KR20170128198A - 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법 - Google Patents

소재 표면 세정 장치 및 세정 방법 Download PDF

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KR20170128198A
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Abstract

레이저 포커스 위치를 정확히 검출하고, 소재 표면에 대해 레이저 포커스 길이를 안정적으로 유지할 수 있도록, 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 장치로, 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하여 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 레이저조사부, 상기 레이저조사부에서 조사되는 레이저의 포커스 위치를 검출하는 검출부를 포함하는 소재 표면 세정 장치를 제공한다.

Description

소재 표면 세정 장치 및 세정 방법{DEVICE AND METHOD FOR CLEANING SURFACE OF MATERIAL}
본 발명은 레이저를 이용하여 금속이나 세라믹 등의 부품 표면에서 오염물을 보다 효과적으로 제거하기 위한 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 반도체 및 디스플레이 공정에서는 기능성 적층을 위하여 다양한 종류의 금속 증착을 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition) 등을 이용하여 수행한다. 증착 공정의 원리는 금속 증기와 기체를 반응 시켜 기능을 하고자 하는 기판 (금속, 세라믹)의 표면에 금속, 금속 산화물, 질화물 등의 금속 반응 생성물을 코팅층으로 형성하는 것이다.
그런데 기판에 금속 반응 생성물이 증착되는 동시에 반응 공정에 관여된 반응기의 주변 모든 부품에도 역시 금속 반응 생성물로 인하여 표면 코팅이 일어난다. 반응기 내 부품의 종류에는 챔버, 셔터, 액체 분사기, 기체 분사기, 샤워헤드, 진공 지그, 뷰포인터(유리창), 기타 고정기 등이 있으며 주로 금속이나 세라믹, 유리 재질로 제조된다. 이러한 부품의 표면에는 반복 공정을 통하여 금속 반응 생성물이 코팅층 형태로 형성되며, 이렇게 생성된 부품 표면의 오염 코팅층은 공정이 거듭될수록 두께가 두꺼워진다. 이에, 상기 오염 코팅층이 쉴드(Shield)의 역할을 하거나 일부 박리되어 코팅이 되고자 하는 기판에 불순물로 작용되는 등 문제 발생 가능성이 있으므로 주기적으로 제거해야 한다.
일반적으로 오염 코팅층 제거를 위해, 강산 세정, 알카리 세정, 가열, 초음파 세정 등의 일관 공정을 걸쳐 세정을 진행하였다. 그러나, 종래와 같이 강산이나 알카리를 쓰게 되는 경우 사용상의 주의와 인체의 유해성뿐만 아니라 화학물질의 처리에 많은 비용이 소요된다. 이와 더불어 표면 오염 코팅층 제거를 위해 고온으로 가열하는 공정은 부품 전체에 열을 가하게 되어 제품의 변형이 발생할 가능성이 있어 사용의 제약이 있다. 금속 모재 뿐만 아니라 세라믹, 유리, 고분자 소재 역시 표면에 생성되는 금속 또는 금속 산화물을 제거하기 위하여 상기의 공정을 사용하는데 마찬가지로 강산, 강염기 물질 사용으로 인한 위험성 및 고처리 비용 문제뿐만 아니라 고온 가열에 의한 제품 손상의 문제가 있다. 또한, 유기용제를 이용한 초음파 세정의 경우, 인체에 악영향을 미치는 에틸렌이나 오존층을 파괴하는 플로오르 등의 유기 용제를 사용하기 때문에 인체 및 환경에 좋지 않고, 초음파와 유기용제의 증기 방출에 의해 작업자의 건강을 해칠 우려가 높다.
이와 더불어 레이저를 이용하여 소재 표면의 오염물질을 제거하는 기술이 제안되어 있으나, 장치나 공정이 복잡하고, 오염물질 세정을 효율적으로 진행하기 위해서는 레이저의 포커스를 오염물질에 맞춰 정확히 제어해야 하는 문제가 있다. 종래의 경우, 소재에 레이저 포커스가 제대로 맞았는지 작업자가 확인하기 어려워 제어가 정확하지 않고 소재 표면을 따라 레이저 포커스를 계속 일정하게 유지하기 힘들었다. 이에, 오염물질이 묻은 소재 표면에 레이저의 에너지가 효과적으로 전달되지 않아 세정이 제대로 이루어지지 못하였다.
레이저를 이용하여 금속 증착 장비의 부품에 묻은 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있도록 된 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.
