JP7289162B2 - フェムト秒レーザーを利用した薄膜シート積層用上部金型のマイクロホールの加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、超短パルスレーザー、特にフェムト秒レーザーを利用して薄膜シートを移送するか積層する時に使用する上部金型のマイクロホールを加工する方法に関し、薄膜シートの分離と積層に使用される上部金型に形成されるマイクロホール内面の表面粗さを向上させながらも真円度と円筒度を確保してマイクロホールの品質を高め、加工速度の向上による生産性を極大化することができる方法に関する。

薄膜セラミックシート、薄膜金属シート、薄膜コーティングフィルムなどを吸着して移送し、これを正確な位置に順次に積層するための目的として真空プレートである上部金型が使用される。

該上部金型には、数千個から数十万個に至るマイクロホールが形成されて薄膜シートを吸着したり、ブロワーにより薄膜シートを離脱させたりするが、積層セラミックキャパシタ、積層セラミックバリスタ、積層セラミックアクチュエータなどの積層型電子部品を製造する積層工程と電気自動車を含む各種の電子機器に使用される積層型バッテリーを製造する積層工程などに適用される。
該薄膜シート積層用上部金型の代表的な使用例を図１に示す。

図１に示すように、一定の回路が形成された薄膜シートが接着フィルムに接着されてアンワインディングローラーから供給されると、該上部金型（ｖａｃｕｕｍ ｐｌａｔｅ）が薄膜シート（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｈｅｅｔ）の上面に接触し、真空圧により薄膜シートを吸着する。前記上部金型が薄膜シートを吸着した状態で進行し、薄膜シートを一定の大きさでカッティングした後、薄膜シートを接着フィルムから剥離するフレーキング（ｆｌａｋｉｎｇ）段階を経た後、続いて、接着フィルムはワインローラーにより巻き込まれる一方、フレーキングされた薄膜シートは、下部金型（ｌａｍｉｎａｔｅｄ ｐｌａｔｅ ｍｏｌｄ）の上面に積層され、上部金型から分離しながら加圧されてラミネートされるものである。
該工程で使用される上部金型には、吸着と分離のための数千個から数十万個に至る微細ホール、すなわち、マイクロホールが形成される必要がある。

このような上部金型に形成されるマイクロホールを加工する方法としては、ドリリングマシンによる機械的方法と、化学的エッチングを利用する方式もあるが、いずれも表面粗さが良くなくホール直径の偏差が大きいため、１５０μｍ以内のマイクロホールは大部分レーザーを利用している。

レーザーを利用してマイクロホールを加工する具体的な方法としては、単一パルス穿孔、繰り返しパルス穿孔、トレパニング穿孔、ヘリカル穿孔方式などがあるが、トレパニング穿孔方式が最も広く使用されている。

トレパニング穿孔方式は、加工するマイクロホールの中心にレーザービームを照射して貫通させた後、下部ステージを所望のホールの直径ほど回転させるホール加工方式である。

このようなレーザーを利用した多様な方式の穿孔方式においても、上部金型に形成されるマイクロホールは、既存のトレパニング方式がステージが回転する方式として真円度を確保し難く、素材の溶融による加工方法であるため、ホール内部のバリ（Ｂｕｒｒ）が発生して表面粗さを確保し難い。

また、マイクロホールは、周辺部に溶融突出物と破片性粒子が発生するが、これを除去するためには、２次的にＥＬＩＤ（ＥＬｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｉｎ－ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄｒｅｓｓｉｎｇ、電解インプロセスドレッシング）のような研削加工を行うことで解決されるように見えるが、ナノ級の微細な粒子がマイクロホール内部の荒い表面に留まっている状態では到底解決されず、これは薄膜シートを積層する際に問題をもたらす。

