KR100235340B1

KR100235340B1 - 박막 정밀 가공용 야그(yag) 레이저 가공기

Info

Publication number: KR100235340B1
Application number: KR1019920700512A
Authority: KR
Inventors: 노리따까 이시야마
Original assignee: 이시야마 노리다까; 파인 머싱 코퍼레이션; 호드킨 제이; 제이브이에프 인코포레이티드
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1991-07-30
Publication date: 1999-12-15
Also published as: EP0513359B1; KR920702269A; WO1992002331A1; EP0513359A1; US5227607A; DE69102995D1; DE69102995T2; EP0513359A4

Abstract

본 발명은 야그 레이저 가공기에 관한 것으로, 예컨대 반도체의 제조 공정에서 사용되는 포토마스크의 가공에 요구되는 바와 같은 높은 정밀도의 가공을 가능케 함을 목적으로 한다. 본 발명에 의한 야그 레이저 가공기는 가공기 본체가 레이저 비임의 직경을 소폭으로 하기 위한 조리개 수단을 갖추고, 또 레이저 비임의 고주파화 수단을 갖추고 있으며, 그리고 가공기 본체를 싣는는 베이스만이 견고하고 안정한 삭제로 형성됨과 아울로, 공기 스프링을 개제시킨 복수의 입각상에 올려 놓고, 또한 XY테이블의 X의 움직임 및 Y의 움직임에 관한 펄스신호를 OR회로로 처리하고 이OR회로로 처리된 신호에 의거하여 레이저 비임의 조사를 제어토록 되어 있다.

Description

[발명의 명칭]

박막 정밀 가공용의 야그(YAG) 레이저 가공기

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본발명의 실시예에 따른 야그(YAG) 레이저 가공기의 측면도.

제2도는 제1도에 도시된 가공기 본체의 개략 구성도.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 평행화용의 광학계와 조리개 수단 및 셔터수단과의 관계를 나타낸 개략 구성도.

제4도는 본 발명의 실시예에 따른 레이져 비임(beam)의 제어 수단의 제어 계통도.

[발명의 싱세한 설명]

본 발명은 야그(YAG : 이하 ＂야그＂라 칭함) 레이저 가공기에 관한 것으로, 특히 프린트 기판의 공정이나 반도체의 제조 공정에서 미세한 패턴을 직접적으로 묘화(描畵)하는 가공에 가장 적합한 박막 정밀 가공용의 야그 레이저 가공기에 관한 것이다.

야그 레이저는 발진 파장이 1.06㎛정도의 비교적 단파장이고, 또 높은 평균 출력을 용이하게 얻을 수 있고, 또한 장치가 비교적 콤팩트한 등의 특징을 가지고 있어서 소도구의 가공이나 미세한 가공의 분야에 많이 사용되고 있다.

그러나, 미세한 가공이라고는 하지만 종래 가능하였던 미세한 가공은, 예컨데 반도체의 제조 분야에 있어서는 IC 패키지(IC package)의 마-킹 공정(marking process)이나 수선, 즉 IC의 제조 공정에서 사용되는 포토마스크의 결함을 수정하는 가공과 같은 것으로, 반드시 그 능력이나 특성을 충분히 활용한 이용이라고는 말할 수 없는 것이었다.

그래서, 본 발명자는 야그 레이저의 특성을 충분히 활용하여 보다 높은 정밀도의 미세한 가공을 가능케 하고자 한다. 예를 들면, 많은 부품이 삽입되도록 아트웍(artwork)된 프린트 기판의 제조 공정이나 반도체의 제조 공정에서 사용되는 포토마스크에 패턴을 직접적으로 묘화(描畵)하여 보다 가공 가치가 높은 가공을 가능케 하는 야그 레이저 가공기의 개발을 진행하여 왔다.

