(57)【要約】【課題】レーザ被照射物に照射されるレーザ光の特性を安定化させることができ、加工精度を安定化させることができる、レーザ照射装置を提供する。【解決手段】このレーザ照射装置は、二次元的に移動可能に設けられレーザ被照射物６が載置されるステージと、レーザ被照射物６に照射されるレーザ光２０を発振するレーザ発振器と、レーザ光２０がレーザ被照射物６へ至るレーザ経路に配置されているレンズ５と、レーザ発振器とレンズ５との間のレーザ経路に配置されておりレーザ光２０の光軸位置を補正する光軸シフト部材２ａと、光軸シフト部材２ａとレンズ５との間のレーザ経路における光軸位置を計測する計測器３と、計測器３によって計測された光軸位置に応じて光軸シフト部材２ａを制御する制御部１４とを備える。【選択図】図２
2008055436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ被照射物が載置され、二次元的に移動可能なステージと、
前記ステージから独立して配置されており、前記レーザ被照射物に照射されるレーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から発振された前記レーザ光が前記レーザ被照射物へ至るレーザ経路に配置されており、前記レーザ光を集光するレンズと、
前記レーザ発振器と前記レンズとの間の前記レーザ経路に配置されており、前記レーザ光の光軸位置を補正する光軸シフト部材と、
前記光軸シフト部材と前記レンズとの間の前記レーザ経路における前記光軸位置を計測する計測器と、
前記ステージの移動に伴って生じる前記レーザ光の前記光軸位置の変化を打ち消すように、前記計測器によって計測された前記光軸位置に応じて前記光軸シフト部材を制御する制御部とを備える、レーザ照射装置。
【請求項２】
前記光軸シフト部材と前記レンズとの間の前記レーザ経路に配置されており、前記レーザ光が前記レンズに入射する角度であるレンズ入射角を調整する偏向器を備える、請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
前記ステージの移動に伴って前記ステージが傾斜するときの、移動前における前記ステージの前記レーザ被照射物が載置される表面から見て移動後における前記ステージの前記表面が形成する、傾斜角度を計測可能なセンサを備え、
前記制御部は、前記センサによって計測されたθの大きさを有する前記傾斜角度に対して、前記偏向器を前記傾斜角度と逆方向にθ／２傾斜させるように制御する、請求項２に記載のレーザ照射装置。
【請求項４】
前記光軸シフト部材は、前記レーザ光が前記偏向器に入射する角度である偏向器入射角を調整可能に設けられており、
前記ステージの移動に伴って前記ステージが傾斜するときの、移動前における前記ステージの前記レーザ被照射物が載置される表面から見て移動後における前記ステージの前記表面が形成する、傾斜角度を計測可能なセンサを備え、
前記制御部は、前記センサによって計測されたθの大きさを有する前記傾斜角度に対して、前記偏向器入射角を前記傾斜角度と同じ方向にθ傾斜させるように前記光軸シフト部材を制御する、請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項５】
前記光軸シフト部材は、平行平板であって、
前記制御部は、前記平行平板の、前記レーザ光が前記平行平板へ入射する面における、直交する２軸回りの回転角を制御する、請求項１から請求項４のいずれかに記載のレーザ照射装置。
【請求項６】
前記光軸シフト部材は、２枚以上のプリズムによって構成され、
前記制御部は、前記プリズムの、前記レーザ光が前記プリズムへ入射する面における、直交する２軸回りの回転角を制御する、請求項１から請求項４のいずれかに記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
前記レンズは回折型のレンズである、請求項１から請求項６のいずれかに記載のレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ照射装置に関し、特に、可動ステージ上に載置された加工対象物にレーザ光を照射し、高精度かつ高効率な加工を行なう、レーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザを利用した加工は、溶接・切断加工、電子部品の微細穴あけ、および液晶・半導体デバイスの作製など、様々な産業分野において種々の用途に広く使用されている。それに伴い、レーザ加工の高効率化、高精度化を目的とした、レーザ照射装置を構成する部品に関する技術が数多く提案されている。
【０００３】
