WO2006100798A1

WO2006100798A1 - ハイブリッドレーザ加工装置

Info

Publication number: WO2006100798A1
Application number: PCT/JP2005/019298
Authority: WO
Inventors: Ryoji Koseki; Motoi Sasaki; Yoshihiro Kawahara
Original assignee: Shibuya Kogyo Co., Ltd.
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2006-09-28
Also published as: JP5035653B2; EP1859890A4; EP1859890A1; KR20070114356A; US20080169275A1; EP1859890B1; JP2006255768A; CN101142050B; CN101142050A; KR101198341B1; US7705266B2

Abstract

　ハイブリッドレーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、液体を供給する高圧ポンプ５とを備えており、高圧ポンプ５より供給された液体は、加工ヘッド６の先端に設けられた噴射ノズル１３より噴射され、液柱Ｗとなって被加工物２へと到達する。　上記噴射ノズル１３には被加工物２に向けて縮径する第１傾斜面１３ｂが形成されており、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ１２は、レーザ光Ｌの焦点を上記噴射ノズル１３を越えた被加工物２側に位置させ、また最小径部１３ｄよりも外側のレーザ光Ｌが上記第１傾斜面１３ｂに反射してから上記液柱Ｗに導光されるようにしている。　集光レンズと噴射ノズルとの位置合せが容易で、導光されたレーザ光が液柱より外部に飛び出すことがなく、しかも製造コスト及びランニングコストを低廉にすることができる。

Description

明細書

ハイブリッドレーザ加工装置

技術分野

[0001] 本発明はハイブリッドレーザカ卩ェ装置に関し、具体的には、噴射ノズルが噴射した液柱にレーザ光を導光して被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置に関する。

背景技術

[0002] 従来、噴射孔を有する噴射ノズルと、当該噴射ノズルに高圧の液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズとを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射孔力液柱にして外部に噴射させると共に、集光レンズによって上記液柱にレ一ザ光を導光して、被カ卩ェ物の加工を行うハイブリッドレーザカ卩ェ装置が知られてヽる。

このようなハイブリッドレーザカ卩ェ装置として、加工ヘッドの先端に液柱ビームを噴射するノズル通路の形成されたノズルブロックを設け、フォーカスレンズがレーザ光を上記ノズル通路の入口開口〖こ集光することで、ノズル通路より噴出する液体ビームにレーザビームを導光するものが知られている。（特許文献 1)

また、他のハイブリッドレーザカ卩ェ装置として、加工ヘッドの内部に被加工物に向けて縮径する円錐面と円筒面とを形成し、上記円筒面の先端より柱状に水を噴射させるとともに、レーザ光をこれら上記円錐面および円筒面に反射させることで、レーザ光を噴射された水に導光するものが知られている。（特許文献 2)

特許文献 1：特表平 10— 500903号公報

特許文献 2 :特開 2001— 321977号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しカゝしながら、特許文献 1の場合、フォーカスレンズはレーザビームの焦点を上記ノズル通路の入口開口に位置させなければならず、入口開口を小径にすればするほど、レーザビームの焦点の調整が困難となる。

また、特許文献 2の場合、レーザ光が円錐面および円筒面で反射を繰り返す結果、噴射された水柱に導光されるレーザ光は、当該水柱の境界面への入射角が小さくなりすぎてしまい、レーザ光が水柱の外部に飛び出してしまうといった問題がある。さらに、上記円錐面および円筒面でレーザ光を何度も反射させているので、これら円錐面および円筒面の全体に鏡面カ卩ェ等の処理を施す必要があり、加工ヘッドのコストが高!ヽと、う問題がある。

このような問題に鑑み、本発明は集光レンズによるレーザ光の焦点位置の調整が容易で、導光されたレーザ光が液柱より外部に飛び出すことがなぐし力も製造コストを低廉にすることの可能なハイブリッドレーザ加工装置を提供するものである。

