JP2006255768A

JP2006255768A - ハイブリッドレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2006255768A
Application number: JP2005079458A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Koseki; 良治小関; Motoi Sasaki; 基佐々木; Yoshihiro Kawahara; 吉博河原
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: EP1859890A4; WO2006100798A1; CN101142050A; US20080169275A1; CN101142050B; KR101198341B1; KR20070114356A; JP5035653B2; EP1859890A1; EP1859890B1; US7705266B2

Abstract

【解決手段】ハイブリッドレーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、液体を供給する高圧ポンプ５とを備えており、高圧ポンプ５より供給された液体は、加工ヘッド６の先端に設けられた噴射ノズル１３より噴射され、液柱Ｗとなって被加工物２へと到達する。
上記噴射ノズル１３には被加工物２に向けて縮径する第１傾斜面１３ｂが形成されており、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ１２は、レーザ光Ｌの焦点を上記噴射ノズル１３を越えた被加工物２側に位置させ、また最小径部１３ｄよりも外側のレーザ光Ｌが上記第１傾斜面１３ｂに反射してから上記液柱Ｗに導光されるようにしている。
【効果】集光レンズと噴射ノズルとの位置合せが容易で、導光されたレーザ光が液柱より外部に飛び出すことがなく、しかも製造コスト及びランニングコストを低廉にすることができる。
【選択図】図６

Description

本発明はハイブリッドレーザ加工装置に関し、具体的には、噴射ノズルが噴射した液柱にレーザ光を導光して被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置に関する。

従来、噴射孔を有する噴射ノズルと、当該噴射ノズルに高圧の液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズとを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射孔から液柱にして外部に噴射させると共に、集光レンズによって上記液柱にレーザ光を導光して、被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置が知られている。
このようなハイブリッドレーザ加工装置として、加工ヘッドの先端に液柱ビームを噴射するノズル通路の形成されたノズルブロックを設け、フォーカスレンズがレーザ光を上記ノズル通路の入口開口に集光することで、ノズル通路より噴出する液体ビームにレーザビームを導光するものが知られている。（特許文献１）
また、他のハイブリッドレーザ加工装置として、加工ヘッドの内部に被加工物に向けて縮径する円錐面と円筒面とを形成し、上記円筒面の先端より柱状に水を噴射させるとともに、レーザ光をこれら上記円錐面および円筒面に反射させることで、レーザ光を噴射された水に導光するものが知られている。（特許文献２）
特表平１０−５００９０３号公報特開２００１−３２１９７７号公報

しかしながら、特許文献１の場合、フォーカスレンズはレーザビームの焦点を上記ノズル通路の入口開口に位置させなければならず、入口開口を小径にすればするほど、レーザビームの焦点の調整が困難となる。
また、特許文献２の場合、レーザ光が円錐面および円筒面で反射を繰り返す結果、噴射された水柱に導光されるレーザ光は、当該水柱の境界面への入射角が小さくなりすぎてしまい、レーザ光が水柱の外部に飛び出してしまうといった問題がある。
さらに、上記円錐面および円筒面でレーザ光を何度も反射させているので、これら円錐面および円筒面の全体に鏡面加工等の処理を施す必要があり、加工ヘッドのコストが高いという問題がある。
このような問題に鑑み、本発明は集光レンズによるレーザ光の焦点位置の調整が容易で、導光されたレーザ光が液柱より外部に飛び出すことがなく、しかも製造コストを低廉にすることの可能なハイブリッドレーザ加工装置を提供するものである。

すなわち、本発明のハイブリッドレーザ加工装置は、噴射孔を有する噴射ノズルと、当該噴射ノズルに高圧の液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズとを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射孔から液柱にして外部に噴射させると共に、集光レンズによって上記液柱にレーザ光を導光して、被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置において、
上記噴射孔入口に被加工物に向けて縮径する傾斜面を形成するとともに、上記集光レンズの焦点を上記傾斜面の最小径部よりも被加工物側に超えた液柱内に設定し、かつ上記噴射孔内に照射されたレーザ光を上記傾斜面で反射させてから上記液柱に導光するように設定したことを特徴としている。

上記発明によれば、上記噴射孔に形成された傾斜面の最小径部の径で液柱が噴射されるが、上記集光レンズはレーザ光を上記最小径部よりも小さく集光する必要は無く、少なくともレーザ光を噴射孔の入口より小さくして、上記傾斜面で反射するように集光すれば良いので、レーザ光の焦点位置の調整が容易となる。
また、レーザ光の焦点を上記傾斜面の最小径部よりも被加工物側に設定し、レーザ光を上記傾斜面に反射させようとすると、上記傾斜面の円錐角よりも集光されるレーザ光の円錐角のほうが小さくなり、これによりレーザ光が傾斜面で反射する回数を抑えることができる。
このため、液柱に導光されるレーザ光の液柱と外気との境界面への入射角が大きくなり、レーザ光が液柱より外部に飛び出すのが防止され、さらには噴射ノズル内部の鏡面加工等の範囲を少なくして噴射ノズルのコストを低廉にすることができる。

