KR20110114028A - 시편 가공 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20110114028A
KR20110114028A KR1020100033433A KR20100033433A KR20110114028A KR 20110114028 A KR20110114028 A KR 20110114028A KR 1020100033433 A KR1020100033433 A KR 1020100033433A KR 20100033433 A KR20100033433 A KR 20100033433A KR 20110114028 A KR20110114028 A KR 20110114028A
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변광선
이선영
이경우
이은구
김홍식
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삼성전자주식회사
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    • G01N2001/2873—Cutting or cleaving
    • G01N2001/2886—Laser cutting, e.g. tissue catapult

Abstract

본 발명은 시편 가공 장치 및 방법을 개시한 것으로서, 초기 상태의 적층 시편을 스테이지에 로딩한 상태에서, 레이저를 이용한 시편 가공 공정들을 순차적으로 진행하여 최종 분석 시편을 제조할 수 있다. 이를 통해, 최종 분석 시편의 제조에 소요되는 시간을 단축하고, 최종 분석 시편의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

시편 가공 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MACHINING SPECIMEN}
본 발명은 시편 가공 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 투과 전자 현미경용 분석 시편을 가공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조 공정에 있어서, 확산 공정, 산화 공정, 금속 공정 등이 반복적으로 실시되고, 이에 따라 기판상에는 다양한 종류의 재료, 예를 들면 금속 막질, 질화 막이나 산화 막 등의 절연 막질이 적층되며, 그 제조 공정 또한 복잡화, 미세화되고 있다.
다수의 막질 가운데 일부 막질에 결함이 발생하면, 후속 공정에 의해 형성되는 반도체 소자에 이상이 발생할 수 있다. 따라서, 반도체 소자 제조 공정이 진행된 기판으로부터 분석 시편을 잘라내어 막질의 결함 여부를 판단하는 분석 작업이 요구된다. 분석 작업에는 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)이 사용되고, 분석 시편은 고 전위차로 가속된 전자 빔이 입사 및 투과되도록 약 1㎛ 이하의 두께를 가지는 박편으로 제조된다.
본 발명은 레이저 빔을 이용하여 딤플 형상의 분석 시편을 가공할 수 있는 시편 가공 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 시편 가공 장치는, 시편이 놓이는 스테이지; 및 상기 스테이지의 상부에 배치되고, 상기 시편을 레이저(Laser) 가공(加工)하는 레이저 유닛을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 시편은 딤플(Dimple)을 가지는 최종 시편의 제조를 위한 중간 단계의 예비 시편을 포함하며, 상기 레이저 가공은 레이저 빔을 이용한 상기 예비 시편의 절단(Cutting), 연마(Grinding), 딤플링(Dimpling), 그리고 밀링(Miling)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 레이저 유닛은, 전원 공급 부재; 및 상기 전원 공급 부재가 공급하는 전력을 이용하여 상기 레이저 빔을 생성하고, 상기 레이저 빔을 상기 예비 시편에 조사하는 레이저 빔 조사 부재를 포함하고, 상기 레이저 가공에 따라 상이한 크기의 전력을 상기 레이저 빔 조사 부재에 인가하도록 상기 전원 공급 부재를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 레이저 유닛은, 상기 레이저 빔이 조사되는 상기 예비 시편의 영역에 식각 가스를 분사하는 식각 가스 분사 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 레이저 빔 조사 부재는, 상부벽; 상기 상부벽의 중심부로부터 아래 방향으로 연장되는 환형의 제 1 측벽; 상기 제 1 측벽의 내측에 제공되고, 상기 레이저 빔을 생성하는 레이저 발진기; 및 상기 제 1 측벽 내측의 상기 레이저 발진기 아래에 배치되며, 상기 레이저 빔을 집속하여 상기 예비 시편에 조사하는 광학계를 포함하고, 상기 식각 가스 분사 부재는, 상기 상부벽의 가장자리부로부터 아래 방향으로 연장되는 환형의 제 2 측벽; 및 상기 제 1 측벽과 상기 제 2 측벽 사이의 공간으로 상기 식각 가스를 공급하는 가스 공급 라인을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 레이저 유닛에 의해 딤플링 또는 밀링되는 상기 딤플의 바닥 벽의 두께를 측정하는 두께 측정 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 두께 측정 유닛은, 상기 딤플의 바닥 벽에 광을 조사하는 발광부; 상기 딤플의 바닥 벽에서 반사된 반사 광을 수신하는 수광부; 및 상기 수광부로부터 상기 반사 광의 파장 검출 신호를 전달받고, 상기 반사광의 파장에 따른 상기 바닥 벽의 두께를 분석하는 분석부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 광은 레이저 빔을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 스테이지를 수직/수평 이동 및 회전시키는 스테이지 구동기를 더 포함하며, 상기 스테이지 구동기는 상기 레이저 유닛에 대해 상기 스테이지를 상대 이동시킬 수 있다.
