JP2008093706A - Laser beam machining method and laser beam machining apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザビームを被加工物に対して相対移動させながら加工を行うレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing method and a laser processing apparatus that perform processing while moving a laser beam relative to a workpiece.
近年、半導体材料などを高精度に加工するために、レーザを用いた加工が行われるようになってきている。シリコン等の半導体材料を加工する場合、通常の円形スポットによる集光では、瞬間的に温度上昇および冷却が行われるために、被加工物の加工断面にマイクロクラックが発生し、強度が低下するという課題があった。 In recent years, in order to process a semiconductor material or the like with high accuracy, processing using a laser has been performed. When processing a semiconductor material such as silicon, a normal circular spot condensing causes a temperature rise and cooling instantaneously, so that microcracks occur in the processed cross section of the workpiece and the strength decreases. There was a problem.
その対策として、レーザビームプロファイルを線状にすることで、温度プロファイル変化を緩やかにするという試みが提案されている(下記特許文献1)。この特許文献1では、略平行なレーザビームを集光レンズで集光し、さらに透明な円柱ロッドを用いて一方向に拡大することによって、線状光線を得ている。 As a countermeasure, an attempt has been proposed to moderate the temperature profile change by making the laser beam profile linear (Patent Document 1 below). In Patent Document 1, a linear light beam is obtained by condensing a substantially parallel laser beam with a condensing lens and further expanding in one direction using a transparent cylindrical rod.
基板にレーザ加工を施す場合、照射面での光強度分布は一定レベル以上のピーク強度が必要であるとともに、加熱時あるいは冷却時の光強度分布をそれぞれ最適化して、急峻な温度変化を低減し、マイクロクラックの発生を抑制する必要がある。 When laser processing is performed on the substrate, the light intensity distribution on the irradiated surface must have a peak intensity that exceeds a certain level, and the light intensity distribution during heating or cooling is optimized to reduce steep temperature changes. It is necessary to suppress the occurrence of microcracks.
上記特許文献1に係るレーザ加工方法では、レーザ発振器と被加工物の間に集光レンズと円柱ロッドを配置しているのみである。集光レンズと円柱ロッドを使用した場合、調整可能なものは照射面におけるビーム径とピーク強度のみであり、光強度分布はピークに対して対称なプロファイルとなる。従って最適な入熱温度プロファイルおよび冷却温度プロファイルを同時に得るための光強度分布を制御することは困難である。適切な光強度分布が得られない場合、入熱過多によって熱影響層が拡大したり、過冷却によるマイクロクラックが発生し、その結果、得られる切断片の強度低下をもたらすことがある。 In the laser processing method according to Patent Document 1, only a condensing lens and a cylindrical rod are disposed between the laser oscillator and the workpiece. When a condensing lens and a cylindrical rod are used, the only things that can be adjusted are the beam diameter and peak intensity on the irradiated surface, and the light intensity distribution has a profile that is symmetrical with respect to the peak. Therefore, it is difficult to control the light intensity distribution for obtaining the optimum heat input temperature profile and the cooling temperature profile at the same time. If an appropriate light intensity distribution cannot be obtained, the heat-affected layer may expand due to excessive heat input, or microcracks may occur due to overcooling, resulting in a decrease in strength of the resulting cut piece.
本発明の目的は、照射面での光強度分布形状を最適化することによって、入熱過多による熱影響層の拡大や過冷却によるマイクロクラックの発生を防止できるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laser processing method and a laser processing apparatus capable of preventing the expansion of a heat-affected layer due to excessive heat input and the generation of microcracks due to overcooling by optimizing the light intensity distribution shape on the irradiated surface. It is to be.
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、レーザビームを被加工物に対して相対移動させながら加工を行うレーザ加工方法であって、
該レーザビームは、被加工物の照射面において、相対移動方向に長軸を有する楕円形状のビーム形状を有し、長軸方向に沿った光強度分布が非対称であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a laser processing method according to the present invention is a laser processing method for performing processing while moving a laser beam relative to a workpiece,
The laser beam has an elliptical beam shape having a long axis in the relative movement direction on the irradiation surface of the work piece, and the light intensity distribution along the long axis direction is asymmetric.
