(57)【要約】【課題】レーザ加工される被加工対象物の表面の高さの変動に対応して、表面に加工用レーザを結像もしくは集光する光学素子の高さ位置を制御し、常時焦点を合わせる。【解決手段】加工用レーザを被加工対象物５の表面に集光する対物用光学装置６と、被加工対象物５の加工用レーザが照射される部位の高さ位置を測定する高さセンサ１を備える。被加工対象物５の表面の高さ位置の変動に対応して対物用光学装置６を上下に移動し、常時焦点を被加工対象物に合わせる。高さセンサ１は、対物用光学装置６の加工用レーザの移動方向の先側に配置され、加工用レーザが照射される前に高さ位置を測定する。加工用レーザの照射位置が測定位置に達する毎に、測定された高さ位置に対応して対物用光学装置６を移動する。これにより、高さ位置の測定と対物用光学装置６の移動を独立して行え、加工用レーザの移動速度を速くしても、追随して対物用光学装置６を移動できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工用レーザを被加工対象物で結像もしくは集光させるための対物用光学素子を介して前記被加工対象物に前記加工用レーザを照射すると共に、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるために前記対物用光学素子の被加工対象物の加工用レーザが照射される照射位置に対する距離を調整する焦点距離調整手段を有し、被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置を加工用レーザの照射方向とほぼ直交する方向に相対的に移動させることにより被加工対象物に加工用レーザによる加工を施すレーザ加工装置であって、
前記対物用光学素子に対して、前記被加工対象物の前記加工用レーザの照射位置の相対的移動方向の前方となる位置に、前記被加工対象物の加工用レーザの照射方向に沿った位置としての高さ位置を計測する高さ位置測定手段を設け、
前記被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置を相対的に移動しての加工用レーザによる加工に際し、前記対物用光学素子より加工用レーザ照射位置の移動方向の前方にある高さ位置測定手段により、加工用レーザが照射される直前の前記被加工対象物の加工用レーザの照射予定位置の高さ位置を加工用レーザの照射位置の移動に対応して測定し、加工用レーザの照射位置が前記照射予定位置に達する際に、前記高さ測定装置で測定された高さ位置に対して加工用レーザの結像もしくは集光にほぼ最適となる位置に前記対物用光学素子を移動するように前記焦点距離調整手段により前記対物用光学素子の位置を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記加工用レーザの照射位置の移動可能な方向を複数方向とするとともに、前記対物用光学素子の前記加工用レーザの照射位置の移動可能な複数方向のうちの少なくとも２つの方向の前側にそれぞれ高さ位置測定手段を設け、
レーザ加工に際して、加工用レーザの照射位置の相対的移動方向の前側となる高さ位置測定手段により測定された前記高さ位置に基づいて前記対物用光学素子の位置を制御す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】
前記高さ位置測定手段を、前記対物用光学素子を略中心とする円の周方向に沿って移動自在に支持する支持手段を備え、
レーザ加工に際して、前記支持手段により前記高さ位置測定手段を前記対物用光学素子の前記被加工対象物の加工用レーザの照射位置の移動方向の前方側に配置す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４】
前記高さ位置測定手段は、被加工対象物を透過可能な波長の測手用レーザを被加工対象物に照射した際の反射光に基づいて測定用レーザの反射位置までの距離を測定するレーザ反射方式の距離計を備え、
前記被加工対象物の表面および裏面の両方の測定用レーザの反射位置を同時に計測し、
これら２つの反射位置の間となる位置に前記対物用光学素子の焦点が合うように前記対物用光学素子の位置を制御することを特徴とする請求項１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、加工用レーザを対物用光学素子により被加工対象物上に結像または集光させるとともに、加工用レーザの照射位置を被加工対象物に対して相対的に移動させることにより加工を施すレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーザにより被加工対象物に各種加工（材料に溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質）を施すレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、非加工対象物の表面の薄膜に微細加工施し、薄膜のパターニングを可能とする技術の開発も行われている。
