KR20110139007A - Substrate dicing method by nano void array formation using femtosecond pulse lasers - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for cutting for nano-void array forming by femtosecond laser is provided to improve the cutting and processing efficiency of a transparent material by forming nano-void array using femtosecond laser. CONSTITUTION: A method for cutting for nano-void array forming by femtosecond laser comprises next steps. A pole first grade femtosecond laser is condensed to a condensing lens(120) and radiates laser beam to a transparent material or substrate. The plasma defocusing is performed by multi-photon ionization. Self focusing is performed due by Kerr Lens. Nano-Void Array(210) is formed on a substrate and cut. The energy per pulse has the energy value on the substrate in order to become over the threshold energy 0.2uJ for the void formation.

Description

펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법{Substrate Dicing Method by Nano Void Array Formation using Femtosecond Pulse Lasers}Substrate Dicing Method by Nano Void Array Formation using Femtosecond Pulse Lasers}

본 발명은 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법에 관한 것으로, 좀 더 상세히는 투명재료, 웨이퍼 및 기판을 보다 효과적으로 절단할 수 있는 절단방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a cutting method by forming a nano void array by a femtosecond laser, and more particularly, to a cutting method capable of more effectively cutting a transparent material, a wafer and a substrate.

글라스, 실리콘, 세라믹 등의 취성기판을 절단하여 분리시키는 데 사용되는 방법으로는, 스크라이빙(Scribing), 블레이드 다이싱(Blade Dicing), 레이저 절단, 스텔스 다이싱(Stealth Dicing) 및 TLS(Thermal Laser Seperation) 등의 절단 방법이 사용되고 있다. 이 중, 스크라이빙과 블레이드 다이싱 방법은 기계적인 절단 방법이고, 스텔스 다이싱과 TLS 방법은 레이저를 이용한 비접촉식 절단 방법이다.Methods used to cut and separate brittle substrates such as glass, silicon, ceramics, etc. include scribing, blade dicing, laser cutting, stealth dicing and thermal Laser Seperation) is used. Among them, the scribing and blade dicing methods are mechanical cutting methods, and the stealth dicing and TLS methods are non-contact cutting methods using lasers.

기존 기계적 절단 방법은, 가공 시 다량의 칩을 형성하며 잔류응력 등을 가공물에 남기게 되므로, 100 um 이하의 박막에서는 심각한 파손과 찢어짐을 유발시킨다.Existing mechanical cutting methods form a large amount of chips during processing and leave residual stresses on the workpiece, which causes severe breakage and tearing in thin films of 100 um or less.

기존 레이저 기반 가공은 열전달을 기반으로 하는 가공공정으로, 이로 인한 Thermal Load가 커 열영항지대(HAZ: Heat Affected Zone)를 형성하므로, 가공물에 금이 가거나 강도를 떨어뜨리는 등의 한계점을 가지며, 가공물의 흡수도에 따라 가공 정도가 달라져 다양한 재료로 이루어진 다층구조를 절단하는데 어려움이 있다.Conventional laser-based machining is a process based on heat transfer, which results in a large thermal load resulting in the formation of a heat-affected zone (HAZ), which has limitations such as cracking or deterioration of the workpiece. Depending on the degree of absorption, the degree of processing is different, there is a difficulty in cutting a multi-layer structure made of a variety of materials.

스텔스 다이싱 방법과 TLS 방법은 기판을 표면에서 직접 제거하지 않고, 기판 내부에 변형층을 형성하거나, 인장 잔류 응력을 발생시켜 기판을 절단하므로 절단 과정에서 파편 혹은 입자의 발생을 줄일 수 있다. 하지만 이 역시 열적 공정을 기반으로 하여 열영향지대가 형성되며, 잔류 응력 등이 그대로 남아 기판의 특성을 변화시킨다. 또한 TLS의 경우 열을 냉각시키는 냉각제의 별도 클리닝이 요구되는 제한점을 가진다.The stealth dicing method and the TLS method do not directly remove the substrate from the surface, but form a strained layer inside the substrate or generate a tensile residual stress to cut the substrate, thereby reducing generation of debris or particles during the cutting process. However, this also forms a thermal zone based on the thermal process, the residual stress, etc. remain as it is to change the characteristics of the substrate. In addition, TLS has a limitation in that separate cleaning of the coolant to cool the heat is required.

극초단 펄스 레이저 절단 및 가공은, 기존의 펄스 레이저는 피가공물을 열적으로 여기시킴으로써, 물질의 상을 변화시켜 가공을 수행한다. 이에 반해, 극초단 펄스 레이저(펄스 폭 10 ps 이하)는 극초단 펄스의 높은 첨두출력을 이용하여 피가공물을 플라즈마 상태로 직접 변화시켜 제거하거나 물질의 상태를 변화시키는 것을 기반으로 한다. 또한, 좁은 펄스 폭으로 인해 주변 물질로 열이 전도되기 전에 모든 가공이 수행되므로, 가공 주변 부에 영향을 주지 않는 깨끗하고 정밀한 가공이 가능하다.Ultrashort pulsed laser cutting and processing, conventional pulsed lasers thermally excite the workpiece, thereby changing the phase of the material to perform the processing. In contrast, ultrashort pulse lasers (pulse widths less than 10 ps) are based on the high peak power of the ultrashort pulses to directly remove or remove the workpiece into the plasma state or change the state of the material. In addition, because of the narrow pulse width, all processing is performed before heat is conducted to the surrounding material, thereby enabling clean and precise processing without affecting the processing peripheral portion.

