JP5308431B2 - レーザ光によるライン加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置100の概略構成図である。レーザ加工装置100は、レーザ光源200からレーザ光LB1を発し、変換手段300においてそのビーム断面形状を所定の形状に変換し、これにより得られるレーザ光LB2を集光手段400によって集光し、駆動機構500の上部に設けられたステージ501に固定された被加工物Sの被加工部位に集光したレーザ光LB2を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。そして、駆動機構500によってステージ501を移動させつつレーザ光LB2を連続して照射することにより、レーザ光LB2によって被加工物Sの表面を相対的に走査しながら、換言すれば、レーザ光の被照射領域を連続的に変位させながら、切断用の溝形成のためのスクライブ加工やあるいは直接の切断加工などのライン加工を行うことができる。このようなレーザ加工装置100の動作は、制御手段600によって各部の動作が制御されることで実現される。
次に、レーザ加工装置100によって実現されるライン加工の方法とその特徴について説明する。図2は、レーザ光LB2が照射されることによって被加工物S上に形成される被照射領域が、被加工物Sにおける加工ラインL上のある点を通過する様子を示す図である。なお、図2においては、加工を施そうとする加工ラインLが延びる方向をx軸とする。
t1=ka/v (式1)
となる。
t2=t1・fΔt=kafΔt/v (式2)
と表されることになる。
上記のようなレーザ光LB2の照射を実現するための照射光学系、すなわち変換手段300および集光手段400の具体的な構成を、順次に説明する。なお、以下の各構成例においては、レーザ光LB2の照射に伴って被照射領域が移動する向きをx軸の正の向きとする右手形の三次元座標系を用いることとする。すなわち、以下の各構成例においては、z軸負方向にレーザ光源200、変換手段300、集光手段400、およびステージ501(駆動機構500)がこの順に設けられてなり、レーザ光LB1は、その光軸がz軸と一致するように、レーザ光源200から変換手段300に向けて出射されるものとする。
上述の第1の構成例においては、図10の(A)〜(C)に示すように、高さ位置によってレーザ光のビーム断面がなす楕円の向きが変化することになるので、対物レンズ411と被加工物Sとの距離の変動、つまりはピント位置のズレが生じた場合に、ビーム断面形状が変動しやすいという問題がある。第2の構成例では、この点に配慮した照射光学系を示す。
平行光であって、ビーム断面形状に異方性を有するレーザ光LB2を出射するための変換手段300の構成態様は、上述の場合に限定されない。図13は、変換手段300としてアナモルフィックプリズム323を用いた場合を示す図である。図13(a)はyz平面に平行な面における断面図、図13(b)はzx平面に平行な面における断面図である。2つのプリズム323aと323bとを組み合わせてなるアナモルフィックプリズム323を図13のように配置することにより、x軸方向についての幅はそのまま、y軸方向にのみ幅を狭められた異方性のあるレーザ光LB2を得ることができる。得られたレーザ光LB2を対物レンズ421で集光し、被加工物Sに照射する点は、上述の場合と同様である。
第1および第2の構成例においては、被照射領域が楕円形状をなす場合について説明したが、長尺な被照射領域を形成し、長い積算照射時間を得るための態様はこれに限定されるものではない。本構成例においては、レーザ光を直線状に配列したいわゆるマルチビームによって同様の効果を実現する態様について説明する。
θn=sin-1(nλ/d) (式3)
と表される。ただし、図示の簡単のため、図14においてはn=0、±1、±2の場合のみ示している。よって、回折格子331から出射されるレーザ光LB2は、y軸方向の幅は入射時のレーザ光LB1と同じであるのに対し、x軸方向については異なった次数の光の合成光となり、その結果、入射時よりも広がりを有する異方性を備えたものとなる。
Dn=ftanθn (式4)
と表される。すなわち、0次の回折光(透過光)は光軸上の位置(D0=0)に集光され、1次の回折光(透過光)は光軸からD1だけ離れた位置に集光され、2次の回折光(透過光)は光軸からD2だけ離れた位置に集光されることになる。このことは、単一の平行光であるレーザ光LB1が変換手段300としての回折格子331によって複数の微小なレーザ光群へとマルチビーム化されたことを意味している。
第3の構成例においては、回折格子331が対物レンズ431の瞳位置に配置されているが、回折格子331をこの位置関係に配置できない場合、ビームエキスパンダーを用いることで、その位置関係の制限を解消することができる。図16は、これを示す図である。
マルチビーム化を実現する態様は、第3の構成例に示したものに限られない。図17は、ビームスプリッタ341によるマルチビーム化を説明する図である。
図18においては、ビームスプリッタ341から出射された微小レーザ光に広がりがある場合を例示している。実際には、その広がりを無視することができ、平行光として取り扱える場合(縮小率f/f3の値が小さい場合など)もあるが、わずかな広がりが問題となるような場合、その広がり角を各微小レーザ光について併せる必要がある。図19は、これを実現する照射光学系の構成を示す図である。
被照射領域が長尺形状を有するようにレーザ光を変換し、集光する態様は、以上の各構成例に限定されるものではなく、他にも種々の手法で実現されうる。
200 レーザ光源
300 変換手段
311 シリンドリカルレンズ