このようなレーザ加工装置では、特許文献１に示されるように、非加工対象物に対してレーザを結像もしくは集光する光学素子の高さ位置を所定の高さ位置（非加工対象物との距離）に調整する必要がある。すなわち、光学素子の結像や集光の焦点距離に基づいて、光学素子の高さ位置を調整する必要がある。
【０００３】
また、板状の被加工対象物に対するレーザの照射位置を板状の被加工対象物の面方向に沿って移動した場合に、被加工対象物の表面のうねりや、被加工対象物に対してレーザの照射位置を相対的に移動させた際の高さずれなどにより、前記光学素子と被加工対象物のレーザの照射位置との距離が変化してしまい、被加工対象物に対してレーザを正しく結像もしくは集光できなくなり、これにより加工精度が低下する。
そこで、特許文献１においては、被加工対象物の高さ位置、すなわち、被加工対象物の移動方向に直交し、ほぼレーザの照射方向となる方向に沿った方向の位置の変化を測定し、測定された高さ位置の変化に対応して、光学素子の位置を変化させ、被加工対象物と光学素子との距離をほぼ一定に保つようにしていた。
【０００４】
なお、特許文献１には、従来技術として、レーザ加工する前に、予め、被加工対象物のレーザ加工位置の高さ位置を計測して各加工位置と高さ位置を対応させたマップを作成し、レーザ加工に際し、予めマップに登録された高さ位置のデータに基づいて光学素子の位置を制御する方法が記載されている。また、特許文献１には、被加工対象物のレーザ加工部位が等間隔に配置された複数の平行で等間隔に配置されたライン状となっている場合に、１つのラインにレーザ加工を施す際に１つ先のラインの高さ位置を同時に計測し、レーザ加工を施す際に先に計測されたラインの高さ位置の情報に基づいて光学素子の高さを制御する方法が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９７０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１では、基本的に加工用レーザを照射している位置の高さ位置を計測しているので、リアルタイムで光学素子の高さを測定された高さに対応して変動する必要があり、高速な処理が要求され、高さ測定器や光学素子の高さを調節する機構も高速なものが要求される。
言い換えれば、例えば、加工用レーザに対して被加工対象物を相対的に移動する際の移動速度を速くすることが可能な加工でも、移動速度を早くすると、光学素子の高さを制御する処理が間に合わなくなるので、移動速度が制限されてしまう。
【０００７】
上述のマップを使う処理では、予め高さ位置が測定されているので、光学素子の高さを制御する処理をより高速にすることが可能であるが、予め高さを測定するための時間が必要となり、加工用レーザの移動速度を早くしても高さの測定処理を含む加工処理全体の作業時間は短縮されない。
また、１つのラインのレーザ加工処理を行う先に１つ先のラインの高さ測定を行う場合も、光学素子の高さ制御処理を高速にすることが可能となるが、最初のラインのレーザ加工処理を行う前に、最初のラインの高さ測定を行う分だけ余計に時間がかかり、上述の加工処理全体の作業時間は、マップを使う場合よりは短縮されるが、リアルタイムでの処理より短縮されない可能性がある。また、適用可能な加工部位が複数の互いに平行で等間隔なラインに限定されてしまい、汎用性に欠ける。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、レーザ照射位置よりも僅かに前方の高さ位置を測定し、レーザ照射位置が高さ測定位置に達するまでのタイムラグの間に測定された高さ位置に対応する位置に光学素子を移動させることにより、高速にレーザの照射位置を相対的に移動しても、光学素子の移動を追随させることが可能なレーザ加工装置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】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、加工用レーザを被加工対象物で結像もしくは集光させるための対物用光学素子を介して前記被加工対象物に前記加工用レーザを照射すると共に、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物に合わせるために前記対物用光学素子の被加工対象物の加工用レーザが照射される照射位置に対する距離を調整する焦点距離調整手段を有し、被