KR100372470B1

KR100372470B1 - 레이저 천공 가공 장치

Info

Publication number: KR100372470B1
Application number: KR10-2000-0033542A
Authority: KR
Inventors: 후제케이지
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2003-02-17
Also published as: DE60013365D1; DE60013365T2; EP1063048A3; JP3346374B2; TW494043B; EP1063048A2; JP2001062578A; KR20010049570A; EP1063048B1; US6452132B1

Abstract

본 발명은 패키지, 프린트 기판 등에 다수의 미세한 구멍을 일거에 천공하는 것으로서, 레이저 빔을 DOE에 의해 회절시키고, 다수의 빔을 발생시키고, fsinθ 렌즈에 의해 상면에 등간격의 스폿으로서 결상시킨다. 갈바노 미러와 조합하여, 갈바노 미러 방식과 DOE 방식을 택일적으로 사용할 수 있도록 한다.

Description

레이저 천공 가공 장치{Laser machining device for piercing substrate}

본 발명은 프린트 기판의 레이저 천공 가공 장치에 관한 것이다. 전자기기의 프린트 기판에는 IC 등 미소한 전자 회로 소자가 다수 장착된다. 그러므로 다수의 핀 구멍이 천공된다. 현재의 지점에서 가는 드릴을 회전하여 하강시키고, 기판에 가압하여 하나하나 구멍을 뚫는 가공이 행하여지고 있다. 기계적으로 드릴로 구멍을 뚫는 방법은 유연성이 있다. 다양한 구멍 배치의 기판을 소량 제작하는 데에는 적합하다. 드릴 가공은 현재도 주류이지만, 하나하나 구멍을 뚫어가므로 속도가 느리다고 하는 문제가 있다.

그것과 프린트 기판의 고밀도화, 다층화를 위해, 직경이 작은 구멍이 요구되고 있다. 또한 패키지의 구멍 뚫음도 미소한 직경의 여러개의 천공이 필요하게 된다. 예를 들면 0.15mm 이하의 직경인 것이 필요하다. 이러한 미세한 직경의 것을 드릴로 기계적으로 천공하기는 곤란하다. 드릴 강도에 문제가 있기 때문이다. 그와 같은 미세한 직경의 구멍을 천공하는 것으로서, 레이저 빔에 의해 광학적으로 천공하는 것이 유력한 후보가 된다. 본 발명은 그와 같은 요구에 부응하여 미세 직경의 구멍일지라도 적용할 수 있고, 소품종 대량 생산에 적격인 고속의 천공 가공 장치를 제공하고자 하는 것이다.

드릴에 의한 천공보다 고능률적인 방법으로서 레이저와 갈바노 미러와 렌즈를 조합한 방법이 제안되어 있다. 탄산가스 레이저의 펄스 광을 갈바노 미러로 반사하여, 렌즈에서 집광하여 프린트 기판에 대고 열에 의해 순간적으로 구멍을 뚫는 것이다. 두개의 다른 축의 주위로 요동하는 두개의 미러를 사용하여 레이저 빔을 직교하는 2방향으로 흔들어 프린트 기판 상을 레이저 빔이 주사하도록 한다. 레이저가 펄스 광을 발생하기 때문에 소정의 부위에 비연속적인 천공을 행할 수 있는 것이다. 또한, 광에 의해 기판을 달구어서 끊은 것이기 때문에 미세한 구멍을 뚫을 수 있다. 드릴에 의한 것보다도 고속으로 보다 미세한 직경의 구멍을 여러개 천공할 수 있다. 장래성이 있는 신규한 천공 방법이다.

집광을 위한 렌즈를 문제 삼는다. 통상적인 렌즈는 평행광을 렌즈로부터 초점 거리만큼 이격된 평면의 상면에 결상시키는 작용이 있다. 렌즈의 중심을 지나는 광은 굽지 않고 상면에 도달하여 결상한다. 렌즈 광축에 대하여 θ만큼 경사진 빔은 상면의 중심에서 ftanθ만큼 떨어진 곳에 상을 만든다. 상면에서의 중심으로부터의 거리가 ftanθ이기 때문에, 여기서는 가령 ftanθ 렌즈로 표현하기로 한다.

갈바노 미러에 의해 1개의 빔을 x방향, y 방향으로 주사하는 경우, 진동 각도가 일정하게 된다. 구멍의 분포도 일정한 피치를 유지하므로, 진동각(θ)과 그 빔이 상면에서 만드는 상점의 중심으로부터의 거리가 비례할 필요가 있다. 즉, 렌즈에 대한 입사각(θ)과 초점 거리(f)의 적(fθ)과 같은 점에 상 위치가 오는 렌즈가 필요하다. 이것은 fθ 렌즈라고 한다. 이것은 통상적인 렌즈와는 다르므로, 특수한 형상으로 되어 있어 특별한 설계법이 요구된다.

또 하나는 빔이 기판에 수직이 아니면 안된다고 하는 조건이 부과된다. 수직으로 기판에 입사함으로써 기판에 직교하는 구멍을 뚫을 수 있다. 입사 빔이 렌즈 광축에 대하여 경사져 있고, 렌즈 비중심부를 통과하는 데에 그 렌즈로부터 나온 빔은 기판에 수직이 아니면 안된다. 이것은 통상적인 렌즈에서는 상당히 곤란한 조건이다. 이와 같이 경사진 빔이 렌즈 비중심 위치에 입사하여도 렌즈를 나올 때는 수직 빔이 되는 성질을 텔레센트릭성이라 한다. 갈바노 미러 방식의 경우, 집광 렌즈는 fθ 성과 텔레센트릭성이 필요하다.

프린트 기판, IC 패키지 등의 레이저 천공 가공에 있어서, 신기술인 갈바노 미러와 fθ 렌즈를 사용하면, 1초 동안에 약 500개의 구멍을 뚫을 수 있다고 한다. 그 개념을 도 1에 도시한다. 레이저 빔(1)이 x축 스캔 미러(2)에 의해 반사된다. y 축 스캔 미러(3)에 의해 또한 반사된다. x축 스캔 미러는 축 주위로 요동한다. 그러므로 반사 빔도 좌우로 요동한다. y축 스캔 미러(3)도 축 주위로 요동하고, 반사 빔은 축 직각방향으로 요동한다.

2중으로 반사된 빔은 렌즈(4) 위를 종횡으로 주사한다. 렌즈(4)에 의해, 집광된 빔이 프린트 기판(5)에 조사된다. 빔이 x축, y축 방향으로 주사되어 레이저가 펄스 광을 내므로, 종횡으로 나열하는 다수의 구멍(6)을 매우 빠른 속도로 천공할 수 있다. 드릴 기계 천공에 비해 현격한 진보이다. 갈바노메타, 갈바노 미러도 실용적인 것이 제조되어 있고, 적외광용 렌즈도 설계되어 있어 실용화가 급속히 진행되고 있다.

그러나, 그보다도 더 고속으로 구멍을 천공하려고 하는 요구가 나오고 있다. 예를 들면 1초 동안에 수천개 이상의 구멍을 일거에 천공하려는 것이다. 프린트 기판에 한정하지 않고 패키지의 구멍 천공 등의 용도도 있다. 이정도 고속도의 천공의 요구는 지금까지의 기술로서는 대응할 수 없다. 갈바노 미러에 의해 기계적으로빔을 흔들고 있는 것에서는 아무래도 시간에 대기 어렵다.

한개의 레이저 빔을 소망의 공간 분포를 갖는 다수의 빔으로 분할하기 위해서 회절형 광학 부품(D0E)이 제안되어 있다. 도 3 내지 도 5에 의해 DOE(8)를 설명한다. 도 3은 전체 평면도, 도 4는 하나의 단위 파라미터도, 도 5는 도 4의 L-L단면도이다. DOE는 대상광에 대하여 투명판을 종횡으로 나열한 다수의 단위 패턴(9: 도 4 참조)으로 분할하고, 단위 패턴(9)을 또한 다수의 화소(10)로 분할하여, 화소(10)의 두께를 2^m(m = 1, 2, 3, …)로 바꾼다. 이것은 DOE를 투과하는 광의 1파장분의 두께를 2^m으로 분할하는 것이다. 따라서 이 두께 분포는 위상 분포를 이루고 있고 투과하는 광을 위상 변조시킨다. 도 5는 2단계(m = 1)로 두께를 바꾸는 예를 예시한다. 두꺼운 화소(11)와 얇은 화소(12)가 있다. 2종류의 화소는 이 파장 광의 반파장분의 두께의 차(위상차)가 있다. 이 분포가 회절 분포를 결정한다. 반복 단위 패턴의 화소 분포에 의해 레이저 빔을 회절시키고, 원하는 분포의 다수 빔을 발생시키는 것이다.

다수의 단위 패턴(9)은 동일한 화소 구성을 가진다. 단위 패턴(9)의 1변이 주기(Λ)가 된다. 회절을 일으키기 위해서 반복이 불가결하고, 단위 패턴의 반복이 필요하다. 주기(Λ)는 회절각의 확대(넓이)를 결정한다. Λ가 크면 회절각이 작다. Λ가 작으면 회절각이 커진다.

DOE의 단위 패턴 내의 위상(즉, 두께)의 분포가 제어 변수가 된다. 위상차를 이차원적으로 분포시킴으로써, 이차원적인 넓어짐을 갖는 회절빔을 만들어낼 수 있다. 단위 패턴이 정방형인 경우(Λ×Λ), x, y의 양방향으로 회절되는 빔의 1차 당의 각도는 같게 할 수 있고, 장방형인 경우(Λx×Λy) 그들을 다른 것으로 할 수 있다. DOE의 화소 사이즈나 두께 분포(위상 분포)를 결정함으로써 임의의 회절광 분포를 얻을 수 있다. DOE는 일거에 M개의 빔을 만들어내므로, 갈바노 미러와 같이 움직이지 않고, 정지하고 있음에도 불구하고, 순간에 다수의 구멍을 천공할 수 있다. 레이저 빔을 DOE에 넣어 다수의 분할 빔을 만들어낸다. 이것을 렌즈에 의해 집광하고 나서 프린트 기판, 패키지에 조사한다.

통상적인 렌즈는 ftanθ 렌즈이다. 갈바노 미러인 경우, ftanθ 렌즈는 부적합하며, fθ 렌즈가 사용되고 있다. 갈바노 미러는 요동각의 피치(최소단위)가 결정되어 있고, 요동각은 최소 단위(△)의 정수배(m△)이다. 그러므로 등간격으로 나열하는 구멍을 뚫기 위해서는 렌즈는 fθ 렌즈가 가장 적합하다.

fθ 렌즈는 fθ성, 텔레센트릭성과, 회절 한계의 집광을 실현하기 위해서 5장, 4장 등의 렌즈를 조합한다. 최저일지라도 2장의 렌즈가 필요하다. 도 2에 2장 세트의 fθ 렌즈의 예를 예시한다. 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2)를 조합하고 있다. L1의 입사광측의 면이 S1, 출사측의 면이 S2이다. L2의 앞면이 S3, 뒷면이 S4이다. L1은 구면 렌즈이다. L2는 앞면(S3)이 구면이고 뒷면(S4)이 비구면이다. 렌즈보다 후방에 중심을 가지는 구면인 경우에 곡율 반경을 정으로 정의한다. 비구면의 면높이 Z(r)는 다음과 같이 반경(r)의 함수로 주어진다. 파라미터가 c, k, α_j이다. j는 1부터 적당한 자연수 s까지이다. 소정의 성능이 얻어지지 않을 때는 j의 상한(s)을 늘려 간다. 여기서는 s = 5로 되어 있다.

fθ 렌즈의 데이터

렌즈 번호	면 번호	곡률 반경(mm)	두께, 간격(mm)	굴절율
L1	S1	-32.473	6.184	2.403
L1	S2	-37.790	62.114	2.403
L2	S3	-3848.615	11.702	2.403
L2	S4	표 2	158.588	2.403

두께는 렌즈의 두께와 렌즈 간의 간격, 렌즈와 상면의 간격을 포함하는 개념이다. 62.114mm는 L1 렌즈의 S2면과 L2 렌즈의 S3면의 간격이다. 158.588mm는 L2의 S4면과 상면(I)의 간격이다. 탄산가스 레이저 광을 사용(10.6μm)하는 것으로 적외광에 대하여 투명한 ZnSe 다결정을 기재로 하고 있다. 굴절율은 이러한 파장 광에 대한 것이다.

fθ 렌즈의 비구면 데이터

면 번호	S4	비구면 계수
1/c(mm)	-169.837	α₂	1.217×10^-9
k	-1.060	α₃	-2.529×10^-12
	α₄	1.383×10^-15
	α₅	-2.550×10^-19

DOE에서의 회절광을 fθ 렌즈에 의해 상면(I)상에 집광시킨다. DOE에 의해분할된 각 빔이 상면(I)상의 각 위치로 수속한다. 그 위치는 분할된 각 빔의 경사각(회절각)에 의해 결정된다.

