KR20090032955A - 레이저 가공장치 - Google Patents

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KR20090032955A
KR20090032955A KR1020080077828A KR20080077828A KR20090032955A KR 20090032955 A KR20090032955 A KR 20090032955A KR 1020080077828 A KR1020080077828 A KR 1020080077828A KR 20080077828 A KR20080077828 A KR 20080077828A KR 20090032955 A KR20090032955 A KR 20090032955A
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노리후미 아리마
히데키 모리타
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미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 광학계 구조가 간단하고, 조정이 용이하며, 입수가 용이한 재료로 구성되어, 형성하는 빔 스폿의 장축길이나 빔 폭의 선택의 자유도가 높은 레이저 가공장치를 제공한다.
이를 위하여, 레이저(13)와, 레이저로부터 출사되는 레이저빔을 피가공물의 가공면으로 인도함과 아울러 레이저빔에 의하여 가공면에 형성되는 빔 스폿의 형상을 조정하는 광학소자군을 구비한 레이저 가공장치에 있어서, 광학소자군은 적어도 오목거울(43)과 볼록 원주거울(45)을 포함하는 거울군의 조합으로 이루어지도록 하여, 렌즈나 복잡한 다각형 거울을 사용하지 않고 장축을 가지는 빔 스폿을 형성하도록 한다.

Description

레이저 가공장치{LASER PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 피가공물(被加工物)에 레이저빔을 조사하여 가공을 하는 레이저 가공장치(laser 加工裝置)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 피가공물의 가공면에 조사(照射)되는 레이저빔의 빔 스폿(beam spot)의 형상을 조정하도록 한 레이저 가공장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서의 레이저 가공에는, 글라스 기판, 소결재료(燒結材料)의 세라믹스, 단결정 실리콘, 반도체 웨이퍼, 세라믹 기판 등의 취성재료에 대하여 연화점 이하의 온도로 레이저 가열했을 때에 발생하는 열응력을 이용하여 스크라이브 라인을 형성하는 레이저 스크라이브 가공 및 취성재료 그 외의 재료에 대하여 용융온도 이상으로 가열하는 레이저 어블레이션 가공(laser ablation 加工)이 포함된다.
레이저를 사용하여 국소가열을 하는 가공방법이 실용(實用)되고 있다. 예를 들면 레이저 어블레이션 가공에서는, 레이저빔을 피가공물에 조사하여 가공면에 빔 스폿을 형성하고, 이 빔 스폿을 주사(走査)함으로써, 빔 스폿의 궤적을 따라 피가공물을 증산(蒸散)시켜서 홈을 형성한다. 레이저 스크라이브 가공의 경우에는, 빔 스폿을 주사하여 가공 대상이 되는 취성재료기판 등을 그 연화점 이하의 온도로 가공 예정라인을 따라 가열한 후에 냉각을 함으로써, 열응력을 발생시켜 크랙을 형성한다.
일반적으로, 시판되는 레이저로부터 출사되는 레이저빔(최초 빔이라고도 한다)의 단면은 원형을 이루고 있다. 레이저 가공장치에서는, 가공 폭을 좁게 하여 가공위치의 정밀도를 높이거나 또한 가열효율을 높여서 주사 속도를 향상시키거나 하는 목적을 위하여, 레이저로부터 출사된 레이저빔(최초 빔)을 그대로 가공면에 조사하여 원형의 빔 스폿으로 가열하는 것이 아니라, 레이저빔(최초 빔)의 단면형상을 광로 상에서 조정하여, 가공면에는 타원형, 장원형 등의 장축방향을 가지는 형상의 빔 스폿이 형성되도록 하여 가열하도록 하고 있다.
원형의 단면의 최초 빔으로부터 장축을 가지는 빔 스폿을 형성하는 방법으로서는, 종래로부터 렌즈 광학계(lens 光學系)를 사용하여 장축을 가지는 빔 스폿을 형성하는 방법이 실용되고 있다. 예를 들면 레이저빔의 광로 상에 원주 렌즈(cylindrical lens)와 집광 렌즈를 배치함으로써 원형의 단면의 최초 빔을, 타원형의 레이저빔으로 정형(整形)하는 것이 개시되어 있다(예를 들면 특허문헌1 참조).
또한 다른 방법으로서, 복수의 반사면(예를 들면 64면)이 회전축을 중 심으로 고속회전 하는 다각형 거울을 이용하여 실질적으로 장축을 가지는 빔 스폿을 형성하는 방법도 실용되고 있다. 즉 고속회전 중의 다각형 거울에, 빔 지름을 가늘게 좁힌 레이저빔을 일정 방향으로부터 조사함으로써, 다각형 거울의 각 반사면에 의하여 어떤 각도범위에서 차례차례로 레이저빔을 반사시켜 반복 주사가 이루어지도록 하여, 레이저빔의 주사된 방향이 실질적으로 장축방향이 되는 빔 스폿의 형성방법이 실용되어 있다(예를 들면 특허문헌2 참조).
특허문헌1 : 일본국 공개특허 특개2006-289388호 공보
특허문헌2 : 일본국 공개특허 특개2006-55908호 공보
렌즈 광학계를 사용하여 타원형, 장원형 등의 장축을 가지는 빔 스폿(이하 장축 빔 스폿이라고 한다)을 형성하는 방법은, 기본적으로 레이저와 가공면 사이의 광로 상에, 집광 렌즈(예를 들면 평볼록렌즈)와 원주 렌즈를 배치하도록 되어 있다. 그리고 이러한 렌즈와 가공면 사이의 광로길이를 조정함으로써 빔 스폿의 장축의 길이 및 장축과 직교하는 단축의 길이를 조정할 수 있게 되어 있다.
상기한 렌즈 광학계에 의한 빔 스폿의 조정방법은, 광학계의 구조가 매우 간단하고 또한 광학적인 조정도 용이한 반면, 조사하는 레이저광의 파장영역에 대하여 투과율이 높은 비싼 재료를 사용할 필요가 있고 또한 원주 렌즈에 대해서는 비싼 재료를 특수한 형상의 반사면으로 가공하는 것이 필요하게 된다. 예를 들면 레이저로 CO2레이저를 사용하는 경우에는, 렌즈 재료로서 ZnSe가 이용되지만, ZnSe는 비싼 재료임과 동시에 재료 자체에 독성물질이 포함되어 있기 때문에, 취급에 주의가 필요하게 된다. 보통은 표면 전체가 피복되어 있지만 렌즈가 파손되었을 경우에 위험하다.
한편 다각형 거울에 의하여 빔 스폿의 형상을 조정하는 방법은, 형성되는 빔 스폿의 품질이 양호한 반면, 복잡한 형상이면서 복잡한 기구인 다각형 거울을 사용할 필요가 있고 또한 회전축의 축 맞춤 등의 정확한 광학적 조정이 필요하게 되어, 조정 작업이 곤란하다.
그래서 본 발명은, 광학계의 구조가 간단하고 광학적인 조정도 용이하며 또한 입수가 용이한 재료의 광학소자를 사용하도록 하여 빔 스폿을 조정하도록 한 레이저 가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 빔 스폿의 형상을 조정하는 동시에 장축의 길이나 단축의 길이(빔의 폭이라고도 한다)의 선택의 자유도를 높게 할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 본 발명의 레이저 가공장치는, 레이저와, 레이저로부터 출사되는 레이저빔을 피가공물의 가공면으로 인도함과 아울러 레이저빔에 의하여 가공면에 형성되는 빔 스폿의 형상을 조정하는 광학소자군을 구비한 레이저 가공장치로서, 광학소자군은 적어도 오목거울과 볼록면 또는 오목면의 원주거울을 포함하는 거울군의 조합으로 이루어지도록 하고 있다.