以下図示実施例について説明すると、図１には本発明にかかるハイブリッドレーザ加工装置１を示し、液体の噴射により形成した液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光することで、被加工物２を所要形状に切断加工する装置となっている。
このハイブリッドレーザ加工装置１は、上記被加工物２を支持する加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、水等の液体を供給する液体供給手段としての高圧ポンプ５と、被加工物２に向けて液体を液柱Ｗとして噴射するとともに、レーザ光Ｌを上記液柱Ｗに導光する加工ヘッド６とを備えている。
上記加工テーブル３は従来公知であるので詳細な説明をしないが、上記被加工物２を加工ヘッド６に対して水平方向に移動させるようになっており、また上記加工ヘッド６は図示しない昇降手段によって垂直方向に移動するようにされている。
本実施例では、上記被加工物２として板厚の薄い半導体ウエハを切断加工し、この他にもエポキシ樹脂板や樹脂と金属からなる複合材料なども切断加工することができる。また、切断加工のほかにも、被加工物２表面に対して溝加工を行うことも可能である。
また上記レーザ発振器４はＹＡＧレーザであり、加工に応じてＣＷ発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期を適宜調整できるようになっている。
さらに、レーザ発振器４としてこの他にも半導体レーザやＣＯ_２レーザ等を用いることも可能であるが、ＣＯ_２レーザのように照射されるレーザ光Ｌが水に吸収されやすい波長である場合には、加工ヘッド６より噴射される液体をレーザ光Ｌが吸収されないような液体にすればよい。

次に上記加工ヘッド６について説明すると、加工ヘッド６は図示しない昇降手段に固定された平板状のフレーム１１と、上記レーザ光Ｌを集光する集光レンズ１２と、上記高圧ポンプ５より供給された液体を液柱Ｗにして噴射するとともに、当該液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光する噴射ノズル１３と、上記集光レンズ１２と噴射ノズル１３の相対位置や角度を調整する調整手段１４とを備えている。
なお図１では、説明のため図示下方側（後述する第６プレート４１より下方）の断面図は、図２におけるＩ−Ｉの断面で切断した断面図となっている。
上記フレーム１１はレーザ発振器４によって発振されるレーザ光Ｌの光軸上に設けられており、レーザ光Ｌの光軸が通過する位置には円形の貫通孔１１ａが形成されている。
上記集光レンズ１２はレーザ光Ｌの光軸上に配置され、円筒状のレンズホルダ２１の下端に保持されるとともに、このレンズホルダ２１は略十字型（図２参照）の取付ステー２２を介してフレーム１１の下面に固定されている。
なお、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩの断面で切断した断面図となっているが、説明のため、下記第２保持円筒２８ｂについては表示を省略している。
また上記噴射ノズル１３もレーザ光Ｌの光軸上に配置されており、この噴射ノズル１３は円筒状のノズルホルダ２３の下端に保持されると共に、当該ノズルホルダ２３は上記調整手段１４によって移動するようになっている。

図３は上記噴射ノズル１３およびノズルホルダ２３の拡大図を示し、上記ノズルホルダ２３には被加工物２側から順に、小径部２３ａ、中径部２３ｂ、大径部２３ｃが形成され、上記噴射ノズル１３は上記小径部２３ａの下端にリング状の保持部材２４を用いて固定されている。
上記噴射ノズル１３はステンレス製で、噴射ノズル１３の中央には噴射孔１３ａが形成され、該噴射孔１３ａには、被加工物２に向けて縮径する第１傾斜面１３ｂと、当該第１傾斜面１３ｂよりも被加工物２側に形成されて被加工物２に向けて拡径する第２傾斜面１３ｃとが形成されている。
上記第１傾斜面１３ｂと第２傾斜面１３ｃとは、最小径部１３ｄで接続されており、上記第１傾斜面１３ｂには、レーザ光Ｌを反射させるための鏡面加工が施されている。
また、後に詳述するように、上記第１傾斜面１３ｂの角度は、上記集光レンズ１２によって集光されるレーザ光Ｌの円錐角よりも大きくなるように設定されている。

