KR100492245B1 - A precision processing tool by use of femtosecond laser - Google Patents
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- B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
Abstract
본 발명은 펨토초 레이저를 이용한 고정도 가공장치에 관한 것으로서, 고정도 정밀가공이 가능한 펨토초 레이저에 의한 가공에서 펨토초 레이저의 정밀도에 부합하도록 가공장치의 정밀도를 향상시키기 위해 개발된 것이다.The present invention relates to a high precision processing apparatus using a femtosecond laser, and was developed to improve the precision of the processing apparatus to match the precision of the femtosecond laser in the processing by the femtosecond laser capable of high precision precision processing.
본 발명에 따른 펨토초 레이저를 이용한 고정도 가공장치는 레이저를 발진시키는 레이저발진기와 상기 레이저를 전송시키는 레이저 전송부를 포함하는 레이저 발생부와, 상기 레이저발생부를 거친 레이저의 방향을 바꾸어주고 레이저를 가공부에 집중시키는 빔집속부와 가공부를 비추도록 된 조명광원과 상기 빔집속부와 조명광원등을 내장된 경통으로 이루어진 레이저 가공부와, 가공물을 올려 놓고 이송하는 스테이지와 모든 동작을 제어하는 컴퓨터로 이루어진 제어부로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 레이저발진기의 전방에는 펨토초 레이저를 하나 이상으로 분리하는 빔스플리터가 형성되며, 각각의 분리된 레이저는 별도의 레이저 가공부를 가지고, 상기 빔집속부에는 레이저를 한곳에 집중되도록 하는 포커싱렌즈가 구비되어 있으며 상기 경통의 상부에는 가공물에 주사되는 레이저와 동일 축선상에서 가공부를 측정하는 동축CCD카메라가 장착되어 제어부와 연결되되, 상기 경통은 포커싱렌즈의 상부가 분리되어 신축 가능한 플렉서블커버로 밀폐되며 상기 제어부의 제어를 받는 수직구동 모터에 의하여 분리된 경동의 하부가 Z축 방향으로 운동되는 것을 특징으로 한다.A high precision processing apparatus using a femtosecond laser according to the present invention includes a laser generator including a laser oscillator for oscillating a laser and a laser transmitter for transmitting the laser, and changing a direction of the laser passing through the laser generator and processing the laser. A laser processing unit comprising a beam concentrating unit focused on the beam and a processing unit to illuminate the processing unit, and a laser processing unit including a beam barrel including the beam concentrating unit and the illumination light source, a stage for placing and transporting a workpiece, and a computer for controlling all operations. In the laser processing apparatus comprising a control unit, a beam splitter for separating at least one femtosecond laser is formed in front of the laser oscillator, each separated laser has a separate laser processing unit, the beam focusing unit is a laser There is a focusing lens for focusing in one place. And the upper part of the barrel is mounted with a coaxial CCD camera for measuring the processing unit on the same axis as the laser scan to the workpiece is connected to the control unit, the barrel is closed by a flexible cover which is separated by the flexible focus cover of the upper portion of the control unit A lower portion of the tilted vehicle separated by the vertical drive motor under control is moved in the Z-axis direction.
Description
본 발명은 펨토초 레이저를 이용한 고정도 가공장치에 관한 것으로서, 각종 산업용 정밀 부품등의 초정밀 미세가공을 위해 기존에 사용되던 나노초 레이저의 문제점을 해결하여 가공시간이 줄어들고 열변형이 적으며 소재의 제약이 적은 펨토초 레이저를 이용한 고정도 가공장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high precision processing apparatus using a femtosecond laser, to solve the problems of the conventional nanosecond laser used for ultra-precision microfabrication of various industrial precision parts, reducing the processing time, less heat deformation and material constraints It relates to a high precision processing apparatus using a small femtosecond laser.
일반적으로 레이저를 이용한 융삭은 고정도 정밀부품의 제작을 위하여 많이 사용되고 있으며 빠른 펄스를 사용하면 주위에 미치는 열적인 손상이 적은 장점을 가지고 있어 나노초 즉 10-2m/s 단위의 펄스를 가지는 YAG레이저나 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 가공기가 제공되고 있으며 이를 일반적으로 나노초 레이저 가공기라 불리우고 있다.In general, laser ablation is widely used for the manufacture of high-precision precision parts, and the use of fast pulses has the advantage of less thermal damage to the surroundings. Therefore, YAG lasers with pulses of 10 -2 m / s A laser processing machine using an excimer laser or the like has been provided and is generally called a nanosecond laser processing machine.
이중 산화알루미늄을 인공적으로 결정체로 만들어 레이저를 발생토록 하는 YAG레이저를 사용한 가공기의 경우 가공된 측벽(side wall)이 거칠게 되는 경향이 있고, 적외선계인 CO2레이저는 가공부위에 크레이터가 만들어지는 단점을 가지고 있기에 마이크로미터단위 이상의 정밀도를 요구하는 미세가공에서는 그 사용의 제약을 받고 있다.In the case of a machine using a YAG laser that artificially crystallizes aluminum oxide to generate a laser, the processed side wall tends to be rough, and an infrared ray CO 2 laser has a disadvantage in that craters are formed in the processing area. It is limited in its use in micromachining that requires more than micrometer precision.
