JP2003080388A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工物上に複数の分割されたマスクパター
ンを同時に投影したり、被加工物上の複数のエリアにお
いて深度の異なる加工を同時に行うことができるレーザ
加工装置を提供する。 【解決手段】 このレーザ加工装置は、レーザ光を発生
する少なくとも１つのレーザ発振器１と、複数のマスク
３、４に対応可能に配置された複数の第１の光学系であ
って、少なくとも１つのレーザ発振器によって発生され
複数のマスクを通過したレーザ光をそれぞれ受光するた
めの複数の第１の光学系５、６と、複数の第１の光学系
から出射されたレーザ光を受光して被加工物上に結像す
るための第２の光学系７とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いて
被加工物を加工するために使用されるレーザ加工装置に
関し、特に、複数のマスクを用いて被加工物を加工する
ために使用されるレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザは、プリント基板の溝
や穴あけ加工、切断、半導体装置のパターン形成、ＩＣ
モールドのマーキング等に用いられてきた。また、レー
ザを用いて、材料表面を蒸発させて表面加工を行うこと
も可能である。これらの加工は、レーザ発振器から放出
されるレーザ光を集光レンズ等によって集光し、被加工
物へ照射することにより行われる。

【０００３】レーザ加工においては、被加工物上に形成
すべき所望のパターンを複数のパターンに分割してそれ
ぞれのマスクを作成し、これらのマスクを順次用いなが
らレーザ光を照射して、被加工物上において複数の分割
パターンを繋ぎ合わせることにより所望のパターンを形
成することがある。このような場合には、光学系中に複
数のマスクを順次取り替えて配置しながらレーザ光を照
射して加工を行い、それぞれのマスクに形成されたパタ
ーンを被加工物上に投影して所望のパターンを形成す
る。又は、１つのマスクに形成されたパターンを投影し
た後、別のマスクの下に被加工物を順次移動させて、別
のマスクに形成されたパターンを投影する。しかしなが
ら、複数のマスクを順次取り替えて配置する方法では、
マスクの取替えのたびに光学系の調整を行わなければな
らず煩雑であり、また光学系の調整ずれが生じ易い。さ
らに、複数のパターンの重ね合わせが容易ではない。一
方、被加工物を順次移動させる方法では、ステージスキ
ャンの重複が生じ、加工速度が低下する。

【０００４】また、レーザ加工においては、被加工物の
第１の領域において深い穴加工を行い、第２の領域にお
いて浅い溝加工を行うことがある。このような場合に
は、エネルギー密度を多段に変えたビームプロファイル
のレーザ光を照射して、２度に分けて加工を行うことが
考えられる。また、特開昭６３−２７３５８７号公報に
は、波長の異なる２種類以上のレーザ光を被加工物の同
一領域に照射して、まず、短波長のレーザ光照射により
被加工物の表面部に、溶融、表面層の除去等の変化を起
こさせ、長波長のレーザ光を吸収しやすい状態にした後
で、長波長のレーザ光を照射して加工を行う方法が開示
されている。しかしながら、これらの方法では、被加工
物の複数の領域において深度の異なる加工を迅速に行う
ことはできない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、上記の点に鑑
み、本発明は、被加工物上に複数の分割されたマスクパ
ターンを同時に投影したり、被加工物上の複数のエリア
において深度の異なる加工を同時に行うことができるレ
ーザ加工装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用効果】上記課題を
解決するため、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ
光を発生する少なくとも１つのレーザ発振器と、複数の
マスクに対応可能に配置された複数の第１の光学系であ
って、少なくとも１つのレーザ発振器によって発生され
複数のマスクを通過したレーザ光をそれぞれ受光するた
めの複数の第１の光学系と、複数の第１の光学系から出
射されたレーザ光を受光して被加工物上に結像するため
の第２の光学系とを具備する。

【０００７】本発明に係るレーザ加工装置においては、
複数のマスクのパターンが、それぞれのマスクに対応し
て配置された複数の第１の光学系を透過した後、第２の
光学系によって一括して被加工物上に投影されるので、
３個以上のパターンであっても迅速に合成することがで
きる。その際、マスクを取り替えて配置する必要がない
ので、光学系の調整ずれが生じない。また、原理的に、
光学系におけるエネルギーのロスが発生しない。