또한, 레이저 포커스 위치를 정확히 검출하여, 소재 표면에 레이저 포커스를 정확히 맞출 수 있도록 된 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.
또한, 세정 과정에서 소재 표면에 대해 레이저 포커스 길이를 안정적으로 유지할 수 있도록 된 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.
또한, 레이저 세정 시 발생된 파티클 등을 용이하게 제거할 수 있도록 된 소재 표면 세정 장치 및 세정 방법을 제공한다.
본 구현예의 세정 장치는, 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 장치로, 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하여 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 레이저조사부, 상기 레이저조사부에서 조사되는 레이저의 포커스 위치를 검출하는 검출부를 포함할 수 있다.
상기 세정장치는 레이저 포커스 길이에 맞춰 레이저조사부와 소재 표면 사이 거리를 제어하는 거리 조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 검출부는 상기 레이저조사부에 간격을 두고 이격되어 설치되고 레이저 포커스 위치에 맞춰 서로 교차하도록 지시레이저를 조사하는 적어도 두 개 이상의 레이저포인터를 포함할 수 있다.
상기 검출부는 상기 레이저조사부에 설치되고 레이저의 포커스 위치에 대응되는 길이로 연장되는 지시부재를 포함할 수 있다.
상기 지시부재는 레이저를 감싸는 통 형태로 이루어져 레이저조사부 하단에 설치되고 레이저 포커스 위치로 연장된 선단은 개방된 구조일 수 있다.
상기 지시부재의 일측에 연결되어 레이저 세정시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 흡입부를 더 포함할 수 있다.
상기 지시부재의 일측에 연결되어 레이저 조사영역으로 유체를 분사하여 세정시 발생된 파티클을 제거하는 분사부를 더 포함할 수 있다.
상기 거리 조절부는 상기 레이저조사부에 설치되어 레이저조사부로부터 레이저가 조사되는 소재 표면까지의 거리를 측정하는 측정센서와, 상기 측정센서의 검출 신호를 연산하여 포커스 길이에 맞춰 소재에 대해 레이저조사부의 위치를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 실시예의 세정 방법은 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 방법으로, 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 생성하는 단계와, 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 상기 레이저를 조사하여 초단 펄스의 피크 에너지를 가하여 오염물질을 제거하는 단계, 및 소재 표면에 조사되는 레이저의 포커스 위치를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 세정방법은 레이저 포커스 길이에 맞춰 레이저를 조사하는 레이저조사부와 소재 표면 사이 거리를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 세정 방법은 오염물질 제거시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 흡입단계를 더 포함할 수 있다.
상기 세정 방법은 오염물질 제거시 레이저 조사 영역으로 유체를 분사하여 파티클을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 거리 제어 단계는, 레이저조사부와 소재 표면 사이 거리를 측정하는 단계와, 상기 측정 단계에서 검출된 측정값과 레이저 포커스 길이를 비교하는 단계, 검출된 측정값과 레이저 포커스 길이 차이에 따라 레이저조사부를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저조사부는 고체레이저, 액체레이저, 기체레이저 또는 반도체레이저를 모드잠금(mode-locking)하고 큐스위칭(Q-switching)하여 펄스 폭을 줄이고 출력을 높여 피코초 이하의 초단 펄스를 갖는 레이저를 생성하는 구조일 수 있다.
상기 레이저는 팸토초 또는 아토초 펄스를 가지는 구조일 수 있다.
상기 소재는 금속, 세라믹, 유리 또는 고분자 재질의 소재일 수 있다.
상기 레이저의 피크 에너지는 0.1 ~ 125μJ일 수 있다.
상기 소재에 대한 레이저 조사 각도는 30 ~ 90도 일 수 있다.
상기 레이저의 파장은 300nm ~ 1064nm 일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 구현예에 의하면, 피코초 이하의 초단 펄스 레이저를 조사하여 소재의 열변형을 방지하면서 오염물질에 열적 응력을 가해 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
또한, 레이저 포커스 위치를 보다 용이하고 정확히 검출함으로써, 소재 표면에 레이저 포커스를 유효하게 맞춰 오염물질에 레이저의 에너지를 효과적으로 전달함으로써, 오염물질 제거 효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 소재 표면에 대해 레이저 포커스를 계속 유효하게 유지함으로써, 보다 안정적으로 세정을 실시할 수 있게 된다.