상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 시편 가공 방법은, (a) 복수 개의 절단된 기판을 적층하여 시편을 준비하는 단계; (b) 상기 시편을 시료 분석에 적합한 크기로 절단하고 연마하는 단계; (c) 상기 시편에 딤플을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 딤플의 바닥 벽을 밀링하는 단계를 포함하되, 상기 (b), (c) 및 (d) 단계는 상기 시편에 레이저 빔을 조사하여 수행된다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 (b), (c) 및 (d) 단계는 상기 시편의 레이저 빔 조사 영역에 식각 가스를 공급하면서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 (b), (c) 및 (d) 단계는 상기 레이저 빔의 조사 위치를 기준으로 상기 시편을 상대 운동시키면서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 (c) 및 (d) 단계는 상기 딤플의 바닥 벽에 조사된 광에 대응하는 반사광의 파장을 검출하여 상기 딤플의 바닥 벽의 두께를 측정하면서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 광은 레이저 빔을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 (d) 단계의 상기 레이저 빔의 세기는 상기 (c) 단계의 상기 레이저 빔의 세기보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 (a) 단계는, 상기 레이저 빔을 이용하여, 패턴이 형성된 반도체 기판과 더미 기판을 사각판 형상으로 절단하는 단계; 및 상기 절단된 반도체 기판을 중심으로 상기 절단된 더미 기판을 상하 방향으로 적층하여 본딩하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 (b) 단계는, 상기 시편을 적층 방향으로 1차 절단하는 단계; 1차 절단된 상기 시편을 원판 모양으로 2차 절단하는 단계; 및 2차 절단된 상기 시편의 양면을 연마하는 단계를 포함하며, 상기 시편의 1차 절단, 2차 절단 및 연마는 상기 시편에 상기 레이저 빔을 조사하여 수행될 수 있다.
본 발명에 의하면, 복수 개의 기판들이 적층된 딤플 형상의 시편을 레이저 빔을 이용하여 가공할 수 있다.
그리고 본 발명에 의하면, 시편의 가공에 소요되는 시간을 단축하고, 시편의 품질을 향상시킬 수 있다.
이하에 설명된 도면들은 단지 예시의 목적을 위한 것이고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1a 내지 도 1g는 시편 가공 공정들의 진행에 따른 시편의 형상을 보여주는 도면들이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 시편 가공 장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 레이저 유닛을 확대하여 보여주는 도면이다.
도 4는 적층 시편의 슬라이싱 가공을 보여주는 도면이다.
도 5는 슬라이싱 시편의 펀칭 가공을 보여주는 도면이다.
도 6은 펀칭 시편의 그라인딩 가공을 보여주는 도면이다.
도 7은 그라인딩 시편의 딤플링 가공을 보여주는 도면이다.
도 8a는 딤플링 시편의 단면을 보여주는 도면이다.
도 8b는 최종 분석 시편의 단면을 보여주는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시편 가공 장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
( 실시 예 )
도 1a 내지 도 1g는 시편 가공 공정들의 진행에 따른 시편의 형상을 보여주는 도면들이다.
시편 가공 공정은 커팅(Cutting) 공정, 본딩(Bonding) 공정, 슬라이싱(Slicing) 공정, 펀칭(Punching) 공정, 그라인딩(Grinding) 공정, 딤플링(Dimpling) 공정, 그리고 밀링(Milling) 공정을 포함할 수 있다. 상기 공정들은 순차적으로 진행된다. 상기 공정들 중 본딩 공정을 제외한 나머지 공정들은 레이저 빔을 이용하여 시편을 가공한다. 레이저 빔이 시편에 조사(照射)되면, 시편 표면의 급격한 온도 상승에 의해 표면 근처가 용융과 동시에 증발되고, 이에 의해 시편의 조성 물질이 제거되면서 상기 시편 가공 공정들이 수행된다.