【０００８】本発明に係るレーザ加工装置においては、
複数のマスクに、所望のパターンを分割して得られる複
数の分割パターンをそれぞれ形成しても良い。その場合
には、複雑なパターンを複数の分割パターンに分割して
マスクを作製し、被加工物上においてこれらの分割パタ
ーンを合成することにより、複雑なパターン加工を行う
ことが可能である。

【０００９】本発明に係るレーザ加工装置は、エネルギ
ー密度が異なるレーザ光を所望のマスクに照射する複数
の光学系若しくはレーザ発振器、又は、波長が異なるレ
ーザ光を発生する複数のレーザ発振器を具備しても良
い。その際、複数のマスクに、深度の異なる加工に対応
する複数のパターンをそれぞれ形成することができる。
その場合には、加工領域にレーザ強度分布を形成するこ
とが可能であり、被加工物において、加工領域ごとに異
なった加工深さを実現することができる。

【００１０】本発明に係るレーザ加工装置においては、
複数の第１の光学系を複数のフィールドレンズで構成
し、第２の光学系を少なくとも１つの対物レンズで構成
することができる。その場合には、複数のマスクを通過
したレーザ光を複数のフィールドレンズにそれぞれ受光
させ、これらのフィールドレンズから出射されたレーザ
光を少なくとも１つの対物レンズによって被加工物上に
結像させることができる。

【００１１】さらに、本発明に係るレーザ加工装置にお
いては、複数の第１の光学系の内の少なくとも１つから
出射されたレーザ光を反射して第２の光学系に入射させ
る少なくとも１つのミラーをさらに具備するようにして
も良い。その場合には、狭い領域に多数の第１の光学系
を設けることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明の実施形態について説明する。なお、同一の構成
要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。図１
は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の構
成を示す図である。本実施形態においては、２個のマス
クに形成された分割パターンを被加工物上に投影して合
成する場合について説明する。図１に示すレーザ加工装
置は、レーザ光１０を発生するレーザ発振器１と、レー
ザ光を分割して各々のマスク３、４に照射するミラー２
６、２７と、マスクパターンＡを形成したマスク３及び
マスクパターンＢを形成したマスク４の下方に配置さ
れ、これらのマスクを通過したレーザ光をそれぞれ受光
するためのフィールドレンズ５、６を含む複数の第１の
光学系と、フィールドレンズ５、６の下方に配置され、
これらのフィールドレンズから出射されたレーザ光を受
光して被加工物８上に結像させるための対物レンズ７を
含む第２の光学系と、被加工物８を載置して移動させる
移動ステージ９とを有する。ここでは、各光学系として
１個のレンズを例示したが、２以上のレンズやミラーを
配置してもよい。

【００１３】２個のフィールドレンズ５、６は、それぞ
れマスク３、４の近くに配置された凸レンズであり、マ
スク３、４を通過したレーザ光１０が対物レンズ７に入
射するように、レーザ光を屈折させる。ここで、少なく
とも１個のフィールドレンズの中心軸が対物レンズの中
心軸から外れるように、複数のフィールドレンズが配置
される。本実施形態においては、両方のフィールドレン
ズの中心軸が対物レンズ７の中心軸から外れるように、
２個のフィールドレンズ５、６が配置されている。

【００１４】マスク３及びマスク４には、所望のパター
ンを２つに分割したパターンＡとパターンＢがそれぞれ
形成されている。レーザ発振器で発生したレーザ光１０
は、部分反射ミラー２６及び全反射ミラー２７で分割及
び反射され、マスク３、４に照射される。パターンＡが
形成されているマスク３を通過したレーザ光１０は、対
物レンズ７の左部分に入射して、被加工物８上に投影さ
れる。また、パターンＢが形成されているマスク４を通
過したレーザ光１０は、対物レンズ７の右部分に入射し
て、被加工物上に投影される。これにより、被加工物上
において、パターンＡとパターンＢとが繋ぎ合わされて
所望のパターンが形成される。

【００１５】その様子を、図１及び図２を参照しながら
説明する。図２の（ａ）は、２個のフィールドレンズ
５、６と対物レンズ７との位置関係を示す図であり、フ
ィールドレンズ５、６の中心軸は、対物レンズ７の中心
軸から外れている。図２の（ｂ）は、パターンＡとパタ
ーンＢとが繋ぎ合わされて、分割前の所望のパターンＣ
を形成することを説明するための図である。左側のフィ
ールドレンズ５に投影されたパターンＡの像は、対物レ
ンズ７を通過した後、対物レンズの中心軸近傍に移動す
る。右側のフィールドレンズ６に投影されたパターンＢ
の像は、対物レンズ７を通過した後、対物レンズの中心
軸近傍に移動する。このようにして、パターンＡとパタ
ーンＢとは合成され、図２の（ｂ）に示すような、分割
前の所望のパターンＣである輪形状を、被加工物上に形
成する。

