WO2023171837A1 - 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템 - Google Patents

레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템 Download PDF

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WO2023171837A1
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laser beam
laser
unit
processing system
control module
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이천재
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심명성
김선주
김보겸
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주식회사 코윈디에스티
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Definitions

  • the present invention relates to a laser processing system, and more specifically, to a laser processing system with improved homogeneity of the laser beam that can improve processing quality by allowing a laser beam with a Gaussian energy distribution to have a flat top energy distribution. will be.
  • the laser processing system can process the workpiece, which is the object to be processed, with high processing precision using a laser beam.
  • this laser beam has a Gaussian beam profile with a bell-shaped energy distribution, there was a problem in that the processing area could not be processed uniformly.
  • a number of methods were applied to transform the Gaussian distribution into a flat top-shaped homogeneous energy distribution by using the straightness and diffraction of the laser beam.
  • the conventional method was insufficient in terms of uniformity of energy distribution, so there was still a problem that there were physical limitations in performing precise processing of workpieces such as fine line widths and thin films.
  • the conventional method has problems in that it is difficult to actually mass produce and lacks effectiveness even if a special type of optical system is specially designed and used.
  • Embodiments of the present invention were devised to solve the above problems, and are intended to provide a laser processing system with improved laser beam homogeneity.
  • an embodiment of the present invention includes a laser unit that generates a laser beam; A beam expander unit that expands the laser beam generated from the laser unit; A beam distribution control module that controls energy distribution of the laser beam by adjusting the beam spread angle of the laser beam expanded by the beam expander unit; a slit unit that allows only a portion of the laser beam controlled by the beam distribution control module to pass through; and an optical system disposed on the optical path of the laser beam that has passed through the slit unit and condensing the laser beam and irradiating it to the workpiece.
  • the beam distribution control module includes a beam diffusion angle control element that outputs the laser beam while spreading it at a preset angle; and a rotation unit that rotates the beam diffusion angle control element around the optical axis of the laser beam incident on the beam diffusion angle control element as a rotation axis.
  • the rotation unit When the rotation unit operates, it is preferable that the energy distribution of the laser beam passing through the beam diffusion angle control element is formed more homogeneously.
  • a polarization variable element that controls the polarization characteristics of the laser beam is further disposed on the optical path of the laser beam.
  • the polarization variable element is rotated by the rotation unit at the same speed as the beam diffusion angle control element.
  • the beam distribution control module preferably further includes an imaging distance variable element that changes the diffusion angle of the laser beam that has passed through the beam diffusion angle control element.
  • an opening whose shape and size are variably adjusted is formed in the slit unit.
  • the length of the optical path for the laser beam is constant.
  • the laser processing system can provide a laser beam with improved homogeneity.
  • processing quality can be improved by modifying the energy distribution of the laser beam irradiated on the workpiece to a flat top shape.
  • the energy distribution for laser beams with various wavelengths can be effectively controlled through real-time observation of the actual processed area.
  • the polarization characteristics of a laser beam with controlled energy distribution can be minimized.
  • the size of the laser beam irradiated to the workpiece and the position of the laser beam can be quickly and variably adjusted.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser processing system with improved homogeneity of a laser beam according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2(a) is a diagram showing the energy distribution of the laser beam before and after passing through the beam distribution control module when the rotation unit in the beam distribution control module of Figure 1 is not in operation.
  • FIG. 2(b) is a diagram showing the energy distribution of the laser beam before and after passing through the beam distribution control module when the rotation unit operates in the beam distribution control module of FIG. 1.
  • Figure 3(a) is a diagram showing the energy distribution of the laser beam when the laser beam passes through the slit unit and the optical system without passing through the beam distribution control module of Figure 1.
  • FIG. 3(b) is a diagram showing the energy distribution of the laser beam with improved energy homogeneity when the laser beam that has passed through the beam distribution control module according to FIG. 2(b) passes through the slit unit and the optical system.
  • Figure 4 is a schematic diagram of a laser processing system with improved laser beam homogeneity according to another embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms may be used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may be referred to as a first component without departing from the scope of the present disclosure.
  • the laser processing system with improved homogeneity of the laser beam according to an embodiment of the present invention includes a laser unit 100, a beam expander unit 200, a beam distribution control module 300, and a slit unit 400. ), an optical system 500, a scan unit 600, etc.
  • each component of the present invention such as the laser unit 100 to the scan unit 600, is disposed on the optical path of the laser beam L.
  • the workpiece T may be seated on a stage, etc.
  • the laser unit 100 generates a laser beam (L) having preset wavelength, pulse width, and output conditions.
  • the laser unit 100 can generate a single pulse or multiple pulse laser beam (L).
  • the laser beam (L) can be appropriately selected depending on the workpiece (T) that is the object to be processed.
  • the pulse width of the laser beam (L) used in laser processing may be nanosecond, picosecond, femtosecond, or continuous wave laser.
  • an ultrashort laser such as a femtosecond laser beam (L)
  • it can be used when precise processing is required, such as selective processing of a workpiece (T) on which a multilayer thin film is formed.
  • continuous wave lasers they can be used as a means of heating local areas.
  • the laser beam L emitted through the laser unit 100 may be single. Meanwhile, the laser beam L emitted from the laser unit 100 has an energy intensity of Gaussian distribution. That is, the center of the laser beam (L) has stronger energy than the peripheral portion. Since the theory of Gaussian distribution is already well known in the industry, detailed explanation will be omitted. At this time, a groove having a shape that is deepest at the center and becomes shallower toward the periphery is formed in the workpiece T by the laser beam L having a Gaussian distribution.
  • the beam expander unit 200 serves to expand the laser beam (L) generated from the laser unit 100. That is, the beam expander unit 200 can expand the beam diameter of the laser beam (L) according to a preset magnification. As such, the beam expander unit 200 can adjust the size of the laser beam (L) using at least one lens.
