JP2008142727A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な倣い制御による高精度なレーザ加工を実現する。
【解決手段】光学系ユニットを通過して加工対象物の予め設定された加工対象領域に照射されるレーザ光の焦点を制御して、倣い制御によるレーザ加工を行うレーザ加工装置において、前記光学系ユニットを前記レーザ光の光軸方向に移動させる光学系ユニット駆動手段と、前記加工対象物を保持したステージを前記光軸方向に対して垂直方向に移動させるステージ駆動手段と、前記加工対象領域をライン毎に加工するために前記ステージが移動する方向に対して、前記レーザ光が照射される前に前記加工対象物の照射面の位置を計測する第１の位置計測手段と、前記第１の位置計測手段により得られる計測結果と予め蓄積された補正情報とに基づいて、前記光学系ユニット駆動手段により前記光学系ユニットを所定位置に調整させるための制御手段とを有することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に係り、特に効率的な倣い制御による高精度なレーザ加工を実現するためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来、ガラス基板や樹脂基板等の加工対象物に対し、レーザ発振器からのレーザ光を照射（又は走査）して、アニールや穴あけ等のレーザ加工を行う技術が存在する。ここで、レーザ光を照射する加工対象物の照射面は平坦であることが好ましいが、近年の加工対象物の面サイズの大型化に伴い加工対象物に反りやうねりが発生する場合がある。その理由は、例えば加工対象物の自重によるものや、加工対象物を保持するステージも大型化しているためにステージ表面に発生した反りやうねりによるもの、更には加工対象物自体の厚さの不均一（うねり）等がある。

このような場合には、加工前に初期条件として予め設定された加工条件では、レーザ光の焦点等がずれてしまうため高精度なレーザ加工を行うことができない。そこで、従来では焦点位置を加工対象物の反りやうねり等の表面の高さに応じて随時調整する倣い制御手法が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

ここで、特許文献１には、加工対象物であるアモルファスシリコン層の表面にＸＹ軸方向に対応したマトリックス状の２次元配列を設定し、予めレーザ変位計により２次元配列に対応する測定位置における高さ変位を測定してその高さデータを２次元配列に書き込んでおき、加工時にレーザ鏡筒がそれぞれの測定位置に到達した時に、順次、対応する２次元配列から高さデータを読み出し、高さ変位に応じてレーザ鏡筒のフォーカスレンズの高さを調整する手法が示されている。

また、特許文献２には、ガラス基板にシリコン膜を形成した後、エネルギー光（レーザ光）をガラス基板の表面に対して走査させる際に、その照射位置に対して先行する位置の反りやうねり等の表面形状を計測し、その計測結果に基づいてエネルギー光の合焦位置をシリコン膜に合わせていく手法が示されている。

更に、特許文献３には、予めガラス基板の反り量をセンサによって測定しておき、加工焦点ずれが発生しても、加工焦点を対象基板に対してフィードバックする手法が示されている。なお、特許文献３では、予め加工対象物の反り量の計測を行う反り計測部と、この反り量の計測結果を基本関数にあてはめて加工対象物の全域の反りを示す反り関数を決定する計測／フィードバック制御部を有している。
特開２００６−３２８４３号公報 特開平１０−２７０３６０号公報 特開２００１−２７６９８６号公報

上述したように、従来技術ではレーザ光による加工前に変位計やセンサ等を用いて加工対象物の表面の高さ等を計測し、その計測結果を反映させてレーザ加工を行っている。しかしながら、高さ計測は、例えば特許文献１に示すように、実際は加工しない部分についてもマトリクス状に定ピッチで実施されるため、その分余計な時間がかかってしまう。

また、従来技術では、例えばある２つの加工対象領域の間隔が狭く近接している場合であっても、レーザ光の照射前には必ず変位計やセンサ等により、それぞれの加工対象領域の表面位置の計測等を行うため時間がかかってしまう。このようなことから従来の倣い制御によるレーザ加工は効率的に行われていなかった。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、効率的な倣い制御による高精度なレーザ加工を実現するためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明は、光学系ユニットを通過して加工対象物の予め設定された加工対象領域に照射されるレーザ光の焦点を制御して、倣い制御によるレーザ加工を行うレーザ加工装置において、前記光学系ユニットを前記レーザ光の光軸方向に移動させる光学系ユニット駆動手段と、前記加工対象物を保持したステージを前記光軸方向に対して垂直方向に移動させるステージ駆動手段と、前記加工対象領域をライン毎に加工するために前記ステージが移動する方向に対して、前記レーザ光が照射される前に前記加工対象物の照射面の位置を計測する第１の位置計測手段と、前記第１の位置計測手段により得られる計測結果と予め蓄積された補正情報とに基づいて、前記光学系ユニット駆動手段により前記光学系ユニットを所定位置に調整させるための制御手段とを有することを特徴とする。これにより、効率的な倣い制御による高精度なレーザ加工を実現することができる。