도 1a를 참조하면, 커팅(Cutting) 공정을 통해, 소정의 크기를 갖는 절단된 반도체 기판(S)과 절단된 더미(Dummy) 기판(D)이 제공된다. 구체적으로, 분석하고자 하는 패턴들이 형성된 반도체 기판을 준비하고, 레이저 빔을 이용하여 반도체 기판을 대략 4 mm × 5mm 정도의 크기로 절단한다. 이후, 별도의 더미 기판을 준비하고, 절단된 반도체 기판(S)과 같은 면적을 갖도록 레이저 빔을 이용하여 더미 기판을 절단한다. 예를 들어, 절단된 반도체 기판(S)은 1개 제공될 수 있고, 절단된 더미 기판(D)은 4개 제공될 수 있다. 하지만, 절단된 반도체 기판(S)은 여러 포인트에서의 분석을 위해 복수 개 제공될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 본딩(Bonding) 공정을 통해, 절단된 반도체 기판(S)과 절단된 더미 기판(D)이 중첩된 적층 시편(SP1)이 형성된다. 구체적으로, 절단된 반도체 기판(S)을 중심으로 절단된 더미 기판(D)을 2 개씩 상하 방향으로 적층하고, G1-에폭시 수지를 이용하여 접착한다. 이후, 절단된 반도체 기판(S)과 절단된 더미 기판(D) 사이에서 G1-에폭시 수지가 얇고 넓게 퍼지도록 절단된 반도체 기판(S)과 절단된 더미 기판(D)을 압착한 후, 고온으로 가열하여 적층 시편(SP1)을 형성한다.
도 1c를 참조하면, 슬라이싱(Slicing) 공정을 통해, 적층 시편(SP1)을 슬라이싱 시편(SP2)으로 형성한다. 슬리이싱 시편(SP2)은, 레이저 빔을 이용하여, 적층 시편(SP1)을 대략 0.5 내지 1mm 정도의 두께를 갖는 플레이트 형상으로 절단하여 형성된다.
도 1d를 참조하면, 펀칭(Punching) 공정을 통해, 슬라이싱 시편(SP2)을 펀칭 시편(SP3)으로 형성한다. 펀칭 시편(SP3)은, 레이저 빔을 이용하여, 슬라이싱 시편(SP2)을 3mm의 직경을 갖는 원판 형상으로 절단하여 형성한다.
도 1e를 참조하면, 그라인딩(Grinding) 공정을 통해, 펀칭 시편(SP3)을 그라인딩 시편(SP4)으로 형성한다. 그라인딩 시편(SP4)은 두께가 100㎛ 이하가 되도록 레이저 빔을 이용하여 펀칭 시편(SP3)의 양면을 연마하여 형성된다.
도 1f를 참조하면, 딤플링(Dimpling) 공정을 통해, 그라인딩 시편(SP4)을 딤플링 시편(SP5)으로 형성한다. 딤플링 시편(SP5)은, 레이저 빔을 이용하여, 그라인딩 시편(SP4)의 일면에 두께가 1㎛ 이하로 되도록 딤플(DP)을 가공하여 형성된다. 딤플링 공정은 정밀하고 미세한 딤플을 가공하기보다는, 기초가 되는 대략적인 형상의 딤플(DP)을 가공한다.
도 1g를 참조하면, 밀링(Milling) 공정을 통해, 딤플링 시편(SP5)을 최종 분석 시편(SP6)으로 형성한다. 최종 분석 시편(SP6)은, 레이저 빔을 이용하여, 딤플(DP)의 바닥 벽을 밀링하여 형성된다. 밀링 공정은 딤플(DP) 바닥 벽의 보다 얇고 미세한 긁힘(Scratch)을 제거하기 위한 표면 정밀 가공이므로, 밀링 공정에 이용되는 레이저 빔의 파워는 딤플링 공정에 이용되는 레이저 빔의 파워보다 작을 수 있다.
상술한 바와 같은 공정들을 통해 최종 분석 시편(SP6)이 가공되며, 최종 분석 시편(SP6)은 시편 홀더(미도시)에 고정된 상태로 투과 전자 현미경(TEM)의 시편 지지대(미도시)에 놓인다. 최종 분석 시편(SP6)의 분석을 위해, 딤플(DP) 바닥 벽에는 고 전위차로 가속된 전자 빔이 입사 및 투과된다. 투과된 전자 빔으로부터 영상이 획득되고, 회절된 전자 빔에서 얻어진 회전 도형으로 상의 결정 구조가 분석된다.
