JP4901355B2

JP4901355B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP4901355B2
Application number: JP2006203838A
Authority: JP
Inventors: 明良常見
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP2008030060A

Description

本発明はレーザ加工装置に関し、特に、レーザビームの断面を整形する光学系を有するレーザ加工装置に関する。

シリンドリカルレンズアレイを用いてレーザビームを複数の光線束に分割し、分割された複数の光線束を集光レンズで重ね合わせることにより、ビーム断面を整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一化するホモジナイザがレーザ加工装置に用いられている（例えば特許文献１参照）。

ホモジナイザにより、例えば、一方向に細長い形状のビーム断面を持つレーザビームを生成することができる。このようなレーザビームは、例えば、レーザビームにより非晶質シリコン膜を多結晶化するレーザアニールに用いられている。非晶質シリコン膜が形成された被加工面上で、ビーム断面の長さ方向に直交する方向にレーザビームを走査することにより、レーザビームが走査された領域のシリコン膜を多結晶化することができる。

例えば加工対象物の寸法に応じて、レーザアニールに用いるレーザビームの断面の長さを変えたい場合がある。このような場合、ホモジナイザが有するシリンドリカルレンズアレイの位置を基準位置からレーザビームの進行方向に対して変化させることにより、被加工面上のビーム断面の長さをある程度変化させることができる。

例えば、基準位置に配置されたシリンドリカルレンズアレイにより１００ｍｍの長さのビーム断面が得られるようなホモジナイザでは、シリンドリカルレンズアレイをレーザビームの進行方向に対して移動させることにより、８０〜１２０ｍｍ程度の長さのビーム断面を得ることができる。

特開２００２−０２５９３３号公報

上述のような技術では、ビーム断面の長さを大幅に変えることができない。例えば、基準位置に配置されたシリンドリカルレンズアレイにより１００ｍｍの長さのビーム断面が得られるようなホモジナイザで、５０ｍｍの長さのビーム断面を得ることは困難である。

なお、シリンドリカルレンズアレイを基準位置からレーザビームの進行方向に関して移動させることによりビーム断面の長さを変化させることに伴って、被加工面上のビーム断面内の光強度分布が所望のものからずれるという問題も生じる。

本発明の一目的は、ビーム断面の寸法を容易に大幅に変化させることが可能なレーザ加工装置を提供することである。

本発明の他の目的は、ビーム断面を整形するための新規な光学系を有するレーザ加工装置を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、第１の位置に配置されたとき前記レーザビームが入射し、入射するレーザビームの進行方向に交差する第１の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第１のレンズアレイ系と、第２の位置に配置されたとき前記レーザビームが入射し、前記第１の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第２のレンズアレイ系と、前記第１のレンズアレイ系が前記第１の位置に配置され、かつ前記第２のレンズアレイ系がレーザビームの入射しない位置に退避された第１の状態と、前記第２のレンズアレイ系が前記第２の位置に配置され、かつ前記第１のレンズアレイ系がレーザビームの入射しない位置に退避された第２の状態とを切り換えるように、前記第１及び第２のレンズアレイ系を移動させる第１のレンズアレイ系移動機構と、集光レンズと、レーザビームが入射する加工対象物を保持するための保持台とを有し、前記第１の状態で、前記第１のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第１の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して第１の寸法を持つビーム断面を生成し、前記第２の状態で、前記第２のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第１の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して前記第１の寸法と異なる寸法を持つビーム断面を生成し、さらに、前記第１のレンズアレイ系が含むレンズアレイを保持する第１の保持部材と、前記第１の保持部材を移動可能に保持する第２の保持部材と、前記第２の保持部材に対し、前記第１の保持部材に保持されたレンズアレイの各レンズが並ぶ方向に関して、該第１の保持部材を微動させる微動機構とを有し、前記第１のレンズアレイ系移動機構は、前記第２の保持部材を移動させることにより前記第１のレンズアレイ系を移動させるレーザ加工装置が提供される。

本発明の第２の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、第１の位置に配置され、入射するレーザビームの進行方向に交差する第１の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第１のレンズアレイ系と、第２の位置に配置され、前記第１の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第２のレンズアレイ系と、前記第１のレンズアレイ系に入射するようにレーザビームを導き、かつ前記第２のレンズアレイ系にはレーザビームを入射させない第１の状態と、前記第２のレンズアレイ系に入射するようにレーザビームを導き、かつ前記第１のレンズアレイ系にはレーザビームを入射させない第２の状態とを切り換える光路切り換え光学系と、集光レンズと、レーザビームが入射する加工対象物を保持するための保持台と
を有し、前記第１の状態で、該第１のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第１の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して第１の寸法を持つビーム断面を生成し、前記第２の状態で、該第２のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第１の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して前記第１の寸法と異なる寸法を持つビーム断面を生成するレーザ加工装置が提供される。

第１の観点によるレーザ加工装置は、第１のレンズアレイ系移動機構が、第１の状態と第２の状態とを切り換える。これにより、被加工面上で、第１の状態に対応する寸法のビーム断面と第２の状態に対応する寸法のビーム断面とを切り換えることができる。

第２の観点によるレーザ加工装置は、光路切り換え光学系が、第１の状態と第２の状態とを切り換える。これにより、被加工面上で、第１の状態に対応する寸法のビーム断面と第２の状態に対応する寸法のビーム断面とを切り換えることができる。

