JP2000237888A

JP2000237888A - レーザ加工方法及びレーザ加工機

Info

Publication number: JP2000237888A
Application number: JP11039831A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Katayama; 雅行片山
Original assignee: Fine Machining Kk
Current assignee: Fine Machining Kk
Priority date: 1999-02-18
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2000-09-05

Abstract

(57)【要約】【解決課題】レーザ加工を行う際にマスクで遮断され
るレーザビームを減少させることにより、効率の良いレ
ーザ加工を行えるようにするための技術を提供する。【解決手段】本発明によるレーザ加工方法は、レーザ
発振器から射出されたレーザビームを、開口が設けられ
たマスクを通過させることで所望の断面形状に整形して
から加工対象面へ照射してなるレーザ加工方法に基づく
ものである。そして、レーザ発振器からマスクまでの光
路間に、該光路に対して軸が垂直になるようにされ且つ
その軸の方向を互いに相違させられた複数の円筒レンズ
を配置し、これら複数の円筒レンズを透過させること
で、マスクに遮られる部分が少なくなるように断面形状
を変化させてから、レーザビームをマスクへ導くように
したことをその特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体加工などに
応用されるレーザ加工技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的なレーザ加工機は、レーザ射出用
のレーザ発振器、レーザビームを導く光学系、所定形状
の開口が設けられたマスク、加工対象たる半導体などを
載置するターンテーブルを備えており、レーザ発振器か
ら射出されたレーザを光学系によってマスクまで導き、
マスク開口を透過させることにより断面を所定形状に整
形したレーザビームを照射してターンテーブル上に載置
した半導体などの加工対象面に対する加工を行うような
ものになっている。

【０００３】そしてこのようなレーザ加工機で用いられ
るレーザ発振器としては、Ｑスイッチ発振などによりパ
ルス状のレーザビームを射出するものを用いるのが通常
であり、ターンテーブル上の加工対象物を移動させなが
らパルス状のレーザビームを連続的に照射することによ
って、言ってみれば、小さな点を連続して打つようにし
て加工対象面に対する加工を行うようになっている。と
ころで、このようなレーザ加工では、非常に小さな幅で
の直線状の処理が要求される場合が多い。従って、加工
により得られる直線の精密さを考慮して、レーザ加工機
のマスクに穿設する開口は、は矩形に形成されるのが一
般的である。

【０００４】上記の如きレーザ加工器によれは、断面形
状を矩形に整形のレーザビームを用いることが可能にな
るなため、精度の高いレーザ加工が実現できるようにな
り、またそれにより加工したものの仕上がりもが美しく
なる。

【０００５】しかしながら、このようなレーザ加工技術
においても改良すべき点がないわけではない。即ち、レ
ーザ加工機で用いられるマスクの開口が一般的に矩形で
あるのに対して、レーザ発振器から発振されるレーザビ
ームの断面形状が円形状乃至楕円形状であり、その形状
が一致しないことである。つまり、円形状乃至楕円形状
の断面を持つレーザビームをマスクにより整形すること
は、取りも直さずレーザビームの外縁部を遮断すること
につながり、エネルギーの有効利用という観点からすれ
ば妥当とは言えないことが生じ得るのみならず、場合に
よっては加工のために必要なエネルギーを十分に確保す
るのが困難になることさえ考えられる。また、最近で
は、加工速度の増大を図るべく、一のレーザ発振器から
射出されたレーザビームをスプリッタにより分割するこ
とにより、並列でレーザ加工を行う場合が多くなってい
るため、レーザビームのエネルギーを有効に利用するこ
とについての要求が益々高くなってきている。そして、
これらの要求に応えるためには、マスクによって遮断さ
れるレーザビームをより一層少なくすることが必要であ
る。一方、これらの課題に対しては、レーザ発振器の高
出力化により理論上対応可能ではあるが、レーザ発振器
の出力を高めるにも技術的な限界があり、またコスト増
大の問題を避けられないため、実際上の解決手段とはな
り得ていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、レーザ加工
技術に関する上記の如き課題を解決せんとするものであ
り、具体的には、マスクにおけるレーザビームの遮断部
分を可能な限り減少させるための技術を提供せんとする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によるレーザ加工
方法は、レーザ発振器から射出されたレーザビームを、
開口が設けられたマスクを通過させることで所望の断面
形状に整形してから加工対象面へ照射してなるレーザ加
工方法に基づくものである。そして、レーザ発振器から
マスクまでの光路間に、該光路に対して軸が垂直になる
ようにされ且つその軸の方向を互いに相違させられた複
数の円筒レンズを配置し、これら複数の円筒レンズを透
過させることで、マスクに遮られる部分が少なくなるよ
うに断面形状を変化させてから、レーザビームをマスク
へ導くようにしたことをその特徴とする。

