JPH06297176A

JPH06297176A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH06297176A
Application number: JP5116525A
Authority: JP
Inventors: Jiro Takeda; 次郎竹田; Kazuto Nakamura; 和人中村; Hirokazu Tanaka; 宏和田中
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-04-19
Filing date: 1993-04-19
Publication date: 1994-10-25

Abstract

(57)【要約】【目的】投影倍率の調整が簡単にでき、しかも、常に
一定の状態で加工状況を監視することができるマスク投
影式のレーザ加工装置を提供する。【構成】レーザ発振器２から発振されたレーザビーム
αの光軸Ｌ₂上に、光軸Ｌ₂に沿って移動可能なマスク移
動装置４を配置し、レーザビームαを整形するためのマ
スク３を設ける。また、光軸Ｌ₂上に、焦点距離を連続
的に変化ならしめる可変焦点距離光学装置５を配置す
る。一方、対象物上の加工状況を観察する監視装置８の
光軸Ｌ₁上には、反射ミラー６を配置し可変焦点距離光
学装置５を通過したレーザビームβの進行方向を直角に
変更すると共に、対物レンズ７を固定して配置し、さら
にレーザビームβを集光して対象物９上にマスク３の像
を結像させる。レーザ加工装置１は、マスク３の位置と
可変焦点距離光学装置５の焦点距離を調整することで、
マスク３の像の投影倍率を変更することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工装置に関す
る。具体的には、マスク投影式のレーザ加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来例であるマスク投影式のレ
ーザ加工装置５１におけるレーザ加工の説明図である。
５２はエキシマレーザ等のレーザ発振器、５３はマスク
であって、レーザ発振器５２から出射されたレーザビー
ムαは、マスク５３により所望の形状をしたレーザビー
ムβに整形される。整形されたレーザビームβは、必要
により反射ミラー５４によって直角に方向を曲げられた
後、対物レンズ５５によって集光され、マスク５３の像
が任意倍率に縮小拡大され対象物５６に投影され、対象
物５６はレーザエネルギーによって加工される。

【０００３】ここで、対物レンズ５５の焦点距離をｆ、
マスク５３から対物レンズ５５までの距離をｕ、対物レ
ンズ５５から対象物５６までの距離をｖとすると、マス
ク５３の像が対象物５６上に結像されるための条件とし
て、これらｕ、ｖ、ｆは、よく知られたレンズ公式よ
り、（１／ｕ）＋（１／ｖ）＝１／ｆの関係を満たす必要がある。また、対象物５６上に結像
されるマスク５３の像の縮小率（１／倍率）をＭとする
と、上記ｕ、ｖ、ｆは、Ｍ＝ｕ／ｖ＝（ｕ／ｆ）−１で表わされる。従って、縮小率Ｍが決まると、対物レン
ズ５５の焦点距離ｆからマスク５３及び対物レンズ５５
の位置ｕ、ｖが決まるので、任意の縮小率Ｍでマスク５
５の像を対象物５６にレーザ加工することができる。

【０００４】また、反射ミラー５４はハーフミラーにな
っており、可視光線は透過できるが、レーザビームβは
透過できない。しかして、対象物５６上の像は拡散光γ
として、対物レンズ５５により再び集光させられ、反射
ミラー５４を透過し監視装置５９に入射される。監視装
置５９は固定されており、入射された拡散光γは監視装
置調整装置６０により焦点を合わされ、対象物５６の加
工状態を監視装置５９により観察することができるよう
になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このレ
ーザ加工装置５１において、投影倍率を変化させる場合
には、マスク５３を移動するためのマスク移動装置５７
と対物レンズ５５を移動するためのレンズ移動装置５８
及び監視装置調整装置６０の３箇所を加工毎に調整する
必要があった。ここにおいて、マスク５３の位置と対物
レンズ５５の位置は、所望する投影倍率と対物レンズ５
５の焦点距離により一義的に定まる。従って、投影倍率
を変化させる場合にあっては、所望の投影倍率が得られ
るようにマスク５３の位置と対物レンズ５５の位置をマ
スク移動装置５７及びレンズ移動装置５８によりそれぞ
れ移動させ、マスク５３から対物レンズ５５までの光学
的距離及び対物レンズ５５から対象物５６までの光学的
距離を変化させる必要があった。また、それと同時に対
象物５６から対物レンズ５５までの光学的距離に合わせ
て、監視装置調整装置６０によって監視装置５９の焦点
を調整する必要もあった。このようにレーザ加工装置５
１においては３点の調整箇所があり、その調整は非常に
繁雑なものとなっていた。

