JP2012503556A - 微細加工用途のためのレーザビームの後置レンズステアリング - Google Patents

Abstract

【課題】ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能で、レンズ出力から被加工物へのレーバビームパルス光路を常に一定に維持する集束レンズを提供する。
【解決手段】レーザ微細加工システムが、レーザ光源とレーザビームパルス光路に沿ったビームステアリング機構の間に配設された単一の集束レンズを備えている。集束レンズは、レーザ光源から入射したレーザビームと整列された集束レンズの光軸を有する単一の単一要素球状レンズである。集束レンズは、ビームステアリグ機構よりも被加工物からさらに離れて配設されている。アクティブビーム光路管理システムは、ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して単一の集束レンズを移動させて、ビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で、被加工物面上に焦点を結び続ける。集束レンズは、ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能であり、レンズ出力から被加工物へのレーザビーム光路長を一定に維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細加工用途に用いられるレーザビームに関する。

多くのレーザ微細加工システムは、被加工物面上でレーザビームスポットを高速に移動させるために、レーザビームを偏向させる高速ビームステアリング機構（例えば一対の検流計など）を備えている。典型的な実装において、高速ビームステアリング機構によるビームの角度方向偏向は、「エフシータ(f-theta」」レンズ（「テレセントリックレンズ」または「スキャンレンズ」としても知られている）により、被加工物面上の平面移動(planar motion)に変換される。ビームステアリング機構が、レンズの前焦点に配設され、入射ビームが平行にされたとき、光軸に平行でもある収束(converging)（集束(focusing)）出力ビームが得られる。多くの場合において、この構成は、光軸に垂直な被加工物面を呈するパーツチャック(part chuck)に結合される。そうであるから、エフシ−タレンズから放射された（集束）ビームは、９０度の角度で被加工物面に照射(impact)される。代表的な構成を図２に示す。ここでは、レーザ微細加工システム１０ａは、ビームステアリング機構１６ａとエフシ−タ集束レンズ１８ａを通って、被加工物２０ａ方向に向けてレーザビーム光路１４ａを方向付けるために配設されたレーザ光源１２ａを備えている。

レーザ微細加工システムは、ビームステアリング機構と集束レンズを通って、被加工物方向に向けてレーザビームパルス光路を方向付けるために配設されたレーザ光源を備えている。本発明の一実施形態によれば、集束レンズは、レーザ光源と、レーザビームパルス光路に沿ったビームステアリング機構の間に配設された単一の(simple)集束レンズである。他の実施形態において、集束レンズは、レーザ光源から入射したレーザビームと整列された集束レンズの光軸を有する単一の単一要素(single-element)球状レンズである。集束レンズは、ビームステアリング機構よりも被加工物からさらに離れて配設され、レーザ光源を用いた加工時に発生した摩耗粉(debris)による汚染に対する集束レンズの感受性(susceptibility)を低減させる。別の実施形態において、アクティブビーム光路管理システム(active beam path management system)は、ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して単一の集束レンズを移動させ、ビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で、被加工物面上に焦点を結び続ける。集束レンズは、ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能で、レンズ出力から被加工物へのビーム光路長を常に一定に維持する。

本発明の一実施形態において、レーザ微細加工工程は、ビームステアリング機構と集束レンズを通って、被加工物方向に向けてレーザビームパルス光路を方向付けるために配設されたレーザ光源を備えている。この工程は、レーザ光源とレーザビームパルス光路に沿ったビームステアリング機構の間に単一の集束レンズを配設することを含む。別の実施例において、また、この工程は、レーザ光源から入射したレーザビームと整列した光軸を有する単一の単一要素球状集束レンズを配設することを含む。さらに、この工程は、ビームステアリング機構よりも被加工物からさらに離して集束レンズを配設して、レーザ光源を用いて加工時に発生した摩耗粉による汚染に対する集束レンズの感受性を低減させることを含む。別の実施形態において、この工程は、ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して集束レンズを移動させて、アクティブビーム光路管理システムを有するビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で被加工物面上に焦点を結び続ける。集束レンズは、ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能で、レンズ出力から被加工面へのレーム光路長を常に一定に維持する。

