KR100987699B1 - 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치 - Google Patents

레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치 Download PDF

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Abstract

복수개로 분할된 레이저 빔의 출사 여부를 개별적으로 제어할 수 있는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치를 제시한다.
본 발명의 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부, 온/오프 대상, 온/오프 시간을 포함하는 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하고, 작동 상태를 표시하기 위한 사용자 인터페이스, 데이터 저장을 위한 메모리, 제어부의 제어에 따라 지정된 구경의 레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생부, 레이저 발생부로부터 출사되는 레이저 빔을 적어도 둘로 분할하는 빔 분할부, 제어 파라미터에 따라 빔 분할부로부터 출사되는 각각의 레이저 빔의 투과 여부를 제어하는 온/오프 제어부 및 온/오프 제어부를 통해 출사되는 하나 이상의 레이저 빔을 각각 집속시켜 대상물로 조사하기 위한 광학계를 포함한다.
레이저, 분할, 온/오프

Description

레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치{Laser Processing Apparatus for Controlling On/Off of Laser Beam}
본 발명은 레이저 가공 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 복수개로 분할된 레이저 빔의 출사 여부를 개별적으로 제어할 수 있는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
일반적으로 웨이퍼, 금속, 플라스틱 등과 같은 다양한 재료를 이용하여 물품을 제조하기 위해서는 절단, 그루빙 등과 같은 가공 절차가 필요하며, 이러한 가공 절차는 후속 공정에서의 품질 및 생산성에 큰 영향을 미치기 때문에 매우 중요한 의미를 갖는다.
최근들어, 반도체 시장에서는 웨이퍼당 칩 생산량을 높이는 방법으로서 웨이퍼 상에 형성되는 칩들간의 간격을 줄여 웨이퍼당 칩 갯수를 늘리기도 한다. 이에 따라 산업체에서는 15㎛정도의 매우 좁은 웨이퍼 가공 선폭을 요구하고 있다. 이와 같이 좁은 선폭을 만족시키기 위해서는 가공 선폭 주위의 깨짐을 줄이도록 레이저 빔의 가공 중첩도 즉, 레이저 주파수를 높이고 빔 강도를 비교적 낮게 유지하는 것이 필요하다. 그러나, 현재 사용 중인 레이저는 그 특성상 레이저 빔의 주파수가 증가할수록 파워가 감소하게 되어 있어 가공 품질을 향상 시킬 수는 있지만 가공 시간을 보장 할 수 없는 문제가 있다. 또한, 가공 속도를 향상시키기 위하여 낮은 주파수의 레이저 빔을 사용하게 되면, 가공 대상물로 레이저 빔이 과입열되어 선폭이 증가하여 미세 가공을 할 수 없게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 레이저 빔을 분할하여, 빔의 강도는 분할하기 전의 강도와 동일하게 유지하면서 분할된 빔의 개수만큼 파워를 증가시켜 가공 효율을 향상시키는 방안이 연구되고 있다.
그런데, 대상물의 가공 조건에 따라 레이저 빔을 복수개로 분할하여 가공하던 중 다시 레이저 빔의 개수를 줄여 가공해야 하는 경우가 종종 발생한다.
그러나 현재의 레이저 가공 장치는 일단 레이저 빔이 복수개로 분할되면 계속해서 복수개로 분할된 빔이 대상물에 조사된다. 따라서, 빔의 개수를 변경시켜 가공하기 위해서는 현재 수행 중이던 가공을 중단하고 대상물을 다른 레이저 가공 장치로 로딩하여 이후의 가공 과정을 수행하여야 한다.
이에 따라 가공 과정이 번거롭고 가공 속도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 복수개로 분할된 레이저 빔을 개별적으로 제어하여 분할 빔의 출사 여부를 제어할 수 있는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치를 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 대상물의 가공 형태에 따라 복수개로 분할된 레이저 빔의 개수를 가변시킬 수 있는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부; 온/오프 대상, 온/오프 시간을 포함하는 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하고, 작동 상태를 표시하기 위한 사용자 인터페이스; 데이터 저장을 위한 메모리; 상기 제어부의 제어에 따라 지정된 구경의 레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부로부터 출사되는 레이저 빔을 적어도 둘로 분할하는 빔 분할부; 상기 제어 파라미터에 따라 상기 빔 분할부로부터 출사되는 각각의 레이저 빔의 투과 여부를 제어하는 온/오프 제어부; 및 상기 온/오프 제어부를 통해 출사되는 하나 이상의 레이저 빔을 각각 집속시켜 대상물로 조사하기 위한 광학계;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 분할된 레이저 빔의 출사 여부를 개별적으로 제어할 수 있어 대상물의 가공 형태에 따라 레이저 빔의 개수를 가변시킬 수 있다.
이에 따라, 다양한 형태의 가공이 요구되는 대상물을 하나의 레이저 가공 장치를 이용하여 고속으로 가공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도시한 것과 같이, 본 발명에 의한 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부(110), 지정된 구경의 레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생 부(120), 레이저 발생부(120)로부터 출사되는 레이저 빔을 적어도 둘로 분할하는 빔 분할부(130), 빔 분할부(130)로부터 출사되는 각각의 레이저 빔의 투과/차폐 여부를 제어하는 온/오프 제어부(140), 온/오프 제어부(140)를 통해 출사되는 하나 이상의 레이저 빔을 각각 집속시켜 대상물로 조사하기 위한 광학계(150), 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하고, 작동 상태 등의 정보를 표시하기 위한 사용자 인터페이스(160) 및 데이터 저장을 위한 메모리(170)를 포함한다.
