(57)【要約】【課題】  集光ビームの径を一定に保ったままライン状加工のピッチ間隔が容易且つ正確に調整できるマルチビーム同時加工型のレーザ加工装置を提供する。【解決手段】  回折光学素子又は回折光学素子３と集光レンズ５の組み合わせを用いて単一のレーザビーム１２を複数のレーザビーム１２ａに分割、集光し、レーザビームと加工対象物１７を相対的に移動させて、複数のレーザビームにより複数のライン状の加工を同時に行なうレーザ加工装置において、光軸を中心に前記回折光学素子を回転させ、その回転角度の調整によって加工ラインのピッチ間隔を調整するように構成した。【選択図】        図１
2004268144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折光学素子又は回折光学素子と集光レンズの組み合わせを用いて単一のレーザビームを複数のレーザビームに分割、集光し、レーザビームと加工対象物を相対的に移動させて、複数のレーザビームにより複数のライン状の加工を同時に行なうレーザ加工装置において、光軸を中心に前記回折光学素子を回転させ、その回転角度の調整によって加工ラインのピッチ間隔を調整するように構成したことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記回折光学素子又は前記回折光学素子と集光レンズの組み合わせと、前記加工対象物上のレーザ加工点との間の、分割された複数のレーザビームが各別に通過する複数のアパーチャーを有し、前記回折光学素子の回転に対して同一回転方向に同一回転角度だけ中心軸の回りに回転するマスク板を設けた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】
前記マスク板の各アパーチャーには機械的又は光学的なシャッターが設けられ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】
前記マスク板の各アパーチャーに、分割された各ビームの透過パワーを調整するための光減衰器を設けたことを特徴とする請求項２又は請求項３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、複数のレーザビームにより複数のライン状加工を同時に行なうレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ライン状加工をレーザビームにより行なう装置としては、チップ抵抗のセラミック基板に、個別チップに分割するためのスクライブラインを施すセラミックスクライバー、薄膜太陽電池の電極形成のためにＩＴＯ膜やアモルファスシリコン膜にスクライブライン加工を施すパターニング装置、アモルファスシリコンにレーザ光を照射してポリシリコンに改質するためにシリコン薄膜にレーザ熱をライン状に施すレーザアニーラ等がある。この種の装置において、一般的に単一のレーザビームが加工に使用されている。これに対しスループットを改善するために、単一のレーザビームを複数のレーザビームに分割して複数ビームでライン状の加工を行なうことが考えられる。
【０００３】
レーザビームを複数のビームに分割するには、入射レーザビームを、半透鏡を用いて一定強度比に分割した後、各ビームを夫々集光する方法がある。この方式では分岐強度比率、分岐ビームのスポット間距離の正確な調整などが煩雑であると同時に、特にビームの分岐数が増大するに従って、分岐のための半透鏡、集光レンズなどを多数用いることから、光学系が極めて複雑かつ高価なものとなる。
これとは別に、レーザビームの分割に回折光学素子（Diffraction Optical Element、以下ＤＯＥと略称）を用いる方法がある。このＤＯＥ（回折光学素子）を用いた加工装置は、例えば、特許文献１等に記載されている。
【特許文献１】特開２００１−０６２５７８号公報
【０００４】
ＤＯＥは、石英ガラスなどの光学材料の基板表面に、エッチング（食刻）技術を用いて微細な凹凸の繰り返しパターンを形成した光学素子であり、これによるレーザ光の回折現象を利用して入射ビームを所望のビーム配列、強度比に分割することができる。ＤＯＥにより回折されたビーム束全体を集光レンズで集光するか、又はＤＯＥ自体に集光機能を同時に持たせることにより、例えば均一な強度比を有し等間隔で横一列に並んだ複数のレーザ収束ビームを得ることができ、これを用いてマルチビームによるレーザ加工を同時に行なうことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記マルチビームによるライン加工においては、ライン間のピッチ、すなわちビーム間隔を自在に変更したい場合がしばしば生じる。チップサイズの異なるチップ抵抗基板を加工するセラミックスクライバー等がその例である。
