JP2008036641A - Laser beam machining apparatus and method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining apparatus and method capable of increasing machining speed for a workpiece. <P>SOLUTION: Laser light sources 200, 300, 400 each generate a machining laser beam different in parameter. Lens pairs 230, 330, 430 adjust a spreading angle when the laser beams of parallel light generated by the laser light sources 200, 300, 400 are made incident on an objective lens 500. Mirrors 240, 340, 440 are each provided with a different tilt angle, reflecting the laser beams from telescope optical systems 210, 310, 410 to the objective lens 500. The objective lens 500 converges the laser beams made incident from the mirrors 240, 340, 440 and continuously emits the converged laser beam to a plurality of converged irradiation positions which are different with respect to both the depth direction of the workpiece S and the direction orthogonal thereto. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関し、特に、加工対象材料に損傷を生起させるレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。   The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method, and more particularly, to a laser processing apparatus and a laser processing method that cause damage to a material to be processed.

半導体などのデバイスおよび各種の基板となる誘電体材料の微細加工技術の産業上の有用性は、今や疑いようもない。従来、スクライビングおよびダイシングによる微細加工技術として、ダイヤモンドブレードを用いた機械的な加工技術が用いられてきた。これらの加工技術は、機械的な加工技術としては十分成熟している反面、加工分解能や加工形状の制御、切り屑の低減などに関して一定の限界があった。   The industrial usefulness of microfabrication technology for dielectric materials used as devices such as semiconductors and various substrates is now in doubt. Conventionally, a mechanical processing technique using a diamond blade has been used as a fine processing technique by scribing and dicing. These processing techniques are sufficiently matured as mechanical processing techniques, but have certain limitations with respect to processing resolution, processing shape control, chip reduction, and the like.

一方、このような機械的な加工技術に代わり、近年、レーザ加工技術が大きく注目を浴びている。レーザスクライビングおよびレーザダイシングによるレーザ加工技術によれば、上記した機械的な加工技術における問題点を大きく改善することができる。   On the other hand, in recent years, laser processing technology has attracted much attention in place of such mechanical processing technology. According to the laser processing technology by laser scribing and laser dicing, the problems in the mechanical processing technology described above can be greatly improved.

従来のレーザ加工技術として、例えば、特許文献1に記載されているものがある。   As a conventional laser processing technique, for example, there is one described in Patent Document 1.

特許文献1には、互いに波長の異なる2つのレーザ光を、集光レンズにより加工対象物の内部に集光して、加工対象物の内部に2本の改質領域を形成する技術が開示されている。2つのレーザ光のうち、長波長のレーザ光の集光点は、加工対象物の表面から深い位置に合わせられ、短波長のレーザ光の集光点は、加工対象物の表面から浅い位置に合わせられる。この状態で、加工対象物を載置したステージを加工対象物の切断予定ラインに沿って駆動させることにより、2つの集光点が切断予定ラインに沿って走査され、切断予定ラインに沿った1回のスキャンで2本の改質領域を形成することができる。
特開2004−337903号公報
Patent Document 1 discloses a technique for condensing two laser beams having different wavelengths from each other inside a workpiece by a condenser lens to form two modified regions inside the workpiece. ing. Of the two laser beams, the focal point of the long wavelength laser beam is adjusted to a deep position from the surface of the workpiece, and the focal point of the short wavelength laser beam is shallow from the surface of the workpiece. Adapted. In this state, the stage on which the workpiece is placed is driven along the planned cutting line of the processing target, so that the two condensing points are scanned along the planned cutting line, and 1 along the planned cutting line. Two modified regions can be formed by one scan.
JP 2004-337903 A

しかしながら、従来のレーザ加工技術にあっては、現在市販されている代表的なレーザ装置をレーザ加工に用いた場合、出力やパルス発振周波数において、その性能は、必ずしも所望のレーザ加工を満足するものではないという問題がある。   However, in the conventional laser processing technology, when a typical laser device currently on the market is used for laser processing, the performance does not necessarily satisfy the desired laser processing in terms of output and pulse oscillation frequency. There is a problem that is not.

その中でも大きな問題となるのは、単位時間におけるスクライビング距離またはダイシング距離により規定される加工速度が低いことである。現在のレーザ装置では、出力やパルス発振周波数を最大にした場合でも、所望の深さ(数10μm以上)の加工を行うのにかかる時間は、機械的な加工、例えばダイヤモンドブレードによる加工を行うのにかかる時間の数倍〜10倍程度を要する。これは、1パルスあたりの加工深さが小さいため、繰り返し供給される複数のレーザが加工面上において空間的に重なりあうように、照射されるレーザを走査する必要があるためである。このような照射形態を満たしながら加工速度を向上させるためには、レーザの繰り返し周波数を向上させることが考えられるが、現在の技術では限界があり、所望の加工速度を実現するのは容易ではない。   Among them, a major problem is that the processing speed defined by the scribing distance or dicing distance per unit time is low. In the current laser apparatus, even when the output and pulse oscillation frequency are maximized, the time required for processing at a desired depth (several tens of μm or more) is mechanical processing, for example, processing using a diamond blade. It takes several times to about 10 times the time required for. This is because the processing depth per pulse is small, and it is necessary to scan the irradiated laser so that a plurality of lasers repeatedly supplied spatially overlap on the processing surface. In order to improve the processing speed while satisfying such an irradiation mode, it is conceivable to increase the repetition frequency of the laser. However, there is a limit in the current technology, and it is not easy to realize a desired processing speed. .

また、特許文献1記載のレーザ加工技術のように、2つのレーザ光による2つの集光点を用いてレーザ加工を行う場合であっても、その加工速度には一定の限界がある。これは、2つの集光点は、切断予定ラインと垂直な同軸上、つまり加工対象物の表面と垂直な同軸上にそれぞれ位置しているためである。すなわち、加工対象物の深さ方向における加工速度を向上させることはできるが、加工対象物の深さ方向と交差する方向、例えば集光点の走査方向における加工速度を向上させることはできない。   Even when laser processing is performed using two condensing points by two laser beams as in the laser processing technique described in Patent Document 1, the processing speed has a certain limit. This is because the two light condensing points are located on the same axis perpendicular to the line to be cut, that is, on the same axis perpendicular to the surface of the workpiece. In other words, the processing speed in the depth direction of the processing target can be improved, but the processing speed in the direction intersecting the depth direction of the processing target, for example, the scanning direction of the condensing point cannot be improved.

また、加工対象物への加工領域を形成するのに重要な因子となる集光点の形状についての知見がほとんど欠落していることも、上記した加工速度の向上の限界の一因である。   In addition, the lack of knowledge about the shape of the condensing point, which is an important factor for forming a processing region on the processing target, is also one of the limitations of the above-described improvement in processing speed.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、加工対象物への加工速度を向上させることができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the laser processing apparatus and laser processing method which can improve the processing speed to a workpiece.

本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第1の集光照射位置決定手段と、前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第2の集光照射位置決定手段と、前記第1の集光照射位置決定手段および前記第2の集光照射位置決定手段により決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する対物レンズと、前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査手段と、を有し、前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なる構成を採る。   The laser processing apparatus of the present invention includes a first focused irradiation position determining unit that determines a focused irradiation position of each of the plurality of laser beams in the depth direction of the workpiece, and an incident angle of the plurality of laser beams. A second condensing irradiation position determining means for adjusting and determining respective condensing irradiation positions of the plurality of laser beams in a direction perpendicular to the depth direction of the workpiece; and the first condensing irradiation An objective lens for continuously condensing and irradiating each of the plurality of laser beams to a plurality of condensing irradiation positions determined by a position determining unit and the second condensing irradiation position determining unit; and the plurality of laser beams Scanning means for scanning the focused irradiation position in a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece, at least one of the focused irradiation positions of the plurality of laser beams is the workpiece The direction perpendicular to the depth direction of Te, take different configurations and other condensing irradiation position.

本発明のレーザ加工方法は、加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第1の集光照射位置決定ステップと、前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第2の集光照射位置決定ステップと、前記第1の集光照射位置決定ステップおよび前記第2の集光照射位置決定ステップにより決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する集光照射ステップと、前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査ステップと、を有し、前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なるようにした。   In the laser processing method of the present invention, a first focused irradiation position determining step for determining a focused irradiation position of each of the plurality of laser beams in the depth direction of the workpiece, and an incident angle of the plurality of laser beams are determined. A second condensing irradiation position determining step for adjusting and determining respective condensing irradiation positions of the plurality of laser beams in a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece; and the first condensing irradiation. A plurality of condensing irradiation steps for continuously condensing and irradiating each of the plurality of laser beams to a plurality of condensing irradiation positions determined by the position determining step and the second condensing irradiation position determining step; A scanning step of scanning a laser beam condensing irradiation position in a direction orthogonal to a depth direction of the workpiece, and at least one of the plurality of laser light condensing irradiation positions is the processing Of the object It is in the direction perpendicular to the direction, and so different from the other converging and irradiating positions.

本発明によれば、加工対象物への加工速度を向上させることができる。また、加工対象物に生起させる損傷の形状を制御することができる。   According to the present invention, it is possible to improve the processing speed of a processing object. Further, it is possible to control the shape of damage caused to the workpiece.

(基本原理)
まず、本発明の基本原理を説明する。
(Basic principle)
First, the basic principle of the present invention will be described.

本発明のレーザ加工技術は、
(1)加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第1の集光照射位置決定ステップと、
(2)前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第2の集光照射位置決定ステップと、
(3)前記第1の集光照射位置決定ステップおよび前記第2の集光照射位置決定ステップにより決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する集光照射ステップと、
(4)前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査ステップとを含み、
(5)前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なることを特徴とする。
The laser processing technology of the present invention
(1) a first focused irradiation position determining step for determining a focused irradiation position of each of the plurality of laser beams in the depth direction of the workpiece;
(2) Second condensing irradiation for adjusting respective incident angles of the plurality of laser beams to determine respective condensing irradiation positions of the plurality of laser beams with respect to a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece. A positioning step;
(3) Continuously irradiate each of the plurality of laser beams to the plurality of condensing irradiation positions determined by the first condensing irradiation position determining step and the second condensing irradiation position determining step. A condensing irradiation step,
(4) a scanning step of scanning the focused irradiation positions of the plurality of laser beams in a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece,
(5) At least one of the condensing irradiation positions of the plurality of laser beams is different from other condensing irradiation positions in a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece.

加工対象物は、例えば、ガラスや石英、サファイアなどの誘電体材料、またはシリコンやシリコンカーバイド(SiC)などの半導体材料である。また、加工対象物は、例えば、銅やステンレスなどの金属および各種の合金などであってもよい。また、「加工対象物の深さ方向」とは、加工対象物の表面と直交する方向を意味する。   The workpiece is, for example, a dielectric material such as glass, quartz, or sapphire, or a semiconductor material such as silicon or silicon carbide (SiC). Further, the object to be processed may be, for example, a metal such as copper or stainless steel and various alloys. Further, the “depth direction of the workpiece” means a direction orthogonal to the surface of the workpiece.

複数のレーザ光は、例えば、波長、パルス幅、パワー、または繰り返し周波数などのパラメータがそれぞれ異なる複数のレーザ光であってもよいし、これらのパラメータが等しい同一のレーザ光であってもよい。複数のレーザ光は、ナノ秒〜ピコ秒パルス発振のYAGレーザの基本波(波長1064nm)、第2高調波(波長532nm)、第3高調波(波長355nm)、第4高調波(波長266nm)、フェムト秒〜ピコ秒のチタンサファイアレーザやその高調波、またはパラメトリック発振光(波長400nmから2000nm)などのレーザ光である。また、複数のレーザ光は、各種のCW(Continuous Wave)レーザや炭酸ガス(CO)レーザ、媒質の異なるレーザなどであってもよい。複数のレーザ光は、それぞれ別個のレーザ光源が発生したものでもよいし、1つのレーザ光源が発生したものでもよい。 The plurality of laser beams may be, for example, a plurality of laser beams having different parameters such as wavelength, pulse width, power, or repetition frequency, or may be the same laser beam having the same parameters. The plurality of laser beams are a fundamental wave (wavelength 1064 nm), second harmonic wave (wavelength 532 nm), third harmonic wave (wavelength 355 nm), and fourth harmonic wave (wavelength 266 nm) of a nanosecond to picosecond pulse oscillation YAG laser. Laser light such as femtosecond to picosecond titanium sapphire laser and its harmonics, or parametric oscillation light (wavelength 400 nm to 2000 nm). Further, the plurality of laser beams may be various CW (Continuous Wave) lasers, carbon dioxide (CO 2 ) lasers, lasers with different media, and the like. The plurality of laser beams may be generated by separate laser light sources or may be generated by one laser light source.

加工対象物の深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度により決定されうる。   The focused irradiation position of the laser beam in the depth direction of the workpiece can be determined by the spread angle of the laser beam when it enters the objective lens.

より具体的には、加工対象物の深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の広がり角度が小さいほど、加工対象物の深さ方向に関して加工対象物の表面から近い位置に決定される。また、加工対象物の深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の広がり角度が大きいほど、加工対象物の深さ方向に関して加工対象物の表面から遠い位置に決定される。ここで「広がり角度」は、口径が絞られる度合いに比例して小さくなり、口径が拡大される度合いに比例して大きくなる。また「広がり角度が負のレーザ光」とは、口径を絞られながら入射するレーザ光を意味し、「広がり角度が正のレーザ光」とは、口径を拡大されながら入射するレーザ光を意味する。さらに、「広がり角度がゼロのレーザ光」とは、平行光であるレーザ光を意味する。   More specifically, the condensing irradiation position of the laser beam in the depth direction of the workpiece is determined closer to the surface of the workpiece in the depth direction of the workpiece as the spread angle of the laser beam is smaller. Is done. Further, the condensing irradiation position of the laser light in the depth direction of the processing object is determined at a position farther from the surface of the processing object in the depth direction of the processing object as the spread angle of the laser light is larger. Here, the “expansion angle” decreases in proportion to the degree of aperture reduction, and increases in proportion to the extent of aperture expansion. “Laser beam having a negative spread angle” means a laser beam that is incident while the aperture is narrowed, and “laser beam having a positive spread angle” is a laser beam that is incident while the aperture is enlarged. . Furthermore, “laser light with a zero spread angle” means laser light that is parallel light.