여기에서, 광학계(150)는 온/오프 제어부(140)에서 출사되는 하나 이상의 레이저 빔을 각각 집광하여 대상물의 가공 대상 영역으로 수직 조사하기 위한 것으 로, 레이저 빔의 조사 방향을 제어하기 위한 미러, 레이저 빔을 집속시키기 위한 집광 렌즈 등을 포함할 수 있다. 이러한 광학계(150)의 구성은 레이저 빔의 조사 방향, 요구되는 집광 특성에 따라 가변적으로 구성할 수 있다.
아울러, 대상물은 스테이지에 안착되어 이송 수단에 의해 지정된 방향으로 움직인다.
본 발명의 레이저 가공 장치는 빔 분할부(130)에서 레이저 빔을 적어도 둘로 분할한 후, 분할된 각 빔의 출사 여부를 자동으로 제어하기 위하여 사용자 인터페이스(160)를 통해 온/오프 제어 파라미터를 입력한다. 제어 파라미터는 가공 대상물의 종류 및 가공 형태에 따라 설정되며, 온/오프 대상, 온/오프 시간, 가공 부위의 좌표, 레이저 빔의 출력 전력, 가공 시간, 스테이지 이송 속도 등을 포함할 수 있다.
레이저 가공 장치가 구동되면, 제어부(110)의 제어에 따라 온/오프 제어부(140)가 미리 입력된 제어 파라미터를 참조하여 빔 분할부(130)로부터 출사되는 복수의 레이저 빔 중 특정 빔은 투과시키고 나머지 빔은 차폐시킨다. 그리고, 광학계(150)는 온/오프 제어부(140)로부터 투과되는 레이저 빔만을 집광하여 대상물로 조사한다.
도 2a 및 2b는 도 1에 도시한 빔 분할부의 일 예시도 및 분할 빔의 단면도이다.
도 2a는 빔 분할부(130)의 일 예시도로서, 대향하고 있는 한 쌍의 프리즘(1301, 1303)으로 이루어지는 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 적용되는 빔 분할부(130)는 꼭지점을 중심으로 대향하고 있는 한 쌍의 삼각 프리즘(1301, 1303)으로 이루어져, 제 1 삼각 프리즘(1301)은 입사되는 레이저 빔을 둘로 분할하고, 제 2 삼각 프리즘(1303)은 제 1 삼각 프리즘(1301)에서 분할된 레이저 빔이 상호 평행하도록 빔의 방향을 변경한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 및 제 2 삼각 프리즘(1301, 1303)의 접힘(folding) 각도는 각각 120°로 할 수 있다.
한편, 제 2 삼각 프리즘(1303)으로부터 출사되는 레이저 빔의 단면도는 도 2b에 도시한 것과 같이 반원 형상을 갖는다.
제 1 및 제 2 삼각 프리즘(1301, 1303)의 광축이 동일한 경우, 빔 분할부(130)에 의해 분할된 레이저 빔은 나란한 상태로 광학계(150)의 집광렌즈로 입사되어, 하나의 빔으로 집속된다. 이에 따라, 빔 분할의 효과를 얻을 수 없으므로 제 2 삼각 프리즘(1303)을 광축(X)을 중심으로 회전시켜 배열함으로써, 분할된 두 빔의 발산 각도를 변경시킴으로써 레이저 빔을 분할할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시한 온/오프 제어부의 상세 구성도이다.
도시한 것과 같이, 온/오프 제어부(140)는 중앙부에 지정된 크기의 슬릿(1401)을 구비하는 마스크(1403) 및 마스크(1403)를 지정된 위치로 이동시키는 모터(1405)를 포함한다.
여기에서, 슬릿(1401)은 빔 분할부(130)에서 출사되는 레이저 빔의 개수 및 단면 크기를 고려하여, 분할된 레이저 빔이 모두 투과될 수 있는 크기를 갖도록 제 작하는 것이 바람직하다.
또한, 마스크(1403)는 모터(1405)에 의해 수평 이동되는 경우, 하나 이상의 레이저 빔을 차폐할 수 있는 크기를 갖도록 제작하는 것이 바람직하다.
아울러, 모터(1405)는 제어부(110)의 제어에 따라 마스크(1403)를 수평 이동시키며, 예를 들어 모터 구동되는 리니어 스테이지(Motorized Linear stage)로 구성할 수 있다.
도 4a 및 4b는 온/오프 제어부에 의한 레이저 빔의 개별 제어 개념을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 4a는 모터(1405)에 의해 마스크(1403)를 우측으로 이동시켜, 빔 분할부(130)에서 출사되는 두 레이저 빔 중 우측 레이저 빔만을 슬릿(1401)을 통해 투과시키는 경우를 나타낸다.
한편, 도 4b는 모터(1405)에 의해 마스크(1403)를 좌측으로 이동시켜, 빔 분할부(130)에서 출사되는 두 레이저 빔 중 좌측 레이저 빔만을 슬릿(1401)을 통해 투과시키는 경우를 나타낸다.
마스크(1403)를 좌측 또는 우측으로 이동시킴에 따라, 어느 하나의 빔이 출사되는 한편, 나머지 빔은 마스크(1403)에 의해 차폐되어, 광학계(150)는 슬릿(1401)을 통해 출사된 레이저 빔만을 집광하게 된다.
여기에서, 마스크(1403)의 이동 거리는 제어 파라미터(온/오프 대상)에 따라 결정된다. 아울러, 도 4에서는 어느 하나의 레이저 빔만을 차폐하는 경우를 나타내었으나, 필요에 따라 두 레이저 빔 모두를 차폐하는 것도 가능함은 물론이다.
도 5 및 도 6은 레이저 빔의 개별 제어를 통한 대상물 가공 개념을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 온/오프 제어부(140)는 빔 분할부(130)에서 분할된 두 레이저 빔(A, B)을 모두 투과시킨다.
이에 따라 광학계(150)로 조사된 두 개의 레이저 빔(A, B)이 집광되어 대상물(200)에는 두 개의 레이저 빔(A, B)이 조사될 수 있다.
도 6은 어느 하나의 레이저 빔을 차폐한 경우로서, 빔 분할부(130)에서 출사되는 레이저 빔(A, B) 중 어느 하나(A)를 마스크(1403)에 의해 차폐하고, 슬릿(1401)을 통해서 나머지 하나(B)의 레이저 빔만을 투과시킨다.
이에 따라, 광학계(150)는 슬릿(1401)을 통과한 레이저 빔(B)만을 집광하여 대상물(200)로 조사하게 된다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 의하면, 레이저 빔을 개수를 변경하면서 대상물을 가공하는 경우, 분할된 레이저 빔의 출사 여부를 온/오프 제어 수단에 의해 개별적으로 자동 제어함으로써, 대상물을 고속으로 가공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치의 구성도,
도 2a 및 2b는 도 1에 도시한 빔 분할부의 일 예시도 및 분할 빔의 단면도,
도 3은 도 1에 도시한 온/오프 제어부의 상세 구성도,
도 4a 및 4b는 온/오프 제어부에 의한 레이저 빔의 개별 제어 개념을 설명하기 위한 도면,
도 5 및 도 6은 레이저 빔의 개별 제어를 통한 대상물 가공 개념을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
110 : 제어부 120 : 레이저 발생부
130 : 빔 분할부 140 : 온/오프 제어부
150 : 광학계 160 : 사용자 인터페이스
170 : 메모리 1401 : 슬릿
1403 : 마스크 1405 : 모터