또한, 레이저 세정 시 작업 영역 내에서 일정한 유체 흐름을 형성하여 레이저 세정 과정에서 발생된 파티클 등을 신속하고 용이하게 제거함으로써, 소재 표면의 세정 효율을 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 소재 표면 세정 장치의 구성을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 소재 표면 세정장치의 검출부 구성을 보다 상세하게 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 소재 표면 세정장치의 검출부에 대한 또다른 실시예를 도시한 도면이다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하 설명에서 본 실시예는 오염물질 제거 대상 설비로 반도체 또는 디스플레이 공정의 증착 장비에 사용되는 부품을 예로서 설명한다. 물론, 본 발명은 증착 장비의 부품 외에 오염물질이 부착되는 다양한 공정 장비의 다양한 부품에 대해 적용가능하다.
증착 장비는 기판 등에 유기물질을 증착하여 박막을 형성하는 데 사용되는 장비로, 공정 챔버 내에서 기판에 대한 박막 증착이 이루어진다. 이 과정에서 많은 유기물이 장비를 구성하는 부품의 표면에 증착된다. 상기 부품은 예를 들어, 금속이나 세라믹, 유리, 고분자 소재로 이루어질 수 있다. 금속으로는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄 등의 소재가 사용될 수 있고, 세라믹으로는 알루미나, 지르코티아 등의 소재가 사용될 수 있다. 이러한 부품의 표면 조도는 수 nm ~ 수십 마이크로 미터에 이르고, 증착 공정에 의해 부품의 표면에 금속 및 금속 반응 생성물이 부착 생성된다.
도 1은 본 실시예에 따른 세정장치의 구성을 개략적으로 도시하고 있고, 도 2는 상기 세정장치의 검출부 구조를 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 세정 장치는, 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 장치로, 오염물질이 묻은 소재(100)의 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하는 레이저조사부(10), 상기 레이저조사부(10)에서 조사되는 레이저의 포커스(P) 위치를 검출하는 검출부를 포함한다. 상기 레이저조사부(10)로부터 조사되는 레이저를 통해 부품 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정한다.
이하 설명에서 레이저 포커스(pocus)(P)라 함은 레이저조사부(10)에서 조사된 레이저가 한곳으로 모이는 영역으로 초점(point)을 의미하거나 또는 레이저 세정이 가능한 유효 크기의 영역(area)을 의미할 수 있다. 또한, 포커스 길이(R)는 레이저조사부(10)로부터 레이저의 포커스(P)까지의 거리를 의미한다.
세정 대상물인 소재의 표면에 부착된 오염물질이 세정되기 위해서는 레이저조사부가 소재로부터 적정거리 이격되어 레이저 포커스(P)의 위치가 소재(100) 표면의 오염물질에 맺히도록 해야 한다.
상기 세정장치는 검출부를 구비하여 레이저 포커스(P) 위치를 용이하게 검출함으로써, 소재(100) 표면에 레이저 포커스(P)를 정확히 위치시킬 수 있게 된다. 상기 검출부의 구체적인 구조에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.
본 실시예에서, 상기 세정장치는 이와 같이 소재 표면에 레이저 포커스를 위치시키고, 소재 표면을 따라 계속 이 상태를 유지시킬 수 있도록 되어 있다. 이를 위해, 상기 세정장치는 레이저의 포커스 길이(R)에 맞춰 레이저조사부(10)와 소재(100) 표면 사이 거리를 제어하는 거리 조절부를 더 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 거리 조절부는 상기 레이저조사부(10)에 설치되어 레이저조사부(10)로부터 레이저가 조사되는 소재 표면까지의 거리(L)를 측정하는 측정센서(20), 상기 측정센서(20)의 검출 신호를 연산하여 포커스 길이(R)에 맞춰 소재에 대해 레이저조사부(10)의 위치를 조절하는 제어부(22)를 포함한다.
상기 측정센서(20)는 적외선이나 초음파 또는 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 센서(20)일 수 있다. 상기 측정센서(20)는 거리 측정을 수행할 수 있으면 모두 적용가능하다. 상기 측정센서(20)는 레이저조사부(10) 선단부에 설치될 수 있다. 상기 측정센서(20)는 소재와의 거리를 실시간으로 연속 측정하여, 제어부(22)로 측정값을 출력한다.