즉 상기 가공은 광에너지를 열에너지로 변형하여 수행하는 레이저 열가공이라고 할 수 있으며 결과적으로 가공된 형상은 붕괴되기 쉬워 정밀가공이 어렵게 된다.That is, the processing may be referred to as laser thermal processing performed by transforming light energy into thermal energy, and as a result, the processed shape is easily collapsed, which makes precision processing difficult.
반면에 엑시머 레이저의 경우 탄소원자의 공유결합을 끊는 광화학적 반응에 의한 승화 에칭이 되어 정밀한 가공이 가능하게 되는데 이는 엑시머 레이저광이 가공물표면에 방사될 때 그 부분이 플라즈마 방사 및 충격 노이즈와 함께 분산되어 분해되도록 융삭 광분해(Ablative photodecompostion)가공이 실시됨으로 흡열증발가공이 되기 때문이다.Excimer lasers, on the other hand, can be precisely processed by sublimation etching by photochemical reactions that break covalent bonds of carbon atoms, which are dispersed along with plasma radiation and impact noise when the excimer laser light is emitted onto the workpiece surface. Absolute evaporation is performed by ablation photodecompostion processing to decompose.
하지만 상기 엑시머 레이저의 에너지는 원자들의 공유결합을 끊는데 전부 사용되는 것이 아니고 일부는 열에너지로 변환되는데 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 그 열영향도 상당한 수준이므로 높은 열전달율을 가지는 금속, 세라믹, 실리콘과 같은 광물과 낮은 광흡수율을 가지는 석영 및 유리를 가공하는 것이 어렵게 되며 전자에 비하여 상대적으로 적은 열에너지라도 열적변형은 가공된 제품의 내구성에 영향을 미치게 된다.However, the energy of the excimer laser is not all used to break the covalent bonds of atoms, and some of them are converted to thermal energy, and because of their high energy density, their thermal effects are also significant, so minerals such as metals, ceramics, and silicon having high heat transfer rates It is difficult to process quartz and glass with low light absorption and thermal deformation even with relatively little heat energy compared with the former, affects the durability of the processed product.
이에 펄스 방사시간이 m/s대인 펨토초(femtosecond) 레이저의 경우 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 우수한 특성을 가지고 있는데 이는 1피코초(picosecond) 즉 1 ×m/s 이하의 극초단 펠스 방사시간에 발진하는 레이저를 이용하면 레이저 에너지의 발진 밀도는 매우 크기 때문이다.Pulse emission time A femtosecond laser in the m / s range has excellent characteristics to solve the above problems, which is 1 picosecond, that is, 1 × This is because the oscillation density of the laser energy is very large when using a laser oscillating at an ultra-short felt radiation time of m / s or less.
일반적으로 1mJ의 광에너지를 가지고 100펨토초 이하의 펠스 방사시간을 가지면 레이저 빔의 에너지 밀도는 대략 10기가와트의 수준에 달해 어떠한 재질의 가공도 가능하게 된다.In general, with 1mJ light energy and Fels emission time of less than 100 femtoseconds, the energy density of the laser beam is approximately 10 gigawatts, allowing any material to be processed.
또한 펨토초 레이저와 같이 극초단 펄스 레이저빔을 가공물에 방사하면 재료의 구성격자에 멀티포튼현상이 발생하고 이에 의한 원자의 들뜸 현상이 일어나는 동안 광자가 주위의 구성격자에 열을 전달하는 시간보다 입사 펄스가 짧으므로 가공물이 가공되는 동안 열확산으로 인한 가공 정밀도의 저하와 재질의 물리, 화학적 변화와 가공물의 가공부위가 일부분 용융되는 문제점이 해결되어 고정밀도의 가공 수행이 가능하게 된다.In addition, when an ultra-short pulsed laser beam, such as a femtosecond laser, is emitted to a workpiece, the multi-potential phenomenon occurs in the component lattice of the material, and the incident pulse is longer than the time that the photon transfers heat to the surrounding component lattice during the excitation of atoms. Since the short processing time of the workpiece is reduced due to thermal diffusion and the physical and chemical changes of the material and the problem that the melted part of the processing part of the workpiece is solved, it is possible to perform a high-precision machining.
뿐만 아니라 펨토초 레이저 가공시 가공에 의한 파티클의 적층이나 크레이터등 부산물이 거의 생산되지 않아 종래에 요구되던 초음파 세정등의 부산물 제거 단계가 필요없게 된다.In addition, since by-products such as lamination and craters of particles are hardly produced during femtosecond laser processing, a by-product removal step such as ultrasonic cleaning, which is conventionally required, is unnecessary.
또한 높은 열전달 계수를 가지거나 적은 광흡수율을 가지는 물질의 가공이 가능하며 또한 두 종류 이상의 상이한 재료의 가공과 다층으로 적층된 복합재질을 단일 공정으로 가공이 가능하게 된다.In addition, it is possible to process materials having high heat transfer coefficient or low light absorption, and also to process two or more kinds of different materials and composite materials laminated in multiple layers in a single process.
하지만 이러한 펨토초 레이저를 이용한 가공장치를 제작하기 위해서 열적 영향이 적고 펨토초 특성에서 치명적인 에어 브레이크 다운현상을 억제할 수 있고 무엇보다 기존의 가공장치에서의 정밀도보다 우수한 펨토초 레이저에 적합한 고정밀 가공장치의 개발은 아직 이루어지지 않고 있다.However, in order to manufacture a processing device using such a femtosecond laser, the development of a high-precision processing device suitable for a femtosecond laser with less thermal influence and a fatal air brake down phenomenon in the femtosecond characteristics and above all the accuracy of a conventional processing device is possible. It is not done yet.