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置を加工用レーザの照射方向とほぼ直交する方向に相対的に移動させることにより被加工対象物に加工用レーザによる加工を施すレーザ加工装置であって、前記対物用光学素子に対して、前記被加工対象物の前記加工用レーザの照射位置の相対的移動方向の前方となる位置に、前記被加工対象物の加工用レーザの照射方向に沿った位置としての高さ位置を計測する高さ位置測定手段を設け、前記被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置を相対的に移動しての加工用レーザによる加工に際し、前記対物用光学素子より加工用レーザ照射位置の移動方向の前方にある高さ位置測定手段により、加工用レーザが照射される直前の前記被加工対象物の加工用レーザの照射予定位置の高さ位置を加工用レーザの照射位置の移動に対応して測定し、加工用レーザの照射位置が前記照射予定位置に達する際に、前記高さ測定装置で測定された高さ位置に対して加工用レーザの結像もしくは集光にほぼ最適となる位置に前記対物用光学素子を移動するように前記焦点距離調整手段により前記対物用光学素子の位置を制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項１記載の発明においては、高さ位置測定手段が被加工対象物の加工用レーザの照射位置より僅かに前の高さ位置を測定しているので、被加工対象物の加工される各位置においては、先に高さ測定が行われてから僅かなタイムラグを経た後に加工用レーザが照射されることになる。このタイムラグの間に、高さ測定と、高さ測定に基づく対物用光学素子の移動とを行うことができる。すなわち、高さ測定から対物用光学素子の移動までをほぼリアルタイムで行う必要はなく、前記タイムラグの時間を用いて行うことができるので、加工用レーザの被加工対象物に対する相対的移動速度を高速化しても、高さ測定とそれに基づく対物用光学素子の移動が可能となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のレーザ加工装置において、前記加工用レーザの照射位置の移動可能な方向を複数方向とするとともに、前記対物用光学素子の前記加工用レーザの照射位置の移動可能な複数方向のうちの少なくとも２つの方向の前側にそれぞれ高さ位置測定手段を設け、レーザ加工に際して、加工用レーザの照射位置の相対的移動方向の前側となる高さ位置測定手段により測定された前記高さ位置に基づいて前記対物用光学素子の位置を制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、例えば、被加工対象物上の加工用レーザ照射位置の相対的移動方向が複数であっても、各移動方向毎に高さ測定手段を設けることで対応することができる。また、例えば、被加工対象物上で面をレーザ加工するために、ラスタ表現的に、左方向に１ラインだけレーザ加工した後に僅かに前方に移動し、次いで右方向に１ラインだけレーザ加工した後に僅かに前方に移動することを繰り返すような場合には、対物光学素子の移動方向が右、左、前の３方向か、それに後ろを加えた４方向になるが、前後方向の移動時には一瞬レーザを停止した状態となるので、左右に方向に対応して２つの高さ測定手段を設けることで対応することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記高さ位置測定手段を、前記対物用光学素子を略中心とする円の周方向に沿って移動自在に支持する支持手段を備え、レーザ加工に際して、前記支持手段により前記高さ位置測定手段を前記対物用光学素子の前記被加工対象物の加工用レーザの照射位置の移動方向の前方側に配置することを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明においては、被加工対象物に対する加工用レーザの照射位置の相対的移動方向に対応して、高さ測定手段を必ず対物用光学素子の前記相対的移動方向の前側に配置できるので、どの移動方向にも対応できるとともに、移動方向が絶えず変化するようなベクター表現的な移動にも対応することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記高さ位置測定手段は、被加工対象物を透過可能な波長の測手用レーザを被加工対象物に照射した際の反射光に基づいて測定用レーザの反射位置までの距離を測定するレーザ反射方式の距離計を備え、
前記被加工対象物の表面および裏面の両方の測定用レーザの反射位置を同時に計測し、