特に、上部金型では、薄膜シートが数十から数百万回以上の吸着と分離及び加圧が行われるが、これは真円度が確保されていないマイクロホールにサクション（Ｓｕｃｔｉｏｎ）を通じて薄膜シートの吸着と分離する際に薄膜シートの微細な粒子がホール内部のバリ（Ｂｕｒｒ）によって留まりながらホールの詰まり現象が表れ、マイクロホール内部に存在する微細な粒子が取れながら薄膜シートに影響を与える。
このような現象により、薄膜シートの押されや引き裂け現象などが持続的に表れて、当該技術分野では核心的な改善課題として取り上げている。

中国特許公開公報 第１１１００１９４１号（２０２０．０４．１４公開） 大韓民国特許登録公報 第１０－２１８９４５９号（２０２０．１２．０４登録）

本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するために案出されたもので、薄膜シートの積層用上部金型に形成されるマイクロホールに入口側と出口側の直径偏差がほとんどなく、マイクロホール内面の表面粗さが非常に優れ、マイクロホールの表面に傾斜が形成されて薄膜シートの引き裂けが生じない上部金型のマイクロホールを加工する方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、レーザーでマイクロホールを加工する際に、ホールの真円度を確保すると同時に、破片性粒子を除去し、マイクロホールの内部を塞ぐバリ（Ｂｕｒｒ）の発生を防止することで、薄膜シートの損傷を最小化することができる上部金型のマイクロホールの加工方法を提供することを他の目的とする。

それだけでなく、本発明は、莫大な荷重が繰り返して作用する上部金型に形成されるマイクロホールの入口側の形状を面取り或いはラウンド加工可能な方法を提供することを目的とする。

上記のような技術的課題を有する本発明によるフェムト秒レーザーを利用した薄膜シート積層用上部金型のマイクロホールの加工方法は、薄膜セラミックシート、薄膜金属シート、薄膜コーティングフィルムなどを吸着して移送し積層するための上部金型に形成されるマイクロホールの加工方法において、前記上部金型の厚さ方向にｎ（ｎは２以上の自然数）個の単層を設定し、前記単層表面にフェムト秒レーザーを所定のパターンで照射して次期の単層までの厚さでホールを２Ｄ加工し、Ｚ軸方向に１／ｎずつ前記レーザーの焦点を下降させながら順次に前記単層に前記フェムト秒レーザーを照射することでホールを穿孔する段階と、前記ホールの内面に沿って前記フェムト秒レーザーを３Ｄ形状で照射することで加工する前記マイクロホールの直径寸法を合わせ、ホール内面の表面粗さを向上させるボーリング段階と、レーザー加工時に発生し得るバリ（Ｂｕｒｒ）の生成及び薄膜シートの押され、破れ、引き裂け現象などの薄膜シートの損傷を防止するために、前記ホールの入口側端周辺を面取りまたはラウンドする段階とを含んで構成される。

この時、前記単層表面にフェムト秒レーザーを照射するパターンが一定のピッチを有するスパイラル状であり、前記ボーリング段階における前記フェムト秒レーザーの３Ｄ形状はヘリカル形状であることを特徴とする。

また、前記スパイラル状のフェムト秒レーザーの照射は、ガルバノメータースキャナのｘ－ｙ軸モーションを相互組み合わせる制御を通じて行われ、前記ヘリカル形状は、ガルバノメーターのｘ－ｙ軸モーションとビームエキスパンダーのｚ軸モーションを相互組み合わせる制御を通じて行われることを特徴とする。
ここで、前記フェムト秒レーザーの波長は、金属におけるレーザービーム吸収率を考慮して５１５ｎｍ～５３２ｎｍのグリーン領域帯であることが好ましい。

また、ホールの入口側に形成する面取り或いはラウンド加工は、ガルバノメーターのｘ－ｙ軸モーションとビームエキスパンダーのｚ軸モーションを相互組み合わせる制御を通じて行われることを特徴とする。