그러나, 본 발명자는 DOE에는 fθ 렌즈도 반드시 최적이 아님을 알았다.

그 이유에 대해서 설명한다. DOE는 일정 주기로 화소를 정의하여 화소의 높이(두께)에 의해, 투과광의 위상을 변조함으로써 회절광을 만들어낸다. 무질서의 두께 배열에 의해 회절시키는 것이 없게, 일정한 주기성을 가진 배열이 되기 때문에, 이로 인해 어떤 종류의 제한이 부과된다.

평행광을 DOE에 수직입사되는 것을 고려할 수 있다. 분기한 다수의 회절광도 모두 평행광이다. 그대로는 수속하지 않으므로, DOE 뒤에 렌즈를 놓고, 뒷측 초점 위치에 각 차수의 회절광을 집광시킨다. 평행 빔이므로 DOE의 뒤측 f 위치에 모든 차수의 빔이 같은 면에 수속한다. 레이저 빔이 DOE를 통과하여 분기 회절광이 생긴다. 이것이 렌즈(L)에 의해 집광되어 상면(I)에 광 스폿을 만든다.

레이저 광의 파장을 λ, DOE의 패턴 주기를 Λ로 한다. 회절의 차수를 n으로 한다. n차 회절 빔의 광축과 이루는 각도를 θ_n으로 한다. 회절 조건식은

Λsinθ_n=nλ (2)

이다. n차 회절 광의 경사각(회절각) θ_n은

θ_n= sin^-1(nλ /Λ) (3)

에 의해 주어진다. 그 각도를 갖고 렌즈에 입사하는 것이기 때문에, 렌즈 배후의 화상면의 중심으로부터 n차 회절 상점까지의 거리(h_n)는 다음과 같다.

(1) 통상적인 ftanθ 렌즈인 경우

h_n= ftan｛sin^-1(nλ /Λ)｝ (4)

(2) 갈바노 미러에 사용되는 fθ 렌즈인 경우

h_n= fsin^-1(nλ /Λ) (5)

어떻든간에, 회절 차수(n)와 화상면에서의 중심·상점 거리(h_n)가 선형이 아니다. 선형 관계로부터 어느 정도 어긋나 있는 것일까?

tan(sin^-1x) = x + (x³/2) + (3x⁵/8)… (6)

sin^-1x = x + (x³/6) + (3x⁵/40)… (7)

선형관계로부터의 어긋남은 x의 3승 이상의 항으로 나타난다. 그러므로 상당히 x가 크게 되어 비로서 크게 현재화한다. x = nλ/Λ 이지만, Λ가 비교적 크고, n이 너무 크지 않으면, x가 작기 때문에 선형으로부터의 어긋남은 무시할 수 있다. 그러나, Λ가 작거나 혹은 n이 크면(회절 차수가 높다), 회절각(θ)이 커져, 선형으로부터의 어긋남을 무시할 수 없게 된다.

2종류의 렌즈를 비교하면, fθ 렌즈쪽이 ftanθ보다 어긋남이 작은 약 1/3이다. fθ가 양호하여도 최선은 아니다. 갈바노 미러 방식으로 개발된 fθ 렌즈를 그대로 유용하는 것은 또한 최적이라고 할 수 없다. 가장 바람직한 것은 렌즈 입사각(θ)의 빔을 상면에 있어서, 중심에서·상점까지의 거리(h_n)가 sinθ_n에 비례하도록 하는 렌즈이다. 지금까지의 표기 방법에 익숙한 말하자면「fsinθ」로도 표현할 수 있을 것이다. 만일 그와 같은 렌즈를 제작할 수 있다고 하면, 다음과 같은 적합한 관계가 성립하는 것이다.

(3) 본 발명에서 처음으로 제안되는 fsinθ 렌즈를 사용한 것으로 가정한 경우

h_n= fsin｛sin^-1(nλ/Λ)｝ (8)

= fnλ/Λ (9)

이 된다. 만약 제작할 수 있으면, 이것이 가장 적합한 렌즈이다. 만일 이 렌즈를 제작할 수 있으면, 인접한 회절 스폿의 거리 d_n=h_n-h_n-1은 차수에 관계 없이 일정하게 된다.

dn = fλ/Λ (10)

이상으로 3개의 렌즈에 대해서 회절 패턴의 거리 선형성을 고찰하였다. 근축광선만을 취급하면, ftanθ 렌즈, fθ 렌즈, fsinθ 렌즈 중 어느것일지라도 스폿 위치는 거의 어긋나지 않는다. θ가 충분히 작으면, 근사식

sinθ_n= tanθ_n= θ_n(11)

이 성립하기 때문이다. 예를 들면 λ= 10.6μm의 탄산가스 레이저를 사용하고, 초점 거리(f)를 f = 127mm, Λ = 2.688mm로 하면, d = 0.5mm 이지만, 그 경우 7차 회절 광에서도 θ₇= 1.6°이다. 충분히 근축 광선 근사가 유효하다. 이와 같이 회절각이 작은 경우는 바람직한 것이지만, 보다 커지면 이미 통상적인 ftanθ 렌즈는오차가 지나치게 커진다. fθ 렌즈라도 역시 오차가 크다. 고차의 회절까지 이용할 수 있고 회절각이 큰 경우에도 유효한 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명의 레이저 천공 가공 장치는 레이저와, 일정한 공간 주기의 동일의 반복 패턴, 혹은 일정한 공간 주기의 동일 패턴을 변조한 반복 패턴을 포함하여 레이저 광을 회절하여 다수의 빔을 발생하는 회절형 광학 부품과, 회절형 광학 부품으로부터 나온 다수의 분기 빔을 집광하는 fsinθ 렌즈에 의해 이루어진다.

즉, 파워가 큰 레이저와 주기적인 패턴을 갖고, 레이저 광을 회절함으로써 다수의 분할된 빔을 생성하는 회절형 광학 부품과, 회절형 광학 부품으로부터 나온 분할 빔을 집광하는 fsinθ 렌즈에 의해 이루어지고, 프린트 기판이나 IC 패키지에 다수의 구멍을 일거에 천공하는 것이다.

도 11에 개략의 구성을 도시한다. 레이저로부터의 평행 입사 빔(1)이 DOE(8)에 의해 2차원적인 확대를 갖는 회절빔(13)으로 분할된다. 이것은 평행 빔이다. 평행 회절빔은 집광 렌즈(14)에 의해 집광 분할 빔(17)이 된다. 상면에 놓여진 패키지(15)에 집광 분할 빔(17)을 조사하여 다수의 구멍(16)을 일거에 천공하고 있다. 집광 렌즈에 의해서 fsinθ를 사용하는 것이 중요하다. fsinθ라는 것은 여기서 처음으로 제안하지만, 렌즈에 θ의 경사각으로 입사한 빔이 상면에 있어서 중심으로부터 fsinθ의 위치에 결상하도록 하는 성질을 갖은 렌즈이다. 동일한 정의를 사용하면 통상적인 렌즈는 ftanθ 렌즈, 갈바노 미러에 가장 적합한 미러는 fθ 렌즈라고 할 수 있다.

회절형 광학 부품에 의해 레이저 빔을 회절하면 다수의 분할 빔을 일거에 만들 수 있다. 그것은 대단히 편리한 성질이다. 그러나, 회절형 광학 부품은 일정불변하는 것이기 때문에, 하나의 회절형 광학 부품에 의해 만들 수 있는 분할 빔의 패턴은 고정되어 버린다. 회절형 광학 부품은 생산성은 나무랄 데 없는 것이지만 유연성이 없다. 그것은 곤란한 것이다. 몇가지 다른 패턴의 구멍을 천공하고자 하는 요구에는 충분히 응할 수 없다.

어떻게든 범용성 유연성을 부여하고자 하는 것이다. 그래서 본 발명자는 복수의 다른 회절형 광학 부품을 제작하여 복수의 창을 갖는 회전 원판에 장착하여 원판을 회전시킴으로써 순간에 회절형 광학 부품을 교환할 수 있도록 개량을 생각해 내었다. G개의 창을 갖는 회전 원판에 1개의 회절형 광학 부품을 설치(G＞1) 하면, 1종류의 구멍 패턴을 고능률로 손쉽게 천공할 수 있다.

또 하나 유연성을 부여하기 위해서 본 발명자는 갈바노 미러와 회절형 광학 부품을 조합하는 것을 생각하였다. 갈바노 미러는 기계적인 드릴 천공보다도 훨씬 고속으로 구멍을 뚫을 수 있다. 더구나 갈바노 미러 방식은 그 자체 회절형 광학 부품보다도 우수한 유연성이 있다. 그것은 자유도가 있기 때문이다. 두개의 미러를 요동시키는 것이지만, 요동의 속도나 진폭이 조정 가능한 변수가 될 수 있다. 펄스 레이저의 펄스 간격도 변수가 될 수 있다. 그와 같은 변수를 바꾸는 것에 의해, 공간 주기가 다른 구멍 패턴을 천공하도록 할 수 있다. 또한 기판의 대소에도 대응할 수 있다. 갈바노 미러와 회절형 광학 부품을 조합한 하이브리드 방식으로 하면 광범위한 자유도를 획득할 수 있다. 어떠한 구멍 배열에도 대응할 수 있는 유연성을 얻을 수 있다.

하이브리드 방식의 본 발명의 레이저 천공 가공 장치는 레이저와, 레이저 광을 반사하는 2장 이상의 요동하는 갈바노 미러와, 일정한 공간 주기의 동일의 반복 패턴, 혹은 일정한 공간 주기의 동일 패턴을 변조한 반복 패턴을 포함하여 레이저 광을 회절하여 다수의 빔을 발생하는 회절형 광학 부품과, 갈바노 미러 또는 회절형 광학 부품으로부터 나온 다수의 분기 빔을 집광하는 fsinθ 렌즈와, 회절형 광학 부품을 레이저 빔 광로 내에 삽입하고, 또는 이탈시키는 기구로 이루어진다. 갈바노 미러를 사용할 때는 광로로부터 회절형 광학 부품을 이탈시킨다. 회절형 광학 부품을 사용할 때는 갈바노 미러는 중립 위치에 정지시켜 둔다.

하이브리드형인 경우, 빔 시스템의 어디로 회절형 광학 부품을 삽입하여도 된다. 예를들면, 2장의 갈바노 미러의 중간 위치에 삽입 또는 이탈시키도록 한다.

또는 복수의 창을 갖는 회전 원판의 창에 복수의 회절형 광학 부품을 장착하여 갈바노 미러에 의해 반사된 빔 중에 하나의 회절형 광학 부품이 위치하도록 놓고, 원판을 회전시켜 빔을 회절하는 회절형 광학 부품을 전환할 수 있도록 한다.

더우기, 복수의 창을 갖는 회전 원판의 창의 적어도 하나를 열린 창으로서 남기고, 다른 창에 회절형 광학 부품을 장착하여 갈바노 미러에 의해 반사된 빔 중에 하나의 회절형 광학 부품 또는 열린 창이 위치하도록 놓고, 빔을 회절하는 회절형 광학 부품과 갈바노 미러를 택일적으로 전환하도록 할 수 있다. 도 12에 개략 구성을 도시한다. 갈바노 미러의 x방향 스캔미러(2)와, y방향 스캔 미러(3)의 중간 빔(18)의 도중에 회전 원판(19)을 설치하고 있다. 회전 원판(19)은 주위에 몇개의 창(20)이 설치된다. 창(20)에는 다른 DOE(8a, 8b, 8c)가 장착된다. 창(2O) 중 몇개는 개구된 채로 남게 된다. 이것은 갈바노 미러에 의해 빔을 요동하는 경우를 위한 것이다. DOE(회절형 광학 부품 : 8)을 사용하는 경우는 갈바노 미러는 중립 위치에 정지시킨다.

혹은 보다 진행하여, 레이저 빔의 발산각을 조정하는 수단을 회절형 광학 부품보다 레이저에 가까운 측에 설치하여, 회절형 광학 부품으로 입사하는 레이저 빔을 증감하고, 또한 회절형 광학 부품을 레이저측 또는 렌즈측으로 이동함으로써, 가공해야 할 구멍 패턴의 확대, 축소를 행하도록 할 수 있다. 레이저 빔의 발산각을 조정하는 수단으로서는 렌즈나 빔 익스팬더를 채용하면 된다. 비교적 긴 부의 초점 거리를 갖는 렌즈를 사용하면, 입사 빔의 발산각을 증대할 수 있다. 혹은 정의 초점 거리의 렌즈이면, 발산각을 감소시킬 수 있다. 그위에 수속광으로 할 수 있다. 빔 익스팬더는 2장 이상의 렌즈에 의해 이루어지므로, 그 간격을 변경함으로써 레이저 빔의 발산각을 증감시키는 것이 가능하다.