これら２つの反射位置の間となる位置に前記対物用光学素子の焦点が合うように前記対物用光学素子の位置を制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明によれば、レーザ加工においては、板状もしくはシート状の被加工対象物の内部に加工を施すような処理も可能であるが、この際に、被加工対象物の加工位置の深さを表面からの深さとするのではなく、被加工対象物厚みの１／２や１／１０等のように規定した場合に、被加工対象物の表面のうねりによる高さ位置の変化だけではなく、背面のうねりによる高さ位置の変化も測定する必要がある。
【００１７】
この場合に、被加工対象物がガラス基板等の透明基板や極めて薄く光を透過する基板上の薄膜で、加工用レーザや測定用レーザの一部が透過可能であれば、測定用レーザの反射を用いた高さ測定手段において、被加工対象物の表面と背面との両方で測定用レーザが反射することから、同時に表面と背面との高さ位置を測定して、被加工対象物の厚みを測定し、この厚みと表面の高さ位置とに基づいて、被加工対象物内部のレーザの結像もしくは集光位置を決定し、それに合わせて対物用光学素子を移動するように制御することが可能となる。
また、被加工対象物の表面と裏面とを１つの高さ測定手段で測定可能なので、レーザ加工装置の構造の簡略化とコストダウンを図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のレーザ加工装置によれば、被加工対象物に対してレーザ照射位置を相対的に移動して加工を施す際の、被加工対象物表面のうねりや移動時の誤差に対応して対物用光学素子の位置を制御する際に、より高速なレーザ照射位置の移動に対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るレーザ加工装置３の概略構成を示すものである。
レーザ加工装置３は、高さセンサ１と、Ｘ−Ｙステージ装置４と、図示しないレーザの光源装置と、光源装置から照射されたレーザをＸ−Ｙステージ装置４にセットされた被加工対象物５上で結像もしくは集光させる対物用光学素子としての結像（集光）用レンズを備えた対物用光学装置６と、該対物用光学装置６を上下動自在に支持するとともに上下方向（Ｚ軸上）に位置決めするＺステージ装置７とを備える。
【００２０】
光源装置は、例えば、レーザとして、ＹＡＧレーザ（波長、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍ）、ＣＯ2レーザ（波長、１．０６μｍ）、エキシマレーザ（波長、３０８ｎｍ、２４８ｎｍ）や、その他の気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、液体レーザ、ファイバーレーザ、薄膜ディスクレーザ等の少なくとも何れか１つを用いることできる。すなわち、被加工対象物の種類や、加工の種類に応じて好適なレーザを使用することができる。なお、レーザ加工装置は、溶接・切断・穴あけ・溝掘り・除去・改質や、薄膜のパターニング、シート材の加工等の少なくとも１つに用いられる。たとえば、レーザ加工装置は、フラットパネルディスプレイのガラス基板や樹脂基板（フィルム）等の透明基板における薄膜のパターニングに用いられるものとしてもよい。
なお、レーザによる微細加工における好適なレーザは、１５７ｎｍ〜１２００ｎｍのレーザと、９μｍ〜１１μｍの赤外線レーザとである。
【００２１】
Ｘ−Ｙステージ装置４は、周知のもので、基本的に板状もしくはシート状の被加工対象物５がセットされるステージ４１を有し、このステージ４１をＸ軸方向およびそれに直交するＹ軸方向に移動させるものであり、ステージ４１の移動をコントロール（制御）するＸ−Ｙステージ制御装置を備える。また、Ｘ−Ｙステージ装置４には、ステージ４１を跨ぐように門形状に形成された固定部が設けられ、この固定部に、対物用光学装置６を備えたＺステージ装置７と、高さセンサ１とが固定されている。
【００２２】
そして、対物用光学装置６および高さセンサ１は、ステージ４１をＸ−Ｙステージ装置４における移動可能範囲内で移動させることで、ステージ４１に固定される被加工対象物５の上面全体のいずれの真上でも配置可能となっている。
対物用光学装置６は、上述のようにレーザを被加工対象物５上で結像もしくは集光させる光学素子としてのレンズ（対物レンズ）もしくはレンズ群を備えた周知のものである。
Ｚステージ装置７は、対物用光学装置６をＸ軸方向およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向（加工用レーザの照射方向）に移動させるものであり、このＺ軸方向の移動により対物用光学装置６（レンズ）と被加工対象物５との距離を調整し、結像もしくは集光用レンズによりレーザを被加工対象物５上に結像もしくは集光させる際に焦点を合わせるものである。すなわち、Ｚステージ装置７は、対物用光学素子を備える対物用光学装置６の焦点を被加工対象物５に合わせるための焦点距離調整手段として機能するものである。
