KR102547657B1 - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 생성하는 광원, 및 가공 대상물에 초점을 형성하는 집광 광학계를 포함하고, 상기 집광 광학계는 관통형 광학 소자와 복합형 광학 소자를 포함하고, 상기 관통형 광학 소자는 하부면에 오목 거울인 제1 오목부를 포함하고, 상기 복합형 광학 소자는 상기 관통형 광학 소자 아래에 위치하고, 상기 복합형 광학 소자의 상부면은 볼록하고, 상기 레이저 빔을 반사하는 제1 영역과 상기 레이저 빔을 투과시키는 제2 영역을 포함한다.

Description

레이저 가공 장치{LASER PROCESSING APPARATUS}
본 개시는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
레이저 가공 기술은 가공 대상물에 레이저를 조사하여 가공 대상물의 표면에 홈을 형성하거나, 가공 대상물의 내부에 변질층을 형성하거나, 가공 대상물의 물질 특성을 변화시키는 등의 다양한 방법으로 응용되고 있다.
반도체, 디스플레이 분야에서 고밀도, 고집적화, 고정밀화 경향이 뚜렷해지면서, 초정밀 초고속 레이저 가공 기술의 필요성이 확대되고 있다. 또한, 레이저 가공성 향상을 위해 큰 순간출력을 얻을 수 있는 펄스형 레이저가 주목 받고 있다. 최근에는 펄스형 레이저의 펄스 지속시간이 나노초(nano second)에서 펨토초(femto second)까지 점차 짧아지고 있다.
초정밀 가공성이 요구되는 분야에서는, 가장 높은 광 에너지와 가장 작은 빔 스폿 크기가 얻어지는 레이저 빔의 초점 위치에 가공 대상물이 정확하게 위치하도록 조정하는 것이 매우 중요하다.
레이저 빔이 투과형 렌즈를 투과하는 경우 파장별 굴절률 차이에 의해 색수차(chromatic aberration)가 발생하여, 파장에 따라 초점의 위치가 달라진다. 레이저 빔은 펄스 지속시간이 짧을수록 스펙트럼 대역폭(spectral band width)이 넓어지는 경향이 있으므로, 레이저 빔의 펄스 지속시간이 짧아질수록 색수차에 의한 영향으로 가공 품질 저하, 가공 대상물의 불량, 낮은 생산성 등을 초래하는 문제가 있다.
실시예들은 레이저 가공 품질, 레이저 가공 정밀도 및 생산성이 향상된 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 생성하는 광원, 및 가공 대상물에 초점을 형성하는 집광 광학계를 포함하고, 상기 집광 광학계는 관통형 광학 소자와 복합형 광학 소자를 포함하고, 상기 관통형 광학 소자는 하부면에 오목 거울인 제1 오목부를 포함하고, 상기 복합형 광학 소자는 상기 관통형 광학 소자 아래에 위치하고, 상기 복합형 광학 소자의 상부면은 볼록하고, 상기 레이저 빔을 반사하는 제1 영역과 상기 레이저 빔을 투과시키는 제2 영역을 포함한다.
상기 관통형 광학 소자는 중앙부에 상기 관통형 광학 소자를 관통하는 관통 홀을 포함할 수 있다.
상기 복합형 광학 소자는 하부면에 오목한 제2 오목부를 포함하고, 상기 제2 오목부는 상기 레이저 빔을 투과할 수 있다.
상기 집광 광학계는 상기 복합형 광학 소자와 상기 가공 대상물 사이에 위치하는 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 광원에서 생성된 상기 레이저 빔의 경로 상에 위치하며, 상기 레이저 빔의 상기 가공 대상물 상의 조사 위치를 조정하는 위치 조정 광학계를 더 포함하고, 상기 위치 조정 광학계는 상기 가공 대상물 상에 초점의 x축상 위치를 결정하는 제1 갈바노 미러와 x축을 가로지르는 y축상 위치를 결정하는 제2 갈바노 미러를 포함할 수 있다.
상기 위치 조정 광학계는 상기 제1 갈바노 미러와 상기 제2 갈바노 미러의 위치와 각도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 가공 대상물 상에 초점의 x축상 위치와 x축을 가로지르는 y축상 위치를 동시에 조정하는 갈바노 미러를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 빔은 펄스형 레이저일 수 있다.
상기 레이저 빔은 펨토초(femtosecond)의 펄스 지속시간을 가질 수 있다.
상기 제1 영역의 모양은 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.
상기 가공 대상물은 상기 레이저 빔이 도달하지 않는 비활성 영역과 상기 레이저 빔이 도달하여 초점을 형성하는 활성 영역을 포함할 수 있다.
상기 가공 대상물은 스테이지에 고정되어 이동 가능할 수 있다.
상기 복합형 광학 소자의 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 곡률은 상기 제2 오목부의 곡률 보다 클 수 있다.
상기 복합형 광학 소자의 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 곡률은 상기 제2 오목부의 곡률과 같을 수 있다.
상기 복합형 광학 소자의 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 곡률은 상기 제2 오목부의 곡률 보다 작을 수 있다.
