JP5431561B2 - パルスレーザ加工装置およびパルスレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを使用したレーザ加工装置に係り、詳しくはパルスレーザビームにより大型化する被加工物表面の微細加工およびその高速化を容易にするパルスレーザ加工装置に関する。

近年、例えば液晶パネルのようなフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）は、その大型化に伴い例えばμｍオーダーあるいはそれ以下の高精度の微細加工が大面積の領域に施された部材を必要としてきている。そして、従来の機械加工では作製が難しい、シート作成用大型ロール金型、止まり溝や深いマイクロレンズ等の微細形状をもつ金型、難削材等の微細加工について種々に検討されている。

一方、パルス幅がピコ秒（ｐｓ）オーダー以下になる超短パルスレーザを用いたアブレーション加工により、例えば金属表面に１μｍ以下の微細パターンを容易に形成できることがよく知られている。そして、これまで、この超短パルスレーザ加工により、樹脂を含む高分子材、半導体材、ガラス材、金属材等からなる被加工物の表面を加工する技術について種々の方法が提示されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、特許文献１に示されているレーザ加工において大面積の領域を微細加工する場合には、ステージに保持した被加工物をＸ−Ｙ方向の２次元方向に広い範囲に移動走査する必要がある。しかし、この場合の微細加工の速度はステージ移動の速度に律速されるためにその高速化が難しくなる。なお、この遅いステージ移動に同期させるために、レーザ発振器から出射するパルスレーザビーム（以下、パルス光ともいう）に対して高速シャッタリングが施されてパルス周波数（以下、繰り返し周波数ともいう）が低く変調される。

また、レーザ加工においてレーザビームを例えばガルバノメータ・スキャナのようなビーム走査手段によりＸ−Ｙ方向に２次元走査して所要領域を微細加工する技術がある（例えば、特許文献２参照）。しかし、現状技術にあっては、この場合のパルス光の２次元走査は、その照射スポットの位置決め精度が１０μｍ以上になり、パルスレーザビームを用いたアブレーションによる微細加工への適用が難しい状況にある。

特開２００５−１１８８２１号公報 特開２００２−１６００８６号公報

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、パルスレーザビームを用いた加工において、その照射スポットの位置決め精度を向上させ、大型の被加工物表面の安定した微細加工とその高速化を可能にするパルスレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のパルスレーザ加工装置は、クロック信号を発生する基準クロック発振回路と、前記クロック信号に同期した一定の周波数のパルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、前記クロック信号に同期して前記パルスレーザビームを１次元方向のみに走査するレーザ・スキャナーと、被加工物を載置可能で前記１次元方向に直交する方向に移動し、回転軸に保持されるロールと、前記レーザ発振器と前記レーザ・スキャナーとの間の光路に設けられ、前記クロック信号に同期して前記パルスレーザビームの通過と遮断を切り替えるパルスピッカーと、を備える。

上記態様において、前記レーザ・スキャナーからの走査位置信号に基づき、走査毎の加工原点位置を補正する補正機構を有することが望ましい。

上記態様において、前記補正機構は、前記走査位置信号に基づき、前記パルスピッカーにおける前記パルスレーザビームの通過と遮断を制御することが望ましい。

上記態様において、前記ロールは、前記レーザ・スキャナーの走査位置信号に基づいて、前記１次元方向に直交する方向の移動制御がされることが望ましい。

上記態様において、前記レーザ発振器と前記レーザ・スキャナーの間の光路に、前記パルスレーザビームを整形するビーム整形手段を備えていることが望ましい。

上記態様において、前記レーザビームスキャナによる前記パルスレーザビームの前記１次元方向の走査と、前記走査に続く前記１次元方向に直交する方向のロールの移動を交互に繰り返すことで、前記被加工物を加工することが望ましい。

上記態様において、前記レーザ・スキャナーの走査と前記ロールの移動により前記被加工物の表面の同一箇所を複数回加工することが望ましい。

上記態様において、前記被加工物の表面の加工は前記パルスレーザビームによるアブレーションによることが望ましい。

上記態様において前記レーザ・スキャナーはガルバノメータ・スキャナにより構成され、前記パルスピッカーは音響光学素子（ＡＯＭ）あるいは電気光学素子（ＥＯＭ）により構成されていることが望ましい。

また、本発明の一態様のパルスレーザ加工方法は、回転軸に保持されるロールに被加工物を載置し、クロック信号を発生し、前記クロック信号に同期した一定の周波数のパルスレーザビームを出射し、前記被加工物表面に、前記クロック信号に同期して通過と遮断を切り替えて前記パルスレーザビームを１次元方向に走査し、前記１次元方向に前記パルスレーザビームを走査した後に、前記１次元方向に直交する方向に前記ロールを移動して、更に前記クロック信号に同期して通過と遮断を切り替えて前記パルスレーザビームを前記１次元方向に走査することを特徴とする。

