JP2010513028A - レーザービーム処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザービームを用いて対象物の表面を処理するためのレーザービーム処理装置を提供すること。
【解決手段】レーザービームを発射するレーザービーム発生部と、該レーザービーム発生部から発射したレーザービームを照射させた後、照射されたレーザービームのうち、一部を選択的に対象物の表面に伝達するよう構成された複数のマイクロミラーを備えるマイクロミラーデバイスとを備え、前記マイクロミラーデバイスのマイクロミラーは、２つの光路のうち、所望の光路を選択的に切り替え可能なことを特徴とする。これにより、対象物の表面を所望の形状に２次元に処理することができ、またその部分を３次元に処理できるレーザービーム処理装置が提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザービームを用いて対象物の表面を処理するためのレーザービーム処理装置に関し、複数のマイクロミラーを備えるマイクロミラーデバイス（ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）を用いて対象物を所望の形状に容易に処理できるレーザービーム処理装置に関する。

対象物、例えば、平板ディスプレイ基板などに生じた異物質または不良領域を加工するためにレーザーが多く用いられる。このとき、レーザー発生装置から出力されるレーザービームの強度及び形状を調整することにより、対象物の加工しようとする部位を所望の形状に加工することができる。

このように、レーザーを用いて対象物の表面を加工する方法が図１及び図２に示されている。図１は、従来技術に係るレーザービーム加工装置を示した断面図であり、図２は、従来技術に係る補助光提供装置を示した断面図である。

図１に示すように、従来のレーザービーム加工装置は、スリット１００とビームスプリッタ２００とを備える。レーザービーム発生器から発生したレーザービームＬがビームスプリッタ２００を経てスリット１００を通過する。スリット１００を通過したレーザービームＬ１は、スリット１００の形状に沿って対象物Ａに到達し、対象物は、スリット１００を通過したレーザービームの形状通りに加工され得る。このとき、スリット１００を複数枚用いるか、または形態を変更することにより、対象物の表面に所望の加工形状を作ることができる。

しかし、簡単な加工形状の場合は、レーザービームの進行方向に所望の加工形状を有したスリット１００を配置して対象物を加工することが可能であるが、複雑であるか、または曲線である加工形状の場合は、従来の方法では所望の加工形状を有したスリット１００を配置し加工することが困難であるという問題があった。

すなわち、直線形状ではない、曲線や複雑な形状を加工する場合は、対象物を所望の形状通りに加工し難い問題点があった。たとえば、複雑な加工形状をいくつかの領域に分けて少しずつ加工することも可能であるが、対象物の加工に多くの時間が必要となり、このため、加工費用も増加することになる。

また、加工に用いられるレーザービームＬの強度を調整する手段がないため、対象物の加工深さを調整し難いという問題があった。

一方、図２に示すように、対象物の加工前に加工形状を予め観察するために、補助光Ｍをビームスプリッタ２００を用いてスリット１００に入射させることができる。対象物Ａに到達する補助光Ｍ１を介して対象物の加工形状を予め観察することができる。しかし、この場合にも、上記で言及したように、簡単な加工形状の場合ではない、複雑であるか、または曲線である加工形状の場合、正確な加工形状を把握し難いという問題があった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、複雑であるか、または曲線である対象物の表面を正確かつ短時間に処理することができるレーザービーム処理装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、レーザービームの出力を調整することにより、対象物の処理深さを制御することができるレーザービーム処理装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、レーザービームにより対象物を処理するとき、補助光を用いることによって処理形状を観察することができるレーザービーム処理装置を提供することにある。

そこで、上記の目的を達成するための本発明によるレーザービーム処理装置は、レーザービームを発射するレーザービーム発生部と、該レーザービーム発生部から発射したレーザービームの少なくとも一部を反射して前記対象物の表面に向かわせ、前記対象物の表面を所定パターンに処理するよう構成された複数のマイクロミラーを備えるマイクロミラーデバイスとを備え、前記マイクロミラーデバイスの各マイクロミラーは、２つの光路のうち、所望の光路を選択的に切り替え可能なことを特徴とする。

このとき、前記マイクロミラーデバイスのマイクロミラーは、両端部のいずれか一端部に電圧を加えることにより、２つの位置のうち、１つの位置を選択し、２つの光路のうち、所望の光路を選択的に切り替え可能なことが好ましい。

このとき、前記マイクロミラーデバイスは、２つの光路のうち、所望の光路の選択を半導体によって行うデジタルマイクロミラーデバイス（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）であることが好ましい。

