시스템적 접근을 통한 레이저 미세 가공 설계 프로세스 개발
Application of Systems Approach for Laser Micro Machining Design Process
- 주제(키워드) Laser , micro-machining , design process , 레이저 , 미세 가공 설계 프로세스
- 주제(KDC) 530
- 주제(DDC) 658
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 박영원
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 시스템공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
현재 레이저 미세 가공 시스템은 레이저, 광학, 기계공학 등의 여러 분야에서 일하는 전문가들이 본인의 지식과 경험을 바탕으로 설계하고 있기 때문에 동일한 레이저 가공 시스템을 설계하더라도 설계하는 사람의 지식과 경험의 차이에 따라 레이저 가공 시스템의 기능과 성능이 다소 차이가 난다. 이러한 차이는 시스템을 재설계하거나 심한 경우에는 고객의 요구사항을 만족시키지 못하여 개발된 시스템이 상용화 되지 못하는 원인이 된다. 레이저 미세 가공 시스템의 상용화 실패의 주요 원인으로는 시스템을 설계하는 사람의 지식과 경험의 차이뿐만 아니라 시스템 설계 시 고려해야하는 핵심 설계 변수(Critical Design Parameter)들과 설계 절차(Design Process)의 결여, 즉 고객의 요구사항 분석 및 정의와 가공하고자하는 재료의 특성 분석, 시스템의 임무와 경계 정의, 시스템의 기능과 성능 정의, 시스템 구성 요소의 선택 등의 일련의 시스템 설계 프로세스가 정립되지 않았기 때문으로 판단된다. 본 논문에서는 상용화를 위한 레이저 미세 가공 시스템 설계 프로세스를 제시하였다. 구축된 시스템 설계 프로세스는 시스템 공학 프로세스의 핵심 프로세스인 요구사항 분석, 기능 분석 및 할당, 시스템 조합 및 시스템 최적화 과정을 테일러링(Tailoring)하여 레이저 미세 가공 분야에 알맞도록 조정되었다. 제안된 레이저 미세 가공 시스템 설계 프로세스의 타당성을 입증하기 위하여 제안된 시스템 설계 프로세스를 적용하여 low-k 웨이퍼 레이저 인그레이빙 시스템을 설계하였다. 프로세스를 통해 설계된 시스템의 사양과 이미 제작되어 있는 시스템의 사양을 비교하여 유사점과 차이점을 비교하였다. 구축된 프로세스에 의해 도출된 설계 사양과 유사한 사양은 고객의 요건을 만족시키고 있음을 확인하였고, 설계 사양이 다른 사양들은 프로세스에서 제시하는 문제점들을 유발하고 있음을 확인할 수 있었다. 고객의 요건을 만족시키지 못하던 시스템의 일부 사양을 프로세스에 의해 도출된 사양으로 변경했을 경우에, 시스템에서 발생하는 문제점들이 해결되는 것을 확인하였다. 또한 국내외에서 동일한 시스템을 개발하고 있는 업체들의 시스템 사양과 프로세스에서 제시하는 시스템의 일부 사양을 비교하고 실험 결과를 분석해본 결과 프로세스에서 제안하는 설계 사양이 가공 품질과 가공 시간에 있어서 우월하다는 것을 확인하였다. 현재 레이저 가공 시스템 설계 과정을 보면 어떤 재료의 가공에는 어떤 레이저가 많이 사용되고 있다 라는 식의 실험적인 경험과 현재의 가공 경향 및 연구 경향을 토대로 시스템의 구성요소와 구성요소의 사양을 결정하고 있다. 하지만 본 논문에서는 실험적인 경험뿐만 아니라 고객의 요구사항을 시작으로 고객의 요건을 만족시킬 수 있는 기능요건과 성능요건 및 핵심 설계 변수를 정의하는 과정에서 레이저와 시스템의 구성요소들의 사양이 결정되는 체계적인 프로세스를 제시하고 있다.
