(57)【要約】      （修正有）【課題】量産性に優れたレーザ加工技術を提供する。【解決手段】光ビームを発生するレーザ発生装置１０と、光ビーム５０を等間隔に配置された複数のビーム５１に分岐する分岐手段１６，１８と、複数のビーム５１を配置間隔の自然数倍のピッチで対象体上を相対的に移動させる移動手段３０と、複数のビーム５１の当該移動ピッチに同期して当該ビームの強度を制御する制御手段４０と、を備える。【選択図】図１
2005144487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを発生するレーザ発生装置と、
前記光ビームを等間隔に配置された複数のビームに分岐する分岐手段と、
前記複数のビームを前記配置間隔の自然数倍のピッチで対象体上を相対的に移動させる移動手段と、
前記複数のビームの当該移動ピッチに同期して当該ビームの強度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
レーザ発生装置から生ずる光ビームを分岐して等間隔に配置させた複数のビームを対象体上に同時に照射して第一のスポット痕群を形成する第一の照射工程と、
前記複数のビームを前記配置間隔の自然数倍のピッチで対象体上を相対的に移動させて前記第一のスポット痕群と一部のスポットが重畳するように第二のスポット痕群を形成する第二の照射工程と、
を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】
前記第二のスポット痕群を前記第一のスポット痕群とみなして、前記第二の照射工程を複数回繰り返す、請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
一点に照射するショット数Ｓが、前記複数のビーム間のピッチをＰとし、ビームの分岐数をＭとし、前記移動量をＬとしたときに、下記式（１）：
Ｓ＝Ｍ・（Ｐ／Ｌ）          ・・・（１）
（上記式中、Ｓは自然数であり、ＬはＰの自然数倍である。）
より求められる数である、請求項２又は請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記複数のビームと前記対象体の相対的移動が間欠的に行われる、請求項２乃至４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記複数のビームと前記対象体の相対的移動が連続的な変速又は定速移動である、請求項２乃至５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記複数のビームをマトリクス状に配置する、請求項２乃至６のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記複数のビームが一度走査した走査線上を往復走査する、請求項２乃至７のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工技術に関し、詳しくは量産性に優れたレーザ加工技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に形成された膜の除去或いは基板の穴あけといった加工技術として、対象体を停止させた状態で複数のビームを一点に照射させる方法が採られている。しかし、このような方法では、一点ごとに加工を行うため加工点が大量にある場合には対象体の移動・停止（加減速）を加工点ごとに繰り返すこととなるため加工に膨大な時間を要する。
【０００３】
これに対し、レーザ発生装置から出射される光ビームを複数に分岐させて、加工時間を短縮させる方法がある。しかし、レーザ発生装置の出力限界から分岐数に制限があり、加工点が膨大な場合には大きな効果が得られず、また分岐によるバラツキが生じる場合もある。
【０００４】
特開２００２−２６３８７６号公報（特許文献１）では、このような出力の問題を解消するために２台のレーザ発生装置を重畳してレーザ強度を高めている。しかし、このように複数のレーザ発生装置を用いる場合、レーザ発生装置の光軸のズレを補正する調整が困難である。
【０００５】
また、光ビームを分岐せず、複数台のレーザ発生装置を用いてレーザ発生装置ごとに一のビームを発生させることも考えられるが、この場合ビーム間のピッチ精度の調整・維持が困難である。
【０００６】
また、このように複数のレーザ発生装置を使用すると装置のコストが高くなり、製品の加工コストが高くなる。
【０００７】