添付図面と一緒に以下の説明を読めば、本発明のその他の用途は、当業者に明らかになるだろう。

ここでは、添付図面を参照して説明を行い、複数の図面にわたって、同一参照符号は同一部位を示す。

ビームステアリング機構により影響を受ける異なる偏向角で、被加工面上に焦点を結び続けさせる「アクティブビーム光路管理」概念(concept)を含む本発明の一実施形態による単一の集束レンズが前置されたビームステアリング機構の概略図である。

エフシータレンズが後置された典型的なビームステアリング構成の概略図である。

図１について説明する。レーザ微細加工システム１０は、ビームステアリング機構１６と集束レンズ１８を通って、レーザビームパルス光路１４を被加工物２０方向に向けて方向付けるために配設されたレーザ光源１２を備えている。本発明の一実施形態による集束レンズは、レーザ光源１２と、被加工物２０方向を向いたレーザビームパルス光路１４に沿ったビームステアリング機構１６との間に配設された単一の集束レンズ(simple focusing lens)１８であってもよい。ビームステアリング機構１６は、例えば、いわゆる、従来技術において公知の検流計により制御されるビームステアリング光学系を備える「高速」ビームステアリング機構である。被加工物２０は、１軸または多軸リニアステージのパーツチャック上に従来方式で支持されており。パーツチャックと一緒に移動する。あるいは、被加工物２０を静止、すなわち、パーツチャックの固定位置に載せてもよい。

本発明の一実施形態において、集束レンズは、単一の単一要素球状レンズ１８であってもよい。集束レンズ１８の少なくともすぐ近くに隣接するレーザ光源１２からの集束レンズ１８へのレーザビーム入射または光路１４は、集束レンズ１８の光軸２２と常に整列している(in line)。レーザビームパルス光路１４は、集束レンズ１８を通る光軸２２と同軸上に整列する前に、当業者に公知の装置により、レーザ光源１２と集束レンズ１８との間で方向を変えることができることを認識すべきである。

本発明の一実施形態によれば、集束レンズ１８は、レーザ光源１２から被加工物２０への光路方向と、集束レンズ１８とビームステアリング機構１６の各々から被加工物２０へ直線で測定された方向との双方で、ビームステアリング機構１６よりも被加工物２０からさらに離れて配設されている。これにより、レーザ光源１２を用いて被加工物２０上で加工時に発生した摩耗粉による汚染に対する感受性を低減させることができる。ビームステアリング機構１６からの出射ビーム２６の光路２４は、以下に詳述するように、直角以外の角度を含む角度αで、被加工物２０の面２８に入射できる。

本発明の一実施形態は、アクティブビーム管理システム３０も備えることができる。一般的に、ビーム管理システムは、被加工物上の目標位置を知っていて検流計(galvanometers)を制御するコンピュータと、および目標位置のレーザスポットの焦点を合わせるために出射し(firing)、目標位置に焦点が合ったとき、レーザ出射を開始するレーザとを備える。ここで、アクティブビーム管理システム３０は、マイクロプロセッサベースのコントローラであり、被加工物１８が移動可能であるとき、ビームステアリング機構と被加工物１８の位置指示計からの入力を受け取り、レーザ光源１２、ビームステアリング管理機構１７、および設置されている場合には可動ステージ支持被加工物１８、および状況に応じて集束レンズ１８、に出力を供給するスタンドアローンコンピュータに搭載するのが好ましい。より詳しく言うと、プログラムされた命令が、アクティブビーム管理システム３０により実装されて、ビームステアリングシステム１６の検流計を制御し、場合によっては、集束レンズ１８の位置をも制御して、目標位置にレーザスポットの焦点を合わせ、各目標位置に焦点が合ったとき、レーザ光源１２を制御して出射する。

以下に詳述するように、アクティブビーム管理システム３０は、ビームステアリング機構１６と一緒におよびそれに対して単一の集束レンズ１８を移動させ、ビームステアリング機構１６により影響を受ける全偏向角αで、被加工物２０の面２８上に焦点を結び続けることができる。ビームステアリング機構１６と一緒に高速に集束レンズ１８を移動して、集束レンズ１８と被加工物２０との間のビーム光路長を常に一定に維持することができる。

