JP4199820B2 - レーザー加工装置及びレーザー加工方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザー加工装置及びレーザー加工方法に係り、特に、レーザービームを照射して被加工物に一括で多数の加工を行うレーザー加工装置及びレーザー加工方法に関する。

レーザービームを照射して被加工物に穿孔加工を行うときは、被加工物にレーザーの多数回パルス照射を行うか、または一定時間照射により加工を行っている。
このプロセスにおいて、マイクロレンズアレイを使用してレーザービームを多数に分岐させ、被加工面に集光することにより、被加工物に多数の穿孔を行う多数点一括加工（以下、「マイクロレンズ方式」という）が知られている。

上記マイクロレンズ方式による加工を行うときに、一般に初期および経時的において、レーザービームが不均一になるという不都合が知られていた。

また、レーザー加工を精密に行うために、従来からマスク投影加工が知られている。マスク投影加工は、マスクパターンを投影光学系により被加工面に投影することにより加工する技術である。
この技術において、加工ムラを減少させるために、固定型の均一照明光学系として、図２４で示すような、フライアイインテグレータによるビームホモジナイザなどが広く使用されている。

その他に、ビームの機械的走査による加工均一化技術が知られている（例えば、特許文献１乃至４参照）。
特許文献１には、アパーチャの投影加工において、アパーチャへの照射ビームを移動ミラーによって走査することにより、単一穴の加工底面の深さを均一化させる技術が記載されている。
特許第３１９９１２４号公報

特許文献２には、パターンマスクの投影加工において、照射ビームに対してパターンマスクと被加工物を連動して移動させることにより、加工深さの均一化を行う技術が記載されている。
特許第３２１１２０６号公報

特許文献３には、アパーチャの投影加工において、角度可動ミラーとシリンドリカルレンズを組み合わせて、平行ビームの走査系を形成し、アパーチャへの照射ビーム走査を行い、加工精度を均一化させる技術が記載されている。
特開平7−５１８７８号公報

特許文献４には、マイクロレンズ方式において、広い範囲の加工を行うことを目的とした実施例の中で、加工領域内をビーム走査することにより、照射ムラを減少させることが可能であるという記述がある。
特開２００１−２６９７８９号公報

一般に、図２６で示すように、照射エネルギー密度と加工速度は相関を持つため、照射エネルギーが大きくなるにつれて加工処理が速くなることになる。
また、被加工物上では、レーザーのエネルギー分布が図２７に示すような山型の形状となるため、図２８に示すように、照射エネルギーが大きいと、加工穴径が大きくなる。一方、エキシマレーザーの場合、図２９で示すようなビームプロファイルを有するが、レーザーそのものにムラがあり、照射レーザーにムラがあると、均一な加工に影響を及ぼすことになる。このように、レーザービームには、エネルギー分布にムラがあり、そのムラは経時的に変化することが知られている。

また、焦点径はレーザービームダイジェンスにより影響を受けることになる。レーザービームダイジェンスが大きくなると、焦点径が大きくなる。レーザービーム方向に対し垂直面内の直交する２軸に沿って発散角の大きさが異なる場合がある。この場合、加工形状は楕円形となってしまう。

以上のことから、マイクロレンズ方式において加工径を均一化するためには、１．レーザービームのプロファイルへの対応、２．レーザービームの発散角の初期段階での均一化対応、３．レーザービームの発散角の経時変化への対応、など各種の対応が必要である。
また、効率的に加工を行うために、レーザーの照射エネルギーを大きく保ち、このとき加工径を均一化するために、照射レーザーにムラが発生しないようにする必要がある。

従来技術のビームホモジナイザと、引用文献１乃至３に開示されている技術は、いずれもマスク投影加工であり、マスクにより非加工部分を遮光してエネルギーを捨てることになるため、エネルギー利用効率が悪く、加工に大きなエネルギーが必要であるという装置原理上の大きな課題を有している。
さらに、これらの均一化技術をマイクロレンズ方式に適用するには以下の問題がある。

フライアイインテグレータによるビームホモジナイザは、ビームを分割して一箇所に重ね合わせるため、多方向に角度を成すビームが生じ、マイクロレンズでは微小径に集光できないため、原理的に使用できない。

また、固定型光学系では、経時変化によりビーム品質が設計範囲から外れた場合、均一化ができなくなるという問題がある。
さらに、高価であること、光学調整が複雑であること、一方向に傾斜したエネルギー分布の改善ができない、等の不都合がある。
図２５は、ビームホモジナイザの場合、入射するレーザービームが一方向に傾斜したエネルギー分布を持つ場合、エネルギー分布を均一化できないことを示す説明図である。

引用文献１の技術では、１次元方向のみのビーム走査を行っているが、実際のエキシマレーザーの強度分布は２次元的な分布を持っているため、１次元のみのビーム走査では均一径加工を行うことは困難である。また、この技術では、レーザービームの発散角の変化などには対応できないという不都合がある。

引用文献２の技術は、マスクと被加工物を、転写倍率に合わせて同期スキャンして加工するものであり、マスク投影加工特有の技術となっている。

引用文献３の技術は、平行光を成形するには、ミラーに照射するビームを幅のない線としなければならないが、現実的には幅を持つため完全な平行光とすることはできない。
したがって、マイクロレンズ方式では、加工径を小さくすることができない。
また、加工に用いるレーザー強度を、ミラー上で幅の狭いビームとするには、ミラー上で非常に大きいエネルギー密度となり、ミラーがダメージを受けるため現実的ではない。

引用文献４の技術は、マイクロレンズ方式であるが、ビーム走査する範囲は加工領域内だけである。
このように、加工領域内だけで照射ビームを重ね合わせながら走査して加工する場合、加工領域の端部はビームの照射回数または時間が少なくなる。そのため、加工径が中心部に比べて小さくなり、高い精度で穿孔加工を行うことが困難である。
また、引用文献４には、具体的なビーム走査の装置構成について開示されていない。

