KR20020047297A

KR20020047297A - 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR20020047297A
Application number: KR1020027005424A
Authority: KR
Inventors: 사까모또마사히꼬; 다께노쇼즈이; 이와이야스히꼬; 호꼬다떼도시유끼; 구로사와미끼
Original assignee: 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시; 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2002-06-21
Also published as: TW503677B; DE10193737T1; DE10193737B4; US6875951B2; US20020153361A1; CN1159129C; JP4459530B2; KR100500343B1; WO2002018090A1; CN1388771A

Abstract

본 발명에 관한 레이저 가공 장치는 레이저광을 발생시키는 레이저 발진기와, 주편향 갈바노 미러와, Fθ렌즈와, 레이저 발진기와 주편향 갈바노 미러와의 사이의 광로 중에 설치된 부편향 수단을 구비한 것이다.

또한, 레이저광을 분광시키는 수단을 구비하여, 분광된 한 쪽의 레이저광의 광로에 상기 부편향 수단을 삽입하는 동시에, 분광된 양 레이저광을 동일한 주편향 갈바노 미러로부터 Fθ렌즈에 입사시켜, 주편향 갈바노 미러와 Fθ렌즈와 피가공물의 광로계에 있어서의 개구수를 0.08 이상으로 하는 것이다.

Description

레이저 가공 장치{LASER MACHINING APPARATUS}

도9는, 일반적인 구멍 가공용 레이저 가공 장치이다. 도면 중, 레이저 가공 장치(101)는 레이저 빔(102)을 발생하는 레이저 발진기(103)와, 레이저 발진기(103)로부터 발사된 레이저 빔(102)을 반사에 의해 원하는 방향으로 유도하기 위해 설치된 벤드 미러(104)와, 광로에 따라서 차례로 배치된 가동하는 미러인 갈바노 미러(105a, 105b)를 각각 갖는 갈바노 스캐너(106a, 106b)와, 갈바노 스캐너(106a, 106b)에 의해 진행 방향이 제어된 레이저 빔(102)을 피가공물(107) 상에 집광하는 Fθ렌즈(108)와, 피가공물(107)을 상면에 고정하여 XY 평면상을 구동하는 XY 스테이지(109)를 갖는다.

다음에, 이러한 레이저 가공 장치를 이용하여 구멍 가공을 하는 경우의 각 부의 동작에 대해 설명한다.

레이저 발진기(103)에서 미리 설정된 주파수와 출력치에 따라서 발진되는 펄스 파형을 가진 레이저 빔(102)이 벤드 미러(104)에 의해 갈바노 스캐너(106a, 106b)로 유도된다. 이 갈바노 스캐너(106a, 106b)는 한 쪽의 갈바노 미러가 XY 스테이지(109)의 X 방향에 대응하는 방향으로 회전하고, 다른 쪽의 갈바노 미러가 Y 방향에 대응하도록 설정되어 있다. 이에 의해, 레이저 빔(102)을 XY 평면상의 한정된 범위이면 임의의 위치에 주사하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 레이저 빔(102)은 다양한 각도로 Fθ렌즈(108)에 입사하지만, 이 Fθ렌즈(108)의 광학 특성에 의해 XY 스테이지(109)에 대해 수직으로 낙사(落射)하도록 보정된다.

이와 같이 하여, 레이저 빔(102)은 갈바노 스캐너(106a, 106b)에 의해서 XY 스테이지(109) 상의 한정된 범위(이하, 스캔 영역) 내에 있으면 XY 평면상의 어떤 좌표에 대해서도 위치 결정 가능하며, 그 위치에 대응하여 레이저 빔(102)이 조사되어 피가공물(107)을 가공한다.

그리고, 전술한 스캔 영역의 가공이 종료되면, 그 가공물(107)의 새로운 스캔 영역의 대상이 되는 위치에 XY 스테이지(109)가 이동하여 가공이 반복된다.

또한, 특히 피가공물(107)이 프린트 기판 등이며, 비교적 미세 구멍의 가공을 행하고 싶은 경우는 광학계를 상전사 광학계로 하는 경우가 있다. 도10은 상전사계로 한 경우의 각 광학 부품의 위치 관계를 도시한 개략도이며, 도면 중 a는 피가공물(101) 상에서의 빔 스폿 직경을 설정하기 위한 조리개(110)와 Fθ렌즈(108)와의 광로상에서의 거리, b는 Fθ렌즈(108)와 피가공물(107)과의 광로상에서의 거리, f는 Fθ렌즈(108)의 촛점 거리이다. 또, 이 Fθ렌즈(108)의 촛점 거리(f)와, Fθ렌즈(108)와 2개의 갈바노 미러(105a, 105b)사이의 광로상에서의 중심 위치(111)와의 거리가 같도록 설정되어 있다.

이러한 위치 관계가 되는 상전사 광학계에서는 갈바노 미러(105a, 105b)의유효 반경을 gr이라 하면, 거리(b)에 대하여 거리(a)가 충분히 클 경우, Fθ렌즈(108)와 피가공물(107)의 광로계에 있어서의 개구수(NA)는 수학식 1로 나타내어진다.

[수학식 1]

NA = gr/(b²+ gr²)^1/2

또한, 레이저 빔의 파장을 λ라 하면, 피가공물 상에서의 빔 스폿 직경(d)은 수학식 2로 표현된다.

[수학식 2]

d = 0.82 λ/NA

또, 상전사 광학계이므로, a, b, f는 수학식 3의 관계가 성립되는 위치 관계로 설정되어 있다.