여기에서 광원으로서의 레이저는, 피가공물의 재료, 가공방법(레이저 스크라이브 가공, 레이저 어블레이션 가공 등)에 따라, 적당한 종류의 레이저를 사용하면 된다. 예를 들면 글라스 기판을 가공하는 경우에는 CO2레이저가 바람직하다.
본 발명에 의하면, 오목거울과 볼록면 또는 오목면의 원주거울을 포함하는 복수의 거울을 사용한 거울 광학계에 의하여 빔 스폿의 형상을 조정하도록 한다. 즉 주로 오목거울로 레이저빔을 집광(集光)함으로써 빔 폭을 설정하고, 주로 원주거울로 레이저빔을 1축방향으로 확대(오목 원주거울의 경우에는 오목면의 초점보다 멀리 떨어진 위치에서 결상(結像)함으로써 확대)함으로써 장축길이를 설정하고, 빔 폭과 장축길이를 설정함으로써 장축 빔 스폿(타원, 장원 등의 장축을 가지는 빔 스폿)의 형상을 설정한다. 각 거울은, 코팅에 의하여 조사하는 레이저의 종류에 따라 반사율을 높이도록 하여도 좋다. 그리고 렌즈와 같이 레이저빔을 투과시켜서 사용하는 광학소자는 광로상에 포함되지 않도록 한다.
본 발명에 의하면, 빔 스폿의 형상을 조정하기 위하여 광로상에 배치되는 광학소자가, 거울군의 조합으로 구성되도록 하였으므로, 비싼 레이저광 투과성 재료를 사용할 필요가 없어진다. 따라서 입수 용이한 재료로 빔 스폿의 형상을 조정하기 위한 광학계를 형성할 수 있다. 오목거울이나 원주거울에 관해서도, 입수 용이한 재료로 형성할 수 있기 때문에, 예를 들면 곡률반경이 다른 오목거울이나 볼록 또는 오목 원주거울을 여러 개 준비해 둘 수 있게 되므로, 이들을 교환함에 의해서도 빔 스폿의 형상을 조정할 수 있게 된다. 따라서 빔 스폿 형상의 선택의 자유도를 크게 할 수 있다.
(기타의 과제해결수단 및 효과)
상기 발명에 있어서 오목거울과 상기 원주거울은, 레이저에 가까운 측의 광로 상에 오목거울이 배치되고, 가공면에 가까운 측의 광로 상에 원주거울이 배치되도록 하여도 좋다.
이에　의하면, 먼저 오목거울에 의하여 레이저빔 형상을 축소시킴으로써 빔 폭이 조정되지만, 그 결과, 빔의 크기를 작게 축소한 상태에서 레이저빔을 볼록 원주거울에 인도할 수 있게 되어, 원주거울의 반사면의 크기를 작게 할 수 있다.
이 경우에, 오목거울과 볼록 원주거울은, 오목거울의 곡률반경이 볼록 원주거울의 곡면의 곡률반경보다 크게 되도록 설정하여, 장축방향과 단축방향을 구비하는 형상의 빔 스폿이 가공면에 형성되도록 하여도 좋다.
가공면에서 먼 측의 오목거울의 곡률반경을, 가공면에 가까운 측의 볼록 원주거울의 곡률반경보다 크게했으므로, 광로의 확대를 작게 할 수 있어, 각 거울의 반사면의 크기를 작게 할 수 있다.
또한 상기 발명에 있어서, 가공면과 오목거울 사이의 광로 길이 및 가공면과 원주거울 사이의 광로 길이를 변경함으로써 빔 스폿의 장축방향 및 단축방향의 길이를 조정하는 빔 스폿 조정기구를 설치하도록 하여도 좋다.
이에 따라 가공면과 오목거울 사이의 광로 길이에 의하여 주로 빔 폭을 조정할 수 있고, 가공면과 원주거울 사이의 광로 길이를 변경함으로써 주로 장축길이를 조정할 수 있다.
상기 발명에 있어서 빔 스폿 조정기구는, 오목거울이 고정됨과 아울러, 오목거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제1평면거울이 고정된 제1지지체와, 상기 원주거울이 고정됨과 아울러, 원주거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제2평면거울이 고정된 제2지지체와, 연직방향을 향한 로드를 지축으로 하여 제1지지체를 승강시키는 제1지지체 승강기구와, 로드를 지축으로 하여 제1지지체의 하측에 있어서 제2지지체를 승강시키는 제2지지체 승강기구로 이루어지도록 하여도 좋다.
이에 따라 제1지지체의 높이를 조정함으로써 주로 빔 폭을 조정하고, 제2지지체의 높이를 조정함으로써 주로 장축길이를 조정할 수 있다.
상기 발명에 있어서, 오목거울은, 오목면의 반사판과, 상기 반사판의 곡률반경을 변화시키는 오목면 변형기구를 구비하고, 오목거울의 곡률반경 및 상기 가공면과 상기 원주거울 사이의 광로 길이를 변경함으로써 빔 스폿의 장축방향 및 단축방향의 길이를 조정하는 빔 스폿 조정기구를 설치하도록 하여도 좋다.
이에　의하면, 오목거울의 곡률반경을 조정함으로써 주로 빔 폭을 조정하고, 가공면과 원주거울 사이의 광로 길이를 변경함으로써 주로 장축길 이를 조정할 수 있다.
상기 발명에 있어서, 빔 스폿 조정기구는, 오목거울이 고정됨과 아울러, 오목거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제1평면거울이 고정된 제1지지체와, 원주거울이 고정됨과 아울러, 원주거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제2평면거울이 고정된 제2지지체와, 연직방향을 향하고 제1지지체가 고정되는 로드와, 로드를 지축으로 하여 제1지지체보다 하측에서 상기 제2지지체를 승강시키는 제2지지체 승강기구로 이루어지도록 하여도 좋다.
이에　의하면, 오목거울의 곡률반경을 조정함으로써 주로 빔 폭을 조정하고, 제2지지체의 높이를 조정함으로써 주로 장축길이를 조정할 수 있다.
상기 발명에 있어서, 오목거울은, 오목면의 반사판과, 반사판의 곡률반경을 변화시키는 오목면 변형기구를 구비하고, 원주거울은, 반사판과, 반사판의 곡률반경을 변화시키는 곡면 변형기구를 구비하고, 오목거울의 곡률반경 및 원주거울의 곡률반경을 변경함으로써 빔 스폿의 장축방향 및 단축방향의 길이를 조정하는 빔 스폿 조정기구를 설치하도록 하여도 좋다.
이에　의하면, 오목거울의 곡률반경을 조정함으로써 주로 빔 폭을 조정하고, 원주거울의 곡률반경을 조정함으로써 주로 장축길이를 조정할 수 있다.
상기 발명에 있어서, 빔 스폿 조정기구는, 오목거울이 고정됨과 아울러, 오목거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제1평면거울이 고정된 제1지지체와, 원주거울이 고정됨과 아울러, 원주거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제2평면거울이 고정된 제2지지체와, 연직방향을 향하고, 제1지지체가 고정됨과 아울러 제1지지체의 하측에 제2지지체가 고정되는 로드로 이루어지도록 하여도 좋다.
