JP2003112280A - 光照射装置と光加工装置およびその加工方法並びに電子部品 - Google Patents

光照射装置と光加工装置およびその加工方法並びに電子部品

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光照射装置及び光加工装置において光のポイ
ンティングベクトルが変化しても、常に安定した品質の
良い照射、加工を行うことを目標とする。 【解決手段】 ＣＯ2レーザビーム１２（ａ）を強度変
換素子１４、位相整合素子１５を用いて均一な強度分布
に変換し、均一な強度分布で被加工物１９を加工するレ
ーザ加工装置において、光伝送光学系１３に対し、レー
ザビームポインティングベクトルの始点３１と強度変換
素子１４の出射面とが互いに共役な関係になるように、
光伝送光学系１３を配置することで、ＣＯ2レーザビー
ム１２（ａ）のポインティングベクトルが変化しても常
に強度変換素子１４の中心にレーザビームが入射し、安
定した加工を行うことが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特にコヒーレント
なビームを用いて光照射、光加工を行う光照射装置、光
加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】上述した光加工装置に関する従来技術に
ついて特公平８−２５１１を用いて説明する。図９は従
来例におけるレーザ加工装置の構成図である。
【０００３】図９において９０１はレーザ発振機、９０
２aはレーザ発振機９０1から出たレーザビーム、９０３
と９０４はレーザビーム９０２aの断面強度分布を均一
にするための非球面レンズ、９０５と９０６はレーザビ
ーム９０2bの断面形状を変化させるための凸型円筒レン
ズ、９０７は全反射ミラー、９０８は集光光学装置、９
０９は被加工物、９１０はX-Yテーブル、９１１は代表
的な集光レンズである平凸レンズである。
【０００４】以上のように構成されたレーザ加工装置に
ついて、その機能を説明する。
【０００５】レーザ発振機９０1から出たレーザビーム
９０2aは、非球面レンズ９０3、９０4によりレーザビー
ムの平行性を保ちつつ、かつ、その断面形状がガウス分
布から均一分布へ変換される。均一化されたレーザビー
ム９０２bは、凸型円筒レンズ９０５により水平方向が
いったん集光して広がり、凸型円筒レンズ９０５よりも
焦点距離の長い凸型円筒レンズ９０６によってレーザビ
ーム９０２ｂよりも水平方向が拡大された平行なレーザ
ビーム９０２ｃとなる。レーザビーム９０２ｃは、反射
ミラー９０７によって集光光学装置９０８に入射し、集
光光学装置９０８内の各々の平凸レンズ９１１によりレ
ーザビーム９０２ｅが集光され、多点スポットとして被
加工物９０９に照射される。さらに、被加工物９０９
は、X-Yテーブル９１０によって移動され、所定の加工
が施される。本従来例のように非球面レンズ９０３，９
０４を用いてレーザビーム９０２ａの強度分布を均一分
分布にし、平凸レンズで集光し、多点スポットとして被
加工物９０９上に照射することにより、加工点９１２で
のレーザエネルギ密度が等しくなり、中央部でも周辺部
でも均一に加工することが出来る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来技術
で示したようなレーザ加工装置は以下に記すような課題
がある。レーザ加工では、加工対象物の大きさや材質の
種類により、最適な加工条件になるようにレーザの発振
条件を変化させる。また同じ加工対象物に対しても例え
ばパルス発振させたレーザビームを数パルス同じ位置に
照射して加工を行う場合があり、このような場合は各シ
ョット毎にレーザ発振条件を変えながら加工を行う場合
がある。
【０００７】レーザ発振機９０１から出力されるレーザ
ビーム９０２ａは共振器内部の光学系の熱レンズ効果等
でポインティングベクトルが発振条件の変化に伴い変化
することが多い。とくにスラブレーザ等の不安定共振器
や共振器内部や外部に波長変換素子等多数の光学素子を
配置するレーザ発振機において、発振条件の変化に伴う
ポインティングベクトルの変化は多く見られる。
【０００８】このように発振条件の変化に伴うポインテ
ィングベクトルの変化が生じると、発振条件に伴い非球
面レンズ９０３に入射するレーザビームの位置が変化
し、その結果非球面レンズ９０４から出射されるレーザ
ビームの強度分布の均一性が崩れ、結果として多点スポ
ット加工の場所により、加工状態がばらつくという問題
がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、請求項１に記載の本発明は、コヒーレント光を出力
する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置した第
１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光
路に配置した第２の光学手段を備え、前記第１の光学手
段にとって前記第２の光学手段の入射位置と光源の光線
のポインティングベクトルの始点は互いに共役になるよ
うに前記第1の光学手段を配置した光照射装置としたも
のであり、これによりポインティングベクトルが変化し
ても第２の光学手段に入射するコヒーレント光の入射位
置は常に一定に保たれ、安定した照射が可能となる。
【００１０】また、請求項２記載の本発明は、第２の光
学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項１記載
の光照射装置であり、これによりコヒーレント光のポイ
ンティングベクトルが変化しても、ビーム整形光学手段
に入射するコヒーレント光の入射位置を常に一定に保つ
