KR20170025539A - 레이저 가공장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
예시적인 실시예들에 따르면, 레이저 가공장치 및 방법이 개시된다. 실시예들에 따르면, 펄스 레이저를 방출하는 레이저 광원 및 상기 레이저 펄스파에서 레이저 강도가 소정의 임계치보다 낮은 부분은 차폐하고 상기 소정의 임계치보다 높은 부분은 통과시킴으로써 상기 레이저 펄스의 모양을 변조하는 광 변조기를 포함하는 레이저 가공장치가 제공된다.
Description
레이저 가공장치 및 방법에 관한 것으로, 가공 대상물에 조사되는 레이저 펄스파의 모양을 조절함으로써 레이저 가공품질을 향상시키는 레이저 가공장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이저 가공 공정이라 함은 가공 대상물의 표면에 레이저 빔을 주사하여 가공 대상물 표면의 형상이나 물리적 성질 등을 가공하는 공정을 말한다. 이러한 가공 대상물에는 여러 가지 예가 있을 수 있으며 그 형상은 2차원 평면 형상일 수 있다. 레이저 가공공정의 예로는 가공 대상물의 표면상에 패턴을 형성하는 패터닝, 가공 대상물의 물성을 변형시키는 공정, 레이저를 이용해 가공 대상물을 가열하고 가공 대상물의 형상을 변형하는 공정, 레이저 빔을 이용하여 가공 대상물을 절단하는 공정 등이 있을 수 있다.
레이저 빔을 이용한 가공 대상물 절단공정의 경우, 가공 대상물이 흡수하는 파장의 레이저 광을 조사하여, 레이저 광의 흡수에 의해 가공 대상물을 가열 용융을 진행시킴으로써 절단한다. 그러나, 이 방법에서는 가공 대상물의 표면 중 절단하는 개소가 되는 영역 주변도 용융된다. 따라서, 가공 대상물이 반도체 웨이퍼인 경우, 반도체 웨이퍼의 표면에 형성된 반도체 소자 중, 상기 영역 부근에 위치하는 반도체 소자가 용융할 우려가 있다.
이러한 문제점 해결을 위해, 가공 대상물의 내부에 이광자 흡수를 발생시켜 내부크랙을 유도하는 스텔스다이싱 기술이 사용되고 있다. 그런데, 스텔스 다이싱에 사용되는 레이저 빔 가운데 레이저 출력이 낮은 부분은 이광자 흡수를 일으킬 수 있는 문턱치보다 낮은 에너지를 가지게 된다. 그리고 이로 인해 레이저 빔의 에너지가 흡수되지 않고 산란되어 절단하려는 가공 대상물 내부에 있는 반도체칩 패턴에 손상을 일으키는 문제점이 있다. 상기 레이저 절단공정 외의 다른 레이저 가공공정에서도 에너지 강도가 낮은 레이저 빔의 산란현상은 레이저 가공품질에 악영향을 준다.
레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 펄스파의 파형을 조절함으로써 레이저 가공공정의 품질을 향상시킨다.
일 측면에 있어서,
펄스 레이저를 방출하는 레이저 광원; 및
상기 레이저 펄스파에서 레이저 강도가 소정의 임계치보다 낮은 부분은 차폐하고 상기 소정의 임계치보다 높은 부분은 통과시킴으로써 상기 레이저 펄스의 모양을 변조하는 광 변조기;를 포함하는 레이저 가공장치가 제공된다.
상기 레이저 펄스파는 가우시안 함수 형태 또는 준 가우시안(quasi-Gaussian) 형태의 펄스파형을 가질 수 있다.
상기 광 변조기는 상기 가우시안 함수 형태 또는 준 가우시안 형태의 펄스파형에서 가장자리 영역은 차폐시키고 중심영역은 통과시킬 수 있다.
상기 레이저 광원은 펌프광원으로서의 레이저 다이오드와, 상기 레이저 다이오드로부터 출사된 빔을 펌프광으로서 흡수한 후에 자체발진 또는 외부로부터 입사되는 신호빔을 증폭하기 위한 이득매질을 포함하는 광섬유와, 상기 신호빔을 공진시키기 위한 제1 및 제2 미러를 포함할 수 있다.
상기 레이저 광원은, 상기 신호빔이 출사되는 파형을 조절하기 위한 내부 광 변조기를 더 포함할 수 있다.
상기 광원으로부터 출사되는 상기 레이저 펄스파의 파장은 1000nm 내지 3000nm일 수 있다.