また、前記制御手段は、前記加工対象領域が前記ライン方向に近接して複数存在する場合、近接するある１つの加工対象領域を加工する際に前記第１の位置計測手段により得られる計測結果を、近接する他の加工対象領域の少なくとも１つに用いることが好ましい。これにより、加工対象領域毎に加工対象物の照射面の位置を計測しなくてもよいため、効率的且つ迅速に倣い制御によるレーザ加工を実現することができる。

また、前記制御手段は、前記近接する他の加工対象領域の少なくとも１つに前記計測結果を用いる場合、近接した複数の加工対象領域に対して往復加工を行うことが好ましい。これにより、往路だけでなく復路でも同一の計測結果を用いてレーザ加工を行うため、加工時間を短縮させることができる。

また、前記制御手段は、前記加工対象領域が前記ライン方向と異なる方向で且つ所定間隔内に複数存在する場合、前記第１の位置計測手段により既に得られている計測結果を他の加工対象領域の少なくとも１つに用いることが好ましい。これにより、加工対象領域毎に加工対象物の照射面の位置を計測しなくてもよいため効率的且つ迅速に倣い制御によるレーザ加工を実現することができる。また、所定間隔に基づいて先に計測した結果を利用するか否かを判断することができるため、高精度な倣い制御を実現することができる。

また、前記光学系ユニットの位置を計測する第２の位置計測手段を有することが好ましい。これにより、例えば一定の周期やメンテナンス時、又は装置の運転準備中等に第２の計測手段により得られる計測結果に基づいて、光学系ユニット駆動手段により光学系ユニットを所定位置に調整させることで、より高精度な倣い制御を実現することができる。

また本発明は、光学系ユニットを通過して加工対象物の予め設定された加工対象領域に照射されるレーザ光の焦点を制御して、倣い制御によるレーザ加工を行うレーザ加工方法において、前記加工対象領域をライン毎に加工するために前記加工対象物が移動する方向に対して、前記レーザ光が照射される前に前記加工対象物の照射面の位置を計測する第１の位置計測ステップと、前記第１の位置計測ステップにより得られる計測結果と予め蓄積された補正情報とに基づいて、前記光学系ユニットを前記レーザ光の光軸方向に移動させる光学系ユニット駆動手段に前記光学系ユニットを所定位置に調整させる調整ステップと、前記調整ステップにより前記光学系ユニットを移動させた後に、前記レーザ光を前記加工対象領域に照射する加工ステップとを有することを特徴とする。これにより、効率的な倣い制御による高精度なレーザ加工を実現することができる。

また、前記調整ステップは、前記加工対象領域が前記ライン方向に近接して複数存在する場合、近接するある１つの加工対象領域を加工する際に前記第１の位置計測ステップにより得られる計測結果を、近接する他の加工対象領域の少なくとも１つに用いることが好ましい。これにより、加工対象領域毎に加工対象物の照射面の位置を計測しなくてもよいため、効率的且つ迅速に倣い制御によるレーザ加工を実現することができる。

また、前記調整ステップにおいて前記近接する他の加工対象領域の少なくとも１つに前記計測結果を用いる場合、近接した複数の加工対象領域に対して往復加工を行うよう制御する制御ステップを有することが好ましい。これにより、往路だけでなく復路でも同一の計測結果を用いてレーザ加工を行うため、加工時間を短縮させることができる。

また、前記調整ステップは、前記加工対象領域が前記ライン方向と異なる方向で且つ所定間隔内に複数存在する場合、前記第１の位置計測ステップにより既に得られている計測結果を他の加工対象領域の少なくとも１つに用いることが好ましい。これにより、加工対象領域毎に加工対象物の照射面の位置を計測しなくてもよいため効率的且つ迅速に倣い制御によるレーザ加工を実現することができる。また、所定間隔に基づいて先に計測した結果を利用するか否かを判断することができるため、高精度な倣い制御を実現することができる。

また、前記光学系ユニットの位置を計測する第２の位置計測ステップを有することが好ましい。これにより、例えば一定の周期やメンテナンス時、又は装置の運転準備中等に第２の計測手段により得られる計測結果に基づいて、光学系ユニット駆動手段により光学系ユニットを所定位置に調整させることで、より高精度な倣い制御を実現することができる。

本発明によれば、効率的な倣い制御による高精度なレーザ加工を実現する。

以下に、上述したような特徴を有する本発明におけるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を好適に実施した形態について、図面を用いて詳細に説明する。

