KR20200019386A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

Abstract

레이저 가공 장치가 개시된다. 레이저 가공 장치는, 레이저광을 방출하는 레이저광원, 레이저광을 통과시키면서 레이저광의 크기와 형태를 조절하는 슬릿, 슬릿을 통과한 레이저광의 집속도를 제1 배율로 1차적으로 조절할 수 있는 제1 튜브렌즈, 상기 제1 튜브렌즈를 통과한 레이저광을 받아 통과시키면서 집속도를 2차적으로 조절하여 가공대상물에 조사하고, 상기 가공대상물의 영상광을 통과시키면서 상기 영상광의 집속도를 조절하는 대물렌즈계, 상기 대물렌즈계를 통해 상기 가공대상물을 비추는 조명광을 방출하는 조명광원, 상기 대물렌즈계를 통과한 영상광을 통과시키면서 집속도를 상기 제1 배율과 다른 제2 배율로 조절하는 제2 튜브렌즈, 및 상기 제2 튜브렌즈를 통과한 영상광을 받아 가공대상물 영상을 획득하는 촬상장치를 구비하여 이루어진다.

Description

레이저 가공 장치{LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 빔을 조사하여 반도체나 평판표시장치에 형성된 오류를 수선하는 등의 가공을 수행할 수 있는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

레이저 가공 장치의 대표적인 예로 레이저 리페어 장치를 들 수 있다. 이런 장치는 집속된 상태로 직진성을 유지하는 레이저광을 기판상에 형성된 회로 이상 부위와 같은 특정 부위에 조사하여 단락과 같은 회로상의 오류를 수정하는 등의 기능을 수행할 수 있다.

통상의 레이저 리페어 장치의 레이저 조사부에서 조사되는 평행광인 레이저광은 슬릿을 통과하여 튜브렌즈와 대물렌즈를 지나면서 레이저가 점에 가까운 한 곳, 초점 위치로 집속 혹은 집광되어 열작용을 통해 해당 위치의 물질을 가열, 휘발시키는 등의 작용을 하게 된다.

도 1은 종래의 레이저 리페어 장치의 가장 간단한 형태의 일 구성예를 개념적으로 나타내는 구성개념도이다.

레이저광원(10)에서 출발한 레이저광은 슬릿(20), 제1 빔스플리터(91), 튜브렌즈(40), 제2 빔스플리터(81), 제3 빔스플리터(51), 대물렌즈(60)를 통해 가공대상물인 기판(70)의 가공영역에 도달하게 된다.

이때 슬릿은 넓게 광마스크를 포함하는 개념이며, 이 슬릿을 통과하여 기판 가공영역에 도달하는 레이저광의 크기와 형태를 결정하는 역할을 한다. 튜브렌즈(40)와 대물렌즈(60)는 함께 작용하여 기판(70)의 가공영역에 레이저광이 원하는 집속도를 가지고 도달하여 기판 가공이 이루어질 수 있도록 한다.

영상 광원(53)에서는 제3 빔스플리터(51)를 향해 빛을 비추어 여기서 반사된 빛이 대물렌즈(60)를 통해 기판의 가공영역을 비추도록 한다. 가공영역에서 반사, 산란된 빛은 영상광으로서 가공영역의 영상 정보를 가지고 역으로 대물렌즈(60)를 통과하고, 제3 빔스플리터(51), 제2 빔스플리터(81), 튜브렌즈(40)를 역으로 통과한 뒤, 제1 빔스플리터(91)에서 반사되어 촬상장치(93)로 투입되어 가공영역에 대한 영상을 촬상장치가 획득할 수 있게 된다.

따라서 이런 구성에서는 튜브 렌즈(40)는 대물렌즈(60)와 함께 기판 가공용 레이저광이 기판에 도달하는 경로 및 기판 가공영역의 영상 정보가 촬상장치로 전달되는 경로를 구성하며, 레이저광의 집속도를 정하는 역할과 무한광학 시스템 대물렌즈를 나온 영상광의 결상 및 수차 보정 등 역할을 하게 된다.

또한, 영상광 일부는 제2 빔스플리터(81)에서 반사되어 그 측방의 자동초점센서(83)로 투입되고, 자동초점센서(83)는 촬상장치(93)를 통해 가공대상물인 기판(70)의 해당 영역에서 가공되는 패턴의 가공 과정과 결과 등을 원활하게 확인하도록 하기 위하여 레이저광에 의해 기판(70)의 상면에 가공되는 패턴을 확인하는 대물렌즈(60)의 각 배율 별로 대물렌즈(60)의 초점을 자동으로 맞추게 된다.

