(57)【要約】【課題】  分岐光学素子で分岐された複数本のレーザビームによる加工品質を容易に揃えることが可能なレーザ加工装置を提供する。【解決手段】  分岐光学素子が、レーザ光源から出射されたレーザビームの経路を、複数の経路に分岐させる。分岐光学素子によって分岐された複数の経路の各々に、同一のレンズ特性を有するフィールドレンズが配置されている。分岐光学素子によって分岐された複数の経路の各々の、フィールドレンズよりも下流側にビーム走査器が配置されている。加工対象物がステージに保持される。分岐光学素子によって分岐された複数の経路の各々にｆθレンズが配置されている。ｆθレンズは、ビーム走査器で走査されたレーザビームを、ステージに保持された加工対象物上に集光する。【選択図】  図１
2014193477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路を、複数の経路に分岐させる分岐光学素子と、
前記分岐光学素子によって分岐された複数の経路の各々に配置され、同一のレンズ特性を有するフィールドレンズと、
前記分岐光学素子によって分岐された複数の経路の各々の、前記フィールドレンズよりも下流側に配置されたビーム走査器と、
加工対象物を保持するステージと、
前記分岐光学素子によって分岐された複数の経路の各々に配置され、前記ビーム走査器で走査されたレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物上に集光するｆθレンズと
を有するレーザ加工装置。
【請求項２】
さらに、前記分岐光学素子で分岐される前の経路に配置され、レーザビームのビーム断面を整形するマスクを有し、
前記フィールドレンズ及び前記ｆθレンズは、前記マスクを、前記ステージに保持された加工対象物の表面に結像させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記マスクから、前記分岐光学素子で分岐された複数の経路にそれぞれ配置された前記フィールドレンズまでの光路長が、すべて同一である請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記レーザ光源から前記フィールドレンズの各々までの経路は水平面に対して平行であり、
さらに、前記フィールドレンズと前記ビーム走査器との間において、経路を鉛直下方に向ける折り返しミラーを有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源から出射したレーザビームを複数本の経路に分岐させてレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームをビームスプリッタによりほぼ同一のパワーの２本のレーザビームに分岐させて、２軸でレーザ加工を行うレーザ加工装置が公知である（特許文献１）。一例として、１本のレーザビームが、ビーム断面を整形するマスク及びフィールドレンズを経由した後、ビームスプリッタで２本のレーザビームに分岐される。一方のレーザビームは、ビームスプリッタで下方に向けて反射されて加工対象物に入射する。他方のレーザビームは、ビームスプリッタを直進した後、折り返しミラーで下方に向けて反射され加工対象物に入射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１２４５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、分岐前の経路に、マスク及びフィールドレンズが配置されている。ビームスプリッタ分岐されて下方に向かう一方の経路は、加工対象物に向かい、他方の経路は折り返しミラーで下方に向かって反射された後、加工対象物に向かう。このように、フィールドレンズから加工対象物までの光路長が、２本のビーム経路で異なる。このため、２本のレーザビームによる加工品質を、厳密に揃えることが困難である。
【０００５】
本発明の目的は、分岐光学素子で分岐された複数本のレーザビームによる加工品質を容易に揃えることが可能なレーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路を、複数の経路に分岐させる分岐光学素子と、
前記分岐光学素子によって分岐された複数の経路の各々に配置され、同一のレンズ特性を有するフィールドレンズと、
