KR20120052923A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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KR20120052923A
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히로유키 스가와라
히로아키 아시자와
히로미 니시야마
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히다치 비아 메카닉스 가부시키가이샤
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Abstract

가공 능률 및 기판의 고밀도화를 도모할 수 있는 프린트 기판의 천공 방법 및 프린트 기판의 천공 장치를 제공한다. 테스트 가공에 의해, 가공부로부터 방사 되는 발광(23a)를 감시하면서, 에너지 밀도가 도체층(50i)를 가공할 수 있는 값으로 정해진 레이저빔(4a)을 펄스형으로 조사하여 도체층(50i)에 관통공을 가공하는데 필요한 조사 회수를 구한다. 또한, 절연층(51i)은 가공할 수 있지만 하층의 도체층(50i+1)은 가공할 수 없는 값으로 정해진 레이저빔(5a)을 펄스형으로 조사하여 절연층(51i)에 관통공을 가공하는데 필요한 조사 회수를 구한다. 그리고, 도체층(50i)에는 구한 조사 회수만큼의 레이저빔(4a)를 조사하고, 절연층(51i)에는 구한 조사 회수만큼의 레이저빔(5a)을 조사함으로써, 프린트 기판에 구멍을 가공한다.

Description

레이저 가공 장치{A LASER PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
[특허문헌 1] 일본국 특표평10-508798호 공보
[특허문헌 2] 일본국 특개평10-85976호 공보
[특허문헌 3] 일본국 특개2001-102720호 공보
종래, 표면의 제1 층이 도체층인 n층의 도체층과 n층 또는 (n-1)층의 절연층을 교대로 적층한 프린트 기판에 UV 레이저인 펄스형의 레이저빔(이하, 단지 레이저빔이라고 함)을 이용하여 구멍을 형성하는 경우, 가공하는 구멍의 직경이 50㎛ 이상일 때에는, 직경이 구멍 입구 직경과 거의 동등하게, 에너지 분포가 광축에 수직인 면 방향으로 거의 균일한 톱햇빔(top hat beam) 또는 에너지 분포가 광축에 수직인 면 방향으로 가우시안 곡선형인 가우시안빔(gaussian beam)을 필요한 회수 조사하던가(이하, "펀치 가공법"이라고 함), 또는 직경이 구멍 입구 직경보다 작고, 직경이 50㎛ 이하인 톱햇빔 또는 가우시안빔을 예를 들면 원주 궤적 상을 이동시키면서 조사하는 것을 반경 방향으로 반복하고 있었다(이하, "트레패닝(trepanning) 가공법"이라고 함).
그리고, 레이저빔의 가공 부분에 대한 위치 결정은 광학 스캐너와 집광 렌즈를 사용하지만, 집광 렌즈의 크기로 정해지는 스캔 영역은 프린트 기판에 대하여 작다. 그러므로, 스캔 영역 내의 가공이 종료되면, 다음의 스캔 영역에 프린트 기판과 집광 렌즈를 수평 방향으로 상대적으로 이동시켜 가공을 수행한다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 자외광에 의해 금속과 절연물 등으로 이루어지는 재료에 구멍을 형성하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2 및 특허문헌 3에는, 레이저가공의 상황을 모니터링하면서 가공하는 장치로서, 편광 빔스플리터, 다이크로익(dichroic) 미러 등의 빔스플리터를 레이저 발진기의 직후, 또는 가공 대상물의 직전의 레이저빔의 광로에 넣어 레이저가공 대상물로부터의 반사광 또는 발광을 레이저빔의 광로로부터 편향시켜 검출하는 레이저 가공 장치, 또는 가공 대상물의 근방으로 레이저 광로로부터 벗어난 곳에 검출기를 두어 가공 대상물로부터의 산란광 또는 발광을 검출하는 레이저 가공 장치가 개시되어 있다.
그러나, 도체층의 분해 에너지의 한계치와 절연층을 구성하는 수지의 분해 에너지의 한계치의 차이는 크다. 그러므로, 표면의 층이 도체층인 프린트 기판에 구멍을 가공하는 경우, 펄스형의 레이저빔을 동일 부분에 계속하여 조사하면, 그 하층의 절연층에 형성된 구멍의 직경이 도체층에 형성된 구멍의 직경보다 크게 되어 도체층이 절연층에 형성되는 구멍에 대하여 오버행(overhang)형으로 되거나 절연층에 형성되는 구멍 측벽의 깊이 방향의 중간이 입구 직경보다 큰 배럴(barrel)형이 된다.
도체층이 절연층에 형성되는 구멍에 대해서 오버행형이 되거나 절연층이 배럴형이 된 구멍에 대하여 고속의 전기 도금 또는 충전(filled) 도금(구멍 바닥으로부터 도금을 성장시켜 구멍을 매립하는 도금법)을 행하면, 도체층의 구멍 입구에 도금이 집중되어, 도금 층에 중공부(보이드; void)가 생기기 쉬워진다. 그러므로, 도금 시간을 단축할 수 없고, 가공 능률을 향상시킬 수가 없었다.
또한, 에너지 밀도를 도체층에 맞추어 가공하면, 절연층의 두께가 변동된 경우, 구멍 바닥의 도체층의 표면을 손상시킬 뿐만 아니라, 구멍 바닥의 도체층을 관통하는 경우가 있다.
또한, 절연층이 유리를 함유하는 이른바 유리혼입 베이스재의 경우, 구멍 측벽의 수지가 선택적으로 제거되어, 형성된 구멍의 내부에 유리 섬유의 돌출이 커진다. 또한, 필요 이상으로 수지가 제거되어 인접하는 구멍과의 사이에 미소한 간극이 형성되고, 도금에 의해 인접하는 구멍이 도통되는 경우가 있다. 그러므로, 구멍 사이의 피치를 좁게 하지 못하여, 프린트 기판을 작게 하는, 이른바 기판의 고밀도화를 도모할 수 없었다.
본 발명의 목적은, 상기 종래 기술의 과제를 해결하고, 가공 능률 및 기판의 고밀도화를 도모할 수 있는 프린트 기판의 천공 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 가공 능률 및 기판의 고밀도화를 도모할 수 있는 프린트 기판의 천공 방법에 바람직한 레이저에 의한 프린트 기판의 천공 장치로서, 종래의 레이저 가공 장치에서 고려되지 않은 광학 부품 내부에서 반사의 영향이나, 경사의 병행 평판을 렌즈에 의해 집광하고 있는 빔이 투과하는 것에 의한 빔 형상의 왜곡을 저감시킬 수 있는 프린트 기판의 천공 장치를 제공하는 것이다.
필요 최소한의 에너지에 의해 도체층 및 절연층에 구멍을 가공할 수 있으므로 가공 능률을 향상시킬 수가 있다. 또한, 도체층 및 절연층에 손상이 발생하지 않기 때문에 기판의 고밀도화를 도모할 수 있다.
또한, 레이저 가공 장치가 가공 시에 발생하는 발광 플룸이나 가공 레이저의 반사광을 1/4 파장판이나 빔스플리터, 다이크로익 미러 등을 통하여 fθ렌즈에 유도하므로 검출 신호의 SN비가 향상된다. 그 결과, 검출 신호가 미약해도 확실하게 가공 상태를 판정할 수 있어 고품질의 가공이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 프린트 기판 천공 장치의 구성도이다.
도 2는 제1 실시예에서의 가공 스텝을 나타낸 플로차트이다.
도 3은 도 2의 가공 스텝에서의 서브 루틴의 플로차트이다.
도 4는 도 2의 가공 스텝에서의 서브 루틴의 플로차트이다.
도 5는 제1 실시예에서의 가공부의 형상을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 관한 가공 헤드부 근방의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 관한 레이저 가공 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 관한 레이저 가공 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 관한 레이저 가공 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 관한 레이저 가공 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 11은 본 발명의 제7 실시예에 관한 레이저 가공 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 12는 제2 내지 제7 실시예에 관한 레이저 가공 장치에 사용하는 2축 스캐너의 사시도이다.
