(57)【要約】【課題】レーザ加工装置において、複数のレーザビームの間隔を変更する。【解決手段】このレーザ加工装置は、複数のレーザビームを基板に照射して加工を行う装置である。この装置は、基板が載置されるワークテーブル２と、レーザビームを出力するレーザビーム出力部１５と、レーザビーム出力部１５からのレーザビームを複数のレーザビームに分岐してワーク上に集光させる分岐・集光機構とを備え、分岐・集光機構は、分岐された２本のレーザビームの間隔を変更するための間隔調整機構を有している。【選択図】図４
2015123483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザビームをワークに照射して加工を行うレーザ加工装置であって、
加工すべきワークが載置されるワークテーブルと、
レーザビームを出力するレーザビーム出力部と、
前記レーザビーム出力部からのレーザビームを複数のレーザビームに分岐してワーク上に集光させる分岐・集光機構と、
を備え
前記分岐・集光機構は、前記分岐された２本のレーザビームの間隔を変更するための間隔調整機構を有している、レーザ加工装置。
【請求項２】
前記分岐・集光機構は、
前記レーザビーム出力部からのレーザビームが入射され、円偏光を出力する１／４波長板と、
前記１／４波長板から出力される円偏光を２本のレーザビームに分岐するウォラストンプリズムと、
前記ウォラストンプリズムから出力される２本のレーザビームをワーク上に集光させるための集光手段と、
を有する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記間隔調整機構は、前記ウォラストンプリズムと前記集光手段との間に配置されたビームエキスパンダを有する、請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記分岐・集光機構は、前記ウォラストンプリズムを回転させる回転機構をさらに有する、請求項２又は請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記分岐・集光機構は、前記１／４波長板を回転させるための波長板回転機構をさらに有している、請求項３又は請求項４のいずれか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、レーザ加工装置、特に、複数のレーザビームを基板上に所定間隔で照射して加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームによって基板を加工する装置としては、例えば特許文献１に示された装置が知られている。この種の加工装置では、波長が５３２ｎｍ程度のグリーンレーザがガラス基板等のワークに照射される。グリーンレーザは、一般的にはガラス基板を透過するが、レーザビームを集光し、その強度があるしきい値を越えると、ガラス基板はレーザビームを吸収することになる。このような状態では、レーザビームの集光部にプラズマが発生し、これによりガラス基板は蒸散する。以上のような原理を利用して、ガラス基板に孔を形成する等の加工が可能である。
【０００３】
また、特許文献２には、ワークに対してレーザビームを複数回照射することによって基板に溝を形成する装置が示されている。この特許文献２の装置では、基板の厚みにバラツキがあっても確実に溝が形成できるように、加工時に発生するプラズマの波長を検出している。そして、この検出されたプラズマの波長によって、レーザビームの照射を制御するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１８０５４号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７３１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２の装置に示されるように、基板を複数のチップに分断する場合、溝形成ラインに沿ってレーザビームを複数回照射する必要がある。このため、分断のためには、加工時間がかかり、加工時間を短縮化するために、レーザビームの照射回数を減らすことが要望されている。
【０００６】
本発明の課題は、複数のレーザビームを所定間隔で照射して溝を形成したり基板等のワークを分断したりする際の各レーザビームの間隔を変更することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係るレーザ加工装置は、複数のレーザビームをワーク上に所定間隔で照射して加工を行う装置である。この装置は、加工すべきワークが載置されるワークテーブルと、レーザビームを出力するレーザビーム出力部と、レーザビーム出力部からのレーザビームを複数のレーザビームに分岐してワーク上に集光させる分岐・集光機構とを備え、分岐・集光機構は、分岐された２本のレーザビームの間隔を変更するための間隔調整機構を有している。
【０００８】
この装置では、レーザビーム出力部から出力されたレーザビームは複数のレーザビームに分岐される。そして、分岐された複数のレーザビームの間隔が調整される。
