KR20230152776A - 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 Download PDF

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아키히로 시바타
히로카즈 오다기리
가츠히로 도이
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데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
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Abstract

레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행하는 것이 가능한 레이저 가공 방법을 제공한다. 레이저 가공 방법은, 레이저 가공 장치를 사용하여 대상물을 가공하는 레이저 가공 방법이며, 레이저광을 출사하는 공정과, 대상물의 가공면 상에 있어서 복수의 레이저 스폿이 형성되도록 상기 레이저광의 위상을 변조하는 공정과, 위상이 변조된 상기 레이저광을 상기 가공면 상에 집광하는 공정과, 상기 복수의 레이저 스폿이 상기 가공면 상에 있어서 트리패닝 궤도를 그리도록, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는 공정을 포함하고, 상기 상대 이동시키는 공정은, 상기 트리패닝 궤도의 직경을 Dt라 하고, 상기 레이저 스폿의 직경을 DI라 하였을 때, 0.9<Dt/DI<100을 만족시키도록 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시킨다.

Description

레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치{LASER PROCESSING METHOD AND LASER PROCESSING MACHINE}
본 발명은, 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
레이저광을 기판 등의 대상물에 조사하여 구멍 등을 형성하는 레이저 가공이 행해지고 있다. 근년, 반도체의 제조 및 전자 부품의 제조에 있어서, 레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행할 것이 요구되고 있다.
레이저 가공의 방법으로서 갈바노 스캐너를 사용한 방법이 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 갈바노 스캐너를 사용하여 레이저 조사점을 고속으로 주사함으로써, 레이저 가공을 고속으로 행할 수 있다.
또한, 레이저 가공의 방법으로서 트리패닝이라 칭해지는 방법이 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 2 참조). 트리패닝은, 레이저 스폿과 피가공물의 상대 위치를, 원하는 가공 형상의 궤도에서 이동시키는 방법이다. 트리패닝을 행함으로써, 레이저 가공의 윤곽 정밀도를 향상시킬 수 있다.
일본 특허 공개 제2006-113185호 공보 일본 특허 공개 제2007-237242호 공보
갈바노 스캐너를 사용한 레이저 가공 방법은, 위치 결정 정밀도에 한계가 있기 때문에, 레이저 가공한 구멍의 윤곽 정밀도가 나쁘다는 과제가 있다.
트리패닝을 행하는 레이저 가공 방법은, 가공 속도가 저하된다는 과제가 있다.
본 발명은, 종래에 있어서의 상기 모든 과제를 해결하고, 이하의 목적을 달성하는 것을 과제로 한다. 즉, 본 발명은 레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행하는 것이 가능한 레이저 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은, 레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행하는 것이 가능한 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서는 이하와 같다. 즉,
<1> 레이저 광원과 공간 광 위상 변조기와 대물 렌즈와 이동 기구를 구비하는 레이저 가공 장치를 사용하여 대상물을 가공하는 레이저 가공 방법이며,
상기 레이저 광원에 의해, 레이저광을 출사하는 공정과,
상기 공간 광 위상 변조기에 의해, 대상물의 가공면 상에 있어서 복수의 레이저 스폿이 형성되도록 상기 레이저광의 위상을 변조하는 공정과,
상기 대물 렌즈에 의해, 위상이 변조된 상기 레이저광을 상기 가공면 상에 집광하는 공정과,
상기 이동 기구에 의해, 상기 복수의 레이저 스폿이 상기 가공면 상에 있어서 트리패닝 궤도를 그리도록, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는 공정을 포함하고,
상기 상대 이동시키는 공정은, 상기 트리패닝 궤도의 직경을 Dt라 하고, 상기 레이저 스폿의 직경을 DI라 하였을 때, 0<Dt/DI<100을 만족시키도록 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는, 레이저 가공 방법이다.
<2> 상기 상대 이동시키는 공정은, 상기 대물 렌즈를 이동시킴으로써, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는, <1>에 기재된 레이저 가공 방법이다.
<3> 상기 상대 이동시키는 공정은, 상기 대상물을 이동시킴으로써, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는, <1>에 기재된 레이저 가공 방법이다.
<4> 상기 상대 이동시키는 공정은, 상기 대물 렌즈 및 상기 대상물의 양쪽을 이동시킴으로써, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는, <1>에 기재된 레이저 가공 방법이다.
<5> 상기 대상물에 가공되는 형상은, 관통 구멍 또는 막힌 구멍인, <1> 내지 <4> 중 어느 것에 기재된 레이저 가공 방법이다.
