WO2017052045A1 - 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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김윤석
유준호
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레이저닉스 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for modifying at least a portion of an object by cutting or surface treatment using an ultra-short pulsed laser beam.
  • a laser beam can be used as a method of cutting and separating brittle substrates such as glass, silicon, ceramic, or the like, or changing aspects of the surface or the interior of the object, such as modification of the material structure.
  • the modification of the object to be processed using the laser can cause chemical changes and physical breakdown, decomposition, and evaporation, and can be suitably used in processing requiring precision such as stamping of minute dimensions such as micro-patterns.
  • the ultra short pulse laser is a pulse laser having a very short pulse width in the range of several fs to several ps, which can be configured through various types of amplification media, and is a bulk of 780 nm center wavelength using Ti: Sapphire as an amplification medium. It can be divided into type laser and 1550 nm or 1040 nm center wavelength fiber based laser based on Er or Yb ion-added fiber, and the ultra short pulse laser based on the fiber is insensitive to the environment and small in volume.
  • the amplification system has an advantage in that a high average power of several tens of W or more, several tens of MHz or more, and a high repetition rate system can be easily configured due to the excellent heating characteristics of the optical fiber itself.
  • Patent Publication No. 10-2013-094893 (Aug. 27, 2013) discloses an organic light emitting device using an ultra short pulse laser. A non-thermal repair method is described, and Patent Publication No. 10-2015-0085177 (2015.07.23.) Discloses a method of cutting a substrate of a brittle material using a laser pulse beam.
  • the present invention is processed by analyzing the deformed shape and structure of the surface or inside of the object to be processed, including debris, debris, etc. according to the irradiation of the ultra-short pulse laser beam in real time, Provides a method for deforming the object to be processed using an ultra-short pulsed laser beam, which can easily identify the condition on the fly, and can quickly modify the processing conditions of the ultra-short pulsed laser beam suitable for the object to be processed according to the degree of modification. It is an object of the present invention.
  • the present invention is a processing apparatus for modifying the surface or the interior of the object to be processed using the ultra-short pulsed laser, by analyzing in real time the deformed shape and structure of the surface or the inside of the object, to easily process the processing state immediately It is another object of the present invention to provide a processing apparatus for modifying the surface or the inside of a processing target, which can be grasped and thereby quickly modify the processing conditions of the ultra-short pulsed laser beam suitable for the processing target according to the degree of modification. do.
  • the present invention comprises the steps of: a) setting the initial laser processing conditions and three-dimensional spatial coordinates of the object to generate the ultra-short pulse laser beam suitable for the object; b) irradiating at least a portion of the object to be processed with the ultra-short pulsed laser beam according to the processing conditions set by the laser beam irradiation device to denature the surface or the inside thereof; c) a step of observing the object to be modified according to the irradiation of the pulsed laser beam with a scanning electron microscope to determine the degree of denaturation, the electron beam in the scanning electron microscope with reference to the three-dimensional spatial coordinates of the object to be set in step a) Irradiating the electron beam on the object to be processed by the emitting electron beam source, thereby confirming the degree of denaturation by observing the object to be modified according to the laser beam irradiation; And d) modifying the processing conditions of the ultra-short pulsed laser beam suitable for the processing object according to the degree
  • the ultrashort pulse laser beam is of picoseconds (10 -12 s) laser, a femtosecond (10 -15 s) laser, attosecond (10 -18 s) produced by any one of the laser is selected of the laser It may be.
  • the object to be irradiated with the pulsed laser beam in step d) may be the object to be irradiated with the laser beam according to step b), or may be a new object to be processed.
  • the processing conditions in step a) may be any one or more selected from among the pulse width, wavelength, pulse energy, repetition rate, irradiation time of the laser.
  • the laser beam by the ultra-short pulse laser may be used to remove at least a portion of the wiring in the semiconductor device, or the wiring formed in the organic light emitting device.
  • the steps c) and d) may be repeated at least once.
  • the steps c) and d) are performed by fixing the object to be processed and by moving the scanning electron microscope and the laser beam irradiation apparatus, respectively, or the scanning electron microscope and the laser beam irradiation apparatus, respectively, It may be achieved by moving the object to be processed.
  • the present invention includes a stage for loading the object to be processed;
  • a laser beam irradiation device including a laser source for generating an ultra-short pulsed laser beam and a processing optical system for irradiating a laser beam generated from the laser source onto a workpiece loaded on the stage;
  • a laser beam controller capable of setting laser processing conditions and three-dimensional spatial coordinates of a processing target for generating an ultra-short pulsed laser beam suitable for the processing target;
  • a scanning electron microscope capable of observing the surface of the object to be processed according to the pulsed laser beam irradiation.
