JP2008119715A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工装置において、加工用レーザを被加工対象物に結像もしくは集光する対物用光学素子の焦点を常に被加工対象物に合わせる。
【解決手段】加工用レーザの光軸と略同じ光軸に沿うと共に、僅かに斜めなるように測定用レーザを前記被加工対象物５に照射する。この測定用レーザの反射光をＰＳＤ測定装置１６で受光し、受光位置の変位を計測する。この際に、測定用レーザが対物用光学装置６を通過した後に被加工対象物５に照射され、かつ、被加工対象物５から反射した測定用レーザの反射光が対物用光学装置６を通過した後にＰＳＤ測定装置１６に入射するようにする。ＰＳＤ測定装置１６により計測された測定用レーザの反射光の受光位置の変位に基づいて対物用光学装置６のＺ軸方向の位置を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被加工対象物に加工用レーザを照射するとともに、被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置を照射方向に略直交する方向に相対的に移動して被加工対象物に加工を施すレーザ加工装置に関する。

一般に、レーザにより被加工対象物に各種加工（材料に溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質）を施すレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、非加工対象物の表面の薄膜に微細加工施し、薄膜のパターニングを可能とする技術の開発も行われている。
このようなレーザ加工装置では、特許文献１に示されるように、非加工対象物に対してレーザを結像もしくは集光する光学素子の高さ位置を所定の高さ位置（非加工対象物との距離）に調整する必要がある。すなわち、光学素子の結像や集光の焦点距離に基づいて、光学素子の高さ位置を調整する必要がある。

また、板状の被加工対象物に対するレーザの照射位置を板状の被加工対象物の面方向に沿って移動した場合に、被加工対象物の表面のうねりや、被加工対象物に対してレーザの照射位置を相対的に移動させた際の高さずれなどにより、前記光学素子と被加工対象物のレーザの照射位置との距離が変化してしまい、被加工対象物に対してレーザを正しく結像もしくは集光できなくなり、これにより加工精度が低下する。
そこで、特許文献１においては、被加工対象物の高さ位置、すなわち、被加工対象物の移動方向に直交し、ほぼレーザの照射方向となる方向に沿った方向の位置の変化を測定し、測定された高さ位置の変化に対応して、光学素子の位置を変化させ、被加工対象物と光学素子との距離をほぼ一定に保つようにしていた。
また、特許文献１では、高さ位置の測定に測定用レーザと、光位置検出素子が用いられているが、光位置検出素子に代えてＣＣＤカメラを用いたものも知られている。

特開２００５−２９７０１２号公報

ところで、前記ＣＣＤカメラを用いたものは、処理速度が遅く被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置の相対移動速度が速い場合に追従できない。
また、レーザ加工装置においては、レーザ光強度の高いレーザを使用することから、結像もしくは集光用の光学素子におけるレーザ光の吸収や、光学素子としての組レンズ内部の散乱光により、レンズまたはレンズハウジングが加熱され、レンズやレンズハウジングの部分的な熱膨張（熱レンズ歪み）や、温度変化に対応したレンズ材料の屈折率の変化によりレンズの焦点距離が変動し、加工に悪影響を及ぼすことになる。
すなわち、被加工対象物に対する光学素子の距離を一定に保持するようにしても、上述の焦点距離の変動により、加工用レーザを被加工対象物上に正確に結像させたり集光させたりすることができない。

