JP7224992B2 - 集塵装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に適用される集塵装置に関するもので、特に、ライン状のレーザを走査して加工するレーザ加工装置及びレーザ加工装置に用いられる集塵装置に関する。

樹脂、シリコン等の非金属材料である被加工物（ワークピース、例えばプリント基板の樹脂層）を、マスクを透過したライン状のレーザ光が走査することによって、被加工物をマスクのパターンの形状（例えばビア）にアブレーション加工（ablation：融解、蒸発による除去加工）することが知られている（例えば特許文献１参照）。なお、ライン状のレーザ光とは、光軸に直交する平面における光束の断面形状がライン状であるレーザ光を意味する。

かかるレーザ加工装置では、レーザ加工により、蒸発、飛散した被加工物がデブリやパーティクル、昇華物等（以下、飛散物と称する）となって周囲に飛散する。飛散物が光学部品に付着すると加工性能の低下の原因となるため、それらを除去する集塵装置が設けられている。特許文献１では、デブリを除去するための気体１５を帯状に供給すると共に、加工が終了した側に配置した帯状のバキューム手段１６により集塵するようにしている。かかる集塵装置によって加工精度を向上させることができると共にデブリ１４が投影レンズ１２に付着することを予防できるとされている。

また、特許文献２及び特許文献３に記載されているように、集塵室を設けて効率を高めた装置が存在する。特許文献２は、レーザ光線を通過させると共に、レーザ加工によって生成される粉塵を吸引して取り除く集塵器を設けるようにしている。特許文献３は、エキシマレーザにてＦＰＤ(Flat Panel Display)の透明電極にパターンを加工するレーザ加工装置である。特許文献３は、渦気流Ｂを発生させる渦発生機構を有するデブリ回収手段２２を用い、このデブリ回収手段２２を基板に近接させ、レーザ照射により発生した基板上に堆積する前及び堆積した後の加工飛散物を、上記渦気流に巻き込んでレーザ照射部近傍の気体とともに回収して外部に排気する構成としたものである。

特開２００８－１４７２４２号公報 特開２０１１－１２１０９９号公報 特開２００７－００７７２４号公報

特許文献１の構成は、集塵室を有しないので効果的に集塵を行なうことができず、気体１５によって巻き上げられた飛散物が光学系に付着してしまう問題があった。特許文献２は、ビームの集光する１点で加工が行なわれる装置であり、ライン状レーザ光をスキャンするための広いレーザ照射範囲（例えば１００×１００ｍｍ）を確保しようとすると、集塵室の中央部の乱気流を抑えることができず、光学部品の中央に飛散物の付着が起きてしまう。なお、レーザ照射範囲とは、レーザ光が集塵室を通過して被加工物に照射され、集塵室内で走査されるときの、加工平面（被加工物表面）の範囲である。さらに、特許文献３は渦流形成用の放射状溝があるため、ライン状レーザ光をスキャンするためのレーザ照射範囲を確保することができない構成である。

したがって、本発明の目的は、ライン状レーザ光によって被加工物を走査するレーザ加工装置及びレーザ加工装置で使用可能な集塵装置を提供することにある。

本発明は、ライン状レーザ光を投影光学系によって被加工物表面に投影し、走査機構によって走査させるレーザ加工装置の集塵装置において、
投影光学系の投影光学部品の下部に取り付けられ、被加工物表面と近接して対向し、ライン状レーザ光の走査範囲以上の大きさの開口を有し、集塵室を形成する集塵ボックスと、
集塵ボックスと投影光学部品の境界の近傍の集塵ボックス及び投影光学部品の少なくとも一方に形成された複数の外気導入路と、
集塵ボックスの外気導入路の位置及び開口の間の位置に形成され、負圧源に接続され、集塵室内の気体を排出する排気口と、
を備えた集塵装置である。
また、本発明は、レーザ光源から発振された光をライン状に整形し、装置内に配置されたマスクへ導く照明光学系と、
照明光学系を内包する照明光学装置を移動させ、ライン状の光をマスクに対して走査させる走査機構と、
マスクを透過した光を被加工物に投影する投影光学系と、
投影光学系の投影光学部品の下部に取り付けられ、被加工物表面と近接して対向し、ライン状レーザ光の走査範囲以上の大きさの開口を有し、集塵室を形成する集塵ボックスとを備え、
集塵ボックスは、
集塵ボックスと投影光学系の投影光学部品の境界の近傍の集塵ボックス及び投影光学部品の少なくとも一方に形成された複数の外気導入路と、
集塵ボックスの外気導入路の位置及び開口の間の位置に形成され、負圧源に接続され、集塵室内の気体を排出する排気口と、
を備えるレーザ加工装置である。

