JP6004711B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウォータージェットレーザー加工装置に関する。

従来、被加工物に高圧の液体を噴射して液柱を形成するとともに、この液柱内に透過（導光）させたレーザービームを被加工物に照射して所要の加工を施す所謂ウォータージェットレーザー加工装置が広く知られている（例えば、特許文献１乃至３参照）。

そして、本出願人は、特許文献４に開示されるように、液柱を整流化することでレーザー加工溝幅を例えば５０μｍ以下に形成できるウォータージェットレーザー加工装置を提案している。

この特許文献４では、透明窓を通じて液体室ハウジング内にレーザービームを入射させるとともに、液体室ハウジングに設けた噴射ノズルにて形成する液柱内にレーザービームを案内する構成としている。

また、液柱はパイプを通じて被加工物に対して噴射される構成としており、気体流入路を通じてパイプ内に吸引された気体（エア）が液柱を囲繞することによって液柱が整流される構成としている。

特開平２−１６２１号公報 特開２００１−３２１９７７号公報 特開２００６−２５５７６９号公報 特開２０１１−１２５８７０号公報

従来のウォータージェットレーザー加工装置では、液柱を形成した液体が被加工物の上面で反射して液柱を逆流し、液柱が通過するパイプの内部や、噴射ノズルの内部に付着することが懸念され、これにより新たに形成される液柱が乱されるおそれがある。

また、光学部品の組み付け位置ずれなどにより、レーザービームが噴射ノズルのエッジに照射されることで噴射ノズルが損傷し、噴射ノズルの損傷に起因して液柱が乱されるおそれがある。

更に、液柱を形成する液体に異物が混入した場合には、液柱に導光されるレーザービームが異物に照射されて液柱が乱されるおそれがある。

そして、以上のようにして液柱が乱れてしまうことにより、レーザービームの集光が揺らぎ、噴射ノズルのエッジにレーザービームが照射されて噴射ノズルを破損させたり、透明窓の焼きつきが生じたりするおそれがある。

加えて、液柱の乱れによってレーザービームがパイプに照射されると、パイプが溶解してパイプ穴が溶着して塞がるなどの不具合が生じる恐れがある。パイプ穴が溶着により塞がれてしまうと、液体室ハウジングから噴射された液体が気体流入路に流入して加工ヘッド自体が大きく破損してしまうという問題を引き起こすことになる。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、液柱の乱れによって加工ヘッドが破損してしまうおそれを防止するレーザー加工装置を提供することである。

請求項１に記載の発明によると、被加工物を保持する保持手段と、レーザー発振器と加工ヘッドとから少なくともなり、保持手段で保持された被加工物にレーザービームを照射するレーザービーム照射手段と、を備え、加工ヘッドは、レーザー発振器から発振されたレーザービームを集光する集光レンズと、被加工物に液体を噴射して集光レンズで集光されたレーザービームが導光される液柱を形成する液体噴射手段と、液体噴射手段で形成された液柱が通過するパイプと、液柱を囲繞して液柱を整流化する気体をパイプ内に流入させる気体流入路と、気体流入路を流動する気体の異常を液柱の異常として検出する液柱異常検出手段と、を備えたレーザー加工装置が提供される。

請求項２に記載の発明によると、液柱異常検出手段で液柱の乱れを検出したときにレーザービーム照射手段からのレーザービームの出射を停止する制御手段を更に備えることを特徴とするレーザー加工装置が提供される。請求項３に記載の発明によると、気体流入路に気体を流入させる気体流入口を更に備え、液柱異常検出手段は、気体流入口に流入する気体の流量を検出する流量センサ、気体流入口を流れる気体の音波を検出する音響センサ、気体流入口を流れる気体の圧力を検出する圧力センサ、のいずれかを有し、液柱が正常な状態の値を基準値として、基準値と実測値とを比較することで液柱の異常を検出することを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