갈바노 미러의 유연성과, 회절형 광학 부품의 고능률을 살린다고 하더라도, 단순히 종래의 갈바노 미러와, 회절형 광학 부품을 조합하는 것만으로는 되지 않는다. 렌즈가 다르기 때문이다. 이미 설명한 바와 같이, 갈바노 미러의 경우는 미러를 좌우로 요동시키므로 시간적인 각도 변화가 일정한 것을 쉽게 만든다. 일정 주기의 구멍을 천공하려고 하면 θ에 거리가 비례하도록 fθ 렌즈가 가장 적합하다. 그렇지만, 회절형 광학 부품인 경우의 집광 렌즈는 본 발명에서 처음으로 그 필요성을 지적한 바와 같이, fsinθ가 가장 적합한 것이다. 갈바노 미러와 회절형 광학 부품에 공통으로 적합한 렌즈라는 것은 유감스러우나 존재하지 않는다.

그래서 본 발명은 회절형 광학 부품에 가장 적합한 fsinθ 렌즈를 집광 렌즈로서 채용한다. 회절형 광학 부품에는 유연성이 없지만, 갈바노 미러의 경우는 여러 조정 가능한 파라미터가 있다. 요동의 각 가속도를 일정하게 하면, fθ 렌즈가 적합하지만, 요동의 각 가속도를 일정하지 않게 하여, cosθ의 비로 약간 증감시킨다. 이것은 가능하다. 정현파에 고조파를 가하면 되는 것이다. 요동 각속도를 θ가 O의 부근에서 빠르고, 0에서 떨어짐에 따라서 느리게 하면, fsinθ 렌즈에 의해, 구멍을 같은 분포로 천공할 수 있다. 원래부터 θ가 작을 때에는 fθ와 fsinθ의 차이는 얼마 안되기 때문에, 고조파 성분은 약간으로 가능하다.

또한 상면의 특정 위치를 겨냥하는 경우에는 fθ 렌즈의 경우보다도 조금 대각도로 갈바노 미러를 흔들면 된다. fθ 렌즈인 경우의 갈바노 미러의 요동 각을 α로 하면, fsinθ 렌즈에서는 α'=sin^-1α의 요동각을 부여한다. 이와 같이 갈바노 미러의 요동각이나 각속도를 제어하면 fsinθ 렌즈라도 고정밀도의 스캐닝이 가능하다.

여기까지 기술한 회절형 광학 부품이라고 하는 것은 빔 분기의 기능만을 갖는 프라운 호퍼형인 것이다. 그러나 유한의 초점 거리를 갖는 프레넬형 회절형 광학 부품으로도 본 발명의 장치를 구성할 수 있다. 프레넬형 DOE의 이점은 0차광을 차단할 수 있다는 것과, 확대 축소의 폭이 넓다는 것이다.

도 1은 갈바노 미러 방식의 레이저 천공 장치의 개략 사시도.

도 2는 갈바노 미러 방식에 적합한 fθ 렌즈에 의해 DOE 빔을 상면(I)에 집광한 경우의 광선 추적을 설명하는 것으로서, 0차, 1차, 2차 회절 빔이 도시된 도면.

도 3은 회절형 광학 부품(DOE)의 개략 평면도.

도 4는 회절형 광학 부품(DOE)의 단위 패턴의 평면도.

도 5는 도 4의 L-L단면도.

도 6은 DOE로부터의 회절광을 렌즈에 의해 집광하여 상면(I)에 스폿으로서 조사하는 것을 설명하는 구성도.

도 7은 DOE를 렌즈의 앞초점으로부터 전방으로 △만큼 어긋나게 함으로써 상면에서의 회절광의 간극이 어떻게 변화하는 가를 설명하기 위한 구성도.

도 8은 DOE가 앞초점에 있을 때의 레이저 회절광 조사 스폿의 간극이 0.50 mm인 광학계에 있어서, DOE를 전방으로 어긋나게 하였을 때, DOE의 전방으로의 어긋남량과, 레이저 회절광 조사 스폿 간격의 관계를 도시하는 그래프.

도 9는 광선 추적법에 의해 광선의 어긋남의 2승 합을 평가 함수에 포함시키기 위해서, 렌즈면(입사 동공)에 잡힌 광선의 분포와 무게를 설명하는 도면.

도 10은 DOE에서의 회절광을 fsinθ 렌즈에 의해 집광하고, 상면(I)에 결상시킨 것을 도시하는 광선도로서, 0차, 1차, 2차, 3차, 4차, 5차 회절광이 도시된 도면.

도 11은 레이저 빔을 DOE에 의해 회절시켜 다수의 회절빔으로 하고, fsinθ 렌즈에 의해, 스폿 형상의 회절 상을 상면에 형성하여 패키지 등에 다수의 구멍을 천공하는 본 발명의 레이저 천공 가공 장치를 도시하는 사시도.

도 12는 회절형 광학 부품에 의한 다수 회절빔 생성과, 갈바노 미러에 의한 요동 빔 생성 방식을 조합한 하이브리드 방식을 설명하기 위한 사시도.

도 13은 부 초점 거리 렌즈와 정 초점 거리 렌즈를 조합하고, 부 렌즈의 앞초점과 정 렌즈의 앞초점을 일치시켜 평행 입사 빔을 직경이 다른 평행 출사 빔으로 변환하는 빔 익스팬더의 개략도.

도 14는 부 초점 거리 렌즈와 정 초점 거리 렌즈를 조합하고, 부 렌즈의 앞초점과 정 렌즈의 앞초점을 어긋나게하여 평행 입사 빔을 발산 출사 빔으로 변환하는 빔 익스팬더의 개략도.

도 15는 부 초점 거리 렌즈와 정 초점 거리 렌즈를 조합하고, 부 렌즈의 앞초점과 정 렌즈의 앞초점을 어긋나게하여 평행 입사 빔을 수속 출사 빔으로 변환하는 빔 익스팬더의 개략도.

도 16은 마스크 전사 시스템의 개략 구성도.

도 17은 프레넬형 DOE와 fsinθ 렌즈를 조합한 실시예 2의 광학계의 개략 구성도.

도 18은 회절에 의해 빔을 다수로 분기하는 프라운 호퍼형 DOE(푸리에형)의 회절을 도시하는 설명도.

도 19는 유한의 초점 거리를 갖는 회절광을 발생하는 프레넬형 DOE의 회절을 도시하는 설명도.

도 2O은 D0E, fsinθ 렌즈, 상면의 관계를 도시하는 설명도.

도 21은 2 렌즈계의 초점 거리, 초점, 배율, 상 위치의 계산을 설명하기 위한 설명도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 레이저 빔 2 : x축 스캔 미러

3 : y축 스캔 미러 4 : fθ 렌즈

5 : 프린트 기판 6 : 구멍

8 : DOE 9 : 단위 패턴

1O : 화소 11 : 두꺼운 화소

12 : 얇은 화소 13 : 회절빔

14 : fsinθ 렌즈 15 : 패키지

16 : 구멍 17 : 집광 분할 빔

18 : 빔 19 : 회전 원판

20 : 창

fsinθ 렌즈의 설계 방법에 대해서 설명한다. 회절형 광학 부품으로부터의 각 차수의 회절광을 고려하기 위해서, 렌즈 앞에 회절 격자를 놓아둔다. 회절격자의 격자 주기를 Λ로 한다. 파장(λ)의 단색광이 입사하여 회절되는 것으로 한다. 광선 추적에서는 입사각(θ_i)으로 회절격자에 입사한 광선이, 회절격자에 입사하여 n차 회절하여 편향하여 회절각(θ_n)의 방향에 출사하는 것으로 하면, 다음 식이 성립한다. n차 회절 광은 회절형 광학 부품에 의해 파장의 n배의 광로 차가 주어진 것이다. 그러므로 θ_i와 θ_n사이에 다음과 같은 간명한 관계가 있다.

Λ(sinθ_n- sinθ_i) = nλ (12)

특히 수직 입사인 경우는

Λsinθ_n= nλ (13)

이 된다.

렌즈 설계를 위해, 평가 함수에 의한 방법을 여기서는 채용한다. 평가 함수에 의한 광학부품의 설계 방법 자체는 공지이다. 몇개의 변수를 선택하여, 설계된 부품에 대해서 광선 추적하여 변수의 실제의 값을 계산하고, 그 오차의 2승을 구하고, 이것을 적산한 것이 평가 함수이다. 평가 함수가 크다는 것은 오차가 크다는 것이고, 평가 함수를 감소시키는 방향으로 변수의 값을 변경하여 가고 이윽고 가장 적합한 변수의 쌍을 발견하는 것이다.

렌즈 설계를 위한 평가 함수로서, 예를 들면 광선 수차를 채용한다. 물론, 파면 수차 등 다른 광학적 오차를 평가 함수로 채용하여도 된다. 이상적으로는 상면에서 1점에 수검해야 할 광선군이, 렌즈에 수차가 있으면, 점점으로 흩어져 상면에 도달한다. 그래서 각 광선의 상면에서의 어긋남(거리)의 자승의 합을 잡고, 그것을 평가 함수로 한다. 상면에서의 광선의 어긋남이 광선 수차이고, 오차자승 합을 잡기 때문에 광선 수차를 평가 함수로서 채용하게 되는 것이다.

도 9는 입사 동공(entrance pupil)상의 광선의 분포를 도시하는 예이다. 여기서는 입사 동공은 렌즈에 입사하는 광의 단면으로 생각할 수 있다. 입사 동공 중의 일점은 한개의 광선을 의미한다. 임의의 동공 상의 위치(P_x, P_y)에 원하는 수의 광선을 취할 수 있다. (P_x, P_y)는 동공 상의 좌표를 나타낸다. 동공의 크기는 정규화하고 있고, 반경(1)의 원으로 나타내고 있다. 계산의 정밀도를 높이기 위해서는 광선의 수는 많고, 동공 전체에 널리 분포시키는 편이 좋다. 그러나 계산량을 줄여 계산을 신속하게 실행하기 위해서는 광선은 적은 편이 적합하다. 도 9는 18개의 광선을 취한 예이다.

동공의 중심으로부터 방사상으로 신장하는 6개의 직선을 취하고(P_x축으로이루는 각도가 0도, 60도, 120도, 18O도, 24O도, 300도의 방향), 또한 크기가 다른 3개의 고리를 취한다. 3개의 고리의 반경은 각각 R = O.3357, 0.7071, 0.9420이다. 이들 6개의 방사선과 3개의 고리의 교점은 18이다. 18점에 광선을 취하는 것으로 한다. 각 광선의 무게는 흑환(12개)이 w_j= 0.048481, 백흑환(6개)이 w_j= O.O7757로 한다.

각 광선이 상면에서 어떠한 위치에 흩어져 도달하는 가를 계산하면, 그 위치어긋남(△x, △y)을 구한다. △x, △y는 모든 광선의 중심 위치로부터의 어긋남의 x 성분과 y 성분이다.

각 광선을 j(= 1, 2, …, 18), 회절 차수(n = 0, 1, 2, 3)로 나타내고, 광선마다 무게(w_j)와 각 회절 차수에 대한 무게(w_n)를 곱하여 광선 수차에 관한 평가 함수(E_A)를 얻는다.

E_A= ΣΣw_nw_j(△x_nj ²+△y_nj ²) (14)

상기의 평가 함수를 최소화하도록 변수를 변동시킨다.

상기의 평가 함수는 렌즈에 의한 광의 수검 특성을 평가할 수 있다. 그러나 그것만으로는 불충분하다. fsinθ 렌즈의 설계에서는 그외에 중요한 특성으로서, fsinθ의 왜곡 특성, 상측의 텔레센트릭성이 있다. 왜곡 특성, 텔레센트릭성을 평가할 수 있는 것일 필요가 있다. 왜곡 특성, 텔레센트릭성을 평가 가능하게 함으로써, 각 회절 차수에 대응하는 초점의 위치 정밀도나, 그 집광의 수직성을 개선하도록 최적화를 꾀할 수 있다.

예를 들면, fsinθ 성을 평가하기 위하여 아래와 같은 평가 함수를 채용한다. 도 1O과 같이 회절격자에 적당한 주기(Λ)를 부여하고, O차, 1차, 2차, 3차, 4차, 5차의 5개의 회절 차수를 취하면, 상면상에서의 각 초점의 위치(h_n;n = 0, 1, 2, 3, 4, 5)는 그 시점에서의 광학계의 파라미터에 대해서 광선 추적을 함으로써 계산에 의해 구할 수 있다. 주 광선의 좌표를 정하면 되는 것이다. 회절격자의 주기(Λ)와 렌즈의 초점 거리(f)에서, 각 초점 위치의 이상치(g_n)는

g_n= nλf/Λ (15)

에 의해 주어진다(여기서는 물점은 렌즈 전방 무한속에 있는 것으로 하고 있다). 이것을 목표치로 하여, fsinθ를 평가하기 위한 평가 함수(E_D)를

E_D= Σ(g_n-h_n)² (16)

으로 부여할 수 있다. 또한, 주기(Λ)를 크게하고, 회절 차수를 5보다 많게 설정하고, 상세하게 fsinθ성을 평가하는 것도 가능하다.

