[논문]파이버 공초점법을 이용한 레이저 빔 자동 초점 제어 장치에 관한 연구

문성욱; 김종배; 김선흠; 배한성; 남기중

문제 정의

본 연구에서는 LD를 이용하여 실험에 사용된 공초점 광학계의 타당성 검증 시험을 수행하였고, 이 광학계를 공간적인 제약 없이 레이저 가공 장비에 장착하기 위하여 파이버를 이용해 공초점 광학계를 구성하였다. 이렇게 구성된 파이버 자동 초점 제어장치의 타당성 및 성능을 검증하기 위하여 LD와 UV 레이저를 사용하였다.
본 연구에서는 이러한 공간적인 제약을 해소하기 위하여 파이버와 공초점 광학 모듈을 이용한 파이버 자동 초점 제어 장치를 설계하여 성능 및 특성에 관하여 연구하였다.
본 연구에서는 파이버 공초점법을 이용하여 레이저 빔의 자동 초점 장치에 관한 연구를 수행하였다. 레이저 다이오드를 이용하여 반사율이 좋은 금 코팅 거울에서 반사되는 레이저 빔의 강도를 측정하여 가우시안 형태임을 확인하였고, 시료를 실리콘 웨이퍼로 교체하여 동일 위치에서 초점이 맺히는 것을 확인하여 설치한 광학계를 검증하였다.

제안 방법

Fig. 2와 같이 파이버를 이용한 자동 초점 장치를 구성하여 반사율이 좋은 금 코팅된 반사거울에 780nm의 레이저 빔을 조사하여 z축 거리 변화에 따라 대칭적인 분포를 갖는 반사 빔의 강도를 확인하였고, 이러한 실험을 반복 수행하여 z축 거리 변화에 따른 반사 빔의 강도 분포 및 초점위치의 재현성을 확인하였다. 시료를 실제 가공에 사용되는 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼로 교체하여 LD를 이용해 동일 실험을 수행하였고 실험 결과 동일 위치에서 레이저 빔의 강도가 가장 강한 것을 확인 하였다.
반사 시료로는 반사율이 좋은 금 코팅된 거울과 실제 가공에 사용되는 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. LD로 찾은 초점 위치와 실제 가공 시 초점 위치를 비교하기 위하여 가공용 레이저로 파장이 355nm인 DPSS 레이저를 사용하여 출력을 2.5W(41.7uJ @60KHz)로 설정하여 100mm/s의 가공 속도로 패턴이 없는 웨이퍼를 가공하였다. 광 검출기로는 신호 증폭률이 좋은 APD를 사용하였다.
가공된 웨이퍼의 가공 깊이를 측정하여 가장 깊게 가공된 위치와 LD를 이용해 구한 초점 위치를 비교하여 거리 차이를 계산하였고 이 거리만큼 LD를 이용해 찾은 z축 초점 위치를 보정해 주었다. LD와 UV의 초점 위치의 거리차이 값이 매번 일정한 것을 확인하기 위하여 위 과정을 반복 수행하였고, 보정된 z축 위치에서 웨이퍼를 가공하여 가공 깊이가 일정한 값을 유지하는 것을 확인하였다.
그래프의 모양은 전체적으로 중앙을 기준으로 대칭적인 형태를 보이고 있고 초점 부근인 중앙에서는 대칭성이 더욱 뛰어난 것을 알 수 있다. PD에 입사되는 레이저 빔의 강도가 낮기 때문에 빔의 강도를 증폭하기 위해서 APD 와 데이터 분석 보드를 사용하였다. Fig.
Z축 스테이지는 대물렌즈를 상하로 움직이며 최대 스캔 범위는 150inm이고 스테이지의 분해능은 1㎛이다. Z축 스테이지 제어와 데이터 획득 및 분석 프로그램은 C와 C++ 프로그램 언어를 이용하여 직접 프로그래밍 하였다.
이후 파장이 355nm 인 UV 레이저 빔을 동일 광학계에 설치하여 LD에서 구한 초점 위치를 기준으로 ±400㎛의 범위를 20㎛ 씩 변화시켜가면서 UV 레이저로 패턴이 없는 실리콘웨이퍼를 100mm/s의 속도로 가공 하였다. 가공된 웨이퍼의 가공 깊이를 측정하여 가장 깊게 가공된 위치와 LD를 이용해 구한 초점 위치를 비교하여 거리 차이를 계산하였고 이 거리만큼 LD를 이용해 찾은 z축 초점 위치를 보정해 주었다. LD와 UV의 초점 위치의 거리차이 값이 매번 일정한 것을 확인하기 위하여 위 과정을 반복 수행하였고, 보정된 z축 위치에서 웨이퍼를 가공하여 가공 깊이가 일정한 값을 유지하는 것을 확인하였다.
시료를 실제 가공에 사용되는 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼로 교체하여 LD를 이용해 동일 실험을 수행하였고 실험 결과 동일 위치에서 레이저 빔의 강도가 가장 강한 것을 확인 하였다. 이후 파장이 355nm 인 UV 레이저 빔을 동일 광학계에 설치하여 LD에서 구한 초점 위치를 기준으로 ±400㎛의 범위를 20㎛ 씩 변화시켜가면서 UV 레이저로 패턴이 없는 실리콘웨이퍼를 100mm/s의 속도로 가공 하였다. 가공된 웨이퍼의 가공 깊이를 측정하여 가장 깊게 가공된 위치와 LD를 이용해 구한 초점 위치를 비교하여 거리 차이를 계산하였고 이 거리만큼 LD를 이용해 찾은 z축 초점 위치를 보정해 주었다.
레이저 다이오드를 이용하여 반사율이 좋은 금 코팅 거울에서 반사되는 레이저 빔의 강도를 측정하여 가우시안 형태임을 확인하였고, 시료를 실리콘 웨이퍼로 교체하여 동일 위치에서 초점이 맺히는 것을 확인하여 설치한 광학계를 검증하였다. 초점 위치에서 355nm 파장의 레이저를 이용하여 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼를 가공하여 초점 위치가 80㎛가 이동한 것을 확인 하였다. 이러한 것은 자동 초점제어 장치에 사용된 LD 및 광학계와 가공 광원으로 사용된 레이저 및 광학계의 파장 및 빔의 퍼짐이 달라 발생된 것으로 여겨진다.

