JP5011939B2 - レーザ微細加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工用レーザ光を照射して加工対象物の加工面に微細なピットを作製するレーザ微細加工装置に関する。

従来より、光加工ヘッドから出射される加工用レーザ光を平板状の加工対象物に照射し、該加工対象物の加工面に微細なピットを作製するレーザ微細加工装置が知られている。このレーザ微細加工装置において、ターンテーブル上に固定された加工対象物にレーザ光を照射し加工する装置として、例えば特許文献１に示されるようなものがある。

この特許文献１に示されるレーザ描画装置は、ターンテーブルに一枚の加工対象物をターンテーブルの回転中心と加工対象物の中心が略一致するよう固定してターンテーブルを回転させ、回転する加工対象物の加工面に直接レーザ光を照射して加工を施すものである。
特開２００１−１３３９８７号公報

しかしながら、従来のレーザ描画装置の構成によるレーザ微細加工装置では、ターンテーブルにセットして加工できる加工対象物の枚数が一枚であることから、加工対象物の交換が煩雑で加工タクトが長く、効率的な加工が困難である。

また、加工用レーザ光が照射される位置の線速度が一定になるようターンテーブルを回転させて加工を行う場合、加工用レーザ光が照射される位置が回転中心付近になるとターンテーブルの回転が速くなるため、回転制御の精度は、回転中心から離間した位置に比べて劣る。また、回転速度には限界があるため中心部に近づくと線速度一定での制御ができなくなる場合もある。さらに、ターンテーブルの回転中心と加工対象物の中心とを精度よく一致させることは困難であり、ターンテーブルの回転中心に加工用レーザ光の半径方向移動線が含まれるよう調整することも困難である。このため、ターンテーブルの回転中心付近では加工対象物に高精度な加工を施すことは困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数の加工対象物を同時に加工できるようにすることで加工効率を向上させることが可能で、ターンテーブルの回転中心を意識することなく高精度な加工が可能なレーザ微細加工装置を提供することにある。

請求項１記載のレーザ微細加工装置は、加工対象物と厚みが略同一な平板状で、厚み方向に貫通すると共に挿嵌された加工対象物の位置を規制する装着孔が複数穿設された加工対象物固定治具と、加工対象物固定治具及び装着孔に装着された加工対象物を吸着して回転するターンテーブルと、加工対象物からの反射光に基づきフォーカスエラー信号を生成し、フォーカスエラー信号に基づいて加工用レーザ光の焦点が加工対象物上に合うようにフォーカスサーボを行うフォーカスサーボ手段とを備え、複数の装着孔のそれぞれが加工対象物固定治具の回転中心から離間して設けられ、加工対象物の加工面と加工対象物固定治具の非吸着面との高さが略同一であり、フォーカスエラー信号にＳ字波形が生じるＳ字検出距離を、加工対象物の加工面と加工対象物固定治具の非吸着面との段差の３〜１０倍相当としたことを特徴とする。

請求項２記載のレーザ微細加工装置は、加工対象物固定治具とターンテーブルとが一体に形成されていることを特徴とする。

請求項３記載のレーザ微細加工装置は、フォーカスサーボ手段が、フォーカスエラー信号に基づいて加工用レーザ光の焦点位置を制御するための信号を生成するサーボ回路を備え、サーボ回路におけるカットオフ周波数を、加工対象物と加工対象物固定治具の装着孔との間の隙間により発生する信号成分の周波数の２．５分の１〜１５分の１相当としたことを特徴とする。

請求項４記載のレーザ微細加工装置は、加工対象物が、ＬＥＤウェハーであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、加工対象物固定治具に加工対象物を装着するための複数の装着孔が設けられ、複数の加工対象物を同時に加工できることから、加工効率を向上させることが可能である。また、装着孔のそれぞれが加工対象物固定治具の回転中心から離間して設けられ、加工対象物が加工対象物固定治具の回転中心から離れた位置に固定されることから、回転中心において高精度な加工が困難であるという問題を考慮する必要がなく、回転中心を意識することなく高精度な加工が可能である。さらに、フォーカスサーボを行うために加工対象物からの反射光に基づいて生成されるフォーカスエラー信号においてＳ字波形が生じるＳ字検出距離を、加工対象物の加工面と加工対象物固定治具の非吸着面との段差の３〜１０倍相当としたことから、段差がある場所においても、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物の加工面と加工対象物固定治具の非吸着面に合うようにフォーカスサーボを行うことが可能であり、加工が中断することがないため、効率のよい加工が可能となる。

