KR20170058851A - 펨토초 레이저를 이용한 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템 및 이를 이용한 가공방법 - Google Patents

Abstract

다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템은, 펨토초 레이저를 발생하는 펨토초 레이저빔 발생부, 발생된 펨토초 레이저빔을 다이아몬드 다이스로 전달하는 레이저빔 전달부, 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역의 영상을 검출하는 영상부, 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역으로 광을 조사하는 조명부, 다이아몬드 다이스를 고정하고 이동 또는 회전시키는 스테이지부, 및 가공 스테이지부와 시스템을 제어하는 통합 제어부를 포함한다.

Description

펨토초 레이저를 이용한 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템 및 이를 이용한 가공방법 {SYSTEM FOR MACHINING OF DIAMOND DIES HOLE USING FEMTOSECOND LASER AND MACHINING METHOD THEREOF}

본 발명은 다이아몬드 다이스의 홀 가공에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저빔을 이용하여 다이아몬드 다이스의 홀을 가공하는 시스템에 관한 것이다.

반도체 및 기타 산업분야에서 사용되는 텅스텐, 구리, 철, 몰리브덴, 스테인레스와 같은 금속선을 만들기 위해서는 인발가공이 필요하다. 인발가공을 위해서는 홀(hole)이 가운데 형성된 다이스(dies)를 제작하여야 한다.

다이스의 종류에는 천연 다이아몬드 다이스 (natural diamond dies), 합성다이아몬드 다이스 (polycrystalline diamond dies), AD 다이스 (artificial single crystal diamond dies), 초경(tungsten carbide dies) 등이 있다.

다이스 가공은 선별, 평면연마, 수입검사, 소결검사, 케이스 가공, 레이저 가공, 초음파 가공, 연마, 와이어 연마, 레이저 마킹 및 검사와 같은 공정 순서로 진행되며, 이는 1900년 초창기 개발된 다이스 제조 공정 과정으로 현재까지 그 기술이 이용되고 있다.

20 ㎛ 이하의 세선용 홀 및 20~180 ㎛의 중선용 홀 가공을 위해서, 다이스의 홀을 형성하는 중앙부는 천연 다이아몬드 또는 합성 다이아몬드가 사용되며, 이러한 다이아몬드 가공을 위해서는 레이저 가공기술이 필요하다.

도 1은 일반적인 다이아몬드 다이스 구조의 단면을 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 다이아몬드 다이스의 내공구조(profile)를 도시한 도면이다. 도 1에서 보면, 다이스(10)는 가공용 홀을 형성하는 다이아몬드(12)와 다이아몬드(12)를 둘러싸는 분말 소결(14)과 분말 소결(14)을 둘러싸는 스테인레스 스틸 등의 케이스(16)로 이루어져 있다.

도 2에서 다이스 홀은, 입구(Mouth 또는 Enterance), 어프로치(Approach), 리덕션(Reduction), 베어링(Bearing), 백앤릴리프(Back&Relief), 출구(Exit)로 구성된다. 이러한 구성은 다이스로부터 인발가공하여 제작하고자 하는 금속선의 종류 및 굵기에 따라 생략되거나 추가될 수 있다.

입구는 인발을 위해 와이어(Wire)가 다이스(Dies)안에 삽입되어 중심과 일치시키는 부분이고, 어프로치는 마우스와 리덕션 중간부위이다. 리덕션은 와이어가 이 부위의 1/2 또는 1/3 지점에서 마찰이 시작되어 감면이 이뤄지는 부분으로서 강선/연선에 따라 길이와 각도에 차이가 있고, 베어링은 와이어가 통과하여 직경과 표면이 결정되는 부위로서 강선/연선에 따라 길이에 차이가 있다. 백앤릴리프는 와이어가 베어링을 통과하여 원활한 인발이 되도록 유도하는 부분이고, 출구는 와이어가 제조완료되는 마지막 부분이다.

도 2에서, 홀의 구조는 입구에서 세선의 직경을 결정하는 베어링으로 들어가면서 개공각도가 점차 좁아지며, 베어링을 지나면서 출구로 가면서 다시 개공각도가 넓어지는 것을 확인할 수 있다.

다이아몬드는 매질이 투명하고 넓은 투과 파장 영역을 갖고 있어 레이저 가공이 쉽지 않다. 또한, 고출력 레이저를 이용하여 가공할 경우 어블레이션(ablation) 과정에서 흑연성분으로 변화된다. 이와 같은 인발용 다이아몬드 다이스를 가공하기 위해 종래에는 주로 ND:YAG 마이크로초 펄스 레이저 또는 나노초 엑시머 레이저가 사용되었다.

하지만, 마이크로초 또는 나노초 레이저 가공의 경우 레이저 펄스폭이 가공 재료의 열확산 시간보다 길어서 데브리 발생, 마이크로 크랙 전파, 용융층 발생, 충격파에 의한 표면 왜곡 등의 현상이 생기는데, 이러한 현상들은 가공된 재료의 표면을 거칠게 만들어 와이어 및 초음파 연마 과정이 추가로 필요하게 된다.

이러한 추가 연마 과정은 초음파 혼과 다이아몬드 파우더를 이용하여 다이스 내공을 연마하여 사이즈를 조정하고 거친 부분을 1차로 연마한 뒤 다시 와이어와 다이아몬드 파우더를 이용하여 다이스 내공을 2차로 연마한 후 와이어와 다이아몬드 파우더를 이용하여 최종 내공 사이즈를 맞추고 표면을 연마하는 등 고도의 숙련도를 요구하는 복잡한 과정이다. 따라서, 숙련된 작업자가 부족한 경우 작업 자체가 어렵고 또한, 여러 단계의 후 가공 공정에 따라 작업시간이 길어지는 문제가 있다.

