KR100819616B1 - 레이저 가공 장치 - Google Patents

Abstract

레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저 광을 피가공물(2O)까지 유도하는 복수의 광학 부품으로 이루어지는 광학계를 가지고, 1개의 레이저 광을 제1 편광 분리 수단(5)으로 2개의 레이저 광으로 분광하며, 한쪽은 미러(14)를 경유하고, 다른 쪽은 제1 갈바노 스캔 미러(13)로 2축 방향으로 주사하며, 2개의 레이저 광을 제2 편광 분리 수단(8)으로 유도한 후, 제2 갈바노 스캔 미러(12)로 주사하고, 피가공물(2O)을 가공하는 레이저 장치에 있어서,

상기 제1 및 제2 편광 분리 수단을 레이저 광의 광축에 대하여 45°로 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.

Description

레이저 가공 장치{LASER BEAM APPARATUS}

본 발명은, 프린트 기판 등의 피가공물에 대하여 구멍 뚫기 가공을 주목적으로 한 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 특히 그 생산성, 및 가공 품질 향상을 도모하는 것이다.

종래의 프린트 기판 등의 피가공물에 대하여 구멍 뚫기 가공을 주목적으로 한 레이저 가공 장치 중에서, 특히 2곳에서 동시에 가공을 실시할 수 있는 레이저 가공 장치는, 예를 들면 국제공개번호WOO3/0419O4호공보에 있어서 도 9에 나타낸 것과 같은 구성으로 되어 있다.

도 9에 있어서, 1은 레이저 발진기(發振器), 2는 레이저 광, 3은 가공 구멍을 소망의 크기, 형상으로 하기 위해서 입사하는 레이저 광으로부터 필요한 부분의 레이저 광을 잘라내는 마스크(mask), 4는 레이저 광(2)을 반사하여 광로(光路)를 유도하는 복수의 미러(mirror)이다. 24는 레이저 광(2)을 2개의 레이저 광으로 분광하는 제1 편광 빔 스플리터(splitter), 6은 제1 편광 빔 스플리터(24)로 분광된 한쪽의 레이저 광, 6p는 레이저 광(6)의 편광 방향, 7은 제1 편광 빔 스플리터로 분광된 다른 한쪽의 레이저 광, 7s는 레이저 광(7)의 편광 방향, 25는 레이저 광(6)을 반사하고 레이저 광(7)을 투과하여 제2 갈바노 스캔 미러(galvano scan mirror)(12)로 유도하기 위한 제2 편광 빔 스플리터이다. 10은 제2 편광 빔 스플리터에 의해 반사된 레이저 광, 11은 제2 편광 빔 스플리터에 의해 투과된 레이저 광, 14는 레이저 광(6)을 제2 편광 빔 스플리터(25)로 유도하기 위한 미러, 17은 레이저 광(1O, 11)을 피가공물(2O) 상에 집광시키기 위한 fθ 렌즈, 13은 레이저 광(7)을 2축 방향으로 주사(走査)하고, 제2 편광 빔 스플리터(25)로 유도하기 위한 제1 갈바노 스캔 미러, 12는 레이저 광(1O)과 레이저 광(11)을 2축 방향으로 주사하여 피가공물(2O)로 유도하기 위한 제2 갈바노 스캔 미러이다. 18은 피가공물(2O)을 XY방향으로 이동시키기 위한 XY 테이블, 19는 fθ 렌즈(17)로부터 출사되는 레이저 광의 에너지를 측정하는 파워 센서, 15는 레이저 광(6)을 차단하는 제1 셔터, 16은 레이저 광(7)을 차단하는 제2 셔터이다. 또한, 파워 센서(19)는, XY 테이블(18)에 고정되어 있고, 레이저 광의 에너지를 측정할 때는, 파워 센서(19)의 수광부(受光部)에 레이저 광이 닿는 위치로 이동이 가능하게 되어 있다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 1개의 레이저 광을 편광 빔 스플리터로 2개의 레이저 광으로 분광하고, 2개의 레이저 광을 독립적으로 주사함으로써, 2곳에서 동시에 가공을 실시할 수 있는 구멍 뚫기 가공용 레이저 가공 장치에서는, 레이저 발진기(1)로부터 직선 편광에 의해 발진된 레이저광(2)은, 마스크(3), 미러(4)를 경유하여 제1 편광 빔 스플리터(24)로 유도된다.

그리고, 제1 편광 빔 스플리터(24)에 의해, 레이저 광(2)의 P파 성분은 편광 빔 스플리터(24)를 투과하여 레이저 광(6)으로 되고, S파 성분은 편광 빔 스플리터(24)에서 반사하여 레이저 광(7)으로 분광된다.

제1 편광 빔 스플리터(24)를 투과한 레이저 광(6)은, 미러(14)를 경유하여, 제2 편광 빔 스플리터(25)로 유도된다.

한편, 제1 빔 스플리터(24)에서 반사한 레이저 광(7)은, 제1 갈바노 스캔 미러(13)에 의해 2축 방향으로 주사된 후, 제2 편광 빔 스플리터(25)로 유도된다.

또한, 레이저 광(6)은 항상 동일한 위치에서 제2 편광 빔 스플리터(25)로 유도되나, 레이저 광(7)은 제1 갈바노 스캔 미러(13)의 진동 각을 제어함으로써 제2 편광 빔 스플리터(25)로 입사하는 위치, 각도를 조정할 수 있다.

그 후, 레이저 광(1O, 11)은 제2 갈바노 스캔 미러(12)에 의해 2축 방향으로 주사된 후, fθ 렌즈(17)로 유도되어, 각각 피가공물(2O)의 소정 위치에 집광된다.

이때, 레이저 광(11)은 제1 갈바노 스캔 미러(13)를 주사함으로써, 레이저 광(1O)의 광축에 대하여 어느 설정 범위 내, 예를 들면 4mm 각의 범위 내에서 진동하는 것을 가능하게 하고 있다. 이것에 의해 예를 들면, 50mm 사방 등 가공 가능한 범위에서 진동하는 제2 갈바노 스캔 미러(12)를 통하여, 피가공물(2O) 상의 임의의 다른 2점에서 동시에 레이저 광을 조사하는 것을 가능하게 하고 있다.

도 10은, 편광 빔 스플리터(24)의 원리를 설명하기 위한 모식도를 나타내고, 정면도를 중앙에, 그 좌우에 측면도, 상부에 상면도를 나타내고 있다.

도 10에 있어서, 26은 편광 빔 스플리터의 윈도우 부분에서 탄산가스 레이저의 경우 ZnSe나 Ge이 사용된다. 27은 레이저 광을 9O°로 반사하기 위한 미러이다.

편광 빔 스플리터(24)는, 편광을 분리하기 위해 입사빔에 대하여, 브루스터 각(Brewster's angle)이 되는 구조로 되고 있다.

따라서, 이 편광 빔 스플리터(24)에 레이저 광(28)을 입사하면 편광 방향 28p의 성분(P파 성분)은 투과하고, 편광 방향 28s의 성분(S파 성분)은 반사하는 성질을 가지고 있다.

