JP4583955B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

レーザ光を用いて微細加工を行う加工装置におけるレーザ光の調整方法に関する。

ＹＡＧレーザなどのレーザ光を利用した溶接や切断、穴あけなどの加工は、従来より広く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に開示された加工装置は、波長域が紫外から可視域で、出力が数百ｍＷ〜数十Ｗ、ハルス幅が数ｎｓ〜数百ｎｓ、発振周波数が数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのパルスレーザを用い、レーザ光を集光光学系で基板表面付近に集光し、これを基板表面で（相対的に）走査させることで、サファイアなどの硬脆な材質よりなる基板や該基板を用いて作製されたデバイスに対するスクライブラインの形成や切断、貫通穴形成などに好適に用いられる。例えば、サファイアなど硬度が高く、かつ脆性を有する基板材料や、該基板材料上にＧａＮなどのワイドバンドギャップ化合物半導体薄膜により短波長ＬＤ（レーザダイオード）、ＬＥＤ（発光ダイオード）をなどのデバイスを形成したものの切削・加工に好適に利用される。

特開２００４−１１４０７５号公報

特許文献１に開示されているようなレーザ加工装置を用いる場合をはじめ、被加工部位上に焦点が形成されるように対物レンズにてレーザ光を集光することによって加工を行う場合、一般に、対物レンズの開口数ＮＡが大きいほど、光学系の調整に対して高い精度が要求される。例えば、レーザ光の焦点位置と被加工部位とを一致させるための調整や、あるいは被加工部位と照射されるレーザ光との直交性を確保するための調整、さらには加工位置精度を得るための調整などにおいて、その必要がある。その一方で、調整が厳密であればあるほど、その良否を判断することの困難さは増すことになる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、レーザ加工装置において簡易かつ確実に行えるレーザ光の調整方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、被加工物の被照射部位にレーザ光を集光して照射することによって被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、レーザ光の照射手段と、前記照射手段に対して照射対象物を相対的に走査させる走査手段と、前記照射手段と前記走査手段とを制御して、前記レーザ光で前記照射対象物を相対的に走査しつつ、前記レーザ光を前記照射対象物に照射することによって、前記照射対象物にライン状の調整用加工痕を形成させる調整用加工痕作成制御手段と、前記調整用加工痕を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により得られた撮像結果を用いて、前記レーザ光の光軸の傾き度合を特定する光軸傾き特定手段と、を備え、前記調整用加工痕作成制御手段が、前記照射手段と前記走査手段とを制御して、前記レーザ光で前記照射対象物を相対的に走査しつつ、前記レーザ光を前記照射対象物に照射することを、前記照射手段と前記照射対象物との離間距離を変化させつつ実行させることにより、前記照射対象物に前記レーザー光の合焦状態が相異なるライン状の複数の調整用加工痕を形成させ、前記光軸傾き特定手段が、前記複数の調整用加工痕のそれぞれについて前記走査方向に直角な方向における幅から特定される、前記複数の調整用加工痕のそれぞれの当該方向における中心位置についての比較を行い、当該比較結果に基づいて前記レーザ光の光軸の傾き度合を特定する、ことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置であって、前記複数の調整用加工痕を形成するための前記離間距離が異なる状態での複数回の前記レーザ光の照射を、前記走査手段による前記レーザ光の走査位置を一直線上に保ちつつ行う、ことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置であって、前記撮像手段により得られた撮像結果を用いて、前記複数の調整用加工痕の鮮鋭度比較を行い、当該比較結果に基づいて前記レーザ光の合焦状態が実現される前記照射手段の配置位置を特定する配置位置特定手段、をさらに備えることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記撮像手段により得られた撮像結果を用いて、前記レーザ光の光軸のずれ度合を特定する光軸ずれ特定手段、をさらに備え、前記光軸ずれ特定手段が、前記照射対象物の前記撮像手段の視野中に前記レーザ光の走査方向に沿って設定された所定の基準線分と前記調整用加工痕との間で前記レーザ光の走査方向に直角な方向についての位置比較を行い、当該比較結果に基づいて当該方向についての前記レーザ光の光軸のずれ度合を特定する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、対物レンズの開口数ＮＡが大きい場合であっても、撮像手段によって得られた調整用加工痕の撮像結果に基づいて、レーザ光の光軸傾きの調整を簡易かつ確実に行うことができる。

特に、請求項３および請求項８の発明によれば、レーザ光の合焦を簡易かつ確実に行うことができる。

特に、請求項４および請求項９の発明によれば、被加工部位と照射されるレーザ光との直交性を、簡易かつ確実に確保することができる。

特に、請求項４の発明によれば、レーザ光の照射位置と観察視野中心とのズレが解消されるので、高い加工精度で加工をすることができる。

＜レーザ加工装置の概要＞
図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１００の構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光源１からレーザ光ＬＢを発し、鏡筒２内に備わるハーフミラー３にて反射させた後、該レーザ光をステージ５に載置された被加工物Ｓの被加工部位にて合焦するよう集光レンズ４にて集光し、被加工部位に照射することによって、該被加工部位のアブレーション加工を行う装置である。レーザ加工装置１００の動作は、コンピュータ６の記憶手段６ｍに記憶されているプログラム１０が当該コンピュータによって実行されることにより、プログラム１０に従って後述する各部の動作が制御されることで実現される。コンピュータ６には、汎用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いることができる。なお、記憶手段６ｍは、例えばメモリや所定のストレージデバイスなどで構成され、レーザ加工装置を動作させるために必要な種々のデータを、記憶する役割を担うものである。