또한, 내공이 20 um 이상 되는 다이스의 경우에는 기존 공정을 통해 다이스 생산이 가능하지만 내공이 20 um 이하인 초정밀 다이스의 경우 나노초 레이저의 가공 정밀도가 상대적으로 낮고, 초음파 및 와이어를 사용한 연마 과정의 까다로움으로 인해 공정 수율이 20%이하 수준에 불과하다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 후가공 공정을 줄여 숙련된 작업자의 필요를 줄이고 작업시간을 단축시킬 뿐 아니라, 가공된 홀 사이즈의 크기를 작게 함으로써 초정밀 다이스의 가공 공정 수율을 높일 수 있는 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템은, 펨토초 레이저를 발생하는 펨토초 레이저빔 발생부, 발생된 펨토초 레이저빔을 다이아몬드 다이스로 전달하는 레이저빔 전달부, 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역의 영상을 검출하는 영상부, 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역으로 광을 조사하는 조명부, 다이아몬드 다이스를 고정하고 이동 또는 회전시키는 스테이지부, 및 스테이지부와 시스템을 제어하는 통합 제어부를 포함한다.

이때, 펨토초 레이저의 펄스 에너지는 0.1μJ 내지 5μJ일 수 있다. 이러한 펄스 에너지의 범위는 다이아몬드에 적어도 홀을 형성할 수 있는 에너지 범위이면서 다이아몬드 특성에 맞는 가공성을 높일 수 범위이다. 펄스 에너지의 출력이 너무 높을 경우엔 다이아몬드에 크랙 및 탄화가 발생하여 구멍이 커질 수가 있다.

또한, 펨토초 레이저의 펄스폭은 10 fs 내지 1 ps일 수 있다. 펄스 폭의 범위 역시 레이저 펄스 에너지와 마찬가지로, 다이아몬드 가공성을 최대한 높일 수 있고, 만약, 펨토 단위 이상의 펄스폭 예를 들어, 펄스 폭이 1ps 이상으로 길어질 경우 공정 과정에서 열이 축적되어 표면이 거칠거나 구멍 사이즈가 커질 수 있는 문제점이 나타난다.

또한, 펨토초 레이저의 펄스 반복율은 1kHz 내지 1MHz일 수 있다. 반복률이 높은 경우 공정 과정에서 발생하는 플라즈마 가스를 효율적으로 제거하지 못한 상태에서 다음 레이저 펄스가 가공 재료에 조사될 수 있어, 이러한 플라즈마 가스에 의해 레이저 펄스가 왜곡되어 원하는 가공 품질을 얻지 못할 수 있다. 이러한 현상을 플라즈마 쉴딩(plasma shielding)이라고 하며, 플라즈마 쉴딩 현상을 줄이면서도 가공 속도를 높이기 위해서는 펄스 반복율을 1MHz 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템은 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역의 불필요한 입자를 제거하는 입자 제거부를 더 포함할 수 있다. 가공 도중 가공된 입자(particle)를 제거해야 다이아몬드가 탄화되지 않고 표면도 깨끗하게 가공되기 때문이다.

또한, 펨토초 레이저는 상대적으로 다이아몬드 다이스 홀의 깊이 방향과 수직 방향으로 이동하며 가공물에 조사될 수 있다(Horizontal mode). 레이저 빔이 다이스 홀의 깊이 방향으로 이동하며 가공하는 vertical mode의 경우 굴절율이 높은 다이아몬드에 의해 빔의 집속이 바뀌어 가공이 제대로 되지 않기 때문이다.

본 발명에 의하면, 10㎛ 대역의 초정밀 다이스 홀 가공이 가능해 진다.

또한, 가공된 표면의 거칠기가 매끈하여 후공정 연마과정을 최소화할 있게 된다. 이에 따라 공정 수율 향상 및 공정 자동화가 가능해 진다.

본 출원의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 다이아몬드 다이스 구조의 단면 예시를 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 다이아몬드 다이스의 내공 구조 예시를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템의 개략적인 블록도.
도 4는 도 3의 펨토초 레이저 발생부의 일 예를 도시한 개략적인 구성도.
도 5는 다이아몬드 다이스 홀 가공을 위한 레이저 가공 방법을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템과 나노초 레이저를 이용한 다이스 홀 가공 시스템의 가공 결과 비교 사진.
도 7은 본 발명에 따른 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템의 출력에 따른 가공 결과 비교 사진.
도 8은 본 발명에 따른 다이아몬드 다이스 홀 가공 장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 입자 제거부 위치에 따라 나타나 다이아몬드 다이스 홀의 가공영역을 나타낸 사진.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템의 개략적인 블록도이다. 도 3에서, 본 발명에 따른 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템은, 펨토초 레이저빔 발생부(110), 레이저빔 전달부(120), 영상부(130), 조명부(140), 입자 제거부(150), 스테이지부(160), 및 통합 제어부(170)를 포함하며, 레이저빔 전달부(120)는 다시 빔 출력세기 조절부(Attenuator; 122), 빔크기 확장부(Expander; 124), 광학 거울(mirror; 123), 및 렌즈(lens; 125)를 포함하고, 스테이지부(160)는 다이스 고정부(Dies holder; 162), 및 가공 스테이지(Machining stage; 164)를 각각 포함하고 있는 것을 확인할 수 있다.