たとえば、基板上のレーザ照射位置が常に一定の範囲内になるようにレーザビームの位置を制御するレーザ加工装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。また、レーザビームの光軸調整のために、レーザビームの位置を検出し、レーザビームの照射位置が所定の位置になるようにミラーを傾斜または移動させるレーザ加工装置が提案されている（たとえば特許文献２参照）。その他、レーザ発振器については、加工効率向上や大型部品の加工を目的として、大出力化が進められている。また、光学システムについては、回折型レンズを用いて加工の高効率化や高精度化を図る技術が提案されている。
【０００４】
図１１は、従来のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。図１１に示すように、このレーザ照射装置は、ステージ７と、レーザ発振器１と、ミラー４と、レンズ５とを備える。ミラー４、レンズ５およびステージ７は、定盤１０によって支持されている構造体に設置されている。定盤１０は、ベース脚１２によって床面１３に固定され、ベース脚１２と定盤１０との間には振動吸収部材１１が設けられている。振動吸収部材１１は、床面１３の振動を吸収し、人間が周りを歩くことなどにより発生する床面１３の振動がステージ７に伝達されないように作用する。一方、レーザ発振器１は、上記構造体から独立して配置されており、床面１３に固定されている。
【０００５】
ステージ７は、直動部材８を介在させて定盤１０の上部に設置されており、直動部材８は直動案内９によって図１１の左右方向に移動可能に設けられている。また、ステージ７は、図示しない他の直動部材および他の直動案内によって、図１１の奥行き方向に移動可能に設けられている。すなわち、ステージ７は、二次元的に移動可能に設けられている。そして、ステージ７の表面には、レーザが照射される加工対象物、すなわちレーザ被照射物６が載置される。レーザ発振器１は、レーザ被照射物６に照射されるレーザ光を発振する。レンズ５は、レーザ発振器１から発振されたレーザ光がレーザ被照射物６へ至るレーザ経路に配置されており、レンズ５へ入射するレーザ光を集光して、レーザ被照射物６へ照射する。
【０００６】
図１１において、直動部材８は定盤１０の中央にあり、この状態を基準位置とする。このとき、定盤１０によって支持されている構造体の重心はＧ０位置にある。ステージ７のレーザ被照射物６が載置される表面に対する、ミラー４の角度は４５°である。直動部材８が基準位置にあるときは、ミラー４の水平面に対する角度は４５°である。そして、レーザ発振器１から発振されたレーザ光は、ミラー４に入射するまでは水平であり、ミラー４によって反射されて９０°曲げられ、レンズ５の中心に垂直に入射する。レンズ５によって集光されたレーザ光は、ステージ７に載置されているレーザ被照射物６へ照射される。
【特許文献１】特許第２５８３０３６号公報
【特許文献２】特開平１１−５８０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザ発振器やレーザ被照射物の大型化と、レーザ加工の高精度化との両立のためには、相反する課題を解決する必要がある。すなわち、レーザ加工においては、一般にレーザ被照射物とレーザ光とを相対的に移動させて位置決めして加工を行なうが、レーザ被照射物の大型化および質量増加により、レーザ被照射物とレーザ光とを相対移動させるための可動ステージも大型化する。そのため、ステージを移動させるとき、ステージを含む構造体の重心位置の変化によって、ステージに揺れや傾きが発生する。
【０００８】
図１２は、ステージが傾斜した状態を示す模式図である。図１３は、ステージの傾斜角度を説明する模式図である。図１２に示すように、図１１で説明したレーザ照射装置において、ステージ７が設置されている直動部材８が定盤１０の中央（基準位置）から移動することにより、定盤１０によって支持されている構造体の重心はＧ０位置からＧ２位置へ移動している。ステージ７を含む上記構造体の重心の変化によって、ステージ７が傾く。すなわち、図１３に示すように、ステージ７が設置されている直動部材８の移動に伴って、直動部材８の移動前におけるステージ７は図１３に破線で示すように略水平であるのに対し、直動部材８の移動後におけるステージ７は、図１３に実線で示すように傾斜している。直動部材８の移動前におけるステージ７のレーザ被照射物６が載置される表面を基準としたときの、直動部材８の移動後におけるステージ７の表面が形成する角度を、ステージ７の傾斜角度とする。θは傾斜角度の大きさを表している。
【０００９】
図１２に示すように、ステージ７の傾斜に伴い、レーザ光がレンズ５に入射する角度が傾く。その結果、レーザ光をレーザ被照射物６に集光させるためのレンズ５の中心に、レーザ光が入射しなくなる。たとえば図１２に示すように、ステージ７が傾斜しているために、レーザ光はレンズ５の中心からδＡだけずれてレンズ５に入射する場合がある。
【００１０】