상기 광 변조기는 음향광학변조기(Acousto-optic modulator)일 수 있다.
상기 광 변조기는 전자광학변조기(Electro-optic modulator)일 수 있다.
상기 레이저 가공장치는, 상기 광 변조기에서 변조된 상기 레이저 펄스파의 모양을 유지하면서 상기 레이저 펄스파의 출력 에너지를 증폭시키는 형상유지 광 파워증폭기를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
레이저 광원으로부터 레이저 펄스파를 발생시키는 단계;
상기 레이저 펄스파에서 레이저 강도가 소정의 임계치보다 낮은 부분은 차폐하고, 상기 소정의 임계치보다 높은 부분은 통과시킴으로써 상기 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계;를 포함하는 레이저 가공방법이 제공된다.
상기 레이저 펄스파는 가우시안 함수 형태 또는 준 가우시안(quasi-Gaussian) 형태의 펄스파형을 가질 수 있다.
상기 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계에서는, 상기 가우시안 함수 형태 또는 준 가우시안 형태의 펄스파형에서 가장자리 영역은 차폐시키고 중심영역은 통과시킬 수 있다.
상기 레이저 가공방법은, 상기 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계에서, 변조된 상기 레이저 펄스파의 모양을 유지하면서 상기 레이저 펄스파의 출력 에너지를 증폭시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 가공방법은, 상기 모양이 변조된 레이저 펄스파를 가공 대상물에 조사함으로써, 상기 가공 대상물 내부에 이광자 흡수에 의한 절단예정 라인을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 펄스파의 파장은 1000nm 내지 3000nm일 수 있다.
상기 가공 대상물은 실리콘 재질의 기판을 포함할 수 있다.
상기 레이저 가공방법은, 상기 절단예정 라인을 따라 상기 가공 대상물을 절단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
레이저 펄스를 출력하는 레이저 광원
레이저 빔의 강도 값의 임계치와 관련된 정보를 입력받는 입력부;
레이저 펄스파에서 레이저 강도가 상기 임계치보다 낮은 부분은 차폐하고 상기 소정의 임계치보다 높은 부분은 통과시킴으로써 상기 레이저 펄스의 모양을 변조하는 적어도 하나의 광 변조기;
상기 임계치를 입력받아 상기 레이저 광 변조기에서 출사되는 레이저 펄스를 모양을 제어하는 제어부;
상기 적어도 하나의 광 변조기로부터 출력되는 펄스를 집광하여 가공대상물 내부에 집광시키는 집광렌즈를 포함하는 레이저 가공 시스템이 제공된다.
예시적인 실시예들에 따르면, 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 펄스파의 파형을 조절함으로써, 가공 대상물에서 불필요한 레이저 빔의 산란을 방지할 수 있다.
도 1은 레이저 펄스파를 방출하는 광원의 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 나타낸 광원에서 레이저 다이오드의 출력 세기와, 내부 광 변조기의 투과율 및 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 펄스파의 강도를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에서 나타낸 레이저 펄스파 중 일부분을 나타낸 도면이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 나타낸 레이저 가공장치의 작동방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 5에서 나타낸 변조광 강도의 시간에 따른 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공방법의 흐름도이다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공방법의 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 이용한 레이저 가공 시스템을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 나타낸 광원에서 레이저 다이오드의 출력 세기와, 내부 광 변조기의 투과율 및 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 펄스파의 강도를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에서 나타낸 레이저 펄스파 중 일부분을 나타낸 도면이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 나타낸 레이저 가공장치의 작동방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 5에서 나타낸 변조광 강도의 시간에 따른 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공방법의 흐름도이다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공방법의 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 이용한 레이저 가공 시스템을 예시적으로 나타낸 도면이다.
이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
도 1은 레이저 펄스파를 방출하는 광원(10)의 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이저 광원(10)은 레이저 다이오드(12)와, 이득매질을 포함하는 광섬유(16), 레이저 빔을 공진시키기 위한 제1 및 제2 미러(18, 19)를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드(12)는 순방향 반도체 접합을 능동매질로 사용하여 레이저를 발생시키는 다이오드일 수 있다. 레이저 다이오드(12)에 전류가 공급되면 반도체 접합에서 고에너지 레벨 준위의 밀도와 저에너지 레벨 준위의 밀도 사이의 반전이 일어나면서 광이 방출될 수 있다.
