JP2006224142A - レーザ走査装置およびレーザマーキング装置、ならびにレーザマーキング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性が大きいステージを使用することなく高速なレーザビーム走査を可能とするとともに、装置構成上の部品点数が少なく簡便で、且つ、温度、湿度の影響を受け難く正確で精密なレーザマーキング、またはレーザ加工を可能とするレーザ走査装置、レーザマーキング装置、およびレーザマーキング方法装置を提供する。
【解決手段】ガルバノスキャナのミラー１８の背面に照射される光線４０の光源５と、ガルバノスキャナのミラー１８の背面で反射した光線４１の位置を検出する半導体位置検出素子を用いた位置検出器６０１を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハ、液晶パネルおよび機械部品等に文字、数字、図形、バーコードおよび２次元コード等をレーザによってマーキングするためのレーザ走査装置およびレーザマーキング装置、ならびにレーザマーキング方法に関するものである。

従来のレーザ走査装置およびレーザマーキング装置として、例えば、ガラス基板の表面にアブレーションによる凹部を形成してマーキングを行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、ミラーを高速かつ高精度に位置決めするようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

図４は、特許文献１に開示されている従来のレーザマーキング装置を示す構成図である。
図４において、１はレーザ発振器、２はビーム整形光学系、３０１は７０％以上の反射率を持つ固定ミラー、３０２は全反射ミラー、４はスキャン光学系としてのポリゴンミラー、５は投光器、６は受光センサ、７はモニタ、８は集光光学系、９はガスノズル、１０は被加工物であるガラス基板、１１はステージ、１３はコントローラである。
先ず、図４を参照しながら特許文献１に開示されている従来技術のレーザマーキング装置の構成について説明する。
レーザ発振器１は、ＣＯ２レーザ、若しくは固体レーザ等であって、赤外の波長領域に発振波長を有するレーザ発振器である。レーザ発振器１からのレーザは、ビーム整形光学系２、固定ミラー３０１、全反射ミラー３０２で反射し、ポリゴンミラー４に入射する。固定ミラー３０１の後方には、その透過光を検出するモニタ７が設けられている。モニタ７は、パルス状のレーザのエネルギ、パワー、ビームプロファイルのうちの１つあるいはこれらを組合せてモニタするもので、その出力はコントローラ１３に送られる。ポリゴンミラー４には投光器５からの光が照射され、その反射光を受光センサ６で検出することにより、反射角度の変化に応じたポリゴンミラー４の回転位置を検出し、回転位置検出信号をコントローラ１３に出力する。
受光センサ６は、フォトダイオード、フォトダイオードアレイや半導体位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：以降、ＰＳＤ素子と称す）などの受光素子が用いられる。集光光学系８としては、一枚の凸レンズ、組合せレンズ、ｆθレンズ等が用いられる。ステージ１１は、水平方向に関して一軸方向あるいは互いに直交する二軸方向の移動が可能な駆動機構を備えている。ステージ１１にはその位置を検出するための位置センサが設けられ、その検出信号はコントローラ１３に送られる。また、ガラス基板１０上の被加工領域にＮ_２ガスを吹き付けるガスノズル９が設けられる。

次に、図４を参照しながら特許文献１で開示された従来技術のレーザマーキング装置におけるマーキング動作について説明する。
レーザ発振器１からのパルス状のレーザビームは、ビーム整形光学系２により所望のレーザ光量を持つレーザビームに整形され、固定ミラー３０１、全反射ミラー３０２を経由してポリゴンミラー４に入射する。ポリゴンミラー４は、入射したパルス状のレーザビームをガラス基板１０の被加工領域において直線的に振らせることで、いわば一軸方向のドット状の走査を行う。この一軸方向の走査と合わせてステージ１１は一軸方向（上記の一軸方向と直角な方向）あるいは二軸方向に駆動される。ポリゴンミラー４の回転速度制御、ステージ１１の駆動制御は、受光センサ６の検出結果を用いてコントローラ１３がポリゴンミラー４の一枚分のミラーの回転（図４のような8枚のミラー場合、４５°の回転角度）が終了すると、走査軌跡をずらすために、ステージ１１を一軸方向あるいは二軸方向に所定距離だけ移動させるように制御する。ポリゴンミラー４の回転速度にもよるが、通常、数１０ｋＨｚでのパルス照射による高速加工を行うことができるものである。コントローラ１３はまた、モニタ７の検出結果を用いて、レーザ発振器１を制御してパルスの周期やパルスの幅を調整する。このようにして、ガラス基板１０の被加工領域にパルス状のレーザをドット式に照射して所望の文字や記号等のマーキングがガラス基板１０に行われるものである。

