KR20130052062A - 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치 - Google Patents

극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치 Download PDF

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박금성
김택중
홍수현
이성구
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한정철
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Abstract

본 발명은 본 발명은 가공물(A) 내부의 국소 부분에 극초단 펄스 레이저(ultra short pulse laser: 1x10-18 ~ 1x10-12s)광을 조사하여 단일 광자흡수(single photon absorption)에 의한 개질영역(modified area)을 형성시킴으로써 정밀 가공이 용이하면서 균일한 가공 단면을 얻을 수 있도록 하고, 원호보간 가공(circular interpolation processing)을 통한 다양한 패턴 가공이 가능한 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치에 관한 것이다.
본 발명은 가공물(A)이 놓여지며 x축, y축 방향 이동이 동시 제어되는 척 테이블(111)을 구비한 작업스테이지(110); 상기 작업스테이지(110)에 설치되어 가공물(A)의 표면에 극초단 레이저 광을 조사하는 레이저 광원(120); 가공물의 표면으로 조사되는 레이저 광을 기준으로 가공방향의 전방과 후방에 각각 구비되어 척 테이블(111)에 놓여진 가공물(A)의 표면 높이 편차를 측정하는 스캐너(130); 및 상기 스캐너(130)로부터 가공물(A)의 표면 높이 편차 데이터를 전송받아 상기 가공물(A) 표면으로부터 일정 거리 떨어진 위치에서 개질 영역이 형성될 수 있도록 상기 레이저 광원(120)의 초점위치를 실시간으로 제어하는 제어부(140)를 포함하여 구성된다.

Description

극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치{Laser machine using ultra - short pulse laser by single photon absorption}
본 발명은 가공물(A) 내부의 국소 부분에 극초단 펄스 레이저(ultra short pulse laser: 1x10-18 ~ 1x10-12s)광을 조사하여 단일 광자흡수(single photon absorption)에 의한 개질영역(modified area)을 형성시킴으로써 정밀 가공이 용이하면서 균일한 가공 단면을 얻을 수 있도록 하고, 원호보간 가공(circular interpolation processing)을 통한 다양한 패턴 가공이 가능한 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치에 관한 것이다.
레이저의 응용분야는 절단(cutting/dicing), 용접(welding), 천공(drilling) 등 다양하다.
이들 중에 절단을 예를 들면 웨이퍼(sapphire, quartz, silicon substrates, 등)나 LCD, (O)LED, ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 유리기판의 가공물을 각 칩 단위로 절단하거나 절단선의 생성이 요구되는 개소에 흡수가 최대인 파장의 레이저 광을 조사한 다음, 상기 레이저 광의 흡수에 의해 절단 또는 절단선이 생성된 개소에서 가공물의 이면에서 용융 가열(melting heat)을 진행시켜서 가공물을 절단 또는 절단선 생성시키는 방법이 대표적이다.
그러나, 이러한 절단방법에서는 가공물의 표면 중 절단하는 개소 주변 영역도 용융 가열되므로 반도체 웨이퍼나 유리기판 등의 경우 가공물이 손상되는 경우가 있다. 또한, 이러한 절단방법은 입력되는 평균 에너지(incident averaged energy)가 매우 크기 때문에 가공물 자체의 열 손상이 클 수밖에 없다.
이와 같이 가공물 표면의 용융을 방지하는 방법 중 하나로서 국내등록특허공보 제10-66746호, 유럽특허 EP1338371호 등에 개시된 다중 광자 흡수(multi-photon absorption)를 이용한 레이저 가공방법이 알려져 있다.
