KR20060060672A

KR20060060672A - 가스 레이저 시스템의 작동 방법

Info

Publication number: KR20060060672A
Application number: KR1020067002455A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 길트하우; 한스 유르겐 마이어; 페트라 미치네크
Original assignee: 히다치 비아 메카닉스 가부시키가이샤
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2006-06-05
Also published as: WO2005032758A1; JP2007507870A; CN1845811A

Abstract

특히 CO₂ 레이저를 이용하는 가스 레이저 시스템을 작동시키는 동안에, 각각의 소정의 펄스 시퀀스(LPF1, LPF2, LPF3)가 작업 위상(APH1, APH2, APH3)에서 기판의 특정 가공점으로 편향된 후에, 상기 편향된 레이저는 점프 점프 위상(SPH1, SPH2)에서 다음 가공점으로 조정된다. 레이저 공진기의 냉각 변화를 회피하여 상기 가공점 사이의 불균등한 간격 및 그에 따라 길이가 불균등한 점프 위상으로 인해 레이저 공진기에 의해 전공되는 구멍의 품질 변화를 방지하기 위해, 무선 주파수 펌핑 에너지(RF)가 상기 점프 위상(SPH1, SPH2) 동안에 상기 레이저 공진기에 간헐적으로 인가되어 상기 공진기 내의 에너지 레벨이 작업 위상(APH1, APH2, APH3) 동안의 에너지 레벨과 동일한 높이로 유지되도록 한다.

가스 레이저, 작동 방법, 작업 위상, 점프 위상, 레이저빔, 편향, 공진기

Description

가스 레이저 시스템의 작동 방법 {METHOD FOR OPERATING A GAS LASER SYSTEM}

본 발명은 가스 레이저, 특히 CO₂ 레이저를 이용하여 기판을 기계가공하는 레이저 시스템의 작동 방법에 관한 것으로, 각각의 작업 위상 중에 소정의 펌핑 레벨을 발생시키기 위해 가스가 충전된 레이저 공진기에 무선 주파수 전압이 인가되고, 퀄리티 스위치(quality switch)에 의해 소정의 반복 주파수를 가지는 펄스식 레이저빔이 발생되며, 상기 발생된 레이저빔은 편향 장치에 의해 기계가공 위치로 각각 편향되고, 작업 위상 중에 소정 수의 펄스가 발생되어 편향 장치에 의해 점프 위상에서 다음 기계가공 위치로 배향되며, 상기 레이저빔은 하나의 기계가공 위치로부터 다음 기계가공 위치로 이동하는 각각의 점프 위상 중에는 스위치 오프되어 외부에 펄스를 방출하지 않는다.

기판을 기계가공하는 이러한 방법은 공지되어 있다. 예를 들어 DE10145184A1에는, 회로기판에 레이저 천공을 위한 방법이 기재되어 있으며, CO₂ 레이저가 바람직하게 이용된다. CO₂ 레이저를 이용하여 회로기판을 천공하는 경우, 구멍마다 소정 수의 레이저 펄스가 필요하며, 이것은 적용하는 경우에 따라 좌우된 다. 이러한 펄스 시퀀스를 버스트(burst)라고도 한다. 일관되고 재현 가능한 구멍의 품질을 위해서는 펄스 시퀀스의 펄스 높이의 코스 및 펄스 높이의 절대치가 하나의 펄스 시퀀스로부터 다음 펄스 시퀀스에 이르기까지 동일해야 한다. 소정의 펄스 주파수를 가지는 펄스가 방출되는 시점으로부터 펄스가 방출되지 않는 시점까지의 펄스-작업 요소를 작업 사이클이라고도 한다. 이러한 작업 사이클은, 가용 레이저의 펄스 파워가 높기 때문에 특정 값을 초과하지 않아야 하며, 그렇지 않은 경우 냉각이 되지 않아 효율이 떨어지게 된다.

