JPH0852583A

JPH0852583A - 光加工装置

Info

Publication number: JPH0852583A
Application number: JP6211791A
Authority: JP
Inventors: Naoki Kimura; 直樹木村
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1994-08-12
Filing date: 1994-08-12
Publication date: 1996-02-27

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で加工精度が高く、コストの安い光加工
装置を提供する。【構成】サンプル６に照射する光を発射するレーザ３
と、レーザ３から発射される光を通過する開口部を有す
るマスク９と、マスク９の開口部を通過した光を集光す
る１枚以上のレンズ８とを有する光学系を形成し、この
光学系の焦点深度が略0.2 ミクロンとなるようにレーザ
３の波長とレンズ８の開口度を設定する。サンプル６を
移動して、レンズ８で集光した光の焦点位置をサンプル
６の表面側16に位置合わせするサンプル移動機構10を設
け、このサンプル移動機構10によりサンプル６を移動さ
せて、サンプル６の表面側16の凸部から徐々に削ってい
き、表面側16を滑らかに加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被加工物にレーザ光等
の光を照射して精密加工を行う光加工装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】精密加工を行う方法として、光加工、機
械加工、反応を用いた加工等、多くの加工方法が用いら
れているが、光加工は、被加工物（サンプル）にストレ
スをかけないことやドライな環境で加工が行われるため
に、サンプルの劣化の少ない加工法として注目されてい
る。

【０００３】光加工を行う光加工装置は、例えば、サン
プルに照射する光を発射するレーザ等の光源を備えた光
学系を有して構成されており、光学系により、レーザか
らのレーザ光をサンプルの表面側に照射してサンプルの
光加工が行われている。従来の光加工装置においては、
光学系の焦点深度は、例えば、図７の（ａ）に示すよう
に、５ミクロン（５μｍ）程度に設定されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光加工装置は光学系の焦点深度が、例えば、５ミクロン
程度で深いために、図７に示したように、サンプル６の
表面側16に凹凸があると、そのサンプル６に光加工装置
による光加工を施し、サンプル６の表面側16の凹凸をな
くして表面を滑らかにしようとしても、実際には、図７
の（ｂ）に示すように、サンプル６が均一な厚さ分だけ
削られて、サンプル６の表面側16に凹凸が残ったままの
状態でサンプル６の表面側16が加工されてしまい、サン
プル６の表面側16を滑らかに加工することは困難であっ
た。

【０００５】また、例えば、基板の表面側に予め定めた
深さの穴を開けたい場合にも、従来の光加工装置は、光
学系の焦点深度が深いために、所望の深さ以上の深い穴
を開けてしまうことがあり問題であった。

【０００６】そこで、例えば、サンプル６の凹凸の位置
や大きさを測定して凸部にのみレーザ光の照射を行う光
加工方法が提案されているが、この方法を用いるために
は、サンプル６の表面側の凹凸の位置や大きさを正確に
測定し、その値をフィードバックして、その値に基づい
て、レーザ光の照射の位置や時間を設定することになる
ために、サンプル６の凹凸を測定する装置や、その凹凸
の値をフィードバックしてレーザ光の照射位置や照射時
間等を決定するための機構が必要となり、光加工装置が
大型化してしまい、問題である。また、この方法を用い
る場合には、例えば、サンプル６の表面の反射率を利用
してサンプル６の凹凸を測定することになるため、サン
プル６の表面の反射率が一定でない場合や、凹凸のピッ
チが小さい場合には凹凸の度合いを正確に測定すること
ができず、正確な光加工を行うことが困難であった。

【０００７】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、被加工物の表面を充
分に滑らかにしたり、被加工物の表面側に所望の深さの
穴を開けたりすることのできるコストの安い光加工装置
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は次のように構成されている。すなわち、本発
明は、被加工物に照射する光を発射する光源と、該光源
から発射される光を通過する開口部を有するマスクと、
該マスクの開口部を通過した光を集光する１枚以上のレ
ンズとを有する光学系を備え、前記マスクと被加工物の
少なくとも一方側を移動してレンズで集光した光の焦点
位置を被加工物の表面側に位置合わせする移動機構を備
え、前記光学系の焦点深度が略１ミクロン以下となるよ
うに前記光源の波長と前記レンズの開口度を設定したこ
とを特徴として構成されている。