  • the processing apparatus for modifying a surface or an interior of the object to be processed using an ultra-short pulsed laser comprising: an electron beam; Emitting electron beam source; And an aperture that is a passage through which the electron beam emitted from the electron beam source is irradiated to the object to be processed.
  • the aperture in the scanning electron microscope may have an open structure that includes a diaphragm or does not include a diaphragm.
  • the electron beam is irradiated to the processing object by passing through the aperture with reference to the three-dimensional spatial coordinates of the processing object set by the laser beam control unit, so that the degree of degeneration of the processing object according to the laser beam irradiation can be confirmed.
  • a processing apparatus for modifying the surface or inside of a processing target by using an ultra-short pulse laser is provided.
  • the processing apparatus is fixed to a stage including the object to be processed and the scanning electron microscope and the laser beam irradiation apparatus is movable, respectively, or the scanning electron microscope and the laser beam irradiation apparatus is fixed, respectively,
  • the containing stage may be movable.
  • the ultrashort pulse laser may have a pulse width in a range of 100 fs to 500 ps, and a repetition rate of the ultra short pulse laser may be in a range of 1 Hz to 500 MHz.
  • the aperture in the scanning electron microscope has a structure including a diaphragm through which the electron beam is permeable, and an electron beam source that emits an electron beam is isolated from the object to be processed by the diaphragm, and the diaphragm has a thickness of 1000 nm or less. It may be formed as.
  • the scanning electron microscope comprises an electron beam source for emitting an electron beam; A focusing lens group including an objective lens for focusing an electron beam on the object to be processed; A vacuum chamber having the electron beam source and the focusing lens group therein and having an aperture which is a passage through which the electron beam emitted from the electron beam source is irradiated to the processing object through the objective lens; And one or more deflectors which control and change the irradiation direction of the electron beam.
  • the ultra-short pulse laser may be an ultra-short pulse laser based on an optical fiber .
  • the laser beam irradiation apparatus and the scanning electron microscope (SEM) equipment are separated from each other spatially when the process such as the processing conditions thereof is searched for, and the observation thereof is performed.
  • SEM scanning electron microscope
  • the method and apparatus for denaturing the object by using the ultra-short pulsed laser beam is a laser beam irradiation apparatus and a scanning electron microscope including a diaphragm through which the electron beam is transmitted in the same place Workpieces containing debris, debris, etc., upon irradiation of ultrashort pulsed laser beams
  • Deformed shape and structure of the surface or the inside of the image can be easily identified on the fly, and through this there is an advantage that can be quickly modified the processing conditions of the ultra-short pulse laser beam suitable for the processing object according to the degree of modification.
  • the irradiation conditions of the ultra-short pulsed laser beam for removing at least a part of the wiring in the semiconductor device or the wiring formed in the organic light emitting device, or for the processing or cutting of brittle material.
  • the laser beam can be set more quickly and easily, and in particular, when it is difficult to optimize the setting of the processing conditions of the laser beam according to the type of the processing target and the environment, as compared to a nanosecond laser, which is conventionally used, such as a femtosecond laser or the like.
  • FIG. 1 is a view showing a processing apparatus for modifying the surface or the interior of the processing target according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 according to an embodiment of the present invention, after the laser beam is irradiated to the object to be deformed through the scanning electron microscope to determine the degree of denaturation of the object to be processed, by changing the surface or inside of the object to be processed
  • the figure shows the processing equipment.
  • FIG 3 is a view showing a scanning electron microscope portion of a processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining the calculation of the three-dimensional spatial coordinates in the processing optical system and the scanning electron microscope in the processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a flow chart for a method of denaturing a processing object using a processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • laser source 2 reflection mirror
  • processing optical system 4 light splitter
  • sample stage 55 sample (processing object)
  • optical axis 70 electron beam irradiation range
  • the object to be processed in the present invention is an object to which the laser beam is irradiated, and means an object to be processed according to a user's intention by cutting or modifying at least a part of the surface or the inside by the laser beam.
  • a brittle material such as silicon, sapphire, SiC substrate, GaN substrate, transparent ceramic substrate, LCD device, OLED device, semiconductor device, or polymer material may be applicable, but is not limited thereto.
  • FIG. 1 is a view conceptually showing a processing apparatus for modifying the surface or the interior of a processing target according to an embodiment of the present invention, the processing apparatus used in the present invention from the laser beam controller, the absolute coordinate of the processing target laser 2 illustrates a method of being shared with reference to a source, a processing optical system, and a scanning electron microscope.