＜レーザ加工装置：装置構成＞
図１は、本発明におけるレーザ加工装置の一構成例を示す図である。図１に示すレーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、光学系ユニット駆動手段１２と、光学系ユニット１３と、位置計測手段としての変位センサ１４と、ステージ駆動手段１５と、ステージ１６と、制御手段１７、蓄積手段１８とを有するよう構成されている。

レーザ発振器１１は、制御手段１７から得られる制御信号に基づいて、所定のタイミングで所定の強さのパルスレーザ光を出射する。ここで、本実施形態におけるレーザ光は、例えばＣＯ_２レーザやエキシマレーザ、ＹＡＧレーザ等を用いることができるが、本発明におけるレーザ光の種類についてはこれに限定されるものではなく、加工対象物２１の材質や厚み、どのような加工（アニール、穴あけ等）を行うか等の各種加工条件等により任意に選択することができる。

光学系ユニット駆動手段１２は、ステージ駆動手段１５から得られるステージ１６の位置の情報及び制御手段１７から得られる制御信号に基づいて、光学系ユニット１３を通過するレーザ光を所定の位置で集光させるため、光学系ユニット１３の位置を光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させる。

つまり、光学系ユニット駆動手段１２は、例えば制御手段１７から加工開始の制御信号を取得すると、その後はステージ駆動手段１５から随時得られるステージ１６の位置の情報に基づいて、光学系ユニット１３の駆動を行う。なお、光学系ユニット駆動手段１２は、ステージ１６の位置の情報に基づいて光学系ユニット１３を駆動するために必要な情報を蓄積するための蓄積手段を有していてもよく、これにより、光学系ユニット１３の迅速な駆動が実現できる。なお、光学系ユニット駆動手段１２は、光学系ユニット１３内に複数の光学系レンズが存在する場合、それらのレンズのうち少なくとも１つの位置を移動してもよい。

ここで、光学系ユニット駆動手段１２は、例えばピエゾアクチュエータ等による精密位置決め機構等を用いて一軸（Ｚ軸）方向に対して精密な位置決めを行うことができる。

光学系ユニット１３は、光学系ユニット駆動手段１２により所定の位置に位置付けられ、光学系ユニット１３を通過するレーザ光を所定の位置で集光させる。具体的には、光学系ユニット１３は、ｆθレンズや集光レンズ等の光学系レンズを少なくとも１つ有しており、レーザ発振器１１からのレーザ光を集光（フォーカス）し、ガラス基板や樹脂基板等の加工対象物２１の照射面に対して所定の結像を行う。

変位センサ１４−１は、加工対象物２１の照射面の位置を計測する第１の位置計測手段である。具体的には、変位センサ１４−１は、例えば加工対象物２１の表面の高さ、つまりある予め設定された基準となる表面位置からの変位量を計測したり、変位センサ１４−１の所定の位置から加工対象物２１の表面までの距離を計測することで、加工対象物２１の表面の位置を計測する。また、変位センサ１４−１は、取得した計測結果を制御手段１７に出力する。

また、変位センサ１４−２は、光学系ユニット１３が所定の位置（原点等）に正しく位置付けられているかを確認するために、光学系ユニット１３の位置を計測する第２の位置計測手段である。変位センサ１４−２は、例えば光学系ユニット駆動手段１２により移動させる光学系ユニット１３又は少なくとも１つの光学系レンズと共に移動する計測片２２の位置を計測するものである。なお、変位センサ１４−２も上述した変位センサ１４−１と同様に、予め設定された基準となる位置からの変位量を計測したり、変位センサ１４−２の所定の位置から計測片２２までの距離を計測することで、光学系ユニット１３等の位置を計測する。また、変位センサ１４−２は、取得した計測結果を制御手段１７に出力する。

ここで、変位センサ１４−１は、予め設定された加工対象物２１の加工対象領域を加工するためにステージ１６が移動する方向に対して、レーザ光が照射される前に加工対象物２１の照射面の位置を計測する必要がある。したがって、加工時に移動するラインの先方に設ける。また、変位センサ１４−２は、計測片２２の位置を計測できる所定の位置に設置される。

ステージ駆動手段１５は、制御手段１７から得られる制御信号に基づいて、ステージ１６を図１に示すレーザ光の光軸に対して垂直方向（Ｘ，Ｙ軸方向）へ移動させることで、ステージ１６に保持された加工対象物２１を所定の位置に移動させる。したがって、例えばレーザ照射中に所定の方向（ライン）へ所定の速度で移動させることにより、加工対象物２１の加工面にアニール処理等のレーザ加工を行うことができる。また、ステージ駆動手段１５は、ステージ１６の正確な位置の情報を光学系ユニット駆動手段１２に出力する。