一方、マスク投影によるフォトリソプロセスを用いた場合には、処理時間が長く、コストもかかるため、特に大型基板の加工には不向きであった。
【特許文献１】特開２００２−２６３８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明は、量産性に優れたレーザ加工技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、光ビームを発生するレーザ発生装置と、上記光ビームを等間隔に配置された複数のビームに分岐する分岐手段と、上記複数のビームを上記配置間隔の自然数倍のピッチで対象体上を相対的に移動させる移動手段と、上記複数のビームの当該移動ピッチに同期して当該ビームの強度を制御する制御手段と、を備えるレーザ加工装置である。
【００１０】
かかる構成によれば、複数のビームを移動させながら重畳的に照射するので、レーザ発生装置の出力限界に拘泥することなく、ビームの同一箇所におけるショット数を適宜調節することにより、所望の深さの多数のスポット痕（穴）群を効率よく形成することができる。
【００１１】
また、基板上に形成された薄膜にピンホール加工を行う場合には、１回の照射により目的を達成できる場合もある。しかし、例えば微細な異物が加工位置にあった場合に、１回のみの照射では穴を確実にあけることが困難な場合がある。このような場合においても、本発明の方法を用いると、最初のレーザ照射で異物を除去することが可能となり、再度の照射で確実に穴をあけることが可能となるので、加工不良を回避することが可能となる。
【００１２】
上記制御手段の制御には、ビームのＯＮ／ＯＦＦの制御も含む。
【００１３】
本発明の第２の態様は、レーザ発生装置から生ずる光ビームを分岐して等間隔に配置させた複数のビームを対象体上に同時に照射して第一のスポット痕群を形成する第一の照射工程と、上記複数のビームを上記配置間隔の自然数倍のピッチで対象体上を相対的に移動させて上記第一のスポット痕群と一部のスポットが重畳するように第二のスポット痕群を形成する第二の照射工程と、を含むことレーザ加工方法である。
【００１４】
これによれば、レーザ発生装置の出力限界に制限されることなく、ビームの同一箇所におけるショット数を適宜調節することにより、所望の深さの多数のスポット痕（穴）群を効率よく形成することができる。
【００１５】
上記第二のスポット痕群を上記第一のスポット痕群とみなして、上記第二の照射工程を複数回繰り返すことが好ましい。これにより、連続した多数のスポット痕群の形成が可能となる。
【００１６】
一点に照射するショット数Ｓが、上記複数のビーム間のピッチをＰとし、ビームの分岐数をＭとし、上記移動量をＬとしたときに、下記式（１）：
Ｓ＝Ｍ・（Ｐ／Ｌ）          ・・・（１）
（上記式中、Ｓは自然数であり、ＬはＰの自然数倍である。）
より求められる数であることが好ましい。これによれば、所望のショット数を得るための条件を容易に選択することが可能となる。
【００１７】
上記複数のビームの相対的移動が間欠的に行われてもよい。ビーム照射時に停止させ、照射後移動させることにより、ビーム照射時の位置精度を高めることが可能となる。
【００１８】
上記複数のビームと上記対象体との相対的移動が連続的な変速又は定速移動であってもよい。移動を止めることなく連続的に移動を行うことで、高速処理が可能となる。また、変速的に移動させることで、ビームの照射時における照射精度を高めることが可能となり、さらに完全に停止させると慣性力により位置ぶれが生じる可能性があるが、連続的に移動させることでこのような位置ぶれがない。また、従来の複数のレーザ発生装置を用いた方法では、この場合ビーム間のピッチ精度の調整・維持が難しい等ことから、連続的に移動しながらの照射が困難であった。しかし、本発明によれば、一のレーザ発生装置によるので連続的に移動しながらの照射が可能となる。
【００１９】
上記複数のビームをマトリクス状に配置することが好ましい。これによれば、一度に多数のスポット痕を形成し得るので、多穴加工の一層の効率化・高速化が図られる。
【００２０】