【００２３】
したがって、レーザ加工装置３は、レーザを被加工対象物５で結像もしくは集光させるための対物用光学素子（対物用光学装置６）を介して前記被加工対象物５に前記レーザを照射し、かつ、前記対物用光学素子の焦点を被加工対象物５に合わせるための焦点距離調整手段を有するものである。Ｚステージ装置７は、Ｚステージ制御装置７１に制御されて、対物用光学装置６を移動させる。
【００２４】
高さセンサ１（オフアクシス高さセンサ）は、被加工対象物５の上面（レーザ照射面）のＺ軸方向の位置を被接触で計測する周知のものである。ここでは、高さセンサ１として、共焦点測定方式の高さセンサが用いられている。この共焦点測定方式とは、高さセンサ１内の測定用レーザを被加工対象物上に集光させるための対物レンズを例えば音叉により高速に上下動させる構成となっているとともに、被加工対象物の表面で高さセンサが集光した際の発射光を受光する位置（共焦点位置）にピンホールを配置するとともに、ピンホールを通過した反射光を受光する受光素子を配置したものとなっている。
そして、前記対物レンズの焦点が被加工対象物５の表面に合うと、前記受光素子の受光量が大きくなる、すなわち、対物用レンズを上下に始動させた状態では、対物用レンズの位置が被加工対象物５の表面に焦点があったところで、受光素子の受光量にピークが発生する。
【００２５】
この受光量のピークとなる対物用光学素子の位置から対物用光学素子の焦点距離だけ離れた位置が、被加工対象物の測定用レーザの照射された位置となる。すなわち、高さセンサ１により、固定点からの被加工対象物の測定用レーザの照射位置のＺ軸方向に沿った位置を測定可能となる。なお、高さセンサ１として、共焦点測定方式を用いると被加工対象物の表面状態、例えば、表面粗さ、材質、色、傾き等に影響を受けにくく、正確な測定が可能となる。
【００２６】
そして、この実施例では、高さセンサ１は、対物用光学装置６に対してＸ−Ｙステージ装置４による被加工対象物５の移動方向の手前側に配置されている。言い換えると、前記対物用光学素子としての対物用工学装置６に対して、前記被加工対象物の前記加工用レーザの照射位置の相対的移動方向の前方となる位置に、前記被加工対象物の加工用レーザの照射方向に沿った位置としての高さ位置（Ｚ軸方向に沿った位置）を計測する高さ位置測定手段としての高さセンサ１を設けている。
【００２７】
そして、対物用光学装置６を介して被加工対象物５に加工用レーザが照射される位置の高さ位置を加工用レーザが照射される少し前に高さセンサ１が先読みするようになっている。これにより、加工用レーザの照射位置が高さ位置を先読みされる位置に移動するまでに、高さセンサ１で高さ位置を測定するとともに、当該高さ位置に対応して対物用光学装置６の焦点が被加工対象物５の表面に合うようにＺステージ装置７で対物用光学装置６を移動すればよく、加工用レーザの照射位置を被加工対象物５に対して高速で移動しても、対物用光学装置６の焦点を合わせるための移動処理を行う時間を確保でき、対物用光学装置６の焦点合わせを加工用レーザの照射位置の移動に追随させることができる。
【００２８】
ここで、被加工対象物５上における加工用レーザの照射位置の移動方向が１方向ならば、対物用光学素子の前記移動方向の先側（前方側）１つだけ高さセンサ１を設ければ良いことになる。
また、レーザ加工装置３におけるレーザ加工法を考えると、例えば、直線上に切断、溶接、溝掘り、改質等の加工が行われる場合に、１つの方向に沿った移動だけで処理が済む可能性があり、この場合に、高さセンサ１が１つだけでも作業が可能である。
また、このような加工では、互いに平行な方向への加工を繰り返す場合がある。すなわち、複数の平行線上に加工を施す場合や、面に対して加工を施すような場合で、この場合に１つの方向でも往復移動で正逆の２方向が存在することになり、一方向だけで処理を行おうとすると、往復移動における復路側で加工を施せないことになり処理時間が長くなってしまう。
【００２９】
このような場合ように、対物用光学装置６を間に挟むように２つの高さセンサ１を用いるものとしてもよい。例えば、Ｘ軸方向に沿って加工用レーザの照射位置を移動するものとし、図２に示すように、左右２つの高さセンサ１をＸ軸方向に沿って配置し、その中央に対物用光学装置６が配置されるようにしてもよい。
すなわち、加工用レーザの照射位置の移動可能な方向を複数方向とするとともに、前記対物用光学素子としての対物用光学装置６の前記加工用レーザの照射位置の移動可能な複数方向のうちの少なくとも２つの方向の前側にそれぞれ高さ位置測定手段としての高さセンサ１を設けてもよい。
この場合に、レーザ加工に際して、加工用レーザの照射位置の相対的移動方向の前側となる高さセンサ１により測定された前記高さ位置に基づいて前記対物用光学装置６の位置を制御することになる。
