WO2023219213A1 - 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법 - Google Patents

적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법 Download PDF

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WO2023219213A1
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laser
hole
workpiece
scan processing
speed
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PCT/KR2022/014377
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류상길
심상원
최진호
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주식회사 필옵틱스
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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B23K26/384—Removing material by boring or cutting by boring of specially shaped holes

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming high-speed, precise through-holes using an infrared laser. More specifically, the present invention relates to a method for forming a high-speed, precise through-hole using an infrared laser. More specifically, a single modulated Bessel beam is irradiated sequentially to a workpiece by scanning it using a mirror structure combined with at least one driving unit. By forming a laser scan processing pattern that changes the characteristics of the workpiece by precisely micro-processing it into various sizes or shapes at high speed and then wet etching, the laser processing time is significantly shortened compared to the existing method, allowing the workpiece to be processed at high speed. This relates to a method of forming high-speed, precise through-holes using an infrared laser, which not only enables laser processing but also improves productivity by reducing etching time.
  • Lasers are widely used in processing such as cutting workpieces (processing objects) or forming through holes.
  • This type of laser processing uses optical elements such as lenses to form a laser beam of a desired shape to suit the processing task, and irradiates the shaped laser beam to the workpiece.
  • laser beams can be used efficiently for processing tasks such as cutting brittle materials that are difficult to process, such as transparent glass substrates, or forming through holes.
  • cracks may be generated in the workpiece and propagated by the laser.
  • the purpose of the present invention is to sequentially irradiate a single modulated Bessel beam onto a workpiece by scanning it using a mirror structure in which at least one driving unit is combined, and precisely fine-process the workpiece into various sizes or shapes at high speed.
  • the laser processing time is significantly shortened compared to the existing method, which not only allows for high-speed laser processing of the workpiece, but also improves productivity by reducing the etching time.
  • the aim is to provide a high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser that can
  • a method of forming a high-speed, precise through-hole using an infrared laser includes the steps of (a) aligning an infrared laser device on the upper part of a workpiece; (b) modulating the laser beam emitted from the infrared laser device into a Bessel beam; (c) performing a laser processing process of sequentially irradiating the modulated Bessel beam to each through-hole formation area of the workpiece in a scanning manner to form a laser scan processing pattern that locally changes the characteristics of the workpiece; and (d) etching the workpiece on which the laser scan processing pattern is formed to form a through hole in each through hole formation area.
  • the laser beam is an ultrashort laser having a wavelength of 900 to 1,200 nm and a pulse width of 50 femtoseconds to 50 picoseconds.
  • the laser scan processing pattern is formed to have an array structure in which single dots formed by the laser processing are spaced apart at regular or irregular intervals so as to have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan.
  • the laser scan processing pattern is, when viewed in plan, by spacing the single dots formed by the laser processing at regular or irregular intervals of 20 ⁇ m or less to form triangles, squares, etc., which are shapes corresponding to the through holes. It has an array structure having at least one shape selected from polygons, circles, and ovals, including pentagons, hexagons, octagons, and stars.
  • the laser scan processing pattern includes a first laser scan processing pattern arranged to be spaced apart at regular or irregular intervals so as to have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan, and the first laser scan processing pattern of the first laser scan processing pattern. It has at least one second laser scan processing pattern disposed on the inside.
  • the second laser scan processing pattern has an array structure of the same or different shape as the first laser scan processing pattern.
  • the laser scan processing pattern is formed to have a straight or curved array structure in which a plurality of dots are connected to each other to have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan.
  • the workpiece is preferably a flat glass substrate.
  • step (c) the scan-type laser processing is performed by scanning using a mirror structure coupled with at least one driving unit, so that the scan-type laser processing has a stabilization time of 10 ms or less. It is carried out.
  • each of the through holes located in each through hole formation area is formed on the same plane, or at least some of them are formed on different planes.
  • step (d) wet etching using an etchant containing at least one selected from a fluorinated etchant and a non-fluorinated etchant is used.
  • step (d) an etchant is infiltrated into the laser scan processing pattern of the workpiece whose properties have been locally changed by the laser processing treatment, and a portion of the exposed surface of the workpiece is removed along the thickness direction.
  • the inner wall of the through hole has a taper angle ranging from an acute angle to an obtuse angle with respect to the horizontal surface of the workpiece.
  • the high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser scans a single modulated Bessel beam using a mirror structure combined with at least one driving unit, sequentially radiating it to the workpiece to create various shapes or sizes. It was finely processed into shapes at high speed and precision.
  • the high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser uses a scanning method of laser processing while adjusting the reflection angle of a mirror structure to which at least one driving unit is coupled, so it is a general through hole that moves only the stage.
  • the stabilization time during laser processing be shortened to approximately 10 ms or less, but this also makes it unaffected by the size of the workpiece being laser processed.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser according to the present invention can perform laser processing at a speed more than 100 times that of a general through-hole forming method, thereby dramatically improving productivity.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser is capable of precisely controlling the processing position of the workpiece at high speed, thereby locally changing the internal properties of the workpiece to have the same or similar size or shape as the through hole. Since wet etching can be performed in a changed state, the etching time can be significantly reduced, thereby reducing the cost of etchant consumption, improving productivity and uniformity of quality of the plurality of through holes formed throughout the workpiece. .
  • a through hole of the desired size can be formed in a very short time compared to a general through hole forming method.
  • wet etching is performed while forming a laser scan processing pattern by irradiating one Bessel beam sequentially in a scanning manner for each through-hole forming area of the workpiece. . Therefore, in the present invention, even if some of the laser scan processing patterns located in each through-hole formation area are defective due to stains, foreign substances, etc. on the outside of the workpiece, and some changes in the characteristics of the workpiece are not uniform, other Since the laser scan processing pattern is placed around the product, it becomes possible to secure the product quality of the through hole without significant impact during wet etching.
  • the high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser according to the present invention can ensure a uniform size between the surface diameter of the through hole and the central diameter of the through hole during wet etching.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser involves wet etching using a laser scan processing pattern having an array structure spaced at regular or irregular intervals, thereby forming the laser scan processing pattern. It also becomes possible to diversify through holes having shapes substantially the same or similar to those to have various shapes.
  • 1 to 4 are cross-sectional process views showing a method of forming a through hole using a general infrared laser.
  • Figure 5 is a schematic diagram for explaining a general laser Bessel beam optical modulation device.
  • Figure 6 is a plan view showing a laser processing dot formed using the laser Bessel beam optical modulation device of Figure 5.
  • Figure 7 is a process flow chart showing a high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing an infrared laser device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a plan view showing a laser scan processing pattern formed using the infrared laser device of Figure 8.
  • 10 to 12 are cross-sectional process views showing a high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a plan view showing various application examples of the laser scan processing pattern according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a plan view showing various application examples of a laser scan processing pattern according to a modification of the present invention.
  • Figure 15 is a plan view showing various application examples of a laser scan processing pattern according to another modified example of the present invention.
  • Figure 16 is a process image showing the formation process of a through hole manufactured according to Comparative Example 1.
  • Figure 17 is a process image showing the formation process of a through hole manufactured according to Example 1.
  • FIG. 1 to 4 are cross-sectional process views showing a method of forming a through hole using a general ultra-short infrared laser.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a general laser Bessel beam optical modulation device
  • FIG. 6 is a plan view showing a laser processing dot formed using the laser Bessel beam optical modulation device of FIG. 5.
  • the Bessel beam (BB) emitted from the laser Bessel beam optical modulation device is applied to the workpiece 110. (110) is irradiated to form a laser processing dot (125).
  • the laser beam (LB) emitted from a general laser Bessel beam optical modulation device is modulated into a Bessel beam (BB) while passing through the objective lens-based optical element 140, and the modulated Bessel beam (BB) is transmitted to the workpiece ( 110) to form a laser processing dot 125.
  • the optical element 140 may be a non-diffractive element for modulating the laser beam LB into the Bessel beam BB, but is not limited thereto. Accordingly, the laser beam LB may pass through the objective lens-based optical element 140 and be modulated into an annular Bessel beam BB when viewed in the beam direction.
  • the workpiece 110 on which the laser processing dots 125 are formed is etched to form a through hole TH.
  • wet etching using a fluorinated etchant, a non-fluorinated etchant, etc. may be used, but this is an example and any etchant that can etch a glass substrate can be used without limitation.
  • Figure 2 shows the initial etching process. As the etchant penetrates into the part whose characteristics have been changed by the laser processing dot 125, etching progresses slowly, forming an etching groove E having a first width W1. You can check it.
  • Figure 3 shows the middle stage of etching. As time passes, the etchant penetrates further along the etching groove (E), forming an etching groove (E) with a second width (W2) wider than the first width (W1). You can see that the size has expanded.
  • Figure 4 shows the final etching process.
  • the workpiece 110 is gradually removed along the etching groove (E in Figure 3) due to a reaction with the etchant, and the diameter of the etching groove expands, resulting in the final etching process.
  • the upper and lower etched grooves are connected to form a through hole (TH).
  • the general through-hole forming method described above generally uses a Bessel beam (BB) modulated using an infrared laser to form a micrometer-sized fine through hole (TH) in the workpiece 110, which is a transparent and brittle material.
  • BB Bessel beam
  • TH micrometer-sized fine through hole
  • laser processing dots 125 are formed in each through-hole formation area to change the characteristics, and then the wet etching time is adjusted to form the desired final size.
  • the general through-hole forming method is a step & repeat machining method that irradiates a Bessel beam (BB) for each through-hole formation area while moving the stage on which the workpiece 110 is seated.
  • BB Bessel beam
  • the time including acceleration/deceleration time and stabilization time takes quite a long time, usually 100ms to 1,000ms.
  • acceleration/deceleration and stabilization times further increase.
  • the total laser processing time greatly increases, thereby reducing productivity.
  • TH through holes
  • acceleration/deceleration and stabilization times also increase, which greatly increases processing time and reduces productivity.
  • the Bessel beam (BB) is irradiated for each through-hole formation area of the workpiece 110, so the Bessel beam (BB) irradiated along the thickness direction of the workpiece 110 is irradiated at one processing location. Since laser processing is performed intensively only on the workpiece 110 at the processing location, if there are surface defects such as foreign matter or stains, there is a high risk that changes in characteristics will not be uniformly generated inside the workpiece 110, which is a brittle material.
  • the quality of the plurality of final through holes (TH) formed for each through hole formation area of the workpiece 110 is inevitably greatly affected by the performance of the etching process, so that the quality of the final through hole (TH) is greatly affected by the performance of the etching process.
  • etching time took several hours or more, limiting mass production.
  • the general through-hole forming method is sensitive to the surface condition of the workpiece 110, such as whether foreign matter or stains are removed from the surface of the workpiece 110, thereby ensuring quality uniformity of the through holes (TH) distributed throughout the workpiece 110.