<6> 대상물을 레이저광으로 가공하는 레이저 가공 장치이며,
레이저광을 출사하는 레이저 광원과,
대상물의 가공면 상에 있어서 복수의 레이저 스폿이 형성되도록 상기 레이저광의 위상을 변조하는 공간 광 위상 변조기와,
위상이 변조된 상기 레이저광을 상기 가공면 상에 집광하는 대물 렌즈와,
상기 복수의 레이저 스폿이 상기 가공면 상에 있어서 트리패닝 궤도를 그리도록, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는 이동 기구를 구비하고,
상기 이동 기구는, 상기 트리패닝 궤도의 직경을 Dt라 하고, 상기 레이저 스폿의 직경을 DI라 하였을 때, 0<Dt/DI<100을 만족시키도록 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는, 레이저 가공 장치이다.
본 발명에 따르면, 레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행하는 것이 가능한 레이저 가공 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행하는 것이 가능한 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 2a는 복수의 레이저 스폿의 배치의 일례로서 49점 격자 배치를 도시하는 도면이다.
도 2b는 복수의 레이저 스폿의 배치의 일례로서 48점 지그재그 배치를 도시하는 도면이다.
도 2c는 복수의 레이저 스폿의 배치의 일례로서 96점 지그재그 배치를 도시하는 도면이다.
도 3은 이동 기구의 개략 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4a는 이동 기구의 X 방향의 이동의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4b는 이동 기구의 Y 방향의 이동의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4c는 이동 기구의 X 방향 및 Y 방향의 이동의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 의한 레이저 가공 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 6a는 복수의 구멍이 형성되는 모습을 도시하는 도면이다(트리패닝 전).
도 6b는 복수의 구멍이 형성되는 모습을 도시하는 도면이다(트리패닝 중).
도 6c는 복수의 구멍이 형성되는 모습을 도시하는 도면이다(트리패닝 후).
도 7은 대상물에 실제로 구멍이 형성된 모습을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명을, 실시 형태에 기초하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(1)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 레이저 가공 장치(1)는, 레이저 광원(11)과, 공간 광 위상 변조기(12)와, 대물 렌즈(13)와, 이동 기구(14)를 구비한다.
레이저 가공 장치(1)는, 대상물(20)을 레이저광으로 가공한다. 레이저 가공 장치(1)에 의해 가공되는 대상물(20)은, 예를 들어 프린트 기판, 반도체 칩의 인터포저, 또는 스크린 인쇄용 공판 등이어도 된다. 레이저 가공 장치(1)는, 관통 구멍 혹은 막힌 구멍 등의 구멍을 형성하는 가공, 또는, 대상물(20)의 표면 처리를 행하는 가공 등을 할 수 있다.
레이저 광원(11)은, 레이저광(101)을 출사한다. 레이저 광원(11)은, 레이저 가공에 일반적으로 사용되는 레이저 광원이어도 된다. 레이저 광원(11)은, 대상물(20)의 광 흡수 특성에 맞추어 파장이 선정되어 있는 것이 바람직하다.
예를 들어 대상물(20)이 수지인 경우, 레이저 광원(11)은, YAG 레이저의 355㎚, 또는 KrF 엑시머 레이저의 248㎚ 등이어도 된다. 또한 예를 들어, 대상물(20)이 금속인 경우, 레이저 광원(11)은, YAG 레이저의 1064㎚, 파이버 레이저의 1500㎚, 또는 CO2 레이저 등이어도 된다. 또한, 레이저 광원(11)은, 상술한 예시한 광원에 한정되는 것은 아니고, 대상물(20)의 재료에 적합한 광원이면 된다.
레이저 광원(11)은, 단일의 광원이어도 되고, 복수의 광원을 조합하여 다중화한 것이어도 된다. 레이저 광원(11)은, 가공에 필요로 되는 출력에 맞추어 구성되어도 된다.
공간 광 위상 변조기(12)는, 복수의 레이저 스폿이 대상물(20)의 가공면(21) 상에 있어서 형성되도록, 레이저광(101)의 위상을 변조한다. 여기서, 「레이저 스폿」은, 대상물(20)의 가공면(21) 상에 있어서, 집광된 레이저광이 형성하는 영역을 의미한다.
공간 광 위상 변조기(12)가 레이저광(101)의 위상을 변조함으로써 대상물(20)의 가공면(21) 상에 형성되는 복수의 레이저 스폿의 배치의 예를 도 2a 내지 도 2c에 도시한다. 도 2a는 복수의 레이저 스폿(102)이, 49점 격자 배치(7×7)로 배치되어 있는 예를 도시한다. 도 2b는 복수의 레이저 스폿(102)이 48점 지그재그 배치(8×6)로 배치되어 있는 예를 도시한다. 도 2c는 복수의 레이저 스폿(102)이 96점 지그재그 배치(12×8)로 배치되어 있는 예를 도시한다.