対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度は、例えば、凹レンズおよび凸レンズから構成されるレンズペアにレーザ光を通過させることにより変化しうる。より具体的には、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度は、レンズペアを構成する凹レンズと凸レンズとの距離、またはその開口数NA(Numerical Aperture)を調整することにより制御することができる。   The spread angle of the laser light when entering the objective lens can be changed, for example, by passing the laser light through a lens pair composed of a concave lens and a convex lens. More specifically, the spread angle of the laser light when entering the objective lens can be controlled by adjusting the distance between the concave lens and the convex lens constituting the lens pair, or its numerical aperture NA (Numerical Aperture). it can.

なお、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度は、上記のようなレンズペアの他にも、例えば、少なくとも1枚の凹レンズまたは凸レンズ、或いはそれらの組み合わせにより構成される光学系を通過させることによっても変化しうる。このように、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度は、種々の光学系を用いて変化させることができる。   The spread angle of the laser light when entering the objective lens is allowed to pass through, for example, an optical system constituted by at least one concave lens or convex lens, or a combination thereof, in addition to the lens pair as described above. Can also change. As described above, the spread angle of the laser light when entering the objective lens can be changed using various optical systems.

加工対象物の深さ方向と直交する方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の対物レンズへの入射角度により決定されうる。   The focused irradiation position of the laser beam with respect to the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece can be determined by the incident angle of the laser beam to the objective lens.

レーザ光の対物レンズへの入射角度は、例えば、ミラーを用いてレーザ光を反射させることにより変化しうる。より具体的には、レーザ光の対物レンズへの入射角度は、ミラーのチルト角を調整することにより制御することができる。   The incident angle of the laser light on the objective lens can be changed by reflecting the laser light using a mirror, for example. More specifically, the incident angle of the laser beam to the objective lens can be controlled by adjusting the tilt angle of the mirror.

このように、レーザ光の集光照射により形成される焦点像の位置は、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度と、レーザ光の対物レンズへの入射角度とによって決定されうる。   As described above, the position of the focus image formed by the focused irradiation of the laser light can be determined by the spread angle of the laser light when entering the objective lens and the incident angle of the laser light on the objective lens.

本発明では、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度と、レーザ光の対物レンズへの入射角度とを調整することにより決定された複数の集光照射位置に、複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する。   In the present invention, each of a plurality of laser beams is provided at a plurality of condensing irradiation positions determined by adjusting the spread angle of the laser beam when entering the objective lens and the incident angle of the laser beam to the objective lens. Is continuously focused and irradiated.

「連続的」とは、複数のレーザ光のうち最初に集光照射されたレーザ光から、他のレーザ光がそれぞれ1回ずつ時系列的に集光照射されること(以下「1サイクル集光照射」という)を意味する。すなわち、最初に集光照射されたレーザ光の後に、他のレーザ光が次々に追従して集光照射されることになる。   “Continuous” means that laser light that is first condensed and irradiated among a plurality of laser beams is irradiated with another laser beam once in a time-series manner (hereinafter referred to as “one-cycle condensing”). Irradiation) ”. In other words, after the laser beam first focused and irradiated, other laser beams are successively focused and irradiated.

ここで、複数のレーザ光を集光照射することにより形成される焦点像は、それぞれ重なり合っていてもよいし、重なり合っていなくてもよい。前者の場合、1サイクル集光照射される複数のレーザ光は、空間的に重なり合った一連の焦点像を形成する。また、後者の場合であっても、複数のレーザ光を集光照射する位置は、それぞれ、追従すべきレーザ光が集光照射されることにより生起された損傷または改質領域と重なりあうように設定することが好ましい。このようにすれば、複数のレーザ光のそれぞれは、常に、他のレーザ光の集光照射により生起された損傷または改質領域に集光照射されることになり、その加工速度に飛躍的な向上を見込むことができる。   Here, the focus images formed by condensing and irradiating a plurality of laser beams may or may not overlap each other. In the former case, a plurality of laser beams that are focused and irradiated for one cycle form a series of focused images that are spatially overlapped. Even in the latter case, the positions where the plurality of laser beams are focused and irradiated are overlapped with the damage or modified region caused by the focused irradiation of the laser beams to be followed, respectively. It is preferable to set. In this way, each of the plurality of laser beams is always focused on the damaged or modified region caused by the focused irradiation of the other laser beams, and the processing speed is dramatically increased. We can expect improvement.

1サイクル集光照射された複数のレーザ光の集光照射位置は、加工対象物を載置したステージが加工予定ラインに沿って駆動することにより走査されうる。より具体的には、このステージは、複数のレーザ光が加工対象物に対して1サイクル集光照射されるたびに、加工予定ラインに沿って所定の距離だけ駆動する。ここで、ステージの1回の駆動距離は、それぞれのレーザ光が集光照射されることにより生起された損傷または改質領域の幅に含まれることが好ましい。このようにして、複数のレーザ光の1サイクル集光照射が、加工予定ラインに関して連続して行われる。   The condensing irradiation positions of the plurality of laser beams irradiated with one cycle of condensing irradiation can be scanned by driving the stage on which the object to be processed is placed along the processing line. More specifically, this stage is driven by a predetermined distance along the planned processing line each time a plurality of laser beams are condensed and irradiated to the processing object for one cycle. Here, the one-time driving distance of the stage is preferably included in the width of the damaged or modified region caused by the focused irradiation of the respective laser beams. In this way, one-cycle focused irradiation of a plurality of laser beams is continuously performed with respect to the processing scheduled line.

ここで、「加工予定ライン」は、例えば、加工対象物の深さ方向と直交する方向を意味する。   Here, the “scheduled processing line” means, for example, a direction orthogonal to the depth direction of the processing object.

本発明者は、鋭意研究の結果、加工対象物に損傷を生起させるレーザ加工技術においては、上記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なることが、加工速度を向上させるために有効であることを見出した。また、本発明者は、上記複数のレーザ光の集光照射位置は、加工対象物の深さ方向と加工対象物の深さ方向と直交する方向との双方に関して互いに異なることが、加工速度の向上のためにより有効であることを見出した。   As a result of diligent research, the present inventor has found that, in a laser processing technique that causes damage to a processing target, at least one of the plurality of laser beam condensing irradiation positions is orthogonal to the depth direction of the processing target. It has been found that it is effective to improve the processing speed to be different from other focused irradiation positions with respect to the direction. In addition, the present inventor has found that the converging irradiation positions of the plurality of laser beams are different from each other in both the depth direction of the processing object and the direction orthogonal to the depth direction of the processing object. We found it more effective for improvement.

ここでいう「双方に関して互いに異なる位置」とは、加工対象物の深さ方向と同軸上、または加工対象物の深さ方向と直交する方向と同軸上のいずれにもない位置を意味する。   The “positions different from each other” herein mean positions that are neither coaxial with the depth direction of the workpiece or coaxial with the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece.

また、本発明のレーザ加工技術は、上記したレーザ加工技術において、前記複数のレーザ光を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、前記複数のレーザ光を調整するステップをさらに含んでいてもよい。   Further, the laser processing technology of the present invention is the above-described laser processing technology, wherein the plurality of laser beams are arranged so that a focused image formed when the plurality of laser beams are condensed and irradiated has a tetrahedral shape. A step of adjusting may further be included.

四面体型の形状の焦点像は、例えば、凹型シリンドリカルレンズ、凸型シリンドリカルレンズ、および円形レンズから構成される非点収差光学系にレーザ光を通過させることにより形成されうる。   A focal image having a tetrahedral shape can be formed by passing laser light through an astigmatism optical system including, for example, a concave cylindrical lens, a convex cylindrical lens, and a circular lens.

ここで、凹型シリンドリカルレンズは、レーザ光の一方の成分、例えば水平成分のみを水平方向に発散し、レーザ光の他方の成分、例えば垂直成分をそのまま透過する。凸型シリンドリカルレンズは、レーザ光の一方の成分、例えば水平成分のみを水平方向に縮小し、レーザ光の他方の成分、例えば垂直成分をそのまま透過する。円形レンズは、レーザ光の水平成分および垂直成分を絞り込んで、水平成分の線状焦点および垂直方向の線状焦点を形成する。   Here, the concave cylindrical lens diverges only one component of the laser beam, for example, the horizontal component in the horizontal direction, and transmits the other component of the laser beam, for example, the vertical component as it is. The convex cylindrical lens reduces only one component of the laser beam, for example, the horizontal component in the horizontal direction, and transmits the other component of the laser beam, for example, the vertical component as it is. The circular lens narrows down the horizontal component and the vertical component of the laser beam to form a linear focus of the horizontal component and a linear focus in the vertical direction.

なお、凹型シリンドリカルレンズおよび凸型シリンドリカルレンズは、その構造または配置方向を変えることにより、水平成分にのみ作用して垂直成分に作用しないように構成することももちろん可能である。   Of course, the concave cylindrical lens and the convex cylindrical lens can be configured so as to act only on the horizontal component and not on the vertical component by changing the structure or arrangement direction thereof.

このように、凹型シリンドリカルレンズおよび凸型シリンドリカルレンズは、レーザ光の互いに直交する成分のうち一方の成分のみを発散および縮小するので、レーザ光の一方の成分の焦点像およびレーザ光の他方の成分の焦点像は、それぞれ異なる焦点面で形成される。より具体的には、レーザ光の一方の成分の焦点像と他方の成分の焦点像とは、非点収差により異なる焦点面に結像された互いに直交する一対の線状の焦点である。   In this way, the concave cylindrical lens and the convex cylindrical lens diverge and reduce only one of the mutually orthogonal components of the laser beam, so that the focus image of one component of the laser beam and the other component of the laser beam These focal images are formed on different focal planes. More specifically, the focus image of one component of the laser beam and the focus image of the other component are a pair of linear focal points orthogonal to each other formed on different focal planes due to astigmatism.

そして、互いにねじれて直交しているレーザ光の水平成分の焦点像および垂直成分の焦点像は、これらの焦点像間に相互に働く力により仮想的に形成される加工領域である四面体型の焦点像を形成するのである。   The horizontal component focus image and the vertical component focus image of the laser light that are twisted and orthogonal to each other are a tetrahedral focus that is a processing region virtually formed by the mutual force between these focus images. An image is formed.

また、上記一対の焦点像のそれぞれの長さおよびこれらの焦点像の距離は、シリンドリカルレンズの焦点位置や配置距離、傾け角度等のパラメータを調整することにより制御されうる。これにより、四面体型の焦点像の形状を制御することができる。したがって、加工対象物に生起させる損傷の形状を所定の範囲内で制御することができる。例えば、互いに直交する一対の線状焦点のうち、加工対象物の表面側の焦点像の長さを大きくすることにより、加工対象物に生起させるスクライビング溝を、幅広のV字型の形状にすることができる。また、互いに直交する一対の線状焦点のうち、加工対象物の表面側の焦点像の長さを小さくすることにより、加工対象物に生起させるスクライビング溝を、鋭利なV字型の形状にすることができる。   Further, the length of each of the pair of focus images and the distance between these focus images can be controlled by adjusting parameters such as the focal position, the arrangement distance, and the tilt angle of the cylindrical lens. As a result, the shape of the tetrahedral focus image can be controlled. Therefore, it is possible to control the shape of damage caused to the workpiece within a predetermined range. For example, by increasing the length of the focal image on the surface side of the object to be processed among a pair of linear focal points orthogonal to each other, the scribing groove generated on the object to be processed is formed into a wide V-shape. be able to. Further, by reducing the length of the focal image on the surface side of the workpiece, of a pair of linear focal points orthogonal to each other, the scribing groove generated in the workpiece is made into a sharp V-shape. be able to.

形状が制御された四面体型の焦点像を用いて加工対象物の加工を行うことにより、加工対象物に対して所望の形状の損傷を生起させることが可能になる。   By processing the object to be processed using the tetrahedral focus image whose shape is controlled, it becomes possible to cause damage to the object to be processed in a desired shape.

なお、非点収差光学系は、上記した構成に必ずしも限定されるものではない。例えば、非点収差光学系は、少なくとも1枚の凹型のシリンドリカルレンズ、凸型のシリンドリカルレンズ、または円形レンズ、或いはそれらの組み合わせにより構成されうる。   The astigmatism optical system is not necessarily limited to the configuration described above. For example, the astigmatism optical system can be configured by at least one concave cylindrical lens, convex cylindrical lens, circular lens, or a combination thereof.

以上説明したように、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度と、レーザ光の対物レンズへの入射角度とを調整することにより、加工対象物の深さ方向および加工対象物の深さ方向と直交する方向のうちの一方だけではなく、これらの双方に関して異なる位置に複数のレーザ光を連続的に集光照射するという特徴は、加工対象物への加工速度の向上という観点から本発明者が想到した新しい知見である。   As described above, the depth direction of the workpiece and the depth of the workpiece can be adjusted by adjusting the spread angle of the laser beam when entering the objective lens and the incident angle of the laser beam to the objective lens. The feature of continuously condensing and irradiating a plurality of laser beams at different positions with respect to not only one of the directions orthogonal to the direction is the present invention from the viewpoint of improving the processing speed on the processing object. This is a new finding that has come to mind.

また、上記特徴に加えて、レーザ光の集光照射位置に形成される焦点像、つまり加工領域を四面体型の形状に制御して加工を行うという特徴は、加工対象物への加工速度の向上とともにその加工形状を制御するという観点から本発明者が想到した新しい知見である。   In addition to the above features, the focus image formed at the laser beam condensing irradiation position, that is, the feature that the processing region is controlled to a tetrahedral shape is the feature that the processing speed to the processing object is improved. In addition, this is a new finding that the present inventors have conceived from the viewpoint of controlling the processing shape.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a laser processing apparatus 100 according to Embodiment 1 of the present invention.

