KR20080079828A - Laser processing apparatus and method - Google Patents
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Abstract
입사되는 레이저 빔을 적어도 둘 이상으로 분할하고, 레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 스테이지를 이동시켜 대상물을 가공하여, 대상물 가공 품질과 효율을 증대시키기 위한 레이저 가공 장치 및 방법을 제시한다.The present invention provides a laser processing apparatus and method for dividing an incident laser beam into at least two or more, and processing a target by moving a stage in a direction opposite to the direction in which the laser beam is irradiated.
본 발명의 레이저 가공 장치는 레이저 발생 수단으로부터 출사되는 레이저 빔을 적어도 둘 이상으로 분할하는 빔 분할 수단, 빔 분할 수단에서 분할된 레이저 빔을 입력받아, 대상물의 가공 위치에 반복 주사되도록 반사하는 빔 스캐너 및 대상물을 가공하는 동안, 대상물이 안착되는 스테이지를 상기 레이저 빔이 조사되는 방향과 반대 방향으로 적어도 1회 이송시키는 스테이지 이송 수단을 포함하여, 낮은 에너지를 갖는 레이저 빔으로 대상물을 복수회 가공하는 효과를 얻을 수 있어 좁은 선폭을 보장할 수 있고, 복수 개로 분할된 레이저 빔이 동시에 대상물에 조사되기 때문에 높은 가공 속도를 보장할 수 있으며, 대상물에 레이저 빔이 조사되는 방향과 반대 방향으로 스테이지를 이송함으로써, 대상물 가공 속도를 더욱 개선할 수 있다.The laser processing apparatus of the present invention receives a beam splitting means for dividing a laser beam emitted from the laser generating means into at least two or more, and a beam scanner that receives the laser beam split by the beam splitting means and repeatedly reflects the laser beam to the processing position of the object. And stage transfer means for transferring the stage on which the object is to be seated, at least once, in a direction opposite to the direction in which the laser beam is irradiated, while processing the object, the effect of processing the object multiple times with a laser beam having a low energy. It is possible to ensure a narrow line width and to ensure a high processing speed because a plurality of divided laser beams are irradiated to the object at the same time, by moving the stage in the direction opposite to the direction in which the laser beam is irradiated to the object In addition, the processing speed of the object can be further improved.
Description
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도,1 is a block diagram of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention,
도 2는 도 1에 도시한 빔 스캐너의 일 예시도,FIG. 2 is an exemplary view of the beam scanner shown in FIG. 1;
도 3a 및 3b는 도 1에 도시한 빔 분할 수단의 제 1 예시도 및 분할 빔의 단면도,3A and 3B are a first illustration of the beam splitting means shown in FIG. 1 and a cross sectional view of a split beam;
도 4a 및 4b는 도 1에 도시한 빔 분할 수단의 제 2 예시도 및 분할 빔의 단면도,4A and 4B are a second illustration of the beam splitting means shown in FIG. 1 and a cross sectional view of a split beam;
도 5a 및 5b는 도 1에 도시한 빔 분할 수단의 제 3 예시도 및 분할 빔의 단면도,5A and 5B are a third illustration of the beam splitting means shown in FIG. 1 and a cross sectional view of a split beam;
도 6a 및 6b는 도 1에 도시한 빔 분할 수단의 제 4 예시도 및 분할 빔의 단면도,6A and 6B are a fourth illustration of the beam splitting means shown in FIG. 1 and a sectional view of a split beam;
도 7은 본 발명에 적용되는 폴리곤 미러를 이용한 대상물 가공 개념을 설명하기 위한 도면,7 is a view for explaining a concept of object processing using a polygon mirror applied to the present invention,
도 8은 폴리곤 미러를 이용하여 대상물을 가공하는 경우 빔의 중첩 개념을 설명하기 위한 도면,8 is a view for explaining a concept of overlapping beams when processing an object using a polygon mirror;
도 9은 폴리곤 미러를 적용한 경우, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 개략 구성도,9 is a schematic configuration diagram of a laser machining apparatus according to a first embodiment of the present invention when a polygon mirror is applied;
도 10는 오차 보정 기능을 갖는 폴리곤 미러를 적용한 레이저 가공 장치의 구성도,10 is a configuration diagram of a laser processing apparatus to which a polygon mirror having an error correction function is applied;
도 11은 폴리곤 미러의 반사면 모서리 부분에서 에너지 손실이 발생하는 현상을 설명하기 위한 도면,FIG. 11 is a view for explaining a phenomenon in which energy loss occurs at a corner of a reflective surface of a polygon mirror; FIG.
도 12a 및 12b는 레이저 빔의 입사에 따른 폴리곤 미러에서의 에너지 손실 관계를 설명하기 위한 도면,12A and 12B are diagrams for explaining an energy loss relationship in a polygon mirror according to the incidence of a laser beam;
도 13는 레이저 빔이 폴리곤 미러의 복수의 반사면을 커버리지하도록 입사되는 경우 폴리곤 미러를 이용한 대상물 가공 개념을 설명하기 위한 도면,FIG. 13 is a view for explaining an object processing concept using a polygon mirror when a laser beam is incident to cover a plurality of reflective surfaces of the polygon mirror; FIG.
도 14은 AOD를 적용한 경우, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도,14 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention when AOD is applied;
도 15는 대상물을 이송시키면서 레이저를 이용하여 대상물 가공시 부산물이 배출되는 것을 설명하기 위한 도면,15 is a view for explaining that by-products are discharged when processing the object using a laser while transporting the object,
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도,16 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention;
도 17은 도 16에 도시한 빔 성형부의 상세 구성도,17 is a detailed configuration diagram of the beam shaping unit shown in FIG. 16;
도 18은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 레이저 가공 장치를 이용한 대상물 가공시 부산물이 승화하는 것을 설명하기 위한 도면,18 is a view for explaining sublimation of by-products when processing an object using a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention;
도 19a 내지 19d는 일반적인 레이저 가공 장치에서 레이저 빔이 대상물에 반복 조사되는 개념을 설명하기 위한 도면,19A to 19D are views for explaining a concept of repeatedly irradiating a laser beam to an object in a general laser processing apparatus;
도 20는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 개략 구성도,20 is a schematic configuration diagram of a laser machining apparatus according to a third embodiment of the present invention;
도 21은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 레이저 가공 장치에 의하여 대상물 표면이 균일하게 가공되는 개념을 설명하기 위한 도면,21 is a view for explaining the concept that the object surface is uniformly processed by the laser processing apparatus according to a third embodiment of the present invention;
도 22는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 개략 구성도,22 is a schematic configuration diagram of a laser machining apparatus according to a fourth embodiment of the present invention;
도 23a 내지 23d는 도 32에 도시한 레이저 가공 장치를 이용하여 대상물을 가공하는 예를 설명하기 위한 도면,23A to 23D are views for explaining an example of processing an object using the laser processing apparatus shown in FIG. 32;
도 24는 본 발명에 적용되는 스테이지의 일 예시도,24 is an exemplary diagram of a stage applied to the present invention;
도 25a 내지 25d는 도 24에 도시한 스테이지 각 부의 상세 구성도,25A to 25D are detailed configuration diagrams of each stage shown in FIG. 24;
도 26는 본 발명에 적용되는 열전소자의 일 예시도,26 is an exemplary diagram of a thermoelectric device applied to the present invention;
도 27은 본 발명의 제 5 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도,27 is a configuration diagram of a laser machining apparatus according to a fifth embodiment of the present invention;
도 28은 도 27에 도시한 레이저 가공 장치의 제 1 변형 예시도,28 is a diagram showing a first modification of the laser processing apparatus shown in FIG. 27;
도 29는 도 27에 도시한 레이저 가공 장치의 제 2 변형 예시도,29 is a second modified example of the laser processing device shown in FIG. 27;
도 30은 도 27에 도시한 레이저 가공 장치의 제 3 변형 예시도,30 is a third modified example of the laser processing device shown in FIG. 27;
도 31은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도,31 is a flowchart for explaining a laser processing method according to the first embodiment of the present invention;
도 32는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도,32 is a flowchart for explaining a laser processing method according to a second embodiment of the present invention;
도 33은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도,33 is a flowchart for explaining a laser processing method according to a third embodiment of the present invention;
도 34는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도,34 is a flowchart for explaining a laser processing method according to a fourth embodiment of the present invention;
도 35는 도 34에 도시한 대상물 가공 과정의 일 실시예를 설명하기 위한 흐 름도,FIG. 35 is a flowchart illustrating an embodiment of an object processing process shown in FIG. 34;
도 36a 및 36b는 도 35에서 설명한 가공 과정에 따라 대상물을 가공한 예를 설명하기 위한 도면,36A and 36B are views for explaining an example in which an object is processed according to the processing described with reference to FIG. 35;
도 37은 도 34에 도시한 대상물 가공 과정의 다른 실시예를 설명하기 위한 흐름도,37 is a flowchart for explaining another embodiment of the object processing process shown in FIG. 34;
도 38a 및 38b는 도 37에서 설명한 가공 과정에 따라 대상물을 가공한 예를 설명하기 위한 도면,38A and 38B are views for explaining an example of processing an object according to the processing described in FIG. 37;
도 39는 본 발명의 제 5 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.39 is a flowchart for explaining the laser processing method according to the fifth embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101 : 제어부 103 : 레이저 발생 수단101
105 : 빔 분할 수단 107 : 드라이버105: beam splitting means 107: driver
109 : 입력부 111 : 출력부109: input unit 111: output unit
113 : 저장부 115 : 빔 스캐너113: storage unit 115: beam scanner
117 : 광학계 119 : 대상물117: optical system 119: object
121 : 스테이지 123 : 스테이지 이송 수단121: stage 123: stage transfer means
125 : 오차 보정 수단 127 : 인코더125: error correction means 127: encoder
129 : 미러 131 : 빔 성형부129
11 : 회전축 12 : 반사면11: rotating shaft 12: reflecting surface
200 : 액츄에이터 202 : 오차보정용 미러200: actuator 202: error correction mirror
300 : 고주파 드라이버 302 : AOD300: high frequency driver 302: AOD
1310 : 제 1 원통형 렌즈 1311 : 제 2 원통형 렌즈1310: first cylindrical lens 1311: second cylindrical lens
400 : 마스크 500 : 챔버400: mask 500: chamber
502 : 열전소자 504 : 단열수단502: thermoelectric element 504: heat insulation means
506 : 가습수단 508 : 센서506: humidification means 508: sensor
510 : 해빙수단510: thawing means
본 발명은 레이저 가공 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 입사되는 레이저 빔을 적어도 둘 이상으로 분할하고, 레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 스테이지를 이동시켜 대상물을 가공하여, 대상물 가공 품질과 효율을 증대시키기 위한 레이저 가공 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a laser processing apparatus and method, and more particularly, to divide an incident laser beam into at least two or more, and to process the object by moving the stage in a direction opposite to the irradiation direction of the laser beam, A laser processing apparatus and method for increasing efficiency.
일반적으로 웨이퍼, 금속, 플라스틱과 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.In general, manufacturing an article using a variety of materials such as wafers, metals, and plastics requires processing procedures such as cutting, grooving, etc., which are important because they have a significant impact on quality and productivity in subsequent processes. Has meaning.
이러한 가공 절차를 위하여 최근에는 레이저를 이용하고 있으며, 레이저를 이용한 가공 방법은 높은 자외선 영역(250~360nm)의 레이저 빔을 대상물 표면에 집속시킴으로써, 가열 및 화학 작용을 유발시켜 집속 부위가 제거되도록 하는 방법이 다.Recently, a laser has been used for such a processing procedure, and a laser processing method focuses a laser beam in a high ultraviolet region (250 to 360 nm) on the surface of an object, causing heating and chemical action to remove a focused portion. That's how it is.
최근들어, 반도체 시장에서는 웨이퍼당 칩 생산량을 높이는 방법으로서 웨이퍼 상의 칩들간의 간격을 줄여 웨이퍼 당 칩 개수를 늘리기도 한다. 이에 따라 산업체에서는 15㎛ 정도의 매우 좁은 웨이퍼 가공 선폭을 요구하기도 한다. 이와 같은 좁은 선폭을 만족시키기 위해서는 가공 선폭 주의의 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 향상시킬 수는 있지만 가공 시간을 보장할 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.In recent years, in the semiconductor market, a method of increasing chip yield per wafer has increased the number of chips per wafer by reducing the gap between chips on the wafer. As a result, the industry may require a very narrow wafer processing line width of about 15 mu m. In order to satisfy such narrow linewidth, it is necessary to increase the processing overlap of the laser beam, that is, increase the laser frequency and keep the beam intensity relatively low so as to reduce the breakage of the processing linewidth attention. However, the laser currently in use has a problem in that the power decreases as the frequency of the laser beam increases, thereby improving the processing quality, but there is a problem in that the processing time cannot be guaranteed. In addition, when using a laser beam of a low frequency in order to improve the processing speed, the laser beam is overheated by the object to be processed to increase the line width, which makes fine processing impossible.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레이저 빔의 강도를 유지하면서 가공 속도를 향상시킬 수 있는 레이저 가공 장치 및 방법을 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and there is a technical problem to provide a laser processing apparatus and method capable of improving the processing speed while maintaining the intensity of the laser beam.
본 발명의 다른 기술적 과제는 레이저 빔을 대상물로 조사하기 전, 적어도 둘 이상으로 분할하여 분할된 빔의 강도는 분할 전 빔의 강도와 동일하게 유지하면서, 분할된 빔의 개수만큼 파워를 증가시켜 가공 효율을 향상시키고, 분할된 레이저 빔을 조사함과 동시에 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 스테이지를 이송시켜, 가공 속도를 향상시킬 수 있도록 한다.According to another aspect of the present invention, before irradiating a laser beam to an object, by dividing the laser beam into at least two or more, the intensity of the divided beam is maintained by increasing the power by the number of divided beams while maintaining the same intensity as the beam before dividing. The efficiency is improved and the stage is moved in the direction opposite to the beam irradiation direction while irradiating the split laser beam, thereby improving the processing speed.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 레이저 발생 수단으로부터 출사되는 레이저 빔을 적어도 둘 이상으로 분할하는 빔 분할 수단; 상기 빔 분할 수단에서 분할된 레이저 빔을 입력받아, 대상물의 가공 위치에 반복 주사되도록 반사하는 빔 스캐너; 및 상기 대상물을 가공하는 동안, 상기 대상물이 안착되는 스테이지를 상기 레이저 빔이 조사되는 방향과 반대 방향으로 적어도 1회 이송시키는 스테이지 이송 수단;을 포함한다.Laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention for achieving the above-described technical problem beam splitting means for dividing the laser beam emitted from the laser generating means into at least two or more; A beam scanner that receives the laser beam split by the beam splitting means and reflects the laser beam to be repeatedly scanned at the processing position of the object; And stage transfer means for transferring the stage on which the object is to be seated, at least once, in a direction opposite to the direction in which the laser beam is irradiated, while processing the object.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 레이저를 방사하는 복수 개의 레이저 발생 수단; 상기 복수 개의 레이저 발생 수단에서 방사되는 각각의 레이저 빔을 각각 입력받아 적어도 둘 이상으로 분할하는 복수 개의 빔 분할 수단; 상기 빔 분할 수단 각각에서 분할된 레이저 빔을 동일한 위치로 반사시키는 복수 개의 미러; 상기 복수 개의 미러 각각에 설치되어, 상기 미러의 각도 및 위치를 조절하는 엑츄에이터; 상기 복수 개의 미러 각각으로부터 반사되는 레이저 빔을 입력받아 반사시키는 반사미러; 및 상기 반사 미러에서 반사되는 레이저 빔을 집광하여 상기 대상물로 조사하는 광학계;를 포함한다.A laser machining apparatus according to a second embodiment of the present invention comprises: a plurality of laser generating means for emitting a laser; A plurality of beam splitting means for receiving the respective laser beams emitted from the plurality of laser generating means and splitting them into at least two; A plurality of mirrors for reflecting the laser beam split by each of the beam splitting means to the same position; An actuator installed at each of the plurality of mirrors to adjust an angle and a position of the mirror; A reflection mirror which receives and reflects a laser beam reflected from each of the plurality of mirrors; And an optical system that collects a laser beam reflected from the reflection mirror and irradiates the object.
본 발명의 제 3 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 레이저를 방사하는 복수 개의 레이저 발생 수단; 상기 복수 개의 레이저 발생 수단에서 방사되는 각각의 레이저 빔을 각각 입력받아 적어도 둘 이상으로 분할하는 복수 개의 빔 분할 수단; 복수의 반사면을 가지고 회전축을 중심으로 회전하며, 상기 빔 분할 수단 각각에서 분할된 레이저 빔을 각각 입력받아 반사하는 복수 개의 폴리곤 미러; 상기 복수 개 의 폴리곤 미러 각각으로부터 반사되는 레이저 빔을 각각 반사시키는 복수개의 반사 미러; 및 상기 반사 미러에서 반사되는 레이저 빔을 집광하여 상기 대상물로 조사하는 광학계;를 포함한다.A laser machining apparatus according to a third embodiment of the present invention comprises: a plurality of laser generating means for emitting a laser; A plurality of beam splitting means for receiving the respective laser beams emitted from the plurality of laser generating means and splitting them into at least two; A plurality of polygon mirrors having a plurality of reflecting surfaces and rotating about a rotation axis, the plurality of polygon mirrors receiving and reflecting laser beams respectively divided by the beam splitters; A plurality of reflection mirrors each reflecting a laser beam reflected from each of the plurality of polygon mirrors; And an optical system that collects a laser beam reflected from the reflection mirror and irradiates the object.
본 발명의 제 4 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 레이저를 방사하는 레이저 발생 수단; 상기 레이저 발생 수단에서 방사되는 레이저 빔을 입력받아 적어도 둘 이상으로 분할하는 복수 개의 빔 분할 수단; 상기 빔 분할 수단에서 분할된 각각의 레이저 빔을 두 개로 분할하는 빔 분할기; 복수의 반사면을 가지고 회전축을 중심으로 회전하며, 상기 빔 분할기에서 투과 또는 반사된 레이저 빔을 각각 입력받아 반사하는 복수 개의 폴리곤 미러; 상기 복수 개의 폴리곤 미러 각각으로부터 반사되는 레이저 빔을 각각 반사시키는 복수개의 반사 미러; 및 상기 반사 미러에서 반사되는 레이저 빔을 집광하여 상기 대상물로 조사하는 광학계;를 포함한다.A laser machining apparatus according to a fourth embodiment of the present invention comprises: laser generating means for emitting a laser; A plurality of beam splitting means for receiving the laser beam radiated from the laser generating means and dividing the beam into at least two; A beam splitter for splitting each laser beam split by the beam splitting means into two; A plurality of polygon mirrors each having a plurality of reflective surfaces and rotating around a rotation axis, the plurality of polygon mirrors receiving and reflecting laser beams transmitted or reflected by the beam splitter; A plurality of reflection mirrors each reflecting a laser beam reflected from each of the plurality of polygon mirrors; And an optical system that collects a laser beam reflected from the reflection mirror and irradiates the object.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 방법은 상기 대상물을 스테이지에 안착시키는 단계; 상기 대상물의 종류 및 가공 목적에 따라 제어 파라미터를 설정하는 단계; 빔 스캐너를 구동하고, 스테이지 이송 수단을 구동하여 상기 스테이지를 기설정된 속도로 이송하는 단계; 레이저 빔을 방출하는 단계; 상기 방출된 레이저 빔을 적어도 둘 이상으로 분할하여 상기 빔 스캐너로 조사하는 단계; 상기 빔 스캐너로부터 반사된 레이저 빔을 상기 대상물에 조사하는 단계;를 포함하고, 상기 스테이지는 상기 레이저 빔이 조사되는 방향과 반대 방향으로 이송하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the laser processing method according to a first embodiment of the present invention comprises the steps of mounting the object on the stage; Setting control parameters according to the type and processing purpose of the object; Driving a beam scanner and driving a stage transport means to transport the stage at a predetermined speed; Emitting a laser beam; Dividing the emitted laser beam into at least two and irradiating the beam scanner with the beam scanner; And irradiating the object with the laser beam reflected from the beam scanner, wherein the stage moves in a direction opposite to the direction in which the laser beam is irradiated.