少なくとも一つの実施形態によれば、ライン状レーザ光を走査してレーザ加工を行う加工装置であっても、被加工物の表面付近の雰囲気が光学部品に接しないように排気口までガイドすることができ、それによって、光学部品に付着しないようにして飛散物を排出することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書に記載されたいずれかの効果又はそれらと異質な効果であっても良い。

図１は、本発明を適用できるレーザ加工装置の概略的構成を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態の正面図である。 図３は、図２のＡ－Ａ線断面を上から見た断面図である。 図４は、本発明の一実施形態における気流の流れを示す断面図である。 図５は、本発明の変形例の説明に使用する断面図である。

以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。

図１は本発明が適用可能な加工装置例えばレーザ加工装置の一例の概略構成図である。レーザ加工装置は、レーザ光源１１を有する。レーザ光源１１は、例えば波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光をパルス照射するエキシマレーザ光源である。レーザ光がライン状レーザ走査機構１２に供給される。

ライン状レーザ走査機構１２は、レーザ光束を長方形状（ライン状、例えば１００×０．１（mm））に整形し、マスク１３をライン状レーザ光ＬＢが例えば１００mm走査するための光学系及び走査機構である。

マスク１３には、被加工物（以下、基板Ｗと適宜称する）に対してアブレーションによって形成する加工パターンに対応したマスクパターンが形成されている。すなわち、ＫｒＦエキシマレーザを透過する基材（例えば石英ガラス）に、ＫｒＦエキシマレーザを遮断する遮光膜（例えばＣｒ膜）によるパターンが描画されている。加工パターンとしては、貫通ビア、非貫通ビア、配線パターン用の溝（トレンチ）などである。アブレーション加工によって加工パターンが形成された後に、銅などの導体が充填される。

マスク１３を通過したライン状レーザ光ＬＢが投影レンズ１４に入射される。投影レンズ１４から出射されたライン状レーザ光が基板Ｗの表面に照射される。投影レンズ１４は、マスク面と基板Ｗの表面とに焦点面を有する。基板Ｗは、例えばエホキシ樹脂などの基板に銅配線層が形成され、その上に絶縁層が形成された樹脂基板である。

基板Ｗは、複数のパターン領域ＷＡが例えば（３×３）の配置でもって設けられており、加工ステージ１５上に固定されている。加工ステージ１５がＸ－Ｙ方向に移動し、また、回転することによって被加工領域ＷＡをマスク１３に対してそれぞれ位置決めすることが可能とされている。また、基板Ｗの全体にわたって被加工領域を加工可能とするために、加工ステージ１５が走査方向例えばＸ方向に基板Ｗをステップ移動させるようになされている。

アブレーション加工時に、蒸発、飛散した基板Ｗの一部が飛散物となって周囲に飛散する。飛散物が光学部品に付着すると加工性能の低下の原因となるため、それらを除去する集塵装置１６が投影レンズ１４と基板Ｗの間に設けられている。集塵装置１６に対して排気ポンプなどの負圧源１７が接続されている。

集塵装置１６の一例について図２、図３及び図４を参照して説明する。図３は、図２のＡ－Ａ線断面を上から見た断面図であり、図４は、集塵室の内部の空気の流れを示す図である。

集塵装置１６は、投影レンズ１４の鏡筒ベース部２０と、箱状部２１と、箱状部２１の下方に位置し、外周面２２ａ及び内周面２２ｂを有する円筒部２２と、円筒部２２の底面に設けられた底板２３によって構成される集塵ボックス内に集塵室を形成するものである。底板２３が数mm程度の所定の空隙でもって基板表面Ｓと対向している。集塵室は、箱状部２１及び円筒部２２の内部空間によって構成される。円筒部２２の代わりに箱状の集塵ボックスを使用しても良いが、この場合は、集塵ボックスのコーナー部の集塵力が円筒状の集塵ボックスに比して弱くなる。

