KR101957522B1

KR101957522B1 - 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR101957522B1
Application number: KR1020120129475A
Authority: KR
Inventors: 히로시 모리카즈
Original assignee: 가부시기가이샤 디스코
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2019-03-12
Also published as: US20130134142A1; JP5908705B2; TW201325794A; JP2013111630A; KR20130061061A; CN103128441A; CN103128441B; TWI590903B; US9044819B2

Abstract

본 발명은, 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광선의 평행도를 용이하게 조정할 수 있는 평행도 조정 기능을 갖춘 레이저 가공 장치를 제공한다.
본 발명의 레이저 가공 장치는, 레이저 발진기와 레이저 발진기에 의해 발진된 레이저 광선을 집광하는 집광기를 구비하고 있는 레이저 가공 장치로서, 펄스 레이저 광선 발진 수단과 집광기의 사이에 배치된 빔 직경 조정 수단과, 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 집광기를 향해 광로를 변환하는 광로 변환 미러와, 광로 변환 미러를 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 집광기로 유도하는 작용 위치와, 레이저 광선을 직진시켜 검출 광로로 유도하는 비작용 위치에 위치시키는 미러 위치 부여 수단과, 검출 광로로 유도된 레이저 광선의 빔 직경을 검출하는 촬상 수단과, 촬상 수단을 검출 광로를 따라서 이동시킴으로써 광로 길이를 변경하는 광로 길이 변경 수단과, 촬상 수단과 빔 직경 조정 수단 및 광로 길이 변경 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 제어 수단은 광로 길이 변경 수단을 작동하여 촬상 수단을 광로 길이가 상이한 2개소에 위치시키고, 2개소에서 촬상 수단을 작동하여 레이저 광선의 빔 직경을 검출하고, 검출된 2개의 빔 직경에 기초하여 2개의 빔 직경이 정해진 관계가 되도록 빔 직경 조정 수단을 제어한다.

Description

레이저 가공 장치{LASER MACHINING APPARATUS}

본 발명은, 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광선을 특히 평행광으로 하기 위한 평행도 조정 기능을 갖춘 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스 제조 공정에서는, 대략 원판형상인 반도체 웨이퍼의 표면에 격자형으로 배열된 스트리트라고 불리는 분할 예정 라인에 의해 복수의 영역이 구획되고, 이 구획된 영역에 IC, LSI 등의 디바이스를 형성한다. 그리고, 반도체 웨이퍼를 스트리트를 따라서 절단함으로써 디바이스가 형성된 영역을 분할하여 개개의 반도체 칩을 제조하고 있다. 또한, 사파이어 기판의 표면에 포토다이오드 등의 수광 소자나 레이저 다이오드 등의 발광 소자 등이 적층된 광디바이스 웨이퍼도 스트리트를 따라서 절단함으로써 개개의 포토다이오드, 레이저 다이오드 등의 광디바이스로 분할되어, 전기 기기에 널리 이용되고 있다.

전술한 반도체 웨이퍼나 광디바이스 웨이퍼 등의 웨이퍼를 스트리트를 따라서 분할하는 방법으로서, 웨이퍼에 형성된 스트리트를 따라서 펄스 레이저 광선을 조사(照射)함으로써 레이저 가공 홈 또는 내부에 변질층을 형성하고, 이 레이저 가공 홈 또는 변질층을 따라서 파단하는 방법이 실용화되어 있다. 이와 같이 웨이퍼 등의 피가공물에 레이저 가공을 하는 레이저 가공 장치는, 피가공물을 유지하는 척 테이블과, 상기 척 테이블에 유지된 피가공물에 레이저 광선을 조사하는 레이저 광선 조사 수단을 구비하고 있다. 이 레이저 광선 조사 수단은, 레이저 광선을 발진하는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기가 발진한 레이저 광선을 집광하여 척 테이블에 유지된 피가공물에 조사하는 집광기로 구성되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

전술한 레이저 가공을 실시하기 위한 레이저 가공 장치는, 피가공물을 유지하는 척 테이블과, 상기 척 테이블에 유지된 피가공물에 레이저 광선을 조사하는 레이저 광선 조사 수단을 구비하고 있다. 이 레이저 광선 조사 수단은, 레이저 광선을 발진하는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈를 구비하고 있다. 이러한 레이저 광선 조사 수단에서는, 집광 렌즈에 입사되는 레이저 광선은 소정의 빔 직경을 갖는 평행 빔인 것이 바람직하지만, 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 광선은 발산각을 갖고 있기 때문에, 레이저 발진기와 집광 렌즈 사이에 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 광선을 평행하게 하기 위한 빔 조정 수단이 배치된다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2006-51517호 공보

이렇게 하여, 상기 빔 조정 수단에 의한 조정은, 오퍼레이터가 광학계를 노출시키고, 집광기에 이르는 광로에 레이저 광선의 빔 직경을 검출하는 검출기를 2개소에 위치시켜 검출하고, 검출한 2개의 빔 직경이 동일한 직경이 되도록 빔 조정 수단을 조정하기 때문에, 작업성이 나쁘다고 하는 문제가 있다. 한편, 집광 렌즈로 유도되는 레이저 광선은, 반드시 평행광이어야 할 뿐만 아니라, 예컨대 0.1도 정도의 각도로 축경(縮徑)되도록 조정하여 이용하는 경우가 있다. 이러한 조정도, 오퍼레이터는 광학계를 노출시키고, 집광기에 이르는 광로에 레이저 광선의 빔 직경을 검출하는 검출기를 2개소에 위치시켜 검출하며, 검출한 2개의 빔 직경이 정해진 관계가 되도록 빔 조정 수단을 조정한다.

