KR20070057066A - 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 레이저 빔(1)을 출력하는 레이저 발진기(3)와, 레이저 빔의 광로 중에 배치되어 레이저 발진기(3)로부터 출력된 레이저 빔을 원하는 지름 혹은 형상으로 성형하는 마스크(5)와, 상기 마스크(5)의 직전의 레이저 빔 광고 상에 배치되어 상기 마스크(5) 상에서의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 파면곡률 조정 수단(8)과, 상기 마스크(5)와 피가공물(2) 사이의 레이저 빔 광로 중에 배치되어 상기 마스크(5)를 투과한 레이저 빔을 피가공물(2) 표면에 조사할 때에 상기 마스크(5)의 상을 피가공물(2) 표면에 전사하는 전사 렌즈(7)를 구비하는 것에 의해, 피가공물(2) 표면 상의 레이저 빔(1)의 파면곡률(23)을 발산으로 할 수 있으므로, 피가공물(2)의 두께가 두꺼운 것이어도, 가공구멍의 테이퍼도를 향상할 수 있다.

Description

레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 {LASER PROCESSING METHOD AND LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은, 레이저 빔에 의해 프린트 기판 등의 피가공물에 대하여 드릴 가공을 실시하는 레이저 가공 방법과 그 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

종래의 프린트 기판 등의 피가공물에 대하여 드릴 가공을 주목적으로 하고, 마스크의 상을 피가공물 표면에 전사하여 가공을 실시하는 레이저 가공 장치 및 방법에 있어서는, 광학계에 균일화 광학계를 삽입해 레이저 빔의 강도 분포를 이른바 톱 해트(top hat) 형상으로 하는 것과 동시에, 마스크 상에서의 레이저 빔의 파면곡률을 수속으로 하는 것으로서, 균일한 가공품질을 얻는 구성이 되고 있다 (예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 l: 특개평 2002-1566호 공보

종래의 레이저 가공 장치 및 방법에 있어서는, 상기 구성을 실시하는 것에 의해, 피가공물의 두께가 얇을 때에는, 가공구멍의 가공 저면에서의 구멍 지름(이하 바텀 지름이라고 칭함)과 가공 표면에서의 구멍 지름(이하 탑 지름이라고 칭함)과의 비율인 테이퍼도(= 바텀 지름 / 탑 지름)를 좋게 한다, 즉 100% 에 접근할 수 있다. 그런데, 예를 들면 두께가 100μm를 넘는 것과 같은 두께가 두꺼운 피가공물 을 가공하는 경우, 테이퍼도가 열화되는 문제가 발생하고 있었다. 이하에 그 이유를 설명한다.

종래의 레이저 가공 장치 및 방법에 있어서는, 마스크의 레이저 빔 광로의 하류 측에는 개구 조리개가 배치되어 있으나, 레이저 빔이 마스크를 투과한 후의 레이저 빔의 주변 부분의 마스크에 의한 회절의 고차(高次) 부분이, 이 개구 조리개에 의해 차폐되었을 경우, 레이저 빔의 프로파일이 열화하고, 톱 해트 형상이 붕괴되어 가공품질의 저하로 연결된다. 따라서, 가공품질을 균일하게 유지하기 위해서는, 마스크를 통과한 레이저 빔의 회절의 고차 성분이 개구 조리개로 차폐되지 않도록, 마스크 상에서의 레이저 빔의 파면곡률을 수속(收束)하고, 개구 조리개로 향하여 레이저 빔이 발산하지 않는 것 같은 구성이 바람직하다. 그 때문에, 종래의 레이저 가공 장치 및 방법에 있어서는, 마스크에 있어서의 레이저 빔의 파면곡률을 수속으로 하고 있었다.

마스크의 상을 피가공물 표면에 전사하는 경우, 가공 표면에서의 레이저 빔의 파면곡률은 마스크 상에서의 레이저 빔의 파면곡률과 마스크의 상을 피가공물 표면에 전사하는 전사 렌즈의 전사율로 결정된다. 통상, 마스크와 피가공물 사이에는, 렌즈계는 예를 들면 fθ 렌즈와 같은 전사 렌즈뿐이고, 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률과 전사 위치인 가공 표면 상의 파면곡률을 비교하면, 절대치는 전사 렌즈의 전사율로 변화하지만, 부호는 변화하지 않는다. 즉, 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률이 수속되면 피가공물 표면의 파면곡률도 수속이 된다.

따라서, 종래의 레이저 가공 장치 및 방법에 있어서는, 레이저 빔의 프로파 일의 열화를 방지할 수 있도록 마스크 상에서의 레이저 빔의 곡률을 수속으로 하고 있었기 때문에, 결과적으로 마스크의 상의 전사 위치인 피가공물 표면 상에서의 파면곡률도 수속이 되고 있었다. 이 때문에, 피가공물에 조사된 레이저 빔은 빔 지름이 가공 표면으로부터 가공 저면으로 향하여 가늘어지는 형상이 되어, 피가공물의 두께가 두꺼워지는 만큼 가공 저면의 빔 지름이 보다 가늘어지는 상황이 되고 있었다.

그 결과, 피가공물의 두께가 두꺼워지는 만큼 가공구멍의 바텀 지름이 보다 작아져, 테이퍼도가 열화하는 원인이 되고 있었다.

본 발명은, 상술과 같은 과제를 해결하기 위해서 된 것으로서, 마스크의 상을 피가공물 표면에 전사하고 가공을 실시하는 레이저 가공 장치 및 방법에 있어서, 피가공물의 두께가 두꺼워 지는 것에 대해서도 가공구멍의 바텀 지름을 크게 할 수 있고, 가공구멍의 테이퍼도를 좋게 하는 것이 가능한 레이저 가공 장치 및 방법을 얻는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기와, 레이저 빔의 광로 중에 배치되어 레이저 발진기로부터 출력된 레이저 빔을 원하는 지름 혹은 형상에 성형하는 마스크와, 상기 마스크의 직전의 레이저 빔 광로 상에 배치되어 상기 마스크 상에서의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 파면곡률 조정 수단과, 상기 마스크와 피가공물 사이의 레이저 빔 광로 중에 배치되어 상기 마스크를 투과 한 레이저 빔을 피가공물 표면에 조사할 때에 상기 마스크의 상을 피가공물 표면에 전사하는 전사 렌즈를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 본 발명에 관한 레이저 가공 방법에 있어서는, 레이저 발진기에서 출력된 레이저빔을 성형하는 마스크의 상을 피가공물 표면 상에 전사하여 드릴 가공을 실시하는 레이저 가공 방법에 있어서, 피가공물 표면 상에서 파면곡률이 발산되는 레이저 빔으로 가공하는 것을 특징으로 하는 것이다.

<발명의 효과>

본 발명은, 피가공물의 가공 표면에서 레이저 빔의 빔 파면곡률을 발산하는 것으로써, 피가공물의 두께가 두꺼워도 가공구멍의 테이퍼도를 좋게 할 수 있다.

[도 l] 본 발명의 실시의 형태 1을 나타내는 레이저 가공 방법의 설명도이다.

[도 2] 본 발명의 실시의 형태 1을 나타내는 레이저 가공 장치의 구성도이다.

[도 3] 본 발명의 실시의 형태 1인 레이저 가공 방법의 실험 결과를 나타내는 도면이다.

[도 4] 본 발명의 실시의 형태 1을 나타내는 다른 레이저 가공 장치의 구성도이다.