또한 텔레센트릭성에 대해서는 각 회절 차수에 있어서, 주광선을 추적하고, 상면에 입사하는 각도(Θ_n)를 구할 수 있다. 텔레센트릭성이라는 것은 이것이 0에 가깝다는 것을 요구하기 때문에, 입사각도의 2승이 오차를 부여한다고 생각할 수 있다. 평가 함수(E_T)로서

E_T= Σ(Θ_n ²) (17)

을 채용하고, 텔레센트릭성을 평가 함수에 포함시킨다. 식(14)과 함께, 식(16), (17)의 평가 함수도 최소화하도록 변수의 값을 최적화한다. 이들이 설계의 전제 조건이다. 구체적으로 바람직한 초점 거리, 렌즈 두께 등을 부여함으로써, 보다 구체적인 평가 함수를 정할 수 있다.

초점 거리(f)를 127mm로 정하는 경우, 평가 함수로서,

e₁= (f-127)² (18)

를 취한다. 이 평가 함수를 포함시킴으로써 초점 거리(f)를 127mm에 가까운 값으로할 수 있다. 렌즈 두께는 초점 거리와 같이 일의적인 목표를 정하는 것이 어렵다. 어떤 범위를 지정하여 그 범위에 있도록 한다. 예를 들면, 렌즈 두께(t)가 3.5mm 이상 15mm 이하로 하고 싶은 경우는

e₂= α(t - 3.5)²+ β(t - 15)² (19)

로 하는 평가 함수를 취수 있다. 단지 계수(α)는 t ＞ 3.5mm일 때 α = 0이고, t ≤ 3.5mm일 때 α = 1의 값을 가지는 것으로 한다. 마찬가지로, 계수(β)는 t ＜ 15mm일 때 β = 0, t ≥ 15mm일 때 β = 1의 값을 취하는 것으로 한다. 그러므로 t가 3.5mm 내지 15mm일 때 e₂= 0이 된다. t가 그 범위에 없을 때에 t를 이 범위에 불러 들이기 위한 평가 함수이다.

이러한 구속 조건을 부여하는 평가 함수 e_c(e₁, e₂, …)를 적당한 무게(w_c)를 곱하여 서로 더함으로써 모든 구속 조건에 대한 평가 함수(E_C)로 정리한다.

E_C= Σw_ce_c(2O)

가 된다.

이상에서 기술한 4개의 평가 함수(14), (16), (17), (20)의 총합을 취하고 평가 함수를 완성시킨다. 적당한 무게(W_A, W_D, W_T, W_C)를 곱하여 총합을 취한다.

E = W_AE_A+ W_DE_D+ W_TE_T+ W_CE_C(21)

이 된다. 이것이 전체의 평가 함수이다. 무게(W_A, W_D, W_T, W_C)는 E_A, E_D, E_T, E_C의 평가 함수를 균형이 양호하게 최적화시키도록 정한다. 여기서는 단순히 W_A= W_D= W_C= W_T= 1로 놓고,

E = E_A+ E_D+ E_T+ E_C(22)

로 한다. 이 전체의 평가 함수를 최소화하도록 변수의 최적화 계산을 행한다. 최적 해를 구함으로써, 각 회절 차수에서의 광선 수차, fsinθ, 텔레센트릭성, 구속조건의 각각에 대해서도 가장 양호하게 되는 파라미터의 값을 구할 수 있다.

[텔레센트릭으로부터 어긋난 경우]

도 6과 같이 DOE와 fsinθ 렌즈(L), 상면(I)이 있는 것으로 한다. DOE가 렌즈 앞초점에 있으면 DOE에서 분기된 각 빔은 주광선만을 보면, 렌즈에 의해 평행광선에 시준되고, 상면에 수직으로 접촉하게 된다. 그 경우 간단히 텔레센트릭성이 있다고 말한다. 렌즈와 앞초점의 거리는 f이다. 뒤 초점과 렌즈와의 거리도 f이다. 렌즈와 상면의 거리가 b라고 한다. 레이저를 충분히 먼방향의 점 광원으로부터의 광이라고 생각하여, 그 광원으로부터 렌즈까지의 거리를 a로 한다. DOE가 앞초점에 있으면 텔레센트릭성이 있지만, 이것보다 레이저 측에 △만큼 어긋난 것으로 한다. 그 경우에 상면에서의 회절 빔의 크기를 고려할 수 있다. 도 7은 DOE가 앞초점으로부터 △만큼 전방으로 어긋난 상태를 나타내고 있다.

DOE와 렌즈의 거리를 a'(= △ + f)로 한다. DOE로부터 광축에 대하여 θ에서 나온 빔이 렌즈에 의해 굴절하여 광축과 b'의 위치에서 교차하는 것으로 한다. 교차각을 θ'로 한다. h를 그 빔이 뒤 초점면과 교차하는 점에서의 높이로 한다.

tanθ' = h/(b' - f) (23)

두께가 얇은 렌즈의 공식으로부터

(△ + f)^-1+ b'^-1= f^-1(24)

가 성립한다. 이것으로부터

△(b' - f) = f² (25)

이다.

tanθ' = △h/f² (26)

텔레센트릭성이 없게, DOE가 앞초점으로부터 어긋나 있으므로, 상면에서의 높이(h')가 텔레센트릭성이 있는 경우의 높이(h)에서 어긋난다. 그 어긋남을 계산하는 것이 목적이다. 뒤 초점면과 빔의 교차점은 DOE가 앞초점에 있을 때의 뒤 초점면과 빔의 교차점과 동일하다. 이 점은 조금은 알기 어렵지만, 회절 부품으로부터 동일한 각도 방향으로 나온 광은 뒤 초점면을 교차할 때 모든 동일한 점을 통과하는 것이다. 그러므로 높이(h)의 점에서 뒤 초점면을 통과하는 것이다. 이것으로부터 상면이 (b - f)만큼 뒤로 어긋나 있어 빔 각도가 θ'이기 때문에,

h' = h - (b - f)tanθ' (27)

가 된다.

h' = h{1 - (b - f)△/f²｝ (28)

이다. 이것은 DOE를 앞초점으로부터 △만큼 물점측으로 이동시켰을 때에, 상의 크기(h')가, DOE를 초점에 두었을 때(△ = O)의 상의 크기(h)보다도 작게 되는 것을 의미한다. 반대로 DOE를 앞초점보다도 렌즈측에 접근시키면 상(h')이 커지게 된다.

위에서는 주 광선만을 생각하였지만, 회절각(θ)을 갖고 DOE에서 나온 광속을 생각하면, h나 h'는 DOE가 앞초점에 있는 경우와, 앞초점으로부터 △만큼 이동한 경우의 스폿의 위치를 나타내고 있다. j차 회절광의 각도를 θ_j, j+1차 회절광의 각도를 θ_j+1로서, 스폿의 간격(d_j) 자체도 (28)과 완전히 동일한 작용을 한다.

d_j'= d_j｛1 - (b - f)△/f²｝ (29)

이것은 DOE가 앞초점(△ = 0)으로부터 레이저측으로 어긋나면 구멍 간격을 저감할 수 있고, 렌즈측으로 어긋나면 구멍 간격을 늘릴 수 있다는 것을 의미하고 있다.

레이저 빔의 발산각은 일반적으로는 너무 크지 않으므로, a가 대단히 커지고, b가 f에 근접한 값이 된다. 그러므로, 식(29)의 우변의 (b - f)가 0에 근접하게 되고, △를 변화시켜도 그다지 d_j'가 변화하지 않는다. 그러한 경우에는 레이저 빔의 발산각을 크게 하는 것이 필요하게 된다. 발산각을 크게하여 주면, a가 감소하고, (b - f)가 커지기 때문에, △를 변화시켜 d_j'를 조정할 수 있다.

레이저 빔의 발산각을 조정하는 수단으로서 단순한 것은 렌즈이다. 긴 부의 초점 거리를 갖는 렌즈를 사용하면, 입사 빔의 발산각을 증대시킬 수 있다. 반대로, 정의 초점 거리의 렌즈이면, 발산각을 감소시킬 수 있다. 또한, 수속광으로 하는 것도 가능하다.

다른 수단으로서는 빔 익스팬더도 있다. 빔 익스팬더는 예를 들면, 갈릴레오식의 것은 부의 초점 거리의 렌즈와 정의 초점 거리의 렌즈의 2가지로 이루어진다. 도 13에 빔 익스팬더의 하나의 예를 예시한다. 부 렌즈의 초점 거리를 -f₁,정 렌즈의 초점 거리를 +f₂로 하고, 렌즈간 거리를 d = (f₂- f₁)로 한다. 입사한 평행 빔의 직경이 f₂/f₁의 비율로 확대되어, 평행 빔이 출사된다.

이 때, d를 (f₂- f₁)보다 작게 하면, 출사 빔은 발산 빔이 된다(도 14 참조). 반대로 d를 (f₂- f₁)보다 크게 하면 수속 빔이 된다(도 15 참조). 이와 같이, 렌즈 간격을 변경함으로써, 레이저 빔의 발산각을 증감하는 것이 가능하다. 입사 빔의 반경을 R, 렌즈간 거리의 변화분을 δ = d - (f₂- f₁)로 하면, 출사 빔의 발산각 Θ(반각)은

tanΘ = Rδ/f₁f₂(3O)

로 나타낸다.

예를 들면, R = 5mm, f₁= 50mm, f₂= 100mm로 하면, d = 50mm에서 f₂/f₁= 2배의 빔 익스팬더가 되고,

tanΘ = 0.O01 × δ (31)

가 된다. 따라서, δ를 ±1Omm의 범위에서 조정하면, 빔의 발산각을 ±10mrad의 범위에서 변화시킬 수 있다. 빔 익스팬더의 출구에서 렌즈까지 거리를 10Omm로 하면,a가 -1000mm 이하이거나 1000mm 이상이 되고, f = 1O0mm로 하면, (b - f)는 -9.1 mm 내지 11.1mm가 된다. 따라서, △ = ±10mm의 범위에서 DOE의 위치를 조정하는 것으로 하면, 식(29)에서, 스폿 간격을 약 1% 변화시킬 수 있게 된다. 이때 텔레센트릭성은 h ＜ 25mm로 하면, 식(26)에서 tanθ' ＜ O.025가 되고, 대략 ±1.4도 이하에서 충분히 텔레센트릭성을 유지하고 있다.

또 하나의 방법으로서, 마스크 전사 광학계로 하는 방법도 있다. 도 16과같이, 레이저 빔을 핀홀 마스크에 입사하고, 그 전사상을 렌즈에 의해 상면(I)에 결상한다. 이 경우, a는 핀홀 마스크로부터 렌즈까지의 거리가 된다. 이 광학계의 전사배율은 M = b/a가 된다. 그러므로 핀 홀 직경의 M배의 크기에서 스폿이 상면에 형성된다.

동일하게, 렌즈의 앞측 초점에 DOE를 놓으면, 분기된 각 빔이 렌즈에서 집광되어, 정해진 구멍 패턴으로 천공 가공을 실현할 수 있다. 전사 배율 M = b/a = f/(a - f) = (b - f)/f에서, 식(29)의 스폿 간격의 식은 다음과 같이 재기록할 수 있다.

d_j' = d_j(1 - M△/f) (32)

예를 들면, a = 110Omm, f = 1O0mm인 경우, m = 0.1이 되므로, 핀 홀의 직경을 ψ1mm로 선택하면, ψ0.1mm의 구멍을 뚫을 수 있다. 이 때, △를 ±10mm에서 조정하면, 스폿의 간격을 ±1%의 범위에서 조정할 수 있다. 또한 △을 10mm에서 고정하고, a를 1000 내지 1200mm의 범위에서 이동하면 , 배율(M)이 0.11 내지 0.09에서 변화하므로, 스폿 간격을 대략 ±1%의 범위에서 조정할 수 있다. 이 때, 구멍의 크기가 ±1% 정도 변화하게 된다. 그것을 피하고자 하면, 핀 홀 구멍 직경을 조정하면 된다.

회절형 광학 부품에는 여러가지 기능을 갖게 되지만, 지금까지 기술한 회절형 광학 부품은 입사 빔을 다수로 분기하는 기능을 가지는 것이었다. 분기할 뿐이므로, 입사 빔이 평행 광이면 분기된 각 빔도 평행광이고, 입사 빔이 발산광이면 분기 빔도 같은 발산각을 갖는 발산광이다. 그대로에서는 각 분기 빔을 상면에 집광할 수 없으므로 렌즈를 사용하고 있다. 즉, 회절형 광학 부품은 분기의 기능을, 렌즈는 집광 기능을 각각 분담하고 있는 것이다. 이러한 회절형 광학 부품의 광학 특성(상면의 강도 분포 등의 분기 특성)은 회절이라도 특히 프라운 호퍼 회절이라고 하는 이론으로 기술 가능하고, DOE의 위상 분포와 상면 상의 진폭 분포가 푸리에 변환으로 나타낸다고 하는 중요한 관계가 성립한다. 그러므로, 이러한 종류의 DOE를 프라운 호퍼형 또는 푸리에 변환형 등이라고 한다.