  • one embodiment may further include a beam shaper unit 700.
  • the beam shaper unit 700 can preliminarily flatten the Gaussian distribution of the laser beam (L) expanded through the beam expander unit 200.
  • the beam distribution control module 300 has a function of controlling the energy distribution of the laser beam (L) by adjusting the beam spread angle of the laser beam (L) expanded by the beam expander unit (200).
  • the present invention further includes a beam shaper unit 700, the laser beam (L) passing through the beam shaper unit 700 is incident on the beam distribution control module 300.
  • the beam distribution control module 300 may include a beam diffusion angle control element 310, a rotation unit 320, a polarization variable element 330, and an imaging distance variable element 340.
  • the beam distribution control module 300 spreads the laser beam (L) and converts the beam profile with Gaussian distribution to be closer to a flat top shape.
  • the beam diffusion angle control element 310 spreads the laser beam L to a preset angle and outputs it.
  • the laser beam (L) enters the front of one side of the beam distribution control module 300 and then exits to the rear of the other side with its energy distribution controlled to be uniform.
  • the rotation unit 320 may further include a holder portion 322 that sequentially arranges the beam diffusion angle control element 310 and the variable polarization element 330 on the optical path of the laser beam (L).
  • the laser beam (L) may be incident through the hollow formed in the center of the holder portion 322 and sequentially pass through the beam diffusion angle control element 310 and the variable polarization element 330.
  • the beam diameter of the laser beam L is preferably smaller than the size of the hollow portion of the holder portion 322.
  • the beam diffusion angle control element 310 may be a type of lens. At this time, the lens can change the emitted position (point) depending on the incident position (point). To this end, the lens according to one embodiment may be manufactured through a special optical design. In contrast, the beam diffusion angle control element 310 may achieve the same purpose by changing the refractive index of the lens.
  • the laser beam L incident on the lens may have a preset cross-sectional shape and beam diameter. As described above, the laser beam L has a beam profile with different energy levels based on its center.
  • the exit position of the laser beam L incident on the lens may vary depending on which position of the incident surface of the lens it enters.
  • the lens may spread the laser beam L at a preset angle depending on the incident position. For example, when the laser beam (L) at a certain position constituting the center of the laser beam (L) is spread and output at a preset angle through the beam diffusion angle control element 310, the emitted laser beam (L) An edge portion can be configured.
  • the beam diffusion angle control element 310 may vary the diffusion angle depending on the type.
  • the rotation unit 320 rotates the beam diffusion angle control element 310 around the optical axis (S) of the laser beam (L) incident on the beam diffusion angle control element (310). Specifically, the rotation unit 320 may rotate the beam diffusion angle control element 310 at a preset rpm. In one embodiment, the holder portion 322, which is a component of the rotation unit 320, may be rotated based on the optical axis (S) of the laser beam (L). Here, the beam diffusion angle control element 310 may be fixedly installed on the holder part 322 perpendicular to the laser beam L moving through the hollow of the holder part 322.
  • the energy distribution of the laser beam (L) emitted through the beam distribution control module 300 can be formed more homogeneously.
  • the rotation unit 320 can effectively average the energy distribution of the emitted laser beam L through control of the rotation speed.
  • the laser beam (L) passing through the beam diffusion angle control element 310 has an energy distribution closer to a flat top shape. 2(a) and 2(b), when the rotation unit 320 operates, the energy distribution of the laser beam (L) passing through the beam diffusion angle control element 310 is formed more homogeneously. You can check it.
  • the same can be applied to the case of a multi-mode laser in which beams with energy intensity of Gaussian distribution are arranged.
  • a polarization variable element 330 that controls the polarization characteristics of the laser beam (L) may be further disposed on the optical path of the laser beam (L).
  • the polarization variable element 330 may be disposed at any position on the optical path of the laser beam (L).
  • the polarization variable element 330 may be in the form of a thin film glass.
  • variable polarization element 330 can rotate the optical axis (S) of the laser beam (L) as a rotation axis. At this time, the variable polarization element 330 may be stopped and fixed at an angle ⁇ depending on the laser beam L. In contrast, the variable polarization element 330 can continuously rotate the optical axis (S) of the laser beam (L) as a rotation axis. In one embodiment, the variable polarization element 330 may be rotated by the rotation unit 320 at the same speed as the beam diffusion angle control element 310.
  • the beam diffusion angle control element 310 and the variable polarization element 330 may be spaced apart from each other by a certain distance and may be fixedly installed in the holder portion 322 in parallel with each other.
  • the separation distance there is no special limitation on the separation distance.
  • the laser beam (L) enters through the hollow of the holder part 322 rotating at a constant speed and is fixed to the holder part 322 and rotates at the same speed as the holder part 322. It can be emitted after sequentially passing through 310 and the variable polarization element 330.
  • the beam distribution control module 300 may further include an imaging distance variable element 340 that changes the diffusion angle of the laser beam (L) that has passed through the beam diffusion angle control element 310.
  • the variable imaging distance element 340 may be, for example, a focusing lens. This variable imaging distance element 340 is disposed on the optical path of the laser beam (L). The variable imaging distance element 340 can change the optical distance (focal distance) or physical distance of the laser beam (L) passing through it.
  • the laser beam L emitted through the beam diffusion angle control element 310 corresponds to divergent light.
  • the imaging distance variable element 340 changes the diffusion angle of the laser beam (L) passing through it, and may serve to converge the laser beam (L) so that the divergent light becomes parallel light. .
  • the slit unit 400 passes only a portion of the laser beam L controlled by the beam distribution control module 300.
  • an opening whose shape and size can be variably adjusted may be formed in the slit unit 400.
  • the opening may have various shapes such as triangle, square, or circle.
  • the shape of the laser beam L passing through the slit unit 400 can be changed in various ways.
  • the slit unit 400 may be implemented through alternative means such as a mask.
  • the slit unit 400 having a square opening may be formed, for example, by combining opposing plates to form each side of a square.