그러나 전술한 종래의 구성에서는 레이저광 자체의 변화에 대한 대응이나 가공용 레이저광의 집속되는 사이즈의 한계가 발생하여 변화 필요에 대응이 어렵고, 촬상장치에서 획득되는 이미지의 필요에 따른 변화 요구나 이미지 개선 요구에 함께 적절히 대처하기 어렵다.

즉, 기존에는 레이저 리페어 장치 등에서는 비교적 단순하게 같은 조건으로 작업이 이루어지는 경우가 많아 튜브 렌즈(40)와 대물렌즈(60) 사이에 제2 빔스플리터(81)를 설치하고 영상광의 일부를 분리하여 이를 자동초점센서(83)로 보내고, 이를 통해 대물렌즈(60)를 조절하여 영상광 상태를 검사 및 조절을 하는 정도로 별다른 어려움이 없지만, 최근의 레이저 리페어 장치나 다른 레이저 가공 장치에서는 기존에 비해 정밀도가 높은 미세 가공이 요구되는 경우가 많고, 어떤 경우에는 대면적 대상물에 대한 빠른 가공이 더 요구되는 경우도 있다. 또한, 어느 경우든 작업 결과를 정확하게 모니터하기 위해 대상물 가공 상태에 대한 영상광을 촬상장치에서 정확히 파악할 수 있도록 하는 것이 함께 요청되고 있는데, 이런 다양한 요구를 함께 대응할 수 있는 구성의 레이저 리페어 장치가 요청된다.

대한민국 특허등록공보 제10-1380148호(2014.03.26.)

본 발명은 상술한 기존의 레이저 가공 장치의 문제점을 해결하기 위한 조절 구성을 가지는 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 튜브 렌즈를 통과하는 레이저빔 상태와 영상광 상태를 별도로 조절하면서 레이저 가공 장치에 요구되는 업무를 상황에 따라 융통성있게 최적화시킬 수 있는 구성을 가지는 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공 장치는 레이저광을 방출하는 레이저광원, 레이저광을 통과시키면서 레이저광의 크기와 형태를 조절하는 슬릿, 슬릿을 통과한 레이저광의 집속도를 제1 배율로 1차적으로 조절할 수 있는 제1 튜브렌즈, 제1 튜브렌즈를 통과한 광을 받아 통과시키면서 집속도를 2차적으로 조절하여 가공대상물에 조사하고 가공대상물의 영상광을 통과시키면서 영상광이 집속도를 조절하는 대물렌즈계, 대물렌즈계를 통해 가공대상물을 비추는 조명광을 방출하는 조명광원, 대물렌즈계를 통과한 영상광을 통과시키면서 집속도를 상기 제1 배율과 다른 제2 배율로 조절할 수 있는 제2 튜브렌즈, 제2 튜브렌즈를 통과한 영상광을 받아 가공대상물 영상을 획득하는 촬상장치를 구비하여 이루어진다.

본 발명에서 제2 튜브렌즈와 대물렌즈계 사이의 경로에서 영상광의 일부를 얻어 영상광의 상태를 검사하고, 촬상장치에서 영상이 잘 맺어질 수 있도록 장치 내의 광학요소에서 조절이 이루어지도록 신호를 발생하는 영상초점센서가 설치될 수 있다.

본 발명에서 제1 튜브렌즈와 대물렌즈계 사이의 경로에서 레이저빔의 일부를 얻어 레이저빔의 위치, 형상, 크기 등의 상태를 검사하고, 가공대상물의 정확한 위치에 정확한 형상, 크기의 레이저빔이 조사될 수 있도록 장치 내의 광학요소에서 조절이 이루어지도록 신호를 발생하는 레이저빔 상태센서가 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 레이저빔과 영상광의 경로를 나누고 레이저빔이 통과하는 튜브렌즈와 영상광이 통과하는 튜브렌즈를 제1 튜브렌즈와 제2 튜브렌즈로 달리함과 동시에 이들 튜브렌즈의 배율 혹은 집속도를 달리 조절하여 레이저빔과 영상광을 별도로 최적화하는 조절을 하는 것이 가능하게 된다.