극초단 펄스 레이저의 가공에 있어서의 장점으로는 기존 레이저 가공에서 요구되는 피가공물의 비결정적 결함전자(Defect Electron)에 의존하지 않고, 비선형 광흡수에 의해 가공이 시작 및 진행된다. 따라서 가공물에 의존하지 않는 결정적 공정(Deterministic)으로 가공의 제어가 매우 용이하다. 극초단 펄스 앞단의 수십 펨토초에 해당하는 시간 동안 비선형 이온화를 통해 시드 전자(Seed Electron)군이 충분히 생성되고, 이를 통해 가공이 시작 및 진행된다. 따라서 가공 부위의 선택성과 공정의 반복성을 크게 높일 수 있으므로, 실제 응용 분야에 적용에 있어서 매우 유리하다.Advantages in the processing of ultra-short pulse lasers are that processing starts and proceeds by nonlinear light absorption, without depending on the non-defective defect electrons of the workpiece required in conventional laser processing. Therefore, the control of the machining is very easy with a deterministic process that does not depend on the workpiece. Seed electron groups are sufficiently generated through nonlinear ionization for tens of femtoseconds in front of the ultra-short pulse, and processing starts and progresses. Therefore, the selectivity of the processing site and the repeatability of the process can be greatly increased, which is very advantageous in application to practical applications.

극초단 펄스 레이저가 투명재료 가공에 있어서 가지는 장점은, 비선형 광흡수 현상에 의해 초점 부근의 부피에만 가공 및 변화를 집중시킬 수 있고, 가공 정밀도를 높일 수 있으며, 주변 영역에 응력변화를 최소화 할 수 있다.The advantage of ultra-short pulse laser in the processing of transparent materials is that it can concentrate processing and change only on the volume near the focus by nonlinear light absorption phenomenon, improve processing accuracy and minimize stress change in the surrounding area. have.

비선형 광흡수 현상은 피가공 물질의 물성에 의존하지 않으므로 다양한 피가공물의 가공이 가능하며, 특히 서로 다른 다양한 물질들의 조합 및 층으로 구성된 가공물을 단일 레이저로 용이하게 가공할 수 있다. Non-linear light absorption phenomenon does not depend on the physical properties of the workpiece, it is possible to process a variety of workpieces, in particular a workpiece consisting of a combination of different materials and layers can be easily processed with a single laser.

펨토초 레이저 마이크로 가공 원리는 극초단 레이저 기반 광학 브레이크다운(Optical Breakdown)을 기반으로 하는데, 광 에너지가 물질에 전파되고, 이는 다수의 전자를 이온화 시킨다.The femtosecond laser micromachining principle is based on an ultra-short laser-based optical breakdown, in which light energy propagates through the material, which ionizes a large number of electrons.

이 결과 에너지가 물질의 래티스(Lattice)로 전달되어 물질의 상변화 혹은 구조적 변화를 발생시킴. 레이저 집속 구역에 집중된 굴절률의 변화 및 공동(void)을 생성하기도 한다. 10 fs 이상의 펄스 폭을 가질 경우, 비선형적으로 여기된 전자는 광자를 통한 선형적 흡수 메커니즘을 통해 충분한 에너지를 얻어 다른 속박 전자를 추가 여기시키는 아발란치(Avalanche) 이온화 과정을 발생 시켜, 추가 가공속도의 향상을 가져온다.As a result, energy is transferred to the material's lattice, causing a phase change or structural change in the material. It also produces voids and changes in refractive index concentrated in the laser focusing zone. For pulse widths greater than 10 fs, nonlinearly excited electrons generate sufficient energy through a linear absorption mechanism through the photons, resulting in an Avalanche ionization process that further excites other bond electrons, resulting in further processing. It brings speed improvement.