  • the plate may be formed to have a certain width.
  • the separation distance between opposing plates is adjustable, so that the size of the opening can be variably adjusted in the horizontal (X-axis) direction and the vertical (Y-axis) direction. That is, the aperture may be operated in an aperture manner.
  • the positional movement of the plate is carried out using movement means and control methods that are obvious to those skilled in the art.
  • the laser beam (L) has unique characteristics such as straightness and diffraction.
  • the peripheral edge of the laser beam L is partially blocked by the opening, and the laser beam L has a shape almost identical to that of the opening.
  • the laser beam (L) before passing through the slit unit 400 is generally circular and has a large beam diameter.
  • the laser beam L passing through the slit unit 400 has a shape and size almost identical to the shape of the opening. .
  • the beam profiles of the laser beam L partially overlap, and the energy distribution in the center becomes more flat. In other words, the overall energy distribution becomes more homogeneous.
  • the optical system 500 is disposed on the optical path of the laser beam (L) that has passed through the slit unit 400, and serves to focus the laser beam (L) and irradiate it to the workpiece (T).
  • This optical system 500 may include a first converging lens unit 510, a second condensing lens unit 520, and the like.
  • the first converging lens unit 510 may be a tube lens
  • the second condensing lens unit 520 may be an objective lens.
  • the tube lens focuses the laser beam (L) that has passed through the slit unit (400).
  • the magnification of the tube lens can be appropriately changed depending on the focal length of the objective lens.
  • the objective lens re-focuses the laser beam (L) that has passed through the tube lens and irradiates it to the workpiece (T). That is, the objective lens can adjust the focus of the laser beam (L) irradiated on the workpiece (T) and focus it on the workpiece (T).
  • the objective lens performs laser processing by focusing the laser beam (L) emitted from the tube lens onto the processing area of the workpiece (T).
  • the objective lens is an optical element through which the laser beam (L) finally passes just before being irradiated to the workpiece (T).
  • the optical system 500 may further include an image acquisition unit (not shown).
  • the image acquisition unit allows you to check not only the alignment of the workpiece (T), but also the machining position and images of the actual machining area in real time.
  • the image acquisition unit acquires a captured image by guiding the illumination light reflected from the workpiece T to the CCD camera through the image imaging lens when the illumination light is guided to the workpiece T through the lighting unit. You can.
  • FIG. 3(a) shows the energy distribution of the laser beam (L) when the laser beam (L) passes through the slit unit 400 and the optical system 500 without passing through the beam distribution control module 300 of Figure 1. It is a drawing, and FIG. 3(b) shows the energy homogeneity when the laser beam (L) passing through the beam distribution control module 300 according to FIG. 2(b) passes through the slit unit 400 and the optical system 500. This is a diagram showing the energy distribution of the improved laser beam (L).
  • the laser beam L generated from the laser unit 100 does not pass through the beam distribution control module 300 according to one embodiment, but only passes through the slit unit 400 and the optical system 500. When it passes sequentially and is finally emitted, it can be confirmed that the homogeneity of the energy distribution is relatively low.
  • color (brightness) in the energy distribution can correspond to temperature. In other words, color (contrast) means energy level. Therefore, the same color (brightness) has the same energy level.
  • the laser beam (L) generated from the laser unit 100 sequentially moves the beam distribution control module 300, the slit unit 400, and the optical system 500 according to an embodiment.
  • the homogeneity of the energy distribution of the laser beam (L) is quite high.
  • the laser beam L emitted through the beam distribution control module 300 does not have a completely flat top shape. However, as this laser beam (L) passes through the slit unit 400, some of the edges are cut by the opening, and then when it passes through the optical system 500, the energy distribution of the laser beam (L) is irradiated. It can be a fairly homogeneous flat top shape over the entire area of the machined area. In one embodiment, the heterogeneity of the energy distribution for the laser beam (L) finally emitted through the present invention is within 10%.
  • the laser beam L formed according to an embodiment of the present invention (see FIG. 3(b)) and irradiated to the workpiece T has a distribution in which the energy intensity of the central portion and the energy intensity of the peripheral portion are almost the same. You can have it. This maximizes the processing quality resulting from laser processing and can significantly improve processing uniformity.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a laser processing system with improved laser beam homogeneity according to another embodiment of the present invention.
  • another embodiment of the present invention is disposed between the beam distribution control module 300 and the slit unit 400, and determines the absolute position (X-Y) of the laser beam (L) irradiated to the workpiece (T). It may further include a scan unit 600 that changes the coordinates.
  • the scan unit 600 may be, for example, a galvanometer scanner, a piezo scanner, etc.
  • the galvanometer scanner may further include at least one drive motor and at least one scanner mirror that is coupled to the rotation axis of the drive motor to change the angle of the laser beam (L).
  • the drive motor can be finely adjusted, allowing the irradiation position of the laser beam (L) to be moved precisely.
  • the scanner mirror reflects the laser beam (L) and changes the optical path of the laser beam (L).
  • one embodiment of the present invention is characterized in that the length of the optical path for the laser beam L is constant between the beam distribution control module 300 and the optical system 500.
  • the distance between the beam distribution control module 300 and the optical system 500 may be expressed as D.
  • a scan unit 600 is further disposed between the beam distribution control module 300 and the optical system 500.
  • an embodiment of the present invention may further include at least one laser mirror that reflects the laser beam (L) on the optical path of the laser beam (L).
  • the laser mirror controls the direction of the laser beam (L) by changing the angle of the laser beam (L).
  • the number, location, and type of laser mirrors are not specifically limited.

