KR20100136473A - 가우스 펄스를 이용하여 구멍을 레이저 드릴링하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

가우스 펄스를 이용하여 구멍을 레이저 드릴링하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

레이저 펄스를 이용하여 작업물에 테이퍼진 구멍을 드릴링하는 방법 및 장치는 초점이 맞춰지지 않은 레이저 펄스를 이용하여 특정 출구 직경(74)과 개선된 시스템 처리량을 유지하면서, 특정 테이퍼(72, 74)와 표면 마무리(76)를 갖는 구멍을 기계가공한다. 또한 초점이 맞춰지지 않은 레이저 펄스를 요구하지 않고도 원하는 테이퍼와 표면 마무리를 갖는 구멍을 드릴링할 수 있는 시스템(100)이 기술된다.

Description

가우스 펄스를 이용하여 구멍을 레이저 드릴링하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR LASER DRILLING HOLES WITH GAUSSIAN PULSES}
본 발명은 작업물의 레이저 처리에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 광 또는 다른 전자기 복사선가 작업물을 통해 투과하도록 허용하는 형상을 형성하기 위하여 균일한 작업물의 레이저 드릴링(laser drilling)을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광 또는 다른 전자기 복사선의 투과를 강화하기 위하여, 정확한 출구 직경, 선택 가능한 테이퍼 및 평탄한 마무리를 갖는 테이퍼진 관통 구멍 또는 다른 모양의 형상을 작업물에서 레이저 드릴링하는 것에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 조명이 되지 않을 때 거의 인식되지 않을 정도로 충분히 작지만 조명이 될 때 쉽게 볼 수 있도록 충분한 광을 투과시키는 구멍의 드릴링에 관한 것이다.
알루미늄, 스테인리스강 또는 플라스틱과 같은 불투명 작업물 내의 매우 작거나 마이크로 가공된 개구는 독립적인 인간의 시각에 연속된 것으로 보이는 표면을 생성할 수 있다. 그러나, 반대 표면에 광이 가해지면, 광이 명백히 연속된 표면으로부터 직접 나오는 것처럼 보인다. 표면의 평탄도, 광의 적절한 투과도, 및 적절히 보유된 강도 및 무결성을 포함하는 최종 표면의 바람직한 모든 특성을 얻기 위하여 이들 개구가 매우 정밀하게 형성되는 것이 필요하다. 마이크로가공된 개구는 또한, 작업물과 관련 표면의 바람직한 다양한 특성의 열화를 회피하면서, 작업물이 광학적으로 불투명하거나 또는 이와 다른 것에 관계없이, 다른 전자기 장 및 유체가 작업물을 통과하여 전달되도록 허용하는데 유용하다.
이러한 방식으로 드릴링될 작업물은 알루미늄을 포함하는 금속, 다양한 유형의 플라스틱, 에폭시, 및 유리섬유 또는 다양한 유형의 점토 기판과 같은 복합 물질을 포함하여 다양한 물질을 포함한다. 초점 평면 위치, 펄스 에너지, 펄스 지속기간, 펄스 시간 프로파일, 펄스 반복율, 펄스 수, 스폿 크기 또는 파장과 같은 레이저 펄스 파라미터가 특정 유형의 작업물을 위해 변경되어야만 하겠지만, 테이퍼진 구멍은 이들 다른 물질 모두에서 드릴링될 수 있다.
도 1은 종래 기술의 레이저 드릴링 시스템(1)의 개략도를 도시한다. 레이저 드릴링 시스템은 전형적으로, 레이저 빔 축(12)을 따라 레이저 펄스를 방출하는 레이저(10), 빔 성형 광학계(14), 빔 조향 광학계(16), 스캔 렌즈(18), 제어기(20), 및 움직임 제어 디바이스(미도시)를 갖는 스테이지(22)를 포함하고, 움직임 제어 디바이스는 작업물(24)을 고정하고 작업물(24)을 레이저 빔 축에 대해 최대 6개 축에서 이동시키는데, 이러한 이동은 3개의 직교 축(X, Y 및 Z)에서 병진운동과 3개 축(ρ, φ 및 θ) 주위의 회전운동을 포함한다. 작업물 또는 레이저 빔 축 또는 이들 둘 모두는 이러한 상대 운동을 달성하기 위하여 이들 축 중 어느 한 축을 따라 움직이거나, 어느 한 축 주위를 회전할 수 있음을 주목해야 한다. 제어기(20)는 레이저를 조작하여 레이저 빔 경로를 따라 펄스를 방출하게 하고, 그 후 빔 조향 광학계와 스테이지의 움직임을 조정하고, 작업물의 위치를 정하여, 레이저 빔 경로 따라서 레이저 펄스가 원하는 시간에 원하는 지점에서 작업물을 차단하도록 한다.
