JP6931064B2 - Operation method and equipment of pulse laser shutter - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工に用いられるパルスレーザ光をパルス単位にてオン、オフ又はゲーティングするシャッターの動作方法及びその装置に関する。 The present invention relates to an operation method of a shutter that turns on, off, or gates a pulsed laser beam used for laser processing in pulse units, and an apparatus therefor.

パルスレーザ光を用いたレーザ加工装置において、移動する加工ステージ上に載置された被加工物に対し、加工ステージを停止することなく１ショットずつ加工する、いわゆるスキャン加工を行う場合がある。この場合、各レーザパルスの持つパルスエネルギーは、一定且つ安定している必要がある。 In a laser processing apparatus using pulsed laser light, a work piece placed on a moving processing stage may be processed one shot at a time without stopping the processing stage, that is, so-called scanning processing may be performed. In this case, the pulse energy of each laser pulse needs to be constant and stable.

これは、被加工物に所定の数のレーザパルスを照射し、１ショットあたりのエッチングレートに基づいて加工深さを精度よく制御する必要のあるステップアンドリピート加工を行う場合においても同様である。 This also applies to the case where a predetermined number of laser pulses are applied to the work piece to perform step-and-repeat processing in which it is necessary to accurately control the processing depth based on the etching rate per shot.

いずれの加工においても、光源のパルスレーザ装置は、加工ステージの位置に応じて出力されるエンコーダー信号に基づき生成された、外部トリガー発振用の信号を受信して発振するのが一般的である。そして、そのレーザパルスのオン、オフ又はゲーティングは、この外部トリガー信号のオン若しくはオフによるか、又は、一旦発振させたレーザパルス列に対し外部に設けた機械的シャッターを開閉することにより、被加工物へのレーザパルスの照射を制御するのが一般的である。 In any processing, the pulse laser device of the light source generally receives and oscillates a signal for external trigger oscillation generated based on an encoder signal output according to the position of the processing stage. The laser pulse is turned on, off, or gating by turning the external trigger signal on or off, or by opening and closing a mechanical shutter provided externally to the once oscillated laser pulse train. It is common to control the irradiation of an object with a laser pulse.

しかし、外部トリガー信号のオン若しくはオフによる制御の場合、発振直後の数パルスから数十パルスのパルスエネルギー、又は発振直後の一定時間内のパルスのパルスエネルギーは不安定であることが知られているため、この不安定なパルスエネルギーを加工に用いることのないよう機械的シャッター動作によりこれを排除することが必要である。 However, in the case of control by turning on or off the external trigger signal, it is known that the pulse energy of several to several tens of pulses immediately after oscillation or the pulse energy of pulses within a certain period of time immediately after oscillation is unstable. Therefore, it is necessary to eliminate this unstable pulse energy by mechanical shutter operation so as not to use it for processing.

加えて、特にパルスレーザが高繰り返し周波数にて発振しているレーザパルスを機械的シャッターによりオン、オフ又はゲーティングする場合、時間的に隣り合うレーザパルス間の時間内（パルス間タイムウインドー内）にそのレーザパルスの横モード分布（ビームサイズ）をカバーする領域を一気に高速移動するシャッター動作が必要である。 In addition, especially when a laser pulse oscillating at a high repetition frequency is turned on, off or gating by a mechanical shutter, it is within the time between adjacent laser pulses in time (in the inter-pulse time window). ) Requires a shutter operation that moves at high speed in the area that covers the lateral mode distribution (beam size) of the laser pulse.

具体的には、例えば２００Ｈｚで発振するエキシマレーザの場合、パルス間タイムウインドーは約５ｍｓであり、その矩形ビームの短軸方向の長さ（幅）は約５ｍｍである。よって、隣り合うレーザパルスのいずれにも干渉せずにオン、オフできるシャッターの開閉動作に必要な速度は１０００ｍｍ／ｓ以上となる。しかし、短時間に異なるタイミングでシャッター開閉を繰り返す必要のあるステップアンドリピート加工の場合はもとより、スキャン加工のような単純な繰り返し動作の場合であっても、シャッター装置の大型化を伴わずにこれを実現することは容易ではない。 Specifically, for example, in the case of an excimer laser that oscillates at 200 Hz, the inter-pulse time window is about 5 ms, and the length (width) of the rectangular beam in the minor axis direction is about 5 mm. Therefore, the speed required for the shutter opening / closing operation that can be turned on and off without interfering with any of the adjacent laser pulses is 1000 mm / s or more. However, not only in the case of step-and-repeat processing that requires repeated shutter opening and closing at different timings in a short time, but also in the case of simple repetitive operation such as scanning processing, this does not involve an increase in the size of the shutter device. Is not easy to achieve.

これを解決するために、例えば、集光レンズ等を用いて前記５ｍｍの幅を１ｍｍ以下に集光し、シャッター用部材が横切るべき距離を短くすることが考えられるが、シャッター用部材へのダメージを考慮すると、その挿入位置を集光点に近づけることができない。そこで、シャッター用部材の動作を可能な限り高速化する必要がある。 In order to solve this, for example, it is conceivable to condense the width of 5 mm to 1 mm or less by using a condensing lens or the like to shorten the distance that the shutter member should cross, but damage to the shutter member. Considering the above, the insertion position cannot be brought close to the focusing point. Therefore, it is necessary to speed up the operation of the shutter member as much as possible.

特許文献１には、主に連続波レーザ用に開発されたシャッターユニットが開示されている。この機構を、例えば前述の２００Ｈｚの繰り返し周波数にて発振するエキシマレーザ、すなわち、パルス間タイムウインドーが５ｍｓ程度のパルスレーザに応用した場合、反射ミラー等の回転駆動における応答速度がこれと同等の５ｍｓ程度のこの機構では十分ではない。また、仮に応答速度が上がったとしても、前記ビームウエストにおいて繰り返しシャッター動作する反射ミラーへの損傷が懸念される。 Patent Document 1 discloses a shutter unit developed mainly for continuous wave lasers. When this mechanism is applied to, for example, an excimer laser that oscillates at a repetition frequency of 200 Hz, that is, a pulse laser having an inter-pulse time window of about 5 ms, the response speed in rotational driving of a reflection mirror or the like is equivalent to this. This mechanism of about 5 ms is not sufficient. Further, even if the response speed is increased, there is a concern that the reflection mirror that repeatedly performs the shutter operation at the beam waist may be damaged.

特許文献２には、アパーチャを配した円筒形のシャッターユニット２台を同期して回転させることで、所定の数のレーザパルス列を高速にてオン／オフするバーストモードの制御技術が開示されている。しかし、オンからオフまでの加工時間が長く、且つオン／オフの切り替え時に高速にてシャッター動作する必要のある大型の被加工物に対するスキャン加工や、任意のタイミング且つ短時間にこれを繰り返す必要のあるステップアンドリピート加工に対しては、この回転体によるシャッター動作は適切な構成とはいえない。なお、回転体の代わりに直線ステージを用いることにも言及されてはいるが、詳細な実施方法についての記載はなく、またシャッターユニットへの損傷に対する懸念は払拭されない。 Patent Document 2 discloses a burst mode control technique for turning on / off a predetermined number of laser pulse trains at high speed by synchronously rotating two cylindrical shutter units having apertures. .. However, it is necessary to perform scanning processing on a large workpiece that requires a long processing time from on to off and a high-speed shutter operation when switching on / off, and to repeat this at an arbitrary timing and in a short time. The shutter operation by this rotating body is not an appropriate configuration for a certain step-and-repeat process. Although it is mentioned that a straight stage is used instead of the rotating body, there is no description about the detailed implementation method, and the concern about damage to the shutter unit is not dispelled.