図５は、特許文献２に開示されている従来のレーザ加工装置を示す構成図である。
図５において、１４は圧電素子駆動アンプ、１５は圧電素子、１６は駆動力伝達部材、１７はミラー、１８はガルバノミラー、１９はガルバノスキャナモータ、２０はガルバノスキャナ駆動アンプ、３０は光学スキャナ、３１はガルバノスキャナ、１１０は固定されたマーキングテーブルである。尚、図４と同じ説明符号のものは図４と同じ構成要素を示しているので符号の説明は省略する。
以下、図５を参照しながら特許文献２で開示された従来技術のレーザ加工装置の構成および動作について説明する。
このレーザ加工装置は、光学スキャナ３０と、ガルバノスキャナ３１とを光路中に直列に配置し、光学スキャナ３０とガルバノスキャナ３１によりレーザ光を同じ方向に偏向するように構成したものであり、コントローラ１３によってシステム制御される。加工時には図に示していない上位コントローラからレーザビームの走査を一括制御するコントローラ１３に目標値が送られる。コントローラ１３は、光学スキャナ３０およびガルバノミラー１８を取り付けたガルバノスキャナモータ１９（モータ内部には図示していないエンコーダが具備される）の現在位置と目標位置との偏差を演算し、その偏差に応じた駆動信号を圧電素子駆動アンプ１４とガルバノスキャナ駆動アンプ２０に出力する。これに応じて、圧電素子駆動アンプ１４とガルバノスキャナ駆動アンプ２０はそれぞれのスキャナへ駆動電圧または駆動電流を出力する。コントローラ１３は受光センサ６から出力される角度信号により各スキャナの時々刻々の位置を把握し、両者を協調動作させて目標値に短時間で到達するように駆動信号を制御するものである。そして、目標値に達すると、レーザ発射指令により加工用レーザ発振器１からレーザビームが発射され、被加工物１０に照射される。
この従来技術のスキャナシステムは、ガルバノスキャナシステムと比較して、偏向角は小さいが応答は速いという特徴を持つので、このようにスキャナを組合せることにより、特に小ストロークの加工の繰り返しにおいて、レーザ照射点の位置決めを高速に行うことができる。なお、ここで開示されている光学スキャナ３０は、圧電素子駆動アンプ１４からの出力電圧を圧電素子１５が受け、圧電素子１５が伸縮するととも駆動力伝達部材１６が直線運動し、この直線運動をミラー１７の端面近くに伝え、中心に回転軸を有するミラー１７を回転させ、レーザ発振器１からレーザビームを偏向させるものである。
特開平１１−３３７５２号公報（第３−４頁、第１図） 特開２００４−７４１６６号公報（第１２頁、第１０図）

