KR20010053500A - 소재 처리용 레이저 처리 머신을 캘리브레이팅하기 위한방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

어떠한 정확성의 결핍도 소정의 구조물에서 매우 큰 틈을 유발하기 때문에, 레이저 빔(2)을 이용하여 소재(14)를 구조화하는 경우에는 큰 정밀도가 요구된다. 본 발명에 따른 방법은 렌즈(8) 앞에 위치되는 캘리브레이션 판(3)을 측정하는 단계를 포함한다. 이를 위해, 캘리브레이션 판(3)의 이미지는 렌즈(8), 편향 유닛 및 레이저 빔(2)을 통과시키는 거울(10)을 통해 카메라(11)상에 나타난다. 제어 유닛(13)은 표시 오류를 계산하고 메모리에 이들을 저장한다. 이후 레이저 빔(2)은 렌즈(8) 앞의 테스트 판상에 테스트 마크를 절단하기 위해 이용된다. 테스트 마크는 또한 렌즈(8), 편향 유닛(7) 및 빔 경로상에 위치하는 거울(10)을 통해 카메라(11)상에 나타난다. 계산된 표시 오류를 고려하는 동안 레이저 광원(4) 및 레이저 빔 형성 유닛(5, 6)에 의해 발생된 광학 시프트는 테스트 마크의 측정된 위치로부터 결정되고, 상기 시프트는 그후 저장되어 소재를 처리할 때 고려된다.

Description

소재 처리용 레이저 처리 머신을 캘리브레이팅하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CALIBRATING A WORKPIECE LASER-PROCESSING MACHINE}

레이저를 이용하는 소재 처리는 주로 정밀 기계 분야, 예컨대 레이저 직접 구조화(laser direct structuring), 레이저 드릴링, 레이저 핵융합(laser fusion), 레이저 납땜(laser soldering), 레이저 기입(laser inscription) 및 레이저 커팅에서 중요성이 날로 증가하고 있다. 레이저 드릴링 및 배선 요소(인쇄 회로 기판 및 다중칩 모듈)의 제조 공정에서, 50㎛보다 작은 구조 치수를 갖는 구멍 및 전도체 구조물을 제조하는 것이 가능하다. 20㎛의 전도체 트랙 구조물을 가지는 기본 형태는 이미 증명되었다. 정확성은 이러한 구조물의 미세도(structure fineness)에 있어서 매우 중요하다. 목표는 10㎛보다 작은 것이다. 연속적인 처리 단계, 예컨대 예비 성형된 사출-몰딩 부품 또는 기판 상에 드릴링 및 구조화에서의 부정확성은 여전히 현저하게 감소되어야 한다. 그 이유는 큰 범위에서의 이러한 부정확성은 달성될 수 있는 구조물 치수를 결정하기 때문이다. 예컨대, 평행하게 작동되는 전도체 트랙의 신뢰 가능한 분리에 있어서, 전도체 트랙들 사이에 큰 간격을 유발하고 큰 구조물 치수를 유도하는 대응하는 큰 허용 오차를 필수적으로 고려해야 한다.

독일 특허 공보 44 37 284호에서는 레이저 빔을 편향시키기 위한 제어기를 캘리브레이팅하는 방법이 제시되어 있는데, 여기에서 광에 민감한 매체는 테스트 이미지를 발생시키기 위해 소정된 위치에서 레이저 빔으로 조사된 후에, 별도의 장치에서 테스트 이미지로부터 발췌된 디지탈화된 개별 이미지가 발생되고, 이들로부터 제어기에 대한 보정 데이타는 레이저 빔을 편향시키기 위한 보정 데이타가 결정된다. 테스트 이미지의 개별적인 측정은 많은 시간이 소요되고 측정을 위한 별도의 장치를 필요로 한다. 더욱이, 단지 전체적인 레이저 빔 장치만이 이러한 방법에 의해 캘리브레이팅되고, 개별적인 구성소자의 세부적인 캘리브레이팅은 불가능하다.

미국 특허 제 4,584,455호에는 레이저 빔에 의해 소재를 처리하기 위한 머신이 계시되어 있는데, 여기서는 처리용 레이저 빔에 부가하여, 소재 상에 위치된 가시 영역과 겹쳐지는 레이저 빔이 카메라에 의해 측정된다. 이러한 측정 위치는 원하는 위치와 비교되고, 처리용 레이저 빔은 원하는 위치와 측정된 위치 사이의 차가 고려되는 방식으로 제어된다. 이 경우에, 카메라는 소재의 일부분을 둘러싸는 시야만을 가져서, 소재의 다른 부분에서 반사되는 편차가 고려될 수 없다.

본 발명은 소재 처리용 레이저 처리 머신을 캘리브레이팅하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 도면에서 도시된 예시적 실시예를 이용하여 더 세부적으로 설명된다.