또한, 본 발명의 제 2 실시예에 의한 레이저 가공 방법은 다중 계층으로 형 성된 대상물을 레이저 가공하기 위한 방법으로서, 상기 다중 계층으로 형성된 대상물의 각 계층에 따른 가공 파라미터를 설정하는 제 1 단계; 상기 대상물의 가공 영역에 노출된 계층에 대하여 설정된 상기 가공 파라미터에 따라, 적어도 둘 이상으로 분할된 레이저 빔을 조사하여 레이저 가공을 수행하는 제 2 단계; 상기 다중 계층으로 형성된 대상물의 모든 계층에 대한 가공이 수행되었는지 확인하는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계의 확인 결과, 모든 계층에 대한 가공이 완료되지 않은 경우 상기 제 2 단계로 진행하는 제 4 단계;를 포함한다.In addition, the laser processing method according to a second embodiment of the present invention is a method for laser processing an object formed in a multi-layer, comprising: a first step of setting the processing parameters for each layer of the object formed of the multi-layer; A second step of performing laser processing by irradiating at least two divided laser beams according to the processing parameters set for the layer exposed to the processing region of the object; A third step of confirming whether processing has been performed for all layers of the object formed of the multiple layers; And a fourth step of proceeding to the second step when the processing for all layers is not completed as a result of the checking of the third step.
아울러, 본 발명의 제 3 실시예에 의한 레이저 가공 방법은 다중 계층으로 형성된 대상물을 레이저 가공하기 위한 방법으로서, 적어도 둘 이상으로 분할된 레이저 빔을 상기 대상물에 조사하여 상기 다중 계층으로 형성된 대상물의 가공 영역을 커팅하는 제 1 단계; 및 상기 커팅된 대상물의 가공 영역을 힐링하는 제 2 단계;를 포함한다.In addition, the laser processing method according to the third embodiment of the present invention is a method for laser processing an object formed in a multi-layer, processing the object formed in the multi-layer by irradiating the object with a laser beam divided into at least two or more Cutting a region; And a second step of healing the processing region of the cut object.
본 발명의 제 4 실시예에 의한 레이저 가공 방법은 상기 대상물을 스테이지에 안착시키는 단계; 상기 대상물의 종류 및 가공 목적에 따라 제어 파라미터를 설정하는 단계; 제 1 및 제 2 엑츄에이터에 의해 제 1 및 제 2 미러의 기울기 및 위치를 조절하는 단계; 반사미러를 구동하는 단계; 상기 스테이지를 기 설정된 속도로 이송하는 단계; 복수의 레이저 발생 수단 각각으로부터 레이저 빔을 방출하는 계; 상기 복수의 레이저 발생 수단 각각으로부터 방출되는 레이저 빔을 각각 적어도 둘 이상으로 분할하여, 각각 제 1 및 제 2 미러로 입사시키는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 미러를 통해 상기 반사미러로 입사된 레이저 빔을 상기 대상물로 조사하 는 단계;를 포함한다.Laser processing method according to a fourth embodiment of the present invention comprises the steps of mounting the object on the stage; Setting control parameters according to the type and processing purpose of the object; Adjusting the tilt and position of the first and second mirrors by the first and second actuators; Driving a reflection mirror; Transferring the stage at a preset speed; A system for emitting a laser beam from each of the plurality of laser generating means; Dividing the laser beams emitted from each of the plurality of laser generating means into at least two and then entering the first and second mirrors, respectively; And irradiating a laser beam incident on the reflective mirror through the first and second mirrors to the object.
본 발명은, 레이저 가공 장치로 입사되는 레이저 빔을 복수 개로 나누게 되면 분할된 빔들이 분할되기 전의 강도를 유지하면서 분할된 빔의 개수만큼 파워를 증가시킬 수 있고, 분할된 빔의 개수배만큼 레이저 빔의 주파수를 증가시키는 효과를 줄 수 있다는 점에 착안하였다. 예를 들어, 200kHz, 4W의 레이저 빔을 이용한 대상물 가공은 100kHz, 2W의 레이저 빔과 동일한 강도를 갖게 되므로, 100kHz, 6W의 레이저 빔을 3분할 하여 대상물을 가공한다면 보다 좁은 선폭을 보장할 수 있다. 또한, 파워가 6W이므로 가공 속도 또한 향상시킬 수 있으며, 3배의 빔 중첩 효과를 얻을 수 있는 것이다. 마찬가지로, 100kHz, 8W의 레이저 빔을 4분할하여 대상물을 가공한다면 더욱 좁은 선폭과 더욱 높은 속도로 대상물을 가공할 수 있는 효과를 얻을 수 있게 된다.According to the present invention, when the laser beam incident to the laser processing apparatus is divided into a plurality, the power can be increased by the number of the divided beams while maintaining the intensity before the divided beams are divided, and the number of the divided beams is increased by the number of the divided beams. It was conceived that it could give an effect of increasing the frequency of. For example, processing an object using a laser beam of 200 kHz and 4 W has the same intensity as a laser beam of 100 kHz and 2 W, and thus, narrowing the line width can be ensured if the object is processed by splitting the laser beam of 100 kHz and 6 W into three parts. . In addition, since the power is 6W, the machining speed can be improved, and the beam overlapping effect of 3 times can be obtained. Likewise, if the object is processed by dividing the laser beam of 100 kHz and 8 W into four parts, the object can be processed at a narrower line width and at a higher speed.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
레이저 빔 분할 및 스테이지 이송 기능을 갖는 레이저 가공 장치Laser processing unit with laser beam splitting and stage transport
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 것과 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하는 제어부(101), 지정된 구경의 레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생 수단(103), 레이저 발생 수단(103)에서 출사되는 레이저 빔을 적어도 둘 이상으로 분할하는 빔 분할 수단(105), 빔 스캐너(115)를 구동하는 드라이 버(107), 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하기 위한 입력부(109), 작동 상태 등의 정보를 표시하기 위한 출력부(111), 데이터 저장을 위한 저장부(113), 빔 분할 수단(105)으로부터 출사되는 레이저 빔이 대상물 가공 위치의 지정된 구간에 직선으로 반복 주사되도록 하는 빔 스캐너(115), 빔 스캐너(115)에서 반사된 레이저 빔을 집광하여 대상물 상에 조사하는 광학계(117) 및 대상물(119)을 가공하는 동안 대상물(119)이 안착된 스테이지(121)를 레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 적어도 1회 이송시키는 스테이지 이송 수단(123)을 포함한다. 여기에서, 광학계(117)는 집광렌즈로 구현할 수 있다.As shown in Fig. 1, the laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention includes a
이러한 레이저 가공 장치를 이용하여 대상물(119)을 가공하는 경우, 먼저 입력부(109)를 통해 제어 파라미터를 설정하는데, 이러한 설정 과정은 가공 대상물의 종류 및 가공 형태에 따라 기 설정된 메뉴로 등록하여 저장부(113)에 저장하여 두고, 메뉴를 호출하여 용이하게 수행할 수 있다.When the
제어 파라미터의 설정이 완료되면, 드라이버(107)에 의해 빔 스캐너(115)를 구동한다.When the setting of the control parameters is completed, the
빔 스캐너(115)는 갈바노미터 스캐너 또는 서보모터를 이용한 반사 장치를 이용하여 구현할 수 있다. 보다 구체적으로, 빔 스캐너(115)는 도 2에 도시한 것과 같이, 하나 또는 두 개의 모터(310, 330), 모터(310, 330)의 회전축에 각각 연결되어 지정된 각도 및 방향(좌우 또는 상하)에 따라 회전을 반복하는 미러(320, 340)를 포함한다.The
빔 분할 수단(105)으로부터 제 2 미러(340)로 입사되는 레이저 빔은 제 1 미 러(320)로 반사된다. 이어서, 제 1 미러(320)에서 반사되는 레이저 빔은 광학계(117)로 조사되고, 광학계(117)를 통과한 레이저 빔은 대상물(119)로 조사된다. 여기에서, 미러(320, 340)는 가공 목적에 따라 하나 또는 두개 모두 사용할 수 있다.The laser beam incident from the
본 실시예에서는 제 1 및 제 2 미러(320, 340)가 지정된 각도 및 방향으로 회전하기 때문에 레이저 빔을 이동시키면서 조사한 효과를 얻을 수 있으며, 뿐만 아니라 스테이지 이송 수단(123)에 의해 대상물(119) 또한 이동하기 때문에 가공 시간을 단축시킬 수 있다.In the present embodiment, since the first and
다시 도 1을 참조하면, 빔 스캐너(115)를 드라이버(107)에 의해 구동한 후, 제어부(101)는 스테이지 이송 수단(123)을 동작시켜 대상물(119)을 레이저 빔이 조사되는 방향과 반대 방향으로 이송하고, 레이저 발생 수단(103)을 제어하여 레이저가 출사되면 빔 분할 수단(105)에 의해 레이저 빔이 적어도 둘 이상으로 분할되어 빔 스캐너(115)로 입사되게 된다.Referring back to FIG. 1, after driving the
이후, 빔 스캐너(115)에서 반사되는 적어도 둘 이상의 레이저 빔은 광학계(117)를 통해 대상물(119)에 수직 조사된다. 이때, 광학계(117)를 통과한 빔이 복수개이므로, 대상물(119)에 레이저 빔을 복수회 조사한 결과를 얻을 수 있으며, 복수개의 레이저 빔이 동시에 입사되므로 가공 속도를 빔 분할 전의 수준으로 유지하면서 좁은 선폭으로 가공이 가능해지고, 가공 후 품질 또한 보장할 수 있다.Thereafter, at least two laser beams reflected by the
도 3a 및 3b는 도 1에 도시한 빔 분할 수단의 제 1 예시도 및 분할 빔의 단면도로서, 프리즘을 이용하여 레이저 빔을 2분할하는 경우를 나타낸다.3A and 3B are first sectional views of the beam splitting means shown in FIG. 1 and cross-sectional views of the splitting beam, showing a case where the laser beam is divided into two using a prism.
도 3a에 도시한 것과 같이, 빔 분할 수단(105)은 입사되는 레이저 빔을 반사시키는 제 1 미러(10501), 제 1 미러에서 반사된 레이저 빔을 2분할하는 프리즘(10502) 및 프리즘(10502)에서 2분할된 빔을 반사시키는 제 2 미러(10503)를 포함한다.As shown in FIG. 3A, the beam splitting means 105 includes a
여기에서, 제 1 미러(10501)는 프리즘(10502)으로 레이저 빔을 입사시키는 역할을 하고, 프리즘(10502)은 그 배치에 따라 분할된 2개의 빔이 대칭이 되도록 한다. 제 2 미러(10503)는 프리즘(10502)으로부터 출사된 빔의 광축이 제 1 미러(10501)로 입사되는 레이저 빔의 광축과 수평이 되도록 광축을 제어하며, 제 2 미러(10503)에서 반사된 레이저 빔은 빔 스캐너(115)로 입사되어 대상물로 조사된다. 이때, 빔 스캐너(115)에서 반사되는 레이저 빔의 광축이 대상물과 수직이 되도록 제어해야 함은 물론이다.Here, the
이와 같은 빔 분할 수단에 의해 대상물에 조사되는 레이저 빔 단면의 일 예는 도 3b에 도시한 것과 같다. 반원 형상의 두 레이저 빔 간의 간격은 프리즘(10502)의 빔 굴절 정도에 따라 변경할 수 있다. 또한, 분할 전 레이저 빔의 조사면적과 동일한 면적 내에 두 개의 레이저 빔을 조사할 수 있으므로, 즉 단위 면적당 조사되는 레이저 빔의 개수를 증가시킬 수 있으므로 가공 효율을 증대시킬 수 있다.An example of the laser beam cross section irradiated to the object by such beam splitting means is as shown in FIG. 3B. The spacing between two semicircular laser beams may be changed according to the degree of beam refraction of the
도 4a 및 4b는 도 1에 도시한 빔 분할 수단의 제 2 예시도 및 분할 빔의 단면도로서, 빔 분할기를 이용하여 레이저 빔을 2분할하는 경우를 나타낸다.4A and 4B are second sectional views of the beam splitting means shown in FIG. 1 and cross-sectional views of the splitting beams, illustrating a case where the laser beam is split into two using the beam splitter.
도 4a에 도시한 것과 같이, 빔 분할 수단(105)은 입사되는 레이저 빔을 2분 할하는 빔 분할기(10511), 빔 분할기(10511)에서 반사되는 제 1 레이저 빔의 편광 특성을 변환하기 위한 편광기(10512), 빔 분할기(10511)를 투과한 제 2 레이저 빔을 반사시키기 위한 제 1 미러(10514), 제 1 미러(10514)에서 반사된 제 2 레이저 빔을 반사시키기 위한 제 2 미러(10515) 및 편광기(10512)에서 편광 특성이 변환된 제 1 레이저 빔을 반사시키고, 제 2 미러(10515)에서 반사된 제 2 레이저 빔을 투과시키기 위한 편광 빔 분할기(10513)를 포함하며, 편광 빔 분할기(10513)에서 반사 및 투과된 제 1 및 제 2 레이저 빔은 빔 스캐너(115)를 통해 대상물에 수직 조사된다.As shown in Fig. 4A, the beam splitting means 105 is a
이러한 빔 분할 수단에서 제 1 및 제 2 레이저 빔의 단면의 일 예는 도 4b와 같고, 두 레이저 빔 간의 간격은 제 2 미러(10515)의 위치를 변경함에 따라 자유롭게 제어할 수 있다.An example of cross sections of the first and second laser beams in the beam splitter is shown in FIG. 4B, and the distance between the two laser beams can be freely controlled by changing the position of the
아울러, 편광 빔 분할기(10513)에서 출사되는 레이저 빔의 광축은 빔 분할기(10511)로 입사되는 레이저 빔의 광축과 평행이 되도록 제어하여야 하고, 빔 스캐너(115)에서 반사되는 레이저 빔의 광축은 대상물에 대하여 수직이 되도록 제어하여야 함은 물론이다.In addition, the optical axis of the laser beam emitted from the
또한, 편광기(10512)는 수평 선편광(P편광)을 수직 선편광(S편광)으로 변환하는 편광기를 사용할 수 있고, 편광 빔 분할기(10513)는 P편광은 투과시키고 S편광은 반사시키는 편광 빔 분할기를 사용할 수 있다.In addition, the
도 5a 및 5b는 도 1에 도시한 빔 분할 수단의 제 3 예시도 및 분할 빔의 단면도로서, 빔 분할기를 이용하여 레이저 빔을 2분할한 후, 2분할된 레이저 빔 중 어느 하나를 프리즘을 이용하여 다시 2분할하여, 결국 레이저 빔을 3분할하는 경우를 나타낸다.5A and 5B are a third illustration of the beam splitting means shown in FIG. 1 and a cross-sectional view of a split beam, wherein a laser beam is divided into two using a beam splitter, and any one of the two divided laser beams is used by a prism. The process is divided into two, and the laser beam is divided into three.
도 5a에 도시한 것과 같이, 빔 분할 수단(105)은 입사되는 레이저 빔을 2분할하는 빔 분할기(10521), 빔 분할기(10521)에서 반사된 레이저 빔의 편광 특성을 변환하기 위한 편광기(10522), 편광기(10522)에서 편광 변환된 레이저 빔을 제 1 및 제 2 레이저 빔으로 2분할하기 위한 프리즘(10523), 빔 분할기(10521)를 투과한 제 3 레이저 빔을 반사시키기 위한 제 1 미러(10525), 제 1 미러(10525)에서 반사된 제 3 레이저 빔을 반사시키기 위한 제 2 미러(10526), 프리즘(10523)에서 출사되는 제 1 및 제 2 레이저 빔을 반사시키고, 제 2 미러(10526)를 통해 입사되는 제 3 레이저 빔을 투과시키기 위한 편광 빔 분할기(10524)를 포함하여 구성되며, 편광 빔 분할기(10524)에서 반사 또는 투과된 제 1 내지 제 3 레이저 빔은 빔 스캐너(115)를 통해 대상물에 수직 조사된다.As shown in Fig. 5A, the beam splitting means 105 is a
본 실시예에 의한 빔 분할 수단에 의해 분할된 레이저 빔의 단면의 일 예는 도 5b와 같이 나타나며, 프리즘(10523)의 굴절도를 제어하여 제 1 및 제 2 레이저 빔 간의 간격을 조절하는 한편, 프리즘(10523)의 배열을 제어하여 두 레이저 빔이 대칭이 되도록 할 수 있으며, 제 2 미러(10526)의 위치를 제어하여 제 3 레이저 빔의 위치를 조절할 수 있다.An example of a cross section of the laser beam divided by the beam splitting means according to the present embodiment is shown in FIG. 5B, and the distance between the first and second laser beams is adjusted by controlling the refraction of the
여기에서, 편광기(10522)는 수평 선편광(P편광)을 수직 선편광(S편광)으로 변환하는 편광기를 사용할 수 있고, 편광 빔 분할기(10524)는 P편광은 투과시키고 S편광은 반사시키는 편광 빔 분할기를 사용할 수 있다.Here, the
도 6a 및 6b는 도 1에 도시한 빔 분할 수단의 제 4 예시도 및 분할 빔의 단면도로서, 하나의 레이저 빔을 프리즘을 이용하여 2분할한 후, 2분할된 레이저 빔을 빔 분할기에 의해 각각 2분할하여 총 4개의 빔으로 분할하는 경우를 나타낸다.6A and 6B are a fourth exemplary view of the beam splitting means shown in FIG. 1 and a cross-sectional view of the splitting beam, in which one laser beam is divided into two using a prism, and then the two divided laser beams are respectively divided by a beam splitter. The case of dividing into two beams in total is shown.
도 6a에 도시한 것과 같이, 빔 분할 수단(105)은 입사되는 레이저 빔을 2분할하기 위한 프리즘(10531), 프리즘(10531)에서 2분할된 빔을 각각 2분할하여 반사 및 투과시키기 위한 빔 분할기(10532), 빔 분할기(10532)에서 반사된 제 1 및 제 2 레이저 빔의 편광 특성을 변환하기 위한 편광기(10533), 빔 분할기(10532)에서 투과된 제 3 및 제 4 레이저 빔을 반사시키기 위한 제 1 미러(10535), 제 1 미러(10535)에서 반사된 레이저 빔을 반사시키기 위한 제 2 미러(10536), 편광기(10533)에서 편광 특성이 변화된 제 1 및 제 2 레이저 빔을 반사시키고, 제 2 미러(10536)를 통해 입사된 제 3 및 제 4 레이저 빔을 투과시키기 위한 편광 빔 분할기(10534)로 이루어지며, 편광 빔 분할기(10534)에서 반사 또는 투과된 제 1 내지 제 4 레이저 빔은 빔 스캐너(115)를 통해 대상물에 수직 조사된다.As shown in Fig. 6A, the beam splitting means 105 is a
본 실시예에 의한 레이저 빔 분할 수단에 의해 분할된 레이저 빔의 단면의 일 예는 도5b와 같고, 제 1 내지 제 4 레이저 빔의 간격은 프리즘(10531)의 굴절도 또는 제 2 미러(10536)의 배치를 제어함으로써 변경 가능하다. 다만, 이때 제 2 미러(10536)에서 반사되는 레이저 빔의 광축은 프리즘(10531)으로 입사되는 레이저 빔의 광축과 평행을 이루어야 하고, 빔 스캐너(115)에서 반사되는 레이저 빔의 광축은 대상물과 수직을 이루도록 제어하여야 함은 물론이다.An example of a cross section of the laser beam divided by the laser beam splitting means according to the present embodiment is shown in FIG. 5B, and the interval between the first to fourth laser beams is the refractive index of the
이상에서 설명한 본 발명에서는 레이저 빔을 프리즘, 빔 분할기 또는 프리즘 과 빔 분할기의 조합에 의해 2개 이상의 레이저 빔으로 분할하고, 이를 이용하여 대상물을 가공한다. 분할된 레이저 빔의 에너지 총 합은 분할 전 레이저 빔의 에너지와 같기 때문에 가공 속도를 유지할 수 있고, 분할된 레이저 빔 각각의 강도는 분할 전 레이저 빔의 강도보다 낮기 때문에 좁은 선폭을 보장할 수 있다. 그리고, 분할된 레이저 빔 간의 간격은 빔 분할 수단을 구성하는 광학계들의 배치에 따라 용이하게 변경할 수 있다.In the present invention described above, the laser beam is divided into two or more laser beams by a prism, a beam splitter, or a combination of the prism and the beam splitter, and the object is processed using the same. Since the sum of the energy of the divided laser beams is equal to the energy of the laser beam before the division, the processing speed can be maintained, and the narrow line width can be ensured because the intensity of each of the divided laser beams is lower than the intensity of the laser beam before the division. The distance between the divided laser beams can be easily changed according to the arrangement of the optical systems constituting the beam splitting means.