상기 제어부(22)는 측정센서(20)의 출력값에 따라 레이저조사부(10)의 위치를 제어한다. 상기 레이저조사부(10)는 상하 이동을 위한 구동부(12)와 연결되어, 구동부(12)의 작동에 따라 소재에 대해 상하로 이동하게 된다. 상기 제어부(22)는 내부 데이터에 레이저조사부(10)의 포커스 길이(R)를 기준값을 구비한다. 이에, 상기 제어부(22)는 상기 측정센서(20)의 출력값과 기준값으로 가지고 있는 포커스 길이(R)를 비교하여 구동부(12)를 제어작동하게 된다.
상기 제어부(22)는 구동부(12)를 제어작동함으로써, 소재 표면에 대해 레이저조사부(10)의 위치를 상하로 이동시켜, 기준값인 포커스 길이(R)에 맞춰 소재 표면과 레이저조사부 사이 거리(L)를 조절한다.
레이저조사부(10)의 사양에 따라 레이저의 포커스 길이(R)는 정해져 있으므로, 소재 표면과 레이저조사부 사이 거리(L)가 레이저의 포커스 길이(R)에 맞춰짐에 따라 레이저 포커스가 정확히 소재 표면에 위치하게 된다.
따라서, 세정 과정에서 소재를 따라 레이저 포커스를 연속적으로 소재 표면에 정확히 맞춰 유지할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 제어부(22)는 이상 발생시 이를 외부에 경고하기 위한 경고부(24)를 포함할 수 있다. 상기 제어부(22)는 측정센서(20)에서 출력된 신호를 통해 소재 표면과 레이저조사부 사이 거리(L)가 허용 범위를 벗어난 경우 상기 경고부(24)에 신호를 출력하여 이상 여부를 외부에 경고한다.
상기 경고부(24)는 예를 들어, 시각적 신호를 출력하는 경광등이나 청각적 신호를 출력하는 사이렌일 수 있다. 이에 작업자는 경고부(24)의 경고신호를 통해 세정장치의 이상 여부를 용이하고 신속하게 확인하여 장치를 정지하는 등 신속한 조치를 취할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 레이저조사부(10)에서 조사된 레이저의 포커스(P) 위치는 검출부에 의해 검출된다.
본 실시예에서, 상기 검출부는 상기 레이저조사부(10)에 간격을 두고 이격되어 설치되고 레이저 포커스(P) 위치에 맞춰 서로 교차하도록 지시레이저를 조사하는 적어도 두 개 이상의 레이저포인터(30)를 포함할 수 있다.
상기 레이저포인터(30)는 레이저(이하 설명의 편의를 위해 레이저포인터에서 조사되는 레이저를 지시레이저라 한다)를 직선 형태로 조사하는 구조로 되어 있다. 레이저포인터(30)는 외부에서 가시적으로 용이하게 확인할 수 있도록 유색의 지시레이저를 조사하는 구조일 수 있다. 상기 레이저포인터는 다양한 제품으로 출시되어 사용되고 있는 것으로 이하 그 상세한 설명한 생략한다. 상기 레이저포인터(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 두 개가 레이저조사부(10) 둘레를 따라 180도 각도로 배치되어 레이저조사부(10) 하부에 설치될 수 있다. 상기 레이저포인터는 두 개 이외 3개 또는 그 이상의 개수로도 설치 가능하다. 복수개의 레이저포인터는 레이저조사부(10) 둘레를 따라 일정 간격을 두고 배열 설치된다.
상기 레이저포인터(30)는 레이저조사부(10)에서 조사된 레이저 포커스(P)를 향해 지시레이저를 조사하도록 설치된다. 이에 두 개의 레이저포인터(30)에서 조사된 지시레이저는 레이저조사부(10)에서 조사된 레이저의 포커스(P)에서 정확히 교차한다.
따라서, 외부에서 상기 레이저포인터(30)에서 조사된 지시레이저의 교차지점을 확인함으로써, 레이저조사부(10)의 레이저 포커스(P) 위치를 정확히 검출할 수 있게 된다.
이와 같이, 레이저 포커스(P) 위치를 정확히 검출함으로써, 즉, 지시레이저의 교차 지점을 소재 표면에 위치시키는 것으로, 소재(100) 표면에 레이저 포커스(P)를 정확히 맞춰 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
도 3은 상기 세정장치에 구비된 검출부의 또다른 실시예를 도시하고 있다. 이하, 도 3을 참조하여 검출부의 또다른 실시예에 대해 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 검출부는 상기 레이저조사부(10)에 설치되고 레이저의 포커스(P) 위치에 대응되는 길이로 연장되는 지시부재(40)를 포함할 수 있다.
