JP2006142335A

JP2006142335A - レーザー加工装置

Info

Publication number: JP2006142335A
Application number: JP2004335319A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Matsuoka; 芳彦松岡; Hisashi Inoue; 尚志井上
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】本発明は、レーザー光の集光を軸状集光とするとともに、該軸状集光の部分を同時に複数形成して被加工物を同時に多点で加工することを可能とした同時多点レーザー微細加工装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のレーザー加工装置は、レーザー光を集光して高光強度部分である集光部を用いて被加工物を加工するレーザー加工装置において、集光部を同時に複数形成するとともに同時形成される複数の集光部がいずれも軸状集光である集光手段を備えたことを特徴としている。
また、本発明のレーザー加工装置は、集光手段が、複数の軸状集光の集光部を同時形成する複合アクシコンであることを特徴としている。
また、本発明のレーザー加工装置は、複合アクシコンが複数の円錐形状レンズの集合体から形成されていることを特徴としている。
また、本発明のレーザー加工装置は、複合アクシコンが回折型光学素子であることを特徴としている。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザー光による溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質などの材料加工方法およびその装置に係り、特にこれら加工を微細にかつ同時に多点で行う装置に関するものである。

従来から、材料に溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質などの加工をレーザーを用いて行うレーザー加工が、広く産業に用いられている。
さらに、加工コストの低減やスループットの向上を目的として、通常は一台のレーザー発振器から一本出力されるレーザー光のビームを、光学的手段によって複数本に分割し、あるいは複数の加工点に順次分配して、同時に多点を加工するレーザー加工方法が知られている。
例えば、加工時間の短縮や被加工物の変形の防止を目的として、レーザー発振器から出力される一本のビームを回折型光学部品を用いて複数本に分割し、そのそれぞれを被加工物に焦点を結ぶように照射する方法がある（特許文献１参照。）。
また、加工コストの抑制と加工の処理速度の向上を目的として、パルスレーザー発振器からのパルス列出力を、複数の加工ヘッドに順次分配する方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−１６４９８５号公報特開平５−８０７２号公報

近年要求が高まっているミクロンサイズの加工を同時多点レーザー加工で行おうとすると、従来技術のようにただ単に複数のビームに分割したり、パルス列を複数の加工点に順次分配するだけでは、以下のように安定に実施できない。
すなわち、ビーム径にも依存するが、焦点距離ｆ＝１００ｍｍ程度の凸レンズで可視光レーザー光をスポット径５０μｍ程度に集光した場合の焦点深度は、実際的には５００μｍ程度である。例えば、このような条件で、上記した特許文献１および特許文献２に開示されている方法で同時多点レーザー加工を実施すると、被加工物表面の凹凸が５００μｍ以内である場合に限り、分割された各ビームの焦点位置あるいは複数の加工ヘッドの焦点位置が厳密に同一平面上にあるときに、各加工点で同様の加工が可能となる。
しかしながら、被加工物表面の凹凸が５００μｍ以上の場合には、被加工物上の加工位置が変わるたびに分割された各ビームの焦点位置あるいは複数の加工ヘッドの焦点位置を調節し直さない限り、加工点ごとに加工の様子は異なってしまうという問題がある。

本発明は、レーザー光の集光を軸状集光とするとともに、該軸状集光の部分を同時に複数形成して被加工物を同時に多点で加工することを可能とした同時多点レーザー微細加工装置を提供することを目的とする。