前記分岐光学素子によって分岐された複数の経路の各々の、前記フィールドレンズよりも下流側に配置されたビーム走査器と、
加工対象物を保持するステージと、
前記分岐光学素子によって分岐された複数の経路の各々に配置され、前記ビーム走査器で走査されたレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物上に集光するｆθレンズと
を有するレーザ加工装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
分岐された後の経路にフィールドレンズが配置されているため、経路ごとに、フィールドレンズから加工対象物までの光路長を独立に調整し、光路長を同一にすることが可能で
ある。これにより、複数本のレーザビームによる加工品質を揃えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例１によるレーザ加工装置の光学系の概略を示す図である。
【図２】図２は、実施例２によるレーザ加工装置の光学定盤の上に固定されている光学系の概略を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［実施例１］
図１に、実施例１によるレーザ加工装置の光学系の概略を示す。レーザ光源１０がレーザビームを出射する。レーザ光源１０から出射されるレーザビームは、例えばパルスレーザビームである。レーザ光源１０には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。レーザ光源１０から出射したレーザビームが、スポット位置安定化光学系１１を透過して非球面レンズ１２に入射する。スポット位置安定化光学系１１は、複数の凸レンズを含み、レーザ光源１０から出射したレーザビームの進行方向がぶれても、非球面レンズ１２が配置された位置におけるビームスポットの位置を安定化させる。非球面レンズ１２は、レーザビームのプロファイルを変える。例えば、ガウシアン形状のビームプロファイルを、トップフラット形状のビームプロファイルに変える。
【００１０】
非球面レンズ１２を透過したレーザビームが、ビームスプリッタ１５に入射する。レーザ光源１０から出射したレーザビームは、ビームスプリッタ１５に対してＰ偏光の成分とＳ偏光の成分とを、５０％ずつ含む。ビームスプリッタ１５は、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する。これにより、レーザ光源１０から出射されたレーザビームが、２本の経路に分岐される。
【００１１】
ビームスプリッタ１５を透過したレーザビームは、第１の光学系２０Ａを経由して加工対象物４０Ａに入射する。ビームスプリッタ１５で反射したレーザビームは、折り返しミラー１６で反射した後、第２の光学系２０Ｂを経由して加工対象物４０Ｂに入射する。加工対象物４０Ａ、４０Ｂは、それぞれステージ３５Ａ、３５Ｂに保持されている。ステージ３５Ａ、３５Ｂは、加工対象物４０Ａ、４０Ｂを、入射するレーザビームの進行方向と垂直な二次元方向に移動させることができる。
【００１２】
次に、第１の光学系２０Ａの構成について説明する。ビームスプリッタ１５を透過したレーザビームが、パルス切り出し装置２１Ａに入射する。パルス切り出し装置２１Ａには、例えば音響光学素子が用いられる。音響光学素子は、外部からの制御信号により、入射するレーザビームが加工対象物４０Ａに至る経路に出力される透過状態と、ビームダンパ２２Ｂに入射する非透過状態とのいずれかの状態をとる。レーザパルスの立ち上がり部分及び立ち下り部分を非透過とすることにより、パルス波形を整形することができる。また、パルス切り出し装置２１Ａが透過状態である時間を制御することにより、パルス切り出し装置２１Ａを透過したレーザビームのパルス幅を変化させることができる。
【００１３】
パルス切り出し装置２１Ａを透過したレーザビームは、コリメートレンズ２３Ａによってコリメートされた後、マスク２５Ａに入射する。マスク２５Ａは、透過窓及び遮光部を含み、レーザビームのビーム断面を整形する。マスク２５Ａの透過窓を透過したレーザビームがフィールドレンズ２６Ａ、折り返しミラー２９Ａを経由して、ビーム走査器３０Ａに入射する。ビーム走査器３０Ａは、レーザビームを二次元方向に走査する。
【００１４】
