JP2013119106A - レーザ加工装置、レーザ加工方法及びインクジェットヘッド基板 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振器の繰り返し周波数を一定のまま、被加工物の表面に所定の間隔でパルスレーザ光を照射することを可能とし、かつレーザ加工の高精度化を図る。
【解決手段】レーザ加工装置１００は、一定の繰り返し周波数でパルスレーザ光を出射するレーザ発振器４と、レーザ発振器４により出射されたパルスレーザ光をパルス単位で遮断又は透過させるレーザ照射制御機構７と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、レーザ照射制御機構７におけるパルスレーザ光の遮断／透過の切り替えを制御する制御装置８を備えている。制御装置８は、被加工物の表面におけるパルスレーザ光２の走査速度から、被加工物の表面に所定の間隔でパルスレーザ光２を照射するのに必要なパルスレーザ光の照射周期を求める。そして、制御装置８は、求めた照射周期でパルスレーザ光が被加工物表面に照射されるようにレーザ照射制御機構７を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルスレーザ光を走査して照射位置を移動させながら被加工物の表面にレーザ加工を施すレーザ加工装置、レーザ加工方法及びレーザ加工方法によりレーザ加工されたインクジェットヘッド基板に関するものである。

従来、レーザ発振器から出力されたパルスレーザ光をステージやガルバノスキャナなどを用いて被加工物に相対的に移動させ加工を行うレーザ加工装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載されているレーザ加工装置は、レーザ発振器と加工ヘッドとＸＹステージと制御機構とによって構成されている。このレーザ加工装置は、被加工物がＸＹステージの上に積載され、被加工物をＸＹステージによって移動させることで加工位置を走査するものである。

また、レーザ発振器の繰り返し周波数を被加工物の走行速度の信号に応じて変更することにより、走行速度が変化しても均一なピッチでレーザ照射する方法が提案されている（特許文献２参照）。

ところで、近年、被加工物のレーザ加工において、高い加工精度が要求されるようになってきている。例えば、インクジェットヘッド基板を製造する過程において、被加工物としての基板にパルスレーザ光により溝等を形成する場合があるが、このようなレーザ加工においては高い加工精度が要求されている。

特開平５−８０７２号公報 特開昭６１−２０６８６号公報

しかし、被加工物にレーザ加工を施す際に、パルスレーザ光の走査速度が常に一定であるとは限らず、パルスレーザ光の走査速度を所定の速度よりも低い速度に減速することがある。例えば、被加工物における加工中央部では一定の走査速度でレーザ光を走査させるが、被加工物の加工端部では、レーザ光の走査速度を減速させる。

このように走査速度を減速した場合、上記特許文献１に記載のレーザ加工装置では、一定の照射周波数のパルスレーザ光が被加工物の表面に照射されるので、その部分のパルスレーザ光の照射密度が、減速せずにレーザ加工した部分に比べて高くなる。その結果、照射密度の高い部分の加工量が他の部分の加工量よりも多くなり、加工精度が低下するという問題があった。

そこで、上記特許文献２のように、走査速度に応じてレーザ発振器の繰り返し周波数を変更することも考えられる。しかし、この特許文献２のレーザ加工装置では、パルスレーザ光を被加工物の表面において一定のピッチで照射することは可能であるが、レーザ発振器の繰り返し周波数を変化させた場合、パルスによって励起時間が異なるため、パルスエネルギーが変動してしまう。したがって、加工精度がパルスエネルギーに敏感に影響されるような場合、所望の加工精度を得ることは困難であった。

そこで、本発明は、レーザ発振器の繰り返し周波数を一定のまま、所定の間隔でパルスレーザ光を照射することができ、所望の加工を高精度に行うことができるレーザ加工装置、レーザ加工方法を提供することを目的とするものである。また、該レーザ加工方法によりレーザ加工されたインクジェットヘッド基板を提供することを目的とするものである。