도 1은 소재 또는 테스트 판의 측정 및/또는 구조화를 위한 레이저 처리 머신의 개략적인 구성을 도시한다.

도 2는 캘리브레이션 판을 측정하기 위한 레이저 처리 머신의 개략적인 구성을 도시한다.

도 3은 소재의 구조화를 위한 레이저 처리 머신의 개략적인 구성을 도시한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 전체 소재 지역에서 소재의 매우 정확하게 처리할 수 있는 레이저 처리 머신을 신속하고 재생 가능하게 캘리브레이팅하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 청구항 제 1항에 따른 방법 및 청구항 제 6항에 따른 장치에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 방법의 경우에, 광학 이미징은 두개의 상호 분리된 연속적인 방법 단계로 특징화된다. 이 경우에, 먼저 레이저 빔용 편향 장치 및 대물 렌즈의 이미지는 소재 대신에, 대물렌즈 앞에 위치된 먼저 캘리브레이션 판에 의해 측정되고, 캘리브레이션 판의 이미지, 대물렌즈 및 편향 장치에 의해 발생된 이미지는 카메라에 의해 측정된다. 이 경우에, 카메라의 시야는 편향 장치의 제어하에 캘리브레이션 판 위에서 이동된다. 이에 의해 소재가 위치될 수 있는 전체의 영역이 캘리브레이팅된다. 편향 장치 및 대물렌즈가 빔 경로에 항상 함께 있기 때문에, 이러한 두 유닛에 의해 야기된 이미징 오류는 카메라로 분석될 수 있고, 소재의 연속적인 처리 과정 동안 저장되고 고려된다. 제 2단계에서, 레이저 빔을 발생시키는 구성 소자가 특징화된다. 이를 위해, 레이저 광원에 의해 발생되고 레이저 빔 형성 장치에 의해 형성된 레이저 빔은 편향 장치를 통해 테스트 판 상에 소정의 패턴(테스트 마킹)을 기록한다. 이러한 테스트 마킹은 연속하여 공정으로 측정되어서, 편향 장치 및 대물렌즈의 이미 결정된 이미지 오류를 고려하여, 레이저 광원 및 레이저 빔 형성 장치에 의해 야기된 광학 오프셋에 대한 결론을 도출한다. 이 경우에, 광학 오프셋은 소정의 원하는 위치와 테스트 마킹의 실제 위치 사이의 차이다. 이러한 광학 오프셋은 또한 소재의 연속적인 처리 공정 동안 저장되고 고려된다. 청구항 제 2항에서 바람직하게 약술된 대로, 카메라가 편향 장치 및 대물렌즈를 통해 테스트 판을 측정한다면, 테스트 마킹을 측정하기 위한 특별한 장치없이 상기 방법이 수행된다.

캘리브레이션 판 및/또는 테스트 판의 측정을 위한 광을 카메라 안으로 반사시키도록 레이저 광을 통과시키는 거울이 레이저 빔을 형성하기 위한 장치와 편향 유닛 사이의 빔 경로에 배열된다면 상기 방법을 위한 광학적 구성은 청구항 제 3항에 따라 특히 바람직하게 구성된다.

광학 이미지에 관한 소재의 영향은 청구항 제 4항에 따른 장점에 의해 바람직하게 고려된다. 이를 위해, 소재에 배열된 기준점이 카메라에 의해 기록된 후, 측정된 소재의 영향(influence)이 저장되고 다음 처리 과정 동안 고려된다.

특히, 소재의 비평면 영역의 구조화에서 청구항 제 5항에 따른 방법을 이용하는 경우에, 평면성 결여의 영향은 이전에 제공된 데이타에 의해 고려되어, 그 결과로 예컨대 균일한 직선형 기판이 레이저 처리 머신에 의해 기록될 수 있다.

청구항 제 6항에 따른 장치는 상기 방법 중 하나를 바람직하게 수행하기 위해 제공되고 상기 장치는 상기 방법에서 요구되는 구성요소를 포함한다.

곡선형 소재를 처리하기 위해, 청구항 제 7항에 따른 장치가 유리하게 제공되는데, 여기서는 대물렌즈에 의한 이미징의 초점이 광학 경로를 모듈화하기 위한 장치에 의한 소재의 곡률에 대응하도록 구성된다.