【０００６】また、投影倍率を変化させると、対物レン
ズ５５の位置を移動させる必要があるため、対象物５６
から対物レンズ５５までの光学的距離及び対物レンズ５
５から監視装置５９までの光学的距離が変化する。この
ため、監視装置５９で観察される対象物５６上の像の倍
率や像の明るさが変化し、常に一定の条件で観察するこ
とはできなかった。

【０００７】さらに、マスク移動装置５７や対物レンズ
移動装置５８及び監視装置調整装置６０はそれぞれ独立
して離れた位置にあり、しかも、これらの装置は全て一
つの光軸上に位置しないために、これらマスク移動装置
５７や対物レンズ移動装置５８及び監視装置調整装置６
０相互間の位置調整は極めて困難なものとなっていた。

【０００８】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、投影倍率の
調整が簡単に行なえ、しかも、常に一定の状態で加工状
況を観察することができるマスク投影式のレーザ加工装
置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ加工装置
は、マスクにより整形されたレーザビームを照射するこ
とにより対象物を加工するレーザ加工装置において、前
記マスクの像を倍率変換して前記対象物に結像するため
の投影倍率変更手段と、前記対象物の加工状況を観察す
るための監視手段とを備え、前記投影倍率変更手段は、
前記監視手段の光路上に固定して配置した固定焦点距離
光学系と前記監視手段の光路外に配置した可変焦点距離
光学系とから構成したことを特徴としている。

【００１０】

【作用】本発明のレーザ加工装置によれば、マスクの像
を倍率変換して対象物に結像するための投影倍率変更手
段は、監視手段の光路上に固定して配置した固定焦点距
離光学系と監視手段の光路外に配置した可変焦点距離光
学系とから構成することとしている。ここで、投影倍率
変更手段によりマスクの像の投影倍率を変化させる場合
には、監視手段の光路上にある投影倍率変更手段の固定
焦点距離光学系は焦点距離を調整する必要はなく、監視
手段の光路外に配置された可変焦点距離光学系のみを調
整するだけでよい。また、投影倍率を変化させても、固
定焦点距離光学系は固定されているので、対象物と固定
焦点距離光学系との間の光学的距離や固定焦点距離光学
系と監視装置との間の光学的距離は変化せず、投影倍率
の変化に合わせて監視手段のピント合わせ等をする必要
がない。従って、従来のレーザ加工装置のように投影倍
率を変更するごとに監視手段の調整をする必要がなくな
り、投影倍率を変化させるための調整箇所を、マスクの
位置と可変焦点距離光学系の２点へと少なくすることが
でき、投影倍率の変更を簡単に行なうことができる。

【００１１】また、監視手段から観察できる対象物上の
像の倍率は変化しないので、常に一定した状態で対象物
の加工状況を観察することができる。例えば、画像処理
装置などを用いてレーザ加工の自動化を行なう場合に
も、監視手段の画像倍率の調整やピント合わせなどの複
雑な補正も不要となり、容易に対象物の加工状況を自動
機器により把握することができる。

【００１２】さらに、固定焦点距離光学系は固定して配
置することとしているので、監視手段と対象物とを容易
に固定焦点距離光学系の光軸上に配置することができ、
一旦配置すればその後に光軸がずれることもない。ま
た、投影倍率変更手段の可変焦点距離光学系は、監視手
段の光路外に配置することとしているので、可変焦点距
離光学系の光軸調整を正確に行なっておけば、固定焦点
距離光学系の光軸と容易に一致させることもでき、可変
焦点距離光学系や固定焦点距離光学系並びに監視手段相
互間の位置調整を簡単にすることができ、レーザ加工装
置の光学系のメンテナンスを簡単に行なうことができ
る。

