KR20210020451A

KR20210020451A - 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법

Info

Publication number: KR20210020451A
Application number: KR1020190099774A
Authority: KR
Inventors: 성진우; 최지웅; 성낙선; 김민관
Original assignee: 에이피시스템 주식회사
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2021-02-24

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저 빔을 방출하는 레이저 장치 및 상기 레이저 장치로부터 전달된 레이저 빔을 변환하여, 집광된 레이저 빔을 가공 대상물에 조사하는 레이저 헤드를 포함하고, 상기 레이저 헤드는 집광 광학계(Focusing Optic), 및 상기 집광 광학계의 후방에 배치되어 집광된 상기 레이저 빔이 가공 대상물의 표면에 도달하는 위치를 변화시키는 위치 조절부를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 위치 조절부는 상기 레이저 빔이 투과하는 평행한 두면을 가지는 투광판, 및 광축에 대한 상기 투광판의 기울기를 조절하는 경사 조절부를 포함할 수 있다.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법{LASER PROCESSIGN APPARATUS AND LASER PROCESSING METHOD}

본 발명은 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 레이저 빔의 위치를 정밀하게 조절할 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

레이저(Laser)는 여러 산업 분야에서 다양한 용도로 활용되고 있다.

최근 들어, 레이저를 이용하여 가공 대상물을 가공하는 기술이 널리 이용되고 있으며, 엑시머 레이저(Excimer Laser) 빔의 안정성과 출력이 향상됨에 따라 반도체 물질을 가공하는 공정으로까지 그 사용 범위가 넓어지고 있다.

최근에는 레이저를 이용한 가공 분야에서 가공 대상물에 직접 조사되는 레이저 스팟(laser spot) 또는 레이저 빔(laser beam)을 가공 공정 시에 서브 마이크로 수준으로 정밀하게 위치 이동시키는 것이 요구되고 있다.

또한, 레이저 빔을 이용한 가공 장치는 레이저 장치, 전달 미러(delivery mirror), 광학계(optic) 등으로 구성되는데, 레이저 빔은 빔 포인팅 안정성(beam pointing stability)이 존재하여 수 마이크로 라디안(radian) 이상으로 빔의 경로 변화가 생길 수 있고, 주변 환경(예를 들어, 온도, 습도) 변화에 의해 전달 미러 및 기구 변형이 야기되어 빔의 경로가 변경될 수 있으므로, 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔의 기준 위치를 주기적으로 보정해 주는 것이 필요하다.

등록특허공보 제10-0736689호

본 발명은 레이저 빔의 위치를 정밀하게 조절할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공한다.

본 발명은 레이저 빔의 위치를 정밀하게 조절할 수 있는 레이저 가공 방법을 제공한다.

상기 투광판은 비정질 물질로 이루어질 수 있다.

상기 경사 조절부에 의해 조절되는 상기 투광판의 기울기 변화는 상기 광축을 기준으로 -10° 내지 +10°범위에서 이루어질 수 있다.

상기 경사 조절부는 상기 광축에 수직한 제1 회전축 및 상기 광축과 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 각각 상기 투광판의 기울기를 조절할 수 있다.

상기 투광판은, 상기 광축 상에 위치하는 제1 투광판, 및 상기 광축 상에 상기 제1 투광판과 중첩되도록 상기 제1 투광판의 후방에 위치하는 제2 투광판을 포함할 수 있다.

상기 경사 조절부는, 상기 광축에 대해 수직한 제1 회전축을 중심으로 상기 제1 투광판의 기울기를 조절하는 제1 경사 조절부, 및 상기 광축 및 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 상기 제2 투광판의 기울기를 조절하는 제2 경사 조절부를 포함할 수 있다.

상기 제1 투광판과 상기 제2 투광판은 두께 또는 굴절률 중 적어도 어느 하나가 서로 다를 수 있다.

상기 레이저 헤드는 레이저 빔을 복수 개로 분할하는 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element), 레이저 빔의 크기 또는 분할된 레이저 빔들의 간격을 소정의 배율로 변환하는 촬상 광학계(Image Optic) 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 상기 가공 대상물이 놓이는 스테이지, 상기 스테이지에 제공되어 상기 레이저 헤드로부터 조사되는 상기 레이저 빔을 감지하고 상기 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보를 생성하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서로부터 상기 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보를 수신하여 상기 투광판의 기울기를 조절하여 상기 레이저 빔을 정렬하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 상기 레이저 헤드 또는 상기 가공 대상물이 놓이는 스테이지를 이동시키는 이동부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 레이저 장치를 이용하여 레이저 빔을 방출하는 과정, 상기 레이저 장치로부터 방출된 레이저 빔을 레이저 헤드에 전달하는 과정, 상기 레이저 헤드를 이용하여 상기 레이저 장치로부터 전달된 레이저 빔을 변환하여, 집광된 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 과정을 포함하고, 집광된 상기 레이저 빔으로 상기 가공 대상물을 가공하는 과정은, 상기 레이저 헤드 내에 배치된 집광 광학계를 이용하여 레이저 빔을 집광하는 과정, 및 상기 레이저 빔이 가공 대상물의 표면에 도달하는 위치가 변화되도록 상기 레이저 헤드 내에서 상기 집광 광학계의 후방에 배치되고 상기 레이저 빔이 투과하는 평행한 두면을 가지는 투광판의 기울기를 조절하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 투광판은 비정질 물질로 이루어질 수 있다.

