KR101720574B1

KR101720574B1 - 레이저 가공 장치 및 그 구동 방법

Info

Publication number: KR101720574B1
Application number: KR1020140179361A
Authority: KR
Inventors: 허진
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2017-03-29
Also published as: KR20160071788A

Abstract

레이저 가공 장치 및 그 구동 방법이 개시된다. 개시된 레이저 가공 장치는, 베이스의 기준면을 따라 스테이지 이동부와 집광 렌즈 이동부가 일 축 방향으로 미끄러지도록 하는 미끄럼 가이드 구조와, 스테이지 이동부 및 집광 렌즈 이동부에 가속력을 제공하는 가공 액츄에이터와, 집광 렌즈 이동부의 위치를 측정하는 집광 렌즈 위치 측정부와, 스테이지 이동부의 위치를 측정하는 스테이지 위치 측정부와, 집광 렌즈 위치 측정부와 스테이지 위치 측정부의 측정치를 이용하여, 가공 영역 내에서 스테이지 이동부와 집광 렌즈 이동부 사이의 속도가 특정값이 되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

레이저 가공 장치 및 그 구동 방법{Apparatus laser processing and method for driving the same}

레이저 가공 장치 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진동을 최소화하여 고속 정밀 가공이 가능한 무진동 레이저 가공 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

레이저 가공은 레이저 발진기로부터 출사되는 레이저빔을 집광 렌즈로 포커싱하여 가공 대상물에 조사하는 위치를 변화시키면서 진행된다. 이러한 레이저 가공을 위해, 가공 대상물은 스테이지에 탑재되며, 스테이지를 이동시키거나, 집광 렌즈를 이동시켜, 레이저빔이 가공 대상물에 조사되는 위치를 변화시키게 된다.

가공 시간을 단축하기 위해서는, 스테이지나 집광 렌즈의 최대 가속력을 높여야 하는데, 높은 가속력은 높은 반발력에 의해 큰 진동을 초래하고, 이에 의해 큰 가공 오차가 초래될 수 있다.

스테이지나 집광 렌즈의 최대 가속력을 높여도 진동이 발생하지 않아, 가공 오차는 줄이면서 가공 시간을 단축할 수 있는 레이저 가공 장치 및 그 구동 방법을 제공한다.

실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 렌즈를 이동시키는 집광 렌즈 이동부와; 가공 대상물이 탑재되는 스테이지를 이동시키도록 마련된 스테이지 이동부와; 베이스의 기준면을 따라 상기 스테이지 이동부와 집광 렌즈 이동부가 일 축 방향으로 미끄러지도록 하는 미끄럼 가이드 구조와; 상기 스테이지 이동부 및 집광 렌즈 이동부에 가속력을 제공하는 가공 액츄에이터와; 상기 집광 렌즈 이동부의 위치를 측정하는 집광 렌즈 위치 측정부와; 상기 스테이지 이동부의 위치를 측정하는 스테이지 위치 측정부와; 상기 집광 렌즈 위치 측정부와 상기 스테이지 위치 측정부의 측정치를 이용하여, 가공 영역 내에서 상기 스테이지 이동부와 집광 렌즈 이동부 사이의 속도가 특정값이 되도록 제어하는 제어부;를 포함한다.

상기 제어부는, 집광 렌즈가 특정 범위 안에 자동으로 유지되도록 중심 복원 제어를 할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 집광 렌즈 이동부의 질량 및 위치를 각각 M1, X1 이라 하고, 상기 스테이지의 질량 및 위치를 각각 M2, X2라 할 때, (M1+M2) X2 + M1 (X1-X2) = 0을 만족하도록 상기 스테이지 및 집광 렌즈 이동부의 위치 X1, X2를 제어할 수 있다.

상기 미끄럼 가이드 구조에서, 상기 스테이지 이동부와 집광 렌즈이동부 각각은 상기 기준면과 접촉하거나 비접촉하도록 마련될 수 있다.

상기 미끄럼 가이드 구조는, 상기 스테이지 이동부가 상기 베이스의 기준면을 따라 미끄러지도록 하는 제1리니어 가이드 및 상기 집광 렌즈 이동부가 상기 베이스의 기준면을 따라 미끄러지도록 하는 제2리니어 가이드 중 적어도 하나의 리니어 가이드를 포함하며, 상기 적어도 하나의 리니어 가이드는 상기 베이스에 마련될 수 있다.

상기 집광 렌즈 위치 측정부는, 상기 베이스의 기준면에 마련되는 제1스케일과; 상기 집광 렌즈 이동부에 상기 제1스케일에 대향하도록 마련되어 상기 제1스케일을 센싱하는 제1스케일 센싱 헤드;를 포함할 수 있다.

상기 스테이지 위치 측정부는, 상기 집광 렌즈 이동부에 마련되는 제2스케일과; 상기 스테이지 이동부에 상기 제2스케일에 대향하도록 마련되어 상기 제2스케일을 센싱하는 제2스케일 센싱 헤드;를 포함할 수 있다.

상기 가공 액츄에이터는, 상기 집광 렌즈 이동부에 가속력을 제공하도록 마련된 제1가공 액츄에이터와; 상기 스테이지 이동부에 가속력을 제공하도록 마련된 제2가공 액츄에이터;를 포함할 수 있다.