本発明によると、気体流入路を流動する気体の異常を液柱異常検出手段にて検出することが可能となり、この検出結果を利用することで、液柱の乱れによって加工ヘッドが破損してしまうおそれを防止することができる。

具体的には、液柱の乱れが検出された際にレーザービームの出射を停止させることで、液柱が乱れたままでレーザービームが出射されてしまうことによる噴射ノズルやパイプの部位が損傷してしまうといった不具合の発生を防止できる。

本発明実施形態に係る加工ヘッド部分の縦断面図である。 レーザービーム発生ユニットのブロック図である。 図１で紙面に垂直方向に断面した加工ヘッド部分の一部縦断面図である。 加工ヘッドの気体導入部分の拡大縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、本発明実施形態に係るレーザー加工装置の加工ヘッド部分の縦断面図が示されている。図３は図１を紙面に垂直方向に断面したレーザー加工ヘッドの一部縦断面図である。

レーザー加工装置のレーザービーム照射ユニット１０は、レーザービーム発生ユニット１２と、レーザービーム発生ユニット１２を制御する制御手段としての制御ユニット１５と、レーザービーム発生ユニット１２から発生されるレーザービームを半導体ウエーハ等の被加工物１１に照射するための加工ヘッド１４と、を有して構成される。

図２に示すように、レーザービーム発生ユニット１２は、ＹＡＧレーザー又はＹＶＯ４レーザーを発振するレーザー発振器１６と、繰り返し周波数設定手段１８と、パルス幅調整手段２０と、パワー調整手段２２と有して構成される。このレーザービーム発生ユニット１２は、制御ユニット１５によって制御される構成としており、例えば、パワー調整手段２２が制御ユニット１５によって制御されることによって、レーザーの出力の大小の調整や、レーザーの出力停止がなされるようになっている。なお、制御ユニット１５は、レーザービーム発生ユニット１２に一体化して設けられる構成とすることや、他の部位に設けられる制御装置に組み込まれる構成とすることとしてもよく、特に設置される場所については限定されるものではない。

レーザービーム発生ユニット１２のパワー調整手段２２により所定パワーに調整されたパルスレーザービームは、図１に示すように、加工ヘッド１４のハウジング２４に形成されたビーム導入口２７から加工ヘッド１４内に導入される。

ハウジング２４内には、レーザービームを反射するミラー２６と、レーザービームを集光する集光レンズ２８が配設されている。ハウジング２４と一体的に液体噴射ユニット３０の液体室３４を画成する液体室ハウジング３６が形成されている。液体室ハウジング３６は、円筒状側壁３８と、該側壁３８の上面及び下面をそれぞれ閉塞する上壁４０及び下壁４２とから構成されている。

液体室ハウジング３６を構成する上壁４０には透明窓４６が配設されている。液体室ハウジング３６を構成する下壁４２の中心部には、噴射ノズル４８が形成されている。

側壁３８には液体室３４に開口する液体導入口４４が形成されており、液体導入口４４は高圧液供給源３２に接続されている。高圧液供給源３２から高圧液体が液体室３４内に供給されると、この高圧液体は噴射ノズル４８の噴射口４８ａから噴射されて液柱５０を形成する。

液体室ハウジング３６の下端部には、気体導入ハウジング５２が取り付けられている。気体導入ハウジング５２は、液体室ハウジング３６の下壁４２に装着された円筒壁５４と、円筒壁５４の下端部に一体的に形成された環状底壁５６を有して構成される。

環状底壁５６の中心部に貫通穴６０が形成されており、この貫通穴６０中にパイプ６２が圧入されている。円筒壁５４と環状底壁５６に囲まれる空間により気体流入路６４が画成されており、エアは円筒壁５４に形成された気体流入口６６，６７から気体流入路６４に流入する。なお、気体流入口６６，６７は、大気に開放されていてもよいし、図示せぬ高圧気体供給源に接続されて気体流入口６６，６７を通じて加圧気体が気体流入路６４に流入されるものであってもよい。