상기 관통형 광학 소자의 상부면은 평평한 평탄부를 포함할 수 있다.
상기 복합형 광학 소자의 상부면 또는 상기 제2 오목부는 구면일 수 있다.
상기 복합형 광학 소자의 상부면 또는 상기 제2 오목부는 비구면일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 생성하는 광원, 및 가공 대상물에 초점을 형성하는 집광 광학계를 포함하고, 상기 집광 광학계는 관통형 광학 소자, 상기 관통형 광학 소자와 상기 가공 대상물 사이에 위치하는 복합형 광학 소자, 및 광학 소자 이동장치를 포함하고, 상기 관통형 광학 소자는 상기 관통형 광학 소자를 관통하는 관통 홀을 포함하고, 상기 관통형 광학 소자의 상부면은 평평하고, 상기 관통형 광학 소자의 두께는 평면도상 가장자리에서 가장 두껍고, 중앙부에서 가장 얇고, 상기 관통형 광학 소자의 하부면은 상기 레이저 빔을 반사하고, 상기 복합형 광학 소자의 상부면과 하부면은 구면 또는 비구면이고, 상기 복합형 광학 소자의 상부면과 하부면의 곡률 중심은 상기 복합형 광학 소자의 아래에 위치하고, 상기 복합형 광학 소자의 상부면은 상기 레이저 빔을 반사하는 제1 영역과 상기 레이저 빔을 투과시키는 제2 영역을 포함하고, 상기 복합형 광학 소자의 하부면은 상기 제2 영역에서 입사한 상기 레이저 빔이 투과하고, 상기 광학 소자 이동장치에 의해 상기 관통형 광학 소자와 상기 복합형 광학 소자는 이동 가능하다.
상기 광원에서 생성된 상기 레이저 빔의 경로를 조정하는 위치 조정 광학계를 포함하고, 상기 위치 조정 광학계는 갈바노 미러를 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 색수차에 의해 레이저 빔의 파장별 초점의 위치가 달라지는 것을 방지하여 레이저 가공 장치의 가공 품질, 가공 정밀도 및 생산성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관통형 광학 소자를 위에서 바라본 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관통형 광학 소자를 아래에서 바라본 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관통형 광학 소자의 평면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 자른 관통형 광학 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 광학 소자의 위에서 바라본 사시도다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 광학 소자의 아래에서 바라본 사시도다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 광학 소자의 평면도이다.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선을 따라 자른 복합형 광학 소자의 단면도이다.
도 10은 도 1의 집광 광학계의 설명도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 사용하였을 때 가공 대상물의 이미지이다.
도 12는 투과형 렌즈를 이용한 레이저 가공 장치의 레이저 빔의 파장에 따른 초점의 이동거리를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 레이저 빔의 파장에 따른 초점의 이동거리를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
먼저, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치에서 레이저 빔의 이동 경로를 개략적으로 살펴본다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 광원(100), 위치 조정 광학계(200), 및 집광 광학계(300)를 포함한다.
광원(100)은 가공 대상물(10)을 가공하기 위한 레이저 빔(20)을 생성한다. 레이저 빔(20)은 피코초(picosecond) 또는 펨토초(femtosecond)의 펄스 지속시간을 가진 극초단 펄스형(ultra-short pulse) 레이저일 수 있다.
극초단 펄스형 레이저는 에너지 밀도가 매우 커서 다양한 재질의 가공 대상물(10)을 가공할 수 있고, 가공 대상물(10)이 가공되는 동안 열 확산에 의한 물리 화학적 변형 및 가공 정밀도 저하가 발생하지 않는다. 극초단 펄스형 레이저는 가공에 의한 파티클의 적층이나 크레이터 등의 부산물이 거의 생성되지 않아 초음파 세정 등의 부산물 제거 단계를 생략할 수 있다.
또한, 극초단 펄스형 레이저는 열전달 계수가 높거나 광 흡수율이 낮은 물질의 가공도 가능하며, 두 종류 이상의 재료가 혼합된 가공 대상물(10)과 다층으로 적층된 복합 재질의 가공 대상물(10)도 단일 공정으로 용이하게 가공할 수 있다. 한편, 레이저 빔(20)은 전술한 극초단 펄스형 레이저 이외에 다른 종류의 레이저 빔(20)인 것도 가능하다. 예를 들어, 레이저 빔(20)은 펄스 지속시간이 나노초(nanosecond)인 펄스형 레이저 또는 연속발진(continuous wave) 레이저일 수 있다.
위치 조정 광학계(200)는 광원(100)으로부터 생성된 레이저 빔(20)의 경로 상에 위치하여 레이저 빔(20)의 경로를 변경시킨다.
위치 조정 광학계(200)는 제1 갈바노 미러(210)와 제2 갈바노 미러(220)를 포함한다. 제1 갈바노 미러(210)와 제2 갈바노 미러(220)는 회전 가능한 반사 거울로 구성되어 거울의 회전에 의해 레이저 빔(20)을 일정한 각도 범위 내에서 주사한다.