도 13은 제2 내지 제7 실시예에 관한 레이저 가공 장치에서의 검출 방법을 설명하는 도면이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 수단은, 도체층과 절연층이 교대로 적층된 프린트 기판의 가공 방법에 있어서, 가공부로부터 방사되는 발광을 감시하면서, 에너지 밀도가 상기 도체층을 가공할 수 있는 값으로 정해진 레이저빔을 상기 도체층에 펄스형으로 조사하여 상기 도체층에 관통공을 가공하는데 필요한 조사 회수를 구하고, 구해진 조사 회수에 의해 해당 도체층의 다른 부분에 관통공을 가공하는 것을 특징으로 한다.
제2 수단은, 표면의 제1 층이 도체층인 n층의 도체층과 n층 또는 (n-1)층의 절연층을 교대로 적층한 프린트 기판의 천공 방법에 있어서, 제1 도체층을, 직경이 지정된 구멍 입구 직경에 동등하게, 또한, 에너지 밀도가 이 제1 도체층을 제거할 수 있는 펄스형의 레이저빔을 복수 회 조사함으로써 제거하고, 상기 제1 도체층의 하층의 제1 절연층을, 직경이 상기 제1 도체층을 가공한 레이저빔보다 크고, 또한 에너지 밀도가 제1 절연층은 제거할 수 있지만 상기 제1 도체층은 제거할 수 없는 펄스형의 레이저빔을 복수 회 조사함으로써 제거하고, i번째(단, i=2~n의 정수)의 도체층을, 직경이 제(i-1) 층을 가공한 레이저빔보다 작고, 또한 에너지 밀도가 i 번째의 도체층을 제거할 수 있는 펄스형의 레이저빔을 복수 회 조사함으로써 제거하고, 또한 i번째의 도체층의 하층의 i번째의 절연층을, 에너지 밀도가 상기 제1 절연층을 가공한 펄스형의 레이저빔을 복수 회 조사함으로써 제거하고, 상기 제1 도체층에 형성된 구멍의 직경을 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.
제3 수단은, 레이저 발진기로부터 출력된 펄스형의 레이저빔을 광학 시스템을 통하여 도체층과 절연층이 교대로 적층된 프린트 기판에 유도하여, 상기 프린트 기판의 가공 부분에 구멍을 가공하는 프린트 기판 천공 장치에 있어서, 가공부로부터의 발광을 감시하는 센서와, 상기 센서의 출력과 미리 정해진 임계값을 비교하는 비교 수단과, 상기 비교 수단이 동작할 때까지 가공부에 조사한 상기 레이저빔의 조사 회수를 카운트하는 카운터와, 상기 카운터에 의해 카운트 된 상기 조사 회수를 기억하는 기억 장치를 설치하고, 테스트 가공에 의해 기억된 펄스의 수를 가공에서의 펄스의 수로 하여 상기 도체층과 절연층의 각 층을 가공하는 것을 특징으로 한다.
제4 수단은, 피가공품 상에 레이저광을 조사하여 피가공품을 레이저가공하는 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저광을 발진하는 레이저 발진기와 이 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광을 가공품 상에 위치 결정하는 스캐너 및 가공 렌즈를 포함하는 빔 스캔 광학 시스템과, 가공 렌즈와 가공 대상물 사이에 배치되어 피가공품으로부터의 반사광을 편광시키는 1/4 파장판을 가지는 것이다.
이 경우, 빔 스캔 광학 시스템은 갈바노(galvano) 미러를 가지고, 이 미러로부터 벗어난 피가공품으로부터의 반사광을 수광하는 검출 수단을, 미러보다 피가공품의 반대쪽에 배치하는 것이 좋다.
또한, 빔 스캔 광학 시스템과 레이저 발진기 사이에, 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광보다 큰 개구를 가지는 광검출 수단을, 레이저광의 광축과 거의 동일한 축에 배치하여도 된다.
제5 수단은, 피가공품 상에 레이저광을 조사하여 피가공품을 레이저가공하는 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저광을 발진하는 레이저 발진기와 이 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광을 가공품 상에 위치 결정하는 스캐너 및 가공 렌즈를 포함하는 빔 스캔 광학 시스템과, 가공 렌즈와 피가공품 사이에 배치된 빔스플리터를 가지고, 이 빔스플리터로 반사한 레이저광으로 피가공품을 가공하는 것이다.
제6 수단은, 피가공품 상에 레이저광을 조사하여 피가공품을 레이저가공하는 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저광을 발진하는 레이저 발진기와 이 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광을 가공품 상에 위치 결정하는 스캐너 및 가공 렌즈를 포함하는 빔 스캔 광학 시스템과, 가공 렌즈와 피가공품 사이에 배치된 다이크로익 미러를 가지고, 이 다이크로익 미러로 반사한 레이저광으로 피가공품을 가공하는 것이다.
제7 수단은, 피가공품 상에 레이저광을 조사하여 피가공품을 레이저가공하는 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저광을 발진하는 레이저 발진기와 이 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광을 가공품 상에 위치 결정하며 스캐너 및 가공 렌즈를 가지는 빔 스캔 광학 시스템과, 가공 렌즈와 피가공품 사이에 배치되고 피가공품으로 발생한 광을 투과시키는 광학 부품과 이 광학 부품을 투과한 광을 검출하는 검출 수단을 가지는 것이다.
이하, 본 발명을 도시한 실시예에 따라서 설명한다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 프린트 기판 천공 장치의 구성도이다.
시스템 컨트롤러(B)는, 점선으로 둘러싸 표시한 장치 기구부(A), 레이저 발진기 컨트롤러(D) 및 포토센서(21)에 접속되어 있다. 후술하는 바와 같이, 시스템 컨트롤러(B)에는, 포토센서(21) 및 포토센서(30a~30d)의 출력과 미리 정해진 임계값을 비교하는 비교수단(p), 비교수단(p)이 동작하기까지 가공부에 조사한 레이저빔의 조사 회수를 카운트하는 카운터(q), 및 가공 조건 및 카운트 된 조사 회수를 기억하는 기억장치(r)를 구비하고 있다.
기억장치(r)에는 구리를 가공하는데 적절한 에너지 밀도와 절연물을 가공하는데 적절한 에너지 밀도가 미리 기억되어 있다. 또한, 기억장치(r)에는 빔 모드(광축에 대해서 수직인 단면에서의 에너지 분포)마다, 구리를 가공하는 경우의 레이저빔의 직경과 그 경우의 레이저 발진기 및 각 광학 시스템의 설정값이 일람표의 형태로 기억되어 있고, 이 설정값에 의한 레이저빔은 구리를 가공하는데 적절한 에너지 밀도이다. 마찬가지로, 절연물을 가공하는 경우의 레이저빔의 직경과 그 경우의 레이저 발진기 및 각 광학 시스템의 설정값이 일람표의 형태로 기억되어 있고, 이 설정값에 의한 레이저빔은 절연물을 가공하는데 적절한 에너지 밀도이다.
그리고, 시스템 컨트롤러(B)는 빔 모드와 레이저빔 직경이 지시되면, 가공에 적절한 레이저빔이 가공부에 조사되도록, 레이저 발진기 및 각 광학 시스템을 설정한다.
장치 기구부(A)에는, 레이저 발진기(C)와, 일점쇄선으로 둘러싸 표시한 가공 헤드(E), 및 레이저 발진기(C)와 가공 헤드(E)를 광학적으로 접속하는 광학 시스템 등이 탑재되어 있다.
레이저 발진기(C)는, 빔 모드가 가우시안 곡선형인 가우시안빔의 직선 편광의 UV 레이저(여기서는, 파장이 355㎚)를 펄스형으로 출력한다. 레이저 발진기(C)로부터 출력되는 레이저빔(1)의 광축 상에는, 빔 정형기(2)와 빔 분배기(3)(예를 들어, 음향 광학 방식의 AOM 또는 전기 광학식의 EOM)가 배치되어 있다.
빔 정형기(2)는, 예를 들면, 가우시안빔을 에너지 분포가 균일한 빔 모드인 톱햇빔으로 변환하여, 레이저빔(1)의 빔 직경을 조정할 수 있다.
빔 분배기(3)는, 시스템 컨트롤러(B)로부터의 지령에 의해, 입사되는 레이저빔(1)을 제1 방향의 레이저빔(4)(1차 광) 또는/및 레이저빔(6)(0차 광), 즉 에너지가 레이저빔(1)의 Q%(단, Q=100~0)인 레이저빔(4)과 에너지가 레이저빔(1)의 (100-Q)%인 레이저빔(6), 또는 제2 방향의 레이저빔(5)(1차 광) 또는/및 직진 방향의 레이저빔(6), 또는 레이저빔(6)으로서 출력한다. 그리고, 1차 광과 0차 광의 비율을 바꾸는 것에 의해 레이저빔(4) 또는 레이저빔(5)의 에너지의 레벨을 조절할 수 있다. 또한, 레이저빔(1)의 펄스 수의 제어를 수행할 수 있다. 여기서는, 레이저빔(4)과 레이저빔(5)이 S파인 것으로 한다.