아울러, 분할된 레이저 빔을 빔 스캐너(115)를 이용하여 대상물(119)에 조사하여 레이저 빔을 이동시키면서 조사한 효과를 얻을 수 있고, 이와 함께 대상물을 가공하는 동안 스테이지(121)를 레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 적어도 1회 이송시킴으로써, 가공 속도를 더욱 개선할 수 있다.In addition, the divided laser beam may be irradiated while moving the laser beam by irradiating the
도 1에 도시한 레이저 가공 장치에서, 빔 스캐너(115)는 폴리곤 미러를 이용하여 구성하는 것도 가능하다. 폴리곤 미러는 복수의 반사면을 구비하고, 회전축을 중심으로 회전하는 회전다면경으로, 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.In the laser processing apparatus shown in FIG. 1, the
도 7은 본 발명에 적용되는 폴리곤 미러를 이용한 대상물 가공 개념을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining a concept of object processing using a polygon mirror applied to the present invention.
n개의 반사면을 가지는 폴리곤 미러(115-1)는 회전축(11)을 중심으로 각속도 ω, 회전주기 T로 정속회전을 한다. 이때 입사하는 레이저 빔은 반사면에서 반사되어 광학계(117)를 통해 대상물(119)로 조사된다.The polygon mirror 115-1 having n reflective surfaces rotates at a constant speed ω and a rotation period T about the
n개의 반사면(12)을 가지는 폴리곤 미러(115-1)에서, 반사면(12) 한 면이 회전할 때 레이저 빔의 스캐닝 각도(scanning angle; θ)는 다음의 수학식 1과 같다.In the polygon mirror 115-1 having n reflecting surfaces 12, the scanning angle θ of the laser beam when one surface of the reflecting
∴ ∴
상기한 수학식 1에 의하면 스캐닝 각도(θ)는 폴리곤 미러(115-1)의 한 반사면(12)이 차지하는 중심각()의 크기의 2배임을 알 수 있다. 따라서 폴리곤 미러(115-1)의 반사면(12)에서 반사된 레이저 빔이 대상물(119)에 조사되는 길이인 스캐닝 길이(scanning length)는 레이저 빔을 대상물(119)로 조사하는 광학계(117)의 특성에 의해 결정되며 다음의 수학식 2와 같다.According to
SL : 스캐닝 길이(scanning length)S L : scanning length
f : 초점 거리(focal length)f: focal length
θ : 스캐닝 각도(scanning angle)θ: scanning angle
상기한 수학식 2에 의하면 폴리곤 미러(115-1)의 회전시 폴리곤 미러(115-1)의 각 반사면(12)에서 반사된 레이저 빔은 SL 길이만큼 대상물(119)에 조사된다. 즉, 상기 폴리곤 미러(115-1)의 회전에 따라서 대상물(119)로 조사되는 레이저 빔의 스캐닝 길이는 상기 광학계(117)의 초점거리와 상기 폴리곤 미러(115-1)의 반사면(12)에서 반사되는 레이저빔의 각도의 곱에 의해 산출된다.According to
한편, 폴리곤 미러(115-1)는 n개의 반사면(12)을 가지므로, 1회 회전시 상기 스캐닝 길이(SL)를 n번 스캐닝하게 된다. 즉, 상기 대상물(119)에 조사되는 레이저 빔은 상기 스캐닝 길이만큼 대상물(119)에 조사되고, 폴리곤 미러(115-1)가 1회 회전할 경우 폴리곤 미러(115-1)의 반사면(12) 개수만큼 대상물에 중첩되어 조사된다. 이에 따른 단위시간(예를 들어 1초) 동안에 스캐닝하는 횟수(scanning frequency)는 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.Meanwhile, since the polygon mirror 115-1 has n
ω : 폴리곤 미러의 각속도ω: Angular velocity of polygon mirror
T : 폴리곤 미러의 회전주기T: rotation cycle of polygon mirror
상기한 수학식 3에 의하면, 폴리곤 미러(115-1)의 반사면(12)이 n개일 때, 폴리곤 미러(115-1)의 회전 주기 또는 각속도를 조절하면 스캐닝 횟수를 조절할 수 있다. 즉, 폴리곤 미러(115-1)의 회전주기 또는 각속도를 조절함으로써 스캐닝 길이를 원하는 횟수만큼 중첩시킬 수 있다. According to
이때 폴리곤 미러(115-1)의 각 속도가 일정하다면, 대상물(119)이 안착되는 스테이지(121)를 폴리곤 미러(115-1)의 회전에 따라 대상물(119)에 레이저 빔이 조 사되는 방향과 역방향으로 이송시킴으로써, 폴리곤 미러(115-1)에 의해 반사된 레이저가 대상물(119)을 스캐닝하는 상대속도가 증가하게 된다. 즉, 스테이지(121)가 정지된 상태일 때 레이저 빔이 대상물(119)을 스캐닝하는 속도에 비하여, 스테이지(121)가 레이저 빔의 조사 방향에 대하여 역방향으로 이송될 경우 레이저가 대상물을 스캐닝하는 속도가 더 빠르게 되는 효과가 있다.At this time, if the angular velocity of the polygon mirror 115-1 is constant, the direction in which the laser beam is irradiated to the
도 8은 폴리곤 미러를 이용하여 대상물을 가공하는 경우 빔의 중첩 개념을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 8 is a diagram for describing a concept of overlapping beams when processing an object by using a polygon mirror.
대상물(119)이 안착된 스테이지(121)가 이송됨에 따라서 레이저 빔에 의한 스캐닝 길이 SL은 중첩되면서 스테이지(121)의 이송방향과 반대방향으로 이동하게 된다. 즉, 스테이지(121)가 이송됨에 따라 레이저 빔이 대상물(119)을 상기 스테이지(121)의 이송방향과 반대방향으로 스캐닝하면서 가공(절단)하는 형태가 되는 것이다. 이때 소정구간 내에서는 스캐닝 길이 SL은 균일하게 중첩되는데, 상기 중첩 회수는 스테이지(121)의 이송속도를 조절함으로써 제어할 수 있다.As the
스테이지(121)의 이송에 따라 스캐닝 길이 SL이 이동하는 거리를 ℓ이라고 했을 때, 스캐닝 거리의 중첩도 N은 SL/ℓ로 표현할 수 있다.When the distance that the scanning length S L moves along with the transfer of the
상기 ℓ은 속도 v로 이동하는 스테이지(121)가 폴리곤 미러(115-1)의 한 반사면(12)이 회전하는데 소요되는 시간동안 이동한 거리로서 수학식 4와 같이 표현할 수 있으며, 상기 중첩도(N)는 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.ℓ is the distance traveled by the
전술한 내용을 종합하면 대상물(119)을 속도 v로 가공(절단)하면서 스캐닝 중첩도 N을 가지기 위한 폴리곤 미러(115-1)의 각속도는 수학식 6과 같이 표현된다.In summary, the angular velocity of the polygon mirror 115-1 for processing (cutting) the
상기 수학식 6에서와 같이 폴리곤 미러(115-1)의 각속도는 상기 레이저 빔의 중첩 횟수(N)와 대상물(1190)의 절단속도(v)의 곱을 상기 광학계(117)의 초점거리(f)의 2배 값으로 나눔으로써 산출되며, 대상물(119)의 절단속도(v)는 상기 대상물(119)가 안착되는 스테이지(121)의 이송속도이다.As shown in Equation 6, the angular velocity of the polygon mirror 115-1 is the product of the overlapping number N of the laser beams and the cutting speed v of the object 1190, and the focal length f of the
전술한 실시예에서 폴리곤 미러는 8각으로써 8개의 반사면을 가지는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 변경 가능함은 당연하다 할 것이다.In the above-described embodiment, the polygon mirror is illustrated as having eight reflective surfaces with eight angles, but it is obvious that the polygon mirror can be changed within the scope of the present invention.
도 9는 폴리곤 미러를 적용한 경우, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 개략 구성도이다.9 is a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention when a polygon mirror is applied.
드라이버(107)는 모터(도시하지 않음)를 이용하여 폴리곤 미러(115-1)를 구동하고, 빔 분할 수단(105)에서 적어도 둘로 분할된 레이저 빔은 폴리곤 미러(115-1)의 반사면으로 입사되어 광학계(117)로 반사된다. 이때, 폴리곤 미러(115-1)는 정속 회전하기 때문에, 레이저 빔을 이동시키면서 조사한 효과를 얻을 수 있고, 이와 같이 하여 조사되는 레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 스테이지 이송 수단(123)에 의해 스테이지(121)를 이송시킴으로써, 대상물의 가공 속도를 증대시킬 수 있다.The
이상에서 설명한 폴리곤 미러를 이용한 레이저 가공 장치에서, 레이저 빔은 폴리곤 미러 반사면의 길이방향 중앙으로 정확히 입사되어야 대상물을 오차 없이 가공할 수 있다. 그런데, 레이저 빔이 폴리곤 미러로 정확히 입사되더라도 폴리곤 미러의 반사면이 균일하지 않으면 반사각이 틀어지는 현상이 발생하게 된다. 즉, 폴리곤 미러가 갖고 있는 다이나믹 트랙(Dynamic track)에 의해 폴리곤 미러로부터 반사되는 레이저 빔이 대상물에 정확히 조사되지 않게 된다. 이는 대상물 가공시 에러를 방생시키고, 생산 수율 및 신뢰성이 저하되는 문제를 야기하므로, 대상물 가공 전에 폴리곤 미러의 에러를 미리 측정하여 오차를 분석하고, 실제 대상물 가공시 폴리곤 미러로 입사되는 레이저 빔의 방향을 기 분석된 오차값에 따라 조정함으로써, 레이저 가공 장치의 에러를 보상하는 것이 중요하다.In the laser processing apparatus using the polygon mirror described above, the laser beam must be accurately incident to the longitudinal center of the polygon mirror reflection surface to process the object without error. By the way, even if the laser beam is correctly incident to the polygon mirror, if the reflective surface of the polygon mirror is not uniform, the reflection angle is distorted. In other words, the laser beam reflected from the polygon mirror by the dynamic track of the polygon mirror is not accurately irradiated to the object. This causes errors in machining the object, lowers production yield and reliability. Therefore, the error of the polygon mirror is measured in advance before the object is processed to analyze the error, and the direction of the laser beam incident on the polygon mirror when the object is actually processed. It is important to compensate the error of the laser processing apparatus by adjusting the value according to the previously analyzed error value.
도 10은 오차 보정 기능을 갖는 폴리곤 미러를 적용한 레이저 가공 장치의 구성도이다.10 is a configuration diagram of a laser processing apparatus to which a polygon mirror having an error correction function is applied.
본 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치에 더 하여, 제어부(101)의 제어에 따라 폴리곤 미러의 오차를 분석하는 오차 보정 수단(125), 폴리곤 미러(115-1)에 장착되는 인코더(127), 오차 보정 수단(125)에서 분석한 오차값에 따라 제어부(101)의 제어에 의해 빔 분할 수단(105)에서 출사되는 레이저 빔의 조사 방향을 보정하기 위한 미러(202)가 장착되는 엑츄에이터(200)를 더 포함한다.In the laser processing apparatus according to the present embodiment, in addition to the laser processing apparatus shown in FIG. 1, the error correction means 125 and the polygon mirror 115-1 analyzing the error of the polygon mirror under the control of the
이러한 구성을 갖는 레이저 가공장치에서, 폴리곤 미러(115-1)의 오차를 미리 측정하기 위하여 레이저 가공장치를 시험 가동한다. 즉, 제어부(101)의 제어에 따라서 드라이버(107)에 의해 폴리곤 미러(115-1)를 회전시키고, 레이저 발생 수단(103)에서 출사되는 낮은 에너지(실제 대상물 가공시의 에너지보다 낮은 에너지)의 레이저 빔을 빔 분할 수단(105)을 통해 분할하여 폴리곤 미러(115-1)로 주사한다.In the laser processing apparatus having such a configuration, the laser processing apparatus is tested in order to measure the error of the polygon mirror 115-1 in advance. That is, the polygon mirror 115-1 is rotated by the
이에 따라, 폴리곤 미러(115-1)로 입사되는 레이저 빔은 드라이버(107)에 의해 회전하는 폴리곤 미러(115-1)의 반사면(12)에서 광학계(117) 방향으로 반사된다. 이어서, 광학계(117)는 반사면(12)으로부터 반사되는 레이저 빔을 집광하여 시험 대상물에 수직 조사된다.Accordingly, the laser beam incident on the polygon mirror 115-1 is reflected in the direction of the
폴리곤 미러(115-1)의 반사면에 오차가 존재하는 경우 시험 대상물에는 레이저 빔이 직선으로 조사되지 않는 결과를 얻게 될 것이며, 운용자는 시험 대상물 가공 결과를 이용하여 폴리곤 미러의 각 반사면에서의 에러를 측정하고, 그 결과를 입력부(109)를 통해 오차 보정 수단(125)으로 입력한다. 이때, 폴리곤 미러의 오차를 정확하게 측정하기 위하여, 시험 가동을 다수회 실시하여 오차를 측정하는 것 이 바람직하다. 한편, 레이저 빔의 에너지를 매우 낮게 제어하여 조사하는 경우에는 시험 대상물의 가공 결과가 아닌, 시험 대상물에 조사되는 레이저 빔의 파형을 이용하여 에러를 측정할 수 있다.If an error exists in the reflecting surface of the polygon mirror 115-1, the test object will not be irradiated with the laser beam in a straight line, and the operator can use the result of processing the test object to The error is measured, and the result is input to the error correction means 125 through the
오차 보정 수단(125)은 측정된 폴리곤 미러의 오차값을 참조하여 폴리곤 미러 각 반사면에서의 오차 보상값, 즉 레이저 빔의 입사각 조정값을 산출하고, 이를 저장부(113)에 저장한다.The error correction means 125 calculates an error compensation value, that is, an incident angle adjustment value of the laser beam, on each reflection surface of the polygon mirror with reference to the measured error value of the polygon mirror, and stores it in the
이와 같이, 시험 가동을 통해 폴리곤 미러의 오차를 분석해 둔 후에는 실제 대상물 가공을 수행할 수 있게 된다. 실제 대상물 가공시 폴리곤 미러(115-1)에 부착된 인코더(127)는 폴리곤 미러(115-1)의 위치 및 속도 정보를 전기적 신호로 변환하여 제어부(101)로 출력하며, 제어부(101)는 인코더(127)로부터 입력되는 폴리곤 미러의 반사면에 대응하는 오차 보상값을 추출하여 엑츄에이터(200)를 구동한다. 즉, 레이저 빔이 조사될 폴리곤 미러의 반사면에 오차가 존재하여 레이저 빔의 반사각이 틀어져 가공 대상물에 정확히 조사되지 않는 것을 방지하기 위하여, 엑츄에이터(200)에 의해 미러(202)의 방향을 변경하여 폴리곤 미러 반사면에 대한 레이저 빔의 입사각을 조정함으로써, 반사면에서 반사되는 레이저 빔의 각도가 항상 동일하도록 제어하는 것이다.In this way, after analyzing the error of the polygon mirror through the test operation, it is possible to perform the actual object processing. The
여기에서, 인코더(127)는 회전운동 검출용 센서인 로터리 인코더로 구현할 수 있다. 로터리 인코더에는 광원과 광전소자를 이용하여 회전하는 회전축에 스케일판을 부착해 회전 변위를 검출하는 센서인 광학식 로터리 인코더, 또는 자기식 회전 센서를 장착하여 회전 변위를 검출하는 센서인 자기식 로터리 인코더가 있다.Here, the
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 폴리곤 미러를 적용한 경우, 대상물로 조사되는 레이저 빔이 큰 에너지(약 10W)를 갖게 되면, 대상물의 동일한 가공 위치에 레이저 빔이 과입열되어 대상물이 손상되고, 이에 따라 대상물 가공시의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 레이저 가공 장치에서는 포인트 빔이 아닌 지정된 구경을 갖는 레이저 빔을 사용하는 것이 일반적인데, 이 경우 폴리곤 미러 반사면의 모서리 부분에 레이저 빔이 입사되게 되면 레이저 빔의 일부가 손실되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 대하여 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.On the other hand, when the polygon mirror is applied by the laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention, if the laser beam irradiated to the object has a large energy (about 10 W), the laser beam is overheated at the same processing position of the object. As a result, the object may be damaged, thereby lowering reliability in processing the object. In addition, in the laser processing apparatus, it is common to use a laser beam having a designated aperture, not a point beam. In this case, when the laser beam is incident on the edge of the polygon mirror reflection surface, part of the laser beam may be lost. have. This will be described with reference to FIG. 11 as follows.
도 11은 폴리곤 미러의 반사면 모서리 부분에서 에너지 손실이 발생하는 현상을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 11 is a diagram for describing a phenomenon in which energy loss occurs at a corner of a reflection surface of a polygon mirror.
도시한 것과 같이, 폴리곤 미러(115-1)로 지정된 구경을 갖는 레이저 빔이 입사되고, 폴리곤 미러(115-1)의 회전에 따라 지정된 구경을 갖는 레이저 빔이 반사면(12)의 모서리 부분에 입사되는 경우, 레이저 빔의 일부(에너지 감쇄 레이저 빔; A)는 반사면(12)에서 반사되어 광학계(117)로 입사되는 반면, 나머지 레이저 빔(손실 레이저 빔; B)은 반사면(12')으로 입사되기 때문에 광학계(117)로 입사되지 않게 된다.As shown, a laser beam having an aperture designated by the polygon mirror 115-1 is incident, and a laser beam having an aperture designated by the rotation of the polygon mirror 115-1 is applied to the corner portion of the
이에 따라, 광학계(117)는 에너지 감쇄 레이저 빔(A)만을 집광하여 스테이지(121) 상의 대상물(119)에 조사하므로, 이 가공 위치에서의 가공효율과 대상물(119)의 다른 가공 위치에서의 가공율에 차이가 나게 되고, 결국 대상물(119)을 균일하게 가공할 수 없어 공정의 신뢰성이 저하되게 된다. 또한, 폴리곤 미러 반 사면의 모서리 부분에서 레이저 빔의 에너지가 손실되어 자원이 낭비되게 된다.Accordingly, since the
따라서, 본 실시예에서는 입사되는 레이저 빔의 구경이 폴리곤 미러의 2개 이상의 반사면을 커버리지하도록 반사면의 수가 제어되어 제작되는 폴리곤 미러를 이용한다.Therefore, in the present embodiment, a polygon mirror is used in which the number of reflecting surfaces is controlled so that the aperture of the incident laser beam covers two or more reflecting surfaces of the polygon mirror.
도 12a 및 12b는 레이저 빔의 입사에 따른 폴리곤 미러에서의 에너지 손실 관계를 설명하기 위한 도면이다.12A and 12B are diagrams for explaining an energy loss relationship in a polygon mirror according to incidence of a laser beam.
도 12a를 참조하면, 폴리곤 미러(115-1)의 일 반사면의 모서리 부분으로 지정된 구경(D)을 갖는 레이저 빔이 입사되어 반사되는 경우, 레이저 빔의 일부(에너지 감쇄 레이저 빔; A)는 반사면(12)으로 입사되는 반면, 나머지(손실 레이저 빔; B)는 반사면(12')으로 입사된다. 따라서, 반사면(12)으로 입사되는 레이저 빔은 반사면(12')로 입사되는 레이저 빔만큼 에너지가 감쇄된 상태로 반사면(12)으로부터 반사된다.Referring to FIG. 12A, when a laser beam having an aperture D designated as a corner portion of one reflective surface of the polygon mirror 115-1 is incident and reflected, a part of the laser beam (energy attenuation laser beam; A) is While incident on the reflecting
한편, 폴리곤 미러(115-1)의 일 반사면에 의해 가공되는 전체 스캐닝 길이에 대한, 에너지 손실 레이저 빔(A)에 의해 가공되는 스캐닝 길이의 비율을 산출하기 위하여, 폴리곤 미러(115-1)에 외접원(13)을 그리고, 에너지 손실 레이저 빔(A)이 폴리곤 미러의 외접원(13)과 만나는 점을 폴리곤 미러(10)의 중심(즉, 회전축; 11)과 연결한다. 이와 같이 하여 얻어지는 각도를 손실각(tθ)이라 칭하기로 한다. 다음으로, N개의 반사면을 갖는 폴리곤 미러(115-1)의 일 반사면에 대한 손실되는 부분이 차지하는 비율(이하, '손실률'이라 함)에 대하여 설명하면 다음과 같다.On the other hand, in order to calculate the ratio of the scanning length processed by the energy loss laser beam A with respect to the entire scanning length processed by one reflective surface of the polygon mirror 115-1, the polygon mirror 115-1 The circumscribed
도 12a에서, 폴리곤 미러(115-1)의 외접원(13)과 일 반사면의 양 끝이 만나는 점을 회전축과 연결하여 얻어지는 부채꼴의 호의 길이 즉, 레이저 빔이 조사되는 폴리곤 미러의 일 반사면에 대한 호의 길이(C1)는 수학식 7과 같다.In FIG. 12A, the length of a fan-shaped arc obtained by connecting the point where the
또한, 손실각 부분에 대한 호의 길이(C2)는 수학식 8과 같으며, 수학식 8은 특히 손실각 부분에 대한 최대 호의 길이를 나타낸다.Further, the length C2 of the arc for the loss angle portion is equal to Equation 8, and Equation 8 particularly represents the maximum arc length for the loss angle portion.
