KR20220043211A

KR20220043211A - 공작물을 가공하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20220043211A
Application number: KR1020227008085A
Authority: KR
Inventors: 말테 쿰카르; 미리암 카이저
Original assignee: 트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2022-04-05
Also published as: JP7379662B2; KR102639028B1; US20220184744A1; EP4013716A1; DE102019121827A1; JP2022544395A; CN114222644A; WO2021028534A1

Abstract

본 발명은 공작물(1)을 가공하기 위한 방법에 관한 것으로, 레이저 방사선을 이용해서 인접한 복수의 개질물(2)을 공작물(1)의 재료 내로 도입하는 단계, 레이저 방사선에 의해 개질된 재료를 대부분 제거하기 위해, 제1 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 공작물(1)의 재료를 에칭하는 단계 및, 제1 에칭 공정의 완료 후에, 제거된 개질된 재료 사이에 남아 있는 웨브를 제거하기 위해, 제1 선택도와 다른 제2 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서 공작물(1)의 재료를 에칭하는 단계를 포함한다.

Description

공작물을 가공하기 위한 방법

본 발명은 공작물을 가공하기 위한 방법, 특히 레이저 에칭을 이용해서 공작물에 적어도 하나의 리세스 또는 개구를 삽입하기 위한 방법에 관한 것이다.

레이저 에칭 시 사용된 레이저 방사선에 대해 투과성인 재료는 하나 이상의 초단 레이저 펄스에 의해 개질되고, 상기 레이저 펄스의 초점에서 비선형으로 유도되는 흡수 과정들, 예를 들어 다광자 흡수 또는 터널 이온화가 발생한다. 동시에 재료의 화학적 및/또는 물리적 특성은, 재료가 더 양호하게 에칭 가능해지도록 개질된다. 개질된 재료는 후속 단계에서 에칭 방법에 의해 선택적으로 제거된다.

에칭 공정의 선택도란 개질된 재료에서 에칭률과 개질되지 않은 재료에서 에칭률 사이의 비율을 의미한다.

개질되지 않은 재료도 에칭 공정 동안 (더 느리지만) 제거되는 경우, 도입된 개질물의 기하학적 구조를 통해 하나의 절차에서 단독으로 및 직접적으로 공작물에 서로 다른 크기들의 정확한 윤곽을 만드는 것은 불가능하다. 도 1a에 도시된 바와 같이 전체 재료 두께에 걸쳐 연속하는 길쭉한 개질물로 에칭 어택에 따라 투과성 재료에 다양한 공동이 생길 수 있다. 높은 선택도를 갖는 선택적 에칭 단계에서 예를 들어 개질된 재료만이 주로 어택을 받는 한편, 개질되지 않은 재료는 대부분 내성이 있다. 이러한 방식으로, 투과성 재료에 예를 들어 전체 재료 두께에 걸쳐 일정한 직경을 갖는 관통 홀들이 생길 수 있다(도 1b 참조). 개질에 이어서 높은 선택도를 갖는 에칭 단계 대신 낮은 선택도를 갖는 에칭 단계가 수행되는 경우, 개질된 재료 및 (보다 적지만) 개질되지 않은 재료 모두 에칭될 수 있다. 길쭉한 레이저 개질물로부터 이러한 방식으로 모래시계 형상의 관통 홀들이 생길 수 있다(도 1c 참조). 이러한 방법에 의해 허리 부분 대 입구/출구의 직경의 비율은 에칭 시간에 의해 조정될 수 있다. 에칭 시간이 긴 경우에 더 작은 선택도의 에칭 단계에서 재료 두께 Δ가 감소할 수 있다. 또한, 에칭 통로가 생기는 관통 홀의 표면 근처의 최소 직경은 이에 따라 재료 두께에 의존한다.

WO 2018/162385 A1호는 레이저 파라미터의 변경에 의해 투과성 재료에 다양한 개질물이 도입되는 레이저 에칭 방법이 설명된다. 이로 인해 후속 에칭 단계에서 개질물 유형에 따라 상이한 선택도가 달성될 수 있다.

공개된 선행 기술에 기초하여, 본 발명의 과제는 레이저 에칭을 이용해서 공작물을 가공하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구항 제1항의 특징들을 갖는 방법에 의해 해결된다. 바람직한 개선예들은 종속 청구항, 상세한 설명 및 도면에 제시된다.

이에 따라 공작물을 가공하기 위한 방법이 제안되고, 상기 방법은 레이저 방사선을 이용해서 인접한 복수의 개질물을 공작물의 재료 내로 도입하는 단계, 이어서 레이저 방사선에 의해 개질된 재료를 대부분 제거하기 위해, 제1 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 공작물의 재료를 에칭하는 단계 및 제1 에칭 공정의 완료 후에, 제거된 개질된 재료 사이에 남아 있는 웨브를 제거하기 위해, 제1 선택도와 다른 제2 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서 공작물(1)의 재료를 에칭하는 단계를 포함한다.

개질물은 에칭제(etchant)에 대해 개질된 재료의 변경된 거동을 야기할 수 있다. 개질물이 표면뿐만 아니라 공작물의 더 깊은 위치에도 도입될 수 있도록, 공작물의 재료는 적어도 사용된 레이저 방사선의 파장에 대해 바람직하게 투과성이다. 레이저 방사선이 재료에 입사할 때 손실을 방지하거나 줄이기 위해, 표면은 가능한 한 매끄럽고 오염이 없어야 한다. 재료는 예를 들어 유리, 투명 세라믹, 유리 세라믹 또는 사파이어일 수 있다.

공작물의 재료의 개질은 특히 베셀(Bessel) 빔, 특히 길쭉한 초점 영역을 갖는 준-베셀 빔(이하, 간단히 베셀 빔이라고도 함) 형태의 레이저 빔을 이용해서 이루어질 수 있다. 이러한 길쭉한 초점 영역은 가공 길이에 걸쳐 (예를 들어 공작물의 두께에 걸쳐) 실질적으로 일정한 빔 프로파일을 갖는다. 실제로 10 ㎜ 이상의 길이를 갖는 길쭉한 초점 영역이 생길 수 있다. 상기와 같은 준 베셀 빔의 생성은 예를 들어 DE 10 2014 116 958 B4호 및 WO 2016/079062 A1호에 설명되어 있다.

공작물의 재료의 개질은 포커싱된 가우시안 빔(Gaussian beam) 형상의 레이저 빔에 의해서도 이루어질 수 있으며, 여기서 재료의 개질은 실질적으로 레이저 빔의 초점 내에서 이루어진다.

레이저 소스는 공작물에 대해, 특히 레이저 빔의 전파 방향에 대해 수직인 적어도 2개의 공간 방향으로 이동 가능하게 배치될 수 있으며, 또한 모든 공간 방향으로도 변위 가능하게 배치될 수 있다. 3개의 공간 방향의 변위 가능성에서 레이저 빔의 초점은 소정의 방식으로 공작물의 표면에 대해 평행하게 그리고 수직으로 이동될 수 있다.

차례로 도입되는 복수의 개질물은 서로 별도로 공작물의 재료 내로 도입될 수 있으므로, 상기 개질물은 중첩되지 않는다. 이는 공작물의 하중을 줄이고 공작물 내의 균열 또는 기타 손상의 위험을 감소시킨다. 대안으로서 차례로 도입되는 개질물은 중복될 수 있고 따라서 연결된 개질물을 생성할 수 있다. 이러한 중첩되는 개질물은 여기에서 및 이하에서 하나의 개질물로 간주된다. 중첩되는 개질물과 중첩되지 않는 개질물의 조합도 가능하다.

개질물은 예를 들어 공작물의 작업 표면에서부터 (즉, 레이저 빔이 공작물에 입사하는 표면에서부터) 공작물의 규정된 깊이(작업 표면에서 보았을 때)까지, 특히 선형으로 그리고 레이저 빔의 전파 방향을 따라 연장될 수 있다. 이를 위해 예를 들어 재료 두께보다 짧은 초점 영역을 갖는 베셀 빔이 사용될 수 있고, 또는 더 긴 초점 영역을 갖는 베셀 빔이, 전체 재료 두께에 걸쳐 개질물이 생기지 않도록 위치 설정될 수 있다. 재료 두께보다 짧은 초점 영역을 갖는 베셀 빔을 이용해서, 공작물의 표면에 직접 연결되지 않은 개질물도 공작물 내부에 도입될 수 있다. 개질물은 공작물의 전체 두께에 걸쳐서도, 즉 작업 표면에서부터 공작물의 마주 놓인 표면까지 연장될 수 있다.