[도 5] 본 발명의 실시의 형태 2를 나타내는 레이저 가공 장치의 구성도이다.

[도 6] 본 발명의 실시의 형태 3을 나타내는 레이저 가공 장치의 구성도이다.

[도 7] 본 발명의 실시의 형태 3인 레이저 가공 장치의 전사 광학계를 설명하기 위한 모식도이다.

[도 8] 본 발명의 실시의 형태 3인 레이저 가공 장치의 제어장치에 기억되는 데이터 베이스를 나타내는 도면이다.

[도 9] 본 발명의 실시의 형태 3인 레이저 가공 장치의 제어 방법을 나타내는 제어 흐름도이다.

<실시의 형태 1>

과제에서 기술한 것처럼, 종래의 레이저 가공 장치 및 방법에 있어서는, 마스크에서의 레이저 빔의 파면곡률을 수속으로 하고 있었으므로, 결과적으로 피가공 물 상에서의 레이저 빔의 파면곡률도 수속이 되어, 피가공물에 조사된 레이저 빔이 쇠퇴되고, 피가공물의 두께가 두꺼워지면 가공구멍의 테이퍼도가 열화되는 문제가 있었다. 거기서 발명자는, 피가공물 상에서의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 것으로 테이퍼도가 개선될 수 없는지 검사를 실시했다.

우선, 피가공물 상에서의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 것으로서, 가공구멍의 테이퍼도가 개선되는 이유를 설명한다.

도 1 은, 피가공물 부근에 있어서의 레이저 빔의 형상 및 파면곡률을 나타낸 모식도이다. 도 1(a)는 종래의 가공 방법인 마스크 상에서의 파면곡률이 수속의 경 우를 나타내고, 도 1(b)는 본 발명의 가공 방법인 마스크 상에서의 파면곡률이 발산의 경우를 나타내고 있다. 도 l에 있어서, (1)은 피가공물에 조사되는 레이저 빔, (2)는 가공 대상인 피가공물, (21)은 피가공물의 가공 표면, (22)는 피가공물의 가공 저면, 파선(破線)으로 나타낸 (23)은 레이저 빔(1)의 파면곡률이다. 또, W_1a는 종래의 가공 방법에 있어서의 가공 표면(21)에서의 빔 지름, W_2a는 종래의 가공 방법에 있어서의 가공 저면(22)에서의 빔 지름, W_1b는 본 발명의 가공 방법에 있어서의 가공 표면(21)에서의 빔 지름, W_2b는 본 발명의 가공 방법에 있어서의 가공 저면(22)에서의 빔 지름을 나타내고 있다. (24)는 레이저 빔(1)이 가장 좁아지는 위치인 이른바 빔 웨이스트(beam waist) 위치, (25)는 마스크의 상이 전사 렌즈에 의해 전사되어 결상하는 전사 위치이다.

여기서, 마스크의 상을 피가공물 상에 전사하여 가공을 실시하는 레이저 가공 방법에서는, 가공 표면(21)과 마스크의 상이 결상하는 전사 위치(25)가 어긋났을 경우, 광학계의 수차 등의 영향에 의해 가공구멍의 진원도(眞円度)가 열화하는 문제가 발생하기 때문에, 도 1에 나타낸 바와 같이, 전사 위치(25)와 가공 표면(21)을 맞추는 것이 바람직하다.

또, 도 l에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔(1)의 파면곡률(23)은 빔 웨이스트 위치(24)에 이를 때까지는 수속이고 빔 지름은 서서히 가늘게 되며, 빔 웨이스트의 위치(24)에서 파면곡률(23)은 플랫(flat)이 되고, 빔 웨이스트 위치(24) 이후는 파면곡률(23)은 발산되어 레이저 빔(1)은 서서히 커져진다.

종래의 가공 방법에 있어서는, 레이저 빔(l)의 프로파일의 열화를 방지할 수 있도록 마스크 상에서의 레이저 빔의 파면곡률을 수속으로 하고 있었기 때문에, 전사 위치(25)에서의 파면곡률(23)도 수속이 된다. 즉, 전사 위치(25)는 빔 웨이스트 위치(24) 보다도 레이저 빔 광로의 상류 측에 위치하게 된다. 상술한 것처럼, 전사 위치(25)와 가공 표면(21)은 일치시키는 것이 바람직하기 때문에, 결과적으로 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 가공 표면(21)은 빔 웨이스트 위치(24) 보다도 레이저 빔 광로의 상류 측에 위치하게 되어, 레이저 빔의 형상은 도 1(a)에 도시된 바와 같이 가공 표면으로부터 가공 저면으로 향해 가늘어지는 형상이 된다.

이 결과, 가공 표면(21)에서의 빔 지름 W_1a와 가공 저면(22)에서의 빔 지름 W_2a의 관계는,

(식 1)

로 되고 있었다. 원래, 가공 표면(21)은 항상 레이저 빔(1)의 입열(入熱)이 있으므로, 가공구멍의 바텀 지름은 가공구멍의 탑 지름에 비해 지름이 작아지는 경향에 있지만, 더욱 (식 1)의 영향이 더해져, 가공구멍의 바텀 지름이 더욱 작아지고, 테이퍼도가 열화한다. 특히 피가공물의 두께가 두꺼울 때는, 레이저 빔(1)이 가공 저면(22)에서 보다 가늘어지는 것과 동시에 레이저 빔(1)의 입열(入熱)이 가공 저면(22) 측에서 보다 적게 되는 것으로부터, 테이퍼도의 열화가 현저하다.

한편, 본 발명에 있어서는, 마스크 상에서의 레이저 빔(l)의 파면곡률(23)을 발산으로 설정하는 것에 의해, 전사 위치(25)에서의 파면곡률(23)은 발산이 된다. 즉, 전사 위치(25)는 빔 웨이스트 위치(24) 보다도 레이저 빔 광로의 하류 측에 위치하게 된다. 전사 위치(25)와 가공 표면(21)은 일치시키는 것이 바람직하기 때문에, 결과적으로 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 가공 표면(21)은 빔 웨이스트 위치(24) 보다도 레이저 빔 광로의 하류 측에 위치하게 된다. 따라서, 레이저 빔(1)의 형상은, 도 1(b)에 도시된 바와 같이 가공 표면(21)으로부터 가공 저면(22)으로 향해 커지는 형상이 된다. 이 결과, 가공 표면(21)에서의 빔 지름 W_1b와 가공 저면(22)에서의 빔 지름 W_2b의 관계는,

(식 2)

된다. 상술한 것처럼, 가공 표면(21)은 항상 레이저 빔(1)의 입열이 있으므로, 가공구멍의 바텀 지름은 가공구멍의 탑 지름에 비해 지름이 작아지는 경향에 있지만, (식 2)의 효과는 이것을 없애는 작용으로서 일하여, 도 1(a)에 나타낸 파면곡률이 수속의 경우에 비해 가공구멍의 바텀 지름이 커져, 테이퍼도가 좋게 된다. 특히 피가공물의 두께가 두꺼운 만큼, 레이저 빔(l)은 가공 저면(22)에서 보다 크게 되므로, 이 효과가 현저하게 된다.

다음에, 상기 가공 방법을 실현하기 위한 레이저 가공 장치의 일례를 도 2를 이용해 설명한다.