손실각 부분에 대한 호의 길이(C2)는 폴리곤 미러가 회전함에 따라 변화하는 값으로서, 레이저 빔이 폴리곤 미러의 모서리 부분을 포함하지 않고 조사되는 경우에는 손실 레이저 빔이 존재하지 않으므로 손실률은 0이 되고, 폴리곤 미러가 회전하여 레이저 빔이 폴리곤 미러의 모서리 부분을 포함하여 조사되기 시작하면, 손실률은 점차 증가하다가 수학식 8과 같은 최대값을 나타낸 후 다시 점차 감소하게 된다.The arc length (C2) for each loss part is a value that changes as the polygon mirror rotates. When the laser beam is irradiated without including the edge portion of the polygon mirror, the loss ratio becomes zero since the loss laser beam does not exist. When the polygon mirror is rotated and the laser beam starts to be irradiated including the edge portion of the polygon mirror, the loss rate gradually increases and then decreases again after the maximum value as shown in Equation (8).
아울러, 폴리곤 미러의 일 반사면에서 에너지가 감쇄되어 반사되는 부분의 백분율(tr, 이하, '손실률'이라 함)은 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.In addition, the percentage of the portion where the energy is attenuated and reflected on one reflective surface of the polygon mirror (t r , Hereinafter, 'loss ratio' may be expressed as in Equation 9.
또한, 손실각(tθ)은 수학식 10과 같이 나타낼 수 있고, 도 12b에 도시한 폴리곤 미러의 중심으로부터 반사면에 조사된 레이저 빔의 중심까지의 수직 거리(h)는 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the loss angle t θ can be expressed by Equation 10, and the vertical distance h from the center of the polygon mirror shown in FIG. 12B to the center of the laser beam irradiated to the reflecting surface is expressed by
여기에서, R은 폴리곤 미러 외접원의 반지름의 길이를 나타낸다. 한편, 도 12b에 도시한 것과 같이, 입사되는 레이저 빔에 대한 폴리곤 미러의 일 반사면에서의 스캐닝 각도(θ)는 수학식 12와 같다.Here, R represents the length of the radius of the polygon mirror circumscribed circle. Meanwhile, as shown in FIG. 12B, the scanning angle θ at one reflection surface of the polygon mirror with respect to the incident laser beam is expressed by
표 1은 폴리곤 미러의 일 반사면에서의 손실률과 분할되는 빔의 수와의 관계를 나타낸다. 손실률이 100% 미만이라는 것은 상기 수학식에서 C2가 C1보다 작은 경우 즉, 레이저 빔이 1개의 반사면을 커버리지하여 입력되는 경우를 의미하고, 손 실률이 100% 이상이라는 것은 상기 수학식에서 C2가 C1보다 큰 경우 즉, 입사되는 레이저 빔이 2개 이상의 반사면을 커버리지하여 입력되는 경우를 의미한다.Table 1 shows the relationship between the loss factor at one reflective surface of the polygon mirror and the number of beams split. A loss rate of less than 100% means that C2 is smaller than C1 in the above equation, that is, a laser beam is input by covering one reflecting surface, and a loss rate of 100% or more means that C2 is higher than C1 in the above equation. In other words, it means that the incident laser beam is input by covering two or more reflection surfaces.
손실률이 0 내지 99인 경우에는 레이저 빔이 폴리곤 미러의 반사면에 입사된 후 1 또는 2개로 분할되고, 손실률이 100 내지 199인 경우에는 레이저 빔이 2 또는 3개로 분할되며, 손실률이 200 내지 299인 경우에는 레이저 빔이 3 또는 4개로 분할되게 된다. 즉, 손실률이 증가할수록 분할되는 빔의 수가 증가하는 것이다. 또한, 레이저 빔이 2 또는 3개로 분할되는 경우는 레이저 빔의 구경(D)이 폴리곤 미러 반사면의 2개의 모서리를 커버리지할 수 있는 크기로 입사되는 경우이고, 레이저 빔이 3 또는 4개로 분할되는 경우는 레이저 빔의 구경(D)이 폴리곤 미러 반사면의 3개의 모서리를 커버리지할 수 있는 크기로 입사되는 경우이다.If the loss ratio is 0 to 99, the laser beam is divided into one or two after being incident on the reflecting surface of the polygon mirror, and if the loss ratio is 100 to 199, the laser beam is divided into two or three, and the loss ratio is 200 to 299 In this case, the laser beam is divided into three or four. In other words, as the loss rate increases, the number of split beams increases. Further, when the laser beam is divided into two or three, the aperture D of the laser beam is incident to a size that can cover the two edges of the polygon mirror reflection surface, and the laser beam is divided into three or four. The case is where the aperture D of the laser beam is incident with a size that can cover the three edges of the polygon mirror reflecting surface.
상기에서, 레이저 빔이 1 또는 2개로 분할되는 것은 폴리곤 미러 및 레이저 빔의 특성상 폴리곤 미러가 회전함에 따라, 반사면의 모서리 부분에 조사된 레이저 빔이 반사되는 현상으로써 유효한 빔 분할로 간주하기 어렵고, 레이저 빔이 2 또는 3개, 3 또는 4개 및 그 이상으로 분할되는 경우를 유효한 빔 분할 현상으로 볼 수 있다.In the above, the splitting of the laser beam into one or two is a phenomenon in which the laser beam irradiated to the edge portion of the reflective surface is reflected as the polygon mirror and the polygon mirror rotate due to the characteristics of the polygon mirror and the laser beam, and thus it is difficult to regard it as an effective beam splitting. The case where the laser beam is divided into two or three, three or four and more can be regarded as an effective beam splitting phenomenon.
상기 수학식 9 내지 수학식 11에서 알 수 있는 것과 같이, 손실률 즉, 분할되는 빔의 개수는 반사면의 수(N)가 증가할수록, 입력되는 레이저 빔의 구경(D)이 증가할수록, 폴리곤 미러 외접원의 반지름의 길이(R)가 감소할수록 증가하게 된다. 또한, 수학식 12에서 알 수 있는 것과 같이 반사면의 수(N)가 증가할수록 폴리곤 미러의 일 반사면에서의 스캐닝 각도가 점차 줄어들게 되므로, 결과적으로 폴리곤 미러의 일 반사면에서 분할 반사되는 레이저 빔은 모두 광학계(117)에 의해 집광될 수 있게 된다.As can be seen from Equation 9 to
이와 같이 레이저 빔이 분할되어 대상물에 조사되게 되면 낮은 에너지로 동일한 가공면을 동시에 다수회 조사하는 효과를 얻을 수 있어, 대상물 가공 품질을 향상시킬 수 있음은 물론 수율을 향상시킬 수 있게 된다.As such, when the laser beam is divided and irradiated to the object, the effect of irradiating the same processing surface with multiple times at the same time with low energy can be obtained, thereby improving the processing quality of the object as well as improving the yield.
도 13은 레이저 빔이 폴리곤 미러의 복수의 반사면을 커버리지하도록 입사되는 경우 폴리곤 미러를 이용한 대상물 가공 개념을 설명하기 위한 도면으로, 설명의 편의를 위하여 폴리곤 미러를 확대하고 그 일부를 도시하였다.FIG. 13 is a view for explaining a concept of processing an object using a polygon mirror when a laser beam is incident to cover a plurality of reflective surfaces of the polygon mirror. The polygon mirror is enlarged and partially illustrated for convenience of description.
도시한 것과 같이 지정된 구경(D)을 갖는 레이저 빔을 복수개의 반사면을 갖는 폴리곤 미러에 조사한다. 이때, 레이저 빔이 예를 들어, 폴리곤 미러의 3개의 반사면을 커버리지하여 조사될 수 있도록 폴리곤 미러를 구현한다. 즉, 손실률이 100 내지 199%가 되도록 폴리곤 미러의 반사면 수를 제어하여 구현하는 것이다.As shown in the drawing, a laser beam having a designated aperture D is irradiated to a polygon mirror having a plurality of reflective surfaces. In this case, the polygon mirror is implemented so that the laser beam can be irradiated by covering the three reflective surfaces of the polygon mirror, for example. That is, by controlling the number of reflection surfaces of the polygon mirror so that the loss ratio is 100 to 199%.
지정된 구경(D)으로 레이저 빔이 입사되면, 이 레이저 빔은 폴리곤 미러(115-1)의 반사면 N1 및 N2의 전체와 N3의 일부에 조사된다. 반사면(N1)으로 조사되는 레이저 빔은 광학계(117)에서 집광되어 스테이지(121) 상에 안착된 대상물(119)에 조사되고, 폴리곤 미러가 회전함에 따라 해당 반사면(N1)에서의 스캐닝 각도 범위 내에서 대상물(119)을 가공하게 된다. 반사면(N2)에 조사되는 레이저 빔 및 반사면(N3)의 일부에 입사되는 레이저 빔 또한 동일한 원리에 의해 대상물(119)에 조사된다.When the laser beam is incident on the designated aperture D, the laser beam is irradiated to all of the reflecting surfaces N1 and N2 and a part of N3 of the polygon mirror 115-1. The laser beam irradiated onto the reflecting surface N1 is irradiated to the
이와 같이, 포인트 빔이 아닌 지정된 구경을 갖는 레이저 빔을 이용하여 대상물을 가공할 때, 레이저 빔이 폴리곤 미러의 복수개의 반사면을 커버리지하여 입사되도록 폴리곤 미러의 반사면 수를 제어함으로써 레이저 빔을 다수개로 분할할 수 있으며, 분할된 레이저 빔 각각에 의해 대상물의 가공면을 동시에 다수회 조사할 수 있게 된다.As described above, when processing an object using a laser beam having a specified aperture rather than a point beam, the laser beam is controlled by controlling the number of reflection surfaces of the polygon mirror so that the laser beam is incident on the plurality of reflection surfaces of the polygon mirror. It can be divided into pieces, and each of the divided laser beams can irradiate the processed surface of the object multiple times at the same time.
특히, 본 발명에서는 폴리곤 미러(115-1)로 레이저 빔을 입사시키기 전, 빔 분할 수단(105)에 의해 레이저 빔을 복수개로 분할한 상태이므로, 낮은 에너지로, 대상물의 가공 부위에 레이저 빔을 복수회 조사한 결과를 얻을 수 있으며, 복수개의 레이저 빔이 동시에 입사되므로 가공 속도를 빔 분할 전의 수준으로 유지하면서 좁은 선폭으로 가공이 가능해지고, 가공 후 품질 또한 보장할 수 있다.In particular, in the present invention, since the laser beam is divided into a plurality of pieces by the beam dividing means 105 before the laser beam is incident on the polygon mirror 115-1, the laser beam is applied to the processed portion of the object with low energy. A plurality of irradiation results can be obtained, and since a plurality of laser beams are incident at the same time, processing can be performed at a narrow line width while maintaining the processing speed at the level before beam splitting, and the quality after processing can also be guaranteed.
도 14은 AOD를 적용한 경우, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도이다.14 is a configuration diagram of the laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention when AOD is applied.
음향-광학 디플렉터(Acousto-Optic Deflector; AOD)는 미세 면적을 고속으로 스캐닝할 수 있는 광학 구동 장치이다.The Acousto-Optic Deflector (AOD) is an optical drive capable of scanning microscopic areas at high speed.
레이저 스캐닝 시스템에서는 레이저 빔을 원하는 위치에 정밀히 맞춰 주어야 하며, 현재는 갈바노 스캐닝 미러나 폴리곤 미러 등이 주로 이용되고 있다. 그런데, 이러한 광학 구동장치들은 위치 정밀도를 수 ㎛ 이하 분해능까지 높이기 힘들고, ㎑의 스캐닝 주파수를 가지므로, 최근의 50㎑ 이상의 레이저 빔 PRF(Pulse Repetition Frequency; PRF)와 연동시 속도 제약을 가져오게 된다.In a laser scanning system, the laser beam must be precisely adjusted to a desired position. Currently, a galvano scanning mirror or a polygon mirror is mainly used. However, these optical driving devices are difficult to increase the position accuracy to a resolution of several μm or less, and have a scanning frequency of ㎑, resulting in speed constraints when interlocked with a laser beam PRF (PRF) of more than 50 kHz recently. .
광학 구동장치에서의 이러한 정밀도 및 속도의 한계를 극복하기 위해 음향-과학(Acousto-Optic) 기술을 응용한 AOD를 이용하여 레이저 가공 장치를 구현할 수 있으며, 이를 도 14에 도시하였다.In order to overcome this limitation of precision and speed in the optical drive device, a laser processing apparatus may be implemented using AOD using acoustic-optic technology, which is illustrated in FIG. 14.
도 14에 도시한 레이저 가공 장치는 도 1에 도시한 것과 달리, 고주파(RF) 드라이버(300) 및 AOD(302)를 포함한다.The laser processing apparatus shown in FIG. 14 includes a high frequency (RF)
현재, 레이저의 Q-스위칭 발진용으로 주로 사용되고 있는 음향-광학 변조기(Acousto-Optic Modulator)는 ㎒의 고주파 드라이버로 구동된다. 여기에서, Q-스위칭이란 레이저 광 펄스 출력 빔을 만드는 기법의 하나이다. 레이저 공진기의 Q값(공진값)이 떨어진 상태에서 여기하여 레이저 매질에 충분한 에너지를 축정한 후 갑자기 Q값을 올리면 발진이 시작되어 축적되었던 에너지는 빠르고 예리한 광 펄스로 방출된다. 레이저에서 Q-스위칭을 이용하면 수 GW의 출력을 얻을 수 있다.Currently, an acoustic-optic modulator, which is mainly used for Q-switching oscillation of lasers, is driven by a high frequency driver of MHz. Here, Q-switching is one of the techniques for making a laser light pulse output beam. When the Q value (resonance value) of the laser resonator is dropped, the energy is accumulated in the laser medium, and the Q value is suddenly raised. Then, the oscillation starts, and the accumulated energy is released as a quick and sharp light pulse. Using Q-switching in the laser yields several GW of power.
이러한 음향-광학 변조기에서 고주파 입력 신호를 2개로 하면서 위상차를 조절해 두면, 음파의 소, 밀 경계파면을 작은 각도로 회전하는 레이저 빔이 출력되게 된다.In such an acoustic-optic modulator, when the phase difference is adjusted with two high frequency input signals, a laser beam that rotates the small and wheat boundary waves of sound waves at a small angle is output.
따라서, 본 실시예에 의한 레이저 가공 장치에서는 RF 드라이버(300)를 통해 AOD(302)로 2개의 고주파 신호(예를 들어, 80㎒의 신호)를 입력한다. 그러면, AOD(302)를 통해 음파가 진행하고, 빔 분할 수단(105)으로부터 입력된 레이저 빔은 RF 드라이버(300)를 통해 입력된 고주파 신호의 주파수에 따라 결정되는 스캐닝 각도 사이를 회전하는 형태로 출력되게 된다.Therefore, in the laser processing apparatus according to the present embodiment, two high frequency signals (for example, a signal of 80 MHz) are input to the
AOD를 이용하게 되면, 폴리곤 미러를 이용하는 경우에 비하여 10배 이상의 정밀도, 100배 이상의 속도로 대상물을 가공할 수 있다. 또한, ㎒ 스캐닝이 가능하기 때문에 PRF에 비해 100배 이상의 빠른 주파수를 가지므로, 가공 구간에 걸쳐 감가속 구간에 관계 없이 각 위치에 균일하게 레이저 빔을 조사할 수 있게 된다.When AOD is used, the object can be processed at a speed of 10 times or more and 100 times or more than a polygon mirror. In addition, since the MHz scanning is possible, the frequency is 100 times faster than that of the PRF, and thus the laser beam can be uniformly irradiated at each position regardless of the deceleration / deceleration section over the processing section.
레이저 빔 분할 및 빔 성형 기능을 갖는 레이저 가공 장치Laser processing device with laser beam splitting and beam shaping function
대상물에 레이저 빔을 조사하게 되면 레이저 빔의 조사 부위가 제거되게 되며, 이때 발생하는 부산물은 절단면의 수직 방향으로 배출되게 된다. 대상물의 리세스 깊이가 깊지 않은 경우에는 부산물이 외부로 배출되는 것이 용이하지만, 리세스 깊이가 깊어질수록 레이저 빔 조사에 의해 승화 또는 기화되는 부산물이 외부로 배출되지 못하고 대상물 벽면에 응축(condensation)되고 재 침착(recast)되는 문제가 있다.When the laser beam is irradiated onto the object, the irradiated portion of the laser beam is removed, and the by-products generated are discharged in the vertical direction of the cutting plane. When the depth of the object is not deep, the by-products are easily discharged to the outside, but as the depth of the recess increases, the by-products sublimated or vaporized by the laser beam irradiation are not discharged to the outside and condensation is formed on the wall of the object. And recast.
이와 같이 부산물이 재 침착되어 대상물 절단 효율이 저하되는 문제는 대상물의 절단 폭을 넓힘으로써 해결할 수 있을 것으로 유추할 수 있다. 즉, 대상물의 절단 폭을 향상시키면 부산물의 외부 배출량이 높아지게 되어 대상물의 절단면에 재침착되는 부산물의 양을 최소화할 수 있을 것이다. 그러나, 대상물 절단폭을 증가시키게 되면 레이저 빔의 초점을 확대해야 하기 때문에 빔의 집속 강도(beam intensity)가 저하되어 절단폭은 넓어지지만 부산물의 제거 효율이 저하되고 대상물이 완전히 절단되지 않는 단점이 있다. 즉, 빔의 집속 강도는 조사 면적당 레이저 빔의 세기로 나타내어지는데, 빔의 초점 면적을 확대하면 그만큼 조사 면적이 증가하므로 결과적으로 빔의 집속 강도가 낮아지게 되는 것이다. 또한, 미세 가공이 필요한 대상물의 경우에는 절단폭을 증가시키는 데 한계가 있으므로, 이러한 방법에 의해서는 레이저 가공시 발생하는 부산물을 효과적으로 제거할 수 없다.As such, the problem that the by-products are re-deposited and the cutting efficiency of the object is lowered can be inferred to be solved by widening the cutting width of the object. In other words, by increasing the cutting width of the object will increase the external emissions of the by-products will be able to minimize the amount of by-products redeposited on the cutting surface of the object. However, if the cutting width of the object is increased, the focus of the laser beam must be enlarged, so the beam intensity of the beam is lowered and the cutting width is widened, but the removal efficiency of the by-products is reduced and the object is not completely cut. . That is, the focusing intensity of the beam is represented by the intensity of the laser beam per irradiation area. As the focal area of the beam is enlarged, the irradiation area increases by that amount, so that the focusing intensity of the beam is lowered. In addition, in the case of an object requiring fine processing, there is a limit in increasing the cutting width, and by this method, by-products generated during laser processing cannot be effectively removed.
한편, 대상물 절단시에는 대상물이 장착된 스테이지를 스테이지 이송 장치를 통해 이동시키면서 대상물에 레이저 빔을 조사할 수 있는데, 이로 인하여 실제로는 레이저 빔을 수직 조사하지만 결과적으로는 레이저 빔이 비스듬한 위치에서 조사되는 것과 같은 현상이 나타나게 된다. 이러한 현상은 대상물의 이송 속도가 빠를수록 더욱 크게 나타난다.On the other hand, when cutting an object, it is possible to irradiate a laser beam on the object while moving the stage on which the object is mounted through the stage transporting device. This actually irradiates the laser beam vertically, but as a result, the laser beam is irradiated at an oblique position. The same phenomenon will appear. This phenomenon appears larger as the object feeding speed is faster.
도 15는 대상물을 이송시키면서 레이저를 이용하여 대상물 가공시 부산물이 배출되는 것을 설명하기 위한 도면이다.15 is a view for explaining that by-products are discharged when the object is processed using a laser while transporting the object.
도시한 것과 같이, 대상물을 이동시키면서 레이저 빔을 조사하는 경우 레이저 빔을 대상물에 비스듬히 조사한 것과 같은 결과가 나타나고, 이에 따라 대상물의 절단면이 레이저 빔의 조사 방향(대상물 이송 방향과 반대 방향)으로 기울어진 사선 형상을 갖는 것을 알 수 있다. 대상물 절단시 발생하는 부산물(E)은 절단면의 수직 방향으로 배출되므로 이 경우 부산물(E)의 배출이 용이해짐을 알 수 있다.As shown, when the laser beam is irradiated while moving the object, the result is that the laser beam is obliquely irradiated onto the object, and accordingly, the cutting plane of the object is inclined in the irradiation direction of the laser beam (the direction opposite to the object conveyance direction). It turns out that it has a diagonal shape. By-product (E) generated when cutting the object is discharged in the vertical direction of the cutting surface in this case it can be seen that the discharge of the by-product (E) is easy.