【００１６】本実施形態によれば、複数の分割パターン
が形成されたマスクを、同時に、光学系中に配置するの
で、マスクの取替えが不要である。従って、マスクの取
替えに伴って発生する光学系の再調整の必要がなく、光
学系の調整ずれも生じない。また、マスクパターンごと
に被加工物を移動させる必要もないので、ステージスキ
ャンの重複が生じない。さらに、複数のパターンを一括
して同時に投影するので、加工速度の向上を図ることが
できる。

【００１７】本実施形態においては、光学系がフィール
ドレンズと対物レンズとの組合せで構成されており、レ
ーザ光の合成のために部分反射ミラーを使用する必要が
ないので、照射するレーザ光のロスが生じない。また、
レーザ光の合成のために偏光反射板を使用する必要もな
いので、構成が簡単であり、３種類以上のレーザ光の合
成も可能である。

【００１８】図１においては、２個のマスクパターンを
同時に投影するレーザ加工装置の構成を例示したが、マ
スクの数と、これらのマスクの下方に配置されるフィー
ルドレンズの数とを増やすことにより、３個以上のマス
クパターンを同時に投影することもできる。例えば、４
個のマスクパターンを同時に投影できる本発明の第２の
実施形態に係るレーザ加工装置を図３に示す。

【００１９】図３に示すように、本発明の第２の実施形
態においては、対物レンズの上方にフィールドレンズを
４個配置した構成としている。図３の（ａ）は、４個の
フィールドレンズ１１と１個の対物レンズ１２との位置
関係を示す図である。図３の（ｂ）は、４種類のパター
ンが重ね合わせられて、分割前の所望のパターンを形成
することを説明するための図である。ここでは、所望の
パターン１７を４つに分割し、４個の異なるパターン１
３、１４、１５、１６を形成したマスクを作成する。こ
れらの４個のマスクを、４個のフィールドレンズ１１の
上にそれぞれ配置する。

【００２０】４個のマスクにレーザ光を照射すると、４
個のマスクを通過したレーザ光は、４個のフィールドレ
ンズ１１をそれぞれ通過した後、１個の対物レンズ１２
に入射し、対物レンズ１２によって、移動ステージ上に
載置された被加工物上に結像される。被加工物上でパタ
ーンの繋ぎ合わせが行われ、分割前の図形１７が形成さ
れる。

【００２１】ここで、照射されるレーザ光は、マスクご
とにそれぞれエネルギ−密度の異なるものとしてもよ
い。この場合には、加工される被加工物表面に形成され
る溝の深さにバリエーションを持たせることができる。
また、マスクごとに波長の異なるレーザ光を照射しても
よい。２種類のレーザ光を使用することにより、それぞ
れのレーザ光の特性を活かして、被加工物の加工を行う
ことができる。

【００２２】次に、本発明の第３の実施形態に係るレー
ザ加工装置について説明する。図４に、本発明の第３の
実施形態に係るレーザ加工装置を示す。本実施形態にお
いては、レーザ発振器１から出射されるレーザ光１０
と、レーザ発振器２から出射されるレーザ光２０とを使
用し、レーザ光１０の一部は、さらに減光器２８を通過
する構成としている。

【００２３】図４において、パターンＤを形成したマス
ク２３とパターンＥを形成したマスク２４の下方に、フ
ィールドレンズ５、６がそれぞれ配置されている。これ
らのフィールドレンズの下方には、パターンＤ及びパタ
ーンＥの像を被加工物上に形成させるための対物レンズ
７が配置されている。

【００２４】一方、図中右側には、パターンＦを形成し
たマスク２５が配置されている。マスク２５の左方に
は、マスク２５を通過したレーザ光を対物レンズ７に入
射させるために、フィールドレンズ２１及びミラー２２
がこの順に配置されている。ミラー２２は、対物レンズ
７の上方に位置しており、対物レンズ７によってパター
ンＦの像が被加工物上に形成される。ミラー２２を対物
レンズ７の焦点に近い位置に配置すれば、狭い領域に多
数の光学系を設けることができる。