구멍의 테이퍼는, 레이저 빔이 처음으로 입사하는 작업물의 표면에서 측정했을 때 구멍의 직경인 구멍의 상부 직경 대, 레이저 빔이 드릴링 이후 작업물을 빠져나가는 표면에서 측정했을 때 구멍의 직경인 출구 직경의 비율로서 정의된다. 테이퍼는 전형적으로, 구멍 체적의 작은 부분만이 각 펄스에 의해 제거되도록 출력을 조정하고, 그 후 시스템을 프로그래밍하여 레이저가 펄스화될 때 레이저 빔 경로를 감소하는 나선 패턴으로 이동시키도록 함으로써, 구멍에 도입된다. 트리패닝(trepanning)으로 불리는, 레이저 빔 경로를 감소하는 나선 또는 연속적으로 감소하는 반경의 원형 패턴으로 이동시키는 것에 의해 큰 입구 직경으로부터 더 작은 출구 직경으로 테이퍼진 구성을 드릴링할 수 있다. 이 것은 깊이 대 직경의 비가 3:1보다 큰 높은 종횡비의 구멍에 의해 더욱 어렵게 된다.
도 2는 트리패닝 또는 나선 방법에 의해 드릴링된 종래 기술의 구멍의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 2는 작업물(30), 상부 직경(32), 출구 직경(34) 및 계단형 측벽(36)을 도시한다. 이 개략도에서 도시되지 않은 것은 계단형 측벽 상에서 표면 마무리의 거친 성질이다. 레이저 펄스가 구멍으로부터 물질을 제거할 때, 물질은 펄스가 작업물에 부딪히는 위치로부터 기체, 액체 및 가능하게는 고체 상태로 방출된다. 구멍의 직경 보다 훨씬 작은 스폿 크기로 초점이 맞춰진 레이저 빔이 다음 펄스를 전달하기 위해 다른 위치로 이동할 때, 이미 드릴링된 위치는 냉각될 기회를 갖는다. 이는 후속 펄스에 의해 방출된 물질이 냉각되어 이전에 드릴링된 표면에 부착되어, 거친 표면을 야기한다. 계단형 측벽과 거친 표면 마무리는 결합되어 광을 균일하지 않게 투과시키는 구멍을 산출한다. 이런 방식으로 드릴링된 구멍은 고르지 못한 측벽을 갖는 다른 외관을 제공할 것이고, 이는 광의 전체 양을 감소시키고, 각 구멍이 광을 고르지 못하게 투과시키게 하여, 구멍의 패턴이 고르지 못한 외관을 나타내게 한다. 이러한 효과는 조명된 구멍의 외관이 변하는 관찰 각도에 따라 고르지 못하게 변하게 한다.
이러한 문제가 존재하는 한 가지 이유는 정확도와 처리량에 대한 요건을 충족시키기 위하여 회로 기판에서 비어(vias)를 드릴링하도록 설계된 기존 시스템이 이들 구멍을 드릴링하기 위해 사용되기 때문이다. 이러한 유형의 예시적인 시스템은 미국 오레곤주 포틀랜드 소재의 Electro Scientific Industries사가 제작한 모델 ICP5650의 레이저 드릴 시스템이다. 이들 시스템은 전형적으로 상술한 트리패닝 방법을 사용하여 UV 레이저로 회로 기판 물질 내에 작은 블라인드 비어를 드릴링하도록 설계된다. 이들 시스템이 원하는 정밀도와 처리량으로 테이퍼진 구멍을 드릴링하기 위한 신뢰도와 출력을 갖지만, 최종 제품은 바람직하지 않다.