레이저 다이오드(12)에서 방출된 광 에너지는 광섬유(16)에 대한 펌핑 에너지로 사용될 수 있다. 레이저 다이오드(12)가 복수개로 구성되는 경우, 레이저 다이오드(12)와 광섬유(16) 사이에는 펌프-신호 결합장치(Pump-signal combiner; 14)가 마련될 수 있다. 펌프-신호 결합장치(14)는 복수의 레이저 다이오드(12)로부터 나오는 광신호를 하나로 결합하여 광섬유(16)에 전달할 수 있다.
레이저 다이오드(12)에서 방출된 광은 광섬유(16)에 입사될 수 있다. 그리고 레이저 다이오드(12)에서 방출된 광은 광섬유(16)의 이득매질에 의해 빛이 증폭될 수 있다. 광섬유(16)의 이득매질에서 자발적 혹은 유도방출된 빛의 대부분은 방향성이 약할 수 있다. 따라서, 빠져나간 빛을 매질 속으로 되돌려서 유도방출을 반복적으로 일으킬 필요가 있을 수 있다. 이를 위해, 광원(10)은 레이저 공진을 일으키기 위한 제1 및 제2 미러(18, 19)를 더 포함할 수 있다.
제1 및 제2 미러(18, 19)는 반사율이 큰 재질로 구성될 수 있다. 이 중 제2 미러(19)의 반사율은 제1 미러(18)보다 작을 수 있다. 따라서, 제2 미러(19)에서 반사되지 않고 일부 투과된 빛은 출력광으로 사용될 수 있다. 제1 및 제2 미러(18, 19)를 통해 공진이 일어나면서 레이저 빔의 강도 증폭이 강화될 수 있다. 또한, 레이저 빔을 결맞은(coherent) 상태로 만들어줄 수도 있다.
레이저 광원(10)은 레이저 광원(10)으로부터 방출되는 레이저 펄스파의 모양을 조절하기 위한 내부 광변조기(17)를 더 포함할 수 있다. 내부 광 변조기(17)는 레이저 빔의 진행경로에 배치될 수 있다. 내부 광변조기(17)는 레이저 빔을 통과시키거나 차폐시킬 수 있는 조리개를 포함할 수 있다. 내부 광변조기(17)의 조리개 상태가 개방 상태와 닫힘 상태로 변환됨에 따라 광원(10)으로부터 방출되는 레이저 펄스파의 모양이 바뀔 수 있다.
도 2는 도 1에서 나타낸 광원(10)에서 레이저 다이오드(12)의 출력 세기와, 내부 광 변조기(17)의 투과율 및 레이저 광원(10)으로부터 출사되는 레이저 펄스파의 강도를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 레이저 다이오드(12)로부터 펌핑 에너지가 공급됨에 따라 광원(10) 내부에서 레이저 빔이 생성될 수 있다. 이때, 내부 광변조기(17)가 닫힘 상태에 있으면, 내부 광변조기(17)의 투과율이 0에 수렴하여 레이저 펄스파의 강도 또한 0에 수렴할 수 있다. 그런데, 내부 광변조기(17)가 개방상태로 변환됨에 따라 내부 광변조기(17)의 투과율이 높아지면, 레이저 펄스파가 광원(10) 외부로 출사될 수 있다.
도 2에서는 내부 광 변조기(17)의 투과율이 일정한 주기로 변하는 예를 나타냈다. 도 2에서와 같이, 내부 광 변조기(17)가 일정한 주기로 개방 상태와 닫힘 상태를 반복하면, 일정한 주기로 레이저 광원(10)으로부터 레이저 펄스파(10)가 출사될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것에 불과할 뿐 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 내부 광변조기(17)는 불규칙한 주기로 개방 상태와 닫힘 상태로 변할 수 있다. 이 경우, 불규칙한 시간 주기로 레이저 광원(10)으로부터 레이저 펄스파가 방출될 수 있다.
도 3은 도 2에서 나타낸 레이저 펄스파 중 일부분을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 레이저 광원(10)으로부터 방출되는 레이저 펄스파는 시간에 대해 가우시안 또는 준가우시안(quasi-Gaussian) 형태의 강도분포를 가질 수 있다. 여기서, 준 가우시안 형태의 레이저 빔이란 레이저 빔의 강도분포가 근사적으로 가우시안 형태를 따른다는 것을 의미할 수 있다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, 가우시안 또는 준가우시안 형태의 강도분포에서는 레이저 펄스파의 강도가 최대(Imax)인 시점을 기준으로 시간의 변화에 따라 레이저 펄스파의 강도가 점점 줄어들 수 있다. 따라서, 레이저 펄스파의 출력강도를 아무리 크게 하더라도 레이저 펄스파의 에너지 강도가 소정의 임계치(Ith) 이하인 시간적 영역이 발생할 수 밖에 없다.