本発明によれば、パルスレーザビームを用いた加工において、その照射スポットの位置決め精度が向上し、大型の被加工物表面の安定した微細加工とその高速化が容易になる。

本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置に用いられるビーム遮蔽装置の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置に用いられるビーム走査装置の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置に用いられるビーム走査装置の走査の説明に供する説明図である。 本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置におけるタイミング制御の説明に供する信号波形図である。 本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置におけるパルスピッカー動作の説明に供する信号波形図である。 本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置の照射パルス光の投射の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置の照射パルス光の投射による照射スポットの一例を示す説明図である。 本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置の照射パルス光の投射による照射スポットの他例を示す説明図である。 本発明の実施形態にかかるパルスレーザ加工装置によるポケット加工の一例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態のパルスレーザ加工装置は、クロック信号を発生する基準クロック発振回路と、クロック信号に同期したパルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、クロック信号に同期してパルスレーザビームを１次元方向のみに走査するレーザ・スキャナーと、被加工物を載置可能で１次元方向に直交する方向に移動するステージと、レーザ発振器とレーザ・スキャナーとの間の光路に設けられ、クロック信号に同期してパルスレーザビームの通過と遮断を切り替えるパルスピッカーと、を備える。

上記構成により、同一のクロック信号に同期して、パルスレーザビームの出射、パルスレーザビームの走査、パルスレーザビームの通過と遮断を制御することが可能となる。すなわち、パルスレーザ加工装置におけるレーザ系と走査系との同期が、容易かつ高精度にとれる。また、走査系にレーザ・スキャナーを用いることで加工の高速化が図れる。よって、パルスレーザビームを用いた加工において、その照射スポットの位置決め精度を向上させ、大型の被加工物表面の安定した微細加工とその高速化を可能にするパルスレーザ加工装置が実現される。

図１はパルスレーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態のパルスレーザ加工装置１０は、その主要な構成として、レーザ発振器であるパルスレーザ発振装置１１、ビーム遮蔽装置１２、ビーム整形装置１３、ビーム走査装置（レーザ・スキャナー）１４、Ｘ−Ｙステージ移動装置１５および加工制御部１６を備えている。ここで、Ｘ−Ｙステージ移動装置１５上に被加工物である例えば大型金属板のワークＷが載置される。

また、パルスレーザ加工装置１０には、クロック信号を発生する基準クロック発振回路（図示せず）が備えられている。この基準クロック発振回路は、例えば、加工制御部１６に設けられている。

パルスレーザ発振装置１１は、超短パルスであるｐｓレーザビームあるいはフェムト秒（ｆｓ）レーザビームを発振するものが好適である。ここで、レーザ波長は被加工物の光吸収率、光反射率等を考慮して選択される。例えばＣｕ、Ｎｉ、難削材であるＳＫＤ１１等を含む金属材料あるいはダイヤモンドライク・カーボン（ＤＬＣ）からなる被加工物の場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）が極めて好適である。

このＹＡＧレーザでは、いわゆるＱスイッチにより所定のパルス周波数のパルス光が活性媒質であるＹＡＧロッドから生成される。そして、その基本波の波長１０６４ｎｍのパルス光は、例えばＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）やＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）等の波長変換結晶を通過して例えばＰ偏光の第２高調波に波長変換される。また、パルス周波数は例えば５０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ程度に設定される。

上記ＹＡＧレーザ発振器において、基本波を生成するための活性媒質として、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の他にＮｄ：ＹＬＦ結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶等を使用することができる。また、基本波の第３高調波（波長：３５５ｎｍ）のＹＡＧレーザ発振器であってもよい。但し、この場合、レーザビームの空気中での吸収減衰を低減させるためにその光路を減圧にすることが必要になる。

ビーム遮蔽装置１２は、パルスレーザ発振装置１１とビーム走査装置１４との間の光路に設けられる。ビーム遮蔽装置１２は、いわゆるパルスピッカーを備えている。そして、基準クロック発振回路で発生されるクロック信号に同期したパルスピッカー駆動信号によりパルスレーザ発振装置１１から一定の周波数で出射するパルスレーザビームを遮断／通過させて所要のパルスレーザビームを抽出する。これにより、その詳細は後述するようにパルスレーザビームのパルス周波数変調がなされる。

このビーム遮蔽装置１２におけるパルスレーザビームの高速シャッタリングのために、図２で説明するような音響光学素子（ＡＯＭ）が好適に使用される。例えば圧電素子と音響素子を備える超音波発振部１７と音波吸収部１８との間で超音波１９が生成されるようになっている。ここで、パルスピッカー制御装置１２ａからパルスピッカー駆動信号３２が超音波発生制御部２０に与えられる。そして、この超音波発生制御部２０が超音波発振のＯＮ／ＯＦＦを制御し、上記圧電素子を駆動する所定のパルス電圧を超音波発振部１７に与える。

このようなビーム遮蔽装置１２により、パルスレーザ発振装置１１から出射したパルスレーザビームＰＬ_１は、上記パルスピッカー駆動信号３２に基づく超音波発振のＯＮ状態において超音波１９のフォノンエネルギーを受け、そのフォトン周波数（ω）が（ω＋Ω）に増加し波長変調が生じる。そして、このＯＮ状態においてパルスレーザビームＰＬ_１は回折散乱されシャッタリングされる。このようにして、パルスレーザビームＰＬ_１はパルス周波数変調を受けて図１に示すようにパルスレーザビームＰＬ_２になってビーム整形装置１３に入射するようになる。