즉 펨토초 레이저의 단순한 이용보다 나노초 이상의 고정밀 가공이 가능한 펨토초 레이저의 특성을 이용한 고정도 미세가공장치의 개발은 그만큼 중요하다고 하겠다.That is, the development of high precision micromachining device using the characteristics of femtosecond laser capable of high precision processing over nanoseconds is more important than the simple use of femtosecond laser.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 발명된 것으로서 그 목적은 펨토초 레이저를 이용한 기존 나노초 레이저 보다 고정밀 미세 가공이 가능하도록 정밀한 측정 제어가 가능하며 단일의 레이저 발진기를 이용하여 멀티 가공이 가능한 시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been invented to solve the above problems, the object is to provide a precise measurement control to enable high-precision micromachining than conventional nanosecond laser using a femtosecond laser and to provide a system capable of multi-processing using a single laser oscillator. It is.
또한 고정밀 가공을 위하여 레이저 빔의 에너지를 정밀하게 조절 할 수 있도록 하는데 있다.It also aims to precisely control the energy of the laser beam for high precision machining.
또한 외부의 영향을 받지 않고 가공물의 정확한 이송작업이 가능하도록 하여 정밀도를 높이도록 하는데 있다.In addition, it is to increase the precision by enabling the accurate transfer of the workpiece without being influenced by the outside.
또한 에어 브레이크 다운 현상을 최대한 억제 할 수 있도록 가공부의 이물질을 제거하도록 하는데 있다.In addition, it is to remove foreign matters in the processing part to minimize the air breakdown phenomenon.
또한 전체적인 작업 환경에서 청정도를 유지 할 수 있도록 하는데 있다.It also aims to maintain cleanliness in the overall working environment.
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상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 레이저를 발진시키는 레이저발진기와 상기 레이저를 전송시키는 레이저 전송부를 포함하는 레이저 발생부와, 상기 레이저발생부를 거친 레이저의 방향을 바꾸어주고 레이저를 가공부에 집중시키는 빔집속부와 가공부를 비추도록 된 조명광원과 상기 빔집속부와 조명광원등을 내장된 경통으로 이루어진 레이저 가공부와, 가공물을 올려 놓고 이송하는 스테이지와 모든 동작을 제어하는 컴퓨터로 이루어진 제어부로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 레이저발진기의 전방에는 펨토초 레이저를 하나 이상으로 분리하는 빔스플리터가 형성되며, 각각의 분리된 레이저는 별도의 레이저 가공부를 가지고, 상기 빔집속부에는 레이저를 한곳에 집중되도록 하는 포커싱렌즈가 구비되어 있으며 상기 경통의 상부에는 가공물에 주사되는 레이저와 동일 축선상에서 가공부를 측정하는 동축CCD카메라가 장착되어 제어부와 연결되되, 상기 경통은 포커싱렌즈의 상부가 분리되어 신축 가능한 플렉서블커버로 밀폐되며 상기 제어부의 제어를 받는 수직구동 모터에 의하여 분리된 경동의 하부가 Z축 방향으로 운동되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a laser generating unit including a laser oscillator for oscillating a laser and a laser transmitting unit for transmitting the laser, and changes the direction of the laser passing through the laser generating unit and concentrates the laser on the processing unit. It is a control unit consisting of a laser processing unit consisting of a light source that is made to illuminate the beam converging unit and the processing unit, and a laser beam unit including the beam focusing unit and the illumination light source, a stage for placing and transporting a workpiece, and controlling all operations. In the laser processing apparatus is configured, a beam splitter for separating the femtosecond laser to one or more is formed in front of the laser oscillator, each separated laser has a separate laser processing portion, the beam focusing portion to focus the laser in one place Focusing lens is provided so that the mirror The upper portion of the coaxial CCD camera for measuring the processing unit on the same axis as the laser scanning to the workpiece is mounted and connected to the control unit, the barrel is closed by the flexible flexible cover is separated by the upper portion of the focusing lens is controlled by the control unit The lower portion of the tilted vehicle separated by the vertical drive motor is characterized in that the movement in the Z-axis direction.
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이에 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현 할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.Accordingly, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily understand and reproduce.
도 1은 본 발명의 일실시 예를 나타낸 개략적인 장치도로서, 레이저(41)를 발진시키는 레이저발진기(11)와 상기 레이저(41)를 전송시키는 레이저 전송부(1a)를 포함하는 레이저 발생부(1)와;1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of the present invention, which includes a laser oscillator 11 for oscillating a laser 41 and a laser generator 1a for transmitting the laser 41. (1);
상기 레이저발생부(1)를 거친 레이저(43)의 방향을 바꾸어주고 레이저(44)를 가공부에 집중시키는 빔집속부(2a)와, 가공부를 비추도록 된 조명광원(23)과, 상기 빔집속부(2a)와 조명광원(23)등을 내장된 경통(24)으로 이루어진 레이저 가공부(2)와;A beam converging section 2a for changing the direction of the laser 43 passing through the laser generating section 1 and focusing the laser 44 on the processing section, an illumination light source 23 for illuminating the processing section, and the beam A laser processing unit (2) comprising a barrel (24) in which the focusing unit (2a) and the illumination light source (23) are embedded;
가공물(5)을 올려 놓고 이송하는 스테이지(6)와, 모든 동작을 제어하는 컴퓨터(32)로 이루어진 제어부(3)로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서,In the laser processing apparatus composed of a stage 6 for placing the workpiece 5 and transporting it, and a control unit 3 composed of a computer 32 for controlling all operations,
상기 경통(24)의 상부에는 가공물에 주사되는 레이저와 동일 축선상에서 가공부를 측정하는 동축 CCD카메라(33)가 장착되어 제어부(3)와 연결되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저를 이용한 고정도 가공장치를 나타내었다.The upper part of the barrel 24 is equipped with a coaxial CCD camera 33 for measuring the processing unit on the same axis as the laser scanning on the workpiece is mounted with a high precision processing apparatus using a femtosecond laser, characterized in that connected to the control unit 3 Indicated.
