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문제 정의
- 본 연구에서는 레이저 미세 가공 시 발생하는 초점 오차 보상을 위해 고 배율 광학 현미경에서 사용되고 있는 공초점 원리의 자동초점장치를 응용한 오프라인 초점오차 보상방법을 제안하였다. 제안된 방법은 가공 전 미리 가공영역에 대해 모션 경로를 지정하여 초점오차의 프로파일을 측정하고 실제 가공 시 수정된 보상경로를 통하여 관련 오차를 제거하는 방법이다.
제안 방법
- 4(a) 의 4 인치 웨이퍼에 대해 Fig. 4(b)와 같이 X 축 방향으로 60 mm, Y 축 방향으로 30 mm 간격으로 스캐닝 방식으로 초점오차를 측정하였다. 초점오차는 Fig.
- 10(a)와 Fig. 10(b)와 같이 사각형 모양으로서 X 축으로 160 mm, Y 축으로 40 mm 간격으로 스캐닝 방식으로 초점오차를 측정하였다.
- 초점오차 보상방법을 적용하였다. Table 2 의결 과를 이용하여 자동초점장치가 장착된 Z 축이 X 축, Y 축의 이 송에 따라 수정 된 경 로를 따라가도록 오차 보상 테이블을 작성하였다. 그리고 같은 방식으로 X 축으로 60 mm, Y 축으로 30 mm 간격으로 스캐닝 방식을 이용하여 수정된 모션프로그램을 이용하여 이송하면서 초점오차를 재 측정하였다.
- 2와 같이 X, Y, Z 총 3 개의 축을 갖는 형태로서 Y 축은 시편 이송, X, Z 축은 자동초점 장치 및 관련 치구의 이송과 광축 방향 자동초점 조절기능을 수행한다. 각 축은 레이저 미세가공을 위해 정밀구동이 가능하도록 제작되었으며 Z 축은 수직방향의 이송을 위해 볼 스크류방식에 의한 회전형 모터 구동방식을 사용하였고 각 축의 모션 제어를 위해 상용 제어기인 미국 Deltatau 사의 UMAC 을 사용하였다. 각 축의 사양은 Table 1과 같다.
- Table 2 의결 과를 이용하여 자동초점장치가 장착된 Z 축이 X 축, Y 축의 이 송에 따라 수정 된 경 로를 따라가도록 오차 보상 테이블을 작성하였다. 그리고 같은 방식으로 X 축으로 60 mm, Y 축으로 30 mm 간격으로 스캐닝 방식을 이용하여 수정된 모션프로그램을 이용하여 이송하면서 초점오차를 재 측정하였다. 측정 결과는 Fig.
- Table 3의 근사화된 함수를 이용하여 X 축, Y 축 이송 시 자동초점 장치가 장착된 Z 축이 보상된 경로로 이송할 수 있도록 오차보상테이블을 작성하여 모션제어기에 입력해 주었다. 그리고 보상 전과 같은 방식으로 X 축으로 160 mm, Y 축으로 40 皿1간격으로 스캐닝 방식으로 초점오차를 재 측정하였다. 수정된 경로를 이송하며 초점오차를 측정한 결과는 Fig.
- 본 논문에서는 기존의 현미경 분야에서 사용되는 공초점 원리와 광섬유에 의한 광원변조를 이용한 측정방식을 레이저 미세가공 공정에 적용하고 오프라인(Off-line) 방법에 의한 초점오차 보상방법 (Focusing error compensation method)을 제안하였다. 이 방법은 Z 축의 반복이송이 필요 없고 관련 부품의 정렬오차에 둔감하므로 실제 가공기 적용에 장점을 가지며 오프라인 방식을 채택함으로써 레이저를 이용한 가공공정에 적용하기에 적합한 특성을 가진다.
- 본 연구에서 제안된 오프라인 초점 오차 보상 방법은 비교적 큰 사이즈의 가공시편을 레이저 미세 가공기에서 가공할 때 초점오차를 최소화 하기 위해 사용할 수 있다. Fig.
- 있다. 본 연구에서는 Fig. 3(b)와 같이 공초점 자동초점 장치의 미소신호동기증폭기 출력값이 기준전압 (Reference voltage)인 0 V 에 도달한 경우 Z 축 상에 정렬된 것으로서 모션제어기의 오차보상테이블 기능을 이용하여 가공기의 Z 축에 수정된 모션 프로그램을 재 작성하여 보상을 수행하게 된다.
- 실험 장치는 Fig. 2와 같이 X, Y, Z 총 3 개의 축을 갖는 형태로서 Y 축은 시편 이송, X, Z 축은 자동초점 장치 및 관련 치구의 이송과 광축 방향 자동초점 조절기능을 수행한다. 각 축은 레이저 미세가공을 위해 정밀구동이 가능하도록 제작되었으며 Z 축은 수직방향의 이송을 위해 볼 스크류방식에 의한 회전형 모터 구동방식을 사용하였고 각 축의 모션 제어를 위해 상용 제어기인 미국 Deltatau 사의 UMAC 을 사용하였다.
- 제안하였다. 제안된 방법은 가공 전 미리 가공영역에 대해 모션 경로를 지정하여 초점오차의 프로파일을 측정하고 실제 가공 시 수정된 보상경로를 통하여 관련 오차를 제거하는 방법이다. 제안된 방법의 성능을 확인하기 위해 공초점 자동초점장치를 제작하고 실리콘 웨이퍼와 인바 평판 표면에 대해 초점 오차 보상 실험을 수행하였다.