上記ノズルホルダ２３の中径部２３ｂには、シール部材２５を介してガラス板２６がはめ込まれ、このガラス板２６は上記中径部２３ｂの内周面に加工されたねじ部に螺合するナット２７によって固定されている。
また、上記小径部２３ａの位置には、小径部２３ａを中心に同心円上に等間隔に４つの接続口２３ｄが形成されており、この接続口２３ｄは液体通路２３ｅを介して小径部２３ａに連通し、上記高圧ポンプ５によって送液された液体は上記ガラス板２６よりも下方の小径部２３ａ内に供給される。
そして上記保持部材２４の中央には、上記第２傾斜面１３ｃよりも大径の貫通孔が設けられており、この貫通孔は上記第２傾斜面１３ｃと共に、噴射ノズル１３から噴射される液柱Ｗを囲繞するエアポケットＰを構成している。

上記調整手段１４は、上記ノズルホルダ２３を保持する保持円筒２８と、当該保持円筒２８を水平方向に移動させるＸＹ軸ステージ２９と、ＸＹ軸ステージ２９を垂直方向に移動させるＺ軸ステージ３０と、Ｚ軸ステージ３０の角度を変更させる角度調整ステージ３１とを備えている。
上記保持円筒２８は円筒状の第１保持円筒２８ａおよび第２保持円筒２８ｂから構成され、このうち第１保持円筒２８ａは上記ＸＹ軸ステージ２９に固定され、第２保持円筒２８ｂの下端には上記ノズルホルダ２３が固定されている。そして噴射ノズル１３における噴射孔１３ａの中心軸と第１，第２保持円筒２８ａ，２８ｂの中心軸とが一致するようになっている。
また、上記第２保持円筒２８ｂの内部には上記レンズホルダ２１が相互に接触しないように収容されており、第１保持円筒２８ａおよび第２保持円筒２８ｂは、上記レンズホルダ２１をフレーム１１に固定する上記取付ステー２２と干渉しないよう、上記４本の連結部材３２（図２参照）によって連結されている。

上記ＸＹ軸ステージ２９は、上記第１保持円筒２８ａを固定する第１プレート３３と、第１プレート３３を下方から保持する第２プレート３４と、第２プレート３４を下方から保持する第３プレート３５と、第１保持円筒２８ａを図示左右方向のＸ軸方向と、図示奥行き方向のＹ軸方向とに移動させるマイクロメータ３６，３７とを備えている。
上記第１〜第３プレート３３〜３５の中央にはそれぞれ貫通孔３３ａ〜３５ａが形成され、第１プレート３３の貫通孔３３ａには、第１プレート３３の上面に固定された固定部材３３ｂにより、上記第１保持円筒２８ａが垂下するように固定されている。
また図４に示すように、第１〜第３プレート３３〜３５は平面的に略正方形の形状を有し、その側面がそれぞれ上記Ｘ軸方向及びＹ軸方向を向くように設置されている。
さらに、上記第１プレート３３と第２プレート３４とは、Ｘ軸方向に形成された図示しないレールによってＸ軸方向に相対移動し、上記第２プレート３４と第３プレート３５とは、Ｙ軸方向に形成されたレール３５ｂ（図１参照）によってＹ軸方向に相対移動するようになっている。
そして上記マイクロメータ３６、３７は上記第２プレート３４の側面にそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に向けて固定され、第１プレート３３の側面には、マイクロメータ３６によって押圧可能な位置に突起３３ｃが設けられ、上記第３プレート３５の側面には、上記マイクロメータ３７の先端によって押圧可能な位置に突起３５ｃが設けられている。
このような構成により、Ｘ軸方向を向いたマイクロメータ３６によって上記突起３３ｃを押圧することで、ノズルホルダ２３を保持円筒２８および第１プレート３３ごとＸ軸方向に移動させることができ、またＹ軸方向を向いたマイクロメータ３７を操作することで、ノズルホルダ２３を保持円筒２８および第１、第２プレート３３、３４ごとＹ軸方向に移動させることができる。

上記Ｚ軸ステージ３０はその上面に上記第３プレート３５を固定する第４プレート３８と、上記角度調整ステージ３１の上面に固定された第５プレート３９と、第４、第５プレート３８，３９の間に設けられた２つのハンドル４０とを備え、第４、第５プレート３８，３９の中央には、移動する第１保持円筒２８ａと接触しない範囲で貫通孔３８ａ，３９ａが形成されている。
ここで、上記ハンドル４０は従来公知のジャッキスクリュー方式によって第４プレート３８を昇降させるものであり、その構成については詳細な説明を省略する。
そしてこのＺ軸ステージ３０によれば、上記ハンドル４０のいずれか一方を操作することで第４プレート３８は第５プレート３９に対して平行を保ったまま昇降し、上記ノズルホルダ２３を保持円筒２８及びＸＹ軸ステージ２９ごと昇降させることができる。