  • TH through holes
  • a general through-hole forming method irradiates the Bessel beam (BB) for each through-hole formation area of the workpiece 110 to form one laser processing dot 125, and one laser processing dot 125 is formed in Since the through hole (TH) was formed by gradually expanding the hole size through wet etching using a chant, there was a limit to diversifying the shape of the through hole (TH).
  • the high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser scans a single modulated Bessel beam using a mirror structure coupled with at least one driving unit to be applied to the workpiece. They were investigated sequentially and precisely micro-processed into various sizes or shapes at high speed.
  • the high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser applies a scanning method of laser processing while moving a mirror structure to which at least one driving unit is coupled, so it is a general through hole formation method that moves only the stage.
  • the stabilization time during laser processing be shortened to approximately 10 ms or less, more preferably 1 ms or less, but this also makes it unaffected by the size of the workpiece being laser processed.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser can perform laser processing at a speed of 100 times or more compared to a general through-hole forming method, thereby dramatically improving productivity. .
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser is capable of controlling the machining position of the workpiece at high speed and precision, so that the workpiece is locally formed to have the same or similar size or shape as the through hole. Since wet etching can be performed with the internal properties of the material changed, the etching time can be significantly reduced, which reduces the cost of etchant consumption and improves productivity and the uniformity of quality of the plurality of through holes formed throughout the workpiece. It becomes possible.
  • FIG. 7 is a process flowchart showing a high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an infrared laser device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a schematic diagram of FIG. 8. This is a plan view showing a laser scan processing pattern formed using an infrared laser device.
  • Figures 10 to 12 are cross-sectional process views showing a high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser according to an embodiment of the present invention.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser includes an infrared laser device alignment step (S210), a laser beam modulation step (S220), and a laser scan processing pattern forming step ( S230) and a step of forming a through hole through wet etching (S240).
  • the infrared laser device 200 is aligned on the upper part of the workpiece 210.
  • the workpiece 210 may have a flat shape, but is not limited thereto.
  • the workpiece 210 may be a glass substrate, which is a transparent but brittle material that is difficult to process.
  • the workpiece 210 is not limited to a transparent glass substrate, and may include various materials such as opaque substrates, metal materials, and semiconductor wafers.
  • the laser beam LB emitted from the infrared laser device 200 is modulated into the Bessel beam BB.
  • the infrared laser device 200 may include a laser unit 220, a first optical unit 240, and a second optical unit 260.
  • the laser unit 220 emits a laser beam LB for processing the workpiece 210.
  • This laser unit 220 can generate laser light with pulses and emit it in the form of a beam.
  • the emitted laser beam LB may have an ultrashort pulse or burst pulse, which is a pulse having a wavelength, energy, and duration suitable for processing the workpiece 210.
  • the laser beam LB may be an ultrashort laser having a wavelength of 900 to 1,200 nm and a pulse width of 50 femtoseconds to 50 picoseconds.
  • the laser beam LB may have a circular shape or a Gaussian beam shape when viewed in the direction of travel.
  • the first optical unit 240 is disposed in the path of the laser beam LB and modulates the incident laser beam LB into a Bessel beam BB.
  • the first optical unit 240 includes a first optical element 242 for modulating the laser beam LB into a Bessel beam BB, and a second optical element disposed behind the first optical element 242. It may include an element 244.
  • the first optical element 242 may be a non-diffractive element for modulating the laser beam LB into the Bessel beam BB, but is not limited thereto.
  • This first optical element 242 may be a diffractive element for modulating the laser beam LB into a beam that can create filamentation through nonlinear absorption.
  • the first optical element 242 may be a conical prism or an axicon lens for modulating the laser beam LB into the Bessel beam BB. Accordingly, the laser beam LB may pass through the first optical element 242 and be modulated into an annular Bessel beam BB when viewed in the beam travel direction.
  • the first optical element 242 is not limited to a conical prism or an axicon lens, and various optical elements capable of modulating the laser beam LB into the Bessel beam BB may be used.
  • the first optical element 242 may use various optical elements such as a diffractive optical element such as a diffractive optical element or a spatial light modulator.
  • the laser beam (LB) passes through the first optical element 242 and is modulated into the Bessel beam (BB)
  • expansion of the Bessel beam irradiation area to be suitable for processing the workpiece 210 can be limited.
  • the second optical element 244 may be mounted behind the first optical element 242.
  • the second optical element 244 may be an optical element for advancing the optical axis of the Bessel beam BB modulated by the first optical element 242 in parallel.
  • the second optical element 244 may be a collimating lens or a collimating lens. After the optical axis of the Bessel beam BB passing through the second optical element 244 is aligned in parallel, it may be incident on the second optical unit 260.
  • the first optical element 242 and the second optical element 244 pass through the second optical element 244 to the second optical unit 260 by appropriately selecting or adjusting their respective optical properties, arrangement spacing, etc. is hired.
  • the second optical unit 260 is for reflecting the Bessel beam (BB) modulated by the first optical unit 240 onto the workpiece 210, and includes a mirror structure 262 and a focusing lens 264. may include.
  • the mirror structure 262 is coupled with at least one driving unit. Accordingly, since it is possible to adjust the reflection angle of the mirror structure 262 in real time by at least one driving unit, it is possible to reflect the Bessel beam BB in the direction of the workpiece 210 at high speed.
  • This mirror structure 262 may be a fine steering mirror (FSM) coupled with one driving unit or a scanner coupled with two or more driving units.
  • FSM fine steering mirror
  • the mirror structure 262 may move the path of the Bessel beam BB modulated by the first optical unit 240. That is, the mirror structure 262 can continuously change the optical axis direction of the Bessel beam BB modulated by the first optical unit 240 within a predetermined angle range, and through this, the first optical unit 240
  • the Bessel beam BB modulated by the beam can be irradiated sequentially in a scanning manner for each through-hole formation area on the workpiece 210.
  • the mirror structure 262 may include at least one mirror whose angle is adjustable. Accordingly, the Bessel beam (BB) incident on the mirror structure 262 is reflected from the mirror, and the reflection angle of the reflected Bessel beam (BB) can be adjusted.
  • the mirror structure 262 may include a plurality of mirrors each rotatable along rotation axes arranged in at least two axes, and may be configured as a galvano mirror. This mirror structure 262 is not limited to galvano mirrors.
  • the Bessel beam BB whose path has been changed through the mirror structure 262 may be focused on the workpiece 210 by the focusing lens 264.
  • the focusing lens 264 may be disposed behind the scanner 262 and on top of the workpiece 210. Accordingly, the Bessel beam BB emitted from the mirror structure 262 can be irradiated by the focusing lens 264 in a scanning manner for each through-hole formation area of the workpiece 210.
  • a laser processing process in which the modulated Bessel beam (BB) is sequentially irradiated in a scanning manner for each through-hole formation area of the workpiece 210. is performed to form a laser scan processing pattern 225 that locally changes the characteristics of the workpiece 210.
  • BB modulated Bessel beam
  • These laser scan processing patterns 225 are arranged for each through-hole formation area.
  • laser processing is performed by sequentially irradiating a single modulated Bessel beam (BB) to the workpiece 210 by scanning it using a mirror structure 262 to which at least one driving unit is coupled. did.
  • BB modulated Bessel beam
  • a single modulated Bessel beam (BB) is irradiated by scanning while adjusting the reflection angle of the mirror structure 262 to which at least one driving unit is coupled, thereby creating a high-speed and precise laser scan processing pattern. It becomes possible to form (225).
  • a scanning method of laser processing is applied while adjusting the reflection angle of the mirror structure 262 to which at least one driving unit is coupled.
  • the acceleration/deceleration and stabilization time when moving to the position of the through hole (TH) formation area is 10 ms or less, which is much shorter than the time for moving only the stage to the position of the through hole formation area. Because of this, it is not affected by the size of the workpiece 210 to be laser processed.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser can perform laser processing at a speed of 100 times or more compared to a general through-hole forming method, thereby dramatically improving productivity. .
  • the laser scan processing pattern 225 is formed to have an array structure in which single dots formed by laser processing are spaced at regular intervals of 20 ⁇ m or less so that they have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan. It is desirable, but is not limited to this. That is, the laser scan processing pattern 225 is formed to have an array structure in which single dots formed by laser processing are spaced at irregular intervals of 20 ⁇ m or less to have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan. It's okay to be
  • the modulated Bessel beam penetrates the workpiece 210 using a mirror structure coupled with at least one driving unit.
  • a plurality of laser processing dots spaced apart at regular intervals may be formed to have a circular array structure.
  • the Bessel beam (BB) is irradiated to the workpiece 210 for each through-hole formation area. ), it is possible to increase the area that changes the characteristics of the workpiece 210.
  • the area where the characteristics of the workpiece 210 change increases in proportion to the number of dots of the laser scan processing pattern 225, which ultimately creates micro holes in the workpiece 210 by laser processing during wet etching.
  • the area through which the etchant can easily penetrate increases, thereby significantly reducing the etching time.
  • Figure 13 is a plan view showing various application examples of the laser scan processing pattern according to an embodiment of the present invention.
  • the laser scan processing pattern 225 is finally formed after wet etching by radiating a modulated Bessel beam to the workpiece in a scanning manner and arranging it to be spaced at regular or irregular intervals. It has the same or similar shape as the through hole.
  • the shape of the through hole is determined depending on the arrangement shape of the laser scan processing pattern 225, when the arrangement shape of the laser scan processing pattern 225 is changed in various ways, it is necessary to form various through holes with corresponding shapes. It becomes possible.
  • the laser scan processing pattern 225 may have a circular arrangement structure of a plurality of laser processing dots when viewed in plan view.
  • the laser scan processing pattern 225 has a plurality of laser processing dots in star shapes, square shapes, and triangles when viewed in plan view. Each can have an array structure of shapes.
  • the laser scan processing pattern 225 is not limited to the array structure of the above-described shape. That is, the laser scan processing pattern 225 can be applied in various ways, such as a polygonal array structure in which a plurality of laser processing dots includes pentagons, hexagons, octagons, etc., and an elliptical array structure.
  • Figure 14 is a plan view showing various application examples of a laser scan processing pattern according to a modification of the present invention.
  • the laser scan processing pattern 225 is arranged to be spaced apart at regular or irregular intervals so as to have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan. It may have a first laser scan processing pattern 225a and at least one second laser scan processing pattern 225b disposed inside the first laser scan processing pattern 225a.
  • a first laser scan processing pattern 225a and two second laser scan processing patterns 225b are arranged inside the first laser scan processing pattern 225a to have a tree ring shape. This is shown as an example.
  • the second laser scan processing pattern 225b may have an arrangement structure of the same shape as the first laser scan processing pattern 225a.
  • a first laser scan processing pattern 225a and a second laser scan processing pattern 225b having a spiral structure are arranged inside the first laser scan processing pattern 225a. This is shown as an example.
  • a first laser scan processing pattern 225a and a second laser scan processing pattern 225b having a cross structure are arranged inside the first laser scan processing pattern 225a. This is shown as an example.
  • a first laser scan processing pattern 225a and a second laser scan processing pattern 225b that radially intersect inside the first laser scan processing pattern 225a are arranged. This is shown as an example.