ことが出来、安定した光照射が可能となる。
【００１１】また、請求項３記載の本発明は、ビーム整
形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手
段を用いた請求項２記載の光照射装置であり、これによ
りコヒーレント光のポインティングベクトルが変化して
も、ビームの強度分布を均一にする光学手段に入射する
コヒーレント光の入射位置を常に一定に保つことが出
来、安定した光照射が可能となる。
【００１２】また、請求項４記載の本発明は、第１の光
学手段としてテレスコープを用いた請求項１から３のい
ずれかに記載の光照射装置であり、安定した光照射が可
能となる。
【００１３】また、請求項５記載の本発明は、光源とし
てレーザ発振器を用いた請求項１から４のいずれかに記
載の光照射装置であり、安定した光照射が可能となる。
【００１４】また、請求項６記載の本発明は、第２の光
学手段と被照射物との光路に第３の光学手段を設けた請
求項１から５のいずれかに記載の光照射装置であり、安
定した光照射が可能となる。
【００１５】また、請求項７記載の本発明は、コヒーレ
ント光を出力する光源と、前記光源と被加工物との光路
に配置した第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被
加工物との光路に配置した第２の光学手段を備え、前記
第１の光学手段にとって前記第２の光学手段の入射位置
と光源の光線のポインティングベクトルの始点は互いに
共役になるように前記第1の光学手段を配置した光加工
装置であり、これによりポインティングベクトルが変化
しても第２の光学手段に入射するコヒーレント光の入射
位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００１６】また、請求項８記載の本発明は、第２の光
学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項７記載
の光加工装置であり、これによりコヒーレント光のポイ
ンティングベクトルが変化しても、ビーム整形光学手段
に入射するコヒーレント光の入射位置を常に一定に保つ
ことが出来、安定した光加工が可能となる。
【００１７】また、請求項９記載の本発明は、ビーム整
形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手
段を用いた請求項８記載の光加工装置であり、これによ
りコヒーレント光のポインティングベクトルが変化して
も、ビームの強度分布を均一にする光学手段に入射する
コヒーレント光の入射位置を常に一定に保つことが出
来、安定した光加工が可能となる。
【００１８】また、請求項１０記載の本発明は、第１の
光学手段としてテレスコープを用いた請求項７から９の
いずれかに記載の光加工装置であり、安定した光加工が
可能となる。
【００１９】また、請求項１１記載の本発明は、光源と
してレーザ発振器を用いた請求項７から１０のいずれか
に記載の光加工装置であり、安定した光加工が可能とな
る。
【００２０】また、請求項１２記載の本発明は、第２の
光学手段と被照射物との光路に第３の光学手段を設けた
請求項７から１１のいずれかに記載の光加工装置であ
り、安定した光加工が可能となる。
【００２１】また、請求項１３記載の本発明は、コヒー
レント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光
路に配置した第１の光学手段と、前記第１の光学手段と
被照射物との光路に配置した第２の光学手段と、前記第
２の光学手段と被照射物との光路に配置した第３の光学
手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を
前記第１の光学系と前記第2の光学系の間に集光し、前
記第２の光学手段にとって前記集光位置と前記第３の光
学手段の入射位置は互いに共役になるように前記第２の
光学手段を配置した光照射装置であり、これによりポイ
ンティングベクトルが変化しても第２の光学手段に入射
するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安
定した照射が可能となる。
【００２２】また、請求項１４記載の本発明は、第３の
光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項１３
記載の光照射装置であり、これによりコヒーレント光の
ポインティングベクトルが変化しても、ビーム整形光学
手段に入射するコヒーレント光の入射位置を常に一定に
保つことが出来、安定した光照射が可能となる。
【００２３】また、請求項１５記載の本発明は、ビーム
整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学
手段を用いた請求項14記載の光照射装置であり、これに
よりコヒーレント光のポインティングベクトルが変化し
ても、ビームの強度分布を均一にする光学手段に入射す
るコヒーレント光の入射位置を常に一定に保つことが出
来、安定した光照射が可能となる。
【００２４】また、請求項１６記載の本発明は、第１の
光学手段としてテレスコープを用いた請求項１3から１
５のいずれかに記載の光照射装置であり、これにより安
定した光照射が可能となる。
【００２５】また、請求項１７記載の本発明は、光源と
してレーザ発振器を用いた請求項１３から１６のいずれ
かに記載の光照射装置であり、これにより安定した光照
射が可能となる。
【００２６】また、請求項１８記載の本発明は、第３の
光学手段と被照射物との光路に第４の光学手段を設けた
請求項１３から１７のいずれかに記載の光照射装置であ