レンズの中心にレーザ光が入射しなくなる結果、レーザ被照射物に照射されるレーザ光の特性が悪化し、加工精度を低下させる要因となる。特に、回折型レンズを用いる場合には、所望の加工精度を得るために、屈折型のレンズに比べて、レーザ光とレンズ中心との位置決めをより高精度に行なう必要がある。この問題の対策としては、レーザ発振器を加工対象物とともに、ステージを含む構造体に配置すればよいが、レーザ発振器が大型になれば、構造体に配置することが極めて困難となる。
【００１１】
それゆえに、この発明の主たる目的は、ステージを移動させるときのステージを含む構造体の重心位置の変化によって、ステージに揺れや傾きが発生しても、レーザが照射される加工対象物（レーザ被照射物）に照射されるレーザ光の特性を安定化させることができ、加工精度を安定化させることができる、レーザ照射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係るレーザ照射装置は、ステージと、レーザ発振器と、レンズと、光軸シフト部材と、計測器と、制御部とを備える。ステージは、二次元的に移動可能に設けられ、ステージの表面にはレーザが照射される加工対象物、すなわちレーザ被照射物が載置される。レーザ発振器は、ステージから独立して配置されており、レーザ被照射物に照射されるレーザ光を発振する。レンズは、レーザ発振器から発振されたレーザ光がレーザ被照射物へ至るレーザ経路に配置されており、レーザ光を集光する。光軸シフト部材は、レーザ発振器とレンズとの間のレーザ経路に配置されており、レーザ光の光軸位置を補正する。計測器は、光軸シフト部材とレンズとの間のレーザ経路における光軸位置を計測する。制御部は、ステージの移動に伴って生じるレーザ光の光軸位置の変化を打ち消すように、計測器によって計測された光軸位置に応じて光軸シフト部材を制御する。
【００１３】
この場合は、ステージを移動させるときのステージを含む構造体の重心位置の変化によってステージに揺れや傾きが発生し、そのためレーザ光の光軸位置が変化する場合においても、計測器によって光軸位置を計測することができる。ここで光軸とは、レーザ光の中心の軌跡が形成する直線である。そして、計測された光軸位置に応じてレーザ光の光軸位置の変化を補正できるので、レーザ光がレンズ中心に入射されるように調整することができる。したがって、レーザ被照射物に照射されるレーザ光の特性を安定化させることができ、加工精度を安定化させることができる。
【００１４】
好ましくは、レーザ照射装置は、偏向器をさらに備える。偏向器は、光軸シフト部材とレンズとの間のレーザ経路に配置されており、レーザ光がレンズに入射する角度であるレンズ入射角を調整する。
【００１５】
この場合は、レーザ光の光軸位置の変化の補正に加えて、偏向器によってレンズ入射角を調整することができる。したがって、レーザ光がレンズ中心に、かつ、レンズ中心における法線に沿って入射されるように、調整することができる。したがって、レーザ被照射物に照射されるレーザ光の特性をより安定化させることができ、加工精度をより安定化させることができる。
【００１６】
また好ましくは、レーザ照射装置は、傾斜角度を計測可能なセンサをさらに備える。ここで傾斜角度とは、ステージの移動に伴ってステージが傾斜するときの、移動前におけるステージのレーザ被照射物が載置される表面から見て、移動後におけるステージの表面が形成する角度を示す。そして、制御部は、センサによって計測されたθの大きさを有する傾斜角度に対して、ステージを含む構造体に対する偏向器の相対的な角度を傾斜角度の方向と逆方向にθ／２傾斜させるように、偏向器を制御する。
【００１７】
この場合は、センサによって計測された傾斜角度を用いて、偏向器を制御できる。したがって、レーザ光がレンズ中心に、かつ、レンズ中心における法線に沿って入射されるように、より容易に調整することができる。
【００１８】
また好ましくは、光軸シフト部材は、レーザ光が偏向器に入射する角度である偏向器入射角を調整可能に設けられる。そして、制御部は、センサによって計測されたθの大きさを有する傾斜角度に対して、偏向器入射角を傾斜角度の方向と同じ方向にθ傾斜させるように、光軸シフト部材を制御する。
【００１９】
この場合は、センサによって計測された傾斜角度を用いて、光軸シフト部材を制御できる。したがって、レーザ光がレンズ中心に、かつ、レンズ中心における法線に沿って入射されるように、より容易に調整することができる。
【００２０】
また好ましくは、光軸シフト部材は、平行平板である。そして、制御部は、平行平板の、レーザ光が平行平板へ入射する面における、直交する２軸回りの回転角を制御する。
【００２１】
この場合は、ステージの二次元的な移動によるレーザ光の光軸位置の変化に対し、平行平板の直交する２軸周りの回転角を制御することによって、より高精度にレーザ光がレンズ中心に入射されるように調整することができる。ここで、平行平板とは、平行な研磨面を持ち、単一の厚さおよび屈折率を有する、レーザ光が透過可能な透明な部材である。
【００２２】
