JP2002172480A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 第１に、加工光学系の小型軽量にして、この
加工光学系のみを移動可能にすること。第２に、大型の
レーザ発振器であっても、レーザ光を所定のパワーと品
質をもって、導光することができること。第３に、基板
サイズの大型化に対して、装置全体として小型にするこ
と。第４に、レーザ光の出力の低下を防止すること。 【解決手段】 レーザ発振器１と加工光学系とを光ファ
イバ１６を通じて光学的に接続し、加工対象物１４を固
定し、移動可能な加工光学系内の対物レンズ１２を通じ
て、レーザ光を加工対象物１４に照射するレーザ加工装
置であって、レーザ光とガイド光を合成する手段とビー
ム整形用スリット４との間に、入射レンズ１５と、光フ
ァイバ１６と、コリメートレンズ１７とを配置して光学
的に接続する。ビーム整形用スリット４は、コリメート
レンズ１７出射後のレーザ光のビームウエストの位置に
設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を加工対
象物に照射して、レーザ加工を行うレーザ加工装置に関
し、特に液晶ディスプレイ用カラーフィルタ、半導体の
回路パターンの欠陥修正などの各種電子部品に微細加工
を行う際に、レーザ加工状況を観察しながら、所定の加
工形状にレーザ加工することのできるレーザ加工装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のレーザ加工装置として
は、図２に示すように、小型のパルス励起型のレーザ発
振器１、ダイクロイックミラー２、スリット形状照明用
光源３、ビーム整形用スリット４、第１ハーフミラー
５、観察用ＣＣＤカメラ６、結像レンズ７、折り返しミ
ラー８、チューブレンズ９、第２ハーフミラー１０、落
射照明用光源１１及び対物レンズ１２を備え、前記した
第１ハーフミラー５、観察用ＣＣＤカメラ６、結像レン
ズ７、折り返しミラー８、チューブレンズ９、第２ハー
フミラー１０、落射照明用光源１１及び対物レンズ１２
は顕微鏡１３に内蔵されており、この顕微鏡１３にレー
ザ発振器１、及びダイクロイックミラー２、スリット形
状照明用光源３、ビーム整形用スリット４が搭載されて
いる。なお、符号１４はレーザ加工すべき加工対象物で
あり、この加工対象物１４はＸＹステージ（図示せず）
に載置されて、Ｘ、Ｙ方向に移動可能である。

【０００３】このようなレーザ加工装置の作用を説明す
ると、先ず、レーザ発振器１から出射したレーザ光は、
スリット形状照明用光源３から出射した可視光からなる
ガイド光と共に、ダイクロイックミラー２に入射して、
このレーザ光とガイド光を合成した合成光を出射する。
このガイド光は、加工対象物１４におけるレーザ光の照
射位置及び照射形状を示すためのものある。レーザ光と
ガイド光との合成光は、Ｘ方向及びＹ方向の２枚の歯を
備えて調整可能なビーム整形用スリット４に入射して、
所望形状に整形されたレーザビームとなって、このビー
ム整形用スリット４から出射する。この合成光は、その
光軸上において、第１ハーフミラー５、チューブレンズ
９（リレーレンズともいう）、第２ハーフミラー１０を
透過して、対物レンズ１２を通じて加工対象物１４上に
結像されて、照射される。

【０００４】次に、第２ハーフミラー１０は、上記した
合成光の透過作用の他に、落射照明用光源１１より出射
される照明光を折り曲げて、対物レンズ１２に入射させ
る作用を有し、この照明光は加工対象物を照射する。こ
の照射による観察画像は、対物レンズ１２、第２ハーフ
ミラー１０、チューブレンズ９、第１ハーフミラー５、
折り返しミラー８及び結像レンズ７を通して、観察用Ｃ
ＣＤカメラ６に導光されて、このカメラ６により加工対
象物１４のレーザ加工状況の画像を観察することができ
る。このようなレーザ加工装置は、図２に示した小型の
パルス励起型のレーザ発振器１を顕微鏡１３の上に直接
搭載することができるが、顕微鏡に搭載することができ
ない程の大型のレーザ発振器を使用する場合には、その
レーザ発振器と顕微鏡との間に、別途、折り返しミラー
を使用したレーザ伝送系を光学的に接続して、大型のレ
ーザ発振器と顕微鏡とをそれぞれ分離して設置してい
た。

