(57)【要約】      （修正有）【課題】高精度な焦点合わせを実現することが可能なレーザ加工装置及び焦点制御方法を提供する。【解決手段】結像レンズを通過して加工対象物に照射されるレーザ光の焦点を制御してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、焦点合わせ用のスリットを有するマスク５８と、前記スリット及び前記結像レンズ１４を通過して前記加工対象物１９に照射されたレーザ光により加工された加工痕を撮影する撮像手段５４と、前記撮像手段により撮影された複数の加工痕の画像データと、予め設定された基準となる加工痕の画像データとに基づいて、特定の画像データを選択する画像選択制御手段５５と、前記画像選択制御手段により選択された加工痕の画像データに基づいて、前記加工対象物と前記結像レンズとの距離を調整して焦点合わせを行うよう制御する制御手段５７とを有することにより上記課題を解決する。【選択図】図２
2007229786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像レンズを通過して加工対象物に照射されるレーザ光の焦点を制御してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
焦点合わせ用のスリットを有するマスクと、
前記スリット及び前記結像レンズを通過して前記加工対象物に照射されたレーザ光により加工された加工痕を撮影する撮像手段と、
前記撮像手段により撮影された複数の加工痕の画像データと、予め設定された基準となる加工痕の画像データとに基づいて、特定の画像データを選択する画像選択制御手段と、
前記画像選択制御手段により選択された加工痕の画像データに基づいて、前記加工対象物と前記結像レンズとの距離を調整して焦点合わせを行うよう制御する制御手段とを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記加工対象物と前記結像レンズとの距離を変えて、前記スリット及び前記結像レンズを通過したレーザ光により前記加工対象物に複数の加工痕を生成させ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】
前記複数の加工痕のそれぞれの画像データと、前記基準となる加工痕の画像データとの相関係数を算出する相関係数算出手段を有し、
前記画像選択制御手段は、前記相関係数算出手段により得られる算出結果に基づいて、前記基準となる加工痕の画像データに最も近い加工痕の画像データを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記複数の加工痕の画像データと、前記基準となる加工痕の画像データとを表示する表示手段と、
前記複数の加工痕の画像データから特定の画像データが選択された選択情報を受け付ける入力手段とを有し、
前記画像選択制御手段は、前記入力手段により得られる選択情報から加工痕の画像データを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記スリットは、前記結像レンズを通過させて前記加工対象物に照射されるレーザ光の強度分布が、前記結像レンズにより決定されるスロープ部分のみになるようにスリット幅を形成することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項の記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記スリットを、実際の加工用のスリットが形成されたマスクに形成することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記マスクを移動させて、前記加工用のスリットと、前記焦点合わせ用のスリットとを入れ替えるためのマスクステージ駆動手段を有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
結像レンズを通過して加工対象物に照射されるレーザ光の焦点を制御してレーザ加工を行うレーザ加工装置における焦点合わせ制御方法において、
前記結像レンズと前記加工対象物の距離を変えて複数の焦点合わせ用の加工を行う焦点合わせ加工ステップと、
前記焦点合わせ加工ステップにより加工されたそれぞれの加工痕を撮影する撮影ステップと、
前記撮影ステップにより撮影された前記加工痕の画像データと、予め設定された基準となる加工痕の画像データとに基づいて特定の画像データの選択を行う画像選択ステップと、
前記画像選択ステップにより得られた加工痕の画像データに基づいて、前記加工対象物と前記結像レンズとの距離を調整して焦点合わせを行うよう制御する焦点合わせ制御ステップとを有することを特徴とする焦点合わせ制御方法。
【請求項９】
前記複数の加工痕のそれぞれの画像データと、前記基準となる加工痕の画像データとの相関係数を算出する相関係数算出ステップを有し、
前記画像選択ステップは、前記相関係数算出ステップにより得られる算出結果に基づいて、前記基準となる加工痕の画像データに最も近い加工痕の画像データを選択することを特徴とする請求項８に記載の焦点合わせ制御方法。