빔 분배기(3)와 미러(11X) 사이의 레이저빔(4)의 광축 상에는, 빔 직경 조정용 콜리메이터(collimator)(7a), 마스크 투영 가공 시에 가공 스폿 직경을 조정하는 어퍼쳐(8a), 편광 방향 변환 장치(40), 빔스플리터(9a) 및 편광판(10)이 배치되어 있다. 이하, 어퍼쳐(8a)를 투과한 레이저빔(4)을 레이저빔(4a)이라고 한다.
빔스플리터(9a)의 레이저빔(4a)의 광축의 입사 측 및 반사 측의 연장선 상에는, 파장 300~800㎚의 광을 각각 검출할 수 있는 포토센서(30a, 30b)가 배치되어 있다.
빔스플리터(9a)는 파장 300~800㎚의 광을 99% 반사하고, 1%를 투과시킨다. 편광판(10)은 입사되는 S파를 반사하고, P파를 투과시킨다.
편광 방향 변환 장치(40)는 예를 들면 복수 개의 반사 미러로 구성되며, 입사되는 광의 편광 방향을 90도 회전시킨다.
갈바노 스캐너(11)는 미러(11X)와 미러(11Y)로 구성되어 있다.
빔 분배기(3)와 갈바노 스캐너(11) 사이의 레이저빔(5)의 광축 상에는 빔 직경 조정용 콜리메이터(7b), 마스크 투영 가공 시에 가공 스폿 직경을 조정하는 어퍼쳐(8b), 빔스플리터(9b) 및 편광판(10)이 배치되어 있다. 이하, 어퍼쳐(8b)를 투과한 레이저빔(5)을 레이저빔(5a)이라고 한다.
빔스플리터(9b)는 파장 300~800㎚의 광을 99% 반사하고, 1%를 투과시키는 빔스플리터(9b)의 레이저빔(5)의 광축의 입사 측 및 반사 측의 연장선 상에는 파장 300~800m의 광을 검출할 수 있는 포토센서(30c, 30d)가 각각 배치되어 있다.
가공 헤드(E)와 대향하는 위치에 배치된 가공 테이블(14)은 X-Y 방향으로 이동 가능하다. 가공 테이블(14)에는 가공 대상인 프린트 기판(13)이 탑재되어 있다. 또한, 도면에서 화살표를 부여하여 표시한 m×m의 범위는, 갈바노 스캐너(11)의 스캔 영역이다.
그리고 도 1에서는, 설명 상 필요한 코너 미러 이외의 코너 미러는, 도시가 생략되어 있다.
스캔 영역에 대향하도록 선단에 집광 광학 시스템(20a)을 구비한 광파이버(20)의 일단이, 예를 들면 가공부로부터 약 40㎜의 위치에 배치되어 있다. 광파이버(20)의 타단은 포토센서(21)에 접속되어 있다. 광파이버(20)는 필터 기능을 구비하고 있고 파장 400~600㎚의 광을 선택적으로 포토센서(21)에 전달한다.
다음에, 이 실시예의 동작을 설명한다.
먼저, 레이저빔(4)의 경로를 설명한다.
레이저 발진기(C)로부터 출력된 펄스형의 레이저빔(1)은, 빔 정형기(2)에 의해 에너지 분포 및 빔 직경이 정해져서 빔 분배기(3)에 입사되고, 펄스 에너지의 레벨이 조정되어, 레이저빔(4, 5, 6) 중 어느 하나로서 출력된다.
레이저빔(4)은 빔 직경 조정용 콜리메이터(7a) 및 어퍼쳐(8a)에 의해 외경이 정해져서 레이저빔(4a)(여기서는 S파)으로 되어, 편광 방향 변환 장치(40)에 의해 P파로 변환되어 빔스플리터(9a)에 입사되고, 일부는 빔스플리터(9a)를 투과하여 포토센서(30a)에 입사되고, 나머지는 반사된다. 빔스플리터(9a)에서 반사된 레이저빔(4a)은 편광판(10)을 투과하여 미러(11X)에 입사되고, 미러(11X)와 미러(11Y)에 의해 프린트 기판(13)에 입사되는 위치가 정해지고, 집광 렌즈(fθ렌즈)(12)를 통하여 프린트 기판(13)에 입사하여 프린트 기판(13)을 가공한다.
프린트 기판(13)으로 반사된 레이저빔(4a)의 반사광(22)의 일부와 가공부에 따라서 발생하는 가공광(23)의 일부로 구성되는 광은 광파이버(20)에 입사된다. 또한, 반사광(22)의 일부와 가공광(23)의 일부는 입사 경로를 역행하고, 그 일부는 빔스플리터(9a)를 투과하고, 투과광(4aa)으로서 포토센서(30b)에 입사된다.
또한, 레이저빔(5)은 빔 직경 조정용 콜리메이터(7b) 및 어퍼쳐(8b)에 의해 외경이 정해져서 레이저빔(5a)(여기서는 S파)으로 되고, 일부는 빔스플리터(9b)를 투과하여 포토센서(30c)에 입사되고, 나머지는 반사된다. 반사된 레이저빔(5a)은 편광판(9)에 입사되고, 편광판(9)에 반사되어 미러(11X)에 입사되고, 미러(11X)와 미러(1lY)에 의해 프린트 기판(13)에 입사되는 위치가 정해지고, 집광 렌즈(fθ렌즈)(12)를 통하여 프린트 기판(13)에 입사하여 프린트 기판(13)을 가공한다.
프린트 기판(13)으로 반사된 레이저빔(5a)의 반사광(22)(여기서는, 레이저빔(5a)의 반사광도 반사광(22)이라고 함)의 일부와 가공부에 따라서 발생하는 가공광(23)의 일부로 구성되는 광은 광파이버(20)에 입사된다. 또한, 반사광(22)의 일부와 가공광(23)의 일부는 입사 경로를 역행하고, 편광판(9)에 반사되어 그 일부가 빔스플리터(9b)를 투과하고, 투과광(5aa)으로서 포토센서(30d)에 입사된다.
또한, 레이저빔(6)은 도시를 생략한 장치에 입사되어 열로 변환될 수 있다.
다음에, 본 발명의 가공 스텝에 대하여 설명한다.
여기서는, 표면의 제1 층이 구리층인 n층의 구리층과 n층 또는 (n-1)층의 절연층이 교대로 적층된 프린트 기판에 구멍을 가공하는 경우에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 가공 스텝을 나타낸 플로차트이고, 도 3 및 도 4는 서브 루틴의 플로차트이다.
가공에 앞서, 이하의 파라미터를 가공 조건으로서 설정하여 둔다.
(1) 테스트 가공 위치(Sk)(단, k는 가공 위치의 위치 번호로, 1~max)의 좌표
(2) 가공하는 구리층의 층 수(G)
(3) 가공하는 절연층의 층 수(Z)
(4) 절연층을 가공할 때의 레이저빔 직경(D)
(5) 절연층을 가공할 때의 에너지 밀도와 빔 모드
(6) 제1 층의 구리층을 가공할 때의 레이저빔 직경(d)
(7) 구리층을 가공할 때의 에너지 밀도와 빔 모드
여기서는, 에너지 밀도가 8J/cm2로 리빔 모드가 톱햇형의 레이저빔(4a)에 의해 구리층을, 에너지 밀도가 1J/㎠인 톱햇형의 레이저빔(5a)에 의해 절연층을 가공하는 것으로 한다. 또한, 레이저빔 직경(d)은 가공하려고 하는 구멍의 직경으로하고, 직경(D)은 직경(d)보다 큰 값으로 한다. 그리고, 테스트 가공 위치(Sk)로서는 프린트 기판(13)의 제품이 되지 않는 부분이 선택된다.
도시를 생략한 가공 개시 버튼이 온 되면, 위치 번호 k를 1로 하고, 층 번호 i를 0으로 한 후(스텝 S100), 층 번호 i를 1로 한다(스텝 S110). 그리고, 도 3에 표시된 서브 루틴 SUB·A를 실행한 후, 스텝 S130의 처리를 행한다(스텝 S120).