이와 같은 높은 정밀도의 미세한 가공의 실현에 있어서 가장 문제가 되는 것은 피가공물에 조사(照射)되는 비임 스포트의 직경의 미세화와 정밀화이고, 그를 위하여 여하히 효율적으로 비임의 직경을 작게(소폭으로) 하느냐이고, 또 얻어진 소폭의 비임을 여하히 안정된 조건, 즉 장치의 진동이나 가공 속도의 변화에 의한 가공의 부정확성이나 발진기의 발진 상태의 부정확성 등이 적고 항상 일정한 조건에서 가공할 수 있도록 하느냐이다.

즉, 본 발명은 상기와 같은 모든 문제를 해결함으로써 반도체의 제조 공정에서 사용되는 포토마스크 등의 가공을 가능케 하는 박막 정밀 가공용의 야그 레이저 가공기를 제공코자 하는 것이다.

본 발명에 의한 박막 정밀 가공용의 야그 레이저 가공기는, Q스위치 발진의 발진기로부터 발진된 레이저 비임을 복수의 렌즈로 이루어지는 광학계로 끌어 들이고, 상기 광학계의 선단에 있는 집광 렌즈에 의하여 스포트 형상으로 집광시켜 피가공물에 조사토록 하여 이루어 지는 가공기 본체와, 상기 피가공물을 싣는 XY테이블과, 상기 가공기 본체와 XY테이블을 올려 놓는 베이스반으로 이루어져 있는 것으로, 상기 가공기 본체는 광학계를 형성하는 렌즈 사이에 레이저 비임의 외주 부분을 차단하여 상기 비임의 직경을 가늘게 하기 위한 조리게 수단을 갖추고 있다.

본 발명의 야그 레이저 가공기에 의하면, 상기 조리개 수단으로 레이저 비임의 외주 부분을 차단함으로써 상기 조리개 수단으로부터 출력되는 비임의 직경이 입력 비임의 직경 보다 더 가늘게 되지만, 이는 레이저 비임의 외주 부분이 에너지 분포로 보건대 이 부분을 버려도 박막 가공의 경우에는 실용상 그다지 가공 에너지 가 효율적으로 영향을 받지 않는다는 견지에 의거한 것이다. 또한, 이와 같이 하여 비임의 직경을 가늘게 함으로써 레이저 비임의 외주 부분에 포함되는 부정확한 피이크를 가진 불량성분을 제거 할 수 있고, 비임 스포트를 보다 정밀한 것으로 할 수 있다.

조리개 수단을 광학계의 렌즈 사이에 설치토록 한 것은, 렌즈 비임에 의한 조리개 수단의 손상을 피하기 위함이다. 즉, 광학계의 렌즈 사이에서 확대된 레이저 비임은 확대율에 따라 그 에너지 밀도가 저하되기 때문에 확대 상태의 레이저 비임이면 조리개 수단이 손상을 받지 않고 완성된다.

이와 같은 야그 레이저 가공기에 관하여서는 상기 가공기의 본체에 레이저 비임 조사의 ON.OFF를 제어하는 셔터 수단을 발진기의 외주에 위치시켜 설치하는 것이 바람직하다.

즉, 이와 같이 함으로써 레이저 비임 조사의 ON.OFF 제어는 발진기 외의 셔터 수단으로 제어할 수 있고, 가공 작업 중에 발진기의 정지, 기동을 하지 않아도 되고, 그 결과 정밀 가공을 보다 안정적으로 할 수 있도록 된다. 즉, Q스위치 발진은 일반적으로 연속적으로 발진시키고 있을 때에는 안정적인 발진이 얻어지지만, 사용 개시시의 기동이나 도중에 발진을 정지한 후의 기동 초기에 출력이 불안정화 한다는 성질을 가지고 있으며, 상기와 같은 출력의 불안정화에도 박막의 정밀 가공에는 적지 않은 영향을 미치지만, 본 발명의 가공기에 의하면 가공 중에 발진기의 정지 기동을 하지 않아도 되고 기동 초기의 출력 불안정화의 영향을 피할 수 있다.

또한, 이와 같은 야그 레이져 가공기에 관하여서는 상기 가공기 본체에 레이저 비임을 고주파로 하는 고주파화 수단을 설치토록 하면 더욱 바람직하다.