이하에서는, 상술한 바와 같은 시편 가공 공정들을 수행하는 시편 가공 장치에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 시편 가공 장치(10)를 보여주는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 시편 가공 장치(10)는 스테이지(100), 스테이지 구동기(200), 레이저 유닛(300), 두께 측정 유닛(400), 그리고 제어기(500)를 포함한다.
스테이지(100)에는 적층 시편(SP1)이 로딩된다. 적층 시편(SP1)은 스테이지(100) 상에서 슬라이싱, 펀칭, 그라인딩, 딤플링, 그리고 밀링을 통해 최종 분석 시편(SP6)으로 가공된다. 편의상, 도 2에는 딤플링 공정이 진행된 딤플링 시편(SP5)이 예시되어 있다.
스테이지 구동기(200)는 스테이지(100)를 수직/수평 방향으로 직선 이동시키고, 수직한 자기 중심축을 중심으로 스테이지(100)를 회전시킬 수 있다. 시편은 스테이지(100)의 직선 이동 및 회전에 의해 직선 이동 및 회전된다. 스테이지 구동기(200)는 고정된 위치의 레이저 유닛(300)을 이용하여 시편을 가공하기 위해 스테이지(100)를 수직/수평 방향으로 직선 이동시키거나 회전시킬 수 있다.
레이저 유닛(300)은 스테이지(100)의 상부에 배치된다. 레이저 유닛(300)은 스테이지(100)에 놓인 시편을 레이저(Laser) 가공(加工)한다. 레이저 가공은 레이저 빔을 이용한 시편의 커팅(Cutting), 슬라이싱(Slicing), 펀칭(Punching), 그라인딩(Grinding), 딤플링(Dimpling), 그리고 밀링(Milling)을 포함한다.
도 3은 도 2의 레이저 유닛(300)을 확대하여 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 레이저 유닛(300)은 전원 공급 부재(320), 레이저 빔 조사 부재(340), 그리고 식각 가스 분사 부재(360)를 포함한다.
전원 공급 부재(320)는 레이저 빔 조사 부재(340)에 전력을 공급한다. 전원 공급 부재(320)는 상기 레이저 가공의 종류에 따라 상이한 크기의 전력을 레이저 빔 조사 부재(340)에 인가할 수 있다. 예를 들어, 전원 공급 부재(320)는 시편의 가공 공정들 중 밀링 공정의 진행시 가장 작은 크기의 전력을 레이저 빔 조사 부재(340)에 인가할 수 있다.
레이저 빔 조사 부재(340)는 레이저 빔(LB)을 생성하고, 레이저 빔(LB)을 시편에 조사한다. 레이저 빔 조사 부재(340)는 상부벽(342), 제 1 측벽(344), 레이저 발진기(346), 그리고 광학계(348)를 포함한다. 상부벽(342)은 원판 형상으로 제공될 수 있다. 제 1 측벽(344)은 상부벽(342)의 하면 중심부로부터 아래 방향으로 연장되는 환형으로 제공될 수 있다. 레이저 발진기(346)는 제 1 측벽(344)의 내측 상부에 제공되고, 전원 공급 부재(320)로부터 인가되는 전력을 이용하여 레이저 빔(LB)을 생성한다. 광학계(348)는 제 1 측벽(344) 내측의 레이저 발진기(346) 아래에 배치되고, 레이저 발진기(346)에서 생성된 레이저 빔(LB)을 집속하여 시편에 조사한다.
식각 가스 분사 부재(360)는, 레이저 빔(LB)을 이용한 시편의 레이저 가공을 가속화하기 위해, 레이저 빔이(LB) 조사되는 시편의 영역에 식각 가스를 분사한다. 식각 가스로는 CF4, C2F6, C3F8, 또는 C2F6 등이 사용될 수 있다. 식각 가스 분사 부재(360)는 레이저 빔 조사 부재(340)의 상부벽(342) 가장자리부로부터 아래 방향으로 연장되는 환형의 제 2 측벽(362)을 가진다. 식각 가스는 가스 공급 라인(364)을 통해 제 1 측벽(344)과 제 2 측벽(362) 사이의 공간으로 공급되고, 제 1 측벽(344)과 제 2 측벽(362) 사이의 개방된 하부를 통해 시편의 레이저 빔 조사 영역으로 분사된다. 가스 공급 라인(364)의 타단에는 가스 공급원(366)이 연결되고, 가스 공급 라인(364) 상에는 가스의 흐름을 개폐하는 밸브(368)가 설치된다.