レーザ光源１としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いるのが好適な態様である。また、レーザ光源１から発せられるレーザ光ＬＢの波長や出力、パルス幅の調整は、コンピュータ６に接続されたコントローラ７により実現される。コンピュータ６から所定の設定信号がコントローラ７に対し発せられると、コントローラ７は、該設定信号に従って、レーザ光ＬＢの照射条件を設定する。本実施の形態においては、レーザ光ＬＢは２１０ｎｍ〜５３３ｎｍの波長範囲に属する波長を有するが、なかでもＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長約３５５ｎｍ）を用いるのが好適な態様である。また、パルス幅は、５ｎｓｅｃ〜５０ｎｓｅｃの中から選択することができる。すなわち、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、紫外線繰り返しパルスレーザを用いて加工を行うものである。レーザ光ＬＢは、集光レンズ４によって数μｍ程度のビーム径に絞られて照射される。これにより、レーザ光ＬＢの照射におけるエネルギー密度はおおよそ１００Ｊ／ｃｍ²〜１００ｋＪ／ｃｍ²、ピークパワー密度はおおよそ１ＧＷ／ｃｍ²〜５００ＧＷ／ｃｍ²となる。

レーザ加工装置１００におけるレーザの合焦は、被加工物Ｓはステージ５に固定し、鏡筒２を高さ方向（ｚ軸方向）に移動させることにより実現される。鏡筒２の移動（高さ調整）は、垂直移動機構Ｍｖと、該垂直移動機構Ｍｖに昇降可能に設けられた鏡筒２とをコンピュータ６に接続された駆動手段８によって駆動することにより実現されている。これにより、垂直移動機構Ｍｖを駆動することによる粗動動作と、垂直移動機構Ｍｖに対し鏡筒２を昇降させることによる微動動作との２段階動作が可能であり、駆動手段８がコンピュータ６からの駆動信号に応答することにより、スピーディかつ高精度の合焦動作が実現される。

図２は、ステージ５の上面側の構造を例示的に示す図である。図２には、粘着テープ５１（後述）が貼付された被加工物Ｓがステージ５に固定された場合に被加工物Ｓおよび粘着テープ５１がステージ上を占める状態を併せて示している。

図２に示すステージ５の上面には、ステージ５の中心から外周に向けて、複数の吸引孔５２が同心円状に設けられている。被加工物Ｓをステージ５の上面に載置した状態で、吸引孔５２と配管ＰＬ１およびＰＬ２にて接続された例えば吸引ポンプなどの吸引手段９を動作させることにより、被加工物Ｓに対して吸引力が作用し、被加工物Ｓがステージ５に固定される。なお、図２においては、最内周の半径をａとするとき、ａ、２ａ、４ａ、６ａ、７ａおよび１０ａの位置に吸引孔５２が設けられているが、吸引孔５２の配置は係る態様に限定されるものではない。また、各同心円上の吸引孔５２が、その前後の円上の吸引孔と５２と位相をずらした位置に設けられてなるのが、効果的な吸引固定を実現する上では好ましい。また、吸着による被加工物Ｓの変形を防止するという観点からは、それぞれの吸引孔５２の孔径を１ｍｍ以下にすることが好ましい。

被加工物Ｓが半導体基板等のように加工後に分割されるようなものの場合や、１００μｍ程度と薄い場合などにおいては、所定の粘着テープ５１を被加工物Ｓの底面に貼付したうえで、図２に示すように粘着テープ５１ごと吸引固定がなされる。あるいは化合物半導体をサファイア基板にエピタキシャル成長させたもののように反りがある場合も、同様に取り扱われる。後者の場合、反りによる凹凸差がレーザ光ＬＢの焦点位置許容範囲内である数μｍから数十μｍ程度であれば、加工が可能である。なお、反りのある被加工物Ｓの加工に際しては、加工の確実性の点から、図２に示すように、被加工物Ｓに対し貼付面からはみ出るように粘着テープ５１を貼付したうえで、吸着固定に供する態様をとるのが好ましい。

ステージ５は、例えば石英、サファイア、窒化ガリウム、水晶など、レーザ光ＬＢの波長に対して実質的に透明な材料で形成される。これにより、被加工物を透過したレーザ光ＬＢや被加工物をはずれて照射されたレーザ光がステージ５の表面で吸収されないので、該余剰レーザ光によってステージ５がダメージを受けることがない。

さらに、ステージ５は、水平移動機構Ｍｈの上に設けられている。水平移動機構Ｍｈは、駆動手段８の作用によりＸＹ２軸方向に水平に駆動される。

コンピュータ６からの駆動信号に応答して駆動手段８が水平移動機構Ｍｈを駆動することにより、所定の被加工部位をレーザ光ＬＢの照射位置まで移動させることができる。加工時には、レーザ光ＬＢを被加工物Ｓに対し相対的に走査することができる。

一方、加工を行う際、被加工部位の物質が融解あるいは蒸発した後に再固化ししたり、あるいは固体のまま飛散したりすることで生じる、パーティクル等の加工副産物は、被加工物Ｓの表面や集光レンズ等を汚染する要因となる。そこで、本実施形態に係るレーザ加工装置１００には、こうした加工副産物を除去することを目的とする集塵ヘッド１１が、支持体１１１により支持されて垂直移動機構Ｍｖの最下部に付設されている。

図３は、集塵ヘッド１１を示す図である。図３（ａ）は集塵ヘッド１１および支持体１１１の上面図、図３（ｂ）および（ｃ）は、集塵ヘッド１１の側面図である。集塵ヘッド１１は、平板状かつ中空の構造を有する集塵部１１２と、それぞれが該集塵部１１２の端部かつ上部に設けられ、集塵部１１２の内部と通じた吸気口１１３と排気口１１４とからなる。

