KR20170002637A - 레이저 가공용 마스크 - Google Patents

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Abstract

레이저광을 통과시키기 위해서 마스크 본체(41)에 핀홀(42)을 관통 형성한 레이저 가공용 마스크(40)로서, 마스크 본체(41)의 레이저광의 입사측에 핀홀의 축선에 대하여 경사진 반사면(43)이 절삭, 연삭 또는 연마 가공에 의해 형성되고, 반사면(43)에 있어서의 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)가 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작게 형성함으로써 레이저 조사 중의 마스크로부터의 리턴광을 거의 없애 레이저광의 모드 열화나 발진 출력의 저하를 방지한다.

Description

레이저 가공용 마스크{LASER PROCESSING MASK}
본 발명은 레이저 가공 장치에 사용되는 마스크에 관한 것이다.
종래, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 레이저광원으로부터 출사된 레이저광을 반사 미러로 반사시켜 마스크 안을 통과시킨 후, 다시 반사 미러로 반사시키고, 렌즈로 집광하여 피가공물 상에 조사하는 레이저 가공 장치가 알려져 있다. 마스크는 회전판에 둘레 방향으로 복수개 부착되어 있고, 회전판을 회전시킴으로써 가공 목적에 따른 마스크가 레이저광의 광축 상에 배치된다.
특허문헌 1에 기재된 마스크(60)는 도 7에 나타내는 바와 같이 회전판에 위치 조정 가능하게 부착된 슬라이더(70)의 구멍(71)에 나사 부착되어 있다. 마스크(60)의 레이저광 입사측에는 플랜지부(61)가 형성되고, 중심부에는 마스크 패턴이 되는 핀홀(63)이 형성되어 있다. 플랜지부(61)의 레이저광 입사측의 끝면에는 원뿔형상의 테이퍼면(62)이 형성되어 있고, 레이저광(L)의 일부(L2)는 핀홀(63)을 통과하며, 나머지 레이저광(L1)은 테이퍼면(62)에서 반사되어 반사광(L1)의 에너지가 도넛형상의 댐퍼(72)에서 흡수된다.
테이퍼면(62)에는 반사 효율을 향상시키기 위한 코팅 처리 또는 절삭 가공이 실시되어 있다. 테이퍼면(62)에 코팅 처리를 실시했을 경우에는 가공 비용이 듬과 아울러, 코팅이 박리될 가능성이 있다. 그 때문에 마스크(60)의 재료로서 레이저광의 반사율이 높은 재료를 사용하여 마스크(60)의 레이저광 입사측을 절삭 가공하여 테이퍼면(62)을 형성하는 편이 비용면 및 내구성의 면에서 바람직하다.
상술한 바와 같이 테이퍼면(62)을 원뿔형상으로 절삭 가공했을 경우, 미시적으로 보면, 테이퍼면(62)의 표면에 절삭 가공에 의한 원주 방향의 다수의 홈 또는 요철(62a)이 형성된다. 이러한 요철(62a)에 의해 반사광이 산란하여 일부의 레이저광이 입사 방향과 대향 방향의 리턴광(La)이 되는 경우가 있다.
일본 특허공개 평 10-235484호 공보
본 발명의 목적은 레이저 조사 중의 마스크로부터의 리턴광을 거의 없앨 수 있어 레이저광의 모드 열화나 발진 출력의 저하를 방지할 수 있는 레이저 가공용 마스크를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 마스크 본체와, 레이저광을 통과시키기 위해서 마스크 본체에 관통 형성된 핀홀을 구비한 레이저 가공용 마스크이다. 마스크 본체의 레이저광의 입사측에 핀홀의 축선에 대하여 경사진 반사면이 절삭 가공, 연삭 가공 또는 연마 가공에 의해 형성되어 반사면에 있어서의 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)가 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작은 것을 특징으로 한다.
