激光加工装置的制作方法

专利名称：激光加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如通过在材料表面形成激光的聚光部而使聚光部附近的材料的结构发生变化从而进行加工的激光加工装置的技术领域。
背景技术：
在此种装置中，使从激光光源射出的激光聚光到载置在台上的材料表面，使聚光部附近的微小体积产生基于热处理的化学或物理性的变化，从而进行加工。为了对所希望的位置实施所希望的加工，而将激光的聚光部与材料表面的位置关系确保成恒定很重要。 然而，材料表面未必平坦，为了使激光的聚光部与材料表面的位置关系在加工时发生适当变化，要求一种能追随该位置关系变化的聚光控制。例如，在后述的在先技术文献中，说明将从激光光源射出的激光分光成两部分，使一方为加工用激光，并使另一方为测距用激光的结构。在该结构中，基于由测距用激光的反射光生成的电信号进行运算，从而进行加工用激光的聚光位置的控制。因此，能够使加工用激光的聚光部追随激光的聚光部与材料表面的位置关系的变化而进行移动。专利文献I :日本特开平6-190578号公报

发明内容
根据在先技术文献说明的结构，考虑有由于运算时的延迟，而发生聚光位置控制的延迟或无法进行适当追随材料表面的结构等技术性问题。这在要求高精度且高速度的加工的激光加工装置的运用中，不优选。而且，由于将来自单一的激光光源的激光分光成加工用激光和测距用激光，因此在因某种原因而变更材料的加工条件时，会对测距用激光产生影响，从而有可能会影响运算。本发明例如鉴于上述的问题而作出，其课题在于提供一种使加工用激光的聚光位置适当地追随材料表面的结构而能够实现高精度且高速度的加工的激光加工装置。为了解决上述课题，本发明的激光加工装置，通过使激光聚光到加工对象物上而进行加工，其具备第一照射单元，照射用于对所述加工对象物进行加工的第一激光；第二照射单元，对所述加工对象物照射第二激光；第一聚光单元，通过在所述加工对象物的表面或背面形成所述第一激光的聚光部即第一聚光部而进行加工；第二聚光单元，在所述加工对象物的规定位置形成所述第二激光的聚光部即第二聚光部；受光单元，接受被所述加工对象物反射的所述第二激光的反射光；聚焦伺服单元，基于所述受光单元接受的所述第二激光的反射光，而决定所述第二聚光部的位置；控制单元，控制所述第一聚光单元的动作， 以在基于所述第二聚光部的位置所决定的位置上形成所述第一聚光部，其中，所述第一聚光单元的数值孔径大于所述第二聚光单元的数值孔径。


图I是表示实施例的激光加工装置的基本结构的框图。
图2是示出表示聚焦错误信号的像散差的S字波形的坐标图。图3是表示像散差与聚光透镜的数值孔径的关系的坐标图的例子。图4是表示来自加工对象物的上表面及下表面的反射光中的像散差的坐标图。图5是表示加工用聚光透镜的动作所产生的加工用激光的聚光部的移动的形态的图。图6是表示使用实施例的激光加工装置的激光加工的形态的图。图7是表示激光加工装置的变形例的基本结构的框图。图8是表示激光加工装置的变形例的基本结构的框图。
具体实施例方式本发明的激光加工装置的实施方式是通过使激光聚光到加工对象物上而进行加工的激光加工装置，具备第一照射单元，其照射用于对所述加工对象物进行加工的第一激光；第二照射单元，其对所述加工对象物照射第二激光；第一聚光单元，其通过在所述加工对象物的表面或背面形成所述第一激光的聚光部即第一聚光部而进行加工；第二聚光单元，其在所述加工对象物的规定位置形成所述第二激光的聚光部即第二聚光部；受光单元， 其接受被所述加工对象物反射的所述第二激光的反射光；聚焦伺服单元，其基于所述受光单元接受的所述第二激光的反射光，而决定所述第二聚光部的位置；控制单元，其控制所述第一聚光单元的动作，以在基于所述第二聚光部的位置所决定的位置上形成所述第一聚光部，其中，所述第一聚光单元的数值孔径大于所述第二聚光单元的数值孔径。根据本发明的激光加工装置的实施方式，例如对于在表面具有膜结构的玻璃基板或不透明的材料等加工对象物，射出加工用的第一激光、以及使聚焦伺服单元动作的聚焦控制用的第二激光，该聚焦伺服单元用于该第一激光的调焦。第一照射单元是对加工对象物照射加工用的第一激光的激光光源。第一聚光单元例如具备能够沿该第一激光的光轴方向移动的聚光透镜，使第一激光聚光在加工对象物的表面或背面的规定位置上，而形成第一聚光部。在此，加工对象物的表面是指成为第一激光所加工的对象的加工对象物的面中的相对接近作为第一激光光源的第一出射单元的面。另一方面，加工对象物的背面是指成为第一激光所加工的对象的加工对象物的面中的隔着加工对象物存在于表面的相反侧的面。第一激光在加工该背面时，从表面入射到加工对象物内部，透过加工对象物内部而在该背面形成第一聚光部。第二照射单元是对加工对象物照射与第一激光不同的第二激光的激光光源。需要说明的是，第二激光的波长优选与第一激光的波长不同，但也可以相同。第二聚光单元例如具备能够沿该第二激光的光轴方向移动的聚光透镜，使第二激光聚光在加工对象物上，而形成第二聚光部。需要说明的是，第二聚光单元可以使第二激光聚光在加工对象物的表面， 也可以聚光在加工对象物的内部，还可以聚光在除此以外的位置。第一照射单元和第二照射单元优选使第一激光与第二激光的光轴平行，且在与光轴正交的面内隔开规定间隔配置。在此，规定间隔是由第一照射单元照射的第一激光的光束与由第二照射单元照射的第二激光的光束相互不重合的间隔，根据各激光的光束角度等进行设定。此外，根据如此配置的第一照射单元和第二照射单元，第一激光和第二激光分别聚光在与各激光的光轴方向正交的面内隔开规定间隔的位置上。