上記複数のビームが一度走査した走査線上を往復走査することが好ましい。これによれば、確実な加工が可能となるので、安定した品質の加工品の供給が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態では、一のレーザ発生装置から発生する光ビームを等間隔に配置された複数のビームに分岐する。この分岐したビームにより対象体上にスポット痕群を形成し、この先のスポット痕群と一部のスポットが重畳するように、後に照射する複数のビームを移動させて照射を行う。これによって、レーザ発生装置の出力に拘泥されずに多数のスポット痕を効率よく量産することが可能となる。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を説明するための図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態のレーザ加工装置１００は、レーザ発生装置１０、回折格子１６、レンズ１８、精密位置決めテーブル３０及びビームの強度を制御する制御部４０を含み構成されている。なお、ここで分岐手段は回折格子１６及びレンズ１８に該当し、移動手段は精密位置決めテーブル３０に該当する。
【００２４】
以下、被加工物（対象体）としての金属板２０に穴あけ加工を行う場合を例に採り説明する。
【００２５】
レーザ発生装置１０は、制御部４０より送られる信号に応じて光ビーム５０を発生する。光ビームを発生させるタイミングは、対象体である金属板２０の移動距離との関係で定められる。このタイミングについては、後に詳しく説明する。ここで用いられるレーザ発生装置１０としては、金属板２０の穴あけ加工が可能な、例えばＣＯ2レーザ、ＹＡＧレーザなどが挙げられる。
【００２６】
回折格子１６は、レーザ発生装置１０から発振された光ビームを所望の数のビームに等間隔に分岐するものである。このような回折格子１６としては、フーリエ変換型２値位相格子が挙げられる。回折格子１６により分岐されたビーム５１は、レンズ１８により金属板２０上に集光され、金属板２０上に等間隔に並ぶスポット痕を形成する。
【００２７】
精密位置決めテーブル３０は、金属板２０を載置し移動するためのものである。具体的には、1軸テーブルが互いに９０゜交差して２段積み重なることによりＸＹ方向への移動が可能に構成されている。各テーブルは、サーボモータ２１による送りねじ機構により駆動される。
【００２８】
制御部４０は、所定の駆動を行うよう精密位置決めテーブル３０に駆動信号を送信するものである。精密位置決めテーブル３０の駆動形態は特に限定されず、間欠的に移動するよう制御していてもよく、あるいは変速又は定速移動をするよう制御していてもよい。具体的にはレーザの照射時にテーブルの移動を一時停止し、レーザの照射後移動を再開するよう制御してもよい（間欠的移動）。また、レーザの照射時にテーブルの移動速度を落とし、レーザの照射後に移動速度を上げるよう制御してもよい（変速移動）。また、常に一定の速度で移動するよう制御していてもよい（定速移動）。
【００２９】
また、制御部４０は、光ビームの発振間隔を制御するための信号をレーザ発生装置１０に送信する。レーザ発生装置１０の光ビーム発振の間隔（光ビーム発振の間隔）は、先の照射の後に金属板２０が予め定められた距離移動した場合に次の照射が行われるよう定められる。この移動距離（移動量）Ｌは、分岐されたビーム５１間の距離（分岐ピッチ）Ｐの自然数（Ｎ）倍となるよう、すなわち、Ｌ＝Ｎ・Ｐの関係を満たすように定められる。例えば、第一の照射を行った後、金属板の移動距離をリニアスケールカウンタ等で読み込み、所定距離進んだら第二の照射を行うようレーザ発生装置１０に信号が送信される。具体的には、各テーブルに設置されたカウンタがテーブルが１μｍ移動した場合に１パルスの電気信号を読み込むとき、カウンタが１００パルス（移動距離１００μｍに該当）を読み込んだときにレーザ発生装置１０に信号が１パルス送信される。この場合では、１００μｍ毎にレーザパルスが出射され、加工されることになる。
【００３０】
次に、レーザ加工装置１００の動作について説明する。
【００３１】
レーザ発生装置１０から発振された光ビーム５０は、エクスパンダコリメータ１２で拡大されて反射鏡１４により反射され、回折格子１６で複数（例えば４本）のビーム５１に分岐される。その後、集光レンズ１８を介して精密位置決めテーブル３０上に載置された金属板２０上に、直線上に等間隔に並ぶ例えば４個の第一のスポット痕群を形成する。
【００３２】
その後、金属板２０をスポット痕の形成方向（Ｘ軸方向）、すなわち、スポット痕群が並ぶ直線に沿って移動させ、再びビーム５１を照射することで第二のスポット痕群を形成する。金属板２０は、第二のスポット痕群の一部のスポットが第一のスポット痕と重なるように移動する。したがって、最終的に形成される穴の深さは、一箇所（一点）に照射されるビーム５１のショット数Ｓにより決まる。
【００３３】
次に、図を参照しながら、ショット数Ｓと先の照射位置から後の照射位置への移動量Ｌとビーム５１の分岐ピッチＰと分岐数Ｍとの関係について説明する。
