KR20180078191A - 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상을 변성시키는 방법 및 장치 - Google Patents

극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상을 변성시키는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공대상을 로딩하기 위한 스테이지; 극초단 펄스 레이저 빔을 생성하는 레이저 소스 및 상기 레이저 소스로부터 생성된 레이저 빔을 상기 스테이지 상에 로딩된 가공대상에 조사시키기 위한 광학계를 포함하는 레이저 빔 조사장치; 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔을 생성시키기 위한 레이저 가공조건 및 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정가능한 레이저 빔 제어부; 및 상기 펄스 레이저 빔 조사에 따른 가공 대상의 표면을 관찰가능한 주사전자현미경;을 포함하는, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치, 및 이를 이용하여 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상의 적어도 일부를 절단 또는 표면처리하여 변성시키는 방법에 관한 것이다.

Description

극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상을 변성시키는 방법 및 장치{METHOD OF PROCESSING WORKPIECE USING ULTRAFAST PULSE LASER AND APPARATUS FOR THEREOF}
본 발명은 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상의 적어도 일부를 절단 또는 표면처리하여 변성시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
유리, 실리콘, 세라믹 등의 취성기판을 절단하여 분리하거나, 또는 재료 구조의 변성 등 가공대상의 표면 또는 내부의 양태를 변경하는 방법으로서, 레이저 빔이 사용될 수 있다.
이러한 레이저를 이용한 가공대상의 변성은 화학적 변화 및 물리적인 파괴, 분해, 증발을 가져올 수 있고, 마이크로 패턴 등의 미소치수의 각인 등 정밀도를 요구하는 가공에서 적절히 사용될 수 있다.
한편, 최근 들어 수 ps 이하 수준의 펄스폭을 갖는 극초단 펄스 레이저가 연구분야 뿐 아니라 산업계에서도 각광받고 있다. 극초단 펄스 레이저는 수 fs ~ 수 ps 수준의 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스 레이저로서, 다양한 형태의 증폭 매질을 통해 구성이 가능하며, 크게 Ti:Sapphire을 증폭 매질로 사용하는 780 nm 중심파장의 bulk type 레이저와 Er 또는 Yb 이온 첨가 광섬유를 기반으로 하는 1550 nm 또는 1040 nm 중심파장의 광섬유 기반 레이저로 나눌 수 있고, 상기 광섬유를 기반으로 하는 극초단 펄스 레이저의 경우에는 환경에 둔감하고 부피가 작으며 유지보수가 수월하고 증폭 시스템의 경우 광섬유 자체의 우수한 발열 특성으로 인해 수십 W 이상, 수십 MHz이상의 고평균출력, 고반복률 시스템도 수월하게 구성이 가능한 장점이 있다.
상기 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 변형을 야기하는 방법에 관한 종래기술로서, 공개특허공보 제10-2013-094893호(2013.08.27.)에서는 극초단 펄스 레이저를 이용하여 유기발광소자의 비열 리페어 방법에 관해 기재되어 있고, 공개특허공보 제10-2015-0085177호(2015.07.23.)에서는 레이저 펄스빔을 이용하여 취성 소재의 기판을 절단할 수 있는 방법에 관해 기재되어 있다.
그러나 상기 선행기술을 포함하는 종래 기술들에서는 레이저 빔의 조사에 따른, 파편, 데브리(debris) 등을 포함하는 가공대상의 표면 또는 내부의 변형된 형상 및 구조를 즉석에서 파악이 어려우며, 상기 변형된 가공대상의 변형 상태를 확인하기 위해서는 별도의 표면 분석장치 등을 이용하여 이를 확인하여야 하는 문제점을 가지고 있다.
더불어, 펨토초 레이저 등의 경우에, 종래에 사용되고 있는 나노초 레이저 등에 비하여 가공대상의 종류별, 환경별 차이에 따른 레이저 빔의 레이저의 펄스 폭, 파장, 펄스 에너지, 반복률, 조사 시간 등의 다양한 가공 조건을 적절히 변경함으로써, 최적의 가공 조건을 설정하는 것이 필요하며, 이를 위해 수회 내지 수십회 정도의 각각의 가공 조건에 따라 변경된 레이저 빔을 조사하고 상기 조사에 따른 가공대상의 변형 상태를 각각 확인함으로써, 최적의 가공 대상을 찾아야 하는 번거로움이 있으며, 또한 상기 레이저 빔 조사에 따른 가공대상의 상태를 실시간으로 분석하기가 어려운 문제점을 포함하고 있으며, 이에 더불어 특정한 가공대상에 대해서 적절한 레이저 빔조사를 위한 가공 조건을 찾았더라도 가공대상의 종류, 두께, 레이저 조사 환경 등의 미묘한 변경에 따라, 앞서 선택한 가공조건과는 별개의 최적의 가공 조건을 재탐색하여야 하는 추가적인 어려움을 가지고 있어 개선의 여지를 포함하고 있는 실정이다.
공개특허공보 제10-2013-094893호(2013.08.27.) 공개특허공보 제10-2015-0085177호(2015.07.23.)
상기와 같은 문제점들을 해결하고자 본 발명은 극초단 펄스 레이저 빔의 조사에 따른, 파편, 데브리(debris) 등을 포함하는 가공대상의 표면 또는 내부의 변형된 형상 및 구조를 실시간으로 분석함으로써, 가공상태를 즉석에서 용이하게 파악할 수 있고, 이를 통해 상기 변성정도에 따라 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔의 가공조건을 신속히 수정가능한, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치로서, 가공대상의 표면 또는 내부의 변형된 형상 및 구조를 실시간으로 분석함으로써, 가공상태를 즉석에서 용이하게 파악할 수 있고, 이를 통해 상기 변성정도에 따라 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔의 가공조건을 신속히 수정가능한, 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치를 제공하는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 a) 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔을 생성시키기 위한 초기 레이저 가공조건 및 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정하는 단계; b) 레이저 빔 조사 장치에 의해 상기 설정된 가공조건에 따른 극초단 펄스 레이저 빔을 가공대상의 적어도 일부에 조사하여 그 표면 또는 내부를 변성시키는 단계; c) 주사전자현미경으로 상기 펄스 레이저 빔의 조사에 따라 변성된 가공대상을 관찰하여 변성 정도를 확인하는 단계로서, a) 단계에서 설정된 가공대상의 3차원 공간 좌표를 참조하여 주사전자현미경내 전자빔을 방출하는 전자빔 소스가 전자빔을 가공대상에 조사함으로써, 레이저 빔 조사에 따라 변성된 가공대상을 관찰하여 변성 정도를 확인하는 단계; 및 d) 상기 변성정도에 따라 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔의 가공조건을 수정하고, 수정된 가공조건에 따른 극초단 펄스 레이저 빔을 상기 레이저 빔 조사 장치에 의해, 가공대상의 적어도 일부에 조사하여 그 표면 또는 내부를 변성시키는 단계;를 포함하는, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법을 제공한다.