また、被加工対象物の加工用レーザおよび測定用レーザの照射面は、必ずしも一様な状態とは限らず、表面の材質が場所によって異なったり、表面の性状が異なったり（例えば、平滑かざらざらか）、表面の凹凸などに基づく傾きが異なったりした場合に、光位置検出素子やＣＣＤカメラに受光される測定用レーザの反射光（戻り光）の強度が大きく変化することになる。
この場合に、光位置検出素子やＣＣＤカメラによる測定用レーザ用の受光位置の計測における誤差が大きくなってしまう。また、光位置検出素子やＣＣＤカメラの測定レンジを越えるように変化すると、測定自体が困難になる可能性があり、被加工対象物に対する光学素子の距離を一定に保持することが困難になる。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、レーザ加工装置において、被加工対象物と加工用レーザを被加工対象物に結像もしくは集光する対物用光学素子との距離を一定に保持する際に、対物用光学素子の熱レンズ歪みや屈折率の変化による焦点距離の変動に対応でき、さらに、被加工対象物に対する対物用光学素子の距離の変化を測定するための測定用レーザの反射光の強度が被加工対象物の表面の状態により変化しても正確に前記距離を測定できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、加工用レーザを被加工対象物で結像もしくは集光させるための対物用光学素子を介して前記被加工対象物に前記加工用レーザを照射するとともに、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるために前記対物用光学素子の被加工対象物の加工用レーザが照射される照射位置に対する距離を調整する焦点距離調整手段を有し、被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置を加工用レーザの照射方向とほぼ直交する方向に相対的に移動させることにより被加工対象物に加工用レーザによる加工を施すレーザ加工装置であって、前記加工用レーザの光軸と略同じ光軸に沿うと共に、前記被加工対象物の加工用レーザが照射される照射面に対して僅かに斜めなるように測定用レーザを前記被加工対象物に照射する測定用レーザ照射手段と、前記被加工対象物に照射された測定用レーザの反射光を受光するとともに、被加工対象物の前記照射面の前記加工用レーザの照射方向に沿った位置の変位に基づいた受光位置の変位を計測するＰＳＤ素子を備えた受光位置変位計測手段とを備え、前記測定用レーザが前記対物用光学素子を通過した後に前記被加工対象物に照射され、かつ、前記被加工対象物から反射した測定用レーザの反射光が対物用光学素子を通過した後に前記ＰＳＤ素子に入射するように前記測定用レーザ照射手段と、受光位置変位計測手段とが配置され、前記受光位置変位計測手段により計測された測定用レーザの反射光の受光位置の変位に基づいて前記焦点距離制御手段が対物用光学素子と被加工対象物との距離を制御することを特徴とする。

請求項１記載の発明においては、被加工対象物の加工用レーザの照射面の加工用レーザの照射方向に沿った位置の変位を測定する測定用レーザが対物用光学素子を通過するとともに、測定用レーザの被加工対象物からの反射光が対物用光学素子を通過するようになっており、受光位置変位計測手段による受光位置が、前記照射面の位置の変位だけではなく、対物用光学素子の加工用レーザによる熱の影響による焦点距離の変位によっても変化することになる。したがって、受光位置変位計測手段による受光位置の変位に基づいて対物用光学素子と被加工対象物との距離を焦点距離制御手段で制御することで、被加工対象物と対物用光学素子の距離の変化だけではなく、対物用光学素子の加工用レーザによる熱の影響のよる焦点距離の変化にも対応できる。すなわち、単に対物用光学素子と被加工対象物との距離を一定に保持するのではなく、対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるように制御することができる。

請求項２に記載の発明は、前記受光位置変位計測手段は、ＰＳＤ素子における前記測定用レーザの反射光の受光強度の変化を示す信号を出力可能とされ、前記測定用レーザ照射手段は、照射する測定用レーザの強度を可変とし、かつ、測定用レーザの強度の変更を制御するレーザ強度制御手段を備え、前記レーザ強度制御手段は、前記受光位置変位計測手段から出力される測定用レーザの反射光の受光強度の変化に基づいて測定用レーザの強度をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、測定用レーザの発射強度を測定用レーザの反射光強度の変化でフィードバック制御することにより、測定用レーザの反射光をほぼ一定もしくは一定の範囲内での変動とすることにより、受光位置変位計測手段における測定精度を向上することができる。また、受光位置の変位の計測と、反射光強度の変位の計測を１つの受光位置変位計測手段で行うことができるので、受光位置の計測と反射光強度の計測にそれぞれ異なる測定機器を用いた場合よりもコストダウンを図ることができる。