아울러, 제1 튜브렌즈와 대물렌즈 사이에서 레이저광 상태를 검사하는 센서와 제2 튜브렌즈와 대물렌즈 사이에서 영상광 상태를 검사하는 센서를 설치하여 이들 레이저광과 영상광을 별도로 최적화하는 조절을 더욱 세밀하게 할 수 있다.

도 1은 종래의 레이저 리페어 장치의 일 예를 나타내는 구성 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리페어 장치를 나타내는 구성 개념도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 리페어 장치를 나타내는 구성 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 리페어 장치의 레이저 가공 형태와 비교예의 레이저 가공 형태를 예시한 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리페어 장치를 나타내는 구성 개념도이다.

이 실시예의 레이저 리페어 장치에는 레이저광을 방출하는 레이저광원(110), 레이저광을 통과시키면서 레이저광의 크기와 형태를 조절하는 슬릿(120), 슬릿을 통과한 레이저광의 집속도를 제1 배율로 1차적으로 조절할 수 있는 제1 튜브렌즈(140), 제1 튜브렌즈를 통과한 광을 받아 통과시키면서 집속도를 2차적으로 조절하여 가공대상물에 조사하고 가공대상물의 영상광을 역방향으로 통과시키면서 영상광이 집속도를 조절하는 대물렌즈계(160), 대물렌즈계를 통해 가공대상물을 비추는 조명광을 방출하는 조명광원(153), 대물렌즈계를 통과한 영상광을 통과시키면서 집속도를 상기 제1 배율과 다른 제2 배율로 조절할 수 있는 제2 튜브렌즈(240), 제2 튜브렌즈를 통과한 영상광을 받아 가공대상물 영상을 획득하는 촬상장치(193)가 구비된다.

여기서, 레이저광원(110)은 레이저 발진기와 셔터 등 레이저광 방출에 필요한 부속 요소들을 모두 포함하는 개념이며, 여기서는 레이저 출력을 조절할 수 있는 레이저 광원이 사용된다.

슬릿(120)은 레이저광이 통과하는 틈새를 형성하여 레이저광의 크기를 결정하는 부분과, 불투명층으로 전체를 커버하고 특정의 형태로 불투명층을 제거하여 패턴을 만드는 가공용 패턴마스크를 포함하는 개념으로 이를 통해 통과하는 레이저광이 크기와 형태를 한정할 수 있도록 하며, 필요에 따라 교체하여 크기와 패턴을 바꿀 수 있도록 한다. 슬릿(120)의 광 경로상의 전단에는 슬릿(120)에 조명을 제공하는 슬릿 조명(120a)가 구비될 수 있다.

여기서는 슬릿을 통과한 레이저빔은 반사거울(125)에 반사되어 경로를 바꾸어 제1 튜브렌즈(140)로 투입된다. 제1 튜브렌즈(140)는 통상적으로 사용되는 1배율(1X)의 렌즈가 아닌 2배율(2X)의 렌즈이며, 이러한 배율을 가지는 렌즈를 이용하면 레이저광의 집속도를 높일 수 있다.

이렇게 제1 튜브렌즈를 통과한 레이저빔은 대물젠즈계에서 같은 배율의 대물렌즈 사용한다고 할 때 전체적 패턴 혹은 형태는 동일하지만 가공대상물 표면에서 가로세로 크기가 절반으로 줄어 전체적으로 사이즈는 줄어들고 에너지밀도 혹은 광세기는 4배로 늘어나게 된다. 따라서, 미세 패턴의 정밀 가공에 더 용이하게 사용될 수 있다.

제1 튜브렌즈를 통과한 레이저빔은 여기서 빔스플리터(127)에서 반사되어 대물렌즈계(160)의 선택된 한 대물렌즈를 통과하여 다시 집속되어 가공대상물 표면의 정해진 위치에 조사된다.

한편, 조명광원(153)에서는 조명광이 방출되어 쾰러 광학계(Koehler optics)를 통하고 빔스플리터(151)에서 반사되어 빔스플리터(127)을 투과하여 대물렌즈계(160)를 통해 가공대상물(170)에 조사되어 레이저광이 조사되는 가공 대상 영역에서 반사 산란되면서 가공 영역의 패턴 이미지, 가공 상태에 대한 영상 정보를 가진 영상광을 형성하게 된다.

이런 영상광은 대물렌즈계(160)를 역방향으로 통과하면서 집속되어 빔스플리터들(127, 151)을 통과하여 제2 튜브렌즈(240)로 향하게 된다.