상기 투광판의 기울기를 조절하는 과정은 광축을 기준으로 -10° 내지 +10°범위에서 이루어질 수 있다.

상기 투광판의 기울기를 조절하는 과정은 광축에 수직한 제1 회전축 및 상기 광축과 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 각각 상기 투광판을 대칭적으로 회전시키는 과정일 수 있다.

상기 투광판은, 광축 상에 위치하는 제1 투광판, 및 상기 광축 상에 상기 제1 투광판과 중첩되도록 상기 제1 투광판의 후방에 위치하는 제2 투광판을 포함하고, 상기 투광판의 기울기를 조절하는 과정은, 상기 광축에 대해 수직한 제1 회전축을 중심으로 상기 제1 투광판을 대칭적으로 회전시키는 과정, 및 상기 광축 및 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 상기 제2 투광판을 대칭적으로 회전시키는 과정을 포함할 수 있다.

집광된 상기 레이저 빔으로 상기 가공 대상물을 가공하는 과정 전에, 상기 가공 대상물이 놓이는 스테이지의 일측에 제공된 이미지 센서를 이용하여 상기 레이저 헤드로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보를 생성하는 과정, 및 상기 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보에 따라 상기 레이저 빔을 정렬하기 위해 상기 레이저 헤드 내의 상기 투광판의 기울기를 조절하는 과정를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 헤드 내에 장착된 위치 조절부 내의 투광판의 기울기를 광축에 대해 미세하게 조절함으로써, 레이저 헤드로부터 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔의 위치를 1 μm 이하의 간격으로 정밀하게 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의하면, 가공 대상물에 수 μm 내지 수십 μm 크기를 가지고 정확한 형상을 가지는 홀들을 형성하는 것이 용이하게 수행될 수 있다.

레이저 빔이 투과하는 평행한 두면을 가지는 투광판은 비정질 물질로 이루어질 수 있고, 투광판 전체에 걸쳐 균일한 굴절률을 가질 수 있으므로, 레이저 빔의 각도 및 특성 변화 없이 레이저 빔의 위치만을 변화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 가공 방법은 레이저 헤드 내에 장착된 위치 조절부 내의 투광판의 기울기를 광축에 대해 미세하게 조절함으로써, 레이저 헤드로부터 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔의 위치를 1 μm 이하의 간격으로 정밀하게 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법에 의하면, 가공 대상물에 수 μm 내지 수십 μm 크기를 가지고 정확한 형상을 가지는 홀들을 형성하는 것이 용이하게 수행될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 레이저 헤드를 나타내는 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 가공 장치의 경사 조절부의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 가공 장치의 레이저 헤드를 나타내는 개략도들이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법을 설명하는 흐름도들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 이하에 개시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 나타내는 개략도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 레이저 헤드를 나타내는 개략도이다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 가공 장치의 경사 조절부의 동작을 설명하는 도면이다. 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 가공 장치의 레이저 헤드를 나타내는 개략도들이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 대해 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 방출하는 레이저 장치(110), 및 레이저 장치(110)로부터 전달된 레이저 빔을 변환하여, 집광된 레이저 빔을 가공 대상물에 조사하는 레이저 헤드(130)를 포함할 수 있다.

레이저 헤드(130)는 레이저 빔을 집광시키는 집광 광학계(Focusing Optic)(131), 및 집광 광학계(131)의 후방에 배치되어 집광된 레이저 빔이 가공 대상물(162)의 표면에 도달하는 위치(P)를 변화시키는 위치 조절부(137)를 포함할 수 있다.

위치 조절부(137)는 레이저 빔이 투과하는 평행한 두면을 가지는 투광판(135), 및 광축에 대한 투광판(135)의 기울기를 조절하는 경사 조절부(136)를 포함할 수 있다.

레이저 장치(110)는 평행광인 레이저 빔을 방출할 수 있으며, 레이저 발진기를 포함할 수 있다. 레이저 장치(110)는 고체 레이저, 액체 레이저, 파이버 레이저 등 다양한 형태의 레이저를 필요에 따라 선택하여 사용할 수 있으며 특별한 제한은 없다.

레이저 장치(110)에서 방출된 레이저 빔은 전달 광학계(120)을 거쳐 레이저 헤드(130)으로 전달될 수 있다. 전달 광학계(120)는 레이저 빔을 반사시키는 반사 미러들 및 레이저 빔의 일부를 투과시키고 나머지를 반사시키는 빔 스플리터 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 레이저 가공 장치(110)은 집광된 레이저 빔을 가공 대상물(162)에 조사하여 가공 대상물(162)에 수 μm 내지 수십 μm 크기의 홀들을 형성할 수 있다. 이때 레이저 헤드(130)는 하나의 집광된 레이저 빔을 가공 대상물(162)의 표면에 조사하거나 여러 개의 집광된 레이저 빔들을 가공 대상물(162)의 표면에 조사할 수 있다.