特開２０１０−２６４５０１号報JP-A-2010-264501 特開２０１５−７６５３７号報JP 2015-76537

本発明は、パルス間タイムウインドーがｍｓ台の繰り返し周波数にて発振している（パルス）レーザ光を用いたスキャン加工やステップアンドリピート加工において、上記の背景技術が抱える問題に鑑みてなされたものであり、任意の隣り合うレーザパルスのいずれにも干渉することなく、そのパルス間タイムウインドー内にシャッター動作を開始し、終了させ、且つ、シャッター素子の損耗に対する延命化が可能な高速のシャッター動作方法及びその装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the above background techniques in scan processing and step-and-repeat processing using a (pulse) laser beam in which an inter-pulse time window oscillates at a repetition frequency in the ms range. This is a high-speed process that can start and end the shutter operation within the inter-pulse time window without interfering with any of the adjacent laser pulses, and can prolong the life of the shutter element against wear. An object of the present invention is to provide a shutter operation method and a device thereof.

第１の発明は、繰り返し周波数が１００［Ｈｚ］を超え１／Ｔ［Ｈｚ］にて発振するレーザ光を用いたレーザ加工装置において、加工ステージ上に載置された被加工物に向けて伝搬するレーザ光の光軸にシャッター素子を出し入れし、その伝搬方向を変え又は遮断することにより、被加工物に照射されるレーザパルスをパルス単位でオン、オフ又はゲーティングするパルスレーザシャッターの動作方法であって、前記加工ステージの位置に応じたエンコーダー信号に基づき、任意の数のレーザパルスを発振させるための外部トリガー信号を発生する工程と、当該外部トリガー信号に基づき発振するレーザ光の横モード分布形状を成形光学系により成形する工程と、前記シャッター素子を出し入れするための駆動源に対し、その動作開始のタイミングを前記外部トリガー信号に同期して決定し、送信する工程とを含み、前記シャッター素子の出し入れの位置においてシャッター素子により横切られる前記成形されたレーザ光の幅以上にわたるシャッター素子の移動距離をＤ［ｍ］、前記駆動源の推力をＦ［Ｎ］、当該駆動源に前記シャッター素子を固定するための固定用冶具とシャッター素子の合計質量をＭ［ｋｇ］としたとき、当該Ｄ、Ｆ、Ｍ及びＴが関係式（２ＤＭ／Ｆ）１／２＜Ｔを満たし、且つ、前記出し入れの位置において、前記シャッター素子の受光するレーザパルスのパルスエネルギー密度が、当該シャッター素子の損傷閾値未満であるパルスレーザシャッターの動作方法である。The first invention is a laser processing apparatus using a laser beam whose repetition frequency exceeds 100 [Hz] and oscillates at 1 / T [Hz], and propagates toward a workpiece placed on a processing stage. A method of operating a pulse laser shutter that turns on, off, or gates the laser pulse applied to the workpiece in pulse units by moving the shutter element in and out of the optical axis of the laser light to be used and changing or blocking the propagation direction thereof. The process of generating an external trigger signal for oscillating an arbitrary number of laser pulses based on the encoder signal corresponding to the position of the processing stage, and the lateral mode of the laser light oscillating based on the external trigger signal. The step of molding the distributed shape by the molding optical system and the step of determining and transmitting the operation start timing of the drive source for moving the shutter element in and out in synchronization with the external trigger signal are included. The moving distance of the shutter element over the width of the formed laser beam crossed by the shutter element at the position where the shutter element is taken in and out is D [m], the thrust of the drive source is F [N], and the shutter is applied to the drive source. When the total mass of the fixing tool for fixing the element and the shutter element is M [kg], the D, F, M and T satisfy the relational expression (2DM / F) 1/2 <T, and This is a method of operating a pulse laser shutter in which the pulse energy density of the laser pulse received by the shutter element at the insertion / removal position is less than the damage threshold of the shutter element.

本発明において、「パルス単位でオン、オフする」とは、時間的に隣り合うレーザパルスのいずれにも干渉することなく、すなわちレーザパルスの横モード分布の一部又は全部がシャッター素子の移動（シャッターの開閉）により遮られることなく、当該レーザパルスの通過状態（開）と、伝搬方向の変更を含む遮断状態（閉）の切り替えを行うことをいう。また、「ゲーティング」とは、オンとオフの組み合わせにより一定時間又は一定数のレーザパルスのみ、その伝搬方向を変え、又は遮断することで、その間のレーザパルスが被加工物に照射されないようにすることをいう。 In the present invention, "on / off in pulse units" means that the shutter element moves (on / off in pulse units) without interfering with any of the laser pulses adjacent in time, that is, a part or all of the transverse mode distribution of the laser pulses is moved (. It means switching between the passing state (open) of the laser pulse and the blocking state (closed) including the change of the propagation direction without being blocked by (opening / closing of the shutter). In addition, "gating" is a combination of on and off to change or block the propagation direction of only a certain number of laser pulses for a certain period of time so that the laser pulse during that period is not irradiated to the workpiece. To do.

「レーザ光の光軸にシャッター素子を出し入れする」とは、図１に示すように、シャッター素子１が例えばボイスコイルモーター（図示省略）の移動に応じてレーザ光の横モード分布内に図示する両矢印方向に挿入されたり、抜去されたりする意味である。そして、その挿入（抜去）方向は、シャッター素子１がレーザ光の横モード分布内に侵入してからその全てを遮る（受光する）までに要する時間を最短にする、光軸に対して垂直の方向が望ましい。 As shown in FIG. 1, "moving the shutter element in and out of the optical axis of the laser light" is illustrated in the transverse mode distribution of the laser light as the shutter element 1 moves, for example, a voice coil motor (not shown). It means that it is inserted or removed in the direction of the double-headed arrow. The insertion (removal) direction is perpendicular to the optical axis, which minimizes the time required for the shutter element 1 to enter the transverse mode distribution of the laser beam and to block (receive light) all of the laser beam. The direction is desirable.

「損傷閾値未満である」とは、ピークパワー密度を考慮することはもとより、単一パルスの照射による損傷閾値のみならず、本発明の応用である高繰り返し周波数にて発振するレーザパルスを連続して照射するレーザ加工装置において期待される、損傷なき累積ショット数を実現する損傷閾値も考慮して判断する基準をいう。 “Less than the damage threshold” means not only the damage threshold due to irradiation of a single pulse but also the continuous laser pulse oscillating at a high repetition frequency, which is an application of the present invention, as well as considering the peak power density. This is a standard for judging by considering the damage threshold value that realizes the cumulative number of shots without damage, which is expected in the laser processing device that irradiates the laser.

例えば、合成石英からなるシャッター素子の場合、パルスレーザの仕様を波長２４８ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ、繰り返し周波数２００Ｈｚと、それぞれ固定した場合であっても、その損傷閾値は、次表１及び図２に示すとおり期待する損傷なき累積ショット数によって様々である。従って、レーザ加工に必要なパルスエネルギーや加工のデューティーサイクルに照らし、期待される累積ショット数を損傷の発生なくシャッター素子が受光しうる損傷閾値を考慮のうえ、シャッター位置における最適なパルスエネルギー密度を設定することになる。なお、図２における損傷の基準としては、透過率が概ね１／２に減少した時点とする。 For example, in the case of a shutter element made of synthetic quartz, even when the pulse laser specifications are fixed at a wavelength of 248 nm, a pulse width of 25 ns, and a repetition frequency of 200 Hz, the damage thresholds are shown in Tables 1 and 2 below. As expected, it varies depending on the cumulative number of shots without damage. Therefore, in light of the pulse energy required for laser processing and the duty cycle of processing, the optimum pulse energy density at the shutter position is determined by considering the damage threshold that the shutter element can receive the expected cumulative number of shots without causing damage. It will be set. The standard of damage in FIG. 2 is the time when the transmittance is reduced to about 1/2.

