KR100915273B1

KR100915273B1 - 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법

Info

Publication number: KR100915273B1
Application number: KR1020077030662A
Authority: KR
Inventors: 사토시 안도; 도모부미 무라오카; 다카시 니레; 아키라 마쯔노; 다다시 구라타
Original assignee: 페톤 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2009-09-03
Also published as: DE112006001394B4; KR20080016691A; CN101189097A; JP4199820B2; DE112006001394T5; JPWO2006129473A1; WO2006129473A1; US20090032510A1; US8389894B2; CN101189097B

Abstract

피가공물(W)의 피가공영역내의 다수의 피가공부분을 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저장치와, 이 레이저장치로부터 출사되는 레이저 빔의 집광 또는 결상수단과, 피가공물(W)의 배치수단을 구비하고, 피가공물(W)과 집광 또는 결상수단을 고정하여, 레이저 빔과 상기 집광 또는 결상수단을 피가공영역내 및 영역외에서 상기 집광 또는 결상수단이 레이저 빔내의 다른 영역으로부터의 조사를 받고, 또한 상기 다수의 피가공부분 각각으로의 하강 중의 적산 레이저 빔 조사시간이 동일해지도록, 상대적으로 이동하면서 가공한다.

Description

레이저 가공장치 및 레이저 가공방법{Laser processing apparatus and laser processing method}

본 발명은 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 관한 것이고, 특히 레이저 빔을 조사하여 피가공물에 일괄적으로 다수의 가공을 행하는 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 관한 것이다.

레이저 빔을 조사하여 피가공물에 천공(穿孔)가공을 행할 때는 피가공물에 레이저의 다수회 펄스 조사를 행하거나, 또는 일정시간 조사에 의해 가공을 행하고 있다.

이 프로세스에 있어서, 마이크로렌즈 어레이를 사용하여 레이저 빔을 다수로 분기(分岐)시켜 피가공면에 집광함으로써, 피가공물에 다수의 천공을 행하는 다수점 일괄가공(이하, 「마이크로렌즈 방식」이라고 한다)이 알려져 있다.

상기 마이크로렌즈 방식에 의한 가공을 행할 때, 일반적으로 초기 및 경시적에 있어서 레이저 빔이 불균일해 진다는 문제가 알려져 있었다.

또한, 레이저 가공을 정밀하게 행하기 위해 종래부터 마스크 투영(投影)가공이 알려져 있다. 마스크 투영가공은 마스크 패턴을 투영 광학계에 의해 피가공면에 투영함으로써 가공하는 기술이다.

이 기술에 있어서, 가공 불균일을 감소시키기 위해 고정형 균일조명 광학계로서, 도 24에서 나타내는 바와 같은 플라이 아이 인티그레이터(fly-eye integrator)에 의한 빔 호모지나이저 등이 널리 사용되고 있다.

그 밖에, 빔의 기계적 주사(走査)에 의한 가공 균일화 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 내지 4 참조).

특허문헌 1에는 조리개(aperture)의 투영가공에 있어서, 조리개로의 조사 빔을 이동미러에 의해서 주사함으로써, 단일 구멍의 가공 바닥면의 깊이를 균일화시키는 기술이 기재되어 있다.

특허문헌 1 : 일본국 특허 제3199124호 공보

특허문헌 2에는 패턴 마스크의 투영가공에 있어서, 조사 빔에 대해 패턴 마스크와 피가공물을 연동하여 이동시킴으로써, 가공 깊이의 균일화를 행하는 기술이 기재되어 있다.

특허문헌 2 : 일본국 특허 제3211206호 공보

특허문헌 3에는 조리개의 투영가공에 있어서, 각도 가동미러와 실린드리컬 렌즈를 조합시키고, 평행 빔의 주사계를 형성하며, 조리개로의 조사 빔 주사를 행하여 가공 정밀도를 균일화시키는 기술이 기재되어 있다.

특허문헌 3 : 일본국 특허공개 평7-51878호 공보

특허문헌 4에는 마이크로렌즈 방식에 있어서, 넓은 범위의 가공을 행하는 것을 목적으로 한 실시예 중에서, 가공영역내를 빔 주사함으로써 조사 불균일을 감소시키는 것이 가능하다고 하는 기술이 있다.

특허문헌 4 : 일본국 특허공개 제2001-269789호 공보

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

일반적으로 도 26에서 나타내는 바와 같이, 조사 에너지 밀도와 가공속도는 상관 관계를 갖기 때문에, 조사 에너지가 커짐에 따라 가공처리가 빨라지게 된다.

또한, 피가공물 상에서는 레이저의 에너지 분포가 도 27에 나타내는 바와 같은 산모양의 형상이 되기 때문에, 도 28에 나타내는 바와 같이 조사 에너지가 크면 가공구멍 직경이 커진다. 한편, 엑시머 레이저의 경우 도 29에서 나타내는 바와 같은 빔 프로파일을 갖지만, 레이저 자체에 불균일이 있고, 조사 레이저에 불균일이 있으면 균일한 가공에 영향을 끼치게 된다. 이와 같이, 레이저 빔에는 에너지 분포에 불균일이 있고, 이 불균일은 경시적으로 변화하는 것이 알려져 있다.

또한, 초점 직경은 레이저 빔 다이버전스(divergence)에 의해 영향을 받게 된다. 레이저 빔 다이버전스가 커지면, 초점 직경이 커진다. 레이저 빔 방향에 대해 수직면내의 직교하는 2축을 따라 발산각의 크기가 상이한 경우가 있다. 이 경우, 가공 형상은 타원형이 되어 버린다.

삭제

이상의 사실로부터, 마이크로렌즈 방식에 있어서 가공 직경을 균일화하기 위해서는, 1. 레이저 빔의 프로파일로의 대응, 2. 레이저 빔의 발산각의 초기단계에서의 균일화 대응, 3. 레이저 빔의 발산각의 경시변화로의 대응 등 각종 대응이 필요하다.

또한, 효율적으로 가공을 행하기 위해 레이저의 조사 에너지를 크게 유지하고, 이 때 가공 직경을 균일화하기 위해 조사 레이저에 불균일이 발생하지 않도록 할 필요가 있다.

종래기술의 빔 호모지나이저와 인용문헌 1 내지 3에 개시되어 있는 기술은 모두 마스크 투영가공으로, 마스크에 의해 비가공부분을 차광하여 에너지를 버리게 되기 때문에, 에너지 이용효율이 나쁘고 가공에 큰 에너지가 필요하다고 하는 장치원리상의 커다란 과제를 가지고 있다.

또한, 이들의 균일화 기술을 마이크로렌즈 방식에 적용하기에는 이하의 문제가 있다.

플라이 아이 인티그레이터에 의한 빔 호모지나이저는 빔을 분할하여 1개소에 오버랩핑하기 때문에, 다방향의 각도를 이루는 빔이 발생하여 마이크로렌즈로는 미소 직경에 집광할 수 없어 원리적으로 사용할 수 없다.

또한, 고정형 광학계에서는 경시변화에 의해 빔 품질이 설계범위로부터 벗어난 경우, 균일화할 수 없게 된다고 하는 문제가 있다.

또한, 고가이고, 광학조정이 복잡하며, 일방향으로 경사진 에너지 분포의 개선이 불가능 하다는 등의 문제가 있다.

도 25는 빔 호모지나이저의 경우, 입사하는 레이저 빔이 일방향으로 경사진 에너지 분포를 갖는 경우, 에너지 분포를 균일화할 수 없는 것을 나타내는 설명도이다.

