JP5133568B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物にレーザー加工を施すレーザー加工装置に関する。

半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体チップを製造している。

このような半導体ウエーハ等のウエーハのストリートに沿った分割方法として、ウエーハに形成されたストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射することによりレーザー加工溝を形成し、このレーザー加工溝に沿ってメカニカルブレーキング装置によって割断する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
特開平１０−３０５４２０号公報

上述したレーザー加工を実施するためのレーザー加工装置は、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段とを具備している。このレーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振するレーザー光線発振器と、該レーザー光線発振器から発振されたレーザー光線を集光する集光レンズを備えている。このようなレーザー光線照射手段においては、集光レンズに入射されるレーザー光線は所定のビーム径を有する平行ビームであることが望ましいが、レーザー光線発振器から発振されるレーザー光線は発散角を有しているため、レーザー光線発振器と集光レンズとの間にレーザー光線発振器から発振されるレーザー光線を平行にするためのビーム調整手段が配設される。

而して、上記ビーム調整手段による調整は、集光レンズに入光されるレーザー光線をCCD等の受光手段で受光し、ビーム径と発散角（平行度）を確認しつつビーム調整手段を手動にて操作しなければならず、その調整作業に長時間を要する。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、レーザー光線発振器から発振され集光レンズに入光されるレーザー光線のビーム径と発散角（平行度）を自動的に調整することができるレーザー加工装置を提供することである。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物にパルスレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段とを具備し、該レーザー光線照射手段がレーザー光線発振器と該レーザー光線発振器によって発振されたレーザー光線を集光する集光レンズとを具備しているレーザー加工装置において、
該レーザー光線発振器と該集光レンズとの間に配設され該レーザー光線発振器から発振されるレーザー光線のビーム径と発散角を調整するビーム調整手段と、
該ビーム調整手段を通過したレーザー光線のビーム径と発散角を検出するビーム径および発散角検出手段と、
該ビーム径および発散角検出手段からの検出信号に基いて該レーザー光線発振器から発振されたレーザー光線のビーム径と発散角を演算し、該演算された該レーザー光線発振器から発振されたレーザー光線のビーム径と発散角および該ビーム径および発散角検出手段に入光する所望のビーム径と発散角に基いて該ビーム調整手段を制御する制御手段と、を具備し、
該ビーム調整手段は、該レーザー光線発振器から発振されるレーザー光線の光軸上に配設され光軸に沿って移動可能に配設された第１のレンズおよび第２のレンズと、該第１のレンズと該第２のレンズをそれぞれ光軸に沿って移動せしめる第１の移動手段および第２の移動手段と、該第１のレンズおよび該第２のレンズの移動位置をそれぞれ検出する第１のレンズ位置検出手段および第２のレンズ位置検出手段とを具備し、
該ビーム径および発散角検出手段は、該第１のレンズおよび該第２のレンズを透過したレーザー光線を反射するシアリングプレートと、該シアリングプレートによって反射されたレーザー光線を受光し受光信号を該制御手段に送る受光手段とを具備しており、
該制御手段は、該受光手段からの受光信号に基いて該受光手段によって受光されるビーム径（ｒ５）を求めるとともに、パルスレーザー光線発振器から発振されるレーザー光線の波長を（λ）、該受光手段によって受光された受光信号における２重の円のズレ量を（Ｓ）、干渉縞の間隔を（ｄｆ）、干渉縞角度を（α）とし発散角（θ５）を次の数式１によって求め、

次に、制御手段は、該受光手段によって受光されるビーム径（ｒ５）と数式１によって求めた発散角（θ５）に基いて、該パルスレーザー光線発振器から該第１のレンズまでの領域を領域Ｉとしてその長さを（Ｌ１）、該パルスレーザー光線発振器から発振されるレーザー光線のパルスレーザー光線発振器から所定距離離れた位置におけるビーム径を（ｒ１）、発散角を（θ１）とし、該第１のレンズの領域を領域ＩＩとして該第１のレンズの焦点距離を（ｆ１）、第１のレンズへ入光するレーザー光線のビーム径を（ｒ２）、該第１のレンズ内における発散角を（θ２）とし、該第１のレンズから該第２のレンズまでの領域を領域ＩＩＩとしてその長さを（Ｌ２）、該第１のレンズから所定距離離れた位置におけるビーム径を（ｒ３）、発散角を（θ３）とし、該第２のレンズの領域を領域ＩＶとして該第2のレンズの焦点距離を（ｆ２）、第２のレンズへ入光するレーザー光線のビーム径を（ｒ４）、該第２のレンズ内における発散角を（θ４）とし、該第２のレンズから該受光手段までの領域を領域Ｖとして該受光手段によって受光されるビーム径を（ｒ５）、発散角を（θ５）とし、該受光手段によって受光されたレーザー光線に基いて求められたビーム径（ｒ５）と数式１によって求めた発散角（θ５）を次の数式２に代入して該パルスレーザー光線発振器から発振されるレーザー光線の該ビーム径（ｒ１）と該発散角（θ１）を求め、