적어도 하나의 개질물의 도입 후에, 공작물은 가변적인 선택도를 갖는 에칭 공정을 거친다. 에칭 공정의 선택도란 개질된 재료에서의 에칭률과 개질되지 않은 재료에서의 에칭률 사이의 비율로 이해된다. 에칭 공정의 선택도는 특히 에칭제의 화학 조성, 온도 및/또는 농도에 의해 조정될 수 있다.

에칭 공정은 액상 에칭 공정, 건식 에칭 공정 또는 기상 에칭 공정일 수 있다. 액상 에칭 공정에서 에칭제로서 예를 들어 KOH의 수용액이 사용될 수 있다. 예를 들어, 에칭 공정은 초음파 배스에서 실행되는 액상 에칭 공정일 수 있다. 에칭 공정의 선택도는 도입되는 초음파 출력에 의해서도 조정될 수 있다.

에칭 공정의 선택도를 변경하기 위해, 에칭 공정 동안 선택도를 결정하는 하나 이상의 파라미터가 변경될 수 있다. 예를 들어 온도는 높아지거나 낮아질 수 있다. 이로 인해 에칭 공정 동안 선택도가 변경된다.

에칭 공정 또는 에칭 공정의 각 섹션의 선택도에 따라, 개질된 재료가 대부분 또는 거의 전적으로 제거되고, 개질되지 않은 재료는 더 적은 부분만 제거되거나 거의 제거되지 않는다.

또한, 가변적인 선택도를 갖는 에칭 공정은 각각 정해진 선택도를 갖는 2개 이상의 에칭 공정을 포함하는 것이 제공될 수도 있다. 예를 들어, 공작물은 먼저 제1 선택도를 갖는 제1 에칭 공정을 거칠 수 있고, 제1 에칭 공정의 완료 후에, 제2 선택도를 갖는 제2 에칭 공정을 거칠 수 있다. 이 경우 특히 두 에칭 공정에 다른 에칭제가 사용될 수 있다.

공작물의 개질된 재료는 제1 에칭 공정에서 제거된다. 제1 에칭 공정은 제1 선택도를 갖고, 즉 개질된 재료에서의 에칭률과 개질되지 않은 재료에서의 에칭률 사이의 비율은 제1 값을 갖는다. 개질된 재료는 개질되지 않은 재료보다 빠르게 에칭되므로, 공작물의 재료가 개질물을 따라 대부분 제거된다.

제1 에칭 공정 중에 공작물은 제1 시간 동안, 예를 들어 제1 농도 및 제1 온도를 갖는 제1 에칭 용액의 배스에 제공된다. 바람직하게는 배스는 초음파 배스이고, 즉 제1 초음파 출력이 배스에 도입된다.

제1 에칭 공정의 완료 후, 공작물은 제2 에칭 공정을 거친다. 공작물의 재료는 제2 에칭 공정에서 제거된다. 제2 에칭 공정은 제2 선택도를 갖고, 즉 개질된 재료에서의 에칭률과 개질되지 않은 재료에서의 에칭률 사이의 비율은 제2 값을 갖는다.

따라서 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 재료의 에칭에 의해 레이저 방사선에 의해 개질된 재료가 대부분 제거될 수 있다. 제거된 개질된 재료 사이에 남아 있는 개질되지 않은 재료로 이루어진 웨브는 더 낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서 재료의 에칭에 의해 제거될 수 있다. 제1 에칭 공정 동안 형성된 채널을 통해 제2 에칭 용액에 대한 통로가 형성되고, 제2 에칭 용액은 웨브의 전체 길이에 걸쳐 웨브를 어택할 수 있다. 이로써 웨브는 신속하게 제거될 수 있고, 공작물의 나머지에 미치는 제2 에칭 공정의 영향은 최소화될 수 있다. 이러한 식으로 특히 소정의 모든 형상의 리세스가 공작물에 삽입될 수 있다.

제1 선택도와 제2 선택도는 크기가 다르다. 여기에서도 개질된 재료는 개질되지 않은 재료보다 빨리 에칭되므로, 공작물의 재료는 개질물을 따라 대부분 제거되지만, 제2 에칭 공정에서 에칭률의 비율은 제1 에칭 공정에서의 비율과 다르다.

제2 에칭 공정 중에 공작물은 제2 시간 동안, 예를 들어 제2 농도와 제2 온도를 갖는 제2 에칭 용액의 배스에 제공된다. 바람직하게는 배스는 초음파 배스이고, 즉 제2 초음파 출력이 배스에 도입된다. 공작물은 또한 제2 에칭 공정을 위해 제1 배스에도 남을 수 있으며, 선택도를 결정하는 배스의 파라미터가 변경되고, 예를 들어 온도 및/또는 초음파 출력이 증가 또는 감소한다.

제1 에칭 공정과 제2 에칭 공정은 에칭 용액의 화학 조성, 온도 및/또는 농도에 의해 및/또는 초음파 배스에 도입되는 초음파 출력에서 상이할 수 있다. 이러한 파라미터에 의해 두 에칭 공정의 선택도가 설정될 수 있다.

특히, 제1 선택도와 제2 선택도는 적어도 팩터 2, 바람직하게는 팩터 100, 더 바람직하게는 팩터 10,000만큼 다를 수 있다.

방법의 일부 실시예에서, 제1 선택도는 제2 선택도보다 크다. 이는, 제1 에칭 공정 동안, 개질된 재료가 개질되지 않은 재료와 관련하여 제2 에칭 공정 동안보다 빨리 제거된다는 것을 의미한다.

이로 인해 예를 들어, 제1 에칭 공정 동안 실질적으로 개질된 재료만을 제거하는 것이 가능해진다(높은 선택도, 예를 들어 적어도 1000의 선택도). 이로써 채널이 생길 수 있고, 제2 에칭 공정 동안 상기 채널 내로 제2 에칭 용액이 침투할 수 있고, 제2 에칭 용액은 개질되지 않은 재료도 상기 채널을 따라 제거할 수 있다(낮은 선택도, 예를 들어 최대 100의 선택도). 제2 에칭 용액은 제2 에칭 공정의 시작부터 이미 채널 내부에서 작용할 수 있고, 소정의 직경으로 채널을 더 빠르게 확장할 수 있으므로, 공작물의 두께 변경은 최소화될 수 있다.

추가 실시예에서 적어도 하나의 개질물의 도입은 레이저 방사선을 이용해서 재료 내로 인접한 복수의 개질물의 도입을 포함한다. 개질물은 예를 들어 선형으로, 윤곽을 따라 또는 2차원 또는 3차원 배치로 (일반적으로 격자 형태로 또는 불규칙적으로) 도입될 수 있다. 개질물 사이의 간격이 각각의 개질물의 직경의 5배를 넘지 않는 경우, 바람직하게는 1배인 경우, 특히 상기 개질물은 인접한 것으로 간주된다.

복수의 개질물은 특히 공작물 내의 리세스를 위한 소정의 표면 내에, 예를 들어 원 또는 다각형 내에, 또는 다른 불규칙한 표면 내에도 배치될 수 있다.

복수의 개질물의 모든 개질물은 동일한 길이를 가질 수 있다. 적어도 일부 개질물은 상이한 길이를 가질 수도 있다. 개질물의 전부 또는 적어도 일부는 동일한 방향을 가질 수 있고, 즉 서로 평행할 수 있다. 개질물의 전부 또는 적어도 일부는 공통 평면에 시작점을 가질 수 있으며, 예를 들어 개질물의 전부 또는 적어도 일부는 작업 표면으로부터 공작물 내로 확장될 수 있다.

개질물이 표면 내에 배치되는 경우, 개질물의 길이를 적절하게 선택함으로써 리세스의 측벽의 각도가 설계될 수 있다. 예를 들어, 최대 길이를 갖는 하나 이상의 개질물이 리세스의 중간에 배치될 수 있고 개질물의 길이는 리세스의 가장자리를 향해 감소할 수 있다.

공작물의 재료 내로 도입되는 개질물의 길이는 사용된 레이저 빔의 전파 방향으로 바람직하게 상이하다.

추가 실시예에서, 복수의 개질물이 윤곽을 따라 연속해서 재료 내로 도입된다. 윤곽이란 여기서, 예를 들어 기하학적 도형(예를 들어 원, 타원, 다각형 등)의 둘레에 해당하지만, 불규칙하게 형성될 수도 있는 미리 정해진 경로이다. 경로 자체가 교차하지 않거나 적어도 접근하는 한, 대부분의 개질물은 각각 인접한 2개의 개질물만 갖게 된다. 표면에 걸쳐 격자 형태로 배치 시 개질물이 차례로 하나의 경로를 따라 재료 내에 도입되더라도, 이러한 배치는 여기에서 "윤곽을 따라"로 간주되지 않는다.