集塵部１１２は、被加工物Ｓと鏡筒２の最下部に備わる集光レンズ４との間に位置するように設けられる。そして集塵部１１２には、上面からみた場合に中央部となる位置の上下にそれぞれ、上部開口１１５および下部開口１１６が設けられている（図３（ｂ））。これらの上部開口１１５および下部開口１１６は、その中心がちょうどレーザ光ＬＢの光軸と一致するように設けられているので、集塵ヘッド１１によってレーザ光ＬＢの進路が遮られることはない。また、集塵ヘッド１１は、垂直移動機構Ｍｖに付設されているので、垂直移動機構Ｍｖが上下すると共に、集塵ヘッド１１、つまりは集塵部１１２も上下するが、前述したように鏡筒２は単独で上下動することも可能であるので、集塵部１１２の配置により、レーザ光ＬＢの合焦位置が制限されることもない。

吸気口１１３は、例えばレーザ加工装置１００が設置される工場等のユーティリティとして備わる不活性ガス供給手段１２と、配管ＰＬ３により接続されている。排気口１１４は、例えば排気ポンプ等により実現される排気手段１３と、配管ＰＬ４により接続されている。配管ＰＬ３およびＰＬ４の途中にはそれぞれ、フィルタ１２１および１３１が設けられている。

不活性ガス供給手段１２は、不活性ガス（例えば窒素ガス）を連続的に供給することができるものである。矢印ＡＲ１（図１）のように、不活性ガス供給手段１２から供給される不活性ガスは、集塵ヘッド１１において吸気口１１３から矢印ＡＲ３のように集塵部１１２へ供給され、排気手段１３の排気動作によって、矢印ＡＲ２（図１）およびＡＲ４に示すように、排気口１１４を経て排気される。よって集塵部１１２の内部には、矢印ＡＲ５のように吸気口１１３から排気口１１４へ向けた不活性ガスの流れが生じることになるが、これに伴って、例えば上部開口１１５や下部開口１１６の近傍に引圧が発生するので、付近に存在するパーティクル１１７が、集塵部１１２へと引き込まれて、矢印ＡＲ６のように不活性ガスともども排気口１１４から排出されることになる。このような態様によって、レーザ加工により発生したパーティクル等の加工副産物が、被加工物Ｓの表面や、あるいは集光レンズ４に付着することが防止され、加工効率の低下が防止される。いわば、不活性ガスは、加工の際のアシストガスとして作用することになる。

あるいは、図３（ｃ）に示すように、例えば石英など、レーザ光ＬＢに対し透明な物質を材質とする蓋体板材１１８によって、上部開口１１５を着脱可能に覆う態様をとることにより、集光レンズ４に対するパーティクルの付着を防止する態様をとってもよい。

図１に戻り、レーザ加工装置１００に備わる、レーザ光の調整や被加工部位の位置決めを行ったり、加工中の状況を知るための構成要素について説明する。レーザ加工装置１００には、これらの目的のために、照明光源１４と、該照明光源１４から発せられた照明光ＩＬを反射して被加工物Ｓに照射するために鏡筒２内に設けられたハーフミラー１５と、鏡筒２の上方に設けられ被加工物Ｓの表面を撮像するＣＣＤカメラ１６と、ＣＣＤカメラ１６にて得られるリアルタイムの観察画像（モニタ画像）や記憶手段６ｍに画像データとして記録された画像（記録画像）、さらには種々の処理メニュー等を表示するためのモニタ１７とが備わっている。ＣＣＤカメラ１６とモニタ１７とは、コンピュータ６に接続され、該コンピュータ６によって制御される。これらを備えることにより、被加工物Ｓの表面の状態をモニタ１７にて確認しつつ、レーザ光の調整や被加工部位の位置決めを行ったり、あるいは加工中の被加工物表面の状況を知ることが可能となっている。

＜レーザ光の焦点位置調整＞
図４および図５は、レーザ加工装置１００におけるレーザ光の焦点位置の調整方法について説明する図である。本実施の形態においては、レーザ光によって照射対象物を相対的に走査するプロセスを、照射手段と照射対象物との幾何学的関係を変化させつつ実行することにより、照射対象物にライン状の複数の調整用加工痕を形成し、その複数の調整用加工痕の幾何学的状態について相対的な比較を行い、当該比較結果に基づいて照射手段の光学的状況を判断することによって、焦点位置の調整を行う。より具体的には、集光レンズ４をピント位置に配置した場合にレーザ光が最も十分に集光され、レーザ光がデフォーカスされるに従って、加工ラインが太くなっていくことを利用して、焦点位置の調整を行う。

本実施の形態に係るレーザ光の焦点位置の調整は、調整用治具Ｓ１をステージ５に吸引固定し、調整用治具Ｓ１に対してレーザ光を照射することによって行う。調整用治具Ｓ１は、使用するレーザのパワーやフォーカス状態に応じて、調整に適した加工痕が得られる材質を有する材料にてなるのが好ましい。なお、調整用治具Ｓ１の代わりに被加工物Ｓのサンプルや、製品用の被加工物Ｓの表面のうちのマージン部分などを用いてもよい。

まず、所定の方法によって集光レンズ４の高さ位置（ｚ方向における位置）を調整することにより、レーザ光の焦点Ｆを調整用治具Ｓ１の表面に概ね合致させる。このときのレーザ光の照射状態を仮合焦状態と称する。図４においては、（Ｂ）の状態がこれに相当する。集光レンズ４の開口数ＮＡが大きいほど、係る調整によって焦点Ｆが調整用治具Ｓ１の表面に合致する状態、すなわち真の合焦状態を実現することは困難であり、通常の場合、係る仮合焦状態は真の合焦状態とは一致しない。