상기 제1가공 액츄에이터는, 상기 집광 렌즈 이동부와 베이스 중 어느 하나에 설치된 제1자석과; 상기 제1자석과 상호 작용하도록 상기 집광 렌즈 이동부와 베이스 중 나머지 하나에 설치된 제1코일;을 포함하며, 상기 제1코일에 인가되는 전류에 따라 상기 집광 렌즈 이동부의 가속력 및 위치를 제어하도록 마련될 수 있다.

상기 제1가공 액츄에이터는, 상기 베이스와 진동 측면에서 고립된 앵커 부재와 상기 집광 렌즈 이동부 중 어느 하나에 설치된 제1자석과; 상기 제1자석과 상호 작용하도록 상기 앵커 부재와 상기 집광 렌즈 이동부 중 나머지 하나에 설치된 제1코일;을 포함하며, 상기 제1코일에 인가되는 전류에 따라 상기 집광 렌즈 이동부의 가속력 및 위치를 제어하도록 마련될 수 있다.

상기 제2가공 액츄에이터는, 상기 집광 렌즈 이동부와 스테이지 이동부 중 어느 하나에 설치된 제2자석과; 상기 제2자석과 상호 작용하도록 상기 집광 렌즈 이동부와 스테이지 이동부 중 나머지 하나에 설치된 제2코일;을 포함하며, 상기 제2코일에 인가되는 전류에 따라 상기 스테이지 이동부의 가속력 및 위치를 제어하도록 마련될 수 있다.

상기 집광 렌즈 이동부의 위치를 X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 위치를 X2라 하고, X1-X2값을 X라 할 때, 상기 가공 액츄에이터에 의해 X값이 변하게 되며, 상기 가공 액츄에이터에 의해 변경되는 X 값을 상기 스테이지 위치 측정부를 통해 측정하여, 정해진 속도 프로파일에 따라 독립적으로 제어하도록 마련될 수 있다.

상기 스테이지 이동부 및 집광 렌즈 이동부 중 적어도 어느 하나와 베이스 사이에 복원력을 제공하는 복원 액츄에이터;를 더 포함할 수 있다.

상기 집광 렌즈 이동부의 질량 및 위치를 각각 M1, X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 질량 및 위치를 각각 M2, X2라 하고, X1-X2값을 X라 할 때, 상기 복원 액츄에이터는, 상기 스테이지 위치 X2가 M1/(M1+M2) X값이 되도록 제어하도록 마련될 수 있다.

실시예에 따른 레이저 가공 장치 구동 방법은, 가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 렌즈를 이동시키는 집광 렌즈 이동부와 가공 대상물이 탑재되는 스테이지를 이동시키도록 마련된 스테이지 이동부에 각각 가속력을 제공하여, 베이스의 기준면에 대해 일 축에 평행한 방향을 따라 미끄러지면서 구동되도록 하는 단계와; 상기 집광 렌즈 이동부의 위치나 상기 스테이지 이동부의 위치를 측정하는 단계와; 상기 집광 렌즈 이동부의 위치 측정치와 상기 스테이지 이동부의 위치 측정치를 이용하여, 가공 영역 내에서 상기 스테이지 이동부와 집광 렌즈 이동부 사이의 속도가 특정값이 되도록 제어하는 단계;를 포함한다.

상기 집광 렌즈가 특정 범위 안에 자동으로 유지되도록 중심 복원 제어를 할하는 수 있다.

상기 집광 렌즈 이동부의 질량 및 위치를 각각 M1, X1 이라 하고, 상기 스테이지의 질량 및 위치를 각각 M2, X2라 할 때, (M1+M2) X2 + M1 (X1-X2) = 0을 만족하도록 상기 스테이지 및 집광 렌즈 이동부의 위치 X1, X2를 제어할 수 있다.

상기 집광 렌즈 이동부의 위치를 X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 위치를 X2라 하고, X1-X2값을 X라 할 때, 상기 집광 렌즈 이동부나 스테이지 이동부의 구동에 의해 X값이 변하게 되며, 상기 X 값을 상기 스테이지 이동부의 위치 측정치를 이용하여, 정해진 속도 프로파일에 따라 독립적으로 제어하도록 마련될 수 있다.

상기 스테이지 이동부 및 집광 렌즈 이동부 중 적어도 어느 하나와 베이스 사이에 복원력을 제공하여, 상기 집광 렌즈 이동부의 질량 및 위치를 각각 M1, X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 질량 및 위치를 각각 M2, X2라 하고, X1-X2값을 X라 할 때, 상기 스테이지 위치 X2가 M1/(M1+M2) X값이 되도록 제어할 수 있다.

실시예에 따른 레이저 가공 장치 및 그 구동 방법에 따르면, 스테이지 이동부 및 집광 렌즈 이동부의 최대 가속력을 높여도 진동에 취약한 레이저 빔 경로를 포함한 영역에서 진동이 발생하지 않아, 무진동 레이저 가공(vibration free laser processing)을 구현할 수 있으며, 또한 고정밀 고속 레이저 가공을 구현할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 보인 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 보인 사시도이다.
도 3은 도 2의 레이저 가공 장치의 주요 부분을 보인 평면도이다.
도 4는 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 광학적 구성을 예시적으로 보여준다.
도 5는 도 1의 레이저 가공 장치의 베이스에 배치되는 구성요소를 보여준다.
도 6은 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 주요 부분을 보인 평면도이다.
도 7은 기준점에 대한 집광 렌즈 이동부의 위치와 스테이지 이동부의 위치 를 예시적으로 보여준다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위해 과장되어 있을 수 있다.