図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置について説明する。図１（Ａ）は、第１の実施例のレーザ加工装置の概略図である。レーザ光源１が、レーザビームを出射する。レーザ光源１は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波を出射する。レーザ光源１から出射されたレーザビームが、ズーム光学系２を経てホモジナイザ光学系３に入射する。ズーム光学系２により、ホモジナイザ光学系３に入射するレーザビームの断面を所望の大きさにすることができる。

ホモジナイザ光学系３は、短尺用レンズアレイ系１１、第１の長尺用レンズアレイ系１２、第２の長尺用レンズアレイ系１３、集光レンズ２１、第１のリニアステージ機構３２、及び第２のリニアステージ機構３３を含む。制御装置１００が、第１及び第２のリニアステージ機構３２及び３３を制御する。

第１のリニアステージ機構３２が、第１の長尺用レンズアレイ系１２を、入射するレーザビームの進行方向に直交する方向に移動可能に保持する。第２のリニアステージ機構３３が、第２の長尺用レンズアレイ系１３を、入射するレーザビームの進行方向に直交する方向に移動可能に保持する。

ホモジナイザ光学系３は、第１の長尺用レンズアレイ系１２が、第１のリニアステージ機構３２によりレーザビームの光路上に配置され、第２の長尺用レンズアレイ系１３が、第２のリニアステージ機構３３によりレーザビームの入射しない位置に退避された第１の状態で用いられるか、または、第２の長尺用レンズアレイ系１３が、第２のリニアステージ機構３３によりレーザビームの光路上に配置され、第１の長尺用レンズアレイ系１２が、第１のリニアステージ機構３２によりレーザビームの入射しない位置に退避された第２の状態で用いられる。図１（Ａ）には、第１の状態に設定されたホモジナイザ光学系３を示す。

ホモジナイザ光学系３を透過したレーザビームが、加工対象物４に入射する。ホモジナイザ光学系３は、加工対象物４の表面上（被加工面上）で、ビーム断面を一方向に細長い形状に整形するとともにビーム断面内の光強度分布を均一に近づける。ホモジナイザ光学系３が第１の状態に設定されているときの被加工面上のビーム断面の長さは例えば５０ｍｍであり、第２の状態に設定されているときの被加工面上のビーム断面の長さは例えば１００ｍｍである。被加工面上のビーム断面の幅は、第１及び第２の状態の双方で、例えば５０μｍである。

加工対象物４は、例えば、表面に非晶質シリコン膜が形成されたガラス基板である。ＸＹステージ５が、加工対象物４を保持する。ＸＹステージ５は、加工対象物４を被加工面に平行な面内で移動させることができる。被加工面上で、断面が一方向に細長い形状に整形されたレーザビームをビーム断面の幅方向に走査することにより、走査された領域内のシリコン膜を多結晶化することができる。

次に、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、及び図２を参照して、第１の状態で第１の長尺用レンズアレイ系１２及び集光レンズ２１が構成する光学系について説明する。ここで、ホモジナイザ光学系３に入射するレーザビームの進行方向に平行なＺ軸を有するＸＹＺ直交座標系を定義する。レーザビームが進行する向きをＺ軸正方向とする。図１（Ｂ）は、Ｘ軸方向に平行な視線で見た第１の長尺用レンズアレイ系１２及び集光レンズ２１を示し、図１（Ｃ）は、Ｙ軸方向に平行な視線で見た第１の長尺用レンズアレイ系１２及び集光レンズ２１を示す。

第１の長尺用レンズアレイ系１２は、Ｚ軸方向に所定の間隔を隔てて並べられた２列のシリンドリカルレンズアレイ１２１及び１２２から構成される。シリンドリカルレンズアレイ１２１及び１２２はそれぞれ、母線方向がＸ軸方向と平行になる姿勢に保持されてＹ軸方向に平行な方向に並ぶ複数のシリンドリカルレンズから構成される。両シリンドリカルレンズアレイ１２１及び１２２が有するシリンドリカルレンズの本数は等しい。

シリンドリカルレンズアレイ１２１を構成する複数のシリンドリカルレンズは同一形状を有し、シリンドリカルレンズアレイ１２２を構成する複数のシリンドリカルレンズは同一形状を有する。シリンドリカルレンズアレイ１２１及び１２２の各シリンドリカルレンズのＹ軸方向に関する幅は等しい。なお、シリンドリカルレンズアレイ１２１のシリンドリカルレンズとシリンドリカルレンズアレイ１２２のシリンドリカルレンズとは、互いに同一の形状とは限らない。

Ｙ軸の負方向から正方向に並べられた各シリンドリカルレンズのＹ軸方向に関する中心が相互に一致するように、シリンドリカルレンズアレイ１２１及び１２２が配置されている。

レーザビームがシリンドリカルレンズアレイ１２１に入射する。シリンドリカルレンズアレイ１２１に入射するレーザビームの断面内のＹ軸方向に関する光強度分布Ｄｙは、ビーム断面の中心部分で相対的に高く周辺部分で相対的に低く、また、ビーム断面の中心を挟んでＹ軸方向に関してほぼ対称である。

入射レーザビームの断面のＹ軸方向に関する中心が、シリンドリカルレンズアレイ１２１のＹ軸方向に関する中心を通過するように、第１の状態で、入射レーザビームと第１の長尺用レンズアレイ系１２との相対位置が設定される。