上記のような構成を有する本発明によるフェムト秒レーザーを利用した薄膜シート積層用上部金型のマイクロホールの加工方法によると、上部金型に形成されるマイクロホールに入口側と出口側の直径偏差がほとんどなく、マイクロホール内面の表面粗さに非常に優れ、マイクロホールの入口側端に面取りまたはラウンドが形成されるため、薄膜シートの引き裂けが生じない。

また、本発明によるフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工方法によると、レーザーでマイクロホールを加工する際に発生し得る溶融突出物、表面の屈曲、破片性粒子の発生を防止し、ホールの真円度を確保し、マイクロホール内部を塞ぐバリ（Ｂｕｒｒ）の発生を防止することで、薄膜シートの損傷を最小化することができる特有の効果を発揮する。

本発明のマイクロホールの加工方法が適用される薄膜シート積層用上部金型の使用例を示す図面である。 本発明のマイクロホールの加工方法を実現するためのマイクロホールの加工装置を示す図面である。 本発明の実施例によるマイクロホールの穿孔段階を説明するための図面である。 図３に示す穿孔段階におけるガルバノメータースキャナのモーションと設定因子を示す図面である。 （ａ）は、図３に示す穿孔方式によるマイクロホールの入口と従来のレーザー加工方式によるマイクロホールの入口を比較した写真であり、（ｂ）は、それぞれの出口側写真である。 本発明の実施例によるボーリング段階における３Ｄヘリカル加工の設定因子を示す図面である。 本発明の実施例による面取り加工段階における形状を示す図面である。 本発明の実施例によるマイクロホールの入口側に対する面取りとラウンド加工の形状を示す図面である。 本発明による加工方法によるマイクロホールの入口と出口側形状と従来のレーザー加工方法によるマイクロホールの入口と出口側形状を比較するための実際写真である。 本発明のマイクロホールの加工方法の段階別のフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施例を添付の図面を参考してさらに詳しく説明する。
図２は、本発明のフェムト秒レーザーを利用した薄膜シート積層用上部金型のマイクロホールの加工方法を実現するためのフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工装置１００の構成を示すシステム図である。

図２のフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工装置１００は、フェムト秒レーザーソース１１０と、レーザービーム特性制御ユニット１２０と、レーザービーム経路制御ユニット１３０と、３軸精密ステージユニット１４０と、統合制御ユニット１５０とを含んで構成されている。

フェムト秒レーザーを発生させる光源の波長帯は、金属における加工速度（生産性）と加工の品質を考慮して金属における熱吸収率を最小化するために５１５～５３２ｎｍのグリーン領域帯の波長を有しており、加工対象物Ｐの材質によって異なってよいが、一般的な上部金型の金属素材の特性上、１～４０Ｗの出力が適合である。

フェムト秒レーザーソース１１０では、統合制御ユニット１５０の制御によって周波数、パワー程度（％）を調節してパルスエネルギー（ｕＪ）、平均出力（Ｗ）、反復率を変化させることができる。

レーザービーム特性制御ユニット１２０とレーザービーム経路制御ユニット１３０は、レーザービームの経路を形成する。レーザービーム特性制御ユニット１２０は、フェムト秒レーザーソース１１０から発生したレーザービームがレーザービーム経路制御ユニット１３０に到逹する前にレーザービームを細部調整するためのもので、レーザービームエキスパンダー１２１、１／４λウエーブプレート１２２、及び１／２λウエーブプレート１２３で構成されている。

１／４λウエーブプレート１２２は、１／４波長の速い軸に対して遅い軸に行く偏光を４分の１波長ほど差異があるようにし、１／２λウエーブプレート１２３は、速い軸に対して遅い軸に行く偏光方向の光を１／２波長ほど差異があるようにし、レーザービームエキスパンダー１２１は、入力されるビームの直径を拡張して必要な直径を有する出力ビームになるようにする構成である。