통상 이동부가 존재하지 않는 스캐너 미러 회전 방식은 스캐너 미러 회전에 의한 가공 대상물에 대한 빔 위치를 이동시키도록 된 것으로, 스캐너 미러 질량이 작아 진동도 작다. 따라서, 스캐너 미러 회전 방식은 무거운 스테이지 이동 방식 보다 고속 가공이 가능하다. 반면, 렌즈의 크기 대비 가공 대상물에 대한 빔 위치 이동이 크면 가공면과 가공면에 입사한 빔이 이루는 각도가 수직에서 벗어나 원치 않는 가공 품질 저하가 발생할 수 있다. 이러한 이유로 집광 렌즈에 레이저빔이 수직으로만 입사하도록 하는 수직 입사 광학계를 채택하고 가공 면적을 넓히기 위해 수직 입사 광학계와 가공 대상물 모두 또는 그 중 1개만 이동시키는 방식을 채택하게 된다. 이때, 가공 대상물을 이동 시키는 스테이지 이동부 또는 광학계의 질량이 크거나 고속 동작을 위한 급격한 가속시 큰 기계적 진동을 유발될 수 있다. 이러한 진동은 진동 진폭이 크고 주파수가 낮을수록 오랜 시간 계속될 수 있다. 예로서 최대 가속력이 1G이고 이동부 질량이 100kg 경우, 이 기계적 진동에 의한 스테이지 위치 오차는 수십~수백 마이크로미터에 이르고 진동 유지 시간은 수백 ms에 이를 수 있다. 이러한 기계적인 진동은 레이저 광 경로 진동을 초래하고, 이에 의해 생성된 레이저빔 경로 오차는 스테이지 위치 제어 오차와 더해져 큰 가공 오차를 유발할 수 있다.

이하에서 설명하는 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 따르면, 수직 입사 광학계를 채택하는 구조로, 진동이 없어야 하는 베이스와 마찰을 최소화 하면서, 집광 렌즈와 스테이지에 탑재된 가공 대상물을 서로 반대 방향으로 이동시켜, 감가속시 발생하는 반발력을 최소화 예컨대, 영(zero)으로 할 수 있으므로, 스테이지 이동부 및 집광 렌즈 이동부의 최대 가속력을 높여도 진동이 발생하지 않게 되어, 가공 오차를 줄이면서 가공 시간을 단축할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 보인 블록도이다. 도 2는 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 보인 사시도이고, 도 3은 도 2의 레이저 가공 장치의 주요 부분을 보인 평면도이다. 도 3에서는 도 2의 집광 렌즈유니트(30)의 도시가 생략되어 있다. 도 4는 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 광학적 구성을 예시적으로 보여준다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 레이저 가공 장치는, 집광 렌즈 이동부(10)와, 스테이지 이동부(50), 미끄럼 가이드 구조(100), 가공 액츄에이터(200), 집광 렌즈 위치 측정부(300), 스테이지 위치 측정부(400) 및 제어부(500)를 포함한다.

상기 집광 렌즈 이동부(10)는, 레이저 광원부(40)(40)로부터 제공되는 가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 렌즈(35)를 이동시키기 위한 것으로, 집광 렌즈(35)를 포함하는 집광 렌즈유니트(30)가 탑재될 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 집광 렌즈유니트(30)는 집광 렌즈(35)에 부가하여, 레이저빔이 상기 집광 렌즈(35)에 수직으로 입사하도록 하는 수직 입사 광학계를 더 포함할 수 있다. 도 4에서는 상기 수직 입사 광학계로, 레이저 광원부(40)(40)로부터 입사되는 레이저빔을 집광 렌즈(35)로 향하도록 반사시키는 반사 미러(31)를 구비하는 예를 보여준다. 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 광원부(40)로부터의 광을 집광 렌즈(35)로 레이저빔 전달부(45)를 이용하여 전달하도록 마련될 수도 있으며, 이 경우 상기 집광 렌즈 이동부(10)에는, 레이저 광원부(40)로부터 제공되는 가공용 레이저빔을 집광 렌즈(35)로 전달하는 레이저빔 전달부(45)의 적어도 일부분이 탑재될 수 있으며, 집광 렌즈 이동부(10)의 질량은 이러한 집광 렌즈(35) 및 레이저빔 전달부(45) 등을 포함하는 광학계의 질량까지 포함할 수 있다. 즉, 상기 집광 렌즈 이동부(10)는 탑재된 상기 레이저빔 전달부(45) 등을 포함하는 광학계와 집광 렌즈(35)를 함께 이동시킬 수 있다.