만약, 레이저 가공에서 가공 레이저 빔에 소정의 에너지 강도가 요구되는 경우, 레이저 펄스파에서 에너지 강도가 약한 부분은 가공공정에 불필요한 부분이 될 수 있다. 그리고, 전술한 불필요한 레이저 빔이 가공 대상물에 입사되면 에너지 강도가 약한 레이저 펄스파가 가공 대상물에 흡수되지 못하고 산란되거나 가공 대상물 내부까지 투과하여 레이저 가공품질을 저하시킬 수 있다.
전술한 레이저 가공공정의 예로 레이저 빔을 이용하여 가공 대상물의 내부에 이광자 흡수를 발생시켜 내부크랙을 유도함으로써 가공 대상물을 절단하는 스텔스다이싱 기술이 있을 수 있다. 예를 들어 실리콘 재질의 가공대상물에 스텔스다이싱 공정을 실시하는 경우, 레이저 광원(10)으로부터 출사되는 레이저 펄스파의 파장은 이광자 흡수현상을 발생시킬 수 있도록 1000nm 내지 3000nm 내외로 조절될 수 있다.
그런데, 레이저 광원(10)으로부터 출사되는 레이저 펄스파가 전술한 바와 같이 가우시안 또는 준가우시안 모양의 강도분포를 가지면, 레이저 펄스파에서 레이저 출력이 낮은 부분은 가공 대상물에서 이광자 흡수를 일으키지 못할 수 있다. 그리고 이로 인해 레이저 빔의 에너지가 흡수되지 않고 산란되어 절단하려는 가공 대상물 내부에 있는 반도체칩 패턴에 손상을 일으킬 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치는, 레이저 펄스파를 방출하는 레이저 광원(10)과, 레이저 펄스파에서 레이저 강도가 소정의 임계치(Ith)보다 낮은 부분은 차폐하고 상기 임계치보다 높은 부분은 통과시킴으로써 상기 레이저 펄스의 모양을 변조하는 광변조기(20)를 포함할 수 있다.
광 변조기(20)는 전술한 내부 광변조기(17)와 마찬가지로 개방상태와 닫힘상태로 상태가 변경될 수 있다. 광변조기(20)가 개방상태로 되어 광변조기(20)의 투과율이 높아지면, 레이저 빔이 광변조기(20)를 통과하여 가공 대상물에 입사될 수 있다. 반면, 광변조기(20)가 닫힘상태로 되어 광 변조기(20)의 투과율이 낮아지면, 레이저 빔이 광변조기(20)를 통과하지 못할 수 있다. 광변조기(20)는 레이저 광원(10)으로 출사되는 레이저 펄스파의 강도가 약할 때는 닫힘상태를 유지할 수 있다. 이를 통해, 출력이 낮은 레이저 빔이 가공 대상물에 전달되지 않도록 할 수 있다. 또한, 광변조기(20)는 레이저 광원(10)으로부터 출사되는 레이저 펄스파의 강도가 강할 때는 열림상태를 유지할 수 있다. 이를 통해, 출력이 충분한 레이저 빔만이 가공 대상물에 전달되도록 할 수 있다.
도 5는 도 4에서 나타낸 레이저 가공장치의 작동방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5에서 상단의 그래프는 레이저 광원(10)으로부터 광변조기(20)에 입사되는 입력광의 세기를 시간에 따라 나타낸 것이다. 또한, 중간의 그래프는 광변조기(20)의 투과율이 시간에 따라 변하는 것을 나타낸 것이다. 또한, 하단의 그래프는 광변조기(20)를 거쳐 나온 변조광의 강도를 시간에 따라 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 입력광의 강도가 시간에 대해 가우시안 분포를 나타낼 수 있다. 이 경우, 가우시안 모양의 펄스에서 중심영역은 에너지 강도가 크지만 가장자리 영역은 에너지 강도가 작을 수 있다. 광변조기(20)는 입력광의 펄스 가운데 에너지 강도가 높은 영역만 통과시키도록 투과율이 변할 수 있다. 예를 들어, 입력광의 첫 번째 펄스에서는 시간구간 t1 내지 t2에서만 광변조기(20)가 개방상태를 유지할 수 있다. 또한, 입력광의 두 번째 펄스에서는 시간구간 t3 내지 t4에서만 광변조기(20)가 개방상태를 유지하고, 입력광의 세 번째 펄스에서는 시간구간 t5 내지 t6에서만 광변조기(20)가 개방상태를 유지할 수 있다. 이를 통해 입력광의 강도가 높은 시간구간에 대해서만 변조광이 출사될 수 있다.
