(57)【要約】【課題】アパーチャーマスクの損傷を防止しつつ、光強度を過度に低下させることなく光ファイバから出射される光をアパーチャーマスクに入射させることができる光加工装置を提供する。【解決手段】ＹＡＧレーザ装置１と、ＹＡＧレーザ装置１から発した光を伝送する光ファイバ７と、光ファイバ７から出射した光を部分的に遮光するアパーチャーマスク６４と、アパーチャーマスク６４の開口６４ａを通過した光を集光してワークＷ上に結像する結像光学系６６とを備えた光加工装置において、アパーチャーマスク６４を光ファイバ７の光出射端７２から離して配置し、光ファイバ７から出射してアパーチャーマスク６４に入射しようとする光の発散を抑制する広がり補正光学系６３を設ける。【選択図】　図１
2004114068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源から発した光を伝送する光ファイバと、該光ファイバから出射した光を部分的に遮光するアパーチャーマスクと、該アパーチャーマスクの開口を通過した光を集光して加工対象物上に結像する結像手段とを備えた光加工装置において、
該アパーチャーマスクを該光ファイバの光出射端から離して配置し、
該光ファイバから出射して該アパーチャーマスクに入射しようとする光の発散を抑制する光発散抑制手段を設けたことを特徴とする光加工装置。
【請求項２】
請求項１の光加工装置において、
上記アパーチャーマスクの開口の縁で回折して上記結像手段に入射しようとする回折光を遮る回折光遮蔽手段を設けたことを特徴とする光加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アパーチャーマスクを通過した光を集光して加工対象物上に結像することにより加工対象物を加工する光加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の光加工装置として、光源としてレーザから発したステップインデックス型のレーザ光を光ファイバでガイドし、光ファイバの光出射端に接するように取り付けたアパーチャーマスクを通過した光を集光して加工対象物上に所定の倍率で結像するものが知られている。この光加工装置では、アパーチャーマスクの開口形状に対応した加工パターンで加工対象物を加工することができる。また、ステップインデックス型のレーザ光を通した光を用いているので、光ファイバから出射した光の進行方向と直交する断面でのエネルギー分布が均一になる。したがって、アパーチャーマスクの開口形状に対応した加工パターンを均一に加工できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の光加工装置で用いる光ファイバから出射される光は、レーザーから直接出射されるレーザビームとは異なり広い発散角で発散し、光ファイバの光出射端から離れるにつれて光強度が急激に低下していく。そのため、アパーチャーマスクを光ファイバの光出射端に接するように取り付け、光ファイバから出射される光を、その光強度を低下させることなくアパーチャーマスクに入射させるようにしている。ところが、アパーチャーマスクを光ファイバの光出射端に取り付けると、光ファイバから出射される光でアパーチャーマスクが損傷を受けるおそれがあるという問題点があった。
【０００４】
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、アパーチャーマスクの損傷を防止しつつ、光強度を過度に低下させることなく光ファイバから出射される光をアパーチャーマスクに入射させることができる光加工装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光源と、該光源から発した光を伝送する光ファイバと、該光ファイバから出射した光を部分的に遮光するアパーチャーマスクと、該アパーチャーマスクの開口を通過した光を集光して加工対象物上に結像する結像手段とを備えた光加工装置において、該アパーチャーマスクを該光ファイバの光出射端から離して配置し、該光ファイバから出射して該アパーチャーマスクに入射しようとする光の発散を抑制する光発散抑制手段を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の光加工装置において、上記アパーチャーマスクの開口の縁で回折して上記結像手段に入射しようとする回折光を遮る回折光遮手段を設けたことを特徴とするものである。
請求項１の光加工装置では、アパーチャーマスクを光ファイバの光出射端から離して配置することにより、光ファイバの光出射端から出射した直後の光強度の強い光がアパーチャーマスクに当たらないようにする。そして、光ファイバから出射してアパーチャーマスクに入射しようとする光の発散を光発散抑制手段で抑制することにより、アパーチャーマスクに入射する光の強度を過度に低下させないようにする。