さらに、引用文献４には、不安定共振器型レーザーにより、レーザービームの発散角による影響を無くすことができると記載されているが、実際には不安定共振器型レーザーを使用しても、発散角による影響があり、発散角の均一化の処理を行わなければ加工形状は楕円となってしまう。

本発明の目的は、レーザーの多数回パルス照射または一定時間照射により被加工物の多数の被加工部分への加工を行うプロセスにおいて、集光あるいは結像手段としてマイクロレンズあるいはホログラム素子などを用いて加工を行い、加工径または加工形状を均一とすることが可能なレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、初期および経時的に不均一なビーム品質を持つレーザービームに対しても、加工径と加工形状を均一とするレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、効率的に穿孔加工を行うことが可能なレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供することにある。

本発明者らは、前記した課題を解決すべく鋭意研究してきたところ、ビームプロファイルとレーザービームの発散角が、加工径及び加工形状に影響を及ぼすという知見を得た。そして、ビームプロファイルとレーザービームの発散角の、初期段階での均一化、及び経時変化への対応を行うことにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、前記課題は、請求項１に係るレーザー加工装置によれば、被加工物の被加工領域内の多数の被加工部分を加工するレーザー加工装置において、レーザー装置と、該レーザー装置から出射されるレーザービームの集光あるいは結像手段と、前記被加工物の配置手段と、を備え、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段を固定して、前記被加工領域内及び領域外で、前記集光あるいは結像手段がレーザービーム内の異なった領域からの照射を受け、かつ前記多数の被加工部分の各々への加工中の積算レーザービーム照射時間が等しくなるように、前記レーザービームと前記集光あるいは結像手段を相対的に移動しながら加工する、ことにより解決される。
また、被加工物の被加工領域内の多数の被加工部分を加工するレーザー加工装置において、レーザー装置と、該レーザー装置から出射されるレーザービームの集光あるいは結像手段と、前記被加工物の配置手段と、を備え、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段と相対的に移動させながら、前記被加工領域内及び領域外で、前記集光あるいは結像手段がレーザービーム内の異なった領域からの照射を受け、かつ前記多数の被加工部分の各々への加工中の積算レーザービーム照射時間が等しくなるように、前記レーザービームと前記集光あるいは結像手段を相対的に移動しながら加工する、ことにより解決される。
なお、ここでいう被加工部分とは、レーザービームの集光あるいは結像により加工される１加工点、若しくは、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段と相対的に移動させることにより加工される連続的な１加工形状をいうものとする。

このように、本発明のレーザー加工装置によれば、レーザービームが前記集光あるいは結像手段上を完全に通り過ぎるまで相対的に移動するので、加工領域の全ての箇所においてビームの照射回数または時間が均一になり、全ての加工径を均一化することが可能となる。
また、ユニットを２次元方向に重ね合わせながら走査させるように構成されているので、レーザービームの強度分布に２次元的な分布があったとしても、均一な加工を行うことが可能となる。このように、本発明のレーザー加工装置によれば、多数の被加工部分に均一且つ任意の形状の加工を行うことが可能となる。
前記レーザービームの前記集光あるいは結像手段に対する加工中の相対的な移動は、２次元または３次元である。

なお、前記配置手段と前記レーザービームの集光あるいは結像手段を、前記レーザービームの光軸方向を軸に回転する回転機構を備えていると、レーザービームの発散角の変化にかかわらず、被加工物に均一にレーザービームが照射されるので、加工点を真円形状に保つことができる。

なお、前記被加工物内の前記被加工領域と別の被加工領域に、前記レーザービームの集光あるいは結像手段、あるいは新たな集光結像手段を移動し、前記加工に引き続き新たな加工を行うことにより、広範囲な被加工領域の加工が実現可能である。

本発明のレーザー装置は、レーザービーム方向に対し垂直面内で直交する２軸に沿ってビームサイズを独立に変更し、主光線を平行にする、２つの独立なビームエキスパンダを備えており、レーザーから出射されるレーザービームの発散角がレーザービーム方向に対し垂直面内で直交する２軸に沿って異なる場合は、このビームエキスパンダにより、集光あるいは結像手段に入射するレーザービームの発散角を揃えることが可能である。
また、２つのビームエキスパンダの少なくとも１つにズーム機構を備えており、集光あるいは結像手段に入射するレーザービームの発散角が変化した場合は、このズーム機構により前記発散角を簡便に揃えることが可能である。
ズーム機構に自動ズーム調整機構を備えた構成とすると更に良い。
なお、被加工部分は真円形状に関して述べているが、前記発散角をズームビームエキスパンダを用いて調整することにより、楕円形状とすることも可能である。

さらに、集光あるいは結像手段に入射するレーザービームの発散角を監視するモニター装置を備えた構成とすると好適である。
モニターには、レーザービーム方向に対し垂直面内で直交する２軸に沿ってレーザービームの発散角を測定する機構が備えられており、測定値に基づいてビームエキスパンダを調整して、レーザービームの発散角を一定の割合にすることが可能である。
前記レーザービームの発散角の変化は前記モニター装置により検出することが可能であり、前記モニター装置とエキスパンダの自動ズーム機構を連動させることにより、前記レーザービームの発散角を自動調整することが可能である。

前記課題は、本発明のレーザー加工方法によれば、被加工物の被加工領域内の多数の被加工部分を加工するレーザー加工方法であって、レーザー装置と、該レーザー装置から出射されるレーザービームの集光あるいは結像手段と、前記被加工物の配置手段と、を備え、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段とを固定する第一の工程と、前記被加工領域内及び領域外で、多数の被加工部分の各々への加工中の積算レーザービーム照射時間が等しくなるように、前記レーザービームと前記集光あるいは結像手段を相対的に移動しながら加工する第二の工程を有すること、により解決される。
さらに前記課題は、本発明のレーザー加工方法によれば、被加工物の被加工領域内の多数の被加工部分を加工するレーザー加工方法であって、レーザー装置と、該レーザー装置から出射されるレーザービームの集光あるいは結像手段と、前記被加工物の配置手段と、を備え、前記被加工物に前記集光あるいは結像手段とを移動する第一の工程と、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段とを相対的に移動させながら、前記被加工領域内及び領域外で、多数の被加工部分の各々への加工中の積算レーザービーム照射時間が等しくなるように、前記レーザービームと前記集光あるいは結像手段を相対的に移動しながら加工する第二の工程を有すること、により解決される。