또한 상기 레이저 전송부(1a)는 레이저(41)의 폭을 증가시키는 빔익스펜더(12)와, 상기 빔익스펜더(12)에서 확장된 레이저(42)의 에너지를 조절하는 광감쇄기(13)로 이루어지고; 상기 빔집속부(2a)는 빔익스펜더(12)를 거친 레이저(43)를 반사하여 방향을 바꾸어주는 미러(21)와, 레이저(44)를 가공부에 집중시키는 포커싱렌즈(22)로 이루어지는 일 실시 예를 나타내었다.In addition, the laser transmitter 1a includes a beam expander 12 for increasing the width of the laser 41 and an optical attenuator 13 for controlling energy of the laser 42 extended from the beam expander 12. under; The beam focusing part 2a is composed of a mirror 21 for changing the direction by reflecting the laser 43 through the beam expander 12 and a focusing lens 22 for focusing the laser 44 on the processing part. An example is shown.
또한 레이저 발진기(11)에서 주사되는 레이저는 그 방향을 전환시키는 전반사미러(15)를 거쳐 빔을 차단시키거나 통과시키고 빔이 통과할때 그 단면에 원형인 부분을 제외한 가장자리의 빔을 차단하여 집중도와 효율을 높이도록 하는 셔터(16)를 통과하게 되며 상기 셔터(16)은 빔익스펜더(12)의 전후 어느곳에 설치하여도 무방하나 본 실시 예에서는 앞에 설치된 것을 나타내었다.In addition, the laser beam scanned by the laser oscillator 11 blocks or passes the beam through the total reflection mirror 15 to change its direction, and when the beam passes, it blocks the beam at the edge except for the circular part in the cross section. And pass through the shutter 16 to increase the efficiency and the shutter 16 may be installed in any position before and after the beam expander 12, but the present embodiment has been shown to be installed in the front.
또한 상기 빔익스펜더(12)의 전방에 컨포컬 렌즈구조의 광학계를 추가 설치한 후 빔 웨이스트 부분에 빔웨이스트와 거의 근사한 핀홀을 사용하여 단면적 대비 에너지 효율을 높일 수 있다.In addition, after the optical system of the confocal lens structure is additionally installed in front of the beam expander 12, the energy efficiency of the cross-sectional area may be increased by using a pinhole almost close to the beam waist in the beam waist portion.
또한 상기 빔익스펜더(12)는 빔의 외경을 확대하는 역할을 하는데 이는 빔의 에너지로 인하여 빔을 전송하는 광학계의 손상을 방지하고 수명 연장을 하기 위한 것으로서, 컴퓨터(32)의 제어를 받는 모터에 의하여 배율을 조정 할 수 있도록 하는 것이 효과적일 것이다.In addition, the beam expander 12 serves to enlarge the outer diameter of the beam, which is to prevent damage to the optical system transmitting the beam and prolong the life due to the energy of the beam. It would be effective to be able to adjust the magnification.
또한 레이저를 이용하여 가공할 재질에 따라서 가공 레이저빔의 에너지를 다르게 하기 위하여 광감쇄기(13)를 사용하게 되는데 상기 광감쇄기(13)는 원판형으로 회전에 따라 감쇄시키는 방법도 있으나 빔 직경이 크면 빔의 단면상에서 각 부위별 감쇄량이 상이하므로 본 발명에서는 모터 구동에 의하여 회전가능한 /2 플레이트, 리니어 폴라라이저 및 /4 플레이트로 구성하도록 하여 최대 99%까지 빔의 세기를 감쇄할 수 있도록 하는 것이 바람직한 실시 예일 것이다.In addition, the optical attenuator 13 is used to change the energy of the processing laser beam according to the material to be processed by using the laser. The optical attenuator 13 is a disk-shaped attenuating method according to rotation. In the present invention, since the amount of attenuation for each part is different on the cross section of the beam, it can be rotated by a motor drive. / 2 plates, linear polarizers and It may be a preferred embodiment to configure the / 4 plate so that the beam intensity can be attenuated up to 99%.
따라서 상기 /2 플레이트는 회전시키는 각도 차이에 따라 감쇄가 일어나며 /4 플레이트는 선편광을 원평광으로 혹은 원편광을 선편광시키는 기능을 하여 다이크로익미러(21)에 의하여 역류하는 빔을 차단시켜 앞단의 빔 전송계 렌즈들의 손상을 억제할 수 있다.Thus above / 2 plate is attenuated by the difference in the angle of rotation The / 4 plate functions to linearly polarize the linearly polarized light or linearly polarize the circularly polarized light to block the beam flowing back by the dichroic mirror 21 to suppress damage to the front beam transmission system lenses.