  • the second laser scan processing pattern 225b may have an arrangement structure of a different shape from the first laser scan processing pattern 225a.
  • the laser scan processing pattern 225 has a first laser scan processing pattern 225a and at least one second laser scanning processing pattern 225b.
  • the number of dots in the laser scan processing pattern 225 can be increased, thereby further increasing the number of characteristic change areas of the workpiece 210, thereby increasing the passage through which the etchant can more easily penetrate.
  • the etching time can be further reduced. As a result, not only can the etching time be significantly reduced, but also the etchant consumption can be significantly reduced, thereby maximizing productivity.
  • Figure 15 is a plan view showing various application examples of a laser scan processing pattern according to another modified example of the present invention.
  • the laser scan processing pattern 225 is a straight or curved line in which a plurality of dots are connected to each other to have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan. It may be formed to have an array structure.
  • the laser scan processing pattern 225 may have a straight shape in which a plurality of dots are connected to each other to have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan.
  • the straight line is not limited to being arranged along the x-axis or y-axis direction, and any straight line can be applied without limitation as long as it is arranged not only diagonally but also in a straight line along any specific direction.
  • the laser scan processing pattern 225 may have a curved shape in which a plurality of dots are connected to each other to have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan.
  • the curve is arranged in a curved shape at least once, and can be applied as long as at least part of the curve is curved.
  • the laser scan processing pattern 225 has a straight shape in which a plurality of dots are connected to each other to have a shape corresponding to the through hole when viewed in plan, and at least It may have various structures, such as two or more straight lines being interconnected or intersecting.
  • the laser scan processing pattern 225 is formed to have a straight or curved array structure in which a plurality of dots are interconnected to have a shape corresponding to the through hole.
  • the number of dots of the laser scan processing pattern 225 can be increased, thereby further increasing the number of characteristic change areas of the workpiece 210, thereby increasing the passage through which the etchant can more easily penetrate, thereby reducing the etching time. can be further reduced. As a result, not only can the etching time be significantly reduced, but also the etchant consumption can be significantly reduced, thereby maximizing productivity.
  • the workpiece 210 on which the laser scan processing pattern (225 in FIG. 10) is formed is etched to form a through hole formation area.
  • Each through hole (TH) is formed.
  • the step of forming a through hole through wet etching can be subdivided into a process of forming a plurality of etching grooves and a process of forming a through hole.
  • an etchant is infiltrated into the laser scanned pattern 225 of the workpiece 210 whose characteristics have been locally changed by the laser processing, so that a portion of the exposed surface of the workpiece 210 is formed along the thickness direction. is removed to form a plurality of etched grooves (E).
  • wet etching using a fluorinated etchant, a non-fluorinated etchant, etc. may be used, but this is an example and any etchant that can etch the workpiece 210 can be used without limitation.
  • wet etching using an etchant containing at least one of hydrofluoric acid (HF), ammonium fluoride (NH 4 F), potassium hydroxide (KOH), and sodium hydroxide (NaOH) is used.
  • the etchant penetrates toward the center of the thickness of the workpiece 210 along the plurality of etching grooves E, and the workpiece 210 located in the space between the laser scan processing patterns 225 )
  • the dummy part (S) whose characteristics have changed is naturally removed or corroded to form a through hole (TH). For example, if the size of the shape changed by laser processing is large, the dummy portion S may naturally fall off and be removed during the etching process, and if the size of the shape changed by laser processing is small, it may naturally corrode. .
  • the dummy portion of the workpiece 210 whose properties have changed between the plurality of etching grooves (E) Since (S) is removed by natural falloff or corrosion, it is possible to form a through hole (TH) of the desired size in a sufficiently short time compared to the general through hole forming method.
  • Each of the through holes (TH) located in each through hole formation area may be formed in the same plane. Additionally, each of the through holes TH located in each through hole formation area may be formed in different planes. In addition, some of the through holes TH located in each through hole formation area may be formed in the same plane, and some may be formed in different planes.
  • the through hole (TH) of the present invention may have a diameter of 1 ⁇ m to 50cm, but is not limited thereto.
  • diameter does not only mean the maximum length of a circular through hole (TH), but can be broadly interpreted to mean the maximum length of a through hole (TH) of a polygonal or oval shape.
  • the surface portion of the through hole TH may have a first diameter d1, and the inner center may have a second diameter d2 smaller than the first diameter d1.
  • the inner wall of the through hole TH may have an acute taper angle ⁇ with respect to the horizontal surface of the workpiece 210.
  • the surface portion of the through hole TH may have a first diameter d1, and the inner center may have a second diameter d2 larger than the first diameter d1.
  • the inner wall of the through hole TH may have an obtuse taper angle ⁇ with respect to the horizontal surface of the workpiece 210.
  • the inner wall of the through hole TH may have a taper angle ⁇ ranging from an acute angle to an obtuse angle with respect to the horizontal surface of the workpiece 210.
  • the Bessel beam is irradiated for each through-hole formation area of the workpiece, so the Bessel beam irradiated along the thickness direction of the workpiece focuses laser processing on only one processing location, so the workpiece at the processing location is irradiated. If there are surface defects such as foreign matter or stains, there is a high risk that characteristic changes will not be generated uniformly inside the workpiece, which is a brittle material.
  • the method of forming a through hole sequentially irradiates the Bessel beam (BB) in a scanning manner for each through hole formation area of the workpiece 210 in a shape that is the same or similar to that of the through hole (TH). Since wet etching is performed with the laser scan processing pattern 225 formed, a plurality of etching grooves E can be formed in the workpiece 210 with only a minimum etching time.
  • the plurality of etching grooves (E) created are further etched by the etchant over time, and the dummy portion (S) of the workpiece 210 that is located between the plurality of etching grooves (E) has changed its properties. Since this is removed through natural falloff or corrosion, it is possible to form a through hole (TH) of the desired size in a very short time compared to the general through hole forming method.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser irradiates one Bessel beam (BB) sequentially in a scanning manner for each through-hole forming area of the workpiece 210 to form a laser scan processing pattern ( Since wet etching is performed in the state in which 225) is formed, some of the laser processing dots of each laser scan processing pattern 225 located in each through-hole formation area are defective due to stains, foreign substances, etc. on the outside of the workpiece 210, resulting in defects. Even if some changes in the properties of the workpiece 210 are not uniform, since other laser processing dots are placed around it, it becomes possible to secure the product quality of the through hole (TH) without significant influence during wet etching. .
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser has a size between the surface diameter (d1) of the through hole (TH) and the central diameter (d2) of the through hole (TH) during wet etching. can be secured uniformly.
  • a common through-hole forming method radiates one Bessel beam to each through-hole formation area of the workpiece to form one laser processing dot, and gradually expands the hole size by wet etching one laser processing dot using an etchant. Because the through hole was formed in a sequential manner, there was a limit to diversifying the shape of the through hole.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser involves wet etching using a laser scan processing pattern 225 having an array structure spaced at regular or irregular intervals.
  • a laser scan processing pattern 225 having an array structure spaced at regular or irregular intervals.
  • the high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser can be used in the semiconductor, display, and solar cell fields, but is not limited thereto, and the technology for forming through holes in a brittle material is It is probably a self-evident fact that it can be applied without restrictions to any field that is included.
  • the high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser scans a single modulated Bessel beam using a mirror structure coupled with at least one driving unit to form a workpiece. were investigated sequentially and finely processed at high speed into various sizes or shapes.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser uses a scanning method of laser processing while adjusting the reflection angle of a mirror structure to which at least one driving unit is coupled, so only the stage is moved.
  • Shiki can not only shorten the stabilization time during laser processing to approximately 10 ms or less, but also is not affected by the size of the workpiece being laser processed.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser can perform laser processing at a speed of 100 times or more compared to a general through-hole forming method, thereby dramatically improving productivity. .
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser is capable of controlling the machining position of the workpiece at high speed and precision, so that the workpiece is locally formed to have the same or similar size or shape as the through hole. Since wet etching can be performed with the internal properties of the material changed, the etching time can be significantly reduced, which reduces the cost of etchant consumption and improves productivity and the uniformity of quality of the plurality of through holes formed throughout the workpiece. It becomes possible.
  • the dummy portion of the workpiece located between the plurality of etching grooves with the changed characteristics is removed by natural fall-off or corrosion, thereby forming a through-hole of the desired size in a very short time compared to the general through-hole forming method. You can do it.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser involves wet etching while forming a laser scan processing pattern by irradiating one Bessel beam sequentially in a scanning manner for each through-hole forming area of the workpiece. This is done. Therefore, in the present invention, even if some of the laser scan processing patterns located in each through-hole formation area are defective due to stains, foreign substances, etc. on the outside of the workpiece, and some changes in the characteristics of the workpiece are not uniform, other Since the laser scan processing pattern is placed around the product, it becomes possible to secure the product quality of the through hole without significant impact during wet etching.
  • the high-speed, precise through-hole forming method using an infrared laser can ensure a uniform size between the surface diameter of the through hole and the central diameter of the through hole during wet etching.
  • the high-speed precision through-hole forming method using an infrared laser involves wet etching using a laser scan processing pattern having an array structure spaced at regular or irregular intervals, thereby Through-holes having a shape that is substantially the same or similar to the scan processing pattern can also be diversified to have various shapes.
  • the laser beam emitted from the infrared laser device was modulated into a Bessel beam.
  • the modulated Bessel beam was irradiated sequentially in a scanning manner for each through-hole formation area of the glass substrate to form a laser scan processing pattern that changes the characteristics of the workpiece.
  • the laser scan processing pattern was controlled to have a circular shape with a plurality of laser processing dots having regular spacing and regularly spaced apart.
  • the glass substrate on which the laser scan processing pattern was formed was wet-etched using a hydrofluoric acid-based etchant at a speed of 2 ⁇ m/min for 13 minutes to form a through hole.
  • a through hole was formed in the same manner as in Example 1, except that wet etching was performed for 18 minutes at a speed of 1.5 ⁇ m/min.
  • a through hole was formed in the same manner as in Example 1, except that wet etching was performed for 9 minutes at a speed of 2.5 ⁇ m/min.
  • the laser beam emitted from the laser Bessel beam optical modulation device was modulated into a Bessel beam.
  • the modulated Bessel beam was irradiated to each through-hole formation area of the glass substrate to form laser processing dots that change the properties of the workpiece.
  • the glass substrate on which the laser processing dots were formed was wet etched using a hydrofluoric acid-based etchant at a speed of 2 ⁇ m/min for 80 minutes to form a through hole.
  • a through hole was formed in the same manner as in Example 1, except that wet etching was performed for 68 minutes at a speed of 2.5 ⁇ m/min.
  • Table 1 shows the results of evaluating the physical properties of through-hole specimens manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2.
  • the through-hole specimens manufactured according to Comparative Examples 1 and 2 require an etching time of more than 1 hour to form a through hole based on a 0.65 mm thick glass substrate before etching.