また、前記マイクロミラーデバイスは、所望の形状に処理しようとする対象物の処理表面の面積に対応するマイクロミラーのうち、一部のマイクロミラーに対してのみ光路を切り替えることにより、処理表面の面積に照射されるレーザービームの出力を調整することができる。

また、前記マイクロミラーデバイスは、マイクロミラーの光路切り替え時間を調整することにより、１つのマイクロミラーから照射されるレーザービームの出力を調整することが可能になる。

また、前記マイクロミラーデバイスは、マイクロミラーの単位時間当たりの光路切り替え回数を制御することにより、処理される表面の処理深さを制御することができる。

さらに、前記レーザービーム発生部と異なる光路上に配置されて補助光を発生する補助光発生部をさらに備えることにより、処理しようとする対象物の表面を観察することができる。

このとき、前記補助光発生部から出てきた補助光の光路を前記レーザービーム発生部から出てきたレーザービームの光路と同じにするダイクロイックミラーをさらに備えることが好ましい。

上記のように構成されたレーザービーム処理装置によれば、従来とは異なり、複雑であるか、または曲線である形状の対象物を正確かつ短時間内に処理することが可能になる。

レーザービームの出力を調整することによって、処理部位の深さを調整し、３次元形状に処理することができる。

また、レーザービームの出力を調整することによって、対象物の処理深さを調整することができるようになる。

さらに、レーザービームにより対象物を処理するとき、補助光を用いることによって、処理形状を観察しつつ対象物を処理することが可能になる。

従来技術に係るレーザービーム加工装置を示した断面図である。 従来技術に係る補助光提供装置を示した断面図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置を示した断面図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置において、マイクロミラーを切り替えた実施形態を示した断面図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置において、対象物を加工する方法を示した概念図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置において、マイクロミラーの動作によるレーザービームの出力変化を示した概念図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置において、マイクロミラーの動作によるレーザービームの出力変化を示した概念図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置において、マイクロミラーの動作によるレーザービームの出力変化を示した概念図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置において、マイクロミラーの動作によるレーザービームの出力変化を示した概念図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置において、マイクロミラーの動作によるレーザービームの出力変化を示した概念図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置において、補助光発生部の一実施形態を示した断面図である。 本発明に係るレーザービーム加工装置において、補助光発生部の他の実施形態を示した断面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明に係るレーザービーム加工装置について詳細に説明する。

図３は、本発明に係るレーザービーム加工装置を示した断面図であり、図４は、本発明に係るレーザービーム加工装置において、マイクロミラーを切り替えた場合を示した断面図である。図面に示すように、本発明に係るレーザービーム加工装置は、レーザービーム発生部３０及びマイクロミラーデバイス４０を備える。

レーザービーム発生部３０は、レーザービームをマイクロミラーデバイス４０に発射する装置であって、マイクロミラーデバイス４０から離隔して配置されている。マイクロミラーデバイス４０に入ったレーザービームＬは、その一部が対象物Ａに入るようになる。

マイクロミラーデバイス４０は、レーザービーム発生部３０から発射したレーザービームを照射し、照射されたレーザービームのうち、一部を選択的に対象物Ａの表面に伝達するようにし、内部に複数のマイクロミラー４１を備える。

マイクロミラーデバイス４０には、微細な鏡、すなわち、マイクロミラー４１が複数配置され、当該配置されたマイクロミラー４１は、一定の方式によって各々個別的に駆動することができる。両側に電圧を印加することにより左右に移動する方式、電圧をミラーの中央部に加えることによってマイクロミラーの形を変形させ、これにより、光路を変化させる方式などによってマイクロミラーデバイス４０を駆動することができる。

マイクロミラー４１の左右に電圧を印加することにより左右に移動する方式を利用すれば、マイクロミラー４１の両端部のいずれか一端部に電圧を加えることによって、２つの位置のうち、１つの位置を選択することができる。

詳しくは、マイクロミラーデバイス４０は、一実施形態として米国のテキサスインスツルメンツ（ＴＩ）社が開発したデジタルマイクロミラーデバイス（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）を用いることができる。デジタルマイクロミラーデバイスは、数個〜数十万個の微細駆動鏡（セル）が平板の形で集積されている半導体チップで構成されている。すなわち、１つのセルのサイズはマイクロ単位であり、非常に小さく設けられる。通常、デジタルマイクロミラーデバイス４０は、コンピュータやＶＣＲなどのＡＶ機器から入力された映像信号を拡大投射する形のメカニズムとして動作する。また、デジタルマイクロミラーデバイスは、毎秒、数回以下から数十万回まで反射される光路を切り替える（スイッチング、ＳＷＩＴＣＨＩＮＧ）数十万個の鏡で構成されているため、各鏡は集まった光を各々デジタル方式により制御することができる。通常、デジタルマイクロミラーデバイスの各マイクロミラーは電圧により左右に反転することによって、所望の方向に各々のマイクロミラーを位置させる。

