(57)【要約】【課題】  レーザ加工装置及びレーザ加工方法において、ビームプロファイルの変形に特別な光学素子を用いずに、高い切削能力を得ること。【解決手段】  基本波レーザビームλ1を出射するＹＡＧレーザ（レーザ源）５と、基本波レーザビームλ1を内部でウォークオフ現象によりビーム断面形状が一方向に扁平した４倍波（高調波）レーザビームλ4に変換して出力する非線形光学結晶の第２の波長変換素子７と、４倍波レーザビームλ4を集光して被加工物２に照射する光学系３と、４倍波レーザビームλ4を相対的に移動させて被加工物２への照射位置を移動させる移動機構４とを備えたレーザ加工装置であって、移動機構４が、４倍波レーザビームλ4の移動方向と扁平の方向とを一致させている。【選択図】図１
2006015359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波レーザビームを出射するレーザ源と、
前記基本波レーザビームを内部でウォークオフ現象によりビーム断面形状が一方向に扁平した高調波レーザビームに変換して出力する非線形光学結晶の波長変換素子と、
前記高調波レーザビームを集光して被加工物に照射する光学系と、
前記高調波レーザビームを相対的に移動させて前記被加工物への照射位置を移動させる移動機構とを備えたレーザ加工装置であって、
前記移動機構が、前記高調波レーザビームの移動方向と前記扁平の方向とを一致させていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記移動機構が、前記高調波レーザビームの移動方向を変更可能であり、
前記光学系が、変更された前記高調波レーザビームの移動方向に合わせて前記扁平の方向を一致させる扁平方向調整手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記扁平方向調整手段が、前記扁平の方向を変更する光学部材を前記高調波レーザビームの光路上に挿抜可能な機構を備えていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記非線形光学結晶が、四ホウ酸リチウム単結晶であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させ、ウォークオフ現象によりビーム断面形状が一方向に扁平した高調波レーザビームに変換して出力するビーム変換ステップと、
前記高調波レーザビームを集光して被加工物に照射する照射ステップと、
前記高調波レーザビームを相対的に移動させて前記被加工物への照射位置を移動させる移動ステップと、を有するレーザ加工方法であって、
前記移動ステップで、前記高調波レーザビームの移動方向と前記扁平の方向とを一致させることを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溝切り加工や切断加工等に好適なレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属板、セラミックス板や半導体ウエーハ等の溝切り加工（スクライビング加工）や切断加工等には、高精度な加工が可能な紫外線レーザ等を用いたレーザ加工技術が採用されている。
このレーザ加工技術において、溝切り加工等の切削能力を高めるためには、同一個所にどれだけ多くのレーザビームのパルスを打ち込むかが重要である。すなわち、溝切り加工では、同一個所へのビームの重なり回数が加工深さと比例関係になることから、ビームプロファイル（ビーム断面形状）を楕円形状にすることで同じビームの走査速度でも切削能力を高めることができる。
【０００３】
従来、例えば特許文献１には、レーザ発振器から出力されたレーザビームのビームプロファイルを円筒レンズやプリズム等の光学素子を用いた光学的手段により強制的に楕円形状にする技術が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−６８３９２号公報（第３頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来のレーザ加工技術では、ビームプロファイルを強制的に楕円形に変形させるために、専用の光学素子を備えた光学系を追加して構成しなければならず、部材点数及び部材コストが増大してしまう不都合があった。また、これらのビーム変形のための光学部材には、レーザ加工の際、常に高調波レーザビームが透過・照射されるため、光学部材の光学特性が劣化しての寿命が短くなるという不都合があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ビームプロファイルの変形に余分な光学素子を用いずに、高い切削能力を得ることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレーザ加工装置は、基本波レーザビームを出射するレーザ源と、基本波レーザビームを内部でウォークオフ現象によりビーム断面形状が一方向に扁平した高調波レーザビームに変換して出力する非線形光学結晶の波長変換素子と、高調波レーザビームを集光して被加工物に照射する光学系と、高調波レーザビームを相対的に移動させて被加工物への照射位置を移動させる移動機構とを備えたレーザ加工装置であって、移動機構が、高調波レーザビームの移動方向と扁平の方向とを一致させていることを特徴とする。
