JP2020116599A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工速度を速くしたり変えたりしても、加工不良の部位の発生を防止または低減させることができる、レーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供すること。【解決手段】 薄膜が形成されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該薄膜を加工するレーザ加工装置およびレーザ加工方法において、レーザビームを出射するレーザ発振器と、レーザビームを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポットを生成させる位相変調器と、位相変調器を通過させたレーザビームを集光させる集光レンズとを用い、ワークの厚み方向に焦点位置の異なる複数のビームスポットを連続的に配置させたビームスポット群を、薄膜の表面位置を含むように照射して当該薄膜を加工する。【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜が形成されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該薄膜を加工する、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

金属、樹脂、ガラス、或いはこれらの表面や内面に成膜された薄膜にレーザビームを照射し、アブレーション（蒸散ともいう）や改質加工により、アライメントマークや識別コードなど、所定のマーキングパターン等を形成したり、配線の切断や所定領域の除去加工等を行う技術が知られている。

そして、アブレーション加工では、レーザ発振器から出射されたレーザビームを集光レンズにて集光させ、エネルギー密度の高いビームスポットを形成して加工対象となる薄膜をアブレーションさせている。

このとき、ワーク表面がうねっていても、ビームスポットの焦点位置がワーク表面に倣うように、焦点位置を調節しながらアブレーション加工する技術（いわゆる、倣い制御）が知られている。（例えば、特許文献１，２）

特開２００８−７３６９９号公報 特開２００８−１１９７１８号公報

しかし、実際に倣い制御を行う場合、加工速度を速くしたり変えたりすると、応答遅れなどの影響で焦点位置がずれてしまい、加工不良の部位が発生するおそれがある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、加工速度を速くしたり変えたりしても、加工不良の部位の発生を防止または低減させることができる、レーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的としている。

以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
薄膜が形成されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該薄膜を加工するレーザ加工装置において、
レーザビームを出射するレーザ発振器と、
レーザビームを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポットを生成させる位相変調器と、
位相変調器を通過させたレーザビームを集光させる集光レンズと、
ワークの厚み方向に直交する方向に、当該ワークとレーザビームとの相対位置を移動させる相対移動部とを備え、
ワークの厚み方向に焦点位置の異なる複数のビームスポットを連続的に配置させたビームスポット群が薄膜の表面位置を含むように、位相変調器にホログラムパターンを表示させて、当該薄膜を加工する制御部を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る別の一態様は、
薄膜が形成されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該薄膜を加工するレーザ加工方法において、
レーザビームを出射するレーザ発振器と、
レーザビームを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポットを生成させる位相変調器と、
位相変調器を通過させたレーザビームを集光させる集光レンズとを用い、
ワークの厚み方向に焦点位置の異なる複数のビームスポットを連続的に配置させたビームスポット群を、薄膜の表面位置を含むように照射して当該薄膜を加工することを特徴とする。

上記のレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、加工速度を速くしたり変えたりしても、加工不良の部位の発生を防止または低減させることができる。

本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。 本発明を具現化する形態の一例の要部を示す断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。なお、以下の説明では、直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、ＸＹ平面を水平面、Ｚ方向を鉛直方向とする。特に、Ｚ方向は矢印の方向を上、その逆方向を下と表現する。

図１は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。

レーザ加工装置１は、加工対象となる薄膜Ｆが形成されたワークＷにレーザビームＢを集光させたビームスポットを照射して、薄膜Ｆを加工するものである。具体的には、レーザ加工装置１は、ワーク保持部Ｈ、レーザ照射部Ｌ、相対移動部５、制御部９等を備えている。より具体的には、ワークＷに導電性を有する金属の薄膜Ｆが形成されており、レーザ加工装置１にて当該薄膜にレーザビームを照射して所定パターンで除去加工（つまり、アブレーション加工）する例を示す。図中では、除去加工された部位をＦ’で示す。

ワーク保持部Ｈは、ワークＷを保持するものである。
具体的には、ワーク保持部Ｈは、ワークＷを下面側から水平状態を保ちつつ支えるものである。より具体的には、ワーク保持部Ｈは、クランプ機構や負圧吸引手段、静電密着手段等を備え、ワークＷの下面や外縁部等を保持する。

レーザ照射部Ｌは、レーザ発振器２、位相変調器３、集光レンズ４等を備え、レーザ発振器２から出射されたレーザビームＢを、薄膜Ｆの除去加工に足りるエネルギー密度のビームスポット群Ｐに集光させてワークＷに照射するものである。

図２は、本発明を具現化する形態の一例の要部を示す断面図である。図２には、ワークＷに成膜された薄膜Ｆに向けて、ビームスポット群Ｐが照射されている様子（つまり、加工イメージ）が示されている。なお、除去加工された部位はＦ’で示されている。

具体的には、レーザ照射部Ｌは、詳細を後述する制御部９からの制御指令に基づいて、ワークＷの厚み方向に焦点位置の異なる複数のビームスポットＰ１〜Ｐ４を連続的に配置させたビームスポット群Ｐを、薄膜Ｆの表面位置を含むように照射して、薄膜Ｆを加工する。