이에　의하면, 높이 조정을 하지 않고 곡면반경의 조정만으로 빔 폭 및 장축길이를 조정할 수 있다.
상기 발명에 있어서, CO2레이저가 사용되고, 각 거울의 레이저빔이 반사되는 면이 금, 실리콘, 몰리브덴 중의 어느 하나로 코팅되도록 하여도 좋다.
이에　의하면, CO2레이저를 사용하는 경우에 각 거울의 반사율을 높일 수 있으므로, 글라스 기판을 가공하는 경우에 가열효율을 높인 레이저 가공을 할 수 있게 된다.
상기 발명에 있어서 제1지지체를 구비하는 경우에, 제1지지체에 있어서, 제1평면거울과 오목거울의 사이에서 부착위치가 호환성을 가지도록 하여도 좋다.
이에 따라 부착위치를 교환함으로써 빔 스폿 형상의 선택의 자유도를 더 높일 수 있다.
상기 발명에 있어서 제2지지체를 구비하는 경우에, 제2지지체에 있어서, 제2평면거울과 원주거울의 사이에서 부착위치가 호환성을 가지도록 하여도 좋다.
이에 따라 부착위치를 교환함으로써 빔 스폿 형상의 선택의 자유도를 더 높일 수 있다.
(실시예1)
이하 본 발명의 실시예를, 글라스 기판용의 레이저 스크라이브 장치를 예로 하여 도면에 의거하여 설명한다. 도1은 본 발명의 한 실시예인 레이저 가공장치를 이용한 레이저 스크라이브 장치의 구성도이고, 도2는 도1의 레이저 스크라이브 장치로 사용되고 있는 레이저 가공장치의 구성도이다. 도3은 도1의 레이저 스크라이브 장치(LS1)에 있어서의 제어계의 구성을 나타내는 블럭도이다.
우선, 도1에 의거하여 레이저 스크라이브 장치(LS1)의 전체 구성에 대하여 설명한다.
수평한 설치대(1) 상에 평행하게 배치된 한 쌍의 가이드 레일(3, 4)을 따라 도1의 지면(紙面) 전후방향(이하 Y방향이라고 한다)으로 왕복 이동 하는 슬라이드 테이블(2)이 설치되어 있다. 양쪽 가이드 레일(3, 4)의 사이에 스크루 나사(5)가 전후방향을 따라 배치되고, 이 스크루 나사(5)에 슬라이드 테이블(2)에 고정된 스테이(stay)(6)가 나사결합 되어 있고, 스크루 나사(5)를 모터(도면에 나타내지 않는다)에 의하여 정, 역회전 함으로써 슬라이드 테이블(2)이 가이드 레일(3, 4)을 따라 Y방향으로 왕복이동 하도록 형성되어 있다.
슬라이드 테이블(2) 상에, 수평한 대좌(7)가 가이드 레일(8)을 따라 도1의 좌우방향(이하 X방향이라고 한다)으로 왕복이동 하도록 배치되어 있다. 대좌(7)에 고정된 스테이(stay)(10a)에 모터(9)에 의하여 회전하는 스크루 나사(10)가 관통하여 나사결합 되어 있고, 스크루 나사(10)가 정, 역회전 함으로써 대좌(7)가 가이드 레일(8)을 따라 X방향으로 왕복이동 한다.
대좌(7) 상에는, 회전기구(11)에 의하여 회전하는 회전 테이블(12)이 설치되어 있고, 이 회전 테이블(12)에 절단 대상의 취성재료기판인 글라스 기판(G)이 수평인 상태로 부착된다. 회전기구(11)는, 수직한 축을 중심으로 회전 테이블(12)을 회전시키도록 되어 있고, 기준위치에 대하여 임의의 회전각도가 되도록 회전할 수 있게 형성되어 있다. 또한 절단 대상물인 글라스 기판(G)은, 예를 들면 흡인 척에 의하여 회전 테이블(12)에 고정된다.
회전 테이블(12)의 상방에는, 단면이 원형인 레이저빔(최초 빔)을 발진하는 레이저(13)와, 최초 빔의 단면형상을 변형하여 글라스 기판(G) 상에 타원형의 빔 스폿(BS)(도3)을 형성하는 빔 스폿 조정기구(14)로 이루어지는 레이저 가공장치(15)가, 부착 프레임(16)에 고정되어 있다. 레이저 가공장치(15)의 상세한 설명에 관해서는 후술한다.
부착 프레임(16)에는, 빔 스폿 조정기구(14)에 근접하도록 냉각노즐(17)이 부착되어 있다. 이 냉각노즐(17)로부터는, 냉각수, He가스, 탄산가스 등의 냉각매체가 글라스 기판(G)에 분사되도록 되어 있다. 냉각매체는, 글라스 기판(G)에 조사된 타원형의 빔 스폿의 근방에 분사되어 글라스 기판(G)의 표면에 냉각 스폿(CS)(도3)을 형성한다.
부착 프레임(16)에는, 또한 커터휠(19)이 상하이동 조절기구(18)를 통하여 부착되어 있다. 이 커터휠(19)은, 소결 다이아몬드 또는 초경합금을 재료로 하여 정점을 칼날로 하는 V자형의 능선부를 외주면에 구비한 것으로서, 글라스 기판(G)에 대한 압접력이 상하이동 조절기구(18)에 의하여 미세하게 조정될 수 있도록 되어 있다. 커터휠(19)은, 글라스 기판(G)의 가장자리에 초기균열(TR)을 형성할 때에, 대좌(7)를 X방향으로 이동시키면서 일시적으로 하강시키도록 하여 사용한다.
부착 프레임(16)에는, 또한 글라스 기판(G)에 각인된 얼라인먼트 마크(alignment mark)를 투영하는 카메라(20)가 부착되어 있다.
계속하여 도2에 의거하여 레이저 가공장치(15)의 구조에 대하여 설명한다. 레이저 가공장치(15)는, 상기한　바와　같이 레이저(13)와, 빔 스폿 조정기구(14)로 이루어진다. 레이저(13)는 CO2레이저가 사용된다. CO2레이저 대 신에, CO레이저, 엑시머 레이저(excimer laser)를 사용하더라도 좋다. 빔 스폿 조정기구(14)는, 축방향이 연직방향을 향하는 좌우 한 쌍의 로드(31, 32)와, 이러한 한 쌍의 로드(31, 32)의 상단 및 하단을 고정하는 상단 프레임(33), 하단 프레임(34)으로 이루어지는 프레임 구조체를 구비하고 있다. 또한 상단 프레임(33)에 의하여 레이저(13)를 지지하도록 하고 있다. 또, 본 실시예에서는 부착 프레임(16)(도1)을, 상단 프레임(33)으로서 겸용하도록 하고 있다.
좌측 로드(31)와 우측 로드(32)의 사이에는, 이러한 로드(31, 32)를 지축(支軸)으로 하여 승강할 수 있도록 지지되는 제1슬라이드바(35)(제1지지체), 제2슬라이드바(36)(제2지지체)가 설치되어 있다. 그리고 제1슬라이드바(35)는, 래크&피니언 기구(도면에 나타내지 않는다) 및 모터로 이루어지는 승강기구(37)에 의하여 구동되고, 제2슬라이드바는 래크&피니언 기구(도면에 나타내지 않는다) 및 모터로 이루어지는 승강기구(38)에 의하여 구동되어, 각각 독립적으로 높이위치를 조정할 수 있게 되어 있다.