따라서, 이러한 방식으로 테이퍼진 구멍을 드릴링할 때 두 가지 문제점이 존재한다. 첫 번째 문제점은 이러한 방식으로 하나의 구멍을 드릴링하는데 많은 펄스가 필요하다는 점이다. 구멍이 드릴링될 수 있는 속도는 펄스 반복율과, 레이저 빔 경로가 점에서 점으로 정확하게 이동할 수 있는 속도, 둘 모두의 함수이다. 이들 인자는 테이퍼진 구멍이 드릴링될 수 있는 속도를 제한하고, 따라서 시스템의 처리량을 한정한다. 두 번째 문제점은 이러한 방식으로 테이퍼진 구멍을 드릴링하는 것은 연속적인 레이저 펄스에 의해 형성되는 결과로서 구멍의 내부 표면을 거칠고 균일하지 못하게 남겨둔다는 점이다. 원하는 출구 구멍 직경과 구멍의 위치가 이러한 방법으로 상당히 정확하게 달성될 수 있다할지라도, 측벽 상의 고르지 못한 마무리는 구멍이 외관에서 변하게 하여, 일부 구멍은 다른 구멍보다 더 밝거나 더 어둡게 보인다. 덧붙여, 측벽의 고르지 못한 기하학적 구조는 구멍이 관찰 각도의 변화에 따라 외관이 변하게 하고, 매우 바람직하지 못한 다른 효과를 야기한다.
따라서, 기판에 테이퍼진 구멍을 레이저 드릴링하기 위한 장치로서, 개선된 시스템 처리량을 유지하면서, 예측 가능한 출구 구멍 직경을 갖고 상대적으로 평탄하고 높은 품질의 구멍을 형성할 수 있는, 레이저 드릴링 장치에 대한 지속적인 요구가 존재한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 작업물에 높은 품질의 테이퍼진 구멍을 마이크로 가공하기 위한 개선된 능력을 갖는 레이저 처리 시스템 형태의 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 명세서에서 구현되고 넓게 기술되는 본 발명의 목적에 따라 상술한 목적 및 다른 목적을 달성하기 위하여, 방법 및 장치가 개시된다.
이러한 효과를 달성하기 위하여, 구멍은 매우 정밀하게 드릴링되어야 한다. 첫 번째로, 구멍의 간격은 마무리된 작업물로부터 출력되는 정확한 광을 달성하기 위하여 주의 깊게 제어되어야 한다. 두 번째로 구멍의 출구 직경은 조명이 없을 때 실질적으로 검출될 수 없도록 정확해야 한다. 세 번째로 구멍의 테이퍼는 정확한 양의 광을 수집하고, 일관되게 넓은 각도로부터 관찰을 허용하기 위하여 정확해야 한다. 네 번째로 구멍 내부의 마무리는 원하는 관찰 각도에 걸쳐 고른 조명을 촉진하기 위하여 제어될 필요가 있다. 마지막으로, 출구 구멍은 조명이 없는 구멍의 실질적인 불가시화(invisibility)를 강화하기 위하여 부스러기가 없어야 한다. 덧붙여, 이들 구멍은 간혹 기체 또는 액체가 구멍에 침투하는 것을 막고 기계적인 안정성을 위하여 광 전도 물질로 채워진다. 이 경우, 평탄한 측벽은 구멍을 충진하는 능력을 강화시키고, 측벽과 충진물 사이의 부착력을 증가시킨다.
일 실시예에서, 구멍 품질은 빔 초점을 가공되는 작업물의 표면과 일치하는 곳으로부터 이동시킴으로써 개선된다. 빔의 초점을 맞춰 출력에 부합하게 하고, 레이저 펄스의 1/e2 직경을 원하는 출구 직경에 맞추고, 초점을 작업물의 표면에 설정하는 대신에, 레이저 빔 경로는 원하는 구멍 위치의 중심에 정렬되고, 초점은 작업물의 상부 표면의 위 또는 아래의 정확한 거리에 설정된다. 작업물 위 또는 아래의 거리에 대한 전형적인 범위는 1 내지 1000 미크론, 또는 보다 바람직하게는 10 내지 500 미크론, 또는 심지어 더욱 바람직하게는 50 내지 200 미크론이다. 그 후 스폿 크기는 원하는 출구 구멍 직경을 산출하도록 조정된다. 작업물의 표면에서 측정될 때 선호되는 1/e2 스폿 크기의 범위는 바람직한 출구 구멍 직경의 1.5배 내지 출구 구멍 직경의 10배, 보다 바람직하게는 직경의 2배 내지 직경의 5배, 심지어 더 바람직하게는 직경의 1.5배 내지 직경의 2.5배이다. 그 후 출력은 원하는 출구 직경을 달성하는 것과 부합하는 가장 빠른 드릴링 시간을 산출하도록 조정된다.