まず、本発明の原理について説明する。
本発明は、レーザー光を軸状に集光させた集光部を利用して被加工物を加工する手法を応用するものであり、軸状集光および軸状集光させる光学素子については、例えば、Ｊ．Ｈ．ＭｃＬｅｏｄ「ＴｈｅＡｘｉｃｏｎ：ＡＮｅｗＴｙｐｅｏｆＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔ」ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａＶｏｌ．４４，Ｎｕｍｂｅｒ８（１９５４）５９２−５９７の論文に詳しく記載されている。
この論文において、ＭｃＬｅｏｄは軸状に集光させる光学素子全てに対してアクシコンの名を与えており、このアクシコンには、幅の狭いリング状のスリットがあけられた不透明な板、表面に同心円の多くの溝が掘られた光学的に透明な平行平板および光学的に透明な媒体からなる円錐形状のレンズなどが含まれている。
また、他の論文、Ｊ．Ｄｕｒｎｉｎ「Ｅｘａｃｔｓｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒｎｏｎｄｉｆｆｒａｃｔｉｎｇｂｅａｍｓ．Ｉ．Ｔｈｅｓｃａｌａｒｔｈｅｏｒｙ」ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａＡＶｏｌ．４、Ｎｕｍｂｅｒ４（１９８７）６５１−６５４において、ＭｃＬｅｏｄがアクシコンと名付けた光学素子により作り出される集光状態の一つであるところの非回折ビーム、無回折ビームあるいはベッセルビームと呼ばれるようになったビームについて報告されている。

ところで、通常の凸レンズ集光では、例えば平行光線が入射した場合、全ての光線は焦点を通るようにレンズ表面で屈折を受ける。
凸レンズ集光の場合には集光スポットサイズが小さいほど焦点深度は浅く、例えばビーム径にも依存するが、一般的に焦点距離ｆ＝１００ｍｍ程度の凸レンズで可視光レーザー光をスポット径５０μｍ程度に集光した場合の焦点深度は、実際的には５００μｍ程度である。

アクシコンによる軸状集光およびその集光部の特性を図１、図２および図３を用いて説明する。
図１に示すように、合成石英製で半頂角が７７．５度の円錐形状のアクシコン１の底面２に垂直に入射させた５３２ｎｍの波長で強度分布が概略ガウス分布（１／ｅ^２直径１５ｍｍ）のレーザー光３は、図２に示すようにアクシコン通過後から８０ｍｍを超える距離に渡って軸状に集光される。
このとき、集光部４の中心の高光強度部分の直径は、図３に示すように約３μｍであり、この直径はアクシコン通過後から８０ｍｍを超える集光部４の全てにおいてほぼ一定である。
集光部４の光強度が最大となるのは、図２に示すように、アクシコン１から約３５．６ｍｍの距離であり、最大強度の８０％を維持する距離を焦点深度とすると、焦点深度はアクシコン１からの距離３５．６ｍｍをはさんで３０ｍｍを超える深さになる。

軸状集光の集光部４の最大光強度位置、焦点深度や高光強度部分の直径は、例えば円錐形状のアクシコンの場合であれば、半頂角や入射させるレーザー光の直径や波長によって所望の値にすることができる。
このように、軸状集光の集光部４は非常に深い焦点深度を持っているので、複数に分割されたビームを軸状集光にするならば、各分割されたビームの集光部４の最大光強度部分が概略同一平面上に位置するように集光手段である光学素子を調整するだけで、相当に表面の凹凸の大きい被加工物に対しても、各加工点で同様の加工を実施することができる。

本発明のレーザー加工装置は、上記原理を利用して、被加工物を同時に多点で加工することを可能とした同時多点レーザー微細加工装置を提供することを目的としてなされたもので、レーザー光を集光して高光強度部分である集光部を用いて被加工物を加工するレーザー加工装置において、集光部を同時に複数形成するとともに同時形成される複数の集光部がいずれも軸状集光である集光手段を備えたことを特徴としている。
また、本発明のレーザー加工装置は、集光手段が、複数の軸状集光の集光部を同時形成する複合アクシコンであることを特徴としている。
また、本発明のレーザー加工装置は、複合アクシコンが複数の円錐形状レンズの集合体から形成されていることを特徴としている。
また、本発明のレーザー加工装置は、複合アクシコンが回折型光学素子であることを特徴としている。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）被加工物の表面の凹凸の程度を問わず、同時多点レーザー微細加工を可能とすることができる。
（２）集光部の精密な位置合わせが不用な、同時多点レーザー微細加工手段を提供することができる。