상기 지시부재(40)는 레이저조사부(10) 하단에서 레이저 포커스 길이(R)에 대응되는 길이로 형성된다. 상기 지시부재(40)는 예를 들어 레이저조사부(10) 하단에서 길게 연장된 바 형태의 구조물일 수 있다. 이에, 외부에서 상기 바 형태의 지시부재(40) 하단 위치를 확인함으로써 레이저 포커스(P) 위치를 정확히 검출할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 지시부재(40)는 레이저를 감싸는 원통이나 다각형태의 통 구조로 이루어져 레이저조사부(10) 하단에 설치된다. 상기 지시부재(40)의 하부 선단은 개방되어 레이저가 소재 표면에 직접 조사될 수 있도록 되어 있다. 상기 지시부재(40)는 내부가 보이는 투명재질로 이루어질 수 있다. 이에 지시부재(40)가 통형태로 레이저를 감싸고 있더라도 내부의 레이저 상태 등 필요한 상태를 용이하게 확인할 수 있다.
통 형태의 지시부재(40) 역시 외부에서 지시부재(40) 하단 위치를 확인함으로써 레이저 포커스(P) 위치를 정확히 검출할 수 있게 된다.
이와 같이, 레이저 포커스(P) 위치를 정확히 검출함으로써, 즉, 지시부재(40)의 하단을 소재 표면에 접촉 또는 근접하여 위치시키는 것으로, 소재 표면에 레이저 포커스(P)를 정확히 맞춰 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 지시부재(40)에는 흡입부가 설치되어, 지시부재(40)를 통해 레이저 세정시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 지시부재(40)에는 지시부재(40)를 통해 레이저 조사 영역에 유체를 분사하여 레이저 세정시 발생된 파티클을 제거하는 분사부를 더 포함할 수 있다.
상기 분사부는 지시부재(40)에 연통설치되는 분사관(54)과, 상기 분사관(54)에 연결되어 유체를 공급하는 유체공급부(56)를 포함할 수 있다. 상기 분사관(54)은 파티클이 발생되는 소재 표면으로 유체를 분사할 수 있도록, 레이저 포커스(P)에 근접하여 지시부재(40)의 하단부에 설치될 수 있다.
상기 흡입부는 지시부재(40)에 연통 설치되는 적어도 하나 이상의 흡입덕트(50)와, 상기 흡입덕트(50)에 연결되어 흡입압을 제공하는 흡입펌프(52)를 포함할 수 있다. 상기 흡입덕트(50)는 지시부재(40)의 상부쪽에 설치될 수 있다. 상기 흡입덕트(50)는 분사관(54)에 대해 대향되는 면에 배치될 수 있다.
이에, 통형태의 지시부재(40) 내부에는 분사관(54)에서 흡입덕트(50)를 향하는 유체의 흐름이 발생되어 유체의 흐름을 따라 파티클을 보다 용이하게 제거할 수 있게 된다.
이와 같이, 유체는 분사관(54)을 통해 지시부재(40) 내부로 분사되어 소재 표면에서 발생되는 파티클을 소재 표면에서 바로 제거하고, 제거된 파티클은 유체의 흐름을 따라 흡입덕트(50)를 통해 빨려나가게 된다.
따라서, 레이저 세정과정에서 발생된 스패터 등의 파티클이 효과적으로 제거할 수 있게 된다. 상기 지시부재(40)는 레이저조사부(10)의 이동에 따라 같이 이동되므로, 레이저조사부(10) 이동에 관계없이 발생된 스패터 등의 파티클을 모두 효과적으로 흡입하여 제거할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 레이저조사부(10)는 펄스레이저를 출력하기 위한 장치로, 이로부터 조사되는 레이저는 피코초 이하의 펄스 즉, 피코초, 팸토초 또는 아토초 등의 초단 펄스를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 실시예는 피코초, 펨토초 또는 아토초와 같이 피코초 이하의 초단 펄스의 집속된 에너지를 갖는 레이저를 소재의 표면에 바로 조사하여 소재 표면에 부착된 오염물질을 제거하게 된다.
상기 레이저조사부(10)는 다양한 종류의 펄스레이저, 예를 들어 고체레이저, 액체레이저, 기체레이저 또는 반도체레이저를 모드잠금(mode-locking)하고 큐스위칭(Q-switching)하여 펄스 폭을 줄이고 출력을 높여 피코파 이하의 초단 펄스를 갖는 레이저를 생성하는 구조일 수 있다.