【０００９】また、被加工物に照射する光を発射する光
源と、該光源から発射される光を通過する開口部を有す
るマスクと、該マスクの開口部を通過した光を集光する
１枚以上のレンズと、該レンズ側に光を反射してレンズ
に入射させるミラーとを有する光学系を備え、前記マス
クと被加工物とミラーの少なくとも１つを移動してレン
ズで集光した光の焦点位置を被加工物の表面側に位置合
わせする移動機構を備え、前記光学系の焦点深度が略１
ミクロン以下となるように前記光源の波長と前記レンズ
の開口度を設定したことも本発明の特徴的な構成とされ
ている。

【００１０】

【作用】上記構成の本発明において、光源からの光は、
マスクの開口部を通過してレンズに入射し、レンズによ
り集光されるが、このとき、前記マスクと被加工物の少
なくとも一方側が移動機構により移動させられて、レン
ズで集光した光の焦点位置が被加工物の表面側に位置合
わせされる。そして、本発明においては、前記光源とマ
スクとレンズとを有する光学系の焦点深度が略１ミクロ
ン以下となるように光源の波長とレンズの開口度が設定
されており、この略１ミクロン以下の焦点深度の中に被
加工物が入っているときには、その被加工物は削られる
が、それ以外は、レンズにより集光される光の像がぼけ
てエネルギ密度が下がり、被加工物が加工されないため
に、例えば、被加工物の表面側に凹凸があるときにはそ
の凸部側から略１ミクロン以下ずつ削られていき、最終
的にはその凸部のみが全て削られ、結果的に表面側が滑
らかに加工される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一名
称部分には同一符号を付しその詳細説明は省略する。図
１には、本発明に係わる光加工装置の第１の実施例の要
部構成が示されている。同図において、被加工物である
ＭｇＯ製のサンプル６に照射する光を発射する光源とし
て機能するレーザ（エキシマレーザ）３の出射端11側に
は、間隔を介してマスク９が配設されており、マスク９
には、図２の（ａ）に示すように、レーザ３から発射さ
れる光を通過する円形状の開口部13が複数形成されてい
る。

【００１２】図１に示すように、マスク９と間隔を介し
て１枚以上（図では２枚）のレンズ８が配設されてお
り、レンズ８は、前記マスク９の開口部13を通過した光
を集光するようになっている。また、このレンズ８と前
記マスク９、レーザ３を有して本実施例の光加工装置の
光学系が形成されている。

【００１３】サンプル６は、サンプル６を移動して、レ
ンズ８で集光した光の焦点位置をサンプル６の表面側16
に位置合わせするサンプル移動機構10に着脱自在に取り
付けられており、サンプル６は、サンプル移動機構10に
より、図の矢印Ａのように、前記レーザ３の光軸Ｚの方
向に自在に移動されるようになっており、また、光軸Ｚ
に直交するＸ軸とＹ軸（Ｙ軸は紙面に対して直交してい
る）により形成されるＸ−Ｙ平面上にも自在に移動され
るようになっている。

【００１４】本実施例の最も特徴的なことは、前記光学
系の焦点深度が略１ミクロン以下となるようにレーザ３
の波長とレンズ８の開口度を設定したことであり、光学
系の焦点深度は以下のようにして設定される。

【００１５】光学系の焦点深度ｄは、光源の波長をλ，
レンズの開口度をＮ．Ａ．とすると、次式（１）で表さ
れる。

【００１６】ｄ＝（λ／２）／（Ｎ．Ａ．）²・・・・・（１）

【００１７】したがって、例えば、Ｎ．Ａ．＝0.7 に設
定すると、ｄ≒λとすることが可能となり、このとき、
波長λを略１ミクロン（1000nm）以下に設定すれば、焦
点深度ｄを略１ミクロン以下にすることができる。そし
て、本実施例で光源として機能しているレーザ３のよう
なエキシマレーザは、サブミクロンの設定波長の光を確
実に発射させることが可能であることから、光源として
エキシマレーザを用いることによりサブミクロンの焦点
深度が得られる。