此外，第二激光中的被加工对象物反射的返回光通过了第二激光所通过的光路后，向受光单元入射。受光单元例如使用像散法，将第二激光是否聚焦在加工对象物中的所希望的位置向聚焦伺服单元输入，或在未聚焦时将表示焦点偏差分的电信号向聚焦伺服单元输入。而且，受光单元也可以基于第二激光的返回光，利用刀口(knife-edge)法等其他某种方法来进行焦点偏差分的检测。聚焦伺服单元是用于使第二激光聚焦在加工对象物上的伺服单元。聚焦伺服单元例如使第二聚光单元移动，以校正由从受光单元输入的电信号把握的第二激光的焦点偏差分。因此，例如即使在加工对象物的表面存在凹凸或翘曲等且来自第二照射单元的光路长度发生变化时，也能够高精度且高速地进行焦点的再调整。控制单元根据聚焦伺服单元所进行的第二激光的焦点位置的移动，而使第一激光的焦点位置沿光轴方向移动。换言之，控制单元使第一激光的焦点位置与聚焦伺服单元所进行的第二激光的焦点位置的移动同步地移动。例如，控制单元接收电信号的输入，并根据该输入而使第一聚光单兀沿第一激光的光轴方向移动，其中，该电信号是与聚焦伺服单兀所接收的电信号同样的表示第二激光的焦点偏差的电信号、或表示基于该焦点偏差分的焦点位置的移动量等的电信号。因此，关于第一激光，也能够与加工对象物的表面的凹凸或翘曲一致地，高精度且高速地进行焦点的再调整。其结果是，能够进行高精度的加工对象物的激光加工。此外，在激光加工装置的实施方式中，第一聚光单元的数值孔径设定成大于第二聚光单元的数值孔径。具体而言，这表示通过与使第二激光聚光的聚光透镜相比具有更大的数值孔径的聚光透镜对第一激光进行聚光。此种结构与减少因装置的振动等干扰对聚焦伺服系统的影响等聚焦伺服单元的动作的稳定化相关联。在本发明的激光加工装置的实施方式的一形态中，所述第二聚光单元的数值孔径为基于所述加工对象物的表面及背面之间的厚度、以及折射率所决定的值以上。如上所述，在激光加工装置的实施方式中，通过基于第二激光的从加工对象物的反射光的聚焦伺服控制，而使加工用的第一激光高精度地聚焦在加工对象物的表面或背面。此时，在加工对象物是相对于激光具有某种程度的透光性的透明材料的情况下，来自加工对象物的表面的反射光和透过加工对象物的来自背面的反射光向用于检测第二激光的焦点偏差的受光单元入射。在通常的焦点偏差的检测方法即像散法中，相对于所述反射光产生像散。此时，存在基于来自加工对象物的表面及背面的反射光中的像散的像散差相互干涉的情况。所述像散差作为表示第二激光的焦点偏差的尺度，例如作为向受光单元入射的第二激光的反射光的相位差而出现。当来自加工对象物的表面及背面的反射光中的像散差相互干涉时，无法根据在受光单元中接受的第二激光的反射光来检测适当的第二激光的焦点偏差，从而会导致聚焦伺服单元的误动作。因此，为了进行适当的基于聚焦伺服单元的聚焦控制，而优选将第二激光的反射光中的像散差设定得较小。需要说明的是，来自加工对象物的表面及背面的像散差相互干涉的情况例如是分别来自加工对象物的表面及背面的反射光中的像散差相对于加工对象物的表面及背面的间隔(即，加工对象物的表面及背面之间的第二激光的光路长度)，超过规定的基准而相对增大的情况。另一方面，像散差与受光单元中的第二激光的焦点偏差的能够检测范围相关，通过将其设定得极小，而能够使聚焦伺服单元的动作范围变窄。这也有可能会妨碍聚焦伺服单元进行的正确的聚焦控制。本申请发明人已知像散差根据第二聚光单元的例子即聚光透镜的数值孔径进行变化的情况，在数值孔径的规定的区域中，数值孔径的倒数与像散差的关系通过二次函数而建立关联。因此，为了使聚焦伺服单元适当地动作，而优选相对于加工对象物的表面及背面之间的第二激光的光路长度，将第二聚光单元的数值孔径设定在适当的范围内。需要说明的是，加工对象物的表面及背面之间的光路长度根据加工对象物的表面及背面之间的厚度和折射率来决定。为了使来自加工对象物的表面及背面的像散差相互不干涉而使聚焦伺服单元适当地动作，优选将来自加工对象物的表面及背面的像散差隔开规定间隔。例如，加工对象物的表面及背面的相互的间隔优选相对于像散差为至少一倍以上。在该条件下，导出了像散差的大小是加工对象物的厚度除以折射率得到的商的一半以下的条件。相对于如此建立了条件的像散差，而决定具有二次函数的关联的第二聚光单元的数值孔径的容许条件。根据上述结构，即使对于具有相对于第二激光的透光性的加工对象物，也能够适当地使聚焦伺服单元动作，从而能够实施适当的聚焦控制。如上所述，根据加工对象物的厚度而使第二聚光单元的适当的数值孔径进行变化。