하나 이상의 레이저 펄스를 통해 구멍을 드릴링하는 것은 레이저 펄스의 1/e2 직경보다 작은 직경을 갖는 출구 구멍을 산출할 수 있다. 이에 대한 이유는 도 3a에 도시되었다. 도 3a는 출력 대 광 축(42)으로부터의 변위를 그린 가우스 레이저 펄스의 단면도를 도시한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 특정 물질을 식각하기 위하여 필요한 출력의 양을 나타내는 식각 레벨(46)이 1/e2 직경(44)으로 표현된 1/e2 레벨에서의 출력 레벨보다 더 크도록, 각 레이저 펄스의 출력이 조정된다. 결과적으로, 이러한 펄스는 식각 직경(48) 내에서 작업물로부터 물질을 제거할 것이지만 크지는 않아, 빔의 1/e2 직경보다 더 적은 출구 직경을 갖는 구멍을 드릴링할 것이다.
구멍을 드릴링하기 위하여 이러한 방법을 사용하는 다른 장점은 일단 1/e2 직경이 선택되면, 구멍의 출구 직경은 펄스 에너지의 변화에 상대적으로 영향을 받지 않는다는 점이다. 펄스 출력 또는 지속기간에서 상대적으로 큰 변화는 출구 구멍 직경에서 작은 변화를 초래한다. 이는 도 3b에 도시되는데, 도 3b는 동일한 1/e2 직경(56)을 유지하면서, 피크 출력(51)을 갖는 제 1 가우스 펄스(50)와, 제 1 가우스 펄스의 피크 출력(51)의 125%인 피크 출력(52)을 갖는 제 2 가우스 펄스(53)의 공간 출력 분포의 단면도를 도시한다. 식각 임계값(54 및 55)에서 가우스의 테이퍼로 인해, 제 1 펄스의 식각 직경(57)과 제 2 펄스의 식각 직경(58) 사이의 차이는 25%보다 훨씬 적고, 따라서 가우스 펄스의 피크 출력에서의 변화가 대응하여 펄스의 식각 직경에서의 작은 변화를 초래함을 입증한다. 따라서, 드릴링된 구멍의 출구 직경의 크기는 상대적으로 펄스의 피크 출력에서의 변화에 영향을 받지 않는다.
이 방법의 제 3의 장점은 이러한 방식으로 구멍을 드릴링하는 것은 평탄하고 테이퍼진 마무리를 갖는 구멍의 내부 표면을 남겨, 광을 고르게 투과하는 구멍의 능력을 개선시킨다는 점이다. 이 방법으로 생성된 테이퍼는 매우 일관되고 펄스의 피크 출력 및 수에 상대적으로 영향을 받지 않는다.
본 발명의 제 2 실시예에서, 초점이 작업물의 표면에 놓이고, 초점이 확대되어, 펄스의 원하는 1/e2 직경이 작업물의 상부 표면에서 달성된다. 이는 적절한 스폿 크기를 생성하기 위해 도 6에 개략적으로 도시된 시스템을 설계함으로써 달성된다. 이러한 시스템은 스폿 크기를 포함하는 원하는 파라미터를 갖는 레이저 펄스를 생성하면서, 동시에 또한 펄스 에너지와 파장을 포함하는 적절한 특성을 갖는 레이저 펄스를 생성하기 위하여 레이저를 선택함으로써 본 응용을 위해 필요한 정확도와 처리량을 제공한다. 덧붙여, 빔 성형 광학계와 빔 조향 광학계는 원하는 스폿 크기 및 다른 레이저 빔 특성을 생성하도록 선택된다. 제어기는 또한 시스템 성분의 활동을 조정하여 원하는 결과를 달성하도록 프로그램된다.