그런데 분기의 기능만을 갖는 프라운 호퍼형(푸리에 변환형) D0E에는 두개의 결점이 있다. 그것에 대해서 간단히 설명한다.

하나는 0차광의 문제이다. 이것은 DOE에서 분기되지 않고 입사 빔과 동일방향으로 진행하는 광이다. 0차 회절광(n=O)이라고도 한다. 설계 단계에서 문제없더라도, 제조된 DOE는 제조 오차를 가지고 있고, 그 영향이 0차광으로서 현저하게 나타난다. 간단하게, 상면상에 빔 스폿이 등간격으로 일직선상에 나열한 1차원 분기의 경우를 생각한다.

상면의 중심으로부터 대칭으로 홀수개의 스폿을 나열하기로 한다. 이 경우, 중심으로부터 0차 회절광, ±1차광, ± 2차광 …과 스폿이 계속된다. 즉, 중앙의 스폿이 0차광이다. 각 스폿이 같은 강도를 갖도록 DOE를 설계하는 것이 가능하다. 그렇지만, 실제의 DOE가 제조 오차(단차의 깊이 오차, 패턴의 폭 오차 등)를 가지면, 특히 0차광의 강도의 증감으로 하여, 그 영향이 크게 나타난다. 같은 에너지로 동등한 크기의 구멍을 천공하고자 하는 것이기 때문에, 0차광의 강도의 변동은 문제이다.

한편, 분기된 빔의 수가 짝수인 경우는 원래 광 축상에 스폿은 할 수 없다. ±1차광, ±3차광, ±5차광이 되도록 중심(광 축상의 점)을 떼어, 간격이 2가 되도록 스폿을 나열한다. 0차광이라는 것은 상면의 중앙에 가능한 스폿이다. 제조 오차에 의해 원래 존재하지 않는 것의 스폿이 나타나게 된다.

프린트 기판에 구멍을 뚫고자 하는 경우, 상기의 짝수 분기와 같이, 광축 중심에 불필요한 구멍이 뚫려 버리는 일이 일어날 수 있다. 단지, 여분의 구멍이 뚫리더라도 지장이 없으면, 지금까지 기술한 프라운 호퍼형(푸리에 변환형)의 DOE를 사용하여도 지장이 없다. 또한, 상기의 홀수 분기와 같이, 0차광의 위치에도 구멍이 천공되는 경우, 강도의 차이에 따라 구멍의 직경이 다소 상위할 가능성이 있다. 이 경우도, 그와 같은 것이 지장이 없으면, 지금까지 설명한 프라운 호퍼형 DOE를 사용하면 된다. 그러나, 어느 구멍의 직경도 균일하게 하고 싶고 불필요한 구멍이 천공되어서는 곤란한 것이면, 상기한 바와 같이 0차광의 발생의 문제가 있는 프라운 호퍼형(푸리에 변환형) DOE에서는 또 불충분하다.

또하나의 결점은 확대 축소의 자유도의 낮음이다. 도 7에 의해 기술된 바와같이, 프라운 호퍼형 DOE이라도 렌즈 앞초점으로부터 DOE를 전후에 변위시킴으로써 상면에서의 패턴을 확대 축소할 수 있다. 그러나, 그것은 ±1%로 극히 좁은 범위에서의 확대 축소이다. 그것은 식(29)을 보면 알 수 있는 바와 같이, (b - f)가 그다지 크지 않기 때문이다. 또는 식(32)에서 M이 작기 때문이다. 상술된 바와 같이 익스팬더의 조정에서 (b - f)를 크게하거나, 마스크의 위치 변경으로 M을 크게할 수 있지만, 현실의 광학계로서는 한도가 있다. 또한, DOE의 변위(△)를 너무 크게 하면 텔레센트릭성을 손상하게 된다. 이와 같이, 프라운 호퍼형 DOE의 경우에는 확대 축소를 그다지 크게 할 수 없다.

그래서, 0차광의 문제를 해소하여 확대축소의 자유도를 확대하기 위해서는 프라운 호퍼형(푸리에 변환형)이 아니고, 프레넬형의 DOE를 사용하는 것이 유용하게 된다.

여기서, 프레넬형 DOE에 대해서 설명한다. 그것은 프라운 호퍼형 DOE에 집광 렌즈의 기능을 추가한 것이라고 할 수 있을 것이다. 물론 실제로 집광 렌즈가 있는 것이 아니라 D0E의 기능 중에 렌즈의 작용이 짜여져 있는 것이다. 렌즈 기능이 있으므로 DOE는 간단히 분기하는 것은 아니고(초점 거리가 무한대), 유한 초점 거리에서 수속 또는 발산하는 회절광을 발생한다. 즉, 유한 초점 거리의 DOE가 프레넬형 DOE의 특성이다.

도 18은 통상적인 프라운 호퍼형 DOE의 회절을 설명하는 도이다. 입사 빔이 평행 광이므로, 모든 차수의 회절광이 DOE로부터 평행광으로 나와 있다. 간단하게, 여기서는 3개의 회절광밖에 도시되어 있지 않지만 실제로는 이밖에도 회절광이 나온다. 분기만이고, 평행한 입사 빔에 대하여, 각 분기 빔도 평행광인 것이 중요하다.

도 19는 프레넬형 DOE의 회절을 설명하는 도이다. 수속광(정 파워), 발산광(부 파워) 중 어느것이든 가능하지만, 여기서는 수속광인 경우를 기술한다. 이 프레넬형 DOE에서는 모든 차수의 회절광이 평행광이 아니고 수속광으로 되어 있다. 수속점은 광축에 수직의 공통의 평면(초평면) 상에 있다. 상기 평면과 광축의 교점이 초점이다.

렌즈나 미러가 아닌 데에 초점이 있는 것은 이상하게 생각할런지 모르지만, 회절광이 수속하는 점이라는 의미로 역시 초점이라고 말할 수 있다. 이러한 정의 굴절력을 가지는 경우 뿐만 아니고 발산형인 부의 굴절력을 가지는 프레넬형 DOE도 있을 수 있다.

유한의 초점 거리의 회절형 광학 부품이라고 하는 것은 조금 생각하기 어려울지도 모르지만, 이후에 설명한다. 먼저, 유한 초점 거리의 DOE를 사용하면 조금전에 기술한 문제를 해결할 수 있다고 하는 것에 대해 설명한다.

DOE 자체가 유한의 초점 거리(정에서도 부에서도 가능하다; f₁)를 가지므로, 분기된 1차, 2차, 3차, …, n차의 각 빔은 DOE의 후방(f₁)의 장소에서 수속한다. 만일 DOE의 후방(f₁)의 지점에 스크린을 놓으면, 0차 회절광, ±1차, ±2차 …의 회절광이 등간격의 스폿을 상면에 형성한다. 어느 차수의 회절광이라도 수속점까지의 거리는 동일한 f₁이다. 그렇지만 0차광(상기 분기의 0차 회절광은 회절되어 수속하고 있으므로, 여기서 말하는 O차광과는 다르다)은 도무지 DOE에서 회절되지 않은 것이기 때문에 입사광과 동일하게 평행광인채로이다. 즉 초점 거리가 무한으로 먼데 있다. 0차광은 f₁의 스크린에 결상하지 않는다. 그러므로 O차광이 스폿을 만들지 않는다. 이것이 렌즈에서 집광하는 푸리에형 DOE의 경우의 0차광과 결정적으로 다른 점이다. 프린트 기판의 구멍의 천공에 사용하는 경우는 0차광은 기판을 달구어서 절단하도록 집합한 파워를 가지지 않는다. 그러므로 0차광의 문제는 해결된다. 그와 같은 것은 DOE 만으로도 성립하고 렌즈를 사용하여도 동일하게 성립한다. 어느 것으로 하여도 O차광은 문제가 되지 않는다.

0차광 문제보다도, 또한 프레넬형 DOE가 우수한 점은 확대축소의 자유도의 증가이다. DOE 단독에서는 그와 같은 자유도는 발생하지 않는다. 그러나 렌즈를 조합함으로써 확대 축소가 가능해진다. DOE의 초점 거리를 f₁, 이것과 조합한 렌즈의 초점 거리를 f₂로 한다.

도 20에 프레넬형 DOE와 fsinθ 렌즈를 조합한 광학계를 도시한다. 이러한 배치에서 DOE와 렌즈를 설치하면, 렌즈, D0E 사이의 간극을 바꾸는 것에 의해 확대축소가 가능하게 된다. 도 2O에 있어서 DOE와 fsinθ 렌즈의 거리를 f₂- △로 한다. fsinθ 렌즈와 상면과의 거리를 백포커스(B_f)로 한다.

여기서 도 21에 의해 2 렌즈계(얇은 렌즈)에 있어서의 초점, 초점거리, 주점등에 대해서 일반적인 정의를 기술한다. 제 1 렌즈(L₁)는 초점 거리(f₁)를 가지는것으로 한다. 앞초점이 F₁이고 뒤초점이 F₁'이다. L₁의 주점(얇은 렌즈이므로 앞측, 뒤측 모두 동일)을 O₁로 하면, 0₁F₁= 0₁F_l' = f₁이다. 제 2 렌즈(L₂)는 초점 거리(f₂)를 가지는 것으로 한다. 앞초점이 F₂이고 뒤초점이 F₂'이다. L₂의 주점을 O₂로 하면, 0₂F₂= 0₂F₂' = f₂이다. 광축(0₁0₂)상에 있어서 렌즈(L₁, L₂)가 거리(e)만큼 떨어져 있는 것으로 한다. 광축(0₁0₂)상의 물체(S₁)의 L₁에 의한 상이 S₂에 생긴다. S₂의 L₂에 의한 상이 S₃에 생기는 것으로 한다. 렌즈(L₁)에서, 앞초점(F₁)에서 물점(S₁)까지의 거리를 u, 뒤초점(F_l')으로부터 상점(S₂)까지의 거리를 v로 한다. 렌즈(L₂)에 있어서, 앞초점(F₂)으로부터 상점(S₂)까지의 거리를 u', 뒤초점(F_2')으로부터 상점(S₃)까지의 거리를 v'로 한다. L₁의 뒤초점(F₁') 과 L₂의 앞초점(F₂)의 거리는 δ로 한다. δ + f₁+ f₂= e이다.

얇은 렌즈의 공식으로부터

(u + f₁)^-1+ (v + f₁)^-1= f₁ ^-1 (33)

가 되므로,

uv = f₁ ² (34)

이다. 초점으로부터 측정한 거리의 적이 초점 거리의 2승과 같다고 하는 것은 잘 알려져 있는 성질이다. 마찬가지로 제 2 렌즈(L₂)에 대해서도

u' v' = f₂ ² (35)

라는 성질이 있다. 또한 구속 조건이 부과된다.

v + u' = δ (36)

두개의 렌즈를 합성하였을 때의 앞초점을 P₁로 한다. 이것은 P₁을 그대로 L₁, L₂를 통과한 출사빔이 무한원(v'가 무한대)에 상을 만드는 것으로 정의된다. 식(35)에서 u' = 0이 되므로, 식(36)에서 이 때 v = δ이다. 식(34)에서 앞초점 P₁(u₁로 한다)은

u₁= f₁ ²/δ (37)

이다.

두개의 렌즈를 합성하였을 때 뒤 초점을 P₂로 한다. 광 축에 평행한 빔(무한원에서 온 빔)이 L₁, L₂를 그대로 광축상의 점(P2)을 통과하는 경우 그 점을 뒤 초점이라고 한다. 식(34)에서 v = 0이 되므로, 식(36)에서 이 때 u' = δ이다. 식(35)에서 뒤 초점(P2 : v₁'로 한다)은

V₁' = f₂ ²/δ (38)

이다. 복합 렌즈계에 있어서는 주면, 주점(H)이라고 하는 것을 정의한다. 이것은 거기에 존재한 물체 또는 상의 배율이 1인 점으로 정의된다. 이것은 조금 알기 어렵지만 초점 거리의 정의를 위해 필요한 개념이고 이해하지 않으면 안된다. L₁에 의한 상의 배율은 f₁/u이다.