도 6은 도 5에서 나타낸 변조광 강도의 시간에 따른 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 광변조기(20)에 의해 입력광의 강도가 높은 시간구간 t1 내지 t2에서만 변조광이 출사될 수 있다. 즉, 가우시안 모양의 입력광에서 에너지 강도가 높은 중심영역만 변조광으로 출사되고, 나머지 가장자리 영역은 광변조기(20)에 의해 차폐될 수 있다. 이를 통해, 변조광의 강도는 항상 소정의 기준치(Ith)보다 높을 수 있다. 여기서 기준치(Ith)는 레이저 가공공정의 종류 및 가공 대상물의 종류에 따라 달라질 수 있다. 그리고, 기준치(Ith)가 달라짐에 따라 광변조기(20)가 개방상태를 유지하는 시간구간(t1 내지 t2) 또한 달라질 수 있다. 또한, 광변조기(20)가 개방상태를 유지하는 시간구간의 크기는 입력광의 펄스폭에 따라 달라질 수 있다.
입력광의 펄스폭이 좁은 경우, 광변조기(20)는 짧은 시간 안에 개방상태와 닫힘상태 사이에서 상태 변동을 해야 할 수 있다. 따라서, 광변조기(20)는 짧은 시간 안에 상태변경이 가능하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 광변조기(20)는 음향광학변조기(Acousto-optic modulator)일 수 있다.
음향광학변조기는, 광이 통과하는 경로에 소정의 매질을 포함할 수 있다. 상기 매질에 대해 초음파를 발생시켜 주면 매질 내에서 발생한 굴절률의 소밀파가 발생할 수 있다. 그리고, 상기 굴절률의 소밀이 회절격자로 작용함으로써 매질에 입사되는 빛의 진행방향 및 회절광의 강도를 변경시킬 수 있다. 초음파를 발생시키는지 여부에 따라 회절광의 유무 자체가 달라질 수 있기 때문에 입력광에 대한 디지털 변조가 가능할 수 있다. 뿐만 아니라 회절광의 강도가 초음파의 강도에 비례하기 때문에 입력광에 대한 아날로그 변조도 가능할 수 있다. 따라서, 광변조기(20)를 음향광학변조기로 구현하는 경우, 음향광학변조기 내에 포함된 매질에 입사되는 초음파를 조절함으로써 광변조기(20)의 투과율을 정밀하게 조절할 수 있다.
다른 예로, 광변조기(20)는 전기광학변조기(Electro-optic modulator)일 수 있다. 전기광학변조기는 매질 및 매질에 전압을 인가하는 전압인가장치를 포함할 수 있다. 전기광학변조기는 매질에 전압을 가함으로써 매질에 생기는 굴절률 변화를 이용하여 입사광을 변조할 수 있다. 전기광학변조기는 원리상 고속성이 좋아 변조 주파수를 수십 GHz로도 조절할 수 있다. 따라서, 광 변조기(20)를 전기광학변조기로 구현하면 시간에 대해 정밀한 동작제어가 가능할 수 있다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 레이저 가공장치는, 레이저 펄스파의 출력 에너지를 증폭시키는 형상유지 광파워증폭기(30)를 더 포함할 수 있다. 형상유지 광파워증폭기(30)는 광변조기(20)에서 변조된 레이저 펄스파의 모양을 유지하면서 레이저 펄스파의 출력에너지만을 높여줄 수 있다. 예시적으로 형상유지 광파워증폭기(30)는 이득매질을 포함하는 광섬유로 구현될 수 있다. 상기 이득매질은 예시적으로 이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er), 툴륨(Tm) 등과 같은 희토류 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들을 포함할 수 있다. 또한 상기 이득 매질은 예시적으로 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등과 같은 전이금속 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들을 포함할 수도 있다.
이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er), 툴륨(Tm) 등과 같은 희토류 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)이나 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등과 같은 전이금속 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)에 의해 형상유지 광파워증폭기(30)의 광섬유가 도핑되어 있을 수 있다. 광변조기(20)를 통과한 변조광이 형상유지 광파워증폭기에 입사되면 광펌핑작용에 의해 변조광의 강도가 증폭될 수 있다.