本発明のレーザ加工装置は、一定の繰り返し周波数でパルスレーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器により出射されたパルスレーザ光をパルス単位で遮断又は透過させるレーザ光遮断／透過機構と、前記レーザ光遮断／透過機構を透過したパルスレーザ光の照射点を走査する走査部と、パルスレーザ光の照射点の走査速度から、被加工物の表面に所定の間隔でパルスレーザ光を照射するのに必要なパルスレーザ光の照射周期を求め、この求めた前記照射周期でパルスレーザ光が前記被加工物の表面に照射されるように前記レーザ光遮断／透過機構におけるパルスレーザ光の遮断／透過の切り替えを制御する制御部と、を備えた、ことを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工方法は、一定の繰り返し周波数でパルスレーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器により出射されたパルスレーザ光をパルス単位で遮断又は透過させるレーザ光遮断／透過機構と、前記レーザ光遮断／透過機構を透過したパルスレーザ光の照射点を走査する走査部とを用い、被加工物の表面にレーザ加工を施すレーザ加工方法において、パルスレーザ光の走査速度から、前記被加工物の表面に所定の間隔でパルスレーザ光を照射するのに必要なパルスレーザ光の照射周期を求めるステップと、この求めた前記照射周期でパルスレーザ光が前記被加工物の表面に照射されるように前記レーザ光遮断／透過機構におけるパルスレーザ光の遮断／透過を切り替えるステップと、を備えた、ことを特徴とする。

本発明によれば、レーザ発振器の繰り返し周波数を一定のまま、被加工物の表面に照射するパルスレーザ光の照射周期を、パルスレーザ光の走査速度の変化に応じてレーザ光遮断／透過機構におけるパルスレーザ光の遮断／透過を切り替えることで変更している。このように、レーザ発振器の繰り返し周波数を一定としているので、１パルス当たりのパルスレーザ光のエネルギーが安定する。そして、エネルギーが安定したパルスレーザ光の照射点を被加工物の表面に所定の間隔で照射することができるので、被加工物の表面の加工部分に照射されるパルスレーザ光の照射密度のばらつきを低減することができ、所望のレーザ加工を高精度に行うことができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す説明図である。 レーザ照射制御機構の概略構成を示す説明図であり、（ａ）はレーザ照射制御機構が音響光学素子を有する場合の図、（ｂ）はレーザ照射制御機構が電気光学素子を有する場合の図である。 レーザ加工装置の制御装置の制御動作を示すフローチャートである。 レーザ照射制御機構を透過したパルスレーザ光を示す説明図である。（ａ）はレーザ発振器の繰り返し周波数のままパルスレーザ光を透過させた場合の図、（ｂ）はレーザ発振器の繰り返し周波数の１／２の照射周波数でパルスレーザ光を透過させた場合の図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す説明図である。図１に示すレーザ加工装置１００は、被加工物である基板１にパルスレーザ光を集光して、穴や溝の形成、切断加工、スポット溶接などの加工を行うものである。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器４と、レーザ光遮断／透過機構であるレーザ照射制御機構７と、ガルバノスキャナ６と、集光レンズ３と、Ｘ−Ｙステージ５と、制御部としての制御装置８とを備えている。基板１は、Ｘ−Ｙステージ５上に載置される。

なお、図１中Ｘ方向は、基板１の集光レンズ３側の面または集光レンズ３側と対抗する面に対して平行方向である。Ｚ方向は、基板１の集光レンズ３側の面または集光レンズ３側と対抗する面の法線方向である。あるいはＺ方向は、基板１と集光レンズ３とが対向する方向ともいうことができる。Ｙ方向は、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向である。

レーザ発振器４は、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、エキシマレーザなどが用いられる。このレーザ発振器４は、パルスレーザ発振器であり、制御装置８により繰り返し周波数が設定される。レーザ発振器４は、設定された繰り返し周波数でパルス発振し、その繰り返し周波数のパルスレーザ光２を出射する。この繰り返し周波数はパルスの周波数である。本実施形態では、繰り返し周波数は、一定の周波数（例えば１００ｋＨｚ）に設定されている。

