JP2012503556A - 微細加工用途のためのレーザビームの後置レンズステアリング - Google Patents
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Abstract
【課題】ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能で、レンズ出力から被加工物へのレーバビームパルス光路を常に一定に維持する集束レンズを提供する。
【解決手段】レーザ微細加工システムが、レーザ光源とレーザビームパルス光路に沿ったビームステアリング機構の間に配設された単一の集束レンズを備えている。集束レンズは、レーザ光源から入射したレーザビームと整列された集束レンズの光軸を有する単一の単一要素球状レンズである。集束レンズは、ビームステアリグ機構よりも被加工物からさらに離れて配設されている。アクティブビーム光路管理システムは、ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して単一の集束レンズを移動させて、ビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で、被加工物面上に焦点を結び続ける。集束レンズは、ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能であり、レンズ出力から被加工物へのレーザビーム光路長を一定に維持する。
【選択図】図1
【解決手段】レーザ微細加工システムが、レーザ光源とレーザビームパルス光路に沿ったビームステアリング機構の間に配設された単一の集束レンズを備えている。集束レンズは、レーザ光源から入射したレーザビームと整列された集束レンズの光軸を有する単一の単一要素球状レンズである。集束レンズは、ビームステアリグ機構よりも被加工物からさらに離れて配設されている。アクティブビーム光路管理システムは、ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して単一の集束レンズを移動させて、ビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で、被加工物面上に焦点を結び続ける。集束レンズは、ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能であり、レンズ出力から被加工物へのレーザビーム光路長を一定に維持する。
【選択図】図1
Description
本発明は、微細加工用途に用いられるレーザビームに関する。
多くのレーザ微細加工システムは、被加工物面上でレーザビームスポットを高速に移動させるために、レーザビームを偏向させる高速ビームステアリング機構(例えば一対の検流計など)を備えている。典型的な実装において、高速ビームステアリング機構によるビームの角度方向偏向は、「エフシータ(f-theta」」レンズ(「テレセントリックレンズ」または「スキャンレンズ」としても知られている)により、被加工物面上の平面移動(planar motion)に変換される。ビームステアリング機構が、レンズの前焦点に配設され、入射ビームが平行にされたとき、光軸に平行でもある収束(converging)(集束(focusing))出力ビームが得られる。多くの場合において、この構成は、光軸に垂直な被加工物面を呈するパーツチャック(part chuck)に結合される。そうであるから、エフシ−タレンズから放射された(集束)ビームは、90度の角度で被加工物面に照射(impact)される。代表的な構成を図2に示す。ここでは、レーザ微細加工システム10aは、ビームステアリング機構16aとエフシ−タ集束レンズ18aを通って、被加工物20a方向に向けてレーザビーム光路14aを方向付けるために配設されたレーザ光源12aを備えている。
レーザ微細加工システムは、ビームステアリング機構と集束レンズを通って、被加工物方向に向けてレーザビームパルス光路を方向付けるために配設されたレーザ光源を備えている。本発明の一実施形態によれば、集束レンズは、レーザ光源と、レーザビームパルス光路に沿ったビームステアリング機構の間に配設された単一の(simple)集束レンズである。他の実施形態において、集束レンズは、レーザ光源から入射したレーザビームと整列された集束レンズの光軸を有する単一の単一要素(single-element)球状レンズである。集束レンズは、ビームステアリング機構よりも被加工物からさらに離れて配設され、レーザ光源を用いた加工時に発生した摩耗粉(debris)による汚染に対する集束レンズの感受性(susceptibility)を低減させる。別の実施形態において、アクティブビーム光路管理システム(active beam path management system)は、ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して単一の集束レンズを移動させ、ビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で、被加工物面上に焦点を結び続ける。集束レンズは、ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能で、レンズ出力から被加工物へのビーム光路長を常に一定に維持する。