본 발명은 상기 사실을 감안하여 이루어진 것으로, 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광선의 평행도 등을 용이하게 조정할 수 있는 조정 기능을 갖춘 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.

상기 주된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의하면, 레이저 가공 장치로서, 피가공물을 유지하는 척 테이블과, 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기에 의해 발진된 레이저 광선을 집광하는 집광기를 갖고 상기 척 테이블에 유지된 피가공물에 펄스 레이저 광선을 조사하는 레이저 빔 조사 수단과, 상기 레이저 발진기와 상기 집광기 사이에 배치되어 상기 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 광선의 빔 직경을 조정하는 빔 직경 조정 수단과, 상기 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 상기 집광기를 향해 광로를 변환하는 광로 변환 미러와, 상기 광로 변환 미러를, 상기 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 상기 집광기로 유도하는 작용 위치와, 상기 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 직진시켜 검출 광로로 유도하는 비작용 위치에 위치시키는 미러 위치 부여 수단과, 상기 검출 광로에 배치되어 상기 검출 광로로 유도된 레이저 광선을 감광(減光)하는 감광 수단과, 상기 감광 수단에 의해 감광된 레이저 광선의 빔 직경을 검출하는 촬상 수단과, 촬상 수단을 상기 검출 광로를 따라서 이동시킴으로써 광로 길이를 변경하는 광로 길이 변경 수단과, 상기 촬상 수단, 상기 빔 직경 조정 수단 및 상기 광로 길이 변경 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 상기 제어 수단은, 상기 광로 길이 변경 수단을 작동하여 상기 촬상 수단을 광로 길이가 상이한 2개소에 위치시키며, 상기 2개소에서 상기 촬상 수단을 작동하여 레이저 광선의 빔 직경을 검출하고, 검출된 상기 2개의 빔 직경에 기초하여 상기 2개의 빔 직경이 정해진 관계가 되도록 상기 빔 직경 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치가 제공된다.

상기 2개의 빔 직경의 정해진 관계는 동일하게 설정되어 있다.

본 발명에 의한 레이저 가공 장치는, 펄스 레이저 발진기와 집광기의 사이에 배치된 빔 직경 조정 수단과, 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 집광기를 향해 광로를 변환하는 광로 변환 미러와, 광로 변환 미러를 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 집광기로 유도하는 작용 위치와, 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 직진시켜 검출 광로로 유도하는 비작용 위치에 위치시키는 미러 위치 부여 수단과, 검출 광로에 배치되어 검출 광로로 유도된 레이저 광선을 감광하는 감광 수단과, 감광 수단에 의해 감광된 레이저 광선의 빔 직경을 검출하는 촬상 수단과, 촬상 수단을 검출 광로를 따라서 이동시킴으로써 광로 길이를 변경하는 광로 길이 변경 수단과, 촬상 수단, 빔 직경 조정 수단 및 광로 길이 변경 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 제어 수단은 광로 길이 변경 수단을 작동하여 촬상 수단을 광로 길이가 상이한 2개소에 위치시키며, 상기 2개소에서 촬상 수단을 작동하여 레이저 광선의 빔 직경을 검출하고, 검출된 2개의 빔 직경에 기초하여 2개의 빔 직경이 정해진 관계가 되도록 빔 직경 조정 수단을 제어하기 때문에, 펄스 레이저 광선 발진 수단으로부터 발진되는 펄스 레이저 광선을 오퍼레이터가 평행광으로 수정하는 작업이 불필요해져 작업성이 향상된다.

도 1은 본 발명에 따라서 구성된 레이저 가공 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 나타내는 레이저 가공 장치에 장비되는 레이저 광선 조사 수단의 구성을 간략하게 나타내는 블록도.
도 3은 도 1에 나타내는 레이저 가공 장치에 장비되는 제어 수단의 블록도.

이하, 본 발명에 따라서 구성된 레이저 가공 장치의 바람직한 실시형태에 관해, 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명한다.

도 1에는, 본 발명에 따라서 구성된 레이저 가공 장치의 사시도가 도시되어 있다. 도 1에 나타내는 레이저 가공 장치(1)는, 정지(靜止) 베이스(2)와, 상기 정지 베이스(2)에 화살표 X로 나타내는 가공 이송 방향(X축 방향)으로 이동 가능하게 배치되며 피가공물을 유지하는 척 테이블 기구(3)와, 정지 베이스(2)에 상기 X축 방향과 직교하는 화살표 Y로 나타내는 인덱싱 이송 방향(Y축 방향)으로 이동 가능하게 배치된 레이저 광선 조사 유닛 지지 기구(4)와, 상기 레이저 광선 조사 유닛 지지 기구(4)에 화살표 Z로 나타내는 집광점 위치 조정 방향(Z축 방향)으로 이동 가능하게 배치된 레이저 광선 조사 유닛(5)을 구비하고 있다.

상기 척 테이블 기구(3)는, 정지 베이스(2) 상에 X축 방향을 따라서 평행하게 배치된 한 쌍의 안내 레일(31, 31)과, 상기 안내 레일(31, 31) 상에 X축 방향으로 이동 가능하게 배치된 제1 슬라이딩 블록(32)과, 상기 제1 슬라이딩 블록(32) 상에 화살표 Y로 나타내는 인덱싱 이송 방향으로 이동 가능하게 배치된 제2 슬라이딩 블록(33)과, 상기 제2 슬라이딩 블록(33) 상에 원통 부재(34)에 의해 지지된 커버 테이블(35)과, 피가공물 유지 수단으로서의 척 테이블(36)을 구비하고 있다. 이 척 테이블(36)은 다공성 재료로 형성된 흡착 척(361)을 구비하고 있고, 흡착 척(361)의 상면(유지면)에 피가공물인 예컨대 원반형의 반도체 웨이퍼를 도시하지 않은 흡인 수단에 의해 유지하도록 되어 있다. 이와 같이 구성된 척 테이블(36)은, 원통 부재(34) 내에 배치된 도시하지 않은 펄스 모터에 의해 회전된다. 또한, 척 테이블(36)에는, 후술하는 링형의 프레임을 고정하기 위한 클램프(362)가 배치되어 있다.