上記レーザー加工方法において、前記第二の工程の前記レーザービームの前記集光あるいは結像手段に対する加工中の相対的な移動を、２次元または３次元で行うと好適である。

また、前記第二の工程中に、前記第一の工程で固定された前記被加工物と前記集光あるいは結像手段を前記レーザービームの光軸方向を軸に回転させる工程を有すると好適である。

さらに、前記第二の工程の後に、前記被加工物内の前記被加工領域と別の被加工領域に、前記レーザービームの集光あるいは結像手段、あるいは新たな集光あるいは結像手段を移動する第三の工程を有し、引き続き第二の工程を有すると好適である。

以上のように、本発明のレーザー加工装置及びレーザー加工方法は、集光あるいは結像手段及び被加工物の配置手段を備え、この配置手段をレーザービームに対して所定の動きをするように制御し、被加工物に形成される被加工部分の加工径または加工形状が均一化するように構成されている。
さらに、前記集光あるいは結像手段及び被加工物の前記配置手段を相対的に移動する機構を備えることにより、被加工部分を任意の形状に加工することが可能となる。

さらに、本発明のレーザー加工装置及びレーザー加工方法は、レーザービームの、レーザービーム方向に対し垂直面内で直交する２軸に沿ってビームサイズを独立に変更し、主光線を平行にする２つの独立なビームエキスパンダ機構を備え、レーザービームの発散角を揃えることができ、これにより被加工物に形成される被加工部分の加工径または加工形状を均一化させることが可能となる。

また、本発明のレーザー加工装置及びレーザー加工方法は、エキスパンダ機構の少なくとも一つにズーム機構を持ち、レーザービームの発散角の大きさが経時的に変化した場合であっても、前記ズーム機構により集光あるいは結像手段に入射するレーザービームの発散角を一定に保ち、被加工物に形成される被加工部分の加工径または加工形状を均一化させることが可能となる。

本発明の第１実施例に係るレーザー加工装置の構成を示す説明図である。 エキスパンダ機構を示す説明図である。 エキスパンダ機構の他の例を示す説明図である。 レーザー加工工程を示す流れ図である。 被加工物に対するビーム領域とレンズ領域との関係の説明図である。 被加工物に対するビーム領域とレンズ領域との関係の説明図である。 被加工物に対するビーム領域とレンズ領域との関係の説明図である。 各種加工方法による加工径の状態を示すグラフである。 実施例１の変形例を示すもので、マイクロレンズと被加工領域との関係を示す説明図である。 実施例１の変形例を示すもので、マイクロレンズアレイの変形例を示す説明図である。 実施例１の変形例を示すもので、ワーク調整手段の説明図である。 実施例１の変形例を示すもので、狭ピッチ加工の例を示す説明図である。 被加工物とマイクロレンズアレイとの相対移動加工を示すもので、線状加工の例の説明図である。 被加工物とマイクロレンズアレイとの相対移動加工を示すもので、円形加工の例の説明図である。 図１４の円形加工の例の説明図である。 被加工物とマイクロレンズアレイとの相対移動加工を示すもので、ザグリ加工の例の説明図である。 被加工物とマイクロレンズアレイとの相対移動加工を示すもので、テーパ加工の例の説明図である。 本発明の第２実施例に係るレーザー加工装置の構成を示す説明図である。 第２実施例における走査パターンを示す説明図である。 本発明の第３実施例に係るレーザー加工装置の構成を示す説明図である。 第３実施例のミラースキャンユニットの構成を示す説明図である。 本発明の第４実施例に係るレーザー加工装置の構成を示す説明図である。 第４実施例のダイバージェンスモニタの構成を示す説明図である。 従来技術のビームホモジナイザの一例を示す説明図である。 ビームホモジナイザは、入射するレーザービームが一方向に傾斜したエネルギー分布を持つ場合、エネルギー分布を均一化できないことを示す説明図である。 照射エネルギー密度と加工速度の相関を示すグラフである。 被加工物上でのエネルギー分布を示すグラフである。 照射エネルギー密度と加工径の相関を示すグラフである。 エキシマレーザーのビームプロファイルを示す説明図である。

符号の説明

１０ レーザー装置
１１ レーザー光源
１２ アッテネータ
１３ スリット
１４ａ，１４ｂ 部分反射ミラー
１５ エネルギーモニタ
１６ シャッター
１７ ビームエキスパンダ
１７ａ ズーム機構
１７ｂ〜１７ｆ シリンドリカルレンズ
１８ ミラー
２０ ビームプロファイラ
３０ マイクロレンズアレイ
３１ マイクロレンズ
４０ ワーク調整手段
４１ ステージ
４２ 回転テーブル
４３ ＸＹＺステージ
５０ ミラースキャンユニット
５１ 第１のミラー
５２ 第２のミラー
６０ ダイバージェンスモニタ
６１ 円形スリット
６２ レンズ
６３ ２次元センサ
Ｂ ビーム領域
Ｈ 孔
Ｒ レンズ領域
ＳＣ スキャン範囲
Ｓ レーザー加工装置
Ｕ ユニット
Ｗ 被加工物

以下、本発明の一実施形態について、図を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。

図１乃至図８は、本発明に係る一実施形態を示すものであり、図１は本発明の第１実施例に係るレーザー加工装置の構成を示す説明図、図２及び図３はエキスパンダ機構を示す説明図、図４は加工工程を示す流れ図、図５乃至図７は被加工物に対するビーム領域とレンズ領域との関係の説明図、図８は各種加工方法による加工径の状態を示すグラフである。
本実施形態のレーザー加工装置は、加工径均一化機構を有する多点一括レーザー加工を行うように構成されている。本明細書において「加工」とは、穿孔加工が主であるが、アニール、エッチング、ドーピング、成膜なども含む意味で用いている。