제1슬라이드바(35)(제1지지체)에는, 제1평면거울(41)이 예를 들면 나사결합에 의해 좌측 고정부(42)에 의해 착탈할 수 있도록 하여 부착되고, 또한 이에 따라 부착위치를 교환함으로써 빔 스폿 형상의 선택의 자유도를 더 높일 수 있다.
오목거울(43)이 나사결합에 의해 우측 고정부(44)에 의해 착탈할 수 있도록 하여 부착된다. 이 중, 제1평면거울(41)은, 레이저(13)로부터 출사 된 연직하방을 향하는 레이저빔(최초 빔)이 직접 반사면(평면)에 조사되는 위치에 부착되고, 또한 반사 후의 레이저빔이 수평방향으로 진행하도록, 반사면(평면)의 광축각(光軸角)이 상향 45도의 각도가 되도록 부착된다. 한편 오목거울(43)은, 제1평면거울(41)에서 반사된 레이저빔이 오목거울(43)의 반사면(오목면)에 조사되는 위치에 부착되고, 또한 반사 후의 레이저빔이 연직하방을 향하는 방향으로 진행하도록, 반사면(오목면)의 광축각이 하향 45도의 각도가 되도록 부착된다.
또, 제1평면거울(41)과 오목거울(43)은, 부착위치, 부착각도에 대하여 호환성을 가지도록 되어 있어, 레이저(13)로부터 출사되어 연직하방을 향하는 레이저빔(최초 빔)이 직접 조사되는 위치에, 반사면(오목면)이 상향 45도가 되도록 오목거울(43)을 좌측 고정부(42)에 의해 부착하고, 제1평면거울(41)을 우측 고정부(44)에 의해 하향 45도의 각도가 되도록 하여 부착할 수도 있다. 제1평면거울(41)과 오목거울(43)의 부착위치를 교체함으로써 오목거울(43)과 글라스 기판(G) 사이의 광로 길이를 변경할 수 있기 때문에, 빔 스폿의 형상(장축길이, 빔 폭)의 조정폭(調整幅)을 변경할 수 있게 된다.
도4(a)는 오목거울(43)의 사시도, 도4(b)는 단면도이다. 오목거울(43)은, 예를 들면 양산 가능한 재료인 스테인레스재(stainless材) 등으로 형성되고, 반사면(43a)(오목면)에는 금(또는 실리콘 또는 몰리브덴)이 코팅되어, CO2레이저(13)로부터의 레이저빔의 반사율이 높아지도록 되어 있다. 혹은 스 테인레스재 등의 대신에, 시판되는 렌즈(특별주문품이 아닌 양산 렌즈)를 사용하여 금을 코팅 가공 하더라도 좋다.
또한 오목거울(43)은 양산 가능한 재료로 형성할 수 있기 때문에, 반사면(오목면)의 곡률반경이 100∼5000 사이에 있는 복수의 오목거울이 준비되어, 적당하게 교환하여 부착할 수 있도록 되어 있다.
제2슬라이드바(36)(제2지지체)에는, 볼록 원주거울(45)이 우측 고정부(46)에 의해 착탈할 수 있게 하여 부착되고 또한 제2평면거울(47)이 좌측 고정부(48)에 의해 착탈할 수 있게 하여 부착된다. 이 중 볼록 원주거울(45)은, 오목거울(43)에 의하여 반사되어 연직하방을 향하는 방향으로 진행해 온 레이저빔(집광된 빔)이, 직접 반사면(볼록면)에 조사되는 위치에 부착되고 또한 반사 후의 레이저빔이 수평방향을 중심으로 하여 조금 넓어지면서 진행하도록 반사면(볼록면)의 광축각이 상향 45도의 각도가 되도록 부착된다. 한편 제2평면거울(47)은, 볼록 원주거울(45)에서 반사된 레이저빔이 제2평면거울(47)의 반사면(평면)에 조사되는 위치에 부착되고, 또한 반사 후의 레이저빔이 연직하방을 향하는 방향을 중심으로 하여 조금 넓어지면서 진행하도록, 반사면(평면)의 광축각이 하향 45도의 각도가 되도록 부착된다.
또, 볼록 원주거울(45)과 제2평면거울(47)에 관해서도, 부착위치, 부착각도에 대하여 호환성을 가지도록 되어 있어, 오목거울(43)로부터 반사된 연직하방을 향하는 레이저빔(결속된 빔)이 직접 조사되는 위치에, 반사면(평 면)이 상향 45도가 되도록 제2평면거울(47)을 우측 고정부(46)에 의해 부착하고, 볼록 원주거울(45)을 좌측 고정부(48)에 의해 하향 45도의 각도가 되도록 하여 부착할 수도 있다. 이 경우에도, 제2평면거울(47)과 볼록 원주거울(45)의 부착위치를 교체함으로써 볼록 원주거울(45)과 글라스 기판(G) 사이의 광로 길이를 변경할 수 있기 때문에, 빔 스폿의 형상(장축길이, 빔 폭)의 조정폭을 변경할 수 있게 된다.
도5는 볼록 원주거울(45)의 사시도이다. 볼록 원주거울(45)에 관해서도, 양산 가능한 재료인 스테인레스재 등으로 형성되고 반사면(볼록면)(45a)에는 금이 코팅되어, CO2레이저(13)로부터의 레이저빔의 반사율이 높아지도록 되어 있다.
또한 볼록 원주거울(45)도 양산 가능한 재료로 형성할 수 있기 때문에, 반사면(볼록면)의 곡률반경이 10∼100 사이에 있는 복수의 볼록 원주거울이 준비되어, 적당하게 교환하여 부착할 수 있도록 되어 있다.
여기에서 빔 스폿 조정기구(14)의 각 광학소자에 의하여 정해지는 레이저빔의 광로 및 빔 스폿의 관계에 대하여 설명한다. 도6은, 오목거울(43), 볼록 원주거울(45), 제2평면거울(47)에 의하여 정해지는 광학적인 파라미터와 레이저빔의 광로와의 관계를 나타내는 도면이다. 또, 레이저(13)로부터 출사된 원형의 단면의 레이저빔(최초 빔(B0))이, 제1평면거울(41)(도2)에서 반사되어 오목거울(43)에 도달할 때까지에 관해서는, 최초 빔(B0)과 같은 원형의 단면의 레이저빔이 통과하는 것일 뿐이므로, 제1평면거울(41)에 관해서는 도면에 나타내는 것을 생략하고 있다.
원형의 단면의 최초 빔(B0)은 평행하게 직진하고, 오목거울(43)에 45도(중앙의 빔 이외는 대략 45도)의 입사각으로 입사하여 반사된다. 반사 후의 레이저빔(B1)(집광 빔(B1))은 빛이 모아지면서 진행한다. 이 때 집광 빔(B1)에는, 3개의 초점이 출현하게 된다. 즉 빔 단면의 X방향의 폭이 최소가 되는 초점 F-1, XY방향의 길이가 같아져서 빔 단면이 원형의 단면이 되는 초점 Fo, 빔 단면의 Y방향의 폭이 최소가 되는 초점 F1의 3초점이 광로 상에 출현한다.