レーザービーム経路制御ユニット１３０は、レーザービーム特性制御ユニット１２０から細部調整が完了したフェムト秒レーザービームを受けて加工対象物Ｐに照射することでレーザー加工を行う。

該レーザービーム経路制御ユニット１３０は、能動制御型レーザービームエキスパンダー１３１、ガルバノメータースキャナ１３２及びこれらの駆動を制御するための光学システム駆動部１３３を含む。

レーザービーム経路制御ユニット１３０は、レーザービーム経路制御ユニット１３０内におけるマイクロホールの加工位置、２Ｄ回転加工の開始点、２Ｄ回転加工の終了点、２Ｄ回転加工の最上段のＺ軸位置、２Ｄ回転加工の最下段のＺ軸位置、２Ｄ回転加工の最下段位置におけるレーザービームの角度、レーザービームの回転速度が設定された条件下でレーザービームの加工反復回数を制御することで、加工の精密度及び品質を極大化し、加工対象物の全体工程の数を減らすことで生産性を向上させる。

能動制御型レーザービームエキスパンダー１３１は、レンズとの距離を調節してレーザービームのフォーカシング位置を可変させる機能を行い、最大±１ｍｍまで可変することができる。
また、ガルバノメータースキャナ１３２は、出射されるレーザービームのＸ、Ｙの位置を調節する構成で、加工可能領域は最大φ２．５ｍｍである。
光学システム駆動部１３３は、上記の能動制御型レーザービームエキスパンダー１３１とガルバノメータースキャナ１３２の駆動を同時に制御する。

レーザービーム経路制御ユニット１３０には、レーザーの焦点距離を補正するためのレーザー変位センサー１３４と、加工対象物Ｐの安着地点、加工開始地点、加工されたマイクロホール座標及び加工品質をリアルタイムで把握することができるＣＣＤカメラ１３５が追加で含まれている。

レーザー変位センサー１３４は、スキャナのノズル端と加工対象物Ｐの距離である焦点の距離を正確にセンシングし、これを調節するための構成であるが、図２のマイクロホールの加工装置のノズル端から加工対象物の距離は３ｍｍと設定されており、レーザー変位センサー１３４が焦点距離をリアルタイムで確認することができる補助的機能を行う。

ここで、レーザービーム経路制御ユニット１３０内に設置されたＣＣＤカメラは、加工対象物Ｐに既に加工されたマイクロホールの品質を確認し検査するのに使用されることもできる。

一方、３軸精密ステージユニット１４０は、加工対象物Ｐが安着固定される３軸精密ステージ１４１と、該３軸精密ステージ１４１の駆動を制御するための３軸精密ステージ駆動部１４２で構成されている。
３軸精密ステージ駆動部１４２は、該３軸精密ステージ１４１のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸への移動を制御する。

また、統合制御ユニット１５０は、フェムト秒レーザーソース１１０、レーザービーム経路制御ユニット１３０、３軸精密ステージユニット１４０を統合制御する。

先ず、統合制御ユニット１５０においてソフトウェアを通じてレーザービーム経路制御ユニット１３０の上記の加工変数を設定し、フェムト秒レーザーソース１１０の加工変数であるレーザービーム出力、パルスエネルギー、反復率を設定した後、加工経路ファイルを実行すると、該データはレーザービーム経路制御ユニット１３０の光学システム駆動部１３３と３軸精密ステージユニット１４０の３軸精密ステージ駆動部１４２に同時に伝送される。
この時、加工経路情報を伝送させた後、レーザービーム経路制御ユニット１３０とフェムト秒レーザーソース１１０の前記加工変数を設定しても構わない。

フェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工装置１００の作業安定性を確保するために、統合制御ユニット１５０は、フェムト秒レーザーソース１１０とレーザービーム経路制御ユニット１３０を先に連動して、現在の状態に対するリアルタイム情報を３軸精密ステージ駆動部１４２に伝送し、これを受けた３軸精密ステージ駆動部１４２でも３軸精密ステージ１４１のリアルタイム状態を統合制御ユニット１５０に伝送し、３軸精密ステージ１４１の移送中にはレーザーまたはスキャナが実行されないように設定する。
以下、図３～図７を参照して、本発明の実施例によるフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工方法について説明する。

