KR20230054453A - 재료를 가공하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 펄스 레이저(1)를 이용하여 재료(2)를 가공하기 위한 방법에 관한 것으로, 가공을 위해 레이저 펄스(10)의 시퀀스(S)가 재료(2)에 도입되고, 상기 레이저 펄스(10)의 시퀀스(S)는 적어도 2개의 시퀀스 요소(SE)로 구성되고, 시퀀스 요소(SE)는, 하나의 단일 레이저 펄스(10), 단일 레이저 펄스들(10)의 특정한 시퀀스 또는 레이저 펄스들(10)의 버스트, 바람직하게는 GHz 레이저 버스트를 포함하고, 각 시퀀스 요소(SE)에 특정 시퀀스 요소 속성이 부여되고, 상기 시퀀스 요소 속성은 시퀀스 요소의 레이저 초점의 위치를 포함하고, 시퀀스(S)의 각 시퀀스 요소(SE)의 레이저 초점의 위치는, 레이저 펄스의 전파 방향에 대해 수직인 평면에서 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정되며, 및/또는 시퀀스(S)의 각 시퀀스 요소(SE)의 레이저 초점의 위치는, 레이저 펄스의 전파 방향을 따라, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정된다.

Description

재료를 가공하기 위한 방법

본 발명은, 높은 레이저 출력이 가공에 사용될 수 있는, 펄스 레이저의 레이저 펄스를 이용하여 재료를 가공하기 위한, 특히 극초단 펄스 레이저의 레이저 펄스를 이용하여 가공하기 위한 방법에 관한 것이다.

극초단 레이저 펄스의 도입을 기반으로 하는 삭마 및 분리 방법에서, 일반적으로, 절단 또는 트렌치 형상 및 절단 에지의 품질에 대한 요구가 높다. 동시에 높은 프로세스 처리량이 달성되어야 한다.

종래의 삭마 및 절단 프로세스에서는 이러한 요구를 충족하기 위해, 포커싱된 레이저 빔이, 가공 궤적을 따라 공작물 위로 안내된다. 이 경우 일반적으로 일정한 시간 간격으로, 예를 들어 레이저의 반복 속도와 동기화되어, 급송에 의해 결정되는 상이한 위치에서, 에너지가 재료에 축적된다. 이러한 기존의 삭마 및 절단 프로세스를 최적화하기 위해, 포커싱된 레이저 빔의 가공 속성을, 빔 형성을 이용하여 수정하여, 예를 들어 절단 에지의 경사도가 큰 특수하게 형성된 절단 에지를 달성하는 것이 가능하다.

에너지 축적의 공간적 최적화를 위해, 예를 들어 US9036247B2호, US9776277B2호, US10391585B2호에 개시된 바와 같이, 음향-광학 편향기의 사용이 제안된다.

공개된 선행 기술에 기반해서, 본 발명의 과제는, 재료의 가공을 위한 개선된 방법 및 해당 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는, 청구항 제1항의 특징들을 갖는 재료를 가공하기 위한 방법에 의해 해결된다. 종속 청구항, 상세한 설명 및 도면에 바람직한 개선예들이 제시된다.

이에 따라, 펄스 레이저를 이용하여 재료를 가공하기 위한 방법이 제안되고, 이 경우 가공을 위해 레이저 펄스의 시퀀스가 재료에 도입되고, 각 시퀀스의 시작은 레이저의 기본 주파수와 동기화되며, 상기 레이저 펄스의 시퀀스는 공간적 및 시간적으로 서로 오프셋된 적어도 2개의 서로 다른 시퀀스 요소로 구성되고, 시퀀스 요소는, 하나의 단일 레이저 펄스, 단일 레이저 펄스들의 특정한 시퀀스 또는 레이저 펄스들의 버스트(burst), 바람직하게는 GHz 레이저 버스트를 포함하고, 각 시퀀스 요소에 특정 시퀀스 요소 속성이 부여된다. 시퀀스 요소 속성은, 시퀀스 요소의 레이저 초점의 위치를 포함하고, 각 시퀀스 요소의 레이저 초점의 위치는, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정된다.

가공할 재료는, 이 경우, 예를 들어 금속 호일, 중합체 또는 플라스틱과 같은 재료일 수 있다. 가공할 재료는 또한, 반도체, 예를 들어 실리콘 또는 게르마늄과 같은 원소 반도체, 또는 갈륨비소와 같은 III-V 반도체, 또는 유기 반도체 또는 임의의 다른 유형의 반도체일 수도 있다. 예를 들어 재료는, 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 특히 재료는 층 시스템일 수 있고, 이 경우 각각의 층은, 금속, 중합체, 플라스틱 또는 반도체의 그룹에서 선택될 수 있다.

이 경우 레이저는, 레이저 빔의 레이저 펄스를 제공하고, 단일 레이저 펄스들은, 빔 전파 방향으로 레이저 빔을 형성한다. 특히 레이저는, 극초단 펄스 레이저일 수 있으며, 상기 단일 레이저 펄스들의 펄스 길이는, 바람직하게는 10ns 미만, 바람직하게는 500ps 미만이다.

단일 레이저 펄스들 대신, 레이저는 레이저 버스트도 제공할 수 있으며, 각 버스트는, 다수의 레이저 펄스의 방출을 포함한다. 이 경우 특정 시간 간격 동안 레이저 펄스의 방출은, 수 피코초 내지 나노초의 간격으로 바로 연속할 수 있다. 레이저 버스트는 특히, 각각의 버스트의 연속하는 레이저 펄스의 순서가 GHz 범위에서 발생하는 GHz 버스트일 수 있다.

레이저 펄스가 재료에 도입됨으로써, 재료가 가공될 수 있다. 도입이란, 이 경우, 레이저 빔의 에너지가 적어도 부분적으로 재료에 흡수되는 것을 의미할 수 있다. 레이저 빔의 초점은, 빔 전파 방향으로 가공할 재료의 표면 위 또는 가공할 재료의 체적에서 표면 아래에 있을 수 있다. 초점 위치는, 정확히 가공할 재료의 표면 위에 있을 수도 있다.

특히 "초점"이라는 용어는 일반적으로, 표적화된 강도 증가로 이해될 수 있고, 이 경우 레이저 에너지는, "초점 영역"으로 수렴한다. 특히 이하 "초점"이라는 표현은, 실제로 사용되는 빔 모양 및 강도 증가를 야기하기 위한 방법에 관계없이 사용된다. "포커싱"에 의해 빔 전파 방향을 따르는 강도 증가의 위치도 영향을 받을 수 있다. 예를 들어 강도 증가는 거의 점형일 수 있고, 초점 영역은 가우시안 레이저 빔에 의해 제공되는 가우시안 모양의 강도 단면을 가질 수 있다. 강도 증가는 선형으로도 형성될 수 있고, 이 경우 비회절 빔에 의해 제공될 수 있는 베셀 모양의 초점 영역이 초점 위치 주위에 생성된다. 또한, 예를 들어 가우시안 레이저 빔 및/또는 비가우시안 강도 분포로 이루어진 멀티 스팟 프로파일처럼 초점 위치가 3차원으로 확장되는, 더 복잡한 다른 빔 형상도 가능하다.

레이저 빔의 흡수된 에너지로 인해, 재료는 레이저의 강도 분포에 따라 가열되고 및/또는 레이저와 재료의 전자기적 상호 작용으로 인해 일시적인 플라즈마 상태로 전환된다. 특히 선형 흡수 과정 외에도, 높은 레이저 에너지 또는 레이저 강도의 이용으로 제공되는 비선형 흡수 과정도, 사용될 수 있다. 그에 따라서 재료는, 특히 레이저의 초점에서 변형되는데, 그 이유는 거기에서 레이저 빔의 강도가 최대이기 때문이다. 특히, 재료의 일부가, 예를 들어 용융 또는 증발됨으로써, 재료의 복합재로부터 분리되는 것이 달성될 수 있다. 따라서 레이저 광과 가공할 재료 사이의 상호 작용에 대해, 그 자체로 공개된 가공 프로세스가 가능하고, 이러한 가공 프로세스는, 예를 들어 레이저 드릴링, 퍼커션 드릴링 또는 레이저 삭마(Laser ablation)로 공개되어 있다. 가공할 재료와 레이저의 상호 작용으로 인해 재료 변형도, 재료 내로 또는 재료 상에 도입 또는 적용될 수 있다.

재료 변형은, 예를 들어 재료의 망상 구조 또는 재료의 (국부) 밀도와 같이, 가공된 재료의 열 평형 상태에서 재료의 영구적인 변화로 이해되며, 이는 직접 레이저 조사에 의해 생성된 국부적 열과 후속 냉각 및/또는 전자적 이완 과정에 의해 비롯된다.

재료 내 또는 재료 상의 재료 변형은, 이 경우 예를 들어 재료의 구조, 특히 결정 구조 및/또는 비정질 구조 및/또는 화학 구조 및/또는 기계적 구조의 변형일 수 있다.

재료 변형이 실질적으로 재료의 체적에 도입되는 경우, 재료 변형은 재료 내부에 있다. 그와 달리 재료 변형이 실질적으로 재료의 표면을 변형하는 경우, 재료 변형은 재료 상에 있다. 그러나 특히 레이저 빔의 초점 위치와 빔 프로파일에 따라, 재료 변형이 재료 내부와 재료 상에 모두 도입 또는 적용될 수 있다.

재료 변형은, 재료의 물리적 특성, 예를 들어 강도 및/또는 굽힘 강도 및/또는 굽힘력 및 전단력뿐만 아니라, 전단 및 인장 응력에 대한 재료의 허용 오차의 직접적인 변화일 수도 있다. 재료 변형은 특히, 선택된 재료에 따라 달라질 수 있는 국부적인 밀도 변화일 수도 있다. 예를 들어 재료 내부의 밀도 변화로 인해 처리되지 않은 재료보다 높은 재료 경도를 갖는, 응력 및 압축 영역이 생길 수 있다. 재료 변형에 의해 2개의 인접한 재료가 서로 연결되는 것, 특히 용접되는 것도, 가능하다.

여기에서 제안된 방법에 따라, 재료의 가공을 위해 레이저 펄스의 시퀀스가, 재료에 도입되고, 이 경우 시퀀스는 적어도 2개의 서로 다른 시퀀스 요소로 구성된다. 시퀀스 요소는, 하나의 단일 레이저 펄스, 단일 레이저 펄스들의 특정한 시퀀스 또는 레이저 펄스들의 버스트를 포함할 수 있으며, 상기 버스트는 GHz 레이저 버스트일 수도 있다. 단일 레이저 펄스들 및/또는 단일 펄스들의 순서 및/또는 버스트도 시퀀스 요소에 통합될 수 있다. 개별 시퀀스 요소들의 레이저 펄스는 먼저 펄스 레이저에 의해 제공된다.