請求項２の発明によれば、加工対象物固定治具とターンテーブルとが一体に形成されていることから、ターンテーブルに加工対象物を固定するのみでよく、作業効率を向上させることができる。

請求項３の発明によれば、加工用レーザ光の焦点位置を制御するための信号を生成するサーボ回路のカットオフ周波数を、加工対象物と加工対象物固定治具の装着孔との間の隙間により発生する信号成分の周波数の２．５分の１〜１５分の１相当としたことから、隙間がある場所においてフォーカスエラー信号が乱れてもサーボ回路はその乱れを無視してサーボ信号を生成するので、加工用レーザ光の焦点位置がフォーカスサーボが外れるような変動をすることはなく、加工が中断することがないため効率のよい加工が可能となる。

請求項４の発明によれば、加工対象物がＬＥＤウェハーであり、ＬＥＤウェハーの表面に微細な凹凸を高精度で作製することにより、光の取り出し効率の高いＬＥＤを作り出すことが可能である。

以下、本発明の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。本発明の形態におけるレーザ微細加工装置は、光加工ヘッドから対物レンズにより集光して出射される加工用レーザ光を平板状の加工対象物に照射し、加工対象物の加工面に加工用レーザ光の焦点によって微細なピットを作製するものである。図１は本発明に係るレーザ微細加工装置の構成の一例を説明する説明図、図２は同レーザ微細加工装置のウェハー固定治具の説明図、図３は同レーザ微細加工装置のＳ字検出距離を示す説明図、図４は同レーザ微細加工装置の構成を示す構成図である。

図１において、ウェハー５は、ＬＥＤウェハー等のディスク状の加工対象物で、表面が微細ピットを作製する加工面５ａである。本発明のレーザ微細加工装置１を構成するウェハー固定治具１０は、ウェハー５と厚みが略同一なディスク状で、厚み方向に貫通すると共にウェハー５を挿嵌可能な装着孔１０ａが複数穿設されている。この装着孔１０ａは、ウェハー固定治具１０の回転中心から離間して設けられている。ターンテーブル１２は、ウェハー５を回転させるテーブルであり、全面に吸引口１２ａを複数備え、ウェハー固定治具１０とウェハー５を吸着可能に構成されている。光加工ヘッド２００は、内部に設けられたレーザ光源から微細ピットを作製するための加工用レーザ光を出射するものである。

また、図４に示すようにレーザ微細加工装置１は、光加工ヘッド２００の他、表示装置６０２や入力装置６０４を備えたコントローラ６００、ＨＦ信号増幅回路１０２、フォーカスエラー信号生成回路１０４、フォーカスサーボ回路１０６、ドライブ回路１０８、発光信号生成回路２０４、加工用レーザ駆動回路２０２、スピンドルモータ３００、スピンドルモータ制御回路３０２、フィードモータ４００、フィールドモータ制御回路４０２等から構成されている。

次に、本発明のレーザ微細加工装置１により微細ピットをウェハー５の加工面５ａに作製する手順を、図１を基に説明する。まず、図１（ａ）に示すように、ターンテーブル１２の上にウェハー固定治具１０を載置して吸着する。次に、図１（ｂ）に示すように、ターンテーブル１２に載置されたウェハー固定治具１０の装着孔１０ａに、ウェハー５を挿嵌して吸着する。このように、ウェハー固定治具１０の装着孔１０ａにウェハー５を挿嵌することで、ウェハー５は、加工面５ａがウェハー固定治具１０の非吸着面と略同一面となった状態で、位置が規制されつつターンテーブル１２に固定される。この状態で、ウェハー５及びウェハー固定治具１０を回転させ、図１（ｃ）に示すように、回転するウェハー５の表面の加工面５ａに向かって加工用レーザ光を照射する。