제2 튜브렌즈에서는 투입된 영상광을 통과시키면서 제1 튜브렌즈와 다른 1배 배율로 영상광을 다시 집속시켜 촬상장치(193)로 향하게 한다. 이를 통해 촬상장치에서는 초점이 맞고 적합한 영상을 획득할 수 있게 된다. 제2 튜브렌즈와 촬상장치 사이에는 광량이 너무 많을 경우 광량을 줄이거나 촬상장치에 적합한 파장대의 영상으로 제한하는 필터(197)나 편광필터(195)가 설치될 수 있다.

이런 실시예에서는 레이저광이 통과하는 제1 튜브렌즈의 배율을 영상광이 통과하는 제2 튜브렌즈 배율에 비해 더 높게 책정하여, 제2 튜브렌즈를 통한 영상광의 크기나 관찰 대상 영역(FOV)은 바꾸지 않고 유지하면서, 리페어용 레이저광의 크기를 줄이고, 근래의 집적도가 높은 미세 패턴의 문제 영역에서 정밀한 리페어 가공을 실시하여 패턴 제조 공정에서 발생한 오류 패턴을 정확하게 제거하고 리페어 성공률을 높이는 등의 효과를 가질 수 있다.

한편, 이런 경우, 가공대상물에 조사되는 레이저광의 광세기 혹은 에너지 밀도가 너무 커질 수 있으므로, 앞서 언급하였듯이 레이저 광원의 출력을 조절하여 기판 손상을 방지할 수도 있고 레이저광의 경로 상의 광학요소들의 레이저광에 의한 손상, 열화 정도도 줄일 수 있으며, 레이저 광원의 출력을 유지한 상태라면 레이저광이 해당 패턴을 가공하면서 지나가는 스캔 속도를 증가시켜 기판 손상은 방지하면서 레이저광을 이용한 가공 속도는 증가시켜 장비 효율을 늘릴 수도 있다.

또한, 제1 튜브렌즈의 배율을 늘리는 것은 이와 조합되는 대물렌즈계의 대물렌즈 배율을 저배율로 조합하여 사용할 가능성을 부여하는 것으로, 통상 대물렌즈로 저배율렌즈를 사용하는 경우, 고배율렌즈를 사용하는 것에 비해 한번에 처리할 수 있는 대상 영역을 늘릴 수 있고, 전체 기판을 처리하는 가공 시간을 단축시키는 효과를 가질 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 구성 개념도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 리페어 장치의 레이저 가공 형태와 비교예의 레이저 가공 형태를 예시한 도면이다.

본 실시예에서는 전체적 구성면에서 도 2의 실시예와 비슷하지만 도 2의 실시예와 비교할 때 제2 튜브렌즈(240)와 대물렌즈계(160) 사이의 경로에서 빔스플리터(281)를 통해 영상광의 일부를 얻어 영상광의 상태를 검사하고, 촬상장치에서 영상이 잘 맺어질 수 있도록 장치 내의 광학요소에서 조절이 이루어지도록 신호를 발생하는 영상초점센서(283)가 설치되는 점에서 차이를 가진다.

아울러, 본 실시예에서는 제1 튜브렌즈(140)와 대물렌즈계(160) 사이의 경로에서 빔스플리터(181)를 통해 레이저빔의 일부를 얻어 레이저빔의 위치, 형상, 크기 등의 상태를 검사하고, 가공대상물(170)의 정확한 위치에 정확한 형상, 크기의 레이저빔이 조사될 수 있도록 장치 내의 광학요소에서 조절이 이루어지도록 신호를 발생하는 레이저빔 상태센서(183)가 설치된다.

이때, 장치 내의 광학요소로는 이미 실시예에서 언급된 제1, 제2 튜브렌즈, 대물렌즈계가 될 수도 있고, 언급되지 않지만 광경로 상에 더 추가될 수 있는 요소가 될 수도 있다. 가령, 광경로 위치 혹은 광축을 조절할 수 있도록 광경로 상에 이동가능하게 위치하는 단순히 경사진 유리판이 될 수도 있다.