Figure 0006931064
Figure 0006931064

なお、例えば、レーザ光の横モード分布がガウシアン分布のＮｄ：ＹＡＧレーザの場合、損傷閾値を考慮して光ファイバーやレンズを用いてこれを拡大し、シャッター素子により横切られるレーザ光の幅（例えば短軸方向の長さ）を成形する。他方、Ｎｄ：ＹＡＧレーザと比較して大きな矩形の横モード分布を持つエキシマレーザの場合、レンズ等を用いてこれを縮小しその短軸長さを成形する。 For example, in the case of an Nd: YAG laser in which the transverse mode distribution of the laser beam is a Gaussian distribution, the width of the laser beam crossed by the shutter element (for example, short) is enlarged by using an optical fiber or a lens in consideration of the damage threshold. Axial length) is molded. On the other hand, in the case of an excimer laser having a large rectangular transverse mode distribution as compared with the Nd: YAG laser, the excimer laser is reduced by using a lens or the like to form its minor axis length.

シャッター素子には、プリズムのように屈折を利用して伝搬方向を変えるものや、ミラーのように反射を利用して遮断するものを含み、これらに限定されない。 Shutter elements include, but are not limited to, those that use refraction to change the propagation direction, such as prisms, and those that use reflection to block, such as mirrors.

第２の発明は、第１の発明において、駆動源にボイスコイルモーターを用いるパルスレーザシャッターの動作方法である。 A second invention is a method of operating a pulse laser shutter that uses a voice coil motor as a drive source in the first invention.

ボイスコイルモーターには、ストロークは短くてもその推力が数十Ｎであるものを選択するとよい。駆動させるシャッター素子の質量を抑えることで、高加速度の動作を実現することができる。例えば、本発明の実施例において用いたボイスコイルモーターには、ピーク推力が３８Ｎのものを用いた。 For the voice coil motor, it is preferable to select a voice coil motor having a short stroke but a thrust of several tens of N. By suppressing the mass of the shutter element to be driven, high acceleration operation can be realized. For example, the voice coil motor used in the examples of the present invention has a peak thrust of 38 N.

第３の発明は、第１又は第２の発明において、シャッター素子がレーザ光の波長に対し透明な部材からなる素子であるパルスレーザシャッターの動作方法である。 A third invention is a method of operating a pulse laser shutter in which the shutter element is an element made of a member transparent to the wavelength of laser light in the first or second invention.

その部材としてはプリズム等の光学素子のように、レーザ光の波長に対し高い透過性を有するものを選択するとよい。また、その被照射面にレーザ光の反射を防止する誘電体多層膜を施すことで高い透過性を得ることもできる。しかし、損傷閾値の低い環境での使用には適さない。 As the member, it is preferable to select a member having high transparency with respect to the wavelength of the laser beam, such as an optical element such as a prism. Further, high transparency can be obtained by applying a dielectric multilayer film for preventing the reflection of laser light on the irradiated surface. However, it is not suitable for use in environments with low damage thresholds.

第４の発明は、第１又は第２の発明において、シャッター素子がレーザ光の波長に対しこれを反射する部材からなる素子であるパルスレーザシャッターの動作方法である。その部材としては、光学ミラーのほかレーザ光の被照射面に反射膜を施した光学プリズムなどを用いることができる。 A fourth invention is, in the first or second invention, a method of operating a pulse laser shutter, which is an element in which the shutter element is a member that reflects the wavelength of the laser light. As the member, in addition to an optical mirror, an optical prism or the like having a reflective film on the surface irradiated with laser light can be used.

第５の発明は、パルスレーザ光を用いたレーザ加工装置において、加工ステージ上に載置された被加工物に向けて伝搬する繰り返し周波数が１００［Ｈｚ］を超え1／Ｔ［Ｈｚ］にて発振するレーザパルスを、その発振状態を変えることなく、パルス単位でオン、オフ又はゲーティングするパルスレーザシャッターであって、レーザ光の横モード分布形状を成形する成形光学系と、レーザ光の伝搬方向を変え、又は遮断するシャッター素子と、当該シャッター素子を光路に出し入れするための駆動源と、少なくとも、パルスレーザ光源と前記加工ステージと前記駆動源の動作を制御する信号の送受信を行うタイミングコントローラとを有し、前記駆動源の推力をＦ［Ｎ］、前記シャッター素子及びその固定用治具の合計質量をＭ［ｋｇ］、前記シャッター素子の出し入れの位置においてシャッター素子により横切られる前記成形されたレーザ光の幅以上にわたるシャッター素子の移動距離をＤ［ｍ］としたとき、関係式（２ＤＭ／Ｆ）１／２＜Ｔを満たし、前記タイミングコントローラは、前記加工ステージの位置に応じたエンコーダー信号に基づき、当該加工ステージと前記パルスレーザ光源と前記駆動源とに信号を送信するパルスレーザシャッターである。 According to the fifth invention, in a laser processing apparatus using pulsed laser light, the repetition frequency propagating toward the workpiece placed on the processing stage exceeds 100 [Hz] at 1 / T [Hz]. A pulsed laser shutter that turns on, off, or gates an oscillating laser pulse in pulse units without changing its oscillating state. A molding optical system that forms the lateral mode distribution shape of the laser light, and propagation of the laser light. A shutter element that changes or shuts off the direction, a drive source for moving the shutter element in and out of the optical path, and at least a timing controller that transmits and receives a signal that controls the operation of the pulse laser light source, the processing stage, and the drive source. The driving source has a thrust of F [N], the total mass of the shutter element and its fixing jig is M [kg], and the molded product is crossed by the shutter element at the position where the shutter element is taken in and out. When the moving distance of the shutter element over the width of the laser beam is D [m], the relational expression (2DM / F) 1/2 <T is satisfied, and the timing controller is an encoder according to the position of the processing stage. A pulse laser shutter that transmits a signal to the processing stage, the pulse laser light source, and the drive source based on the signal.

第６の発明は、第５の発明において、駆動源がボイスコイルモーターであるパルスレーザシャッターである。 A sixth invention is a pulse laser shutter in which the drive source is a voice coil motor in the fifth invention.

第７の発明は、第５又は第６の発明において、シャッター素子がレーザ光の波長に対し透明な部材からなる素子であるパルスレーザシャッターである。 A seventh invention is a pulse laser shutter in which the shutter element is an element made of a member transparent to the wavelength of laser light in the fifth or sixth invention.

第８の発明は、第５又は第６の発明において、シャッター素子がレーザ光の波長に対しこれを反射する部材からなる素子であるパルスレーザシャッターである。 The eighth invention is a pulse laser shutter, which is an element in which the shutter element reflects the wavelength of the laser light with respect to the wavelength of the laser light in the fifth or sixth invention.

第９乃至第１１のいずれかの発明は、第５乃至第８の発明のいずれかにおいて、パルスレーザ光源をエキシマレーザとするパルスレーザシャッターである。 The ninth to eleventh inventions are pulse laser shutters in which the pulse laser light source is an excimer laser in any of the fifth to eighth inventions.

本発明によれば、１００Ｈｚを超える高繰り返し周波数にて発振するレーザパルスを用いたステップアンドリピート加工やスキャン加工において、隣り合うレーザパルスのいずれにも干渉することなく、そのパルス間タイムウインドー内にてレーザパルスのオン（又はオフ）を開始し、終了させるシャッター動作を長寿命にて実現できる。 According to the present invention, in step-and-repeat processing or scan processing using a laser pulse that oscillates at a high repetition frequency exceeding 100 Hz, the time window between pulses does not interfere with any of adjacent laser pulses. The shutter operation that starts (or turns off) the laser pulse and ends it can be realized with a long life.

