JP2006150419A

JP2006150419A - レーザ加工装置用除振装置

Info

Publication number: JP2006150419A
Application number: JP2004345952A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Yamada; 典章山田; Yoshihiro Yamaguchi; 芳広山口; Hitoshi Takahashi; 仁高橋
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】レーザ加工装置に振動が生じてもレーザ加工の焦点距離が変動することのないレーザ加工装置用除振装置を提供することを課題とする。
【解決手段】この発明のレーザ加工装置用除振装置は、少なくともレーザ加工用の光学系及び加工ステージを支持固定する固定手段を備え、この固定手段は、除振手段によって支持されることにより、除振されており、前記除振手段が前記固定手段を支持する支持位置と、レーザ加工用の手段が搭載された前記固定手段の重心との間の鉛直方向における間隔が所定間隔以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置の光学系部品台の除振構造に関し、レーザ加工装置外部ないし内部で生じる振動が基本波のレーザ光を波長変換するための光学系に伝達し難く、レーザ加工装置の使用中あるいは保管中に、光学部品を配置した角度や部品同士の位置関係の変化を防止するレーザ加工装置用除振装置に関する。

従来この種の除振装置としては、特開２００１−１８０７７号公報及び特開平９−２４８６８９号公報に開示されているように、レーザ微細加工装置本体を振動発生源である冷却水送水装置から分離して、レーザ微細加工装置を除振台上に搭載するか、または、加工対象物を搭載するステージのみを除振構造にしたものがあった。レーザ微細加工装置内部における除振には、空気ばねもしくは除振ゴムを使用し、レーザヘッドのみを支持する除振機構が一般的であった。

図３は、従来のレーザヘッドのみを使用する加工装置の構成を概略的に示す図である。
加工装置本体１は空気ばね式の除振構造を有する除振台２に搭載されている。レーザ発振器５の冷却水を循環させるために送水する冷却水送水装置３は振動発生源となるため、除振台２の外部に分離して設置し、加工装置本体１に振動が伝達されるのを防いでいる。加工対象物を支持するＸＹステージ４は、加工装置本体１の内部に設置され、レーザ発振器５及び光学系６とは別個独立した固定台に設置される。

レーザ発振器５から発振されるレーザ光は、ＸＹステージ４上に搭載される加工対象物に誘導される。レーザ光は直接的に加工対象物に照射されるか、あるいは対物レンズ等を含む光学系６や光ファイバ７が配設された光路によって誘導される。レーザ光を用いて微細加工を行う際には、ＸＹステージ４を移動させるか、あるいは、光学系６に取り付けられたガルバノミラーやポリゴンミラーを用いてレーザ光を走査していた。このような加工装置において、レーザ発振器５及び光学系６と、ＸＹステージ４とを別個に固定する場合は、レーザ発振器５と光学系６を固定する台にのみ除振対策を行っており、ＸＹステージ４自体に特に空気ばね等を用いた除振対策は行われていなかった（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００１−１８０７７号公報特開平９−２４８６８９号公報

従来のレーザ加工装置は上述のように構成されているので、加工装置を操作する際の振動が伝達してしまう加工装置の部位や、冷却水送水装置の振動が伝達してしまう加工装置の部位は、除振台あるいは除振構造の支点に対して重心が高いので、振動が増幅されやすく、振動が収束し難いため、レーザ加工の精度に悪影響を及ぼすという課題があった。

レーザ加工装置で除振すべき部位は光学部品を保持している部位である。特許文献１に示されるようにレーザヘッドのみを空気ばねなどで除振してＸＹステージ上の加工対象物を加工する場合には、光学部品を除振する空気ばねの伸縮によってレーザヘッドとＸＹステージの距離や位置関係が変動してしまう。

一方、レーザ加工装置ではレーザの焦点距離として１０μｍ以下の精度で調節することが要求される。空気ばねによる振動で加工対象物と対物レンズあるいはレンズやミラー間の距離が変動すると、レーザ光の焦点距離が変動するため、高精度かつ均一な加工を行う際の障害となっていた。

また、紫外線レーザを使用した加工装置では、微細加工を目的としているため、光源から加工対象物もしくはＸＹステージまでの距離として、レーザ微細加工の加工限界である数μｍ以下の精度が必要であり、対物レンズの制御においても同様の精度が要求される。従来の紫外線レーザを使用した加工装置では、振動やＸＹステージの移動に伴う重心の変化に対応した対物レンズの制御は困難であった。