【請求項１０】
前記複数の加工痕の画像データと、前記基準となる加工痕の画像データとを表示させる表示ステップと、
オペレータから画像データの選択情報を受け付ける選択情報入力ステップとを有し、
前記画像選択ステップは、前記選択情報入力ステップにより得られた前記選択情報により、複数の加工痕の画像データから特定の加工痕の画像データを選択することを特徴とする請求項８に記載の焦点合わせ制御方法。
【請求項１１】
前記焦点合わせ加工ステップは、
前記加工対象物を加工するための加工用のスリットと、焦点合わせ用のスリットとが形成されたマスクを用いて、前記焦点合わせ用のスリットを前記レーザ光の入光位置に位置付けて前記焦点合わせ用の加工を行うことを特徴とする請求項８乃至１０の何れか１項に記載の焦点合わせ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置及び焦点合わせ制御方法に係り、特に高精度な焦点合わせを実現するためのレーザ加工装置及び焦点合わせ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＣＯ２（炭酸ガス）レーザやＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等を用いて、半導体等の加工対象物への加工が行われている。また、レーザ光は、主に加工対象物の加工面への照射に対し、高いエネルギー密度を利用した溶接、切断、穴開け等の加工に用いられている。
【０００３】
また、別の方法として、マスクによりビームスポット径をある程度大きめ（１〜数十ｍｍ）に設定して、加工面の限られた領域のみを溶融しながら材料の表面機能を向上させるアニール（表面改質）処理としても利用されている。例えば、結晶等を連続成長させるアニール基板等の加工対象物においては、マスク及び高解像度の結像レンズを通過したレーザ光が加工対象物に結像されることでレーザ加工を行う。
【０００４】
ここで、解像度とは、マスクに形成されたスリット及び結像レンズを通過することで加工対象物の表面に形成されるレーザ光の強度分布における端部のスロープ（傾き）を示す。また、このスロープ部分の距離が短いほど、高解像度となる。なお、アニール処理における加工対象物への照射焦点深度は浅いものとなる。
【０００５】
ここで、レーザ加工を高精度に行うためには、焦点合わせが重要となる。ここで、従来の焦点合わせに関する技術としては、焦点合わせのために予め加工対象物にレーザ加工を行い、その加工対象物をオペレータが取り出して顕微鏡等により確認することで適切な位置に焦点合わせを行う手法がある。しかしながら、上述の手法は、オペレータに多大な負担と時間がかかってしまい、またオペレータ毎に差が生じるため焦点合わせの精度に欠けていた。
【０００６】
そこで、他の手法として例えば非接触センサ（非接触変位計）を使用して基板照射面を規定の高さに合わせる手法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、その他の手法としては、加工対象物を載置する加工テーブルにレーザプロファイラ等に代表される強度分布測定装置を設置し、レーザプロファイラを用いて焦点位置を決定する手法がある。
【０００７】
ここで、上述の内容における従来のレーザ加工装置について図を用いて説明する。図８は、従来のレーザ加工装置の一構成例を示す図である。図８に示すレーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、反射ミラー１２と、マスク１３と、イメージングレンズ１４と、加工ステージ１５と、加工ステージ駆動手段１６と、プロファイラ１７と、制御手段１８とを有するよう構成されている。
【０００８】
レーザ発振器１１は、制御手段１８からの制御信号によりレーザ光を反射ミラー１２に対して出射する。ここで、レーザ光としては、例えば１パルスエネルギが１Ｊで発振周波数が３００Ｈｚ、波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ等を用いることができる。なお、レーザ光の種類については特に限定されることはなく、例えば波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザや、波長が２２２ｎｍのＫｒＣｌエキシマレーザ、あるいはＹＡＧレーザやＣＯ２レーザ等を用いることもできる。
【０００９】
また、反射ミラー１２は、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光を、マスク１３側へ反射させる。マスク１３は、レーザ光を所定の形状にするための開口部（スリット）が形成されている。ここで、マスクの種類については特に限定されることはなく、例えば安価で短納期製作が可能なクロムマスクを使用することができる。
【００１０】
マスク１３のスリットを通過したレーザ光は、イメージジングレンズ１４に照射される。イメージングレンズ１４は、加工対象物１９に照射される光の強度が所定の強度で加工面に結像されるようにレーザ光を集束するための結像レンズである。また、イメージングレンズ１４は、集束したレーザ光を加工対象物１９に照射する。