펨토초 레이저빔 발생부(110)는 펨토초 레이저빔을 발생한다. 도 4는 도 3의 펨토초 레이저 발생부의 한 예로 처프 펄스 증폭 (chirped pulse amplification: CPA) 구조를 개략적으로 도시화한 구성도이다. 처프 펄스 증폭 기술은 펨토초 펄스 에너지를 높이기 위하여 펄스 확장기(pulse stretcher)를 사용하여 마스터 오실레이터(Master Oscillator)에서 나오는 펄스를 시간적으로 길게 확장한 후에 증폭기(amplifier)에 인가하여 펄스 에너지를 증폭시킨다. 그런 다음, 증폭된 펄스를 펄스 압축기(pulse compressor)를 통과시켜 그 펄스의 시간 폭을 원래의 펨토초 영역으로 복귀시키는 것이다.

도 4에서, 펨토초 레이저 발생부는 마스터 오실레이터(Master Oscilator; 111), 펄스 확장기(Stretcher; 112), 증폭기(Amplifier; 113), 펄스피커(Pulse Picker; 114), 및 펄스 압축기(115)를 포함하고 있으며, 마스터 오실레이터(111)와 증폭기(113)에는 각각 펌핑광의 출력세기를 조절하는 LDD(Laser Diode Driver; 116)가 연결되어 있다.

도 4와 같이 마스터 오실레이터와 펄스 에너지를 증가시키는 증폭기를 결합시키는 형태를 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 구조라고 한다. 이러한 마스터 오실레이터 및 증폭기는 고체형 레이저(Solid-state laser), 광섬유 레이저(Fiber laser), 얇은 디스크 레이저(Thin disk laser), 단일결정 광섬유 레이저(Single crystal fiber laser), 슬래브 레이저(slab laser) 등으로 구성될 수 있다.

또한, 펄스 증폭기는 공진기 내에서 레이저빔이 레이저 매질을 몇 번 통과하느냐에 따라 Single-pass amplifier, Multi-pass amplifier로 구분될 수 있고 재생증폭기(Regenerative amplifier)도 multi-pass amplifier의 한 종류이다. 이러한 단일 또는 여러 종류의 증폭기들을 결합하여 Multi-stage amplifier를 구성하여 고 출력 펄스를 얻는 것도 가능하다.

펄스 에너지를 높이기 위해 증폭기를 사용하지 않고 마스터 오실레이터의 반복율을 높이거나 cavity-dumping과 같은 방법을 쓰는 것도 가능하다.

펨토초 레이저는 짧은 펄스폭과 높은 첨두 출력 특성을 가지며, 이는 가공재료의 열확산시간보다 조사되는 레이저 펄스의 시간이 짧아 물질의 열적 변성이 없는 비열 가공을 가능하게 한다. 즉, 펨토초 레이저는 기존의 나노초 레이저보다 상대적으로 적은 에너지로도 큰 첨두출력을 내기 때문에 고품질의 초정밀 미세가공을 가능하게 한다.

또한, 다광자 흡수라고 불리는 비선형 광학 효과로 레이저 빔의 회절한계보다 미세한 형상의 3차원 가공이 가능하며, 금속, 실리콘, 석영, 유리, 폴리머 등의 재료 뿐만 아니라 다이아몬드와 같은 매질의 가공이 가능하다는 큰 장점이 있다.

즉, 펨토초 레이저는 비선형 광학 현상에 의한 가공 특성으로 일반 레이저 빔이 투과하는 투명한 매질의 가공을 가능하게 할 뿐만 아니라 재료의 기계적, 화학적 손상을 최소로 하여 초정밀 가공이 가능하게 하므로 다이아몬드 미세 가공에 매우 적합하다 할 수 있다.

하지만, 펨토초 레이저 가공은 Laser-induced periodic surface structure(LIPSS)라고 하는 가공 표면의 주기적 패턴을 야기하는데, 이는 입사 레이저와 재료 표면에서 반사된 레이저 사이에서 발생하는 정상파에 의한 간섭무늬이다.

펨토초 레이저로 다이아몬드를 가공했을 경우에도 다이아몬드 표면에 간섭 무늬가 발생하는 데, 이에 대해서는 펨토초 레이저의 편광과 입사 파장, 입사 각도, 레이저 출력세기, 펄스 반복율 등을 조절함으로써, 레이저 연마 효과와 같은 매끄러운 표면을 만들 수 있다. 따라서 다이스에 사용하는 다이아몬드의 내공 표면을 매끄럽게 가공하기 위한 펨토초 레이저의 최적화된 조건을 찾는 것도 중요하다.

펨토초 레이저 펄스(femtosecond(fs) laser pulse)와 같은 극초단 레이저 광원은 높은 첨두 출력의 극초단 펄스(ultrashort pulse)를 발생시키며 펄스의 평균 출력 또한 높아서, 초고속 분광 화학, 고에너지 물리, XUV-파 발생 등 기초 과학 분야에서 폭넓게 활용되고 있을 뿐만 아니라 초미세 레이저 가공, 마이크로 수술 등 다양한 분야에서 그 응용성을 확인할 수 있다.

