JP2007203335A

JP2007203335A - レーザ加工装置及び加工方法

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Publication number: JP2007203335A
Application number: JP2006025420A
Authority: JP
Inventors: Teruhisa Kawasaki; 輝尚川▲崎▼; Joichi Kawamura; 譲一河村
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】加工対象物の表面の高さ測定器、複雑な制御回路、及び高精度な駆動機構を設けることなく、光学系と加工対象物表面との距離を一定に維持してレーザ加工を行うことが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】ステージ５が加工対象物５０を保持する。レーザ光源１５が加工用のレーザビームを出射する。ステージに保持された加工対象物に対向する位置に光学系２０が配置されている。この光学系は、レーザ光源から出射されたレーザビームを、ステージに保持された加工対象物の表面に入射させる。支持機構１０が、光学系を、ステージに保持された加工対象物と光学系との距離が変動する方向に移動可能に支持する。光学系に対する相対位置が固定されるようにエアベアリング２５が設けられている。エアベアリングは、ステージに保持された加工対象物に対向し、加工対象物に流体を吹き付けて加工対象物の表面との間に間隙を確保する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特にステージに保持された加工対象物と、レーザビームを入射させるための光学系との距離を一定に保ちながら加工対象物にレーザビームを入射させて加工を行うレーザ加工装置に関する。

下記の特許文献１に、ガラス基板上のアモルファスシリコン膜にレーザビームを入射させて多結晶化させるレーザ加工装置が開示されている。常に一定の条件でレーザビーム照射を行うために、レーザビームのビーム断面を方形に整形するためのレチクル（マスク）及び対物レンズを含む光学系と、ガラス基板表面との距離を一定に保つ必要がある。ガラス基板の厚さが基板面内の場所によって不均一であると、ガラス基板をＸＹステージで移動させたときに、光学系とガラス基板表面との間隔が変動してしまう。

特許文献１に記載されたレーザ加工装置では、ガラス基板の表面の高さを測定し、測定結果に基づいてガラス基板を上下方向に変位させることにより、光学系とガラス基板表面との間隔を一定に保っている。

また、ガラス基板の表面の高さの測定結果に基づいて、光学系の高さを変動させてもよい。

特開２００３−２８２４７７号公報

従来のレーザ加工装置においては、ガラス基板表面の高さの測定と、測定結果に基づいたガラス基板または光学系の高さ制御を行うための制御回路、及び高精度な駆動機構が必要である。対物レンズが大型化すれば、その駆動機構も大型化し、高速化及び高精度の高さ制御が困難になる。

本発明の目的は、ガラス基板等の加工対象物の表面の高さ測定器、複雑な制御回路、及び高精度な駆動機構を設けることなく、光学系と加工対象物表面との距離を一定に維持してレーザ加工を行うことが可能なレーザ加工装置を提供することである。本発明の他の目的は、複雑な制御回路、及び高精度な駆動機構を用いることなく、光学系と加工対象物表面との距離を一定に維持してレーザ加工を行う方法を提供することである。

本発明の一観点によると、加工対象物を保持するステージと、加工用のレーザビームを出射するレーザ光源と、前記ステージに保持された加工対象物に対向する位置に配置され、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面に入射させる光学系と、前記光学系を、前記ステージに保持された加工対象物と前記光学系との距離が変動する方向に移動可能に支持する支持機構と、前記光学系に対する相対位置が固定され、前記ステージに保持された加工対象物に対向し、該加工対象物に流体を吹き付けて該加工対象物の表面との間に間隙を確保するエアベアリングとを有するレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、加工対象物を、その被加工面に垂直な第１の方向に変位可能に保持し、保持した加工対象物が外力によって前記第１の方向に変位すると、該加工対象物に、加えられた外力と対抗する向きの反発力を印加するステージと、加工用のレーザビームを出射するレーザ光源と、前記ステージに保持された加工対象物に対向するように配置され、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面に入射させる光学系と、前記光学系に対する相対位置が固定され、前記ステージに保持された加工対象物に対向し、該加工対象物に流体を吹き付けて該加工対象物の表面との間に間隙を確保するエアベアリングと、前記ステージに保持された加工対象物及び前記光学系の一方を他方に対して、該加工対象物の被加工面に平行な方向に移動させる駆動機構とを有するレーザ加工装置が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、加工対象物に対向する光学系に相対位置が固定されたエアベアリングから該加工対象物に流体を吹き付けながら該加工対象物から該光学系までの高さを一定に維持した状態で、該光学系と該加工対象物との一方を他方に対して、該加工対象物の被加工面に平行な方向に移動させながら、該光学系を通して該加工対象物にレーザビームを入射させてレーザ加工を行う方法が提供される。