り、これにより安定した光照射が可能となる。
【００２７】また、請求項１９記載の本発明は、コヒー
レント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光
路に配置した第１の光学手段と、前記第１の光学手段と
被照射物との光路に配置した第２の光学手段と、前記第
２の光学手段と被照射物との光路に配置した第３の光学
手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を
前記第１の光学系と前記第2の光学系の間に集光し、前
記第２の光学手段にとって前記集光位置と前記第３の光
学手段の入射位置は互いに共役になるように前記第２の
光学手段を配置した光加工装置であり、これによりポイ
ンティングベクトルが変化しても第２の光学手段に入射
するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安
定した加工が可能となる。
【００２８】また、請求項２０記載の本発明は、第３の
光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項１９
記載の光加工装置であり、これによりポインティングベ
クトルが変化してもビーム整形光学手段に入射するコヒ
ーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加
工が可能となる。
【００２９】また、請求項２１記載の本発明は、ビーム
整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学
手段を用いた請求項２０記載の光加工装置であり、これ
によりポインティングベクトルが変化してもビームの強
度分布を均一にする光学手段に入射するコヒーレント光
の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能と
なる。
【００３０】また、請求項２２記載の本発明は、第１の
光学手段としてテレスコープを用いた請求項１９から２
１のいずれかに記載の光加工装置であり、これにより安
定した加工が可能となる。
【００３１】また、請求項２３記載の本発明は、光源と
してレーザ発振器を用いた請求項１９から２２のいずれ
かに記載の光加工装置であり、これにより安定した加工
が可能となる。
【００３２】また、請求項２４記載の本発明は、第３の
光学手段と被照射物との光路に第４の光学手段を設けた
請求項１９から２３のいずれかに記載の光加工装置であ
り、これにより安定した加工が可能となる。
【００３３】また、請求項２５記載の本発明は、コヒー
レント光を出力する光源と、前記光源と被加工物との光
路に配置した第１の光学手段と、前記第１の光学手段と
被加工物との光路に配置した第２の光学手段を備え、前
記第１の光学手段にとって前記第２の光学手段の入射位
置と光源の光線のポインティングベクトルの始点は互い
に共役になるように前記第1の光学手段を配置し、光加
工を行う光加工方法であり、これによりポインティング
ベクトルが変化しても第２の光学手段に入射するコヒー
レント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工
が可能となる。
【００３４】また、請求項２６記載の本発明は、第２の
光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項２５
記載の光加工方法であり、これによりポインティングベ
クトルが変化してもビーム整形光学手段に入射するコヒ
ーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加
工が可能となる。
【００３５】また、請求項２７記載の本発明はビーム整
形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手
段を用いた請求項２７記載の光加工方法であり、これに
よりポインティングベクトルが変化してもビームの強度
分布を均一にする光学手段に入射するコヒーレント光の
入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能とな
る。
【００３６】また、請求項２８記載の本発明は、第１の
光学手段としてテレスコープを用いた請求項２５から２
７のいずれかに記載の光加工方法であり、安定した加工
が可能となる。
【００３７】また、請求項２９記載の本発明は、光源と
してレーザ発振器を用いた請求項２５から２８のいずれ
かに記載の光加工方法であり、これにより安定した加工
が可能となる。
【００３８】また、請求項３０記載の本発明は、第２の
光学手段と被照射物との光路に第３の光学手段を設けた
請求項２５から２９のいずれかに記載の光加工方法であ
り、これにより安定した加工が可能となる。
【００３９】また、請求項３１記載の本発明は、コヒー
レント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光
路に配置した第１の光学手段と、前記第１の光学手段と
被照射物との光路に配置した第２の光学手段と、前記第
２の光学手段と被照射物との光路に配置した第３の光学
手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を
前記第１の光学系と前記第2の光学系の間に集光し、前
記第２の光学手段にとって前記集光位置と前記第３の光
学手段の入射位置は互いに共役になるように前記第２の
光学手段を配置し、光加工を行う光加工方法であり、こ
れによりポインティングベクトルが変化しても第２の光
学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定