図1において、レーザ加工装置100は、レーザ光源200,300,400、テレスコープ光学系210,310,410、ミラー240,340,440、対物レンズ500、保護用窓プレート510、ステージ520、計測用光源530、ビーム整形器540、ハーフミラー550、光検出器560、コントローラ570、照明用光源580、CCD(Charge-Coupled Devices)カメラ590、コンピュータ600、およびモニタ610を備えている。   In FIG. 1, a laser processing apparatus 100 includes laser light sources 200, 300, 400, telescope optical systems 210, 310, 410, mirrors 240, 340, 440, an objective lens 500, a protective window plate 510, a stage 520, and a measuring instrument. A light source 530, a beam shaper 540, a half mirror 550, a photodetector 560, a controller 570, an illumination light source 580, a CCD (Charge-Coupled Devices) camera 590, a computer 600, and a monitor 610 are provided.

レーザ光発生手段としてのレーザ光源200,300,400は、加工対象物Sに集光照射するための加工用の単一パルスレーザ光を発生する。レーザ光源200,300,400が発生するレーザ光は、例えば、ナノ秒〜ピコ秒パルス発振のYAGレーザの基本波(波長1064nm)、第2高調波(波長532nm)、第3高調波(波長355nm)、または第4高調波(波長266nm)である。また、レーザ光源200,300,400が発生するレーザ光としては、フェムト秒〜ピコ秒のチタンサファイアレーザやその高調波、パラメトリック発振光(波長400nmから2000nm)などを使用することができる。さらに、レーザ光として、各種のCWレーザや炭酸ガスレーザ、媒質の異なるレーザなどを使用することもできる。   Laser light sources 200, 300, and 400 serving as laser light generating means generate single-pulse laser light for processing for condensing and irradiating the workpiece S. The laser light generated by the laser light source 200, 300, 400 is, for example, a fundamental wave (wavelength 1064 nm), a second harmonic wave (wavelength 532 nm), or a third harmonic wave (wavelength 355 nm) of a nanosecond to picosecond pulse oscillation YAG laser. ), Or the fourth harmonic (wavelength 266 nm). As the laser light generated by the laser light sources 200, 300, and 400, a femtosecond to picosecond titanium sapphire laser, its harmonics, parametric oscillation light (wavelength 400 nm to 2000 nm), and the like can be used. Further, as the laser light, various CW lasers, carbon dioxide lasers, lasers with different media, and the like can be used.

レーザ光源200,300,400は、それぞれ、発生するレーザ光のパラメータ、例えば波長、パルス幅、パワー、および繰り返し周波数を変化させることができる。レーザ光源200,300,400は、発生するレーザ光の波長を、266nmから2000nmの範囲で変化させることができる。レーザ光源200,300,400は、発生するレーザ光のパルス幅を、10fsから100nsの範囲で変化させることができる。レーザ光源200,300,400は、発生するレーザ光のパワーを、0.1Wから5.0Wの範囲で変化させることができる。レーザ光源200,300,400は、発生するレーザ工の繰り返し周波数を、30kHzから500kHzの範囲で変化させることができる。レーザ光源200,300,400が発生するレーザ光の各種のパラメータは、コンピュータ600からの制御信号によって制御される。   The laser light sources 200, 300, and 400 can change the parameters of the generated laser light, such as the wavelength, the pulse width, the power, and the repetition frequency, respectively. The laser light sources 200, 300, and 400 can change the wavelength of the generated laser light in the range of 266 nm to 2000 nm. The laser light sources 200, 300, and 400 can change the pulse width of the generated laser light in the range of 10 fs to 100 ns. The laser light sources 200, 300, and 400 can change the power of the generated laser light in the range of 0.1W to 5.0W. The laser light sources 200, 300, and 400 can change the repetition frequency of the generated laser beam in the range of 30 kHz to 500 kHz. Various parameters of laser light generated by the laser light sources 200, 300, and 400 are controlled by control signals from the computer 600.

テレスコープ光学系210は、可変ND(Neutral Density)フィルタ220およびレンズペア230を備える。テレスコープ光学系310は、可変NDフィルタ320およびレンズペア330を備える。テレスコープ光学系410は、可変NDフィルタ420およびレンズペア430を備える。   The telescope optical system 210 includes a variable ND (Neutral Density) filter 220 and a lens pair 230. The telescope optical system 310 includes a variable ND filter 320 and a lens pair 330. The telescope optical system 410 includes a variable ND filter 420 and a lens pair 430.

可変NDフィルタ220は、レーザ光源200が発生したレーザ光の一部を透過し、その他の部分を反射または吸収する。可変NDフィルタ220は、例えば、ガラスの表面にクロムをコーティングして構成され、このクロムの膜厚を調整することにより、透過率を可変させることができる。これにより、レーザ光源200が発生したレーザ光のパルスエネルギを所望の値に調整することができる。   The variable ND filter 220 transmits part of the laser light generated by the laser light source 200 and reflects or absorbs other parts. The variable ND filter 220 is configured, for example, by coating chrome on the surface of glass, and the transmittance can be varied by adjusting the film thickness of the chrome. Thereby, the pulse energy of the laser beam generated by the laser light source 200 can be adjusted to a desired value.

なお、可変NDフィルタ220の機能を果たす光学部品として、偏光光学部品を組み合わせた減衰機構を代用することも可能である。   It should be noted that as an optical component that performs the function of the variable ND filter 220, an attenuation mechanism that combines polarization optical components can be substituted.

第1の集光照射位置決定手段としてのレンズペア230は、凹レンズ231と凸レンズ232との組み合わせにより構成される(図2(A)参照)。レンズペア230は、可変NDフィルタ220を透過したレーザ光が対物レンズ500に入射するときの口径、およびこのレーザ光の広がり角度を調整する。図2(A)の例では、レンズペア230は、レーザ光源200が発生した平行光であるレーザ光の広がり角度を、その広がり角度が負になるように調整する。対物レンズ500に入射するときのレーザ光の口径およびレーザ光の広がり角度は、レンズペア230を構成する凹レンズ231と凸レンズ232との間の距離またはその開口数NAを調整することにより制御可能である。   The lens pair 230 as the first focused irradiation position determining means is configured by a combination of a concave lens 231 and a convex lens 232 (see FIG. 2A). The lens pair 230 adjusts the aperture when the laser light transmitted through the variable ND filter 220 enters the objective lens 500 and the spread angle of the laser light. In the example of FIG. 2A, the lens pair 230 adjusts the spread angle of the laser light that is parallel light generated by the laser light source 200 so that the spread angle becomes negative. The aperture of the laser beam and the spread angle of the laser beam when entering the objective lens 500 can be controlled by adjusting the distance between the concave lens 231 and the convex lens 232 constituting the lens pair 230 or the numerical aperture NA thereof. .

レンズペア230により調整された、対物レンズ500に入射するときのレーザ光の広がり角度により、加工対象物Sの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置が決定される。   The condensing irradiation position of the laser light in the depth direction of the workpiece S is determined by the spread angle of the laser light when entering the objective lens 500 adjusted by the lens pair 230.

より具体的には、加工対象物Sの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の広がり角度が小さいほど、加工対象物Sの深さ方向に関して加工対象物Sの表面から近い位置に決定される。また、加工対象物Sの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の広がり角度が大きいほど、加工対象物Sの深さ方向に関して加工対象物Sの表面から遠い位置に決定される。   More specifically, the condensing irradiation position of the laser beam with respect to the depth direction of the workpiece S is closer to the surface of the workpiece S with respect to the depth direction of the workpiece S as the spread angle of the laser beam is smaller. Determined in position. Further, the condensing irradiation position of the laser beam in the depth direction of the workpiece S is determined at a position farther from the surface of the workpiece S in the depth direction of the workpiece S as the spread angle of the laser beam is larger. The

テレスコープ光学系310の可変NDフィルタ320およびレンズペア330は、レーザ光源300が発生したレーザ光に対して、上記したテレスコープ光学系210と同様の処理を行う。また、テレスコープ光学系410の可変NDフィルタ420およびレンズペア430は、レーザ光源400が発生したレーザ光に対して、テレスコープ光学系210,310と同様の処理を行う。   The variable ND filter 320 and the lens pair 330 of the telescope optical system 310 perform processing similar to that of the telescope optical system 210 described above on the laser light generated by the laser light source 300. In addition, the variable ND filter 420 and the lens pair 430 of the telescope optical system 410 perform the same processing as the telescope optical systems 210 and 310 on the laser light generated by the laser light source 400.

ここで、レンズペア230,330,430を構成する凹レンズ231,331,431と凸レンズ232,332,432との間の距離またはその開口数NAは、それぞれ異なる値に設定されている。したがって、レンズペア230,330,430は、レーザ光源200,300,400が発生したレーザ光を、対物レンズ500に入射するときの広がり角度がそれぞれ異なるように調整する(図2(A)〜図2(C)参照)。   Here, the distances between the concave lenses 231, 331, 431 and the convex lenses 232, 332, 432 constituting the lens pairs 230, 330, 430 or their numerical apertures NA are set to different values. Therefore, the lens pairs 230, 330, and 430 adjust the laser light generated by the laser light sources 200, 300, and 400 so that the spread angles when entering the objective lens 500 are different from each other (FIG. 2A to FIG. 2). 2 (C)).

この例では、レンズペア230で調整されたレーザ光は、その広がり角度が負、つまり口径を絞られながら入射するレーザ光であり、レンズペア330で調整されたレーザ光は、その広がり角度がゼロ、つまり平行光であり、レンズペア430で調整されたレーザ光は、その広がり角度が正、つまり口径を拡大されながら入射するレーザ光である。   In this example, the laser light adjusted by the lens pair 230 has a negative divergence angle, that is, laser light that is incident while the aperture is reduced, and the laser light adjusted by the lens pair 330 has a divergence angle of zero. That is, it is parallel light, and the laser light adjusted by the lens pair 430 is laser light that is incident while the spread angle is positive, that is, the aperture is enlarged.

そして、レンズペア230で調整されたレーザ光は、加工対象物Sの深さ方向に関して加工対象物Sの表面から最も近い位置、例えば加工対象物Sの表面と略同一面に集光照射される。また、レンズペア330で調整されたレーザ光は、加工対象物Sの深さ方向に関して、加工対象物Sの表面からレンズペア230で調整されたレーザ光の次に近い位置に集光照射される。また、レンズペア430で調整されたレーザ光は、加工対象物Sの深さ方向に関して、加工対象物Sの表面からレンズペア330で調整されたレーザ光の次に近い位置に集光照射される。   Then, the laser light adjusted by the lens pair 230 is condensed and irradiated on the position closest to the surface of the processing object S in the depth direction of the processing object S, for example, substantially the same surface as the surface of the processing object S. . Further, the laser light adjusted by the lens pair 330 is condensed and irradiated from the surface of the processing object S to the position next to the laser light adjusted by the lens pair 230 in the depth direction of the processing object S. . In addition, the laser light adjusted by the lens pair 430 is condensed and irradiated from the surface of the processing object S to the position next to the laser light adjusted by the lens pair 330 in the depth direction of the processing object S. .

第2の集光照射位置決定手段としてのミラー240は、テレスコープ光学系210からのレーザ光を、そのエネルギを損失することなく下方に反射して、対物レンズ500に入射させる。レーザ光の対物レンズ500への入射角度は、ミラー240のチルト角を調整することにより制御可能である。レーザ光の対物レンズ500への入射角度により、加工対象物Sの内部の深さ方向と直交する方向に関するレーザ光の集光照射位置が決定される。   The mirror 240 as the second focused irradiation position determining means reflects the laser light from the telescope optical system 210 downward without losing its energy and makes it incident on the objective lens 500. The incident angle of the laser beam on the objective lens 500 can be controlled by adjusting the tilt angle of the mirror 240. The condensing irradiation position of the laser light in the direction orthogonal to the depth direction inside the workpiece S is determined by the incident angle of the laser light on the objective lens 500.

また、ミラー240は、ハーフミラー550から入力された計測用レーザ光を、ほぼ100%透過して対物レンズ500に入射させる。   Further, the mirror 240 allows the measurement laser light input from the half mirror 550 to pass through approximately 100% and enter the objective lens 500.

ミラー340は、テレスコープ光学系310からのレーザ光、およびハーフミラー550からの計測用レーザ光のそれぞれに対して、上記したミラー240と同様の処理を行う。また、ミラー440は、テレスコープ光学系410からのレーザ光、およびハーフミラー550からの計測用レーザ光のそれぞれに対して、ミラー240,340と同様の処理を行う。   The mirror 340 performs the same processing as the above-described mirror 240 on each of the laser light from the telescope optical system 310 and the measurement laser light from the half mirror 550. The mirror 440 performs the same processing as the mirrors 240 and 340 on the laser light from the telescope optical system 410 and the measurement laser light from the half mirror 550, respectively.

ここで、ミラー240,340,440のチルト角は、それぞれ異なる値に設定されている。したがって、ミラー240,340,440は、テレスコープ光学系210,310,410からのレーザ光を、それぞれ異なる入射角度で対物レンズ500に反射する(図3(A)〜図3(C)参照)。この例では、ミラー240のチルト角が最も大きく、ミラー340のチルト角がこれに次いで大きく、ミラー440のチルト角が最も小さくなっている。   Here, the tilt angles of the mirrors 240, 340, and 440 are set to different values. Therefore, the mirrors 240, 340, and 440 reflect the laser beams from the telescope optical systems 210, 310, and 410 to the objective lens 500 at different incident angles, respectively (see FIGS. 3A to 3C). . In this example, the mirror 240 has the largest tilt angle, the mirror 340 has the second largest tilt angle, and the mirror 440 has the smallest tilt angle.

