KR20200047591A - Method and apparatus for operation of pulse laser shutter - Google Patents
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Abstract
[과제] 100Hz를 초과하는 반복 주파수로 발진하는 레이저 펄스를 사용한 스캔 가공이나 스텝 앤드 리피트 가공에 있어서, 이웃하는 펄스의 어느 것에도 간섭하는 일 없이, 그 펄스 간 타임 윈도우 내에서 셔터 동작을 개시하고, 종료시키고, 또한, 셔터 소자의 손상에 의한 수명의 도래를 늦추는 것을 가능하게 하는 고속의 셔터 동작 방법 및 장치를 제공한다.
[해결 수단] 펄스 간 타임 윈도우를 T, 셔터 소자의 출입 위치에 있어서의 셔터 소자의 레이저광을 가로지르는 거리를 D, 출입용 구동원의 추력을 F, 셔터 소자의 질량을 M으로 했을 때, 각 파라미터가 관계식 (2DM/F)1/2<T를 충족하고, 또한 셔터 소자에 조사되는 에너지 밀도는 소자의 손상 문턱값 미만이며, 또한 출입용 구동원의 동작 개시 시각과 펄스 레이저의 발진 시각은 피가공물이 재치된 가공 스테이지의 위치에 동기한다.[Task] In scan processing or step and repeat processing using a laser pulse oscillating at a repetition frequency exceeding 100 Hz, the shutter operation is started within the time window between the pulses without interfering with any of the neighboring pulses. Provided is a high-speed shutter operating method and apparatus that makes it possible to end, and to delay the arrival of life due to damage to a shutter element.
[Solution] When the time window between pulses is T, the distance across the laser beam of the shutter element at the entry / exit position of the shutter element is D, the thrust of the drive source for entry and exit is F, and the mass of the shutter element is M, respectively. The parameter satisfies the relational expression (2DM / F) 1/2 <T, and the energy density irradiated to the shutter element is less than the damage threshold of the element. The workpiece is synchronized with the position of the placed processing stage.
Description
본 발명은, 레이저 가공에 사용되는 펄스 레이저광을 펄스 단위로 온, 오프 또는 게이팅하는 셔터의 동작 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for operating a shutter that turns on, off or gating pulsed laser light used in laser processing in pulse units.
펄스 레이저광을 사용한 레이저 가공 장치에 있어서, 이동하는 가공 스테이지 상에 재치된 피가공물에 대하여, 가공 스테이지를 정지하는 일 없이 1쇼트씩 가공하는, 소위 스캔 가공을 행하는 경우가 있다. 이 경우, 각 레이저 펄스가 갖는 펄스 에너지는, 일정 또한 안정되어 있을 필요가 있다.In a laser processing apparatus using pulsed laser light, there is a case in which so-called scan processing is performed on a workpiece placed on a moving processing stage by one shot without stopping the processing stage. In this case, the pulse energy of each laser pulse needs to be constant and stable.
이것은, 피가공물에 소정의 수의 레이저 펄스를 조사하고, 1쇼트당의 에칭 레이트에 기초하여 가공 깊이를 정밀도 좋게 제어할 필요가 있는 스텝 앤드 리피트 가공을 행하는 경우에 있어서도 동일하다.This is the same also in the case of performing step and repeat processing in which a predetermined number of laser pulses are irradiated to the workpiece, and it is necessary to precisely control the processing depth based on the etching rate per shot.
어느 가공에 있어서도, 광원의 펄스 레이저 장치는, 가공 스테이지의 위치에 따라 출력되는 인코더 신호에 기초하여 생성된, 외부 트리거 발진용의 신호를 수신하여 발진하는 것이 일반적이다. 그리고, 그 레이저 펄스의 온, 오프 또는 게이팅은, 이 외부 트리거 신호의 온 혹은 오프에 의하거나, 또는, 일단 발진시킨 레이저 펄스열(列)에 대하여 외부에 마련한 기계적 셔터를 개폐함으로써, 피가공물로의 레이저 펄스의 조사를 제어하는 것이 일반적이다.In any processing, it is common for the pulse laser device of the light source to receive and oscillate the signal for external trigger oscillation generated based on the encoder signal output according to the position of the processing stage. The laser pulse is turned on, off, or gated by turning the external trigger signal on or off, or by opening and closing a mechanical shutter provided externally to the laser pulse train once oscillated. It is common to control the irradiation of laser pulses.
그러나, 외부 트리거 신호의 온 혹은 오프에 의한 제어의 경우, 발진 직후의 수 펄스로부터 수십 펄스의 펄스 에너지, 또는 발진 직후의 일정 시간 내의 펄스의 펄스 에너지는 불안정한 것이 알려져 있기 때문에, 이 불안정한 펄스 에너지를 가공에 사용하는 일이 없도록 기계적 셔터 동작에 의해 이것을 배제하는 것이 필요하다.However, in the case of control by turning on or off the external trigger signal, it is known that the pulse energy of several to tens of pulses immediately after oscillation, or the pulse energy of a pulse within a predetermined time immediately after oscillation is known to be unstable. It is necessary to exclude this by mechanical shutter operation so that it is not used for processing.
게다가, 특히 펄스 레이저가 고반복 주파수로 발진하고 있는 레이저 펄스를 기계적 셔터에 의해 온, 오프 또는 게이팅하는 경우, 시간적으로 이웃하는 레이저 펄스 간의 시간 내(펄스 간 타임 윈도우 내)에 그 레이저 펄스의 횡모드 분포(빔 사이즈)를 커버하는 영역을 단숨에 고속 이동하는 셔터 동작이 필요하다.In addition, the transverse mode of the laser pulse within the time between adjacent laser pulses in time (within the time window between pulses), especially when the pulsed laser is turned on, off, or gated by a mechanical shutter when the laser pulse is oscillating at a high repetition frequency. A shutter operation is required to move the area covering the distribution (beam size) at a high speed at once.
구체적으로는, 예를 들면 200Hz로 발진하는 엑시머 레이저의 경우, 펄스 간 타임 윈도우는 약 5ms이며, 그 직사각형 빔의 단축(短軸) 방향의 길이(폭)는 약 5mm이다. 따라서, 이웃하는 레이저 펄스의 어느 것에도 간섭하지 않고 온, 오프할 수 있는 셔터의 개폐 동작에 필요한 속도는 1000mm/s 이상이 된다. 그러나, 단시간에 상이한 타이밍으로 셔터 개폐를 반복할 필요가 있는 스텝 앤드 리피트 가공의 경우는 물론, 스캔 가공과 같은 단순한 반복 동작의 경우라도, 셔터 장치의 대형화를 수반하지 않고 이것을 실현시키는 것은 용이하지 않다.Specifically, for example, in the case of an excimer laser oscillating at 200 Hz, the time window between pulses is about 5 ms, and the length (width) of the rectangular beam in the minor axis direction is about 5 mm. Therefore, the speed required for the opening and closing operation of the shutter that can be turned on and off without interfering with any of the neighboring laser pulses is 1000 mm / s or more. However, it is not easy to realize this without involving the enlargement of the shutter device, even in the case of simple repeating operations such as scan processing, as well as in the case of step and repeat processing where it is necessary to repeat shutter opening and closing at different timings in a short time. .