但し、

次に、制御手段は、数式２によって求めた該ビーム径（ｒ１）と該発散角（θ１）および所望の該ビーム径（ｒ５）と該発散角（θ５）を再度数式２に代入して、該パルスレーザー光線発振器から該第１のレンズまでの長さ（Ｌ１）および該第１のレンズから該第２のレンズまでの長さ（Ｌ２）を求める、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

上記ビーム調整手段と集光レンズとの間にビーム調整手段を通過したレーザー光線を集光器に向けて反射せしめる反射ミラーが配設され、上記ビーム径および発散角検出手段は反射ミラーを透過したレーザー光線を入光するように構成されている。

本発明によるレーザー加工装置においては、レーザー光線発振器と集光レンズとの間に配設されレーザー光線発振器から発振されるレーザー光線のビーム径と発散角を調整するビーム調整手段と、ビーム調整手段を通過したレーザー光線のビーム径と発散角を検出するビーム径および発散角検出手段と、ビーム径および発散角検出手段からの検出信号に基いてレーザー光線発振器から発振されたレーザー光線のビーム径と発散角を演算し、演算されたレーザー光線発振器から発振されたレーザー光線のビーム径と発散角およびビーム径および発散角検出手段に入光する所望のビーム径と発散角に基いてビーム調整手段を制御する制御手段とを具備し、ビーム調整手段はレーザー光線発振器から発振されるレーザー光線の光軸上に配設され光軸に沿って移動可能に配設された第１のレンズおよび第２のレンズと、第１のレンズと第２のレンズをそれぞれ光軸に沿って移動せしめる第１の移動手段および第２の移動手段と、第１のレンズおよび第２のレンズの移動位置をそれぞれ検出する第１のレンズ位置検出手段および第２のレンズ位置検出手段とを具備しているので、レーザー光線発振器を組み付けた際や交換した際にはレーザー光線発振器から発振され集光レンズに入光されるレーザー光線のビーム径と発散角（平行度）を自動的に調整することができる。

以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して、更に詳細に説明する。

図１には、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図が示されている。図１に示すレーザー加工装置は、静止基台２と、該静止基台２に矢印Ｘで示す加工送り方向に移動可能に配設され被加工物を保持するチャックテーブル機構３と、静止基台２に上記矢印Ｘで示す方向と直角な矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット支持機構４と、該レーザー光線ユニット支持機構４に矢印Ｚで示す方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット５とを具備している。

上記チャックテーブル機構３は、静止基台２上に矢印Ｘで示す加工送り方向に沿って平行に配設された一対の案内レール３１、３１と、該案内レール３１、３１上に矢印Ｘで示す加工送り方向に移動可能に配設された第一の滑動ブロック３２と、該第１の滑動ブロック３２上に矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動可能に配設された第２の滑動ブロック３３と、該第２の滑動ブロック３３上に円筒部材３４によって支持されたカバーテーブル３５と、被加工物保持手段としてのチャックテーブル３６を具備している。このチャックテーブル３６は多孔性材料から形成された吸着チャック３６１を具備しており、吸着チャック３６１上に被加工物である例えば円盤状の半導体ウエーハを図示しない吸引手段によって保持するようになっている。このように構成されたチャックテーブル３６は、円筒部材３４内に配設された図示しないパルスモータによって回転せしめられる。なお、チャックテーブル３６には、後述する環状のフレームを固定するためのクランプ３６２が配設されている。