또한 상기 레이저발진기(11)의 전방에는 펨토초 레이저를 하나 이상으로 분리하는 빔스플리터(14)가 형성되며, 각각의 분리된 레이저는 별도의 레이저 가공부(2)를 가짐을 나타내었다.In addition, a beam splitter 14 for separating the femtosecond laser into one or more is formed in front of the laser oscillator 11, and each separated laser has been shown to have a separate laser processing unit (2).
즉 상기 도면에서는 하나의 펨토초 레이저 발진기(11)로부터 2대의 가공 가능한 시스템을 구성하는 것을 예시한 것으로서 빔스플리터(14)로부터 레이저 빔 분기비를 50%씩 분기하거나 필요시 분기비를 다르게 하는 빔스플리터를 사용할 수 있으며 이 빔스플리터를 여러 개 사용하면 2대 이상의 멀티시스템 구성이 가능하게 된다.That is, the drawing illustrates an example of configuring two processable systems from one femtosecond laser oscillator 11, and the beam splitter for branching the laser beam splitting ratio from the beam splitter 14 by 50% or changing the splitting ratio if necessary. Multiple beam splitters can be used to enable more than one multisystem configuration.
또한 상기 미러(21)는 펨토초 레이저의 파장대의 대부분은 일정각도에서 반사하도록 코팅되어 있으며, 그 일부는 투과되어 제어부(3)에 의하여 레이저의 에너지를 측정할 수 있는 포토다이오드(25)를 통과하도록 구성하여 측정된 레이저의 세기에 따라 상기 광감쇄기(13)을 조절하여 그 정확도를 높이도록 하는 것이 바람직한 실시 예일 것이다.In addition, the mirror 21 is coated to reflect most of the wavelength band of the femtosecond laser at a predetermined angle, and part of the mirror 21 passes through the photodiode 25 through which the energy of the laser can be measured by the controller 3. It will be a preferred embodiment to adjust the optical attenuator 13 according to the configuration and measured laser intensity to increase the accuracy.
또 상기와 같이 코팅을 하는 방법 외에 상기 미러(21)에 핀홀을 형성하는 기존의 방법 또한 적용이 가능할 것이다.In addition to the coating method as described above, the existing method of forming a pinhole on the mirror 21 will also be applicable.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 레이저 가공부(2) 및 제어부(3)를 나타낸 장치도로서, 있어서 상기 경통(24)은 포커싱렌즈(22)의 상부가 분리되어 신축가능한 플렉서블커버(26)로 밀폐되며, 제어부(3)의 제어를 받는 수직구동 모터(27)에 의하여 분리된 경통(24)의 하부가 Z축 방향으로 운동하도록 하였다.2 is a device diagram showing a laser processing unit 2 and a control unit 3 according to an embodiment of the present invention, wherein the barrel 24 is a flexible cover having an upper portion of the focusing lens 22 separated and stretched ( 26), the lower portion of the barrel 24 separated by the vertical drive motor 27 controlled by the controller 3 moves in the Z-axis direction.
따라서 레이저 광학계의 정렬 및 청정도를 위하여 레이저 발생부와 레이저 가공부(2)을 외기와 차폐시키고 내부에 질소 가스 등으로 충진하거나 필터를 사용하여 이물질이 유입되지 않도록 하는 상황에서 포커싱렌즈(22)을 상하로 움직임으로서 촛점거리를 맞추기 위하여 수직구동 모터(27)와 플렉시블커버(36)을 구비하도록 하였으며 이로서 가공물(5)을 Z축 즉 수직방향의 이송이 필요 없게 된다.Therefore, in order to align and clean the laser optical system, the focusing lens 22 is used in a situation in which the laser generating unit and the laser processing unit 2 are shielded from the outside and filled with nitrogen gas or the like so that foreign substances do not flow into the filter. In order to adjust the focal length by moving up and down, the vertical drive motor 27 and the flexible cover 36 are provided, thereby eliminating the need for the workpiece 5 to be transferred in the Z axis, that is, in the vertical direction.
따라서 상기 스테이지(6)는 제어부(3)의 제어에 따라 XY축으로 운동하도록 구성하며 동시에 3개 축을 제어하는 것 보다 가공 정밀도를 높일 수 있도록 하였다.Therefore, the stage 6 is configured to move in the XY axis under the control of the control unit 3, and at the same time, it is possible to increase the processing precision than to control the three axes.
또한 상기 동축 CCD카메라(33)의 전방에는 가공물(5)에 대한 영상의 왜곡을 방지하는 이미징렌즈(34)를 장착하여 가공물(5)에서 여러가지 광학계를 거치면서 왜곡되는 영상을 정확한 영상이 되도록 보상하여 상기 동축 CCD카메라(33)에서의 영상의 정확성을 높이도록 하였다.In addition, the front of the coaxial CCD camera 33 is equipped with an imaging lens 34 to prevent the distortion of the image on the workpiece (5) to compensate for the image distorted while passing through various optical systems in the workpiece (5) to be an accurate image By increasing the accuracy of the image in the coaxial CCD camera 33.
또한 상기 조명광원(27)은 백색광원 또는 파장 633nm인 He-Ne 레이저를 사용하고 반사미러(28)를 통해 가공물(5)에 주사되도록 하는 것이 바람직할 것이다. In addition, the illumination light source 27 may use a white light source or a He-Ne laser having a wavelength of 633 nm and may be scanned to the workpiece 5 through the reflection mirror 28.