  • FIG. 2 also illustrates a scanning electron microscope by moving a stage after a laser beam is irradiated to a processing object, according to an exemplary embodiment.
  • the processing unit for deforming the surface or the interior of the object to be processed the degree of modification of the object to be processed is shown for each component.
  • the processing apparatus of the present invention includes a laser source for generating an ultra-short pulsed laser beam; And a processing optical system for irradiating a laser beam generated from the laser source to a processing object loaded on the stage.
  • any one ultrashort pulse laser beam emitted from the laser beam irradiation apparatus has a choice of picoseconds (10 -12 s) laser, a femtosecond (10 -15 s) laser, attosecond (10 -18 s) laser Can be generated by a laser.
  • the laser source comprises a laser resonator for generating a pulsed laser beam having a pulse width at a final output of between 100 fs and 500 ps, and a pulse expander for expanding and spreading the pulses in the laser resonator.
  • Components such as a pulse amplifier for amplifying the pulses, a pulse compressor for compressing the amplified pulses, and a pulse controller for adjusting the characteristics of the compressed pulses may be sequentially combined.
  • a pulse train with a high repetition rate, a narrow pulse width of several hundred femtoseconds can be generated by unfolding, amplifying and recompressing a pulse using a CPA (chirp pulse amplification) type amplification system.
  • CPA chirp pulse amplification
  • the generated pulse is given an intended characteristic as it passes through the pulse controller, for example, a pulse train passes only in a desired time band, and the spatial shape of the pulse wavefront is changed through a combination of a lens and a mirror.
  • Polarization is changed through waveplates of different kinds, and the amount of light may be changed through a combination of a transmission filter, a polarization beam splitter, or waveplates.
  • the average output power of the laser beam may have a value between 0.1 W and 1 kW, and the laser may be implemented with a repetition rate in a range of 1 Hz to 500 MHz by a fiber-based laser resonator. Can be used.
  • pulse trains with pulse widths of several tens of ps or less and repetition rates of several tens of MHz or more are produced in a mode locked laser resonator.
  • the laser resonator has a bulk (solid) type and an optical fiber type.
  • a resonator is composed of a mirror, a lens, and an amplifying crystal, whereas in the optical fiber type, most of the amplification medium and the optical path are optical fibers. Is replaced by.
  • the bulk (solid) type is typically represented by a titanium-sapphire femtosecond laser, which is a good light source that can achieve high energy per pulse, high power and good pulse characteristics, but lacks scalability and direct output of average power. Due to the difficulty in diode laser pumping, the efficiency is low and the complexity of the system leads to difficulties in optical alignment and maintenance.
  • the laser resonator of the optical fiber type is insensitive to environmental changes such as vibration or temperature change, and does not require additional alignment in long-term operation, so that stable long-term operation is possible, which has a great advantage in application to the industry.
  • an optical fiber based ultra short pulse laser is manufactured to implement the high repetition rate pulse, and a stable pulse having a pulse width of 100 fs to 500 ps can be obtained.
  • Fiber-based femtosecond lasers have excellent advantages compared to photonic crystal-based femtosecond lasers because they are insensitive to vibration and can be miniaturized when mounted on equipment.
  • the repetition rate of the pulse is usually determined by the repetition rate of the laser resonator, in the case of a general resonator is obtained a repetition rate of approximately 30 ⁇ 250 MHz. If the repetition rate is lower than this, the repetition rate of several MHz can be obtained by increasing the length of the optical fiber in the resonator and properly compensating for the nonlinear phenomenon and dispersion phenomenon caused by the increased optical fiber. A repeat rate of up to several Hz can be achieved.
  • chirped pulse amplification can achieve higher output while maintaining the pulse width.
  • the chirp pulse amplification system consists of a pulse stretcher, an amplifier and a compressor. During the pulse spreader, the frequency components that make up the pulse expand on the time base by the difference in dispersion between frequencies, which can lower the peak power to a scale greater than 10 3 , resulting in high peak power during the amplification process. This can prevent optical damage and degradation of pulses. Pulses amplified through the amplifier stage to the desired output are compressed again by the pulse compressor to restore the original pulse width level.
  • the output wavelength of the pulse laser may be in the range of 300 nm to 3000 nm.
  • the laser pulse generated by the laser resonator can be amplified and compressed to a desired light amount and pulse width of 0.1 k to 1 kW, 10 ps or less through a pulse expander, an amplifier, and a compressor.