【００３０】
さらに、上述のように被加工対象物５上の加工用レーザの照射位置の移動にＸ−Ｙステージ装置４を使用するような場合には、Ｘ軸方向の正逆方向と、Ｙ軸方向の正逆方向とが存在するので、図３に示すように４つの高さセンサ１をそれぞれ９０度異なるように１つの円周上に配置し、その円周の中央となる位置に対物用光学装置６を配置してもよい。
上述のような構成により、例えば、縦横に格子状に加工を施すような場合に好適に用いることができる。
【００３１】
しかし、上述のような構成では、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って加工位置を移動する場合には適用可能であるが、Ｘ軸方向やＹ軸方向に対して斜めとなるような加工処理は困難である。
そこで、図４に示すように、対物用光学装置６の周囲を対物用光学装置６を中心とする円周方向に沿って移動自在に高さセンサ１を配置するものとしてもよい。このような構成とすれば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向を含む全ての方向に沿ったレーザ加工が可能となる。
この場合には、例えば、対物用光学装置６の外周面や、対物用光学装置６が固定されている部分の周囲に対物用光学装置６を中心とする円形状のレールを設け、当該レールを高さセンサ１の支持手段とし、高さセンサ１を該レールに沿って移動自在に該レールに嵌合させるものとする。
【００３２】
すなわち、高さ位置測定手段としての高さセンサ１を、前記対物用光学素子としての対物用光学装置６を略中心とする円の周方向に沿って移動自在に支持する支持手段を備え、レーザ加工に際して、前記支持手段により前記高さ位置測定手段を前記対物用光学装置６の前記被加工対象物５の加工用レーザの照射位置の移動方向の前方側に配置することになる。
【００３３】
次にこのレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を説明する。
ここでは、基本的な加工として、被加工対象物５に対して直線上にレーザ加工を施すものとする。ここで、高さセンサ１が１つだけ固定されている場合には、レーザ加工を施す直線は、対物用光学装置６と高さセンサ１とを結ぶ直線となり、被加工対象物５上のレーザ照射位置の移動方向は、高さセンサ１から対物用光学装置６に向かう方向となる。
【００３４】
また、高さセンサ１が上述のように同一線上に２つある場合には、レーザ加工を施す直線は、２つの高さセンサ１と対物用光学装置６が並んだ方向で、向きは正逆どちらでもよいことになる。
高さセンサ１が４つすなわち、同一線上にそれぞれ配置された２対の高さセンサ１がある場合には、それそれ直交する線上のいずれか一方の線がレーザ加工を施す直線となる。
さらに、高さセンサ１が上述のように移動自在の場合には、線上に対物用光学装置６と高さセンサ１が配置されるようにすれば、どのような方向の直線であっても加工可能である。
【００３５】
そして、高さセンサ１は、必ず加工用レーザの照射位置の移動方向、すなわち、対物用光学装置６の焦点位置の移動方向の先側（前方側）に配置されている必要がある。
そして、レーザ加工に際しては、加工用レーザの照射パターン（ここでは直線）に沿って移動することになるが、先に高さセンサ１が僅かな距離（対物用光学装置の焦点位置から高さセンサ１の焦点位置までの距離）だけ高さ位置を測定した後加工用レーザの照射を開始する。
【００３６】
図５に示すように、加工用レーザの照射を開始した際に、既に、加工用レーザの照射開始位置の高さ位置は高さセンサ１で測定されているので、加工用レーザの照射開始直前に、照射開始位置の高さ位置に基づいて対物用光学装置６の高さ位置をＺステージ装置７により移動する。この際には、例えば、予め基準高さ位置を決めておき、それに対するずれ量を高さセンサ１で高さ位置として測定するようにし、高さ位置の変動に対応して、対物用光学装置６の高さ位置を変動する。
この場合にＺステージ制御装置７１において、高さセンサ１から入力された信号に基づいて対物用光学装置６の高さ位置を制御する。
【００３７】
また、ここでは、加工用レーザの照射位置の移動、すなわち、Ｘ−Ｙステージ装置４による被加工対象物５の移動に基づいて、被加工対象物５上の高さセンサ１の測定位置も移動することになる。そして、予め決められたサンプリングレートとしての移動距離毎に被加工対象物５表面の高さ位置を測定する。すなわち、高さ位置は断続的に測定される。この際の測定位置となる座標（図５では直線上の一次座標として示しているが二次座標で示してもよい）と、対応づけて測定値である高さ位置をＺステージ制御装置７１において記憶する。