在以硬质玻璃或硅基板等为加工对象物的通常的激光加工中，作为加工对象物的厚度， 多采用O. 5毫米左右的厚度。在此种情况下，例如也可以将所述第二聚光单元的数值孔径设定成O. I以上。通过使用此种设定，能够对于作为通常的激光加工的加工对象物的O. 5毫米厚的硬质玻璃或硅基板，进行适当的加工。在本发明的激光加工装置的实施方式的其他形态中，所述第一聚光单元在基于所述加工对象物的表面或背面中的所述第二聚光部的位置所决定的位置上形成所述第一聚光部。根据该形态，第一聚光单兀成为能够使第一激光的第一聚光部在加工对象物的表面及背面之间移动的结构。例如，第一聚光单元具备对第一激光进行聚光的聚光透镜和使该聚光透镜沿第一激光的光轴方向移动的致动器。在该结构中，致动器通过使聚光透镜沿第一激光的光轴方向移动根据加工对象物的厚度所决定的规定的移动量，而进行第一聚光部的移动。更具体而言，该规定的移动量相当于根据加工对象物的厚度和折射率而决定的、 第一激光的光轴方向上的表面及背面之间的光学距离。通过如此构成，对于各种加工对象物,能够适当地使加工用的第一激光聚光到作为加工的对象的表面或背面。在本发明的激光加工装置的实施方式的其他方式中，还具备移动单元，当所述第一及第二照射单元照射激光时，该移动单元使所述第一激光与所述加工对象物相对移动。移动单元例如是使固定有加工对象物的台能够在与第一激光的光轴方向正交的面内移动或旋转的致动器等。在第一激光及第二激光的照射中，移动单元通过使台移动，而使加工对象物相对于第一激光进行相对移动。此时，通过断续或连续地照射的第一激光，而在加工对象物的表面或背面上沿着加工对象物的移动断续或连续地形成改性区域。因此， 能够对加工对象物的表面及背面的所希望的位置实施加工。
另外，作为其他形态，移动单元也可以是使照射第一激光的第一照射单元移动的致动器等。在第一激光及第二激光的照射中，该致动器例如通过使第一照射单元的例子即激光光源在与第一激光的光轴方向正交的面内移动或旋转，而使加工对象物和第一激光相对移动。即使采用此种结构，也能够取得与上述的效果等同的效果。作为移动单元的另一形态，也可以采用使第一聚光单元移动的致动器，该第一聚光单元使第一激光聚光到加工对象物上。根据上述致动器，通过使第一聚光单元移动，而能够变更第一激光的光路使其相对于加工对象物进行相对移动，从而能够取得与上述的效果同样的效果。需要说明的是，第一照射单元也可以使用将多个致动器组合而成的移动单元，该致动器使第一聚光单元或固定有加工对象物的台等移动。而且，并不局限于上述的结构，对于能够利用其他的机械、光学等的某种单元实现第一激光与加工对象物的相对移动的结构也可以同样地采用。本发明的激光加工装置的实施方式的其他形态中，所述第二聚光单元在所述加工对象物中的、所述第二激光的光轴方向上的从所述加工对象物的表面隔开了规定距离的规定位置上形成所述第二聚光部。根据该形态，相对于透明材料等相对于第二激光具有透光性的加工对象物，第二激光不是聚光在表面而是聚光在沿深度方向隔开了规定距离的位置上。此时，形成在加工对象物的表面上的第二聚光点中的第二激光的光束斑的尺寸大于使第二激光聚光在加工对象物的表面上的情况。如此加工对象物的表面上的光束斑的尺寸相对大时，加工对象物的表面的伤痕或结构物等的微小的凹凸引起的第二激光的聚焦偏差的影响相对下降。因此，能够抑制所述微小的凹凸对聚焦伺服单元的动作的影响。需要说明的是，在该形态中形成的第二聚光部的位置的范围表示能够适当地实施上述的聚焦控制，并且能够尽可能地排除加工对象物表面的凹凸对聚焦控制的影响。而且， 在聚焦控制中，实施基于伺服的位置调整，以使第二聚光部位于从此种范围内适当决定的规定位置。如以上说明所述，本发明的激光加工装置的实施方式具备第一照射单元、第二照射单元、第一聚光单元、第二聚光单元、受光单元、聚焦伺服单元、控制单元。因此，能够抑制形成在加工对象物的表面上的凹凸结构等的影响，而适当地使加工用的第一激光聚焦在加工对象物的表面或背面。
实施例以下，参照附图，对本发明的实施例进行说明。(I)激光加工装置的结构激光加工装置I对例如具有膜结构的玻璃基板或不透明的材料等加工对象物50， 射出加工用激光LI及聚焦控制用激光L2，该激光L2使该激光LI的调焦用的聚焦伺服系统动作。参照图1，对本发明的激光加工装置的具体例子即激光加工装置I的基本结构进行说明。图I是表示激光加工装置I的整体结构的示意图。如图I所示，激光加工装置I具备控制部11、台12、主要与聚焦伺服控制用的激光 L2的出射相关的聚焦控制用光学系统2及主要与加工用激光LI的出射相关的加工用光学系统3这两个光学系统。控制部11是运算装置，通过对激光加工装置I的各部供给控制信号而控制动作。 控制部11还具备作为存储动作程序的存储器的存储单元，根据来自各部的电信号进行运算，并将基于运算结果的控制信号向各部供给。台12是固定并载置加工对象物50的部件。台12由台致动器12a支承。台致动器12a具备根据由控制部11供给的控制信号而进行电流的供给的驱动放大器，且具备根据来自该驱动放大器的电流的供给而使台12移动的致动器等。