  • the pulsed laser beam of the laser source may have a peak power density of 10 11 W / cm 2 or more.
  • the laser beam irradiation apparatus of the present invention may include a processing optical system for irradiating the object to be processed pulsed laser beam generated from the laser source.
  • the optical system may include a plurality of mirrors and a focusing lens, and through this, a focusing pulse having a magnification of X5 to X100 may be transmitted to a processing object loaded on a stage.
  • the lens is focused to an area having a diameter of several tens of micrometers or less, thereby forming a desired peak power density to be processed.
  • the present invention may include a stage for loading the object to be irradiated with the pulsed laser beam. It is possible to move the machining object three axes in the vertical x, y and z axis directions, respectively, and the present invention instead of moving the machining object three axes, the x, y and z axes are respectively vertical. The object can be machined by moving in the direction.
  • the present invention may include a laser beam control unit that can set the laser processing conditions and the three-dimensional spatial coordinates of the processing target for generating the ultra-short pulsed laser beam suitable for the processing target.
  • the control unit controls laser systems including a laser source, a processing optical system, and a stage, and controls laser processing conditions such as pulse width, wavelength, pulse energy, repetition rate, irradiation time, and three-dimensional spatial coordinates of the processing target. It is configurable so that it can be referred to by a scanning electron microscope, and the laser control can be monitored in real time by a computer for normal operation.
  • the controller may set three-dimensional spatial coordinates of the object to be processed and display them on a monitor in order to set a light collecting point of the laser beam.
  • the processing optical system further includes an imaging optical device 12 such as an optical lens, a camera 13, an image storage device, and the like to be laser beam-processed or laser beam-processed by the imaging optical device.
  • An optical image may be obtained, and the laser beam controller converts the obtained image of the object into spatial coordinates and converts the image into a system shared absolute coordinate. Each can be referenced.
  • processing optical system may further include an illumination optics 11 including a light source to more effectively obtain an optical image on the imaging optics.
  • control unit in the present invention can monitor in real time the movement and speed of the laser beam irradiated to the object or the movement and speed of the stage, and can also control them.
  • control unit in the present invention may be provided as a plurality of control units, such as a first control unit and a second control unit.
  • the first controller may be configured to control a portion selected from the laser source, the optical system, and the spatial coordinates of the stage, and the second controller may control the remaining portions other than the selected portion.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a processing apparatus for modifying the surface or the interior of a processing target, which is capable of confirming the degree of denaturation through a scanning electron microscope after the laser beam is irradiated to the processing target by movement of a stage as described above.
  • the laser beam generated by the laser source 1 is irradiated to the object to be processed (sample 6) through the reflecting mirror 2 and the processing optical system 3 including the light splitter 4 and the objective lens 5.
  • the cutting object is then cut or denatured.
  • the imaging optical device 12 including the camera 13 may more effectively obtain an image of the object by light irradiation from the illumination optical device 11 including the light source to the object to be processed. .
  • the scanning electron microscope of the present invention is an electron beam source for emitting an electron beam; And an aperture that is a passage through which the electron beam emitted from the electron beam source is irradiated to the object to be processed.
  • the aperture in the scanning electron microscope may have an open structure that includes a diaphragm or does not include a diaphragm. have.
  • the aperture is a path through which the electron beam emitted from the electron beam source is irradiated onto the sample through the objective lens, and the electron beam source emitting the electron beam is isolated from the object to be processed by the aperture, and the electron beam is the laser beam. It is characterized in that the degree of degeneration of the object to be processed according to the laser beam irradiation can be confirmed by irradiating the object to be processed through the aperture with reference to the three-dimensional spatial coordinates of the object to be set by the control unit.
  • the scanning electron microscope is located in a vacuum chamber, and is provided in an electron beam source 20 for emitting an electron beam, an intermediate focusing lens 22 provided in an electron beam source in the vacuum chamber, and an object to be processed (sample).
  • a focusing lens group including an objective lens 24 which is a final focusing lens for focusing the electron beam, the electron beam source and the focusing lens group therein, and the electron beam emitted from the electron beam source passes through the objective lens to be processed (sample).
  • a vacuum chamber 30 having an aperture 37 having a structure including a diaphragm or an open structure without a diaphragm, and the intermediate focusing lens 22 and an objective lens 24.
  • a stage 5 capable of supporting and moving one or more deflectors 41 and 42 for controlling and changing the irradiation direction of the electron beam and a sample 55 located outside the vacuum chamber. 0).