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術は、ポリゴンミラーとともに移動するステージが設けられているが、ステージの慣性が大きいため高速に動かすことが出来ないという問題があった。特に、ステージを繰り返しの直線動作させる場合など、ステージの慣性の影響を大きく受けステージの停止に時間がかかり、結果として高速かつ精密なマーキングができないという問題があった。
また、特許文献２に開示された従来技術は、一軸方向の移動に対して光学スキャナとガルバノスキャナの２つのアクチュエータでレーザビームを偏向することになり、装置構成上部品点数が増え複雑であった。また、圧電素子１４は、強誘電体膜を積層構造にしたアクチュエータが使用され、温度、湿度の影響を受け、圧電素子駆動アンプ１４から同じ出力を受けても、圧電素子１４の伸縮量が変化し、マーキング、若しくは加工中に圧電素子１４の伸縮量が変化し、正確な位置決めのもとで加工できないという問題もあった。また、ガルバノスキャナ３１は、通常、ガルバノスキャナモータ１９に内蔵される静電式の位置決めセンサ（エンコーダ）の位置信号に基づいて位置決めされるため、圧電素子１５と同様に温度、湿度の影響を受けやすく、正確な回転角度の位置決めができないという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、慣性が大きいステージを使用することなく高速なレーザビーム走査を可能とするとともに、装置構成上の部品点数が少なく簡便で、且つ、温度、湿度の影響を受け難く正確で精密なレーザマーキング、またはレーザ加工を可能とするレーザ走査装置、レーザマーキング装置、およびレーザマーキング方法装置を提供することを目的とするものである。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、ガルバノスキャナモータと、前記ガルバノスキャナモータの出力軸にミラーを備え、レーザを前記ミラーに照射し前記レーザを偏向させるレーザ走査装置において、前記ミラーの背面に照射される光線の光源と、前記ミラーの背面で反射した光線の位置を検出する位置検出器と、を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のレーザ走査装置において、前記位置検出器は、ＰＳＤ素子を用いたものからなることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、ミラーを備えたガルバノスキャナモータを少なくとも２軸具備し、レーザを前記ミラーに照射し、前記レーザを偏向させ被マーキング材に照射し前記被マーキング材にマークを施すレーザマーキング装置において、前記ミラーの背面に照射される光線の光源と、前記ミラーの背面で反射した光線の位置を検出する位置検出器と、を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２記載のレーザマーキング装置において、前記位置検出器は、ＰＳＤ素子を用いたものからなることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、ミラーを備えたガルバノスキャナモータを少なくとも２軸具備し、レーザを前記ミラーに照射し、前記レーザを偏向させ被マーキング材に照射し前記被マーキング材にマークを施すレーザマーキング方法において、請求項１または２に記載した該位置検出器が出力する位置信号が所定の値に達したときレーザを前記被マーキング材に照射するようにしたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、移動ステージを必要としないレーザ走査装置を実現することができ、高速な加工、マーキングを可能とすることができる。また、レーザビームの一軸方向の偏向に光学スキャナとガルバノスキャナの２つのアクチュエータを使用する必要がないので簡便な装置を形成でき、さらに圧電素子を使用しない、および静電式の位置決めセンサ（エンコーダ）を使用しないため温度、湿度による影響を受け難く、したがって正確で精密な加工、マーキングを可能とするレーザ走査装置を実現することができる。

請求項２に記載の発明によると、ＰＳＤ素子を使用するので連続な位置検出信号を得ることができ、精密位置決めを可能とするレーザ走査装置を実現することができる。

請求項３に記載の発明によると、移動ステージを必要としないレーザマーキング装置を実現することができ、高速な加工、マーキングを可能とすることができる。また、レーザビームの一軸方向の偏向に光学スキャナとガルバノスキャナの２つのアクチュエータを使用する必要がないので簡便な装置を形成でき、さらに圧電素子を使用しない、および静電式の位置決めセンサ（エンコーダ）を使用しないため温度、湿度による影響を受け難く、したがって正確で精密なマーキングを可能とするレーザマーキング装置を実現することができる。

