JP5060893B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置に関し、さらに詳細には被加工物の加工面に照射されるレーザビームのビームスポットの形状を調整するようにしたレーザ加工装置に関する。
本発明におけるレーザ加工には、ガラス基板、焼結材料のセラミックス、単結晶シリコン、半導体ウエハ、セラミック基板等の脆性材料に対し軟化点以下の温度でレーザ加熱したときに生じる熱応力を利用してスクライブラインを形成するレーザスクライブ加工、および、脆性材料その他の材料について溶融温度以上で加熱するレーザアブレーション加工が含まれる。

レーザを用いて局所加熱を行う加工方法が実用されている。例えば、レーザアブレーション加工では、レーザビームを被加工物に照射して加工面にビームスポットを形成し、このビームスポットを走査することにより、ビームスポットの軌跡に沿って被加工物を蒸散させて溝を形成する。レーザスクライブ加工の場合には、ビームスポットを走査して、加工対象となる脆性材料基板等をその軟化点以下の温度で加工予定ラインに沿って加熱した後に、冷却を行うことにより、熱応力を発生させクラックを形成する。

一般に、市販のレーザから出射されるレーザビーム（元ビームともいう）の断面は、円形をしている。レーザ加工装置では、加工幅を狭くして加工位置の精度を高めたり、また、加熱効率を高めて走査速度を向上したりする目的のために、レーザから出射されたレーザビーム（元ビーム）をそのまま加工面に照射して円形のビームスポットで加熱するのではなく、レーザビーム（元ビーム）の断面形状を光路上で調整し、加工面には楕円形、長円形等の長軸方向を有する形状のビームスポットが形成されるようにして加熱するようにしている。

円形断面の元ビームから長軸を有するビームスポットを形成する方法としては、従来より、レンズ光学系を用いて長軸を有するビームスポットを形成する方法が実用されている。例えばレーザビームの光路上にシリンドリカルレンズと集光レンズとを配置することにより、円形断面の元ビームを、楕円形のレーザビームに整形することが開示されている（例えば特許文献１参照）。

また、他の方法として、複数の反射面（例えば６４面）が回転軸を中心に高速回転するポリゴンミラーを利用して、実質的に長軸を有するビームスポットを形成する方法も実用されている。すなわち、高速回転中のポリゴンミラーに、ビーム径を細く絞り込んだレーザビームを、一定方向から照射することにより、ポリゴンミラーの各反射面により、ある角度範囲で次々とレーザビームを反射させ、繰り返し走査が行われるようにして、レーザビームの走査された方向が実質的に長軸方向となるビームスポットの形成方法が実用されている（例えば特許文献２参照）。
特開２００６−２８９３８８号公報 特開２００６−５５９０８号公報

レンズ光学系を用いて、楕円形、長円形等の長軸を有するビームスポット（以下、長軸ビームスポットという）を形成する方法は、基本的に、レーザと加工面との間の光路上に、集光レンズ（例えば平凸レンズ）とシリンドリカルレンズとを配置するようにしてある。そして、これらのレンズと加工面との間の光路長さを調整することにより、ビームスポットの長軸の長さ、および、長軸に直交する短軸の長さを調整できるようにしてある。

上述したレンズ光学系によるビームスポットの調整方法は、光学系の構造が非常に簡単であり、また、光学的な調整も容易である反面、照射するレーザ光の波長領域に対して透過率が高い高価な材料を用いる必要があり、また、シリンドリカルレンズについては高価な材料を特殊な形状の反射面に加工することが必要となる。例えば、レーザにＣＯ_２レーザを用いる場合は、レンズ材料としてＺｎＳｅが利用されるが、ＺｎＳｅは高価な材料であるとともに、材料自体に毒性物質が含まれているため、取扱いに注意が必要になる。通常は表面全体を被覆してあるが、レンズが破損した場合に危険である。

一方、ポリゴンミラーによりビームスポットの形状を調整する方法は、形成されるビームスポットの品質が良好である反面、複雑な形状かつ複雑な機構のポリゴンミラーを用いる必要があり、また、回転軸の軸合わせ等の正確な光学的調整が必要となり、調整作業が困難である。

そこで、本発明は、光学系の構造が簡単であり、光学的な調整も容易であり、しかも入手容易な材料の光学素子を用いるようにしてビームスポットを調整するようにしたレーザ加工装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、ビームスポットの形状を調整する上で、長軸の長さや短軸の長さ（ビームの幅ともいう）の選択の自由度を高くすることができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のレーザ加工装置は、レーザと、前記レーザから出射されるレーザビームを被加工物の加工面に導くとともに、レーザビームにより加工面に形成されるビームスポットの形状を調整する光学素子群とを備えたレーザ加工装置であって、前記光学素子群は少なくとも凹面ミラーと凸面又は凹面のシリンドリカルミラーとを含むミラー群の組み合わせからなり、前記レーザに近い側の光路上に前記凹面ミラーが配置され、前記加工面に近い側の光路上に前記シリンドリカルミラーが配置され、 前記凹面ミラーと前記シリンドリカルミラーとは、当該凹面ミラーの曲率半径が当該シリンドリカルミラーの曲面の曲率半径より大きくなるように設定されて、長軸方向と短軸方向とを有する形状のビームスポットが加工面に形成され、前記ビームスポットの長軸方向および短軸方向の長さを調整するビームスポット調整機構が設けられ、前記ビームスポット調整機構は、前記凹面ミラーを固定するとともに、当該凹面ミラーによる反射前のレーザビーム、または、反射後のレーザビームのいずれかのレーザビームの光路を調整する第一平面ミラーが固定された第一支持体と、前記シリンドリカルミラーを固定するとともに、シリンドリカルミラーによる反射前のレーザビーム、または、反射後のレーザビームのいずれかのレーザビームの光路を調整する第二平面ミラーとが固定された第二支持体と、鉛直方向に向けられたロッドを支軸にして、前記第一支持体を昇降させる第一支持体昇降機構と、前記ロッドを支軸にして、前記第一支持体の下側において前記第二支持体を昇降させる第二支持体昇降機構とを備えるようにしている。