【００２５】本実施形態において、レーザ発振器１から
照射されたレーザ光１０は、マスク２３及びマスク２４
を通過し、さらにその下方に配置されたフィールドレン
ズ５、６をそれぞれ通過し、対物レンズ７に入射する。
また、レーザ発振器２から入射したレーザ光２０は、マ
スク２５を通過し、フィールドレンズ２１を通過して、
さらにミラー２２によって全反射されて、対物レンズ７
に入射する。その結果、マスク２３、２４を通過したレ
ーザ光１０及びマスク２５を通過したレーザ光２０は、
全て、対物レンズ７に入射する。マスク２３、２４を通
過したレーザ光１０は、対物レンズ７によって、被加工
物８の上にパターンＤ及びパターンＥの像を形成する。
また、マスク２５を通過したレーザ光２０は、対物レン
ズ７によって、被加工物８の上にパターンＦの像を形成
する。

【００２６】本実施形態によれば、エネルギー密度や波
長の異なる複数のレーザ光を使用する場合に、好適に対
応することができる。例えば、レーザ光１０として、エ
ネルギー密度の高いレーザ光を照射し、レーザ光２０と
して、エネルギー密度の低いレーザ光を照射することに
より、深い穴加工と浅い溝加工とを同時に行うことがで
きる。また、分割されたレーザ光の一方のエネルギー密
度を減光器２８で変更することにより、異なるエネルギ
ー密度のレーザ光を照射することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置
を示す図である。

【図２】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るレー
ザ加工装置におけるフィールドレンズと対物レンズの位
置関係を示す図であり、（ｂ）は、２個のパターンが繋
ぎ合わされて所望のパターンが形成されることを説明す
るための図である。

【図３】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るレー
ザ加工装置におけるフィールドレンズと対物レンズの位
置関係を示す図であり、（ｂ）は、４個のパターンが繋
ぎ合わされて所望のパターンが形成されることを説明す
るための図である。

【図４】本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置
を示す図である。

【符号の説明】

１、２ レーザ発振器 ３ マスク（パターンＡ） ４ マスク（パターンＢ） ５、６、１１、２１ フィールドレンズ ７、１２ 対物レンズ ８ 被加工物 ９ 移動ステージ １０、２０ レーザ光 １３、１４、１５、１６ マスクパターン １７ 所望のパターン ２２ ミラー ２３ マスク（パターンＤ） ２４ マスク（パターンＥ） ２５ マスク（パターンＦ） ２６ 部分反射ミラー ２７ 全反射ミラー ２８ 減光器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石間伏 広信 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 Ｆターム(参考） 4E068 CD02 CD03 CD05 CD10

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を発生する少なくとも１つのレ
   ーザ発振器と、 複数のマスクに対応可能に配置された複数の第１の光学
   系であって、前記少なくとも１つのレーザ発振器によっ
   て発生され前記複数のマスクを通過したレーザ光をそれ
   ぞれ受光するための前記複数の第１の光学系と、 前記複数の第１の光学系から出射されたレーザ光を受光
   して被加工物上に結像するための第２の光学系と、を具
   備するレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 前記複数のマスクに、所望のパターンを
   分割して得られる複数の分割パターンがそれぞれ形成さ
   れていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装
   置。
3. 【請求項３】 エネルギー密度が異なるレーザ光を所望
   のマスクに照射する複数の光学系又はレーザ発振器を具
   備する請求項１記載のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 波長が異なるレーザ光を発生する複数の
   レーザ発振器を具備する請求項１記載のレーザ加工装
   置。
5. 【請求項５】 前記複数のマスクに、深度の異なる加工
   に対応する複数のパターンがそれぞれ形成されているこ
   とを特徴とする請求項３又は４記載のレーザ加工装置。
6. 【請求項６】 前記複数の第１の光学系が、複数のフィ
   ールドレンズで構成されており、前記第２の光学系が、
   少なくとも１つの対物レンズで構成されていることを特
   徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のレーザ加工
   装置。
7. 【請求項７】 前記複数の第１の光学系の内の少なくと
   も１つから出射されたレーザ光を反射して前記第２の光
   学系に入射させる少なくとも１つのミラーをさらに具備
   する請求項１〜６のいずれか１項記載のレーザ加工装
   置。