광원(100)에서 생성된 레이저 빔(20)은 제1 갈바노 미러(210)에서 소정의 각도로 반사된다. 제1 갈바노 미러(210)가 일 축을 기준으로 회전하면 제1 갈바노 미러(210)의 반사면에 대한 레이저 빔(20)의 입사각이 변화하고 이에 따라 반사되는 레이저 빔(20)의 경로가 정해진다.
제1 갈바노 미러(210)에서 반사된 레이저 빔(20)은 제2 갈바노 미러(220)에서 소정의 각도로 반사된다. 제2 갈바노 미러(220)의 회전축은 제1 갈바노 미러(210)의 회전축을 가로지르는 방향으로 위치한다. 제2 갈바노 미러(220)의 회전에 따라, 제2 갈바노 미러(220)의 반사면에 대한 레이저 빔(20)의 입사각이 변화하고 반사되는 레이저 빔(20)의 경로가 정해진다. 따라서, 제1 갈바노 미러(210)와 제2 갈바노 미러(220)가 회전하며 레이저 빔(20)의 조사 각도를 결정할 수 있고, 가공 대상물(10) 상에 형성되는 레이저 빔(20)의 초점의 위치를 조절할 수 있다.
x축, y축, z축으로 이루어진 3차원 공간에서 가공 대상물(10)이 xy평면에 위치할 때, 제1 갈바노 미러(210)는 가공 대상물(10)에 형성되는 레이저 빔(20)의 초점의 x축상 위치를 조절할 수 있고, 제2 갈바노 미러(220)는 가공 대상물(10)에 형성되는 레이저 빔(20)의 초점의 y축상 위치를 조절할 수 있다.
제1 갈바노 미러(210)가 레이저 빔(20)의 x축상 조사 위치를 조절하고, 제2 갈바노 미러(220)가 y축상 조사 위치를 조절하는 것으로 설명하였으나, 제1 갈바노 미러(210)가 y축상 위치를 조절하고 제2 갈바노 미러(220)가 x축상 위치를 조절하는 것도 가능하다. 또한, 위치 조정 광학계(200)는 복수개의 갈바노 미러를 포함하지 않고, 하나의 갈바노 미러를 이용하여 x축 및 y축상 초점의 위치를 한번에 조절하는 것도 가능하다.
실시예에 따라서는, 제1 갈바노 미러(210)를 제어하는 제1 제어부와 제2 갈바노 미러(220)를 제어하는 제2 제어부를 더 포함할 수도 있다. 제1 제어부와 제2 제어부는 각각 제1 갈바노 미러(210)와 제2 갈바노 미러(220)의 위치와 각도를 제어하여 레이저 빔(20)이 가공 위치에 조사될 수 있도록 한다.
집광 광학계(300)는 위치 조정 광학계(200)를 통과한 레이저 빔(20)의 경로상에 위치하고, 레이저 빔(20)을 집광하여 가공 대상물(10) 상에 초점을 형성한다. 집광 광학계(300)는 관통형 광학 소자(310)와 관통형 광학 소자(310)의 아래에 위치하는 복합형 광학 소자(320)를 포함한다.
관통형 광학 소자(310)는 관통형 광학 소자(310)의 상부면에서 하부면까지 관통하는 관통 홀(311)을 포함한다. 위치 조정 광학계(200)에 의해 경로가 조정된 레이저 빔(20)은 관통형 광학 소자(310)의 관통 홀(311)을 통과한다.
복합형 광학 소자(320)는 관통형 광학 소자(310)와 가공 대상물(10) 사이에 위치한다. 복합형 광학 소자(320)의 상부면은 위쪽을 향해 볼록하고, 상부면의 중앙부에 위치하는 제1 영역(321)과 제1 영역(321)의 주변부에 위치하는 제2 영역(322)을 포함한다. 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)은 반사층, 반사코팅 또는 반사막으로 형성되어 레이저 빔(20)을 반사하고, 제2 영역(322)은 레이저 빔(20)을 투과시킨다.
관통형 광학 소자(310)의 관통 홀(311)을 통과한 레이저 빔(20)은 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)에서 반사된다. 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)에서 반사된 레이저 빔(20)은 다시 관통형 광학 소자(310)의 하부면에서 반사되고 복합형 광학 소자(320)의 제2 영역(322)에서 복합형 광학 소자(320)를 투과하여 가공 대상물(10) 상에 초점을 형성한다.
실시예에 따라서는, 집광 광학계(300)는 관통형 광학 소자(310)와 복합형 광학 소자(320)가 이동 가능하도록 구비된 광학 소자 이동장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 광학 소자 이동장치에 의해 관통형 광학 소자(310)와 복합형 광학 소자(320)는 일체로 함께 이동 가능하거나, 각각 이동이 가능하다. 그 결과, 관통형 광학 소자(310)와 복합형 광학 소자(320) 사이의 거리, 또는 복합형 광학 소자(320)와 가공 대상물(10) 사이의 거리를 조절하여 좀 더 용이하게 가공 대상물(10) 상에 초점을 형성할 수 있다.