図３は、本実施例によるフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工段階中にマイクロホールを穿孔する方法を模式的に示すためのマイクロホール模様の概路図であり、図４は、図３のマイクロホールを穿孔するために２Ｄ加工する条件を設定する画面を示す図面である。

図３のマイクロホールは、高さ方向であるＺ軸方向に３段で区画された単層を順次に加工したものを例として挙げており、ホールの加工精密度や加工対象物Ｐの材質によって多様な個数の単層に区画可能なことは言うまでもない。

図４に示すように、マイクロホールを穿孔する段階として、１）加工対象物に対するマイクロホールの加工位置、２）２Ｄ単層加工のＸ、Ｙに対する開始点、３）２Ｄ単層加工のＸ、Ｙに対する終了点、４）２Ｄ単層加工のＺ軸位置、５）２Ｄ単層加工のＸ、Ｙに対するピッチ（＝間隔）、６）２Ｄ単層加工のビームの角度、７）２Ｄ単層加工のビームの角度に対するピッチ（＝間隔）、８）スキャン速度、９）反復回数の総９種の加工条件を設定し、ガルバノ－メートルを制御する。

図３に示すマイクロホールを形成する際に、レーザー照射のパターンは、大略的な円の模様（さらに正確にはスパイラル状）を選定し、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の単層を設定した後、前記単層表面にフェムト秒レーザーをスパイラルパターンで照射して、次期の単層までの厚さでホールを２Ｄ加工する。

上記のように、第１単層を２Ｄ加工した後、第２単層を加工する前にＺ軸方向にホール全体深さの１／ｎずつ前記レーザーの焦点を下降させておいた状態で、第２単層に対する２Ｄ加工を行う方式で、第３単層、第４単層…第ｎ－１単層、第ｎ単層に対する加工を断続的に順次加工するものである。

そして、各単層に対する加工は、該第１単層の加工方法と同一に２Ｄ加工する方式でｎ単層まで当該単層に前記フェムト秒レーザーを照射することでホールを穿孔するものである。
また、２Ｄ加工におけるＸ、Ｙ軸のピッチ（＝間隔）と、後述する３Ｄ加工におけるＺ軸のピッチを調節して表面粗さを制御することができる。

Ｚ軸のピッチを制御することで、制御量によって品質と生産性の間で自由に設定可能であり、スキャナの加工速度とレーザーのパワー、そしてピッチ（＝間隔）を調節して最小数十ｎｍから数十ｍｍ調節して加工が可能である。

図３の場合、加工速度は０．０１ｍｍ／ｍｓ、レーザーパワー３．３Ｗ、パルスエネルギーは８．３ｕＪで、２Ｄ加工におけるＸ、Ｙ軸のピッチ（＝間隔）は０．００１ｍｍであり、後述するが３Ｄ加工におけるＺ軸のピッチは０．００１ｍｍであり、高品質のマイクロホールを形成するための条件である。

このように、全体ホールを単一の焦点距離で加工するものではなく、全体ホールを一定の間隔を有するようにｎ単層で区画した後、各単層毎に焦点を下降させながら各単層加工に一定のエネルギーが加えられるようにすることで、品質低下なく一定の深さのホールが加工可能になるものである。

もし、本発明とは異なり、フェムト秒レーザーの焦点をホールの表面あるいはホールの内部に存在する任意の地点を基準として焦点を固定させた状態で一律的に加工をすると、レーザービームの焦点から離れるほどエネルギーの密度が非常に変わるようになり、ホールの加工直径が一定でないだけでなく、金属への熱伝逹により溶融が発生するため、金属溶融残余物が生じるしかない。さらに、該金属溶融残余物はホールの内部及びホール周辺に残存した状態で固まるため、加工の品質だけでなく、ホールの形状及びホールサイズが一定でなく数万個のホールが形成される真空プレートとしては使用できなくなる。