가공 대상물(162)에 형성하고자 하는 홀들의 크기가 집광된 레이저 빔의 크기보다 큰 경우, 가공 대상물(162)에 원하는 크기의 홀들을 형성하기 위해 가공 대상물(162)에 집광된 레이저 빔을 부분적으로 중첩시켜가면서 여러 번 조사하는 것이 필요하다. 그리고 형성된 홀들의 측벽 기울기는 레이저 빔들이 정밀하게 중첩될수록 가파르게 형성될 수 있으므로, 정확한 형상을 가지는 홀들을 형성하기 위해서는 레이저 빔들을 정밀하게 중첩시키는 것이 필요하다. 예를 들어, 가공 대상물(162)에 수 μm 내지 수십 μm 크기의 홀들을 형성하는 경우, 1μm 이하의 간격으로 레이저 빔을 중첩시키는 것이 필요하다.

종래에는 가공 대상물(162)에 레이저 빔이 중첩하여 조사되도록 하기 위해, 홀을 형성하는 동안 가공 대상물(162)이 놓이는 스테이지(160)을 이동시켰다. 그러나, 스테이지(160)의 이동 정밀도는 이동 거리, 이동 물체의 하중 등에 영향을 받으므로, 가공 대상물(162)의 크기가 커질수록 이동 정밀도 및 반복성이 떨어진다. 따라서, 스테이지(160)을 이동시키는 것에 의해서는 1μm 이하의 간격으로 레이저 빔을 중첩시키는 것이 어렵다. 그리고, 레이저 가공 장치에 포함된 광학계를 이루는 렌즈들이나 미러들의 움직임은 레이저 빔의 위치, 각도, 및 특성 변화를 발생시키므로, 레이저 가공 장치의 셋업 이후에는 움직이지 않고 고정될 필요가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 헤드(130) 내에 장착된 위치 조절부(137) 내의 투광판(135)의 기울기를 광축에 대해 미세하게 조절함으로써, 레이점 빔의 각도 및 특성 변화을 일으키지 않으면서 레이저 헤드(130)으로부터 가공 대상물(162)에 조사되는 레이저 빔의 위치(P)를 1 μm 이하의 간격으로 정밀하게 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의하면, 가공 대상물(162)에 수 μm 내지 수십 μm 크기를 가지고 정밀한 형상을 가지는 홀들을 형성하는 것이 용이하게 수행될 수 있다.

평행한 두면을 가지는 투광판(135)을 광축에 대해 기울어지게 배치시키면, 투광판(135)을 투과한 레이저 빔은 스넬의 법칙에 따라 레이저 빔의 위치가 평행 이동(parallel shift)될 수 있다. 투광판(135)이 광축에 기울어진 방향을 반대로 하면 레이저 빔의 위치가 반대 쪽으로 평행 이동될 수 있다. 투광판(135)의 기울기를 광축에 대해 대칭적으로 변화시키면 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔의 위치가 광축에 대해 대칭적으로 변화될 수 있다.

투광판(135)은 비정질 물질로 이루어질 수 있고, 투광판(135) 전체에 걸쳐 균일한 굴절률을 가질 수 있다. 이 경우, 레이저 빔의 각도 및 특성 변화 없이 레이저 빔의 위치만을 변화시킬 수 있다. 투광판(135)은 예를 들어, 평행한 두면을 가지는 광학 글래스(예를 들어, fused silica, BK7, SK11, SF11 등)일 수 있다. 광학 글래스는 요구되는 굴절율에 따라 적절히 선택될 수 있다.

투광판(135)은 비정질 물질로 이루어지기 때문에, SHG 비선형 크리스탈과 달리, 레이저 빔의 파장을 변화시키지도 않는다. 다결정질 물질의 경우, 결정방향이 서로 다른 결정립들이 존재하기 때문에 비정질 물질로 이루어진 경우에 비해 투과도도 낮고, 레이저 빔의 광학적 특성이 변할 수 있다.

투광판(135)의 평행한 두면이 광축에 수직하게 배치된 경우, 투광판(135)의 기준 상태일 수 있다. 투광판(135)가 기준 상태에 있을 때, 투광판(135)의 기울기 변화는 0°인것으로 정의될 수 있다. 투광판(135)의 기울기 변화는 광축을 기준으로 -10° 내지 +10°범위에서 이루어질 수 있다. 투광판(135)의 기울기 변화가 -10° 내지 +10°범위에서 이루어지는 것은 레이저 빔의 입사각의 변화가 -10° 내지 +10°범위에서 이루어지는 것과 동일한 의미이다. 투광판(135)의 기울기 변화가 -10° 내지 +10°범위를 벗어나는 경우에는, 즉 레이저 빔의 입사각의 변화가 -10° 내지 +10°범위를 벗어나는 경우에는, 레이저 빔의 투과도가 감소할 수 있고, 레이저 빔의 스폿 형상이 투광판을 통과하기 전의 형상(예를 들어 원형)에서 투광판을 통과한 후에는 레이저 빔 스폿 형상이 왜곡된 형상(예를 들어 타원형)으로 변형될 수 있다. 한편, 레이저 빔은 회절 광학 소자(DOE; Diffractive Optical Elemet) 등에 의해서 필요에 따라 스폿 형상이 사각, 직사각 등의 다양한 형태로 변형될 수 있는데, 이러한 스폿 형상이 가공 대상물의 표면에 도달하기 전에 왜곡된 형상으로 변경될 수 있다. 따라서, 레이저 빔을 이용하여 가공 구조물(162)에 형성하려는 홀들의 형상이 원하지 않는 형상으로 변형될 수 있다.