＜実施例１＞
本実施形態のレーザー加工装置Ｓは、図１に示すように、レーザー装置１０と、ビームプロファイラ２０と、集光手段としてのマイクロレンズアレイ３０と、被加工物Ｗの配置手段であるワーク調整手段４０等を備えて構成されている。そして、ワーク調整手段４０上に配置されたマイクロレンズアレイ３０と、被加工物ＷからユニットＵが構成される。

本例のレーザー装置１０は、レーザー光源１１、アッテネータ１２、スリット１３、部分反射ミラー１４、エネルギーモニタ１５、シャッター（メカニカルシャッター）１６、ビームエキスパンダ１７、ミラー１８などを備えている。

レーザー光源１１は、不図示の制御部の制御に応じてレーザービームを放出し、アッテネータ１２、スリット１３、シャッター１６を介してビームエキスパンダ１７に入射するようになされている。また、スリット１３を通ったレーザービームは部分反射ミラー１４で部分的に反射され、エネルギーモニタ１５に導かれる。本例のエネルギーモニタ１５は、レーザービームのエネルギーを測定するものである。エネルギーモニタは公知のものを用いることができる。

なお、エネルギーモニタ１５が制御系を備えることにより、アッテネータ１２と連動してエネルギー制御のフィードバック機構を持たせることもできる。アッテネータの例として、ウエッジ基板へのビームの入射角度による透過率の変化を利用したタイプが挙げられ、ステッピングモータによりウエッジ基板角度を制御することにより、エネルギーの透過率を調整することができる。

本例のレーザー光源１１としては、不安定共振器を備えたエキシマレーザーを用いているが、これに限定されず、炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザー等他のレーザーを用いても良い。また、注入同期型のレーザーを用いても良い。そしてレーザー装置としては、出射光のエネルギー調整機構を備えていることが好ましい。

本例のアッテネータ１２は、ビーム強度調整用フィルタであり、透過率が可変なもので、透過率の自動切換え機構があると好ましい。透過率を自動切換えにすると、エネルギーモニタと連動してエネルギー制御が可能という効果がある。

本例のスリット１３は加工に必要なレーザービーム寸法を切り出すものであり、レーザービーム品質が良い部分がスリット１３を通過する。

本例の部分反射ミラー１４は、光路上に配置され、レーザービームの一部をエネルギーモニタ１５へ導くものである。

本例のシャッター（メカニカルシャッター）１６は、光路上に配置され、被加工物Ｗの加工時に開き、非加工時は閉じてレーザービームを遮光するものである。

本例のビームエキスパンダ１７は、レーザービーム方向に対し垂直面内の直交する２軸に沿ってビーム拡大率を独立に変更し、且つレーザービームの主光線が平行光となるように構成されている。
本例では、図２に示すズーム機構１７ａを備えており、レーザービームの発散角（ビームダイバージェンスとも言う）をレーザービーム方向に対し垂直面内の直交する２軸に沿って調整可能とされている。ズーム機構１７ａは、シリンドリカルレンズ１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを備え、このシリンドリカルレンズ１７ｃと１７ｄの間の距離は、図２（ａ）に示す状態から、図２（ｂ）に示す状態へ連続的にズーム倍率の調整が可能に構成されている。ズーム倍率を変更する際、成形されるレーザービームの主光線が平行光を維持するように、シリンドリカルレンズ１７ｃと１７ｄの位置を連動して変化させる。ズーム機構１７ａは公知の技術を用いるもので、例えば、各レンズ間の距離を調節するものである。

エキシマレーザーなどのレーザーはレーザービーム方向に対し垂直面内の直交する２軸に沿ってレーザービームの発散角が異なることが多く、その場合は出射されたビームを集光しても焦点は楕円形状となる。
その補正として、本例のレーザー加工装置Ｓは、レーザービーム方向に対し垂直面内の直交する２軸に沿ってビームサイズを独立に変更するビームエキスパンダを備え、ビーム拡大倍率を２方向で独立に変えることが可能とされている。これにより、集光あるいは結像手段に入射するレーザービームの発散角をレーザービーム方向に対し垂直面内の直交する２軸に沿って等しくすることにより、加工形状を真円にすることができる。
また、レーザービームの発散角が経時的に変化した場合でも、ズーム機構の調整により、集光あるいは結像手段に入射するレーザービームの発散角をレーザービーム方向に対し垂直面内の直交する２軸に沿って等しくすることにより、加工形状を真円にすることができる。

なお、ビームエキスパンダ１７は、図３に示すように、凹型シリンドリカルレンズ１７ｅ及び凸型シリンドリカルレンズ１７ｆを用いた構成としても良い。
また、さらに光軸の調整を可能とするために、ビームエキスパンダ１７のホルダには、位置・角度調整機構を備えていると好ましい。位置・角度調整機構としては、例えば、上市されている位置・角度調整を備えたレンズホルダを用いることが可能である。
なお、強度分布を変える強度分布光学部品などを備えてもよい。

本例のミラー１８は、レーザービームの方向を変えるためのものであり、光軸調整用に２個以上あることが好ましい。

マイクロレンズアレイ３０は数多くのマイクロレンズ３１が集積してなる（図１０参照）ものであり、本例ではマイクロレンズアレイ３０として、屈折型レンズ、フレネルレンズ、バイナリオプティクスなどを用いている。なお、一般的な球面レンズと同等の集光とは限らず、任意の強度分布に形成可能なものも含むものである。また、集光あるいは結像する手段として、マイクロレンズアレイ以外にもホログラム素子などを使っても良い。

複数の集光あるいは結像手段としてのマイクロレンズ３１に、レーザー光を垂直に入射させることにより、被加工物Ｗに穿孔加工が施される。なお、本例のマイクロレンズアレイ３０は、光学系調整が可能なように、マイクロレンズ３１の高さ，あおり，角度調整用機構を備えた構成とされている。