각 시퀀스 요소에 특정 시퀀스 요소 속성들이 부여된다. 시퀀스 요소 속성은, 이 경우 예를 들어, 파장 또는 펄스 지속 시간과 같은, 펄스 레이저에 의해 결정되는 속성을 포함한다. 그러나 시퀀스 요소 속성은, 펄스 레이저 자체에 의해 결정되지 않고 다른 방법이나 장치에 의해 부여되는 속성도 포함할 수 있다.

시퀀스 요소 속성은, 각 시퀀스 요소의 레이저 초점 위치를 포함하며, 이 경우 각 시퀀스 요소의 레이저 초점 위치는, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정된다. 특히 이는, 레이저 펄스의 전파 방향에 대해 수직인 평면에서 레이저 초점의 위치는, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정되고 및/또는 전파 방향을 따라 레이저 초점의 위치는 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정되어, 접근 가능한 위치 설정 체적 내에 자유롭게 레이저 초점이 위치 설정될 수 있음을 의미할 수 있다.

적절한 광학 소자에 의해 레이저 빔은, 전파 방향을 따라 포커싱될 수 있다. 포커싱 시 레이저 빔의 강도는 레이저 초점 위치를 향해 최대화된다. 레이저 초첨 위치의 앞 또는 뒤의 빔 전파 방향으로 레이저 빔의 강도는, 그에 따라 레이저 초점 자체의 위치에서보다 낮다. 이는 특히 규정된 포커싱을 가능하게 하는 가우시안 빔에 적용된다. 준 비회절 빔, 예를 들어 베셀 빔의 경우 또는 그것의 실험적 구현의 경우, 포커싱이 이루어지지 않거나 덜 이루어지므로, 여기에서는 규정된 초점 위치가 아니라 빔 전파 방향으로 확장되는 초점 영역이 생성된다.

빔 전파 방향을 따라 레이저 초점의 위치의 변위에 의해 가공할 재료의 표면에 대해 레이저의 도입 깊이가 결정될 수 있고, 상기 도입 깊이는, 초점 위치와 재료의 표면 사이의 거리에 의해 주어진다.

적절한 광학 소자에 의해 레이저 빔은, 예를 들어 빔 전파 방향에 대해 수직인 평면에도 위치 설정될 수 있다. 예를 들어, 광학 장치를 기울임으로써 레이저 빔은 기울어지지 않은 광학 장치 의해 달성된 원래의 위치와 다른 위치에 위치 설정될 수 있다.

레이저 빔은, 예를 들어 음향 광학 편향기 유닛 또는 예를 들어 갈바노 스캐너와 같은 스캐닝 유닛에 의해, 적절하게 편향될 수 있으므로, 이러한 방식으로 가공할 재료 상에서 레이저 빔의 전파 방향에 대해 수직으로 레이저 빔의 적절한 위치 설정이 달성될 수 있다. 빔 전파 방향에 대해 수직인 평면에서 레이저 초점의 위치의 변위에 의해 재료의 가공의 조정을 위한 2차원 평면에서 위치의 조정이 구현될 수 있다.

빔 전파 방향에 대해 수직인 평면에서 레이저 초점의 위치의 조정은, 예를 들어 10 내지 100개의 초점 직경을 측정하는 작업 범위로 제한될 수 있다. 작업 범위의 제한에 의해, 매우 빠르고 정확한 위치 설정이 달성될 수 있다. 가공할 재료 상에 레이저 빔의 이러한 빠르고 정확한 위치 설정은, 예를 들어 음향 광학 편향기 유닛을 사용함으로써 실현될 수 있다.

따라서 시퀀스 요소 속성에 의해, 적어도 2개의 시퀀스 요소 각각에 대해, 정확히 재료가 가공되는 지점이 결정된다. 이로써 하나의 시퀀스에서 레이저 펄스는, 적어도 2개의 서로 다른 위치에서 가공할 재료에 도입될 수 있다.

시퀀스는 이에 따라, 개별 시퀀스 요소들의 서로 다른 초점 위치를 이용하여 소위 다중 세그먼트 도구를 형성할 수 있고, 상기 도구는 미리 정해진 서로 고정 배치된 가공 위치를 갖는 다이처럼 재료의 가공에 이용될 수 있는 해당 형태 또는 형상을 형성한다. 이러한 다중 세그먼트 도구는, 이에 따라, 적어도 2개의 서로 다른 위치에서 적어도 2개의 시퀀스 요소로 구성된 미리 정해진 가공 형상을 제공한다. 따라서 미리 정해진 가공 형상은, 하나의 시퀀스의 실행 시 가공될 수 있고, 다수의 시퀀스의 실행 시 항상 동일한 시퀀스 요소 속성이 있는 동일한 위치가 가공된다.

레이저 펄스의 시퀀스는, 이에 따라 규정된 시퀀스 요소들의 특정한 시퀀스를 포함하며, 이 경우 전체 시퀀스는 다중 세그먼트 도구를 형성한다. 시퀀스 요소들이 이들의 시퀀스 요소 속성 중 하나에서 서로 상이한 경우, 시퀀스 요소들은 원칙적으로 이미 서로 상이하다.

예를 들어 시퀀스는 3개의 시퀀스 요소를 포함할 수 있다. 제1 시퀀스 요소는 이 경우, 하나의 단일 레이저 펄스를 포함할 수 있으며, 예를 들어 상기 제1 시퀀스 요소의 시퀀스 요소 속성에 의해, 단일 레이저 펄스가 가공할 재료의 표면에 정확하게 포커싱되는 것이 미리 정해진다. 제2 시퀀스 요소는 GHz 레이저 버스트를 포함할 수 있으며, 예를 들어 상기 제2 시퀀스 요소의 시퀀스 요소 속성에 의해, GHz 레이저 버스트의 초점 위치가 가공할 재료의 표면 아래에 있어야 하는 것이 미리 정해진다. 제3 시퀀스 요소는, 예를 들어 레이저 펄스들의 특정한 시퀀스, 예를 들어 일련의 서로 다른 길이의 펄스로 구성될 수 있는 모스 부호와 유사하게, 특히 레이저 펄스들의 시간 특정 시퀀스를 포함할 수 있다. 제3 시퀀스 요소의 시퀀스 요소 속성은, 예를 들어, 특정한 시퀀스에 대해 초점 위치가 가공할 재료의 표면 위에 있어야 하는 것을 미리 지정한다.

예를 들어, 비회절 빔을 이용하여 투명한 재료에 다중 세그먼트 도구로 재료 변형이 생성하는 것이 가능하며, 이러한 재료 변형은 이어서 제2 단계에서 재료의 분리 또는 다양한 재료들의 용접으로 이어질 수 있다. 그러나 다중 세그먼트 도구는 재료의 물리적 특성의 변경도 일으킬 수 있으며, 예를 들어 재료의 굴절률 변화에 의해 재료에 나노 격자를 기록할 수 있다.

시퀀스 요소 속성은 또한, 편광을 포함할 수 있다. 편광은 이 경우 레이저 빔의 전파 방향에 대해 레이저 빔의 전기장 벡터의 정렬, 특히 공간적 또는 시간적으로 가변적인 정렬을 의미한다. 예를 들어 시퀀스 요소는, s-편광, 또는 p-편광, 또는 원형 편광 또는 타원형 편광되는 시퀀스 요소 속성을 가질 수 있다.

시퀀스 요소 속성은, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정될 수 있다. 이는, 2개의 직접 연속하는 시퀀스 요소가 서로 다를 수 있으며, 시퀀스 요소 속성의 각각의 조정이, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 수행될 수 있음을 의미한다. 다시 말해서, 서로 다른 2개의 시퀀스 요소 사이의 시퀀스 요소 속성의 조정 시 중첩은 발생하지 않는다.

특히 제1 시퀀스 요소는 제1 초점 위치를 가질 수 있고, 바로 다음의 제2 시퀀스 요소는 제2 초점 위치를 가질 수 있다. 이는 특히, 하나의 시퀀스 요소가 레이저 펄스들의 특정한 시퀀스의 하나 이상의 레이저 펄스를 포함하는 경우에도 적용된다.

예를 들어 펄스 레이저의 모든 반복 속도에서 시퀀스 요소 속성을 소정의 프로세스 파라미터에 대해 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정함으로써, 다수의 레이저 펄스로 이루어진 삭마 도구가 구성될 수 있고, 상기 도구에 의해 공간적 에너지 입력이 각각의 의도한 가공 프로세스에 대해 최적으로 조정될 수 있다.

이는, 순수한 빔 형성과 달리 펄스 에너지 요구를 줄일 수 있는 추가 장점을 제공하는데, 그 이유는 가공 중에 초점 위치의 매우 동적인, 시퀀스 요소마다 정확한 변위에 의해 해당 빔 모양 또는 그것의 작용이 재구성될 수 있기 때문이다.

시퀀스 요소 속성들은 또한, 펄스 에너지 및/또는 강도를 포함할 수 있으며, 펄스 에너지 및/또는 강도는, 모든 시퀀스 요소에 대해 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정될 수 있다.

시퀀스 요소가 하나의 단일 레이저 펄스인 경우, 펄스 에너지는, 단일 레이저 펄스가 전달하는 에너지이다. 강도는, 전달되는 레이저 에너지의 지수와 레이저 광의 강도가 증가하는 범위의 크기로부터 얻어진다.

시퀀스 요소가 단일 레이저 펄스들의 특정한 시퀀스인 경우, 펄스 에너지는, 단일 레이저 펄스들의 특정한 시퀀스에 대해 통합적으로 합산될 수 있다. 예를 들어 6개의 단일 레이저 펄스로 구성되고 총 6 마이크로줄의 펄스 에너지를 갖는 특정한 시퀀스는, 이에 따라 예를 들어 1 마이크로줄의 단일 에너지를 갖는, 6개의 단일 레이저 펄스를 포함한다. 따라서 펄스 에너지는, 시퀀스 요소가 마치 하나의 단일 레이저 펄스인 것처럼 규정될 수 있다.

시퀀스 요소가 GHz 레이저 버스트인 경우, 펄스 에너지는 전체 GHz 레이저 버스트를 통해 전달되는 에너지일 수 있다.

펄스 에너지, 즉 시퀀스 요소 속성 중 하나는, 각 시퀀스 요소에 대해 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정될 수 있으며, 이는 연속하는 시퀀스 요소들이, 서로 다른 에너지를 가질 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 제1 시퀀스 요소는, 1μJ의 에너지를 전달하는 하나의 단일 레이저 펄스일 수 있다. 제2 후속 시퀀스 요소는, 예를 들어 1 GHz 레이저 버스트일 수 있고, 상기 레이저 버스트는, 다수의 레이저 펄스로 구성되고 통합적으로 2μJ의 에너지를 전달한다. 펄스들의 특정한 시퀀스의 레이저 펄스에도 동일하게 적용된다.