따라서, 이런 실시예에서는, 앞선 실시예에서 레이저광과 영상광을 별도로 조절하기 위해 제1 튜브렌즈와 이와 다른 배율로 운영되는 제2 튜브렌즈를 별도로 배치하고, 이들 튜브렌즈와 조합되는 대물렌즈계의 대물렌즈 배율을 임의로 선택, 조합하여 사용하는 가능성에 더하여, 이런 조절을 영상초점센서(283)나 레이저빔 상태센서(183)를 통해 레이저광의 경로위치, 형태, 크기에 관한 상태 및 영상광의 초점 관련 상태를 정확히 파악하여 제1 튜브렌즈 및 제2 튜브렌즈의 배율 비 조절과 대물렌즈계의 적합한 대물렌즈 및 배율 선택을 더욱 최적화하여 운영할 수 있다.

전술한 실시예들에 의하면, 본 발명의 레이저 리페어 장치는 도 4에 나타낸 바와 같이 레이저 가공 형태(b)가 비교예의 레이저 가공 형태(a)에 비해 축소된 레이저 가공 사이즈를 가져 미세 가공을 용이하게 수행할 수 있다. 이것은 디스플레이 장치의 화소에서 이미지나 색상의 변화를 발생하기 않는 상태에서 미세 가공을 수행할 수 있음을 나타낸다. 또한, 낮은 가공 에너지를 사용함으로써 광학 부품의 데미지를 최소화한 상태로 레이저 가공을 수행할 수 있다. 아울러, 저 배율 가공 렌즈를 사용함으로써 대면적 패널 가공의 가공 시간을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

이상의 본 발명의 실시예들에서는 레이저 리페어 장치를 위주로 설명하고 있으나, 레이저 리페어 장치 외에도 레이저의 위치 정확도와 열가공 조절 편리성을 이용하는 다른 레이저 가공 장치에서도 본 발명은 동일한 원리, 방식으로 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은 대상 측면에서도 기존에 레이저 가공 장치를 사용하는 반도체 공정, 액정표시장치(LCD) 제조 공정, 유기발광장치(OLED) 제조 공정에서 화소 회로의 오류 수정이나 해당 화소 제거에 모두 적용될 수 있다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형예나 응용예는 첨부된 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10, 110: 레이저 광원 20, 120: 슬릿
40: 튜브렌즈 51, 81, 91, 127, 151, 281: 빔스플리터
53, 153: 조명광원 60, 160: 대물렌즈(대물렌즈계)
70, 170: 가공대상물 83: 자동초점센서
93, 193: 촬상장치 125: 반사거울
140: 제1 튜브렌즈 183: 레이저빔 상태센서
240: 제2 튜브렌즈 283: 영상초점센서

Claims (3)

1. 레이저광을 방출하는 레이저광원,
   레이저광을 통과시키면서 레이저광의 크기와 형태를 조절하는 슬릿,
   상기 슬릿을 통과한 레이저광의 집속도를 제1 배율로 1차적으로 조절할 수 있는 제1 튜브렌즈,
   상기 제1 튜브렌즈를 통과한 레이저광을 받아 통과시키면서 집속도를 2차적으로 조절하여 가공대상물에 조사하고, 상기 가공대상물의 영상광을 통과시키면서 상기 영상광의 집속도를 조절하는 대물렌즈계,
   상기 대물렌즈계를 통해 상기 가공대상물을 비추는 조명광을 방출하는 조명광원,
   상기 대물렌즈계를 통과한 영상광을 통과시키면서 집속도를 상기 제1 배율과 다른 제2 배율로 조절하는 제2 튜브렌즈, 및
   상기 제2 튜브렌즈를 통과한 영상광을 받아 가공대상물 영상을 획득하는 촬상장치를 구비하여 이루어지는 레이저 가공 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 튜브렌즈와 상기 대물렌즈계 사이의 경로에서 영상광의 일부를 얻어 영상광의 상태를 검사하고, 상기 촬상장치에서 영상이 잘 맺어질 수 있도록 레이저 가공 장치 내의 광학요소에서 조절이 이루어지도록 신호를 발생하는 영상초점센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
3. 제 1 항에 있어서
   상기 제1 튜브렌즈와 대물렌즈계 사이의 경로에서 레이저빔의 일부를 얻어 레이저빔의 위치, 형상, 크기 가운데 적어도 하나를 검사하고, 상기 가공대상물의 정확한 위치 및 형상으로 레이저빔이 조사될 수 있도록 레이저 가공 장치 내의 광학요소에서 조절이 이루어지도록 신호를 발생하는 레이저빔 상태센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.

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