【００１３】また、対象物と固定焦点距離光学系との距
離（ワーキングディスタンス）は固定されるので、光学
系以外の補助機器類、例えば加工面洗浄用ブロワーノズ
ル（エアなどを吹き付けて加工面の加工くず等のゴミを
吹き飛ばす装置）などをレーザ加工装置の光学系に対し
て固定することができ、投影倍率を変化させたために加
工面洗浄用ブロワーノズルなどの補助機器類の再調整を
することも不要になる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例であるレーザ加工装
置１の概略構成図、図２はそのブロック図である。２は
レーザ発振器（例えばエキシマレーザ）、３はマスク、
４はマスク移動装置であって、マスク３はマスク移動装
置４に交換自由に保持されている。また、５は可変焦点
距離光学装置であって、連続的に可変焦点距離光学装置
５の焦点距離ｆを変えることができ、マスク３により整
形されたレーザビームを集光してマスク３の像を対象物
９に投影することができる。対象物９は加工室１４内に
設けられた移動ステージ１０上に載置され、Ｘ軸方向及
びＹ軸方向に自由に走査可能となっている。また、対象
物９の加工状況は監視装置８により監視され、監視・制
御装置１５のディスプレイ１６によってその加工状況を
観察することができる。

【００１５】しかして、監視・制御装置１５から所望す
る投影倍率を入力してレーザ加工を開始すると、監視・
制御装置１５は、マスク移動装置４及び可変焦点距離光
学装置５を駆動して所望の投影倍率が得られるようにマ
スク３の位置および可変焦点距離光学装置５の焦点距離
ｆを調整する。また、監視装置８から得られた加工状況
に応じてレーザ発振を止め、あるいは移動ステージ１０
上の対象物９をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させなが
ら、対象物９にレーザ加工することができる。

【００１６】図３はレーザ加工装置１におけるレーザ加
工の説明図である。マスク３はマスク移動装置４により
レーザビームαの光軸Ｌ₂方向に平行移動させることが
でき、所望の位置で固定させることができる。また、可
変焦点距離光学装置５は、例えば、複数枚のレンズによ
り構成されている光学装置であって、構成レンズの位置
を光軸Ｌ₂に沿って移動させることによりその焦点距離
ｆを変えることができるようになっている。

【００１７】しかして、投影倍率Ｍのマスク３の像が得
られるようにマスク移動装置４によりマスク３の位置を
移動させ、それに併せて可変焦点距離光学装置５の焦点
距離ｆを変えて、レーザ発振器２からレーザビームαを
発振すると、レーザ発振器２から出射されたレーザビー
ムαは、マスク３により所望の形状のレーザビームβに
整形される。整形されたレーザビームβは、可変焦点距
離光学装置５により縮小され、反射ミラー６により直角
に方向を変えられる。その後、レーザビームβは監視装
置８の光軸Ｌ₁上に固定された対物レンズ７により対象
物９上に集光させられ、対象物９上の表面でマスク３の
像が投影倍率Ｍで結像され、対象物９がレーザビームβ
のエネルギーによりレーザ加工される。

【００１８】ここで、可変焦点距離光学装置５の焦点距
離ｆとマスク３の位置は、投影倍率Ｍに応じて、対物レ
ンズ７の焦点距離ｆ1と、対物レンズ７と対象物９との
光学的距離及び可変焦点距離光学装置５と対物レンズ７
との光学的距離により一義的に定まる。レーザ加工装置
１においては、対物レンズ７の位置は固定されているの
で、対物レンズ７と対象物９との光学的距離は一定とな
る。従って、所望する投影倍率Ｍとなるように、可変焦
点距離光学装置５の焦点距離ｆを変えると共にマスク３
の位置を移動してやると、対象物９上に投影倍率Ｍでマ
スク３の像を結像させてレーザ加工することができる。

【００１９】また、反射ミラー６は可視光線は透過する
がレーザビームβは透過しないハーフミラーとなってい
るので、拡散光γは対物レンズ７により再び集光され、
反射ミラー６を透過して、監視装置８に入射され対象物
９の加工状態を観察することができる。

【００２０】ここで、対物レンズ７の配置位置は固定さ
れているため、対象物９と対物レンズ７および対物レン
ズ７と監視装置８と間の光学的距離は変化しないので、
マスク３の対象物９上への投影倍率Ｍを変化させた場合
であっても、監視装置８上での対象物９の観察倍率は変
化することがない。また、監視装置８上の像がぼやける
こともないので、対象物９の加工状態を常に一定の状態
で観察することができる。

