JPH1031105A - ２面集光プリズム並びにこれを備えるレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分なエネルギーを有する１条のレーザビー
ムを２条に分割し、しかもその各々における断面のエネ
ルギー分布がほぼ均一であるようにレーザビームを加工
する２面集光プリズムを提供することを目的とする。 【解決手段】 凸型プリズムであって、入出射面の一方
５０は、光軸に対し垂直な長矩形平面５７ｂと、その両
側に位置し該長矩形平面から対称的に順次傾斜が大きく
なる複数組の長矩形傾斜平面５７ａ，５７ｃとから成る
凸稜面であり、入出射面の他方５２は、前記長矩形平面
の延びる方向と直交する方向に延びる第１〜第４の平面
がこの順で隣接して配列される凸稜面であり、第１平面
５９ａと第４平面５９ｄは、光軸に対して垂直な仮想平
面から同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であり、前記
第２平面５９ｂと第３平面５９ｃとは光軸に対して垂直
な仮想平面から第１平面と第４平面の傾斜角度よりも小
さい同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であり、入射し
た平行光線が光軸に対して垂直な同一平面上の２つの集
光面に集光するように、各面の傾斜角度が設定されてい
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、レーザ光を用いて
被加工物に対して孔開け等の加工を行うためのレーザ加
工装置に組み込んで使用するプリズム並びにこれを備え
るレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板上の比較的狭い領域に、例えば複数
の小さな貫通孔や溝孔を形成する場合、レーザ光を適用
する手法がある。この手法は、レーザ発振器と加工対象
物である基板との間にレンズ光学系を配置し、その途中
に所望の配列で複数の孔（あるいは切り欠き）を形成し
たマスクを置き、レーザ発振器から発振されたレーザ光
のうち、マスクの孔を通過したレーザ光によって、基板
上の一部を焼いて複数の貫通孔や溝孔を形成するという
ものである。

【０００３】この加工手法では、従来次のような２つの
課題があった。まず第１に、レーザ発振器から発振され
るレーザ光は、理論通りの均一な分布を有していない。
そのためマスク上の比較的離れた位置に形成された孔あ
るいは切り欠き部分を通過するレーザ光にエネルギー強
度の差があるため、精密な加工になればなる程、１つの
加工対象物の中で加工品質のバラツキを生じてしまう。

【０００４】例えば平坦な被加工物に対して、１０×１
０＝１００個の同一径の円形を同時に孔開け加工するよ
うな場合、レーザ光が均一な分布を有しないために、中
央付近は目的とする正確な径寸法の円形孔が形成される
が、周囲にいくに従って円の径寸法が小さくなっていく
傾向がある。また溝孔加工の場合には、やはり中央から
周囲にいくに従って溝の深さが浅くなってしまう傾向が
ある。

【０００５】そこでこのような加工品質の誤差をなくす
ために、従来からマスクより前のレーザ光路上にフライ
アイレンズ、縄の目レンズなどのホモジェナイザを設置
して、マスクに入射するレーザ光が均一な分布を有する
ようにしていた。しかし従来のホモジェナイザは構造が
複雑で製造が難しいため、高価であった。

【０００６】次に第２の課題として、例えばＴＡＢテー
プへの孔開け作業のように、単一の加工物内に２列以上
の加工箇所がある場合に、従来であると、レーザ発振器
から発振されるレーザビームは１条であるため、１列毎
に孔開け作業を行っていた。そのためＴＡＢテープの全
長に亙り孔開け作業を行うには多くの時間を要してい
た。

【０００７】一方、例えばＫｒ−Ｆエキシマレーザ（２
００Ｈｚ）など孔開け加工に使用されるレーザ光は、特
殊な加工対象物でない限り、孔開けを行うには十分なエ
ネルギーを有する。従って、この十分なエネルギーを有
効利用して一度に多くの加工処理が行えるようになれ
ば、経済的で且つ効率的な加工が行える。そこでこれを
実現するための手法を開発することがもう一つの課題と
なっていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような課
題を解決するためになされたものであって、十分なエネ
ルギーを有する１条のレーザビームを２条に分割し、し
かもその各々における断面のエネルギー分布がほぼ均一
であるようにレーザビームを加工する２面集光プリズム
並びにこれを備えるレーザ加工装置を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の２面集光プリズムは、互いに対向する光の
入出射面を有する凸型プリズムであって、上記入出射面
の一方は、光軸に対し垂直な長矩形平面と、該長矩形平
面の両側に位置し、該長矩形平面から対称的に順次傾斜
が大きくなる複数組の長矩形傾斜平面とから成る凸稜面
であり、上記入出射面の他方は、上記一方の入出射面の
長矩形平面の延びる方向と直交する方向に延びる第１〜
第４の平面がこの順で隣接して配列される凸稜面であ
り、上記第１平面と第４平面は、光軸に対して垂直な仮
想平面から同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であり、
上記第２平面と第３平面とは光軸に対して垂直な仮想平
面から上記第１平面と第４平面の傾斜角度よりも小さい
同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であり、上記一方の
入出射面に入射した平行光線が、上記他方の入出射面を
通過した後に光軸に対して垂直な同一平面上の２つの集
光面に集光するように、上記一方の入出射面における長
矩形傾斜平面と上記第１〜第４の面との傾斜角度が設定
されていることを特徴とする。

【００１０】また本発明の他の２面集光プリズムは、入
射プリズムと出射プリズムとの組み合わせから成る凸型
プリズムであって、上記入射プリズムは、光軸に対し垂
直な長矩形平面と、該長矩形平面の両側に位置し、該長
矩形平面から対称的に順次傾斜が大きくなる複数組の長
矩形傾斜平面とを有する凸稜面から成る入射面と、光軸
に対し垂直な平面から成る出射面とを有し、上記出射プ
リズムは、光軸に対し垂直な平面から成る入射面と、上
記入射プリズムの長矩形平面の延びる方向と直交する方
向に延びる第１〜第４の平面がこの順で隣接して配列さ
れる凸稜面から成る出射面とを有し、該出射面における
第１平面と第４平面は、光軸に対して垂直な仮想平面か
ら同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であり、上記出射
面における上記第２平面と第３平面とは光軸に対して垂
直な仮想平面から上記第１平面と第４平面の傾斜角度よ
りも小さい同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であり、
上記入射プリズムの入射面に入射した平行光線が、上記
出射プリズムの出射面を通過した後に光軸に対して垂直
な同一平面上の２つの集光面に集光するように、上記入
射プリズムの長矩形傾斜平面と上記出射プリズムの第１
〜第４の面の傾斜角度が設定されていることを特徴とす
る。