인용문헌 1의 기술에서는 1차원 방향만의 빔 주사를 행하고 있지만, 실제의 엑시머 레이저의 강도분포는 2차원적인 분포를 가지고 있기 때문에, 1차원만의 빔 주사로는 균일 직경 가공을 행하는 것은 곤란하다. 또한, 이 기술로는 레이저 빔의 발산각의 변화 등에는 대응할 수 없다고 하는 문제가 있다.

인용문헌 2의 기술은 마스크와 피가공물을 전사배율에 맞춰 동기 스캔하여 가공하는 것으로서, 마스크 투영가공 특유의 기술로 되어 있다.

인용문헌 3의 기술은 평행광을 성형하기 위해서는 미러에 조사하는 빔을 폭이 없는 선으로 해야 하지만, 현실적으로는 폭을 가지기 때문에 완전한 평행광으로 하는 것은 불가능하다.

따라서, 마이크로렌즈 방식으로는 가공 직경을 작게 할 수 없다.

또한, 가공에 사용하는 레이저 강도를 미러 상에서 폭이 좁은 빔으로 하는 데에는 미러 상에서 매우 큰 에너지 밀도가 되어, 미러가 손상을 받기 때문에 현실적이지 못하다.

인용문헌 4의 기술은 마이크로렌즈 방식이지만, 빔 주사하는 범위는 가공영역내 뿐이다.

이와 같이, 가공영역내에서만 조사 빔을 겹치면서 주사하여 가공하는 경우, 가공영역의 단부는 빔의 조사횟수 또는 시간이 적어진다. 이 때문에 가공 직경이 중심부에 비해 작아져, 높은 정밀도로 천공가공을 행하는 것이 곤란하다.

또한, 인용문헌 4에는 구체적인 빔 주사의 장치구성에 대해서 개시되어 있지 않다.

또한, 인용문헌 4에는 불안정 공진기형 레이저에 의해 레이저 빔의 발산각에 의한 영향을 없앨 수 있다고 기재되어 있지만, 실제로는 불안정 공진기형 레이저를 사용해도 발산각에 의한 영향이 있어, 발산각의 균일화 처리를 행하지 않으면 가공 형상은 타원이 되어 버린다.

본 발명의 목적은 레이저의 다수회 펄스 조사 또는 일정시간 조사에 의해 피가공물의 다수의 피가공부분으로의 가공을 행하는 프로세스에 있어서, 집광 또는 결상(結像)수단으로서 마이크로렌즈 또는 홀로그램 소자 등을 사용하여 가공을 행하여, 가공 직경 또는 가공 형상을 균일하게 하는 것이 가능한 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 초기 및 경시적으로 불균일한 빔 품질을 갖는 레이저 빔에 대해서도, 가공 직경과 가공 형상을 균일하게 하는 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 효율적으로 천공가공을 행하는 것이 가능한 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법을 제공하는 것에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위해 예의 연구해 온 바, 빔 프로파일과 레이저 빔의 발산각이 가공 직경 및 가공 형상에 영향을 미친다고 하는 지견(知見)을 얻었다 그리고, 빔 프로파일과 레이저 빔의 발산각의, 초기단계에서의 균일화 및 경시변화로의 대응을 행함으로써 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 상기 과제는 청구항 1의 레이저 가공장치에 의하면, 피가공물의 피가공영역내의 다수의 피가공부분을 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저장치와, 상기 레이저장치로부터 출사(出射)되는 레이저 빔의 집광 또는 결상수단과, 상기 피가공물의 배치수단을 구비하고, 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단을 고정하여, 상기 피가공영역내 및 영역외에서, 상기 집광 또는 결상수단이 레이저 빔내의 다른 영역으로부터의 조사를 받고, 또한 상기 다수의 피가공부분 각각으로의 가공 중의 적산 레이저 빔 조사시간(cumulative laser beam irradiation time)이 동일해지도록, 상기 레이저 빔과 상기 집광 또는 결상수단을 상대적으로 이동하면서 가공함으로써 해결된다.

또한, 피가공물의 피가공영역내의 다수의 피가공부분을 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저장치와, 상기 레이저장치로부터 출사되는 레이저 빔의 집광 또는 결상수단과, 상기 피가공물의 배치수단을 구비하고, 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단과 상대적으로 이동시키면서, 상기 피가공영역내 및 영역외에서, 상기 집광 또는 결상수단이 레이저 빔내의 다른 영역으로부터의 조사를 받고, 또한 상기 다수의 피가공부분의 각각으로의 가공 중의 적산 레이저 빔 조사시간이 동일해지도록, 상기 레이저 빔과 상기 집광 또는 결상수단을 상대적으로 이동하면서 가공함으로써 해결된다.

또한, 여기서 말하는 피가공부분이란, 레이저 빔의 집광 또는 결상에 의해 가공되는 1 가공점, 또는 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단과 상대적으로 이동시킴으로써 가공되는 연속적인 1 가공 형상을 말하는 것으로 한다.

이와 같이, 본 발명의 레이저 가공장치에 의하면 레이저 빔이 상기 집광 또는 결상수단 상을 완전히 통과할 때까지 상대적으로 이동하기 때문에, 가공영역의 전체 개소에 있어서 빔의 조사횟수 또는 시간이 균일해져, 전체 가공 직경을 균일화하는 것이 가능해진다.

또한, 유닛을 2차원 방향으로 오버랩핑하면서 주사시키도록 구성되어 있기 때문에, 레이저 빔의 강도분포에 2차원적인 분포가 있었더라도 균일한 가공을 행하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 본 발명의 레이저 가공장치에 의하면, 다수의 피가공부분에 균일하고 또한 임의의 형상의 가공을 행하는 것이 가능해진다.

상기 레이저 빔의 상기 집광 또는 결상수단에 대한 가공 중의 상대적인 이동은 2차원 또는 3차원이다.

또한, 상기 배치수단과 상기 레이저 빔의 집광 또는 결상수단을, 상기 레이저 빔의 광축방향을 축으로 회전하는 회전기구를 구비하고 있으면, 레이저 빔의 발산각의 변화에도 상관없이 피가공물에 균일하게 레이저 빔이 조사되기 때문에, 가공점을 진원(眞圓)형상으로 유지할 수 있다.

또한, 상기 피가공물내의 상기 피가공영역과 별개의 피가공영역에, 상기 레이저 빔의 집광 또는 결상수단, 또는 새로운 집광 결상수단을 이동하고, 상기 가공에 이어서 새로운 가공을 행함으로써, 광범위한 피가공영역의 가공이 실현 가능하다.

본 발명의 레이저장치는 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 빔 사이즈를 독립적으로 변경하고, 주광선을 평행하게 하는 2개의 독립적인 빔 익스팬더를 구비하고 있어, 레이저로부터 출사되는 레이저 빔의 발산각이 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 상이한 경우는, 이 빔 익스팬더에 의해 집광 또는 결상수단에 입사하는 레이저 빔의 발산각을 맞추는 것이 가능하다.

또한, 2개의 빔 익스팬더의 적어도 1개에 줌기구를 구비하고 있어, 집광 또는 결상수단에 입사하는 레이저 빔의 발산각이 변화했을 경우는, 이 줌기구에 의해 상기 발산각을 간편하게 맞추는 것이 가능하다.

줌기구에 자동 줌 조정기구를 구비한 구성으로 하면 더욱 좋다.

또한, 피가공부분은 진원형상에 관해서 기술하고 있지만, 상기 발산각을 줌 익스팬더를 사용하여 조정함으로써 타원형상으로 하는 것도 가능하다.

또한, 집광 또는 결상수단에 입사하는 레이저 빔의 발산각을 감시하는 모니터장치를 구비한 구성으로 하면 적합하다.