도 2는, 본 발명을 실시하기 위한 실시의 형태 1에 있어서의 레이저 가공 장치의 구성을 나타낸 것이다. 도 2에 있어서, (3)은 레이저 발진기, (l)은 레이저 빔, (4)는 레이저 발진기(3)로부터 출력되는 레이저 빔(1)의 모드 형상을 가우스 모드(Gauss mode) 분포로부터 주변부에 걸쳐 균일한 이른바 톱 해트(top hat) 분포로 변환하는 균일화 광학계, (5)는 레이저 빔(1)을 원하는 지름 혹은 형상으로 성형하는 마스크, (6)은 반사 미러(mirror), (2)는 피가공물, (7)은 마스크(5)의 상을 피가공물(2)로 전사하는 전사 렌즈이다. (8)은 균일화 광학계(4)에서 형성된 레이저 빔의 파면곡률을 마스크(5) 상에서 발산으로 하는 파면곡률 조정 수단이다. (9)는 파면곡률 조정 수단(8)을 구성하는 1매의 볼록 렌즈이며, 마스크(5)의 앞에서 초점을 맺도록 배치되어 있다. 또, (10)은 레이저 가공 장치 전체를 제어하기 위한 제어장치, (11)은 피가공물(2)을 얹어 놓아 XY 방향으로 피가공물(2)을 이동시키는 가공 테이블이다.

여기서, 반사 미러(6)가 종래의 레이저 가공 장치에 있어서의 개구 조리개와 같게 레이저 빔의 회절광의 고차 성분을 차폐하는 영향을 부여하게 된다. 즉, 반사 미러(6)의 유효 지름이 개구 조리개의 개구부에 해당하고, 반사 미러(6)의 유효 지름 내에 입사한 레이저 빔만이 전사 렌즈(7)에 이끌려 가공에 유효하게 이용되는 것이다.

다음에, 도 2에 도시된 레이저 가공 장치의 기본 동작을 설명한다.

우선, 제어장치(10)에 의해 레이저 출력의 ON/OFF 등이 제어되는 레이저 발진기(3)로부터 레이저 빔(1)이 출력되고, 이 레이저 빔(1)을 균일화 광학계(4)에 의해 레이저 빔 주변부에 걸쳐 강도 분포가 균일한 이른바 톱 해트(top hat) 분포로 변환한다. 다음에, 톱 해트 분포로 변환된 레이저 빔(1)은 파면곡률 조정 수 단(8)을 투과해 마스크(5)에 도달한다. 여기서, 파면곡률 조정 수단(8)을 구성하는 볼록 렌즈(9)는 마스크(5) 앞에서 초점을 맺기 때문에, 볼록 렌즈(9)를 투과한 레이저 빔의 파면곡률은 마스크 상에서 발산된다. 그리고, 마스크(5)에서 성형된 레이저 빔은 반사 미러(6)에서 반사되고, 전사 렌즈(7)에서 소정의 배율로 변환되어 피가공물(2)에 조사된다. 따라서, 마스크(5)의 상이 피가공물(2) 상에 전사되므로, 피가공물(2) 상의 레이저 빔(1)의 파면곡률은 발산된다.

그리고, 가공 테이블(11)의 이동과 레이저 발진기(3)의 ON/OFF를 동기시키는 것으로, 피가공물(2)의 원하는 위치에 드릴 가공을 실시할 수 있다. 또, 반사 미러(6)를 레이저 빔(1)을 주사하는 갈바노 스캐너(galvano scanner)로 치환하고, 피가공물(2)을 고정하여 갈바노 스캐너에서 소정의 범위로 드릴 가공하도록 구성해도 좋다.

다음에, 발명자가 도 2에 나타낸 레이저 가공 장치를 사용하여 본 발명의 가공 방법을 실시한 실험 내용 및 결과에 대해 설명한다.

마스크(5)로부터 전사 렌즈(7)까지의 거리 1500mm, 반사 미러(6)의 유효 지름 φ30mm, 전사 렌즈(7)의 초점거리 75mm로 설정한 레이저 가공 장치에 있어서, 마스크(5) 상에서의 빔 파면곡률을 파라미터로 하고 가공 A(목적 가공 구멍 지름 φ200μm, 피가공물의 두께 200μm), 및 가공 B(목적 가공 구멍 지름 φ120μm , 피가공물의 두께 50μm)의 관통 구멍 가공을 실시하여 도 3에 나타나는 결과를 얻을 수 있었다. 도 3에서, 횡축은 마스크(5) 상에서의 빔 파면의 곡률 반경을 나타내고 있고, 부호는 발산을 마이너스, 수속을 플러스로 하고 있다. 마이너스의 영역 에서는, 파면의 곡률 반경이 0에 가까울수록, 즉 절대치가 작을수록 파면곡률의 발산의 정도가 큰 것을 가리키고 있으며, 파면의 곡률 반경이 무한대의 경우, 파면이 플랫(flat)한 것을 나타내고 있다. 또, 세로축은 가공구멍의 테이퍼도를 나타내고 있다.

종래의 가공 방법에 따르는 테이퍼도는, 동일한 조건에서의 가공에 있어서 90% 미만이고, 도 3에서의 파면의 곡률 반경-10000mm와 거의 같은 정도이다. 본 발명에 의한 가공 방법에서는, 파면의 곡률 반경이-500mm 정도이고, 가공 A의 경우 테이퍼도 약 96 %를 얻을 수 있고, 또 가공 B의 경우 테이퍼도 약 91%를 얻을 수 있었다. 따라서, 특히 피가공물의 두께가 두꺼운 가공 A에서, 분명하게 본 발명에 의한 가공 방법 쪽이 종래의 가공 방법에 비해 테이퍼도가 좋아진 것을 안다. 또, 피가공물의 두께가 보통 가공 B에서도, 종래보다 약간 향상된 테이퍼도를 얻을 수 있었다.

도 3의 가공 A의 그래프를 보면 알 수 있듯이, 마스크(5) 상에서의 빔 파면곡률의 발산의 정도가 큰 만큼 테이퍼도가 향상되어 있고, 파면곡률에 의해 테이퍼도의 개선 효과를 얻을 수 있다고 말할 수 있다. 또 도 3의 가공 A의 그래프와 가공 B의 그래프를 비교했을 경우, 마스크(5) 상에서의 파면곡률을 발산으로 하는 것에 의한 테이퍼도의 개선 효과는 피가공물의 두께가 두껍고, 가공구멍 지름이 큰 만큼 효과가 큰 경향이 있는 것을 안다.

피가공물의 두께가 두꺼운 만큼 효과가 큰 이유는, 도 1(b)의 설명에서 전술한 것처럼, 피가공물(2)의 두께가 두꺼울 만큼 피가공물(2)을 관통하는 레이저 빔(l)의 가공표면(21)의 빔 지름 W_lb에 대해 가공 저면의 빔 지름 W_2b가 커지기 때문이다.

또, 가공구멍이 큰 만큼 효과가 큰 이유는, 이하와 같다. 통상, 가공구멍 지름은 마스크 지름에 의해 조정하므로, 가공구멍 지름이 큰 만큼 마스크(5)의 지름도 크게 할 필요가 있다. 그런데, 일반적으로 마스크 지름을 D, 레이저 빔의 파장을 λ, 마스크에서의 회절에 있어서의 0차 회절광의 확대 각도 θ₁으로 하면, θ₁은 이하의 (식 3)으로 정의된다.