일본 선행 발명에서는 개구수가 비교적 낮은 0.5 내외의 느린 렌즈를 사용하여 비선형 광학 현상을 유도하여 필라멘트(Filamentation) 형성 기반의 절단방법을 제안하였다. 이러한 느린 렌즈 기반의 필라멘트 가공의 경우, Void와 같은 부분적 제거영역이 생성되지 못하고, 광학적 특성이 바뀌는 긴 개질영역이 형성되게 된다. 개질영역을 형성하는 과정에서 펨토초 펄스의 에너지가 긴 영역에 분포되므로, 개질을 위해서는 높은 수준의 에너지가 소모되어, 유리 가공의 경우 노출시간이 0.25분 ~ 25분 수준으로 상당히 느린 가공이 수행되게 되며, 또한 느린 렌즈에 의해 자체 집속현상이 약하게 유도되기 때문에 수백 um 깊이에서 필라멘트가 생성되기 시작하고, 그 길이는 수백 um 이상 수준에 해당하므로, 100 um 내외의 얇은 두께를 가지는 LED용 사파이어 웨이퍼 및 반도체 웨이퍼 등의 얇은 투명재료의 가공 및 절단에 있어서는 상당히 불리한 특성을 가지는 것으로 보고되고 있다.
In the Japanese prior art, a filamentation-based cutting method was proposed by inducing nonlinear optical phenomena using a slow lens having a relatively low numerical aperture of about 0.5. In the case of such slow lens-based filament processing, partial removal regions such as voids are not generated, and long modified regions in which optical characteristics are changed are formed. Since the energy of the femtosecond pulse is distributed in the long region in the process of forming the reformed region, a high level of energy is consumed for the reforming, and in the case of glass processing, the processing time is considerably slow with 0.25 to 25 minutes. In addition, since the self-focusing phenomenon is weakly induced by the slow lens, the filament starts to be produced at a depth of several hundred um, and the length corresponds to the level of several hundred um or more. It has been reported to have quite disadvantageous properties in the processing and cutting of thin transparent materials such as wafers.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 극초단 펄스 레이저의 비선형 광학 현상을 응용하여, 초점깊이 방향으로 Nano-Void Array를 생성함으로써 얇은 투명재료 기판의 효과적인 절단 및 가공방법을 제공하고자하는데 그 목적이 있다.
The present invention to solve the above problems by applying the nonlinear optical phenomenon of the ultra-short pulse laser, to provide an effective cutting and processing method of a thin transparent material substrate by generating a nano-void array in the focal depth direction There is this.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 극초단 펨토초 레이저를 개구수(NA)가 0.7 내지 0.95를 가지는 집광렌즈로 집광시켜 투명재료 또는 기판에 조사함으로써, 비선형 커렌즈(Kerr Lens) 현상에 의한 자체 집속(Self Focusing)과 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization) 현상에 의한 플라즈마 디포커싱(Plasma Defocusing) 되도록 하여 기판에 나노 보이드 어레이(Nano-Void Array)를 형성한 후 절단하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, by condensing an ultra-short femtosecond laser with a condensing lens having a numerical aperture (NA) of 0.7 to 0.95 and irradiated to a transparent material or a substrate, to a nonlinear Kerr Lens phenomenon Plasma defocusing by self focusing and multi-photon ionization to form nano-void arrays on the substrate and then cutting them. .

또한, 상기 펨토초 레이저는, 펄스 당 에너지가 투명재료 또는 기판에 Void 형성을 위한 문턱 에너지 0.2uJ 이상이 되도록 에너지 값을 가지는 것을 특징으로 한다.In addition, the femtosecond laser is characterized in that the energy per pulse has an energy value such that the threshold energy for forming the void on the transparent material or the substrate is 0.2uJ or more.

또한, 상기 나노 보이드 어레이 형성 후에는 투명재료 또는 기판을 기계적, 열적 응력, 초음파 진동 중 어느 하나의 방법을 통해 기판을 절단하는 것을 특징으로 한다.In addition, after the nano-void array is formed, the substrate is cut through any one of mechanical, thermal stress, and ultrasonic vibration of the transparent material or the substrate.

또한, 상기 나노 보이드 어레이는, 상기 펨토초 레이저 펄스의 펄스폭, 펄스당 에너지, 집광렌즈의 수치구경 및 초점거리의 조정을 통해 수, 형태 및 간격을 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the nano void array is characterized in that the number, shape and interval is controlled by adjusting the pulse width of the femtosecond laser pulse, the energy per pulse, the numerical aperture and the focal length of the condenser lens.

또한, 상기 나노 보이드 어레이를 투명재료 또는 기판에 비스듬히 형성되도록 펨토초 레이저를 조사하여 형성시키는 것을 특징으로 한다.The nano-void array may be formed by irradiating a femtosecond laser so as to be formed obliquely on a transparent material or a substrate.

또한, 상기 극초단 펨토초 레이저는, 펄스 폭 10 ps 이하의 펨토초 레이저에 해당하는 것을 특징으로 한다.In addition, the ultra-short femtosecond laser is characterized in that the femtosecond laser having a pulse width of 10 ps or less.

또한, 극초단 펨토초 레이저를 집광렌즈로 집광시켜 투명재료 또는 기판에 조사함으로써, 비선형 커렌즈(Kerr Lens) 현상에 의한 자체 집속(Self Focusing)과 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization) 현상에 의한 플라즈마 디포커싱(Plasma Defocusing) 되도록 하여 기판에 나노 보이드 어레이(Nano-Void Array)를 형성한 후 절단하는 것을 특징으로 한다.In addition, the ultra-short femtosecond laser is focused by a condensing lens and irradiated to a transparent material or a substrate, so that plasma is generated by self-focusing and multi-photon ionization caused by a nonlinear Kerr lens phenomenon. Plasma Defocusing to form a nano-void array (Nano-Void Array) on the substrate is characterized in that the cutting.

또한, 상기 집광렌즈는, 개구수(NA)가 0.7 내지 0.95를 가지는 것을 특징으로 한다.The condensing lens may have a numerical aperture NA of 0.7 to 0.95.

또한, 상기 펨토초 레이저는, 펄스 당 에너지가 투명재료 또는 기판에 Void 형성을 위한 문턱 에너지 0.2 uJ 이상이 되도록 에너지 값을 가지는 것을 특징으로 한다.In addition, the femtosecond laser is characterized in that the energy per pulse has an energy value such that the threshold energy for forming the void on the transparent material or the substrate is 0.2 uJ or more.