台致动器12a典型地使台12 在与加工用激光LI及激光L2的各自的光轴正交的面内(B卩，图I中的XY面内)移动或旋转。在此种台12的移动或旋转的作用下，载置在台12上的加工对象物50相对于激光LI 的聚光部Fl进行相对移动。在激光加工装置I中，在使激光LI聚光在加工对象物50的表面上的状态下，通过使台12移动，而使加工用激光LI例如以直线状扫描，从而在加工对象物50的表面的所希望的区域上形成改性区域。对聚焦控制用光学系统2的各部分的结构进行说明。聚焦控制用光学系统2具备聚焦用光源21、分光器22、1/4波长板23、聚焦用聚光透镜24、柱面透镜25、4分割H) (Photo Detector :受光元件)26、运算部27。聚焦用光源21是本发明的第二出射单元的一例，例如具备用于产生激光的激光二极管和用于对产生的激光施加高频叠加脉冲的施加单元，并射出聚焦控制用激光L2。激光L2是本发明的第二激光的一例，例如是被施加了高频叠加的波长680nm左右的激光等。 从聚焦用光源21射出的激光L2透过分光器22、1/4波长板23,向聚焦用聚光透镜24入射。分光器22配置在激光L2的光路上，使入射的激光L2向聚焦用聚光透镜24方向射出，并使经由聚焦用聚光透镜24入射的激光L2的返回光L3反射而向柱面透镜25方向射出。1/4波长板23是配置在通过分光器22的激光L2的光路上的、具有与激光L2的波长相应的折射率的水晶板等。1/4波长板23使通过的激光L2产生相位差，将直线偏振光转换成圆偏振光或椭圆偏振光。聚焦用聚光透镜24是使激光L2聚光在载置于台12上的加工对象物50的上方表面SI (图I中的Z轴上方的表面，以后，简称为“上表面SI”进行说明。而且，对于Z轴下方的表面，简称为“下表面S2”进行说明)上，而形成聚光部F2的透镜。聚焦用聚光透镜24 由聚焦用透镜体24a支承。聚焦用聚光透镜24的数值孔径如后所述基于加工对象物50的 Z方向厚度来决定。而且，聚焦用聚光透镜24的数值孔径优选考虑到来自加工对象物50的下表面S2的激光L2的反射光产生的影响进行决定。例如，聚焦用聚光透镜24的数值孔径设定成大于O. I。聚焦用透镜体24a具备对聚焦用聚光透镜24进行支承的支承部件；使聚焦用聚光透镜24与支承部件一起沿激光L2的光轴方向(即，图I的Z方向)移动的移动部件。移动部件是能够利用推力使聚焦用聚光透镜24移动的音圈等致动器，该推力是与例如从运算部27供给的焦点偏差及聚焦错误信号FE电压相应的推力。聚焦用透镜体24a通过使聚焦用聚光透镜24沿Z方向移动，而使激光L2的焦点位置沿Z方向移动。另外，在聚焦用聚光透镜24及聚焦用透镜体24a上附设有用于检测聚焦用聚光透镜24的位置(典型的是激光L2的光轴方向上的位置)的线性标尺24b。线性标尺24b是能够通过光学的、磁性的或其他某种单元，检测在聚焦用透镜体24a的作用下进行移动的聚焦用聚光透镜24的位置的装置。线性标尺24b将检测到的聚焦用聚光透镜24的位置数据向运算部27输出。在加工对象物50的上表面SI上，形成聚光部F2的激光L2的一部分发生反射。而且，在加工对象物50的下表面S2上，透过加工对象物50的激光L2的一部分发生反射。这些反射光作为返回光L3向Z轴上方射出。返回光L3经由聚焦用聚光透镜24、1/4反射板 23向分光器22入射，在分光器22中反射，经由柱面透镜25向4分割TO26入射。柱面透镜25是本实施例的受光单元的结构要素的一例，且是半圆筒形状的透镜。 柱面透镜25通过改变通过的返回光L3的光斑形状，而附加像散。具体而言，透过柱面透镜 25的返回光L3在与返回光L3的光轴方向(例如图I的Y方向)正交的第一方向(例如图 I的X方向)和与光轴方向及该第一方向正交的第二方向(例如图I的Z方向)上具有不同的聚光特性。4分割TO26是本实施例的受光单元的结构要素的一例，配置在激光L2聚焦于加工对象物50的上表面SI时的返回光L3的焦点位置上。4分割TO26具备接受返回光L3，并输出与光量相应的电压的四个受光元件；测定由各受光元件供给的电压并进行运算的运算部。返回光L3通过柱面透镜25产生的聚光特性的变化，而在焦点位置上，在4分割 PD26中形成圆形的光束斑，在焦点位置偏离的情况下，形成以第一方向或第二方向的任一方向为长轴的椭圆形的光束斑。4分割TO26生成聚焦错误信号FE，向运算部27输入，例如设四个受光元件沿顺时针为A、B、C、D时，该聚焦错误信号FE具有由受光元件A及C输出的电压的和与由受光元件B及D输出的电压的和的差分所对应的电压。激光L2在加工对象物50的上表面SI上适当地聚焦时(即，聚光部F2是激光L2 的焦点时)，经由柱面透镜25向4分割TO26入射的返回光的光斑形状为圆形。这种情况下，由受光元件A及C输出的电压的和与由受光元件B及D输出的电压的和相等，聚焦错误信号FE的电压成为“O”。另一方面，当焦点偏向Z轴的任一方向时，向4分割TO26入射的返回光的光斑形状成为椭圆形。