KR20200064897A

KR20200064897A - 레이저 가공 장치 및 피가공물의 가공 방법

Info

Publication number: KR20200064897A
Application number: KR1020190137305A
Authority: KR
Inventors: 다카히사 하야시
Original assignee: 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-06-08
Also published as: CN111230289A; TW202022409A; JP2020082162A

Abstract

[과제] 레이저 빔의 조사 범위를 바람직하게 제어하면서 피가공물을 가공한다.
[해결 수단] 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치가, 레이저 빔을 출사 가능한 광원과, 광원으로부터 출사되는 레이저 빔의 광축 상에 배치된 쌍곡면 렌즈를 구비하고, 레이저 빔의 빔 지름을 D라고 할 때, 쌍곡면 렌즈의 쌍곡면의 곡률 반경이 0.15D~0.4D가 되는 값을 가지며, 레이저 빔이 쌍곡면 렌즈에 의해서 집광되는 것에 의해 형성되는, 레이저 빔의 강도가 소정의 가공 문턱값 이상이 되는 가공 가능 강도역에, 피가공물의 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 가공 장치 및 피가공물의 가공 방법{Laser Processing Apparatus and Processing Method of Processed Products}

본 발명은, 피가공물을 레이저 빔에 의해서 가공하는 장치에 관한 것이다.

레이저 빔을 피가공물에 조사하는 것에 의해서 피가공물에 대해 분단, 천공, 홈 형성 등의 여러 가지의 가공을 행하는 것은, 종래부터 넓리 행해지고 있다. 그 하나로서 베셀(Bessel)형의 레이저 빔을 이용하는 형태가 이미 공지되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1 : 일본 공개특허 제2017-64795호 공보

피가공물에 대해 일방의 표면측으로부터 레이저 빔을 조사하고, 깊이 방향의 소정 범위를 동시에 가공하는 경우에 있어서, 어느 깊이 이상의 부분에 대해서는 가공을 행하고 싶지 않은, 혹은 비록 가공이 되지 않는다고 해도, 어떠한 악영향이 생길 가능성을 염려하여, 레이저 빔이 조사되는 것을 피하고 싶다고 하는 니즈(needs)가 있다.

특허문헌 1에는, 엑시콘 렌즈(Axicon lens)를 이용하여 베셀형 레이저 빔을 생성시키는 취지 및 베셀형 레이저 빔의 전반(傳搬) 방향에 있어서의 플루엔스(Fluence) 변화에 있어서 소정의 문턱값 이상의 범위로서 특정되는, 광학적 절연 파괴가 생기는 범위인 최대 손상 깊이와, 피가공물인 층상(層狀) 유리의 두께와의 대소 관계에 근거하여, 층상 유리의 절단 범위가 정해지는 취지가 개시되어 있다.

그렇지만, 특허문헌 1에는, 레이저 빔의 전반 방향에 있어서의 확대 그 자체를 조정하는 것에 의해, 피가공물에서의 가공 범위를 조정하는 형태에 대해서는, 아무런 개시도 시사도 되어 있지 않다.

본 발명은, 상기 과제에 감안하여 이루어진 것에 의해, 레이저 빔의 조사 범위를 바람직하게 제어하면서 피가공물을 가공하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1 발명은, 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치로서, 상기 레이저 빔을 출사 가능한 광원과, 상기 광원으로부터 출사되는 상기 레이저 빔의 광축 상에 배치된 쌍곡면 렌즈를 구비하고, 상기 레이저 빔의 빔 지름을 D라고 할 때, 상기 쌍곡면 렌즈의 쌍곡면의 곡률 반경이 0.15D~0.4D가 되는 값을 가지며, 상기 레이저 빔이 상기 쌍곡면 렌즈에 의해서 집광되는 것에 의해 형성되는, 상기 레이저 빔의 강도가 소정의 가공 문턱값 이상이 되는 가공 가능 강도역(强度域)에, 상기 피가공물의 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2 발명은, 청구항 1에 기재된 레이저 가공 장치로서, 상기 광원과 상기 쌍곡면 렌즈의 사이에 배치되며, 0.6D~0.9D가 되는 값의 개구 지름을 가지는 개구 조리개를 더 구비하고, 상기 개구 조리개에 의해서 상기 빔 지름이 좁혀진 상기 레이저 빔이 상기 쌍곡면 렌즈에 의해서 집광되는 것에 의해 형성되는 상기 가공 가능 강도역에, 상기 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 한다.

청구항 3 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 레이저 가공 장치로서, 상기 쌍곡면 렌즈와 상기 피가공물의 배치 위치와의 사이에 배치되며, 상기 가공 가능 강도역을 축소 재결상시키는 축소 렌즈를 더 구비하고, 상기 축소 렌즈에 의해서 축소 재결상된 상기 가공 가능 강도역에, 상기 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 한다.

청구항 4 발명은, 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 방법으로서, 소정의 광원으로부터 출사되는, 빔 지름 D의 레이저 빔의 광축 상에, 쌍곡면의 곡률 반경이 0.15D~0.4D가 되는 값인 쌍곡면 렌즈를 배치하고, 상기 레이저 빔이 상기 쌍곡면 렌즈에 의해서 집광되는 것에 의해 형성되는, 상기 레이저 빔의 강도가 소정의 가공 문턱값 이상이 되는 가공 가능 강도역에, 상기 피가공물의 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 한다.

