JP2008279503A

JP2008279503A - マルチレーザシステム

Info

Publication number: JP2008279503A
Application number: JP2008097563A
Authority: JP
Inventors: Kyu Dong Sung; 圭棟成
Original assignee: EO Technics Co Ltd
Current assignee: EO Technics Co Ltd
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2008-11-20
Also published as: SG148093A1; US7672344B2; US20080279232A1; MY147896A; CN101304154B; TW200905735A; CN101304154A; TWI369723B; EP1990124B1; ATE439939T1; DE602008000099D1; EP1990124A1; KR100864863B1

Abstract

【課題】マルチレーザシステムを提供する。
【解決手段】第１レーザビームを出射する第１レーザ発振器と、第２レーザビームを出射する第２レーザ発振器と、第１レーザ発振器から出射された第１レーザビームが入射され、入射された第１レーザビームを加工しようとする基板上の所望の位置に偏向させるための第１スキャナ対と、第２レーザ発振器から出射された第２レーザビームが入射され、入射された第２レーザビームを加工しようとする基板上の所望の位置に偏向させるための第２スキャナ対と、第１及び第２スキャナ対を経由したレーザビームが入射され、入射されたそれぞれのレーザビームを所定直径のスポットに集束させて基板上に照射するためのスキャンレンズと、を備えるマルチレーザシステムである。
【選択図】図３

Description

本発明は、マルチレーザシステムに係り、特に、一対のレーザ発振器から出射された異なる種類のレーザビームのうち、加工しようとする基板の材質に最も適したレーザビームを選択してレーザ加工を行えるマルチレーザシステムに関する。

通常的に、レーザシステムとは、レーザ発振器から出射されるレーザビームをレーザビーム伝送手段（例えば、反射ミラー、ビームエキスパンダ、スキャナ対、スキャンレンズなど）を利用して伝送した後、最終的に加工しようとする基板上に照射しつつ、ドリリング、マーキング、カッティングなどの作業を同時に行うシステムをいう。

図１は、従来のレーザシステムの一例を概略的に示す図面であり、図２は、図１に示されたレーザシステムを利用して加工した基板の断面を示す図面である。

図１及び図２を参照すれば、従来のレーザシステムでは、レーザ発振器１０から出射されてビームスプリッタ２０側に入射されたレーザビームの５０％は、ビームスプリッタ２０を透過し、残りの５０％は、ビームスプリッタ２０によって反射される。ビームスプリッタ２０によって反射されたレーザビームは、第１経路１ａを経由しつつ、スキャナ対４１及びスキャンレンズ５０を経て加工しようとする基板２上に照射され、ビームスプリッタ２０を透過したレーザビームは、第２経路１ｂを経由しつつ、反射ミラー３０、スキャナ対４２及びスキャンレンズ５０を経て基板２上に照射される。

前記のようなレーザシステムを利用した加工では、まず加工しようとする基板の材質のレーザ波長による吸収率が考慮されねばならない。異なる材質からなる基板は、照射されるレーザ波長によって光熱効果、光化学効果、光物理効果の側面で異なる反応を示すので、材質によって最も適した加工を行えるレーザビームを選択して加工作業を行うことが、良質の加工品質を得るに当たって重要である。

例えば、図２に示したように、レーザ発振器１０から出射される紫外線（ＵＶ）領域帯の波長を有するレーザビームを利用して、ＳｉＯ_２層２ａとＳｉ層２ｂとが順次に重畳された基板２を加工する場合、レーザビームの波長に対するＳｉＯ_２層２ａとＳｉ層２ｂとの異なる光学的特性によって加工品質が不良になる問題点がある。すなわち、ＳｉＯ_２層２ａは、入射されるほとんどの紫外線を透過させ、Ｓｉ層２ｂは、紫外線の吸収率が高いので、上側から入射される紫外線領域帯のレーザビームは、上部に位置したＳｉＯ_２層２ａをそのまま透過してＳｉ層２ｂの上面に吸収されつつ加工される。したがって、ＳｉＯ_２層２ａとＳｉ層２ｂとの境界では、加工によって生成された熱及びガスが蓄積され、蓄積された熱及びガスによって爆発が発生し、レーザを利用した加工の品質が低下する現象が発生する。