도 3은 경통의 하부에 장착되는 분사 및 흡입튜브를 나타낸 측면도로서, 상기 경통(24)의 하부에는 어시스트 가스(52)를 분사하는 하나 이상의 신축가능한 분사튜브(29a)와, 진공흡입장치와 연결되어 흡입하는 하나 이상의 신축가능한 흡입튜브(29b)가 형성됨을 나타내었다.Figure 3 is a side view showing the injection and suction tube mounted to the lower portion of the barrel, the lower portion of the barrel 24 is connected to one or more stretchable injection tube (29a) for injecting assist gas (52), the vacuum suction device It has been shown that at least one flexible suction tube 29b is formed to inhale.
따라서 가공물(5)에 주사되는 레이저빔과 가공부 주위에 어시스트 가스(52)를 분사하고 이물질과 가공 파티클(51)을 포함한 가스를 흡입하도록 하여 가공부와 가공물(5)의 청정도를 유지할 수 있도록 하였다.Accordingly, the assist gas 52 is sprayed around the laser beam and the processing unit scanned on the processing unit 5, and the foreign substances and the gas including the processing particle 51 are sucked to maintain cleanliness of the processing unit and the processing unit 5. It was.
이때 실리콘 재질의 경우 Cl2를 500cc/s의 속도로 분사하고 바로 흡입 배기시키는 것이 가장 효과적인 것으로 나타났으며 상기 어시스트 가스(52)의 양이 많거나 인체에 유해할 경우 노즐부와 스테이지 부분을 밀폐시켜 진공상태에서 가공하면 효율적으로 어시스트 가스의 기능을 수행할 수 있으며 에어 브레이크 다운에 의한 광에너지 감소를 억제하고 펨토초 레이저가 가진 가공성을 효율적으로 이끌어 내도록 할 수 있다.In the case of silicon material, it was shown that it is most effective to inject Cl 2 at a speed of 500cc / s and to suck it out immediately. If the amount of the assist gas 52 is large or harmful to the human body, the nozzle part and the stage part are sealed. When processed in a vacuum, the assist gas can efficiently perform the function of assist gas, suppress the reduction of light energy due to air breakdown, and efficiently bring out the processability of the femtosecond laser.
또한 상기 장치의 외관은 하나 이상 공기흡입부를 가지고 내부에 제어부에 의하여 작동하는 통상의 헤파필터모듈이 장착된 클린펜스의 개념으로 설계하도록 하여 클래스 1000정도의 청정도를 유지하여 레이저 사용 환경 규정을 준수하고 가공물의 2차 오염을 방지하고 광에너지의 감소를 억제하도록 하는 것이 바람직한 실시 예일 것이다.In addition, the appearance of the device is designed in the concept of a clean fence equipped with a conventional HEPA filter module having one or more air intakes and operated by a control unit inside to maintain cleanliness of class 1000 to comply with the laser use environment regulations. It would be a preferred embodiment to prevent secondary contamination of the workpiece and to suppress the reduction of light energy.
즉 최근 반도체 분야에 주로 쓰이는 청정실(clean room)의 환경에서 작업할 수도 있으나 상황에 따라 가공장치별로 독립적인 정화시스템이 필요하게 되며 제어부에 의하여 흡배기와 정화작업이 가능한 시스템을 적용한 것이다.In other words, it is possible to work in an environment of a clean room mainly used in the semiconductor field recently, but depending on the situation, an independent purification system is required for each processing device, and a system capable of intake and purification by the control unit is applied.
또 펄스가 매우 짧은 펨토초 레이저의 경우 공기중의 아주 미세한 입자와도 충돌할 가능성이 커지게 되므로 이에 따라 발생하는 에어브레이크 다운 현상이 일어나게 되는데 따라서 클린펜스 방식의 도입과 어시스트 가스에 의한 청정도의 유지는 본 발명에서 아주 중요한 비중을 차지하는 것 일 것이다.Also, femtosecond lasers with very short pulses are more likely to collide with very fine particles in the air, resulting in air breakdown. Therefore, the clean fence method and the maintenance of cleanliness by assist gas It will be a very important weight in the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 가공방법을 나타낸 블록도로서, 가공물(5)을 스테이지(6)에 위치하고 레이저발진기(11)에서 레이저(4)를 발진하는 레이저 발진단계(7)와, 레이저(4)의 세기 및 밀도 등을 조정하는 필터링단계(8)와, 레이저(4)가 빔집속부(2a)에 의하여 집중되어 가공면에 주사되고 제어부(3)의 신호에 따라 스테이지(6)를 이동시키며 가공하는 가공단계(9)와, 가공 상황을 확인하는 모니터링 단계(10)로 이루어지는 레이저를 이용한 가공방법에 있어서,4 is a block diagram showing a machining method according to the present invention, the laser oscillation step 7 of positioning the workpiece 5 on the stage 6 and oscillating the laser 4 in the laser oscillator 11, and the laser 4 Filtering step 8 for adjusting the intensity, density, and the like, and the laser 4 is concentrated by the beam focusing unit 2a and scanned on the processing surface, and the stage 6 is moved in accordance with the signal of the controller 3. In the processing method using a laser consisting of a processing step (9) for processing and a monitoring step (10) to check the processing status,
상기 레이저 발진단계(7)는 레이저(4)와 동일 축상에 설치된 동축 CCD카메라(33)에 의하여 가공위치를 확인하고 가공물(5)의 형상을 디스플레이하는 디스플레이과정(71)과, 이 형상의 명암을 화소로 구분하여 화상처리를 한 가공물(5)의 데이타 신호를 컴퓨터에 보내는 데이타 송신과정(72)과, 상기 데이타 신호를 토대로 설정된 가공부위로 이송하도록 스테이지(6)를 이송시키는 이송과정(73)을 포함함을 특징으로 하는 펨토초 레이저를 이용한 고정도 가공방법을 나타내었다.The laser oscillation step (7) comprises a display process (71) for checking the machining position and displaying the shape of the workpiece (5) by a coaxial CCD camera (33) installed on the same axis as the laser (4), and the contrast of this shape. A data transmission process 72 for transmitting a data signal of a workpiece 5 subjected to image processing by dividing the pixel into pixels, and a transfer process for transferring the stage 6 so as to transfer it to a machining site set based on the data signal. A high precision processing method using a femtosecond laser is characterized by including.