また好ましくは、光軸シフト部材は、２枚以上のプリズムによって構成される。そして、制御部は、プリズムの、レーザ光がプリズムへ入射する面における、直交する２軸回りの回転角を制御する。
【００２３】
この場合は、ステージの二次元的な移動によるレーザ光の光軸位置の変化に対し、プリズムの直交する２軸周りの回転角を制御することによって、より高精度にレーザ光がレンズ中心に入射されるように調整することができる。
【００２４】
また好ましくは、レンズは回折型のレンズである。この場合は、光軸シフト部材によってレーザ光がレンズ中心に入射されるように調整することができるので、レーザ光とレンズ中心との高精度な位置決めを必要とする回折型のレンズをレーザ照射装置に用いることができる。回折型のレンズをレーザ照射装置に用いることによって、加工の効率化や高精度化を達成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、このレーザ照射装置では、ステージを移動させるときのステージを含む構造体の重心位置の変化によって、ステージに揺れや傾きが発生しても、レーザ被照射物に照射されるレーザ光の特性を安定化させることができ、加工精度を安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、このレーザ照射装置は、ステージ７と、レーザ発振器１と、レンズ５と、光軸シフト部材２と、計測器３とを備える。また、偏向器としてのミラー４をさらに備える。光軸シフト部材２、計測器３、ミラー４、レンズ５およびステージ７は、定盤１０によって支持されている構造体に設置されている。定盤１０は、ベース脚１２によって床面１３に固定され、ベース脚１２と定盤１０との間には振動吸収部材１１が設けられている。振動吸収部材１１は、床面１３の振動を吸収し、人間が周りを歩くことなどにより発生する床面１３の振動がステージ７に伝達されないように作用する。一方、レーザ発振器１は、上記構造体から独立して配置されており、床面１３に固定されている。
【００２８】
ステージ７は、直動部材８を介在させて定盤１０の上部に設置されており、直動部材８は直動案内９によって図１の左右方向に移動可能に設けられている。また、ステージ７は、図示しない他の直動部材および他の直動案内によって、図１の奥行き方向に移動可能に設けられている。すなわち、ステージ７は、二次元的に移動可能に設けられている。そして、ステージ７の表面には、レーザが照射される加工対象物、すなわちレーザ被照射物６が載置される。
【００２９】
レーザ発振器１は、レーザ被照射物６に照射されるレーザ光２０を発振する。レンズ５は、レーザ発振器１から発振されたレーザ光２０がレーザ被照射物６へ至るレーザ経路に配置されており、レンズ５へ入射するレーザ光２０を集光して、レーザ被照射物６へ照射する。光軸シフト部材２は、レーザ発振器１とレンズ５との間のレーザ経路に配置されており、レーザ光２０の光軸位置を補正する。計測器３は、光軸シフト部材２とレンズ５との間のレーザ経路における、レーザ光２０の光軸位置を計測する。ここで、光軸とはレーザ光の中心の軌跡が形成する直線である。また光軸位置とは、定盤１０によって支持されている構造体における定点（たとえば、計測器３の設置位置）から見た、相対的な光軸の位置を示す。
【００３０】
図１において、直動部材８は定盤１０の中央にあり、この状態を基準位置とする。このとき、定盤１０によって支持されている構造体の重心はＧ０位置にある。ステージ７のレーザ被照射物６が載置される表面に対する、ミラー４のレーザ光２０を反射する表面の角度は４５°である。直動部材８が基準位置にあるときは、ミラー４のレーザ光２０を反射する表面の水平面に対する角度は４５°である。そして、レーザ発振器１から発振されたレーザ光２０は、ミラー４に入射するまでは水平であり、ミラー４によって反射され９０°曲げられ、レンズ５の中心に垂直に入射する。よって、レーザ光２０が偏向器としてのミラー４に入射する角度である、偏向器入射角としてのミラー入射角（すなわち、レーザ光２０の光軸と、レーザ光２０がミラー４に入射する点におけるミラー４の法線とがなす角度）は、４５°である。また、レーザ光２０がレンズ５に入射する角度であるレンズ入射角（すなわち、レーザ光２０の光軸と、レーザ光２０がレンズ５に入射する点におけるレンズ５の法線とがなす角度）は、０°である。そして、レンズ５によって集光されたレーザ光２０は、ステージ７に載置されているレーザ被照射物６へ照射される。
【００３１】
図２は、平行平板によってレーザ光の光軸位置を補正する模式図である。図２においては図１２と同様に、直動部材８の移動に伴い、定盤１０によって支持されている構造体の重心はＧ０位置からＧ２位置へ移動している。そのためステージ７は、大きさθ（図１３参照）の傾斜角度を有し、ステージ７に載置されたレーザ被照射物６が傾斜している。ステージ７が傾斜した状態で、レーザ光の光軸位置を補正しない場合、レンズ５に入射するレーザ光２１は、図１２を用いて説明した通り、レンズ５の中心からδＡだけ光軸位置が変化することになる。そこで、光軸シフト部材としての平行平板２ａを用いて、レーザ光２０の光軸位置を補正することによって、レーザ光２０をレンズ５の中心に入射することが可能となる。