シリンドリカルレンズアレイ１２１に入射したレーザビームが、Ｙ軸方向に関して、シリンドリカルレンズアレイ１２１の各シリンドリカルレンズに対応した本数の光線束に分割される。シリンドリカルレンズアレイ１２１で分割された各光線束が、シリンドリカルレンズアレイ１２２の対応する各シリンドリカルレンズを透過する。図１（Ｃ）に示すように、Ｘ軸方向については、シリンドリカルレンズアレイ１２１及び１２２は単なる透明な平板と等価である。

第１の状態で、第１の長尺用レンズアレイ系１２を透過したレーザビームが、集光レンズ２１を透過して、加工対象物４に入射する。集光レンズ２１は、第１の長尺用レンズアレイ系１２でＹ軸方向に関して分割された複数の光線束を、被加工面上でＹ軸方向に関して同一の範囲に重ね合わせる。これにより、被加工面上でＹ軸方向に関して所定の寸法を持つビーム断面が得られる。

Ｙ軸方向に関してシリンドリカルレンズアレイ１２１の中心からそれぞれ等しい距離に配置された１対のシリンドリカルレンズについて考える。これら２つのシリンドリカルレンズをそれぞれ透過した２本の光線束の、Ｙ軸方向に関する光強度分布は、互いに反対の増減傾向を有する。従って、これら２本の光線束がＹ軸方向に関して同一の範囲に重ね合わせられた光では、Ｙ軸方向に関する光強度分布が均一に近づいている。

Ｙ軸方向に関する光強度分布が互いに反対の増減傾向を有する光線束の対のすべてが、集光レンズ２１により同一の範囲に重ね合わせられる。このようにして、被加工面上でＹ軸方向に関して断面内の光強度分布が均一に近づけられたレーザビームが得られる。

さらに、図２を参照して、第１の状態で第１の長尺用レンズアレイ系１２及び集光レンズ２１が構成する光学系について説明する。図２の上側の図は、Ｘ軸方向に平行な視線で見た第１の長尺用レンズアレイ系１２及び集光レンズ２１を示す。なお、図２では、第１の長尺用レンズアレイ系１２のレンズアレイの１組を代表して示す。

第１の長尺用レンズアレイ系１２の焦点距離がｆａ１であり、集光レンズ２１の焦点距離がｆｃである。集光レンズ２１の焦点距離ｆｃが、第１の長尺用レンズアレイ系１２の焦点距離ｆａ１よりも長い。第１の長尺用レンズアレイ系１２及び集光レンズ２１は、Ｙ軸方向に関して倍率ｆｃ／ｆａ１を有する拡大光学系を構成する。第１の長尺用レンズアレイ系１２を構成する各シリンドリカルレンズのＹ軸方向に関する幅をｈｙ１とすると、シリンドリカルレンズの幅ｈｙ１がｆｃ／ｆａ１倍された長さのビーム断面が、被加工面上に生成される。

次に、図１に戻って、第２の状態で第２の長尺用レンズアレイ系１３及び集光レンズ２１が構成する光学系について説明する。第２の長尺用レンズアレイ系１３は、Ｚ軸方向に所定の間隔を隔てて並べられた２列のシリンドリカルレンズアレイ１３１及び１３２から構成される。

シリンドリカルレンズアレイ１３１及び１３２は、第１の長尺用レンズアレイ系１２を構成するシリンドリカルレンズアレイ１２１及び１２２と、それぞれ異なる焦点距離を有する。Ｚ軸方向に関して、シリンドリカルレンズアレイ１３１から１３２までの間隔は、第１の長尺用レンズアレイ系１２のシリンドリカルレンズアレイ１２１から１２２までの間隔と異なっている。第２の長尺用レンズアレイ系１３は、その他は、第１の長尺用レンズアレイ系１２と同様な構成を有する。

第２の状態では、入射レーザビームの断面のＹ軸方向に関する中心が、シリンドリカルレンズアレイ１３１のＹ軸方向に関する中心を通過するように、入射レーザビームと第２の長尺用レンズアレイ系１３との相対位置が設定される。

第２の状態では、第２の長尺用レンズアレイ系１３でＹ軸方向に関して分割された複数の光線束が、集光レンズ２１により被加工面上でＹ軸方向に関して同一の範囲に重ね合わされて、被加工面上でＹ軸方向に関して所定の寸法を持ち、光強度分布が均一に近づけられたビーム断面が得られる。

さらに、図２を参照して、第２の状態で第２の長尺用レンズアレイ系１３及び集光レンズ２１が構成する光学系について説明する。図２の下側の図は、Ｘ軸方向に平行な視線で見た第２の長尺用レンズアレイ系１３及び集光レンズ２１を示す。なお、図２では、第２の長尺用レンズアレイ系１３のレンズアレイの１組を代表して示す。

第２の長尺用レンズアレイ系１３の焦点距離がｆａ２である。第２の長尺用レンズアレイ系１３の焦点距離ｆａ２は、第１の長尺用レンズアレイ系１２の焦点距離ｆａ１よりも短い。また、集光レンズ２１の焦点距離ｆｃが、第２の長尺用レンズアレイ系１３の焦点距離ｆａ２よりも長い。