이 가공방법에 따르면 실리콘 기판의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 내부에 초점을 맞추어 피크 파워 밀도가 1×108 W/㎠ 이상이고 펄스폭이 1㎲ 이하인 극초단 펄스 레이저 광(B)을 조사하면 가공물(A)의 내부에서 다중 광자 흡수(multi-photon absorption)에 의한 광학적 손상이 발생하면서 이 광학적 손상에 의해 가공물(A)의 내부에 개질영역(1)이 형성됨에 따라 가공물(A)의 내부에 국소적인 크랙영역이 만들어진다. 이 크랙 영역을 절단 예정 라인을 따라 만듦으로써 가공되는 원리로 가공후 작은 힘으로 가공물(A)을 분할하거나 절단할 수 있도록 한 것이다.
여기서 "다중 광자 흡수"란 강한 레이저 광을 가공 대상물질에 조사할 때, 두 개 이상의 광자가 동시에 흡수되면서 여기상태(excites state)가 되는데, 여기상태에 있는 광자들끼리 충돌하거나 붕괴되면서 흡수할 때의 에너지보다 더 높은 에너지(광자)를 방출하고 바닥상태(ground state)로 돌아오는 현상을 말한다. 반면, "단일광자흡수(single photon absorption)"란 한 개의 광자만 흡수하여 여기상태(excites state)가 되고 고유의 레이저 파장의 광자를 방출하면서 바닥상태(ground state)로 돌아오는 현상을 말한다.
또한, 피크 파워 밀도(W/㎠)는 (초점에서 1펄스당의 에너지)÷(빔 스폿 단면적×펄스폭)로 구해지는데, 일반적으로 실리콘웨이퍼(silicon wafer)의 경우, 피크 파워 밀도가 1×108 W/㎠ 이상에서 다중 광자에 의한 흡수가 발생한다고 보고되고 있다.
그러나, 상기와 같은 다중 광자 흡수를 이용한 레이저 가공방법은, 레이저 광(B)이 가공물(A) 내부의 국소영역에 조사될 때 임의의 펄스간 충돌에 의한 중첩(pulse overlap)이나 편광상태(random polarization state)가 되면서 개질영역(1)의 온도가 급격히 상승하면서 비선형 흡수가 발생되고, 펄스 반복률(repetition rate)이 매우 크기 때문에 이전 펄스와 후속 펄스가 중첩(pulse overlap)되면서 개질영역(1)의 온도가 급격히 상승하면서 비선형 흡수가 발생되고, 그 결과로 가공지점에 스트레스(stress)로 인한 크랙이나 칩핑(chipping) 현상을 발생시키는 문제점을 갖는다.
즉, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 좁은 공간에 높은 에너지를 집중시킬 경우 선행 펄스와 후행 펄스의 광자들이 임의적으로 충돌하면서 온도상승 등에 의한 원하지 않는 비선형 현상이 발생하는 데 이러한 문제점이 매우 크게 발생하는 것이다. 그리고 이러한 임의의 펄스 중첩현상은 레이저의 이동속도가 느릴수록, 레이저 광(B)의 초점직경이 크고 펄스 반복률이 커질수록 심화된다.
뿐만 아니라, 임의의 펄스 중첩에 의해서 가공 중에 발생한 열은 가공물(A)에 축적되기 때문에 목표로 하는 절단선을 벗어난 주변까지 용융되면서 가공 정밀도 및 특성이 크게 나빠져 정밀가공에 매우 불리한 요인으로 작용한다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 가공방식은 불연속 직선가공방식을 따르고 있다.
즉, 가공물(A)의 표면은 미세하게나마 높이편차를 갖고 있기 때문에 항상 일정 거리의 내부에서 레이저 광(B)의 초점이 맞추어져야 하므로, 가공이 개시되면 가공물(A)이 절단예정선을 따라 한쪽방향으로 이동하면서 스캐너(130)가 가공물(A)의 표면 높이 편차를 측정하고, 스캔공정이 완료되면 레이저 광원이 동작하면서 절단예정선을 따라 이동하면서 가공이 이루어지는 것이다. 상기 스캐너는 가공이 완료된 후 원위치로 복귀한다.
