JP2001018085A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工物上でレーザ加工を均一に行うことが
できるとともに、加工の信頼性を向上させ、かつ装置の
小型化およびコストの低減等を容易に実現することがで
きるレーザ加工装置を提供する。 【解決手段】 レーザ発振器１から出力されたレーザ光
Ｌは、集光レンズ５によって集光された後、パターン成
形機構２のレーザ透過窓２ａを透過して断面形状が正方
形のレーザビームとして成形され、またレーザ光Ｌはパ
ターン成形機構２のレーザ透過窓２ａで回折される。パ
ターン成形機構２で成形されたレーザビームＬは、高次
回折光除去機構４へ導かれ、レーザビームＬ１に含まれ
る高次の回折光が遮蔽されて低次の回折光のみがレーザ
透過窓４ａを通して透過される。また、高次回折光除去
機構４で高次の回折光が除去されたレーザビームＬ１は
結像レンズ３に導かれ、被加工物６上にレーザビームＬ
１の断面形状と相似形をなす形状の結像パターンが結像
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光により被加
工物を加工するレーザ加工に係り、とりわけ、レーザ発
振器から出力されたレーザ光を結像させて被加工物を加
工するレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、レーザ発振器から出力された
レーザ光を結像させて被加工物を加工する方法として、
パターン成形機構により所定の断面形状のレーザビーム
を成形した後、この成形されたレーザビームを被加工物
上に結像させ、被加工物上に任意形状の結像パターン
（レーザ加工スポット）を形成する方法が知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のレーザ加工方法では、レーザ光がパターン成形
機構のレーザ透過窓を透過するときにレーザ透過窓にて
回折が生じるので、レーザビームの結像位置にて干渉が
引き起こされ、被加工物上での結像パターンに強度分布
が生じることとなる。なお、この強度分布は、結像レン
ズが同一である場合には、レーザ光の波長とレーザ透過
窓の寸法とに応じてピッチが変化する周期的な干渉縞と
して現れ、被加工物上でレーザ光のエネルギー密度に周
期的に高低が生じることとなる。

【０００４】このため、上述した従来のレーザ加工方法
では、被加工物上で結像パターンの強度分布の高い部分
では加工が十分に行われるが、強度分布が低い部分では
加工が不十分または全く加工が行われないという状態
（レーザ加工の不均一性）が発生し、被加工物上でレー
ザ加工の均一性を満たすような適正な加工条件を見つけ
出すことが困難となり、特に被加工物や光学系の種類等
によっては適正な加工条件が見つけ出すことが全くでき
なくなるという問題がある。

【０００５】また、上述した従来のレーザ加工方法で
は、レーザ光を被加工物まで効率良く導くためにパター
ン成形機構のレーザ透過窓の寸法をレーザビームの断面
形状の大きさに比べて可能な限り大きくとる必要があ
る。そして、このようにしてレーザ透過窓の寸法を大き
く保った状態で被加工物上で微小な結像パターンを形成
する場合を考えると、結像倍率を小さくする必要から、
結像レンズを短焦点としたり、パターン成形機構と結像
レンズとの間の距離を大きくとったりする必要がある。

【０００６】このため、上述した従来のレーザ加工方法
では、結像レンズを短焦点とすることにより、レーザビ
ームの結像位置での焦点深度が極めて浅くなり、被加工
物を結像位置に正確に配置することが困難となり、加工
の信頼性が低下してしまうという問題がある。また、結
像レンズを短焦点とし、パターン成形機構と結像レンズ
との間の距離を大きくとることにより、結像レンズの必
要口径の増大や、結像レンズ等の光学部品の複雑化等を
招き、装置の大型化およびコストの増大等を招いてしま
うという問題がある。

【０００７】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、被加工物上でレーザ加工を均一に行うこと
ができるとともに、加工の信頼性を向上させ、かつ装置
の小型化およびコストの低減等を容易に実現することが
できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の解決手段は、レー
ザ光を出力するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から
出力されたレーザ光を成形して所定の断面形状のレーザ
ビームを形成するパターン成形機構と、前記パターン成
形機構で成形されたレーザビームを被加工物上に結像さ
せて該被加工物上に前記レーザビームの断面形状に対応
する形状のレーザ加工スポットを形成する結像レンズ
と、前記パターン成形機構で成形されたレーザビームに
含まれる回折光のうち高次の回折光を除去する高次回折
光除去機構とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置
である。