특히 시퀀스 요소 속성들은, 펄스 에너지와 초점 위치의 조합을 가질 수 있다. 예를 들어 제1 시퀀스 요소는, 1μJ의 에너지를 전달하는 시퀀스 요소 속성을 갖고, 초점 위치가 가공할 재료의 표면에 있는 하나의 단일 레이저 펄스일 수 있다. 제2 시퀀스 요소는, 1 GHz 레이저 버스트일 수 있으며, 상기 레이저 버스트는, 5μJ의 에너지를 전달하는 시퀀스 요소 속성을 가지며, 초점 위치는 가공할 재료의 체적 내에 있다.

이로 인해, 레이저 펄스 에너지를 레이저 초점의 위치에 결합하는 것이 가능하다. 이로써, 예를 들어 다양한 삭마 개구 및 단면을 생성하기 위해, 재료에 임의의 강도 파형이 도입될 수 있다.

시퀀스 요소 속성은, 시퀀스 요소의 도입 동안 시퀀스 요소의 시간에 따른 전개를 포함하는 것도 가능하다.

이는 시퀀스 요소의 펄스 파형이 시간에 따라 변할 수 있는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어 단일 펄스의 경우, 이는 레이저 펄스의 에지 경사도가 조정될 수 있음을, 즉, 펄스의 소위 상승 및 하강 시간이 조정될 수 있음을 의미할 수 있다. 예를 들어, 사각 펄스 또는 삼각 펄스 또는 톱니 펄스 또는 특히 더 복잡한 펄스 형태가 구현될 수 있으며, 이들은 또한 변경된 펄스 지속 시간을 가질 수 있다. 예를 들어, 레이저 펄스 또는 GHz 레이저 버스트의 특정한 시퀀스에서 연속하는 레이저 펄스의 진폭이 결정될 수 있다.

바람직하게 시퀀스 요소 속성들은 선행 및/또는 후행 시퀀스 요소에 대한 하나의 시퀀스 요소의 시간 간격을 포함할 수 있으며, 시간 간격은, 시퀀스의 각 시퀀스 요소에 대해 조정될 수 있고, 이 경우 바람직하게 최소 시간 간격 및/또는 시간 간격 변동은, 레이저의 기본 주파수에 의해 주어진다.

시퀀스 요소들의 시간 간격, 즉 추가 시퀀스 요소 속성은, 제1 시퀀스 요소의 시작부터 추가 시퀀스 요소의 시작까지 결정된다.

예를 들어, 제1 시퀀스 요소와 제2 시퀀스 요소 사이의 시간 간격은, 100ns일 수 있고, 제2 시퀀스 요소와 제3 시퀀스 요소 사이의 시간 간격은, 150ns일 수 있다.

선행 및/또는 후행 시퀀스 요소에 대해 시간 간격이 측정된다. 이것은, 제2 시퀀스 요소가 제1 시퀀스 요소의 시간에 따른 위치 설정에 대해서 결정되는 것을 의미할 수 있다. 시간 간격은 제3 시퀀스 요소에 대해서도 결정될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 시퀀스는 제1 시퀀스 요소와 제3 시퀀스 요소를 가질 수 있으며, 이 경우 제2 시퀀스 요소는 제1 시퀀스 요소와 제3 시퀀스 요소 사이에 있을 수 있다. 제1 및 제3 시퀀스 요소 사이의 시간 간격이 결정된 경우, 제1 시퀀스 요소와 제2 시퀀스 요소 사이 또는 제2 시퀀스 요소와 제3 시퀀스 요소 사이의 시간 간격의 설정은 서로 동일하다.

시퀀스 요소들의 시간 간격은, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정할 수 있다. 특히 이것은, 하나의 시퀀스의 시퀀스 요소들 사이의 시간 간격이 시퀀스 요소마다 달라질 수 있음을 의미한다. 시퀀스 요소가 단일 레이저 펄스들의 특정한 시퀀스인 경우에, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정이란, 각 단일 레이저 펄스들이 선행 또는 후행 레이저 펄스에 대해 정확하게 지정된 시간 간격을 갖는 것을 의미할 수 있다.

이에 따라 삭마 도구는 다수의 시퀀스 요소로 구성될 수 있으며, 이 경우 이러한 삭마 도구 내의 에너지 축적은 동시에 이루어지지 않고, 최적화된 공간적 에너지 축적에 맞춰 시간적으로 정확하게 맞춰진다.

시퀀스 요소들 사이의 시간 간격은 예를 들어 0일 수도 있으므로, 시퀀스 요소들의 레이저 펄스가 동시에 재료에 도입된다. 예를 들어, 2개의 시퀀스 요소의 레이저 초점의 위치만 다를 수 있으므로, 2개의 시퀀스 요소가 동시에 재료에 도입된다.

시퀀스 요소들 사이의 최소 시간 간격은 이 경우 펄스 레이저의 소위 시드 주파수인 기본 주파수에 의해 주어진다. 시드 주파수는 이 경우 레이저의 고유 반복 주파수이며, 상기 주파수는 레이저의 방해받지 않는 반복 속도에 해당한다. 일반적으로 시드 주파수는 시퀀스 요소들의 간격보다 훨씬 크다.

바람직하게 시퀀스 요소 속성들은 또한 각 시퀀스 요소에 대해 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정되는 빔 형상을 포함하고, 이 경우 바람직하게 하나의 시퀀스 요소의 레이저 펄스에 의해 형성되는 레이저 빔은, 적어도 2개의 부분 레이저 빔으로 분할되고, 상기 부분 레이저 빔은, 특히 바람직하게는 서로 동시에 재료에 도입되고, 및/또는 상기 부분 레이저 빔은, 특히 바람직하게는 서로 나란히 및 서로 이격되어 라인을 따라 결상된다.

빔 형상, 즉 추가 시퀀스 요소 속성은, 이 경우 예를 들어 레이저 빔의 강도 분포의 공간적 구성을 포함한다.

특히 빔 형상은, 예를 들어 가우시안 빔 프로파일 또는 비-가우시안 빔 프로파일과 같은 빔 프로파일을 포함한다. 빔 프로파일은 예를 들어 타원형일 수 있거나, 삼각형 또는 선형으로 또는 달리 형성될 수 있다.

그러나 빔 형상은 하나의 개별 레이저 빔에서 생성된 부분 레이저 빔들과 이들의 상호 거리도 포함한다. 레이저 빔이 바람직하게 적어도 2개의 부분 레이저 빔으로 분할됨으로써, 부분 레이저 빔당 레이저 에너지가 충분히 큰 경우, 재료를 동시에 가공하는 데 이용될 수 있는 레이저 빔의 개수는 두 배 또는 수 배가 된다. 다수의 레이저 초점을 포함하는 빔 형상은, 멀티 스팟 형상이라고도 한다.

부분 레이저 빔들은 바람직하게 동시에 재료에 도입된다. 이는, 부분 레이저 빔의 시퀀스 요소 속성들이 레이저 초점의 위치를 제외하고 동일한 것을 의미할 수 있다. 특히 선행 또는 후행 시퀀스 요소에 대한 2개의 부분 레이저 빔의 시간 간격은 동일한 크기이다. 동시 도입은 또한, 2개의 부분 레이저 빔이 동시에 재료에 부딪히는 것을 의미한다.

부분 레이저 빔들은 서로 나란히 재료에 도입될 수 있다. 이는, 특히 부분 레이저 빔들이 중첩하지 않는 것을 의미한다. 부분 레이저 빔이 2개 이상인 경우 이는, 모든 부분 레이저 빔이 하나의 선, 특히 직선에 있는 것을 의미할 수 있다.

빔 형상의 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정이란, 이러한 시퀀스 요소 속성이 시퀀스 요소마다, 예를 들어 단일 펄스마다 달라질 수 있는 것을 의미한다. 특히 이는, 제1 시퀀스 요소가 제1 빔 형상을 갖고 제2 시퀀스 요소가 제2 빔 형상을 갖는 것을 의미한다.

따라서, 예를 들어 삭마 도구 내의 에너지 일부를 동시에 재료에 축적하고 규정된 시간 간격으로 다른 영역을 가공하기 위해, 시퀀스 요소마다 멀티 스팟, 라인 및 단일 초점 에너지 분포 사이를 전환하는 것이 가능하다.

또한 이로 인해 삭마 도구 내에 열 축적의 추가적인 최적화가 가능해진다. 재료 내로 레이저의 열 입력을 최소화하기 위해, 부분 레이저 빔의 단일 레이저 펄스들의 동기화된 위치 설정에 의해 연속하는 시퀀스 요소들의 시간 간격이 최대화될 수 있다.

다양한 시퀀스 요소 속성들의 조합에 의해, 재료 삭마 또는 절단 프로세스를 구현할 수 있는 특수한 삭마 도구 또는 레이저 펄스의 시퀀스를 제공하는 것이 가능하다.

특히, 다양한 삭마 도구의 생성으로 인해 형성된 레이저 빔의 삭마를 모방하는 것이 가능하고, 이 경우 개별 시퀀스 요소들은 모방할 레이저 빔과 동일하지 않다. 따라서 소정의 가공 빔의 빔 프로파일의 효과는, 시퀀스 요소들의 해당하는 분포에 의해 형성될 수도 있다.

바람직하게 시퀀스 요소 속성들은, 각 시퀀스 요소에 대해 펄스마다 정확하게 조정되고, 이 경우 시퀀스 요소 속성의 조정은 바람직하게 레이저의 기본 주파수와 동기화된다.

이는, 각각의 시퀀스 요소 속성들이 각 레이저 펄스에 대해 규정되어 제공되고, 특히 하나의 레이저 펄스에 다른 시퀀스 요소 속성들은 부여되지 않는 것을 의미한다.

시퀀스, 특히 시퀀스의 시작은, 펄스 레이저의 기본 주파수에 대해 동기화될 수 있다.

기본 주파수 및 특히 펄스 레이저의 시드 주파수는, 이 경우 시퀀스 내에서 동기화를 위해 시스템 전체에서 사용된다. 예를 들어 시드 주파수는, 예를 들어 음향 광학 편향기의 고속 스위치를 제어하여 레이저 초점의 위치를 결정하는 데 이용된다. 그러나 시드 주파수는, 시퀀스 요소들 사이의 시간 간격을 생성하는 데에도 이용된다. 시드 주파수를 기반으로 제어 가능한 다양한 광학 소자들의 정확한 조정은, 따라서 가공 프로세스의 더 정확한 제어를 가능하게 한다.

GHz 레이저 버스트의 사용 시, 레이저 버스트 시작은, 예를 들어 시드 주파수와 동시에 이루어진다.