  • the scanning electron microscope includes an aperture through which an electron beam is permeable, and when the aperture includes a diaphragm, an electron beam source for emitting an electron beam is isolated from the object (sample) by the diaphragm, and the electron beam Is irradiated to the processing object through the diaphragm, and the range in which the electron beam is irradiated to the sample may be determined according to the size of the aperture.
  • the electron beam source that emits the electron beam is not completely isolated from the object (sample) by the aperture, but the scanning electron microscope is vacuum chamber by the aperture. It may be divided into a region inside the vacuum chamber surrounded by the region, and a region including the object (sample).
  • the region including the processing object may correspond to the region inside the sample chamber where the sample is located, and the sample chamber is independently closed corresponding to the region decompressed by a separate low vacuum vacuum pump. It may be a zone, or an open zone under the same pressure as outside air, such as in an atmospheric environment.
  • a region including a processing target may have a relatively higher pressure than a region inside the vacuum chamber.
  • the pressure difference between the region inside the vacuum chamber and the region including the processing target may exhibit a pressure difference of 100 times or more, and preferably, a pressure difference of 1000 times or more.
  • the aperture may be a boundary that separates the region inside the vacuum chamber and the region including the object (sample). That is, when the aperture does not include a diaphragm, the aperture communicates between the inside of the vacuum chamber and the region including the object (sample), and may be an opening having a circular, polygonal, ellipse, or arbitrary shape in cross section. In addition, in the case where the aperture includes a diaphragm, the opening portion of the opening may be sealed by a thin membrane.
  • the vacuum chamber is only partially opened by an aperture, or sealed by an aperture including a diaphragm to maintain high vacuum, so that the electron beam emitted from the electron beam source in the vacuum chamber is not scattered and the sample is not scattered. To be investigated.
  • the aperture when the pressure in the sample chamber including the processing object (sample) is a low vacuum having a pressure range of 10 ⁇ 3 mbar or more, and preferably a pressure range of 10 ⁇ 2 mbar or more, the aperture may be opened only. By opening each other so as to be made, the atmosphere of the region including the object (sample) can be freely introduced into the region inside the vacuum chamber.
  • the pressure in the region inside the vacuum chamber and the region including the object (sample) may vary depending on the measurement point of the pressure.
  • the region inside the vacuum chamber may be near the electron beam source, and the region including the object (sample) may be near the sample on the sample stage.
  • the pressure in the region including the sample is an atmospheric pressure environment
  • the pressure control in the region in the vacuum chamber including the electron beam source may not be easy, and the emission of the electron beam may be difficult. It can be scattered or disturbed by air particles present in this atmospheric pressure, so that it is desirable for the aperture to have an opening shape sealed by a thin septum.
  • the scanning electron microscope in FIG. 3 may further include a secondary electron detector, and the electron beam emitted from the electron beam source in the vacuum chamber is focused into a plurality of focusing lens groups to irradiate the electron beam on a sample.
  • the shape of the sample is observed by scanning the electron beam on the sample by adjusting the beam trajectory using a plurality of deflectors to move the irradiation position of the electron beam.
  • the electron beam since the electron beam may collide with air molecules and be scattered, the space in the vacuum chamber including the electron beam source and the beam scanning region between the focusing lens group and the aperture is maintained in a high vacuum environment using a vacuum pump. Should be exhausted.
  • a vacuum pump may be provided to have a pressure of generally 10 ⁇ 4 mbar or less, preferably 10 ⁇ 5 mbar or less.
  • the electron beam emitted from the electron beam source is focused by the focusing lens group around the optical axis 60 indicated by a dotted line in FIG. 3.
  • the focusing lens group has an aberration, and as the aberration increases, the electron beam spot size increases, so that the observation resolution and the processing precision may decrease.
  • a deflector may be generally provided on the objective lens to prevent this.
  • the beam trajectory is controlled so that the trajectory of the beam passes through the center of the lens by constructing a deflector between the objective lens and the intermediate focusing lens in order to reduce aberration when the electron beam is scanned on the sample.
  • the scanning electron microscope is an environmental scanning electron microscope, in which the pressure in the sample chamber region of the scanning electron microscope including the processing object (sample) is satisfied to maintain the low vacuum state of 1x10 -2 mbar or more.
  • the aperture may be formed to simply open in the form of an opening in the vacuum chamber without forming the diaphragm shown in FIG. 3, and the diameter or the size of the surface area of the aperture, respectively.
  • the pressure difference between the sample region and the inner region of the vacuum chamber including the electron beam source may be adjusted according to the capacity of the vacuum pump.