【００１１】
加工ステージ１５は、加工対象物１９を所定の位置に移動させるためのステージであり、例えば真空吸着等によって加工対象物１９が加工ステージ１５上に固定されている。
【００１２】
また、加工ステージ駆動手段１６は、制御手段１８からの制御信号により、加工ステージ１５を図８に示すレーザ光の光軸に対して垂直方向（Ｘ，Ｙ軸方向）や光軸方向（Ｚ軸方向）、及び光軸に対して所定の傾斜角θ方向等へ移動させることで、加工対象物１９を所定の位置に移動する。また、例えばレーザ照射中に所定の方向へ所定の速度で移動させることにより、加工対象物の加工面にアニール処理等を行うことができる。
【００１３】
プロファイラ１７は、加工ステージ１５の側壁に設置され、加工対象物１９に照射されるレーザ光の強度を測定する強度分布測定装置である。プロファイラ１７を有することにより、光の強度の端部の傾き（解像度）を測定することができる。制御手段１８は、プロファイラ１７から得られる計測結果に基づいて加工ステージ駆動手段１６の光軸（Ｚ軸）方向の調整を行い、加工対象物１９への焦点合わせを行う。また、制御手段１８は、レーザ発振器１１のおけるレーザ光の出射タイミングや加工時における加工ステージ１５を駆動させるための加工ステージ駆動手段１６の駆動タイミングの制御を行う。
【００１４】
＜解像度について＞
ここで、上述した解像度について、図を用いて説明する。図９は、解像度を説明するための一例の図である。図９に示すように、マスク１３には、加工対象物１９に対して所定の形状のレーザ光を照射するため、開口部としてのスリット２１が設けられている。スリット２１は所定のスリット幅が設けているため、加工対象物１９に照射されるレーザ光は、理想的には光の強度分布２２及び加工痕２３に示すように矩形となる。
【００１５】
しかしながら、実際にレーザ加工を行うには、上述したようにイメージングレンズ１４によってレーザ光を集束し加工対象物の表面に結像させる必要があり、その結果、図９に示す光の強度分布２４及び加工痕２５のようになる。このとき、光の強度分布２４に示すように端部に傾き（傾き）が生じ、このスロープが解像度を表す。また、レーザ光の強度分布がスロープを有することにより、実際の加工痕２５は図９に示すように理想的な加工痕２３よりも幅広になる。
【００１６】
また、スロープ（解像度）は、結像レンズに対応して決定されるものである。また、一般には良好な加工に必要なスロープは、一端のスロープ全体の区間に対して２０％の位置から９０％の位置までの区間が非常に小さい。上述したように従来では、プロファイラで計測されるスロープ（解像度）により焦点合わせを行っている。
【特許文献１】特開２００１−４４１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、プロファイラを用いる場合、加工対象物の厚さ等により焦点合わせに誤差が生じる可能性がある。具体的に説明すると、図１０の従来のプロファイラの設置例に示すように、通常図８に示すようなレーザ加工装置１０において、プロファイラ１７は加工ステージ１５の高さに合わせて設置されている。また、加工ステージ１５とプロファイラ１７との間に固定部材３１を介している場合がある。
【００１８】
つまり、加工対象物１９の厚さは加工対象物の種類により異なるため、プロファイラ１７の位置を常時により加工対象物１９の表面の位置に位置合わせを行うことは困難となる。更に、例えばプロファイラ１７を固定している固定部材３１にレーザ光の照射による熱変形が生じた場合には、加工対象物１９と、プロファイラ１７との相対位置に誤差が生じてしまう。したがって、以上のような状態からではプロファイラ１７から正確な計測結果を得ることはできず、そのため高精度な焦点合わせができなかった。
【００１９】
また、特許文献１に記載された非接触センサを用いた手法の場合、加工対象物に直接加工せずに焦点合わせを行うことができるが、より高精度な焦点合わせを行うためには実際に加工対象物に加工を行って確認するほうが好ましい。
【００２０】
本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、高精度な焦点合わせを実現するためのレーザ加工装置及び焦点合わせ制御方法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】
【００２１】
上述の目的を達成するために、本発明は、結像レンズを通過して加工対象物に照射されるレーザ光の焦点を制御してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、焦点合わせ用のスリットを有するマスクと、前記スリット及び前記結像レンズを通過して前記加工対象物に照射されたレーザ光により加工された加工痕を撮影する撮像手段と、前記撮像手段により撮影された複数の加工痕の画像データと、予め設定された基準となる加工痕の画像データとに基づいて、特定の画像データを選択する画像選択制御手段と、前記画像選択制御手段により選択された加工痕の画像データに基づいて、前記加工対象物と前記結像レンズとの距離を調整して焦点合わせを行うよう制御する制御手段とを有することを特徴とする。これにより、高精度な焦点合わせを実現することができる。したがって、高精度なレーザ加工を実現することができる。