第２の長尺用レンズアレイ系１３及び集光レンズ２１は、Ｙ軸方向に関して倍率ｆｃ／ｆａ２を有する拡大光学系を構成する。第２の長尺用レンズアレイ系１３を構成する各シリンドリカルレンズのＹ軸方向に関する幅をｈｙ２とすると、シリンドリカルレンズの幅ｈｙ２がｆｃ／ｆａ２倍された長さのビーム断面が、被加工面上に生成される。

第１及び第２の長尺用レンズアレイ系１２及び１３の各シリンドリカルレンズの幅ｈｙ１及びｈｙ２が等しいとする。例えば、第２の長尺用レンズアレイ系１３の焦点距離ｆａ２が、第１の長尺用レンズアレイ系１２の焦点距離ｆａ１の１／２である場合について考えると、第２の状態の拡大倍率ｆｃ／ｆａ２は、第１の状態の拡大倍率ｆｃ／ｆａ１の２倍となる。つまり、このような場合、第２の状態で生成されるビーム断面の長さが、第１の状態のそれの２倍となる。このように、第１の状態と第２の状態とを切り換えることにより、被加工面上のビーム断面のＹ軸方向に関する寸法を切り換えることができる。

次に、再び図１を参照して、短尺用レンズアレイ系１１及び集光レンズ２１が構成する光学系について説明する。短尺用レンズアレイ系１１は、１つの長尺用レンズアレイ系をＸＹ面に平行な面内で９０度回転させた構成を有する。短尺レンズアレイ系１１は、Ｚ軸方向に所定の間隔を隔てて並べられた２列のシリンドリカルレンズアレイ１１１及び１１２から構成され、シリンドリカルレンズアレイ１１１及び１１２はそれぞれ、母線方向がＹ軸方向と平行で、Ｘ軸方向に並ぶ複数のシリンドリカルレンズから構成される。短尺用レンズアレイ系１１は、それに入射したレーザビームを、Ｘ軸方向に関して複数の光線束に分割する。

短尺用レンズアレイ系１１でＸ軸方向に関して分割された複数の光線束が、集光レンズ２１により被加工面上でＸ軸方向に関して同一の範囲に重ね合わされて、被加工面上でＸ軸方向に関して所定の寸法を持ち、光強度分布が均一に近づけられたビーム断面が得られる。

ただし、短尺用レンズアレイ系１１の焦点距離ｆｂは、集光レンズ２１の焦点距離ｆｃよりも長い。短尺用レンズアレイ系１１及び集光レンズ２１は、Ｘ軸方向に関して倍率ｆｃ／ｆｂを有する縮小光学系を構成する。短尺用レンズアレイ系１１を構成する各シリンドリカルレンズのＸ軸方向に関する幅をｈｘとすると、シリンドリカルレンズの幅ｈｘがｆｃ／ｆｂ倍された幅のビーム断面が、被加工面上に生成される。

次に、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照して、第１のリニアステージ機構３２、第２のリニアステージ機構３３、及び、シリンドリカルレンズアレイの保持機構について説明する。

図３（Ａ）は、Ｘ軸方向に平行な視線で見た第１及び第２のリニアステージ機構３２及び３３と、それらにそれぞれ保持された第１及び第２の長尺用レンズアレイ系１２及び１３を概略的に示す。

第１のリニアステージ機構３２は、移動台３２２を含むリニアガイド３２１と、駆動機構３２３を有する。駆動機構３２３が、移動台３２２を、リニアガイド３２１のレールに沿ってＹ軸方向に移動させる。

レンズ保持機構４１及び４２が、それぞれ、シリンドリカルレンズアレイ１２１及び１２２を保持する。レンズ保持機構４１及び４２が、第１のリニアステージ機構３２の移動台３２２に取り付けられている。移動台３２２を移動させることにより、第１の長尺用レンズアレイ系１２のシリンドリカルレンズアレイ１２１及び１２２をＹ軸方向に移動させることができる。

第２のリニアステージ機構３３も、第１のリニアステージ機構３２と同様の構成を有する。第２の長尺用レンズアレイ系１３のシリンドリカルレンズアレイ１３１及び１３２が、それぞれ、レンズ保持機構４３及び４４に保持され、レンズ保持機構４３及び４４が、第２のリニアステージ機構３３の移動台３３２に取り付けられている。移動台３３２を移動させることにより、第２の長尺用レンズアレイ系１３のシリンドリカルレンズアレイ１３１及び１３２をＹ軸方向に移動させることができる。

図３（Ｂ）は、Ｚ軸方向に平行な視線で見た第１のリニアステージ機構３２と、それに取り付けられたレンズ保持機構４１を概略的に示す。レンズ保持機構４１は、レンズ保持枠４１１、レンズ保持枠保持部材４１２、基台４１３、回転方向微動機構４１４、及び長尺方向微動機構４１５を含む。

レンズ保持枠４１１の枠内にシリンドリカルレンズアレイ１２１が嵌め込まれている。レンズ保持枠保持部材４１２が、レンズ保持枠４１１を保持する。レンズ保持枠保持部材４１２に支軸４１６が取り付けられており、レンズ保持枠４１１は、支軸４１６を中心として、ＸＹ面に平行な面内で回転方向に変位可能である。回転方向微動機構４１４が、レンズ保持枠４１１を、回転方向に関する基準位置から回転方向に微小角度変位させることにより、シリンドリカルレンズアレイ１２１を構成するシリンドリカルレンズの母線方向を微調整することができる。