(식 3)

따라서, 마스크 지름을 크게 하면, 마스크에서의 회절광의 확대 각도는 작아진다. 마스크에서의 회절광의 확대가 작아지면, 도 2에서 반사 미러(6)의 유효 지름 내에 레이저 빔(1)의 회절광의 고차 성분이 입사하기 쉬워지기 때문에, 레이저 빔(1)의 프로파일의 열화가 적고, 테이퍼도가 향상된다. 역으로, 가공구멍 지름이 작으면, 마스크(5)에서의 회절광의 확대가 커져, 반사 미러(6)의 유효 지름 내에 회절광의 고차 성분이 입사되기 어려워지기 때문에, 빔 프로파일이 열화하고, 파면곡률을 발산으로 하는 것에 의한 테이퍼도의 개선 효과가 상쇄되기 때문이다.

또, 도 3의 가공 B의 그래프를 보면, 파면곡률의 발산의 정도를 너무 크게 하면, 테이퍼도의 열화가 발생하고 있다. 이것은, 마스크(5) 상의 파면곡률의 발산의 정도를 너무 크게 하면, 마스크(5)로부터 반사 미러(6)까지의 레이저 빔의 발산이 커 지기 때문에, 마스크(5)에서의 회절광의 고차 성분이 반사 미러(6)의 유효 지름 내에 입사하기 어려워져, 빔의 프로파일이 열화하기 때문이다. 더욱, 레이저 빔의 발산이 커지면 반사 미러(6)에서의 빔 지름도 커져, 반사 미러(6)에 의한 수차의 영향을 받기 쉬워지는 것도 원인 중 하나이다.

상기에서는, 파면곡률 조정 수단(8)으로서 1 매의 볼록 렌즈(9)를 이용했지만, 1 매의 오목 렌즈에 의해 파면곡률 조정 수단(8)을 구성해도 좋다. 도 4는 1 매의 오목 렌즈(31)에 의해 파면곡률 조정 수단(8)을 구성한 레이저 가공 장치의 구성도이다. 도 2에 도시된 레이저 가공기와의 차이점은, 볼록 렌즈(9)를 오목 렌즈(31)로 치환한 점뿐이다.

도 2에 나타낸 레이저 가공기의 경우, 볼록 렌즈(9)를 투과한 레이저 빔(1)을 한 번 초점을 맺은 후에 마스크(5)에 입사할 필요가 있기 때문에, 볼록 렌즈(9)와 마스크(5) 사이에 있는 정도의 거리가 필요하지만, 오목 렌즈(31)의 경우, 오목 렌즈(31)를 투과한 직후부터 레이저 빔(1)의 파면은 발산되므로, 오목 렌즈(31)와 마스크(5)의 거리가 짧아져 버린 광학계를 컴팩트하게 구성할 수 있는 이점이 있다. 한편, 볼록 렌즈(9)를 이용했을 경우, 마스크(5) 상에서의 레이저 빔(1)의 빔 지름은 오목 렌즈(31) 보다도 작게 할 수 있으므로, 마스크(5)에서의 레이저 빔(1)의 에너지 손실을 줄일 수 있는 이점이 있다.

이 실시의 형태 1에 의하면, 마스크의 상을 피가공물 표면에 전사하고 가공을 실시하는 레이저 가공 장치에 있어서, 1 매의 볼록 렌즈 혹은 오목 렌즈에서 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 할 수 있으므로, 피가공물 표면에서 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 할 수 있고, 특히 두께가 두꺼운 피가공물에서의 드릴 가공에서, 간단하고 쉽게 가공구멍의 테이퍼도를 향상할 수 있다.

<실시의 형태 2>

도 5는 본 발명의 실시의 형태 2에 있어서의 레이저 가공 장치의 구성을 나타낸 것이며, 실시의 형태 1의 도 2로부터 균일화 광학계(4)를 없앤 구성이다. 그 외의 구성은 도 2와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다. 따라서, 실시의 형태 1과 동작에서 다른 것은, 레이저 발진기(3)로부터 출력되는 레이저 빔(1), 빔 모드 분포의 변환을 실시하지 않는 점이다. 즉, 가공에 이용하는 레이저 빔(1)의 프로파일은 이른바 가우스 모드 분포가 되며, 가공구멍의 테이퍼도가 열화하기 쉬운 빔 모드 분포가 된다. 이 분포인 채, 피가공물 표면에서의 레이저 빔 파면곡률을 발산으로 하는 것으로, 가공구멍의 테이퍼도의 개선을 도모하는 것을 목적으로 한 것이나, 본 실시의 형태에 있어서의 레이저 가공 장치 및 가공 방법이다. 따라서, 파면곡률 조정 수단(8)의 구성이나 동작은 실시의 형태 l과 같고, 오목 렌즈로 구성해도 좋다.

발명자가 도 5에 도시된 레이저 가공 장치를 이용해 실시한 실험의 결과는, 다음과 같이 되었다.

실험은, 비교적 두께가 두꺼운 피가공물을 이용한 가공 C(목적 가공구멍 지름 θ 120μm, 피가공물의 두께 200μm)의 드릴 가공을 실시했다. 입사빔의 파면의 곡률 반경이 300mm 정도의 수속으로는, 가공구멍의 테이퍼도는 81% 인 것에 대해, 입사빔의 파면곡률을 발산으로 하는 본 발명에 의한 가공 방법의 경우, 파면의 곡 률 반경이- 300mm 정도의 발산에서 가공구멍의 테이퍼도는 94%가 되어 대폭적인 개선 효과를 얻을 수 있었다.

이 값은, 균일화 광학계를 이용해 파면곡률을 수속으로 한 종래의 가공 방법과 비교해도, 보다 테이퍼도가 향상되어 있고, 실시의 형태 1에 의한 가공 방법으로 가까운 값이다.

이것은, 가공구멍의 테이퍼도의 개선은, 피가공물의 두께가 얇을 때는, 파면곡률에 의한 피가공물 저면에서의 빔 지름 확대의 효과보다 빔 프로파일의 효과가 지배적이며, 피가공물의 두께가 두꺼울 때는, 빔 프로파일의 효과보다 파면곡률에 의한 피가공물 저면에서의 빔 지름 확대의 효과가 지배적인 것을 의미하고 있다. 즉, 피가공물의 두께가 두꺼울 때는, 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 것이 가공구멍의 테이퍼도를 개선하는데 있어서, 가장 효과가 높다고 말할 수 있다.

이와 같이, 특히 피가공물의 두께가 두꺼운 경우는, 고가의 균일화 광학계(4)를 이용하지 않아도, 가공구멍의 테이퍼도에 대폭적인 개선 효과를 얻을 수 있기 때문에, 실시의 형태 1에 의한 가공 방법 정도의 효과가 필요하지 않은 경우에는, 본 실시의 형태에 의해 비교적 염가의 레이저 가공 장치를 얻는 것이 가능해진다.

<실시의 형태 3>

드릴 가공을 실시하는 레이저 가공에 있어서는, 가공 조건에 의해 피가공물에 조사하는 레이저 빔의 에너지를 조정할 필요가 있다. 레이저 빔의 에너지를 조정하려면, 레이저 빔의 펄스폭을 변화시키거나, 레이저 발진기로의 공급 전력을 조 정하거나 하는 방법이 생각되지만, 펄스폭을 변화시키면 가공품질이 변화하는 경우가 있고, 발진기로의 공급 전력을 변화시키면 발진이 불안정이 되는 문제가 있다 .그 때문에, 통상은 마스크 상에서의 레이저 빔의 빔 지름을 변화시키고, 마스크를 투과하는 레이저 빔의 에너지를 조정하는 방법이 바람직하다.