대상 데이터

광 검출기로는 신호 증폭률이 좋은 APD를 사용하였다. 광검출기에 들어온 레이저 빔의 강도를 정량적으로 분석하기 위하여 8051 보드를 사용하여 신호의 분석회로를 제작하였다. Z축 스테이지는 대물렌즈를 상하로 움직이며 최대 스캔 범위는 150inm이고 스테이지의 분해능은 1㎛이다.
사용하였다. 광파이버는 0.45NA에 코어(Core)의 크기가 5.3 ± 0.5㎛인 FC(Fiber Channel) 형태의 편광유지 단일 모드 광섬유(Single Mode Polarization Maintaining Fiber)를 사용하였다. 시료 표면에 광을 집광하기 위해 초점거리가 40mm, 반경이 5mm인 355nm 파장용 대물렌즈를 사용하였다.
시료 표면에 광을 집광하기 위해 초점거리가 40mm, 반경이 5mm인 355nm 파장용 대물렌즈를 사용하였다. 반사 시료로는 반사율이 좋은 금 코팅된 거울과 실제 가공에 사용되는 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. LD로 찾은 초점 위치와 실제 가공 시 초점 위치를 비교하기 위하여 가공용 레이저로 파장이 355nm인 DPSS 레이저를 사용하여 출력을 2.
5㎛인 FC(Fiber Channel) 형태의 편광유지 단일 모드 광섬유(Single Mode Polarization Maintaining Fiber)를 사용하였다. 시료 표면에 광을 집광하기 위해 초점거리가 40mm, 반경이 5mm인 355nm 파장용 대물렌즈를 사용하였다. 반사 시료로는 반사율이 좋은 금 코팅된 거울과 실제 가공에 사용되는 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.
실험에 사용된 광원은 출력이 4mW 인 780nm의 LD(Laser Diode)이고 광 분할기로 PBS를 사용하였고 빔의 편광 방향을 바꾸기 위해서 λ/4 판(waveplate)를 사용하였다. 광파이버는 0.
이렇게 구성된 파이버 자동 초점 제어장치의 타당성 및 성능을 검증하기 위하여 LD와 UV 레이저를 사용하였다.