【００３４】
図２に、光ビームを２本に分岐した場合の移動量Ｌとショット数Ｓの関係を示す。なお、同図中では、移動量は便宜的にＬ／Ｐの値を記している。
【００３５】
図２（ａ）にＭ＝２、Ｌ／Ｐ＝１の場合の一箇所に照射されるビーム５１のショット数Ｓの算出方法を示す。同図に示すように、レーザの照射位置（スポット痕（穴）の形成位置）を横軸に、ショット回数を縦軸にとり、表中に移動量Ｌ及び分岐数Ｍを記載し、ショット回数の合計量を算出することにより、一箇所あたりのショット回数Ｓを求めることができる。
【００３６】
本例では、分岐数Ｍは２であるので、まず位置１，２に１回目の照射がされる。次に、照射位置をＬ／Ｐ＝１ずらした後、２回目の照射がされる。これを繰り返すと、ｎ回目の照射では、照射位置がＬ／Ｐ＝ｎ−１ずれるので、位置ｎ，ｎ＋１が照射されることになる。また、各位置におけるショット回数Ｓは、表より求められる値は２となる。
【００３７】
なお、等間隔に配置された連続する穴の深さを一定にして形成する場合は、下記に示す計算式（１）よりショット回数Ｓを求めることもできる。
【００３８】
ショット数Ｓ、移動量Ｌ、分岐ビーム間の分岐ピッチＰ及び分岐数Ｍは、下記式（１）に示す関係を満たす。
【００３９】
Ｓ＝Ｍ・（Ｐ／Ｌ）        ・・・（１）
ここで、Ｓは自然数であり、また、ＬはＰの自然数（Ｎ）倍となる。
【００４０】
図２（ｂ）は、Ｍ＝２、Ｌ／Ｐ＝２の場合の一箇所に照射されるビーム５１のショット数Ｓの算出方法を示す。この場合は、同図中に示す表より、一箇所あたりのショット回数Ｓ＝１となる。
【００４１】
図２（ｃ）は、Ｍ＝２、Ｌ／Ｐ＝３の場合の一箇所に照射されるビーム５１のショット数Ｓの算出方法を示す。このように、移動量Ｌと分岐数ＭがＬ＞Ｍのような関係にある場合は、同図中に示す表に見られるように、同一箇所に重複照射を行うことはできない。
【００４２】
図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ｄ）〜（ｅ）は、Ｍ＝４、Ｌ／Ｐ＝１〜５の場合の一箇所に照射されるビーム５１のショット数Ｓとの関係を各々示している。なお、同図中では移動量は便宜的にＬ／Ｐの値を記している。
【００４３】
図３（ａ）に示すように、分岐数Ｍを増やした場合には一箇所に照射されるビーム５１のショット数Ｓは増加する。すなわち、Ｍ＝４、Ｌ／Ｐ＝１の場合には、Ｓ＝４となる。
【００４４】
図３（ｂ）、図４（ｄ）に示すように、Ｍ＝４、Ｌ／Ｐ＝２またはＬ／Ｐ＝４の場合には、一箇所に照射されるビーム５１のショット数Ｓは各々、Ｓ＝２，Ｓ＝１となり、等間隔の穴を各々一定の深さに形成することが可能となる。
【００４５】
また、図３（ｃ）に示すように、Ｍ＝４、Ｌ／Ｐ＝３の場合には、Ｓは周期的に変化する。したがって、一定の間隔で所定の穴のみを深く形成したいような場合にこのような条件を使用することができる。
【００４６】
図４（ｅ）に示すように、Ｍ＝４、Ｌ／Ｐ＝５の場合には、Ｌ／Ｐ＞Ｍとなるため、同一箇所に重複照射を行うことはできない。
【００４７】
次に、Ｍ＝４、Ｌ／Ｐ＝２の場合を例に採り、重複照射により穴が形成される過程について具体的に説明する。
【００４８】
図５は、光ビームを４本に分岐した場合の照射過程を具体的に説明するための図である。
【００４９】
図５（ａ）に、光ビーム５０を４分岐した場合（Ｍ＝４）に形成されるスポット痕群を示す。同図に示すようにスポット痕間の距離Ｐは等間隔となる。
【００５０】
図５（ｂ）に示すように、１ショット目（一回目の照射。以下同様。）により、位置１〜４にピッチ間距離がＰのスポット痕群を形成する。ここで図中、移動（走査）方向軸上に記載されている白丸は、レーザ照射を１ショット行った場合に形成された穴を示す。
【００５１】
図５（ｃ）に示すように、２ショット目の照射は、２Ｐ移動して位置３〜位置６に行う。これにより、位置３及び位置４では、レーザ照射が２ショット行われる。ここで図中、移動方向軸上に記載されている黒丸は、レーザ照射を２ショット行った場合に形成された穴を示す。
【００５２】
図６（ｄ）に示すように、３ショット目の照射は、２ショット目の基準位置３より２Ｐ移動して位置５〜位置８に行われる。
【００５３】
図６（ｅ）に示すように、４ショット目の照射は、３ショット目の基準位置５より２Ｐ移動して位置７〜位置１０に行われる。
【００５４】
図６（ｆ）は、ｎショット目の照射を行った場合に形成されるスポット痕群を示す。ｎショット目は、ｎ−１ショット目の基準位置２ｎ−３より２Ｐ移動して位置２ｎ−１上に行われる。