WO 02/082596 A2에는, 이러한 응용을 위한 레이저원이 기재되어 있으며, 냉각 장치를 구비한 공진기가 제공된다. 에너지 비율을 고려하여, 각각의 펄스 시퀀스 중에 공진기에서는, 공진기 내의 온도 또는 에너지 비율이 동일한 수준으로 유지되어 이러한 펄스 시퀀스 내의 펄스 또한 동일한 크기로 유지되도록 냉각을 조절하는 것이 가능하다. 그럼에도 불구하고, 펄스 시퀀스에 펄스의 수가 너무 높은 경우에는 펄스의 높이가 감소한다는 것을 주지할 필요가 있다.

그러나, 천공 프로그램에서 구멍 간의 간격이 서로 상이한 경우에 문제가 발생한다. 이것은, 펄스 시퀀스 사이에 상이한 길이의 점프 위상이 놓이며, 따라서 이 동안에 레이저가 상이한 시간 동안 스위치 오프되는 것을 의미한다. 결과적으로, 높은 파워의 범위에서는, 레이저 공진기 내의 가스 냉각 시간의 길이가 상이하기 때문에, 효율 및 이에 따른 하나의 펄스 시퀀스로부터 다음 펄스 시퀀스에 이르는 펄스의 레벨이 상이해진다. 따라서, 구멍 품질의 재현에 영향을 받게 된다.

대응되는 추가의 대기 시간에 의해, 하나의 구멍으로부터 다음 구멍까지의 균등하지 않은 동작 시간의 악영향을 보정하고 따라서 펄스 시퀀스 사이의 일정한 지속시간 간격을 보장하는 것이 가능하지만, 그 결과는 항상 가능성이 가장 높은 간격이 펄스 시퀀스 사이에 존재하여야 한다는 것이다. 따라서, 천공 가공은 매우 느려지고 따라서 처리량이 감소된다.

본 발명의 목적은, 전술한 종류의 방법을 변형시킨 것으로, 기계가공 위치의 간격이 상이하고 따라서 레이저빔의 스위치 오프 시간이 상이한 경우에도 임의의 추가적인 시간 손실 없이 모든 기계가공 위치에서 일관된 기계가공 품질이 얻어질 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은, 점프 위상 동안에 레이저 공진기에 무선 주파수 펌핑 전압이 간헐적으로 인가되어 작업 위상 동안에 공진기 내의 에너지 레벨이 동일한 높이로 유지되도록 함으로써 달성된다.

레이저 공진기에서 무선 주파수 전압의 작용에 의해, 본 발명에 따라 정의한 바와 같이, 펄스 시퀀스와 펄스 세퍼레이션 사이의 펄스-작업 요소 및 작업 사이클은 각각 레이저가 스위치 오프되었을 때에도 동일한 레벨로 유지되어, 가스의 냉각이 정의된 방식으로 제어되고 따라서 공진기 내의 에너지 레벨 또한 펄스 세퍼레이션 동안에 동일하게 유지된다. 따라서, 레이저가 스위치 온되면, 이전의 펄스 시퀀스 동안과 동일한 높이의 백온 펄스(back on pulse)가 즉시 방출될 수 있다.

무선 주파수 펌핑 전압을 이용하는 공진기의 작동은 점프 위상 동안에 상이한 버전으로 실행될 수 있다. 예를 들어, 이들 점프 위상들 동안에 무선 주파수 전압을 연속적으로 변조하는 것이 가능하다. 그러나, 점프 위상의 개시점 및/또는 종료점에 정의된 스위치 오프 시간 동안에 RF 파워를 완전히 스위치 오프하거나 완전히 스위치 온하고, 나머지 시간 동안에만 소정의 펄스-작업 요소를 가지는 변조된 전압을 인가하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 방법은, 소정의 기계가공 영역이 가공되는 경우, 점프 위상 동안뿐만 아니라 보다 긴 세퍼레이션 동안, 예를 들어 하나의 가공 영역으로부터 다음 가공 영역으로 변화될 때 또는 시스템의 작동 대기 상태 동안에도, 공진기에서의 무선 주파수 전압의 변조가 계속되는 효과를 발휘할 수 있다.