本発明の一実施形態によるビームステアリング機構１６と集束レンズ１８を通って、被加工物２０方向に向けてレーザビームパルス光路１４を方向付けるために配設されたレーザ光源１２を備えるレーザ微細加工工程は、レーザ光源１２とレーザビームパルスの光路１４に沿ったビームステアリング機構１６との間に単一の集束レンズ１８を配設することを含む。典型的な構成において、図２において最も良く分かるように、集束レンズ１８ａは、ビームステアリング機構１６ａから下流に、またはその後に配設されている。この構成は、エフシータレンズ１８ａを要求している。図１に示す構成により、単一の集束レンズ１８を単一の単一要素球状レンズ１８にすることができる。また、典型的な構成と比較したとき、この構成により、集束レンズのコストをかなり低減させることができる。図１に示すように、ビームステアリング機構１６よりも被加工物からさらに離して集束レンズ１８を配設することで、上述したように、摩耗粉による汚染に対する集束レンズ１８の感受性を低減させる。

この工程は、一般に、レーザ光源１２から集束レンズ１８に入射したレーザビームパルス光路１４を、集束レンズ１８の光軸２２と常に整列させることを含む。集束レンズ１８への入射に先立ち、光軸２２と同軸上に整列する前に、当業者に公知の装置により、レーザ光源１２と集束レンズ１８との間で、レーザビームパルス光路１４を変えることができることを認識すべきである。

この工程は、直角（つまり、９０度）以外の角度を含む角度αで、ビームステアリング機構１６からの出力ビーム２６光路２４を被加工物２０の面２８に入射させることを含むことができる。すなわち、図２に示すシステム１０ａにおいて、ビームステアリング機構１６ａと被加工物２０ａとの間にエフシータレンズ１８ａを設けることで、光軸２２ａとほぼ平行なビームを、ほぼ直角に、被加工物２０ａ面に接触させることができる。しかしながら、図１に示すシステム１０において、アクティブビーム管理システム３０により、被加工物１８上の目標位置にビームステアリング機構１６の検流計を移動させると、角度αだけ、直角からオフセットされた（ビームステアリング機構１６と接触面２８からそれた）光路２４を有する出力ビーム２６を出射することになる。

その結果として、何の追加調整をすることなしには、集束レンズ１８から面２８への全ビーム光路が△ｚだけ長くなるだろう。単一の集束レンズ１８が、ビームステアリング機構１６と一緒におよびそれに対して移動して、アクティブビーム光路管理システム３０を有するビームステアリング機構１６により影響を受ける、全偏向角αで、被加工物２０の面２８上に焦点を結び続けることができる。この工程は、ビームステアリング機構１６と一緒に集束レンズ１８を高速に移動させて、集束レンズ１８と被加工物２０の間のビーム光路長を常に一定に維持することを含むことができる。角度αが増加するにつれて、△ｚが増加し、ビーム光路長を一定に維持するように、同様の量だけ、ビームステアリング機構１６のもっと近くに集束レンズ１８を移動させる。

本発明の一実施形態において、レーザ微細加工システム１０用のビーム集束／ステアリング機構が用いられ、ここで、集束レンズ１８が、ビームステアリング機構１６に前置している。上記の手法により、標準的な構成と比較して利点がある。第１に、集束レンズ１８への入射ビームを、集束レンズ１８の光軸と常に整列させることができる。従って、単一の単一要素球状レンズ１８は、この構成において十分である。このことは、図２に示す構成よりも一層好ましい。図２では、集束レンズ１８ａが、著しく複雑で（つまり、複数のレンズ要素）、より高価であるエフシータレンズ１８ａでなければならない。第２に、図１に示す構成は、集束レンズ１８を被加工物２０からさらに離れさせているために、加工作業時に発生した摩耗粉による汚染に対する集束レンズ１８の感受性を低減させる。