上記第１の滑動ブロック３２は、その下面に上記一対の案内レール３１、３１と嵌合する一対の被案内溝３２１、３２１が設けられているとともに、その上面に矢印Ｙで示す割り出し送り方向に沿って平行に形成された一対の案内レール３２２、３２２が設けられている。このように構成された第１の滑動ブロック３２は、被案内溝３２１、３２１が一対の案内レール３１、３１に嵌合することにより、一対の案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第１の滑動ブロック３２を一対の案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り方向に移動させるための加工送り手段３７を具備している。加工送り手段３７は、上記一対の案内レール３１と３１の間に平行に配設された雄ネジロッド３７１と、該雄ネジロッド３７１を回転駆動するためのパルスモータ３７２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３７１は、その一端が上記静止基台２に固定された軸受ブロック３７３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３７２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３７１は、第１の滑動ブロック３２の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３７２によって雄ネジロッド３７１を正転および逆転駆動することにより、第一の滑動ブロック３２は案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられる。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、上記チャックテーブル３６の加工送り量を検出するための加工送り量検出手段３７４を備えている。加工送り量検出手段３７４は、案内レール３１に沿って配設されたリニアスケール３７４aと、第１の滑動ブロック３２に配設され第１の滑動ブロック３２とともにリニアスケール３７４aに沿って移動する読み取りヘッド３７４bとからなっている。この送り量検出手段３７４の読み取りヘッド３７４bは、図示に実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６の加工送り量を検出する。なお、上記加工送り手段３７の駆動源としてパルスモータ３７２を用いた場合には、パルスモータ３７２に駆動信号を出力する後述する制御手段の駆動パルスをカウントすることにより、チャックテーブル３６の加工送り量を検出することもできる。また、上記加工送り手段３７の駆動源としてサーボモータを用いた場合には、サーボモータの回転数を検出するロータリーエンコーダが出力するパルス信号を後述する制御手段に送り、制御手段が入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６の加工送り量を検出することもできる。

上記第２の滑動ブロック３３は、その下面に上記第１の滑動ブロック３２の上面に設けられた一対の案内レール３２２、３２２と嵌合する一対の被案内溝３３１、３３１が設けられており、この被案内溝３３１、３３１を一対の案内レール３２２、３２２に嵌合することにより、矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第２の滑動ブロック３３を第１の滑動ブロック３２に設けられた一対の案内レール３２２、３２２に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動させるための第１の割り出し送り手段３８を具備している。第１の割り出し送り手段３８は、上記一対の案内レール３２２と３２２の間に平行に配設された雄ネジロッド３８１と、該雄ネジロッド３８１を回転駆動するためのパルスモータ３８２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３８１は、その一端が上記第１の滑動ブロック３２の上面に固定された軸受ブロック３８３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３８２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３８１は、第２の滑動ブロック３３の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３８２によって雄ネジロッド３８１を正転および逆転駆動することにより、第２の滑動ブロック３３は案内レール３２２、３２２に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、上記第２の滑動ブロック３３の割り出し加工送り量を検出するための割り出し送り量検出手段３８４を備えている。割り出し送り量検出手段３８４は、案内レール３２２に沿って配設されたリニアスケール３８４aと、第２の滑動ブロック３３に配設され第２の滑動ブロック３３とともにリニアスケール３８４aに沿って移動する読み取りヘッド３８４bとからなっている。この送り量検出手段３８４の読み取りヘッド３８４bは、図示に実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６の割り出し送り量を検出する。なお、上記第１の割り出し送り手段３８の駆動源としてパルスモータ３８２を用いた場合には、パルスモータ３８２に駆動信号を出力する後述する制御手段の駆動パルスをカウントすることにより、チャックテーブル３６の割り出し送り量を検出することもできる。また、上記加工送り手段３７の駆動源としてサーボモータを用いた場合には、サーボモータの回転数を検出するロータリーエンコーダが出力するパルス信号を後述する制御手段に送り、制御手段が入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６の割り出し送り量を検出することもできる。

上記レーザー光線照射ユニット支持機構４は、静止基台２上に矢印Ｙで示す割り出し送り方向に沿って平行に配設された一対の案内レール４１、４１と、該案内レール４１、４１上に矢印Ｙで示す方向に移動可能に配設された可動支持基台４２を具備している。この可動支持基台４２は、案内レール４１、４１上に移動可能に配設された移動支持部４２１と、該移動支持部４２１に取り付けられた装着部４２２とからなっている。装着部４２２は、一側面に矢印Ｚで示す方向に延びる一対の案内レール４２３、４２３が平行に設けられている。図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット支持機構４は、可動支持基台４２を一対の案内レール４１、４１に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動させるための第２の割り出し送り手段４３を具備している。第２の割り出し送り手段４３は、上記一対の案内レール４１、４１の間に平行に配設された雄ネジロッド４３１と、該雄ねじロッド４３１を回転駆動するためのパルスモータ４３２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド４３１は、その一端が上記静止基台２に固定された図示しない軸受ブロックに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ４３２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド４３１は、可動支持基台４２を構成する移動支持部４２１の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された雌ネジ穴に螺合されている。このため、パルスモータ４３２によって雄ネジロッド４３１を正転および逆転駆動することにより、可動支持基台４２は案内レール４１、４１に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。