[수학식 3]

1/a + 1/b = 1/f

따라서, 예를 들어 파장(λ)이 9.3 ㎛인 레이저로, 빔 스폿 직경(d)이 95 ㎛ 가 되도록 준비하면, 수학식 2로부터 개구수(NA)는 0.08일 필요가 있다. 이와 같이, 수학식 2로부터, 미세 구멍 가공을 행하기 위해 빔 스폿 직경(d)을 작게 하기 위해서는 개구수(NA)를 크게 할 필요가 있다.

그를 위해서는, 수학식 1로부터 갈바노 미러의 레이저 빔의 품질을 열화시키는 일 없이 반사 가능한 유효 반경(gr)을 크게 하면 되는 것을 알 수 있다. 예를들어, 적어도 조금 전의 빔 스폿 직경 d = 95 ㎛보다도 미세한 빔 스폿을 f = 100 ㎜, a = 1500 ㎜인 광학계에서 달성하기 위해서는, 수학식 3에서 b = l07 ㎜이므로, NA > 0.08로 하기 위해서는 수학식 1로부터, gr > 8.6 ㎜로 할 필요가 있는 것을 알 수 있다.

이러한 레이저 가공 장치의 생산성을 향상시키기 위해, 갈바노 스캐너의 구동 속도를 고속으로 할 필요가 있다. 그로 인해, 일반적으로 갈바노 미러의 직경을 작게 하는 것, 또는 갈바노 미러의 진동각을 작게 하는 것이 유효하다고 할 수 있다.

또한, 일본 특허 공개 평11-192571호 공보에는 레이저 빔을 분기 수단으로 분기하여, 각 레이저 빔을 각각의 주사 수단으로 가공 위치로 유도하는 동시에 집속 수단에 의해 집속하여 가공하는 레이저 가공 장치가 개시되어 있다.

또, 일본 특허 공개 평11-314188호 공보에는 레이저광을 하프 미러로 분광하여, 분광한 각각의 레이저광을 복수의 갈바노 스캐너계로 유도하고, Fθ렌즈를 통해 복수의 가공 영역에 조사하는 레이저 가공 장치가 개시되어 있다.

그러나, 갈바노 미러 직경을 작게 하면, gr이 작아져 수학식 1에서 개구수(NA)가 작아지고, 결과적으로 수학식 2의 관계에 있는 빔 스폿 직경(d)이 커져 미세 구멍 가공을 행할 수 없다는 문제가 있었다.

또한, 갈바노 미러의 진동각을 작게 하면, 각각의 스캔 영역 사이즈가 작아지므로, 스캔 영역수가 증대한다. 일반적으로, 갈바노 스캐너(106)에 의한 위치 결정에 필요로 하는 시간에 비해, XY 테이블의 위치 결정에 필요로 하는 시간은 훨씬 길어지므로, 스캔 영역수가 증대하여 XY 스테이지에 의한 이동 횟수가 증가함으로써, 각각의 스캔 영역에서의 속도는 상승해도 전체 생산 속도는 향상하지 않는다는 문제가 있었다.

또, 일본 특허 공개 평11-192571호 공보에 개시된 장치에서는 분기한 각 레이저 빔을 제어하여 집광하기 위해, 각각의 레이저 빔에 대응한 갈바노 스캐너(갈바노 메이터와 갈바노 미러)와 Fθ렌즈가 필요해지므로, 예를 들어 레이저 빔을 2분기한 경우는 도9에 도시한 레이저 가공 장치의 2배의 갈바노 스캐너와 Fθ렌즈가 필요해져, 비용이 증대한다는 문제가 있었다. 또한, 2배의 가공 속도를 얻기 위해 2매의 피가공물을 동시에 가공하기 위해서는 XY 테이블의 크기가 2배 필요해져, 가공기가 대형화된다는 문제가 있었다.

게다가 또한, 일본 특허 공개 평11-314188호 공보에 개시된 장치에서는 분광한 레이저광을 각각 독립된 복수의 갈바노 스캐너계로 유도하고, 이것을 Fθ렌즈로 집광하고 있으므로, 광로 내의 최후의 갈바노 미러로부터 Fθ렌즈에 입사되는 레이저광에는 크게 경사지게 입사하게 되므로, Fθ렌즈의 수차 영향이 커져, 레이저광을 작게 집광하는 것이 어렵다는 문제가 있었다.

본 발명은 레이저 가공 장치, 특히 고속 미세 구멍 가공 등에 이용되는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 레이저 조사 위치를 설명하는 설명도이다.

도3은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 광학계의 구성을 도시한 구성도이다.

도4는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 레이저 조사 위치를 설명하는 설명도이다.

도6은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도7은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 광학계의 구성을 도시한 구성도이다.

도8은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도9는 종래의 레이저 가공 장치를 도시한 도면이다.

도10은 종래의 광학계의 구성을 도시한 구성도이다.

본 발명은, 이러한 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 미세 가공을 행하는 데 있어서의 생산성을 향상시키면서도 비용 증가를 억제하고, 게다가 대형화하지 않은 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 그로 인해,

제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제1 스캐너와, 제2 레이저 빔과 제1 스캐너를 통과한 제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제2 스캐너와, 제2 스캐너를 통과한 제2 레이저 빔과 제1 레이저 빔을 집광하는 렌즈를 갖는다.

또한, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔과는 편광 방향이 다르며, 한 쪽의 레이저 빔을 반사하고 다른 쪽의 레이저 빔을 투과하는 빔 분할기를 제2 스캐너 전방에 구비하고, 빔 분할기로부터의 레이저 빔을 제2 스캐너로 전파하는 구성이다.