【０００６】
前記特許文献１では、ＤＯＥと集光レンズを用いて横一列にビームを分割、集光した場合、集光ビームスポットの間隔Ｄは次式（１）で表されることが示されている。同式においてλはレーザ光の波長、Ｆは集光レンズの焦点距離、Λはエッチングパターンのピッチである。
Ｄ＝λ・Ｆ／Λ……（１）
【０００７】
特許文献１では、ＤＯＥと集光レンズの組み合わせによって分割、集光されたビームの径やビーム間隔の微調整が、入射レーザビームの発散角の調整やＤＯＥと集光レンズの間隔調整によりある程度可能であることが述べられている。しかし、レーザ加工において重要なパラメータであるビーム径を一定に保ったまま、ビーム間隔のみを自在に変更することは、式（１）から分かるように、一般的に相当に困難である。すなわち、ビーム間隔Ｄの変更は、λ、Ｆ、Λの少なくとも一つを変化させることになるが、λは変化させ難いからＦかΛを変化させることになり、Ｆを変化させることにすると、ビーム径が変化し、Λを変化させることにすると幾つものＤＯＥを準備しておいて交換することになる。ビーム径が変化する方式では、特にビーム間隔の大幅な変更が必要な場合には、適用できない。
【０００８】
従って、横一列に分割された波長λのレーザ光の集光ビーム間隔Ｄを大幅に変更する場合、例えば、ＤＯＥを用いたマルチビーム同時加工型のセラミックスクライバーにおいて、チップ抵抗のサイズが、例えば１００５（長さ１ｍｍ、幅０．５ｍｍ）から０６０３（長さ０．６ｍｍ、幅０．３ｍｍ）へと変るような場合には、サイズが変る度毎に、加工ピッチに合わせた集光レンズ又はＤＯＥの交換が必要となる問題がある。
本発明は、集光ビームの径を一定に保ったままライン状加工のピッチ間隔が容易且つ正確に調整できるマルチビーム同時加工型の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】
本発明の手段は、回折光学素子又は回折光学素子と集光レンズの組み合わせを用いて単一のレーザビームを複数のレーザビームに分割、集光し、レーザビームと加工対象物を相対的に移動させて、複数のレーザビームにより複数のライン状の加工を同時に行なうレーザ加工装置において、光軸を中心に前記回折光学素子を回転させ、その回転角度の調整によって加工ラインのピッチ間隔を調整するように構成したことを特徴とする。
【００１０】
所定波長λの入射レーザビームを、例えば横一列に分割するＤＯＥを用いた場合、集光点での分割ビーム間隔は前記式（１）で表され、このような分割ビームでレーザ加工を行なう場合、図２を参照すると、間隔Ｄの分割ビームスポット１３の列２２が形成する直線と、ビームと加工対象物の相対的移動方向（図ではＹ軸方向）とがなす角度をθとすると、加工ライン１９の間隔ｄは次式（２）で表される。
ｄ＝Ｄ・ｓｉｎθ……（２）
式（２）から、ビームスポットと加工対象物の相対移動方向に対する分割ビーム列の方向調整、すなわちＤＯＥの光軸を中心とする回転角度の調整により、θを変更できるから、分割ビームによる加工ラインの間隔ｄが、最大値Ｄから最小値０の範囲内で任意に調整できる。
【００１１】
前記回折光学素子又は前記回折光学素子と集光レンズの組み合わせと、前記加工対象物上のレーザ加工点との間に、分割された複数のレーザビームが各別に通過する複数のアパーチャーを有し、前記回折光学素子の回転に対して同一回転方向に同一回転角度だけ中心軸の回りに回転するマスク板を設ける構成とするのがよい。
【００１２】
ＤＯＥは一般的に各分割ビーム間の中間位置に弱いノイズ成分を発生する。例えばレーザ加工の閾値が極めて低い加工対象物などに対して、ノイズ成分による予定しない加工が発生する。この構成では、このノイズ成分をマスク板により空間的にブロックするのである。そしてこのマスク板は回折光学素子の回転に対して、つまりＤＯＥの回転に対して同一回転方向に同一回転角度だけ中心軸の回りに回転するから、各分割ビームと対応するアパーチャーの位置を常に一致させる。これにより加工対象物にノイズ成分が到達することを常に防止する。
【００１３】
前記マスク板の各アパーチャーには機械的又は光学的なシャッターが設けられている構成とするのがよい。この構成では、シャッターにより各アパーチャーを通過するビームのオン、オフを独立して制御できる。