ここで、光源としてのレーザは、被加工物の材料、加工方法（レーザスクライブ加工、レーザアブレーション加工等）に応じて、適当な種類のレーザを用いればよい。例えばガラス基板を加工する場合にはＣＯ_２レーザが好ましい。

本発明によれば、凹面ミラーと凸面又は凹面のシリンドリカルミラーとを含む複数のミラーを用いたミラー光学系により、ビームスポットの形状を調整するようにする。すなわち、主として凹面ミラーでレーザビームを集光することによりビーム幅を設定し、主としてシリンドリカルミラーでレーザビームを一軸方向に拡大する（凹面シリンドリカルミラーの場合は凹面の焦点よりも遠く離れた位置で結像することにより拡大する）ことにより長軸長さを設定し、ビーム幅と長軸長さとを設定することにより、長軸ビームスポット（楕円、長円等の長軸を有するビームスポット）の形状を設定する。各ミラーは、コーティングにより、照射するレーザの種類に応じて反射率を高めるようにしてもよい。そしてレンズのようなレーザビームを透過させて使用する光学素子は光路上に含まれないようにする。

本発明によれば、ビームスポットの形状を調整するために光路上に配置される光学素子が、ミラー群の組み合わせで構成されるようにしたので、高価なレーザ光透過性材料を用いる必要がなくなる。したがって入手容易な材料でビームスポットの形状を調整するための光学系を形成することができる。凹面ミラーやシリンドリカルミラーについても、入手容易な材料で形成できるため、例えば曲率半径の異なる凹面ミラーや凸面又は凹面シリンドリカルミラーをいくつも用意しておくことができるようになるので、これらを交換することによってもビームスポットの形状を調整することができるようになる。したがって、ビームスポット形状の選択の自由度を大きくすることができる。

また、凹面ミラーと前記シリンドリカルミラーとは、レーザに近い側の光路上に凹面ミラーが配置され、加工面に近い側の光路上にシリンドリカルミラーが配置されるようにすることにより、先に凹面ミラーによりレーザビーム形状を絞ることによりビーム幅が調整されるが、その結果、ビームの大きさを小さく絞った状態でレーザビームをシリンドリカルミラーに導くことができることになり、シリンドリカルミラーの反射面の大きさを小さくすることができる。

また、凹面ミラーとシリンドリカルミラーとは、凹面ミラーの曲率半径がシリンドリカルミラーの曲面の曲率半径より大きくなるように設定され、長軸方向と短軸方向とを有する形状のビームスポットが加工面に形成されるようにするが、これにより、加工面から遠い側の凹面ミラーの曲率半径を、加工面に近い側のシリンドリカルミラーの曲率半径より大きくしたので、光路の広がりを小さくすることができ、各ミラーの反射面の大きさを小さくすることができる。

また、ビームスポットの長軸方向および短軸方向の長さを調整するビームスポット調整機構が設けられ、このビームスポット調整機構は、凹面ミラーを固定するとともに、当該凹面ミラーによる反射前のレーザビーム、または、反射後のレーザビームのいずれかのレーザビームの光路を調整する第一平面ミラーが固定された第一支持体と、前記シリンドリカルミラーを固定するとともに、シリンドリカルミラーによる反射前のレーザビーム、または、反射後のレーザビームのいずれかのレーザビームの光路を調整する第二平面ミラーとが固定された第二支持体と、鉛直方向に向けられたロッドを支軸にして、前記第一支持体を昇降させる第一支持体昇降機構と、前記ロッドを支軸にして、前記第一支持体の下側において前記第二支持体を昇降させる第二支持体昇降機構とを備えるようにするが、これにより、第一支持体の高さを調整することにより、主としてビーム幅を調整し、第二支持体の高さを調整することにより、主として長軸長さを調整することができる。

上記発明において、前記第一支持体に固定された凹面ミラーまたは第一平面ミラーのうち前記レーザに近い側の光路上に配置されるミラーに入射するレーザビームの進行方向と、前記凹面ミラーまたは前記第一平面ミラーのうち加工面に近い側の光路上に配置されるミラーから出射するレーザビームの進行方向と、前記第二支持体に固定されたシリンドリカルミラーまたは第二平面ミラーのうち前記レーザに近い側の光路上に配置されるミラーに入射するレーザビームの進行方向と、前記シリンドリカルミラーまたは前記第二平面ミラーのうち加工面に近い側の光路上に配置されるミラーから出射するレーザビームの進行方向とが、いずれも鉛直方向であるようにしてもよい。

本発明によれば、これらのレーザビームの進行方向を鉛直方向にして一致させたことにより、第一支持体、第二支持体の昇降移動だけで光路長の変更が可能になる。

上記発明において、ＣＯ_２レーザが用いられ、各ミラーのレーザビームが反射される面が金、シリコン、モリブデンのいずれかでコーティングされるようにしてもよい。
これによれば、ＣＯ_２レーザを用いる場合に、各ミラーの反射率を高めることができるので、ガラス基板を加工する場合に加熱効率を高めたレーザ加工ができるようになる。

上記発明において第一支持体は、第一平面ミラーと凹面ミラーとの間で取り付け位置が互換性を有するようにしてもよい。
これにより、取り付け位置を交換することで、ビームスポット形状の選択の自由度をさらに高めることができる。

上記発明において第二支持体は、第二平面ミラーとシリンドリカルミラーとの間で取り付け位置が互換性を有するようにしてもよい。
これにより、取り付け位置を交換することで、ビームスポット形状の選択の自由度をさらに高めることができる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態を、ガラス基板用のレーザスクライブ装置を例にして、図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態であるレーザ加工装置を利用したレーザスクライブ装置の構成図であり、図２は、図１のレーザスクライブ装置で用いられているレーザ加工装置の構成図である。図３は図１のレーザスクライブ装置ＬＳ１における制御系の構成を示すブロック図である。