상기 레이저 광원부(40)는 가공용 레이저빔을 제공하는 것으로, 가공용 레이저빔을 출사하는 레이저 광원(41)을 포함하며, 가공 대상물에 적절한 가공 레이저빔을 조사할 수 있도록 다양한 광학적 구성을 가질 수 있다. 상기 레이저 광원부(40)는 예를 들어, 가공용 레이저빔을 스테이지(51)와 집광 렌즈(35) 이동 축 방향으로 출사하도록 베이스(1)에 고정될 수 있다. 상기 레이저 광원부(40)는 적어도 일부 구성이 상기 집광 렌즈 이동부(10)에 고정될 수도 있다. 레이저빔 전달부(45)로 광섬유(46) 등을 사용하는 경우, 상기 레이저 광원부(40)는 가공용 레이저빔을 출사하는 방향이 한정되지 않으므로, 베이스(1)에 고정시, 배치가 보다 자유로울 수 있다. 상기 레이저빔 전달부(45)는 상기 레이저 광원부(40)로부터의 레이저빔을 집광 렌즈(35)에 입사시키기 위한 것으로, 예를 들어, 광섬유(46) 등으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 레이저 광원부(40)는 집광 렌즈 이동부(10)에 탑재될 수도 있다. 이때, 상기 레이저 광원부(40)는 예를 들어 상기 스테이지(51)와 집광 렌즈(35) 이동 축 방향으로 레이저빔을 출사하거나 스테이지(51) 및 집광 렌즈(35) 이동 축 방향에 크로스되는 방향으로 레이저빔을 출사하도록 배치될 수 있으며, 상기 레이저빔 전달부(45)로 레이저 광원부(40)로부터 출사되느 레이저빔을 집광 렌즈(35) 쪽으로 진행하도록 하는 미러들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 집광 렌즈유니트(30)(30)의 반사 미러(31)는 상기 레이저빔 전달부(45)의 구성요소일 수 있으며, 다른 예로서, 상기 레이저 광원부(40)와 집광 렌즈유니트(30)(30) 사이에 별도의 레이저빔 전달부(45)를 구비하지 않을 수도 있다.

상기 집광 렌즈(35)는, 상기 레이저빔 전달부(45)에 의해 전달되는 레이저빔을 집광하여 스테이지(51)에 탑재된 가공 대상물에 집광점을 만들기 위한 것으로, 예를 들어, 굴절형 집광 렌즈를 사용하거나 집광 기능의 오목 미러를 사용할 수 있다. 도 4에서는 예시적으로 집광 렌즈(35)로 굴절형 집광 렌즈를 사용하는 경우를 예시적으로 보여준다.

상기와 같은 레이저빔 전달부(45) 등을 포함하는 광학계 및 집광 렌즈(35)의 조합에 의해, 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저빔이 집광 렌즈(35)에 수직으로 입사하는 수직 입사 광학계를 채택할 수 있으므로, 스캐너 미러를 사용할 때와 같은 가공 품질 저하 문제가 생기지 않게 된다.

이상에서는 도 4를 참조로, 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 적용되는 레이저 광원부(40), 레이저빔 전달부(45), 집광 렌즈(35) 등의 광학계 구성을 설명하였는데, 이는 예시적인 것으로, 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 광학계 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 가공 장치의 광학계 구성은 다양하게 변형될 수 있다.

상기 스테이지 이동부(50)는, 가공 대상물 예컨대, 칩이 어레이된 웨이퍼가 탑재된 스테이지(51)를 이동시키도록 마련되는 것으로, 스테이지 이동부(50)의 질량은 스테이지(51) 및 가공 대상물의 질량을 포함할 수 있다. 레이저 가공 동작시, 상기 스테이지 이동부(50)와 집광 렌즈 이동부(10)는 동일 축을 따라 서로 반대 방향으로 진동이 최소화되도록 위치 제어될 수 있다.

상기 미끄럼 가이드 구조(100)는, 베이스(1)의 기준면(1a)을 따라 상기 스테이지 이동부(50)와 집광 렌즈 이동부(10)가 일 축 방향으로 미끄러지도록 가이드한다. 상기 미끄럼 가이드 구조(100)에서 상기 스테이지 이동부(50)와 집광 렌즈 이동부(10) 각각은 상기 기준면(1a)과 접촉하거나 비접촉할 수 있다.

상기 미끄럼 가이드 구조(100)는 도 5에서와 같이, 상기 스테이지 이동부(50)가 상기 베이스(1)의 기준면(1a)을 따라 미끄러지도록 하는 제1리니어 가이드(101)와, 상기 집광 렌즈 이동부(10)가 상기 베이스(1)의 기준면(1a)을 따라 미끄러지도록 하는 제2리니어 가이드(103)를 포함할 수 있다. 상기 제1리니어 가이드(101)는 베이스(1)에 마련될 수 있다. 또한, 상기 제2리니어 가이드(103)는 베이스(1)에 마련될 수 있다. 상기 제1리니어 가이드(101) 및 제2리니어 가이드(103) 각각은, 도 5에서와 같이 서로 대칭되게 한쌍이 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1리니어 가이드(101) 및 제2리니어 가이드(103)는 서로 평행하게 배열될 수 있다. 여기서, 상기 미끄럼 가이드 구조(100)는 상기 제1리니어 가이드(101) 및 제2리니어 가이드(103) 중 어느 하나의 리니어 가이드만을 포함할 수도 있다. 이하에서는, 미끄럼 가이드 구조(100)가 제1리니어 가이드(101) 및 제2리니어 가이드(103)를 모두 포함하는 경우를 예를 들어 설명한다.

상기 스테이지 이동부(50)에는 제1리니어 가이드(101)가 미끄러짐 가능하게 결합되는 구조가 형성될 수 있다. 또한, 상기 집광 렌즈 이동부(10)에는 제2리니어 가이드(103)가 미끄러짐 가능하게 결합되는 구조가 형성될 수 있다.

상기와 같은 미끄럼 가이드 구조(100)에 의해, 상기 스테이지 이동부(50) 및 집광 렌즈 이동부(10)는 일 축 방향으로 마찰력이 거의 없는 상태로 미끄러질 수 있으며, 이 일축 방향을 따라 가공 액츄에이터(200)에 의해 이동될 수 있다.