극초단 레이저 펄스는 짧은 펄스 시간 폭뿐만 아니라 높은 첨두 출력, 넓은 스펙트럼 밴드폭 등의 우수한 특성을 갖고 있다. 이러한 극초단 레이저 펄스를 태양전지, 광메모리, 반도체, 평판 디스플레이 등과 같이 고도의 정밀성을 요구하는 전자부품 및 광 부품의 마이크로 또는 나노 가공 등에 응용할 수 있기 때문에 산업용 극초단 펄스 레이저 시스템의 요구가 증가하고 있다.

상기한 요구를 충족시키기 위해 먼저 극초단 레이저 펄스를 초미세 레이저 가공에 응용하기 위한 조건을 살펴보기로 한다.

첫째로, 레이저 펄스 시간 폭이 대상 물질의 전자-포논 이완시간(electron-phonon relaxation time)보다 많이 짧아서 가공시 열에너지가 가공하고자 하는 부위 주변으로 전달되지 않아야 한다(비열가공; non-thermal processing). 이를 냉각 애블레이션(cold ablation)이라고 한다.

예를 들어 알루미늄의 전자-포논 이완시간은 4.27 피코초(picosecond: ps), 철은 3.5 ps, 구리는 57.5ps이다. 즉, 알루미늄을 초미세 레이저 가공하는 경우에 냉각 애블레이션을 위해서는 피코초 이하의 펄스 시간 폭으로 레이저 펄스를 가하는 것이 바람직하다. 따라서, 펨토초 레이저가 냉각 애블레이션의 초미세 레이저 가공에 가장 적합한 레이저이다.

펨토초 영역의 극초단 레이저 펄스는 비선형 광학 현상을 이용하여 가공 영역에서 열확산을 최소화하고 주위에 잔류 열에 의한 손상을 주지 않기 때문에 기계적 가공이 어려운 매우 단단한 물질의 초미세 가공이 가능하고, 또한 펄스 시간 폭이 짧고 펄스 에너지가 높으며 첨두 출력(peak power)이 높아서 다광자 흡수(multi-photon absorption)라는 비선형 광학 효과(nonlinear optical effect)에 의하여 유리, 폴리머 등의 투명한 재질까지도 다양한 나노미터 스케일의 초정밀 구조물 가공이 가능해진다.

둘째로, 가공하고자 하는 대상 물질들은 대략 수 J/㎠ 이상의 애블레이션 문턱값을 갖는데, 애블레이션 가공을 위해서 가공 부위에 집속되는 레이저 빔의 크기를 고려하면 대략 수 μJ 정도의 펄스 에너지가 요구된다. 물질 가공 응용의 몇몇 경우들은 수십 ~ 수백 μJ 이상의 펄스 에너지가 요구되기도 한다.

이러한 우수한 특성을 갖는 대표적인 레이저로 티타늄사파이어 레이저(Ti:sapphire laser)가 있다. 현재까지 상업적으로 활용가능한 티타늄사파이어 레이저는 대략 수 ~ 수백 펨토초의 펄스 시간 폭, 수 mJ 또는 수 J까지의 펄스 에너지를 제공한다.

하지만, 기존에는 Nd:YVO₄ 레이저와 같은 고가의 고출력 펄스 녹색 레이저를 펌핑 광원으로 사용해야 한다는 것 때문에 펄스 반복률을 수십 kHz 이상 얻기가 어렵다. 또한, 티타늄사파이어 레이저는 시스템 규모가 크고, 가격이 비싸며, 펄스 출력을 안정적으로 유지하기가 어려워 생산현장에서 활용하기가 쉽지 않다는 문제점이 있다.

한편, 다이오드 펌핑된 고체 레이저(diode-pumped solid-state(DPSS) laser) 는 레이저 다이오드와 같이 크기가 작은 광원을 펌핑 광원으로 하고, 고체 레이저 매질을 사용하여 펨토초 레이저를 구성함에 따라 광 펌핑 구조가 간단해져서 레이저 헤드의 크기가 작아지고, 상업적으로 다양한 분야에서 많이 활용되는 파장의 레이저 다이오드는 그 출력 대비 저가이며 펨토초 레이저의 가격을 낮출 수 있어서 비용 절감의 효과가 있다. 또한, 상기 고체 레이저는 광 펌핑 거리가 짧아서 안정적인 레이저 동작이 가능하여 산업용 레이저에 적용하기에 매우 좋은 장점이 있다.

최근에는 반도체 및 전자공학 기술의 향상으로 크기가 매우 작고 효율이 높으면서도 안정적인 고출력이 가능한 레이저 다이오드 어레이, 레이저 다이오드 바 등이 개발되면서 다이오드 펌핑을 이용한 고체 레이저 시스템의 발전이 급성장하고 있다.

이와 같은 레이저 다이오드로 광 펌핑하는 펨토초 레이저 시스템을 구현하기 위해서는 조건에 맞는 레이저 매질(laser material)을 선택하고, 이를 효율적으로 광 펌핑하기 위한 광 펌핑 모듈을 설계 및 제작하는 것이 필수적이다.

주로 다이오드 펌핑을 위한 레이저 매질로는 각각 808㎚와 980㎚ 영역의 레이저 다이오드로 펌핑이 가능한 네오디뮴(neodymium: Nd)과 이테르븀(ytterbium: Yb)과 같은 희토류 이온들이 도핑된 결정들을 많이 사용하고 있다.