또, 모든 편광 방향이 균질하게 존재하는 원편광(圓偏光)이나, P파, S 파에 45°의 각도를 이루는 편광 방향이면 레이저 광은 등분되고, 레이저 광 29와 레이저 광 3O의 에너지는 동일하게 되는 성질을 가지고 있다.

따라서, 제1 편광 빔 스플리터(24)로의 입사빔(2)은, 원편광, 혹은 P파, S파에 45°의 각도를 이루도록 함으로써, 에너지를 동일하게 분리하는 구성으로 되어 있다.

또, 당연히, 편광 빔 스플리터(24)에 입사하는 레이저 광의 편광 방향이 P파 성분뿐이면 모두 투과하고, S파 성분뿐이면 모두 반사한다고 하는 성질을 가지고 있다.

따라서, 제2 편광 빔 스플리터(25)로의 입사빔은, 레이저 광(7)이 P파 성분만을, 레이저 광(6)이 S파 성분만으로 되도록 함으로써, 에너지 손실 없이 제2 갈바노 스캔 미러(12)로 유도하는 구성으로 되어 있다.

상기와 같은 종래의 레이저 가공 장치에서는, 제1 편광 빔 스플리터(24), 제2 편광 빔 스플리터(25)와 함께, 레이저 광의 윈도우 부분(26)으로의 입사각이 브루스터 각으로 되도록 윈도우를 배치함으로써 레이저 광(2)을 S파, P파 성분으로 분광하고 있으나, 예를 들면, 탄산가스 레이저의 분광에 ZnSe를 재질로 한 윈도우를 사용한 경우, 브루스터 각은 67.5°와 윈도우로의 입사각이 커지며, 편광 빔 스 플리터로 유도되는 레이저 광의 지름을 φ 35mm로 하면, 윈도우 상의 레이저 광 지름은 긴 축 방향에서 94mm로 되어 버린다. 따라서, 윈도우는 상기 레이저 광 지름의 2.5배 이상의 유효 지름이 필요하게 되고, 제작 정밀도의 유지가 어려운 문제점이 있었다.

또, 제1 편광 빔 스플리터(24)를 P파 성분으로서 투과한 레이저 광(6)은 제2 편광 빔 스플리터(25)에 있어서, S파 성분으로서 반사시킬 필요가 있고, 제1 편광 빔 스플리터(24)를 S파 성분으로서 반사한 레이저 광(7)은 제2 편광 빔 스플리터(25)에 있어서, P파 성분으로서 투과시킬 필요가 있기 때문에, 제 1, 제2 편광 빔 스플리터에서는 각각 레이저 광을 9O°로 반사하기 위한 미러(27)를 구비할 필요가 있고, 또 윈도우 부분(26)과 미러(27)의 상대 위치 관계는 편광 빔 스플리터 뒤의 광로의 정밀도에 큰 영향을 미치기 때문에, 윈도우 부분(26)과 미러(27)의 상대 위치 관계에 주의하여, 편광 빔 스플리터를 제작할 필요도 있었기 때문에, 편광 빔 스플리터가 보다 고가인 광학 부품으로 이루어진다는 문제점도 있었다.

또, fθ 렌즈(17)의 특성을 고려하여, 보다 안정적인 가공품질을 얻기 위해, 제1 편광 빔 스플리터(24)로부터 fθ 렌즈(17) 사이의 광로 길이를 아주 짧게 할 필요가 있고, 편광 빔 스플리터의 유효 지름을 크게 할 필요가 있었다. 그러나, 편광 빔 스플리터의 유효 지름을 충분히 크게 설계하는 것이 곤란하기 때문에, 실제는 편광 빔 스플리터의 유효 지름이 충분하지 않고, fθ 렌즈(17)로 유도되는 레이저 광의 지름이 소망의 지름보다도 작게 제약되면, fθ 렌즈의 초점 거리가 일정한 경우, 피가공물 상의 레이저 광의 지름은 소망의 지름보다도 크게 제약되고, 보다 작은 구멍 가공에 적합한 광로를 구성할 수 없게 되어, 요구되는 가공 품질을 얻을 수 없다고 하는 문제점도 있었다.

또, 광학계에 사용되는 개개의 광학 부품은 제작 공정상 반드시 일그러짐(수차(收差)(aberration))을 가지고, 평면도에 대해서는 요구 정밀도를 작게 하면 할수록, 추출율이 악화되어, 비용이 비싸지기 때문에, 일반적으로는 레이저 파장 λ의 1/1O ~ 1/2O 정도의 광학 일그러짐으로 제작된다. 이 정도의 광학 부품을 아무것도 고려하지 않고 복수 매 조합시킨 광학계를 구축하면, 개개의 수차가 쌓여, 비점수차(非点收差)(astigmatism) 등이 발생하여, 요구되는 가공 품질을 얻을 수 없다고 하는 문제점도 있었다.

또, 각각의 표면 형상이 평면인 광학 부품은 일반적으로는 표면과 이면을 제작하는 제작 공정은 동일하기 때문에, 표면과 이면의 표면 형상은 모두 볼록 형상, 혹은 오목 형상이 되는 경향이 강하며, 투과형의 광학 부품에서는 광학 일그러짐(수차)이 증대한다는 문제점도 있었다.

본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 실시된 것으로, 편광 분리 수단에 의해, 분광된 레이저 광을 이용하여 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 있어서, 편광 분리 수단으로서 저렴한 가격의 광학 부품을 사용할 수 있고, 또 피가공물 상의 레이저 광의 지름을 보다 작게 할 수 있는 레이저 가공 장치를 얻는 것을 제1 목적으로 하고 있다.

또, 광학 부품의 표면 형상에 의한 수차를 감소시키고 가공품질을 향상시킬 수 있는 레이저 가공 장치를 얻는 것을 제2 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 제1 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 광을 피가공물까지 유도하는 복수의 광학 부품으로 이루어지는 광학계를 가지고, 1개의 레이저 광을 제1 편광 분리 수단으로 2개의 레이저 광으로 분광하며, 한쪽은 미러를 경유하고 다른 쪽은 제1 갈바노 스캔 미러로 2축 방향으로 주사하며, 2개의 레이저 광을 제2 편광 분리 수단에 유도한 후, 제2 갈바노 스캔 미러로 주사하고, 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광 분리 수단을 레이저 광의 광축에 대하여 45°로 배치하고, 상기 제1 및 제2 편광 분리 수단은, 한쪽 면이 오목 형상, 그 이면이 볼록 형상이다.

제2 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 제1 및 제2 편광 분리 수단은, 표면에 유전체 다층막 코팅이 형성된 편광 빔 스플리터이다.

삭제

제 4 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 상기 제1 편광 분리 수단은, 레이저 광을 반사하는 쪽의 면을 볼록 형상, 그 이면을 오목 형상으로 하고, 그 제1 편광 분리 수단에 있어서 반사된 레이저 광을 표면 형상이 오목 형상의 상기 제1 갈바노 스캔 미러로 유도하며, 상기 제2 편광 분리 수단은, 레이저 광을 반사하는 쪽의 면을 오목 형상, 그 이면을 볼록 형상으로 한 것이다.