本発明に係るレーザー加工装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

図４は、集光手段としての複合アクシコン（「アクシコンアレイ」ともいう。）の一例を示したものである。
この例では、４つの合成石英ガラス製の円錐形状レンズ５（直径５ｍｍφ、半頂角８７度）を同じく合成石英製の平行平円板６（直径３０ｍｍφ、厚さ５ｍｍ）に光学接着剤を用いて貼り合わせて、アクシコンアレイを作成した。
本例では合成石英製の円錐形状レンズを用いたが、材質はこれに限定されるものではなく、使用するレーザーの波長に対して光学的に透明な材質が適宜選ばれる。
また、円錐形状レンズ５の大きさや半頂角の値、用いる数その配置も、本実施例に限定されるものではなく、所望の加工の内容に合わせて適宜選択・調整される。

図５は、レーザー加工装置の基本構成を示したものである。
レーザー加工装置は、レーザー発振器７と反射ミラー８、フィルタ９、シャッタ１０、ビームエキスパンダー１１などの導光や光制御のための光学部品類、集光手段１２および被加工物１３を載せるステージ１４からなる。
本例では、レーザー発振器７として、第二高調波を出力するパルス発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（繰返し周波数１０Ｈｚ、パルス幅約５ｎｓ、波長５３２ｎｍ、ビーム直径約６ｍｍ、概ね平行光束であるレーザー光パルス列出力）を用いたが、本発明で用いるレーザー発振器はこれに限定されるものではなく、加工に十分なエネルギーを出力するものであればあらゆるレーザー発振器を用いることが出来る。
レーザー発振器７から出力されたレーザー光１５は、反射ミラー８、フィルタ９、シャッタ１０、ビームエキスパンダー１１などのなどの光学部品類によってステージ１４まで導光される。
導光される間に、ビームエキスパンダー１１やフィルタ９などの光学部品類によって、レーザー光１５のビーム径は適宜、拡大・調節されるとともに、加工に適切な光強度に調節される。
光学部品類であるシャッター１０によって、ステージ１４に載せられた被加工物１３へのレーザー光１５の照射時間が制御される。

図６は、被加工物１３の一例を示すもので、被加工物１３に段差があっても本発明のレーザー加工に支障がないことを説明する。
被加工物１３として、厚さ１ｍｍで表面が鏡面研磨されたシリコンウエハのベース１６の上に右半分だけもう１枚の厚さ１ｍｍのシリコンウエハ１７を貼り合せて図６に示すような約１ｍｍの段差を作り、これをステージ１４にのせて固定する。
図５および図４に示すように、集光手段である複合アクシコン１２の円錐形状レンズ５を被加工物側１３に向け、円錐形状レンズ５の円錐頂点と被加工物１３の円錐頂点に近い側の段との距離が９３ｍｍとなるように設置する。
ビーム直径を約２４ｍｍに拡大されたレーザー光１５は、アクシコンアレイ１２の平行平円板６側からおおよそ図７に示す平行平円板６上の場所に垂直に、一パルスあたり７ｍＪのエネルギーで入射される。
図６に示すシリコンウエハを２枚貼り合せた被加工物１３上の場所に、４つの集光部が概略位置するように、ステージを調節し、これをＸ−Ｙ平面上の原点とする。
原点に対して、図８に●印で示す各座標の点に集光部がくるようにステージを順次調節し、●印で示す各座標の点にそれぞれ２パルスのレーザー光を照射した。
図６（ａ）のＡ、Ｃでの加工状態を観察した写真を図９（ａ）、図９（ｃ）に示す。
被加工物１３の同じ段にある、ＡとＢ、ＣとＤは、同様の観察写真が得られた。
図９（ａ）と図９（ｃ）は、被加工物１３に１ｍｍの段差があっても、直径約８μｍの点状の除去加工が殆ど同じように実施されていることを示している。