这种情况下，根据焦点偏移的方向，由受光元件A及C输出的电压的和与由受光兀件B及D输出的电压的和中的某一方大于另一方，而聚焦错误信号FE的电压成为“O >，，或“O <，，。4分割TO26与H)致动器26a连接，通过H)致动器26a的动作而能够在返回光L3 的光轴方向的规定范围内移动。H)致动器26a具有供给驱动电流的驱动放大器，并根据该驱动电流，使4分割TO26移动，该驱动电流例如是与控制部11所供给的表示Z轴目标值的控制信号相应的驱动电流。运算部27基于由4分割TO26供给的聚焦错误信号FE，来检测聚光部F2的焦点是否偏移，或在偏移时检测该偏移量。运算部27将包含检测到的焦点偏移量在内的控制信号向聚焦用透镜体24a及加工用透镜体33a供给。对激光加工装置I的加工用光学系统3的结构进行说明。加工用光学系统3具备射出加工用激光LI的加工用光源31、发散透镜32、加工用聚光透镜33。加工用光源31是本发明的第一出射单元的一例，分别具备未图示的激光产生部、集聚元件、相位调制器及共振器等，并将激光LI向发散透镜32方向射出。激光LI是本发明的第一激光的一例，例如是紫外线激光等。发散透镜32是调整入射的激光LI的光束角度，并使其向加工用聚光透镜33方向射出的透镜。发散透镜32由D透镜体32a支承。D透镜体32a具备对发散透镜32进行支承的支承部件；根据从控制部11供给的控制信号，使发散透镜32与支承部件一起沿激光 LI的光轴方向(即，图I的Z方向)移动的移动部件。移动部件例如是根据控制信号进行驱动的音圈等致动器。D透镜体32a通过使发散透镜32沿Z方向移动，而将激光LI的光束角度变更成任意的角度，从而使通过加工用聚光透镜33聚光的激光LI的焦点位置沿Z方向移动。D透镜体32a根据来自控制部11的控制信号，以使向加工用聚光透镜33入射的激光LI成为平行光的方式设定发散透镜32的位置。加工用聚光透镜33是使激光LI聚光在载置于台12上的加工对象物50的上表面 SI或下表面S2上，而形成聚光部Fl的透镜。加工用聚光透镜33由加工用透镜体33a支承。而且，加工用聚光透镜33的数值孔径设定为至少大于聚焦用聚光透镜24的数值孔径。加工用透镜体33a具备对加工用聚光透镜33进行支承的支承部件；使加工用聚光透镜33与支承部件一起沿激光LI的光轴方向(即，图I的Z方向)移动的移动部件。移动部件是能够利用推力使加工用聚光透镜33移动的音圈等致动器，该推力是与例如从运算部27供给的焦点偏差及聚焦错误信号FE电压相应的推力。加工用透镜体33a通过使加工用聚光透镜33沿Z方向移动，而使激光LI的焦点位置沿Z方向移动。具体而言，加工用透镜体33a接受与聚焦用透镜体24a所接受的控制信号同样的控制信号，使加工用聚光透镜33沿Z方向同样地移动聚焦用透镜体24a所产生的聚焦用聚光透镜24的移动量，从而适当地使激光LI聚焦在加工对象物50的上表面SI或下表面S2上。另外，在加工用聚光透镜33及加工用透镜体33a上附设有用于检测加工用聚光透镜33的位置(典型的是激光L2的光轴方向上的位置)的线性标尺33b。线性标尺33b是能够通过光学的、磁性的或其他某种单元，检测在加工用透镜体33a的作用下进行移动的加工用聚光透镜33的位置的装置。线性标尺33b将检测到的加工用聚光透镜33的位置数据向运算部27输出。加工用光学系统3为了在XY平面内相对于聚光部F2离开了规定间隔的位置上形成聚光部Fl，而设定相对于聚焦用光学系统2的位置关系。需要说明的是，为了在加工对象物50的上表面SI或下表面S2上适当地形成改性区域，还可以在激光LI的光路中配置用于调整激光输出、光轴及激光形状等的各种结构。在激光加工装置I中，聚焦用激光透镜24与加工用聚光透镜33的位置关系保持为恒定。例如，运算部27将从线性标尺33b输入的加工用聚光透镜33的位置的变化通知给聚焦用透镜体24a，指示聚焦用聚光透镜24与加工用聚光透镜33同步移动。而且，运算部27将从线性标尺24b输入的聚焦用聚光透镜24的位置变化通知给加工用透镜体33a，指示加工用聚光透镜33与聚焦用聚光透镜24同步移动。在激光加工装置I中，对向4分割TO26入射的返回光L3给予柱面透镜25产生的像散。运算部27能够根据基于该像散的像散差，将聚焦错误信号产生范围设定成所希望的值。像散差是与在柱面透镜25中产生了像散的返回光L3的光轴正交、且彼此正交的两方向(例如，向4分割TO26入射的椭圆形的光束斑的长轴及短轴方向)各自的光束腰位置的光轴方向上的差。图2是表示与返回光L3相应的时间序列的聚焦错误信号FE的电压的S字波形的坐标图。聚焦错误信号产生范围例如是在4分割TO26中能够检测的焦点偏差的范围，由横轴上的S字波形的端部间的距离表示。而且，像散差由S字波形中的横轴上的聚焦错误信号FE电压的峰值间距离表示。通过增大柱面透镜25产生的像散(甚至像散差)的量或减小聚焦用聚光透镜24 的数值孔径，而增大像散差，从而增大聚焦错误信号产生范围。此时的像散差和聚焦用聚光透镜24的数值孔径NA的倒数例如在O. 05 ^ NA ^ O. 35的区域中，如图3所示，以二次函数建立关联。