【００２１】従って、レーザ加工装置１において、投影
倍率Ｍの調整を行なう場合には、レーザビームβの光軸
Ｌ₂上に配置されたマスク移動装置４と可変焦点距離光
学装置５の焦点距離ｆを調整するだけでよい。また、監
視装置８上の像を画像処理装置等を用いて自動観察する
場合にあっても、複雑な補正等をすることが不要にな
り、簡単に投影倍率Ｍの調整をすることができる。

【００２２】また、レーザ加工装置１においては、対物
レンズ７は固定されるので、監視装置８と対象物９を光
軸Ｌ₁上に容易に設置することができる。また、対物レ
ンズ７を移動させることもないので、設置当初に監視装
置８のピント合わせをしておくと、その後、監視装置８
が光軸Ｌ₁からずれたり、監視装置８のピントがぼやけ
ることもない。また、光軸Ｌ₁は固定されるので、レー
ザビームαの光軸Ｌ₂との光軸調整を容易にすることが
できる。従って、マスク移動装置４及び可変焦点距離光
学装置５を光軸Ｌ₂上に正確に位置させておけば、監視
装置８や対物レンズ７と可変焦点距離光学装置５などの
光学装置相互間の位置調整を容易にすることができ、光
学系のメンテナンスも容易に行なうことができる。さら
に、対物レンズ７は固定されているので、エアなどを吹
き付けて加工面の加工くず等のゴミを吹き飛ばす加工面
洗浄用ブロワーノズルなどの光学系に固定して使用する
ことが望ましい補助機器類を固定して配置することがで
き、投影倍率Ｍを変化させるごとに加工面洗浄用ブロワ
ーノズルの方向や風量等の再調整をする必要がなくな
る。

【００２３】図４は、可変焦点距離光学装置５の一例を
示す概略構成図である。可変焦点距離光学装置５は、固
定された１枚の凸レンズよりなる固定レンズ１１とレン
ズ移動装置１２により移動可能となっている１枚の凹レ
ンズよりなる移動レンズ１３とにより構成された２群ズ
ーム系の光学装置である。この可変焦点距離光学装置５
にあっては、移動レンズ１３を移動することにより連続
的に可変焦点距離光学装置５の焦点距離ｆを変えること
が可能である。固定レンズ１１の焦点距離をｆ2、移動
レンズ１３の焦点距離をｆ3、固定レンズ１１と移動レ
ンズ１３の各主点間距離をＡとすると、この焦点距離可
変光学装置５の合成焦点距離ｆ23（＝ｆ）、ｆ23＝（ｆ
2・ｆ3）／（ｆ2＋ｆ3−Ａ）で表わされる。ここで、固
定レンズ１１と移動レンズ１３の最小主点間距離をＡmi
n〔図４（ａ）〕、最大主点間距離をＡmax〔図４
（ｂ）〕とすれば、この可変焦点距離光学装置５の合成
焦点距離ｆ23は、（ｆ2・ｆ3）／（ｆ2＋ｆ3−Ａmin）
≦ｆ23≦（ｆ2・ｆ3）／（ｆ2＋ｆ3−Ａmax）の間で自
由に変えることができる。すなわち、移動レンズ１３を
移動することにより、可変焦点距離光学装置５の焦点距
離ｆ23を上記範囲内で変化させることができる。

【００２４】図５は、図４の可変焦点距離光学装置５を
用いたレーザ加工装置２１におけるレーザ加工の説明図
である。このレーザ加工装置２１において、固定レンズ
１１の主点と移動レンズ１３の主点との間の距離をＡ、
マスク３と移動レンズ１３の主点との距離をＢとすれ
ば、Ａ、Ｂ及び対物レンズ７，固定レンズ１１，移動レ
ンズ１３の各焦点距離ｆ1，ｆ2，ｆ3並びに投影倍率Ｍ
との間には、それぞれ次の関係が成立つ。

