[논문]식각액에 따른 용융실리카의 레이저 습식 식각 특성 비교 연구

이종호; 이종길; 전병희

doi:10.5228/kspp.2004.13.3.268

식각액에 따른 용융실리카의 레이저 습식 식각 특성 비교 연구
A Comparative Study on the Influence of Etchant upon the Etching Rate and Quality in Laser Induced Wet Etching of Fused Silica 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.13 no.3, 2004년, pp.268 - 272

이종호 (인덕대학 산업기술연구원) , 이종길 (한국산업기술대학교 기계공학) , 전병희 (인덕대학 컴퓨터응용기계계열)

Abstract ▼ AI-Helper

Transparent materials such as fused silica are widely utilized in optical and optoelectronics field because of its outstanding properties, such as transparency in a wide wavelength range, strong damage resistance for laser irradiation, and high thermal and chemical stability. In this study, we made a few micro patterns on the surface of fused silica plate using laser induced wet etching. KrF excimer laser was used as a light source. There were no burrs and micro cracks on the etched surface of fused silica and the flatness of the etched surface was fairly good. We investigated the influence of etchant upon the etch rate and quality in laser induced wet etching. Pyrene-acetone solution and toluene were used as etchant. In the side of etch rate, toluene solution was better than pyrene-acetone solution. But we made in wider range of energy density using pyrene-acetone solution. But pyrene-acetone solution gave us wider window of energy density for successful micro patterning.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 KrF 엑시머레이저를 이용한 습식 식각가공으로 판형용융실리카에 다양한 형상의 패턴을 가공하였고, 피렌-아세톤 용액과 톨루엔 의 식각액에 따른 가공성과 식각률을 알아보기 위한 실험을 하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

그리고 Fig. 9(b)는 레이저 에너지 밀도를 800mJ/cm2, 펄스 수를 2000pulses로가공한 사진이 고 가공깊이는 약 9㎛ 이다.

제안 방법

가공 후 시편은 아세톤을 이용하여 초음파 세척을 하였고 가공된 마이크로 패턴의 크기와 표면의 형상 및 가공 깊이, 표면조도는 광학현미경과 광간섭계를 이용하여 관찰, 측정하였다.
동일한 조건에서 식각액의 차이에 따른 영향을 살펴보기 위하여, 피렌-아세톤 용액과 톨루엔식 각 액에 대하여 레이저 에너지 밀도를 lOOOmJ/cm?로 고정하고 레이저 조사수에 따른 식각량을 측정하여 Fig. 6에 나타내었다.
레이저 습식 식각 가공은 판형용융실리카 뒷면에 식각액을 접촉시키고 식각액이 접해 있는 소재의 뒷면에서 가공이 진행되는 방식이며, 레이저 빔 중간에 금속 마스크를 장착하여 여러 가지 형상을 가공한다. 또한 레이저 습식 식각 가공은 500mJ/cm2의 낮은 레이저 에너지 밀도에서 가공이 시작되기 때문에 정확한 에너지 밀도를 측정하기위해 파워프로브(powerprobe)를 사용하였다.
본 연구에서는 파장이 248nm인 KrF 레이저를 이용한 습식 식각가공으로 판형용융실리카에 여러 가지 형상의 마이크로 패턴(micro-pattern)을 가공하였다. 또한 식각액에 따른 식각특성을 알아보기 위해, 피렌-아세톤 용액과 순수 톨루엔(toluene)을 식각액으로 하여 가공을 수행하고, 각각의 가공특성 과 식 각률(etch rate) 등을 비교. 분석하였다.
본 연구에서는 파장이 248nm인 KrF 레이저를 이용한 습식 식각가공으로 판형용융실리카에 여러 가지 형상의 마이크로 패턴(micro-pattern)을 가공하였다. 또한 식각액에 따른 식각특성을 알아보기 위해, 피렌-아세톤 용액과 순수 톨루엔(toluene)을 식각액으로 하여 가공을 수행하고, 각각의 가공특성 과 식 각률(etch rate) 등을 비교.
식각액에 따른 식각률을 알아보기 위해 레이저 에너지 밀도와 펄스 수를 변화시키며, 가공된 깊이를 즉정하였다.
실험은 레이저 에너지 밀도와 펄스 수를 각각 500~1400mJ/cm2, 500~2000pulse로 변화시키고 주파수 반복률을 5Hz로 고정하여 실험을 수행하였다. 패턴은 폭이 12㎛ 길이가 169㎛인 채널을 가공하여 가공특성을 알아보았고, 0.
실험은 레이저 에너지 밀도와 펄스 수를 각각 500~1400mJ/cm2, 500~2000pulse로 변화시키고 주파수 반복률을 5Hz로 고정하여 실험을 수행하였다. 패턴은 폭이 12㎛ 길이가 169㎛인 채널을 가공하여 가공특성을 알아보았고, 0.4mol/l의 피렌-아세톤용액과 톨루엔 두 종류의 식각액을 실험에 사용하였으며, 각각의 식각률(etch rate)을 비교하였다.