本発明の一実施形態において、レーザ微細加工工程は、ビームステアリング機構と集束レンズを通って、被加工物方向に向けてレーザビームパルス光路を方向付けるために配設されたレーザ光源を備えている。この工程は、レーザ光源とレーザビームパルス光路に沿ったビームステアリング機構の間に単一の集束レンズを配設することを含む。別の実施例において、また、この工程は、レーザ光源から入射したレーザビームと整列した光軸を有する単一の単一要素球状集束レンズを配設することを含む。さらに、この工程は、ビームステアリング機構よりも被加工物からさらに離して集束レンズを配設して、レーザ光源を用いて加工時に発生した摩耗粉による汚染に対する集束レンズの感受性を低減させることを含む。別の実施形態において、この工程は、ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して集束レンズを移動させて、アクティブビーム光路管理システムを有するビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で被加工物面上に焦点を結び続ける。集束レンズは、ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能で、レンズ出力から被加工面へのレーム光路長を常に一定に維持する。
添付図面と一緒に以下の説明を読めば、本発明のその他の用途は、当業者に明らかになるだろう。
ここでは、添付図面を参照して説明を行い、複数の図面にわたって、同一参照符号は同一部位を示す。
図1について説明する。レーザ微細加工システム10は、ビームステアリング機構16と集束レンズ18を通って、レーザビームパルス光路14を被加工物20方向に向けて方向付けるために配設されたレーザ光源12を備えている。本発明の一実施形態による集束レンズは、レーザ光源12と、被加工物20方向を向いたレーザビームパルス光路14に沿ったビームステアリング機構16との間に配設された単一の集束レンズ(simple focusing lens)18であってもよい。ビームステアリング機構16は、例えば、いわゆる、従来技術において公知の検流計により制御されるビームステアリング光学系を備える「高速」ビームステアリング機構である。被加工物20は、1軸または多軸リニアステージのパーツチャック上に従来方式で支持されており。パーツチャックと一緒に移動する。あるいは、被加工物20を静止、すなわち、パーツチャックの固定位置に載せてもよい。
本発明の一実施形態において、集束レンズは、単一の単一要素球状レンズ18であってもよい。集束レンズ18の少なくともすぐ近くに隣接するレーザ光源12からの集束レンズ18へのレーザビーム入射または光路14は、集束レンズ18の光軸22と常に整列している(in line)。レーザビームパルス光路14は、集束レンズ18を通る光軸22と同軸上に整列する前に、当業者に公知の装置により、レーザ光源12と集束レンズ18との間で方向を変えることができることを認識すべきである。
本発明の一実施形態によれば、集束レンズ18は、レーザ光源12から被加工物20への光路方向と、集束レンズ18とビームステアリング機構16の各々から被加工物20へ直線で測定された方向との双方で、ビームステアリング機構16よりも被加工物20からさらに離れて配設されている。これにより、レーザ光源12を用いて被加工物20上で加工時に発生した摩耗粉による汚染に対する感受性を低減させることができる。ビームステアリング機構16からの出射ビーム26の光路24は、以下に詳述するように、直角以外の角度を含む角度αで、被加工物20の面28に入射できる。
本発明の一実施形態は、アクティブビーム管理システム30も備えることができる。一般的に、ビーム管理システムは、被加工物上の目標位置を知っていて検流計(galvanometers)を制御するコンピュータと、および目標位置のレーザスポットの焦点を合わせるために出射し(firing)、目標位置に焦点が合ったとき、レーザ出射を開始するレーザとを備える。ここで、アクティブビーム管理システム30は、マイクロプロセッサベースのコントローラであり、被加工物18が移動可能であるとき、ビームステアリング機構と被加工物18の位置指示計からの入力を受け取り、レーザ光源12、ビームステアリング管理機構17、および設置されている場合には可動ステージ支持被加工物18、および状況に応じて集束レンズ18、に出力を供給するスタンドアローンコンピュータに搭載するのが好ましい。より詳しく言うと、プログラムされた命令が、アクティブビーム管理システム30により実装されて、ビームステアリングシステム16の検流計を制御し、場合によっては、集束レンズ18の位置をも制御して、目標位置にレーザスポットの焦点を合わせ、各目標位置に焦点が合ったとき、レーザ光源12を制御して出射する。