이때, 제어부는 스캐너(130)로부터 가공물(A)의 표면 높이 편차 데이터를 전송받아 레이저 이동위치에 따라 레이저의 초점위치를 상하방향으로 변화시켜 가면서 레이저 광이 가공물(A)의 표면으로부터 일정한 거리에서 가공이 이루어지도록 제어한다.
이러한 종래의 레이저 가공방식은 가공구간이 직선으로 한정되어 있고 스캔과 레이저 가공공정이 각각 별개로 이루어져 있어서 가공물(A)이 이동과 정지를 반복하면서 가공구간을 왕복 이동하며, 그 결과 가공시작과 종료시 가공물(A)의 이송속도가 감속되는 램핑(ramping)구간이 발생되면서 가공속도가 느려짐은 물론 상기 감속구간에서 레이저 광의 간섭 현상이 집중하여 발생되면서 가공정밀도가 크게 나빠지는 문제가 발생된다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연속가공을 통해 가공지점에 스트레스로 인한 크랙이나 칩핑 현상을 발생시키지 않으면서 신속하고 정밀한 가공을 수행할 수 있는 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치는, 가공물이 놓여지며 x축, y축 방향 이동이 동시 제어되는 척 테이블을 구비한 작업스테이지; 상기 작업스테이지에 설치되어 가공물의 표면에 펄스 반복률을 Mhz단위로 높임으로써 단일광자 흡수를 유도하는 극초단 레이저 광원; 가공물의 표면으로 조사되는 레이저 광을 기준으로 가공방향의 전방과 후방에 각각 구비되어 척 테이블에 놓여진 가공물의 표면 높이 편차를 측정하는 스캐너; 및 상기 스캐너로부터 가공물(A)의 표면 높이 편차 데이터를 전송받아 상기 가공물의 표면으로부터 일정 거리 떨어진 내부에 개질 영역이 형성될 수 있도록 상기 레이저 광원의 초점위치를 실시간으로 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 스캐너는 가공물의 표면을 비추는 조명과, 상기 조명을 통해 가공물의 표면 상태를 감시하는 카메라로 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 제어부는 카메라가 촬영한 데이터와 레이저 광의 초기 초점위치를 비교하여 레이저 광의 초점이 정확한 가공위치에 놓여지도록 집광용 렌즈의 높이를 실시간으로 보정할 수 있다.
또한, 상기 작업스테이지의 한쪽방향에는 가공물들이 탑재된 제1이송부와, 가공이 완료된 대상물들이 탑재되는 제2이송부가 더 설치되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 제1, 2이송부와 척 테이블의 사이에는 상기 제1이송부에 탑재된 가공물을 척 테이블에 올려놓는 동작과 척 테이블에 놓인 가공이 완료된 대상물을 제2이송부에 탑재시키는 동작을 순차적으로 수행하는 이송로봇이 설치될 수 있다.
그리고 상기 이송로봇은, 회전 가능하도록 설치되는 회전 본체부; 상기 회전 본체부 상에 설치되어 회전 본체부와 동반 회전되고 신축에 의해 일직선상에서 전,후진 이동하는 스칼라 암 구조의 이송암; 및 상기 이송암의 선단에 형성되어 가공물을 파지하는 엔드 이펙터로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 빔 확장기와 집광용 렌즈 사이에 설치되어 빔 확장기에서 출력된 레이저 광의 방향을 집광용 렌즈 측으로 전환시켜 주는 반사거울이 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 척 테이블은 x축이송유닛과 y축이송유닛을 통해 x축과 y축의 이동이 자유롭게 이루어지도록 구성되고, 상기 x축이송유닛과 y축이송유닛은 정지 및 감속없는 원호보간 가공을 하도록 제어부를 통해 실시간으로 동시에 제어되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 단일 광자 흡수(single photon absorption)를 이용한 극초단 펄스 레이저 광원의 펄스반복률을 MHz 단위로 높임으로써 레이저 광이 비선형 현상없이 초점에 맺힐 때 분산을 최소화시키고 개수가 큰 집광용 렌즈를 사용하여 작은 스폿 크기에 강한 펄스세기를 모을 수 있다. 따라서, 초점이 맺히는 지점에서의 빔 품질 특성이 우수해지면서 웨이퍼나 유리기판의 가공에 있어서 가공속도 및 품질을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 작업스테이지의 x축과 y축이 동시에 제어되도록 하여 원호보간 가공이 가능하도록 하는 동시에 레이저 광원의 양측에 스캐너를 장착하여 전후로 이동하면서 가공물 표면의 높이 편차 측정과 레이저 가공이 동시에 이루어지도록 구성되므로, 종래와는 달리 다양한 패턴의 가공이 가능할 뿐만 아니라 무감속, 무정지 가공으로 가공속도가 크게 향상되고 선편광, 선형흡수 등에 의해 가공정밀도가 크게 높아지는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 다중 광자 흡수를 이용한 레이저 가공이 이루어지는 상태를 나타내는 도면.