ビームスポット群Ｐは、複数のビームスポットＰ１〜Ｐ４の中心ないし隣り合うビームスポット（Ｐ１とＰ２、Ｐ２とＰ３、Ｐ３とＰ４）の間でも薄膜Ｆが加工できる程度に、複数のビームスポットＰ１〜Ｐ４を隣接配置したり、オーバーラップ状態で配置したり、離隔配置したり（つまり、連続的に配置）したものである。換言すれば、ビームスポット群Ｐは、よりも光軸方向（Ｚ方向）に１つのビームスポット分よりも加工焦点深度が深い（つまり、加工可能範囲が長い）ビームスポットである。そのため、ビームスポット群Ｐのどこかに薄膜Ｆの表面位置が含まれれば、薄膜Ｆが除去加工される。この様なビームスポット群Ｐと薄膜Ｆとの位置関係は、上述の様な「ビームスポット群Ｐが薄膜Ｆの表面位置を含む」という表現のほか、「ビームスポット群Ｐが薄膜Ｆを貫通する」、「ビームスポット群Ｐが薄膜Ｆを横切る」等とも言う。

より具体的には、レーザ照射部Ｌは、所定のホログラムパターンを表示させた位相変調器３にレーザビームＢを照射し、位相変調器３を通過したレーザビームを集光レンズ４で集光させることで、ビームスポット群Ｐを形成し、薄膜Ｆに向けて照射する。

さらに、ビームスポット群Ｐについて言及すると、後述する相対移動部５にてワークＷとレーザ照射部Ｌとの相対位置を移動させた際に当該ワークＷに形成された薄膜Ｆが厚みｔ方向にうねる範囲Ｒｆが、ビームスポット群Ｐに含まれる。つまり、レーザ照射部Ｌは、薄膜Ｆのうねる範囲Ｒｆが、ビームスポット群Ｐの厚みｔ方向（Ｚ方向）の長さＲｂに含まれるよう、ビームスポット群Ｐを形成し、薄膜Ｆに向けて照射する。

なお、レーザビームＢは、レーザ発振器２から出射されたレーザビームＢ１、位相変調器３を通過したレーザビームＢ２、集光レンズ４を通過したレーザビームＢ３に区別することができるが、これらを総じてレーザビームＢと呼ぶ。

レーザ発振器２は、パルス状のレーザビームを連続的に出射するものである。具体的には、レーザ発振器２は、制御部９から出力されるトリガ信号を受けて、パルス状のレーザビームＢ１を連続的に出射する構成をしている。より具体的には、レーザビームＢ１は、光軸と直交する断面方向に着目すると、円形ないし楕円形状のスポット形状をしており、概ねガウス分布のエネルギー分布（ガウシアンなビームプロファイルとも言う）を有している。

位相変調器３は、レーザビームＢを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポット群Ｐを生成させるものである。具体的には、位相変調器３は、ホログラムパターン表示部を備え、ホログラムパターン生成機能を有するコンピュータや制御部９等により生成された、所定のホログラムパターンを表示させるものである。より具体的には、位相変調器３は、レーザビームＢを通過させる領域の微小区画毎に所定の屈折率を設定して、ホログラムパターンを表示させるものである。

集光レンズ４は、位相変調器３を通過させたレーザビームＢ２を集光させるものである。

なお、ホログラムパターンは、位相変調器３に入射するレーザビームＢ１のビーム径やビームプロファイル、位相変調器３と集光レンズ４との距離、集光レンズ４と薄膜Ｆまでの距離、ビームスポット群Ｐを構成するビームスポットの個数や間隔等に基づいて、予め生成しておく。

なお、レーザ照射部Ｌは、必要に応じて、レーザビームＢの光路中にミラー２１やビームエキスパンダ２２、アッテネータなど（不図示）を備えた構成としても良い。

相対移動部５は、ワークＷの厚み方向（Ｚ方向）に直交する方向（ＸＹ方向）に、ワークＷとレーザビームＢとの相対位置を移動させるものである。具体的には、相対移動部５は、ワークＷに照射するビームスポット群Ｐの位置をＸＹ方向に変更するものである。より具体的には、相対移動部５は、ＸＹステージ機構５０等を備えて構成されている。

ＸＹステージ機構５０は、ワークＷを保持したワーク保持部ＨをＸ方向やＹ方向に移動させるものである。具体的には、ＸＹステージ機構５０は、Ｘ軸アクチュエータ５０ｘ、Ｙ軸アクチュエータ５０ｙ等を備えている。

Ｘ軸アクチュエータ５０ｘは、ワーク保持部ＨをＸ方向に所定の速度で移動させ、所定の位置で静止させるものである。Ｙ軸アクチュエータ５０ｙは、ワーク保持部ＨをＹ方向に所定の速度で移動させ、所定の位置で静止させるものである。Ｘ軸アクチュエータ５０ｘとＹ軸アクチュエータ５０ｙは、制御部９から出力される制御信号に基づいて駆動制御される。