청구항 5 발명은, 청구항 4에 기재된 피가공물의 가공 방법으로서, 상기 광원과 상기 쌍곡면 렌즈의 사이에, 0.6D~0.9D가 되는 값의 개구 지름을 가지는 개구 조리개를 배치하고, 상기 개구 조리개에 의해서 상기 빔 지름이 좁혀진 상기 레이저 빔이 상기 쌍곡면 렌즈에 의해서 집광되는 것에 의해 형성되는 상기 가공 가능 강도역에, 상기 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 한다.

청구항 6 발명은, 청구항 4 또는 청구항 5에 기재된 피가공물의 가공 방법으로서, 상기 쌍곡면 렌즈와 상기 피가공물의 배치 위치와의 사이에 상기 가공 가능 강도역을 축소 재결상시키는 축소 렌즈를 배치하고, 상기 축소 렌즈에 의해서 축소 재결상된 상기 가공 가능 강도역에, 상기 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서, 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 한다.

청구항 1 내지 청구항 6 발명에 의하면, 레이저 빔이 집광되는 것에 의해서 형성되는 가공 가능 강도역을 소정의 범위로 제한하면서, 한번의 레이저 빔의 출사에 의해, 깊이 방향에서 가공 대상 영역 전체를 동시에 가공할 수 있다.

특히, 청구항 3 및 청구항 6 발명에 의하면, 단위 면적당의 강도가 큰 가공 강도 가능역을 국소적으로 형성하는 것이 가능해짐과 아울러, 가공 장치의 작동 거리를 크게 할 수 있다.

도 1은 쌍곡면 렌즈(1)를 이용한 레이저 빔의 집광에 대해서 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 레이저 빔(LBa0)의 빔 지름 d1을 11(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 3.5(mm)로 했을 때의, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 레이저 빔(LBb0)의 강도(임의 단위：a.u.)와의 관계에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 레이저 빔(LBa0)의 빔 지름 d1을 3(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 1.0(mm)로 했을 때의, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 레이저 빔(LBb0)의 강도(임의 단위：a.u.)와의 관계에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 모식적으로 나타낸 레이저 빔(LBb0)을 집광시키는 구성에, 개구 조리개(3)를 추가한 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 레이저 빔(LB)의 빔 지름 d1을 11(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 3.5(mm)로 하며, 개구 조리개(3)의 조건을 달리했을 때의, 각각의 레이저 빔(LB)에 대한 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 강도와의 관계에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 레이저 빔(LB)의 빔 지름 d1을 3(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 1.0(mm)로 하며, 개구 조리개(3)의 조건을 달리했을 때의, 각각의 레이저 빔(LB)에 대한 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 강도와의 관계에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 레이저 가공 장치(100)의 구성의 일례를, 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 도 5에 나타낸 구성에, 초점 거리 f=27(mm)인 축소 렌즈(5)를 부가한 구성에서의, 축소 렌즈(5)로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 레이저 빔의 강도와의 관계에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6에 나타낸 구성에, 초점 거리 f=27(mm)인 축소 렌즈(5)를 부가한 구성에서의, 축소 렌즈(5)로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 레이저 빔의 강도와의 관계에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

< 쌍곡면 렌즈에 의한 레이저 빔의 집광과 가공에의 이용 >

도 1은, 쌍곡면 렌즈(1)를 이용한 레이저 빔의 집광에 대해서 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 1은, 광원(2)으로부터 빔 지름 d1의 레이저 빔(LB(LBa0))이 출사되고, 쌍곡면 렌즈(1)에 입사될 때의, 쌍곡면 렌즈(1)에 의한 레이저 빔(LB(LBb0))의 집광의 모습을 나타내고 있다.

이후에는, 광원(2)으로부터 레이저 빔(LBa0)이 출사될 때의 축 중심을, 광축(AX)이라고 하고, 광축(AX)의 연장하는 방향을 광축 방향이라고 한다. 또한, 레이저 빔(LB)은 가우시안 빔이며, 본 실시의 형태에서는, 그 1/e² 폭(강도값이 최대 강도의 1/e²배 이상이 되는 범위)을 레이저 빔(LB)의 빔 지름이라고 한다.

레이저 빔(LB)으로서는, 가공 대상물에 따라 여러 가지의 레이저 빔을 선택할 수 있지만, 예를 들면, 유리, 세라믹스, 반도체 등의 취성 재료를 가공하는 레이저 빔으로서는, 예를 들면, 펄스 폭(펄스 지속 시간)이 100ps 이하, 바람직하게는 50ps 이하(통상은 1ps 이상)의 적외 레이저 빔, 특히 근적외 레이저 빔(예를 들면 파장 1064nm)을 사용할 수 있으며, 예를 들면 코히런트(Coherent)사제 하이퍼 라피드(HyperRapid)(파장 1064nm, 펄스 폭 15ps, 평균 출력 50W)가 예시된다.