ステージ１６は、加工対象物２１を例えば真空吸着等により保持し、ステージ駆動手段１５により所定の位置に移動する。制御手段１７は、レーザ発振器１１、光学系ユニット駆動手段１２、ステージ駆動手段１５における駆動の制御を行う。具体的には、制御手段１７は、変位センサ１４−１から得られる計測結果に基づいて光学系ユニット駆動手段１２の光軸（Ｚ軸）方向の調整を行い、光学系ユニット１３による加工対象物２１への焦点合わせを行う。また、制御手段１７は、レーザ発振器１１におけるレーザ光の出射タイミングや加工時におけるステージ１６を駆動させるためのステージ駆動手段１５の駆動タイミングの制御を行う。

また、制御手段１７は、変位センサ１４−２から得られる計測結果に基づいて、光学系ユニット駆動手段１２により光学系ユニット１３を所定の位置（原点等）に調整（原点復帰）させることで、より高精度な倣い制御を実現することができる。なお、変位センサ１４−２による計測は、レーザ加工毎に行う必要はなく、例えば一定の周期やメンテナンス時、又は装置の運転準備中等に行う程度でよい。

また、制御手段１７は、予め設定された加工条件に対応させて光学系ユニット１３及び加工対象物２１を所定位置に位置付け、その後所定の強さのレーザ光を照射させる。これにより、高精度に倣い制御を行ったレーザ加工を実現することができる。

なお、制御手段１７は、変位センサ１４−１又は１４−２から得られた計測結果を蓄積手段１８に蓄積しておくことができる。このとき、蓄積手段１８に蓄積される計測結果には、計測したときの座標情報（例えば、Ｘ座標、Ｙ座標の何れか又は両方等）や計測した日時情報等が含まれていてもよい。

また、制御手段１７は、上述した計測結果と予め蓄積手段１８に蓄積されている補正情報等とを比較して、調整が必要である場合は、補正情報に基づいて制御信号を生成して光学系ユニット駆動手段１２等に出力し、光学系ユニット１３等の位置の調整を行う。なお、制御手段１７は、比較を行う際、例えば計測時の座標情報と補正情報に含まれる座標情報とから対象となる情報（例えば、加工対象物の表面位置（Ｚ軸）の変位量等）等を抽出して比較を行い調整の要否を判断する。なお、調整の要否判断は、例えば予め設定される焦点深度等も考慮して判断される。

また、制御手段１７により生成される制御信号は、光学系ユニット１３に対するメンテナンス用の移動指令や、基準焦点の高さ情報、絶対値あるいは加工対象物２１の表面からの相対値による位置調整指令等を含む。

また、蓄積手段１８は、レーザ加工を行うための初期条件や制御手段１７から得られる変位センサ１４−１，１４−２による計測結果等を蓄積する。なお、上述の初期条件としては、例えばレーザ光の強さや、加工対象領域（位置）の設定、照射の回数やタイミング等の加工条件や、上述した補正情報等の各種パラメータ等が含まれる。

また、蓄積手段１８は、制御手段１７から得られる制御信号に基づいて既に蓄積されている各種情報を読み出したり、制御手段１７から得られる各種信号を書き込んだりすることができる。

なお、上述したレーザ加工装置１０における倣い制御は、光学系ユニット１３を光軸（Ｚ軸）方向に移動させることで制御を行っていたが、本発明においてはこの限りではなく、例えばステージ駆動手段１５によりステージ１６をＺ軸方向へ移動させるような機構を設け、これにより位置を調整してもよい。

ここで、上述したレーザ加工装置１０においては、例えば加工対象物の長さを１ｍとし、その長さにおける表面のうねりの周期を２山とし、更にうねりの幅を最大５０μｍとした場合、応答性は、最大２．５ｍ／ｓで加工したときには、うねりの周波数は５Ｈｚ（２山／ｍ×２．５ｍ／ｓ＝５山／ｓ）であるため、光学系ユニット駆動手段１２と光学系ユニット１３間における応答周波数を１０Ｈｚとすることで、加工対象物２１の追従が可能となる。

また、追従する精度については、変位センサ１４−１における計測精度を０．０２μｍとし、光学系ユニット駆動手段１２による光学系ユニット１３の位置精度を０．１μｍとすることで、加工対象物２１に対する要求焦点深度±１μｍを実現できる。したがって、倣い制御による高精度なレーザ加工を実現することができる。

次に、上述したレーザ加工装置１０の装置構成を適用した本発明における倣い制御の例について説明する。

＜第１の倣い制御例＞
図２は、本実施形態における第１の倣い制御例を示す図である。なお、図２において、実線は所定位置でレーザ光を照射して加工を行うための照射位置の移動経路（ライン方向）を示し、点線はレーザ光を照射しない照射位置の移動経路（ライン方向と異なる方向）を示している。