【００１１】また本発明の他の２面集光プリズムは、入
射プリズムと出射プリズムとの組み合わせから成る凸型
プリズムであって、上記出射プリズムは、光軸に対し垂
直な平面から成る入射面と、光軸に対し垂直な長矩形平
面および該長矩形平面の両側に位置し、該長矩形平面か
ら対称的に順次傾斜が大きくなる複数組の長矩形傾斜平
面とを有する凸稜面から成る出射面とを有し、上記入射
プリズムは、上記出射プリズムの長矩形平面の延びる方
向と直交する方向に延びる第１〜第４の平面がこの順で
隣接して配列される凸稜面から成る入射面と、光軸に対
し垂直な平面から成る出射面とを有し、上記入射面にお
ける第１平面と第４平面は、光軸に対して垂直な仮想平
面から同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であり、上記
入射面における上記第２平面と第３平面とは光軸に対し
て垂直な仮想平面から上記第１平面と第４平面の傾斜角
度よりも小さい同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であ
り、上記入射プリズムの入射面に入射した平行光線が、
上記出射プリズムの出射面を通過した後に光軸に対して
垂直な同一平面上の２つの集光面に集光するように、上
記出射プリズムの長矩形傾斜平面と上記入射プリズムの
第１〜第４の面の傾斜角度が設定されていることを特徴
とする。

【００１２】また本発明のレーザ加工装置は、レーザ発
振器から発振されるレーザ光を、２カ所に所定の形状を
切り欠いたマスクを介して加工対象物へ導き、上記加工
対象物に対して上記２カ所の所定の形状に対応する形状
の孔開けまたは溝付けを行うにおいて、上記レーザ発振
器から発振されるレーザ光を上記加工対象物まで導くた
めのレーザ光学系と；上記レーザ光学系の一部を構成す
る第１の可動ミラーと；第１の駆動信号に基づいて上記
第１の可動ミラーの傾斜角度を変えることができる第１
のミラー駆動手段と；上記第１の可動ミラーで反射した
レーザ光の一部を取り出す第１の取り出し手段と；上記
取り出されたレーザ光の光路位置を検出する第１の検出
手段と；上記検出された光路位置に基づいて、上記第１
の可動ミラーで反射したレーザ光の実際の光路と目標光
路とのズレ量を計算する演算手段と；上記演算手段で計
算された結果に基づいて上記第１の駆動信号を発生し、
上記第１の可動ミラーで反射したレーザ光が目標光路を
通るように上記ミラー駆動手段を駆動するコントローラ
と；上記レーザ光学系の一部を構成する上記いづれかの
２面集光プリズムとを有し、上記マスクが上記２面集光
プリズムの上記集光面を含む面上に配置されており、上
記マスクが上記２面集光プリズムの２つの集光面と一致
する領域内にそれぞれ上記２カ所の所定形状の切り欠き
を有し、上記目標光路が上記２面集光プリズムの最初の
入射面の中心に設定されていることを特徴とする。

【００１３】また上記レーザ加工装置は、上記レーザ光
学系の一部を構成する、上記第１の可動ミラーより光路
の下流側に位置する第２の可動ミラーと、第２の駆動信
号に基づいて上記第２の可動ミラーの傾斜角度を変える
ことができる第２のミラー駆動手段と、上記第２の可動
ミラーで反射したレーザ光の一部を取り出す第２の取り
出し手段と、上記第２の取り出し手段で取り出されたレ
ーザ光の光路位置を検出する第２の検出手段と、上記第
２の検出手段により検出された光路位置に基づいて、上
記第２の可動ミラーで反射したレーザ光の実際の光路と
目標光路とのズレ量を計算する演算手段と、上記演算手
段で計算された結果に基づいて上記第２の駆動信号を発
生し、上記第２の可動ミラーで反射したレーザ光が目標
光路を通るように上記第２のミラー駆動手段を駆動する
コントローラとを更に有していてもよい。

【００１４】また上記第１の検出手段および上記第２の
検出手段は、取り出されたレーザ光に垂直に置かれ、レ
ーザ光を可視光に変換するスクリーンと、上記スクリー
ンの背後に置かれ、レーザ光が上記スクリーンに当たっ
たときのレーザ光の断面画像を認識するＣＣＤカメラと
を有していてもよい。

【００１５】また上記演算手段では、上記ＣＣＤカメラ
で認識されたレーザ光の断面画像のアナログ情報をデジ
タル情報に変換し、窓枠内画素係数法で画像処理するよ
うにしてもよい。

【００１６】また上記レーザ加工装置は、上記マスク上
の２カ所の切り欠きを通過したレーザ光を２つの加工対
象物へ導く光学系と、上記２つの加工対象物を独立して
移動する手段とを有していてもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて説明する。図１に本発明の２面集光プリズム
を適用したレーザ加工装置１の全体的な概略図を示す。
この装置は一例として、基板に１列１０個の小孔を２列
同時に開けるためのものである。図１において符号３は
レーザ発振器であり、このレーザ発振器は２４８ｎｍＫ
ｒＦエキシマレーザを発振する。なお加工目的に応じて
適宜の異なるレーザ光、例えば１９３ｎｍＡｒＦエキシ
マレーザや他のガスレーザ、固体レーザ及び半導体レー
ザ等を適用することもできる。