に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００４０】また、請求項３２記載の本発明は、第３の
光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項３１
記載の光加工方法であり、これによりポインティングベ
クトルが変化してもビーム整形光学手段に入射するコヒ
ーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加
工が可能となる。
【００４１】また、請求項３３記載の本発明は、ビーム
整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学
手段を用いた請求項３２記載の光加工方法であり、これ
によりポインティングベクトルが変化してもビームの強
度分布を均一にする光学手段に入射するコヒーレント光
の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能と
なる。
【００４２】また、請求項３４記載の本発明は、第１の
光学手段としてテレスコープを用いた請求項３１から３
３のいずれかに記載の光加工方法であり、安定した加工
が可能となる。
【００４３】また、請求項３５記載の本発明は、光源と
してレーザ発振器を用いた請求項３１から３４のいずれ
かに記載の光加工方法であり、安定した加工が可能とな
る。
【００４４】また請求項３６記載の本発明は、第３の光
学手段と被照射物との光路に第４の光学手段を設けた請
求項３１から３５のいずれかに記載の光加工方法であ
り、安定した加工が可能となる。
【００４５】
【発明の実施の形態】上記構成によれば、本発明は、コ
ヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物と
の光路に配置した第１の光学手段と、前記第１の光学手
段と被照射物との光路に配置した第２の光学手段を備
え、前記第１の光学手段にとって前記第２の光学手段の
入射位置と光源の光線のポインティングベクトルの始点
は互いに共役になるように前記第1の光学手段を配置し
た光照射装置であり、光源の光線のポインティングベク
トルが変化しても、第２の光学手段に入射する光線位置
が変化することなく常に安定した照射が行える。
【００４６】また、本発明は、コヒーレント光を出力す
る光源と、前記光源と被加工物との光路に配置した第１
の光学手段と、前記第１の光学手段と被加工物との光路
に配置した第２の光学手段を備え、前記第１の光学手段
にとって前記第２の光学手段の入射位置と光源の光線の
ポインティングベクトルの始点は互いに共役になるよう
に前記第1の光学手段を配置した光加工装置であり、光
源の光線のポインティングベクトルが変化しても、第２
の光学手段に入射する光線位置が変化することなく常に
安定した加工が行える。
【００４７】また、本発明は、コヒーレント光を出力す
る光源と、前記光源と被照射物との光路に配置した第１
の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路
に配置した第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被
照射物との光路に配置した第３の光学手段を備え、前記
第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系
と前記第2の光学系の間に集光し、前記第２の光学手段
にとって前記集光位置と前記第３の光学手段の入射位置
は互いに共役になるように前記第２の光学手段を配置し
た光照射装置であり、光源の光線のポインティングベク
トルが変化しても、第２の光学手段に入射する光線位置
が変化することなく常に安定した照射が行える。
【００４８】また、本発明は、コヒーレント光を出力す
る光源と、前記光源と被照射物との光路に配置した第１
の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路
に配置した第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被
照射物との光路に配置した第３の光学手段を備え、前記
第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系
と前記第2の光学系の間に集光し、前記第２の光学手段
にとって前記集光位置と前記第３の光学手段の入射位置
は互いに共役になるように前記第２の光学手段を配置し
た光加工装置であり、これにより光源の光線のポインテ
ィングベクトルが変化しても、第２の光学手段に入射す
る光線位置が変化することなく常に安定した照射が行え
る。
【００４９】以下、本発明の実施の形態例を説明する。 （実施の形態１）図1は本発明の実施の形態1におけるレ
ーザ加工装置の概略構成図である。
【００５０】図1において１１はレーザ発振器であり、T
EM00モードのレーザビームを発振するCO2レーザ発振器
を用いた。１２ａは、ＣＯ2レーザビームであり図中に
プロファイルを１本の点線で示した。１３は、光伝送光
学系であり、本実施例においては凸レンズ2枚から構成
される。そして１４は強度変換素子、１５は位相整合素
子、１６は変倍投影光学系、１７はマスク、１８は投影
レンズ、１９は加工対象物である。
【００５１】次に動作について説明する。CO2レーザ発
振器１１から出射したCO2レーザビーム１２ａは光伝送
光学系１３によりビーム径を強度変換素子１４にとって
最適な径に調整されながら、強度変換素子１４に入射す
る。強度変換素子１４を透過したCO2レーザビーム１２
ａの強度分布はガウス分布から位相整合素子１５の位置
で均一な分布になる。また位相整合素子１５を透過した