【００５５】
このように、２Ｐずつ移動して照射を行うことにより、等間隔に隣接する穴の深さが全て一定（レーザ照射２ショット分）の深さの穴を効率よく形成することができる。
【００５６】
本実施形態では、レーザ発生装置から発生される光ビームを複数本に分岐した分岐ビームを用いて、所定ピッチずつ移動しながら重畳的に分岐ビームを照射する。したがって、レーザ発生装置の出力限界に制限されることなく、ビームの同一箇所におけるショット数を適宜調節することにより、所望の深さの多数のスポット痕（穴）群を効率よく形成することができる。
【００５７】
なお、ショット数Ｓ、分岐数Ｍ、移動量Ｌ等の条件は、上記例示に限定されるものでなく、本発明の課題を達成し得る範囲内で適宜選択される。
【００５８】
本実施形態では、一列に分岐されたビームを用いた場合について説明したが、マトリックス状に分岐されたビームを用いてもよい。
【００５９】
図７は、マトリクス状に分岐したビームを用いた場合の例を示す。ここでは、光ビーム５０を進行方向に４分岐し、さらに進行方向と垂直方向に３分岐した場合（４×３本に分岐した場合）の例を示す。
【００６０】
この場合も上記と同様のピッチ間隔（例えば２Ｐずつ）により移動させることにより、同一スポット上に複数回照射を行うことができる。
【００６１】
このようにマトリックス状に分岐したビームを用いることで、一度に多量のスポット痕を形成することが可能となるので、多穴加工の一層の効率化、高速化が図れる。
【００６２】
また、一度走査してスポット痕群を形成した走査線上を、再び往復走査して同じ箇所に再度照射を行ってもよい。これにより、確実にスポット痕を形成することが可能となるので、安定した品質の加工品を提供することが可能となる。
【００６３】
本実施形態では、照射ビームと照射対象である金属板との相対的移動を、金属板を載置する精密位置決めテーブルにより行ったが、これに限定されず、例えば、レーザ発生装置１０から集光レンズ１８に至る光学系を移動させることにより移動させてもよい。また、反射鏡１４から集光レンズ１８までの光学系のみを移動させることによって行ってもよい。
【００６４】
本実施形態のレーザ加工方法では、金属板の穴あけ加工を例に採り説明したが、これに限らず、薄膜のピンホール加工等に利用してもよい。基板上に形成された薄膜にピンホール加工を行う場合には、１回の照射により目的を達成できる場合もある。しかし、例えば加工位置に微細な異物があるような場合には、１回の照射のみでは確実な加工が困難な場合がある。このような場合においても、本実施形態の方法によれば、最初のレーザ照射で異物を除去し、二回目以降の照射で確実に穴をあけることが可能となるので、加工不良を回避することが可能となる。
【００６５】
また、本実施形態のレーザ加工方法は、薄膜の露光に適用してもよい。
【００６６】
本発明は、例えばリアプロジェクション用等に用いられるマイクロレンズアレイの製造、高密度インクジェットヘッドの流路穴加工などといった多穴加工を要するデバイスに好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を説明するための図である。
【図２】図２は、光ビームを２本に分岐した場合の移動量Ｌとショット数Ｓの関係を示す図である。
【図３】図３は、光ビームを４本に分岐した場合の移動量Ｌとショット数Ｓの関係を示す図である。
【図４】図４は、光ビームを４本に分岐した場合の移動量Ｌとショット数Ｓの関係を示す図である。
【図５】図５は、光ビームを４本に分岐した場合の照射過程を具体的に説明するための図である。
【図６】図６は、光ビームを４本に分岐した場合の照射過程を具体的に説明するための図である。
【図７】図７は、マトリクス状に分岐したビームを用いた場合の例を示す。
【符号の説明】
【００６８】
１０・・・レーザ発生装置、１２・・・エクスパンダコリメータ、１４・・・反射鏡、１６・・・回折格子、１８・・・レンズ、２０・・・金属板、２１・・・サーボモータ、３０・・・テーブル、４０・・・制御部、５０・・・光ビーム、５１・・・分岐ビーム、１００・・・レーザ加工装置
【図１】
2005144487.tif 000003
【図２】
2005144487.tif 000004
【図３】
2005144487.tif 000005
【図４】
2005144487.tif 000006
【図５】
2005144487.tif 000007
【図６】
2005144487.tif 000008
【図７】
2005144487.tif 000009