이와 같이 공간 광 위상 변조기(12)에 의해 복수의 레이저 스폿이 대상물(20)의 가공면(21) 상에 형성됨으로써, 레이저 가공 장치(1)는, 예를 들어 복수의 구멍을, 대상물(20)에 동시에 형성할 수 있다.
공간 광 위상 변조기(12)는, 원하는 배치의 복수의 레이저 스폿이 대상물(20)의 가공면(21) 상에 있어서 형성되도록, 레이저광(101)의 위상을 변조시켜 2차원 홀로그램을 생성한다. 공간 광 위상 변조기(12)가 생성한 2차원 홀로그램이 대물 렌즈(13)를 통해 대상물(20)의 가공면(21) 상에 결상되면, 원하는 배치의 복수의 레이저 스폿이 형성된다.
공간 광 위상 변조기(12)는, 예를 들어 어드레스부와 광 변조부를 구비해도 된다. 공간 광 위상 변조기(12)는, 어드레스부에 기입된 정보에 따라서, 레이저광(101)의 위상을 광 변조부에 의해 변조할 수 있다. 공간 광 위상 변조기(12)는, 예를 들어 액정의 배향을 제어하여 레이저광(101)의 위상을 변조시켜도 된다.
도 1에서는, 투과형 공간 광 위상 변조기(12)를 나타내고 있지만, 공간 광 위상 변조기(12)는 반사형이어도 된다. 공간 광 위상 변조기(12)를 반사형으로 하는 경우에는, 별도로 미러 등을 사용하여, 공간 광 위상 변조기(12)가 생성한 2차원 홀로그램이 대물 렌즈(13)에 입사되도록 하면 된다.
공간 광 위상 변조기(12)는, 레이저 광원(11)이 출사하는 레이저광(101)의 파장 및 강도에 적합한 공간 광 위상 변조기여도 된다. 공간 광 위상 변조기(12)는, 예를 들어 HOLOEYE사의 PLUTO, 또는 하마마츠 포토닉스사의 LCOS-SLM(Liquid Crystal On Silicon-Spatial Light Modulator) 등이어도 된다.
대물 렌즈(13)는, 공간 광 위상 변조기(12)에 의해 위상이 변조된 레이저광을, 대상물(20)의 가공면(21) 상에 집광한다. 상술한 바와 같이, 공간 광 위상 변조기(12)에 의해 생성된 2차원 홀로그램이 대물 렌즈(13)를 통해 대상물(20)의 가공면(21) 상에 결상됨으로써, 원하는 배치의 복수의 레이저 스폿이 가공면(21) 상에 형성된다.
대물 렌즈(13)는, 레이저 광원(11)이 출사하는 레이저광에 대하여 충분한 레이저 내력을 갖는 것이 선정되어 있다. 또한, 대물 렌즈(13)는, 대상물(20)의 가공면(21) 상에 있어서, 가공 대상의 형상(예를 들어 구멍의 형상) 이하의 레이저 스폿 직경을 형성할 수 있는 것이 선정되어 있다.
이동 기구(14)는, 대물 렌즈(13)를 도 1에 도시한 X 방향을 따라서 이동시킬 수 있다. 또한, 이동 기구(14)는, 대물 렌즈(13)를 도 1에 도시한 Y 방향을 따라서 이동시킬 수 있다. 즉, 이동 기구(14)는, 대물 렌즈(13)를 XY 평면에 평행하게 2차원 형상으로 이동시킬 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, XY 평면은, 대상물(20)의 가공면(21)에 대하여 평행한 평면이다.
이동 기구(14)는, 대물 렌즈(13)를 이동시킴으로써, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킬 수 있다. 이동 기구(14)가 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킴으로써, 대상물(20)의 가공면(21) 상에 형성되는 복수의 레이저 스폿의 위치가 이동한다.
이동 기구(14)는, 복수의 레이저 스폿이 대상물(20)의 가공면(21) 상에 있어서 트리패닝 궤도를 그리도록, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킨다. 여기서, 「트리패닝 궤도」란, 레이저 스폿의 중심점이 원하는 경로를 이동함으로써 그려지는 궤도이다. 원하는 경로는, 예를 들어 원 형상의 경로, 또는, 사각형 등의 다각 형상의 경로여도 된다. 원하는 경로가 원 형상의 경로인 경우, 레이저 스폿의 직경을 DI라 하고, 트리패닝 궤도의 직경을 Dt라 하면, 레이저 스폿이 트리패닝 궤도를 그리도록 이동 기구(14)가 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킴으로써, 직경이 DI+Dt인 구멍이 대상물(20)의 가공면(21) 상에 형성된다. 또한, 트리패닝 궤도의 직경이란, 레이저 스폿의 중심점이 이동하는 원의 직경을 의미한다.
이동 기구(14)는, 0<Dt/DI<100의 관계를 만족시키도록, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킨다.