CO2レーザビーム１２ａの波面は歪みのない平面または
球面となる。
【００５２】図２（a）は、ガウス分布をしているCO2レ
ーザビーム１２の強度変換素子入射面での強度分布、図
２(b)は、均一な分布をしているCO2レーザビーム１２の
位相整合素子出射面での強度分布を表している。
【００５３】位相整合素子１５を透過したCO2レーザビ
ーム１２ａは、変倍投影光学系１６を透過し、マスク1
７に入射する。変倍投影光学系１６は、位相整合素子１
５の位置の像をマスク17の位置に投影する。つまり変倍
投影光学系１６にたいし、位相整合素子１５の位置とマ
スク１７の位置は共役な関係にある。つまり位相整合素
子１５の位置で均一な強度分布と揃った位相分布を持つ
レーザビームは伝播とともに強度分布の均一性が失われ
るが、変倍投影光学系１６で投影されたマスク１７の位
置で再び均一な強度分布になる。なおマスク１７におい
て、位相分布も揃ったものとなる。なお、変倍投影光学
系１６の投影倍率は可変でありマスク１７の位置でのレ
ーザビームの強度分布の領域の大きさをマスクの大きさ
に対して最適な大きさに調整できる。
【００５４】次にマスク１７の開口部におけるレーザビ
ームの強度分布は、投影レンズ18により加工対象物１９
上に投影される。マスク１７の位置と加工対象物１９の
位置は、投影レンズ１８からみて共役な関係にあるの
で、被加工物１９上ににおけるCO2レーザビーム１２の
強度分布も均一になる。なお、マスク１７の大きさは可
変であり、マスク１７の大きさと投影レンズ１８の積で
与えられる加工対象物１９でのCO2レーザビーム１２の
強度分布の大きさを必要に応じて変化させることが出来
る。なお光伝送光学系１３、強度変換素子１４、位相整
合素子１５、変倍投影光学系１６、マスク17及び投影レ
ンズ１８は、CO2レーザビーム１２ａの光軸上に位置ず
れ、傾きなく配置される。
【００５５】ここで光伝送光学系１３の機能についても
う少し詳しく説明する。
【００５６】レーザ発振器１１から発振されるレーザビ
ーム１２ａは発振器内部の光学系の熱レンズ効果等によ
り、発振条件の変化等に伴い、ポインティングベクトル
が変化することが多い。
【００５７】本実施の形態例のようなレーザ加工の場
合、加工対象物の種類により加工に最適な条件にレーザ
の発振条件を変化させる。また同じ加工対象物に対して
も複数のショット数により加工を行い、ショット数によ
りパルス幅や繰り返し周波数等を変化させ加工を行うこ
とがある。
【００５８】図３にCO2レーザビーム１２ａのポインテ
ィングベクトルが変化している場合の様子を示す。
【００５９】例えばポインティングベクトルが変化し
て、CO2レーザビーム１２ｂのようなプロファイルにな
ったとする。なお、図３の中でCO2レーザビーム１２ａ
を点線で、CO2レーザビーム１２ｂを実線で示した。ま
た図３において３１はレーザビームのポインティングベ
クトルの始点である。ここで光伝送光学系１３に対し、
CO2レーザビーム１２ａのポインティングベクトルの始
点と強度変換素子１４の出射面は互いに共役な関係にあ
る。つまり光伝送光学系１３は、CO2レーザビーム１２
ａのポインティングベクトルの始点位置の物体を強度変
換素子１４の出射面の位置に投影するように配置され
る。
【００６０】このように光伝送光学系１３を配置すれば
CO2レーザビーム１２ｂのようにレーザビームのポイン
ティングベクトルが変化しても常に強度変換素子１４の
中心にレーザビームが入射する。一方でCO2レーザビー
ム１２ａのポインティングベクトルの始点位置と強度変
換素子１４の出射面とが共役な関係にならないように、
光伝送光学系１３を配置した場合を図４に示す。
【００６１】この場合強度変換素子１４の中心にCO2レ
ーザビーム１２ｂは入射しない。強度変換素子に入射す
るレーザビームの入射位置が強度変換素子１４の中心か
らずれた場合、位相整合素子１５出射面での強度分布は
例えば図5に示すように均一性が劣化する。
【００６２】そこで本実施の形態例では、テレスコープ
１３を、CO2レーザビーム１２ａのポインティングベク
トルの始点位置の物体を強度変換素子１４の上に投影す
るように配置することで、CO2レーザビーム１２ｂのよ
うにレーザビームのポインティングベクトルが変化して
も常に強度変換素子１４の中心にレーザビームを入射さ
せ、常にレーザビームの強度分布を均一に変換できる工
夫を行った。
【００６３】なお本実施の形態例においてレーザビーム
はCO2レーザビームとしたが、YAGレーザやHe−Neレーザ
等加工に適した光ならばなんでもよい。 （実施の形態２）図６は本発明の実施の形態２における
レーザ加工装置の概略構成図である。
【００６４】図６において６０１はレーザ発振器であ
り、TEM00モードのレーザビームを発振するCO2レーザ発
振器を用いた。６０２ａは、ＣＯ2レーザビームであり
図中にプロファイルを点線で示した。６０３は、集光光
学系であり、本実施例においてはレンズ１枚から構成し
た。６０４、は光伝送光学系であり、本実施例において
はレンズ2枚から構成した。そして６０５は強度変換素
子、６０６は位相整合素子、６０７は変倍投影光学系、
６０８はマスク、６０９は投影レンズ、６１０は加工対
象物である。
【００６５】次に動作について説明する。CO2レーザ発
振器６０１から出射したCO2レーザビーム６０２ａは集
光光学系６０３及び伝送光学系６０４によりビーム径を
調整されながら、強度変換素子６０５に入射する。強度
変換素子６０５を透過したCO2レーザビーム６０２ａの
強度分布はガウス分布から位相整合素子６０６の位置で
均一な分布になる。また位相整合素子６０６を透過した
CO2レーザビーム６０２ａの波面は平面または球面とな
る。