図２に示すように、ガラス基板等の加工対象物２１に対して予め加工対象領域３１−１〜３１−４が設定されているとする。この場合、まず加工対象領域３１−１及び３１−２に対して加工を行うため、Ｙ方向に対して実線３２−１の方向に対して倣い制御を行いながら、レーザ加工を実施する。

具体的には、変位センサ１４−１により加工対象物２１の表面の位置を計測し、計測した結果に基づいて光学系ユニット１３の光軸方向（Ｚ軸）の調整を行って、所定の位置に位置付けられた状態で、レーザ光を照射することにより、倣い制御のレーザ加工を実現する。

ここで、図１に示すレーザ加工装置１０の構成の場合、従来では、変位センサ１４−１が図１に示す位置のみに設置されているため、左側から右側への倣い制御による加工ができない。そのため、図２の点線３３−１に示すように、加工対象領域３１−２の加工が終了して加工対象物２１の外側まで移動した後、次の加工領域（図２に示す加工対象領域３１−３）を基準とし、次の加工領域に所定速度で通過できるような位置まで移動する。そして、実線３２−２に示す方向に倣い制御を行いながら、レーザ発振器１１からのレーザ光を照射し加工を行う。

なお、本実施形態においては、加工対象領域３１−３の次の加工位置が加工対象領域３１−４である場合、点線３３−２のようにＸ軸方向も含む移動を行い、加工対象領域３１−４を加工するための位置に移動した後、倣い制御を行いながら加工対象領域３１−４を加工する。これにより、移動時間が削減でき、効率的なレーザ加工を実現することができる。

＜第２の倣い制御例＞
図３は、本実施形態における第２の倣い制御例を示す図である。なお、図３において、実線は所定位置でレーザ光を照射して加工を行うための照射位置の移動経路（ライン方向）を示し、点線はレーザ光を照射しない照射位置の移動経路（ライン方向と異なる方向）を示している。また、第２の倣い制御例では、上述した第１の倣い制御例で説明した内容と同様の説明は省略し、主に他の特徴部分について説明する。

例えば、図３に示すように、加工対象領域３１−３と加工対象領域３１−４、及び、加工対象領域３１−５と加工対象領域３１−６等のように２つの加工対象領域が近接（間隔Ｗｙ）している場合、例えば加工対象領域３１−３の加工の後に加工対象領域３１−４を加工することで、レーザ光の照射による熱の影響等で他方の加工対象領域の加工精度を低下させてしまう恐れがある。

そこで、本実施形態では以下に示すような往復加工を行う。具体的には、往路である実線３２−２において、上述したように変位センサ１４−１で加工対象物２１の表面の位置を計測し、その計測結果に基づいて光学系ユニット１３を調整しながら加工を行う。このとき、往路では、上述したレーザ光の照射による熱の影響を回避するため、加工対象領域３１−３及び加工対象領域３１−５に対して加工を行う。

次に、復路（逆方向）である実線３２−３（実際は、実線３２−２と同一直線（ライン）となるが、図３では説明上ずらしている。）の方向に移動しながら加工を行う。なお、復路の場合には、往路の加工時に変位センサ１４−１にて計測した計測結果を用いて、光学系ユニット１３の位置の調整を行い、倣い制御による加工を行う。したがって、制御手段１７は、往路で計測した計測結果又は光学系ユニット１３の位置を調整するための制御情報を座標情報等と共に蓄積手段１８等に蓄積しておき、復路で蓄積した情報を読み出して座標に対応させて光学系ユニット１３の位置を調整することで倣い制御による加工を行うことができる。このとき、復路では、往路で加工した以外の加工対象領域である加工対象領域３１−４及び加工対象領域３１−６に対して加工を行う。

これにより、２つの加工対象領域がＹ軸方向に対して近接している場合に、加工対象領域毎に加工対象物２１の照射面の位置を計測しなくてもよいため、効率的且つ迅速に倣い制御によるレーザ加工を実現することができる。また、往路だけでなく復路でも加工を行うため、加工時間を短縮させることができる。また、図１に示すように変位センサを複数有さないため、安価な構成で往復加工を実現することができる。

なお、往復加工においては、例えば２つの加工対象領域間が図３に示すように、所定の間隔Ｗｙを基準として往復加工を行うか否かを判断するよう制御することができ、また往路又は復路で加工される加工対象領域を予め設定しておくこともできる。これらの設定は、初期条件として設定されて蓄積手段１８に蓄積され、必要に応じて制御手段１７により読み取られる。