도7은, 가령 오목거울(43)을 단독으로 사용하여 최초 빔(B0)을 반사시켰을 때의 광로상의 5개의 다른 위치 H1∼H5를 나타내는 도면이고, 도8은 도7의 위치 H1∼H5에 있어서의 레이저빔(B1)의 단면형상을 나타낸 모식도이다. 이 중 위치 H2는 초점 F-1, 위치 H3은 초점 Fo, 위치 H5는 초점 F1에 대응하는 위치이다. 도8에 나타나 있는 바와 같이 광로상의 높이위치의 변화에 의하여 단면형상이 X방향, Y방향으로 각각 연속적으로 변화된다. 그리고 H2에서는 X방향의 폭이 최소인 타원, H5에서는 Y방향의 폭이 최소인 타원이 된다.
이와 같이 레이저빔(B1)의 광로상의 위치에 따라 레이저빔(B1)의 단면형상이 다르기 때문에, 도6에 있어서, 레이저빔(B1) 상의 어느 위치를 볼록 원주거울(45)의 반사면에서 반사시킬지에 의하여 그 후의 레이저빔(B2)의 빔 형상을 변화시킬 수 있다.
예를 들면 글라스 기판(G)에 조사되는 빔 스폿(BS)의 빔 폭(Y방향의 길이)을 최소로 하고 싶을 때에는, 글라스 기판(G)의 표면이, 도7에 있어서의 위치 H5(초점 F1의 위치)가 되도록 오목거울(43)로부터 볼록 원주거울(45), 제2평면거울(47)을 거쳐서 글라스 기판(G)에 이르기까지의 합계거리를 조정하게 된다. 즉 볼록 원주거울(45) 및 제2평면거울(47)은, Y방향에 대해서는 모두 단순히 평면거울로서 반사하기 때문에, 도7에 있어서의 Y방향의 폭이 최소가 되는 위치 H5에 대응하는 위치를, 도6에 있어서의 글라스 기판(G)의 위치가 되도록 하면 된다.
이러한 빔 스폿의 조정에 대해서, 광학소자의 파라미터를 사용하여 설명한다. 빔 스폿 조정기구(14)에서는, 최초 빔의 빔 지름(L), 오목거울(43)의 곡률반경(r1), 볼록 원주거울(45)의 곡률반경(r2), 오목/볼록거울간 수직거리(M)(즉 오목거울(43)과 볼록 원주거울(45) 사이의 거리(M)), 테이블/볼록거울간 수직거리(N)(즉 테이블과 볼록 원주거울(45) 사이의 수직거리(N)), 평면/볼록거울간 수평거리(O)(즉 제2평면거울(47)과 볼록 원주거울(45) 사이의 수평거리(O))의 6개의 파라미터를 부여함으로써 테이블 상의 글라스 기판(G)에 형성되는 빔 스폿 형상이 일의적으로 결정된다.
이러한 6개의 파라미터 중, 최초 빔의 빔 지름(L)과, 평면/볼록거울간 수평거리(O)는, 원칙으로서 변경되지 않는 고정 파라미터이며, 오목거울(43)의 곡률반경(r1)과 볼록 원주거울(45)의 곡률반경(r2)은, 빔 스폿 형상을 크게 변화시키고 싶을 경우 등에 의해 오목거울(43), 볼록 원주거울(45)을 교환했을 때에 변경되는 대략적인 조정용의 파라미터이다.
한편 오목/볼록거울간 수직거리(M)와, 테이블/볼록거울간 수직거리(N)는, 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)의 높이위치를 조정함으로써 변경되는 파라미터이다. 구체적으로는, 제1슬라이드바(35)의 높이위치를 조정함으로써 오목거울(43)로부터 테이블(정확하게는 글라스 기판(G)의 표면)까지의 광로 길이인 M+N+O의 길이가 조정된다. 또한 제2슬라이드바의 높이위치에 의하여 볼록 원주거울(45)로부터 테이블까지의 광로 길이인 N+O의 길이가 조정된다.
이 중, 제1슬라이드바(35)에 의한 오목거울(43)로부터 테이블(정확하게는 글라스 기판(G)의 표면)까지의 광로 길이 M+N+O의 조정은, 상기한 바와 같이 주로 글라스 기판(G)에 형성되는 빔 스폿의 빔 폭(도6의 지면에 수직방향인 Y방향의 길이)의 조정에 이용된다.
한편 제2슬라이드바(36)에 의한 볼록 원주거울(45)로부터 테이블까지의 광로 길이 N+O의 조정은, 볼록 원주거울(45)에 의한 X방향의 확대율을 조정하게 되어, 주로 글라스 기판(G) 상에 형성되는 빔 스폿(BS)의 장축방향의 길이 조정에 이용된다.
다음에 빔 스폿(BS)의 장축길이 및 빔 폭의 구체적인 조정방법에 대하여 설명한다. 빔 스폿 형상은 6개의 파라미터에 의하여 일의적으로 결정 된다는 점으로부터, 빔 스폿(BS)의 장축길이를 Da, 빔 폭을 Db라고 하면, 이들은 빔 지름(L), 오목거울(43)의 곡률반경(r1), 볼록 원주거울(45)의 곡률반경(r2), 오목/볼록거울간 수직거리(M), 테이블/볼록거울간 수직거리(N), 평면/볼록거울간 수평거리(O)의 6개의 파라미터를 변수로 하여,
Da = f1(L, r1, r2, M, N, O) (1)
Db = f2(L, r1, r2, M, N, O) (2)
로 하여, 함수 f1, f2로서 나타낼 수 있다.
함수식(1), (2)는, 구체적으로는 각 광학소자의 위치나 방향을 좌표상에 설정하고, 기하학적인 해석을 함으로써 구할 수 있다.
상기한　바와　같이, 6개의 파라미터 중, 빔 지름(L)과 평면/볼록거울간 수평거리(O)는 고정치로서 정수로서 할당해 둘 수 있다. 오목거울(43)의 곡률반경(r1), 볼록 원주거울(45)의 곡률반경(r2)에 관해서도, 교환하지 않는 한 정수로서 취급할 수 있다. 따라서 빔 스폿(BS)의 장축길이(Da) 및 빔 폭(Db)은, 오목/볼록거울간 수직거리(M), 테이블/볼록거울간 수직거리(N)를 변수로 하여 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
Da = f1(M, N) (3)
Db = f2(M, N) (4)
오목/볼록거울간 수직거리(M) 및 테이블/볼록거울간 수직거리(N)는, 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)의 높이위치로부터 구해지므로, 원하는 장축길이(Da), 빔 폭(Db)으로 설정하고 싶은 경우에, 제1슬라이드바(35) 및 제2슬라이드바(36)의 높이위치를 어떻게 설정하면 좋을지를 일의적으로 결정할 수 있다.
즉 미리, 함수식(1), (2)와, 빔 지름(L), 평면/볼록거울간 수평거리(O), 오목거울(43)의 곡률반경(r1), 볼록 원주거울(45)의 곡률반경(r2)을 파라미터로서 기억해 두거나 함수식(3), (4)를 기억해 두면, 조정하려고 하는 빔 스폿(BS)의 장축길이(Da) 및 빔 폭(Db)을 주어줌으로써 오목/볼록거울간 수직거리(M), 테이블/볼록거울간 수직거리(N)를 산출할 수 있기 때문에, 이를 사용하여 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)를 조정하도록 하면 자동설정하는 것도 가능하게 된다. 본 실시예에서는 제어계에 의하여 자동설정을 할 수 있게 되어 있다. 이것에 관해서는 후술한다.
계속하여 도3에 의거하여 제어계를 설명한다. 레이저 스크라이브 장치(LS1)는, 메모리에 기억된 각종 제어데이터, 설정 파라미터 및 프로그램(소프트웨어)과 CPU에 의하여 각종 처리를 실행하는 제어부(50)를 구비하고 있다.