箱状部２１は、投影レンズ１４の構造物（レンズ鏡筒やその付帯部品、フレーム等）に固定されている。この例では、構造物を鏡筒ベース部２０と称する。また、集塵室は、複数の外気導入路と、１つの排気口を備えている。鏡筒ベース部２０の箱状部２１と接する面に円形の開口が形成され、この開口に投影光学部品としての光学部品２４（例えば円形の透明な板ガラス）が取り付けられている。光学部品２４は、図２において斜線で示されており、図３においては２点鎖線で示されている。光学部品２４の光透過領域内にライン状レーザ光２５及びその走査範囲２６（２点鎖線で示されている）が含まれている。光学部品２４によって、集塵室と投影レンズとが仕切られている。なお、光学部品２４を設けず、直接投影レンズが集塵室に露出するようにしても良い。

箱状部２１の下面２７に対して円筒部２２の上端面が固定されている。また、箱状部２１の下面２７に円形の開口２８が形成されている。開口２８は、走査範囲２６より大きく、円筒部２２の上端面の開口より小とされている。

図３に示すように、箱状部２１は、下面２７の周囲に沿って立設された４個の側壁３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを有する。各側壁が接するコーナー部に突起３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが設けられ、各面のほぼ中央位置に突起３２ｅ，３２ｆ，３２ｇ，３２ｈが設けられている。

箱状部２１の突起３２ａ～３２ｈの上面が鏡筒ベース部２０の下面と接する。鏡筒ベース部２０の下面と突起３２が接しない位置に箱状部２１の内部空間とスリット状の吸気口を連通させて外気を導入するための外気導入路３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆ，３３ｇ，３３ｈが形成される。

箱状部２１の側壁３１ａの内側に沿って角が斜めに切り落とされてテーパー面（又はＲ形状）を有する隆起部３４が形成されている。また、側壁３１ａと対向する側壁３１ｂの内側に沿って断面矩形の隆起部３５が形成されている。隆起部３５が隆起部３４と同様にテーパー面を持つようにしてもよい。図４に示すように、これらの隆起部３４及び３５によって狭路部３６が形成される。また、隆起部３４によって、狭路部３６の出口で気流を整える整流部３７が形成される。狭路部３６は、外気導入口から取り入れた外気の流速を上げるための狭い通路部分である。狭路部３６によって気流を集塵室内部の奥まで届かせることができる。整流部３７は、狭路部３６から断面積を連続的に拡大する部分である。整流部３７のテーパー面の角度によって気流の流れの方向を制御することができる。

さらに、円筒部２２の周面の一部に矩形又は円形の開口を有する排気口３８が形成されている。排気口３８は、ダクトを介して負圧源（排気ポンプ等）につながっている。排気口３８からの排気圧によって、外気導入路３３ａ～３３ｈから外気が吸い込まれる。狭路部３６及び整流部３７によって、光学部品２４の表面に沿った気流と、基板表面Ｓを通過する気流を排気口３８に向かってガイドする気流とが生成される。

図４は、集塵装置１６の集塵室内部の気流の流れを模式的に示す断面図である。基板表面Ｓを流れる気流は、上部の外気導入路３３ａ～３３ｈからの気流にガイドされて排気口３８に吸引されるようになっており、光学部品２４まで気流が上昇しない。また、自然吸気のために、集塵室内の乱流が抑えられる。さらに、集塵室内の排気口３８から遠い部分で小さい渦流が発生するように、整流部３７の角度、大きさが設定されている。この小さい渦流により、基板表面の排気口から遠い場所での集塵力低下を防ぎ、広い範囲で集塵可能にする。

上述した本発明の一実施形態は、基板表面Ｓの近傍から排気口３８に向かう気流によって飛散物等を外部に排出でき、また、投影光学部品の下側に沿って流れる気流を形成することができるので、飛散物等が投影光学部品に付着して性能が低下することを防止することができる。

図５は、本発明の一実施形態の変形例を示し、円筒部２２の周面に１８０°対向の２カ所の位置に矩形の開口４１ａ及び４１ｂを形成するようにしたものである。本実施形態のレーザ加工装置は、投影光学系の焦点と基板の表面Ｓとの相対位置を検出するためのフォーカス検出部を備える。フォーカス検出部は、フォーカス検出ビーム照射光学系（フォーカス検出ビーム照射部）５１と、フォーカス検出ビーム受光光学系（フォーカス検出ビーム受光部）５２とが、円筒部２２の外部に、円筒部２２を間において対向して配置される構成をとっている。