また、往復加工は、上述した間隔Ｗｙに関係なく、例えば同一箇所に複数のレーザ光を照射するような場合に、往復加工によるレーザ光の照射を行うよう制御してもよい。更に、１往復で加工できない場合に、２往復以上で加工させることもでき、この場合には１回目の往路の加工時に計測した計測結果又は光学系ユニット１３の位置を調整するための制御情報を用いて、１回目の復路及び２回目以降の往復路について倣い制御によるレーザ加工を行うことができる。

このように、往復加工を行うことにより効率的且つ迅速に倣い制御によるレーザ加工を実現することができる。また、加工再現性として、位置主体の制御であるため、加工速度に依存せず、繰り返しの再現性が良好な制御（例えば、３σが２μｍ以内）を実現することができる。つまり、速度主体の制御の場合、加工速度が変化すると加工位置により速度の変化分の微調整が必要になるが、本実施形態によればそのように速度による加工タイミングをずらすような必要がなく、制御が容易になるという効果もある。

＜第３の倣い制御例＞
図４は、本実施形態における第３の倣い制御例を示す図である。なお、図４において、実線は所定位置でレーザ光を照射して加工を行うための照射位置の移動経路（ライン方向）を示し、点線はレーザ光を照射しない照射位置の移動経路（ライン方向と異なる方向）を示している。また、第３の倣い制御例では、上述した第１及び第２の倣い制御例で説明した内容と同様の説明は省略し、主に他の特徴部分について説明する。

例えば、図４に示す加工対象領域３１−３及び３１−４のように、２つの加工対象領域がＸ軸方向に対して近接している場合には、まず加工対象領域３１−３の加工時に変位センサ１４−１の計測結果と補正情報とに基づいて倣い制御による加工を行う。

次に、点線３３−２の経路で移動し、その後、実線３２−３の経路において先に加工対象領域３１−３にて変位センサ１４−１により計測された計測結果又は光学系ユニット１３の位置を調整するための制御情報を用いて光学系ユニット１３の位置を調整しながら加工対象領域３１−４に対して倣い制御による加工を行う。なお、上述の処理は、予め設定される間隔（図４ではＷｘ）を基準として上述した倣い制御手法を用いるか否かが判断される。なお、これらの条件は、初期条件として設定されて蓄積手段１８に蓄積され、必要に応じて制御手段１７により読み取られる。

ここで、図４において、加工対象領域３１−５は、加工対象領域３１−４と間隔Ｗｘで近接している。しかしながら、上述したように加工対象領域３１−４では、変位センサ１４−１による加工対象物２１の表面の位置計測を行っていない。つまり、加工対象領域３１−５は、変位センサ１４−１による位置計測を行った加工対象領域３１−３とは、間隔が基準となるＷｘ以上離れていることになる。したがって、このような場合には、変位センサ１４−１により位置計測を行う。なお、本発明においては、所定の間隔の値を大きく設定しておくことで、その所定間隔以内であれば、複数の加工対象領域について、ある加工対象領域で計測した計測結果等を用いて他の複数の加工対象領域への加工時に光学系ユニット１３の位置の調整を行ってもよい。

上述した倣い制御を行うことにより、加工対象領域毎に加工対象物の照射面の位置を計測しなくてもよいため効率的且つ迅速に倣い制御によるレーザ加工を実現することができる。また、所定間隔に基づいて先に計測した結果を利用するか否かを判断することができるため、高精度な倣い制御を実現することができる。

なお、上述の倣い制御例は複数を組み合わせてもよい。また、上述した変位センサ１４−２による計測結果を用いて光学系ユニット１３の位置を調整することで、更に高精度な倣い制御によるレーザ加工を実現することができる。

＜倣い制御手順＞
次に、本実施形態における具体的な倣い制御手順について、フローチャートを用いて説明する。図５は、本実施形態における倣い制御手順の一実施例を示すフローチャートである。

図５に示す倣い制御手順では、まずレーザ加工を行うための初期条件の設定を行う（Ｓ０１）。ここで、初期条件とは、加工に用いられるレーザ光の強さや、加工対象領域（位置）の設定、照射の回数やタイミング等の加工条件、往復加工を行うための条件、ある加工対象領域の加工時に取得した変位センサによる加工対象物の表面位置の計測結果を他の加工対象領域にも用いるか否かを判断するための条件（Ｗｘ，Ｗｙ）等がある。

次に、変位センサによる位置計測を行い（Ｓ０２）、計測結果を蓄積する（Ｓ０３）。なお、Ｓ０３では、計測された位置又は変位量と計測したときの座標情報（例えば、Ｘ座標、Ｙ座標の何れか又は両方等）が少なくとも蓄積されるものとする。また、Ｓ０２における位置計測においては、計測結果がアナログデータである場合にはデジタル変換を行い、更に所定のパラメータやメンテナンス用の高さ制御等を行って値を調整することもできる。