일 실시예로서, 상기 극초단 펄스 레이저 빔은 피코초(10-12s) 레이저, 펨토초(10-15s) 레이저, 아토초(10-18s) 레이저 중 선택되는 어느 하나의 레이저에 의해 생성되는 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 d) 단계에서의 펄스 레이저 빔이 조사되는 가공대상은 b) 단계에 따라 레이저 빔이 조사된 가공대상이거나 또는 이와 동종의 새로운 가공대상일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 a) 단계에서의 가공조건은 레이저의 펄스 폭, 파장, 펄스 에너지, 반복률, 조사 시간 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 극초단 펄스 레이저에 의한 레이저빔은 반도체 소자내 배선, 또는 유기발광소자내 형성된 배선의 적어도 일부를 제거하는데 사용되는 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 c) 단계와 d) 단계를 적어도 1회이상 반복하는 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 c) 단계와 d) 단계는 가공대상이 고정되고 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치가 각각 이동함으로써, 이루어지거나, 또는 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치는 각각 고정되고, 상기 가공대상이 이동함으로써 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 가공대상을 로딩하기 위한 스테이지; 극초단 펄스 레이저 빔을 생성하는 레이저 소스 및 상기 레이저 소스로부터 생성된 레이저 빔을 상기 스테이지 상에 로딩된 가공대상에 조사시키기 위한 가공 광학계를 포함하는 레이저 빔 조사장치; 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔을 생성시키기 위한 레이저 가공조건 및 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정가능한 레이저 빔 제어부; 및 상기 펄스 레이저 빔 조사에 따른 가공 대상의 표면을 관찰가능한 주사전자현미경;을 포함하는 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치에 있어서, 상기 주사전자현미경은 전자빔을 방출하는 전자빔 소스; 및 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 가공대상에 조사되는 통로인 어퍼처;를 포함하며, 상기 주사전자현미경내 어퍼처는 격막을 포함하는 구조를 가지거나 또는 격막을 포함하지 않는 개방된 구조를 가질 수 있고, 상기 전자빔은 상기 레이저 빔 제어부에 의해 설정된 가공대상의 3차원 공간 좌표를 참조하여 상기 어퍼처를 통과하여 가공대상에 조사됨으로써, 상기 레이저 빔 조사에 따른 가공대상의 변성 정도를 확인 가능한 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 가공장치는 가공대상을 포함하는 스테이지가 고정되고 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치가 각각 이동가능하거나, 또는 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치는 각각 고정되고, 상기 가공대상을 포함하는 스테이지가 이동가능한 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 상기 극초단 펄스 레이저는 펄스폭이 100 fs ~ 500 ps 사이의 범위 내인 것일 수 있고, 상기 극초단 펄스 레이저의 반복률은 1 Hz ~ 500 MHz의 범위 내일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 주사전자현미경내 어퍼처는 전자빔이 투과가능한 격막을 포함하는 구조를 가지며, 전자빔을 방출하는 전자빔 소스는 상기 격막에 의해 가공대상과 격리되어 있고, 상기 격막은 두께 1000 nm 이하로 형성되는 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 주사전자현미경은 전자빔을 방출하는 전자빔 소스; 상기 가공대상에 전자빔을 집속시키는 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군; 상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 가공대상에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버; 및 상기 전자빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 하나 이상의 편향기;를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 극초단 펄스 레이저는 광섬유를 기반으로 하는 극초단 펄스 레이저일 수 있다.
종래 기술에 따른 레이저 빔 조사장치를 이용하여 가공대상을 변성시킴으로써, 이의 가공 조건 등의 공정을 탐색할 때, 레이저 빔 조사장치와 주사전자현미경(SEM)장비가 각각 공간적으로 멀리 떨어져 있어, 이의 관찰에 시간적 제약요소가 있는 실정이며, 또한, 이들이 다른 공간에 위치하여 레이저 빔에 의한 가공대상의 가공 후, 결과로서 표면상태를 분석할 때, 가공위치를 주사전자현미경에서 신속하게 찾아내기가 어려운 문제점이 있는 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법 및 장치는 레이저 빔 조사장치와 전자빔이 투과가능한 격막을 포함하는 주사전자현미경이 결합되어 동일한 장소에서 사용됨으로써, 극초단 펄스 레이저 빔의 조사에 따른, 파편, 데브리(debris) 등을 포함하는 가공대상의 표면 또는 내부의 변형된 형상 및 구조를 즉석에서 용이하게 파악할 수 있고, 이를 통해 상기 변성정도에 따라 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔의 가공조건을 신속히 수정가능한 장점이 있다.
특히, 종래기술에서는 레이저 빔 조사에 따른 가공대상의 변성에 대한 결과를 분석후 상기 레이저 빔 조사에 따라 가공된 위치에 대해 반복가공이 필요할 때 그 위치와 동일한 위치를 신속하게 찾아 내기가 불가능하여 동일한 위치에 대해 분석과 가공을 반복하기가 매우 어려운 점을 가지고 있는 반면에, 본 발명에서는 상기 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정하고 이를 참조하여 주사전자현미경을 이용하여 관찰함으로써, 가공대상의 동일위치의 반복가공시에 레이저 빔의 가공조건을 보다 용이하게 최적화할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에서의 가공장치 및 방법을 통해, 반도체 소자내 배선, 또는 유기발광소자내 형성된 배선의 적어도 일부를 제거하거나, 또는 취성 재료의 가공 또는 절단을 위한 극초단 펄스 레이저 빔의 조사조건을 보다 신속하고 용이하게 설정할 수 있으며, 특히 펨토초 레이저 등과 같이, 종래에 사용되고 있는 나노초 레이저 등에 비하여 가공대상의 종류별, 환경별 차이에 따른 레이저 빔의 가공 조건의 설정을 최적화하기가 어려운 경우에 상기 레이저 빔 조사에 따른 가공대상의 상태를 실시간으로 분석하여, 최적의 가공 조건을 보다 용이하고 신속하게 설정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치를 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가공대상에 레이저 빔이 조사된 이후에 스테이지의 이동에 의해 주사전자현미경을 통해 가공대상의 변성정도를 확인가능한, 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치를 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공장치의 주사전자현미경 부분을 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공장치내 가공광학계와 주사전자현미경에서의 3차원 공간좌표의 계산에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공장치를 이용하여 가공대상을 변성시키는 방법에 대한 순서도를 기재한 그림이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서의 가공대상은 레이저 빔이 조사되는 대상으로서, 상기 레이저 빔에 의해 표면 또는 내부중 적어도 일부에 절단 또는 변형이 일어남으로써 사용자의 의도에 따라 가공되는 대상을 의미하며, 예시적으로 유리, 실리콘, 사파이어, SiC 기판, GaN 기판, 투명 세라믹 기판 등의 취성재료, LCD 소자, OLED 소자, 반도체 소자, 또는 고분자 재료 등이 해당할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치를 개념적으로 도시한 그림으로서, 본 발명에서 사용되는 가공장치를 레이저빔 제어부로부터, 가공대상의 절대좌표가 레이저 소스, 가공광학계, 및 주사전자현미경으로 참조되어 공유되는 방식을 도시하였고, 또한 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가공대상에 레이저 빔이 조사된 이후에 스테이지의 이동에 의해 주사전자현미경을 통해 가공대상의 변성정도를 확인가능한, 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치를 구성요소별로 도시하였다.
이를 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 가공 장치는 극초단 펄스 레이저 빔을 생성하는 레이저 소스; 및 상기 레이저 소스로부터 생성된 레이저 빔을 상기 스테이지 상에 로딩된 가공대상에 조사시키기 위한 가공 광학계;를 포함하는 레이저 빔 조사장치를 포함한다.
본 발명에서 상기 레이저 빔 조사장치에서 조사되는 극초단 펄스 레이저 빔은 피코초(10-12s) 레이저, 펨토초(10-15s) 레이저, 아토초(10-18s) 레이저 중 선택되는 어느 하나의 레이저에 의해 생성될 수 있다.