이것을 해결하기 위해, 예를 들면, 집광 렌즈 등을 사용하여 상기 5mm의 폭을 1mm 이하로 집광하여, 셔터용 부재가 가로질러야 하는 거리를 짧게 하는 것이 생각되지만, 셔터용 부재에의 손상을 고려하면, 그 삽입 위치를 집광점에 가까이 할 수 없다. 그래서, 셔터용 부재의 동작을 가능한 한 고속화할 필요가 있다.In order to solve this, for example, it is conceivable to condense the width of 5 mm to 1 mm or less by using a condensing lens or the like, to shorten the distance that the shutter member must cross, but considering damage to the shutter member, , The insertion position cannot be close to the condensing point. Therefore, it is necessary to speed up the operation of the shutter member.
특허문헌 1에는, 주로 연속파 레이저용으로 개발된 셔터 유닛이 개시되어 있다. 이 기구를, 예를 들면 전술한 200Hz의 반복 주파수로 발진하는 엑시머 레이저, 즉, 펄스 간 타임 윈도우가 5ms 정도의 펄스 레이저에 응용한 경우, 반사 미러 등의 회전 구동에 있어서의 응답 속도가 이것과 동등한 5ms 정도인 이 기구로는 충분하지 않다. 또한, 가령 응답 속도가 올라갔다고 해도, 상기 빔 웨이스트에 있어서 반복 셔터 동작하는 반사 미러로의 손상이 우려된다.
특허문헌 2에는, 애퍼처를 배치한 원통형의 셔터 유닛2대를 동기하여 회전시킴으로써, 소정의 수의 레이저 펄스열을 고속으로 온/오프하는 버스트 모드의 제어 기술이 개시되어 있다. 그러나, 온에서 오프까지의 가공 시간이 길고, 또한 온/오프의 전환시에 고속으로 셔터 동작할 필요가 있는 대형의 피가공물에 대한 스캔 가공이나, 임의의 타이밍 또한 단시간에 이것을 반복할 필요가 있는 스텝 앤드 리피트 가공에 대해서는, 이 회전체에 의한 셔터 동작은 적절한 구성이라고는 말할 수 없다. 또한, 회전체를 대신하여 직선 스테이지를 사용하는 것에도 언급은 되어 있지만, 상세한 실시 방법에 대한 기재는 없고, 또한 셔터 유닛에의 손상에 대한 우려는 불식되지 않는다.
본 발명은, 펄스 간 타임 윈도우가 ms대의 반복 주파수로 발진하고 있는 (펄스)레이저광을 사용한 스캔 가공이나 스텝 앤드 리피트 가공에 있어서, 상기의 배경기술이 안고 있는 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 임의의 이웃하는 레이저 펄스의 어느 것에도 간섭하는 일 없이, 그 펄스 간 타임 윈도우 내에 셔터 동작을 개시하고, 종료시키고, 또한, 셔터 소자의 손모에 대한 연명화가 가능한 고속의 셔터 동작 방법 및 그 장치의 제공을 목적으로 한다.The present invention was made in view of the problems of the above-described background in scan processing or step-and-repeat processing using (pulse) laser light whose pulse-to-pulse time window oscillates at a repetition frequency in ms, and any Provided is a high-speed shutter operation method and apparatus capable of initiating and terminating a shutter operation within a time window between pulses without interrupting any of the neighboring laser pulses, and further extending the life of the shutter element. The purpose.
제1 발명은, 반복 주파수가 100[Hz]를 초과하고 1/T[Hz]로 발진하는 레이저광을 사용한 레이저 가공 장치에 있어서, 가공 스테이지 상에 재치된 피가공물을 향하여 전반(傳搬)하는 레이저광의 광축에 셔터 소자를 출입하고, 그 전반 방향을 변경 또는 차단함으로써, 피가공물에 조사되는 레이저 펄스를 펄스 단위로 온, 오프 또는 게이팅하는 펄스 레이저 셔터의 동작 방법으로서, 상기 가공 스테이지의 위치에 따른 인코더 신호에 기초하여, 임의의 수의 레이저 펄스를 발진시키기 위한 외부 트리거 신호를 발생하는 공정과, 당해 외부 트리거 신호에 기초하여 발진하는 레이저광의 횡모드 분포 형상을 성형 광학계에 의해 성형하는 공정과, 상기 셔터 소자를 출입하기 위한 구동원에 대하여, 그 동작 개시의 타이밍을 상기 외부 트리거 신호에 동기하여 결정하고, 송신하는 공정을 포함하고, 상기 셔터 소자의 출입 위치에 있어서 셔터 소자에 의해 가로질러지는 상기 성형된 레이저광의 폭 이상에 걸친 셔터 소자의 이동 거리를 D[m], 상기 구동원의 추력을 F[N], 당해 구동원에 상기 셔터 소자를 고정하기 위한 고정용 지그와 셔터 소자의 합계 질량을 M[kg]으로 했을 때, 당해 D, F, M 및 T가 관계식(2DM/F)1/2<T를 충족하고, 또한, 상기 출입 위치에 있어서, 상기 셔터 소자가 수광하는 레이저 펄스의 펄스 에너지 밀도가, 당해 셔터 소자의 손상 문턱값(역치) 미만인 펄스 레이저 셔터의 동작 방법이다.The first invention is a laser processing apparatus using a laser beam having a repetition frequency exceeding 100 [Hz] and oscillating at 1 / T [Hz], which propagates toward the workpiece placed on the processing stage. A method of operating a pulsed laser shutter that turns on or off or pulses a laser pulse irradiated to a workpiece by entering and exiting a shutter element on the optical axis of the laser light and changing or blocking the overall direction thereof, at a position of the processing stage. A step of generating an external trigger signal for oscillating an arbitrary number of laser pulses based on the encoder signal according to the step, and a step of forming a lateral mode distribution shape of the laser light oscillating based on the external trigger signal by a molding optical system. , For a drive source for entering and exiting the shutter element, determining a timing of starting the operation in synchronization with the external trigger signal High, including the step of transmitting, the moving distance of the shutter element over the width of the molded laser light traversed by the shutter element at the entrance and exit position of the shutter element D [m], the thrust of the drive source F [N], when the total mass of the fixing jig for fixing the shutter element to the driving source and the shutter element is M [kg], the D, F, M and T are related formulas (2DM / F) 1/2 It is a method of operating a pulsed laser shutter that satisfies < T and the pulse energy density of the laser pulse received by the shutter element at the entry / exit position is less than the damage threshold (threshold) of the shutter element.