図５の（ａ）は、一般的に使用されるマイクロホールの加工方法によって焦点の変更や調節なく加工されたマイクロホールの状態を端的に示す実際の写真であり、図５の（ｂ）は、図３に示す本実施例によるフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工方法によって加工されたマイクロホールの実際写真である。

図５の（ａ）で確認できるように、直径が約１００μｍ以下であるホールを焦点の変更なくレーザーで加工すると、レーザーの照射角によって入口側（ｉｎｐｕｔ）と出口側（ｏｕｔｐｕｔ）の直径が異なり、レーザービームのエネルギーが一定でないため、入口側と出口側の加工状態が非常に異なり、特に出口側のホールの形状は、金属溶融残余物によって薄膜シートの吸着と移送などに到底使用できない状態であることを確認することができる。

一方、本実施例によるフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工方法によって加工されたマイクロホールは、入口側（ｉｎｐｕｔ）と出口側（ｏｕｔｐｕｔ）のホール形状は非常に滑らかでかつ直径の偏差もほとんどないことを確認することができる。

即ち、本発明によるフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工方法によると、既に設定されたｎ個の単層を断続的に順次加工する際に、各単層の毎加工時に単層によるレーザービームの焦点を該能動制御型レーザービームエキスパンダー１３１の調節により当該単層の深さが異なるにもかからわず当該単層毎の焦点が一定になるため、マイクロホール全体の加工状態が均一になる。さらに、フェムト秒レーザーという超短パルスレーザーの特性上、金属における熱発生が最小化されながら溶融残余物が生じず、ホールの品質が顕著に上昇し、ホールの直径サイズも偏差なく一定であるため、数十万回から数百万回ずつ数トン乃至数十トンの荷重が作用する環境でも薄膜シートに損傷を与えない。
図６は、上記で説明したマイクロホールの穿孔段階以後のボーリング加工段階における加工条件の設定画面とフェムト秒レーザービームの経路を示す図面である。

本発明のフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工方法は、上述した単層毎の断続的な順次加工以外にも、マイクロホールを穿孔した後にホール内面の表面粗さ及び直径の精密度を向上させるためのボーリング段階にも特徴がある。

ボーリング段階は、図６に示すように、マイクロホールの直径寸法を必要な精密度で合わせホール内面の表面粗さを向上させる加工段階であって、 １）加工対象物に対するマイクロホールの加工位置、２）３Ｄ形状加工の平面図上における開始点と終了点（同一）、４）３Ｄ形状加工のＺ軸開始点、５）３Ｄ形状加工のＺ軸終了点、６）スキャン速度、７）反復回数の設定などの総７種の設定段階を経てガルバノ－メートルスキャナ１３２と能動制御型レーザービームエキスパンダー１３１の組み合わせモーションにより３Ｄ形状を制御することで行われる。
即ち、該ボーリング段階は、切削加工における荒削に比喩可能な単層加工段階を経た後に行う精削の概念であり、即刻かつ連続的に行われる。
該ボーリング段階は、２Ｄ加工である単層加工とは異なり、Ｚ軸方向へのピッチがあるヘリカル状の３Ｄ加工である。

本発明におけるボーリング段階は、フェムト秒レーザーを利用して３Ｄヘリカル軌跡で加工をするため、精密度と作業時間をいずれも調節可能であり、大量生産に特に適合である。
図７は、上述したボーリング加工段階が完了した後、マイクロホールの入口（上面）側の端周辺を面取りまたはラウンド加工した状態を示す図面である。

図７の面取りまたはラウンド加工は、フェムト秒レーザーをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸への組み合わせモーション制御により加工してもよく、各軸毎に順次に加工してもよい。