【００６６】図２(a)は、ガウス分布をしているCO2レー
ザビーム６０２ａの強度変換素子６０５の入射面での強
度分布、図２(b)は、均一な分布をしているCO2レーザビ
ーム６０２ａの位相整合素子６０６の出射面での強度分
布を表している。
【００６７】位相整合素子６０６を透過したCO2レーザ
ビーム６０２ａは、変倍投影光学系６０７を透過し、マ
スク６０８に入射する。変倍投影光学系６０７は、位相
整合素子６０６の位置の像をマスク６０８の位置に投影
する。つまり変倍投影光学系６０７にたいし、位相整合
素子６０６の位置とマスク６０８の位置は共役な関係に
ある。つまり位相整合素子６０６の位置で均一な強度分
布と揃った位相分布を持つレーザビームは伝播とともに
強度分布の均一性が失われるが、変倍投影光学系６０７
で投影されたマスク６０８の位置で再び均一な強度分布
になる。なお、マスク６０８において、位相分布も揃っ
たものとなる。なお、変倍投影光学系６０６の投影倍率
は可変でありマスク６０８の位置でのレーザビームの強
度分布の領域の大きさをマスクの大きさに対して最適な
大きさに調整できる。
【００６８】次にマスク６０８の開口部におけるレーザ
ビームの強度分布は、投影レンズ６０９により加工対象
物６１０上に投影される。マスク６０８の位置と加工対
象物６１０の位置は、投影レンズ６０９からみて共役な
関係にあるので、被加工物６１０上ににおけるCO2レー
ザビーム６０２aの強度分布も均一になる。なおマスク
６０８の大きさは可変であり、マスク６０８の大きさと
投影レンズ６０９の積で与えられる加工対象物６１０で
のCO2レーザビーム６０２ａの強度分布の大きさを必要
に応じて変化させることが出来る。なお、集光光学系６
０３、光伝送光学系６０４、強度変換素子６０５、位相
整合素子６０６、変倍投影光学系６０７、マスク６０８
及び投影レンズ６０９は、CO2レーザビーム６０２ａの
光軸上に位置ズレ、傾きなく配置される。
【００６９】ここで集光光学系６０３、伝送光学系６０
４の機能についてもう少し詳しく説明する。
【００７０】レーザ発振器６０１から発振されるレーザ
ビーム６０２ａは発振条件の変化等に伴い、発振器内部
の光学系の熱レンズ効果等によりポインティングベクト
ルが変化することが多い。
【００７１】本実施の形態例のレーザ加工装置では、加
工対象物の種類により加工に最適な条件にレーザの発振
条件を変化させる。また同じ加工対象物に対しても複数
のショット数により加工を行い、ショット数によりパル
ス幅や繰り返し周波数等を変化させ加工を行うことがあ
る。
【００７２】図７にCO2レーザビーム６０２ａのポイン
ティングベクトルが変化している場合の様子を示す。例
えばポインティングベクトルが変化して、CO2レーザビ
ーム６０２ｂのような状態になったとする。なお、図７
の中でCO2レーザビーム６０２ａを点線で、CO2レーザビ
ーム６０２ｂを実線で示した。
【００７３】集光光学系６０３は、CO2レーザビーム６
０２ａあるいは、CO2レーザビーム６０２ｂを集光光学
系６０３と光伝送光学系６０４の間に集光させる。そし
て、光伝送光学系はこの集光点６１１におけるレーザビ
ームを強度変換素子６０５の出射面上に投影する。つま
り伝送光学系６０４に対し、集光点６１１と強度変換素
子６０５の出射面は共役な関係にある。また集光光学系
６０３からなる光学系の投影倍率は、強度変換素子６０
５に入射するレーザビームを所定のビーム径にするよう
に決定される。
【００７４】図７に示すようにレーザビームのポインテ
ィングベクトルの始点がレーザ発振器側に向かって無限
遠点にある場合、つまりポインティングベクトルが平行
にシフトするような場合において本実施の形態に示すよ
うな集光光学系６０３と伝送光学系６０４を用いること
で、レーザビームのポインティングベクトルが平行にシ
フトしてもつねに強度変換素子６０５の中心にレーザビ
ームを入射させることが出来る。
【００７５】一方で光伝送光学系６０４に対し、集光点
６１１と強度変換素子６０５の出射面が共役な関係にな
らないように、光伝送光学系６０４を配置した場合を図
８に示す。
【００７６】この場合、強度変換素子６０５の中心にCO
2レーザビーム６０２ａは入射しない。強度変換素子に
入射するレーザビームの入射位置が強度変換素子の中心
からずれた場合、位相整合素子６０６出射面での強度分
布は例えば図5に示すように均一性が劣化する。そこで
本実施例では、集光光学系６０３及び光伝送光学系６０
４を用いてCO2レーザビーム６０２ａあるいは、CO2レー
ザビーム６０２ｂを集光光学系６０３と光伝送光学系６
０４の間に集光させ、光伝送光学系６０４で、この集光
点６１１におけるレーザビームを強度変換素子６０５の
出射面上に投影することで、CO2レーザビーム６０２ｂ
のようにレーザビームのポインティングベクトルが変化
しても常に強度変換素子６０５の中心にレーザビームを
入射させ、常にレーザビームの強度分布を均一に変換で
きる工夫を行った。
【００７７】また本実施例においてレーザビームはCO2
レーザビームとしたが、YAGレーザやHe−Neレーザ等加
工に適した光ならばなんでもよい。
【００７８】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、レーザビ
ームを均一な強度分布に変換し、加工照射を行う装置に
おいて、レーザビームのポインティングベクトルが変化
しても、常に均一化を行う光学系の中心にレーザビーム
を入射させる光学系を均一化光学系の前段に配置するこ
とで、常に品質の安定した加工を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置
の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１におけるレーザビームの