또, 발진기와, 발진기로부터 발진된 직선 편광의 레이저 빔을 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔으로 분광하는 회절 광학 소자와, 제2 레이저 빔의 편광 방향을 변경하는 위상판을 갖는다.

게다가 또한, 발진기와, 발진기로부터 발진된 원편광의 레이저 빔을 각각 다른 편광 방향을 갖는 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔으로 분광하는 분광용 빔 분할기를 갖는다.

또한, 회절 광학 소자 전방에 조리개를 설치하고, 렌즈 후방에 설치하는 피가공물과의 사이에서 상전사 광학계를 형성 가능하다.

또한, 분광용 빔 분할기 전방에 조리개를 설치하고, 렌즈 후방에 설치하는 피가공물과의 사이에서 상전사 광학계를 형성 가능하다.

또, 회절 광학 소자로부터 렌즈까지의 제1 레이저 빔이 전파하는 거리와, 회절 광학 소자로부터 렌즈까지의 제2 레이저 빔이 전파하는 거리를 대략 동일 거리라 한다.

또한, 분광용 빔 분할기로부터 렌즈까지의 제1 레이저 빔이 전파하는 거리와, 분광용 빔 분할기로부터 렌즈까지의 제2 레이저 빔이 전파하는 거리를 대략 동일 거리라 한다.

또한, 제2 스캐너의 미러 직경과, 렌즈로부터 피가공물까지의 거리로부터 구할 수 있는 개구수를 0.08 이상이 되도록 한다.

제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제1 스캐너와, 제2 레이저 빔과 제1 스캐너를 통과한 제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제2 스캐너와, 제1 스캐너를 통과한 제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제3 스캐너와, 제2 스캐너를 통과한 제2 레이저 빔과 제3 스캐너를 통과한 제1 레이저 빔을 집광하는 렌즈를 갖는다.

또한, 제1 스캐너 전방의 제1 레이저 빔의 진행 방향상 또는 제2 스캐너 전방의 제2 레이저 빔의 진행 방향상의 적어도 한 쪽에 조리개를 설치하고, 렌즈 후방에 설치하는 피가공물과의 사이에서 상전사 광학계를 형성 가능하다.

또, 제2 스캐너의 미러 직경과, 렌즈로부터 피가공물까지의 거리로부터 구할 수 있는 개구수를 0.08 이상이 되도록 한다.

레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제1 스캐너와, 제1 스캐너를 통과한 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제2 스캐너와, 제2 스캐너를 통과한 레이저 빔을 집광하는 렌즈를 갖고, 제1 스캐너는 제2 스캐너에 비해 레이저 빔을 편향하는 각도가 작게 설정되어 있다.

또한, 제1 스캐너 전방에 조리개를 설치하고, 렌즈 후방에 설치한 피가공물과의 사이에서 상전사 광학계를 형성한다.

이와 같이 함으로써, 피가공물로의 빔 조사수를 늘릴 수 있어, 생산성을 향상시킬 수 있고, 또한 미세 구멍 가공으로도 동일하게 생산성을 향상시킬 수 있다.

<제1 실시 형태>

도1은 본 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치이다. 도면 중, 레이저 가공 장치(1)는 레이저 빔(2)을 발생하는 레이저 발진기(3)와, 레이저 발진기(3)로부터 발사된 레이저 빔(2)을 반사에 의해 원하는 방향으로 유도하기 위해 설치된 벤드 미러(4)와, 광로에 따라서 차례로 배치되어 가동함으로써 레이저 빔(2)을 편향하는 부편향 갈바노 미러(제1 갈바노 미러)(5)를 갖는 부편향 갈바노 스캐너(제1 갈바노 스캐너)(6)와, 광로에 따라 차례로 배치되어 가동함으로써 레이저 빔(2)을 편향하는 주편향 갈바노 미러(제2 갈바노 미러)(7)를 갖는 갈바노 스캐너(제2 갈바노 스캐너)(8)와, 레이저 빔(2)을 피가공물(9) 상에 집광하는 Fθ렌즈(10)와, 피가공물(9)을 상면에 고정하여 XY 평면상을 구동하는 XY 스테이지(11)를 갖는다. 이 부편향 갈바노 미러(5)는 XY 스테이지(11)의 X 방향에 대응한 갈바노 미러와 Y 방향에 대응한 갈바노 미러의 2매의 갈바노 미러로 구성되고, 이들의 미러를 구동하기 위해 부편향 갈바노 스캐너는 2대 설치되어 있다. 또한, 주편향 갈바노 미러(7)에 대해서도 마찬가지로 XY 스테이지(11)의 X 방향에 대응한 갈바노 미러와 Y 방향에 대응한 갈바노 미러의 2매의 갈바노 미러로 구성되고, 이들의 미러를 구동하기 위해 주편향 갈바노 스캐너도 2대 설치되어 있다.

다음에, 본 발명에 의한 장치의 동작에 대해서 설명한다.

레이저 발진기(3)로 미리 설정된 주파수와 출력치에 따라서 발진되는 펄스 파형을 가진 레이저 빔(2)은 벤드 미러(4)에 의해 부편향 갈바노 스캐너(6)의 부편향 갈바노 미러(5), 주편향 갈바노 스캐너(8)의 부편향 갈바노 미러가 주편향 갈바노 미러(7)로 유도된다.

이에 의해, 부편향 갈바노 스캐너(6)와 주편향 갈바노 스캐너(8)를 구동함으로써, 레이저 빔(2)을 XY 평면상의 한정된 범위이면 임의의 위치로 주사하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 레이저 빔(2)은 다양한 각도로 Fθ렌즈(10)에 입사하지만, 이 Fθ렌즈(10)의 광학 특성에 의해 XY 스테이지(11)에 대해 수직으로 낙사하도록 보정된다.