請求項２の光加工装置では、アパーチャーマスクの開口の縁で回折して結像手段に入射しようとする回折光を回折光遮蔽手段で遮ることにより、加工対象物上の加工パターンの周辺部に上記回折光が照射されないようにする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、固体レーザであるＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザを用いた光加工装置であるレーザ加工装置に適用した一実施形態について説明する。以下、ガラス板等からなる基体上にＩＴＯ（インジウム酸化スズ）からなる透明導電層を形成した加工対象物であるワークＷに対し、レーザ加工装置を用いて部分的にＩＴＯをガラスから除去して透明電極パターンを形成する場合について説明する。この透明電極パターンが形成されたガラス板は、ＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、タッチパネルなどに用いられる。
【０００７】
図２は、本実施形態に係るレーザ加工装置全体の概略構成図である。このレーザ加工装置は、ＹＡＧレーザ装置１、ワーク保持装置２、ワーク移載装置３、ＸＹテーブル４、制御手段を構成するメインコントローラ５、加工ヘッド装置６、ステップインデックス型の光ファイバ７から主に構成されている。上記ＸＹテーブル４は、ワークＷに対するレーザ光照射ポイントとワークＷとを相対移動させる相対移動手段として用いている。
【０００８】
図３は、上記ＹＡＧレーザ装置１を示す概略構成図である。ＹＡＧレーザ装置１は、光源であるＹＡＧレーザ発振器１０と、ＹＡＧレーザ発振器１０から発したレーザ光を光ファイバ７の光入射端に案内するレーザ光入射ガイド部１１とから構成されている。
ＹＡＧレーザ発振器１０は、適量のＮｄ（ネオジウム）が添加されたＹＡＧの棒状結晶体であるレーザロッド及びこれの励起用のランプを内蔵するレーザチャンバ１２と、これから発せられる誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置されたフロントミラー１３及びリアミラー１４を備えている。また、リアミラー１４とレーザチャンバ１２との間には、シャッタ１５及びＱスイッチ１６が取り付けられている。フロントミラー１３は、一部の光の透過が可能な反射率を有するミラーであり、レーザチャンバ１２の光路にその鏡面の中心を正対せしめて取り付けてある。リアミラー１４は、実質的な全反射が可能な鏡面を有しており、フロントミラー１３と対向するように取り付けてある。シャッタ１５は、レーザチャンバ１２の光路を遮断するものである。Ｑスイッチ１６は、フロントミラー１３とリアミラー１４との間での共振器のＱ値を瞬間的に高め、高出力のレーザパルスを取り出すものである。加工条件によっては、このＱスイッチ１６を用いなくてもよい。
なお、上記ＹＡＧレーザ発振器１０の構成は一例であって、これに限られるものではない。他の構成としては、例えばＬＤ励起を用いたものがある。
【０００９】
レーザ光入射ガイド部１１は、レーザビームエキスパンダ１７及び集光レンズ１８を備えている。ＹＡＧレーザ発振器１０から出射されたレーザ光は、レーザビームエキスパンダ１７によってそのビーム径が拡大された後、集光レンズ１８により、ステップインデックス型の光ファイバ７の光入射端７１（コア部端面）に案内される。光ファイバ７の光出射端（コア部端面）から出射するレーザ光は、後述する加工ヘッド装置６を通ってそれぞれＸＹテーブル４上のワークＷに対して照射される。
【００１０】
上記ステップインデックス型の光ファイバ７は、軸芯部のコアがその外周部のクラッド層よりも屈折率が大きく、そのコアとクラッド層との境界で屈折率がステップ上に変化しているものである。このステップインデックス型の光ファイバ７のコアにレーザ光を絞って入射すると、レーザ光の互いに異なる角度で入射した複数の光成分がコアとクラッド層との境界で多重に反射されながらコア内を伝送される。このようにレーザ光の複数の光成分が光ファイバ７のコア内で多重に反射されながら伝送されることにより、光ファイバ７の光出射端から出射したレーザ光の断面におけるエネルギー密度は均一になっている。
【００１１】
なお、本実施形態では、１つのＹＡＧレーザ発振器１０から出射される１本のレーザ光を用いて加工する構成を採用しているが、複数のレーザ光をワークに照射して加工するように構成してもよい。例えば、１つのＹＡＧレーザ発振器１０から出射されるレーザ光を複数に分割して複数の光ファイバ及び加工ヘッド装置を介してワークＷに照射するように構成してもよい。また、複数のＹＡＧレーザ発振器のそれぞれから出射される複数のレーザ光をワークＷに照射するように構成してもよい。