바람직하게, 재료를 가공하기 위해 레이저 펄스들의 적어도 2개의 시퀀스가 재료에 도입되며, 이 경우 바람직하게 각 시퀀스의 동일한 시퀀스 요소들은, 동일한 위치에서 재료에 도입된다.

따라서, 서로 다른 시퀀스 요소들에 의해 제공된 삭마 도구가, 가공할 재료의 한 위치에서 여러 번 작용하고, 예를 들어 삭마 도구에 통합된 서로 다른 위치에 연속해서 반복적으로 레이저 에너지가 가해지는 것이 달성될 수 있다.

하나의 시퀀스는, 2 내지 10,000개의 시퀀스 요소, 일반적으로 25개의 시퀀스 요소를 포함할 수 있다.

이는, 재료를 고정밀로 가공할 수 있는 복합적인 삭마 도구 또는 시퀀스를 생성할 수 있게 한다.

시퀀스가 여러 번 실행되면, 단일 세그먼트에 의해 제공되는 삭마 형상은, 신뢰할 수 있게 그리고 입력된 에너지와 관련하여 확장 가능하게 실행되는 것이 달성될 수 있다.

레이저 펄스의 파장은, 200nm 내지 2500nm일 수 있고, 및/또는 펄스 지속 시간은, 레이저 펄스의 반복 지속 시간보다 짧을 수 있으며, 특히 500ps 내지 10fs일 수 있고, 전형적으로 20ps 내지 100fs일 수 있다.

레이저의 반복 속도가 예를 들어 음향 광학 편향기의 고속 스위치의 전환 시간 범위에 있고 레이저 빔의 펄스 지속 시간이, 예를 들어 ps/fs 펄스인 상기 단위에 비해 훨씬 작으면, 특히 바람직할 수 있다. 이로 인해, 음향 광학 편향기가 레이저의 각 레이저 펄스를 단일적으로 편향시킬 수 있다.

특히 바람직하게, 이 방법은 또한, UV 파장에 대해 사용될 수 있는데, 그 이유는 여기에서 높은 반복 속도로 인해 다수의 펄스가 복합 빔 형성에 효과적으로 사용될 수 있기 때문이다.

바람직하게 시퀀스는, 재료의 가공 스테이지에 대해 특정적일 수 있고, 제1 가공 스테이지 동안 제1 시퀀스가 가공 경로를 따라 재료에 도입될 수 있으며, 제2 가공 스테이지 동안 제2 시퀀스가 동일한 가공 경로를 따라 재료에 도입될 수 있고, 이 경우 제1 시퀀스와 제2 시퀀스는 서로 다르다.

각 가공 스테이지에 대해 특정적이라는 것은, 재료의 각 가공 스테이지에 고유한 레이저 시퀀스가 부여되는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어 제1 가공 스테이지는 재료의 예비 가공일 수도 있고, 또는 후가공일 수도 있으며, 또는 예를 들어 분리 프로세스이나 커팅 프로세스와 같은 메인 가공일 수도 있다.

특히 레이저 펄스의 시퀀스는, 가공 스테이지 사이에서 교체될 수 있다. 이 경우 재료를 장치에서 삭마하고 다시 위치 설정하지 않아도 된다. 오히려 레이저 펄스의 시퀀스를 변경하는 것만으로 충분하여, 다양한 작업 스테이션 사이에 재료를 다시 위치 설정하지 않고도, 다양한 가공 단계들이 연속해서 수행될 수 있다.

특히 이로 인해 재료의 동일한 위치를 중복 가공하고 종래의 가공 스테이지를 적절하게 맵핑하는 것이 가능하다. 따라서 삭마 도구는, 공작물 위로 안내될 수 있으며, 필요한 경우 다양한 프로세스 스테이지에서 또는 다른 기하학적 구조를 위해 전환될 수 있다. 이는, 높은 평균 레이저 출력을 최적으로 구현할 수 있게 한다.

더 바람직하게는, 제1 시퀀스와 제2 시퀀스 사이의 가공 평면에 시퀀스 요소들의 공간적 배치는, 레이저 빔의 전파 방향에 대해 평행한 축을 중심으로 회전될 수 있다. 비점형 초점, 즉 공간적으로 확장된 초점을 사용하는 경우, 가공 평면은 그에 따라 가공 체적이 된다. 이는 용어 가공 평면에 함께 고려된다.

이는 예를 들어, 제1 프로세스 스테이지에서 삭마 도구의 공간적 형상은, 소정의 제1 형태에 해당하고, 제2 프로세스 스테이지에서는, 제2 형태에 해당하며, 상기 제1 형상과 제2 형상은, 서로 이어지는 것을 의미할 수 있다. 특히 이러한 회전은, 레이저의 전파 방향을 중심으로 실행되므로, 마치 레이저 빔이나 삭마 도구가 가공할 재료에 대해 회전된 것과 같은 효과를 제공한다.

특히 이는, 부품이나 모듈이 물리적으로 회전되지 않기 때문에, 회전은 단일 초점 위치의 재배치에 해당하는 것임을 의미할 수 있다. 특히 시퀀스 요소들의 재배치는, 도구 교체에 해당할 수 있다.

이러한 도구 교체는, 공작물 위를 여러 번 통과하는 복잡한 형상 또는 더 복잡한 삭마 프로세스에 대해 수행될 수 있고, 이 경우 제어 장치에서 전환에 의해 삭마 도구 내의 개별 펄스들의 시간적 및 공간적 위치 설정이 변경된다.

다른 바람직한 실시예에서, 하나의 시퀀스는 다수의 가공 스테이지를 포함할 수 있고, 바람직하게는 황삭, 다듬질 및 연마를 포함하고, 가공 평면에 공간적으로 급송 방향으로 처음에 배치된 시퀀스 요소는 제1 가공 스테이지에 해당하고, 이어서 배치된 급송 요소는 제2 가공 스테이지에 해당하고, 마지막으로 배치된 시퀀스 요소는 마지막 가공 스테이지에 해당한다. 즉, 가공할 재료 위를 급송 방향으로 한 번 지나갈 때, 동일한 삭마 도구로 상이한 가공 스테이지들이 차례로 형성될 수 있다.

개별 시퀀스 요소 속성들의 시간에 따른 변화에 의해, 예를 들어 황삭, 다듬질 및 연마와 같은 여러 프로세스 단계가, 단일 삭마 도구, 즉 하나의 시퀀스 내에서 가능해질 수 있다.

예를 들어, 높은 에너지 및 면적의 선행 레이저 펄스는, 황삭 프로세스를 의미할 수 있다. 예를 들어 초점이 더 작고 에너지가 보통인 후행 레이저 펄스는, 마무리 프로세스를 의미할 수 있다. 예를 들어, 최종적으로 연마 프로세스에 해당할 수 있는 GHz 레이저 버스트를 이용한 표면 개질이 도입될 수 있다.

예를 들어, 급송 방향으로 레이저 초점의 선행 위치는, 재료의 삭마를 실행할 수 있는 한편, 레이저 초점의 후행 위치는, 절단 에지를 매끄럽게 할 수 있으며 레이저 초점의 추가의, 훨씬 더 후행 위치는 매끄러워진 에지를 청소할 수 있다.

이로 인해, 예를 들어 작업 스테이션을 교체하지 않고도, 재료는 다양한 가공 스테이지를 거칠 수 있다.

가공 프로세스는 삭마 프로세스일 수 있고, 삭마 개구의 크기 및 삭마 개구의 단면 프로파일은, 레이저 펄스의 시퀀스에 의해 결정될 수 있다.

삭마 프로세스에서 시퀀스 요소의 레이저 에너지는, 재료 내에 적어도 부분적으로 축적되어, 재료가 가열되고 및/또는 재료가 증발되고, 재료 내에 축적된 에너지 분포에 따라 삭마된다.

재료 내에 축적된 에너지 분포는, 레이저 펄스의 시퀀스에 의해 주어지고, 이 경우 특히 초점 위치 및 레이저 에너지도 최종 에너지 분포를 지정한다. 특히, 시퀀스 요소들의 시퀀스에 의해 삭마의 형태를 결정하는 것이 가능하고, 물리적 도구 교체를 수행하지 않고도, 단일 시스템을 이용하여 다양한 삭마 도구 또는 삭마 형상을 구현하는 것이 가능하다.

삭마 개구는, 이 경우 삭마 프로세스 시 재료 표면 상의 개구이다. 단면 프로파일은 빔 전파 방향이 위치한 평면이 있고 재료 체적을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 단면이다.

예를 들어 삭마 개구는 라운드형일 수 있고, 단면 프로파일은 삼각형일 수 있으므로, 삭마부는 전체적으로 원추형이다. 예를 들어 삭마 개구는 또한 정사각형일 수 있고, 단면 프로파일은 삼각형일 수 있어서, 삭마부는 전체적으로 피라미드형이다. 예를 들어 삭마 개구는 라운드형일 수 있고, 단면은 직사각형일 수 있어서, 삭마부는 전체적으로 원통형이다.

레이저 빔과 재료는, 급송에 의해 서로에 대해 변위될 수 있다.

급송 이동으로, 재료 위로 레이저 빔을 안내하는 것 또는 레이저 빔 아래에서 재료를 다른 데로 안내하는 것이 가능하다.

특히 급송 이동 및 시퀀스 또는 삭마 도구의 도입은, 서로 평행하게 실행될 수 있다. 재료 상의 레이저의 충돌 지점을 정확하게 결정하기 위해, 해당 시퀀스 요소 속성, 초점 위치에 추가하여, 임의의 급송 궤적을 따른 급송 이동이 고려되어야 한다.

공간적 및 시간적 양상의 전술한 조합으로 인해, 삭마 도구는 가공할 형상에 따라 공작물 위로 안내될 수 있으며 삭마 프로세스에 대해 정확하게 조정될 수 있다.

레이저 펄스의 시퀀스의 지속 시간은, 재료와 레이저 펄스들의 시퀀스 사이의 급송에 의해 결정되는 가공 중 연속 레이저 펄스에 대한 요구보다 짧을 수 있다.

삭마 도구 또는 시퀀스의 공간적 특성은, 시퀀스 내의 시퀀스 요소들의 다양한 초점 위치들에 의해 제공된다.

특히 급송은, 시퀀스 요소들의 위치 설정을 위한 중첩된 이동으로도 이해될 수 있으며, 시퀀스가 중첩된 급송을 고려하는 경우, 도구의 국부적 형상이 피드에 대해 조정될 수 있다.

레이저 펄스들의 시퀀스의 레이저 펄스는, 지연 보상되어 재료에 도입될 수 있다.

지연 보상은, 재료에 부딪힐 때까지 레이저 빔을 따른 레이저 펄스의 이동이 비행 중인 레이저 펄스와 재료 사이의 상대 이동을 급송 이동에 의해 보상한다. 특히 빔 형상의 변동으로 인한 가능한 편향 이동도 고려된다. 이 경우 보상은, 특히 실시간으로 이루어질 수 있다.