【００１８】本実施例では、波長λが248 nm（0.248 ミ
クロン）のレーザ（エキシマレーザ）３を用いており、
開口度Ｎ．Ａ．が0.7 のレンズ８を用いており、それに
より、光学系の焦点深度を略0.2 ミクロンとしている。
また、本実施例では、レーザ３のビーム径は３ミクロン
としている。

【００１９】本実施例は以上のように構成されており、
次にその動作について説明する。図１に示すように、レ
ーザ３の出射端11側からレーザ光を出射すると、その光
は、図２の（ａ）に示すように、マスク９の開口部13に
入射して開口部13を通過し、図１に示すようにレンズ８
側に進み、レンズ８により集光される。そして、このと
き、サンプル６は、サンプル移動機構10により移動させ
られ、レンズ８で集光した光の焦点位置（前記光の像の
結像位置）がサンプル６の表面側16に位置合わせされ、
サンプル６の表面側16に、図２に（ｂ）に示すような、
マスク９の開口部13に対応した光の像が結像される。

【００２０】そうすると、本実施例では、光学系の焦点
深度が非常に浅いために、この焦点深度の中に入ってい
る以外のサンプル６の表面側16においては、光の像がぼ
けてサンプル６の表面でのエネルギ密度が下がり、いわ
ゆる加工のスレッショルドを越えずに加工されず、前記
焦点深度に入っているサンプル６の表面側16の凸部のみ
が光加工され、例えば、図３の（ａ）の一点鎖線で示す
ように、前記光の像が形成されている表面側16の部分25
のみが削られる。そして、レーザ３から300 パルスのレ
ーザ光を照射する毎に、サンプル移動機構10により、サ
ンプル６を前記Ｘ−Ｙ平面上で移動することにより、レ
ーザ光の照射位置（焦点位置）を変えてレーザ光を照射
すると、図３の（ｂ）に示すように、サンプル６は、そ
の表面側16の凸部のみが削られていき、以上のような操
作を繰り返すことにより、サンプル６の表面側16が滑ら
かになっていく。

【００２１】本実施例において、サンプル６の表面側16
の表面粗さは、光加工を行う前の、図３の（ａ）に示し
た状態のときは、３ミクロンであったが、光加工終了後
の表面粗さは0.15ミクロンとなり、サンプル６の表面側
16は非常に滑らかに加工されたことが確認された。

【００２２】本実施例によれば、上記動作により、表面
側16に凹凸を有するサンプル６の表面側16に、レンズ８
で集光した光の焦点位置を位置合わせして少しずつ光加
工を施すことにより、サンプル６の表面側16を非常に滑
らかに加工することが可能となる。そして、本実施例の
光加工装置は、サンプル６の表面側16の凹凸を予め測定
して、その測定値に基づいて、レーザ３のような光源か
らの光の照射位置や照射の有無を設定して光を照射させ
る装置と異なり、サンプル６の表面側16の凹凸を測定す
るための大型の装置等を設ける必要がないために、装置
を小型のものとすることが可能となり、コストも安くす
ることができる。

【００２３】なお、図４に示すように、本実施例の光加
工装置のレンズ８に、光の位相を反転させるドーナツ型
の位相反転フィルタ20を、レンズ８と同心円状に設け、
レンズ８の半径をＲとしたときに、位相反転フィルタ20
の内周円21の半径を約0.57Ｒとし、位相反転フィルタ20
の外周円22の半径を約0.83Ｒとすると、本実施例の光学
系の焦点深度を殆ど変えることなく、レンズ８の収差を
改善することができるために、サンプル６の表面側16に
結像される光の像をより精度良く形成し、前記Ｘ−Ｙ平
面方向の光加工精度をより向上させることができる。

【００２４】実際に、図４に示すような、位相反転フィ
ルタ20を有するレンズ８を設けて上記実施例を構成し、
そのときの光加工終了後のサンプル６の表面側16の表面
粗さを測定したところ、表面粗さは0.17ミクロンであっ
た。

【００２５】図５には、本発明に係わる光加工装置の第
２の実施例の要部構成が示されている。本実施例が上記
第１の実施例と異なる特徴的なことは、フィルタ９とレ
ンズ８との間に、レーザ３から発射される光をレンズ８
側に反射させてレンズ８に入射させるミラー14を設け、
レーザ３とマスク９とミラー14とレンズ８とを有して光
学系を形成したことである。