여기서 상기 레이저 소스는 최종 출력단의 펄스폭이 100 fs ~ 500 ps 사이의 값을 갖는 펄스 레이저 빔을 생성하는 레이저 공진기를 포함하며, 또한 상기 레이저 공진기에 상기 펄스를 펼쳐서 확장시켜주는 펄스 확장기, 상기 확장된 펄스를 증폭시키는 펄스 증폭기, 상기 증폭된 펄스를 압축하여 주는 펄스 압축기 및 상기 압축된 펄스의 특성을 조절하는 펄스 컨트롤러 등의 구성요소가 순차적으로 조합되어 이루어질 수 있다.
이를 위해서 예시적으로, CPA(처프 펄스 증폭) 타입의 증폭 시스템을 사용하여 펄스를 펼쳐서 증폭 후 다시 압축 시키는 방법을 통해 고반복률, 수백 펨토초 수준의 좁은 펄스폭의 펄스 트레인(train)이 생성 될 수 있다.
상기 생성된 펄스는 펄스 컨트롤러를 지나면서 의도하는 특성이 부여되는데, 예로서 원하는 시간대역에만 펄스 열(pulse train)이 통과되고, 렌즈와 거울의 조합을 통해 펄스 파면의 공간적인 모양이 바뀌며, 여러 종류의 파장판 (waveplates)을 통해 편광이 바뀌고, 투과 필터나 편광 빔 분할기(polarization beam splitter)나 파장판(waveplates) 등의 조합을 통해 광량이 바뀔 수 있다.
상기 극초단 레이저 시스템을 이용하는 경우에 바람직한 레이저 빔의 평균 출력은 0.1 W ~ 1 kW 사이의 값을 가질 수 있고, 또한 상기 레이저는 광섬유 기반의 레이저 공진기에 의해 반복률이 1Hz ~ 500 MHz의 범위로 구현되는 것을 사용할 수 있다.
통상적으로 수십 ps 이하의 펄스폭을 갖고 수십 MHz 이상의 반복률을 갖는 펄스열은 모드 잠금 된 레이저 공진기에서 생성된다. 이러한 레이저 공진기는 크게 벌크(고체) 타입과 광섬유 타입이 있는데, 벌크(고체) 타입의 경우 거울과 렌즈, 증폭 크리스탈로 공진기가 구성되는 반면에, 광섬유 타입의 경우 증폭 매질 및 광경로의 대부분이 광섬유로 대체된다. 벌크(고체) 타입은 일반적으로 티타늄-사파이어 펨토초 레이저로 대표될 수 있는데, 높은 펄스당 에너지, 높은 출력 및 좋은 펄스 특성을 구현할 수 있는 우수한 광원이나, 평균 출력의 확장성(Scalability)이 부족하고 직접적인 다이오드 레이저 펌핑이 어려운 관계로 효율이 낮으며 시스템의 복잡성으로 인해 광 정렬, 유지 보수 등에 어려움이 있다.
반면 광섬유 타입의 레이저 공진기는 진동이나 온도변화 등의 환경 변화에 둔감하고 장기 운용시 추가 정렬이 필요치 않아 안정적인 장기 구동이 가능하며 이로 인해 산업쪽으로의 적용에 큰 장점을 갖는다.
본 실시예에서는 광섬유 기반 극초단 펄스 레이저를 제작하여 상기 고반복률 펄스를 구현하도록 하였으며, 펄스폭 100 fs ~ 500 ps 수준의 안정적인 펄스를 얻을 수 있다.
광섬유기반의 펨토초 레이저는 광결정 기반의 펨토초 레이저이에 비해서 장비에 장착시, 진동에 둔감하며 소형화가 가능하다는 우수한 장점이 있다.
한편, 펄스의 반복률은 통상적으로 레이저 공진기의 반복률에 의해 결정되는데, 일반적인 공진기의 경우 대략 30 ~ 250 MHz 수준의 반복률이 얻어진다. 이보다 낮은 반복률을 얻는 경우에, 공진기 내 광섬유의 길이를 늘리고 늘어난 광섬유에서 기인하는 비선형 현상 및 분산 현상 등을 적절히 보상하여 수 MHz 수준의 반복률까지도 얻어낼 수 있으며, 공진기 뒷단의 pulse picker 적용을 통해 낮게는 수 Hz이하의 반복률까지도 구현이 가능하다.
만약 가공대상(시편)의 종류나 두께, 내부 스트레스 분포 등의 차이에 의해 보다 높은 평균 출력값이 요구될 경우, 쳐프 펄스 증폭 (chirped pulse amplification)을 통해 펄스 폭은 유지하면서 보다 높은 출력값을 얻을 수 있다. 쳐프 펄스 증폭 시스템은 펄스 펼침기(stretcher)와 증폭기(amplifier), 압축기 (compressor)로 구성된다. 펄스 펼침기를 지나는 동안 펄스를 구성하는 주파수 성분들은 주파수 간 분산값의 차이에 의해 시간축에서 확장되며, 이로 인해 첨두출력을 103 이상의 스케일로 낮출 수 있어, 증폭과정에서 높은 첨두출력 때문에 발생할 수 있는 시스템의 optical damage나 펄스의 degradation현상을 방지할 수 있다. 증폭단을 지나며 원하는 출력으로 증폭된 펄스는 펄스 압축기를 지나면서 다시 압축되어 원래의 펄스 폭 수준을 회복하게 된다.
또한, 상기 펄스 레이저의 출력 파장은 300 nm 내지 3000 nm의 범위일 수 있다.
상기 레이저 공진기에서 생성된 레이저 펄스가 펄스 확장기와 증폭기, 그리고 압축기를 거쳐 0.1 W에서 1 kW, 10 ps 이하의 원하는 광량 및 펄스폭으로 증폭 및 압축이 가능해진다.
또한 레이저 소스의 펄스 레이저 빔은 1011 W/cm2이상의 피크 파워 밀도를 가질 수 있다.
또한 본 발명의 레이저 빔 조사 장치는 상기 레이저 소스로부터 생성된 펄스 레이저 빔을 가공대상에 조사시키기 위한 가공 광학계를 포함할 수 있다. 상기 광학계는 다수의 거울과 집속 렌즈를 포함할 수 있고, 이를 통해 사용자가 의도하는 특성이 부여된 펄스를 스테이지 상에 로딩된 가공대상으로 전달하는 기능을 가지며, X5 내지 X100 사이의 배율을 갖는 집속렌즈를 통해 수십 μm 이하의 지름을 갖는 영역으로 포커싱되며, 이로 인해 최종적으로 원하고자 하는 피크 파워 밀도를 형성시켜 가공대상을 가공할 수 있게 된다.
또한 본 발명은 상기 펄스 레이저 빔이 조사되는 가공대상을 로딩하기 위한 스테이지를 포함할 수 있다. 이는 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 상기 가공대상을 3축 이동시킬 수 있으며, 또한 본 발명은 상기 가공대상을 3축 이동시키는 대신에 상기 레이저 빔을 각각 수직인 x, y 및 z축 방향으로 이동시키는 것을 통해 가공대상을 가공할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔을 생성시키기 위한 레이저 가공조건 및 상기 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정가능한 레이저 빔 제어부를 포함할 수 있다. 상기 제어부에 의해 레이저 소스, 가공 광학계, 및 스테이지를 포함하는 레이저 시스템들을 제어하며, 레이저의 펄스 폭, 파장, 펄스 에너지, 반복률, 조사 시간 등의 레이저 가공조건 및 상기 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정가능하여 이를 주사전자현미경에서 참조할 수 있도록 하며, 또한 레이저 제어가 컴퓨터를 통해 정상 동작 여부가 실시간으로 모니터링될 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부는 레이저 빔의 집광 지점을 설정하기 위해, 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정하고 이를 모니터상에 표시할 수 있다.