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Abstract

레이저빔을 발생시키는 레이저부; 상기 레이저부에서 발생된 상기 레이저빔을 확대시키는 빔익스팬더부; 상기 빔익스팬더부에서 확대된 상기 레이저빔의 빔 확산 각도를 조절하여, 상기 레이저빔의 에너지 분포를 제어하는 빔분포제어모듈; 상기 빔분포제어모듈에서 제어된 상기 레이저빔을 일부만 통과시키는 슬릿유닛; 및 상기 슬릿유닛을 통과한 상기 레이저빔의 광 경로 상에 배치되며, 상기 레이저빔을 집광하여 피가공체로 조사시키는 광학계;를 포함하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템을 제공한다.

Description

레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템
본 발명은 레이저 가공 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가우시안 에너지 분포를 갖는 레이저 빔을 플랫탑 형태의 에너지 분포를 갖도록 하여 가공 품질을 향상시킬 수 있는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템에 관한 것이다.
레이저 가공 시스템은 가공 대상물인 피가공체를 레이저 빔을 이용하여 높은 가공 정밀도로 가공할 수 있다. 그러나, 이런 레이저 빔은 에너지 분포가 종 모양인 가우시안 빔 프로파일을 갖고 있는 바, 가공 부위를 균일하게 가공할 수 없다는 문제점이 있었다. 이에 대해, 종래 레이저 가공 시스템에는 레이저 빔의 직진성과 회절성을 이용하여 가우시안 분포를 플랫탑 형태의 균질한 에너지 분포가 되도록 다수의 방법이 적용되어 있었다.
그러나, 종래 방식은 에너지 분포의 균질도 측면에서 미흡하여 미세 선폭, 박막 등 피가공체에 대한 정밀한 가공을 수행함에 있어 물리적 한계가 있다는 문제점이 여전히 존재하였다. 또한, 종래 방식은 특수한 형태의 광학계을 특수하게 설계하여 사용해도, 실제 양산에 있어 어려움이 많고 실효성이 부족하다는 문제점이 있었다.
또한, 선행 기술을 살펴보면, 레이저 빔의 특정 파장에 따라 이에 대응하는 개별적 설계가 요구되며, 슬릿을 사용하는 레이저 가공 시스템의 경우 실제 가공 부위에 조사되는 레이저 빔에 대한 가공 효과가 낮다는 문제점 등이 있었다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템을 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 피가공체에 조사되는 레이저 빔의 에너지 분포를 플랫탑 형태로 변형하여 가공 품질을 향상하고자 한다.
또한, 실제 가공되는 부위에 대한 실시간 관찰을 통해 다양한 파장을 갖는 레이저 빔에 대한 에너지 분포를 효과적으로 제어하고자 한다.
또한, 에너지 분포가 제어된 레이저 빔의 편광 특성을 최소화하고자 한다.
또한, 피가공체로 조사되는 레이저 빔의 크기, 레이저 빔의 위치 등을 신속하게 가변적으로 조절하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 레이저빔을 발생시키는 레이저부; 상기 레이저부에서 발생된 상기 레이저빔을 확대시키는 빔익스팬더부; 상기 빔익스팬더부에서 확대된 상기 레이저빔의 빔 확산 각도를 조절하여, 상기 레이저빔의 에너지 분포를 제어하는 빔분포제어모듈; 상기 빔분포제어모듈에서 제어된 상기 레이저빔을 일부만 통과시키는 슬릿유닛; 및 상기 슬릿유닛을 통과한 상기 레이저빔의 광 경로 상에 배치되며, 상기 레이저빔을 집광하여 피가공체로 조사시키는 광학계;를 포함하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템을 제공한다.
상기 빔분포제어모듈은, 상기 레이저빔을 미리 설정된 각도로 확산시키면서 출력되도록 하는 빔확산각도제어소자; 및 상기 빔확산각도제어소자로 입사되는 상기 레이저빔에 대한 광축을 회전축으로 상기 빔확산각도제어소자를 회동시키는 회동유닛;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 회동유닛이 동작하면, 상기 빔확산각도제어소자를 통과하는 상기 레이저빔의 에너지 분포가 보다 균질하게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 레이저빔의 광 경로 상에는 상기 레이저빔의 편광 특성을 제어하는 편광가변소자가 더 배치되는 것이 바람직하다.
상기 편광가변소자는 상기 회동유닛에 의해 상기 빔확산각도제어소자와 동일한 속도로 회동되는 것이 바람직하다.
상기 빔분포제어모듈은 상기 빔확산각도제어소자를 통과한 상기 레이저빔의 확산 각도를 변경하는 결상거리가변소자;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 슬릿유닛에는 형상(shape) 및 크기(size)가 가변적으로 조절되는 개구가 형성되는 것이 바람직하다.
상기 빔분포제어모듈과 상기 슬릿유닛 사이에 배치되어, 피가공체로 조사되는 상기 레이저빔의 절대 위치를 변경시키는 스캔유닛;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 빔분포제어모듈과 상기 광학계 사이에서, 상기 레이저빔에 대한 광 경로의 길이가 일정한 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은 균질도가 보다 향상된 레이저 빔을 제공할 수 있다.
또한, 피가공체에 조사되는 레이저 빔의 에너지 분포를 플랫탑 형태로 변형하여 가공 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 실제 가공되는 부위에 대한 실시간 관찰을 통해 다양한 파장을 갖는 레이저 빔에 대한 에너지 분포를 효과적으로 제어할 수 있다.
또한, 에너지 분포가 제어된 레이저 빔의 편광 특성을 최소화할 수 있다.
또한, 피가공체로 조사되는 레이저 빔의 크기, 레이저 빔의 위치 등을 신속하게 가변적으로 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템에 대한 개략도.
도 2(a)는 도 1의 빔분포제어모듈에서 회동유닛이 미동작한 경우, 빔분포제어모듈을 통과하기 전과 후의 레이저빔에 대한 에너지 분포를 보여주는 도면.
도 2(b)는 도 1의 빔분포제어모듈에서 회동유닛이 동작한 경우, 빔분포제어모듈을 통과하기 전과 후의 레이저빔에 대한 에너지 분포를 보여주는 도면.