【０００８】このレーザ加工方法においては、レーザ発
振器からマスクまでの光路間に、該光路に対して軸が垂
直になるようにされ且つその軸の方向を互いに相違させ
られた複数の円筒レンズを配置することとしている。円
筒レンズは、例えば透明体をかまぼこ形状や、円筒形状
に形成してなるレンズをいい、かまぼこ形状ないし円筒
形状の軸に沿う方向では光の集散に寄与せず、レンズと
して機能しないが、軸に直交する方向にあっては光の集
散に寄与し、レンズとしての機能を発揮するようになっ
ているものをいう。つまり、円筒レンズを透過した光
は、断面で見た場合、上記軸に直交する一軸方向で伸縮
されることになる。本発明においては、軸の方向を違え
て配置した複数の円筒レンズを光路上に設けることによ
り、レーザビームが複数の円筒レンズを透過するように
しており、レーザビームの断面を複数の軸方向に伸縮さ
せることで、マスクに遮られる部分が少なくなるように
断面形状を変化させた状態で、レーザビームをマスクに
導くようにしている。つまり本発明によれば、マスクに
至る時点におけるレーザビームの断面形状をマスクに穿
設されている開口の形状に対してより一致させられるよ
うになるため、マスクにより遮られるレーザビームの面
積を必要最小限に抑えられるようになり、これによりレ
ーザビームのエネルギーを有効に利用できるようにな
る。

【０００９】ここでレーザビームの断面形状をマスクに
穿設された開口の形状に対してより弾力的に一致させら
れるようにすることを考慮すれば、上記円筒レンズを複
数設けることによりレーザビームの断面形状を複数方向
に伸縮可能とするのが好ましい。発振器から射出される
レーザビームの断面形状は必ずしも真円形状になってい
るわけではないため、複数の円筒レンズを光路上に設け
ることにより、例えば、最初の円筒レンズによって、楕
円形状になっているレーザビーム断面を真円形状に整え
ると共に、次の円筒レンズで、真円形状に断面形状に整
えられたレーザビームを、その断面形状がマスク開口で
遮られる部分が小さくなるような楕円形状となるよう形
成することが可能になる。また、レーザ発振器から射出
された元のレーザビームの断面形状が円形状である場合
には、とりあえず２つの円筒レンズがあり、これにより
２方向におけるレーザ断面の伸縮を行えるようになって
いれば、レーザビーム断面形状のマスク開口形状に合わ
せた変形が可能となる。

【００１０】また、本発明のレーザ加工方法における複
数の円筒レンズは、複数方向におけるレーザビーム断面
の伸縮を可能とするために、軸の方向を互いに相違させ
て配置する必要がある。２つの円筒レンズを用いる場合
にも、それらの軸の方向を相違させて円筒レンズを配置
する必要があるが、レーザビーム断面の伸縮を効率良く
行うようにするためには、円筒レンズの軸が互いに略９
０°の角をなすようにするのが好ましい。この場合に
は、各円筒レンズを固定して用いることが条件となる
が、レーザビーム発振器により射出されるレーザビーム
の断面形状が一定形状のまま変化しないのであれば、こ
れでも十分な効果を得られる。

【００１１】また、本発明のレーザ加工方法における円
筒レンズは、光路との交点を中心として回転できるよう
にするのが好ましい。このようにすることで、レーザ発
振器から射出されたレーザビームの断面形状が変化した
場合があっても、マスク開口の形状にその断面形状を近
づけるための変形をより一層柔軟に行えるようになるか
らである。この場合、各円筒レンズは、各円筒レンズの
なす角度を固定したまま回転するようにすることも可能
であるが、各円筒レンズを独立に回転できるようにする
ことも可能であり、またそうすることで、レーザビーム
断面形状の変形がより一層柔軟に行えるようになる。