고출력 레이저의 발전단계에서 초창기에는 네오디뮴을 도핑한 레이저 결정이 4레벨 구조 및 다양한 흡수선을 갖고 있어서 선호되어 왔지만, 최근에는 더 간단한 에너지 레벨을 갖는 이테르븀을 도핑한 결정이 열적 및 광학적으로 더 우수한 특성을 보이면서 많이 사용되고 있다.

펨토초 레이저 광원을 초미세 레이저 가공 등의 산업 현장에 적용하기 위해서 추가적으로 필요한 조건들이 있다.

예를 들어, 레이저의 펄스 반복률이 낮으면 레이저 가공에 시간이 많이 소요되므로 생산 현장에서의 생산성이 떨어진다. 그러나, 레이저의 펄스 반복률이 높은 것이 좋겠지만 펄스 반복률을 높이는 데에도 제약이 따른다.

만약 펄스 반복률이 너무 높아서 펨토초 레이저 펄스에 의하여 생성된 플라즈마가 소멸되기 전에 다음 레이저 펄스가 온다면, 다음 레이저 펄스는 타겟 부위에 존재하는 플라즈마에 의하여 빔의 진행 방향이 변하거나 펄스 시간 폭이 변하게 되는 등의 나쁜 영향을 받게 된다. 이를 플라즈마 쉴딩(plasma shielding) 이라고 한다.

플라즈마 쉴딩 효과를 억제하기 위해서는 그 플라즈마 이완시간이 지난 후에 다음 레이저 펄스가 인가되어야 한다. 즉, 레이저 펄스와 다음 레이저 펄스의 시간 간격이 플라즈마 이완시간보다 길어야 한다. 플라즈마 이완시간은 가공하고자 하는 매질에 따라 다르지만 레이저 펄스 반복률로 보면 그 반복률이 대략 1MHz 정도에 해당된다.

따라서 생산 현장에서 높은 생산성을 유지하기 위해서는 수백 ㎑ 영역의 펄스 반복률을 갖는 펨토초 레이저가 요구된다.

그리고, 레이저 가공 시스템에 레이저 광원을 장착하고 운용하기 위하여 컴팩트한 크기, 낮은 가격뿐만 아니라 장시간에 걸쳐서 레이저 동작 상태가 변하지 않는 높은 동작 안정성이 요구된다.

펨토초 오실레이터에서 모드록킹(mode locking)으로 펨토초 펄스가 처음 발생할 때는 그 펄스 에너지가 나노 주울(nJ) 정도로 매우 낮아서 레이저 가공 등의 응용에는 적합하지 않다.

펨토초 펄스 에너지를 높이기 위하여 처프 펄스 증폭 (chirped pulse amplification: CPA)기술을 이용한다.

예를 들면, 펄스 확장기(pulse stretcher)를 사용하여 펨토초 오실레이터에서 나오는 펄스를 시간적으로 길게 확장한 후에 증폭기(amplifier)에 인가하여 펄스 에너지를 증폭시킨다. 그런 다음, 증폭된 펄스를 펄스 압축기(pulse compressor)를 통과시켜 그 펄스의 시간 폭을 원래의 펨토초 영역으로 복귀시키는 것이다.

이때 펨토초 오실레이터에서 나오는 펄스들은 증폭기에 인가되는 종자 펄스(seeding pulses) 역할을 하게 된다. 펄스 확장기에서 파장에 따른 경로 차이에 의하여 펄스가 시간적으로 길게 늘어나는 것을 처핑(chirping)이라고 하고, 이러한 과정을 통하여 펄스 에너지를 증폭시키는 기술을 처프 펄스 증폭 기술이라고 한다.

이 기술을 사용하면, 펄스 증폭기의 공진기 안에서 증폭되는 펄스의 첨두 출력을 낮게 유지하여 자체 집속 효과(self-focusing effect) 등에 의하여 레이저 펄스의 시간적 또는 공간적 분포에 발생하는 비선형 변형을 억제할 수 있고, 또한 시스템을 구성하는 광학 부품에 가해질 수 있는 물리적 손상을 방지할 수 있다.

즉, 높은 첨두 출력의 레이저 펄스에 의한 시스템의 손상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 펄스 에너지를 높이기 위하여 펄스 증폭기를 효율적으로 운영할 수 있게 된다.

최근 들어 처프 펄스 증폭 기술에 기반을 두고 다이오드 광원을 이용하여 레이저 매질에 직접 펌핑하는 펨토초 마스터 오실레이터(master oscillator: MO)와 다이오드 광원을 직접 펌핑하는 파워 증폭기(power amplifier: PA)를 결합한 모파(MOPA) 시스템에서 높은 펄스 에너지를 얻을 수 있게 되면서 높은 첨두 출력과 높은 평균출력을 갖는 펨토초 레이저 시스템의 개발에 있어서 큰 진전이 이루어지고 있다.

레이저빔 전달부(120)는 다이스에 입사되는 레이저의 출력세기를 조절하기 위한 빔 출력세기 조절부(Attenuator; 122), 빔크기를 확장시켜 대물렌즈에 의해 집속되는 빔 사이즈를 줄이기 위한 빔크기 확장부(Expander; 124), 펨토초 레이저 발생부(110)에서 가공물까지 빔을 전달하는 다수의 광학 거울 (mirror; 123) 및 가공물에 빛을 집속시키기 위한 렌즈(lens; 125)을 포함한다.