【０００９】
本発明の別の側面に係るレーザ加工装置では、分岐・集光機構は、１／４波長板と、ウォラストンプリズムと、集光手段と、を有する。１／４波長板は、レーザビーム出力部からのレーザビームが入射され、円偏光を出力する。ウォラストンプリズムは１／４波長板から出力される円偏光を２本のレーザビームに分岐する。集光手段はウォラストンプリズムから出力される２本のレーザビームをワーク上に集光させる。
【００１０】
ここで、１つのレーザビームを複数に分岐させるための構成として、回折光学素子としてのＤＯＥを用いることが考えられる。ＤＯＥを用いてレーザビームを分岐することによって複数のレーザスポットを容易に形成することができる。
【００１１】
しかし、ＤＯＥを用いた場合、加工に寄与する±１次の回折光より高次の回折光と０次光が加工ラインの外側に照射される。この高次の回折光と０次光の照射によってワークがダメージを受けるという問題がある。
【００１２】
そこで本発明の装置では、ウォラストンプリズムの前段に、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板を設け、ウォラストンプリズムによって１つのレーザビームを２本のレーザビームに分岐するようにしている。
【００１３】
この装置では、分岐された２本のレーザビームを容易に得ることができる。また、この装置では、ＤＯＥで発生するような高次の回折光と０次光の発生がなく、ワークへのダメージを抑えることができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、間隔調整機構は、ウォラストンプリズムと集光手段との間に配置されたビームエキスパンダを有する。
【００１５】
ここでは、簡単な構成で間隔調整機構を実現することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、分岐・集光機構は、ウォラストンプリズムを回転させる回転機構をさらに有する。
【００１７】
ウォラストンプリズムを回転させることによって、レーザビームを曲線状の加工ラインに沿って容易に走査することができる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、分岐・集光機構は、１／４波長板を回転させるための波長板回転機構をさらに有している。
【００１９】
１／４波長板を回転させることにより、２本のレーザビームの集光点におけるエネルギ比率を調整することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のような本発明では、レーザ加工装置において、レーザビームを照射して溝を形成したりワークを分断したりする際の加工時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の外観斜視図。
【図２】ワークテーブルの拡大斜視図。
【図３】レーザビーム照射ヘッドの構成を拡大して示す斜視図。
【図４】１／４波長板及びウォラストンプリズムを示す模式図。
【図５】ウォラストンプリズムの構成を示す図。
【図６】曲線部を走査する動作を説明する模式図。
【図７】直線部及び曲線部を走査する動作を説明する模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［全体構成］
図１に本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の全体構成を示す。このレーザ加工装置は、ワークとしての例えばガラス基板にレーザビームを照射して孔開け等の加工を行うための装置である。この装置は、ベッド１と、ワークとしてのガラス基板が載置されるワークテーブル２と、ガラス基板にレーザビームを照射するためのレーザビーム照射ヘッド３と、を備えている。ここで、図１に示すように、ベッド１の上面に沿った平面において、互いに直交する軸をＸ軸、Ｙ軸とし、これらの軸に直交する鉛直方向の軸をＺ軸と定義する。また、Ｘ軸に沿った両方向（＋方向及び−方向）をＸ軸方向、Ｙ軸に沿った両方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿った両方向をＺ軸方向と定義する。
【００２３】
［ワークテーブル及びその移動機構］
＜ワークテーブル２＞
ワークテーブル２は、矩形状に形成されており、ワークテーブル２の下方には、ワークテーブル２をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させるためのテーブル移動機構５が設けられている。
【００２４】