請求項４に記載の発明によると、ＰＳＤ素子を使用するので連続な位置検出信号を得ることができ、精密位置決めを可能とするレーザマーキング装置を実現することができる。

請求項５に記載の発明によると、位置検出器の信号によりマーキング位置を決定するので正確で精密なマーキングを行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明のレーザ走査装置を示す斜視図である。
図１において、５は投光器、１８はガルバノスキャナのミラー、１９はガルバノスキャナモータ、２１はガルバノスキャナモータ１９の出力軸、１９１はガルバノスキャナモータ１９の電磁部、１９２はガルバノスキャナモータ１９のエンコーダ部、４０は光線（入射光）、４１は光線（反射光）、５００はレーザビーム（入射光）、５１０はレーザビーム（反射光）、６０１はＰＳＤ素子を用いた位置検出器である。
以下、図１を用いて本発明のレーザ走査装置の構成および動作を説明する。
ガルバノスキャナモータ１９は、出力軸を揺動回転させる電磁部１９１と、回転角度を検出するエンコーダ部１９２からなる。さらに、図示していないレーザ発振器からのレーザビーム５００が入射光としてミラー１８に照射され、照射されたレーザビームは反射光５１０として被マーキング材、被加工材に照射される。また、投光器５からの光線４０がミラー１８の背面に照射され、その反射光４１は位置検出器６０１のＰＳＤ素子に照射されるようになっている。
位置検出器６０１のＰＳＤ素子に入射する投光器５からの光線は、ミラー１８が回転すると位置検出器６０１のＰＳＤ素子の照射点が移送し、ミラー１８の回転角度を検出することができる。なお、ＰＳＤ素子は半導体デバイスで、ＰＳＤ素子上の光の照射位置を電流値として検出できるものである。
なお、本実施例では、投光器を使用したが、赤色レーザ等のレーザを光源に使用してもよい。

前述のような構成としているので、本実施例は、特許文献１のように被マーキング材、被加工材にレーザビームを照射するときにステージを必要とすることがない。さらに、本実施例は、ガルバノスキャナモータ１９の負荷荷重はミラー１８だけであり、従来技術と比較して格段に軽量であるため、レーザビームを高速に反復等の繰り返し運動させることができる。
また、特許文献２の従来技術では一軸方向にレーザビーム偏向させる場合、ガルバノスキャナおよびその駆動アンプに加え光学スキャナ、圧電素子駆動アンプを必要としたが、本実施例では、光学スキャナ、圧電素子駆動アンプを必要としない。よって、レーザビームを走査する装置としては、構成が簡単になり、しかも装置の価格も安価になり、実用上簡便なレーザ走査装置となる。また、圧電素子を使用しないため、光学スキャナのアクチュエータ自身が温度、湿度に影響されることがなく、正確な位置にレーザビームを走査することが可能となる。
さらに、本実施例は以下に示す格別顕著な効果もある。
すなわち、本実施例は、図１に示すように、投光器５からミラー１８の背面に光線４０を照射するようにしているため、投光器５とミラー１８との間の距離、ならびにミラー１８と位置検出器６０１のＰＳＤ素子の距離を、原理的に数メートル確保することが可能である。また、投光器５とミラー１８との間、およびミラー１８と位置検出器６０１のＰＳＤ素子の間に反射ミラーを数多く設置して光路の距離を長くすることによって、ミラー１８の微小な角度の変化でもＰＳＤ素子上では十分に距離変化として検出することが可能となり、レーザビームを精密に走査することができる。