【００１８】レーザ発振器３から発振されるレーザ光の
断面は、矩形形状を有するが、その断面領域におけるエ
ネルギー強度分布は実際には均一でない。本発明ではこ
れを均一にするために、ホモジェナイザの機能を有する
２面集光プリズムをレーザ光の光路途中に設けている
が、この点については後述する。

【００１９】レーザ発振器３から発振されたレーザ光Ｌ
は、可動全反射ミラー５に入射し、そこで反射されてほ
ぼ９０度向きを変えて可動半透過ミラー７に入射する。
可動半透過ミラー７ではレーザ光のほとんどが反射され
て、ほぼ９０度向きを変えることにより、固定の一部反
射ミラー９に入射する。可動半透過ミラー７で反射しな
かった残りの光は、可動半透過ミラー７を透過して後述
のオートアライメントシステムで使用される。

【００２０】また一部反射ミラー９に入射した光は、そ
のほとんどが一部反射ミラー９を透過して、それ以降の
光学系に至るが、一部反射ミラー９で反射されたレーザ
光は後述のオートアライメントシステムで使用される。

【００２１】一部反射ミラー９を透過したレーザ光は、
発散レンズ１１と収束レンズ１３とがこの順で配列され
構成されているエキスパンダ１５に入射する。発散レン
ズ１１に入射したレーザ光は拡がり、その後収束レンズ
１３に入射することにより、拡げられた状態で平行ビー
ムとなる。拡げられたレーザ光は２面集光プリズム１７
の所定の入射領域に入射する。ここで適用されている２
面集光プリズム１７は、以下述べるような特有な構造お
よび機能を有する。

【００２２】即ち２面集光プリズム１７は、図２に示す
ように入射側と出射側とがそれぞれ多面に分割された凸
稜面であり、これによりホモジェナイザとしての機能
と、入射ビームを２つに分割する機能とを併せ持つ。図
２、図３に示すように２面集光プリズム１７の入射側の
面５０は、垂直方向に長く延びる左、中、右の３つの面
５７ａ，５７ｂ，５７ｃから成る。中央に位置する長矩
形平面５７ｂは入射するレーザ光に対して垂直な面であ
り、この長矩形平面５７ｂを挟んだ左右の長矩形傾斜平
面５７ａ，５７ｃは、それぞれ長矩形平面５７ｂからレ
ーザ光の進行方向側へ一定の角度で対称的に傾斜してい
る。

【００２３】なお本例の２面集光プリズム１７では面５
０が３つに分割されているが、面５０を５以上の奇数に
分割するようにしてもよい。この場合には、光軸に対し
て垂直な面（長矩形平面）の両側に、該長矩形平面に近
い程傾斜が緩く、該長矩形平面から遠ざかる程傾斜が急
になるように、複数組の長矩形傾斜平面が対称的に形成
されるようにする。

【００２４】一方、２面集光プリズム１７の出口側の面
５２は入射側の面５０とは異なり、水平方向に延びる最
上部及び最下部の面５９ａ，５９ｂ及びそれらの間にあ
る上下の面５９ｃ，５９ｄの組み合わせから成る。面５
９ａ，５９ｂは、プリズムの上面５８ａ及び下面５８ｂ
から、それぞれレーザ光の進行方向に垂直な仮想平面
（図２において点Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓを含む平面）よりレー
ザ光の進行方向側へ角度θ₁だけ互いに対称的に傾斜し
ている。また面５９ｃ，５９ｄは、上記面５９ａ，５９
ｂから、レーザ光の進行方向に垂直な上記仮想平面より
レーザ光の進行方向側へ角度θ₂（θ₂＜θ₁）だけ互い
に対称的に傾斜している。

【００２５】図４（ａ）、図４（ｂ）は、２面集光プリ
ズム１７を通過するときのレーザ光の状態を、それぞれ
上方及び側方から見たときの様子を示している。図４
（ａ）において、２面集光プリズム１７に入射したレー
ザ光のうち、面５７ａと面５７ｃを通過したレーザ光
は、それぞれ２面集光プリズム１７ｂの中心方向へ屈折
する。これにより２面集光プリズム１７の入射側の３つ
の面から入射したレーザ光が、第１と第２の焦光面６
１、６３において集光する（第２の集光面６３は図４
（ａ）に示されていない）。

【００２６】図４（ａ）からわかるように、第１焦光面
６１（第２集光面６３も同様）は、プリズムを上方から
見たときに水平方向に細長く延びている。この第１の焦
光面６１では、図４（ａ）の左側に示されているレーザ
光のエネルギー分布のうち、例えばエネルギーの高いａ
の部分とエネルギーの低いｂの部分とが互いに重なり合
っているため、集光面６１の水平方向の全幅においてレ
ーザ光のエネルギー分布がほぼ均一化される。従って２
面集光プリズム１７はホモジェナイザとしての機能を有
する。

【００２７】また図４（ｂ）において、２面集光プリズ
ム１７に入射したレーザ光のうち、面５９ａ，５９ｂか
ら出るレーザ光は比較的大きく屈折し、また残りの面５
９ｃ，５９ｄから出るレーザ光は比較的小さく屈折し、
その結果これらの光は上記２つの集光面６１、６３に集
光する。

【００２８】図４（ｂ）からわかるように、出射側の各
面５９ａ〜５９ｄから出たレーザ光は、第１の焦光面６
１と第２の集光面６３とに上下に分かれて垂直方向には
比較的狭い範囲に集光する。このように２面集光プリズ
ム１７は、入射光を分割する機能を有する。

【００２９】なお図４（ｂ）を参照して各集光面６１、
６３の垂直方向のエネルギー分布を考える。図４（ｂ）
の左側に示されているレーザ光のエネルギー分布が、ｃ
の部分が１００、ｄの部分が７０、ｅの部分が３０であ
るようなエネルギー分布を有すると仮定する。この場
合、各集光面６１、６３では、各外側部分ｆのエネルギ
ーが１７０（１００＋７０）、各内側部分ｇのエネルギ
ーが１００（７０＋３０）となるようなエネルギー分布
を有することになる。