또한, 상기 나노 보이드 어레이 형성 후에는 투명재료 또는 기판을 기계적, 열적 응력, 초음파 진동 중 어느 하나의 방법을 통해 기판을 절단하는 것을 특징으로 한다.In addition, after the nano-void array is formed, the substrate is cut through any one of mechanical, thermal stress, and ultrasonic vibration of the transparent material or the substrate.

또한, 상기 나노 보이드 어레이는, 상기 펨토초 레이저 펄스의 펄스폭, 펄스당 에너지, 집광렌즈의 수치구경 및 초점거리의 조정을 통해 수, 형태 및 간격을 제어하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the nano void array is characterized in that the number, shape and interval is controlled by adjusting the pulse width of the femtosecond laser pulse, the energy per pulse, the numerical aperture and the focal length of the condenser lens.

이와 같이 구성되는 본 발명은 극초단 펨토초 레이저를 통해 나노 보이드 어레이를 형성하여 투명재료의 절단 및 가공 효율을 크게 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 이는 기존의 필라멘트 기반에서는 가공이 불가능한 얇은 투명재료의 효율적인 절단 및 가공을 가능하게 하는 효과가 있다.The present invention configured as described above has an advantage of greatly improving cutting and processing efficiency of the transparent material by forming a nano void array through an ultra-short femtosecond laser. This has the effect of enabling efficient cutting and processing of thin transparent materials that cannot be processed on existing filament bases.

또한, 가공재료에 광원이 비스듬히 입사하도록 하여 얇은 두께의 시편을 가공할 시에는 한 번에 가공되는 깊이를 증가시킬 수 있다.
In addition, when the light source is obliquely incident on the processing material, when processing a thin specimen, it is possible to increase the depth to be processed at once.

도 1은 본 발명에 따른 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 절단방법의 비선형 광학현상을 나타낸 것으로, <A>, <B>는 각각 커렌즈(Kerr Lens) 현상에 의한 자체집속 현상과 다중광자흡수에 의한 플라즈마 디포커싱을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 절단방법에서 극초단 펨토초 펄스 레이저의 비선형 광학현상을 이용한 투명재료 내부의 Nano Void Array의 형성 원리를 나타낸 도면,
도 4는 극초단 펨토초 펄스 레이저를 비스듬히 입사시킴으로써 Nano Void Array 생성에 의한 가공면이 가공재료에 비스듬히 길게 형성되어 한번에 가공되는 깊이를 증가시킨 형태를 도시한 도면.1 is a schematic configuration diagram of a cutting method through forming a nano void array by a femtosecond laser according to the present invention,
FIG. 2 shows nonlinear optical phenomena of the cutting method according to the present invention, wherein <A> and <B> show self-focusing phenomenon by Kerr lens phenomenon and plasma defocusing by multi-photon absorption, respectively. ,
3 is a view showing a principle of forming a nano void array inside a transparent material using the nonlinear optical phenomenon of the ultra-short femtosecond pulse laser in the cutting method according to the present invention,
4 is a view showing a form in which the processing surface by the nano-Void Array generation is formed obliquely long in the processing material by increasing the depth to be processed at one time by inclining the ultra-short femtosecond pulse laser at an angle.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the cutting method through the nano-void array formed by the femtosecond laser according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 펨토초 레이저(100)의 나노 보이드 배열형성을 통한 절단방법은, 극초단 펨토초 레이저를 개구수(NA)가 0.7 내지 0.95를 가지는 집광렌즈(120)로 집광시켜 투명재료 또는 기판에 조사함으로써, 비선형 커렌즈(Kerr Lens) 현상에 의한 자체 집속(Self Focusing)과 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization) 현상에 의한 플라즈마 디포커싱(Plasma Defocusing) 되도록 하여 기판에 나노 보이드 어레이(Nano-Void Array; 210))를 형성한 후 절단하는 것을 특징으로 한다.Cutting method through the nano-void array formation of the femtosecond laser 100 according to the present invention, by condensing the ultra-short femtosecond laser with a condensing lens 120 having a numerical aperture (NA) of 0.7 to 0.95 to irradiate a transparent material or a substrate By doing so, it is possible to perform plasma defocusing by self-focusing and multi-photon ionization by a nonlinear Kerr lens phenomenon, thereby forming a nano-void array on a substrate. 210)) and then cutting.