そして角度調整ステージ３１は、その上面に上記Ｚ軸ステージ３０を固定する第６プレート４１と、上記フレーム１１を貫通し、その先端で第６プレート４１を下方から保持する支点ボルト４２と、同じく第６プレート４１を下方から保持する２本の調整ボルト４３（図５参照）とを備えている。
図２に示すように、上記第６プレート４１は略正方形の形状を有しており、上記支点ボルト４２は、第６プレート４１の四隅のうちのいずれかの隅部を下面から支持し、上記調整ボルト４３は、上記支点ボルト４２を挟んだ位置の隅部を下面から支持するようになっている。
図５に示すように、上記支点ボルト４２および調整ボルト４３の先端は半球状に加工され、その先端は第６プレート４１に埋設された受け部材４４の凹部４４ａに収容されるようになっている。
そして、上記調整ボルト４３はフレーム１１の下面側に位置するダイヤル４３ａによってボルトの先端を上下に移動させることができるようになっており、これら２つの調整ボルト４３を用いることで、第６プレート４１のフレーム１１に対する傾きを変更することができる。
すなわち、２つの調整ボルト４３により、上記ノズルホルダ２３のフレーム１１に対する傾きを、保持円筒２８およびＸＹ軸ステージ２９、Ｚ軸ステージ３０ごと調整することができる。
このような構成を有する調整手段１４によれば、ＸＹ軸ステージ２９および角度調整ステージ３１を用いることで、レーザ発振器４より照射されたレーザ光Ｌの光軸に対し、噴射ノズル１３より噴射される液柱Ｗの位置と角度とを一致させることができ、またＺ軸ステージ３０を用いることで、集光レンズ１２によって集光されるレーザ光Ｌの焦点位置を、液柱Ｗの方向に沿って移動させることができる。

図６は上記噴射ノズル１３の拡大図を示しており、この図において、レーザ光Ｌの光軸と噴射ノズル１３より噴射される液柱Ｗの中心軸とは、上記調整手段１４のＸＹ軸ステージ２９及び角度調整ステージ３１によって一致するように調整されている。
本実施例では、噴射ノズル１３の噴射孔１３ａの第１傾斜面１３ｂの最小径部１３ｄの径は５０μｍ、最大径部１３ｅの径は８０μｍ、最小径部１３ｄから最大径部１３ｅまでのＺ軸方向の距離は１００μｍとなっており、また第１傾斜面の円錐角θ１は、集光レンズ１２によって集光されるレーザ光Ｌの円錐角θ２よりも大きくなるように設定されている。
この状態で上記高圧ポンプ５によってノズルホルダ２３内に液体を供給すると、当該液体はノズルホルダ２３の小径部２３ａ内を経て、上記噴射ノズル１３の噴射孔１３ａより被加工物２に向けて噴射される。
このとき、第１傾斜面１３ｂの下部には第２傾斜面１３ｃ及び保持部材２４の貫通孔によって、エアポケットＰが形成されているため、噴射された液体は拡散することなく、第１傾斜面１３ｂの最小径部１３ｄの径とほぼ同径の液柱Ｗとなって噴射される。
次に、レーザ発振器４よりレーザ光４が発振され、このレーザ光Ｌは集光レンズ１２によって集光された後、上記ガラス板２６とノズルホルダ２３の小径部２３ａ内に充満する液体とを透過して、上記噴射ノズル１３へと照射される。
本実施例では、上記Ｚ軸ステージ３０を調整することで、レーザ光Ｌの焦点が上記第１傾斜面１３ｂの最小径部１３ｄを越えた液柱Ｗ内に位置し、かつ、レーザ光Ｌが噴射孔１３ａの最大径部１３ｅよりも小さく集光されるようになっている。
なお、図６には破線により噴射ノズル１３がない場合のレーザ光Ｌの焦点を示している。
このようにして集光されたレーザ光Ｌは、最小径部１３ｄよりも外側の部分が上記第１傾斜面１３ｂによって遮られ、当該部分が一度だけ第１傾斜面１３ｂに反射した後、上記液柱Ｗにおける外気との境界面で臨界角より大きい入射角で反射を繰り返しながら被加工物２まで導光される。