쌍곡면 렌즈(1)는, 일방(一方)단(端)측에 평탄면(1a)를 가지고, 타방단측에 쌍곡면(1b)을 가지는 렌즈이다. 쌍곡면 렌즈(1)를, 그 중심축을 광축(AX)에 일치시키는 형태로(쌍곡면(1b)의 정점(1S)이 광축(AX) 상에 위치하는 형태로) 배치한 상태에서, 광원(2)으로부터 출사 시킨 레이저 빔(LBa0)을 쌍곡면 렌즈(1)의 평탄면(1a)에 대해 수직하게 입사시키면, 쌍곡면(1b)으로부터 출사되는 레이저 빔(LB(LBb0))은, 이 쌍곡면(1b)의 경사(접선의 기울기)에 따른 출사각으로 광축(AX)을 향해서 경사시켜진다. 이것에 의해, 레이저 빔(LBb0)은, 광축(AX) 상에서 집광되게 된다.

도 2는, 이러한 집광의 모습을 확인할 수 있도록 행한, 레이저 빔(LBa0)의 빔 지름 d1을 11(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 3.5(mm)로 했을 때의, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 레이저 빔(LBb0)의 강도(임의 단위：a.u.)와의 관계에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타내는 도면이다.

마찬가지로, 도 3은, 레이저 빔(LBa0)의 빔 지름 d1을 3(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 1.0(mm)로 했을 때의, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 레이저 빔(LBb0)의 강도(임의 단위：a.u.)와의 관계에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타내는 도면이다.

또한 본 실시의 형태에 대해 나타내는 시뮬레이션 결과를 얻는데 있어서는, 레이저 빔(LB)의 파장은 1064(nm)로 하고 있다.

쌍곡면(1b)의 서로 다른 위치로부터 출사된 레이저 빔(LBb0)은 원리상, 도 1에 나타내는 것과 같이, 광축(AX) 상의 소정 위치인 집광점(F)에서 핀 포인트로, 강도가 최대가 되도록 집광된다.

그런데, 도 2 및 도 3에 나타낸 결과에 의하면, 레이저 빔(LBa0)을 쌍곡면 렌즈(1)에 입사시키는 것에 의해서 얻어지는 레이저 빔(LBb0)의 프로파일은, 개략적으로, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)에 가까운 측으로부터 차례로, 정점(1S)으로부터 이격됨에 따라 레이저 빔(LBb0)의 강도가 급격하게 증대하는 증대 영역(RE1)과, 강도가 대체로 최대로 유지되고 변동도 작은 고강도 영역(RE2)과, 정점(1S)으로부터 이격됨에 따라 레이저 빔(LBb0)의 강도가 완만하게 감소하는 감소 영역(RE3)이라고 하는 3개의 영역으로 대별(大別)된다.

특히, 도 2 및 도 3에 나타내는 프로파일 모두, 고강도 영역(RE2)은 광축 방향에서 수(mm)~10(mm) 정도의 비교적 넓은 범위를 가지고 있고, 집광점(F)에 대해서는 명확하게는 특정하기 어려운 것으로 되어 있다.

본 발명의 발명자가 예의 검토한 바, 레이저 빔(LBa0)의 빔 지름 d1이 D일 때, 쌍곡면 렌즈(1)의 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 0.15D~0.4D로 하면, 이러한 mm 오더의 고강도 영역(RE2)이 형성된다고 하는 지견(知見)을 얻을 수 있었다.

본 실시의 형태에서는, 이러한 고강도 영역(RE2)과 같은, 레이저 빔(LBb0)을 쌍곡면 렌즈(1)에 의해서 집광하는 것에 따르는 광축 방향에 따른 강도가 큰 영역의 형성을, 피가공물의 깊이 방향에서의 가공에 이용한다. 또한 본 실시의 형태에서는, 피가공물의 가공이란, 변질 영역의 형성이 예시되지만, 어블레이션(ablation)에 의한 홈 형성 등, 다른 가공 형태라도 된다.

도 2 및 도 3에 나타내는 결과는, 어떤 빔 지름 d1인 레이저 빔(LBa0)을 쌍곡면 렌즈(1)에 입사시키는 것에 의해서 광축 상에 집광되는 레이저 빔(LBb0)의 강도가, 소정의 가공 문턱값(피가공물에 소정의 가공을 행하는데 필요한 레이저 빔의 강도의 최소값) 이상이 되는 범위(이하, 가공 가능 강도역)에서, 균질인 가공을 동시에 행하는 것이, 적어도 원리적으로는 가능한 것을 교시(敎示)한다. 또한 가공 가능 강도역과 고강도 영역(RE2)과는 반드시 일치할 필요는 없다.

즉, 레이저 빔(LBa0)의 출력 및 빔 지름 d1을 적절하게 선택하고, 이 빔 지름 d1의 크기에 따른 형상(곡률 반경)의 쌍곡면(1b)을 가지는 쌍곡면 렌즈(1)를 채용하는 것에 의해서, 레이저 빔(LBb0)의 가공 가능 강도역에 피가공물에서의 가공 대상 영역이 포함되도록 하면, 한번의 레이저 빔(LBa0)의 출사에 의해, 깊이 방향에서 가공 대상 영역 전체를 동시에 가공하는 것이 가능하게 된다.