제 5 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 상기 제1 편광 분리 수단은, 레이저 광을 반사하는 측의 면을 오목형상, 그 이면을 볼록 형상으로 하고, 그 제1 편광 분리 수단에 있어서 반사된 레이저 광을 표면 형상이 볼록 형상의 상기 제1 갈바노 스캔 미러로 유도하고, 상기 제2 편광 분리 수단은, 레이저 광을 반사하는 측의 면을 볼록 형상, 그 이면을 오목 형상으로 한 것이다.

제 6 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 상기 제1 및 제2 편광 분리 수단의 표면의 오목 또는 볼록 형상은, 상기 레이저 광의 파장을 λ로 한 경우, λ/2O 이하의 정밀도로 형성되어 있는 것이다.

제 7 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 상기 광학계에 있어서, 동일 표면 형상인 1조(組)의 레이저 광을 반사하는 미러를 한쪽의 미러의 빔 입사면이 다른 쪽 미러의 빔 입사면에 대하여 수직으로, 또한 한쪽 미러로의 빔 입사각이 다른 쪽 미러로의 빔 입사각과 동일하게 되도록 배치하는 것이다.

제 8 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 광이 상기 제1 편광 분리 수단에 이르기까지의 레이저 광로 중에 마스크를 설치하고, 이 마스크와 상기 피가공물과의 사이에 상기 1조의 레이저 광을 반사하는 미러를 배치한 것이다.

제 9 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 상기 1조의 레이저 광을 반사하는 미러를 개개로 고정하는 홀더를 가지고, 상기 홀더에 방향성이 있는 경우, 이 방향성을 나타내는 축을, 각각의 미러의 입사면에 대하여 동일 방향으로 배치한 것이다.

제 10 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 상기 1조의 레이저 광을 반사하는 미러의 표면 형상은, 상기 레이저 광의 파장을 λ로 한 경우, λ/1O ~ λ/20의 정밀도로 형성되어 있는 것이다.

제 11 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 상기 제1 및 제2 편광 분리 수단은, 레이저 광의 진행 방향에 수직으로, 또한 서로 직교하는 2축 방향으로 각도 조정이 가능한 기구를 구비한 것이다.

제 12 발명에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 상기 제2 편광 분리 수단으로부터 에너지 손실로서 새는 레이저 광을 흡수하기 위해서 댐퍼(damper)를 구비한 것이다.

본 발명에 의하면, 편광 분리 수단으로서 입사각이 45°인 편광 빔 스플리터를 사용함으로써, fθ 렌즈에 의해 큰 지름의 레이저 광을 입사시킬 수 있고, 피가공물 상의 레이저 광의 지름을 보다 작게 할 수 있어, 보다 미세한 가공을 실시할 수 있다. 또, 편광 분리 수단이 저렴한 가격으로 되어 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1을 나타내는 레이저 가공 장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시 형태 2을 나타내는 편광 빔 스플리터를 고정하는 홀더 부분의 개략도이다.

도 3은 본 발명의 실시 형태 3를 나타내는 레이저 가공 장치의 구성도이다.

도 4는 본 발명의 실시 형태 3인 레이저 가공 장치의 광학 부품 표면 형상과 굴절력과의 관계를 설명하기 위한 모식도이다.

도 5는 본 발명의 실시 형태 3인 레이저 가공 장치의 광학 부품의 배치를 설명하기 위한 모식도이다.

도 6은 본 발명의 실시 형태 3인 레이저 가공 장치의 방향성을 가진 광학 부품 홀더의 배치와 굴절력과의 관계를 설명하기 위한 모식도이다.

도 7은 본 발명의 실시 형태 4을 나타내는 레이저 가공 장치의 구성도이다.

도 8은 본 발명의 실시 형태 4인 레이저 가공 장치의 광학 부품 표면 형상과 굴절력과의 관계를 설명하기 위한 모식도이다.

도 9는 본 발명에 관한 종래 기술을 나타내는 레이저 가공 장치의 구성도이다.

도 1O은 본 발명에 관한 종래 기술을 나타내는 레이저 가공 장치의 편광 빔 스플리터를 설명하기 위한 모식도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

실시 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 것으로, 편광 분리 수단으로서 입사각이 45°인 편광 빔 스플리터를 사용하여, 1개의 레이저 광을 2개의 레이저 광으로 분광하고, 2개의 레이저 광을 독립적으로 주사함으로써, 2곳에서 동시에 가공을 실시할 수 있는 구멍 뚫기용 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다. 종래 기술의 도 9와 동일한 구성에 대해서는 동일 번호를 부여하고, 상세한 설명은 생략한다.

도 1에 있어서, 5는 제1 편광 빔 스플리터, 6은 제1 편광 빔 스플리터(5)를 투과한 레이저 광, 6p는 레이저(6)의 제1 편광 빔 스플리터에 있어서 P파 성분이 되는 편광 방향, 6s는 레이저 광(6)의 제1 편광 빔 스플리터에 있어서 S파 성분이 되는 편광 방향, 7은 제1 편광 빔 스플리터(5)를 반사한 레이저 광, 7s는 레이저 광(7)의 제1 편광 빔 스플리터에 있어서 S파 성분이 되는 편광 방향, 7p는 레이저 광(7)의 제1 편광 빔 스플리터에 있어서 P파 성분이 되는 편광 방향, 8은 제2 편광 빔 스플리터, 9는 에너지 손실로서 발생하는 레이저 광을 받아들이는 댐퍼, 1O은 레이저광(6) 중 제2 편광 빔 스플리터(8)에서 반사한 레이저 광, 11은 레이저 광(7) 중 제2 편광 빔 스플리터(8)로 투과한 레이저 광이다.

종래 기술에 있어서 레이저 광을 편광 분리하는 경우는, 입사각을 브루스터 각으로 한 윈도우를 사용하고, P파 성분, S파 성분을 동일하게 포함하는 레이저 광을 편광 분리함으로써, 투과하는 P파 성분과 반사하는 S파 성분을 등분배하여, 레이저 광의 에너지를 동일하게 분할하고 있다.

그렇지만, 본 실시 형태에 있어서는, 반사면에, 예를 들면 유전체 다층막의 코팅을 실시한 편광 빔 스플리터를 사용함으로써, 입사각을 브루스터 각이 아닌 광축에 대하여 45°의 배치로서, 일정한 정밀도로 P파를 투과하고, 또한 어느 일정한 정밀도로 S파를 반사시켜, 레이저 광의 에너지를 동일하게 분할한다.

한 예로서, P파의 95%와 S파의 5%를 투과하고, S파의 95%와 P파의 5%를 반사하도록 코팅된 편광 빔 스플리터를 사용한 경우에 대하여 설명한다. 제1 편광 빔 스플리터(5)에 입사하는 레이저 광의 에너지를 100%로 하면, 제1 편광 빔 스플리터(5)를 투과한 레이저 광(6)은 P파 성분을 47.5%, S파 성분을 2.5% 포함하게 된다. 그 후, 제2 편광 빔 스플리터(8)에는 47.5%의 S파 성분과 2.5%의 P파 성분을 포함하는 레이저 광이 입사되고, 제2 편광 빔 스플리터(8)를 반사하는 레이저 광은 45.125%의 S파 성분과 O.125%의 P파 성분을 포함하며, 제2 갈바노 스캔 미러(12)로 유도되는 레이저광(1O)의 에너지는 최종적으로 45.25%가 된다. 제2 편광 빔 스플리터(8)를 투과하는 에너지 손실이 되는 레이저 광은 2.375%의 S파 성분과 2.375%의 P파 성분을 포함하게 된다.