집광 광학계(300)는 복합형 광학 소자(320)와 가공 대상물(10) 사이에 위치하는 커버(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 커버는 입사되는 레이저 빔(20)을 모두 투과시키며, 가공 중 발생할 수 있는 관통형 광학 소자(310)와 복합형 광학 소자(320)의 오염을 방지하고, 관통형 광학 소자(310)와 복합형 광학 소자(320)를 보호하는 역할을 할 수 있다.
광원(100)에서 생성되어 위치 조정 광학계(200)와 집광 광학계(300)를 차례로 통과한 레이저 빔(20)은 집광되어 가공 대상물(10)의 가공하고자 하는 지점에 초점을 형성한다. 가공 대상물(10)의 가공 위치에 레이저 빔(20)의 초점이 위치할 수 있도록, 가공 대상물(10)은 다축 이동이 가능한 스테이지(미도시)에 고정되어 상대적인 위치가 조정될 수 있다.
가공 대상물(10)은 레이저 빔(20)의 초점이 위치할 수 있는 활성 영역(50)을 포함한다. 위치 조정 광학계(200)에 의해 레이저 빔(20)의 경로를 조정하여 활성 영역(50) 상에서 2차원 패턴의 가공이 가능하다. 가공 대상물(10) 상에서 레이저 빔(20)의 초점이 지나간 영역에 가공 흔적(30)이 형성된다.
가공 대상물(10)에는 레이저 빔(20)의 초점이 위치할 수 없는 비활성 영역(40)이 존재한다. 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)은 레이저 빔(20)을 투과하지 않고, 관통형 광학 소자(310)가 위치하는 방향으로 레이저 빔(20)을 반사한다. 그 결과, 제1 영역(321)의 아래쪽에 위치하는 가공 대상물(10)의 일부 영역에는 초점이 위치할 수 없다.
비활성 영역(40)은 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)이 가공 대상물(10) 상에 투영된 모양일 수 있다. 예를 들어, 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)이 y축 방향으로 긴 직사각형 모양인 경우 가공 대상물(10)의 비활성 영역(40) 또한 y축 방향으로 긴 직사각형 모양일 수 있다. 또한, 비활성 영역(40)의 모양은 레이저 빔(20)의 반사와 굴절에 의해 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)이 가공 대상물(10) 상에 투영된 모양과 정확히 일치하는 모양이 아닐 수 있고, 왜곡된 형상일 수 있다. 가공하고자 하는 영역이 비활성 영역(40)에 포함되지 않아야 하므로, 가공 대상물(10) 상에 가공하고자 하는 위치, 크기 및 모양에 따라, 제1 영역(321)의 위치, 크기 또는 모양이 결정될 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참고하여 관통형 광학 소자(310)에 대해 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관통형 광학 소자(310)의 위에서 바라본 사시도다.
도 2를 참조하면, 관통형 광학 소자(310)는 중앙부에 상부면과 하부면을 관통하는 관통 홀(311)을 포함하고, 관통형 광학 소자(310)의 상부면은 평평한 평탄부(312)를 포함한다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 위치 조정 광학계(200)를 통과한 레이저 빔(20)은 굴절되지 않고 관통 홀(311)을 통해 관통형 광학 소자(310)를 지나간다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치에서 관통형 광학 소자(310)의 평탄부(312)로는 직접적으로 레이저 빔(20)이 입사되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관통형 광학 소자(310)의 아래에서 바라본 사시도다.
도 3을 참조하면, 관통형 광학 소자(310)의 하부면은 오목한 형태이고, 중앙부에 관통형 광학 소자(310)의 상부면으로부터 관통하는 관통 홀(311)을 포함한다. 관통형 광학 소자(310)의 하부면은 관통 홀(311)의 주변부에 위치하는 제1 오목부(313)를 포함한다. 제1 오목부(313)는 오목 거울이다. 제1 오목부(313)에서 사선으로 진입하는 레이저 빔이 퍼지지 않고 모이는 방향으로 반사되기 위함이다.
관통형 광학 소자(310)의 제1 오목부(313)는 구의 안쪽 면을 반사면으로 하는 구면 오목 거울 일 수 있다. 그러나, 실시예에 따라서는 관통형 광학 소자(310)의 제1 오목부(313)는 비구면 오목 거울인 것도 가능하다. 비구면 오목 거울의 경우 구면 오목 거울에 비해 구면 수차를 줄일 수 있어 좀 더 정밀한 가공이 가능할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관통형 광학 소자(310)의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 관통형 광학 소자(310)의 평탄부(312)는 원형이다. 그러나, 실시예에 따라서는 관통형 광학 소자(310)의 평탄부(312)는 타원, 다각형 또는 어떠한 형태도 포함할 수 있다.
관통형 광학 소자(310)의 평면도상 평탄부(312)의 중앙부에는 관통 홀(311)이 위치한다. 그러나, 관통 홀(311)은 평탄부(312)의 중앙부에 위치하지 않고 평면도상 어느 위치에나 위치할 수 있다. 관통형 광학 소자(310)의 관통 홀(311)은 원형이다. 그러나, 실시예에 따라서는 관통 홀(311)은 타원, 다각형 또는 어떠한 형태도 포함할 수 있다.