도 2는 일반적인 다중 광자 흡수를 이용한 레이저 가공이 불연속적으로 직선가공되는 과정을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치의 사시도.
도 4는 도 3의 측면도.
도 5는 도 3의 정면도.
도 6은 본 발명의 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치를 통해 원호보간 및 연속가공이 이루어지는 과정을 나타내는 도면.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 본 발명의 일 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명함에 있어, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 명료성을 위하여 가능한 중복되지 않게 상이한 부분만을 주로 설명한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 가공물(A)이 놓여지며 x축, y축 방향 이동이 동시 제어되는 척 테이블(111)을 구비한 작업스테이지(110)와, 상기 작업스테이지(110)에 설치되어 가공물(A)의 표면에 극초단 레이저 광을 조사하는 레이저 광원(120)과, 가공물의 표면으로 조사되는 레이저 광을 기준으로 가공방향의 전방과 후방에 각각 구비되어 척 테이블(111)에 놓여진 가공물(A)의 표면 높이 편차를 측정하는 스캐너(130) 및 상기 스캐너(130)로부터 가공물(A)의 표면 높이 편차 데이터를 실시간으로 전송받아 상기 가공물(A) 표면으로부터 일정 거리 떨어진 위치에서 개질 영역이 형성될 수 있도록 상기 레이저 광원(120)의 초점위치를 실시간으로 제어하는 제어부(140)로 구성된다.
상기 작업스테이지(110)에는 가공물(A)이 놓여져 고정되는 척 테이블(111)이 구비되어 있으며, 상기 척 테이블(111)은 x축이송유닛(112)과 y축이송유닛(113)을 통해 x축과 y축의 이동이 자유롭게 이루어지도록 설치된다. 상기 x축이송유닛(112)과 y축이송유닛(113)은 척 테이블(111)의 하부에 설치된 엘엠가이드나 볼스크류와 같은 이송장치들로서, 제어부(140)를 통해 동시제어가 가능하도록 설치된다.
본 실시 예에서는 척 테이블(111)이 y축이송유닛(113)의 상부에 고정되고, 상기 y축이송유닛(113)은 x축이송유닛(112)상에 설치되어 x축으로 이동가능하게 설치되도록 하였다.
이와 같이, x축이송유닛(112)과 y축이송유닛(113)의 동시제어가 가능해지면 척 테이블(111)에 놓여진 가공물(A)의 직선이동은 물론 곡선이동도 가능해지므로 원호보간 가공을 통한 다양한 형상의 패턴가공이 가능해진다. 뿐만 아니라 척 테이블(111)은 멈추지 않고 패턴을 따라 이동하므로 가공시 감속구간 없이 연속가공이 가능해진다.
상기 레이저 광원(120)은 작업스테이지(110)에 설치된 수직지지대(114)의 상단에 설치되어 극초단 펄스의 레이저 광을 수평방향으로 조사한다.