図示の実施形態のおけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１と、該ユニットホルダ５１に取り付けられたレーザー光線照射手段５２を具備している。ユニットホルダ５１は、上記装着部４２２に設けられた一対の案内レール４２３、４２３に摺動可能に嵌合する一対の被案内溝５１１、５１１が設けられており、この被案内溝５１１、５１１を上記案内レール４２３、４２３に嵌合することにより、矢印Ｚで示す方向に移動可能に支持される。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１を一対の案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向（Z軸方向）に移動させるための移動手段５３を具備している。移動手段５３は、一対の案内レール４２３、４２３の間に配設された雄ネジロッド（図示せず）と、該雄ネジロッドを回転駆動するためのパルスモータ５３２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ５３２によって図示しない雄ネジロッドを正転および逆転駆動することにより、ユニットホルダ５１およびレーザビーム照射手段５２を案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向（Z軸方向）に移動せしめる。なお、図示の実施形態においてはパルスモータ５３２を正転駆動することによりレーザー光線照射手段５２を上方に移動し、パルスモータ５３２を逆転駆動することによりレーザー光線照射手段５２を下方に移動するようになっている。

図示のレーザー光線照射手段５２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング５２１を含んでいる。また、レーザー光線照射手段５２は、図２に示すようにケーシング５２１内に配設されたパルスレーザー光線発振手段５３と、該レーザー光線発振手段５３によって発振されたレーザー光線を集光する対物集光レンズ５４１を備えケーシング５２１の先端に配設された集光器５４と、レーザー光線発振手段５３と集光器５４との間に配設されレーザー光線発振手段５３から発振されるレーザー光線のビーム径と発散角を調整するビーム調整手段５５と、該ビーム調整手段５５と集光レンズ５４１との間に配設されビーム調整手段５５を通過したレーザー光線を集光レンズ５４１に向けて反射せしめる反射ミラー５８を具備している。

上記パルスレーザー光線発振手段５３は、ＹＡＧレーザー発振器或いはＹＶＯ４レーザー発振器からなるパルスレーザー光線発振器５３１と、これに付設された繰り返し周波数設定手段５３２とから構成されている。なお、パルスレーザー光線発振器５３１から発振されるパルスレーザー光線は、カタログや仕様書においては例えば発散角が１．８ラジアン±０．３８ラジアン、ビーム径が１．７ｍｍ±０．４ｍｍ：５０cmと記載されている。この例におけるパルスレーザー光線発振器５３１は、発振するパルスレーザー光線の発散角に±０．３８ラジアンのバラツキがあり、ビーム径に±０．４ｍｍのバラツキがある。

上記集光器５４は、上記チャックテーブル３６に保持された被加工物と対向して配設され、上記反射ミラー５８によって反射せしめられたレーザー光線を集光レンズ５４１によって集光してチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに照射する。なお、反射ミラー５8は、図示の実施形態においては、ビーム調整手段５５を通過したレーザー光線の９９％を集光レンズ５４１に向けて反射せしめ、１％が透過するように構成されている。

上記ビーム調整手段５５は、図示の実施形態においては焦点距離が(f1)の凹レンズからなる第１のレンズ５５１と、該第１のレンズ５５１と間隔を置いて配設される焦点距離が(f2)の凸レンズからなる第２のレンズ５５２を具備している。この第１のレンズ５５１と第２のレンズ５５２は、図３に示すレンズ移動機構５６に光軸方向に移動可能に配設されている。図３に示すレンズ移動機構５６は、支持基台５６１と、該支持基台５６１の両側側辺に沿ってそれぞれ移動可能に配設された第１のレンズ支持部材５６２および第２のレンズ支持部材５６３と、該第１のレンズ支持部材５６２および第２のレンズ支持部材５６３をそれぞれ支持基台５６１の両側側辺に沿って移動せしめる第１の移動手段５６４および第２の移動手段５６５とからなっている。

ビーム調整手段５５を構成する第１のレンズ５５１と第２のレンズ５５２は、図２においてレーザー光線発振手段５３から第１のレンズ５５１までの距離(L1)および第１のレンズ５５１から第２のレンズ５５２までの距離(L2)を調整することにより、レーザー光線発振手段５３から発振された発散角を有するレーザー光線を平行なレーザー光線に調整することができる。