【００１２】
図４は、ワーク保持装置２を図２中の上側から見た平面図である。このワーク保持装置２は、ワークＷをワーク台２０に保持し、加工中に位置がズレないようにする役割を果たすものである。図２に示したＸＹテーブル本体４１に固設されたワーク台２０には、一対の固定ガイド２１，２２及び一対の可動ガイド２３，２４が配設されている。これらの固定ガイド２１，２２及び可動ガイド２３，２４はコの字状の形態を成している。そのコの字状の先端部にそれぞれ、円筒面が回動可能なカムフォロア２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂが設けられている。これらのカムフォロアの円筒面がワーク端面に転がり接触するので、ガイドがワークに摺動接触する場合に比べ、位置決め時にワークのスムーズな位置決めが可能となる。そして、ワーク台２０にワークＷがセットされると、可動ガイド２３，２４によってワークＷが固定ガイド２１，２２側に押圧され、ワークＷがワーク台２０に保持される。
【００１３】
上記ワーク移載装置３は、ワーク台２０に対するワークの装着及び取外しを行うものである。図２に示すように、複数の吸着パッド３１でワーク上面を真空吸着しながら搬送するようになっている。
上記ＸＹテーブル４は、ＸＹテーブル本体４１、ＸＹテーブル本体４１を制御するＸＹテーブルコントローラ４２とから主に構成されている。ＸＹテーブル本体４１には、上述したようにワーク保持装置２が配設されている。
上記メインコントローラ５は、本レーザ加工装置全体を制御するものであり、ＹＡＧレーザ装置１、ワーク移載装置３、ＸＹテーブルコントローラ４２、後述する加工ヘッド装置６が接続されている。
【００１４】
図５は、本実施形態におけるＸＹテーブル４の要部の概略構成を示す側面図である。
ＸＹテーブル４は、加工ヘッド装置６に対してワークＷが保持されたワーク台２０をＸ軸方向（図中紙面方向）及びＹ軸方向（図中左右方向）に相対移動させるものである。ワーク台２０は、リニアモータ４３の駆動により、ワークＷを載置した状態でＸ軸方向に移動する。この移動の際、ワーク台２０は、ガイド４４に案内されることで、移動台４５上をＸ軸方向に沿って直線状に移動する。一方、移動台４５も、ワーク台２０と同様に、図示しないリニアモータの駆動によりワーク台２０を載置した状態でＹ軸方向に直線状に移動する。
【００１５】
移動台４５の上面には、リニアスケール４６を保持するスケール保持部４７が固定配置されている。リニアスケール４６の目盛り方向はＸ軸方向に平行である。一方、ワーク台２０の下面には、位置検出センサ４８が取り付けられたセンサ保持部４９が固定されている。位置検出センサ４８は、リニアスケール４６と対向するように配置されている。この位置検出センサ４８としては、例えば反射型光学センサを用いることができ、この場合、リニアスケール４６上の目盛りによってＯＮ／ＯＦＦ信号をＸＹテーブルコントローラ４２に出力する。ＸＹテーブルコントローラ４２は、その信号に基づいてリニアモータ４３の駆動を制御し、加工ヘッド装置６に対してワークＷを相対移動させ、Ｘ軸方向における位置決めを行う。なお、Ｙ軸方向についても同様である。
【００１６】
次に、本発明の特徴部分である加工ヘッド装置６の構成について説明する。
図１（ａ）及び図１（ｂ）はそれぞれ加工ヘッド装置６に設けられる加工ヘッド６０の正面図及び側面図である。加工ヘッド６０は、可動ヘッド部６１と、その可動ヘッド部を直線移動させる移動手段としてのリニア駆動装置６２とから構成されている。
可動ヘッド部６１は、光ファイバ７の先端部を保持するファイバ保持部７０、光発散抑制手段としての広がり補正光学系６３、アパーチャーマスク６４、回折光遮蔽手段としての仕切り板６５、結像手段としての結像光学系６６などから構成されている。アパーチャーマスク６４は、光ファイバ７から出射した光を部分的に遮光してレーザ光の断面形状を所定の形状に整形するものであり、光ファイバ７の光出射端７２から離して配置されている。広がり補正光学系６３は、両面凸状のレンズや片面が平面でもう一方の面が凸状のレンズ等で構成され、光ファイバ７から出射してアパーチャーマスク６４に入射しようとするレーザ光の発散を抑制するものである。また、仕切り板６５は、アパーチャーマスク６４の開口の縁で回折して結像光学系６６に入射しようとする回折光を遮るものである。また、結像光学系６６は、アパーチャーマスク６４の開口を通過したレーザ光を集光してワークＷ上に結像するものである。本実施形態では、結像光学系６６の倍率を１／２に設定しているが、この倍率に限られるものではない。
【００１７】
