JP2009039733A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い加工対象物表面を走査することができ、かつ加工対象物表面におけるビームサイズを小さくして微細な加工を行うことに適したレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザビームの経路内に、レーザビームのビーム断面を整形する断面整形器が配置されている。断面整形器を通過したレーザビームが入射する位置に第１のレンズが配置されている。第１のレンズを通過したレーザビームが入射する位置に凸レンズである第２のレンズが配置されている。第２のレンズを通過したレーザビームが入射する位置に加工対象物が配置される。レンズ支持機構が、第２のレンズを、その光軸に垂直な方向に移動可能に支持する。第１のレンズは、第２のレンズが配置された位置のビーム径を、第１のレンズが配置された位置のビーム径よりも大きくする。第１及び第２のレンズは、断面整形器が配置されている位置の物点を、加工対象物の表面上に結像させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特にレーザビームの入射位置が加工対象物上を移動するようにレーザビームを走査して、レーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。

下記の特許文献１に開示されたレーザ加工装置の概略図を図７に示す。レーザビームが第１のレンズ１００を通過し、第２のレンズ１０１に入射する。第２のレンズ１０１を通過したレーザビームが、ビーム走査器１０２を経由して加工対象物１１０に入射する。加工対象物１１０はステージ１０３に保持されている。ビーム走査器１０２は、２枚の揺動ミラーを含むガルバノスキャナで構成され、レーザビームの入射位置が加工対象物１１０の表面上を移動するように、レーザビームを走査する。移動機構１０４が、第１のレンズ１００を光軸方向に移動させる。

ビーム走査器１０２でレーザビームを走査すると、第２のレンズ１０１から加工対象物１１０の表面までの光路長が変化する。第１のレンズ１００を光軸方向に移動させることにより、レーザビームの入射位置が移動しても、常に加工対象物１１０の表面において焦点を結ばせる（ビームスポットサイズを最小にする）ことができる。

下記の特許文献２に、光学ディスク等から情報を読み出すときのトラッキングずれを防止する光学ヘッドが開示されている。この光学ヘッドにおいては、対物レンズの前に、凹レンズと凸レンズとからなる組みレンズが配置される。この凸レンズを、光軸に垂直な方向に移動させることにより、トラッキング制御が行われる。

特開２００３−２９０９６１号公報 特開昭６２−１２９３２号公報

加工対象物が大きくなると、そのほぼ全域を走査するために、ビーム走査器から加工対象物までの距離を長くしなければならなくなる。微細な加工を行うために、加工対象物表面におけるビームスポットサイズを小さくすることが求められている。最小スポットサイズをｄとすると、下記の式が成り立つ。
θ＝４λ・（Ｍ^２）／（π・ｄ）
ここで、λはレーザビームの波長、Ｍ^２はレーザビームの品質、θは、円錐形のビームと仮定したときの円錐の頂角である。

例えば、ビーム品質Ｍ^２が１、波長が５３２ｎｍのレーザビームのビームスポットサイズを１００μｍにするためには、θを約６．８ｍｒａｄにしなければならない。ビーム走査器から加工対象物までの距離を２ｍに設定すると、ビーム走査器の位置におけるビーム径は、約１３．６ｍｍになる。このため、ガルバノスキャナに用いられる揺動ミラーの寸法を１３．６ｍｍ以上にしなければならない。レーザビームの品質Ｍ^２が悪く（大きく）なると、揺動ミラーをより大きくしなければならない。例えば、品質Ｍ^２が約１０のマルチモードレーザを用いる場合には、揺動ミラーの寸法を約１３６ｍｍにしなければならない。

揺動ミラーが大きくなると、ミラーの剛性を高くしなければならず、コスト増につながる。また、Ｘ用ミラーとＹ用ミラーとの相互干渉を避けるために、両者の間隔を広くしなければならない。この場合、レーザビームをＸ方向に振るときのビームの折れ曲がり点から加工点までの距離と、Ｙ方向に振るときのビームの折れ曲がり点から加工点までの距離との差が大きくなってしまう。このため、レーザビームの入射位置精度を高く維持することが困難になる。