이 경우에, 레이저 빔(2)에 의해 소재(14) 안으로 구조물이 기록되는 레이저 처리 머신(1)이 설명된다. 이 경우에, 구조물은 드릴링, 융합, 납땜 또는 커팅에 의해 형성될 수도 있다. 레이저 빔(2)은 레이저 광원(4)에 의해 발생되고 레이저 빔(2)을 연장시키기 위한 장치(5)에 의해 연장된다. 레이저 빔(2)의 광학 경로를 모듈화하기 위하여, 모듈 장치(6)가 편향 장치(7) 및 대물 렌즈(8)에 의해 레이저 빔이 -이 실시예에서는 곡선인- 소재(14)상으로 이미지되기 이전에 빔 경로에 연속적으로 배열된다. 이러한 경우에, 예를 들면 서로 수직하게 배열된 두 개의 거울(도시되지 않음)이 편향 장치(7)에 제공되고, 거울이 소재(14)의 영역에 걸쳐 레이저 빔을 이동시켜서, 소재(14)의 전체 영역이 이러한 편향 레이저 빔(9)에 의해 처리될 수 있다. 이러한 경우에, 레이저 빔을 연장시키기 위한 장치(5) 및 레이저 빔(2)의 광학 경로를 모듈화시키기 위한 장치(6)는 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치를 형성한다. 레이저 빔(2)의 광학 경로를 모듈화하기 위한 장치(6)는 제어 장치(13)에 의해 제어된다. 결과적으로, 대물 렌즈(8)의 하부의 레이저 빔(2)의 초점은 z-방향 즉, 레이저 빔(2)의 진행 방향으로 시프팅된다. 이러한 제어를 통해, 레이저 빔(2)의 초점은 소재(14)의 곡선형 구조에 적용될 수 있다. 편향 장치(7) 및 대물 렌즈(8)의 이미징 오류를 측정하기 위하여, 부분적으로 투명한 거울(10)이 광학 경로를 모듈화하기 위한 장치(6)와 편향 장치(7) 사이의 빔 경로에 배열된다. 예를 들면 이러한 거울(10)은 레이저 빔(2)을 통과시키고 소재(14)의 방향으로부터 대물 렌즈(8) 및 편향 장치(7)를 통해 입사되는 광을 평가 목적을 위한 제어 장치(13)에 연결된 카메라(11) 안으로 반사시킨다. 또한 본 실시예에서는 도시되지 않았지만, 거울(10)이 소재(14)의 방향으로부터 광을 통과시키고 소재(14)의 방향으로 레이저 빔(2)을 반사시키는 것 또한 가능하다.

이러한 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 방법은 계속하여 설명한다. 도 2에 도시된 대로, 먼저, 패턴(예컨대 소정의 간격을 갖는 그리드)이 형성된 캘리브레이션 판(3)이 거울(10)에 의해 대물 렌즈(8) 및 편향 장치(7)를 통해 카메라(11) 상에 이미지된다. 이러한 경우에, 제어 유닛(13)은 편향 장치(7)를 제어하여 캘리브레이션 판(3)의 이미지의 빔 경로(12)가 전체 캘리브레이션 판(3)에 걸쳐 이동된다. 캘리브레이션 판(3)의 마킹을 이용하여 빔 경로를 특정화함으로써 대물 렌즈(8), 편향 장치(7), 거울(10) 및 카메라(11)의 이미징 오류를 특정화하는 것이 가능하다. 확인된 이미지 오류는 제어 장치(13)에 저장되고 소재(3)의 다음 처리 과정 동안 보정된다.

상기 방법의 제 2단계에서, 캘리브레이션 판(3) 대신에, 예컨대 알루미늄으로 제조된 테스트 판(15)이 대물 렌즈의 앞에 위치된다. 이후, 레이저 빔(2)이 편향 장치(7)의 소정의 제어에 의해 테스트 판(15) 상으로 소정의 패턴(테스트 마킹)을 기록한다. 이러한 테스트 마킹의 위치는 캘리브레이션 판의 이미지와 일치하는 빔 경로를 통해 카메라(11) 상으로 거울에 의하여 이미지된다. 제어 장치(13)에 있어서, 이미 결정된 이미징 오류를 고려하여, 테스트 마킹의 구조화 과정 동안 발생하는 광학적 오프셋은 소재의 처리 과정 동안 결정되고, 저장되며, 고려된다.

예컨대, 도 3에서 도시된 대로 곡선형 소재(14)를 처리하기 위하여, 소재(14)의 광학 이미징 특성 및/또는 기하학적 형상의 영향이 추가적으로 결정된다. 이 때문에, 소재(14) 상에 이미 존재하는 기준점은 대물 렌즈(8) 및 편향 장치(7) 거울(10)을 통해 카메라(11) 상으로 이미지된다. 이후, 제어 장치(13)에서, 소재 영향은 미리 결정된 이미지 오류 및 광학 오프셋으로부터 결정된다. 광학 경로(6)를 모듈화하기 위한 장치를 제어하기 위하여, 레이저 빔(2)의 초점이 소재(14)의 표면에 최적으로 배향되는 방식으로 상기한 방법이 이후 유사한 소재에 대해 연속적으로 이용될 수 있다.