上記リニア駆動装置６２は、リニアモータ６７、２つのリニアガイド６８、支持台６９から主に構成されている。可動ヘッド部６１は、リニアモータ６７の駆動により、図１（ａ）中横方向（図１（ｂ）中では紙面に対して垂直方向）に移動する。この移動の際、可動ヘッド部６１は、リニアガイド６８に案内されることで支持台６９上を直線状に移動する。本実施形態では、可動ヘッド部６１は、リニアガイド６８に案内される方向にのみ移動可能である。
【００１８】
上記支持台６９上には、上述したＸＹテーブル４と同様の図示しないリニアスケールが固定配置されている。このリニアスケールの目盛り方向は、リニアガイド６８と平行である。一方、支持台６９に対向する可動ヘッド部６１の面上には、上述したＸＹテーブル４と同様の位置検出センサが固定されている。位置検出センサは、リニアスケールと対向するように配置されている。この位置検出センサには、上述したＸＹテーブル４と同様のものを用いることができる。本実施形態では、反射型光学センサを用いている。位置検出センサは、リニアスケール上の目盛りによるＯＮ／ＯＦＦ信号を、リニアモータ６７のモータコントローラに出力する。モータコントローラは、その信号に基づいてリニアモータ６７の駆動を制御し、可動ヘッド部６１を直線移動させ、その移動方向における位置決めを行う。
【００１９】
図６に示すように、上記光ファイバ７の光出射端（コア部端面）７２から出射されたレーザ光Ｌは、広がり補正光学系６３でそのレーザ光の発散が抑制された後、所定形状の開口６４ａが形成されたアパーチャーマスク６４によって所定形状に整形される。アパーチャーマスク６４をレーザ光Ｌが通過するときアパーチャーマスク６４の開口６４ａの縁でレーザ光の回折が発生するが、この回折光Ｌｄは仕切り板６５で遮られる。このように回折光Ｌｄが遮られたレーザ光Ｌは結像光学系６６によって集光され、ＸＹテーブル４上のワークＷ上に結像されるように照射される。このレーザ光Ｌの照射により、アパーチャーマスク６４の開口の形状に対応した加工パターンでワークＷ上のＩＴＯ（インジウム酸化スズ）からなる透明導電層が部分的に除去される。
【００２０】
図７は、正方形の開口６４ａを有するアパーチャーマスク６４を用いてワークＷのＩＴＯ透明電極層をライン状に除去するスリット加工の説明図である。図示のようにワークＷ上で正方形の照射スポットＰが一部重なりながら連続して照射されるように、レーザ光の照射タイミング及びワークＷの移動を制御して加工することにより、ワークＷ上の透明電極層Ｗｏにライン状のスリット１０１を形成できる。
【００２１】
以上、本実施形態によれば、アパーチャーマスク６４を光ファイバ７の光出射端７２から離して配置することにより、光ファイバ７の光出射端７２から出射した直後の光強度の強い光がアパーチャーマスク６４に当たらないようにしている。従って、光ファイバ７から出射したレーザ光によるアパーチャーマスク６４の損傷を防止することができる。
更に、光ファイバ７から出射してアパーチャーマスク６４に入射しようとする光の発散を広がり補正光学系６３で抑制することにより、アパーチャーマスク６４に入射する光の強度を過度に低下させないようにしている。従って、レーザ光Ｌの強度を過度に低下させることなく、光ファイバ７から出射されるレーザ光をアパーチャーマスク６４に入射させることができる。
また、本実施形態によれば、アパーチャーマスク６４の開口６４ａの縁で回折して結像光学系６６に入射しようとする回折光Ｌｄを仕切り板６５で遮ることにより、ワークＷ上の加工パターンの周辺部に上記回折光が照射されないようにしている。従って、上記回折光によって加工パターンの周辺部の透明電極層が除去されてしまう予定外の加工を防止することができる。
【００２２】
なお、上記実施形態では、アパーチャーマスク６４を回転できるようにアパーチャーマスク６４の保持部を構成してもよい。この場合は、図８に示すようにワークＷ上で扇型の照射スポットＰが一部重なりながらリング状に連続して照射されるように、レーザ光の照射タイミング、アパーチャーマスク６４の回転及びワークＷの移動を制御して加工する。これにより、ワークＷ上の透明電極層Ｗｏに円筒状のスリット１０１を形成できる。
【００２３】
また、上記実施形態では、複数の区画のそれぞれに、ワークＷに形成する可能性がある加工パターンを構成する要素形状パターンに対応する形状の開口６４ａを予め形成したアパーチャーマスク６４（図９参照）を用いることもできる。この場合は、アパーチャーマスク６４をレーザ光の進行方向に垂直な面内で移動するようにアパーチャーマスク６４の保持部を構成する。そして、加工データに基づいてアパーチャーマスク６４を移動させることにより、加工パターンに対応した形状の開口を選択してレーザ光の通過領域に臨ませるようにアパーチャーマスク６４をセットすることができる。