성능/효과

3 의 (b)는 초점 부근에서 z축 스캔 범위를 2mm로 설정하여 stepping 모터로 Z위치를 l㎛씩 변화하면서 위치에 따른 빔의 강도를 측정한 그래프이다. PD와 오실로 스코프에서 측정한 데이터에 비해 빔의 강도와 분해능이 매우 우수해진 것을 알 수 있다. 초점 부근에서는 강도 분포가 대칭성을 이루지만, 초점을 기준으로 오른쪽 강도 분포의 폭이 더 넓게 보이는데 이것은 실험에 사용된 광학계의 정렬(align)이 완벽하게 이루어지지 않았기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다.
결과적으로, 본 실험에서 제작하여 사용한 파이버 공초점 광학계의 성능은 Fig. 4 에서 보이는 결과를 통해 안정하다는 것을 알 수 있다.
수행하였다. 레이저 다이오드를 이용하여 반사율이 좋은 금 코팅 거울에서 반사되는 레이저 빔의 강도를 측정하여 가우시안 형태임을 확인하였고, 시료를 실리콘 웨이퍼로 교체하여 동일 위치에서 초점이 맺히는 것을 확인하여 설치한 광학계를 검증하였다. 초점 위치에서 355nm 파장의 레이저를 이용하여 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼를 가공하여 초점 위치가 80㎛가 이동한 것을 확인 하였다.
2와 같이 파이버를 이용한 자동 초점 장치를 구성하여 반사율이 좋은 금 코팅된 반사거울에 780nm의 레이저 빔을 조사하여 z축 거리 변화에 따라 대칭적인 분포를 갖는 반사 빔의 강도를 확인하였고, 이러한 실험을 반복 수행하여 z축 거리 변화에 따른 반사 빔의 강도 분포 및 초점위치의 재현성을 확인하였다. 시료를 실제 가공에 사용되는 패턴이 없는 실리콘 웨이퍼로 교체하여 LD를 이용해 동일 실험을 수행하였고 실험 결과 동일 위치에서 레이저 빔의 강도가 가장 강한 것을 확인 하였다. 이후 파장이 355nm 인 UV 레이저 빔을 동일 광학계에 설치하여 LD에서 구한 초점 위치를 기준으로 ±400㎛의 범위를 20㎛ 씩 변화시켜가면서 UV 레이저로 패턴이 없는 실리콘웨이퍼를 100mm/s의 속도로 가공 하였다.
6에서 가공 깊이가 초점 위치를 기준으로 좌우가 대칭적이지 않은 것은 광학계가 완벽하게 정렬(align)되지 않은 것과 가공 샘플이 완전히 평평하게 놓여 있지 않았기 때문에 깊이의 차이를 보이는 것으로 판단된다. 위 과정을 반복적으로 수행하여 LD로 구한 초점위치와 실제 가공으로 구한 초점 위치가 80㎛의 차이를 갖는 것을 확인하였다.
이러한 위치 차이를 보정하여 웨이퍼를 가공한 결과 가공 깊이가 ± 2.5㎛ 의 표준 편차를 보였으며, 이를 통해 본 연구에서 제작하여 사용한 파이버 공초점 법을 이용한 레이저 빔 자동 초점 장치 성능을 확인 할 수 있었다.

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