상기 가공 액츄에이터(200)는, 상기 스테이지 이동부(50) 및 집광 렌즈 이동부(10) 사이의 가속력을 제공하기 위한 것으로, 예를 들어, 상기 집광 렌즈 이동부(10)에 가속력을 제공하도록 마련된 제1가공 액츄에이터(210)와, 상기 스테이지 이동부(50)에 가속력을 제공하도록 마련된 제2가공 액츄에이터(230)를 포함할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 제1가공 액츄에이터(210)는, 상기 집광 렌즈 이동부(10)와 베이스(1) 중 어느 하나에 설치된 제1자석(211)과, 상기 제1자석(211)과 상호 작용하도록 상기 집광 렌즈 이동부(10)와 베이스(1) 중 나머지 하나에 설치된 제1코일(215)을 포함할 수 있으며, 상기 제1코일(215)에 인가되는 전류에 따라 상기 집광 렌즈 이동부(10)의 가속력 및 위치를 변화시키도록 마련될 수 있다. 도 2 및 도 3에서는 상기 제1자석(211)이 베이스(1)의 기준면(1a)에 배치되고, 제1코일(215)이 집광 렌즈 이동부(10)에 마련된 경우를 예시적으로 보여준다.

다른 예로서, 도 6을 참조하면, 상기 제1가공 액츄에이터(210)는, 상기 베이스(1)와 진동 측면에서 고립된 앵커 부재(5)와 상기 집광 렌즈 이동부(10) 중 어느 하나에 제1자석(211)이 설치되고, 상기 제1자석(211)과 상호 작용하도록 상기 앵커 부재(5)와 상기 집광 렌즈 이동부(10) 중 나머지 하나에 제1코일(215)이 설치될 수도 있다. 도 6에서는 앵커 부재(5)에 제1자석(211)이 설치되고, 집광 렌즈 이동부(10)에 제1코일(215)이 설치된 예를 보여준다.

한편, 상기 제2가공 액츄에이터(230)는, 도 2, 도 3 및 도 6에서와 같이, 상기 집광 렌즈 이동부(10)와 스테이지 이동부(50) 중 어느 하나에 설치된 제2자석(231)과, 상기 자석과 상호 작용하도록 상기 집광 렌즈 이동부(10)와 스테이지 이동부(50) 중 나머지 하나에 설치된 제2코일(235)을 포함할 수 있으며, 상기 제2코일(235)에 인가되는 전류에 따라 상기 스테이지 이동부(50)의 가속력 및 위치를 변화시키도록 마련될 수 있다. 도 2, 도 3 및 도 6에서는, 상기 제2자석(231)이 집광 렌즈 이동부(10)에 배치되고, 제2코일(235)이 스테이지 이동부(50)에 마련된 경우를 예시적으로 보여준다.

다시 도 1 및 도 2 참조하면, 상기 집광 렌즈 위치 측정부(300)는, 상기 집광 렌즈 이동부(10)의 위치를 측정하며, 상기 스테이지 위치 측정부(400)는, 상기 스테이지 이동부(50)의 위치를 측정한다.

상기 집광 렌즈 위치 측정부(300)는, 상기 베이스(1)의 기준면(1a)에 마련되는 제1스케일(310)과, 상기 집광 렌즈 이동부(10)에 상기 제1스케일(310)에 대향하도록 마련되어 상기 제1스케일(310)을 센싱하는 제1스케일 센싱 헤드(315)를 포함할 수 있다.

상기 스테이지 위치 측정부(400)는, 상기 집광 렌즈 이동부(10)에 마련되는 제2스케일(330)과, 상기 스테이지 이동부(50)에 상기 제2스케일(330)에 대향하도록 마련되어 상기 제2스케일(330)을 센싱하는 제2스케일 센싱 헤드(335)를 포함할 수 있다.

도 7을 참조하면, 상기 집광 렌즈 위치 측정부(300)에 의해, 기준점(R)으로부터 상기 집광 렌즈 이동부(10)의 위치 X1이 측정되며, 상기 스테이지 위치 측정부(400)에 의해, 상기 기준점으로부터 상기 스테이지 이동부(50)의 위치 X2가 측정될 수 있다. 또한, 상기 스테이지 위치 측정부(400)의 제2스케일(330)이 집광 렌즈 이동부(10)에 배치되므로, 상기 스테이지 위치 측정부(400)는 상기 집광 렌즈 이동부(10)의 위치 X1과 상기 스테이지 이동부(50)의 위치 X2 사이의 간격 X를 측정할 수 있다. 도 7은 기준점(R)에 대한 집광 렌즈 이동부(10)의 위치 X1과 스테이지 이동부(50)의 위치 X2를 예시적으로 보여준다.

상기 집광 렌즈 이동부(10)의 위치 X1과 상기 스테이지 이동부(50)의 위치 X2 사이의 간격 X는 X = X1-X2가 된다. 집광 렌즈 이동부(10)와 스테이지 이동부(50)의 상대적인 위치에 따라 X는 포지티브, 영(zero), 네거티브 값이 될 수 있다. 상기 X값은 가공 액츄에이터(200)의 구동에 의해 변하게 된다. 즉, 상기 X값은 상기 제1가공 액츄에이터(210)에 의한 집광 렌즈 이동부(10)의 위치 이동, 제2가공 액츄에이터(230)에 의한 스테이지 이동부(50)의 위치 이동에 따라 변하게 된다. 또한, 상기 X값이 변하는 속도 즉, V=dX/dt나 가속도는 상기 제1가공 액츄에이터(210) 및 제2가공 액츄에이터(230)에 의한 구동력에 따라 일정하거나 변화될 수 있다. 따라서, 상기 스테이지(51)의 위치 또는 집광 렌즈(35) 위치가 가공 영역에 속할 때, 스테이지(51)와 집광 렌즈(35) 사이의 속도가 특정값이 되도록 제어하면서, 가공 대상물에 레이저빔을 조사하여 가공할 수 있다.