激光L2中的在加工对象物50的上表面SI上反射的反射光分量和在下表面S2上反射的反射光分量作为返回光L3向4分割TO26入射。运算部27优选根据聚焦错误信号 FE来运算焦点偏移量，该聚焦错误信号FE基于向4分割TO26入射的返回光L3中的来自加工对象物50的上表面SI的反射光分量。因此，优选能够适当地对返回光L3中的在加工对象物50的上表面SI上反射的反射光分量和在下表面S2上反射的反射光分量进行区别。例如，关于图2所示的聚焦错误信号FE，向4分割TO26入射的在加工对象物50的上表面SI上反射的反射光分量与在下表面S2上反射的反射光分量的关系成为图4的坐标图所示的形态。如图4所示，由于通过了柱面透镜25的影响，而分别对返回光L3中的、在加工对象物50的上表面SI上反射的反射光分量和在下表面S2上反射的反射光分量附加同样的像散差。如图4所示，基于来自加工对象物50的上表面SI的反射光分量的S字波形和基于来自下表面S2的反射光分量的S字波形相互隔开加工对象物50的上表面SI及下表面 S2间的光路长度(即，由加工对象物50的Z方向厚度T和折射率N所决定的上表面SI与下表面S2的间隔)。此时，当来自上表面SI的反射光分量的像散差与来自下表面S2的反射光分量的像散差重合时，可能不输出与加工对象物50的上表面SI上的激光L2的焦点偏差相应的适当的聚焦错误信号FE，而无法进行正确的聚焦动作。因此，来自上表面SI的反射光分量的像散差与来自下表面S2的反射光成分的像散差优选隔着规定的余量分离。根据本发明人的实验结果，为了稳定的聚焦控制，优选使该余量至少为像散差的一倍以上。需要说明的是，在聚焦用聚光透镜24的数值孔径低的区域中，在上表面SI上反射的反射光分量与在下表面S2上反射的反射光分量的各自的像散差宽度大致相同。鉴于上述的实验结果，为了实现稳定的聚焦控制，在本实施例中，优选，像散差设定成加工对象物50的上表面SI及下表面S2间的光路长度的一半以下。换言之，像散差设定成根据加工对象物50的厚度T和折射率N所决定的上表面SI与下表面S2的间隔T/N 的一半以下。如上所述，像散差与聚焦用聚光透镜24的数值孔径NA的倒数具有二次函数的关系。因此，聚焦用聚光透镜24的数值孔径NA优选根据加工对象物50的Z方向厚度T及折射率N决定。例如，以厚度T = -O. 5毫米、折射率N = I. 5的玻璃为加工对象物50时，像散差成为O. 18毫米，通过设定成使聚焦用聚光透镜24的数值孔径NAS O. I，而能够实现稳定的聚焦控制。
加工用光学系统3的加工用透镜体33a通过使加工用聚光透镜33与聚焦控制用光学系统2中的聚焦用聚光透镜24的聚焦动作同步进行动作，而使激光LI聚焦在加工对象物50的上表面SI或下表面S2上。由此，也能够对激光LI适用与在聚焦控制用光学系统 2中实施的稳定的聚焦控制等同的稳定的聚焦控制，从而能够高精度地使聚光部Fl聚焦在加工对象物50的上表面SI或下表面S2上。需要说明的是，在聚焦控制用光学系统2中， 实施根据激光L2的聚光部F2的焦点偏差而控制使聚焦用聚光透镜24动作的推力(甚至加速度)的伺服控制。因此，即使由于加工对象物50的上表面SI上的凹凸结构等而使激光L2的聚焦位置变化的情况下，也能够比较高速地对该变化进行响应。因此，不会使用于加工对象物50的激光加工的加工速度下降，而能够进行迅速且正确的加工。在激光加工装置I的加工用光学系统3中，通过加工用透镜体33a的动作等，能够在加工对象物50的上表面SI及下表面S2之间切换激光LI的聚光部Fl。此时，加工用透镜体33a使加工用聚光透镜33沿Z方向移动，以使激光LI的焦点位置移动加工对象物50的上表面SI及下表面S2的间隔的量，即移动与加工对象物50的Z 方向厚度T和折射率N相应的光路长度的量。关于所述移动的形态，如图5的不意图所不。加工用透镜体33a在使激光LI的焦点位置从加工对象物50的上表面SI移动到下表面S2时，会使得加工用聚光透镜33沿加工对象物50方向移动上表面SI及下表面S2 的间隔T/N的量。通过所述移动，激光LI的焦点位置从加工对象物50的上表面SI移动到下表面S2。另外，在焦点位置向加工对象物50的下表面S2移动的状态下，追随上述的聚焦控制用光学系统2所进行的聚焦控制，加工用透镜体33a使加工用聚光透镜33移动，从而能够适当地使激光LI的聚光部Fl聚焦在加工对象物50的下表面S2上。在本实施例的激光加工装置I中，激光LI在加工对象物50的上表面SI或下表面 S2上的聚光部Fl附近的10立方微米程度的微小体积上产生因气化等引起的改性。因此， 优选加工用聚光透镜33的数值孔径如上所述大于聚焦用聚光透镜24的数值孔径，且根据与发生改性的体积相应的聚光部Fl的尺寸进行决定。优选，将在焦点位置形成的聚光部Fl 的尺寸调整成I平方微米程度。由于激光LI通过加工用聚光透镜33而在加工对象物50的上表面SI或下表面S2 上的比较微小的区域形成聚光部F1，因此能够在与激光LI的光轴方向正交的面内(即，加工对象物50的上表面SI或下表面S2)形成微小的改性区域。