  • a separate vacuum pump is provided to maintain a pressure difference from the vacuum chamber of the high vacuum region including the electron beam source and the focusing lens group.
  • the vacuum chamber is used for the sample chamber area including the processing object (sample).
  • the sample is placed under atmospheric pressure, and the sample is observed using, for example, an air scanning electron microscope (Air-SEM).
  • the aperture includes a diaphragm having a predetermined thickness as shown in FIG. 3 rather than the opening.
  • the diaphragm may be manufactured by, for example, etching a material such as silicon nitride (SiN), using a thin film material such as graphene, or any one or a composite layer thereof. It may be formed to 3000 nm, preferably 10 to 2000 nm or less, for example, may have a range of 20 to 500 nm.
  • the size of the aperture may be less than 3000 um in diameter, preferably less than 2000 um, more preferably less than 1000 um.
  • the maximum formation region of the electron beam formed on the specimen may be determined by the size of the aperture and the distance between the aperture and the objective lens. That is, when the size of the aperture is large or the distance between the aperture and the objective lens is short, the scanning range, which is an area where the electron beam probe can be formed in a fixed state without moving the sample using the deflector, is widened. You can take it.
  • the pressure around the sample is maintained at atmospheric pressure, and in the vacuum chamber including the electron beam source, a high vacuum of 1x10 -4 mbar or less is maintained.
  • the aperture should be provided with a thin film having a very small diameter ( ⁇ 1 mm) and having a constant thickness or less ( ⁇ several hundred nm).
  • the electron beam source used in the present invention is a form capable of generating the electron beam, the filament of tungsten, tantalum, iridium, iridium-tungsten alloy having a high melting point and relatively good electron emission as a hot electron emission source, and Filaments coated with yttrium, barium, cesium and their oxides can be used to release electrons at lower temperatures on the material surface.
  • the focusing lens group serves to focus the electron beam by an electric field or a magnetic field, and is provided on the sample side as one or more intermediate focusing lenses 22 and the final focusing lens provided on the electron beam source 20 side, and on the sample.
  • the focusing lens group 20 including the intermediate focusing lens 22 and the objective lens in the focusing lens group may slow down, accelerate, or change the irradiation direction of the electron beam emitted from the electron beam source through an electrode included therein. And a plurality of coils wound in various forms.
  • the electron beam may be controlled to pass through the center of the objective lens to reduce aberration. That is, the beam deflected by the deflector at the time of scanning can be controlled to pass through the center of the objective lens which is the final focusing lens.
  • a deflector may be provided between the intermediate focusing lens and the objective lens, and the irradiation direction of the electron beam may be controlled by the deflector.
  • the scanning electron microscope may include a vacuum chamber having an aperture that is a passage through which the electron beam emitted from the electron beam source is irradiated to the sample through the objective lens.
  • the scanning electron microscope may be divided into a high vacuum region inside the vacuum chamber surrounded by the vacuum chamber and an area including the object (sample), for example, an area inside the vacuum chamber.
  • a high vacuum region having a range of 10 ⁇ 4 mbar or less, and preferably a high vacuum region having a range of 10 ⁇ 5 mbar or less, and for this purpose, a vacuum system having a high vacuum vacuum pump inside the vacuum chamber may be provided.
  • a vacuum system having a high vacuum vacuum pump inside the vacuum chamber may be provided. Can be used.
  • the vacuum chamber forms a vacuum space in which high vacuum is maintained by a vacuum pump.
  • the vacuum pump may be a dry pump, a diffusion pump, a turbo molecular pump, an ion pump, a cryopump, a rotary pump, a scroll or a diaphragm pump, or the like. It may be provided including one or more selected from a dry pump (dry pump) of.
  • the region including the processing target is a region including a sample, and may generally depend on the pressure conditions under which the laser processing apparatus of the present invention is used, and is typically used in an outdoor air as in an atmospheric pressure environment. It may be an open area under the same pressure.
  • the processing apparatus in the present invention can share the scanning electron microscope and the stage to be processed (sample), the processing object (sample) by the laser beam irradiation is loaded on the stage and processed by the laser beam
  • the stage can be shared, and the stage is fixed separately, and the laser beam irradiation device and the scanning electron are processed after processing the object to be loaded by the laser beam.
  • the microscopes can be moved individually.
  • the stage supports the sample below 0.1 to 100 mm, preferably 1 to 30 mm below the aperture in the scanning electron microscope, and z in the x and y directions parallel to the ground and perpendicular to the ground. It may be provided to enable the position movement in the direction.
  • the scanning electron microscope deflector may also include at least one coil arrangement that generates a magnetic field used to deflect the charged particle beam.