Claims (8)

  1. 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치로서,
    전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부;
    온/오프 대상, 온/오프 시간을 포함하는 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하고, 작동 상태를 표시하기 위한 사용자 인터페이스;
    데이터 저장을 위한 메모리;
    상기 제어부의 제어에 따라 지정된 구경의 레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생부;
    상기 레이저 발생부로부터 출사되는 레이저 빔을 적어도 둘로 분할하는 빔 분할부;
    상기 제어 파라미터에 따라 상기 빔 분할부로부터 출사되는 각각의 레이저 빔의 투과 여부를 제어하는 온/오프 제어부; 및
    상기 온/오프 제어부를 통해 출사되는 하나 이상의 레이저 빔을 각각 집속시켜 대상물로 조사하기 위한 광학계;
    를 포함하는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온/오프 제어부는, 중앙부에 지정된 크기의 슬릿을 구비하는 마스크; 및
    상기 제어 파라미터에 따라 상기 마스크를 지정된 위치로 이동시키는 모터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 슬릿은, 빔 분할부에서 분할된 레이저 빔이 모두 투과될 수 있는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 마스크는, 상기 모터에 의해 수평 이동되는 경우, 빔 분할부에서 분할된 레이저 빔 중 적어도 하나의 레이저 빔을 차폐할 수 있는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 모터는, 모터 구동되는 리니어 스테이지(Motorized Linear stage)인 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 분할부는, 꼭지점을 중심으로 대향하고 있는 한 쌍의 삼각 프리즘인 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 빔 분할부는, 입사되는 레이저 빔을 둘로 분할하는 제 1 삼각 프리즘; 및
    상기 제 1 삼각 프리즘에서 분할된 레이저 빔이 상호 평행하도록 빔의 방향을 변경하는 제 2 삼각 프리즘;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 삼각 프리즘의 접힘 각도는 각각 120°인 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 온/오프 제어가 가능한 레이저 가공 장치.
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