도 5를 참조하여, 관통형 광학 소자(310)의 단면도에 대해 살펴본다. 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 자른 관통형 광학 소자(310)의 단면도이다.
앞서 설명한 바와 같이, 관통형 광학 소자(310)의 평탄부(312)는 평평하고, 제1 오목부(313)는 오목한 형태이다. 관통형 광학 소자(310)는 중앙부로 갈수록 두께가 얇아진다. 다시 말해, 관통형 광학 소자(310)의 모서리 부분의 두께가 가장 두껍고, 중앙부의 두께가 가장 얇다. 관통형 광학 소자(310)는 상부면과 하부면을 관통하는 관통 홀(311)을 포함한다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참고하여 복합형 광학 소자(320)에 대해 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 광학 소자(320)의 위에서 바라본 사시도다.
도 6을 참조하면, 복합형 광학 소자(320)의 상부면은 볼록한 형태를 갖는다. 복합형 광학 소자(320)는 복합형 광학 소자(320)의 상부면의 중앙부에 위치하는 제1 영역(321)과, 제1 영역(321)의 주변부에 위치하는 제2 영역(322)을 포함한다. 제1 영역(321)은 레이저 빔(20)을 반사하고 제2 영역(322)은 레이저 빔(20)을 투과시킨다. 제1 영역(321)은 볼록 거울의 역할을 하고, 제2 영역(322)은 볼록 렌즈의 역할을 한다. 복합형 광학 소자(320)의 제2 영역(322)을 볼록 렌즈로 구성하여, 제2 영역(322)에 입사되는 레이저 빔이 퍼지지 않고 집광될 수 있다. 볼록 거울인 제1 영역(321)과 볼록 거울의 주변부에 위치하는 볼록 렌즈인 제2 영역(322)이 일체로 형성되어 있다.
볼록 렌즈 상부면의 중앙부에 고반사 코팅을 하여 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)과 제2 영역(322)을 형성할 수 있다. 그러나, 복합형 광학 소자(320)는 제1 영역(321)에서 레이저 빔(20)이 반사되고 제2 영역(322)에서 레이저 빔(20)이 투과되도록 하는 특성을 갖도록 하는 어떠한 방법에 의해서도 형성될 수 있다.
복합형 광학 소자(320)의 상부면은 구면 일 수 있다. 그러나, 실시예에 따라서는 복합형 광학 소자(320)의 상부면은 비구면인 것도 가능하다. 복합형 광학 소자(320)의 상부면이 비구면인 경우 구면인 경우에 비해 구면 수차를 줄일 수 있어 좀 더 정밀한 가공이 가능할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 광학 소자(320)의 아래에서 바라본 사시도다.
도 7을 참조하면, 복합형 광학 소자(320)의 하부면은 오목한 형태이고, 제2 오목부(323)를 포함한다. 제2 오목부(323)는 오목 렌즈이다. 제2 오목부(323)는 상기 관통형 광학 소자(310)의 제1 오목부(313)와는 달리, 레이저 빔(20)을 투과시킨다. 제2 오목부(323)는 구면일 수 있다. 그러나, 실시예에 따라서는 제2 오목부(323)가 비구면인 것도 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 광학 소자(320)의 평면도이다.
도 8을 참조하면, 복합형 광학 소자(320)의 상부면은 원형이다. 그러나, 실시예에 따라서는 복합형 광학 소자(320)의 평면도상 모양은 타원, 다각형을 포함한 어떠한 형태도 될 수 있다.
레이저 빔(20)을 반사하는 제1 영역(321)은 복합형 광학 소자(320)의 상부면의 중앙부에 위치한다. 제1 영역(321)은 직사각형이다. 그러나 이는 예시적인 것으로, 제1 영역(321)은 원형, 타원 또는 다각형을 포함한 어떠한 모양도 가능하다. 상술한 바와 같이, 가공 대상물(10) 상에 가공하고자 하는 위치, 크기 및 모양에 따라, 제1 영역(321)의 위치, 크기 또는 모양이 결정될 수 있다.
도 9를 참조하여, 복합형 광학 소자(320)의 단면도에 대해 살펴본다. 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선을 따라 자른 복합형 광학 소자(320)의 단면도이다.
복합형 광학 소자(320)의 상부면은 볼록하고 하부면은 오목하다. 복합형 광학 소자(320)의 상부면에 대한 곡률 중심(c1)과 하부면에 대한 곡률 중심(c2)은 모두 복합형 광학 소자(320)의 아래쪽에 위치한다.
복합형 광학 소자(320)의 상부면의 곡률은 하부면의 곡률에 비해 크다. 즉, 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)과 제2 영역(322)의 곡률은 제2 오목부(323)의 곡률에 비해 크다. 곡률 반지름은 곡률에 반비례하므로, 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)과 제2 영역(322)의 곡률 반지름(r1)은 제2 오목부(323)의 곡률 반지름(r2)에 비해 작다. 곡률은 곡선의 휨 정도를 나타내는 변화율을 의미하고, 곡률 반지름은 곡선 상의 임의의 위치에서 곡률 중심까지의 거리를 의미한다.