추가 실시예에서, 재료 내에 개질물이 따라서 도입되는 윤곽은 닫혀 있고, 즉 윤곽은 표면을 완전히 둘러싼다(이 경우 물론 각각의 인접한 2개의 개질물 사이에 갭이 존재한다). 이러한 윤곽은 특히 기하학적 도형(예를 들어 원, 타원, 다각형 등)의 둘레에 해당할 수 있다. 이 윤곽을 따른 모든 개질물은 공작물의 두께에 걸쳐, 즉 작업 표면에서부터 공작물의 마주 놓인 표면으로 연장된다. 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 재료의 에칭은 레이저 방사선에 의해 개질된 재료를 대부분 제거하므로, 윤곽으로 둘러싸인 영역과 윤곽의 외부 영역은 또한 개질되지 않은 재료로 이루어진 웨브를 통해 연결된다. 그런 다음 제2 에칭 공정에서 재료의 에칭은 제거된 개질된 재료 사이에 남아 있는 웨브를 제거하므로, 윤곽으로 둘러싸인 재료의 영역이 외부의 영역과 분리되어 제거될 수 있다.

방법의 일부 실시예에서, 제1 선택도는 제2 선택도보다 작다. 이는, 제1 에칭 공정 동안, 개질된 재료는 개질되지 않은 재료와 관련하여 제2 에칭 공정 동안보다 천천히 제거된다는 것을 의미한다.

제1 선택도가 제2 선택도보다 작은 실시예에서, 높은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에 의해 공작물의 2개의 부분이 서로 분리된다. 이는 특히, 모두 공작물의 두께에 걸쳐, 즉 작업 표면에서부터 공작물의 마주 놓인 표면까지 연장되는 인접한 개질물의 열이 공작물의 재료 내로 도입되고, 개질된 재료는 높은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에 의해 제거됨으로써 이루어진다. 인접한 개질물은 중복될 수도 있거나 서로 분리될 수 있다. 중복되지 않는 개질물들 사이의 간격이 충분히 작은 경우 (예를 들어 개질물의 직경의 5배 미만), 공작물의 2개의 부분은 제2 에칭 공정 후에, 예를 들어 떼어 놓음으로써 기계적으로 분리될 수 있다. 개질물 사이의 개질되지 않은 영역에 개질물로 인해 미세 균열이 발생하여 확장될 수 있기 때문에, 프로세스 파라미터에 따라 제2 에칭 공정 동안에도 이미 2개의 부분은 스스로 서로 분리될 수 있다.

낮은 선택도를 갖는 사전에 이루어지는 제1 에칭 공정에서 개질된 재료는 물론 (더 낮은 선택도의 수준에 따라 가능하면 더 낮은 비율로) 개질되지 않은 재료도 개질물의 열을 따라 제거됨으로써, 개질물의 열의 양쪽에 라운딩이 생긴다. 이러한 라운딩은 공작물의 두 부분의 전술한 분리 후에 이러한 두 부분의 라운드된 에지(베벨 또는 챔버라고도 함)를 각각 생성한다.

낮은 선택도 또는 선택도 1 (즉, 개질된 재료와 개질되지 않은 재료가 동일한 속도로 에칭됨, 즉 선택도가 없음)을 갖는 또 다른 제3 에칭 공정은, 특히 분리면을 매끄럽게 하기 위해 수행될 수 있다.

방법의 추가 실시예에서, 제2 에칭 공정에서 재료의 에칭의 완료 후에, 각각 상이한 선택도를 갖는 하나 이상의 추가 에칭 공정이 수행될 수 있고, 즉 각각의 추가 에칭 공정의 선택도는 선행하는 에칭 공정의 선택도와 다를 수 있다. 추가 에칭 공정들의 선택도는 처음 2개의 에칭 공정의 선택도에 해당할 수 있거나 이와 다를 수 있다. 예를 들어, 제2 에칭 공정에서 재료의 에칭의 완료 후에, 하나 이상의 추가 에칭 공정이 제1 및 제2 선택도로 교대로 수행될 수 있다. 따라서, 특히, 공작물의 두께에 걸쳐 재료의 연속적인 개질이 가능하지 않은 경우, 개질된 재료는 더 높은 선택도를 갖는 에칭 공정에서 실질적으로 제거될 수 있고, 개질되지 않은 재료도 더 낮은 선택도를 갖는 에칭 공정에서 제거될 수 있으며, 이로써 이전에는 에칭 용액이 도달할 수 없었던, 개질된 재료를 포함하는 추가 영역에 대한 통로가 제공될 수 있다. 개질된 재료를 포함하는 이러한 추가 영역은 이후에 다시 높은 선택도를 갖는 에칭 공정에 의해 제거될 수 있으며, 그동안 개질되지 않은 재료는 상당한 정도로 제거되지 않는다.

상이한 선택도의 에칭 용액의 사용 시 복잡한 구조(예를 들어 렌즈)도 멀티스팟 개질물, 즉 세로 방향 및 가로 방향의 개질된 복수의 영역을 포함하는 개질물을 이용해서 투과성 재료 내로 도입될 수 있다.

바람직하게 공작물의 재료는 레이저 방사선의 파장에 대해 투과성이다.

바람직하게 개질물은 초단 레이저 펄스에 의해 공작물의 재료 내로 도입된다.

제안된 방법은 재료 가공을 위한 다른 방법들(예를 들어 레이저 드릴링)과 달리, 하중 시 또는 시간이 지남에 따라 재료 내에 균열을 야기할 수 있는 응력이 재료에 전혀 도입되지 않거나 또는 약간만 도입되는 장점을 갖는다. 이는 특히, 인접한 개질물이 중복되지 않아서, 이들 사이에 개질되지 않은 영역이 남아 있을 때 적용된다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법에 의해 생성된 길쭉한 복수의 홀을 갖는 공작물에 관한 것이다. 그러한 공작물은 특히 유리, 투명 세라믹, 유리 세라믹 또는 사파이어로 이루어지며 한 표면에서부터 마주 놓인 표면까지 복수의 관통 홀을 갖는 시브(sieve)일 수 있다. 바람직하게는 관통 홀은 그 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 직경을 갖는다. 실시예에서, 관통 홀은 1 ㎛ 미만, 예를 들어 약 500 ㎛의 직경을 갖는다("나노시브").

본 발명의 바람직한 다른 실시예들은 도면의 하기 설명에 의해 상세히 설명된다.

도 1은 레이저 에칭을 위한 공개된 방법의 개략도를 도시한 도면;
도 2는 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예의 개략도를 도시한 도면;
도 3은 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제2 실시예의 개략도를 도시한 도면;
도 4는 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제3 실시예의 개략도를 도시한 도면;
도 5는 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제4 실시예의 개략도를 도시한 도면;
도 6은 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제5 실시예의 개략도를 도시한 도면;
도 7은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 공작물의 개략도를 도시한 도면;
도 8은 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제6 실시예의 개략도를 도시한 도면;
도 9는 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제7 실시예의 개략도를 도시한 도면;
도 10은 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제8 실시예의 개략도를 도시한 도면;
도 11은 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제9 실시예의 개략도를 도시한 도면;
도 12는 공작물의 재료를 개질하기 위한 레이저 가공 장치의 개략도를 도시한 도면.

이하, 도면을 참조하여 바람직한 실시예들이 설명된다. 동일한, 유사한 또는 동일하게 작용하는 요소들은 서로 다른 도면들에서 동일한 참조 번호를 가지며, 중복을 피하기 위해, 이러한 요소들의 반복 설명이 대부분 생략된다.

도 1 내지 도 6, 도 7의 (a) 및 도 9 내지 도 11은 개질물(2)을 도입하기 위해 사용되는 레이저 빔의 빔 전파 방향(S)을 따른 공작물(1)의 단면을 각각 도시한다. 도 7의 (b) 및 도 8은 각각의 공작물(1)의 평면도를 도시한다.

도 1에 레이저 에칭을 위한 공개된 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1의 (a)는 두께 h를 갖는 공작물(1)의 부분을 도시한다. 하나의 표면(3)에서부터 마주 놓인 표면(3')으로 연장되는 길쭉한 연속 개질물(2)이 공작물(1)의 재료에 대해 투과성인 레이저 방사선에 의해 공작물(1)의 재료 내로 도입되었다. 도 1의 (b)에 높은 선택도를 갖는 선택적 에칭 단계에서 개질된 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다. 에칭 단계의 높은 선택도로 인해 개질되지 않은 재료는 어택을 받지 않았거나 약간만 어택을 받았다. 그 결과, 공작물(1) 내에 실질적으로 일정한 직경(d1)을 갖는 관통 홀(4)이 생성되었다.