서브 루틴 SUB·A에서는, 가공 빔을 레이저빔(4a)의 조건으로 설정하고(스텝 S600), 또한, 조사 회수 j를 0으로 리셋한 후(스텝 S610), 조사 회수 j에 1을 더하여(스텝 S620), 레이저빔(4a)을 1회(1펄스) 조사하고(스텝 S630), 발광의 유무를 체크한다(스텝 S640). 즉, 레이저빔(4a)이 조사되면 구리층이 가공되는 동시에, 가공부로부터 레이저빔(4a)의 반사광(파장 355㎚)과 500~550㎚ 부근인 강도의 피크를 가지는 300~800㎚의 가공광(23)이 방사되어 그 일부가 광파이버(20)에 입사된다. 그리고, 광파이버(20)의 필터 기능에 의해 반사광(22)은 제거되고, 400~600㎚의 가공광(23a)(이하, "발광"이라고 함)이 광파이버(20)를 투과하여 포토센서(21)에 도달하고, 포토센서(21)를 온 시킨다.
비교수단(p)은 포토센서(21)의 출력 lc를 미리 정해진 임계값 THc와 비교하고, 출력 lc가 미리 정해진 임계값 THc보다 큰 경우에는, 구리층이 남아 있는(즉 구리층의 가공이 미완인) 것으로 판정하여 스텝 S620의 처리를 행하고, 그 외의 경우, 즉 구리층에 관통공이 가공된 것으로 판정되는 경우에는 처리를 종료한다(스텝 S640).
에너지 밀도가 8J/㎠인 레이저빔(4a)은 1회의 조사로 약 1㎛의 깊이만큼 구리층을 제거할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 구리층의 두께가 9㎛인 경우, 레이저빔(4a)의 조사가 9±1회 정도 반복된다.
스텝 S130에서는 조사 회수 j를, 테스트 가공 위치 번호 k 및 구리층 번호 1로 세트로 하여 기억한다. 그리고, i와 G를 비교하고, i<G의 경우에는 스텝 S150의 처리를 행하고, 그 외의 경우에는 스텝 S210의 처리를 행한다(스텝 S140).
스텝 S150에서는 레이저빔(4a)의 직경(d)을 (1-0.05i)d로 치환한 후, 층 번호 i와 Z를 비교하여(스텝 S160), i<Z의 경우에는 도 4에 표시된 서브 루틴 SUB·B를 실행한 후(스텝 S170), 스텝 S180의 처리를 행하고, 그 외의 경우에는 스텝 S210의 처리를 행한다. 그리고, 레이저빔(4a)의 직경(d)을 (1-0.05i)d로 치환할 때는, 어퍼쳐(8a)를 대응하는 직경의 어퍼쳐(8a)로 전환한다.
서브 루틴 SUB·B에서는, 가공 빔을 직경이 D인 레이저빔(5a)의 조건으로, 또 조사 회수 j를 0으로 리셋한 후(스텝 S700, S710), 조사 회수 j에 1을 더하여(스텝 S720), 레이저빔(5a)를 1회 조사하고(스텝 S730), 반사광의 강도 lz를 체크한다(스텝 S740). 즉, 하층에 구리층이 있는 경우, 절연층을 가공하고 있는 경우의 반사광(22)의 강도 1z에 대해서, 절연물이 제거된 경우에 노출된 구리층에서 반사된 반사광(22)의 강도 lz는 상당히 크다. 그래서, 포토센서(21)에 입력되는 반사광(21)의 강도 lz를 미리 정한 임계값 THz와 비교하여, 강도 lz가 미리 정해진 임계값 THz보다 작은 경우에는 아직 절연층이 남아 있는(즉 절연층의 가공이 미완인) 것으로 판정하여 스텝 S720의 처리를 행하고, 그 외의 경우, 즉 절연층에 관통공이 가공된 것으로 판정되는 경우에는, 처리를 종료한다.
스텝 S180에서는 조사 회수 j를, 테스트 가공 위치 번호 k 및 절연층 번호 i와 세트로 하여 기억한다.
그리고 테스트 가공 위치 번호 k와 kmax를 비교하고, k<kmax의 경우에는 테스트 가공 위치 번호k에 1을 더하여 스텝 S110의 처리를 행하고(스텝 S200), 그 외의 경우(즉, k≥kmax의 경우)에는 스텝 S210의 처리를 행한다(스텝 S190).
스텝 S210에서는 테스트 가공 위치 S1~Smax에서의 제1 구리층 또는 절연층 조사 회수 j 중 가장 많은 조사 회수 j를 각각의 가공 시의 조사 회수로서 설정하고, 지정된 최초의 천공 가공을 행한다(스텝 S220). 이하, 마찬가지로 하여, 지령된 모든 가공이 종료될 때까지 가공을 행한다(스텝 S230).
본 발명에 의하면, 테스트 가공(도 2에 있어서의 스텝 S100~스텝 S210)에 의해 관통공을 가공하는 구리층 및 절연층의 모두에 대해서 관통공을 가공할 수 있는 조사 수를 정하고 정해진 조사 수에 의해 실제의 가공을 행하기 때문에(도 2에 있어서의 스텝 S220, 스텝 S230), 각 층의 두께가 상이한 경우도, 품질을 균일한 것으로 할 수 있는 동시에, 제어가 용이하다.
또한, 이 실시예에서는, 제2 층 이후의 구리층을 가공하는 레이저 펄스(4a)의 직경을 서서히 작아지게 하므로, 가공한 구멍의 입구 직경이 손상되지 않고, 품질이 우수한 가공을 행할 수 있다.
또한, 절연층을 가공하는데 필요한 조사 회수를 확인하도록 했으므로, 조사 회수를 필요 이상으로 증가시킬 필요가 없고, 가공 능률을 향상시킬 수 있다.
또한, 이 가공 스텝에 의, 표면으로부터 원하는 도체층인 달하는 바닥 첨부구멍 만아니고, 관통공도 가공하는 것이 가능하다.
그리고, 레이저빔(5a)의 에너지 밀도는 도체층을 손상시킬 만큼의 강도가 아니기 때문에, 조사 회수를 측정하지 않고, 설계상의 절연층 두께의 최대값에 여유를 가한 회수를 조사하도록 해도 된다.
또한, 각 층에 조사하는 레이저빔 조사 회수를 층 두께 측정으로 얻어진 최대값으로 하였으나, 미리 각 층의 두께가 알려져 있는 경우에는, 예를 들어 조사 회수의 허용 범위를 정해 두어 허용 범위로부터 벗어나는 경우에는 알람을 내도록 해도 된다.
또한, 포토센서(30a) 및 포토센서(30c)의 출력을 감시하고, 예를 들면 레이저빔(4a) 또는 레이저빔(5a)의 출력이 어떠한 원인으로 작아진 경우에는, 그 때의 층 두께 측정의 값을 제외하고 예를 들면 가공 시의 조사 회수를 정하도록 해도 된다.
또한, 테스트 가공 시의 레이저빔(4a)의 에너지 밀도와 레이저빔 직경(d)을 고정값으로 하고, 각 층에 관통공을 가공하는데 필요한 조사 수를 정한 후, 에너지 밀도는 변화시키지 않고, 가공하는 구멍의 직경에 맞춘 레이저빔에 의해 시험 가공을 행하고, 그 결과를 평가하도록 해도 된다.
또한, 에너지 분포를 직경 방향으로 거의 균일한 톱햇형으로 하였으나, 에너지 분포를 가우시안 곡선형의 가우시안형으로 해도 된다.
또한, 제2 번째 이후의 구리층을 가공하는 레이저빔(4a)의 직경(d)을 (1- (0.05i)d로 치환했지만(도 2에 있어서의 스텝 S150), 제2 번째 이후의 구리층을 직경 d의 레이저빔(4a)으로 가공해도 된다.
그리고, 가공부의 스폿 직경은 콜리메이터(7)에 의해 제어해도 되고, 어퍼쳐(8a 또는 8b)와 가공부 사이의 거리를 변경함으로써 제어해도 된다.