このビーム遮蔽装置１２には、その他に、例えば電気信号のＯＮ／ＯＦＦに従いビームを素通／回折散乱させるラマン回折型の電気光学素子（ＥＯＭ）等を使用することができる。

ビーム整形装置１３は、入射したパルスレーザビームＰＬ_２のビーム径を一定の倍率で拡大するビームエキスパンダを有する。このビームエキスパンダは周知の例えば２つの光学レンズがビームの光路上に配置されて構成される。ここで、このビームエキスパンダを通ったパルスレーザビームＰＬ_２は平行光にコリメートされる。

また、ビーム断面の光強度分布を均一にし、断面形状を円形にする光学素子が備えられていてもよい。このような光学素子としては、例えば２つの非球面ホモジナイザ等が使用できる。平凸シリンドリカルを互いに直交するように光路上に配置されて構成される。

また、ビームを円偏光にする光学素子が備えられていてもよい。例えば、ＹＡＧレーザの第２高調波が直線偏光のＰ偏光の場合、例えば１／４波長板を介して円偏光になるようにする。

また、ビーム断面の光強度分布を例えばガウス分布等の所要の分布にする光学素子、ビーム成形用アパーチャー等を光路上に配置してもよい。上記のようなビーム整形装置１３により所要の形状に整形されたパルスレーザビームＰＬ_３はビーム走査装置１４に入射するようになっている。

ビーム走査装置１４は、パルスレーザビームＰＬ_３を１次元方向（Ｘ軸方向）のみに一定の速度で１次元走査する構造になっている。このような１次元ビーム走査を行う好適なビーム走査装置１４としては、例えば１軸スキャン・ミラーを備えたガルバノメータ・スキャナが挙げられる。

このガルバノメータ・スキャナからなるビーム走査装置１４の基本構成について図３および図４を参照して説明する。ガルバノメータ・スキャナは、１軸スキャン・ミラー２１、このスキャン・ミラー２１の固定の振れ角範囲の回転振動（首振り）に従い全反射するパルスレーザビームＰＬ_３を、図３の矢印の角度で走査するガルバノメータ２２を有している。ここで、ガルバノメータ２２は、例えば走査角センサ２４からのフィードバックによるサーボ制御モータのようなスキャン・ミラー回転の駆動機構を備えており、スキャナ制御部２３からの駆動信号により駆動制御されるようになっている。

このビーム走査装置１４には、走査角センサ２４が備えられ、ガルバノメータ・スキャナの場合には、その１軸スキャン・ミラー２１の回転位置をロータリエンコーダ等によって検出する構造になっている。そして、走査角センサ２４は、検出した走査角検出信号をスキャナ制御部２３に送り、ガルバノメータ２２の駆動制御用として使用し、更に走査角信号３４として加工制御部１６に送信する。

そして、上記１軸スキャン・ミラー２１で反射したパルスレーザビームＰＬ_３は、ｆθレンズ２５を通り、１次元方向に一定の走査速度Ｖで並行して走査される像高Ｈ＝ｆθのパルスレーザビームＰＬ_４になる。そして、後述するように、このパルスレーザビームＰＬ_４がＸ−Ｙステージ移動装置１５のステージ上に保持されているワークＷの表面を微細加工する照射パルス光として投射される。

このビーム走査装置１４としては、その他に、例えばポリゴンミラー、その回転制御部、ｆθレンズ等を備えたポリゴン・スキャナ、ピエゾ素子で１軸スキャン・ミラーを回転振動させるピエゾ・スキャナ、いわゆるレゾナントスキャナ等、種々のものを適宜に使用することができる。

上記いずれのレーザ・スキャナーにあっても、そのスキャン・ミラーの固定の振れ角範囲の始点から終点の間において一定の走査速度Ｖが確保できるように制御することが重要になる。すなわち、図４に示すように、パルスレーザビームＰＬ_４のワークＷの表面での走査フィールド位置において、上記スキャン・ミラーの走査角範囲の走査開始位置から走査終了位置に対応する位置範囲での加速期間、安定域、減速期間における安定域内で走査速度が略Ｖ値に安定するように制御する。

Ｘ−Ｙステージ移動装置１５は、Ｘ−Ｙ方向に自在に移動できるＸ−Ｙステージ、その駆動機構部、Ｘ−Ｙステージの位置を計測する例えばレーザ干渉計を有した位置センサ等を備えている。ここで、Ｘ−Ｙステージは、２次元の広範囲たとえば１ｍ程度のＸ方向およびＹ方向の距離範囲で、連続移動あるいはステップ移動できるようになっている。そして、その位置決め精度および移動誤差はサブミクロンになるように高精度に構成されている。

加工制御部１６は、パルスレーザ発振装置１１、ビーム遮蔽装置１２、パルスピッカー制御装置１２ａ、ビーム走査装置１４、Ｘ−Ｙステージ走査装置１５等の装置の制御用信号を統合し制御する統合制御部等を備える。これ等の装置（装置内制御部）および統合制御部は、半導体集積回路からなるマイクロコンピュータ（ＭＣＵ）、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、半導体メモリ等で構成され、１台のパーソナルコンピュータに内蔵することができる。