図２は、本発明のレーザマーキング装置を示す構成図である。
図２において、１は発信器、１０は被加工材、１１０はマーキングテーブル、１３はコントローラ、１８１、１８２はガルバノスキャナのミラー、１９１０、１９２０はガルバノスキャナモータ、２０１、２０２はガルバノスキャナ駆動アンプ、５１、５２は投光器、６１、６２はＰＳＤ素子を用いた位置検出器である。すなわち、本実施例は、第１実施例である図１に示したガルバノスキャナモータ１９、ミラー１８、投光器５およびＰＳＤ素子を用いた位置検出器６０１から成るレーザ走査装置を１セットとして、このレーザ走査装置を２セット具備したレーザマーキング装置である。
以下、図２を用いて、本発明のレーザマーキング装置の構成および動作を説明する。
本発明のレーザマーキング装置は、Ｘ軸用ガルバノスキャナ駆動アンプ２０２によって駆動されるガルバノスキャナモータ１９２０、Ｙ軸用ガルバノスキャナ駆動アンプ２０１によって駆動されるガルバノスキャナモータ１９１０を具備する。ガルバノスキャナモータ１９１０およびガルバノスキャナモータ１９２０のそれぞれの出力軸にはレーザビームを反射するミラー１８１およびミラー１８２が具備されている。
また各ミラー１８１およびミラー１８２の背面には、投光器５１および投光器５２からの光線が照射され、それぞれ光線の反射光は位置検出器６１のＰＳＤ素子および位置検出器６２のＰＳＤ素子に入射される。
レーザ発振器１からの加工用またはマーキング用レーザビームは、ミラー１８２およびミラー１８１上を反射し、固定されたマーキングテーブル１１０上の被マーキング材、若しくは被加工材１０に照射されるものである。
レーザビームの照射ポイントは、位置検出器６１のＰＳＤ素子および位置検出器６２のＰＳＤ素子により、その位置信号がコントローラ１３に送られ、位置信号が所定の値に達したときにコントローラ１３からレーザ発振器１にレーザビーム発射指令が送られる。

尚、ガルバノスキャナモータ１９１０およびガルバノスキャナモータ１９２０には、図１に示すようにそれぞれエンコーダ１９２を具備しており、コントローラ１３に回転角度信号を送り、この回転角度信号によってガルバノスキャナモータをコントロールすることも可能である。
しかしながら、ガルバノスキャナモータのエンコーダは、静電エンコーダを使うことが多く、湿度の変化によって、位置信号がドリフトすることがあり、正確な位置決めができないという欠点があるため、マーキング時、若しくは加工時にはＰＳＤ素子からの位置信号を参照してマーキング、若しくは加工した方が良い。
また、ガルバノスキャナモータに具備する静電エンコーダは、ガルバノスキャナモータ内の温度上昇によっても、静電エンコーダ内にある誘電体の容量が変化し、この容量変化はそのまま回転角度信号のドリフトとなるので、ガルバノスキャナモータ内のエンコーダを除去し、単純にＰＳＤ素子の位置信号だけによってシステム全体をコントロールしても良い。

以上述べたように、本実施例に係るレーザマーキング装置およびレーザマーキング方法によれば、本実施例は、第１実施例である図１に示したガルバノスキャナモータ１９、ミラー１８、投光器５およびＰＳＤ素子を用いた位置検出器６０１から成るレーザ走査装置を１セットとして、このレーザ走査装置を２セット、すなわち第１および第２のレーザ走査装置を具備し、レーザ発振器から出力したレーザビームは第１のレーザ走査装置によって一軸方向に偏向され、偏向されたレーザビームは第２のレーザ走査装置によって第１のレーザ走査装置とは直角方向に偏向されるように構成しているので、光学スキャナが不要となり、簡単な構成でレーザマーキング装置を構築できる。
また、アクチュエータとして圧電素子を使用しないため、温度、湿度の影響を受け難いレーザマーキング装置を構築できる。尚、本実施例は第１および第２のレーザ走査装置でレーザマーキング装置を形成したが、必要に応じ第３のレーザ走査装置を追加し、使用してもよい。

図３は、本発明に使用したＰＳＤ素子の詳細を示す構成図である。
以下、図３を用いて本発明の第１実施例および第２実施例に使用したＰＳＤの構成および原理を説明する。
ＰＳＤ素子は半導体素子で、Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層の３層構造であり、Ｐ層の両端には電極ＡおよびＢが形成され、さらにその背面のＮ層の中心位置には電極Ｃが設けられているものである。入射光がＰＳＤ素子上のある点に入射されると、Ｐ層表面には電流ＩａおよびＩｂが流れ、これらを電極ＡおよびＢで電流検出できるものである。このようにＰＳＤ素子の中心を原点とした場合、電流ＩａおよびＩｂは、次の２つの式（１）および（２）で表され、入射光の位置φａが検出できるものである。ただし、Ｉ＝Ｉａ＋Ｉｂである。
Ｉａ＝Ｉ×（Ｌ−φａ）／２Ｌ ・・・・・（１）
Ｉｂ＝Ｉ×（Ｌ＋φａ）／２Ｌ ・・・・・（２）
上述したＰＳＤ素子を用いることにより、サブミクロンの分解能で光線の照射位置を検出でき、図１における投光器５とミラー１８との間の距離、ならびにミラー１８と位置検出器６０１のＰＳＤ素子の距離を十分取ることで、２４ｂｉｔの精度でミラー１８の角度変化を検出することが可能であり、また、投光器５はレーザを用いることで、光線の直向性の良い、高精度な位置検出が可能である。