【００２２】
更に、前記制御手段は、前記加工対象物と前記結像レンズとの距離を変えて、前記スリット及び前記結像レンズを通過したレーザ光により前記加工対象物に複数の加工痕を生成させることが好ましい。これにより、実際に複数の加工痕を生成して、その中から最適な加工痕を選択することができる。したがって、高精度な焦点合わせを実現することができる。
【００２３】
更に、前記複数の加工痕のそれぞれの画像データと、前記基準となる加工痕の画像データとの相関係数を算出する相関係数算出手段を有し、前記画像選択制御手段は、前記相関係数算出手段により得られる算出結果に基づいて、前記基準となる加工痕の画像データに最も近い加工痕の画像データを選択することが好ましい。これにより、より正確に基準となる加工痕の画像データに最も近い加工痕の画像データを選択することができる。したがって、高精度な焦点合わせを実現することができる。
【００２４】
更に、前記複数の加工痕の画像データと、前記基準となる加工痕の画像データとを表示する表示手段と、前記複数の加工痕の画像データから特定の画像データの選択情報を受け付ける入力手段とを有し、前記画像選択制御手段は、前記入力手段により得られる選択情報から加工痕の画像データを選択することが好ましい。これにより、オペレータは加工対象物の加工痕を直接目視するよりも、迅速かつ容易に加工痕を参照して、最適な加工痕の選択を行うことができる。
【００２５】
更に、前記スリットは、前記結像レンズを通過させて前記加工対象物に照射されるレーザ光の強度分布が、前記結像レンズにより決定されるスロープ部分のみになるようにスリット幅を形成することが好ましい。これにより、解像度付近のスリット幅を用いることで、焦点位置の変化に対する加工痕の変化を顕著に見ることができる。したがって、この加工痕に基づいて焦点合わせを行うことにより、高精度な焦点合わせを実現することができる。
【００２６】
更に、前記スリットを、実際の加工用のスリットが形成されたマスクに形成することが好ましい。これにより、焦点合わせ用のスリットを有するマスクと加工用のスリットを有するマスクとを別々にすることにより生じるスリットの厚みや素材等が原因の焦点合わせの誤差を防止することができる。
【００２７】
更に、前記マスクを移動させて、前記加工用のスリットと、前記焦点合わせ用のスリットとを入れ替えるためのマスクステージ駆動手段を有することが好ましい。これにより、同一のマスクを用いることで、厚みや素材等により生じる誤差を防止することができる。
【００２８】
また、本発明は、結像レンズを通過して加工対象物に照射されるレーザ光の焦点を制御してレーザ加工を行うレーザ加工装置における焦点合わせ制御方法において、前記結像レンズと前記加工対象物の距離を変えて複数の焦点合わせ用の加工を行う焦点合わせ加工ステップと、前記焦点合わせ加工ステップにより加工されたそれぞれの加工痕を撮影する撮影ステップと、前記撮影ステップにより撮影された前記加工痕の画像データと、予め設定された基準となる加工痕の画像データとに基づいて特定の画像データの選択を行う画像選択ステップと、前記画像選択ステップにより得られた加工痕の画像データに基づいて、前記加工対象物と前記結像レンズとの距離を調整して焦点合わせを行うよう制御する焦点合わせ制御ステップとを有することを特徴とする。これにより、高精度な焦点合わせを実現することができる。したがって、高精度なレーザ加工を実現することができる。
【００２９】
更に、前記複数の加工痕のそれぞれの画像データと、前記基準となる加工痕の画像データとの相関係数を算出する相関係数算出ステップを有し、前記画像選択ステップは、前記相関係数算出ステップにより得られる算出結果に基づいて、前記基準となる加工痕の画像データに最も近い加工痕の画像データを選択することが好ましい。これにより、より正確に基準となる加工痕の画像データに最も近い加工痕の画像データを選択することができる。したがって、高精度な焦点合わせを実現することができる。
【００３０】
更に、前記複数の加工痕の画像データと、前記基準となる加工痕の画像データとを表示させる表示ステップと、オペレータから画像データの選択情報を受け付ける選択情報入力ステップとを有し、前記画像選択ステップは、前記選択情報入力ステップにより得られた前記選択情報により、複数の加工痕の画像データから特定の加工痕の画像データを選択することが好ましい。これにより、オペレータは加工対象物の加工痕を直接目視するよりも、迅速かつ容易に加工痕を参照して、最適な加工痕の選択を行うことができる。
【００３１】
更に、前記焦点合わせ加工ステップは、前記加工対象物を加工するための加工用のスリットと、焦点合わせ用のスリットとが形成されたマスクを用いて、前記焦点合わせ用のスリットを前記レーザ光の入光位置に位置付けて前記焦点合わせ用の加工を行うことが好ましい。これにより、同一のマスクを用いることで、厚みや素材等により生じる誤差を防止することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、高精度な焦点合わせを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