本発明の目的は、広い加工対象物表面を走査することができ、かつ加工対象物表面におけるビームサイズを小さくして微細な加工を行うことに適したレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザビームを出射させるレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームの経路内に配置され、該レーザビームのビーム断面を整形する断面整形器と、
前記断面整形器を通過したレーザビームが入射する位置に配置された第１のレンズと、
前記第１のレンズを通過したレーザビームが入射する位置に配置された凸レンズである第２のレンズと、
前記第２のレンズを通過したレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
前記第２のレンズを、その光軸に垂直な方向に移動可能に支持するレンズ支持機構と
を有し、前記第１のレンズは、前記第２のレンズが配置された位置のビーム径を、該第１のレンズが配置された位置のビーム径よりも大きくし、前記第１及び第２のレンズは、前記断面整形器が配置されている位置の物点を、前記ステージに保持されている加工対象物の表面上に結像させるレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
レーザビームを出射させるレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された第１のレンズと、
前記第１のレンズを通過したレーザビームが入射する位置に配置された凸レンズである第２のレンズと、
前記第１及び第２のレンズからなる組み合わせレンズの焦平面の位置に加工対象物を保持するステージと、
前記第２のレンズを、その光軸に垂直な方向に移動可能に支持するレンズ支持機構と
を有し、前記第１のレンズに入射するレーザビームは平行光線束とされており、前記第１のレンズは、前記第２のレンズが配置された位置のビーム径を、該第１のレンズが配置された位置のビーム径よりも大きくするレーザ加工装置が提供される。

第２のレンズを、その光軸に垂直な方向に移動させることにより、レーザビームの進行方向を変化させて、加工対象物上へのレーザビームの入射位置を移動させることができる。第２のレンズを有効開口径を大きくすれば、加工対象物に入射する円錐形のレーザビームの頂角を大きくすることが可能である。これにより、加工対象物上におけるビームスポットサイズを小さくすることが可能になる。

図１に、第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１がパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１には、例えば波長５３２ｎｍの２倍高調波を出射する全固体Ｑスイッチレーザが用いられる。なお、必要に応じてビームエキスパンダ、コリメートレンズ、均一化光学系等を配置してもよい。

レーザ光源１から出射されたレーザビームが、マスク２に入射する。マスク２は、レーザビームのビーム断面の中心に配置された例えば正方形の開口部を有し、レーザビームのビーム断面を正方形に整形する。マスク２でビーム断面を整形されたレーザビームが、第１のレンズ５及び第２のレンズ７を通過して加工対象物２０に入射する。加工対象物２０は、ステージ１０に保持されている。加工対象物２０の表面をｘｙ面とし、表面の法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

光軸方向変位機構６が、第１のレンズ５を、その光軸方向（ｚ方向）に変位させる。レンズ支持機構８が、第２のレンズ７を、その光軸に垂直な２方向（ｘ方向及びｙ方向）に移動させる。制御装置９が、光軸方向変位機構６及びレンズ支持機構８を制御する。

第１のレンズ５は凹レンズであり、第２のレンズ７は凸レンズである。第１のレンズ５の焦点距離をｆ_１、第２のレンズ７の焦点距離をｆ_２、両者の間隔をδとすると、第１のレンズ５と第２のレンズ７との合成焦点距離ｆは、下記の式で表される。
１／ｆ＝１／ｆ_１＋１／ｆ_２−δ／（ｆ_１ｆ_２）
一例として、第１のレンズ５の焦点距離ｆ_１を−１００ｍｍ、第２のレンズ７の焦点距離ｆ_２を１００ｍｍ、両者の間隔δを５ｍｍとすると、合成焦点距離ｆは、２０００ｍｍになる。