【００２６】本実施例は以上のように構成されており、
レーザ３から発射された光がマスク９の開口部13を通過
して、ミラー14に入射し、ミラー14で反射してレンズ８
に入射し、レンズ８により集光されてサンプル６の表面
側16に光の像が結像される。そして、上記第１の実施例
と同様にサンプル移動機構10によりサンプル６を移動さ
せると、サンプル６の表面側16が光学系の焦点深度の分
だけ少しずつ削られて図の一点鎖線部分26に示すような
曲面が形成されていき、上記第１の実施例と同様にサン
プル６の表面側16は非常に滑らかに加工される。

【００２７】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記実
施例では、サンプル移動機構10を設け、このサンプル移
動機構10によりサンプル６を移動して、レンズ８で集光
した光の焦点位置をサンプル６の表面側16に位置合わせ
するように構成したが、サンプル移動機構10を設ける代
わりに、マスク９を移動させる移動機構を設け、マスク
９を移動して前記焦点位置をサンプル６の表面側16に位
置合わせするようにしてもよく、サンプル移動機構10と
マスク９の移動機構を共に設け、サンプル６とマスク９
との両方を移動させて、前記焦点位置をサンプル６の表
面側16に位置合わせするようにしてもよい。

【００２８】また、上記第２の実施例のようにミラー14
を有する光学系を構成したときには、サンプル６やマス
ク９を移動させる代わりに、ミラー14を移動させる移動
機構を設け、ミラー14の角度を変えることにより、レン
ズ８で集光した光の焦点位置をサンプル６の表面側16に
位置合わせするようにしてもよい。また、このとき、サ
ンプル６やマスク９をミラー14と共に移動させても構わ
ない。

【００２９】さらに、上記第２の実施例では、ミラー14
は、マスク９とレンズ８との間に介設したが、ミラー14
は、レーザ３とマスク９との間に介設しても構わない。

【００３０】さらに、上記実施例では、レンズ８の開口
度を0.7 とし、レーザ３の波長を248 nmとし、レーザ３
のビーム径は３ミクロンに設定したが、これらの値は特
に限定されるものではなく、光学系の焦点深度が略１ミ
クロン以下となるように、前記式（１）等に基づいて、
レンズ８の開口度やレーザ３の波長を設定すればよい。

【００３１】さらに、上記実施例では、光学系の焦点深
度を略0.2 ミクロンとしたが、光学系の焦点深度は必ず
しも略0.2 ミクロンとするとは限らず、焦点深度は略１
ミクロン以下とすればよい。但し、光学系の焦点深度が
小さい値である方が、例えば、サンプル６の表面側16の
加工精度を向上させることが可能であり、焦点深度は望
ましくは0.6 ミクロン以下、さらに望ましくは0.25ミク
ロン以下とすると非常に効果的である。また、光学系の
焦点深度を略１ミクロン以下の適宜の値に設定すること
により、サンプル６の表面側16の表面粗さを所望の粗さ
に制御することもできる。

【００３２】さらに、上記実施例では、サンプル６に光
を照射する光源として、エキシマレーザを用いたが、光
源は、必ずしもエキシマレーザとするとは限らず、例え
ば、エキシマレーザ以外の他のレーザとしてもよい。但
し、エキシマレーザはサブミクロンの設定波長の光を確
実に発射させることができるために、光源としてエキシ
マレーザを用いることにより、光学系の焦点深度の設定
がし易くなる。

【００３３】さらに、上記実施例では、サンプル６はＭ
ｇＯ製のサンプルとしたが、サンプル６は必ずしもＭｇ
Ｏ製のサンプルとは限らず、光を照射することにより加
工することができるサンプルであればよい。

【００３４】さらに、上記実施例では、２枚のレンズ８
を設けて光学系を形成したが、レンズ８の枚数は特に限
定されるものではなく、１枚のレンズを有して光学系を
形成しても構わないし、３枚以上のレンズを有して光学
系を形成しても構わない。

【００３５】さらに、上記実施例では、６個の円形状の
開口部13を有するマスク９を設けたが、マスク９の開口
部13の形状や個数、配設の仕方等は特に限定されるもの
ではなく、適宜設定されるものである。