図３に戻って説明を続けると、上記支持基台５６１は、両側側辺が互いに平行な第１の案内レール５６１aと第２の案内レール５６１bを形成している。第１のレンズ支持部材５６２は、支持基台５６１の第１の案内レール５６１aに嵌合する被案内レール５６２aを備えており、該被案内レール５６２aを第１の案内レール５６１aに嵌合することにより第１の案内レール５６１aに沿って移動可能に構成される。このように構成された第１のレンズ支持部材５６２に上記第１のレンズ５５１が取付けられる。第２のレンズ支持部材５６３は、支持基台５６１の第２の案内レール５６１bに嵌合する被案内レール５６３bを備えており、該被案内レール５６３bを第２の案内レール５６１bに嵌合することにより第２の案内レール５６１bに沿って移動可能に構成される。このように構成された第２のレンズ支持部材５６３に上記第２のレンズ５５２が取付けられる。なお、第１のレンズ支持部材５６２と第２のレンズ支持部材５６３にそれぞれ取付けられた第１のレンズ５５１と第２のレンズ５５２は、第１の案内レール５６１aおよび第２の案内レール５６１bと平行な同一光軸上に間隔を置いて配置される。

上記第１の移動手段５６４は、上記支持基台５６１の第１の案内レール５６１aに沿って配設された雄ネジロッド５６４aと、該雄ネジロッド５６４aを回転駆動するためのパルスモータ５６４b等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド５６４aは、その一端が上記支持基台５６１に固定された軸受ブロック５６４cに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータパルスモータ５６４bの出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド５６４aは、第１のレンズ支持部材５６２に取付けられた雌ネジブロック５６４dに形成された貫通雌ネジ穴５６４eに螺合されている。従って、パルスモータ５６４bによって雄ネジロッド５６４aを正転および逆転駆動することにより、第１のレンズ支持部材５６２は第１の案内レール５６１aに沿って移動せしめられる。また、上記第２の移動手段５６５は、上記支持基台５６１の第５の案内レール５６１bに沿って配設された雄ネジロッド５６５aと、該雄ネジロッド５６５aを回転駆動するためのパルスモータ５６５b等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド５６５aは、その一端が上記支持基台５６１に固定された軸受ブロック５６５cに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータパルスモータ５６５bの出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド５６５aは、第２のレンズ支持部材５６３に取付けられた雌ネジブロック５６５dに形成された貫通雌ネジ穴（図示せず）に螺合されている。従って、パルスモータ５６５bによって雄ネジロッド５６５aを正転および逆転駆動することにより、第２のレンズ支持部材５６３は第２の案内レール５６１bに沿って移動せしめられる。このように構成された第１の移動手段５６４のパルスモータパルスモータ５６４bおよび第２の移動手段５６５のパルスモータパルスモータ５６５bは、後述する制御手段によって制御される。

上記ビーム調整手段５５は、図示の実施形態においては上記第１のレンズ５５１および第２のレンズ５５２の移動位置を検出する第１のレンズ位置検出手段５７１および第２のレンズ位置検出手段５７２を具備している。第１のレンズ位置検出手段５７１は、上記第１の移動手段５６４の雄ネジロッド５６４aと平行に配設されたリニアスケール５７１aと、第１のレンズ支持部材５６２に取付けられた雌ネジブロック５６４dに配設されリニアスケール５７１aに沿って移動する読み取りヘッド５７１bとからなっており、読み取りヘッド５７１bは検出信号を後述する制御手段に送る。また、第２のレンズ位置検出手段５７２は、上記第２の移動手段５６５の雄ネジロッド５６５aと平行に配設されたリニアスケール５７５aと、第２のレンズ支持部材５６２に取付けられた雌ネジブロック５６４dに配設されリニアスケール５７２aに沿って移動する読み取りヘッド５７２bとからなっており、読み取りヘッド５７２bは検出信号を後述する制御手段に送る。なお、第１のレンズ５５１および第２のレンズ５５２の移動位置を検出する検出手段としては、第１の移動手段５６４のパルスモータ５６４bおよび第２の移動手段５６５のパルスモータ５６５bを駆動する駆動パルスをカウントして求めることもできる。