상기 제1 슬라이딩 블록(32)은, 그 하면에 상기 한 쌍의 안내 레일(31, 31)과 감합되는 한 쌍의 피안내 홈(321, 321)이 마련되어 있고, 그 상면에 Y축 방향을 따라서 평행하게 형성된 한 쌍의 안내 레일(322, 322)이 마련되어 있다. 이와 같이 구성된 제1 슬라이딩 블록(32)은, 피안내 홈(321, 321)이 한 쌍의 안내 레일(31, 31)에 감합됨으로써, 한 쌍의 안내 레일(31, 31)을 따라서 X축 방향으로 이동 가능하게 구성된다. 도시한 실시형태에서의 척 테이블 기구(3)는, 제1 슬라이딩 블록(32)을 한 쌍의 안내 레일(31, 31)을 따라서 X축 방향으로 이동시키기 위한 가공 이송 수단(37)을 구비하고 있다. 가공 이송 수단(37)은, 상기 한 쌍의 안내 레일(31과 31)의 사이에 평행하게 배치된 수나사 로드(371)와, 상기 수나사 로드(371)를 회전 구동하기 위한 펄스 모터(372) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(371)는, 그 일단이 상기 정지 베이스(2)에 고정된 베어링 블록(373)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(372)의 출력축에 전동(傳動) 연결되어 있다. 한편, 수나사 로드(371)는, 제1 슬라이딩 블록(32)의 중앙부 하면에 돌출되게 마련된 도시하지 않은 암나사 블록에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(372)에 의해 수나사 로드(371)를 정회전 및 역회전 구동함으로써, 제1 슬라이딩 블록(32)은 안내 레일(31, 31)을 따라서 X축 방향으로 이동된다.

상기 제2 슬라이딩 블록(33)은, 그 하면에 상기 제1 슬라이딩 블록(32)의 상면에 마련된 한 쌍의 안내 레일(322, 322)과 감합되는 한 쌍의 피안내 홈(331, 331)이 마련되어 있고, 이 피안내 홈(331, 331)을 한 쌍의 안내 레일(322, 322)에 감합함으로써, 화살표 Y로 나타내는 인덱싱 이송 방향으로 이동 가능하게 구성된다. 도시한 실시형태에서의 척 테이블 기구(3)는, 제2 슬라이딩 블록(33)을 제1 슬라이딩 블록(32)에 마련된 한 쌍의 안내 레일(322, 322)을 따라서 Y축 방향으로 이동시키기 위한 제1 인덱싱 이송 수단(38)을 구비하고 있다. 제1 인덱싱 이송 수단(38)은, 상기 한 쌍의 안내 레일(322와 322) 사이에 평행하게 배치된 수나사 로드(381)와, 상기 수나사 로드(381)를 회전 구동하기 위한 펄스 모터(382) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(381)는, 그 일단이 상기 제1 슬라이딩 블록(32)의 상면에 고정된 베어링 블록(383)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(382)의 출력축에 전동 연결되어 있다. 또한, 수나사 로드(381)는, 제2 슬라이딩 블록(33)의 중앙부 하면에 돌출되게 마련된 도시하지 않은 암나사 블록에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(382)에 의해 수나사 로드(381)를 정회전 및 역회전 구동함으로써, 제2 슬라이딩 블록(33)은 안내 레일(322, 322)을 따라서 Y축 방향으로 이동된다.

상기 레이저 광선 조사 유닛 지지 기구(4)는, 정지 베이스(2) 상에 화살표 Y로 나타내는 인덱싱 이송 방향을 따라서 평행하게 배치된 한 쌍의 안내 레일(41, 41)과, 상기 안내 레일(41, 41) 상에 Y축 방향으로 이동 가능하게 배치된 가동 지지 베이스(42)를 구비하고 있다. 이 가동 지지 베이스(42)는, 안내 레일(41, 41) 상에 이동 가능하게 배치된 이동 지지부(421)와, 상기 이동 지지부(421)에 부착된 장착부(422)를 포함하고 있다. 장착부(422)는, 한쪽 측면에 Z축 방향으로 연장되는 한 쌍의 안내 레일(423, 423)이 평행하게 마련되어 있다. 도시한 실시형태에서의 레이저 광선 조사 유닛 지지 기구(4)는, 가동 지지 베이스(42)를 한 쌍의 안내 레일(41, 41)을 따라서 Y축 방향으로 이동시키기 위한 제2 인덱싱 이송 수단(43)을 구비하고 있다. 제2 인덱싱 이송 수단(43)은, 상기 한 쌍의 안내 레일(41, 41) 사이에 평행하게 배치된 수나사 로드(431)와, 상기 수나사 로드(431)를 회전 구동하기 위한 펄스 모터(432) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(431)는, 그 일단이 상기 정지 베이스(2)에 고정된 도시하지 않은 베어링 블록에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(432)의 출력축에 전동 연결되어 있다. 또한, 수나사 로드(431)는, 가동 지지 베이스(42)를 구성하는 이동 지지부(421)의 중앙부 하면에 돌출되게 마련된 도시하지 않은 암나사 블록에 형성된 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 이 때문에, 펄스 모터(432)에 의해 수나사 로드(431)를 정회전 및 역회전 구동함으로써, 가동 지지 베이스(42)는 안내 레일(41, 41)을 따라서 Y축 방향으로 이동된다.