  • FIG. 16 is a process image showing the formation process of a through hole manufactured according to Comparative Example 1
  • FIG. 17 is a process image showing the formation process of a through hole manufactured according to Example 1.
  • the modulated Bessel beam is irradiated to the glass substrate 110 to change the properties of the glass substrate 110.
  • the laser processing dot 125 is formed on the glass substrate 110. It can be confirmed that it was formed along the thickness direction of (110).
  • FIG. 16 shows the state after 10 minutes of wet etching.
  • the etching speed is significantly slow for the portion whose properties have changed, but a portion of the surface of the glass substrate 110 You can see that it has been etched away and removed.
  • Figures 16 (c) and (d) show the state after 80 minutes of wet etching.
  • the wet etching radius required to form the through hole TH was large, so a long etching time was required.
  • the modulated Bessel beam is irradiated to the glass substrate 210 in a scanning manner to change the characteristics of the glass substrate 210, resulting in a laser scan processing pattern. It can be seen that 225 is formed to be regularly spaced apart at regular intervals along the thickness direction of the glass substrate 210.
  • FIG. 17 shows the state after 10 minutes of wet etching time.
  • the etching speed is significantly slow for the portion whose properties have changed, but a portion of the surface of the glass substrate 210 You can see that it has been etched away and removed.
  • Figures 17 (c) and (d) show the state after 18 minutes of wet etching time.
  • the size of the wet etching radius required to form the through hole TH has been significantly reduced, and as a result, the etching time has been significantly reduced.

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Abstract

본 발명은 변조된 하나의 베셀빔을 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이용하여 스캔하는 방식으로 피가공물에 차례로 조사하여 다양한 형태의 크기 또는 모양으로 고속으로 정밀하게 미세 가공하여 피가공물의 형질을 변화시키는 레이저 스캔 가공패턴을 형성한 후 습식 에칭하는 것에 의해, 기존에 비해 레이저 가공 시간을 현저히 단축시켜 피가공물을 고속으로 레이저 가공할 수 있을 뿐만 아니라, 에칭 시간 단축으로 생산성을 향상시킬 수 있는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법에 대하여 개시한다.

Description

적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법
본 발명은 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변조된 하나의 베셀빔을 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이용하여 스캔하는 방식으로 피가공물에 차례로 조사하여 다양한 형태의 크기 또는 모양으로 고속으로 정밀하게 미세 가공하여 피가공물의 형질을 변화시키는 레이저 스캔 가공패턴을 형성한 후 습식 에칭하는 것에 의해, 기존에 비해 레이저 가공 시간을 현저히 단축시켜 피가공물을 고속으로 레이저 가공할 수 있을 뿐만 아니라, 에칭 시간 단축으로 생산성을 향상시킬 수 있는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법에 관한 것이다.
레이저는 피가공물(가공 대상물)을 절단하거나 관통홀을 형성하는 등의 가공시 널리 사용되고 있다. 이러한 레이저 가공은 렌즈 등의 광학 소자를 이용하여 가공 작업에 적합하도록 원하는 형태의 레이저 빔으로 성형하고, 성형된 레이저 빔을 피가공물에 조사하게 된다.
특히, 투명한 유리 기판과 같이 가공이 어려운 취성 소재를 절단하거나 관통홀을 형성하는 등의 가공 작업에 레이저 빔이 효율적으로 사용될 수 있다. 다만, 유리 기판의 가공 시, 레이저에 의하여 피가공물에 크랙이 발생되고 크랙이 전파될 수 있다.
아울러, 취성 소재인 유리 기판의 외부의 얼룩, 이물로 인하여 내부에 형질 변화가 생성될 시 관통홀 내벽이 고르지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 레이저를 이용하여 유리 기판에 미세한 관통홀을 형성할 시, 정밀한 가공이 어렵고 작업 시간이 많이 소요되어 생산성을 저하시키는 문제가 있다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0063264호(2016.06.03 공개)가 있다.
본 발명의 목적은 변조된 하나의 베셀빔을 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이용하여 스캔하는 방식으로 피가공물에 차례로 조사하여 다양한 형태의 크기 또는 모양으로 고속으로 정밀하게 미세 가공하여 피가공물의 형질을 변화시키는 레이저 스캔 가공패턴을 형성한 후 습식 에칭하는 것에 의해, 기존에 비해 레이저 가공 시간을 현저히 단축시켜 피가공물을 고속으로 레이저 가공할 수 있을 뿐만 아니라, 에칭 시간 단축으로 생산성을 향상시킬 수 있는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 (a) 피가공물 상부에 적외선 레이저 장치를 정렬시키는 단계; (b) 상기 적외선 레이저 장치로부터 출사되는 레이저 빔을 베셀빔으로 변조시키는 단계; (c) 상기 변조된 베셀빔을 피가공물의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 차례로 각각 조사하는 레이저 가공 처리를 실시하여, 상기 피가공물의 형질을 국부적으로 변화시키는 레이저 스캔 가공패턴을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 레이저 스캔 가공패턴이 형성된 피가공물을 에칭하여 상기 관통홀 형성 영역별로 관통홀을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 빔은 900 내지 1,200nm의 파장 및 50펨토초 내지 50피코초의 펄스 폭을 갖는 극초단 레이저가 이용된다.
상기 레이저 스캔 가공패턴은, 평면상으로 볼 때, 상기 레이저 가공 처리에 의해 형성되는 단일 도트가 상기 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격되는 배열 구조를 갖도록 형성된다.
상기 레이저 스캔 가공패턴은, 평면상으로 볼 때, 상기 레이저 가공 처리에 의해 형성되는 단일 도트를 20㎛ 이하의 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격시켜 상기 관통홀과 대응되는 형상인 삼각, 사각, 오각, 육각, 팔각 및 별을 포함하는 다각형, 원형 및 타원형 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 형상을 갖는 배열 구조를 갖는다.
상기 레이저 스캔 가공패턴은, 평면상으로 볼 때, 상기 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격되도록 배치된 제1 레이저 스캔 가공패턴과, 상기 제1 레이저 스캔 가공패턴의 내측에 배치된 적어도 하나의 제2 레이저 스캔 가공패턴을 갖는다.
상기 제2 레이저 스캔 가공패턴은 상기 제1 레이저 스캔 가공패턴과 동일 또는 상이한 형상의 배열 구조를 갖는다.
상기 레이저 스캔 가공패턴은, 평면상으로 볼 때, 상기 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 복수개의 도트가 상호 연결되는 직선 또는 곡선의 배열 구조를 갖도록 형성된다.
상기 피가공물은 평판 형태의 유리 기판인 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계에서, 상기 스캔 방식의 레이저 가공 처리는 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이용하여 스캔하는 방식으로 실시하는 것에 의해, 상기 스캔 방식의 레이저 가공 처리는 안정화 시간 10ms 이하로 실시된다.
상기 (d) 단계에서, 상기 관통홀 형성 영역별로 위치하는 관통홀 각각은 동일한 평면적으로 형성되거나, 적어도 일부가 서로 상이한 평면적으로 형성된다.
상기 (d) 단계에서, 상기 에칭은 불화계 에천트 및 비불화계 에천트 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 에천트를 사용하는 습식 에칭이 이용된다.
상기 (d) 단계는, (d-1) 상기 레이저 가공 처리에 의해 국부적으로 형질 변화된 피가공물의 레이저 스캔 가공패턴에 에천트를 침투시켜 상기 피가공물의 노출면의 일부가 두께 방향을 따라 제거되어 복수의 에칭 홈이 형성되는 단계; 및 (d-2) 상기 복수의 에칭 홈을 따라 피가공물의 두께 중심부 방향으로 에천트가 침투하면서, 상기 레이저 스캔 가공패턴 사이 공간에 위치하는 피가공물의 형질 변화된 더미 부분을 자연 탈락 또는 부식시켜 관통홀을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 관통홀의 내벽은 상기 피가공물의 수평면에 대하여, 예각부터 둔각의 테이퍼 각도를 갖는다.
본 발명에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 변조된 하나의 베셀빔을 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이용하여 스캔하는 방식으로 피가공물에 차례로 조사하여 다양한 형태의 크기 또는 모양으로 고속으로 정밀하게 미세 가공하였다.
이와 같이, 본 발명에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물의 반사각도를 조절해 가면서 레이저 가공하는 스캔 방식이 적용되므로, 스테이지만을 이동시키는 일반적인 관통홀 형성 방법과 달리, 레이저 가공시 안정화 시간을 대략 10ms 이하로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이로 인해 레이저 가공하는 피가공물의 사이즈에도 영향을 받지 않게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은, 일반적인 관통홀 형성 방법 대비, 100배 이상의 고속으로 레이저 가공을 실시할 수 있으므로, 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 피가공물의 가공 위치를 고속으로 정밀하게 제어하는 것이 가능하여 관통홀과 동일 또는 유사한 크기 또는 형상을 갖도록 국부적으로 피가공물의 내부 형질을 변화시킨 상태에서 습식 에칭이 실시될 수 있으므로, 에칭 시간을 현저히 감소시킬 수 있어 에천트 소모 비용이 감소되어 생산성과 함께 피가공물 전반에 걸쳐 형성된 복수의 관통홀 품질의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 본 발명은 복수의 에칭 홈 사이에 위치하는 피가공물의 형질 변화된 더미 부분이 자연 탈락 또는 부식되면서 제거되기 때문에 일반적인 관통홀 형성 방법 대비 매우 짧은 시간으로 원하는 크기의 관통홀을 형성시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 하나의 베셀빔을 피가공물의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 차례로 조사하여 레이저 스캔 가공패턴을 형성한 상태에서 습식 에칭이 수행된다. 따라서, 본 발명은 피가공물 외부의 얼룩, 이물 등에 의해 관통홀 형성 영역별로 위치하는 각 레이저 스캔 가공패턴 중 일부의 레이저 스캔 가공패턴이 불량하여 피가공물의 형질 변화가 일부 균일하게 이루어지지 않더라도, 다른 레이저 스캔 가공패턴이 주변에 배치되어 있으므로, 습식 에칭시에 큰 영향 없이 관통홀의 제품 품질을 확보하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 습식 에칭시 관통홀의 표면부 직경과 관통홀의 중심부 직경 간의 크기를 균일하게 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격되는 배열 구조를 갖는 레이저 스캔 가공패턴을 이용하여 습식 에칭이 실시되는 것에 의해, 레이저 스캔 가공패턴과 실질적으로 동일 또는 유사한 형상을 갖는 관통홀 역시 다양한 형상을 갖도록 다변화하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
도 1 내지 도 4는 일반적인 적외선 레이저를 이용한 관통홀 형성 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 5는 일반적인 레이저 베셀빔 광학 변조 장치를 설명하기 위한 모식도.
도 6은 도 5의 레이저 베셀빔 광학 변조 장치를 이용하여 형성된 레이저 가공 도트를 나타낸 평면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저 장치를 나타낸 모식도.
도 9는 도 8의 적외선 레이저 장치를 이용하여 형성된 레이저 스캔 가공패턴을 나타낸 평면도.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔 가공패턴에 대한 다양한 적용예를 나타낸 평면도.