基台４１３が、レンズ保持枠保持部材４１２を、Ｙ軸方向に平行な方向に移動可能に保持する。長尺方向微動機構４１５が、レンズ保持枠保持部材４１２を、基台４１３に対し、Ｙ軸方向に関する基準位置からＹ軸方向に関して微動させることにより、シリンドリカルレンズアレイ１２１へのレーザビームの入射位置を、Ｙ軸方向に関して微調整することができる。長尺方向微動機構４１５として、例えばマイクロメータ機構が用いられる。長尺方向微動機構４１５のストロークは、例えば５ｍｍ程度である。

第１のリニアステージ機構３２の移動台３２２に、レンズ保持機構４１の基台４１３が取り付けられている。シリンドリカルレンズアレイ１２１のＹ軸方向の寸法は、例えば数ｃｍ〜１０ｃｍ程度であり、第１のリニアステージ機構３２のストロークは、例えば１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度である。なお、シリンドリカルレンズアレイ１２１の重量は、例えば１ｋｇ〜２ｋｇ程度である。

第１のリニアステージ機構３２が図中の左方に（Ｙ軸正方向に）シリンドリカルレンズアレイ１２１を移動させることにより、シリンドリカルレンズアレイ１２１がレーザビームの入射しない位置に退避される。

第１のリニアステージ機構３２が所望の位置まで右方に（Ｙ軸負方向に）シリンドリカルレンズアレイ１２１を移動させたとき、第１のリニアステージ機構３２の移動台３２２の右方の縁が、リニアガイド３２１に対して相対位置を固定されたセットスクリュー３２４と接触して、移動台３２２がそれ以上は右方へ移動しない。このようにして、シリンドリカルレンズアレイ１２１が所望の位置に位置決めされる。

シリンドリカルレンズアレイ１２１が第１のリニアステージ機構３２により位置決めされた後、必要に応じ上述のように、レンズ保持機構４１の有する回転方向微動機構４１４、及び長尺方向微動機構４１５を用いて、シリンドリカルレンズアレイ１２１の姿勢が微調整される。一旦微調整が完了すると、第１の状態と第２の状態とを切り換えても、再度微調整する必要はない。

他のシリンドリカルレンズアレイ１２２、１３１及び１３２も、シリンドリカルレンズアレイ１２１が保持されているのと同様な構成のレンズ保持機構に保持され、各レンズ保持機構の基台がリニアステージ機構の移動台に取り付けられる。

以上説明した実施例によるレーザ加工装置を用いれば、第１及び第２のリニアステージ機構で第１の状態と第２の状態とを切り換えることにより、２種類の長さのビーム断面を生成することができる。ビーム断面の長さを大幅に変化させる（例えば１００ｍｍから５０ｍｍにする）ことも容易である。

例えば加工対象物の寸法等で定まる加工対象物の種別に応じて、ホモジナイザ光学系３の状態を切り換えることにより、被加工面上のビーム断面の長さを切り換えて加工を行うことができる。

１回の走査でレーザビームを入射させる被加工面上の領域を単位領域と呼ぶこととする。１つの加工対象物上に、第１の長さのビーム断面のレーザビームで走査すべき単位領域と、第２の長さのビーム断面のレーザビームで走査すべき単位領域とが画定されている場合について考える。このような場合に、単位領域に応じてホモジナイザ光学系３の状態を切り換えることにより、被加工面上のビーム断面の長さを切り換えて加工を行うことができる。

なお、レーザビームの進行方向に関しては長尺用レンズアレイ系が移動しないので、そのような移動に伴いビーム断面内の光強度分布が劣化する問題が生じない。

次に、図４を参照して、第２の実施例のレーザ加工装置について説明する。第１の実施例では、第１及び第２のリニアステージ機構３２及び３３のそれぞれで第１及び第２の長尺用レンズアレイ系１２及び１３を移動させたが、第２の実施例では、第１及び第２のリニアステージ機構３２及び３３の代わりに１つのリニアステージ機構３２ａを用いる。

リニアステージ機構３２ａの移動台３２ａ２に、移動台３２ａ２の移動方向であるＹ軸方向に関して、第１及び第２の長尺用レンズアレイ系１２及び１３が並べて取り付けられている。第１の状態で、第１の長尺用レンズアレイ系１２がレーザビームの光路上の所定位置に配置され、第２の長尺用レンズアレイ系１３がレーザビームの入射しない位置に退避されるように、かつ、第２の状態で、第２の長尺用レンズアレイ系１３がレーザビームの光路上の所定位置に配置され、第１の長尺用レンズアレイ系１２がレーザビームの入射しない位置に退避されるように、移動台３２ａ２上に第１及び第２の長尺用レンズアレイ系１２及び１３が配置されている。

なお、さらに、第１及び第２の状態で得られるものとは異なる長さのビーム断面を得たい場合、移動台３２ａ２上に第３の長尺用レンズアレイ系１４を配置することもできる。第１〜第３の長尺用レンズアレイ系１２〜１４のうち、いずれか１つが用いられる（レーザビームの光路上に配置される）とき、他の２つの長尺用レンズアレイ系がレーザビームの入射しない位置に退避されるように、移動台３２ａ２上に第１〜第３の長尺用レンズアレイ系１２〜１４が配置される。なお、必要に応じて、４つ以上の長尺用レンズアレイ系を用いることも可能である。

