상기 전이 영역의 시작에서 스폿 크기는 SS1으로 표시되고, 상기 전이 영역에서 스폿 크기는 시간 프로파일 SS(t)를 가지고, 상기 전이 영역의 시작에서 절삭 속도는 Vc1으로 표시되고, 상기 전이 영역에서 상기 절삭 속도의 시간 프로파일은 Vc(t) = Vc1 * SS1 / SS(t)인, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  20. 제 17항에 있어서, 전이 영역의 시작에서 스폿 크기는 SS1으로 표시되고, 상기 전이 영역의 시작에서 바이트 크기는 delta1으로 표시되고, 상기 전이 영역에서 바이트 크기의 시간 프로파일은 delta(t)이고, 상기 전이 영역에서 스폿 크기의 시간 프로파일은 SS(t) = SS1 * delta1 / delta(t)인, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
  21. 레이저 빔의 단일 패스를 이용하여 물질 내에서의 다중 폭 트렌치 절삭 시스템으로서,
    상기 물질의 작업 표면에서 제 1 스폿 크기를 갖는 레이저 펄스를 이용하여 제 1 절삭 속도로 트렌치의 제 1 부분을 절삭하는 수단;
    상기 물질의 상기 작업 표면에서 제 2 스폿 크기를 갖는 레이저 펄스를 이용하여 제 2 절삭 속도로 트렌치의 제 2 부분을 절삭하는 수단과;
    상기 트렌치의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분 사이의 전이 영역에서, 상기 제 1 절삭 속도로부터 상기 제 2 절삭 속도로 및 상기 제 1 스폿 크기로부터 상기 제 2 스폿 크기로 동시에 전이하는 수단을 포함하는, 다중 폭 트렌치 절삭 시스템.
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