【００３０】従って入射側の最小エネルギーを有する部
分ｅと最大エネルギーを有する部分ｃとの差（１００−
３０）の最大エネルギーｃに対する比率は０．７０（＝
７０÷１００）となる。これに対し、各集光面６１、６
３でのこれに対応する比率は約０．４１（＝７０÷１７
０）となり、各集光面６１、６３でのエネルギーのばら
つきの方が、入射側でのそれよりも小さくなることがわ
かる。このように考えると、２面集光プリズム１７は図
２において垂直方向にも一種のホモジェナイザとしての
機能を有することになる。

【００３１】２面集光プリズム１７は以上のような構成
を有することにより、第１集光面６１と第２集光面６３
とは、図２で斜線で示すように、水平方向に細長く、垂
直方向に幅狭であるような形状となる。

【００３２】なお上記２面集光プリズム１７は、入射側
の各面が垂直方向に延び、出射側の各面が水平方向に延
びるようになっているが、図５に示すように入射側の面
が水平方向に延び、出射側の面が垂直方向に延びるよう
に配置しても構わない。２面集光プリズム１７をこのよ
うに配置する場合には、垂直方向に細長く、水平方向に
幅狭な形状を有する第１集光面６１と第２集光面６３と
が左右に並んで形成されるようになる。

【００３３】また図２、図５の２面集光プリズム１７の
配置とは反対に、面５２側を入射面とし、面５０側を出
射面とするように２面集光プリズム１７を配置しても構
わない。この場合にも上記と同様な２つの集光面６１，
６３が出射面側に得られる。

【００３４】図１に戻り、２面集光プリズム１７の各集
光面６１、６３と同一面上にマスク１９が置かれてい
る。図６に示すようにマスク１９には、各集光面６１、
６３が形成される領域内にそれぞれ横一列の１０個づつ
の孔６５、６７が形成されており、均一化されたレーザ
光は、これら各１０個づつの孔６５，６７を通過して固
定半透過ミラー２１に至る。そして第１集光面６１内の
孔６５を通過したレーザ光は、固定半透過ミラー２１で
大部分が反射して、ほぼ９０度向きを変えて第１トラン
スファレンズ２３に入射する。一方第２集光面６３内の
孔６７を通過したレーザ光は、固定半透過ミラー２１で
大部分が反射して、ほぼ９０度向きを変えて第２トラン
スファレンズ２４に入射する。

【００３５】各トランスファレンズ２３，２４は、図１
には具体的に示されていないが、いづれも４枚のレンズ
から構成される同一の構造であり、これらのレンズ群全
体によって、入射光を収束するように屈折させる。各ト
ランスファレンズ２３，２４を通過したレーザ光は、い
づれも各トランスファレンズ２３，２４の焦点距離と焦
点距離の２倍の距離との間の所定の位置に水平に置かれ
た一枚の基板Ｐ上に、各々１０個の孔６５，６７の列の
縮小反転像を形成する。

【００３６】基板Ｐは、ＸＹテーブル２５の上に置かれ
ており、ＸＹテーブル２５を移動することにより、基板
Ｐの各所望の孔開け位置を、マスク１９に形成された２
列の孔６５，６７の像の位置に一致させるように調整で
きる。

【００３７】以上述べた実施の形態では、２面集光プリ
ズム１７によって分割された２つのレーザ光が、同一の
基板Ｐ上の異なる加工部位に同時に照射される。そのた
め、異なる位置の加工部位を同時に加工することがで
き、従来よりも効率的な作業を行うことができる。

【００３８】また本実施の形態では、マスク１９上に同
一形状、同一配列の２列の孔を形成しているが、マスク
１９上に２つの異なる形状の孔や切り欠きあるいは異な
る配列の孔や切り欠きを形成することもできる。このよ
うにすれば、分割された２つのレーザ光によって、基板
Ｐ上でそれぞれ異なる形状の孔や溝を加工することがで
きる。

【００３９】２面集光プリズム１７は上述のようにホモ
ジェナイザとしての機能とビームを２つに分割するとい
う機能とを有するが、これらの機能を十分に発揮するた
めには、２面集光プリズム１７に入射するレーザ光が、
２面集光プリズム１７の入射面の所定の領域に正確に入
射しなければならない。そこで本例では、そのようなア
ライメントを自動的に行なうためのオートアライメント
システムを備えている。

【００４０】以下、本例のレーザ加工装置に適用されて
いるオートアライメントシステムについて説明する。こ
のシステムは、レーザ発振器３を長時間使用したときに
発生する熱の影響で生じたガス封入チャンバの変形等に
起因するレーザビームの光軸のずれを修正するためのも
のである。

【００４１】本実施の形態のオートアライメントシステ
ムは、第１および第２の２つの光軸補正機構を有する。
即ち上記実施の形態において、可動全反射ミラー５およ
び可動半透過ミラー７には、それぞれ各ミラーの傾斜角
度を変更するための揺動装置２９（第１の光軸補正機構
を構成する）と揺動装置３１（第２の光軸補正機構を構
成する）が設けられている。各揺動装置２９，３１に
は、２つづつのモータ２９Ａ，２９Ｂおよびモータ３１
Ａ，３１Ｂが設けられており、それぞれのモータが駆動
することにより、可動全反射ミラー５または可動半透過
ミラー７の各面の傾斜角度を自由に変えることができる
ようになっている。各モータ２９Ａ，２９Ｂ，３１Ａ，
３１Ｂの駆動は、多軸コントローラ３３により行われ
る。多軸コントローラ３３は、ＣＲＴ３５およびモニタ
３７に接続されたコンピュータ３９に接続している。

【００４２】一方第１の光軸補正機構に関して、可動全
反射ミラー５で反射されたレーザ光の光路を検知する機
構として、可動半透過ミラー７の背後には、可動半透過
ミラー７の透過光に対して垂直な向きでスクリーン４１
が設けられ、更にその背後にはＣＣＤカメラ４３が設け
られている。スクリーン４１は、例えば蛍光体を塗布し
たガラスや蛍光ガラスで構成されており、可動半透過ミ
ラー７を透過したレーザ光を可視光に変換する性質を有
する。これにより可動全反射ミラー５で反射されたレー
ザ光のうち、可動半透過ミラー７を透過したレーザ光の
光路を表す位置がスクリーン４１上に映し出される。従
ってＣＣＤカメラ４３でこれを画像として読み取ること
により、現在のレーザ光の光路を把握することができ
る。