도 14는 본 발명의 일 변형예에 따른 레이저 스캔 가공패턴에 대한 다양한 적용예를 나타낸 평면도.
도 15는 본 발명의 다른 변형예에 따른 레이저 스캔 가공패턴에 대한 다양한 적용예를 나타낸 평면도.
도 16은 비교예 1에 따라 제조되는 관통홀의 형성 과정을 나타낸 공정 이미지.
도 17은 실시예 1에 따라 제조되는 관통홀의 형성 과정을 나타낸 공정 이미지.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 4는 일반적인 극초단 적외선 레이저를 이용한 관통홀 형성 방법을 나타낸 공정 단면도이다. 또한, 도 5는 일반적인 레이저 베셀빔 광학 변조 장치를 설명하기 위한 모식도이고, 도 6은 도 5의 레이저 베셀빔 광학 변조 장치를 이용하여 형성된 레이저 가공 도트를 나타낸 평면도이다.
도 1, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 피가공물(110) 상부에 일반적인 레이저 베셀빔 광학 변조 장치를 정렬시킨 후, 레이저 베셀빔 광학 변조 장치로부터 출사되는 베셀빔(BB)을 피가공물(110)에 조사하여 레이저 가공 도트(125)를 형성한다.
여기서, 일반적인 레이저 베셀빔 광학 변조 장치로부터 출사되는 레이저 빔(LB)은 대물렌즈 기반의 광학 소자(140)를 통과하면서 베셀빔(BB)으로 변조되고, 변조된 베셀빔(BB)이 피가공물(110)에 조사되어 레이저 가공 도트(125)을 형성하게 된다. 광학 소자(140)는 레이저 빔(LB)을 베셀빔(BB)으로 변조하기 위한 비회절 소자일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 레이저 빔(LB)은 대물렌즈 기반의 광학 소자(140)를 통과하면서, 빔 진행 방향으로 보았을 때 환형의 베셀 빔(BB)으로 변조될 수 있다.
다음으로, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 가공 도트(125)가 형성된 피가공물(110)을 에칭하여 관통홀(TH)을 형성한다.
본 단계에서, 에칭은 불화계 에천트, 비불화계 에천트 등을 이용한 습식 에칭이 이용될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 유리 기판을 에칭할 수 있는 에천트라면 제한 없이 모두 사용될 수 있다.
이때, 도 2에는 에칭 초기 과정을 나타낸 것으로, 레이저 가공 도트(125)에 의해 형질 변화된 부분으로 에천트가 침투하면서 서서히 식각이 진행되어 제1 폭(W1)을 갖는 에칭 홈(E)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 3에는 에칭 중기 과정을 나타낸 것으로, 시간의 경과에 따라 에칭 홈(E)을 따라 에천트가 더 침투하면서 제1 폭(W1)보다 넓은 제2 폭(W2)을 갖는 에칭 홈(E)으로 사이즈가 확장된 것을 확인할 수 있다.
아울러, 도 4에는 에칭 말기 과정을 나타낸 것으로, 시간의 경과에 따라 에천트와의 반응으로 에칭 홈(도 3의 E)을 따라 피가공물(110)이 서서히 제거되면서 에칭 홈의 직경이 확장되면서 최종적으로 상측과 하측의 에칭홈이 연결되어 관통홀(TH)이 형성되게 된다.
전술한 일반적인 관통홀 형성 방법은 투명하면서 취성 소재인 피가공물(110)에 마이크로미터 사이즈의 미세한 관통홀(TH)을 형성하기 위하여, 일반적으로 적외선 레이저를 이용하여 변조된 베셀빔(BB)을 피가공물(110)에 조사하여 관통홀 형성 영역별로 레이저 가공 도트(125)를 형성하여 형질 변화시킨 후 습식 에칭 시간을 조절하여 원하는 최종 크기로 형성하게 된다.
그러나, 일반적인 관통홀 형성 방법은 피가공물(110)이 안착되는 스테이지를 이동시켜 가면서 관통홀 형성 영역별로 베셀빔(BB)을 조사하는 스텝 앤 리피트(Step & Repeat) 가공 방식으로, 스테이지를 관통홀 형성 영역으로 위치 이동시 가감속 시간 및 안정화 시간을 포함한 시간이 통상 100ms ~ 1,000ms으로 상당히 오래 걸린다. 따라서, 레이저 가공하기 위한 피가공물(110)의 사이즈가 커질수록 스테이지의 사이즈도 커질 수 밖에 없어 가감속 및 안정화 시간은 보다 더 증가하게 된다. 이는, 결과적으로 피가공물(110)의 사이즈가 커질 경우, 전체 레이저 가공 시간을 매우 증가시켜 생산성을 저하시킨다. 또한, 관통홀(TH)의 수가 증가할수록 가감속 및 안정화 시간도 같이 증가하게 되며, 이에 따라 가공 시간을 매우 증가시켜 생산성을 저하시킨다.
또한, 일반적인 관통홀 형성 방법은 베셀빔(BB)이 피가공물(110)의 관통홀 형성 영역별로 조사되므로, 피가공물(110)의 두께 방향을 따라 조사되는 베셀빔(BB)이 하나의 가공 위치만을 집중적으로 레이저 가공하기 때문에 가공 위치의 피가공물(110)에 이물, 얼룩 등의 표면 불량이 있을 경우, 취성 소재인 피가공물(110)의 내부에 형질 변화가 균일하게 생성되지 못할 우려가 크다. 이는 결국 습식 에칭시 관통홀(TH) 불량을 야기하여 관통홀 형성 영역별로 위치하는 복수의 관통홀(TH) 크기 또는 형상에 대한 균일도를 저해할 뿐만 아니라, 습식 에칭시 관통홀(TH)의 표면부 직경(d1)과 관통홀(TH)의 중심부 직경(d2) 간의 크기가 불균일해져 테이퍼 각도(θ)를 감소시키는 요인으로 작용하여 제품 품질을 저하시킨다.
따라서, 일반적인 관통홀 형성 방법은 피가공물(110)의 관통홀 형성 영역별로 형성되는 복수의 최종 관통홀(TH)의 품질이 에칭 공정의 성능에 크게 영향을 받을 수 밖에 없어 균일한 관통홀(TH) 품질을 확보하는데 한계가 있었으며, 관통홀(TH)의 최종 크기에 따라 수 시간 이상의 에칭 시간이 소요되어 양산성에 한계가 있었다.
또한, 일반적인 관통홀 형성 방법은 피가공물(110)의 표면 이물, 얼룩 제거 여부 등의 표면 상태에 민감하게 영향을 받아 피가공물(110) 전체에 분포되어 있는 관통홀(TH)들의 품질 균일성 확보에 한계가 있었다.
또한, 일반적인 관통홀 형성 방법은 베셀빔(BB)을 피가공물(110)의 관통홀 형성 영역별로 각각 조사하여 하나의 레이저 가공 도트(125)를 형성하고, 하나의 레이저 가공 도트(125)를 에천트를 이용한 습식 에칭으로 서서히 홀 사이즈를 확장시켜 나가는 방식으로 관통홀(TH)을 형성하기 때문에 관통홀(TH)의 형상을 다변화시키는데 한계가 있었다.
이를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 변조된 하나의 베셀빔을 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이용하여 스캔하는 방식으로 피가공물에 차례로 조사하여 다양한 형태의 크기 또는 모양으로 고속으로 정밀하게 미세 가공하였다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이동시켜 가면서 레이저 가공하는 스캔 방식이 적용되므로, 스테이지만을 이동시키는 일반적인 관통홀 형성 방법과 달리, 레이저 가공시 안정화 시간을 대략 10ms 이하, 보다 바람직하게는 1ms 이하로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이로 인해 레이저 가공하는 피가공물의 사이즈에도 영향을 받지 않게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은, 일반적인 관통홀 형성 방법 대비, 100배 이상의 고속으로 레이저 가공을 실시할 수 있으므로, 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 피가공물의 가공 위치를 고속으로 정밀하게 제어하는 것이 가능하여 관통홀과 동일 또는 유사한 크기 또는 형상을 갖도록 국부적으로 피가공물의 내부 형질을 변화시킨 상태에서 습식 에칭이 실시될 수 있으므로, 에칭 시간을 현저히 감소시킬 수 있어 에천트 소모 비용이 감소되어 생산성과 함께 피가공물 전반에 걸쳐 형성된 복수의 관통홀 품질의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저 장치를 나타낸 모식도이고, 도 9는 도 8의 적외선 레이저 장치를 이용하여 형성된 레이저 스캔 가공패턴을 나타낸 평면도이다. 또한, 도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 적외선 레이저 장치 정렬 단계(S210), 레이저 빔 변조 단계(S220), 레이저 스캔 가공패턴 형성 단계(S230) 및 습식 에칭을 통한 관통홀 형성 단계(S240)를 포함한다.
적외선 레이저 장치 정렬
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 적외선 레이저 장치 정렬 단계(S210)에서는 피가공물(210) 상부에 적외선 레이저 장치(200)를 정렬시킨다.
여기서, 피가공물(210)은 평판 형태를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 아울러, 피가공물(210)은 투명하면서 가공이 어려운 취성 소재인 유리 기판일 수 있다. 다만, 피가공물(210)이 투명한 유리 기판에 한정되는 것은 아니며, 불투명한 기판, 금속 재료, 반도체 웨이퍼 등 다양한 재료가 포함될 수 있다.
레이저 빔 변조
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 빔 변조 단계(S220)에서는 적외선 레이저 장치(200)로부터 출사되는 레이저 빔(LB)을 베셀빔(BB)으로 변조시킨다.
여기서, 적외선 레이저 장치(200)는 레이저 유닛(220), 제1 광학 유닛(240) 및 제2 광학 유닛(260)을 포함할 수 있다.
레이저 유닛(220)은 피가공물(210)을 가공하기 위한 레이저 빔(LB)을 방출한다. 이러한 레이저 유닛(220)은 펄스를 갖는 레이저 광을 생성하여 빔 형태로 방출할 수 있다. 이때, 방출되는 레이저 빔(LB)은 피가공물(210)을 가공하기에 적합한 파장, 에너지 및 지속시간을 갖는 펄스인 극초단 펄스 또는 버스트 펄스를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 레이저 빔(LB)은 900 내지 1,200nm의 파장 및 50펨토초 내지 50피코초의 펄스 폭을 갖는 극초단 레이저가 이용될 수 있다. 또한, 레이저 빔(LB)은 진행 방향으로 보았을 때 원형 형태 또는 가우시안 빔 형태를 가질 수 있다.
제1 광학 유닛(240)은 레이저 빔(LB)의 진행 경로에 배치되어, 입사되는 레이저 빔(LB)을 베셀빔(BB)으로 변조시킨다. 이를 위해, 제1 광학 유닛(240)은 레이저 빔(LB)을 베셀빔(BB)으로 변조하기 위한 제1 광학 소자(242)와, 제1 광학 소자(242)의 후방에 배치된 제2 광학 소자(244)를 포함할 수 있다.