본 발명에 따른 변조에 필요한 펄스-작업 요소를 얻기 위해서는, 다양한 기준, 특히 특정 레이저 공진기의 특성이 고려되어야 한다. 따라서 이러한 펄스-작업 요소는 실험, 예를 들어 레이저를 스위치 오프하여 무선 주파수 전압의 상이한 펄스/세퍼레이션 비율을 이용하여 테스트 구멍을 천공하고 이 구멍의 품질을 검사하는 것에 의해 얻어지는 것이 바람직하다. 그러나, 레이저의 테스트 펄스를 방출하고 이 펄스의 높이를 측정하는 것에 의해 공진기 내의 에너지 레벨을 얻는 것도 가능하다. 이러한 가공에서, 펄스 높이는 포토다이오드 등에 의해 측정될 수 있다.

도 1은 본 발명의 방법을 적용하기 위한 가스 레이저 시스템의 개략도이다.

도 2는 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 공진기 내의 유효한 여러 신호를 나타내는 도면이다.

도 3은 종래 기술에서 작업 위상 및 점프 위상에서의 레이저 공진기에 대한 펄스 작동을 포함하는 시간-의존성 다이어그램이다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 방법으로, 3개의 상이한 버전에서의 레이저 공진기에 대한 펄스 작동을 포함하는 시간-의존성 다이어그램이다.

이하, 첨부도면을 참조한 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 방법에 대한 레이저 시스템을 나타낸다. 가스 혼합물, 바람직하게는 CO₂가 충전되는 챔버를 포함하는 공진기(1)가 제공되며, 이 공진기(1)에는 전극 시스템(2)을 통해 무선 주파수 전압(RF)이 인가된다. 또한, 공진기(1)는 대응되는 냉매 연결을 가지는 냉각 시스템(3)을 통해 냉각된다. 전기 광학 변조 장치의 기능을 가지며 대응되는 펄스 활성체(pulse activator)(5)를 통해 무선 주파수 전압이 공급되는 퀄리티 스위치(4)에 의해, 거울 장치(6)의 도움을 받아 윈도우(7)를 통해 공진기(1)로 펄스가 방출되고 또 다른 거울 장치(8)를 통해 가이드된다. 작은 공간 내에 거울을 적절하게 배치함으로써 활성화된 공진기의 유효 길이가 연장된다. 이로써, 레이저 펄스(LP)가 발생되고 출력 윈도우(9), 및 가동식 거울 장치를 가지는 편향 장치(10)를 통해 공진기로부터 가공물(11)로 편향되어, 각각의 작업 위치, 예를 들어 천공 위치에서 상기 가공물을 기계가공하게 된다. 가공물(11)은 조절식 테이블(12) 상에 배치되며, 이것은 가공물의 특정 가공 영역이 레이저빔의 범위로 이동될 수 있다는 것을 의미한다. 테이블(12) 및 편향 장치(10)는 포지셔닝 시스템(13)에 의해 제어되며, 포지셔닝 시스템(13)은 다시 중앙 제어 장치(14)에 의해 제어된다. 중앙 제어 장치(14)는 또한 퀄리티 스위치(4) 및 그 활성체(5)를 통해 공진기에서의 무선 주파수 전압(RF), 및 펄스의 발생을 조정한다. 도 1에 따른 시스템은 공지되어 있으며, 그 필수 구성요소는 WO 02/082596 A2에 기재되어 있다.

도 2는 종래의 작동 모드에서의 도 1에 따른 시스템의 펄스 다이어그램을 나타낸다. 펄스 시퀀스를 개시하도록 하기 위해, 제어 장치(14)는 tb1의 시간에서 공진기에 무선 주파수 전압(RF)을 인가하며, 전압 인가의 지속시간 동안은 여기 상태이다. 그리고, 제어 장치(14)가 퀄리티 스위치(4)에 트리거 펄스(TP)를 인가하는 경우, 공진기는 대응되는 레이저 펄스(LP)의 시퀀스를 방출하게 된다.