왜냐하면, 식(34)에서,

배율 (f₁+ v)/(f₁+ u) = v/f₁= f₁/u (39)

이기 때문이다. L₂에 의한 상 배율은 v'/f₂이다. 이것을 곱한 것이 두개의 렌즈 배율이고 주점(H), 주면에서는 이 배율이 1로서 정의되므로,

f₁v_H'/f₂u_H= 1 (4O)

이다. 서픽스(H)는 주점을 나타낸다. 식(34), (35), (36)에서

v_H' = f₂(f₁+ f₂)/δ (41)

u_H= f₁(f₁+ f₂)/δ (42)

두개의 렌즈의 합성계에 있어서, 초점거리(Φ)는, 앞 주점으로부터 앞초점까지의 거리로 정의된다(뒤 주점으로부터 뒤초점일지라도 동일한 값이다)

여기서 δ = e - f₁- f₂이다. 렌즈의 간격이 e이다. 이하의 이야기는 이러한 준비가 있고 비로서 이해할 수 있다.

도 20에 있어서, DOE와 렌즈의 전측 주점의 거리를 d로 한다. 이것은 e와 같다. DOE·렌즈의 간격(d)이 f₂이면 (e = f₂) 모든계의 초점 거리는 렌즈의 초점 거리(f₂)와 같다. e = f₂이기 때문에, δ = -f₁이고, 식(43)의 Φ가 f₂로 되기 때문이다.

그렇지만, DOE·렌즈 간의 거리가 정확히 f₂가 아니고, f₂- Δ이었던 것으로 한다. 즉 DOE가 f₂가 아니고 그것보다 Δ만큼 렌즈에 근접하고 있으면 된다. e = f₂- Δ이기 때문에, δ = -f₁- Δ로 된다. 이것을 식(43)에 대입하여 합성 초점 거리(f : Φ 대신에 f로 기록한다)는

f = f₁f₂/(f₁+ Δ) (44)

로 된다.

(ㄱ) Δ = 0이면 f = f₂이다. 이것은 DOE가 렌즈의 전측 초점에 있는 경우를 의미한다.

(ㄴ) Δ ＞ 0인 경우, 즉 DOE를 렌즈에 가까이 하는 경우,

f₁＞ 0(정 렌즈)이면 f ＜ f₂(45)

f₁＜ 0(부 렌즈)이면 f ＞ f₂(46)

(ㄷ) Δ ＜ 0인 경우, 즉 DOE를 렌즈로부터 떨어지는 경우

f₁＞ 0(정 렌즈)이면 f ＞ f₂(47)

f₁＜ 0(부 렌즈)이면 f ＜ f₂(48)

이와 같이 DOE와 렌즈의 간격을 f₂로부터 어긋나게 함으로써, f가 변화한다. f가 변화하면 상면에서의 패턴이 확대 축소한다. 즉 f에 의해 배율이 결정되지만, f의 변화에 의해 패턴의 배율을 변화시킬 수 있다.

예를 들면, f₁= 500mm, f₂= 100mm로 한다

Δ = 0mm이면, f= 100mm (49)

Δ = +10mm이면, f = 98mm (50)

Δ = -10mm이면, f = 102mm (51)

이와 같이 모든 계의 초점 거리가 ±2% 변하므로 배율도 ±2% 변동하게 된다. 이때 백포커스는 후술의 식(52)을 사용하여 계산하면, 0.8mm 밖에 변동하지 않는다. 상면의 이동은 이와 같이 미소이므로, 렌즈와 작업면과의 거리의 조정(포커스 조정)은 조금으로 가능하다.

렌즈를 사용하였을 때의 0차광의 문제를 여기에서 기술한다. 도 20에서 렌즈 뒤측 주점과 상면(작업면; 예를 들면 프린트 기판면)의 거리를 백 포커스(B_f)라고 한다. 제 1 렌즈에 평행광이 들어가 있기 때문에 상면은 뒤초점(v₁' : 식 38)이 된다. 그것은 F₂'로부터 측정한 것이기 때문에 제 2 렌즈의 후득 주점에서 측정하면 v₁' + f₂= B_f가 된다.

B_f= f₂｛1 - f₂/(f₁+ △)｝ (52)

이다. 렌즈는 0차광(평행광)을 후방의 f₂의 위치에 집광시킨다. 그런데, 회절광은B_f의 위치에 집광시킨다. 회절광과 0차광의 집광점이 전후에,

s = f₂- B_f= f₂ ²/(f₁ + △) (53)

만큼 어긋나 있다. 즉 회절광과 0차광이 전후로 분리되어 있는 것이다.

상면 즉, 작업(예를 들면, 프린트 기판)면을 B_f의 위치에 조정하면 , 0차광은 그것보다 s만큼 후방으로 어긋난다. 상면에서는 0차광은 결상하지 않기 때문에 거의 파워가 없다. 즉 0차 위치에 스폿을 만들지 않는다. 예를 들면 f₁= 1000mm, f₂= 1O0mm로서, △ = -10mm 내지 +10mm의 범위에서, s = 10mm로 된다.

본 발명의 신규인 점은 DOE와 fsinθ 렌즈를 조합하여 프린트 기판 천공을 하는 점에 있다. DOE 자체에도 연구가 있고, 그것은 프레넬형 DOE를 이용하는 것이다. 푸리에형(프라운 호퍼형) DOE와 어떻게 다른 것인가 하는 것을 분명히 하지않으면 안된다. 먼저 프라운 호퍼형 DOE를 설명한다.

도 18에 있어서, 왼쪽으로부터 파장(λ)의 단색의 평면파 a(x, y)exp(jkz - jωt)가 입사하는 것으로 한다. 평면파라고 하는 것은 exp(jkz - jωt)에 의해 표현된다. 진행 방향을 z방향으로 하는 경우, 임의의 xy면에서의 위상이 같은 파이다. 위상이 xy면에서 동일하기 때문에 파면은 당연히 xy면에 평행하다. 진폭 a(x, y)는 당연히 z나 t를 포함하지 않는다. k는 파수라고 하는 2π/λ이다. ω는 각 진동수이고, ω = 2πf = 2πc/λ이다.

DOE는 평판형이고 투과율의 절대치는 1이지만 투과한 파의 위상이 2π/2^m(m은 정수)새김으로 국소적으로 다르게 되어 있다. DOE는 투과광의 위상을 변조하는 소자라고 말할 수 있다. 그래서 투과광의 위상 변조 분포를 t(x, y)에 의해 표현한다. t(x, y) = exp(jψ(x, y))라고 하는 함수이다. 절대치는 1이지만 위상이 변할 뿐이다. 평면파로서 z방향으로 직진하기 때문에 DOE를 투과하였을 때의 (x, y)면에서의 파동 함수 Ψ(x, y)는

Ψ(x, y) = a(x, y)t(x, y) (54)

가 된다. 푸리에형 DOE의 경우에는 통상 t(x, y)에는 규칙 바른 반복의 요소가 포함된다. 실제 공간 주기(Λ)에서 동일한 패턴이 반복하게 되어 있다.

DOE의 바로 뒤에 중심 두께(D), 초점 거리(f)의 집광 렌즈가 위치된 것으로 한다. 집광 렌즈의 (x, y)면에서의 두께를 q(x, y)로 하면 , 렌즈를 직진하는 것에 의한 위상의 변화는 kD + k(n-1)q(x, y)라고 하게 된다. n은 렌즈 굴절율이다. 즉 파동 함수이면 exp[jkD]exp｛jk(n-1)q(x, y)｝를 곱하는 것이다.

구면 렌즈이면 q(x, y)를 초점 거리(f)에 의해 간단히 치환할 수 있다. 렌즈 앞면, 뒷면의 물계측에 볼록을 정으로 한 곡률 반경을 ρ₁, ρ₂로 하면,

f^-1= (n-1)(ρ₁ ^-1-ρ₂ ^-1) (55)

이지만, 기하학적인 고찰에서,

q(x, y) = (ρ₁ ²- r²)^1/2+ (ρ₂ ²- r²)^1/2- ρ₁+ ρ₂+ D (56)

r²= x²+ y² (57)

이 된다. 단지 D는 중심 r=O 에서의 렌즈의 두께이다.

r/ρ₁, r/ρ₂가 1보다 훨씬 작은 근사의 범위에서 q(x, y)는

q(x, y) = D - (r²/2)｛(1/ρ₁) + (-1/ρ₂)｝ (58)

가 된다. 그러면 식(55)에서,

kD + k(n-1)q(x, y) = knD - kr²/2f = knD - k(x²+ y²)/2f (59)

이다. 즉 집광 렌즈를 DOE의 뒤에 놓는 것은 (x, y)의 파면에 위상 지연(식 59)을 준다는 것이다. 렌즈면에서의 위상 U(x, y)는

DOE의 뒤(f)의 거리에 상면(작업면)을 놓는다. 상면에서의 (x, y) 좌표를 렌즈에서의 x, y와 구별하기 위해서(ξ, η)로 한다.

호이헨스의 원리에 의해, (x, y)에서의 파동 함수에 의한, 상면(ξ, η)의 점에서의 파동 함수에 대한 기여는 exp｛jks}와 면적(dxdy)을 곱하여 jλf로 나눈 것이다. 단지 s는 렌즈면(x, y)과, 상면(ξ, η)의 거리이다.

s는 렌즈면의 일점과 상면의 일점과의 거리이고,

s²= f²+ (x - ξ)²+ (y - η)² (62)

이지만, f쪽이 x, y 방향의 길이보다도 길기 때문에,

과 같이 근사할 수 있다.

상면의 (ξ, η)점에서의 파동 함수 V(ξ, η)는 x, y에 의해 렌즈면에서 적분함으로써 얻을 수 있으므로,

가 된다. (식 (60)의 exp[jknD]의 항은 생략한다)식 (64)는 푸리에 변환을 의미한다. 즉 임의의 함수 h(x, y)의 푸리에 변환을 H(ξ, η)로 하여 다음과 같이 정의하면,

로 된다. AT는 at의 적의 푸리에 변환(이것은 a의 푸리에 변환과 t의 푸리에변환의 컴벌루션이 된다)이라고 하는 것이다.

강력한 펄스 레이저를 광원에 사용하지만 a(x, y)는 가우시안 빔의 강도의 (x, y)면에서의 변화이다. 이것은 DOE 패턴 t(x, y)에 비해 변화율이 작기 때문에, DOE의 적분의 범위에서는 a(x, y) = 1로 가정할 수 있다. 실제의 설계에서는 빔의 강도 분포를 넣어 계산하면 된다. 여기서는 DOE의 대략을 기술하는 것이 목적이기 때문에, 계산을 간략화한다. 그와 같은 간이한 가정에서는

가 된다. V는 진폭 분포이지만, 천공하는 경우, 중요한 것은 강도 분포이다. 식(67)의 절대치의 2승이 강도 분포를 부여한다. 2승으로 하면 식(67)의 [...]의 부분은 없어진다. ｜V(ξ, η)｜²= ｜T(kξ/f, kη/f)｜²이다. 즉 상면에서의 강도 패턴은 t(x, y)의 푸리에 변환으로 구할 수 있게 된다.

DOE의 함수 t(x, y)에 주기 구조가 있으므로 ±n차 회절(n = 0, 1, 2 …)이 되도록 빔이 분기된다. x방향에 공간 주기(Λ_x), y방향에도 공간 주기(Λ_y)를 가지는 것으로 하면,

t(x, y) = t(x + mΛ_x, y + 1Λ_y) (68)

m, 1 = 0, ±1, ±2, … (69)

인 것이 요구된다. 단지 이후의 적분이나 계산에 있어서 x와 y는 독립으로 행할 수있기 때문에 Λ_x, Λ_y가 혼동될 염려는 없으므로, 식의 형식을 조금이라도 단순화하기 위해서 서픽스(x, y)를 생략하고 나타낸다. Λ_x는 Λ_y와 같은 것도 있고 같지 않은 것도 있다. 그러나 이후는 어느것이나 Λ로 기록되어 있다. 그것은 같다는 것은 아니다.

그러면 t(x, y)의 푸리에 변환은

이 된다. 단지 Σ는 m, 1에 대해 패턴의 반복 수에 대해서 전부 더하면 되는 것이다. ∫'∫'는 하나의 기본 패턴(Λ×Λ)의 내부만의 ∫를 의미한다. 이것을 s(ξ, η)로 한다.

이것은 패턴의 설계에 의해 다양한 변화가 있다. DOE의 설계는 그것에 없어지는 것이다. 즉, 회절 자체는 DOE의 위상 분포 전체에 관련하여 일어나지만, 푸리에 변환형의 경우, 기본 패턴이 몇개라도 반복하는 반복 구조로 되어 있으므로, 그의 일동기분의 위상 분포의 푸리에 변환 s(ξ, η)만의 계산으로 단순화할 수 있는 것이다.

T(ξ, η) = ΣΣexp｛-j2π(ξmΛ + η1Λ)/λf}s(ξ, η) (72)

기본 패턴(Λ×Λ)이 x방향에 K, y방향에 H만큼 있는 것으로 하면, s(ξ, η)은 무관계하게 적산을 할 수 있으므로,

이 되는 것이다.