＜本発明の概要＞
本発明は、結像レンズ（光学系全般を含む）により決定される解像度のみからなる光の強度分布が得られるようなスリット幅を有する焦点合わせ用スリットをマスクに形成し、その焦点合わせ用スリットを介してレンズと加工対象物との距離（光軸（Ｚ軸）方向の位置）を変えて加工対象物に複数の加工を行い、その加工結果（加工痕）を確認する。
【００３４】
ここで、上述の内容について図を用いて説明する。図１は、本発明の概要を説明するための一例の図である。本発明では、図１（ａ）に示すように、マスク４１に実際の加工を行うときに用いられる加工用スリット４２と焦点合わせ用スリット４３とが形成されている。なお、焦点合わせ用スリット４３は、このスリット及び結像レンズを通過して加工対象物の加工面に照射されるレーザ光の強度分布がスロープ(解像度)のみから形成されるようなスリット幅が形成される。
【００３５】
また、焦点合わせ用スリット４３を通過させたレーザ光を結像レンズと加工対象物との距離を変えながら、加工対象物にレーザ光を照射しレーザ加工を行う。距離を変えることで、図１（ｂ）に示すように、強度分布４４−１，４４−２，４４−３，・・・というようにそれぞれ異なるスロープ（傾斜）が得られる。これにより、図１（ｃ）に示すように、加工痕４５−１，４５−２，・・・というようにそれぞれ異なる形状となる。
【００３６】
また、加工対象物の表面に加工痕を残すエネルギー密度には閾値がある。図１（ｂ）に示す各強度分布４４のエネルギー（三角形の面積）の総量は同じであり、スロープが寝ている場合には、急激にその閾値を下回ることになる。このように解像度に対応させたスリット幅を用いることで、焦点位置の変化に対する加工痕の変化を顕著に見ることができる。したがって、この加工痕に基づいて焦点合わせを行うことにより、高精度な焦点合わせを実現することができる。
【００３７】
また、どの加工痕が焦点の合っているものであるかを確認する際には、オペレータの目視による確認でもよいが、加工痕を画像データとして取得するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）撮像素子からなるカメラ（撮像手段）を有し、そのカメラにより撮影された加工痕の画像データと、予め焦点が合っている状態で取得した予め設定された基準となる加工痕の画像データとを比較することにより、所望する加工痕を加工したＺ軸位置に位置付けることができる。これにより、高精度な焦点合わせを実現することができる。したがって、高精度なレーザ加工を実現することができる。
【００３８】
次に、本発明におけるレーザ加工装置及び焦点合わせ制御方法を好適に実施した形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に示す第１の実施形態において、図１に示したレーザ加工装置１０と同様の構成については同一符号を用いることとし、その説明は省略する。
【００３９】
＜第１の実施形態＞
図２は、第１の実施形態におけるレーザ加工装置の一構成例を示す図である。図２に示すレーザ加工装置５０は、レーザ発振器１１と、反射ミラー１２と、イメージングレンズ１４と、加工ステージ１５と、加工ステージ駆動装置１６と、マスクステージ５１と、マスクステージ駆動手段５２と、ハイトセンサ５３と、カメラ５４と、画像選択制御手段５５と、相関係数算出手段５６と、制御手段５７とを有するよう構成されている。
【００４０】
第１の実施形態におけるレーザ加工装置５０は、マスクステージ５１にマスク５８を載置し、マスクステージ駆動手段５２により、マスク５８をＸＹ軸方向（光軸に対して垂直方向）に移動させる。ここで、マスク５８及びマスクステージ５１について、図を用いて説明する図３は、本実施形態におけるマスク及びマスクステージの一例を説明するための図である。なお、図３では、マスク５８とマスクステージ５１とが離れた図を示しているが、使用中は真空吸着等によってマスク５８がマスクステージ５１上に固定されている。
図３に示すように、マスク５８には、加工対象物１９を加工するための加工用スリット６１と、焦点合わせ用スリット６２とを有している。
【００４１】
なお、焦点合わせ用スリット６２は、上述したように使用するイメージングレンズ１４により決定される解像度（スロープ）に基づいてスリット幅が形成されている。したがって、焦点合わせを行う場合には、マスクステージ駆動手段５２が制御手段５７からの制御信号によりマスクステージ５１を光軸に対して垂直方向（ＸＹ方向）へ移動し、焦点合わせ用スリット６２をレーザ光の入光位置に位置付けて、本発明における焦点合わせ加工を行う。また、焦点合わせが終了後、マスクステージ駆動手段５２が制御手段５７からの制御信号によりマスクステージ５１をＸＹ方向へ移動し、加工用スリット６１をレーザ光の入射位置に位置付けて、実際に加工対象物１９へ加工を行う。
【００４２】