상기 레이저 광원(120)을 피코초 레이저로 가정하고 유리를 가공할 경우, 적어도 펄스반복률은 1 내지 20MHz 를 가지면서 에너지는 20 내지 50μJ 정도이고 연속되는 펄스열 간 간격은 광원 초점 지름의 1/5 보다 작은 값(펄스열 간 중첩< 95%)을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 집광용 렌즈(150)는 대물렌즈가 적당하며, 가공물의 두께가 50~150μm일 경우 개구수(NA,numerical aperture)가 0.5 내지 1 이하이고, 배율이 50 내지 100배 이하가 되도록 하는 것이 좋다. 이 경우, 인접한 두 점을 구분할 수 있는 레이저광의 분해능(resolving power)이 0.25μm 이하로 최대가 되면서 가장 우수한 가공결과물을 얻을 수 있게 된다.
이 경우, 가공물(A)에서는 단일 광자흡수(single photon absorption)에 의한 개질영역(modified area)이 형성되는데, 단일 광자 흡수의 펄스당 에너지는 다중 광자 흡수의 에너지보다 크고 다른 광자들과 충돌이 없기 때문에, 초점에 맺힐 때, 분산 없이 10 ㎛ 이하의 스폿 크기에 1TW/㎠ 이상의 강한 빛을 모을 수 있게 된다.
따라서, 가공 주변 영역까지 용융 가열되는 것이 방지되면서 웨이퍼, 유리기판, 등의 경우 불필요한 분열에 의한 가공물(A)의 손상이 전혀 없는 정밀한 가공이 이루어지게 된다.
그리고, 도시되지는 않았으나, 상기 수직지지대(114)에는 극초단 레이저(120)로부터 발생된 레이저 광의 출력 세기를 제어하는 감쇠기(attenuator)와 광의 크기를 배율에 맞게 확대시키고, 확대된 레이저 광을 렌즈 시스템 등을 이용하여 가공 사이즈에 맞게 임의적으로 광의 크기를 제어하는 빔 확장기(beam expander)가 설치되어 있다.
또한, 척 테이블(111)로부터 일정거리 이격된 상부에는 상하이동이 가능하도록 집광용 렌즈(150)가 더 구비된다. 상기 집광용 렌즈(150)는 빔확장기를 통과한 레이저 광을 집광시킨다. 이 경우, 상기 제어부(140)는 상기 감쇠기, 빔확장기 및 집광용 렌즈(150)의 동작을 제어하게 된다.
상기 집광용 렌즈(150)는 상하방향으로 이동이 가능하도록 상기 수직지지대(114)의 중앙에 구비된 z축이송유닛(160)에 설치된다. 상기 집광용 렌즈(150)는 빔 확장기를 통과한 레이저 광이 척 테이블(111) 상부에 놓인 가공물(A)의 내부에서 집광됨으로써 내부 중심으로부터 가공(inner scribing)이 이루어지도록 한다.
한편, 상기 레이저 광원(120)과 집광용 렌즈(150) 사이에는 빔 확장기를 통과한 레이저 광의 방향을 집광용 렌즈(150) 측으로 전환시켜 주는 반사거울(170)이 45°각도로 설치된다. 상기 반사거울(170)은 수평방향으로 입사되는 레이저 광의 방향을 90°로 회전시켜 척 테이블(111)을 향해 수직으로 조사시킨다.
그리고, 본 발명은 가공물(A) 표면으로부터 일정 거리 내측으로 떨어진 위치에 상기 척 테이블(111)의 이동 방향을 따라 개질 영역(I)이 형성되도록 상기 집광용 렌즈(150)의 동작을 제어하는 제어부(140)를 구비한다. 상기 제어부(140)는 z축이송유닛(160)에 설치되어 스캐너(130)와 집광용 렌즈(150)와 함께 높이조절이 가능하게 설치된다.