また本発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームを被加工物に対して相対移動させながら加工を行うレーザ加工装置であって、
略平行なレーザビームを集光して、被加工物の照射面において、相対移動方向に長軸を有する楕円形状のビーム形状を形成するための集光光学系を備え、
長軸方向に沿った光強度分布が非対称であることを特徴とする。
A laser processing apparatus according to the present invention is a laser processing apparatus that performs processing while moving a laser beam relative to a workpiece,
A condensing optical system for condensing a substantially parallel laser beam and forming an elliptical beam shape having a long axis in the relative movement direction on the irradiation surface of the workpiece,
The light intensity distribution along the long axis direction is asymmetric.
本発明によれば、被加工物の照射面において長軸方向に沿った光強度分布を非対称化することによって、レーザビームを被加工物に対して相対移動させた場合、加工に必要なピーク強度と相対移動方向に沿った光強度変化(時間的ビームプロファイル)を独立に制御することが可能になる。従って、被加工物の形状や種類、特性などに応じて最適な加熱プロファイルおよび冷却プロファイルを任意に設定できる。その結果、例えば、入熱過多による熱影響層の拡大や過冷却によるマイクロクラックの発生を防止できる。 According to the present invention, when the laser beam is moved relative to the workpiece by asymmetricing the light intensity distribution along the long axis direction on the irradiation surface of the workpiece, the peak intensity required for processing It is possible to independently control the light intensity change (temporal beam profile) along the relative movement direction. Therefore, the optimum heating profile and cooling profile can be arbitrarily set according to the shape, type, and characteristics of the workpiece. As a result, for example, expansion of the heat-affected layer due to excessive heat input and generation of microcracks due to overcooling can be prevented.
実施の形態1.
図1(a)は、本発明の第1実施形態を示す構成図である。理解容易のため、紙面に垂直な方向をX軸、紙面平行でX軸と垂直な上方向をY軸、X軸およびY軸と垂直な右方向をZ軸としている。
Embodiment 1 FIG.
Fig.1 (a) is a block diagram which shows 1st Embodiment of this invention. For easy understanding, the direction perpendicular to the paper surface is taken as the X axis, the upward direction parallel to the paper surface and perpendicular to the X axis is taken as the Y axis, and the right direction perpendicular to the X axis and Y axis is taken as the Z axis.
レーザ加工装置は、略平行なレーザビームLBを出力するレーザ発振器10と、X方向に集光パワーを有する集光光学系30と、Y方向に集光パワーを有する集光光学系40などで構成される。被加工物50は、移動ステージ60に搭載されており、加工の際、移動ステージ60がY方向に移動することにより、レーザビームLBは被加工物50に対して相対的に移動する。
The laser processing apparatus includes a
一般のレーザ発振器からのレーザビームLBは、光軸LAを中心としたガウシアン分布(正規分布)の光強度分布を有する。図1(b)に示すように、集光光学系30の手前の位置Aにおいて、XY面内で円形のビーム形状PAを示し、X方向に沿った光強度分布XAは、レーザビームLBのピーク強度を中心とした対称なガウシアン形状を示し、Y方向に沿った光強度分布YAについても、レーザビームLBのピーク強度を中心とした対称なガウシアン形状を示す。
A laser beam LB from a general laser oscillator has a light intensity distribution having a Gaussian distribution (normal distribution) centered on the optical axis LA. As shown in FIG. 1B, a circular beam shape PA is shown in the XY plane at a position A before the condensing
レーザ発振器10として、ハロゲンランプ等を用いて励起される通常ロッド型のYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザを使用した場合、発振器の出口において、複数のガウシアンビームが重なったマルチビーム光となるが、通常、集光面ではガウシアン分布に近い形状のレーザビームが得られ、さらに、例えば、光軸中心に適当な大きさのピンホールを設置することにより、単一のガウシアン分布からなるシングルモードのレーザビームが容易に得られる。