上記統合制御部は、加工制御部１６の端末入力部（例えばパソコンのキーボード）から入力したデータを加工し、各装置（装置内制御部）に指令するように構成されている。この入力データとしては、例えばパルスレーザビームの繰り返し周波数、その照射エネルギー、形状、寸法、パルスピッカー動作パターン、スキャナ動作速度、Ｘ−ＹステージのＸ−Ｙ軸方向の移動パターン等がある。また、パルスレーザ加工装置１０を構成する各装置の駆動開始および停止を指示するようになっている。そして、加工制御部１６はその端末出力部を通して種々のデータを出力するようになっている。

上述したパルスピッカー動作パターン、Ｘ−ＹステージのＸ−Ｙ軸方向の移動パターンは、３次元の加工形状の設定、上記パルスレーザビームの照射エネルギー、形状、寸法等によって被加工物材について加工される体積情報から、３次元ビットマップに展開して得られる加工レイア毎の２次元加工データにより決定される。そして、図４に示した加工原点からの絶対位置として決定される。

上記加工制御部１６は、基準クロック発振回路において、パルスレーザビームの繰り返し周波数入力データに基づきパルスレーザ発振装置１１に与える発振器クロック（クロック信号）３０を生成する。そして、パルスレーザ発振装置１１は、その発振器クロック３０によりパルスレーザビームを生成する。すなわち、クロック信号に同期したパルスレーザビームが出射される。

加工開始指示が行われると、内蔵するシャッターを開にすることでパルスレーザビームＰＬ_１を出射する。このようにして、パルスレーザビームＰＬ_１が出射される際にはファーストパルスは存在せず、安定出力エネルギーが維持される。

また、加工制御部１６は、上述した２次元加工データから加工パターン信号３１を生成する。そして、パルスピッカー制御装置１２ａは、この加工パターン信号３１に従い、発振器クロック３０によりパルスレーザビームＰＬ_１との同期を確保したパルスピッカー駆動信号３２を、ビーム遮断装置１２に供給する。このようして、クロック信号に同期して、パルスピッカーが、パルスレーザビームの通過と遮断を切り替える。

また、加工制御部１６は、ビーム走査装置１４の走査開始時に発振器クロック３０との同期を確保した走査指令信号３３を生成する。そして、ビーム走査装置１４のスキャナ制御部２３が上記走査指令信号３３を受けてガルバノメータ２２の駆動制御を行う。このようにして、クロック信号に同期して、レーザ・スキャナーがパルスレーザビームを１次元方向のみに走査する。

更に、加工制御部１６は、ビーム走査装置１４からの走査位置信号である走査角信号３４に基づいてＸ−Ｙステージ移動装置１５の移動タイミングを判定し、上記２次元加工データと上記移動タイミングによりステージ移動信号３５を生成する。この場合の走査角信号３４は、図４で説明した加工が終了する加工終端位置あるいはスキャナ走査が終了する走査終了位置を走査角センサ２４で検出した走査角検出信号からのものである。そして、Ｘ−Ｙステージ移動装置１５は上記ステージ移動信号３５に指示されて動作する。

このように、Ｘ−Ｙステージは、レーザ・スキャナーの走査位置信号に基づいて、例えば、レーザ・スキャナーの走査方向とは直交する方向の移動制御がされる。これによって、次の走査への時間が短縮され、レーザビーム加工の更なる高速性が実現される。

そして、本実施の形態において、レーザ・スキャナーからの走査位置信号に基づき、走査毎の加工原点位置を補正する補正機構を有することが望ましい。この補正機構を有することにより、各走査毎のレーザ・スキャナーの加速期間（図４参照）における走査速度ばらつきが補償され、さらに高精度な加工が可能となるからである。

なお、図１において、加工制御部１６がビーム整形装置１３も制御する構成になっていてもよい。この場合は、特に、ビーム整形装置１３においてビーム径を自動制御したりビーム断面の光強度分布を自動調整したりする場合に有効になる。

次に、パルスレーザ加工装置１０の主要な動作について説明する。ワークＷのレーザ加工動作においては、パルスレーザ発振装置１１はその内蔵する制御部によりレーザ発振のほとんどが制御され自律して動作している。もっとも、上述した発振器クロック３０によりパルス発振のタイミング等の制御がなされる。これについて図５を参照して説明する。

レーザ・スキャナーの例として図３に示したガルバノメータ・スキャナの１軸スキャン・ミラー２１は、走査起動信号により図４で説明したような走査開始位置（走査原点）で走査起動する。この時、ビーム走査装置１４は、図５（ａ）に示すように発振器クロック３０の例えば立ち上がり（立ち下りでもよい）に同期した走査指令信号３３により指示を受け、そのスキャナ制御部２３がガルバノメータ２２の駆動制御を行う。ここで、走査指令信号３３は、ＸＹ２−１００プロトコルに対応することで、例えば１００ｋＨｚ（Ｔｓ＝１０μｓｅｃ）での絶対走査角指令に従う。

なお、図５（ａ）は、パルスレーザの発振周波数を５００ｋＨｚ（Ｔｐ＝２μｓｅｃ）、パルスレーザビームのビーム径を１６μｍ、走査速度Ｖを４０００ｍｍ／ｓｅｃとした場合の、走査起動時の発振器クロック３０の立ち上がりに同期した走査指令信号３３の例を示している。このような動作が、パルスレーザビームの走査毎に行われる。