ここで、マイクロデバイスから反射されるレーザービームを選択する構成について説明する。マイクロミラーデバイス４０に配置された各々のマイクロミラー４１は一般的に２つの位置の中から選択され得る。すなわち、各々のマイクロミラーは、入射したレーザービームＬのうち、対象物に到達するレーザービームＬ１と対象物に到達しないレーザービームＬ２とで形成される２つの光路位置のうち、１つの位置を選択できるように制御される。このように、マイクロミラーデバイスに配置された各々のマイクロミラーの光路を選択し、選択されたマイクロミラーから照射されたレーザービームＬ１が加工部位Ｘに到達することにより、対象物の表面を加工することができる。

このように動作することにより、マイクロミラーデバイス４０に配置された各々のマイクロミラー４１は、所望の方向に位置することになって、２つの光路のうち、所望の光路を選択することができ、対象物Ａに入る光路に位置したマイクロミラー４１（図３において、ｃ及びｅで表示されたマイクロミラー）により対象物に照射されるレーザービームＬ１の形状が決定される。これにより、加工される対象物の形状が決定される。すなわち、微細な駆動鏡であるマイクロミラー４１によって当該形状に対応するマイクロミラー４１がレーザービームＬ１を当該形状に反射させ、残りの領域のマイクロミラー４１（図３において、ａ、ｂ、ｄ、ｆで表示されたマイクロミラー）は、レーザービームＬ２を他の光路へ向かうように反射させることにより、当該形状を加工することができるようになる。

一方、図４に示すように、他の光路へ向かうように反射されるレーザービームＬ２を対象物へ向かうように切り替えようとするならば、それに対応するマイクロミラー４１（図３及び図４においてｄで表示される）の方向を切り替えることにより、レーザービームを対象物へ向かうように切り替えることができるようになる。

したがって、マイクロミラー４１の光路位置によって対象物Ａに入るレーザービームＬ１の形が変わり、これにより、対象物Ａの加工領域も変わるようになる。したがって、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、照射されたレーザービームＬ１が対象物Ａの表面の加工部位Ｘに到達して対象物を加工するようになる。ここで、上述したように、１つのマイクロミラー４１のサイズはマイクロメーター単位であり、非常に小さいため、複雑な形状の加工対象物であっても所望の形状に直ちにレーザービームを照射して容易に加工することができるという長所がある。ここで、図５は、本発明に係るレーザービーム加工装置において、複雑な形状の対象物を加工する方法を示した概念図である。

以下では、加工部位Ｘに到達したレーザービームの出力を制御する方法を説明する。

図６ないし図１０は、本発明に係るレーザービーム加工装置において、マイクロミラーの動作によるレーザービームの出力変化を示した概念図である。図面に示すように、対象物Ａの加工部位Ｘに到達するレーザービームＬ１の方向を制御する各々のマイクロミラー４１を制御することにより、レーザービームＬ１の出力を調整し、加工部位Ｘの形状及び厚さＤ１、Ｄ２を調整することについて説明する。

まず、図６に示すように、加工部位Ｘに到達する全てのマイクロミラー４１の光路を対象物Ａへと向かうようにする場合、対象物Ａに到達するレーザービームＬ１の出力はそのまま維持される。一方、図７に示すように、加工部位Ｘに到達する全てのマイクロミラー４１のうち、一部のマイクロミラー４１の光路を対象物Ａへと向かうようにする場合、対象物Ａに到達するレーザービームＬ１の出力は、レーザービームを他の方向に切り替えた分だけ減ることになる。仮りに、加工部位Ｘに到達する全てのマイクロミラーのうち、１／４に該当するマイクロミラーの光路を対象物へ向かうようにすると、対象物に到達するレーザービームＬ１の出力は１／４に減ることになる。

このような方式により、加工部位Ｘに到達するレーザービームの出力を、加工される加工部位に応じて調整することによって、加工部位Ｘの深さの調整が可能になる。すなわち、図８の場合、加工部位に対応する全てのマイクロミラー４１を対象物へと向かうように切り替えた場合の加工深さＤ２は、図９のように一部のみを向かうようにしたときの加工深さＤ１に比べてレーザービームＬ１の出力がより強いため、さらに深く加工される。したがって、対象物の加工対象に応じて出力されるレーザービームが出力を制御することによって、図１０のように立体的な加工が可能になる。