最近、半導体産業が飛躍的に発展し、かつ新たな分野の需要が高まるにつれて、既存に使用しなかった新たな材質の基板を工程に使用するか、または既存に使用した材質が重畳された基板を使用する場合が増えている。このように、２つ以上の材質を単一特性、例えば、固定された波長を有するレーザを利用して加工せねばならない場合、二つの材質の光学的特性の差によって優秀な加工品質を確保できないという問題点がある。

本発明は、前記問題点を解決するために案出されたものであって、異なる特性のレーザビームのうち、加工しようとする基板の材質に最も適したレーザビームを選択してレーザ加工を行えるように構造の改善されたマルチレーザシステムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明の一実施形態によるマルチレーザシステムは、第１レーザビームを出射する第１レーザ発振器と、第２レーザビームを出射する第２レーザ発振器と、前記第１レーザ発振器から出射された第１レーザビームが入射され、入射された第１レーザビームを加工しようとする基板上の所望の位置に偏向させるための第１スキャナ対と、前記第２レーザ発振器から出射された第２レーザビームが入射され、入射された第２レーザビームを加工しようとする基板上の所望の位置に偏向させるための第２スキャナ対と、前記第１及び第２スキャナ対を経由したレーザビームが入射され、入射されたそれぞれのレーザビームを所定直径のスポットに集束させて、前記基板上に照射するためのスキャンレンズと、を備える。

そして、前記目的を達成するための本発明の他の実施形態によるマルチレーザシステムは、前記第１レーザ発振器と前記第１スキャナ対との間に配されるものであって、前記第１レーザビームが入射され、入射された第１レーザビームを二つの第１レーザビームに分割して二つの第１経路に沿って進める第１分割手段と、前記第２レーザ発振器と前記第２スキャナ対との間に配されるものであって、前記第２レーザビームが入射され、入射された第２レーザビームを二つの第２レーザビームに分割して二つの第２経路に沿って進める第２分割手段と、をさらに備え、前記第１スキャナ対は、前記二つの第１経路を経由した分割された二つの第１レーザビームのそれぞれに対応する二つのスキャナ対を備え、前記第２スキャナ対は、前記二つの第２経路を経由した分割された二つの第２レーザビームのそれぞれに対応する二つのスキャナ対を備えうる。

本発明の他の実施形態において、前記第１分割手段及び第２分割手段は、入射されるレーザビームの５０％は反射させ、残りの５０％は透過させるビームスプリッタを備えるうる。

本発明の実施形態において、前記第１レーザ発振器及び前記第２レーザ発振器は、異なる波長を有するレーザビームを出射しうる。

本発明の実施形態において、前記第１レーザ発振器及び前記第２レーザ発振器は、異なるパルス幅を有するレーザビームを出射しうる。

本発明の実施形態によるマルチレーザシステムは、前記第１レーザ発振器と前記第１スキャナ対との間及び前記第２レーザ発振器と前記第２スキャナ対との間のそれぞれに設置されたシャトルユニットをさらに備え、前記シャトルユニットは、入射されるレーザビームの全部を遮断するビーム遮断部と、入射されるレーザビームの全部を透過させるビーム透過部と、前記レーザビームが前記ビーム遮断部またはビーム透過部のうち何れか一つに選択的に入射されるように、前記ビーム遮断部またはビーム透過部の位置を変更させるための移送手段と、を備えうる。

本実施形態によるマルチレーザシステムは、異なる特性のレーザビームを出射しうる一対のレーザ発振器と一対のレーザビームを集束するための単一のスキャンレンズで構成されることによって、光学的特性がそれぞれ異なる複数の材質で形成された基板を加工せねばならない場合、材質の光学的特性に適した単一のレーザ発振器が設置されたシステムを移しつつ加工する必要なしに、一つのシステムで所望の加工を仕上げられる便宜性があり、それぞれの材質の光学的特性に最も適したレーザビームを選択して加工できるので、最適の加工品質を具現しうる。