상기와 같이, 가공 액츄에이터(200)에 의해 변경되는 X값은 스테이지 위치 측정부(400)를 통해 측정할 수 있으며, 상기 집광 렌즈 이동부(10) 및 스테이지 이동부(50) 각각은 정해진 속도 프로파일에 따라 독립적으로 제어될 수 있다.

이를 위하여, 상기 제어부(500)는, 도 1에서와 같이, 상기 집광 렌즈 위치 측정부(300)와 상기 스테이지 위치 측정부(400)의 측정치를 이용하여, 가공 영역 내에서 상기 스테이지 이동부(50)와 집광 렌즈 이동부(10) 사이의 속도가 특정값이 되도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부(500)는 집광 렌즈(35)가 특정 범위 안에 자동으로 유지되도록 중심 복원 제어를 할 수 있다.

상기 제어부(500)는 상기 가공 액츄에이터(200)의 제1 및 제2가공 액츄에이터(210)(230)를 각각 독립적으로 제어하도록 마련될 수 있다. 상기 제어부(500)는, 제1 및 제2가공 액츄에이터(210)(230)를 제어하여, 상기 집광 렌즈 이동부(10)의 질량 및 위치를 각각 M1, X1 이라 하고, 상기 스테이지(51)의 질량 및 위치를 각각 M2, X2라 할 때, (M1+M2) X2 + M1 (X1-X2) = 0을 만족하도록, 상기 스테이지(51) 및 집광 렌즈 이동부(10)의 위치 X1, X2가 조절되도록 할 수 있다.

한편, 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 상기 스테이지 이동부(50)와 집광 렌즈 이동부(10) 중 적어도 어느 하나와 베이스(1) 사이에 복원력을 제공하는 복원 액츄에이터(600)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 복원 액츄에이터(600)는 스테이지 이동부(50)와 베이스(1) 중 어느 하나에 마련된 자석(610)과, 나머지 하나에 마련된 코일(615)을 포함할 수 있다. 도 1에서는 복원 액츄에이터(600)의 자석(610)이 베이스(1)에 마련되고, 코일(615)이 스테이지 이동부(50)에 마련된 예를 보여준다.

상기 복원 액츄에이터(600)는 상기 스테이지(51) 위치 X2가 (M1/(M1+M2))X 값이 되도록 제어할 수 있다.

여기서, 상기 X1 및 X2값들이 각각 특정 범위 즉, 가공 영역 및 가공 영역에서 원하는 가공 속도를 달성하도록 가속력이 부가되는 영역을 포함하는 범위 밖이면, 상기 가공 액츄에이터(200) 및 복원 액츄에이터(600)의 동작들은 자동으로 멈추도록 세팅될 수 있다.

상기한 바와 같은 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 따르면, 가속력을 높여 가공 시간 단축을 실현하면서도, 진동에 의한 가공 오차를 줄일 수 있어, 양호한 가공 품질을 확보할 수 있다.

예를 들어, 10mm x 10mm 크기의 칩들이 만들어져 있는 예컨대, 직경 300mm 웨이퍼를 최소 시간에 레이저 가공하기 위해, 레이저 빔의 위치는 고정되어 있고 웨이퍼를 이동시키며 등속에서만 가공 영역을 가공하는 방식을 고려해보자. 특정 가속력에 대해 등속 구간 속력이 높아짐에 따라 정지 상태부터 가공에 필요한 등속 구간 속력까지 가속하기 위해 필요한 시간은 늘어 나는데, 가공 영역을 가공하는 시간은 줄어 든다. 따라서, 등속 구간 속력의 최적 값이 존재하는데, 단순히 등속 구간 속력을 높인다고 해서 레이저 가공시간이 단축되는 것이 아니며, 가속력을 높일 필요가 있다.

실시예에 따른 레이저 가공 장치에 따르면, 이러한 가공 시간을 단축하기 위해 스테이지(51) 및 집광 렌즈(35)의 최대 가속력을 높이는 경우에도, 집광 렌즈(35)와 스테이지(51)에 탑재된 가공 대상물을 서로 반대 방향으로 이동시켜, 감가속시 발생하는 반발력을 최소화 예컨대, 영(zero)으로 할 수 있으므로, 진동이 발생하지 않게 되며, 이에 따라 가공 오차를 줄이면서 가공 시간을 단축할 수 있다.