【００１４】
前記マスク板の各アパーチャーに、分割された各ビームの透過パワーを調整するための光減衰器を脱着可能に設けた構成とするのがよい。この構成では、光減衰器に、例えば、誘電体多層膜ミラーなどからなるものを使用して各アパーチャーを通過するレーザパワーを任意且つ独立に制御できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、分割ビームによる加工ラインの間隔を、ＤＯＥの光軸を中心とする回転角度の調整により、予め決められた所定幅から０まで任意に調整できるから、集光ビームの径を一定に保ったまま加工ピッチ間隔が容易且つ正確に調整でき、多品種のワークに対する加工に対応が可能なマルチビーム同時加工型のレーザ加工装置を提供できる効果を奏する。
また、アパーチャーを有し回転するマスク板を設けた構成では、ノイズ成分による予定しない加工が発生することを防止できる効果を奏する。
また、マスク板の各アパーチャーに機械的又は光学的なシャッターが設けられている構成では、シャッターの制御により、複数ビームの任意のものを選択使用することが可能となり、平行なライン加工においては例えば一つおきに分割ビームを選択使用して加工ラインのピッチを所定ピッチとその２倍のピッチとに容易に正確に変更できる効果を奏する。
また、マスク板の各アパーチャーに光減衰器を脱着可能に設けた構成では、各アパーチャーを通過するレーザパワーを任意且つ独立に制御できるから、スクライブ加工における加工深さ、薄膜加工における加工幅などが加工ラインごとに任意に制御できる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
チップ抵抗のセラミック基板に個別チップに分割するためのすくらいブライン加工を施すためのセラミックスクライバー。
【実施例１】
【００１７】
本発明の実施例１を図１、図２を用いて説明する。このレーザ加工装置１は、レーザ発振部２、ＤＯＥ３、ＤＯＥ回転装置４、集光レンズ５、ステージ６等で構成されている。
【００１８】
レーザ発振部２は、ＹＡＧレーザ発振器１０と、その射出側に続いて設けられたビームエキスパンダ１１を備えており、レーザビーム１２を発射する。
ＤＯＥ３は、レーザ発振部２からの単一の入射レーザビーム１２を、同一直線に沿う等間隔で、例えば４個のビーム列１２ａに分割して発射するように構成されている。
ＤＯＥ回転装置４は、ＤＯＥ３をその光軸周りに回転可能な状態に支持しており、且つＤＯＥ３を所望角度正確に回転駆動でき、微小角度の調整も可能な、例えばパルスモータ等を用いた回転駆動装置を備えている。
【００１９】
集光レンズ５は、前記４個に分割されたビームの各ビームを集光して所定平面に、すなわち、次に述べるステージ６上に設置される被加工物上面に、所定間隔で４個のビームスポット１３を直線に沿った１列に形成するように構成されている。図中、１４はダイクロイックミラーで、ＤＯＥ３と集光レンズ５の間でレーザビームを下方に屈曲させるように設けられている。このダイクロイックミラー１４を通して観測用のＣＣＤカメラ１５で、被加工物上面の４個のビームスポット１３の位置を観測できるようになっている。２４は反射鏡である。
【００２０】
ステージ６は、水平な上面１６を有し、その上面１６に被加工物、例えばセラミック基板１７を水平に支持して、所望の位置に水平移動できるようにステージ駆動部１８を備えている。ステージ駆動部１８は、前記水平な上面１６に対応させたＸ−Ｙ座標上を、セラミック基板１７の任意の定点が所望位置に移動できるように、Ｘ軸方向駆動部と、Ｙ軸方向駆動部とを有する構成である。また、Ｘ−Ｙ平面に直角な所定のＺ軸回りに回転位置の調節ができる回転調節部を備えている。つまり、ステージ６上の被加工物はＸ軸方向、及びＹ軸方向に移動可能であり、Ｚ軸回りに回転調節可能である。
【００２１】
このレーザ加工装置１は、例えば、４個のビームスポット１３の間隔がＤであるとして、レーザ加工ライン１９の間隔がｄである加工を行なう場合、略次のような手順で行なわれる。なお、被加工物はセラミック基板１７であり、これにスクライブライン２０をレーザ加工するものとする。