【００３２】
図３は、平行平板を用いて光軸位置を補正する原理を説明する模式図である。図３に示すように、レーザ光２０が平行平板２ａを透過するとき、レーザ光２０の屈折によって、レーザ光２０は、光軸位置を補正しない場合のレーザ光２１に対し、δＢだけ光軸位置が補正される。
【００３３】
ここで、大気の屈折率ｎ１、平行平板２ａの屈折率ｎ２、平行平板２ａに入射するレーザ光２０と平行平板２ａの法線とが成す角度（入射角）ψ１、平行平板２ａ内のレーザ光２０と平行平板２ａの法線とが成す角度（屈折角）ψ２とすると、スネルの法則より、以下の関係式が成立する。
【００３４】
ｎ１sinψ1＝ｎ２sinψ2
よって、平行平板２ａの厚さｄとすると、光軸位置の補正量δＢは、以下の式（Ａ）により、入射角ψ1の関数として表わされる。
δＢ＝(ｄ/cosψ2)・sin(ψ1−ψ2)
＝ｄ[sinψ1−(ｎ１/ｎ２)(sinψ1cosψ1)/√{１−(ｎ１sinψ1/ｎ２)２}]・・・（Ａ）
図２に示すように、レーザ光２０の光軸位置の補正量δＢは、計測器３によって計測することができる。計測された補正量δＢは、制御部１４に伝えられ、平行平板２ａの制御に用いられる。平行平板２ａの傾斜を制御することによって、入射角ψ１を制御することができるので、式（Ａ）より、光軸位置の補正量δＢを制御することができる。
【００３５】
そして、光軸位置の補正量δＢが、補正を行なわなかった場合のレーザ光２１がレンズ５に入射するときのレンズ５の中心からの光軸位置の変化量δＡと等しくなるように、平行平板２ａを制御する。具体的には、計測器３によってδＢを計測しながら平行平板２ａを制御することによって、レーザ光２０をレンズ５の中心に入射させるように制御することができる。このとき、レーザ光２０は、レンズ５の中心において大きさθのレンズ入射角を有して、レンズ５へ入射することになる。たとえば、ステージの傾斜角度の大きさθ＝２°のとき、図２に示すように、レンズ入射角は２°であり、レーザ光２０の光軸とレンズ５の表面とがなす角度は８８°である。しかしながら、レンズ入射角が０．５７°（約１０ｍｒａｄ）以下である場合には、レーザ光２０がレンズ５の中心に入射するように制御できれば、レーザ光２０がレンズ５の中心における法線に対して傾斜して（つまり０°でないレンズ入射角を有して）レンズ５へ入射したとしても、レーザ被照射物６の加工精度には大きな影響を与えないものと考えられる。したがって、レーザ光２０がレンズ５の中心に入射されるように平行平板２ａを調整することによって、レーザ被照射物６に照射されるレーザ光２０の特性を安定化させることができ、レーザ被照射物６の加工精度を安定化させることができる。
【００３６】
なお、ステージ７は二次元的に移動可能であるため、補正を行なわなかった場合のレーザ光２１がレンズ５に入射するときのレンズ５の中心からの光軸位置の変化も二次元的に発生する。すなわち、図２に示す図の左右方向の光軸位置の変化量δＡだけでなく、図の奥行き方向にも光軸位置の変化が発生する。このような二次元的な光軸位置の変化を適切に補正するために、光軸シフト部材としての平行平板２ａは、レーザ光２０が平行平板２ａへ入射する面における、直交する２軸回りの回転角を制御可能であるように構成され、制御部１４によって制御される。
【００３７】
図１４は、平行平板２ａのレーザ光２０が入射する面における、直交する２軸を示す模式図である。図１４に示すように、平行平板２ａと水平面との交線を水平軸３０とし、レーザ光２０が平行平板２ａへ入射する面における水平軸３０と直交する線を直交軸３１とすれば、水平軸３０と直交軸３１とは直交する２軸となる。そして、水平軸３０を回転軸とする平行平板２ａの回転角と、直交軸３１を回転軸とする平行平板２ａの回転角とを制御可能として、平行平板２ａを構成することができる。たとえば、円柱形状を有し軸回りに回動可能な一の回動部材を水平軸３０に沿って配置し、一の回動部材を平行平板２ａに接続し、円柱形状を有し軸回りに回動可能な他の回動部材を直交軸３１に沿って配置し、他の回動部材を一の回動部材に接続する構成とすることができる。これにより、ステージ７の二次元的な移動によるレーザ光２０の二次元的な光軸位置の変化に対しても、より高精度にレーザ光２０がレンズ５の中心に入射されるように、平行平板２ａを調整することができる。
【００３８】
また、レンズ５として、回折型のレンズを使用することができる。回折型のレンズは、光の回折現象を使って光を曲げることによって集光するレンズである。すなわち、光の回折現象を使って、光の波を重ねたり、打ち消したりすることで、光が伝わる方向を変えることができ、これを利用したのが回折型のレンズである。