そのため、相対移動部５は、ワークＷに対して矢印Ｖで示す方向にビームスポット群Ｐを相対移動させることができる。

制御部９は、ワークＷの厚みｔ方向に焦点位置の異なる複数のビームスポットを連続的に配置させたビームスポット群Ｐが薄膜Ｆの表面位置を含むように、位相変調器３にホログラムパターンを表示させて、薄膜Ｆを加工するものである。

具体的には、制御部９は、以下の機能を備えている。
１）レーザ発振器２に対してパルス状のレーザビームＢを照射するためのトリガ信号を送信する機能。
２）位相変調器３に表示させるホログラムパターンを取得または生成する機能。
３）位相変調器３に対して所定のホログラムパターンを表示させる機能。
４）Ｘ軸アクチュエータ５０ｘ、Ｙ軸アクチュエータ５０ｙ等の現在位置情報を把握し、Ｘ軸アクチュエータ５０ｘ、Ｙ軸アクチュエータ５０ｙ等の移動速度や位置等を制御する機能。
５）予め登録された加工パターン情報に基づいて、相対移動部５を制御してワークＷに対するビームスポット群Ｐの照射位置をＸＹ方向に相対移動させる。

より具体的には、制御部９は、レーザ発振器２、位相変調器３、相対移動部５に対して制御信号やデータ等を出力し、各部を制御するものである。より具体的には、制御部９は、コンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、制御用コントローラなど（ハードウェア）と、その実行プログラム（ソフトウェア）で構成されており、信号入出力手段やデータ通信手段などを介して各部を制御することができる。

この様な構成をしているので、本発明に係るレーザ加工装置１は、薄膜Ｆの除去加工に足りるエネルギー密度の複数のビームスポットＰ１〜Ｐ４を連続的に配置させたビームスポット群Ｐを、薄膜Ｆの表面位置を含むように照射してレーザ加工を行うことができる。換言すれば、本発明に係るレーザ加工装置１は、加工焦点深度が深くなったようなビームスポット群Ｐを形成してレーザ加工することが可能となる。

よって、レーザ加工装置１は、相対移動部５でワークＷとレーザビームＢとの相対位置を移動させた際に、ワークＷに形成された薄膜Ｆが光軸方向（Ｚ方向）にうねりがあっても、レーザ加工できる範囲Ｒｂ内に薄膜Ｆのうねる範囲Ｒｆを収めながら、ＸＹ方向に加工位置を変更（つまり、相対移動）することができる。

そのため、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、加工速度を速くしたり変えたりしても、確実に薄膜Ｆを除去加工することができ、加工不良の部位の発生を防止または低減させることができる。

１ レーザ加工装置
２ レーザ発振器
３ 位相変調器
４ 集光レンズ
５ 相対移動部
９ 制御部
Ｈ ワーク保持部
Ｌ レーザ照射部
Ｂ レーザビーム
Ｐ ビームスポット群
Ｐ１〜Ｐ４ ビームスポット
２１ ミラー
２２ ビームエキスパンダ
５０ ＸＹステージ機構
５０ｘ Ｘ軸アクチュエータ
５０ｙ Ｙ軸アクチュエータ
Ｗ ワーク（加工対象物）
Ｆ 薄膜
Ｆ’ 除去加工された部位
Ｖ ビーム進行方向
Ｒｂ ビームスポット群Ｐの長さ
Ｒｆ 薄膜Ｆのうねる範囲

Claims (4)

1. 薄膜が形成されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該薄膜を加工するレーザ加工装置において、
   前記レーザビームを出射するレーザ発振器と、
   前記レーザビームを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポットを生成させる位相変調器と、
   前記位相変調器を通過させた前記レーザビームを集光させる集光レンズと、
   前記ワークの厚み方向に直交する方向に、当該ワークと前記レーザビームとの相対位置を移動させる相対移動部とを備え、
   前記ワークの厚み方向に焦点位置の異なる複数のビームスポットを連続的に配置させたビームスポット群が前記薄膜の表面位置を含むように、前記位相変調器に前記ホログラムパターンを表示させて、当該薄膜を加工する制御部を備えた
   ことを特徴とする、レーザ加工装置。
2. 前記相対移動部で前記ワークと前記レーザビームとの相対位置を移動させた際に当該ワークに形成された前記薄膜が厚み方向にうねる範囲が、前記ビームスポット群に含まれ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. 前記位相変調器は、前記レーザビームを通過させる領域の微小区画毎に所定の屈折率を設定して、前記ビームスポット群が形成されるような前記ホログラムパターンを表示させることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 薄膜が形成されたワークにレーザビームを集光させたビームスポットを照射して、当該薄膜を加工するレーザ加工方法において、
   前記レーザビームを出射するレーザ発振器と、
   前記レーザビームを通過させる領域の空間光位相分布を変調させるホログラムパターンを表示させて、所定のビームスポットを生成させる位相変調器と、
   前記位相変調器を通過させた前記レーザビームを集光させる集光レンズとを用い、
   前記ワークの厚み方向に焦点位置の異なる複数のビームスポットを連続的に配置させたビームスポット群を、前記薄膜の表面位置を含むように照射して当該薄膜を加工する
   ことを特徴とする、レーザ加工方法。

Images