【０００５】このようなレーザ加工装置に使用される顕
微鏡は固定され、加工対象物１４がＸＹステージ（図示
せず）に載置されることから、加工対象物１４のレーザ
加工部位を所定の照射位置に位置決めするために、ＸＹ
ステージの位置調整により加工対象物１４を移動させ
る。

【０００６】ところで、最近の液晶基板やプラズマディ
スプレ基板のサイズは大型化され、例えば、１ｍ角近い
のものが出現している。このような基板サイズの大型化
に伴い、基板をＸＹステージに載置して、移動するタイ
プのものである場合、基板面積の少なくとも４倍の面積
を専有することから、レーザ加工装置自体の大型化は避
けられず、装置のコストと専有面積の増大となってい
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このようなニーズに対
して、基板をＸＹステージに固定し、移動可能な加工光
学系と、レーザ発振器とを門柱型のステージに載置する
装置がある。ここで、加工光学系とは、図２に示したレ
ーザ加工装置の場合には、ダイクロイックミラー２、ス
リット形状照明用光源３、ビーム整形用スリット４及び
顕微鏡１３を含む光学系である。このような装置の場
合、小型のレーザ発振器であっても、通常、その重量が
１０ｋｇ程度あることから、このレーザ発振器を顕微鏡
に搭載した場合、その保持部には十分な剛性が必要とな
る。また、加工光学系の高さ寸法が大きくなり、ＸＹス
テージの加速・減速が制限され、ＸＹステージの移動速
度を上げられない。

【０００８】また、レーザ発振器とレーザ電源、冷却器
との距離を長くとれない場合には、これらも加工光学系
と一緒に移動することになり、ＸＹステージ上の載置物
がどんどん重くなる。更に、レーザ発振器の冷却方式を
空冷ではなく、水冷タイプを採用した場合、冷却水タン
クを含んだ冷却器もＸＹステージと一緒に移動すること
になり、メンテナンス性にも問題がある。更にまた、大
型のレーザ発振器から、別途、折り返しミラーを使用し
た伝送系を通じて、加工光学系を接続した場合、レーザ
発振器と加工光学系との間の伝送距離が加工部位の移動
によりその都度変化するので、照射ビームの品質が変わ
り、均質なレーザ加工を困難にしていた。

【０００９】なお、レーザ発振器と加工光学系との間の
伝送系に光ファイバを使用して、レーザ加工部位を観察
するレーザ加工装置が特開平２０００−１３５５８３号
公報に紹介されているが、このレーザ加工装置は、本発
明の発想とは全く別異のものであって、レーザ光とガイ
ド光との合成光や、ビーム整形用スリットを使用してい
ないことから、そもそも、所望の加工形状にすることが
できない。

【００１０】また、レーザ発振器と加工光学系との間の
伝送系に光ファイバを使用した場合、レーザ光のパワー
密度を低下する現象をもたらすという課題が残されてい
た。

【００１１】本発明は、このような従来技術の課題を解
決するためになされたものであり、加工対象物のレーザ
加工状況を観測しながら、所定の加工形状にレーザ加工
をするレーザ加工装置を前提にして、第１の目的は、加
工光学系を小型軽量にしたレーザ加工装置を提供するこ
とであり、第２の目的は、ＸＹステージに載置できない
程大型のレーザ発振器の場合でも、レーザ光を加工光学
系に所定のパワーと品質をもって、導光することができ
るレーザ加工装置を提供することであり、第３の目的
は、加工対象物の基板サイズが大型化に対応した小型の
レーザ加工装置を提供することであり、第４の目的は、
レーザ光の出力の低下を防止したレーザ加工装置を提供
することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、このような
目的を達成するレーザ加工装置について鋭意研究をした
結果、本発明のレーザ加工装置を開発することに成功し
た。