즉, 레이저 비임을 고주파로 함으로써 비임 스포트 직경의 가일층의 미세화를 실현 할 수 있고 상기 고주파에 의한 비임 스포트 직경의 미세화는 박막의 가공에 관하여 1.06㎛의 기본 파장의 경우에 비해 비약적인 변화를 가져 온다. 즉,직경을 기계적으로 가늘게(소폭으로) 할 수 있는 것은 당연하고 고주파화에 의하여 얻어지는 에너지의 고밀도화가 박막의 가공에 대하여 의외의 적성(適性)을 가지고 있으며 기본 파장의 경우에는 발생되기 쉬운 드로스(dross)의 발생을 전혀 찾아 볼 수 없는 정밀한 가공이 가능하여 진다.

또한, 이와 같은 야그 레이저 가공에 관하여서는 상기 베이스반을 견고하고 안정한 석재로 형성하고, 아울러 상기 베이스반을 공기 스프링을 개재시킨 복수의 입각상(立脚上)에 올려 놓도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 이와 같이 상기 베이스반을 형성함으로써 진동에 대하여 매우 안정적이고 상기 각 요소에 의하여 얻어지는 미세한 스포트 비임의 피가공물에의 조사를 보다 정확하게 할 수 있고 가공의 정밀성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 이와 같은 야그 레이저 가공에 관하여서는 상기 XY테이블에 있어서의 X의 움직임 및 Y의 움직임에 관한 각 데이터를 엔코더로 펄스 신호로서 취득함과 동시에, 이들의 각 데이터를 OR회로로 처리하고, 그리고, OR회로로부터의 출력에 의거하여 레이저 비임의 펄스 조사를 제어토록 하는 것이 더욱 바람직하다.

즉, 이와 같이 제어함으로써 X.Y의 움직임의 속도와 관계 없는 일정한 거리간격에 의하여 레이저 비임의 펄스를 조사할 수 있고 상기 피가공물의 이동 속도의 변동에 의한 절단 상태의 불안정화라는 현상을 피할수 있고, 상기 각요소에 의하여 얻어지는 미세한 스포트 비임의 유효성을 더욱 활용할 수 있으며 가공 정밀성의 가일층의 향상을 꾀할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 발명의 실시예에 의한 야그 레이저 가공기(1)는 제1도에 도시한 바와 같이 상기 가공기 본체(2), XY테이블(3) 및 이 양자를 싣는 베이스반(4)에 의하여 이루어져 있다.

상기 가공기 본체(2)는 제2도에 도시한 바와 같이 발진기(10), 고주파화 수단(11) 및 광학계(12)를 갖춤과 동시에 제3도에 도시한 바와 같이 상기 광학계(12)내에 조리개 수단(13) 및 셔터 수단(14)을 갖추고 있다.

상기 발진기(10)는 야그 로드(15), 전후 한쌍의 반사 미러(16), Q스위치(17) 및 구경(aperture : 18)를 갖추고 있고, Q스위치(17)의 조작에 의하여 Q스위치를 발진 할 수 있도록 되어 있다. 또한, 발진되는 레이저 비임(B)의 비임 직경이 상기 구경(18)에 의하여 일정한 직경으로 되도록 되어 있다. 여기서, 일정한 직경이라 함은 발진기(10)로부터 발진 가능한 범위에서 가능하다면 최소화한 직경으로, 여기서는 이예에서는 1.3㎜로 되도록 되어 있다.

고주파화 수단(11)은 발진기(10)로부터 파장 1.06㎛로 발진된 레이저 비임(B)을 고주파화하기 위한 것으로, 이 예에서 제2고주파(파장532㎚)가 얻어지는 것을 사용하고 있다.

상기 광학계(12)는 상기 발진기(10)로부터의 상기 레이저 비임(B)의 평행성을 더욱 높이기 위한 평행화용 광학계(19) 및 상기 평행화용 광학계(19)로부터 나온 상기 레이저 비임(B)을 스포트 형상으로 집광시켜 피가공물에(M)에 조사하기 위한 집광 렌즈(20), 그에 상기 평행화용 광학계(19)와 상기 집광 렌즈(20)와의 사이에서 광로(光路)를 90^o변화시키기 위하여 설치된 반사 미러(21)에 의하여 형성되어 있다.