이러한 접근법의 결과는 빔 조향 성분 이 후에 놓이는 f-theta(f-θ) 또는 스캔 렌즈의 필요성이 제거된다는 점이다. f-θ 또는 스캔 렌즈는 전형적으로 두 가지 이유로 인해 빔 조향 광학계를 채용하는 정밀한 마이크로 가공 시스템을 위해 필요하다. 첫 번째 이유는 타이트하게 초점이 맞춰진 레이저 펄스를 빔 조향 광학계를 통해 투과시키는 것은 가변적인 방식으로 빔 경로를 연장시켜, 작업물에 대해 정확한 위치에 초점 스폿을 유지하는 것을 어렵게 만들기 때문이다. 덧붙여, f-θ 렌즈는 레이저 빔 경로가 빔 조향 광학계의 전체 이동 범위에 걸쳐 작업물에 대해 수직이 되도록 허용하고, 이는 구멍을 드릴링하기 위해 트리패닝이 사용될 때 요구된다. 더 큰 초점 스폿 크기를 사용하는 것은 심도(depth of field)를 충분히 증가시켜 f-θ 렌즈의 필요성을 제거한다. 보다 상세하게는, 가우스 스폿의 기하학적 구조의 사용과 결합된 이러한 방법에 의해 요구되는 약한 초점맞춤은 렌즈가 f-θ 렌즈 대신에 표준 렌즈가 될 수 있음을 의미한다. 덧붙여, 시스템의 성능에 어떠한 변화도 없이 렌즈는 조향 미러 앞 또는 뒤에 놓일 수 있다. 덧붙여, 우수한 구멍의 기하학적 구조와 평탄한 마무리는, 본 명세서에서 기술된 응용을 위해 유용하기에 충분할 정도로 큰 스캔 영역에 걸쳐 정밀한 수직성에 대한 필요성을 게거한다.
본 발명은 개선된 시스템 처리량을 유지하면서, 예측 가능한 출구 구멍 직경을 갖고 상대적으로 평탄하고 높은 품질의 구멍을 형성할 수 있는, 등의 효과를 제공한다.
도 1은 종래 기술의 레이저 드릴링 시스템을 도시하는 개략도.
도 2는 종개 기술의 방법을 사용하여 드릴링된 테이퍼진 구멍의 단면도.
도 3a는 가우스 레이저 펄스의 단면도.
도 3b는 다른 피크 출력을 갖는 두 개의 가우스 레이저 펄스의 단면도.
도 4는 가우스 레이저 펄스의 초점 스폿의 단면도.
도 5는 본 발명의 방법 및 장치를 통해 드릴링된 구멍을 도시하는 작업물의 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 개략도.
본 발명의 제 1 실시예는 균일한 물질과 균일하지 않은 물질 내에 조절된 출구 직경과 내부 표면상의 평탄한 마무리를 갖는 테이퍼진 구멍을 드릴링한다. 제 1 실시에서, 이들 구멍은 도 1에 도시된 종래 기술의 레이저 드릴링 시스템을 사용하여 드릴링된다. 도 3a는 출력 대 레이저 빔 경로의 광축(42)으로부터 변위를 그리는 가우스 레이저 펄스(40)의 단면도를 도시한다. 도 3a는 1/e2 직경(44), 전형적인 작업물에 대한 식각 임계값(46), 및 식각 임계값에서 가우스 레이저 펄스의 반경(48)을 도시한다. 식각 임계값은 이 값 이상에서 레이저 펄스에 의해 작업물로부터 물질이 제거되는 출력 레벨이다. 식각 임계값 이상에서 펄스의 직경 내에서 펄스에 의해 제거되는 물질의 깊이는 펄스 지속기간에 관련되는데, 지속 기간이 길수록, 더 많은 물질이 제거된다.