본 실시 예에는, 레이저 빔 조사 부재(340)에 일체로 제공된 식각 가스 분사 부재(360)가 예시되어 있으나, 식각 가스 분사 부재(360)는 레이저 빔 조사 부재(340)로부터 독립된 개별 구성으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 식각 가스 공급 부재(360)는 분사 노즐과, 분사 노즐에 식각 가스를 공급하는 가스 공급 부재를 포함할 수 있으며, 분사 노즐은 시편에 식각 가스를 분사할 수 있도록 스테이지(도 2의 도면 번호 100)의 상부에 배치될 수 있다.
다시, 도 1 및 도 2를 참조하면, 두께 측정 유닛(400)은 레이저 유닛(300)에 의해 딤플링 또는 밀링 가공되는 시편의 딤플(DP) 바닥 벽의 두께를 측정한다. 두께 측정 유닛(400)은 발광부(420), 수광부(440), 그리고 분석부(460)를 포함한다. 발광부(420)는 스테이지(100)의 상부 일측에 배치되고, 시편의 딤플(DP) 바닥 벽에 광을 조사한다. 발광부(420)가 조사하는 광은 레이저 빔을 포함한다. 수광부(440)는 스테이지(100)의 상부 타측에 배치되고, 딤플(DP)의 바닥 벽에서 반사되는 반사 광을 수신한다. 분석부(460)는 수광부(440)로부터 반사 광의 파장 검출 신호를 전달받고, 반사광의 파장에 따른 딤플(DP)의 바닥 벽의 두께를 계산한다.
제어기(500)는 시편 가공 장치(10)의 동작을 전반적으로 컨트롤한다. 예를 들어, 제어기(500)는 스테이지 구동기(200)와 레이저 유닛(300)의 전원 공급 부재(320)를 컨트롤한다. 제어기(500)는, 스테이지(100)에 놓인 시편이 고정된 위치의 레이저 유닛(300)에 의해 가공될 수 있도록, 스테이지 구동기(200)를 컨트롤하여 스테이지(100)를 레이저 유닛(300)에 대해 상대 이동시키거나 회전시킨다.
이에 더하여, 제어기(500)는 레이저 빔(LB)의 세기가 조절되도록 레이저 유닛(300)의 전원 공급 부재(320)를 컨트롤할 수 있다. 예를 들어, 시편의 밀링 가공시에는, 표면의 정밀 가공을 위해 딤플링 가공시보다 작은 세기의 레이저 빔이 시편에 조사되어야 하므로, 제어기(500)는 작은 파워의 전력이 레이저 발진기(도 3의 도면 번호 346)에 인가되도록 전원 공급 부재(320)를 컨트롤할 수 있다. 또한, 시편의 딤플링 가공시에는, 딤플(DP)의 바닥 벽의 두께가 대략 1㎛가 되도록 가공되어야 하므로, 두께 측정 유닛(400)에서 측정된 딤플(DP)의 바닥 벽의 두께가 대략 1㎛정도일 때, 제어기(500)는 레이저 발진기(346)로 인가되는 전력이 차단되도록 전원 공급 부재(320)를 컨트롤할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 시편 가공 장치(10)를 이용하여, 도 1에 도시된 시편들(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)을 레이저 가공하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 적층 시편의 슬라이싱 가공을 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 스테이지(100) 상에 적층 시편(SP1)이 로딩된다. 적층 시편(SP1)은 스테이지(100)의 회전에 의해 제 1 방향(Ⅰ)과 제 2 방향(Ⅱ)으로 정렬되고, 스테이지(100)의 수평 이동에 의해 초기 가공 위치로 이동된다. 레이저 유닛(300)은 적층 시편(SP1)을 향해 수직하게 아래 방향으로 레이저 빔(LB)을 조사하고, 적층 시편(SP1)은 스테이지(100)의 이동에 의해 제 1 방향(Ⅰ)으로 직선 이동된다. 이때, 적층 시편(SP1)은 레이저 유닛(300)이 조사하는 레이저 빔(LB)에 의해 제 1 방향(Ⅰ)으로 절단된다. 절단된 슬라이싱 시편(SP2)의 두께는 대략 0.5 내지 1 mm 범위일 수 있다. 그리고 레이저 유닛(300)은, 레이저 빔(LB)을 이용한 가공의 가속화를 위해, 레이저 빔(LB)이 조사되는 적층 시편(SP1)의 영역에 식각 가스(EG)를 분사할 수 있다.
