JP2005088038A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ導波手段の終端に配置されるレーザ光出射部への加工屑の付着を防止し、加工の高速化及び精密な微細加工を行うことができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるレーザ光源１と、被加工物２を保持する保持部３と、被加工物２と保持部３とを液中に浸漬させる容器４と、レーザ光をレーザ光源１から被加工物２まで導くレーザ導波手段５と、レーザ導波手段５のレーザ光出射部１０と被加工物２との間に配置された保護部材１５とを備え、保護部材１５はレーザ光を透過させる材料から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いたレーザ加工装置及びレーザ加工方法に係り、特に、液中の被加工物に向けてレーザ光を照射して被加工物を加工するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

被加工物に穴あけや切断等の加工を行う装置として、レーザ光を用いたレーザ加工装置が知られている。このレーザ加工装置は、レーザを適切に選択することにより精密な微細加工が可能であることから半導体製造工程にも採用されつつあり、基板の表面に形成された絶縁膜や金属膜などの薄膜にレーザ光を照射してこれらの薄膜を選択的に除去することが行われている。

一般に、レーザ加工装置は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、レーザ光をレーザ光源から被加工物まで導くレーザ導波手段とを備えている。レーザ光源で発生したレーザ光は、レーザ導波手段の終端に配置されたレンズ（レーザ光出射部）から被加工物に向けて照射される。このようなレーザ光の照射により、被加工物においてアブレーション（ablation）現象が生じ、このアブレーション現象によって被加工物を加工することができる。このアブレーション現象は、従来の機械的加工とは異なり、被加工物に対する熱的影響が少なく、加工により生ずる被加工物に対する物理的、熱的損傷を大幅に低減することができる。

ところで、レーザ加工時においては、レンズ（レーザ光出射部）を被加工物に対向させた状態でレーザ光を照射するため、このレンズの表面に被加工物から飛散した加工屑が付着し、この加工屑が加工の障害となることがある。この対策として、例えば特許文献１に開示されているように、レーザ導波手段の終端のレンズと被加工物とをともに水中に配置し、被加工物から飛散した加工屑がレンズに付着しないように、被加工物の被加工部に沿って高速水流を形成する技術が提案されている。

特開平６−１４２９７１号公報

しかしながら、加工の高速化のために高出力のレーザを用いる場合や、微細な加工を行うためにレンズを被加工物に近づける場合には、上述した高速水流のみでは加工屑のレンズへの付着を防止するには不十分な場合がある。このため、従来のレーザ加工装置では、レンズに付着した加工屑によってレーザ光のエネルギー密度が低下することがあり、加工の高速化や精密な微細加工を行うことができないという問題があった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、レーザ導波手段の終端に配置されるレーザ光出射部への加工屑の付着を防止し、加工の高速化及び精密な微細加工を行うことができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の一態様は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、被加工物を保持する保持部と、前記被加工物と前記保持部とを液中に浸漬させる容器と、レーザ光を前記レーザ光源から前記被加工物まで導くレーザ導波手段と、前記レーザ導波手段のレーザ光出射部と前記被加工物との間に配置された保護部材とを備え、前記保護部材はレーザ光を透過させる材料から構成されることを特徴とするレーザ加工装置である。

本発明によれば、保護部材を設けることによって、被加工物から飛散した加工屑がレーザ導波手段のレーザ光出射部に付着してしまうことが防止でき、これにより、加工屑に妨げられることなくレーザ光を被加工物に照射することができる。

本発明の好ましい一態様は、レーザ光を横切る方向に前記保護部材を移動させる移動機構を更に備えたことを特徴とする。
本発明によれば、保護部材に付着した加工屑を保護部材と共にレーザ光の光路から移動させることができ、保護部材の透過性を良好に維持することができる。

本発明の好ましい一態様は、前記被加工物と前記保護部材との間に液体の流れを発生させる液流れ発生機構を更に備えたことを特徴とする。
本発明によれば、加工屑を液体の流れによって下流側に移送することができるので、保護部材に付着する加工屑の量を少なくすることができる。

本発明の好ましい一態様は、前記保護部材の前記被加工物に面した表面を清浄にする清浄化手段を更に備え、前記清浄化手段は、レーザ光の照射及び前記液流れ発生機構により発生した液体の流れを妨げないような位置に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、清浄化手段により保護部材に付着した加工屑を除去することができるので、レーザ加工を継続して行うことができる。