이 제어부(50)는, 슬라이드 테이블(2), 대좌(7), 회전 테이블(12)의 위치결정이나 이동을 하기 위한 모터(모터(9) 등)를 구동하는 테이블 구동부(51), 레이저 조사를 하는 레이저 구동부(52), 냉각노즐(17)에 의한 냉매분사를 제어하는 개폐 밸브(도면에 나타내지 않는다)를 구동하는 노즐 구동부(53), 커터휠(19)에 의하여 글라스 기판(G)에 초기균열을 형성하는 커터 구동부(54), 카메라(20)에 의하여 기판(G)에 각인되어 있는 얼라인먼트 마크 를 투영하는 카메라 구동부(55)의 각 구동계를 제어한다. 또한 제어부(50)는, 키보드, 마우스 등으로 이루어지는 입력부(56), 및 표시화면 상에 각종 표시를 하는 표시부(57)가 접속되어, 필요한 정보가 화면에 표시됨과 아울러 필요한 지령(명령)이나 설정을 입력할 수 있게 되어 있다.
이 중, 레이저 구동부(52)는, 레이저(13)를 발진(發振)하는 광원구동부(52a)와, 빔 스폿 조정기구(14)를 구동하는 빔 스폿 조정부(52b)로 이루어진다.
빔 스폿 조정부(52b)는, 제어부(50)로부터 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)의 높이위치의 설정신호가 보내지면, 설정신호에 의거하여 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)가 원하는 높이위치가 되도록 조정되도록 하고 있다.
또한 빔 스폿 조정부(52b)는, 미리 함수식(1) (2) 및 빔 지름(L), 평면/볼록거울간 수평거리(O), 오목거울(43)의 곡률반경(r1), 볼록 원주거울(45)의 곡률반경(r2)의 각 파라미터를 메모리에 기억하고 있어, 제어부(50)로부터 장축길이(Da), 빔 폭(Db)의 설정신호가 보내지면 그 형상의 빔 스폿(BS)을 형성하기 위하여 필요한 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)의 높이위치를 산출하고, 산출된 높이위치로 조정하도록 하고 있다.
다음에 레이저 스크라이브 장치(LS1)에 의한 스크라이브 동작에 대하여 설명한다. 최초에 빔 스폿(BS)의 형상의 조정이 이루어진다.
자동설정 할 때에는, 입력부(56)로부터 설정하려고 하는 장축길 이(Da), 빔 폭(Db)을 입력하여 설정동작을 하게 된다. 이렇게 하면 빔 스폿 조정부(52b)가, 함수식(1) (2) 및 관련되는 각 파라미터를 사용하여 설정한 장축길이(Da), 빔 폭(Db)을 실현시키기 위한 제1슬라이드바(35) 및 제2슬라이드바(36)의 높이위치를 산출한다. 그리고 산출된 높이위치가 되도록 승강기구(37, 38)가 구동되고, 그 결과, 오목거울(43)이나 볼록 원주거울(45)이 필요한 높이위치로 이동된다.
또, 조작자가 장축길이(Da), 빔 폭(Db)을 입력하여 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)의 높이위치를 자동설정할 때에, 표시부(57)(도3)에 표시한 설정화면 상에서, 조작자 자신이 양쪽 슬라이드바의 최종적인 높이위치를 미리 확인하거나 빔 형성의 가부를 미리 확인하거나 하고나서 자동설정 하도록 하여도 좋다.
예를 들면 장축길이(Da), 빔 폭(Db)을 입력하였을 때, 오목/볼록거울간 수직거리(M), 테이블/볼록거울간 수직거리(N)의 산출에 성공하면, 「빔 형성 OK」라는 메시지를 설정화면 상에 표시함과 아울러 산출된 오목/볼록거울간 수직거리(M)의 값 및 테이블/볼록거울간 수직거리(N)의 값을 설정화면 상에 표시하고, 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)를 산출된 값에 대응하는 위치까지 이동하도록 하더라도 좋다.
또한 입력된 장축길이(Da), 빔 폭(Db)의 값으로는 적절한 빔 스폿을 형성할 수 없는 경우에는 「설정할 수 없습니다 (NG)」라는 확인 메시지를 표시하도록 하여 입력의 재시도를 촉구하여도 좋다.
혹은, 장축길이(Da), 빔 폭(Db)을 입력하였을 때, 오목/볼록거울간 수직거리(M), 테이블/볼록거울간 수직거리(N)가 산출되고, 산출된 M, N의 값을 설정화면 상에 표시함과 아울러 조작자에 대하여 「OK입니까?」라는 확인 메시지를 표시하도록 하여도 좋다. 그리고 조작자가 M, N의 값이 타당한가 아닌가를 확인하고, OK인 경우는 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)를 산출된 값에 대응하는 위치까지 이동하는 처리를 실행하도록 처리를 진행시키고, NG인 경우는 Da, Db의 설정으로부터 다시 하도록 하여도 좋다.
또한 자동설정을 하지 않을 경우, 혹은 자동설정 후에 수동으로 미세조정을 더 하는 경우는, 계속하여 입력부(56)로부터 제1슬라이드바(35), 제2슬라이드바(36)의 승강이동을 하는 입력조작을 하여 미세조정을 한다. 상기한 설명에 의하여 글라스 기판(G)에 대하여 원하는 높이위치에, 제1슬라이드바(35)(오목거울(43)), 제2슬라이드바(36)(볼록 원주거울(45))가 오도록 조정한다.
그 후에는, 레이저 스크라이브 장치(LS1)의 통상의 스크라이브 처리 동작이 실행된다. 즉 회전 테이블(12)이 원점(도1의 카메라(20)의 하방)으로 되돌려지고, 카메라 구동부(55)가 작동하여 회전 테이블(12) 상에 재치된 글라스 기판(G)의 얼라인먼트 마크가 카메라(20)에 의하여 검출되고, 그 결과에 의거하여 테이블 구동부(51)에 의하여 슬라이드 테이블(2), 대좌(7), 회전 테이블(12)의 이동이 이루어져서 위치결정이 된다. 위치결정을 끝내면, 커터 구동부(54)에 의하여 커터휠(19)을 사용하여 기판단(基板端)에 초기균열(트리 거)을 형성하는 처리가 이루어진다. 그리고 일단 원점으로 되돌려진 후, 레이저 구동부(52) 및 노즐 구동부(53)에 의하여 용융온도 이하에서의 레이저 조사와 냉매분사를 하면서 테이블 구동부(51)에 의하여 기판(G)이 이동함으로써, 빔 스폿(BS) 및 냉각 스폿(CS)이 기판 상을 주사하게 된다. 이에 의해 빔 스폿(BS) 및 냉각 스폿(CS)의 궤적을 따라 스크라이브 라인이 형성된다.
지금까지 설명한 레이저 스크라이브에서는, 레이저 조사에 의한 가열을 용융온도 이하로 하고 있었지만, 레이저 출력을 높여서(혹은 레이저 파장을 변경하여) 기판이 용융되는 어블레이션 조건으로 하면, 레이저 어블레이션 가공(laser ablation 加工)을 할 수 있다. 그 경우에는 냉매분사는 하지 않는다.
(실시예2)
도9는 본 발명의 다른 한 실시예인 레이저 가공장치(15a)의 구성도이다. 도1, 도2의 레이저 가공장치(15)와 동일한 구성부분에 대해서는 같은 부호를 붙임으로써 설명의 일부를 생략한다. 본 실시예에서 빔 스폿 조정기구(14a)는, 제2슬라이드바(36)의 위치와 함께 오목거울(60)의 곡률반경을 조정하도록 되어 있다.