ここで、図４の加速期間では、スキャナ速度が早期に安定した走査速度Ｖになるように、走査指令信号３３によりスキャナ制御部２３はガルバノメータ２２の駆動制御を行う。この時、最適条件での１軸スキャン・ミラー２１の走査角繰り返し再現性は、安定領域では１０μｒａｄ／ｐ−ｐ程度が経験的に得られることが確認されている。この値は、焦点距離が１００ｍｍのｆθレンズとした場合、１μｍ／ｐ−ｐの走査位置再現性になる。

しかし、上記加速期間の繰り返し安定性は、長期走査において１０倍程度まで悪化するため、加工開始位置において走査ごとに変動が生じる。そこで、補正機構によって、レーザ・スキャナーからの走査位置信号に基づき、走査毎の加工原点位置を補正する。

例えば、加速期間終了後、充分な安定域（例えば、経験的には加速期間が１ｍｓｅｃ〜１．５ｍｓｅｃで、焦点距離が１００ｍｍのｆθレンズとした場合、その走査角範囲は約２．３度〜３．４度である）に達した後、図５（ｂ）に示すように予め設定されている同期角（θｓｙ）を検出信号として走査角センサ２４により検出する時、走査指令信号（θｏ：走査開始位置からの走査角）との差分を位相差（θｉ）とし、この位相差により走査指令信号３３に対する加工原点までの距離を補正する。

上記加工原点までの距離補正値は、加工時の第１回目走査（ｉ＝１）を基準補正値として記憶し、以後のｉ＝ｎとなる第ｎ回目の走査開始位置からの走査の都度、位相差（θｎ）と位相差（θ１）の差分を第ｎ回目走査の第１回目走査に対する走査指令信号に対する加工原点までの距離補正値として、第１回目走査時と第ｎ回目走査時の加工原点位置を一致させる。

図６に示した加工パターン信号３１は、加工原点からの距離データを含め３次元ビットマップから与えられている。このため、走査毎に加工原点位置が一致すると、加工パターン信号３１の加工開始位置も一致し、パルスピッカー駆動信号３２も所望のタイミングで生成される。

ビーム走査装置１４が図３に説明したガルバノメータ・スキャナからなる場合、スキャナクロック信号がスキャナ制御部２３からの駆動信号としてサーボ制御モータを駆動させる。しかし、ビーム走査装置１４もその自律した動作によりその位相ズレが生じることがある。そこで、上記スキャン動作の繰り返し毎に発生する走査位置信号となる同期角検出信号により、発振パルス光の通過／遮断とビームのスキャン動作との同期化、すなわちタイミングを合わせることで、極めて安定したレーザ加工が可能になる。

具体的には、例えば、補正機構が、走査位置信号に基づき、パルスピッカーにおけるパルスレーザビームの通過と遮断を制御する。すなわち、上記スキャン・ミラーの回転位置の同期位置（角）検出の走査位置信号から検出した位相差に基づき、ビーム遮蔽装置１２におけるパルスピッカーの駆動信号のタイミングを指定する。これによって、パルスレーザビームの走査毎の加工原点位置を補正する。

あるいは、例えば、補正機構が、走査位置信号から検出した位相差から得られる距離補正値を、走査開始位置からの走査角にθｏに対するレーザ・スキャナーへの走査指令信号以降の走査指令信号に与えることで、パルスレーザビームの走査毎の加工原点位置を補正する。

パルスピッカー動作により発振パルス光はパルス周波数変調され所要の変調パルス光が生成される。これについて図６を参照して説明する。

図６に示すように、周波数Ｔｐの発振器クロック３０からのｔ１遅延の発振パルス光は、パルスピッカー駆動信号３２により遮断／通過の動作がなされる。例えば、そのパルスピッカー駆動信号３２は、加工パターン信号３１を発振器クロック３０の立ち上がりによりサンプリングし、発振器クロック３０の一クロックの立ち上がりからｔ２時間遅延して立ち上がり、所要数クロック後の他クロックの立ち上がりからｔ３時間遅延して立ち下がるパターン信号になる。そして、このパルスピッカー駆動信号によりビーム遮蔽装置１２のパルスピッカー動作がその遅延時間ｔ４およびｔ５に従って生じ、その動作の間の発振パルス光が変調パルス光として抽出される。ここで、上記遅延時間ｔ２、ｔ３、ｔ４およびｔ５はビーム遮蔽装置１２に合わせて設定される。

なお、ビーム遮蔽装置１２が図２に説明したような音響光学素子（ＡＯＭ）を使用する場合、上記パルスピッカー駆動信号３２の反転パターン信号が、超音波発生制御部２０における発振のＯＮ／ＯＦＦを制御するドライバ信号となる。そして、この反転パターンのドライバ信号により所要の発振パルス光が抽出されることになる。