このように、本実施例のハイブリッドレーザ加工装置１によれば、レーザ光Ｌの焦点を噴射ノズル１３における第１傾斜面１３ｂの最小径部１３ｄを越えた液柱Ｗ内に設定し、最小径部１３ｂより外側に位置するレーザ光Ｌは上記第１傾斜面１３ｂに反射して液柱Ｗ内に導光されるので、レーザ光Ｌの焦点位置がＺ軸方向に多少ずれていても、レーザ光Ｌを液柱Ｗに導光することができ、上記Ｚ軸ステージ３０によるレーザ光Ｌの焦点位置の調整が容易となる。
これに対し、上記特許文献１では、噴射ノズルの開口部にレーザ光の焦点を設定しなければならず、焦点位置がＺ軸方向にずれてしまうと、噴射ノズルにレーザ光が反射して液柱内にレーザ光が導光されないばかりか、レーザ光が予期しない壁面に照射されてしまい、加工ヘッド自体が損傷してしまうおそれがあった。
また、レーザ光Ｌは第１傾斜面１３ｂに一度だけ反射するようになっているので、噴射ノズル１３に対する鏡面加工等の範囲を少なくすることができ、また本実施例の場合、レーザ光Ｌの反射によって噴射ノズル１３の反射面が損傷しても、ノズルホルダ２３の先端に設けられた噴射ノズル１３だけを交換すれば良いので、製造コストとランニングコストを低減することができる。
これに対し、上記特許文献２では噴射ノズル内で何度もレーザ光を反射させているので、鏡面加工等の範囲を広くする必要があり、またレーザ光の反射によって噴射ノズルが損傷した場合、噴射ノズル全体の交換・修理が必要となるので、製造コストとランニングコストが高いものとなっていた。
さらに、レーザ光Ｌは第１傾斜面１３ｂに一度だけ反射するようになっているので、液柱Ｗ内の外気との境界面で反射するレーザ光Ｌの入射角が必要以上に小さくなることは無く、液柱の境界面におけるレーザ光の入射角を臨界角よりも大きくすることができるので、レーザ光Ｌが液柱Ｗより外気中に飛び出してしまうことはない。
これに対し、上記特許文献２では噴射ノズル内で何度もレーザ光を反射させており、反射のたびに噴射ノズル内壁面での入射角が小さくなってしまうことから、液柱の境界面におけるレーザ光の入射角が臨界角よりも小さくなってしまい、レーザ光が外気中に飛び出してしまうおそれがあった。

なお、上記実施例において、噴射ノズル１３はステンレス製であって第１傾斜面１３ｂに鏡面加工を施しているが、上記第１傾斜面１３ｂにレーザ光Ｌを反射させるコーティングを施せば、噴射ノズル１３の素材を他の素材とすることも可能である。
また、上記実施例では集光レンズ１２はフレーム１１に固定され、集光レンズ１２の位置や角度を調整できないようになっているが、別途調整手段を設けて、集光レンズ１２の位置や角度の調整をすることも可能である。

本実施例におけるハイブリッドレーザ加工装置の断面図。図１のＩＩ―ＩＩ断面における平面図。噴射ノズル及びノズルホルダについての断面図。ＸＹ軸ステージについての平面図。図２のＶ−Ｖ断面における断面図。噴射ノズルについての拡大断面図。

符号の説明

１ハイブリッドレーザ加工装置２被加工物
４レーザ発振器５高圧ポンプ
６加工ヘッド１２集光レンズ
１３噴射ノズル１３ａ噴射孔
１３ｂ第１傾斜面１３ｃ第２傾斜面
１３ｄ最小径部１４調整手段
Ｌレーザ光Ｗ液柱

Claims

噴射孔を有する噴射ノズルと、当該噴射ノズルに高圧の液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズとを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射孔から液柱にして外部に噴射させると共に、集光レンズによって上記液柱にレーザ光を導光して、被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置において、
上記噴射孔入口に被加工物に向けて縮径する傾斜面を形成するとともに、上記集光レンズの焦点を上記傾斜面の最小径部よりも被加工物側に超えた液柱内に設定し、かつ上記噴射孔内に照射されたレーザ光を上記傾斜面で反射させてから上記液柱に導光するように設定したことを特徴とするハイブリッドレーザ加工装置。
上記噴射孔の上記傾斜面の最小径部よりも被加工物側に、被加工物に向けて拡径する第２傾斜面を形成することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレーザ加工装置。
上記噴射ノズルよりも被加工物側に、上記液柱を囲繞するエアポケットを形成することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のハイブリッドレーザ加工装置。
上記集光レンズと噴射ノズルとを相対移動させて、上記集光レンズによって集光されるレーザ光と、上記噴射ノズルより噴射される液柱との位置を調整する調整手段を設けることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のハイブリッドレーザ加工装置。