【０００９】なお、上述した第１の解決手段において、
前記レーザ発振器と前記パターン成形機構との間に配置
され前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光さ
せる集光レンズをさらに備えることが好ましい。また、
前記パターン成形機構は前記レーザ発振器から出力され
たレーザ光を遮蔽する遮蔽部材からなり、この遮蔽部材
はレーザ光の一部のみを透過させるレーザ透過窓を有す
ることが好ましい。さらに、前記高次回折光除去機構は
前記パターン成形機構で成形されたレーザビームを遮蔽
する遮蔽部材からなり、この遮蔽部材はレーザビームに
含まれる回折光のうち低次の回折光のみを透過させるレ
ーザ透過窓を有することが好ましい。ここで、前記パタ
ーン成形機構および前記高次回折光除去機構は前記遮蔽
部材の前記レーザ透過窓の形状および寸法を変化させる
透過窓可変機構を有することが好ましい。なお、前記遮
蔽部材は前記結像レンズを保持するホルダとしてもよ
い。第２の解決手段は、レーザ光を出力するレーザ発振
器と、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の一部
を透過させて所定の断面形状のレーザビームを成形する
パターン成形機構と、前記パターン成形機構で成形され
たレーザビームを被加工物上に結像させて該被加工物上
に前記レーザビームの断面形状に対応する形状のレーザ
加工スポットを形成する結像レンズとを備え、前記結像
レンズは前記パターン成形機構で成形されたレーザビー
ムに含まれる回折光のうち低次の回折光のみを受け入れ
る寸法を有していることを特徴とするレーザ加工装置で
ある。第１および第２の解決手段によれば、パターン成
形機構で成形されたレーザビームに含まれる回折光のう
ち高次の回折光を遮蔽して低次の回折光のみを透過させ
るようにしているので、レーザビームの結像位置での干
渉の影響を抑えることができ、結像パターンの内部に不
均一な強度分布が生じることを効果的に防止することが
できる。

【００１０】また、レーザ発振器から出力されたレーザ
光を集光レンズにより集光させることにより、パターン
成形機構でのレーザ光の透過率を向上させることがで
き、パターン成形機構によるレーザ光の損失を抑えて被
加工物の加工効率を向上させることができる。

【００１１】さらに、レーザ発振器から出力されたレー
ザ光を集光レンズにより集光させることにより、被加工
物上で微小な結像パターンを形成する場合でも、結像倍
率を大きくとることが可能となり、結像レンズを短焦点
としたり、パターン成形機構と結像レンズとの間の距離
を大きくとったりする必要がなくなる。このため、レー
ザビームの結像位置での焦点深度を深くして加工の信頼
性を向上させるとともに、結像レンズの必要口径の増大
や、結像レンズ等の光学部品の複雑化等を防止して装置
の小型化およびコストの低減等を容易に実現することが
できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００１３】図１は本発明によるレーザ加工装置の一実
施の形態の構成を示す図である。図１に示すように、レ
ーザ加工装置は、レーザ光Ｌを出力するレーザ発振器１
と、レーザ発振器１から出力されたレーザ光Ｌを成形し
て所定の断面形状のレーザビームＬ１を形成するパター
ン成形機構２と、パターン成形機構２で成形されたレー
ザビームＬ１を被加工物６上に結像させて該被加工物６
上にレーザビームＬ１の断面形状と相似形をなす形状の
結像パターン（レーザ加工スポット）を形成する結像レ
ンズ３と、パターン成形機構２と結像レンズ３との間に
配置されパターン成形機構２で成形されたレーザビーム
Ｌ１に含まれる回折光のうち高次の回折光を除去する高
次回折光除去機構４とを備えている。

【００１４】ここで、パターン成形機構２は、レーザ発
振器１から出力されたレーザ光を遮蔽する遮蔽部材から
なり、レーザ光の一部のみを透過させるレーザ透過窓２
ａを有している。また、高次回折光除去機構４は、パタ
ーン成形機構２で成形されたレーザビームＬ１を遮蔽す
る遮蔽部材からなり、レーザビームＬ１に含まれる回折
光のうち低次の回折光のみを透過させるレーザ透過窓４
ａを有している。

【００１５】なお、レーザ発振器１とパターン成形機構
２との間には、レーザ発振器１から出力されたレーザ光
Ｌを集光させる集光レンズ５が設けられている。

【００１６】次に、このような構成からなる本実施の形
態の作用について、被加工物６上に正方形の結像パター
ンを形成する場合を例に挙げて説明する。なおここで
は、説明を簡略化するため、結像レンズ３および集光レ
ンズ５等の光学部品は収差等が全くない理想光学系であ
るとし、光軸Ｌａ方向の厚さは無視できるものとする。
この場合には、パターン成形機構２として、被加工物６
上に形成される結像パターンの形状と相似形をなす正方
形のレーザ透過窓２ａを有する遮蔽部材を設け、レーザ
透過窓２ａの中心が光軸Ｌａ上でかつ集光レンズ５の焦
点位置にくるよう配置する。