도2는, 본 실시 형태에 있어서의 피가공물(9) 상에서의 갈바노 스캔 영역의 설명도이다.

도면 중, 레이저 빔(2)을 대각도 편향하는 주편향 수단인 주편향 갈바노 스캐너(8)가 주사 가능한 범위가 스캔 영역(12)의 내부에는 레이저 빔(2)을 소각도 편향하는 부편향 수단인 부편향 갈바노 스캐너(6)가 주사 가능한 범위인 서브 스캔 영역(13)이 설치되어 있다.

이들 관계에 대해서 구체적으로 예를 들어 설명하면, 스캔 영역(12)이 한 변 50 ㎜의 정방형 영역으로 한 경우, 서브 스캔 영역(13)을 한 변 5 ㎜의 정방형의 영역으로 하면, 주편향 스캔 영역 내에 서브 스캔 영역(12)을 최대 100개 구성할 수 있게 된다.

이와 같이 분할된 스캔 영역에 대응하는 부편향 갈바노 스캐너(6)와 주편향

갈바노 스캐너(8)의 동작에 대해서 설명한다.

부편향 갈바노 스캐너(6)와 주편향 갈바노 스캐너(8)는 각각 특히 제어 장치(도시하지 않음)로부터 지령을 받지 않은 상태에서는 어느 특정한 기준 위치에 보유 지지되어 있다. 이 기준 위치는 광로의 조정 및 제어상의 설정에 의해 변경가능하지만, 여기서는 레이저 빔(2)이 각각의 갈바노 미러 편향 중심을 통과하는 상태에서 레이저 빔(2)이 스캔 영역(12)의 중심에 낙사하는 위치를 기준 위치로 한다.

우선, 레이저 빔(2)의 낙사 위치가 스캔 영역(12)의 기준 위치로부터, 주편향 갈바노 스캐너(8)를 구동함으로써, 미리 설정된 서브 스캔 영역(13)의 중심이 되는 위치(14)로 이동한다. 계속해서, 이 위치에서 주편향 갈바노 스캐너(8)는 보유 지지되고, 부편향 갈바노 스캐너(6)를 구동함으로써 서브 스캔 영역(13) 내의 가공이 행해진다. 이와 같이 하여, 하나의 서브 스캔 영역(13)의 가공이 종료하면 주편향 갈바노 스캐너(8)를 구동함으로써, 다음의 서브 스캔 영역의 중심 위치로 레이저 빔(2)의 낙사 위치가 이동되어 가공이 행해진다. 이러한 동작이 하나의 스캔 영역(12)의 전범위에서의 가공이 종료할 때까지 반복되어, 종료되면 XY 스테이지(11)를 구동하여 다음의 스캔 영역의 가공이 행해지고, 피가공물(9) 상에 설정된 예정 범위의 모든 가공이 종료되기 까지 반복된다.

도3은 본 실시 형태의 각 광학 부품의 위치 관계를 도시한 개략도이며, 도면 중 실선으로 나타내는 광속은 레이저 발진기(3)의 레이저 출력부 혹은 그 전방의 광로 도중에 배치한 조리개(15), 부편향 갈바노 미러(5)의 2매의 갈바노 미러 사이에 있어서의 광축 방향의 중심 위치(16), 주편향 갈바노 미러(7)의 2매의 갈바노 미러 사이에 있어서의 광축 방향의 중심 위치(17) 및 Fθ렌즈(10)를 통해 피가공물(9) 상에 도달하는 레이저 빔(2)을 나타내고 있다. 또, 이 때 각 갈바노 미러는 기준 위치에 보유 지지되어 있다. 한편, 점선으로 나타내는 광속은 부편향 갈바노 미러(5)가 기준 위치로부터 변화함으로써 편향한 레이저 빔(2)이다. 도면에 도시한 바와 같이, 부편향 갈바노 미러(6)에 의해 레이저 빔(2)이 편향(오프셋)되어, 주편향 갈바노 미러로부터 부분적으로 돌출하는 것을 고려할 필요가 있다.

그로 인해, 직경 약 1OO ㎛ 이하의 미세 구멍을 가공하는 경우, 수학식 1에 나타낸 바와 같이, Fθ렌즈(10)와 피가공물(9)과의 거리나 주편향 갈바노 미러(7)의 유효 직경 외에도, 주편향 갈바노 미러(7)와 부편향 갈바노 미러(5)와의 위치 관계나 부편향 갈바노 미러(5)의 편향 각도에도 주의하여 주편향 갈바노 미러(7)로부터 레이저 빔이 새어 나오지 않도록 하여 개구수(NA)에 대해, NA > 0.08이 보유 지지되도록 해야만 한다.

이와 같이 하여, 부편향 갈바노 미러(5)를 소각도만큼 움직이게 함으로써 비교적 좁은 서브 스캔 영역 내이면 고속의 위치 결정이 가능해져 가공 시간은 단축되고, 서브 스캔 영역 사이의 이동에는 주편향 갈바노 스캐너를 이용하므로, XY 스테이지에 의한 이동에 비해 고속 이동이 가능하며, 이동 시간이 단축된다.

또, 본 실시 형태에서는 부편향시키기 위한 수단으로서 갈바노 미러를 구동하는 갈바노 스캐너를 이용하고 있지만, 피에조 등의 압전 소자를 이용하여 소자에 전류를 가함으로써 레이저 빔을 편향하는 스캐너나, 초음파 주파수에 따라서 레이저 빔의 편향 각도를 변화시키는 음향 광학 소자에 의한 스캐너를 이용해도 좋다.