【００４３】同様に第２の光軸補正機構に関して、可動
半透過ミラー７で反射されたレーザ光の光路を検知する
機構として、一部反射ミラー９の反射面側の下方には、
一部反射ミラー９の反射光に対して垂直な向きでスクリ
ーン４５が設けられ、更にその背後にはＣＣＤカメラ４
７が設けられている。これにより上記と同様な原理で、
可動半透過ミラー７で反射されたレーザ光の光路を把握
することができる。

【００４４】上記２つのＣＣＤカメラ４３、４７は、切
替スイッチ４９を介してコンピュータ３９に接続され
る。切替スイッチ４９は２つのＣＣＤカメラ４３，４７
とコンピュータ３９との接続を切り替えるためのもので
ある。ＣＣＤカメラの一方とコンピュータ３９とが接続
状態にあるときは、ＣＣＤカメラから出力されるアナロ
グ信号はコンピュータでＡＤ変換されてデジタル信号に
なり、その後の処理が行われる。なおＣＲＴ３５は取り
込まれた画像を処理するための操作をするためのもので
あり、モニタ３７は取り込まれた画像をリアルタイムに
映し出すためのものである。

【００４５】また上記第１、第２の光軸補正機構とは別
に、固定半透過ミラー２１の背後には、第１、第２の各
集光面６１、６３内の孔６５と孔６７とをそれぞれ通過
したレーザ光に対応してスクリーン４６とＣＣＤカメラ
４８ａ，４８ｂとが設けられている。これらのＣＣＤカ
メラ４８ａ，４８ｂは、マスク１９を通過する各レーザ
光の光路を最終的に確認して、レーザ光のホモジェニテ
ィの観測精度をより高めるためのものである。このＣＣ
Ｄカメラ４８ａ，４８ｂは切替スイッチ４９を介してコ
ンピュータ３９に接続されており、ＣＣＤカメラ４８
ａ，４８ｂで観測されたデータは、可動全反射ミラー
５、可動半透過ミラー７を駆動するときの補正のために
使用される。

【００４６】なお２つのＣＣＤカメラ４８ａ，４８ｂで
観測されたデータのうち一方のデータのみに異常がある
場合には、２面集光プリズム１７の出射側の面の加工精
度が上下で対称的になっていない場合があるので、２面
集光プリズム１７を取り替えるなどの対処が必要とな
る。

【００４７】次に図７を参照しながら本発明の他の形態
の２面集光プリズム１８を適用したレーザ加工装置１ａ
の実施の形態について説明する。図７においてレーザ発
振器３から光路に沿って収束レンズ１３までの構成およ
びその周辺の構成は上記実施の形態と同じであるので、
同一の参照符号を付してその説明を省略する。

【００４８】本例の２面集光プリズム１８は、図８に示
すように入射プリズム１８ａと出射プリズム１８ｂとか
ら構成されており、それらの各々は、前述した図２に示
す２面集光プリズム１７を、入射面５０と出射面５２の
ほぼ中間位置において光軸に垂直な平面で切断したとき
に形成されるものと同じ形態を有する。従って本例の２
面集光プリズム１８の入射面５０と出射面５２との形態
は、それぞれ図２のものと同じ形態であるから、図８に
はそれぞれ図２の対応する部分と同様な符号を示してあ
る。

【００４９】本例の２面集光プリズム１８を適用した場
合にも、前述の実施の形態と同様に図２、図４に示すよ
うな２つの集光面６１、６３が得られる。しかし図２に
示す２面集光プリズム１７と比較すると、本例の２面集
光プリズム１８では光軸方向への前後の移動ができるた
め、集光面６１、６３の焦点合わせを容易に行なうこと
ができるという利点がある。

【００５０】図７に戻り、上記実施の形態と同様な形態
を有するマスク１９の孔６５を通過したレーザ光は第１
の固定半透過ミラー２１ａで大部分が反射して、第１ト
ランスファレンズ２３に入射する。またマスク１９の孔
６７を通過したレーザ光は第２の固定半透過ミラー２１
ｂで大部分が反射して、第２トランスファレンズ２４に
入射する。なお両トランスファレンズ２３、２４の構造
は上記実施の形態と同様である。

【００５１】第１トランスファレンズ２３を通過した光
は、基板Ｐ₁上に１０個の孔６５の列の縮小反転像を形
成する。また第２トランスファレンズ２４を通過した光
は、他の基板Ｐ₂上に１０個の孔６７の列の縮小反転像
を形成する。

【００５２】各基板Ｐ₁、Ｐ₂はそれぞれ別のＸＹテーブ
ル２５ａ、２５ｂの上に置かれている。従って各基板Ｐ
₁、Ｐ₂を独立して移動することができる。

【００５３】また各固定半透過ミラー２１ａ、２１ｂの
背後には、それぞれスクリーン４６ａ、４６ｂとＣＣＤ
カメラ４８ａ、４８ｂとが設けられ、分割された各レー
ザ光の光路を最終的に確認している。

【００５４】このような構造を備えるレーザ加工装置１
ａでは、異なる基板Ｐ₁、Ｐ₂を一度に同時に加工するこ
とができるので効率的な作業を行える。またマスク１９
上に形成される各集光面６１、６３内に、形状、大き
さ、配列等がそれぞれ異なる孔や切り欠きを形成してお
けば、２つの基板Ｐ₁、Ｐ₂に対して全く異なる加工作業
を同時に行なうことができる。

【００５５】本発明の２面集光プリズム１７、１８をそ
れぞれ有するレーザ加工装置１、１ａは以上のような構
成を有する。以下その作動状態について、最初に説明し
たレーザ加工装置１に基づいて説明する。まずＸＹテー
ブル２５の上に基板Ｐを載せない状態で、レーザ発振器
３から発振されるレーザ光の光路調整を行う。