이상에서 예시적인 실시예들에 따른 레이저 가공장치에 관하여 설명하였다. 실시예들에 따르면, 레이저 펄스파의 모양을 변조하여 에너지 강도가 높은 영역만 가공 대상물에 조사되도록 할 수 있다. 이를 통해, 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔이 모두 가공 대상물에 흡수되도록 할 수 있다. 예를 들어, 이광자 흡수에 의한 절단공정을 실시하는 경우, 가공 대상물에 입사되는 레이저 펄스파가 모두 이광자 흡수를 일으키도록 할 수 있다. 이를 통해 에너지 강도가 낮은 레이저 빔이 산란하거나 가공대상물을 투과하여 가공 대상물 내부에 있는 반도체 칩에 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 레이저 펄스파에서 에너지 강도가 강한 부분만 사용하기 때문에 레이저 펄스파의 에너지를 작게 설정할 수도 있다.
이상에서 예시적인 실시예들에 따른 레이저 가공장치에 관하여 설명하였다. 이하에서는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공방법에 관하여 설명한다. 이하에서 설명하는 레이저 가공방법에는 전술한 기술적 특징들이 모두 포함될 수 있다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공방법의 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 실시예에 따른 레이저 가공방법은, 레이저 광원(10)으로부터 레이저 펄스파를 발생시키는 단계(S110)와, 레이저 펄스파에서 레이저 강도가 소정의 임계치보다 낮은 부분은 차폐하고, 상기 소정의 임계치보다 높은 부분은 통과시킴으로써 상기 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
예시적으로, 레이저 광원(10)으로부터 레이저 펄스파를 발생시키는 단계(S110)에서는 가우시안 함수 형태 또는 준가우시안(quasi-Gaussian) 형태의 레이저 펄스파를 일정한 시간간격 또는 불규칙한 시간간격으로 반복해서 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계(S120)에서는, 가우시안 함수 형태 또는 준가우시안 함수 형태의 펄스파형에서 가장자리 영역은 차폐시키고 중심영역은 통과시킬 수 있다. 가우시안 또는 준 가우시안 형태의 펄스파에서 중심영역만 가공 대상물을 향해 통과시킴으로써 출력광의 강도를 임계치 이상으로 유지할 수 있다. 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계(S120)에서는 음향광학변조기 또는 전기광학변조기가 사용될 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공방법은, 상기 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계(S120)에서, 변조된 레이저 펄스파의 모양을 유지하면서 출력 에너지를 증폭시키는 단계(S130)를 더 포함할 수 있다. 출력 에너지를 증폭시키는 단계(S130)에서는 이득매질을 포함하는 형상유지 광파워증폭기(30)가 사용될 수 있다.
도 8에서는 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔을 변조하고 증폭하는 실시예에 관하여 설명하였다. 도 8에서 나타낸 레이저 가공방법은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 예를 들어, 도 8에서 나타낸 레이저 가공방법은 가공 대상물의 절단공정에 적용될 수 있다. 이 경우, 레이저 펄스파를 발생시키는 단계(S110)에서는 레이저 펄스파의 파장이 1000nm 내지 3000nm 내외가 되도록 할 수 있다. 이를 통해, 가공 대상물 내부에서 레이저 빔이 이광자 흡수를 일으키게 할 수 있다. 상기 가공 대상물의 예로는 실리콘 재질의 기판이 포함될 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공방법의 흐름도를 나타낸 도면이다. 도 9의 실시예를 설명함에 있어서, 도 8과 중복되는 내용은 생략하기로 한다.
도 9를 참조하면, 실시예에 따른 레이저 가공방법은 레이저 펄스파를 가공 대상물에 조사함으로써 가공 대상물 내부에 이광자 흡수에 의한 절단예정 라인을 형성하는 단계(S140) 및 상기 절단예정 라인을 따라 상기 가공 대상물을 절단하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다. 가공물 내부에 절단예정 라인을 형성하는 단계(S140)에서는 레이저 펄스파의 집광점이 가공 대상물 내부에 형성되도록 할 수 있다. 그리고, 레이저 펄스파에 의해 가공 대상물 내부에서 이광자 흡수가 일어나도록 할 수 있다. 또한, 상기 이광자 흡수에 의해 가공 대상물 내부에 크랙(crack)이 형성되도록 하여 절단예정라인을 형성될 수 있다.
