JPH1015684A

JPH1015684A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH1015684A
Application number: JP8170946A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Hikima; 郁雄引間; Joji Iwamoto; 譲治岩本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-07-01
Filing date: 1996-07-01
Publication date: 1998-01-20

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ加工装置により加工される被加工物の
加工側面のテーパー角を設定可能とする。【解決手段】レーザ光源２から放出されたレーザビー
ムは、ビーム成形部３により成形された後、マスク４に
形成されている所定のパターンに応じて透過または遮光
される。マスク４を透過したレーザビームは、ダイクロ
イックミラー５により反射され、円板７に入射される。
円板７は、面積の異なる複数の透過部を有しており、制
御部１は、所望のテーパー角に応じて、所定の面積を有
する透過部を選択し、モータ１１により、レーザビーム
の光路中に挿入させる。円板７の透過部を透過したレー
ザビームは、照射レンズ系８により、被加工物９の所定
の領域に集光され、その結果、被加工物９が所望のテー
パー角で加工される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置に
関し、特に、レーザビームを照射光学系を介して被加工
物に照射し、被加工物を加工するレーザ加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザ加工装置は、レーザ光源か
ら放射されたレーザビームを照射光学系を介して被加工
物に照射し、加工処理を行うようになされていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のレー
ザ加工装置では、前述の照射光学系の開口数は固定とさ
れていた。従って、被加工物に照射されるレーザビーム
の立体角が一定となるため、加工側面の傾き（テーパー
角）が制御できないという課題があった。

【０００４】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものであり、レーザ加工装置により加工される加工側
面のテーパー角を制御可能とし、被加工物に対して多様
な加工を行うことを可能とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のレーザ
加工装置は、レーザビームを放出するレーザ光源と、レ
ーザ光源から放出されたレーザビームを被加工物に照射
する照射光学系と、照射光学系の開口数を調節する開口
数調節手段とを備えることを特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例の構成
を示すブロック図である。

【０００７】この図において、制御部１は装置各部の制
御を行うようになされている。レーザ光源２は、制御部
１の制御に応じてレーザビームを放出し、ビーム成形部
３に入射するようになされている。なお、このレーザ光
源２としては、例えば、紫外線レーザ光源などを用い
る。ビーム成形部３は、レーザ光源２から放出されたレ
ーザビームの断面が所定の形状となるように成形する。

【０００８】ビーム成形部３から出射されたレーザビー
ムは、マスク４に形成されているパターン応じて、透過
または遮光され、ダイクロイックミラー（Dichroic Mir
ror）５に入射される。ダイクロイックミラー５は、入
射されたレーザビームの大部分を反射し、複数の異なる
面積の透過（開口）部を有する円板７（開口数調節手
段）に入射する。また、レーザビームの残りの部分は、
ダイクロイックミラー５を透過して、エネルギメータ６
に入射する。

【０００９】円板７は、モータ１１により回転され、前
述した複数の透過部のうちの何れかがレーザビームの光
路中に配置される。また、モータ１１の出力軸（回転
軸）はロータリエンコーダ１２に接続されているので、
制御部１は、このロータリーエンコーダ１２から出力さ
れる信号に基づいて、モータ１１を制御し、所定の透過
部をレーザビームの光路中に配置するようになされてい
る。

【００１０】円板７に入射されたレーザビームは、前述
の透過部によりビーム面積が調節され、照射レンズ系８
に出射される。照射レンズ系８は、円板７を介して入射
されたレーザビームを被加工物９の所定の領域に集光す
るようになされている。被加工物９は、ステージ１０に
より移動され、照射レンズ系８より照射されるレーザビ
ームに応じて所定の領域が加工されることになる。

【００１１】なお、このステージ１０は、レーザビーム
に対して垂直方向、または水平方向に移動可能とされて
いるとともに、図示せぬ駆動軸を中心として水平平面上
で回転可能とされている。

【００１２】エネルギメータ１４は、加工を開始する直
前に照射レンズ系８の光軸の位置まで移動された後、照
射レンズ系８から照射されるレーザビームのエネルギを
測定するようになされている。そして、測定されたエネ
ルギの値は、制御部１に供給される。