【００５６】これを行うには、まず切替スイッチ４９を
操作してＣＣＤカメラ４３をコンピュータ３９に接続し
ておく。この状態でレーザ発振器３からレーザ光を発振
し、可動半透過ミラー７を透過したレーザ光の断面画像
をスクリーン４１に映し出す。この断面画像をＣＣＤカ
メラ４３で読み取り、その信号を元にコンピュータ３９
等において画像処理する。以下、ここで行う画像処理の
一例として、窓枠内画素係数法について、図９および図
１０を参照しながら説明する。

【００５７】図９には、レーザ光の断面画像５１が、目
標位置５３を中心とする十字線５４を有する枠５５とと
もに記載されている。レーザ光の断面画像５１の中心が
目標位置５３の近傍に位置するときには、断面画像５１
と十字線５４とによりＡからＨまでの８つの領域が形成
される。

【００５８】これらの領域のうち、Ｂ，Ｃ，Ｆ，Ｇはレ
ーザ光が当たっている部分を示すため白く見え、Ａ，
Ｄ，Ｅ，Ｈの領域は黒く見える。これらＡ〜Ｈの各領域
の画素数ａ〜ｈを計算する（図１０中のステップＳ１を
参照、以下単にステップの符号を示す）。例えば、断面
画像５１が目標位置５３に対して水平方向で一致すれ
ば、ａとｄ、ｂとｃは同数である。またｅとｈ、ｆとｇ
も同数となる。同様に垂直方向で一致すれば、ａとｅ、
ｂとｆは同数であり、ｄとｈ、ｃとｇも同数である。従
って、これらの画素数が同数となるように制御を行えば
目的とする位置制御が可能となる。

【００５９】そこで次の式によりＦ１またはＦ２，Ｆ３
またはＦ４を計算する（Ｓ２）。

【００６０】

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【００６１】これらＦ１またはＦ２，Ｆ３またはＦ４に
基づく信号を、ズレ矯正信号として出力する。このズレ
矯正信号をもとに、多軸コントローラ３３が作動する。
まず揺動装置２９のモータ２９Ａを作動して、可動全反
射ミラー５を回動させて水平方向での角度を補正する
（Ｓ６）。Ｆ１またはＦ２が十分に０に近くなれば（Ｓ
７）、水平方向の補正を終了する（Ｓ８）。

【００６２】次に揺動装置２９のモータ２９Ｂを作動し
て、可動全反射ミラー５を回動させて垂直方向での角度
を補正する（Ｓ９）。Ｆ１またはＦ２が十分に０に近く
なれば（Ｓ１０）、垂直方向での補正を終了する（Ｓ１
１）。このようにしてモータ２９Ａ，２９Ｂを適宜作動
されることにより、可動全反射ミラー５を互いに直交す
る２軸の周りで揺動させて、可動全反射ミラー５で反射
されるレーザ光の光路軸のズレを矯正する。

【００６３】またレーザ光の断面画像５１が目標位置５
３の近傍にないときには、断面画像５１、十字線５４お
よび枠５５により８つの領域が形成されないので、補助
的に別な方法を採る。即ちこの場合には領域Ｂ，Ｃ，
Ｆ，Ｇの少なくともいづれかの画素数が０になる（Ｓ
３）。そのときは次式のベクトルＶを考え、ベクトルＶ
の大きさを計算する（Ｓ４）。

【００６４】

【数５】

【数６】

【００６５】そしてＶの大きさが０となる方向、即ち小
さくなる方向へ補正を行う（Ｓ５）。この補助的な方法
により、断面画像５１が目標位置５３の近傍に位置する
ようになった後に、上記ステップＳ６〜Ｓ１１により補
正を行い、可動全反射ミラー５で反射されるレーザ光の
光路軸のズレを矯正する。

【００６６】次に切替スイッチ４９を切り替えてＣＣＤ
カメラ４７をコンピュータ３９に接続する。そして上記
と同様な方法で可動半透過ミラー７で反射したレーザ光
の光路のズレを矯正する（Ｓ１〜Ｓ１１）。

【００６７】なおレーザ光の光路の補正を上記のように
２段階に行うのは、最初の光路補正で大まかな補正を行
い、後の光路補正で光路の微調整を行うことにより、よ
り正確で迅速な光路補正を実現するためである。

【００６８】上記画像処理方法の他に発光強度を二次元
または三次元のビームプロフィルとして画面に表示さ
せ、このプロフィルが所望の形状になるように制御して
位置制御を行うこともできる。

【００６９】また上記実施の形態の制御では、モニタ３
７でレーザ光の断面画像を観察しつつ矯正作業が行われ
るので、ズレ量の限界値の設定、即ちＦ１またはＦ２、
Ｆ３またはＦ４がどれだけ０に近づけば十分に「０」に
近いと判断させるかなどの設定は、使用するマスク毎や
加工条件毎に設定できる。

【００７０】上記のような初期の光路補正を行った後、
基板ＰをＸＹテーブル２５の上に載せ、ＸＹテーブル２
５を動かして基板Ｐを所定の位置に位置決めする。この
状態でレーザ発振器３からレーザ光を発振することによ
り、レーザ光は所定のコースからずれることなく２面集
光プリズム１７に入射する。従ってレーザ光は２面集光
プリズム１７の所定の領域に正確に入射することができ
るから、均一な集光面の形成を確実に行うことができ
る。このようにしてエネルギー強度分布が均一なレーザ
光が基板Ｐ上に照射され、その結果全体としてムラのな
い孔開け作業がなされる。

【００７１】また上記のオートアライメントシステム
は、初期の調整時だけでなく、レーザ加工装置を運転し
ている間にも連続して機能させることができる。このよ
うにすれば、光路軸の矯正作業のために、わざわざ装置
を停止させる必要がなく、長時間の連続運転が可能にな
る。なお以上の作動は、もう一方のレーザ加工装置１ａ
についても同様である。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１記
載の２面集光プリズムによれば、１本の入射光からほぼ
均一なエネルギー分布を有する２つの集光面を形成する
ことができる。従ってこの２つの集光面に対応する位置
に切り欠き等を有するマスクを配置し、このマスクを通
過したレーザ光を加工対象物に導くことにより、加工対
象物の異なる位置にあるいは異なる加工対象物に同時に
均質な加工を行なうことができる。また２カ所を同時に
加工できるため、効率的な加工作業を行える。