<제2 실시 형태>

도4는, 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 개략도이다. 또, 본 실시 형태에서는 제1 실시 형태와 동일한 명칭의 구성에 대해서는 동일한 번호를 부여한다.

도면 중, 레이저 가공 장치(1)는 레이저 발진기(3)(도시하지 않음)로부터 발사된 직선 편광의 레이저 빔(18)을 피가공물(9) 상에서 임의의 빔 스폿 직경으로 설정하기 위한 조리개(15)와, 이 조리개(15)를 통과한 레이저 빔(18)을 제2 레이저 빔[이하, 레이저 빔(18a)]과 제1 레이저 빔[이하, 레이저 빔(18b)]으로 분광하기 위한 분광 수단(19)과, 레이저 빔(18a)의 편광 방향을 90도 회전시키는 위상판(20)과, 광로에 따라서 차례로 배치되어 가동함으로써 레이저 빔(18b)을 소각도 편향하는 부편향 갈바노 미러(5)를 갖는 갈바노 스캐너(6)와, 위상판(20)에 의해 90도 회전한 레이저 빔(18a)(S 편광)을 반사하는 동시에 부편향 갈바노 미러(5)로부터의 레이저 빔(18b)(P 편광)을 투과하는 편광 빔 분할기(21)와, 편광 빔 분할기(21)로부터의 레이저 빔(18a, 18b)을 대각도 편향시키는 주편향 갈바노 미러(7)를 갖는 주편향 갈바노 스캐너(8)와, 레이저 빔(18a, 18b)을 피가공물(9) 상에 집광하는 Fθ렌즈(10)와, 피가공물(9)을 상면에 고정하여 XY 평면상을 구동하는 XY 스테이지(11)(도시하지 않음)를 갖는다. 또, 부편향 갈바노 스캐너(6)는 편광 빔 분할기(21) 외에도 레이저 빔(18b)을 유도할 수 있으므로, 이러한 경우에 레이저 빔(18b)을 받아 흡수하는 빔 압소바(22)가 설치되어 있다.

또, 레이저 빔(18a, 18b)의 광로의 방향을 변경하기 위해서는 벤드 미러(4)가 이용된다. 또한, 도4의 상에서는 표시를 생략하고 있지만, 부편향 갈바노 미러(5) 및 부편향 갈바노 스캐너(6) 주편향 갈바노 미러(7) 및 주편향 갈바노 스캐너(8)는 제1 실시 형태와 마찬가지로 XY 평면상의 어떤 위치에도 레이저 빔 조사 가능하도록 하기 위해 X 방향으로 구동하는 미러와 스캐너와 Y 방향으로 구동하는 미러와 스캐너로 구성되어 있다.

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 동작에 대해서 설명한다.

직선 편광인 레이저 빔(18)은 분광 수단(19)에 의해 강도비 1 : 1의 레이저 빔(18a, 18b)으로 분광되고, 레이저 빔(18a)의 편광 방향을 위상판(20)으로 90도 회전시켜 S 편광으로 한다. 이 분광 수단(19)에는 소자의 오염 등에 상관없이 분광비를 안정되게 할 수 있으므로, 회절 광학 소자가 적합하다. 또한, 위상판(20)에는 λ/2판 또는 상당품을 이용하고 있다.

이와 같이 하여, S 편광이 된 레이저 빔(18a)은 편광 빔 분할기(21)에 의해 반사되고, 주편향 갈바노 스캐너(8)에 의해 피가공물(9) 상으로의 조사 위치가 결정된다. 한편, 분광 수단(19)에 의해 분광된 레이저 빔(18b)은 P 편광인 상태에서 부편향 갈바노 스캐너(6)에 입사하고, 또 주편향 갈바노 스캐너(8)에 레이저 빔(18a)과는 다른 위치에 입사한다. 따라서, 레이저 빔(18a)의 피가공물(9) 상으로의 조사 위치에 대한 레이저 빔(18b)의 피가공물(9)로의 상대적인 조사 위치는 부편향 갈바노 스캐너(8)에 의해 결정된다.

도5는, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치에서 피가공물로 조사한 경우의 레이저 조사 위치의 개략도이다.

도면 중, 피가공물(9) 상의 주편향 갈바노 스캐너(8)에 의해 스캔 영역(12) 내에는 1회의 레이저 발진기(3)(도시하지 않음)로부터의 레이저 빔(18)의 조사에 의해, 주편향 갈바노 스캐너(8)에 의한 위치 결정으로, 레이저 빔(18a)에 의한 빔조사 위치(23)와 레이저 빔(18b)에 의한 빔조사 위치(24)로 레이저 빔(18a, 18b)이 동시에 조사된다.

또한, 피가공물(9) 상의 스캔 영역(12) 내에서의 가공 예정 구멍수가 홀수인 경우 등, 레이저 빔이 반드시 2군데 조사되어, 항상 양호하다고만 할 수 없는 경우가 있다. 이러한 때는 주편향 갈바노 스캐너(8)로 레이저 빔(18a)만을 원하는 위치(25)에 조사하고, 레이저 빔(18b)은 부편향 갈바노 스캐너(6)에 의해 빔 압소바(22)에 흡수시키고, 주편향 갈바노 스캐너(8)에 입사시키지 않도록 한다.