이와 같이, 대상물의 절단면이 외부를 향하는 기울기를 갖는 경우 부산물의 배출이 용이해지며, 이러한 효과는 기울기가 낮을수록 크게 나타날 것이다. 그러나 대상물의 이송 속도를 증가시키게 되면 빔의 집속 강도가 낮아져 대상물이 절단되지 않게 되고 용융되는 데 그치게 되며, 스테이지 이송 장치가 고속으로 이동함에 따라 대상물이 흔들리는 등 공정 분위기가 불안정하게 되는 단점이 있다.As such, when the cut surface of the object has an inclination toward the outside, the by-products are easily discharged, and the effect will be greater as the inclination is lower. However, if the conveying speed of the object is increased, the focusing intensity of the beam is lowered so that the object is not cut and melted, and the process atmosphere becomes unstable, such as the object being shaken as the stage conveying apparatus moves at a high speed.
따라서, 본 발명은 대상물에 조사하는 레이저 빔의 형상을 타원으로 성형할 수 있는 레이저 가공 장치를 제시한다.Therefore, this invention provides the laser processing apparatus which can shape the shape of the laser beam irradiated to an object to ellipse.
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도이다.16 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
본 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하는 제어부(101), 지정된 구경의 레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생 수단(103), 레이저 발생 수단(103)에서 출사되는 레이저 빔을 적어도 둘 이상으로 분할하는 빔 분할 수단(105), 미러(129)를 구동하는 드라이버(107), 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하기 위한 입력부(109), 작동 상태 등의 정보를 표시하기 위한 출력부(111), 데이터 저장을 위한 저장부(113), 빔 분할 수단(105)으로부터 출사되는 레이저 빔을 대상물 상의 가공 부위로 반사시키는 미러(129), 미러(129)에서 반사된 레이저 빔을 집광하여 대상물 상에 조사하는 광학계(117), 광학계(117)를 통과한 레이저 빔의 형상을 각각 타원으로 변형하기 위한 적어도 둘 이상의 빔 성형부(131-1, 131-2; 131) 및 대상물(119)이 가공되는 동안 스테이지(121)를 레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 적어도 1회 이송시키는 스테이지 이송 수단(123)을 포함한다.The laser processing apparatus according to the present embodiment includes at least two laser beams emitted from the
여기에서, 미러(129)는 폴리곤 미러로 구성할 수 있으며, 광학계(117)는 집광 렌즈로 구성할 수 있다. 미러(129)를 폴리곤 미러로 구성하는 경우, 도 10에 도시한 것과 오차 보정 수단(125), 인코더(127), 엑츄에이터(200) 등에 의해 오차를 보정할 수 있음은 물론이다.The
또한, 빔 성형부(131)는 도 17과 같이 예를 들어, 제 1 원통형 렌즈(1310) 및 제 2 원통형 렌즈(1320)로 구성할 수 있다. 제 1 원통형 렌즈(1310)는 장초점 렌즈로서 레이저 빔을 단면광으로 변형하고, 제 2 원통형 렌즈(1311)는 단초점 렌즈로서 제 1 원통형 렌즈(1310)와 투과 방향이 수직이 되도록 지정된 거리만큼 이격되어 설치되어, 제 1 원통형 렌즈(1310)로부터 투과된 단면광을 타원형의 빔으로 변형하여 투과한다. 또한, 제 1 원통형 렌즈(1310)의 위치를 상하로 조절함으로써, 가공 대상 표면에 조사되는 빔의 크기를 변경할 수 있다.In addition, as illustrated in FIG. 17, the
타원형 레이저 빔의 크기는 레이저 빔의 출력이 증가됨에 따라 장축의 길이가 증가되도록 하며, 반대로 출력이 저하되면 장축의 길이를 작게 한다. 즉, 레이저 빔의 출력에 따라 초점면의 크기를 변경하여 빔의 집속 강도가 유지될 수 있도록 하여야 한다.The size of the elliptical laser beam is to increase the length of the long axis as the output of the laser beam is increased, on the contrary, if the output is reduced, the length of the long axis is reduced. That is, the focal plane size should be changed according to the output of the laser beam to maintain the focusing intensity of the beam.
도 17에서는 빔 성형부(131)를 원통형 렌즈를 이용하여 구성한 경우에 대하여 설명하였으나, 레이저 빔의 형태를 타원으로 변형할 수 있는 모든 가능한 소자 중 어느 하나를 이용하여 구성할 수 있음은 물론이다.In FIG. 17, the
도 18은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 레이저 가공 장치를 이용한 대상물 가공시 부산물이 승화하는 것을 설명하기 위한 도면이다.18 is a view for explaining sublimation of by-products during object processing using the laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention.
대상물(119)은 스테이지 이송 장치(123)에 의해 이동되고, 이송 방향과 반대 방향으로 절단이 시작된다. 빔 성형부(131)를 통해 조사되는 레이저 빔은 대상물의 절단면이 사선으로 절단되게 한다. 즉, 대상물의 절단면은 대상물 절단 방향으로 기울어진 사선 형상을 갖게 되는 것이다. 이때, 절단면의 길이는 레이저 빔의 장축의 길이(D1)가 되고, 절단 폭은 레이저 빔의 단축의 길이(D2)가 된다.The
레이저 빔이 타원형으로 조사되어 대상물의 절단면이 사선 형상으로 절단되기 때문에, 절단면에서 발생하는 부산물(E)은 모두 외부로 배출되고 절단부위 하단에 고립되지 않게 된다.Since the laser beam is elliptical and the cutting surface of the object is cut in an oblique shape, all by-products E generated from the cutting surface are discharged to the outside and are not isolated at the lower end of the cutting portion.
상술한 것과 같이, 대상물(119)에 조사되는 타원형 레이저 빔의 크기는 단축과 장축의 길이 비가 1:4 내지 1:12로 하는 것이 바람직하나 절단해야 할 대상물(119)의 총 깊이에 따라 그 비율은 가변될 수 있을 것이다.As described above, the size of the elliptical laser beam irradiated to the
이러한 레이저 가공 장치를 이용하여 대상물(119)을 가공하는 방법은 도 1에서 설명한 것과 유사하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Since the method of processing the
레이저 빔 분할 및 필터링 기능을 갖는 레이저 가공 장치Laser processing unit with laser beam splitting and filtering
도 1에 도시한 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 둘 이상으로 분할함으로써, 그리고 레이저 빔을 빔 스캐너를 통해 조사함과 동시에 대상물을 레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 이송시켜 대상물을 가공함으로써, 가공 효율 및 속도를 향상시킬 수 있는 등의 이점이 있다.The laser processing apparatus shown in FIG. 1 processes the object by dividing the laser beam into two or more and by processing the object by irradiating the laser beam through the beam scanner and simultaneously transferring the object in the direction opposite to the irradiation direction of the laser beam. And the speed can be improved.
도 19a 내지 19d는 일반적인 레이저 가공 장치에서 레이저 빔이 대상물에 반복 조사되는 개념을 설명하기 위한 도면으로, 설명의 편의를 위하여 대상물이 고정되어 있다고 가정하여 설명하기로 한다.19A to 19D are diagrams for describing a concept in which a laser beam is repeatedly irradiated to an object in a general laser processing apparatus, and it will be described on the assumption that the object is fixed for convenience of description.
도시된 것과 같이, 도 19a로부터 도 19d로 이동할수록 빔 스캐너의 미러(도 2의 320)가 점차 기울어지면서 레이저 빔이 대상물(119)에 조사되는 위치가 변화되는 것을 알 수 있다. 레이저 빔은 연속 주사되고 미러(320) 또한 연속 운동하기 때문에, 결과적으로 레이저 빔은 대상물(119)의 가공면에 직선으로 조사되게 되며, 대상물(119) 표면이 직선으로 연속 가공되게 된다(1, 2, 3).As shown in FIG. 19, it can be seen that as the mirror (320 of FIG. 2) of the beam scanner is gradually inclined, the position where the laser beam is irradiated to the
이와 같이 미러(320)가 회전하여 설정된 각도까지 이동한 후에는 다시 도 19d로부터 도 19a 방향으로 역회전한다.After the
그런데, 빔 스캐너의 미러(320)가 지정된 각도로 회전을 반복할 때 회전 반환점에서 레이저 빔이 이동하지 않고 반복 조사되는 결과를 가져온다. 이에 따라 미러의 회전 반환점서 레이저 빔이 조사된 대상물의 가공 영역이 다른 가공 영역보다 깊게 리레스되어 가공 균일성이 저하되게 된다.However, when the
따라서, 본 실시예에서는 미러의 회전 반환점에서 대상물의 가공 불균일성을 해결하기 위하여 마스크를 도입한 레이저 가공 장치를 제시한다.Therefore, the present embodiment proposes a laser processing apparatus incorporating a mask in order to solve the processing nonuniformity of the object at the return point of rotation of the mirror.
도 20은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 개략 구성도이다.20 is a schematic configuration diagram of a laser machining apparatus according to a third embodiment of the present invention.
본 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 도 1에 도시한 구성에 더하여, 빔 스캐너(115)로부터 레이저 빔이 출사될 때 미러(도 2의 320)의 회전 반환점에서 출사되는 레이저 빔을 필터링하기 위한 홀(H)을 포함하는 마스크(400)를 더 포함한다.In addition to the configuration shown in FIG. 1, the laser processing apparatus according to the present embodiment includes a hole for filtering the laser beam emitted at the rotational return point of the mirror (320 of FIG. 2) when the laser beam is emitted from the
여기에서, 마스크(400)는 빔 스캐너(115)와 광학계(117) 사이 또는 광학계(117)와 대상물(119) 사이에 설치될 수 있으며, 금속 등과 같이 레이저 빔을 반사시킬 수 있는 재질 또는 레이저 빔을 흡수할 수 있는 재질을 이용하여 제작된다.Here, the
이와 같은 레이저 가공 장치에서, 빔 스캐너(115) 미러의 회전 반환점에서 조사되는 레이저 빔은 마스크(400)의 홀(H) 주변 영역으로 조사되어 반사되게 되며, 따라서 홀(H)을 통과하여 대상물(119)에 조사되는 레이저 빔은 이동 속도가 0이 되는 지점이 없이 균일하게 조사되게 된다. 즉, 본 실시예에서 마스크(400)는 빔 스캐너(155) 미러(320)의 이동 속도가 0이 되는 지점에서 조사되는 레이저 빔을 반사시키는 역할을 하는 것이다.In such a laser processing apparatus, the laser beam irradiated at the rotational return point of the mirror of the
도 21은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 레이저 가공 장치에 의하여 대상물 표면이 균일하게 가공되는 개념을 설명하기 위한 도면이다.21 is a view for explaining the concept that the object surface is uniformly processed by the laser processing apparatus according to the third embodiment of the present invention.
도시된 것과 같이, 미러(320)가 회전을 반복할 때, 제 1 종단과 제 2 종단에서 미러가 방향을 전환하기 위하여 속도가 0으로 되고, 이 지점에서 대상물의 가공면에 레이저 빔이 과다 조사되는 것을 방지하기 위하여, 홀(H)을 구비한 마스크(400)를 도입하여 제 1 및 제 2 종단에서 출사되는 레이저 빔을 필터링한다.As shown, when the
마스크(400)는 홀(H)의 크기별로 복수개 제작하여 레이저 빔의 주사 폭에 따라 교체하여 사용할 수 있고, 마스크(400)의 홀(H)의 크기가 일정한 경우, 미러의 회전 반환점에서 출사되는 레이저 빔을 필터링하기 위해서는 마스크(400)를 하강 또는 상승시킴으로써 홀(H)로 통과되는 빔의 주사 폭을 조절할 수 있다. 또한, 마스크(400)를 교체하거나 이동시킬 수 없는 경우에는 빔 스캐너(115) 미러(320)의 회전 각도를 조절함으로써 레이저 빔의 주사 폭을 조절할 수 있다.A plurality of
아울러, 이와 같은 마스크(400)는 빔 분할 수단(105)에서 분할되는 빔의 개수만큼 구현하는 것이 바람직하다.In addition, the
레이저 빔 분할 및 대상물 냉각 기능을 갖는 레이저 가공 장치Laser processing unit with laser beam splitting and object cooling
레이저 가공시에는 빔의 집속 부위에서 발생한 파티클이 대상물 표면에 접촉되어 대상물의 성능에 영향을 주게 된다. 이러한 파티클을 제거하기 위하여 대상물을 세정하여야 하는데, 이 경우 대상물이 세정물질에 노출된 상태이기 때문에 또 다른 오류가 발생하는 등의 문제가 있다.In laser processing, particles generated at the focused portion of the beam come into contact with the surface of the object to affect the performance of the object. In order to remove such particles, the object must be cleaned, and in this case, another error occurs because the object is exposed to the cleaning material.
이러한 문제를 해결하기 위해 레이저 빔으로 대상물을 가공하기 전 대상물 표면에 코팅층을 형성하는 방법이 이용되고 있다. 그런데, 코팅층을 형성한 대상물 가공 후, 코팅층을 제거하기 위한 세정공정이 별도로 수반되어야 하고, 코팅층 세정을 위한 세정액 내에는 대상물 가공시 발생한 파티클이 포함되게 되어, 이러한 파티클을 회수하기 위한 별도의 필터 장치가 필요하게 된다.In order to solve this problem, a method of forming a coating layer on the surface of an object before processing the object with a laser beam is used. By the way, after processing the object to form a coating layer, the cleaning process for removing the coating layer should be accompanied separately, and the cleaning liquid for cleaning the coating layer will include particles generated during the object processing, a separate filter device for recovering such particles Will be needed.
따라서, 본 실시예에서는 대상물 가공시 가공 챔버 내의 수증기를 이용하여 대상물 표면을 결빙시키고, 이 결빙층을 코팅층으로 활용함으로써, 대상물 가공 공정을 간단히 하고, 대상물 가공 완료 후 결빙층을 제거하며, 이때 함께 제거된 파티클을 필터를 이용하여 회수함으로써 산업 폐수의 발생을 최소화하도록 한다.Therefore, in the present embodiment, the object surface is frozen using water vapor in the processing chamber when the object is processed, and this ice layer is used as a coating layer, thereby simplifying the object processing process, and removing the freezing layer after the object processing is completed. The removed particles are recovered using a filter to minimize the generation of industrial wastewater.
도 22는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 개략 구성도이다.22 is a schematic configuration diagram of a laser machining apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
도 22에 도시한 레이저 가공 장치는 도 1(또는 도 16)에 도시한 레이저 가공 장치의 구성에 더하여, 열전소자(Thermoelectric Cooling Module; TEC Module)(502), 단열수단(504), 가습 수단(506), 센서(508) 및 해빙 수단(510)을 더 포함하고, 이들은 각각 제어부(101)에 의해 제어된다. 아울러, 대상물(119)은 챔버(500) 내로 로딩된다.In addition to the configuration of the laser processing apparatus shown in FIG. 1 (or FIG. 16), the laser processing apparatus shown in FIG. 22 includes a thermoelectric cooling module (TEC Module) 502, a heat insulating means 504, and a humidification means ( 506,
이와 같은 레이저 가공 장치에서, 열전소자(502)가 냉각을 개시함에 따라 열전소자(502) 상의 스테이지(121)가 냉각되게 되고, 결국 가공 대상물(119)의 온도가 낮아지게 된다. 챔버(500) 내의 온도는 상온이므로 대상물(119)의 온도가 저하됨에 따라 그 온도 차이에 의해 수증기가 응축하여 대상물(119) 표면에 결로가 발생하게 되고, 열전소자(502)가 계속해서 냉각을 계속함에 따라 대상물(119) 표면에 결빙층(135)이 형성되게 된다.In such a laser processing apparatus, as the
이러한 결빙층(135)은 레이저 빔을 이용하여 대상물(119)을 가공할 때 대상물(119) 표면을 보호하고 부수적으로 발생되는 파티클이 대상물(119) 표면에 직접 접촉되는 것을 방지하기 위한 코팅층으로서의 역할을 한다.The freezing
즉, 스테이지(121) 상의 대상물(119)을 열전소자(502)에 의해 냉각시킴으로써, 대상물(119) 상에 코팅층으로서의 결빙층(135)을 형성하고 빔 분할 수단(105)에 의해 분할된 레이저 빔을 빔 스캐너(115)(또는 미러(129)) 및 광학계(117)를 통해 대상물(10) 상에 조사한다. 이때, 대상물(119) 상에는 결빙층(135)이 형성되어 있으므로, 레이저 빔에 의해 대상물(119)이 가공되면서 발생하는 파티클은 결빙층(135) 상에 부착되게 된다. 가공이 완료되면 결빙층(135)을 녹임으로써 대상물(119)을 세정하며, 이때 결빙층(135) 상에 부착되어 있던 파티클 또한 함께 제거된다. 따라서, 결빙층이 녹아서 발생한 물에는 파티클이 포함되어 있게 되며, 이 물을 필터링함으로써 환경 오염의 원인이 되는 파티클을 회수할 수 있게 된다.That is, by cooling the
한편, 챔버(500) 내로 대상물(119)을 로딩하고 난 후 대상물(119)을 냉각시킴으로써 소요되는 시간을 단축시키기 위하여 대상물(119)을 예비냉각한 후 챔버(500) 내로 로딩하는 것도 가능하다. 이 경우, 대상물(119)을 챔버(500)내로 로딩한 후 대상물(119)과 스테이지(121) 사이에 응결된 수분이 결빙되는 현상이 발생할 수 있으므로, 예비 냉각 온도는 응결점보다 높게 설정하는 것이 바람직하다. 응결점은 수증기가 물로 변화하기 시작하는 온도로서, 주위의 습도에 따라 결정되며, 습도와 응결점은 비례관계에 있다.Meanwhile, in order to shorten the time required by cooling the
이와 같이, 본 실시예에서는 챔버(500) 내의 온도와 대상물(119)과의 온도 차이를 이용하여 대상물(119) 표면에 결빙층(135)을 형성하고 이를 코팅층으로 활용한다. 결빙은 주위의 수증기가 응결되면서 일어나는 현상으로, 일종의 얼음 결정이 성장되는 현상이므로 결빙층(135)은 투명하지 않으며, 이 경우 결빙층(135) 하부의 대상물(119)에 형성된 패턴, ID 등과 같은 정보를 읽을 수 없게 된다. 이러한 현상은 결빙층(135)을 일부 녹인 후 재냉각시키는 과정에 의해 해결할 수 있으며, 이를 위하여 본 발명의 레이저 가공장치는 해빙수단(510)을 더 포함한다.As such, in the present embodiment, an
결빙층(135)을 녹이기 위한 해빙수단(510)은 접촉식 및 비접촉식 중 어느 하나로 구성할 수 있으며, 접촉식으로 결빙층(135)을 녹이는 경우에는 결빙층 표면을 가열된 금속판에 의해 활주시키기 위하여 해빙수단(135)을 금속판으로 구성하고, 비접촉식으로 결빙층(135)을 녹이는 경우에는 결빙층(135)에 더운 공기를 고루 분사하기 위하여 히팅 코일(heating coil)로 구성할 수 있다. 접촉식 해빙수단(510)의 경우 결빙층(135) 표면이 평탄한 경우에 유용하며, 비접촉식 해빙수단(510)은 결빙층(135) 표면이 평탄한 경우 뿐 아니라 요철이 있는 경우에도 유용하다.The thawing means 510 for melting the freezing
아울러, 대상물(119) 표면에 형성되는 결빙층(135)의 두께는 챔버(500) 내의 습도에 따라 변화되며, 습도는 또한 온도에 따라 변화되게 된다. 본 발명에서는 챔버(500) 내의 온도와 습도를 제어하여 결빙층(135)의 두께를 조절하기 위하여 챔버(500) 내에 센서(508)를 부착한다. 챔버(500) 내의 습도는 낮게 관리하는 것이 일반적이므로 습도가 과도하여 결빙층(135)의 두께가 계속해서 두꺼워지는 문제는 고려하지 않아도 되며, 센서(508)에서 감지한 챔버(500) 내의 습도가 지정된 값 이하인 경우 챔버(500) 내의 습도가 부족하여 결빙층(135)이 충분히 형성되지 않는 것을 방지하기 위하여 챔버(500) 내로 습기를 보충하기 위한 가습 수단(506)을 추가로 구성한다.In addition, the thickness of the freezing
도 23a 내지 23d는 도 22에 도시한 레이저 가공 장치를 이용하여 대상물을 가공하는 예를 설명하기 위한 도면이다.23A to 23D are diagrams for explaining an example of processing an object using the laser processing apparatus shown in FIG. 22.