즉 종래의 가공 방법은 스테이지 이송장치의 정밀도에 의존하여 가공물을 가공 하여 왔으나 펨토초 레이저의 특성에 부합되는 고정도의 가공방법을 위하여 CCD카메라에 의해 디스플레이되는 형상을 바탕으로 이를 보정하도록 하게 되면 가공정밀도가 향상될 것이다.That is, the conventional processing method has been processing the workpiece depending on the precision of the stage feeder, but if the correction is made based on the shape displayed by the CCD camera for the high precision processing method matching the characteristics of the femtosecond laser, Will be improved.
또한 기존의 측면 모니터링 CCD카메라(31)로는 가공부와 비스듬하게 장착이 되어 있기에 정확한 가공부의 측정이 힘들게 되므로 경통 상부에 장착되는 별도의 동축 CCD카메라(33)를 장착하여 측정하도록 하였으며 상기 동축 CCD카메라(33)의 경우 가공 중에는 펨토초 레이저나 증발물에 의하여 실시간 관측의 용도로는 부적절하므로 가공 중 실시간 관측용으로는 측면 모니터링 CCD카메라(31)를 그대로 활용하도록 하였다.In addition, since the conventional side monitoring CCD camera 31 is mounted obliquely with the processing part, it is difficult to accurately measure the processing part, so that a separate coaxial CCD camera 33 mounted on the upper part of the barrel is mounted to measure the coaxial CCD camera. In the case of (33), the side monitoring CCD camera 31 was used as it is for the real-time observation during the processing because the femtosecond laser or the evaporate is not suitable during the processing.
즉 상기 모니터링 단계(10)는 측면 모니터링 CCD카메라(31)에 의하여 가공중의 진행상황을 확인하는 실시간 모니터링과정(10a)과, 동축 CCD카메라(33)에 의하여 가공전과 가공후의 화상으로 측정값과 설계값을 비교 측정하는 측정모니터링과정(10b)으로 이루어지도록 하고 있다.In other words, the monitoring step 10 is a real-time monitoring process (10a) to check the progress of the processing by the side monitoring CCD camera 31, and the measured value and the image before and after the processing by the coaxial CCD camera 33 and The measurement monitoring process 10b compares design values.
도 5는 필터링단계를 나타낸 블록도로서, 상기 필터링단계(8)는 빔익스펜더(12)에 의하여 레이저(4)를 확장하는 레이저 확장과정(81)과, 광감쇄기(13)에 의하여 레이저(4)의 세기를 조정하는 레이저 감쇄과정(82)과, 일부가 포토다이오드(25)를 거쳐 레이저(4)의 에너지를 측정하여 제어부(3)에 전송하고 상기 제어부(3)는 측정값에 따라 광감쇄기(13)에서의 레이저양을 증가 또는 감소시키도록 하는 피드백과정(83)으로 구성됨을 특징으로 하는 펨토초 레이저를 이용한 고정도 가공방법을 나타내었다.5 is a block diagram showing a filtering step, wherein the filtering step 8 includes a laser expansion process 81 for expanding the laser 4 by the beam expander 12 and a laser 4 by the optical attenuator 13. Laser attenuation process 82 for adjusting the intensity of the laser beam, and a part of the photodiode 25 measures the energy of the laser 4 and transmits the energy to the controller 3, wherein the controller 3 A high precision processing method using a femtosecond laser is characterized by consisting of a feedback process 83 for increasing or decreasing the amount of laser in the attenuator 13.
즉 레이저를 이용한 가공방법에서 정밀도를 높이기 위한 수단으로는 가공물의 정확한 이송에서 정밀도를 높이는 방법이 있고 또 레이저의 세기를 정확하게 하여 정밀도를 높이는 방법있으며 상기 실시예에서는 이러한 레이저의 세기를 정확하게 조절하기 위하여 광감쇄기(13)에 의해 조절되는 레이저의 에너지를 다시 측정하여 오차를 보정하는 피드백과정(83)을 두도록 한 것이다.That is, as a means for increasing the precision in the processing method using a laser, there is a method to increase the precision in the accurate transfer of the workpiece, and there is a method to increase the precision by precisely the intensity of the laser, in the embodiment to precisely control the intensity of the laser The feedback process 83 of measuring the energy of the laser controlled by the optical attenuator 13 and correcting the error is provided.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예를 나타낸 블록도로서, 상기 레이저 발진단계(7)에서 발진된 레이저(4)는 빔스플리터(14)에 의하여 두 개 이상의 레이저로 분리되어 상기 분리된 레이저(4)는 각각 필터링단계(8)를 수행하도록 하는 멀티레이저 공급과정(74)이 추가로 이루어짐을 특징으로 하는 펨토초 레이저를 이용한 고정도 가공방법을 나타내었다.5 is a block diagram showing another embodiment of the present invention, wherein the laser 4 oscillated in the laser oscillation step 7 is separated into two or more lasers by the beam splitter 14 and the separated laser 4 ) Shows a high precision processing method using a femtosecond laser, characterized in that the multi-laser supply process 74 to perform the filtering step (8) is further made.