【０００８】
そして、本発明のレーザ加工方法は、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させ、ウォークオフ現象によりビーム断面形状が一方向に扁平した高調波レーザビームに変換して出力するビーム変換ステップと、高調波レーザビームを集光して被加工物に照射する照射ステップと、高調波レーザビームを相対的に移動させて被加工物への照射位置を移動させる移動ステップと、を有するレーザ加工方法であって、移動ステップで、高調波レーザビームの移動方向と前記扁平の方向とを一致させることを特徴とする。
【０００９】
これらのレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、波長変換素子から出力される高調波レーザビームがウォークオフ現象で既に一方向に変形しており、この方向に高調波レーザビームの移動方向を合わせるので、余分な光学素子を用いずともビームのパルスが重なって同じ走査速度でも切削加工能力を高めることができる。
【００１０】
また、本発明のレーザ加工装置は、移動機構が、高調波レーザビームの移動方向を変更可能であり、光学系が、変更された高調波レーザビームの移動方向に合わせて扁平の方向を一致させる扁平方向調整手段を備えていることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、波長変換素子から出力された際の高調波レーザビームの扁平方向と異なる任意の方向に溝切り加工を行う場合でも、扁平方向調整手段により、変更された高調波レーザビームの移動方向に合わせて扁平の方向を一致させることにより、高い加工能力を維持することができる。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工装置は、扁平方向調整手段が、扁平の方向を変更する光学部材を高調波レーザビームの光路上に挿抜可能な機構を備えていることを特徴とする。すなわち、このレーザ加工装置では、高調波レーザビームの扁平方向と異なる任意の方向に溝切り加工を行う場合、高調波レーザビームの光路上に予め方向調整したプリズム等の光学部材を挿入して扁平の方向を溝切り加工方向（移動方向）に一致させた任意の方向に変更することができ、これによって必要なときのみに容易に扁平方向の調整が可能になる。また、高調波レーザビームが必要なときのみに透過・照射されるため、プリズム等の光学部材の寿命を大幅に延ばすことができる。
【００１２】
さらに、本発明のレーザ加工装置は、非線形光学結晶が、四ホウ酸リチウム単結晶であることを特徴とする。すなわち、このレーザ加工装置では、ＣＺ法等により大型結晶が得やすく結晶の長尺化が可能な四ホウ酸リチウム単結晶を用いるため、長い波長変換素子が利用でき、これを用いることにより、高い変換効率が得られると共に、積極的にビームプロファイルをより大きく扁平させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、ウォークオフ現象で一方向にビームプロファイルが変形した高調波レーザビームをそのまま用いて、扁平方向に高調波レーザビームの移動方向を合わせるので、扁平のための光学素子が不要になり、部材点数の増大を防ぐことができると共に、溝切り加工等で高い加工能力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１５】
本実施形態のレーザ加工装置は、ＵＶ（紫外光）レーザ光によりアルミナ基板等に溝切り加工（スクライビング加工）を行うものであって、図１に示すように、紫外光（波長２６６ｎｍ）の４倍波レーザビームλ4を出力するレーザヘッド部１と、４倍波レーザビームλ4を集光してアルミナ基板等の被加工物２に照射する光学系３と、４倍波レーザビームλ4を相対的に移動させて被加工物２への照射位置を移動させると共に４倍波レーザビームλ4の移動方向を変更可能な移動機構４とを備えている。
【００１６】