이로 인해, 레이저 펄스가 의도한 충돌 지점에 도입되어, 재료 가공의 품질이 향상되는 것이 보장될 수 있다.

전술한 과제는 또한 청구항 제14항의 특징들을 갖는 재료를 가공하기 위한 장치에 의해 해결된다. 장치의 바람직한 개선예는, 종속 청구항 및 본 상세한 설명과 도면에 제시된다.

이에 따라, 펄스 레이저의 레이저 펄스를 이용하여 재료를 가공하기 위한 장치가 제안되며, 이 경우 연속하는 펄스는 공간적으로 및 시간적으로 서로 오프셋 되어 재료에 도입되고, 바람직하게는 전계 프로그래밍 가능 게이트 어래이(FPGA: Field Programmable Gate Array) 또는 주문형 집적회로(ASIC: Application Specific Integrated Circuit)인 제어 장치를 포함하고, 상기 제어 장치의 메모리에 레이저 펄스의 적어도 하나의 시퀀스가 저장되고, 상기 시퀀스는 시퀀스 요소들 및 시퀀스 요소 속성들을 포함하며, 상기 제어 장치는 펄스 레이저 및 편향 시스템에 통신 가능하게 연결되고, 상기 제어 장치는 펄스 레이저 및 편향 시스템을 제어하거나 펄스 레이저 및 편향 시스템에 제어 명령을 전달한다.

또한, 위치 편차를 보상하거나 위치 정확한 도구 교체를 보장하기 위해, 제어 장치는 급송 장치에도 연결될 수 있다.

또한, 레이저 에너지에 적합한 편향 시스템, 특히 음향 광학 편향기 유닛이 제공될 수 있으며, 상기 편향 시스템은, 레이저 빔의 편향 및/또는 다수의 부분 레이저 빔으로 레이저 빔의 분할을 야기할 수 있고, 상기 편향 시스템은, 특정 공간 주파수를 필터링하기 위한 필터 시스템을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 가공 평면에 레이저 펄스를 결상하기 위한 결상 시스템이 제공되고, 상기 가공 평면은, 바람직하게 재료 내에 또는 재료의 표면 상에 배치된다.

또한, 급송 장치, 특히 스캐너, 바람직하게는 갈바노 스캐너가, 가공 평면에서 레이저 빔의 이동을 위해 제공될 수 있다.

삭마 도구 또는 시퀀스를 사용하여 해당 가공 프로세스를 구현하기 위해, 시퀀스 요소 속성들이, 시퀀스 요소마다 조정되어야 한다. 특히 작은 작업 필드 내의 펄스 위치는, 예를 들어 시드 주파수의 시간 척도로 신속하게 변경되어야 한다. 이는 레이저 시드 주파수에 동기화되고 제어를 구현하는 제어부를 필요로 한다.

일반적으로, 해당 제어 장치는, 고속으로 연결되는 메모리가 있는 전계 프로그래밍 가능 게이트 어래이(FPGA)를 기반으로 하고, 삭마 도구나 시퀀스의 각 시퀀스 요소에 대해, 예를 들어 초점 위치, 펄스 에너지 또는 모드(개별 펄스 또는 레이저 버스트)와 같은 다수의 시퀀스 요소 속성이 저장될 수 있다. 제어 장치는 또한 펄스 레이저 시스템 및 편향 시스템에 연결된다.

제어 명령 또는 그것의 실행은, 이 경우 연결된 모든 장치에서 레이저의 시드 주파수와 동기화되므로, 모든 부품에 대한 공통의 시간 축이 존재한다. 펄스 레이저 및 편향 시스템의 상응하게 신속한 제어에 의해 다수의 시퀀스 요소 속성이 시퀀스 요소마다 설정되고 변경될 수 있다. 이는, 예를 들어 펄스 에너지뿐만 아니라 공작물 상의 레이저 초점의 위치에도 관련된다.

위치의 펄스마다의 정확한 제어는, 일반적으로 음향 광학 편향기 유닛으로 가능해진다. 음향 광학 편향기 유닛에서, 재료의 굴절률을 주기적으로 변조하는 음파는 광학적으로 인접하는 재료의 압전 결정에서 교류 전압에 의해 생성된다. 이 경우, 파동은 광학 재료를 통해 전파될 수 있고, 예를 들어 전파하는 파동 또는 파동 패킷으로서, 또는 정상파로서 형성될 수 있다. 이 경우 입사 레이저 빔을 위한 회절 격자는, 굴절률의 주기적 변조에 의해 구현된다. 입사 레이저 빔은, 회절 격자에서 회절되고 이로 인해 원래의 빔 전파 방향에 대해 일정 각도로 적어도 부분적으로 편향된다. 회절 격자의 격자 상수 및 편향각은, 특히 음파의 파장 및 이로 인한 인가된 교류 전압의 주파수에 의존한다. 편향기 유닛에서 2개의 음향 광학 편향기의 조합에 의해, 예를 들어 x 및 y 방향으로 편향이 생성될 수 있다.

결상 시스템은, 예를 들어 특히 푸리에 광학 장치와 같은 렌즈 시스템일 수 있다. 푸리에 광학 장치는, 예를 들어 소위 4f-광학 장치일 수 있으므로, 재료 위 또는 재료 내로 가공 평면에 편향 시스템에 의해 출력된 초점 위치를 결상하는 것이 가능하다. 4f-광학 장치는 예를 들어 2개의 부품으로 구성되며, 빔 전파 방향으로 제1 부품의 이미지 측 초점은, 제2 부품의 물체 측 초점과 일치한다. 그 결과 제1 부품의 물체 측 초점이, 가공 평면에서 제2 렌즈의 이미지 측 초점에 결상될 수 있다.

하나의 부품은 이 경우 특히, 예를 들어 포커싱 또는 시준 작용과 같은 결상 특성을 갖는 광학 부품일 수 있다. 여기에는 특히 결상 또는 곡면 미러, 빔 형성 소자, 회절 광학 소자, 수렴 렌즈 또는 산란 렌즈와 같은 렌즈, 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate) 및 기타 자유형 부품이 포함된다.

수학적으로 바람직한 경우에, 초점 평면 및 대응하는 평면은, 빔 전파 방향에 대해 수직으로 배향되는 그리고 특히 만곡되지 않고 2차원으로만 연장되는 평면이다. 그러나 실제 구현 시 광학 부품은, 이러한 평면의 약간의 곡률 및 왜곡을 초래하므로, 이러한 평면은 대개 적어도 국부적으로 만곡된다. 전술한 바와 같이 초점이 점형이 아닌 경우, 초점은 공간적으로 확장되고, 이로써 초점 평면은 아래에 명시된 바와 같이 레이저 빔의 상이 여전히 충분히 선명한 초점 볼륨이 된다.

따라서 이하에서는 항상 초점 평면이 언급되며, 이 경우 명시적으로 언급되지 않더라도, 이용 가능한 초점 볼륨이 항상 고려된다. 또한, 위의 설명은 아래에서 사용된 가공 평면에도 관련된다.

특히 사용된 부품의 위치에 대해, 위치 설정 공차가 발생한다. 예를 들어 포위치 설정 공차는 최대 20%, 바람직하게는 10%일 수 있으므로, 기준점에 대해 예를 들어 10cm의 거리에 있어야 하는 부품이, 9cm 및 11cm에서도 여전히 충분히 선명한 상을 가능하게 한다. 이에 따라 상들은, 부품들이 모두 위치 설정 공차 내에 위치 설정된 경우, 자동으로 충분히 선명하다. 또한 2개의 평면 또는 2개의 지점의 "일치"란, 관련 볼륨이 적어도 부분적으로 겹치는 것을 의미한다.

특히, 예를 들어 공간 주파수의 필터링이 이루어질 수 있는 결상 시스템의 물체 측 중간 평면도, 공작물 상에 결상될 수 있다. 따라서, 결상 광학 장치의 물체 측 중간 평면에 결합에 의해 재료의 가공 평면에 접근하는 것과 가공 평면에서 빔 모양을 조정하는 것이 가능하다.

결상 시스템은, 광학 중간 평면, 예를 들어 음향 광학 편향기 유닛의 또는 결상 시스템을 위한 사이에 배치되는 필터 광학 장치의, 출력부를 제공할 수 있다. 그런 다음 물체 측 중간 평면이, 공작물 또는 재료에 결상된다. 결상 시스템에 의해 삭마 도구의 확대 또는 축소가 이루어질 수 있다.

또한, 재료는 급송 장치에 의해 이동될 수 있고, 이 경우 이와 시간적으로 동시에 삭마 도구의 공간적 특성, 즉 개별 시퀀스 요소들의 초첨 위치는 음향 광학 편향기 유닛에 의해 생성된다. 급송 장치 대신에 또는 급송 장치에 추가하여 종래의 스캐너, 예를 들어 갈바노 스캐너가 편향 시스템에 중첩될 수 있다. 급송 장치 및 스캐너 광학 장치는, 시드 주파수를 통해 동기화될 수 있으므로, 급송, 빔 편향, 빔 형성 및 펄스 레이저의 제어를 위해 공통 시간 축이 존재한다.

특히, 예를 들어 갈바노 스캐너의 편향각과 같은 급송 장치의 다양한 위치 데이터 또는 그에 대응하는 신호도, 도구의 지연 보상을 계산하고 적용하기 위해, 제어 장치로 피드백될 수 있다.

삭마 도구의 더 복잡한 공간 구성도, 예를 들어 다중 스팟 형상, 라인과 같이 편향 시스템에 의해 실현될 수 있지만, 빔 전파 방향을 따라 초점 위치의 변위, 또는 다양한 광학 소자를 통과함으로써 발생하는 개별 초점의 수차 보정도 실현될 수 있다.

성능 적합성과 스위칭 속도가 해당 응용예에 적합해 보인다면, EOD 시스템, MEMS, TAG 광학 장치, 공간 광 변조기와 같은 액정 시스템, CBC 시스템 및 회절 광학 소자 또는 이들의 조합도 복잡한 빔 형상의 생성을 위해 고려될 수 있다.

본 발명의 바람직한 추가 실시예는 이하의 도면 설명에 의해 상세하게 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 선행 기술에 따른 방법의 개략도.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 제안된 방법의 개략도.
도 3a 및 도 3b는 제안된 방법의 또 다른 개략도.
도 4는 삭마 도구 또는 시퀀스에서 시간 의존성의 개략도.
도 5a 및 도 5b는 회전된 삭마 도구의 개략도.
도 6은 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 방법을 수행하기 위한 장치의 광학 경로의 개략도.

이하 도면을 참조하여 바람직한 실시예들이 설명된다. 동일한, 유사한 또는 동일한 작용을 하는 요소들은 서로 다른 도면들에서 동일한 참조 번호를 가지며, 이러한 요소들에 대한 반복 설명은 때때로 중복을 피하기 위해 생략된다.