エアベアリングにより、加工対象物の表面から光学系までの距離を一定に維持することができる。

図１に、第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。台座１に固定されたＸＹＺ直交座標系を定義する。ＸＹ面が水平面に対応し、鉛直上方をＺ軸の正方向とする。台座１の上にステージ５が設置されている。ステージ５は、駆動機構５Ａ、トップテーブル５Ｂ、及び保護プレート５Ｃを含んで構成される。駆動機構５Ａはトップテーブル５ＢをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる。トップテーブル５Ｂの上方を向く保持面に、加工対象物５０、例えばアモルファスシリコン膜が形成されたガラス基板を吸着保持する。保護プレート５Ｃは、トッププレート５Ｂの保持面に保持された加工対象物５０の外周から水平方向に間隙を隔てて配置されており、その上面が加工対象物５０の上面とほぼ同じ高さになるような厚さを有する。

ステージ５の上方に、光学系２０が配置されている。光学系２０は、支持機構１０及びＺステージ７を介して、上方支持部材６に取り付けられている。上方支持部材６は台座１に固定されている。

レーザ光源１５が加工用のレーザビームを出射する。加工用のレーザビームが折り返しミラー１６で反射し、光学系２０に入射する。光学系２０は、ステージ５に保持された加工対象物５０にレーザビームを入射させる。光学系２０、支持機構１０、及びＺステージ７の詳細な構造については、図２を参照して後述する。

光学系２０の、ステージ５に対向する面に、エアベアリング２５が取り付けられている。光学系２０に対してエアベアリグ２５の相対位置が固定されている。エアベアリング２５は、ステージ５に保持された加工対象物５０に対向し、加工対象物５０に流体、例えばエアーを吹き付ける。これにより、光学系２０に、加工対象物５０の表面から浮上する力が付与される。

ステージ５により加工対象物５０をＸＹ面に平行な方向に移動させながら、加工対象物５０にレーザビームを入射させることにより、レーザ加工が行われる。

図２Ａに、第１の実施例によるレーザ加工装置の主要部分の概略図を示す。図１に示した上方支持部材６にＺステージ７が取り付けられている。Ｚステージ７は、Ｚ軸ガイドレール７、Ｚ方向可動部７Ｂ、駆動機構７Ｃとにより構成される。Ｚ軸ガイドレール７Ａは、上方支持部材６に固定されている。Ｚ方向可動部７Ｂは、Ｚ軸ガイドレール７ＡにＺ軸方向に移動可能に支持されている。駆動機構７Ｃは、Ｚ方向可動部７ＢをＺ軸方向に移動させると共に、Ｚ軸方向に関して所望の位置に静止させる。

支持機構１０が、Ｚ方向可動部７Ｂに取り付けられている。支持機構１０は、Ｚ方向可動部７Ｂに固定されたガイドレール１０Ａ、及びガイドレール１０Ａに対してＺ軸方向に移動可能に支持されている可動部１０Ｂを含む。この可動部１０Ｂに光学系２０が固定されている。すなわち、光学系２０は、加工対象物５０からの距離が変動する方向（Ｚ軸方向）に移動可能に支持されている。

光学系２０は、レンズ２０Ａ及びマスク２０Ｂを含んで構成される。マスク２０Ｂはレーザビームの断面を所定の形状、例えば方形に整形する。レンズ２０Ａは複数のレンズで構成されており、マスク２０Ｂを加工対象物５０の表面に結像させる。

エアベアリング２５が光学系２０に取り付けられ、光学系２０に対する相対位置が固定されている。ガス導入管２５Ａを経由してエアベアリング２５にガスを供給する。エアベアリング２５は、加工対象物５０にガスを吹き付け、加工対象物５０の表面との間に間隙を確保する。ガス排気管２５Ｂは、エアベアリング２５内の静圧を制御する。

図２Ｂに、加工対象物５０の表面にレーザビームが入射する位置と、エアベアリング２５が対向する領域との位置関係を示す。エアベアリング２５は、レーザビームの入射する領域２３を囲む環状領域２５ａに対向している。この環状領域２５ａに流体を吹き付けることにより、エアベアリング２５及び光学系２０を、加工対象物５０から浮上させることができる。

光学系２０及びそれに固定された部材に加わる重力とエアベアリング２５による浮上力とが均衡した位置に光学系２０が静止する。例えば、光学系２０が静止した状態で、加工対象物５０とエアベアリング２５との間に確保される間隙は数μｍ程度である。

ステージ５を駆動して加工対象物５０をＸＹ面に平行な方向に移動させると、加工対象物５０の厚さが不均一であることに起因して、レーザビームが入射する領域２３内に配置された表面の高さが変動する。エアベアリング２５と加工対象物５０の表面との間隙が一定に維持されるため、加工対象物５０の表面の高さ変動に応じて光学系２０がＺ軸方向に変位し、加工対象物５０の表面から光学系２０までの高さが一定に維持される。