도 3(a)는 레이저빔이 도 1의 빔분포제어모듈을 거치지 않고 슬릿유닛과 광학계를 통과한 경우, 레이저빔의 에너지 분포를 보여주는 도면.
도 3(b)은 도 2(b)에 따라 빔분포제어모듈을 통과한 레이저빔이 슬릿유닛과 광학계를 통과한 경우, 에너지 균질도가 향상된 레이저빔의 에너지 분포를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템에 대한 개략도.
본 개시의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 개시의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템에 대한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템은 레이저부(100), 빔익스팬더부(200), 빔분포제어모듈(300), 슬릿유닛(400), 광학계(500), 스캔유닛(600) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명을 구성하는 레이저부(100) 내지 스캔유닛(600) 등의 각 구성 요소는 레이저빔(L)의 광 경로 상에 배치된다. 한편, 스테이지 등에는 피가공체(T)가 안착될 수 있다.
레이저부(100)는 미리 설정되는 파장, 펄스 폭, 출력 조건을 갖는 레이저빔(L)을 발생시킨다. 레이저부(100)는 단일 펄스 또는 다중 펄스의 레이저빔(L)을 생성할 수 있다. 이런, 레이저빔(L)은 가공 대상물인 피가공체(T)에 따라 적절하게 선정될 수 있다. 한편, 레이저 가공에 사용되는 레이저빔(L)의 펄스 폭은 나노초, 피코초, 펨토초 또는 연속파 레이저일 수 있다. 펨토초 레이저빔(L)과 같은 극초단 레이저의 경우, 다층 박막이 형성된 피가공체(T)에 대한 선택적 가공 등 정밀한 가공이 필요한 경우 사용될 수 있다. 연속파 레이저의 경우, 국소 부위에 대한 가열 수단으로 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 레이저부(100)를 통해 발진되는 레이저빔(L)은 단일 개일 수 있다. 한편, 레이저부(100)에서 발진되는 레이저빔(L)은 가우시안 분포의 에너지 강도를 갖게 된다. 즉, 레이저빔(L)의 중심부는 그 주변부보다 강한 에너지를 갖는다. 당 업계에서 가우시안 분포에 대한 이론은 이미 잘 알려진 바, 구체적 설명을 생략한다. 이 때, 피가공체(T)에는 가우시안 분포를 갖는 레이저빔(L)에 의해 중심부가 가장 깊고 그 주변으로 갈수록 깊이가 얕아지는 형상의 홈이 형성된다.
빔익스팬더부(200)는 레이저부(100)에서 발생된 레이저빔(L)을 확대시키는 역할을 한다. 즉, 빔익스팬더부(200)는 레이저빔(L)의 빔 직경을 미리 설정되는 배율에 따라 확장시킬 수 있다. 이런, 빔익스팬더부(200)는 적어도 하나 이상의 렌즈를 이용하여 레이저빔(L)의 크기를 조절할 수 있다.
한편, 일 실시예는 빔쉐이퍼부(700)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 빔쉐이퍼부(700)는 빔익스팬더부(200)를 통해 확대된 레이저빔(L)의 가우시안 분포를 예비적으로 평탄하게 형성시킬 수 있다.
빔분포제어모듈(300)은 빔익스팬더부(200)에서 확대된 레이저빔(L)의 빔 확산 각도를 조절하여 레이저빔(L)의 에너지 분포를 제어하는 기능을 갖는다. 일 실시예에서, 본 발명이 빔쉐이퍼부(700)를 더 포함하는 경우, 빔분포제어모듈(300)에는 빔쉐이퍼부(700)를 통과한 레이저빔(L)이 입사된다.
구체적으로, 빔분포제어모듈(300)은 빔확산각도제어소자(310), 회동유닛(320), 편광가변소자(330) 및 결상거리가변소자(340) 등을 포함할 수 있다. 빔분포제어모듈(300)은 레이저빔(L)을 확산시켜, 가우시안 분포를 갖는 빔 프로파일을 보다 플랫탑 형태에 가깝도록 전환시킨다. 이런, 빔확산각도제어소자(310)는 레이저빔(L)을 미리 설정된 각도로 확산시키면서 출력되도록 한다.
구체적으로, 레이저빔(L)은 빔분포제어모듈(300)의 일측 전면으로 입사한 후, 에너지 분포가 균질하게 제어되어 타측 후면으로 출사하게 된다. 한편, 회동유닛(320)은 빔확산각도제어소자(310), 편광가변소자(330)가 레이저빔(L)의 광 경로 상에 순차적으로 배치되도록 하는 홀더부(322)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 레이저빔(L)은 홀더부(322) 중앙에 형성되는 중공을 통해 입사되어 빔확산각도제어소자(310), 편광가변소자(330)를 순차적으로 통과할 수 있다. 여기서, 레이저빔(L)의 빔 직경은 홀더부(322)의 중공의 크기보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 일 실시예에서 빔확산각도제어소자(310)는 일종의 렌즈일 수 있다. 이 때, 렌즈는 입사되는 위치(지점)에 따라 출사되는 위치(지점)를 변경시킬 수 있다. 이를 위해, 일 실시예에 따른 렌즈는 특별한 광학적 설계를 통해 제작될 수 있다. 이와 달리, 빔확산각도제어소자(310)는 렌즈의 굴절률 변화를 통해 동일한 목적을 달성할 수도 있다.
렌즈로 입사되는 레이저빔(L)은 미리 설정되는 횡단면 형상 및 빔 직경을 갖을 수 있다. 전술한 것처럼, 레이저빔(L)은 그 중심부를 기준으로 에너지 레벨이 다른 빔 프로파일을 갖는다.