第１のレンズ５は、第２のレンズ７の位置におけるビーム径を、第１のレンズ５の位置におけるビーム径よりも大きくする。また、第１のレンズ５と第２のレンズ７とからなる組み合わせレンズは、マスク２が配置された位置の物点を、加工対象物２０の表面上に結像させる。結合倍率は、例えば１／４倍である。図１は、第１のレンズ５の光軸、第２のレンズ７の光軸、及びレーザビームの中心光線が一致する場合を示している。このとき、マスク２の開口部の像が、加工対象物２０の表面上の原点Ｐ_０に形成される。

図３に、レンズ支持機構８の平面図を示す。２本のＸ方向ガイド８Ｘａのそれぞれに、Ｘ方向移動部８ＸｂがＸ方向に移動可能に支持されている。２本のＹ方向ガイド８Ｙａの各々の一端が一方のＸ方向移動部８Ｘｂに固定され、他端が他方のＸ方向移動部８Ｘｂに固定されている。Ｙ方向ガイド８Ｙａのそれぞれに、Ｙ方向移動部８Ｙｂが、Ｙ方向に移動可能に支持されている。第２のレンズ７が、Ｙ方向移動部８Ｙｂに固定されている。Ｘ方向移動部８Ｘｂ及びＹ方向移動部８Ｙｂは、ボールねじ機構、リニアモータ等により移動する。Ｘ方向移動部８Ｘｂ及びＹ方向移動部８Ｙｂを移動させることにより、第２のレンズ７をｘ方向及びｙ方向に移動させることができる。

図２に、第２のレンズ７をｘ方向に偏芯させたときのレーザビームの伝搬の様子を示す。偏芯量ｄを４０ｍｍとすると、レーザビームの中心光線の偏向角φは約２２°になり、マスク２の開口部の像が、加工対象物２０上の原点Ｐ_０から離れた位置Ｐ_１に形成される。理想的には、第２のレンズ７をｘｙ面に平行な方向に移動させても像面の位置は変化しない。第１のレンズ５と第２のレンズ７との合成焦点距離ｆを長くすると、第２のレンズ７の偏芯量ｄがわずかであっても、加工対象物２０の表面における像の移動距離Ｐ_０Ｐ_１を長くすることができる。

図１に戻って、所望の寸法のビームスポットを得るための第２のレンズ７の必要な大きさについて説明する。波長５３２ｎｍ、レーザ品質Ｍ^２が５のレーザビームを用いて、加工対象物２０の表面におけるビームスポットサイズｄを１００μｍにするためには、加工対象物２０に入射する円錐形のレーザビームの頂角θを約３４ｍｒａｄにすればよい。このとき、第２のレンズ７が配置された位置におけるレーザビームのビーム径は約６８ｍｍになる。

第２のレンズ７をｘ方向及びｙ方向に４０ｍｍ移動させた状態でも第２のレンズ７によるレーザビームのケラレが発生しないようにするためには、第２のレンズ７の有効開口径を１４８ｍｍ以上にすればよい。

上述のように、第２のレンズ７を、その光軸に垂直な方向に移動させても、理想的には像面の位置は変化しない。ところが、実際には、レンズの球面収差等により、像面の位置がｚ方向に変化する。このとき、第１のレンズ５を、その光軸方向に変位させて、第１のレンズ５と第２のレンズ７との間隔δを調整することにより、常に加工対象物２０の表面にマスク２の開口部を結像させることが可能になる。例えば、第１のレンズ５と第２のレンズ７との間隔を５ｍｍから４．９５ｍｍまで狭くすると、合成焦点距離は、２０００ｍｍから２０２０ｍｍまで長くなる。このように、間隔δをわずかに変化させることで、合成焦点距離を大きく変化させることができる。第１のレンズ５のｚ方向への変位量はわずかでよいため、光軸方向変位機構に、圧電アクチュエータを用いることができる。