상기 평행화용 광학계(19)는 제3도에 도시한 바와 같이 입사측으로부터 순서적으로 확대용 오목렌즈(22), 평행화용 볼록렌즈(23), 축소용 볼록렌즈(24) 및 평행화용 오목렌즈(25)를 배열하여 이루어 진다. 그리고, 여기를 통하는 상기 레이져비임(B)은 상기 확대용 오목렌즈(22)로 소정의 배율, 이예에서는 5배로 확대된 상태에서 상기 평행화용 볼록렌즈(23)로 평행화 되고, 그리고, 상기 축소용 볼록렌즈(24)로 1/5로 축소된 후에 상기 평행화용 오목렌즈(25)로 평행화 됨으로써 보다 높은 평행도가 얻어지도록 되어 있다.

상기 조리개 수단(13)은 1.3㎜의 직경으로 상기 발진기(10)로부터 발진된 상기 레이저 비임(B)의 직경을 보다 가늘게 하여 상기 집광 렌즈(20)에 의한 스포트의 스포트 직경을 보다 가늘게 하기 위한 것으로, 줄여서 가늘게 하는 정도, 즉, 축세도(縮細度)에 따른, 예컨대 1㎜의 직경의 통공(26)을 가진 판상의 형체로 형성하고 상기 통공(26)의 중심이 광노(光路)의 중심에 오도록 하여 상기 평행화용 볼록 렌즈(23)와 상기 축소용 볼록렌즈(24)와의 사이에 배치되어 있으며, 상기 통공(26) 이외의 부분에 관하여서는 상기 레이저 비임(B)을 차단할 수 있도록 되어 있다. 역시, 상기 조리개 수단(13)은 상기 통공(26)의 직경이 다른 것과 교환함으로써 축세도를 바꿀 수 있도록 되어 있다.

따라서, 상기 조리개 수단(14)이 개재된 상기 평행화용 광학계(19)를 통과하는 상기 레이저 비임(B)은 상기 평행화용 볼록렌즈(23)와 상기 축소용 볼록렌즈(24)의 사이에서 상기 조리개 수단(13)에 의하여 그 직경이 기계적으로 조여짐과 동시에, 외주 부분에 있어서의 불량성분이 제거되고 이 불량성분이 제거되 보다 정밀화된, 예컨대 1㎜ 직경의 상태로 상기 축소용 볼록렌즈(24)에 들어 가고 최종적으로는 0.2㎜ 직경으로 되어 상기 집광 렌즈(20)에 들어 간다. 이결과, 종래의 것에 비교하여 현격이 가늘게 된 약 2-5㎛라는 스포트 직경이 얻어지고, 예컨대 4메가 비트 클라스의 반도체의 제조에서 사용되는 포토마스크에 패턴을 직접적으로 묘화(描畵)하는 가공, 또한, 반도체의 기제에 패턴을 직접적으로 묘화(描畵)하는 가공도 가능하게 되어 있다. 역시, 도면 중의 상기 조리개 수단(13)을 사용하지 않았던 경우의 상기 레이저 비임(B)의 상태를 2점쇄선으로 나타내고 있다.

상기 셔터 수단(14)은 상기 조리개 수단(13)과 마찬가지로, 상기 평행화용 볼록렌즈(23)와 상기 축소용 볼록렌즈(24)의 사이에 배열되어 있다. 상기 셔터 수단(14)은 상기 레이저 비임(B)의 상기 피가공물(M)에의 조사의 ON.OFF제어를 하기 위한 것으로 이와 같이 상기 발진기(10)의 외주에 설치된 상기 셔터 수단(14)으로 상기 레이저 비임 조사의 ON.OFF제어를 함으로써 정밀한 가공을 보다 안정적으로 할 수 있도록 된다. 즉,이와 같은 상기 셔터 수단(14)을 사용함으로써 가공 중에 상기 발진기의 정지 기동을 하지 않도록 되고 기동 초기의 출력의 불안정화의 영향을 피할 수 있다. 역시, 상기 셔터 수단(14)의 사소한 구조에 관하여서는 종래로부터 알려져 있는 것을 적당히 이용할 수 있기 때문에 그에 대한 설명을 생략하고 있다.