이 때, 렌즈로 입사되는 레이저빔(L)은 렌즈의 입사면 중 어느 위치를 통해 입사하는지 여부에 따라 출사되는 위치가 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈는 입사되는 위치에 따라 미리 설정된 각도로 레이저빔(L)을 확산시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저빔(L)의 중심부를 구성하는 어느 일 위치의 레이저빔(L)이 빔확산각도제어소자(310)를 통해 미리 설정된 각도로 확산되어 출력되면 출사되는 레이저빔(L)의 엣지(edge)부를 구성할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 빔확산각도제어소자(310)는 종류에 따라 확산되는 각도 등을 달리할 수 있다.
회동유닛(320)은 빔확산각도제어소자(310)로 입사되는 레이저빔(L)에 대한 광축(S)을 회전축으로 빔확산각도제어소자(310)를 회동시킨다. 구체적으로, 회동유닛(320)은 빔확산각도제어소자(310)를 미리 설정되는 rpm으로 회동시킬 수 있다. 일 실시예에서, 회동유닛(320)의 일부 구성 요소인 홀더부(322)는 레이저빔(L)의 광축(S)을 기준으로 회동될 수 있다. 여기서, 빔확산각도제어소자(310)는 홀더부(322)의 중공을 통해 이동하는 레이저빔(L)과 수직하게 홀더부(322)에 고정 설치될 수 있다.
이 때, 빔분포제어모듈(300)을 통해 출사되는 레이저빔(L)의 에너지 분포는 보다 균질하게 형성될 수 있다. 여기서, 회동유닛(320)은 회동 속도에 대한 제어를 통해 출사되는 레이저빔(L)의 에너지 분포를 효과적으로 평균화시킬 수 있다. 이 때, 빔확산각도제어소자(310)를 통과하는 레이저빔(L)은 플랫탑 형태에 보다 근접하는 에너지 분포를 갖게 된다. 도 2(a) 및 도 2(b)를 살펴볼 때, 회동유닛(320)이 동작하면, 빔확산각도제어소자(310)를 통과하는 레이저빔(L)의 에너지 분포가 보다 균질하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 가우시안 분포의 에너지 강도를 갖는 빔이 배열되어 있는 멀티모드 레이저의 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 레이저빔(L)의 광 경로 상에는 레이저빔(L)의 편광 특성을 제어하는 편광가변소자(330)가 더 배치될 수 있다. 편광가변소자(330)는 레이저빔(L)의 광 경로 상에서, 어느 일 위치에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 편광가변소자(330)는 박막 글래스(glass) 형태일 수 있다.
여기서, 편광가변소자(330)는 레이저빔(L)에 대한 광축(S)을 회전축으로 회동할 수 있다. 이 때, 편광가변소자(330)는 레이저빔(L)에 따라 어느 일 각도(θ)에서 정지하여 고정될 수 있다. 이와 달리, 편광가변소자(330)는 레이저빔(L)에 대한 광축(S)을 회전축으로 연속적으로 회동할 수 있다. 일 실시예에서, 편광가변소자(330)는 회동유닛(320)에 의해 빔확산각도제어소자(310)와 동일한 속도로 회동될 수 있다.
또한, 빔확산각도제어소자(310)와 편광가변소자(330)는 서로 일정 거리 이격될 수 있으며, 서로 평행하게 홀더부(322)에 고정 설치될 수 있다. 여기서, 이격 거리에 대한 특별한 제한은 없다.
이 때, 레이저빔(L)은 일정 속도로 회동하는 홀더부(322)의 중공을 통해 입사하여 홀더부(322)에 고정 설치되어 홀더부(322)와 동일 속도로 회동하는 빔확산각도제어소자(310)와 편광가변소자(330)를 순차적으로 통과한 후 출사할 수 있다.
또한, 빔분포제어모듈(300)은 빔확산각도제어소자(310)를 통과한 레이저빔(L)의 확산 각도를 변경하는 결상거리가변소자(340)를 더 포함할 수 있다. 결상거리가변소자(340)는 예를 들어, 초점렌즈일 수 있다. 이런, 결상거리가변소자(340)는 레이저빔(L)의 광 경로 상에 배치된다. 결상거리가변소자(340)는 이를 통과하는 레이저빔(L)의 광학 거리(초점거리) 또는 물리적 거리를 가변시킬 수 있다.
일 실시예에서, 빔확산각도제어소자(310)를 통해 출사되는 레이저빔(L)은 발산광에 해당된다. 이 때, 일 실시예에서 결상거리가변소자(340)는 이를 통과한 레이저빔(L)의 확산 각도를 변경하여, 발산광이 평행광이 되도록 레이저빔(L)을 집광하는 역할을 할 수 있다.
슬릿유닛(400)은 빔분포제어모듈(300)에서 제어된 레이저빔(L)을 일부만 통과시킨다. 이를 위해, 슬릿유닛(400)에는 형상(shape) 및 크기(size)가 가변적으로 조절되는 개구가 형성될 수 있다. 여기서, 개구는 삼각형, 사각형, 원형 등 다양한 형상일 수 있다. 그 결과, 슬릿유닛(400)을 통과하는 레이저빔(L)의 형상은 다양하게 변경될 수 있다. 한편, 슬릿유닛(400)은 마스크 등 대체 가능한 수단을 통해 구현될 수도 있다.
사각형 개구를 갖는 슬릿유닛(400)은 예를 들어, 사각형의 각 변을 이루도록 대향 배치되는 플레이트가 서로 결합되면서 형성될 수 있다. 이 때, 플레이트는 일정 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 한편, 대향하는 플레이트 사이의 이격 거리는 조절 가능하게 형성되어, 개구의 크기는 가로(X축) 방향과 세로(Y축) 방향에서 가변적으로 조절될 수 있다. 즉, 개구는 조리개 방식으로 동작될 수 있다. 한편, 플레이트에 대한 위치 이동은 통상의 기술자에게 자명한 이동 수단과 제어 방법 등에 의한다.