여기서, 실시의 형태 1 및 2에 있어서는, 1 매의 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈 에서 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 했지만, 마스크 상에서의 레이저 빔의 빔 지름을 조정하는 경우, 예를 들면 렌즈에 구동장치를 마련해 렌즈와 마스크의 거리를 변화시키면 좋다. 그러나, 동시에 마스크 상에서의 레이저 빔 파면곡률도 변화해 버린다. 예를 들면, 도 2에서, 마스크 상에서의 빔 지름을 크게 하는 경우에는, 볼록 렌즈(9)를 마스크(5)로부터 멀리하면 좋지만, 그 경우 파면곡률의 발산의 정도는 작아져 버린다. 이 경우, 파면곡률에 의한 테이퍼도의 개선 효과가 작아져 버린다. 역으로, 마스크 상에서의 빔 지름을 작게 하는 경우, 볼록 렌즈(9)를 마스크(5)로 가까이하면 좋고, 이 경우는 파면곡률의 발산의 정도는 커져 테이퍼도의 개선 효과는 커진다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 너무 파면곡률의 발산의 정도를 크게 하면 반대로 테이퍼도의 열화를 일으키는 경우도 있다.

또, 상술한 것처럼, 가공구멍의 테이퍼도의 개선은, 피가공물의 두께가 얇을 때는, 파면곡률에 의한 피가공물 저면에서의 빔 지름 확대의 효과보다 빔 프로파일의 효과가 지배적이며, 피가공물의 두께가 두꺼울 때는, 빔 프로파일의 효과보다 파면곡률에 의한 피가공물 저면에서의 빔 지름 확대의 효과가 지배적이므로, 피가공물의 두께가 얇을 때에는 파면곡률을 수속으로 하고 싶은 경우도 발생할 가능성 이 있다.

따라서, 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률과 빔 지름은 각각 독립적으로 조정할 수 있는 편이, 가공 조건의 선택 범위가 넓으므로 피가공물의 재질이나 두께 그 외 가공 조건에 최적인 파면곡률과 에너지 값에 따라 고품질인 가공을 실시할 수 있다. 본 실시의 형태는, 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률과 빔 지름을 각각 독립적으로 조정할 수 있는 레이저 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 한 것이다.

도 6은, 본 발명을 실시하기 위한 실시의 형태 3에 있어서의 레이저 가공 장치의 구성을 나타낸 것이다. 실시의 형태 l의 도 2와의 가장 큰 차이는, 도 2에서의 볼록 렌즈 1 매로 구성된 파면곡률 조정 수단(8)을 3 매의 볼록 렌즈로부터 완성되는 전사 광학계에 의해 구성한 점이다.

도 6에서, (3)은 레이저 발진기, (1)은 레이저 빔, (4)는 레이저 발진기(3)로부터 출력되는 레이저 빔(1)의 모드형상을 가우스 모드 분포로부터 주변부에 걸쳐 균일한 이른바 톱 해트 분포로 변환하는 균일화 광학계, (5)는 레이저 빔(1)을 원하는 지름 혹은 형상으로 성형하는 마스크, (6)은 반사 미러, (2)는 피가공물, (7)은 마스크(5)의 상을 피가공물(2)로 전사하는 전사 렌즈, (8)은 균일화 광학계(4)에서 형성된 레이저 빔의 파면곡률을 마스크(5) 상에서 발산으로 하는 파면곡률 조정 수단이다. (42)는 파면곡률 조정 수단(8)을 구성하는 3 매의 렌즈로부터 완성되는 전사 광학계, (43)은 전사 광학계(42)를 구성하고 있는 각 렌즈를 광축 방향으로 작동시키기 위한 볼 나사 등으로 구성된 구동장치이다. 또, (41)은 마스크(5)를 다른 지름 혹은 형상의 마스크로 바꾸어 넣기 위한 마스크 체인저(mask changer), (10)은 레이저 가공 장치 전체를 제어하기 위한 제어장치, (11)은 피가공물(2)을 얹어놓아 XY 방향으로 피가공물(2)을 이동시키는 가공 테이블, (44)는 피가공물(2)에 조사되는 레이저 빔(1)의 에너지를 측정하기 위해서 가공 테이블(11) 상에 설치된 파워 센서를 나타낸다.

다음에, 도 6에 도시된 레이저 가공 장치의 기본 동작을 설명한다.

우선, 제어장치(10)에 의해 레이저 출력의 ON/OFF 등이 제어되는 레이저 발진기(3)로부터 레이저 빔(1)이 출력되고, 이 레이저 빔(1)을 균일화 광학계(4)에 의해서, 레이저 빔 주변부에 걸쳐 강도 분포가 균일한 이른바 톱 해트 분포로 변환한다.

다음에, 톱 해트 분포로 변환된 레이저 빔을 전사 광학계(42)에 의해서 마스크(5)로 전사한다. 여기서, 균일화 광학계(4)가, 예를 들면 마스크 등에 의해 레이저 빔의 중앙부를 잘라 톱 해트 분포로 변환하고 있는 경우에는, 이 마스크의 상을 물점(物点)으로서 마스크(5)로 전사하면 되고, 균일화 광학계(4)가, 예를 들면 비구면 렌즈 등에 의해 강도 분포를 변화시켜 톱 해트 분포로 변환하고 있는 경우는, 이 비구면 렌즈에 의해 결상된 상을 물점으로서 마스크(5)에 전사하면 된다. 또, 전사 광학계(42)에서는, 마스크(5) 상에 있어서의 레이저 빔의 파면곡률과 빔 지름이 원하는 값이 되도록, 전사 광학계(42)를 구성하는 렌즈의 광축에 따른 위치를, 제어장치(10)에 의해 제어되는 구동장치(9)에 의해 이동한다.

그리고, 전사 광학계(42)에 의해 마스크(5)로 전사된 레이저 빔(1)은, 마스크(5)에서 빔 성형된 후, 반사 미러(6)를 통과하고, 전사 렌즈(7)에서 소정의 배율 로 변환되어 피가공물(2)에 조사된다. 가공 테이블(11)의 이동과 레이저 발진기의 ON/OFF를 동기시키는 것으로서, 피가공물(2)의 원하는 위치에 드릴 가공을 실시할 수 있다. 또, 반사 미러(6)를 레이저 빔(1)을 주사하는 갈바노 스캐너로 치환하고, 피가공물(2)을 고정하여 갈바노 스캐너에서 소정의 범위로 드릴 가공하도록 구성해도 좋다.

또, 가공하는 레이저 빔의 에너지를 조정하는 경우, 파워 센서(44)에 레이저 빔(1)이 조사되도록 가공 테이블(11)을 이동시켜, 파워 센서(44)로 측정한 레이저 빔(1)의 에너지 측정치를 기본으로, 레이저 빔(1)의 에너지를 조정한다.