本例のレーザー加工装置Ｓは、さらに図示しないガスフロー機構を備えている。ガスフロー機構は、被加工物Ｗの加工時に、加工によって飛散する汚染物が光学系に付着しないように、ガスを流すものである。そして、ガスを流しだす機構と、反対側にガスを排気する機構を設ける。ガスを流しだす手段としては、例えば空気をファンで送風、または空気・窒素・ヘリウムなどをボンベや工場配管から供給するなどの手段を採用することができ、反対側に排出口や吸引口を設けるものである。排出口及び吸引口は、例えばガス排出ポンプ等によって構成することができる。

本例のワーク調整手段４０は、被加工物Ｗを配置する配置手段として、加工位置変更用のＸＹＺ方向に移動可能なステージ４１からなるものであり、光学調整用の高さ調整・角度調整機構などを備えている。
被加工物Ｗがステージ４１上に配置されると、不図示の制御部は、ステージ４１を水平方向に移動させ、照射レンズ系の光軸位置に来るようにする。そして、制御部により、レーザー光源を制御し、レーザービームを照射させる。

照射パターンの面積は予め、特定されているので、制御部は、不図示のエネルギメータの出力信号の値を照射パターンの面積で除算し、エネルギー密度を計算する。そして、制御部は、このエネルギー密度が所定の値となるように、レーザー光源を制御する。
また、本例のステージ４１には、被加工物Ｗを把持できるように、吸着ステージとしている。なおステージは加工時の貫通したビームでダメージを受けない材質、例えばステンレス、アルミなどを使用している。

ステージ４１は、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構と一体とし、最低でもビーム領域とマイクロレンズアレイ３０のサイズの和以上のストロークを持つものを使用する。
好ましくは、照射ビーム領域と、マイクロレンズアレイ３０のサイズの倍の長さと、を加算した距離以上のストロークを持つものが良い。
ステージ４１は、走り精度、すなわちステージ移動時の角度ブレが小さいものを使用すると良い。

なお、本例のレーザー加工装置Ｓでは、レーザービームのプロファイルの変化に応じて、ステージ４１の速度や、被加工物へのスキャン回数を制御する構成としても良い。或いは、レーザービームのプロファイルの変化に応じて、レーザービームのエネルギー強度を制御する構成としても良い。

次に、上記構成からなるレーザー加工装置によるレーザー加工工程について、図４に基づいて説明する。
先ず、不図示のスイッチを投入しスタートすると、装置全体が通電し、予め、被加工物Ｗに対する加工径などのデータを制御部へ指示するが、この後で、シャッター１６を閉めた状態で、レーザー光源１１が発振する（ステップＳ１）。次に、エネルギーモニタ１５でエネルギーを測定する（ステップＳ２）。次に、ステップＳ２で測定したエネルギーに基づいて、被加工物Ｗの加工に適切なエネルギーとなるように、アッテネータ１２の透過率を調整する（ステップＳ３）。ここで、一定時間内でエネルギー変動が少なく、発振が安定であることを確認する。

次に、被加工物Ｗをステージ４１にセットする（ステップＳ４）。そのセット位置は、照射ビーム領域から外れている位置とする。
そして、シャッター１６を開け（ステップＳ５）、マイクロレンズアレイ３０と被加工物ＷからなるユニットＵの走査を開始する（ステップＳ６）。

ステップＳ６では、所定の加工条件にて、ユニットＵを走査し、加工を行う。ここで所定の加工条件とは、被加工物によって異なるが、ステージ速度、走査範囲などを基に決定されるものである。
このとき、ステージ４１をＸ，Ｙ方向に移動（揺動）させ、ユニットＵを照射ビーム領域を通過させて穿孔加工を行う。

ステップＳ６でのステージ４１の移動（揺動）について、その詳細を図５乃至図７に示す。
図５に示すように、ビーム領域Ｂは固定されており、このビーム領域Ｂを、マイクロレンズアレイ３０及び被加工物ＷからなるユニットＵが通過する。
図５では、穿孔加工の状況を明確に示すために、マイクロレンズアレイ３０の構成要素であるマイクロレンズ３１を図示している。

先ず、図５（ａ）に示すように、ビーム領域Ｂから外れた位置にユニットＵを位置させる。次いで、図５（ｂ）〜（ｅ）に示すように、ステージ４１を移動させ、図５の矢印方向にユニットＵを移動させる。

ビーム領域ＢをユニットＵが通過するにしたがい、被加工物Ｗに孔Ｈが形成される。
本例では、図５（ｅ）に示すように、ビーム領域Ｂがマイクロレンズ３１上を完全に通り過ぎるまで走査が行われる。

図６は、マイクロレンズ３１のレンズ領域Ｒと、ビーム領域Ｂと、スキャン範囲ＳＣとの関係を示す模式図である。
図６（ａ）に示すように、はじめは、レンズ領域Ｒはビーム領域Ｂの外側に位置している。
次いでステージ４１を移動させる。これにより、図６（ｂ）〜（ｅ）に示すように、ビーム領域Ｂをレンズ領域Ｒが通過する。

図６に示されているように、スキャン範囲ＳＣは、最低でもビーム領域Ｂとレンズ領域Ｒの和以上となっている。
図６に示すように、ビーム領域Ｂがマイクロレンズ３１上を完全に通り過ぎるまで走査が行われる。

図７は、ユニットＵ（レンズ領域Ｒ）の走査パターンを示すものである。
ユニットＵの走査は、マイクロレンズアレイ３０のパターンが１次元配列でない限り、図示されているような２次元のパターンで走査が行われる。
これは、エキシマレーザーなどのビーム強度分布は、厳密な均一径加工を実施する上では、２次元的な分布があるためである。

図７に示す２次元パターンの走査を行うとき、それぞれの走査において、図５及び図６に示すように、ビーム領域Ｂがマイクロレンズ３１上を完全に通り過ぎるまで走査する。
このようにして、２次元方向に重ね合わせながら被加工物Ｗへの走査を行うことで、被加工物Ｗ上に多数点が均一に一括穿孔される。