【００３９】
図１０は、回折型のレンズの構成を示す模式図である。図１０において、（ａ）は回折型のレンズの模式的な断面図を、（ｂ）は回折型のレンズの模式的な平面図をそれぞれ示す。図１０（ａ）に示すように、回折型のレンズ５ａの表面は、透過型の回折格子のように形成される。また図１０（ｂ）に示すように、回折型のレンズ５ａの表面には、同心円状の模様が見られる。回折型のレンズは、回折格子の格子間隔を変えることによって光の進む方向を変えることができるので、格子間隔の調整により、非球面レンズと同様の働きをするレンズとすることができる。
【００４０】
回折型のレンズを用いる場合には、所望の加工精度を得るためにはレーザ光とレンズ中心との位置決めを高精度に行なう必要がある。実施の形態１のレーザ照射装置では、光軸シフト部材としての平行平板２ａの制御によってレーザ光２０がレンズ５の中心に入射されるように調整することができるので、回折型のレンズ５ａを用いることができる。回折型のレンズ５ａをレーザ照射装置に用いることによって、加工の効率化や高精度化を達成することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。実施の形態２のレーザ照射装置と、上述した実施の形態１のレーザ照射装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態２では、光軸シフト部材が図４に示すような構成となっている点で実施の形態１とは異なっている。
【００４２】
具体的には、図４に示すように、光軸シフト部材２は、２枚のプリズム２ｂによって構成されている。すなわち、レーザ光２０は、平行でない所定の角度で構成された研磨面を複数持つ透明体であるプリズム２ｂを透過するとき、光軸位置を補正されて、ミラー４へ至る。２枚のプリズム２ｂの傾斜は、制御部１４によって制御される。
【００４３】
図５は、２枚のプリズムを用いて光軸位置を補正する原理を説明する模式図である。図５に示すように、２枚のプリズム２ｂは、一方のプリズムの薄い側の縁と他方のプリズムの厚い側の縁とが互いに近接するように、平行に配置されている。レーザ発振器１から発振されたレーザ光２０は、一枚目のプリズムを透過するときに屈折する。そのため、一枚目のプリズムを透過した後のレーザ光２０は、一枚目のプリズムに入射する前のレーザ光２０と平行でなく、ある角度を有している。その後レーザ光２０は、二枚目のプリズムに入射し、二枚目のプリズムを透過するときに屈折する。その結果、二枚目のプリズムを透過した後のレーザ光２０は、一枚目のプリズムに入射する前のレーザ光２０と平行となる。二枚目のプリズムを透過した後のレーザ光２０と、補正されない場合のレーザ光２１との間の距離δＢが、レーザ光２０の光軸位置の補正量となる。δＢは、プリズム２ｂへのレーザ光２０の入射角によって決定される。すなわち、２枚のプリズム２ｂの傾斜を制御することによって、光軸位置の補正量δＢを制御することができる。
【００４４】
なお、２枚のプリズム２ｂとしては、同一のプリズム屈折力を有するプリズムが用いられるのが好ましい。同一の材質および形状を有するプリズムであれば、より好ましい。プリズム２ｂの形状については、たとえば三角プリズムや、ウェッジプリズムなどを用いることができる。
【００４５】
実施の形態１における光軸シフト部材としての平行平板２ａと同様に、プリズム２ｂは、レーザ光２０がプリズム２ｂへ入射する面における、直交する２軸回りの回転角を制御可能であるように構成され、制御部１４によって制御されるものとすれば、レンズ５の中心からの二次元的なレーザ光２０の光軸位置の変化を適切に補正することができる。したがって、より高精度にレーザ光２０がレンズ５の中心に入射されるように調整することができる。
【００４６】
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。実施の形態３のレーザ照射装置と、上述した実施の形態１のレーザ照射装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態３では、ミラーが図６に示すような構成となっている点で実施の形態１とは異なっている。
【００４７】
具体的には、図６に示すように、偏向器としてのミラー４は、光軸シフト部材としての平行平板２ａとレンズ５との間のレーザ経路に配置されており、レーザ光２０がレンズ５に入射する角度であるレンズ入射角を調整可能に設けられている。すなわち、実施の形態３のミラー４は、制御部１４によって、ミラー４の傾斜の制御が可能なように、設けられている。ミラー４の制御によって、レーザ光２０の光軸位置の変化の補正に加えて、レンズ入射角を調整することができる。たとえばミラー４として、ガルバノミラー、ピエゾミラー偏向器などを用いることができる。
【００４８】