円筒部２２の開口４１ａ及び４１ｂ（第１、第２の副外気導入路）の一方からフォーカス検出ビーム照射光学系５１から照射されたフォーカス検出用のレーザビーム５３が集塵室内部に入射され、基板の表面Ｓで反射したレーザビーム５３が他方の開口から出射し、フォーカス検出ビーム受光光学系５２に入射する。フォーカス検出部は、受光したレーザビーム５３の強度分布等を検出することにより、基板の表面Ｓ上に加工用のライン状レーザ光２５が正しくフォーカスしているかどうかを、既知の手法に基づいて検出する。この実施形態における集塵装置２０では、開口４１ａ及び４１ｂからも外気が集塵室内部に導入されて排気口３８によって外部へ排出される。かかる変形例も上述一実施形態と同様に、飛散物等が投影光学部品に付着して性能が低下することを防止することができる。

以上、本技術の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば外気導入路を鏡筒ベース部に形成するようにしてもよい。また、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。

Ｗ・・・被加工物（基板）、Ｓ・・・基板の表面、１１・・・レーザ光源、
１２・・・レーザ走査機構、１３・・・マスク、１４・・・投影レンズ、
１５・・・加工ステージ、１６・・・集塵装置、２０・・・鏡筒ベース部，
２１・・・箱状部、２２・・・円筒部、２３・・・底板、２４・・・光学部品、
２６・・・レーザ光の走査範囲、３１ａ～３１ｄ・・・側壁、
３３ａ～３３ｈ・・・外気導入路、３４，３５・・・隆起部、３６・・・狭路部、
３７・・・整流部、３８・・・排気口

Claims (9)

1. ライン状レーザ光を投影光学系によって被加工物表面に投影し、走査機構によって走査させるレーザ加工装置の集塵装置において、
   前記投影光学系の投影光学部品の下部に取り付けられ、前記被加工物表面と近接して対向し、前記ライン状レーザ光の走査範囲以上の大きさの開口を有し、集塵室を形成する集塵ボックスと、
   前記集塵ボックスと前記投影光学部品の境界の近傍の前記集塵ボックス及び前記投影光学部品の少なくとも一方に形成された複数の外気導入路と、
   前記集塵ボックスの前記外気導入路の位置及び前記開口の間の位置に形成され、負圧源に接続され、前記集塵室内の気体を排出する排気口と、
   を備えた集塵装置。
2. 前記複数の外気導入路が前記集塵ボックスと前記投影光学部品の境界の近傍で前記集塵ボックスにより形成される集塵室の開口を囲むように設けられている請求項１に記載の集塵装置。
3. 前記複数の外気導入路の少なくとも一つが気流の速度を増加させるための狭路部を有する請求項１又は２に記載の集塵装置。
4. 前記複数の外気導入路の少なくとも一つが導入された気流の方向を制御する整流部を有する請求項１から３のいずれかに記載の集塵装置。
5. 前記複数の外気導入路が、前記投影光学部品の前記集塵室内に露出する表面に沿って外気を導入することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の集塵装置。
6. 前記集塵ボックスが箱状部と、前記箱状部の下部に取り付けられた円筒部からなる請求項１から５のいずれかに記載の集塵装置。
7. 前記円筒部の円筒面の対向する２箇所に外気を導入可能な開口を備えることを特徴とする請求項６に記載の集塵装置。
8. レーザ光源から発振された光をライン状に整形し、装置内に配置されたマスクへ導く照明光学系と、
   前記照明光学系を内包する照明光学装置を移動させ、ライン状の光を前記マスクに対して走査させる走査機構と、
   前記マスクを透過した光を被加工物に投影する投影光学系と、
   前記投影光学系の投影光学部品の下部に取り付けられ、前記被加工物表面と近接して対向し、前記ライン状レーザ光の走査範囲以上の大きさの開口を有し、集塵室を形成する集塵ボックスとを備え、
   前記集塵ボックスは、
   前記集塵ボックスと前記投影光学系の投影光学部品の境界の近傍の前記集塵ボックス及び前記投影光学部品の少なくとも一方に形成された複数の外気導入路と、
   前記集塵ボックスの前記外気導入路の位置及び前記開口の間の位置に形成され、負圧源に接続され、前記集塵室内の気体を排出する排気口と、
   を備えるレーザ加工装置。
9. 前記投影光学系の焦点と前記被加工物表面の表面との相対位置を検出するためのフォーカス検出部を備え、
   前記集塵ボックスの前記排気口と前記開口の間に第１の外気導入路及び第２の外気導入路が形成され、
   前記フォーカス検出部から出射したフォーカス検出ビームが前記第１の外気導入路を通過し、
   前記被加工物の表面で反射したフォーカス検出ビームが前記第２の外気導入路を通過するようになされた請求項８に記載のレーザ加工装置。

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