모니터에는 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 레이저 빔의 발산각을 측정하는 기구가 구비되어 있고, 측정값을 토대로 빔 익스팬더를 조정하여, 레이저 빔의 발산각을 일정한 비율로 하는 것이 가능하다.

상기 레이저 빔의 발산각의 변화는 상기 모니터장치에 의해 검출하는 것이 가능하여, 상기 모니터장치와 익스팬더의 자동 줌기구를 연동시킴으로써 상기 레이저 빔의 발산각을 자동조정하는 것이 가능하다.

상기 과제는 본 발명의 레이저 가공방법에 의하면, 피가공물의 피가공영역내의 다수의 피가공부분을 가공하는 레이저 가공방법으로서, 레이저장치와, 상기 레이저장치로부터 출사되는 레이저 빔의 집광 또는 결상수단과, 상기 피가공물의 배치수단을 구비하고, 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단을 고정하는 제1 공정과, 상기 피가공영역내 및 영역외에서, 다수의 파가공부분 각각으로의 가공 중의 적산 레이저 빔 조사시간이 동일해지도록, 상기 레이저 빔과 상기 집광 또는 결상수단을 상대적으로 이동하면서 가공하는 제2 공정을 가짐으로써 해결된다.

또한, 상기 과제는 본 발명의 레이저 가공방법에 의하면, 피가공물의 피가공영역내의 다수의 피가공부분을 가공하는 레이저 가공방법으로서, 레이저장치와, 상기 레이저장치로부터 출사되는 레이저 빔의 집광 또는 결상수단과, 상기 피가공물의 배치수단을 구비하고, 상기 피가공물로 상기 집광 또는 결상수단을 이동하는 제1 공정과, 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단을 상대적으로 이동시키면서, 상기 피가공영역내 및 영역외에서, 다수의 피가공부분 각각으로의 가공 중의 적산 레이저 빔 조사시간이 동일해지도록, 상기 레이저 빔과 상기 집광 또는 결상수단을 상대적으로 이동하면서 가공하는 제2 공정을 가짐으로써 해결된다.

상기 레이저 가공방법에 있어서, 상기 제2 공정의 상기 레이저 빔의 상기 집광 또는 결상수단에 대한 가공 중의 상대적인 이동을 2차원 또는 3차원으로 행하면 적합하다.

또한, 상기 제2 공정 중에, 상기 제1 공정에서 고정된 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단을 상기 레이저 빔의 광축방향을 축으로 회전시키는 공정을 가지면 적합하다.

또한, 상기 제2 공정 후에, 상기 피가공물내의 상기 피가공영역과 별개의 피가공영역에, 상기 레이저 빔의 집광 또는 결상수단, 또는 새로운 집광 또는 결상수단을 이동하는 제3 공정을 가지며, 이어서 제2 공정을 가지면 적합하다.

발명의 효과

이상과 같이, 본 발명의 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법은 집광 또는 결상수단 및 피가공물의 배치수단을 구비하고, 이 배치수단을 레이저 빔에 대해 소정의 움직임을 하도록 제어하여, 피가공물에 형성되는 피가공부분의 가공 직경 또는 가공 형상이 균일화되도록 구성되어 있다.

또한, 상기 집광 또는 결상수단 및 피가공물의 상기 배치수단을 상대적으로 이동하는 기구를 구비함으로써, 피가공부분을 임의의 형상으로 가공하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법은 레이저 빔의, 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 빔 사이즈를 독립적으로 변경하고, 주광선을 평행하게 하는 2개의 독립적인 빔 익스팬더 기구를 구비하여, 레이저 빔의 발산각을 맞출 수 있어, 이것에 의해 피가공물에 형성되는 피가공부분의 가공 직경 또는 가공 형상을 균일화시키는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법은 익스팬더 기구의 적어도 1개에 줌기구를 가져, 레이저 빔의 발산각의 크기가 경시적으로 변화한 경우에도, 상기 줌기구에 의해 집광 또는 결상수단에 입사하는 레이저 빔의 발산각을 일정하게 유지하여, 피가공물에 형성되는 피가공부분의 가공 직경 또는 가공 형상을 균일화시키는 것이 가능해진다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 레이저 가공장치의 구성을 나타내는 설명도이다.

도 4는 레이저 가공공정을 나타내는 흐름도이다.

도 2는 익스팬더 기구를 나타내는 설명도이다.

도 3은 익스팬더 기구의 다른 예를 나타내는 설명도이다.

도 5는 피가공물에 대한 빔영역과 렌즈영역의 관계의 설명도이다.

도 6은 피가공물에 대한 빔영역과 렌즈영역의 관계의 설명도이다.

도 7은 피가공물에 대한 빔영역과 렌즈영역의 관계의 설명도이다.

도 8은 각종 가공방법에 의한 가공 직경의 상태를 나타내는 그래프이다.

도 9는 실시예 1의 변형예를 나타내는 것으로, 마이크로렌즈와 피가공영역의 관계를 나타내는 설명도이다.

도 10은 실시예 1의 변형예를 나타내는 것으로, 마이크로렌즈 어레이의 변형예를 나타내는 설명도이다.

도 11은 실시예 1의 변형예를 나타내는 것으로, 워크 조정수단의 설명도이다.

도 12는 실시예 1의 변형예를 나타내는 것으로, 협(狹)피치 가공의 예를 나타내는 설명도이다.

도 13은 피가공물과 마이크로렌즈 어레이의 상대 이동가공을 나타내는 것으로, 선상(線狀)가공의 예의 설명도이다.

도 14는 피가공물과 마이크로렌즈 어레이의 상대 이동가공을 나타내는 것으로, 원형가공의 예의 설명도이다.

도 15는 도 14의 원형가공의 예의 설명도이다.

도 16은 피가공물과 마이크로렌즈 어레이의 상대 이동가공을 나타내는 것으로, 카운터보어 가공(counterbore processing)의 예의 설명도이다.

도 17은 피가공물과 마이크로렌즈 어레이의 상대 이동가공을 나타내는 것으로, 테이퍼 가공의 예의 설명도이다.

도 18은 본 발명의 제2 실시예의 레이저 가공장치의 구성을 나타내는 설명도이다.

도 19는 제2 실시예에 있어서의 주사 패턴을 나타내는 설명도이다.

도 20은 본 발명의 제3 실시예의 레이저 가공장치의 구성을 나타내는 설명도이다.

도 21은 제3 실시예의 미러 스캔 유닛의 구성을 나타내는 설명도이다.

도 22는 본 발명의 제4 실시예의 레이저 가공장치의 구성을 나타내는 설명도이다.

도 23은 제4 실시예의 다이버전스 모니터의 구성을 나타내는 설명도이다.

도 24는 종래기술의 빔 호모지나이저의 일례를 나타내는 설명도이다.

도 25는 빔 호모지나이저는 입사하는 레이저 빔이 일방향으로 경사진 에너지 분포를 갖는 경우, 에너지 분포를 균일화할 수 없는 것을 나타내는 설명도이다.

도 26은 조사 에너지 밀도와 가공속도의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도 27은 피가공물 상에서의 에너지 분포를 나타내는 그래프이다.

도 28은 조사 에너지 밀도와 가공 직경의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도 29는 엑시머 레이저의 빔 프로파일을 나타내는 설명도이다.