まず、図１に基づいて、レーザスクライブ装置ＬＳ１の全体構成について説明する。
水平な架台１上に平行に配置された一対のガイドレール３，４に沿って、図１の紙面前後方向（以下Ｙ方向という）に往復移動するスライドテーブル２が設けられている。両ガイドレール３，４の間に、スクリューネジ５が前後方向に沿って配置され、このスクリューネジ５に、スライドテーブル２に固定されたステー６が螺合されており、スクリューネジ５をモータ（図示外）によって正、逆転することにより、スライドテーブル２がガイドレール３，４に沿ってＹ方向に往復移動するように形成されている。

スライドテーブル２上に、水平な台座７がガイドレール８に沿って、図１の左右方向（以下Ｘ方向という）に往復移動するように配置されている。台座７に固定されたステー１０に、モータ９によって回転するスクリューネジ１０ａが貫通螺合されており、スクリューネジ１０ａが正、逆転することにより、台座７がガイドレール８に沿って、Ｘ方向に往復移動する。

台座７上には、回転機構１１によって回転する回転テーブル１２が設けられており、この回転テーブル１２に、切断対象の脆性材料基板であるガラス基板Ｇが水平な状態で取り付けられる。回転機構１１は、回転テーブル１２を、垂直な軸の周りで回転させるようになっており、基準位置に対して任意の回転角度になるように回転できるように形成されている。また、分断対象物であるガラス基板Ｇは、例えば吸引チャックによって回転テーブル１２に固定される。

回転テーブル１２の上方には、円形断面のレーザビーム（元ビーム）を発振するレーザ１３と、元ビームの断面形状を変形してガラス基板Ｇの上に楕円形状のビームスポットＢＳ（図３）を形成するビームスポット調整機構１４とからなるレーザ加工装置１５が、取付フレーム１６に固定されている。レーザ加工装置１５の詳細については後述する。

取付フレーム１６には、ビームスポット調整機構１４に近接するように、冷却ノズル１７が取り付けられている。この冷却ノズル１７からは、冷却水、Ｈｅガス、炭酸ガス等の冷却媒体がガラス基板Ｇに噴射されるようにしてある。冷却媒体は、ガラス基板Ｇに照射された楕円形状のビームスポットの近傍に吹き付けられて、ガラス基板Ｇの表面に冷却スポットＣＳ（図３）を形成する。

取付フレーム１６には、さらにカッターホイール１９が、上下移動調節機構１８を介して取り付けられている。このカッターホイール１９は、焼結ダイヤモンドまたは超硬合金を材料とし、外周面に頂点を刃先とするＶ字形の稜線部を備えたものであって、ガラス基板Ｇへの圧接力が上下移動調節機構１８によって微細に調整できるようになっている。カッターホイール１９は、ガラス基板Ｇの端縁に初期亀裂ＴＲ（図３参照）を形成するときに、台座７をＸ方向に移動させつつ一時的に下降させるようにして用いる。

取付フレーム１６には、さらにガラス基板Ｇに刻印されたアライメントマークを映し出すカメラ２０が取り付けられている。

続いて、図２に基づいてレーザ加工装置１５の構造について説明する。レーザ加工装置１５は、既述のようにレーザ１３と、ビームスポット調整機構１４とからなる。レーザ１３はＣＯ_２レーザが用いられる。ＣＯ_２レーザの代わりに、ＣＯレーザ、エキシマレーザを用いてもよい。ビームスポット調整機構１４は、軸方向が鉛直方向に向けられた左右一対のロッド３１，３２と、これら一対のロッド３１，３２の上端および下端を固定する上フレーム３３、下フレーム３４とからなるフレーム構造体を備えている。また、上フレーム３３によりレーザ１３が支持されるようにしている。なお、本実施形態では取り付けフレーム１６（図１）を、上フレーム３３として兼用するようにしている。

左のロッド３１と右のロッド３２との間には、これらのロッド３１，３２を支軸にして昇降できるように支持される第一スライドバー３５（第一支持体）、第二スライドバー３６（第二支持体）が設けられている。そして第一スライドバー３５は、ラック＆ピニオン機構（不図示）およびモータからなる昇降機構３７により駆動され、第二スライドバーはラック＆ピニオン機構（不図示）およびモータからなる昇降機構３８により駆動され、それぞれ独立に高さ位置が調整できるようにしてある。

第一スライドバー３５（第一支持体）には、第一平面ミラー４１が例えばネジ止めによって左固定部４２により着脱できるようにして取り付けられ、また、これにより、取り付け位置を交換することで、ビームスポット形状の選択の自由度をさらに高めることができる。
また、凹面ミラー４３がネジ止めによって右固定部４４により着脱できるようにして取り付けられる。このうち、第一平面ミラー４１は、レーザ１３から出射された鉛直下向きのレーザビーム（元ビーム）が直接反射面（平面）に照射される位置に取り付けられ、さらに反射後のレーザビームが水平方向に進行するように、反射面（平面）の光軸角が上向き４５度の角度になるように取り付けられる。一方、凹面ミラー４３は、第一平面ミラー４１で反射されたレーザビームが、凹面ミラー４３の反射面（凹面）に照射される位置に取り付けられ、さらに反射後のレーザビームが鉛直下向き方向に進行するように、反射面（凹面）の光軸角が下向き４５度の角度になるように取り付けられる。

なお、第一平面ミラー４１と凹面ミラー４３とは、取り付け位置、取り付け角度について互換性を有するようにしてあり、レーザ１３から出射された鉛直下向きのレーザビーム（元ビーム）が直接照射される位置に、反射面（凹面）が上向き４５度となるように凹面ミラー４３を左固定部４２で取り付け、第一平面ミラー４１を右固定部４４で下向き４５度の角度になるようにして取り付けることもできる。第一平面ミラー４１と凹面ミラー４３との取り付け位置を入れ替えることにより、凹面ミラー４３とガラス基板Ｇとの間の光路長を変えることができるので、ビームスポットの形状（長軸長さ、ビーム幅）の調整幅を変えることができるようになる。