図４で示すように、ステップＳ７では、予め加工時間が設定されているため、タイマーにより所定の加工時間だけ被加工物Ｗに対する加工が行われる。
ステップＳ７での加工が終了した時点で、ユニットＵは照射ビーム位置から外れている位置で停止する（ステップＳ８）。その後に、シャッター１６を閉め（ステップＳ９）、被加工物Ｗを取り外す（ステップＳ１０）。
最後に、レーザー光源１１の発振を停止する（ステップＳ１１）。
以上のようにして被加工物Ｗの加工を行う。

図８は、各加工方法、すなわち「走査なし」、「レンズ領域のみ走査」、「完全走査」ごとに、加工径がどのように異なるかを示すグラフ図である。
図８（ａ）は固定加工による加工径（すなわち「走査なし」）を示すものであり、図８（ｂ）は加工領域内のみをビーム走査する加工方法による加工径（すなわち「レンズ領域のみ走査」）を示すものであり、図８（ｃ）は本例のレーザー加工方法による加工径（すなわち「完全走査」）の結果をそれぞれ示すものである。

図示されているように、固定加工による方法では、図８（ａ）に示されているように、加工範囲が狭く加工径のバラツキが大きいことがわかる。また、加工領域内（レンズ領域のみ走査）のみをビーム走査する加工方法によると、図８（ｂ）に示すように、端部での加工径のバラツキが大きいことがわかる。
一方、本例のレーザー加工方法、すなわち「完全走査」によれば、図８（ｃ）に示されるように、被加工物Ｗのどの位置においても一定の加工径で穿孔を行うことが可能であることがわかる。
これは、本例のレーザー加工方法では、ビーム領域Ｂがマイクロレンズ３１上を完全に通り過ぎるまで走査するので、被加工物Ｗのどの箇所においても、加工時間が一定になり、被加工物Ｗのどの箇所においても同一の条件で加工を行うことができるためである。
また、図７で示したように、２次元のパターンで走査するので、レーザービームの強度分布が２次元的になっていても、照射が重ね合わせて行われるので、均一な穿孔加工を行うことが可能となるものである。

図９乃至図１７は、実施例１の変形例を示す説明図であり、図９はマイクロレンズと被加工領域との関係を示す説明図、図１０はマイクロレンズアレイの変形例を示す説明図、図１１はワーク調整手段の説明図、図１２は狭ピッチ加工の例を示す説明図である。
図１１に示すワーク調整手段４０は、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構（ワーク調整手段など）の相対位置を変更可能なステージを備える。すなわち、図１１に示すように、ＸＹ方向に移動可能なステージ４１上に、さらにＸＹＺ方向に移動可能なステージ４３を備えている。
ステージ４１は２軸のリニアステージなどで構成し、ステージ４３は３軸のリニアステージなどで構成する。各ステージ４１，４３をモーションコントローラにより制御を行い、動作パラメータの設定などは、不図示のＰＣによって行なう。ステージ４３のコントローラは円弧補間機能をもつことが望ましい。モーションコントローラは、例えばＤｅｌｔａ Ｔａｕ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製ＵＭＡＣＪ−Ｔｕｒｂｏなど、公知のコントローラを用いることができる。
図１１に示すワーク調整手段４０によれば、被加工領域加工後に前記相対位置を変更し、新たな被加工領域を加工することにより、多数の加工部分を任意の間隔で加工することが可能となる。
これにより、広範囲な被加工領域の加工や、被加工部分の狭い間隔の加工が可能となる。

つまり、図９で示すような、広範囲な被加工領域の加工方法が可能である。すなわち、図１１で示すような、ＸＹ方向に移動可能なステージ４１（図１の例ではステージ４１はＸＹＺ方向であるが本例の場合はＸＹ方向である）を用いて、被加工物Ｗに対してマイクロレンズアレイ３０（マイクロレンズ３１）を相対的に移動した後、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０の相対位置を固定する。その後、固定した被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０を、ＸＹＺ方向に移動可能なステージ４３を用いてビーム領域Ｂの範囲を走査することにより、被加工領域１の加工を行う。
このようにして被加工領域１の加工が終了後、ＸＹ方向に移動可能なステージ４１を用いて、被加工物Ｗに対してマイクロレンズアレイ３０を被加工領域２へ移動し、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０の相対位置を固定し、被加工領域２の加工を実施する。
以上の工程を繰り返すことにより、広範囲な被加工領域の加工を実施する。

図１０は、マイクロレンズアレイ３０の変形例を示すものである。図１０に示すマイクロレンズアレイ３０は、マイクロレンズ３１が隙間なく隣接して配設された構成（パターン１）と、パターン１とは異なる径のマイクロレンズ３１が所定間隔をおいて配設された構成（パターン２）の、二通りのパターンを備えている。
マイクロレンズの配置パターンが異なるマイクロレンズアレイ３０の領域に切り替えることにより、複数の加工パターンで加工が可能となる。
本例のマイクロレンズアレイ３０を使用して加工を行う場合、先ず、図１０（ａ）に示すように、パターン１の部分での穿孔加工が行われる。
次いで、図１０（ｂ）に示すように、パターン１の部分でなされた被加工部分の間に、パターン２の部分での穿孔加工が行われる。
パターン２の部分を構成するマイクロレンズ３１は、パターン１の部分を構成するマイクロレンズ３１よりも小径であるため、パターン２の部分により形成される孔は、パターン１の部分により形成される孔よりも小さくなる。
このようにして、被加工物Ｗに、複数の配列パターンで穿孔加工を行うことができる。

また図１２で示すように、１回目の加工を行なった後で、被加工物を移動させずに、マイクロレンズアレイ３０を移動させて、２回目の加工を行ない、被加工領域が重なるようにして加工することにより、加工部分の間に加工を施すことで、狭ピッチ加工が可能となる。

図１１に示すワーク調整手段４０により、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構を任意の相対移動をさせながら加工を行うことにより、多数の被加工部分を任意の形状に加工することが可能となる。
図１３乃至図１７は、被加工物とマイクロレンズアレイとの相対移動加工を示すもので、図１３は線状加工の例の説明図、図１４及び図１５は円形加工の例の説明図、図１６はザグリ加工の例の説明図、図１７はテーパ加工の例の説明図である。