레이저 빔(LBa0)의 파장, 출력, 빔 지름 d1 및 쌍곡면 렌즈의 곡률 반경 등은, 피가공물의 종류에 따라 적절하게 선택되어도 된다.

또한 실제로 피가공물을 가공할 때 , 피가공물의 굴절률 n도 고려하여, 가공 가능 강도역에 피가공물에서의 가공 대상 영역이 포함되도록 할 필요가 있다.

< 레이저 빔의 조사 범위의 제한 >

위에서 설명한 바와 같이, 쌍곡면 렌즈(1)를 이용하여 레이저 빔(LBb0)을 집광하는 것에 의해, 피가공물의 깊이 방향에 대해 동시 가공이 가능하게 되는데, 한편으로, 가공 가능 강도역에는 해당하지 않기 때문에 가공은 되지 않지만, 레이저 빔(LBb0) 자체는 약하면서도 조사되는 영역이 존재한다. 이러한 조사에 기인한 어떠한 악영향이 생길 가능성을 염려하여, 이러한 영역에 레이저 빔(LBb0)이 조사되는 것을 피하고 싶다고 하는, 기술상의 요청이 있다.

본 실시의 형태에서는, 이러한 요청에 대해, 개구 조리개를 이용하여 레이저 빔(LBb0)의 조사 범위를 한정하는 것에 의해서 대응한다.

도 4는, 도 1에 모식적으로 나타낸 레이저 빔(LBb0)을 집광시키는 구성에, 개구 조리개(3)를 추가한 구성을 나타내는 도면이다.

개구 조리개(3)는, 광축 방향에 대해 광원(2)과 쌍곡면 렌즈(1)과의 사이에 배치된다. 개구 조리개(3)로서는, 개구 지름 φ이 레이저 빔(LBa0)의 빔 지름 d1보다도 작은 것이 이용된다.

이러한 형태로 개구 조리개(3)가 배치됨으로써, 쌍곡면 렌즈(1)의 평탄면(1a)에 실제로 입사하는 레이저 빔(LBa1)의 빔 지름 d3은, 광원(2)으로부터 출사된 시점에서의 레이저 빔(LBa0)의 빔 지름 d1보다도 좁혀진다(작아진다). 이러한 경우, 레이저 빔(LBb1)의 프로파일 형상에는, 특히, 감소 영역(RE3)에서의 형상에는, 차이가 생긴다.

도 5는, 이러한 집광의 모습을 확인할 수 있도록 행한, 레이저 빔(LBa1)의 빔 지름 d1을 11(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 3.5 (mm)로 하며, 개구 조리개(3)를 마련하지 않는 경우와, 개구 조리개(3)의 개구 지름 φ을 7(mm), 8(mm), 10(mm), 및 11(mm)의 4 수준으로 다르게 했을 때의, 각각의 레이저 빔(LBb1)에 대한, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 강도(임의 단위：a.u.)와의 관계에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타내는 도면이다. 또한 개구 조리개(3)를 마련하지 않는 경우의 프로파일은, 도 2에 나타낸 레이저 빔(LBb0)의 프로파일과 동일하다.

마찬가지로 도 6은, 레이저 빔(LBa1)의 빔 지름 d1을 3(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 1.0(mm)로 했을 때의, 개구 조리개(3)를 마련하지 않는 경우와, 개구 조리개(3)의 개구 지름 φ을 2.2(mm), 2.5(mm), 3(mm), 3.5(mm), 4(mm), 및 5(mm)의 6 수준으로 다르게 했을 때의, 각각의 레이저 빔(LBb1)에 대한, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 강도(임의 단위：a.u.)와의 관계에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타내는 도면이다. 또한 개구 조리개(3)를 마련하지 않는 경우의 결과는, 도 3에 나타낸 레이저 빔(LBb0)의 프로파일과 동일하다.

도 5 및 도 6의 경우 모두, 증대 영역(RE1)과 고강도 영역(RE2)에 대해서는, 개구 조리개(3)를 마련하지 않는 경우의 프로파일 형상이 개구 조리개(3)를 마련했을 경우에서도 유지되고 있는데 대해서, 감소 영역(RE3)에서는, 개구 조리개(3)를 마련하지 않는 경우의 완만한 감소와는 다르게, 소정의 위치에서 레이저 빔(LBb1)의 강도가 급격하게 감쇠하고, 이 위치보다 더 먼 곳에서는, 제로로 되어 있다. 즉, 레이저 빔(LBb1)가 컷되어 있다. 또한, 개구 지름 φ의 값을 작게 할수록, 감쇠 위치는 쌍곡면 렌즈(1)에 가까워지고 있다.

이것을 이용하면, 레이저 빔(LBb1)을 이용하여 피가공물을 깊이 방향의 소정 범위에 대해서 가공하는 경우에, 가공 대상 영역보다도 깊은 위치까지 레이저 빔(LBb1)이 조사되는 것을, 바람직하게 억제할 수 있다.