【００１３】また、エネルギメータ６は、ダイクロイッ
クミラー５を透過したレーザビームのエネルギを測定す
るようになされている。ダイクロイックミラー５を透過
するレーザビームは、反射されるレーザビームに比べて
僅少であるので、エネルギメータ６より出力される信号
は、エネルギメータ１４から出力される信号と同じレベ
ルとなるようにアンプ１３により増幅され、制御部１に
供給される。

【００１４】観察光源１５は、内蔵されているハロゲン
ランプを点灯させる。ハロゲンランプから放出される光
は、所定の波長帯域のみを透過させる図示せぬ光フィル
タを介して出射され、反射ミラー１６に入射される。反
射ミラー１６は、観察光源１５から出射された光を反射
し、ダイクロイックミラー５、円板７、照射レンズ系８
を介して被加工物９に照射する。被加工物９からの反射
光は、照射レンズ系８、円板７、ダイクロイックミラー
５、反射ミラー１６を介して、ＣＣＤ（ChargeCoupled
Device）カメラ１７に入射される。

【００１５】ＣＣＤカメラ１７は、被加工物９からの反
射光を画像信号に変換し、画像処理部１８（深度計測手
段）に出力する。画像処理部１８は、ＣＣＤカメラ１７
から入力された画像信号をモニタ１９に出力すると共
に、画像信号に後述する処理を施し、制御部１に出力す
る。モニタ１９は、画像処理部１８から出力された画像
信号を表示出力するようになされている。また、制御部
１は、画像処理部１８から出力される信号に応じて所定
の処理を実行するようになされている。

【００１６】次に、この実施例の動作について説明す
る。

【００１７】被加工物９がステージ１０上に配置される
と、制御部１は、ステージ１０を水平方向に移動させ、
エネルギメータ１４が照射レンズ系８の光軸位置に来る
ようにする。そして、制御部１は、レーザ光源２を制御
し、レーザビームを照射させる。照射パターンの面積は
予め分かっているので、制御部１は、エネルギメータ１
４の出力信号の値を照射パターンの面積で除算し、エネ
ルギ密度を計算する。そして、制御部１は、このエネル
ギ密度が所定の値となるように、レーザ光源２を制御す
る。

【００１８】次に、制御部１は円板７の設定を行う。円
板７は、図２に示すように、モータ１１により回転さ
れ、所定の位置で固定されるようになされている。ま
た、モータ１１の出力軸（回転軸）には、ロータリーエ
ンコーダ１２が接続されているので、制御部１は、この
ロータリーエンコーダ１２の出力信号により、円板７の
現在の位置（角度）を検出することができる。

【００１９】円板７は、図３に示すように、駆動軸４０
を中心として、モータ１１により回転される。また、駆
動軸４０から半径ｒだけ離れた位置には、複数の面積の
異なる透過部３０乃至３４が形成されている。

【００２０】図２に示すように、ダイクロイックミラー
５から入射されたレーザビームは、光路中に現在挿入さ
れている透過部３０乃至３４に応じて、その一部が透過
され、照射レンズ系８に入射されることになる。このよ
うな円板７をレーザビームの光路中に挿入することによ
り、透過部３０乃至３４の面積に応じて照射レンズ系８
の開口数を変化させることができる。

【００２１】円板７の設定（即ち、開口数の設定）が終
了すると、制御部１は、ステージ１０を所定の位置に移
動させるとともに、レーザ光源２を制御し、レーザビー
ムの照射を開始する。

【００２２】レーザ光源２から放出されたレーザビーム
は、ビーム成形部３に入射され、ビームの断面が所定の
形状となるように調節された後、マスク４に入射され
る。マスク４は、入射されたレーザビームを、形成しよ
うとするパターンに応じて遮光または透過させ、ダイク
ロイックミラー５に出射する。ダイクロイックミラー５
は、入射されたレーザビームの大部分を反射し、円板７
に入射するとともに、残りの部分を透過させ、エネルギ
メータ６に入射する。