以下に詳述するように、アクティブビーム管理システム30は、ビームステアリング機構16と一緒におよびそれに対して単一の集束レンズ18を移動させ、ビームステアリング機構16により影響を受ける全偏向角αで、被加工物20の面28上に焦点を結び続けることができる。ビームステアリング機構16と一緒に高速に集束レンズ18を移動して、集束レンズ18と被加工物20との間のビーム光路長を常に一定に維持することができる。
本発明の一実施形態によるビームステアリング機構16と集束レンズ18を通って、被加工物20方向に向けてレーザビームパルス光路14を方向付けるために配設されたレーザ光源12を備えるレーザ微細加工工程は、レーザ光源12とレーザビームパルスの光路14に沿ったビームステアリング機構16との間に単一の集束レンズ18を配設することを含む。典型的な構成において、図2において最も良く分かるように、集束レンズ18aは、ビームステアリング機構16aから下流に、またはその後に配設されている。この構成は、エフシータレンズ18aを要求している。図1に示す構成により、単一の集束レンズ18を単一の単一要素球状レンズ18にすることができる。また、典型的な構成と比較したとき、この構成により、集束レンズのコストをかなり低減させることができる。図1に示すように、ビームステアリング機構16よりも被加工物からさらに離して集束レンズ18を配設することで、上述したように、摩耗粉による汚染に対する集束レンズ18の感受性を低減させる。
この工程は、一般に、レーザ光源12から集束レンズ18に入射したレーザビームパルス光路14を、集束レンズ18の光軸22と常に整列させることを含む。集束レンズ18への入射に先立ち、光軸22と同軸上に整列する前に、当業者に公知の装置により、レーザ光源12と集束レンズ18との間で、レーザビームパルス光路14を変えることができることを認識すべきである。
この工程は、直角(つまり、90度)以外の角度を含む角度αで、ビームステアリング機構16からの出力ビーム26光路24を被加工物20の面28に入射させることを含むことができる。すなわち、図2に示すシステム10aにおいて、ビームステアリング機構16aと被加工物20aとの間にエフシータレンズ18aを設けることで、光軸22aとほぼ平行なビームを、ほぼ直角に、被加工物20a面に接触させることができる。しかしながら、図1に示すシステム10において、アクティブビーム管理システム30により、被加工物18上の目標位置にビームステアリング機構16の検流計を移動させると、角度αだけ、直角からオフセットされた(ビームステアリング機構16と接触面28からそれた)光路24を有する出力ビーム26を出射することになる。
その結果として、何の追加調整をすることなしには、集束レンズ18から面28への全ビーム光路が△zだけ長くなるだろう。単一の集束レンズ18が、ビームステアリング機構16と一緒におよびそれに対して移動して、アクティブビーム光路管理システム30を有するビームステアリング機構16により影響を受ける、全偏向角αで、被加工物20の面28上に焦点を結び続けることができる。この工程は、ビームステアリング機構16と一緒に集束レンズ18を高速に移動させて、集束レンズ18と被加工物20の間のビーム光路長を常に一定に維持することを含むことができる。角度αが増加するにつれて、△zが増加し、ビーム光路長を一定に維持するように、同様の量だけ、ビームステアリング機構16のもっと近くに集束レンズ18を移動させる。
本発明の一実施形態において、レーザ微細加工システム10用のビーム集束/ステアリング機構が用いられ、ここで、集束レンズ18が、ビームステアリング機構16に前置している。上記の手法により、標準的な構成と比較して利点がある。第1に、集束レンズ18への入射ビームを、集束レンズ18の光軸と常に整列させることができる。従って、単一の単一要素球状レンズ18は、この構成において十分である。このことは、図2に示す構成よりも一層好ましい。図2では、集束レンズ18aが、著しく複雑で(つまり、複数のレンズ要素)、より高価であるエフシータレンズ18aでなければならない。第2に、図1に示す構成は、集束レンズ18を被加工物20からさらに離れさせているために、加工作業時に発生した摩耗粉による汚染に対する集束レンズ18の感受性を低減させる。