고체레이저, 액체레이저, 기체레이저, 반도체레이저 등의 펄스레이저는 큐스위칭(Q-Switching)을 이용한 에너지 펌핑 작용을 통해 수W의 펄스 에너지에서 수 kW수준까지 광 펌핑되며, 모드잠금(mode locking)을 통하여 원하는 주파수를 가진 피코초 이하의 펄스 레이저로 생성된다.
본 실시예에서 상기 레이저조사부(10)로부터 생성되어 소재의 표면에 조사되는 레이저의 피크(peak)에너지는 0.1 ~ 125μJ일 수 있다. 상기 피크에너지는 예를 들어, 주파수가 0.1MHz~2MHz이고 에너지가 1~50W인 레이저를 사용하여 얻어질 수 있다.
대부분의 물질의 변형에너지는 0.1~2μJ이므로, 본 실시예에서 소재 표면으로 입사되는 레이저의 피크 에너지는 대부분의 유기, 무기물질을 제거하는 임계 에너지를 넘어서게 된다. 본 실시예의 레이저 피크 에너지가 상기 범위보다 낮은 경우에는 소재의 표면에 부착된 오염물질에 대한 세정 효과가 떨어지고, 상기 범위를 넘는 경우 소재 자체에 손상을 일으킬 수 있다.
이와 같이 레이저조사부(10)로부터 생성된 피코초 이하 펄스를 갖는 레이저는 소재의 표면에 부착된 유기물질이나 무기물질 등의 오염물질에 극초단시간의 높은 에너지로 입사하여 제거하고자 하는 유기물질 또는 무기물질의 표면에 국부적인 열을 가하게 된다. 이에, 레이저조사부(10)로부터 조사된 레이저에 의해 국소 부위가 열변형되어 깨지면서 소재 표면에 부착된 오염물질이 제거된다.
그리고, 레이저조사부(10)로부터 생성된 비연속적 펄스를 가지는 피코초 이하의 극초단파 레이저는 소재 표면에 열을 전달하지 않는다. 레이저의 극초단파 펄스와 집속된 에너지를 가진 입자는 에너지를 국부적인 부위에 전달함으로써 표면에 열을 발생시키지 않게 되어 소재의 변형은 일어나지 않는다. 이러한 원리로 인하여 소재의 변형없이 오염물질만의 제거가 가능하다.
본 실시예에 사용되는 레이저의 파장은 IR, 가시광선, 자외선 파장 등에 대하여 광범위하게 사용가능하다. 즉 파장이 1064nm 이상에서 300nm 파장에 해당하는 자외선 영역 등에 대하여 펄스파 레이저로 사용이 가능하다. 파장의 영역은 재료의 에너지 흡수 계수와 상호관계가 있으나, 본 실시예에서는 파장과 무관하게 피코초 이하의 극초단파 레이저 펄스에 의하여, 높은 입사에너지와 극초단파 펄스 유지 시간 등을 통해 세정이 이루어지게 된다. 이에 본 실시예는 상기 파장 범위와 같이 길게는 적외선 영역에서 짧게는 자외선 영역의 파장을 갖는 레이저를 모두 사용가능하다. 예를 들어, 본 실시예의 경우, 1064nm Nd:YVO4 레이저를 사용하고, Harmonic Coupling 기술을 이용하여 파장을 536nm, 354nm등으로 파장을 변화시켜 사용이 가능하다.
또한, 상기 레이저조사부(10)는 소재 표면에 대해 레이저의 조사각도를 크게 할 수 있다. 본 실시예에서 상기 레이저조사부(10)는 소재 표면에 바로 조사되는 레이저를 소재 표면에 대해 30 ~ 90도의 각도로 조사할 수 있다. 레이저 조사 각도가 30도를 넘는 경우 소재 표면에 가해지는 레이저의 에너지가 커지게 되나, 본 실시예의 경우 피코초 이하의 펄스를 갖는 레이저가 조사됨에 따라 소재 표면에 대한 레이저 조사각도가 커지더라도 소재 표면으로는 열을 전달하지 않고 오로지 소재 표면에 부착된 오염물질만을 제거할 수 있게 된다.
이와 같이, 소재 표면에 대한 레이저 조사 각도를 30도를 넘어 직각으로 조사함으로써, 레이저의 에너지를 오염물질에 온전히 전달할 수 있어 오염물질 제거 효율을 높이면서도 소재 표면의 손상은 방지할 수 있게 된다.