이러한 방법 및 장치는 또한 편향 장치(7)의 거울을 위한 모터의 구동에 의해 야기된 오류를 고려한다.

Claims (7)

1. 레이저 광원(4), 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5, 6), 상기 레이저 빔(2)을 위한 편향 유닛(7), 및 대물렌즈(8)를 갖춘 소재(14) 처리용 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 방법으로서,

   상기 소재(14) 대신에, 테스트 판(15)이 상기 대물 렌즈(8) 앞에 위치되고, 테스트 마킹이 상기 편향 유닛(7)의 소정의 구동에 의해 상기 레이저 빔(2)에 의해 상기 테스트 판(15) 상에 기록되고, 상기 테스트 마킹의 위치가 측정되는, 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 방법에 있어서,

   처리되는 상기 소재(14) 대신에, 캘리브레이션 판(3)이 상기 대물렌즈(8) 앞에 위치되고,

   카메라(11)가 상기 캘리브레이션 판(3)의 이미지를 기록하고, 상기 카메라(11)의 시야를 상기 편향 유닛(7)의 제어 하에서 상기 캘리브레이션 판(3) 위에서 이동시킴으로써, 상기 이미지가 상기 대물렌즈(8) 및 상기 편향 유닛(7)에 의해 발생되며, 상기 편향 유닛(7), 상기 대물 렌즈(8), 및 상기 카메라(11)에 의해 야기된 이미징 오류가 카메라(11)의 하부에 연결된 제어 유닛(13)에서의 이미지로부터 결정되고,

   상기 레이저 광원(4) 및 상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5,6)의 광학 오프셋이 상기 이미징 오류를 고려한 상기 테스트 마킹의 측정된 위치로부터 결정되고,

   상기 소재(14)를 처리하는 동안 상기 광학 오프셋 및 상기 이미징 오류가 저장되고 보상되는 것을 특징으로 하는 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 카메라(11)의 시야가 상기 편향 유닛(7)에 의해 상기 테스트 판(15) 위에서 이동되고, 상기 테스트 마킹의 위치가 측정되는 것을 특징으로 하는 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 캘리브레이션 판(3)의 이미지는 상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5,6)와 상기 편향 유닛(7) 사이의 빔 경로에 배열된 거울(10)에 의해 상기 카메라(11)를 향해 전환되며, 상기 거울(10)은 상기 레이저 광선을 통과시키며 상기 카메라(11)를 통해 상기 캘리브레이션 판(3)을 기록하는 광을 반사시키는 것을 특징으로 하는 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   처리될 상기 소재(14) 중 하나에 배열된 기준점들이 상기 카메라(11)에 의해 기록되고,

   제어 유닛(13)에서, 상기 이미징 오류 및 상기 광학 오프셋를 고려하여, 상기 이미징에 대한 소재의 영향이 상기 소재(14)를 처리하는 동안 결정되고, 저장되며, 고려되는 것을 특징으로 하는 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 방법.
5. 소재(14)의 비평면 영역을 구조화하기 위한 데이타를 제공하는 제 4항에 따른 방법의 용도에 있어서,

   레이저 빔(2)의 광학 경로가 상기 광학 경로 모듈화 장치(6)에 의해 변경되고, 대물 렌즈(8)에 의한 이미징의 초점이 상기 소재(14)의 기하학적 형상에 따라 적용되도록 상기 광학 경로 모듈화 장치(6)가 상기 제어 장치(13)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 용도.
6. 특히 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하며,

   레이저 광원(4),

   상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5,6),

   상기 레이저 빔(2)을 편향시키기 위한 편향 장치(7),

   상기 소재(14)를 시각적으로 관찰하기 위한 카메라(11),

   상기 편향 장치(7), 상기 카메라(11) 및 상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(6)를 제어하기 위한 제어 장치(13),

   상기 소재(14) 상에 편향된 레이저 빔(2)을 집중시키기 위한 대물 렌즈(8),

   상기 빔 경로 내에 배열되고 부분적으로 투명한 거울(10)을 가지고, 상기 레이저 빔을 상기 소재(14)의 방향으로 편향시키고 상기 소재(14)으로부터의 상기 광을 상기 카메라(11)의 방향으로 편향시키는 부분적으로 투명한 거울(10)을 포함하는, 소재(14) 처리용 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 장치에 있어서,

   상기 부분적으로 투명한 거울(10)은 상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5, 6)와 상기 편향 장치(7) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 장치(5, 6)는 상기 레이저 빔(2)을 연장시키기 위한 장치(5) 및 상기 레이저 빔(2)의 광학 경로를 모듈화하기 위한 장치(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 처리 머신(1)을 캘리브레이팅하기 위한 장치.