また、本実施形態によるマルチレーザシステムは、前記のように一つのシステムで全ての加工工程を仕上げられるので、加工工程にかかる時間を短縮して単位時間当り生産量（ＵＰＨ：ＵｎｉｔＰｅｒＨｏｕｒ）を向上させうる。

また、複数の材質からなる基板を単一のレーザ発振器が設置されたシステムを移しつつ加工する従来の場合、所望の位置に正確に加工するために、アラインメントのための高コストのヴィジョン装置が必要であり、これを制御するハードウェア及びソフトウェアの開発が必要である。本実施形態によるマルチレーザシステムは、単一のシステムで一群のプロセスを通じて全ての加工を仕上げられるので、アラインメントのための装置の装着にかかるコストを低減しうる。

以下、本発明によるマルチレーザシステムの望ましい実施形態を添付された図面を参照して詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施形態によるマルチレーザシステムを概略的に示す図面であり、図４は、図３に示されたマルチレーザシステムのシャトルユニットの斜視図であり、図５は、図４に示されたシャトルユニットの正面図であり、図６は、図３に示されたマルチレーザシステムを利用して加工した基板の一例を示す図面である。

図３ないし図６を参照すれば、本実施形態のマルチレーザシステムは、複数の異なる材質層を有する基板に対するレーザ加工品質を向上させるために、異なる特性を有する一対のレーザビーム１１１，１２１と、これを集束するための単一のスキャンレンズ１４０とを備えたシステムであって、第１レーザ発振器１１０と、第２レーザ発振器１２０と、第１スキャナ対１３１と、第２スキャナ対１３２と、スキャンレンズ１４０と、シャトルユニット１５０と、を備える。

前記第１レーザ発振器１１０と第２レーザ発振器１２０とは、レーザ加工作業のエネルギー源となるレーザビームを発生させ、本実施形態の第１レーザ発振器１１０と第２レーザ発振器１２０とは、異なる波長を有するレーザビーム１１１，１２１をそれぞれ出射する。加工しようとする基板１０２の材質や加工方法によって、紫外線、可視光または赤外線などの多様な波長のうち、所望の加工に最も適した波長を有するレーザビーム１１１，１２１を発生させうるレーザ発振器１１０，１２０が選択される。

前記第１スキャナ対１３１及び第２スキャナ対１３２は、入射するレーザビーム１１１，１２１を基板１０２上の所望の位置に偏向させるためのものであって、通常的に入射されたレーザビーム１１１，１２１をＸ軸方向に制御するためのＸ軸ガルバノメータスキャナと、入射されたレーザビームをＹ軸方向に制御するためのＹ軸ガルバノメータスキャナと、を備えうる。前記第１及び第２スキャナ対１３１，１３２は、Ｘ軸ガルバノメータスキャナ及びＹ軸ガルバノメータスキャナをまとめた一対を意味し、本実施形態では、第１レーザ発振器１１０から出射されたレーザビーム１１１に対応する第１スキャナ対１３１と、第２レーザ発振器１２０から出射されたレーザビーム１２１に対応する第２スキャナ対１３２とが設けられている。

前記スキャンレンズ１４０は、第１及び第２スキャナ対１３１１３２を経て入射するレーザビーム１１１，１２１を所定直径のスポットに集束させ、加工しようとする基板１０２上に照射するためのものである。本実施形態では、異なる波長を有するレーザビーム１１１，１２１が単一のスキャンレンズ１４０の入射面１４１に共に入射されるように構成されている。前記スキャンレンズ１４０としては、一般的にＦ−θレンズが主に使われる。

前記シャトルユニット１５０は、ビーム経路に沿って進むレーザビーム１１１，１２１を必要に応じて遮断または進行させるためのものであって、ビーム遮断部１５１と、ビーム透過部１５２と、移送手段と、を備える。前記シャトルユニット１５０は、レーザビーム１１１，１２１の進路上で第１及び第２レーザ発振器１１０１２０と第１及び第２スキャナ対１３１１３２との間に位置する。

前記ビーム遮断部１５１は、入射されるレーザビーム１１１，１２１の全部を遮断し、入射側の反対側には、レーザビーム１１１，１２１を全く透過させない。本実施形態では、入射されるレーザビーム１１１，１２１の吸収率を高めるために、アノダイジング処理された黒色のアルミニウム材質のプレートがビーム遮断部１５１として利用される。