반사면이 원뿔면 형상으로 절삭 가공 또는 연삭 가공된 마스크인 경우, 원주 방향의 홈 또는 요철이 발생한다. 즉, 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)가 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 크다. 그 때문에 반사광이 산란하여 일부가 레이저 발진기로의 리턴광이 될 가능성이 있다. 본 발명의 마스크는 반사면에 있어서의 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)가 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작다. 그 때문에 마스크에 입사된 레이저광은 입사 방향과 다른 방향으로 산란하기 쉬워 입사 방향과 대향 방향의 반사를 억제할 수 있기 때문에 반사광이 입사 방향과 대향 방향의 리턴광이 되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 레이저 발진이 불안정해지거나, 레이저광의 모드 열화나 발진 출력의 저하가 발생한다는 문제를 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이, 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)가 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작은 반사면을 형성하기 위해서는, 예를 들면 경사 방향을 따라 마스크 본체를 절삭 가공, 연삭 가공 또는 연마 가공함으로써 용이하게 형성할 수 있다. 반사면에는 경사 방향을 따른 스트라이프형상의 요철 또는 홈이 형성되므로 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)가 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작아진다. 마스크의 재료로서 레이저광의 반사율이 높은 재료를 사용하여 반사면을 절삭 가공, 연삭 가공 또는 연마 가공에 의해 형성했을 경우에는 가공 비용을 저감할 수 있으며, 또한 반사면을 코팅했을 경우의 코팅 박리라는 문제도 없어 내구성의 면에서 우수하다.
반사면은 상기 핀홀의 축선에 대하여 일정각도로 경사진 1개의 평면부이어도 좋고, 각뿔면 또는 원뿔면이어도 좋다. 평면부의 경우에는 마스크 본체의 단부를 일방향으로 절삭 가공함으로써 용이하게 제작할 수 있다.
본 발명에서 적용되는 레이저 파장은 특별히 한정되지 않지만, 레이저 파장이 길어지면 마스크의 표면의 요철의 영향을 받기 어려워진다는 성질이 있다. 그 때문에 레이저광의 파장이 짧은 레이저(예를 들면, UV 레이저 등)에 대하여 본 발명은 효과적이다. 마스크 본체의 재질은 레이저광의 성질에 따라 적절하게 선택 가능하다. 예를 들면, 레이저광으로서 UV 레이저를 사용했을 경우에는 마스크 본체로서 UV 레이저의 반사율이 높은 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다.
일반적으로 파장이 짧은 레이저를 사용할 때일수록 마스크 표면의 면 조도를 작게 하지 않으면 산란의 영향이 생긴다. 본 발명은 면 조도가 거칠어 산란이 일어났다고 해도 그 산란의 방향을 기계 가공의 방향에 의해 제어할 수 있는 점에 착안하고 있다. 이에 따라 경면으로서 기능하는 정도(예를 들면, 면 조도(Ra)=1㎚ 이하 등)까지 면 조도를 마무리하지 않아도 마스크로서 기능할 수 있다.
(발명의 효과)
이상과 같이, 본 발명에 의하면 마스크 본체의 레이저광의 입사측에 핀홀의 축선에 대하여 경사진 반사면을 절삭, 연삭 또는 연마 가공에 의해 형성하고, 반사면에 있어서의 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)를 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작게 했으므로 마스크에 입사된 레이저광은 입사 방향과 다른 방향으로 산란하기 쉬워 입사 방향과 대향 방향의 반사를 억제할 수 있다. 그 때문에 반사광이 입사 방향과 대향 방향의 리턴광이 되는 것을 억제할 수 있고, 레이저광의 모드 열화나 발진 출력의 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 레이저 가공 장치의 일례의 개략도이다.
도 2는 마스크의 제 1 실시예의 정면도(a), 좌측면도(b), 평면도(c)이다.
도 3은 마스크의 제 1 실시예의 면 조도를 나타내는 도면이다.
도 4는 마스크의 가공 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 마스크의 제 2 실시예의 정면도 및 우측면도이다.
도 6은 마스크의 제 3 실시예의 정면도 및 우측면도이다.
도 7은 특허문헌 1에 있어서의 마스크의 일례를 나타내는 도면이다.
-제 1 실시예-
도 1은 본 발명에 의한 마스크를 사용한 레이저 가공 장치의 일례의 개략도를 나타낸다. 레이저 가공 장치(1)는 레이저광원인 레이저 발진기(10), 렌즈(20), 댐퍼(30), 및 마스크(40)를 구비하고, 마스크(40)를 통과한 레이저광(L2)은 도시되지 않는 피가공물에 조사된다. 또한, 레이저광(L)의 광축의 도중에 미러나 집광 렌즈 등을 적당히 배치할 수 있다. 레이저광(L)으로서는, 예를 들면 UV 레이저, YAG 레이저, CO2 레이저 등 임의의 레이저가 사용된다.