リレーレンズにより集光されたレーザ光に対するシャッター素子の出し入れの様子を示す。The state of moving in and out of the shutter element with respect to the laser light focused by the relay lens is shown. 損傷閾値と累積ショット数の関係を示す。The relationship between the damage threshold and the cumulative number of shots is shown. 被加工物に対するスキャン加工の様子を示す。The state of scanning processing for the workpiece is shown. レーザシャッター装置を搭載したレーザ加工装置を示す。The laser processing apparatus equipped with the laser shutter apparatus is shown. プリズムからなるシャッター素子の形状を示す。The shape of the shutter element made of a prism is shown. ボイスコイルモーターにシャッター素子を固定用冶具で取り付けた様子を示す。A state in which a shutter element is attached to a voice coil motor with a fixing jig is shown. シャッター素子と固定用冶具の各部品の実写真を示す。An actual photograph of each part of the shutter element and the fixing jig is shown. 平凸シリンドリカルレンズの組み合わせによるテレスコープ内に挿入されたシャッター素子を示す。The shutter element inserted in the telescope by the combination of the plano-convex cylindrical lens is shown. シャッター素子がレーザ光に挿入、抜去される様子（側面）を示す。The state (side surface) that the shutter element is inserted into and removed from the laser beam is shown. シャッター素子がレーザ光に挿入、抜去される様子（別側面）を示す。The state in which the shutter element is inserted into and removed from the laser beam (another side surface) is shown. トリガータイミングチャートを示す。The trigger timing chart is shown.

以下、図面を参照して本発明に係るパルスレーザシャッター及びその動作方法の一態様を詳細に説明する。 Hereinafter, one aspect of the pulsed laser shutter and its operating method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の実施例として、Ｘ、Ｙ、Ｚ及びθ軸駆動の加工ステージ上に載置された被加工物７を０．１ｍｍピッチでＹ軸方向に１ショットスキャン加工する際に用いるレーザシャッターを説明する。その基本的なシャッターの動作は、レーザ光をオフ（閉）状態からオン（開）状態へ切り替えるための開閉動作である。なお、後述のとおり、レーザ光のオンからオフへは、レーザ装置への外部トリガー信号をオフにすることにより行うのが一般的であり、本実施例においてもこの方法を用いた。 As an embodiment of the present invention, a laser shutter used for one-shot scanning of a workpiece 7 placed on a machining stage driven by X, Y, Z and θ-axis at a pitch of 0.1 mm in the Y-axis direction is used. explain. The basic shutter operation is an opening / closing operation for switching the laser beam from the off (closed) state to the on (open) state. As will be described later, the laser beam is generally turned on and off by turning off the external trigger signal to the laser device, and this method is also used in this embodiment.

はじめに、本実施例における加工の様子を図３に示す。被加工物７のサイズは３００×３００ｍｍであり、加工箇所の総数は０．１ｍｍピッチにて、２，０００×２，０００＝４，０００，０００箇所である。また図中に示す「Ｙ」はＹ軸加工ステージ６にて、「Ｘ」はＸ軸加工ステージにより移動する方向である。 First, FIG. 3 shows a state of processing in this embodiment. The size of the workpiece 7 is 300 × 300 mm, and the total number of processed parts is 2,000 × 2,000 = 4,000,000 at a pitch of 0.1 mm. Further, "Y" shown in the figure is a direction of movement by the Y-axis processing stage 6, and "X" is a direction of movement by the X-axis processing stage.

図４に、本発明の実施に係るレーザ加工装置全体の概略構成を示す。本実施例においては、パルスレーザ光源として発振波長が２４８ｎｍのエキシマレーザ４を用いた。そして、前述の０．１ｍｍピッチの加工を２０ｍｍ／ｓの等速運動により加工する際の繰り返し周波数（１／Ｔ）は２００Ｈｚである。一般的なエキシマレーザのパルス幅である約２５ｎｓを無視すると、パルス間タイムウインドーＴは５ｍｓとなる。 FIG. 4 shows a schematic configuration of the entire laser processing apparatus according to the implementation of the present invention. In this embodiment, an excimer laser 4 having an oscillation wavelength of 248 nm was used as the pulse laser light source. The repetition frequency (1 / T) when the above-mentioned 0.1 mm pitch machining is performed by a constant velocity motion of 20 mm / s is 200 Hz. Ignoring the pulse width of about 25 ns for a typical excimer laser, the inter-pulse time window T is 5 ms.

また、このレーザ光の横モード分布形状は、出射直後において短軸５ｍｍ×長軸２４ｍｍであり、ビーム拡がり角は１×３ｍｒａｄである。パルスレーザ光源としては、このほかＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザやＣＯ２レーザ等を用いることもできるが、被加工物７の材質、特にレーザ光の波長に対する吸収特性に応じて、適切な組み合わせとなるパルスレーザ光源を選択する必要がある。Further, the shape of the horizontal mode distribution of the laser beam is 5 mm on the minor axis × 24 mm on the major axis immediately after emission, and the beam divergence angle is 1 × 3 mrad. As the pulse laser light source, a Q switch Nd: YAG laser, a CO 2 laser, or the like can also be used, but an appropriate combination is obtained depending on the material of the workpiece 7, particularly the absorption characteristics of the laser light with respect to the wavelength. It is necessary to select a pulsed laser light source.

次に、本実施例において使用したシャッター素子１は、２４８ｎｍに対する透過率が９０％以上の図５に示す合成石英からなる直角プリズムであり、各辺の長さはａ＝１０ｍｍ、ｂ＝１０ｍｍ、ｃ＝３０ｍｍである。このシャッター素子の被照射面１２にレーザパルスを入射させ、屈折させ、その伝搬方向を変えることにより、被加工物７へ照射されるレーザパルスのオン、オフ又はゲーティングを実現する。なお、被照射面１２を含むいずれの面においても、何らコーティングを施していない。レーザ照射による損傷が懸念されるためである。 Next, the shutter element 1 used in this embodiment is a right-angle prism made of synthetic quartz shown in FIG. 5 having a transmittance of 90% or more with respect to 248 nm, and the lengths of each side are a = 10 mm and b = 10 mm. c = 30 mm. A laser pulse is incident on the irradiated surface 12 of the shutter element, refracted, and the propagation direction thereof is changed to realize on / off or gating of the laser pulse irradiated to the workpiece 7. No coating was applied to any of the surfaces including the irradiated surface 12. This is because there is a concern about damage due to laser irradiation.

さらに、このシャッター素子１は、その駆動源として選定したボイスコイルモーター２に固定用冶具１３を用いて固定した。その様子を図６Ａに示す。また、シャッター素子１と固定用冶具１３の実写真を図６Ｂに示す。なお、これらの合計の質量（Ｍ）は、１０ｇである。 Further, the shutter element 1 is fixed to the voice coil motor 2 selected as the drive source thereof by using the fixing jig 13. The situation is shown in FIG. 6A. Further, an actual photograph of the shutter element 1 and the fixing jig 13 is shown in FIG. 6B. The total mass (M) of these is 10 g.

ボイスコイルモーターの仕様は次表２、その制御用に用いたドライバ（アンプ）の仕様は次表３のとおりである。ここで、ピーク推力とは、本実施例のようなデューティーの低い状況において瞬時に動作させる場合の推力であり、連続動作における定格推力に比べて大きい。また、ボイスコイルモーターのピーク推力は、この制御用ドライバに依存する。本実施例において用いたボイスコイルモーターのピーク推力は３８Ｎである。 The specifications of the voice coil motor are shown in Table 2 below, and the specifications of the driver (amplifier) used for its control are shown in Table 3 below. Here, the peak thrust is a thrust when the thrust is operated instantaneously in a situation where the duty is low as in the present embodiment, and is larger than the rated thrust in the continuous operation. Further, the peak thrust of the voice coil motor depends on this control driver. The peak thrust of the voice coil motor used in this embodiment is 38N.