次に、レーザ微細加工装置１の具体的な作動を図４を基に説明する。入力装置６０４からレーザ加工開始が入力されると、コントローラ６００はフィードモータ制御回路４０２、スピンドルモータ制御回路４０２、スピンドルモータ制御回路３０２、発光信号生成回路２０４及び加工用レーザ駆動回路２０２に作動開始を指示する。加工用レーザ光が照射される初期半径位置は、入力装置６０４からコントローラ６００を介して予めフィードモータ制御回路４０２に設定されており、コントローラ６００から作動開始指示があると、フィードモータ制御回路４０２はフィードモータ４００内にあるエンコーダが出力するパルス信号から半径位置を計算し、設定された初期半径位置になるようフィードモータ４００を駆動する。これによりウエハー５よりやや内側の半径位置かやや外側の半径位置から加工用レーザ光が照射されるようになる。

そして、コントローラ６００は、フィードモータ４００内にあるエンコーダが出力するパルス信号から半径位置を常に計算し、入力装置６０４から予め入力されている微細ピットの半径方向間隔と線速度から、ターンテーブル１２の１回転で丁度微細ピットの半径方向間隔分、加工用レーザ光が照射される半径位置を移動する送り速度を計算してフィードモータ制御回路４０２に指示する。フィードモータ制御回路４０２は、フィードモータ４００内にあるエンコーダが出力するパルス信号から送り速度を算出し、送り速度が指示された速度に合うようフィードモータ４００を駆動する。またコントローラ６００は、計算された半径位置と入力されている線速度から、加工用レーザ光が照射される位置の線速度が入力されている線速度になるための回転速度を計算し、スピンドルモータ制御回路３０２に指示する。スピンドルモータ制御回路３０２は、スピンドルモータ３００内にあるエンコーダが出力するパルス信号から回転速度を計算し、回転速度が指示された速度になるようスピンドルモータ３００を駆動する。

またコントローラ６００は、入力装置６０４から入力されている微細ピットの円周方向間隔と線速度から、発光信号のタイミングを計算し、発光信号生成回路２０４に指示する。発光信号生成回路２０４は、指示された発光タイミングでパルス信号である発光信号を生成し加工用レーザ駆動回路２０２に出力する。加工用レーザ駆動回路２０２は入力した発光信号により加工用レーザ駆動信号（ハイレベルとローレベルからなるパルス信号）を生成し、光加工ヘッド２００のレーザ照射器に出力する。そして、光加工ヘッド２００は、加工用レーザ光による反射光を分割されたフォトディレクタで受光し、受光光量に相当する信号をＨＦ信号増幅回路１０２に出力する。ＨＦ信号増幅回路１０２、フォーカスエラー信号生成回路１０４、フォーカスサーボ回路１０６及びドライブ回路１０８は、光加工ヘッド２００の対物レンズを駆動することによる加工用レーザ光の焦点位置の制御、すなわちフォーカスサーボを行う。これにより加工用レーザ光が照射された加工面５ａには、微細ピットが設定された間隔で作製されることになる。

このように、本実施の形態のレーザ微細加工装置１によれば、ウェハー固定治具１０にウェハー５を装着するための複数の装着孔１０ａが設けられ、複数のウェハー５を同時に加工できることから、加工効率を向上させることが可能である。また、装着孔１０ａのそれぞれがウェハー固定治具１０の回転中心から離間して設けられ、ウェハー５がウェハー固定治具１０の回転中心から離れた位置に固定されることから、回転中心において高精度な加工が困難であるという問題を考慮する必要がなく回転中心を意識することなく高精度な加工が可能である。

尚、加工面５ａがウェハー固定治具１０の非吸着面と略同一面と説明したが、実際には、図２に示すように、加工面５ａとウェハー固定治具１０の非吸着面との間には段差Δｔが存在する。この段差Δｔが加工用レーザ光の焦点位置の制御範囲以上に大きいと、段差がある場所においてフォーカスサーボが外れてしまう。また段差Δｔが加工用レーザ光の焦点位置の制御範囲より小さくても、充分小さくない場合は段差がある場所においてフォーカスサーボが外れる可能性がある。そこで、本実施例のレーザ微細加工装置１では、光加工ヘッドの光学系を調整することによって可変可能な、加工用レーザ光の焦点位置の制御可能範囲すなわち加工用レーザ光の焦点位置を一方向に変化させたとき、図４におけるフォーカスエラー信号生成回路１０４が出力するフォーカスエラー信号に生じるＳ字波形の頂点から頂点までの距離であるＳ字検出距離Ｓ_ｐ−ｐを（図３）、段差Δｔの３倍〜１０倍相当としている。この関係を示すのが数１（３．５倍とした場合の式）である。