【００７３】また本発明の２面集光プリズムは、ホモジ
ェナイザとしての機能を備えるが、従来のホモジェナイ
ザに比べて製造が簡単でコストが掛からないという利点
がある。

【００７４】また請求項２または３記載の２面集光プリ
ズムは、入射プリズムと出射プリズムとの組み合わせよ
りなるから、入射プリズムと出射プリズムとの光軸方向
の距離を変えることにより、集光面の焦点合わせを良好
に行うことができる。

【００７５】更に請求項４および５記載のレーザ加工装
置では、オートアライメントシステムにより、レーザ光
を常時目標とする光路に矯正することができる。従って
レーザ光を上記で説明した構造の２面集光プリズムの所
定の入射領域に入射させることができるから、マスクに
対して常に均一なエネルギー強度分布を有するレーザ光
を入射させることができる。この結果、加工対象物での
加工ムラを生じない。

【００７６】更にまた請求項６記載のレーザ加工装置で
は、レーザ光を可視光に変えるスクリーン有するから、
レーザ光の光軸からのズレを画像処理技術を利用して演
算することができる。従ってこの演算結果を用いて、ミ
ラーを動かして光路軸のズレを短時間で容易にかつ安全
に矯正することができる。

【００７７】更にまた請求項８記載のレーザ加工装置で
は、２つの加工対象物を同時に加工することができるた
め、効率的な加工作業が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工装置の概略図である。

【図２】本発明の２面集光プリズムの斜視図である。

【図３】（ａ）は、本発明の２面集光プリズムを入射面
側から見た図、（ｂ）は本発明の２面集光プリズムを出
射面側から見た図である。

【図４】本発明の２面集光プリズムに入射するレーザ光
の光路およびその集光面の位置並びにレーザ光のエネル
ギー分布を示す図である。

【図５】本発明の２面集光プリズムの向きを変えて配置
したときの様子を示す斜視図である。

【図６】マスクおよびそこに形成される集光面を示す正
面図である。

【図７】本発明のレーザ加工装置の他の実施の形態を示
す概略図である。

【図８】入射プリズムと出射プリズムから成る本発明の
２面集光プリズムを示す斜視図である。

【図９】窓枠内画素係数法での画像処理を説明するため
の図である。

【図１０】画像処理の制御を示す流れ図である。

【符号の説明】

１，１ａ レーザ加工装置 ３ レーザ発振器 ５ 可動全反射ミラー ７ 可動半透過ミラー ９ 一部反射ミラー １１ 発散レンズ １３ 収束レンズ １５ エキスパンダ １７，１８ ２面集光プリズム １９ マスク ２１，２１ａ，２１ｂ 全反射ミラー ２３，２４ トランスファレンズ ２５ ＸＹテーブル ２９ 揺動装置 ３１ 揺動装置 ２９Ａ、２９Ｂ，３１Ａ，３１Ｂ モータ ３３ 多軸コントローラ ３５ ＣＲＴ ３７ モニタ ３９ コンピュータ ４１、４５、４６ スクリーン ４３、４７、４８ ＣＣＤカメラ ４９ 切替スイッチ ５０ ２面集光プリズムの入射面 ５１ レーザ光の断面画像 ５２ ２面集光プリズムの出射面 ５３ 目標位置 ５４ 十字線 ５５ 枠 ５７ａ，５７ｃ 長矩形傾斜平面 ５７ｂ 長矩形平面 ５９ａ ２面集光プリズムの出射側の最上部の面 ５９ｂ ２面集光プリズムの出射側の最下部の面 ５９ｃ ２面集光プリズムの出射側の内側上部の面 ５９ｄ ２面集光プリズムの出射側の内側下部の面 ６１ 第１集光面 ６３ 第２集光面 ６５ 第１集光面の領域に形成された孔 ６７ 第２集光面の領域に形成された孔 Ｌ レーザ光 Ｐ，Ｐ₁，Ｐ₂ 基板