レーザ照射制御機構７には、レーザ発振器４から出射されたパルスレーザ光２が入射される。レーザ照射制御機構７は、制御装置８からの制御指令の入力を受け、入力した制御指令に基づいて、入射したパルスレーザ光２を１パルス単位で遮断又は透過させる。

詳述すると、レーザ照射制御機構７は、図２（ａ）に示すように、音響光学素子７ａ、ビームダンパー７ｂを有している。更に、レーザ照射制御機構７は、反射ミラー７ｃを有している。音響光学素子７ａの音響光学効果によりレーザ光路を変化させて反射ミラー７ｃを介してパルスレーザ光２をガルバノスキャナ６に透過させるか、もしくはビームダンパー７ｂに照射させ遮断するかを切り替える。ここで音響光学素子７ａは、レーザ発振器４により発振されるパルスレーザ光２の繰り返し周波数よりも早い応答速度を持つものを選択する。これにより、パルスレーザ光２をガルバノスキャナ６に透過させるか、もしくはビームダンパー７ｂに照射させ遮断するか、１パルス単位で決めることができる。

また、レーザ照射制御機構７は、図２（ｂ）に示すように、電気光学素子７ｄ、偏光ビームスプリッタ７ｅ及びビームダンパー７ｂで構成することもできる。ここで電気光学素子７ｄは、レーザ発振器４により発振されるパルスレーザ光２の繰り返し周波数よりも早い応答速度を持つものを選択する。この構成の場合、パルスレーザ光２は電気光学素子７ｄで偏光の向きを変えることができ、Ｐ偏光もしくはＳ偏光の電気光学素子７ｄ透過後のパルスレーザ光２を選択的に出す。その後、Ｐ偏光をほぼ全透過、Ｓ偏光をほぼ全反射の光学特性を持つ偏光ビームスプリッタ７ｅでパルスレーザ光２を偏光の向きに応じて透過、もしくは反射させる。

集光レンズ３は、レーザ照射制御機構７及びガルバノスキャナ６を透過したパルスレーザ光２を、基板１の表面に集光させる。

ガルバノスキャナ６には、レーザ照射制御機構７を透過したパルスレーザ光２が入射される。そして、ガルバノスキャナ６は、後段に配置されている集光レンズ３を介して基板１の表面にパルスレーザ光２を照射する。このガルバノスキャナ６は、集光レンズ３を通過したパルスレーザ光２の照射点（スポット）を基板１の表面に沿って走査する不図示の一対のガルバノミラーで構成されている。また、ガルバノスキャナ６は、集光レンズ３を通過したパルスレーザ光２の照射点の基板１の表面での走査速度に対応する信号を発生する不図示の信号発生手段を有する。

基板１は、その表面が集光レンズ３の軸に対して垂直になるようにＸ−Ｙステージ５に搭載されている。Ｘ−Ｙステージ５は、基板１をＸ―Ｙ方向に自在に移動させる。また、Ｘ−Ｙステージ５は、基板１の移動速度に応じた信号を発生する不図示の信号発生手段を有する。

本実施形態では、ガルバノスキャナ６に加え、Ｘ−Ｙステージ５を移動させることで、レーザ光の照射点を基板１の表面に沿って走査することができる。つまり、ガルバノスキャナ６が、パルスレーザ光２の照射点をＸ−Ｙ方向に走査するとともに、Ｘ−Ｙステージ５が、被加工物である基板１をＸ−Ｙ方向に移動させる。これにより、パルスレーザ光２と基板１とが相対的にＸ−Ｙ方向に移動され、レーザ照射制御機構７を透過したパルスレーザ光２が基板１の表面を走査することになる。

なお、本実施形態では、ガルバノスキャナ６及びＸ−Ｙステージ５によりパルスレーザ光２を基板１の表面に沿って走査する場合について説明したが、ガルバノスキャナ６のみでパルスレーザ光２を走査する場合であってもよい。また、Ｘ−Ｙステージ５のみでパルスレーザ光２を走査する場合であってもよい。つまり、本実施形態では、ガルバノスキャナ６及びＸ−Ｙステージ５の両方が走査部として機能するが、ガルバノスキャナ６及びＸ−Ｙステージ５のうちいずれか一方が走査部として機能するようにしてもよい。この場合、ガルバノスキャナ６及びＸ−Ｙステージ５のうち他方は省略することが可能である。

