KR20230077039A

KR20230077039A - Laser fine processing method of quartz glass through composite wavelength processing

Info

Publication number: KR20230077039A
Application number: KR1020210163859A
Authority: KR
Inventors: 김창관
Original assignee: 주식회사 큐라텍
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-06-01

Abstract

본 발명은 투명하여 레이저가공이 어려운 석영유리에 레이저를 이용하여 정밀한 미세가공을 하기위한 복합 파장 가공을 통한 석영유리의 레이저 미세가공 방법에 관한 발명으로 단일 가공의 8~12%의 플루언스로 조사하는 157㎚의 파장과 20㎱의 펄스폭을 갖는 진공 자외역의 파장을 갖는 진공 자외 레이저와 248㎚의 파장과 23㎱의 펄스폭을 갖는 자외역에서 발진하는 자외 레이저 중 크립톤 불소 엑시머 레이저를 가공대상에 동시에 조사하여 석영유리의 레이저 미세가공을 수행하여 가공 공정 작업 환경이 개선되고, 공구의 마모와 같은 소모성 문제가 발생하지않아 산업폐기물이 감소되며, 가공정밀도가 증가하여 제품의 품질을 향상시키는 효과를 얻는 복합 파장 가공을 통한 석영유리의 레이저 미세가공 방법을 제공한다.The present invention relates to a laser micromachining method of quartz glass through complex wavelength processing for precise micromachining using a laser on quartz glass, which is difficult to laser process because it is transparent, and irradiates with a fluence of 8 to 12% of single processing A vacuum ultraviolet laser with a wavelength of 157 nm and a pulse width of 20 ns and a krypton fluorine excimer laser oscillating in the ultraviolet region with a wavelength of 248 nm and a pulse width of 23 ns. By irradiating the target at the same time and performing laser microprocessing of quartz glass, the working environment for the processing process is improved, and industrial waste is reduced because consumable problems such as tool wear do not occur, and the processing precision is increased to improve product quality. Provided is a method of laser micromachining of quartz glass through complex wavelength processing that obtains the effect.

Description

Laser fine processing method of quartz glass through composite wavelength processing}

본 발명은 투명하여 레이저가공이 어려운 석영유리에 레이저를 이용하여 정밀한 미세가공을 하기위한 복합 파장 가공을 통한 석영유리의 레이저 미세가공 방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a laser micromachining method of quartz glass through complex wavelength processing for precise micromachining using a laser on quartz glass, which is difficult to laser process because it is transparent.

물리적 가공은 가공도구와 가공대상의 접촉식으로 미세가공을 수행하나, 공구의 마모와 같은 소모성 문제 등으로 대량의 가공을 진행할 시 가공정밀도가 떨어지고 불량의 발생이 증가하는 문제가 있다.Physical processing performs micro-machining by contacting the processing tool and the processing target, but there is a problem in that processing precision decreases and the occurrence of defects increases when mass processing is performed due to consumable problems such as tool wear.

레이저 가공은 집속된 레이저 광선으로 고밀도의 열을 가하여 고속으로 가열된 표면이 용융됨과 동시에 증발되며 가공되는 방식으로 가공공정을 수행한다. 레이저 가공은 물리적 가공에 비해 가공의 자유도가 높고, 작업시 소음과 진동, 분진이 적어 가공환경이 우수하고, 가공속도가 빨라 다양한 가공공정에서 높은 활용도를 보이며 또한, 공구의 소모성이 거의 없어 산업폐기물로 발생하는 환경문제의 관점에서도 장점을 갖는다. 이러한 레이저가공은 레이저 광선의 열이 가공소재에 축적되며 가열이 되어야 하기 때문에 빛을 투과시키는 투명한 석영유리소재의 경우 그 미세가공에 어려움이 있어 물리적 가공이 주로 행해져 왔다. 하지만, 석영유리는 국내외 다양한 산업에 활용되며 특히 미세가공의 중요성이 높은 반도체 산업에서 그 활용도가 높은만큼 효율성 높은 레이저 광선을 활용한 석영유리의 미세가공방법이 필요한 시점이다.Laser processing performs a processing process by applying high-density heat with a focused laser beam so that the surface heated at high speed is melted and evaporated at the same time. Compared to physical processing, laser processing has a higher degree of freedom in processing, has an excellent processing environment with less noise, vibration and dust during operation, and is highly usable in various processing processes due to its fast processing speed. It also has advantages in terms of environmental problems caused by In this laser processing, since the heat of the laser beam is accumulated in the processing material and must be heated, in the case of a transparent quartz glass material that transmits light, there is difficulty in microfabrication, and thus physical processing has been mainly performed. However, quartz glass is used in various industries at home and abroad, and since its utilization is high in the semiconductor industry, where the importance of microfabrication is high, it is time to require a microfabrication method of quartz glass using highly efficient laser beams.