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに対向する光の入出射面を有する凸
   型プリズムであって、 前記入出射面の一方は、光軸に対し垂直な長矩形平面
   と、該長矩形平面の両側に位置し、該長矩形平面から対
   称的に順次傾斜が大きくなる複数組の長矩形傾斜平面と
   から成る凸稜面であり、 前記入出射面の他方は、前記一方の入出射面の長矩形平
   面の延びる方向と直交する方向に延びる第１〜第４の平
   面がこの順で隣接して配列される凸稜面であり、前記第
   １平面と第４平面は、光軸に対して垂直な仮想平面から
   同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であり、前記第２平
   面と第３平面とは光軸に対して垂直な仮想平面から前記
   第１平面と第４平面の傾斜角度よりも小さい同じ角度で
   傾斜した長矩形傾斜平面であり、 前記一方の入出射面に入射した平行光線が、前記他方の
   入出射面を通過した後に光軸に対して垂直な同一平面上
   の２つの集光面に集光するように、前記一方の入出射面
   における長矩形傾斜平面と前記第１〜第４の面との傾斜
   角度が設定されていることを特徴とする２面集光プリズ
   ム。
2. 【請求項２】 入射プリズムと出射プリズムとの組み合
   わせから成る凸型プリズムであって、 前記入射プリズムは、光軸に対し垂直な長矩形平面と、
   該長矩形平面の両側に位置し、該長矩形平面から対称的
   に順次傾斜が大きくなる複数組の長矩形傾斜平面とを有
   する凸稜面から成る入射面と、光軸に対し垂直な平面か
   ら成る出射面とを有し、 前記出射プリズムは、光軸に対し垂直な平面から成る入
   射面と、前記入射プリズムの長矩形平面の延びる方向と
   直交する方向に延びる第１〜第４の平面がこの順で隣接
   して配列される凸稜面から成る出射面とを有し、該出射
   面における第１平面と第４平面は、光軸に対して垂直な
   仮想平面から同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であ
   り、前記出射面における前記第２平面と第３平面とは光
   軸に対して垂直な仮想平面から前記第１平面と第４平面
   の傾斜角度よりも小さい同じ角度で傾斜した長矩形傾斜
   平面であり、 前記入射プリズムの入射面に入射した平行光線が、前記
   出射プリズムの出射面を通過した後に光軸に対して垂直
   な同一平面上の２つの集光面に集光するように、前記入
   射プリズムの長矩形傾斜平面と前記出射プリズムの第１
   〜第４の面の傾斜角度が設定されていることを特徴とす
   る２面集光プリズム。
3. 【請求項３】 入射プリズムと出射プリズムとの組み合
   わせから成る凸型プリズムであって、 前記出射プリズムは、光軸に対し垂直な平面から成る入
   射面と、光軸に対し垂直な長矩形平面および該長矩形平
   面の両側に位置し、該長矩形平面から対称的に順次傾斜
   が大きくなる複数組の長矩形傾斜平面とを有する凸稜面
   から成る出射面とを有し、 前記入射プリズムは、前記出射プリズムの長矩形平面の
   延びる方向と直交する方向に延びる第１〜第４の平面が
   この順で隣接して配列される凸稜面から成る入射面と、
   光軸に対し垂直な平面から成る出射面とを有し、前記入
   射面における第１平面と第４平面は、光軸に対して垂直
   な仮想平面から同じ角度で傾斜した長矩形傾斜平面であ
   り、前記入射面における前記第２平面と第３平面とは光
   軸に対して垂直な仮想平面から前記第１平面と第４平面
   の傾斜角度よりも小さい同じ角度で傾斜した長矩形傾斜
   平面であり、 前記入射プリズムの入射面に入射した平行光線が、前記
   出射プリズムの出射面を通過した後に光軸に対して垂直
   な同一平面上の２つの集光面に集光するように、前記出
   射プリズムの長矩形傾斜平面と前記入射プリズムの第１
   〜第４の面の傾斜角度が設定されていることを特徴とす
   る２面集光プリズム。
4. 【請求項４】 レーザ発振器から発振されるレーザ光
   を、２カ所に所定の形状を切り欠いたマスクを介して加
   工対象物へ導き、前記加工対象物に対して前記２カ所の
   所定の形状に対応する形状の孔開けまたは溝付けを行う
   レーザ加工装置において、 前記レーザ発振器から発振されるレーザ光を前記加工対
   象物まで導くためのレーザ光学系と；前記レーザ光学系
   の一部を構成する第１の可動ミラーと；第１の駆動信号
   に基づいて前記第１の可動ミラーの傾斜角度を変えるこ
   とができる第１のミラー駆動手段と；前記第１の可動ミ
   ラーで反射したレーザ光の一部を取り出す第１の取り出
   し手段と；前記取り出されたレーザ光の光路位置を検出
   する第１の検出手段と；前記検出された光路位置に基づ
   いて、前記第１の可動ミラーで反射したレーザ光の実際
   の光路と目標光路とのズレ量を計算する演算手段と；前
   記演算手段で計算された結果に基づいて前記第１の駆動
   信号を発生し、前記第１の可動ミラーで反射したレーザ
   光が目標光路を通るように前記ミラー駆動手段を駆動す
   るコントローラと；前記レーザ光学系の一部を構成する
   前記請求項１乃至３記載のいづれかの２面集光プリズム
   とを有し、 前記マスクが前記２面集光プリズムの前記集光面を含む
   面上に配置されており、前記マスクが前記２面集光プリ
   ズムの２つの集光面と一致する領域内にそれぞれ前記２
   カ所の所定形状の切り欠きを有し、 前記目標光路が前記２面集光プリズムの最初の入射面の
   中心に設定されていることを特徴とするレーザ加工装
   置。
5. 【請求項５】 前記レーザ光学系の一部を構成する、前
   記第１の可動ミラーより光路の下流側に位置する第２の
   可動ミラーと、 第２の駆動信号に基づいて前記第２の可動ミラーの傾斜
   角度を変えることができる第２のミラー駆動手段と、 前記第２の可動ミラーで反射したレーザ光の一部を取り
   出す第２の取り出し手段と、 前記第２の取り出し手段で取り出されたレーザ光の光路
   位置を検出する第２の検出手段と、 前記第２の検出手段により検出された光路位置に基づい
   て、前記第２の可動ミラーで反射したレーザ光の実際の
   光路と目標光路とのズレ量を計算する演算手段と、 前記演算手段で計算された結果に基づいて前記第２の駆
   動信号を発生し、前記第２の可動ミラーで反射したレー
   ザ光が目標光路を通るように前記第２のミラー駆動手段
   を駆動するコントローラとを更に有することを特徴とす
   る請求項４記載のレーザ加工装置。
6. 【請求項６】 前記第１の検出手段および前記第２の検
   出手段は、取り出されたレーザ光に垂直に置かれ、レー
   ザ光を可視光に変換するスクリーンと、 前記スクリーンの背後に置かれ、レーザ光が前記スクリ
   ーンに当たったときのレーザ光の断面画像を認識するＣ
   ＣＤカメラとを有することを特徴とする請求項４または
   ５記載のレーザ加工装置。
7. 【請求項７】 前記演算手段では、前記ＣＣＤカメラで
   認識されたレーザ光の断面画像のアナログ情報をデジタ
   ル情報に変換し、窓枠内画素係数法で画像処理すること
   を特徴とする請求項６記載のレーザ加工装置。
8. 【請求項８】 前記マスク上の２カ所の切り欠きを通過
   したレーザ光を２つの加工対象物へ導く光学系と、前記
   ２つの加工対象物を独立して移動する手段とを有するこ
   とを特徴とする請求項４〜７記載のレーザ加工装置。