또한, 반사광(22)의 강도는 미러(11X)와 미러(11Y)의 각도로로부터 변화하기 때문에(즉, 렌즈 중심으로부터 멀어진 가공부로부터의 신호 레벨은 거리에 따라 저하되기 때문에), 미러(11X)와 미러(11Y)의 각도에 따라 검출 신호의 레벨을 보정하도록 구성하면, 검출 정밀도를 더욱 향상시킬 수가 있다.
그리고, 포토센서(30b) 또는 포토센서(30d)에 입사되는 광을 2분할하고, 분할한 광의 한쪽을 이용하여 파장 355㎚의 광을 검출하고, 분할한 광의 다른 쪽을 이용하여 파장 400~600㎚의 광을 검출하도록 구성해도 된다.
그런데, 상기에서는, 절연층을 가공하는 에너지 밀도를 일정하게 했지만, 가공 도중에 변화시키도록 해도 된다.
도 5는, 상기 가공 스텝에 따른 가공부의 형상을 나타낸 도면이며, 프린트 기판(13)의 도체층(50i) 및 절연층(51i)의 첨자 i는 도면의 위쪽(표면 쪽)이 1이다. 이 도면에서, 상단은 구리층을 가공하는 경우이고, 하단은 절연층을 가공하는 경우이며, 각각의 에너지 밀도 HE를 높이로 나타내고 있다.
이 도면의 (a)에 나타낸 바와 같이, 절연층(511)의 가공 개시 시(즉, 구리층(501)의 가공 직후)는 구리층(501)을 가공하지 않는 범위에서 에너지 밀도를 크게 하여(예를 들면, 3J/㎠) 절연층(511)을 설계상의 두께의 70% 정도까지 가공한 후, 에너지를 1J/㎠로 해도 된다. 이와 같이 레이저빔의 에너지 밀도를 제어하면, 가공 능률을 향상시킬 수 있는 동시에 절연층이 구멍 바닥에 남아 있지 않도록 할 수 있다.
또한, 이 도면의 (b)에 나타낸 바와 같이, 절연층을 가공하는 경우의 에너지 밀도를 3단계로 변화시켜도 된다. 이와 같이 레이저빔의 에너지 밀도를 제어하면, 형성하는 관통공의 측벽을 매끄럽게할 수 있다.
또한, 제1 층의 도체층과 제2 층의 도체층을 접속하는 경우에는, 이 도면의 (c)에 나타낸 바와 같이, 또한, 제1 층의 도체층을 가공하는 레이저빔(5a)의 직경(D)을 레이저빔 직경(4a)의 직경(d)보다 작게 해도 된다. 이와 같이 하면, 가공에 의해 가스화한 절연층의 구성 부재가 표면으로부터 신속하게 배출되기 때문에, 측면이 매끄러운 구멍을 형성하는 것이 가능하다.
어느 경우도, 절연층에 형성되는 측면의 테이퍼 각도(α)가 10~90˚가 되도록 레이저빔(5a)의 형상을 제어하면, 도금 공정에서 결함이 적은 도금 처리를 행할 수 있다.
여기서, 구멍 내면의 테이퍼 각도(α)는, 빔 정형기를 제어하여 레이저빔의 직경 방향의 에너지 분포를 제어함으로써 변경시킬 수 있다. 즉, 예를 들면, 레이저빔의 중앙부에서의 에너지 밀도를 외주부를 향하여 반경 방향으로 작아지게 하는 비율을 크게 하면 테이퍼 각도(α)를 크게 할 수 있다.
다음에, 구체적인 가공예에 대하여 설명한다.
(가공예 1)
구리층의 두께가 12㎛이고, 절연층의 두께가 60㎛인 RCC재(유리혼입 기판)를 에너지 밀도 8J/㎠이고, 직경이 45㎛인 레이저빔(4a)(펄스 주파수 f는 30㎑)의 톱햇빔에 의해 가공한 경우, 11펄스로 제1 도체층에 관통공을 형성할 수 있다. 이 때, 제1 절연층에 형성된 구멍의 깊이는 3㎛ 이하이며, 제1 절연층은 레이저빔(4a)에 의해 거의 가공되지 않는 것을 확인했다.
또한, 절연층의 나머지 두께에 따라, 에너지 밀도를 단계적(1.6, 1.0, 0.8J/㎠)으로 설정하여, 합계 70펄스에 의한 3스텝 가공을 행한 경우도, 양호한 구멍 품질 및 구멍 형상을 얻을 수 있는 것을 확인했다.
또한, 에너지 밀도가 1J/㎠인 경우, 절연층이 제거된 후 10펄스 정도 여분으로 조사하여도 바로 아래층의 구리층이 손상되거나 해당 절연층에 형성된 구멍의 형상이 불량이 되는 경우는 없었다.
그리고, 고온의 분해물에 의해 구멍 품질이 저하되는 것을 방지하기 위해, 실제 가공에 있어서는, 이른바 사이클 가공(예를 들면, 1개의 구멍을 형성하기 위해 레이저빔을 20회 조사하는 경우, 5개소를 1조로 하여 각 가공 부분에 레이저빔을 1회씩 조사하는 것을 20회 반복함)을 하는 것이 바람직하다.
또한, 여기서는 제n 번째의 도체층을 가공하는 레이저빔의 직경을 제(n-1) 번째의 도체층을 가공하는 레이저빔의 직경의 95%로 했으나 바람직하게는 제n 번째의 도체층을 가공하는 레이저빔의 직경을 제(n-1) 번째의 도체층에 가공된 구멍 바닥의 직경으로 하면 된다.
또한, 본 발명은 펀치 가공법의 경우에 한정되지 않고, 구멍의 직경보다 작은 직경의 레이저빔을 사용하여 구멍을 가공하는 방법인 트레패닝 가공법에 적용할 수 있다.
그런데, 미러(11)에서 반사되어 집광 렌즈(12)에 입사되는 레이저빔(4a)의 대부분은 집광 렌즈(12)를 투과하지만, 매우 일부는 집광 렌즈(12)의 표면에서 반사되고, 입사 경로를 역행하여 포토센서(30a)에 입사된다. 즉, 포토센서(30a)에는 가공부에서 반사된 레이저빔(4a)과 집광 렌즈(12)의 표면에서 반사된 레이저빔(4a)이 동시에 입사된다. 이 실시예에서는, 가공부에서 반사된 레이저빔(4a)만을 식별할 필요가 있으므로, 집광 렌즈(12)의 표면에서 반사된 레이저빔(4a)은 노이즈가 된다. 그래서 미리 집광 렌즈(12)의 표면에서 반사된 레이저빔(4a)의 강도 범위를 구하고, 포토센서(30b)의 검출치로부터 집광 렌즈(12)의 표면에서 반사된 레이저빔(4a)의 강도를 제외한 것을 반사광(22)의 강도로 하면, 가공 중인 도체층의 구멍 가공이 종료되었을 경우 및 절연층의 구멍 가공이 종료된 경우의 검출 정밀도를 향상시킬 수가 있다.
[실시예 2]
그런데, 포토센서(30b)에 입사되는 반사광(22)의 강도가 작은 경우, 검출 정밀도가 저하되는 경우가 있다.
다음에, 본 발명의 변형예에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 변형예(제2 실시예)에 관한 가공 헤드부 근방의 정면도이다.
집광 렌즈(12)의 프린트 기판(13) 측에는, 1/4λ판(60)이 배치되어 있다.
1/4λ판(60)은, 입사되는 직선 편광의 광을 원편광의 광으로서 출력하고, 입사되는 원편광의 광을 직선 편광의 광으로서 출력한다는 특성을 가지고 있다. 그리고, 원편광의 광은 예를 들면 거울에 의해 반사되면, 반사된 원편광의 편광 방향은 반전, 즉, 회전 방향이 180도 바뀐다. 따라서, 회전 방향이 반전된 원편광의 광이 다시 1/4λ판(60)에 입사되면, 편광 방향은 입사되었을 때의 편광 방향에 대하여 90도 회전한다. 즉, 예를 들면, 1/4λ판(60)에 입사되는 입사광이 P파인 경우, 가공부에서 반사되어 1/4λ판(60)으로부터 출력되는 광(즉 반사광(22))은 S파가 된다.
또한, 미러(1lY)는 파장 500~550㎚의 광을 투과시키는 빔스플리터로 형성되고, 미러(11Y)의 투과 측에는 포토센서(50)가 배치되어 있다. 포토센서(50)는 구리층으로부터 반사되는 파장 500~550㎚의 광을 검출한다.