本発明のレーザ加工装置によれば、加工用レーザの対物用光学素子と被加工対象物との距離の変動に対応して対物用光学素子を移動できるだけではなく、対物用光学素子の加工用レーザによる熱の影響に基づく焦点距離の変動に対応して対物用光学素子を移動できる。さらに、被加工対象物の表面の状態の変化に基づく測定用レーザの反射光の変動幅を狭くし、より正確に対物用光学素子の位置を制御することができる。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るレーザ加工装置３の概略構成を示すものである。
レーザ加工装置３は、固定点からＸ−Ｙステージ装置４上の被加工対象物５までのＺ軸方向に沿った距離としての高さを計測する高さ測定器１と、Ｘ−Ｙステージ装置４と、図示しない加工用レーザの光源装置と、光源装置から照射された加工用レーザをＸ−Ｙステージ装置４にセットされた被加工対象物５上で結像もしくは集光させる対物用光学素子としての結像（集光）用レンズ６１を備えた対物用光学装置６と、該対物用光学装置６を上下動自在に支持するとともに上下方向（Ｚ軸上）に位置決めするＺステージ装置７とを備える。

光源装置は、例えば、レーザとして、ＹＡＧレーザ（波長、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍ）、ＣＯ2レーザ（波長、１．０６μｍ）、エキシマレーザ（波長、３０８ｎｍ、２４８ｎｍ）や、その他の気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、液体レーザ、ファイバーレーザ、薄膜ディスクレーザ等の少なくとも何れか１つを用いることできる。すなわち、被加工対象物の種類や、加工の種類に応じて好適なレーザを使用することができる。なお、レーザ加工装置は、溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質や、薄膜のパターニング、シート材の加工等の少なくとも１つに用いられる。たとえば、レーザ加工装置は、フラットパネルディスプレイのガラス基板や樹脂基板（フィルム）等の透明基板における薄膜のパターニングに用いられるものとしてもよい。
なお、レーザによる微細加工における好適なレーザは、１５７ｎｍ〜１２００ｎｍのレーザと、９μｍ〜１１μｍの赤外線レーザとである。

Ｘ−Ｙステージ装置４は、周知のもので、基本的に板状もしくはシート状の被加工対象物５がセットされるステージ４１を有し、このステージ４１をＸ軸方向およびそれに直交するＹ軸方向に移動させるものであり、ステージ４１の移動をコントロール（制御）するＸ−Ｙステージ制御装置４２を備える。また、Ｘ−Ｙステージ装置４には、ステージ４１を跨ぐように門形状に形成された固定部４３が設けられ、この固定部４３に、対物用光学装置６を備えたＺステージ装置７と、高さ測定器１とが固定されている。図中、Ｚステージ装置７だけが固定部４３に固定されているが高さ測定器１も固定部４３に固定されている。

そして、対物用光学装置６は、ステージ４１をＸ−Ｙステージ装置４における移動可能範囲内で移動させることで、ステージ４１に固定される被加工対象物５の上面全体のいずれの位置の真上にも配置可能となっている。対物用光学装置６は、上述のように加工用レーザを被加工対象物５上で結像もしくは集光させる光学素子としてのレンズ（結像（集光）用レンズ６１）もしくはレンズ群を備えた周知のものである。

Ｚステージ装置７は、対物用光学装置６をＸ軸方向およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向（加工用レーザの照射方向）に移動させるものであり、このＺ軸方向の移動により対物用光学装置６（レンズ）と被加工対象物５との距離を調整し、加工用レーザを被加工対象物５上に結像もしくは集光させる際に焦点を合わせるものである。すなわち、Ｚステージ装置７は、対物用光学素子を備える対物用光学装置６の焦点を被加工対象物５に合わせるための焦点距離調整手段として機能するものである。なお、加工用レーザの被加工対象物５への照射方向は、Ｚ軸方向に沿ったものである。