このようにＳ字検出距離Ｓ_ｐ−ｐを定めることにより、加工面５ａとウェハー固定治具１０の非吸着面との間の段差がある場所においても、加工用レーザ光の焦点位置が加工面５ａとウェハー固定治具１０の非吸着面に合うようにフォーカスサーボを行うことが可能であり、加工が中断することがないため、効率のよい加工が可能となる。

また、ウェハー固定治具１０の装着孔１０ａによりウェハー５の位置を規制できるようにするため、ウェハー５の外周と装着孔１０ａの径は略同径であるが、実際には、図２に示すように、ウェハー５の外周と装着孔１０ａとの間には隙間Δｘが存在する。この隙間Δｘがあるとフォーカスエラー信号が乱れ、図４におけるフォーカスエラー信号に基づいて加工用レーザ光の焦点位置を制御する信号を生成し出力するフォーカスサーボ回路１０６がこのフォーカスエラー信号の乱れに基づいた信号を出力してしまい、加工用レーザ光の焦点位置はフォーカスサーボが外れるような変動を起こす。そこで、本実施例のレーザ微細加工装置１では、フォーカスサーボ回路１０６に設定されるカットオフ周波数を、隙間Δｘにより発生する信号成分の周波数の２．５分の１〜１５分の１相当としている。この関係を示すのが数２（２．５分の１倍とした場合の式）である。尚、Ｖ［ｍ／ｓ］は、加工用レーザ光が照射されている位置におけるウェハー５及びウェハー固定治具１０の線速度である。

このようにフォーカスサーボ回路１０６のカットオフ周波数を定めることにより、ウェハー５の外周と装着孔１０ａとの間の隙間がある場所においてフォーカスエラー信号が乱れても、フォーカスサーボ回路１０６はその乱れを無視してサーボ信号を生成するので加工用レーザ光の焦点位置はフォーカスサーボが外れるような変動をすることはなく、加工が中断することがないため、効率のよい加工が可能となる。

以上のようにＳ字検出距離Ｓ_ｐ−ｐやフォーカスサーボ回路１０６のカットオフ周波数を適切な値に定めることでフォーカスサーボが行われながら、加工用レーザ光によりウェハー５の加工面５ａに微細ピットが作製されていく。具体的には、まず、コントローラ６００の指示により、発光信号生成回路２０４で発光タイミング等が制御された発光信号が生成され、その発光信号が加工用レーザ駆動回路２０２により加工用レーザ光の駆動信号にされ、光加工ヘッド２００からウェハー５の加工面５ａに向かって加工用レーザ光が照射される。

光加工ヘッド２００は、ウェハー５からの反射光を分割されたフォトディテクタで受光し、受光光量に相当する信号をＨＦ信号増幅回路１０２へ出力する。ＨＦ信号増幅回路１０２は、入力した信号を増幅してフォーカスエラー信号生成回路１０４へ出力する。フォーカスエラー信号生成回路１０４は、フォーカスエラー信号を生成してフォーカスサーボ回路１０６へ出力し、フォーカスサーボ回路１０６が加工用レーザ光の焦点位置を制御する信号を生成しドライブ回路１０８へ出力する。ドライブ回路１０８は、入力した信号に基づいて光加工ヘッド２００にある対物レンズを対物レンズの光軸と平行な方向に駆動させ、加工用レーザ光の焦点位置が加工面５ａに合うよう制御する。

尚、本実施の形態では、ウェハー固定治具１０とターンテーブル１２とをそれぞれ別体で形成した場合を説明したが、これらを一体に形成して用いることも可能である。一体にすることで、ウェハー固定治具１０の固定が不要になり、ターンテーブル１２にウェハー５を固定するのみでよく、作業効率を向上させることができる。