예를 들면, 도 5에 나타내는 빔 지름 d1이 11(mm)인 경우에서, 강도가 150(a.u.) 이상의 범위를 가공 가능 강도역으로 했을 경우, 개구 조리개(3)의 개구 지름 φ을 7(mm)로 하면, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 거리가 약 20(mm)인 위치가 레이저 빔(LBb)의 감쇠 위치가 되고, 이 위치보다 더 먼 곳에는, 레이저 빔(LBb)은 조사되지 않는다. 그리고, 증대 영역(RE1)의 일부를 포함하는 당해 거리가 8.5(mm)~ 약 20(mm)인 범위가, (피가공물의 굴절률을 고려하지 않는 경우의) 가공 가능 강도역(P1)이 된다.

마찬가지로, 도 6에 나타내는 빔 지름 d1이 3(mm)인 경우에서, 강도가 700(a.u.) 이상의 범위를 가공 가능 강도역으로 했을 경우, 개구 조리개(3)의 개구 지름 φ을 2.2(mm)로 하면, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터의 거리가 약 6.2(mm)인 위치가 레이저 빔(LBb)의 감쇠 위치가 되고, 당해 위치보다 더 먼 곳에는, 레이저 빔(LBb)은 조사되지 않는다. 그리고, 감소 영역(RE3)의 일부를 포함하는 당해 거리가 2.5(mm)~ 약 6.2(mm)인 범위가, (피가공물의 굴절률을 고려하지 않는 경우의) 가공 가능 강도역(P2)이 된다.

이들 5 및 도 6에 나타내는 결과로부터는, 어떤 빔 지름 d1인 레이저 빔(LBa0)을 소정의 개구 지름 φ의 개구 조리개(3)에서 좁힌 후에 쌍곡면 렌즈(1)에 입사시키고, 이것에 의해서 쌍곡면 렌즈(1)로부터 출사되는 레이저 빔(LBb1)을, 피가공물의 소정 위치에서 집광하면, 광축 방향에 상당하는 피가공물의 깊이 방향에서, 레이저 빔(LBb1)의 가공 가능 강도역을 개구 지름 φ에 따른 소정 범위로 제한하고, 당해 소정 범위에서는 균질인 가공(예를 들면, 변질 영역의 형성)을 동시에 행하는 한편으로, 당해 소정 범위보다 더 먼 곳에는 레이저 빔(LBb1)을 조사시키지 않도록 하는 것이, 적어도 원리적으로는 가능하다는 것이 교시된다.

본 발명의 발명자가 예의 검토한 바, 레이저 빔(LBa0)의 빔 지름 d1을 D로 하고, 쌍곡면 렌즈(1)의 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 0.15D~0.4D로 할 때, 개구 조리개(3)의 개구 지름 φ을 0.6D~0.9D로 하는 것에 의해서, 레이저 빔(LBb1)의 가공 가능 강도역을 개구 지름 φ에 따른 소정 범위로 제한할 수 있다라는 지견을 얻을 수 있었다.

즉, 레이저 빔(LBa0)의 출력 및 빔 지름 d1과, 쌍곡면 렌즈(1)의 쌍곡면(1b)의 곡률 반경과, 개구 조리개(3)의 개구 지름 φ을 적절하게 선택하고, 또한, 피가공물의 굴절률 n도 고려하면서 피가공물에서의 가공 대상 영역의 위치를 적절하게 조정하는 것에 의해서, 한번의 레이저 빔(LBa0)의 출사에 의해, 깊이 방향에서 가공 대상 영역 전체를 동시에 가공하는 한편으로, 가공 대상 영역보다 더 먼 곳에는 레이저 빔(LBb1)을 조사시키지 않는 것이, 가능하게 된다.

< 장치 구성예 >

도 7은, 이상과 같은 원리에 근거하여 피가공물(W)의 가공을 행하는 레이저 가공 장치(100)의 구성의 일례를, 모식적으로 나타내는 도면이다.

레이저 가공 장치(100)는, 위에서 설명한 쌍곡면 렌즈(1), 광원(2), 및 개구 조리개(3)에 더하여, 스테이지(4)와 축소 렌즈(5)를 주된 구성 요소로서 더 구비한다.

스테이지(4)는, 피가공물(W)이 재치(載置) 고정되는 수평인 피재치면을 가지고 있다. 그리고, 레이저 가공 장치(100)에서는, 스테이지(4)에 재치된 피가공물(W)에 대해서 연직 상방(上方)으로부터, 쌍곡면 렌즈(1)에 의해서 집광된 레이저 빔(LBb2)이 조사되도록 되어 있다. 그러므로, 쌍곡면 렌즈(1), 광원(2), 및 개구 조리개(3)는, 도 4에 나타낸 서로의 배치 관계를 충족시키면서도 광축 방향이 연직 방향과 일치하도록 배치되어 있다. 여기서, 이러한 배치가 이루어진 결과로서, 광원(2)으로부터 연직 하방(下方)을 향해서 출사되는 레이저 빔(LBa2)이, 개구 조리개(3)에 의해서 좁혀져 레이저 빔(LBa3)으로서 쌍곡면 렌즈(1)에 입사하고, 이것에 의해 쌍곡면 렌즈(1)로부터 출사된 레이저 빔(LBb2)이 집광되는 것에 의해서, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터 거리 z1만큼 이격된 위치를 기점(起點)으로 하는 길이 S1의 범위에, 최대폭 w1의 가공 가능 강도역(RE4)이 형성되는 것으로 한다.