여기서, 피가공물(2) 상의 레이저 빔의 파면곡률은, 마스크(5) 상에서의 파면곡률과 마스크(5)로부터 전사 렌즈(7)까지의 거리 및 전사 렌즈(7)의 초점거리로 결정된다. 마스크(5)로부터 전사 렌즈(7)까지의 거리와 전사 렌즈(7)의 초점거리는 가공 장치마다 고정되어 있기 때문에, 피가공물(2) 상의 레이저 빔의 파면곡률을 제어하기 위해서는 마스크(5) 상에서의 파면곡률을 제어할 필요가 있어, 본 발명의 전사 광학계(42)가 유효하게 작용한다.

다음에, 본 발명의 특징인 전사 광학계(42)의 작용에 대해서, 도 7을 이용해 설명한다.

도 7에 있어서, (51)은 전사 광학계(42)의 물점의 위치에 해당하며, 균일화 광학계(4)의 빔 출력 위치이다. 예를 들면, 균일화 광학계(4)가 마스크 등에 의해 레이저 빔의 중앙부를 잘라 톱 해트 분포로 변환하고 있는 경우에는, 이 마스크의 위치이고, 비구면 렌즈 등에 의해 강도 분포를 변화시켜 톱 해트 분포로 변환하고 있는 경우는, 이 비구면 렌즈의 결상 위치에 대응한다. (52)는 초점거리 f₁의 제1 렌즈, (53)은 초점거리 f₂의 제2 렌즈, (54)는 초점거리 f₃의 제3 렌즈, (55)는 전사 광학계(42)의 상점(像点)의 위치에 해당하는 마스크(5)의 위치, L_l은 빔 출력 위치(51)로부터 제1 렌즈(52) 사이의 거리, L₂는 제1 렌즈(52)와 제2 렌즈(53) 사이의 거리, L₃는 제2 렌즈(53)와 제3 렌즈(54) 사이의 거리, L₄는 제3 렌즈(54)와 마스크 위치(55) 사이의 거리, L_all은 균일화 광학계(4)의 빔 출력 위치(51)로부터 마스크 위치(55) 사이의 거리를 나타낸다.

일반적으로 전사 광학계의 ABCD 행렬은 (식 4)으로 나타난다.

(식 4)

여기서, A(=m)는 전사 광학계의 배율을 나타낸다. B는 전사 광학계의 경우, 0이 된다. C(=rf)는 파면 파라미터라고 부르고, 입사하는 빔 파면의 곡률 반경이 ∞ 즉 파면이 플랫(flat)일 때, 전사 후의 파면곡률을 부여하여 전사 후의 파면곡률 반경을 R로 하면 (식 5)로 나타난다.

(식 5)

또, 굴절률 1의 공간 안에서의 거리 S에 대한 전송 행렬 및 초점거리 F에 있어서의 굴절 행렬은 각각 (식 6), (식 7)으로 주어진다.

(식 6)

(식 7)

도 7에서의 시스템 행렬은 (식 6)과 (식 7)의 조합 행렬이므로, (식 8), (식 9)가 된다.

(식 8)

(식 9)

여기서, (식 9)에서 a, b, c, d 는 이하의 (식 10)으로 나타난다.

(식 10)

또, L₁, L₂, L₃, L₄의 합은 균일화 광학계(4)의 빔 출력 위치(51)로부터 마스크 위치(55) 사이의 거리 L_all이 되기 위해 차식(次式)을 채울 필요가 있다.

(식 11)

본 발명에 있어서의 전사 광학계(42)에서는, 각 렌즈의 초점거리 f_l, f₂, f₃ 및 렌즈 사이 거리의 합계 L_all은, 레이저 가공 장치마다 결정된 고정 파라미터이므로, 가변 파라미터는 L₁, L₂, L₃, L₄가 된다. 따라서, 원하는 빔 지름 및 파면곡률을 얻기 위해서는, 원하는 빔 지름 및 파면곡률에 대응하는 배율 m과 파면 파라미터 rf를 구하고, 얻어진 m과 rf를 만족하는 L₁, L₂, L₃, L₄를 (식 9)(식 10)(식 11)에서 구하면 된다.

예를 들면, 전사 광학계(42)의 물점의 위치(51)와 상점의 위치(55)에서의 레이저 빔 파면의 곡률 반경을 함께 ∞ 즉 파면을 플랫으로 하면, (식 5)에서 rf=C=0 이므로,

(식 12)

가 되어, 이것을 풀면 (식 13) ~ (식 16)을 얻을 수 있다.

(식 13)

(식 14)

(식 15)

(식 16)

단, m≠1의 경우이며, m=1 때는 L_l과 L₄는 차식(次式)을 만족하는 임의의 값이 된다.

(식 17)

따라서, 상기 (식 13) ~ (식 17)에서 배율 m을 부여하면 각 렌즈 사이 거리 L₁ ~ L₄를 얻을 수 있다.

또, 예를 들면, 전사 광학계(42)의 물점의 위치(51)에서의 레이저 빔 파면의 곡률 반경이 ∞ 즉 파면이 플랫인 경우, 전사 광학계(42)의 상점의 위치(55) 즉 마스크(5) 상에서의 파면곡률을, 발산 즉 (식 5)에서 R<0 으로 하려면 (식 5)에서, rf>O 이면 된다. 또 (식 9)에서, c=rf 이므로, C>0 을 만족하면 된다. 따라서, (식 10)에서

(식 18)

을 만족하는 L₁, L₂, L₃, L₄를 선택하면 된다.

상기와 같이, rf=0 일 때는 해석적인 해를 요구하는 것은 용이하지만, rf를 임의로 하는 경우는 식이 복잡하게 되기 때문에 컴퓨터를 사용한 수치계산에 의해 구하면 된다. 이것은, 미리 도 8에 도시된 바와 같이 적당한 파면 파라미터 rf와 배율 m에 대응하는 각 렌즈 52 ~ 54의 위치 데이터를 기록한 데이터베이스를 작성하고, 제어장치(10)에 데이터를 보존해 두어도 좋다. 통상, 레이저 빔의 출력은 가공 조건에 따라 미세 조정이 필요하므로, 가능한 한 자세하게 제어할 수 있는 편이 바람직한 것에 대하여, 발명자가 실시한 실험 결과에서는, 파면 파라미터 rf는 수단계(數段階)에서 선택할 수 있으면 충분한 것을 알았으므로, 도 8에 나타내는 바와 같이 수단계의 파면 파라미터 rf와 수백 단계의 배율 m로 새겨진 이산적인 데이타베이스라고 해도 좋다. 또, 데이터 용량의 관계상, 데이타베이스의 용량을 필요 최저한으로 억제하고 싶은 경우는, 배율 m의 분해능을 조금 떨어뜨려, 선형보간(線形補間) 계산에 의해 보충해도 된다.

다음에, 도 6에 도시된 레이저 가공 장치의 제어 방법의 일례를, 제어 흐름도(flow chart) 도 9를 이용해 설명한다.

우선, 레이저 가공 장치를 사용하는 유저가 가공 내용에 맞춘 가공 조건으로서, 발진기 조건(펄스 폭이나 빔 출력 등), 마스크 지름 혹은 형상, 빔 파면, 가공 에너지의 설정치를 선택하고, 제어장치(10)에 입력장치 등을 이용해 입력한다(스텝 S01).

다음에, 제어장치(10)에서, 입력된 설정치가 현재 설정되어 있는 설정치와 다른지 어떤지 비교해, 변경되어 있으면 설정을 다시 한다. 도 9에 도시된 예에서는, 발진기 조건, 마스크 조건의 순서로 확인한다고 하지만, 이 순서는 역으로도 상관없다.