図７は、図６の領域ＶＩＩ付近を拡大して示す模式図である。図７に示すように、平行平板２ａによってδＣの距離の光軸位置の変化の補正をされたレーザ光２０は、ミラー４における反射によって偏向される。実施の形態１で説明したように、ミラー４が定盤１０に支持されている構造体に固定されていれば、ステージ７の傾斜（すなわちレーザ被照射物６の傾斜）のために、レーザ光２０がレンズ５の中心における法線に対して傾斜して、つまり０°でないレンズ入射角を有して、レンズ５へ入射することになる。一方、実施の形態３のミラー４は、レンズ入射角を調整可能に設けられる。したがって、レーザ被照射物６が傾斜している場合でも、平行平板２ａによる光軸位置の変化の補正、およびミラー４によるレンズ入射角の調整（図７における、破線で示される位置から実線で示される位置へのミラー４の移動）によって、レーザ光２０がレンズ５の中心に、かつ、レンズ５の中心における法線に沿って（つまりレンズ入射角を０°として）入射されるように調整することができる。したがって、レーザ被照射物６に照射されるレーザ光２０の特性をより安定化させることができ、加工精度をより安定化させることができる。
【００４９】
また、レーザ照射装置は、傾斜角度を計測可能なセンサを備えている場合は、センサによって計測された傾斜角度の大きさθを用いて、レンズ入射角を制御できる。ここで傾斜角度とは、ステージ７の移動に伴ってステージ７が傾斜するときの、移動前におけるステージ７のレーザ被照射物６が載置される表面から見て、移動後におけるステージ７の表面が形成する角度を示す。偏向器としてのミラー４は、センサによって計測されたθの大きさを有する傾斜角度に対して、ミラー４の定盤１０に支持されている構造体に対する相対的な角度を傾斜角度の方向と逆方向にθ／２傾斜させるように、制御部１４によって制御されれば、レーザ光２０がレンズ５の中心における法線に沿って入射されるように調整することができる。
【００５０】
たとえば、図６に示すように、傾斜角度の大きさθが２°であって、補正されない場合のレーザ光２１の軌跡とレンズ５の表面とがなす角度が９２°（つまり、レンズ入射角が２°）である場合には、ミラー４を−１°（＝−２°／２）傾斜させるように制御すれば、レーザ光２０がレンズ５の中心における法線に沿って（つまり、レンズ入射角を０°として）入射されるように調整することができる。なお、図６においてステージ７（レーザ被照射物６）の傾斜方向である時計回り方向を正方向とし、ステージ７の傾斜方向と逆方向である反時計回り方向をマイナス（−）方向とした。したがって、センサによって計測されたθの大きさを有する傾斜角度を用いて、偏向器としてのミラー４を制御することによって、レーザ光２０がレンズ５の中心に、かつ、レンズ５の中心における法線に沿って入射されるように、より容易に調整することができる。
【００５１】
なお、実施の形態１における光軸シフト部材としての平行平板２ａと同様に、ミラー４は、レーザ光２０がミラー４へ入射する面における、直交する２軸回りの回転角を制御可能であるように構成され、制御部１４によって制御されるものとすれば、レンズ５の中心からの二次元的なレーザ光２０の光軸位置の変化を適切に補正することができる。したがって、より高精度にレーザ光２０がレンズ５の中心に入射されるように調整することができる。
【００５２】
（実施の形態４）
図８は、実施の形態４のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。実施の形態４のレーザ照射装置と、上述した実施の形態２のレーザ照射装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態４では、プリズム２ｂが図８に示すような構成となっている点で実施の形態２とは異なっている。
【００５３】
具体的には、図８に示すように、光軸シフト部材２を構成する２枚のプリズム２ｂは、各々の傾斜を、制御部１４によって独立に制御可能に設けられている。２枚のプリズム２ｂ各々の傾斜を独立に制御することによって、レーザ光２０が偏向器としてのミラー４に入射する角度である、偏向器入射角としてのミラー入射角を調整する。ミラー入射角の調整によって、レーザ光２０がレンズ５に入射する角度であるレンズ入射角を調整可能とすることができる。すなわち、プリズム２ｂの制御によって、レーザ光２０の光軸位置の変化の補正に加えて、レンズ入射角を調整することができる。
【００５４】
図９は、図８の領域ＩＸ付近を拡大して示す模式図である。図９に示すように、定盤１０に支持されている、ステージ７を含む構造体の傾斜に伴ってミラー４が傾斜しているために、光軸位置を補正しない場合のレーザ光２１は、直動部材８が基準位置にあるときにレーザ光２０がミラー４へ入射する位置、たとえばミラーの中心４ａから外れた点において、ミラー４へ入射している。一方、プリズム２ｂを透過するときに光軸位置の変化および光軸の角度を補正されたレーザ光２０は、ミラーの中心４ａにおいて、ミラー４へ入射している。レーザ光２０がミラーの中心４ａに入射していることは、計測器３によって確認することができる。