本発明は、上記のような従来の紫外線レーザによる微細加工装置の課題を解決するためになされたもので、レーザ加工装置に振動が生じてもレーザ加工の焦点距離が変動することのないレーザ加工装置用除振装置を提供することを目的とする。

この発明のレーザ加工装置は、少なくともレーザ加工用の光学系及び加工ステージを支持固定する固定手段を備え、この固定手段は、除振手段によって支持されることにより、除振されており、前記除振手段が前記固定手段を支持する支持位置と、レーザ加工用の手段が搭載された前記固定手段の重心との間の鉛直方向における間隔が所定間隔以下である。

また、前記固定手段は、前記光学系を支持固定する第１固定部、前記加工ステージを支持固定する第２固定部、及び、前記第１固定部及び第２固定部を支持する支持部を有する。

また、前記所定間隔は、前記固定手段に振動が伝わった場合に、該振動によりレーザ加工に支障が生じない程度の間隔である。

さらに、前記レーザ加工用の手段が搭載された前記固定手段の重心との間の鉛直方向における間隔を零に設定する。

全ての搭載物を搭載した状態における固定台１２の重心と、空気ばね１３の支点との鉛直方向位置を一致させることにより、固定台１２に伝達する振動を最小限に止める（除振する）。集光レンズなどの光学部品と加工対象物の距離を一定にできることにより、装置動作中に対象物に照射されるレーザの焦点とエネルギーを安定させることができる。

以下、この発明のレーザ加工装置用除振装置を図に基づき説明する。
図１は、ＹＡＧレーザを発振器の外部で波長変換し、ＸＹステージ上の加工対象物に照射して加工するレーザ加工装置の概略的な構成を示す図である。
図２は、図１に示すレーザ加工装置の要部を示す正面図である。
図１において、加工装置１００は、冷却水送水装置３でＹＡＧレーザ発振器５の光源部分を冷却する。冷却水送水装置３は、コンプレッサ３ａ及び送水ポンプ３ｂを内蔵する。コンプレッサ３ａは、循環させる冷却水を冷媒ガスで冷却する際に必要であり、冷却水は送水ポンプ３ｂによって加圧されて送水される。

ＸＹステージ４は、加工対象物を搭載し、搭載面内の直交２軸（Ｘ軸及びＹ軸）方向に移動可能なステージであり、加工対象物の加工点を移動させる際に用いる。波長変換光学系８は、ＹＡＧレーザ発振器５から発振されるレーザ光の波長を加工対象の材質や加工部位に合わせて変換する。アッテネータを含む出力調整部９は、ＹＡＧレーザ発振器５から発振されるレーザ光の強度を減衰させて調節する。ビームエキスパンダ１０は、加工対象物に届くレーザ光の直径の調整、あるいは、ラインビームの場合は幅や長さの調節を行う。対物レンズ１１は、加工対象物の加工部位にレーザ光を集光する。固定台１２は、図１及び図２に示すように二段構造になっており、光学系を構成するＹＡＧレーザ発振器５、波長変換光学系８、出力調整部９、ビームエキスパンダ１０及び対物レンズ１１を支持固定する第１固定部である上段１２Ａと、ＸＹステージ４を支持固定する第２固定部である下段１２Ｂと、上段１２Ａ及び下段１２Ｂを支持する支持部１２Ｃを有する。支持部１２Ｃは、空気ばね１３によって支持される支点となる。除振手段である空気ばね１３は、加工装置１００の筐体１０１の内部で支持部１２Ｃを介して固定台１２を支持する。

このように、固定台１２は上段１２Ａ及び下段１２Ｂを有する二段構造になっており、また、上段１２Ａ及び下段１２Ｂを支持する支持部１２Ｃは、固定台１２に搭載される機材（この実施形態では、ＸＹステージ４、ＹＡＧレーザ発振器５、波長変換光学系８、出力調整部９、ビームエキスパンダ１０及び対物レンズ１１、以下、搭載物と称する）と固定台１２との全ての重心を水平方向に貫く面内に位置するように、その取り付け位置が設定される。
即ち、図１及び図２のように固定台１２を空気ばね１３で支持した場合には、全ての搭載物を搭載した状態における固定台１２の重心と、空気ばね１３の支点（空気ばね１３の上端点）との鉛直方向位置（高さ）が一致することになる。
なお、ここに記載した以外のものを固定台１２に搭載する場合は、それらも含めた状態における重心を含む水平面内に支持部１２Ｃを取り付けることが好ましい。