制御装置８は、ガルバノスキャナ６の走査速度に応じた信号、及び基板１の移動速度に応じた信号のうち、いずれか一方の信号又は両方の信号を取得して、基板１の表面に対するパルスレーザ光２の照射点の走査速度を求める。そして、制御装置８は、走査速度に応じて、レーザ照射制御機構７におけるパルスレーザ光２の遮断／透過の切り替えを制御する。つまり、制御装置８は、パルスレーザ光２の遮断／透過の指令である制御指令をレーザ照射制御機構７に出力する。

次に、再び図１を用いて、レーザ加工装置１００によるインクジェットヘッド基板に先導溝を形成するレーザ加工工程の一例を説明する。

インクジェットヘッド基板の先導溝とは、レーザ加工工程の後工程の異方性エッチングの際にエッチング液を進入させ、異方性エッチングの時間を短縮し、インク供給口の幅をより小さくするためのものである。

この先導溝をレーザ光で形成するためにまずレーザ発振器４から一定の繰り返し周波数のパルスレーザ光２を出射させる。ここでは、レーザ発振器４はナノ秒ＹＡＧレーザで、波長３５５ｎｍ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、出力１０Ｗの直線偏光のパルスレーザ光２を発振する。

レーザ発振器４は、一定の繰り返し周波数でパルス発振させるため、励起時間のバラツキが生じず、繰り返し周波数を可変した場合よりもレーザ光出力安定性で優れる。レーザ発振器４から出射されたパルスレーザ光２はレーザ照射制御機構７に導かれる。

レーザ照射制御機構７は、音響光学素子７ａ及びビームダンパー７ｂを有する場合、音響光学素子７ａはレーザ光２の繰り返し周波数より早い応答速度、例えば１ＭＨｚの応答速度を持つものを選択する。またレーザ照射制御機構７は、電気光学素子７ｄ、偏光ビームスプリッタ７ｅ及びビームダンパー７ｂを有する場合、電気光学素子７ｄはレーザ光２の繰り返し周波数より早い応答速度、例えば１ＭＨｚの応答速度を持つものを選択する。これによりレーザ光２をガルバノスキャナ６に透過させるか、もしくはビームダンパー７ｂに照射させ遮断するか１パルス単位で決めることができる。レーザ照射制御機構７を透過したパルスレーザ光２は、ガルバノスキャナ６に導かれ、集光レンズ３を経て基板１の表面に照射される。

レーザ照射制御機構７は、１パルス単位でパルスレーザ光２の遮断／透過の切り替えを行うことができるため、レーザ発振器４の繰り返し周波数以下の照射周波数で、基板１にパルスレーザ光２を照射することができる。例えば繰り返し周波数が１００ｋＨｚのパルスレーザ光２を、レーザ照射制御機構７で１パルス毎に交互に遮断と透過との切り替えを行えば、レーザ照射制御機構７を透過したパルスレーザ光２の照射周波数は５０ｋＨｚとなる。さらにレーザ照射制御機構７では、制御装置８による遮断／透過の切り替え制御により、基板１への加工の実行と停止を行うことができる。

基板１は、結晶面（１００）シリコンのインクジェットヘッド基板である。基板１には、ヒータや電気配線、耐エッチング性を有するエッチングストップ層、エッチング保護膜など、インクを吐出するための機構や本実施形態のレーザ加工工程後のエッチング工程のための機構などが形成されている。また、基板１の厚みとしては７２５μｍ程度に形成されている。

この基板１に対して、所望の先導溝の形状になるまで照射する。先導溝の形状は後工程の異方性エッチングの際にエッチング液を進入させ、異方性エッチングの時間を短縮し、インク供給口の幅をより小さくするために、幅５〜１００μｍが好ましい。また深さは基板１として７２５μｍの厚さのものを用いた場合、６００〜７１０μｍが好ましい。また溝の長さはインジェットヘッドの大きさにより異なるがおおよそ５〜５０ｍｍである。