次に、集光レンズ４をその位置から任意の距離だけ（ただし、調整用治具Ｓ１と接触しない範囲で）下方に移動させ、レーザ光を仮合焦状態よりもマイナスデフォーカスの状態とする。図４においては、（Ａ）の状態がこれに相当する。そして、このマイナスデフォーカスの状態で、所定の方向（図４の場合はｘ軸方向）に所定の距離だけレーザ光を（相対的に）走査させつつ調整用治具Ｓ１に照射することによって、調整用治具Ｓ１上にライン状の加工痕を形成する。

その後、集光レンズ４を所定距離だけ上方に移動させるとともに、調整用治具Ｓ１を平行移動（図４であればｙ軸方向に平行移動）させ、その位置で同様にレーザ光を照射して、再び加工痕を形成する。

以後、このような集光レンズ４の上方への移動と加工痕の形成とを、レーザ光が仮合焦状態よりも十分にプラスデフォーカスの状態となるまで繰り返す。図４においては、（Ｃ）の状態がプラスデフォーカスの状態に相当する。換言すれば、係る繰り返しは、出射位置を段階的に変えつつレーザ光を出射し、調整用治具Ｓ１に複数の加工痕を形成するものといえる。

このような加工痕の形成を段階的に繰り返すと、調整用治具Ｓ１には複数の加工痕が形成される。図５は、レーザ光の合焦状態を５段階に変えて加工痕を形成した場合を模式的に示している。（ａ）が最もマイナスデフォーカスな状態であり、以降、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）と進むにつれてプラスデフォーカスな状態を示している。なお、図５においては、５段階に加工痕を形成した場合を例示しているが、より多くの異なるステップ数で加工痕を形成する態様であってもよい。また、図５においては、各段階の加工痕を平行に示しているが、実際の処理においては、このように加工痕を平行に形成する必要はなく、例えば、一直線上に形成する態様であってもよい。

本実施の形態においては、これらの加工痕の中から、最も線幅が細くシャープな一の加工痕を特定し、該特定された加工痕を形成した際の対物レンズの配置位置が、レーザ光の真の合焦状態を実現するものと判断して、該配置位置を加工の際の集光レンズ４の配置位置、すなわちピント位置であると定める。図５の場合であれば、（ｃ）が最もシャープな状態であると判断されることになる。あるいは、同程度にシャープな加工痕が２つ形成されている場合は、それらの加工痕を形成した際の集光レンズ４の配置位置の中間位置を、真の合焦状態を実現する位置であると判断して、当該中間位置をピント位置と定める。これらの場合に、レーザ光の焦点位置が、ちょうど調整用治具Ｓ１の被加工面に一致することになり、焦点位置が適切に調整されたことになる。ただし、デフォーカスな状態ではレーザ光のパワー密度が低下することから、調整用治具Ｓ１その他の加工対象物の材質によっては、加工痕が形成されない場合もある。このような場合は、パワー密度が高いと判断できるフォーカス状態が実現される高さ位置の範囲の中点を、焦点位置と判断すればよい。この場合の処理も、加工痕が形成される場合には有限の幅が存在し、形成されない場合にはこれが存在しない、という意味においては、加工痕の幅の比較を行っているものともいえる。

オペレータは、ＣＣＤカメラ１６にてこれら複数の加工痕を撮像し、モニタ１７にてこれらを視認することにより、上述の条件に該当する加工痕を特定して、その特定結果に基づいて、焦点位置を調整する。

すなわち、調整用治具Ｓ１に対して実際に加工を行うことで、他の測定器などを使用せず目視確認によって、集光レンズ４の開口数ＮＡが大きい場合であっても、簡易かつ確実に焦点位置を調整することができる。

＜焦点位置調整の自動処理＞
上述した焦点位置の調整は、コンピュータ６において実行される所定の処理プログラムによる制御に従って、加工痕の画像データを取り込み、所定のしきい値条件に従って該画像データを処理することにより、自動的に行うことも可能である。図１０および図１１は、こうした焦点位置調整の自動処理のフローを例示する図である。ここでは、図１０に示す準備処理と、図１１に示す本処理とを行うことで、焦点位置調整の自動処理が実現される。

図１０に示す準備処理においては、まず、調整用治具Ｓ１の表面の所定の対象領域について仮合焦状態を実現したうえで、該対象領域を撮像し、画像データを得る。このとき得られる画像を画像Ａと称することとする（ステップＳ１０１）。ここで、対象領域とは、以下の工程において図５のように焦点位置調整用の複数の加工痕を形成しようとする領域をいう。次に、１つ目の加工痕の形成の開始位置において集光レンズ４のｚ軸方向の調整を行うことで、レーザ光をマイナスデフォーカスの状態にし（ステップＳ１０２）、レーザ光をｘ軸方向に走査させつつ照射して加工痕を形成する（ステップＳ１０３）。加工痕の形成が終わると、次の加工位置に移動すると共に、デフォーカス値を替えるべく集光レンズ４をｚ軸方向に所定距離だけ移動させ（ステップＳ１０４）、引き続き次の加工痕の形成を行う（ステップＳ１０５でＮＯ、ステップＳ１０４）。ステップＳ１０３およびステップＳ１０４を所定の回数だけ繰り返して、図５と同様に複数の加工痕の形成を行った後（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、画像Ａを得たのと同じ対象領域（加工済領域）を撮像し、画像データを得る。このとき得られる画像を画像Ｂと称することとする（ステップＳ１０６）。画像Ｂが得られると、画像Ａに対する画像Ｂの差分を得る差分処理を実行し、差分画像のデータを得る（ステップＳ１０７）。これで準備処理は終了する。