한편, 제1 편광 빔 스플리터(5)를 반사한 레이저 광(7)에 대해서도 동일한 과정을 거쳐서, 45.25%의 에너지가 제2 갈바노 스캔 미러(12)로 유도되어 4.75%의 에너지가 손실된다.

따라서, 합계 9.5%가 에너지 손실로서 제2 갈바노 스캔 미러(12)에 유도되는 것은 아니지만, 본 실시 형태에 의한 광로를 구성한 경우, 레이저 광(6)의 손실분은 제2 편광 빔 스플리터를 투과하고, 레이저 광(7)의 손실분은 반사하므로, 이 에너지 손실이 되는 레이저 광은, 댐퍼(9) 부분에 모두 모을 수 있어, 손실분의 레이저 광에 의한 광학 부품 등의 손상을 방지할 수 있다.

상기 편광 빔 스플리터는, 입사각 45°로 P파의 95%와 S파의 5%를 투과하고, S파의 95%와 P파의 5%를 반사한다고 하였으나, 입사각이 45°로부터 벗어난 경우는, 투과하는 P파와 반사하는 S파의 비율이 감소하고, 에너지 손실이 증가하게 되므로, 입사각 45°로 배치하는 것이 바람직하다.

상기에서는, P파의 95%와 S파의 5%를 투과하고, S파의 95%와 P파의 5%를 반사하는 편광 빔 스플리터의 에너지 손실이 9.5%인 것을 설명하였으나, P파의 투과율 및 S 파의 반사율을 95%보다 높게 하면, 에너지 손실은 9.5%보다 작아지는 것은 분명하다.

또, 본 실시 형태에 의한 편광 빔 스플리터는, 레이저 광의 입사각을 45°로 배치하기 때문에, 편광 빔 스플리터로 유도되는 레이저 광의 지름을 φ 35mm로 하면, 윈도우 상의 레이저 광 지름은 긴 축 방향으로 52mm와 상기 레이저 광 지름의 1.5배 정도가 되며, 입사각이 브루스터 각의 종래의 편광 빔 스플리터의 윈도우 유효 지름이 입사 레이저 광 지름의 2.5배 이상 필요한 것에 비하여, 보다 작은 형상으로 제작할 수 있다. 윈도우의 면적으로 비교하면, 짧은 축 방향은 모두 35mm로 좋으므로, 입사각 45°의 편광 빔 스플리터는 종래의 편광 빔 스플리터에 비하여 44.6%의 면적을 삭감할 수 있다. 이것에 의해, 가공 장치의 소형화가 가능하게 된다.

또, 동일 지름의 윈도우, 예를 들면 53mm인 경우, 종래의 편광 빔 스플리터에서는 브루스터 각이 67.5°인 관계로, 분광 가능한 레이저 광 지름은 φ 2Omm 정도이지만, 입사각 45°의 편광 빔 스플리터에서는 φ 35mm이어서, 보다 레이저 광의 지름이 큰 광로를 구성하는 것이 가능하게 된다. 여기서, 빔 지름(D)의 레이저 광을 초점거리(f)의 fθ 렌즈에 입사하고, 이때 피가공물 상에 집광되는 빔 스폿 지름을 d로 하면, 빔 스폿 지름(d)과 fθ 렌즈의 초점 거리(f), 입사빔(D)의 관계는 다음과 같은 식에서 나타낼 수 있다.

(1)식은, 초점거리(f)의 fθ 렌즈에 의해 워크 상에 집광되는 빔 스폿 지름(d)은, fθ 렌즈에 입사하는 레이저 광의 빔 지름(D)에 반비례하는 것을 나타내고 있다.

따라서, 동일 지름의 윈도우에서 편광 빔 스플리터를 구성하는 것을 고려하는 경우, 상기와 같이 입사각이 45°의 편광 빔 스플리터는 보다 유효하게 레이저 광의 유효 지름을 확보할 수 있고, 동일 fθ 렌즈를 사용하는 경우, fθ 렌즈에 입사하는 빔 지름(D)을 크게 할 수 있기 때문에, 더욱 빔 스폿 지름이 작은 가공을 실시하는 것을 가능하게 하고 있다.

또, 광로를 9O°로 반사하는 미러는 필요하지 않게 되기 때문에, 편광 빔 스플리터가 보다 저렴한 가격으로 되어 가공 장치의 비용 삭감이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 실시 형태에서는, 레이저 광을 9O°로 반사하는 광로를 구성하고 있기 때문에, 입사각이 45°인 편광 빔 스플리터를 적용하고 있다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해 XY 테이블(18) 상에서 2축의 갈바노 스캔 미러의 스캔 방향이 직행함으로써, 도 1과 같이, 이 직행하는 방향을 XY방향에 맞추는 것으로, X방향, Y방향을 각각 갈바노 스캔 미러에 1대1로 대응시킬 수 있고, 가공할 때 갈바노 스캔 미러의 제어를 알기 쉽고 간단한 구성으로 할 수 있다.

편광 빔 스플리터에서의, 레이저 광의 반사각도를 9O°보다 예각으로 하는 경우, 편광 빔 스플리터의 유효 지름을 크게 하고, 또한 빔 스폿 지름이 작은 가공을 실시하는 것이 가능하게 된다. 단, 이 경우는 XY 테이블 상에서 2축의 갈바노 스캔 미러의 스캔 방향이 직행하지 않으므로, 예를 들면 한쪽 갈바노 스캔 미러의 스캔 방향을 X 방향에 맞추어도, Y방향은 다른 쪽 갈바노 스캔 미러와 X 방향의 갈바노 스캔 미러와의 합성으로밖에 스캔할 수 없기 때문에, 가공시의 갈바노 스캔 미러의 제어가 상기 레이저 광을 9O°로 반사하는 광로에 비하여 복잡하게 된다.

실시 형태 2.

분광한 2개의 레이저 광은 모두 제2 편광 빔 스플리터를 거친 후, 도 1의 X 방향의 축에 평행하게 하는 한편, 제2 갈바노 스캔 미러(12)의 중심으로 유도될 필요가 있기 때문에, 분광된 레이저 광(6, 7)은 독립하여 광축의 조정을 실시할 필요가 있다.

레이저 광(1O, 11)을 정밀도 좋게 제2 갈바노 스캔 미러(12)로 유도하기 위해서는, 제1 편광 빔 스플리터(5)의 바로 앞에 설치된 미러(4z) 이후의 광로 중에 있어서, 광로의 진행 방향에 대하여 수직으로, 서로 직교하는 2축 방향으로 각도 조정이 가능한 미러가 각각 최저 2매 필요하나, 본 실시 형태에서는, 레이저 광(1O)은 제1 편광 빔 스플리터(5) 바로 앞의 미러(4z)와 제2 편광 빔 스플리터(8)에 의해 광축을 조정 가능하게 하고, 한쪽 레이저 광(11)은 제1 편광 빔 스플리터(5)와 제1 갈바노 스캔 미러(13)에 의해 광축을 조정 가능하게 하고 있다. 여기서, 제1 갈바노 스캔 미러(13)는 서로 뒤틀림 방향으로 각도 조정이 가능한 미러를 2매 가지고, 서로 직교하는 2축 방향으로 각도 조정이 가능한 1매의 미러와 동일한 기능을 가지는 것으로 간주할 수 있다.