본 발명에 있어서, 「펄스 단위로 온, 오프한다」라는 것은, 시간적으로 이웃하는 레이저 펄스의 어느 것에도 간섭하는 일 없이, 즉 레이저 펄스의 횡모드 분포의 일부 또는 전부가 셔터 소자의 이동(셔터의 개폐)에 의해 가로막히는 일 없이, 당해 레이저 펄스의 통과 상태(열림)와, 전반 방향의 변경을 포함하는 차단 상태(닫힘)의 전환을 행하는 것을 말한다. 또한, 「게이팅」이란, 온과 오프의 조합에 의해 일정 시간 또는 일정수의 레이저 펄스만, 그 전반 방향을 변경 또는 차단함으로써, 그 사이의 레이저 펄스가 피가공물에 조사되지 않도록 하는 것을 말한다.In the present invention, " turning on / off in pulse units " means that the shutter element is moved (shutter) in part or all of the lateral mode distribution of the laser pulse without interfering with any of the adjacent laser pulses in time. Refers to switching between the passing state (opening) of the laser pulse and the blocking state (closing) including the change in the first half direction without being blocked by the opening / closing). In addition, the term "gating" means that the laser pulse therebetween is not irradiated to the workpiece by changing or blocking only a predetermined time or a fixed number of laser pulses by a combination of on and off, and changing the overall direction thereof.
「레이저광의 광축에 셔터 소자를 출입한다」라는 것은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 셔터 소자(1)가 예를 들면 보이스 코일 모터(도시 생략)의 이동에 따라 레이저광의 횡모드 분포 내에 도시하는 양 화살표 방향으로 삽입되거나, 발거(拔去)되거나 하는 의미이다. 그리고, 그 삽입(발거) 방향은, 셔터 소자(1)가 레이저광의 횡모드 분포 내에 침입하고 나서 그 모두를 가로막을(수광할) 때까지 필요로 하는 시간을 최단으로 하는, 광축에 대하여 수직의 방향이 바람직하다."The
「손상 문턱값 미만이다」라는 것은, 피크 파워 밀도를 고려하는 것은 물론, 단일 펄스의 조사에 의한 손상 문턱값뿐만 아니라, 본 발명의 응용인 고반복 주파수로 발진하는 레이저 펄스를 연속하여 조사하는 레이저 가공 장치에 있어서 기대되는, 손상 없는 누적 쇼트수를 실현하는 손상 문턱값도 고려하여 판단하는 기준을 말한다.The "less than the threshold of damage" not only takes into account the peak power density, but also the damage threshold by irradiation of a single pulse, as well as laser processing continuously irradiating laser pulses oscillating at a high repetition frequency, which is the application of the present invention. Refers to a criterion for determining the damage threshold value that realizes the cumulative number of shots without damage, which is expected in the apparatus.
예를 들면, 합성 석영으로 이루어지는 셔터 소자의 경우, 펄스 레이저의 사양을 파장 248nm, 펄스폭 25ns, 반복 주파수 200Hz로, 각각 고정한 경우라도, 그 손상 문턱값은, 다음 표 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 기대하는 손상없는 누적 쇼트수에 따라 다양하다. 따라서, 레이저 가공에 필요한 펄스 에너지나 가공의 듀티 사이클에 비추어, 기대되는 누적 쇼트수를 손상의 발생없이 셔터 소자가 수광할 수 있는 손상 문턱값을 고려한 후에, 셔터 위치에 있어서의 최적의 펄스 에너지 밀도를 설정하게 된다. 또한, 도 2에 있어서의 손상의 기준으로서는, 투과율이 대체로 1/2로 감소한 시점으로 한다.For example, in the case of a shutter element made of synthetic quartz, even when the specifications of the pulse laser are fixed at a wavelength of 248 nm, a pulse width of 25 ns, and a repetition frequency of 200 Hz, the damage threshold values are as shown in Tables 1 and 2 below. It varies according to the expected number of shorts without damage. Therefore, in view of the pulse energy required for laser processing or the duty cycle of processing, after considering the damage threshold value at which the shutter element can receive the expected cumulative number of shots without causing damage, the optimum pulse energy density at the shutter position Will set In addition, as a criterion of damage in FIG. 2, it is assumed that the transmittance is substantially reduced to 1/2.
[mJ/cm2]Energy density
[mJ / cm 2 ]
[쇼트]Cumulative number of shorts until damage occurs
[short]
또한, 예를 들면, 레이저광의 횡모드 분포가 가우시안 분포의 Nd:YAG 레이저의 경우, 손상 문턱값을 고려하여 광파이버나 렌즈를 사용하고 이것을 확대하여, 셔터 소자에 의해 가로질러지는 레이저광의 폭(예를 들면 단축 방향의 길이)을 성형한다. 다른 한편, Nd:YAG 레이저와 비교하여 큰 직사각형의 횡모드 분포를 갖는 엑시머 레이저의 경우, 렌즈 등을 사용하고 이것을 축소하여 그 단축 길이를 성형한다.Further, for example, in the case of an Nd: YAG laser having a Gaussian distribution in which the lateral mode distribution of the laser light is used, an optical fiber or a lens is used in consideration of the damage threshold, and this is enlarged, so that the width of the laser light traversed by the shutter element (eg For example, the length in the short axis direction) is molded. On the other hand, in the case of an excimer laser having a large rectangular transverse mode distribution compared to an Nd: YAG laser, a lens or the like is used to reduce this to shorten its short length.
셔터 소자에는, 프리즘과 같이 굴절을 이용하여 전반 방향을 바꾸는 것이나, 미러와 같이 반사를 이용하여 차단하는 것을 포함하고, 이들에 한정되지 않는다.The shutter element includes, but is not limited to, changing the propagation direction using refraction like a prism, or blocking using reflection like a mirror.
제2 발명은, 제1 발명에 있어서, 구동원에 보이스 코일 모터를 사용하는 펄스 레이저 셔터의 동작 방법이다.The second invention is a method of operating a pulse laser shutter using a voice coil motor as a driving source in the first invention.
보이스 코일 모터에는, 스트로크는 짧아도 그 추력이 수십 N인 것을 선택하면 좋다. 구동시키는 셔터 소자의 질량을 억제함으로써, 고가속도의 동작을 실현할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 있어서 사용한 보이스 코일 모터에는, 피크 추력이 38N인 것을 사용했다.For the voice coil motor, one having a thrust of tens of N may be selected even if the stroke is short. By suppressing the mass of the shutter element to be driven, high-acceleration operation can be realized. For example, in the voice coil motor used in the examples of the present invention, those having a peak thrust of 38N were used.
제3 발명은, 제1 또는 제2 발명에 있어서, 셔터 소자가 레이저광의 파장에 대하여 투명한 부재로 이루어지는 소자인 펄스 레이저 셔터의 동작 방법이다.The third invention is a method of operating a pulse laser shutter in the first or second invention, wherein the shutter element is an element made of a member transparent to the wavelength of laser light.
그 부재로서는 프리즘 등의 광학 소자와 같이, 레이저광의 파장에 대하여 높은 투과성을 갖는 것을 선택하면 좋다. 또한, 그 피조사면에 레이저광의 반사를 방지하는 유전체 다층막을 설치함으로써 높은 투과성을 얻을 수도 있다. 그러나, 손상 문턱값이 낮은 환경에서의 사용에는 적합하지 않다.As the member, one having a high transmittance with respect to the wavelength of the laser light, such as an optical element such as a prism, may be selected. Further, by providing a dielectric multilayer film that prevents reflection of laser light on the irradiated surface, high transmittance can be obtained. However, it is not suitable for use in environments with low damage thresholds.