또, 본 실시 형태의 각 광학 부품의 위치 관계는 도3과 마찬가지로 나타낸다. 즉, 도3 중의 점선이 부편향 갈바노 스캐너(6)로 편향되는 레이저 빔(18b)의 광속에 상당한다. 따라서, 개구수(NA)를 NA > 0.08이 되도록 보유 지지하기 위한 방식은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.

이러한 장치 구성으로 함으로써 2점에 동시에 레이저 빔을 조사할 수 있으므로, 가공 시간이 단축된다.

또한, Fθ렌즈는 하나이면 되므로, 비용 상승을 막을 수 있는 동시에 가공기의 대형화를 막을 수 있다.

<제3 실시 형태>

도6은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 개략도이다. 또, 본 실시 형태에서는 제1 실시 형태와 동일한 명칭의 구성에 대해서는 동일한 번호를 부여한다.

도면 중, 레이저 가공 장치(1)는 레이저 발진기(3)(도시하지 않음)로부터 발사된 레이저 빔(26)을 피가공물(9) 상에서 임의의 빔 스폿 직경으로 설정하기 위한 조리개(15)와, 이 조리개(15)를 통과한 레이저 빔(26)을 레이저 빔(26a)과 레이저 빔(26b)으로 분광하기 위한 분광 수단(19)과, 광로에 따라서 차례로 배치되어 가동함으로써 레이저 빔(26b)을 소각도 편향하는 제1 부편향 갈바노 미러(5a)를 갖는 갈바노 스캐너(6a)와, 광로에 따라서 이 갈바노 스캐너의 후방에 배치되어 가동함으로써 레이저 빔(26b)을 소각도 편향하는 제2 부편향 갈바노 미러(5b)를 갖는 갈바노 스캐너(6b)와, 레이저 빔(26a, 26b)을 대각도 편향시키는 주편향 갈바노 미러(7)를 갖는 주편향 갈바노 스캐너(8)와, 레이저 빔(26a, 26b)을 피가공물(9) 상에 집광하는 Fθ렌즈(10)와, 피가공물(9)을 상면에 고정하여 XY 평면상을 구동하는 XY 스테이지(11)(도시하지 않음)를 갖는다. 또, 제1 부편향 갈바노 스캐너(6a)는 제2 부편향 갈바노 미러(5b) 외에도 레이저 빔(26b)을 유도할 수 있으므로, 이러한 경우에 레이저 빔(26b)을 받아 흡수하는 빔 압소바(22)가 설치되어 있다.

또, 레이저 빔(26a, 26b)의 광로의 방향을 변경하기 위해서는 벤드 미러(4)가 이용된다. 또, 도6 상에서는 표시를 생략하고 있지만, 제1 부편향 갈바노 미러(5a), 제1 부편향 갈바노 스캐너(5b), 제2 부편향 갈바노 미러(6a), 제2 부편향 갈바노 스캐너(6b), 주편향 갈바노 미러(7) 및 주편향 갈바노 스캐너(8)는 제1실시 형태와 마찬가지로 XY 평면상의 어떤 위치에도 레이저 빔 조사 가능하도록 하기 위해 X 방향으로 구동하는 미러와 스캐너와 Y 방향으로 구동하는 미러와 스캐너로 구성되어 있다.

이와 같이, 제1 부편향 갈바노 스캐너(33)와 제2 부편향 갈바노 스캐너(6b)를 설치함으로써, 분광된 레이저 빔(26a, 26b)이 Fθ렌즈(10)의 전촛점 위치에서 Fθ렌즈축 상에 있는 주편향 갈바노 스캐너(8)를 통과하도록 하고 있다.

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 동작에 대해서 설명한다.

레이저 빔(26)은 분광 수단(19)에 의해 강도비 1 : 1의 레이저 빔(26a, 26b)으로 분광된다. 이 분광 수단(19)에는 소자의 오염 등에 상관없이 분광비를 안정되게 할 수 있으므로, 회절 광학 소자가 적합하다.

이와 같이 하여, 레이저 빔(26a)은 주편향 갈바노 스캐너(8)에 입사하여, 피가공물(9) 상으로의 조사 위치가 결정된다. 한편, 분광 수단(19)으로 분광된 레이저 빔(26b)은 제1 부편향 갈바노 스캐너(6a)에 입사하고, 또 제2 부편향 갈바노 스캐너(6b)에 입사하여, 계속해서 주편향 갈바노 스캐너(8)에 레이저 빔(26a)과는 다른 위치에 입사한다. 따라서, 레이저 빔(26a)의 피가공물(9) 상으로의 조사 위치에 대한 레이저 빔(26b)의 피가공물(9)로의 상대적인 조사 위치는 제1 부편향 갈바노 스캐너(6a) 및 제2 부편향 갈바노 스캐너(6b)에 의해 결정된다.

이들 제1 부편향 갈바노 미러(5a)와 제2 부편향 갈바노 미러(5b)와 주편향

갈바노 미러(8)와의 관계는, 우선 제1 부편향 갈바노 미러(5a)를 레이저 빔(26b)의 조사 위치에 상당하는 각도만큼 기울어지게 하는 동시에, 제2 부편향 갈바노미러(5b)에서, 레이저 빔(26b)이 Fθ렌즈(10)의 중심축 상에서 Fθ렌즈(10)의 전촛점 위치에 상당하는 위치를 통과하도록 복귀시킨다. 이에 의해, 레이저 빔(26b)은 Fθ렌즈(10)의 중심축 상에서 Fθ렌즈(10)의 전촛점 위치에 상당하는 위치에 설치된 주편향 갈바노 미러(7)의 유효 범위 내를 통과하게 된다.