도 1의 (c)에 높은 선택도를 갖는 에칭 단계 대신 낮은 선택도를 갖는 에칭 단계에서 개질된 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거되고 개질되지 않은 재료는 덜 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다. 개질된 재료가 연속해서 제거될 때까지 에칭 공정이 지속되는 시간 동안 표면(3, 3') 근처의 개질되지 않은 재료는 에칭 용액에 더 오래 노출되기 때문에, 외경(d2)과 허리 부분에 더 작은 직경(d3)을 갖는 모래시계 형상의 관통 홀(5)이 형성되었다. 이 방법에 의해 에칭 시간에 동안 허리 부분 직경(d3)이 조정될 수 있다.

그러나 에칭 시간이 긴 경우 [예를 들어 큰 허리 부분 직경(d3)만큼 달성하기 위해], 개질되지 않은 재료가 공작물(1)의 전체 표면을 따라 어택을 받는 선택도가 낮은 에칭 단계에서 재료 두께의 감소가 발생할 수 있다. 이는 도 1의 (d)에 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 도면에서 낮은 선택도를 갖는 오래 지속되는 에칭 공정 후의 공작물(1)의 두께는 낮은 선택도를 갖는 짧게 지속되는 에칭 공정 후의 공작물(1)의 두께에 비해 2Δh만큼 감소한 것이 도시된다.

허리 부분 직경(d3) 대 입구/출구 직경(d2)의 비율은 이 방법에 의해 선택도를 통해서만 조정될 수 있다. 정해진 선택도를 갖는 이러한 방법은 따라서 매우 융통성이 없다.

도 2에 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 상이한 선택도를 갖는 별도의 에칭 공정들에 의해 표면을 따른 재료 손실과 두께 감소가 최소인 모래시계 형상의 관통 홀이 형성된다. 이를 위해, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 길쭉한 복수의 개질물(2)이 먼저 공작물(1)의 재료 내로 도입된다. 개질물(2)은 각각 하나의 표면(3, 3')에서부터 소정의 깊이까지 또는 하나의 표면(3)에서부터 마주 놓인 표면(3')까지 관통해서 연장된다. 모래시계 형상의 관통 홀(5)을 생성하기 위해, 개질물(2)은 실질적으로 후속 에칭 단계에서 제거될 체적에 걸쳐 분포된다. 다른 모든 도면에서와 같이 이 도면에는 빔 전파 방향(S)을 따른 공작물(1)의 단면이 각각 도시되고, 개질물(2)은 절단 평면에 위치한다. 물론, 개질물(2)은 평면뿐만 아니라 체적으로도 분포되어 (즉, 도면의 평면 앞 및/또는 뒤에) 배치될 수 있다.

도 2의 (b)에 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 개질된 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다. 에칭 공정의 높은 선택도로 인해 개질되지 않은 재료는 어택을 받지 않았거나 약간만 어택을 받았다. 그 결과, 공작물(1) 내에 실질적으로 일정한 직경을 갖는 관통 홀(4)과 블라인드 홀(6)이 생성되었다. 제1 에칭 공정에서 제거되지 않은 개질되지 않은 재료는 관통 홀(4)과 블라인드 홀(6) 사이에 웨브(7) 형태로 남게 된다.

이들 웨브(7)는 낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서 어택을 받아 제거된다. 결과적인 공작물(1)은 도 2의 (c)에 도시되어 있다. 개질된 재료와 웨브(7)의 제거에 의해 모래시계 형상의 관통 홀(5)이 생성된다. 따라서 동일한 프로세스 내에서 상이한 직경을 갖는 모래시계 형상의 관통 홀(5)이 공작물(1) 내에 생성될 수 있는데, 그 이유는 홀의 직경은 에칭 공정의 지속 시간이 아니라 개질물(2)의 수에 의해 결정되기 때문이다. 따라서 공작물의 결과적인 두께도 달성될 직경에 의존하지 않는다.

선택적 에칭에 의해 다른 실시예에서와 같이 여기에서도 덜 선택적으로 작용하는 에칭 용액에 대한 에칭 통로가 제공된다. 그 결과, 선택도가 낮은 에칭 공정이 제1 에칭 공정에서 제거된 개질물의 전체 길이에 걸쳐 균일하게 수행될 수 있고, 먼저 공작물(1)의 표면으로부터 내측으로 "사전 작업"하지 않아도 된다. 덜 선택적으로 작용하는 용액의 작용 시간은 따라서 매우 짧아서, 두드러진 재료 손실, 특히 재료 두께의 두드러진 감소가 실행되지 않고 또는 개질된 영역 외부에서 불가피한 표면 근처의 에칭이 실행된다. 그 결과, 연달아 배치된 개질물들의 결합에 의해 명확한 리세스와 관통 홀의 생성이 가능하다. 리세스 및 관통 홀의 각도 또는 기하학적 구조과 관련하여 어떠한 제한도 없다.

도 3에 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제2 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 여기에서 길쭉한 개질물(2)은 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 작업물(1) 내에 특정 깊이까지만 이른다. 마찬가지로 공작물 내에 이 깊이까지만 이르는 인접한 추가 개질물들은 도면 평면의 전방 및/또는 후방에 제공된다. 인접한 개질물은, 바람직하게는 개별 개질물의 직경의 최대 5배의 간격으로 서로 이격될 수 있다. 도 3의 (b)에 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 개질된 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다. 에칭 공정의 높은 선택도로 인해 개질되지 않은 재료는 어택을 받지 않았거나 약간만 어택을 받았다. 그 결과, 공작물(1) 내에 실질적으로 일정한 직경을 갖는 블라인드 홀(6)이 생성되고, 이들 사이에 개질되지 않은 재료로 이루어진 (도시되지 않은) 웨브가 남게 된다.

낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서, 제1 에칭 공정에서 생성된 블라인드 홀(6)이 확장될 수 있어서, 그 사이의 웨브가 제거된다. 이로써 트렌치(8)가 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 공작물(1) 내에 생성될 수 있다. 임의의 기하학적 구조를 따라 개질물(2)을 배치함으로써, 선택도가 높은 에칭과 선택도가 낮은 에칭의 조합으로 트렌치의 임의의 기하학적 구조가 공작물 내에 형성될 수 있다.

도 4에 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제3 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 상이한 선택도를 갖는 별도의 에칭 공정들에 의해 공작물(1)의 표면(3) 중 하나에 리세스(9)가 생성된다. 이를 위해, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 길쭉한 복수의 개질물(2)이 먼저 공작물(1)의 재료 내로 도입된다. 개질물(2)은 각각 표면(3)으로부터 소정의 깊이까지 연장된다. 리세스(9)를 위한 개질물(2)은 상이한 길이를 가질 수 있거나(왼쪽 및 중간 참조) 동일한 길이를 가질 수도 있다(오른쪽 참조). 리세스(9)를 생성하기 위해, 개질물(2)은 실질적으로 후속 에칭 단계에서 제거될 체적에 걸쳐 배치된다. 다른 모든 도면에서와 같이 이 도면에는 공작물(1)의 단면이 각각 도시되고, 개질물(2)은 절단 평면에 위치한다. 물론, 개질물(2)은 평면뿐만 아니라 체적으로도 분포되어 배치될 수 있다.

도 4의 (b)에 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 개질된 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다. 에칭 공정의 높은 선택도로 인해 개질되지 않은 재료는 어택을 받지 않았거나 약간만 어택을 받았다. 그 결과, 공작물(1) 내에 실질적으로 일정한 직경을 갖는 블라인드 홀(6)이 생성되었다. 제1 에칭 공정에서 제거되지 않은 개질되지 않은 재료는 블라인드 홀(6) 사이에 웨브(7) 형태로 남게 된다.

이들 웨브(7)는 낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서 어택을 받아 제거된다. 결과적인 공작물(1)은 도 4의 (c)에 도시되어 있다. 개질된 재료와 웨브(7)의 제거에 의해 리세스(9)가 생성되었다[도시된 예에서 삼각형(좌측 및 중앙) 또는 직사각형(우측) 횡단면, 즉 원추형 및 직육면체형]. 따라서 상이한 형상을 갖는 리세스(9)가 동일한 프로세스 내에서 공작물(1) 내에 생성될 수 있다.

도 5에 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제4 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 상이한 선택도를 갖는 별도의 에칭 공정들에 의해 공작물(1)을 통과하는 일정한 직경을 갖는 관통 홀(4)이 생성된다. 이를 위해, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 길쭉한 개질물(2)이 먼저 공작물(1)의 재료 내로 도입된다. 개질물(2)은 하나의 표면(3)으로부터 마주 놓인 표면(3')까지 관통해서 연장된다.