前記ビーム透過部１５２は、入射されるレーザビーム１１１，１２１を入射された側の反対側に透過させるものであって、本実施形態では、中央に貫通孔の形成された部材がビーム透過部１５２の役割を行う。

前記移送手段は、前記シャトルユニット１５０側に入射されるレーザビーム１１１，１２１が、ビーム遮断部１５１及びビーム透過部１５２のうち何れか一つに選択的に入射するように、ビーム遮断部１５１またはビーム透過部１５２の位置を変更させるためのものであって、支持ブラケット１５３と、ベース１５７と、駆動源と、ピニオン部材１５５と、ラック部材１５６と、を備える。

前記支持ブラケット１５３は、ビーム遮断部１５１とビーム透過部１５２とを支持するためのものである。前記駆動源は、前記支持ブラケット１５３を左右方向に往復動させる動力を提供するものであって、主にモータ１５４が利用される。前記支持ブラケット１５３は、ベース１５７に対して左右方向に移動可能に結合されており、ベース１５７には、前記モータ１５４が固定されている。前記モータ１５４の回転軸には、ピニオン部材１５５が同軸に結合されており、そのピニオン部材１５５は、支持ブラケット１５３に固定されたラック部材１５６と噛み合っている。前記モータ１５４とピニオン部材１５５とが、順方向または逆方向に回転すれば、ピニオン部材１５５に噛み合ったラック部材１５６は、左右方向に直線動し、ラック部材１５６が固定されている支持ブラケット１５３がラック部材１５６と共に移動し、ビーム遮断部１５１とビーム透過部１５２との位置を変更することが可能になる。

前記ビーム遮断部１５１とビーム透過部１５２の位置制御を通じて、異なる特性のレーザビーム１１１，１２１を選択的に利用してレーザ加工作業を行える。

前記シャトルユニット１５０と反射ミラー１０１とを経由したレーザビーム１１１，１２１は、ビームエキスパンダ１６０に入射する。前記ビームエキスパンダ１６０を利用してレーザビーム１１１，１２１の直径を調節し、レーザビーム１１１，１２１の直径によって、スキャンレンズ１４０によってレーザビーム１１１，１２１の焦点距離及びスポットのサイズが変更されるので、多様な加工形態及び多様な基板１０２に対応しうる。前記ビームエキスパンダ１６０は、第１及び第２スキャナ対１３１１３２の上流側に配され、異なる波長を有する一対のレーザビーム１１１，１２１にそれぞれ対応する一対のビームエキスパンダ１６０が設けられている。

以下、前述したように構成された本発明の一実施形態のマルチレーザシステムを利用して加工した基板について、図６を参照しつつ説明する。異なる４個の材質層が加工しようとする基板上に塗布されており、それぞれの材質層の上面にレーザを利用して所望の文字または図形をマーキングする加工を例として説明する。

図６を参照すれば、基板１０２の上面には、最上側から第１材質層１０２ａ、第２材質層１０２ｂ、第３材質層１０２ｃ、第４材質層１０２ｄが順次に積層されている。前記第１材質層１０２ａ、第２材質層１０２ｂ、第３材質層１０２ｃ、第４材質層１０２ｄは、それぞれ光学的特性が異なるので、レーザビームの波長、周波数、パルス幅のような媒介変数によってレーザビームの吸収率が変わる。

まず、第１レーザ発振器１１０で、波長、周波数、パルス幅などの媒介変数を第１材質層１０２ａの加工に適するように調整し、その調整された第１レーザビーム（以下、１条件の第１レーザビーム）を第１材質層１０２ａに照射する。例えば、“ＥＯ”１０３ｂという文字をマーキングしようとする材質層は、第２材質層１０２ｂであるので、前記１条件の第１レーザビームを利用して“ＥＯ”１０３ｂ文字をマーキングできるように、第１材質層１０２ａで適正面積を除去する。