제4 발명은, 제1 또는 제2 발명에 있어서, 셔터 소자가 레이저광의 파장에 대하여 이것을 반사하는 부재로 이루어지는 소자인 펄스 레이저 셔터의 동작 방법이다. 그 부재로서는, 광학 미러 외에 레이저광의 피조사면에 반사막을 설치한 광학 프리즘 등을 사용할 수 있다.The 4th invention is a 1st or 2nd invention, The operation method of the pulsed laser shutter which is an element which a shutter element consists of a member which reflects this with respect to the wavelength of a laser beam. As the member, an optical prism or the like in which a reflective film is provided on a surface to be irradiated with laser light other than an optical mirror can be used.
제5 발명은, 펄스 레이저광을 사용한 레이저 가공 장치에 있어서, 가공 스테이지 상에 재치된 피가공물을 향하여 전반하는 레이저 펄스를, 펄스 단위로 온, 오프 또는 게이팅하는 펄스 레이저 셔터로서, 레이저광의 횡모드 분포 형상을 성형하는 성형 광학계와, 레이저광의 전반 방향을 변경, 또는 차단하는 셔터 소자와, 당해 셔터 소자를 광로에 출입하기 위한 구동원과, 적어도, 펄스 레이저 광원과 상기 가공 스테이지와 상기 구동원의 동작을 제어하는 신호의 송수신을 행하는 타이밍 컨트롤러를 갖고, 당해 타이밍 컨트롤러는, 상기 가공 스테이지의 위치에 따른 인코더 신호에 기초하여, 당해 가공 스테이지와 상기 펄스 레이저 광원과 상기 구동원에 신호를 송신하는 펄스 레이저 셔터이다.A fifth aspect of the present invention is a pulsed laser shutter that turns on, off, or gates a laser pulse propagating toward a workpiece placed on a processing stage in a laser processing apparatus using the pulsed laser light, in a transverse mode of laser light. A molding optical system for forming a distribution shape, a shutter element for changing or blocking the overall direction of the laser light, a driving source for entering and exiting the shutter element from the optical path, at least a pulse laser light source, the processing stage and the operation of the driving source A timing controller that transmits and receives signals to be controlled, and the timing controller is a pulse laser shutter that transmits signals to the processing stage, the pulse laser light source, and the driving source based on an encoder signal corresponding to the position of the processing stage. .
제6 발명은, 제5 발명에 있어서, 구동원이 보이스 코일 모터인 펄스 레이저 셔터이다.The sixth invention is a pulse laser shutter according to the fifth invention, wherein the driving source is a voice coil motor.
제7 발명은, 제5 또는 제6 발명에 있어서, 셔터 소자가 레이저광의 파장에 대하여 투명한 부재로 이루어지는 소자인 펄스 레이저 셔터이다.In the seventh invention, in the fifth or sixth invention, the shutter element is a pulse laser shutter which is an element made of a member transparent to the wavelength of laser light.
제8 발명은, 제5 또는 제6 발명에 있어서, 셔터 소자가 레이저광의 파장에 대하여 이것을 반사하는 부재로 이루어지는 소자인 펄스 레이저 셔터이다.In the eighth invention, in the fifth or sixth invention, the shutter element is a pulse laser shutter which is an element composed of a member that reflects it with respect to the wavelength of laser light.
제9 내지 제11 중 어느 하나의 발명은, 제5 내지 제8 발명 중 어느 하나에 있어서, 펄스 레이저 광원을 엑시머 레이저로 하는 펄스 레이저 셔터이다.The invention of any one of the ninth to eleventh embodiments is a pulse laser shutter using the pulse laser light source as an excimer laser according to any one of the fifth to eighth inventions.
본 발명에 의하면, 100Hz를 초과하는 고반복 주파수로 발진하는 레이저 펄스를 사용한 스텝 앤드 리피트 가공이나 스캔 가공에 있어서, 이웃하는 레이저 펄스의 어느 것에도 간섭하는 일 없이, 그 펄스 간 타임 윈도우 내에서 레이저 펄스의 온(또는 오프)을 개시하고, 종료시키는 셔터 동작을 장수명으로 실현할 수 있다.According to the present invention, in step and repeat processing or scanning processing using a laser pulse oscillating at a high repetition frequency exceeding 100 Hz, the laser pulse within the time window between the pulses does not interfere with any of the neighboring laser pulses. It is possible to realize a long-life shutter operation for starting and ending on (or off).
[도 1] 릴레이 렌즈에 의해 집광된 레이저광에 대한 셔터 소자의 출입의 모습을 나타낸다.
[도 2] 손상 문턱값과 누적 쇼트수의 관계를 나타낸다.
[도 3] 피가공물에 대한 스캔 가공의 모습을 나타낸다.
[도 4] 레이저 셔터 장치를 탑재한 레이저 가공 장치를 나타낸다.
[도 5] 프리즘으로 이루어지는 셔터 소자의 형상을 나타낸다.
[도 6a] 보이스 코일 모터에 셔터 소자를 고정용 지그로 장착한 모습을 나타낸다.
[도 6b] 셔터 소자와 고정용 지그의 각 부품의 실사진을 나타낸다.
[도 7] 평철(平凸) 실린드리컬 렌즈의 조합에 의한 텔레스코프 내에 삽입된 셔터 소자를 나타낸다.
[도 8a] 셔터 소자가 레이저광에 삽입, 발거되는 모습(측면)을 나타낸다.
[도 8b] 셔터 소자가 레이저광에 삽입, 발거되는 모습(다른 측면)을 나타낸다.
[도 9] 트리거 타이밍 차트를 나타낸다.1 shows the state of entry and exit of the shutter element with respect to the laser light collected by the relay lens.
2 shows the relationship between the damage threshold and the cumulative number of shots.
3 shows the state of the scan processing for the workpiece.
4 shows a laser processing device equipped with a laser shutter device.
5 shows the shape of a shutter element made of a prism.
6A shows a state in which a shutter element is mounted on a voice coil motor as a fixing jig.
Fig. 6B shows a real picture of each part of the shutter element and the fixing jig.
Fig. 7 shows a shutter element inserted into a telescope by a combination of a flat iron cylindrical lens.
8A shows a state (side) in which the shutter element is inserted into and extracted from the laser beam.
8B shows a state in which the shutter element is inserted into and removed from the laser light (another side).