종래의 기술이 투명한 석영유리소재의 레이저 광선을 활용한 미세가공에 어려움이 있어 레이저가공의 높은 가공자유도, 우수한 작업환경, 신속한 가공속도 등의 장점에도 불구하고 주로 물리적 가공이 행해져서 가공정밀도가 떨어지고 불량의 발생이 증가하는 문제가 있다.Conventional technology has difficulties in microfabrication using laser beams of transparent quartz glass materials. Despite the advantages of laser processing such as high processing freedom, excellent working environment, and rapid processing speed, physical processing is mainly performed, resulting in poor processing precision. There is a problem of falling and increasing the occurrence of defects.

상기 문제를 해결하기 위해 레이저 광선을 활용한 미세가공을 가능하게하는 복합 파장 가공을 통한 석영유리의 레이저 미세가공 방법으로 단일 가공의 8~12%의 플루언스로 조사하는 157㎚의 파장과 20㎱의 펄스폭을 갖는 진공 자외역의 파장을 갖는 진공 자외 레이저와 248㎚의 파장과 23㎱의 펄스폭을 갖는 자외역에서 발진하는 자외 레이저 중 크립톤 불소 엑시머 레이저를 가공대상에 동시에 조사하여 석영유리의 레이저 미세가공을 수행한다.In order to solve the above problem, it is a laser micromachining method of quartz glass through complex wavelength processing that enables micromachining using laser beams. A wavelength of 157nm and 20ns irradiated with a fluence of 8 to 12% of single processing A vacuum ultraviolet laser with a pulse width of 248nm and a krypton fluorine excimer laser oscillating in the ultraviolet range with a pulse width of 23ns are simultaneously irradiated to the target to produce quartz glass. Perform laser micromachining.

복합 파장의 레이저 광선을 활용한 투명한 석영유리소재의 미세가공을 수행하여 가공 공정 작업 환경이 개선되고, 공구의 마모와 같은 소모성 문제가 발생하지않아 산업폐기물이 감소되며, 가공정밀도가 증가하여 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.By performing micro-processing of transparent quartz glass materials using multi-wavelength laser beams, the working environment for the processing process is improved, and consumable problems such as tool abrasion do not occur, reducing industrial waste and increasing processing precision, resulting in better quality of products. quality can be improved.

본 발명의 구체적인 내용을 설명하기에 앞서 본 발명은 복합 파장 가공을 통한 석영유리의 레이저 미세가공 방법에 대한 발명으로 석영유리의 투명한 물성 때문에 레이저 광선을 사용한 미세가공의 어려움을 해결하기위한 미세가공 방법의 제공으로 그 대상을 석영유리에 한정짓지 아니하며, 석영유리와 물성이 유사한 투명한 소재의 미세가공에 범위있게 적용될 수 있으며, 가공공정에 실제 적용함에 따라 현장 숙련도가 높은 실무자의 판단에 따라 본 발명의 주요내용 외 부수적인 부분에 있어서의 유연성을 발휘함에 있어 이 발명의 요지에서 벗어난다고 보지 아니한다.Prior to explaining the specific details of the present invention, the present invention is an invention for a laser micromachining method of quartz glass through complex wavelength processing, and a micromachining method for solving the difficulty of micromachining using laser beams due to the transparent physical properties of quartz glass. With the provision of, the target is not limited to quartz glass, and can be applied to a range of microfabrication of transparent materials similar in physical properties to quartz glass, and according to the judgment of a practitioner with high field experience as it is actually applied to the processing process, the use of the present invention It is not considered to deviate from the gist of the present invention in demonstrating flexibility in ancillary parts other than the main content.