このため、マスク２０Ｂを加工対象物５０の表面上に結像させた状態で加工を行うことができる。エアベアリング２５を、図２Ｂに示したレーザビームの入射する領域２３を取り囲む環状領域２５ａに対向する形状とすることにより、特にレーザビームの入射する領域２３内に位置する加工対象物５０の表面から光学系２０までの高さを一定に維持することができる。エアベアリング２５は、レーザビームの入射する領域２３を中心とする円環状の領域に対向するような形状及び配置とすることが好ましい。なお、この円環状の領域に沿って、複数のエアベアリングを円周方向に等間隔で配置してもよい。

ステージ５に保持された加工対象物５０の外周よりもやや外側に保護プレート５Ｃが取り付けられている。加工対象物５０の外周近傍を加工するときに、エアベアリング２５の一部が加工対象物５０から外れた場合、エアベアリング２５からのガスが保護プレート５Ｃに吹き付けられる。保護プレート５Ｃの上面と、加工対象物５０の上面とがほぼ同じ高さであるため、エアベアリング２５の一部が加工対象物５０から外れても、浮上力をほぼ一定に維持することができる。

上記実施例においては、レーザ加工時に、光学系２０を上下方向に能動的に移動させる必要がない。このため、光学系２０が大型化しても、それに対応した大きな駆動機構を配備する必要がない。

図３に、第２の実施例によるレーザ加工装置の主要部の概略図を示す。以下、図２に示した第１の実施例によるレーザ加工装置との相違点に着目して説明する。

第２の実施例によるレーザ加工装置では、押し付け機構１４が可動部１０Ｂを加工対象物５０に近づく向きに押し付けている。押し付け機構１４は、ガイドレール１０Ａを取り巻くように配置されたコイルばねにより構成される。その他の構成は、図２に示した第１の実施例によるレーザ加工装置の構成と同一である。

第２の実施例では、光学系２０及びそれに固定された部材に加わる重力と、押し付け機構１４による押し付け力との合計が、エアベアリング２５による浮上力と均衡した位置に、光学系２０が静止する。加工対象物５０の表面の高さが変動する範囲内において、押し付け機構１４による押し付け力は一定であると考えることができる。このため、第１の実施例の場合と同様に、加工対象物５０の表面から光学系２０までの高さを一定に維持することができる。

第２の実施例では、押し付け機構１４にコイルばねを用いたが、その他の弾性部材を用いてもよいし、空気圧を利用した押し付け機構を用いてもよい。

図４に、第３の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。以下、図１に示した第１の実施例によるレーザ加工装置との相違点に着目して説明する。

第１の実施例では、光学系２０が支持機構１０を介してＺ軸ステージ７のＺ方向可動部７Ｂに取り付けられていたが、第３の実施例では、光学系２０がＺステージ７のＺ方向可動部７Ｂに固定されている。また、第１の実施例では、ステージ５のトップテーブル５Ｂは、Ｚ軸方向の高さが固定されていたが、第３の実施例では、トップテーブル５Ｂが反発力印加機構５Ｄを介して駆動機構５Ａに取り付けられている。

反発力印加機構５Ｄは、トップテーブル５Ｂを鉛直方向（Ｚ軸方向）に変位可能に保持する。トップテーブル５Ｂが外力によって鉛直方向に変位すると、反発力印加機構５Ｄは、加えられた外力と対抗する向きの反発力をトップテーブル５Ｂに印加する。反発力印加機構５Ｄは、コイルばねを含んで構成され、少なくとも３点でトップテーブル５Ｂを支える。トップテーブル５Ｂのどの位置に外力が加わっても、ほぼ同じ大きさの反発力が発生するように、反発力印加機構５Ｄが構成されている。反発力印加機構５Ｄは、コイルばね以外の弾性部材で構成してもよいし、空気圧を利用して反発力を発生する構成としてもよい。なお、反発力の大きさは、加工対象物５０の厚さの不均一さの範囲内でトッププレート５Ｂが変位しても、一定の大きさの反発力を発生する。

レーザ加工時には、エアベアリング２５から流体を吹き付けた状態で、トッププレート５Ｂが中立の位置からやや下方に変位するように、光学系２０の位置を調整し、その位置に固定する。ステージ５を移動させたときに、加工対象物５０の厚さの不均一さによってレーザビームの入射領域内の表面の高さが変動すると、エアベアリング２５と加工対象物５０との間隔が一定になるようにトッププレート５ＢがＺ軸方向に変位する。このため、加工対象物５０の表面から光学系２０までの高さを一定に維持することができる。