【００１７】ここで例えば、レーザ光Ｌのビーム径が３
ｍｍ、広がり角が１ｍｒａｄ、波長が０．５μｍ、被加
工物６上での結像パターン（正方形）の一辺が１００μ
ｍである場合を想定する。この場合には、パターン成形
機構２のレーザ透過窓２ａが一辺１００μｍの正方形で
あるとすると、レーザ発振器１から出力されたレーザ光
Ｌは、集光レンズ５によって集光された後、パターン成
形機構２のレーザ透過窓２ａを透過して断面形状が正方
形のレーザビームとして成形され、またレーザ光Ｌはパ
ターン成形機構２のレーザ透過窓２ａで回折される。な
おこのとき、集光レンズ５の焦点距離が１５０ｍｍであ
る場合を想定すると、パターン成形機構２のレーザ透過
窓２ａにてそのスポット径はレーザ透過窓２ａに外接す
る径とほぼ等しい約１５０μｍとなる。

【００１８】なお、このような回折はフラウンホーファ
近似を用いて次のように定式化することができる。すな
わち、パターン成形機構２のレーザ透過窓２ａの形状
（正方形）の一辺の長さをａ、レーザ光Ｌの波長をλと
すると、零次光の回折広がり角の零値幅ｄは、ｄ＝２×
λ／ａ（ｒａｄ）となり、λ／ａの値に比例して干渉縞
の暗線のピッチが変更されることとなる。なお、上述し
た例では、λ＝０．５μｍ、ａ＝１００μｍであるの
で、零次光の回折広がり角は零値幅で１０ｍｒａｄとな
り、レーザビームＬ１に含まれる回折光の強度は、光軸
Ｌａから１２．３ｍｒａｄ（１次）、１７．３５ｍｒａ
ｄ（２次）、２２．４ｍｒａｄ（３次）、…の角度の位
置で極大となる。

【００１９】図２（ａ）（ｂ）はパターン成形機構２で
成形されたレーザビームＬ１に含まれる回折光のパター
ンを模式的に示す図である。このうち、図２（ａ）はレ
ーザ透過窓２ａの寸法が大きい場合の回折光のパターン
を示しており、この場合には、零次光の回折広がり角が
狭くなり、また各次数の回折光のピッチも狭くなる（図
２（ａ）参照）。これに対し、図２（ｂ）はレーザ透過
窓２ａの寸法が小さい場合の回折光のパターンを示して
おり、この場合には、零次光の回折広がり角が十分な大
きさとなり、また各次数の回折光のピッチも十分な大き
さとなる（図２（ｂ）参照）。なお、上述した例のよう
にレーザ透過窓２ａが一辺１００μｍの正方形である場
合には、図２（ｂ）に示すようなパターンとなり、高次
回折光除去機構４のレーザ透過窓４ａにより、隣り合っ
た次数の回折光を確実に分離することが可能となる。

【００２０】パターン成形機構２で成形されたレーザビ
ームＬは、高次回折光除去機構４へ導かれ、レーザビー
ムＬ１に含まれる高次の回折光が遮蔽されて低次の回折
光（零次の回折光を含む）のみがレーザ透過窓４ａを通
して透過される。また、高次回折光除去機構４で高次の
回折光が除去されたレーザビームＬ１は結像レンズ３に
導かれ、被加工物６上にレーザビームＬ１の断面形状と
相似形をなす形状の結像パターンが結像される。

【００２１】なお、高次回折光除去機構４で除去される
回折光の次数は、高次回折光除去機構４のパターン成形
機構２からの距離およびレーザ透過窓４ａの寸法等を適
宜調整することにより、例えば３〜４次以上の範囲で任
意に選択することができる。具体的には例えば、レーザ
ビームＬ１に含まれる回折光のうち２次の回折光までを
透過させて被加工物６上に結像させる場合には、パター
ン成形機構２から１００ｍｍだけ離間した位置に一辺２
ｍｍの正方形のレーザ透過窓４ａを有する高次回折光除
去機構４を配置し、さらにその直ぐ後段に焦点距離が５
０ｍｍの結像レンズ３を配置するようにするとよい。こ
れにより、２次の回折光までを含むレーザビームＬ１を
被加工物６上に結像する等倍結像の光学系が得られ、結
像レンズ３から１００ｍｍの後段の位置にて一辺１００
μｍの正方形の結像パターンを得ることができる。