도 9에서는, 최초로 발진기 조건의 변경이 이루어졌는지 어떤지를 확인한다 (스텝 S02).

변경할 필요가 있으면, 제어장치(10)는 레이저 발진기(3)의 발진 조건을 변경한다(스텝 S03). 변경할 필요가 없으면 스텝 (S03)을 건너 뛴다.

다음에, 마스크의 지름 혹은 형상의 변경이 필요한지 어떤지를 확인한다(스텝 504). 변경할 필요가 있으면, 제어장치(10)는 마스크 체인저(41)를 구동하고, 원하는 마스크로 전환한다(스텝 S05). 변경할 필요가 없으면 스텝 (S05)를 건너 뛴다.

다음에, 파면 파라미터 rf의 변경이 필요한지 어떤지를 확인한다(스텝 S06).변경할 필요가 있으면, 제어장치(10)는 제어장치(10) 내의 메모리에 보존되어 있는 도 8에 도시된 데이타베이스로부터, 원하는 파면 파라미터 rf에 대응하는 전사 배율 m과 전사 광학계(42) 내의 렌즈 위치의 조합 데이터를 선택해 읽어 들인다(스텝 S07). 변경할 필요가 없으면 스텝 (S07)을 건너 뛴다.

다음에, 제어장치(10)는, 가공 테이블(11)을 구동해 파워 센서(44)를 레이저 빔 조사 위치로 이동시킨다. 그리고, 레이저 발진기(3)를 동작시켜 레이저 빔(1)을 파워 센서(44)로 조사하고, 파워 센서(44)에 의해 레이저 빔(1)의 에너지를 측정한다(스텝 S08).

다음에, 제어장치(10)는 파워 센서(44)에서 레이저 빔의 에너지값을 읽어 내고, 유저가 입력한 소정의 가공 에너지값과 비교한다. 파워 센서(44)에 의한 측정치와 설정치의 차이가 허용 범위 내이면, 가공 조건의 설정을 종료하여 가공을 개시한다(스텝 S09).

스텝 (S09)에서, 허용 범위 외라고 판단되었을 경우는, 제어장치(10)에서 파 워 센서(44)에 의한 측정치와 설정치의 비율로부터 마스크(5)에서의 최적인 빔 투과율을 산출하고, 이 값에 근거해 전사 광학계(42)의 전사 배율 m을 구한다(스텝 S10).

구해진 전사 배율 m에 대응하는 전사 광학계(42) 내의 렌즈 위치 데이터를, 스텝 (S07)에서 읽어 들인 데이터로부터 선택한다(스텝 S11). 이 때, 변경하고 싶은 배율 m이 데이타베이스에 없는 경우는, 가장 가까운 배율 m을 선택해도 되고, 데이타베이스로부터 선형 보간 계산을 실시해 결정해도 좋다.

선택된 렌즈 위치 데이터에 근거해, 제어장치(10)는 구동장치(9)를 제어하고, 전사 광학계(42) 내의 각 렌즈(52 ~ 54)를 원하는 위치로 이동시킨다(스텝 S12).

렌즈의 이동완료 후, 스텝 (S08)로 돌아가 다시 가공 에너지의 측정을 실시한다. 그리고, 스텝 (S09)에서 측정치와 설정치를 비교한다. 측정치와 설정치와의 차이가 허용치 범위 내이면 가공 조건 설정 완료하고, 허용치 범위 외이면 다시 스텝 (S10, S11, S12)를 반복하여, 측정치와 설정치의 수검작업(收劍作業)을 실시한다.

이상을 정리하면, 본 발명에서의 3 매의 렌즈(52 ~ 54)로 이루어진 전사 광학계(42)는, 빔 파면은 가공 조건의 일부로서 유저가 선택하고, 배율은 가공 에너지의 조정 파라미터로서 내부적으로 선택한 다음, 거기에 대응한 각 렌즈(52 ~ 54)의 위치를 데이타베이스로부터 구하고, 구한 위치 지령에 의해, 예를 들면 볼 나사 등의 구동부(43)에 의해서, 각 렌즈(52 ~ 54)를 광축 방향으로 이동하는 제어를 실 시하는 것이다.

바꾸어 말하면, 각 렌즈(52 ~ 54) 사이의 거리를 제어함으로써, 마스크(5) 상에서의 빔 지름과 빔 파면곡률을 가공 내용에 적절한 것으로 변화시키는 것이다.

이 실시의 형태 3에서는, 3매의 렌즈로 구성한 전사 광학계를 나타냈지만, 3매 이상의 렌즈를 갖추고 있으면 배율 m과 파면 파라미터 rf를 함께 독립해 제어할 수 있으므로, 상기 구성과 같은 효과를 얻을 수 있다.

또, 상기 실시의 형태 3에서는, 균일화 광학계(4)에 의한 레이저 빔이 톱 해트 분포로 형성되는 위치를 물점으로서, 전사 광학계(42)에 의해 마스크(5)로 전사한다고 했지만, 물점의 위치는 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 레이저 빔의 강도 분포가 중앙부보다 주변부 쪽이 높은 M자 분포가 바람직한 가공도 있으며, 이 경우, 균일화 광학계(4)의 결상 위치보다 더욱 먼 쪽에서는 레이저 빔은 M자 분포가 되므로, 그 위치를 물점이라고 해도 좋다. 도너츠형의 마스크를 이용해도 M자 분포는 실현될 수 있으므로, 이 도너츠형 마스크의 위치를 물점의 위치라고 해도 좋다. 또, 실시의 형태 2와 같은 양상으로 균일화 광학계(4)를 이용하지 않고 가공을 실시할 때는, 가공 조건이 변동해도 빔 지름이 불변인 점이 광로 중에 있으면, 이 점을 물점으로 하여 레이저 빔의 상을 마스크(5)에 전사해도 좋다. 어쨌든, 실시하는 가공 조건에 적절한 레이저 빔의 상을 얻을 수 있는 위치를 물점의 위치로서, 레이저 빔 광로 중으로부터 선택해 마스크(5)로 전사하면 좋다.

이 실시의 형태 3에 의하면, 3매의 렌즈로 마스크 상의 빔 지름과 파면곡률을 독립해 제어할 수 있으므로, 두께의 두꺼운 피가공물에서의 드릴 가공에 있어서 는, 피가공물 표면에서 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 함으로써, 가공구멍의 테이퍼도를 향상할 수 있다. 또, 수속에서 발산으로 이를 때까지, 각종 가공 조건에 있어서 최적인 레이저 빔의 파면곡률을 얻을 수 있으므로, 가공구멍의 테이퍼도의 향상을 유지할 수 있다. 더욱, 발진기 조건 및 레이저 빔의 파면곡률에 영향을 주지 않고 레이저 빔의 에너지를 조정할 수 있으므로, 안정된 가공을 실현할 수 있다.

이 실시의 형태 3에서는, 전사 광학계 내의 각 렌즈의 초점거리를 고정하고 각 렌즈 사이 거리를 제어하는 파라미터로 했지만, (식 9) ~ (식 11)에 의해 각 렌즈 사이 거리를 고정해 각 렌즈의 초점거리를 제어함으로써 같은 효과를 얻을 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명에 관한 레이저 가공 장치 및 방법은, 특히 피가공물의 두께가 두꺼운 것에서 가공구멍의 테이퍼도를 향상할 필요가 있는 레이저 가공에 이용되는데 적합하다.