課題を解決するための手段

[0004] すなわち、本発明のハイブリッドレーザカ卩ェ装置は、噴射孔を有する噴射ノズルと、当該噴射ノズルに高圧の液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器カゝら発振されたレーザ光を集光する集光レンズとを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射孔から液柱にして外部に噴射させると共に、集光レンズによって上記液柱にレーザ光を導光して、被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置において、

上記噴射孔入口に被加工物に向けて縮径する傾斜面を形成するとともに、上記集光レンズの焦点を上記傾斜面の最小径部よりも被加工物側に超えた液柱内に設定し、かつ上記噴射孔内に照射されたレーザ光を上記傾斜面で反射させて力上記液柱に導光するように設定したことを特徴として、る。

発明の効果

[0005] 上記発明によれば、上記噴射孔に形成された傾斜面の最小径部の径で液柱が噴射されるが、上記集光レンズはレーザ光を上記最小径部よりも小さく集光する必要は無ぐ少なくともレーザ光を噴射孔の入口より小さくして、上記傾斜面で反射するように集光すれば良、ので、レーザ光の焦点位置の調整が容易となる。

また、レーザ光の焦点を上記傾斜面の最小径部よりも被加工物側に設定し、レーザ光を上記傾斜面に反射させようとすると、上記傾斜面の円錐角よりも集光されるレ一ザ光の円錐角のほうが小さくなり、これによりレーザ光が傾斜面で反射する回数を抑えることができる。

このため、液柱に導光されるレーザ光の液柱と外気との境界面への入射角が大きくなり、レーザ光が液柱より外部に飛び出すのが防止され、さらには噴射ノズル内部の鏡面加工等の範囲を少なくして噴射ノズルのコストを低廉にすることができる。

発明を実施するための最良の形態

[0006] 以下図示実施例について説明すると、図 1には本発明に力かるハイブリッドレーザ加工装置 1を示し、液体の噴射により形成した液柱 Wにレーザ光 Lを導光することで、被加工物 2を所要形状に切断加工する装置となって、る。

このハイブリッドレーザカ卩ェ装置 1は、上記被力卩ェ物 2を支持する加工テーブル 3と、レーザ光 Lを発振するレーザ発振器 4と、水等の液体を供給する液体供給手段としての高圧ポンプ 5と、被力卩ェ物 2に向けて液体を液柱 Wとして噴射するとともに、レーザ光 Lを上記液柱 Wに導光する加工ヘッド 6とを備えている。

上記加工テーブル 3は従来公知であるので詳細な説明をしな、が、上記被加工物 2を加工ヘッド 6に対して水平方向に移動させるようになっており、また上記加工へッド 6は図示しな、昇降手段によって垂直方向に移動するようにされて!、る。

本実施例では、上記被力卩ェ物 2として板厚の薄い半導体ウェハを切断加工し、この他にもエポキシ榭脂板ゃ榭脂と金属カゝらなる複合材料なども切断加工することができる。また、切断加工のほかにも、被力卩ェ物 2表面に対して溝力卩ェを行うことも可能である。

また上記レーザ発振器 4は YAGレーザであり、加工に応じて CW発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期を適宜調整できるようになっている。

さらに、レーザ発振器 4としてこの他にも半導体レーザや COレーザ等を用いること

2

も可能である力 COレーザのように照射されるレーザ光 Lが水に吸収されやすい波

2

長である場合には、加工ヘッド 6より噴射される液体をレーザ光 Lが吸収されないような液体にすればよい。

[0007] 次に上記加工ヘッド 6について説明すると、加工ヘッド 6は図示しない昇降手段に固定された平板状のフレーム 11と、上記レーザ光 Lを集光する集光レンズ 12と、上記高圧ポンプ 5より供給された液体を液柱 Wにして噴射するとともに、当該液柱 Wにレーザ光 Lを導光する噴射ノズル 13と、上記集光レンズ 12と噴射ノズル 13の相対位置や角度を調整する調整手段 14とを備えている。

なお図 1では、説明のため図示下方側 (後述する第 6プレート 41より下方)の断面図は、図 2における I—Iの断面で切断した断面図となっている。

上記フレーム 11はレーザ発振器 4によって発振されるレーザ光 Lの光軸上に設けられており、レーザ光 Lの光軸が通過する位置には円形の貫通孔 11aが形成されている。