도 3을 참조하면, 경사 조절부(136)는 광축에 수직한 제1 회전축(예를 들어, 도 3의 y축과 평행한 회전축), 및 광축과 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축(예를 들어, 도 3의 x축과 평행한 회전축)을 중심으로 각각 투광판(135)를 소정의 각도 범위로 대칭적으로 회전시킴으로써, 투광판(135)의 기울기를 조절할 수 있다. 경사 조절부(136)는 모터로 구동되는 틸팅 마운트(motorized tilting mount)일 수 있다. 이 경우, 하나의 경사 조절부(136)에 의해 가공 대상물(162)에 조사되는 레이저 빔의 위치가 x-y 평면 상에서 다양한 방향으로 조절될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 가공 대상물(162)이 놓이는 스테이지(160), 스테이지(160)에 제공되어 레이저 헤드(130)로부터 조사되는 레이저 빔을 감지하고 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보를 생성하는 이미지 센서(164), 및 이미지 센서(164)로부터 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보를 수신하여 경사 조절부(136)를 제어하여 투광판(135)의 기울기를 조절하는 제어부(180)를 더 포함할 수 있다.

레이저 빔은 빔 포인팅 안정성(beam pointing stability)로 인해 레이저 빔이 가공 대상물(162)에 도달하는 위치의 변화가 생길 수 있고, 주변 환경(예를 들어, 온도, 습도) 변화에 의해 전달 미러 및 기구 변형이 야기되어 가공 대상물(162)에 도달하는 위치의 변화가 생길 수 있으므로, 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔의 위치를 주기적으로 보정해 주는 것이 필요하다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 투광판(135)의 기울기를 조절하는 간단한 방법으로 틀어진 레이저 빔의 위치를 쉽게 보정할 수 있다. 예를 들어, 틀어진 레이저 빔의 위치를 보정하기 위해 투광판(135)의 기울기를 +1°를 변화시킬 수 있고, 이 경우에는 가공 대상물(162)에 홀을 형성하는 가공 공정 시에 투광판(135)의 기준 상태를 중심으로 투광판(135)의 기울기 변화는 -9° 내지 +9°범위에서 이루어질 수 있다. 즉, 레이저 빔의 위치 보정을 위하여 투광판의 기울기를 변화시키는 경우에는, 레이저 가공 시에 광축을 기준으로 투광판(135)의 기울기 변화가 가능한 각도인 -10° 내지 +10°범위를 벗어나지 않기 위해서 레이저 빔의 위치 보정을 위해 변화시킨 투광판의 기울기 각도 만큼 가공 시의 투광판 기울기 변화 가능 범위가 줄어들게 된다.

도 4를 참조하면, 위치 조절부(127)는 광축 상에 위치하는 제1 투광판(135a) 및 광축 상에 제1 투광판(135a)과 중첩되도록 위치하는 제2 투광판(135b)을 포함할 수 있다. 그리고, 위치 조절부(127)는 광축에 대해 수직한 제1 회전축(예를 들어, 도 4의 y축과 평행한 회전축)을 중심으로 제1 투광판(135a)를 소정의 각도 범위로 대칭적으로 회전시킴으로써, 제1 투광판(135a)의 기울기를 조절하는 제1 경사 조절부(136a), 및 광축과 제1 회전축 모두에 수직한 제2 회전축(예를 들어, 도 4의 x축과 평행한 회전축)을 중심으로 제2 투광판(135b)를 소정의 각도 범위로 대칭적으로 회전시킴으로써, 상기 제2 투광판(135b)의 기울기를 조절하는 제2 경사 조절부(136b)를 포함할 수 있다. 제1 경사 조절부(136a)는 모터로 구동되는 로테이션 스테이지(motorized rotation stage) 또는 모터로 구동되는 고니어미터(motorized goniometer)일 수 있다.

이 경우, 제1 경사 조절부(136a)에 의해 가공 대상물(162)에 조사되는 레이저 빔의 위치가 x-y 평면 상에서 x축 방향으로 조절될 수 있다. 제2 경사 조절부(136b)에 의해 가공 대상물(162)에 조사되는 레이저 빔의 위치가 x-y 평면 상에서 y축 방향으로 조절될 수 있다. 제1 경사 조절부(136a) 및 제2 경사 조절부(136b)의 조합에 의해 레이저 빔의 위치가 x-y 평면 상에서 다양한 방향으로 조절될 수 있다.