이를 위해, 상기 가공 광학계에는 광학렌즈, 카메라(13), 이미지 저장장치 등의 결상광학기기(12)를 추가적으로 포함하며, 상기 결상 광학기기에 의해 레이저 빔 처리될, 또는 레이저 빔 처리된 가공 대상의 광학적 영상이 얻어질 수 있고, 상기 레이저 빔 제어부에서는 얻어진 가공대상의 영상을 공간 좌표화하여 이를 시스템 공유 절대좌표로 변환하여 상기 절대좌표를 이용하여 가공위치를 레이저 빔 조사장치와 주사전자현미경이 이를 각각 참조할 수 있도록 한다.
또한 본 발명에서의 상기 가공 광학계에는 상기 결상 광학기기에 광학적 영샹을 보다 효과적으로 얻을 수 있도록 광원을 포함하는 조명 광학기기(11)을 추가적으로 구비할 수 있다.
또한 본 발명에서의 상기 제어부는 가공대상에 조사되는 레이저 빔의 이동 및 속도 또는 상기 스테이지의 이동 및 속도 등을 실시간으로 모니터링이 가능하며, 또한 이들을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 제어부는 제1 제어부 및 제2 제어부 등의 복수개의 제어부로서 구비될 수 있다. 이에 따라 상기 제1제어부가 상기 레이저 소스, 광학계, 및 스테이지의 공간좌표 등으로부터 선택된 일부분을 제어하고, 제2제어부는 상기 선택된 일부분을 제외한 나머지를 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 2는 앞서 기재된 바와 같이, 가공대상에 레이저 빔이 조사된 이후에 스테이지의 이동에 의해 주사전자현미경을 통해 변성정도를 확인가능한, 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치를 도시한 그림으로서, 상기 레이저 소스(1)에서 생성된 레이저 빔이 반사미러(2)를 거쳐 광분할기(4) 및 대물렌즈(5)를 포함하는 가공 광학계(3)를 거쳐 가공 대상(시편, 6)에 조사되어 가공대상을 절단 또는 변성시키게 된다.
이때, 광원을 포함하는 조명광학기기(11)로부터 상기 가공대상으로의 광조사에 의해 상기 카메라(13)를 포함하는 결상광학기기(12)가 가공 대상의 이미지를 보다 효과적으로 얻을 수 있도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 주사전자현미경은 전자빔을 방출하는 전자빔 소스; 및 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 가공대상에 조사되는 통로인 어퍼처;를 포함하며, 상기 주사전자현미경내 어퍼처는 격막을 포함하는 구조를 가지거나 또는 격막을 포함하지 않는 개방된 구조를 가질 수 있다.
여기서, 상기 어퍼처는 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로로서, 전자빔을 방출하는 전자빔 소스는 상기 어퍼처에 의해 가공대상과 격리되어 있고, 상기 전자빔은 상기 레이저 빔 제어부에 의해 설정된 가공대상의 3차원 공간 좌표를 참조하여 상기 어퍼처를 통과하여 가공대상에 조사됨으로써, 상기 레이저 빔 조사에 따른 가공대상의 변성 정도를 확인 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가공장치에 포함되는 주사전자현미경을 도 3에 도시하였다. 상기 도 3에 따르면, 상기 주사전자현미경은 진공챔버내에 위치하며, 전자빔을 방출하는 전자빔 소스(20), 상기 진공챔버 내에 전자빔 소스쪽에 구비되는 중간 집속렌즈(22)와 가공대상(시료)쪽에 구비되어 전자빔을 집속시키는 최종 집속렌즈인 대물렌즈(24)를 포함하는 집속렌즈군, 상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 가공대상(시료)에 조사되는 통로로서, 격막을 포함하는 구조이거나 또는 격막을 포함하지 않는 개방된 구조로 이루어진 어퍼처(37)를 구비한 진공챔버(30)와 상기 중간 집속렌즈(22)와 대물렌즈(24) 사이에 구비되며, 전자빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 하나이상의 편향기(41, 42) 및 진공챔버 외부에 위치하는 시료(55)를 지지하고 이동할 수 있는 스테이지(50)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 주사전자현미경은 전자빔이 투과가능한 어퍼처를 포함하며, 상기 어퍼처가 격막을 포함하는 구조인 경우에는 전자빔을 방출하는 전자빔 소스가 상기 격막에 의해 가공대상(시료)과 격리되어 있고, 전자빔은 상기 격막을 통과하여 가공대상에 조사되며, 상기 어퍼처의 크기에 따라 전자빔이 시료에 조사되는 범위가 결정될 수 있다.
한편, 상기 어퍼처가 격막을 포함하지 않는 구조인 경우에는, 전자빔을 방출하는 전자빔 소스가 상기 어퍼처에 의해 가공대상(시료)과 완전히 격리되지는 않지만, 어퍼처에 의해 상기 주사전자현미경은 진공챔버에 의해 둘러싸인 진공챔버 내부의 영역과, 상기 가공대상(시료)을 포함하는 영역으로 구획될 수 있다.
일반적으로, 상기 가공대상(시료)을 포함하는 영역은 시료가 위치하는 시료실내부의 영역에 해당될 수 있으며, 상기 시료실은 별도의 저진공용 진공펌프에 의해 감압된 영역에 해당하는 독립적으로 폐쇄된 영역이 될 수도 있고, 대기압 환경에서와 같이 외기와 동일한 압력하의 개방된 영역이 될 수도 있다.
본 발명에 따른 주사전자현미경은 상기 진공챔버 내부의 영역보다 가공대상(시료)을 포함하는 영역이 상대적으로 높은 압력을 가질 수 있다.
예컨대, 본 발명에서 상기 진공챔버 내부의 영역과, 상기 가공대상(시료)을 포함하는 영역의 압력차이는 100배 이상의 압력차이를 나타낼 수 있고, 바람직하게는 1000배 이상의 압력차이를 나타낼 수 있다.
한편, 본 발명에서, 상기 어퍼처는 상기 진공챔버 내부의 영역과, 상기 가공대상(시료)을 포함하는 영역을 구분하는 경계부가 될 수 있다. 즉, 상기 어퍼처는 격막을 포함하지 않는 구조인 경우에는 진공챔버 내부영역과 가공대상(시료)을 포함하는 영역 사이를 연통시키며, 단면이 원형, 다각형, 타원 또는 임의의 형태를 가지는 개구부일 수 있고, 또한 상기 어퍼처가 격막을 포함하는 구조인 경우에는 상기 개구부의 개구부분이 얇은 두께의 격막에 의해 밀봉된 형태를 가질 수 있다.
*따라서, 상기 진공챔버는 어퍼처에 의해 부분적으로 아주 좁은 면적만이 개방되거나, 또는 격막을 포함하는 어퍼처에 의해 밀봉되어 고진공을 유지함으로써, 진공챔버내 전자빔 소스로부터 방출되는 전자빔이 산란되지 않고 시료에 조사될 수 있도록 한다.