도 3에, 이동 기구(14)의 구성의 일례를 도시한다. 이동 기구(14)는, 제1 이동 기구(141)와, 제2 이동 기구(142)를 구비한다. 제1 이동 기구(141)는, 제2 이동 기구(142) 상에 적층되어 있다. 제1 이동 기구(141) 상에는, 대물 렌즈(13)가 고정되어 있다.
제1 이동 기구(141)는, 예를 들어 피에조 스테이지여도 된다. 제1 이동 기구(141)는, 상부 스테이지(141a)와, 하부 스테이지(141b)를 구비한다. 상부 스테이지(141a)는, 하부 스테이지(141b)에 대하여 X 방향으로 이동 가능하다. 상부 스테이지(141a)는, 제1 이동 기구(141)에 인가된 전압에 따라서, X 방향으로 이동한다.
제2 이동 기구(142)는, 예를 들어 피에조 스테이지여도 된다. 제2 이동 기구(142)는, 상부 스테이지(142a)와, 하부 스테이지(142b)를 구비한다. 상부 스테이지(142a)는, 하부 스테이지(142b)에 대하여 Y 방향으로 이동 가능하다. 상부 스테이지(142a)는, 제2 이동 기구(142)에 인가된 전압에 따라서, Y 방향으로 이동한다.
이동 기구(14)는, 제1 이동 기구(141)에 의한 X 방향의 이동과, 제2 이동 기구(142)에 의한 Y 방향의 이동을 조합하여, 제1 이동 기구(141)에 고정된 대물 렌즈(13)를, XY 평면에 평행하게 2차원 형상으로 이동시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하여, X 방향의 이동 및 Y 방향의 이동에 의해, 레이저 스폿의 중심점이 직경 Dt의 원주를 따라서 이동하는 모습을 설명한다.
도 4a는 이동 기구(14)가 대물 렌즈(13)를 X 방향으로 이동시킴으로써 레이저 스폿이 X 방향으로 이동하는 이동량의 시간 변화를 나타낸다. 도 4b는 이동 기구(14)가 대물 렌즈(13)를 Y 방향으로 이동시킴으로써 레이저 스폿이 Y 방향으로 이동하는 이동량의 시간 변화를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 레이저 스폿의 Y 방향의 이동량은, X 방향의 이동량에 대하여, 위상이 90도 어긋나 있다. 이와 같이, X 방향의 이동량의 위상과, Y 방향의 이동량의 위상이 90도 어긋나 있음으로써, 레이저 스폿의 중심점은, 도 4c에 도시한 바와 같이, 직경 Dt의 원주 상을 이동한다.
이동 기구(14)는, 예를 들어 레이저 스폿의 중심점이 5Hz의 스피드로 직경 Dt의 원주 상을 이동하도록, 대물 렌즈(13)를 이동시켜도 된다.
이동 기구(14)의 구성은, 도 3에 도시한 구성에 한정되지 않는다. 이동 기구(14)는, 대물 렌즈(13)를 XY 평면에 평행하게 2차원 형상으로 이동시킬 수 있는 임의의 구성이어도 된다. 이동 기구(14)는, 예를 들어 리니어 모터 또는 볼 나사 등과 같은 직동 기구에 의해 구성되어도 된다. 또한, 이동 기구(14)는, 예를 들어 서보 스핀들 등과 같은 회전 기구에 의해 구성되어도 된다. 또한, 이동 기구(14)는, 전기 광학 변조기(EOM) 또는 음향 광학 변조기(AOM) 등에 의해 레이저 스폿의 위치를 이동시켜도 된다.
레이저 가공 장치(1)는, 상술한 레이저 광원(11), 공간 광 위상 변조기(12), 대물 렌즈(13), 및 이동 기구(14)에 더하여, 레이저 가공 장치에 일반적으로 사용되는 구성 요소를 구비하고 있어도 된다. 레이저 가공 장치(1)는, 예를 들어 렌즈, 미러, 셔터, 파장판, 애퍼쳐, 편광자, 리니어 스테이지, 로테이션 스테이지, 갈바노 스캐너, 오토 포커스 기구, 어테뉴에이터, 오토 파워 컨트롤러, 빔 프로파일러, 회절 격자, 및 홀로그램 소자 등의 구성 요소 중 몇 가지를 더 구비하고 있어도 된다.
계속해서, 도 5에 도시한 흐름도를 참조하여, 대상물(20)에 복수의 구멍이 형성되는 모습을 설명한다. 도 5에 도시한 흐름도의 설명에 있어서는, 49점 격자 배치로, 복수의 레이저 스폿이 대상물(20)의 가공면(21) 상에 배치되는 것으로 한다.