したがって、レーザ加工装置３は、加工用レーザを被加工対象物５で結像もしくは集光させるための対物用光学素子（対物用光学装置６）を介して前記被加工対象物５に前記加工用レーザを照射するとともに、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるために前記対物用光学素子の被加工対象物５の加工用レーザが照射される照射位置に対する距離を調整する焦点距離調整手段（Ｚステージ装置７およびＺステージ制御装置７１）を有し、被加工対象物５に対する加工用レーザの照射位置を加工用レーザの照射方向（Ｚ軸方向）とほぼ直交する方向（Ｘ−Ｙ軸方向）に相対的に移動させることにより被加工対象物５に加工用レーザによる加工を施すものである。Ｚステージ装置７は、Ｚステージ制御装置７１に制御されて、対物用光学装置６を移動させるようになっており、これらが焦点距離調整手段となる。

そして、このようなレーザ加工装置３で用いられる高さ測定器１は、レーザ加工装置３が被加工対象物５の加工面で加工用レーザを集光させる集光光学系のものか、被加工対象物５の加工面に例えば予め決められた加工形状となるマスクの像を加工用レーザにより結像させる結像光学系を有するものかによって構造が僅かに異なるものとなる。
なお、集光光学系のレーザ加工装置３においては、被加工対象物５に対して加工用レーザの照射位置を相対的に移動したり停止したりすることで加工形状が決定されるのに対して、結像光学系では、加工用レーザを移動しなくともマスクによって加工形状が決定されるが、例えば、同じマスクを用いて同じ加工形状を１つの被加工対象物５に複数作成する場合や、順次マスクを切り換えて異なる加工形状を１つの被加工対象物５に複数作成する場合に、被加工対象物５に対して加工用レーザを相対的に移動させる必要があり、結像光学系のレーザ加工装置３においても、被加工対象物５の表面のうねりや、被加工対象物５に対してレーザ照射位置を相対的に移動させた際の高さずれなどにより、前記対物用光学装置６と被加工対象物５の加工用レーザの照射位置との距離が変化してしまという問題が生じる。

集光光学系のレーザ加工装置３における高さ測定器１は、図２に示すように、測定用レーザを発生させるとともに、測定用レーザの強度を制御する制御装置を備えた測定用レーザ発生装置１１と、測定用レーザ発生装置１１から出力される測定用レーザを伝播するシングルモード光ファイバ１２と、シングルモード光ファイバ１２から出射された測定用レーザを平行光とする投光レンズ１３と、投光レンズ１３を通る測定用レーザを被加工対象物５側（ここでは、後述のダイクロックミラー１５側）に向けるとともに被加工対象物５からの測定用レーザの反射光を後述のＰＳＤ測定装置１６側に向けるビームスプリッタ１４と、異なる方向から照射される測定用レーザと加工用レーザとをほぼ同じ光軸上に配置させるダイクロックミラー１５と、ダイクロックミラー１５から対物用光学装置６を介して被加工対象物５に照射されて反射された反射光が再び対物用光学装置６、ダイクロックミラー１５、ビームスプリッタ１４および反射光を集光する受光レンズ１８を介して入射されるＰＳＤ測定装置１６と、ＰＳＤ測定装置１６により測定された前記反射光の位置の変化および出力の変化を求め、これらを測定用レーザ発生装置１１およびＺステージ制御装置７１に出力するＰＳＤ解析装置１７とを備えている。