다음에, 이 제2 실시예의 동작을 설명한다.
1/4λ판(60)에 입사되는 직선 편광(P파)의 레이저빔(4a)은 원편광의 레이저빔(4a)(도면 중의 4ac)으로서 1/4λ판(60)으로부터 출사되고, 원편광의 레이저빔(4a)로서 가공부에 입사된다. 편광 방향이 직선 편광으로부터 원편광으로 바뀌어도, 에너지는 변화하지 않기 때문에, 가공은 직선 편광의 경우와 같은 가공 결과를 얻을 수 있다.
가공부에서 반사된 반사광(22)(원편광의 레이저빔(4ac))은 입사 경로를 역행하고, S파의 반사광(22)로서 1/4λ판(60)으로부터 출사되고, 편광판(10)에 의해 반사되어 포토센서(30d)에 입사된다. 한편, 집광 렌즈(12)의 표면에서 반사된 레이저빔(4a)은 편광판(10)을 투과하여 포토센서(30b)에 입사된다.
즉, 이 실시예에서는, 포토센서(30d)의 출력을 감시함으로써, 반사광(22)의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
마찬가지로, 레이저빔(5a)에 의한 반사광(22)을 포토센서(30b)의 출력을 감시함으로써, 반사광(22)의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
여기서, 가공하는 구멍의 깊이가 깊어지면, 발광(23a)의 강도가 작아지므로, 포토센서(21)에서는 검출 정밀도가 저하되는 경우가 있다. 포토센서(50)의 축선과 가공중인 구멍의 축선의 교차 각도는, 포토센서(21)의 축선과 가공중인 구멍의 축선의 교차 각도보다 작으므로, 포토센서(50)에 입사되는 발광(23a)의 강도는 포토센서(21)인 입사되는 발광의 강도보다 크다. 따라서, 포드센사(50)의 출력을 감시함으로써 발광(23a)의 식별 정밀도를 향상시킬 수가 있다.
그리고, 포토센서(30a, 30c)에 대신하여, 레이저 발진기(1)과 빔 분배기(3) 사이에 파장 300~800㎚의 광을 99% 반사하고 1%를 투과시키는 제3 빔스플리터를 배치하고, 투과 측에 포토센서를 배치하도록 하면, 포토센서(30a, 30c)를 설치할 필요가 없다.
또한, 도시를 생략했지만, 빔스플리터(9a)를 대신하여 한 쌍의 빔스플리터를 회전축이 비틀린 위치가 되도록 배치하고, 각각을 회전축의 주위에서 회전 가능하도록 구성(즉, 빔스플리터(9a)에 대신하여 한 쌍의 갈바노 미러를 배치하는 것)하도록 하여, 2개의 빔의 조사 위치를 개별적으로 제어하여 프린트 기판상의 상이한 2개소를 가공하도록 해도 된다.
또한, 레이저빔(4a, 5a)을 빔스플리터에 의해 예를 들면 2개로 분할하고, 각각을 2개의 가공 헤드에 공급하도록 구성해도 된다.
또한, 예를 들면 1개의 프린트 기판의 면적이 넓은 경우, 가공하는 도중의 단계에서 재차 테스트 가공을 행하도록 해도 된다. 또한, 만약을 위해, 가공중에 반사광 또는 발광을 체크하도록 해도 된다. 이와 같이 하면, 가공의 신뢰성을 보다 향상시키는 것이 가능하다.
그런데 일반적으로, 레이저 발진기(1)의 경우, 어느 주파수까지는 출력이 증가하지만, 그 후는 출력이 저하된다는 주파수-출력 특성을 가지고 있다. 즉, 가로축에 주파수, 세로축에 출력을 취하는 경우, 레이저 발진기(1)의 출력 특성은 위로 볼록한 곡선이 된다.
에너지 밀도는, 출력을 주파수로 나눈 값이 되므로, 에너지 밀도를 고정의 값으로 해도, 가공 조건은 일의적으로는 정해지지 않는다. 그러나, 실험 결과에 의하면, 가공 속도를 빠르게 하고 싶은 경우에는 출력 및 주파수의 양자를 크게 하는 것이 유효하여, 가공 품질을 향상시키고 싶은 경우에는 출력 및 주파수의 양자를 작게하는 것이 유효하다.
[실시예 3]
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 관한 레이저 가공 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다. 이 도면에서, 본 실시예에 관한 레이저 가공 장치에서, 가공기 제어부(101)는, X-Y 테이블(112) 상에 탑재된 기판(111)을 위치 결정 제어하는 위치 결정 제어부(103)와, 기판(111)에 조사하는 레이저광(105)를 제어하는 레이저 제어부(102)를 가지고 있다. 레이저 제어부(102)에는 레이저 발진기(104)가 접속되어 있고, 레이저 제어부(102)의 지령에 따라서 레이저 발진기(104)가 레이저광(105)를 출사한다.
레이저 발진기(104)의 하방에는 마스크(106)가 배치되어 있고, 마스크의 하방에는 편광 빔스플리터(107)가 배치되어 있다. 레이저 발진기(104)로부터 출사된 레이저광(105)은 마스크(106)를 거쳐 편광 빔스플리터(107)에 입사된다. 편광 빔스플리터(107)는 레이저광(105)의 광로에 대해서 45도로 배치되어 있고, 레이저광(105)의 방향을 90도 변환시킨다. 진행 방향이 변환된 레이저광(105)은 후술하는 2축 스캐너(108)에 유도된다. 2축 스캐너(108)의 하방에는 fθ렌즈(109)가 배치되어 있고, fθ렌즈(109)과 기판(111) 사이에는 1/4 파장판(110)이 배치되어 있다. 2축 스캐너(108)는 fθ렌즈(109)에 입사되는 레이저광(105)의 각도를 제어한다. 그리고, 1/4 파장판(110)을 거쳐 기판(111)의 소정의 위치에 레이저광(105)을 조사 한다.
기판(111)에 조사된 레이저광(105)은 기판(111)이 가지는 동박부(銅箔部)에서 반사되어 기판 반사광(113)을 생성한다. 기판 반사광(113)은 레이저 발진기로부터 출사된 레이저광(115)과 역방향인 광로를 진행한다. 즉 1/4 파장판(110), fθ렌즈(109), 2축 스캐너(108)로부터 편광 빔스플리터(107)에 도달한다. 이 편광 빔스플리터(107)에서, 레이저광(105)과는 달리 반사되지 않고 편광 빔스플리터(107)를 투과한다. 편광 빔스플리터(107)의 내측에는 투과한 기판 반사광(113)이 유도되는 집광 렌즈(115)가 배치되어 있고, 이 집광 렌즈(115)에서 집광된 기판 반사광(113)은 광검출기(116)에 유도된다. 광검출기(116)는 기판 반사광(113)을 전기 신호로 변환한다. 변환된 신호는 가공 에러 진단부(117)에 보내져서 가공 에러가 판단된다.
도 12에 2축 스캐너(108)를 사시도로 나타낸다. 2축 스캐너(108)는 2개의 갈바노 미러(120, 121)를 가지고 있다. 한쪽의 갈바노 미러(120)는 수평축 주위로 요동 가능하며, XY 스테이지(112) 상에 탑재된 기판(111)의 피가공 영역 상의 X축 방향으로 레이저광(105)을 주사한다. 다른 쪽의 갈바노 미러(121)는 수직축 주위로 요동 가능하며, 기판(111)의 피가공 영역 상의 Y축 방향으로 레이저광(105)을 주사한다. 2개의 갈바노 미러(120, 121)는 직교 배치되어 있다. 갈바노 미러(120, 121)의 회전 각도는 위치 결정 제어부(103)에 의해 제어된다. 2축 스캐너(108)를 사용한 피가공 영역에서의 가공이 종료되면, XY 스테이지(112)는 2축 스캐너(108)의 주사 영역에 기판(111)의 다음의 피가공 영역을 설정하고, 위치 결정 한다.