【００２３】エネルギメータ６の出力信号は、アンプ１
３により所定のゲインで増幅された後、制御部１に供給
される。前述のように、アンプ１３のゲインは、エネル
ギメータ１４の出力信号のレベルと、エネルギメータ６
の出力信号のレベルが同じになるように設定されている
ので、加工中にエネルギメータ６により測定されるエネ
ルギ密度の値が、加工前にエネルギメータ１４により測
定されたエネルギ密度の値と同じになるようにレーザ光
源２の出力を制御することにより、加工中のエネルギ密
度を一定に保つことができる。その結果、エネルギ密度
が一定となるので、レーザビームの照射時間を調節する
ことにより、被加工物９の穿孔深度を制御することがで
きる。

【００２４】ダイクロイックミラー５により反射された
レーザビームは、円板７の透過部３０乃至３４の何れか
を透過し、照射レンズ系８に入射される。照射レンズ系
８は、円板７を透過したレーザビームを被加工物９の所
定の領域に集光する。被加工物９のレーザービームが照
射された領域は、光アブレーションを生じ、図４（ａ）
に示すように穿孔されることになる。その結果、被加工
物９は、マスク４に形成されているパターンに応じて加
工される。

【００２５】なお、このとき、穿孔された部分の側壁の
テーパー角θ₁は、円板７の透過部３０乃至３４に応じ
て変化する。即ち、透過部の面積が大きい場合は、テー
パー角θ₁は大きくなり、逆に、透過部の面積が小さい
場合は、テーパー角θ₁は小さくなる。また、穿孔の深
度Ｚ₁は、照射されるレーザビームのエネルギに比例す
るので、エネルギ密度が一定である場合、照射時間が長
い程、深度Ｚ₁が大きくなる。

【００２６】前述のように、穿孔深度Ｚ₁は、照射され
るレーザビームのエネルギに比例するので、光路中に挿
入されている円板７の透過部（透過部３０乃至３４の何
れか）の面積が小さい場合は、大きい場合に比べて被加
工物９上でのレーザビームのエネルギ密度が小さくな
る。その場合、透過部の面積が大きいときと同様の穿孔
深度を得るには、レーザ光源２を制御し、レーザビーム
のエネルギを増加させるか、または、レーザビームの照
射時間を長くする必要がある。また、レーザ光源２がパ
ルス状のレーザビームを放射する場合は、パルス数によ
っても深度Ｚ₁を制御することができる。

【００２７】ハロゲンランプから放射され、図示せぬ光
フィルタを透過した光は、反射ミラー１６に出射され
る。反射ミラー１６は、入射された光を反射し、ダイク
ロイックミラー５、円板７の透過部（透過部３０乃至３
４の何れか）、および照射レンズ系８を介して、被加工
物９に照射する。被加工物９からの反射光は、同様の経
路を経て反射ミラー１６に入射される。反射ミラー１６
は、入射された光を透過させ、ＣＣＤカメラ１７に入射
させる。

【００２８】ＣＣＤカメラ１７は、入射された光を画像
信号に変換し、画像処理部１８に出力する。画像処理部
１８は、ＣＣＤカメラ１７から出力された画像信号をモ
ニタ１９に出力するとともに、画像信号の所定の領域の
輝度の平均値を算出し、制御部１に出力する。

【００２９】図５は、画像処理部１８の出力信号に基づ
き、制御部１が被加工物９の穿孔深度を計測する処理の
一例を説明するフローチャートである。

【００３０】この処理では、ＣＣＤカメラ１７のフォー
カス位置のずれに基づき、穿孔深度Ｚ₁を測定するよう
になされている。即ち、ＣＣＤカメラ１７のフォーカス
は所定の位置に固定されており、第１回目の加工処理を
実行する前に、ステージ１０がＺ方向（図の上下方向）
に移動され、被加工物９の加工面にフォーカスが合焦さ
れたときのフォーカス位置（フォーカスポイントｆ_p0）
が測定される。そして、第１回目の加工が終了し、被加
工物９が穿孔されると、その部分は、他の部分（穿孔さ
れていない部分）よりも距離Ｚ₁だけＣＣＤカメラ１７
から遠ざかることになるので、その部分のフォーカスポ
イントｆ_pを求め、ｆ_p0との差を求めることにより、穿
孔深度Ｚ₁を算出することができる。