  • the deflector may typically be provided between the intermediate focusing lens 22 and the objective lens 24, and as shown in FIG. 3, the upper end 41 between the intermediate focusing lens 22 and the objective lens 24. And a plurality of deflectors at the lower end 42 so that the beam trajectory can be set so that the trajectory of the electron beam passes through the center of the objective lens.
  • the maximum angle of the charged particle beam irradiated to the sample based on the optical axis may be limited according to the size of the aperture. That is, the electron beam irradiated to the sample can be irradiated to the sample is limited to the space range 70 having an angle smaller than the maximum angle to pass through the inner opening than the portion corresponding to the outermost portion of the aperture, In the case where the angle is further opened and irradiated, the aperture cannot pass through the aperture.
  • the scanning electron microscope may also include at least one connector that is externally accessible within the vacuum chamber.
  • the connector is a connecting portion for electrical connection between the vacuum chamber and the external environment, and supplies power and control signals to the electron beam source and focusing lens group in the vacuum chamber.
  • (Ii) supplies control signals and power to the deflection chamber in the vacuum chamber and
  • (iii) The power supply and control of a detector capable of providing information regarding the abnormality of the electron beam source, the focusing lens group, and the deflector in (i) and (ii) can be facilitated.
  • the scanning electron microscope in the present invention may be further provided with a gas injector capable of injecting additional gas containing water vapor, He, nitrogen, argon to enhance the detection or control of the sample.
  • a gas injector capable of injecting additional gas containing water vapor, He, nitrogen, argon to enhance the detection or control of the sample.
  • Such a gas mixture may be provided in proximity to the sample, but is not limited thereto.
  • the scanning electron microscope is also suitable for separating various signals emitted from the surface of the sample, that is, low energy secondary electron signal, high energy backscattered electron signal, small angle reflected electron signal, and large angle reflected electron signal. It may further comprise an electronic detector of geometric shape.
  • the detector is connected to a display device such as a display device indicating the shape of the surface of the sample, and finally information is displayed in an image.
  • the scanning electron microscope controls the vacuum degree of the vacuum chamber, the emission intensity of the electron beam in the electron beam source, the emission timing, and the like, and may further include a scanning electron microscope controller for controlling the focusing lens group and the deflector.
  • the scanning electron microscope control unit is configured to refer to the three-dimensional spatial coordinates of the processing object set by the laser beam control unit of the present invention so as to obtain the surface image of the processing object including the area to be observed on the surface of the processing object. Can be investigated.
  • the scanning electron microscope control unit is integrated with the laser beam control unit in the present invention can be operated by the processing unit of the present invention by one control unit.
  • the laser beam irradiation apparatus, the scanning electron microscope, and the stage are each controlled by the integrated control unit in the present invention, the method of observing the surface of the object in the present invention is obvious to those skilled in the art from the foregoing description. Will be recognized.
  • the initial laser beam is irradiated to cause the object to be cut or modified in the object to be processed. It can be moved 7 towards the scanning electron microscope 8. Thereafter, the electron beam is irradiated by the scanning electron microscope to obtain an image of the electron microscope to be processed.
  • the absolute coordinate of the machining position generated by the laser beam control unit is referred to by the scanning electron microscope to move the exact machining position to the center of the imaging position of the scanning electron microscope.
  • the scanning electron microscope and the processing optical system are supported and fixed by the support 9 having the three-dimensional absolute coordinate system as a structure so that the scanning electron microscope and the processing optical system can be set by one absolute coordinate system.
  • the stage capable of loading the object to be processed on the support may be moved together with the object to be processed.
  • unique 3D position information of each of the scanning electron microscope and the processing optical system is given to each other based on the origin of the 3D absolute coordinate system of the support, and the processed specimen can be moved between the two equipments through the stage. Can refer to each location.
  • FIG. 4 is a view for explaining the calculation of the three-dimensional spatial coordinates in the processing optical system and the scanning electron microscope in the processing apparatus according to an embodiment of the present invention, a method of setting the three-dimensional spatial coordinates of the object of the present invention Shown for.
  • the scanning electron microscope and the processing optical system are supported on the support 9 having a three-dimensional absolute coordinate system, respectively, so that the respective position coordinates of the processing optical system and the scanning electron microscope can be shared as absolute coordinates.
  • a method of setting three-dimensional spatial coordinates is shown.
  • each symbol in FIG. 4 may be defined as follows.
  • the origin of the scanning electron microscope in the absolute coordinate system is (Xsem, Ysem), the origin of the absolute coordinate system of the support unit 9 is (Xo, Yo), and the origin in the absolute coordinate system of the processing optical system.