通过如此形成多个微小的改性区域，而能够对加工对象物50的上表面SI或下表面S2实施更高精度的加工。此外，激光加工装置I通过加工用透镜体33a等的动作来控制加工用聚光透镜33， 以便在透明的玻璃等加工对象物50内部形成聚光部F1，从而在加工对象物50的内部也同样地能够形成微小的改性区域。尤其是在加工对象物50的内部，除了提高与激光LI的光轴方向正交的面内的加工精度之外，在激光LI的光轴方向(换言之，加工对象物50内部的深度方向)上也能够形成更多的改性区域。以如此在深度方向上形成的多个改性区域为起点进行加工对象物50的切断时，能够得到高精度的切断面。另外，也能够将聚焦伺服停止后的残留错误引起的向光轴方向的移动抑制在10 纳米程度的微小的区域。在通常的对加工对象物50的激光加工中，在形成的改性区域的位置上容许I微米程度的误差范围，因此即使例如将聚焦控制中的伺服增益设定得较低，也能够以充分的精度进行改性区域的形成。(2)激光加工装置的动作接下来，参照图6，对实施例的激光加工装置I的动作进行说明。如图6(a)所示，激光加工装置I通过使聚焦用的激光L2的聚光部F2聚焦在加工对象物50的上表面SI上而进行聚焦控制，并与该聚焦控制同步地使加工用的激光LI的聚光部Fl聚焦在加工对象物50的上表面SI上。在该状态下，台致动器12a使台12移动，从而加工用光学系统I利用激光LI进行加工对象物50的上表面SI上形成的膜结构的加工、 上表面SI的修整加工等。因此，根据使用了激光加工装置I的加工对象物50的激光加工， 能够适当地追随加工对象物50的上表面SI上形成的凹凸结构等而使加工用激光LI的聚光部Fl聚焦在上表面SI上。因此，不会受到加工对象物50的上表面SI上的瑕疵等产生的凹凸结构的影响，而能够在加工对象物50的上表面SI、下表面S2或内部实现高精度且高速度的加工。另外，如图6(b)所示，加工用光学系统I通过使激光LI的聚光部Fl移动到加工对象物50的下表面S2，而能够同样地进行下表面S2上形成的膜结构的加工、下表面S2的修整加工等。另外，在本实施例的激光加工装置I中，聚焦控制用光学系统2也可以使激光L2 的聚光部F2不聚焦在加工对象物50的表面，而如图6(c)所示，聚焦在加工对象物50内部的规定的深度处。这种情况下，与聚光部F2聚焦在加工对象物50的表面上的情况相比，形成在加工对象物50的表面上的激光L2的光束斑的尺寸增大。因此，能够抑制形成在加工对象物50表面上的伤痕或结构物等比较小的凹凸引起的对聚焦控制的影响。(3)第一变形例参照图7，对实施例的激光加工装置I的变形例即激光加工装置I’进行说明。图 7是表示激光加工装置I’的整体性结构的示意图。需要说明的是，关于图7及以下所示的激光加工装置I’的结构，对与图I所示的激光加工装置I同样的结构标注同一号码而省略说明。如图7所示，在激光加工装置I’中，取代聚焦用透镜体24a，而配置透镜体24c。透镜体24c具备对聚焦用聚光透镜24和加工用聚光透镜33进行支承且能够使聚焦用聚光透镜24和加工用聚光透镜33同步移动的移动部件(参照虚线部分)。移动部件是能够通过推力使聚焦用聚光透镜24及加工用聚光透镜33移动的音圈等致动器，该推力是与从运算部27供给的焦点偏差及聚焦错误信号FE电压相应的推力。透镜体24c通过移动部件的动作，使聚焦用聚光透镜24沿激光L2的光轴方向(即，Z方向) 移动，并同时使加工用聚光透镜33沿激光LI的光轴方向(即，Z方向)移动相同的量。透镜体24c对加工用透镜体33a连同加工用聚光透镜33 —起进行支承，使其移动。换言之，加工用聚光透镜33被加工用透镜体33a支承成可移动的形态，而且连同加工用透镜体33a —起被透镜体24c支承成可移动的形态。加工用透镜体33a根据从运算部27供给的控制信号，使加工用聚光透镜33沿Z 方向移动加工对象物50的上表面SI及下表面S2的间隔的量(例如，T/N的量)，从而使激光LI的焦点位置从加工对象物50的上表面SI移动到下表面S2。加工用透镜体33a基于通过附属的线性标尺33b检测出的加工用聚光透镜33的数据，而进行所述的加工用聚光透镜33的移动。根据以上说明的激光加工装置1’，能够与激光加工装置I同样地，使加工用聚光透镜33与基于聚焦控制的聚焦用聚光透镜24的移动同步地移动。因此，不会受到加工对象物50的上表面SI上的瑕疵等的凹凸的影响，而能够使加工用激光LI聚焦在加工对象物 50的上表面SI、下表面S2或内部的所希望的位置。(4)第二变形例参照图8，对实施例的激光加工装置I的第二变形例即激光加工装置I”进行说明。 图8是表示激光加工装置I”的整体性结构的示意图。需要说明的是，关于图8及以下所示的激光加工装置I”的结构，对与图I所示的激光加工装置I同样的结构标注同一号码而省略说明。如图8所示，在激光加工装置I’中，取代聚焦用透镜体24a及加工用透镜体33a， 而配置透镜体24d。透镜体24d具备对聚焦用聚光透镜24和加工用聚光透镜33进行支承且能够使聚焦用聚光透镜24和加工用聚光透镜33同步移动的移动部件(参照虚线部分)。