次に、図１１に示す本処理においては、まず、レーザを照射した際の照射位置を示す位置データ（照射位置データ）により、加工痕が形成された場所（加工領域）に相当する差分画像上の位置を特定する（ステップＳ２０１）。そして、その加工領域に形成されてなる加工痕の鮮鋭度を算出する（ステップＳ２０１）。鮮鋭度とは形成された加工痕の形状の鮮鋭さ（明瞭さ）を示す評価値である。例えば、ｘ軸方向、ｙ軸方向のエッジ勾配（着目画素と隣接８画素にSobelオペレータを作用させることで得られる）を画素単位で算出した後に、画像全体でこれを平均することにより得られる平均エッジ勾配の値を、鮮鋭度として用いることが出来る。あるいは、着目画素と隣接する２画素の差分の絶対値を全ての画素について求めこれを加算することにより得られる値を、鮮鋭度としてもよい。

ある加工領域について加工痕の鮮鋭度の算出が終了すると、次の加工領域へと移動して（ステップＳ２０３）、引き続きステップＳ２０１およびステップＳ２０２を繰り返す（ステップＳ２０４でＮＯ）。全ての加工領域についての鮮鋭度の算出が完了すると（ステップＳ２０４でＹＥＳ）、集光レンズ４の高さ位置ｚと鮮鋭度ｑとの関係を補間する２次の近似関数（補間式）を演算する（ステップＳ２０５）。近似関数が得られると、その頂点と頂点を与えるｚの値とを算出する（ステップＳ２０６）。そして、この頂点に対応するｚの値を加工焦点位置として登録する（ステップＳ２０７）。登録されたｚの値にあたる位置をレーザ光の真の合焦状態が実現される位置（フォーカス状態が実現される位置）として、種々の加工処理が実行されることになる。

＜レーザ光の光軸傾き検出＞
図６および図７は、レーザ加工装置１００におけるレーザ光の光軸の傾き検出の方法について説明する図である。本実施の形態においては、レーザ光によって照射対象物を相対的に走査するプロセスを、照射手段と照射対象物との幾何学的関係を変化させつつ実行することにより、照射対象物にライン状の複数の調整用加工痕を形成し、その複数の調整用加工痕の幾何学的状態について相対的な比較を行い、当該比較結果に基づいて照射手段の光学的状況を判断することによって、光軸の傾き（光軸倒れ）の検出を行う。より具体的には、光軸が被加工物Ｓに対し直交していない状態でレーザ光をデフォーカスしてライン加工した場合の加工ラインの中心位置が、同じ状態でレーザ光がピント位置にある場合の加工ラインの中心位置からずれることを利用して、光軸の傾きの検出を行う。

なお、本実施の形態においては、レーザ光の光軸傾きの検出も、調整用治具Ｓ１をステージ５に吸引固定し、調整用治具Ｓ１に対してレーザ光を照射することによって行う。なお、調整用治具Ｓ１の代わりに被加工物Ｓのサンプルや、製品用の被加工物Ｓの表面のうちのマージン部分などを用いてもよい。

まず、例えば上述の方法などによって、レーザ光の焦点Ｆを調整用治具Ｓ１の表面に合致させる。すなわち、合焦状態を実現する。このとき、レーザ光の光軸がｚ方向と平行であれば、図６（ａ）に示すように、その焦点Ｆ１は調整用治具Ｓ１の表面において対物レンズの対称軸ＡＸの延長線上に形成される。一方、レーザ光の光軸がｚ方向と平行でない場合、図６（ｃ）に示すように、その焦点Ｆ２は調整用治具Ｓ１の表面において対物レンズの対称軸ＡＸの延長線とは異なる位置に形成される。

そして、この状態で、所定の方向に所定の距離だけ、レーザ光を（相対的に）走査させつつ調整用治具Ｓ１に照射することによって、調整用治具Ｓ１上にライン状の加工痕を形成する。図７は、ｘ軸の正方向に加工痕を形成する場合を示している。図７（ａ）にレーザ光の光軸がｚ方向と平行な状態（図６（ａ）の状態）における加工痕を、図７（ｃ）にレーザ光の光軸がｚ方向と平行でない状態（図６（ｃ）の状態）における加工痕を示している。

続いて、集光レンズ４をプラスデフォーカスの位置に移動させる。このとき、レーザ光の光軸がｚ方向と平行であれば、図６（ｂ）に示すように、そのレーザ光が調整用治具Ｓ１の表面において形成する像の中心位置Ｃ１は、対物レンズの対称軸ＡＸの延長線上に形成される。すなわち、焦点Ｆ１の形成位置と中心位置Ｃ１の位置とは一致する。一方、レーザ光の光軸がｚ方向と平行でない場合、図６（ｄ）に示すように、レーザ光の像の中心位置Ｃ２は、対物レンズの対称軸ＡＸの延長線とは異なる位置に形成される。

そして、このプラスデフォーカスの状態において、走査位置（集光レンズ４が相対的に移動する際の通過位置）を合焦状態の場合の延長線上に保ったまま、所定の距離だけ、レーザ光を（相対的に）走査させつつ調整用治具Ｓ１に照射する。これにより、調整用治具Ｓ１上にライン状の加工痕を形成する。図７（ｂ）がレーザ光の光軸がｚ方向と平行な状態（図６（ｂ）の状態）における加工痕を、（ｄ）がレーザ光の光軸がｚ方向と平行でない状態（図６（ｄ）の状態）における加工痕を示している。