레이저 광선 조사 유닛(5)은, 유닛 홀더(51)와, 상기 유닛 홀더(51)에 부착된 레이저 광선 조사 수단(6)을 구비하고 있다. 유닛 홀더(51)는, 상기 장착부(422)에 마련된 한 쌍의 안내 레일(423, 423)에 슬라이딩 이동 가능하게 감합되는 한 쌍의 피안내 홈(511, 511)이 마련되어 있고, 이 피안내 홈(511, 511)을 상기 안내 레일(423, 423)에 감합함으로써, Z축 방향으로 이동 가능하게 지지된다.

레이저 광선 조사 유닛(5)은, 유닛 홀더(51)를 한 쌍의 안내 레일(423, 423)을 따라서 Z축 방향으로 이동시키기 위한 집광점 위치 조정 수단(53)을 구비하고 있다. 집광점 위치 조정 수단(53)은, 한 쌍의 안내 레일(423, 423) 사이에 배치된 수나사 로드(도시하지 않음)와, 상기 수나사 로드를 회전 구동하기 위한 펄스 모터(532) 등의 구동원을 포함하고 있고, 펄스 모터(532)에 의해 도시하지 않은 수나사 로드를 정회전 및 역회전 구동함으로써, 유닛 홀더(51) 및 레이저 광선 조사 수단(6)을 안내 레일(423, 423)을 따라서 Z축 방향으로 이동시킨다. 한편, 도시한 실시형태에서는 펄스 모터(532)를 정회전 구동함으로써 레이저 광선 조사 수단(6)을 위쪽으로 이동시키고, 펄스 모터(532)를 역회전 구동함으로써 레이저 광선 조사 수단(6)을 아래쪽으로 이동시키도록 되어 있다.

레이저 광선 조사 수단(6)은, 실질적으로 수평으로 배치된 원통형상의 케이싱(61)을 포함하고 있다. 또한, 레이저 광선 조사 수단(6)은, 도 2에 나타낸 바와 같이 케이싱(61) 내에 배치된 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)과, 상기 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진된 레이저 광선을 집광하는 대물 집광 렌즈(631)를 구비하며 케이싱(61)에 배치된 집광기(63)를 구비하고 있다. 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)은, YAG 레이저 발진기 또는 YVO4 레이저 발진기로 이루어진 펄스 레이저 광선 발진기(621)와, 여기에 부설(付設)된 반복 주파수 설정 수단(622)으로 구성되어 있다. 이와 같이 구성된 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)은, 도시한 실시형태에서는 직경이 3 ㎜인 펄스 레이저 광선을 발진한다. 상기 집광기(63)는, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진된 레이저 광선을 집광하여 상기 척 테이블(36)에 유지된 피가공물(W)에 조사한다.

도 2를 참조하여 설명을 계속하면, 도시한 실시형태에서의 레이저 광선 조사 수단(6)은, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)과 집광기(63) 사이에 배치되어 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)으로부터 발진되는 레이저 광선의 빔 직경을 조정하는 빔 직경 조정 수단(64)과, 상기 빔 직경 조정 수단(64)을 통과한 레이저 광선을 집광기(63)를 향해 광로를 변환하는 광로 변환 미러(65)와, 상기 광로 변환 미러(65)를 도 2에서 실선으로 나타내는 작용 위치와 이점쇄선으로 나타내는 비작용 위치에 위치시키는 미러 위치 부여 수단(66)을 구비하고 있다.

빔 직경 조정 수단(64)은, 도시한 실시형태에서는 초점거리가 (f1=-50 ㎜)인 오목 렌즈로 이루어진 제1 렌즈(641)와, 상기 제1 렌즈(641)와 간격(L=100 ㎜)을 두고 배치되는 초점거리가 (f2=+100 ㎜)인 볼록 렌즈로 이루어진 제2 렌즈(642)를 구비하고 있다. 이 제1 렌즈(641)는 광축방향(도 2에서 좌우방향)으로 연장되는 지지 베이스(643) 상에 배치되고, 제2 렌즈(642)는 지지 베이스(643) 상에 광축방향으로 이동 가능하게 배치된 이동 베이스(644)에 장착되어 있다. 도시한 실시형태에서의 빔 직경 조정 수단(64)은, 제2 렌즈(642)가 장착된 이동 베이스(644)를 광축방향(도 2에서 좌우방향)으로 이동시키는 이동 수단(645)을 구비하고 있다. 이동 수단(645)은, 광축방향으로 지지 베이스(643)를 따라서 배치된 수나사 로드(645a)와, 상기 수나사 로드(645a)를 회전 구동하기 위한 펄스 모터(645b) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(645a)는, 그 일단이 상기 지지 베이스(643)에 고정된 베어링 블록(645c)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(645b)의 출력축에 전동 연결되어 있다. 또한, 수나사 로드(645a)는, 이동 베이스(644)에 부착된 암나사 블록(645d)에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(645b)에 의해 수나사 로드(645a)를 정회전 및 역회전 구동함으로써, 제2 렌즈(642)가 장착된 이동 베이스(644)는 지지 베이스(643)를 따라서 이동된다. 또한, 제2 렌즈(642)가 장착된 이동 베이스(644)의 이동량은, 펄스 모터(645b)에 인가하는 구동 펄스가 1 펄스당 예컨대 1 ㎛로 설정되어 있다. 이와 같이 구성된 이동 수단(645)의 펄스 모터(645b)는, 후술하는 제어 수단에 의해 제어된다.