When a normal rod type YAG (yttrium, aluminum, garnet) laser excited by using a halogen lamp or the like is used as the
集光光学系30は、X方向に集光パワーを有し、Y方向に集光パワーが無い光学素子、例えば、Y方向に平行な母線を有する円筒レンズ(シリンドリカルレンズ)等で構成することができ、図1(c)に示すように、被加工物50の照射位置BにおけるX方向の光強度分布XBを決定する役割を有する。
The condensing
集光光学系40は、X方向に集光パワーが無く、Y方向に集光パワーを有する光学素子、例えば、X方向に平行な母線を有する円筒レンズ(シリンドリカルレンズ)等で構成することができ、図1(c)に示すように、被加工物50の照射位置BにおけるY方向の光強度分布YBを決定する役割を有する。
The condensing
本実施形態では、X方向に集光パワーを有する集光光学系30の後に、Y方向に集光パワーを有する集光光学系40を配置した例を示したが、Y方向に集光パワーを有する集光光学系40を先に配置して、X方向に集光パワーを有する集光光学系30を後に配置してもよい。また、集光光学系30として、X方向に集光パワーを有するだけではなく、Y方向にも集光パワーを有する球面レンズを用いても良い。この場合、集光光学系40には、Y方向の集光パワーを集光光学系30に与えたY方向の集光パワーだけ弱めたものを使用すれば同等の効果が得られる。
In the present embodiment, the example in which the condensing
本実施形態では、集光光学系40を通過したレーザビームLBは、図1(c)に示すように、被加工物50の照射位置Bにおいて、相対移動方向(ここではY方向)に長軸を有する楕円形状のビーム形状PBを有し、さらに、長軸方向に沿った光強度分布YBが非対称となるように、集光光学系40を構成している。
In this embodiment, the laser beam LB that has passed through the condensing
こうした集光光学系40は、例えば、光軸LAを中心として非対称な面形状を有する円筒レンズ(以下、非対称円筒レンズとも言う)で構成することができる。
Such a condensing
図2(a)は、集光光学系40として、非対称円筒レンズ41を用いた例を示す構成図である。レーザビームLBの光軸LAは、非対称円筒レンズ41の光軸中心と一致しており、レーザビームLBは、非対称円筒レンズ41の直前においてX方向およびY方向ともガウシアンの光強度分布を有する。
FIG. 2A is a configuration diagram illustrating an example in which an asymmetric
非対称円筒レンズ41は、光軸LAを中心として上側部分の曲率半径が小さく、下側部分の曲率半径が大きい、非対称な円筒形状を有しているため、非対称円筒レンズ41を通過したレーザビームLBは、被加工物50の表面において、図2(b)に示すように、Y方向に沿って非対称な光強度分布を示すようになる。この非対称な光強度分布は、図1(c)に示したY方向の光強度分布YBに相当する。
Since the asymmetric
図3は、Y方向に非対称な光強度分布を有するレーザビームを用いた場合の被加工物の表面温度分布を示すグラフである。レーザビームは、被加工物50の表面においてY方向に長軸を有する楕円形の細長いビーム形状を有し、上述したように、被加工物50はY方向に沿って相対移動する。
FIG. 3 is a graph showing the surface temperature distribution of the workpiece when a laser beam having an asymmetric light intensity distribution in the Y direction is used. The laser beam has an elliptical elongated beam shape having a long axis in the Y direction on the surface of the
Y方向の光強度分布は、図2(b)に示すように、光軸LAから加工前方向にシフトしたピークを有し、このピーク位置から加工前方向の領域Raは、比較的急峻な分布形状を示し、ピーク位置から加工後方向の領域Rbは、比較的なだらかな分布形状を示す。こうした非対称な光強度分布を有するレーザビームが被加工物50に照射されると、図3に示すように、被加工物50は、Y方向の光強度分布にほぼ近似した非対称な表面温度分布を示すようになる。即ち、表面温度分布は、中心から加工前方向にシフトしたピーク温度を有し、このピーク位置から加工前方向の領域Raは、比較的急峻な分布形状を示し、ピーク位置から加工後方向の領域Rbは、比較的なだらかな分布形状を示す。
The light intensity distribution in the Y direction has a peak shifted from the optical axis LA in the pre-processing direction as shown in FIG. 2B, and the region Ra in the pre-processing direction from this peak position has a relatively steep distribution. The region Rb in the post-processing direction from the peak position shows a comparatively gentle distribution shape. When the
レーザ加工の際、一定温度Tw以上の領域において、被加工物50の溶融あるいは蒸発が起こると考えられる。
During laser processing, it is considered that the
こうした非対称な光強度分布を有するレーザビームが被加工物50に対して相対移動すると、最初に領域Raが被加工物50に対し照射されて、エネルギー吸収により温度が上昇し、続いて領域Rbが被加工物50に対し照射されて、エネルギー吸収により溶融、蒸発が起きて加工が進行し、続いて光強度が低下するにつれて、温度が低下し、溶融していた部分の再結晶化、凝固が行われ、加工が停止する。従って、非対称な光強度分布を有するレーザビームを使用した場合、対称な光強度分布を有するレーザビームと比較して、領域Raでの温度変化レートはより大きくなり、領域Rbでの温度変化レートはより小さくなる。