삭제

부호의 설명

10 레이저장치

11 레이저 광원

12 어테뉴에이터

13 슬릿

14a, 14b 부분반사 미러

15 에너지 모니터

16 셔터

17 빔 익스팬더

17a 줌기구

17b~17f 실린드리컬 렌즈

18 미러

20 빔 프로파일러

30 마이크로렌즈 어레이

31 마이크로렌즈

40 워크 조정수단

41 스테이지42 회전 테이블43 XYZ 스테이지

50 미러 스캔 유닛

51 제1 미러

52 제2 미러

60 다이버전스 모니터

61 원형 슬릿

62 렌즈

63 2차원 센서

B 빔영역H 구멍

R 렌즈영역

SC 스캔 범위

S 레이저 가공장치

U 유닛

W 피가공물

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 일 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 부재, 배치 등은 본 발명을 한정하는 것은 아니고, 본 발명의 취지에 따라 각종 개변이 가능한 것은 물론이다.

도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 것으로, 도 1은 본 발명의 제1 실시예의 레이저 가공장치의 구성을 나타내는 설명도이고, 도 2 및 도 3은 익스팬더 기구를 나타내는 설명도이며, 도 4는 가공공정을 나타내는 흐름도이고, 도 5 내지 도 7은 피가공물에 대한 빔영역과 렌즈영역의 관계의 설명도이며, 도 8은 각종 가공방법에 의한 가공 직경의 상태를 나타내는 그래프이다.

본 실시형태의 레이저 가공장치는 가공 직경 균일화 기구를 갖는 다점(多点) 일괄 레이저 가공을 행하도록 구성되어 있다. 본 명세서에 있어서 「가공」이란, 천공가공이 주이지만, 어닐링, 에칭, 도핑, 성막(成膜) 등도 포함하는 의미로 사용하고 있다.

<실시예 1>

본 실시형태의 레이저 가공장치(S)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저장치(10)와, 빔 프로파일러(20)와, 집광수단으로서의 마이크로렌즈 어레이(30)와, 피가공물(W)의 배치수단인 워크 조정수단(40) 등을 구비하여 구성되어 있다. 그리고, 워크 조정수단(40) 상에 배치된 마이크로렌즈 어레이(30)와 피가공물(W)로 유닛(U)이 구성된다.

본 예의 레이저장치(10)는 레이저 광원(11), 어테뉴에이터(12), 슬릿(13), 부분반사 미러(14), 에너지 모니터(15), 셔터(메커니컬 셔터)(16), 빔 익스팬더(17), 미러(18) 등을 구비하고 있다.

레이저 광원(11)은 도시하지 않는 제어부의 제어에 따라서 레이저 빔을 방출하고, 어테뉴에이터(12), 슬릿(13), 셔터(16)를 매개로 하여 빔 익스팬더(17)에 입사하도록 되어 있다. 또한, 슬릿(13)을 통과한 레이저 빔은 부분반사 미러(14)에서 부분적으로 반사되어, 에너지 모니터(15)로 유도된다. 본 예의 에너지 모니터(15)는 레이저 빔의 에너지를 측정하는 것이다. 에너지 모니터는 공지의 것을 사용할 수 있다.

또한, 에너지 모니터(15)가 제어계를 구비함으로써, 어테뉴에이터(12)와 연동하여 에너지 제어의 피드백 기구를 갖게 하는 것도 가능하다. 어테뉴에이터의 예로서 웨지기판으로의 빔의 입사각도에 의한 투과율의 변화를 이용한 타입을 들 수 있으며, 스테핑 모터에 의해 웨지기판 각도를 제어함으로써 에너지의 투과율을 조정할 수 있다.

본 예의 레이저 광원(11)으로서는 불안정 공진기를 구비한 엑시머 레이저를 사용하고 있지만 이것에 한정되지 않고, 탄산가스 레이저, YAG 레이저 등 다른 레이저를 사용해도 된다. 또한, 주입동기형(注入同期型) 레이저를 사용해도 된다. 그리고 레이저장치로서는 출사광의 에너지 조정기구를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

본 예의 어테뉴에이터(12)는 빔 강도조정용 필터로서, 투과율이 가변적인 것으로 투과율의 자동 전환기구가 있으면 바람직하다. 투과율을 자동 전환으로 하면, 에너지 모니터와 연동하여 에너지 제어가 가능하다고 하는 효과가 있다.

본 예의 슬릿(13)은 가공에 필요한 레이저 빔 치수를 잘라내는 것으로서, 레이저 빔 품질이 좋은 부분이 슬릿(13)을 통과한다.

본 예의 부분반사 미러(14)는 광로 상에 배치되어 레이저 빔의 일부를 에너지 모니터(15)로 유도하는 것이다.

본 예의 셔터(메커니컬 셔터)(16)는 광로 상에 배치되어 피가공물(W)의 가공시에 열고, 비가공시는 닫아 레이저 빔을 차광하는 것이다.

본 예의 빔 익스팬더(17)는 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 빔 확대율을 독립적으로 변경하고, 또한 레이저 빔의 주광선이 평행광이 되도록 구성되어 있다.

본 예에서는 도 2에 나타내는 줌기구(17a)를 구비하고 있어, 레이저 빔의 발산각(빔 다이버전스라고도 한다)을 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 조정 가능하게 되어 있다. 줌기구(17a)는 실린드리컬 렌즈(17b, 17c, 17d)를 구비하여, 이 실린드리컬 렌즈(17c와 17d) 사이의 거리는 도 2(a)에 나타내는 상태로부터 도 2(b)에 나타내는 상태로 연속적으로 줌 배율의 조정이 가능하게 구성되어 있다. 줌 배율을 변경할 때, 성형되는 레이저 빔의 주광선이 평행광을 유지하도록 실린드리컬 렌즈(17c와 17d)의 위치를 연동하여 변화시킨다. 줌기구(17a)는 공지의 기술을 사용하는 것으로, 예를 들면 각 렌즈간 거리를 조절하는 것이다.

엑시머 레이저 등의 레이저는 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 레이저 빔의 발산각이 상이한 경우가 많아, 그 경우는 출사된 빔을 집광해도 초점은 타원형상이 된다.

그의 보정으로서, 본 예의 레이저 가공장치(S)는 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 빔 사이즈를 독립적으로 변경하는 빔 익스팬더를 구비하여, 빔 확대배율을 2방향에서 독립적으로 바꾸는 것이 가능하게 되어 있다. 이것에 의해, 집광 또는 결상수단에 입사하는 레이저 빔의 발산각을 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 동일하게 함으로써 가공 형상을 진원으로 할 수 있다.

또한, 레이저 빔의 발산각이 경시적으로 변화한 경우에도, 줌기구의 조정에 의해 집광 또는 결상수단에 입사하는 레이저 빔의 발산각을 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 동일하게 함으로써 가공 형상을 진원으로 할 수 있다.

또한, 빔 익스팬더(17)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 오목형(凹型) 실린드리컬 렌즈(17e) 및 볼록형(凸形) 실린드리컬 렌즈(17f)를 사용한 구성으로 해도 된다.

또한, 추가로 광축의 조정을 가능하게 하기 위해, 빔 익스팬더(17)의 홀더에는 위치·각도 조정기구를 구비하고 있으면 바람직하다. 위치·각도 조정기구로서는, 예를 들면 시판되고 있는 위치·각도 조정을 구비한 렌즈 홀더를 사용하는 것이 가능하다.

또한, 강도분포를 바꾸는 강도분포 광학부품 등을 구비해도 된다.

본 예의 미러(18)는 레이저 빔의 방향을 바꾸기 위한 것으로서, 광축 조정용으로 2개 이상 있는 것이 바람직하다.

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마이크로렌즈 어레이(30)는 다수의 마이크로렌즈(31)가 집적되어 되는(도 10 참조) 것으로서, 본 예에서는 마이크로렌즈 어레이(30)로서 굴절형 렌즈, 프레넬 렌즈, 바이너리 옵틱스 등을 사용하고 있다. 또한, 일반적인 구면 렌즈와 동등한 집광이라고는 한정되지 않고, 임의의 강도분포로 형성 가능한 것도 포함하는 것이다. 또한, 집광 또는 결상하는 수단으로서 마이크로렌즈 어레이 이외에도 홀로그램 소자 등을 사용해도 된다.