more목차
제 1 장 서론 = 1
제 1 절 연구 배경 및 목표 = 1
제 1 항 연구 배경 = 1
제 2 항 연구 목표 = 2
제 2 절 연구 범위 및 방법 = 3
제 3 절 논문 구성 = 4
제 2 장 국내외 레이저 가공 기술의 현황 = 6
제 1 절 국외 레이저 가공 연구 경향 = 6
제 2 절 국내 레이저 가공 연구 경향 = 7
제 3 절 기존 연구의 한계 = 8
제 3 장 레이저 미세 가공 시스템 설계 프로세스 개발 = 9
제 1 절 서론 = 9
제 2 절 레이저 미세 가공 시스템 설계 프로세스 = 14
제 1 항 미세 가공 도구의 선택 과정 = 14
제 2 항 레이저 미세 가공 시스템 설계 프로세스 = 15
1. 고객의 요구사항 분석 = 17
가. 고객의 요구사항에 대한 타당성 분석 = 18
나. 고객의 요구사항 조정 및 확립 = 20
다. 가공 방법 선택 = 21
라. 시스템의 시나리오와 경계 정의 = 22
2. 시스템의 기능 요건과 핵심 설계 변수 정의 및 구성요소에 할당 = 22
가. 시스템의 기능 요건 정의 = 24
나. 핵심 설계 변수 정의 = 25
다. 기능요건 할당 = 28
라. 구성요소의 타당성 논증 = 29
3. 시스템 조합 및 문서화 = 31
제 3 절 논의 사항 = 32
제 4 장 Low-k 웨이퍼 레이저 인그레이빙 시스템 설계 = 34
제 1 절 시스템 설계 배경 = 34
제 2 절 Low-k 웨이퍼 레이저 인그레이빙 시스템 설계 프로세스 = 36
제 1 항 고객의 요구사항 분석 = 36
1. 고객의 요구사항 분석 = 36
가. 고객의 요구사항에 대한 타당성 분석 = 37
나. 고객의 요구사항 조정 및 확립 = 40
2. 가공 방법 선택 = 42
3. 시스템의 시나리오와 경계 정의 = 46
제 2 항. 시스템의 기능과 핵심 설계 변수 정의 및 구성요소에 할당 = 47
1. 시스템의 기능요건 정의 = 47
2. 핵심 설계 변수 정의 = 49
가. 빔 방출 기능에 대한 핵심 설계 변수의 변수 값 정의 = 50
(1) 반응시간 정의 = 50
(2) 레이저 발진 형태와 파장 그리고 빔 출력 정의 = 50
(3) 펄스 폭과 펄스 반복율 정의 = 60
(4) 편광 방향에 따른 가공 특성 = 67
(5) TEM 모드 정의 = 68
나. 빔 투과, 반사, 집속 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 69
(1) 파장 투과율, 반사율 정의 = 69
(2) 집속 거리와 렌즈 크기 정의 = 70
(3) 빔 정렬 상태 정의 = 70
(4) 집속 빔의 크기와 초점 깊이 정의 = 72
다. 반사 빔과 외부 빔 차단 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 75
라. 에너지 밀도 분포 조절 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 76
마. 빔 크기 조절 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 78
바. 출력 조절 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 79
사. 출력 모니터링 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 79
아. 웨이퍼 이송 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 80
자. 웨이퍼 정렬 및 고정 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 82
차. 샘플 편평도의 핵심 설계 변수 정의 = 83
카. 두께 인식 및 높이 보상 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 84
타. 가공 중 이물질 제거 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 84
파. 가공 후에 이물질 제거 기능의 핵심 설계 변수 정의 = 86
4. 기능요건을 물리적 구성요소에 할당 = 87
5. 구성요소의 타당성 논증 = 88
6. 시스템 조합 및 문서화 = 90
제 5 장 레이저 미세 가공 시스템 설계 프로세스의 타당성 검증 = 93
제 1 절. 시스템 사양 비교 = 93
제 2 절. 시스템 설계의 유사점에 따른 시스템 성능 평가 = 98
제 3 절 시스템 설계의 차이점에 따른 시스템의 성능 평가 = 102
제 1 항 기능요건의 결여로 인한 가공 품질 = 102
1. 반사 빔 차단기(Isolator) 기능요건의 결여로 인한 가공 특성 = 102
2. 에너지 밀도 분포 조절 기능요건 결여에 따른 가공 품질 = 105
제 2 항 핵심 설계 변수 값의 차이에 따른 가공 품질 = 107
1. 빔 출력과 펄스 반복율의 차이 = 107
2. 가스 분사각도와 이물 흡입력 차이 = 111
3. 세척액 분사량 조절과 최대 분사압의 차이 = 112
4. 빔 감쇄기의 설계 변수 값 비교 = 113
5. x-y-z-θ 스테이지의 핵심 설계 변수에 따른 가공 특성 = 114
가. 스테이지의 이동 정확도와 Backlash 변수 값 차이 = 114
나. 직진도(이동 중 다른 축의 진동 및 이동 범위)의 설계 변수 값 차이 = 116
다. 정렬 정밀도의 설계 변수 값 차이 = 120
제 4 절 결론 및 논의 사항 = 121
제 6 장 Low-k 웨이퍼 레이저 인그레이빙 시스템의 가공 공정 변수 결정 = 123
제 1 절 Low-k 웨이퍼 레이저 인그레이빙 시스템의 가공 공정 확립 = 123
제 1 항 레이저 출력 대비 공정 속도에 따른 가공 공정 변수 결정 = 123
제 2 항 Assist 가스 효과 최적 공정 확립 = 130
제 3 항 Protective coating에 따른 debris 및 잔여 부산물 제거 공정 확립 = 140
제 4 항 kerf edge특성 연구 결과에 따른 최적 공정 확립 = 150
제 5 항 TEG(Test Element Group) 인그레이빙 최적화 공정 확립 = 154
제 2 절 Low-k 웨이퍼 레이저 인그레이빙 시스템의 가공 공정 조건 확립 = 164
제 7 장 결론 및 향후 연구 제안 = 166
제 1 절 연구 내용 및 결론 = 166
제 2 절 향후 연구 제안 = 168
참고 문헌 = 170
Abstract = 177