図４（ａ）は凹面ミラー４３の斜視図、図４（ｂ）は断面図である。凹面ミラー４３は、例えば量産可能な材料であるステンレス材等で形成され、反射面４３ａ（凹面）には金（またはシリコン、またはモリブデン）がコーティングされ、ＣＯ_２レーザ１３からのレーザビームの反射率が高くなるようにしてある。あるいはステンレス材等の代わりに、市販のレンズ（特注品でない量産レンズ）を用いて、金をコーティング加工してもよい。
また、凹面ミラー４３は量産可能な材料で形成することができるため、反射面（凹面）の曲率半径が１００〜５０００の間にある複数の凹面ミラーが用意され、適宜交換して取り付けることができるようにしてある。

第二スライドバー３６（第二支持体）には、凸面シリンドリカルミラー４５が右固定部４６により着脱できるようにして取り付けられ、また、第二平面ミラー４７が左固定部４８により着脱できるようにして取り付けられる。このうち、凸面シリンドリカルミラー４５は、凹面ミラー４３により反射されて鉛直下向き方向に進行してきたレーザビーム（集光されたビーム）が、直接反射面（凸面）に照射される位置に取り付けられ、さらに反射後のレーザビームが水平方向を中心として少し拡がりながら進行するように、反射面（凸面）の光軸角が上向き４５度の角度になるように取り付けられる。一方、第二平面ミラー４７は、凸面シリンドリカルミラー４５で反射されたレーザビームが、第二平面ミラー４７の反射面（平面）に照射される位置に取り付けられ、さらに反射後のレーザビームが鉛直下向き方向を中心として少し拡がりながら進行するように、反射面（平面）の光軸角が下向き４５度の角度になるように取り付けられる。

なお、凸面シリンドリカルミラー４５と第二平面ミラー４７についても、取り付け位置、取り付け角度について互換性を有するようにしてあり、凹面ミラー４３から反射された鉛直下向きのレーザビーム（収束されたビーム）が直接照射される位置に、反射面（平面）が上向き４５度となるように、第二平面ミラー４７を右固定部４６で取り付け、凸面シリンドリカルミラー４５を左固定部４８で下向き４５度の角度になるようにして取り付けることもできる。この場合も、第二平面ミラー４７と凸面シリンドリカルミラー４５との取り付け位置を入れ替えることにより、凸面シリンドリカルミラー４５とガラス基板Ｇとの間の光路長を変えることができるので、ビームスポットの形状（長軸長さ、ビーム幅）の調整幅を変えることができるようになる。

図５は、凸面シリンドリカルミラー４５の斜視図である。凸面シリンドリカルミラー４５についても、量産可能な材料であるステンレス材等で形成され、反射面（凸面）４５ａには金がコーティングされ、ＣＯ_２レーザ１３からのレーザビームの反射率が高くなるようにしてある。
また、凸面シリンドリカルミラー４５も量産可能な材料で形成することができるため、反射面（凸面）の曲率半径が１０〜１００の間にある複数の凸面シリンドリカルミラーが用意され、適宜交換して取り付けることができるようにしてある。

ここで、ビームスポット調整機構１４の各光学素子によって定まるレーザビームの光路およびビームスポットの関係について説明する。図６は、凹面ミラー４３、凸面シリンドリカルミラー４５、第二平面ミラー４７により定められる光学的なパラメータとレーザビームの光路との関係を示す図である。なお、レーザ１３から出射された円形断面のレーザビーム（元ビームＢ０）が、第一平面ミラー４１（図２）で反射され、凹面ミラー４３に到達するまでについては、元ビームＢ０と同じ円形断面のレーザビームが通過するだけなので、第一平面ミラー４１については図示を省略している。

円形断面の元ビームＢ０は平行に直進し、凹面ミラー４３に４５度（中央のビーム以外は略４５度）の入射角で入射し、反射される。反射後のレーザビームＢ１（集光ビームＢ１）は、集光されながら進行する。このとき集光ビームＢ１には、３つの焦点が出現することになる。すなわち、ビーム断面のＸ方向の幅が最小になる焦点Ｆ_−１、ＸＹ方向の長さが同じになってビーム断面が円形断面となる焦点Ｆ_０、ビーム断面のＹ方向の幅が最小になる焦点Ｆ_１の３焦点が光路上に出現する。

図７は、仮に凹面ミラー４３を単独で用いて元ビームＢ０を反射させたときの光路上の５つの異なる位置Ｈ１〜Ｈ５を示す図であり、図８は図７の位置Ｈ１〜Ｈ５におけるレーザビームＢ１の断面形状を示した模式図である。このうち位置Ｈ２は焦点Ｆ_−１、位置Ｈ３は焦点Ｆ_０、位置Ｈ５は焦点Ｆ_１に対応する位置である。図８に示されるように、光路上の高さ位置の変化により、断面形状がＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ連続的に変化する。そしてＨ２ではＸ方向の幅が最小の楕円、Ｈ５ではＹ方向の幅が最小の楕円となる。

このように、レーザビームＢ１の光路上の位置により、レーザビームＢ１の断面形状が異なるので、図６において、レーザビームＢ１上のどの位置を、凸面シリンドリカルミラー４５の反射面で反射させるかにより、その後のレーザビームＢ２のビーム形状を変化させることができる。