冷却水送水装置３から冷却水をＹＡＧレーザ発振器５に送り循環させて内部の半導体レーザを冷却する。半導体レーザがレーザ光を発振することにより、温度が上昇することは、半導体レーザの出力の低下や出力の安定性が悪化する原因となり、微細加工装置の加工精度に悪影響を及ぼす。その悪影響を防止するために冷却水を循環させるが、冷却水送水装置３に戻ってきた冷却水は冷媒ガスで熱交換され、さらにその冷媒ガスの熱交換は、コンプレッサ３ａによる体積変化で置き換える必要がある。コンプレッサ３ａは、作動することにより振動発生源となる。同様に、送水ポンプ３ｂも振動発生源である。

これらコンプレッサ３ａや送水ポンプ３ｂで発生した振動がレーザ発振器５やその他の光学部品に伝達すると、ＸＹステージ４及び光学系の固定位置や角度の変動や振動を引き起こすと共に、対物レンズ１１でレーザ光を集光した位置の変動や振動を発生させるので、ＹＡＧレーザ発振器５を冷却水送水装置３とは分離した除振機構を持った固定板１２の上に支持して一体化してレンズなどの位置関係のズレを防止する。さらに、ＸＹステージ４はレーザ加工に際して加工対象物を移動させるので、加工対象物が大きい場合には移動による重心の変動が大きくなるが、ＸＹステージ４も上下二段の構造にした固定台１２に搭載することにより、光学系及びステージへの振動の伝達を低減すると共に、全ての搭載物を搭載した状態における固定台１２の重心と、空気ばね１３の支点との鉛直方向位置を一致させることにより、固定台１２に伝達する振動を最小限に止める（除振する）。また上下二段の構造にした固定台１２によって光学系１２と光学系を一体にすることにより、装置の振動や空気バネで揺れを戻すことによるレーザの光路長の変化を排除する。

なお、以上の説明では、全ての搭載物を搭載した状態における固定台１２の重心と、空気ばね１３の支点（空気ばね１３の上端点）との鉛直方向位置（高さ）が一致するように支持部１２Ｃの鉛直方向位置を設定した場合について説明したが、これらを必ずしも一致させなくても、全ての搭載物を搭載した状態における固定台１２の重心と、支持部１２Ｃとの鉛直方向における高さの差が所定の範囲内であればよい。すなわち、ここに言う所定範囲内とは、冷却水送水装置３等で生じる振動によりレーザ加工に支障が生じない程度に除振できる鉛直方向における全ての搭載物を搭載した状態における固定台１２の重心と、支持部１２Ｃとの差を言う。

また、以上の説明では、一つの固定手段である固定台１２が光学系及びＸＹステージの双方を一体的に支持固定する形態について説明したが、固定手段は、光学系とＸＹステージのそれぞれを独立的に支持固定するように分割されていてもよい。この場合、各固定手段は別々の空気ばねにより除振されれば良く、それぞれの固定手段が光学系及びＸＹステージないし必要な基材を搭載した状態で、各固定台の重心と、各空気ばねの支点（空気ばねの上端点）との鉛直方向位置（高さ）が一致あるいはそれらの距離が上述した所定の範囲内であればよい。

ＹＡＧレーザを発振器の外部で波長変換し、ＸＹステージ上の加工対象物に照射して加工するレーザ加工装置の概略的な構成を示す図である。図１に示すレーザ加工装置の要部を示す正面図である。従来のレーザヘッドのみを使用する加工装置の構成を概略的に示す図である。

符号の説明

２除振台、３冷却水送水装置、４ＸＹステージ、５発振器、６加工光学系、７レンズ光学系もしくは光ファイバ、８波長変換光学系、９アッテネータを含む出力調整部、１０ビームエキスパンダ、１１対物レンズ、１２固定台、１２Ａ上段、１２Ｂ下段、１３空気ばね、１００加工装置。

Claims

少なくともレーザ加工用の光学系及び加工ステージを支持固定する固定手段を備え、この固定手段は、除振手段によって支持されることにより、除振されており、前記除振手段が前記固定手段を支持する支持位置と、レーザ加工用の手段が搭載された前記固定手段の重心との間の鉛直方向における間隔が所定間隔以下であることを特徴とするレーザ加工装置用除振装置。
前記固定手段は、前記光学系を支持固定する第１固定部、前記加工ステージを支持固定する第２固定部、及び、前記第１固定部及び第２固定部を支持する支持部を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置用除振装置。
前記所定間隔は、前記固定手段に振動が伝わった場合に、該振動によりレーザ加工に支障が生じない程度の間隔であ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用除振装置。
前記レーザ加工用の手段が搭載された前記固定手段の重心との間の鉛直方向における間隔を零に設定することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置用除振装置。