도 2는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 것으로, 편광 빔 스플리터를 레이저 광의 진행 방향에 대하여 수직으로, 서로 직교하는 2축 방향으로 각도 조정이 가능한 기구를 나타내는 도면이다. 도 2에 있어서, 편광 빔 스플리터 5 또는 8은 고정 홀더(31)에 의해 지지되어 있고, 고정 홀더(31)는 홀더 받침(32)에 제1 회전축(35a)을 통하여 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 또, 홀더 받침(32)은 광학계를 지 지하는 광학기대(光學基臺)(36)에 제1 회전축(35a)에 직교한 제2 회전축(35b)을 통하여 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 이것에 의해, 편광 빔 스플리터는 광로의 진행 방향에 대하여 수직으로, 서로 직교하는 2축 방향으로 각도 조정이 가능하게 되어 있다. 또, 홀더 받침(32)의 고정 홀더(31)와의 접합부에는 고정 홀더(31)의 회전 방향으로 긴 제1 조정 구멍(34a)이 설치되고, 제1 고정 나사(33a)가 관통하여 고정 홀더(31)에 박혀져 있어서, 회전조정 후, 제1 고정 나사(33a)를 단단히 조임으로써 고정 홀더(31)를 홀더 받침(32)에 고정할 수 있는 구조로 되어 있다. 홀더 받침(32)과 광학기대(36)와의 접합부도 마찬가지로, 제2 조정 구멍(34b)과 제2 고정 나사(33b)에 의해 회전 조정 후 고정이 가능한 구조로 되어 있다.

한편, 편광 빔 스플리터의 각도 조정에 의한 편광 빔 스플리터를 투과하는 레이저 광의 광축의 변화량은 반사하는 레이저 광에 비해 극도로 작아, 무시할 수 있을 정도이므로, 제1 편광 빔 스플리터(5)에 의해 반사하는 레이저 광(7, 11)의 광축을 조정하여도 투과하는 레이저 광(6, 1O)의 광축에는 거의 영향을 주지 않고, 제2 편광 빔 스플리터(8)에 의해 반사하는 레이저 광(6, 1O)의 광축을 조정하여도 투과하는 레이저 광(7, 11)의 광축에는 거의 영향을 주지 않으므로, 각각 독립해서 조정할 수 있다.

또, 미러(4z)나 제1 및 제2 편광 빔 스플리터(5, 8)의 각도를 조정한 경우, 편광 빔 스플리터에의 입사각이 45°로부터 벗어나는 경우도 있고, 이때 레이저 광의 에너지 손실이 증가하지만, 통상 각도 조정은 매우 작아서 에너지 손실도 매우 작다. 또, 레이저 발진기의 출력에 의한 보정도 가능하므로, 광축 조정에 의한 가 공 정밀도의 향상을 우선하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 조정 기구를 구비한 편광 빔 스플리터 등에 의한 광축의 조정에 대하여 설명한다.

제1 편광 빔 스플리터(5) 바로 앞의 미러(4z)의 각도 조정을 실시하면, 레이저 광(1O, 11)은 제2 갈바노 스캔 미러(13) 상에서 동일 방향으로 이동한다. 그 때문에, 광축 조정 방향의 순서로서는, 우선 2개의 레이저 광에 작용하는 미러(4z)를 사용한 레이저 광(1O)의 광축의 조정을 완료한 후, 레이저 광(11)의 광축 조정을 실시할 필요가 있다. 또, 한 번 광축 조정이 완료하고 나면, 제1 편광 빔 스플리터(5) 바로 앞의 미러(4z)의 각도 조정을 실시하는 것에 의해, 제2 갈바노 스캔 미러(12) 상에서의 2개의 레이저 광의 상대 위치 관계를 유지한 채 레이저 광(10, 11)의 광축 조정을 실시할 수 있고, 정밀도 좋게 제2 갈바노 스캔 미러(12)의 중심으로 2개의 레이저 광을 유도하기 위한 광축 조정을 용이하게 하고 있다.

실시 형태. 3

도 3은, 본 발명의 실시 형태 3에 관한 것으로, 1개의 레이저 광을 2개의 레이저 광으로 분광하고, 2개의 레이저 광을 독립적으로 주사함으로써, 2곳에서 동시에 가공을 실시할 수 있는 구멍 뚫기용 레이저 가공 장치에 있어서, 마스크 전사(轉寫)를 행하는 광학계를 가지고, 특히 마스크 후에 배치하는 대략 동일 표면 형상을 가진 1조의 레이저 광을 반사하는 광학 부품인 미러(4a, 4b 혹은 14a, 14b)를, 한쪽 미러의 빔 입사면이 다른 쪽 미러의 빔 입사면에 대하여 수직으로 하고 또한, 한쪽 미러로의 빔 입사각이 다른 쪽 미러로의 빔 입사각과 동일(예를 들면, 45°)하게 되도록 배치(예를 들면, 한쪽 미러에서 X 방향으로부터 입사한 레이저 광을 Z 방향으로 반사하고, 그 후 다른 쪽 미러에서 Y방향으로 반사하도록 배치)한 구성을 나타내는 구성도이다.

도 3에 있어서, 4a, 4b는 레이저 광(2)을 마스크(3)로부터 제1 편광 빔 스플리터(5)로 유도하기 위한 대략 동일 표면 형상인 미러, 14a, 14b는 제1 편광 빔 스플리터(5)로부터 제2 편광 빔 스플리터(8)로 유도하기 위한 대략 동일 표면 형상인 미러이다.

본 실시 형태 3은, 실시 형태 1과 편광 빔 스플리터에 관해서는 동일하지만, 미러(4, 14)의 배치 혹은 표면 형상이 다르므로, 본 발명의 특징인 광학 부품의 배치에 대하여 도 4를 사용하여 설명한다.

도 4에 있어서, Pru(α), Prv(α)는 빔 입사각 α로 입사된 입사빔이 미러에 의해 반사된 반사빔에 관한 u방향, v방향의 굴절력이고, Ptu(α), Ptv(α)는 빔 입사각α로 입사된 입사빔이 미러를 투과하는 투과 빔에 관한 u방향, v방향의 굴절력이다. 여기서, u방향은 각 빔의 진행 방향에 수직으로 하는 한편, 빔 입사면(입사빔과 반사빔에 의해 형성되는 면)에 평행한 방향이며, v방향은 각 빔의 진행 방향에 수직으로 하는 한편 빔 입사면에 수직인 방향이다.