マイクロホールの入口側端に対する面取りまたはラウンド加工は、本発明の対象となる薄膜シートの吸着及び移送に使用される上部金型の製造分野では試みすらできない程度のアプローチ方式である。

何故ならば、上部金型に形成されるマイクロホールは、数マイクロ単位の微細なホールであり、該個数が数万個乃至数百万個が形成されるが、そのホール毎に入口側の端をいちいち機械的に面取りまたはラウンド加工することは現実的に不可能である。そこで、本発明のように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸制御が可能な本発明によるレーザー加工装置の制御のみによって可能であるという結論に至った。

上述したように、従来は、数多くのマイクロホールを穿孔した後の後工程として、入口側に対する金属バリを除去するための目的として全体面積に対する一律的な研削加工を行ったことが全ての実情であったが、このような一律的な平面研削では、金属バリ（Ｂｕｒｒ）が除去されずむしろ金属バリが押されてマイクロホールの入口を塞ぐという結果となるだけであり、マイクロホールの入口側のエッジが鋭いため、薄膜シートを吸着するか移送または剥離する時にマイクロホールの入口側エッジの鋭さにより薄膜シートが引き破かれるか破れる問題を全く解決することができなかった。

図８は、本発明の面取りまたはラウンド加工により形成されることができるマイクロホールの入口側形態を表現した図面であり、ｈ１は、面取りまたはラウンド加工せずにマイクロホールを穿孔した状態を示し、ｈ２は、マイクロホールの入口側に対する面取り加工をした状態であり、ｈ３は、マイクロホールの入口側に対するラウンド加工をした状態を示す。

図８に示すように、ｈ１の入口側は、非常に鋭いエッジが形成されるため、薄膜シートの吸着と移送及び剥離時に薄膜シートがマイクロホールの内部に吸い込まれる時に引き裂けや破れが発生するが、ｈ２またはｈ３は、荷重が分散するため、薄膜シートの損傷を最大限抑制することができるようになる。

本実施例では、マイクロホールに対する穿孔とボーリング以後に面取りまたはラウンド加工すると説明したが、面取りまたはラウンド加工以後に穿孔とボーリング加工が行われることができることは言うまでもない。

面取りまたはラウンド加工時の加工条件としては、フェムト秒レーザー出力が３～２５Ｗ、反復率は１００～２００ｋＨｚ、パルスエネルギーは１０～４０ｕＪ、ガルバノスキャナの駆動ビームのピッチ間隔は０．００１～０．０１ｍｍ、スキャン速度は１～５０ｍｍ／ｓ区間で形成することが良い。

特に、図８のマイクロホール（ｈ１）を形成した後、レーザーの複数運動を通じてホール周辺部をラウンド（ｈ２）加工するための駆動方法としては、フェムト秒レーザー出力は３～２０Ｗ、反復率は１００～２００ｋＨｚ、パルスエネルギーは１０～３０ｕＪ、ガルバノスキャナの駆動ビームのピッチ間隔は０．００１～０．０１ｍｍ、スキャン速度は１０～１００ｍｍ／ｓ区間で形成することもできる。

図９の（ａ）は、一般的な従来のレーザーによるマイクロホールの入口側と出口側の状態を示す実際写真であり、図９の（ｂ）は、本発明によるフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工方法によって加工された真空プレートのマイクロホールの実際写真である。

図９の（ａ）と（ｂ）の写真でも確認できるように、図９の（ａ）に示すマイクロホールは、従来広く使用されているナノ単位のパルス幅を有するレーザーにより加工されたマイクロホールであり、入口側と出口側の直径の変化が激しく、金属溶融残余物がマイクロホールの内部及び外部にも相当存在するだけでなく、入口側の鋭いエッジ形態により薄膜シートの吸着と移送及び剥離に使用できない水準である。これとは対比する図９の（ｂ）に示されたマイクロホールは、本発明によるフェムト秒レーザーを利用した加工方法によるホールとして、入口側と出口側の直径に差異がなく、金属溶融残余物がほとんど観察されず、入口側の端に面取りまたはラウンドが形成されるため、薄膜シートの引き裂けや破れが生じないことを確認することができる。