유저는, 대상물(20)을 레이저 가공 장치(1)의 소정의 위치에 세트한다(스텝 S101). 대상물(20)이 세트되면, 레이저 가공 장치(1)는, 레이저 조사를 개시한다(스텝 S102). 이때, 레이저 가공 장치(1)는, 레이저 광원(11)이 레이저광의 출사를 개시함으로써 레이저 조사를 개시해도 되고, 또는, 레이저 광원(11)과 공간 광 위상 변조기(12) 사이에 설치된 셔터를 개방함으로써 레이저 조사를 개시해도 된다.
스텝 S102에 있어서의 모습을 도 6a에 도시한다. 레이저 조사가 개시되면, 직경이 DI인 레이저 스폿(102)에 의해, 대상물(20)에 구멍(103)이 형성된다. 이 시점에서는, 대상물(20)에 형성된 구멍(103)의 직경은 DI이다.
레이저 가공 장치(1)의 이동 기구(14)는, 복수의 레이저 스폿이 대상물(20)의 가공면(21) 상에 있어서 트리패닝 궤도를 그리도록, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킨다(스텝 S103).
스텝 S103에 있어서의 모습을 도 6b에 도시한다. 직경이 DI인 레이저 스폿(102)이, 직경 Dt의 원주를 따라서 이동하면, 대상물(20)에, 직경이 DI+Dt인 구멍(103)이 서서히 형성되어 간다.
레이저 스폿이 적어도 1주 이상의 트리패닝 궤도를 이동하면, 레이저 가공 장치(1)는, 레이저 조사를 종료한다(스텝 S104). 이때, 레이저 가공 장치(1)는, 레이저 광원(11)이 레이저광의 출사를 정지함으로써 레이저 조사를 종료해도 되고, 또는, 레이저 광원(11)과 공간 광 위상 변조기(12) 사이에 설치된 셔터를 폐쇄함으로써 레이저 조사를 종료해도 된다.
스텝 S104에 있어서의 모습을 도 6c에 도시한다. 도 6c에 도시한 바와 같이, 대상물(20)에는, 직경이 DI+Dt인 구멍(103)이 형성되어 있다.
유저는, 대상물(20)을, 레이저 가공 장치(1)의 소정의 위치로부터 분리하여 레이저 가공 처리를 종료한다(스텝 S105).
도 7에, 레이저 가공 장치(1)에 의한 레이저 가공에 의해, 실제로 대상물(20)에 구멍이 형성된 모습을 도시한다. 도 7에는, 트리패닝 궤도의 직경 Dt가, 0㎛, 14㎛, 16㎛, 18㎛, 20㎛, 및 22㎛인 6가지의 경우의 도면을 도시한다.
레이저 가공 장치(1)에 의해 가공 가능한 대표적인 가공예와, 각 가공예에 있어서의 적합한 조건을 이하에 나타낸다.
·가공예 1(프린트 기판의 구멍 가공)
구멍 직경: 300 내지 1000㎛
정밀도: 60 내지 200㎛ 이내
구멍 깊이: 1000 내지 3000㎛
대상물의 재질: 폴리이미드, 유리 섬유 함유 에폭시
레이저 광원: UV-YAG 레이저 λ=355㎚
·가공예 2(반도체 칩의 인터포저 구멍 가공)
구멍 직경: 30 내지 300㎛
정밀도: 6 내지 60㎛ 이내
구멍 깊이: 10 내지 500㎛
대상물의 재질: 실리콘, 유리, 실리콘
레이저 광원: 피코초 펄스 레이저 λ=800㎚
·가공예 3(스크린 인쇄용 공판 가공)
구멍 직경: 30 내지 1000㎛
정밀도: 6 내지 200㎛ 이내
구멍 깊이: 10 내지 1000㎛
대상물의 재질: 스테인리스, 니켈
레이저 광원: UV-YAG 레이저 λ=355㎚
본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(1)에 의하면, 공간 광 위상 변조기(12)는, 대상물(20)의 가공면(21) 상에 있어서 복수의 레이저 스폿이 형성되도록 레이저광의 위상을 변조한다. 이에 의해, 복수의 레이저 스폿으로 동시에 구멍 등을 형성할 수 있기 때문에, 레이저 가공을 고속으로 행할 수 있다. 또한, 이동 기구(14)는, 복수의 레이저 스폿이 대상물(20)의 가공면(21) 상에 있어서 트리패닝 궤도를 그리도록, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킨다. 이에 의해, 대상물(20)에 형성하는 구멍 등의 윤곽 정밀도를 향상시킬 수 있기 때문에, 레이저 가공을 고정밀도로 행할 수 있다. 또한, 이동 기구(14)는, 0<Dt/DI<100을 만족시키도록 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킨다. 이에 의해, 레이저 스폿이 이동하는 트리패닝 궤도의 원주가 너무 길어져, 레이저 가공의 시간이 지연되는 것을 억제할 수 있다. 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(1)는, 이들의 기술적 특징을 가짐으로써, 레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행하는 것이 가능하다.