なお、本実施形態においては、焦点合わせ用スリットのみを用いたマスクと加工用スリットのみを設けたマスクとを用意し、焦点合わせ時と加工時とにおいてそれぞれのマスクを変更してもよい。しかしながら、スリットの厚みや素材等により加工時の焦点位置に誤差が生じる可能性があるため、図３に示すように焦点合わせ用スリットと加工用スリット同一のマスクに形成する方が好ましい。
【００４３】
また、マスクステージ５１は、図３に示すように、スリットを通過し所定の形状になったレーザ光の減衰を防止するため、所定の大きさの開口部（マスクステージ開口部６３）を設けている。なお、マスクステージ開口部６３は、矩形に形成されているが、本実施形態においてはこれに限定されるものではなく、例えば円形や多角形であってもよい。
【００４４】
また、図２に示すレーザ加工装置５０には、高さ計測手段としてのハイトセンサ５３を設けている。ハイトセンサ５３は、加工対象物１９の表面からの距離を計測し、計測した結果を制御手段５７に出力する。これにより、イメージングレンズ１４と、加工対象物１９との距離を高精度に取得することができる。したがって、厚さの異なる種々の加工対象物に対して高精度なレーザ加工を行うことができる。
【００４５】
また、撮像手段としてのカメラ５４は、ＣＣＤ撮像素子を有し、焦点合わせ用スリット６２及びイメージングレンズ１４を通過したレーザ光が加工対象物１９に照射されることで得られる加工痕を撮影し、撮影された画像データを画像選択制御手段５５に出力する。なお、焦点合わせを行うための加工対象物１９への加工は、実際の加工を行う加工対象物とは異なる加工対象物を用いてもよいが、加工対象物の厚みのバラツキ等があるため、実際の加工を行う加工対象物に焦点合わせ用の加工を行うことが好ましい。なお、この場合には、加工対象物に対して実際の加工を行う加工領域以外の領域に焦点合わせ用の加工を行う。
【００４６】
画像選択制御手段５５は、制御手段５７からの制御信号によりカメラ５４から得られる実際に加工された複数の加工痕の画像データを取得し、予め設定された基準となる加工痕の画像データに最も近い加工痕を選択し、その結果を制御手段５７に出力する。なお、基準となる加工痕の画像データは、画像選択制御手段５５に蓄積されている。
【００４７】
ここで、図４は、予め設定された加工痕と、異なる高さ方向（Ｚ軸方向）の位置を変えて加工した加工痕との比較の一例を示す図である。図４に示すように、予め焦点が合っている状態で加工された加工痕７１に最も近い加工痕を、実際に加工しカメラ５４により取得した加工痕７２−１〜７２−５から選択する。
【００４８】
また、相関係数算出手段５６は、画像選択制御手段５５からの指示により、実際の焦点合わせ加工により得られた加工痕の画像データと予め設定された基準となる加工痕の画像データとが、どの程度一致しているかの指標である相関係数（相関値）を算出する。具体的には、例えば、カメラ５４で撮影された複数の画像データのそれぞれと、基準の画像データとをピクセル単位で比較し、どの程度一致しているかを比較することで相関係数を求める。なお、相関係数算出手段５６における相関係数の具体的な算出例については後述する。
【００４９】
また、相関係数算出手段５６は、算出結果を画像選択制御手段５５に出力する。画像選択制御手段５５は、相関係数算出手段５６から得られる算出結果に基づいて、最も近い加工痕の画像データをより正確に選択することができる。
【００５０】
制御手段５７は、ハイトセンサ５３から加工対象物１９の表面からの距離情報を入力する。また、制御手段５７は、レーザ発振器１１におけるレーザ光の発振タイミング、マスクステージ駆動手段５２における駆動タイミング、加工ステージ駆動手段１６における駆動タイミング、画像選択制御手段５５焦点合わせ制御を行うための画像選択タイミングを制御し、各構成部に制御信号を出力してレーザ加工装置５０全体の制御を行う。
【００５１】
＜焦点合わせ制御手順＞
ここで、本発明のレーザ加工装置における焦点合わせ制御処理手順についてフローチャートを用いて説明する。図５は、本発明における焦点合わせ制御処理手順の一例を示すフローチャートである。
【００５２】
焦点合わせを行う際には、まず、焦点合わせ用スリットにレーザ光が入射されるようにマスクを移動する（Ｓ０１）。次に、所定数になるまで加工ステージ１５の高さ（光軸、Ｚ軸）、つまり、イメージングレンズ１４と加工対象物１９との距離を変えて、加工ステージ１５に載置されている加工対象物１９に焦点合わせ用の加工を行う（Ｓ０２）。
【００５３】
なお、Ｓ０２における加工中は、加工対象物１９の同じ位置にレーザ光が照射されないように加工する毎に加工ステージにより照射位置を移動させる。また、どの高さ位置（距離）で、どの加工を行ったか等の情報は、制御手段５７により管理される。なお、上述する実施形態においては、加工ステージ１５の高さをどの程度変えるかの制限はなく、例えば５μｍ毎に加工ステージの高さを変えて焦点合わせ用の加工を行うことができる。
【００５４】