본 발명에 따른 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법은 바람직하게는 투명재료 또는 기판을 절단하는데 있어, 펨토초 레이저를 이용한 커렌즈 현상과 다중광자이온화 현상을 통해 나노 보이드 어레이를 형성시킨 후 절단하는 것이 주요 기술적 요지이다. 극초단 펨토초 레이저 펄스는 초점에서의 높은 첨두출력으로 인해 투명재료 내부에 비선형 광학현상을 유도할 수 있다. 이러한 비선형 광학현상으로 본 발명에서는 커렌즈(Kerr Lens Effect) 현상에 의한 자체 집속(Self Focusing)과 다중광자이온화 (Multi-Photon Ionization)현상에 의한 플라즈마 디포커싱(Plasma Defocusing)을 이용한다. 자체집속은 첨두출력이 높은 영역에서 투명재료의 굴절률이 더욱 높아지는 비선형 커렌즈 현상에 의해 발생한다. 이는 투명재료 자체가 렌즈의 역할 수행하도록 하여, 극초단 펨토초 펄스를 공간적으로 모아주는 역할을 한다. 투명재료가 다중광자흡수를 통해 이온화 되어 플라즈마 상태로 변화하게 되면, 이는 레이저 빔이 공간적으로 퍼지는 플라즈마 디포커싱을 유발하게 된다.In the cutting method using the nano-void array according to the present invention, in the cutting of the transparent material or the substrate, it is preferable to cut the nano-void array after forming the nano-void array through the Kerens phenomenon and the multi-photon ionization phenomenon using a femtosecond laser. It's a technical point. Ultra-short femtosecond laser pulses can induce nonlinear optical phenomena inside transparent materials due to the high peak power at the focal point. As such nonlinear optical phenomenon, the present invention uses Plasma Defocusing due to self-focusing and multi-photon ionization by Kerr lens effect. Self-focusing is caused by the nonlinear Kerr phenomenon in which the refractive index of the transparent material becomes higher in the region of high peak power. This allows the transparent material itself to function as a lens, and serves to spatially collect the ultra-short femtosecond pulses. When the transparent material is ionized through multiphoton absorption and changed into a plasma state, this causes plasma defocusing in which the laser beam is spatially spread.

도 1은 본 발명에 따른 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법의 개략적인 구성도이다. 펨토초 레이저 소스(100)는 주로 초정밀 재료가공, 고차조화파 생성을 이용한 극자외선 생성 및 주파수 안정화된 펨토초 레이저에 의해 생성된 광 빗(Optical Comb)으로 고정밀 분광, 광 주파수 측정, 고차 조화파 생성 등의 광범위한 정밀 응용 분야에서 사용되어 왔다. 기존에는 이러한 고출력 펨토초 펄스 혹은 높은 안정도를 갖는 광 빗(Optical Comb)을 생성하기 위한 광원으로 티타늄-사파이어(Ti:sapphire) 펨토초 레이저를 사용하여 왔다. 그러나, 티타늄-사파이어(Ti:sapphire) 펨토초 레이저는 환경에 민감하여 산업적으로 사용하기에는 어려운 점이 있으며, 이에 대한 대안으로 광섬유 기반 펨토초 레이저(fiber femtosecond laser)에 대한 연구가 진행되고 있으며, 광섬유 기반 펨토초 레이저에 의해 생성된 광 빗이 티타늄-사파이어(Ti:sapphire) 펨토초 레이저 광 빗에 비해 높은 위상 잡음 특성을 가지고 있으므로, 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 기존보다 광섬유 기반 펨토초 레이저는 광학적 설계와, 위상잠금회로 기반 제어를 통해 상대적으로 낮은 위상 잡음을 갖는 펨토초 레이저를 사용한다. 어븀 첨가 광섬유를 이득 매질로 갖는 광섬유 펨토초 레이저는 수동적 잠금 모드(passively mode locking)에 의해 통신 대역인 1550nm 파장으로 중심으로 20~80nm의 대역폭을 갖는 광 빗을 생성하고, 이는 시간 영역에서 100 fs 이하의 좁은 펄스를 생성한다. 이터븀 첨가 광섬유는 1030~1060nm 파장을 중심으로 이와 유사한 특성을 지닌다. 1 is a schematic configuration diagram of a cutting method through forming a nano void array by a femtosecond laser according to the present invention. The femtosecond laser source 100 is an optical comb generated mainly by ultra-precision material processing, ultra-ultraviolet harmonic wave generation, and a frequency stabilized femtosecond laser, and thus, high-precision spectroscopy, optical frequency measurement, and higher harmonic wave generation. Has been used in a wide range of precision applications. Conventionally, a titanium-sapphire (Ti: sapphire) femtosecond laser has been used as a light source for generating such a high power femtosecond pulse or an optical comb having high stability. However, titanium-sapphire (Ti: sapphire) femtosecond lasers are environmentally sensitive and difficult to use industrially. As an alternative, studies on fiber femtosecond lasers are being conducted. Since the optical comb generated by has a higher phase noise characteristic than titanium-sapphire (Ti: sapphire) femtosecond laser optical comb, in order to solve this problem, in the present invention, the optical fiber-based femtosecond laser has an optical design and a phase locking circuit. Based control uses a femtosecond laser with relatively low phase noise. An optical fiber femtosecond laser having an erbium-doped fiber as a gain medium produces an optical comb having a bandwidth of 20 to 80 nm centered at a wavelength of 1550 nm, which is a communication band by passive mode locking, which is 100 fs or less in the time domain. Generate a narrow pulse. Ytterbium-doped fiber has similar characteristics with a wavelength of 1030 ~ 1060nm.

상기 펨토초 레이저 소스에서 출력되는 광의 방향을 바꾸기 위하여 선단으로 미러(110)가 설치되고, 상기 미러를 통해 반사되는 광은 집광렌즈(120)로 전달된다. A mirror 110 is installed at the tip to change the direction of the light output from the femtosecond laser source, and the light reflected through the mirror is transmitted to the condenser lens 120.