上記集光レンズ 12はレーザ光 Lの光軸上に配置され、円筒状のレンズホルダ 21の下端に保持されるとともに、このレンズホルダ 21は略十字型（図 2参照）の取付ステー 22を介してフレーム 11の下面に固定されて!、る。

なお、図 2は、図 1における II IIの断面で切断した断面図となっている力説明のため、下記第 2保持円筒 28bについては表示を省略している。

また上記噴射ノズル 13もレーザ光 Lの光軸上に配置されており、この噴射ノズル 13 は円筒状のノズルホルダ 23の下端に保持されると共に、当該ノズルホルダ 23は上記調整手段 14によって移動するようになって、る。

図 3は上記噴射ノズル 13およびノズルホルダ 23の拡大図を示し、上記ノズルホルダ 23には被力卩ェ物 2側力も順に、小径部 23a、中径部 23b、大径部 23cが形成され、上記噴射ノズル 13は上記小径部 23aの下端にリング状の保持部材 24を用いて固定されている。

上記噴射ノズル 13はステンレス製で、噴射ノズル 13の中央には噴射孔 13aが形成され、該噴射孔 13aには、被加工物 2に向けて縮径する第 1傾斜面 13bと、当該第 1 傾斜面 13bよりも被加工物 2側に形成されて被加工物 2に向けて拡径する第 2傾斜面 13cとが形成されている。

上記第 1傾斜面 13bと第 2傾斜面 13cとは、最小径部 13dで接続されており、上記第 1傾斜面 13bには、レーザ光 Lを反射させるための鏡面力卩ェが施されている。また、後に詳述するように、上記第 1傾斜面 13bの角度は、上記集光レンズ 12によつて集光されるレーザ光 Lの円錐角よりも大きくなるように設定されて!、る。

[0009] 上記ノズルホルダ 23の中径部 23bには、シール部材 25を介してガラス板 26がはめ込まれ、このガラス板 26は上記中径部 23bの内周面にカ卩ェされたねじ部に螺合するナット 27によって固定されてヽる。

また、上記小径部 23aの位置には、小径部 23aを中心に同心円上に等間隔に 4つの接続口 23dが形成されており、この接続口 23dは液体通路 23eを介して小径部 23 aに連通し、上記高圧ポンプ 5によって送液された液体は上記ガラス板 26よりも下方の小径部 23a内に供給される。

そして上記保持部材 24の中央には、上記第 2傾斜面 13cよりも大径の貫通孔が設けられており、この貫通孔は上記第 2傾斜面 13cと共に、噴射ノズル 13から噴射される液柱 Wを囲繞するエアポケット Pを構成して、る。

[0010] 上記調整手段 14は、上記ノズルホルダ 23を保持する保持円筒 28と、当該保持円筒 28を水平方向に移動させる XY軸ステージ 29と、 XY軸ステージ 29を垂直方向に移動させる Z軸ステージ 30と、 Z軸ステージ 30の角度を変更させる角度調整ステージ

31とを備えている。

上記保持円筒 28は円筒状の第 1保持円筒 28aおよび第 2保持円筒 28bから構成され、このうち第 1保持円筒 28aは上記 XY軸ステージ 29に固定され、第 2保持円筒 28 bの下端には上記ノズルホルダ 23が固定されている。そして噴射ノズル 13における噴射孔 13aの中心軸と第 1,第 2保持円筒 28a, 28bの中心軸とがー致するようになつている。

また、上記第 2保持円筒 28bの内部には上記レンズホルダ 21が相互に接触しないように収容されており、第 1保持円筒 28aおよび第 2保持円筒 28bは、上記レンズホルダ 21をフレーム 11に固定する上記取付ステー 22と干渉しないよう、上記 4本の連結部材 32 (図 2参照）によって連結されている。