【００１２】上記のような方法を用いた場合において、
マスクに遮られるレーザビームが理論上最も少なくなる
のは、レーザビームの断面形状が真円であり且つマスク
開口の形状がレーザビーム外縁に内接する正方形となっ
ている場合である。そしてこの場合における開口を通過
するレーザビームの断面積は、レーザビームの全断面積
の約６４％となっている。このような観点からすれば、
本発明のレーザ加工方法では、断面積で考えて５０％以
上のレーザビームがマスク開口を通過できるようなもの
となっていれば、言いかえれば、マスクに遮られるレー
ザビームの面積が、レーザビームの断面積の５０％以下
となっていれば従来技術と比較して遥かに高いレーザビ
ームの利用効率を得られていることになり好ましい。

【００１３】尚、本発明による上記レーザ加工方法は、
レーザ射出用のレーザ発振器と、レーザ発振器から照射
されたレーザビームを通過させることで加工対象面へ照
射するレーザビームを所望の断面形状に整形する、開口
を有するマスクとを備えるレーザ加工機を基本とし、且
つレーザ発振器からマスクまでの光路上に、該光路に対
して軸が垂直になるようにされ且つその軸の方向を互い
に相違させられた複数の円筒レンズを備え、これら複数
の円筒レンズを透過したレーザビームは、マスクに遮ら
れる部分が少なくなるように断面形状が変化してからマ
スクに導かれるようにされているレーザ加工機により実
現することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１〜図３を参照して本発明によ
るレーザ加工機の一実施形態について説明を行うと共
に、その動作を説明することで、本発明によるレーザ加
工方法の実施形態について説明を行う。

【００１５】このレーザ加工機は、１つのレーザ発振器
１０を備えており、このレーザ発振器から射出されるビ
ームを、ハーフミラー１１及びミラー１２を用いて２系
統のレーザビーム光路Ｌ１、Ｌに分割するようになって
いる。各レーザビーム光路Ｌ１、Ｌ２には、メインシャ
ッター１０１Ａ、２０１Ａ、サブシャッター１０１Ｂ、
２０１Ｂ、ベンディングミラー１０２、２０２、ビーム
ストッパ１０３、２０３、ビームエキスパンダ１０４、
２０４、円筒レンズ１０５、１０６、２０５、２０６、
全反射ミラー１０７、２０７、ピンホール１０８、２０
８、ウィンドウユニット１０９、２０９、アパーチャユ
ニット１１０、２１０、加工光学鏡筒１１１、２１１が
各々含まれている。

【００１６】レーザ発振器１０１、２０１は、Ｑスイッ
チ発振を行うＹＡＧレーザ発振器であり、パルス状のレ
ーザビームを発振する。上記メインシャッター１０１、
２０１は、加工の有無に応じてレーザ発振器１０１、２
０１から出たレーザビームの射出のＯＮ、ＯＦＦを制御
するためのものであり、図外の制御手段によって光路Ｌ
１、Ｌ２に対して所望のタイミングで前後させることで
スイッチとして機能するようになっている。一方、サブ
シャッター１０１Ｂ、２０１Ｂは、加工を行う際に、テ
ーブルの動作と連動させてレーザビームの射出に関する
ＯＮ、ＯＦＦを高速で行う場合に用いられ、テーブルの
位置情報を入力される、図示を省略の外部制御手段によ
り駆動される。また、ベンディングミラー１０２、２０
２は、光の進行方向を変化させる機能を有し、この実施
形態では、レーザ発振器１０１、２０１から来るレーザ
ビームを図中下方に向かって曲折させる。ビームストッ
パ１０３、２０３は、ベンディングミラー１０２、２０
２を抜けて直進してきたレーザビームが外部へ漏れるの
を防止するために設けられている。ビームエキスパンダ
１０４、２０４は、凹レンズ様のものであり、ベンディ
ングミラー１０２、２０２から来たレーザビームの断面
形状を拡大する。

【００１７】また、本実施形態では、それぞれのレーザ
ビーム光路Ｌ１、Ｌ２に、各２つづつの円筒レンズ１０
５、１０６、２０５、２０６が設けられている。これら
円筒レンズ１０５、１０６、２０５、２０６は、軸Ｘに
対して直交する平面上を進む入射光に対しては凸レンズ
として機能するが、軸Ｘに沿う平面上を進む入射光に対
してはレンズとして機能しないような略かまぼこ形状に
形成されており、背面の平面部分１０５ａ、１０６ａ、
２０５ａ、２０６ａが、それぞれが乗っている光路Ｌ
１、Ｌ２に対して垂直になるようにして、図２に示した
如き位置関係で配置されている。具体的には、同一の光
路Ｌ１、Ｌ２上にある円筒レンズ１０５、１０６（又は
２０５、２０６）の軸Ｘが、光路Ｌ１、Ｌ２上から見て
一致しないようにして、円筒レンズ１０５、１０６（又
は２０５、２０６）は配置されている。また、同一のレ
ーザビーム光路Ｌ１、Ｌ２上にある円筒レンズ１０５、
１０６（又は２０５、２０６）は、図外の駆動手段によ
って、互いに独立して回転可能とされている。