상기한 바와 같은 레이저 가공 장치에 있어서, 가공 액츄에이터(200) 즉, 제1가공 액츄에이터(210)와 제2가공 액츄에이터(230)에 의해 변경되는 X(=X1-X2)값은 집광 렌즈 이동부(10)에 부착된 제2스케일(330)과, 이에 대응되게 스테이지 이동부(50)에 마련되어 상기 제2스케일(330)을 센싱하는 제2스케일 센싱 헤드(335)를 포함하는 스테이지 위치 측정부(400)를 통해 측정할 수 있다. 이때, 상기 제어부(500)는 상기 제2스케일(330)과 제2스케일 센싱 헤드(335)를 통해 측정된 X값의 시간에 따른 변화 즉, 속도 V(=dX/dt)가 정해진 속도 프로파일에 따르도록 상기 제1가공 액츄에이터(210)와 제2가공 액츄에이터(230)를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부(500)는 복원 액츄에이터(600)를 이용하여 스테이지 이동부(50) 위치 즉, 스테이지(51) 위치 X2가 (M1/(M1+M2))X 값이 되도록 X2를 X에 대해 종속적으로 제어할 수 있다. 이와 같이 제어하기 위해 복원 액츄에이터(600)의 자석이 받는 반작용력은 스테이지 이동부(50)와 미끄럼 가이드 구조(100)의 제1리니어 가이드(101) 사이의 마찰력 및 집광 렌즈 이동부(10)와 미끄럼 가이드 구조(100)의 제2리니어 가이드(103) 사이의 마찰력 차이에 해당하므로, 가공 액츄에이터(200)의 자석 즉, 제1가공 액츄에이터(210)의 제1자석(211) 및 제2가공 액츄에이터(230)의 제2자석(231)이 받는 반작용력에 비해 매우 작을 수 있다.

한편, 상기 제1가공 액츄에이터(210)의 제1자석(211)을 베이스(1)에 고정하는 대신에, 이 베이스(1)와 진동 측면에서 고립된 앵커 부재(5)에 장착하는 경우, 베이스(1)의 진동을 더욱 줄일 수 있다.

진동 측면에서 고립된 앵커 부재(5)의 질량은 스테이지 이동부(50)의 질량과 집광 렌즈 이동부(10)의 질량의 합보다 매우 크므로, 고립된 앵커 부재(5)에 장착된 제1자석(211)과 집광 렌즈 이동부(10)에 장착된 제1코일(215)의 상호 작용력에 의해 앵커 부재(5)가 이동하는 일이 생기지 않는다. 따라서, 앵커 부재(5)가 사용되는 경우, 가공 액츄에이터(200)와 복원 액츄에이터(600)의 전원 및 계측 제어 신호선들이 탑재되는 케이블베이어(cableveyor)들은 앵커 부재(5)에 장착하여, 케이블베이어들에 의한 마찰력 발생을 줄일 수 있다.

1…베이스 1a…기준면
10…집광 렌즈 이동부 30…집광 렌즈유니트
35…집광 렌즈 40…레이저 광원부
50…스테이지 이동부 51…스테이지
100…미끄럼 가이드 구조 101…제1리니어 가이드
103…제2리니어 가이드 200…가공 액츄에이터
300…집광 렌즈 위치 측정부 400…스테이지 위치 측정부
500…제어부 600…복원 액츄에이터