また、上述したようにビーム走査装置１４からの走査位置信号、例えばそのスキャン・ミラーの回転位置における加工終端位置の走査位置信号が、Ｘ−Ｙステージ移動装置１５の移動タイミングを指示する。ビーム走査装置１４の１次元走査方向をＸ軸方向とすると、上記移動タイミングにより、Ｙ軸方向の所定幅のステップ移動あるいは連続移動がなされる。あるいは、Ｘ−ＹステージのＸ軸方向の所定距離の連続移動あるいはステップ移動が行われる。このようにして、Ｘ−Ｙステージの予め決められている移動パターンの移動制御が行われる。

例えば、図７に示すようなパルスピッカー動作パターンにより生成された変調パルス光は、各パルス光がビーム整形装置１３において所要の形状に整形される。そして、上記ビーム走査装置１４によるＸ軸方向の走査とＸ−Ｙステージ移動装置１５によるワークＷ位置のＹ軸方向の移動によって、ワークＷの所要位置に照射パルス光が投射され、ワークＷ表面の高精度の微細加工がなされる。図７のパルスピッカー動作パターンにおける各パルスピッカー動作の時間幅および各動作の時間間隔はそれぞれ異なるようになっていてもよい。

次に、パルスレーザ加工装置１０を用いた、パルスレーザ加工方法について説明する。このパルスレーザ加工方法は、例えば、ステージに被加工物を載置し、クロック信号を発生し、クロック信号に同期したパルスレーザビームを出射し、被加工物表面に、クロック信号に同期して通過と遮断を切り替えて前記パルスレーザビームを１次元方向に走査し、１次元方向にパルスレーザビームを走査した後に、１次元方向に直交する方向にステージを移動して、更にクロック信号に同期して通過と遮断を切り替えてパルスレーザビームを１次元方向に走査する。

パルスレーザ加工方法の、具体的な例について図８と図９を参照して説明する。図８は、図７に示したパルスピッカー動作パターンの各動作の時間幅と時間間隔を一定にしてその照射パルス光をワークＷに投射し、そのスポット径の１／２ずつビーム走査装置１４によりＸ軸方向に走査した照射スポットを模式的に示している。

ここで、６つの照射スポットが形成されＸ軸方向の走査距離はＸｐである。そして、ビーム走査装置１４によるＸ軸方向に走査によりワークＷ上のＸ１の離間位置から同様な照射スポットが繰り返して形成される。この照射スポットは所要数になるように自在に決められる。なお、図ではスポット光が真円に示されているが、これはビーム断面形状により楕円等の別の形状に変わるものである。また、これ等のスポット径は例えば１０μｍ〜６０μｍ程度になる。

そして、図示しないがビーム走査装置１４の使用可能な走査範囲（走査フィールド）である始点から終点を超えると、必要に応じて上述したようにＸ−ＹステージがＸ軸方向に所定距離で移動する。そして、同様に、隣の走査フィールドに照射スポットが形成される。ここで、隣接する走査フィールド間が零になり連続するようになってもよい。

次に、図９に示すように、図８に説明した上記Ｘ軸方向の照射パルス光の投射の第１走査が終了すると、図８に示したＸ軸方向の照射スポットの初めの位置においてＸ−ＹステージがＹ軸方向に例えばスポット光径の１／２の距離だけステップ移動する。そして、図８で説明したのと同じ走査を繰り返すことで第２、第３および第４走査をしてそれぞれ照射スポットを形成する。このようにして、Ｙ軸方向の４つの照射スポットが形成されてその距離がＹｐとなる。この照射スポットは所要数になるように自在に決められる。

なお、上記第１走査〜第４走査がビーム走査装置１４におけるスキャン・ミラーの回転位置の始点から終点の範囲で行える場合には、その一方向あるいは双方向のラスタスキャンが有効に使用される。

そして、パルスピッカー動作のない状態下で、ワークＷを保持したＸ−ＹステージをＹ軸方向に移動距離Ｙ１だけ移動させる。この移動距離Ｙ１の移動位置から同様にして第５走査〜第８走査をして照射スポットを形成する。更に、Ｘ−ＹステージをＹ軸方向に移動距離Ｙ２だけ移動させ、移動距離Ｙ２の移動位置から同様にして第９走査〜第１２走査をして照射スポット形成を行う。

上述した照射パルス光の投射においては、例えば、照射スポットはその径の１／２がＸ方向およびＹ方向で重ね合わされる。ここで、レーザ・スキャナーのＸ軸方向の走査およびＸ−ＹステージのＹ軸方向のステップ移動を調節してその重ね合わせの程度を変えることができる。この場合、照射パルス光のビーム断面の光強度分布を考慮して重ね合わせの程度が設定される。

上記照射パルス光の投射において、各照射パルス光のワークＷ表面での照射スポットでアブレーションによる加工がなされる。そして、図９に示した第１走査〜第１２走査による照射パルス光の投射を所定回数繰り返すことにより、例えば金属板からなるワークＷ表面のポケット加工が行える。

図１０はその例を模式的に示したものであり、（ａ）がその平面図であり（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図１０に示すように図９で説明した照射パルス光の投射の領域に対応して複数の凹部２６が形成される。ここで、これ等の凹部の寸法は、照射スポット数の他に、照射スポット径、ビーム断面の光強度分布等により決まる。また、上記照射パルス光の投射の繰り返す所定回数は、ワークＷの材質（特のその光吸収率と光反射率）、その加工形状、パルス光の波長、パルス幅、パルス光の強度等により適宜に設定される。