例えばガラス基板Ｇに照射されるビームスポットＢＳのビーム幅（Ｙ方向の長さ）を最小にしたいときは、ガラス基板Ｇの表面が、図７における位置Ｈ５（焦点Ｆ_１の位置）になるように凹面ミラー４３から凸面シリンドリカルミラー４５、第二平面ミラー４７を経てガラス基板Ｇに至るまでの合計距離を調整することになる。すなわち凸面シリンドリカルミラー４５および第二平面ミラー４７は、Ｙ方向に対しては、いずれも単に平面ミラーとして反射するので、図７におけるＹ方向の幅が最小となる位置Ｈ５に対応する位置を、図６におけるガラス基板Ｇの位置となるようにすればよいことになる。

このようなビームスポットの調整について、光学素子のパラメータを、図６を用いて説明する。ビームスポット調整機構１４では、元ビームのビーム径Ｌ、凹面ミラー４３の曲率半径ｒ１、凸面シリンドリカルミラー４５の曲率半径ｒ２、凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍ（すなわち凹面ミラー４３と凸面シリンドリカルミラー４５との間の距離Ｍ）、テーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎ（すなわちテーブルと凸面シリンドリカルミラー４５との間の垂直距離Ｎ）、平面・凸面ミラー間水平距離Ｏ（すなわち第二平面ミラー４７と凸面シリンドリカルミラー４５との間の水平距離Ｏ）の６つのパラメータを与えることにより、テーブル上のガラス基板Ｇに形成されるビームスポット形状が一義的に決定されることになる。

これら６つのパラメータのうち、元ビームのビーム径Ｌと、平面・凸面ミラー間水平距離Ｏとは、原則として変更しない固定パラメータであり、凹面ミラー４３の曲率半径ｒ１と凸面シリンドリカルミラー４５の曲率半径ｒ２とは、ビームスポット形状を大きく変化させたい場合等で凹面ミラー４３、凸面シリンドリカルミラー４５を交換したときに変更される粗調整用のパラメータである。

一方、凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍと、テーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎとは、第一スライドバー３５、第二スライドバー３６の高さ位置を調整することにより変更されるパラメータである。具体的には、第一スライドバー３５の高さ位置を調整することにより、凹面ミラー４３からテーブル（正確にはガラス基板Ｇの表面）までの光路長であるＭ＋Ｎ＋Ｏの長さが調整される。また、第二スライドバーの高さ位置により凸面シリンドリカルミラー４５からテーブルまでの光路長であるＮ＋Ｏの長さが調整される。

このうち、第一スライドバー３５による凹面ミラー４３からテーブル（正確にはガラス基板Ｇの表面）までの光路長Ｍ＋Ｎ＋Ｏの調整は、上述したように、主としてガラス基板Ｇに形成されるビームスポットのビーム幅（図６の紙面に垂直な方向であるＹ方向の長さ）の調整に利用される。

一方、第二スライドバー３６による凸面シリンドリカルミラー４５からテーブルまでの光路長Ｎ＋Ｏの調整は、凸面シリンドリカルミラー４５によるＸ方向の拡大率を調整することになり、主として、ガラス基板Ｇ上に形成されるビームスポットＢＳの長軸方向の長さ調整に利用される。

次に、ビームスポットＢＳの長軸長さおよびビーム幅の具体的な調整方法について説明する。ビームスポット形状は６つのパラメータにより、一義的に決定されることから、ビームスポットＢＳの長軸長さをＤａ、ビーム幅をＤｂとすると、これらは、ビーム径Ｌ、凹面ミラー４３の曲率半径ｒ１、凸面シリンドリカルミラー４５の曲率半径ｒ２、凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍ、テーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎ、平面・凸面ミラー間水平距離Ｏの６つのパラメータを変数として、
Ｄａ＝ｆ１（Ｌ，ｒ１，ｒ２，Ｍ，Ｎ，Ｏ） （１）
Ｄｂ＝ｆ２（Ｌ，ｒ１，ｒ２，Ｍ，Ｎ，Ｏ） （２）
として、関数ｆ１、ｆ２として表すことができる。

関数式（１），（２）は、具体的には各光学素子の位置や方向を座標上に設定し、幾何学的な解析を行うことにより求めることができる。
既述のように、６つのパラメータのうち、ビーム径Ｌと平面・凸面ミラー間水平距離Ｏとは固定値であり定数として与えておくことができる。凹面ミラー４３の曲率半径ｒ１、凸面シリンドリカルミラー４５の曲率半径ｒ２についても、交換しない限り定数として扱うことができる。したがって、ビームスポットＢＳの長軸長さＤａおよびビーム幅をＤｂは、凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍ、テーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎを変数として次式で表すことができる。
Ｄａ＝ｆ１（Ｍ，Ｎ） （３）
Ｄｂ＝ｆ２（Ｍ，Ｎ） （４）

凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍおよびテーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎは、第一スライドバー３５、第二スライドバー３６の高さ位置から求められるので、所望の長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂに設定したい場合に、第一スライドバー３５および第二スライドバー３６の高さ位置をどのように設定すればよいかが一義的に決定することができる。

すなわち、予め、関数式（１），（２）と、ビーム径Ｌ、平面・凸面ミラー間水平距離Ｏ、凹面ミラー４３の曲率半径ｒ１、凸面シリンドリカルミラー４５の曲率半径ｒ２をパラメータとして記憶しておけば、あるいは、関数式（３），（４）を記憶しておけば、調整しようとするビームスポットＢＳの長軸長さＤａおよびビーム幅Ｄｂを与えることにより、凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍ、テーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎを算出することができるので、これを用いて第一スライドバー３５、第二スライドバー３６を調整するようにすれば、自動設定することも可能となる。本実施形態では、制御系により自動設定ができるようにしてある。これについては後述する。

続いて、図３に基づいて制御系を説明する。レーザスクライブ装置ＬＳ１は、メモリに記憶された各種制御データ、設定パラメータおよびプログラム（ソフトウェア）とＣＰＵとにより、各種処理を実行する制御部５０を備えている。