바람직하게는, 스테이지(4)는, 도시하지 않는 구동 기구에 의해서 구동되는 것에 의해, 수평면 내에서의 병진 이동(2축 이동) 및 회전 이동과, 연직 방향에서의 승강 이동이 가능하게 마련된다. 이것에 의해, 피가공물(W)에서의 가공 대상 영역의 위치 결정이나, 피가공물(W)을 이동시키면서 가공을 행하는 주사 가공 등이 가능하게 된다.

다만, 레이저 가공 장치(100)에서는, 위에서 설명한 형태로 집광된 레이저 빔(LBb2)이 이루는 가공 가능 강도역(RE4)이 직접 피가공물(W)의 가공에 기여하지 않고, 축소 렌즈(5)를 포함하는 축소 광학계에서 축소 재결상된 2차 가공 가능 강도역(RE4α)이, 피가공물(W)의 가공에 기여하게 되어 있다.

축소 렌즈(5)는, 쌍곡면 렌즈(1)와 스테이지(4)의 사이에(보다 상세하게는, 피가공물(W)이 스테이지(4)에 재치 고정된 상태에서는 피가공물(W)과 쌍곡면 렌즈(1)의 사이에 위치하도록 배치되어 있다.

보다 상세하게는, 축소 렌즈(5)의 초점 거리를 f로 하고, 가공 가능 강도역(RE4)의 형성 위치와 축소 렌즈(5)와의 거리를 a로 하며, 축소 렌즈(5)와 2차 가공 가능 강도역(RE4α)의 형성 위치와의 거리를 b(＜a)로 하고, 1/f=(1/a)＋(1/b)가 되는 관계를 충족시키는 경우, 가공 가능 강도역(RE4)이 축소 재결상되는 것에 의해서, 길이 S2=(b/a)²S1인 범위에 최대폭 w2=(b/a)w1를 가지는 2차 가공 가능 강도역(RE4α)이 형성된다.

다만, 가공 가능 강도역(RE4)에서의 레이저 빔(LBb2)의 에너지는 2차 가공 가능 강도역(RE4α)에서도 실질적으로 유지되기 때문에, 2차 가공 가능 강도역(RE4α)의 단위 면적당의 강도는 가공 가능 강도역(RE4)의 강도보다도 크게 되어 있다.

즉, 레이저 가공 장치(100)에서는, 축소 재결상을 행하지 않는 경우에 비해서, 가공 가능 강도역(RE4)에서의 단위 면적당의 강도가 보다 큰 레이저 빔(LBb2)을, 국소적으로 (핀 포인트로) 조사하는 것이 가능하게 되어 있다.

이것은, 가공 가능 강도역에 인접하는, 강도가 소정의 가공 문턱값에 미치지 않는 영역이 보다 좁혀지는 것을 의미하고 있다. 이것에 의해, 가공 대상 영역 이외에 강도가 약한 레이저 빔(LBb)이 조사되어 버리는 것에 기인한 문제의 발생이 바람직하게 억제된다.

또한, 2차 가공 가능 강도역(RE4α)에서의 레이저 빔(LBb2)의 강도가 가공 문턱값을 초과하여 있기만 하면 가공은 이루어지므로, 단위 면적당의 강도가 큰 만큼, 가공 가능 강도역(RE4)에서 피가공물(W)의 가공에 이용하는 경우에 비해서, 광원(2)으로부터 출사시키는 레이저 빔(LBa2)의 출력을 작게 했다고 해도, 원하는 가공 가능 강도역을 얻을 수 있다.

예를 들면, 도 6에 의하면, 광원(2)으로부터 출사되는 레이저 빔(LB2)의 빔 지름이 3(mm)인 경우, 만일 개구 조리개(3)로서 개구 지름 φ이 2.2(mm)인 것을 이용했다고 해도, 가공 가능 강도역(RE4)의 광축 방향에서의 길이 S1는 4(mm)~5(mm) 정도가 된다(피가공물(W)의 굴절률은 고려하지 않음). 그러므로, 피가공물(W)의 두께가 1(mm) 정도이면, 조사 불필요한 범위에까지 레이저 빔(LBb)이 조사되어 버리게 되지만, 레이저 가공 장치(100)에서는, 축소 렌즈(5)의 초점 거리 f 및 배치 위치를 바람직하게 정하는 것에 의해, 2차 가공 가능 강도역(RE4α)의 깊이 방향에서의 길이 S2를 피가공물(W)의 두께와 동일한 1(mm) 정도로 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 레이저 가공 장치(100)에서는, 예를 들면 도 7에 나타내는 것과 같이, 피가공물(W) 내부의, 표면으로부터 소정의 거리 z3 이격된 위치보다 더 먼 곳이 가공 대상 영역으로 되는 경우라도, 바람직하게 가공을 행하는 것이 가능하게 된다. 이러한 경우에서는, 피가공물(W)의 표면으로부터 거리 z3인 범위에, 레이저 빔(LBb2)이 실질적으로 조사되지 않는 가공도 가능하다.