When the laser beam having such an asymmetric light intensity distribution moves relative to the
被加工物の高品質加工の場合、被加工物の温度プロファイル、すなわち、照射されるレーザビームの光強度分布が関係する理由は、以下の通りである。被加工物に線状レーザ光が照射されると、被加工物がレーザ光を吸収し加熱され、溶融される。溶融部をアブレーションにより除去するためには、加工点の温度が沸点以上に到達する必要がある。この時、熱影響層の拡がりは加熱速度に従い、領域Raでのより大きな温度変化を与えることにより、熱影響層の拡がりを狭くすることが可能となる。また、溶融部が凝固する時、温度低下に従い再結晶が起こるが、再結晶の核は、冷却速度が急激であれば、溶融部全体で発生し各部で再結晶が進行し、結晶粒間に生じた隙間等に湯が供給されずに、全体が凝固してしまうことになる。この隙間等が残留したまま冷却すると、被加工物の熱収縮にともない隙間が拡大して、マイクロクラックとして残ることになる。冷却速度が十分遅ければ、上記隙間に溶融した湯が供給されるので、マイクロクラックの少ない加工を達成できることになる。 In the case of high-quality processing of a workpiece, the reason why the temperature profile of the workpiece, that is, the light intensity distribution of the irradiated laser beam is related is as follows. When the workpiece is irradiated with linear laser light, the workpiece absorbs the laser light and is heated and melted. In order to remove the melted part by ablation, the temperature of the processing point needs to reach the boiling point or higher. At this time, the spread of the heat-affected layer can be narrowed by giving a larger temperature change in the region Ra according to the heating rate. In addition, when the melted portion solidifies, recrystallization occurs as the temperature decreases. However, if the cooling rate is rapid, recrystallization nuclei occur in the entire melted portion, and recrystallization proceeds in each part, and between the crystal grains. The hot water is not supplied to the generated gap or the like, and the whole solidifies. If cooling is performed with the gap remaining, the gap expands as the workpiece contracts, and remains as a microcrack. If the cooling rate is sufficiently slow, melted hot water is supplied to the gap, so that processing with few microcracks can be achieved.
このようにY方向の光強度分布が光軸LAから加工前方向にシフトしたピークを有する場合は、なだらかな光強度分布形状を示す領域Rbが最後に照射されるため、レーザ加工に必要なピーク強度を保持したまま、冷却時間を長くとることができるので、被加工物50の凝固時間を長く確保でき、マイクロクラック発生を低減することができる。特に、ガラスやシリコン等の脆性材料のマイクロクラックを低減することができるので、加工後の強度を保持することに効果がある。
Thus, when the light intensity distribution in the Y direction has a peak shifted from the optical axis LA in the pre-processing direction, the region Rb showing a gentle light intensity distribution shape is irradiated last, so that the peak necessary for laser processing is obtained. Since the cooling time can be increased while maintaining the strength, the solidification time of the
以上の説明において、被加工物50がレーザビームに対して相対的に移動する例を示したが、被加工物50が静止した状態でレーザビームが相対的に移動してもよく、あるいは被加工物50およびレーザビームの両方が相対的に移動しても同様な結果が得られる。
In the above description, the example in which the
被加工物50がシリコン等の場合、光吸収特性の関係から、330nmから800nmの発振波長を有するレーザ発振器が好ましい。すなわち、シリコンに波長が330nmから800nm程度のレーザ光を照射すると、レーザ光のエネルギーが、安定的かつ効率よく吸収され、膜厚方向に対してほぼ均一に加熱されるため、基板上の温度コントロールが容易となり、好適である。
When the