ワークテーブル２は、図２に拡大して示すように、複数のブロック６を有している。この複数のブロック６は、図中、二点鎖線で示すガラス基板Ｇをワークテーブル２の表面から持ち上げて支持するための部材であり、ガラス基板Ｇの加工予定ラインＬ（破線で示す）を避けるために、ワークテーブル２の任意の位置に取り付けることが可能である。また、ワークテーブル２には複数の吸気口２ａが格子状に形成されるとともに、各ブロック６には上下方向に貫通する吸気孔６ａが形成されている。そして、ブロック６の吸気孔６ａとワークテーブル２の吸気口２ａとを接続することによって、ブロック６上に配置されるガラス基板Ｇを吸着固定することが可能である。なお、吸気のための機構は、周知の排気ポンプ等によって構成されており、詳細は省略する。
【００２５】
＜テーブル移動機構５＞
テーブル移動機構５は、図１に示すように、それぞれ１対の第１及び第２ガイドレール８，９と、第１及び第２移動テーブル１０，１１と、を有している。１対の第１ガイドレール８はベッド１の上面にＹ軸方向に延びて設けられている。第１移動テーブル１０は、第１ガイドレール８の上部に設けられ、第１ガイドレール８に移動自在に係合する複数のガイド部１０ａを下面に有している。第２ガイドレール９は第１移動テーブル１０の上面にＸ軸方向に延びて設けられている。第２移動テーブル１１は、第２ガイドレール９の上部に設けられ、第２ガイドレール９に移動自在に係合する複数のガイド部１１ａを下面に有している。第２移動テーブル１１の上部には、固定部材１２を介してワークテーブル２が取り付けられている。
【００２６】
以上のようなテーブル移動機構５によって、ワークテーブル２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動自在である。なお、第１及び第２移動テーブル１０，１１は、詳細は省略するが、周知のモータ等の駆動手段によって駆動されるようになっている。
【００２７】
［レーザビーム照射ヘッド３］
レーザビーム照射ヘッド３は、図１及び図３に示すように、ベッド１の上面に配置された門型フレーム１ａに装着されており、レーザビーム出力部１５と、光学系１６と、内部にウォラストンプリズム（後述）が組み込まれた中空モータ１７と、間隔調整用のビームエキスパンダ１８と、集光レンズとしてのｆθレンズ２０と、を有している。光学系１６、ウォラストンプリズムを有する中空モータ１７、ビームエキスパンダ１８、及びｆθレンズ２０により、レーザビーム出力部１５からのレーザビームを複数のレーザビームに分岐して基板上に集光させる分岐・集光機構が構成されている。
【００２８】
また、レーザビーム照射ヘッド３をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸方向移動機構２１と、中空モータ１７及びｆθレンズ２０をＺ軸方向に移動させるためのＺ軸方向移動機構２２と、が設けられている。
【００２９】
＜レーザビーム出力部１５＞
レーザビーム出力部１５は従来と同様のレーザ管により構成されている。このレーザビーム出力部１５によって、波長５３２ｎｍのグリーンレーザビームがＹ軸に沿ってワークテーブル２とは逆側に出射される。
【００３０】
＜光学系１６＞
光学系１６は、レーザビーム出力部１５からのレーザビームを中空モータ１７の内部に導くものである。この光学系１６は、図３に拡大して示すように、第１〜第４ミラー２５〜２８と、レーザ出力を計測するパワーモニタ２９と、ビームエキスパンダ３０と、１／４波長板３１と、を有している。
【００３１】
第１ミラー２５は、レーザビーム出力部１５の出力側の近傍に配置されており、Ｙ軸方向に出射されたレーザビームをＸ軸方向に反射する。第２ミラー２６は、Ｘ軸方向において第１ミラー２５と並べて配置されており、Ｘ軸方向に進行するレーザビームをＹ軸方向に反射して、ワークテーブル２側に導く。第３ミラー２７は、Ｙ軸方向において第２ミラー２６と逆側に配置されており、第２ミラー２６によって反射されてきたレーザビームを反射してＸ軸方向に導く。第４ミラー２８は中空モータ１７の上方に配置されており、第３ミラー２７によって反射されてきたレーザビームを反射して、１／４波長板３１を介して中空モータ１７に導く。
【００３２】
ビームエキスパンダ３０は第２ミラー２６と第３ミラー２７との間に配置され、第２ミラー２６によって反射されてきたレーザビームを一定の倍率の平行光束に拡げるために設けられている。このビームエキスパンダ３０によって、レーザビームをより小さなスポットに集光させることが可能となる。
【００３３】
図４に模式的に示すように、１／４波長板３１は中空モータ１７の前段（レーザビームの進行方向の上流側）に配置されている。この１／４波長板３１は、直線偏光を円偏光に変換するために設けられている。また、１／４波長板３１を回転するためのモータ１９が設けられている。
【００３４】
＜中空モータ１７＞
中空モータ１７は、図４の模式図で示すように、中心にＺ軸方向に延びる回転軸（入射光中心でもある）を有し、この回転軸を含む中央部が中空になっている。そして、この中空部にウォラストンプリズム３３が配置されている。
【００３５】
ウォラストンプリズム３３は、図５に示すように、２本の水晶プリズム３３ａ，３３ｂで構成されている。２本の水晶プリズム３３ａ，３３ｂは互いに直交する光学軸を有している。このウォラストンプリズム３３は、入射したレーザビームを互いに直交する２本の直線偏光ビーム（異常光と常光）に分岐する機能を有している。なお、図５において、光軸上に付した直線と●は偏光の振動方向を示している。