したがって、ミラー240で反射されたレーザ光は、加工対象物Sの深さ方向と直交する方向に関する加工開始位置に集光照射される。また、ミラー340で反射されたレーザ光は、加工対象物Sの深さ方向と直交する方向に関して、加工開始位置から最も近い位置に集光照射される。また、ミラー440で反射されたレーザ光は、加工対象物Sの深さ方向と直交する方向に関して、加工開始位置から、ミラー340で反射されたレーザ光の次に近い位置に集光照射される。   Therefore, the laser beam reflected by the mirror 240 is focused and irradiated on the processing start position in the direction orthogonal to the depth direction of the processing target S. Further, the laser beam reflected by the mirror 340 is condensed and irradiated at a position closest to the processing start position in a direction orthogonal to the depth direction of the processing target S. Further, the laser light reflected by the mirror 440 is condensed and irradiated from the processing start position to a position next to the laser light reflected by the mirror 340 with respect to a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S. .

対物レンズ500は、ミラー240,340,440から入射されたレーザ光を集光する。対物レンズ500は、集光されたレーザ光を、加工対象物Sの上方、加工対象物Sの表面と略同一面、または加工対象物Sの内部のいずれかに連続的に照射する。これにより、レーザ光の集光照射位置に焦点像が形成される。   The objective lens 500 condenses the laser light incident from the mirrors 240, 340, and 440. The objective lens 500 continuously irradiates the condensed laser light on either the upper side of the workpiece S, the substantially same surface as the surface of the workpiece S, or the inside of the workpiece S. Thereby, a focus image is formed at the focused irradiation position of the laser beam.

ここで、ミラー240,340,440から対物レンズ500に入射されるレーザ光は、それぞれ、上述したような、異なる広がり角度および入射角度を有する。したがって、対物レンズ500は、ミラー240,340,440から入射されるレーザ光のそれぞれを、加工対象物Sの深さ方向および加工対象物Sの深さ方向と直交する方向の双方に関して異なる複数の集光照射位置に連続的に照射する。   Here, the laser beams incident on the objective lens 500 from the mirrors 240, 340, and 440 have different spread angles and incident angles as described above. Therefore, the objective lens 500 has a plurality of different laser beams incident from the mirrors 240, 340, and 440 in both the depth direction of the workpiece S and the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S. Irradiate continuously to the focused irradiation position.

保護用窓プレート510は、加工対象物Sの表面と略同一面を加工する場合に、加工対象物Sの表面から飛散する微小な破片などから対物レンズ500を保護する。   The protective window plate 510 protects the objective lens 500 from minute debris scattered from the surface of the processing object S when processing the substantially same surface as the surface of the processing object S.

走査手段としてのステージ520は、加工対象物Sを載置するためのステージである。ステージ520は、載置された加工対象物Sへのレーザ光の集光照射位置を変化させるように、XYZ軸に沿って平行移動する。また、ステージ520は、XYZ軸のいずれかを軸として回転する。すなわち、ステージ520は、XYZ軸座標を駆動することにより、加工対象物Sに対するレーザ光の集光照射位置を、任意の加工予定位置または加工予定ラインに沿って走査させる。これにより、ステージ520に載置された加工対象物Sの所望の位置にレーザ光を集光照射することができる。   A stage 520 as a scanning unit is a stage on which the workpiece S is placed. The stage 520 moves in parallel along the XYZ axes so as to change the focused irradiation position of the laser beam on the processing target S placed thereon. The stage 520 rotates about any of the XYZ axes. That is, the stage 520 scans the focused irradiation position of the laser beam on the workpiece S along an arbitrary scheduled processing position or scheduled processing line by driving the XYZ axis coordinates. As a result, the laser beam can be focused and applied to a desired position of the workpiece S placed on the stage 520.

より具体的には、ステージ520は、ミラー240,340,440から入射されるレーザ光を1サイクル集光照射するたびに、加工予定ラインに沿って所定の距離だけ駆動する。ここで、ステージ520の1サイクル集光照射に対する駆動距離は、それぞれのレーザ光が集光照射されることにより生起された損傷または改質領域のサイズに含まれる程度であることが好ましい。これにより、ミラー240,340,440から1サイクル集光照射されるレーザ光が、加工予定ラインに関して連続して集光照射される。   More specifically, the stage 520 is driven by a predetermined distance along the planned processing line every time the laser light incident from the mirrors 240, 340, and 440 is condensed and irradiated for one cycle. Here, it is preferable that the driving distance of the stage 520 with respect to one-cycle focused irradiation is such that it is included in the size of the damaged or modified region caused by the focused irradiation of each laser beam. As a result, the laser light focused and irradiated for one cycle from the mirrors 240, 340, and 440 is continuously focused and irradiated with respect to the processing scheduled line.

ステージ520は、図示しない高分解能のセンサ(例えば、キャパシタンスセンサ)を内蔵しており、例えば、数ナノメートル〜数十ナノメートルの駆動分解能を有している。ステージ520の駆動は、コントローラ570を介してコンピュータ600により精密に制御されている。例えば、コンピュータ600に加工対象物Sへの加工予定位置または加工予定ラインを示す情報を格納しておき、この情報に基づいてステージ520を走査駆動させることにより、加工対象物Sの所望の位置にレーザ光を集光照射することができる。また、ステージ520の走査速度は、コントローラ570を介して、コンピュータ600により制御される。   The stage 520 incorporates a high-resolution sensor (for example, a capacitance sensor) (not shown), and has a driving resolution of, for example, several nanometers to several tens of nanometers. The driving of the stage 520 is precisely controlled by the computer 600 via the controller 570. For example, information indicating the processing position or processing line on the processing object S is stored in the computer 600, and the stage 520 is scanned based on this information, so that the processing object S is moved to a desired position. Laser light can be focused and irradiated. Further, the scanning speed of the stage 520 is controlled by the computer 600 via the controller 570.

計測用光源530は、コンピュータ600からの制御信号に従って、ステージ520に載置された加工対象物Sの表面の位置を計測するための計測用レーザ光を発生する。   The measurement light source 530 generates measurement laser light for measuring the position of the surface of the workpiece S placed on the stage 520 in accordance with a control signal from the computer 600.

ビーム整形器540は、計測用光源530が発生した計測用レーザ光のビーム形状を調整する。これにより、計測用レーザ光が最適化される。   The beam shaper 540 adjusts the beam shape of the measurement laser light generated by the measurement light source 530. Thereby, the laser beam for measurement is optimized.

ハーフミラー550は、ビーム整形器540で最適化された計測用レーザ光を、半透明に反射および透過する。すなわち、ハーフミラー550は、ビーム整形器540から入力された計測用レーザ光を透過する。この計測用レーザ光は、ミラー240,340,440および対物レンズ500を透過し、加工対象物Sの表面に到達して反射される。この反射光は、再び、対物レンズ500およびミラー240,340,440を透過して、ハーフミラー550に入射される。ハーフミラー550は、この反射光をさらに反射して、光検出器560に入射させる。   The half mirror 550 reflects and transmits the measurement laser beam optimized by the beam shaper 540 in a translucent manner. That is, the half mirror 550 transmits the measurement laser beam input from the beam shaper 540. The measurement laser light passes through the mirrors 240, 340, 440 and the objective lens 500, reaches the surface of the workpiece S, and is reflected. This reflected light again passes through the objective lens 500 and the mirrors 240, 340, and 440 and enters the half mirror 550. The half mirror 550 further reflects this reflected light and makes it incident on the photodetector 560.

光検出器560は、ハーフミラー550から入射された、加工対象物Sの表面からの反射光を検出して、加工対象物Sの表面の位置を検出する。光検出器560は、この検出結果を、コントローラ570に出力する。   The light detector 560 detects the reflected light from the surface of the workpiece S incident from the half mirror 550 and detects the position of the surface of the workpiece S. The photodetector 560 outputs the detection result to the controller 570.

コントローラ570は、フィードバック回路(図示せず)を備える。コントローラ570は、このフィードバック回路を用いて、光検出器560から入力された加工対象物Sの表面位置の情報に基づいて、レーザ光の集光照射位置が加工対象物Sへの加工予定位置または加工予定ラインに合うように、ステージ520をフィードバック制御する。   The controller 570 includes a feedback circuit (not shown). The controller 570 uses this feedback circuit to determine whether or not the focused irradiation position of the laser beam is a processing target position on the processing object S or based on the information on the surface position of the processing object S input from the photodetector 560. The stage 520 is feedback-controlled so as to match the planned processing line.

照明用光源580は、ステージ520の上方に配置され、ステージ520に載置された加工対象物Sの加工部位を観察するための照明光を発生する。   The illumination light source 580 is disposed above the stage 520, and generates illumination light for observing the processing site of the processing object S placed on the stage 520.

CCDカメラ590は、照明用光源580から照射され加工対象物を透過した照明光を取り込んで、加工対象物Sの一部のレーザ光の集光照射位置を撮像する。また、CCDカメラ590は、撮像したデータをコンピュータ600に出力する。   The CCD camera 590 takes in the illumination light emitted from the illumination light source 580 and transmitted through the object to be processed, and images the condensing irradiation position of a part of the laser light of the object S to be processed. Further, the CCD camera 590 outputs the captured data to the computer 600.

コンピュータ600は、レーザ光源200,300,400、計測用光源530、コントローラ570、およびCCDカメラ590に接続されており、これらの各装置部を総合的に制御する。例えば、コンピュータ600は、コントローラ570によるフィードバック制御を通じてステージ520を駆動させることにより、レーザ光の集光照射位置を、加工対象物Sの加工予定位置または加工予定ラインに沿って走査させる。また、コンピュータ600は、レーザ光の照射の開始または停止のタイミングと、ステージ操作とを同期させて制御することができる。   The computer 600 is connected to the laser light sources 200, 300, 400, the measurement light source 530, the controller 570, and the CCD camera 590, and comprehensively controls each of these units. For example, the computer 600 drives the stage 520 through feedback control by the controller 570 to scan the focused irradiation position of the laser light along the planned processing position or the planned processing line of the processing target S. The computer 600 can control the start or stop timing of laser light irradiation and the stage operation in synchronization.

モニタ610は、コンピュータ600を介して、CCDカメラ590の撮像データを表示する。これにより、加工対象物Sの加工部位、つまり加工対象物Sに生起された損傷を観察することができる。   The monitor 610 displays the image data of the CCD camera 590 via the computer 600. Thereby, the process part of the process target S, ie, the damage which arose in the process target S, can be observed.

以下、上述のように構成されたレーザ加工装置100の動作について、図4を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, the operation of the laser processing apparatus 100 configured as described above will be described in detail with reference to FIG.

図4は、レーザ加工装置100による加工対象物Sへの損傷の生起の一例を示す図である。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of occurrence of damage to the workpiece S by the laser processing apparatus 100.

ここでは、「加工対象物Sの深さ方向と直交する方向」は、レーザ光の集光照射位置の走査方向、つまり加工対象物Sの加工予定ラインであるものと仮定する。   Here, it is assumed that the “direction perpendicular to the depth direction of the workpiece S” is the scanning direction of the laser beam condensing irradiation position, that is, the processing target line of the workpiece S.

まず、レーザ光源200,300,400は、コンピュータ600からの制御信号に従って、加工対象物Sに集光照射するための加工用の単一パルスレーザ光を発生する。レーザ光源200,300,400が発生するレーザ光は、それぞれ、波長、パルス幅、パワー、または繰り返し周波数などのパラメータが異なるレーザ光であってもよいし、これらのパラメータが等しい同一のレーザ光であってもよい。ここでは、レーザ光源200が発生するレーザ光をL1で、レーザ光源300が発生するレーザ光をL2で、レーザ光源400が発生するレーザ光をL3でそれぞれ示すことにする。レーザ光L1は、可変NDフィルタ220によりそのパルスエネルギが調整される。同様に、レーザ光L2は、可変NDフィルタ320によりそのパルスエネルギが調整され、レーザ光L3は、可変NDフィルタ420によりそのパルスエネルギが調整される。   First, the laser light sources 200, 300, and 400 generate a single pulse laser beam for processing for condensing and irradiating the workpiece S according to a control signal from the computer 600. The laser beams generated by the laser light sources 200, 300, and 400 may be laser beams having different parameters such as wavelength, pulse width, power, or repetition frequency, or the same laser beams having the same parameters. There may be. Here, laser light generated by the laser light source 200 is denoted by L1, laser light generated by the laser light source 300 is denoted by L2, and laser light generated by the laser light source 400 is denoted by L3. The pulse energy of the laser light L1 is adjusted by the variable ND filter 220. Similarly, the pulse energy of the laser beam L2 is adjusted by the variable ND filter 320, and the pulse energy of the laser beam L3 is adjusted by the variable ND filter 420.

レンズペア230は、可変NDフィルタ220を透過したレーザ光L1が対物レンズ500に入射するときの口径、およびこのレーザ光L1の広がり角度を調整する。レンズペア330は、可変NDフィルタ320を透過したレーザ光L2が対物レンズ500に入射するときの口径、およびこのレーザ光L2の広がり角度を調整する。レンズペア430は、可変NDフィルタ420を透過したレーザ光L3が対物レンズ500に入射するときの口径、およびこのレーザ光L3の広がり角度を調整する。   The lens pair 230 adjusts the aperture when the laser light L1 transmitted through the variable ND filter 220 enters the objective lens 500, and the spread angle of the laser light L1. The lens pair 330 adjusts the aperture when the laser light L2 transmitted through the variable ND filter 320 enters the objective lens 500, and the spread angle of the laser light L2. The lens pair 430 adjusts the aperture when the laser light L3 transmitted through the variable ND filter 420 enters the objective lens 500, and the spread angle of the laser light L3.

この例では、レーザ光L1が対物レンズ500に入射するときの口径が最も小さく、レーザ光L2が対物レンズ500に入射するときの口径がこれに次いで小さく、レーザ光L3が対物レンズ500に入射するときの口径が最も大きくなっている。   In this example, the aperture when the laser beam L1 enters the objective lens 500 is the smallest, the aperture when the laser beam L2 enters the objective lens 500 is the second smallest, and the laser beam L3 enters the objective lens 500. The aperture is the largest.