なお、移動台上に配置された３つ以上の長尺用レンズアレイ系のうち、Ｙ軸方向について両端に配置されたもの以外に対しては、セットスクリューによる位置決めができないので、充分に高い位置精度を有するリニアステージ機構を用いる必要がある。

第２の実施例のレーザ加工装置では、第１の実施例のレーザ加工装置に比べてリニアステージ機構の数を減らすことができる。なお、第１の実施例のレーザ加工装置においても、第１及び第２の状態で得られるものとは異なる長さのビーム断面を得たい場合、さらに、第３の長尺用レンズアレイ系を追加することができる。第３の長尺用レンズアレイ系とともに、それを移動させるためのリニアステージ機構も追加される。

次に、図５を参照して、第３の実施例のレーザ加工装置について説明する。本実施例も２つの長尺用レンズアレイ系を有するが、長尺用レンズアレイ系の構成が第１の実施例と異なる。

図５は、Ｘ軸方向に平行な視線で見た第１及び第２のリニアステージ機構３２ｂ及び３３ｂと、それらにそれぞれ保持された第１及び第２の長尺用レンズアレイ系１２ｂ、１３ｂを概略的に示す。

２列のシリンドリカルレンズアレイ１２ｂ１及び１２ｂ２から第１の長尺用レンズアレイ系１２ｂが構成され、２列のシリンドリカルレンズアレイ１３ｂ１及び１３ｂ２から第２の長尺用レンズアレイ系１３ｂが構成される。レーザビームの光路のうち、相対的にレーザ光源側を上流と呼び、相対的に加工対象物側を下流と呼ぶこととする。Ｚ軸方向に関して、第１の長尺用レンズアレイ系１２ｂを構成するシリンドリカルレンズアレイ１２ｂ１と１２ｂ２との間に、第２の長尺用レンズアレイ系１３ｂを構成するシリンドリカルレンズアレイのうち上流側のシリンドリカルレンズアレイ１３ｂ１が配置されている。

第１の実施例では、第１の長尺用レンズアレイ系１２を構成するシリンドリカルレンズアレイのうち、最も下流に配置されるシリンドリカルレンズアレイ１２２よりも、第２の長尺用レンズアレイ系１３を構成するシリンドリカルレンズアレイのうち、最も上流に配置されるシリンドリカルレンズアレイ１３１の方が、下流側に配置された。すなわち、ある長尺用レンズアレイ系を構成する複数列のシリンドリカルレンズアレイの間には、他の長尺用レンズアレイ系を構成するシリンドリカルレンズアレイが配置されなかった。

光学系の設計によっては、Ｚ軸方向に関して、第３の実施例のように、ある長尺用レンズアレイ系を構成する複数列のシリンドリカルレンズアレイの間に、他の長尺用レンズアレイ系を構成するシリンドリカルレンズアレイが配置される場合がある。

第１のリニアステージ機構３２ｂの移動台３２ｂ２に、保持台５２が取り付けられ、保持台５２が、第１の長尺用レンズアレイ系１２ｂを構成するシリンドリカルレンズアレイ１２ｂ１及び１２ｂ２を保持する。保持台５２は、Ｚ軸方向に関して、シリンドリカルレンズアレイ１２ｂ１と１２ｂ２とを互いに所定間隔で配置されるように保持する。

また、第２のリニアステージ機構３３ｂの移動台３３ｂ２に、保持台５３が取り付けられ、保持台５３が、第２の長尺用レンズアレイ系１３ｂを構成するシリンドリカルレンズアレイ１３ｂ１及び１３ｂ２を保持する。保持台５３は、Ｚ軸方向に関して、シリンドリカルレンズアレイ１３ｂ１と１３ｂ２とを互いに所定間隔で配置されるように保持する。

第１の長尺用レンズアレイ系１２ｂを構成するシリンドリカルレンズアレイ１２ｂ１及び１２ｂ２が、Ｙ軸負方向側からレーザビームの光路ＬＢに近づけられ、Ｙ軸負方向側に向かって退避される。第２の長尺用レンズアレイ系１３ｂを構成するシリンドリカルレンズアレイ１３ｂ１及び１３ｂ２が、Ｙ軸正方向側からレーザビームの光路ＬＢに近づけられ、Ｙ軸正方向側に向かって退避される。このような構成とすると、例えば、保持台５２と５３とを相互に干渉しにくくできる。

なお、シリンドリカルレンズアレイ１２ｂ１、１２ｂ２、１３ｂ１及び１３ｂ２を、すべて別々のリニアステージ機構で移動させる構成も可能である。しかし、１つの長尺用レンズアレイ系を構成する複数のシリンドリカルレンズアレイは１組のレンズとして作用するので、第３の実施例のように、１つの長尺用レンズアレイ系を構成する複数のシリンドリカルレンズアレイを共通のリニアステージ機構に保持して、シリンドリカルレンズアレイ同士の相対位置関係を固定したまま移動させることが好ましい。なお、第１、第２の実施例の装置も、１つの長尺用レンズアレイ系を構成するシリンドリカルレンズアレイを共通のリニアステージ機構に保持している。

