JP2006142335A - レーザー加工装置 - Google Patents
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Abstract
【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
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。)。
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「The Axicon:A New Type of Optical Element」Journal of The Optical Society of America Vol.44,Number 8(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 「Exact solutions for nondiffracting beams.I.The scalar theory」Journal of The Optical Society of America A Vol.4、Number 4(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。
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。
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/e2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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (4)
- 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。
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