제1 광학 소자(242)는 레이저 빔(LB)을 베셀빔(BB)으로 변조하기 위한 비회절 소자일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 제1 광학 소자(242)는 레이저 빔(LB)을 비선형 흡수를 통해 필라멘테이션을 만들 수 있는 빔으로 변조하기 위한 회절 소자일 수도 있다.
일 예로, 제1 광학 소자(242)는 레이저 빔(LB)을 베셀빔(BB)으로 변조하기 위한 원뿔형 프리즘 또는 액시콘 렌즈(axicon lens)일 수 있다. 따라서, 레이저 빔(LB)은 제1 광학 소자(242)를 통과하면서, 빔 진행 방향으로 보았을 때 환형의 베셀빔(BB)으로 변조될 수 있다.
이러한 제1 광학 소자(242)는 원뿔형 프리즘 또는 액시콘 렌즈에 한정되는 것은 아니며, 레이저 빔(LB)을 베셀빔(BB)으로 변조할 수 있는 다양한 광학 소자가 이용될 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 소자(242)는 회절광학계(Diffractive Optical Element)와 같은 회절 소자, 공간광변조기(Spatial Light Modulator) 등의 다양한 광학 소자가 이용될 수도 있다.
아울러, 레이저 빔(LB)이 제1 광학 소자(242)를 통과하여 베셀빔(BB)으로 변조된 후, 피가공물(210)의 가공에 적합하도록 베셀빔 조사 영역이 확대되는 것을 제한할 수 있는 제2 광학 소자(244)가 제1 광학 소자(242)의 후방에 장착될 수 있다.
즉, 제2 광학 소자(244)는 제1 광학 소자(242)에서 변조된 베셀빔(BB)의 광축을 평행하게 진행시키기 위한 광학 소자일 수 있다. 일 예로, 제2 광학 소자(244)는 시준 렌즈 또는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)일 수 있다. 제2 광학 소자(244)를 통과한 베셀빔(BB)의 광축이 평행하게 배열된 후, 제2 광학 유닛(260)으로 입사될 수 있다.
제1 광학 소자(242) 및 제2 광학 소자(244)는 각각의 광학 성질, 배치 간격 등이 적절하게 선택 또는 조정됨으로써, 제2 광학 소자(244)를 통과하여 제2 광학 유닛(260)에 입사된다.
여기서, 제2 광학 유닛(260)은 제1 광학 유닛(240)에 의해 변조된 베셀빔(BB)을 피가공물(210) 상으로 반사시키기 위한 것으로, 미러 구조물(262) 및 포커싱 렌즈(264)를 포함할 수 있다.
미러 구조물(262)은 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된다. 이에 따라, 적어도 1개 이상의 구동부에 의해, 실시간으로 미러 구조물(262)의 반사각도를 조절하는 것이 가능하므로, 고속으로 베셀빔(BB)을 피가공물(210) 방향으로 반사시킬 수 있게 된다. 이러한 미러 구조물(262)은 1개의 구동부가 결합된 FSM(Fine Steering Mirror) 또는 2개 이상의 구동부가 결합된 스캐너일 수 있다.
미러 구조물(262)은 제1 광학 유닛(240)에 의해 변조된 베셀빔(BB)의 경로를 이동시킬 수 있다. 즉, 미러 구조물(262)은 제1 광학 유닛(240)에 의해 변조된 베셀빔(BB)의 광축 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경시킬 수 있으며, 이를 통해 제1 광학 유닛(240)에 의해 변조된 베셀빔(BB)을 피가공물(210) 상의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 차례로 조사시킬 수 있게 된다.
미러 구조물(262)은 각도가 조절되는 적어도 하나 이상의 미러를 포함할 수 있다. 이에 따라, 미러 구조물(262)로 입사되는 베셀빔(BB)이 미러에서 반사되고, 반사되는 베셀빔(BB)은 반사 각도가 조절될 수 있다. 예를 들어, 미러 구조물(262)은 적어도 두 축 방향으로 배열된 회전축을 따라 각각 회전 가능한 복수의 미러를 포함할 수 있으며, 갈바노미러(Galvano Mirror)로 구성될 수 있다. 이러한 미러 구조물(262)은 갈바노미러에 한정되는 것은 아니다.
미러 구조물(262)을 통해 경로가 변경된 베셀빔(BB)은 포커싱 렌즈(264)에 의하여 피가공물(210)에 집속될 수 있다.
포커싱 렌즈(264)는 스캐너(262)의 후방 및 피가공물(210) 상부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 미러 구조물(262)에서 출사된 베셀빔(BB)은 포커싱 렌즈(264)에 의해 피가공물(210)의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 조사시킬 수 있게 된다.
레이저 스캔 가공패턴 형성
도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴 형성 단계(S230)에서는 변조된 베셀빔(BB)을 피가공물(210)의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 차례로 각각 조사하는 레이저 가공 처리를 실시하여, 피가공물(210)의 형질을 국부적으로 변화시키는 레이저 스캔 가공패턴(225)을 형성한다.
이러한 레이저 스캔 가공패턴(225)은 관통홀 형성 영역별로 각각 배열된다.
이때, 본 발명에서는 변조된 하나의 베셀빔(BB)을 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물(262)을 이용하여 스캔하는 방식으로 피가공물(210)에 차례로 조사하는 방식으로 레이저 가공을 실시하였다.
따라서, 본 발명에서는 변조된 하나의 베셀빔(BB)이 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물(262)의 반사각도를 조절해 가면서 스캔하는 방식으로 조사되기 때문에 고속으로 정밀하게 레이저 스캔 가공패턴(225)을 형성하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물(262)의 반사각도를 조절해 가면서 레이저 가공하는 스캔 방식이 적용된다. 이는 관통홀(TH) 형성 영역 위치로 이동시 가감속 및 안정화 시간이 10ms 이하로 관통홀 형성 영역 위치로 스테이지만을 이동하는 시간보다 매우 단축됨을 의미한다. 이로 인해, 레이저 가공하는 피가공물(210)의 사이즈에도 영향을 받지 않게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은, 일반적인 관통홀 형성 방법 대비, 100배 이상의 고속으로 레이저 가공을 실시할 수 있으므로, 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 레이저 가공 처리에 의해 형성되는 단일 도트가 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 20㎛ 이하의 규칙적인 간격으로 이격되는 배열 구조를 갖도록 형성되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 레이저 가공 처리에 의해 형성되는 단일 도트를 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 20㎛ 이하의 불규칙적인 간격으로 이격되는 배열 구조를 갖도록 형성되는 것도 무방하다.
여기서, 도 9에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 변조된 베셀빔은 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이용하여 피가공물(210)의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 조사되어 규칙적인 간격으로 이격된 복수의 레이저 가공 도트가 원형 형상의 배열 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)이 원형 형상의 배열 구조를 갖도록 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격되도록 형성하게 되면, 관통홀 형성 영역별로 피가공물(210)에 각각 조사되는 베셀빔(BB)에 의해 피가공물(210)에 형질을 변화시키는 면적을 증가시킬 수 있게 된다.
따라서, 레이저 스캔 가공패턴(225)의 도트 수에 비례하여 피가공물(210)에 형질이 변화되는 면적이 증가하게 되며, 이는 결국 습식 에칭시 레이저 가공에 의해 피가공물(210)에 미세 홀을 생성하는 레이저 스캔 가공패턴(225)의 도트 수를 증가시켜 에천트가 쉽게 침투할 수 있는 영역이 많아져 에칭 시간을 현저히 감소시킬 수 있게 된다.
한편, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔 가공패턴에 대한 다양한 적용예를 나타낸 평면도이다.
*도 13에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)은 변조된 베셀빔을 피가공물에 스캔 방식으로 조사하여, 규칙적 또는 불규칙적인 간격으로 이격되도록 배열시키는 것에 의해, 습식 에칭 후 최종 형성되는 관통홀의 형상과 동일 또는 유사한 형태를 갖게 된다.
따라서, 레이저 스캔 가공패턴(225)의 배열 형상에 따라 관통홀의 형상이 결정되므로, 레이저 스캔 가공패턴(225)의 배열 형상을 다양하게 변경할 시, 이에 대응되는 형상으로 관통홀을 다양하게 형성하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
즉, 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 복수의 레이저 가공 도트가 원형 형상의 배열 구조를 가질 수 있다.
또한, 도 13의 (b), (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 복수의 레이저 가공 도트가 별 형상, 사각 형상 및 삼각 형상의 배열 구조를 각각 가질 수 있다.
다만, 레이저 스캔 가공패턴(225)은 상술한 형상의 배열 구조에 제한되는 것은 아니다. 즉, 레이저 스캔 가공패턴(225)은 복수의 레이저 가공 도트가 오각, 육각, 팔각 등을 포함하는 다각형 형상의 배열 구조와 타원형 형상의 배열 구조 등 다양하게 적용될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 변형예에 따른 레이저 스캔 가공패턴에 대한 다양한 적용예를 나타낸 평면도이다.
도 14의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격되도록 배치된 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)과, 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)의 내측에 배치된 적어도 하나의 제2 레이저 스캔 가공패턴(225b)을 가질 수 있다.
이때, 도 14의 (a)에서는 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)과, 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)의 내측에 나이테 형태를 갖도록 2개의 제2 레이저 스캔 가공패턴(225b)이 배열된 것을 일 예로 나타낸 것이다.
이와 같이, 제2 레이저 스캔 가공패턴(225b)은 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)과 동일한 형상의 배열 구조를 가질 수 있다.
또한, 도 14의 (b)에서는 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)과, 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)의 내측에 나선형 구조를 갖는 하나의 제2 레이저 스캔 가공패턴(225b)이 배열된 것을 일 예로 나타낸 것이다.
또한, 도 14의 (c)에서는 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)과, 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)의 내측에 십자 구조를 갖는 하나의 제2 레이저 스캔 가공패턴(225b)이 배열된 것을 일 예로 나타낸 것이다.
또한, 도 14의 (d)에서는 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)과, 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)의 내측에 방사형으로 교차하는 하나의 제2 레이저 스캔 가공패턴(225b)이 배열된 것을 일 예로 나타낸 것이다.
도 14의 (b) 내지 (d)에서와 같이, 제2 레이저 스캔 가공패턴(225b)은 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)과 상이한 형상의 배열 구조를 가질 수도 있다.
도 14의 (a) 내지 (d)를 참조로 설명한 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)이 제1 레이저 스캔 가공패턴(225a)과, 적어도 하나의 제2 레이저 스캔 가공패턴(225b)을 갖도록 설계할 경우, 레이저 스캔 가공패턴(225)의 도트 수를 증가시킬 수 있어 피가공물(210)의 형질 변화 영역의 수를 더욱 증가시킬 수 있어 에천트가 보다 더 쉽게 침투할 수 있는 통로가 증가되어 에칭 시간을 보다 더 감소시킬 수 있게 된다. 이 결과, 에칭 시간을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 에천트 소모량 역시 현저히 감소시킬 수 있으므로 생산성을 극대화시킬 수 있게 된다.