気体導入ハウジング５２の環状底壁５６の下面に形成された内壁５８により環状の吸引口６８が画成されており、この吸引口６８が環状の吸引路７０に連通され、図３に示されるように、環状の吸引路７０は円筒壁５４に形成された排出口７１を介して吸引源７２に接続されている。

図４の拡大断面図に示されるように、パイプ６２の入口側の内周壁は入口側に広がるテーパ形状６２ａに形成されており、出口側の内周壁も出口側に広がるテーパ形状６２ｂに形成されている。

符号１３はレーザー加工装置の保持テーブル（チャックテーブル）であり、保持テーブル１３に半導体ウエーハ等の被加工物１１が吸引保持されている。１１ａは液柱５０に案内されたレーザービーム２５が被加工物１１に照射される加工点である。

以上のように構成されたレーザー加工装置において、レーザービーム発生ユニット１２のパワー調整手段２２で所定パワーに調整されたレーザービーム２５は、加工ヘッド１４のビーム導入口２７（図１）から加工ヘッド１４内に導入され、ミラー２６で反射されて集光レンズ２８で加工点１１ａに集光される。

一方、高圧液供給源３２から供給された純水等の高圧液体が、液体噴射ユニット３０の液体室ハウジング３６に形成された液体導入口４４から液体室３４内に導入され、液体室ハウジング３６の下壁４２に形成された噴射ノズル４８から噴射されて液柱５０を形成する。

この液柱５０は、気体導入ハウジング５２の内壁５８の貫通穴６０に圧入されたパイプ６２内を通過して被加工物１１の加工点１１ａに衝突して飛散する。集光レンズ２８で集光されたレーザービーム２５はパイプ６２内を通過する液柱５０に導光（案内）されて、加工点１１ａに照射されて被加工物１１にレーザー加工溝を形成する。

噴射ノズル４８から高圧液が噴射されて形成された液柱５０は、パイプ６２内を高速で通過するため、吸引力が発生する。従って、気体流入口６６，６７を介して気体流入路６４内に取り込まれた気体（エア）は、図４で矢印Ａに示すようにパイプ６２内に吸引され、パイプ６２内に吸引された気体が液柱５０を囲繞して液柱を整流する。

噴射ノズル４８から噴射されて形成された液柱５０は気体によって整流され、液柱５０に拡がりが生じることがないため、液柱５０内を導光されて被加工物１１に照射されるレーザービーム２５のビーム径は広がることなく、被加工物１１に形成されるレーザー加工溝の幅を５０μｍ以下という狭い幅に抑えることができる。

パイプ６２の内径は１ｍｍ以下が好ましく、より好ましくはφ０．５ｍｍ程度である。パイプ６２の長さは５ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは２０ｍｍ程度である。また、パイプ６２の出口から被加工物１１の上面までの距離は０．４〜５ｍｍ程度が好ましい。液柱５０の直径は０．１５ｍｍ以下が好ましく、液柱５０の流速とパイプ６２内に流入する気体の流速はほぼ同一である。

レーザー加工により発生した加工屑（デブリ）の一部は、被加工物１１の加工点１１ａに衝突して飛散した液柱５０を形成した液体中に取り込まれ、吸引源７２を作動することにより、加工屑を含んだ液体及び気体は吸引口６８を介して被加工物１１の上面から吸引され、吸引路７０及び排出口７１を通って吸引源７２に吸引される。

上述した実施形態では、パイプ６２の入口側のパイプ内周壁を入口側に広がるテーパ形状６２ａとし、パイプ６２の厚みを入口側で薄くしているため、パイプ６２の入口側に水滴が付着して流入する気体の気流を乱すことを防止できる。

また、パイプ６２の出口側のパイプ内周壁を出口側に広がるテーパ形状６２ｂとしているため、パイプ６２の出口端で直径が急激に変化することで発生する気流の乱れを防止できる。更に、パイプ６２の厚みを出口端で薄くしているため、パイプ６２の出口側に水滴が付着して、付着した水滴が滴下することで液柱５０を乱すことを防止できる。