なお、第１のレンズ５をｚ方向に変位させる代わりに、第２のレンズ７をｚ方向に変位させてもよい。

図４に、制御装置９が記憶している位置データの一例を示す。第２のレンズ７の（ｘ、ｙ）面内の位置（ｘａ，ｙａ）と、加工対象物２０の表面上におけるレーザビームの入射位置（ｘｂ，ｙｂ）と、第１のレンズのｚ方向の適正位置ｚａとの関係が記憶されている。例えば、第２のレンズ７の位置を（ｘａ１，ｙａ１）とすると、加工対象物２０の表面内の位置（ｘｂ１，ｙｂ１）にレーザビームが入射する。このとき、第１のレンズ５のｚ方向の位置をｚａ１とすることにより、加工対象物２０の表面に、マスク２の開口部を結像させることができる。制御装置９は、この位置データに基づいて、光軸方向変位機構６及びレンズ支持機構８を制御する。

なお、ステージ１０の加工対象物保持面が、レンズの光軸に対して傾いている場合には、この傾きを考慮して、図４に示した第１のレンズの適正位置ｚａを設定しておけばよい。例えば、加工対象物２０が、一辺の長さ１．５ｍ程度の正方形である場合、ステージ１０はそれよりも大きくなり、その姿勢を高精度に微調整することが困難である。入射位置に応じて第１のレンズ５を光軸方向に変位させることにより、ステージ１０の姿勢の高精度の微調整を行う必要がなくなる。

図２では、第２のレンズ７をｘ方向に移動させたが、第２のレンズ７をｙ方向に移動させることにより、加工対象物２０の表面上においてレーザビームの入射位置をｙ方向に移動させることができる。ｘ方向への移動とｙ方向への移動とを組み合わせることにより、レーザビームの入射位置を、加工対象物２０の表面上において２次元方向に移動させることができる。

上記第１の実施例では、レーザビームをｘ方向に偏向させる場合と、ｙ方向に偏向させる場合とによらず、ビーム中心光線の偏向位置が一箇所である。このため、２枚の揺動ミラーを用いてレーザビームを走査する場合に比べて、入射位置の補正を容易に行うことができる。

図５に、第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。以下、第１の実施例によるレーザ加工装置との相違点に着目して説明する。第１の実施例では、第１のレンズ５及び第２のレンズ７が、マスク２の開口部を加工対象物２０の表面上に結像させる結合光学系を用いた。第２の実施例では、第１のレンズ５に平行光線束が入射し、第１のレンズ５と第２のレンズ７とからなる組み合わせレンズの焦平面の位置に、加工対象物２０が配置される。第１の実施例によるレーザ加工装置のマスク２は不要である。

第２の実施例では、加工対象物２０の表面においてレーザビームのビームスポットが最小になる。第２のレンズ７をｘｙ面に平行な方向に移動させることにより、レーザビームを走査し、ビームスポットを位置を加工対象物２０の表面上で移動させることができる。

第２の実施例では、図４に示した第１のレンズの適正位置ｚａに、ステージ１０に保持された加工対象物２０上においてビームスポットを最小にするための第１のレンズ５の位置が記憶されている。図４に示した位置データに基づいて、第１のレンズ５を光軸方向に移動させることにより、第２のレンズ７の球面収差等に起因する焦点ずれを補償することができる。

図６に、第３の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。以下、第１の実施例によるレーザ加工装置との相違点に着目して説明する。第１の実施例では、第１のレンズ５に凹レンズが用いられていたが、第３の実施例では、凸レンズが用いられる。第１のレンズ５の焦点距離をｆ_１、第２のレンズ７の焦点距離をｆ_２、両者の間隔をδとすると、第１のレンズ５と第２のレンズ７との合成焦点距離ｆは、下記の式で表される。
１／ｆ＝１／ｆ_１＋１／ｆ_２−δ／（ｆ_１ｆ_２）
第１のレンズ５によって収束されたレーザビームがほぼ一点に収束され、その後発散光線束となって第２のレンズ７に入射する。第１のレンズ５と第２のレンズ７との間隔を適当に選択することにより、第２のレンズ７の位置におけるビーム径を、第１のレンズ５の位置におけるビーム径よりも大きくすることができる。このため、第１の実施例と同様の効果が得られる。なお、第２の実施例においても、第１のレンズ５を凸レンズで構成することが可能である。