도 1a에는 선행 기술에 따른 재료의 가공을 위한 방법이 개략적으로 도시된다. 펄스 레이저에 의해 레이저 펄스(10)가 제공되고, 상기 레이저 펄스는, 가공할 재료(2)에 포커싱되어, 거기에서 부분적으로 흡수될 수 있고, 이로 인해 재료의 부분들이 가열되어 최종적으로 삭마된다.

펄스 레이저는 일반적으로, 펄스 길이(TP), 레이저의 반복 속도에 의해서도 주어지는 레이저 펄스들의 시간 간격(TA), 및 레이저 펄스가 야기하는 에너지(E)를 사전 설정한다. 그러한 점에서, 펄스 레이저는, 레이저 펄스로 이루어진 시퀀스(S)를 사전 설정하며, 이 경우 각 단일 레이저 펄스는, 단일 시퀀스 요소이고, 상기 시퀀스 요소는, 펄스 길이, 펄스 에너지 및 후행 펄스까지의 간격인, 시퀀스 요소 속성을 실질적으로 레이저(1)에 의해 부여받는다. 단일 레이저 펄스로 구성된 시퀀스(S)가 재료(2)에 도입된 후에, 시퀀스(S)를 다시 반복한다. 다시 말해서 시퀀스의 모든 펄스와 그것의 시퀀스 요소 속성은 동일하다.

펄스 레이저가 레이저 펄스(10)를 제공하는 동안, 재료는 급송(V)에 의해 레이저 빔에 대해 이동된다. 그 결과 재료에 도입된 단일 레이저 펄스(10)의 공간적 오프셋(ΔY)이 발생하여, 레이저 에너지가 상이한 공작물 위치에 축적된다. 이로 인해, 삭마 또는 절단 프로세스를 수행하는 것이 가능하다.

도 1b에 재료(2) 상에 도 1a의 레이저 펄스(10)의 다양한 충돌 지점이 도시된다. 상대적 급송 이동(V)으로 인해, 레이저 펄스(10)는, 직선을 따라 재료(2)에 도입된다. 충돌 지점은, 각 펄스 사이에서 ΔY=V TA만큼 변위된다.

본 방법에서, 재료(2) 상의 레이저 초점의 공간적 위치는, 급송 이동(V)에 의해서만 결정되고, 시간에 따른 에너지 입력은, 펄스 레이저의 고정된 설정에 의해서만 결정된다.

도 2a에는 여기에 제안된 방법이 개략적으로 도시된다. 이 경우 재료의 가공은 레이저 펄스의 시퀀스(S)를 이용하여 실행된다. 레이저 펄스의 시퀀스(S)는, 적어도 2개의 시퀀스 요소(SE)로 구성되고, 상기 시퀀스 요소들은, 각각의 레이저 펄스, 단일 레이저 펄스들의 특정한 시퀀스 또는 레이저 펄스들의 버스트로 각각 형성된다. 각 시퀀스 요소에 대해 레이저 초점의 위치가 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정된다. 하나의 시퀀스에는 따라서 레이저 초점의 적어도 2개의 상이한 위치가 제공된다.

하나의 시퀀스(S)는 따라서, 개별 시퀀스 요소들의 레이저 초점의 상이한 위치를 이용하여 소위 삭마 도구를 형성할 수 있으며, 상기 삭마 도구는, 미리 정해진 서로 고정 배치된 가공 위치가 있는 다이처럼 재료의 가공에 이용될 수 있는 해당하는 형태 또는 형상을 형성한다.

이 경우, 시퀀스 요소 속성으로서 레이저 초점의 위치는, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정되고, 이 경우 레이저 빔의 전파 방향에 대해 수직으로 평면의 조정이 이루어진다. 도 2a에 표시된 레이저 초점의 위치 1" 내지 "6"의 형상은, 레이저 빔의 빔 전파 방향에 대한 단면에 도시된다. 말하자면, 도 2a는 변위되지 않은 재료에서 완전한 시퀀스의 실행 후에, 개별적인 레이저 펄스들의 충돌 지점들을 도시한다.

이로써 시퀀스(S)나 삭마 도구는, 다수의 시퀀스 요소(SE)로 구성될 수 있으며, 이 경우 에너지 축적은 이러한 삭마 도구 내에서 반드시 동시에 이루어질 필요는 없지만, 시간적으로 정확하게 설정될 수 있다.

도 2b에 시퀀스(S)의 시간에 따른 구성이 도시되고, 도 2c에는 그로 인한 재료(2) 내의 시퀀스(S)의 삭마 단면 형상이 도시된다.

제1 시퀀스 요소(SE1)는, 여기에서 예를 들어, 시퀀스(S)의 시작 시 초점 위치 "1"에서 재료 내로 방출되는 단일 레이저 펄스(10)이다. 그리고 나서 제2 시퀀스 요소(SE2)에 대한 시간 간격(TA)이 뒤따른다. 제2 시퀀스 요소(SE2) 또한, 예를 들어 단일 레이저 펄스(10)이고, 이 경우 제2 레이저 펄스(10)에 의해 형성된 레이저 빔은, 예를 들어 편향 시스템 또는 빔 스플리터 광학 장치에 의해, 2개의 상이한 부분 레이저 빔으로 분할된다. 따라서 제2 시퀀스 요소(SE2)는, 제1 시퀀스 요소(SE1)와 다른 빔 형상을 갖는다. 2개의 부분 레이저 빔으로 분할되는 레이저 펄스(10)는, 이에 따라 위치 "2" 및 "3"에서 동시에 재료에 도입된다.

이어서, 제3 시퀀스 요소(SE3)에 대한 시간 간격(TA)이 뒤따른다. 제3 시퀀스 요소(SE3)는, 단일 레이저 펄스(10)이고, 이 경우 제3 레이저 펄스에 의해 형성된 레이저 빔은, 다시 2개의 상이한 부분 레이저 빔으로 분할된다. 따라서 제3 시퀀스 요소(SE3)는, 제1 시퀀스 요소(SE1) 및 제2 시퀀스 요소(SE2)와 다른 빔 형상을 갖는다. 레이저 펄스(10)는, 위치 "4" 및 "5"에서 동시에 재료(2)에 도입된다. 이어서 제4 시퀀스 요소(SE4)에 대한 시간 간격(TA)이 뒤따른다. 제4 시퀀스 요소(SE4)는, 여기에서 개략적으로 GHz 레이저 버스트(14)로서 제공되며, 상기 레이저 버스트는, 이어서 위치 "6"에서 재료(2)에 도입된다.

부분 레이저 빔의 부분적으로 동기식의 도입으로 인해, 삭마 도구에 의한 열 축적의 최적화가 가능한데, 그 이유는, 동기화된 도입에 의해 연속되는 펄스들의 시간 간격이 최대화될 수 있기 때문이다. 열 축적은, 펄스들 사이에 재료에 냉각을 위한 더 많은 시간이 허용됨으로써 감소한다.

다른 실시예에서 부분 레이저 빔을 도입함으로써 반대 효과, 즉 재료의 미리 정해진 확장된 영역의 의도한 신속한 가열이 달성될 수 있다.

삭마 도구의 형태와 실제로 재료에 도입되는 에너지 분포의 형태는, 급송의 크기와 시퀀스 요소 사이의 시간 간격에 따라 다를 수 있다. 전반적으로, 급송으로 인한 가공 프로세스 도중의 삭마 도구의 왜곡은, 아래에 제시된 바와 같이 소위 지연 보상에 의해 방지될 수 있다.

도 2a의 삭마 도구는 가공 프로세스 시 삭마 개구(24) 및 단면(22)을 갖는 특정 형상의 삭마부를 생성한다. 이러한 단면(22)은 예를 들어 도 2c에 도시된다. 삭마 개구(24)는 재료의 표면에서 큰 직경(28)을 가지며, 상기 직경(28)은 재료 깊이(26)가 증가함에 따라 좁아진다.

삭마부의 단면(22)의 형상은, 에너지가 재료에 도입되는 도 2a의 다양한 초점 위치에 의해 파악될 수 있다. 삭마 개구(24)의 직경(28)은, 초점 위치 "2"와 "3" 사이의 공간적 거리에 의해 결정된다. 한편, 삭마부의 중심에서 재료(2)가 초점 위치 "1", "4", "5" 및 "6"에서 삭마되어, 거기에 축적된 에너지 밀도가 훨씬 더 크다. 이로써, 이 영역에서의 삭마부는, 훨씬 더 깊은 것이 제공된다.

도 2a 및 도 2b의 공간적 및 시간적 시퀀스 요소 속성의 전술한 조합에 의해, 삭마 도구는 그에 따라 정밀한 삭마 프로세스를 구현할 수 있다.

제안된 방법의 다른 실시예가 도 3a에 도시된다. 시퀀스 요소들(SE)로 이루어진 시퀀스는, 소정의 주기(TS) 내에 재료(2)에 도입된다. 이 경우 주기(TS)에서, 소정의 시간은 주로, 재료에 에너지를 도입하기 위해 결정될 수 있는 한편, 주기(TS)는, 재료에 에너지가 도입될 수 없는 시기도 포함할 수 있다. 특히, 재료에 에너지가 도입되지 않는 시기는, 결정적으로 반복되는 시퀀스(S)의 마지막 시퀀스 요소(SE)와 다음 시퀀스 요소(SE) 또는 제1 시퀀스 요소(SE1) 사이의 특정한 시간 간격에 의해 결정된다.

도 3b에 다른 삭마 도구가 도시되고, 이 경우 시퀀스(S)의 시퀀스 요소들(SE)의 레이저 초점의 위치는 펄스마다 정확하게 조정된다. 삭마 도구는, 빔 전파 방향에 대해 수직인 평면에서 다양한 초점 위치를 갖지만, 삭마 도구는, 빔 전파 방향을 따라 변위된 초점 위치인 위치 "1"을 또한 갖는다. 결과적으로 가공 평면의 초점 직경은 확대되어 나타나지만, 초점 위치의 강도는 더 작다.

또한 도 3b에, 삭마 도구가 전체적으로 재료 표면에 대해 급송(V)에 의해 어떻게 변위되는지 도시된다. 시퀀스 요소들의 순서에 따라 다양한 도구가 생성될 수도 있다.

시간(TS) 동안 급송(V)이 삭마 도구의 공간적 확장보다 훨씬 작으면, 재료(2)에 축적된 에너지의 분포는 삭마 도구의 분포에 해당한다. 높은 급송 속도에서는, 삭마 도구의 왜곡이 지연 보상에 의해 방지될 수 있다.