321 第1シリンドリカルレンズ
322 第2シリンドリカルレンズ
323 アナモルフィックプリズム
331 回折格子
331a 格子面
332 第1エキスパンドレンズ
333 第2エキスパンドレンズ
341 ビームスプリッタ
341a 本体部
341b 反射膜
341c 入射部
342 縮小レンズ
343、343a、343b、343c 調整レンズ
351 レンズ列
361 バンドルファイバー
361a 入射部
361b 出射部
400 集光手段
411、421、431、441 対物レンズ
500 駆動機構
501 ステージ
600 制御手段
BS 被照射領域
Fa、Fb、Fc 結像点
LB1 (レーザ光源200から出射された)レーザ光
LB2 (変換手段300から出射された)レーザ光
Claims (6)
- レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿ったアブレーション加工を行うライン加工方法であって、
一の光源から所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発せられる第1のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第2のレーザ光に変換する変換工程と、
前記第2のレーザ光を所定の集光手段によって前記被加工物の表面近傍に集光したうえで前記被加工物に照射しつつ、所定の走査手段に前記第2のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させることによって、前記表面をアブレーション加工する加工工程と、
を備え、
前記変換工程においては、前記第1のレーザ光を所定の回折格子に照射することで生じる前記回折格子からの回折光が前記第2のレーザ光であり、前記第2のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第1照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第2照射サイズよりも大きく、
前記加工工程においては、前記回折格子と前記集光手段との間に設けた第1と第2のエキスパンドレンズからなるビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第2のレーザ光を、前記第1照射サイズと前記第2照射サイズとの比率を維持するように集光しつつ走査を行うことによって、前記第2のレーザ光の被照射領域を前記加工方向に沿って連続的に変位させる、
ことを特徴とするレーザ光によるライン加工方法。 - 請求項1に記載のライン加工方法であって、
前記第2照射サイズに対する前記第1照射サイズの比である照射サイズ比を3以上50以下に調整することを特徴とするレーザ光によるライン加工方法。 - 請求項1または請求項2に記載のライン加工方法であって、
前記第1のレーザ光の波長が210nm〜533nmの波長範囲に属することを特徴とするレーザ光によるライン加工方法。 - レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿ったアブレーション加工を行うレーザ加工装置であって、
第1のレーザ光を所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発する一の光源と、
前記第1のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第2のレーザ光に変換する変換手段と、
前記第2のレーザ光を前記被加工物の表面近傍に集光する集光手段と、
前記変換手段と前記集光手段との間に設けられた第1と第2のエキスパンドレンズからなり、前記第2のレーザ光の焦点距離を調整するビームエキスパンド手段と、
前記第2のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させる走査手段と、
前記レーザ加工装置の動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記変換手段は回折格子であり、前記第1のレーザ光が前記回折格子に照射されることで生じる前記回折格子からの回折光が前記第2のレーザ光であり、前記第2のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第1照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第2照射サイズよりも大きく、
前記集光手段は、前記ビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第2のレーザ光を前記第1照射サイズと前記第2照射サイズとの比率を維持して集光し、
前記制御手段は、前記被加工物に照射された前記第2のレーザ光の前記被照射領域が前記加工方向に沿って連続的に変位するように、前記集光手段と前記走査手段とを制御する、
ことを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項4に記載のレーザ加工装置であって、
前記変換手段は、前記第2照射サイズに対する前記第1照射サイズの比である照射サイズ比を3以上50以下に調整することを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項4または請求項5に記載のレーザ加工装置であって、
前記第1のレーザ光の波長が210nm〜533nmの波長範囲に属することを特徴とするレーザ加工装置。
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