그 결과, 복합형 광학 소자(320)는 가장자리에서 중앙부로 갈수록 두께가 두꺼워진다. 복합형 광학 소자(320)는 가장자리에서 두께가 가장 얇고, 중앙부에서 가장 두껍다.
그러나, 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)과 제2 영역(322)의 곡률이 제2 오목부(323)의 곡률과 같거나, 제1 영역(321)과 제2 영역(322)의 곡률이 제2 오목부(323)의 곡률보다 작은 것도 가능하다. 다시 말해, 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)과 제2 영역(322)의 곡률 반지름(r1)이 제2 오목부(323)의 곡률 반지름(r2)과 같거나, 제1 영역(321)과 제2 영역(322)의 곡률 반지름(r1)이 제2 오목부(323)의 곡률 반지름(r2)보다 큰 것도 가능하다. 이 경우, 복합형 광학 소자(320)의 두께는 균일하거나, 복합형 광학 소자(320)는 가장자리에서 두께가 가장 두껍고 중앙부에서 가장 얇을 수 있다.
도 10을 참고하여, 집광 광학계(300)를 통과하는 레이저 빔(20)의 경로에 대해 설명한다. 도 10은 도 1의 집광 광학계(300)의 설명도이다.
도 10은 가공 대상물(10)의 제1 초점 위치(31)에 초점을 형성하도록 경로가 조정된 제1 레이저 빔(21)과 제2 초점 위치(32)에 초점을 형성하도록 경로가 조정된 제2 레이저 빔(22)의 진행 경로를 나타낸 것이다.
먼저, 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)의 진행 경로를 통해 제1 레이저 빔(21)의 진행 경로에 대해 설명한다. 제1 레이저 빔(21)은 수많은 광선의 집합이고, 그 중 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)에 대해 살펴본다.
제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 관통 홀(311)을 통해 관통형 광학 소자(310)를 지나간다. 관통 홀(311)은 관통형 광학 소자(310)의 상부면과 하부면을 관통하므로, 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 관통 홀(311)을 지날 때 굴절됨이 없이 진행한다.
관통 홀(311)을 통해 관통형 광학 소자(310)를 지나간 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)에서 반사된다. 제1 영역(321)은 볼록 거울이므로, 제1 영역(321)에서 반사된 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 평면 거울에서 반사될 때보다 더 복합형 광학 소자(320)의 외곽부를 향하는 방향으로 진행한다.
제1 영역(321)에서 반사된 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 관통형 광학 소자(310)의 제1 오목부(313)에서 다시 반사된다. 제1 오목부(313)는 오목 거울이므로, 제1 오목부(313)에서 반사된 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 평면 거울에서 반사할 때보다 제1 오목부(313)의 중심을 향하는 방향으로 진행한다.
제1 오목부(313)에서 반사된 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 복합형 광학 소자(320)의 제2 영역(322)을 투과한다. 제2 영역(322)은 볼록한 형태이므로, 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 매질의 굴절률 차이에 의해 복합형 광학 소자(320)의 중심을 향하는 방향으로 굴절된다.
복합형 광학 소자(320)의 제2 영역(322)으로 입사한 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 복합형 광학 소자(320)의 제2 오목부(323)를 통해 출사된다. 제2 오목부(323)는 오목 렌즈이므로, 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 복합형 광학 소자(320)의 외곽부를 향하는 방향으로 굴절되어 진행한다. 제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)은 가공 대상물(10) 상의 제1 초점 위치(31)에 집광되어 초점을 형성한다.
색수차 방지를 위해 반사 거울만 사용하는 경우, 구면 수차 등에 의한 영향으로 빔 균일도(uniformity)에 한계가 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 경우 반사 거울과 투과 렌즈를 모두 사용하여 색수차가 방지될 뿐만 아니라, 렌즈 면에서 수차 보상이 가능하여 빔 균일도 및 빔 품질 또한 향상된다.
제1 광선(21-1)과 제2 광선(21-2)만을 예로 들어 설명하였지만, 제1 레이저 빔(21)은 더 많은 광선을 포함할 수 있다.
이하, 제2 레이저 빔(22)의 진행 경로에 대해 설명하기 위해 제3 광선(22-1)과 제4 광선(22-2)의 진행 경로를 대표적으로 살펴본다. 제1 레이저 빔(21)에서 설명한 것과 동일한 내용의 구체적인 설명은 생략한다.
제2 레이저 빔(22)은 제1 레이저 빔(21)과 달리 제2 초점 위치(32)에 초점을 형성하도록 경로가 조정되었다. 제1 레이저 빔(21)에서 설명한 바와 같이, 제3 광선(22-1)과 제4 광선(22-2)은 관통 홀(311)을 통해 관통형 광학 소자(310)를 통과하여, 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)에서 반사된다. 제1 영역(321)에서 반사된 제3 광선(22-1)과 제4 광선(22-2)은 관통형 광학 소자(310)의 제1 오목부(313)에서 다시 반사되어 복합형 광학 소자(320)의 제2 영역(322)과 제2 오목부(323)를 차례로 통과하며 굴절된다. 제3 광선(22-1)과 제4 광선(22-2)은 가공 대상물(10)상의 제2 초점 위치(32)에 집광되어 초점을 형성한다.