次に、図６を参照して第４の実施例のレーザ加工装置について説明する。本実施例では、リニアステージ機構に代えて、回転ステージ機構で長尺用レンズアレイ系を移動させる。図６は、Ｚ軸方向に平行な視線で見た回転ステージ機構６１と、それに保持された第１及び第２の長尺用レンズアレイ系１２及び１３を概略的に示す。

回転ステージ機構６１に、保持台７２を介して第１の長尺用レンズアレイ系１２が取り付けられ、さらに、保持台７３を介して第２の長尺用レンズアレイ系１３が取り付けられている。回転ステージ機構６１は、Ｚ軸方向に平行な軸の周りに第１及び第２の長尺用レンズアレイ系１２及び１３を回転させる。

第１の状態で、第１の長尺用レンズアレイ系１２がレーザビームの光路上の所定位置に配置され、第２の長尺用レンズアレイ系１３がレーザビームの入射しない位置に退避されるように、かつ、第２の状態で、第２の長尺用レンズアレイ系１３がレーザビームの光路上の所定位置に配置され、第１の長尺用レンズアレイ系１２がレーザビームの入射しない位置に退避されるように、回転ステージ機構６１に、両長尺用レンズアレイ系が取り付けられている。

次に、図７を参照して、第５の実施例によるレーザ加工装置について説明する。本実施例では、ビーム断面の幅も切り換えられるようにするため、ホモジナイズ光学系に、短尺用レンズアレイ系も２種類用意される。第１の短尺用レンズアレイ系１０ｄと、第２の短尺用レンズアレイ系１１ｄとが、Ｚ軸方向に関して所定の間隔を隔てて配置される。

第３のリニアステージ機構３０ｄが、第１の短尺用レンズアレイ系１０ｄを、第１の短尺用レンズアレイ系１０ｄに入射するレーザビームの進行方向に直交する方向に移動させる。第４のリニアステージ機構３１ｄが、第２の短尺用レンズアレイ系１１ｄを、第２の短尺用レンズアレイ系１１ｄに入射するレーザビームの進行方向に直交する方向に移動させる。

ビーム断面の長さを切り換える場合と同様に、第１の短尺用レンズアレイ系１０ｄがレーザビームの光路上の所定位置に配置され、第２の短尺用レンズアレイ系１１ｄがレーザビームの入射しない位置に退避された状態と、第２の短尺用レンズアレイ系１１ｄがレーザビームの光路上の所定位置に配置され、第１の短尺用レンズアレイ系１０ｄがレーザビームの入射しない位置に退避された状態とを切り換えることにより、被加工面上のビーム断面の幅を切り換えることができる。

なお、上記実施例では、１つの長尺用レンズアレイ系が複数列のシリンドリカルレンズアレイから構成されたが、１つの長尺用レンズアレイ系を１列のシリンドリカルレンズアレイから構成することも可能である。これは、短尺用レンズアレイ系についても同様である。

次に、図８を参照して、第６の実施例によるレーザ加工装置について説明する。本実施例では、長尺用レンズアレイ系を移動させる代わりに、所定位置に配置された複数の長尺用レンズアレイ系にレーザビームを振り分けることにより、ビーム断面の長さを切り換える。

レーザ光源１ｅから出射されたレーザビームが、ズーム光学系２ｅを経て、短尺用レンズアレイ１１ｅに入射する。短尺用レンズアレイ系１１ｅの下流に、光路切り換え光学系８１の第１の部分光学系８１１が配置されている。

第１の部分光学系８１１は、レーザビームが第１の長尺用レンズアレイ系１２ｅに入射する第１の光路と、レーザビームが第２の長尺用レンズアレイ系１３ｅに入射する第２の光路とを切り換える。

第１及び第２の長尺用レンズアレイ系１２ｅ及び１３ｅの下流に、第２の部分光学系８１２が配置されている。第２の部分光学系８１２は、第１の長尺用レンズアレイ系１２ｅを通ったレーザビーム、または第２の長尺用レンズアレイ系１３ｅを通ったレーザビームを、集光レンズ２１ｅに入射させる。制御装置１００ｅが、光路切り換え光学系８１を制御する。

短尺用レンズアレイ系１１ｅ、第１の長尺用レンズアレイ系１２ｅ、第２の長尺用レンズアレイ系１３ｅ、集光レンズ２１ｅ、及び光路切り換え光学系８１を含んで、ホモジナイザ光学系３ｅが構成される。ホモジナイザ光学系３ｅを経たレーザビームが、ＸＹステージ５ｅに保持された加工対象物４ｅに入射する。

レーザビームが第１の光路を通るとき、第１の長尺用レンズアレイ系１２ｅ及び集光レンズ２１ｅが構成する光学系が、被加工面上のビーム断面を所望の第１の長さに整形する。レーザビームが第２の光路を通るとき、第２の長尺用レンズアレイ系１３ｅ及び集光レンズ２１ｅが構成する光学系が、被加工面上のビーム断面を所望の第２の長さに整形する。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１（Ａ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図であり、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、長尺用レンズアレイ系と集光レンズからなる光学系の概略図である。図２は、第１及び第２の長尺用レンズアレイ系、集光レンズ、及び加工対象物の配置を示す図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、リニアステージ機構及びレンズ保持機構の概略図である。図４は、第２の実施例によるレーザ加工装置が有するリニアステージ機構の概略図である。図５は、第３の実施例によるレーザ加工装置が有する長尺用レンズアレイ系の構成とリニアステージ機構を示す図である。図６は、第４の実施例によるレーザ加工装置が有する回転ステージ機構の概略図である。図７は、第５の実施例によるレーザ加工装置が有するホモジナイザ光学系の概略図である。図８は、第６の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。