本発明は、投光器からの光線を精度良く検出することができるので、レーザマーキング装置のほかレーザの反射光によって位置を検出する位置検出装置などの用途にも適用できる。

本発明のレーザ走査装置を示す斜視図 本発明のレーザマーキング装置を示す構成図 本発明に使用したＰＳＤ素子の詳細を示す構成図 従来のレーザマーキング装置を示す構成図 従来のレーザ加工装置を示す構成図

符号の説明

１ レーザ発振器
２ ビーム整形光学系
２０ ガルバノスキャナ駆動アンプ
２０１、２０２ ガルバノスキャナ駆動アンプ
３０ 光学スキャナ
３１ ガルバノスキャナ
３０１ 固定ミラー
３０２ 全反射ミラー
４ ポリゴンミラー
４０ 光線（入射光）
４１ 光線（反射光）
５、５１、５２ 投光器
５００ レーザビーム（入射光）
５１０ レーザビーム（反射光）
６ 受光センサ
６１、６２、６０１ 位置検出器
７ モニタ
８ 集光光学系
９ ガスノズル
１０ 被マーキング材（被加工材）
１１０ マーキングテーブル
１１ ステージ
１３ コントローラ
１４ 圧電素子駆動アンプ
１５ 圧電素子
１６ 駆動力伝達部材
１７ ミラー
１８、１８１、１８２ ガルバノスキャナのミラー
１９、１９１０、１９２０ ガルバノスキャナモータ、
１９１ モータの電磁部
１９２ モータのエンコーダ部

Claims (5)

1. ガルバノスキャナモータ（１９）と、前記ガルバノスキャナモータの出力軸（２１）にミラー（１８）を備え、レーザ（５００）を前記ミラー（１８）に照射し前記レーザを偏向させるレーザ走査装置において、
   前記ミラー（１８）の背面に照射される光線（４０）の光源（５）と、
   前記ミラー（１８）の背面で反射した光線（４１）の位置を検出する位置検出器（６０１）と、を備えたことを特徴とするレーザ走査装置。
2. 前記位置検出器（６０１）は、半導体位置検出素子を用いたものからなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ走査装置。
3. ミラー（１８）を備えたガルバノスキャナモータ（１９）を少なくとも２軸具備し、レーザを前記ミラー（１８１、１８２）に照射し、前記レーザを偏向させ被マーキング材（１０）に照射し前記被マーキング材にマークを施すレーザマーキング装置において、
   前記ミラー（１８１、１８２）の背面に照射される光線の光源（５１、５２）と、
   前記ミラー（１８１、１８２）の背面で反射した光線の位置を検出する位置検出器（６１、６２）と、を備えたことを特徴とするレーザマーキング装置。
4. 前記位置検出器（６１、６２）は、半導体位置検出素子を用いたものからなることを特徴とする請求項３に記載のレーザマーキング装置。
5. ミラー（１８）を備えたガルバノスキャナモータ（１９）を少なくとも２軸具備し、レーザを前記ミラー（１８１、１８２）に照射し、前記レーザを偏向させ被マーキング材（１０）に照射し前記被マーキング材にマークを施すレーザマーキング方法において、
   請求項１または２に記載した該位置検出器（６０１、６１、６２）が出力する位置信号が所定の値に達したときレーザを前記被マーキング材（１０）に照射するようにしたことを特徴とするレーザマーキング方法。

Images