제3 광선(22-1)과 제4 광선(22-2)만을 예로 들어 설명하였지만, 제2 레이저 빔(22)은 더 많은 광선을 포함할 수 있다.
가공 대상물(10)은 초점이 형성되어 가공이 가능한 활성 영역(50)과 초점이 형성될 수 없는 비활성 영역(40)을 포함한다.
복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)은 레이저 빔(20)을 투과하지 않고, 관통형 광학 소자(310)가 위치하는 방향으로 레이저 빔(20)을 반사한다. 그 결과, 제1 영역(321)의 아래쪽에 위치하는 가공 대상물(10)의 일부 영역에는 초점이 위치할 수 없다.
비활성 영역(40)은 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)이 투영되어 제1 영역(321)과 동일한 모양일 수 있다. 그러나, 비활성 영역(40)은 레이저 빔(20)의 반사와 굴절에 의해 복합형 광학 소자(320)의 제1 영역(321)의 모양과 정확히 일치하는 모양이 아닐 수 있고, 제1 영역(321)의 모양이 일부 왜곡된 형상일 수 있다. 따라서, 가공 대상물(10) 상에 가공하고자 하는 위치, 크기 및 모양에 따라, 제1 영역(321)의 위치, 크기 또는 모양이 결정될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 사용하여 레이저 빔을 조사하였을 때, 가공 대상물에 조사된 레이저 빔의 스폿 사이즈(spot size) 산포를 나타내는 이미지이다.
투과형 렌즈를 사용한 레이저 가공 장치의 경우, 렌즈의 전면에서 레이저 빔이 투과되므로, 가공 대상물의 전면에 초점이 형성될 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 복합형 광학 소자에서 레이저 빔을 투과하지 않는 제1 영역을 포함하므로, 제1 영역 아래의 일부 영역에 레이저 빔이 도달하지 않는 비활성 영역(40)이 존재한다.
도 12와 도 13을 참고하여, 투과형 렌즈를 이용한 레이저 가공 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 조사된 레이저 빔의 파장에 따른 초점의 위치에 대해 설명한다.
도 12는 투과형 렌즈를 이용한 레이저 가공 장치의 레이저 빔의 파장에 따른 초점의 이동거리를 나타내는 그래프이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 레이저 빔의 파장에 따른 초점의 이동거리를 나타내는 그래프이다.
도 12를 참고하면, 투과형 렌즈를 이용한 레이저 가공 장치의 경우, 파장이 354 nm 에서 356 nm 인 영역에서 약 620 ㎛의 초점 위치의 차이가 있다. 이는 레이저 빔이 렌즈를 통과할 때 발생하는 색수차의 영향에 의한 것이다.
도 13을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 경우, 파장이 354 nm 에서 356 nm 인 영역에서 약 24 ㎛ 의 초점 위치의 차이가 있다. 즉, 동일한 파장 범위에서 초점 위치의 차이가 투과형 렌즈를 이용한 레이저 가공 장치에 비해 1/25에 불과하여, 색수차에 의한 영향이 매우 적음을 확인하였다.
레이저 빔의 펄스 지속시간이 짧아질수록 스펙트럼 대역폭(spectral band width)이 넓어진다. 투과형 렌즈를 이용한 레이저 가공 장치는 펄스 지속시간이 짧은 레이저 빔을 사용할 경우, 파장에 따른 초점의 위치 차이가 커지므로, 레이저 가공 장치의 정밀도가 떨어진다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 투과형 렌즈를 최소한으로 사용하여 색수차의 영향이 훨씬 적다. 따라서, 펄스 지속시간이 펨토초(femto second)인 펄스형 레이저 빔을 사용하더라도 파장에 따른 초점의 위치 차이가 크지 않아 레이저 가공 장치의 정밀도 및 가공 품질이 향상된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 가공 대상물 20: 레이저 빔
30: 가공 흔적 40: 비활성 영역
50: 활성 영역 100: 광원
200: 위치 조정 광학계 210: 제1 갈바노 미러
220: 제2 갈바노 미러 300: 집광 광학계
310: 관통형 광학 소자 311: 관통 홀
312: 평탄부 313: 제1 오목부
320: 복합형 광학 소자 321: 제1 영역
322: 제2 영역 323: 제2 오목부

Claims (20)

  1. 레이저 빔을 생성하는 광원; 및
    가공 대상물에 초점을 형성하는 집광 광학계를 포함하고,
    상기 집광 광학계는 관통형 광학 소자와 복합형 광학 소자를 포함하고,
    상기 관통형 광학 소자는 하부면에 오목 거울인 제1 오목부를 포함하고,
    상기 복합형 광학 소자는 상기 관통형 광학 소자 아래에 위치하고,
    상기 복합형 광학 소자의 상부면은 볼록하고,