대상 데이터

가공시편은 직경이 50mm, 두께가 0.5mm인 판형 용융실리카(fiised silica plate)를 사용하였고, 레이저는 파장이 248nm, 최대 출력이 65W, 최대 반복률(Max. repetition rate) 이 100Hz인 KrF 엑시 머레 이 저(Lambda Physik, LPX 210i)를 사용하였다.
본 연구는 산업자원부가 지원하고 있는 차세대 신기술 개발사업 중 한국기계연구원이 주관하고 있는 고기능 초미세광. 열유체 마이크로 부품 기술개발 사업의 세부과제로서 수행 중이며 이에 관계자 여러분께 감사의 말씀을 올립니다.

성능/효과

(1) 레이저 습식 식각 가공을 이용하여 용융실리카 표면에 마이크로버와 크랙이 없는 평평한 가공면을 얻을 수 있다.
(2) 피렌-아세톤 용액과 톨루엔을 식각액으로 사용하였을 때, 레이저 에너지 밀도와 가공 펄스 수의 증가에 따른 식각량이 모두 선형적으로 증가 하였다.
(3) 레이저 습식 식각 가공에서 0.4mol/l의 피렌-아세톤 식 각액보다 톨루엔 식 각액에서 20~30%의 식각률이 향상되었고, 가공이 시작되는 임계에너지 밀도는 피렌-아세톤 용액은 500mJ/cm2, 톨루엔은 600mJ/cm2에서 가공이 시작되었다.
(4) 피렌-아세톤 식 각액은 레이저 에너지 밀도가 1200mJ/cnf부터 균열이 발생하는 반면, 톨루엔 식 각액은 1000mJ/cm2부터 용융실리카에 균열이 발생하기 시작하였고 가공면의 표면조도 또한 안 좋은 양상을 나타냈다.
8에 나타내었다. 가공면의 표면조도를 알아보기 위해 Fig. 8에 표시된 1~5지점을 선정하여 측정한 결과 평균거칠기 (Ra)는 약 124nm로 측정되었고 가공 깊이는 평균 약 10.2㎛의 깊이로 가공이 되었다.
4와 5에 나타내었다. 각각의 식각액에서 레이저 에너지 밀도와 가공 펄스 수에 따라 가공 깊이가 선형적으로 증가하는 양상을 보였다.
같은 조건으로 아세톤을 식각액으로 하여 가공한 시편을 측정한 결과 평균 거칠기(Ra)는 약 254 nm로 측정되었고 가공 깊이는 평균 약 12㎛의 깊이로 가공이 되었다. 따라서 톨루엔은 피런]-아세톤 용액에 비해 식각률은 좋지만, 가공 중 높은 레이저 에너지 밀도에서는 용융실리카에 균열이 쉽게 발생하였고, 가공면의 표면조도도 다소 안 좋은 양상을 보였다.

참고문헌 (8)

Auerhammer, J.M., Walker, R., van der Meer, A.F.G., Jean, B.. Dynamic behavior of photoablation products of corneal tissue in the mid-IR: a study with FELIX. Applied physics. B, Lasers and optics, vol.68, no.1, 111-119.

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Wang, J., Niino, H., Yabe, A.. Micromachining of quartz crystal with excimer lasers by laser-induced backside wet etching. Applied physics. A, Materials science & processing, vol.69, no.1, S271-S273.

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10.1117/12.405687
Cornacchia, F., Favilla, E., Toncelli, A., Tonelli, M., Doerschel, J., Ganschow, S.. Growth and spectroscopic properties of Yb,Tm:YSGG crystalline fibers. Applied physics. B, Lasers and optics, vol.75, no.6, 641-647.

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Yasui, Y., Niino, H., Kawaguchi, Y., Yabe, A.. Microetching of fused silica by laser ablation of organic solution with XeCl excimer laser. Applied surface science, vol.186, no.1, 552-555.

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Kopitkovas, G., Lippert, T., David, C., Wokaun, A., Gobrecht, J.. Fabrication of micro-optical elements in quartz by laser induced backside wet etching. Microelectronic engineering, vol.67, 438-444.

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Zimmer, K., Braun, A., Böhme, R.. Etching of fused silica and glass with excimer laser at 351 nm. Applied surface science, vol.208, 199-204.

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Wang, Jun, Niino, Hiroyuki, Yabe, Akira. Micromachining of transparent materials with super-heated liquid generated by multiphotonic absorption of organic molecule. Applied surface science, vol.154, 571-576.

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