9 shows a trigger timing chart.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 펄스 레이저 셔터 및 그의 동작 방법의 일 태양을 상세하게 설명한다.Hereinafter, an aspect of the pulse laser shutter and the operation method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[실시예][Example]
본 발명의 실시예로서, X, Y, Z 및 θ축 구동의 가공 스테이지 상에 재치된 피가공물(7)을 0.1mm 피치로 Y축 방향으로 1쇼트 스캔 가공할 때에 사용하는 레이저 셔터를 설명한다. 그 기본적인 셔터의 동작은, 레이저광을 오프(닫힘) 상태로부터 온(열림) 상태로 전환하기 위한 개폐 동작이다. 또한, 후술하는 바와 같이, 레이저광의 온에서 오프로는, 레이저 장치로의 외부 트리거 신호를 오프로 함으로써 행하는 것이 일반적이고, 본 실시예에 있어서도 이 방법을 사용했다.As an embodiment of the present invention, a laser shutter to be used for one shot scan processing in the Y-axis direction at a 0.1 mm pitch is performed on the
먼저, 본 실시예에 있어서의 가공의 모습을 도 3에 나타낸다. 피가공물(7)의 사이즈는 300×300mm이며, 가공 개소의 총 수는 0.1mm 피치로, 2,000×2,000=4,000,000 개소이다. 또한 도면 중에 나타내는 「Y」는 Y축 가공 스테이지(6)로, 「X」는 X축 가공 스테이지에 의해 이동하는 방향이다.First, the state of processing in this embodiment is shown in FIG. 3. The size of the
도 4에, 본 발명의 실시에 따른 레이저 가공 장치 전체의 개략 구성을 나타낸다. 본 실시예에 있어서는, 펄스 레이저 광원으로서 발진 파장이 248nm인 엑시머 레이저(4)를 사용했다. 그리고, 전술한 0.1mm 피치의 가공을 20mm/s의 등속 운동에 의해 가공할 때의 반복 주파수(1/T)는 200Hz이다. 일반적인 엑시머 레이저의 펄스폭인 약 25ns를 무시하면, 펄스 간 타임 윈도우(T)는 5ms가 된다.4 shows a schematic configuration of the entire laser processing apparatus according to the present invention. In this example, an
또한, 이 레이저광의 횡모드 분포 형상은, 출사 직후에 있어서 단축 5mm×장축(長軸) 24mm이며, 빔 확산각은 1×3mrad이다. 펄스 레이저 광원으로서는, 이 외에 Q스위치 Nd:YAG 레이저나 CO2 레이저 등을 사용할 수도 있지만, 피가공물(7)의 재질, 특히 레이저광의 파장에 대한 흡수 특성에 따라, 적절한 조합이 되는 펄스 레이저 광원을 선택할 필요가 있다.In addition, the shape of the lateral mode distribution of the laser beam is 5 mm in short axis and 24 mm in long axis immediately after exiting, and the beam diffusion angle is 1 × 3 mrad. As the pulsed laser light source, a Q-switched Nd: YAG laser or CO 2 laser may be used in addition to this, but a pulsed laser light source that is an appropriate combination depends on the material of the
다음으로, 본 실시예에 있어서 사용한 셔터 소자(1)는, 248nm에 대한 투과율이 90% 이상인 도 5에 나타내는 합성 석영으로 이루어지는 직각 프리즘이며, 각 변의 길이는 a=10mm, b=10mm, c=30mm이다. 이 셔터 소자의 피조사면(12)에 레이저 펄스를 입사시키고, 굴절시키고, 그 전반 방향을 변화시킴으로써, 피가공물(7)로 조사되는 레이저 펄스의 온, 오프 또는 게이팅을 실현한다. 또한, 피조사면(12)을 포함하는 어느 면에 있어서도, 어떠한 코팅을 실시하고 있지 않다. 레이저 조사에 의한 손상이 우려되기 때문이다.Next, the
또한, 이 셔터 소자(1)는, 그 구동원으로서 선정한 보이스 코일 모터(2)에 고정용 지그(13)를 사용하여 고정했다. 그 모습을 도 6a에 나타낸다. 또한, 셔터 소자(1)와 고정용 지그(13)의 실사진을 도 6b에 나타낸다. 또한, 이들의 합계의 질량(M)은, 10g이다.Moreover, this
보이스 코일 모터의 사양은 다음 표 2, 그 제어용에 사용한 드라이버(앰프)의 사양은 다음 표 3과 같다. 여기에서, 피크 추력이란, 본 실시예와 같은 듀티가 낮은 상황에 있어서 순시에 동작시킬 경우의 추력이며, 연속 동작에 있어서의 정격 추력에 비하여 크다. 또한, 보이스 코일 모터의 피크 추력은, 이 제어용 드라이버에 의존한다. 본 실시예에 있어서 사용한 보이스 코일 모터의 피크 추력은 38N이다.The specifications of the voice coil motor are shown in Table 2 below, and the specifications of the driver (amplifier) used for its control are shown in Table 3 below. Here, the peak thrust is the thrust when the instantaneous operation is performed in a low duty situation as in the present embodiment, and is larger than the rated thrust in the continuous operation. In addition, the peak thrust of the voice coil motor depends on this control driver. The peak thrust of the voice coil motor used in this example is 38N.
본 실시예에 있어서의 1쇼트 스캔 가공에서 필요하게 되는 펄스 에너지는, 축소 투영 광학계 등에 의한 감쇠 전의 단계에 있어서 대체로 100mJ이다. 또한, 그 위치는 엑시머 레이저(4)의 출사구로부터 2m 정도 떨어진 위치이며, 이 위치에 있어서의 빔 형상은 대체로 단축 8mm×장축 25mm이다. 따라서, 이 위치에 있어서 상기 셔터 소자(1)를 출입하는 경우, 그 피조사면(12) 상의 펄스 에너지 밀도는, 45° 입사를 고려하면 약 35mJ/cm2이다.The pulse energy required in one shot scan processing in this embodiment is generally 100 mJ in the step before attenuation by the reduced projection optical system or the like. In addition, the position is a position about 2 m away from the exit port of the
이 정도의 펄스 에너지 밀도는, 기대하는 손상없는 누적 쇼트수를 1×109쇼트로 해도, 그 경우의 상기 직각 프리즘의 손상 문턱값(50mJ/cm2) 이하이며, 또한, D를 상기 빔 형상의 단축 길이와 동일한 8mm, F=38N, T=5ms, M=10g으로 하면, 본 발명의 조건식인 (2MD/F)1/2<T도 충족한다((2×0.01×0.008/38)1/2≒0.0021<0.005).The pulse energy density of this degree is equal to or less than the damage threshold value (50 mJ / cm 2 ) of the right angle prism in this case, even if the expected number of undamaged accumulated shots is 1 × 10 9 shots, and D is the beam shape. If 8mm, F = 38N, T = 5ms, and M = 10g, which are the same as the short axis length of (2MD / F) 1/2 <T, the conditional expression of the present invention is satisfied ((2 × 0.01 × 0.008 / 38) 1 / 2 ≒ 0.0021 <0.005).