상기 제어부(140)에는 가공물(A)의 정보와 가공형태가 입력되며, 이 정보에 근거하여 미리 입력된 제어프로그램에 의해 척 테이블(111)의 위치, 감쇠기와 빔 확장기의 수치설정, 집광용 렌즈(150)의 높이, 위치 등 관련 장비들의 모든 동작 및 수치가 실시간으로 제어된다.
또한, 본 발명은 척 테이블(111)의 상부로부터 일정거리 이격되게 설치된 조명(131)과 척 테이블(111)에 놓여진 가공물(A)의 표면을 촬영하는 CCD 카메라(132)로 구성된 스캐너(130)를 구비한다. 상기 조명(131)과 CCD 카메라(132)는 가공물(A)로 조사되는 레이저 광을 기준으로 가공방향 전방과 후방에 각각 설치된다. 상기 스캐너(130) 역시 z축이송유닛(160)에 설치되어 집광용 렌즈(150)와 함께 높이조절이 가능하게 설치된다.
상기 조명(131)은 척 테이블(111)에 놓인 가공물(A)을 조명(131)하고, 상기 CCD 카메라(132)는 조명(131)을 통해 가공물(A)의 가공상태를 감시하면서 가공물(A)의 표면 높이편차를 측정하고 이를 제어부(140)로 즉시 전송한다.
상기 제어부(140)는 CCD 카메라(132)가 촬영한 데이터와 레이저 광의 초기 초점위치를 비교하여 집광용 렌즈(150)의 높이를 적절히 변화시켜 가면서 레이저 광의 초점이 정확한 가공위치에 놓여지도록 실시간으로 보정한다.
한편, 상기 작업스테이지(110)의 한쪽방향에는 가공물(A)들이 탑재된 제1이송부(200)와, 가공이 완료된 대상물들이 탑재되는 제2이송부(300)가 더 설치될 수 있다.
상기 제1, 2이송부(200,300)와 척 테이블(111)의 사이에는 상기 제1이송부(200)에 탑재된 가공물(A)을 척 테이블(111)에 올려놓는 동작과 가공이 완료된 가공물(A)을 제2이송부(300)에 탑재시키는 동작을 순차적으로 수행하는 이송로봇(400)이 더 설치될 수도 있다.
이 경우, 상기 이송로봇(400)은 회전 가능하도록 설치되는 회전 본체부(410)와, 상기 회전 본체부(410) 위에 설치되어 회전 본체부(410)와 동반 회전되고 신축에 의해 일직선상에서 전,후진하는 스칼라 암 구조의 이송암(420)과, 상기 이송암(420)의 선단에 형성되어 가공물(A)을 파지하는 엔드 이펙터(430)로 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명은 다음과 같은 과정을 통해 가공이 이루어진다.
먼저, 이송로봇(400)이 제1이송부(200)를 통해 공급된 가공물(A)을 인출하고, 인출된 가공물(A)을 척 테이블(111)에 올려놓는다. 가공물(A)이 척 테이블(111)에 놓여지면 제어부(140)가 미리 입력된 가공물(A)의 두께와 가공깊이와 같은 조건에 맞추어 감쇠기, 빔 확장기, 집광용 렌즈(150), x축이송유닛(112), y축이송유닛(113) 등의 동작을 전체적으로 제어한다.
즉, 제어부(140)는 미리 입력된 프로그램에 따라 연산된 가공수치를 포함하는 가공신호를 감쇠기와 빔 확장기와 집광용 렌즈(150) 쪽으로 전송한다. 제어부(140)로부터 가공신호를 전송받은 감쇠기는 레이저 광의 출력 세기를 조절하고, 빔 확장기는 레이저 광 조사범위를 조절하며, 집광용 렌즈(150)는 적정 높이로 설정된다.
아울러, 척 테이블(111)의 하부에 설치된 조명(131)이 켜지면서 척 테이블(111)에 놓인 가공물(A)이 비추게 되면 CCD 카메라(132)가 작동된다. CCD 카메라(132)는 조명(131)을 통해 가공물(A)의 가공 상태를 감시한다.