Claims (21)

1. 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기와,

   레이저 빔의 광로 중에 배치되어 레이저 발진기로부터 출력된 레이저 빔을 원하는 지름 혹은 형상으로 성형하는 마스크와,

   상기 마스크의 직전의 레이저 빔 광로 상에 배치되어 상기 마스크 상에서의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 파면곡률 조정 수단과,

   상기 마스크와 피가공물 사이의 레이저 빔 광로 중에 배치되어 상기 마스크를 투과한 레이저 빔을 피가공물 표면에 조사할 때에 상기 마스크의 상을 피가공물 표면에 전사하는 전사 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 파면곡률 조정 수단은, 오목 렌즈를 이용해 상기 마스크 상에서의 파면곡률이 발산되는 레이저 빔을 출력하는 것인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 파면곡률 조정 수단은, 상기 마스크의 앞에서 초점을 맺는 볼록 렌즈를 이용해 상기 마스크 상에서의 파면곡률이 발산되는 레이저 빔을 출력하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 파면곡률 조정 수단은, 3매 이상의 렌즈로 구성되어 레이저 빔 광로 상의 소정의 위치에서의 레이저 빔의 상을 물점으로 하고, 상기 마스크 상에 전사를 실시하는 전사 광학계인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 전사 광학계를 구성하는 각 렌즈를 레이저 빔 광축에 따라 독립적으로 이동시키는 구동장치와,

   상기 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률 및/ 또는 빔 지름이 원하는 값이 되도록 상기 각 렌즈의 위치를 설정하고, 이 설정한 위치에 각 렌즈가 이동하도록 상기 구동장치를 제어하는 제어장치를 갖춘 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제어장치는 미리 정해진 파면곡률 및 빔 지름에 대응한 각 렌즈 위치를 기록한 데이타베이스에 기초하여 상기 각 렌즈의 위치를 설정하는 것인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,

   피가공물에 조사하는 레이저 빔의 에너지를 측정하는 파워 센서를 구비하고, 상기 제어장치는, 상기 파워 센서로 측정된 레이저 빔의 에너지 측정치와 에너지 설정치를 비교하여, 상기 측정치가 상기 설정치가 되는 빔 지름을 구하며, 이 빔 지름이 되도록 상기 각 렌즈의 위치를 설정하는 것인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전사 광학계가 3매의 볼록 렌즈로 구성되어 있고,

   상기 전사 광학계의 물점의 위치에서의 레이저 빔의 파면이 플랫한 경우,

   상기 3매의 볼록 렌즈에서, 상기 레이저 발진기 측의 제1 렌즈의 초점거리를 f₁ 로 하고, 중앙의 제2 렌즈의 초점거리를 f₂ 로 하며, 상기 피가공물 측의 제3 렌즈의 초점거리를 f₃ 으로 하며, 상기 균일화 광학계의 레이저 빔 출력 위치와 제1 렌즈와의 거리를 L₁ 으로 하고, 제1 렌즈와 제2 렌즈와의 거리를 L₂ 로 하고, 제2 렌즈와 제3 렌즈와의 거리를 L₃ 으로 하며, 제3 렌즈와 상기 마스크와의 거리를 L₄ 로 했을 경우,

   

   을 만족하도록 f_l ~ f₃ 및 L₁ ~ L₄가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 레이저 발진기와 상기 파면곡률 조정 수단 사이의 레이저 빔의 광로 중에 배치되어 레이저 빔의 강도 분포를 중앙부와 주변부에서 대략 동일한 이른바 톱 해트 분포로 하는 균일화 광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
10. 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기와,

    상기 레이저 빔의 광로 중에 배치되어 레이저 발진기로부터 출력된 레이저 빔을 원하는 지름 혹은 형상으로 성형하는 마스크와,

    상기 마스크와 상기 피가공물 사이의 레이저 빔 광로 중에 배치되어 상기 마스크를 투과한 레이저 빔을 피가공물 표면에 조사할 때에 상기 마스크의 상을 피가공물 표면에 전사하는 전사 렌즈를 구비한 레이저 가공 장치로서,

    상기 마스크의 직전의 레이저 빔 광로 상에 배치된 3매 이상의 렌즈로 구성되어 레이저 빔 광로 상의 적절한 위치에서의 레이저 빔의 상을 물점으로서 상기 마스크 상에 전사하는 전사 광학계와,

    상기 전사 광학계를 구성하는 각 렌즈를 레이저 빔 광축에 따라 독립적으로 이동시키는 구동장치와,

    상기 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률 및 / 또는 빔 지름이 원하는 값이 되는 상기 각 렌즈의 위치를 설정하고, 이 설정한 위치에 각 렌즈가 이동하도록 상 기 구동장치를 제어하는 제어장치를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제어장치는, 미리 정해진 파면곡률 및 빔 지름에 대응한 각 렌즈 위치를 기록한 데이타베이스에 기초하여 상기 각 렌즈의 위치를 설정하는 것인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,

    피가공물에 조사하는 레이저 빔의 에너지를 측정하는 파워 센서를 구비하고,

    상기 제어장치는 상기 파워 센서로 측정된 레이저 빔의 에너지 측정치와 에너지 설정치를 비교하여, 상기 측정치가 상기 설정치가 되는 빔 지름을 구하고, 이 빔 지름이 되도록 상기 각 렌즈의 위치를 설정하는 것인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
13. 레이저 발진기에서 출력된 레이저 빔을 성형하는 마스크의 상을 피가공물 표면 상에 전사하여 드릴 가공을 실시하는 레이저 가공 방법으로서,

    피가공물 표면 상에서 파면곡률이 발산되는 레이저 빔으로 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 것에 의해, 피가공 표면 상의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 레이저 발진기와 상기 마스크 사이에 삽입된 오목 렌즈에 의해, 상기 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
16. 제14항에 있어서,

    상기 레이저 발진기와 상기 마스크 사이에 삽입되고, 상기 마스크의 앞에서 초점을 맺는 볼록 렌즈에 의해, 상기 마스크 상의 레이저 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서,

    상기 렌즈에 입사하는 레이저 빔의 강도 분포를 중앙부와 주변부에서 대략 동일 이른바 톱 해트 분포로 하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
18. 제14항에 있어서,

    상기 레이저 발진기와 상기 마스크 사이에 삽입된 3매 이상의 렌즈로 구성된 전사 광학계에 의해, 상기 마스크 상의 레이자 빔의 파면곡률을 발산으로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
19. 제18항에 있어서,

    상기 전사 광학계를 구성하는 각 렌즈를 광축에 따라 독립적으로 이동시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
20. 제19항에 있어서,

    피가공물에 조사되는 레이저 빔의 에너지를 측정하는 공정과,

    이 공정에 의해 측정된 측정치와 별도 설정된 에너지 설정치를 비교하고, 상기 레이저 빔의 에너지가 설정치가 되는 상기 전사 광학계의 배율을 산출하는 공정과,

    별도 설정된 마스크 상에서의 파면곡률치와 상기 산출된 배율로부터, 상기 전사 광학계를 구성하는 각 렌즈의 위치를 설정하는 공정과,

    상기 설정된 각 렌즈 위치에 기초하여 각 렌즈를 광축에 따라 이동시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 전사 광학계에 입사하는 레이저 빔의 강도 분포를 중앙부와 주변부에서 대략 동일 이른바 톱 해트 분포로 하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.

Images