ここで、予め蓄積された補正情報を参照し、そこで座標情報に基づいて所定位置における加工対象物の位置情報と、Ｓ０３に蓄積された変位センサによる位置情報との比較を行う（Ｓ０４）。

ここで、図６は、補正情報の一例を示す図である。図６に示す例では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標テーブルを構成しており、Ｘ軸、Ｙ軸の座標（図６では、一例として７３０×９２０）に対応する加工対象物の反りやうねり（ステージの平坦度も含む）に対するＺ軸方向の変位量を示している。つまり、Ｓ０２により計測したＸＹ座標における変位量と、補正情報からＸＹ座標に基づいて抽出されるＺ軸方向の変位量とを比較する。

Ｓ０４の処理により、位置の調整が必要であるか否かを判断し（Ｓ０５）、位置の調整が必要であると判断した場合（Ｓ０５において、ＹＥＳ）、例えば補正情報に示される変位量となるように光学系ユニット駆動手段により光学系ユニットをＺ軸方向に誤差分移動して位置の調整を行う（Ｓ０６）。このとき、絶対値あるいは加工対象物の表面からの相対値等による位置調整を行ってもよく、他のパラメータ等により微調整を行ってもよい。

また、Ｓ０５の処理において、位置の調整が必要であるか否かの判断は、例えばＳ０２により計測したＸＹ座標における変位量と、補正情報からＸＹ座標に基づいて抽出されるＺ軸方向の変位量とが所定の誤差許容範囲を超える誤差があるか否か等により判断する。

次に、Ｓ０６の処理が終了後、又はＳ０５の処理において、調整が必要でない場合（Ｓ０５において、ＮＯ）、所定の加工対象領域（位置）にレーザ光を照射してレーザ加工を行う（Ｓ０７）。

ここで、加工していない他の加工対象領域があるか否かを判断し（Ｓ０８）、他の加工領域がある場合（Ｓ０８において、ＹＥＳ）、加工対象物の表面の位置計測が必要であるか否かを判断する（Ｓ０９）。ここで、位置計測が必要である場合（Ｓ０９において、ＹＥＳ）、Ｓ０２に戻り以降の処理を行う。また、位置計測が必要でない場合（Ｓ０９において、ＮＯ）、Ｓ０４に戻り、既に他の加工対象領域の加工時に取得した計測結果を用いて補正情報との比較を行い、以降の処理を継続して行う。なお、Ｓ０９において、位置計測が必要でない場合とは、上述したように往復加工を行う場合や、Ｘ軸、Ｙ軸に対して近接する加工位置に複数の加工対象領域が存在する場合等がある。また、これらの条件は、Ｓ０１にて初期条件として設定されている。

また、Ｓ０９の処理において、加工していない他の加工対象領域が存在しない場合（Ｓ０８において、ＮＯ）、処理を終了する。上述した倣い制御を行うことにより、効率的な倣い制御による高精度なレーザ加工を実現することができる。

なお、図５に示す倣い制御手順においては、上述したように光学系ユニットの位置を計測する第２の位置計測手段を設けて、その計測結果に基づいて光学系ユニットの再調整を行うこともできる。

上述したように本発明によれば、効率的な倣い制御による高精度なレーザ加工を実現することができる。具体的には、所定の条件を満たす場合に、ある加工対象領域の加工時に計測した計測結果を他の加工対象領域にも適用することで、加工対象領域毎に加工対象物の照射面の位置を計測しなくてもよいため、効率的且つ迅速に倣い制御によるレーザ加工を実現することができる。また、ある加工対象領域の加工時に計測した計測結果を他の加工対象領域にも適用する際、複数の加工対象領域に対して往復加工を行うことで、往路だけでなく復路でも同一の計測結果を用いてレーザ加工を行うため、加工時間を短縮させることができる。更に、復路用の変位センサを設ける必要もないため、装置構成を簡易にすることができる。

また、本実施形態のように、光学系ユニットを移動させてＺ軸制御を行うことで、ステージ等の重い構成を移動させるよりも応答の迅速化を図ることができる。

ここで、例えば、レーザアニール装置において、Ｓｉ膜付きガラス基板をレーザアニール加工する際の要求仕様は、加工速度５００ｍｍ／ｓで、レーザ焦点深度は±１μｍ以内である。これに対して、ガラスの厚さ及びガラスを搭載するステージの厚さの変動幅（凹凸）は、０．５ｍｍ±５０μｍ／全幅の周波数応答１Ｈｚ、ステージトップテーブル上０〜２０μｍである。このような条件下において、本発明を適用することで、ステージトップテーブルに保持されたステージ＋ガラスの高さを逐次実測しながら倣い制御を実施し、５００ｍｍ／ｓの高速加工にてレーザ焦点深度±１μｍを実現することができる。