상기 광로 변환 미러(65)는, 상기 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되어 빔 직경 조정 수단(64)을 통과한 레이저 광선을 도 2에서 아래쪽으로 방향 변환하여 집광기(63)로 유도한다. 광로 변환 미러(65)를 도 2에서 실선으로 나타내는 작용 위치와 이점쇄선으로 나타내는 비작용 위치에 위치시키는 미러 위치 부여 수단(66)은, 광로 변환 미러(65)를 지지하는 미러 지지 부재(661)와, 상기 미러 지지 부재(661)를 도 2에서 상하 방향으로 이동시키는 이동 수단(662)을 포함하고 있다. 이동 수단(662)은, 상하 방향으로 연장되는 지지 베이스(662a)와, 상기 지지 베이스(662a)를 따라서 상하 방향으로 배치된 수나사 로드(662b)와, 상기 수나사 로드(662b)를 회전 구동하기 위한 펄스 모터(662c) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(662b)는, 그 일단이 상기 지지 베이스(662a)에 고정된 베어링 블록(662d)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(662c)의 출력축에 전동 연결되어 있다. 또한, 수나사 로드(662b)는, 미러 지지 부재(661)에 부착된 암나사 블록(662e)에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(662c)에 의해 수나사 로드(662b)를 정회전 및 역회전 구동함으로써, 광로 변환 미러(65)를 지지하는 미러 지지 부재(661)는 지지 베이스(662a)를 따라서 상하 방향으로 이동된다. 이와 같이 구성된 이동 수단(662)에 의해 광로 변환 미러(65)를 지지하는 미러 지지 부재(661)를 도 2에서 실선으로 나타내는 작용 위치에 위치시키면, 상기 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되어 빔 직경 조정 수단(64)을 통과한 레이저 광선을 집광기(63)로 유도한다. 또한, 이동 수단(662)에 의해 광로 변환 미러(65)를 지지하는 미러 지지 부재(661)를 도 2에서 이점쇄선으로 나타내는 비작용 위치에 위치시키면, 상기 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되어 빔 직경 조정 수단(64)을 통과한 레이저 광선을 직진시켜 검출 광로(67)로 유도한다. 또한, 레이저 광선은, 광로 변환 미러(65)가 작용 위치에 있는 경우에는 검출 광로(67)로 유도되지 않으며, 광로 변환 미러(65)가 비작용 위치에 있는 경우에만 검출 광로(67)로 유도된다.

도 2를 참조하여 설명을 계속하면, 레이저 광선 조사 수단(6)은, 상기 검출 광로(67)에 배치되어 상기 검출 광로(67)로 유도된 레이저 광선을 감광하는 감광 수단(68)과, 상기 감광 수단(68)에 의해 감광된 레이저 광선의 빔 직경을 검출하는 촬상 수단(69)과, 상기 촬상 수단(69)을 검출 광로(67)를 따라서 이동시킴으로써 광로 길이를 변경하는 광로 길이 변경 수단(70)을 구비하고 있다. 감광 수단(68)은, 도시한 실시형태에서는 감광기(681)와 ND 필터(682)로 이루어져 있다. 상기 촬상 수단(69)은, 도시한 실시형태에서는 촬상 소자(CCD)로 구성되어 있고, 촬상한 화상 신호를 후술하는 제어 수단으로 보낸다. 상기 광로 길이 변경 수단(70)은, 상기 감광기(681)와 ND 필터(682)로 이루어진 감광 수단(68) 및 촬상 수단(69)이 배치된 이동 베이스(71)와, 상기 이동 베이스(71)를 검출 광로(67)를 따라서 이동 가능하게 지지하는 지지 베이스(72)와, 이동 베이스(71)를 지지 베이스(72)를 따라서 이동시키는 이동 수단(73)을 구비하고 있다. 이동 수단(73)은, 지지 베이스(72)를 따라서 배치된 수나사 로드(731)와, 상기 수나사 로드(731)를 회전 구동하기 위한 펄스 모터(732) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(731)는, 그 일단이 상기 지지 베이스(72)에 고정된 베어링 블록(733)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(732)의 출력축에 전동 연결되어 있다. 또한, 수나사 로드(731)는, 이동 베이스(71)에 부착된 암나사 블록(734)에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(732)에 의해 수나사 로드(731)를 정회전 및 역회전 구동함으로써, 감광 수단(68) 및 촬상 수단(69)이 배치된 이동 베이스(71)는 지지 베이스(72)를 따라서 이동된다. 이와 같이 구성된 이동 수단(73)의 펄스 모터(732)는, 후술하는 제어 수단에 의해 제어된다.

도 1로 되돌아가 설명을 계속하면, 상기 레이저 광선 조사 수단(6)을 구성하는 케이싱(61)에는, 레이저 광선 조사 수단(6)에 의해 레이저 가공해야 할 가공 영역을 검출하는 얼라인먼트 수단(60)이 배치되어 있다. 이 얼라인먼트 수단(60)은, 촬상 소자(CCD) 등으로 구성되어 있고, 촬상한 화상 신호를 후술하는 제어 수단으로 보낸다.