次に、Ｓ０２により加工対象物１９に加工された加工痕をカメラ（撮像手段）により撮影し、それぞれの加工痕の画像データを取得する（Ｓ０３）。なお、画像データを取得する際には、加工された順に加工痕の画像データを取得し、その加工痕を選択する際に加工痕が識別できるように予め加工痕を識別する識別情報を付加してもよい。また、Ｓ０３により取得した加工痕の画像データと、予め焦点が合っている状態で加工された基準となる加工痕の画像データとの比較を行い、最も近い加工痕を選択する（Ｓ０４）。
【００５５】
なお、最も近い加工痕を選択する場合には、Ｓ０３により取得した加工痕の画像データと、基準となる加工痕の画像データとを用いて一致の度合いを示す情報である相関係数を算出し、その算出された結果から最も近い加工痕を選択してもよい。また、後述する第２の実施形態に示すように、上述の各画像データをモニタ等の表示手段に表示し、その表示された画像データをオペレータが参照し、選択した特定の画像データの選択情報を受け付ける入力手段から得られる選択情報により加工痕を選択してもよい。
【００５６】
次に、Ｓ０４により選択された加工痕の情報（例えば、何番目の加工痕かを示す情報や加工痕の識別情報等）に基づいて、制御手段５７により管理されている焦点合わせ加工時の加工条件を参照し、選択した加工痕を加工したときの高さ（距離）に加工ステージを設定する（Ｓ０５）。また、マスク５８に形成された実際の加工用スリット６１にレーザ光を入射させるため、マスクの移動を行い（Ｓ０６）、焦点合わせ制御処理を終了する。
【００５７】
なお、上述した焦点合わせ制御処理は、レーザ加工装置５０を起動するタイミング（例えば、毎朝、毎週等）やマスクを劣化により変更するタイミング等で行う。
【００５８】
＜相関係数（相関値）の算出手法＞
ここで、上述した相関係数の算出手法の一例について、説明する。図６は、相関係数の算出手法の一例を説明するための図である。図６に示すように、予め設定された基準となる加工痕の画像Ｐ（Ｍ，Ｎ）と、焦点合わせ加工により得られた加工痕を撮影した画像Ｂ（Ｘ，Ｙ）の部分画像（実際の加工痕の画像）Ｂｉｊ（Ｍ，Ｎ）との相互相関係数Ｃｉｊを以下に示す（１）式の計算で求めて、その値が予め設定された指定値より大きくなる座標値を出力する。
【００５９】
【数１】
2007229786.tif 000003
なお、上述した（１）式において、Ｃｉｊは、常に−１≦Ｃｉｊ≦１の値となり、特にＣｉｊ＝１の場合は、基準となる加工痕の画像Ｐ（Ｍ，Ｎ）と、実際の加工痕の画像Ｂｉｊ（Ｍ，Ｎ）とが完全に一致していることを示す。
【００６０】
したがって、複数撮影された実際の加工痕の画像データのそれぞれと基準となる加工痕の画像データとから得られる複数の相関係数のうち、１に最も近い相関係数となった加工痕の画像データを、基準となる加工痕の画像データ（焦点の合っている画像データ）に最も近い加工痕の画像データとして選択することができる。
【００６１】
なお、上述した指定値としては、例えば、Ｃｉｊを１００００倍した値をパラメータとして指定することができる。
【００６２】
上述したように、第１の実施形態により、高精度な焦点合わせを実現することができる。具体的には、マスクに焦点合わせ用のレンズ解像度に対応させたスリットを設け、そのスリット及び結像レンズを通過させたレーザ光を加工対象物に照射し、その加工痕を用いて直接的に焦点を求めることができる。また、画像処理により得られる相関係数を利用することで、より正確に基準となる加工痕の画像データに最も近い加工痕の画像データを選択することができる。これにより、高精度な焦点合わせを実現することができる。したがって、高精度なレーザ加工を実現することができる。
【００６３】
なお、上述した第１の実施形態では、焦点合わせを行う際に、相関係数算出手段５６による相関係数の算出結果により加工痕の選択を行ったが、例えば、焦点合わせ用に加工した加工痕の画像データと予め設定された加工痕の加工痕の画像データとを表示する表示手段と、オペレータが表示手段に表示された各加工痕の画像データから特定の画像データを選択するための入力手段とを設けてもよい。これにより、オペレータは加工対象物の加工痕を直接目視するよりも、迅速かつ容易に加工痕を参照して、最適な加工痕の選択を行うことができる。ここで、上述の内容を第２の実施形態として、図を用いて説明する。なお、以下に示す第２の実施形態において、図２に示したレーザ加工装置５０と同様の構成については同一符号を用いることとし、その説明は省略する。
【００６４】
＜第２の実施形態＞
図７は、第２の実施形態におけるレーザ加工装置の一構成例を示す図である。図７に示すレーザ加工装置８０は、図２に示す第１の実施形態におけるレーザ加工装置５０と比較して相関係数算出手段５６の代わりにオペレータに加工痕を選択させるための表示手段８１及び入力手段８２を有している。
【００６５】
また、画像選択制御手段８３は、加工対象物１９に加工された焦点合わせ用の複数の加工痕の画像データをカメラ５４の撮影により取得し、その取得した画像データをモニタ等からなる表示手段８１に出力する。このとき、画像選択制御手段８３は、焦点合わせ用に高さを変えて加工された複数の加工痕の画像データと、予め設定された加工痕の画像データを表示手段８１に表示させる。このとき、画像選択制御手段８３は、表示手段８１に各画像データを表示する際に、拡大表示、縮小表示、配列表示、重ね合わせ表示等の各種画像処理を行ってもよい。