도 23a에 도시한 것과 같이, 스테이지 상에 고정된 대상물(119)을 스테이지 하부의 열전소자(502)에 의해 냉각시켜 결빙층(135)을 형성하고, 도 23b에 도시한 것과 같이 지정된 가공 위치에 레이저 빔을 조사한다.As shown in Fig. 23A, the
레이저 빔을 조사하여 가공이 완료되고 나면, 도 23c와 같이 결빙층(135) 표면에 가공 부산물인 파티클(G)이 부착되게 되며, 가공부위(F)에도 결빙층(137)이 형성되게 된다. 즉, 레이저 빔을 조사하는 중에도 대상물(119)이 냉각된 상태를 유지하기 때문에 가공부위(F)에도 대상물(119)과 챔버 내의 온도 차이에 의해 결빙층(137)이 형성되는 것이다.After the machining is completed by irradiating the laser beam, particles G as processing by-products are attached to the surface of the freezing
가공이 완료되면 대상물을 건식 또는 습식으로 세정하여 결빙층(135, 137) 및 파티클(G)을 제거하여, 도 23d에 도시한 것과 같이 세정이 완료된, 원하는 가공부위(F)가 가공된 대상물(119)을 얻을 수 있다.When the processing is completed, the object is washed dry or wet to remove the icing layers 135 and 137 and the particles G, and the processed object F having the desired processing site F, which has been cleaned as shown in FIG. 23D, is processed ( 119).
레이저를 이용한 대상물 가공은 비접촉 방식이므로 레이저 빔의 가공 높이를 조절하기가 불가능하며, 열 영향으로 인해 직접적으로 레이저 빔이 닿지 않는 지점이라도 레이저 빔의 영향을 받을 수 있다. 따라서, 대상물이 안착되는 스테이지는 레이저 가공시 레이저 빔에 대한 투과/반사율보다 흡수율이 매우 낮은 재질을 사용해야 한다.Since the object processing using the laser is a non-contact method, it is impossible to adjust the processing height of the laser beam, and the laser beam may be affected even at a point where the laser beam does not directly touch due to the thermal effect. Therefore, the stage on which the object is mounted should use a material having a very low absorption rate than the transmission / reflection rate for the laser beam during laser processing.
레이저를 이용한 대상물 가공을 위해 스테이지 상에 가공 테이프를 붙이고, 그 위에 대상물을 안착시킨다. 이때, 가공 테이프는 두께가 100㎛ 내지 400㎛이며, 400℃까지 견딜 수 있는 내열 특성을 갖는다.A processing tape is applied on the stage for object processing with a laser and the object is seated thereon. In this case, the processing tape has a thickness of 100 μm to 400 μm and has a heat resistance characteristic that can withstand up to 400 ° C.
일반적으로, 레이저를 이용한 가공 과정에서 대부분의 레이저 빔이 투과되어 가공 테이프나 칩에 거의 영향을 주지 않지만, 칩의 크기가 일정 크기 이하일 때, 예를 들면 가로*세로가 3㎜*3㎜이내 이거나 칩 절단선 너비가 5㎜이내인 경우에는 좁은 영역에 투과될 수 있는 에너지 이상의 잉여 에너지가 쌓이게 되어, 반사 혹은 산란하는 에너지가 커져서 가공 테이프에 영향을 미쳐, 결국 가공 테이프가 손상을 입게 된다.In general, most laser beams are transmitted in the process of laser processing and hardly affect the processing tape or the chip. However, when the size of the chip is less than a certain size, for example, the width * length is within 3 mm * 3 mm or When the chip cutting line width is within 5 mm, surplus energy more than energy that can be transmitted in a narrow area is accumulated, and the energy of reflecting or scattering is increased to affect the processing tape, resulting in damage to the processing tape.
다시 말해, 스테이지를 레이저 가공에 적합한 재질로 제작하더라도, 대상물의 지름이나 두께, 칩의 크기, 칩 절단선의 너비와 개수 등 가공 파라미터에 따라 가공 테이프의 온도가 1000℃ 이상까지 상승할 수 있고, 이 경우 가공 테이프가 끊어지거나 녹아내려 손상된다. 결과적으로 가공 후에 대상물을 다른 장치로 옮기고자 하는 경우 대상물 상의 칩이 흩어지게 되어(flying chip) 다음 작업을 진행할 수 없는 문제가 있다. 또한, 가공 테이프가 녹아 스테이지에 붙어 가공 후에 떨어지지 않게 되면, 대상물 상의 칩 전체를 사용할 수 없게 된다.In other words, even if the stage is made of a material suitable for laser processing, the temperature of the processing tape may rise to 1000 ° C. or more depending on the processing parameters such as the diameter and thickness of the object, the size of the chip, the width and the number of the chip cutting lines. If the processing tape breaks or melts, it is damaged. As a result, if the object is to be moved to another device after processing, the chip on the object is scattered (flying chip) and there is a problem that the next operation cannot be performed. If the processing tape melts and sticks to the stage and does not fall off after processing, the entire chip on the object becomes unusable.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 실시예에서는 대상물이 안착되는 스테이지 자체에 냉각 기능을 부여한다.In order to solve this problem, in the present embodiment, a cooling function is given to the stage itself on which the object is seated.
도 24는 본 발명에 적용되는 스테이지의 일 예시도이다.24 is an exemplary view of a stage applied to the present invention.
도 24에 도시한 스테이지(121)는 복수의 진공홀이 형성되어 대상물이 안착되는 몸체부(1211), 몸체부(1211)의 배면에 설치되어 공기를 흡입하는 진공관로가 형성된 진공부(1213), 진공부(1213)의 배변에 설치되어 몸체부(1211)에 집적된 열을 배출하는 냉각부로서의 열전소자부(1215)와 냉각 관로부(1217)를 포함한다.The
여기에서, 열전소자부(1215)는 몸체부(1211)에서 발생하는 열을 냉각시키는 역할을 하고, 냉각관로부(1217)는 열전소자(1215)의 배면에 설치되어 냉매가 순환되면서 열전소자부(1215)를 냉각시키는 역할을 한다.Here, the
도 25a 내지 25d는 도 24에 도시한 스테이지 각 부의 상세 구성도이다.25A to 25D are detailed block diagrams of the stages shown in FIG. 24.
먼저, 도 25a에 도시한 것과 같이 몸체부(1211)는 복수의 진공홀(12111)을 구비하여, 그 상면에 가공 테이프 및 대상물이 순차적으로 안착된다. 진공홀(12111)은 몸체부(1211)에 복수개 형성되어 있으며, 외부의 펌프(미도시)에 형성된 진공관로와 연결되고, 펌프로부터의 진공압을 이용하여 상면에 안착된 대상물을 흡착 및 고정한다. 이때, 펌프로부터의 진공압은 50kpa 내지 80kpa로 제어하는 것이 바람직하다.First, as shown in FIG. 25A, the
아울러, 몸체부(1211)는 석영, 다공질 유리(porous glass), 실버 세라믹, 요철석 중 어느 하나의 재질로 제작될 수 있으며, 실버 세라믹이란 은이 포함된 세라믹을 의미한다.In addition, the
다음, 도 25b는 진공부(1213)의 상세 구성도로서, 진공부(1213)의 중앙부에는 진공홀(12131)이 형성되어 있다. 아울러, 몸체부(1211)에 복수개의 진공홀(12111)이 지름이 상이한 복수의 동심원 상에 형성되어 있는 경우에는, 동심원상에 형성된 진공홀(12111)의 배열에 따라 방사형으로 진공관로(12132)가 형성될 수 있다. 이러한 진공관로(12132)를 통해 공기를 흡입하여 몸체부(1211)에 대상물이 흡착되게 된다.Next, FIG. 25B is a detailed configuration diagram of the
도 25c는 열전소자부(1215)의 일 예시도로서, 열전소자부(1215)는 적어도 하나 이상의 열전소자(12151)로 구성된다.25C illustrates an example of the
열전소자(12151)는 열 에너지를 전기 에너지로 또는 전기 에너지를 열 에너지로 직접 변환시킬 수 있는 기능성 소자로, 펠티에(Peltier) 소자라고도 불리운다. 열전소자(1215)는 열을 흡열면에서 방열면으로 이동시키는 소자로서, 열전달 방향의 반전에 의해 냉각이나 가열의 변환이 가능하며, 온/오프 제어가 아닌 전압/전류의 제어에 의해 미세한 수전의 온도 제어가 가능한 장점이 있다. 아울러, 가동 부분이 없기 때문에 진동이나 소음이 없고, 프레온 냉매를 사용하지 않으므로 오염이나 공해가 없는 것이 특징이다.The
도 25c에서, 열전소자(12151)는 도 25b에 도시한 진공부(1213)의 진공관로(12132)를 따라 방사형으로 배열하는 것이 바람직하다.In FIG. 25C, the
다음, 도 25d는 냉각 관로부(1217)의 상세 구성도이다.Next, FIG. 25D is a detailed configuration diagram of the
냉각 관로부(1217)는 냉매 유입부(12171)를 통해 유입된 냉매를 냉각 관로(12173)를 통해 순환시켜 열전소자부(1215)를 냉각시킨다. 저수조(미도시)로 유입된 냉매는 압축기에 의해 압축되어 펌프에 의해 냉매 유입부(12171)를 통해 냉각 관로(12173)로 공급되어 순환하게 된다. 여기에서, 냉매로는 물, 물과 에틸렌글리콜(athylene glycol) 혼합물, 공기, 다른 냉각가스 또는 냉각액체가 사용될 수 있다.The
아울러, 냉각 관로부(1217)의 냉각 관로(12173)를 통과하는 냉매의 유동률(flow rate)을 조절하기 위하여 냉각 관로(12173)에는 유동 제어밸브(도시하지 않음)가 설치될 수 있고, 냉매의 유동률은 펌핑비(pumping rate) 또는 다른 파라미터를 변화시킴으로써 제어할 수 있다.In addition, a flow control valve (not shown) may be installed in the
도 25d에는 냉각 관로(12173)가 곡선 형상으로 되어 있으나, 방사상으로 뻗은 복수의 직선 냉각 관로를 설치하고 복수의 직선 냉각 관로를 연함으로써 냉각 관로를 구성할 수 있음은 물론이다. 또한, 냉각 관로는 나선형으로도 구성할 수 있다.Although the
또 다른 실시예에서, 냉매 유입부(12171) 및 냉매 유출부(12172)는 각각 복수개로 구성할 수도 있음은 물론이다.In another embodiment, the
이와 같은 스테이지(121)를 이용하여 대상물 표면에 코팅층이 형성되어 있는지의 여부에 따라 냉각 온도를 다르게 제어하여 대상물을 가공할 수 있다.The
먼저, 코팅층이 형성되어 있지 않은 대상물 가공시에는 도 22에서 설명한 것과 같은 원리로 대상물 표면에 결빙층을 형성할 수 있고, 별도의 코팅층 형성 과정을 생략하고도 대상물을 안전하게 가공할 수 있다.First, when processing an object in which the coating layer is not formed, an ice layer may be formed on the surface of the object in the same principle as described in FIG. 22, and the object may be safely processed without the separate coating layer forming process.
한편, 코팅층이 형성된 대상물을 가공하는 경우에는 몸체부(1211)의 온도는 공기의 이슬점 이상의 온도를 유지하여야 한다. 이는 코팅층이 수용성 물질로 형성되기 때문이다. 즉, 이슬점 온도 이하로 내려가면 대상물 표면에 물방울이 맺히기 시작하고, 이로 인해 코팅물질이 용해되어 본래의 역할을 수행하지 못하게 된다.On the other hand, when processing the object on which the coating layer is formed, the temperature of the
이 경우, 몸체부(1211)의 온도는 일반적으로 0℃ 내지 20℃ 사이로 제어하는 것이 바람직하고, 몸체부(1211)의 온도를 감지하기 위해 몸체부(1211)에 온도센서(도시하지 않음)를 부착하고, 온도센서의 측정값에 따라 열전소자부(1215)에 인가되는 전원이 온/오프되도록 제어함으로써 몸체부(1211)가 지정된 온도를 유지하게 된다.In this case, the temperature of the
도 22 및 도 25c에 도시한 열전소자는 예를 들어, 도 26에 도시한 것과 같은 구성을 갖는다.The thermoelectric elements shown in Figs. 22 and 25C have the same configuration as that shown in Fig. 26, for example.
도 26은 본 발명에 적용되는 열전소자의 일 예시도로서, 하부기판(610) 및 상부기판(612) 사이에 하부 전도층(620) 및 상부 전도층(622)이 각각 형성되고, 하부 전도층(620) 및 상부 전도층(622) 사이에 반도체 칩이 형성된 구조를 가지며, 전원공급 케이블(640, 642)에 전원을 공급함에 따라 냉각이 이루어지게 된다.FIG. 26 is a diagram illustrating an example of a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention. A lower
여기에서, 하부기판(610) 및 상부기판(612)은 열을 효율적으로 전달하면서 전류를 제어하는 역할을 하며, 하부 전도층(620), 상부 전송층(622) 및 반도체 칩이 실질적인 냉각 엔진으로 작용한다. 반도체 칩의 경우 P형 반도체와 N형 반도체 전체가 직렬로 이어져서 최대한의 냉각 효율을 나타내도록 구성되어 있다.Here, the
복수의 가공 라인을 동시 가공하는 레이저 가공 장치Laser processing device for simultaneous processing of multiple processing lines
레이저를 이용한 대상물 가공 공정 중 2줄 이상을 동시에 가공하는 다중 절단(Multipass Cutting) 등과 같은 공정을 수행해야 하는 경우가 있다. 이를 위하여 현재는 가공 대상물 또는 레이저 빔 발생 장치를 여러 횟수 반복 이동시키면서 가공해야 하므로, 시간 및 비용면에서 비효율적이므로, 본 발명은 복수의 가공 라인을 동시에 가공할 수 있는 방안을 제시한다.It may be necessary to perform a process such as multipass cutting, which simultaneously processes two or more lines of an object processing process using a laser. To this end, the present invention has to be processed while repeatedly moving the processing object or the laser beam generating apparatus several times, and thus inefficient in terms of time and cost, the present invention proposes a method for simultaneously processing a plurality of processing lines.
도 27은 본 발명의 제 5 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도이다.27 is a configuration diagram of the laser processing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
도시한 것과 같이, 본 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하는 제어부(101), 지정된 구경의 레이저 빔을 출력하기 위한 적어도 2개의 레이저 발생 수단(139-1, 139-2), 레이저 발생 수단(139-1, 139-2)에서 출사되는 레이저 빔을 각각 입력받아 적어도 둘 이상으로 분할하는 적어도 2개의 빔 분할 수단(141-1, 141-2), 반사미러(147)를 구동하는 드라이버(107), 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하기 위한 입력부(109), 작동 상태 등의 정보를 표시하기 위한 출력부(111), 데이터 저장을 위한 저장부(113), 빔 분할 수단(141-1, 141-2) 각각으로부터 반사되는 레이저 빔을 동일한 위치로 반사시키는 적어도 2개의 미러(145-1, 145-2), 빔 분할 수단(141-1, 141-2) 각각에서 출력되는 각각의 레이저 빔을 동일한 위치로 반사시키기 위해 미러(145-1, 145-2)의 각도 및 위치를 각각 조절하는 엑츄에이터(143-1, 143-2), 미러(145-1, 145-2)에서 반사되어 각각 다른 방향에서 동일한 위치로 입사되는 레이저 빔을 반사시키는 반사미러(147), 반사미러(147)가 소정의 각속도를 가지도록 반사미러(147)를 일정 각도 범위 내에서 반복 회전시키는 반사미러 구동 수단(149) 및 반사미러(147)에서 반사되는 레이저 빔을 집광하는 광학계(117)를 포함하고, 대상물(119)은 스테이지(121) 상에 안착된다.As shown, the laser processing apparatus according to the present embodiment includes a
본 발명의 바람직한 실시예에서, 레이저 가공 장치는 대상물(119)을 가공하는 동안 대상물(119)이 안착된 스테이지(121)를 레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 적어도 1회 이송시키는 스테이지 이송 수단(123)을 더 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the laser processing apparatus comprises a stage transfer means for transferring the
또한, 광학계(117)는 집광렌즈로 구현하는 것이 바람직하다.In addition, the
여기에서, 미러(145-1, 145-2)는 각 빔 분할 수단(141-1, 141-2)에서 출력되는 각각의 레이저 빔을 반사미러(147)의 동일한 위치 쪽으로 반사시켜 반사미러(147)에 의해 반사되도록, 엑츄에이터(143-1, 143-2)를 이용하여 상기 미러(145-1, 145-2)의 기울기 및 위치를 조절하여 각각 지정된 다른 방향으로 레이저 빔을 반사시킬 수 있도록 한다.Here, the mirrors 145-1 and 145-2 reflect the respective laser beams output from the beam splitters 141-1 and 141-2 toward the same position of the reflecting
반사미러(147)는 가공하고자 하는 대상물(119)이 안착되는 스테이지(121)와 수직방향으로 설치되며, 광학계(117)는 가공하고자 하는 대상물(119)이 안착되는 스테이지(121)와 수평방향으로 설치되어 상기 반사미러(147)에서 반사되는 레이저 빔을 집광한다.The
또한, 미러(145-1, 145-2)는 그 기울기 및 위치가 각각의 엑츄에이터(143-1, 143-2)에 의해 조절 가능함으로써, 반사미러(147)에 의해 각각 다른 방향으로 반사된 레이저 빔이 광학계(117)에 의해 집광되어 스테이지(121)에 안착된 대상물(119)에 수직으로 조사되는 한 쌍의 레이저 빔 사이의 간격 및 위치를 조절할 수 있게 된다.In addition, the mirrors 145-1 and 145-2 have their tilts and positions adjustable by the respective actuators 143-1 and 143-2, so that the lasers reflected in different directions by the reflecting
한편, 반사미러 구동수단(149)은 반사미러(147)를 소정 속도로 일정각도 범위 내에서 반복 회전시키기 위한 구성으로, 제어부(101)의 제어에 따라서 반사미러(147)를 설정된 속도로 일정범위 내에서 반복 회전시킨다.On the other hand, the reflection mirror driving means 149 is configured to repeatedly rotate the
이러한 구성을 갖는 레이저 가공 장치에 의하면 제어부(101)의 제어에 따라, 제 1 및 제 2 빔 분할 수단(141-1, 141-2)에서 각각 적어도 둘 이상으로 분할되고, 제 1 및 제 2 빔 분할 수단(141-1, 141-2)에서 분할된 레이저 빔은 각각 제 1 미러(145-1)와 제 2 미러(145-2)로 입사된다. 그리고, 엑츄에이터(143-1, 143-2)에 의해 제 1 및 제 2 미러(145-1, 145-2)의 기울기 및 위치를 각각 조절하여, 반사미러 구동수단(149)에 의해 회전하는 반사미러(147)의 동일한 위치로 레이저 빔이 입사되도록 한다. 이후, 반사미러(147)에서 반사된 레이저 빔은 광학계(117)의 각각 다른 위치에서 집광되어 대상물(119)에 각각 수직방향으로 조사된다.According to the laser processing apparatus having such a configuration, the first and second beam splitters 141-1 and 141-2 are divided into at least two, respectively, under the control of the
이때, 상기 제 1 미러(145-1)와 제 2 미러(145-2)의 기울어진 각도 및 위치를 엑츄에이터(143-1, 143-2)를 이용해 조절함으로써 대상물(119)에 수직방향으로 조사되는 한 쌍의 레이저 빔 사이의 거리를 조절할 수 있도록 한다.At this time, the inclination angles and positions of the first mirror 145-1 and the second mirror 145-2 are adjusted using the actuators 143-1 and 143-2 to irradiate the
또한, 반사미러(147)의 반사면이 일정 범위만큼 회전할 때 대상물(119)에 조사되는 레이저 빔은 스테이지(121)의 이송방향과 반대방향으로 스캐닝 길이만큼 이동하게 된다.In addition, when the reflective surface of the
도시하지 않았지만, 본 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 적어도 둘 이상의 빔 성형부를 구비하여, 광학계(117)를 통과한 레이저 빔의 형상을 타원 형상으로 변형하도록 하는 것도 가능하다. 이에 대한 구체적인 설명은 상술하였으므로 생략하기로 한다.Although not shown, the laser processing apparatus according to the present embodiment may be provided with at least two beam forming parts so as to modify the shape of the laser beam passing through the
아울러, 본 실시예에서는 두 개의 레이저 빔 발생 수단을 구비하는 레이저 가공 장치에 대하여 설명하였으나, 필요에 따라 하나의 레이저 빔 발생 수단을 이용할 수도 있고, 이 경우 레이저 빔 발생 수단으로부터 출사되는 레이저 빔을 빔 분할기에 의해 분할하여 각각 빔 분할 수단으로 입사시켜 사용할 수 있다.In addition, in the present embodiment, a laser processing apparatus having two laser beam generating means has been described. However, if necessary, one laser beam generating means may be used, and in this case, a laser beam emitted from the laser beam generating means is beamed. It can be used by dividing by a splitter and entering the beam splitting means, respectively.