이하, 도 13을 참조하여, 편광 빔스플리터(107) 및 1/4 파장판(110)의 동작을 설명한다. 편광 빔스플리터(107)는 진동 방향이 지면에 대해서 평행한 광인 P 편광을 투과시키고, 진동 방향이 지면에 대해서 수직인 광인 S 편광을 반사시키는 특성을 가진다. 따라서, 레이저 발진기(104)로부터 출사되는 레이저광(105)을 S 편광으로 하면, 편광 빔스플리터(107)에서 100% 반사되고 2축 스캐너(108)에서 각도가 제어되어 fθ렌즈(109)에 입사된다. fθ렌즈(109)는, 수광 편차 등을 보정하는 복수 매의 렌즈(109a, 109b, …)로 구성되어 있고, 각 렌즈(109a, 109b, …)의 양면에는 반사 방지막이 제공되어 있다.
현재 사용되고 있는 반사 방지막은 상당한 정도로 반사를 방지할 수 있지만 완전하게 반사를 방지하는 것이 곤란하다. 통상, 0.1% 정도의 반사가 각 면에서 생기는 것을 허용하지 않을 수 없다. 이와 같이, 0.1% 정도의 반사가 렌즈(109a, …)의 각 면에서 생기면, 렌즈(109a, …)의 매수만큼의 렌즈 반사광(114)으로서 편광 빔스플리터(107)에 입사된다. 편광 빔스플리터(107)에서는 투과되지 않고 반사광으로 되어 레이저 발진기(104) 측으로 향한다.
그런데, fθ렌즈(109)를 투과한 레이저광(105)은 기판(111)의 가공에 이용된다. 이 때, 다층으로 형성된 기판(111)이 가지는 절연층과 도체층에서는 레이저광(105)의 흡수에 커다란 차이가 있으므로, 기판 반사광(113)도 흡수의 차이에 따라 변화한다. 일반적으로는, 도체층 쪽이 절연층에 비해 반사가 크다. 따라서, 반사광(113)을 검출하면, 절연층과 도체층의 어느 쪽을 가공하고 있는가의 모니터링이 가능해진다.
반사광(113)의 검출은 기판(111)의 표면 조도가 작은 평활한 면으로 간주될 수 있는 경우에는 용이하다. 그러나, 기판(111)의 도체층의 표면 조도와, 조사하는 레이저광(105)의 파장 관계에서, 반사광(113)이 난반사 상태로 되는 경우도 있다. 이 경우, 기판(111)에서 반사되어 광검출기(116)로 돌아오는 반사광(113)의 광량은 적어지게 되고, fθ렌즈의 각 면에서 반사되는 렌즈 반사광(114)은 노이즈로서 무시할 수 없게 된다. 이 기판(111)의 표면 조도는 파장이 짧은 레이저를 사용했을 때에 그 영향이 현저하게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 이 문제를 해소하기 위해, 기판(111)과 fθ렌즈(109) 사이에 1/4 파장판(110)을 배치했다. 레이저광(105)이 1/4 파장판(110)을 투과하면(왕로), 1/4 파장판(110)을 투과한 레이저광(105)은 원편광이 된다. 한편, 기판(111)에서 반사되어 기판 반사광(113)으로서 다시 1/4 파장판(110)을 투과하면(복로), 편광 방향이 90도 회전한다.
렌즈 반사광(114)과 기판 반사광(113)은 모두 같은 광로로 복귀하고, 편광 빔스플리터(107)에 도달한다. 편광 빔스플리터(107)에서는, 렌즈 반사광(114)은 그 편광 상태가 S 편광인 채로 반사된다. 그러나 기판 반사광(113)은 편광 상태가90도 회전하여 P 편광이 되어 있기 때문에 편광 빔스플리터(107)를 투과한다. 전술한 바와 같이 투과한 기판 반사광(113)은 집광 렌즈(115)를 거쳐 광검출기(116)에 유도된다.
본 실시예에 따르면, 레이저 가공 장치가, 1/4 파장판(110)을 fθ렌즈(109)와 기판(111) 사이에 가지고 있기 때문에, 1/4 파장판(110)의 편광 특성에 의해, 기판(111)에서 반사되는 광만을 검출하는 것이 가능해진다. 이로써, 기판(111)으로부터의 반사광이 적어져, 검출 신호가 미약해도 확실하게 기판(111)의 가공 상태를 판정할 수 있다.
[실시예 4]
도 8은 제4 실시예에 관한 레이저 가공 장치(100)의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다. 도 8에서는, 반사광의 경로부만을 나타내고 있다. 본 실시예가 제3 실시예와 상이한 점은 편광판(123)을 추가했다는 것이다. 편광판(123)을 추가했기 때문에, 반사광(113)을 검출하는 광학 시스템의 배치도 제3 실시예와 상이하다. 레이저광(105)은 2축 스캐너(108)에 의해 fθ렌즈(109)에 입사되는 각도가 제어된다. 이것에 의해, 기판(111)의 소정의 위치에 레이저광(105)이 조사되어 기판(111)에 구멍이 가공된다. 이 때, 기판(111)으로부터 기판 반사광(113)이 방출 된다.
여기서, 기판(111)의 도체층의 표면 조도가 현저히 조대한 경우, 기판 반사광(113)은 매우 확산된 난반사 상태로 된다. 그리고, 확산이 넓은 경우에는, 2축 스캐너(108)의 갈바노 미러(120)의 주변으로부터도 난반사 광이 누출된다. fθ렌즈(109)에서 반사되는 렌즈 반사광(114)도, 렌즈(9a, …)의 형상이나 구성에 의해 확산되는 경우가 있어, 갈바노 미러(120)의 주변으로부터 누출는 일도 있다. 갈바노 미러(120)의 주변으로부터 누설되는 기판 반사광(113)은, 1/4 파장판(110)을 왕복하면 렌즈 반사광(114)과는 편광 방향이 90˚ 회전한 광이 된다. 따라서, 편광판(123)을 기판 반사광(113)이 투과하는 방향으로 일치시키면, 렌즈 반사광(114)은 편광판(123)에서 차광 된다. 그 결과, 집광 렌즈(115)를 거쳐 광검출기(116)가 수광하는 광은 기판 반사광(113)만이 된다.
본 실시예에 따르면, 편광판(123)이 렌즈 반사광(113)을 차광하므로, 기판(111)에서 반사되는 광만을 검출할 수 있다. 따라서, 기판(111)의 도체층의 표면 조도가 현저하게 조대해서, 2축 스캐너부까지 난반사 광이 도달하는 경우에도, 미약한 기판 반사광(113)을 검출할 수 있어 확실하게 가공 상태를 판정할 수 있다.
[실시예 5]
도 9는 제5 실시예에 관한 레이저 가공 장치(100)의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다. 도 9에서는, 도 8과 마찬가지로 반사광의 검출부만을 나타내고 있다. 본 실시예에서는, 도 7에 나타낸 제3 실시예의 구성에 대해서, 편광판(124)과 광파이버 어레이(125)를 추가하고, 집광 렌즈를 생략하고 있다. 광파이버 어레이(125)에는 검출기(116)가 접속되어 있다. 이에 따라, 반사광(113)을 검출하는 광학 시스템의 배치도 상이하다.
레이저광(105)은 광파이버 어레이(125)와 레이저광(105)의 빔 직경보다 약간 큰 구멍을 가지는 편광판(124)을 통과하여 2축 스캐너(108)에 도달한다. 2축 스캐너(108)에서 fθ렌즈(109)에 입사되는 레이저광(105)의 각도가 제어되고, 기판(111)의 소정의 위치에 조사 위치가 위치 결정된다. 기판(111)을 레이저광(105)으로 가공할 때는, 기판(111)으로부터 기판 반사광(113)이 방사된다. 이 기판 반사광(113)은 렌즈 반사광(114)과 함께 왕로로 돌아온다. 기판 반사광(113)과 렌즈 반사광(114)은 난반사나 렌즈의 곡율의 영향으로, 레이저광(105)보다도 굵은 빔이 된다. 이로 인해, 기판 반사광(113)과 렌즈 반사광의 일부는 편광판(124)의 구멍을 통과할 수 없고, 구멍의 주위에 있는 편광판(124)에 입사된다.
기판 반사광(113)은 1/4 파장판을 왕복했기 때문에, 렌즈 반사광(114)과는 편광 방향이 90˚ 회전되어 있다. 따라서, 편광판(124)을 기판 반사광(113)이 투과하는 방향으로 일치시키면, 렌즈 반사광(114)이 편광판(124)에서 차광 된다. 그 결과, 광파이버 어레이(125)를 통과하여 광검출기(116)에서 수광되는 광은, 기판 반사광(113)만이 된다. 본 실시예에 따르면, 편광판(124)에서 렌즈 반사광(114)를 차광하고, 기판 반사광(113)을 광파이버 어레이(125)로 광검출기(116)에 유도하기 때문에, 기판 반사되는 광만을 검출할 수 있다. 그 결과, 검출 신호가 미약해도 확실하게 가공 상태를 판정할 수 있다.