図1に示す光学構成は、レーザ微細加工システム(単一の集束レンズにより前置されたビームステアリング機構)のビームステアリングまたは焦点検出光学系を示す。図1は、集束レンズ18を△zだけ位置を変えて、ビームステアリング機構16により影響を受けた全偏向角αで、被加工物28上に焦点を結び続けることができることを示している。用途要件と、ビーム偏向αの結果としてどの程度ビーム光路24を△zだけ変更するかとに応じて、アクティブビーム光路管理システム30が必要であるか、または必要でないかもしれない。つまり、用途と角度αに応じて、集束ビーム18の位置を調整することが必要であるか、または必要でないかもしれない。角度αを小さな値にすることで、角度△zが、目標点での加工作業に悪影響を与えるのに十分に大きさになる可能性をより低くする。特に、被加工物20が、固定されている場合には、集束レンズ18の位置を調整することなしには、角度αは、目標点での加工作業に悪影響を与えるのに十分な大きさになることがある。
上記で分かったように、この設計にはある欠点がある。第1に、図1に示す設計において、ビームステアリング機構16からの出力ビーム26は、常に直角で被加工物28に照射されるわけではない。用途要件に応じて、これは容認し得るか、または容認し得ないかもしれない。ビームステアリングの結果として、被加工物20上の所望のスポットサイズ移動に比較したとき、ビームステアリング機構16と被加工物20との間の距離が、明らかに長いこれらの場合において、この入射角の変化(垂直から)は、かなり小さい。第2に、集束レンズ18の湾曲焦点面の被加工物20の面28に対する不一致が、この特定の場合においても同様に問題である。図1に示す設計は、集束レンズ18をビームステアリング機構16のビームステアリング光学系と一緒に△zだけ移動させて、集束レンズ18から被加工物20へのビーム光路長を常に一定に維持できる。ビーム光路24のこのようなアクティブ管理は、集束レンズ18を高速に移動させる機能を要求する。これにより、図2に示す大きな複数要素のエフシータレンズ18aと対照的に、この設計において、移動している要素が小さな単一要素集束レンズ18であることが可能になる。
図2に示すように、エフシータレンズ18aが後置されたビームステアリング機構16aを必要とする標準的な光学構成は、高価であり、場合によっては、エフシータレンズ18a自体の複雑さによって実施するのが困難な解決策である。この複雑さは、2つの主たる理由によるものである。第1に、レンズ18aの前にビームステアリング機構16aが存在することは、レンズ18aへの入射ビーム32aが、必ずしも光軸22aに沿っていないことを示している。レンズ18aへの入射ビーム32aの入射角は、加工作業時に、リアルタイムで変化しやすい。第2に、たいてい、被加工物20は比較的平坦であり、一方、標準的な球状集束レンズの後焦点面は湾曲しているだろう。光軸22aに平行でない入射ビーム32aを調節し、基本的に平坦な被加工物20(または、そのサブ領域)上に焦点を結び続ける必要性により、通常、複雑な複数のレンズ設計を要求する。そうであるから、エフシータレンズ18aは、光学特性と物理的配置(複数の要素構成内)とが、非常に注意深く最適化され、さもなければ、上掲した2つの問題に起因するであろう収差が低減される多数のレンズを備える。
上記で概説した根本的な設計課題の結果として、エフシータレンズ18aは、一般に複雑で、比較的大きく、製造が困難で、高価である。
これらのレンズ18aが、たいてい、一連の光学部品において非常に長持ちする、つまりこれらのレンズ18aが、被加工物20aに対して物理的に近接しているため、加工作業時に発生した摩耗粉による汚染に対してより感受性があることを了解したときに、このコスト問題は、より一層重要になる。言うまでもなく、上記の高価な要素を定期的に交換しなければならないので、システム10aを所有するコストに大きな影響がある。
これらのレンズ18aが、たいてい、一連の光学部品において非常に長持ちする、つまりこれらのレンズ18aが、被加工物20aに対して物理的に近接しているため、加工作業時に発生した摩耗粉による汚染に対してより感受性があることを了解したときに、このコスト問題は、より一層重要になる。言うまでもなく、上記の高価な要素を定期的に交換しなければならないので、システム10aを所有するコストに大きな影響がある。
後置(post)ビームステアリングエフシータレンズ18aを前置(pre)ビームステアリング標準レンズ18で置き換えれば、この第1の問題はただちに解決される。上記のレンズ18への入射ビーム光路14が固定されているため、レンズ18の光軸22と常に整列できる。またさらに、上記のレンズ18は、通常、被加工物20からさらに離れて配設されているので、摩耗粉による汚染問題に影響されやすくはない。たとえレンズ18が汚染の対象となっても、少なくとも、部品自体がエフシータレンズ18aよりも1桁安価であろうから、上記の部品を定期的に交換することは、容認可能なメンテナンス方法であろう。
平坦な被加工物20上に焦点を結び続ける問題に関しては、以下が適用される。ビームステアリング移動によりスキャンする必要がある被加工物20領域が、レンズ18の焦点距離と比較して十分に小さい場合、結果として生じたスポットサイズの変化は、確実に無視できるおよび/または当該用途に重要でないかもしれない。さもなければ、上記で概説したアクティブビーム管理システム30を用いて、この問題の影響を軽減できる。