この例では、対物用光学装置６の被加工対象物上の焦点位置と、高さセンサ１の被加工対象物上の焦点位置との間に（２つの焦点位置も含めて）６個の高さ位置のサンプリング点が設定されることになる。すなわち、高さセンサ１は、現在対物用光学装置６を介して加工用レーザが照射されている位置から５個先のサンプリング位置の高さを測定した状態となる。加工用レーザの照射位置が移動すると、高さセンサ１の測定位置も移動し、次のサンプリング位置に達した際に次のサンプリング位置の高さ位置が測定される。
【００３８】
そして、Ｚステージ制御装置では、高さセンサ１で高さが測定された座標位置に加工用レーザの照射位置が移動する前、たとえば、１つ手前のサンプリング位置に加工用レーザの照射位置が達した際に、測定された次のサンプリング位置となる座標に対応付けられた高さ位置に対応する対物用光学装置６の位置まで対物用光学装置をＺステージ装置７を用いて移動する。そして、次のサンプリング位置に加工用レーザの照射位置が到達した際には、対物用光学装置６の高さ位置が、先に測定されたそのサンプリング位置における被加工対象物の高さ位置に対応する位置となっている。
すなわち、現在、高さセンサが座標Ｘ６の高さ測定を行っている間に、対物用加工装置は座礁Ｘ２に到達し、この座標Ｘ２において測定された被加工対象物５の高さ位置ｈ２と、次の座標Ｘ３において既に測定された被加工対象物５の高さ位置ｈ３との差の長さだけ、対物用光学装置６をＺステージ制御装置７１の制御に基づいてＺステージ装置７で移動することになる。なお、この際には、被加工対象物のＸ２からＸ３に加工用レーザの照射位置が移動する時間があり、この時間内に対物用光学装置６がＺステージ装置７により移動させられればよいことになる。また、加工用レーザの照射位置がＸ２からＸ３に移動する際に、高さセンサ１の測定位置も、Ｘ６からＸ７に移動し、この際にＸ７の高さ位置ｈ７が測定されることになる。
【００３９】
以上のことから前記被加工対象物５に対する加工用レーザの照射位置を相対的に移動しての加工用レーザによる加工に際し、前記対物用光学装置６より加工用レーザ照射位置の移動方向の前方にある高さセンサ１により、加工用レーザが照射される直前の前記被加工対象物５の加工用レーザの照射予定位置の高さ位置を加工用レーザの照射位置の移動に対応して測定し、加工用レーザの照射位置が前記照射予定位置に達する際に、前記高さセンサ１で測定された高さ位置に対して加工用レーザの結像もしくは集光にほぼ最適となる位置に前記対物用光学装置６を移動するように前記焦点距離調整手段により前記対物用光学装置６の位置を制御することになる。
【００４０】
なお、被加工対象物の高さ位置が、例えば、前の高さ測定位置に対して上に１００μｍ（すなわち、ｈ２とｈ３の差）ずれれば、対物用光学装置６は上に１００μｍ移動し、下に１００μｍずれれば対物用光学装置６が下に１００μｍ移動することになる。
また、Ｚステージ制御装置７１が高さセンサ１からの高さ位置の信号に基づいて、Ｚステージ装置７に対物用光学装置６を移動するための信号を出力することになるが、Ｚステージ制御装置に上述のＸ−Ｙステージ制御装置の機能も含まれるものとして、Ｚステージ装置７による対物用光学装置６の移動速度とのタイミングに合わせてＸ−Ｙステージ装置４による被加工対象物５の移動を制御してもよい。すなわち、レーザ照射位置をＸ２からＸ３に到達するタイミングで、丁度、Ｚステージ装置７１による対物用光学装置６の位置がＸ３における最適な位置に到達するように、Ｚステージ装置７による対物用光学装置６の移動と、Ｘ−Ｙステージ装置による被加工対象物５の移動を同期させるように制御してもよい。
【００４１】
ここで、上述のように高さセンサ１により先に高さ位置が測定され、その後に対物用光学装置６の高さが移動されることから、高さセンサ１による高さ測定と、対物用光学装置６の移動とは、完全に独立して行われることになる。したがって、従来のようにリアルタイムで高さ位置の測定と加工用レーザの照射を行う場合には、高さ位置の測定を行った後に測定された高さ位置に対応して対物用光学装置６を移動することになり、１回の対物用光学装置の移動に高さ測定の時間と対物用光学装置の移動の時間が必要となるのに対して、本発明では既に測定された高さ位置に対応して対物用光学装置６を移動していくことになり、少なくとも高さ位置の測定にかかる時間を無視することができ、それだけ速い応答が可能となり、加工用レーザの照射位置の移動速度を速くすることが可能となる。
また、加工用レーザの照射開始に際しては、被加工対象物５上における対物用光学装置６の焦点位置と、高さセンサ１の焦点位置との距離分だけ、高さセンサ１の測定を行った後に加工用レーザの照射が開始されることになり、前記距離に含まれるサンプリング位置の高さ位置の測定分の時間だけ加工用レーザの開始時間に遅延が生じることになるが、前記距離が僅かであるために、高さセンサ１の測定開始から加工用レーザの照射開始までの遅延時間は極めて僅かなものとなり、遅延時間による加工時間の増加をほとんど無視できるレベルとすることができる。