또한, 도 15는 본 발명의 다른 변형예에 따른 레이저 스캔 가공패턴에 대한 다양한 적용예를 나타낸 평면도이다.
도 15의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 복수개의 도트가 상호 연결되는 직선 또는 곡선의 배열 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
이때, 도 15의 (a)에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 복수개의 도트가 상호 연결되는 직선 형상을 가질 수 있다. 여기서, 직선은 x축 방향 또는 y축 방향을 따라 배열되는 것에 제한되는 것은 아니며, 사선 뿐만 아니라 임의의 특정 방향을 따라 일직선으로 배열되는 것이라면 제약 없이 모두 적용될 수 있다.
또한, 도 15의 (b)에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 복수개의 도트가 상호 연결되는 곡선 형상을 가질 수 있다. 여기서, 곡선은 적어도 1회 이상 굴곡진 형태로 배열되는 것으로, 적어도 일부만이 굴곡진 것이라면 모두 적용될 수 있다.
또한, 도 15의 (c)에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)은, 평면상으로 볼 때, 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 복수개의 도트가 상호 연결되는 직선 형상을 갖되, 적어도 2개 이상의 직선이 상호 연결되거나, 교차되는 등 다양한 구조를 가질 수도 있다.
도 15의 (a) 내지 (c)를 참조하여 설명한 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)을 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 복수개의 도트가 상호 연결되는 직선 또는 곡선의 배열 구조를 갖도록 형성시킬 경우, 레이저 스캔 가공패턴(225)의 도트 수를 증가시킬 수 있어 피가공물(210)의 형질 변화 영역의 수를 더욱 증가시킬 수 있어 에천트가 보다 더 쉽게 침투할 수 있는 통로가 증가되어 에칭 시간을 보다 더 감소시킬 수 있게 된다. 이 결과, 에칭 시간을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 에천트 소모량 역시 현저히 감소시킬 수 있으므로 생산성을 극대화시킬 수 있게 된다.
습식 에칭을 통한 관통홀 형성
도 7, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 습식 에칭을 통한 관통홀 형성 단계(S240)에서는 레이저 스캔 가공패턴(도 10의 225)이 형성된 피가공물(210)을 에칭하여 관통홀 형성 영역별로 관통홀(TH)을 형성한다.
보다 구체적으로 설명하면, 습식 에칭을 통한 관통홀 형성 단계(S240)는 복수의 에칭 홈 형성 과정과 관통홀 형성 과정으로 세분화될 수 있다.
복수의 에칭 홈 형성 과정에서는 레이저 가공 처리에 의해 국부적으로 형질 변화된 피가공물(210)의 레이저 스캔 가공패턴(225)에 에천트를 침투시켜 피가공물(210)의 노출면의 일부가 두께 방향을 따라 제거되어 복수의 에칭 홈(E)이 형성된다.
본 단계에서, 에칭은 불화계 에천트, 비불화계 에천트 등을 이용한 습식 에칭이 이용될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 피가공물(210)을 에칭할 수 있는 에천트라면 제한 없이 모두 사용될 수 있다.
보다 바람직하게, 에칭은 불산(HF), 불화암모늄(NH4F), 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH) 중 1종 이상을 포함하는 에천트를 사용하는 습식 에칭이 이용되는 것이 좋다.
다음으로, 관통홀 형성 과정에서는 복수의 에칭 홈(E)을 따라 피가공물(210)의 두께 중심부 방향으로 에천트가 침투하면서, 레이저 스캔 가공패턴(225)의 사이 공간에 위치하는 피가공물(210)의 형질 변화된 더미 부분(S)을 자연 탈락 또는 부식시켜 관통홀(TH)을 형성한다. 예를 들어, 더미 부분(S)는 레이저 가공에 의해 형질 변화된 형상의 크기가 클 경우에는 에칭 과정에서 자연 탈락되어 제거되고, 레이저 가공에 의해 형질 변화된 형상의 크기가 작을 경우에는 자연 부식될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 복수의 에칭 홈(E)이 시간의 경과에 따라, 에천트에 의해 더 식각이 이루어지면서 복수의 에칭 홈(E) 사이에 위치하는 피가공물(210)의 형질 변화된 더미 부분(S)이 자연 탈락 또는 부식되어 제거되기 때문에 일반적인 관통홀 형성 방법 대비 충분히 짧은 시간으로 원하는 크기의 관통홀(TH)을 형성할 수 있게 되는 것이다.
관통홀 형성 영역별로 위치하는 관통홀(TH) 각각은 동일한 평면적으로 형성될 수 있다. 또한, 관통홀 형성 영역별로 위치하는 관통홀(TH) 각각은 서로 상이한 평면적으로 형성될 수 있다. 아울러, 관통홀 형성 영역별로 위치하는 관통홀(TH)은 일부는 서로 동일한 평면적으로 형성되고, 일부는 서로 상이한 평면적으로 형성될 수도 있다.
본 발명의 관통홀(TH)은 1㎛ ~ 50cm의 직경을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서, 직경은 원형의 관통홀(TH) 최대길이만을 의미하는 것은 아니며, 다각형, 타원형 등의 관통홀(TH) 최대길이를 의미하는 것으로 넓게 해석될 수 있다.
여기서, 관통홀(TH)은 표면부가 제1 직경(d1)을 갖고, 내부 중심부가 제1 직경(d1)보다 작은 제2 직경(d2)을 가질 수 있다. 이 결과, 관통홀(TH)의 내벽은 피가공물(210)의 수평면에 대하여, 예각의 테이퍼 각도(θ)를 가질 수 있다.
또한, 관통홀(TH)은 표면부가 제1 직경(d1)을 갖고, 내부 중심부가 제1 직경(d1)보다 큰 제2 직경(d2)을 가질 수 있다. 이 결과, 관통홀(TH)의 내벽은 피가공물(210)의 수평면에 대하여, 둔각의 테이퍼 각도(θ)를 가질 수도 있다. 따라서, 관통홀(TH)의 내벽은 피가공물(210)의 수평면에 대하여, 예각부터 둔각의 테이퍼 각도(θ)를 가질 수 있다.
즉, 일반적인 관통홀 형성 방법은 베셀빔이 피가공물의 관통홀 형성 영역별로 조사되므로, 피가공물의 두께 방향을 따라 조사되는 베셀빔이 하나의 가공 위치만을 집중적으로 레이저 가공하기 때문에 가공 위치의 피가공물에 이물, 얼룩 등의 표면 불량이 있을 경우, 취성 소재인 피가공물의 내부에 형질 변화가 균일하게 생성되지 못할 우려가 크다. 이는 결국 습식 에칭시 관통홀 불량을 야기하여 관통홀 형성 영역별로 위치하는 복수의 관통홀 크기 또는 형상에 대한 균일도를 저해할 뿐만 아니라, 습식 에칭시 관통홀의 표면부 직경과 관통홀의 중심부 직경 간의 크기가 불균일해져 테이퍼 각도를 감소시키는 요인으로 작용하여 제품 품질을 저하시킨다.
이와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 관통홀 형성 방법은 관통홀(TH)의 형상과 동일 또는 유사한 형태로 베셀빔(BB)을 피가공물(210)의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 차례로 조사하여 레이저 스캔 가공패턴(225)을 형성한 상태에서 습식 에칭을 실시하기 때문에 최소 시간의 에칭 만으로 피가공물(210)에 복수의 에칭 홈(E)을 형성시킬 수 있게 된다.
이때, 만들어진 복수의 에칭 홈(E)은 시간의 경과에 따라, 에천트에 의해 식각이 더 이루어지면서 복수의 에칭 홈(E) 사이에 위치하는 피가공물(210)의 형질 변화된 더미 부분(S)이 자연 탈락 또는 부식되면서 제거되기 때문에 일반적인 관통홀 형성 방법 대비 매우 짧은 시간으로 원하는 크기의 관통홀(TH)을 형성할 수 있게 되는 것이다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 하나의 베셀빔(BB)을 피가공물(210)의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 차례로 조사하여 레이저 스캔 가공패턴(225)을 형성한 상태에서 습식 에칭이 수행되므로, 피가공물(210) 외부의 얼룩, 이물 등에 의해 관통홀 형성 영역별로 위치하는 각 레이저 스캔 가공패턴(225) 중 일부의 레이저 가공 도트가 불량하여 피가공물(210)의 형질 변화가 일부 균일하게 이루어지지 않더라도, 다른 레이저 가공 도트가 주변에 배치되어 있으므로, 습식 에칭시에 큰 영향 없이 관통홀(TH)의 제품 품질을 확보하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 습식 에칭시 관통홀(TH)의 표면부 직경(d1)과 관통홀(TH)의 중심부 직경(d2) 간의 크기를 균일하게 확보할 수 있다.
또한, 일반적인 관통홀 형성 방법은 하나의 베셀빔을 피가공물의 관통홀 형성 영역별로 조사하여 하나의 레이저 가공 도트를 형성하고, 하나의 레이저 가공 도트를 에천트를 이용한 습식 에칭으로 서서히 홀 사이즈를 확장시켜 나가는 방식으로 관통홀을 형성하기 때문에 관통홀의 형상을 다변화시키는데 한계가 있었다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격되는 배열 구조를 갖는 레이저 스캔 가공패턴(225)을 이용하여 습식 에칭이 실시되는 것에 의해, 레이저 스캔 가공패턴(225)과 실질적으로 동일 또는 유사한 형상을 갖는 관통홀 역시 다양한 형상을 갖도록 다변화하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 반도체, 디스플레이, 태양전지 분야 등에 활용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 취성 소재에 관통홀을 형성하는 기술이 포함되는 분야라면 제한 없이 적용될 수 있다는 것은 자명한 사실일 것이다.