상기 광학 거울(123)은 레이저 빔의 경로를 바꿔주는 역할을 하며 그 수와 위치는 다이스 홀 가공시스템의 규모 혹은 빔 경로에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 빔 경로 변환 수단으로 간단히 거울이라고 명시하였지만 이는 오목거울, 전반사 거울, 볼록 거울, 평판 거울, 이색성 거울 등과 같은 그 외의 빔 경로 변환 수단을 모두 이용할 수 있다.

영상부(130)는 레이저빔이 집속되는 다이아몬드 다이스 영역의 영상을 검출하고, 조명부(140)는 다이스 형상 및 가공 과정을 용이하게 관측하기 위해 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역으로 광을 조사한다.

입자 제거부(150)부는 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역에 생성된 불필요한 입자를 제거한다. 입자 제거부(150)는 가스 블로어(gas blower), 석션(suction) 및 이러한 블로어와 석션의 조합 등으로 구현될 수 있다. 이와 같이 가공 도중 공기(air), 질소(Ntrogen) 등의 가스로 다이아 몬드 다이스 가공시 발생된 입자(particle)를 제거하는 경우, 다이아몬드 다이스 표면이 탄화되지 않고 표면도 깨끗하게 가공된다. 하지만, 가스가 너무 강하거나 습기가 있는 공기를 사용하였을 경우, 다이스 표면에 물방울이 발생하여 집속되는 레이저 빔을 왜곡 시키는 등 가공 공정에 영향을 줄 수 있다.

스테이지부(160)는 다이아몬드 다이스를 기구물에 고정시키는 다이스 고정부(Dies holder; 162), 및 집속된 레이저 빔과 상대적으로 다이스를 이동 또는 회전시키는 가공 스테이지(Machining stage; 164)를 포함한다.

통합 제어부(170)는 상기 스테이지부(160)와 홀 가공 시스템을 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있으며, 상기 스테이지부(160)의 제어를 위해 레이저 빔과 다이스의 상대적 이동 방향, 스테이지의 상대적 속도, 가공 횟수, 가공 거리, 펄스 간격 등을 조절할 수 있다. 또한, 홀 가공 공정을 제어 및 모니터링 하기 위해 레이저의 출력세기, 레이저의 반복율, 레이저 동작 명령 등을 제어 및 모니터링할 수 있으며 실시간으로 가공 영상을 획득하고 저장할 수 있다.

펨토초 레이저는 펄스폭이 좁고 비선형 광학현상에 의해 가공이 이루어지므로 기존의 레이저 가공에 비해 가공 조건뿐만 아니라 가공 방법에도 그 결과가 큰 영향을 받는다. 도 5는 다이아몬드 다이스 홀 가공을 위한 레이저 가공 방법의 한 예를 도시한 도면이다.

다이아몬드 다이스 내공구조는 도 5와 같이 다양한 깊이와 각을 갖는 콘(Cone)의 조합으로 구성될 수 있다. 따라서 다이아몬드 다이스 홀 가공을 위해서는 기본적으로 레이저 빔을 다이아몬드에 조사하여 목적하는 지름과 깊이를 갖는 콘 형태로 다이아몬드를 제거하면 된다.

이때, 다이아몬드를 제거해 나가는 순서는 크게 도 5의 상단 그림과 같이 두 가지로 나눌 수 있다. 즉, 레이저 빔이 다이아몬드 콘의 깊이 방향으로 이동하는 수직 모드(Vertical mode)와 레이저 빔이 다이아몬드와 상대적으로 콘의 깊이와 수직인 방향으로 이동하는 수평 모드(Horizontal mode)가 있다.

도 5의 좌측 하단 도면에서와 같이 수직 모드인 경우에는, 다이아몬드가 깊이 방향으로 먼저 제거되므로 레이저 빔이 콘의 깊이 방향으로 진행할 때 레이저 빔의 일부가 제거되지 않은 다이아몬드에 의해 왜곡될 수 있다.

다시 말해, 레이저 빔은 렌즈(125)에 의해 집속된 형태로 다이아몬드에 조사되는데, 이때 레이저 빔의 개구수(Numerical Aperture; NA)가 상대적으로 커서 제거된 다이아몬드 공간으로 레이저 빔이 충분히 지나가지 못하고 레이저 빔의 일부가 제거되지 않은 다이아몬드를 통과할 경우, 다이아몬드의 높은 굴절율에 의해 레이저 빔의 집속도가 크게 변하게 된다.

이러한 경우 레이저 빔의 초점 크기 (Focal spot size)가 달라질 뿐만 아니라 레이저 빔의 초점이 맺히는 위치도 달라지기 때문에 목적으로 하는 지름과 깊이를 갖는 콘 형태에서 벗어난 모양으로 가공이 이루어 진다.

한편 도 5의 우측 하단 도면에서와 같이 수평 모드인 경우에는, 다이아몬드가 콘의 지름방향으로 먼저 제거되므로, 가공을 위해 레이저 빔이 집속되어 지름 방향으로 이동할 때 레이저 빔이 다이아몬드의 높은 굴절율에 의해 왜곡될 확률이 매우 낮아진다. 따라서, 목적으로 하는 지름과 깊이를 갖는 콘 형태의 다이아몬드 제거를 위해서는 수직 모드에 의한 레이저 가공법보다는 수평 모드에 의한 레이저 가공법이 더욱 바람직하다.