예컨대, 본 발명에서 상기 가공대상(시료)를 포함하는 시료실내의 압력이 10-3 mbar 이상의 압력 범위, 바람직하게는 10-2 mbar 이상의 압력 범위를 갖는 저진공인 경우에는 상기 어퍼처가 개구형태만으로 이루어지도록 서로 개방됨으로써, 가공대상(시료)을 포함하는 영역의 대기가 상기 진공챔버내부의 영역으로 자유롭게 유입될 수 있다.
상기 어퍼처가 개구형태로 개방되어 격막을 포함하지 않는 구조인 경우에, 상기 진공챔버내부의 영역과 가공대상(시료)을 포함하는 영역에서의 압력은 압력의 측정지점에 따라 달라질 수 있는 바, 상기 각각의 영역의 압력측정의 기준이 되는 위치로서, 진공챔버 내부의 영역은 전자빔 소스 부근이 될 수 있고, 가공대상(시료)를 포함하는 영역은 시료스테이지 상의 시료부근이 될 수 있다.
한편, 상기 시료를 포함하는 영역내의 압력이 대기압 환경인 경우에는 상기 어퍼처가 개구형태만으로 이루어지는 경우에는 상기 전자빔 소스를 포함하는 진공챔버내 영역의 압력조절이 용이하지 않을 수 있고, 또한 전자 빔의 방출이 대기압내 존재하는 공기 입자들에 의해 산란되거나 방해받을 수 있어, 어퍼처가 얇은 두께의 격막에 의해 밀봉된 개구형태를 가지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 도 3에서의 주사전자현미경은 추가적으로 2차전자검출기를 포함할 수 있으며, 진공챔버안의 전자빔 소스에서 방출되는 전자빔을 복수의 집속렌즈군으로 집속시켜 시료상에 전자빔을 조사하되, 하나 또는 복수의 편향기를 이용하여 빔 궤도를 조절하여 상기 전자빔의 조사 위치를 이동시키는 방식으로 시료위에 전자빔을 주사시켜 시료의 형상을 관찰한다. 이때, 상기 전자빔은 공기분자와 충돌하여 산란될 수 있기 때문에, 상기 전자빔 소스와, 집속렌즈군과 상기 어퍼처 사이의 빔 주사영역을 포함하는 진공챔버내 공간은 진공펌프를 사용하여 고진공 환경으로 유지하도록 배기하여야 한다.
이때 상기 전자빔 소스와, 집속렌즈군을 포함하는 진공챔버내 압력을 고진공으로 유지하기 위해서 통상적으로 10-4 mbar 이하, 바람직하게는10-5 mbar 이하의 압력을 갖도록 진공펌프를 구비할 수 있다.
이때 전자빔 소스에서 방출되는 전자빔은 도 3에서 점선으로 표시되는 광축(60)을 중심으로 집속렌즈군에 의해 집속된다.
한편, 집속 렌즈군은 수차를 가지고 있으며, 상기 수차가 커지면 전자빔 스폿 사이즈가 커져서 관찰 분해능과 가공 정밀도가 저하될 수 있다.
또한, 상기 전자빔의 궤도가 대물렌즈의 중심에서 벗어나면 수차가 급속히 증가하여 전자빔 스폿 사이즈가 커지게 될 수 있어, 이를 방지하기 위해 일반적으로 대물렌즈 상부에 편향기를 구비할 수 있다.
상기 도 3에서는 전자 빔을 시료위에 주사시킬 때 수차를 줄이기 위해 대물렌즈와 중간 집속렌즈의 사이에 상-하단으로 편향기를 구성하여 빔의 궤도가 렌즈의 중심을 통과하도록 빔 궤도를 제어하고 있다.
한편, 주사전자현미경이 환경주사전자현미경으로서, 상기 가공대상(시료)을 포함하는 주사전자현미경의 시료실내 영역의 압력이 1x10-2 mbar 이상의 저진공 상태로 유지될 정도의 조건을 만족하는 경우로서, 시료가 고진공을 요구하지 않는 경우에는 상기 어퍼처는 도 3에서 도시된 격막을 형성하지 않고 단순히 상기 진공챔버내 개구부 형태로 개방되도록 형성될 수 있고, 상기 어퍼처의 지름 또는 표면적의 크기, 각각의 진공펌프의 용량 등에 따라 상기 시료영역과 전자빔 소스를 포함하는 진공챔버의 내부영역 사이의 압력차이가 조절될 수 있다.
이를 위해 별도의 진공펌프를 두어, 상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 포함하는 고진공 영역의 진공챔버와는 압력차이를 유지할 수 있도록 한다.
그러나, 생물 시료 등의 관찰이나 본 발명에서와 같이 가공대상을 극초단 펄스 레이저를 이용하여 변성하고 가공후 표면 또는 내부를 확인하기 위해서는 가공대상(시료)를 포함하는 시료실내 영역을 진공챔버를 사용하지 않고 대기압하에서 시료를 놓게 하며, 예컨대 에어 주사전자현미경(Air-SEM)을 이용하여 시료를 관찰하게 된다.
이 경우에 상기 어퍼처는 개구부가 아닌, 도 3에서와 같이 일정 두께를 갖는 격막을 포함하게 된다. 상기 격막은 예컨대, 질화 실리콘(SiN)과 같은 재료를 에칭하여 제작하거나 그라핀 같은 박막재료 자체를 사용하거나 또는 이들 중 어느 하나 또는 이들의 복합층을 사용할 수 있고, 이때 상기 격막의 두께는 1 내지 3000 nm, 바람직하게는 10 내지 2000 nm이하로 형성될 수 있고, 예시적으로 20 내지 500 nm의 범위를 가질 수 있다.
이때, 상기 어퍼처의 크기는 직경 3000 um 이하일 수 있고, 바람직하게는 2000 um이하일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1000 um이하일 수 있다.
한편, 상기 어퍼처의 크기와 어퍼처와 대물렌즈사이의 거리에 의해 시료상에 형성되는 전자빔의 최대 형성영역이 결정될 수 있다. 즉, 상기 어퍼처의 크기가 크거나 또는 어퍼처와 대물렌즈사이의 거리가 짧은 경우에는 상기 편향기를 이용하여 시료를 이동시키지 않고 고정된 상태에서 전자빔 프로브를 형성할 수 있는 영역인 주사 범위를 넓게 가져갈 수 있다.
일반적으로, 상기 도 3에 나타난 바와 같은 주사전자현미경을 이용하는 경우에는 시료 주위의 압력을 대기압 상태로 유지하며, 또한 상기 전자빔 소스를 포함하는 진공챔버에서의 1x10-4 mbar 이하의 고진공상태를 유지하는데 영향이 미지치 않도록 어퍼처의 지름을 매우 작고( < 1mm) 일정한 두께이하( < 수백nm)를 갖는 박막을 구비해야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 전자빔 소스는 상기 전자빔을 생성할 수 있는 형태로서, 열전자 방출원으로는 융점이 높으면서도 상대적으로 전자방출이 잘되는 텅스텐, 탄탈륨, 이리듐, 이리듐-텅스텐 합금의 필라멘트와, 상기 재료 표면에 전자가 더 낮은 온도에서 방출되도록 이트륨, 바륨, 세슘 및 그 산화물을 코팅한 필라멘트가 사용될 수 있다.
한편, 상기 집속렌즈군은 전기장 또는 자기장에 의해 상기 전자빔을 집속하여 주는 역할을 하며, 전자빔 소스(20)쪽에 구비되는 하나이상의 중간 집속렌즈(22) 및 최종 집속렌즈로서 시료쪽에 구비되며, 시료위에 집속되는 전자빔 스폿을 형성시키는 대물렌즈(24)를 포함한다.