도 28은 도 27에 도시한 레이저 가공 장치의 제 1 변형 예시도이다.FIG. 28 is a diagram illustrating a first modification of the laser processing apparatus shown in FIG. 27.
도 28에 도시한 레이저 가공 장치는 반사미러로서 폴리곤 미러(151)를 적용한 경우를 나타낸다.The laser processing apparatus shown in FIG. 28 shows the case where the
본 실시예에서, 폴리곤 미러(151)는 복수의 반사면(153)을 가지고 회전축(152)을 중심으로 회전하며, 드라이버(107)는 모터(도시하지 않음)를 이용하여 폴리곤 미러(151)를 기 설정된 속도로 정속 회전시킨다.In this embodiment, the
제 1 및 제 2 미러(145-1, 145-2)에서 반사된 각각의 레이저 빔은 폴리곤 미러(151)의 반사면(153)으로 입사되어 반사된 후, 광학계(117)를 통해 스테이지(121) 상의 대상물(119)에 조사되며, 구체적인 동작 원리는 도 27과 동일하므로 생략하기로 한다.Each laser beam reflected from the first and second mirrors 145-1 and 145-2 is incident and reflected on the reflecting
본 실시예에서, 레이저 발생 수단(139-1, 139-2)은 두 개를 사용하는 것이 바람직하나, 필요에 따라 하나만 사용할 수도 있다. 그리고, 레이저 발생 수단을 하나만 사용할 경우 빔 분할기를 사용하여 레이저 빔을 두 개로 분할하여 사용한다.In the present embodiment, it is preferable to use two laser generating means 139-1 and 139-2, but only one may be used if necessary. When only one laser generating means is used, the laser beam is divided into two using a beam splitter.
아울러, 본 실시예에 의한 레이저 가공 장치 또한 광학계(117)를 통과한 레이저 빔의 단면을 타원형으로 변환하기 위한 적어도 둘 이상의 빔 성형부를 더 구비할 수 있음은 물론이다.In addition, the laser processing apparatus according to the present embodiment may also further include at least two beam forming parts for converting the cross section of the laser beam passing through the
한편, 도시하지 않았지만, 도 27의 반사미러는 AOD로 구성할 수도 있으며, 이 경우 드라이버(107)는 고주파 드라이버로 대체되어야 함은 물론이다.Meanwhile, although not shown, the reflection mirror of FIG. 27 may be configured as AOD, in which case the
도 29는 도 27에 도시한 레이저 가공 장치의 제 2 변형 예시도이다.FIG. 29 is a second modified example of the laser processing apparatus illustrated in FIG. 27.
본 실시예에 의한 레이저 가공 장치는, 전체적인 동작을 제어하는 제어부(101), 지정된 구경의 레이저 빔을 출력하기 위한 적어도 2개의 레이저 발생 수단(139-1, 139-2), 레이저 발생 수단(139-1, 139-2)에서 출사되는 레이저 빔을 각각 입력받아 적어도 둘 이상으로 분할하는 적어도 2개의 빔 분할 수단(141-1, 141-2), 폴리곤 미러(155-1, 155-2)를 구동하는 드라이버(107), 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하기 위한 입력부(109), 작동 상태 등의 정보를 표시하기 위한 출력부(111), 데이터 저장을 위한 저장부(113), 복수의 반사면(153-1, 153-3)을 가지고, 회전축을 중심으로 상호 대칭으로 회전하는 적어도 2개의 폴리곤 미러(155-1, 155-2), 폴리곤 미러(155-1, 155-2)에서 반사되는 레이저 빔을 각각 반사시키는 적어도 2개의 반사미러(157-1, 157-2) 및 반사미러(157-1, 157-2)에서 반사되는 레이저 빔을 집광하는 광학계(117)를 포함하고, 대상물(119)을 가공하는 동안 대상물(119)이 안착된 스테이지(121)를 레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향으로 적어도 1회 이송시키는 스테이지 이송 수단(123)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 광학계(117)는 집광렌즈로 구현할 수 있다.The laser processing apparatus according to the present embodiment includes a
한 쌍의 폴리곤 미러(155-1, 155-2)는 가공하고자 하는 대상물(119)이 안착되는 스테이지(121)와 수평방향으로 설치되고, 반사미러(157-1, 157-2)는 폴리곤 미러(1155-1, 155-2) 사이에 설치되며, 폴리곤 미러(155-1, 155-2)의 반사면(153-1, 153-2)에서 반사되는 레이저 빔이 광학계(117)쪽으로 반사되도록 반사미러(157-1, 157-2)는 스테이지(121)에 대해 수직방향으로 서로 대향되도록 일정각도 기울어지게 설치한다.The pair of polygon mirrors 155-1 and 155-2 are installed in a horizontal direction with the
이때, 광학계(117)는 가공하고자 하는 대상물(119)이 안착되는 스테이지(121)와 수평방향으로 설치되어 반사미러(157-1, 157-2)에서 반사되는 레이저 빔을 집광한다. 또한, 반사미러(157-1, 157-2)는 그 기울기가 조절 가능하여, 대상물(119)에 수직으로 주사되는 한 쌍의 레이저 빔 사이의 간격을 조절할 수 있다. 즉, 반사미러(157-1, 157-1)를 스테이지(121)의 수직방향에 대해 많이 기울일수록 대상물(119)에 주사되는 레이저 빔 사이의 간격은 좁아지고, 반사미러(157-1, 157-2)를 스테이지(121)의 수직방향에 대해 적게 기울일수록 상기 대상물(119)에 주사되는 레이저 빔 사이의 간격은 넓어진다.In this case, the
본 실시예에 의한 레이저 가공 장치에 의하면 제어부(101)의 제어에 따라서 두 개의 레이저발생수단(139-1, 139-2)에서 발생된 레이저 빔은 각각 제 1 폴리곤 미러(155-1)와 제 2 폴리곤 미러(155-2)로 입사된다. 폴리곤 미러(155-1, 155-2)로 입사되는 레이저 빔은 드라이버(107)에 의해 상호 대칭적으로 회전하며, 각각의 반사면(153-1, 153-2)에서 제 1 폴리곤 미러(155-1)와 제 2 폴리곤 미러(155-2) 사이에 설치된 제 1 미러(157-1)와 제 2 미러(157-2) 방향으로 각각 반사된다. 제 1 미러(157-1)와 제 2 미러(157-2)로 반사된 레이저 빔은 스테이지(121) 방향에 대해 서로 대향되는 방향으로 일정각도 기울어지게 설치된 제 1 미러(157-1)와 제 2 미러(157-2)에서 광학계(117)방향으로 반사된다. 그리고, 제 1 미러(157-1)와 제 2 미러(157-2)에서 반사된 레이저빔은 광학계(117)에서 각각 집광되어 대상물(119)에 각각 수직방향으로 조사된다.According to the laser processing apparatus according to the present embodiment, the laser beams generated by the two laser generating means 139-1 and 139-2 under the control of the
도 30은 도 27에 도시한 레이저 가공 장치의 제 3 변형 예시도이다.FIG. 30 is a third modified example of the laser processing apparatus illustrated in FIG. 27.
본 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 하나의 레이저 발생 수단 및 빔 분할 수단을 이용하고, 빔 분할 수단에서 출력되는 레이저 빔을 빔 분할기(159)에 의해 분할하여, 동시에 다중 라인을 가공하는 레이저 가공 장치이다.The laser processing apparatus according to the present embodiment uses one laser generating means and a beam splitting means, and divides the laser beam output from the beam splitting means by the
즉, 레이저 발생 수단(103)에서 출사되는 레이저 빔은 빔 분할 수단(105)에서 적어도 둘 이상으로 분할되고, 빔 분할 수단(105)에서 출사되는 레이저 빔은 빔 분할기(159)에서 각각 2분할되어, 빔 분할기(159)를 투과한 레이저 빔들은 제 1 폴리곤 미러(155-1)로, 빔 분할기(159)에서 반사된 레이저 빔들은 제 2 폴리곤 미러(155-2)로 입사된다.That is, the laser beam emitted from the laser generating means 103 is divided into at least two or more in the beam splitting means 105, and the laser beam emitted from the beam splitting means 105 is divided into two in the
이후, 제 1 및 제 2 폴리곤 미러(155-1, 155-2), 반사미러(157-1, 157-2), 광학계(117)를 통한 레이저 빔의 진행 과정은 도 29에서 설명한 것과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Subsequently, the process of the laser beam through the first and second polygon mirrors 155-1 and 155-2, the reflection mirrors 157-1 and 157-2, and the
본 발명의 제 5 실시예에서는 레이저 빔을 각기 다른 위치에서 반사시켜 집광한 후 대상물에 조사함으로써, 한 번의 가공 프로세스를 통해 복수의 가공 부위를 가공할 수 있는 이점이 있다.According to the fifth embodiment of the present invention, the laser beams are reflected at different positions and collected, and then irradiated onto the object, thereby processing a plurality of processing sites through a single processing process.
아울러, 도 29 및 도 30에 도시한 레이저 가공 장치는 광학계(117)를 통과한 레이저 빔의 단면 형상을 타원으로 성형하는 빔 성형부를 적어도 둘 이상 구비할 수 있으며, 이 경우 가공면으로부터 부산물의 배출이 용이해져 가공 효율을 증대시킬 수 있다.In addition, the laser processing apparatus shown in FIGS. 29 and 30 may include at least two beam forming portions for forming the elliptical shape of the cross-sectional shape of the laser beam passing through the
또한, 도 29 및 도 30의 폴리곤 미러를 AOD로 대체할 수도 있으며, 이 경우 드라이버(107)는 고주파 드라이버로 대체되어야 함은 물론이다.In addition, the polygon mirrors of FIGS. 29 and 30 may be replaced with AOD, in which case the
레이저 빔 분할 및 스테이지 이송을 통한 레이저 가공 방법Laser processing method by laser beam splitting and stage feeding
도 31은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 본 실시예에 의한 레이저 가공 방법은 예를 들어, 도 1, 도 9, 도 14, 도 16 또는 도 20에 도시한 레이저 가공 장치를 이용하는 경우에 적용될 수 있다.31 is a flowchart for explaining a laser processing method according to a first embodiment of the present invention. The laser processing method according to the present embodiment is, for example, in FIGS. 1, 9, 14, 16, or 20. It can be applied when using the laser processing apparatus shown.
먼저, 입력부(109)를 통해 가공하고자 하는 대상물(119)의 종류 및 가공 목적에 따라 빔 스캐너(115)의 회전 속도, 스테이지 이송 수단(123)의 이송 속도, 가공 시간, 레이저 빔의 주파수, 레이저 빔의 전력 등과 같은 제어 파라미터를 설정한다(S101). 이러한 설정 과정은 대상물의 종류 및 가공 목적에 따라 미리 설정된 메뉴로 등록하여 저장부(113)에 저장하고, 메뉴를 호출함으로써 간단하게 이루어질 수 있다.First, the rotational speed of the
제어 파라미터의 설정이 완료되면, 드라이버(107)에 의해 빔 스캐너(115)(또는 폴리곤 미러(115-1))를 구동하고(S103), 스테이지 이송 수단(123)을 구동하여 스테이지(121)가 지정된 방향(레이저 빔의 조사 방향과 반대 방향)으로 이송하도록 한다(S105).When the setting of the control parameter is completed, the beam scanner 115 (or polygon mirror 115-1) is driven by the driver 107 (S103), and the
이후, 레이저 발생 수단(103)으로부터 레이저 빔을 방출하면(S107), 방출된 레이저 빔이 빔 분할 수단(105)으로 입사되어 적어도 둘 이상으로 분할되게 되며(S109), 분할된 각각의 레이저 빔은 빔 스캐너(115)(또는 폴리곤 미러(115-1))에서 반사되어 광학계(117)에서 집광된 후 대상물(119)에 조사되어, 대상물이 가공되게 된다(S111).Then, when the laser beam is emitted from the laser generating means 103 (S107), the emitted laser beam is incident to the
본 실시예에서는 레이저 빔을 복수개로 분할하여 가공 선폭을 줄이면서, 레이저 빔의 강도를 그대로 유지할 수 있으며, 대상물에 레이저 빔이 조사되는 방향과 반대 방향으로 스테이지를 이송시킴에 의해, 가공 속도를 향상시킬 수 있다.In this embodiment, the laser beam is divided into a plurality of parts to reduce the processing line width, while maintaining the intensity of the laser beam, and the processing speed is improved by moving the stage in a direction opposite to the direction in which the laser beam is irradiated to the object. You can.
또한, 폴리곤 미러를 이용한 레이저 가공 장치에 본 발명을 적용할 경우, 폴리곤 미러의 회전에 따라 대상물(119)에 레이저 빔이 중첩 조사되어 가공 효율을 더욱 개선할 수 있다.In addition, when the present invention is applied to a laser processing apparatus using a polygon mirror, the laser beam is irradiated onto the
폴리곤 미러의 오차 보정을 통한 레이저 가공 방법Laser processing method through error correction of polygon mirror
도 32는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 예를 들어 도 10에 도시한 레이저 가공 장치를 이용하는 경우에 적용될 수 있다.32 is a flowchart for explaining the laser processing method according to the second embodiment of the present invention, and can be applied, for example, when using the laser processing apparatus shown in FIG.
먼저, 시험 대상물을 스테이지(121)에 안착시킨 후 드라이버(107)에 의해 폴리곤 미러(115-1)를 구동하는 한편, 레이저 발생 수단(103)에 의해 출사된 레이저 빔을 빔 분할 수단(105)에서 분할하여 폴리곤 미러(115-1)의 반사면으로 조사한다(S201). 이와 같이 하여 폴리곤 미러(155-1)를 적어도 1회 회전하여 시험 대상물을 가공한 후에는, 시험 대상물의 가공 결과를 이용하여 폴리곤 미러의 각 반사면에서의 에러를 측정하고, 그 결과를 오차 보정부(125)로 입력하여 폴리곤 미러의 각 반사면에서의 오차 보정값, 즉 레이저 빔의 입사각 조정값을 산출한다(S203).First, the test object is seated on the
이렇게, 폴리곤 미러(115-1)의 각 반사면에서의 오차 보상값을 산출해 둔 후에 실제 가공 대상물을 가공하기 위하여, 입력부(109)를 통해 가공하고자 하는 대상물에 따른 제어 파라미터(폴리곤 미러의 회전 속도, 스테이지 이송 속도, 가공 시간, 레이저 빔의 출력 세기/주파수 등)를 설정한다(S205). 이러한 설정 과정은 가공하고자 하는 대상물의 종류 및 가공 형태(절단, 그루빙 등)에 따라 기 설정된 메뉴로 등록하여 저장부(113)에 저장하여 두고, 메뉴를 호출함으로써 용이하게 이루어질 수 있다.In this way, in order to process the actual object after calculating the error compensation value at each reflection surface of the polygon mirror 115-1, the control parameter (rotation of the polygon mirror) according to the object to be processed through the
제어 파라미터의 설정이 완료되면, 드라이버(107)를 제어하여 폴리곤 미러(115-1)를 기 설정한 회전 속도에 따라 정속 회전시키는 동시에 엑츄에이터(200)를 구동하고(S207), 스테이지 이송 수단(123)을 구동하여 스테이지(121)를 기 설정된 속도로 이송한다(S209).When the setting of the control parameter is completed, the
이에 따라, 레이저 발생 수단(103)에서 출사되어(S211) 빔 분할 수단(105)에서 적어도 둘 이상으로 분할된 레이저 빔이(S213) 엑츄에이터(200)에 장착된 미러(202)를 통해 폴리곤 미러(115-1)의 반사면으로 입사되고, 폴리곤 미러(115-1)의 반사면에서 반사된 레이저 빔은 광학계(117)에서 집광된 후 대상물(119)로 조사된다(S215).Accordingly, a polygon mirror (S211) emitted from the laser generating means (103) and divided into at least two or more laser beams from the beam splitting means (105) through the mirror (202) mounted on the actuator (200). The laser beam incident on the reflective surface of 115-1 and reflected on the reflective surface of the polygon mirror 115-1 is focused on the
레이저 발생 수단(103)에서 출사된 레이저 빔이 빔 분할 수단(105)에서 분할된 후 미러(202)에 조사될 때, 제어부(101)는 오차 보정부(125)에서 미리 산출해 둔 오차 보상값을 참조하여 엑츄에이터(200)를 구동함으로써, 미러(202)의 방향을 변경하도록 하며, 이에 따라 오류가 존재하는 폴리곤 미러 반사면 부분에서 레이저 빔의 입사각을 변경하여 조사함으로써 레이저 빔이 항상 폴리곤 미러로부터 동일한 각도로 반사되도록 한다.When the laser beam emitted from the laser generating means 103 is irradiated to the
레이저 빔 분할 및 대상물 냉각을 통한 레이저 가공 방법Laser processing method by laser beam splitting and object cooling
도 33은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 예를 들어 도 22에 도시한 레이저 가공 장치를 이용하는 경우에 적용될 수 있다.33 is a flowchart for explaining the laser processing method according to the third embodiment of the present invention, and can be applied, for example, when using the laser processing apparatus shown in FIG.
대상물을 가공하기 위하여, 대상물(119)이 안착된 스테이지(121)를 챔버(500) 내로 로딩한다. 아울러, 가공하고자 하는 대상물에 따른 제어 파라미터를 설정한다(S301). 이러한 설정 과정은 가공하고자 하는 대상물의 종류, 가공 형태 등에 따라 기 설정된 메뉴로 등록하여 저장부(113)에 저장하여 두고, 메뉴를 호출함으로써 용이하게 이루어질 수 있다.In order to process the object, the
제어 파라미터 설정이 완료되면, 열전소자(502)를 구동하여 대상물(119)을 냉각시키며, 이에 따라 대상물(119) 표면에 결빙층(135)이 형성된다(S303). 대상물(119)은 챔버(500) 내에 로딩된 후 열전소자(502)에 의해 냉각을 개시하는 것도 가능하지만, 냉각시간을 단축시키기 위해 예비냉각된 상태로 챔버(500) 내에 로딩할 수도 있다. 이때에는 전술한 것과 같이, 대상물(119)과 스테이지(121) 사이에 응결된 수분이 냉각되는 것을 방지하기 위해 응결점보다 높은 온도로 예비냉각하는 것이 바람직하다.When the control parameter setting is completed, the
아울러, 대상물(119) 표면에 형성된 결빙층(135)이 불투명하여 대상물(119) 표면이 잘 관찰되지 않는 것을 해결하기 위하여, 해빙수단(510)에 의해 결빙층(135)을 일부 녹인 후 재냉각하여, 투명한 결빙층(135)을 얻도록 한다. 결빙층(135)을 녹일 때에는 가열된 금속판을 결빙층(135) 표면에 활주시키는 접촉식 또는 더운 공기를 결빙층(135) 표면에 고루 분사하는 비접촉식 방법을 사용할 수 있다.In addition, in order to solve that the
또한, 센서(508)에서 감지한 챔버(500) 내의 습도가 지정된 값보다 낮은 경우 가습 수단(506)을 통해 챔버(500) 내로 습기를 공급하여 충분한 두께의 결빙층(135)이 형성되도록 한다.In addition, when the humidity in the
이후, 드라이버(107)에 의해 빔 스캐너(115)를 구동함과 동시에(S305), 스테이지 이송 수단(123)을 구동하여 스테이지(121)를 기 설정된 속도로 이송하고(S307), 레이저 발생 수단(103)을 제어하여 레이저 빔을 방출한다(S309). Subsequently, the
이에 따라, 레이저 발생 수단(103)에서 방출된 레이저 빔은 빔 분할 수단(105)에 의해 적어도 둘 이상으로 분할되며(S311), 분할된 레이저 빔이 빔 스캐너(115) 및 광학계(177)를 통해 대상물(119)에 조사되어 가공이 이루어진다(S313).Accordingly, the laser beam emitted from the laser generating means 103 is divided into at least two by the beam splitting means 105 (S311), the divided laser beam is transmitted through the
가공이 완료된 후에는 대상물(119) 상의 결빙층(135) 및 가공시 발생한 파티클을 제거하기 위한 세정공정을 수행한다(S315). 세정공정은 습식 또는 건식으로 진행할 수 있다. 습식 세정은 물을 사용하여 결빙층(135)과 함께 결빙층(135) 표면에 부착된 파티클을 함께 제거하는 방법이며, 건식 세정은 결빙층(135) 표면에 가스(더운 공기)를 분사하여 결빙층(135)을 녹이면서 결빙층(135) 표면의 파티클을 함께 제거하는 방법이다. 세정 공정의 결과로 결빙층이 녹은 물을 얻을 수 있으며, 이 물에는 파티클이 포함되어 있다. 이러한 파티클은 필터를 통해 별도로 회수할 수 있고, 이에 따라 산업 폐수가 발생하는 것을 방지할 수 있다.After the processing is completed, a cleaning process for removing the
이와 같이 하여 대상물 가공 및 세정이 완료되면 대상물을 챔버로부터 언로딩하여 이후 공정을 진행할 수 있도록 한다.In this way, when the processing and cleaning of the object is completed, the object is unloaded from the chamber so that the subsequent process can be performed.