도시한 실시형태에서의 레이저 가공 장치는, 도 3에 나타내는 제어 수단(8)을 구비하고 있다. 도 3에 나타내는 제어 수단(8)은 컴퓨터에 의해 구성되어 있고, 제어 프로그램에 따라서 연산 처리하는 중앙 처리 장치(CPU)(81)와, 제어 프로그램 등을 저장하는 리드 온리 메모리(ROM)(82)와, 연산 결과 등을 저장하는 읽기/쓰기 가능한 랜덤 액세스 메모리(RAM)(83)와, 카운터(84)와, 입력 인터페이스(85) 및 출력 인터페이스(86)를 구비하고 있다. 제어 수단(8)의 입력 인터페이스(85)에는, 상기 얼라인먼트 수단(60), 촬상 수단(69) 등으로부터의 검출 신호가 입력된다. 그리고, 제어 수단(8)의 출력 인터페이스(86)로부터는, 상기 가공 이송 수단(37)을 구성하는 펄스 모터(372), 제1 인덱싱 이송 수단(38)을 구성하는 펄스 모터(382), 제2 인덱싱 이송 수단(43)을 구성하는 펄스 모터(432), 집광점 위치 조정 수단(53)을 구성하는 펄스 모터(532), 레이저 광선 조사 수단(6)의 펄스 레이저 광선 발진 수단(62), 빔 직경 조정 수단(64)의 이동 수단(645)을 구성하는 펄스 모터(645b), 미러 위치 부여 수단(66)의 이동 수단(662)을 구성하는 펄스 모터(662c), 광로 길이 변경 수단(70)의 이동 수단(73)을 구성하는 펄스 모터(732) 등에 제어 신호를 출력한다.

도시한 실시형태에서의 레이저 가공 장치는 이상과 같이 구성되어 있고, 이하에 그 작용에 관해 설명한다. 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선(직경이 3 ㎜)은, 평행광이라면, 빔 직경 조정 수단(64)의 제1 렌즈(641) 및 제2 렌즈(642)가 전술한 바와 같이 배치되어 있는 경우에는, 직경이 6 ㎜인 평행광이 된다. 그런데, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선은, 대략 평행광이지만 약간 확경(擴徑) 또는 축경되는 경향이 있다. 따라서, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선이 평행광이 아닌 경우에는, 평행광으로 수정할 필요가 있다. 이하, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선이 평행광인지의 여부를 검출하고, 평행광이 아닌 경우에는 평행광으로 수정하는 방법에 관해, 주로 도 2를 참조하여 설명한다.

우선, 제어 수단(8)은, 미러 위치 부여 수단(66)의 이동 수단(662)을 구성하는 펄스 모터(662c)를 작동하여, 광로 변환 미러(65)를 지지하는 미러 지지 부재(661)를 도 2에서 이점쇄선으로 나타내는 비작용 위치에 위치시킨다. 또한, 제어 수단(8)은, 광로 길이 변경 수단(70)의 이동 수단(73)을 구성하는 펄스 모터(732)를 작동하여, 촬상 수단(69)을 도 2에서 화살표 A로 나타내는 제1 검출 위치에 위치시킨다. 이와 같이 광로 변환 미러(65)를 비작용 위치에 위치시키고 촬상 수단(69)을 제1 검출 위치 A에 위치시켰다면, 제어 수단(8)은 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)을 작동하여 펄스 레이저 광선을 발진시킨다. 그 결과, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진된 펄스 레이저 광선은, 빔 직경 조정 수단(64)을 통과하여 검출 광로(67)로 유도되고, 감광기(681)와 ND 필터(682)로 이루어진 감광 수단(68)에 의해 감광되어 촬상 수단(69)에 도달한다. 촬상 수단(69)은, 도달한 광을 촬상하여 촬상 신호를 제어 수단(8)으로 보낸다. 제어 수단(8)은, 촬상 수단(69)으로부터 보내진 촬상 신호를 제1 검출 신호 DA로서 랜덤 액세스 메모리(RAM)(83)에 일시 저장한다. 다음으로, 제어 수단(8)은, 광로 길이 변경 수단(70)의 이동 수단(73)을 구성하는 펄스 모터(732)를 작동하여, 촬상 수단(69)을 도 2에서 화살표 B로 나타내는 제2 검출 위치에 위치시킨다. 그리고, 제어 수단(8)은, 전술한 바와 같이 촬상 수단(69)에 도달한 광을 촬상한 촬상 수단(69)으로부터 출력되는 촬상 신호를 제2 검출 신호 DB로서 랜덤 액세스 메모리(RAM)(83)에 일시 저장한다.

전술한 바와 같이 제1 검출 신호 DA와 제2 검출 신호 DB를 랜덤 액세스 메모리(RAM)(83)에 일시 저장했다면, 제어 수단(8)은 제1 검출 신호 DA에 기초하여 빔 직경 φA를 구하고 제2 검출 신호 DB에 기초하여 빔 직경 φB를 구한다(빔 직경 검출 공정). 그리고, 제어 수단(8)은, 상기 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계[빔 직경 조정 수단(64)을 통과하여 검출 광로(67)로 유도된 펄스 레이저 광선이 예컨대 0.1도의 각도를 갖고 축경되는 정해진 관계]인지의 여부를 체크한다. 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계인 경우에는, 제어 수단(8)은 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선은 평행광 또는 설정된 정해진 관계라고 판단하여, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)의 작동을 정지하고, 미러 위치 부여 수단(66)의 이동 수단(662)을 구성하는 펄스 모터(662c)를 작동하여 광로 변환 미러(65)를 지지하는 미러 지지 부재(661)를 도 2에서 실선으로 나타내는 작용 위치에 위치시킨다.