被加工物１１としてシリコンウエーハを用いた場合の加工条件は、例えば以下の通りとすることができる。
光源 ：ＬＤ励起Ｑスイッチ Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー
波長 ：５３２ｎｍ
平均出力 ：１００Ｗ
繰り返し周波数 ：４０ｋＨｚ
ノズル直径 ：φ５０μｍ
液圧 ：３０ＭＰａ（液柱形成用の水圧）
加工送り速度 ：１００ｍｍ／ｓ

また、上記した加工条件において、ノズル出口とパイプ上端の距離を４ｍｍ、パイプ長さを２０ｍｍとした場合に、シリコンウエーハに深さ４０μｍ、幅４７μｍのレーザー加工溝を形成することができることが確認されている。

以上のように、本実施形態のレーザー加工装置は、被加工物１１を保持する保持テーブル（保持手段）１３と、レーザー発振器１６と加工ヘッド１４とから少なくともなり、保持テーブル１３で保持された被加工物１１にレーザービームを照射するレーザービーム照射ユニット（レーザービーム照射手段）１０と、を備え、加工ヘッド１４は、レーザー発振器１６から発振されたレーザービームを集光する集光レンズ２８と、被加工物１１に液体を噴射して集光レンズ２８で集光されたレーザービームが導光される液柱５０を形成する液体噴射ユニット（液体噴射手段）３０と、液体噴射ユニット３０で形成された液柱５０が通過するパイプ６２と、液柱５０を囲繞して液柱５０を整流化する気体をパイプ６２内に流入させる気体流入路６４と、を有する構成としている。

次に、本発明において特徴的な構成である、液柱の乱れによる加工ヘッドの破損を防止するための構成について説明する。本実施形態では、図１に示すように、気体流入路６４を流動する気体の異常を液柱５０の異常として検出する液柱異常検出手段を備える構成とし、この液柱異常検出手段を各種センサにて実現することとしている。

まず、気体導入ハウジング５２の二箇所に設置される気体流入口６６，６７に、それぞれ、気体の流量を検出するための流量センサ８１，８２が備えられる構成としている。この流量センサ８１，８２によって気体流入口６６，６７に流入する気体（エア）の流量が検出できるようになっている。

また、気体導入ハウジング５２の円筒壁５４の内周壁部５４ａには、気体流入路６４内の音を検出するための音響センサ８３が備えられる構成としている。この音響センサ８３によって気体流入路６４を流れる気体（エア）の音波（ｄＢ（音量）、周波数、など）が検出できるようになっている。

また、気体導入ハウジング５２の円筒壁５４の内周壁部５４ａには、気体流入路６４内の圧力を検出するための圧力センサ８４が備えられる構成としている。この圧力センサ８４によって気体流入路６４を流れる気体（エア）の圧力が検出できるようになっている。

各センサ８１〜８４は、図２に示すように、レーザービーム発生ユニット１２を制御する制御ユニット１５に接続されている。制御ユニット１５では、各種センサで検出されるデータの記憶やプログラムを記憶するためのメモリや、プログラムを処理する演算装置や、入出力インターフェースなどを備えて構成される。

そして、制御ユニット１５は、液柱５０の乱れによる加工ヘッドの破損を防止するために、各センサ８１〜８４で液柱５０の乱れを検出したときにレーザービーム照射ユニット（レーザービーム照射手段）１０からのレーザービームの出射を停止することとしている。

液柱５０の乱れの具体的な検出方法としては、例えば、流量センサ８１にて検出される気体流入口６６における実測値（気体の流量）の変動に基づいて検出する。つまり、予め規定された基準値を基準として、所定の値、或は、割合だけ流量が増加、或は、減少するといった変化が検出された場合に、液柱５０の乱れとして特定するものである。

例えば、気体流入口６６における流量が、基準値から５０ｓｃｃｍ低下した場合に、液柱５０に乱れが発生したとして、レーザービームの出射を停止するといったことが考えられる。