330nmから800nmの間に発振波長を有するレーザの代表としては、例えば、固体レーザ高調波発生源が挙げられる。すなわち、Nd:YAGレーザ(波長1.06μm)の第2高調波(532nm)や第3高調波(355nm)、Nd:YLFレーザ(波長1.05μm)の第2高調波(524nm)や第3高調波(349nm)、あるいはYb:YAGレーザ(波長1.03μm)の第2高調波(515nm)や第3高調波(344nm)等を用いることができる。また、Ti:サファイアレーザの基本波(792nm)または第2高調波(396nm)を用いてもよい。レーザ光源として、固体レーザ高調波発生源を用いることで、レーザ加工装置のコンパクト化が可能となり、また、長時間安定した動作が可能になる。 A typical laser having an oscillation wavelength between 330 nm and 800 nm is, for example, a solid-state laser harmonic generation source. That is, the second harmonic (532 nm) and third harmonic (355 nm) of the Nd: YAG laser (wavelength 1.06 μm), the second harmonic (524 nm) and third of the Nd: YLF laser (wavelength 1.05 μm). A harmonic (349 nm), a second harmonic (515 nm), a third harmonic (344 nm), or the like of a Yb: YAG laser (wavelength 1.03 μm) can be used. In addition, a fundamental wave (792 nm) or a second harmonic (396 nm) of a Ti: sapphire laser may be used. By using a solid-state laser harmonic generation source as the laser light source, the laser processing apparatus can be made compact and stable operation can be performed for a long time.
以上のように、被加工物に照射するレーザ光の光軸に垂直な断面内の楕円状形状の長軸方向のレーザ光の光強度分布を非対称に設定し、加工を進行させるのに適した形状の部分と凝固する際のマイクロクラック発生を低減することに適した形状の部分とを有するように形状調整することにより、熱影響層が小さく、マイクロクラックが少ないレーザ加工が可能となる。 As described above, the light intensity distribution of the laser beam in the long axis direction of the elliptical shape in the cross section perpendicular to the optical axis of the laser beam irradiated to the workpiece is set asymmetrically, and suitable for advancing the processing. By adjusting the shape so as to have a shape portion and a shape portion suitable for reducing the occurrence of microcracks during solidification, laser processing with a small heat-affected layer and few microcracks becomes possible.
また、レーザビーム光軸に関して非対称な面形状を有する非対称円筒レンズ41を用いることによって、一方向に沿って非対称な光強度分布を容易に実現することができる。
Further, by using the asymmetric
実施の形態2.
図4(a)は、本発明の第2実施形態を示す構成図である。理解容易のため、紙面に垂直な方向をX軸、紙面平行でX軸と垂直な上方向をY軸、X軸およびY軸と垂直な右方向をZ軸としている。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4A is a configuration diagram showing a second embodiment of the present invention. For easy understanding, the direction perpendicular to the paper surface is taken as the X axis, the upward direction parallel to the paper surface and perpendicular to the X axis is taken as the Y axis, and the right direction perpendicular to the X axis and Y axis is taken as the Z axis.
本実施形態に係るレーザ加工装置は、図1(a)に示した構成と同様に、略平行なレーザビームLBを出力するレーザ発振器10と、X方向に集光パワーを有する集光光学系30と、Y方向に集光パワーを有する集光光学系40などで構成され、図4(a)では集光光学系40の他の構成例を示している。被加工物50は、移動ステージ60に搭載されており、加工の際、移動ステージ60がY方向に移動することにより、レーザビームLBは被加工物50に対して相対的に移動する。
The laser processing apparatus according to the present embodiment has a
本実施形態では、集光光学系40として、レーザビームLBの光軸LAに関して傾斜した円筒レンズ42を用いている。
In the present embodiment, a
円筒レンズ42は、X方向に平行な母線を有する対称なレンズ面形状を有し、レンズ全体をX軸回りに角変位させることによって、非対称な集光特性を実現している。円筒レンズ42を通過したレーザビームLBは、被加工物50の表面において、図4(b)に示すように、Y方向に沿って非対称な光強度分布を示すようになる。この非対称な光強度分布は、図1(c)に示したY方向の光強度分布YBに相当する。
The
こうした光強度分布を有するレーザビームが被加工物50に対してY方向に相対移動すると、Y方向の光強度分布が光軸LAから加工前方向にシフトしたピークを有する場合、なだらかな光強度分布形状を示す領域が最後に照射されるため、冷却時の温度変化レートがより小さくなり、急速な冷却による影響を緩和できる。
When a laser beam having such a light intensity distribution moves relative to the
このように円筒レンズ42をレーザビームLBの光軸LAに対して傾けて配置することにより、円筒レンズ42のコマ収差を利用して、一方向に沿って非対称な光強度分布を容易に実現することができる。
Thus, by arranging the
実施の形態3.