이것이 이산적인 회절점을 표현하고 있다. 그것은 왜 그럴까?

x방향에 대해서, ξ가 λf/Λ의 정수배가 아닐 때, ｜sin(πKξΛ/λf)/sin(πξΛ/λf)｜의 값은 K에 비해 작은 값밖에 되지 않는다. 그렇지만 ξ가 λf/Λ의 정수배일 때는 이 값은 K가 된다. y방향에 대해서도 η가 λf/Λ의 정수배일 때에만 ｜sin(πHηΛ/λf)/sin(πηΛ/λf)｜는 H가 된다. 이와 같은 것은 T(ξ, η)는 ξ가 λf/Λ의 정수배, η가 λf/Λ의 정수배의 점(ξ, η)만으로 유한 값을 갖고, 그 이외는 대개 0이다. 이들이 푸리에 변환형 DOE에서 위상 분포가 반복되어 있는 것이 의미하는 바이다.

프린트 기판의 구멍의 간격을 λf/Λ로 정함에 따라 레이저 광에 의해 다수의 구멍을 동시에 천공할 수 있는 것이다.

이상은 푸리에형(프라운 호퍼형) DOE에 관한 것이다. 다음에 프레넬형 DOE 에 대해서 설명한다.

도 19는 프레넬형 DOE를 도시한다. 평면파의 진폭을 a(x, y)로 하여 DOE에 의한 투과 후의 진폭을 t(x, y)로 한다. 식 (54)과 같이 DOE를 통과한 후의 광의파동 함수 Ψ(x, y)는 이들의 적에 의해 주어진다.

Ψ(x, y) = a(x, y)t(x, y) (74)

DOE 자체에 집광 작용이 있으므로 집광 렌즈를 두지 않는다. 그러면 f만큼 후방에 있는 상면에서의 파동 함수 V(ξ, η)는

가 된다. s는 DOE 배후의 (x, y)와 상면의 (ξ, η)의 거리이다.

s²= f²+ (x - ξ)²+ (y - η)² (76)

푸리에형에 비해 프레넬형의 경우 렌즈가 없기 때문에, exp｛jk(x²+ y²)/2f｝의 항이 적분 중에 여분으로 포함된다. 여기서도 간단하게 a(x, y) = 1로 놓으면, t(x, y)exp｛jk(x²+ y²)/2f｝의 푸리에 변환을 T(ξ/λf, η/λf, f)로 하여,

가 되는 것이다. 단지 t(x, y)exp｛jk(x²+ y²)/2f}의 푸리에 변환이 주기 구조를 갖기 위해서는 프라운 호퍼형 DOE의

t(x, y) = t(x + mΛ_x, y+1Λ_y) (68)

m, 1 = 0, ±1, ±2, … (69)

이 되도록 단순한 주기 구조로는 안된다. exp｛jk(x²+ y²)/2f｝를 포함한 것이 주기 구조를 가질 필요가 있다. 조금은 이해하기 어렵지만 이와 같은 것이다. 식(68)을 대입하여,

m, 1 = 0, ±1, ±2, … (80)

이 성립하는 것이다.

그러면 t(x, y)exp｛jk(x²+ y²)/2f}의 푸리에 변환 S(ξ, η)은

로 된다. ∫'∫'는 단위의 패턴내에서의 적분이다.

로 된다.

단위 패턴 내의 푸리에 변환 s(ξ, η)가, σ(ξ, η)가 되는 것은 이해하기 쉬운 것이다. 그러나 식(79)와 같은 주기 조건이 DOE에 요구되므로 프레넬형 DOE의 설계는 프라운 호퍼형 DOE에 비해 곤란하게 된다. 즉, 식 (79)로부터 임의의 정수 m, 1에 대하여,

과 같은 변측적인 주기 조건이 요구되는 것이다. 이것은 동일한 패턴의 반복되는 것이 아니기 때문에 DOE의 제작도 곤란하게 된다. 그러나 프레넬형 DOE에는 0차광 문제를 피하고, 상의 확대 축소의 범위를 확대하는 작용이 있다.

그렇지만, DOE에는 유연성이 없는 난점은 프레넬형 DOE이라도 마찬가지이다.

그러면, 갈바노 미러 방식과 혼성한 본 발명의 방식은 보다 광범한 용도로 유연하게 대응할 수 있는 것이다. 고속성, 유연성을 겸비한 우수한 발명이다. 도 12와 같이, 회전 원판에 의한 DOE와 갈바노 미러의 양방식의 전환을 행하는 경우, 프레넬형 DOE를 채용하면, 갈바노 미러로의 전환시에 회전 원판에는 프레넬형 DOE와 동일 초점 거리의 렌즈를 세트한다.

실시예

[실시예 1 (프라운 호퍼형(푸리에형) DOE)]

여기서는 프라운 호퍼형 DOE의 실시예를 예시한다. 이것은 분기만의 기능을 갖는 DOE이다. 프라운 호퍼 회절에서 이론적으로 취급할 수 있는 것이기 때문에 프라운 호퍼형이라 한다. 이것은 DOE의 위상 분포의 푸리에 변환으로 정식화할 수 있는 것이기 때문에 푸리에형이라고도 한다. DOE의 초점 거리라고 하는 것을 굳이 생각하면 그것은 초점 거리가 무한대인 것이기 때문에, 렌즈가 불가결하다. 집광 렌즈에 의해서 DOE의 경우는 fsinθ 렌즈가 적합하다는 것을 이미 설명하였다. 그래서 여기서는 fsinθ 렌즈를 사용한다. fsinθ 렌즈 자체가 신규인 것이기 때문에 시판 중인 렌즈를 사용하는 것은 안된다. 그와 같은 것은 없기 때문에 fsinθ 렌즈의 설계부터 시작할 필요가 있다.

[DOE의 설계]

주기 : 192.3O8μm, 회절 차수 : n = O, 1, 2, 3, 4, 5

초점의 위치에 있는 프린트 기판에 5mm 간격으로 5개의 구멍을 천공하는 패턴.

[fsinθ 렌즈의 설계]

(A) 초기 렌즈 설정

○ 렌즈 매수 : 2장, 재질 : ZnSe(굴절율 2.403)

제 1 렌즈 : 제 1 면, 제 2 면 모두 구면

제 2 렌즈 : 제 1 면은 구면, 제 2 면은 비구면

○ 파장 : 10.6μm

○ 입사 동공 위치 : 제 1 렌즈 제 1 면보다 물계측 50mm

○ F번호 : 6

○ 회절 격자 주기 : 192.308μm, 회절 차수 : n = O, 1, 2, 3, 4, 5

○ 출사 각도 : 0도(텔레센트릭)

(B) 변수 설정

각 면의 곡율 반경, 두께(간격), 비구면 계수, 상면 위치를 변수로 한다.

(C) 구속 조건

○ 초점 거리 : f₂= 127mm

○ 렌즈 두께 : 3.5mm 이상 15mm 이하

(D) 설계 결과

fsinθ 렌즈의 데이터

렌즈 번호	면 번호	곡률반경(mm)	두께, 간격(mm)	굴절율
L1	S1	-31.119	5.650	2.403
L1	S2	-35.100	65.255	2.403
L2	S3	392.630	9.504	2.403
L2	S4	표 4	147.661	2.403

fsinθ 렌즈의 비구면 데이터

면 번호	S4	비구면 계수
1/c(mm)	-351.089	α₂	5.876×10^-9
k	-4.352	α₃	2.959×10^-12
	α₄	-1.466×10^-15
	α₅	2.702×10^-19

상기 렌즈와 상술의 fθ 렌즈를 사용하여 프린트 기판에 5mm 간격의 구멍을 천공하는 실험을 하였다. 저차 회절의 구멍 간격은 5mm이지만, fθ 렌즈에서는 고차가 되면 구멍 간격이 커지기 때문에 5차 구멍의 위치는 25.26mm가 되었다. 한편, fsinθ 렌즈의 경우, 25.O0mm 이었다. 프린트 기판에서의 구멍 간격에 요구되는 정밀도는 ±2Oμm이다. 5차에서의 오차가 +260μm인 fθ 렌즈는 이용할 수 없다. fsinθ 렌즈의 경우는 ±20μm 미만이고, 고차의 회절광까지 천공에 이용할 수 있다.

DOE 회절광을 fθ 렌즈와 fsinθ 렌즈에 의해 회절시켰을 때의 상면에서의 5차광에 의한 구멍의 위치

	목표치	fθ렌즈의 경우	fsinθ렌즈의 경우
구멍 위치	25mm	25.26mm	25.00mm
오차	-	+260μm	0μm

도 8은 스폿 간격을 O.5mm로 하였을 때 DOE를 앞초점으로부터 레이저측으로 △만큼 비켜 놓았을 때의 간격의 변화를 측정한 결과를 도시하는 그래프이다. 여기서 a = 3302mm, b = 132mm, f = 127mm, M = 0.O4이다. 가로축은 △(mm)이고, 세로축은 간격(mm)을 나타낸다. 미소한 범위이지만 구멍 간격을 미세하게 조정할 수 있다. 텔레센트릭성을 손상하지 않을 정도로 조정하면 된다.

[실시예 2(프레넬형 DOE)]

분기 기능만의 프라운 호퍼형에 대하여, 집광 기능(유한의 초점 거리)을 갖게 한 DOE도 새롭게 고안되어 있다. 이것은 프레넬형 DOE 라고 한다. 즉 푸리에형의 통상적인 회절 부품에 렌즈를 조합하도록 하는 작용을 DOE 하나에서 행하는 소자이다. 그와 같은 DOE를 사용하는 것의 이점은 이미 설명한 바와 같이 두가지가 있다. 하나는 0차광의 영향을 제거할 수 있다는 것이다. 다른 하나는 D0E의 위치를 조정하여 상의 확대 축소를 행할 수 있다는 것이다.

유한의 초점 거리를 DOE 자체가 가지고 있기 때문에 집광 렌즈가 없더라도, 그 초점 거리의 위치에 있는 스크린에 회절상을 투영할 수 있다. 그러나, 그것만으로는 큰 가공 에어리어 내에서 일괄 천공 가공(텔레센트릭인 것도 필수)할 수 없으므로, 프레넬형 DOE의 경우에도 집광 렌즈를 바로 뒤에 설치한다. 이 경우의 렌즈도 fsinθ 렌즈가 적합하다.

그렇지만, 프라운 호퍼형 DOE에서 가장 적합한 fsinθ와는 다르다. 프레넬형 DOE는 수속성(f 정) 또는 발산성(f 부)의 회절빔을 발생하므로, 프라운 호퍼형에 적합한 fsinθ를 사용하면 상면 만곡이 발생하여 바람직하지 않다. 프레넬형 DOE의 경우는 DOE의 초점 거리(f₁)에 의해 다른 신규의 fsinθ를 설계할 필요가 있다.

이 fsinθ 렌즈를 갈바노 방식으로도 사용하는 경우에는 프레넬형 DOE 대신에 그와 같은 초점 거리(f₁)의 렌즈를 사용한다.

[DOE의 설계]

DOE는 초점 거리가 f₁= -5OOmm의 부의 파워로 하였다.

주기 : 192.308μm, 회절 차수 : n = 0, 1, 2, 3, 4, 5

초점의 위치에 있는 프린트 기판에 5mm 간격으로 5개의 구멍을 뚫는 패턴.

[fsinθ 렌즈의 설계]

(A) 초기 렌즈 설정

○ 렌즈 매수 : 2장, 재질 : ZnSe(굴절율 2.403)

제 1 렌즈 : 제 1면은 비구면, 제 2 면은 구면

제 2 렌즈 : 제 1 면은 구면, 제 2 면은 비구면

○ 파장 : 1O.6μm

○ 입사 동공 위치 : 제 1 렌즈 제 1 면보다 물계측 5Omm

○ F 번호 : 6

○ 회절 격자 주기 : 192.308μm, 회절 차수 : n= O, 1, 2, 3, 4, 5

○ 출사 각도 : 0도(텔레센트릭)

(B) 변수 설정

(C) 구속 조건

○ 초점 거리 : f₂= 127mm

○ 렌즈 두께 : 3.5mm 이상 15mm 이하

(D) 설계 결과

fsinθ 렌즈의 데이터

렌즈 번호	면 번호	곡률반경(mm)	두께, 간격(mm)	굴절율
L1	S1	표 7	5.478	2.403
L1	S2	-37.034	68.782	2.403
L2	S3	1962.525	10.740	2.403
L2	S4	표 8	179.560	2.403

fsinθ 렌즈의 비구면 데이터

면 번호	S1	비구면 계수
1/c(mm)	-33.041	α₂	1.855×10^-7
k	0.059	α₃	-1.974×10^-10
	α₄	6.943×10^-13
	α₅	-1.716×10^-16

fsinθ 렌즈의 비구면 데이터

면 번호	S4	비구면 계수
1/c(mm)	-204.464	α₂	-1.024×10^-8
k	-1.717	α₃	-3.485×10^-12
	α₄	1.877×10^-15
	α₅	-3.008×10^-19

상기 렌즈와 상술의 fθ렌즈를 사용하여 프린트 기판에 5mm 간격의 구멍을 천공하는 시험을 한다. 도 17에 프레넬형 DOE와 fsinθ 렌즈에 의한 시험계를 나타낸다.