この制御部５０は、スライドテーブル２、台座７、回転テーブル１２の位置決めや移動を行うためのモータ（モータ９等）を駆動するテーブル駆動部５１、レーザ照射を行うレーザ駆動部５２、冷却ノズル１７による冷媒噴射を制御する開閉弁（不図示）を駆動するノズル駆動部５３、カッターホイール１９によりガラス基板Ｇに初期亀裂を形成するカッター駆動部５４、カメラ２０により基板Ｇに刻印してあるアライメントマークを映し出すカメラ駆動部５５の各駆動系を制御する。また、制御部５０は、キーボード、マウスなどからなる入力部５６、および、表示画面上に各種表示を行う表示部５７が接続され、必要な情報が画面に表示するとともに、必要な指令や設定が入力できるようにしてある。

このうち、レーザ駆動部５２は、レーザ１３を発振する光源駆動部５２ａと、ビームスポット調整機構１４を駆動するビームスポット調整部５２ｂとからなる。
ビームスポット調整部５２ｂは、制御部５０から第一スライドバー３５、第二スライドバー３６の高さ位置の設定信号が送られると、設定信号にもとづいて、第一スライドバー３５、第二スライドバー３６が所望の高さ位置になるように調整されるようにしてある。

さらに、ビームスポット調整部５２ｂは、予め、関数式（１），（２）、および、ビーム径Ｌ、平面・凸面ミラー間水平距離Ｏ、凹面ミラー４３の曲率半径ｒ１、凸面シリンドリカルミラー４５の曲率半径ｒ２の各パラメータをメモリに記憶させてあり、制御部５０から長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂの設定信号が送られると、その形状のビームスポットＢＳを形成するために必要な第一スライドバー３５、第二スライドバー３６の高さ位置を算出し、算出された高さ位置に調整するようにしてある。

次に、レーザスクライブ装置ＬＳ１によるスクライブ動作について説明する。最初にビームスポットＢＳの形状の調整が行われる。
自動設定するときは、入力部５６から設定しようとする長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂを入力して、設定動作を行わせる。すると、ビームスポット調整部５２ｂが、関数式（１），（２）および関連する各パラメータを用いて設定した長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂを実現するための第一スライドバー３５および第二スライドバー３６の高さ位置を算出する。そして、算出された高さ位置になるように昇降機構３７，３８が駆動され、その結果、凹面ミラー４３や凸面シリンドリカルミラー４５が必要な高さ位置に移動されることになる。

なお、操作者が長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂを入力して、第一スライドバー３５、第二スライドバー３６の高さ位置を自動設定する際に、表示部５７（図３）に表示させた設定画面上で、操作者自身が両スライドバーの最終的な高さ位置を予め確認したり、ビーム形成の可否を予め確認したりしてから自動設定するようにしてもよい。

例えば、長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂを入力すると、凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍ、テーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎの算出に成功すると、「ビーム形成ＯＫ」とのメッセージを設定画面上に表示するとともに、算出された凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍの値、および、テーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎの値を設定画面上に表示し、第一スライドバー３５、第二スライドバー３６を、算出された値に対応する位置まで移動するようにしてもよい。
また、入力された長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂの値では適切なビームスポットが形成できない場合には「設定できません（ＮＧ）」との確認メッセージを表示するようにして、入力のやり直しを促してもよい。

あるいは、長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂを入力すると、凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍ、テーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎが算出され、算出されたＭ，Ｎの値を、設定画面上に表示するとともに、操作者に対し「ＯＫですか？」との確認メッセージを表示するようにしてもよい。そして操作者がＭ，Ｎの値が妥当か否かを確認し、ＯＫのときは第一スライドバー３５、第二スライドバー３６を、算出された値に対応する位置まで移動する処理を実行するように処理を進め、ＮＧのときはＤａ，Ｄｂの設定からやり直すようにしてもよい。

また、自動設定を行わない場合、あるいは自動設定後に、さらに手動で微調整を行う場合は、さらに入力部５６から第一スライドバー３５、第二スライドバー３６の昇降移動を行う入力操作を行って微調整を行う。以上により、ガラス基板Ｇに対する所望の高さ位置に、第一スライドバー３５（凹面ミラー４３）、第二スライドバー３６（凸面シリンドリカルミラー４５）がくるように調整する。

その後は、レーザスクライブ装置ＬＳ１の通常のスクライブ処理動作が実行される。すなわち、回転テーブル１２が原点（図１のカメラ２０の下方）に戻され、カメラ駆動部５５が作動して回転テーブル１２上に載置されたガラス基板Ｇのアライメントマークがカメラ２０により検出され、その結果に基づいてテーブル駆動部５１により、スライドテーブル２、台座７、回転テーブル１２の移動が行われて位置決めがなされる。位置決めを終えると、カッター駆動部５４により、カッターホイール１９を用いて基板端に初期亀裂（トリガ）を形成する処理が行われる。そして一旦原点に戻された後、レーザ駆動部５２およびノズル駆動部５３により、溶融温度以下でのレーザ照射と冷媒噴射を行いながら、テーブル駆動部５１により基板Ｇが移動されることにより、ビームスポットＢＳおよび冷却スポットＣＳが基板上を走査するようになる。これにより、ビームスポットＢＳおよび冷却スポットＣＳの軌跡に沿ってスクライブラインが形成される。

これまで説明したレーザスクライブでは、レーザ照射による加熱を溶融温度以下にしていたが、レーザ出力を高めて（あるいはレーザ波長を変更して）、基板が溶融するアブレーション条件にすれば、レーザアブレーション加工を行うことができる。その場合は、冷媒噴射は行わない。

（実施形態２）
図９は本発明の他の一実施形態であるレーザ加工装置１５ａの構成図である。図１，図２のレーザ加工装置１５と同じ構成部分については、同符号を付すことにより、説明の一部を省略する。本実施形態では、ビームスポット調整機構１４ａは、第二スライドバー３６の位置とともに、凹面ミラー６０の曲率半径を調整するようにしてある。