ビーム走査器３０Ａで走査されたレーザビームが、ｆθレンズ３１Ａで集光されて加工対象物４０Ａに入射する。フィールドレンズ２６Ａ及びｆθレンズ３１Ａは、マスク２５Ａの透過窓を、加工対象物４０Ａの表面に結像させる。フィールドレンズ２６Ａは、レー
ザビームをほぼ平行光線束にする。フィールドレンズ２６Ａは、ビーム走査器３０Ａによるレーザビームのケラレの発生を防止、または軽減する機能を持つ。
【００１５】
第２の光学系２０Ｂは、第１の光学系２０Ａと同一の構成を有する。すなわち、第２の光学系２０Ｂは、パルス切り出し装置２１Ｂ、ビームダンパ２２Ｂ、コリメートレンズ２３Ｂ、マスク２５Ｂ、フィールドレンズ２６Ｂ、折り返しミラー２９Ｂ、ビーム走査器３０Ｂ、及びｆθレンズ３１Ｂを含む。第１の光学系２０Ａのフィールドレンズ２６Ａのレンズ特性は、第２の光学系２０Ｂのフィールドレンズ２６Ｂのレンズ特性と同一である。さらに、第１の光学系２０Ａのｆθレンズ３１Ａのレンズ特性は、第２の光学系２０Ｂのｆθレンズ３１Ｂのレンズ特性と同一である。
【００１６】
フィールドレンズ２６Ａ、２６Ｂが、ビームスプリッタ１５で分岐された後の経路に配置されているため、フィールドレンズ２６Ａから加工対象物３１Ａまでの経路の長さと、フィールドレンズ２６Ｂから加工対象物４０Ｂまでの経路の長さとを独立に調整することができる。このため、フィールドレンズ２６Ａから加工対象物３１Ａまでの経路の長さと、フィールドレンズ２６Ｂから加工対象物４０Ｂまでの経路の長さとを、容易に同一にすることができる。これにより、第１の光学系２０Ａを経由したレーザビームによる加工品質と、第２の光学系２０Ｂを経由したレーザビームによる加工品質とを揃えることができる。
【００１７】
実施例１では、ビームスプリッタ１５の下流側に、パルス切り出し装置２１Ａ、２１Ｂが配置されている。このため、第１の光学系２０Ａ及び２０Ｂを伝搬するレーザビームのパルス幅を独立に調節することが可能である。ビームスプリッタ１５で２つの経路に分岐するとき、分岐後の２本のレーザビームのパワーが厳密に同一になるとは限らない。パルス切り出し装置２１Ａ、２１Ｂにより、パルス幅を調節することにより、第１の光学系２０Ａを経由したレーザパルスと、第２の光学系２０Ｂを経由したレーザパルスとのパルスエネルギを同一にすることができる。例えば、パワーが大きい方のレーザビームのパルス幅を、パワーが小さい方のレーザビームのパルス幅より短くすることにより、両者のパルスエネルギを同一にすることができる。
【００１８】
［実施例２］
図２に、実施例２によるレーザ加工装置の一部分の概略図を示す。図２には、水平に配置された光学定盤の上に固定された光学系が示されている。
【００１９】
光学定盤１７の上に、レーザ光源１０、スポット位置安定化光学系１１、非球面レンズ１２、コリメートレンズ２３、マスク２５、ビームスプリッタ１５、第１の光学系２０Ａ、及び第２の光学系２０Ｂが固定されている。実施例１では、図１に示したように、コリメートレンズ２３Ａ、２３Ｂ及びマスク２５Ａ、２５Ｂが、ビームスプリッタ１５で分岐された後の経路に配置されていた。実施例２では、コリメートレンズ２３及びマスク２５が、ビームスプリッタ１５で分岐される前の経路に配置されている。
【００２０】
レーザ光源１０から出射されたレーザビームが、スポット位置安定化光学系１１、非球面レンズ１２、コリメートレンズ２３、及びマスク２５を経由して、ビームスプリッタ１５に入射する。ビームスプリッタ１５を直進したレーザビームが第１の光学系２０Ａに入射し、ビームスプリッタ１５で反射したレーザビームが第２の光学系に２０Ｂに入射する。
【００２１】
以下、第１の光学系２０Ａの構成について説明する。ビームスプリッタ１５を直進したレーザビームがパルス切り出し装置２１Ａ、フィールドレンズ２６Ａを経由して、折り返しミラー２９Ａに入射する。パルス切り出し装置２１Ａ及びフィールドレンズ２６Ａの機
能は、実施例１によるレーザ加工装置のパルス切り出し装置２１Ａ及びフィールドレンズ２６Ａの機能と同一である。パルス切り出し装置２１Ａによって経路から外れたレーザビームはビームダンパ２２Ａに入射する。
【００２２】
折り返しミラー２９Ａの下方に、図１に示したビーム走査器３０Ａ、ｆθレンズ３１Ａ、及びステージ３５Ａが配置されている。折り返しミラー２９Ａは、フィールドレンズ２６Ａを透過したレーザビームを、鉛直下方に向けて反射する。折り返しミラー２９Ａで反射したレーザビームが、ビーム走査器３０Ａ及びｆθレンズ３１Ａを経由して、ステージ３５Ａに保持されている加工対象物４０Ａ（図１）に入射する。