    상기 상부면은, 중앙부에 위치하며 상기 레이저 빔을 반사하는 제1 영역과, 주변부에 위치하며 상기 제1 영역을 둘러싸고 상기 레이저 빔을 투과시키는 제2 영역을 포함하는 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 관통형 광학 소자는 중앙부에 상기 관통형 광학 소자를 관통하는 관통 홀을 포함하는 레이저 가공 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 복합형 광학 소자는 하부면에 오목한 제2 오목부를 포함하고,
    상기 제2 오목부는 상기 레이저 빔을 투과시키는 레이저 가공 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 집광 광학계는 상기 복합형 광학 소자와 상기 가공 대상물 사이에 위치하는 커버를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
  5. 제3항에서,
    상기 광원에서 생성된 상기 레이저 빔의 경로 상에 위치하며, 상기 레이저 빔의 상기 가공 대상물 상의 조사 위치를 조정하는 위치 조정 광학계를 더 포함하고,
    상기 위치 조정 광학계는 상기 가공 대상물 상에 초점의 x축상 위치를 결정하는 제1 갈바노 미러와 x축을 가로지르는 y축상 위치를 결정하는 제2 갈바노 미러를 포함하는 레이저 가공 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 위치 조정 광학계는 상기 제1 갈바노 미러와 상기 제2 갈바노 미러의 위치와 각도를 제어하는 제어부를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
  7. 제3항에서, 상기 가공 대상물 상에 초점의 x축상 위치와 x축을 가로지르는 y축상 위치를 동시에 조정하는 갈바노 미러를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
  8. 제3항에서,
    상기 레이저 빔은 펄스형 레이저인 레이저 가공 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 레이저 빔은 펨토초(femtosecond)의 펄스 지속시간을 가지는 레이저 가공 장치.
  10. 제3항에서,
    상기 제1 영역의 모양은 원형, 타원형 또는 다각형인 레이저 가공 장치.
  11. 제3항에서,
    상기 가공 대상물은 상기 레이저 빔이 도달하지 않는 비활성 영역과 상기 레이저 빔이 도달하여 초점을 형성하는 활성 영역을 포함하는 레이저 가공 장치.
  12. 제11항에서,
    상기 가공 대상물은 스테이지에 고정되어 이동 가능한 레이저 가공 장치.
  13. 제3항에서,
    상기 복합형 광학 소자의 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 곡률은 상기 제2 오목부의 곡률 보다 큰 레이저 가공 장치.
  14. 제3항에서,
    상기 복합형 광학 소자의 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 곡률은 상기 제2 오목부의 곡률과 같은 레이저 가공 장치.
  15. 제3항에서,
    상기 복합형 광학 소자의 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 곡률은 상기 제2 오목부의 곡률 보다 작은 레이저 가공 장치.
  16. 제3항에서,
    상기 관통형 광학 소자의 상부면은 평평한 평탄부를 포함하는 레이저 가공 장치.
  17. 제3항에서,
    상기 복합형 광학 소자의 상부면 또는 상기 제2 오목부는 구면인 레이저 가공 장치.
  18. 제3항에서,
    상기 복합형 광학 소자의 상부면 또는 상기 제2 오목부는 비구면인 레이저 가공 장치.
  19. 레이저 빔을 생성하는 광원; 및
    가공 대상물에 초점을 형성하는 집광 광학계를 포함하고,
    상기 집광 광학계는 관통형 광학 소자, 상기 관통형 광학 소자와 상기 가공 대상물 사이에 위치하는 복합형 광학 소자, 그리고 광학 소자 이동장치를 포함하고,
    상기 관통형 광학 소자는 상기 관통형 광학 소자를 관통하는 관통 홀을 포함하고,
    상기 관통형 광학 소자의 상부면은 평평하고, 상기 관통형 광학 소자의 두께는 평면도상 가장자리에서 가장 두껍고, 중앙부에서 가장 얇고,
    상기 관통형 광학 소자의 하부면은 상기 레이저 빔을 반사하고,
    상기 복합형 광학 소자의 상부면과 하부면은 구면 또는 비구면이고, 상기 복합형 광학 소자의 상부면과 하부면의 곡률 중심은 상기 복합형 광학 소자의 아래에 위치하고,
    상기 복합형 광학 소자의 상부면은, 중앙부에 위치하며 상기 레이저 빔을 반사하는 제1 영역과, 주변부에 위치하며 상기 제1 영열을 둘러싸고 상기 레이저 빔을 투과시키는 제2 영역을 포함하고,
    상기 복합형 광학 소자의 하부면은 상기 제2 영역에서 입사한 상기 레이저 빔이 투과하고,
    상기 광학 소자 이동장치에 의해 상기 관통형 광학 소자와 상기 복합형 광학 소자는 이동 가능한 레이저 가공 장치.
  20. 제19항에서,
    상기 광원에서 생성된 상기 레이저 빔의 경로를 조정하는 위치 조정 광학계를 포함하고,
    상기 위치 조정 광학계는 갈바노 미러를 포함하는 레이저 가공 장치.
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