복수의 집광 또는 결상수단으로서의 마이크로렌즈(31)에 레이저광을 수직으로 입사시킴으로써 피가공물(W)에 천공가공이 실시된다. 또한, 본 예의 마이크로렌즈 어레이(30)는 광학계 조정이 가능하도록, 마이크로렌즈(31)의 높이, 윈디지(windage), 각도 조정용 기구를 구비한 구성으로 되어 있다.

본 예의 레이저 가공장치(S)는 추가로 도시하지 않는 가스 플로우 기구를 구비하고 있다. 가스 플로우 기구는 피가공물(W)의 가공시에 가공에 의해서 비산하는 오염물이 광학계에 부착되지 않도록 가스를 흘리는 것이다. 그리고, 가스를 흘리는 기구와 반대측에 가스를 배기하는 기구를 설치한다. 가스를 흘리는 수단으로서는, 예를 들면 공기를 팬으로 송풍 또는 공기·질소·헬륨 등을 봄베나 공장배관으로부터 공급하는 등의 수단을 채용할 수 있고, 반대측에 배출구나 흡인구를 설치하는 것이다. 배출구 및 흡인구는, 예를 들면 가스 배출 펌프 등에 의해서 구성할 수 있다.

본 예의 워크 조정수단(40)은 피가공물(W)을 배치하는 배치수단으로서, 가공위치 변경용의 XYZ 방향으로 이동 가능한 스테이지(41)로 되는 것으로, 광학 조정용 높이 조정·각도 조정기구 등을 구비하고 있다.

피가공물(W)이 스테이지(41) 상에 배치되면, 도시하지 않는 제어부는 스테이지(41)를 수평방향으로 이동시켜, 조사 렌즈계의 광축위치로 오도록 한다. 그리고, 제어부에 의해 레이저 광원을 제어하고, 레이저 빔을 조사시킨다.

조사 패턴의 면적은 미리 특정되어 있기 때문에, 제어부는 도시하지 않는 에너지 미터의 출력신호 값을 조사 패턴의 면적으로 나누어 에너지 밀도를 계산한다. 그리고, 제어부는 이 에너지 밀도가 소정의 값이 되도록 레이저 광원을 제어한다.

또한, 본 예의 스테이지(41)에는 피가공물(W)을 파지할 수 있도록 흡착 스테이지로 하고 있다. 또한 스테이지는 가공시 관통한 빔으로 손상을 받지 않는 재질, 예를 들면 스테인리스, 알루미늄 등을 사용하고 있다.

스테이지(41)는 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구와 일체로 하고, 최저 빔영역과 마이크로렌즈 어레이(30)의 사이즈의 합 이상의 스트로크를 갖는 것을 사용한다.

바람직하게는, 조사 빔영역과 마이크로렌즈 어레이(30)의 사이즈의 배의 길이를 더한 거리 이상의 스트로크를 갖는 것이 좋다.

스테이지(41)는 주사 정밀도, 즉 스테이지 이동시의 각도 흔들림이 작은 것을 사용하면 좋다.

또한, 본 예의 레이저 가공장치(S)에서는 레이저 빔의 프로파일의 변화에 따라서, 스테이지(41)의 속도나 피가공물로의 스캔 횟수를 제어하는 구성으로 해도 좋다. 또는, 레이저 빔의 프로파일의 변화에 따라 레이저 빔의 에너지 강도를 제어하는 구성으로 해도 된다.

이어서, 상기 구성으로 되는 레이저 가공장치에 의한 레이저 가공공정에 대해서 도 4를 토대로 설명한다.

먼저, 도시하지 않는 스위치를 투입하여 스타트하면, 장치전체가 통전(通電)되어, 미리 피가공물(W)에 대한 가공 직경 등의 데이터를 제어부로 지시하는데, 그 후에 셔터(16)를 닫은 상태로 레이저 광원(11)이 발진한다(스텝 S1). 이어서, 에너지 모니터(15)로 에너지를 측정한다(스텝 S2). 이어서, 스텝 S2에서 측정한 에너지를 토대로 피가공물(W)의 가공에 적절한 에너지가 되도록 어테뉴에이터(12)의 투과율을 조정한다(스텝 S3). 여기서, 일정시간내에서 에너지 변동이 적고, 발진이 안정한 것을 확인한다.

이어서, 피가공물(W)을 스테이지(41)에 세팅한다(스텝 S4). 그 세팅 위치는 조사 빔영역으로부터 벗어난 위치로 한다.

그리고, 셔터(16)를 열고(스텝 S5), 마이크로렌즈 어레이(30)와 피가공물(W)로 되는 유닛(U)의 주사를 개시한다(스텝 S6).

스텝 S6에서는 소정의 가공조건으로 유닛(U)을 주사하고 가공을 행한다. 여기서 소정의 가공조건이란, 피가공물에 따라서 상이하지만, 스테이지 속도, 주사범위 등을 토대로 결정되는 것이다.

이 때, 스테이지(41)를 X, Y 방향으로 이동(요동)시키고, 유닛(U)을 조사 빔영역을 통과시켜서 천공가공을 행한다.

스텝 S6에서의 스테이지(41)의 이동(요동)에 대해서 그 상세하게는 도 5 내지 도 7에 나타낸다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 빔영역(B)은 고정되어 있고, 이 빔영역(B)을 마이크로렌즈 어레이(30) 및 피가공물(W)로 되는 유닛(U)이 통과한다.

도 5에서는 천공가공의 상황을 명확하게 나타내기 위해, 마이크로렌즈 어레이(30)의 구성요소인 마이크로렌즈(31)를 도시하고 있다.

먼저, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 빔영역(B)으로부터 벗어난 위치에 유닛(U)을 위치시킨다. 이어서, 도 5(b)~(e)에 나타내는 바와 같이, 스테이지(41)를 이동시키고, 도 5의 화살표 방향으로 유닛(U)을 이동시킨다.

빔영역(B)을 유닛(U)이 통과함에 따라 피가공물(W)에 구멍(H)이 형성된다.

본 예에서는 도 5(e)에 나타내는 바와 같이, 빔영역(B)이 마이크로렌즈(31) 상을 완전히 통과할 때까지 주사가 행해진다.

도 6은 마이크로렌즈(31)의 렌즈영역(R)과, 빔영역(B)과, 스캔 범위(SC)의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 처음에는 렌즈영역(R)은 빔영역(B)의 바깥쪽에 위치하고 있다.

이어서 스테이지(41)를 이동시킨다. 이것에 의해 도 6(b)~(e)에 나타내는 바와 같이, 빔영역(B)을 렌즈영역(R)이 통과한다.

도 6에 나타내어져 있는 바와 같이, 스캔 범위(SC)는 최저 빔영역(B)과 렌즈영역(R)의 합 이상으로 되어 있다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 빔영역(B)이 마이크로렌즈(31) 상을 완전하게 통과할 때까지 주사가 행해진다.

도 7은 유닛(U)(렌즈영역(R))의 주사 패턴을 나타내는 것이다.

유닛(U)의 주사는 마이크로렌즈 어레이(30)의 패턴이 1차원 배열이 아닌 한, 도시되어 있는 바와 같은 2차원 패턴으로 주사가 행해진다.

이는, 엑시머 레이저 등의 빔 강도분포는 엄밀한 균일 직경 가공을 실시함에 있어서는 2차원적인 분포가 있기 때문이다.