すなわち、凹面ミラー４３と凸面シリンドリカルミラー４５との距離を調整するために第一スライドバー３５を昇降させる昇降機構３７を設けた構造（図２）に代えて、ロッド３１，３２に対する位置が固定された第一固定バー３５ａを取り付け、曲率半径の調整機能を備えた凹面ミラー６０が右固定部４４により第一固定バ一３５ａに固定されるようにしてある（なお、ここでの「固定」はビームスポットの調整の際に固定して用いるという意味であり、その他の目的で昇降機構３７を設けて移動することは含まれない）。

図１０は、曲率半径の調整機能を備えた凹面ミラー６０の一例を示す断面図である。凹面ミラー６０は、凹面ミラー本体６１がステンレス製（金コーティング膜付き）の薄板で形成される。凹面ミラー本体６１の周縁部分はハウジング６２により固定され、凹面ミラー本体６１の底部分に伸縮機構６３が取り付けられる。伸縮機構６３には、例えば圧電素子や電動シリンダが用いられる。伸縮機構６３を作動する駆動部６４が伸縮機構６３の近傍に取り付けられ、伸縮機構６３を作動させることにより、曲率半径を変化することができるようにしてある。そして、凹面ミラー６０は、予め、駆動部６４の設定条件と曲率半径との関係を求めておくことにより、駆動部６４の設定を調整することで所望の曲率半径に設定することができる。駆動部６４の設定は、第二スライドバー３６の昇降機構３８とともに、ビームスポット調整部５２ｂ（図３）により調整される。

この実施形態においても、関係式（１），（２）に基づいてビームスポットＢＳの長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂの調整が行われるが、６つのパラメータのうち、ビーム径Ｌ、凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍ、平面・凸面ミラー間水平距離Ｏとは固定値であり定数として与えておくことができる。凸面シリンドリカルミラー４５の曲率半径ｒ２についても、交換しない限り定数として扱うことができる。したがって、凹面ミラー４３の曲率半径ｒ１とテーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎとを変数として、ビームスポットＢＳの長軸長さＤａおよびビーム幅Ｄｂを調整することができる。

なお、図９においては右固定部４４により凹面ミラー６０を取り付けたが、凹面ミラー６０と第一平面ミラー４１とを交換してもよい点については、図１の実施形態と同じである。

（実施形態３）
図１１は本発明の他の一実施形態であるレーザ加工装置１５ｂの構成図である。図１，図２，図９のレーザ加工装置１５，１５ａと同じ構成部分については、同符号を付すことにより、説明の一部を省略する。本実施形態では、ビームスポット調整機構１４ｂは、凹面ミラー６０の曲率半径とともに凸面シリンドリカルミラー７０の曲率半径を調整するようにしてある。

すなわち、図９で説明したレーザ加工装置１５ａにおいて、凸面シリンドリカルミラー４５と回転テーブル１２（正確にはガラス基板Ｇの表面）との距離を調整するために第二スライドバー３６を昇降させる昇降機構３８を設けた構造に代えて、ロッド３１，３２に対する位置が固定された第二固定バー３６ａを取り付け（ここでの「固定」はビームスポットの調整の際に固定して用いるという意味であり、その他の目的で昇降機構３８を設けて移動することは含まれない）、曲率半径の調整機能を備えた凸面シリンドリカルミラー７０が右固定部４６により第二固定バ一３６ａに固定されるようにしてある。

図１２は、曲率半径の調整機能を備えた凸面シリンドリカルミラー７０の一例を示す断面図である。凸面シリンドリカルミラー７０は、凸面シリンドリカルミラー本体７１がステンレス製の薄板（金コーティング膜付き）で形成される。凸面シリンドリカルミラー本体７１の周縁部分はハウジング７２により固定され、凸面シリンドリカルミラー本体７１の底部分に伸縮機構７３が取り付けられる。伸縮機構７３には、例えば圧電素子や電動シリンダが用いられる。伸縮機構７３を作動する駆動部７４が伸縮機構７３の近傍に取り付けられ、伸縮機構７３を作動させることにより、曲率半径を変化することができるようにしてある。そして、凸面シリンドリカルミラー７０は、予め、駆動部７４の設定条件と曲率半径との関係を求めておくことにより、駆動部７４の設定を調整することで所望の曲率半径に設定することができる。駆動部７４の設定は、凹面ミラー６０の駆動部６４の設定とともに、ビームスポット調整部５２ｂ（図３）により調整される。

この実施形態においても、関係式（１），（２）に基づいてビームスポットＢＳの長軸長さＤａ、ビーム幅Ｄｂの調整が行われるが、６つのパラメータのうち、ビーム径Ｌ、凹面・凸面ミラー間垂直距離Ｍ、テーブル・凸面ミラー間垂直距離Ｎ、平面・凸面ミラー間水平距離Ｏは、固定値であり、定数として与えておくことができる。したがって、凹面ミラー４３の曲率半径ｒ１と、凸面シリンドリカルミラー４５の曲率半径ｒ２とを変数として、ビームスポットＢＳの長軸長さＤａおよびビーム幅Ｄｂを調整することになる。

なお、図１１においては右固定部４６により凸面シリンドリカルミラー７０を取り付けたが、凸面シリンドリカルミラー７０と第一平面ミラー４７とを交換してもよい点については、図２，図９の実施形態と同じである。

（実施形態４）
図１３は本発明の他の一実施形態であるレーザ加工装置１５ｃの構成図である。図１，図２で説明したレーザ加工装置１５と同じ構成部分については、同符号を付すことにより、説明の一部を省略する。本実施形態では、凸面シリンドリカルミラー４５(図２)に代えて、凹面シリンドリカルミラー４９を取り付けている。