前記レーザヘッド部１は、波長８１０ｎｍの励起光を出射する半導体レーザＬＤと、前記励起光によってポンピングされた波長１０６４ｎｍの基本波レーザビームλ1を出射するＹＡＧレーザ（レーザ源）５と、基本波レーザビームλ1を内部で第２高調波である波長５３２ｎｍ（グリーン光）の２倍波レーザビーム（高調波レーザビーム）λ2に変換して出力する第１の波長変換素子６と、２倍波レーザビームλ2を内部で第２高調波である波長２６６ｎｍ（紫外光）の４倍波レーザビーム（高調波レーザビーム）λ4に変換して出力する第２の波長変換素子７と、を備えている。
【００１７】
前記ＹＡＧレーザ５は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶５ａと、該ＹＡＧ結晶の両端に配された共振器ミラー５ｂと、を備えている。
前記第１の波長変換素子６は、ＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶（非線形光学結晶）であり、前記第２の波長変換素子７は、ＬＢ４（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7：四ホウ酸リチウム単結晶）結晶（非線形光学結晶）である。
【００１８】
前記第１の波長変換素子６及び前記第２の波長変換素子７では、非線形結晶の複屈折性により、入力ビームと発生する高調波ビームとが、結晶中でウォークオフ角を持って分かれ、高調波ビームのビームプロファイル（ビーム断面形状）が一方向に扁平する、いわゆるウォークオフ現象が生じる。なお、上記第２の波長変換素子７に用いられるＬＢ４結晶は、化学的安定性や耐レーザ損傷性に優れていると共に、ＣＺ法等により良質の大型結晶を育成することが可能であり、かつ、加工性にも優れており、長尺化が容易である。なお、本実施形態では、長さ６０ｍｍのＬＢ４結晶を採用している。
【００１９】
前記光学系３は、４倍波レーザビームλ4の光路を変更するミラー８ａ、８ｂと、４倍波レーザビームλ4のビーム径を広げるエキスパンダレンズ９と、ビーム径が広げられた４倍波レーザビームλ4を被加工物２表面上に集光して照射する集光レンズ１０と、移動機構４により変更された４倍波レーザビームλ4の移動方向に合わせて前記扁平の方向を一致させるプリズム挿抜機構（扁平方向調整手段）１１とを備えている。
【００２０】
なお、光学系３を介して被加工物２上に照射される４倍波レーザビームλ4は、そのビームプロファイルがレーザヘッド部１からの出射直後のものと相似的に一致するようになっている。
前記移動機構４が、ステッピングモータ等を備え被加工物２を取り付け可能なＸＹステージ機構であり、４倍波レーザビームλ4の移動方向と前記扁平の方向とが一致するように設定されている。
【００２１】
前記プリズム挿抜機構１１は、前記扁平の方向を変更するプリズム（ダヴプリズム：光学部材）１２を４倍波レーザビームλ4の光路上に挿抜可能な機構であり、プリズム１２と該プリズム１２を移動させるモータ等の駆動部１３とから構成されている。
【００２２】
次に、上記レーザ加工装置による被加工物２の溝切り加工方法を、図１及び図２を参照して以下に説明する。
【００２３】
まず、レーザヘッド部１において、半導体レーザＬＤからの励起光をＹＡＧレーザ５にパルス入射して基本波レーザビームλ1を発生させ、次に該基本波レーザビームλ1を第１の波長変換素子６に入射することで２倍波レーザビームλ2に変換し、さらに該２倍波レーザビームλ2を第２の波長変換素子７に入射することで４倍波レーザビームλ4に変換して出力させる（ビーム変換ステップ）。この際、第１の波長変換素子６及び第２の波長変換素子７では、ウォークオフ現象により発生した第２高調波ビームのビームプロファイルが一定方向に扁平している。特に、第２の波長変換素子７では、結晶長が大きいＬＢ４結晶を用いているので、出射される４倍波レーザビームλ4のビーム断面形状がより一方向に扁平して楕円形状となる。
【００２４】
レーザヘッド部１から出射された４倍波レーザビームλ4を、エキスパンダレンズ９及び集光レンズ１０を介して、最終的に被加工物２上に集光させて照射する。このとき、４倍波レーザビームλ4は、レーザヘッド部１から出射された際のビームプロファイルの相似形状のまま被加工物２上に集光される（照射ステップ）。なお、４倍波レーザビームλ4のビームプロファイルが扁平している方向（Ｘ方向）と溝切り加工する所定方向（Ｘ方向）とを一致させて、移動機構４に被加工物２が設置されている。また、プリズム１２は、プリズム挿抜機構１１により、４倍波レーザビームλ4の光路上から待避された位置に配されている。
【００２５】
この状態で、移動機構４によって、溝切り加工する所定方向（図１中のＸ方向）に被加工物２を相対的に移動させることにより、図２の（ａ）に示すように、集光された４倍波レーザビームλ4がその扁平方向（Ｘ方向）に一致した溝切り加工の方向（Ｘ方向）に移動して所望の溝切り加工が行われる（移動ステップ）。すなわち、４倍波レーザビームλ4は、被加工物２上において扁平方向（溝切り加工方向）に部分的に重なった状態でパルス照射される。