도 7에 나타내는 2차원 패턴의 주사를 행할 때, 각각의 주사에 있어서 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 빔영역(B)이 마이크로렌즈(31) 상을 완전히 통과할 때까지 주사한다.

이와 같이 하여, 2차원 방향으로 오버랩핑하면서 피가공물(W)로의 주사를 행함으로써 피가공물(W) 상에 다수점이 균일하게 일괄 천공된다.

도 4에서 나타내는 바와 같이, 스텝 S7에서는 미리 가공시간이 설정되어 있기 때문에, 타이머에 의해 소정의 가공시간만큼 피가공물(W)에 대한 가공이 행해진다.

스텝 S7에서의 가공이 종료된 시점에서, 유닛(U)은 조사 빔 위치로부터 벗어나 있는 위치에서 정지한다(스텝 S8). 그 후에, 셔터(16)를 닫고(스텝 S9), 피가공물(W)을 떼어낸다(스텝 S10).

마지막으로, 레이저 광원(11)의 발진을 정지한다(스텝 S11).

이상과 같이 하여 피가공물(W)의 가공을 행한다.

도 8은 각 가공방법, 즉 「주사 없음」, 「렌즈영역만 주사」, 「완전 주사」별로, 가공 직경이 어떻게 상이한지를 나타내는 그래프도이다.

도 8(a)는 고정가공에 의한 가공 직경(즉 「주사 없음」)을 나타내는 것이고, 도 8(b)는 가공영역내 만을 빔 주사하는 가공방법에 의한 가공 직경(즉 「렌즈영역만 주사」)을 나타내는 것이며, 도 8(c)는 본 예의 레이저 가공방법에 의한 가공 직경(즉 「완전 주사」)의 결과를 각각 나타내는 것이다.

도시되어 있는 바와 같이, 고정가공에 의한 방법으로는 도 8(a)에 나타내어져 있는 바와 같이 가공 범위가 좁아 가공 직경의 편차가 큰 것을 알 수 있다. 또한, 가공영역내(렌즈영역만 주사)만을 빔 주사하는 가공방법에 의하면, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이 단부에서의 가공 직경의 편차가 큰 것을 알 수 있다.

한편, 본 예의 레이저 가공방법, 즉 「완전 주사」에 의하면 도 8(c)에 나타내어져 있는 바와 같이, 피가공물(W)의 어떤 위치에 있어서도 일정한 가공 직경으로 천공을 행하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.

이는, 본 예의 레이저 가공방법으로는 빔영역(B)이 마이크로렌즈(31) 상을 완전히 통과할 때까지 주사하기 때문에, 피가공물(W)의 어떤 개소에 있어서도 가공시간이 일정해져, 피가공물(W)의 어떤 개소에 있어서도 동일한 조건으로 가공을 행할 수 있기 때문이다.

또한, 도 7에서 나타낸 바와 같이 2차원 패턴으로 주사하기 때문에, 레이저 빔의 강도분포가 2차원적으로 되어 있어도 조사가 오버랩핑하여 행해지기 때문에, 균일한 천공가공을 행하는 것이 가능해지는 것이다.

도 9 내지 도 17은 실시예 1의 변형예를 나타내는 설명도이고, 도 9는 마이크로렌즈와 피가공영역의 관계를 나타내는 설명도이며, 도 10은 마이크로렌즈 어레이의 변형예를 나타내는 설명도이고, 도 11은 워크 조정수단의 설명도이며, 도 12는 협피치 가공의 예를 나타내는 설명도이다.

도 11에 나타내는 워크 조정수단(40)은 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구(워크 조정수단 등)의 상대위치를 변경 가능한 스테이지를 구비한다. 즉, 도 11에 나타내는 바와 같이 XY 방향으로 이동 가능한 스테이지(41) 상에 추가로 XYZ 방향으로 이동 가능한 스테이지(43)를 구비하고 있다.

스테이지(41)는 2축의 리니어 스테이지 등으로 구성하고, 스테이지(43)는 3축의 리니어 스테이지 등으로 구성한다. 각 스테이지(41, 43)를 모션 컨트롤러에 의해 제어를 행하고, 동작 파라미터의 설정 등은 도시하지 않는 PC에 의해서 행한다. 스테이지(43)의 컨트롤러는 원호 보간(補間)기능을 갖는 것이 바람직하다. 모션 컨트롤러는 예를 들면 Delta Tau Systems사제 UMACJ-Turbo 등, 공지의 컨트롤러를 사용할 수 있다.

도 11에 나타내는 워크 조정수단(40)에 의하면, 피가공영역 가공 후에 상기 상대위치를 변경하고, 새로운 피가공영역을 가공함으로써 다수의 가공부분을 임의의 간격으로 가공하는 것이 가능해진다.

이것에 의해, 광범위한 피가공영역의 가공이나 피가공부분의 좁은 간격의 가공이 가능해진다.

즉, 도 9에서 나타내는 바와 같은 광범위한 피가공영역의 가공방법이 가능하다. 즉, 도 11에서 나타내는 바와 같은 XY 방향으로 이동 가능한 스테이지(41)(도 1의 예에서는 스테이지(41)는 XYZ 방향이지만 본 예의 경우는 XY 방향이다)를 사용하여, 피가공물(W)에 대해 마이크로렌즈 어레이(30)(마이크로렌즈(31))를 상대적으로 이동한 후, 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30)의 상대위치를 고정한다. 그 후, 고정한 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30)를 XYZ 방향으로 이동 가능한 스테이지(43)를 사용하여 빔영역(B)의 범위를 주사함으로써 피가공영역(1)의 가공을 행한다.

이와 같이 하여 피가공영역(1)의 가공이 종료된 후, XY 방향으로 이동 가능한 스테이지(41)를 사용하여 피가공물(W)에 대해 마이크로렌즈 어레이(30)를 피가공영역(2)으로 이동하고, 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30)의 상대위치를 고정하여 피가공영역(2)의 가공을 실시한다.

이상의 공정을 반복함으로써 광범위한 피가공영역의 가공을 실시한다.

도 10은 마이크로렌즈 어레이(30)의 변형예를 나타내는 것이다. 도 10에 나타내는 마이크로렌즈 어레이(30)는 마이크로렌즈(31)가 간극 없이 인접하여 배설(配設)된 구성(패턴(1))과, 패턴(1)과는 상이한 직경의 마이크로렌즈(31)가 소정 간격을 두고 배설된 구성(패턴(2))의 두가지 패턴을 구비하고 있다.

마이크로렌즈의 배치 패턴이 상이한 마이크로렌즈 어레이(30)의 영역으로 전환함으로써 복수의 가공 패턴으로 가공이 가능해진다.

본 예의 마이크로렌즈 어레이(30)를 사용하여 가공을 행하는 경우, 먼저 도 10(a)에 나타내는 바와 같이 패턴(1)의 부분에서의 천공가공이 행해진다.

이어서, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 패턴(1)의 부분에서 행해진 피가공부분 사이에 패턴(2)의 부분에서의 천공가공이 행해진다.

패턴(2)의 부분을 구성하는 마이크로렌즈(31)는 패턴(1)의 부분을 구성하는 마이크로렌즈(31) 보다도 직경이 작기 때문에, 패턴(2)의 부분에 의해 형성되는 구멍은 패턴(1)의 부분에 의해 형성되는 구멍 보다도 작아진다.

이와 같이 하여, 피가공물(W)에 복수의 배열 패턴으로 천공가공을 행할 수 있다.

또한, 도 12에서 나타내는 바와 같이, 1회째의 가공을 행한 후에 피가공물을 이동시키지 않고 마이크로렌즈 어레이(30)를 이동시켜서 2회째의 가공을 행하고, 피가공영역이 겹치도록 하여 가공함으로써 가공부분 사이에 가공을 실시함으로써 협피치 가공이 가능해진다.