상기 집속렌즈군내 중간집속렌즈(22)와 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군(20)은 내부에 포함된 전극을 통해, 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔을 감속 시키거나 가속시키거나 조사방향을 변경시킬 수 있고, 다양한 형태로 감겨있는 다수의 코일 형태로 존재할 수 있다.
이때, 상기 전자빔은 수차를 감소시키기 위해 상기 대물렌즈의 중심을 통과하도록 제어될 수 있다. 즉, 주사를 시킬 때 편향기에 의해 편향되는 빔이 최종 집속렌즈인 대물렌즈의 중심을 지나도록 제어될 수 있다.
이를 구현하기 위해 중간집속렌즈와 대물렌즈 사이에 편향기를 구비할 수 있으며, 상기 편향기에 의해 전자빔의 조사방향을 제어할 수 있다.
한편, 상기 주사전자현미경은 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버를 포함할 수 있다.
즉, 상기 주사전자 현미경은 앞서 기재된 바와 같이, 상기 진공챔버에 의해 둘러싸인 진공챔버 내부의 고진공 영역과, 상기 가공대상(시료)을 포함하는 영역으로 구획될 수 있고, 예컨대, 상기 진공챔버 내부의 영역은 10-4 mbar 이하의 범위를 갖는 고진공 영역일 수 있고, 바람직하게는 10-5 mbar 이하의 범위를 갖는 고진공 영역일 수 있으며, 이를 위해서 진공챔버 내부를 고진공용 진공펌프를 구비하는 진공 시스템을 사용할 수 있다.
예시적으로, 상기 진공챔버는 진공펌프에 의해 고진공이 유지되는 진공공간을 형성한다. 이때 상기 진공펌프는 드라이 펌프, 확산펌프(diffusion pump), 터보 분자펌프(Turbo molecular pump), 이온펌프(ion pump), 크라이오펌프(cryopump), 로터리펌프(rotary pump), 스크롤 또는 다이어프램 펌프등의 드라이 펌프(dry pump) 로부터 선택되는 하나 이상을 포함하여 구비될 수 있다.
또한, 상기 가공대상(시료)을 포함하는 영역은 시료를 포함하는 영역으로서, 일반적으로 본 발명에서의 레이저 가공장치가 사용되는 압력조건에 따라 의존할 수 있으며, 통상적으로 대기압 환경에서와 같이 외기와 동일한 압력하의 개방된 영역이 될 수도 있다.
한편, 본 발명에서의 가공장치는 주사전자현미경과 가공대상(시료)이 로딩될 스테이지를 공유할 수 있으며, 상기 레이저 빔 조사에 의한 가공대상(시료)은 스테이지상에 로딩되어 레이저 빔에 의해 가공된 후 주사전자현미경의 대물렌즈 아래의 어퍼처 하부로 이동됨으로써 공유될 수 있고, 이와는 별도로 상기 스테이지가 고정되며, 이에 로딩된 가공대상을 레이저빔에 의해 가공한 후 상기 레이저 빔 조사장치 와 주사전자현미경이 각각 이동하도록 할 수 있다.
이때, 상기 스테이지는 상기 주사전자현미경내 어퍼처의 0.1 내지 100 mm 아래에서, 바람직하게는 1 내지 30 mm 아래에서 시료를 지지하며, 지면에 평행인 x방향 및 y방향과 지면에 수직방향인 z방향으로 위치이동이 가능하도록 구비될 수 있다.
또한 상기 주사전자현미경내 편향기는 하전 입자 빔을 편향시키는데 사용되는 자기장을 생성하는 적어도 하나의 코일 장치를 포함할 수 있다.
상기 편향기는 통상적으로 중간 집속렌즈(22)와 대물렌즈(24) 사이에 구비될 수 있고, 도 3에서 도시된 바와 같이, 중간 집속렌즈(22)와 대물렌즈(24)사이에 상단(41) 및 하단(42)으로 편향기를 복수로 구비하여 전자 빔의 궤도가 대물렌즈의 중심을 통과하도록 빔 궤도가 설정될 수 있게 제어된다.
이때, 상기 어퍼처의 크기에 따라, 광축을 기준으로 시료에 조사되는 하전입자빔의 최대 각도가 제한될 수 있다. 즉, 상기 시료에 조사되는 전자빔은 어퍼처의 최외각부분에 해당하는 부분보다 안쪽의 개구부를 통과하도록 상기 최대각도보다 작은 각도를 갖는 공간범위(70)내로 제한되어 시료에 조사될 수 있고, 이보다 각도가 더 벌어져서 조사되는 경우는 경우에는 어퍼처를 통과할 수 없게 된다.
또한 상기 주사전자현미경은 진공챔버내 외부에서 접근가능한 적어도 하나의 커넥터를 포함할 수 있다. 상기 커넥터는 진공챔버와 외부환경과의 전기적 연결을 위한 연결부로서, 진공 챔버내 전자빔 소스 및 집속렌즈군으로의 전원 및 제어신호 공급 (ⅱ) 진공 챔버내 편향기에 이의 제어 신호 및 전원 공급 및 (iii) 상기 (i) 및 (ii)에서의 전자빔 소스, 집속렌즈군 및 편향기의 이상 유무에 관한 정보를 제공할 수 있는 검출기의 전원공급 및 제어 등을 용이하게 할 수 있다.
또한 본 발명에서의 상기 주사전자 현미경은 추가적으로 시료의 검출 또는 대조를 강화하기위해 수증기, He, 질소, 아르곤을 포함하는 추가적인 가스를 주입할 수 있는 가스 주입기가 구비될 수도 있다. 이러한 가스 혼합물은 시료에 근접하게 제공될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한 상기 주사전자현미경은 시료의 표면에서 방사되는 여러 신호들, 즉 저에너지 이차 전자 신호, 고 에너지 후방산란 전자 신호, 작은 각도의 반사 전자신호, 및 큰 각도의 반사 전자 신호를 분리하는 역할을 하는 적당한 기하학적 형태의 전자 검출기를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 검출기는 시료의 표면의 형태를 나타내주는 디스플레이 장치 등의 표시장치에 연결되어 최종적으로 이미지로 정보가 표시된다.
또한 주사전자현미경은 상기 진공챔버의 진공도와 전자빔 소스내 전자빔의 방출강도와 방출시기 등을 조절하며, 집속렌즈군 및 편향기의 제어 등을 위한 주사전자현미경내 제어부를 추가적으로 구비할 수 있다.
따라서, 상기 주사전자현미경내 제어부는 본 발명에서의 레이저 빔 제어부로부터 설정된 가공대상의 3차원 공간좌표를 참조하여 가공대상의 표면중 관찰하고자 하는 영역을 포함하는 가공대상의 표면 이미지를 얻을 수 있도록 전자빔을 조사할 수 있다.
한편, 상기 주사전자현미경내 제어부는 본 발명에서의 레이저 빔 제어부와 함께 통합되어 하나의 제어부에 의해 본 발명에서의 가공장치가 작동될 수 있다.
본 발명에서 상기 통합된 하나의 제어부에 의해 레이저 빔 조사장치와 주사전자현미경 및 스테이지가 각각 제어되더라도, 본 발명에서의 가공대상의 표면을 관찰하는 방법은 앞서 기재된 바로부터 통상의 기술자에게 자명한 것으로 인식될 것이다.