즉 빔스플리터(14)를 이용하여 레이저 빔 분기비를 50%씩 분기하거나 필요시 분기비를 다르게 하는 빔스플리터(14)를 사용할 수 있으며 이 빔스플리터를 여러 개 사용하면 2대 이상의 멀티시스템 구성이 가능하게 된다.In other words, the beam splitter 14 can be used to split the laser beam splitting ratio by 50%, or to use a beam splitter 14 that varies the splitting ratio if necessary. It becomes possible.
상술한 바와 같이 본 발명은 스테이지의 이송정밀도에 의존하던 공작기계에 화상을 통한 이송값의 보정이 가능하도록 하여 펨토초 레이저를 이용한 기존 나노초 레이저 보다 고정밀 미세 가공이 가능하며 단일의 레이저 발진기를 이용하여 각기 독립된 가공과정을 거치도록 하여 복합작업이 가능해지는 효과가 있다.As described above, the present invention enables the correction of the feed value through the image to the machine tool, which was dependent on the feeding precision of the stage, so that it is possible to perform finer finer processing than the conventional nanosecond laser using the femtosecond laser, and each using a single laser oscillator. It has the effect of allowing complex work by going through an independent machining process.
또한 피드백과정을 통한 레이저 빔의 에너지를 정확하게 조절할 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, there is an effect to accurately adjust the energy of the laser beam through the feedback process.
또한 수직방향의 이송은 경통에 의하여 이루어지도록 하고 스테이지는 수평방향으로 가공물을 이송하도록 하여 가공부의 이동에서 정밀도를 높이도록 하는 효과가 있다.In addition, the vertical conveyance is made by the barrel and the stage has the effect of increasing the precision in the movement of the processing portion to convey the workpiece in the horizontal direction.
또한 레이저의 경로중에 분포되는 미세입자 등을 최대한으로 제거하도록 하여 에어 브레이크 다운 현상을 최대한 억제하고 가공물의 표면의 청정도를 유지하도록 하는데 있다.In addition, the fine particles distributed in the path of the laser to remove as much as possible to suppress the air breakdown phenomenon as much as possible to maintain the cleanliness of the surface of the workpiece.
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도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 장치도.1 is a device diagram according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 가공부와 제어부를 나타낸 장치도.2 is a device diagram showing a laser processing unit and a control unit according to an embodiment of the present invention.
도 3은 경통의 하부에 장착되는 분사 및 흡입튜브를 나타낸 측면도.Figure 3 is a side view showing the injection and suction tube mounted to the bottom of the barrel.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가공 방법을 나타낸 블록도.Figure 4 is a block diagram showing a machining method according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 필터링 단계를 나타낸 블록도5 is a block diagram showing a filtering step according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 발진단계를 나타낸 블록도.Figure 6 is a block diagram showing a laser oscillation step according to another embodiment of the present invention.
<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
1 : 레이저 발생부1: laser generating unit
1a : 레이저 전송부1a: laser transmission unit
11 : 레이저 발진기 12 : 빔익스펜더 11 laser oscillator 12 beam expander
13 : 광감쇄기 14 : 빔스플리터 13: optical attenuator 14: beam splitter
15 : 전반사미러 16 : 셔터 15: total reflection mirror 16: shutter
2 : 레이저 가공부2: laser processing part
2a : 빔집속부2a: beam focusing unit
21 : 미러 22 : 포커싱렌즈 21: mirror 22: focusing lens
23 : 조명광원 24 : 경통 23: light source 24: barrel
25 : 포토다이오드 26 : 플렉서블커버 25: photodiode 26: flexible cover
27 : 수직구동모터 28 : 반사미러 27: vertical drive motor 28: reflection mirror
29a : 분사튜브 29b : 흡입튜브 29a: injection tube 29b: suction tube
3 : 제어부3: control unit
31 : 측면 모니터링 CCD카메라 32 : 컴퓨터 31: side monitoring CCD camera 32: computer
33 : 동축 CCD카메라 34 : 이미징렌즈 33: coaxial CCD camera 34: imaging lens
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4 : 레이저4: laser
41, 42, 43 : 레이저 41, 42, 43: laser
5 : 가공물5: workpiece
51 : 파티클 52 : 어시스트 가스 51: Particle 52: Assist Gas
6 : 스테이지6: stage
7 : 레이저 발진단계7: laser oscillation stage
71 : 디스플레이과정 72 : 데이타 송신과정 71: display process 72: data transmission process
73 : 이송과정 74 : 멀티레이저 공급과정 73: transfer process 74: multi laser supply process
8 : 필터링단계8: filtering step
81 : 레이저 확장과정 82 : 레이저 감쇄과정 81: laser expansion process 82: laser attenuation process
83 : 피드백과정 83: Feedback Process
9 : 가공단계9: machining step
10 : 모니터링단계10: monitoring step
10a : 실시간 모니터링단계 10b : 측정 모니터링단계 10a: real time monitoring step 10b: measurement monitoring step
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