또한, 복수의 가공을 하는 경우, 종래의 갈바노 미러 방식에서는, 하나의 집광점을 고속으로 움직이게 하여 가공한다. 이 방식은, 1개 1개의 패턴을 순차적으로 가공해 가기 때문에, 근린의 가공에서 발생한 파편이 누적으로 쌓이기 쉽고, 후반의 가공에서는 파편의 부착에 의해 가공 품질이 열화된다는 과제가 있다. 이에 반해, 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(1)는, 공간 광 위상 변조기(12)가, 대상물(20)의 가공면(21) 상에 있어서 복수의 레이저 스폿이 형성되도록 레이저광의 위상을 변조하기 때문에, 동시에 복수의 가공을 할 수 있다. 따라서, 파편의 발생에 의한 가공 품질의 열화를 억제할 수 있다.
또한, 갈바노 미러 방식에서는, 미러 각도와 셔터 개폐 동작을 고속이면서 또한 고정밀도로 제어하기 위해 고액의 동기 제어 시스템이 필요하다. 이에 반해, 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(1)는, 이와 같은 고속이면서 또한 고정밀도의 동기 제어 시스템을 필요로 하지 않기 때문에, 장치를 구성하기 위한 비용을 저감할 수 있다.
(제1 변형예)
도 8은 본 발명의 제1 변형예에 관한 레이저 가공 장치(2)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 제1 변형예에 관한 레이저 가공 장치(2)에 대해서는, 도 1 등을 참조하여 설명한 레이저 가공 장치(1)와의 상위점에 대하여 주로 설명한다.
제1 변형예에 관한 레이저 가공 장치(2)는, 레이저 광원(11)과, 공간 광 위상 변조기(12)와, 대물 렌즈(13)와, 이동 기구(15)를 구비한다.
이동 기구(15)는, 대상물(20)을 도 8에 도시한 X 방향을 따라서 이동시킬 수 있다. 또한, 이동 기구(15)는, 대상물(20)을 도 8에 도시한 Y 방향을 따라서 이동시킬 수 있다. 즉, 이동 기구(15)는, 대상물(20)을, XY 평면에 평행하게 2차원 형상으로 이동시킬 수 있다.
이동 기구(15)는, 대상물(20)을 이동시킴으로써, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킬 수 있다. 이동 기구(15)가 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킴으로써, 대상물(20)의 가공면(21) 상에 형성되는 복수의 레이저 스폿의 위치가 이동한다.
이동 기구(15)는, 도 1에 도시한 이동 기구(14)와 같이 대물 렌즈(13)를 이동시키는 것이 아니라, 대상물(20)을 이동시킨다는 점에서 도 1에 도시한 이동 기구(14)와 상이하고, 그것 이외의 기능은, 도 1에 도시한 이동 기구(14)와 마찬가지이다.
제1 변형예에 관한 레이저 가공 장치(2)는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치(1)와 같이 대물 렌즈(13)를 이동시키는 이동 기구(14)를 구비하는 것이 아니라, 대상물(20)을 이동시키는 이동 기구(15)를 구비한다는 점에서 도 1에 도시한 레이저 가공 장치(1)와 상이하다.
제1 변형예에 관한 레이저 가공 장치(2)도, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킴으로써, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치(1)와 마찬가지의 효과를 갖는다.
(제2 변형예)
도 9는 본 발명의 제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(3)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(3)에 대해서는, 도 1 등을 참조하여 설명한 레이저 가공 장치(1)와의 상위점에 대하여 주로 설명한다.
제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(3)는, 레이저 광원(11)과, 공간 광 위상 변조기(12)와, 대물 렌즈(13)와, 이동 기구(14)와, 이동 기구(15)를 구비한다.
제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(3)는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치(1)가, 또한 도 8에 도시한 이동 기구(15)를 구비한다는 점에서, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치(1)와 상이하다.
제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(3)는, 이동 기구(14)가 대물 렌즈(13)를 이동시킴으로써, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킬 수 있다. 또한, 제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(3)는, 이동 기구(15)가 대상물(20)을 이동시킴으로써, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킬 수 있다. 또한, 제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(3)는, 이동 기구(14)가 대물 렌즈(13)를 이동시키고, 이동 기구(15)가 대상물(20)을 이동시킨다고 하는 바와 같이, 대물 렌즈(13) 및 대상물(20)의 양쪽을 이동시킴으로써, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킬 수 있다.
제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(3)도, 대물 렌즈(13)와 대상물(20)을 상대 이동시킴으로써, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치(1)와 마찬가지의 효과를 갖는다.