이 실시예의 마스크(40)는 도 2에 나타내는 바와 같이 원기둥형의 마스크 본체(41)를 갖고, 그 중심부에 단면원형의 핀홀(42)이 관통 형성되어 있다. 또한, 핀홀(42)의 단면형상은 원형에 한정되지 않는다. 핀홀(42)의 축선과 레이저광(L)의 광축이 평행이 되도록 마스크 본체(41)의 방향이 설정되어 있다. 마스크 본체(41)의 레이저광의 입사측에는 평면부(43)가 형성되어 있고, 이 평면부(43)가 핀홀(42)의 축선에 대하여 일정각도(θ)(0＜θ＜90°)로 경사져 있다. 구체적으로는 각도(θ)는 60~85°의 범위로부터 선택하는 것이 바람직하다. 평면부(43)는 경사 방향을 따라 절삭 가공, 연삭 가공 또는 연마 가공되어 있고, 레이저광(L)을 반사하는 반사면으로 되어 있다.
평면부(43)에는 도 2(b), 도 2(c)에 나타내는 바와 같이 경사 방향과 평행한 홈 또는 스트라이프상의 요철(43a)이 형성되어 있다. 즉, Y-Z면에 평행한 방향의 요철(43a)이 형성된다. 도 3은 평면부(43)의 요철(43a)의 면 조도를 개략적으로 나타내고 있다. 또한, 도 3에서는 스트라이프상의 요철(43a)을 과장해서 나타내고 있지만, 실제로는 요철의 수는 더 많고, 요철의 간격도 좁다. 도 3에서 나타내는 바와 같이 경사 방향과 평행한 방향(B-B 단면)의 면 조도(Ray)는 경사 방향과 수직 방향(A-A 단면)의 면 조도(Rax)보다 작다. 즉,
Ray＜Rax
으로 되어 있다. 그 때문에 평면부(43)에 입사한 레이저광은 평면부(43)의 경사와 요철(43a)의 상승(相乘) 효과에 의해 입사 방향과는 다른 방향(예를 들면, 도 1의 YZ면에 대하여 비평행한 방향)으로 산란하기 쉬워져 입사 방향과 대향 방향의 반사를 억제할 수 있다.
레이저광으로부터의 열을 내보낸다는 관점에서는 마스크 본체(41)의 소재로서 열전도율이 높은 금속(알루미늄, 금, 은, 구리 등)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 레이저광의 반사율을 높인다는 관점에서는 반사율이 높은 금속(알루미늄, 금) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 레이저광은 평행광에 한정되지 않고, 집속광이나 발산광이어도 좋다.
이하에 가공 조건의 일례를 나타낸다.
레이저광의 입사 빔 지름: φ0.1~15㎜
평면부의 표면 조도(Ra): 50㎚ 이하
레이저광의 파장: 500㎚ 이하
마스크(40)의 평면부(43)에서 반사한 레이저광(L1)은 레이저광(L)의 입사 방향과는 다른 방향으로 반사한다. 특히, 평면부(43)의 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)는 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작으므로 마스크(40)에 입사된 레이저광은 입사 방향과는 다른 방향으로 산란하기 쉬워 입사 방향과 대향 방향의 반사를 억제할 수 있다. 즉, 반사 레이저광이 입사 방향과 대향 방향(z축 마이너스 방향)의 리턴광이 되는 것을 억제할 수 있다. 반사한 레이저광(L1)은 수냉 등에 의해 적당히 냉각된 댐퍼(30)에서 그 에너지가 흡수된다. 그 때문에 반사 레이저광(L1)이 주변 부품 등에 열영향을 끼치는 것을 방지할 수 있다. 이 실시예에서는 댐퍼(30)가 입사 레이저광(L)의 광축의 편측(도 1에서는 상측)에만 설치되어 있기 때문에 댐퍼(30)를 소형화할 수 있다.