図5(a)は、本発明の第3実施形態を示す構成図である。理解容易のため、紙面に垂直な方向をX軸、紙面平行でX軸と垂直な上方向をY軸、X軸およびY軸と垂直な右方向をZ軸としている。
Embodiment 3 FIG.
Fig.5 (a) is a block diagram which shows 3rd Embodiment of this invention. For easy understanding, the direction perpendicular to the paper surface is taken as the X axis, the upward direction parallel to the paper surface and perpendicular to the X axis is taken as the Y axis, and the right direction perpendicular to the X axis and Y axis is taken as the Z axis.
本実施形態に係るレーザ加工装置は、図1(a)に示した構成と同様に、略平行なレーザビームLBを出力するレーザ発振器10と、X方向に集光パワーを有する集光光学系30と、Y方向に集光パワーを有する集光光学系40などで構成され、図5(a)では集光光学系40のさらに他の構成例を示している。被加工物50は、移動ステージ60に搭載されており、加工の際、移動ステージ60がY方向に移動することにより、レーザビームLBは被加工物50に対して相対的に移動する。
The laser processing apparatus according to the present embodiment has a
本実施形態では、集光光学系40として、レーザビームLBの光軸LAに関して傾斜した円筒レンズ43を用いており、さらに、レーザビームLBを円筒レンズ43および被加工物50の法線方向に対して斜めに入射させている。
In the present embodiment, a
円筒レンズ43は、X方向に平行な母線を有する対称なレンズ面形状を有し、レーザビームLBの入射方向をX軸回りに角変位させることによって、非対称な集光特性を実現している。円筒レンズ43を通過したレーザビームLBは、被加工物50の表面において、図5(b)に示すように、Y方向に沿って非対称な光強度分布を示すようになる。この非対称な光強度分布は、図1(c)に示したY方向の光強度分布YBに相当する。
The
こうした光強度分布を有するレーザビームが被加工物50に対してY方向に相対移動すると、Y方向の光強度分布が光軸LAから加工前方向にシフトしたピークを有する場合、なだらかな光強度分布形状を示す領域が最後に照射されるため、冷却時の温度変化レートがより小さくなり、急速な冷却による影響を緩和できる。
When a laser beam having such a light intensity distribution moves relative to the
このようにレーザビームLBを円筒レンズ43および被加工物50の法線方向に対して斜めに入射させることにより、円筒レンズ43のコマ収差および被加工面の傾斜による光路長変化を利用して、一方向に沿って非対称な光強度分布を容易に実現することができる。
By making the laser beam LB obliquely incident on the normal direction of the
実施の形態4.
図6(a)は、本発明の第4実施形態を示す構成図である。理解容易のため、紙面に垂直な方向をX軸、紙面平行でX軸と垂直な上方向をY軸、X軸およびY軸と垂直な右方向をZ軸としている。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 6A is a configuration diagram showing a fourth embodiment of the present invention. For easy understanding, the direction perpendicular to the paper surface is taken as the X axis, the upward direction parallel to the paper surface and perpendicular to the X axis is taken as the Y axis, and the right direction perpendicular to the X axis and Y axis is taken as the Z axis.