強度分布を示す概念図
【図３】本発明の実施の形態１におけるビーム伝送光学
系の構成と機能を表す図
【図４】本発明の実施の形態１におけるビーム伝送光学
系が本実施の形態の中の正しい場所に配置されなかった
場合のレーザビームの振る舞いを表す図
【図５】本発明の実施の形態におけるビーム伝送光学系
が本実施の形態の中の正しい場所に配置されなかった場
合の位相整合素子位置でのレーザビームの強度分布を表
す概念図
【図６】本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置
の概略構成図
【図７】本発明の実施の形態２におけるビーム伝送光学
系の構成と機能を表す図
【図８】本発明の実施の形態２におけるビーム伝送光学
系が本実施の形態の中の正しい場所に配置されなかった
場合のレーザビームの振る舞いを表す図
【図９】従来のレーザ加工装置の概略構成図
【符号の説明】
１１ CO2レーザ発振器 １２ａ CO2レーザビーム １２ｂ CO2レーザビーム １３ ビーム伝送光学系 １４ 強度変換素子 １５ 位相整合素子 １６ 変倍投影光学系 １７ マスク １８ 投影レンズ １９ 加工対象物 ６０１ CO2レーザ発振器 ６０２ａ CO2レーザビーム ６０２ｂ CO2レーザビーム ６０３ 集光光学系 ６０４ 光伝送光学系 ６０５ 強度変換素子 ６０６ 位相整合素子 ６０７ 変倍投影光学系 ６０８ マスク ６０９ 投影レンズ ６１０ 加工対象物 ６１１ 集光点
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ２３Ｋ 101:36 Ｂ２３Ｋ 101:36 (72)発明者 成田 太治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 浮田 克一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 唐崎 秀彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 CA06 CD05 CD14 DA09 5F072 AA05 JJ06 KK09 KK30 SS01 YY06

Claims (38)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】コヒーレント光を出力する光源と、前記光
    源と被照射物との光路に配置した第１の光学手段と、前
    記第１の光学手段と被照射物との光路に配置した第２の
    光学手段を備え、前記第１の光学手段にとって前記第２
    の光学手段の入射位置と光源の光線のポインティングベ
    クトルの始点は互いに共役になるように前記第1の光学
    手段を配置した光照射装置。
  2. 【請求項２】第２の光学手段としてビーム整形光学手段
    を用いた請求項１記載の光照射装置。
  3. 【請求項３】ビーム整形光学手段としてビームの強度分
    布を均一にする光学手段を用いた請求項２記載の光照射
    装置。
  4. 【請求項４】第１の光学手段として２枚以上のレンズか
    ら構成される光学系を用いた請求項１から３のいずれか
    に記載の光照射装置。
  5. 【請求項５】光源としてレーザ発振器を用いた請求項１
    から４のいずれかに記載の光照射装置。
  6. 【請求項６】第２の光学手段と被照射物との光路に第３
    の光学手段を設けた請求項１から５のいずれかに記載の
    光照射装置。
  7. 【請求項７】コヒーレント光を出力する光源と、前記光
    源と被加工物との光路に配置した第１の光学手段と、前
    記第１の光学手段と被加工物との光路に配置した第２の
    光学手段を備え、前記第１の光学手段にとって光源の光
    線のポインティングベクトルの始点と前記第２の光学手
    段の入射位置が互いに共役な関係になるように前記第1
    の光学手段を配置した光加工装置。
  8. 【請求項８】第２の光学手段としてビーム整形光学手段
    を用いた請求項７記載の光加工装置。
  9. 【請求項９】ビーム整形光学手段としてビームの強度分
    布を均一にする光学手段を用いた請求項８記載の光加工
    装置。
  10. 【請求項１０】第１の光学手段として２枚以上のレンズ
    から構成される光学系を用いた請求項７から９のいずれ
    かに記載の光加工装置。
  11. 【請求項１１】光源としてレーザ発振器を用いた請求項
    ７から１０のいずれかに記載の光加工装置。
  12. 【請求項１２】第２の光学手段と被照射物との光路に第
    ３の光学手段を設けた請求項７から１１のいずれかに記
    載の光照射装置。
  13. 【請求項１３】コヒーレント光を出力する光源と、前記
    光源と被照射物との光路に配置した第１の光学手段と、
    前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置した第２
    の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路
    に配置した第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は
    前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第2の光
    学系の間に集光し、前記第２の光学手段にとって前記集
    光位置と前記第３の光学手段の入射位置は互いに共役に
    なるように前記第２の光学手段を配置した光照射装置。
  14. 【請求項１４】第３の光学手段としてビーム整形光学手