도 11에 나타내는 워크 조정수단(40)에 의해 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구를 임의의 상대이동을 시키면서 가공을 행함으로써, 다수의 피가공부분을 임의의 형상으로 가공하는 것이 가능해진다.

도 13 내지 도 17은 피가공물과 마이크로렌즈 어레이의 상대이동 가공을 나타내는 것으로, 도 13은 선상가공의 예의 설명도이고, 도 14 및 도 15는 원형가공의 예의 설명도이며, 도 16은 카운터보어 가공의 예의 설명도이고, 도 17은 테이퍼 가공의 예의 설명도이다.

도 13에 나타내는 바와 같이, 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구(워크 조정수단 등)를 1차원적으로 상대이동시키면서 가공을 행함으로써, 다수의 선상의 피가공부분의 형성이 가능하다.

또한, 도 14는 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구를 상대적으로 원형으로 이동시키면서 가공을 행하는 예이고, 도 15는 그 때의 빔 초점과 가공구멍의 도면을 나타내고 있다. 즉, 도 15에서 나타내는 바와 같이, 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구(워크 조정수단(40))를 상대이동하면서, 빔 초점을 원형(흰색 화살표와 같이)으로 이동시키는 것이다.

이것에 의해 마이크로렌즈의 초점 직경 보다 큰 임의의 가공 직경을 갖는 원형가공이 가능해지고, 초점 직경이 상이한 마이크로렌즈로 교환하지 않고 가공 직경이 상이한 패턴의 가공이 가능해진다.

또한, 레이저 빔의 발산각의 경시적인 변화에 의해 가공 형상이 타원형이 된 경우는, 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구의 상대적인 이동의 궤도를 보정함으로써 가공구멍을 진원으로 조정하는 것이 가능해진다.

또한, 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구(워크 조정수단(40))를 상대적으로 원형으로 이동시키면서 가공을 행할 때, 가공시간 중에 그 회전반경을 변화시킴으로써 가공구멍의 테이퍼 각도나 깊이방향의 3차원 형상을 조정하는 것이 가능해진다. 도 16은 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구(워크 조정수단(40))를 상대적으로 원운동시키면서 가공할 때, 가공 초기에 큰 회전반경 r1의 원운동을 행하여, 가공 직경이 큰 가공구멍을 형성하고, 가공 후기는 작은 회전반경 r2의 원운동을 행하여, 중앙부에 작은 가공구멍을 형성함으로써, 카운터보어 형상의 가공을 행하는 예이다.

도 17은 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구(워크 조정수단(40))를 상대적으로 원운동시키면서 가공할 때, 가공 초기에 큰 회전반경 r1의 원운동을 행하고, 서서히 회전반경을 작게 함으로써(r2, r3) 가공구멍의 테이퍼각을 조정하는 예이다. 도면은 이해를 용이하게 하기 위해 단(段)이 있는 단면형상으로 되어 있지만, 회전반경을 연속적으로 변화시킴으로써 단면형상은 매끄럽게 할 수 있다. 또한, 회전반경을 작은 직경으로부터 큰 직경으로 변화시키는 것에 의해서도 동일한 가공이 얻어진다.

또한, 가공시간내에 있어서의 피가공물(W)과 마이크로렌즈 어레이(30) 및 그의 유지기구의 상대이동의 조건과 빔의 조사조건을 조정함으로써, 피가공물의 가공속도를 조정하는 것이 가능하여, 3차원 형상의 미세한 조정이 용이해진다. 여기에서 말하는 상대이동의 조건이란, 스테이지(43)의 이동속도나 주사 패턴 등이고, 빔의 조사조건이란, 에너지 밀도나 발진주파수 등이다. 그리고, 여기에서는 주로 원형의 가공예를 나타내었지만, 상대이동의 형상에 제한은 없고, 타원형, 다각형, 자유곡선 등의 임의형상의 가공에 적용이 가능하다.

도 18 내지 도 23은 다른 실시예의 레이저 가공장치(S)를 나타내는 설명도이다.

각 실시예에 있어서, 상기 실시예와 동일 부재·동일 배치 등에는 동일 부호를 붙이고 그의 설명을 생략한다.

<실시예 2>

도 18 및 도 19는 제2 실시예의 레이저 가공장치(S)를 나타내는 것이다. 제2 실시예의 레이저 가공장치(S)는 실시예 1과 동일한 구성에 있어서, 피가공물(W)의 워크 조정수단(40)으로서 스테이지(41)에 회전 테이블(42)을 장비한 구성으로 되어있다.

본 예에서는 도 18에 나타내는 바와 같이, 마이크로렌즈 어레이(30)와 피가공물(W)을 일체로 한 유닛(U)을 조사빔의 광축방향을 축으로 각도를 바꾸어 빔영역(B)을 스캔하는 것이다.

엑시머 레이저 등의 특성으로서, 레이저의 경시변화에 의해 레이저 빔의 발산각이 변화하는 경우가 있다. 이 경우, 통상은 종횡으로 이방적으로 변화가 발생한다. 이것에 의해 가공점이 타원형으로 변화해 가는 경향을 갖는다.

그러나, 본 예와 같이 구성하면 유닛(U)이 회전하기 때문에 도 19의 오른쪽에 나타내는 바와 같이, 가공이 진행됨에 따라 진원형상의 천공이 이루어져 간다. 본 예에 의하면, 레이저 빔의 발산각의 변화에 관계없이 가공점을 진원형상으로 가공하는 것이 가능해진다.

<실시예 3>

도 20 및 도 21은 제3 실시예의 레이저 가공장치(S)를 나타내는 것이다. 제3 실시예의 레이저 가공장치(S)는 실시예 1의 구성에 있어서, 미러(18)와 빔 프로파일러(20) 이외의 구성은 동일하고, 추가로 미러 스캔 유닛(50)을 구비하고 있다. 미러 스캔 유닛(50)의 구성을 도 21에 나타낸다. 미러 스캔 유닛(50)은 제1 미러(51)와 제2 미러(52)를 구비하고 있다.

제1 미러(51)는 도 21에 있어서의 상방향으로부터 하방향을 향해서 빛을 반사하는 것이다. 제2 미러(52)는 도 21에 있어서의 지면(紙面) 표면(表面)방향으로부터 이면(裏面)방향을 향해서 빛을 반사하는 것이다.

제1 미러(51)와 제2 미러(52)는 각각 도 21에 있어서의 화살표방향으로 이동 가능하게 되어 있다.

각각을 연동하여 구동시킴으로써 마이크로렌즈(31) 상을 2차원적으로 주사하는 것이 가능해진다.

단, 이동미러로는 스테이지 이동시의 기계적인 각도변동이 미러 반사에 의해 광학적 각도변동이 2배로 커진다.

또한, 제3 실시예에 있어서 스테이지(41)와, 제1 미러(51), 제2 미러(52)의 각각을 연동하여 구동시켜도 된다.

또는, 미러를 1개 이상 구비한 구성으로 하고, 스테이지(41)와의 조합으로 유닛(U)으로의 2차원적인 주사를 행하도록 해도 좋다.

<실시예 4>

도 22 및 도 23은 제4 실시예의 레이저 가공장치(S)를 나타내는 것이다. 제4 실시예의 레이저 가공장치(S)는 실시예 1과 동일한 구성에 있어서, 레이저 빔의 발산각의 변화를 감시하는 다이버전스 모니터(60)를 장비한 구성으로 되어 있다.