本実施形態に係るレーザ加工装置は、図1(a)に示した構成と同様に、略平行なレーザビームLBを出力するレーザ発振器10と、X方向に集光パワーを有する集光光学系30と、Y方向に集光パワーを有する集光光学系40などで構成され、図6(a)では集光光学系40のさらに他の構成例を示している。被加工物50は、移動ステージ60に搭載されており、加工の際、移動ステージ60がY方向に移動することにより、レーザビームLBは被加工物50に対して相対的に移動する。
The laser processing apparatus according to the present embodiment has a
本実施形態では、集光光学系40として、円筒レンズ44とウェッジ板45の組合せを用いている。
In this embodiment, a combination of a
円筒レンズ44は、X方向に平行な母線を有する対称なレンズ面形状を有し、レンズの光軸とレーザビームLBの光軸LAとが一致するように配置される。
The
ウェッジ板45は、光路長がY方向に沿って直線的に変化した光学素子であり、円筒レンズ44の後方に配置することによって、Y方向に非対称な集光特性を実現している。円筒レンズ42およびウェッジ板45を通過したレーザビームLBは、被加工物50の表面において、図6(b)に示すように、Y方向に沿って非対称な光強度分布を示すようになる。この非対称な光強度分布は、図1(c)に示したY方向の光強度分布YBに相当する。
The
こうした光強度分布を有するレーザビームが被加工物50に対してY方向に相対移動すると、Y方向の光強度分布が光軸LAから加工前方向にシフトしたピークを有する場合、なだらかな光強度分布形状を示す領域が最後に照射されるため、冷却時の温度変化レートがより小さくなり、急速な冷却による影響を緩和できる。
When a laser beam having such a light intensity distribution moves relative to the
このように円筒レンズ42とウェッジ板45とを組合せることにより、一方向に沿って非対称な光強度分布を容易に実現することができる。
By combining the
実施の形態5.
図7(a)は、本発明の第5実施形態を示す構成図である。理解容易のため、紙面に垂直な方向をX軸、紙面平行でX軸と垂直な上方向をY軸、X軸およびY軸と垂直な右方向をZ軸としている。
Embodiment 5. FIG.
Fig.7 (a) is a block diagram which shows 5th Embodiment of this invention. For easy understanding, the direction perpendicular to the paper surface is taken as the X axis, the upward direction parallel to the paper surface and perpendicular to the X axis is taken as the Y axis, and the right direction perpendicular to the X axis and Y axis is taken as the Z axis.
本実施形態に係るレーザ加工装置は、図1(a)に示した構成と同様に、略平行なレーザビームLBを出力するレーザ発振器10と、X方向に集光パワーを有する集光光学系30と、Y方向に集光パワーを有する集光光学系40などで構成され、図7(a)では集光光学系40のさらに他の構成例を示している。被加工物50は、移動ステージ60に搭載されており、加工の際、移動ステージ60がY方向に移動することにより、レーザビームLBは被加工物50に対して相対的に移動する。
The laser processing apparatus according to the present embodiment has a
本実施形態では、集光光学系40として、図2とは逆の光強度分布が得られるように、Y方向に関して反転した形状を持つ非対称円筒レンズ46を用いている。
In the present embodiment, as the condensing
非対称円筒レンズ46は、光軸LAを中心として上側部分の曲率半径が大きい、下側部分の曲率半径が小さい、非対称な円筒形状を有しているため、非対称円筒レンズ46を通過したレーザビームLBは、被加工物50の表面において、図7(b)に示すように、Y方向に沿って非対称な光強度分布を示すようになる。この非対称な光強度分布は、図1(c)に示したY方向の光強度分布YBに相当する。
Since the asymmetric
図8は、図7(b)に示した光強度分布を有するレーザビームを用いた場合の被加工物の表面温度分布を示すグラフである。レーザビームは、被加工物50の表面においてY方向に長軸を有する楕円形の細長いビーム形状を有し、上述したように、被加工物50はY方向に沿って相対移動する。
FIG. 8 is a graph showing the surface temperature distribution of the workpiece when the laser beam having the light intensity distribution shown in FIG. 7B is used. The laser beam has an elliptical elongated beam shape having a long axis in the Y direction on the surface of the
Y方向の光強度分布は、図7(b)に示すように、光軸LAから加工後方向にシフトしたピークを有し、このピーク位置から加工前方向の領域Rcは、比較的なだらかな分布形状を示し、ピーク位置から加工後方向の領域Rdは、比較的急峻な分布形状を示す。こうした非対称な光強度分布を有するレーザビームが被加工物50に照射されると、図8に示すように、被加工物50は、Y方向の光強度分布にほぼ近似した非対称な表面温度分布を示すようになる。即ち、表面温度分布は、中心から加工後方向にシフトしたピーク温度を有し、このピーク位置から加工前方向の領域Rcは、比較的なだらかな分布形状を示し、ピーク位置から加工後方向の領域Rdは、比較的急峻な分布形状を示す。
As shown in FIG. 7B, the light intensity distribution in the Y direction has a peak shifted from the optical axis LA in the post-processing direction, and the region Rc in the pre-processing direction from this peak position has a relatively gentle distribution. A region Rd from the peak position to the post-processing direction shows a relatively steep distribution shape. When the
