KR20150114957A

KR20150114957A - 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법

Info

Publication number: KR20150114957A
Application number: KR1020157020986A
Authority: KR
Inventors: 미치노부 미즈무라; 마사미 다키모토; 쇼타 마츠야마
Original assignee: 브이 테크놀로지 씨오. 엘티디
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2015-10-13
Also published as: CN104955605B; WO2014123080A1; JP2014151326A; US20160002088A1; TW201440942A; JP6161188B2; TWI627009B; CN104955605A

Abstract

레이저광을 링 형상으로 집광하여 그 집광 위치를 기판의 두께 범위 내로 조사하고, 집광 위치를 기판의 두께 방향 및 기판의 평면 방향으로 시프트시키는 과정에서, 링 형상의 집광 위치의 중심이 원운동하도록 집광 위치를 시프트시킴으로써, 장치 비용의 저감을 도모하고, 가공 처리 시간의 단축화를 가능하게 한다.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법{LASER PROCESSING APPARATUS AND LASER PROCESSING METHOD}

본 발명은, 유리 등의 기판에 관통 구멍 가공을 실시하기 위한 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

최근, 스마트폰으로 대표되는 휴대 정보 단말의 표시 화면에는 두께 1mm 이하의 유리 기판이 사용되고 있고, 그 유리 기판에는 각종 버튼이나 마이크 등의 기능에 대응하는 구멍 가공이 실시되어 있다. 전술한 유리 기판과 같은 박후(薄厚) 취성 재료의 구멍 가공에 있어서는, 가공 중의 크랙 발생에 의한 수율 저하가 문제가 된다. 특히, 전술한 휴대 정보 단말 화면에 있어서의 홈 버튼 구멍과 같이 직경 10mm 정도의 비교적 큰 구멍을 뚫는 가공의 경우에는, 다이아몬드를 날 끝으로 한 유리 커터를 사용하여 표면에 원형의 가공 흠집을 부여하고, 다시 원형 가공 흠집의 내측에 격자 형상 등의 가공 흠집을 내고 그 위에 타격을 주어, 서서히 개구부를 넓힘으로써 원형의 관통 구멍을 형성하는 것이 행하여지고 있다. 이에 의하면, 인위적인 타격의 부여가 가공의 정밀도에 크게 영향을 주게 되어, 어느 정도는 크랙 발생에 의한 수율 저하를 피할 수 없는 것이 현재의 상황이다.

이에 대하여, 유리 등의 취성 재료에 대한 레이저 가공 기술이 각종 제안되어 있다. 하기 특허문헌 1에는, YAG 레이저를 사용한 레이저 가공으로 유리에 미세한 관통 구멍을 형성하는 것이 기재되어 있다. 또한, 하기 특허문헌 2에는, 레이저광을, 둥근 구멍의 윤곽선을 기준으로 한 내측에서 윤곽선을 따라 다중으로 주사함으로써, 박후의 유리 기판에 둥근 관통 구멍을 형성하는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2000-61667호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2009-269057호

유리 등의 취성 재료 기판에 레이저광을 조사하여 관통 구멍 가공을 실시하는 레이저 가공에 있어서, 구멍 직경이 1mm 이하인 미세 구멍의 경우에는, YAG 레이저의 조사 에너지를 소정의 임계값 이상으로 설정하고, 초점 위치를 피가공 기판 두께의 중간 위치 혹은 중간 위치로부터 하방으로 함으로써 미세한 관통 구멍의 형성이 가능하게 된다(특허문헌 1 참조). 그러나, 구멍 직경이 10mm 정도인 비교적 큰 직경의 구멍을 뚫는 가공의 경우에는, 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이 레이저광을 구멍의 윤곽선을 따라 주사할 필요가 있게 되어, 갈바노 미러 등의 고가의 주사 수단을 필요로 하게 되므로, 장치 비용이 비싸지고, 또한, 가공 처리 시간이 길어지는 문제가 있었다.

본 발명은, 이러한 문제에 대처하는 것을 과제의 일례로 하는 것이다. 즉, 유리 등의 취성 재료 기판에 비교적 큰 구멍을 뚫는 가공을 할 때에, 크랙 발생에 의한 수율 저하를 해소하는 것, 장치 비용의 저감을 도모하고, 가공 처리 시간의 단축화를 가능하게 하는 것 등이 본 발명의 목적이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법은, 이하의 구성을 적어도 구비하는 것이다.

기판 상에 레이저광을 조사하여 당해 기판에 관통 구멍 가공을 실시하는 레이저 가공 장치로서, 레이저광을 링 형상으로 집광하여 그 집광 위치를 상기 기판의 두께 범위 내로 조사하는 집광 렌즈와, 상기 집광 위치를 상기 기판의 두께 방향 및 상기 기판의 평면 방향으로 시프트하는 집광 위치 시프트 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.

기판 상에 레이저광을 조사하여 당해 기판에 관통 구멍 가공을 실시하는 레이저 가공 방법으로서, 레이저광을 링 형상으로 집광하여 그 집광 위치를 상기 기판의 두께 범위 내로 조사하고, 상기 집광 위치를 상기 기판의 두께 방향 및 상기 기판의 평면 방향으로 시프트시키는 과정에서, 링 형상의 상기 집광 위치의 중심이 원운동하도록 상기 집광 위치를 시프트시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.

이러한 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 링 형상으로 집광된 레이저광의 집광 위치를 기판의 두께 범위 내에서 3차원적으로 시프트시킴으로써, 링 형상의 집광 위치에 따른 전체 둘레에서 동시 진행적으로 레이저 가공 흔적을 두께 방향 및 직경 방향으로 확대할 수 있다. 이에 의해, 고가의 레이저 주사 수단을 사용하지 않고, 간이한 장치 구성으로 조속히 기판의 관통 구멍 가공을 완료시킬 수 있다.

또한, 링 형상으로 형성되는 레이저 가공 흔적은 위치를 어긋나게 하면서 서서히 확대되게 되므로, 가공 변질층에 반복적으로 레이저광이 조사되어 레이저광이 산란되는 에너지 로스를 최소한으로 억제할 수 있어, 효율적인 관통 구멍 가공을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 사용되는 집광 렌즈의 형태예를 나타낸 설명도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서 레이저광의 집광 위치를 시프트하는 동작 형태를 나타낸 설명도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 형태예를 나타낸 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구체예를 나타낸 설명도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구체예를 나타낸 설명도이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시형태에 사용되는 집광 렌즈의 형태예를 나타낸 설명도이다(도 1의 (a)는 집광 렌즈의 단면 형상과 레이저광의 집광 상태를 나타낸 도면이고, 도 1의 (b)는 링 형상으로 집광된 레이저광의 빔 형상을 평면에서 본 도면이다). 집광 렌즈(1)는, 레이저광(L)을 링 형상으로 집광하여 그 집광 위치(Fs)를 기판(G)의 두께 범위 내로 조사하는 것이다. 집광 렌즈(1)는, 기본적으로는 실린드리컬 렌즈를 고리 형상으로 한 것이며, 소정 빔 직경으로 성형된 원형 단면 레이저광(L)을 유효 구경 내로 입사함으로써, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같은 링 형상의 집광 상태(La)를 얻을 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법은, 후술하는 각종 형태에 의해 구성되는 집광 위치 시프트 수단을 구비하고 있다. 집광 위치 시프트 수단은, 집광 렌즈(1)에 의해 레이저광(L)을 링 형상으로 집광한 집광 위치(Fs)를 기판(G)의 두께 방향 및 기판(G)의 평면 방향으로 시프트하는 것이다. 이에 의해, 레이저광(L)의 집광 위치(Fs)는 기판(G)의 두께 범위 내에서 3차원적으로 위치가 변경되게 된다.

도 2는, 본 발명의 실시형태에 있어서 레이저광의 집광 위치를 시프트하는 동작을 나타낸 설명도이다. 도 2의 (a)가 평면에서 본 움직임을 나타내고 있고, 도 2의 (b)가 기판의 두께 방향의 움직임을 나타내고 있다. 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 레이저광(L)의 집광 위치(Fs)(Fs₁, Fs₂, Fs₃, Fs₄, Fs₅, Fs₆, Fs₇, Fs₈)는, 그 중심(O₁, O₂, O₃, O₄, O₅, O₆, O₇, O₈)이 원운동을 하도록 평면적으로 시프트된다. 초점 위치(Fs)의 중심의 이동 궤적은 도시의 예에서는 진원(眞圓)으로 되어 있으나, 이에 한정하지 않고 타원이나 변형한 원 궤적이어도 되며, 여기서 말하는 원운동이란 이동 궤적이 원에 가까운 것이면 된다.

여기서, 집광 위치(Fs)의 중심의 이동 궤적이 직경(W)의 원이라고 하면, 링 형상의 집광 위치(Fs)의 전체 둘레에서 폭(W)의 범위로 레이저 가공 흔적이 형성되게 되고, 또한, 집광 위치(Fs)의 두께 방향의 시프트에 의해, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이 기판(G)의 두께 방향으로 깊이가 다른 레이저 가공 흔적이 형성되게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 방법에서는, 레이저광(L)을 링 형상으로 집광하여 그 집광 위치(Fs)를 기판(G)의 두께 방향 및 기판(G)의 평면 방향으로 시프트시키는 과정에서, 링 형상의 집광 위치(Fs)의 중심이 원운동하도록 집광 위치(Fs)를 시프트시킨다. 이에 의하면, 링 형상으로 집광된 레이저광의 집광 위치(Fs)를 기판(G)의 두께 범위 내에서 3차원적으로 시프트시킴으로써, 링 형상의 집광 위치(Fs)에 따른 전체 둘레에서 동시 진행적으로 레이저 가공 흔적을 3차원 방향으로 확대할 수 있어, 조속히 기판(G)의 관통 구멍 가공을 완료시킬 수 있다. 이 때, 링 형상으로 형성되는 레이저 가공 흔적은 위치를 어긋나게 하면서 서서히 확대시킬 수 있으므로, 가공 변질층에 반복적으로 레이저광이 조사되어 레이저광이 산란되는 에너지 로스를 최소한으로 억제할 수 있어, 효율적인 관통 구멍 가공을 행할 수 있다. 형성되는 관통 구멍의 직경(Φ)은, 약 2R+W(R은 링 형상 집광 위치(Fs)의 반경)가 된다.

도 3은, 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 형태예를 나타낸 설명도이다. 레이저 가공 장치(10)는, 전술한 집광 렌즈(1)와 집광 렌즈(1)의 집광 위치(Fs)를 기판(G)의 두께 방향 및 기판(G)의 평면 방향으로 시프트하는 집광 위치 시프트 수단(2)을 구비하고 있다. 또한, 레이저 가공 장치(10)는, 레이저광(L)을 출사하는 레이저 광원(3), 레이저광(L)을 집광 렌즈(1)로 유도하는 광학계(빔 익스팬더(4)나 미러(5) 등)를 구비하고 있다.

집광 위치 시프트 수단(2)의 하나의 형태로는, 기판(G)을 이동시키는 기판 이동 수단(20)을 구비한다. 기판 이동 수단(20)은, 기판(G)을 그 두께 방향(Z축 방향)으로 상하 이동시키는 수단, 기판(G)을 수평축(X축 또는 Y축) 둘레로 요동시키는 수단, 기판(G)을 수직축(Z축) 둘레로 회전시키는 수단을 개별 또는 조합하여 구비하고 있다. 또한, 기판 이동 수단(20)은, 기판(G)을 그 표면과 수직인 축(Z축)에 대하여 경사진 회전축 둘레로 회전시키는 수단을 갖는 것이어도 된다.

집광 위치 시프트 수단(2)의 다른 형태로는, 집광 렌즈(1)를 이동시키는 집광 렌즈 이동 수단(21)을 구비한다. 집광 렌즈 이동 수단(21)은, 집광 렌즈(1)를 수평축(X축 또는 Y축) 둘레로 요동시키는 수단, 집광 렌즈(1)를 레이저광(L)의 광축과 경사진 회전축 둘레로 회전시키는 수단 등을 개별 또는 조합하여 구비하고 있다.

집광 위치 시프트 수단(2)의 다른 형태로는, 레이저광(L)을 집광 렌즈(1)로 유도하는 광학계의 광학 요소(예를 들어, 미러(5) 또는 빔 익스팬더(4))를 이동시키는 광학 요소 이동 수단(22)을 구비하고 있다. 광학 요소 이동 수단(22)은, 예를 들어, 레이저광(L)을 집광 렌즈(1)로 유도하는 미러(5)의 각도를 요동하는 수단, 미러(5)를 미러(5)의 반사면과 수직인 축과 경사진 회전축 둘레로 회전하는 수단, 빔 익스팬더(4)를 Y축 둘레로 요동시키는 수단 등을 개별 또는 조합하여 구비하고 있다.

도 4 및 도 5는, 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구체예를 나타낸 설명도이다. 도 4에 나타낸 레이저 가공 장치(10)는, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 레이저 광원(3), 레이저 광원(3)으로부터 출사한 레이저광(L)의 빔 직경을 확대하는 빔 익스팬더(4), 미러(5), 집광 렌즈(1)를 구비하고 있고, 집광 렌즈(1)에 의해 링 형상으로 집광한 레이저광(L)을 기판(G)에 조사하고 있다. 이 실시형태에서는, 집광 위치 시프트 수단(2)으로서, 빔 익스팬더(4)를 회전축(a)의 둘레로 회전하는 광학 요소 이동 수단(22A)을 구비하고 있다.

이 광학 요소 이동 수단(22A)은, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 빔 익스팬더(4)의 중심(40)으로부터 벗어난 위치에 회전축(a)이 설치되어 있고, 이 회전축(a)과 레이저광(L)의 광축이 일치하고 있다. 광학 요소 이동 수단(22A)에 의해 빔 익스팬더(4)를 회전시키면, 레이저광(L)을 중심(40)으로부터 편심(偏芯)된 위치에 조사하여, 레이저광(L)의 광축을 중심(40)의 둘레로 원운동시키는 것과 동등한 작용이 얻어진다. 이에 의해, 빔 익스팬더(4)로부터 출사하여 집광 렌즈(1)에 입사하는 레이저광(L)의 각도를 바꿀 수 있어, 집광 렌즈(1)의 집광 위치(Fs)를 기판(G)의 두께 방향 및 기판(G)의 평면 방향으로 시프트시킬 수 있다. 기판(G)의 두께에 따라서는 기판(G)을 두께 방향으로 이동시키는 기판 이동 수단(2)(20)을 합쳐서 설치해도 된다.

도 5에 나타낸 레이저 가공 장치(10)는, 레이저 광원(3), 레이저 광원(3)으로부터 출사한 레이저광(L)의 빔 직경을 확대하는 빔 익스팬더(4), 이미지 로테이터(도브 프리즘)(6), 미러(5), 집광 렌즈(1)를 구비하고 있고, 집광 렌즈(1)에 의해 링 형상으로 집광한 레이저광(L)을 기판(G)에 조사하고 있다. 이 실시형태에서는, 집광 위치 시프트 수단(2)으로서, 이미지 로테이터(도브 프리즘)(6)를 회전축(a1)의 둘레로 회전하는 광학 요소 이동 수단(22B)을 구비하고 있다.

이 광학 요소 이동 수단(22B)은, 레이저광(L)의 광축에 대하여 경사 배치된 이미지 로테이터(6)를 광축과 평행한 회전축(a1)의 둘레로 회전시키는 것이다. 이에 의해, 이미지 로테이터(6)로부터 출사하여 집광 렌즈(1)에 입사하는 레이저광(L)의 각도를 바꿀 수 있어, 집광 렌즈(1)의 집광 위치(Fs)를 기판(G)의 두께 방향 및 기판(G)의 평면 방향으로 시프트시킬 수 있다. 기판(G)의 두께에 따라서는 기판(G)을 두께 방향으로 이동시키는 기판 이동 수단(2)(20)을 합쳐서 설치해도 된다.

이상 설명한 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 의하면, 유리 커터를 사용한 종래 기술과 비교하여 가공 중의 크랙 발생을 크게 억제할 수 있어, 작업자의 능력과는 무관하게 높은 가공 정밀도와 수율을 실현할 수 있다. 또한, 레이저광을 주사하는 종래 기술과 비교해도, 갈바노 미러 등의 고가의 주사 수단을 사용하지 않고, 기판(G)이나 집광 렌즈(1) 혹은 광학 요소를 이동하는 집광 위치 시프트 수단(2)에 의해 비교적 간이하고 또한 저비용의 장치 구성을 실현할 수 있다.

또한, 링 형상으로 형성되는 레이저 가공 흔적을, 위치를 어긋나게 하면서 서서히 확대시키므로, 가공 변질층에 반복적으로 레이저광이 조사되어 레이저광이 산란되는 에너지 로스를 적게 할 수 있어, 효율적인 관통 구멍 가공에 의해 가공 처리 시간의 단축화가 가능하게 된다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 상세히 서술하였으나, 구체적인 구성은 이들 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 설계의 변경 등이 있어도 본 발명에 포함된다. 또한, 상기 서술한 각 실시형태는, 그 목적 및 구성 등에 특별히 모순이나 문제가 없는 한, 서로의 기술을 유용하여 조합하는 것이 가능하다.

1: 집광 렌즈 2: 집광 위치 시프트 수단
20: 기판 이동 수단 21: 집광 렌즈 이동 수단
22, 22A, 22B: 광학 요소 이동 수단
3: 레이저 광원 4: 빔 익스팬더
5: 미러 6: 이미지 로테이터(도브 프리즘)
G: 기판 L: 레이저광
Fs(Fs₁~Fs₈): 집광 위치

Claims

기판 상에 레이저광을 조사하여 당해 기판에 관통 구멍 가공을 실시하는 레이저 가공 장치로서,
레이저광을 링 형상으로 집광하여 그 집광 위치를 상기 기판의 두께 범위 내로 조사하는 집광 렌즈와,
상기 집광 위치를 상기 기판의 두께 방향 및 상기 기판의 평면 방향으로 시프트하는 집광 위치 시프트 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 집광 위치 시프트 수단은, 링 형상의 상기 집광 위치의 중심이 원운동을 하도록 상기 집광 위치를 시프트시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 집광 위치 시프트 수단은, 상기 기판을 이동시키는 기판 이동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 위치 시프트 수단은, 상기 집광 렌즈를 이동시키는 집광 렌즈 이동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저광을 출사하는 레이저 광원과,
상기 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저광을 상기 집광 렌즈로 유도하는 광학계를 구비하고,
상기 집광 위치 시프트 수단은, 상기 광학계에 있어서의 광학 요소를 이동시키는 광학 요소 이동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
기판 상에 레이저광을 조사하여 당해 기판에 관통 구멍 가공을 실시하는 레이저 가공 방법으로서,
레이저광을 링 형상으로 집광하여 그 집광 위치를 상기 기판의 두께 범위 내로 조사하고,
상기 집광 위치를 상기 기판의 두께 방향 및 상기 기판의 평면 방향으로 시프트시키는 과정에서,
링 형상의 상기 집광 위치의 중심이 원운동하도록 상기 집광 위치를 시프트시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.