레이저빔(L)은 직진성과 회절성 등의 고유한 특성을 갖는다. 슬릿유닛(400)을 통과하면, 레이저빔(L)은 개구에 의해 레이저빔(L)의 주변 테두리 등이 일부 차단되면서 개구의 형상과 거의 동일한 형상을 갖게 된다. 슬릿유닛(400)을 통과하기 이전 레이저빔(L)은 일반적으로 원형이며, 큰 빔 직경을 갖는다. 이 때, 슬릿유닛(400)의 개구가 정사각형이고, 한 변의 길이가 빔 직경보다 작은 경우, 슬릿유닛(400)을 통과한 레이저빔(L)은 개구의 형상과 거의 동일한 형상과 크기를 갖게 된다.
동시에, 레이저빔(L)은 회절성에 의해 개구를 통과할 때, 레이저빔(L)의 빔 프로파일이 일부 겹치면서, 그 중심부의 에너지 분포가 보다 평탄하게 된다. 즉, 전체적인 에너지 분포가 보다 균질해진다.
광학계(500)는 슬릿유닛(400)을 통과한 레이저빔(L)의 광 경로 상에 배치되며, 레이저빔(L)을 집광하여 피가공체(T)로 조사시키는 역할을 한다. 이런 광학계(500)는 제1집광렌즈부(510), 제2집광렌즈부(520) 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1집광렌즈부(510)는 튜브렌즈이고, 제2집광렌즈부(520)는 대물렌즈일 수 있다.
튜브렌즈는 슬릿유닛(400)을 통과한 레이저빔(L)을 집광한다. 튜브렌즈가 대물렌즈와 함께 사용되면, 튜브렌즈는 대물렌즈의 초점거리에 따라 그 배율이 적절하게 변경될 수 있다. 또한, 대물렌즈는 튜브렌즈를 통과한 레이저빔(L)을 다시 집광하여 피가공체(T)에 조사시킨다. 즉, 대물렌즈는 피가공체(T) 상에 조사되는 레이저빔(L)의 초점을 조절하여 피가공체(T) 상에 포커싱할 수 있다.
대물렌즈는 튜브렌즈에서 출사된 레이저빔(L)을 피가공체(T)의 가공 부위로 집광하여 레이저 가공을 수행한다. 즉, 대물렌즈는 피가공체(T)로 조사되기 직전 레이저빔(L)이 최종적으로 통과하는 광학 요소이다.
한편, 일 실시예에 따른 광학계(500)는 영상획득유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다. 영상획득유닛은 피가공체(T)에 대한 얼라인(align) 뿐만 아니라, 가공 위치, 실제 가공되는 가공 부위에 대한 영상 등을 직접 실시간으로 확인할 수 있도록 한다. 일 실시예에서, 영상획득유닛은 조명부를 통해 조명광이 피가공체(T)에 유도되면 피가공체(T)에서 반사된 조명광이 이미지결상렌즈를 통해 CCD카메라로 유도되도록 하여 촬영 영상을 획득할 수 있다.
도 3(a)는 레이저빔(L)이 도 1의 빔분포제어모듈(300)을 거치지 않고 슬릿유닛(400)과 광학계(500)를 통과한 경우, 레이저빔(L)의 에너지 분포를 보여주는 도면이고, 도 3(b)은 도 2(b)에 따라 빔분포제어모듈(300)을 통과한 레이저빔(L)이 슬릿유닛(400)과 광학계(500)를 통과한 경우, 에너지 균질도가 향상된 레이저빔(L)의 에너지 분포를 보여주는 도면이다.
도 3(a)을 살펴보면, 레이저부(100)에서 발생되는 레이저빔(L)이 일 실시예에 따른 빔분포제어모듈(300)을 거치지 않고, 단지 슬릿유닛(400)과 광학계(500)를 순차적으로 통과하여 최종적으로 출사되는 경우, 에너지 분포에 대한 균질도가 상대적으로 낮다는 것을 확인할 수 있다. 이미지를 살펴보면, 에너지 분포에서 색상(명암)은 온도에 대응될 수 있다. 즉, 색상(명암)은 에너지 레벨을 의미한다. 따라서, 동일 색상(명암)은 동일한 에너지 레벨을 갖게 된다.
이와 달리, 도 3(b)를 살펴보면, 레이저부(100)에서 발생되는 레이저빔(L)이 일 실시예에 따른 빔분포제어모듈(300), 슬릿유닛(400) 및 광학계(500)를 순차적으로 통과하여 최종적으로 출사되는 경우, 레이저빔(L)의 에너지 분포에 대한 균질도가 상당히 높다는 것을 확인할 수 있다.
일 실시예에서, 빔분포제어모듈(300)을 통해 출사되는 레이저빔(L)은 완전한 플랫탑 형태는 아니다. 그러나, 이런 레이저빔(L)이 슬릿유닛(400)을 통과하면서 개구에 의해 엣지(edge)부가 일부 잘려지고, 그 다음 광학계(500)를 통과하면, 레이저빔(L)의 에너지 분포가 조사되는 가공 부위의 면적 전체에 걸쳐 상당히 균질한 플랫탑 형태가 될 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명을 통해 최종적으로 출사되는 레이저빔(L)에 대한 에너지 분포의 불균질도는 10% 이내이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예(도 3(b) 참조)에 따라 형성되어 피가공체(T)에 조사되는 레이저빔(L)은 중앙부의 에너지 강도와 그 주변부의 에너지 강도가 거의 동일한 분포를 갖을 수 있다. 이는 레이저 가공에 따른 가공 품질을 극대화하며, 가공 균일도를 상당히 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템에 대한 개략도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예는 빔분포제어모듈(300)과 슬릿유닛(400) 사이에 배치되어, 피가공체(T)로 조사되는 레이저빔(L)의 절대 위치(X-Y 좌표)를 변경시키는 스캔유닛(600)을 더 포함할 수 있다.