도 5는 슬라이싱 시편의 펀칭 가공을 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 슬라이싱 시편(SP2)은 적층 면이 스테이지(100) 상에 놓이도록 작업자 또는 로봇(미도시)에 의해 눕혀진다. 슬라이싱 시편(SP2)은 스테이지(100)의 수평 이동에 의해 초기 가공 위치로 이동된다. 레이저 유닛(300)은 슬라이싱 시편(SP2)을 향해 수직하게 아래 방향으로 레이저 빔(LB)을 조사하고, 슬라이싱 시편(SP2)은 스테이지(100)의 회전에 의해 자기 중심축을 중심으로 회전된다. 이때, 슬라이싱 시편(SP2)은 레이저 유닛(300)이 조사하는 레이저 빔(LB)에 의해 원판 형상으로 절단된다. 절단된 원판 형상의 펀칭 시편(SP3)은 대략 3 mm 정도의 직경을 가질 수 있다. 그리고 레이저 유닛(300)은, 레이저 빔(LB)을 이용한 가공의 가속화를 위해, 레이저 빔(LB)이 조사되는 슬라이싱 시편(SP2)의 영역에 식각 가스(EG)를 분사할 수 있다.
도 6은 펀칭 시편의 그라인딩 가공을 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 펀칭 시편(SP3)을 제외한 나머지 슬라이싱 시편(SP2)은 작업자 또는 로봇(미도시)에 의해 스테이지(100)로부터 제거된다. 펀칭 시편(SP3)은 스테이지(100)의 수평 이동에 의해 초기 가공 위치로 이동된다. 레이저 유닛(300)은 펀칭 시편(SP3)을 향해 수직하게 아래 방향으로 레이저 빔(LB)을 조사하고, 펀칭 시편(SP3)은 스테이지(100)의 이동에 의해 제 1 방향(Ⅰ)과 제 2 방향(Ⅱ)으로 직선 이동된다. 이때, 펀칭 시편(SP3)의 상면은 레이저 유닛(300)이 조사하는 레이저 빔(LB)에 의해 연마된다. 레이저 유닛(300)은, 레이저 빔(LB)을 이용한 가공의 가속화를 위해, 레이저 빔(LB)이 조사되는 펀칭 시편(SP3)의 영역에 식각 가스(EG)를 분사할 수 있다. 이후, 펀칭 시편(SP3)은 작업자 또는 로봇(미도시)에 의해 플립(Flip)된 후 스테이지(100)에 놓인다. 펀칭 시편(SP3)의 하면은 상면의 그라인딩 가공과 동일한 방식으로 연마된다. 양면이 연마된 그라인딩 시편(SP4)의 두께는 대략 100㎛ 정도일 수 있다.
도 7은 그라인딩 시편의 딤플링 가공을 보여주는 도면이다. 도 2, 도 6 및 도 7을 참조하면, 그라인딩 시편(SP4)은 스테이지(100)의 수평 이동에 의해 초기 가공 위치로 이동된다. 레이저 유닛(300)은 그라인딩 시편(SP4)을 향해 수직하게 아래 방향으로 레이저 빔(LB)을 조사하고, 그라인딩 시편(SP4)은 스테이지(100)의 이동에 의해 제 1 방향(Ⅰ)과 제 2 방향(Ⅱ)으로 직선 이동된다. 이때, 그라인딩 시편(SP4)의 상면에는 레이저 유닛(300)이 조사하는 레이저 빔(LB)에 의해 오목한 형상의 딤플(DP)이 가공된다. 가공 진행 중 딤플(DP)의 바닥 벽의 두께는 두께 측정 유닛(400)에 의해 측정되고, 1 ㎛ 정도의 두께를 가지는 딤플링 시편(SP5)이 형성될 때까지 딤플(DP) 가공이 진행된다. 레이저 유닛(300)은 레이저 빔(LB)을 이용한 가공의 가속화를 위해 식각 가스(EG)를 분사할 수 있다.