次に、マイクロデバイスのマイクロミラーの切り替え時間を調整することにより、加工表面に到達するレーザービームの出力を調整する方法について説明する。

一般的にマイクロミラーは、１秒に数回〜数千回程度方向が切り替えられる構造を有する。したがって、マイクロミラーの方向を切り替える切り替え時間を調整することによって、レーザービームの出力を調整できるようになる。

例えば、対象物の加工表面のうち、一部の領域（第１領域）に対し、加工深さを他の領域に比べて深く加工しようとするならば、当該領域（第１領域）に照射されるレーザービームを反射できるマイクロミラーの切り替え時間を他の領域（第２領域）に該当するマイクロミラーの切り替え時間より長い時間の間、当該領域（第１領域）に照射され得るように切り替えると、当該領域（第１領域）は他の領域（第２領域）に比べより長い時間レーザービームにより照射される。

その結果、当該領域（第１領域）の加工深さは他の領域（第２領域）より深くなる。たとえば、当該領域に１／３００秒の間切り替え可能なマイクロミラーの場合、当該領域には１秒に９０回だけ当該領域にレーザービームが照射されるように切り替えられ（すなわち、当該領域に９０／３００秒の間レーザービームが照射されたことと同じである）、残りの領域には１秒に３０回だけレーザービームが照射されるようにマイクロミラーの方向が切り替えられると（すなわち、残りの領域には３０／３００秒の間レーザービームが照射されたことと同じである）、当該領域に照射されるレーザービームは、他の領域に比べてレーザービームの出力が３倍になるため、その加工深さも互いに異なるようになり、これにより、加工表面に対する立体的な加工が可能になる。

また、マイクロミラーの単位時間当りの切り替え回数を調整することにより、加工される最小単位を調整することもできるようになる。言い替えれば、１回の切り替え時間を１／３００秒に制御することと、１回の切り替え時間を１／２００秒に制御することとは、１回の切り替えによるレーザービームが対象物に照射される時間において互いに異なるようになる。したがって、１回の切り替え時間を制御することにより、１回のレーザービームの照射による加工深さを制御することができるようになる。

すなわち、１秒に３００回切り替えられるように制御されるマイクロミラーによって照射されるレーザービームが、１秒に２００回切り替えられるように制御されるマイクロミラーによって照射されるレーザービームより１回の切り替えによる照射時間が２／３程度であるため、それにより、１回の照射により加工される量が少ない原理を利用したものである。したがって、切り替え回数及び切り替え時間を調整すると、精密な３次元の加工が可能になる。

一方、前述した当該面積に対応して、レーザービームが加工表面に到達されるマイクロミラーの個数を調整することと、マイクロミラーの切り替え時間及び単位時間当りの切り替え回数を同時に制御することとにより、さらに精密かつ多様なレーザービームの出力を制御することができ、精密な表面加工がなされ得ることはもちろんである。

一方、図１１及び図１２を参照して本発明に係るレーザービーム加工装置の補助光発生部について説明する。図１１は、本発明に係るレーザービーム加工装置において、補助光発生部の一実施形態を示した断面図であり、図１２は、本発明に係るレーザービーム加工装置において、補助光発生部の他の実施形態を示した断面図である。

図１１に示すように、本発明に係るレーザービーム加工装置は、補助光発生部３５をさらに備えることができる。補助光発生部３５は、レーザービーム発生部（図３に示されている）と異なる光路上に配置されることができ、発生した補助光Ｍは、マイクロミラー４１から反射され、反射された補助光のうち、選択された補助光Ｍ１だけが対象物Ａに照射される。これにより、補助光Ｍ１を用いて加工しようとする対象物の表面を詳しく観察することができる。

補助光を用いて対象物を観察し、レーザービームを用いて対象物を加工する場合、同じマイクロミラーデバイス４０を用いることができる。レーザービームを用いて対象物を加工する場合に選択されたマイクロミラーデバイス４０のマイクロミラーの各々の位置と、補助光を用いて対象物を観察する場合に選択されたマイクロミラーデバイス４０のマイクロミラーの各々の位置とを異なるように設定することにより、同じ加工領域を加工し、観察することが可能になる。

すなわち、補助光を用いて対象物を観察することと、レーザービームを用いて対象物を加工することとを同時に行うことはできず、マイクロミラーのスイッチング位置に応じて補助光を用いて対象物を観察するか、またはレーザービームを用いて対象物を加工する作業のうち、１つの作業を選択して行うことができる。

これとは異なり、図１２に示すように、ダイクロイックミラー２０を用いることにより、補助光を用いて対象物を観察することと、レーザービームを用いて対象物を加工することとを同時に行うこともできる。ダイクロイックミラーとは、光中に選択的な波長のみを反射し、残りは透過するミラーをいい、レーザーの波長を損失なしにそのまま通過させるために用いる。