【００５５】
レーザ照射装置が傾斜角度を計測可能なセンサを備えている場合は、実施の形態３と同様に、センサによって計測された傾斜角度の大きさθを用いて、レンズ入射角を制御できる。２枚のプリズム２ｂが、センサによって計測されたθの大きさを有する傾斜角度に対して、ミラー入射角を傾斜角度の方向と同じ方向にθ傾斜させるように、制御部１４によって制御されれば、レーザ光２０がレンズ５の中心における法線に沿ってレンズ５へ入射されるように、調整することができる。
【００５６】
たとえば、図８に示すように、傾斜角度の大きさθが２°であって、補正されない場合のレーザ光２１の軌跡とレンズ５の表面とがなす角度が９２°（つまり、レンズ入射角が２°）である場合には、ミラー入射角を２°傾斜させるように２枚のプリズム２ｂを制御すれば、レーザ光２０がレンズ５の中心における法線に沿って（つまり、レンズ入射角を０°として）入射されるように調整することができる。なお、図８においてステージ７（レーザ被照射物６）の傾斜方向である時計回り方向の傾斜角度を正方向とした。したがって、センサによって計測されたθの大きさを有する傾斜角度を用いて、光軸シフト部材としての２枚のプリズム２ｂを制御することによって、レーザ光２０がレンズ５の中心に、かつ、レンズ５の中心における法線に沿って入射されるように、より容易に調整することができる。
【００５７】
なお、実施の形態１から実施の形態４の説明においては、レーザ光２０は偏向器としてのミラー４によって反射され略９０°曲げられる例を述べているが、偏向器として、たとえば直角プリズム、五角プリズム、アミシプリズムなどの、光をたとえば直角に曲げることのできるプリズムを用いることができる。また、レーザ発振器１を、たとえばステージを含む構造体に設置するなどにより、レーザ被照射物の上部に配置することができれば、レーザ光を直角に曲げるための偏向器を不要とできる。但し、大型のレーザ発振器を構造体に配置することは極めて困難であるため、大型のレーザ発振器を使用する場合には、上記実施の形態において説明した、レーザ発振器を床面に固定し、レーザ光をミラー４などの偏向器によって直角に曲げる構造が有利である。
【００５８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上述した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
この発明のレーザ照射装置は、高精度かつ高効率な加工を行なうことを目的とした大型のレーザ照射装置に、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明の実施の形態１のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。
【図２】平行平板によってレーザ光の光軸位置を補正する模式図である。
【図３】平行平板を用いて光軸位置を補正する原理を説明する模式図である。
【図４】実施の形態２のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。
【図５】２枚のプリズムを用いて光軸位置を補正する原理を説明する模式図である。
【図６】実施の形態３のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。
【図７】図６の領域ＶＩＩ付近を拡大して示す模式図である。
【図８】実施の形態４のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。
【図９】図８の領域ＩＸ付近を拡大して示す模式図である。
【図１０】回折型のレンズの構成を示す模式図である。
【図１１】従来のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。
【図１２】ステージが傾斜した状態を示す模式図である。
【図１３】ステージの傾斜角度を説明する模式図である。
【図１４】平行平板のレーザ光が入射する面における、直交する２軸を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  レーザ発振器、２  光軸シフト部材、２ａ  平行平板、２ｂ  プリズム、３  計測器、４  ミラー、４ａ  ミラーの中心、５  レンズ、５ａ  回折型のレンズ、６  レーザ被照射物、７  ステージ、８  直動部材、９  直動案内、１０  定盤、１１  振動吸収部材、１２  ベース脚、１３  床面、１４  制御部、２０  レーザ光、２１  光軸位置を補正しない場合のレーザ光、３０  水平軸、３１  直交軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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