본 발명은 서로 다른 파장을 갖는 진공 자외 레이저와 자외 레이저, 두 종류 레이저 광선을 동시에 가공대상에 조사하여 가공대상의 용융과 동시에 증발을 유도하여 가공 안정성을 높여 가공속도와 가공정밀도를 증가시킨다. F₂레이저는 157㎚의 파장과 20㎱의 펄스폭을 갖는 진공 자외역의 파장을 갖는 진공 자외 레이저로 단일 레이저 가공을 수행하는 경우보다 본 발명의 복합 파장 가공을 시행할 경우 광선의 조사강도를 줄여 포톤비용을 줄일 수 있다. KrF 엑시머레이저는 248㎚의 파장과 23㎱의 펄스폭을 갖는 자외역에서 발진하는 자외 레이저 중 크립톤 불소 엑시머 레이저로 본 발명의 복합 파장 가공을 시행할 경우 진공 자외 레이저의 조사로 형성된 여기준위로 인해 단일 레이저 가공을 수행하는 경우보다 가공정밀도가 상승한다.The present invention simultaneously irradiates two types of laser beams, a vacuum ultraviolet laser and an ultraviolet laser, having different wavelengths to a processing target to induce melting and simultaneous evaporation of the processing target, thereby increasing processing stability and increasing processing speed and processing precision. The F₂ laser is a vacuum ultraviolet laser with a wavelength of 157 nm and a pulse width of 20 ns, and the irradiation intensity of light is reduced when performing the complex wavelength processing of the present invention compared to the case of performing single laser processing. Can reduce photon cost. The KrF excimer laser is a krypton fluorine excimer laser among ultraviolet lasers oscillating in the ultraviolet region with a wavelength of 248 nm and a pulse width of 23 ns. The processing precision is higher than in the case of performing single laser processing.

본 발명의 요지는 일 가공을 수행할 때 보다 8~12%의 플루언스를 갖는 진공 자외 레이저를 조사하여 여기공정을 통해 여기준위를 형성시켜 가공대상의 자외 레이저의 흡수력을 높이고 광이온화와 광해리를 유도하여 결과적으로 용융과 증발이 발생하게되어 종래의 가공기법보다 신속하고 정밀한 미세가공을 가능하게 한다. The gist of the present invention is to irradiate a vacuum ultraviolet laser having a fluence of 8 to 12% compared to when performing work processing to form an excitation level through an excitation process to increase the absorption of the ultraviolet laser of the processing target, photoionization and photodissociation As a result, melting and evaporation occur, enabling faster and more precise microfabrication than conventional processing techniques.

실시예 1. 석영유리의 굴절률 표면 가공의 비교Example 1. Comparison of Refractive Index Surface Processing of Quartz Glass

본 발명의 실시는 정밀패턴의 미세가공부터 절삭까지 다양하게 응용될 수 있으며, 시행하는 가공의 종류에 따라 진공 자외 레이저는 단일 가공을 수행할 때 보다 8~12%의 플루언스를 갖는다. 본 실시예에서는 다양한 미세가공 중 석영유리의 굴절률제어를 위한 표면가공법을 활용하여 본 발명의 이해를 돕는다.The practice of the present invention can be applied in a variety of ways, from microfabrication of precise patterns to cutting, and depending on the type of processing to be performed, the vacuum ultraviolet laser has a fluence of 8 to 12% compared to a single processing. In this embodiment, a surface processing method for controlling the refractive index of quartz glass among various microfabrication is used to help understanding of the present invention.

가공소재인 석영유리에 진공 자외 레이저인 F₂레이저 광선을 75mJ/㎠의 40㎐로 90분 간 조사하며, 동시에 자외 레이저인 KrF 엑시머레이저 광선을 50mJ/㎠의 40㎐로 90분 간 조사하면 8.6x10-³의 굴절률 증가의 결과를 얻는다. 이는 동일한 시간동안 진공 자외 레이저인 F₂레이저 광선만으로 가공한 값인 4.6x10-³보다 약 2배가량 높은 수치로, 본 발명의 복합 파장 가공의 우수한 가공속도와 가공정밀도를 알 수 있다.F₂ laser beam, a vacuum ultraviolet laser, is irradiated at 40 Hz at 75 mJ/cm² for 90 minutes on quartz glass, which is a processing material, and at the same time, KrF excimer laser beam, an ultraviolet laser at 40 Hz at 50 mJ/cm², is irradiated at 40 Hz for 90 minutes, 8.6x10 results in a refractive index increase of -³. This is a value that is about twice as high as 4.6x10-³, which is the value obtained by processing only the F2 laser beam, which is a vacuum ultraviolet laser, for the same period of time.

Claims

The laser microprocessing method of quartz glass through complex wavelength processing of the present invention is a vacuum ultraviolet laser having a wavelength of 157 nm and a pulse width of 20 ns irradiated with a fluence of 8 to 12% of single processing. ; A krypton fluorine excimer laser among ultraviolet lasers oscillating in the ultraviolet region having a wavelength of 248 nm and a pulse width of 23 ns; Laser micromachining method of quartz glass through complex wavelength processing including a processing step of simultaneously irradiating the two lasers to the processing target