여기서, 굴절력(Power)은 광학 부품의 굴절시키는 성능을 나타내는 파라메터(parameter)의 하나이고, 굴절면의 상태를 나타내며, 일반적으로 표면 곡율 반경(R)에 반비례, 굴절률(n)에 비례한다. 도 4에 있어서, 표면 곡율 반경(R)이 동심원 형상으로 균일하고, 또한 광학계에 대하여 충분히 크며(광학 부품의 표면 형상을 대략 평면으로 하고 있을 때) 굴절률을 n으로 하면 굴절력 Pru(α), Prv(α)은 다음 식으로 주어진다.

일반적으로 광학 부품은 표면 형상을 평면으로 하여 제작하여도, 제작 공정 중에 약간의 일그러짐을 가지고, λ/1O ~ λ/2O 정도가 일반적인 가공 정밀도이며, λ/2O보다 고정밀도로 표면 형상을 마무리하기 위해서는 막대한 시간과 비용을 필요로 한다. 따라서, 일반적인 광학 부품은 λ/10 ~ λ/20 정도의 표면 곡율 반경(R)을 갖는다고 할 수 있다. 예를 들면, ZnSe(n=2.41)에 유전체 다층막 코팅을 실시한 빔 입사각 45°의 편광 빔 스플리터의 경우, (2), (3)식으로부터, 각각 다음 식을 얻을 수 있다.

(4), (5)식으로부터 알 수 있듯이, 빔 입사각 45°에서는, 반사시에 u방향 쪽이 v방향의 굴절력보다도 크게 된다. 이 u방향과 v방향의 굴절력의 차이가 가공점으로까지 전파하면, 비점수차가 되므로, 안정된 가공 품질을 얻는 것이 곤란하게 될 가능성이 있다.

이에 대하여 본 발명에서는, 광학계를 구축할 때 복수 매의 광학 부품 중 대략 동일 표면 형상인 1조의 레이저 광을 반사하는 광학 부품을, 한쪽 광학 부품의 빔 입사면이 다른 쪽 광학 부품의 빔 입사면에 대하여 수직으로 하고, 또한 한쪽 광학 부품으로의 빔 입사각이 다른 쪽 광학 부품으로의 빔 입사각과 동일하게 되도록 배치한다.

여기서, 미러(14a, 14b)를 사용하여 구성을 설명한다. 도 5에 있어서, 미러(14a)는 X방향으로부터 입사한 레이저 광을 Z방향으로 반사하고, 미러(14b)는 미러(14a)에 반사된 레이저 광을 Y방향으로 반사하도록 배치되어 있다. 또, 미러(14a)의 미러 표면 곡율 반경을 Ra로 하고, 미러(14b)의 미러 표면 곡율 반경을 Rb로 한다. 미러(14a)의 u방향의 굴절력을 Paru(45°), v방향의 굴절력을 Parv(45°)로 하고, 미러(14b)의 u방향의 굴절력을 Pbru(45°), v방향의 굴절력을 Pbrv(45°)로 하면, 미러(14b)에 의해 반사된 레이저 광의 미러 14a 및 미러 14b의 합성된 u방향의 굴절력(Pru), v방향의 굴절력(Prv)은 이하와 같이 된다.

여기서, 미러 14a와 미러 14b는 대략 동일 표면 형상이므로, Ra ≒ Rb로 되어 상기 Pru와 Prv는 대략 동일하게 되고, 이것에 의해, u방향과 v방향의 굴절력의 차이를 없애고, 결과적으로 가공점에서의 비점수차를 줄일 수 있어, 안정된 가공 품질을 얻을 수 있다. 미러 4a, 미러 4b에 대해서도 동일한 구성으로 되어 있으므로, 동일한 효과가 얻어진다.

상기는 α = 45°로 검토하였으나 일반적인 각도에서는 이하와 같이 된다.

Ra ≒ Rb의 경우, (8), (9)식으로부터 알 수 있듯이, Pru와 Prv는 대략 동일하게 되고, 이것에 의해 u방향과 v방향의 굴절력의 차이를 없애며, α = 45°시와 동일하게, 가공점에서의 비점수차를 줄일 수 있어, 안정된 가공 품질을 얻을 수 있다.

그런데, 광학 부품을 고정하는 홀더 부재가 방향성을 가지는 구조로 되어 있고, 이 홀더에 지지된 미러의 표면 곡율 반경이 그 방향성을 따라 변화해 버리는 비점수차가 발생하는 경우, 1조의 상기 홀더에 지지된 미러를, 홀더의 방향성을 각 입사면에 대하여 동일한 방향으로 맞춤과 동시에, 한쪽 광학 부품의 빔 입사면이 다른 쪽 광학 부품의 빔 입사면에 대해 수직하고, 또한 한쪽 광학 부품으로의 빔 입사각이 다른 쪽 광학 부품으로의 빔 입사각과 동일하게 되도록 배치한다.

도 6에 일예를 나타낸다. 도 6에 있어서 제1 광학 부품(37a)과 제2 광학 부품(37b)은 동일 표면 형상의 광학 부품, 제1 홀더 부재(38a)와 제2 홀더 부재(38b)는 동일 형상의 광학 부품 고정 부재이다. A, B는 각각 홀더 부재가 가지는 방향 축을 나타내고, 이 홀더에 미러 등의 광학 부품을 설치하면, 미러 표면의 곡율 반경이, A방향에는 RA가 되고, B방향에는 RB가 된다.

도 6과 같이, 제1 광학 부품(37a)과 제2 광학 부품(37b)을, 제1 광학 부품 (37a)의 빔 입사면이 제2 광학 부품(37b)의 빔 입사면에 대하여 수직으로 하고, 또한 제1 광학 부품(37a)으로의 빔 입사각이 제2 광학 부품(37b)으로의 빔 입사각과 동일(예를 들면, 45°)하게 되도록 배치하며, 홀더 부재의 방향성을 맞추기 위해서 A방향을 입사면에 평행하게 한 경우, 제2 광학 부품(37b)의 반사시의 u방향, v방향의 굴절력 Pru, Prv는 이하와 같이 된다.

(1O), (11)식으로부터 알 수 있는 바와 같이, Pru와 Prv는 동일하게 되고, 방향성을 가진 홀더에 의한 비점수차를 없앨 수 있다. 이것에 의해, 가공점에 있어서의 비점수차를 줄일 수 있고, 안정된 가공 품질을 얻을 수 있다. 입사각이 45° 이외일 때도 비점수차를 없앨 수 있는 것은 상술한 것처럼 분명하다.

또, 방향성을 가진 저렴한 가격의 홀더 부재를 사용할 수 있어, 가공 장치의 비용이 줄어든다는 효과가 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 마스크 전사를 실시하는 광학계에 있어서, 마스크 후에 배치되는 복수 매의 광학 부품에 대하여 설명하였다. 이것은, 마스크 전사에 있어서는, 주로 마스크 후의 광학 부품의 수차가 가공점에서의 빔 품질에 영향을 준다고 하는 이유에서이다. 또한, 마스크 전의 복수 매의 광학 부품에 대해서도 동일한 사상으로 배치를 행하면 한층 더 효과를 얻을 수 있음은 말할 것도 없다.

또, 마스크 전사를 행하는 광학계뿐만이 아니더라도, 동일한 사상으로 광학 부품의 배치를 행함으로써 광학적인 수차를 줄이는 효과가 있다.

실시 형태 4.