  • (Xfab, Yfab) is set and the machining position coordinate at the origin reference point of the processing optical system is (xlaser, ylaser)
  • the relative moving distance (xD, yD) for moving the machining position to the scanning electron microscope origin is as follows. It can be expressed as an expression.
  • xD Xsem-(Xfab + xlaser * si)
  • yD Ysem-(Yfab + ylaser * si)
  • si corresponds to the applied scale factor when converting the processed optical image coordinates into absolute coordinates.
  • the present invention is a method for modifying at least a portion of the object by cutting or surface treatment using an ultra-short pulse laser beam, a) the initial laser processing conditions and the object to produce an ultra-short pulse laser beam suitable for the object Setting three-dimensional spatial coordinates of the; b) irradiating at least a portion of the object to be processed with the ultra-short pulsed laser beam according to the processing conditions set by the laser beam irradiation device to denature the surface or the inside thereof; c) a step of observing the object to be modified according to the irradiation of the pulsed laser beam with a scanning electron microscope to determine the degree of denaturation, the electron beam in the scanning electron microscope with reference to the three-dimensional spatial coordinates of the object to be set in step a) Irradiating the electron beam on the object to be processed by the emitting electron beam source, thereby confirming the degree of denaturation by observing the object to be modified according to the laser beam irradiation; And d) modifying the
  • the scanning electron microscope is a laser beam irradiation apparatus for the processing position of the object to be processed
  • the absolute coordinate system it is possible to obtain an electron microscope image of the machining position by referring to the three-dimensional spatial coordinates of the machining object, and thus the degree of denaturation can be confirmed by observing the modified machining object.
  • the object to be irradiated with the pulsed laser beam in step d) may be irradiated again with respect to the object to which the laser beam is already irradiated according to step b).
  • the laser beam may be irradiated at the same position as the portion or at a position different from the portion to which the laser beam of the object to which the laser beam is already irradiated is irradiated.
  • the object to be irradiated with the pulsed laser beam in step d) is not the object to which the laser beam is already irradiated according to step b), the laser beam may be irradiated to a new object of the same kind. In this way, it is possible to search for conditions optimized for the laser beam irradiation conditions or the processing conditions of the processing target.
  • the method of modifying the object in the present invention is the step c) and d) is made by the object is fixed and the scanning electron microscope and the laser beam irradiation apparatus, respectively, or the scanning electron microscope and laser beam irradiation
  • the apparatuses are fixed respectively and can be achieved by moving the object to be processed, preferably, or the scanning electron microscope and the laser beam irradiation apparatus are respectively fixed and the object to be processed can be moved.
  • the method for modifying the object to be processed in the present invention may be repeated at least one or more steps c) and d).
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a repetition process of steps c) and d) of a method of cutting or surface-treating at least a part of an object by using an ultra-short pulse laser beam according to the present invention.
  • the laser beam irradiation apparatus determines the processing target by the step b).
  • the stage including the object to be processed moves to a specific position where the processing optical system is located on the support having the three-dimensional absolute coordinate system so that the processing can be performed.
  • the initial irradiation conditions of the ultra-short pulsed laser beam is irradiated to at least a portion of the object to modify the surface or inside, and the processing position of the object to be processed using an imaging optical device, such as an optical microscope, camera, etc. included in the processing optical system An image of the respective positions in the image by the laser beam controller Coordinate.
  • the laser beam control unit converts this into a system shared absolute coordinate, and then includes a target including the target by referring to the absolute coordinate of the image of the target and the absolute coordinate of the scanning electron microscope fixed to the support 9.
  • the scanning electron microscope can obtain an electron microscope image of the processing state of the processing object by irradiating an electron beam and the secondary electrons emitted from the processing object (sample).
  • the processing optical system again uses the information including the reset condition or the irradiation position.
  • the stage including the object to be processed (sample) is moved to a predetermined location, and laser processing may be repeatedly performed at the same or changed position of the object to be processed.
  • the present invention relates to a method and apparatus for cutting or surface-treating at least a part of an object by using an ultra-short pulsed laser beam, and including debris, debris, etc. according to irradiation of an ultra-short pulsed laser beam.

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
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.
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.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
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
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.
본 발명은 극초단 펄스 레이저 빔을 이용해 가공대상의 적어도 일부를 절단 또는 표면처리하여 변성시키는 방법 및 장치에 관한 것으로, 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 장점을 제공하기에 산업상 이용가능성이 있다.

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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