図１３に示すように、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構（ワーク調整手段など）を一次元的に相対移動させながら加工を行うことにより、多数の線状の被加工部分の形成が可能である。
また、図１４は、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構を相対的に円形に移動させながら加工を行う例であり、図１５は、そのときのビーム焦点と加工穴の図を示している。つまり、図１５で示すように、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構（ワーク調整手段４０）を相対移動ながら、ビーム焦点を円形（白抜き矢印のように）に移動させるものである。
これにより、マイクロレンズの焦点径より大きい任意の加工径を持つ円形加工が可能となり、焦点径が異なるマイクロレンズに交換をすることなしに、加工径の異なるパターンの加工が可能となる。

また、レーザービームの発散角の経時的な変化により、加工形状が楕円形となった場合は、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構の相対的な移動の軌道を補正することにより、加工穴を真円に調整することが可能となる。

更に、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構（ワーク調整手段４０）を相対的に円形に移動させながら加工を行う際、加工時間中にその回転半径を変化させることにより、加工穴のテーパ角度や深さ方向の三次元形状を調整することが可能となる。図１６は、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構（ワーク調整手段４０）を相対的に円運動させながら加工する際に、加工初期に大きい回転半径ｒ１の円運動を行い、加工径の大きい加工穴を形成し、加工後期は小さい回転半径ｒ２の円運動を行い、中央部に小さい加工穴を形成することにより、ザグリ形状の加工を行う例である。

図１７は、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構（ワーク調整手段４０）を相対的に円運動させながら加工する際に、加工初期に大きい回転半径ｒ１の円運動を行い、徐々に回転半径を小さくすることにより（ｒ２、ｒ３）、加工穴のテーパ角を調整する例である。図は理解を容易とするために、段のある断面形状となっているが、回転半径を連続的に変化させることにより、断面形状は滑らかとすることができる。なお、回転半径を小さい径から大きい径に変化させることによっても同様な加工が得られる。

また、加工時間内における、被加工物Ｗとマイクロレンズアレイ３０およびその保持機構の相対移動の条件と、ビームの照射条件を調整することにより、被加工物の加工速度を調整することが可能であり、三次元形状の細かい調整が容易となる。ここで言う相対移動の条件とは、ステージ４３の移動速度や走査パターンなどであり、ビームの照射条件とは、エネルギー密度や発振周波数などである。そして、ここでは主に円形の加工例を示したが、相対移動の形状に制限はなく、楕円形、多角形、自由曲線などの任意形状の加工に適用が可能である。

図１８乃至図２３は、他の実施例に係るレーザー加工装置Ｓを示す説明図である。
各実施例において、前記実施例と同様部材・同様配置等には、同一符号を付してその説明を省略する。
＜実施例２＞
図１８及び図１９は、第２実施例に係るレーザー加工装置Ｓを示すものである。第２実施例に係るレーザー加工装置Ｓは、実施例１と同様の構成において、被加工物Ｗのワーク調整手段４０として、ステージ４１に回転テーブル４２を装備した構成とされている。

本例では、図１８に示すように、マイクロレンズアレイ３０と被加工物Ｗを一体としたユニットＵを、照射ビームの光軸方向を軸に角度を変えて、ビーム領域Ｂをスキャンするものである。

エキシマレーザーなどの特性として、レーザーの経時変化によりレーザービームの発散角が変化することがある。この場合、通常は縦横で異方的に変化が生じる。それにより加工点が楕円形に変化していく傾向を持つ。

しかし、本例のように構成すると、ユニットＵが回転するため、図１９の右側に示すように、加工が進むに従って、真円形状の穿孔がなされていく。本例によれば、レーザービームの発散角の変化に拘らず加工点を真円形状に加工することが可能となる。

＜実施例３＞
図２０及び図２１は、第３実施例に係るレーザー加工装置Ｓを示すものである。第３実施例に係るレーザー加工装置Ｓは、実施例１の構成において、ミラー１８とビームプロファイラ２０以外の構成は同様であり、さらにミラースキャンユニット５０を備えている。ミラースキャンユニット５０の構成を図２１に示す。ミラースキャンユニット５０は、第１のミラー５１と第２のミラー５２を備えている。

第１のミラー５１は、図２１における上方向から下方向に向けて光を反射するものである。第２のミラー５２は、図２１における紙面表方向から裏方向に向けて光を反射するものである。

第１のミラー５１と第２のミラー５２は、それぞれ、図２１における矢印方向に移動可能とされている。
それぞれを連動して駆動させることにより、マイクロレンズ３１上を２次元的に走査することが可能となる。
但し、移動ミラーでは、ステージ移動時の機械的な角度変動が、ミラー反射により光学的角度変動が２倍と大きくなる。

なお、第３実施例において、ステージ４１と、第１のミラー５１、第２のミラー５２のそれぞれを連動して駆動させても良い。
或いは、ミラーを少なくとも一つ備えた構成とし、ステージ４１との組み合わせで、ユニットＵへの２次元的な走査を行うようにしても良い。

＜実施例４＞
図２２及び図２３は、第４実施例に係るレーザー加工装置Ｓを示すものである。第４実施例に係るレーザー加工装置Ｓは、実施例１と同様の構成において、レーザービームの発散角の変化を監視する、ダイバージェンスモニタ６０を装備した構成とされている。
第４実施例に係るレーザー加工装置Ｓは、エネルギーモニタ１５にレーザー光を反射する部分反射ミラー１４ａと、ダイバージェンスモニタ６０にレーザー光を反射する部分反射ミラー１４ｂを備えている。

本例では、ダイバージェンスモニタ６０でレーザービームの発散角を監視し、発散角の大きさに変化が生じたときは、ビームエキスパンダ１７のズーム機構１７ａ（図２参照）を調節し、マイクロレンズアレイ３０に入射するレーザービームの発散角を一定に保つようにする。