도 7은, 본 발명의 실시 형태 4에 관한 것으로, 제1 편광 분리 수단으로서 표면이 볼록 형상, 이면이 오목 형상인 편광 빔 스플리터와, 제2 편광 분리 수단으로서, 표면이 오목 형상, 이면이 볼록 형상인 편광 빔 스플리터를 사용하고, 1개의 레이저 광을 2개의 레이저 광으로 분광하며, 2개의 레이저 광을 독립적으로 주사함으로써, 2곳에서 동시에 가공을 실시할 수 있는 구멍 뚫기용 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다.

도 7에 있어서, 22는 표면이 볼록 형상, 이면이 오목 형상인 편광 빔 스플리터(도 8(a) 참조), 23은 표면이 오목 형상, 이면이 볼록 형상인 편광 빔 스플리터(도 8(b) 참조)이다. 여기서, 각각의 표면 형상은 제작 기계인 연마기의 형상 등에 의해서 결정되므로, 제작 방법을 제어하는 것에 의해, 소망의 가공 정밀도의 평면도로 오목 형상이나 볼록 형상의 어느 한쪽을 선택하여, 제작할 수 있다.

본 실시 형태 4는, 실시 형태 1과 편광 빔 스플리터의 표면 형상의 구성이 다르게 되어 있어, 본 발명의 특징인 편광 빔 스플리터의 형상에 대하여 설명한다.

도 4에 있어서, Ptu(α), Ptv(α)는 빔 입사각 α로 입사된 입사빔이 광학 부품을 투과하는 투과 빔에 관한 u방향, v방향의 굴절력이고, 표면 곡율 반경(R)이 동심원 형상으로 균일하며, 또한 광학계에 대해 충분히 크고(광학 부품의 표면 형상을 대략 평면으로 하였을 때), 굴절률을 n으로 하면, 굴절력 Ptu(α), Ptv(α)는 다음과 같은 식으로 주어진다.

예를 들면, ZnSe(n = 2.41)에 유전체 다층막 코팅을 실시한 빔 입사각 45°의 편광 빔 스플리터의 경우, (12), (13)식으로부터, 각각 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

(4), (5), (14), (15)식으로부터 명확한 바와 같이, 빔 입사각 45°에서는, 반사할 때뿐만이 아니라 투과할 때에도 u방향 쪽이 v방향의 굴절력보다도 크게 된다. 이 u방향과 v방향의 굴절력의 차이가 가공점에까지 전파하면, 비점수차로 되므로, 안정된 가공품질을 얻는 것이 곤란하게 될 가능성이 있다.

여기서, 편광 빔 스플리터의 투과시의 굴절력에 착안한다. 투과시의 굴절력은 편광 빔 스플리터 표면에서의 굴절력에 더하여, 이면에서의 굴절력이 가산된다. 즉, (14), (15)식으로부터 투과시의 u방향, v방향의 굴절력 Ptua(45°), Ptva(45°)은, 표면, 이면을 각각 1, 2의 첨자로 나타내면 이하와 같이 된다.

따라서, 도 8(a)에 나타낸 바와 같이 표면이 볼록 형상(R1 > O), 이면이 오목 형상(R2 < O)이면, 표면과 이면의 굴절력이 없어지기 때문에, 투과시의 굴절력은 작아지게 된다. 결과적으로, u방향과 v방향의 굴절력의 차이가 작아지게 되므로, 비점수차를 줄이는 효과가 있다.

또, 도 8(b)에 나타낸 바와 같은 표면이 오목 형상(R1 < O), 이면이 볼록 형상(R2 > O)일 때도, 마찬가지로 표면과 이면의 굴절력이 없어지기 때문에, 투과시의 굴절력은 작아지게 되고, 결과적으로, u방향과 v방향의 굴절력의 차이가 작아지게 되므로, 비점수차를 감소시키는 효과가 있다.

본 발명에 있어서의 편광 빔 스플리터의 표면 형상은, 표면과 이면과의 곡율 반경의 절대치를 동등하게 할 필요가 있으므로, 가공 정밀도를 통상보다 양호하게 하는 것이 바람직하고, λ/2O 이하가 바람직하다.

다음으로 광학계 전체에 있어서의 제1 편광 빔 스플리터, 및 제2 편광 빔 스플리터의 최적 형상에 대하여 설명한다.

이전까지의 굴절력의 논의와 마찬가지로, 광학계 전체에 있어서도 개개의 광학 부품의 굴절력이 가산되어, 결과적으로 수차가 큰지 작은지가 결정된다. 그래서, 도 7의 광학계에 있어서 사용하고 있는 제1 편광 빔 스플리터(22)로부터 제2 편광 빔 스플리터(23) 사이의 광학 부품에 대하여, 제1 편광 빔 스플리터를 투과하는 레이저 광(6)의 광로 A와 반사하는 레이저 광(7)의 광로 B로 나누어 설명한다.

광로 A에서는, 제1 편광 빔 스플리터(22)를 투과한 레이저 광(6)이 미러14a와 14b에 의해 제2 편광 빔 스플리터(23)로 유도된다. 미러 14a와 14b는, 비교적 제작이 용이하기 때문에, 마무리된 평면도의 정밀도는 λ/10 ~ λ/2O 정도의 것이 얻어진다. 다만, 이하에 나타내는 바와 같이 갈바노 스캔 미러의 평면도가 비교적 나빠지는 경향이 있으므로, λ/15 ~ λ/2O 정도의 정밀도로 마무리하는 것이 바람직하다.

이것에 대해, 광로 B에서는, 제1 편광 빔 스플리터(22)를 반사한 레이저 광(7)이 제1 갈바노 스캔 미러 13a와 13b에 의해 위치 결정되고, 제2 편광 빔 스플리터(23)로 유도된다. 제1 갈바노 스캔 미러 13a와 13b는, 고속으로 움직이게 하기 위해 아주 가벼울 필요가 있고, 또, (1)식에서 설명한 바와 같이 가공 품질을 열화시키지 않도록 하기 위해서는 면적을 크게 할 필요가 있기 때문에, 얇고 넓은 형상으로 되어 제작이 매우 곤란하며, 완성된 평면도는 상기 미러와 비교하여 나빠지게 되는 경향이 강하여, λ/1O ~ λ/15 정도이다. 또, 표면 형상으로서는, 더욱 심하게 제작 기계에 의존해 버려, 예를 들면 심한 오목 형상이 된다.

광로 A와 광로 B에서 개개의 평면도가 다르면 가산되는 굴절력에 차이가 발생할 가능성이 있다. 이 굴절력의 차이는, 광로 A와 광로 B에 의한 초점 차이가 될 가능성이 있다.

본 발명에서는, 제1 갈바노 스캔 미러 13a와 13b의 표면 형상이 심한 오목 형상인 경우, 제1 편광 빔 스플리터(22)의 표면 형상을 볼록 형상, 이면 형상을 오목 형상으로 하고, 제2 편광 빔 스플리터(23)의 표면 형상을 오목 형상, 이면 형상을 볼록 형상으로 하고 있다.