【００６６】
更に、画像選択制御手段８３は、オペレータが表示手段８１に表示された画像データを参照し、複数の加工痕の画像データから特定の画像データが選択された選択情報を受け付けるキーボードやマウス等の入力手段８２により得られた選択情報から、特定の加工痕に関する情報（識別情報等）を制御手段５７に出力する。制御手段５７は、この情報から加工ステージ駆動手段１６に制御信号を出力し、所定の位置に加工ステージ１５を移動させる。これにより、高精度な焦点合わせを実現することができる。
【００６７】
上述したように、第２の実施形態によれば、オペレータは加工対象物の加工痕を直接目視するよりも、迅速かつ容易に加工痕を参照して、最適な加工痕の選択を行うことができる。これにより、高精度な焦点合わせを実現することができる。したがって、高精度なレーザ加工を実現することができる。
【００６８】
なお、本発明における実施形態は上述した実施形態に限定されず、例えば、上述した第１及び第２の実施形態を組み合わせたレーザ加工装置を構成してもよい。更に、上述した実施形態においては、焦点合わせを行う際に、加工ステージの移動を行ったが、本発明においてはこれに限定されず、例えばレンズ（イメージングレンズ）を駆動させるレンズ駆動手段を有し、制御手段が焦点合わせの際にレンズを駆動させるようにしてもよい。
【００６９】
また、上述した画像選択制御手段、相関係数算出手段、表示手段、入力手段の各構成における処理を汎用のコンピュータに実行させることができる実行プログラムを生成し、例えば、そのプログラムをＰＣ等の汎用のコンピュータにインストールすることにより、上述した焦点合わせ制御処理を実現することができる。また、コンピュータにインストールされる実行プログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体等により提供されてもよく、通信ネットワークを介してサーバ等からダウンロードすることにより提供されてもよい。
【００７０】
上述したように、本発明によれば、高精度な焦点合わせを実現することができる。具体的には、マスクに焦点合わせ用のレンズ解像度に対応させたスリットを設け、そのスリット及び結像レンズを通過させたレーザ光を加工対象物に照射し、その加工痕を用いて直接的に焦点を求めることができる。また、画像処理により得られる相関係数を利用することで、より正確に基準となる加工痕の画像データに最も近い加工痕の画像データを選択することができる。これにより、高精度な焦点合わせを実現することができる。したがって、高精度なレーザ加工を実現することができる。
【００７１】
なお、本発明におけるレーザ加工は、例えば穴あけや溝加工、アニール処理、溶接等の加工にも適用することができる。
【００７２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の概要を説明するための一例の図である。
【図２】第１の本実施形態におけるレーザ加工装置の一構成例を示す図である。
【図３】本実施形態におけるマスク及びマスクステージの一例を説明するための図である。
【図４】予め設定された加工痕と、異なる高さ方向（Ｚ軸方向）の位置を変えて加工した加工痕との比較の一例を示す図である。
【図５】本発明における焦点合わせ制御処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】相関係数の算出手法の一例を説明するための図である。
【図７】第２の本実施形態におけるレーザ加工装置の一構成例を示す図である。
【図８】従来のレーザ加工装置の一構成例を示す図である。
【図９】解像度を説明するための一例の図である。
【図１０】従来のプロファイラの設置例を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０，５０，８０  レーザ加工装置
１１  レーザ発振器
１２  反射ミラー
１３，４１，５８  マスク
１４  イメージングレンズ
１５  加工ステージ
１６  加工ステージ駆動手段
１７  プロファイラ
１８，５７  制御手段
２１  スリット
２２，２４，４４  強度分布
２３，２５，４５，７１，７２  加工痕
３１  固定部材
４２，６１  加工用スリット
４３，６２  焦点合わせ用スリット
５１  マスクステージ
５２  マスクステージ駆動手段
５３  ハイトセンサ
５４  カメラ
５５，８３  画像選択制御手段
５６  相関係数算出手段
６３  マスクステージ開口部
８１  表示手段
８２  出力手段
【図１】
2007229786.tif 000004
【図２】
2007229786.tif 000005
【図３】
2007229786.tif 000006
【図４】
2007229786.tif 000007
【図５】
2007229786.tif 000008
【図６】
2007229786.tif 000009
【図７】
2007229786.tif 000010
【図８】
2007229786.tif 000011
【図９】
2007229786.tif 000012
【図１０】
2007229786.tif 000013