Figure 0006931064
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本実施例における１ショットスキャン加工で必要とされるパルスエネルギーは、縮小投影光学系等による減衰前の段階において概ね１００ｍＪである。また、その位置はエキシマレーザ４の出射口から２ｍほど離れた位置であり、この位置におけるビーム形状は概ね短軸８ｍｍ×長軸２５ｍｍである。従って、この位置において前記シャッター素子１を出し入れする場合、その被照射面１２上のパルスエネルギー密度は、４５°入射を考慮すると約３５ｍＪ／ｃｍ２である。The pulse energy required for the one-shot scan processing in this embodiment is approximately 100 mJ in the stage before attenuation by the reduced projection optical system or the like. The position is about 2 m away from the exit port of the excimer laser 4, and the beam shape at this position is approximately 8 mm on the short axis and 25 mm on the long axis. Therefore, when the shutter element 1 is taken in and out at this position, the pulse energy density on the irradiated surface 12 is about 35 mJ / cm 2 in consideration of the 45 ° incident.

この程度のパルスエネルギー密度は、期待する損傷なき累積ショット数を１×１０９ショットとしても、その場合の前記直角プリズムの損傷閾値（５０ｍＪ／ｃｍ２）以下であり、且つ、Ｄを前記ビーム形状の短軸長さと同じ８ｍｍ、Ｆ＝３８Ｎ、Ｔ＝５ｍｓ、Ｍ＝１０ｇとすると、本発明の条件式である（２ＭＤ／Ｆ）１／２＜Ｔも満たす（２×０．０１×０．００８／３８）１／２≒０．００２１＜０．００５）。Pulse energy density of this degree, even if the cumulative number of shots otherwise damage expected as 1 × 10 9 shots, and the its damage threshold of the right-angle prism in the case (50mJ / cm 2) or less, and wherein the D beam shape Assuming that 8 mm, F = 38N, T = 5 ms, and M = 10 g, which are the same as the minor axis length of, the conditional expression of the present invention (2 MD / F) 1/2 <T is also satisfied (2 × 0.01 × 0. 008/38) 1/2 ≈ 0.0021 <0.005).

しかし、本実施例においては、タイムウインドー内にて空間的余裕をもってレーザ光を遮断状態（閉）から解放状態（開）にするために、ビーム形状の短軸方向を成形光学系により上述の８ｍｍから５ｍｍへさらに短くし、他方、シャッター素子１がこの５ｍｍを十分カバーし、横切って移動する距離Ｄをシャッター素子のサイズ（ａ又はｂ）と同一の１０ｍｍとした。ここで、条件式を改めて計算すると（２ＭＤ／Ｆ）１／２＝（２×０．０１×０．０１０／３８）１／２≒０．００２３＜０．００５となり、この場合であっても余裕のある実用的なパラメータの組み合わせを得ることができた。However, in this embodiment, in order to shift the laser beam from the blocked state (closed) to the released state (open) with a spatial margin in the time window, the short axis direction of the beam shape is set by the molding optical system as described above. It was further shortened from 8 mm to 5 mm, while the shutter element 1 sufficiently covered this 5 mm, and the distance D moved across the shutter element 1 was set to 10 mm, which is the same as the size (a or b) of the shutter element. Here, when the conditional expression is calculated again, (2MD / F) 1/2 = (2 × 0.01 × 0.010 / 38) 1/2 ≈ 0.0023 <0.005, even in this case. We were able to obtain a practical combination of parameters with a margin.

レーザ光の伝搬の様子は次のとおりである。エキシマレーザ４から出射した矩形の横モード分布を持つレーザ光４１を、焦点距離ｆ＝６００ｍｍの２枚の平凸レンズ３（合成石英製）によりリレーし、後段のテレスコープ光学系に伝搬する。図１（及び図８A）に示すように、シャッター素子１は、レーザ光が最初の平凸レンズ３の焦点位置から３００ｍｍ伝搬した後の位置をその出し入れの位置とした。この位置におけるビームサイズは、短軸方向が約５ｍｍ、長軸方向が約１５ｍｍ（いずれもＦＷＨＭ）である。 The state of propagation of the laser beam is as follows. The laser beam 41 having a rectangular transverse mode distribution emitted from the excimer laser 4 is relayed by two plano-convex lenses 3 (made of synthetic quartz) having a focal length f = 600 mm and propagated to the telescope optical system in the subsequent stage. As shown in FIG. 1 (and FIG. 8A), the shutter element 1 is taken in and out at a position after the laser beam propagates 300 mm from the focal position of the first plano-convex lens 3. The beam size at this position is about 5 mm in the short axis direction and about 15 mm in the long axis direction (both are FWHM).

その後、２枚目の平凸レンズを通過したレーザ光４１は、横モード分布において均一なエネルギー分布を得るために、その後段に位置するホモジナイザーへと伝搬される。なお、ホモジナイザー以後の光学系５については、一般の縮小結像光学系と同様であるためその詳細は省略し図４中に簡略化して図示した。 After that, the laser beam 41 that has passed through the second plano-convex lens is propagated to the homogenizer located in the subsequent stage in order to obtain a uniform energy distribution in the transverse mode distribution. Since the optical system 5 after the homogenizer is the same as the general reduced imaging optical system, the details thereof are omitted and shown in FIG. 4 for simplification.

なお、シャッター素子１の設置場所としては、この平凸レンズによるリレーレンズ構成内のほか、図７に示すとおり２枚の平凸シリンドリカルレンズの組み合わせによるテレスコープ内に設置することもできる。しかし、本実施例においては、前述のとおりシャッター素子の被照射面１２上に照射されるレーザ光４１のパルスエネルギー密度が３５ｍＪ／ｃｍ２と低く、図７のようにシリンドリカルレンズを用いて細長い矩形ビームを形成し、横切るべきレーザ光の短軸を短くしたうえで、パルスエネルギー密度を低く抑える構成とはしなかった。The shutter element 1 can be installed not only in the relay lens configuration using the plano-convex lens, but also in the telescope composed of a combination of two plano-convex cylindrical lenses as shown in FIG. 7. However, in this embodiment, as described above, the pulse energy density of the laser beam 41 irradiated on the irradiated surface 12 of the shutter element is as low as 35 mJ / cm 2, and as shown in FIG. 7, an elongated rectangular shape is used using a cylindrical lens. The beam was formed, the short axis of the laser beam to be crossed was shortened, and the pulse energy density was not kept low.

シャッター素子１のレーザ光４１に対する位置関係を図８Ａ及び図８Ｂに示す。いずれの図中においても、シャッター素子１の移動方向を両矢印にて示した。また、レーザ光４１内に挿入されているシャッター素子１を実線で示し、完全に抜去されたシャッター素子を点線で示した。さらに、前述のとおりレーザ光への挿入・抜去の位置は、平凸レンズ３により成形されたビームウエスト部４２の位置から概ね３００ｍｍ伝搬した後の位置である。 The positional relationship of the shutter element 1 with respect to the laser beam 41 is shown in FIGS. 8A and 8B. In each of the figures, the moving direction of the shutter element 1 is indicated by double-headed arrows. Further, the shutter element 1 inserted in the laser beam 41 is shown by a solid line, and the completely removed shutter element is shown by a dotted line. Further, as described above, the position of insertion / removal into the laser beam is a position after propagating approximately 300 mm from the position of the beam waist portion 42 formed by the plano-convex lens 3.