上記実施例において、第２のレンズ７の移動によって十分広い領域を走査するために、第１のレンズ５と第２のレンズ７との合成焦点距離を、第２のレンズ７の焦点距離の１０倍以上にすることが好ましい。

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

第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 第１の実施例によるレーザ加工装置の第２のレンズを光軸に対して垂直な方向に移動させたときのレーザビームの伝搬の様子を示した図である。 第１の実施例によるレーザ加工装置に用いられているレンズ支持機構の平面図である。 第１の実施例によるレーザ加工装置の制御装置に記憶されている位置データを示す図表である。 第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 第３の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 従来のレーザ加工装置の概略図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ マスク
５ 第１のレンズ
６ 光軸方向変位機構
７ 第２のレンズ
８ レンズ支持機構
８Ｙａ Ｙ方向ガイド
８Ｙｂ Ｙ方向移動部
８Ｘａ Ｘ方向ガイド
８Ｘｂ Ｘ方向移動部
９ 制御装置
１０ ステージ
２０ 加工対象物

Claims (6)

1. レーザビームを出射させるレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームの経路内に配置され、該レーザビームのビーム断面を整形する断面整形器と、
   前記断面整形器を通過したレーザビームが入射する位置に配置された第１のレンズと、
   前記第１のレンズを通過したレーザビームが入射する位置に配置された凸レンズである第２のレンズと、
   前記第２のレンズを通過したレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
   前記第２のレンズを、その光軸に垂直な方向に移動可能に支持するレンズ支持機構と
   を有し、前記第１のレンズは、前記第２のレンズが配置された位置のビーム径を、該第１のレンズが配置された位置のビーム径よりも大きくし、前記第１及び第２のレンズは、前記断面整形器が配置されている位置の物点を、前記ステージに保持されている加工対象物の表面上に結像させるレーザ加工装置。
2. さらに、前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方のレンズを、該レンズの光軸方向に変位させる光軸方向変位機構を有する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. さらに、
   前記第２のレンズの光軸に垂直な方向に関する該第２のレンズの位置と、前記断面整形器の位置の物点が前記ステージに保持された加工対象物上に結像するための前記光軸方向変位機構による変位量と、前記ステージに保持された加工対象物の表面内におけるレーザビームの入射位置との関係を記憶する制御装置を有し、
   前記制御装置は、レーザビームを入射させる加工対象物上の目標位置から、前記第２のレンズの位置、及び前記光軸方向変位機構による変位量を算出し、前記レンズ支持機構及び前記光軸方向変位機構を制御する請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. レーザビームを出射させるレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された第１のレンズと、
   前記第１のレンズを通過したレーザビームが入射する位置に配置された凸レンズである第２のレンズと、
   前記第１及び第２のレンズからなる組み合わせレンズの焦平面の位置に加工対象物を保持するステージと、
   前記第２のレンズを、その光軸に垂直な方向に移動可能に支持するレンズ支持機構と
   を有し、前記第１のレンズに入射するレーザビームは平行光線束とされており、前記第１のレンズは、前記第２のレンズが配置された位置のビーム径を、該第１のレンズが配置された位置のビーム径よりも大きくするレーザ加工装置。
5. さらに、前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方のレンズを、該レンズの光軸方向に変位させる光軸方向変位機構を有する請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. さらに、
   前記第２のレンズの光軸に垂直な方向に関する該第２のレンズの位置と、前記ステージに保持された加工対象物上においてビームスポットを最小にするための前記光軸方向変位機構による変位量と、前記ステージに保持された加工対象物の表面内におけるレーザビームの入射位置との関係を記憶する制御装置を有し、
   前記制御装置は、レーザビームを入射させる加工対象物上の目標位置から、前記第２のレンズの位置、及び前記光軸方向変位機構による変位量を算出し、前記レンズ支持機構及び前記光軸方向変位機構を制御する請求項５に記載のレーザ加工装置。

Images