도 5의 (b)에 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 개질된 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다. 에칭 공정의 높은 선택도로 인해 개질되지 않은 재료는 어택을 받지 않았거나 약간만 어택을 받았다. 그 결과, 공작물(1) 내에 실질적으로 일정한 직경(개질물의 직경에 상응함, 예를 들어 500 ㎚ 미만)을 갖는 관통 홀(6)이 생성되었다.

낮은 선택도를 갖는 후속하는 제2 에칭 공정에서, 관통 홀(4)의 직경은 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 소정의 직경까지 커진다. 제2 에칭 공정에서 에칭 용액이 처음부터 공작물(1)의 전체 두께에 걸쳐 어택할 수 있음으로써, 관통 홀(4)은 그 길이에 걸쳐 균일하게 확장된다. 관통 홀(4)의 확장은 낮은 선택도를 갖는 에칭 용액의 시간적 어택에 의해 결정될 수 있다. 여기에서 에칭 어택이 너무 길면 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 재료 두께가 감소할 수도 있다.

일정한 직경을 갖는 관통 홀(4)을 형성할 수 있는 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예가 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예는 재료의 과도한 손실 없이, 따라서 공작물(1)의 두께의 과도한 감소 없이 관통 홀(4)의 직경과 관련하여 더 큰 융통성을 제공한다. 이를 위해, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 길쭉한 복수의 개질물(2)이 먼저 공작물(1)의 재료 내로 도입된다. 개질물(2) 각각은 하나의 표면(3)에서부터 마주 놓인 표면(3')까지 관통해서 연장된다. 관통 홀(4)을 생성하기 위해, 후속 에칭 단계에서 제거될 체적에 걸쳐 실질적으로 개질물(2)이 배치된다. 다른 모든 도면에서와 같이 이 도면에는 공작물(1)의 단면이 각각 도시되고, 개질물(2)은 절단 평면에 위치한다. 물론, 개질물(2)이 평면뿐만 아니라 체적으로도 분포되어 배치될 수 있다.

도 6의 (b)에 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 개질된 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다. 에칭 공정의 높은 선택도로 인해 개질되지 않은 재료는 어택을 받지 않았거나 약간만 어택을 받았다. 그 결과, 공작물(1) 내에 실질적으로 일정한 직경(예를 들어 개질물의 직경에 상응함, 예를 들어 500 ㎚ 미만, 유리에서는 종종 약 1 ㎛)을 갖는 관통 홀(4)이 생성되었다. 제1 에칭 공정에서 제거되지 않은 개질되지 않은 재료는 관통 홀들(4) 사이에 웨브(7) 형태로 남게 된다.

이들 웨브(7)는 낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서 어택을 받아 제거된다. 결과적인 공작물(1)이 도 6의 (c)에 도시되어 있다. 개질된 재료와 웨브(7)의 제거에 의해 일정한 직경을 갖는 관통 홀(4)이 생성되었다. 따라서 동일한 프로세스 내에서 상이한 직경을 갖는 한 복수의 관통 홀(4)이 공작물(1) 내에 생성될 수 있는데, 그 이유는 홀의 직경은 에칭 공정의 지속 시간이 아니라 개질물(2)의 수에 의해 결정되기 때문이다. 따라서 공작물의 결과적인 두께도 달성될 직경에 의존하지 않는다.

본 발명에 따른 방법으로 제조된 공작물의 개략도가 도 7에 도시되어 있다. 예를 들어, 길이에 걸쳐 일정한 직경을 갖는 복수의 관통 홀(4)이 유리 또는 사파이어로 이루어진 공작물(1)에 삽입되었다. 복수의 관통 홀(4)이 있는 평면 A에서 공작물(1)의 횡단면이 도 7의 (a)에 도시되어 있다. 관통 홀들이 공작물(1)의 하나의 표면(3)에서부터 마주 놓인 표면(3')으로 연장되는 것을 볼 수 있다. 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 단계와 낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 단계를 포함하는 본 발명에 따른 방법에 의해, 임의의 그리고 그럼에도 그 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 직경을 갖는 관통 홀들이 생성될 수 있다. 공작물(1)의 평면도가 도 7의 (b)에 도시되어 있다. 여기서, 공작물(1)은 평면 A에 뿐만 아니라, 평면 A에 대해 평행한 평면에도 관통 홀(4)을 가질 수 있음을 알 수 있다. 관통 홀들(4)의 간격, 개수, 배치 및 직경은 임의로 설정될 수 있다. 이러한 공작물은 예를 들어 나노시브 또는 마이크로시브로서 사용할 수 있다. 다른 도면들에서와 같이 이 도면에서 공작물(1)의 치수는 정확한 축척이 아니다. 특히, 공작물은 길이 및 너비와 같은 기타 치수보다 훨씬 작은 두께를 가질 수 있다.

도 8에 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제6 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 방법은 여기에서 공작물(1)의 평면도에 기초해서 설명된다. 이 실시예에서, 공작물(1)의 일부는 상이한 선택도를 갖는 별도의 에칭 공정들에 의해 공작물의 나머지로부터 분리된다. 이를 위해, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 길쭉한 복수의 개질물(2)이 먼저 공작물(1)의 재료 내로 도입된다. 개질물(2)은 하나의 표면(3)에서부터 마주 놓인 표면(3')까지 관통해서 연장된다. 개질물(2)은 여기서 원으로 도시된 윤곽(10)을 따라 배치된다. 도 8의 (b), 도 8의 (c) 및 도 8의 (d)에 부분 D가 확대되어 도시된다.

도 8의 (b)에 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 개질된 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 부분적으로 도시되어 있다. 에칭 공정의 높은 선택도로 인해 개질되지 않은 재료는 어택을 받지 않았거나 약간만 어택을 받았다. 그 결과, 공작물(1) 내에 관통 홀(4)이 형성된다. 제1 에칭 공정에서 제거되지 않은 개질되지 않은 재료는 관통 홀들(4) 사이에 웨브(7) 형태로 남게 된다.

이들 웨브(7)는 낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서 어택을 받아 도 8의 (c)에 부분적으로 도시된 바와 같이 제거된다. 제2 에칭 공정의 지속 시간에 따라, 이로 인해 공작물(1)의 분리될 부분과 공작물(1)의 나머지 사이에 생기는 갭(11)의 폭이 조정될 수 있다. 낮은 선택도를 갖는 에칭 공정 중에는 제1 에칭 공정에서 생성되는 관통 홀(4)의 직경도 커지는 것이 일반적이다. 이것은 본 개략도에 도시되지 않는다. 또한, 예를 들어 각각 2개의 개질물 사이의 간격에 따라, 개질된 재료의 에칭 동안 이러한 개질물 사이에 미세 균열이 생길 수도 있으며, 이로 인해 낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정이 윤곽(10)을 따라 진행된다. 도 8의 (d)에는 도 8의 (c)에서보다 제2 에칭 공정의 더 긴 작용 시간 이후의 공작물(1)이 부분적으로 도시된다. 제1 에칭 공정에서 생성된 관통 홀(4)은 처음부터 공작물(1)의 전체 두께에 걸쳐 작용할 수 있는, 제2 에칭 공정의 에칭 용액에 대한 통로로써 이용되므로, 갭(11)은 공작물(1)의 두께에 걸쳐 실질적으로 직선 형태를 갖게 된다.

분리된 부분의 제거 후의 공작물(1)이 도 8의 (e)에 도시되어 있다. 따라서, 본 방법은 공작물의 부분들이 그것의 내부로부터 분리하는 것 또는 박리하는 것도 가능하게 한다.

도 9에 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제7 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 공작물(1)은 라운드된 에지(12)를 갖는 2개의 부분으로 분할된다. 이를 위해, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 길쭉한 복수의 개질물(2)이 먼저 공작물(1)의 전체 두께에 걸쳐 공작물(1)의 재료 내로 도입된다. 도 9의 (a)에는 하나의 개질물(2)만이 도시되어 있고, 다른 개질물들은 도면의 평면에 대해 평행한 평면에 인접하게 배치된다. 인접한 개질물들은 도 3과 관련하여 전술한 바와 같이, 중첩 또는 비중첩 방식으로 형성될 수 있다. 실시예에서 개질물은 대략 1 ㎛의 직경과 적어도 1 ㎛의 간격을 가지므로, 인접한 개질물은 중첩되지 않고, 기껏해야 겨우 접촉한다.