この位置におけるレーザ光４１の横モード分布は、前述のとおり短軸５ｍｍ×長軸１５ｍｍの矩形であり、シャッター素子１は、そのエッジ部１１がこの横モード分布の短軸方向に沿って光軸に対し垂直に抜去／挿入される。そして、本実施例においては、この矩形の横モード分布を、空間的余裕をもって遮断しているシャッター閉の状態（図８Bにおいて実線で描画）から、シャッター開の状態（図８Bにおいて点線で描画）への切り替えのために最短時間で移動すべき距離を１０ｍｍに設定した。なお、図中の一点鎖線は光軸を、二点鎖線は被照射面１２に対する法線を示し、レーザ光の入射角θは法線から４５°である。また、直角プリズム（シャッター素子１）の大きさやレーザ光４１のビーム拡がり角は誇張して描いてある。 As described above, the transverse mode distribution of the laser beam 41 at this position is a rectangle having a minor axis of 5 mm and a major axis of 15 mm, and the edge portion 11 of the shutter element 1 has an optical axis along the minor axis direction of the transverse mode distribution. It is removed / inserted vertically with respect to. Then, in this embodiment, the rectangular transverse mode distribution is blocked from the shutter closed state (drawn by a solid line in FIG. 8B) to the shutter open state (drawn by a dotted line in FIG. 8B). The distance to be moved in the shortest time for switching to is set to 10 mm. The alternate long and short dash line in the figure indicates the optical axis, the alternate long and short dash line indicates the normal line with respect to the irradiated surface 12, and the incident angle θ of the laser beam is 45 ° from the normal line. Further, the size of the right-angle prism (shutter element 1) and the beam divergence angle of the laser beam 41 are exaggerated.

本実施例の場合、図８Ｂに示すように、レーザ光４１に対するシャッター閉から開への瞬時切り替え動作に要する時間、すなわちシャッター素子のエッジ部１１が最短で１０ｍｍ移動する時間は前述のとおり約２．３ｍｓである。なお、このとき、シャッター素子が停止するまでの減速（図中に灰色点線にてその様子を示す。）によりオーバーランする移動距離を考慮する必要はない。シャッターを閉にするときは、開にするときの逆の動作をさせる代わりに、レーザ装置４への外部トリガーをオフにするからである。 In the case of this embodiment, as shown in FIG. 8B, the time required for the instantaneous switching operation from the shutter closing to the opening with respect to the laser beam 41, that is, the time required for the edge portion 11 of the shutter element to move by 10 mm at the shortest is about 2 as described above. .3 ms. At this time, it is not necessary to consider the moving distance that overruns due to the deceleration until the shutter element stops (the state is shown by the gray dotted line in the figure). This is because when the shutter is closed, the external trigger to the laser device 4 is turned off instead of causing the reverse operation when the shutter is opened.

他方、本実施例と異なり、レーザ光のオンとオフをいずれもシャッターの開閉動作により短時間に繰り返し行う必要がある場合は、シャッター素子が移動する際の加速と減速の時間を考慮する必要がある。シャッター素子のエッジ部１１が１０ｍｍ移動して停止する場合のシャッター動作時間は５ｍｍの加速移動と５ｍｍの減速移動（２×０．０１×０．００５／３８）１／２）×２により、概ね３．２ｍｓとなる。なお、この場合も本発明に係る条件式（＜５ｍｓ）を満たす。On the other hand, unlike this embodiment, when it is necessary to repeatedly turn on and off the laser beam in a short time by opening and closing the shutter, it is necessary to consider the acceleration and deceleration times when the shutter element moves. be. When the edge portion 11 of the shutter element moves 10 mm and stops, the shutter operation time is approximately 5 mm acceleration movement and 5 mm deceleration movement (2 x 0.01 x 0.005 / 38) 1/2 ) x 2. It will be 3.2 ms. In this case as well, the conditional expression (<5 ms) according to the present invention is satisfied.

次に、より具体的なシャッターの動作タイミングを、レーザ加工装置を構成する各部に入出力する信号の送受信を用いて説明する。 Next, a more specific shutter operation timing will be described using transmission / reception of signals input / output to each part constituting the laser processing apparatus.

図２に示す１ショットスキャン加工において、Ｙ軸加工ステージ６として用いるのは、速度２０ｍｍ／ｓ、加速度４０ｍｍ／ｓ２のリニアエンコーダ付きＤＣサーボモータ駆動のステージである。スキャン加工時、この（Ｙ軸）リニアエンコーダからは、その位置情報（信号２）がタイミングコントローラとしてのステージモーションコントローラに出力される。この位置情報を受信したステージモーションコントローラは、任意の位置情報に基づき、エキシマレーザ４に対し外部トリガー発振用のＴＴＬ信号（信号３）を生成し出力する。In the one-shot scan processing shown in FIG. 2, the Y-axis processing stage 6 is a stage driven by a DC servomotor with a linear encoder having a speed of 20 mm / s and an acceleration of 40 mm / s 2. At the time of scanning, the position information (signal 2) is output from this (Y-axis) linear encoder to the stage motion controller as a timing controller. Upon receiving this position information, the stage motion controller generates and outputs a TTL signal (signal 3) for external trigger oscillation to the excimer laser 4 based on the arbitrary position information.

本実施例においては、Ｙ軸加工ステージ６は２０ｍｍ／ｓの等速運動を安定して行っている２００ｍｍの距離にわたりピッチ０．１ｍｍ（図３）にて加工するための信号３をエキシマレーザ４に出力する。この信号３を受信したエキシマレーザ４は、結果として２００Ｈｚの繰り返し周波数でレーザを照射することとなる。 In this embodiment, the excimer laser 4 transmits a signal 3 for machining the Y-axis machining stage 6 at a pitch of 0.1 mm (FIG. 3) over a distance of 200 mm in which a constant velocity motion of 20 mm / s is stably performed. Output to. As a result, the excimer laser 4 that has received this signal 3 irradiates the laser at a repetition frequency of 200 Hz.

前述のとおり、このときのパルス間タイムウインドーは、レーザのパルス幅（約２５ｎｓ）を無視するならば５ｍｓであり、シャッター素子１がそのエッジ部１１を所定の位置から１０ｍｍ移動しシャッターを閉から開にするために要する時間（２．３ｍｓ）と比較して十分長い時間といえる。よって、隣り合うレーザパルスにシャッター素子が干渉することなく、レーザパルス単位にてこれをオン、オフ又はゲーティングすることができる。 As described above, the inter-pulse time window at this time is 5 ms if the pulse width (about 25 ns) of the laser is ignored, and the shutter element 1 moves the edge portion 11 from a predetermined position by 10 mm and closes the shutter. It can be said that the time is sufficiently long compared to the time required to open the laser (2.3 ms). Therefore, the shutter element can be turned on, off, or gating in laser pulse units without the shutter element interfering with the adjacent laser pulses.

全体を通してのレーザ加工装置を構成する各部の動作タイミングは次のとおりである。はじめに、被加工物７を載置したＹ軸加工ステージ６を、加工位置の手前にあたるスタンバイ位置（図９において「０ｍｍ」と表示。）まで移動する。次に、シャッター素子１をボイスコイルモーター２の駆動により、レーザ光４１の照射を被照射面１２の中央付近で受光する位置（図８Ａ及び８Ｂにおいて実線で示したシャッター閉の位置）まで移動、挿入し、レーザ光４１の照射を受けた際、シャッター素子１による屈折によりレーザ光４１が被加工物７に照射されないようにする。（シャッターを閉にする。）なお、この時点では、まだ外部トリガーの信号３はエキシマレーザ４に送信されておらず、レーザ光４１のシャッター素子１への照射はない。 The operation timing of each part constituting the laser processing apparatus throughout is as follows. First, the Y-axis machining stage 6 on which the workpiece 7 is placed is moved to a standby position (indicated as "0 mm" in FIG. 9), which is in front of the machining position. Next, the shutter element 1 is driven by the voice coil motor 2 to move to a position where the irradiation of the laser beam 41 is received near the center of the irradiated surface 12 (the shutter closed position shown by the solid line in FIGS. 8A and 8B). When it is inserted and irradiated with the laser beam 41, the laser beam 41 is prevented from being irradiated to the workpiece 7 due to the refraction by the shutter element 1. (The shutter is closed.) At this point, the signal 3 of the external trigger has not yet been transmitted to the excimer laser 4, and the shutter element 1 of the laser beam 41 is not irradiated.