レーザ光の光軸がｚ方向と平行であれば、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、合焦状態にあった場合の加工痕の中心線Ｔａと、プラスデフォーカス状態にあった場合の加工痕の中心線Ｔｂとは、同一の直線Ｌ１上に位置することになる。これに対して、レーザ光の光軸がｚ方向と平行でない場合、図７（ｃ）および（ｄ）に示すように、プラスデフォーカス状態にあった場合の加工痕の中心線Ｔｄは、合焦状態にあった場合の加工痕の中心線Ｔｃと同一の直線Ｌ２上には位置せず、該直線Ｌ２からある距離Δｙ１だけずれて位置することになる。

すなわち、プラスデフォーカス状態の加工痕の中心が、合焦状態の加工痕の中心からずれているか否かで、光軸がｚ方向に対して傾きを有しているか否かが判断されることになる。

オペレータは、ＣＣＤカメラ１６にて撮像されモニタ１７に表示された加工痕を視認することは可能であるが、焦点Ｆの像あるいは合焦状態の加工痕のみをオペレータが肉眼で見ても、レーザ光の光軸が傾きを有するか否かを判断することは困難であるが、係る方法によって、その判断を容易に行うことができる。

そして、所定の方法による光軸の調整と、係る傾きの検出とを適宜に繰り返すことにより、図７（ａ）および（ｂ）に示す状態を実現することで、被加工物Ｓに直交させてレーザ光を照射することができる。

＜光軸傾き検出の自動処理＞
上述した光軸傾きの検出は、コンピュータ６において実行される所定の処理プログラムによる制御に従って、加工痕の画像データを取り込み、該画像データを処理することにより、自動処理することも可能である。図１２および図１３は、こうした光軸傾き（光軸倒れ）検出の自動処理のフローを例示する図である。ここでは、図１２に示す準備処理と、図１３に示す本処理とを行うことで、光軸傾き検出の自動処理が実現される。

図１２に示す準備処理においては、まず、上述のような所定の焦点調整処理を行った後、調整用治具Ｓ１の表面の所定の対象領域を撮像し、画像データを得る。このとき得られる画像を画像Ａ’と称することとする（ステップＳ３０１）。次に、集光レンズ４のｚ軸方向の調整を行うことで、レーザ光をマイナスデフォーカスの状態にし（ステップＳ３０２）、レーザ光をｘ軸方向に走査させつつ照射して加工痕を形成する（ステップＳ３０３）。加工痕の形成が終わると、その位置で集光レンズ４のｚ軸方向の調整を行うことで、レーザ光をフォーカス状態にし（ステップＳ３０４）、レーザ光をｘ軸方向に走査させつつ照射して加工痕を形成する（ステップＳ３０５）。次にいったん開始位置に戻って、今度はｙ軸方向について同様の処理を行う。すなわち、集光レンズ４のｚ軸方向の調整を行うことで、マイナスデフォーカスの状態、デフォーカス状態のｙ軸方向への加工痕の形成を連続して行う（ステップＳ３０６〜ステップＳ３０９）。このような加工痕の形成が終わると、画像Ａ’を得たのと同じ対象領域（加工済領域）を撮像し、画像データを得る。このとき得られる画像を画像Ｂ’と称することとする（ステップＳ３１０）。画像Ｂ’が得られると、画像Ａ’に対する画像Ｂ’の差分を得る差分処理を実行し、差分画像のデータを得る（ステップＳ３１１）。これで準備処理は終了する。なお、図１２に示す準備処理においては、デフォーカス状態での加工痕の形成をフォーカス状態よりも先にマイナスデフォーカス状態で行っているが、上述のように（図７に示すように）フォーカス状態での形成を先に行った後にデフォーカス状態での形成を行う態様でもよいし、マイナスデフォーカス状態ではなく＋デフォーカス状態で形成してもよい。

次に、図１３に示す本処理においては、ｘ軸方向に形成した加工痕についての差分像からｙ軸方向の光軸の傾き（光軸倒れ）を算出し、ｙ軸方向に形成した加工痕についての差分像からｘ軸方向の光軸の傾き（光軸倒れ）を算出する。まず、デフォーカス状態でｘ軸方向に形成した加工痕に相当する差分画像上の領域（デフォーカス領域）の、上部輪郭位置ｙ１と下部輪郭位置ｙ２とを算出する（ステップＳ４０１）。次に、フォーカス状態でｘ軸方向に形成した加工痕に相当する差分画像上の領域（フォーカス領域）の、ｙ軸方向の中心位置ｙ０を算出する（ステップＳ４０２）。ｙ１，ｙ２、およびｙ０について、
Δｙ１＝（ｙ１＋ｙ２）／２−ｙ０ （式１）
を算出する（ステップＳ４０３）。得られたΔｙ１の値がｙ軸方向の光軸倒れとなる（ステップＳ４０４）。式１の第１項は、デフォーカス領域の中心位置を示している。Δｙ１＝０であれば、ｙ軸方向について光軸の傾きがないことになる。同様に、デフォーカス状態でｙ軸方向に形成したデフォーカス領域の、左部輪郭位置ｘ１と右部輪郭位置ｘ２とを算出し（ステップＳ４０５）、フォーカス状態でｙ軸方向に形成したフォーカス領域のｘ軸方向の中心位置ｘ０を算出して（ステップＳ４０６）、ｘ１，ｘ２、およびｘ０について、
Δｘ１＝（ｘ１＋ｘ２）／２−ｘ０ （式２）
を算出する（ステップＳ４０７）。得られたΔｘ１の値がｘ軸方向の光軸倒れとなる（ステップＳ４０８）。なお、式２の第１項は、デフォーカス領域の中心位置を示している。また、Δｘ１＝０であれば、ｘ軸方向について光軸の傾きがないことになる。このようにして得られた光軸倒れの値を、光軸傾きの修正に利用する。