本発明の好ましい一態様は、前記保護部材の前記被加工物を向いた表面をレーザ光の光軸に垂直な面に対して所定角度だけ傾けたことを特徴とする。
本発明によれば、レーザ導波手段のレーザ光出射部から照射されたレーザ光が保護部材に反射してレーザ光源に戻ることを防止することができ、反射光によるレーザ光源の損傷を防ぐことができる。また、被加工物の表面で反射した反射光が保護部材でさらに反射して再び被加工物に照射されることを防止することができ、被加工物の被加工部が多重加工されることを防止することができる。

本発明の他の態様は、被加工物を保持部により保持して前記被加工物を液中に浸漬させ、レーザ導波手段のレーザ光出射部を前記被加工物に対向するように液中に配置し、レーザ光を透過させる材料から構成された保護部材を前記レーザ光出射部と前記被加工物との間に配置し、レーザ光源で発生させたレーザ光を前記レーザ導波手段を介して前記レーザ光出射部から液中の前記被加工物に照射することを特徴とするレーザ加工方法である。
本発明の好ましい一態様は、レーザ光を横切る方向に前記保護部材を移動させることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記被加工物と前記保護部材との間に液体の流れを発生させることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記保護部材の前記被加工物に面した表面を清浄にすることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記保護部材の前記被加工物を向いた表面をレーザ光の光軸に垂直な面に対して所定角度だけ傾けたことを特徴とする。

本発明によれば、被加工物から飛散した加工屑がレーザ導波手段のレーザ光出射部に付着することを防止することができる。したがって、加工屑によるレーザ光のエネルギー密度の低下を防止することができ、加工の高速化及び精密な微細加工が可能となる。

以下、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す模式図である。
図１に示すように、レーザ加工装置は、所定の波長及び所定のエネルギーを有するレーザ光を発生させるレーザ光源１と、被加工物２を保持する保持部３と、被加工物２と保持部３とを収容する容器４と、レーザ光をレーザ光源１から被加工物２まで導くレーザ導波手段５とを備えている。レーザ導波手段５は、レーザ光の光路を変える反射鏡８と、鏡筒９と、鏡筒９の出口に取り付けられたレンズ１０とを備えている。レンズ１０は保持部３によって保持された被加工物２に対向して配置され、被加工物２に向けてレーザ光を照射するレーザ光出射部として構成される。保持部３は容器４内に収容された基台１７の上に載置され、保持部３の上部に被加工物２が載置されて保持される。

保持部３は、基台１７に固定された水平移動機構１２に連結されており、この水平移動機構１２により保持部３が水平方向に移動されるようになっている。また、基台１７には垂直移動機構１４が連結されており、この垂直移動機構１４により基台１７を介して保持部３が垂直方向に移動されるようになっている。このような構成により、保持部３上の被加工物２はレンズ１０に対して相対移動可能となっている。なお、水平移動機構１２及び垂直移動機構１４は、被加工物２をレンズ１０に対して相対移動させるための相対移動機構を構成する。容器４内には図示しない液体供給源から所定の液体１３が供給され、保持部３とこの保持部３によって保持された被加工物２とが液体１３中に浸漬されるようになっている。なお、液体１３としては水（純水を含む）が好適に用いられる。また、被加工物２としては、金属、樹脂、複合材料、半導体ウェハ上に形成された絶縁膜や金属膜などが挙げられる。

上述の構成において、レーザ光源１で発生したレーザ光は、反射鏡８で進行方向を変え、鏡筒９内を通過し、鏡筒９の出口に配置されたレンズ１０で集光もしくは拡散される。レンズ１０を通過したレーザ光は、容器４内の液体１３を透過して、保持部３に保持された被加工物２に達し、所定の加工が行われる。レーザ光の波長は、被加工物２の種類に応じて適宜選択されるが、容器４内の液体（水）１３に吸収されることなく液体１３を透過するような波長であることが好ましい。なお、本実施形態では、レーザ光源１としてＹＡＧレーザが用いられているが、本発明のレーザ光源はこれに限られない。例えば、加工の種類に応じて、ＣＯ_２レーザなどを用いることもできる。