도 4는 마스크(40)의 가공 방법의 일례를 나타낸다. 지점(51)을 중심으로 하여 경동 가능한 베이스(50)를 준비하고, 베이스(50) 상에 마스크 본체(41)의 원재료(41')를 척(52)에 의해 고정한다. 원재료(41')는 그 중심에 핀홀(42)을 갖는 원기둥형 부품이다. 이어서, 베이스(50)를 지점(51)을 중심으로 하여 소정각도만큼 기울여 수평축을 중심으로 하여 회전하는 연삭숫돌(53)에 대하여 베이스(50)를 수평 방향으로 이동시키거나, 또는 연삭숫돌(53)을 수평으로 이동시킨다. 베이스(50) 또는 연삭숫돌(53)의 이동 방향은 경사면의 능선 방향과 평행하지만, 다소의 경사는 있어도 좋다. 연삭숫돌(53)로서는, 예를 들면 140000번 이상의 숫돌이 바람직하다. 연삭숫돌(53)과의 마찰에 의해 원재료(41')의 정상부가 절삭 가공되어 일정각도만큼 경사진 평면부(43)가 형성된다. 숫돌(53)의 숫돌면은 평면부(43)의 경사 방향으로 회전하므로 평면부(43)에는 경사 방향을 따른 미세한 요철부가 형성된다. 그 때문에 상술한 바와 같이 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)는 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작아져 반사광이 레이저 발진기 방향으로의 리턴광이 되는 것을 억제할 수 있다. 연마 가공할 경우에도 도 4에 나타내는 바와 같이 소정의 각도만큼 마스크(40)를 기울여 가공한다. 연마 가공의 예로서는 버프 연마를 들 수 있다. 절삭 가공의 다른예로서는 스프링 가공과 같은 직선 운동에 의한 가공 방법을 들 수 있다. 직선 운동에 의해 절삭하므로 경사 방향과 평행한 방향으로 가공할 수 있다.
-제 2 실시예-
도 5는 본 발명에 의한 마스크의 제 2 실시예를 나타낸다. 이 실시예의 마스크(45)는 4개의 경사면(46)을 갖는 각뿔형상으로 형성되어 있고, 4개의 경사면(46)에는 경사 방향과 평행한 홈 또는 요철(46a)이 형성되어 있다. 그 때문에 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)는 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작다. 또한, 마스크(45)의 중심부에 앵글 홀로 이루어지는 핀홀(47)이 형성되어 있지만, 원형의 구멍이어도 좋다.
이 경우에도 경사면(46)의 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)가 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작으므로 경사면(46)에 입사된 레이저광이 사방으로 발산하여 반사광이 레이저 발진기 방향으로의 리턴광이 되는 것을 억제할 수 있다.
-제 3 실시예-
도 6은 본 발명에 의한 마스크의 제 3 실시예를 나타낸다. 이 실시예의 마스크(48)는 1개의 테이퍼면(49)을 갖는 원추형상으로 형성되어 있고, 테이퍼면(49)에는 경사 방향과 평행한 방사형상의 홈 또는 요철(49a)이 형성되어 있다. 그 때문에 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)는 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작다. 또한, 마스크(48)의 중심부가 원형 구멍으로 이루어지는 핀홀(50)이 형성되어 있지만, 앵글 홀이어도 좋다.
도 6의 마스크(48)의 경우에도 도 5와 마찬가지로 테이퍼면(49)의 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)가 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작으므로 테이퍼면(49)에 입사된 레이저광이 사방으로 발산하고, 반사광이 리턴광이 되는 것을 억제할 수 있다.
1 : 레이저 가공 장치 10 : 레이저 발진기
20 : 렌즈 30 : 댐퍼
40 : 마스크 41 : 마스크 본체
42 : 핀홀 43 : 평면부(반사면)
43a : 요철

Claims (3)

  1. 마스크 본체와, 레이저광을 통과시키기 위해서 상기 마스크 본체에 관통 형성된 핀홀을 구비한 레이저 가공용 마스크에 있어서,
    상기 마스크 본체의 레이저광의 입사측에 상기 핀홀의 축선에 대하여 경사진 반사면이 절삭 가공, 연삭 가공 또는 연마 가공에 의해 형성되고,
    상기 반사면에 있어서의 경사 방향과 평행한 방향의 면 조도(Ray)가 경사 방향과 수직 방향의 면 조도(Rax)보다 작은 레이저 가공용 마스크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사면은 상기 핀홀의 축선에 대하여 일정각도로 경사진 1개의 평면부인 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 마스크.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사면은 각뿔면 또는 원뿔면인 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 마스크.
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