【００３６】
ここで、ウォラストンプリズム３３は入射されるレーザビームに対して所定の角度に配置しないと２本のビームに分岐させることはできない。すなわち、ウォラストンプリズム３３を回転させると、ある角度位置では入射されるレーザビームは２本のビームに分岐されるが、他の角度位置では分岐させることができない。
【００３７】
そこで、ウォラストンプリズム３３の前段に、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板３１を設けている。これにより、回転する中空モータ１７に入射するレーザビームは円偏光になる。
【００３８】
以上のような構成によって、ウォラストンプリズム３３を回転させても、どの角度位置においてもレーザビームを２本のレーザビームに分岐することが可能になる。
【００３９】
なお、１／４波長板３１をモータ１９によって回転させることにより、ウォラストンプリズム３３によって分岐された２本のレーザビームのエネルギ比率を変えることができる。
【００４０】
＜ビームエキスパンダ１８＞
ビームエキスパンダ１８は、ウォラストンプリズム３３とｆθレンズ２０との間に配置されている。例えば、倍率（１／Ｍ）のビームエキスパンダ１８を設けることによって、径Ｄのレーザビームがビームエキスパンダ１８に入射すると、ビームエキスパンダ１８からは径Ｄ／Ｍのレーザビームが出射される。また、ビームエキスパンダ１８に分岐角２θで入射した２本のレーザビームは、分岐角２Ｍθで出射される。そして、ｆθレンズ２０の焦点距離をｆとすると、基板上での２本のレーザビームの間隔は２×ｆ×Ｍ×θとなる。このように、ビームエキスパンダ１８の倍率（１／Ｍ）により、２本のレーザビームの間隔を調整することができる。
【００４１】
＜ｆθレンズ＞
ｆθレンズ２０はビームエキスパンダ１８から出射された２本のレーザビームをガラス基板Ｇ上あるいはガラス基板Ｇ中のＺ軸方向の任意の位置に集光させるためのレンズである。
【００４２】
＜レーザビーム照射ヘッドの支持及び搬送系＞
以上のようなレーザビーム照射ヘッド３は、前述のように、ベッド１の門型フレーム１ａに支持されている。より詳細には、図３に示すように、門型フレーム１ａの上面にはＸ軸方向に延びる１対の第３ガイドレール３６が設けられており、この１対の第３ガイドレール３６及び図示しない駆動機構がＸ軸方向移動機構２１を構成している。そして、１対の第３ガイドレール３６には、支持部材３７が移動自在に支持されている。支持部材３７は、第３ガイドレール３６に支持された横支持部材３８と、横支持部材３８のワークテーブル２側の一端から下方に延びる縦支持部材３９と、を有している。縦支持部材３９の側面には、Ｚ軸方向に延びる１対の第４ガイドレール４０が設けられており、この１対の第４ガイドレール４０及び図示しない駆動機構がＺ軸方向移動機構２２を構成している。第４ガイドレール４０には、Ｚ軸方向に移動自在に第３移動テーブル４１が支持されている。
【００４３】
そして、レーザ出力部１５、第１〜第４ミラー２５〜２８、パワーモニタ２９、及びビームエキスパンダ３０が、横支持部材３８に支持されている。また、１／４波長板３１、ウォラストンプリズム３３を含む中空モータ１７、間隔調整用ビームエキスパンダ１８、及びｆθレンズ２０が、第３移動テーブル４１に支持されている。
【００４４】
［動作］
ガラス基板に加工を行う場合は、まず、ワークテーブル２の表面に複数のブロック６を設置する。このとき、複数のブロック６は、図２に示すように、ガラス基板Ｇの加工ラインＬを避けるように配置する。以上のようにして設置された複数のブロック６上に、加工すべきガラス基板Ｇを載置する。
【００４５】
次に、Ｘ軸方向移動機構２１によってレーザビーム照射ヘッド３をＸ軸方向に移動し、またテーブル移動機構５によってワークテーブル２をＹ軸方向に移動し、レーザビーム照射ヘッド３によるレーザビームの集光点が加工ラインＬのスタート位置にくるように位置させる。
【００４６】
以上のようにしてレーザビーム照射ヘッド３及びガラス基板Ｇを加工位置に移動させた後、レーザビームをガラス基板Ｇに照射して加工を行う。ここでは、レーザビーム出力部１５から出射されたレーザビームは、第１ミラー２５によって反射されて第２ミラー２６に導かれる。なお、第１ミラー２５に入射したレーザビームはパワーモニタ２９によってレーザ出力が計測される。第２ミラー２６に入射したレーザビームはＹ軸方向に反射され、ビームエキスパンダ３０によって光束が拡げられて第３ミラー２７に導かれる。そして、第３ミラー２７で反射されたレーザビームは、さらに第４ミラー２８で反射され、１／４波長板３１に入力される。１／４波長板３１からは円偏光に変換されたレーザビームが出力される。
【００４７】