また、本実施の形態ではウェハー５をＬＥＤウェハーとして説明したが、本発明のレーザ微細加工装置１は、高精度に微細なピットを加工面５ａに作製することが可能であることから、特にＬＥＤウェハーの加工に適している。具体的には、本発明のレーザ微細加工装置によりＬＥＤウェハーの表面に微細な凹凸を高精度で作製することにより、光の取り出し効率の高いＬＥＤを作り出すことが可能である。尚、ウェハー５をＬＥＤウェハーとして説明したがこれに限定されるものではなく、加工用レーザ光を照射することにより微細ピットを作製可能な物であればどのようなものでもよい。

さらに、本実施の形態では、光加工ヘッド２００が出射するレーザ光を加工用レーザ光のみにし、加工用レーザ光のウェハー５の加工面５ａやウェハー固定治具１０の非吸着面での反射光に基づいてフォーカスエラー信号を生成し、このフォーカスエラー信号に基づいてフォーカスサーボを行うようにしたが、フォーカスエラー信号を生成するための反射光は加工用レーザ光の反射光でなくてもよい。すなわち、光加工用ヘッド２００から加工用レーザ光とサーボ用レーザ光の２つのレーザ光を照射し、サーボ用レーザ光の反射光のみを検出して、この反射光に基づいてフォーカスエラー信号を生成するようにしてもよい。

以上のように、本発明によれば、複数の加工対象物を同時に加工できるようにすることで加工効率を向上させることが可能で、ターンテーブルの回転中心を意識することなく高精度な加工が可能なレーザ微細加工装置を提供することができる。

本発明に係るレーザ微細加工装置の構成を説明する説明図である。 同レーザ微細加工装置のウェハー固定治具の説明図である。 同レーザ微細加工装置のＳ字検出距離を示す説明図である。 同レーザ微細加工装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１・・・・・レーザ微細加工装置
５・・・・・ウェハー
１０・・・・ウェハー固定治具
１２・・・・ターンテーブル
１２ａ・・・吸引口
１０２・・・ＨＦ信号増幅回路
１０４・・・フォーカスエラー信号生成回路
１０６・・・フォーカスサーボ回路
１０８・・・ドライブ回路
２００・・・光加工ヘッド
２０２・・・加工用レーザ駆動回路
２０４・・・発光信号生成回路
３００・・・スピンドルモータ
３０２・・・スピンドルモータ制御回路
４００・・・フィードモータ
４０２・・・フィードモータ制御回路
６００・・・コントローラ
６０２・・・表示装置
６０４・・・入力装置

Claims (4)

1. 光加工ヘッドから対物レンズにより集光して出射される加工用レーザ光を平板状の加工対象物に照射し、該加工対象物の加工面に該加工用レーザ光の焦点によって微細なピットを作製するレーザ微細加工装置において、
   該加工対象物と厚みが略同一な平板状で、厚み方向に貫通すると共に挿嵌された該加工対象物の位置を規制する装着孔が複数穿設された加工対象物固定治具と、
   該加工対象物固定治具及び該装着孔に装着された該加工対象物を吸着して回転するターンテーブルと、
   該加工対象物からの反射光に基づきフォーカスエラー信号を生成し、該フォーカスエラー信号に基づいて該加工用レーザ光の焦点が該加工対象物上に合うようにフォーカスサーボを行うフォーカスサーボ手段とを備え、
   該複数の装着孔のそれぞれが該加工対象物固定治具の回転中心から離間して設けられ、該加工対象物の加工面と該加工対象物固定治具の非吸着面との高さが略同一であり、
   該フォーカスエラー信号にＳ字波形が生じるＳ字検出距離を、該加工対象物の加工面と該加工対象物固定治具の非吸着面との段差の３〜１０倍相当としたことを特徴とするレーザ微細加工装置。
2. 前記加工対象物固定治具と前記ターンテーブルとが一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ微細加工装置。
3. 前記フォーカスサーボ手段が、前記フォーカスエラー信号に基づいて前記加工用レーザ光の焦点位置を制御するための信号を生成するサーボ回路を備え、
   該サーボ回路におけるカットオフ周波数を、前記加工対象物と前記加工対象物固定治具の装着孔との間の隙間により発生する信号成分の周波数の２．５分の１〜１５分の１相当としたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ微細加工装置。
4. 前記加工対象物が、ＬＥＤウェハーであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザ微細加工装置。

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