まず、ステージ６上に被加工物であるセラミック基板１７を設置し、ステージ駆動部１８により、例えば、セラミック基盤１７上の予定加工ライン２１の方向をＹ軸方向に一致させ、そして、各ビームスポット１３を対応する予定加工ライン２１の始端部に一致させる。このとき、仮に、ビームスポットの列２２がY軸方向に一致していたとすると、ＤＯＥ回転装置４によりＤＯＥ３を角θ回転させ、また、或いはビームスポットの列２２がＸ軸方向に一致していたとすると、ＤＯＥ回転装置４によりＤＯＥ３を（９０°−θ）回転させるなどして、Ｙ軸（Ｙで示す）方向とビームスポットの列２２とが角θ（図２参照）をなすようにする。そして、ステージ駆動部１８によりステージ６をX軸方向に沿って適切に水平移動させることで、各ビームスポット１３が対応する予定加工ライン２１の始端部上に一致するように調節される。
【００２２】
この状態で、セラミック基板１７に集光レンズ５からのレーザビームを照射すると共にステージ駆動部１８のＹ軸方向駆動部を動作させて被加工物を設置されたステージ６をＹ軸方向に移動させる。その途中の状態を図２に示す。最初の４本のスクライブライン２０の加工が終わると、Ｘ軸方向駆動部により隣の４本の予定加工ライン２１上にビームスポット１３を移動させて、再びＹ軸方向駆動部によりステージ６を移動させてスクライブライン２０の加工を行なう。これを必要回数繰り返してＹ軸方向のスクライブライン２０の加工が終わる。
【００２３】
また、Ｙ軸方向のスクライブライン２０の加工終了に引き続いて同じステージ６にセラミック基盤７を設置したままでＸ軸方向のスクライブラインの加工を行なう場合には、前記とほぼ同様にして、X軸方向の予定スクライブラインの始端部上に各ビームスポット１３が位置するように、ＤＯＥ回転装置４及びステージ駆動部１８を動作させて初期調整を行い、そして、ステージ駆動部１８のＸ軸方向のスクライブラインの加工を行う。
【００２４】
上述したことから理解されるように、集光レンズ５から射出されるレーザビームのビームスポット１３の間隔Ｄが一定の値であっても、ＤＯＥ回転装置４による光軸周りの回転調節により加工ラインの間隔ｄを前記一定の値から０までの任意の値に、正確に調整することができる。そしてそのビームスポット１３の径の変化はないものである。
従って、このレーザ加工装置１は、セラミック基盤１７に加工するスクライブライン２０の間隔ｄの変更に対して、比較的簡単な装置構成で容易に、正確に対応できる。
【実施例２】
【００２５】
本発明の実施例２を、図３〜図６を用いて説明する。この実施例は、図３に主要部を示すように、４分割直線配列用ＤＯＥ３と集光レンズ５の組み合わせを用いた実施例１と同様なレーザ加工装置に、マスク板３１を設け、このマスク板に対してマスク板回転装置３２、シャッター３３、光減衰器３４等を設けたレーザ加工装置１ａである。以下にこれらについて説明するが、実施例１と同等部分は同一図面符号で示して説明を省略する。
【００２６】
マスク板３１は、図３にみられるように、集光レンズ５と加工対象物であるセラミック基板１７との間の適所に設けられる。マスク板３１は、レーザービームをブロックできる材料で円板状に形成され中心軸線が集光レンズ５の中心軸線と一致する位置に回転可能に支持されている。このマスク板３１には、図４に示すように、分割されたビーム数に対応して、この場合４個のアパーチャー３５が、所定の直径線に沿って実施例１で図２に示した間隔Ｄに対応する間隔で１列に穿設されており、アパーチャー３５は分割されたレーザビーム３０がそれぞれに対応するアパーチャー３５を少し余裕を持って通過できる大きさに形成されている。
【００２７】
また、マスク板３１には外周に歯車３６を形成してあり、この歯車３６に噛み合ったピニオン３７を有するマスク板回転装置３２を設けてある。このマスク板回転装置３２により、ＤＯＥ３が回転したときマスク板３１がＤＯＥ３の回転に連動してレンズ５の中心軸線の周りに同じ方向に同じ回転角度だけ回転するようになっている。つまり、ＤＯＥ３を回転させてそれぞれの加工点に向かう分割されたビーム３０の列を回転させたとき、マスク板３１がその回転と常に同じ回転をして、図４に示すように、個々の分割されたレーザビーム３０が対応するアパーチャー３５を常に同様に通過できるようになっている。
【００２８】
また、マスク板３１には各アパーチャー３５に対して、図５に示すように、シャッター３３を設けてある。このシャッター３３は、遮光板３８と、この遮光板３８を駆動する例えばロータリソレノイドを用いた駆動部３９とからなり、マスク板３１を通過するレーザビーム３０を選択的に個々にオン、オフ制御できるものである。
【００２９】
また、マスク板３１には、図６に示すように、そのアパーチャー３５に光減衰器３４が脱着可能に設けられている。光減衰器３４としては、例えば誘電体多層膜が蒸着されたレーザ光用部分反射鏡を用いる。