図１０は、本発明によるフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工方法を各段階別に表現したフローチャートであり、各段階毎の具体的な条件と方法も共に示し、これに対する詳しい事項は、既に上記で詳述したため、重複説明は省略する。

以上、本発明によるフェムト秒レーザーを利用したマイクロホールの加工方法を好ましい実施例を通じて説明したが、これは本発明の理解を助けるためのもので、発明の保護範囲をこれに限定しようとするものではない。
当業者であれば、本発明の技術的範囲内で多様な形状の変更や設計の変更あるいは置換が可能であるが、これも本発明の技術的範囲内にあるといえる。

例えば、マイクロホールの穿孔段階を２Ｄ加工して各単層を順次に加工する際に、マイクロホールの形状が必ずしも円形であることに限定されず、楕円、四角形などの多様なホールの断面を有することができ、各単層毎に順次に加工する際にドーナツ形態の２Ｄ加工により穿孔をしていく方法も可能である。
それだけでなく、面取りあるいはラウンド加工する際に面取りまたはフィレットの寸法は必要に応じて多様に変更することは当然である。

Claims (4)

1. 薄膜セラミックシート、薄膜金属シート、薄膜コーティングフィルムなどを吸着して移送し積層するための上部金型に形成されるマイクロホールの加工方法において、
   前記上部金型の厚さ方向にｎ（ｎは２以上の自然数）個の単層を設定し、前記単層表面にフェムト秒レーザーを所定のパターンで照射して次期の単層までの厚さでホールを２Ｄ加工し、Ｚ軸方向に１／ｎずつ前記レーザーの焦点を下降させながら順次に前記単層に前記フェムト秒レーザーを照射することでホールを穿孔する段階と、
   前記ホールの内面に沿って前記フェムト秒レーザーを３Ｄ形状で照射することで加工する前記マイクロホールの直径寸法を合わせ、ホール内面の表面粗さを向上させるボーリング段階と、
   レーザー加工時に発生し得るバリ（Ｂｕｒｒ）の生成及び薄膜シートの押され、破れ、引き裂け現象などの薄膜シートの損傷を防止するために、ガルバノメーターのｘ－ｙ軸モーションとビームエキスパンダーのｚ軸モーションを組み合わせる制御を通じて、前記ホールの入口側端周辺を面取りまたはラウンド加工する段階とを含んで構成されたフェムト秒レーザーを利用した薄膜シート積層用上部金型のマイクロホールの加工方法。
2. 前記単層表面にフェムト秒レーザーを照射するパターンが一定のピッチを有するスパイラル状であり、前記ボーリング段階における前記フェムト秒レーザーの３Ｄ形状はヘリカル形状であることを特徴とする請求項１に記載のフェムト秒レーザーを利用した薄膜シート積層用上部金型のマイクロホールの加工方法。
3. 前記スパイラル状のフェムト秒レーザーの照射は、ガルバノメータースキャナのｘ－ｙ軸モーションを相互組み合わせる制御を通じて行われ、前記ヘリカル形状のパターンは、ガルバノメーターのｘ－ｙ軸モーションとビームエキスパンダーのｚ軸モーションを組み合わせる制御を通じて行われることを特徴とする請求項２に記載のフェムト秒レーザーを利用した薄膜シート積層用上部金型のマイクロホールの加工方法。
4. 前記フェムト秒レーザーの波長は、金属における熱吸収率を考慮して５１５ｎｍ～５３２ｎｍのグリーン領域帯であることを特徴とする請求項１に記載のフェムト秒レーザーを利用した薄膜シート積層用上部金型のマイクロホールの加工方法。
   

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