도 6은 펨토초 레이저를 이용하여 다이스 홀 가공 시스템을 구성하여 가공한 결과와 기존의 나노초 레이저를 이용하여 다이스 홀을 가공한 결과를 SEM(Scanning electron microscope)으로 측정하여 비교한 도면이다. 도 6의 왼쪽 그림과 같이 펨토초 레이저로 가공한 경우 표면 거칠기가 200nm 이하로 매우 부드럽게 형성되지만, 나노초 레이저로 가공한 경우 표면이 펨토초 레이저 가공에 비해 거칠게 형성됨을 확인할 수 있다.

이러한 거친 표면은 인발과정에서 금속선을 균일하게 뽑아내지 못하는 장애요소가 되므로 와이어 및 초음파 연마와 같은 작업시간이 길고 까다로운 후공정을 필요로 한다. 또한, 연마과정에서 다이스 홀의 사이즈가 커지게 되므로 10um대역의 초극세선 생산을 위한 다이스의 수율이 급격하게 떨어지게 된다. 하지만, 왼쪽 그림과 같이 펨토초 레이저로 가공한 경우 표면 거칠기가 낮아 후공정 과정을 혁신적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 다이스 홀 사이즈도 10um이하로 줄일 수 있다.

이때, 펨토초 레이저의 펄스폭은 10 fs 내지 1 ps일 수 있다. 펄스 폭의 범위는, 다이아몬드 가공성을 최대한 높일 수 있고, 만약, 펨토 단위 이상의 펄스폭 예를 들어, 펄스 폭이 1ps 보다 길어질 경우 공정 과정에서 열이 축적되어 표면이 거칠거나 구멍 사이즈가 커질 수 있는 문제점이 나타난다.

도 7은 펨토초 레이저의 펄스 에너지에 따른 가공 결과를 비교한 도면이다. 도 7의 상단은 1uJ의 에너지로 다이스를 가공한 결과이며 하단은 10uJ의 에너지로 다이스를 가공한 결과이다. 그림에서 보이는 것처럼 펄스 에너지가 높을 경우에는 다이아몬드 표면이 탄화될 뿐만 아니라 가공 사이즈가 커져서 다이스 홀 지름이 12.4 um에서 61.43 um로 5배정도로 커진 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에서, 펨토초 레이저의 펄스 에너지는 0.1μJ 내지 10μJ일 수 있다. 이러한 펄스 에너지의 범위는 다이아몬드에 적어도 홀을 형성할 수 있는 에너지 범위이면서 다이아몬드 특성에 맞는 가공성을 높일 수 범위이다.

또한, 도 7의 상단 그림은 펨토초 레이저의 펄스 반복율이 500kHz에서 실험한 결과로, 플라즈마 쉴딩 현상이 발생하지 않아 레이저 빔의 왜곡 없이 가공 조건으로 정한 홀 사이즈 10um와 비슷한 크기로 홀 가공이 된 것을 알 수 있다. 이때, 가공 조건으로 정한 홀 사이즈와 실제 가공된 홀 사이즈의 차이는 빔의 집속 크기에 따라 차이가 있을 수 있다.

따라서 본 발명에서, 펨토초 레이저의 펄스 반복율은 1kHz 내지 1MHz일 수 있다. 반복률이 높은 경우 공정 과정에서 발생하는 플라즈마 가스를 효율적으로 제거하지 못한 상태에서 다음 레이저 펄스가 가공 재료에 조사될 수 있어, 이러한 플라즈마 가스에 의해 레이저 펄스가 왜곡되어 원하는 가공 품질을 얻지 못할 수 있다. 이러한 현상을 플라즈마 쉴딩(plasma shielding)이라고 하며, 플라즈마 쉴딩 현상을 줄이면서도 가공 속도를 높이기 위해서는 펄스 반복율을 1MHz 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 앞서 설명했던 바와 같이, 다이아몬드 다이스 홀 가공시 투사되는 레이저빔에 의해 다이스 영역에서 데브리 현상이 일어난다. 이를 줄이기 위하여 공기나 질소를 공급하거나 석션을 통해 가공된 입자를 제거하도록 입자 제거부(150)가 스테이지(160) 상부에 설치된다.

데브리 현상은 가공시 발생된 입자가 제거되지 않아 그 입자에 의해 다이아몬드 가공 표면에 다시 적층되어 정상적이지 않은 가공면이 형성되는 현상으로, 레이저 빔과 가스 블로어에서 불어 나오는 가스의 진행방향간의 각도 혹은 레이저 빔과 석션부에 의해 가공 입자를 석션하는 방향간의 각도에 따라 차이가 많이 나타난다.

즉, 레이저 빔과 가스 블로어 혹은 석션부를 포함하는 입자 제거부 간의 위치를 최적화 시킴이 중요하다.

도 8은 본 발명에 따른 다이아몬드 다이스 홀 가공 장치를 개략적으로 나타낸 도이다.

도시된 바와 같이, 다이아몬드 다이스 홀 가공장치는 다이아몬드 다이스(Material)를 고정시키기 위한 스테이지부(160), 펨토초 레이저 발생부(110), 펨토초 레이저 발생부(110)에서 발생된 레이저 빔을 다이아몬드 다이스에 집속시키기 위한 렌즈(125), 레이저 빔 경로와 일정각을 유지하여 다이아몬드 다이스 홀 가공영역 가스를 블로어 하거나 석션하는 입자 제거부(150)를 포함한다.