[0011] 上記 XY軸ステージ 29は、上記第 1保持円筒 28aを固定する第 1プレート 33と、第 1 プレート 33を下方力も保持する第 2プレート 34と、第 2プレート 34を下方力も保持する第 3プレート 35と、第 1保持円筒 28aを図示左右方向の X軸方向と、図示奥行き方向の Y軸方向とに移動させるマイクロメータ 36, 37とを備えている。上記第 1〜第 3プレート 33〜35の中央にはそれぞれ貫通孔 33a〜35aが形成され、第 1プレート 33の貫通孔 33aには、第 1プレート 33の上面に固定された固定部材 3 3bにより、上記第 1保持円筒 28aが垂下するように固定されている。

また図 4に示すように、第 1〜第 3プレート 33〜35は平面的に略正方形の形状を有し、その側面がそれぞれ上記 X軸方向及び Y軸方向を向くように設置されている。さらに、上記第 1プレート 33と第 2プレート 34とは、 X軸方向に形成された図示しないレールによって X軸方向に相対移動し、上記第 2プレート 34と第 3プレート 35とは、 Y軸方向に形成されたレール 35b (図 1参照）によって Y軸方向に相対移動するようになっている。

そして上記マイクロメータ 36、 37は上記第 2プレート 34の側面にそれぞれ X軸方向及び Y軸方向に向けて固定され、第 1プレート 33の側面には、マイクロメータ 36によつて押圧可能な位置に突起 33cが設けられ、上記第 3プレート 35の側面には、上記マイクロメータ 37の先端によって押圧可能な位置に突起 35cが設けられている。このような構成により、 X軸方向を向いたマイクロメータ 36によって上記突起 33cを押圧することで、ノズルホルダ 23を保持円筒 28および第 1プレート 33ごと X軸方向に移動させることができ、また Y軸方向を向いたマイクロメータ 37を操作することで、ノズルホルダ 23を保持円筒 28および第 1、第 2プレート 33、 34ごと Y軸方向に移動させることがでさる。

上記 Z軸ステージ 30はその上面に上記第 3プレート 35を固定する第 4プレート 38と、上記角度調整ステージ 31の上面に固定された第 5プレート 39と、第 4、第 5プレート 38, 39の間に設けられた 2つのノヽンドノレ 40とを備え、第 4、第 5プレート 38, 39の中央には、移動する第 1保持円筒 28aと接触しない範囲で貫通孔 38a, 39aが形成されている。

ここで、上記ハンドル 40は従来公知のジャッキスクリュー方式によって第 4プレート 3 8を昇降させるものであり、その構成については詳細な説明を省略する。

そしてこの Z軸ステージ 30によれば、上記ハンドル 40の!、ずれか一方を操作することで第 4プレート 38は第 5プレート 39に対して平行を保ったまま昇降し、上記ノズルホルダ 23を保持円筒 28及び XY軸ステージ 29ごと昇降させることができる。 [0013] そして角度調整ステージ 31は、その上面に上記 Z軸ステージ 30を固定する第 6プレート 41と、上記フレーム 11を貫通し、その先端で第 6プレート 41を下方力も保持する支点ボルト 42と、同じく第 6プレート 41を下方力も保持する 2本の調整ボルト 43 (図 5参照）とを備えている。

図 2に示すように、上記第 6プレート 41は略正方形の形状を有しており、上記支点ボルト 42は、第 6プレート 41の四隅のうちのいずれかの隅部を下面から支持し、上記調整ボルト 43は、上記支点ボルト 42を挟んだ位置の隅部を下面カゝら支持するようになっている。

図 5に示すように、上記支点ボルト 42および調整ボルト 43の先端は半球状にカロェされ、その先端は第 6プレート 41に埋設された受け部材 44の凹部 44aに収容されるようになっている。

そして、上記調整ボルト 43はフレーム 11の下面側に位置するダイヤル 43aによってボルトの先端を上下に移動させることができるようになっており、これら 2つの調整ボルト 43を用いることで、第 6プレート 41のフレーム 11に対する傾きを変更することができる。