次に、オペレータからの加工開始指示（信号１）を受け、Ｙ軸加工ステージ６が前記スタンバイ位置から加速度４０ｍｍ／ｓ２にて移動を開始し、５ｍｍ移動したところで２０ｍｍ／ｓの等速運動となる。Ｙ軸加工ステージ６の移動とともにその位置に応じたエンコーダーからの出力信号２を受けたステージモーションコントローラは、この５ｍｍ移動した時点でエキシマレーザに外部トリガーの信号３の送信を開始する。このとき、エキシマレーザ４は、外部トリガー発振モードで発振準備しており、この信号３を受信するとレーザ発振する。Next, in response to the machining start instruction (signal 1) from the operator, the Y-axis machining stage 6 starts moving from the standby position at an acceleration of 40 mm / s 2 , and when it moves 5 mm, it moves at a constant velocity of 20 mm / s. Become. The stage motion controller that receives the output signal 2 from the encoder corresponding to the position of the Y-axis machining stage 6 starts transmitting the signal 3 of the external trigger to the excimer laser when the stage 6 moves 5 mm. At this time, the excimer laser 4 prepares to oscillate in the external trigger oscillation mode, and when this signal 3 is received, the excimer laser 4 oscillates.

なお、一般的なエキシマレーザの場合、外部発振用のＴＴＬ信号（信号３）を受信してから実際のレーザパルスが発振されるまでの遅延時間は、約１μｓである。しかし、本実施例の場合、パルス間タイムウインドーの５ｍｓに比較して十分短く、レーザパルスのオン、オフ又はゲーティング動作には影響を及ぼさない。 In the case of a general excimer laser, the delay time from receiving the TTL signal (signal 3) for external oscillation until the actual laser pulse is oscillated is about 1 μs. However, in the case of this embodiment, it is sufficiently shorter than the inter-pulse time window of 5 ms and does not affect the on / off or gating operation of the laser pulse.

Ｙ軸加工ステージ６は、さらに５ｍｍの距離を２０ｍｍ／ｓの等速運動にて移動する。本実施例においては、この間に発振したエキシマレーザ４からのレーザパルス数である５０パルス分を、シャッター閉の位置（図８Ａ及び８Ｂにおける実線の位置）にあるシャッター素子１によりゲーティングする。（遮断する。）そして、次の５１パルス目からゲーティングを解除し（シャッターを開き）、このパルス以降を加工に用いる。 The Y-axis machining stage 6 further moves a distance of 5 mm at a constant velocity motion of 20 mm / s. In this embodiment, 50 pulses, which is the number of laser pulses from the excimer laser 4 oscillated during this period, is gated by the shutter element 1 at the shutter closed position (the solid line position in FIGS. 8A and 8B). (Shut off.) Then, the gating is released from the next 51st pulse (the shutter is opened), and the pulse and subsequent pulses are used for processing.

これは、前述のとおり、安定した加工精度を得るために、Ｙ軸加工ステージ６が加速度運動から等速運動に変わると同時に発振を開始したレーザパルスのうち、パルスエネルギーの不安定なレーザパルスを含む発振直後の５０パルス分をゲーティングにより排除するものである。 As described above, in order to obtain stable machining accuracy, among the laser pulses in which the Y-axis machining stage 6 changes from acceleration motion to constant velocity motion and starts oscillating, the laser pulse with unstable pulse energy is used. The 50 pulses immediately after the oscillation including the oscillation are excluded by gating.

ステージモーションコントローラは、ボイスコイルモーター２の制御用アンプに対し、前記５０パルス目と５１パルス目の間のパルス間タイムウインドー（５ｍｓ）内において、シャッター素子１をゲーティング位置から抜去するための駆動信号４を送信する。 The stage motion controller removes the shutter element 1 from the gating position in the inter-pulse time window (5 ms) between the 50th pulse and the 51st pulse with respect to the control amplifier of the voice coil motor 2. The drive signal 4 is transmitted.

なお、この駆動信号４の送信時刻の微調整は、５１パルス目以降のパルスエネルギーを実測することで行うことができる。例えば、５１パルス目のパルスエネルギーがその後のレーザパルス（５２パルス目）に比べて低い場合は、５１パルス目のレーザ光がシャッター素子１に干渉している（一部照射されている）ことが考えられるため、駆動信号４の送信時刻を例えば１ｍｓステップにて早める微調整を行う。また、５０パルス目のパルスエネルギーが計測された場合は、同じく駆動信号４の送信時刻を遅くする微調整を行う。なお、５０パルス目か５１パルス目かの区別は、エキシマレーザへの外部トリガーである信号３のパルス数のうち、加工に用いる予定のレーザパルス数（本実施例においては２，０００パルス）又はシャッター素子により伝搬方向が変えられたレーザパルス数（本実施例においては５０パルス）と、そのいずれかのパルスエネルギーを実測したショット数から容易に判断できる。 The transmission time of the drive signal 4 can be finely adjusted by actually measuring the pulse energy after the 51st pulse. For example, when the pulse energy of the 51st pulse is lower than that of the subsequent laser pulse (52nd pulse), the laser light of the 51st pulse may interfere with the shutter element 1 (partially irradiated). Therefore, fine adjustment is performed to advance the transmission time of the drive signal 4 in steps of, for example, 1 ms. When the pulse energy of the 50th pulse is measured, fine adjustment is also made to delay the transmission time of the drive signal 4. The distinction between the 50th pulse and the 51st pulse is the number of laser pulses to be used for processing (2,000 pulses in this embodiment) or the number of pulses of the signal 3 which is an external trigger to the excimer laser. It can be easily determined from the number of laser pulses whose propagation direction is changed by the shutter element (50 pulses in this embodiment) and the number of shots measured for any of the pulse energies.

Ｙ軸加工ステージ６が加工開始（シャッター開）から２００ｍｍ移動後、すなわち、被加工物７へのレーザパルスの照射数が２，０００ショットに達した時点で、エキシマレーザ４への外部発振トリガー（信号３）を停止する。その後、Ｘ軸及びＹ軸加工ステージが次の列のスキャン加工のためのスタンバイ位置に移動し、その移動の間、シャッター素子を再びゲーティング位置に移動する。以降、同様の動作を繰り返し、トータル２，０００×２，０００箇所の１ショットスキャン加工を行う。 After the Y-axis machining stage 6 has moved 200 mm from the start of machining (shutter opening), that is, when the number of laser pulse irradiations on the workpiece 7 reaches 2,000 shots, an external oscillation trigger (excimer laser 4) is applied to the excimer laser 4. Signal 3) is stopped. The X-axis and Y-axis machining stages then move to the standby position for scanning in the next row, during which the shutter element moves back to the gating position. After that, the same operation is repeated to perform one-shot scanning processing at a total of 2,000 × 2,000 locations.

パルスレーザ光源を用いたレーザ加工装置全般に利用することができる。 It can be used for all laser processing devices that use a pulsed laser light source.