도 9의 (b)에 낮은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 개질된 재료 (부분적으로) 및 개질되지 않은 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다. 그 결과, 트렌치(8) 또는 (제1 에칭 공정의 지속 시간과 개질물들의 간격에 따라) 개질물(2)의 열을 따라 양쪽 표면(3, 3')에 깔때기 형상의 홈들의 배열이 생긴다. 낮은 선택도를 갖는 에칭 공정에서도 바람직하게는 개질된 재료가 어택을 받기 때문에, 트렌치(8)가 개질물(2)의 열을 따라 연장된다. 인접한 개질물이 중첩되지 않는 (즉, 서로 이격됨) 경우, 추가 실시예(도시되지 않음)에서 연속하는 추가 개질물이, 예를 들어 에지의 소정의 라운딩의 깊이에 걸쳐서만 공작물의 재료 내에 이르는 윤곽을 따라 추가로 도입될 수 있다.

높은 선택도를 갖는 후속하는 제2 에칭 공정에서 개질된 재료만이 (대부분) 제거되므로, 공작물의 2개의 부분은 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 서로 분리될 수 있다. 이제 트렌치(8)의 라운드 벽은 각각 공작물(1)의 2개의 부분의 라운드된 에지(12)를 형성한다.

깔때기 형상의 홈이 개질물 주위에 생성되는 낮은 선택도를 갖는 에칭 공정이 전술한 대응하는 본 발명에 따른 방법에 선행됨으로써, 도시되지 않은 실시예에서 도 9의 방법에 대응하는 본 발명에 따른 방법에 의해 관통 홀 및 블라인드 홀의 개구 또는 트렌치의 에지의 라운딩도 달성될 수 있다.

에지는 낮은 선택도를 갖는 다른 짧은 에칭 공정에 의해 추가로 직선 처리되어 연마될 수 있다.

도 10에 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제8 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서 공작물(1)은 2개의 부분으로 분할된다. 이를 위해, 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 길쭉한 복수의 개질물(2)이 먼저 공작물(1)을 통해 공작물(1)의 전체 두께에 걸쳐 공작물(1)의 재료에 사선으로 도입된다. 도 10의 (a)에는 하나의 개질물(2)만이 도시되어 있고, 다른 개질물은 도면의 평면에 대해 평행한 평면에 인접하게 배치된다. 인접한 개질물들은 도 3과 관련하여 전술한 바와 같이 중첩 또는 비중첩 방식으로 형성될 수 있다. 실시예에서, 개질물들은 대략 1 ㎛의 직경과 적어도 1 ㎛의 간격을 가지므로, 인접한 개질물은 중첩되지 않고, 기껏해야 겨우 접촉한다. 길쭉한 개질물(2) 각각은 공작물(1)의 표면(3)에 (예컨대 길쭉한 초점 영역을 갖는 베셀 빔의) 사선으로 입사하며 세로 방향으로 확장되는 강도 프로파일을 갖는 레이저 빔에 의해 또는 복수의 개질물이 계단 형상으로 연속함으로써 생성될 수 있다. 후자는 특히 더 큰 각도에서 바람직할 수 있다.

계단 형상으로 연속하는 복수의 개질물은 공작물(1)의 표면(3)과 상이한 거리에 있는 짧은 초점 영역을 갖는 베셀 빔에 의해 [또는 상응하게 공작물(1)의 표면(3)과 상이한 거리에 있는 초점을 갖는 가우시안 빔에 의해] 차례로 생성될 수 있다. 초점 영역과 공작물의 표면 사이의 상이한 거리는 예를 들어 레이저와 공작물 사이의 간격의 조정에 의해 또는 레이저 빔의 상이한 빔 형성(beam formation)에 의해 달성될 수 있다. 빔 형성에 의해, 예를 들어 빔 방향에 대해 수직인 방향으로 확장부를 갖도록 형성되는 소위 멀티스팟 레이저 빔에 의해서도 계단 형상으로 연속하는 복수의 개질물이 생성될 수 있고, 이 경우 포커스 위치는 빔 방향에 대해 수직인 방향을 따라 변한다. 이러한 빔은 각각 상이한 초점 위치를 가진 복수의 평행 빔으로 간주될 수도 있다. 도 10의 (a)에서 명시된 빔 방향(S)은 베셀 빔이 적용된 변형예에 해당한다.

도 10의 (b)에 높은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 개질된 재료가 에칭 용액에 의해 어택을 받아 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다. 에칭 공정의 높은 선택도로 인해 개질되지 않은 재료는 어택을 받지 않았거나 약간만 어택을 받았다. 그 결과, 공작물(1) 내에 관통 홀(4)이 형성된다. 관통 홀들(4) 사이에 제1 에칭 과정에서 제거되지 않은 개질되지 않은 재료가 (도시되지 않은) 웨브 형태로 남게 된다.

이들 웨브는 낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서 어택을 받아 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이 제거된다. 그 결과, 공작물(1)은 2개의 부분(1', 1")으로 분할된다. 낮은 선택도를 갖는 에칭 공정 동안 제1 에칭 공정에서 생성된 관통 홀(4)이 커지고 그 사이의 웨브가 제거된다. 또한, 예를 들어 각각 2개의 개질물 사이의 간격에 따라, 재료의 개질 동안 이들 개질물 사이에 미세 균열이 생길 수 있으며, 이로 인해 낮은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정이 바람직하게는 웨브를 통해 진행된다.

도 10의 (d)에 분리된 부분(1")이 제거된 후의 공작물(1)이 도시된다.

도 11에 레이저 에칭을 위한 본 발명에 따른 방법의 제9 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 프로세스- 및/또는 재료 파라미터에 따라 상이한 재료 개질물이 발생할 수 있다. 공작물의 두께에 걸쳐 연속해서 개질된 영역들이 가능하지 않거나 바람직하지 않은 경우, 선택적으로 연속 에칭이 수행될 수 없다. 예를 들어, 원형의 또는 긴 재료 개질물은 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 빔 전파 방향으로 사슬처럼 배치될 수 있다(세로 방향 멀티스팟). 특히 개질 시 응력이 가능한 한 낮아야 하는 경우, 길쭉한 연속 개질물보다 멀티스팟 개질물이 바람직할 수 있다.

이러한 경우에 그럼에도 불구하고 특히 가능한 한 일정한 직경을 갖는 공작물(1)을 통과하는 관통 홀(4)을 생성할 수 있기 위해, 높은 선택도를 갖는 에칭 공정과 낮은 선택도를 갖는 에칭 공정이 여러 번 교대될 수 있다. 높은 선택도를 갖는 에칭 공정 동안, 에칭 용액에 대해 외부에서 접근 가능한 개질된 재료는 제거된다[도 11의 (b) 및 도 11의 (d) 참조]. 에칭 공정의 높은 선택도로 인해 개질되지 않은 재료는 어택을 받지 않거나 약간만 어택을 받았다. 이로 인해 직경의 원치 않는 확장이 가능한 한 방지될 수 있다.

낮은 선택도를 갖는 에칭 공정 동안, 개질되지 않은 재료도 제거되므로, 개질된 재료는 이후에 다시 접근 가능하다[도 11의 (c) 및 도 11의 (e) 참조]. 높은 선택도를 갖는 다음 에칭 공정에서 에칭 용액에 대해 접근 가능한 개질된 재료가 다시 제거된다. 높은 선택도와 낮은 선택도를 갖는 에칭 공정을 여러 번 교대한 후에, 도 11의 (f)에 도시된 바와 같이, 공작물(1)을 통과하는 관통 홀(4)이 생긴다.

이러한 교차 에칭, 즉 높은 선택도와 낮은 선택도를 갖는 교대하는 에칭 공정들에 의해, 개질물이 길이 방향으로 완전히 균질 형성되지 않더라도, 관통 홀과 블라인드 홀이 소정의 길이를 갖는 것이 보장될 수 있다.

여기에 제시된 방법으로 수백 나노미터 내지 수 밀리미터의 관통 홀 및 리세스의 임의의 직경이 형성될 수 있다. 낮은 선택도를 갖는 에칭에 의한 재료 손실이 최소로 유지될 수 있기 때문에, 달성 가능한 치수는 공작물의 재료 두께에 의존하지 않는다.