저차 회절 구멍의 간격은 5mm이지만, fθ 렌즈에서는 고차가 되면 구멍 간격이 커지기 때문에 5차 구멍의 위치는 25.26mm가 되었다. 한편, fsinθ 렌즈의 경우, 25.00mm였다. 프린트 기판에서의 구멍 간격에 요구되는 정밀도는 ±2Oμm이다. 5차에서의 오차가 +26Oμm인 fθ 렌즈는 이용할 수 없다. fsinθ 렌즈의 경우는 ±20μm 미만이고, 고차의 회절광까지 천공에 이용할 수 있다.

DOE 회절광을 fθ 렌즈와 fsinθ 렌즈에 의해 회절시켰을 때의 상면에서의 5차 회절광에 의한 구멍의 위치

여기까지는 프라운 호퍼형 D0E를 사용한 실시예 1과 동일하다. 프레넬형 DOE를 사용하는 실시예 2는 또한 그것을 초과하는 두가지의 효과가 있다.

[확대 축소 범위의 증대]

DOE 자체가 여기서는 f₁= -5OOmm의 발산성을 가지므로, 다음과 같이 상을 확대 축소할 수 있다. DOE와 렌즈의 합성 초점 거리(f)는

f = f₁f₂/(f₁+ △) (85)

이 된다. △는 DOE의 렌즈의 앞초점으로부터의 어긋남이다. 어긋남 △ ＞ O일 때, f₁＜ 0이면 f ＞ f₂가 된다. 반대로 △ ＜ O일 때, f₁＜ O 이면 f ＜ f₂가 된다. 프라운 호퍼형의 경우 f₁은 실질적으로 무한대이기 때문에 위의 식은 항상 f = f₂가 되어 f의 변화를 허락하지 않는다. 그러나 실시예 2에서는 프레넬형 DOE를 사용하고 있고 유한의 f₁을 갖고 있기 때문에 △의 변화에 의해 f의 변동을 야기할 수 있다.

실시예 2에 있어서, f₁= -50Omm, f₂= 127mm이기 때문에,

f = 50O×127/(50O - △) (86)

가 된다. 예를 들면,

△ = 15mm일 때에는 f = 130.9mm (87)

△ = -15mm일 때에는 f = 123.3mm (88)

이 된다. 스폿 패턴의 확대 축소는 초점 거리(f)에 거의 비례한다. 여기서는 △의 ±15mm의 변화에 대하여 초점 거리가 ±3% 변동한다. 따라서 △를 바꾸는 것에 의해 ±3%정도의 패턴의 확대 축소가 가능해진다. 실시예 1의 푸리에형 DOE를 사용하는 경우는 확대 축소의 범위가 ±1%였다. 실시예 2에서는 그 3배에 미치는 확대 축소가 가능해진다. 즉 구멍 패턴의 97%까지의 축소, 103%까지의 확대를 할수 있다.

[0차광의 배제]

도 17에 도시하는 바와 같이 0차광의 초점은 상면의 앞에 있다. 0차광은 상면에 초점을 연결하지 않기 때문에 0차광의 영향이 나타나지 않는다. 0차광을 배제할 수 있다. 어느정도 0차광 초점이 상면으로부터 이격되어 있느냐 하면, △ = -15mm 내지 +15mm에 대하여,

f₂ ²/(f₁+ △) = 127²/(-50O + △) (89)

= -31.3mm 내지 -33.3mm (9O)

이 된다. △가 0으로부터 어긋나도 항상 0차광 초점은 상면보다 전방으로 3Omm 이상 떨어져 있다. 0차광은 상면에서는 흐려지는 상면에서는 약한 노이즈가 될 뿐이다. 프린트 기판을 달구어서 끊을 정도의 파워는 없다. 즉 0차광을 완전히 배제할 수 있다.

[상면의 조정]

렌즈 앞초점으로부터 DOE를 △만큼 어긋나게 하면 초점 거리(f)가 변화하므로 상면의 위치도 변경하지 않으면 안된다. 그러나 그것은 약간의 거리에서 조정이 용이하다. 이 실시예에 있어서 f₁= -50Omm, f₂= 127mm이기 때문에, 백 포커스 B_f는

B_f= f₂｛1 - f₂/(f₁+ △)｝ (91)

= 127×{1 + 127/(5OO - △)｝ (92)

에 의해 계산된다. △ = -15mm 내지 +15mm일 때,

B_f= l60.3mm 내지 158.3mm (93)

이다. 그 폭은 2mm에 지나지 않는다. 그 정도의 짧은 거리이기 때문에, 렌즈, 상면(워크) 사이의 거리를 증감 조정하여 항상 초점의 위치에 상면을 맞출 수 있다.

DOE에 의해 레이저 빔을 경사각이 다른 다수의 빔으로 분기하여 fsinθ 렌즈에 의해 등간격의 스폿을 상면에 형성한다. 높은 위치 정밀도를 유지하면서 다점 고속 일괄 천공을 행할 수 있다. fsinθ 렌즈를 사용하므로 고차 회절광에서의 위치 어긋남이 일어나지 않고 고차 회절광까지 이용할 수 있다. 고차의 회절광도 이용할 수 있기 때문에 보다 다수의 구멍을 일괄 천공할 수 있다.

갈바노 미러와 DOE를 조합하면, DOE의 고속 일괄성과 갈바노 미러의 유연성이 상보하여 사용하기 쉬운 우수한 구멍 개공 장치가 된다.

DOE를 두개의 갈바노 미러의 중간에 놓아 두면, 렌즈의 텔레센트릭성을 최대한으로 살릴 수 있다.

창을 몇개 갖는 회전 원판에 복수의 DOE를 장착하여 회전시켜 DOE를 바꾸는 것으로 하면, 다종류의 일괄 패턴 가공을 고속으로 전환할 수 있다. 또한 회전 원판의 창 하나를 개구하여 놓거나(프라운 호퍼형 DOE의 경우), DOE와 같은 초점 거리의 렌즈를 세트하여 두면(프레넬형), 빔을 개구를 통해서 갈바노 미러 방식의 운전을 행할 수 있다. 갈바노 미러 방식과 DOE 방식의 전환이 용이하다.

렌즈나 빔 액스팬더 등으로 입사 레이저 광의 발산각을 조정하는 것과, 회절형 광학 부품을 전후로 이동시킴으로써, 구멍 간격의 확대, 축소를 행할 수 있다. 이로써, 미소한 구멍 간격의 보정이 가능하게 된다. 가공해야 할 구멍 패턴의 확대, 축소를 행하도록 할 수 있다. 혹은 핀홀 마스크에 레이저를 입사시킴으로써, 마스크 전사 광학계로 하면, 핀홀 마스크의 위치 조정과 회절형 광학 부품의 이동에 의해, 동일하게 구멍 간격의 확대, 축소를 행할 수 있다

D0E로서 프라운 호퍼형(초점 거리가 무한대)을 사용할 수 있는 프레넬형의 것을 사용할 수 있다. 어느것의 DOE를 사용하여도 렌즈와 DOE의 거리를 바꾸는 것에 의해 패턴을 확대 축소할 수 있다. 특히 프레넬형을 이용하면 확대 축소의 범위를 넓게 할 수 있다.

또한 프레넬형 DOE를 사용하면, 0차광의 영향을 소거할 수 있다.

Claims

(정정) 레이저 광을 발생하는 레이저와, 일정한 공간 주기의 동일한 반복 패턴 또는 일정한 공간 주기의 동일 패턴을 변조한 반복 패턴을 포함하여 레이저 광을 회절시켜 다수의 빔을 발생하는 회절형 광학 부품과, 회절형 광학 부품으로부터 나온 다수의 분기 빔을 집광하는 fsinθ 렌즈로 이루어지고, 회절형 광학 부품에 의해 분기된 각 빔이 각각 다른 입사 각도(θ₁, θ₂, …, θ_n)로 fsinθ 렌즈에 입사하고, 각각의 각도에 대응한 위치(h₁=fsinθ₁, h₂=fsinθ₂, …, h_n=fsinθ_n)에 fsinθ 렌즈가 각 빔을 집광하는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
(정정) 제 1 항에 있어서, 회절형 광학 부품이 유한의 초점 거리(f)를 갖는 프레넬형으로서, 동일 패턴을 변조한 반복 패턴을 갖고, 반복 패턴이 면 내의 위치(x, y)에서의 복소 투과율 t(x, y)에 의해 표현되고, 광의 파수를 k, x방향의 공간 주기를 Λx, y방향의 공간 주기를 Λ_y, f를 초점 거리, m, 1을 반복 수 이하의 임의의 정수(j는 허수단위)로 하여, t(x, y)가 t(x + mΛ_x, y + 1Λ_y) = t(x, y)exp｛-jk(mxΛ_x+ lyΛ_y)/f｝exp[｛-jk(Λx²m²+ Λ_y ²1²)｝/2f]의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
(정정) 제 1 항에 있어서, 회절형 광학 부품이 무한대의 초점 거리를 갖는 프라운 호퍼형으로서, 동일 패턴을 반복하는 것으로 하고, 광의 파수를 k, x방향의 공간 주기를 Λ_x, y방향의 공간 주기를 Λ_y, f를 초점 거리, m, 1을 반복 수 이하의 임의의 정수로 하여, t(x, y)가 t(x + mΛ_x, y + 1Λ_y) = t(x, y)의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 창을 갖는 회전 원판의 창에 복수의 회절형 광학 부품을 장착하여, 레이저 빔 중에 하나의 회절형 광학 부품이 위치하도록 놓고, 회전 원판을 회전시킴으로써, 회절형 광학 부품을 전환할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저와, 레이저 광을 반사하는 2장 이상의 요동하는 갈바노 미러와, 일정의 공간 주기의 동일한 반복 패턴, 또은 일정한 공간 주기의 동일 패턴을 변조한 반복 패턴을 포함하여 레이저 광을 회절시켜 다수의 빔을 발생하는 회절형 광학 부품과, 갈바노 미러 또는 회절형 광학 부품으로부터 나온 다수의 분기 빔을 집광하는 fsinθ 렌즈와, 회절형 광학 부품을 레이저 빔 광로 내에 삽입하고, 혹은 이탈시키는 기구로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 5 항에 있어서, 회절형 광학 부품을 2장의 갈바노 미러의 중간 위치에 삽입 또는 이탈시키도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 6 항에 있어서, 복수의 창을 갖는 회전 원판의 창에 복수의 회절형 광학부품을 장착하여, 갈바노 미러에 의해 반사된 빔 중에 하나의 회절형 광학 부품이 위치하도록 놓고, 빔을 회절하는 회절형 광학 부품을 전환할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 7 항에 있어서, 복수의 창을 갖는 회전 원판의 창의 적어도 하나를 열린 창으로서 남기고, 다른 창에 회절형 광학 부품을 장착하여, 갈바노 미러에 의해 반사된 빔 중에 하나의 회절형 광학 부품 또는 열린 창이 위치하도록 놓고, 빔을 회절하는 회절형 광학 부품과 갈바노 미러를 택일적으로 전환할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 7 항에 있어서, 회절형 광학 부품이 프레넬형으로서, 복수의 창을 갖는 회전 원판의 창중 적어도 하나에, 회절형 광학 부품과 같은 초점 거리를 갖는 렌즈를 설치하고, 다른 창에 회절형 광학 부품을 장착하여, 갈바노 미러에 의해 반사된 빔 중에 하나의 회절형 광학 부품 또는 렌즈가 위치하도록 놓고, 빔을 회절하는 회절형 광학 부품과 갈바노 미러를 택일적으로 전환할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 회절형 광학 부품을 레이저측 또는 렌즈측으로 이동함으로써, 가공해야 할 구멍 패턴의 확대, 축소를 행하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 빔의 발산각을 조정하는 수단을 회절형 광학 부품보다 레이저에 가까운 측에 설치하여, 회절형 광학 부품으로 입사하는 레이저 빔의 발산각을 증감하고, 또한 회절형 광학 부품을 레이저측 또는 렌즈측으로 이동함으로써, 가공해야 할 구멍 패턴의 확대, 축소를 행하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 11 항에 있어서, 레이저 빔의 발산각 조정 수단으로서 빔 익스팬더를 채용하여, 빔 익스팬더의 렌즈 간격을 변경함으로써 레이저 빔의 발산각을 조정하는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저와 회절형 광학 부품 사이에 핀홀 마스크를 설치하고, 핀홀 마스크를 레이저측 또는 회절형 광학 부품측으로 이동하여, 광학계의 배율을 증감하며, 또한 회절형 광학 부품을 핀홀 마스크측 또는 렌즈측으로 이동함으로써, 가공해야 할 구멍 패턴의 확대, 축소를 행하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 천공 가공 장치.