도 4는 초점(60) 근처에서 레이저 빔의 개략도를 도시한다. 표면(64)은 레이저 빔 경로인 광축(62)을 따라 레이저 펄스가 진행할 때 레이저 펄스의 1/e2 직경을 나타낸다. FWHM과 같은 레이저 펄스의 직경의 임의의 다른 측정값이 유사한 결과를 갖는 이러한 유형의 개략도를 생성하기 위하여 사용될 수도 있다는 것에 주목해야 한다. 라인(60)에 의해 한정된 영역의 주변에서의 체적은 초점 스폿 또는 빔 허리부이다. 스폿 크기라는 용어는 라인(60)에 의해 한정된 영역의 측정값을 의미한다. 실질적으로 원형 단면을 갖는 레이저 펄스의 경우, 이것은 영역의 직경으로 표현될 수 있다.
도 5는 실질적으로 균일한 금속 물질(70) 내에서 본 발명에 의해 드릴링되는 구멍을 도시한다. 상부 직경(72)과 출구 직경(74)은 테이퍼를 한정한다. 측벽(76)은 상부 직경(72)으로부터 출구 직경(74)까지 평탄하고 고르다. 이러한 유형의 구멍은 바람직한데, 왜냐하면 이러한 구멍은 넓은 관찰 각도에 걸쳐 광을 고르게 투과시키기 때문이다. 이는 또한 고도로 재현이 가능하다. 본 발명을 사용하여 드릴링된 구멍은 모두 동일한 출구 직경, 테이퍼 및 평탄한 측벽을 갖는 경향이 있다. 이는 표면에 드릴링된 다수의 구멍이 유사한 방식으로 광을 투과시키고, 따라서 넓은 관찰 각도에 걸쳐 실질적으로 유사한 외관을 가짐을 의미한다. 이것은 만약 패턴 또는 디자인을 형성하도록 구멍들이 드릴링된다면, 그 패턴은 넓은 관찰 각도에 걸쳐 유사한 외관을 가질 것이고, 이는 종래 기술의 방법으로는 달성할 수 없었던 바람직한 결과를 생성한다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 실시예는 이들 유형의 구멍을 형성하기 위해 특별히 설계된 레이저 드릴을 채용한다. 이들 유형의 구멍을 드릴링하도록 특별히 설계된 시스템은 종래 기술의 레이저 드릴보다 훨씬 큰 초점 스폿 크기를 형성하는 성능을 갖는다. 종래 기술의 레이저 드릴은 전형적으로 약 100 미크론 이하의 직경의 스폿 크기를 갖는 레이저 빔을 형성한다. 이들 결과를 달성하는 시스템(100)의 개략도가 도 6에 도시되었다. 시스템은 레이저 빔 경로(82)를 따라 레이저 펄스를 전달하는 레이저(80)를 포함한다. 레이저 펄스는 가능하게는 시간 및 공간의 한계 내에서 레이저 빔을 성형하고 크기를 정하는 빔 성형 광학계(84)를 통과한다. 그 후 빔은 선택적인 빔 조향 광학계(86)를 통과하여 동작 제어 스테이지(92)에 의해 지지되는 작업물(94)로 전달된다. 이 시스템의 모든 요소는 각 요소를 조정하고 각 요소에 명령하는 제어기(90)로부터의 제어 하에서 동작한다.
레이저(80)는 네오디뮴 도핑된 YVO4, YAG, 또는 YLF 결정을 사용하는 전형적으로 Q-스위칭된 고체 상태의 레이저이어서, 펄스당 적어도 1.0 μJ의 에너지로 초당 10,000개를 초과하는 펄스의 반복율로 레이저 펄스를 생성한다. 이들 레이저는 전형적으로 1.0 미크론 내지 1.3 미크론의 범위인 스펙트럼 중의 적외선 영역의 파장을 갖는 펄스를 전형적으로 생성한다. 그 후 이들 펄스는 주파수 변환을 거치며, 이러한 변환 처리에 의해 레이저 펄스는 하나 이상의 주파수 배가 결정을 통과하여, 대략 550 nm인 녹색에서 255 내지 365 nm 범위의 자외선에 이르는 범위의 파장을 생성한다. 덧붙여, 스펙트럼의 적외선 영역에서 동작하는 CO2 또는 다른 가스 레이저 또는 다수의 섬유 레이저 중 임의의 한 레이저를 포함하는, 다양한 파장에서 동작하는 다수의 레이저 중 임의의 한 레이저가 이러한 처리에 유리하게 사용될 수 있다.