본 발명에서는 도 1에서 개략적으로 도시된 바와 같이 펨토초 레이저 소스에서 출력되는 펨토초 레이저 광을 타겟에 조사하기 위해 미러와 집광렌즈만을 도시하였지만, 레이저 전달 매체는 당업자라면 다양하게 구성할 수 있는 것으로, 여기서 한정되는 것은 아니다.In the present invention, only a mirror and a condenser lens are shown to irradiate a target with a femtosecond laser light output from a femtosecond laser source as schematically illustrated in FIG. 1, but a laser transmission medium may be variously configured by those skilled in the art. It is not limited.

집광렌즈(120)는 본 발명에 주요한 인자로써, 개구수(NA: Numerical Aperture)가 0.7 ~ 0.95 수준의 빠른 집광렌즈를 이용하여 투명재료 내부에 집광을 하게 되면 자체 집속과 플라즈마 디포커싱 현상이 번갈아 가면서 발생하여 투명재료 내부를 전파한다. 이 과정에서 자체 집속현상이 강하게 유도되어 초점에 해당하는 영역들에서는, 펨토초 펄스의 높은 첨두출력에 인해 이온화 되어 Void Array가 형성되게 되며, 이러한 현상은 다중광자이온화에 의해 일어나게 되므로, 일반 렌즈로 생성된 Void 보다는 작은 Sub m 급 수십 ~ 수백 나노미터 크기의 Void를 생성할 수 있다.Condensing lens 120 is a major factor in the present invention, when the numerical aperture (NA: Numerical Aperture) is concentrated in the transparent material using a fast condensing lens of 0.7 ~ 0.95 level, the self-focusing and plasma defocusing phenomenon alternates Generates and propagates inside the transparent material. In this process, the self-focusing phenomenon is strongly induced, and in the areas corresponding to the focus, it is ionized due to the high peak output of the femtosecond pulse, which forms a void array, and this phenomenon is generated by the multiphoton ionization. Subm grades can produce tens to hundreds of nanometers in size.

도 2는 본 발명에 따른 절단방법의 비선형 광학현상을 나타낸 것으로, <A>, <B>는 각각 커렌즈(Kerr Lens) 현상에 의한 자체집속 현상과 다중광자흡수에 의한 플라즈마 디포커싱을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 절단방법에서 극초단 펨토초 펄스 레이저의 비선형 광학현상을 이용한 투명재료 내부의 Nano Void Array의 형성 원리를 나타낸 도면이다.FIG. 2 shows nonlinear optical phenomena of the cutting method according to the present invention, wherein <A> and <B> show self-focusing phenomenon by Kerr lens phenomenon and plasma defocusing by multi-photon absorption, respectively. 3 is a view showing a principle of forming a nano void array inside a transparent material using the nonlinear optical phenomenon of the ultra-short femtosecond pulse laser in the cutting method according to the present invention.

빠른 렌즈로 극초단 펨토초 펄스를 집광하므로, 수십 m 이내에서 Nano-Void의 생성이 시작되며, 이후 커렌즈 현상에 의한 자체집속 효과가 강하게 일어나면서, 이를 기반으로 국소영역에서 제거 및 강한 개질 영역이 생성된다. 이는 투명재료의 가공 및 절단에 있어서, 100

Figure pat00001
m 내외의 얇은 두께를 가지는 재료의 절단 및 가공을 가능하게 하며, 더불어 깊이 방향으로의 절취선 형태의 가공패턴을 형성하고, 펄스 에너지 및 집광조건을 이용하여 재료의 깊이에 맞게 제거영역을 최적화함으로써 절단 및 가공의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.Ultra-fast femtosecond pulses are condensed by a fast lens, and nano-voids begin to be produced within a few tens of meters, and then the self-focusing effect is strongly generated by the Kerr lens phenomenon. Is generated. It is used for processing and cutting transparent materials.
Figure pat00001
m Allows cutting and processing of materials with a thin thickness, and forms cutting patterns in the depth direction and optimizes the removal area according to the depth of the material by using pulse energy and condensing conditions. And productivity of a process can be improved significantly.

Nano Void Array 형성 시 펄스 당 에너지가 높을수록 긴 영역에서 많은 수의 Void가 형성되게 되는데, NA가 느리거나 낮은 펄스 에너지에서는 단일 Void가 형성된다. Void 형성에 필요한 문턱 에너지는 약 0.2 uJ 이상이다. 이외에도 입사된 펄스의 수가 증가하게 되면 이전에 생성된 Void Array 들이 재료의 Lattice(격자)에 영향을 주어 아래 방향으로 밀리면서 위치가 변화한다. Void Array 사이의 간격은 집광렌즈의 NA와 펄스 당 에너지 및 재료특성 등에 의해 달라지며, 수 um 이상에서 수십 um 수준에 해당한다.When the nano void array is formed, the higher the energy per pulse, the larger the number of voids are formed in the long region. At the low or low NA, a single void is formed. The threshold energy required to form the void is about 0.2 uJ or more. In addition, as the number of incident pulses increases, the position of the previously created Void Arrays affects the material's lattice and pushes downward. The spacing between the void arrays varies depending on the NA, the energy per pulse, and the material properties of the condensing lens.