그러나, 본 실시예에서는, 타임 윈도우 내에서 공간적 여유를 갖고 레이저광을 차단 상태(닫힘)로부터 해방 상태(열림)로 하기 위해, 빔 형상의 단축 방향을 성형 광학계에 의해 전술한 8mm에서 5mm로 더욱 짧게 하고, 다른 한편, 셔터 소자(1)가 이 5mm를 충분히 커버하고, 가로질러 이동하는 거리(D)를 셔터 소자의 사이즈(a 또는 b)와 동일한 10mm로 했다. 여기에서, 조건식을 다시 계산하면 (2MD/F)1/2=(2×0.01×0.010/38)1/2≒0.0023<0.005가 되고, 이 경우라도 여유가 있는 실용적인 파라미터의 조합을 얻을 수 있었다.However, in this embodiment, in order to have the laser light from the blocked state (closed) to the released state (opened) with a spatial margin within the time window, the shortening direction of the beam shape is further increased from 8 mm to 5 mm described above by the forming optical system. On the other hand, on the other hand, the
레이저광의 전반의 모습은 다음과 같다. 엑시머 레이저(4)로부터 출사한 직사각형의 횡모드 분포를 갖는 레이저광(41)을, 초점 거리 f=600mm의 2매의 평철 렌즈(3)(합성 석영제)에 의해 릴레이하고, 후단의 텔레스코프 광학계에 전반한다. 도 1(및 도 8a)에 나타내는 바와 같이, 셔터 소자(1)는, 레이저광이 최초의 평철 렌즈(3)의 초점 위치로부터 300mm 전반한 후의 위치를 그 출입의 위치로 했다. 이 위치에 있어서의 빔 사이즈는, 단축 방향이 약 5mm, 장축 방향이 약 15mm(모두 FWHM)이다.The overall appearance of the laser light is as follows. The
그 후, 2매째의 평철(平凸) 렌즈를 통과한 레이저광(41)은, 횡모드 분포에 있어서 균일한 에너지 분포를 얻기 위해, 그 후단에 위치하는 균질기(homogenizer)로 전반된다. 또한, 균질기 이후의 광학계(5)에 대해서는, 일반의 축소 결상 광학계와 동일하기 때문에 그 상세는 생략하고 도 4 중에 간략화하여 도시했다.Thereafter, the
또한, 셔터 소자(1)의 설치 장소로서는, 이 평철 렌즈에 의한 릴레이 렌즈 구성 내의 외에, 도 7에 나타내는 바와 같이 2매의 평철 실린드리컬 렌즈의 조합에 의한 텔레스코프 내에 설치할 수도 있다. 그러나, 본 실시예에 있어서는, 전술한 바와 같이 셔터 소자의 피조사면(12) 상에 조사되는 레이저광(41)의 펄스 에너지 밀도가 35mJ/cm2로 낮고, 도 7과 같이 실린드리컬 렌즈를 사용하여 가늘고 긴 직사각형 빔을 형성하여, 가로질러야 할 레이저광의 단축을 짧게 한 후에, 펄스 에너지 밀도를 낮게 억제하는 구성으로는 하지 않았다.The
셔터 소자(1)의 레이저광(41)에 대한 위치 관계를 도 8a 및 도 8b에 나타낸다. 어느 도면 중에 있어서도, 셔터 소자(1)의 이동 방향을 양 화살표로 나타냈다. 또한, 레이저광(41) 내에 삽입되어 있는 셔터 소자(1)를 실선으로 나타내고, 완전히 발거된 셔터 소자를 점선으로 나타냈다. 또한, 전술한 바와 같이 레이저광으로의 삽입·발거의 위치는, 평철 렌즈(3)에 의해 성형된 빔 웨이스트부(42)의 위치로부터 대체로 300mm 전반한 후의 위치이다.8A and 8B show the positional relationship of the
이 위치에 있어서의 레이저광(41)의 횡모드 분포는, 전술한 바와 같이 단축 5mm×장축 15mm의 직사각형이며, 셔터 소자(1)는, 그 에지부(11)가 이 횡모드 분포의 단축 방향을 따라 광축에 대하여 수직으로 발거/삽입된다. 그리고, 본 실시예에 있어서는, 이 직사각형의 횡모드 분포를, 공간적 여유를 갖고 차단하고 있는 셔터 닫힘의 상태(도 8b에 있어서 실선으로 묘획)로부터, 셔터 열림의 상태(도 8b에 있어서 점선으로 묘획)로의 전환을 위해 최단 시간에 이동해야 할 거리를 10mm로 설정했다. 또한, 도면 중의 일점 쇄선은 광축을, 이점 쇄선은 피조사면(12)에 대한 법선을 나타내고, 레이저광의 입사각(θ)은 법선으로부터 45°이다. 또한, 직각 프리즘(셔터 소자(1))의 크기나 레이저광(41)의 빔 확산각은 과장하여 그리고 있다.The lateral mode distribution of the
본 실시예의 경우, 도 8b에 나타내는 바와 같이, 레이저광(41)에 대한 셔터 닫힘으로부터 열림으로의 순시 전환 동작에 필요로 하는 시간, 즉 셔터 소자의 에지부(11)가 최단으로 10mm 이동하는 시간은 전술한 바와 같이 약 2.3ms이다. 또한, 이때, 셔터 소자가 정지할 때까지의 감속(도면 중에 회색 점선으로 그 모습을 나타냄.)에 의해 오버런하는 이동 거리를 고려할 필요는 없다. 셔터를 닫힘으로 할 때는, 열림으로 할 때의 반대의 동작을 시키는 대신에, 레이저 장치(4)로의 외부 트리거를 오프로 하기 때문이다.In the case of this embodiment, as shown in Fig. 8B, the time required for the instantaneous switching operation from the shutter closing to the opening for the
다른 한편, 본 실시예와 상이하게, 레이저광의 온과 오프를 모두 셔터의 개폐 동작에 의해 단시간에 반복하여 행할 필요가 있는 경우에는, 셔터 소자가 이동할 때의 가속과 감속의 시간을 고려할 필요가 있다. 셔터 소자의 에지부(11)가 10mm 이동하여 정지하는 경우의 셔터 동작 시간은 5mm의 가속 이동과 5mm의 감속 이동(2×0.01×0.005/38)1/2×2에 의해, 대체로 3.2ms가 된다. 또한, 이 경우도 본 발명에 따른 조건식(<5ms)을 충족한다.On the other hand, in contrast to the present embodiment, when it is necessary to repeatedly turn on and off the laser light by a shutter opening and closing operation in a short time, it is necessary to consider the time of acceleration and deceleration when the shutter element moves. . When the
다음으로, 보다 구체적인 셔터의 동작 타이밍을, 레이저 가공 장치를 구성하는 각 부에 입출력하는 신호의 송수신을 사용하여 설명한다.Next, a more specific operation timing of the shutter will be described using transmission / reception of signals input / output to each part constituting the laser processing apparatus.