하나의 경사 조절부(136)을 이용하는 경우, 레이저 헤드(130)의 부피를 감소시킬 수 있는 이점은 있으나, 하나의 경사 조절부(136)을 이용하여 제1 회전축을 중심으로 투광판(135)를 회전시킬 때에 제2 회전축에 대한 투광판(135)의 위치가 약간의 간섭을 받거나, 제2 회전축을 중심으로 투광판(135)를 회전시킬 때에 제1 회전축에 대한 투광판(135)의 위치가 약간의 간섭을 받을 수 있다.

한편, 제1 경사 조절부(136a) 및 제2 경사 조절부(136b)에 의해 각각 제1 투광판(135a)의 기울기 및 제2 투광판(1135b)의 기울기를 조절함으로써, 제1 경사 조절부(136a) 및 제2 경사 조절부(136b) 사이에 서로 간섭 없으므로, 하나의 경사 조절부(136)을 이용하는 경우에 비해 더 정밀하게 레이저 빔의 위치를 조절할 수 있다. 다만, 하나의 경사 조절부(136)을 이용하는 경우에 비해 제1 경사 조절부(136a) 및 제2 경사 조절부(136b)를 이용하는 경우는 레이저 헤드(130)의 부피가 증가될 수 있다.

예를 들어, 제1 투광판(135a)과 제2 투광판(135b)은 두께 또는 굴절률 중 적어도 어느 하나가 서로 다를 수 있다. 따라서, 제1 투광판(135a)의 기울기 조절에 의한 레이저 빔의 위치 이동량이 제2 투광판(135b)의 기울기 조절에 의한 레이저 빔의 위치 이동량과 다를 수 있다. 이 경우, 상술한 바와 달리, 제1 경사 조절부(136a)는 광축에 수직한 제1 회전축, 및 광축과 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 제1 투광판(135a)를 소정의 각도 범위로 대칭적으로 회전시킴으로써, 제1 투광판(135a)의 기울기를 조절할 수 있다. 제2 경사 조절부(136b)는 광축에 수직한 제1 회전축, 및 광축과 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 제2 투광판(135b)를 소정의 각도 범위로 대칭적으로 회전시킴으로써, 제2 투광판(135b)의 기울기를 조절할 수 있다.

예를 들어, 제1 투광판(135a)의 두께가 제2 투광판(135b)의 두께보다 두꺼운 경우, 제1 투광판(135a)의 기울기 조절에 대한 레이저 빔의 위치 이동량이 제2 투광판(135b)의 기울기 조절에 의해 레이저 빔의 위치 이동량보다 클 수 있다. 예를 들어, 제1 투광판(135a)의 굴절률이 제2 투광판(135b)의 두께보다 두꺼운 경우, 제1 투광판(135a)의 기울기 조절에 대한 레이저 빔의 위치 이동량이 제2 투광판(135b)의 기울기 조절에 의해 레이저 빔의 위치 이동량보다 클 수 있다.

제1 투광판(135a) 및 제2 투광판(135b) 중 위치 이동량이 더 큰 쪽은 환경 등의 변화에 의해 틀어진 레이저 빔의 위치를 보정하기 위해 이용되고, 위치 이동량이 더 작은 쪽은 홀을 가공하는 동안에 레이저 빔의 위치를 미세 이동시키기 위해 이용될 수 있다. 즉 제1 투광판(135a) 및 제2 투광판(135b) 각각이 위치 보정과 가공 시의 미세 이동이라는 서로 다른 목적으로 이용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 가공 대상물(162)이 놓이는 스테이지(160)를 이동시키는 제1 이동부(170) 및 레이저 헤드(130)를 이동시키는 제2 이동부(140)를 더 포함할 수 있다.

제1 이동부(170)는 가공 대상물(162)의 일 영역에서 홀들을 형성하는 가공 공정이 완료된 후, 가공 대상물(162)의 다른 영역에서 홀들을 형성하는 가공 공정을 수행하기 위해, 스테이지(160)를 이동시킬 수 있다.

이와 유사하게 제2 이동부(170)는 가공 대상물(162)의 일 영역에서 홀들을 형성하는 가공 공정이 완료된 후, 가공 대상물(162)의 다른 영역에서 홀들을 형성하는 가공 공정을 수행하기 위해, 레이저 헤드(130)를 이동시킬 수 있다.

제어부(180)는 레이저 장치(110), 경사 조절부(136), 제1 이동부(170), 및 제2 이동부(140)를 제어할 수 있다.

레이저 헤드(130)는 레이저 빔을 복수 개로 분할하는 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element), 레이저 빔의 크기 또는 분할된 레이저 빔들의 간격을 소정의 배율로 변환하는 촬상 광학계(Image Optic) 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 이로 인해, 레이저 헤드(130)는 다양한 형태로 레이저 빔을 변형할 수 있다.