【００３０】
このように構成されたレーザ加工装置１ａは、シャッター３３を開き、光減衰器３４を取り外した状態で、実施例１の装置と同様に使用できる。しかし、マスク板３１が存在し、前述した式（１）によって決まる距離Ｄの間隔で、分割されたビーム３０を通過させるアパーチャー３５が、直線状に等間隔で並んでいる。レーザ分割用ＤＯＥ３によって分岐スポットの中間に生じるノイズ光４０はマスク板３１によってブロックされ、加工点に達することはない。従って、ノイズ成分による予定しない加工が発生することを防止できる。図４、図６にはその状況を模式的に示してある。
さらに、マスク板３１は、ＤＯＥ３の回転時にはそれと同一方向、同一角度だけ回転するので、マスク板３１のアパーチャー３５とレーザビーム３０の位置関係は常に一定に保たれ、レーザビーム３０がマスク板３１に遮られることはない。
また、シャッター３３を設けてあるから、遮光板３８の位置を駆動部３９で制御することにより、マスク板３１を通過するレーザビーム３０のオン、オフが制御される。これによって図５に示すように、一つおきにレーザビーム３０をオフにすることで加工ラインのピッチを簡単に２倍にすることができる。
また、レーザー光減衰器３４は、取り付けたときと取り外したときとでレーザパワーを変更できるから、スクライブ加工の加工深さを制御できる。
【００３１】
前記実施例１、２では、ＤＯＥと集光レンズとを分けた別々のものを組み合わせた構成のものについて説明したが、ビーム分割機能と集光機能を併せ持つ単独のＤＯＥであってもよい。
また、マルチビームによる加工は、Ｘ−Ｙステージを用いて加工対象物を移動させる代わりに、ガルバノメータ等を用いてビームを移動させてもよい。
また、分割ビームの配列は直線状の一次元配列のほかに平面状の二次元配列であってもよい。
また、レーザは、ＹＡＧレーザのほかに、レーザ加工に用いられる他の全てのレーザを使用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
前記実施例１、２は、本発明をチップ抵抗のセラミック基板に個別チップに分割するためのスクライブライン加工を施すセラミックスクライバーに適用したものであるが、この他に、薄膜太陽電池の電極形成のためにＩＴＯ膜やアモルファスシリコン膜にスクライブライン加工を施すパターニング装置、アモルファスシリコンにレーザー光を照射してポリシリコンに改質するためにシリコン薄膜にレーザ加熱をライン状に施すレーザアニーラーなどに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例１を模式的に示す説明図である。
【図２】同実施例の装置よりスクライブラインを加工するときの加工ラインの間隔ｄが角θを変化させて調整できる説明図である。
【図３】本発明の実施例２の主要部を模式的に示す説明図である。
【図４】同実施例のマスク板と駆動部を示す概略斜視図である。
【図５】同実施例のマスク板とシャッターを示す概略斜視図である。
【図６】同実施例のマスク板のアパーチャー列に沿った縦断面拡大部分図である。
【符号の説明】
【００３４】
１      レーザ加工装置
２      レーザ発振部
３      ＤＯＥ
４      ＤＯＥ回転装置
５      集光レンズ
６      ステージ
１０    レーザ発振器
１１    ビームエキスパンダ
１２    （単一の）レーザビーム
１２ａ  （分割された）レーザビーム
１３    ビームスポット
１４    ダイクロイックミラー
１５    ＣＣＤカメラ
１６    上面
１７    セラミック基板
１８    ステージ駆動部
１９    レーザ加工ライン
２０    スクライブライン
２１    予定加工ライン
２２    ビームスポットの列
２４    反射鏡
３０    （分割された）ビーム
３１    マスク板
３２    マスク板回転装置
３３    シャッター
３４    光減衰器
３５    アパーチャー
３６    歯車
３７    ピニオン
３８    遮光板
３９    駆動部
４０    ノイズ光
【図１】
2004268144.tif 000003
【図２】
2004268144.tif 000004
【図３】
2004268144.tif 000005
【図４】
2004268144.tif 000006
【図５】
2004268144.tif 000007
【図６】
2004268144.tif 000008