Active Q-switched Nd:YAG 레이저를 이용한 레이저 미세가공에 대한 연구 = A Study on the laser micro-machining using the active Q-switched Nd:YAG laser

국문 초록 (Abstract)

초소형 박막 소자는 lithography, etching, cleaning 등과 같은 단위공정을 도입하여 증착된 박막을 수~수십 ㎛의 분해능으로 미세 patterning하여 제작한다. 뿐만 아니라 FM(ferromagnetic)/M(metal)/FM(ferromagnetic)과 같은 다층박막의 경우, 각 layer 마다 위에서 언급한 단위공정들을 반복해서 수행해야 한다. 그러나 레이저 미세가공(micro- machining) 기술을 이용하는 경우, FM/M/FM의 다층박막을 한번의 공정으로 patterning을 할 수 있기 때문에 소자 제작에 있어서 공정을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 스퍼터링 방법으로 FM/M/FM의 다층박막을 증착한 다음, 레이저 미세가공 기술을 이용하여 초소형 박막 소자를 제작할 수 있는 선폭이 20㎛인 line patterning을 수행함으로써 레이저에 의한 새로운 patterning 기술을 확보하였다.
본 연구에서는 가공부위에 대한 열확산 효과를 줄이고 펄스폭이 짧은 고출력의 레이저 빔을 얻기 위하여 TEM_00 모드로 발진하는 CW Nd:YAG 레이저의 공진기에 EO(electro optic) modulator를 삽입하여 최대 반복율이 5 kHz가 되도륵 active Q-switching 하였다. Active Q-switched Nd:YAG 레이저의 펄스폭은 ~200 ns이며 peak power는 ~25 kW까지의 출력을 얻을 수 있었다. 다층박막에 대한 가공조건을 최적화하기 위하여 에너지를 I~5 mJ/pulse(반복율을 5 kHz로 동작)까지 변화시키며modulator(빔 확대기, aperture, pin-hole 등)를 사용하여 레이저 빔의 quality를 개선하였다. Active Q-switched Nd:YAG 레이저 펄스를 배율이 10 배인 빔 확대기를 사용하여 레이저 빔의 spot 크기를 확대하였다. 빔 단절기(beam splitter)와 프리즘을 사용하여 x-y stage 위에 놓여있는 가공물질에 레이저빔을 정렬한 다음 초점거리가 5 cm인 볼록렌즈로 집속시켰다. 집속된 레이저 빔의 spot 크기는 직경이5-10 ㎛, 펄스 당 에너지는 -5 mJ이다.
레이저 빔과 실리콘이나 금속과 같은 물질들 사이의 상호작용에 있어서 레이저 빔의 강도가 ~5.0×10^(10) W/㎠ 정도 이상이 되면 레이저 빔은 금속이나 실리콘과 같은 가공물질을 녹이기보다 가공물질의 표면에 플라즈마를 형성하여 가공물질을 기화시키는 현상이 주된 현상으로 일어나게 된다. 실리콘의 기화 잠열(Co, Nb, Zr과 거의 비슷함) 1.06×10^(7) J/kg으로 Mo이나 Ta보다는 낮지만 다른 금속보다는 대부분 높다 본 실험에서 사용한 레이저 빔의 pewer 밀도 영역은 1.0×10^(11)~1.0×10^(12) W/㎠ 으로 실리콘이나 금속에 대한 기화 잠열을 고려해 볼 때, 시료의 표면이 용융(melting)보다 기화현상이 주된 상호작용으로 작용하게 됨으로 Q-switching을 하지 않은 CW 레이저를 사용하여 line patterning을 한경우보다 가공부위가 훨씬 정교하게 된다.