また、レーザ光L1は、その広がり角度が負、つまり口径を絞られながら入射するレーザ光であり、レーザ光L2は、その広がり角度がゼロ、つまり平行光であり、レーザ光L3は、その広がり角度が正、つまり口径を拡大されながら入射するレーザ光である。   The laser beam L1 has a negative spread angle, that is, a laser beam that is incident while the aperture is reduced, the laser beam L2 has a zero spread angle, that is, a parallel beam, and the laser beam L3 has a spread range. The laser beam is incident at a positive angle, that is, with an enlarged aperture.

ミラー240は、レーザ光L1を反射して、対物レンズ500に入射させる。ミラー340は、レーザ光L2を反射して、対物レンズ500に入射させる。ミラー440は、レーザ光L3を反射して、対物レンズ500に入射させる。この例では、図3(A)〜図3(C)に示すように、ミラー240,340,440は、それぞれ異なるチルト角を有しているので、レーザ光L1,L2,L3は、それぞれ異なる入射角度で対物レンズ500に入射される。   The mirror 240 reflects the laser light L1 and makes it incident on the objective lens 500. The mirror 340 reflects the laser beam L2 and makes it incident on the objective lens 500. The mirror 440 reflects the laser beam L3 and makes it incident on the objective lens 500. In this example, as shown in FIGS. 3A to 3C, the mirrors 240, 340, and 440 have different tilt angles, so that the laser beams L1, L2, and L3 are different from each other. The light enters the objective lens 500 at an incident angle.

対物レンズ500は、ミラー240から入射されたレーザ光L1を集光して、例えば加工対象物Sの表面と略同一面に照射する。これにより、レーザ光L1の集光照射位置に焦点像P1が形成される。   The objective lens 500 condenses the laser light L1 incident from the mirror 240 and irradiates the surface substantially the same as the surface of the workpiece S, for example. Thereby, the focus image P1 is formed at the condensing irradiation position of the laser beam L1.

また、対物レンズ500は、ミラー340から入射されたレーザ光L2を集光して、例えば加工対象物Sの内部の、焦点像P1に重なり合う位置に照射する。これにより、レーザ光L2の集光照射位置に焦点像P2が形成される。ここで、焦点像P2は、加工対象物Sの深さ方向および加工対象物Sの深さ方向と直交する方向の双方に関して、焦点像P1とは異なる位置に形成される。   The objective lens 500 condenses the laser beam L2 incident from the mirror 340 and irradiates the laser beam L2, for example, at a position overlapping the focal image P1 inside the workpiece S. Thereby, the focus image P2 is formed at the condensing irradiation position of the laser beam L2. Here, the focus image P2 is formed at a position different from the focus image P1 in both the depth direction of the workpiece S and the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S.

また、対物レンズ500は、ミラー440から入射されたレーザ光L3を集光して、例えば加工対象物Sの内部の、焦点像P2に重なり合う位置に照射する。これにより、レーザ光L3の集光照射位置に焦点像P3が形成される。ここで、焦点像P3は、加工対象物Sの深さ方向および加工対象物Sの深さ方向と直交する方向の双方に関して、焦点像P1,P2とは異なる位置に形成される。   The objective lens 500 condenses the laser beam L3 incident from the mirror 440 and irradiates the laser beam L3, for example, at a position overlapping the focal image P2 inside the workpiece S. Thereby, the focus image P3 is formed at the condensing irradiation position of the laser beam L3. Here, the focus image P3 is formed at a position different from the focus images P1 and P2 in both the depth direction of the workpiece S and the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S.

すなわち、焦点像P1,P2,P3は、加工対象物Sの深さ方向(図4のz軸方向)および加工対象物Sの深さ方向と直交する方向(図4のx軸方向)の双方に関して異なる位置に、連続的に形成される。   That is, the focus images P1, P2, and P3 are both in the depth direction of the workpiece S (z-axis direction in FIG. 4) and in the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S (x-axis direction in FIG. 4). Are continuously formed at different positions.

また、焦点像P1と焦点像P2とは空間的に重なり合っており、かつ焦点像P2と焦点像P3とは空間的に重なり合っているので、焦点像P1,P2,P3は、空間的に重なり合った一連の焦点像を形成する。また、焦点像P2は、最初に形成された焦点像P1を追従するように形成され、焦点像P3は、焦点像P2を追従するように形成されるので、焦点像P1,P2,P3は、最初に形成された焦点像P1から時系列的に追従するように形成される。   Further, since the focus image P1 and the focus image P2 are spatially overlapped, and the focus image P2 and the focus image P3 are spatially overlapped, the focus images P1, P2, and P3 are spatially overlapped. A series of focused images are formed. Further, the focus image P2 is formed so as to follow the focus image P1 formed first, and the focus image P3 is formed so as to follow the focus image P2. Therefore, the focus images P1, P2, P3 are It is formed so as to follow in time series from the initially formed focus image P1.

ここで、焦点像P1を形成するためのレーザ光L1のレーザ光のエネルギが最も高く、焦点像P2を形成するためのレーザ光L2のエネルギがこれに次いで高く、焦点像P3を形成するためのレーザ光L3のエネルギが最も低くなるように調整することも可能である。すなわち、1サイクル集光照射する複数のレーザ光のそれぞれに対して、個別にエネルギを調整することも可能である。これは、損傷または改質領域の発生前後で、集光照射するレーザ光による損傷生起のエネルギ効率が異なるためである。   Here, the energy of the laser beam L1 for forming the focus image P1 is the highest, and the energy of the laser beam L2 for forming the focus image P2 is the next highest, so that the focus image P3 is formed. It is also possible to adjust so that the energy of the laser beam L3 is the lowest. That is, energy can be individually adjusted for each of a plurality of laser beams that are condensed and irradiated for one cycle. This is because the energy efficiency of the occurrence of damage by the laser light that is focused and irradiated differs before and after the occurrence of the damaged or modified region.

上記の原理は、焦点像のサイズにも同様に応用することができる。例えば、焦点像P1のサイズが最も大きく、焦点像P2のサイズがこれに次いで大きく、焦点像P3のサイズが最も小さくなるように調整すれば、より高効率のレーザ加工が可能になると考えられる。ここで、焦点像のサイズは、その焦点像を形成するためのレーザ光の口径を変化させることにより調整することができる。   The above principle can be applied to the size of a focused image as well. For example, it can be considered that laser processing with higher efficiency can be performed by adjusting the size of the focus image P1 to be the largest, the size of the focus image P2 to be the next largest, and the size of the focus image P3 to be the smallest. Here, the size of the focus image can be adjusted by changing the aperture of the laser beam for forming the focus image.

なお、レーザ光L2の集光照射位置は、必ずしも焦点像P1に重なり合っていなくてもよく、レーザ光L3の集光照射位置は、必ずしも焦点像P2に重なり合っていなくてもよい。例えば、レーザ光L2を、焦点像P1により生起された損傷または改質領域と重なり合うように、レーザ光L3を、焦点像P2により生起された損傷または改質領域と重なり合うようにそれぞれ集光照射してもよい。   The condensing irradiation position of the laser light L2 does not necessarily overlap the focal image P1, and the condensing irradiation position of the laser light L3 does not necessarily overlap the focal image P2. For example, the laser beam L3 is condensed and irradiated so that the laser beam L3 overlaps the damaged or modified region generated by the focus image P1, and the laser beam L3 overlaps the damaged or modified region generated by the focused image P2. May be.

また、焦点像P1,P2,P3は、必ずしも加工対象物Sの深さ方向と直交する方向に関して互いに異なる位置に形成されなくてもよい。例えば、焦点像P1,P2,P3のうちのいずれか2つの焦点像が、加工対象物Sの深さ方向と直交する方向に関して同一の位置に形成されていてもよい。この場合であっても、1つの焦点像が加工予定ラインに関して突出した位置に形成されているので、加工速度の向上に一定の効果を期待することができる。   Further, the focus images P1, P2, and P3 are not necessarily formed at different positions with respect to the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S. For example, any two focus images of the focus images P1, P2, and P3 may be formed at the same position in the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S. Even in this case, since one focus image is formed at a position protruding with respect to the planned processing line, a certain effect can be expected to improve the processing speed.

そして、加工対象物Sを載置したステージ520は、コントローラ570を介してコンピュータ600に制御され、所定の走査速度vで加工対象物Sの深さ方向と直交する方向(図4のx軸方向)に平行移動する。より具体的には、ステージ520は、焦点像P1,P2,P3が形成されると(1サイクル集光照射)、加工対象物Sの深さ方向と直交する方向に所定の距離だけ平行移動する。これにより、焦点像P1,P2,P3は、それぞれ加工予定ラインに沿って走査される。   Then, the stage 520 on which the workpiece S is placed is controlled by the computer 600 via the controller 570, and in a direction perpendicular to the depth direction of the workpiece S at a predetermined scanning speed v (the x-axis direction in FIG. 4). ). More specifically, the stage 520 translates by a predetermined distance in a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S when the focus images P1, P2, and P3 are formed (one-cycle condensed irradiation). . Thereby, the focus images P1, P2, and P3 are scanned along the planned processing lines.

このように、加工対象物Sへの損傷の生起に真に必要とされるレーザエネルギの方向、つまり加工対象物Sの深さ方向および加工対象物Sの深さ方向と直交する方向の双方に沿って、焦点像P1,P2,P3が形成され、走査される。これにより、加工予定ラインではない部位の加工によるレーザエネルギの消失を防止して、高効率なレーザエネルギの伝達を実現することができる。   Thus, in the direction of the laser energy that is truly required to cause damage to the workpiece S, that is, in both the depth direction of the workpiece S and the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S. Along with this, focus images P1, P2, and P3 are formed and scanned. As a result, it is possible to prevent laser energy from being lost due to processing of a portion that is not a processing scheduled line, and to realize highly efficient transmission of laser energy.

すなわち、限られたレーザエネルギの加工対象物Sに対する消費効率(伝搬効率および加工効率)を改善することにより、所望のエネルギ消費対象ではない部分(例えば、アブレーションにより発生し、損傷部位付近の空間上に散在する加工屑)によるエネルギの消失を低減することができる。   That is, by improving the consumption efficiency (propagation efficiency and machining efficiency) of the limited laser energy with respect to the workpiece S, a portion that is not a desired energy consumption target (for example, a space generated near the damaged site due to ablation). It is possible to reduce the loss of energy due to processing scraps scattered on the surface.

なお、本実施の形態では、加工対象物Sの深さ方向に関する複数のレーザ光の集光照射位置を決定するために、対物レンズ500に入射したときのレーザ光の広がり角度を、テレスコープ光学系のレンズペアを用いて調整するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度をミラーで反射した後に調整することもできる。   In the present embodiment, in order to determine the condensing irradiation positions of a plurality of laser beams in the depth direction of the workpiece S, the spread angle of the laser beams when entering the objective lens 500 is determined by telescope optics. Although the adjustment is performed using the lens pair of the system, the present invention is not limited to this. For example, the spread angle of the laser light when entering the objective lens can be adjusted after being reflected by a mirror.

また、本実施の形態では、加工対象物Sの深さ方向に関して互いに異なる位置に複数のレーザ光を集光照射するようにしたが、本発明はこれに限定されない。   In the present embodiment, a plurality of laser beams are focused and irradiated at different positions in the depth direction of the workpiece S, but the present invention is not limited to this.

例えば、図5に示すように、複数のレーザ光を、加工対象物Sの深さ方向に関して同一の位置で、かつ加工対象物Sの深さ方向と直交する方向に関して互いに異なる位置に集光照射してもよい(縦列照射)。図5において、レーザ光L1,L2,L3は広がり角度が等しい平行光であり、異なる入射角度で対物レンズ500に入射している。上記のように、焦点像のサイズはレーザ光の口径により規定され、焦点像P1が最も小さく、焦点像P2がこれに次いで小さく、焦点像P3が最も大きくなっている。   For example, as shown in FIG. 5, a plurality of laser beams are condensed and irradiated at the same position in the depth direction of the workpiece S and at mutually different positions in the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S. It may be done (tandem irradiation). In FIG. 5, laser beams L1, L2, and L3 are parallel beams having the same spread angle, and are incident on the objective lens 500 at different incident angles. As described above, the size of the focus image is defined by the aperture of the laser beam, the focus image P1 is the smallest, the focus image P2 is the next smallest, and the focus image P3 is the largest.

なお、本実施の形態では、加工対象物Sに連続的に集光照射するレーザ光の数を3として説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、2つのレーザ光または4つ以上のレーザ光を、加工対象物Sに連続的に集光照射してもよい。4つ以上のレーザ光を集光照射する場合、加工対象物Sの深さ方向に関して、より大きな損傷を生起することが可能になる。   In the present embodiment, the number of laser beams continuously focused on the workpiece S has been described as 3, but the present invention is not limited to this. For example, two laser beams or four or more laser beams may be continuously focused on the workpiece S. When four or more laser beams are condensed and irradiated, greater damage can be caused in the depth direction of the workpiece S.

なお、本実施の形態では、レンズペアを用いて広がり角度を変化させることにより、加工対象物Sの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置を制御するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、レーザ光の広がり角度が同一であっても、レーザ光の波長を変化させることにより、加工対象物Sの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置を制御することが可能である。   In the present embodiment, the converging irradiation position of the laser beam in the depth direction of the workpiece S is controlled by changing the spread angle using the lens pair, but the present invention is based on this. It is not limited. For example, even if the spread angle of the laser beam is the same, the focused irradiation position of the laser beam in the depth direction of the workpiece S can be controlled by changing the wavelength of the laser beam.

このように、本実施の形態によれば、加工対象物Sの深さ方向および加工対象物Sの深さ方向と直交する方向の双方に関して異なる複数の集光照射位置に、複数のレーザ光を連続的に集光照射するので、加工対象物Sに対するレーザエネルギの伝達を高効率で行うことができる。これにより、加工対象物Sへの加工速度を向上させることができる。   Thus, according to the present embodiment, a plurality of laser beams are applied to a plurality of condensing irradiation positions that are different with respect to both the depth direction of the workpiece S and the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S. Since the light is continuously collected and irradiated, the laser energy can be transmitted to the workpiece S with high efficiency. Thereby, the processing speed to the processing target object S can be improved.