도 8a는 딤플링 시편의 단면을 보여주는 도면이고, 도 8b는 최종 분석 시편의 단면을 보여주는 도면이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 딤플링 시편(SP5)은 밀링 가공에 의해 최종 분석 시편(SP6)으로 형성된다. 밀링 가공은 도 7에 도시된 딤플링 가공과 유사한 방식으로 진행되므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다. 다만, 밀링 가공은 딤플(DP) 바닥 벽의 보다 얇고 미세한 긁힘(Scratch)을 제거하기 위한 표면 정밀 가공이므로, 밀링 가공에 사용되는 레이저 빔의 세기는 딤플링 가공에 사용되는 레이저 빔의 세기보다 작을 수 있다. 밀링 가공된 최종 분석 시편(SP6)에는 바닥 벽의 두께가 대략 0.5 ~ 1 ㎛인 딤플(DP)이 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 시편 가공 장치(10)는, 초기 상태의 적층 시편을 스테이지에 로딩한 상태에서, 레이저를 이용한 시편 가공 공정들을 순차적으로 진행하여 최종 분석 시편을 제조할 수 있다. 이를 통해, 최종 분석 시편의 제조에 소요되는 시간이 단축되고, 최종 분석 시편의 품질이 향상될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 스테이지 200: 스테이지 구동기
300: 레이저 유닛 320: 전원 공급 부재
340: 레이저 빔 조사 부재 360: 식각 가스 분사 부재
400: 두께 측정 유닛 500: 제어기

Claims (10)

  1. 시편이 놓이는 스테이지; 및
    상기 스테이지의 상부에 배치되고, 상기 시편을 레이저(Laser) 가공(加工)하는 레이저 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시편은 딤플(Dimple)을 가지는 최종 시편의 제조를 위한 중간 단계의 예비 시편을 포함하며,
    상기 레이저 가공은 레이저 빔을 이용한 상기 예비 시편의 절단(Cutting), 연마(Grinding), 딤플링(Dimpling), 그리고 밀링(Miling)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 가공 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 유닛은,
    전원 공급 부재;
    상기 전원 공급 부재가 공급하는 전력을 이용하여 상기 레이저 빔을 생성하고, 상기 레이저 빔을 상기 예비 시편에 조사하는 레이저 빔 조사 부재; 및
    상기 레이저 빔이 조사되는 상기 예비 시편의 영역에 식각 가스를 분사하는 식각 가스 분사 부재를 포함하고,
    상기 레이저 가공에 따라 상이한 크기의 전력을 상기 레이저 빔 조사 부재에 인가하도록 상기 전원 공급 부재를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 가공 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 유닛에 의해 딤플링 또는 밀링되는 상기 딤플의 바닥 벽의 두께를 측정하는 두께 측정 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 가공 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 두께 측정 유닛은,
    상기 딤플의 바닥 벽에 광을 조사하는 발광부;
    상기 딤플의 바닥 벽에서 반사된 반사 광을 수신하는 수광부; 및
    상기 수광부로부터 상기 반사 광의 파장 검출 신호를 전달받고, 상기 반사광의 파장에 따른 상기 바닥 벽의 두께를 분석하는 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 가공 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이지를 수직/수평 이동 및 회전시키는 스테이지 구동기를 더 포함하며,
    상기 스테이지 구동기는 상기 레이저 유닛에 대해 상기 스테이지를 상대 이동시키는 것을 특징으로 하는 시편 가공 장치.
  7. (a) 복수 개의 절단된 기판을 적층하여 시편을 준비하는 단계;
    (b) 상기 시편을 시료 분석에 적합한 크기로 절단하고 연마하는 단계;
    (c) 상기 시편에 딤플을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 딤플의 바닥 벽을 밀링하는 단계를 포함하되,
    상기 (b), (c) 및 (d) 단계는 상기 시편에 레이저 빔을 조사하여 수행되는 것을 특징으로 하는 시편 가공 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (b), (c) 및 (d) 단계는 상기 시편의 레이저 빔 조사 영역에 식각 가스를 공급하면서 수행되는 것을 특징으로 하는 시편 가공 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 (b), (c) 및 (d) 단계는 상기 레이저 빔의 조사 위치를 기준으로 상기 시편을 상대 운동시키면서 수행되는 것을 특징으로 하는 시편 가공 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 (c) 및 (d) 단계는 상기 딤플의 바닥 벽에 조사된 광에 대응하는 반사광의 파장을 검출하여 상기 딤플의 바닥 벽의 두께를 측정하면서 수행되는 것을 특징으로 하는 시편 가공 방법.
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