また、上記要素形状パターンに対応する光通過パターンを一つずつ形成した複数のアパーチャーマスクを用い、そのアパーチャーマスクを切り換えてレーザ光の通過領域にに臨ませるように構成してもよい。
【００２４】
また、上記実施形態では、加工対象物（ワークＷ）がＩＴＯ透明電極層が形成されたガラス板である場合について説明したが、加工対象物はこれに限られるものではない。本発明は、印刷マスク材に貫通孔からなる加工パターンを形成する場合や、貫通孔ではなく凹部からなる加工パターンを形成する場合にも適用できるものである。
また、本発明は、アパーチャーマスクを通過した光を表面にレジスト膜が形成された加工対象物に照射することにより、加工対象物のレジスト膜の一部を溶剤に対して可溶性あるいは難溶性にする露光パターン（加工パターン）を形成する場合にも適用できるものである。
また、本発明は、アパーチャーマスクを通過した光を加工対象物に照射することにより、加工対象物の表面を部分的に改質（例えば、酸化膜を除去して表面を活性化するように改質）したり、加工対象物上のマーキングしたりする光加工を行う場合にも適用できるものである。
【００２５】
また、上記実施形態では、光源としてＹＡＧレーザを用いているが、本発明は、他の種類の光源を用いて場合にも適用できるものである。例えば、上記光源としては、ＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長：１９３ｎｍ）等の紫外線レーザや、炭酸ガスレーザ（波長：１０．６μｍ）を用いることもできる。また、レーザのほか、水銀ランプやシンクロトロン放射光源（ＳＯＲ光源）等の光源を用いるもできる。なお、上記光ファイバや上記結像光学系などの光学部材は、光源の波長に応じて選択する。例えば、紫外線レーザを用いる場合は紫外用の光ファイバやレンズを用いる。
【００２６】
また、上記実施形態では、所定形状の開口が形成されたアパーチャーマスクを用いた場合について説明したが、本発明は、開口を形成せずに、例えばガラス板などの透明部材に遮光パターンを形成することにより光通過パターンを形成したアパーチャーマスクを用いる場合にも適用できるものである。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１及び２の発明によれば、光ファイバの光出射端から出射した直後の光強度の強い光がアパーチャーマスクに当たらないため、光ファイバから出射した光によるアパーチャーマスクの損傷を防止することができる。しかも、アパーチャーマスクに入射する光の強度を過度に低下させることなく、光ファイバから出射される光をアパーチャーマスクに入射させることができるという効果がある。特に、請求項２の発明によれば、アパーチャーマスクの開口の縁で回折した回折光が、加工対象物上の加工パターンの周辺部に照射されないようにできるので、上記回折光による予定外の加工を防止することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の加工ヘッド装置に設けられる加工ヘッドの正面図。
（ｂ）は同加工ヘッドの側面図。
【図２】同レーザ加工装置の全体の概略構成図。
【図３】同レーザ加工装置のＹＡＧレーザ装置の概略構成図。
【図４】同レーザ加工装置のワーク保持装置の平面図。
【図５】同レーザ加工装置のＸＹテーブルの要部の概略構成を示す側面図。
【図６】同レーザ加工装置の加工ヘッドを通過するレーザ光の様子を示す説明図。
【図７】ライン状のスリット加工の説明図。
【図８】円筒状のスリット加工の説明図。
【図９】複数の形状の開口が形成されたアパーチャーマスクの部分平面図。
【符号の説明】
１　　　ＹＡＧレーザ装置
２　　　ワーク保持装置
３　　　ワーク移載装置
４　　　ＸＹテーブル
５　　　メインコントローラ
６　　　加工ヘッド装置
７　　　ステップインデックス型の光ファイバ
１０　　ＹＡＧレーザ発振器
１１　　レーザ光入射ガイド部
６０　　加工ヘッド
６１　　可動ヘッド部
６２　　リニア駆動装置
６３　　広がり補正光学系
６４　　アパーチャーマスク
６４ａ　開口
６５　　仕切り板
６６　　結像光学系
６７　　リニアモータ
６８　　リニアガイド
６９　　支持台
７０　　ファイバ保持部
７１　　光ファイバの光入射端
７２　　光ファイバの光出射端
１０１　スリット
【図１】
2004114068.tif 000003
【図２】
2004114068.tif 000004
【図３】
2004114068.tif 000005
【図４】
2004114068.tif 000006
【図５】
2004114068.tif 000007
【図６】
2004114068.tif 000008
【図７】
2004114068.tif 000009
【図８】
2004114068.tif 000010
【図９】
2004114068.tif 000011