이하에서는 상기 레이저 빔 제어부에 의해 설정된 가공대상의 3차원 공간 좌표를 참조하여 주사전자현미경에서 상기 격막을 통과하여 가공대상에 전자빔을 적절한 위치에 조사하기 위해 가공대상의 위치정보를 참조하는 방법에 대해 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 레이저 가공장치의 스테이지에 가공대상이 로딩된 이후, 초기의 레이저 빔이 조사되어 가공대상에 절단 또는 가공대상의 변성이 일어나고, 이를 확인하기 위해서 가공 대상(시편, 6)은 스테이지에 의해 위치이동(7)되어 주사전자현미경(8)쪽으로 이동될 수 있다. 이후에 상기 주사전자현미경에 의해 전자빔이 조사되어 가공대상의 전자현미경의 이미지를 얻을 수 있다.
이때 상기 레이저 빔 제어부에서 생성된 가공위치의 절대좌표는 주사전자현미경에 의해서 참조가 되어 정확한 가공위치가 주사전자현미경의 결상위치의 중심에 오도록 이동을 한다.
이를 위해, 주사전자현미경과 가공광학계가 하나의 절대좌표계에 의해 설정이 될 수 있도록, 주사전자현미경과 가공광학계가 하나의 구조물로서 3차원 절대좌표계를 갖는 지지부(9)에 의해서 지지되어 고정이 되며, 상기 지지부상에 가공대상을 로딩할 수 있는 스테이지가 가공대상과 함께 이동될 수 있다.
예컨대, 상기 지지부의 3차원 절대좌표계의 원점을 기준으로 주사전자현미경 및 가공 광학계 각각의 고유의 3차원 위치정보가 서로 부여되어 있고, 이를 참조하여 가공시편이 스테이지를 통하여 두 장비간에 이동이 가능하며, 각각의 위치를 참조할 수 있다.
이를 보다 상세히 설명하기 위해 도 4를 참조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공장치내 가공광학계와 주사전자현미경에서의 3차원 공간좌표의 계산에 대해 설명하기 위한 그림으로, 본 발명의 가공대상의 3차원 공간좌표를 설정하는 방법에 대해 도시하였다.
상기 도 4에서는 3차원 절대좌표계를 갖는 지지부(9)에 주사전자현미경과 가공광학계가 각각 지지되어 가공광학계와 주사전자현미경의 각각의 위치좌표를 절대좌표로서 공유할 수 있는 상태에서의 가공대상의 3차원 공간좌표를 설정하는 방법을 도시하고 있다.
일 실시예로서, 상기 도 4에서의 각각의 부호는 아래와 같이 정의될 수 있다.
(Xo, Yo) : 지지부(9)내 절대좌표 원점
(Xfab ,Yfab) : 가공광학계 원점 (절대좌표계에서 위치)
(xlaser, ylaser) : 가공광학계 원점기준 가공위치좌표
(Xsem, Ysem) : 주사전자현미경 원점 (절대좌표계에서 위치)
(xD, yD) : 가공위치가 주사전자현미경 원점으로 이동하기 위한 상대이동거리
(si) : 가공광학계 영상좌표를 절대좌표로 변환시 적용 scale factor
이는 주사전자현미경의 절대좌표계에서의 원점의 위치를 (Xsem, Ysem)으로 하고, 상기 지지부(9)의 절대좌표계의 원점을 (Xo, Yo)로 하며, 상기 가공광학계의 절대좌표계에서의 원점을 (Xfab , Yfab)로 하고, 가공광학계의 원점기준에서의 가공위치좌표를 (xlaser , ylaser)로 하는 경우에 가공위치가 주사전자현미경 원점으로 이동하기 위한 상대이동거리(xD, yD)는 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.
xD = Xsem - (Xfab + xlaser * si )
yD = Ysem - (Yfab + ylaser * si )
여기서 상기 si는 가공광학계 영상좌표를 절대좌표로 변환시 적용 scale factor에 해당한다.
또한, 본 발명은 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상의 적어도 일부를 절단 또는 표면처리하여 변성시키는 방법으로서, a) 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔을 생성시키기 위한 초기 레이저 가공조건 및 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정하는 단계; b) 레이저 빔 조사 장치에 의해 상기 설정된 가공조건에 따른 극초단 펄스 레이저 빔을 가공대상의 적어도 일부에 조사하여 그 표면 또는 내부를 변성시키는 단계; c) 주사전자현미경으로 상기 펄스 레이저 빔의 조사에 따라 변성된 가공대상을 관찰하여 변성 정도를 확인하는 단계로서, a) 단계에서 설정된 가공대상의 3차원 공간 좌표를 참조하여 주사전자현미경내 전자빔을 방출하는 전자빔 소스가 전자빔을 가공대상에 조사함으로써, 레이저 빔 조사에 따라 변성된 가공대상을 관찰하여 변성 정도를 확인하는 단계; 및 d) 상기 변성정도에 따라 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔의 가공조건을 수정하고, 수정된 가공조건에 따른 극초단 펄스 레이저 빔을 상기 레이저 빔 조사 장치에 의해, 가공대상의 적어도 일부에 조사하여 그 표면 또는 내부를 변성시키는 단계;를 포함하는, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법을 제공한다.
여기서, 상기 극초단 펄스 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 빔 조사장치와 주사전자현미경의 각각의 구성요소는 앞서 설명한 바와 같으며, 상기 주사전자현미경은 레이저 빔 조사장치에서의 가공대상의 가공위치에 대한 절대좌표계를 공유함으로써, 상기 가공대상의 3차원 공간 좌표를 참조하여 가공위치의 전자현미경 영상을 얻을 수 있어 변성된 가공대상을 관찰하여 변성정도를 확인가능하다.
한편, 본 발명에서 상기 d) 단계에서의 펄스 레이저 빔이 조사되는 가공대상은 b) 단계에 따라 이미 레이저 빔이 조사된 가공대상에 대해 다시 레이저 빔이 조사될 수 있어, 이미 레이저 빔이 조사된 부위와 동일한 위치를 레이저 빔을 조사하거나 또는 이미 레이저 빔이 조사된 가공대상의 레이저 빔이 조사된 부위와는 상이한 위치에 레이저빔이 조사될 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 d) 단계에서의 펄스 레이저 빔이 조사되는 가공대상은 b) 단계에 따라 이미 레이저 빔이 조사된 가공대상이 아닌, 이와 동종의 새로운 가공대상에 대해 레이저 빔이 조사될 수 있고, 이를 통해 레이저 빔의 조사 조건 또는 가공대상의 가공조건에 대해 최적화된 조건을 탐색할 수 있다.
또한 본 발명에서의 가공대상을 변성시키는 방법은 상기 c) 단계와 d) 단계는 가공대상이 고정되고 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치가 각각 이동함으로써, 이루어지거나, 또는 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치는 각각 고정되고, 상기 가공대상이 이동함으로써 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 또는 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치는 각각 고정되고, 상기 가공대상이 이동할 수 있다.
또한 본 발명에서의 가공대상을 변성시키는 방법은 상기 c) 단계와 d) 단계를 적어도 1회이상 반복할 수 있다.
도 5에서는 본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상의 적어도 일부를 절단 또는 표면처리하여 변성시키는 방법에서의 상기 c) 단계와 d) 단계의 반복과정을 도시한 순서도이다.