- 제안된 방법은 가공 전 미리 가공영역에 대해 모션 경로를 지정하여 초점오차의 프로파일을 측정하고 실제 가공 시 수정된 보상경로를 통하여 관련 오차를 제거하는 방법이다. 제안된 방법의 성능을 확인하기 위해 공초점 자동초점장치를 제작하고 실리콘 웨이퍼와 인바 평판 표면에 대해 초점 오차 보상 실험을 수행하였다. 실험결과, 실리콘 웨이퍼의 경우 보상 전 초점오차 51.
- 제안된 방법의 효용성을 확인하기 위해 쉐도우마스크용 인바 평판 표면에 초점오차 보상 실험을 진행하였다. 전체적인 실험방법은 앞 절의 실리콘웨이퍼의 경우와 같은 방식을 사용하였다.
- 또한 본 방법은 대부분의 가공공정에서 사용되는 CNC 형태의 모션제어기에 적용할 수 있도록 2차원 형태의 오차보상테이블(ECT, Error Compensation Table) 작성 방식을 사용하고 사용자에게 프로그램 작성과 CNC 조작 시 편이성을 제공할 수 있는 특징을 가지고 있다. 제안된 방법의 효용성을 확인하기 위해 자동초점장치를 Z 축에 부착할 수 있도록 설겨], 제작하였으며, 반도체 분야에 사용되는 실리콘 웨이퍼와 음극선관 (CRT, Cathode-Ray Tube)용 쉐도우 마스크(Shadow mask) 에사용되는 인바(Invar) 재질의 평판 시편 표면에 제안된 방법을 적용하여 각 축에 대한 표면 프로파일과 보상된 후 오차의 프로파일 데이터를 얻는 실험을 수행하였다.
- 제안된 오차보상 방법의 효용성을 확인하기 위해 실리콘 웨이터 표면에 오프라인 방식으로 초점 오차 보상 실험을 수행하였다. 초기에 실리콘 웨이퍼의 초점오차신호를 취득하기 위하여 Fig.
- 측정된 초점오차를 보상하기 위해 실리콘 웨이퍼의 경우와 동일하게 오프라인 초점오차 보상 실험을 수행하였다. 자동초점장치가 장착된 Z 축이자동적으로 초점오차만큼 이송할 수 있도록 측정된 초점 오차값을 고차 피팅을 통해 X 축, Y 축에 대한 Z 축의 함수로 근사화하고, 근사화된 함수의 형태와 계수를 Table 3에 나타내었다.
- 측정된 초점오차를 보상하기 위해 제안된 오프라인 초점오차 보상방법을 적용하였다. Table 2 의결 과를 이용하여 자동초점장치가 장착된 Z 축이 X 축, Y 축의 이 송에 따라 수정 된 경 로를 따라가도록 오차 보상 테이블을 작성하였다.
성능/효과
- 12(a)에서 Fig. 12(c)까지의 결과를 3 차원상에서 함께 보여주며 실리콘 웨이퍼의 경우와 같이 인바 평판이 특정 방향으로 기울어져 있고, 중심이 처져있는 것을 확인할 수 있었고, 보상 전 초점 오차가 44.0 ㎛인 것을 확인할 수 있다.
- 8(c)에 표시하였으며 보상 후 초점오차가 보상 전에 비해 수 gm 이내로감소된 것을 알 수 있다. 대체로 이러한 결과는 사용한 실험장치의 Z 축방향 반복정밀도가 반영된 결과로서 제안된 방법이 효과적으로 오차 보상을 수행할 수 있음을 나타낸다.Fig.
- 이러한 결과는 사용한 실험 장치의 Z 축 이송 시 발생하는 기계적인 오차와 그 밖의 가공시편의 재질 별로 반사율의 차이에 따라 근사화 과정에서 나타나는 오차들에 의한 것으로 판단된다. 또한 이러한 수준의 보상 후 초점 오차를 통해 본 연구에서 사용된 집광렌즈의 초점 심도 6.9 ㎛ 에 대해 제안된 공초점 원리의 자동초점 장치를 이용한 오프라인 오차보상법이 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 추후 제안된 방법을 실제 가공기에 적용하기 위해 샘플 마다 동일한 조건으로 위치되도록 관련 지그를 제작, 설치하고 반복적인 위치고정을 할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 8 ㎛로 감소한 결과를 확인하였다. 또한 인바 평판 표면의 경우 보상 전 초점 오차 44.0 ㎛에서 오프라인 초점오차 보상 후 5.0 ㎛로 감소함을 확인하였다. 이러한 결과는 사용한 실험 장치의 Z 축 이송 시 발생하는 기계적인 오차와 그 밖의 가공시편의 재질 별로 반사율의 차이에 따라 근사화 과정에서 나타나는 오차들에 의한 것으로 판단된다.
- 제안된 방법의 성능을 확인하기 위해 공초점 자동초점장치를 제작하고 실리콘 웨이퍼와 인바 평판 표면에 대해 초점 오차 보상 실험을 수행하였다. 실험결과, 실리콘 웨이퍼의 경우 보상 전 초점오차 51.1 ㎛에서 오프라인 초점 오차 보상 후 3.8 ㎛로 감소한 결과를 확인하였다. 또한 인바 평판 표면의 경우 보상 전 초점 오차 44.
후속연구
- 9 ㎛ 에 대해 제안된 공초점 원리의 자동초점 장치를 이용한 오프라인 오차보상법이 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 추후 제안된 방법을 실제 가공기에 적용하기 위해 샘플 마다 동일한 조건으로 위치되도록 관련 지그를 제작, 설치하고 반복적인 위치고정을 할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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