(제3 변형예)
도 10은 본 발명의 제3 변형예에 관한 레이저 가공 장치(4)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 제3 변형예에 관한 레이저 가공 장치(4)에 대해서는, 도 1 등을 참조하여 설명한 레이저 가공 장치(1)와의 상위점에 대하여 주로 설명한다.
제4 변형예에 관한 레이저 가공 장치(3)는, 레이저 광원(11)과, 대물 렌즈(13)와, 이동 기구(14)와, 공간 광 위상 변조기(16)와, 프리즘 미러(17)를 구비한다.
공간 광 위상 변조기(16)는, 도 1에 도시한 투과형 공간 광 위상 변조기(12)와 달리, 반사형 공간 광 위상 변조기이다. 공간 광 위상 변조기(16)는, 투과형이 아니라 반사형인 것 이외는, 도 1에 도시한 공간 광 위상 변조기(12)와 마찬가지의 기능을 갖는다.
프리즘 미러(17)는, 레이저 광원(11)으로부터 입사된 레이저광(101)을 반사하여, 공간 광 위상 변조기(16)를 향하여 조사한다. 프리즘 미러(17)는, 공간 광 위상 변조기(16)에서 위상이 변조되어 되돌아 온 레이저광을 반사하여, 대물 렌즈(13)에 조사한다.
제3 변형예에 관한 레이저 가공 장치(4)도, 반사형 공간 광 위상 변조기(16)가 도 1에 도시한 투과형 공간 광 위상 변조기(12)와 마찬가지의 기능을 갖기 때문에, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치(1)와 마찬가지의 효과를 갖는다.
실시예
다음에, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은, 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다. 이하에 설명하는 레이저 가공 장치의 구성으로, 다양한 가공 조건에서 레이저 가공을 행하여, 가공부의 윤곽 정밀도, 및 가공 시간을 평가하였다.
가공부의 윤곽 정밀도는, 10％보다 작으면 「OK」로 판정하고, 10％보다 크면 NG로 판정하였다. 가공 시간은, 1개의 구멍당의 가공 시간이 1000㎳ 이하이면 「OK」로 판정하고, 1000㎳보다 크면 NG로 판정하였다.
(레이저 가공 장치의 구성)
실시예 및 비교예의 평가에 있어서 사용한 레이저 가공 장치의 구성을 이하에 나타낸다.
·레이저 광원: 사이버 레이저제 IFRIT
·공간 광 위상 변조기: 하마마츠 포토닉스제 10468-02
(홀로그램 데이터는, IFTA법에 의해 생성)
·이동 기구: 시그마 고키제 대물 렌즈 액추에이터 SFS-H60XYZ
(가공 조건)
이하의 조건을 파라미터로서 조합하여, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3으로 하였다.
·가공 내용의 종별: 관통 구멍, 막힌 구멍
·가공부 치수: 7 내지 400㎛, 원형
·대상물: SUS304(두께 20㎛ 또는 1000㎛),
폴리이미드 필름(두께 20㎛),
실리콘 필름(두께 200㎛)
·트리패닝 궤도의 직경(Dt): 0 내지 396.3㎛
·레이저 스폿의 직경(DI): 3.7㎛ 또는 8.8㎛
·레이저 스폿의 배치: 48 지그재그, 96 지그재그, 1(위상 변조 없음)
(실시예 1 내지 4의 평가 결과)
이하의 표 1에, 실시예 1 내지 4의 평가 결과를 나타낸다.
실시예 1 내지 4에 있어서는, 공간 광 위상 변조기에 의해, 대상물의 가공면 상에 복수의 레이저 스폿이 형성되도록 하고 있다. 또한, 실시예 1 내지 4에 있어서는, 트리패닝 궤도의 직경이 3.3 내지 21.2㎛이며, 모든 실시예 1 내지 4에 있어서 트리패닝이 행해져 있다. 또한, 실시예 1 내지 4에 있어서는, Dt/DI가 0.9 내지 2.4이며, 0<Dt/DI<100의 조건을 만족시키고 있다.
상술한 바와 같은 가공 조건에서 행해진 모든 실시예 1 내지 4에 있어서, 가공부의 윤곽 정밀도는 「OK」 평가였다. 또한, 모든 실시예 1 내지 4에 있어서, 가공 시간은 「OK」 평가였다.
(비교예 1 내지 3의 평가 결과)
이하의 표 2에, 비교예 1 내지 3의 평가 결과를 나타낸다.
비교예 1은, Dt가 11.2㎛이며 트리패닝을 행하고 있지만, 공간 광 위상 변조기는 위상 변조를 행하고 있지 않다. 따라서, 대상물의 가공면 상에는 1개의 레이저 스폿만이 형성되어 있다. 그 결과, 가공부의 윤곽 정밀도는 「OK」 평가이지만, 가공 시간은 1000㎳를 초과하여 「NG」 평가로 되어 있다.