【００２５】Ａ＝ｆ2＋ｆ3−（ｆ2・ｆ3・Ｍ）／ｆ1 … Ｂ＝ｆ3−（ｆ1・ｆ3）／（f2・Ｍ） …

【００２６】このようにして求められる固定レンズ１１
の主点と移動レンズ１３の主点との距離Ａが式から求
めた値となるように、レンズ移動装置１２により移動レ
ンズ１３を移動し、さらに、移動レンズ１３の主点とマ
スク３との距離Ｂが式より求めた値となるように、マ
スク移動装置４にてマスク３を移動することにすればよ
い。

【００２７】このように、レーザ加工装置２１にあって
は、レンズ移動装置１２とマスク移動装置４の２箇所を
調整し、移動レンズ１３とマスク３の位置を移動するこ
とにより、所望する投影倍率Ｍにてマスク３の像を対象
物９上に結像させ対象物９にレーザ加工を施すことがで
きる。また、監視装置８の光軸Ｌ₁上の対物レンズ７は
固定された位置に配置されているので、監視装置８の調
整をする必要がなく、また、投影倍率Ｍによらず、常に
一定の倍率でもって対象物９の加工状況を観察すること
ができる。

【００２８】また、本実施例においては焦点距離ｆを一
定の範囲内で連続的に変更できる可変焦点距離光学装置
５を用いたが、単に一定の焦点距離を持った凸レンズを
移動させることとしてもよい。また、２群ズーム光学系
に限らず、３枚以上のレンズを用いた多群ズーム光学系
にしてもよいのはいうまでもない。

【００２９】

【発明の効果】本発明のレーザ加工装置によれば、監視
手段の光路上にある投影倍率変更手段の固定焦点距離光
学系は固定して配置することとしているので、マスクの
像の投影倍率を変化させる場合には、固定焦点距離光学
系を調整する必要はなく、監視手段の光路外に配置した
可変焦点距離光学系を調整すればよい。また、投影倍率
を変化させても、固定焦点距離光学系は固定されている
ため、投影倍率の変化に合わせて監視手段のピント合わ
せ等をする必要がなくなる。従って、投影倍率を変化さ
せるための調整箇所は、監視手段の光路外に配置した可
変焦点距離光学系のみであって、投影倍率の変更を簡単
に行なうことができる。

【００３０】また、監視手段から観察できる対象物上の
像の倍率には変化がなく、像がぼやけることもないため
に、常に一定した状態で対象物の加工状況を観察するこ
とができる。

【００３１】さらに、固定焦点距離光学系は固定して配
置することとしているので、監視手段と対象物とを容易
に固定焦点距離光学系の光軸上に配置することができ、
一旦配置すればその後に光軸がずれることもない。ま
た、可変焦点距離光学系は監視手段の光路外に配置する
こととしているので、可変焦点距離光学系の光軸調整を
正確に行なうことにより、固定焦点距離光学系の光軸と
一致させることも容易になり、可変焦点距離光学系や固
定焦点距離光学系並びに監視手段相互間の位置調整を簡
単にすることができ、レーザ加工装置の光学系のメンテ
ナンスを簡単に行なうことができる。

【００３２】さらに、投影倍率変更手段の固定焦点距離
光学系は固定されているので、例えば加工面洗浄用ブロ
ワーノズルなどの補助機器類をレーザ加工装置の光学系
に対して固定することができ、また、投影倍率を変更す
るために補助機器類を再調整する必要もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるレーザ加工装置を示す
概略構成図である。

【図２】同上のレーザ加工装置のブロック図である。

【図３】同上のレーザ加工装置におけるレーザ加工の説
明図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は同上の可変焦点距離光学装置の
一例を示す側面図である。

【図５】図４の可変焦点距離光学装置を用いた本発明の
別な実施例であるレーザ加工装置におけるレーザ加工の
説明図である。

【図６】従来例であるレーザ加工装置におけるレーザ加
工の説明図である。

【符号の説明】

２レーザ発振器４マスク移動装置５可変焦点距離光学装置７対物レンズ８監視装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクにより整形されたレーザビームを
照射することによって対象物を加工するレーザ加工装置
において、前記マスクの像を倍率変換して前記対象物に結像するた
めの投影倍率変更手段と、前記対象物の加工状況を観察
するための監視手段とを備え、前記投影倍率変更手段は、前記監視手段の光路上に固定
して配置した固定焦点距離光学系と前記監視手段の光路
外に配置した可変焦点距離光学系とから構成したことを
特徴とするレーザ加工装置。