本実施形態に係るレーザ加工装置は、レンズ１０と被加工物２との間に配置される平板状の保護部材１５を備えている。この保護部材１５はレーザ光を透過させる材料で構成され、レンズ１０から照射されたレーザ光の光軸（レーザ光の光路の中心線）に対して略垂直に配置されている。保護部材１５には移動機構１６が連結されており、この移動機構１６により、保護部材１５がレーザ光の光軸と略垂直な方向（レーザ光を横切る方向）に移動される。なお、保護部材１５を構成する材料としては、レーザ光を実質的に吸収せず、被加工物２への照射を妨げないような高い透過性を有するものが好ましく、例えば、石英ガラスが好適に用いられる。

容器４の一方の側部には給液口２０が設けられ、反対側の側部には給液口２０に対応した位置に排液口２１が設けられている。給液口２０は高圧液供給源２２に接続されており、高圧液供給源２２から供給された液体は、給液口２０を介して容器４内に流入し、保持部３に保持された被加工物２と保護部材１５との間に高速な液体の流れ２３を発生させる。排液口２１は液体の流れ２３の終点に配置されており、液体の流れ２３を形成する液体１３は排液口２１から排出される。なお、本実施形態では、給液口２０、排液口２１、及び高圧液供給源２２により液流れ発生機構が形成される。

次に、上記の構成を有するレーザ加工装置の動作について以下に説明する。
まず、被加工物２を保持部３により保持させ、被加工物２及びレーザ導波手段５のレンズ１０を液中に浸漬させる。次に、水平移動機構１２及び垂直移動機構１４により被加工物２の被加工部をレーザ光の照射位置に移動させる。その後、保護部材１５と被加工物２との間に液体の流れ２３を発生させ、保護部材１５をレーザ光の光軸に対して略垂直な方向に移動させる。この状態で、レーザ光源１を作動させて所定波長及び所定エネルギーのレーザ光を発生させ、レーザ導波手段５を経由して、レーザ光を被加工物２の被加工部に照射する。

レーザ光が被加工物２の被加工部に照射されると、被加工部からは加工屑及び気泡が発生する。これらの加工屑及び気泡の多くは、液体の流れ２３により搬送され排液口２１から排出される。液体の流れ２３で搬送されなかった加工屑及び気泡は保護部材１５に付着するが、保護部材１５に付着した加工屑及び気泡は、保護部材１５と共にレーザ光の光路を横切る方向に移動するので、連続するレーザ加工の障害にはならない。なお、必要に応じて、被加工物２を水平方向及び／又は垂直方向移動させながらレーザ光源１を被加工物２に照射することにより、所望の面積および所望の深さの被加工部を加工できる。

なお、本実施形態では、水平移動機構１２及び垂直移動機構１４により保持部３をレンズ１０に対して相対移動させることでレーザ導波手段５のレンズ１０と被加工物２との相対位置を調節するようにしているが、保持部３の位置を固定させた状態でレーザ光源１及びレーザ導波手段５を被加工物２に対して一体的に相対移動させることでレンズ１０と被加工物２との相対位置を調節するようにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置について図２を参照して説明する。図２は本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す模式図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成及び動作については、上述した第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。

本実施形態と第１の実施形態とが異なる点は、レーザ導波手段５及び保護部材１５の構成である。図２示すように、本実施形態では、レーザ導波手段５を構成する部材として光ファイバ３０が用いられている。光ファイバ３０は、レーザ光を通過させる芯材（コア）３１と、芯材３１の外側を被覆する被覆部（クラッド）３２とを備えている。光ファイバ３０の一端はレーザ光源１に接続されており、レーザ光源１で発生したレーザ光は芯材３１の内部を全反射しながらその他端に伝達される。光ファイバ３０の終端にはレンズ（レーザ光出射部）１０が液密に取り付けられ、レーザ光はレンズ１０から被加工物２に向けて照射される。光ファイバ３０は容易にたわませることが可能であることから、第１の実施形態におけるレーザ導波手段５に比べて、光ファイバ３０を用いたレーザ導波手段５は、その設置位置の自由度が高いという利点を有する。

本実施形態における保護部材１５は、レンズ１０から照射されたレーザ光の光軸に垂直な面に対して所定の角度θだけ傾けて設置されている。この理由は、保護部材１５からの反射光がレーザ光源１に戻ってレーザ光源１に損傷を与えることを避けるため、ならびに被加工物２の表面で反射した反射光が再び保護部材１５で反射し、被加工部を多重に加工することを避けるためである。なお、保護部材１５は、液体の流れ２３の上流側から下流側に向かって上方に傾斜するように設置されている。保護部材１５は円板状の形状を有しており、その中心部には、保護部材１５に対して垂直に延びる回転軸３５が固定されている。この回転軸３５にはモータ（図示せず）などを備えた移動機構１６が連結されており、この移動機構１６を駆動させることにより保護部材１５と回転軸３５とが一体に回転するようになっている。