【００１８】全反射ミラー１０７、２０７は、円筒レン
ズ１０５、１０６、２０５、２０６を通過したレーザビ
ームを反射し、後述の加工光学鏡筒１１５、２１５方向
へレーザビームの進路を変える機能を有する。ピンホー
ル１０８、２０８には、図示を省略するが円形状に穿設
されたレーザビーム通過用の小孔が設けられており、こ
の小孔をレーザビームが通過するように調整すること
で、光路Ｌ１、Ｌ２の位置を微調整するために用いられ
る。また、ウィンドウユニット１０９、２０９には、図
示を省略するが矩形状に穿設されたレーザビーム通過様
の小孔が穿設されており、ピンホール１０８、２０８と
同様に、レーザビーム光路Ｌ１、Ｌ２の位置に関する微
調整を行うために用いられる。アパーチャユニット１１
０、２１０は、内部にマスク１１２、２１２を有してお
り、そのマスク１１２、２１２には、矩形の開口１１
３、２１３が設けられている（図３参照）。尚、この矩
形の開口１１３、２１３は、加工対象などによりその形
状の選択がなされ、一般的には短辺：長辺の比が１：１
〜１：５の範囲とされる。また、加工光学鏡筒１１１、
２１１は、アパーチャユニット１１０、２１０を通過し
たレーザビームを図示せぬ加工対象面に対して射出す
る。

【００１９】尚、図示を省略しているが、この実施形態
によるレーザ加工機は、加工光学鏡筒１１１、２１１の
前方にパルス状として射出されるレーザビームに同期す
るように外部駆動力により駆動されるテーブルを備えて
おり、前記加工光学鏡筒１１５、２１５から出たレーザ
ビームをテーブル上に配置した半導体などに照射するこ
とにより、レーザ加工を行うようになっている。

【００２０】次に、このレーザ加工機の動作を説明す
る。レーザ加工を行うに当たっては、まずレーザ発振器
１０１、２０１を駆動し、パルス状のレーザビームを射
出させる。ここで加工の有無に応じたレーザビームの出
力のＯＮ、ＯＦＦ切換は、メインシャッター１０１Ａ、
２０１Ａの開閉に従って行う。レーザ発振器１０１、２
０１の立ち上げには時間が掛かるので、メインシャッタ
ー１０１Ａ、２０１Ａを用いることでレーザビームの出
力のＯＮ、ＯＦＦ切換を行うようにしたものである。ま
た、加工を行う際におけるレーザビーム出力に関する高
速のＯＮ、ＯＦＦ切換は、サブシャッター１０１Ｂ，２
０１Ｂで行う。

【００２１】メインシャッター１０１Ａ、２０１Ａ及び
サブシャッター１０１Ｂ，２０１Ｂが開状態のとき、レ
ーザビームは直進しベンディングミラー１０２、２０２
に向かう。そして、ベンディングミラー１０２、２０２
により方向を変えられたレーザビームは、ビームエキス
パンダ１０４、２０４を通過し、それに伴って断面形状
が拡大される。断面形状が拡大されたレーザビームは、
円筒レンズ１０５、１０６、２０５、２０６へと向か
う。同一のレーザビーム光路Ｌ１、Ｌ２上に位置する円
筒レンズ１０５、１０６、２０５、２０６は、所定の位
置へ回転し、レーザビームの断面形状が後述のマスク１
１２、２１２開口１１３、２１３の形状により近い形に
なるようにしてレーザビームの断面形状を整形する。

【００２２】断面形状を適切に整形されたレーザビーム
は各々、全反射ミラー１０７、２０７で反射される。そ
して全反射ミラー１０７、２０７で反射されたレーザビ
ームは、ピンホール１０８、２０８、ウィンドウユニッ
ト１０９、２０９を経てアパーチャユニット１１０、２
１０へと導かれる。