測定用レーザ発生装置１１は、例えば、波長６３５ｎｍの赤色の半導体レーザを用いた光源を備えるとともに、出力を変更可能となっている。なお、測定用レーザ発生装置１１の制御装置は、ＰＳＤ解析装置１７から入力される測定用レーザの反射光の強度の測定値の変化に基づいて測定用レーザの出力をほぼリアルタイムでフィードバック制御する。制御方法は周知のフィードバック制御方法を用いることができ、基本的に、反射光の測定強度が減少傾向なら測定用レーザの出力を増加傾向とし、測定強度が増加傾向なら測定用レーザの出力を減少傾向とする。すなわち、レーザ強度制御手段としての測定用レーザ発生装置１１の制御装置は、前記受光位置変位計測手段としてのＰＳＤ測定装置１６からＰＳＤ解析装置１７を介して出力される測定用レーザの反射光の受光強度の変化に基づいて測定用レーザの強度をフィードバック制御することになる。

シングルモード光ファイバ１２は、測定用レーザ発生装置１１から出力された測定用レーザをシングルモードのレーザとして伝播するとともに出射する。これにより、出力される測定用レーザを小さな径とするとともにレーザビームの断面の強度分布においてピークが１つとなるものとし、ＰＳＤ測定装置１６における測定精度を高めることができる。
ビームスプリッタ１４は、シングルモード光ファイバ１２の出射端から出射される測定レーザを被加工対象物５側に反射し、被加工対象物５から反射される測定用レーザの反射光をＰＳＤ測定装置１６側に透過させる。

ダイクロックミラー１５は、互いに波長の異なる加工用レーザと、測定用レーザにおいて、加工用レーザの波長の光を透過させ、測定用レーザの波長の光を反射させるものとなっている。そして、ダイクロックミラー１５により異なる方向から入射される加工用レーザと測定用レーザを略同じ光軸上に配置し、対物用光学装置６により被加工対象物５のほぼ同じ位置に照射する。なお、加工用レーザによる加工が溝掘りや穴あけの場合のように、被加工対象物５の表面位置を低下させる場合に、測定用レーザの照射位置が加工用レーザによる加工位置と完全に一致しない方が好ましい。

また、ダイクロックミラー１５は、被加工対象物５の加工用レーザが照射されるほぼ平面である照射面（加工される面）に対して測定用レーザを僅か（照射面に直交するようにレーザ加工装置および高さ測定器１を組み立てた際の組立誤差レベルでよい）に斜めに入射させるようになっている。これにより、被加工対象物５の加工用レーザの照射面の高さ位置（Ｚ軸方向に沿った位置）が上下に変動した場合に、測定用レーザの反射光の光軸がずれる（変位）するようにしている。このずれに基づく反射光の受光位置の変化を後述のＰＳＤ測定装置１６で計測することで、被加工対象物５の加工用レーザ照射位置のＺ軸方向に沿った変化、すなわち、高さ位置の変化を計測できるようにしている。

以上のことから、上述の測定用レーザ発生装置１１は、前記加工用レーザの光軸と略同じ光軸に沿うと共に、前記被加工対象物の加工用レーザが照射される照射面に対して僅かに斜めなるように測定用レーザを前記被加工対象物に照射する測定用レーザ照射手段となる。また、測定用レーザ発生装置１１は、照射する測定用レーザの強度を可変とし、かつ、測定用レーザの強度の変更を制御するレーザ強度制御手段としての制御装置を内蔵している。

そして、測定用レーザが対物用光学装置６を加工用レーザと略同じ光軸に沿って通過した後に、測定用レーザの反射光が対物用光学装置６を通過した後にＰＳＤ測定装置１６に入射するようになっていることから、上述の被加工対象物５の表面における加工用レーザの照射位置のＺ軸方向の位置の変化だけではなく、対物用光学装置６における上述の熱レンズ歪みや熱による屈折率の変化に基づく焦点距離の変動によっても、ＰＳＤ測定装置１６における測定用レーザの反射光の受光位置が変化するようになっている。これにより、実際の被加工対象物５表面のＺ軸方向の沿った変化（高低差）による反射光の受光位置の変化と、対物用光学装置６における焦点距離の変動による受光位置の変化とを合わせた変化をＰＳＤ測定装置１６で測定可能となっている。