즉 오목거울(43)과 볼록 원주거울(45)의 거리를 조정하기 위하여 제1슬라이드바(35)를 승강시키는 승강기구(37)를 설치한 구조(도2)에 대신하여, 로드(31, 32)에 대한 위치가 고정된 제1고정바(35a)를 부착하고, 곡률반경의 조정기능을 갖춘 오목거울(60)이 우측 고정부(44)에 의하여 제1고정바(35)에 고정되도록 되어 있다(또, 여기에서의 「고정」은 빔 스폿의 조정시에 고정하여 사용한다는 의미이며, 그 이외의 목적으로 승강기구(37)를 설치하여 이동하는 것은 포함되지 않는다).
도10은, 곡률반경의 조정기능을 갖춘 오목거울(60)의 한 예를 나타내는 단면도이다. 오목거울(60)은, 오목거울 본체(61)가 스테인레스제(금 코팅막 첨부)의 박판으로 형성된다. 오목거울 본체(61)의 가장자리부분은 하우징(62)에 의하여 고정되고, 오목거울 본체(61)의 바닥부분에 신축기구(63)가 부착된다. 신축기구(63)에는, 예를 들면 압전소자(壓電素子)나 전동 실린더가 사용된다. 신축기구(53)를 작동하는 구동부(64)가 신축기구(63)의 근방에 부착되어 신축기구(63)를 작동시킴으로써, 곡률반경을 변화시킬 수 있도록 되어 있다. 그리고 오목거울(60)은, 미리 구동부(64)의 설정조건과 곡률반경의 관계를 구해 둠으로써, 구동부(64)의 설정을 조정하는 것에 의해 원하는 곡률반경으로 설정할 수 있다. 구동부(64)의 설정은, 제2슬라이드바(36)의 승강기구(38)와 함께 빔 스폿 조정부(52b)(도3)에 의하여 조정된다.
이 실시예에 있어서도, 관계식(1) (2)에 의거하여 빔 스폿(BS)의 장축길이(Da), 빔 폭(Db)의 조정이 이루어지지만, 6개의 파라미터 중, 빔 지름(L), 오목/볼록거울간 수직거리(M), 평면/볼록거울간 수평거리(O)는 고정치로서 정수로서 할당해 둘 수 있다. 볼록 원주거울(45)의 곡률반경(r2)에 관해서도 교환하지 않는 한 정수로서 취급할 수 있다. 따라서 오목거울(43) 의 곡률반경(r1)과 테이블/볼록거울간 수직거리(N)를 변수로 하여 빔 스폿(BS)의 장축길이(Da) 및 빔 폭(Db)을 조정할 수 있다.
또, 도9에 있어서는 우측 고정부(44)에 의하여 오목거울(60)을 부착했지만, 오목거울(60)과 제1평면거울(41)을 교환하더라도 되는 점에 대해서는, 도1의 실시예와 같다.
(실시예3)
도11은 본 발명의 다른 한 실시예인 레이저 가공장치(15b)의 구성도이다. 도1, 도2, 도9의 레이저 가공장치(15, 15a)와 동일한 구성부분에 대해서는, 같은 부호를 붙임으로써 설명의 일부를 생략한다. 본 실시예에서는 빔 스폿 조정기구(14b)는, 오목거울(60)의 곡률반경과 함께 볼록 원주거울(70)의 곡률반경을 조정하도록 되어 있다.
즉 도9에서 설명한 레이저 가공장치(15a)에 있어서, 볼록 원주거울(45)과 회전 테이블(12)(정확하게는 글라스 기판(G)의 표면)의 거리를 조정하기 위하여 제2슬라이드바(36)를 승강시키는 승강기구(38)를 설치한 구조에 대신하여, 로드(31, 32)에 대한 위치가 고정된 제2고정바(36a)를 부착하고(여기에서의 「고정」은 빔 스폿의 조정시에 고정하여 사용한다는 의미이며, 그 이외의 목적으로 승강기구(38)를 설치하여 이동하는 것은 포함되지 않는다), 곡률반경의 조정기능을 갖춘 볼록 원주거울(70)이 우측 고정부(46)에 의하여 제2고정바(36a)에 고정되도록 되어 있다.
도12는, 곡률반경의 조정기능을 갖춘 볼록 원주거울(70)의 한 예를 나타내는 단면도이다. 볼록 원주거울(70)은, 볼록 원주거울 본체(71)가 스테인레스제의 박판(금 코팅막 첨부)으로 형성된다. 볼록 원주거울 본체(71)의 가장자리부분은 하우징(72)에 의하여 고정되고, 볼록 원주거울 본체(71)의 바닥부분에 신축기구(73)가 부착된다. 신축기구(73)에는 예를 들면 압전소자나 전동 실린더가 사용된다. 신축기구(73)를 작동하는 구동부(74)가 신축기구(73)의 근방에 부착되고, 신축기구(73)를 작동시킴으로써 곡률반경을 변화시킬 수 있도록 되어 있다. 그리고 볼록 원주거울(70)은, 미리 구동부(74)의 설정조건과 곡률반경의 관계를 구해 둠으로써, 구동부(74)의 설정을 조정하는 것에 의해 원하는 곡률반경으로 설정할 수 있다. 구동부(74)의 설정은, 오목거울(60)의 구동부(64)의 설정과 함께 빔 스폿 조정부(52b)(도3)에 의하여 조정된다.
이 실시예에 있어서도, 관계식(1) (2)에 의거하여 빔 스폿(BS)의 장축길이(Da), 빔 폭(Db)의 조정이 이루어지지만, 6개의 파라미터 중, 빔 지름(L), 오목/볼록거울간 수직거리(M), 테이블/볼록거울간 수직거리(N), 평면/볼록거울간 수평거리(O)는 고정치로서, 정수로서 할당해 둘 수 있다. 따라서 오목거울(43)의 곡률반경(r1)과, 볼록 원주거울(45)의 곡률반경(r2)을 변수로 하여 빔 스폿(BS)의 장축길이(Da) 및 빔 폭(Db)을 조정하게 된다.
또, 도11에 있어서는 우측 고정부(44)에 의하여 볼록 원주거울(70)을 부착했지만, 볼록 원주거울(70)과 제1평면거울(47)을 교환하더라도 되는 점에 대해서는, 도1, 도9의 실시예와 같다.
(실시예4)
도13은 본 발명의 다른 한 실시예인 레이저 가공장치(15c)의 구성도이다. 도1, 도2에서 설명한 레이저 가공장치(15)와 동일한 구성부분에 대해서는, 같은 부호를 붙임으로써 설명의 일부를 생략한다. 본 실시예에서는 볼록 원주거울(45)(도2)에 대신하여, 오목 원주거울(49)을 부착하고 있다.
즉 지금까지 설명한 실시예1∼실시예3에서는, 제2슬라이드바(36)에 부착한 볼록 원주거울(45)에 의하여 X방향의 빔 길이를 확대하도록 하고 있었지만, 오목 원주거울(49)을 사용한 경우에도, 초점(F)에서 한번 광로가 모아진 후에 다시 광로가 넓어지므로, 가공면이 초점(F)으로부터 어느 정도의 거리가 떨어진 위치가 되도록 광학계를 조정함으로써, 볼록 원주거울(45)을 사용하였을 경우와 같이 X방향의 빔 길이를 확대할 수 있게 된다.