절단예정 라인을 형성하는 단계(S140)에서 사용되는 레이저 펄스파의 모양이 변조되어 있기 때문에, 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔이 대부분 가공 대상물 내부에서 이광자 흡수현상을 일으킬 수 있다. 이를 통해 에너지 강도가 낮은 레이저 빔이 산란되거나 가공대상물을 투과하여 가공 대상물 내부에 있는 반도체 칩에 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 레이저 펄스파에서 에너지 강도가 강한 부분만 사용하기 때문에 레이저 펄스파의 에너지를 작게 설정할 수도 있다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공시스템을 나타낸 것이다.
입력부(110)에는 레이저 가공을 위한 각종 파라미터가 입력될 수 있다. 예시적으로, 도 6에 도시된 변조광의 강도 기준치(Ith)가 입력부(110)에 입력될 수 있다. 다른 예로, 입력부(110)는 내부에 각종 가공 대상물의 종류 및 두께에 에 따른 강도 기준치(Ith)의 관계에 대한 룩업테이블을 저장할 수 있다. 그리고, 입력부(110)에 가공대상물의 두께 또는 종류가 입력되면 입력부(110)는 룩업 테이블을 참조하여 강도 기준치(Ith) 값을 도출할 수 있다.
제어부(120)는 상기 입력부(110)로부터 강도 기준치(Ith) 값에 대한 정보를 받을 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 상기 강도 기준치(Ith) 값에 대한 정보를 이용하여 레이저 장치(LS1~LSn)의 출력값을 제어할 수 있으며, 각 레이저 장치의 온/오프를 제어할 수도 있다. 또한, 집광정 이동부 및 이송수단을 제어하여 가공물 내부의 집광점 위치 및 가공물의 가공속도를 제어할 수도 있다.
레이저 장치(LS1~LSn)는 레이저를 출력하는 장치로서, 도 4 혹은 도 7에 도시된 레이저 가공 장치일 수 있다. 일예로, 복수개의 레이저 장치를 포함하는 레이저 가공 시스템의 경우, 일부 레이저 가공 장치는 음향광학변조기 및/또는 전자광학변조기를 포함하여 원하는 임계값 이상의 레이저만 출력되는 장치일 수 있다. 또한, 나머지 레이저 가공 장치는 준가우시안 (quasi-Guassian) 펄스를 출력할 수도 있다. 또 다른 예로, 모든 레이저 장치가 음향과학변조기 및/또는 전자광학변조기를 포함하여 가공할 수도 있다.
제1광발산각 조절부 및 제n광발산각 조절부는 레이저빔의 발산각을 조절하는 역할을 한다. 각각의 레이저 장치로부터 발산된 레이저 빔은 약간의 발산하는 성질을 갖는데, 이를 발산각 조절부(DA1~Dan)에 의해 조절함으로써, 가공대상물인 기판(20)의 포커싱 깊이를 제어할 수 있다.
상기 발산각 조절부(DA1~Dan)을 통과한 복수의 레이저 빔은 광경로 결합부에 의해 하나의 집광점에 집광될 수 있다. 레이저 빔들이 지나는 광경로 상에는 광 경로 변경을 위한 미러 (150) 및 기판에 레이저 빔을 집광시키는 집광렌즈(170)가 마련된다. 광학 렌즈 형태의 집광부(170)에 의해 레이저 빔은 서로 다른 높이로 집광점(S1~Sn)을 형성한다. 집광렌즈(170)의 전단에는 다수의 레이저 빔의 집광점 위치를 조절하는 광학 렌즈 형태의 집광점 이동부(160)가 선택적으로 마련될 수 있다.
도 10에는 복수개의 레이저 가공장치 및 복수개의 광발산각조절부를 포함하는 레이저 가공 시스템을 도시하였으나, 이는 한 예일 뿐이며, 실시예들에 따른 레이저 가공 시스템은 하나의 레이저 가공 장치 및 광발산각조절부를 포함할 수도 있다. 이 경우,광경로 결합부(140)는 사용되지 않을 수도 있다.
이상에서 예시적인 실시예들에 따른 레이저 마킹장치 및 방법에 관하여 설명하였다. 이상에서 설명한 실시예들에 따르면, 레이저 광원(10)으로부터 출사되는 레이저 펄스파의 모양을 변조함으로써 레이저 펄스파의 강도가 소정의 임계치보다 높은 상태를 유지하도록 할 수 있다. 또한, 레이저 펄스파의 강도가 소정의 임계치 이상을 유지하게 됨으로써, 레이저 펄스파가 가공 대상물에서 산란되거나 가공 대상물을 투과하여 가공 대상물 내부의 반도체 칩에 손상을 주는 것을 방지할 수 있다.