레이저 펄스는 그 후 빔 성형 광학계(84)에 의해 처리되는데, 빔 성형 광학계(84)는 레이저로부터 방출된 펄스를 시간 및 공간 범위 모두에서 변경시킨다. 레이저 펄스의 시간 변경은 편광자와 같은 다른 광학 요소와 결합하여 음향-광 변조기 또는 전자-광 변조기와 같은 광 디바이스에 의해 전형적으로 달성되는데, 편광자는 펄스를 분할하여 펄스 형태를 변화시키거나 펄스를 편향시킴으로써 펄스가 작업물에 도달하는 것을 방지한다. 펄스는 또한 공간 변경을 겪을 수 있는데, 공간 변경은, 펄스가 성형되어 레이저 빔 경로와 평행한 광선을 따른 광 전파를 제공하는 시준과, "탑 햇"(top hat) 빔과 같은 원하는 펄스 단면 또는 펄스의 한계를 성형하기 위한 구멍을 생성하기 위한 종래의 즉 회절 광학계와, 함께 작업물상에 원하는 스폿 크기를 생성하는 더 많은 종래의 렌즈에 의한 빔 성형을 포함한다. 덧붙여, 본 실시예에서 사용된 큰 초점 스폿 크기로 인해, 빔 성형 광학계(84)는 f-θ 렌즈가 전혀 필요하지 않기 때문에 레이저 빔의 필요한 초점맞춤의 모든 것을 수행할 수 있다.
빔 조향 광학계(86)는 전형적으로, 작업물에 대해 레이저 빔 경로의 위치를 설정하여 구멍을 적절한 위치에 드릴링하기 위하여, 동작 제어 스테이지(92)와 제휴하여 기능하는 압전 또는 음성 코일 조향 미러와 같은 갈바노메터 또는 다른 빔 조향 디바이스와 함께 구현된다.
원하는 구멍의 정확한 구성에 의존하여, 동작 제어 스테이지, 빔 조향 광학계 또는 이들 둘 모두 작업물에 대해 레이저 빔 경로의 위치를 정하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 기초가 되는 원리로부터 벗어나지 않고도 본 발명의 상술한 실시예의 세부 사항에 많은 변화가 이루어질 수 있음은 당업자에게는 자명할 것이다. 본 발명의 범주는 따라서 첨부된 청구항에 의해서만 결정되어야 한다.
1, 100 : 종래의 레이저 드릴링 시스템 10, 80 : 레이저
12, 82 : 레이저 빔 축 14, 84 : 빔 성형 광학계
16, 86 : 빔 조향 광학계 18 : 스캔 렌즈
20, 90 : 제어기 22,92 : 동작 제어 스테이지
24, 94 : 작업물 40 : 가우스 레이저 펄스
42, 62 : 광축 44 : 1/e2 직경
46 : 식각 임계값 48 : 펄스의 반경
70 : 균일한 금속 물질 72 : 상부 직경
74 : 출구 직경 76 : 측벽

Claims (17)

  1. 작업물에 관통 구멍을 형성하는 개선된 방법으로서, 레이저로 레이저 펄스를 생성하는 단계와, 광학계로 상기 레이저 펄스를 변경하는 단계와, 상기 작업물에 충돌하도록 상기 레이저 펄스를 지향시키는 단계를 포함하고, 상기 관통 구멍은 테이퍼, 표면 마무리 및 출구 직경을 갖고, 상기 작업물은 실질적으로 균일한 금속 물질을 포함하고, 상부 표면과 식각 임계값을 가지며, 상기 레이저 펄스는 스폿 크기, 펄스 지속기간 및 피크 출력을 갖는, 작업물에 관통 구멍을 형성하는 개선된 방법에 있어서,
    상기 레이저를 통해, 상기 작업물의 상기 식각 임계값 보다 적어도 약 20% 큰 피크 출력과 10 ns 보다 큰 펄스 지속 기간을 갖는 레이저 펄스를 생성하는 단계와,
    상기 광학계를 통해, 상기 관통 구멍의 상기 출구 직경의 약 2배보다 큰, 상기 작업물의 상기 상부 표면에서 1/e2 직경을 갖는 상기 스폿 크기를 갖도록, 상기 레이저 펄스를 변경하는 단계와,
    상기 작업물의 의도된 체적으로부터 물질을 제거하여 상기 출구 직경, 상기 표면 마무리 및 상기 테이퍼를 갖는 상기 관통 구멍을 생성하도록 상기 적어도 하나의 변경된 레이저 펄스를 지향시키는 단계를
    더 포함하는 작업물에 관통 구멍을 형성하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스폿 크기의 1/e2 직경은 상기 출구 직경의 2배 내지 5배인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스폿 크기의 1/e2 직경은 상기 출구 직경의 약 2.5배인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 상기 피크 출력은 상기 식각 임계값보다 약 20% 큰 값과 상기 식각 임계값보다 100% 큰 값 사이의 값인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 상기 피크 출력은 상기 식각 임계값보다 약 50% 큰 값인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 상기 펄스 지속 기간은 약 10 ns 내지 1 μs인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 상기 펄스 지속 기간은 약 10 ns 내지 100 ns인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 표면 마무리는 실질적으로 평탄한 작업물에 관통 구멍을 형성하는 방법.