次いで、第２レーザ発振器１２０で、波長、周波数、パルス幅などの媒介変数を第２材質層１０２ｂの加工に適するように調整し、その調整された第２レーザビーム（以下、１条件の第２レーザビーム）を第２材質層１０２ｂに照射し、“ＥＯ”１０３ｂ文字をマーキングする。前記１条件の第１レーザビームを利用して第１材質層１０２ａを除去する過程なしに、前記１条件の第２レーザビームが第１材質層１０２ａは、そのまま透過し、第２材質層１０２ｂで全部吸収されるように媒介変数を調整し、その調整された１条件の第２レーザビームを基板１０２上に直ぐ照射して“ＥＯ”１０３ｂ文字をマーキングすることもできる。

また、第１レーザ発振器１１０から出射されるレーザビーム１１１が第１材質層１０２ａ及び第２材質層１０２ｂはそのまま透過し、第３材質層１０２ｃで全部吸収されるように、波長、周波数、パルス幅などの媒介変数を第３材質層１０２ｃの加工に適するように調整し、その調整された第１レーザビーム（以下、２条件の第１レーザビーム）を第３材質層１０２ｃに照射する。第３材質層１０２ｃに合わせられた２条件の第１レーザビームを利用して、“ＭＵＬＴＩ”１０３ｃという文字を第３材質層１０２ｃの上面にマーキングしうる。

同様に、周波数、パルス幅などの媒介変数が第４材質層１０２ｄの加工に適するように調整された第２レーザビーム（以下、２条件の第２レーザビーム）を第４材質層１０２ｄに照射し、“ＬＡＳＥＲ”１０３ｄという文字を第４材質層１０２ｄの上面にマーキングしうる。

一方、図７は、本発明の他の実施形態によるマルチレーザシステムを概略的に示す図面である。図７において、図３ないし図６に示された部材と同じ部材番号によって指称される部材は、同じ構成及び機能を有するものであって、それらのそれぞれについての詳細な説明は省略する。

図７を参照すれば、本発明の他の実施形態によるマルチレーザシステムは、第１レーザ発振器１１０から出射された第１レーザビーム１１１が二つのレーザビームに分割され、第２レーザ発振器１２０から出射された第２レーザビーム１２１も、二つのレーザビームに分割され、分割された４個のレーザビーム１１１，１２１が単一のスキャンレンズ１４０を通じて基板１０２上に照射されるように構成されている。

前記マルチレーザシステムは、入射された第１レーザビーム１１１を二つのレーザビームに分割する第１分割手段２７１と、入射された第２レーザビーム１２１を二つのレーザビームに分割する第２分割手段２７２と、４個に分割されたレーザビーム１１１，１２１の照射位置を制御するための第１、２、３、４スキャナ対２３１，２３２，２３３，２３４と、を備える。

本実施形態において、前記第１分割手段２７１及び第２分割手段２７２として、入射されるレーザビーム１１１，１２１の５０％は、入射側に反射させ、残りの５０％は、入射側の反対側に透過させるビームスプリッタが使われる。

前記第１レーザ発振器１１０から出射された第１レーザビーム１１１は、第１分割手段２７１、例えば、ビームスプリッタによって分割され、前記ビームスプリッタによって反射された第１レーザビーム１１１は、入射側の第１経路１１１ａに沿って進み、ビームスプリッタを透過した第１レーザビーム１１１は、入射側の反対側の第１経路１１１ｂに沿って進む。

同様に、第２レーザ発振器１２０から出射された第２レーザビーム１２１は、第２分割手段２７１、例えば、ビームスプリッタによって分割され、ビームスプリッタによって反射された第２レーザビーム１２１は、入射側の第２経路１２１ａに沿って進み、ビームスプリッタを透過した第２レーザビーム１２１は、入射側の反対側の第２経路１２１ｂに沿って進む。

経路の調整された４個のレーザビーム１１１，１２１は、４個のシャトルユニット１５０と４個のビームエキスパンダ１６０とをそれぞれ経て、４個のスキャナ対２３１，２３２，２３３，２３４に入射し、以後に単一のスキャンレンズ１４０によって集束されて加工しようとする基板１０２上に照射される。