(実施の形態2)
本実施の形態は、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように制御する場合である。
(Embodiment 2)
In this embodiment, the astigmatism of laser light is used to control the focus image formed when the laser light is focused and irradiated so as to have a tetrahedral shape.

「非点収差」とは、光軸外の物点の像が1つの像点として結ばず、互いに直交する一対の線状の焦点として、異なる焦点面に結像するレンズ系の収差のことである。非点収差がある光学系においては、レンズの焦点距離が光軸を含む直交する2つの断面で異なる値を持つため、光軸に直交する2つの平面方向、つまり水平方向および垂直方向は、同一平面内に焦点を結ぶことができない。すなわち、光軸の中心に対して、放射状の線および同心円状の線のいずれかは焦点が合わないことになる。   “Astigmatism” is an aberration of a lens system in which an image of an object point outside the optical axis is not connected as a single image point, but forms a pair of linear focal points orthogonal to each other on different focal planes. is there. In an optical system with astigmatism, the focal length of the lens has different values in two orthogonal sections including the optical axis, so the two plane directions orthogonal to the optical axis, that is, the horizontal direction and the vertical direction are the same. Cannot focus on the plane. That is, either the radial line or the concentric line is out of focus with respect to the center of the optical axis.

非点収差が発生する原因は、水平方向の光線と垂直方向の光線とがレンズに入射するときの入射角度が異なるため、そこで発生する収差量が異なることである。したがって、非点収差を顕著に発生させるためには、光軸を含む直交する2つの平面内における光線、つまり光線の垂直方向と水平方向との広がり角度が異なるようにすればよい。   The cause of astigmatism is that the amount of aberration that occurs is different because the horizontal and vertical light rays are incident at different angles. Therefore, in order to generate astigmatism remarkably, the spread angle between the light beam in two orthogonal planes including the optical axis, that is, the vertical direction and the horizontal direction of the light beam may be different.

本実施の形態においては、上記非点収差を発生させるために、シリンドリカルレンズを使用する。シリンドリカルレンズとは、直交する2つの方向のうち、1つの方向のみがレンズとして働き、他の方向が単なるウインドウズとしてしか働かないレンズである。シリンドリカルレンズを用いれば、直交する2つの方向のうち、1つの方向のみの倍率を変化させることができる。例えば、円形のビーム形状を有する光線を1枚の凹型のシリンドリカルレンズで集光結像させると、そのビーム断面形状を直線状(線状)に変換することができる。   In the present embodiment, a cylindrical lens is used to generate the astigmatism. A cylindrical lens is a lens in which only one of the two orthogonal directions functions as a lens and the other direction functions only as a window. If a cylindrical lens is used, it is possible to change the magnification only in one direction out of two orthogonal directions. For example, when a light beam having a circular beam shape is focused and imaged by a single concave cylindrical lens, the beam cross-sectional shape can be converted into a linear shape (linear shape).

図6は、本発明の実施の形態2に係るレーザ加工装置700の構成の一例を示すブロック図である。図1と同一の構成部分には同一の符号を付して重複箇所の説明を省略する。   FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of the laser processing apparatus 700 according to Embodiment 2 of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description of overlapping portions is omitted.

図6において、レーザ加工装置700は、非点収差光学系710,720,730を備える。   In FIG. 6, the laser processing apparatus 700 includes astigmatism optical systems 710, 720, and 730.

非点収差光学系710は、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光L1を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源200が発生したレーザ光L1を調整する。   The astigmatism optical system 710 uses the astigmatism of the laser beam to generate the laser light source 200 so that the focal image formed when the laser beam L1 is condensed and irradiated has a tetrahedral shape. The adjusted laser beam L1 is adjusted.

ここで、非点収差光学系710について、図7(A)〜図7(C)を用いて詳細に説明する。   Here, the astigmatism optical system 710 will be described in detail with reference to FIGS. 7 (A) to 7 (C).

図7(A)は、非点収差光学系に入射したレーザ光の成分を示す斜視図であり、図7(B)は、非点収差光学系に入射したレーザ光の成分を示す平面図であり、図7(C)は、非点収差光学系により形成された四面体型の焦点像の一例を示す図である。なお、説明の簡略化のため、図7(A)および図7(B)における空間座標軸として、レーザ光L1の進行方向(光軸方向)をz軸とし、z軸に直交する平面上で互いに直交する2つの軸をx軸(水平方向)およびy軸(垂直方向)とする。   FIG. 7A is a perspective view showing a component of laser light incident on the astigmatism optical system, and FIG. 7B is a plan view showing a component of laser light incident on the astigmatism optical system. FIG. 7C is a diagram showing an example of a tetrahedral focus image formed by the astigmatism optical system. For simplification of description, the traveling direction (optical axis direction) of the laser light L1 is the z-axis as the spatial coordinate axis in FIGS. 7A and 7B, and each other on a plane orthogonal to the z-axis. Two axes orthogonal to each other are defined as an x-axis (horizontal direction) and a y-axis (vertical direction).

図7(A)および図7(B)において、非点収差光学系710は、凹型シリンドリカルレンズ711、凸型シリンドリカルレンズ712および円形レンズ713の組み合わせにより構成される。   7A and 7B, the astigmatism optical system 710 is configured by a combination of a concave cylindrical lens 711, a convex cylindrical lens 712, and a circular lens 713.

凹型シリンドリカルレンズ711は、レーザ光源200が発生したレーザ光L1の水平成分Lを水平方向に発散し、垂直成分Lをそのまま透過する。 Concave cylindrical lens 711 diverge horizontal component L h of the laser beam L1 laser light source 200 is generated in the horizontal direction, as it passes through the vertical component L v.

凸型シリンドリカルレンズ712は、凹型シリンドリカルレンズ711からのレーザ光L1の水平成分Lを水平方向に縮小し、垂直成分Lをそのまま透過する。 Convex cylindrical lens 712 reduces the horizontal component L h of the laser beam L1 from the concave cylindrical lens 711 in the horizontal direction, as it passes through the vertical component L v.

円形レンズ713は、凸型シリンドリカルレンズ712からのレーザ光L1の水平成分Lおよび垂直成分Lを絞り込んで、水平成分の焦点像Pおよび垂直方向の焦点像Pを形成する。ここで、水平成分の焦点像Pと垂直成分の焦点像Pとは、非点収差により異なる焦点面に結像された互いに直交する一対の線状の焦点である。 Circular lens 713, narrow the horizontal component of the laser beam L1 L h and vertical components L v from convex cylindrical lens 712, to form a focused image P h and vertical focus image P v of the horizontal component. Here, the horizontal component focal image Ph and the vertical component focal image Pv are a pair of orthogonal linear focal points formed on different focal planes by astigmatism.

また、図7(C)に示すように、互いに空間的にねじれて直交している水平成分の焦点像Pおよび垂直成分の焦点像Pは、これらの焦点像間に相互に働く力により仮想的に形成される加工領域である四面体型の焦点像P1を形成する。 Further, as shown in FIG. 7C, the horizontal component focus image Ph and the vertical component focus image Pv that are spatially twisted and orthogonal to each other are caused by the forces acting between these focus images. A tetrahedral focus image P s 1, which is a virtually formed processing region, is formed.

ここで、水平成分の焦点像Pおよび垂直方向の焦点像Pのそれぞれの長さおよびこれらの焦点像の距離は、シリンドリカルレンズの焦点位置や配置距離、傾け角度等のパラメータを調整することにより制御されうる。これにより、四面体型の焦点像P1の形状を制御することができる。したがって、加工対象物Sに生起させる損傷の形状を所定の範囲内で制御することができる。例えば、レーザ光L1の水平成分の焦点像Pの長さを大きくすることにより、加工対象物Sに生起させるスクライビング溝を、幅広のV字型の形状にすることができる。また、レーザ光L1の水平成分の焦点像Pの長さを小さくすることにより、加工対象物Sに生起させるスクライビング溝を、鋭利なV字型の形状にすることができる。 Here, the lengths of the horizontal component focus image Ph and the vertical focus image Pv and the distance between these focus images are adjusted by adjusting parameters such as the focal position, the arrangement distance, and the tilt angle of the cylindrical lens. Can be controlled by Thereby, the shape of the tetrahedron type focus image P s 1 can be controlled. Therefore, the shape of damage caused to the workpiece S can be controlled within a predetermined range. For example, by increasing the length of the focused image P h of the horizontal component of the laser beam L1, the scribing groove to occur in the object S, it can be wide V-shape of the. Moreover, by reducing the length of the focused image P h of the horizontal component of the laser beam L1, the scribing groove to occur in the object S, it can be sharp V-shape of the.

非点収差光学系720は、上記した非点収差光学系710と同様に、凹型シリンドリカルレンズ、凸型シリンドリカルレンズおよび円形レンズの組み合わせにより構成され、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光L2を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源300が発生したレーザ光L2を調整する。また、非点収差光学系730は、非点収差光学系710,720と同様に、凹型シリンドリカルレンズ、凸型シリンドリカルレンズおよび円形レンズの組み合わせにより構成され、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光L3を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源400が発生したレーザ光L3を調整する。   The astigmatism optical system 720 is configured by a combination of a concave cylindrical lens, a convex cylindrical lens, and a circular lens, similarly to the astigmatism optical system 710 described above, and uses the astigmatism of laser light to perform laser The laser light L2 generated by the laser light source 300 is adjusted so that the focus image formed when the light L2 is condensed and irradiated has a tetrahedral shape. The astigmatism optical system 730 is composed of a combination of a concave cylindrical lens, a convex cylindrical lens, and a circular lens, similar to the astigmatism optical systems 710 and 720, and utilizes the astigmatism of laser light. The laser light L3 generated by the laser light source 400 is adjusted so that the focus image formed when the laser light L3 is condensed and irradiated has a tetrahedral shape.

以下、上述のように構成されたレーザ加工装置700の動作について、図8を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, the operation of the laser processing apparatus 700 configured as described above will be described in detail with reference to FIG.

図8は、レーザ加工装置700による加工対象物Sへの損傷の生起の一例を示す図である。   FIG. 8 is a diagram illustrating an example of occurrence of damage to the workpiece S by the laser processing apparatus 700.

まず、レーザ光源200,300,400は、コンピュータ600からの制御信号に従って、加工対象物Sに集光照射するための加工用の単一パルスレーザ光を発生する。レーザ光源200,300,400が発生するレーザ光は、それぞれ、波長、パルス幅、パワー、または繰り返し周波数などのパラメータが異なるレーザ光であってもよいし、これらのパラメータが等しい同一のレーザ光であってもよい。ここでは、レーザ光源200が発生するレーザ光をL1で、レーザ光源300が発生するレーザ光をL2で、レーザ光源400が発生するレーザ光をL3でそれぞれ示すことにする。   First, the laser light sources 200, 300, and 400 generate a single pulse laser beam for processing for condensing and irradiating the workpiece S according to a control signal from the computer 600. The laser beams generated by the laser light sources 200, 300, and 400 may be laser beams having different parameters such as wavelength, pulse width, power, or repetition frequency, or the same laser beams having the same parameters. There may be. Here, laser light generated by the laser light source 200 is denoted by L1, laser light generated by the laser light source 300 is denoted by L2, and laser light generated by the laser light source 400 is denoted by L3.

非点収差光学系710は、図7(A)〜図7(C)を用いて説明したように、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光L1を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源200が発生したレーザ光L1を調整する。非点収差光学系720は、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光L2を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源300が発生したレーザ光L2を調整する。非点収差光学系730は、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光L3を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源400が発生したレーザ光L3を調整する。   The astigmatism optical system 710 is formed when the laser beam L1 is condensed and irradiated using the astigmatism of the laser beam, as described with reference to FIGS. 7A to 7C. The laser light L <b> 1 generated by the laser light source 200 is adjusted so that the focused image has a tetrahedral shape. The astigmatism optical system 720 uses the astigmatism of the laser light to generate the laser light source 300 so that the focused image formed when the laser light L2 is condensed and irradiated has a tetrahedral shape. The adjusted laser beam L2 is adjusted. The astigmatism optical system 730 uses the astigmatism of the laser beam to generate the laser light source 400 so that the focal image formed when the laser beam L3 is condensed and irradiated has a tetrahedral shape. The adjusted laser beam L3 is adjusted.

非点収差光学系710を介したレーザ光L1は、可変NDフィルタ220によりそのパルスエネルギが調整される。同様に、非点収差光学系720を介したレーザ光L2は、可変NDフィルタ320によりそのパルスエネルギが調整され、非点収差光学系730を介したレーザ光L3は、可変NDフィルタ420によりそのパルスエネルギが調整される。   The pulse energy of the laser light L 1 that has passed through the astigmatism optical system 710 is adjusted by the variable ND filter 220. Similarly, the pulse energy of the laser beam L 2 that has passed through the astigmatism optical system 720 is adjusted by the variable ND filter 320, and the laser beam L 3 that has passed through the astigmatism optical system 730 has its pulse pulse adjusted by the variable ND filter 420. Energy is adjusted.

レンズペア230は、可変NDフィルタ220を透過したレーザ光L1が対物レンズ500に入射するときの広がり角度を調整する。レンズペア330は、可変NDフィルタ320を透過したレーザ光L2が対物レンズ500に入射するときの広がり角度を調整する。レンズペア430は、可変NDフィルタ420を透過したレーザ光L3が対物レンズ500に入射するときの広がり角度を調整する。   The lens pair 230 adjusts the spread angle when the laser light L1 transmitted through the variable ND filter 220 enters the objective lens 500. The lens pair 330 adjusts the spread angle when the laser light L <b> 2 that has passed through the variable ND filter 320 is incident on the objective lens 500. The lens pair 430 adjusts the spread angle when the laser light L3 transmitted through the variable ND filter 420 enters the objective lens 500.