【００３６】さらに、これまでは、光加工装置を用い
て、サンプル６の表面側16の凹凸を滑らかにする光加工
を行う例について述べたが、本発明の光加工装置を用い
て、図６に示すように、例えば、0.5 ミクロンといった
予め定めた深さの小さい穴18をサンプル６の表面側16に
形成することもできる。この場合は、例えば、図１に示
した上記第１の実施例の光加工装置にサンプル６を配設
し、サンプル移動機構10により、予め定めた一定の速度
でサンプル６をレンズ８側に移動させ、サンプル６をレ
ンズ８側に約0.3 ミクロン移動させること等により上記
光加工を行うことができる。実際に、このような方法で
サンプル６の表面側16に穴18を形成したところ、穴18の
深さの目標値が0.5 ミクロンであるのに対し、実際の穴
18の深さは0.48〜0.53ミクロンとなり、従来のように焦
点深度が深い光学系を用いて穴18を形成したときの穴18
の深さが0.4 〜0.6 ミクロンであったのに対し、穴18の
深さの精度を非常に向上させることができた。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、光源とマスクとレンズ
とを有する光学系の焦点深度が略１ミクロン以下となる
ように前記光源の波長とレンズの開口度とを設定したた
めに、例えば、被加工物の表面側に凹凸がある場合に、
移動機構により、レンズで集光した光の焦点位置を被加
工物の表面側に位置合わせして、前記焦点深度の中に入
っている被加工物、すなわち、被加工物の表面側の凸部
のみを削ることが可能となり、被加工物の表面側を非常
に滑らかに光加工することが可能となる。また、例え
ば、１ミクロン以下といった深さの浅い穴を被加工物の
表面側に形成するときにも、上記と同様に、光学系の焦
点深度の中に被加工物が入っている場合以外は被加工物
が加工されないために、穴の深さを調整し易くなり、所
望の深さの穴を精度良く形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる光加工装置の第１の実施例を示
す要部構成図である。

【図２】上記第１の実施例の光加工装置に用いられてい
るマスク９の開口部13の形成パターン（ａ）と、サンプ
ル６の表面側16に結像される光の像のパターン（ｂ）を
示す説明図である。

【図３】上記第１の実施例の光加工装置を用いてサンプ
ル６の表面側16に光加工を施したときの光加工途中のサ
ンプル断面図（ｂ）を光加工を施す前のサンプル断面図
（ａ）と共に示す説明図である。

【図４】上記第１の実施例のレンズ８に位相反転フィル
タ20を設けて形成する例を示す説明図である。

【図５】本発明に係わる光加工装置の第２の実施例を示
す要部構成図である。

【図６】本発明の光加工装置を用いてサンプル６の表面
側16に予め定めた深さの穴18を形成した例を示す断面説
明図である。

【図７】従来の光加工装置を用いてサンプル６の表面側
16に光加工を施したときのサンプル断面図（ｂ）と光加
工を施す前のサンプル断面図（ａ）とを共に示す説明図
である。

【符号の説明】

３レーザ６サンプル８レンズ９マスク 10 サンプル移動機構 14 ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工物に照射する光を発射する光源
と、該光源から発射される光を通過する開口部を有する
マスクと、該マスクの開口部を通過した光を集光する１
枚以上のレンズとを有する光学系を備え、前記マスクと
被加工物の少なくとも一方側を移動してレンズで集光し
た光の焦点位置を被加工物の表面側に位置合わせする移
動機構を備え、前記光学系の焦点深度が略１ミクロン以
下となるように前記光源の波長と前記レンズの開口度を
設定したことを特徴とする光加工装置。
【請求項２】被加工物に照射する光を発射する光源
と、該光源から発射される光を通過する開口部を有する
マスクと、該マスクの開口部を通過した光を集光する１
枚以上のレンズと、該レンズ側に光を反射してレンズに
入射させるミラーとを有する光学系を備え、前記マスク
と被加工物とミラーの少なくとも１つを移動してレンズ
で集光した光の焦点位置を被加工物の表面側に位置合わ
せする移動機構を備え、前記光学系の焦点深度が略１ミ
クロン以下となるように前記光源の波長と前記レンズの
開口度を設定したことを特徴とする光加工装置。