도 3은 회로보드 상에서 상이한 간격으로 천공을 하는 동안 대응되는 펄스 시퀀스를 나타낸다(도 3 내지 도 6에서 모든 신호는 예를 들어 저활성(low active)으로 도시되었으며, 물론 고활성(high active)으로 도시하는 것도 가능함). 도시한 예시는, 개별 작업 위상(APH1, APH2, APH3)이 각각 천공을 하도록 기능하고, 작업 위상 사이의 점프 위상(SPH1, SPH2)은 각각 제1 구멍으로부터 제2 구멍 등으로 빔 편향의 점프를 가능하게 한다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 점프 위상들은 그 길이가 상이하며, 그 이유는 천공될 구멍의 간격이 상이하기 때문이다. 실제로, 그 간격은 예를 들어 200㎛ 내지 50㎜의 범위를 가지며, 점프에는 대략 200㎲ 내지 50㎳가 소요된다. 또한, 점프 위상(SPH1, SPH2) 동안에 (트리거 펄스의 결여 로 인해) 레이저빔 자체가 스위치 오프되는 것은 물론, 공진기에서의 무선 주파수 전압(RF) 또한 스위치 오프된다. 이로 인해, 상이한 길이의 점프 위상에 대응하여 공진기 내에서 상이한 냉각 및 에너지 레벨의 상이한 감소가 일어난다.

도 4는 본 발명의 작동 모드에 대한 제1 예시를 나타낸다. 여기서, 레이저의 발사는, 종래의 방법에서와 마찬가지로 퀄리티 스위치를 통해 점프 위상에서 비활성화된다. 그러나, RF 파워는 t1 내지 t2의 펄스-작업 요소로 전체 점프 위상을 각각 가로질러 간헐적으로 인가되어, 작업 위상(APH)에 대한 점프 위상(SPH)의 전체 비율("RF 파워 오프" 대 "RF 파워 온"의 비율)이 균형을 이루도록 한다. 따라서, 작업 위상(APH)에 비해 큰 점프 위상(SPH)은 보정되어 균형을 이룬 에너지 레벨이 얻어진다.

도 5는 약간 변형된 실시예로서, 작업 위상(APH1 내지 APH3) 및 그 사이에 개재된 점프 위상(SPH1, SPH2)이 전술한 예시와 동일한 길이를 갖는다. 이 경우에는, RF 파워의 간헐 변조가 각각 점프 위상의 개시점 우측에 형성된다. 그러나, 공진기의 여기(excitation)는 다음 작업 위상의 개시점까지 t3의 지속시간을 가지는 소정의 세퍼레이션 시간(PZ) 동안 완전히 스위치 오프 또는 스위치 온된다.

도 6에 도시한 바와 같이, 다른 버전에서는, 각각의 점프 위상(SPH1, SPH2)이 t3의 지속시간을 가지거나 상이한 지속시간을 가지는 소정의 세퍼레이션 시간(PZ)으로 시작하여 다음 작업 위상의 개시점까지 공진기에 간헐 RF 파워를 인가한다. 또한, 도 5 및 도 6의 버전을 조합하는 것, 즉 점프 위상의 개시점 및 종료점에서 각각 세퍼레이션 시간을 취하고 그 사이에서 공진기에 간헐 RF 파워를 인가하 여, 임의의 경우에 다음 작업 위상의 개시점에서 공진기 내의 온도 및 에너지 레벨이 각각 이전의 작업 위상에서의 비율과 대응되도록 하는 것도 가능하다. 그에 따른 레이저 펄스 시퀀스(LPF1, LPF2, LPF3) 및 작업 위상(APH1, APH2, APH3)은 상이한 길이로 될 수도 있다.