この例では、レーザ光L1は、その広がり角度が負、つまり口径を絞られながら入射するレーザ光であり、レーザ光L2は、その広がり角度がゼロ、つまり平行光であり、レーザ光L3は、その広がり角度が正、つまり口径を拡大されながら入射するレーザ光である。   In this example, the laser beam L1 has a negative spread angle, that is, a laser beam that is incident while the aperture is reduced, the laser beam L2 has a zero spread angle, that is, a parallel beam, and the laser beam L3 is The laser beam is incident while the spreading angle is positive, that is, the aperture is enlarged.

ミラー240は、レーザ光L1を反射して、対物レンズ500に入射させる。ミラー340は、レーザ光L2を反射して、対物レンズ500に入射させる。ミラー440は、レーザ光L3を反射して、対物レンズ500に入射させる。   The mirror 240 reflects the laser light L1 and makes it incident on the objective lens 500. The mirror 340 reflects the laser beam L2 and makes it incident on the objective lens 500. The mirror 440 reflects the laser beam L3 and makes it incident on the objective lens 500.

対物レンズ500は、ミラー240から入射されたレーザ光L1を集光して、例えば加工対象物Sの表面と略同一面に照射する。これにより、レーザ光L1の集光照射位置に四面体型の焦点像P1が形成される。このとき、四面体型の焦点像P1は、水平成分の焦点像Pが加工対象物Sの表面と略同一面となるように形成されることが好ましい。これにより、加工におけるレーザ光L1のエネルギ伝達の効率を向上させることができる。 The objective lens 500 condenses the laser light L1 incident from the mirror 240 and irradiates the surface substantially the same as the surface of the workpiece S, for example. As a result, a tetrahedral focus image P s 1 is formed at the focused irradiation position of the laser beam L1. At this time, the tetrahedral focus image P s 1 is preferably formed such that the horizontal component focus image Ph is substantially flush with the surface of the workpiece S. Thereby, the efficiency of energy transmission of the laser beam L1 in processing can be improved.

また、対物レンズ500は、ミラー340から入射されたレーザ光L2を集光して、例えば加工対象物Sの内部の、四面体型の焦点像P1に重なり合う位置に照射する。これにより、レーザ光L2の集光照射位置に四面体型の焦点像P2が形成される。 The objective lens 500 condenses the laser beam L2 incident from the mirror 340 and irradiates the laser beam L2 on a position overlapping the tetrahedral focus image P s 1 inside the workpiece S, for example. As a result, a tetrahedral focus image P s 2 is formed at the focused irradiation position of the laser beam L2.

また、対物レンズ500は、ミラー440から入射されたレーザ光L3を集光して、例えば加工対象物Sの内部の、四面体型の焦点像P2に重なり合う位置に照射する。これにより、レーザ光L3の集光照射位置に四面体型の焦点像P3が形成される。 The objective lens 500 condenses the laser beam L3 incident from the mirror 440 and irradiates the laser beam L3 on a position overlapping the tetrahedral focus image P s 2 inside the workpiece S, for example. As a result, a tetrahedral focus image P s 3 is formed at the focused irradiation position of the laser beam L3.

ここで、四面体型の焦点像P1,P2,P3は、それぞれ、加工対象物Sの上方側の線状焦点が加工対象物Sの加工予定ラインと直交するように形成されることが好ましい。この場合、加工対象物Sの下方側の線状焦点は、加工対象物Sの加工予定ラインに沿って形成される。したがって、四面体型の焦点像P1,P2,P3により、加工対象物Sの加工予定ラインに沿って、V字型の損傷ラインを効率的に生起させることができる。 Here, the tetrahedral focus images P s 1, P s 2, and P s 3 are formed so that the linear focal points on the upper side of the workpiece S are orthogonal to the planned processing line of the workpiece S, respectively. It is preferable. In this case, the linear focus on the lower side of the workpiece S is formed along the planned machining line of the workpiece S. Therefore, a V-shaped damage line can be efficiently generated along the planned processing line of the workpiece S by the tetrahedral focus images P s 1, P s 2, and P s 3.

また、レーザ光L1,L2,L3は、それぞれ異なる広がり角度および入射角度で対物レンズ500に入射している。これにより、これらのレーザ光により形成される四面体型の焦点像P1,P2,P3は、加工対象物Sの深さ方向(図8のz軸方向)および加工対象物Sの深さ方向と直交する方向(図8のx軸方向)の双方に関して異なる位置に、連続的に形成される。 Further, the laser beams L1, L2, and L3 are incident on the objective lens 500 at different spread angles and incident angles, respectively. As a result, the tetrahedral focus images P s 1, P s 2, and P s 3 formed by these laser beams are obtained in the depth direction of the workpiece S (z-axis direction in FIG. 8) and the workpiece S. Are continuously formed at different positions with respect to both the direction perpendicular to the depth direction (the x-axis direction in FIG. 8).

また、四面体型の焦点像P1と四面体型の焦点像P2とは空間的に重なり合っており、かつ四面体型の焦点像P2と四面体型の焦点像P3とは空間的に重なり合っているので、四面体型の焦点像P1,P2,P3は、空間的に重なり合った一連の焦点像を形成する。また、焦点像P2は、最初に形成された焦点像P1を追従するように形成され、焦点像P3は、焦点像P2を追従するように形成されるので、焦点像P1,P2,P3は、最初に形成された焦点像P1から時系列的に追従するように形成される。 Further, the tetrahedral focus image P s 1 and the tetrahedral focus image P s 2 are spatially overlapped, and the tetrahedral focus image P s 2 and the tetrahedral focus image P s 3 are spatial. Therefore, the tetrahedral focus images P s 1, P s 2, and P s 3 form a series of spatially overlapping focus images. The focus image P s 2 is formed so as to follow the focus image P s 1 formed first, and the focus image P s 3 is formed so as to follow the focus image P s 2. The images P s 1, P s 2, and P s 3 are formed so as to follow in time series from the initially formed focus image P s 1.

そして、加工対象物Sを載置したステージ520は、コントローラ570を介してコンピュータ600に制御され、所定の走査速度vで加工対象物Sの深さ方向と直交する方向(図8のx軸方向)に平行移動する。より具体的には、ステージ520は、焦点像P1,P2,P3が形成されると(1サイクル集光照射)、加工対象物Sの深さ方向と直交する方向に所定の距離だけ平行移動する。これにより、四面体型の焦点像P1,P2,P3は、それぞれ加工予定ラインに沿って走査される。 Then, the stage 520 on which the workpiece S is placed is controlled by the computer 600 via the controller 570, and in a direction perpendicular to the depth direction of the workpiece S at a predetermined scanning speed v (the x-axis direction in FIG. 8). ). More specifically, the stage 520 is predetermined in a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S when the focus images P s 1, P s 2, and P s 3 are formed (one-cycle focused irradiation). Translate by the distance of. As a result, the tetrahedral focus images P s 1, P s 2, and P s 3 are scanned along the planned processing lines.

このように、加工対象物Sへの損傷の生起に真に必要とされるレーザエネルギの方向、つまり加工対象物Sの深さ方向および加工対象物Sの深さ方向と直交する方向の双方に沿って、四面体型の焦点像P1,P2,P3が形成され、走査される。これにより、加工予定ラインではない部位の加工によるレーザエネルギの消失を防止して、高効率なレーザエネルギの伝達を実現することができる。 Thus, in the direction of the laser energy that is truly required to cause damage to the workpiece S, that is, in both the depth direction of the workpiece S and the direction orthogonal to the depth direction of the workpiece S. Along with this, tetrahedral focus images P s 1, P s 2, and P s 3 are formed and scanned. As a result, it is possible to prevent laser energy from being lost due to processing of a portion that is not a processing scheduled line, and to realize highly efficient transmission of laser energy.

すなわち、限られたレーザエネルギの加工対象物Sに対する消費効率(伝搬効率および加工効率)を改善することにより、所望のエネルギ消費対象ではない部分(例えば、アブレーションにより発生し、損傷部位付近の空間上に散在する加工屑)によるエネルギの消失を低減することができる。   That is, by improving the consumption efficiency (propagation efficiency and machining efficiency) of the limited laser energy with respect to the workpiece S, a portion that is not a desired energy consumption target (for example, a space generated near the damaged site due to ablation). It is possible to reduce the loss of energy due to processing scraps scattered on the surface.

なお、本実施の形態では、凹型シリンドリカルレンズおよび凸型シリンドリカルレンズの2つのシリンドリカルレンズを用いるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図7(A)において、凹型シリンドリカルレンズ711のみを用いるようにしてもよい。   In this embodiment, two cylindrical lenses, a concave cylindrical lens and a convex cylindrical lens are used. However, the present invention is not limited to this. For example, in FIG. 7A, only the concave cylindrical lens 711 may be used.

すなわち、上記のように、四面体型の焦点像は、互いに直交する一対の線状焦点により仮想的に形成される加工領域であって、レーザ光の集光照射位置に、互いに直交する一対の線状焦点を形成することができれば、非点収差光学系に必ずしも複数のレンズを使用する必要はない。   That is, as described above, the tetrahedral focus image is a processing region virtually formed by a pair of linear focal points orthogonal to each other, and is a pair of lines orthogonal to each other at the laser beam condensing irradiation position. As long as the focal point can be formed, it is not always necessary to use a plurality of lenses in the astigmatism optical system.

以上のように、四面体型の形状の焦点像を形成する方法、およびこの四面体型の形状を調整する方法としては、複数の形態が考えられる。いずれの方法においても、既存の光学部品を適宜組み合わせることにより実現することができ、容易に導入が可能であり、汎用性に優れるという利点がある。   As described above, a plurality of forms are conceivable as a method of forming a focal image of a tetrahedral shape and a method of adjusting the shape of this tetrahedral shape. Either method can be realized by appropriately combining existing optical components, can be easily introduced, and has an advantage of excellent versatility.

このように、本実施の形態によれば、加工対象物Sを加工するための焦点像を、所望の四面体型の形状に制御することができる。これにより、加工対象物Sに対して所望の形状の損傷を生起させることが可能になる。例えば、加工対象物Sに生起させる損傷ラインの形状を、加工後の加工対象物Sの用途に応じて、例えば鋭利なV字型や幅広なV字型などに変更することができる。   Thus, according to this Embodiment, the focus image for processing the process target S can be controlled to a desired tetrahedral shape. Thereby, it becomes possible to cause damage of a desired shape to the workpiece S. For example, the shape of the damage line generated in the workpiece S can be changed to, for example, a sharp V-shape or a wide V-shape according to the use of the workpiece S after processing.

以上詳細に説明したように、上記各実施の形態によれば、加工対象物Sへの加工速度を向上させるとともに、加工対象物Sに生起させる損傷の形状を加工後の加工対象物Sの用途に応じて制御することができる。   As described above in detail, according to each of the above-described embodiments, the processing speed of the processing target S is improved, and the shape of the damage caused to the processing target S is used for the processing target S after processing. Can be controlled according to.

以下において、本発明のより具体的な実施の形態(実施例)について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定して解釈されるものではない。   Hereinafter, more specific embodiments (examples) of the present invention will be described. In addition, this invention is limited to a following example and is not interpreted.

本実施例では、図6に示すレーザ加工装置を用いて、シングルビーム、つまり1つの四面体型の焦点像を、加工対象物の略同一面に集光照射してスクライビングを行った(シングルビームスクライビング)。また、同じレーザ加工装置を用いて、ダブルビーム、つまり2つの四面体型の焦点像を、加工対象物の深さ方向および加工対象物の深さ方向と直交する方向の双方に関して異なる複数の集光照射位置に、連続的に集光照射してスクライビングを行った(ダブルビームスクライビング)。そして、これらのスクライビングの結果を光学顕微鏡で確認することにより、本発明のレーザ加工技術の効果を確認した。   In the present embodiment, scribing was performed using a laser processing apparatus shown in FIG. 6 by focusing and irradiating a single beam, that is, one tetrahedral focus image on substantially the same surface of the workpiece (single beam scribing). ). Further, by using the same laser processing apparatus, a double beam, that is, two tetrahedron-type focused images, which are different from each other in both the depth direction of the processing object and the direction orthogonal to the depth direction of the processing object. The irradiation position was continuously focused and irradiated for scribing (double beam scribing). And the effect of the laser processing technique of this invention was confirmed by confirming the result of these scribing with an optical microscope.

本実施例で用いた各実験器具および実験条件は、以下の通りである。
<レーザ光源>LD励起パルス発振YAGレーザ装置(THG)
<レンズペア>F=−100/+200
<対物レンズ>NA=0.4
<シリンドリカルレンズ>+100/+100
<加工対象物>サファイア
Each experimental instrument and experimental conditions used in this example are as follows.
<Laser light source> LD excitation pulse oscillation YAG laser device (THG)
<Lens pair> F = -100 / + 200
<Objective lens> NA = 0.4
<Cylindrical lens> + 100 / + 100
<Processing object> Sapphire

本実施例で用いたレーザ光の各種のパラメータは、以下の通りである。
<波長>355(nm)
<パルス幅>10(ns)〜100(ns)
<パワー>0.3(W)〜2.0(W)
<繰り返し周波数>130(kHz)
<ビーム走査速度>5(mm/s)〜50(mm/s)
<ミラーのチルト角>+/−1°
Various parameters of the laser beam used in this example are as follows.
<Wavelength> 355 (nm)
<Pulse width> 10 (ns) to 100 (ns)
<Power> 0.3 (W) to 2.0 (W)
<Repetition frequency> 130 (kHz)
<Beam scanning speed> 5 (mm / s) to 50 (mm / s)
<Mirror tilt angle> +/- 1 °

図9(A)は、シングルビームスクライビングによるスクライビング溝を上方から見た光学顕微鏡写真であり、図9(B)は、図9(A)のスクライビング溝を基点に割断したサファイア基板の割断面を示す光学顕微鏡写真であり、図9(C)は、図9(A)のスクライビング溝の断面を示す光学顕微鏡写真である。   FIG. 9A is an optical micrograph of the scribing groove formed by single beam scribing as viewed from above, and FIG. 9B is a sectional view of the sapphire substrate cleaved from the scribing groove of FIG. 9A. FIG. 9C is an optical micrograph showing a cross section of the scribing groove of FIG. 9A.