또한 실시예3에 있어서, 곡률반경의 조정이 가능한 볼록 원주거울(70)을 부착했지만, 실시예4에서 볼록 원주거울(45)을 오목 원주거울(49)로 바꿨을 경우와 마찬가지로, 볼록 원주거울(70)을 곡률반경의 조정이 가능한 오목 원주거울로 바꾸어도 좋다.
본 발명은, 레이저 조사에 의한 국소적인 가열이 이루어지는 레이저 가공장치에 이용할 수 있다.
도1은, 본 발명의 한 실시예인 레이저 가공장치를 이용한 레이저 스크라이브 장치의 구성도이다.
도2는, 본 발명의 한 실시예인 레이저 가공장치로서, 도1의 레이저 스크라이브 장치로 사용되고 있는 레이저 가공장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도3은, 도1의 레이저 스크라이브 장치의 제어계의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도4는, 오목거울의 사시도 및 단면도이다.
도5는, 볼록 원주거울의 사시도이다.
도6은, 오목거울, 볼록 원주거울, 제2평면거울에 의하여 정해지는 광학적인 파라미터와 레이저빔의 광로와의 관계를 나타내는 도면이다.
도7은, 임시로 오목거울을 단독으로 사용하여 최초 빔(B0)을 반사시켰을 때의 광로를 나타내는 도면이다.
도8은, 도7에 있어서의 레이저빔(B1)의 광로상의 각 위치(H1∼H5)에서의 빔 스폿의 형상을 나타내는 도면이다.
도9는, 본 발명의 다른 한 실시예인 레이저 가공장치의 구성도이다.
도10은, 곡률반경이 가변인 오목거울의 단면도이다.
도11은, 본 발명의 다른 한 실시예인 레이저 가공장치의 구성도이다.
도12는, 곡률반경이 가변인 볼록 원주거울의 단면도이다.
도13은, 본 발명의 다른 한 실시예인 레이저 가공장치의 구성도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
12 회전 테이블
13 레이저
14, 14a, 14b 빔 스폿 조정기구
15, 15a, 15b 레이저 가공장치
16 부착 암
31 로드(좌측 로드)
32 로드(우측 로드)
33 상측 프레임
34 하측 프레임
35 제1슬라이드바
35a 제1고정바
36 제2슬라이드바
36a 제2고정바
37, 38 승강기구
41 제1평면거울
42, 48 좌측 고정부
43 오목거울
44, 46 우측 고정부
45 볼록 원주거울
47 제2평면거울
50 제어부
52 레이저 구동부
52a 광원구동부
52b 빔 스폿 조정부
60 오목거울
70 볼록 원주거울
r1 오목거울 곡률반경
r2 볼록 원주거울 곡률반경
L 레이저빔 반경(최초 빔 반경)
M 오목/볼록거울간 수직거리
N 테이블/볼록거울간 수직거리
O 평면/볼록거울간 수평거리

Claims (12)

  1. 레이저(laser)와, 상기 레이저로부터 출사되는 레이저빔을 피가공물의 가공면으로 인도함과 아울러 레이저빔에 의하여 가공면에 형성되는 빔 스폿(beam spot)의 형상을 조정하는 광학소자군(光學素子群)을 구비한 레이저 가공장치로서,
    상기 광학소자군은 적어도 오목거울과, 볼록면 또는 오목면의 원주거울(cylindrical mirror)을 포함하는 거울군의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치(laser 加工裝置).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오목거울과 상기 원주거울은, 상기 레이저에 가까운 측의 광로 상에 오목거울이 배치되고, 상기 가공면에 가까운 측의 광로 상에 원주거울이 배치되는 레이저 가공장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오목거울과 상기 원주거울은, 오목거울의 곡률반경이 원주거울의 곡면의 곡률반경보다 크게 되도록 설정되어, 장축방향과 단축방향을 구비하 는 형상의 빔 스폿이 가공면에 형성되는 레이저 가공장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가공면과 상기 오목거울 사이의 광로 길이 및 상기 가공면과 상기 원주거울 사이의 광로 길이를 변경함으로써 빔 스폿의 장축방향 및 단축방향의 길이를 조정하는 빔 스폿 조정기구를 설치한 레이저 가공장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 빔 스폿 조정기구는, 상기 오목거울이 고정됨과 아울러, 오목거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제1평면거울이 고정된 제1지지체와,
    상기 원주거울이 고정됨과 아울러, 원주거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제2평면거울이 고정된 제2지지체와,
    연직방향을 향한 로드를 지축(支軸)으로 하여 상기 제1지지체를 승강시키는 제1지지체 승강기구와,
    상기 로드를 지축으로 하여 상기 제1지지체의 하측에 있어서 상기 제2지지체를 승강시키는 제2지지체 승강기구로 이루어지는 레이저 가공장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 오목거울은, 오목면의 반사판과, 상기 반사판의 오목면의 곡률반경을 변화시키는 오목면 변형기구를 구비하고,
    상기 오목거울의 곡률반경 및 상기 가공면과 상기 원주거울 사이의 광로 길이를 변경함으로써 빔 스폿의 장축방향 및 단축방향의 길이를 조정하는 빔 스폿 조정기구를 설치한 레이저 가공장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 빔 스폿 조정기구는, 상기 오목거울이 고정됨과 아울러, 오목거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제1평면거울이 고정된 제1지지체와,
    상기 원주거울이 고정됨과 아울러, 원주거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제2평면거울이 고정된 제2지지체와,
    연직방향을 향하고 상기 제1지지체가 고정되는 로드와,
    상기 로드를 지축으로 하여 제1지지체보다 하측에서 상기 제2지지체를 승강시키는 제2지지체 승강기구로 이루어지는 레이저 가공장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 오목거울은, 오목면의 반사판과, 상기 반사판의 오목면의 곡률반경을 변화시키는 오목면 변형기구를 구비하고,
    상기 원주거울은, 반사판과, 상기 반사판의 곡률반경을 변화시키는 곡면 변형기구를 구비하고,
    상기 오목거울의 곡률반경 및 상기 원주거울의 곡률반경을 변경함으로써 빔 스폿의 장축방향 및 단축방향의 길이를 조정하는 빔 스폿 조정기구를 설치한 레이저 가공장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 빔 스폿 조정기구는, 상기 오목거울이 고정됨과 아울러, 오목거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제1평면거울이 고정된 제1지지체와,
    상기 원주거울이 고정됨과 아울러, 원주거울에 의한 반사 전의 레이저빔 또는 반사 후의 레이저빔 중 어느 하나의 레이저빔의 광로를 조정하는 제2평면거울이 고정된 제2지지체와,
    연직방향을 향하고, 상기 제1지지체가 고정됨과 아울러 제1지지체의 하측에 상기 제2지지체가 고정되는 로드로 이루어지는 레이저 가공장치.
  10. 제1항에 있어서,
    CO2레이저가 사용되고, 각 거울의 레이저빔이 반사되는 면이 금, 실리콘, 몰리브덴 중의 어느 하나로 코팅된 레이저 가공장치.
  11. 제5항, 제7항 또는 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1지지체에 있어서, 제1평면거울과 오목거울의 사이에서 부착위치가 호환성을 가지는 레이저 가공장치.
  12. 제5항, 제7항 또는 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2지지체에 있어서, 제2평면거울과 원주거울의 사이에서 부착위치가 호환성을 가지는 레이저 가공장치.
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