여기서, 상기 조리개 수단(13)을 상기 평행화용 볼록렌즈(23)와 상기 축소용 볼록렌즈(24)와의 사이에 배열한 것은 상기 레이저 비임(B)에 의한 상기 조리개 수단(13) 및 상기 셔터 수단(14)의 손상을 피하기 위함이다. 즉, 상기 평행화용 볼록렌즈(23)와 상기 축소용 볼록렌즈(24)와의 사이에는 전술한 바와 같이 상기 레이저 비임(B)이 5배로 확대되어 있으며, 그 에너지가 1/5로 되어 있기 때문에, 여기에 설치하면 상기 조리개 수단(13) 및 상기 셔터 수단(14)을 손상시키지 않고 완성된다.

상기 XY테이블(3)은 제4도에 도시한 제어 계통도에 도시한 바와 같은 상기 레이저 비임의 제어 수단을 갖추고 있다. 상기 레이저 비임의 제어 수단은 리니어 엔코더나 로우터리 엔코더로 상기 XY테이블(3)의 움직임, 혹은 상기 XY테이블(3)의, 구동원인 모우터(도시되어 있지 않음)의 동작 상태를 검출하고, 이 검출된 X의 움직임과 Y의 움직임에 관한 각 데이터에 관하여 OR회로(27)로 논리합을 취하고 그 출력을 n배회로(29)에 의하여 레이저 조사 제어 회로(29)에 입력시키고 있다.

보다 구체적으로는 X의 움직임 및 Y의 움직임의 어느 펄스 신호가 있으면 이에 따라 상기 레이저 비임의 펄스를 조사하는 것으로 상기 레이저 비임의 펄스 수에 관하여서는 상기 n배회로(28)의 개재에 의하여 X.Y의 움직임의 각 펄스 신호나 하나 당 n개로 되도록 되어 있다.

이와 같이 X.Y의 움직임에 관한 각 데이터를 엔코더로 펄스 신호로서 취득하고 이 데이터에 의거하여 상기 레이저 비임의 펄스 조사를 제어토록 한 것에 의하여 X.Y의 움직임의 속도와 관계 없는 일정한 공간적인 간격에 의하여 상기 레이저 비임의 펄스를 조사하고, 예컨대 모서리부에 있어서의 피할 수 없는 감속에 이한 피가공물의 이동 속도의 변동에 기인하는 절단 상태의 불량이라는 현상을 피할 수 있다. 또한, X.Y의 움직임의 데이터를 컴퓨터에 비하여 현격히 고속으로 처리 가능한 상기 OR 회로(27)로 처리하도록 하고 있기 때문에 종래의 것에 비하여 보다 고속에 있어서의 처리가 가능하여 진다.

상기 베이스반(4)은, 예컨대 화강암과 같은 비교적 비중이 큰 석재로 단단하게 형성되고, 또한, 상기 공기 스프링(30)을 기재시켜 4개의 입각(立脚 : 다리)(31)..(31)에 지지되어 있다. 역시, 이 예에서는 『공기 스프링』으로서 풀무식의 공기 스프링(30)을 사용하고 있지만 이에 한정되는 것이 아니고 다른 적당한 것을 사용할 수 있다.

이와 같은 상기 베이스반(4)의 특징은 주위로 부터의 진동의 영향을 유효히 차단할 수 있다는 점이다. 즉, 상기 공시 스프링(30)에 의한 효율적인 진동 흡수성과 석재로 견고하고 안정되게 형성한 것에 의한 커다란 진동 차단성이 유기적으로 협동하고 설치 바닥을 통하여 전달되어 오는 주위로 부터의 진동을 유효히 차단할 수 있다.