따라서, 본 발명은 극초단 펨토초 펄스의 투명재료(200) 내에서의 광출력(10)에 따른 비선형 굴절률 변화(11)인 커렌즈(12) 현상에 의한 자체집속(12, 13)과, 광출력(14)에 따른 비선형 광학현상(15)인 다중광자흡수(Multi-Photon Absorption) 및 플라즈마 디포커싱(Plasma Defocusing ; 16)을 이용하여 투명재료 내 개질영역을 형성시킨다.Accordingly, the present invention focuses on the self-focusing 12 and 13 due to the Kerr lens 12 phenomenon, which is the nonlinear refractive index change 11 according to the light output 10 in the transparent material 200 of the ultra-short femtosecond pulse, Multi-Photon Absorption and Plasma Defocusing (16), which are nonlinear optical phenomena 15 according to the output 14, are used to form modified regions in the transparent material.

한편, 본 발명에서 앞서 설명한 바와 같이 형성되는 나노 보이드 어레이를 후행 펄스의 에너지와 집광조건을 조절하여 나노 보이드의 위치 및 크기를 제어할 수 있다. 또한, 극초단 펨토초 펄스의 펄스 폭, 펄스당 에너지, 집광렌즈(120)의 수치구경 및 초점거리의 조정을 통해 Nano Void Array(210)의 수, 형태 및 간격 등을 조절/제어함을 특징으로 한다. 이러한 기술적 구현으로 형성되는 나노 보이드를 통해 투명재료에 절취선 형태의 절단 시작부(미도시)를 생성할 수도 있다.On the other hand, the nano-void array formed as described above in the present invention can control the position and size of the nano-voids by adjusting the energy and condensing conditions of the trailing pulse. In addition, by adjusting the pulse width, the energy per pulse of the ultra-short femtosecond pulse, the numerical aperture and the focal length of the condenser lens 120, the number, shape and spacing of the Nano Void Array 210 are adjusted / controlled. do. Through the nano-void formed by such a technical implementation it is also possible to create a cutting start (not shown) of the cutting line shape in the transparent material.

또한, 극초단 펨토초 펄스를 이용한 필라멘트 현상과는 달리 국부 영역에 집중된 Nano Void Array의 형성을 통해 절단 및 가공의 효율을 향상시킨다. 또한, 극초단 펄스의 다양한 스캐닝(펨토초 레이저 전달 매체) 및 시편의 이송을 통해 효율적인 가공 패턴을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, unlike the filament phenomenon using the ultra-short femtosecond pulse, the efficiency of cutting and processing is improved through the formation of the nano void array concentrated in the local region. In addition, it is characterized by generating an efficient processing pattern through various scanning of ultra-short pulses (femtosecond laser transmission medium) and transfer of specimens.

이와 같이 Nano Void Array 형성 후 가공물의 물리적 최종 절단방법으로는 기계적, 열적 응력 혹은 초음파 진동 등을 통해 가공물을 절단 및 가공하게 된다.As such, the final physical cutting method of the workpiece after forming the nano void array is to cut and process the workpiece through mechanical, thermal stress, or ultrasonic vibration.

도 4는 극초단 펨토초 펄스 레이저를 비스듬히 입사시킴으로써 Nano Void Array 생성에 의한 가공면이 가공재료에 비스듬히 길게 형성되어 한번에 가공되는 깊이를 증가시킨 형태를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이 가공물에 대해 비스듬히 펨토초 레이저를 조사하여 나노 보이드 어레이를 가공물에 대해 비스듬히 형성시켜 절단 및 가공할 수 있다.
4 is a view showing a form in which the processing surface by the nano-Void Array generation is formed obliquely long in the processing material by increasing the depth to be processed at one time by inclining the ultra-short femtosecond pulsed laser at an angle. As shown, the nanovoid array may be formed at an angle to the workpiece by cutting the femtosecond laser at an angle to the workpiece to cut and process the workpiece.

이와 같이 구성되는 본 발명은 커렌즈 현상과 다중광자현상을 이용하여 기판의 내면으로 나노 보이드 어레이를 형성하여 투명재료의 절단 및 가공 효율을 향상시킬 수 있고, 특히 기존의 필라멘트 기반에서는 가공이 불가능한 얇은 투명재료의 효율적인 절단 및 가공을 가능한 이점이 있다. 또한, 가공재료에 광원이 비스듬히 입사하도록 하여 얇은 두께의 시편을 가공할 시에는 한 번에 가공되는 깊이를 증가시킬 수 있다.According to the present invention, the nano-void array is formed on the inner surface of the substrate using Kerr phenomena and multi-photon phenomena to improve the cutting and processing efficiency of the transparent material. There is an advantage that enables efficient cutting and processing of the transparent material. In addition, when the light source is obliquely incident on the processing material, when processing a thin specimen, it is possible to increase the depth to be processed at once.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. On the contrary, those skilled in the art will appreciate that many modifications and variations of the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.