実際に、上記ポケット加工が、Ｃｕ材、Ｎｉ材、ＤＬＣ材、ＳＫＤ１１からなるワークＷ表面に形成できることが確かめられた。また、上述した照射パルス光の投射は、パルスピッカー動作パターンを自在に生成することにより、あるいは照射パルス光の投射の繰り返しの所定回数を制御することにより、ワークＷ表面を微細な任意形状に加工することができる。

例えば、パルスレーザ発振装置１１にＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波を用い、Ｃｕ板のワークＷ表面に対して、深さおよび開口幅が数十μｍ程度の微細なＶ溝あるいはＲ溝加工が可能なことが確かめられている。また、数十μｍ径のマイクロレンズレンズ用金型の加工が確かめられている。なお、１μｍレベルの微細加工も容易であり、パルス光の波長を短くすることにより更にサブμｍレベルの加工も可能になる。そして、その他に樹脂を含む高分子材、半導体材、ガラス材を等からなる被加工物の表面が加工できる。

次に、上記実施形態の変形例について説明する。この変形例では、ワークＷのレーザ加工の高速化を更に容易にするパルスレーザ加工装置について説明する。例えば、図１に示したパルスレーザ発振装置１１、ビーム遮蔽装置１２、ビーム整形装置１３およびビーム走査装置１４からなる、パルスレーザビーム発生源およびビーム光学系を複数備え、この複数から照射パルス光をＸ−Ｙステージ移動装置１５に保持した１つのワークＷ表面に制御して投射する構造のパルスレーザ加工装置であってもよい。このようなレーザ加工装置では、加工制御部１６は、パルスレーザ加工装置１０で説明したように、全てのパルスレーザビーム発生源およびビーム光学系を一括して制御するようになる。

あるいは、ビーム走査装置１４からのパルスレーザビームＰＬ_４を複数の光スプリッタにより複数の光路に分岐させ、１つのワークＷ表面の異なる領域に照射パルス光を投射する構造のパルスレーザ加工装置であってもよい。このような加工装置では、パルスレーザ発振装置１１から出射する発振パルス光の光強度は上記分岐する光路の数に合わせて増加させる必要がある。

あるいは、ビーム走査装置１４とＸ−Ｙステージ移動装置１５との間の光路に回折光学素子（ＤＯＥ）を介挿させた構造のパルスレーザ加工装置であってもよい。この場合、上記回折光学素子（ＤＯＥ）は電気信号により制御できるようになっており、ワークＷ表面の異なる領域にパルスレーザビームＰＬ_４が投射できるようになっている。

あるいは、上述したパルスレーザ発振装置１１、ビーム遮蔽装置１２、ビーム走査装置１４、Ｘ−Ｙステージ移動装置１５等で説明した各制御部が、加工制御部１６内に統合された構造のパルスレーザ加工装置になってもよい。

あるいは、ビーム遮蔽装置１２のようなパルスピッカーの替わりに、Ｘ−Ｙステージが移動する間だけビームを遮断する機構を用いる構造のパルスレーザ加工装置にしてもよい。

本実施形態のパルスレーザ加工装置では、ワークＷへの照射パルス光の投射は、１次元走査のレーザ・スキャナーによるＸ軸方向の走査とＸ−ＹステージによるＹ軸方向の移動により被加工物の２次元面が加工される。また、パルスピッカー動作パターンにより被加工物の表面に投射される照射パルス光が自在に制御される。

そして、パルスレーザ加工において、基準クロック発振回路で生成される同一のクロック信号に同期して、パルスレーザビームの出射、パルスレーザビームの走査、パルスレーザビームの通過と遮断を制御する。このため、被加工物の表面に投射した照射スポットの位置決め精度が大きく向上する。

また、例えば、レーザ・スキャナーからの走査位置信号に基づき、走査毎の加工原点位置を補正する補正機構を備えることで、さらに、照射スポットの位置決め精度が向上する。

また、例えば、ワークを載置するステージが、レーザ・スキャナーの走査位置信号に基づいて、１次元方向に直交する方向の移動制御がされることで、高速化および安定した動作が容易になる。

そして、例えば、ｐｓレーザビームあるいはｆｓレーザビーム等の超短パルスレーザによるアブレーションが容易になり、被加工物の熱変形を小さく制御することが可能になる。したがって、加工時において加工物へのパルスレーザ照射による熱影響の低減が可能となる。よって、安定した微細形状の加工が容易になる。

このようにして、パルスレーザビームを用いた加工において、その照射スポットの位置決め精度を向上させ、大型の被加工物表面の安定した微細加工とその高速化を可能にするパルスレーザ加工装置およびパルスレーザ加工方法が実現される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施形態において本発明に技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

例えば、ビーム走査装置１４からの走査位置信号に基づく制御において、その信号は上述した１軸スキャン・ミラーの回転位置と異なる回転位置の検出からのものであってもよい。あるいは、上記回転位置以外に回転駆動機構からの信号であっても構わない。