レーザ照射制御機構７によって透過したパルスレーザ光２はガルバノスキャナ６を通過し集光レンズ３を通過して基板１に集光される。基板１に集光されたパルスレーザ光２は、Ｘ−Ｙステージ５又はガルバノスキャナ６、もしくはその両方によって基板１に走査され、集光点（照射点）で加工が行われる。

ここで、パルスレーザ光２の走査速度は必ずしも一定ではなく、例えばＸ−Ｙステージ５やガルバノスキャナ６の減速時などで所定の速度よりも遅い部分がある。

仮に、一定の照射周波数のパルスレーザ光２が基板１に照射された場合、速度の速い部分に比べ速度の遅い部分でパルスレーザ光２の照射密度が高くなり、加工量の差、特に加工深さに差を生じることとなる。

そこで、本実施形態では、制御装置８は、基板１の表面におけるパルスレーザ光２の走査速度に応じて、レーザ照射制御機構７におけるパルスレーザ光２の遮断／透過の切り替え制御を行う。以下、この制御装置８の制御動作について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、制御装置８は、Ｘ−Ｙステージ５の移動速度の情報をＸ−Ｙステージ５から信号として受信すると共に、ガルバノスキャナ６の走査速度の情報をガルバノスキャナ６から信号として受信する（Ｓ１）。

制御装置８は、これら受信結果に基づいて、基板１に対するパルスレーザ光２の走査速度ｖを求める（Ｓ２）。

そして、制御装置８は、ステップＳ２で求めた、基板１の表面におけるパルスレーザ光２の走査速度ｖのデータを用いて、基板１の表面に所定の間隔ｄでパルスレーザ光を照射するのに必要なパルスレーザ光の照射周期Ｔを求める（Ｓ３）。

詳述すると、制御装置８は、Ｔ＝ｄ／ｖの関係式に基づき、予め設定されている所定の間隔ｄのデータ及び求めた走査速度ｖのデータから、パルスレーザ光の照射周期Ｔを求める。なお、予め、Ｔ＝ｄ／ｖの演算結果をテーブルデータとして不図示のメモリに格納しておき、制御装置８が、求めた走査速度ｖのデータから、テーブルデータを参照して照射周期Ｔを求めてもよい。

また、ｆ＝ｖ／ｄの関係から、パルスレーザ光の照射周波数ｆを求めてもよい。つまり、パルスレーザ光の照射周期Ｔの逆数はパルスレーザ光の照射周波数ｆであるので、照射周波数ｆを求めることは、照射周期Ｔを求めていることと同じである。その際、関係式に代入して照射周波数ｆを求めてもよいし、テーブルデータに基づいて照射周波数ｆを求めてもよい。

以上のように制御装置８は、照射周期Ｔを決定する。そして、制御装置８は、求めた照射周期Ｔに基づく制御指令をレーザ照射制御機構７に出力することで、照射周期Ｔでパルスレーザ光が基板１の表面に照射されるようにレーザ照射制御機構７におけるパルスレーザ光の遮断／透過の切り替えを制御する（Ｓ４）。

なお、走査速度が一定の所定速度、つまり最大の速度となる条件のとき、基板１に照射されるパルスレーザ光２の照射周波数ｆがレーザ発振器４の繰り返し周波数となるように設定されている。例えば、走査速度が所定速度の場合は、図４（ａ）に示すように、パルスレーザ光２を間引かずにそのまま１００ｋＨｚの照射周波数、即ち１０μｓの照射周期でパルスレーザ光２を基板１の表面に照射するように制御する。走査速度が所定速度の１／２の速度になる場合は、図４（ｂ）に示すように２パルス毎に１パルス間引き、レーザ発振器４の繰り返し周波数の１／２である５０Ｈｚの照射周波数、即ち２０μｓの照射周期でパルスレーザ光２を基板１の表面に照射するように制御する。

この制御により速度の遅い部分におけるパルスレーザ光２のパルスを間引くことで、レーザ光２の照射密度のバラツキを低減することができる。これによりレーザ発振器４の繰り返し周波数を一定のまま、走査速度が変化する場合においても、より均一な加工となる。