移动部件是能够利用推力使聚焦用聚光透镜24及加工用聚光透镜33移动的音圈等致动器，该推力是与从运算部27供给的焦点偏差及聚焦错误信号FE电压相应的推力。透镜体24c通过移动部件的动作，使聚焦用聚光透镜24沿激光L2的光轴方向(即，Z方向) 移动，同时使加工用聚光透镜33沿激光LI的光轴方向(即，Z方向)移动相同的量。根据以上说明的激光加工装置1’，能够与激光加工装置I同样地，使加工用聚光透镜33与基于聚焦控制的聚焦用聚光透镜24的移动同步地移动。因此，不会受到加工对象物50的上表面SI上的瑕疵等的凹凸的影响，而能够使加工用激光LI聚焦在加工对象物 50的上表面SI、下表面S2或内部的所希望的位置。需要说明的是，在第二变形例的激光加工装置I”中，能够通过未图示的机构或激光加工装置I”的操作员的手动等，使加工用聚光透镜33与聚焦用聚光透镜24独立地沿Z 方向移动，从而使激光LI的焦点位置移动到加工对象物50的上表面SI、下表面S2或内部的所希望的位置。例如，操作员通过使加工用聚光透镜33沿Z方向移动根据加工对象物50 的Z方向的厚度T及折射率N所决定的移动量(T/N)，而使激光LI的焦点位置从加工对象物50的上表面SI移动到下表面S2。本发明并不局限于上述的实施例，而能够在从权利要求书及说明书整体读取的不违背发明的宗旨或思想的范围内适当变更，伴随该变更的激光加工装置等也包含在本发明的技术范围内。标号说明I激光加工装置11控制部12 台12a台致动器2聚焦控制用光学系统21聚焦用光源22分光器23 1/4 波长板0123]24聚焦用聚光透镜0124]24a聚焦用透镜体0125]25柱面透镜0126]264分割受光元件(PD =Photo0127]26aPD致动器0128]3如工用光学系统0129]31加工用光源0130]32发散透镜0131]33加工用聚光透镜0132]33a加工用透镜体0133]LI加工用激光0134]L2聚焦控制用激光0135]Fl加工用激光的聚光部0136]F2聚焦控制用激光的聚光部0137]SI加工对象物的上方表面0138]S2加工对象物的下方表面
权利要求
1.一种激光加工装置，通过使激光聚光到加工对象物上而进行加工，其特征在于，具备:第一照射单元，照射用于对所述加工对象物进行加工的第一激光；第二照射单元，对所述加工对象物照射第二激光；第一聚光单元，通过在所述加工对象物的表面或背面形成所述第一激光的聚光部即第一聚光部而进行加工；第二聚光单元，在所述加工对象物的规定位置形成所述第二激光的聚光部即第二聚光部;受光单元，接受被所述加工对象物反射的所述第二激光的反射光；聚焦伺服单元，基于所述受光单元接受的所述第二激光的反射光，而决定所述第二聚光部的位置；及控制单元，控制所述第一聚光单元的动作，以在基于所述第二聚光部的位置所决定的位置上形成所述第一聚光部，所述第一聚光单元的数值孔径大于所述第二聚光单元的数值孔径。
2.根据权利要求I所述的激光加工装置，其特征在于，所述第二聚光单元的数值孔径为基于所述加工对象物的表面及背面之间的厚度以及折射率所决定的值以上。
3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，所述第二聚光单元的数值孔径为O. I以上。
4.根据权利要求I或2所述的激光加工装置，其特征在于，所述第一聚光单元在基于所述加工对象物的表面或背面上的所述第二聚光部的位置所决定的位置上形成所述第一聚光部。
5.根据权利要求I或2所述的激光加工装置，其特征在于，还具备移动单元，当所述第一照射单元及第二照射单元照射激光时，该移动单元使所述第一激光与所述加工对象物相对移动。
6.根据权利要求I所述的激光加工装置，其特征在于，所述第二聚光单元在所述加工对象物中的、所述第二激光的光轴方向上的从所述加工对象物的表面隔开了规定距离的规定位置上形成所述第二聚光部。
全文摘要
激光加工装置(1)具备第一照射单元(31)，照射用于对加工对象物进行加工的第一激光(L1)；第二照射单元(21)，照射第二激光(L2)；第一聚光单元(33)，通过在加工对象物的表面(S1)或背面(S2)形成第一激光的聚光部即第一聚光部(F1)而进行加工；第二聚光单元(24)，在加工对象物的规定位置形成第二激光的聚光部即第二聚光部(F2)；受光单元(26)，接受被加工对象物反射的第二激光的反射光(L3)；聚焦伺服单元(27、24a)，基于受光单元接受的第二激光的反射光，而决定第二聚光部的位置；控制单元(33a)，控制第一聚光单元的动作，以在基于第二聚光部的位置所决定的位置上形成第一聚光部，其中，第一聚光单元的数值孔径大于第二聚光单元的数值孔径。
文档编号B23K26/00GK102612419SQ20108000389
公开日2012年7月25日 申请日期2010年9月24日 优先权日2010年9月24日
发明者广田浩义, 望月学, 板持满 申请人:先锋自动化设备股份有限公司, 日本先锋公司