Claims

가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 렌즈를 이동시키는 집광 렌즈 이동부와;
가공 대상물이 탑재되는 스테이지를 이동시키도록 마련된 스테이지 이동부와;
베이스의 기준면을 따라 상기 스테이지 이동부와 집광 렌즈 이동부가 일 축에 평행한 방향으로 미끄러지도록 하는 미끄럼 가이드 구조와;
상기 스테이지 이동부 및 집광 렌즈 이동부에 가속력을 제공하는 가공 액츄에이터와;
상기 집광 렌즈 이동부의 위치를 측정하는 집광 렌즈 위치 측정부와;
상기 스테이지 이동부의 위치를 측정하는 스테이지 위치 측정부와;
상기 집광 렌즈 위치 측정부와 상기 스테이지 위치 측정부의 측정치를 이용하여, 상기 스테이지 이동부와 상기 집광 렌즈 이동부가 상기 일 축에 평행한 방향을 따라 서로 반대 방향으로 이동되며 가공 영역 내에서 상기 스테이지 이동부와 집광 렌즈 이동부 사이의 속도가 특정값이 되도록 제어하는 제어부와;
상기 스테이지 이동부 및 집광 렌즈 이동부 중 적어도 어느 하나와 베이스 사이에 복원력을 제공하는 복원 액츄에이터;를 포함하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 집광 렌즈가 특정 범위 안에 자동으로 유지되도록 중심 복원 제어를 하는 레이저 가공 장치.
제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 집광 렌즈 이동부의 질량 및 위치를 각각 M1, X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 질량 및 위치를 각각 M2, X2라 할 때,
(M1+M2) X2 + M1 (X1-X2) = 0을 만족하도록 상기 스테이지 및 집광 렌즈 이동부의 위치 X1, X2를 제어하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 미끄럼 가이드 구조에서, 상기 스테이지 이동부와 집광 렌즈이동부 각각은 상기 기준면과 접촉하거나 비접촉하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 미끄럼 가이드 구조는,
상기 스테이지 이동부가 상기 베이스의 기준면을 따라 미끄러지도록 하는 제1리니어 가이드 및 상기 집광 렌즈 이동부가 상기 베이스의 기준면을 따라 미끄러지도록 하는 제2리니어 가이드 중 적어도 하나의 리니어 가이드를 포함하며, 상기 적어도 하나의 리니어 가이드는 상기 베이스에 마련되는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 집광 렌즈 위치 측정부는,
상기 베이스의 기준면에 마련되는 제1스케일과;
상기 집광 렌즈 이동부에 상기 제1스케일에 대향하도록 마련되어 상기 제1스케일을 센싱하는 제1스케일 센싱 헤드;를 포함하는 레이저 가공 장치.
제6항에 있어서, 상기 스테이지 위치 측정부는,
상기 집광 렌즈 이동부에 마련되는 제2스케일과;
상기 스테이지 이동부에 상기 제2스케일에 대향하도록 마련되어 상기 제2스케일을 센싱하는 제2스케일 센싱 헤드;를 포함하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 가공 액츄에이터는,
상기 집광 렌즈 이동부에 가속력을 제공하도록 마련된 제1가공 액츄에이터와;
상기 스테이지 이동부에 가속력을 제공하도록 마련된 제2가공 액츄에이터;를 포함하는 레이저 가공 장치.
제8항에 있어서, 상기 제1가공 액츄에이터는,
상기 집광 렌즈 이동부와 베이스 중 어느 하나에 설치된 제1자석과;
상기 제1자석과 상호 작용하도록 상기 집광 렌즈 이동부와 베이스 중 나머지 하나에 설치된 제1코일;을 포함하며,
상기 제1코일에 인가되는 전류에 따라 상기 집광 렌즈 이동부의 가속력 및 위치를 제어하도록 된 레이저 가공 장치.
제8항에 있어서, 상기 제1가공 액츄에이터는,
상기 베이스와 진동 측면에서 고립된 앵커 부재와 상기 집광 렌즈 이동부 중 어느 하나에 설치된 제1자석과;
상기 제1자석과 상호 작용하도록 상기 앵커 부재와 상기 집광 렌즈 이동부 중 나머지 하나에 설치된 제1코일;을 포함하며,
상기 제1코일에 인가되는 전류에 따라 상기 집광 렌즈 이동부의 가속력 및 위치를 제어하도록 된 레이저 가공 장치.
제8항에 있어서, 상기 제2가공 액츄에이터는,
상기 집광 렌즈 이동부와 스테이지 이동부 중 어느 하나에 설치된 제2자석과;
상기 제2자석과 상호 작용하도록 상기 집광 렌즈 이동부와 스테이지 이동부 중 나머지 하나에 설치된 제2코일;을 포함하며,
상기 제2코일에 인가되는 전류에 따라 상기 스테이지 이동부의 가속력 및 위치를 제어하도록 된 레이저 가공 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 렌즈 이동부의 위치를 X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 위치를 X2라 하고, X1-X2값을 X라 할 때, 상기 가공 액츄에이터에 의해 X값이 변하게 되며,
상기 가공 액츄에이터에 의해 변경되는 X 값을 상기 스테이지 위치 측정부를 통해 측정하여, 정해진 속도 프로파일에 따라 독립적으로 제어하도록 된 레이저 가공 장치.
삭제
제1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 렌즈 이동부의 질량 및 위치를 각각 M1, X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 질량 및 위치를 각각 M2, X2라 하고, X1-X2값을 X라 할 때,
상기 복원 액츄에이터는, 상기 스테이지 위치 X2가 M1/(M1+M2) X값이 되도록 제어하는 레이저 가공 장치.
제14항에 있어서, 상기 집광 렌즈 이동부의 위치를 X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 위치를 X2라 하고, X1-X2값을 X라 할 때, 상기 가공 액츄에이터에 의해 X값이 변하게 되며,
상기 가공 액츄에이터에 의해 변경되는 X 값을 상기 스테이지 위치 측정부를 통해 측정하여, 정해진 속도 프로파일에 따라 독립적으로 제어하도록 된 레이저 가공 장치.
가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 렌즈를 이동시키는 집광 렌즈 이동부와 가공 대상물이 탑재되는 스테이지를 이동시키도록 마련된 스테이지 이동부에 각각 가속력을 제공하여, 베이스의 기준면에 대해 일 축에 평행한 방향을 따라 상기 집광 렌즈 이동부와 상기 스테이지 이동부가 서로 반대 방향으로 미끄러지면서 구동되도록 하는 단계와;
상기 집광 렌즈 이동부의 위치나 상기 스테이지 이동부의 위치를 측정하는 단계와;
상기 집광 렌즈 이동부의 위치 측정치와 상기 스테이지 이동부의 위치 측정치를 이용하여, 가공 영역 내에서 서로 반대 방향으로 이동되는 상기 스테이지 이동부와 집광 렌즈 이동부 사이의 속도가 특정값이 되도록 제어하는 단계;를 포함하며,
상기 스테이지 이동부 및 집광 렌즈 이동부 중 적어도 어느 하나와 베이스 사이에 복원력을 제공하여,
상기 집광 렌즈 이동부의 질량 및 위치를 각각 M1, X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 질량 및 위치를 각각 M2, X2라 하고, X1-X2값을 X라 할 때,
상기 스테이지 이동부의 위치 X2가 M1/(M1+M2) X값이 되도록 제어하는 레이저 가공 장치 구동 방법.
제16항에 있어서, 상기 집광 렌즈가 특정 범위 안에 자동으로 유지되도록 중심 복원 제어를 하는 레이저 가공 장치 구동 방법.
제17항에 있어서, 상기 집광 렌즈 이동부의 질량 및 위치를 각각 M1, X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 질량 및 위치를 각각 M2, X2라 할 때,
(M1+M2) X2 + M1 (X1-X2) = 0을 만족하도록 상기 스테이지 및 집광 렌즈 이동부의 위치 X1, X2를 제어하는 레이저 가공 장치 구동 방법.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 렌즈 이동부의 위치를 X1 이라 하고, 상기 스테이지 이동부의 위치를 X2라 하고, X1-X2값을 X라 할 때, 상기 집광 렌즈 이동부나 스테이지 이동부의 구동에 의해 X값이 변하게 되며,
상기 X 값을 상기 스테이지 이동부의 위치 측정치를 이용하여, 정해진 속도 프로파일에 따라 독립적으로 제어하도록 된 레이저 가공 장치 구동 방법.
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