図２に戻って説明を続けると、図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、上記ビーム調整手段５５の第１のレンズ５５１および第２のレンズ５５２を通過したレーザー光線のビーム径と発散角を検出するビーム径および発散角検出手段６を具備している。ビーム径および発散角検出手段６は、上記反射ミラー５８を透過したレーザー光線を直角に反射するシアリングプレート６１と、該シアリングプレート６１で反射したレーザー光線を撮像するCCD等からなる受光手段６２を具備している。シアリングプレート６１は、入光するレーザー光線が平行ビームになっていない場合には図４の(a)で示すように２重の円となって反射するとともに、２つの円が重なった部分には発散角に応じて干渉縞が干渉縞角度(α)をもって形成される。一方、シアリングプレート６１に入光するレーザー光線が平行ビームの場合には、シアリングプレート６１は図４の(b)で示すように２つの円が完全に重なり１つの円になるとともに、干渉縞の干渉角度(α)が零(0)となるように反射する。上記受光手段６２は、上記シアリングプレート６１で反射したレーザー光線を受光し、図４の(a)や(b)に示す受光信号を後述する制御手段に送る。

図１に戻って説明を続けると、上記レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５２１の先端部には、レーザー光線照射手段５２によってレーザー加工すべき加工領域を検出する撮像手段７が配設されている。この撮像手段７は、撮像素子（ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を制御手段８に送る。

制御手段８はコンピュータによって構成されており、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置（ＣＰＵ）８１と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）８２と、後述する被加工物の設計値のデータや演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３と、カウンター８４と、入力インターフェース８５および出力インターフェース８６とを備えている。制御手段８の入力インターフェース８５には、上記加工送り量検出手段３７４、割り出し送り量検出手段３８４、第１のレンズ位置検出手段５７１の読み取りヘッド５７１b、第２のレンズ位置検出手段５７２の読み取りヘッド５７２b、ビーム径および発散角検出手段６の受光手段６２および撮像手段７等からの検出信号が入力される。そして、制御手段８の出力インターフェース８６からは、上記パルスモータ３７２、パルスモータ３８２、パルスモータ４３２、パルスモータ５３２、レーザー光線照射手段５２、レンズ移動機構５６を構成する第１の移動手段５６４のパルスモータ５６４bおよび第２の移動手段５６５のパルスモータ５６５b等に制御信号を出力する。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
図２において、パルスレーザー光線発振器５３１からから発振されるレーザー光線の波長を(λ)、パルスレーザー光線発振器５３１から第１のレンズ５５１までの領域を領域Ｉとし、その長さを(L1)、パルスレーザー光線発振器５３１から発振されるレーザー光線のパルスレーザー光線発振器５３１におけるビーム径を(r1)、発散角を(θ1)とする。第１のレンズ５５１の領域を領域ＩＩとし、第１のレンズ５５１の焦点距離を(f1)、第１のレンズ５５１への入光するレーザー光線のビーム径を(r2)、第１のレンズ５５１内における発散角を(θ2)とする。第１のレンズ５５１から第２のレンズ５５２までの領域を領域ＩＩＩとし、その長さを(L2)、第１のレンズ５５１におけるビーム径を(r3)、発散角を(θ3)とする。第２のレンズ５５２の領域を領域ＩＶとし、第２のレンズ５５２の焦点距離を(f2)、第２のレンズ５５２への入光するレーザー光線のビーム径を(r4)、第２のレンズ５５２内における発散角を(θ4)とする。第２のレンズ５５２から受光手段６２までの領域を領域Ｖとし、受光手段６２によって受光されるビーム径を(r5)、発散角を(θ5)とする。

図２に示す光学系において光学行列を作成し、各パラメータの関係を求めると、
（１）領域Ｉ：

（２）領域ＩＩ：

（３）領域ＩＩＩ：

（４）領域ＩＶ：

このような条件のもとにおいては、上記パルスレーザー光線発振器５３１からから発振されるレーザー光線の波長を(λ)、上記図４の(a)における２重の円のズレ量を(S)、図４の(a)における干渉縞の間隔を(df)、干渉縞角度を(α)とすると、発散角(θ5)は数式１によって求めることができる。