이와 같이 구성함으로써, 광로 A에서는, 제1 편광 빔 스플리터(22)의 투과 시에는 거의 굴절력을 발생시키지 않고, 미러(14a, 14b)에서는 표면 형상의 약간의 오목 형상으로부터 근소하게 수속(收束) 방향의 굴절력을 가지며, 제2 편광 빔 스플리터(23)로 유도되고, 제2 편광 빔 스플리터(23)의 반사시에 표면 형상의 약간의 오목 형상으로부터 근소하게 수속 방향의 굴절력이 가산된다. 결과적으로 근소하게 수속 방향의 굴절력을 가지는 레이저 광이 된다.

이것에 대해, 광로 B에서는, 제1 편광 빔 스플리터(22)의 반사시에 표면의 볼록 형상으로부터 근소하게 발산 방향의 굴절력을 가져서, 제1 갈바노 스캔 미러(13a, 13b)로 유도된다. 제1 갈바노 스캔 미러(13a, 13b)는 심한 오목 형상이기 때문에, 심한 수속 방향의 굴절력이 가산되어, 결과적으로 근소하게 수속 방향의 굴절력을 가지는 레이저 광(7)이 제2 편광 빔 스플리터(23)를 거의 동일한 굴절력인 채로 투과한다.

상기에서는, 미러(14a, 14b)의 표면 형상을 근소한 오목 형상으로 하였으나, 근소한 오목 형상인 경우라도, 제1 갈바노 스캔 미러 13a와 13b의 표면 형상이 심한 오목 형상일 때에, 제1 편광 빔 스플리터(22)의 표면 형상을 볼록 형상, 이면 형상을 오목 형상으로 하고, 제2 편광 빔 스플리터(23)의 표면 형상을 오목 형상, 이면 형상을 볼록 형상으로 함으로써, 광로 A와 광로 B의 굴절력의 차이를 줄일 수 있다. 그러나, 미러(14a, 14b)의 표면 형상을 근소한 오목 형상으로 한 쪽이 감소하는 효과가 높기 때문에, 오목 형상이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 개개의 광학 부품이 가지는 수차 성분을 광학계 안에서 없애서, 결과적으로, 비점수차나 초점 차이 등의 광학적인 수차가 적 은 광학계를 얻는다는 효과가 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 제1 편광 분리 수단으로서 표면이 볼록 형상, 이면이 오목 형상인 편광 빔 스플리터와, 제2 편광 분리 수단으로서, 표면이 오목 형상, 이면이 볼록 형상인 편광 빔 스플리터로 하였으나, 제1 갈바노 스캔 미러(13a, 13b)가 심한 오목 형상인 경우는, 제1 편광 분리 수단으로서 표면이 오목 형상, 이면이 볼록 형상인 편광 빔 스플리터와, 제2 편광 분리 수단으로서, 표면이 볼록 형상, 이면이 오목 형상인 편광 빔 스플리터로 한 상기와 반대로 배치하면, 개개의 광학 부품이 가지는 수차 성분을 광학계 안에서 없앨 수 있다.

상기 설명에서도 명확한 바와 같이, 광학계, 혹은 광학계에 사용하는 광학 부품에 의해서는, 형상, 및 평면도의 최적치가 다른 것은 말할 것도 없다.

또, 본 실시 형태에서는, 제1, 제2 편광 분리 수단의 형상에 착안하였으나, 상기 설명에서도 명확한 바와 같이 다른 광학 부품에 있어서도 동일한 사상에 의해 최적치가 있음은 말할 것도 없다.

또, 실시 형태를 1, 2, 3으로 나누어 설명하였으나, 이들을 조합하는 것이 가능함은 말할 것도 없다.

본 발명에 관한 레이저 가공 장치는, 1개의 레이저 광을 2개 이상의 레이저 광으로 분광하고, 동시에 2곳 이상의 레이저 가공을 실시하는 경우에 있어서, 제작상의 어려움이나 비용을 줄이는 한편 가공 품질을 향상하는데 적합하다.

Claims (12)

1. 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 광을 피가공물까지 유도하는 복수의 광학 부품으로 이루어지는 광학계를 가지고, 1개의 레이저 광을 제1 편광 분리 수단으로 2개의 레이저 광으로 분광하며, 한쪽은 미러를 경유하고, 다른 쪽은 제1 갈바노 스캔 미러로 2축 방향으로 주사하며, 2개의 레이저 광을 제2 편광 분리 수단으로 유도한 후, 제2 갈바노 스캔 미러로 주사하고, 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치에 있어서,

   상기 제1 및 제2 편광 분리 수단을 레이저 광의 광축에 대하여 45°로 배치하고, 상기 제1 및 제2 편광 분리 수단은, 한쪽 면이 오목 형상, 그 이면이 볼록 형상인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 편광 분리 수단은, 표면에 유전체 다층막 코팅이 형성된 편광 빔 스플리터인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 편광 분리 수단은, 레이저 광을 반사하는 측의 면을 볼록 형상, 그 이면을 오목 형상으로 하고,

   그 제1 편광 분리 수단에 있어서 반사된 레이저 광을 표면 형상이 오목 형상인 상기 제1 갈바노 스캔 미러로 유도하며,

   상기 제2 편광 분리 수단은, 레이저 광을 반사하는 측의 면을 오목 형상, 그 이면을 볼록 형상으로 한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 편광 분리 수단은, 레이저 광을 반사하는 측의 면을 오목 형상, 그 이면을 볼록 형상으로 하고,

   그 제1 편광 분리 수단에 있어서 반사된 레이저 광을 표면 형상이 볼록 형상인 상기 제1 갈바노 스캔 미러로 유도하며,

   상기 제2 편광 분리 수단은, 레이저 광을 반사하는 쪽의 면을 볼록 형상, 그 이면을 오목 형상으로 한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 편광 분리 수단의 표면의 오목 또는 볼록 형상은, 상기 레이저 광의 파장을 λ로 한 경우, λ/2O 이하의 정밀도로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 광학계에 있어서, 동일 표면 형상인 1조의 레이저 광을 반사하는 미러를 한쪽 미러의 빔 입사면이 다른 쪽 미러의 빔 입사면에 대하여 수직으로 하고, 또한 한쪽 미러로의 빔 입사각이 다른 쪽 미러로의 빔 입사각과 동일하게 되도록 배치하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 광이 상기 제1 편광 분리 수단에 이르기까지의 레이저 광로 중에 마스크를 설치하고,

   이 마스크와 상기 피가공물과의 사이에 상기 1조의 레이저 광을 반사하는 미러를 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 1조의 레이저 광을 반사하는 미러를 개개로 고정하는 홀더를 가지고,

   상기 홀더에 방향성이 있는 경우, 이 방향을 각각의 미러의 입사면에 대하여 동일한 방향으로 배치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 1조의 레이저 광을 반사하는 미러의 표면 형상은, 상기 레이저 광의 파장을 λ로 한 경우, λ/1O ~ λ/2O의 정밀도로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 편광 분리 수단은, 레이저 광의 진행 방향에 수직하고, 또한 서로 직교하는 2축 방향으로 각도 조정이 가능한 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
12. 제 1항에 있어서,

    상기 제2 편광 분리 수단으로부터 에너지 손실로서 새는 레이저 광을 흡수하기 위해서 댐퍼를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.

Images