또한, 소재 표면에 대한 레이저의 조사각도가 30도 이하로 낮아질수록 소재 표면에 가해지는 에너지가 조사면 전체에 걸쳐 균일하지 못하고 에너지 불균형이 일어난다. 본 실시예의 경우, 레이저의 조사각도가 30도 이상으로 커 소재 표면에 부착된 오염물질에 균일하게 에너지를 입사할 수 있게 된다.
소재에 바로 입사된 피코초 이하 펄스 레이저에 있어서, 극초단파 에너지에 의하여 표면에 국부적인 에너지 입사 후 원자와 원자간, 전자와 이온간, 이온상호간 에너지 전달에 의한 열에너지 증가 및 용융 변형 등은 일어나지 않는다. 따라서, 상기와 같이 레이저를 소재의 표면에 직각으로 조사하여도 극초단 펄스 파장에 의하여 국부적인 열응력 발생 후 열전달이 없어 소재의 변형이나 원하지 않는 용융은 발생하지 않는다.
이에 비하여 다른 연속적인 파장을 가지는 레이저 (Continuous Wave, CW 레이저)의 경우, 레이저 에너지의 입사되는 시간이 약 0.2 마이크로초 이상으로써, 본 실시예의 피코초 이하의 펄스초와는 비교가 되지 않을 정도의 긴 시간동안 물질에 에너지가 입사되므로 열변형이나 열에 의한 손상이 발생하게 된다. 따라서, 연속파형 레이저는 긴 시간의 에너지 입사를 이용하여 표면에 에너지를 전달하는 방식으로써 열에너지를 함께 전달하여 소재에 손상을 초래한다.
이하, 본 실시예의 오염물질 제거 과정을 살펴보면 다음과 같다.
소재(100) 표면에 대한 오염물질 제거 공정이 진행되면, 레이저조사부(10)로부터 소재 표면에 레이저가 조사된다. 레이저조사부(10)로부터 피코초 이하의 초단 펄스를 갖는 레이저가 생성되고, 이렇게 생성된 레이저는 소재 표면에 조사된다. 이에, 레이저는 오염물질이 묻은 소재 표면에 국부적으로 조사되고, 오염물질에 초단 펄스의 피크 에너지을 가하여 오염물질을 제거하게 된다.
소재 표면에 레이저가 조사되면서 오염물질이 제거되고, 소재 표면을 따라 레이저 조사영역을 이동시킴으로써, 소재 표면 전체에 걸쳐 오염물질을 제거할 수 있다. 이 과정에서, 소재 표면에 조사되는 레이저의 포커스(P) 위치를 검출하여, 소재 표면에 정확히 레이저 포커스(P)를 맞춤으로써, 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있게 된다.
소재(100) 표면을 따라 레이저조사부(10)가 이동되면서 연속적인 세정이 이루어진다. 레이저 세정과정에서, 레이저 포커스 길이(R)에 따라 레이저를 조사하는 레이저조사부와 소재 표면 사이 거리(L)를 조절하여, 레이저 포커스(P)가 지속적으로 소재 표면에 위치하도록 한다.
레이저조사부와 소재 표면 사이의 거리(L) 제어를 위해, 레이저조사부와 소재 표면 사이 거리(L)를 측정하고, 상기 측정을 통해 검출된 측정값과 레이저 포커스 길이(R)를 비교하여, 이 비교 결과에 따라 측정값과 레이저 포커스 길이(R)가 같지 않는 경우 레이저조사부를 이동시킨다.
예를 들어, 검출된 레이저조사부와 소재 표면 사이의 거리(L)가 레이저 포커스 길이(R)보다 작은 경우에는 레이저조사부(10)를 소재에 대해 위쪽으로 이동시킨다. 이에 소재 표면에 대해 레이저조사부가 위로 이동되어 소재 표면과 레이저조사부 사이의 거리(L)가 늘어나게 된다. 따라서, 소재 표면과 레이저조사부 사이 거리(L)가 커져 레이저 포커스 길이(R)와 같아지게 되고, 레이저 포커스(P)는 정확히 소재 표면에 위치하게 된다.