도 12에 도시된 레이저 가공 시스템(21)에서 예를 들어 공작물(1)의 재료를 개질하기 위해 광학계(31)가 사용될 수 있다. 레이저 가공 시스템(21)은 캐리어 시스템(23)과 공작물 보관 유닛(25)을 갖는다. 캐리어 시스템(23)은 공작물 보관 유닛(25)에 위에 걸쳐 있고, 도 12에서 예를 들어 캐리어 시스템(23)의 상부 크로스 캐리어(23A)에 통합된 레이저 시스템을 지니고 있다. 또한, 광학계(31)는 X 방향으로 이동할 수 있도록 크로스 캐리어(23A)에 부착되므로, 2개의 부품은 서로 근접하게 배치된다. 대안적인 실시예에서, 예를 들어 레이저 시스템이 별도의 외부 유닛으로서 제공될 수 있고, 상기 시스템의 레이저 빔은 광 가이드 섬유를 이용해서 또는 자유 빔으로서 광학계(31)로 안내된다.

공작물 보관 유닛(25)은 X-Y 평면에 이르는 공작물(1), 예를 들어 유리 플레이트 또는 사용된 레이저 파장에 대해 대체로 투과성인, 예를 들어 사파이어 또는 실리콘과 같은 세라믹 또는 결정질 처리의 판유리를 가지고 있다. 공작물 보관 유닛(25)은 캐리어 시스템(23)에 대해 Y 방향으로 공작물의 이동을 허용하므로, 광학계(31)의 이동성과 조합하여 X-Y 평면에서 연장되는 가공 영역이 이용 가능하다.

도 12에 따르면, 공작물에 대한 간격을 조정할 수 있도록 하기 위해, 예를 들어 광학계(31) 또는 크로스 캐리어(23A)의 Z 방향 변위 가능성이 제공된다. Z 방향으로 진행되는 개질을 위해 레이저 빔은 일반적으로 Z 방향 (즉, 법선)으로도 공작물로 조준된다. 그러나 붐 장치(27) 및 추가 회전축(29)에 의해 도 12에 예시적으로 도시된 바와 같이, 추가 가공축이 제공될 수 있다. 따라서 붐 장치(27)는 도 12에 따른 실시예에서 선택 사항이다. 또한, 예를 들어 공작물이나 광학계가 가속되지 않고 오히려 더 작고 적절하게 설계된 부품들이 가속됨으로써, 더 높은 동역학을 위한 여분의 추가축이 제공될 수 있다.

레이저 가공 시스템(21)은 또한 명시적으로 도시되지 않은 제어부를 가지며, 상기 제어부는 예를 들어 캐리어 시스템(23)에 통합되고 특히 사용자에 의한 작동 파라미터의 입력을 위한 인터페이스를 갖는다. 일반적으로 제어부는, 예를 들어 펌프 레이저 출력, 냉각 출력, 레이저 시스템 및/또는 공작물 홀더의 방향과 속도, 광학 소자의 (예를 들어 SLM의) 설정을 위한 전기적 파라미터 및 광학 소자의 (예를 들어 상기 소자의 회전을 위한) 공간적 방향 설정과 같은 해당하는 작동 파라미터에 의해 레이저 가공 시스템(21)의 전기, 기계 및 광학 부품을 제어하기 위한 소자들을 포함한다.

다양한 자유도를 갖는 레이저 가공 시스템을 위한 추가 장치는 예를 들어 EP 1 688 807 A1호에 개시되어 있다. 일반적으로 소형 공작물의 경우에는 주로 공작물만이 이동되고 다소 큰 공작물의 경우에는 레이저 빔만 또는 - 도 12에서와 같이 - 공작물과 레이저 빔이 이동한다. 또한 하나의 레이저 시스템에 의해 2개 이상의 광학계와 초점 영역이 제공될 수 있다.

레이저 가공 시스템에 의해 생성된 재료 내의 개질물은 선택적 레이저 에칭을 위해 사용될 수 있다. 따라서 개질물의 기하학적 구조와 유형을 적절하게 제어할 수 있는 것이 중요하다. 레이저 파장, 시간적인 펄스 형태, 펄스의 수, 에너지 및 단일 개질물을 생성하는 펄스 그룹 및 펄스 에너지 또는 펄스 그룹 에너지에서 펄스의 시간 간격과 같은 파라미터 외에도 빔 형상이 결정적인 역할을 한다.

특히, 길쭉한 체적 개질물은 하나의 가공 단계에서 빔 전파 방향으로 길쭉한 체적 영역에 걸친 가공을 가능하게 한다. 특히, 한 위치에서 이송 방향으로 넓은 범위에 걸친 가공은 하나의 개질 가공 단계만으로 수행될 수 있다.

또한, 길쭉한 초점 영역을 따라 실질적으로 동일한 레이저 가공 조건이 주어지기 때문에, 길쭉한 초점 영역은 평평하지 않은 재료들의 가공 시 유용할 수 있으므로, 이러한 실시예에서 전파 방향으로 해당 교정은 불필요할 수 있거나 가공할 재료의 위치가 길쭉한 초점 영역으로부터 크게 벗어나기 시작할 때에만 (필요한 가공-/침투 깊이를 고려하여) 필요할 수 있다.

길쭉한 체적 흡수를 이용해서 투과성 재료의 가공에 대해, 흡수가 수행되는 즉시, 이 흡수 자체 또는 재료 특성의 결과적인 변화가 레이저 빔의 전파에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 일반적으로 적용된다. 따라서, 공작물 내에 더 깊게, 즉 빔 전파 방향으로 빔 아래쪽으로 개질을 야기할 빔 부분들이 실질적으로 상당한 흡수의 영역을 통해 안내되지 않는 경우, 바람직하다.

다시 말해서, 개질을 위해 더 빔 아래쪽에서 이용되는 빔 부분을 상호 작용 영역의 각도로 공급하는 것이 바람직하다. 이에 대한 예는 링형의 원거리 분포가 존재하는 준 베셀 빔이며, 상기 분포의 링 너비는 일반적으로 반경에 비해 작다. 상호 작용 영역의 빔 부분들은 이 경우 실질적으로 이러한 각도로 회전 대칭으로 공급된다. 역 준 베셀 빔에 대해 또는 균질화된 또는 개질된 역 준 베셀 빔과 같은 상기 빔의 수정 및 보완에 대해서도 동일하게 적용된다. 또 다른 예는 역 가속된 "준 에어리 빔 모양(quasi-Airy-ray-like)"의 빔이고, 상기 빔에서 개질물의 빔 부분은 오프셋 각도로 공급되며, 이는 - 순수한 준 베셀 빔에서처럼 회전 대칭이 아니라 - 예를 들어 만곡된 역 준 베셀 빔에서처럼, 만곡된 개질 영역에 명확히 접선 방향으로 이루어진다.

또한, 원하는 체적 영역에서만 비선형 흡수에 대한 임계값을 눈에 띄게 초과하는 것과, 한편으로는 원하는 응용예에 적합하도록 및 다른 한편으로는 더 빔 아래쪽으로 위치한 체적 영역으로 전파에도 결정적으로 방해가 되지 않도록, 이러한 체적 영역의 기하학적 구조를 선택하는 것이 권장된다. 예를 들어, 아포다이즈된 베셀 빔 프로파일의 제2 최대값을 비선형 흡수에 필요한 임계 강도 아래로 유지하는 것이 바람직할 수 있다.

공급 방향으로 연속하는 개질물을 고려하여 개질된 체적의 기하학적 구조는, 복수의 개질물을 공급 방향으로 정렬 시 이전에 도입된 개질물이 후속 개질물의 형성에 미치는 영향이 미미하도록 선택될 수 있다.

신속한 가공을 위해 단일 레이저 펄스/ 하나의 레이저 펄스 그룹만으로 단일 개질물을 생성할 수 있으므로, 이러한 경우에 공작물 상의 위치에 한 번만 접근한다.

초단 펄스 레이저는 상응하는 길이의 상호 작용 영역에서 충분히 강한 재료 개질을 일으킬 수 있는 강도(출력 밀도)의 제공을 가능하게 할 수 있다. 개질의 기하학적 확장은, 비선형 흡수에 의해 길게 확장된 높은 자유 전자 밀도가 재료 내에 생기도록 빔 형성에 의해 결정된다. 에너지는 더 깊은 영역에 측방향으로 공급되므로, 가우시안 포커싱보다 앞선 플라즈마의 상호 작용에 의해 차폐 효과가 저지된다. 예를 들어, 세로 방향으로 균일하게 확장된 전자 밀도 또는 공간적으로 고주파 변조된 전자 밀도가 생성될 수 있다.

해당 강도에서 충분히 높은 자유 전자 밀도를 갖는 영역에 재료의 폭발성 팽창이 발생할 수 있으며, 이 경우 생기는 충격파는 나노 유효 범위의 홀(나노 보이드; Nanovoid)을 생성할 수 있다. 개질물(개질 영역)의 다른 예들은 굴절률 변동, 압축 및/또는 인장 응력 유도 영역, 미세결정 및 국부적 화학량론 변화이다.