[실시예 6]
도 10은 제6 실시예에 관한 레이저 가공 장치(100)의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다. 도 7에 나타낸 제3 실시예에서는, 빔스플리터를 레이저 발진기와 2축 스캐너(108) 사이에 배치하고 있었지만, 본 실시예에서는 fθ렌즈(109)와 기판(111) 사이에 빔스플리터(118)을 배치했다. 그리고, fθ렌즈(109)와 기판(111) 사이에 배치되어 있었던 1/4 파장판을 생략했다.
레이저 발진기(104)로부터 출사된 레이저광(105)은 마스크(106)을 거쳐 직접2축 스캐너(108)에 입사된다. 2축 스캐너(108)에서 이 2축 스캐너(108)의 측방에 배치된 fθ렌즈(109)에 입사되는 각도가 제어된 후, 레이저광(105)의 대부분은 광로에 대해서 45도로 배치된 빔스플리터(118)에서 90도 방향이 변환될 수 있다. 그리고, 기판(111)의 소정의 위치에 조사되어 기판(111)에 구멍을 가공한다. 여기서, 빔스플리터(118)에 있어서의 레이저광(105)의 반사와 투과의 비율은 99:1 정도이다.
기판(111)에서 반사되어 발생한 기판 반사광(113)의 일부는 빔스플리터(118)를 투과하고, 집광 렌즈(115)에서 집광된 후 광검출기(116)에 입사된다. 광검출기(116)는 기판 반사광(113)을 전기 신호로 변환한다. 그 후는, 도 7에 나타낸 실시예와 마찬가지로 처리된다. 본 실시예에서는, 광검출기(116)에 유도되는 레이저광이 기판 반사광(113)뿐이므로, fθ렌즈(109)에서 렌즈 반사광의 영향을 받지 않아, 미약한 기판 반사광(113)의 신호에서도 확실하게 가공 상태를 파악할 수 있다.
그리고 본 실시예에서는, fθ렌즈(109)와 기판(111)의 사이에 빔스플리터(118)를 배치하고, 빔스플리터(118)에서 반사된 광을 사용하여 기판(111)을 가공하고 있다. 여기서, 투과광이 아니라 반사광으로 가공한 것은, 이하의 이유에 의한다. 즉, 45도의 경사로 배치한 병행 평판형의 빔스플리터(118)에 대하여 렌즈 등으로 집광한 광을 투과시키면, 비점수차(非点收差)가 발생하고, 집광점 부근에서 빔 스폿의 형상이 직사각형이 되는 문제가 발생하기 때문이다.
[실시예 7]
도 11은 제7 실시예에 관한 레이저 가공 장치(100)의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다. 본 실시예는 도 10에 나타낸 제6 실시예와 비교하여 fθ렌즈(109)와 기판(111) 사이에 배치되는 광학 부품이 상이할 뿐이다. 즉, 도 10의 제6 실시예에서는 빔스플리터(118)를 배치하고 있었지만, 본 실시예에서는 다이크로익 미러(119)를 배치하고 있다. 다이크로익 미러(119)를 사용하였기 때문에, 기판(111)의 가공 상태는 발광 플룸(plume)(122)에 의해 판단한다.
구체적으로는, 광로에 대해서 45도로 다이크로익 미러(119)를 배치한다. 레이저광(105)은 다이크로익 미러(119)에서 반사되어, 기판(111)의 소정의 위치에 조사되어 기판(111)에 구멍을 가공한다. 그런데, 기판(111)을 레이저광(105)으로 가공하면, 기판 반사광(113)과 함께 재료 특유의 발광 플룸(122)이 방출된다. 다이크로익 미러(119)는 특정한 파장의 광만을 반사 가능해서, 레이저광(105)의 파장 만을 반사하는 다이크로익 미러(119)를 사용한다. 기판 반사광(113)을 다이크로익 미러(119)에서 반사시키면, 발광 플룸(122)만이 다이크로익 미러(119)를 투과하여, 집광 렌즈(115)에 집광된다. 그 후의 처리는 상기 각 실시예와 동일하다. 본 실시예에 따르면, 광검출기(116)에는 기판 반사광(113)만이 안내되고, 렌즈 반사광의 영향을 받지 않기 때문에, 확실하게 기판의 가공 상태를 파악할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는, fθ렌즈(109)와 기판(111) 사이에 배치된 다이크로이트크미라(119)를, 사용하는 레이저광(105)의 파장으로 반사하도록하고 있다. 여기서, 투과광이 아니라 반사광을 사용하는 이유는 이하에 의한다. 즉, 45도의 경사로 배치한 평행 평판형의 빔스플리터(118)인 대하여 렌즈 등으로 집광한 광을 투과시키면 비점수차가 발생하고, 그 결과, 집광점 부근에서 빔 스폿의 형상이 직사각형이 되며, 기판(111)의 재료를 바꾸었을 때 발광 플룸(122)의 파장이 변화 해도 발광 플룸(122)을 검출 가능하기 때문이다.
4a 레이저빔 5a 레이저빔
23a 발광 50i 도체층
51i 절연층 104 레이저 근원
106 마스크 107 편광 빔스플리터
108 2축 스캐너 109f θ렌즈
110 1/4파장판 111 기판(피가공품)
118 빔스플리터 119 다이크로익 미러

Claims (6)

  1. 피가공품 상에 레이저광을 조사하여 피가공품을 레이저가공하는 레이저 가공 장치에 있어서,
    레이저광을 발진하는 레이저 발진기, 및 상기 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광을 가공품 상에 위치 결정하는 스캐너 및 가공 렌즈를 포함하는 빔 스캔 광학 시스템, 및
    상기 가공 렌즈와 상기 피가공품 사이에 배치되고 상기 피가공품으로부터의 반사광을 편광하는 1/4 파장판
    을 포함하는 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스캔 광학 시스템은 갈바노 미러(galvano mirror)를 가지고, 상기 미러로부터 벗어난 피가공품으로부터의 반사광을 수광하는 검출 수단을, 상기 미러를 중심으로 피가공품의 반대쪽에 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스캔 광학 시스템과 레이저 발진기 사이에, 상기 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광보다 큰 개구를 가지는 광검출 수단을, 상기 레이저광의 광축과 실질적으로 동일한 축에 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 피가공품 상에 레이저광을 조사하여 피가공품을 레이저가공하는 레이저 가공 장치에 있어서,
    레이저광을 발진하는 레이저 발진기,
    상기 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광을 가공품 상에 위치 결정하는 스캐너 및 가공 렌즈를 포함하는 빔 스캔 광학 시스템, 및
    상기 가공 렌즈와 피가공품 사이에 배치된 빔스플리터
    를 포함하고,
    상기 빔스플리터에서 반사된 레이저광으로 피가공품을 가공하는
    레이저 가공 장치.
  5. 피가공품 상에 레이저광을 조사하여 피가공품을 레이저가공하는 레이저 가공 장치에 있어서,
    레이저광을 발진하는 레이저 발진기,
    상기 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광을 가공품 상에 위치 결정하는 스캐너 및 가공 렌즈를 포함하는 빔 스캔 광학 시스템, 및
    상기 가공 렌즈와 피가공품 사이에 배치된 다이크로익 미러(dichroic mirror)
    를 포함하고,
    상기 다이크로익 미러에서 반사된 레이저광으로 피가공품을 가공하는
    레이저 가공 장치.
  6. 피가공품 상에 레이저광을 조사하여 피가공품을 레이저가공하는 레이저 가공 장치에 있어서,
    레이저광을 발진하는 레이저 발진기,
    상기 레이저 발진기로부터 발사된 레이저광을 가공품 상에 위치 결정하는 스캐너 및 가공 렌즈를 가지는 빔 스캔 광학 시스템,
    상기 가공 렌즈와 피가공품 사이에 배치되어 피가공품에서 발생한 광을 투과시키는 광학 부품, 및
    상기 광학 부품을 투과한 광을 검출하는 검출 수단
    을 포함하는 레이저 가공 장치.
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