【００１３】そして、請求項１に係る発明は、レーザ発
振器から出射したレーザ光と、加工対象物上におけるレ
ーザ光の照射位置を示すためのスリット形状照明用光源
から出射したガイド光とを合成した合成光を、ビーム整
形用スリットを通して所定形状に整形し、加工光学系内
の対物レンズを通して前記加工対象物に照射して、レー
ザ加工を行うレーザ加工装置において、前記加工対象物
が固定され、前記加工光学系が移動可能であり、前記合
成光を合成する手段と前記ビーム整形用スリットとの間
に、前記合成光を入射して集光させた光を出射する入射
レンズと、前記入射レンズから出射した前記合成光を入
射して、所定の光路長を伝搬させて、出射する光ファイ
バと、前記光ファイバから出射した合成光を入射して、
平行光を出射するコリメートレンズとを配置して光学的
に接続したことを特徴とするレーザ加工装置である。

【００１４】そして、請求項２に係る発明は、請求項１
に記載のレーザ加工装置において、前記ビーム整形用ス
リットが前記コリメートレンズから出射したレーザ光の
ビームウエストの位置に置かれることを特徴とするレー
ザ加工装置である。

【００１５】

【作用】本発明では、レーザ発振器から加工光学系への
レーザ光とガイド光の伝送系に光ファイバを使用してい
るので、レーザ発振器と加工光学系とを分離している。
そして、レーザ光とガイド光を合成する手段をレーザ発
振器と光ファイバとの間に設置し、加工光学系には、コ
リメートレンズ、ビーム整形用スリット及び顕微鏡の各
構成要素だけを載置することから、この加工光学系が小
型軽量となり、その結果、剛性強化、ＸＹステージの加
速・減速の諸問題を解決する。

【００１６】本発明では、レーザ発振器と加工光学系と
の間の伝送距離及び加工対象物の加工部位をそれぞれ一
定にすることができるので、加工対象物への照射ビーム
の品質を良好に維持し、均質なレーザ加工をする。

【００１７】本発明では、ビーム整形用スリットをコリ
メートレンズ出射後のレーザ光のビームウエストの位置
に設置して、このビーム整形用スリットを通じて出射す
るレーザ光の出力の低下を防止する。

【００１８】そして、本発明では、レーザ電源及び冷却
器を外部に固定することができるので、これらレーザ電
源及び冷却器におけるメンテナンスの問題も解決する。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態によ
るレーザ加工装置を示す構成図である。ここで、図２に
使用した符号と同一のものは、同一符号を付けているの
で、その説明を省略した事項については、従来の技術の
項を参照されたい。

【００２０】本発明の実施の形態によるレーザ加工装置
の基本構成は、レーザ発振器１、ダイクロイックミラー
２、スリット形状照明用光源３、入射レンズ１５、光フ
ァイバ１６、コリメートレンズ１７、ビーム整形用スリ
ット４、顕微鏡１３及び加工対象物１４とからなり、顕
微鏡１３には、図２に示した従来のレーザ加工装置と同
様、第１ハーフミラー５、観察用ＣＣＤカメラ６、結像
レンズ７、折り返しミラー８、チューブレンズ９、第２
ハーフミラー１０、落射照明用光源１１及び対物レンズ
１２を内蔵し、この顕微鏡１３と、上記したコリメート
レンズ１７及びビーム整形用スリット４とを合わせて、
加工光学系を構成している。

【００２１】なお、顕微鏡と加工光学系の各構成要素に
関しては、例えば、観察用ＣＣＤカメラ６や落射照明用
光源１１を外部に設置して光学的に接続することが可能
であり、また、必要に応じて、他の構成要素との置換変
更はもとより、一部の構成要素を省略することも可能で
ある。