상기의 과정(S210 ~ S240)에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법이 종료될 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 변조된 하나의 베셀빔을 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이용하여 스캔하는 방식으로 피가공물에 차례로 조사하여 다양한 형태의 크기 또는 모양으로 고속으로 정밀하게 미세 가공하였다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물의 반사각도를 조절해 가면서 레이저 가공하는 스캔 방식이 적용되므로, 스테이지만을 이동시키는 일반적인 관통홀 형성 방법과 달리, 레이저 가공시 안정화 시간을 대략 10ms 이하로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이로 인해 레이저 가공하는 피가공물의 사이즈에도 영향을 받지 않게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은, 일반적인 관통홀 형성 방법 대비, 100배 이상의 고속으로 레이저 가공을 실시할 수 있으므로, 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 피가공물의 가공 위치를 고속으로 정밀하게 제어하는 것이 가능하여 관통홀과 동일 또는 유사한 크기 또는 형상을 갖도록 국부적으로 피가공물의 내부 형질을 변화시킨 상태에서 습식 에칭이 실시될 수 있으므로, 에칭 시간을 현저히 감소시킬 수 있어 에천트 소모 비용이 감소되어 생산성과 함께 피가공물 전반에 걸쳐 형성된 복수의 관통홀 품질의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 복수의 에칭 홈 사이에 위치하는 피가공물의 형질 변화된 더미 부분이 자연 탈락 또는 부식되면서 제거되기 때문에 일반적인 관통홀 형성 방법 대비 매우 짧은 시간으로 원하는 크기의 관통홀을 형성시킬 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 하나의 베셀빔을 피가공물의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 차례로 조사하여 레이저 스캔 가공패턴을 형성한 상태에서 습식 에칭이 수행된다. 따라서, 본 발명은 피가공물 외부의 얼룩, 이물 등에 의해 관통홀 형성 영역별로 위치하는 각 레이저 스캔 가공패턴 중 일부의 레이저 스캔 가공패턴이 불량하여 피가공물의 형질 변화가 일부 균일하게 이루어지지 않더라도, 다른 레이저 스캔 가공패턴이 주변에 배치되어 있으므로, 습식 에칭시에 큰 영향 없이 관통홀의 제품 품질을 확보하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 습식 에칭시 관통홀의 표면부 직경과 관통홀의 중심부 직경 간의 크기를 균일하게 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법은 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격되는 배열 구조를 갖는 레이저 스캔 가공패턴을 이용하여 습식 에칭이 실시되는 것에 의해, 레이저 스캔 가공패턴과 실질적으로 동일 또는 유사한 형상을 갖는 관통홀 역시 다양한 형상을 갖도록 다변화하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 관통홀 시편 제조
실시예 1
0.55mm 두께의 유리 기판 상부에 적외선 레이저 장치를 정렬시킨 후, 적외선 레이저 장치로부터 출사되는 레이저 빔을 베셀빔으로 변조시켰다. 다음으로, 변조된 베셀빔을 유리 기판의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 차례로 각각 조사하여, 피가공물의 형질을 변화시키는 레이저 스캔 가공패턴을 형성하였다. 이때, 레이저 스캔 가공패턴은 복수의 레이저 가공 도트가 일정한 간격을 가지며, 규칙적으로 이격된 원형 형상을 갖도록 제어되었다.
다음으로, 레이저 스캔 가공패턴이 형성된 유리 기판을 불산계 에천트를 이용하여 2㎛/min의 속도로 13분 동안 습식 에칭하여 관통홀을 형성하였다.
실시예 2
1.5㎛/min의 속도로 18분 동안 습식 에칭한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 관통홀을 형성하였다.
실시예 3
2.5㎛/min의 속도로 9분 동안 습식 에칭한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 관통홀을 형성하였다.
비교예 1
0.65mm 두께의 유리 기판 상부에 레이저 베셀빔 광학 변조 장치를 정렬시킨 후, 레이저 베셀빔 광학 변조 장치로부터 출사되는 레이저 빔을 베셀빔으로 변조시켰다. 다음으로, 변조된 베셀빔을 유리 기판의 관통홀 형성 영역별로 각각 조사하여, 피가공물의 형질을 변화시키는 레이저 가공 도트를 형성하였다.
다음으로, 레이저 가공 도트가 형성된 유리 기판을 불산계 에천트를 이용하여 2㎛/min의 속도로 80분 동안 습식 에칭하여 관통홀을 형성하였다.
비교예 2
2.5㎛/min의 속도로 68분 동안 습식 에칭한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 관통홀을 형성하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 관통홀 시편에 대한 물성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.

비고		 에칭 시간
(min)		 관통홀
표면부 직경
(d1, ㎛)		 관통홀
중심부 직경
(d2, ㎛)
비교예 1 80 170 100
비교예 2 68 168 102
실시예 1 13 150 105
실시예 2 18 153 104
실시예 3 9 152 103
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 관통홀 시편은 에칭 전 0.55mm 두께의 유리 기판 기준으로 20분 이내의 에칭 시간만으로 관통홀이 형성된 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 관통홀 시편은 에칭 전 0.65mm 두께의 유리 기판 기준으로 관통홀을 형성하는데 1시간 이상의 에칭 시간이 필요한 것을 확인할 수 있다.
2. 미세조직 관찰
도 16는 비교예 1에 따라 제조되는 관통홀의 형성 과정을 나타낸 공정 이미지이고, 도 17은 실시예 1에 따라 제조되는 관통홀의 형성 과정을 나타낸 공정 이미지이다.
도 16의 (a)에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 경우에는 변조된 베셀빔이 유리 기판(110)에 조사되어 유리 기판(110)의 형질을 변화시키는 레이저 가공 도트(125)가 유리 기판(110)의 두께 방향을 따라 형성된 것을 확인할 수 있다.
이후, 도 16의 (b)에 도시된 바와 같이, 레이저 가공 도트(125)가 위치하는 유리 기판(110)의 형질 변화된 부분으로 에천트가 서서히 침투되면서 에칭 홈(E)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이때, 도 16의 (b)는 습식 에칭 10분 경과한 후의 상태를 나타낸 것이다. 여기서, 유리 기판(110) 내부의 형질 변화된 부분이 습식 에칭에 의해 식각되어 에칭 홈(E)이 형성되는 과정시, 형질 변화된 부분에 대하여 에칭 속도가 현저히 느리기는 하나 유리 기판(110)의 표면 일부가 함께 식각되어 제거된 것을 확인할 수 있다.
이후, 도 16의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 시간의 경과에 따라 습식 에칭이 더 진행됨에 따라 에칭 홈이 서서히 커지면서 유리 기판(110) 내부를 관통하는 관통홀(TH)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
이때, 도 16의 (c) 및 (d)는 습식 에칭 80분 경과 후의 상태를 나타낸 것이다. 여기서, 관통홀(TH)을 형성하기 위해 필요한 습식 에칭 반경 크기가 커 에칭 시간이 많이 소요된 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 17의 (a)에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 경우에는 변조된 베셀빔이 유리 기판(210)에 스캔 방식으로 조사되어 유리 기판(210)의 형질을 변화시키는 레이저 스캔 가공패턴(225)이 유리 기판(210)의 두께 방향을 따라 일정한 간격으로 규칙적으로 이격되도록 형성된 것을 확인할 수 있다.
이후, 도 17의 (b)에 도시된 바와 같이, 레이저 스캔 가공패턴(225)이 위치하는 유리 기판(210)의 형질 변화된 부분으로 에천트가 서서히 침투되면서 복수의 에칭 홈(E)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이때, 도 17의 (b)는 습식 에칭 시간 10분 경과한 후의 상태를 나타낸 것이다. 여기서, 유리 기판(210) 내부의 형질 변화된 부분이 습식 에칭에 의해 식각되어 에칭 홈(E)이 형성되는 과정시, 형질 변화된 부분에 대하여 에칭 속도가 현저히 느리기는 하나 유리 기판(210)의 표면 일부가 함께 식각되어 제거된 것을 확인할 수 있다.
이후, 도 17의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 시간의 경과에 따라 습식 에칭이 더 진행됨에 따라 복수의 에칭 홈(E) 사이에 위치하는 유리 기판(210) 내부의 형질 변화된 더미 부분(S)이 자연 탈락되면서 제거되어 관통홀(TH)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
이때, 도 17의 (c) 및 (d)는 습식 에칭 시간 18분 경과 후의 상태를 나타낸 것이다. 여기서, 관통홀(TH)을 형성하기 위해 필요한 습식 에칭 반경 크기가 확연히 작아진 것을 알 수 있고, 이로 인해 에칭 시간이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
S210 : 적외선 레이저 장치 정렬 단계
S220 : 레이저 빔 변조 단계
S230 : 레이저 스캔 가공패턴 형성 단계
S240 : 습식 에칭을 통한 관통홀 형성 단계

Claims (13)

  1. (a) 피가공물 상부에 적외선 레이저 장치를 정렬시키는 단계;
    (b) 상기 적외선 레이저 장치로부터 출사되는 레이저 빔을 베셀빔으로 변조시키는 단계;
    (c) 상기 변조된 베셀빔을 피가공물의 관통홀 형성 영역별로 스캔 방식으로 차례로 각각 조사하는 레이저 가공 처리를 실시하여, 상기 피가공물의 형질을 국부적으로 변화시키는 레이저 스캔 가공패턴을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 레이저 스캔 가공패턴이 형성된 피가공물을 에칭하여 상기 관통홀 형성 영역별로 관통홀을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은
    900 내지 1,200nm의 파장 및 50펨토초 내지 50피코초의 펄스 폭을 갖는 극초단 레이저가 이용되는 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 스캔 가공패턴은,
    평면상으로 볼 때, 상기 레이저 가공 처리에 의해 형성되는 단일 도트가 상기 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격되는 배열 구조를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 스캔 가공패턴은,
    평면상으로 볼 때, 상기 레이저 가공 처리에 의해 형성되는 단일 도트를 20㎛ 이하의 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격시켜 상기 관통홀과 대응되는 형상인 삼각, 사각, 오각, 육각, 팔각 및 별을 포함하는 다각형, 원형 및 타원형 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 형상을 갖는 배열 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 스캔 가공패턴은,
    평면상으로 볼 때, 상기 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 이격되도록 배치된 제1 레이저 스캔 가공패턴과,
    상기 제1 레이저 스캔 가공패턴의 내측에 배치된 적어도 하나의 제2 레이저 스캔 가공패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 레이저 스캔 가공패턴은
    상기 제1 레이저 스캔 가공패턴과 동일 또는 상이한 형상의 배열 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 스캔 가공패턴은
    평면상으로 볼 때, 상기 관통홀과 대응되는 형상을 갖도록 복수개의 도트가 상호 연결되는 직선 또는 곡선의 배열 구조를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 피가공물은
    평판 형태의 유리 기판인 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 스캔 방식의 레이저 가공 처리는 적어도 1개 이상의 구동부가 결합된 미러 구조물을 이용하여 스캔하는 방식으로 실시하는 것에 의해,
    상기 스캔 방식의 레이저 가공 처리는 안정화 시간 10ms 이하로 실시되는 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 관통홀 형성 영역별로 위치하는 관통홀 각각은
    동일한 평면적으로 형성되거나, 적어도 일부가 서로 상이한 평면적으로 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 에칭은
    불화계 에천트 및 비불화계 에천트 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 에천트를 사용하는 습식 에칭이 이용되는 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d-1) 상기 레이저 가공 처리에 의해 국부적으로 형질 변화된 피가공물의 레이저 스캔 가공패턴에 에천트를 침투시켜 상기 피가공물의 노출면의 일부가 두께 방향을 따라 제거되어 복수의 에칭 홈이 형성되는 단계; 및
    (d-2) 상기 복수의 에칭 홈을 따라 피가공물의 두께 중심부 방향으로 에천트가 침투하면서, 상기 레이저 스캔 가공패턴 사이 공간에 위치하는 피가공물의 형질 변화된 더미 부분을 자연 탈락 또는 부식시켜 관통홀을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 관통홀의 내벽은
    상기 피가공물의 수평면에 대하여, 예각부터 둔각의 테이퍼 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 레이저를 이용한 고속 정밀 관통홀 형성 방법.
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