도7은 본 실시 형태의 각 광학 부품의 위치 관계를 도시한 개략도이며, 도면 중 실선으로 나타내는 광속은 조리개(15), 주편향 갈바노 미러(8)를 구성하는 2매의 갈바노 미러 사이에 있어서의 광축 방향의 중심 위치, Fθ렌즈(10)를 지나 피가공물(9) 상에 도달하는 것을 나타낸 레이저 빔(26a)이다. 한편, 레이저 빔(26b)은 제2 부편향 갈바노 스캐너(6b)에 의해, 레이저 빔(26b)이 Fθ렌즈(10) 의 중심축 상의 Fθ렌즈(10)의 전촛점 위치에 상당하는 위치를 통과하므로, 주편향 갈바노 미러(8)에 오프셋 없이 조사된다. 이것은 도7 중에서 점선으로 나타내는 광속과 같이, 조리개(15)의 위치가 광축 방향에 대하여 직각으로 이동한 것과 동등하다.

이러한 광로계가 구성되므로, 본 실시 형태의 장치에서는 주편향 갈바노 미러의 유효 직경을 결정하는 데에 있어서, 부편향 갈바노 스캐너에 의해 레이저 빔이 흔들리는 것을 고려할 필요가 없고, 미세 직경을 보유 지지한 상태에서 부편향 갈바노 스캐너와 주편향 갈바노 스캐너에 의해 동시에 빔 조사 가능한 범위가 확대되어, 가공 속도가 향상된다. 단, 미세 구멍 가공을 행하기 위해서 개구수 NA > 0.08이 되도록 갈바노 미러 유효 직경 이외의 요소(예를 들어 Fθ렌즈와 피가공물과의 거리)에 대해서는 고려할 필요가 있다.

또한, 본 실시 형태의 장치에서 피가공물로 조사한 경우는 제2 실시 형태에서 도5에 도시한 것과 동일하게, 레이저 빔(26a)과 레이저 빔(26b)이 2군데 동시에 조사된다. 또한, 1군데만 조사하는 경우는 제1 부편향 갈바노 스캐너(6a)에 의해 레이저 빔(26b)을 빔 압소바(22)에 흡수시킨다.

또, 제2 실시 형태 및 제3 실시 형태에 있어서 부편향 갈바노 스캐너는 각각 2개의 갈바노 미러를 이용하고 있지만, 각각 1개의 갈바노 미러로 하는 구성이라도 좋다. 이 경우, 피가공물(9) 상에서 XY 평면 내의 1방향만큼의 주사가 되지만, 가공 구멍의 배치에 따라서는 유효한 동시에, 갈바노 미러의 수가 적어짐으로써 장치 구성이 간략해진다.

또, 이상의 실시 형태에서는 레이저 가공 장치를 미세 구멍 가공에 적용하는 경우에 대해서 설명하였지만, 그 밖의 레이저 가공에도 적용할 수 있는 것은 물론이다.

<제4 실시 형태>

도8은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 개략도이다. 또, 본 실시 형태에서는 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 동일 명칭의 구성에 대해서는 동일한 번호를 부여한다.

도면 중, 레이저 가공 장치(1)는 레이저 발진기(3)(도시하지 않음)로부터 발사된 원편광의 레이저 빔(27)을 피가공물(9) 상에서 임의의 빔 스폿 직경으로 설정하기 위한 조리개(15)와, 이 조리개(15)를 통과한 레이저 빔(27)을 레이저 빔(27a)과 레이저 빔(27b)으로 분광하기 위한 분광용 편향 빔 분할기(28)와, 분광용 편향 빔 분할기(28)에 대하여 P 편광인 레이저 빔(27a)을 합성용 편광 빔 분할기(29)에대하여, S 편광이 되도록 조합된 벤드 미러(4)와, 광로에 따라서 차례로 배치되어 가동함으로써 분광용 편향 빔 분할기(28)로 분광된 레이저 빔(27b)을 소각도 편향하는 부편향 갈바노 미러(5)를 갖는 부편향 갈바노 스캐너(6)와, S 편광이 된 레이저 빔(27a)과 부편향 갈바노 미러(5)로부터의 레이저 빔(27b)을 합성하는 합성용 편광빔 분할기(29)와, 합성용 편광 빔 분할기(29)로부터의 레이저 빔(27a, 27b)을 대각도 편향시키는 주편향 갈바노 미러(7)를 갖는 주편향 갈바노 스캐너(8)와, 레이저 빔(27a, 27b)을 피가공물(9) 상에 집광하는 Fθ렌즈(10)와, 피가공물(9)을 상면에 고정하여 XY 평면상을 구동하는 XY 스테이지(11)(도시하지 않음)를 갖는다. 또, 부편향 갈바노 스캐너(6)는 합성용 편향 빔 분할기(29) 외에도 레이저 빔(27b)을 유도할 수 있으므로, 이러한 경우에 레이저 빔(27b)을 받아 흡수하는 빔 압소바(22)가 설치되어 있다.

또, 레이저 빔(27b)의 광로 방향을 변경하는 경우도 벤드 미러(4)가 이용된다. 또, 도8 상에서는 표시를 생략하고 있지만, 부편향 갈바노 미러(5), 부편향

갈바노 스캐너(6), 주편향 갈바노 미러(7) 및 주편향 갈바노 스캐너(8)는 제1 실시 형태와 마찬가지로 XY 평면상의 어떤 위치에도 레이저 빔 조사 가능하도록 하기 위해 X 방향으로 구동하는 미러와 스캐너와 Y 방향으로 구동하는 미러와 스캐너로 구성되어 있다.

다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 동작에 대해서 설명한다.