なお、「予め規定された基準値」とは、例えば、液柱５０が乱れていない正常状態における気体の流量であり、この基準値をメモリ（制御ユニット１５）に記憶しておくことで、適宜流量センサ８１で測定される実測値との比較に用いることができる。

また、他のセンサ８２〜８４について検出される実測値についても流量センサ８１と同様に液柱５０の乱れの検出に用いることができる。即ち、流量センサ８２の実測値については、流量センサ８１の実測値と同様に基準値（気体の流量）との比較に用いることができる。また、音響センサ８３の実測値については、液柱５０が乱れていない正常状態における気体流入路６４を流れる気体（エア）の音波（ｄＢ（音量）、周波数、など）との比較に用いることができる。また、圧力センサ８４の実測値については、液柱５０が乱れていない正常状態における気体流入路６４を流れる気体（エア）の圧力との比較に用いることができる。

以上のようにして、制御ユニット１５は液柱５０の乱れを検出することができ、この液柱５０の乱れを検出した際にレーザービームの出射を停止することで、液柱５０の乱れによって加工ヘッドが破損してしまうおそれを防止することができる。具体的には、液柱が乱れたままでレーザービームが出射されてしまうことによる噴射ノズル４８やパイプ６２の部位が損傷してしまうといった不具合の発生を防止できる。

なお、以上の実施形態では、気体流入口６６（第１気体流入口）から気体流入路６４に流入する気体流量を検出する流量センサ８１（第１流量センサ）と、気体流入口６６（第２気体流入口）から気体流入路６４に流入する気体流量を検出する流量センサ８２（第２流量センサ）と、気体流入路６４を流れる液柱の乱れによって生じる音波を検出する音響センサ８３と、気体流入路６４を流動する気体の圧力を検出する圧力センサ８４の合計４個のセンサを設ける構成としているが、いずれか１つのセンサを設ける構成としてもよい。また、例えば、４個のセンサのうちの少なくとも２個のセンサにおいて液柱５０の乱れが検出された際にレーザービームの出射を停止するなど、複数の実測値を組み合わせて異常検出をすることとしてもよい。

１０ レーザービーム照射ユニット
１１ 被加工物
１２ レーザービーム発生ユニット
１４ 加工ヘッド
１５ 制御ユニット
２５ レーザービーム
３０ 液体噴射ユニット
４８ 噴射ノズル
５０ 液柱
６２ パイプ
６４ 気体流入路
６６ 気体流入口
６７ 気体流入口
８１ 流量センサ
８２ 流量センサ
８３ 音響センサ
８４ 圧力センサ

Claims (3)

1. レーザー加工装置であって、
   被加工物を保持する保持手段と、
   レーザー発振器と加工ヘッドとから少なくともなり、該保持手段で保持された被加工物にレーザービームを照射するレーザービーム照射手段と、を備え、
   該加工ヘッドは、該レーザー発振器から発振されたレーザービームを集光する集光レンズと、
   被加工物に液体を噴射して該集光レンズで集光された該レーザービームが導光される液柱を形成する液体噴射手段と、
   該液体噴射手段で形成された該液柱が通過するパイプと、
   該液柱を囲繞して該液柱を整流化する気体を該パイプ内に流入させる気体流入路と、
   該気体流入路を流動する気体の異常を該液柱の異常として検出する液柱異常検出手段と、
   を備えたレーザー加工装置。
2. 前記液柱異常検出手段で前記液柱の乱れを検出したときに前記レーザービーム照射手段からのレーザービームの出射を停止する制御手段を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
3. 前記気体流入路に気体を流入させる気体流入口を更に備え、
   前記液柱異常検出手段は、該気体流入口に流入する気体の流量を検出する流量センサ、該気体流入口を流れる気体の音波を検出する音響センサ、該気体流入口を流れる気体の圧力を検出する圧力センサ、のいずれかを有し、
   前記液柱が正常な状態の値を基準値として、該基準値と実測値とを比較することで該液柱の異常を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザー加工装置。

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