본 발명에 의한 야그 레이저 가공기는 이상 설명하여 온 바와 같이 상기 조리개 수단에 의하여 상기 레이저 비임의 외주 부분을 차단함으로써 비임의 직경을 가늘게 함과 아울러 보다 정밀한 것으로 하고, 또한, 상기 레이저 비임 조사의 ON.OFF제어는 발진기의 외주에 설치한 셔터 수단으로 제어함으로써 상기 레이저 비임의 출력을 안정화 시킨다. 또한, 고주파화 수단을 설치하여 상기 레이저 비임을 고주파화 시킴으로써 비임 스포트 직경의 미세화 및 정밀화가 꾀하여지고, 또한, 베이스반을 견고하고 안정한 석재로 형성함과 더불어, 공기 스프링을 개재시켜 입각상에 올려 놓음으로써 내진동성의 향상이 꾀하여 지고, 또한, XY테이블의 X의 움직임 및 Y의 움직임에 관한 각 데이터를 엔코더로 펄스 신호로서 취득하고 이 데이터에 의거하여 상기 레이저 비임의 펄스 조사를 제어토록 함으로써 피가공물의 이동 속도의 변동시에도 안정적으로 가공할 수 있도록 하고 있기 때문에, 예컨대 높은 실장 밀도의 프린트 기판의 제조 공정이나 반도체의 제도 공정에서 사용되는 포토마스크에 패턴을 직접적으로 묘화(描畵)할 수 있는 매우 높은 정밀한 가공이 가능하게 되어 있다.

Claims

Q스위치 발진의 발진기(10)로부터 발진된 레이저 비임을 복수의 렌즈로 이루어지는 광학계(12)로 끌어 들이고, 상기 광학계(12)의 선단에 있는 집광 렌즈에 의하여 스포트 형상으로 집광시켜 피가공물(M)에 조사토록 하여 이루어지는 가공기 본체(2)와, 상기 피가공물(M)을 싣는 XY테이블(3)과, 상기 가공기 본체(2)와 XY테이블(3)을 올려 놓는 베이스반(4)으로 이루어 지는 야그(YAG)레이저 가공기에 있어서, 상기 가공기 본체(2)가 광학계(12)를 형성하는 렌즈의 사이에 레이저 비임의 외주 부분을 차단하여 그 비임의 직경을 가늘게 하기 위한 조리개 수단(13)을 갖추고 있을 특징으로 박막 정밀 가공용의 야그 레이저 가공기.
제1항에 있어서, 상기 가공기 본체(2)가, 상기 발진기(10)로부터 발진된 상기 레이저 비임 조사의 온.오프(ON.OFF)를 제어하는 셔터수단(14)을 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 야그 레이저 가공기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가공기 본체가 상기 레이저 비임을 고주파로 하는 고주파와 수단을 갖추고 있음을 특징으로 하는 야그 레이저 가공기
제3항에 있어서, 상기 베이스반은, 견고하고 안정된 석재로 형성되어 있으며, 아울러 공기 스프링을 개재시킨 복수의 입각상에 올려 놓여져 있는 것을 특징으로 하는 야그레이저 가공기.
제4항에 있어서, 상기 XY테이블은, X의 움직임 및 Y의 움직임에 관한 각 데이터를 엔코더로 펄스 신호로써 취득함과 동시에, 이들의 각 데이터를 OR회로로 처리하고, 상기 OR회로로 부터의 출력에 의거하여 상기 레이저 비임의 펄스 조사를 제어토록 한 제어수단을 갖추고 있음을 특징으로 하는 야그 레이저 가공기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 베이스반은, 견고하고 안정된 석재로 형성되어 있으며, 아울러 공기 스프링을 개재시킨 복수의 입각상에 올려 놓여져 있는 것을 특징으로 하는 야그레이저 가공기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 XY테이블은, X의 움직임 및 Y의 움직임에 관한 각 데이터를 엔코더로 펄스 신호로써 취득함과 동시에, 이들의 각 데이터를 OR회로로 처리하고, 상기 OR회로로 부터의 출력에 의거하여 상기 레이저 비임의 펄스 조사를 제어토록 한 제어수단을 갖추고 있음을 특징으로 하는 야그 레이저 가공기.