바람직하게는, 축소 렌즈(5)는, 도시하지 않는 구동 기구에 의해서, 연직 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 이러한 경우, 피가공물의 두께가 얇은 경우 등, 피가공물이 깊이 방향에서의 가공 대상 영역의 사이즈가 작은 경우에도, 축소 렌즈(5)를 이동시키는 것에 의해서 거리 a, b의 비율을 적절하게 조정하는 것에 의해, 당해 가공 대상 영역만을 가공 가능 강도역과 일치시켜 가공을 행할 수 있는 것을 의미하고 있다.

또한 광원(2)으로부터 출사되는 레이저 빔(LBa2)의 빔 지름을 작게 하는 것이나, 개구 조리개(3)의 개구 지름 φ을 작게 하는 것에 의해서, 가공 가능 강도역을 좁히는 형태도 생각할 수 있다. 그렇지만, 전자에 대해서는, 실용되는 가공용 레이저 빔의 빔 지름의 하한값이 대체로 2(mm)~3(mm)인 것을 고려하면 현실적이지 않다. 또한, 후자에 대해서는, 개구 지름 φ을 너무 작게 하면, 도 5 및 도 6에 나타내는 강도 프로파일에서, 피크 근방 나아가서는 피크 부분 그 자체를 컷하게 되어, 코스트면이나, 광학 부품에의 데미지 등의 점에서 바람직하지 않다.

한편으로, 축소 렌즈(5)를 이용하는 것은, 피가공물(W)과 쌍곡면 렌즈(1)와의 거리를 확보하는 효과도 있다. 즉, 도 2 및 도 3으로부터 알수 있듯이, 빔 지름이 수(mm) 정도의 레이저 빔(LB2)을 쌍곡면 렌즈(1)에 입사시키는 것에 의해서 형성되는 고강도 영역(RE2)이 최대 강도가 되는 것은, 쌍곡면 렌즈(1)의 정점(1S)으로부터 겨우 수(mm)~수십(mm) 정도 이격된 위치에 지나지 않기 때문에, 가공 가능 강도역(RE4)을 그대로 가공에 이용하는 경우, 장치의 작동 거리가 충분히 확보되지 않고, 피가공물(W)에서의 가공 대상 영역의 위치 및 범위에 따라서는, 가공의 실시 그 자체가 불가능 혹은 곤란한 경우가 있다. 혹은, 가공시에 생기는 비산물이 쌍곡면 렌즈(1)에 부착하여 버리는 등의 문제가 생길 가능성도 있다.

이것에 대해, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)에서는, 축소 렌즈(5)를 이용하는 것에 의해서, 피가공물(W)과 근접하는 것은 쌍곡면 렌즈(1)가 아니라 축소 렌즈(5)가 되지만, 거리 a, 거리 b 및 초점 거리 f를 바람작하게 정하는 것에 의해서, 장치의 작동 거리를 충분히 확보하는 것이 가능하다.

도 8은, 도 5에 나타낸, 레이저 빔(LBa1)의 빔 지름 d1을 11(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 3.5(mm)로 하며, 개구 조리개(3)의 개구 지름 φ을 7(mm) 및 8(mm)로 한 구성에, 초점 거리 f=27(mm)인 축소 렌즈(5)(두께 0의 무수차 렌즈)를 부가한 구성에 의해서, b/a의 값을 대략 1/4로 하여 축소 재결상한 레이저 빔(LBb2)의, 축소 렌즈(5)로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 강도(임의 단위：a.u.)와의 관계에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

또한, 도 9는, 도 6에 나타낸, 레이저 빔(LBa1)의 빔 지름 d1을 3(mm)로 하고, 쌍곡면(1b)의 곡률 반경을 1.0(mm)로 하며, 개구 조리개(3)의 개구 지름 φ을 2.2(mm), 3(mm), 4(mm)로 한 구성에, 초점 거리 f=27(mm)인 축소 렌즈(5)(두께 0의 무수차 렌즈)를 부가한 구성에 의해서, b/a의 값을 대략 1/4로 하여 축소 재결상한 레이저 빔(LBb2)의, 축소 렌즈(5)로부터의 광축(AX) 상에서의 거리와 광축(AX)의 위치에서의 강도(임의 단위：a.u.)와의 관계에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 8 및 도 9 모두에서, 프로파일의 폭은 겨우 1(mm)라고 하는, 도 5 및 도 6에 나타낸 프로파일에 비해서 충분히 작은 ((1/4)²=1/16 정도의) 값으로 되어 있다. 한편으로, 최대 강도는, 도 5 및 도 6에 나타낸 프로파일의 최대 강도에 비해서 충분히 큰 (16배 정도의) 값으로 되어 있다.

또한 도 8 및 도 9에서는 프로파일의 시작이 도 5 및 도 6에 나타낸 프로파일보다도 완만하게 되어 있지만, 이것은, 축소 렌즈(5)가 없는 경우에 비해서 수차의 영향이 크기 때문이라고 생각되어진다.