この円偏光に変換されたレーザビームは中空モータ１７の内部に設けられたウォラストンプリズム３３に入力される。このウォラストンプリズム３３を通過したレーザビームは、分岐角度２θで２本のレーザビームに分岐されて出力される。そして、２本のレーザビームは、前述のように、倍率（１／Ｍ）のビームエキスパンダ１８を通過することによって分岐角２Ｍθで出力される。そして、焦点距離ｆのｆθレンズ２０によって、基板上において間隔が２×ｆ×Ｍ×θの２本のレーザビームが照射される。
【００４８】
以上のようにして得られた２本のレーザビームを、加工予定ラインに沿って走査することにより、より短時間でレーザ加工を行うことができる。
【００４９】
［曲線部の加工］
図６に示すように、半径Ｒの曲線に沿って２本のレーザビームを走査する場合は、入射光中心が曲線の内側（破線で示す）に位置するように走査する必要がある。より詳細には、まず、直線部から曲線部に移行する際には、図７（ａ）に示すように、一方のレーザビームの位置Ｐ２を中心とする半径ｒ（２本のレーザビームの間隔）の円と、加工予定ラインの曲線部の軌跡と、の交点に他方のレーザビームの位置Ｐ１がくるように、入射光位置とウォラストンプリズム３３の回転角を決定する。
【００５０】
また、曲線部においては、図７（ｂ）に示すように、入射光中心が２本のレーザビームを結ぶ弦の中心となるようにする。これにより、加工予定ラインに沿って２本のレーザビームを誤差なく走査することができる。
【００５１】
［特徴］
（１）１本のレーザビームを２本のレーザビームに分岐し、それぞれを同じ加工予定ラインに沿って走査するので、加工時間を短縮することができる。また、加工予定ラインが曲線部を含む場合であっても、簡単にかつ誤差なく加工を行うことができる。
【００５２】
（２）ウォラストンプリズム３３によってレーザビームを分岐しているので、ＤＯＥを用いたときのような高次の回折光と０次光の発生がない。したがって、基板へのダメージを抑えることができる。
【００５３】
（３）ビームエキスパンダ１８の倍率を変えることによって、２本のレーザビームの間隔を変えることができる。このため、例えば孔あけ加工において、孔径を変えることができる。
【００５４】
（４）１／４波長板３１を調整することで、２本のレーザビームの集光点におけるエネルギ比率を調整することができる。
【００５５】
［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
【００５６】
（ａ）加工予定ラインが直線部と曲線部を含む場合、２本のレーザビーム間の加工予定ラインの長さは、曲線部の方が長くなる。したがって、２本のレーザビームの間隔を直線部と曲線部とで同じにしたまま走査すると、曲線部では一方のレーザビームで加工されたタイミングから他方のレーザビームで加工されるタイミングまでの加工間隔の時間が長くなる。この加工間隔の時間を直線部と曲線部とで同じにするためには、２本のレーザビームの間隔を、曲線部では狭くなるようにすればよい。
【００５７】
これを実現するためには、ウォラストンプリズム３３とｆθレンズ２０との間に設けられたビームエキスパンダをズームエキスパンダにすればよい。ズームビームエキスパンダを用いることによって、加工間隔の時間を直線部と曲線部とで同じにすることができるだけではなく、孔あけ加工において、加工中に孔径を制御でき、テーパ状の孔を加工することができる。
【００５８】
（ｂ）ビームエキスパンダ１８によってビーム径が（１／Ｍ）倍されると、ｆθレンズ２０による集光ビーム径が基板上（像面）においてＭ倍になる。
【００５９】
これを防止する必要がある場合は、ウォラストンプリズム３３よりレーザ光源側のビームエキスパンダ３０の倍率をＭ倍にすればよい。
【００６０】
（ｃ）ウォラストンプリズム３３の出射側のビームエキスパンダ１８とｆθレンズ２０とを一体のズームレンズで構成してもよい。
【００６１】
（ｄ）集光手段としてｆθレンズを用いたが、集光手段は、レーザビームを集光できるレンズであればよく、ｆθレンズに限定されない。
【００６２】
（ｅ）前記実施形態では、グリーンレーザを用いてガラス基板を加工する装置について説明したが、レーザビーム出力部に他の波長のレーザ光源を用いて他の材質の被加工物を加工してもよく、例えば、ＵＶレーザを用いてサファイヤ基板を加工することとしてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
２  ワークテーブル
３  レーザビーム照射ヘッド
５  テーブル移動機構
１５  レーザビーム出力部
１６  光学系
１７  中空モータ
１８  ビームエキスパンダ
１９  モータ
２０  ｆθレンズ
３１  １／４波長板
３３  ウォラストンプリズム
【図１】
2015123483.tif 000003
【図２】
2015123483.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015123483.tif 000006
【図５】
2015123483.tif 000007
【図６】
2015123483.tif 000008
【図７】
2015123483.tif 000009