【００２３】
第２の光学系２０Ｂは、第１の光学系２０Ａと同一の構成を有する。すなわち、第２の光学系２０Ｂは、パルス切り出し装置２１Ｂ、ビームダンパ２２Ｂ、フィールドレンズ２６Ｂ、及び折り返しミラー２９Ｂを含む。折り返しミラー２９Ｂの下方に、図１に示したビーム走査器３０Ｂ、ｆθレンズ３１Ｂ、及びステージ３５Ｂが配置されている。ステージ３５Ｂに加工対象物４０Ｂが保持されている。
【００２４】
ビームスプリッタ１５による経路の分岐点から第１の光学系２０Ａの折り返しミラー２９Ａまでの光路長と、第２の光学系２０Ｂの折り返しミラー２９Ｂまでの光路長とは等しい。さらに、第１の光学系２０Ａの折り返しミラー２９Ａから加工対象物４０Ａ（図１）までの光路長と、第２の光学系２０Ｂの折り返しミラー２９Ｂから加工対象物４０Ｂ（図１）までの光路長とは等しい。このため、マスク２５から第１の光学系２０Ａを経由して加工対象物４０Ａに至る経路の長さと、マスク２５から第２の光学系２０Ｂを経由して加工対象物４０Ｂに至る経路の長さとが等しい。これにより、第１の光学系２０Ａを経由したレーザビームによる加工品質と、第２の光学系２０Ｂを経由したレーザビームによる加工品質とを容易に揃えることができる。
【００２５】
また、実施例２においても、実施例１と同様に、ビームスプリッタ１５の下流側に、パルス切り出し装置２１Ａ、２１Ｂが配置されている。第１の光学系２０Ａ及び２０Ｂを伝搬するレーザビームのパルス幅を独立に調節することにより、第１の光学系２０Ａを経由したレーザパルスと、第２の光学系２０Ｂを経由したレーザパルスとのパルスエネルギを同一にすることができる。
【００２６】
光学定盤１７に平行な光軸を持つレーザビームの光路長は、光学定盤１７に反射鏡等を固定することによって容易に調整可能である。ところが、光学定盤１７から下方に向けて進行方向が変更されたレーザビームの光路長を調節することは困難である。例えば、ビームスプリッタ１５で、下方に向けてレーザビームを反射する構成を採用した場合には、ビームスプリッタ１５よりも下流側の光路長を任意に調節することが困難である。従って、通常、折り返しミラー２９Ａから加工対象物４０Ａ（図１）までの光路長は、折り返しミラー２９Ｂから加工対象物４０Ｂまでの光路長と等しくなる。
【００２７】
実施例２においては、レーザ光源１０からフィールドレンズ２６Ａまでの経路、及びレーザ光源１０からフィールドレンズ２６Ｂまでの経路が、共に水平面（光学定盤１７）に対して平行である。このため、分岐点から折り返しミラー２９Ａまでの光路長と分岐点から折り返しミラー２９Ｂまでの光路長を、容易に同一にすることができる。光学定盤１７の下方に配置されるステージ３５Ａ、３５Ｂの種々の相対位置関係に応じて、光学定盤１７の上に設定された経路を柔軟に設定することが可能である。
【００２８】
上記実施例１及び実施例２では、分岐光学素子としてビームスプリッタ１５を用い、レーザビームの偏光状態を利用して経路を分岐させた。分岐光学素子として、ビームスプリッタ１５に代えてハーフミラーを用いてもよい。ハーフミラーを多段に配置すれば、２分
岐、４分岐、８分岐等を実現することも可能である。２経路以上の複数の経路に分岐させる場合にも、各経路を経由するレーザビームによる加工品質を揃えるために、マスク２５から、複数の経路にそれぞれ配置されたフィールドレンズまでの光路長を同一にすることが好ましい。
【００２９】
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。
【符号の説明】
【００３０】
１０  レーザ光源
１１  スポット位置安定化光学系
１２  非球面レンズ
１５  ビームスプリッタ
１７  光学定盤
２０Ａ  第１の光学系
２０Ｂ  第２の光学系
２１Ａ、２１Ｂ  パルス切り出し装置
２２Ａ、２２Ｂ  ビームダンパ
２３、２３Ａ、２３Ｂ  コリメートレンズ
２５、２５Ａ、２５Ｂ  マスク
２６Ａ、２６Ｂ  フィールドレンズ
２９Ａ、２９Ｂ  折り返しミラー
３０Ａ、３０Ｂ  ビーム走査器
３１Ａ、３１Ｂ  ｆθレンズ
３５Ａ、３５Ｂ  ステージ
４０Ａ、４０Ｂ  処理対象物
【図１】
2014193477.tif 000003
【図２】
2014193477.tif 000004