また、上記条件のもとにおいては、次の数式２が成り立つ。

次に、パルスレーザー光線発振器５３１から発振される発散角を有するレーザー光線を所定のビーム径を有する平行ビームにする制御について説明する。
上述したレーザー加工装置にパルスレーザー光線発振器５３１が装着されたならば、制御手段８は第１の移動手段５６４のパルスモータ５６４bおよび第２の移動手段５６５のパルスモータ５６５bを制御して第１のレンズ支持部材５６２および第２のレンズ支持部材５６３を移動し、レーザー光線発振手段５３から第１のレンズ５５１までの距離(L1)および第１のレンズ５５１から第２のレンズ５５２までの距離(L2)が予め設定された初期値（カタログや仕様書に記載された値）（例えば、L1：４０mm,L2：９０mm）になるように位置付ける。次に、制御手段８は、レーザー光線発振手段５３を作動してレーザー光線を発振せしめ、上述したようにビーム径および発散角検出手段６の受光手段６２によって受光された上記図４の(a)に示す受光信号を入力する。そして、制御手段８は、受光手段６２からの受光信号に基いてビーム径(r5)と２重の円のズレ量(S)と干渉縞の間隔(df)および干渉縞角度を(α)を求め、上記数式１によって発散角を(θ5)を演算する。

このようにして発散角(θ5)を求めたならば、制御手段８は発散角(θ5)と上述したように受光手段６２からの受光信号に基いて求めたビーム径(r5)を上記数式２に代入して、パルスレーザー光線発振器５３１から発振されるレーザー光線のビーム径(r1)と発散角(θ1)を求める。このとき、レーザー光線発振手段５３から第１のレンズ５５１までの距離(L1)および第１のレンズ５５１から第２のレンズ５５２までの距離(L2)は、予め設定された上記初期値（例えば、L1：４０mm,L2：９０mm）を代入する。

上述したように上記数式２を用いてパルスレーザー光線発振器５３１から発振されるレーザー光線のビーム径(r1)と発散角(θ1)を求めたならば、受光手段６２によって受光されるビーム径(r5)と発散角を(θ5)所望の値（例えば、r5：４．０ｍｍ、θ5：０度）に設定する。そして、制御手段８は、上記数式１にレーザー光線のビーム径(r1)と発散角(θ1)および所望の値に設定したビーム径(r5)と発散角を(θ5)を代入して、レーザー光線発振手段５３から第１のレンズ５５１までの距離(L1)および第１のレンズ５５１から第２のレンズ５５２までの距離(L2)を求める。

以上のようにして、レーザー光線発振手段５３から第１のレンズ５５１までの距離(L1)および第１のレンズ５５１から第２のレンズ５５２までの距離(L2)を求めたならば、制御手段８はビーム調整手段５５のレンズ移動機構５６を構成する第１の移動手段５６４のパルスモータ５６４bおよび第２の移動手段５６５のパルスモータ５６５bを制御し、第１のレンズ支持部材５６２に取付けられた第１のレンズ５５１のレーザー光線発振手段５３からの距離が(L1)になるようにするとともに、第２のレンズ支持部材５６３に取付けられた第２のレンズ５５２の第１のレンズ５５１からの距離が(L2)になるようにする。このとき、制御手段８は、第１のレンズ位置検出手段５７１および第２のレンズ位置検出手段５７２からの第１のレンズ５５１および第２のレンズ５５２の位置信号に基いて第１の移動手段５６４のパルスモータ５６４bおよび第２の移動手段５６５のパルスモータ５６５bを制御する。このように、本発明によるレーザー加工装置においては、レーザー光線発振器を組み付けた際や交換した際にはレーザー光線発振器から発振され集光レンズに入光されるレーザー光線のビーム径と発散角（平行度）を自動的に調整することができる。

本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。 図１に示すレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段およびビーム調整手段の構成を簡略に示すブロック図。 図２に示すビーム調整手段の斜視図。 図２に示すビーム調整手段を構成するビーム径および発散角検出手段によって検出される検出信号の説明図。

符号の説明

２：静止基台
３：チャックテーブル機構
３６：チャックテーブル
３７：加工送り手段
３７４：加工送り量検出手段
３８：第１の割り出し送り手段
３８４：割り出し送り量検出手段
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４２：可動支持基台
４３：第２の割り出し送り手段
５：レーザー光線照射ユニット
５１：ユニットホルダ
５２：レーザー光線照射手段
５３：レーザー光線発振手段
５３１：パルスレーザー光線発振器
５４：集光器
５４１：集光レンズ
５５：ビーム調整手段
５５１：第１のレンズ
５５２：第２のレンズ
５６：レンズ移動機構
５６１：支持基台
５６２：第１のレンズ支持部材
５６３：第２のレンズ支持部材
５６４：第１の移動手段
５６５：第２の移動手段
５７１：第１のレンズ位置検出手段
５７２：第２のレンズ位置検出手段
６：発散角検出手段
６１：シアリングプレート
６２：受光手段
７：撮像手段
８：制御手段