＜レーザ光の照射位置の校正＞
図８および図９は、レーザ加工装置１００におけるレーザ光の照射位置の校正の方法について説明する図である。レーザ加工装置１００においては、被加工物Ｓを観察することによって加工位置が定められるが、係る加工位置の設定は、観察中心位置と加工の際に実際にレーザ光が照射される照射位置とが一致していることを前提としてなされるので、これらの間にズレがあると、位置精度の良い加工を行うことができない。従って、その校正を行う必要が生じる。本実施の形態においては、レーザ光によって照射対象物を相対的に走査するプロセスを実行することにより、照射対象物にライン状の調整用加工痕を形成し、その調整用加工痕の幾何学的状態について所定の基準状態との間で比較を行い、当該比較結果に基づいて前記照射手段の状況を判断することによって、レーザ光の照射位置の校正を行う。より具体的には、ライン加工を行った場合の加工痕の形状の安定性を利用して、加工痕の実際の形成位置と、観察視野中の基準線分の位置とのずれを検出して、レーザ光の照射位置の校正を行う。

なお、本実施の形態においては、レーザ光の照射位置の校正も、調整用治具Ｓ１をステージ５に吸引固定し、調整用治具Ｓ１に対してレーザ光を照射することによって行う。なお、調整用治具Ｓ１の代わりに被加工物Ｓのサンプルや、製品用の被加工物Ｓの表面のうちのマージン部分などを用いてもよい。

まず、例えば上述の方法などによって、レーザ光の焦点Ｆを調整用治具Ｓ１の表面に合致させる。すなわち、合焦状態を実現する。そして、所定の距離だけ、レーザ光を（相対的に）走査させつつ調整用治具Ｓ１に照射することによって、調整用治具Ｓ１上にライン状の加工痕を形成する。

図８は、その際の調整用治具Ｓ１の表面をモニタ１７に映し出した状態を示す図であるが、図８においては、観察視野中心Ｉと観察視野の所定の端点Ｅとを結ぶ線分を加工痕の形成予定位置として定めた上で加工を実行したにもかかわらず、実際に形成されたのは、加工痕Ｔｅであった場合が示されているものとする。これはすなわち、レーザ光の照射位置が、ｙ軸正方向に距離Δｙ２だけ観察中心位置からずれている状態を示している。係る場合、距離Δｙ２のズレを打ち消すために、レーザ光の照射位置をｙ軸方向にオフセットさせたうえで加工を行えば、観察視野中心Ｉのｙ方向の位置と、実際のレーザ光照射位置のｙ方向の位置とが一致することになる。距離Δｙ２は、加工痕の画像データを取り込み、所定の画像処理プログラムを用いて該画像データを処理することにより、容易に算出できる。

同様のことをｘ軸方向についても行えば、ｘ軸方向についても観察視野中心とレーザ光の照射位置とのズレの程度を特定することができる。

すなわち、上述の方法によってｘ、ｙ両軸方向における加工位置のオフセット値をあらかじめ取得しておき、実際の加工に際しては、係るオフセット値だけ被加工物Ｓの位置をオフセットさせた上で加工を行うことにより、モニタ１７を通じて加工位置と定めた位置決めしたその位置における加工がなされることになる。

なお、レーザ光を走査させることなく照射（スポット照射）して加工痕を形成し、オフセット値を算出する態様も考えられる。しかしながら、ライン加工の場合は図９（ａ）に示すように端部Ｐ１では加工痕に広がりが生じてしまうものの、ライン状の部分Ｐ２においては、加工痕の形状が安定しているので、正確にその位置を特定することができるのに対し、スポット照射の場合、レーザ光のパワーが略一点に与えられるので、図９（ｂ）に示すように形成される加工痕Ｐ３の径は不安定で、かつライン状の加工痕を形成する場合よりも大きくなる。従って、スポット照射による校正では正確にオフセット値を定めることは困難であり、好ましくないといえる。

＜照射位置オフセットの自動処理＞
上述した照射位置のオフセット値の算出とその結果に基づく照射位置の校正は、コンピュータ６において実行される所定の処理プログラムによる制御に従って、加工痕の画像データを取り込み、該画像データを処理することにより、自動処理することも可能である。図１４および図１５は、こうしたオフセット値算出の自動処理のフローを例示する図である。ここでは、図１４に示す準備処理と、図１５に示す本処理とを行うことで、照射位置校正の自動処理が実現される。

図１４に示す準備処理においては、まず、上述のような所定の焦点調整処理や光軸傾きの修正を行った後、調整用治具Ｓ１の表面の原点（仮原点）の位置にステージ５を移動させる（ステップＳ５０１）。なお、ここでいう仮原点とは、観察視野中心にあって照射位置校正前の状態で原点とされている位置、すなわち調整用治具Ｓ１の表面において集光レンズ４からレーザ光が照射されるはずの位置をいう。そして、仮原点を含む所定の対象領域を撮像し、画像データを得る。このとき得られる画像を画像Ａ”と称することとする（ステップＳ５０２）。次に、レーザ光をｘ軸方向に走査させつつ照射して加工痕を形成する（ステップＳ５０３）。引き続き、ｙ軸方向にも同様の処理を行う。すなわち、いったん仮原点にステージ５を移動させた後、レーザ光をｙ軸方向に走査させつつ照射して加工痕を形成する（ステップＳ５０４、Ｓ５０５）。このような加工痕の形成が終わると、画像Ａ”を得たのと同じ対象領域（加工済領域）を撮像し、画像データを得る。このとき得られる画像を画像Ｂ”と称することとする（ステップＳ５０６）。画像Ｂ”が得られると、画像Ａ”に対する画像Ｂ”の差分を得る差分処理を実行し、差分画像のデータを得る（ステップＳ５０７）。これで準備処理は終了する。