상기와 반대로 검출된 레이저조사부와 소재 표면 사이의 거리(L)가 레이저 포커스 길이(R)보다 큰 경우 역시, 상기와 반대로 레이저조사부(10)를 하향 이동시킴으로써, 레이저 포커스(P)를 정확히 소재 표면에 위치시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 소재를 따라 이동하면서 레이저 포커스(P)를 계속 소재 표면에 정확히 맺히도록 함으로써, 세정 불량을 방지하고 효율적인 세정을 지속시킬 수 있게 된다.
또한, 세정 과정에서, 레이저 조사영역으로 유체를 분사하여 파티클을 제거하고 이렇게 제거된 파티클을 흡입하여 제거한다. 따라서, 레이저 세정과정에서 발생된 스패터 등의 파티클이 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10 : 레이저조사부 20 : 측정센서
22 : 제어부 24 : 경고부
30 : 레이저포인터 40 : 지시부재
50 : 흡입덕트 52 : 흡입펌프
54 : 분사관 56 : 유체공급부

Claims (16)

  1. 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 장치로,
    오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 조사하여 소재 표면에 초단 펄스의 피크 에너지를 가해 오염물질을 세정하는 레이저조사부, 및 상기 레이저조사부에서 조사되는 레이저의 포커스 위치를 검출하는 검출부를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정장치는 레이저 포커스 길이에 맞춰 레이저조사부와 소재 표면 사이 거리를 제어하는 거리 조절부를 더 포함하는 소재 표면 세정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 거리 조절부는 상기 레이저조사부에 설치되어 레이저조사부로부터 레이저가 조사되는 소재 표면까지의 거리를 측정하는 측정센서, 및 상기 측정센서의 검출 신호를 연산하여 포커스 길이에 맞춰 소재에 대해 레이저조사부의 위치를 조절하는 제어부를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 레이저조사부에 간격을 두고 이격되어 설치되고 레이저 포커스 위치에 맞춰 서로 교차하도록 지시레이저를 조사하는 적어도 두 개 이상의 레이저포인터를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 레이저조사부에 설치되고 레이저의 포커스 위치에 대응되는 길이로 연장되는 지시부재를 포함하는 소재 표면 세정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 지시부재는 레이저를 감싸는 통 형태로 이루어져 레이저조사부 하단에 설치되고, 레이저 포커스 위치로 연장된 선단은 개방된 구조의 소재 표면 세정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 지시부재의 일측에 연결되어 레이저 세정시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 흡입부를 더 포함하는 소재 표면 세정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 지시부재의 일측에 연결되어 레이저 조사영역으로 유체를 분사하여 세정시 발생된 파티클을 제거하는 분사부를 더 포함하는 소재 표면 세정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저조사부는 고체레이저, 액체레이저, 기체레이저 또는 반도체레이저를 모드잠금(mode-locking)하고 큐스위칭(Q-switching)하여 펄스 폭을 줄이고 출력을 높여 피코초 이하의 초단 펄스를 갖는 레이저를 생성하는 구조의 소재 표면 세정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 레이저는 팸토초 또는 아토초 펄스의 레이저인 소재 표면 세정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 레이저의 피크 에너지는 0.1 ~ 125μJ인 소재 표면 세정 장치.
  12. 소재의 표면에 형성된 금속 또는 금속반응 생성물을 포함하는 오염물질을 제거하기 위한 소재 세정 방법으로,
    피코초 이하의 초단 펄스를 가지는 레이저를 생성하는 단계와, 오염물질이 묻은 소재의 표면에 국부적으로 상기 레이저를 조사하여 초단 펄스의 피크 에너지를 가하여 오염물질을 제거하는 단계, 및 소재 표면에 조사되는 레이저의 포커스 위치를 검출하는 단계를 포함하는 소재 표면 세정 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    레이저 포커스 길이에 맞춰 레이저를 조사하는 레이저조사부와 소재 표면 사이 거리를 제어하는 단계를 더 포함하는 소재 표면 세정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 거리 제어 단계는, 레이저조사부와 소재 표면 사이 거리를 측정하는 단계와, 상기 측정 단계에서 검출된 측정값과 레이저 포커스 길이를 비교하는 단계, 및 검출된 측정값과 레이저 포커스 길이 차이에 따라 레이저조사부를 이동시키는 단계를 포함하는 소재 표면 세정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    오염물질 제거시 발생된 파티클을 흡입하여 제거하는 흡입단계를 더 포함하는 소재 표면 세정 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    오염물질 제거시 레이저 조사 영역으로 유체를 분사하여 파티클을 제거하는 단계를 더 포함하는 소재 표면 세정 방법.
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