一方、図３に示す、結像光学系のレーザ加工装置３で用いられる高さ測定器１ａは、基本的に、集光光学系のレーザ加工装置３で用いられる高さ測定器１と以下の点が相違するが、同様の構成については、説明を省略する。
なお、結像光学系のレーザ加工装置３には、対物用光学装置６より加工用レーザの光源側にマスク８が配置される。
そして、高さ測定器１ａでは、高さ測定器１にあった受光レンズ１８が無い構成となっている。
また、投光レンズ１３は、シングルモード光ファイバ１２から出向した測定用レーザを平行光とするものではなく、例えば、ビームスプリッタ１４より前となる位置で一旦測定用レーザを集光させる集光レンズとなっている。

そして、投光レンズ１３で集光された集光点９からビームスプリッター１４を介してダイクロイックミラー１５までの測定用レーザの光路長Ｌ１と、ダイクロイックミラー１５からマスク８までの加工用レーザの光路長Ｌ２と、ダイクロイックミラー１５からＰＳＤ素子の受光面までの光路長Ｌ３とが等しくなるようにそれぞれ集光点９、マスク８、ＰＳＤ素子等を配置する。
なお、これにより、マスク８から対物用光学装置６を介して被加工対象物５の加工用レーザ照射位置までの光路長と、集光点９から対物用光学装置６を介して被加工対象物５の測定用レーザ照射位置までの光路長と、被加工対象物５の測定用レーザ照射位置から対物用光学装置６を介してＰＳＤ素子の受光面までの光路長が等しくなる。
以上の構成により、測定用レーザは、集光点９で集光した後に、マスクにより形成される画像を被加工対象物５の加工用レーザ照射面に結像させる対物用光学装置６を通り、被加工対象物５に照射された状態となるとともに反射され、この反射光が対物用光学装置６を通り、再び、ＰＳＤ素子の受光面に集光（結像）した状態で達する。したがって、高さ測定器１のように、集光レンズ１８がなくてもＰＳＤ素子の受光面上に略点状の測定用レーザの反射光が入射することになる。

以上のことから、測定用レーザが対物用光学装置６を通過した後に被加工対象物５に照射され、かつ、被加工対象物５から反射した測定用レーザの反射光が対物用光学装置６を通過した後にＰＳＤ素子を有するＰＳＤ測定装置１６に入射するように、前記測定用レーザ照射手段の末端となるシングルモード光ファイバ１２の出射端と、ＰＳＤ測定装置１６のＰＳＤ素子とが配置されている。

そして、ＰＳＤ測定装置１６は、ＰＳＤ（ポジションセンシングデバイス）素子の受光面における受光位置の変位を測定するものであり、例えば、図２および図３における配置において、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置がＺ軸方向に沿って上下に変化すると、ＰＳＤ素子の受光面における測定用レーザの反射光の位置もＺ軸方向に沿って変化する。
この変化をＰＳＤ測定装置１６が信号としてＰＳＤ解析装置１７に出力する。また、ＰＳＤ測定装置１６は、基本的に光検知装置であり、入射光の位置情報とともに入射光の強度も測定可能であり、ＰＳＤ測定装置１６から出力される上記信号には、入射光強度の変化を示す信号も含まれるものとなっている。

そして、ＰＳＤ測定装置１６は、被加工対象物に照射された測定用レーザの反射光を受光するとともに、被加工対象物５の加工用レーザの照射面が加工用レーザの照射方向に沿って位置を変位させた場合に、この変位に基づいた受光位置の変位を計測するＰＳＤ素子を備えた受光位置変位計測手段として機能する。また、ＰＳＤ測定装置１６は、ＰＳＤ素子における前記測定用レーザの反射光の受光強度の変化を示す信号を出力可能とされている。