１ シャッター素子
１１ エッジ部
１２ 被照射面
１３ 固定用冶具
２ ボイスコイルモーター（ＶＣＭ）
３ 平凸レンズ
４ エキシマレーザ
４１ レーザ光
４２ ビームウエスト部
５ 後段光学系（ホモジナイザー他）
６ Ｙ軸加工ステージ
７ 被加工物

1 Shutter element 11 Edge part 12 Irradiated surface 13 Fixing jig 2 Voice coil motor (VCM)
3 Plano-convex lens 4 Excimer laser 41 Laser beam 42 Beam waist 5 Rear optical system (homogenizer, etc.)
6 Y-axis machining stage 7 Work piece

Claims (11)

繰り返し周波数が１００［Ｈｚ］を超え１／Ｔ［Ｈｚ］にて発振するレーザ光を用いたレーザ加工装置において、加工ステージ上に載置された被加工物に向けて伝搬するレーザ光の光軸にシャッター素子を出し入れし、その伝搬方向を変え又は遮断することにより、被加工物に照射されるレーザパルスをパルス単位でオン、オフ又はゲーティングするパルスレーザシャッターの動作方法であって、
前記加工ステージの位置に応じたエンコーダー信号に基づき、任意の数のレーザパルスを発振させるための外部トリガー信号を発生する工程と、
当該外部トリガー信号に基づき発振するレーザ光の横モード分布形状を成形光学系により成形する工程と、
前記シャッター素子を出し入れするための駆動源に対し、その動作開始のタイミングを前記外部トリガー信号に同期して決定し送信する工程とを含み、
前記シャッター素子の出し入れの位置においてシャッター素子により横切られる前記成形されたレーザ光の幅以上にわたるシャッター素子の移動距離をＤ［ｍ］、前記駆動源の推力をＦ［Ｎ］、当該駆動源に前記シャッター素子を固定するための固定用冶具とシャッター素子の合計質量をＭ［ｋｇ］としたとき、当該Ｄ、Ｆ、Ｍ及びＴが関係式（２ＤＭ／Ｆ）１／２＜Ｔを満たし、且つ、
前記出し入れの位置において、前記シャッター素子の受光するレーザパルスのパルスエネルギー密度が、当該シャッター素子の損傷閾値未満であるパルスレーザシャッターの動作方法。In a laser processing apparatus using laser light that oscillates at 1 / T [Hz] with a repetition frequency exceeding 100 [Hz], the optical axis of the laser light propagating toward the workpiece placed on the processing stage. It is an operation method of a pulse laser shutter that turns on, off, or gates a laser pulse applied to a work piece in pulse units by moving a shutter element in and out and changing or blocking the propagation direction thereof.
A process of generating an external trigger signal for oscillating an arbitrary number of laser pulses based on an encoder signal corresponding to the position of the processing stage, and a process of generating an external trigger signal.
The process of molding the transverse mode distribution shape of the laser beam that oscillates based on the external trigger signal with the molding optical system, and
A step of determining and transmitting the operation start timing in synchronization with the external trigger signal to the drive source for moving the shutter element in and out is included.
The moving distance of the shutter element over the width of the formed laser beam crossed by the shutter element at the position where the shutter element is taken in and out is D [m], the thrust of the drive source is F [N], and the drive source is the said. When the total mass of the fixing jig for fixing the shutter element and the shutter element is M [kg], the D, F, M and T satisfy the relational expression (2DM / F) 1/2 <T, and ,
A method of operating a pulsed laser shutter in which the pulse energy density of the laser pulse received by the shutter element is less than the damage threshold value of the shutter element at the insertion / removal position. 前記駆動源がボイスコイルモーターである請求項１に記載のパルスレーザシャッターの動作方法。 The method of operating a pulse laser shutter according to claim 1, wherein the drive source is a voice coil motor. 前記シャッター素子がレーザ光の波長に対し透明な部材からなる素子である請求項１又は請求項２に記載のパルスレーザシャッターの動作方法。 The method of operating a pulse laser shutter according to claim 1 or 2, wherein the shutter element is an element made of a member that is transparent to the wavelength of laser light. 前記シャッター素子がレーザ光の波長に対しこれを反射する部材からなる素子である請求項１又は請求項２に記載のパルスレーザシャッターの動作方法。 The method of operating a pulse laser shutter according to claim 1 or 2, wherein the shutter element is an element composed of a member that reflects the wavelength of the laser beam. パルスレーザ光を用いたレーザ加工装置において、加工ステージ上に載置された被加工物に向けて伝搬する繰り返し周波数が１００［Ｈｚ］を超え1／Ｔ［Ｈｚ］にて発振するレーザパルスを、その発振状態を変えることなく、パルス単位でオン、オフ又はゲーティングするパルスレーザシャッターであって、
レーザ光の横モード分布形状を成形する成形光学系と、
レーザ光の伝搬方向を変え又は遮断するシャッター素子と、
当該シャッター素子を光路に出し入れするための駆動源と、
少なくとも、パルスレーザ光源と前記加工ステージと前記駆動源の動作を制御する信号の送受信を行うタイミングコントローラとを有し、
前記駆動源の推力をＦ［Ｎ］、前記シャッター素子及びその固定用治具の合計質量をＭ［ｋｇ］、前記シャッター素子の出し入れの位置においてシャッター素子により横切られる前記成形されたレーザ光の幅以上にわたるシャッター素子の移動距離をＤ［ｍ］としたとき、関係式（２ＤＭ／Ｆ）１／２＜Ｔを満たし、
前記タイミングコントローラは、前記加工ステージの位置に応じたエンコーダー信号に基づき、当該加工ステージと前記パルスレーザ光源と前記駆動源とに信号を送信する、パルスレーザシャッター。 In a laser processing device using pulsed laser light, a laser pulse that oscillates at 1 / T [Hz] with a repetition frequency exceeding 100 [Hz] propagating toward the workpiece placed on the processing stage. A pulsed laser shutter that turns on, off, or gating on a pulse-by-pulse basis without changing its oscillation state.
A molding optical system that forms the transverse mode distribution shape of laser light,
A shutter element that changes or blocks the propagation direction of laser light,
A drive source for moving the shutter element in and out of the optical path,
It has at least a pulsed laser light source, a processing stage, and a timing controller for transmitting and receiving signals for controlling the operation of the drive source.
The thrust of the drive source is F [N], the total mass of the shutter element and its fixing jig is M [kg], and the width of the formed laser beam crossed by the shutter element at the position where the shutter element is taken in and out. When the moving distance of the shutter element over the above is D [m], the relational expression (2DM / F) 1/2 <T is satisfied.
The timing controller is a pulse laser shutter that transmits a signal to the machining stage, the pulse laser light source, and the drive source based on an encoder signal corresponding to the position of the machining stage. 前記駆動源がボイスコイルモーターであるパルスレーザシャッター。 Pulsed laser shutter said driving source is a voice coil motor. 前記シャッター素子がレーザ光の波長に対し透明な部材からなる素子である請求項５又は請求項６に記載のパルスレーザシャッター。 The pulse laser shutter according to claim 5 or 6, wherein the shutter element is an element made of a member that is transparent to the wavelength of the laser light. 前記シャッター素子がレーザ光の波長に対しこれを反射する部材からなる素子である請求項５又は請求項６に記載のパルスレーザシャッター。 The pulse laser shutter according to claim 5 or 6, wherein the shutter element is an element composed of a member that reflects the wavelength of the laser light. 前記パルスレーザ光源がエキシマレーザである請求項５又は請求項６に記載のパルスレーザシャッター。 The pulse laser shutter according to claim 5 or 6, wherein the pulse laser light source is an excimer laser. 前記パルスレーザ光源がエキシマレーザである請求項７に記載のパルスレーザシャッター。 The pulse laser shutter according to claim 7, wherein the pulse laser light source is an excimer laser. 前記パルスレーザ光源がエキシマレーザである請求項８に記載のパルスレーザシャッター。

The pulse laser shutter according to claim 8, wherein the pulse laser light source is an excimer laser.
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