反発力印加機構による５Ｄによる反発力が、エアシリンダ２５からのガスの吹き付けによってトップテーブル５Ｂに加わる外力の位置に依存する場合には、エアシリンダ２５に供給するガスのガス圧を、外力の加わる位置に応じて変化させればよい。例えば、反発力が大きくなる場合には、エアシリンダ２５に供給するガスのガス圧を大きくすればよい。ガス圧は、反発力の大きさに基づいて決定される。これにより、加工対象物５０の表面から光学系２０までの高さを一定に維持することが可能になる。

上記実施例では、マスク２０Ｂの像をレンズ２０Ａによって加工対象物５０の表面に結像させる構成が採用されていたが、上記実施例によるエアベアリングを用いた高さ維持機構は、光学系に他の構成を採用したレーザ加工装置にも適用することが可能である。例えば、加工対象物５０の表面においてレーザビームのビームスポットが最小になるようにレーザビームを集光させて加工を行うレーザ加工装置に適用してもよい。また、レーザビームを加工対象物５０の表面上においてホモジナイズさせる均一化光学装置を用いたレーザ加工装置に適用してもよい。

また、上記第１〜第３の実施例では、ステージ５によって加工対象物５０をＸＹ面に平行な方向に移動させる構造が採用されていたが、その反対に、加工対象物５０に対して光学系２０をＸＹ面に平行な方向に移動させる移動機構を設けてもよい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。（２Ａ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置の主要部の概略図であり、（２Ｂ）は、加工対象物の表面内のレーザビームの入射位置とエアベアリングに対向する領域との位置関係を示す平面図である。第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。第３の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。

符号の説明

１台座
５ステージ
５Ａ駆動機構
５Ｂトップテーブル
５Ｃ保護プレート
５Ｄ反発力印加機構
６上方支持部材
７Ｚステージ
７ＡＺ軸ガイドレール
７ＢＺ方向可動部
７Ｃ駆動機構
１０支持機構
１０Ａガイドレール
１０Ｂ可動部
１４押し付け機構
１５レーザ光源
１６折り返しミラー
２０光学系
２０Ａレンズ
２０Ｂマスク
２３レーザビーム入射位置
２５エアベアリング
２５Ａガス供給管
２５Ｂガス排気管
２５ａ環状領域

Claims

加工対象物を保持するステージと、
加工用のレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記ステージに保持された加工対象物に対向する位置に配置され、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面に入射させる光学系と、
前記光学系を、前記ステージに保持された加工対象物と前記光学系との距離が変動する方向に移動可能に支持する支持機構と、
前記光学系に対する相対位置が固定され、前記ステージに保持された加工対象物に対向し、該加工対象物に流体を吹き付けて該加工対象物の表面との間に間隙を確保するエアベアリングと
を有するレーザ加工装置。
さらに、前記ステージに保持された加工対象物と、前記光学系との一方を他方に対して、該加工対象物の被加工面に平行な方向に移動させる駆動機構を有する請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記ステージが、加工対象物を、その被加工面が上方を向くように水平に保持し、前記支持機構が、前記光学系を鉛直方向に移動可能に支持し、前記光学系を下方に変位させる力と、前記エアベアリングによる浮上力とが均衡した位置に前記光学系が静止する請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記ステージが、加工対象物を、その被加工面が上方を向くように水平に保持し、前記支持機構が、前記光学系を鉛直方向に移動可能に支持し、
さらに、前記光学系を前記ステージに保持された加工対象物へ押し付ける押し付け機構を有し、該光学系を下方に変位させる力と、前記エアベアリングによる浮上力とが均衡した位置に該光学系が静止する請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記エアベアリングは、前記光学系によるレーザビームの入射位置を取り囲む環状領域に対向している請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
加工対象物を、その被加工面に垂直な第１の方向に変位可能に保持し、保持した加工対象物が外力によって前記第１の方向に変位すると、該加工対象物に、加えられた外力と対抗する向きの反発力を印加するステージと、
加工用のレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記ステージに保持された加工対象物に対向するように配置され、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面に入射させる光学系と、
前記光学系に対する相対位置が固定され、前記ステージに保持された加工対象物に対向し、該加工対象物に流体を吹き付けて該加工対象物の表面との間に間隙を確保するエアベアリングと、
前記ステージに保持された加工対象物及び前記光学系の一方を他方に対して、該加工対象物の被加工面に平行な方向に移動させる駆動機構と
を有するレーザ加工装置。
前記エアベアリングは、前記光学系によるレーザビームの入射位置を取り囲む環状領域に対向している請求項６に記載のレーザ加工装置。
加工対象物に対向する光学系に相対位置が固定されたエアベアリングから該加工対象物に流体を吹き付けながら該加工対象物から該光学系までの高さを一定に維持した状態で、該光学系と該加工対象物との一方を他方に対して、該加工対象物の被加工面に平行な方向に移動させながら、該光学系を通して該加工対象物にレーザビームを入射させてレーザ加工を行う方法。