【００３１】なお、フォーカスポイントは、次のように
して求める。即ち、画像信号に含まれている輝度信号
は、フォーカスが適正である場合に最大となるので、ス
テージ１０をＺ方向に移動させ、輝度信号が最大となる
位置を検出することにより、フォーカスポイントを計測
することができる。

【００３２】この処理が実行されると、ステップＳ１に
おいて、制御部１は、ステージ１０をＺ方向（図の上下
方向）における初期位置Ｚ₀に移動させる。そして、ス
テップＳ２に進み、画像処理部１８から出力される所定
の領域（穿孔された領域）の輝度の平均値を取得し、図
示せぬメモリに格納する。

【００３３】ステップＳ３において、制御部１は、ステ
ージ１０をＺ方向に距離ΔＺだけ移動させる。そして、
ステップＳ４に進み、制御部１は、観察光源１５に所定
の波長帯域の光を照射させ、そのとき画像処理部１８か
ら出力される所定の領域の輝度の平均値を取得する。そ
して、ステップＳ５に進み、メモリに格納されている前
回計測された輝度の平均値と、新たに取得された輝度の
平均値とを比較し、輝度の平均値が増加しているか否か
を判定する。

【００３４】その結果、新たに計測された輝度の平均値
が、前回計測された輝度の平均値よりも増加している
（ＹＥＳ）と判定された場合は、ステップＳ３に戻り同
様の処理を繰り返す。また、新たに計測された輝度の平
均値が、前回計測された輝度の平均値よりも減少してい
るか、または、これらが等しい（ＮＯ）と判定された場
合は、ステップＳ６に進む。

【００３５】ステップＳ６では、制御部１は、以下の式
により、フォーカスポイントｆ_pを算出する。なお、ｎ
は、ステップＳ２での測定を含めた測定回数を表してい
る。

【００３６】ｆ_p＝Ｚ₀＋（ｎ−２）×ΔＺ・・・（１）

【００３７】以上の処理により、フォーカスポイントｆ
_pを求めることができる。

【００３８】なお、前述のように、このような処理は、
第１回目の加工処理を実行する前にも実行されるので、
そのときに測定された被加工物９の加工面（加工がなさ
れていない加工面）のフォーカスポイントｆ_p0と、第１
回目の加工処理終了後のフォーカスポイントｆ_pの差を
計算することにより、深度Ｚ₁を得る。そして、この深
度Ｚ₁が所定の値よりも小さい場合は、加工処理を再度
実行する。

【００３９】続いて、第２回目の加工処理が実行され
る。

【００４０】なお、第２回目の加工処理を実行する前
に、必要があれば、マスク４を交換する。

【００４１】第２回目の加工処理が実行されると、制御
部１は、ロータリーエンコーダ１２の出力を参照しなが
ら、モータ１１を駆動することにより、所望の大きさの
透過部（透過部３０乃至３４の何れか）をレーザビーム
の光路中に挿入させる。そして、第１回目と同様の処理
を実行することにより、第１回目の処理とは異なるテー
パー角θ₂により、被加工物９をアブレーション加工す
ることができる。

【００４２】第２回目の加工処理が施された被加工物９
の断面を図４（ｂ）に示す。この図に示すように、被加
工物９は、第１回目の加工処理によりテーパー角θ₁で
深度Ｚ₁だけ穿孔され、更に、第２回目の加工処理によ
りテーパー角θ₂で深度Ｚ₂だけ穿孔されることになる。

【００４３】以上のような処理によれば、テーパー角を
変更することが可能となるので、例えば、深度に応じて
テーパー角を変化させるなど、多様な加工を行うことが
可能となる。