図２３は、ダイバージェンスモニタ６０の概略構成を示す説明図である。
本例のダイバージェンスモニタ６０は、ビームエキスパンダ１７の後段に部分反射ミラー１４ｂによって取り出したビームを、円形スリット６１を通した直後で、長い焦点距離を持つレンズ６２で集光し、その焦点位置にビーム強度分布を測定する２次元センサ６３を配置することにより測定を行うように構成されている。なお、２次元センサ６３の代わりに、直交する２方向の各々に１次元ラインセンサを設けても良い。

この測定ビーム強度の輪郭線が円形になるように、ビームエキスパンダ１７のズーム機構１７ａを用いてエキスパンダ倍率を調整すれば、レーザービームの発散角を縦横で等しくすることが可能となる。例えばエキスパンダ倍率の調整としては公知の技術を用いるもので、例えば、各レンズ間の距離を調節するものなどである。

レンズ集光による焦点位置のビーム強度分布は、回折限界による強度分布と、レーザービームの発散角の影響による強度分布をかけ合わせた強度分布となる。回折による強度分布は、波長、レンズへの入射ビーム径、レンズの焦点距離に依存し、レーザービームの発散角の影響による強度分布は、発散角、レンズの焦点距離に依存する。このため、ズームエキスパンダによりレーザービームの縦横の発散角を等しくするために、エキスパンダ通過後のレーザビームの発散角を測定することは、円形の加工孔を得るために効果的である。

ビームエキスパンダ１７のズーム機構１７ａを自動ズーム調整機構付とし、ダイバージェンスモニタ６０とズーム機構１７ａを連動させることにより、レーザービームの発散角を自動調整することが可能となる。例えば、ズーム機構のレンズの移動には一軸以上の自動ステージを備えた構成とする。

Claims (12)

1. 被加工物の被加工領域内の多数の被加工部分を加工するレーザー加工装置において、レーザー装置と、該レーザー装置から出射されるレーザービームの集光あるいは結像手段と、前記被加工物の配置手段と、を備え、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段を固定して、前記被加工領域内及び領域外で、前記集光あるいは結像手段がレーザービーム内の異なった領域からの照射を受け、かつ前記多数の被加工部分の各々への加工中の積算レーザービーム照射時間が等しくなるように、前記レーザービームと前記集光あるいは結像手段を相対的に移動しながら加工することを特徴とするレーザー加工装置。
2. 被加工物の被加工領域内の多数の被加工部分を加工するレーザー加工装置において、レーザー装置と、該レーザー装置から出射されるレーザービームの集光あるいは結像手段と、前記被加工物の配置手段と、を備え、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段と相対的に移動させながら、前記被加工領域内及び領域外で、前記集光あるいは結像手段がレーザービーム内の異なった領域からの照射を受け、かつ前記多数の被加工部分の各々への加工中の積算レーザービーム照射時間が等しくなるように、前記レーザービームと前記集光あるいは結像手段を相対的に移動しながら加工することを特徴とするレーザー加工装置。
3. 前記レーザービームの前記集光あるいは結像手段に対する加工中の相対的な移動は、２次元または３次元であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー加工装置。
4. 前記配置手段と前記レーザービームの集光あるいは結像手段を、前記レーザービームの光軸方向を軸に回転する回転機構を備えたことを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれか記載のレーザー加工装置。
5. 前記被加工物内の前記被加工領域と別の被加工領域に、前記レーザービームの集光あるいは結像手段、あるいは新たな集光あるいは結像手段を移動し、前記加工に引き続き新たな加工を行うことを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のレーザー加工装置。
6. 前記レーザービームの方向に対し垂直面内で直交する２軸に沿ってビームサイズを独立に変更し、主光線を平行にする、２つの独立なビームエキスパンダを有し、少なくともその内の１つにズーム機構を備えたことを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載のレーザー加工装置。
7. 前記ビームエキスパンダを通過後のレーザービームの発散角を監視するモニター装置を備え、ビームエキスパンダに備えられたズーム機構を用いて、前記レーザービームの方向に対し垂直面内で直交する２軸に沿って、前記レーザービームの発散角を一定の割合に維持する制御機構を有した請求項６記載のレーザー加工装置。
8. 被加工物の被加工領域内の多数の被加工部分を加工するレーザー加工方法であって、レーザー装置と、該レーザー装置から出射されるレーザービームの集光あるいは結像手段と、前記被加工物の配置手段と、を備え、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段とを固定する第一の工程と、前記被加工領域内及び領域外で、前記集光あるいは結像手段がレーザービーム内の異なった領域からの照射を受け、かつ前記多数の被加工部分の各々への加工中の積算レーザービーム照射時間が等しくなるように、前記レーザービームと前記集光あるいは結像手段を相対的に移動しながら加工する第二の工程を有することを特徴とするレーザー加工方法。
9. 被加工物の被加工領域内の多数の被加工部分を加工するレーザー加工方法であって、レーザー装置と、該レーザー装置から出射されるレーザービームの集光あるいは結像手段と、前記被加工物の配置手段と、を備え、前記被加工物に前記集光あるいは結像手段とを移動する第一の工程と、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段とを相対的に移動させながら、前記被加工領域内及び領域外で、前記集光あるいは結像手段がレーザービーム内の異なった領域からの照射を受け、かつ前記多数の被加工部分の各々への加工中の積算レーザービーム照射時間が等しくなるように、前記レーザービームと前記集光あるいは結像手段を相対的に移動しながら加工する第二の工程を有することを特徴とするレーザー加工方法。
10. 前記第二の工程の前記レーザービームの前記集光あるいは結像手段に対する加工中の相対的な移動は、２次元または３次元であることを特徴とする請求項８または９記載のレーザー加工方法。
11. 前記第二の工程中に、前記被加工物と前記集光あるいは結像手段を前記レーザービームの光軸方向を軸に回転させる工程を有することを特徴とする、請求項８乃至１０記載のいずれか記載のレーザー加工方法。
12. 前記第二の工程の後に、前記被加工物内の前記被加工領域と別の被加工領域に、前記レーザービームの集光あるいは結像手段、あるいは新たな集光あるいは結像手段を移動する第三の工程を有し、引き続き前記第二の工程を有することを特徴とする、請求項８乃至１１いずれか記載のレーザー加工方法。

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