そして、ＰＳＤ解析装置１７は、ＰＳＤ測定装置１６から入力された信号のうちの上述のＰＳＤ測定装置１６の受光面における測定用レーザの反射光の位置の変化の信号に基づいて、Ｚステージ装置７のＺステージ制御装置７１に対物用光学装置６のＺ軸方向の移動のための信号を出力する。すなわち、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置が上昇した場合に、対物用光学装置６を上昇させ、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置が下降した場合に、対物用光学装置６を下降させる。

また、測定用レーザの反射光の位置の変化の信号には、測定用レーザおよびその反射光が対物用光学装置６を通過することから、上述のように対物用光学装置６の焦点距離の変動の情報も含まれており、対物用光学装置６の焦点距離が長くなった場合に、対物用光学装置６を上昇させ、対物用光学装置６の焦点距離が短くなった場合に、対物用光学装置６を下降させる。すなわち、受光位置変位計測手段としてのＰＳＤ測定装置１６により計測された測定用レーザの反射光の受光位置の変位に基づいて焦点距離制御手段としてのＺステージ装置７およびＺステージ制御装置７１が対物用光学装置６と被加工対象物５との間の距離を制御する

なお、ＰＳＤ測定装置１６において、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置が上昇した際に、受光位置が高さ方向（Ｚ軸方向）の下側に移動し、被加工対象物５の測定用レーザの照射位置が下降した際に、受光位置が高さ方向（Ｚ軸方向）の上側に移動すると仮定した場合に、対物用光学装置６の焦点距離が長くなった際に、受光位置が高さ方向（Ｚ軸方向）の下側に移動し、対物用光学装置６の焦点距離が短くなった際に、受光位置が高さ方向（Ｚ軸方向）の上側に移動する。

これにより、被加工対象物５の表面状態やＸ−Ｙステージ装置４の動作に伴う対物用光学装置６と被加工対象物５の距離の変動と、対物用光学装置６の加工用レーザの熱による焦点距離の変動に対応して、Ｚステージ装置７により対物用光学装置６を被加工対象物５上に加工用レーザが結像もしくは集光される位置に保持することができる。
すなわち、被加工対象物５と対物用光学装置６との距離の変動に対応してＺステージ装置７により距離を一定に保つのではなく、対物用光学装置６の焦点距離の変動も考慮して、対物用光学装置６の焦点を常に被加工対象物５に合わせるようにＺステージ装置７及びＺステージ制御装置７１により対物用光学装置６の位置が制御されることになる。

また、ＰＳＤ測定装置１６から入力された信号に基づいてＰＳＤ解析装置１７においてＰＳＤ測定装置１６における入射光（測定用レーザの被加工対象物５からの反射光）強度の変化を示す信号を測定用レーザ発生装置１１の制御装置に出力する。この信号に基づいて前記制御装置は、入射光強度が上がると測定用レーザ発生装置１１における測定用レーザの発射強度が下げられ、入射光強度が下がると測定用レーザ発生装置１１における測定用レーザの発射強度が上げられる。
これにより、上述のＸ−Ｙステージで、被加工対象物５を移動させることにより、加工用レーザおよび測定用レーザの照射位置が移動した際の被加工対象物５の表面状態の変化により測定用レーザの反射光の強度が変動した場合、例えば、測定用レーザ発生装置１１において反射光強度が低下した際に測定用レーザの強度を高くし、反射光強度が上昇した際に測定用レーザの強度を低くする。

これにより、被加工対象物５の表面状態が一様でない場合に、表面状態の変化により
測定用レーザの反射光の強度が低下したり上昇したりした場合にフィードバック制御により、測定用レーザの発射強度を変更することで、測定用レーザの反射光の強度の変動を小さくするようにできる。したがって、測定用レーザの反射光の強度の変動が、例えば、ＰＳＤ測定装置１６の測定レンジを越えるような大きな変動であっても、測定レンジ内に収まる変動に調整することができる。
これらのことから、測定用レーザの反射光強度の変動により反射光強度がＰＳＤ測定装置１６の測定レンジを越えることで、上述の被加工対象物５の高さの変動の正確な測定が困難になるような場合でも正確な測定が可能となる。また、測定レンジを越えないような反射光強度の変動であっても変動幅を狭くすることが可能であり、より正確な測定を可能とすることができる。