【００２３】アパーチャユニット１１０、２１０の内部
には、上述のようにマスク１１２、２１２が設けられて
おり、図３に示した如き状態で、レーザビームがマスク
１１２、２１２に到達する。尚、図３では、レーザビー
ムの断面部分を斜線で示している。レーザビームの断面
形状は、マスク１１２、２１２に設けられた矩形の開口
１１３、２１３に略外接するようにされている。従っ
て、開口１１３、２１３を通過するレーザビームの量は
多く、マスク１１２、２１２により遮断される光の量は
少なくなり、この実施形態の場合でも略５５％のレーザ
ビームが開口１１３、２１３を通過するようになってい
る。

【００２４】開口１１３、２１３を通過して所定の形状
に整形されたレーザビームは、加工光学鏡筒１１１、２
１１を介して、ターンテーブル上に載置された半導体な
どの加工対象面に照射され、これによりレーザ加工が行
われる。

【００２５】尚、この出願においては、各円筒レンズ１
０５、１０６、２０５、２０６が独立して回転可能とな
っている例を説明したが、同一光路上にある円筒レンズ
１１０、１１１（又は２１０、２１１）の軸Ｘが互いに
９０°の角度をなすようにして固定することも可能であ
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明のレーザ加工方法では、組み合わ
せた複数の円筒レンズを透過させることにより、マスク
開口で遮断される部分が少なくなるような形状に予めレ
ーザビームの断面形状を整えるようにしているので、レ
ーザ加工を行うに当たって効率の良いレーザビーム利用
が可能となる。特に、マスクに遮られるレーザビームの
断面部分が全体の５０％を切る場合には、従来と比較し
て遥かに高いエネルギー効率を得られるようになる。ま
た、本発明のレーザ加工機によれば、上記レーザ加工方
法を容易に実施できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ加工機の一実施形態を示す
平面図。

【図２】図１で示したレーザ加工機における円筒レンズ
を概略で示す斜視図。

【図３】図１で示したレーザ加工機におけるマスクを概
略で示した側面図。

【符号の説明】

１０レーザ発振器１１ハーフミラー１２ミラー１０１Ａ、２０１Ａメインシャッター１０１Ｂ、２０１Ｂサブシャッター１０２、２０２ベンディングミラー１０３、２０３ビームストッパ１０４、２０４ビームエキスパンダ１０５、１０６、２０５、２０６円筒レンズ１０７、２０７全反射ミラー１０８、２０８ピンホール１０９、２０９ウィンドウユニット１１０、２１０アパーチャユニット１１１、２１１加工光学鏡筒１１２、２１２マスク１１３、２１３開口Ｌ１、Ｌ２レーザビーム光路Ｘ軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器から射出されたレーザビー
ムを、開口が設けられたマスクを通過させることで所望
の断面形状に整形してから加工対象面へ照射してなるレ
ーザ加工方法において、レーザ発振器からマスクまでの光路間に、該光路に対し
て軸が垂直になるようにされ且つその軸の方向を互いに
相違させられた複数の円筒レンズを配置し、これら複数
の円筒レンズを透過させることで、マスクに遮られる部
分が少なくなるように断面形状を変化させてから、レー
ザビームをマスクへ導くようにしたことを特徴とするレ
ーザ加工方法。
【請求項２】円筒レンズは２つ設けられている請求項
１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】円筒レンズは、光路との交点を中心とし
て回転可能とされている請求項１又は２のいずれか１項
に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】２つの円筒レンズは、軸が略９０°の角
度をなすようにされている請求項２記載のレーザ加工方
法。
【請求項５】マスクに遮られるレーザビームの面積
が、レーザビームの断面積の５０％以下とされた請求項
１〜請求項４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】レーザ射出用のレーザ発振器と、レーザ
発振器から照射されたレーザビームを通過させることで
加工対象面へ照射するレーザビームを所望の断面形状に
整形する、開口を有するマスクとを備えるレーザ加工機
において、レーザ発振器からマスクまでの光路上に、該光路に対し
て軸が垂直になるようにされ且つその軸の方向を互いに
相違させられた複数の円筒レンズを備え、これら複数の
円筒レンズを透過したレーザビームは、マスクに遮られ
る部分が少なくなるように断面形状が変化してからマス
クに導かれるようにされていることを特徴とするレーザ
加工機。