Claims

가스 레이저, 특히 CO₂ 레이저를 이용하여 기판을 기계가공하는 레이저 시스템의 작동 방법에 있어서,

각각의 작업 위상(APH) 중에 소정의 펌핑 레벨을 발생시키기 위해 가스가 충전된 레이저 공진기(1)에 무선 주파수 전압(RF)이 인가되고, 퀄리티 스위치(quality switch)(4)에 의해 소정의 반복 주파수를 가지는 펄스식 레이저빔(LP)이 발생되며, 상기 발생된 레이저빔은 편향 장치(10)에 의해 기계가공 위치로 각각 편향되고, 상기 작업 위상(APH1, APH2, APH3) 중에 소정 수의 펄스(LPF1, LPF2, LPF3)가 발생되어 상기 편향 장치(10)에 의해 점프 위상(SPH1, SPH2)에서 다음 기계가공 위치로 배향되며, 상기 레이저빔(LP)은 하나의 기계가공 위치로부터 다음 기계가공 위치로 이동하는 각각의 상기 점프 위상 중에는 스위치 오프되어 외부에 펄스를 방출하지 않으며,

상기 무선 주파수 펌핑 에너지(RF)는 상기 점프 위상(SPH1, SPH2) 동안에 상기 레이저 공진기(1)에 간헐적으로 인가되어 상기 공진기 내의 에너지 레벨이 상기 작업 위상(APH1, APH2, APH3) 동안의 에너지 레벨과 동일한 높이로 유지되는

레이저 시스템 작동 방법.
제1항에 있어서,

상기 레이저빔의 전체 점프 위상(SPH1, SPH2) 동안에 상기 무선 주파수 펌핑 에너지(RF)는 소정의 펄스/세퍼레이션 비율(t1, t2)로 변조되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템 작동 방법.
제1항에 있어서,

상기 작업 위상(APH1, APH2, APH3) 후에, 소정의 시간간격 동안에 소정의 펄스/세퍼레이션 비율(t1, t2)로 상기 무선 주파수 펌핑 전압(RF)이 각각 변조되고나서 다음번 작업 위상(APH1, APH2, APH3)의 개시점까지 소정의 세퍼레이션 시간(PZ) 동안에 소정의 방식으로 스위치 오프 또는 스위치 온되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템 작동 방법.
제1항에 있어서,

상기 작업 위상(APH1, APH2, APH3) 후에, 소정의 세퍼레이션 시간(PZ) 동안에 스위치 오프되고나서 소정의 펄스/세퍼레이션 비율(t1, t2)로 변조되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템 작동 방법.
제1항에 있어서,

상기 점프 위상(SPH1, SPH2)의 개시점 및 종료점에서의 무선 주파수 펌핑 전압(RF)은, 소정의 세퍼레이션 시간(PZ) 동안에 스위치 오프되거나 스위치 온되고, 나머지 점프 위상 동안에 소정의 펄스/세퍼레이션 비율로 변조되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템 작동 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 무선 주파수 펌핑 전압(RF)은 또한 상기 레이저 시스템의 작동 대기 모드 동안에 간헐적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템 작동 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 무선 주파수 펌핑 레벨을 중단시키도록 상기 펄스/세퍼레이션 비율(t2/t1)을 조절하기 위해, 상기 공진기(1) 내의 에너지 레벨은 테스트 구멍을 천공하고 상기 테스트 구멍의 품질을 검사하는 것에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템 작동 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 무선 주파수 펌핑 레벨을 중단시키도록 상기 펄스/세퍼레이션 비율(t2/t1)을 조절하기 위해, 상기 공진기(1) 내의 에너지 레벨은 테스트 펄스를 방출하고 상기 테스트 펄스의 높이를 측정하는 것에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템 작동 방법.
제8항에 있어서,

상기 펄스의 높이는 포토다이오드에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 레이 저 시스템 작동 방법.