次に、図１５に示す本処理においては、ｘ軸方向に形成した加工痕についての差分像からｙ軸方向の照射位置のズレを算出し、ｙ軸方向に形成した加工痕についての差分像からｘ軸方向の照射位置のズレを算出して、照射位置のオフセットを行う。まず、図８の場合と同様に、ｘ軸方向に形成した加工痕の、ｙ軸方向の座標値、つまりは仮原点を通るｘ軸方向に平行な線分（基準線分）からのズレΔｙ２を算出する（ステップＳ６０１）。このΔｙ２を、ｙ軸方向のオフセット値として取得する（ステップＳ６０２）。次に、ｙ軸方向に形成した加工痕の、ｘ軸方向の座標値、つまりは仮原点を通るｙ軸方向に平行な線分（基準線分）からのズレΔｘ２を算出する（ステップＳ６０３）。このΔｘ２を、ｘ軸方向のオフセット値として取得する（ステップＳ６０４）。これらのΔｘ、Δｙだけステージ５を移動させると、集光レンズ４の直下の位置が原点位置と一致する。すなわち、照射位置の校正がなされたことになる。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１００の構成を示す図である。 ステージ５の上面側の構造を例示的に示す図である。 集塵ヘッド１１を示す図である。 レーザ加工装置１００におけるレーザ光の焦点位置の調整方法について説明する図である。 レーザ加工装置１００におけるレーザ光の焦点位置の調整方法について説明する図である。 レーザ加工装置１００におけるレーザ光の光軸の傾き検出の方法について説明する図である。 レーザ加工装置１００におけるレーザ光の光軸の傾き検出の方法について説明する図である。 レーザ加工装置１００におけるレーザ光の照射位置の校正の方法について説明する図である。 レーザ加工装置１００におけるレーザ光の照射位置の校正の方法について説明する図である。 焦点位置調整の自動処理のうち準備処理のフローを例示する図である。 焦点位置調整の自動処理のうち本処理のフローを例示する図である。 光軸傾き検出の自動処理のうち準備処理のフローを例示する図である。 光軸傾き検出の自動処理のうち本処理のフローを例示する図である。 オフセット値算出の自動処理のうち準備処理のフローを例示する図である。 オフセット値算出の自動処理のうち本処理のフローを例示する図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ 鏡筒
３ ハーフミラー
４ 集光レンズ
５ ステージ
１４ 照明光源
１５ ハーフミラー
１６ ＣＣＤカメラ
５１ 粘着テープ
５２ 吸引孔
１００ レーザ加工装置
Ｓ 被加工物
Ｓ１ 調整用治具

Claims (4)

1. 被加工物の被照射部位にレーザ光を集光して照射することによって被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、
   レーザ光の照射手段と、
   前記照射手段に対して照射対象物を相対的に走査させる走査手段と、
   前記照射手段と前記走査手段とを制御して、前記レーザ光で前記照射対象物を相対的に走査しつつ、前記レーザ光を前記照射対象物に照射することによって、前記照射対象物にライン状の調整用加工痕を形成させる調整用加工痕作成制御手段と、
   前記調整用加工痕を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により得られた撮像結果を用いて、前記レーザ光の光軸の傾き度合を特定する光軸傾き特定手段と、
   を備え、
   前記調整用加工痕作成制御手段が、
   前記照射手段と前記走査手段とを制御して、前記レーザ光で前記照射対象物を相対的に走査しつつ、前記レーザ光を前記照射対象物に照射することを、前記照射手段と前記照射対象物との離間距離を変化させつつ実行させることにより、前記照射対象物に前記レーザー光の合焦状態が相異なるライン状の複数の調整用加工痕を形成させ、
   前記光軸傾き特定手段が、
   前記複数の調整用加工痕のそれぞれについて前記走査方向に直角な方向における幅から特定される、前記複数の調整用加工痕のそれぞれの当該方向における中心位置についての比較を行い、当該比較結果に基づいて前記レーザ光の光軸の傾き度合を特定する、
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
   前記複数の調整用加工痕を形成するための前記離間距離が異なる状態での複数回の前記レーザ光の照射を、前記走査手段による前記レーザ光の走査位置を一直線上に保ちつつ行う、
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置であって、
   前記撮像手段により得られた撮像結果を用いて、前記複数の調整用加工痕の鮮鋭度比較を行い、当該比較結果に基づいて前記レーザ光の合焦状態が実現される前記照射手段の配置位置を特定する配置位置特定手段、
   をさらに備えることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、
   前記撮像手段により得られた撮像結果を用いて、前記レーザ光の光軸のずれ度合を特定する光軸ずれ特定手段、
   をさらに備え、
   前記光軸ずれ特定手段が、
   前記照射対象物の前記撮像手段の視野中に前記レーザ光の走査方向に沿って設定された所定の基準線分と前記調整用加工痕との間で前記レーザ光の走査方向に直角な方向についての位置比較を行い、当該比較結果に基づいて当該方向についての前記レーザ光の光軸のずれ度合を特定する、
   ことを特徴とするレーザ加工装置。

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