우선적으로 상기 a) 단계에 따라 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔을 생성시키기 위한 초기 레이저 가공조건 및 가공대상의 3차원 공간 좌표가 설정된 후에, b) 단계에 의해 레이저 빔 조사 장치가 가공대상을 가공할 수 있도록 가공대상을 포함하는 스테이지가 3차원 절대좌표계를 갖는 지지부상의 가공광학계가 위치한 특정한 위치로 이동하며, 이후에 b) 단계에 의해 레이저 빔 조사 장치가 상기 설정된 가공조건에 따른 레이저 빔의 초기 조사조건에 따라 극초단 펄스 레이저 빔을 가공대상의 적어도 일부에 조사하여 그 표면 또는 내부를 변성시키고, 가공광학계에 포함된 광학 현미경, 카메라 등의 결상광학기기를 이용하여 가공 대상의 가공위치의 영상을 획득하고, 상기 영상을 이용하여 이를 레이저 빔 제어부에 의해서 영상내 각각의 위치를 좌표화한다.
이후에 상기 레이저 빔 제어부는 이를 시스템 공유 절대좌표로 변환을 한 후, 상기 가공대상의 영상에 대한 절대좌표와 상기 지지부(9)에 고정된 주사전자현미경의 절대좌표를 참조하여 가공대상을 포함한 스테이지가 주사전자현미경이 위치한 장소로 이동 후, 주사전자현미경에서는 전자빔을 조사하고 가공대상(시료)로부터 방출되는 2차전자 등을 통하여 상기 가공대상의 가공상태에 대한 전자현미경 영상을 얻을 수 있다.
이후에, 상기 레이저 빔을 생성하기 위한 초기 가공조건을 재설정하거나, 또는 가공대상의 레이저 빔 조사위치를 재설정할 필요가 있는 경우에 재설정된 조건 또는 조사위치를 포함한 정보를 이용하여 다시 상기 가공광학계가 위치한 소정의 장소로 가공대상(시료)를 포함하는 스테이지가 이동하고 상기 가공대상의 동일위치 또는 변경된 위치에 반복적으로 레이저 가공을 수행할 수 있다.
이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1 : 레이저 소스 2 : 반사미러
3 : 가공 광학계 4 : 광분할기
5 : 대물렌즈 6 : 가공 대상(시편)
7 : 위치이동된 가공대상(시편) 8 : 주사전자현미경
9 : 절대좌표를 갖는 지지부 11 : 조명광학기기
12 : 결상광학기기 13 : 카메라
14 : 절대좌표계
20 : 전자빔 소스 22 : 중간 집속렌즈
24 : 주사전자현미경내 대물렌즈 30 : 진공챔버
37 : 어퍼처 내 격막 41, 42 : 편향기
50 : 시료 스테이지 55 : 시료(가공대상)
60 : 광축 70 : 전자빔 조사범위

Claims (14)

  1. 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상의 적어도 일부를 절단 또는 표면처리하여 변성시키는 방법으로서,
    a) 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔을 생성시키기 위한 초기 레이저 가공조건 및 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정하는 단계;
    b) 레이저 빔 조사 장치에 의해 상기 설정된 가공조건에 따른 극초단 펄스 레이저 빔을 가공대상의 적어도 일부에 조사하여 그 표면 또는 내부를 변성시키는 단계;
    c) 주사전자현미경으로 상기 펄스 레이저 빔의 조사에 따라 변성된 가공대상을 관찰하여 변성 정도를 확인하는 단계로서, a) 단계에서 설정된 가공대상의 3차원 공간 좌표를 참조하여 주사전자현미경내 전자빔을 방출하는 전자빔 소스가 전자빔을 가공대상에 조사함으로써, 레이저 빔 조사에 따라 변성된 가공대상을 관찰하여 변성 정도를 확인하는 단계; 및
    d) 상기 변성정도에 따라 가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔의 가공조건을 수정하고, 수정된 가공조건에 따른 극초단 펄스 레이저 빔을 상기 레이저 빔 조사 장치에 의해, 가공대상의 적어도 일부에 조사하여 그 표면 또는 내부를 변성시키는 단계;를 포함하는, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 극초단 펄스 레이저 빔은 피코초(10-12s) 레이저, 펨토초(10-15s) 레이저, 아토초(10-18s) 레이저 중 선택되는 어느 하나의 레이저에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 d) 단계에서의 펄스 레이저 빔이 조사되는 가공대상은 b) 단계에 따라 레이저 빔이 조사된 가공대상이거나 또는 이와 동종의 새로운 가공대상인 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계에서의 가공조건은 레이저의 펄스 폭, 파장, 펄스 에너지, 반복률, 조사 시간 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 극초단 펄스 레이저에 의한 레이저빔은 반도체 소자내 배선, 또는 유기발광소자내 형성된 배선의 적어도 일부를 제거하는데 사용되는 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계와 d) 단계를 적어도 1회이상 반복하는 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계와 d) 단계는 가공대상이 고정되고 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치가 각각 이동함으로써, 이루어지거나, 또는 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치는 각각 고정되고, 상기 가공대상이 이동함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상을 변성시키는 방법.
  8. 가공대상을 로딩하기 위한 스테이지;
    극초단 펄스 레이저 빔을 생성하는 레이저 소스 및 상기 레이저 소스로부터 생성된 레이저 빔을 상기 스테이지 상에 로딩된 가공대상에 조사시키기 위한 가공 광학계를 포함하는 레이저 빔 조사장치;
    가공대상에 적합한 극초단 펄스 레이저 빔을 생성시키기 위한 레이저 가공조건 및 가공대상의 3차원 공간 좌표를 설정가능한 레이저 빔 제어부; 및
    상기 펄스 레이저 빔 조사에 따른 가공 대상의 표면을 관찰가능한 주사전자현미경;을 포함하는 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치에 있어서,
    상기 주사전자현미경은 전자빔을 방출하는 전자빔 소스; 및 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 가공대상에 조사되는 통로인 어퍼처;를 포함하며,
    상기 주사전자현미경내 어퍼처는 격막을 포함하는 구조를 가지거나 또는 격막을 포함하지 않는 개방된 구조를 가질 수 있고,
    상기 전자빔은 상기 레이저 빔 제어부에 의해 설정된 가공대상의 3차원 공간 좌표를 참조하여 상기 어퍼처를 통과하여 가공대상에 조사됨으로써, 상기 레이저 빔 조사에 따른 가공대상의 변성 정도를 확인 가능한 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가공장치는 가공대상을 포함하는 스테이지가 고정되고 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치가 각각 이동가능하거나, 또는 주사전자현미경과 레이저 빔 조사장치는 각각 고정되고, 상기 가공대상을 포함하는 스테이지가 이동가능한 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 극초단 펄스 레이저는 펄스폭이 100 fs ~ 500 ps 사이의 범위 내인 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 극초단 펄스 레이저는 반복률이 1Hz ~ 500MHz 범위 내인 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 주사전자현미경내 어퍼처는 전자빔이 투과가능한 격막을 포함하는 구조를 가지며, 전자빔을 방출하는 전자빔 소스는 상기 격막에 의해 가공대상과 격리되어 있고,
    상기 격막은 두께 1000 nm 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치.
  13. 제8항에 있어서.
    상기 주사전자현미경은 전자빔을 방출하는 전자빔 소스;
    상기 가공대상에 전자빔을 집속시키는 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군;
    상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 가공대상에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버; 및
    상기 전자빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 하나 이상의 편향기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 극초단 펄스 레이저는 광섬유를 기반으로 하는 극초단 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공대상의 표면 또는 내부를 변성시키는 가공장치.
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