そして、Ｘ−Ｙステージ移動装置１５は、そのＸ−Ｙステージに換えて回転軸にロールを保持するような構造になっていても構わない。

更に、パルスレーザ発振装置１１としては、ＹＡＧレーザの他に、被加工物材により適宜に選択した単一波長帯レーザあるいは複数波長帯レーザを出射するものを使用することができる。

１０ パルスレーザ加工装置
１１ パルスレーザ発振装置
１２ ビーム遮蔽装置
１２ａ パルスピッカー制御装置
１３ ビーム整形装置
１４ ビーム走査装置
１５ Ｘ−Ｙステージ移動装置
１６ 加工制御部
１７ 超音波発振部
１８ 音波吸収部
１９ 超音波
２０ 超音波発生制御部
２１ １軸スキャン・ミラー
２２ ガルバノメータ
２３ スキャナ制御部
２４ 走査角センサ
２５ ｆθレンズ
２６ 凹部
ＰＬ_１、ＰＬ_２、ＰＬ_３、ＰＬ_４ パルスレーザビーム

Claims (14)

1. クロック信号を発生する基準クロック発振回路と、
   前記クロック信号に同期した一定の周波数のパルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、
   前記クロック信号に同期して前記パルスレーザビームを１次元方向のみに走査するレーザ・スキャナーと、
   被加工物を載置可能で前記１次元方向に直交する方向に移動し、回転軸に保持されるロールと、
   前記レーザ発振器と前記レーザ・スキャナーとの間の光路に設けられ、前記クロック信号に同期して前記パルスレーザビームの通過と遮断を切り替えるパルスピッカーと、
   を備えることを特徴とするパルスレーザ加工装置。
2. 前記レーザ・スキャナーからの走査位置信号に基づき、走査毎の加工原点位置を補正する補正機構を有することを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ加工装置。
3. 前記補正機構は、前記走査位置信号に基づき、前記パルスピッカーにおける前記パルスレーザビームの通過と遮断を制御することを特徴とする請求項２記載のパルスレーザ加工装置。
4. 前記ロールは、前記レーザ・スキャナーの走査位置信号に基づいて、前記１次元方向に直交する方向の移動制御がされることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
5. 前記レーザ発振器と前記レーザ・スキャナーの間の光路に、前記パルスレーザビームを整形するビーム整形手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
6. 前記レーザビームスキャナによる前記パルスレーザビームの前記１次元方向の走査と、前記走査に続く前記１次元方向に直交する方向の前記ロールの移動を交互に繰り返すことで、前記被加工物を加工することを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
7. 前記レーザ・スキャナーの走査と前記ロールの移動により前記被加工物の表面の同一箇所を複数回加工することを特徴とする請求項１ないし６いずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
8. 前記被加工物の表面の加工は前記パルスレーザビームによるアブレーションによることを特徴とする請求項１ないし７いずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
9. 前記レーザ・スキャナーはガルバノメータ・スキャナにより構成され、前記パルスピッカーは音響光学素子（ＡＯＭ）あるいは電気光学素子（ＥＯＭ）により構成されていることを特徴とする請求項１ないし８いずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
10. 前記パルスレーザビームが、ｐｓレーザビームまたはｆｓレーザビームであることを特徴とする請求項１ないし９いずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
11. 前記レーザ発振器が、単一波長帯レーザまたは複数波長帯レーザを出射することを特徴とする請求項１ないし９いずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
12. クロック信号を発生する基準クロック発振回路と、
    前記クロック信号に同期した一定の周波数のｐｓレーザビームまたはｆｓレーザビームであるパルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、
    前記クロック信号に同期して前記パルスレーザビームを１次元方向のみに走査するレーザ・スキャナーと、
    被加工物を載置可能で前記１次元方向に直交する方向に移動するステージと、
    前記レーザ発振器と前記レーザ・スキャナーとの間の光路に設けられ、前記クロック信号に同期して前記パルスレーザビームの通過と遮断を切り替えるパルスピッカーと、
    を備えることを特徴とするパルスレーザ加工装置。
13. クロック信号を発生する基準クロック発振回路と、
    前記クロック信号に同期した一定の周波数の単一波長帯レーザまたは複数波長帯レーザのパルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、
    前記クロック信号に同期して前記パルスレーザビームを１次元方向のみに走査するレーザ・スキャナーと、
    被加工物を載置可能で前記１次元方向に直交する方向に移動するステージと、
    前記レーザ発振器と前記レーザ・スキャナーとの間の光路に設けられ、前記クロック信号に同期して前記パルスレーザビームの通過と遮断を切り替えるパルスピッカーと、
    を備えることを特徴とするパルスレーザ加工装置。
14. 回転軸に保持されるロールに被加工物を載置し、
    クロック信号を発生し、
    前記クロック信号に同期した一定の周波数のパルスレーザビームを出射し、
    前記被加工物表面に、前記クロック信号に同期して通過と遮断を切り替えて前記パルスレーザビームを１次元方向に走査し、
    前記１次元方向に前記パルスレーザビームを走査した後に、前記１次元方向に直交する方向に前記ロールを移動して、更に前記クロック信号に同期して通過と遮断を切り替えて前記パルスレーザビームを前記１次元方向に走査することを特徴とするパルスレーザ加工方法。

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