상기 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계가 아닌 경우에는, 제어 수단(8)은 빔 직경 φA가 빔 직경 φB보다 큰지의 여부를 체크한다. 빔 직경 φA가 빔 직경 φB보다 큰 경우에는, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선은 확경되어 있기 때문에, 제어 수단(8)은 빔 직경 조정 수단(64)에 대하여 축경 공정을 실시한다. 이 축경 공정은, 우선 빔 직경 조정 수단(64)의 이동 수단(645)을 구성하는 펄스 모터(645b)를 작동하여, 제2 렌즈(642)가 장착된 이동 베이스(644)를 제1 렌즈(641)에 접근시키는 방향(도 2에서 좌측)으로 예컨대 1 ㎜ 이동시킨다. 이와 같이 제2 렌즈(642)를 제1 렌즈(641)에 접근시키는 방향으로 이동시켰다면, 제어 수단(8)은 광로 길이 변경 수단(70)의 이동 수단(73)을 구성하는 펄스 모터(732)를 작동하여, 촬상 수단(69)을 제1 검출 위치 A 및 제2 검출 위치 B에 각각 위치시켜 상기 빔 직경 검출 공정을 실시한다. 그리고, 제어 수단(8)은, 이번의 빔 직경 검출 공정을 실시함으로써 구해진 상기 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계인지의 여부를 체크하여, 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계인 경우에는, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선은 평행광 또는 설정된 정해진 관계로 수정되었다고 판단하여, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)의 작동을 정지하고, 미러 위치 부여 수단(66)의 이동 수단(662)을 구성하는 펄스 모터(662c)를 작동하여 광로 변환 미러(65)를 지지하는 미러 지지 부재(661)를 도 2에서 실선으로 나타내는 작용 위치에 위치시킨다.

이번의 빔 직경 검출 공정을 실시함으로써 구해진 상기 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계가 아닌 경우에는, 제어 수단(8)은 빔 직경 조정 수단(64)의 이동 수단(645)을 구성하는 펄스 모터(645b)를 작동하여, 제2 렌즈(642)가 장착된 이동 베이스(644)를 제1 렌즈(641)에 접근시키는 방향(도 2에서 좌측)으로 예컨대 100 ㎛ 이동시킨다. 그리고, 제어 수단(8)은, 상기 빔 직경 검출 공정을 실시한다. 이와 같이 하여, 상기 축경 공정과 빔 직경 검출 공정을 교대로 실시하여 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계가 될 때까지 실시한다. 또한, 상기 축경 공정에서 제2 렌즈(642)가 장착된 이동 베이스(644)를 제1 렌즈(641)에 접근시키는 방향(도 2에서 좌측)으로 이동시키는 거리는, 3회째는 예컨대 10 ㎛, 4회째는 예컨대 1 ㎛와 같이 점차 짧게 해 간다.

한편, 빔 직경 φB가 빔 직경 φA보다 큰 경우에는, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선은 축경되어 있기 때문에, 제어 수단(8)은 빔 직경 조정 수단(64)에 대하여 확경 공정을 실시한다. 이 확경 공정은, 우선 빔 직경 조정 수단(64)의 이동 수단(645)을 구성하는 펄스 모터(645b)를 작동하여, 제2 렌즈(642)가 장착된 이동 베이스(644)를 제1 렌즈(641)와 이반시키는 방향(도 2에서 우측)으로 예컨대 1 ㎜ 이동시킨다. 이와 같이 제2 렌즈(642)를 제1 렌즈(641)와 이반시키는 방향으로 이동시켰다면, 제어 수단(8)은 광로 길이 변경 수단(70)의 이동 수단(73)을 구성하는 펄스 모터(732)를 작동하여, 촬상 수단(69)을 제1 검출 위치 A 및 제2 검출 위치 B에 각각 위치시켜 상기 빔 직경 검출 공정을 실시한다. 그리고, 제어 수단(8)은, 이번의 빔 직경 검출 공정을 실시함으로써 구해진 상기 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계인지의 여부를 체크하여, 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계인 경우에는, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선은 평행광 또는 설정된 정해진 관계로 수정되었다고 판단하여, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)의 작동을 정지하고, 미러 위치 부여 수단(66)의 이동 수단(662)을 구성하는 펄스 모터(662c)를 작동하여 광로 변환 미러(65)를 지지하는 미러 지지 부재(661)를 도 2에서 실선으로 나타내는 작용 위치에 위치시킨다.

이번의 빔 직경 검출 공정을 실시함으로써 구해진 상기 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계가 아닌 경우에는, 제어 수단(8)은 빔 직경 조정 수단(64)의 이동 수단(645)을 구성하는 펄스 모터(645b)를 작동하여, 제2 렌즈(642)가 장착된 이동 베이스(644)를 제1 렌즈(641)와 이반시키는 방향(도 2에서 우측)으로 예컨대 100 ㎛ 이동시킨다. 그리고, 제어 수단(8)은 상기 빔 직경 검출 공정을 실시한다. 이와 같이 하여, 상기 확경 공정과 빔 직경 검출 공정을 교대로 실시하여 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계가 될 때까지 실시한다. 또한, 상기 확경 공정에서 제2 렌즈(642)가 장착된 이동 베이스(644)를 제1 렌즈(641)와 이반시키는 방향(도 2에서 우측)으로 이동시키는 거리는, 3회째는 예컨대 10 ㎛, 4회째는 예컨대 1 ㎛와 같이 점차 짧게 해 간다.

전술한 바와 같이 빔 직경 검출 공정에서 제1 검출 위치 A와 제2 검출 위치 B에서 촬상된 펄스 레이저 광선의 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계가 아닌 경우에는, 상기 축경 공정 또는 확경 공정과 빔 직경 검출 공정을 교대로 실시하여 빔 직경 φA와 빔 직경 φB가 동일 또는 설정된 정해진 관계가 될 때까지 실시함으로써, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선을 평행광 또는 설정된 정해진 관계로 수정할 수 있다. 이와 같이 하여, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)에 의해 발진되는 펄스 레이저 광선을 평행광 또는 설정된 정해진 관계로 수정했다면, 광로 변환 미러(65)를 도 2에서 실선으로 나타내는 작용 위치에 위치시킴으로써, 평행광 또는 설정된 정해진 관계로 수정된 펄스 레이저 광선을 집광기(63)에 의해 집광하여 레이저 가공을 실시할 수 있다.