이상의 설명에서 많은 사항들이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
10 : 광원
20 : 광 변조기
30 : 형상유지 광 파워증폭기
12 : 레이저 다이오드
16 : 광섬유
17 : 내부 광 변조기
18, 19 : 제1 및 제2 미러
20 : 광 변조기
30 : 형상유지 광 파워증폭기
12 : 레이저 다이오드
16 : 광섬유
17 : 내부 광 변조기
18, 19 : 제1 및 제2 미러
Claims (17)
- 펄스 레이저를 방출하는 레이저 광원; 및
상기 레이저 펄스파에서 레이저 강도가 소정의 임계치보다 낮은 부분은 차폐하고 상기 소정의 임계치보다 높은 부분은 통과시킴으로써 상기 레이저 펄스의 모양을 변조하는 광 변조기;를 포함하는 레이저 가공장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 레이저 펄스파는 가우시안 함수 형태 또는 준가우시안(quasi-Gaussian) 함수 형태의 펄스파형을 가지는 레이저 가공장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 광변조기는 상기 가우시안 함수 형태 또는 준 가우시안 함수 형태의 펄스파형에서 가장자리 영역은 차폐시키고 중심영역은 통과시키는 레이저 가공장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 레이저 광원은 레이저 다이오드와, 상기 레이저 다이오드로부터 출사된 빔을 펌핑광원으로 사용하여 증폭하기 위한 이득매질을 포함하는 광섬유와, 상기 빔을 공진시키기 위한 제1 및 제2 미러를 포함하는 레이저 가공장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 레이저 광원은, 상기 빔이 출사되는 파형을 조절하기 위한 내부 광변조기를 더 포함하는 레이저 가공장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광원으로부터 출사되는 상기 레이저 펄스파의 파장은 1000nm 내지 3000nm인 레이저 가공장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광변조기가 음향광학변조기(Acousto-optic modulator)인 레이저 가공장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광변조기가 전자광학변조기(Electro-optic modulator)인 레이저 가공장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광변조기에서 변조된 상기 레이저 펄스파의 모양을 유지하면서 상기 레이저 펄스파의 출력 에너지를 증폭시키는 형상유지 광파워증폭기를 더 포함하는 레이저 가공장치. - 레이저 광원으로부터 레이저 펄스파를 발생시키는 단계;
상기 레이저 펄스파에서 레이저 강도가 소정의 임계치보다 낮은 부분은 차폐하고, 상기 소정의 임계치보다 높은 부분은 통과시킴으로써 상기 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계;를 포함하는 레이저 가공방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 레이저 펄스파는 가우시안 함수 형태 또는 준가우시안(quasi-Gaussian) 함수 형태의 펄스파형을 가지는 레이저 가공방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계는, 상기 가우시안 함수 형태 또는 준가우시안 함수 형태의 펄스파형에서 가장자리 영역은 차폐시키고 중심영역은 통과시키는 레이저 가공방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 레이저 펄스파의 모양을 변조하는 단계에서, 변조된 상기 레이저 펄스파의 모양을 유지하면서 상기 레이저 펄스파의 출력 에너지를 증폭시키는 단계;를 더 포함하는 레이저 가공방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 모양이 변조된 레이저 펄스파를 가공 대상물에 조사함으로써, 상기 가공 대상물 내부에 이광자 흡수에 의한 절단예정 라인을 형성하는 단계;를 더 포함하는 레이저 가공방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 레이저 펄스파의 파장은 1000nm 내지 3000nm인 레이저 가공방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 가공 대상물은 실리콘 재질의 기판을 포함하는 레이저 가공방법. - 레이저 펄스를 출력하는 레이저 광원
레이저 빔의 강도 값의 임계치와 관련된 정보를 입력받는 입력부;
레이저 펄스파에서 레이저 강도가 상기 임계치보다 낮은 부분은 차폐하고 상기 소정의 임계치보다 높은 부분은 통과시킴으로써 상기 레이저 펄스의 모양을 변조하는 적어도 하나의 광 변조기;
상기 임계치를 입력받아 상기 레이저 광 변조기에서 출사되는 레이저 펄스를 모양을 제어하는 제어부;
상기 적어도 하나의 광 변조기로부터 출력되는 펄스를 집광하여 가공대상물 내부에 집광시키는 집광렌즈를 포함하는 레이저 가공 시스템.
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