도 5를 참조하면, 레이저 헤드(130)는 레이저 빔을 복수 개로 분할하는 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element) 및 분할된 복수 개의 레이저 빔들을 집광하는 집광 광학계(131)를 포함할 수 있다. 회전 조절부(137)는 분할된 복수 개의 레이저 빔들의 위치를 서로 동일한 이동량 및 동일한 방향으로 조절할 수 있다. 복수 개의 레이저 빔들을 이용하여 가공 대상물(162)에 홀들을 형성함으로 가공 공정 시간을 단축할 수 있다.

도 6을 참조하면, 레이저 헤드(130)는 레이저 빔을 집광하는 집광 광학계(131) 및 소정의 배율을 가지는 촬상 광학계(133)을 포함할 수 있다.

촬상 광학계(133)가 예를 들어, 2배의 배율을 가지는 경우에는 투광판(135)의 기울기 변화에 의해 발생한 레이저 빔의 위치 변화(P1)가 촬상 광학계(133)을 통과한 후, 가공 대상물(162)의 표면에서 레이저 빔의 위치 변화(P2)가 2배로 확장될 수 있다. 이와 반대로, 촬상 광학계(133)가 예를 들어, 1/2배의 배율을 가지는 경우에는 투광판(135)의 기울기 변화에 의해 발생한 레이저 빔의 위치 변화(P1)가 촬상 광학계(133)을 통과한 후, 가공 대상물(162)의 표면에서 레이저 빔의 위치 변화(P2)는 1/2배로 축소될 수 있다.

촬상 광학계(133) 및 기울기 조절 가능한 투광판(135) 및 촬상 광학계를 조합하여 사용함으로써, 필요에 따라 레이저 빔의 위치 변화를 더 미세하게 또는 더 크게 조절할 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법을 설명하는 흐름도들이다. 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법은, 레이저 장치(110)를 이용하여 레이저 빔을 방출하는 과정(S100), 레이저 장치(110)로부터 방출된 레이저 빔을 레이저 헤드(130)에 전달하는 과정(S200), 레이저 헤드(130)를 이용하여 레이저 장치(110)로부터 전달된 레이저 빔을 변환하여, 집광된 레이저 빔으로 가공 대상물(162)을 가공하는 과정을 포함한다.

그리고, 집광된 상기 레이저 빔으로 상기 가공 대상물(162)을 가공하는 과정(300)은, 레이저 헤드(110) 내에 배치된 집광 광학계를 이용하여 상기 가공 대상물(162)에 형성하고자 하는 홀의 중심 위치에 레이저 빔을 집광시키는 과정(S310), 및 상기 홀의 중심 위치를 기준으로 대칭적으로 레이저 빔이 가공 대상물(162)의 표면에 도달하는 위치가 변화되도록 레이저 헤드(130) 내에서 상기 집광 광학계의 후방에 배치되고 상기 레이저 빔이 투과하는 평행한 두면을 가지는 투광판(135)의 기울기를 조절하는 과정(S330)을 포함할 수 있다.

레이저 가공 장치에 포함된 광학계를 이루는 렌즈들이나 미러들의 움직임은 레이저 빔의 위치, 각도, 및 특성 변화를 발생시키므로, 집광된 상기 레이저 빔으로 상기 가공 대상물(162)을 가공하는 과정(300)에서는, 광학계를 이루는 렌즈들이나 미러들은 레이저 가공 장치의 셋업 상태 그대로 고정시킨 상태에서 레이저 헤드(130) 내에서 상기 레이저 빔이 투과하는 평행한 두면을 가지는 투광판(135)의 기울기만을 조절하는 과정이 수행된다.

가공 대상물(162)에 형성하고자 하는 홀들의 크기가 집광된 레이저 빔의 크기보다 큰 경우, 가공 대상물(162)에 원하는 크기의 홀들을 형성하기 위해 가공 대상물(162)에 집광된 레이저 빔을 부분적으로 중첩시켜가면서 여러 번 조사하는 것이 필요하다. 그리고 형성된 홀들의 측벽 기울기는 레이저 빔들이 정밀하게 중첩될수록 가파르게 형성될 수 있으므로, 정확한 형상을 가지는 홀들을 형성하기 위해서는 레이저 빔들을 정밀하게 중첩시키는 것이 필요하다. 예를 들어, 가공 대상물(162)에 수 μm 내지 수십 μm 크기의 홀들을 형성하는 경우, 1 μm 이하의 간격으로 레이저 빔을 중첩시키는 것이 필요하다.

종래에는 가공 대상물(162)에 레이저 빔이 중첩하여 조사되도록 하기 위해, 홀을 형성하는 동안 가공 대상물(162)이 놓이는 스테이지(160)을 이동시켰다. 그러나, 스테이지(160)의 이동 정밀도는 이동 거리, 이동 물체의 하중 등에 영향을 받으므로, 가공 대상물(162)의 크기가 커질수록 이동 정밀도 및 반복성이 떨어진다. 따라서, 스테이지(160)을 이동시키는 것에 의해서는 1 μm이하의 간격으로 레이저 빔을 중첩시키는 것이 어렵다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 레이저 헤드(130) 내에 장착된 위치 조절부(137) 내의 투광판(135)의 기울기를 광축에 대해 미세하게 조절함으로써, 레이저 헤드(130)으로부터 가공 대상물(162)에 조사되는 레이저 빔의 위치(P)를 1 μm 이하의 간격으로 정밀하게 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법에 의하면, 가공 대상물(162)에 수 μm 내지 수십 μm 크기를 가지고 가파른 측벽을 가지는 홀들을 형성하는 것이 용이하게 수행될 수 있다.