図１に示す光学構成は、レーザ微細加工システム（単一の集束レンズにより前置されたビームステアリング機構）のビームステアリングまたは焦点検出光学系を示す。図１は、集束レンズ１８を△ｚだけ位置を変えて、ビームステアリング機構１６により影響を受けた全偏向角αで、被加工物２８上に焦点を結び続けることができることを示している。用途要件と、ビーム偏向αの結果としてどの程度ビーム光路２４を△ｚだけ変更するかとに応じて、アクティブビーム光路管理システム３０が必要であるか、または必要でないかもしれない。つまり、用途と角度αに応じて、集束ビーム１８の位置を調整することが必要であるか、または必要でないかもしれない。角度αを小さな値にすることで、角度△ｚが、目標点での加工作業に悪影響を与えるのに十分に大きさになる可能性をより低くする。特に、被加工物２０が、固定されている場合には、集束レンズ１８の位置を調整することなしには、角度αは、目標点での加工作業に悪影響を与えるのに十分な大きさになることがある。

上記で分かったように、この設計にはある欠点がある。第１に、図１に示す設計において、ビームステアリング機構１６からの出力ビーム２６は、常に直角で被加工物２８に照射されるわけではない。用途要件に応じて、これは容認し得るか、または容認し得ないかもしれない。ビームステアリングの結果として、被加工物２０上の所望のスポットサイズ移動に比較したとき、ビームステアリング機構１６と被加工物２０との間の距離が、明らかに長いこれらの場合において、この入射角の変化（垂直から）は、かなり小さい。第２に、集束レンズ１８の湾曲焦点面の被加工物２０の面２８に対する不一致が、この特定の場合においても同様に問題である。図１に示す設計は、集束レンズ１８をビームステアリング機構１６のビームステアリング光学系と一緒に△ｚだけ移動させて、集束レンズ１８から被加工物２０へのビーム光路長を常に一定に維持できる。ビーム光路２４のこのようなアクティブ管理は、集束レンズ１８を高速に移動させる機能を要求する。これにより、図２に示す大きな複数要素のエフシータレンズ１８ａと対照的に、この設計において、移動している要素が小さな単一要素集束レンズ１８であることが可能になる。

図２に示すように、エフシータレンズ１８ａが後置されたビームステアリング機構１６ａを必要とする標準的な光学構成は、高価であり、場合によっては、エフシータレンズ１８ａ自体の複雑さによって実施するのが困難な解決策である。この複雑さは、２つの主たる理由によるものである。第１に、レンズ１８ａの前にビームステアリング機構１６ａが存在することは、レンズ１８ａへの入射ビーム３２ａが、必ずしも光軸２２ａに沿っていないことを示している。レンズ１８ａへの入射ビーム３２ａの入射角は、加工作業時に、リアルタイムで変化しやすい。第２に、たいてい、被加工物２０は比較的平坦であり、一方、標準的な球状集束レンズの後焦点面は湾曲しているだろう。光軸２２ａに平行でない入射ビーム３２ａを調節し、基本的に平坦な被加工物２０（または、そのサブ領域）上に焦点を結び続ける必要性により、通常、複雑な複数のレンズ設計を要求する。そうであるから、エフシータレンズ１８ａは、光学特性と物理的配置（複数の要素構成内）とが、非常に注意深く最適化され、さもなければ、上掲した２つの問題に起因するであろう収差が低減される多数のレンズを備える。

上記で概説した根本的な設計課題の結果として、エフシータレンズ１８ａは、一般に複雑で、比較的大きく、製造が困難で、高価である。
これらのレンズ１８ａが、たいてい、一連の光学部品において非常に長持ちする、つまりこれらのレンズ１８ａが、被加工物２０ａに対して物理的に近接しているため、加工作業時に発生した摩耗粉による汚染に対してより感受性があることを了解したときに、このコスト問題は、より一層重要になる。言うまでもなく、上記の高価な要素を定期的に交換しなければならないので、システム１０ａを所有するコストに大きな影響がある。