図１２に示すように、本発明に係るレーザービーム加工装置は、ダイクロイックミラー２０をさらに備えることができ、ダイクロイックミラー２０は、補助光発生部３０から出てきた補助光Ｍの光路を前記レーザービーム発生部から出てきたレーザービームＬの光路と同一に選択することができる。

ダイクロイックミラー２０を用いることにより、レーザービームＬはすべて透過し、補助光Ｍは一部のみ透過し、残りは反射する。これにより、ダイクロイックミラー２０から反射された補助光Ｍは、ダイクロイックミラー及びレーザービームＬと同じ光路を維持したまま、各々のマイクロミラーに入射される。

マイクロミラーから反射されたレーザービームＬ１及び補助光Ｍ１は、同一経路で対象物Ａに入射する。したがって、レーザービームにより対象物を加工するとともに、対象物を観察することができるようになる。これとは異なり、レーザービームにより対象物を加工することと、対象物を観察することとを分離して個別にすることもできる。一方、上述した説明において、ダイクロイックミラーの他に、ビームスプリッタを用いても上述した目的及び効果を達成することができる。

本発明の権利範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、請求された特許請求の範囲内で様々な形の実施形態で実現されることができる。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有した者であれば、変形できる範囲まで本発明の請求の範囲内にあるということが理解できるであろう。

上記のように構成されたレーザービーム処理装置によれば、従来とは異なり、複雑であるか、または曲線である形状の対象物を正確かつ短時間内に処理することが可能になる。

レーザービームの出力を調整することによって、処理部位の深さを調整し、３次元形状に処理することができる。

また、レーザービームの出力を調整することによって、対象物の処理深さを調整することができるようになる。

さらに、レーザービームにより対象物を処理するとき、補助光を用いることによって、処理形状を観察しつつ対象物を処理することが可能になる。

１０ スリット
２０ ダイクロイックミラー
３０ レーザービーム発生部
３５ 補助光発生部
４０ マイクロミラーデバイス
Ａ 対象物
Ｘ 対象物の加工部
Ｌ レーザービーム
Ｌ１ 対象物に到達するレーザービーム
Ｌ２ 対象物に到達しないレーザービーム
Ｍ 補助光
Ｍ１ 対象物に到達する補助光
Ｍ２ 対象物に到達しない補助光

Claims (8)

1. レーザービームを用いて対象物の表面を処理するためのレーザービーム処理装置であって、
   レーザービームを発射するレーザービーム発生部と、
   該レーザービーム発生部から発射したレーザービームの少なくとも一部を反射して前記対象物の表面に向かわせ、前記対象物の表面を所定パターンに処理するように構成された複数のマイクロミラーを備えるマイクロミラーデバイスとを備え、
   前記マイクロミラーデバイスの各マイクロミラーは、前記レーザービーム発生部から発射したレーザービームの光路を選択的に切り替え可能なことを特徴とするレーザービーム処理装置。
2. 前記マイクロミラーデバイスのマイクロミラーは、１つの領域に電圧を加えることにより、２つの位置のうち、１つの位置を選択し、これにより、２つの光路のうち、所望の光路を選択的に切り替え可能なことを特徴とする請求項１に記載のレーザービーム処理装置。
3. 前記マイクロミラーデバイスは、所望の光路選択を半導体スイッチング制御回路によって行うデジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項２に記載のレーザービーム処理装置。
4. 前記マイクロミラーデバイスは、処理しようとする対象物の処理表面の面積に対応するマイクロミラーのうち、一部のマイクロミラーに対してのみ光路を切り替えることにより、処理表面の面積に照射されるレーザービームの出力を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザービーム処理装置。
5. 前記マイクロミラーデバイスは、マイクロミラーの光路切り替え時間を調整することにより、１つのマイクロミラーから照射されるレーザービームの出力を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザービーム処理装置。
6. 前記マイクロミラーデバイスは、マイクロミラーの単位時間当りの光路切り替え回数を制御することにより、処理される表面の処理深さを制御することができることを特徴とする請求項５に記載のレーザービームの処理装置。
7. 前記レーザービーム発生部の光路と別に配置されて、補助光を発生する補助光発生部をさらに備えることにより、処理しようとする対象物の表面を観察可能なことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザービーム処理装置。
8. 前記補助光発生部から出てきた補助光の光路を前記レーザービーム発生部から出てきたレーザービームの光路と同じにするダイクロイックミラーをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のレーザービーム処理装置。

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