스테이지부(160), 펨토초 레이저 발생부(110), 렌즈(125)에 대해선 이미 설명하였으므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

입자 제거부(150)는 도 8에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 다이스 가공시 발생되는 입자를 블로어하기 위하여 가스 블로어 혹은 발생된 입자를 석션하기 위한 석션부를 포함할 수 있다. 또한, 입자 제거부(150)는 가스 블로어와 석션부를 모두 포함하여 하나의 유닛으로 형성될 수 있고, 도시되어 있진 않지만, 입자 제거부(150)는 가스 블로어와 석션부를 별도로 포함하여 제 1입자 제거부 및 제 2입자 제거부인 두 개의 유닛으로 형성될 수 있다.

하나의 유닛으로 형성된 입자 제거부(150)에 가스 블로어와 석션부가 포함될 경우, 가스 블로어와 석션부는 시간적 차이를 두고 교대로 동작하여 가공입자에 대해 블로링 및 석션을 교차하여 진행할 수 있다.

또한, 제 1입자 제거부와 제 2입자 제거부가 별도로 장착되어 동작할 경우, 역시 제 1입자 제거부와 제 2입자 제거부는 시간적 차이를 두고 교대로 동작하여 가공입자에 대해 블로링 및 석셕을 교하여 진행할 수 있다.

입자 제거부(150)는 레이저 빔의 중심축과 입자 제거부의 중심축이 이루는 각을 θ라고 할 때, θ는 30° 내지 75°의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

이는 도 9의 좌측도면에서 보는 바와 같이, 레이저 빔의 중심축과 입자 제거부의 중심축간의 각이 30°이상 75°도 미만 일 때 다이아몬드 다이스 홀 가공시 가공영역에 데브리 현상없이 홀 가공이 매끄럽게 진행되지만 레이저 빔의 중심축과 입자 제거부의 중심축간의 각이 75°이상일 경우, 데브리 현상이 발생하여 다이스 홀의 신뢰성이 떨어지기 때문이다.

또한, 레이저 빔의 중심축과 입자 제거부의 중심축간의 각이 30°미만으로 형성될 경우엔, 다이아몬드 다이스 홀 가공장치의 기구적인 배치를 가져오기 어렵고, 30°미만으로 형성될 경우, 충분한 블로링 또는 석션을 수행하지 못해 다이아몬드 다이스 홀 영역에서 데이브 현상이 발생될 수 있다.

상기 기술한 레이저 및 가공 조건 외에도 펨토초 레이저의 편광 방향, 파장, 입사 각도 등의 조건 변화에 따라 가공 결과는 달라질 수 있다.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.

110: 펨토초 레이저빔 발생부
111: 마스터 오실레이터
112: 펄스 확장기
113: 증폭기
114: 펄스피커
115: 펄스 압축기
116: LDD(Laser Diode Driver)
120: 레이저빔 전달부
122: 빔 출력세기 조절부(Attenuator)
123: 광학 거울(mirror)
124: 빔 크기 확장부(Expander)
125: 렌즈(lens)
130: 영상부
140: 조명부
150: 입자 제거부
160: 스테이지부
162: 다이스 고정부
164: 가공 스테이지
170: 통합 제어부

Claims (13)

1. 펨토초 레이저를 발생하는 펨토초 레이저빔 발생부;
   상기 발생된 펨토초 레이저빔을 다이아몬드 다이스로 전달하는 레이저빔 전달부;
   상기 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역의 영상을 검출하는 영상부;
   상기 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역으로 광을 조사하는 조명부;
   상기 다이아몬드 다이스를 고정하고 이동 또는 회전시키는 스테이지부; 및
   상기 스테이지부를 제어하는 통합 제어부를 포함하는 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 펨토초 레이저의 펄스 에너지는 0.1μJ 내지 10μJ인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 펨토초 레이저의 펄스폭 은10 fs 내지 1 ps인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 펨토초 레이저의 펄스 반복율은 1kHz 내지 1MHz인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 레이저빔이 투사되는 다이아몬드 다이스 영역에서 상기 레이저빔 가공에 의해 발생된 입자를 제거하는 입자 제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 입자 제거부는 상기 다이스 영역에서 발생된 입자를 블로링 하기 위한 가스 블로어 혹은 상기 입자를 흡입하기 위한 석션기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템.
7. 제5항에 있어서,
   상기 입자 제거부의 중심축과 상기 레이저 빔 중심축 간에 이루는 각은 30˚ ~ 70˚ 사이인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 펨토초 레이저빔은 상기 다이아몬드 다이스 홀의 깊이 방향과 수직방향으로 투사되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공 시스템.
9. 스테이지부에 고정된 다이아몬드 다이스에 펨토초 레이저를 조사하여 상기 다이아몬드 다이스의 홀을 가공하는 방법에 있어서,
   상기 펨토초 레이저를 상기 다이아몬드 다이스에 형성되는 홀의 깊이 방향과 수직방향으로 투사키시는 다이아몬드 다이스 홀의 가공방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 펨토초 레이저의 펄스 에너지는 0.1μJ 내지 10μJ인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공방법.
11. 제9항에 있어서,
    상기 펨토초 레이저의 펄스폭 은10 fs 내지 1 ps인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공방법.
12. 제9항에 있어서,
    상기 펨토초 레이저의 펄스 반복율은 1kHz 내지 1MHz인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 다이스 홀 가공방법.
13. 제 9항에 있어서,
    상기 펨토초 레이저를 상기 다이아몬드 다이스에 조사하는 동안, 상기 다이아몬드 다이스 영역에 가스를 블로링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저를 이용한 다이아몬드 다이스 홀 가공방법.
    
    

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