符号の説明

１レーザ光源
２ズーム光学系
３ホモジナイザ光学系
４加工対象物
５ＸＹステージ
１１短尺用レンズアレイ系
１２、１３長尺用レンズアレイ系
１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２シリンドリカルレンズアレイ
３２、３３リニアステージ機構
１００制御装置

Claims

レーザビームを出射するレーザ光源と、
第１の位置に配置されたとき前記レーザビームが入射し、入射するレーザビームの進行方向に交差する第１の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第１のレンズアレイ系と、
第２の位置に配置されたとき前記レーザビームが入射し、前記第１の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第２のレンズアレイ系と、
前記第１のレンズアレイ系が前記第１の位置に配置され、かつ前記第２のレンズアレイ系がレーザビームの入射しない位置に退避された第１の状態と、前記第２のレンズアレイ系が前記第２の位置に配置され、かつ前記第１のレンズアレイ系がレーザビームの入射しない位置に退避された第２の状態とを切り換えるように、前記第１及び第２のレンズアレイ系を移動させる第１のレンズアレイ系移動機構と、
集光レンズと、
レーザビームが入射する加工対象物を保持するための保持台と
を有し、
前記第１の状態で、前記第１のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第１の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して第１の寸法を持つビーム断面を生成し、
前記第２の状態で、前記第２のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第１の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して前記第１の寸法と異なる寸法を持つビーム断面を生成し、
さらに、
前記第１のレンズアレイ系が含むレンズアレイを保持する第１の保持部材と、
前記第１の保持部材を移動可能に保持する第２の保持部材と、
前記第２の保持部材に対し、前記第１の保持部材に保持されたレンズアレイの各レンズが並ぶ方向に関して、該第１の保持部材を微動させる微動機構と
を有し、前記第１のレンズアレイ系移動機構は、前記第２の保持部材を移動させることにより前記第１のレンズアレイ系を移動させるレーザ加工装置。
前記第１及び第２のレンズアレイ系の少なくとも一方は、入射するレーザビームの進行方向に並べられた複数列のレンズアレイを含み、前記第１のレンズアレイ系移動機構は、レンズアレイ系が含む複数列のレンズアレイ同士の相対位置関係を固定したまま当該レンズアレイ系を移動させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
さらに、
第３の位置に配置されたとき前記レーザビームが入射し、入射するレーザビームの進行方向及び前記第１の方向と交差する第２の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第３のレンズアレイ系と、
第４の位置に配置されたとき前記レーザビームが入射し、前記第２の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第４のレンズアレイ系と、
前記第３のレンズアレイ系が前記第３の位置に配置され、かつ前記第４のレンズアレイ系がレーザビームの入射しない位置に退避された第３の状態と、前記第４のレンズアレイ系が前記第４の位置に配置され、かつ前記第３のレンズアレイ系がレーザビームの入射しない位置に退避された第４の状態とを切り換えるように、前記第３及び第４のレンズアレイ系を移動させる第２のレンズアレイ系移動機構と
を有し、
前記第３の状態で、該第３のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第２の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して第２の寸法を持つビーム断面を生成し、
前記第４の状態で、該第４のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第２の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して前記第２の寸法と異なる寸法を持つビーム断面を生成する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
さらに、加工対象物が複数の種別に分類されており、該加工対象物の種別に基づいて前記第１のレンズアレイ系移動機構を制御する制御装置を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
さらに、加工対象物の表面に、加工すべき複数の単位領域が画定されており、該単位領域ごとに前記第１のレンズアレイ系移動機構を制御する制御装置を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
レーザビームを出射するレーザ光源と、
第１の位置に配置され、入射するレーザビームの進行方向に交差する第１の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第１のレンズアレイ系と、
第２の位置に配置され、前記第１の方向と平行な方向に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなるレンズアレイを少なくとも１列含み、入射したレーザビームをレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数の光線束に分割する第２のレンズアレイ系と、
前記第１のレンズアレイ系に入射するようにレーザビームを導き、かつ前記第２のレンズアレイ系にはレーザビームを入射させない第１の状態と、前記第２のレンズアレイ系に入射するようにレーザビームを導き、かつ前記第１のレンズアレイ系にはレーザビームを入射させない第２の状態とを切り換える光路切り換え光学系と、
集光レンズと、
レーザビームが入射する加工対象物を保持するための保持台と
を有し、
前記第１の状態で、該第１のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第１の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して第１の寸法を持つビーム断面を生成し、
前記第２の状態で、該第２のレンズアレイ系で分割された複数の光線束が前記集光レンズに入射し、該集光レンズは、入射した複数の光線束を前記保持台に保持された加工対象物の表面上で前記第１の方向に対応する方向に関し同一の範囲に重ね合わせて、加工対象物の表面上で当該方向に関して前記第１の寸法と異なる寸法を持つビーム断面を生成するレーザ加工装置。