이와 같이 가공준비가 완료되면, 레이저 광원(120)으로부터 레이저 광이 수평으로 조사된다. 레이저 광은 감쇠기와 빔 확장기를 거쳐 45°반사 거울에서 출사된 빛이 90°로 방향이 전환되면서 반사 거울의 하부에 위치된 집광용 렌즈(150)를 거쳐 척 테이블(111) 위의 가공물(A)에 수직으로 조사된다.
이때, 가공물(A)로 조사되는 레이저 광을 피코초 레이저로 가정할 때, 적어도 1㎒ 수준의 주파수를 가지면서 최대 피크밀도가 1TW/cm2이상, 펄스열 간격이 광원 초점 지름의 1/5 보다 작은 값(펄스 중첩 < 90%)을 갖도록 한다.
이렇게 하면, 상기 레이저 광이 집광용 렌즈(150)를 통해 가공물(A)로 조사되면서 레이저 광의 초점이 가공물(A) 표면으로부터 일정 거리의 내부에 맞추어지며, 이 지점에서 극초단 레이저 펄스가 유도되면서 단일 광자흡수가 발생되기 때문에 주변부의 온도상승 없이 개질 영역이 쉽게 형성되므로 신속하고 정밀한 가공 단면을 얻을 수 있다.
그리고 제어부(140)는 미리 입력된 가공형태에 따라 척 테이블(111)을 x축 방향과 y축 방향으로 자유로이 이동시켜 가면서 미리 입력된 가공패턴대로 개질영역을 확장시켜 나갈 수 있게 된다. 이러한 가공은 x축이송유닛(112)과 y축이송유닛(113)의 동시제어를 통해 이루어짐으로써 원호보간 가공이 가능하므로 다양한 가공패턴과 가공속도 향상을 구현할 수 있게 된다.
또한, 가공이 개시되면 레이저 광원(120)을 기준으로 가공방향의 전방에 설치된 CCD 카메라(132)가 가공물(A)의 표면의 높이편차를 측정하여 제어부(140)로 즉시 전송하며, 제어부(140)가 CCD 카메라(132)가 촬영한 데이터와 레이저 광의 초기 초점위치를 비교하여 집광용 렌즈(150)의 높이를 적절히 변화시켜 레이저 광의 초점이 정확한 가공위치에 놓여지도록 보정한다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명은 척 테이블(111)의 이동과 동시에 스캐너(130)에 의한 가공구간의 표면 스캔과 집광용 렌즈(150)를 통과한 레이저 광(B)에 의한 레이저가공이 함께 이루어지기 때문에 종래에 비해 척 테이블(111)의 이동경로가 획기적으로 짧아지면서 작업속도가 매우 신속하게 이루어지게 된다.
그리고, 도 6b에 도시된 바와 같이 가공방향이 역방향으로 바뀌게 되면, 반대측 CCD 카메라(132)가 레이저 광원(120)을 기준으로 가공방향의 전방에 설치된 CCD 카메라(132)가 되면서, 상기 반대측 CCD 카메라(132)가 제어부(140)측으로 가공물(A) 표면의 높이편차를 측정하여 전송하게 된다. 이와 같이, 본 발명은 CCD 카메라(132)가 집광용 렌즈(150)을 기준으로 가공진행방향의 전후로 설치되어 있어서 가공물(A)을 정지시키지 않고 연속으로 가공할 수 있다.
도 6a 및 6b에서의 점선은 가공예정라인으로서 레이저가공 경로를 나타낸 것이고 실선은 가공이 완료된 라인을 나타낸다.
한편, 상기 CCD 카메라(132)는 개질영역이 미리 입력된 가공형태로 형성되는지를 촬영하고 그 결과를 모니터를 실시간으로 출력한다. 그리고 형성되는 개질영역이 미리 입력된 가공형태에서 일정범위 이상으로 벗어날 경우 관리자에 경고 메시지를 출력하여 알린다.