【００２２】レーザ発振器１は、パルス励起型のＮｄ：
ＹＡＧレーザ（波長：１０６４ｎｍ、パルス幅：５ｎ
ｓ、パルスエネルギー：１０ｍＪ）を使用している。こ
のレーザ発振器１より出射したレーザ光は、スリット形
状照明用光源より出射した可視光からなるガイド光と合
成させるために、両光は、ダイクロイックミラーに入射
させて、レーザ光とガイド光との合成光を出射させる。
この出射したレーザ光とガイド光の合成光は、入射レン
ズ１５（焦点距離ｆ＝３０ｍｍ）に入射して集光され
て、次の光ファイバ１６の入射端に向けて出射する。こ
の光ファイバ１６は、コア径４００μｍのステップイン
デックス石英製であり、上記したレーザ光とガイド光の
合成光を入射して、所定の光路長（本例：１０ｍ）を伝
搬させて、その出射端から出射する。

【００２３】光ファイバ１６より出射したレーザ光とガ
イド光の合成光は、コリメートレンズ１７に入射して、
平行光に整形して、このコリメートレンズ１７より出射
される。次に、コリメートレンズより出射した合成光
は、ビーム整形用スリット４に入射する。このビーム整
形用スリット４は、レーザビームがビームウエストを形
成する位置に設置してある。このビーム整形用スリット
４の位置でのレーザビーム径は約５ｍｍφである。

【００２４】ビーム整形用スリット４により所望形状に
整形された合成光（レーザ光とガイド光）は、顕微鏡１
３の加工光学系の第１ハーフミラー５、チューブレンズ
９、第２ハーフミラー１０及び対物レンズ１２を通じ
て、加工対象物１４の加工部位に結像し、照射する。対
物レンズ１２の倍率を２０倍とし、ビーム整形用スリッ
トのサイズを１ｍｍ角とした場合、５０μｍ角サイズの
レーザ光を、良質な照射ビームの品質をもって、照射し
て、均質なレーザ加工をすることができた。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ発振器と加工光
学系とを光ファイバを通じて光学的に接続し、加工光学
系をＸＹステージ上に載置したことから、レーザ発振器
側の重量が加工光学系に負荷されないために、加工光学
系を小型軽量にすることができる。また、ＸＹステージ
の載置することができない程、大型のレーザ発振器を使
用する場合でも、別途、折り返しミラーを使用した伝送
系を設ける必要がないので、加工光学系にレーザ光を所
定のパワーと品質をもって、導光することができる。ま
た、加工対象物である基板サイズの大型化への対応にお
いて、基板を固定することができるので、装置全体の専
有面積を小さくすることができる。また、ビーム整形用
スリットをコリメートレンズ出射後のレーザ光のビーム
ウエストの位置に設置したことから、レーザ光の出力の
低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるレーザ加工装置を
示す構成図である。

【図２】従来のレーザ加工装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ ダイクロイックミラー ３ スリット形状照明用光源 ４ ビーム整形用スリット ５ 第１ハーフミラー ６ 観察用ＣＣＤカメラ ７ 結像レンズ ８ 折り返しミラー ９ チューブレンズ １０ 第２ハーフミラー １１ 落射照明用光源 １２ 対物レンズ １３ 顕微鏡 １４ 加工対象物 １５ 入射レンズ １６ 光ファイバ １７ コリメートレンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から出射したレーザ光
   と、加工対象物上におけるレーザ光の照射位置を示すた
   めのスリット形状照明用光源から出射したガイド光とを
   合成した合成光を、ビーム整形用スリットを通して所定
   形状に整形し、加工光学系内の対物レンズを通して前記
   加工対象物に照射して、レーザ加工を行うレーザ加工装
   置において、 前記加工対象物が固定され、前記加工光学系が移動可能
   であり、 前記合成光を合成する手段と前記ビーム整形用スリット
   との間に、 前記合成光を入射して集光させた光を出射する入射レン
   ズと、 前記入射レンズから出射した前記合成光を入射して、所
   定の光路長を伝搬させて、出射する光ファイバと前記光
   ファイバから出射した合成光を入射して、平行光を出射
   するコリメートレンズとを配置して光学的に接続したこ
   とを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のレーザ加工装置にお
   いて、前記ビーム整形用スリットが前記コリメートレン
   ズから出射したレーザ光のビームウェストの位置に置か
   れることを特徴とするレーザ加工装置。