투광판(135)은 비정질 물질로 이루어질 수 있고, 투광판(135) 전체에 걸쳐 균일한 굴절률을 가질 수 있다. 이 경우, 레이저 빔의 각도나 특성 변화 없이 레이저 빔의 위치만을 변화시킬 수 있다. 투광판(135)은 예를 들어, 평행한 두면을 가지는 광학 글래스(예를 들어, fused silica, BK7, SK11, SF11 등)일 수 있다. 광학 글래스는 요구되는 굴절율에 따라 적절히 선택될 수 있다.

투광판(135)의 평행한 두면이 광축에 수직하게 배치된 경우, 투광판(135)의 기준 상태일 수 있다. 투광판(135)가 기준 상태에 있을 때, 투광판(135)의 기울기 변화는 0°인것으로 정의될 수 있다. 투광판(135)의 기울기 변화는 광축을 기준으로 -10° 내지 +10°범위에서 이루어질 수 있다. 투광판(135)의 기울기 변화가 -10° 내지 +10°범위에서 이루어지는 것은 레이저 빔의 입사각의 변화가 -10° 내지 +10°범위에서 이루어지는 것과 동일한 의미이다. 투광판(135)의 기울기 변화가 -10° 내지 +10°범위를 벗어나는 경우에는, 즉 레이저 빔의 입사각의 변화가 -10° 내지 +10°범위를 벗어나는 경우, 레이저 빔의 투과도가 감소하고, 레이저 빔의 형상이 원형이 아닌 타원형으로 변형될 수 있다. 따라서, 레이저 빔을 이용하여 가공 구조물(162)에 형성하려는 홀들의 형상이 원하지 않는 형상으로 변형될 수 있다.

투광판(135)의 기울기를 조절하는 과정은 하나의 경사 조절부(136)에 의해 광축에 수직한 제1 회전축 및 상기 광축과 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 각각 상기 투광판(135)을 대칭적으로 회전시키는 과정일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법은, 집광된 레이저 빔으로 가공 대상물(162)을 가공하는 과정 전에, 가공 대상물이 놓이는 스테이지(160)의 일측에 제공된 이미지 센서(164)를 이용하여 레이저 헤드(130)로부터 조사되는 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보를 생성하는 과정(S250), 및 상기 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보에 따라 상기 레이저 빔의 위치를 보정하기 위해 상기 레이저 헤드(130) 내의 상기 투광판(135)의 기울기를 조절하는 과정(S260)을 포함할 수 있다.

레이저 가공 장치의 회전 조절부(137)는 광축 상에 위치하는 제1 투광판(135a) 및 상기 광축 상에 제1 투광판(135a)과 중첩되도록 위치하는 제2 투광판(135b)을 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 집광된 레이저 빔이 가공 대상물(162)의 표면에 도달하는 위치를 변화시키기 위해, 제1 경사 조절부(136a)에 의해 상기 광축에 대해 수직한 제1 회전축을 중심으로 상기 제1 투광판(135a)을 대칭적으로 회전시키는 과정, 및 제2 경사 조절부(136b)에 의해 상기 광축 및 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 상기 제2 투광판(135b)을 대칭적으로 회전시키는 과정을 포함할 수 있다.

제1 경사 조절부(136a) 및 제2 경사 조절부(136b)에 의해 각각 제1 투광판(135a)의 기울기 및 제2 투광판(1135b)의 기울기를 조절함으로써, 제1 경사 조절부(136a) 및 제2 경사 조절부(136b) 사이에 서로 간섭 없으므로, 하나의 경사 조절부(136)을 이용하는 경우에 비해 더 정밀하게 레이저 빔의 위치를 조절할 수 있다. 다만, 하나의 경사 조절부(136)을 이용하는 경우에 비해 제1 경사 조절부(136a) 및 제2 경사 조절부(136b)를 이용하는 경우는 레이저 헤드(130)의 부피가 증가될 수 있다.