本実施形態に係るレーザ加工装置は、保護部材１５の被加工物２を向く表面に付着した加工屑等を除去するための円筒部材（清浄化手段）３７を備えている。この円筒部材３７は、その外周面が保護部材１５の被加工物側の表面に接触するように配置されている。また、円筒部材３７は、レンズ１０からのレーザ光の照射及び液体の流れ２３を妨げないような位置に設置されている。すなわち、円筒部材３７は、液体の流れ２３よりも上方に位置し、さらに、回転軸３５に関してレーザ光の照射位置と略対称となる位置に配置されている。円筒部材３７は、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などの材料から構成される。円筒部材３７は、図示しない駆動源によりその軸心周りに回転可能に構成されている。この円筒部材３７は、保護部材１５との接触部において、円筒部材３７の外周面と保護部材１５の表面とが互いに反対方向に動くような方向に回転する。

このような構成において、保護部材１５の表面に付着した加工屑や気泡は、保護部材１５の回転（移動）に伴い、レーザ光の照射位置から円筒部材３７が配置される位置まで移動される。そして、回転する円筒部材３７により保護部材１５の表面に付着した加工屑などが除去される。これにより、レーザ光が照射される保護部材１５の部位は、常に清浄に維持され、レンズ１０から照射されたレーザ光を良好に透過させることができる。このように、保護部材１５が回転しながら連続的に清浄化されることにより、レーザ光を常に良好に被加工物に照射することができる。したがって、信頼度が向上すると共に、連続したレーザ加工を安定して行うことが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ 被加工物
３ 保持部
４ 容器
５ レーザ導波手段
８ 反射鏡
９ 鏡筒
１０ レンズ（レーザ光出射部）
１２ 水平移動機構（相対移動機構）
１３ 液体
１４ 垂直移動機構（相対移動機構）
１５ 保護部材
１６ 移動機構
１７ 基台
２０ 給液口
２１ 排液口
２２ 高圧液供給源
２３ 液体の流れ
３０ 光ファイバ
３１ 芯材
３２ 被覆部
３５ 回転軸
３７ 円筒部材（清浄化部材）

Claims (10)

1. レーザ光を発生させるレーザ光源と、
   被加工物を保持する保持部と、
   前記被加工物と前記保持部とを液中に浸漬させる容器と、
   レーザ光を前記レーザ光源から前記被加工物まで導くレーザ導波手段と、
   前記レーザ導波手段のレーザ光出射部と前記被加工物との間に配置された保護部材とを備え、
   前記保護部材はレーザ光を透過させる材料から構成されることを特徴とするレーザ加工装置。
2. レーザ光を横切る方向に前記保護部材を移動させる移動機構を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記被加工物と前記保護部材との間に液体の流れを発生させる液流れ発生機構を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記保護部材の前記被加工物に面した表面を清浄にする清浄化手段を更に備え、前記清浄化手段は、レーザ光の照射及び前記液流れ発生機構により発生した液体の流れを妨げないような位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記保護部材の前記被加工物を向いた表面をレーザ光の光軸に垂直な面に対して所定角度だけ傾けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 被加工物を保持部により保持して前記被加工物を液中に浸漬させ、
   レーザ導波手段のレーザ光出射部を前記被加工物に対向するように液中に配置し、
   レーザ光を透過させる材料から構成された保護部材を前記レーザ光出射部と前記被加工物との間に配置し、
   レーザ光源で発生させたレーザ光を前記レーザ導波手段を介して前記レーザ光出射部から液中の前記被加工物に照射することを特徴とするレーザ加工方法。
7. レーザ光を横切る方向に前記保護部材を移動させることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記被加工物と前記保護部材との間に液体の流れを発生させることを特徴とする請求項６又は７に記載のレーザ加工方法。
9. 前記保護部材の前記被加工物に面した表面を清浄にすることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
10. 前記保護部材の前記被加工物を向いた表面をレーザ光の光軸に垂直な面に対して所定角度だけ傾けたことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。

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