원편광인 레이저 빔(27)은 분광용 편광 빔 분할기(28)에 의해 강도비 1 : 1의 레이저 빔(27a, 27b)으로 분광되고, 레이저 빔(27a)의 편광 방향을 벤드미러(4)로 변경하여 합성용 편광 빔 분할기(29)에 대하여 S 편광으로 한다.

이와 같이 하여, 합성용 편광 빔 분할기(29)에 대하여 S 편광이 된 레이저 빔(27a)은 합성용 편광 빔 분할기(29)로부터, 주편향 갈바노 스캐너(8)에 입사하고, 피가공물(9) 상으로의 조사 위치가 결정된다. 한편, 분광용 편광 빔 분할기(28)로 분광된 레이저 빔(27b)은 부편향 갈바노 스캐너(6)에 입사하고, 또 합성용 편광 빔 분할기(29)로부터 주편향 갈바노 스캐너(8)에 레이저 빔(27a)과는 다른 위치에 입사한다. 따라서, 레이저 빔(27a)의 피가공물(9) 상으로의 조사 위치에 대한 레이저 빔(27b)의 피가공물(9)로의 상대적인 조사 위치는 부편향 갈바노 스캐너(6)에 의해 결정된다.

또, 본 실시 형태의 각 광학 부품의 위치 관계는 도3과 마찬가지로 나타낸다. 즉, 도3 중의 점선이 부편향 갈바노 스캐너(6)로 편향되는 레이저 빔(27b) 광속에 상당한다.

또한, 이상의 제2 실시 형태 내지 제4 실시 형태까지의 레이저 가공 장치에서, 분광한 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔의 전파하는 광로 길이를 동일 거리라 하면, 피가공물 상에서 동일한 구멍 직경의 가공이 가능한 것은 물론이다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 레이저 가공 장치는 피가공물에 레이저 빔을 조사함으로써 가공을 행하는 장치로서 유용하다.

Claims

제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제1 스캐너와,

제2 레이저 빔과 상기 제1 스캐너를 통과한 상기 제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제2 스캐너와,

상기 제2 스캐너를 통과한 상기 제2 레이저 빔과 상기 제1 레이저 빔을 집광하는 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔은 편광 방향이 다르며, 한 쪽의 레이저 빔을 반사하고 다른 쪽의 레이저 빔을 투과하는 빔 분할기를 제2 스캐너 전방에 구비하고, 상기 빔 분할기로부터의 레이저 빔을 상기 제2 스캐너에 전파하는 구성인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제2항에 있어서, 발진기와, 상기 발진기로부터 발진된 직선 편광의 레이저 빔을 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔으로 분광하는 회절 광학 소자와, 상기 제2 레이저 빔의 편광 방향을 변경하는 위상판을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제2항에 있어서, 발진기와, 상기 발진기로부터 발진된 원편광의 레이저 빔을각각 다른 편광 방향을 갖는 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔으로 분광하는 분광용 빔 분할기를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제3항에 있어서, 회절 광학 소자 전방에 조리개를 설치하고, 렌즈 후방에 설치하는 피가공물과의 사이에서 상전사 광학계를 형성 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제4항에 있어서, 분광용 빔 분할기 전방에 조리개를 설치하고, 렌즈 후방에 설치하는 피가공물과의 사이에서 상전사 광학계를 형성 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제5항에 있어서, 회절 광학 소자로부터 렌즈까지의 제1 레이저 빔이 전파하는 거리와, 상기 회절 광학 소자로부터 상기 렌즈까지의 제2 레이저 빔이 전파하는 거리를 대략 동일 거리로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제6항에 있어서, 분광용 빔 분할기로부터 렌즈까지의 제1 레이저 빔이 전파하는 거리와, 상기 분광용 빔 분할기로부터 상기 렌즈까지의 제2 레이저 빔이 전파하는 거리를 대략 동일 거리로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 스캐너의 미러 직경과, 렌즈로부터 피가공물까지의 거리로부터 구할 수 있는 개구수를 0.08 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제1 스캐너와,

제2 레이저 빔과 상기 제1 스캐너를 통과한 상기 제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제2 스캐너와,

상기 제1 스캐너를 통과한 상기 제1 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제3 스캐너와,

상기 제2 스캐너를 통과한 상기 제2 레이저 빔과 상기 제3 스캐너를 통과한 상기 제1 레이저 빔을 집광하는 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제10항에 있어서, 제1 스캐너 전방의 제1 레이저 빔의 진행 방향상 또는 제2 스캐너 전방의 제2 레이저 빔의 진행 방향상의 적어도 한 쪽에 조리개를 설치하고, 렌즈 후방에 설치하는 피가공물과의 사이에서 상전사 광학계를 형성 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제11항에 있어서, 제2 스캐너의 미러 직경과, 렌즈로부터 피가공물까지의 거리로부터 구할 수 있는 개구수를 0.08 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제1 스캐너와,

상기 제1 스캐너를 통과한 상기 레이저 빔의 진행 방향을 임의의 방향으로 미러에 의해 편향하는 제2 스캐너와,

상기 제2 스캐너를 통과한 상기 레이저 빔을 집광하는 렌즈를 갖고,

상기 제1 스캐너는 상기 제2 스캐너에 비해 상기 레이저 빔을 편향하는 각도가 작게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제13항에 있어서, 제1 스캐너 전방에 조리개를 설치하고, 렌즈 후방에 설치한 피가공물과의 사이에서 상전사 광학계를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제14항에 있어서, 제2 스캐너의 미러 직경과, 렌즈로부터 피가공물까지의 거리로부터 구할 수 있는 개구수를 0.08 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.