또한, 축소 렌즈로부터의 33.7(mm)~33.8(mm) 정도 떨어진 위치에서, 강도가 최대로 되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 작동 거리가 충분히 확보되는 것을 의미한다.

이상, 설명한 것과 같이, 본 실시의 형태에 의하면, 쌍곡면 렌즈에 레이저 빔을 입사시켜 레이저 빔을 집광하는 것에 의해, 피가공물의 깊이 방향에 대해 동시 가공이 가능하게 된다. 레이저 빔의 빔 지름과 쌍곡면 렌즈의 쌍곡면에서의 곡률 반경을 적절하게 선택하고, 또한, 피가공물에서의 가공 대상 영역의 위치를 적절하게 조정하는 것에 의해서, 집광되는 레이저 빔의 가공 가능 강도역에 피가공물에서의 가공 대상 영역이 포함되도록 하면, 한번의 레이저 빔의 출사에 의해, 깊이 방향에서 가공 대상 영역 전체를 동시에 가공하는 것이 가능하게 된다.

이에 더하여, 레이저 빔을 빔 지름에 따른 개구 지름의 개구 조리개로 좁힌 후에 쌍곡면 렌즈에 입사시키는 것에 의해, 가공 대상 영역보다 더 먼 곳에는 레이저 빔을 조사시키지 않는 것이 가능하게 된다.

또한, 일단 집광시킨 레이저 빔 그 자체가 아니라, 관련되는 레이저 빔을 축소 렌즈에 의해 축소 재결상시킨 레이저 빔을 가공에 이용하도록 함으로써, 단위 면적당의 강도가 큰 레이저 빔을 국소적으로 조사하는 것이 가능하게 되는 것 외에 축소 재결상을 행하지 않는 경우에 비해서, 작동 거리를 크게 할 수 있다.

1 : 쌍곡면 렌즈 1S : (쌍곡면 렌즈의) 정점
1a : (쌍곡면 렌즈의) 평탄면 1b : (쌍곡면 렌즈의) 쌍곡면
2 : 광원 3 : 개구 조리개
4 : 스테이지 5 : 축소 렌즈
100 : 레이저 가공 장치 AX : 광축
LB(LB0, LB1, LB2, LB3, LBa, LBb) : 레이저 빔
P1, P2 : 가공 가능 강도역 RE1 : 증대 영역
RE2 : 고강도 영역 RE2α : 2차 고강도 영역
RE3 : 감소 영역 W : 피가공물

Claims

레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치로서,
상기 레이저 빔을 출사 가능한 광원과,
상기 광원으로부터 출사되는 상기 레이저 빔의 광축 상에 배치된 쌍곡면 렌즈를 구비하고,
상기 레이저 빔의 빔 지름을 D라고 할 때, 상기 쌍곡면 렌즈의 쌍곡면의 곡률 반경이 0.15D~0.4D가 되는 값을 가지며,
상기 레이저 빔이 상기 쌍곡면 렌즈에 의해서 집광되는 것에 의해 형성되는, 상기 레이저 빔의 강도가 소정의 가공 문턱값 이상이 되는 가공 가능 강도역에, 상기 피가공물의 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 광원과 상기 쌍곡면 렌즈의 사이에 배치되며, 0.6D~0.9D가 되는 값의 개구 지름을 가지는 개구 조리개를 더 구비하고,
상기 개구 조리개에 의해서 상기 빔 지름이 좁혀진 상기 레이저 빔이 상기 쌍곡면 렌즈에 의해서 집광되는 것에 의해 형성되는 상기 가공 가능 강도역에, 상기 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 쌍곡면 렌즈와 상기 피가공물의 배치 위치와의 사이에 배치되며, 상기 가공 가능 강도역을 축소 재결상시키는 축소 렌즈를 더 구비하고,
상기 축소 렌즈에 의해서 축소 재결상된 상기 가공 가능 강도역에, 상기 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 방법으로서,
소정의 광원으로부터 출사되는, 빔 지름 D의 레이저 빔의 광축 상에, 쌍곡면의 곡률 반경이 0.15D~0.4D가 되는 값인 쌍곡면 렌즈를 배치하고,
상기 레이저 빔이 상기 쌍곡면 렌즈에 의해서 집광되는 것에 의해 형성되는, 상기 레이저 빔의 강도가 소정의 가공 문턱값 이상이 되는 가공 가능 강도역에, 상기 피가공물의 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 피가공물의 가공 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 광원과 상기 쌍곡면 렌즈의 사이에, 0.6D~0.9D가 되는 값의 개구 지름을 가지는 개구 조리개를 배치하고,
상기 개구 조리개에 의해서 상기 빔 지름이 좁혀진 상기 레이저 빔이 상기 쌍곡면 렌즈에 의해서 집광되는 것에 의해 형성되는 상기 가공 가능 강도역에, 상기 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 피가공물의 가공 방법.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 쌍곡면 렌즈와 상기 피가공물의 배치 위치와의 사이에 상기 가공 가능 강도역을 축소 재결상시키는 축소 렌즈를 배치하고,
상기 축소 렌즈에 의해서 축소 재결상된 상기 가공 가능 강도역에, 상기 가공 대상 영역을 포함시키는 것에 의해서 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 피가공물의 가공 방법.