도 4에 추가적인 삭마 도구의 가능한 펄스 구성이 도시된다. 이 경우 다수의 레이저 펄스(10) 또는 시퀀스 요소들(SE)은, 상이한 펄스 에너지 또는 시간 간격, 또는 시퀀스 요소 속성들과 조합된다. 예를 들어 시퀀스는, 2 내지 10,000개의 시퀀스 요소를 포함할 수 있다. 단일 펄스 지속 시간은, 피코 또는 펨토초 범위, 특히 500ps 내지 10fs, 일반적으로 20ps 내지 100fs이며, 이 경우 레이저 펄스의 파장은 200nm 내지 2500nm이다.

삭마 도구를 규정하는 시퀀스는, 먼저 단일 레이저 펄스(10)인 제1 시퀀스 요소(SE1), 레이저 펄스들(10)의 특정한 시퀀스인 다음의 제2 시퀀스 요소(SE2), GHz 레이저 버스트(14)인 다음의 제3 시퀀스 요소(SE3,) 및 다시 레이저 펄스들의 특정한 시퀀스인 다음의 제4 시퀀스 요소(SE4)로 구성된다.

시퀀스의 모든 시퀀스 요소는, 이 경우, 레이저의 시드 주파수와 동시에 시작된다. 특히 각 시퀀스 요소는, 반드시 레이저의 시드 주파수와 동시에 종료하지 않아도 된다. 이는 특히, GHz 레이저 버스트를 이용한 에너지 도입의 끝이 시드 주파수의 클록 펄스 사이에 있는 시퀀스 요소(SE3)에서 특히 볼 수 있다.

시퀀스 요소(SE1)는, 단일 레이저 펄스로만 구성된다. 레이저 펄스의 에너지, 후속 시퀀스 요소에 대한 시간 간격 및 가능한 빔 형상은, 시퀀스 요소 속성에 의해 결정된다.

제2 시퀀스 요소는, 레이저 펄스들의, 예를 들어 3개의 레이저 펄스의 특수한 순서로 구성된다. 제2 시퀀스 요소에서 시퀀스 요소 내의 레이저 펄스의 펄스 에너지는, 연속적으로 감소한다. 원칙적으로, 레이저 펄스들의 특수한 순서의 레이저 펄스를 개별 시퀀스 요소로 파악하는 것과 상기 레이저 펄스에 각각의 시퀀스 요소 속성을 할당하는 것이 가능하다. 그러나 이러한 시퀀스 요소들의 그룹화에 의해, 에너지 도입의 특정 형태를 고정적으로 규정하고 반복해서 사용하는 것이 가능하다. 시퀀스 요소의 마지막 펄스 다음에는 다음 시퀀스 요소에 대한 시간 간격이 뒤따르며, 상기 시간 간격은, 시퀀스 요소 내의 펄스들 사이의 간격보다 훨씬 길다.

제3 시퀀스 요소(SE3)는 GHz 레이저 버스트이고, 마지막으로 제4 시퀀스 요소(SE4)가 뒤따르며, 상기 제4 시퀀스 요소는, 레이저 펄스들의 추가의 특수한 순서로 구성되고, 이 경우 레이저 에너지는 점진적으로 증가한다.

시퀀스 요소들의 시간적인 순서에 추가하여, 예를 들어 다양한 시퀀스 요소들의 빔 프로필이 모두 상이하도록, 빔 형상이 각 시퀀스 요소에 할당될 수도 있다. 특히 모든 시퀀스 요소는, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정될 수 있어서, 개별 시퀀스 요소 속성이 시퀀스의 각 시퀀스 요소에 할당될 수 있다.

도 5에는 삭마 도구의 도구 교체가 예를 들어 도시된다. 삭마 도구는, 삼각형 내에 배치되는 총 10개의 다양한 레이저 초점의 위치로 구성된다. 도구 교체 시 삭마 도구 내의 개별 시퀀스 요소들의 시간적 및 공간적 위치 설정은, 제어의 전환에 의해 변경된다. 제어의 전환은 예를 들어, 적절한 광학 장치에 의해 삭마 도구가 전체적으로 빔 전파 방향을 중심으로 회전되는 것일 수 있다.

삭마 도구의 회전은, 예를 들어 초점 위치들의 공간적 배치를 변경할 수 있다. 도 5b에서 이 경우 도 5a의 삭마 도구가 빔 전파 방향을 중심으로 일정 각도 회전된다. 예를 들어 초점 위치 "1"은, 레이저 빔(12)이 빔 전파 방향으로부터 편향되지 않을 때 도달된다. 따라서 초점 위치 "1" 주위에서 회전이 발생한다.

도 5a에서, 초점 위치 "2" 및 "3"이 초점 위치 "1"에 대해 동일한 Y-높이에 배치되는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(12)이 이에 따라 부분 빔으로 분할되면, 레이저 펄스의 에너지는, 초점 위치 "2" 및 "3"에 동시에 도입될 수 있다.

도 5b에서 레이저 펄스의 에너지는 여전히 초점 위치 "2"와 "3"에 동시에 도입되지만, 삭마 도구는, 초점 위치 "1" 주위에서 회전하므로, 공간적으로 초점 위치 "3" 앞의 초점 위치 "2"로 레이저 펄스 에너지가 도입된다. 그 결과, 예를 들어 특정 삭마 기능 또는 가공 기능을 갖는 온도 구배가 형성될 수 있다.

재료 위로 복잡한 궤적을 따라 에너지 축적을 안내하기 위해, 일반적으로 이러한 회전은 중첩된 급송 시 적용된다.

특히, 삭마 도구의 회전에 의해 레이저 초점의 위치들이 효과적으로 재배치됨을 알 수 있다. 실제로 명백한 회전 과정에서 광학 장치 또는 광학 모듈이 회전되지 않고, 회전에 따라 편향 및 빔 형성만이 조정된다.

도 6에 전술한 가공 방법을 수행할 수 있는 재료를 가공하기 위한 장치(8)의 개략적인 구성이 도시된다.

제어 장치(4), 예를 들어 FPGA는, 메모리(40)를 포함하거나 메모리에 연결될 수 있고, 상기 메모리에 시퀀스 요소 속성과 함께 시퀀스 요소(SE)를 갖는 시퀀스(S)가 저장된다. 분산 메모리 시스템도 가능하고, 이 경우 바람직하게는 FPGA의 고속으로 연결되는 내부 메모리 및 저속으로 연결되는 RAM 모듈이 함께 작동할 수 있다.

메모리(40)는, 다양한 멀티-세그먼트 도구 또는 시퀀스가 제어 장치(4)에 저장될 수 있어서, 다양한 프로세스 단계들에 의한 재료(2)의 연속 가공 시, 다양한 프로세스 사이에서 빠른 전환이 이루어질 수 있다는 점에서 바람직하다.

제어 장치(4)는, 펄스 레이저(1)와 통신 연결되며, 이로 인해 예를 들어 레이저의 시드 주파수에 액세스할 수 있다. 펄스 레이저(1)와 제어 장치(4)의 통신 연결에 의해 또한, 제어 장치(4)가, 펄스 레이저(1)에 레이저 특정적인 시퀀스 요소 속성을 전달하고 펄스 방출을 제어하는 것이 가능하다. 레이저 특정적인 시퀀스 요소 속성은, 예를 들어 레이저의 펄스 에너지 또는 펄스 간격 또는 단일 펄스 또는 GHz 레이저 버스트 작동 모드와 같은 작동 모드이다.

펄스 레이저(1)에 추가하여, 제어 장치(4)는, 편향 시스템(3)과 통신 연결ㄷ된. 편향 시스템(3)은, 레이저 빔(12)의 편향 또는 다수의 부분 빔으로 레이저 빔(12)의 분할을 보장한다. 그러나 편향 시스템은 또한, 레이저 빔의 분할 및/또는 형성 및/또는 종방향 초점 이동 및/또는 횡방향 위치 설정을 가능하게 할 수 있으며, 이를 위해 경우에 따라서 결상 시스템(5)과 협력할 수 있다. 편향 시스템(3)은, 제어 장치(4)를 통해 펄스 레이저(1)와 동기화되어, 펄스 레이저(1)의 각 레이저 펄스(10)에 편향 시스템(3)을 통해 개별 초점 위치를 부여한다. 따라서 편향 시스템(3) 및 제어 장치(4)와 펄스 레이저(1)의 연결을 통해, 시퀀스 요소들(SE) 또는 시퀀스 요소 속성들의 펄스별로 정확한 및 세그먼트 요소별로 정확한 제어가 가능하다.

편향 시스템(3)에 의해 제공된 초점 위치는, 결상 시스템(5)에 의해 재료(2)의 가공 평면(20)에서 결상된다. 결상 시스템(5)은, 예를 들어 렌즈 시스템일 수 있다. 그러나 결상 시스템(5)은 필터 부재도 포함할 수 있다. 재료(2)의 가공 평면(20)에서, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정된 시퀀스 요소 속성들을 가지며 펄스 레이저(1)에 의해 제공되고 편향 시스템(3)에 의해 처리된 시퀀스 요소들(SE)이 도입되어 거기에서 가공을 야기한다.

펄스 레이저(1)가 레이저 펄스(10)를 제공하는 동안, 재료(2)는, 급송(V)에 의해 레이저 빔 또는 빔들(12)에 대해 이동할 수 있다. 이를 위해 급송 장치(6)가 형성되며, 상기 급송 장치는 예를 들어 스캐너 광학 장치의 형태로도 결상 시스템(5)에 통합될 수 있다. 특히 급송 장치가 지연 보상을 위해 설정될 수 있고, 이를 위해 제어 장치에 연결될 수 있다.

도 7a에 재료(2)를 삭마하기 위한 장치(8)의 일부가 개략적으로 도시된다. 펄스 레이저(1)는, 이 경우 레이저(1)의 레이저 펄스(10)가 연속하는 레이저 빔(12)을 제공한다.

도시된 실시예에서 레이저 빔(12)은 전형적으로, 예를 들어 음향 광학 편향기 유닛인 편향 시스템(3)을 통해 안내된다. 레이저 빔(12)은 인접하는 렌즈를 이용하여 포커싱된 다음 선택적으로 필터 소자(7)를 통해 안내되며, 상기 필터 소자에서 레이저 빔(12)의 빔 프로파일이 조작되고 가공 프로세스에 대해 최적화될 수 있다. 특히 이로 인해 공간 주파수가 필터링되어, 재료(2)에 결상되는 레이저 펄스(10)가 높은 콘트라스트를 갖는다.

필터 소자(7)의 이미지는, 최종적으로 결상 시스템(5)에 의해 재료(2) 상에 또는 내에 결상된다. 이는 예를 들어, 결상 시스템이 예컨대 푸리에 광학 장치임으로써 수행될 수 있다. 전반적으로 여기에서 삭마 도구는, 필터 소자(7)와 결합된 편향 시스템(3)에 의해 생성된다.

