Win Tech - 대면적 반도체/디스플레이 레이저 미세 가공 기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 김경한 선임연구원
한국기계연구원 광응용기계연구실
레이저 광원을 활용한 물질의 제거, 용융 및 접합 등의 가공 기술은 최근 초단파 레이저 발진기 개발 및 레이저광학 모듈 및 시스템 기술의 고도화에 따른 반도체 및 디스플레이 분야의 미세 가공 분야에 적용되고 있다.
레이저 가공 기술은 기계 가공과 다르게 비접촉 방식의 가공으로써, 가공 도구의 마모가 없이 지속적인 사용이 가능하다.
반도체 및 디스플레이 분야에서 레이저는 PCB 외곽 절단 및 홀 천공, 미세 회로 패턴의 직접 패터닝 등의 기술에 적용되고 있다.
반도체 및 디스플레이 부품에 수십 마이크로 이하의 미세 회로 폭을 생성하기 위해서는 전통적으로 에칭 및 식각 공정을 사용하고 있다.
최근 환경 문제의 대두로 인한 이를 대체하기 위한 직접 패터닝 방식의 레이저 가공 기술이 각광받고 있으며, 레이저 직접 패터닝(Laser Direct Patterning) 기술은 건식 공정으로써 친환경적이며, 에칭 및 식각 공정에 비하여 공정의 단순화가 가능하다.
레이저 가공 공정을 고속화하기 위하여 레이저 빔을 2개의 반사경과 이를 구동하는 갈바노미터(Galvanometer) 모터를 결합하여 2차원의 평면에 고속으로 레이저 빔을 이송시키는 스캐닝기술이 개발되었다.
갈바노미터 스캐너를 통하여 최근 레이저 가공 속도는 초당 수 미터에서 수십 미터에 이르고 있다.
최근 반도체 및 디스플레이 분야의 산업 동향은 부품의 초미세화를 요구하면서 동시에 대면적화를 요구하는 상반된 기술 동향을 보인다.
그림 1에서 보여주듯이 초고속 스캐너 가공 영역은 50×50㎟ 정도로 한정되어 있으며, 이 영역을 초과하는 영역에서는 레이저 가공기의 리니어 스테이지(Linear Stage)를 순차적으로 이송하여 가공하는 방식인 Step & Scanning 방식을 사용하고 있다.
이 방식은 스테이지의 빈번한 이송 및 정지에 의한 가공 시간 지연 및 이음매 부분의 불연속 지점에 의한 불량이 발생한다.
소개하는 기술은 이를 극복하기 위한 On-the-fly 기술로서, 대면적 스테이지와 고속 갈바노미터 스캐너를 실시간 동기화함으로써 스캐너의 고속 성능을 유지하면서 동시에 초정밀 스테이지의 면적의 확대가 가능하여 이음매 없이 가공 품질의 향상 및 가공 속도의 증대가 가능한 기술이다.
스캐너-스테이지 On-the-fly 레이저 가공 장비는 최초로 미국의 ESI(Electro Scientific Industries)사에서 마이크로급 비아홀 드릴링 및 PCB 절단에 적용하였다.
ESI사는 마이크로 엔지니어링 분야의 제품제조를 위한 레이저 시스템을 공급하는 회사로서 스캐너-스테이지 하드웨어 동기 기술과 연동 알고리즘에 독보적인 기술을 보유하고 있다.
ESI사의 연동 가능 UV 레이저 드릴링 시스템인 HDI5330는 전체 스테이지 533㎜×635㎜ 영역에서 ±20㎛ 정밀도를 보장하며 최고 500㎜/s로 가공이 가능하다.
최근에는 미국의 Aerotech사 스캐너-스테이지 On-the-fly 기술을 레이저 가공에 도입했다.
한국기계연구원에서는 스캐너-스테이지 On-the-fly 원천기술을 개발하여 연속가공 면적 350㎜×350㎜ 및 450㎜/s 가공 속도에서 10㎛ 이내의 정밀도를 달성하였다.
이를 위한 핵심 요소 기술은 On-the-fly 제어 시스템 기술 및 스캐너-스테이지의 각각의 경로를 분기하고, 속도를 생성하는 경로 생성 알고리즘 기술이다.
그림 3에서 제어 시스템 구성 및 제어 블록 선도를 도시하였다. 경로 생성 알고리즘을 통하여 스테이지의 경로 및 속도가 생성되며, 이 정보는 스테이지 제어기를 통하여 구동하게 된다.
스테이지의 위치 및 속도 정보는 엔코더 신호를 통하여 스테이지 제어 보드에 입력됨으로써, 실시간 동기화가 가능하다.