제4 실시예의 레이저 가공장치(S)는 에너지 모니터(15)에 레이저광을 반사하는 부분반사 미러(14a)와, 다이버전스 모니터(60)에 레이저광을 반사하는 부분반사 미러(14b)를 구비하고 있다.

본 예에서는 다이버전스 모니터(60)로 레이저 빔의 발산각을 감시하고, 발산각의 크기에 변화가 생겼을 때는 빔 익스팬더(17)의 줌기구(17a)(도 2 참조)를 조절하여, 마이크로렌즈 어레이(30)에 입사하는 레이저 빔의 발산각을 일정하게 유지하도록 한다.

도 23은 다이버전스 모니터(60)의 개략 구성을 나타내는 설명도이다.

본 예의 다이버전스 모니터(60)는 빔 익스팬더(17)의 후단(後段)에 부분반사 미러(14b)에 의해서 취출(取出)한 빔을 원형 슬릿(61)을 통과한 직후에, 긴 초점 거리를 갖는 렌즈(62)로 집광하고, 그 초점위치에 빔 강도분포를 측정하는 2차원 센서(63)를 배치함으로써 측정을 행하도록 구성되어 있다. 또한, 2차원 센서(63) 대신에 직교하는 2방향의 각각에 1차원 라인센서를 설치해도 좋다.

이 측정 빔 강도의 윤곽선이 원형이 되도록, 빔 익스팬더(17)의 줌기구(17a)를 사용하여 익스팬더 배율을 조정하면, 레이저 빔의 발산각을 종횡으로 동일하게 하는 것이 가능해진다. 예를 들면 익스팬더 배율의 조정으로서는 공지의 기술을 사용하는 것으로, 예를 들면 각 렌즈간의 거리를 조절하는 것 등이다.

렌즈 집광에 의한 초점위치의 빔 강도분포는, 회절한계에 의한 강도분포와 레이저 빔의 발산각의 영향에 의한 강도분포를 곱한 강도분포가 된다. 회절에 의한 강도분포는 파장, 렌즈로의 입사 빔 직경, 렌즈의 초점거리에 의존하고, 레이저 빔의 발산각의 영향에 의한 강도분포는 발산각, 렌즈의 초점거리에 의존한다. 이 때문에, 줌 익스팬더에 의해 레이저 빔의 종횡의 발산각을 동일하게 하기 위해, 익스팬더 통과 후의 레이저 빔의 발산각을 측정하는 것은 원형의 가공구멍을 얻기 위해 효과적이다.

빔 익스팬더(17)의 줌기구(17a)를 자동 줌 조정기구 부착된 것으로 하여, 다이버전스 모니터(60)와 줌기구(17a)를 연동시킴으로써 레이저 빔의 발산각을 자동조정하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 줌기구의 렌즈의 이동에는 일축 이상의 자동 스테이지를 구비한 구성으로 한다.

Claims

피가공물의 피가공영역내의 다수의 피가공부분을 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저장치와, 상기 레이저장치로부터 출사되는 레이저 빔의 집광 또는 결상수단과, 상기 피가공물의 배치수단을 구비하고, 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단을 함께 이동하도록 하나의 유닛으로 결합하여, 상기 다수의 피가공부분의 각각이 레이저 빔이 조사되는 전체 영역을 구성하는 각각의 영역으로부터 조사를 받고, 또한 상기 다수의 피가공부분 각각으로의 가공 중의 적산 레이저 빔 조사시간이 동일해지도록, 상기 레이저 빔을 상기 피가공영역내 및 피가공영역외에서 상기 집광 또는 결상수단에 대해 상대적으로 이동시키면서 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
피가공물의 피가공영역내의 다수의 피가공부분을 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저장치와, 상기 레이저장치로부터 출사되는 레이저 빔의 집광 또는 결상수단과, 상기 피가공물의 배치수단을 구비하고, 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단을 상대적으로 이동시키면서, 상기 다수의 피가공부분의 각각이 레이저 빔이 조사되는 전체 영역을 구성하는 각각의 영역으로부터 조사를 받고, 또한 상기 다수의 피가공부분 각각으로의 가공 중의 적산 레이저 빔 조사시간이 동일해지도록, 상기 레이저 빔을 상기 피가공영역내 및 피가공영역외에서 상기 집광 또는 결상수단에 대해 상대적으로 이동시키면서 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 빔의 상기 집광 또는 결상수단에 대한 가공 중의 상대적인 이동은 2차원 또는 3차원인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배치수단과 상기 레이저 빔의 집광 또는 결상수단을, 상기 레이저 빔의 광축방향을 축으로 회전하는 회전기구를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피가공물내의 상기 피가공영역과 별개의 피가공영역에, 상기 레이저 빔의 집광 또는 결상수단, 또는 새로운 집광 또는 결상수단을 이동하고, 상기 가공에 이어서 새로운 가공을 행하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라 빔 사이즈를 독립적으로 변경하고, 주광선을 평행하게 하는 2개의 독립적인 빔 익스팬더를 가지며, 그 중 1개 또는 2개에 줌기구를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제6항에 있어서, 상기 빔 익스팬더를 통과한 후의 레이저 빔의 발산각을 감시하는 모니터장치를 구비하고, 빔 익스팬더에 구비된 줌기구를 사용하여 상기 레이저 빔 방향에 대해 수직면내에서 직교하는 2축을 따라, 상기 레이저 빔의 발산각을 일정비율로 유지하는 제어기구를 가진 레이저 가공장치.
피가공물의 피가공영역내의 다수의 피가공부분을 가공하는 레이저 가공방법으로서, 레이저장치와, 상기 레이저장치로부터 출사되는 레이저 빔의 집광 또는 결상수단과, 상기 피가공물의 배치수단을 구비하고, 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단을 함께 이동하도록 하나의 유닛으로 결합하는 제1 공정과, 상기 다수의 피가공부분의 각각이 레이저 빔이 조사되는 전체 영역을 구성하는 각각의 영역으로부터 조사를 받고, 또한 상기 다수의 피가공부분 각각으로의 가공 중의 적산 레이저 빔 조사시간이 동일해지도록, 상기 레이저 빔을 상기 피가공영역내 및 피가공영역외에서 상기 집광 또는 결상수단에 대해 상대적으로 이동시키면서 가공하는 제2 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
피가공물의 피가공영역내의 다수의 피가공부분을 가공하는 레이저 가공방법으로서, 레이저장치와, 상기 레이저장치로부터 출사되는 레이저 빔의 집광 또는 결상수단과, 상기 피가공물의 배치수단을 구비하고, 상기 피가공물에 상기 집광 또는 결상수단을 이동하는 제1 공정과, 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단을 상대적으로 이동시키면서, 상기 다수의 피가공부분의 각각이 레이저 빔이 조사되는 전체 영역을 구성하는 각각의 영역으로부터 조사를 받고, 또한 상기 다수의 피가공부분 각각으로의 가공 중의 적산 레이저 빔 조사시간이 동일해지도록, 상기 레이저 빔을 상기 피가공영역내 및 피가공영역외에서 상기 집광 또는 결상수단에 대해 상대적으로 이동시키면서 가공하는 제2 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제2 공정의 상기 레이저 빔의 상기 집광 또는 결상수단에 대한 가공 중의 상대적인 이동은 2차원 또는 3차원인 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제2 공정 중에 상기 피가공물과 상기 집광 또는 결상수단을 상기 레이저 빔의 광축방향을 축으로 회전시키는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제2 공정 후에 상기 피가공물내의 상기 피가공영역과 별개의 피가공영역에, 상기 레이저 빔의 집광 또는 결상수단, 또는 새로운 집광 또는 결상수단을 이동하는 제3 공정을 가지고, 이어서 상기 제2 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.