100 : 펨토초 소스
110 : 미러
120 : 집광렌즈
200 : 시편
210 : 나노 보이드 어레이100: femtosecond source
110 mirror
120 condensing lens
200: Psalm
210: Nano Void Array

Claims (11)

극초단 펨토초 레이저를 개구수(NA)가 0.7 내지 0.95를 가지는 집광렌즈로 집광시켜 투명재료 또는 기판에 조사함으로써,
비선형 커렌즈(Kerr Lens) 현상에 의한 자체 집속(Self Focusing)과 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization) 현상에 의한 플라즈마 디포커싱(Plasma Defocusing) 되도록 하여 기판에 나노 보이드 어레이(Nano-Void Array)를 형성한 후 절단하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The ultra-short femtosecond laser is condensed with a condenser lens having a numerical aperture NA of 0.7 to 0.95 and irradiated to a transparent material or substrate,
Nano-Void Array is applied to the substrate by Plasma Defocusing by Self Focusing and Multi-Photon Ionization by Kerr Lens. Cutting after forming a nano void array by a femtosecond laser, characterized in that the cutting after forming. 제 1항에 있어서, 상기 펨토초 레이저는,
펄스 당 에너지가 투명재료 또는 기판에 Void 형성을 위한 문턱 에너지 0.2uJ 이상이 되도록 에너지 값을 가지는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The method of claim 1, wherein the femtosecond laser,
A method of cutting by forming a nano void array by a femtosecond laser, characterized in that the energy per pulse has an energy value such that the threshold energy for forming the void on the transparent material or the substrate is 0.2uJ or more. 제 1항에 있어서,
상기 나노 보이드 어레이 형성 후에는 투명재료 또는 기판을 기계적, 열적 응력, 초음파 진동 중 어느 하나의 방법을 통해 기판을 절단하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The method of claim 1,
After the nano-void array is formed, the method of cutting through the nano-void array formed by a femtosecond laser, characterized in that the substrate is cut through any one of a transparent material or a substrate by mechanical, thermal stress, ultrasonic vibration. 제 1항에 있어서, 상기 나노 보이드 어레이는,
상기 펨토초 레이저 펄스의 펄스폭, 펄스당 에너지, 집광렌즈의 수치구경 및 초점거리의 조정을 통해 수, 형태 및 간격을 제어하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The method of claim 1, wherein the nano void array,
Cutting method by forming a nano void array by a femtosecond laser, characterized in that the number, shape and spacing is controlled by adjusting the pulse width, energy per pulse of the femtosecond laser pulse, the numerical aperture and the focal length of the condenser lens. 제 1항에 있어서, 상기 나노 보이드 어레이를
투명재료 또는 기판에 비스듬히 형성되도록 펨토초 레이저를 조사하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The method of claim 1, wherein the nano void array
A method of cutting through forming a nano void array by a femtosecond laser, characterized in that formed by irradiating a femtosecond laser to be formed obliquely on a transparent material or a substrate. 제 1항 내지 제 5항에 있어서, 상기 극초단 펨토초 레이저는,
펄스 폭 10ps 이하의 펨토초 레이저에 해당하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The method of claim 1 to 5, wherein the ultra-short femtosecond laser,
Cutting method by forming a nano void array by a femtosecond laser, characterized in that the femtosecond laser having a pulse width of less than 10ps. 극초단 펨토초 레이저를 집광렌즈로 집광시켜 투명재료 또는 기판에 조사함으로써,
비선형 커렌즈(Kerr Lens) 현상에 의한 자체 집속(Self Focusing)과 다중광자이온화(Multi-Photon Ionization) 현상에 의한 플라즈마 디포커싱(Plasma Defocusing) 되도록 하여 기판에 나노 보이드 어레이(Nano-Void Array)를 형성한 후 절단하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.By condensing an ultra-short femtosecond laser with a condenser lens and irradiating a transparent material or substrate,
Applying Nano-Void Array to substrate by Plasma Defocusing by Self Focusing and Multi-Photon Ionization by Kerr Lens Phenomenon Cutting after forming a nano void array by a femtosecond laser, characterized in that the cutting after forming. 제 7항에 있어서, 상기 집광렌즈는,
개구수(NA)가 0.7 내지 0.95를 가지는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The method of claim 7, wherein the condensing lens,
A method of cutting through nanovoid array formation by a femtosecond laser, characterized in that the numerical aperture (NA) has 0.7 to 0.95. 제 7항에 있어서, 상기 펨토초 레이저는,
펄스 당 에너지가 투명재료 또는 기판에 Void 형성을 위한 문턱 에너지 0.2uJ 이상이 되도록 에너지 값을 가지는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The method of claim 7, wherein the femtosecond laser,
A method of cutting by forming a nano void array by a femtosecond laser, characterized in that the energy per pulse has an energy value such that the threshold energy for forming the void on the transparent material or the substrate is 0.2uJ or more. 제 7항에 있어서,
상기 나노 보이드 어레이 형성 후에는 투명재료 또는 기판을 기계적, 열적 응력, 초음파 진동 중 어느 하나의 방법을 통해 기판을 절단하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The method of claim 7, wherein
After the nano-void array is formed, a method of cutting through the nano-void array by femtosecond laser, characterized in that the substrate is cut through any one of a transparent material or a substrate by mechanical, thermal stress, ultrasonic vibration. 제 7항에 있어서, 상기 나노 보이드 어레이는,
상기 펨토초 레이저 펄스의 펄스폭, 펄스당 에너지, 집광렌즈의 수치구경 및 초점거리의 조정을 통해 수, 형태 및 간격을 제어하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법.The method of claim 7, wherein the nano void array,
Cutting method by forming a nano void array by a femtosecond laser, characterized in that the number, shape and spacing is controlled by adjusting the pulse width, energy per pulse of the femtosecond laser pulse, the numerical aperture and the focal length of the condenser lens.
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