図9(A)〜図9(C)より、四面体型の焦点像により、サファイアにV字型の損傷が生起されていることが分かる。また、スクライビング溝の断面の幅W1および深さD1を測定したところ、幅W1は7μmであり、深さD1は23μmであった(図9(C)参照)。これにより、ある程度鋭利なV字型の断面形状を有するスクライビング溝が生起されていることが分かる。   From FIG. 9A to FIG. 9C, it can be seen that V-shaped damage has occurred in sapphire from the tetrahedral focus image. Further, when the width W1 and the depth D1 of the cross section of the scribing groove were measured, the width W1 was 7 μm and the depth D1 was 23 μm (see FIG. 9C). Thereby, it can be seen that a scribing groove having a somewhat sharp V-shaped cross-sectional shape is generated.

図10(A)は、ダブルビームスクライビングによるスクライビング溝を上方から見た光学顕微鏡写真であり、図10(B)は、図10(A)のスクライビング溝を基点に割断したサファイア基板の割断面を示す光学顕微鏡写真であり、図10(C)は、図10(A)のスクライビング溝の断面を示す光学顕微鏡写真である。   FIG. 10A is an optical micrograph of a scribing groove formed by double beam scribing as viewed from above. FIG. 10B is a cross-sectional view of a sapphire substrate that is cleaved from the scribing groove of FIG. FIG. 10C is an optical micrograph showing a cross section of the scribing groove in FIG. 10A.

図10(A)〜図10(C)より、シングルビームスクライビングの場合と比較して、格段に深いスクライビング溝が生起されていることが分かる。また、スクライビング溝の断面の幅W2および深さD2を測定したところ、幅W1は8.2μmであり、深さD1は49μmであった(図10(C)参照)。   10A to 10C show that a significantly deeper scribing groove is generated as compared with the case of single beam scribing. Further, when the width W2 and the depth D2 of the cross section of the scribing groove were measured, the width W1 was 8.2 μm and the depth D1 was 49 μm (see FIG. 10C).

以上より、ダブルビームスクライビングにおいては、シングルビームスクライビングに比べると、スクライビング溝の幅はほとんど変化させず(7μm→8.2μm)、スクライビング溝の深さのみを大幅に大きくさせ(23μm→49μm)、スクライビング溝の断面形状をより鋭利にすることができる。断面形状が鋭利なスクライビング溝は、好適な割断または個片化を行うために適した構造ということができる。   From the above, in double beam scribing, the width of the scribing groove is hardly changed (7 μm → 8.2 μm) and only the depth of the scribing groove is greatly increased (23 μm → 49 μm) compared to single beam scribing. The cross-sectional shape of the scribing groove can be made sharper. A scribing groove having a sharp cross-sectional shape can be said to be a structure suitable for suitable cleaving or singulation.

本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、加工対象物への加工速度を向上させることができる効果を有し、加工対象材料に損傷を生起させるレーザ加工装置およびレーザ加工方法として有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The laser processing apparatus and laser processing method according to the present invention are effective as a laser processing apparatus and a laser processing method that have the effect of improving the processing speed of a processing target and cause damage to the processing target material. .

本発明の実施の形態1に係るレーザ加工装置の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of a structure of the laser processing apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. (A)レンズペアによるレーザ光の広がり角度の変化の一例を示す図、(B)レンズペアによるレーザ光の広がり角度の変化の他の例を示す図、(C)レンズペアによるレーザ光の広がり角度の変化のさらに他の例を示す図(A) The figure which shows an example of the change of the spreading angle of the laser beam by a lens pair, (B) The figure which shows the other example of the change of the spreading angle of the laser beam by a lens pair, (C) The spreading of the laser beam by a lens pair The figure which shows the further another example of the change of an angle (A)ミラーによる単一パルスレーザの反射の一例を示す図、(B)ミラーによる単一パルスレーザの反射の他の例を示す図、(C)ミラーによる単一パルスレーザの反射のさらに他の例を示す図(A) The figure which shows an example of reflection of the single pulse laser by a mirror, (B) The figure which shows the other example of reflection of the single pulse laser by a mirror, (C) Still other of the reflection of the single pulse laser by a mirror Figure showing an example 図1のレーザ加工装置による加工対象物への損傷の生起の一例を示す図The figure which shows an example of generation | occurrence | production of the damage to the workpiece by the laser processing apparatus of FIG. 図1のレーザ加工装置による加工対象物への損傷の生起の他の例を示す図The figure which shows the other example of generation | occurrence | production of the damage to the workpiece by the laser processing apparatus of FIG. 本発明の実施の形態2に係るレーザ加工装置の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of a structure of the laser processing apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. (A)非点収差光学系に入射したレーザ光の成分を示す斜視図、(B)非点収差光学系に入射したレーザ光の成分を示す平面図、(C)非点収差光学系により形成された四面体型の焦点像の一例を示す図(A) Perspective view showing components of laser light incident on astigmatism optical system, (B) Plan view showing components of laser light incident on astigmatism optical system, (C) Formed by astigmatism optical system Of an example of a focused tetrahedral focus image 図7のレーザ加工装置による加工対象物への損傷の生起の一例を示す図The figure which shows an example of generation | occurrence | production of the damage to the workpiece by the laser processing apparatus of FIG. (A)シングルビームスクライビングによるスクライビング溝を上方から見た光学顕微鏡写真、(B)図9(A)のスクライビング溝を基点に割断したサファイア基板の割断面を示す光学顕微鏡写真、(C)図9(A)のスクライビング溝の断面を示す光学顕微鏡写真(A) An optical microscope photograph of a scribing groove formed by single beam scribing as viewed from above, (B) an optical microscope photograph showing a broken section of a sapphire substrate cleaved from the scribing groove of FIG. 9 (A), (C) FIG. An optical micrograph showing a cross section of the scribing groove of (A). (A)ダブルビームスクライビングによるスクライビング溝を上方から見た光学顕微鏡写真、(B)図10(A)のスクライビング溝を基点に割断したサファイア基板の割断面を示す光学顕微鏡写真、(C)図10(A)のスクライビング溝の断面を示す光学顕微鏡写真(A) Optical micrograph showing a scribing groove by double beam scribing as viewed from above, (B) Optical micrograph showing a cross section of a sapphire substrate cleaved from the scribing groove of FIG. 10 (A), (C) FIG. An optical micrograph showing a cross section of the scribing groove of (A).

符号の説明Explanation of symbols

100、700 レーザ加工装置
200、300、400 レーザ光源
210、310、410 テレスコープ光学系
220、320、420 可変NDフィルタ
230、330、430 レンズペア
231、331、431 凹レンズ
232、332、432 凸レンズ
240、340、440 ミラー
500 対物レンズ
510 保護用窓プレート
520 ステージ
530 計測用光源
540 ビーム整形器
550 ハーフミラー
560 光検出器
570 コントローラ
580 照明用光源
590 CCDカメラ
600 コンピュータ
610 モニタ
710、720、730 非点収差光学系
711 凹型シリンドリカルレンズ
712 凸型シリンドリカルレンズ
713 円形レンズ
L1、L2、L3 レーザ光
P1、P2、P3 焦点像
レーザ光の水平成分
レーザ光の垂直成分
レーザ光の水平成分の焦点像
レーザ光の垂直成分の焦点像
1、P2、P3 四面体型の焦点像
100, 700 Laser processing apparatus 200, 300, 400 Laser light source 210, 310, 410 Telescope optical system 220, 320, 420 Variable ND filter 230, 330, 430 Lens pair 231, 331, 431 Concave lens 232, 332, 432 Convex lens 240 340, 440 Mirror 500 Objective lens 510 Protection window plate 520 Stage 530 Measurement light source 540 Beam shaper 550 Half mirror 560 Photo detector 570 Controller 580 Illumination light source 590 CCD camera 600 Computer 610 Monitor 710, 720, 730 Astigmatism aberration optical system 711 concave cylindrical lens 712 convex cylindrical lens 713 circular lens L1, L2, the L3 laser light P1, P2, P3 focus image L h laser beam Heisei min L v focused image P s 1 of the vertical component of the focal image P v laser beam of the horizontal component of the vertical component P h laser light of the laser light, P s 2, P s 3 tetrahedral focus image

Claims (12)

加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第1の集光照射位置決定手段と、
前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第2の集光照射位置決定手段と、
前記第1の集光照射位置決定手段および前記第2の集光照射位置決定手段により決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する対物レンズと、
前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査手段と、を有し、
前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なる、
ことを特徴とするレーザ加工装置。
First focusing irradiation position determining means for determining the respective focusing irradiation positions of the plurality of laser beams in the depth direction of the workpiece;
Second condensing irradiation position determining means that adjusts incident angles of the plurality of laser lights to determine respective condensing irradiation positions of the plurality of laser lights in a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece. When,
Objective lens for continuously condensing and irradiating each of the plurality of laser beams to the plurality of condensing irradiation positions determined by the first condensing irradiation position determining means and the second condensing irradiation position determining means. When,
Scanning means for scanning the focused irradiation positions of the plurality of laser beams in a direction perpendicular to the depth direction of the workpiece,
At least one of the condensing irradiation positions of the plurality of laser beams is different from other condensing irradiation positions with respect to a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece.
The laser processing apparatus characterized by the above-mentioned.
前記第1の集光照射位置決定手段は、
少なくとも1枚の凹レンズまたは凸レンズ、或いはそれらの組み合わせにより構成され、前記複数のレーザ光のそれぞれの広がり角度を調整する光学系である、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
The first focused irradiation position determining means includes
The optical system is configured by at least one concave lens or convex lens, or a combination thereof, and adjusts the spread angle of each of the plurality of laser beams.
The laser processing apparatus according to claim 1.
前記第2の集光照射位置決定手段は、
前記複数のレーザ光のそれぞれの前記対物レンズへの入射角度を調整するミラーである、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
The second focused irradiation position determining means is
A mirror that adjusts an incident angle of each of the plurality of laser beams to the objective lens;
The laser processing apparatus according to claim 1.
前記複数のレーザ光の集光照射位置は、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して互いに異なる、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
Condensing irradiation positions of the plurality of laser beams are different from each other with respect to a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece.
The laser processing apparatus according to claim 1.
前記複数のレーザ光の集光照射位置は、前記加工対象物の深さ方向および前記加工対象物の深さ方向と直交する方向の双方に関して互いに異なる、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
The focused irradiation positions of the plurality of laser beams are different from each other with respect to both the depth direction of the processing object and the direction orthogonal to the depth direction of the processing object.
The laser processing apparatus according to claim 1.
前記複数のレーザ光を集光照射したときに形成される焦点像は、空間的に重なり合った一連の焦点像を形成する、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
The focus images formed when the plurality of laser beams are focused and irradiated form a series of spatially overlapping focus images.
The laser processing apparatus according to claim 1.
前記加工対象物の深さ方向と直交する方向は、前記加工対象物の加工予定ラインと同一の方向である、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
The direction orthogonal to the depth direction of the workpiece is the same direction as the machining target line of the workpiece.
The laser processing apparatus according to claim 1.
前記複数のレーザ光を集光照射したときに形成される焦点像がそれぞれ四面体型の形状になるように、前記複数のレーザ光を調整する非点収差光学系をさらに有する、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
Further comprising an astigmatism optical system for adjusting the plurality of laser beams so that the focused images formed when the plurality of laser beams are condensed and irradiated have a tetrahedral shape, respectively.
The laser processing apparatus according to claim 1.
前記非点収差光学系は、少なくとも1枚の凹型のシリンドリカルレンズ、凸型のシリンドリカルレンズ、または円形レンズ、或いはそれらの組み合わせにより構成される、
ことを特徴とする請求項8記載のレーザ加工装置。
The astigmatism optical system is configured by at least one concave cylindrical lens, convex cylindrical lens, or circular lens, or a combination thereof.
The laser processing apparatus according to claim 8.
加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第1の集光照射位置決定ステップと、
前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第2の集光照射位置決定ステップと、
前記第1の集光照射位置決定ステップおよび前記第2の集光照射位置決定ステップにより決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する集光照射ステップと、
前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査ステップと、を有し、
前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なる、
ことを特徴とするレーザ加工方法。
A first focused irradiation position determining step for determining a focused irradiation position of each of the plurality of laser beams in the depth direction of the workpiece;
A second focused irradiation position determining step of adjusting the incident angles of the plurality of laser lights to determine the focused irradiation positions of the plurality of laser lights in a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece. When,
Condensation for continuously condensing and irradiating each of the plurality of laser beams to the plurality of condensing irradiation positions determined by the first condensing irradiation position determining step and the second condensing irradiation position determining step. An irradiation step;
A scanning step of scanning the focused irradiation positions of the plurality of laser beams in a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece,
At least one of the condensing irradiation positions of the plurality of laser beams is different from other condensing irradiation positions with respect to a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece.
The laser processing method characterized by the above-mentioned.
前記複数のレーザ光の集光照射位置は、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して互いに異なる、
ことを特徴とする請求項10記載のレーザ加工方法。
Condensing irradiation positions of the plurality of laser beams are different from each other with respect to a direction orthogonal to the depth direction of the workpiece.
The laser processing method according to claim 10.
前記複数のレーザ光の集光照射位置は、前記加工対象物の深さ方向および前記加工対象物の深さ方向と直交する方向の双方に関して互いに異なる、
ことを特徴とする請求項10記載のレーザ加工方法。
The focused irradiation positions of the plurality of laser beams are different from each other with respect to both the depth direction of the processing object and the direction orthogonal to the depth direction of the processing object.
The laser processing method according to claim 10.
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