【００４４】なお、以上の実施例では、紫外線レーザを
用いて加工を行うようにしたが、本発明は、紫外線レー
ザのみに限定されるものではない。例えば、赤外線レー
ザ等を用いることも可能であるが、その場合は、光アブ
レーションを発生させることが困難であるので、シャー
プな加工面を得ることが困難である。光アブレーション
を発生させるためには、４００ｎｍ以下の波長のレーザ
ビームを使用し、被加工物９の材質に応じて出力を調節
することが望ましい。

【００４５】また、以上の実施例では、円板７に形成さ
れた透過部３０乃至３４により、照射レンズ系８の開口
数を調節するようにしたが、例えば、図６に示すような
構成としてもよい。

【００４６】この図において、８枚の開閉羽根６０（開
口数調節手段）は、光軸を中心として回転する円筒型ボ
ディー６１に一端で嵌合されており、円筒型ボディー６
１の回転に応じて開口部６２の面積が変化するようにな
されている。駆動部６３には、モータが内蔵されてお
り、制御部１の制御に応じて、円筒型ボディー６１を回
転させ、開口部６２の面積を調節するようになされてい
る。

【００４７】以上のような実施例を、図１に示す円板
７、モータ１１、および、ロータリーエンコーダ１２と
置換することにより、既述の場合と同様に、照射レンズ
系８の開口数を調節することができる。このような実施
例によれば、照射レンズ８の開口数を連続的に変化させ
ることができるので、被加工物９の加工側面のテーパー
角を自由に設定することが可能となる。

【００４８】また、照射レンズ系８の、例えば、図示せ
ぬ対物レンズを交換可能とすることによっても、照射レ
ンズ系８の開口数を変化させることができる。

【００４９】

【発明の効果】請求項１に記載のレーザ加工装置によれ
ば、レーザビームをレーザ光源より放出し、レーザ光源
から放出されたレーザビームを被加工物に照射光学系に
より照射し、照射光学系の開口数を開口数調節手段によ
り調節するようにしたので、被加工物の加工側面のテー
パー角を設定可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１に示すブロック図の円板７、モータ１１、
およびロータリーエンコーダ１２の拡大図である。

【図３】図１に示す円板７の詳細な構成を示す図であ
る。

【図４】図１に示す実施例により加工された被加工物９
の断面を示す断面図である。

【図５】図１に示す実施例の制御部１で実行される処理
の一例を説明するフローチャートである。

【図６】図２に示す実施例の他の構成の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１制御部２レーザ光源４マスク７円板（開口数調節手段）８照射レンズ系９被加工物１０ステージ１１モータ１２ロータリーエンコーダ１５観察光源１７ＣＣＤカメラ１８画像処理部（深度計測手段）６０開閉羽根（開口数調節手段）６１円筒型ボディー６３駆動部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザビームを被加工物に照射し、加工
を行うレーザ加工装置において、前記レーザビームを放出するレーザ光源と、前記レーザ光源から放出された前記レーザビームを前記
被加工物に照射する照射光学系と、前記照射光学系の開口数を調節する開口数調節手段とを
備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】前記被加工物の加工深度を計測する深度
計測手段を更に備え、前記開口数調節手段は、前記深度計測手段の計測結果に
応じて前記開口数を調節することを特徴とする請求項１
に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】前記開口数調節手段は、前記レーザビー
ムを透過させる開口を有し、この開口の面積を変化させ
ることにより前記開口数を調節することを特徴とする請
求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】前記開口数調節手段は、前記レーザビー
ムを透過させる複数の面積の異なる開口を有し、これら
複数の開口の何れかを選択することにより前記開口数を
調節することを特徴とする請求項１または２に記載のレ
ーザ加工装置。
【請求項５】前記レーザ光源から放出される前記レー
ザビームは、前記被加工物が光アブレーションを生ずる
ように調節されていることを特徴とする請求項１乃至４
の何れかに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】前記レーザ光源は、４００ｎｍ以下の波
長光を発生させることを特徴とする請求項１乃至５の何
れかに記載のレーザ加工装置。