스테이지의 제어 주기가 1㎳인데 반하여 스캐너 제어 보드의 제어 주기는 10㎲로서, 100배 고속으로 제어가 가능하여, 이에 따른 오차도 최소화할 수 있다.
최적경로생성은 레이저 연동 레이저를 구동하기 위해서 스테이지의 경로를 계산하여 스캐너-스테이지 모두 최적의 가공 경로를 갖게 되어 궁극적으로 최적의 가공 품질 및 속도를 보장하게 된다.
이때 스테이지의 경로는 주축으로서 가공 도면을 단순화한 경로가 되며 미세한 가공 부위는 스캐너가 주로 담당하게 된다.
그림 4는 프리마사의 가공 경로 생성의 예를 보여 주는데, Main Axes 부위는 스테이지 이송 경로이고, Local Axes 부위는 스테이지 가공 경로이다.
최적경로생성 알고리즘을 위해서는 그림 5와 같이 가공 도면에서 스테이지의 경로를 생성하게 되는데, 스테이지의 가공 경로를 최소화하면서 가감속을 최소화하는 방향으로 최적화하는 알고리즘을 채택한다.
이때 스캐너의 가공 영역이 가공 도면을 포함할 수 있는 구속 조건으로 가지고 있다. 또한 가공 품질의 향상을 위해서 정속의 가공 속도를 유지함으로써 가공시편에 단위시간당 레이저 에너지 조사량을 일정하게 하는 것이 핵심 기술이다.
그림 5는 가공 경로를 스테이지와 스캐너 경로로 분기하는 예이다. 스테이지 경로 생성시 가공 경로가 스캐너 영역에 포함됨을 보여준다.
또한, 스캐너 끝부분에서 왜곡을 방지하기 위해 스캐너 중심에서 가공되도록 하는 것이 가공 품질에 도움을 줄 것이다.
스캐너 제어 보드에서는 스테이지의 위치/속도 정보를 입력받아서 원래 도면과의 차를 계산하여 스캐너 이송 지령을 주며 그림 5(우)와 같은 양이 될 것이다.
그림 6은 두 가지의 스테이지 경로를 비교한 결과이다. 스테이지 이송 경로를 1에서 2로 변환시켰을 시 스테이지의 이송량이 줄어 스테이지의 로드는 줄 것이다.
하지만 스테이지의 가감속 시간이 감소하여 다소 스테이지에 무리가 있음을 예측할 수 있다.
또한 가공 영역이 스캐너의 중심에 벗어날수록 가공 품질에 문제가 발생할 수 있다.
그림 6(우)에서는 스테이지 경로가 변할 시스캐너의 속도(Vsc) 변화를 예측한 그래프로서 수식 1과 같이 가공 속도(Vfa)가 일정해야 한다. 즉, 가공 속도를 일정하게 하기 위해서 스캐너가 스테이지 속도를 보상하는 방식을 선택하였다.
On-the-fly 제어 기술과 최적 경로 소프트웨어를 개발하여 그림 7과 같은 레이저 연속 절단 및 천공 장비시작품을 제작하였다.
2축의 리니어 스테이지의 신호를 입력받아 연산하는 스캐너 제어 보드를 자체 개발하였으며, 기존 RTC 제어 보드 대비 2배의 제어 주기의 향상을 달성하였다.
이는 고속 가공시 스테이지와 스캐너의 동기화 오차를 최소화할 수 있는 바탕이다. 개발된 시작품을 활용하여 스마트폰 카메라 모듈의 FPCB 커버레이 외곽을 연속 절단하는 공정을 수행하였다.
수백 마이크로에서 수 밀리미터의 패턴이 다양한 형상으로 산재되어 있으며, 절단 공정 수행 후 패턴 크기를 측정하여 최대 오차 5㎛ 이내를 획득하였다.
이는 갈바노미터 스캐너 자체의 오차와 유사한 수준으로서, 동기화 오차는 거의 무시할 수 있는 수준이다.
On-the-fly 기술은 대면적 연속 가공이 필요한 응용처에 다양하게 적용할 수 있는 레이저 가공 분야의 시스템 기술로서, 스마트폰 외곽 절단 공정, PCB 회로 패터닝 및 디스플레이 터치 회로를 위한 ITO 패터닝 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다.
당 연구실에는 이를 검증하기 위하여 국내외 업체와 긴밀하게 협력하고 있으며, 최근에는 2차원 평면에서 나아가 3차원 자유형상 부품에 미세 가공을 위한 기술로 확장시키고 있다.