상기 레이저 가공 방법의 각 과정은 상술한 순서를 따라 시계열로 수행되거나, 병렬적 혹은 개별로 수행되는 과정일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 아래에 기재될 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110: 레이저 장치 120: 전달 광학계
130: 레이저 헤드 131: 집광 광학계
132: 회절 광학 소자 133: 촬상 광학계
135: 투광판 136: 경사 조절부
137: 위치 조절부 140: 제2 이동부
160: 스테이지 162: 가공 대상물
164: 이미지 센서 170: 제1 이동부
180: 제어부

Claims

레이저 빔을 방출하는 레이저 장치; 및
상기 레이저 장치로부터 전달된 레이저 빔을 변환하여, 집광된 레이저 빔을 가공 대상물에 조사하는 레이저 헤드;를 포함하고,
상기 레이저 헤드는 집광 광학계(Focusing Optic), 및 상기 집광 광학계의 후방에 배치되어 집광된 상기 레이저 빔이 가공 대상물의 표면에 도달하는 위치를 변화시키는 위치 조절부를 포함하고,
상기 위치 조절부는 상기 레이저 빔이 투과하는 평행한 두면을 가지는 투광판, 및 광축에 대한 상기 투광판의 기울기를 조절하는 경사 조절부를 포함하는 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 투광판은 비정질 물질로 이루어진 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 경사 조절부에 의해 조절되는 상기 투광판의 기울기 변화는 상기 광축을 기준으로 -10° 내지 +10°범위에서 이루어지는 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 경사 조절부는 상기 광축에 수직한 제1 회전축 및 상기 광축과 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 각각 상기 투광판의 기울기를 조절하는 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 투광판은,
상기 광축 상에 위치하는 제1 투광판; 및
상기 광축 상에 상기 제1 투광판과 중첩되도록 상기 제1 투광판의 후방에 위치하는 제2 투광판;을 포함하는 레이저 가공 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 경사 조절부는,
상기 광축에 대해 수직한 제1 회전축을 중심으로 상기 제1 투광판의 기울기를 조절하는 제1 경사 조절부; 및
상기 광축 및 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 상기 제2 투광판의 기울기를 조절하는 제2 경사 조절부;를 포함하는 레이저 가공 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제1 투광판과 상기 제2 투광판은 두께 또는 굴절률 중 적어도 어느 하나가 서로 다른 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 헤드는 레이저 빔을 복수 개로 분할하는 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element), 레이저 빔의 크기 또는 분할된 레이저 빔들의 간격을 소정의 배율로 변환하는 촬상 광학계(Image Optic) 또는 이들의 조합을 더 포함하는 레이저 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가공 대상물이 놓이는 스테이지;
상기 스테이지에 제공되어 상기 레이저 헤드로부터 조사되는 상기 레이저 빔을 감지하고 상기 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보를 생성하는 이미지 센서; 및
상기 이미지 센서로부터 상기 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보를 수신하여 상기 투광판의 기울기를 조절하여 상기 레이저 빔을 정렬하는 제어부;를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 레이저 헤드 또는 상기 가공 대상물이 놓이는 스테이지를 이동시키는 이동부를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
레이저 장치를 이용하여 레이저 빔을 방출하는 과정;
상기 레이저 장치로부터 방출된 레이저 빔을 레이저 헤드에 전달하는 과정;
상기 레이저 헤드를 이용하여 상기 레이저 장치로부터 전달된 레이저 빔을 변환하여, 집광된 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 과정; 을 포함하고,
집광된 상기 레이저 빔으로 상기 가공 대상물을 가공하는 과정은,
상기 레이저 헤드 내에 배치된 집광 광학계를 이용하여 레이저 빔을 집광하는 과정; 및
상기 레이저 빔이 가공 대상물의 표면에 도달하는 위치가 변화되도록 상기 레이저 헤드 내에서 상기 집광 광학계의 후방에 배치되고 상기 레이저 빔이 투과하는 평행한 두면을 가지는 투광판의 기울기를 조절하는 과정;을 포함하는 레이저 가공 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 투광판은 비정질 물질로 이루어지는 레이저 가공 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 투광판의 기울기를 조절하는 과정은 광축을 기준으로 -10° 내지 +10°범위에서 이루어지는 레이저 가공 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 투광판의 기울기를 조절하는 과정은 광축에 수직한 제1 회전축 및 상기 광축과 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 각각 상기 투광판을 대칭적으로 회전시키는 과정인 레이저 가공 방법.
청구항 11 있어서,
상기 투광판은, 광축 상에 위치하는 제1 투광판; 및 상기 광축 상에 상기 제1 투광판과 중첩되도록 상기 제1 투광판의 후방에 위치하는 제2 투광판;을 포함하고,
상기 투광판의 기울기를 조절하는 과정은,
상기 광축에 대해 수직한 제1 회전축을 중심으로 상기 제1 투광판을 대칭적으로 회전시키는 과정; 및
상기 광축 및 상기 제1 회전축에 수직한 제2 회전축을 중심으로 상기 제2 투광판을 대칭적으로 회전시키는 과정을 포함하는 레이저 가공 방법.
청구항 11에 있어서,
집광된 상기 레이저 빔으로 상기 가공 대상물을 가공하는 과정 전에,
상기 가공 대상물이 놓이는 스테이지의 일측에 제공된 이미지 센서를 이용하여 상기 레이저 헤드로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보를 생성하는 과정; 및
상기 레이저 빔의 정렬 상태에 대한 정보에 따라 상기 레이저 빔을 정렬하기 위해 상기 레이저 헤드 내의 상기 투광판의 기울기를 조절하는 과정;를 포함하는 레이저 가공 방법.