レーザ加工の際、一定温度Tw以上の領域において、被加工物50の溶融あるいは蒸発が起こると考えられる。
During laser processing, it is considered that the
前述した各実施形態では、シリコン等のマイクロクラックが発生しやすい脆性材に対して、図3で示した温度分布、即ち、Y方向の光強度分布が光軸LAから加工前方向にシフトしたピークを有し、ピーク経過後の冷却時間が長くとれるように、なだらかな光強度分布形状を示す領域をピークから加工後方向に設定した例について説明した。 In each of the embodiments described above, the temperature distribution shown in FIG. 3, that is, the light intensity distribution in the Y direction is shifted from the optical axis LA to the pre-processing direction with respect to a brittle material such as silicon that easily generates microcracks. The example in which the region showing a gentle light intensity distribution shape is set from the peak to the post-processing direction so that the cooling time after the peak elapses can be taken long has been described.
一方、融点が異なる材料が混ざった合金等に対しては、初期の加熱時に急峻な形状を有する光強度分布にて加工を行うと、低融点の成分のみのアブレーションが発生し、高品質の加工が得られないことがある。 On the other hand, for alloys mixed with materials with different melting points, processing with a light intensity distribution with a steep shape during initial heating causes ablation of only low melting point components, resulting in high quality processing. May not be obtained.
その対策として、本実施形態では、図8で示した温度分布、即ち、Y方向の光強度分布が光軸LAから加工後方向にシフトしたピークを有し、加熱時の温度変化レートがより小さくなるように、なだらかな光強度分布形状を示す領域Rcをピークから加工前方向に設定することが好ましい。 As a countermeasure, in this embodiment, the temperature distribution shown in FIG. 8, that is, the light intensity distribution in the Y direction has a peak shifted from the optical axis LA in the post-processing direction, and the temperature change rate during heating is smaller. As described above, it is preferable to set the region Rc showing a gentle light intensity distribution shape from the peak to the pre-processing direction.
なお、本実施形態におけるY方向の光強度分布は、実施の形態2〜4にて示した集光光学系40をY方向に関して逆に配置することによっても実現でき、過熱時の温度変化レートがより小さくなるという同様の効果が得られる。
The light intensity distribution in the Y direction in this embodiment can also be realized by arranging the condensing
10 レーザ発振器、 30,40 集光光学系、 41,46 非対称円筒レンズ
42,43,44 円筒レンズ、 45 ウェッジ板、 50 被加工物、
60 移動ステージ、 LA 光軸、 LB レーザビーム。
10 laser oscillator, 30, 40 condensing optical system, 41, 46 asymmetric
60 Moving stage, LA optical axis, LB laser beam.
Claims (11)
該レーザビームは、被加工物の照射面において、相対移動方向に長軸を有する楕円形状のビーム形状を有し、長軸方向に沿った光強度分布が非対称であることを特徴とするレーザ加工方法。 A laser processing method for performing processing while moving a laser beam relative to a workpiece,
The laser beam has an elliptical beam shape having a major axis in the relative movement direction on the irradiation surface of the workpiece, and the light intensity distribution along the major axis direction is asymmetric. Method.
略平行なレーザビームを集光して、被加工物の照射面において、相対移動方向に長軸を有する楕円形状のビーム形状を形成するための集光光学系を備え、
長軸方向に沿った光強度分布が非対称であることを特徴とするレーザ加工装置。 A laser processing apparatus that performs processing while moving a laser beam relative to a workpiece,
A condensing optical system for condensing a substantially parallel laser beam and forming an elliptical beam shape having a long axis in the relative movement direction on the irradiation surface of the workpiece,
A laser processing apparatus, wherein the light intensity distribution along the long axis direction is asymmetric.
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