ある実施形態に関して本発明を説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されず、むしろ、添付したクレームの範囲内に包含される各種変更例および等価な構成を網羅することを意図していることを理解されたい。このクレームの範囲は、法により許容された上記の変更例と等価な構成を含むように最も広い解釈に一致する。
Claims (13)
- ビームステアリング機構を通って、被加工物方向に向けてレーザビームパルス光路を方向付けるために配設されたレーザ光源を含むレーザ微細加工システムであって、
前記レーザ光源と前記レーザビームパルス光路に沿った前記ビームステアリング機構との間に配設された単一の集束レンズを備えることを特徴とするレーザ微細加工システム。 - 前記ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して前記単一の集束レンズを移動させて、前記ビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で、前記被加工物面上に焦点を結び続けるアクティブビーム光路管理システムをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のレーザ微細加工システム。
- 前記1枚の集束レンズは、単一の単一要素球状レンズであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ微細加工システム。
- 前記レーザ光源から前記単一の集束レンズに入射した前記レーザビームパルス光路は、前記単一の集束レンズの光軸と常に整列していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ微細加工システム。
- 前記単一の集束レンズは、前記ビームステアリング機構よりも前記被加工物からさらに離れて配設され、これにより前記レーザ光源を用いて加工作業時に発生した摩耗粉による汚染に対する感受性を低減させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ微細加工システム。
- 前記ビームステアリング機構からの出力レーザビームパルス光路は、直角以外の角度を含む角度で、前記被加工物面に入射することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ微細加工システム。
- 前記単一の集束レンズは、前記ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能であり、前記単一の集束レンズから前記被加工物に出射される前記レーザビームパルス光路長を常に一定に維持することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ微細加工システム。
- ビームステアリング機構を通って、被加工物方向に向けてレーザビームパルス光路を方向付けるために設設されたレーザ光源を含むレーザ微細加工方法であって、
前記レーザ光源と前記ビームステアリング機構との間に配設された単一の集束レンズを通過するように前記レーザビームパルスを方向付けることを特徴とするレーザ微細加工方法。 - 前記ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して前記単一の集束レンズを移動させて、アクティブビーム光路管理システムを有する前記ビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で、前記被加工物面上に焦点を結び続けることをさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のレーザ微細加工方法。
- 前記集束レンズが、単一の単一要素球状レンズであることを特徴とする請求項8または請求項9に記載のレーザ微細加工方法。
- 前記レーザ光源から前記単一の集束レンズに入射する前記レーザビームパルス光路を、前記単一の集束レンズの光軸と整列させることをさらに含むことを特徴とする請求項8または請求項9に記載のレーザ微細加工方法。
- 直角以外の角度を含む角度で、前記ビームステアリング機構からの出力ビーム光路を前記被加工物面に入射させることをさらに含むことを特徴とする請求項8または請求項9に記載のレーザ微細加工方法。
- 前記ビームステアリング機構と一緒に前記単一の集束レンズを高速に移動させて、前記単一の集束レンズから前記被加工物への前記レーザビームパルス光路長を常に一定に維持することをさらに含むことを特徴とする請求項8または請求項9に記載のレーザ微細加工方法。
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