이상과 같이 도시한 실시형태에서의 레이저 가공 장치는, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)과 집광기(63) 사이에 배치된 빔 직경 조정 수단(64)과, 빔 직경 조정 수단(64)을 통과한 레이저 광선을 집광기(63)를 향해 광로를 변환하는 광로 변환 미러(65)와, 광로 변환 미러(65)를 빔 직경 조정 수단(64)을 통과한 레이저 광선을 집광기(63)로 유도하는 작용 위치와, 빔 직경 조정 수단(64)을 통과한 레이저 광선을 직진시켜 검출 광로(67)로 유도하는 비작용 위치에 위치시키는 미러 위치 부여 수단(66)과, 검출 광로(67)에 배치되어 검출 광로로 유도된 레이저 광선을 감광하는 감광 수단(68)과, 감광 수단(68)에 의해 감광된 레이저 광선의 빔 직경을 검출하는 촬상 수단(69)과, 촬상 수단(69)을 검출 광로(67)를 따라서 이동시킴으로써 광로 길이를 변경하는 광로 길이 변경 수단(70)과, 촬상 수단(69), 빔 직경 조정 수단(64) 및 광로 길이 변경 수단(70)을 제어하는 제어 수단(8)을 구비하고, 제어 수단(8)은 광로 길이 변경 수단(70)을 작동하여 촬상 수단(69)을 광로 길이가 상이한 2개소에 위치시키며, 상기 2개소에서 촬상 수단(69)을 작동하여 레이저 광선의 빔 직경을 검출하고, 검출된 2개의 빔 직경에 기초하여 2개의 빔 직경이 동일 또는 설정된 정해진 관계가 되도록 빔 직경 조정 수단(64)을 제어하기 때문에, 펄스 레이저 광선 발진 수단(62)으로부터 발진되는 펄스 레이저 광선을 오퍼레이터가 평행광 또는 설정된 정해진 관계로 수정하는 작업이 불필요해져 작업성이 향상된다.

1 :　레이저 가공 장치 3 : 척 테이블 기구
36 : 척 테이블 37 : 가공 이송 수단
38 : 제1 인덱싱 이송 수단 4 : 레이저 광선 조사 유닛 지지 기구
43 : 제2 인덱싱 이송 수단 5 : 레이저 광선 조사 유닛
53 : 집광점 위치 조정 수단 6 : 레이저 광선 조사 수단
62 : 펄스 레이저 광선 발진 수단 63 : 집광기
64 : 빔 직경 조정 수단 641 : 제1 렌즈
642 : 제2 렌즈 65 : 광로 변환 미러
66 : 미러 위치 부여 수단 67 : 검출 광로
68 : 감광 수단 69 : 촬상 수단
70 : 광로 길이 변경 수단 8 : 제어 수단

Claims

피가공물을 유지하는 척 테이블과, 척 테이블에 유지된 피가공물에 펄스 레이저 광선을 조사하는 레이저 광선 조사 수단을 구비하고, 레이저 광선 조사 수단이 레이저 광선 발진기와 레이저 광선 발진기에 의해 발진된 레이저 광선을 집광하는 집광기를 구비하고 있는 레이저 가공 장치로서,
상기 레이저 광선 발진기와 상기 집광기 사이에 배치되어, 상기 레이저 광선 발진기로부터 발진되는 레이저 광선의 빔 직경을 조정하는 빔 직경 조정 수단과,
상기 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 상기 집광기를 향해 광로를 변환하는 광로 변환 미러와,
상기 광로 변환 미러를, 상기 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 상기 집광기에 유도하는 작용 위치와, 상기 빔 직경 조정 수단을 통과한 레이저 광선을 직진시켜 검출 광로에 유도하는 비작용 위치에 위치시키는 미러 위치 부여 수단과,
상기 검출 광로에 배치되어 상기 검출 광로에 유도된 레이저 광선을 감광(減光)하는 감광 수단과,
상기 감광 수단에 의해 감광된 레이저 광선의 빔 직경을 검출하는 촬상 수단과,
상기 촬상 수단을 상기 검출 광로를 따라서 이동시킴으로써 상기 레이저 광선 발진기로부터 상기 촬상 수단에 이르는 광로 길이를 변경하는 광로 길이 변경 수단, 그리고
상기 촬상 수단과, 상기 빔 직경 조정 수단 및 상기 광로 길이 변경 수단을 제어하는 제어 수단
을 구비하고,
상기 제어 수단은, 상기 미러 위치 부여 수단에 의해 상기 광로 변환 미러를 비작용 위치에 위치 부여한 상태에서, 상기 광로 길이 변경 수단을 작동하여 상기 촬상 수단을 광로 길이가 상이한 2개소에 위치시키며, 상기 2개소에서 상기 촬상 수단을 작동하여 레이저 광선의 빔 직경을 검출하고, 검출된 상기 2개의 빔 직경에 기초하여 상기 2개의 빔 직경이 정해진 관계가 되도록 상기 빔 직경 조정 수단을 제어하고,
상기 레이저 광선은, 상기 광로 변환 미러가 상기 작용 위치에 있는 경우에는 검출 광로로 유도되지 않으며, 상기 광로 변환 미러가 상기 비작용 위치에 있는 경우에만 검출 광로로 유도되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 2개의 빔 직경의 정해진 관계는 동일하게 설정되어 있는 것인 레이저 가공 장치.