  9. 적어도 하나의 레이저 펄스를 이용하여 작업물에 관통 구멍을 형성하는 개선된 시스템으로서, 제어기, 레이저 및 광학계를 포함하고, 상기 관통 구멍은 테이퍼, 표면 마무리 및 출구 직경을 갖고, 상기 작업물은 실질적으로 균일한 금속 물질을 포함하고, 상부 표면과 식각 임계값을 가지며, 상기 레이저 펄스는 스폿 크기, 펄스 지속기간 및 피크 출력을 갖는, 작업물에 관통 구멍을 형성하는 개선된 시스템에 있어서,
    상기 레이저와 상기 광학계에 동작 가능하게 연결되어, 상기 작업물의 상기 식각 임계값 보다 적어도 약 20% 큰 피크 출력, 상기 관통 구멍의 상기 출구 직경의 약 2배보다 큰 상기 작업물의 상기 상부 표면에서 1/e2 직경을 갖는 스폿 크기, 및 약 10 ns 보다 큰 펄스 지속 기간을 갖는 적어도 하나의 레이저 펄스를 생성하고, 상기 적어도 하나의 레이저 펄스를 상기 작업물에 지향시켜, 상기 테이퍼, 상기 표면 마무리 및 상기 출구 직경을 갖는 상기 관통 구멍을 생성하는 제어기를
    포함하는 작업물에 관통 구멍을 형성하는 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 레이저 스폿 크기의 1/e2 직경은 상기 출구 직경의 2배 내지 5배인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 개선된 시스템.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 선택된 레이저 스폿 크기의 1/e2 직경은 상기 출구 직경의 약 2.5배인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 시스템.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 상기 피크 출력은 상기 식각 임계값보다 약 20% 큰 값과 상기 식각 임계값보다 100% 큰 값 사이의 값인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 시스템.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 상기 피크 출력은 상기 식각 임계값보다 약 50% 큰 값인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 시스템.
  14. 제 9항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 상기 펄스 지속 기간은 약 10 ns와 1 μs 사이인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 시스템.
  15. 제 9항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 상기 펄스 지속 기간은 약 10 ns와 100 ns 사이인 작업물에 관통 구멍을 형성하는 시스템.
  16. 제 9항에 있어서, 상기 표면 마무리는 실질적으로 평탄한 작업물에 관통 구멍을 형성하는 시스템.
  17. 상부 직경, 출구 직경, 테이퍼 및 표면 마무리를 갖고, 작업물을 통해 광을 투과시키기 위한 개선된 관통 구멍으로서,
    20 미크론과 200 미크론 사이인 실질적으로 원형 출구 직경과,
    출구 직경의 적어도 1.5배인 상부 직경과,
    1.5이상인 테이퍼로서, 출구 직경으로부터 상부 직경까지 연속적이고 평탄한 테이퍼와,
    실질적으로 평탄하고, 구멍 체적으로부터 초기에 방출되어 표면에 재증착되는 물질이 거의 없는, 표면 마무리를 포함하는 관통 구멍.
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