도 2에 나타내는 1쇼트 스캔 가공에 있어서, Y축 가공 스테이지(6)로서 사용하는 것은, 속도 20mm/s, 가속도 40mm/s2의 리니어 인코더 부착 DC 서보 모터 구동의 스테이지이다. 스캔 가공시, 이(Y축) 리니어 인코더로부터는, 그 위치 정보(신호 2)가 타이밍 컨트롤러로서의 스테이지 모션 컨트롤러에 출력된다. 이 위치 정보를 수신한 스테이지 모션 컨트롤러는, 임의의 위치 정보에 기초하여, 엑시머 레이저(4)에 대하여 외부 트리거 발진용의 TTL 신호(신호3)를 생성하여 출력한다.In one shot scan processing shown in Fig. 2, what is used as the Y-
본 실시예에 있어서는, Y축 가공 스테이지(6)는 20mm/s의 등속 운동을 안정적으로 행하고 있는 200mm의 거리에 걸쳐 피치 0.1mm(도 3)로 가공하기 위한 신호 3을 엑시머 레이저(4)에 출력한다. 이 신호 3을 수신한 엑시머 레이저(4)는, 결과적으로 200Hz의 반복 주파수로 레이저를 조사하는 것이 된다.In this embodiment, the Y-
전술한 바와 같이, 이때의 펄스 간 타임 윈도우는, 레이저의 펄스폭(약 25ns)을 무시하면 5ms이며, 셔터 소자(1)가 그 에지부(11)를 소정의 위치로부터 10mm 이동하여 셔터를 닫힘으로부터 열림으로 하기 위해 필요로 하는 시간(2.3ms)과 비교하여 충분히 긴 시간이라고 말할 수 있다. 따라서, 이웃하는 레이저 펄스에 셔터 소자가 간섭하는 일 없이, 레이저 펄스 단위로 이것을 온, 오프 또는 게이팅할 수 있다.As described above, the time window between pulses at this time is 5 ms when the pulse width (about 25 ns) of the laser is ignored, and the
전체를 통한 레이저 가공 장치를 구성하는 각 부의 동작 타이밍은 다음과 같다. 처음으로, 피가공물(7)을 재치한 Y축 가공 스테이지(6)를, 가공 위치의 바로 앞에 해당하는 스탠바이 위치(도 9에 있어서 「0mm」라고 표시.)까지 이동한다. 다음으로, 셔터 소자(1)를 보이스 코일 모터(2)의 구동에 의해, 레이저광(41)의 조사를 피조사면(12)의 중앙 부근에서 수광하는 위치(도 8a 및 8b에 있어서 실선으로 나타낸 셔터 닫힘의 위치)까지 이동, 삽입하고, 레이저광(41)의 조사를 받았을 때, 셔터 소자(1)에 의한 굴절에 의해 레이저광(41)이 피가공물(7)에 조사되지 않도록 한다.(셔터를 닫힘으로 한다.) 또한, 이 시점에서는, 아직 외부 트리거의 신호 3은 엑시머 레이저(4)에 송신되어 있지 않아, 레이저광(41)의 셔터 소자(1)로의 조사는 없다.The operation timing of each part constituting the laser processing apparatus through the whole is as follows. First, the Y-
다음으로, 오퍼레이터로부터의 가공 개시 지시(신호 1)를 받고, Y축 가공 스테이지(6)가 상기 스탠바이 위치로부터 가속도 40mm/s2로 이동을 개시하여, 5mm 이동한 곳에서 20mm/s의 등속 운동이 된다. Y축 가공 스테이지(6)의 이동과 함께 그 위치에 따른 인코더로부터의 출력 신호 2를 받은 스테이지 모션 컨트롤러는, 이 5mm 이동한 시점에서 엑시머 레이저에 외부 트리거의 신호 3의 송신을 개시한다. 이때, 엑시머 레이저(4)는, 외부 트리거 발진 모드로 발진 준비하고 있고, 이 신호 3을 수신하면 레이저 발진한다.Next, upon receiving an instruction to start machining (signal 1) from the operator, the Y-
또한, 일반적인 엑시머 레이저의 경우, 외부 발진용의 TTL 신호(신호 3)를 수신하고 나서 실제의 레이저 펄스가 발진될 때까지의 지연 시간은, 약 1μs이다. 그러나, 본 실시예의 경우, 펄스 간 타임 윈도우의 5ms에 비교하여 충분히 짧아, 레이저 펄스의 온, 오프 또는 게이팅 동작에는 영향을 미치지 않는다.Further, in the case of a typical excimer laser, the delay time from receiving the external oscillation TTL signal (signal 3) to the actual laser pulse oscillation is about 1 µs. However, in the present embodiment, it is sufficiently short compared to 5 ms of the time window between pulses, so that it does not affect the on, off or gating operation of the laser pulse.
Y축 가공 스테이지(6)는, 또한 5mm의 거리를 20mm/s의 등속 운동으로 이동한다. 본 실시예에 있어서는, 이 사이에 발진한 엑시머 레이저(4)로부터의 레이저 펄스수인 50펄스분을, 셔터 닫힘의 위치(도 8a 및 8b에 있어서의 실선의 위치)에 있는 셔터 소자(1)에 의해 게이팅한다.(차단한다.) 그리고, 다음의 51펄스째로부터 게이팅을 해제하고(셔터를 열고), 이 펄스 이후를 가공에 사용한다.The Y-
이것은, 전술한 바와 같이, 안정적인 가공 정밀도를 얻기 위해, Y축 가공 스테이지(6)가 가속도 운동으로부터 등속 운동으로 변함과 동시에 발진을 개시한 레이저 펄스 중, 펄스 에너지의 불안정한 레이저 펄스를 포함하는 발진 직후의 50펄스분을 게이팅에 의해 배제하는 것이다.This is, as described above, in order to obtain stable machining precision, immediately after the oscillation including the unstable laser pulse of pulse energy among the laser pulses in which the Y-
스테이지 모션 컨트롤러는, 보이스 코일 모터(2)의 제어용 앰프에 대하여, 상기 50펄스째와 51펄스째의 사이의 펄스 간 타임 윈도우(5ms) 내에 있어서, 셔터 소자(1)를 게이팅 위치로부터 발거하기 위한 구동 신호 4를 송신한다.The stage motion controller is used to extract the
또한, 이 구동 신호 4의 송신 시각의 미(微)조정은, 51펄스째 이후의 펄스 에너지를 실측함으로써 행할 수 있다. 예를 들면, 51펄스째의 펄스 에너지가 그 뒤의 레이저 펄스(52 펄스째)에 비하여 낮은 경우에는, 51펄스째의 레이저광이 셔터 소자(1)에 간섭하고 있는(일부 조사되어 있는) 것이 생각되기 때문에, 구동 신호 4의 송신 시각을 예를 들면 1ms 스텝에서 빠르게 미조정을 행한다. 또한, 50펄스째의 펄스 에너지가 계측된 경우에는, 마찬가지로 구동 신호 4의 송신 시각을 늦추는 미조정을 행한다. 또한, 50펄스째인지 51펄스째인지의 구별은, 엑시머 레이저로의 외부 트리거인 신호 3의 펄스수 중, 가공에 사용할 예정의 레이저 펄스수(본 실시예에 있어서는 2,000펄스) 또는 셔터 소자에 의해 전반 방향이 바뀐 레이저 펄스수(본 실시예에 있어서는 50펄스)와, 그 어느 것의 펄스 에너지를 실측한 쇼트수로부터 용이하게 판단할 수 있다.The fine adjustment of the transmission time of the
Y축 가공 스테이지(6)가 가공 개시(셔터 열림)로부터 200mm 이동 후, 즉, 피가공물(7)로의 레이저 펄스의 조사수가 2,000 쇼트에 도달한 시점에서, 엑시머 레이저(4)로의 외부 발진 트리거(신호 3)를 정지한다. 그 후, X축 및 Y축 가공 스테이지가 다음의 열의 스캔 가공을 위한 스탠바이 위치로 이동하고, 그 이동의 동안, 셔터 소자를 재차 게이팅 위치로 이동한다. 이후, 동일한 동작을 반복하여, 토털 2,000×2,000 개소의 1쇼트 스캔 가공을 행한다.The external oscillation trigger to the excimer laser 4 (after the Y-
펄스 레이저 광원을 사용한 레이저 가공 장치 전반에 이용할 수 있다.It can be used in the whole laser processing apparatus using a pulsed laser light source.