【００２２】図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は被加工物の表面
パターンを模式的に示す図である。このうち、図３
（ａ）は図１に示すレーザ加工装置で加工された被加工
物の表面パターンを示しており、この場合には、結像パ
ターンの内部でほぼ均一な強度分布が得られた。これに
対し、図３（ｂ）（ｃ）は高次回折光除去機構４を用い
ない場合の比較例を示している。このうち、図３（ｂ）
はパターン生成機構２のレーザ透過窓２ａの寸法が大き
い場合を示しており、この場合には、結像パターンの内
部に細かな強弱パターンが現れた。また、図３（ｃ）は
パターン生成機構２のレーザ透過窓２ａの寸法が小さい
場合を示しており、この場合には、図３（ｂ）に比べて
結像パターンの内部の強弱パターンの密度は減少した
が、図３（ｂ）に比べてより粗い強弱パターンが現れ
た。

【００２３】このように本実施の形態によれば、パター
ン成形機構２から所定距離だけ離間した位置に高次回折
光除去機構４を配置し、パターン成形機構２で成形され
たレーザビームＬ１に含まれる回折光のうち高次の回折
光を遮蔽して低次の回折光のみを透過させるようにして
いるので、レーザビームＬ１の結像位置での干渉の影響
を抑えることができ、被加工物６上にて結像される結像
パターンの内部に不均一な強度分布が生じることを効果
的に防止することができる。

【００２４】また本実施の形態によれば、パターン成形
機構２の前段に集光レンズ５を配置し、レーザ発振器１
から出力されたレーザ光Ｌのスポット径をパターン成形
機構２のレーザ透過窓２ａに外接する径程度まで集光さ
せるようにしているので、パターン成形機構２でのレー
ザ光Ｌの透過率を向上させることができ、パターン成形
機構２のレーザ透過窓２ａが小さな寸法を有している場
合でも、パターン成形機構２によるレーザ光Ｌの損失を
抑えて被加工物６の加工効率を向上させることができ
る。なおこのとき、レーザ発振器１から出力されたレー
ザ光Ｌを集光レンズ５により集光させることにより、パ
ターン成形機構２で成形されたレーザビームＬ１に含ま
れる低次の回折光の回折広がり角を大きくとることがで
きるので、高次回折光除去機構４のレーザ透過窓４ａも
大きくとることができ、隣り合った次数の回折光を分離
するためのレーザ透過窓４ａの寸法の調整を容易かつ簡
易に行うことができる。

【００２５】さらに本実施の形態によれば、レーザ発振
器１から出力されたレーザ光Ｌを集光レンズ５により集
光させることにより、パターン成形機構２のレーザ透過
窓２ａの寸法を小さくすることができるので、被加工物
６上で微小な結像パターンを形成する場合でも、結像倍
率を大きくすることが可能となり、結像レンズ３を短焦
点としたり、パターン成形機構２と結像レンズ３との間
の距離を大きくとったりする必要がなくなる。このた
め、レーザビームＬ１の結像位置での焦点深度を深くし
て加工の信頼性を向上させるとともに、結像レンズ３の
必要口径の増大や、結像レンズ３等の光学部品の複雑化
等を防止して装置の小型化およびコストの低減等を容易
に実現することができる。

【００２６】なお、上述した実施の形態においては、パ
ターン成形機構２および高次回折光除去機構４のレーザ
透過窓２ａ，４ａの形状および寸法を固定としている
が、可変スリットや可変絞り等の機構（透過窓可変機
構）によりレーザ透過窓の形状および寸法を変化させる
ようにしてもよい。

【００２７】また、上述した実施の形態においては、パ
ターン成形機構２および高次回折光除去機構４のレーザ
透過窓２ａ，４ａの形状を正方形としているが、これに
限らず、任意の形状を採用することができる。また、高
次回折光除去機構４のレーザ透過窓４ａの形状はパター
ン成形機構２のレーザ透過窓２ａの形状と同一である必
要はなく、レーザビームＬ１に含まれる高次の回折光を
除去できる限りにおいて任意の形状を採用することがで
きる。

【００２８】さらに、上述した実施の形態においては、
高次回折光除去機構４がパターン成形機構２と結像レン
ズ３との間に配置されているが、これに限らず、結像レ
ンズ３と被加工物６との間に配置することも可能であ
る。