다중 계층(Multi-Layer)을 갖는 대상물의 가공 방법Method of processing object with multi-layer
레이저를 이용하여 가공하는 대상물은 단일 층으로 형성될 수도 있지만 복수의 층으로 형성될 수도 있으며, 복수의 층으로 형성된 대상물을 동일한 가공 조건으로 가공하게 되면 각 층의 경계 부분에서 들뜸, 폭발 등이 발생할 수 있다.The object to be processed using a laser may be formed of a single layer, but may be formed of a plurality of layers. If an object formed of a plurality of layers is processed under the same processing conditions, lifting, explosion, etc. may occur at the boundary of each layer. Can be.
즉, 각 층마다 고유의 광학적, 물리적, 화학적 성질이 다르기 때문에, 각 층의 성질에 맞게 가공 파라미터를 조정하여 대상물을 가공할 필요가 있다. 따라서, 다중 계층으로 이루어진 대상물 가공시 각 층마다 가공 파라미터를 변경하여 대상물을 가공하게 되면 가공 효율을 개선할 수 있고, 대상물 가공시 발생하는 크랙의 전파 효과 등을 방지할 수 있다.That is, since each layer has its own optical, physical, and chemical properties, it is necessary to adjust the processing parameters according to the properties of each layer to process the object. Therefore, when processing the object by changing the processing parameters for each layer when processing the object consisting of a multi-layer can improve the processing efficiency, it is possible to prevent the propagation effect of cracks generated during the object processing.
도 34는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도로, 다중 계층을 갖는 대상물 가공 방법을 설명하기 위한 도면이다.34 is a flowchart for explaining a laser processing method according to a fourth embodiment of the present invention, and is a view for explaining a method for processing an object having multiple layers.
먼저, 대상물의 계층별 가공 파라미터를 설정하는데(S401), 기 설정해 두어야 하는 가공 파라미터는 레이저 출력 전력, 미러(빔 스캐너의 미러 또는 폴리곤 미러 또는 AOD)의 회전 속도, 대상물이 안착되는 스테이지 이송 속도, 레이저 빔의 조사 주파수, 레이저 빔의 초점 위치 등이 포함될 수 있다.First, to set the machining parameters for each layer of the object (S401), the machining parameters to be set in advance, the laser output power, the rotational speed of the mirror (mirror or polygon mirror or AOD of the beam scanner), the stage feed speed at which the object is seated, The irradiation frequency of the laser beam, the focus position of the laser beam, and the like may be included.
각 계층별 가공 파라미터를 설정한 후에는, 미러를 이용한 레이저 가공장치를 구동하여 대상물의 노출된 계층을 가공한다(S403). 가공 부위의 노출된 상위 계층에 대한 가공이 완료되면, 대상물의 모든 계층에 대한 가공이 수행되었는지 확인하여(S405), 모든 계층에 대한 가공이 완료된 경우에는 공정을 종료하고, 그렇지 않은 경우 즉, 가공할 계층이 남아 있는 경우에는 단계 S403으로 복귀한다.After setting the processing parameters for each layer, the laser processing apparatus using the mirror is driven to process the exposed layer of the object (S403). When the machining of the exposed upper layer of the machining site is completed, it is checked whether the machining of all the layers of the object is performed (S405), and when the machining of all the layers is completed, the process is terminated. If there is a layer to be left, the flow returns to step S403.
여기에서, 대상물의 노출된 계층을 가공하는 과정(S403)에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 빔 스캐너(또는 폴리곤 미러나 AOD)를 구동하고(S4031), 대상물이 안착된 스테이지를 이송한다(S4033). 이때 스테이지는 가공 방향과 반대 방향으로 이송하는 것이 바람직하다. 이후, 레이저 빔을 방출하고(S4035), 방출된 레이저 빔을 빔 분할 수단에 의해 복수개로 분할한 후(S4037), 빔 스캐너(또는 폴리곤 미러나 AOD)의 반사면에서 반사시켜 광학계를 통해 대상물에 조사되도록 한다.Here, the process of processing the exposed layer of the object (S403) will be described in detail. First, the beam scanner (or polygon mirror or AOD) is driven (S4031), and the stage on which the object is mounted is transferred (S4033). At this time, the stage is preferably conveyed in the direction opposite to the processing direction. Thereafter, the laser beam is emitted (S4035), the emitted laser beam is divided into a plurality of beam splitters (S4037), and then reflected on the reflective surface of the beam scanner (or polygon mirror or AOD) to the object through the optical system. To be investigated.
이와 같이, 본 발명에서는 다중 계층으로 이루어진 대상물을 가공하는 경우, 각 계층별로 가공 파라미터를 최적화하여 설정해 두고, 각 계층마다 각기 다른 가공 파라미터에 의해 가공이 이루어지도록 함으로써, 계층 경계에서의 들뜸, 폭발이 발생하는 것을 방지할 수 있다.As described above, in the present invention, when processing an object composed of multiple layers, the processing parameters are optimized and set for each layer, and the processing is performed by different processing parameters for each layer, so that the lifting and explosion at the layer boundary is performed. It can be prevented from occurring.
도 35는 도 34에 도시한 대상물 가공 과정의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.FIG. 35 is a flowchart for explaining an embodiment of an object machining process illustrated in FIG. 34.
본 실시예에 의한 대상물 가공 방법은 스크라이빙 단계(S501) 및 레이저 커팅 단계(S503)를 포함한다.The object processing method according to the present embodiment includes a scribing step (S501) and a laser cutting step (S503).
다중 계층으로 형성된 대상물을 직접 레이저로 가공하는 경우 계층 간의 특성 차이로 인해 크랙(crack)이 발생할 수 있으며, 크랙이 액티브 영역(칩 영역)으로 전파되는 경우 제조 수율이 저하되므로, 레이저 가공을 수행하기 전 가공 영역의 양측 에지 부분을 스크라이빙한 후, 레이저 가공에 의해 커팅하게 되면 크랙 발생률을 감소시킬 수 있다.When the object formed by multiple layers is directly processed by laser, cracks may occur due to the characteristic difference between the layers, and manufacturing yield is deteriorated when the cracks are propagated to the active region (chip region). After scribing both edge portions of the entire machining area, cutting by laser machining can reduce the crack incidence.
도 36a 및 36b는 도 35에서 설명한 가공 과정에 따라 대상물을 가공한 예를 설명하기 위한 도면이다.36A and 36B are views for explaining an example in which an object is processed according to the processing described with reference to FIG. 35.
도 36a에 도시된 것과 같이, 예를 들어 반도체 기판(20) 상에 액티브 영역(220, 24)을 형성한 후, 액티브 영역 간을 분리하기 위한 커팅 공정을 수행하고자 하는 경우, 먼저 스크라이빙 공정에 의해 가공 영역의 에지 부분(26)을 가공한다.As shown in FIG. 36A, for example, after the
이후, 도36b에 도시한 것과 같이, 레이저 가공 장치를 이용하여 가공 영역을 제거한다. 여기에서, 가공 영역의 반도체 기판(20)이 다중 계층으로 형성되어 있는 경우, 도 34에서 설명한 것과 같이 각 계층마다 각기 다르게 설정된 가공 파라미터에 의해 반도체 기판(20)을 가공하는 것이 바람직하다.Thereafter, as shown in Fig. 36B, the processing region is removed using a laser processing apparatus. Here, when the
아울러, 본 실시예에서 스크라이빙 공정 또한 레이저 가공 장치에 의해 수행할 수 있음은 물론이다.In addition, in the present embodiment, the scribing process may also be performed by the laser processing apparatus.
도시하지 않았지만, 커팅 공정을 수행한 후(S503), 힐링 공정을 수행하게 되면 레이저를 이용한 커팅 공정에서 발생한 크랙을 효과적으로 제거할 수 있다.Although not shown, after performing the cutting process (S503), when the healing process is performed, cracks generated in the cutting process using a laser can be effectively removed.
도 37은 도 34에 도시한 대상물 가공 과정의 다른 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.37 is a flowchart for explaining another embodiment of the object processing process shown in FIG. 34.
다중 계층으로 형성된 대상물을 레이저 가공하는 경우 가공 부위에 크랙이 발생하여 액티브 영역으로 전파될 수 있으며, 이를 방지하기 위하여 본 실시예에서는 대상물을 커팅한 후(S601) 커팅 부분을 힐링(Healing)한다(S603).In the case of laser processing an object formed of multiple layers, cracks may be generated in the processing site and propagate to the active area. In order to prevent this, in the present embodiment, after cutting the object (S601), the cutting part is healing (Healing). S603).
보다 구체적으로 설명하면, 먼저 레이저 가공장치를 이용하여 가공 영역을 커팅한다. 이때 가공 대상물이 다중 계층으로 형성되어 있는 경우, 도 34에 설명한 가공 방법을 이용하여 각 계층마다 각기 다르게 설정된 가공 파라미터에 의해 대상물을 가공하는 것이 바람직하다.More specifically, first, the processing region is cut using a laser processing apparatus. At this time, when the object to be processed is formed of multiple layers, it is preferable to process the object by processing parameters set differently for each layer using the processing method described in FIG.
이와 같은 커팅 공정에 의해 가공 부위에 크랙이 발생할 수 있으므로, 힐링 공정을 후속 진행하여 크랙 부분이 다시 접합되도록 함으로써 가공 효율을 증대시키는 것이다.Since a crack may occur in the processing site by such a cutting process, the healing process is subsequently performed to increase the processing efficiency by allowing the crack parts to be bonded again.
도 38a 및 38b는 도 37에서 설명한 가공 과정에 따라 대상물을 가공한 예를 설명하기 위한 도면이다.38A and 38B are views for explaining an example in which an object is processed according to the processing described with reference to FIG. 37.
도 38a를 참조하면, 액티브 영역(22, 24)이 형성된 반도체 기판(20)을 레이저 가공하는 경우 반도체 기판(20)의 가공 부위에 크랙(28)이 발생한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 38A, when laser processing the
이 경우 도 38b와 같이 힐링 공정을 수행하게 되면 크랙 부분이 접합되게 된다. 예를 들어 실리콘(Si) 기판의 경우 힐링 공정에 의해 기판이 이산화 실리콘(SiO2)로 변화되어 크랙 부분이 접합되고, 이에 따라 크랙이 액티브 영역으로 전파되는 것을 방지할 수 있다.In this case, when the healing process is performed as shown in FIG. 38B, the crack part is bonded. For example, in the case of a silicon (Si) substrate, the substrate is changed to silicon dioxide (SiO 2 ) by a healing process to bond cracks, thereby preventing propagation of the cracks into the active region.
요약하면, 본 실시예는 다중 계층으로 형성된 대상물을 가공하기 전 각 계층마다 가공 파라미터를 각기 다르게 설정해 두고, 각각의 계층을 순차적으로 가공함으로써, 가공 신뢰성을 향상시킬 수 있음은 물론 다이 강도를 향상시킬 수 있다.In summary, the present embodiment sets machining parameters differently for each layer before processing an object formed of multiple layers, and sequentially processes each layer, thereby improving processing reliability and improving die strength. Can be.
아울러, 폴리곤 미러를 이용하여 다중 가공을 수행하기 전 가공 부위의 에지 부분을 스크라이빙해 둠으로써, 레이저 가공시 발생하는 크랙 현상에 대비할 수 있으며, 크랙이 발생한 경우 힐링 공정에 의해 크랙 부분을 접합시켜 크랙이 전파되는 것을 방지할 수 있게 된다.In addition, by using the polygon mirror to scribe the edge portion of the machined portion before performing the multi-machining, it is possible to prepare for the crack phenomenon occurring during laser processing, if the crack occurs by joining the crack portion by the healing process Cracks can be prevented from propagating.
복수의 가공 라인을 동시 가공하는 레이저 가공 방법Laser processing method for simultaneous processing of multiple processing lines
도 39는 본 발명의 제 5 실시예에 의한 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 예를 들어 도 27에 도시한 레이저 가공 장치에 의해 달성될 수 있다.39 is a flowchart for explaining the laser processing method according to the fifth embodiment of the present invention, and can be achieved by, for example, the laser processing apparatus shown in FIG.
먼저, 입력부(109)를 통하여 가공하고자 하는 대상물(119)에 따라서 엑츄에이터(143-1, 143-2)의 각각의 기울기 및 위치와 반사미러(147)의 회전속도 및 대상물(19)이 안착되는 스테이지(121)의 이송속도 등의 제어 파라미터를 설정한다(S701). 이러한 설정과정은 가공하고자 하는 대상물(119)의 종류 및 가공종류에 따라 미리 설정된 메뉴로 등록하여 저장부(113)에 저장하고, 메뉴를 호출함으로써 간단하게 이루어질 수 있다.First, the inclination and position of the actuators 143-1 and 143-2, the rotational speed of the
설정이 완료되면 제어부(101)는 제 1 엑츄에이터(143-1)와 제 2 엑츄에이터(143-2)를 제어하여 제 1 미러(145-1)와 제 2 미러(145-2)를 각각의 설정에 따른 기울기 각도 및 위치로 조절하며(S703), 드라이버(107)를 제어하여 반사미러(147)를 기 설정한 회전속도로 일정각도 범위내에서 반복 회전시키며(S705), 스테이지 이송수단(123)을 구동하여 스테이지(121)를 설정된 속도로 이송한다(S707). 이때 제어부(101)는 2개의 레이저 발생 수단(139-1, 139-2)을 제어하여 레이저 빔을 방출한다(S709).When the setting is completed, the
이후, 방출된 레이저 빔은 제 1 및 제 2 빔 분할 수단(141-1, 141-2)에서 각각 적어도 둘 이상으로 분할된 후(S711), 각각 제 1 미러(145-1)와 제 2 미러(145-2)로 입사된다. 미러(145-1, 145-2)로 입사되는 레이저 빔은 미러(145-1, 145-2)에 의해 반사되어 각각 다른 방향에서 반사미러(147)의 동일한 위치로 입사된다. 반사미러(147)로 입사되는 각각의 레이저 빔은 회전하는 반사미러(147)의 반사면을 통해 각각 광학계(117)에서 집광된 후, 대상물(119)에 수직방향으로 조사된다. 이렇게 됨으로써 복수의 가공 라인을 동시에 가공할 수 있게 된다(S713).Thereafter, the emitted laser beam is divided into at least two or more in the first and second beam splitters 141-1 and 141-2, respectively (S711), and then the first mirror 145-1 and the second mirror, respectively. Incident at 145-2. The laser beams incident on the mirrors 145-1 and 145-2 are reflected by the mirrors 145-1 and 145-2 and are incident at the same positions of the reflection mirrors 147 in different directions. Each laser beam incident on the reflecting
상기한 과정에서 반사미러(147)는 정속회전을 하게 되므로 전술한 레이저 빔의 스캐닝 길이는 소정횟수 중첩되어 대상물(119)에 조사된다.In the above-described process, since the
또한, 대상물(119)가 안착되는 스테이지(121)를 상기 반사미러(147)의 회전방향에 대하여 역방향으로 이송하는 경우 대상물(119)에 조사되는 레이저빔이 스캐닝 길이를 조사하는 상대속도는 더 빨라지게 되며, 대상물(119)은 원활하게 가공된다.In addition, when the
상술한 도 31 내지 34 및 도 29의 레이저 가공 방법에서, 레이저 빔이 광학계를 통과한 후 빔 성형부를 통해 대상물에 조사될 경우, 대상물에 조사되는 빔의 형상은 타원이 될 것이며, 이 경우 레이저를 이용한 대상물 가공시 발생하는 부산물이 효과적으로 배출되어, 가공 효율을 증대시킬 수 있다.In the laser processing methods of FIGS. 31 to 34 and 29 described above, when the laser beam is irradiated to the object through the beam forming part after passing through the optical system, the shape of the beam irradiated to the object will be an ellipse, in which case the laser By-products generated during processing the used object can be effectively discharged, thereby increasing the processing efficiency.
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.As such, those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative in all respects and not as restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
본 발명에 의하면, 레이저 빔을 둘 이상으로 분할하여 대상물을 가공함으로써, 낮은 에너지를 갖는 레이저 빔으로 대상물을 복수회 가공하는 효과를 얻을 수 있어 좁은 선폭을 보장할 수 있고, 복수 개로 분할된 레이저 빔이 동시에 대상물에 조사되기 때문에 높은 가공 속도를 보장할 수 있다.According to the present invention, by processing the object by dividing the laser beam into two or more, it is possible to obtain the effect of processing the object a plurality of times with a laser beam having a low energy to ensure a narrow line width, the laser beam divided into a plurality At the same time, because the object is irradiated, high processing speed can be guaranteed.
아울러, 대상물에 레이저 빔이 조사되는 방향과 반대 방향으로 스테이지를 이송함으로써, 대상물 가공 속도를 더욱 개선할 수 있다.In addition, by moving the stage in a direction opposite to the direction in which the laser beam is irradiated to the object, it is possible to further improve the object processing speed.
또한, 레이저 빔이 타원 형상이 되도록 조절하여 대상물을 가공함으로써, 대상물 가공시 발생하는 부산물이 외부로 배출되도록 하여, 부산물이 가공 대상물에 재침착되는 것을 방지할 수 있어, 후속 공정에서 칩의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, by adjusting the laser beam to an elliptic shape to process the object, by-products generated during the object processing to be discharged to the outside, it is possible to prevent the by-products re-deposited on the object to be processed, thereby improving the reliability of the chip in the subsequent process Can be improved.
나아가, 빔 스캐너로부터 출사되는 레이저 빔 중 미러의 회전 반환점에서 출사되는 레이저 빔을 필터링하는 마스크를 도입함으로써, 빔 스캐너의 미러 회전 반환점에서 조사되는 레이저 빔에 의해 대상물이 분균일하게 가공되는 것을 방지할 수 있다.Further, by introducing a mask for filtering the laser beam emitted from the mirror rotation return point of the laser beam emitted from the beam scanner, it is possible to prevent the object from being uniformly processed by the laser beam irradiated from the mirror rotation return point of the beam scanner. Can be.
뿐만 아니라, 열전소자 또는 냉각 스테이지를 통해 대상물 표면에 결빙층을 형성하여 대상물을 가공하는 경우 별도의 코팅층 형성 과정 없이 대상물을 가공할 수 있으며, 대상물 가공 후의 세정 공정에 필요한 비용을 절감할 수 있고, 레이저 가공시에 발생한 파티클을 세정 공정에서 용이하게 회수할 수 있어 환경 오염 문제를 해결할 수 있다.In addition, when the object is processed by forming an ice layer on the surface of the object through a thermoelectric element or a cooling stage, the object may be processed without forming a separate coating layer, and the cost required for the cleaning process after the object is reduced, Particles generated during laser processing can be easily recovered in the cleaning process to solve the environmental pollution problem.
한편, 복수개의 레이저 발생 수단을 이용하여 동시에 복수개의 가공 부위를 가공할 수 있어, 가공 속도 및 성능을 향상시킬 수 있다.On the other hand, it is possible to process a plurality of processing sites at the same time by using a plurality of laser generating means, thereby improving processing speed and performance.
아울러, 복수의 계층으로 이루어진 대상물 가공시에는 각 계층의 성질에 따라 가공 파라미터를 다르게 설정하여 두고 가공을 수행하여, 레이저 가공시 대상물 에 크랙이 발생하는 것을 최소화할 수 있고, 크랙이 발생한 경우에도 힐링 공정에 의해 크랙의 전파를 방지할 수 있어 소자의 생산 수율과 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있다.In addition, when processing the object consisting of a plurality of layers, the processing parameters are set differently according to the properties of each layer, and the processing can be performed to minimize the occurrence of cracks in the object during laser processing, even when a crack occurs Crack propagation can be prevented by the process, and the yield and reliability of the device can be greatly improved.
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