したがって、本発明によれば、速度依存性がなく、ガラスの高さの変化（ステージの高さ変動も含む）に追従して調整することができ（最大０．３〜０．７ｍｍ）、位置基準の動作を実現することができる。また、本発明を適用することで、加工対象物の端面検出等を行うことができる。

なお、上述した実施形態では、加工対象物を加工する方向（ライン）は、直線として示しているが、本発明においてはこの限りではなく、例えば曲線等であってもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

本発明におけるレーザ加工装置の一構成例を示す図である。 本実施形態における第１の倣い制御例を示す図である。 本実施形態における第２の倣い制御例を示す図である。 本実施形態における第３の倣い制御例を示す図である。 本発明における倣い制御方法の一実施例を示すフローチャートである。 補正情報の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 加工装置
１１ レーザ発振器
１２ 光学系ユニット駆動手段
１３ 光学系ユニット
１４ 変位センサ
１５ ステージ駆動手段
１６ ステージ
１７ 制御手段
１８ 蓄積手段
２１ 加工対象物
２２ 計測片
３１ 加工対象領域
３２ 実線
３３ 点線

Claims (10)

1. 光学系ユニットを通過して加工対象物の予め設定された加工対象領域に照射されるレーザ光の焦点を制御して、倣い制御によるレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
   前記光学系ユニットを前記レーザ光の光軸方向に移動させる光学系ユニット駆動手段と、
   前記加工対象物を保持したステージを前記光軸方向に対して垂直方向に移動させるステージ駆動手段と、
   前記加工対象領域をライン毎に加工するために前記ステージが移動する方向に対して、前記レーザ光が照射される前に前記加工対象物の照射面の位置を計測する第１の位置計測手段と、
   前記第１の位置計測手段により得られる計測結果と予め蓄積された補正情報とに基づいて、前記光学系ユニット駆動手段により前記光学系ユニットを所定位置に調整させるための制御手段とを有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記制御手段は、
   前記加工対象領域が前記ライン方向に近接して複数存在する場合、近接するある１つの加工対象領域を加工する際に前記第１の位置計測手段により得られる計測結果を、近接する他の加工対象領域の少なくとも１つに用いることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御手段は、
   前記近接する他の加工対象領域の少なくとも１つに前記計測結果を用いる場合、近接した複数の加工対象領域に対して往復加工を行うことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記制御手段は、
   前記加工対象領域が前記ライン方向と異なる方向で且つ所定間隔内に複数存在する場合、前記第１の位置計測手段により既に得られている計測結果を他の加工対象領域の少なくとも１つに用いることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記光学系ユニットの位置を計測する第２の位置計測手段を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 光学系ユニットを通過して加工対象物の予め設定された加工対象領域に照射されるレーザ光の焦点を制御して、倣い制御によるレーザ加工を行うレーザ加工方法において、
   前記加工対象領域をライン毎に加工するために前記加工対象物が移動する方向に対して、前記レーザ光が照射される前に前記加工対象物の照射面の位置を計測する第１の位置計測ステップと、
   前記第１の位置計測ステップにより得られる計測結果と予め蓄積された補正情報とに基づいて、前記光学系ユニットを前記レーザ光の光軸方向に移動させる光学系ユニット駆動手段に前記光学系ユニットを所定位置に調整させる調整ステップと、
   前記調整ステップにより前記光学系ユニットを移動させた後に、前記レーザ光を前記加工対象領域に照射する加工ステップとを有することを特徴とするレーザ加工方法。
7. 前記調整ステップは、
   前記加工対象領域が前記ライン方向に近接して複数存在する場合、近接するある１つの加工対象領域を加工する際に前記第１の位置計測ステップにより得られる計測結果を、近接する他の加工対象領域の少なくとも１つに用いることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記調整ステップにおいて前記近接する他の加工対象領域の少なくとも１つに前記計測結果を用いる場合、近接した複数の加工対象領域に対して往復加工を行うよう制御する制御ステップを有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工方法。
9. 前記調整ステップは、
   前記加工対象領域が前記ライン方向と異なる方向で且つ所定間隔内に複数存在する場合、前記第１の位置計測ステップにより既に得られている計測結果を他の加工対象領域の少なくとも１つに用いることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載のレーザ加工方法。
10. 前記光学系ユニットの位置を計測する第２の位置計測ステップを有することを特徴とする請求項６乃至９の何れか１項に記載のレーザ加工方法。

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