【００２９】さらにまた、上述した実施の形態において
は、高次回折光除去機構４を結像レンズ３とは独立した
部材としているが、結像レンズ３を保持するホルダ（図
示せず）を高次回折光除去機構４として用いるようにし
てもよい。また、結像レンズ３の断面形状がパターン成
形機構２で生じた回折光のうち低次の回折光のみを受け
入れるのに適した寸法（口径）を有している場合には、
結像レンズ３へのレーザビームＬ１の入射および非入射
を利用して高次回折光除去機構４の機能をも果たすよう
にすることも可能である。

【００３０】なお、上述した実施の形態においては、パ
ターン成形機構２および高次回折光除去機構４のレーザ
透過窓２ａ，４ａの形状および寸法、各光学部品間の距
離、および結像レンズ３の焦点距離等について具体的な
数値を上げて説明したが、これらはあくまでも一例とし
て挙げたものであり、レーザ発振器１の特性や結像倍
率、加工内容等に応じて適宜選択することが可能である
ことは当然である。また、各光学部品の数等もあくまで
も一例として挙げたものであり、例えばパターン成形機
構２および高次回折光除去機構４等を複数設けるように
したり、結像レンズ３を複数設けるようにしてもよい。

【００３１】なお、上述した実施の形態においては、集
光レンズ５により、レーザ発振器１から出力されたレー
ザ光Ｌのスポット径をパターン成形機構２のレーザ透過
窓２ａに外接する径程度まで集光させるようにしている
が、被加工物６上での結像パターンの内部の強度分布の
均一性がどの程度要求されるかに応じてスポット径の大
きさを増減するようにしてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
加工物上でレーザ加工を均一に行うことができるととも
に、加工の信頼性を向上させ、かつ装置の小型化および
コストの低減等を容易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ加工装置の一実施の形態を
示す概略図。

【図２】パターン成形機構で成形されたレーザビームに
含まれる回折光のパターンを示す図。

【図３】被加工物の表面パターンを示す図。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ パターン成形機構 ２ａ レーザ透過窓 ３ 結像レンズ ４ 高次回折光除去機構 ４ａ レーザ透過窓 ５ 集光レンズ ６ 被加工物

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光を出力するレーザ発振器と、 前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を成形して所
   定の断面形状のレーザビームを形成するパターン成形機
   構と、 前記パターン成形機構で成形されたレーザビームを被加
   工物上に結像させて該被加工物上に前記レーザビームの
   断面形状に対応する形状のレーザ加工スポットを形成す
   る結像レンズと、 前記パターン成形機構で成形されたレーザビームに含ま
   れる回折光のうち高次の回折光を除去する高次回折光除
   去機構とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】前記レーザ発振器と前記パターン成形機構
   との間に配置され前記レーザ発振器から出力されたレー
   ザ光を集光させる集光レンズをさらに備えたことを特徴
   とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】前記パターン成形機構は前記レーザ発振器
   から出力されたレーザ光を遮蔽する遮蔽部材からなり、
   この遮蔽部材はレーザ光の一部のみを透過させるレーザ
   透過窓を有することを特徴とする請求項１または２記載
   のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】前記パターン成形機構は前記遮蔽部材の前
   記レーザ透過窓の形状および寸法を変化させる透過窓可
   変機構を有することを特徴とする請求項３記載のレーザ
   加工装置。
5. 【請求項５】前記高次回折光除去機構は前記パターン成
   形機構で成形されたレーザビームを遮蔽する遮蔽部材か
   らなり、この遮蔽部材はレーザビームに含まれる回折光
   のうち低次の回折光のみを透過させるレーザ透過窓を有
   することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の
   レーザ加工装置。
6. 【請求項６】前記高次回折光除去機構は前記遮蔽部材の
   前記レーザ透過窓の形状および寸法を変化させる透過窓
   可変機構を有することを特徴とする請求項５記載のレー
   ザ加工装置。
7. 【請求項７】前記遮蔽部材は前記結像レンズを保持する
   ホルダであることを特徴とする請求項５記載のレーザ加
   工装置。
8. 【請求項８】レーザ光を出力するレーザ発振器と、 前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の一部を透過
   させて所定の断面形状のレーザビームを成形するパター
   ン成形機構と、 前記パターン成形機構で成形されたレーザビームを被加
   工物上に結像させて該被加工物上に前記レーザビームの
   断面形状に対応する形状のレーザ加工スポットを形成す
   る結像レンズとを備え、 前記結像レンズは前記パターン成形機構で成形されたレ
   ーザビームに含まれる回折光のうち低次の回折光のみを
   受け入れる寸法を有していることを特徴とするレーザ加
   工装置。
9. 【請求項９】請求項１乃至８のいずれか記載のレーザ加
   工装置により加工された被加工物。