Claims (2)

1. 被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物にパルスレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段とを具備し、該レーザー光線照射手段がレーザー光線発振器と該レーザー光線発振器によって発振されたレーザー光線を集光する集光レンズとを具備しているレーザー加工装置において、
   該レーザー光線発振器と該集光レンズとの間に配設され該レーザー光線発振器から発振されるレーザー光線のビーム径と発散角を調整するビーム調整手段と、
   該ビーム調整手段を通過したレーザー光線のビーム径と発散角を検出するビーム径および発散角検出手段と、
   該ビーム径および発散角検出手段からの検出信号に基いて該レーザー光線発振器から発振されたレーザー光線のビーム径と発散角を演算し、該演算された該レーザー光線発振器から発振されたレーザー光線のビーム径と発散角および該ビーム径および発散角検出手段に入光する所望のビーム径と発散角に基いて該ビーム調整手段を制御する制御手段と、を具備し、
   該ビーム調整手段は、該レーザー光線発振器から発振されるレーザー光線の光軸上に配設され光軸に沿って移動可能に配設された第１のレンズおよび第２のレンズと、該第１のレンズと該第２のレンズをそれぞれ光軸に沿って移動せしめる第１の移動手段および第２の移動手段と、該第１のレンズおよび該第２のレンズの移動位置をそれぞれ検出する第１のレンズ位置検出手段および第２のレンズ位置検出手段とを具備し、
   該ビーム径および発散角検出手段は、該第１のレンズおよび該第２のレンズを透過したレーザー光線を反射するシアリングプレートと、該シアリングプレートによって反射されたレーザー光線を受光し受光信号を該制御手段に送る受光手段とを具備しており、
   該制御手段は、該受光手段からの受光信号に基いて該受光手段によって受光されるビーム径（ｒ５）を求めるとともに、パルスレーザー光線発振器から発振されるレーザー光線の波長を（λ）、該受光手段によって受光された受光信号における２重の円のズレ量を（Ｓ）、干渉縞の間隔を（ｄｆ）、干渉縞角度を（α）とし発散角（θ５）を次の数式１によって求め、
   

   

   次に、制御手段は、該受光手段によって受光されるビーム径（ｒ５）と数式１によって求めた発散角（θ５）に基いて、該パルスレーザー光線発振器から該第１のレンズまでの領域を領域Ｉとしてその長さを（Ｌ１）、該パルスレーザー光線発振器から発振されるレーザー光線のパルスレーザー光線発振器から所定距離離れた位置におけるビーム径を（ｒ１）、発散角を（θ１）とし、該第１のレンズの領域を領域ＩＩとして該第１のレンズの焦点距離を（ｆ１）、第１のレンズへ入光するレーザー光線のビーム径を（ｒ２）、該第１のレンズ内における発散角を（θ２）とし、該第１のレンズから該第２のレンズまでの領域を領域ＩＩＩとしてその長さを（Ｌ２）、該第１のレンズから所定距離離れた位置におけるビーム径を（ｒ３）、発散角を（θ３）とし、該第２のレンズの領域を領域ＩＶとして該第2のレンズの焦点距離を（ｆ２）、第２のレンズへ入光するレーザー光線のビーム径を（ｒ４）、該第２のレンズ内における発散角を（θ４）とし、該第２のレンズから該受光手段までの領域を領域Ｖとして該受光手段によって受光されるビーム径を（ｒ５）、発散角を（θ５）とし、該受光手段によって受光されたレーザー光線に基いて求められたビーム径（ｒ５）と数式１によって求めた発散角（θ５）を次の数式２に代入して該パルスレーザー光線発振器から発振されるレーザー光線の該ビーム径（ｒ１）と該発散角（θ１）を求め、
   

   

   但し、
   

   

   次に、制御手段は、数式２によって求めた該ビーム径（ｒ１）と該発散角（θ１）および所望の該ビーム径（ｒ５）と該発散角（θ５）を再度数式２に代入して、該パルスレーザー光線発振器から該第１のレンズまでの長さ（Ｌ１）および該第１のレンズから該第２のレンズまでの長さ（Ｌ２）を求める、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
2. 該ビーム調整手段と集光レンズとの間にビーム調整手段を通過したレーザー光線を集光器に向けて反射せしめる反射ミラーが配設され、上記ビーム径および発散角検出手段は反射ミラーを透過したレーザー光線を入光するように構成されている、請求項１記載のレーザー加工装置。

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