상기와 같은 과정을 거치면, 가공물(A)이 개질영역을 따라 굴절시켜 크랙킹 이 가능해지는 상태로 가공되며 가공이 완료된 가공물(A)은 이송로봇(400)을 통해 척 테이블(111)로부터 제2이송부(300)에 차례로 탑재되어 후속공정으로 이송된다.
110...작업스테이지 111...척 테이블
112...x축이송유닛 113...y축이송유닛
114...수직지지대 120...레이저 광원
130...스캐너 131...조명
132...CCD 카메라 140...제어부
150...집광용 렌즈 170...반사거울
160...z축이송유닛 200...제1이송부
300...제2이송부 400...이송로봇
410...회전 본체부 420...이송암
430...엔드 이펙터 A...가공물
B...레이저 광

Claims (8)

  1. 가공물이 놓여지며 x축, y축 방향 이동이 동시 제어되는 척 테이블을 구비한 작업스테이지;
    상기 작업스테이지에 설치되어 가공물의 표면에 펄스 반복률을 MHz단위로 높임으로써 단일광자 흡수를 유도하는 극초단 레이저 광원;
    가공물의 표면으로 조사되는 레이저 광을 기준으로 가공방향의 전방과 후방에 각각 구비되어 척 테이블에 놓여진 가공물의 표면 높이 편차를 측정하는 스캐너; 및
    상기 스캐너로부터 가공물의 표면 높이 편차 데이터를 전송받아 상기 가공물의 표면으로부터 일정 거리 떨어진 내부에 개질 영역이 형성될 수 있도록 상기 레이저 광원의 초점위치를 실시간으로 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스캐너는 가공물의 표면을 비추는 조명과, 상기 조명을 통해 가공물의 표면 상태를 감시하는 카메라로 구성된 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는 카메라가 촬영한 데이터와 레이저 광의 초기 초점위치를 비교하여 레이저 광의 초점이 정확한 가공위치에 놓여지도록 집광용 렌즈의 높이를 실시간으로 보정하는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 작업스테이지의 한쪽방향에는 가공물들이 탑재된 제1이송부와, 가공이 완료된 대상물들이 탑재되는 제2이송부가 더 설치된 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1, 2이송부와 척 테이블의 사이에는 상기 제1이송부에 탑재된 가공물을 척 테이블에 올려놓는 동작과 척 테이블에 놓인 가공이 완료된 대상물을 제2이송부에 탑재시키는 동작을 순차적으로 수행하는 이송로봇이 설치된 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 이송로봇은,
    회전 가능하도록 설치되는 회전본체부;
    상기 회전 본체부 상에 설치되어 회전본체부와 동반 회전되고 신축에 의해 일직선상에서 전,후진 이동하는 스칼라 암 구조의 이송암; 및
    상기 이송암의 선단에 형성되어 가공물(A)을 파지하는 엔드 이펙터로 구성되는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저를 이용한 레이저 가공장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 빔 확장기와 집광용 렌즈 사이에 설치되어 빔 확장기에서 출력된 레이저 광의 방향을 집광용 렌즈 측으로 전환시켜 주는 반사거울이 더 구비된 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저의 단일광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 척 테이블은 x축이송유닛과 y축이송유닛을 통해 x축과 y축의 이동이 자유롭게 이루어지도록 구성되고,
    상기 x축이송유닛과 y축이송유닛은 정지 및 감속없는 원호보간 가공을 하도록 제어부를 통해 실시간으로 동시에 제어되는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저의 단일 광자 흡수를 이용한 레이저 가공장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105643094A (zh) * 2014-12-01 2016-06-08 株式会社迪思科 激光加工装置
JP2017135132A (ja) * 2016-01-25 2017-08-03 株式会社ディスコ レーザー加工装置

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