필터 소자(7)는 이 경우, 빔 방향으로 제1 렌즈의 초점 거리(F1)에 대응하는 거리에 제1 렌즈(50) 앞에 있다. 빔 방향으로 제1 렌즈(50)의 후방에 제2 렌즈(52)가 위치한다. 제1 렌즈(50)와 제2 렌즈(52) 사이에 제1 렌즈(50)의 이미지 측 초점 및 제2 렌즈(52)의 물체 측 초점이 놓인다. 2개의 초점이 일치하므로, 2개의 렌즈(50, 52) 사이의 거리는, 초점 거리의 합 F1 + F2에 해당한다. 재료(2) 내부 또는 상의 가공 평면(20)은, 제2 렌즈(52) 뒤에 위치한다. 가공 평면(20)은, 렌즈(52)로부터 거리(F2)에 배치되며, 상기 거리는 제2 렌즈(52)의 초점 거리에 해당한다.

삭마 도구는, 결상 시스템에 의해 가공 평면(20)에 결상된다. 이 경우, 결상에서 축소도 이루어질 수 있고, 예를 들어 2 내지 500배, 특히 25배 축소가 이루어질 수 있다. 축소에 의해 특히 더 작은 규모로 삭마를 실현하는 것이 가능하다.

레이저 빔(1)의 레이저 펄스(10)는, 가공 평면에서 재료에 부딪히고 재료(2)에 의해 적어도 부분적으로 흡수된다. 이로 인해, 재료(2)를 가열하는 것 및/또는 일시적인 플라즈마 상태로 만드는 것, 및 이로 인해 부분적으로 기화시켜 삭마하는 것이 가능하다. 가공 프로세스 도중에 삭마 도구는, 급송 장치(6)에 의해 재료(2)에 대해 이동될 수 있다.

급송 장치(6)에 의해 이동된 공작물(2) 대신에 또는 급송 장치(6)에 추가하여, 예를 들어 갈바노 스캐너(62)와 같은 스캐너가 도 7b에 도시된 바와 같이 결상 시스템(5)의 렌즈들(50, 52) 사이에 사용될 수 있다. 이로써 갈바노 스캐너(62)의 신속한 응답 시간으로 인해, 특히 정밀한 가공 프로세스를 수행하는 것이 가능하다. 특히, 갈바노 스캐너(62) 및/또는 급송 장치(6)의 위치 및/또는 각도 정보는 해당 인코더를 통해 높은 측정 속도로 기록되고, 제어 장치에 고속으로 전송될 수 있으며, 지연 보상을 수행하고 도구 구성을 제어하기 위해 편향 시스템(3)에 의해 이용될 수 있다.

도 7c에 추가 실시예가 도시되며, 이 실시예에서 편향 시스템(3)은, 렌즈(52)를 통해 재료(2)에 직접 포커싱된다. 예를 들어, 편향 시스템(3)은, 미세 전자기계 시스템(MEMS: micro-electromechanical system)일 수 있다. 필터링 및 스캐너가 필요하지 않은 경우, 조립 공간이 절약될 수 있어서, 콤팩트한 장치가 구현될 수 있다.

적용 가능한 한, 실시예에 제시된 모든 단일 특징들은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 서로 조합 및/또는 교환될 수 있다.

1: 펄스 레이저 10: 레이저 펄스
12: 레이저 빔 120: 부분 레이저 빔
122: 부분 레이저 빔 14: 레이저 버스트
16: 기본 주파수 2: 재료
20: 가공 평면 22: 단면
24: 삭마 개구 26: 삭마 도구
28: 직경 3: 편향 시스템
4: 제어 장치 40: 메모리
5: 결상 시스템 50: 제1 렌즈
52: 제2 렌즈 6: 급송 장치
62: 갈바노 스캐너 7: 필터 소자
8: 장치 TP: 레이저 펄스의 시간 간격
T: 시간 E: 레이저 펄스의 에너지
S: 시퀀스 SE: 시퀀스 요소

Claims (15)

1. 펄스 레이저(1)를 이용하여 재료(2)를 가공하기 위한 방법으로서,
   가공할 재료(2)의 가공을 위해 레이저 펄스(10)의 시퀀스(S)가 재료(2)에 도입되고,
   각 시퀀스(S)의 시작은 레이저(1)의 기본 주파수(16)와 동기화되며,
   상기 레이저 펄스(10)의 시퀀스(S)는, 공간적으로 및 시간적으로 서로 오프셋된 적어도 2개의 서로 다른 시퀀스 요소(SE)로 구성되고,
   시퀀스 요소(SE)는, 하나의 단일 레이저 펄스(10), 단일 레이저 펄스들(10)의 특정한 시퀀스 또는 레이저 펄스들(10)의 버스트(burst), 바람직하게는 GHz 레이저 버스트를 포함하며,
   각 시퀀스 요소(SE)에 특정 시퀀스 요소 속성이 부여되고,
   시퀀스 요소 속성은 시퀀스 요소의 레이저 초점의 위치를 포함하며,
   상기 시퀀스(S)의 상기 각 시퀀스 요소(SE)의 레이저 초점의 위치는 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정되는 것인, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   시퀀스 요소 속성들은, 펄스 에너지 및/또는 강도를 포함하고, 상기 시퀀스(S)의 상기 각 시퀀스 요소(SE)의 펄스 에너지 및/또는 강도는, 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   시퀀스 요소 속성들은, 시퀀스 요소의 도입 동안 시퀀스 요소의 시간에 따른 전개를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   시퀀스 요소 속성들은, 선행 및/또는 후행 시퀀스 요소(SE)에 대한 하나의 시퀀스 요소(SE)의 시간 간격을 포함하고, 상기 시퀀스(S)의 각 시퀀스 요소(SE)에 대해 시간 간격이 조정되며, 바람직하게는 최소 시간 간격 및/또는 시간 간격 변동은 상기 레이저(1)의 기본 주파수(16)에 의해 주어지는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   시퀀스 요소 속성들은 빔 형상을 포함하고, 각 시퀀스 요소(SE)에 대해 빔 형상은 각 시퀀스 요소에 대해 특정한 방식으로 조정되며, 바람직하게는 하나의 시퀀스 요소(SE)의 레이저 펄스(10)에 의해 형성되는 레이저 빔(12)은 적어도 2개의 부분 레이저 빔(120, 122)으로 분할되고, 상기 부분 레이저 빔(120, 122)은, 특히 바람직하게, 서로 동시에 상기 재료(2)에 도입되고 및/또는 상기 부분 레이저 빔(120, 122)은, 특히 바람직하게, 서로 나란히 및 서로 이격되어 라인을 따라 결상되는 것인 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   시퀀스 요소 속성들은, 각 시퀀스 요소(SE)에 대해 펄스마다 정확하게 조정되고, 시퀀스 요소 속성의 조정은 바람직하게 상기 레이저(1)의 상기 기본 주파수(16)와 동기화되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 재료(2)를 가공하기 위해 상기 레이저 펄스들(10)의 적어도 2개의 시퀀스(S)가 상기 재료(2)에 도입되고, 바람직하게는 각 시퀀스(S)의 동일한 시퀀스 요소들(SE)이 동일한 위치에서 상기 재료(2)에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   - 레이저 펄스의 파장은, 200 nm 내지 2500 nm이고, 및/또는
   - 펄스 지속 시간은, 레이저 펄스의 반복 지속 시간보다 짧고, 특히 500ps 내지 10fs이고, 전형적으로 20ps 내지 100fs인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   각 시퀀스(S)는, 2 내지 10000개의 시퀀스 요소(SE), 바람직하게는 25개의 시퀀스 요소(SE)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    시퀀스(S)는, 상기 재료(2)의 가공 스테이지에 특정적이고, 제1 가공 스테이지 동안 제1 시퀀스(S)가 가공 경로를 따라 상기 재료(2)에 도입되며, 제2 가공 스테이지 동안 제2 시퀀스(S)가 동일한 가공 경로를 따라 상기 재료(2)에 도입되고, 상기 제1 시퀀스(S)와 상기 제2 시퀀스(S)는 서로 다른 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 시퀀스(S)와 상기 제2 시퀀스(S) 사이의 가공 평면(20)에서의 시퀀스 요소들(SE)의 공간적 배치는, 상기 레이저 빔(12)의 전파 방향에 대해 평행한 축을 중심으로 회전되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    시퀀스(S)는, 바람직하게는 황삭, 다듬질 및 연마와 같은, 다수의 가공 스테이지를 포함하고, 가공 평면(20)에 공간적으로 급송 방향으로 처음에 배치된 시퀀스 요소(SE)는, 제1 가공 스테이지에 해당하며, 이어서 배치된 시퀀스 요소(SE)는, 제2 가공 스테이지에 해당하고, 마지막에 배치된 시퀀스 요소(SE)는, 마지막 가공 스테이지에 해당하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    시퀀스(S)의 상기 레이저 펄스(10)는, 지연 보상되어 상기 재료(2)에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 펄스 레이저(1)의 레이저 펄스(10)를 이용하여 재료(2)를 가공하기 위한 장치(8)로서,
    연속하는 레이저 펄스(10)는 공간적으로 및 시간적으로 서로 오프셋되어 가공할 재료(2)에 도입되고,
    제어 장치(4), 바람직하게는 FPGA를 포함하고, 상기 제어 장치(4)의 메모리(40)에 적어도 하나의 시퀀스(S)가 저장되며, 상기 시퀀스는 시퀀스 요소들(SE) 및 각 시퀀스 요소(SE)의 시퀀스 요소 속성들을 포함하고,
    상기 제어 장치(4)는, 상기 펄스 레이저(1) 및 편향 시스템(3)에 통신 가능하게 연결되며,
    상기 제어 장치(4)는, 상기 펄스 레이저(1) 및 상기 편향 시스템(3)을 제어하도록 또는 상기 펄스 레이저(1) 및 상기 편향 시스템(3)에 제어 명령을 전달하도록 설계 및 설정되는 것인, 장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 편향 시스템(3)은, 음향 광학 편향기 유닛을 포함하고, 및/또는
    상기 편향 시스템(3)은, 레이저 빔(12)의 공간적 편향 및/또는 다수의 부분 레이저 빔(120, 122)으로의 상기 레이저 빔(12)의 분할을 야기할 수 있고, 및/또는
    편향 시스템은, 공간 주파수를 필터링하기 위한 필터 시스템(7)을 포함하고, 및/또는
    가공할 재료(2)의 가공 평면(20)에 상기 레이저 펄스(10)를 결상하기 위한 결상 시스템(5)을 포함하고, 및/또는
    상기 가공할 재료(2)의 상기 가공 평면(20)에서 상기 레이저 빔(12)의 이동을 위해 급송 장치(6), 바람직하게는 스캐너, 특히 바람직하게는 갈바노 스캐너(62)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
    

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