なお、上記例では、ダイクロックミラー１５により、測定用レーザを反射させ、加工用レーザを透過させるようにしたが、ダイクロックミラー１５として、測定用レーザを透過させ、加工用レーザを反射させるものを使用する構成としてもよい。この場合に、測定用レーザの経路に応じて各構成要素の位置が変更になるが、基本的な構成は、ダイクロックミラー１５が変更になる以外は同様となる。

また、上記例では、レーザ加工用装置として、加工時に、Ｘ−Ｙステージ装置４を用いて被加工対象物５を加工用レーザに対して移動するレーザ加工装置を示したが、本発明は、その他のレーザ加工装置にも適用可能であり、例えば、被加工対象物５に対してレーザを移動するレーザ加工装置や、被加工対象物５とレーザの両方を移動可能としたレーザ加工装置にも適用可能である。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を示す概略図である。 前記レーザ加工装置（集光光学系）に備えられた高さ測定器を示す概略図である。 前記レーザ加工装置（結像光学系）に備えられた高さ測定器を示す概略図である。

符号の説明

１ 高さ測定器
３ レーザ加工装置
４ Ｘ−Ｙステージ装置
５ 被加工対象物
６ 対物用光学装置
６１ 対物用レンズ（対物用光学素子）
７ Ｚステージ装置（焦点距離調整手段）
７１ Ｚステージ制御装置（焦点距離調整手段）
１１ 測定用レーザ発生装置（測定用レーザ照射手段、レーザ強度制御手段）
１６ ＰＳＤ測定装置（受光位置計測手段）

Claims (2)

1. 加工用レーザを被加工対象物で結像もしくは集光させるための対物用光学素子を介して前記被加工対象物に前記加工用レーザを照射するとともに、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるために前記対物用光学素子の被加工対象物の加工用レーザが照射される照射位置に対する距離を調整する焦点距離調整手段を有し、被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置を加工用レーザの照射方向とほぼ直交する方向に相対的に移動させることにより被加工対象物に加工用レーザによる加工を施すレーザ加工装置であって、
   前記加工用レーザの光軸と略同じ光軸に沿うと共に、前記被加工対象物の加工用レーザが照射される照射面に対して僅かに斜めなるように測定用レーザを前記被加工対象物に照射する測定用レーザ照射手段と、
   前記被加工対象物に照射された測定用レーザの反射光を受光するとともに、被加工対象物の前記照射面の前記加工用レーザの照射方向に沿った位置の変位に基づいた受光位置の変位を計測するＰＳＤ素子を備えた受光位置変位計測手段とを備え、
   前記測定用レーザが前記対物用光学素子を通過した後に前記被加工対象物に照射され、かつ、前記被加工対象物から反射した測定用レーザの反射光が対物用光学素子を通過した後に前記ＰＳＤ素子に入射するように前記測定用レーザ照射手段と、受光位置変位計測手段とが配置され、
   前記受光位置変位計測手段により計測された測定用レーザの反射光の受光位置の変位に基づいて前記焦点距離制御手段が対物用光学素子と被加工対象物との距離を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記受光位置変位計測手段は、ＰＳＤ素子における前記測定用レーザの反射光の受光強度の変化を示す信号を出力可能とされ、
   前記測定用レーザ照射手段は、照射する測定用レーザの強度を可変とし、かつ、測定用レーザの強度の変更を制御するレーザ強度制御手段を備え、
   前記レーザ強度制御手段は、前記受光位置変位計測手段から出力される測定用レーザの反射光の受光強度の変化に基づいて測定用レーザの強度をフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

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