    段を用いた請求項１３記載の光照射装置。
  15. 【請求項１５】ビーム整形光学手段としてビームの強度
    分布を均一にする光学手段を用いた請求項14記載の光照
    射装置。
  16. 【請求項１６】第２の光学手段として２枚以上のレンズ
    から構成される光学系を用いた請求項１3から１５のい
    ずれかに記載の光照射装置。
  17. 【請求項１７】光源としてレーザ発振器を用いた請求項
    １３から１６のいずれかに記載の光照射装置。
  18. 【請求項１８】第３の光学手段と被照射物との光路に第
    ４の光学手段を設けた請求項１３から１７のいずれかに
    記載の光照射装置。
  19. 【請求項１９】コヒーレント光を出力する光源と、前記
    光源と被照射物との光路に配置した第１の光学手段と、
    前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置した第２
    の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路
    に配置した第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は
    前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第2の光
    学系の間に集光し、前記第２の光学手段にとって前記集
    光位置と前記第３の光学手段の入射位置は互いに共役に
    なるように前記第２の光学手段を配置した光加工装置。
  20. 【請求項２０】第３の光学手段としてビーム整形光学手
    段を用いた請求項１９記載の光加工装置。
  21. 【請求項２１】ビーム整形光学手段としてビームの強度
    分布を均一にする光学手段を用いた請求項２０記載の光
    加工装置。
  22. 【請求項２２】第２の光学手段として２枚以上のレンズ
    から構成される光学系を用いた請求項１９から２１のい
    ずれかに記載の光加工装置。
  23. 【請求項２３】光源としてレーザ発振器を用いた請求項
    １９から２２のいずれかに記載の光加工装置。
  24. 【請求項２４】第３の光学手段と被照射物との光路に第
    ４の光学手段を設けた請求項１９から２３のいずれかに
    記載の光加工装置。
  25. 【請求項２５】コヒーレント光を出力する光源と、前記
    光源と被加工物との光路に配置した第１の光学手段と、
    前記第１の光学手段と被加工物との光路に配置した第２
    の光学手段を備え、前記第１の光学手段にとって前記第
    ２の光学手段の入射位置と光源の光線のポインティング
    ベクトルの始点は互いに共役になるように前記第1の光
    学手段を配置し、光加工を行う光加工方法。
  26. 【請求項２６】第２の光学手段としてビーム整形光学手
    段を用いた請求項２５記載の光加工方法。
  27. 【請求項２７】ビーム整形光学手段としてビームの強度
    分布を均一にする光学手段を用いた請求項２７記載の光
    加工方法。
  28. 【請求項２８】第１の光学手段としてテレスコープを用
    いた請求項２５から２７のいずれかに記載の光加工方
    法。
  29. 【請求項２９】光源としてレーザ発振器を用いた請求項
    ２５から２８のいずれかに記載の光加工方法。
  30. 【請求項３０】第２の光学手段と被照射物との光路に第
    ３の光学手段を設けた請求項２５から２９のいずれかに
    記載の光加工方法。
  31. 【請求項３１】コヒーレント光を出力する光源と、前記
    光源と被照射物との光路に配置した第１の光学手段と、
    前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置した第２
    の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路
    に配置した第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は
    前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第2の光
    学系の間に集光し、前記第２の光学手段にとって前記集
    光位置と前記第３の光学手段の入射位置は互いに共役に
    なるように前記第２の光学手段を配置し、光加工を行う
    光加工方法。
  32. 【請求項３２】第３の光学手段としてビーム整形光学手
    段を用いた請求項３１記載の光加工方法。
  33. 【請求項３３】ビーム整形光学手段としてビームの強度
    分布を均一にする光学手段を用いた請求項３２記載の光
    加工方法。
  34. 【請求項３４】第１の光学手段としてテレスコープを用
    いた請求項３１から３３のいずれかに記載の光加工方
    法。
  35. 【請求項３５】光源としてレーザ発振器を用いた請求項
    ３１から３４のいずれかに記載の光加工方法。
  36. 【請求項３６】第３の光学手段と被照射物との光路に第
    ４の光学手段を設けた請求項３１から３５のいずれかに
    記載の光加工方法。
  37. 【請求項３７】請求項７から１２及び請求項１９から２
    ４のうちいずれかの加工装置をもちいて加工された電子
    部品。
  38. 【請求項３８】請求項２５から３６いずれかに記載のレ
    ーザ加工方法を用いて加工された電子部品。
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