개질물의 기하학적 구조는 주로 빔 형성에 의해 결정된다 [그리고 예를 들어 필라멘테이션(filamentation)과 같은 비선형 전파에 의해 결정되지 않는다]. 공간 구배의 형성은 광학계에 의해 수행될 수 있고, 시간 구배는 펄스 트레인 또는 펄스 성형에 의해 생성될 수 있다.

일반적으로 빔 형상의 강도 분포는 시스템의 이미징 비율, 특히 이미징 시스템의 근거리 광학 수단의 초점 거리와 개구수에 의해 조정될 수 있다. 추가 렌즈의 사용과 빔 형성 부재 및/또는 원거리 광학 수단의 변위로부터 조정을 위한 가능성이 생긴다. 이로 인해 공작물에서 빔 프로파일의 측방향 및 세로 방향 확장이 영향을 받을 수 있다. 또한, 빔을 준비하기 위해, 빔 형성을 위한 빔 경로에 공간 필터와 다이어프램이 사용될 수 있다.

본 개시 내용의 범위에서 사용될 수 있는 길쭉한 포커스 영역과 광학계의 파라미터 및 예를 들어, 초단 펄스 레이저 시스템에 대한 예시적인 레이저빔 파라미터는 다음과 같다:

펄스 에너지 Ep: 1 μJ 내지 10 mJ(예를 들어 20 μJ 내지 1000 μJ),

펄스 그룹의 에너지 E_g: 1 μJ 내지 10 mJ

파장 범위: IR, VIS, UV(예를 들어 2 ㎛ > λ> 200 ㎚; 예를 들어 1550 ㎚, 1064 ㎚, 1030 ㎚, 515 ㎚, 343 ㎚)

펄스 지속 시간(FWHM): 10 fs 내지 50 ns(예를 들어 200 fs 내지 20 ns)

작용 지속 시간(이송 속도에 따라 다름): 100 ns 미만(예컨대 5ps - 15 ns)

듀티 사이클(레이저 펄스/펄스 그룹의 반복 시간에 대한 작용 지속 시간): 5% 이하, 예를 들어 1% 이하

광학계에 입사 시 원시빔 직경 D(1/e²): 예를 들어 1 ㎜ 내지 25 ㎜ 범위

근거리 광학 수단의 초점 거리: 3 ㎜ 내지 100 ㎜(예컨대 10 ㎜ 내지 20 ㎜)

근거리 광학 수단의 개구수 NA: 0.15 ≤ NA ≤ 0.5

재료 내의 빔 프로파일의 길이: 20 ㎛ 초과

가능한 짧은 방향에서 재료 내의 빔 프로파일의 최대 측방향 확장: 20λ 미만

종횡비: 20 초과

전파 방향으로 변조: 초점 영역에 걸쳐 주기 10 초과

예를 들어 분리 이용을 위해 인접한 2개의 개질물 사이의 이송 속도 d_v: 100 ㎚ < d_v < 10 * 이송 방향의 측방향 확장

작용 지속 시간 동안 이송률: 예컨대 이송 방향으로 측방향 확장의 5% 미만

펄스 지속 시간은 레이저 펄스에 관련되고, 작용 지속 시간은 예를 들어 한 그룹의 레이저 펄스가 재료와 상호 작용하여 한 위치에서 단일 개질물을 형성하는 시간 범위와 관련된다. 현재 이송 속도에 대해 작용 지속 시간이 짧기 때문에, 한 그룹의 모든 레이저 펄스가 한 위치에서 개질에 기여한다.

초점 영역이 길기보다는 공작물이 얇은 경우, 초점 영역이 부분적으로 공작물 외부에 있으므로, 초점 영역보다 짧은 개질물이 생성될 수 있다. 이러한 상황은, 광학 수단과 공작물 사이의 간격이 변하는 경우에도 가공 프로세스를 견고하게 설계하기 위해 바람직하게 사용될 수 있다. 일부 실시예에서 전체 공작물을 통해 퍼지는 개질물이 바람직할 수 있다. 특히, 초점 영역의 길이 및/또는 공작물 내 상기 초점의 위치가 조정될 수 있다. 일반적으로, 비선형 흡수에 대한 상이한 임계값으로 인해 동일한 강도를 가정한 초점 영역이 다양한 재료에서 서로 다른 크기의 개질물을 야기할 것이라 점에 주목해야 한다.

종횡비는 가공할 재료의 (초점 영역의) 빔 프로파일의 기하학적 구조 및 빔 프로파일에 의해 생성된 개질물의 기하학적 구조와 관련된다. 비대칭이거나 측방향으로 변조된 (예컨대 회전 대칭이 아니거나 링형이 아닌) 빔 프로파일의 경우 종횡비는 최단 방향으로 이러한 길이 범위 내에서 발생하는 최대 측방향 확장에 대한 개질물 길이의 비율에 의해 결정된다. 예를 들어 링형 빔 프로파일에서 빔 프로파일에 측방향 변조가 있는 경우, 종횡비는 링형 빔 프로파일, 즉 예를 들어 링 두께에서 최대 너비와 관련된다. 측방향으로 이격된 복수의 개질물 체적의 형성 시, 종횡비는 단일 개질물의 측방향 확장과 관련된다. (예컨대 간섭으로 인해) 전파 방향으로 변조된 빔 프로파일의 경우 종횡비는 포괄적인 전체 길이와 관련된다.

특히 근거리 광학 수단의 초점 거리 f_N보다 큰 빔 형성 부재와 포커싱 렌즈(근거리 광학 수단) 사이의 간격 d 및 공기에 대한 근거리 광학 수단의 NA > 0.15에 기초해서, 빔 형성 부재의 사용된 각도 스펙트럼 α는 tan(α) <f^*NA/d < NA/2, 바람직하게는 tan(α)> f^*NA/(d^*4)일 수 있다.

적용 가능한 한, 예시적인 실시예에 설명된 모든 개별 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 서로 조합 및/또는 교환될 수 있다.

1 : 공작물 2 : 변조물
3, 3" : 표면 4 : 관통 홀
5 : 모래시계 형상의 관통 홀 6 : 블라인드 홀
7 : 웨브 8 : 트렌치
9 : 리세스 10 : 윤곽
11 : 갭 12 : 라운드된 에지
21 : 레이저 가공 시스템 23 : 캐리어 시스템
23A : 크로스 캐리어 25 : 공작물 보관 유닛
27 : 붐 장치 29 : 회전축
31 : 광학계

Claims

공작물(1)을 가공하기 위한 방법으로서,
- 레이저 방사선을 이용해서 인접한 복수의 개질물(2)을 공작물(1)의 재료 내로 도입하는 단계,
- 레이저 방사선에 의해 개질된 재료를 대부분 제거하기 위해, 제1 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에서 공작물(1)의 재료를 에칭하는 단계, 및
- 제1 에칭 공정의 완료 후에, 제거된 개질된 재료 사이에 남아 있는 웨브를 제거하기 위해, 제1 선택도와 다른 제2 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에서 공작물(1)의 재료를 에칭하는 단계
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 제1 에칭 공정 및 제2 에칭 공정은 에칭 용액의 화학 조성, 온도 및/또는 농도 및/또는 초음파 배스에 도입되는 초음파 출력에서 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 선택도와 제2 선택도는 적어도 팩터 2, 바람직하게는 팩터 100, 더 바람직하게는 팩터 10,000만큼 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 선택도는 제2 선택도보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 공작물(1)의 재료 내로 도입되는 개질물(2) 중 적어도 일부는 상이한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서, 개질물(2)은 레이저 방사선의 전파 방향으로 상이한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 개질물(2)이 윤곽을 따라 연속해서 공작물(1)의 재료 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 각각의 개질물은 공작물(1)의 두께에 걸쳐 연장되고, 윤곽은 닫혀 있고, 제1 및 제2 에칭 공정에서 에칭은 윤곽으로 둘러싸인 재료의 영역을 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 선택도는 제2 선택도보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 공작물(1)의 2개의 부분은 높은 선택도를 갖는 제2 에칭 공정에 의해 서로 분리되고, 낮은 선택도를 갖는 제1 에칭 공정에 의해 제2 에칭 공정에서 생기는 분리 에지의 라운딩이 야기되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 에칭 공정에서 재료의 에칭의 완료 후에, 각각 상이한 선택도를 갖는 하나 이상의 추가 에칭 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 공작물(1)의 재료는 레이저 방사선의 파장에 대해 투과성인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 개질물(2)이 초단 레이저 펄스에 의해 공작물(1)의 재료 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 생성된, 길쭉한 복수의 홀을 갖는 공작물(1).