이 때, 스캔유닛(600)은 예를 들어, 갈바노미터 스캐너, 피에조 스캐너 등일 수 있다. 갈바노미터 스캐너는 적어도 하나 이상의 구동모터, 구동모터의 회전축에 결합되어 레이저빔(L)의 각도를 변경시키는 적어도 하나 이상의 스캐너미러 등을 더 포함할 수 있다. 이 때, 구동모터는 미세 조절이 가능하여 레이저빔(L)의 조사 위치를 정밀하게 이동시킬 수 있다. 한편, 스캐너미러는 레이저빔(L)을 반사시켜 레이저빔(L)의 광 경로를 변경시킨다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 빔분포제어모듈(300)과 광학계(500) 사이에서, 레이저빔(L)에 대한 광 경로의 길이가 일정한 것을 특징으로 한다. 한편, 도 1을 참고하면, 빔분포제어모듈(300)과 광학계(500) 사이의 거리는 D로 표시될 수 있다. 반면, 도 4를 참고하면, 빔분포제어모듈(300)과 광학계(500) 사이에 스캔유닛(600)이 더 배치되는 바, 이 때 광 경로의 길이는 d1+d2+d3로 표시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, D=d1+d2+d3 이다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 레이저빔(L)의 광 경로 상에 레이저빔(L)을 반사시키는 적어도 하나 이상의 레이저미러를 더 포함할 수 있다. 레이저미러는 레이저빔(L)의 각도를 변경하여 레이저빔(L)의 진행 방향을 조절한다. 이 때, 레이저미러의 개수, 그 위치 및 종류 등은 구체적으로 한정되지 않는다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

Claims (9)

  1. 레이저빔을 발생시키는 레이저부;
    상기 레이저부에서 발생된 상기 레이저빔을 확대시키는 빔익스팬더부;
    상기 빔익스팬더부에서 확대된 상기 레이저빔의 빔 확산 각도를 조절하여, 상기 레이저빔의 에너지 분포를 제어하는 빔분포제어모듈;
    상기 빔분포제어모듈에서 제어된 상기 레이저빔을 일부만 통과시키는 슬릿유닛; 및
    상기 슬릿유닛을 통과한 상기 레이저빔의 광 경로 상에 배치되며, 상기 레이저빔을 집광하여 피가공체로 조사시키는 광학계;를 포함하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빔분포제어모듈은,
    상기 레이저빔을 미리 설정된 각도로 확산시키면서 출력되도록 하는 빔확산각도제어소자; 및
    상기 빔확산각도제어소자로 입사되는 상기 레이저빔에 대한 광축을 회전축으로 상기 빔확산각도제어소자를 회동시키는 회동유닛;을 포함하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회동유닛이 동작하면, 상기 빔확산각도제어소자를 통과하는 상기 레이저빔의 에너지 분포가 보다 균질하게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레이저빔의 광 경로 상에는 상기 레이저빔의 편광 특성을 제어하는 편광가변소자가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 편광가변소자는 상기 회동유닛에 의해 상기 빔확산각도제어소자와 동일한 속도로 회동되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 빔분포제어모듈은 상기 빔확산각도제어소자를 통과한 상기 레이저빔의 확산 각도를 변경하는 결상거리가변소자;를 더 포함하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿유닛에는 형상(shape) 및 크기(size)가 가변적으로 조절되는 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 빔분포제어모듈과 상기 슬릿유닛 사이에 배치되어, 피가공체로 조사되는 상기 레이저빔의 절대 위치를 변경시키는 스캔유닛;을 더 포함하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 빔분포제어모듈과 상기 광학계 사이에서, 상기 레이저빔에 대한 광 경로의 길이가 일정한 것을 특징으로 하는 레이저 빔의 균질도가 향상된 레이저 가공 시스템.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11352419A (ja) * 1998-06-04 1999-12-24 Sumitomo Heavy Ind Ltd ビーム回転機能付ホモジナイザ装置及びこれを用いたレーザ加工装置
KR100937767B1 (ko) * 2007-07-30 2010-01-20 주식회사 코윈디에스티 레이저를 이용한 금속패턴 가공 장치 및 그 방법
US8012841B2 (en) * 2006-01-13 2011-09-06 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser annealing method and laser annealing device
KR20160127462A (ko) * 2015-04-27 2016-11-04 삼성전기주식회사 레이저 가공장치 및 그 가공방법
KR20210125361A (ko) * 2020-04-08 2021-10-18 주식회사 아이에이 쿼츠 웨어용 레이저 가공 장치 및 쿼츠 웨어용 레이저 가공 방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4527488B2 (ja) * 2004-10-07 2010-08-18 株式会社ディスコ レーザ加工装置
WO2006129473A1 (ja) * 2005-06-01 2006-12-07 Phoeton Corp. レーザー加工装置及びレーザー加工方法
KR101796198B1 (ko) * 2015-08-31 2017-11-09 주식회사 이오테크닉스 레이저 가공장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법
JP6067083B2 (ja) * 2015-10-06 2017-01-25 株式会社日立ハイテクノロジーズ 欠陥検査方法及びその装置
JP7120903B2 (ja) * 2018-10-30 2022-08-17 浜松ホトニクス株式会社 レーザ加工装置及びレーザ加工方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11352419A (ja) * 1998-06-04 1999-12-24 Sumitomo Heavy Ind Ltd ビーム回転機能付ホモジナイザ装置及びこれを用いたレーザ加工装置
US8012841B2 (en) * 2006-01-13 2011-09-06 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser annealing method and laser annealing device
KR100937767B1 (ko) * 2007-07-30 2010-01-20 주식회사 코윈디에스티 레이저를 이용한 금속패턴 가공 장치 및 그 방법
KR20160127462A (ko) * 2015-04-27 2016-11-04 삼성전기주식회사 레이저 가공장치 및 그 가공방법
KR20210125361A (ko) * 2020-04-08 2021-10-18 주식회사 아이에이 쿼츠 웨어용 레이저 가공 장치 및 쿼츠 웨어용 레이저 가공 방법

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