これらのことから、直線的な加工用レーザによる加工においては、予め高さ位置を測定する時間を極めて短くするとともに、予め高さが測定された位置を順次通過しながら加工用レーザを照射するので、予め測定された高さに基づいて対物用光学装置６を移動して対物用光学装置６の焦点を合わせて加工用レーザを照射した状態にできる。
この際に、既に測定された高さ位置に基づいて対物用光学装置６を移動すればよいので、加工用レーザの被加工対象物５に対する照射位置の移動速度が速くても対応することができる。
以上のことから、加工用レーザの照射位置の移動速度をより速くすることが可能な場合には、加工時間の短縮を図ることが可能となる。言い換えれば、加工用レーザの照射位置の移動速度のボトルネックが、高さセンサ１による高さ位置の測定時間となっている場合に、高さ位置の測定時間を無視することが可能なり、より速い速度で加工用レーザの照射位置を移動することができる。
【００４２】
また、被加工対象物５がガラス基板等の透明基板や基板上の薄膜のように高さセンサ１で用いられる測定用レーザを透過するような物質の場合に、高さセンサでは、被加工対象物の上面と下面で生じる反射光に対して高さ位置を測定可能となる。すなわち、上述の共焦点測定方式の高さセンサにおいて、ポンホールを透過する受光素子は、同じ位置を測定した場合に２つのピークが発生することになり、それぞれのピークにおける高さセンサ１の対物用光学素子の位置を測定することで、被加工対象物の上面と下面との高さ位置を測定することができる。
【００４３】
ここで、レーザ加工においては、被加工対象物の表面を加工するのではなく、被加工対象物の内部、すなわち、上面と下面との間に対物用光学装置６により加工用レーザを結像もしくは集光して被加工対象物の内部を加工する場合がある。
このような場合に、被加工対象物の表面からの深さで加工用レーザの結像もしくは集光位置を決定することができるが、例えば、被加工対象物の厚みの１／２や、１／１０等の設定を行うものとしてもよい。
そして、上記例において、被加工対象物の上面（表面）と下面（裏面）とを同時に測定し、上面と下面の位置から、被加工対象物の厚さを算出し、対物用光学装置６の結像もしくは集光位置を被加工対象物の厚さの１／２とした場合に、上面の位置に求められた厚さの１／２位置を減算した位置に合わせて対物用光学装置６の位置合わせを行えばよい。
【００４４】
すなわち、レーザ加工装置３の高さセンサ１は、被加工対象物５を透過可能な波長の測手用レーザを被加工対象物に照射した際の反射光に基づいて測定用レーザの反射位置までの距離を測定するレーザ反射方式の距離計として機能し、前記被加工対象物５の表面および裏面の両方の測定用レーザの反射位置を同時に計測し、これら２つの反射位置の間となる位置に前記対物用光学素子の焦点が合うように前記対物用光学素子の位置を制御することになる。
【００４５】
上記例では、レーザ加工用装置として、加工時に、Ｘ−Ｙステージ装置４を用いて被加工対象物５を加工用レーザに対して移動するレーザ加工装置を示したが、その他のレーザ加工装置にも本発明を適用可能であり、例えば、被加工対象物５に対してレーザを移動するレーザ加工装置や、被加工対象物５とレーザの両方を移動可能としたレーザ加工装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を示す概略図である。
【図２】前記レーザ加工装置における対物用光学装置と高さ装置との位置関係を示す概略図である。
【図３】前記レーザ加工装置における対物用光学装置と高さ装置との位置関係を示す概略図である。
【図４】前記レーザ加工装置における対物用光学装置と高さ装置との位置関係を示す概略図である。
【図５】前記レーザ加工装置における対物用光学装置と高さ装置との位置関係と測定および制御を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００４７】
１      高さセンサ（高さ位置測定手段）
３      レーザ加工装置
５      被加工対象物
６      対物用光学装置（対物用光学素子）
７      Ｚステージ装置（焦点距離調整手段）
７１    Ｚステージ制御装置（焦点距離調整手段）
【図１】
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【図２】
2008119718.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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