すなわち、これまで説明した実施形態１，２では、第二スライドバー３６に取り付けた凸面シリンドリカルミラー４５により、Ｘ方向のビーム長さを拡大するようにしていたが、凹面シリンドリカルミラー４９を用いた場合でも、焦点Ｆで一度光路が収束された後、再び光路が広がるので、加工面が焦点Ｆからある程度の距離が離れた位置になるように光学系を調整することにより、凸面シリンドリカルミラー４５を用いた場合と同じようにＸ方向のビーム長さを拡大することができるようになる。

また、実施形態３において、曲率半径を調整が可能な凸面シリンドリカルミラー７０を取り付けたが、実施形態４で凸面シリンドリカルミラー４５を凹面シリンドリカルミラー４９に代えた場合と同様に、凸面シリンドリカルミラー７０を曲率半径の調整が可能な凹面シリンドリカルミラーに代えてもよい。

本発明は、レーザ照射による局所的な加熱が行われるレーザ加工装置に利用することができる。

本発明の一実施形態であるレーザ加工装置を利用したレーザスクライブ装置の構成図。 本発明の一実施形態であるレーザ加工装置であって、図１のレーザスクライブ装置で用いられているレーザ加工装置の構成を示す図。 図１のレーザスクライブ装置の制御系の構成を示すブロック図。 凹面ミラーの斜視図および断面図。 凸面シリンドリカルミラーの斜視図。 凹面ミラー、凸面シリンドリカルミラー、第二平面ミラーにより定められる光学的なパラメータとレーザビームの光路との関係を示す図。 仮に凹面ミラーを単独で用いて元ビームＢ０を反射させたときの光路を示す図。 図７におけるレーザビームＢ１の光路上の各位置Ｈ１〜Ｈ５でのビームスポットの形状を示す図。 本発明の他の一実施形態であるレーザ加工装置の構成図。 曲率半径が可変である凹面ミラーの断面図。 本発明の他の一実施形態であるレーザ加工装置の構成図。 曲率半径が可変である凸面シリンドリカルミラーの断面図。 本発明の他の一実施形態であるレーザ加工装置の構成図。

１２ 回転テーブル
１３ レーザ
１４，１４ａ，１４ｂ ビームスポット調整機構
１５，１５ａ，１５ｂ レーザ加工装置
１６ 取付フレーム
３１ ロッド（左ロッド）
３２ ロッド（右ロッド）
３３ 上フレーム
３４ 下フレーム
３５ 第一スライドバー
３５ａ 第一固定バー
３６ 第二スライドバー
３６ａ 第二固定バー
３７，３８ 昇降機構
４１ 第一平面ミラー
４２，４８ 左固定部
４３ 凹面ミラー
４４，４６ 右固定部
４５ 凸面シリンドリカルミラー
４７ 第二平面ミラー
５０ 制御部
５２ レーザ駆動部
５２ａ 光源駆動部
５２ｂ ビームスポット調整部
６０ 凹面ミラー
７０ 凸面シリンドリカルミラー
ｒ１ 凹面ミラー曲率半径
ｒ２ 凸面シリンドリカルミラー曲率半径
Ｌ レーザビーム径（元ビーム径）
Ｍ 凹面・凸面ミラー間垂直距離
Ｎ テーブル・凸面ミラー間垂直距離
Ｏ 平面・凸面ミラー間水平距離

Claims (5)

1. レーザと、前記レーザから出射されるレーザビームを被加工物の加工面に導くとともに、レーザビームにより加工面に形成されるビームスポットの形状を調整する光学素子群とを備えたレーザ加工装置であって、
   前記光学素子群は少なくとも凹面ミラーと凸面又は凹面のシリンドリカルミラーとを含むミラー群の組み合わせからなり、
   前記レーザに近い側の光路上に前記凹面ミラーが配置され、前記加工面に近い側の光路上に前記シリンドリカルミラーが配置され、
   前記凹面ミラーと前記シリンドリカルミラーとは、当該凹面ミラーの曲率半径が当該シリンドリカルミラーの曲面の曲率半径より大きくなるように設定されて、長軸方向と短軸方向とを有する形状のビームスポットが加工面に形成され、
   前記ビームスポットの長軸方向および短軸方向の長さを調整するビームスポット調整機構が設けられ、
   前記ビームスポット調整機構は、前記凹面ミラーを固定するとともに、当該凹面ミラーによる反射前のレーザビーム、または、反射後のレーザビームのいずれかのレーザビームの光路を調整する第一平面ミラーが固定された第一支持体と、
   前記シリンドリカルミラーを固定するとともに、シリンドリカルミラーによる反射前のレーザビーム、または、反射後のレーザビームのいずれかのレーザビームの光路を調整する第二平面ミラーとが固定された第二支持体と、
   鉛直方向に向けられたロッドを支軸にして、前記第一支持体を昇降させる第一支持体昇降機構と、
   前記ロッドを支軸にして、前記第一支持体の下側において前記第二支持体を昇降させる第二支持体昇降機構とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記第一支持体に固定された凹面ミラーまたは第一平面ミラーのうち前記レーザに近い側の光路上に配置されるミラーに入射するレーザビームの進行方向と、
   前記凹面ミラーまたは前記第一平面ミラーのうち加工面に近い側の光路上に配置されるミラーから出射するレーザビームの進行方向と、
   前記第二支持体に固定されたシリンドリカルミラーまたは第二平面ミラーのうち前記レーザに近い側の光路上に配置されるミラーに入射するレーザビームの進行方向と、
   前記シリンドリカルミラーまたは前記第二平面ミラーのうち加工面に近い側の光路上に配置されるミラーから出射するレーザビームの進行方向とが、いずれも鉛直方向である請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. ＣＯ_２レーザが用いられ、各ミラーのレーザビームが反射される面が金、シリコン、モリブデンのいずれかでコーティングされた請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第一支持体において、第一平面ミラーと凹面ミラーとの間で取り付け位置が互換性を有する請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記第二支持体において、第二平面ミラーとシリンドリカルミラーとの間で取り付け位置が互換性を有する請求項１〜請求項４のいずれかに記載のレーザ加工装置。

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