本発明の実施形態において、異なる波長を有するレーザビームを出射する第１レーザ発振器と第２レーザ発振器とが組合わせられるが、高いパワーのレーザビームを出射するレーザ発振器と低いパワーのレーザビームを出射するレーザ発振器とが組合わせられてもよく、短いパルス幅のレーザビームを出射するレーザ発振器と長いパルス幅のレーザビームを出射するレーザ発振器とが組合わせられてもよく、高周波のレーザビームを出射するレーザ発振器と低周波のレーザビームを出射するレーザ発振器とが組み合わせられても良い。

以上、望ましい実施形態及び変形例について説明したが、本発明によるマルチレーザシステムは、前述した例に限定されるものではなく、その例の変形や組合わせによって、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で多様な形態のマルチレーザシステムが具体化されうる。

本発明は、レーザ加工関連の技術分野に適用可能である。

従来のレーザシステムの一例を概略的に示す図面である。図１に示されたレーザシステムを利用して加工した基板の断面を示す図面である。本発明の一実施形態によるマルチレーザシステムを概略的に示す図面である。図３に示されたマルチレーザシステムのシャトルユニットを示す斜視図である。図４に示されたシャトルユニットを示す正面図である。図３に示されたマルチレーザシステムを利用して加工した基板の一例を示す図面である。本発明の他の実施形態によるマルチレーザシステムを概略的に示す図面である。

符号の説明

１０２基板
１１０第１レーザ発振器
１１１，１２１レーザビーム
１２０第１レーザ発振器
１３１第１スキャナ対
１３２第２スキャナ対
１４０スキャンレンズ
１４１入射面
１５０シャトルユニット
１６０ビームエキスパンダ

Claims

第１レーザビームを出射する第１レーザ発振器と、
第２レーザビームを出射する第２レーザ発振器と、
前記第１レーザ発振器から出射された第１レーザビームが入射され、入射された第１レーザビームを、加工しようとする基板上の所望の位置に偏向させるための第１スキャナ対と、
前記第２レーザ発振器から出射された第２レーザビームが入射され、入射された第２レーザビームを、加工しようとする基板上の所望の位置に偏向させるための第２スキャナ対と、
前記第１及び第２スキャナ対を経由したレーザビームが入射され、入射されたそれぞれのレーザビームを所定直径のスポットに集束させて、前記基板上に照射するためのスキャンレンズと、を備えることを特徴とするマルチレーザシステム。
前記第１レーザ発振器と前記第１スキャナ対との間に配されるものであって、前記第１レーザビームが入射され、入射された第１レーザビームを二つの第１レーザビームに分割して、二つの第１経路に沿って進める第１分割手段と、
前記第２レーザ発振器と前記第２スキャナ対との間に配されるものであって、前記第２レーザビームが入射され、入射された第２レーザビームを二つの第２レーザビームに分割して、二つの第２経路に沿って進める第２分割手段と、をさらに備え、
前記第１スキャナ対は、前記二つの第１経路を経由した分割された二つの第１レーザビームのそれぞれに対応する二つのスキャナ対を備え、
前記第２スキャナ対は、前記二つの第２経路を経由した分割された二つの第２レーザビームのそれぞれに対応する二つのスキャナ対を備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチレーザシステム。
前記第１分割手段及び第２分割手段は、入射されるレーザビームの５０％は反射させ、残りの５０％は透過させるビームスプリッタを備えることを特徴とする請求項２に記載のマルチレーザシステム。
前記第１レーザ発振器及び前記第２レーザ発振器は、異なる波長を有するレーザビームを出射することを特徴とする請求項１に記載のマルチレーザシステム。
前記第１レーザ発振器及び前記第２レーザ発振器は、異なるパルス幅を有するレーザビームを出射することを特徴とする請求項１に記載のマルチレーザシステム。
前記第１レーザ発振器と前記第１スキャナ対との間及び前記第２レーザ発振器と前記第２スキャナ対との間のそれぞれに設置されたシャトルユニットをさらに備え、
前記シャトルユニットは、入射されるレーザビームの全部を遮断するビーム遮断部と、入射されるレーザビームの全部を透過させるビーム透過部と、前記レーザビームが前記ビーム遮断部またはビーム透過部のうち何れか一つに選択的に入射されるように、前記ビーム遮断部またはビーム透過部の位置を変更させるための移送手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチレーザシステム。