KR960005214B1

KR960005214B1 - 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법

Info

Publication number: KR960005214B1
Application number: KR1019910023186A
Authority: KR
Inventors: 쯔기또 나까제끼; 도모시게 고바야시
Original assignee: 엔티엔 가부시끼가이샤; 스마 요시쯔기
Priority date: 1990-12-19
Filing date: 1991-12-17
Publication date: 1996-04-23
Also published as: US5260965A; DE69104968D1; EP0491192A3; EP0491192B1; JPH04251686A; EP0491192A2; DE69104968T2; KR920011632A; JP2648892B2

Abstract

내용 없음.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법

제1도는 종래의 레이저 가공 장치의 종단면도.

제2도는 종래의 레이저 가공 장치에 있어서 피가공물 사이에 유리판을 설치한 예를 도시하는 도시도.

제3도는 본 발명의 한 실시예의 종단면도.

제4도는 본 발명의 다른 실시예에 있어서 보정용 렌즈를 도시하는 도면.

제5도는 본 발명의 또 다른 실시예의 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 현미경 1a : 경통

2 : 성형수단 3 : 광결합 수단

4 : 레이저 발진기 5 : 참조광원

9a : 수차 보정 렌즈 9c : 렌즈 홀더

[선행기술의 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것으로서, 특히 현미경으로 가공면을 관찰하면서 레이저광에 의해서 미세가공을 행하는 것같은 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

[종래의 기술]

제1도는 종래의 레이저 가공 장치의 종단면도이며, 제2도는 종래의 레이저 가공 장치에 있어서 피가공물의 표면에 유리가 있을 경우의 가공방법을 설명하기 위한 도면이다.

제1도를 참조하면 레이저 가공 장치는 현미경부(1)와 빔 단면 성형기(2)와 광결합기(3)와 레이저 발진기(4)와 광원(5)과 관찰부(7)를 포함한다. 현미경부(1)는 소위 무한 경통식의 현미경을 구성하고 있으며 경통(1a)의 하단부에는 대물렌즈(1b)가 부착되어 있다. 대물렌즈(1b)의 위쪽에는 이 대물렌즈(1b)의 외측의 촛점으로부터 빛을 평행광으로 하는 렌즈(1c)와 이 평행광을 다시 수속광(收束光)으로 하는 렌즈(1d)가 설치되어 있다. 다시 현미경부(1)에는 렌즈(1d)의 위쪽에 이들 렌즈의 광축과 거의 45°의 각도를 이루게 제1중간거울(1e)이 설치되며, 중간 거울(1e)의 우측에는 관찰부(7)가 설치되어 있다.

경통(1a)의 상단부는 개방되어 있고, 이 개방된 상단부에는 빔 단면 성형기(2)가 결합되어 있다. 빔 단면 성형기(2)는 경통(1a)과 거의 같은 통형상을 이루며 경통(1a)의 상단부에 설치된 본체부(2a)와, 이 본체부(2a)내에 있어서 본체부(2a)의 중심축에 수직으로 배치된 차광판(2b)을 포함한다. 차광판(2b)은 그 중앙부에 개구부(2c)를 갖고 있다. 또, 도시되지 않았지만, 개구부(2c)는 그 개구 형상을 임의로 바꿀수 있게 되어 있다.

빔 단면 성형기(2)의 상단부에는 광결합기(3)가 결합되어 있다. 광결합기(3)는 본체부(3a)와 제2 중간 거울(3b)과 콜리메이터(collimater)부(3c)와 보정판(3d)을 포함한다. 본체부(3a)는 빔 단면 성형기(2)의 본체부(2a)의 거의 같은 통형상을 하고 있다. 제2 중간 거울(3b)는 본체부(3a)내에 설치되며, 이 본체부(3a)의 중심축과 45°의 각도를 이루게 배치되어 있다. 콜리메이터부(3c)는 광원(5)으로부터의 빛을 평행광으로 하는 것으로서 중간 거울(3b)의 좌측에 설치되며, 보정판(3d)은 중간 거울(3b)의 위쪽에 설치되어 있다. 본체(3a)의 상단부에는 레이저 발진기(4)가 결합되어 있어서 이 레이저 발진기(4)이 레이저 장치(4a)로부터 레이저광(r1)이 사출된다.

또한, 광학계(5)로부터 참조광(r2)이 사출되며, 이 참조광(r2)은 광섬유(5a)을 거쳐서 콜리메이터부(3c)로 인도되어 평행광으로 된다. 레이저광(r1)은 보정판(3d) 및 제2 중간 거울(3b)을 통과하고 참조광(r2)은 제2 중간 거울(3b)에서 반사되며, 양자는 공통의 광로(r)상으로 인도된다. 또한, 광원(5)은 할로겐 램프와 이 할로겐 램프에서 생기는 백색광을 식별 가능한 단색광으로 하는 필림을 내장하고 있다.

상기와 같이 구성된 레이저 가공 장치에 의해서 레이저 가공을 행할 때는 현미경부(1)의 대물렌즈(1b)의 근처에 피가공물(6)이 배치되며 관찰부(7)를 거쳐서 피가공물(6)의 가공 부위(6a)가 확대되어 관찰된다. 다음에는 참조광(r2)의 스포트가 가공 부위(6a)에 형성되며, 이 스포트 형상을 현미경에 의해 관찰하면서 빔 단면 성형기(2)의 개구부(2c)의 형상을 여러가지로 바꾸므로서 참조광(r2)의 스포트 형상이 가공용 형상으로 된다. 그후, 레이저 발진기(4)의 레이저 장치(4a)로부터 레이저광(r1)이 사출된다. 이렇게 사출된 레이저광(r1)은 대물렌즈(1b)에 의해서 가공 부위(6a)상에 거의 참조광의 스포트와 같은 형상으로 스포트상으로 수속되며 원하는 가공이 행해진다.

상기한 바와 같이 구성된 종래의 레이저 가공 장치에 있어서 관찰부(7)에서 보이는 것은 가시광선이며 피가공물(6)을 비추거나 스포트 형상을 도시하는 참조광(r2)도 당연히 가시광이다. 한편, 가공에 쓰이는 레이저광(r1)은 YAG 또는 CO₂레이저가 쓰이며 각각 근적외선과 원적외선이다. 가시광선 및 레이저광선이 통과하는 부분의 광학계나 이들 파장 영역에 있어서 색수차가 보정되어 있으면 어떤 문제도 생기지 않는다.

그러나 대물렌즈(1b, 1c)를 가시광 전용으로 하지 않을 수 없는 경우나 예컨대 피가공물이 액정 디스플레이인 경우에는 제2도에 도시하듯이 전극 패턴 위에 유리가 설치되어 있어서 피가공물(6)으로서의 전극패턴에 핀트를 맞춰도 제1도의 점선으로 도시하듯이 가시광용만의 대물렌즈(1b, 1c)를 통과한 빛은 위치(P2)에 결상한다. 이것은 파장이 긴 레이저광(r1)의 굴절율이 작아지기 때문이다. 이때문에 정확한 가공 형상은 피가공물(6)의 표면에 만들 수 없다.

제2도에 도시한 경우에서는, 대물렌즈(1b, 1c)가 가시광 및 적외광의 양용 가능한 렌즈이더라도 피가공물(6)의 표면상의 유리판(8)에 의해서 가시광에서의 핀트를 피가공물(6) 표면상에 맞춰도 적외선(레이저광)의 핀트 위치는 P3이 되며 상기 설명과 마찬가지로 해서 정확한 가공 형상을 피가공물(6)의 표면에 형성할 수 없다.

[발명의 개요]

그러므로 본 발명의 주된 목적은 가시광의 핀트 위치에 적외광의 핀트 위치를 일치하게 대물렌즈의 굴절율의 차이를 보정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 제공하는 것이다.

본 발명을 간단히 말하면 피가공물의 가공 부위를 확대해서 관찰하는 현미경의 대물렌즈의 광로에 각각의 광로를 공동으로 하는 참조광과 가공용 레이저광이 인도되어서 가공부위에 수속된다. 레이저광에 의한 가공을 행하기 전에 참조광의 가공 부위에 있어서의 스포트 형상이 현미경에 의해서 관찰되며, 참조광과 레이저광과의 빛의 횡단면 형상이 개구부의 형상으로 형성하고, 가공 부위의 레이저광에 의한 가공 형상이 가공 예정형상으로 되며, 가공시에 관찰시와 마찬가지 광축 방향의 위치에 가공용 레이저광을 결합시키게 수차가 보정된다.

따라서, 본 발명에 따르면 가시광인 참조광의 핀트 위치와 적외광인 레이저광의 핀트 위치를 일치하게 대물렌즈의 굴절율의 차이를 보정할 수 있다.

보다 바람직한 실시예에서는 수차를 보정하기 위한 수차 보정렌즈가 렌즈 홀더에 의해서 회전 가능 상태로 유지되며, 가공시에는 레이저광이 수차 보정용 렌즈를 통과하여, 관찰시에는 레이저광이 공간을 통과하게 되어 있다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 렌즈홀더를 회전시키므로서 가공시에 있어서의 레이저광이 대물렌즈를 통과할 때의 수차를 보정할 수 있다.

또한, 본 발명의 보다 바람직한 실시예에 의하면 가시광 영역에서의 촛점 거리가 크고 적외광에 대해선 짧아지게 각각의 재질이 상이한 오목 볼록렌즈를 조합한 보정렌즈에 의해서 대물렌즈의 수차가 보정된다.

[양호한 실시예의 설명]

제3도는 본 발명의 한 실시예의 종단면도이며, 제4도는 보정용 렌즈의 한 예를 도시하는 도면이다.

제3도에 도시한 실시예는 이하의 점을 제외하고는 상기 제1도에 도시한 레이저 가공 장치와 같은 방식으로 구성된다. 즉, 빔 단면 성형기(2)와 중간 거울(1e)과의 사이에 수차 보상기(9)가 설치되며, 이 수차 보상기(9)에 의해서 가시광의 핀트 위치와 적외광의 핀트 위치를 일치시킨다. 수차 보상기(9)는 대물렌즈(1b)의 광측에 대해서 평행인 중심축(9d)의 주위에 회전 가능하게 배치된 렌즈 홀더(9c)와, 이 렌즈 홀더(9c)에 수납되어 촛점 거리가 긴 수차 보정용 볼록렌즈(9a)와, 공간부(9b)를 포함한다.

제3도에 있어서, 레이저 장치(4a)로부터의 레이저광은 보정판(3d)으로부터 제2 중간 거울(3b)을 통과하고, 빔 단면 성형기(2)에서 빔의 단면이 형성되며, 수차 보정용 볼록렌즈(9a)에서 굴절율의 차이가 보정되어 제1 중간 거울(1e), 렌즈(1d), 대물렌즈(1b)를 거쳐 피가공물(6)의 표면에 빔이 조사된다.

피가공물(6)의 위를 관찰할 때에는 렌즈 홀더(9c)를 회전시켜 공간부(9b)가 광로에 들어가게 하여 통상적인 동작이 행해진다. 레이저광 발사시에는 보정용 볼록렌즈(9a)가 광로에 들어가게 렌즈 홀더(9c)를 회전시킨다. 이와같이 하면 수차 보정용 볼록렌즈(9a)를 통과한 적외광인 레이저광은 점선으로 나타내듯이 대물렌즈(1b, 1c)에 입사하기까지 조여지며 대물렌즈(1b, 1c)를 통과한 후는 관찰시의 핀트 위치에 일치하므로 정확한 가공 형상을 얻을 수 있다. 물론 수차 보상기(9)를 렌즈(1d)과 제1 중간 거울(1e)과의 사이에 두어도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

수차 보정용 볼록렌즈(9a)는 가시광과 적외광의 대물렌즈(1b, 1c)에서의 굴절율의 차이를 보정하면 되고 이 굴절율의 비는 약 0.5%(YAG 레이저를 사용한 경우)이다.

상기 실시예에서는 관찰시와 레이저광 출사시에 매회 렌즈 홀더(9c)를 회전시킬 필요가 있다. 이 번잡성을 해소한 것이 제4도에 도시한 실시예이다. 제4도에 도시한 수차 보정용 렌즈는 각각의 굴절율이 다르며 또한 같은 촛점 거리를 갖는 볼록렌즈(9a)와 오목렌즈(9f)를 조합한 것이다. 볼록렌즈(9a)의 재질로서 일반적 광학 유리를 쓰며 파장은 546.1nm에서의 굴절율은 1.5187이며, 파장 1064nm에서의 굴절율은 1.50669이다.

한편, 오목렌즈(9f)로서 징크셀렌을 쓰며, 파장 546.1nm에서의 굴절율은 2.705이며 파장 1064nm에서의 굴절율은 2.488이 된다. 이와 같은 2종류의 재질이 상이한 볼록렌즈(9a)와 오목렌즈(9f)를 적당히 조합하면 가시광에서는 촛점거리가 길어지며 적외광에선 짧아지는 합성렌즈가 얻어진다. 이 볼록렌즈(9a)와 오목렌즈(9f)로 되는 합성렌즈를 제3도에 도시한 보정용 렌즈(9a)로서 쓰면, 가시광에서의 촛점 거리가 길기 때문에 보정용 렌즈(9a)에 의한 광로의 변화는 작아지며, 적외광에선 이 변화가 커진다. 즉 제3도에 도시한 실시예에 있어서 관찰시와 레이저광 출사시에 매회 렌즈 홀더(9c)를 회전할 필요가 없어지며, 어느 경우에도 핀트를 양호하게 일치시킬 수 있다.

제5도는 이 발명의 또다른 실시예를 도시하는 도면이다. 이 제5도에 도시한 실시예는 빔 웨스트부를 가공부에 일치시켜서 극히 작은 가공칫수로 가공을 가능케한 것이다. 가공 칫수를 수 ㎛이하로 하려면 레이저광의 빔의 웨스트부를 가공부에 일치시킬 필요가 있다. 그래서, 제5도에 도시한 실시예에서는 렌즈 홀더(9c)에 첫점 거리(L)의 오목렌즈(10)가 부착된다. 이와 같이 광로에 오목렌즈(10)를 설치하므로써 오목렌즈(10)에 입사한 광은 오목렌즈(10)를 통과한 후, 통상의 결상 광학계에서 나타내어지는 광로상을 진행하므로 피가공물(6)의 본체부(2a)의 개구부를 레이저 발진기(4)로부터의 레이저빔(r1)이 모두 통과될 수 있게 전체를 개방시켜 두면 빛을 유효하게 이용할 수 있다.

또한, 레이저 발진기(4)의 파워가 과도하게 큰 경우에는 광결합기(3)의 레이저 발진기(4)와의 사이에 도시하지 않은 감쇄용 필터를 삽입하여 좋다.

상기와 같이 본 발명의 실시예에 의하면 현미경의 대물렌즈(1b)의 빔 단면 성형기(2)와의 사이에 보정용 렌즈를 설치하고 가공시의 레이저광 보정용 렌즈를 통과시키므로서 가시광의 핀트 위치와 적외광의 핀트 위치를 일치시킬 수 있다.

또한, 제5도에 도시한 실시예에서는 레이저광의 빔 웨스트를 가공 부위에 일치시켜서 극히 작은 가공도 가능하게 할 수 있다.

Claims

선단에 대물렌즈(1b)를 포함하여, 피가공물(6)이 가공 부위를 확대해서 관찰하기 위한 현미경(1)과, 상기 대물렌즈를 거쳐서 가공용 레이저광을 상기 피가공물에 조사하기 위한 레이저광원(4)과, 상기 현미경으로 상기 피가공물의 가공 부위를 관찰하기 위한 참조광을 조사하기 위한 참조광원(5)과, 상기 레이저 광원으로부터 조사된 가공용 레이저광과 상기 참조광원으로부터 조사된 참조광을 상기 현미경내의 대물렌즈의 광축으로 인도하기 위한 광결합 수단(3)과, 상기 광결합 수단과 상기 대물렌즈와의 사이에 설치되며 상기 피가공물의 가공 형상에 대응하는 개구를 갖는 성형 수단(2)을 구비하며, 상기 레이저광을 상기 피가공물(6)에 조사해서 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 대물렌즈와 상기 성형 수단과의 사이에 설치되며 가공시에 관찰시와 같은 광축 방향의 위치에 상기 가공용 레이저용 결상시키는 보정 수단(9)을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 보정 수단은 수차를 보정하기 위한 수차 보정렌즈(9a)와 상기 수차 보정렌즈를 회전 가능하게 유지하며 가공시에는 상기 레이저광이 상기 수차 보정렌즈를 통과하고 관찰시에는 상기 참조광이 공간을 통과하는 렌즈 홀더(9c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 보정 수단은 가시광역에서의 촛점 거리가 크고 적외광에 대해선 짧아지게 각각의 재질이 상이한 볼록렌즈(9e)와 오목렌즈(9f)를 조합한 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 보정 수단은 상기 레이저광의 빔 웨스트를 상기 가공 부위에 일치시키기 위한 오목렌즈(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 현미경은 선단부에 상기 대물렌즈가 부착된 경통(1a)과, 상기 경통내에 설치되며 상기 대물렌즈의 광축상에 설치되는 제1 중간거울(1e)과 상기 제1 중간 거울에서 반사된 상기 피가공물의 상물 관찰하기 위한 관찰 수단(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 광결합 수단은 상기 레이저광원과 상기 대물렌즈와의 광축상에 설치된 제2 중간거울(3d)과, 상기 제2 중간 거울의 광축에 대해서 직교하게 설치되며 상기 참조 광원으로부터 조사된 참조광을 평행광으로 하기 위한 콜리메이터 수단(3c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
레이저광을 피가공물에 조사해서 가공을 행하는 레이저 가공 방법에 있어서, 현미경의 대물렌즈의 광로에 각각의 광로가 함께 통과하는 참조광과 가공용 레이저광을 인도해서 상기 피가공물의 가공 부위에 수속시키는 단계와, 상기 가공용 레이저광에 의한 가공을 행하기 전에 상기 참조광의 가공 부위에 있어서의 스토프 형상을 상기 현미경에 의해서 관찰하고 상기 참조광과 상기 가공용 레이저광의 횡단면 형상을 상기 피가공물의 가공 부위에 있어서의 가공 예정 형상으로 형성하는 단계와, 가공시에 상기 가공용 레이저광이 관찰시에 있어서의 상기 참조광의 스포트 위치에 결상되고 상기 가공용 레이저광의 수차를 보정하고 보정한 가공용 레이저광으로 상기 피가공물을 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.