このパルスレーザ光２を所定速度１００ｍｍ／ｓｅｃで基板１の表面に沿って走査し、基板１に所望の加工が完了するまで行い、インクジェットヘッド基板１の先導溝の加工終了となる。

溝の幅３０μｍ、溝の長さ２０ｍｍの加工を行ったところ、溝深さは６００〜７００μｍの範囲となり、インクジェットヘッド基板１の先導溝として好ましい形状を得ることができた。また比較のため、レーザ照射制御機構７で速度に応じた遮断と透過の制御を行なわず、幅３０μｍ、溝の長さ２０ｍｍの加工を実施した。その結果、溝深さは６００〜７２５μｍ（基板を貫通）となりインクジェットヘッド基板の先導溝として好ましい形状を得ることが出来なかった。

以上、本実施形態によれば、レーザ発振器４の繰り返し周波数を一定としている。そして、制御装置８が、基板１の表面に照射するパルスレーザ光２の照射周期Ｔを、パルスレーザ光２の走査速度の変化に応じて、レーザ照射制御機構７におけるパルスレーザ光２の遮断／透過の切り替えを制御することで変更している。このように、レーザ発振器４の繰り返し周波数を一定としているので、１パルス当たりのパルスレーザ光２のエネルギーが安定する。そして、エネルギーが安定したパルスレーザ光２を基板１の表面に所定の間隔ｄで照射することができるので、基板１の表面の加工部分に照射されるパルスレーザ光２の照射密度のばらつきを低減することができ、所望のレーザ加工を高精度に行うことができる。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

上記実施形態では、基板１がインクジェットヘッド基板の場合について述べたが、基板１はインクジェットヘッド基板に限らず、他の半導体材料基板や、ガラス基板、回路基板などの加工にも使用することも可能である。また加工は先導溝のような溝加工に限らず、改質、接合などの加工をより均一に行うことも可能である。また具体的な適用先としてはインクジェットヘッドの先導溝加工に限らず、例えば回路基板の加工や太陽電池基板のスクライビング、抵抗素子のトリミング、電池ケースの封止溶接などがある。

１…基板（被加工物）、２…パルスレーザ光、４…レーザ発振器、５…Ｘ−Ｙステージ（走査部）、６…ガルバノスキャナ（走査部）、７…レーザ照射制御機構（レーザ光遮断／透過機構）、８…制御装置（制御部）、１００…レーザ加工装置

Claims (3)

1. 一定の繰り返し周波数でパルスレーザ光を出射するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器により出射されたパルスレーザ光をパルス単位で遮断又は透過させるレーザ光遮断／透過機構と、
   前記レーザ光遮断／透過機構を透過したパルスレーザ光の照射点を走査する走査部と、
   パルスレーザ光の照射点の走査速度から、被加工物の表面に所定の間隔でパルスレーザ光を照射するのに必要なパルスレーザ光の照射周期を求め、この求めた前記照射周期でパルスレーザ光が前記被加工物の表面に照射されるように前記レーザ光遮断／透過機構におけるパルスレーザ光の遮断／透過の切り替えを制御する制御部と、を備えた、
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 一定の繰り返し周波数でパルスレーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器により出射されたパルスレーザ光をパルス単位で遮断又は透過させるレーザ光遮断／透過機構と、前記レーザ光遮断／透過機構を透過したパルスレーザ光の照射点を走査する走査部とを用い、被加工物の表面にレーザ加工を施すレーザ加工方法において、
   パルスレーザ光の走査速度から、前記被加工物の表面に所定の間隔でパルスレーザ光を照射するのに必要なパルスレーザ光の照射周期を求めるステップと、
   この求めた前記照射周期でパルスレーザ光が前記被加工物の表面に照射されるように前記レーザ光遮断／透過機構におけるパルスレーザ光の遮断／透過を切り替えるステップと、を備えた、
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
3. 請求項２に記載のレーザ加工方法によりレーザ加工されたインクジェットヘッド基板。

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