1 셔터 소자
11 에지부
12 피조사면
13 고정용 지그
2 보이스 코일 모터(VCM)
3 평철 렌즈
4 엑시머 레이저
41 레이저광
42 빔 웨이스트부
5 후단 광학계(균질기 외)
6 Y축 가공 스테이지
7 피가공물1 shutter element
11 Edge
12 Irradiated surface
13 Fixing jig
2 Voice coil motor (VCM)
3 flat lens
4 excimer laser
41 Laser light
42 beam waste
5 Rear-end optical system (other than homogenizer)
6 Y-axis machining stage
7 Workpiece
Claims (11)
상기 가공 스테이지의 위치에 따른 인코더 신호에 기초하여, 임의의 수의 레이저 펄스를 발진시키기 위한 외부 트리거 신호를 발생하는 공정과,
당해 외부 트리거 신호에 기초하여 발진하는 레이저광의 횡모드 분포 형상을 성형 광학계에 의해 성형하는 공정과,
상기 셔터 소자를 출입하기 위한 구동원에 대하여, 그 동작 개시의 타이밍을 상기 외부 트리거 신호에 동기하여 결정하고 송신하는 공정을 포함하고,
상기 셔터 소자의 출입의 위치에 있어서 셔터 소자에 의해 가로질러지는 상기 성형된 레이저광의 폭 이상에 걸친 셔터 소자의 이동 거리를 D[m], 상기 구동원의 추력을 F[N], 당해 구동원에 상기 셔터 소자를 고정하기 위한 고정용 지그와 셔터 소자의 합계 질량을 M[kg]으로 했을 때, 당해 D, F, M 및 T가 관계식 (2DM/F)1/2<T를 충족하고, 또한,
상기 출입의 위치에 있어서, 상기 셔터 소자가 수광하는 레이저 펄스의 펄스 에너지 밀도가, 당해 셔터 소자의 손상 문턱값 미만인 펄스 레이저 셔터의 동작 방법.In a laser processing apparatus using a laser beam having a repetition frequency exceeding 100 [Hz] and oscillating at 1 / T [Hz], the shutter element enters and exits the optical axis of the laser beam propagating toward the workpiece placed on the processing stage. , As a method of operating a pulsed laser shutter that turns on or off or gating laser pulses irradiated to a workpiece by changing or blocking the overall direction thereof,
Generating an external trigger signal for oscillating an arbitrary number of laser pulses based on an encoder signal according to the position of the processing stage;
Forming a horizontal mode distribution shape of the laser light oscillating based on the external trigger signal by a molding optical system;
And a step of determining the timing of starting the operation in synchronization with the external trigger signal and transmitting the driving source for entering and exiting the shutter element,
The moving distance of the shutter element over the width of the formed laser beam traversed by the shutter element at the position of entry and exit of the shutter element is D [m], the thrust of the drive source is F [N], and the drive source is When the total mass of the fixing element for fixing the shutter element and the shutter element is M [kg], the D, F, M and T satisfy the relational expression (2DM / F) 1/2 <T, and
A method of operating a pulsed laser shutter in which the pulse energy density of a laser pulse received by the shutter element is less than a damage threshold value of the shutter element in the position of the entry and exit.
상기 구동원이 보이스 코일 모터인 펄스 레이저 셔터의 동작 방법.According to claim 1,
A method of operating a pulse laser shutter, wherein the driving source is a voice coil motor.
상기 셔터 소자가 레이저광의 파장에 대하여 투명한 부재로 이루어지는 소자인 펄스 레이저 셔터의 동작 방법.The method according to claim 1 or 2,
A method of operating a pulse laser shutter, wherein the shutter element is an element made of a member transparent to the wavelength of laser light.
상기 셔터 소자가 레이저광의 파장에 대하여 이것을 반사하는 부재로 이루어지는 소자인 펄스 레이저 셔터의 동작 방법.The method according to claim 1 or 2,
A method of operating a pulsed laser shutter, wherein the shutter element is an element composed of a member that reflects it with respect to the wavelength of the laser light.
레이저광의 횡모드 분포 형상을 성형하는 성형 광학계와,
레이저광의 전반 방향을 변경 또는 차단하는 셔터 소자와,
당해 셔터 소자를 광로에 출입하기 위한 구동원과,
적어도, 펄스 레이저 광원과 상기 가공 스테이지와 상기 구동원의 동작을 제어하는 신호의 송수신을 행하는 타이밍 컨트롤러를 갖고,
당해 타이밍 컨트롤러는, 상기 가공 스테이지의 위치에 따른 인코더 신호에 기초하여, 당해 가공 스테이지와 상기 펄스 레이저 광원과 상기 구동원에 신호를 송신하는, 펄스 레이저 셔터.In a laser processing apparatus using a pulsed laser light, as a pulsed laser shutter that turns on, off or gates a laser pulse propagating toward a workpiece placed on a processing stage in units of pulses,
A shaping optical system for shaping the transverse mode distribution of the laser light;
A shutter element that changes or blocks the overall direction of the laser light,
A driving source for entering and exiting the shutter element from the optical path;
At least, it has a pulsed laser light source and a timing controller for transmitting and receiving signals for controlling the operation of the processing stage and the driving source,
The timing controller transmits signals to the processing stage, the pulse laser light source, and the driving source based on an encoder signal corresponding to the position of the processing stage.
상기 구동원이 보이스 코일 모터인 펄스 레이저 셔터.The method of claim 5,
The pulse laser shutter is a voice coil motor.
상기 셔터 소자가 레이저광의 파장에 대하여 투명한 부재로 이루어지는 소자인 펄스 레이저 셔터.The method according to claim 5 or 6,
A pulsed laser shutter, wherein the shutter element is made of a member transparent to the wavelength of laser light.
상기 셔터 소자가 레이저광의 파장에 대하여 이것을 반사하는 부재로 이루어지는 소자인 펄스 레이저 셔터.The method according to claim 5 or 6,
A pulse laser shutter, which is an element in which the shutter element is a member that reflects it with respect to the wavelength of the laser light.
상기 펄스 레이저 광원이 엑시머 레이저인 펄스 레이저 셔터.The method according to claim 5 or 6,
A pulse laser shutter in which the pulse laser light source is an excimer laser.
상기 펄스 레이저 광원이 엑시머 레이저인 펄스 레이저 셔터.The method of claim 7,
A pulse laser shutter in which the pulse laser light source is an excimer laser.
상기 펄스 레이저 광원이 엑시머 레이저인 펄스 레이저 셔터.The method of claim 8,
A pulse laser shutter in which the pulse laser light source is an excimer laser.
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