図１０は、合成石英製の半頂角が７７．５度の円錐形状レンズが波長５３２ｎｍの光を軸状集光するのと同じ働きをする、回折型光学素子の溝パターンを示すものである。
黒が溝が掘られていない部分、白が溝が掘られている部分で、中心部分１８は半径２．５７５μｍの円盤で、その周囲は交互に、幅２．５７５μｍの溝、幅２．５７５μｍの溝が掘られていない部分、のそれぞれ同心輪からなっている。
この溝パターンと同一のものをもう一つ用意して、２つの溝パターンの中心の間隔を５ｍｍとして２つを重ね合わせることで得られる溝パターンを持つ回折型光学素子は、半頂角が７７．５度の二つの円錐形状レンズを頂点間距離を５ｍｍとして並べたものと同じ働きをする複合アクシコンである。

合成石英製の基板にフォトレジストを塗布し、フォトレジストに上記の溝パターンを電子線描画した後に現像し、更にドライエッチングして、回折型光学素子の複合アクシコンを作成した。
実施例１と同じ加工装置を用い、被加工物１３には、厚さ１ｍｍのＳＵＳ３０４板を２枚貼り合せて図６に示すような約１ｍｍの段差を作り、これをステージ１４にのせて固定した。
集光手段である回折型光学素子の複合アクシコン１２は、回折格子が掘られた面を被加工物１３側に向け、この面と被加工物１３の円錐頂点に近い側の段との距離が３５ｍｍとなるように設置される。
ビーム直径を約２４ｍｍに拡大されたレーザー光１５は、ビーム中心と２つの同心輪帯の中心がほぼ一致するように複合アクシコン１２の回折格子が掘られていない面に垂直に、一パルスあたり５ｍＪのエネルギーで入射される。
被加工物１３の上の段と下の段に、それぞれ一つずつの集光部が位置するようにステージを調節し５００パルスのレーザー光を照射した。
上の段も下の段もともに、開口径約４μｍφで深さ約２５μｍの穴が形成された。

本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、当業者による種々の設計変更も含まれるものである。

円錐形状レンズを用いた軸状集光とその集光部を示す概略図である。円錐形状レンズによる軸状集光の集光部の光強度の円錐形状レンズ頂点からの距離に依存する変化の一例を示すグラフである。図２の軸状集光部の半径方向の光強度分布を示すグラフである。円錐形状レンズを４つ用いた複合アクシコンの形状の概略を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。複合アクシコンを用いた同時多点レーザー微細加工装置の一例を示す概略図である。段差のある被加工物の段差形状の概略、およびアクシコンアレイによる加工点の位置の一例を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。アクシコンアレイによる加工の一例における、アクシコンアレイへのレーザー光の入射位置の概略を示す図である。アクシコンアレイによる加工の一例における、複数の加工点の、加工原点からの相対距離を示すグラフである。アクシコンアレイによる加工の一例における、異なる段差高さでの加工痕の走査電子顕微鏡の写真である。合成石英製の半頂角が７７．５度の円錐形状レンズが波長５３２ｎｍの光を軸集光するのと同じ働きをする、回折型光学素子の溝パターンを示す図である。

符号の説明

１円錐形状のアクシコン
２アクシコン底面
３レーザー光
４集光部
５円錐形状レンズ
６平行平円板
７レーザー発振器
８反射ミラー
９フィルタ
１０シャッタ
１１ビームエキスパンダー
１２集光手段（複合アクシコン又はアクシコンアレイ）
１３被加工物
１４ステージ
１５レーザー光
１６シリコンウエハのベース
１７シリコンウエハ
１８溝パターンの中心部分

Claims

レーザー光を集光して高光強度部分である集光部を用いて被加工物を加工するレーザー加工装置において、集光部を同時に複数形成するとともに同時形成される複数の集光部がいずれも軸状集光である集光手段を備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
集光手段が、複数の軸状集光の集光部を同時形成する複合アクシコンであることを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
複合アクシコンが複数の円錐形状レンズの集合体から形成されていることを特徴とする請求項２記載のレーザー加工装置。
複合アクシコンが回折型光学素子であることを特徴とする請求項２記載のレーザー加工装置。