【００２６】
次に、上記溝切り方向と異なる方向に溝切り加工を行う場合について説明する。
例えば、溝切り加工の方向を上記Ｘ方向に直交するＹ方向に変更して行う場合、プリズム挿抜機構１１により、駆動部１３を駆動してプリズム１２を４倍波レーザビームλ4の光路上（本実施形態では、ミラー８ａとエキスパンダレンズ９との間）に挿入する。光路上に挿入されたプリズム１２により、４倍波レーザビームλ4の扁平方向が、挿入前に対して９０°回転し、被加工物２上においてＹ方向に楕円形に扁平した状態で集光される。
【００２７】
この状態で、移動機構４によって、溝切り加工するＹ方向に被加工物２を相対的に移動させることにより、図２の（ｂ）に示すように、集光された４倍波レーザビームλ4がその扁平方向（Ｙ方向）に一致した溝切り加工の方向（Ｙ方向）に移動してＹ方向においても溝切り加工が行われる。
【００２８】
このように本実施形態では、第２の波長変換素子７から出力される４倍波レーザビームλ4がウォークオフ現象で既に一方向に変形しており、この方向に４倍波レーザビームλ4の移動方向を合わせるので、余分な光学素子を用いずとも４倍波レーザビームλ4のパルスが重なって加工能力を高めることができる。
また、第２の波長変換素子７から出力された際の４倍波レーザビームλ4の扁平方向と異なる方向に溝切り加工を行う場合でも、プリズム挿抜機構１１により、変更された４倍波レーザビームλ4の移動方向に合わせて扁平の方向を一致させることにより、高い加工能力を維持することができる。また、４倍波レーザビームλ4が必要なときのみに透過・照射されるため、プリズム１２の寿命を大幅に延ばすことができる。
【００２９】
さらに、ＣＺ法等により大型結晶が得やすく結晶の長尺化が可能な四ホウ酸リチウム単結晶を第２の波長変換素子７に用いるため、長い波長変換素子を用いることによって高い変換効率が得られると共に、４倍波レーザビームλ4におけるビームプロファイルをより大きく扁平させることができる。
【００３０】
なお、本発明の技術範囲は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３１】
例えば、上記第１の波長変換素子６及び第２の波長変換素子７として用いた非線形光学結晶としては、上記ＬＢＯやＬＢ４以外のもの、例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ2Ｏ4）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）、ＣＬＢＯ （ＣｓＬｉＢ6Ｏ10）等を用いても構わない。なお、上述したように、上記実施形態のＬＢ４結晶のように長尺化がしやすく、高い変換効率とウォークオフによるビーム変形との両方が得られる結晶が好ましい。
【００３２】
また、プリズム挿抜機構１１によって、ミラー８ａ、８ｂ間の光路上にプリズム１２を挿入可能にしたが、４倍波レーザビームλ4の光路上であれば、他の光路上に挿入可能にしても構わない。なお、プリズム１２の寿命をより考慮すれば、４倍波レーザビームλ4のビーム径が広がっている光路上に挿入可能とすることが好ましい。例えば、上記実施形態において、エキスパンダレンズ９と集光レンズ１０との間の光路上に、プリズム１２を挿入可能にしても良い。この理由は、４倍波レーザビームλ4のビーム径が狭められて光密度が高い光路上にプリズム１２を挿入すると、プリズム１２が劣化しやすくなるためである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る一実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法において、レーザ加工装置を示す概略的な構成図である。
【図２】本発明に係る一実施形態において、４倍波レーザビームの扁平方向と加工方向とを、プリズム挿入が無い場合（ａ）と有る場合（ｂ）とで示した説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
２…被加工物、３…光学系、４…移動機構、５…ＹＡＧレーザ（レーザ源）、６…第１の波長変換素子、７…第２の波長変換素子、１１…プリズム挿抜機構（扁平方向調整手段）、１２…プリズム（光学部材）、λ1…基本波レーザビーム、λ2…２倍波レーザビーム（高調波レーザビーム）、λ4…４倍波レーザビーム（高調波レーザビーム）
【図１】
2006015359.tif 000003
【図２】
2006015359.tif 000004