後置(post)ビームステアリングエフシータレンズ１８ａを前置(pre)ビームステアリング標準レンズ１８で置き換えれば、この第１の問題はただちに解決される。上記のレンズ１８への入射ビーム光路１４が固定されているため、レンズ１８の光軸２２と常に整列できる。またさらに、上記のレンズ１８は、通常、被加工物２０からさらに離れて配設されているので、摩耗粉による汚染問題に影響されやすくはない。たとえレンズ１８が汚染の対象となっても、少なくとも、部品自体がエフシータレンズ１８ａよりも１桁安価であろうから、上記の部品を定期的に交換することは、容認可能なメンテナンス方法であろう。

平坦な被加工物２０上に焦点を結び続ける問題に関しては、以下が適用される。ビームステアリング移動によりスキャンする必要がある被加工物２０領域が、レンズ１８の焦点距離と比較して十分に小さい場合、結果として生じたスポットサイズの変化は、確実に無視できるおよび／または当該用途に重要でないかもしれない。さもなければ、上記で概説したアクティブビーム管理システム３０を用いて、この問題の影響を軽減できる。

ある実施形態に関して本発明を説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されず、むしろ、添付したクレームの範囲内に包含される各種変更例および等価な構成を網羅することを意図していることを理解されたい。このクレームの範囲は、法により許容された上記の変更例と等価な構成を含むように最も広い解釈に一致する。

Claims (13)

1. ビームステアリング機構を通って、被加工物方向に向けてレーザビームパルス光路を方向付けるために配設されたレーザ光源を含むレーザ微細加工システムであって、
   前記レーザ光源と前記レーザビームパルス光路に沿った前記ビームステアリング機構との間に配設された単一の集束レンズを備えることを特徴とするレーザ微細加工システム。
2. 前記ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して前記単一の集束レンズを移動させて、前記ビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で、前記被加工物面上に焦点を結び続けるアクティブビーム光路管理システムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ微細加工システム。
3. 前記１枚の集束レンズは、単一の単一要素球状レンズであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ微細加工システム。
4. 前記レーザ光源から前記単一の集束レンズに入射した前記レーザビームパルス光路は、前記単一の集束レンズの光軸と常に整列していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ微細加工システム。
5. 前記単一の集束レンズは、前記ビームステアリング機構よりも前記被加工物からさらに離れて配設され、これにより前記レーザ光源を用いて加工作業時に発生した摩耗粉による汚染に対する感受性を低減させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ微細加工システム。
6. 前記ビームステアリング機構からの出力レーザビームパルス光路は、直角以外の角度を含む角度で、前記被加工物面に入射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ微細加工システム。
7. 前記単一の集束レンズは、前記ビームステアリング機構と一緒に高速に移動可能であり、前記単一の集束レンズから前記被加工物に出射される前記レーザビームパルス光路長を常に一定に維持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ微細加工システム。
8. ビームステアリング機構を通って、被加工物方向に向けてレーザビームパルス光路を方向付けるために設設されたレーザ光源を含むレーザ微細加工方法であって、
   前記レーザ光源と前記ビームステアリング機構との間に配設された単一の集束レンズを通過するように前記レーザビームパルスを方向付けることを特徴とするレーザ微細加工方法。
9. 前記ビームステアリング機構と一緒におよびそれに対して前記単一の集束レンズを移動させて、アクティブビーム光路管理システムを有する前記ビームステアリング機構により影響を受ける全偏向角で、前記被加工物面上に焦点を結び続けることをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のレーザ微細加工方法。
10. 前記集束レンズが、単一の単一要素球状レンズであることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のレーザ微細加工方法。
11. 前記レーザ光源から前記単一の集束レンズに入射する前記レーザビームパルス光路を、前記単一の集束レンズの光軸と整列させることをさらに含むことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のレーザ微細加工方法。
12. 直角以外の角度を含む角度で、前記ビームステアリング機構からの出力ビーム光路を前記被加工物面に入射させることをさらに含むことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のレーザ微細加工方法。
13. 前記ビームステアリング機構と一緒に前記単一の集束レンズを高速に移動させて、前記単一の集束レンズから前記被加工物への前記レーザビームパルス光路長を常に一定に維持することをさらに含むことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のレーザ微細加工方法。

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