비교예 2는, 공간 광 위상 변조기는 위상 변조를 행하여, 대상물의 가공면 상에 48 지그재그의 레이저 스폿을 형성하였지만, Dt가 0㎛이며 트리패닝은 행해져 있지 않다. 그 결과, 가공 시간은 「OK」 평가이지만, 가공부의 윤곽 정밀도는 10％를 초과하여 「NG」 평가로 되어 있다.
비교예 3은, Dt가 396.3㎛이며 트리패닝을 행하고 있다. 또한, 공간 광 위상 변조기가 위상 변조를 행하여, 대상물의 가공면 상에 48 지그재그의 레이저 스폿을 형성하고 있다. 그러나, Dt/DI가 107.1이며, 0<Dt/DI<100이라는 조건은 만족시키고 있지 않다. 그 결과, 가공부의 윤곽 정밀도는 「OK」 평가이지만, 가공 시간은 1000㎳를 초과하여 「NG」 평가로 되어 있다.
상술한 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 평가 결과로부터, 레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행하기 위한 적합한 조건을 알아냈다. 즉, 공간 광 위상 변조기가 위상 변조를 행하여, 대상물의 가공면 상에 복수의 레이저 스폿을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 트리패닝을 행하는 것이 바람직하다. 또한, 트리패닝은, 0<Dt/DI<100이라는 조건을 만족시켜 행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행하는 것이 가능한 레이저 가공 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 레이저 가공을 고속이면서 또한 고정밀도로 행하는 것이 가능한 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
1, 2, 3, 4: 레이저 가공 장치
11: 레이저 광원
12: 공간 광 위상 변조기
13: 대물 렌즈
14: 이동 기구
15: 이동 기구
16: 공간 광 위상 변조기
17: 프리즘 미러
20: 대상물
21: 가공면
101: 레이저광
102: 레이저 스폿
103: 구멍
141: 제1 이동 기구
141a: 상부 스테이지
141b: 하부 스테이지
142: 제2 이동 기구
142a: 상부 스테이지
142b: 하부 스테이지

Claims (6)

  1. 레이저 광원과 공간 광 위상 변조기와 대물 렌즈와 이동 기구를 구비하는 레이저 가공 장치를 사용하여 대상물을 가공하는 레이저 가공 방법이며,
    상기 레이저 광원에 의해, 레이저광을 출사하는 공정과,
    상기 공간 광 위상 변조기에 의해, 대상물의 가공면 상에 있어서 복수의 레이저 스폿이 형성되도록 상기 레이저광의 위상을 변조하는 공정과,
    상기 대물 렌즈에 의해, 위상이 변조된 상기 레이저광을 상기 가공면 상에 집광하는 공정과,
    상기 이동 기구에 의해, 상기 복수의 레이저 스폿이 상기 가공면 상에 있어서 트리패닝 궤도를 그리도록, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는 공정을 포함하고,
    상기 상대 이동시키는 공정은, 상기 트리패닝 궤도의 직경을 Dt라 하고, 상기 레이저 스폿의 직경을 Dl라 하였을 때, 0.9<Dt/Dl<100을 만족시키도록 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키고,
    상기 레이저 광원은 파장이 780[nm] 또는 800[nm]이고, 펄스 폭이 250[fs] 이하인, 레이저 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상대 이동시키는 공정은, 상기 대물 렌즈를 이동시킴으로써, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는, 레이저 가공 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상대 이동시키는 공정은, 상기 대상물을 이동시킴으로써, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는, 레이저 가공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상대 이동시키는 공정은, 상기 대물 렌즈 및 상기 대상물의 양쪽을 이동시킴으로써, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는, 레이저 가공 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대상물로 가공되는 형상은, 관통 구멍 또는 막힌 구멍인, 레이저 가공 방법.
  6. 대상물을 레이저광으로 가공하는 레이저 가공 장치이며,
    레이저광을 출사하는 레이저 광원과,
    대상물의 가공면 상에 있어서 복수의 레이저 스폿이 형성되도록 상기 레이저광의 위상을 변조하는 공간 광 위상 변조기와,
    위상이 변조된 상기 레이저광을 상기 가공면 상에 집광하는 대물 렌즈와,
    상기 복수의 레이저 스폿이 상기 가공면 상에 있어서 트리패닝 궤도를 그리도록, 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키는 이동 기구를 구비하고,
    상기 이동 기구는, 상기 트리패닝 궤도의 직경을 Dt라 하고, 상기 레이저 스폿의 직경을 Dl라 하였을 때, 0.9<Dt/Dl<100을 만족시키도록 상기 대물 렌즈와 상기 대상물을 상대 이동시키고,
    상기 레이저 광원은, 파장이 780[nm] 또는 800[nm]이고, 펄스 폭이 250[fs] 이하인, 레이저 가공 장치.
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