すなわち、 2つの調整ボルト 43により、上記ノズルホルダ 23のフレーム 11に対する傾きを、保持円筒 28および XY軸ステージ 29、 Z軸ステージ 30ごと調整することができる。

このような構成を有する調整手段 14によれば、 XY軸ステージ 29および角度調整ステージ 31を用いることで、レーザ発振器 4より照射されたレーザ光 Lの光軸に対し、噴射ノズル 13より噴射される液柱 Wの位置と角度とを一致させることができ、また Z軸ステージ 30を用いることで、集光レンズ 12によって集光されるレーザ光 Lの焦点位置を、液柱 Wの方向に沿って移動させることができる。

[0014] 図 6は上記噴射ノズル 13の拡大図を示しており、この図において、レーザ光 Lの光軸と噴射ノズル 13より噴射される液柱 Wの中心軸とは、上記調整手段 14の XY軸ステージ 29及び角度調整ステージ 31によって一致するように調整されて!、る。

本実施例では、噴射ノズル 13の噴射孔 13aの第 1傾斜面 13bの最小径部 13dの径は m、最大径部 13eの径は m、最小径部 13dから最大径部 13eまでの Z軸方向の距離は 100 /z mとなっており、また第 1傾斜面の円錐角 θ 1は、集光レンズ 12 によって集光されるレーザ光 Lの円錐角 Θ 2よりも大きくなるように設定されている。この状態で上記高圧ポンプ 5によってノズルホルダ 23内に液体を供給すると、当該液体はノズルホルダ 23の小径部 23a内を経て、上記噴射ノズル 13の噴射孔 13aより被力卩ェ物 2に向けて噴射される。

このとき、第 1傾斜面 13bの下部には第 2傾斜面 13c及び保持部材 24の貫通孔によって、エアポケット Pが形成されているため、噴射された液体は拡散することなぐ第 1傾斜面 13bの最小径部 13dの径とほぼ同径の液柱 Wとなって噴射される。

次に、レーザ発振器 4よりレーザ光 4が発振され、このレーザ光 Lは集光レンズ 12によって集光された後、上記ガラス板 26とノズルホルダ 23の小径部 23a内に充満する液体とを透過して、上記噴射ノズル 13へと照射される。

本実施例では、上記 Z軸ステージ 30を調整することで、レーザ光 Lの焦点が上記第 1傾斜面 13bの最小径部 13dを越えた液柱 W内に位置し、かつ、レーザ光 Lが噴射孔 13aの最大径部 13eよりも小さく集光されるようになっている。

なお、図 6には破線により噴射ノズル 13がない場合のレーザ光 Lの焦点を示している。

このようにして集光されたレーザ光 Lは、最小径部 13dよりも外側の部分が上記第 1 傾斜面 13bによって遮られ、当該部分が一度だけ第 1傾斜面 13bに反射した後、上記液柱 Wにおける外気との境界面で臨界角より大きい入射角で反射を繰り返しながら被加工物 2まで導光される。

このように、本実施例のハイブリッドレーザカ卩ェ装置 1によれば、レーザ光 Lの焦点を噴射ノズル 13における第 1傾斜面 13bの最小径部 13dを越えた液柱 W内に設定し、最小径部 13bより外側に位置するレーザ光 Lは上記第 1傾斜面 13bに反射して液柱 W内に導光されるので、レーザ光 Lの焦点位置力 ¾軸方向に多少ずれていても、レーザ光 Lを液柱 Wに導光することができ、上記 Z軸ステージ 30によるレーザ光の焦点位置の調整が容易となる。

これに対し、上記特許文献 1では、噴射ノズルの開口部にレーザ光の焦点を設定しなければならず、焦点位置が Z軸方向にずれてしまうと、噴射ノズルにレーザ光が反射して液柱内にレーザ光が導光されないばかりか、レーザ光が予期しない壁面に照射されてしま、、加工ヘッド自体が損傷してしまうおそれがあった。

また、レーザ光 Lは第 1傾斜面 13bに一度だけ反射するようになっているので、噴射ノズル 13に対する鏡面カ卩ェ等の範囲を少なくすることができ、また本実施例の場合、レーザ光 Lの反射によって噴射ノズル 13の反射面が損傷しても、ノズルホルダ 23の先端に設けられた噴射ノズル 13だけを交換すれば良ヽので、製造コストとランニングコストを低減することができる。

これに対し、上記特許文献 2では噴射ノズル内で何度もレーザ光を反射させてヽるので、鏡面加工等の範囲を広くする必要があり、またレーザ光の反射によって噴射ノズルが損傷した場合、噴射ノズル全体の交換'修理が必要となるので、製造コストとランユングコストが高、ものとなって、た。

さらに、レーザ光 Lは第 1傾斜面 13bに一度だけ反射するようになっているので、液柱 W内の外気との境界面で反射するレーザ光 Lの入射角が必要以上に小さくなることは無ぐ液柱の境界面におけるレーザ光の入射角を臨界角よりも大きくすることができるので、レーザ光 Lが液柱 Wより外気中に飛び出してしまうことはない。

これに対し、上記特許文献 2では噴射ノズル内で何度もレーザ光を反射させており、反射のたびに噴射ノズル内壁面での入射角が小さくなつてしまうことから、液柱の境界面におけるレーザ光の入射角が臨界角よりも小さくなつてしまい、レーザ光が外気中に飛び出してしまうおそれがあった。

[0016] なお、上記実施例において、噴射ノズル 13はステンレス製であって第 1傾斜面 13b に鏡面加工を施しているが、上記第 1傾斜面 13bにレーザ光 Lを反射させるコーティングを施せば、噴射ノズル 13の素材を他の素材とすることも可能である。

また、上記実施例では集光レンズ 12はフレーム 11に固定され、集光レンズ 12の位置や角度を調整できないようになっているが、別途調整手段を設けて、集光レンズ 1 2の位置や角度の調整をすることも可能である。

図面の簡単な説明

[0017] [図 1]本実施例におけるハイブリッドレーザ加工装置の断面図。

[図 2]図 1の II一 II断面における平面図。 [図 3]噴射ノズル及びノズルホルダについての断面図 [図 4]XY軸ステージにつ!/、ての平面図。

[図 5]図 2の V— V断面における断面図。

[図 6]噴射ノズルにっヽての拡大断面図。

符号の説明

1 ハイブリッドレーザ加工装置 2 被加工物

4 レーザ発振器 5 商圧ポンプ 6 加工ヘッド 12 集光レンズ 13 噴射ノズル 13a 噴射孔 13b 第 1傾斜面 13c 第 2傾斜面 13d 最小径部 14 調整手段 L レーザ光 W 液柱

Claims

請求の範囲

[1] 噴射孔を有する噴射ノズルと、当該噴射ノズルに高圧の液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズとを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射孔力も液柱にして外部に噴射させると共に、集光レンズによって上記液柱にレーザ光を導光して、被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置において、

上記噴射孔入口に被加工物に向けて縮径する傾斜面を形成するとともに、上記集光レンズの焦点を上記傾斜面の最小径部よりも被加工物側に超えた液柱内に設定し、かつ上記噴射孔内に照射されたレーザ光を上記傾斜面で反射させて力上記液柱に導光するように設定したことを特徴とするハイブリッドレーザ加工装置。

[2] 上記噴射孔の上記傾斜面の最小径部よりも被加工物側に、被加工物に向けて拡径する第 2傾斜面を形成することを特徴とする請求項 1に記載のハイブリッドレーザ加ェ装置。

[3] 上記噴射ノズルよりも被加工物側に、上記液柱を囲繞するエアポケットを形成することを特徴とする請求項 1または請求項 2のいずれかに記載のハイブリッドレーザカロェ装置。

[4] 上記集光レンズと噴射ノズルとを相対移動させて、上記集光レンズによって集光されるレーザ光と、上記噴射ノズルより噴射される液柱との位置を調整する調整手段を設けることを特徴とする請求項 1ないし請求項 3のいずれかに記載のハイブリッドレーザ加工装置。