JP5153205B2

JP5153205B2 - レーザマーキング装置

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Publication number: JP5153205B2
Application number: JP2007123923A
Authority: JP
Inventors: 栄朗三浦
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2027-05-08
Also published as: JP2008279472A

Description

本発明は、スキャニング方式のレーザマーキング技術に係り、特に通常マーキングと縮小マーキングとを選択的または同時に行えるレーザマーキング装置に関する。

スキャニング式のレーザマーキングは、被加工物に高密度に集光されたレーザ光を照射し、該レーザ光をスキャン・ミラーで振って、被加工物表面上でレーザビームのスポットをスキャニングし、ビームスポットの当たった被加工物表面の微小部分をレーザエネルギーで瞬間的に改質（溶融、蒸発、変色等）させながら、文字、図形、記号等の所望のパターンを描画するようにしてマーキング（刻印または印字）する技術である。

スキャニング式のレーザマーキング装置は、従来よりＬＳＩ等の電子部品向けのマーキングに多用されているが、最近ではＣＳＰ（Chip Size Package）等の超小型化半導体パッケージに対するマーキングも要請されている。

ＣＳＰにおいては、パッケージ裏面にロット番号等の生産管理情報を通常サイズでマーキングする場合と、パッケージおもて面にＩＤ等の製品情報を微小サイズでマーキングする場合の２種類のアプリケーションがある。ここで、パッケージ裏面のマーキング加工は、チップ（シリコン基板）裏面の略全面（たとえば数ｍｍ四方）をマーキングエリアに使えるので、従来一般の電子部品向けレーザマーキング装置で十分に対応できる。しかしながら、パッケージおもて面のマーキング加工は、チップ主面の一部または片隅にたとえば１００μｍ四方のサイズで微細マーキングを施すもので、従来一般のレーザマーキング装置では所要の分解能（１０μｍ以下）が得られないため、微細マーキングに特化した高分解能タイプの特殊レーザマーキング装置が用いられている。

上記のように、従来は、一例としてＣＳＰの両面マーキングに、２種類のレーザマーキング装置を必要としている。

本発明は、かかる従来技術の事情に鑑みてなされたもので、通常マーキングと縮小（微細）マーキングとを一台で兼用して行えるレーザマーキング装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１のレーザマーキング装置は、被加工物にスキャニング方式でレーザ光を照射して所望のパターンをマーキングするレーザマーキング装置であって、被加工物を所定位置で支持するステージと、マーキング用のレーザ光を発振出力するレーザ発振部と、前記レーザ発振部からの前記レーザ光を前記ステージ上の前記被加工物に向けて反射するスキャン・ミラーと、前記スキャン・ミラーからの前記レーザ光を所定の焦点距離の位置に集光させる集光レンズとを有し、前記スキャン・ミラーを回転変位させて前記レーザ光の前記被加工物上の照射位置を光学的に走査するレーザ走査部と、前記レーザ走査部と前記ステージとの間の距離間隔を一定に保ったまま両者間のレーザ光路に割り込む第１の位置と、前記レーザ光路から退避する第２の位置との間で移動可能に設けられる縮小光学系とを有し、前記縮小光学系が前記第２の位置に配置されているときは、前記レーザ走査部を出た前記レーザ光が前記被加工物上に直接集光して、所望のパターンが縮小せずにマーキングされ、前記縮小光学系が前記第１の位置に配置されているときは、前記レーザ走査部を出た前記レーザ光が前記縮小光学系内でいったん焦点を結んでから前記被加工物上に再び集光して、所望のパターンが所望の縮小率で縮小してマーキングされる。

上記の装置構成においては、パターンを所望の縮小率で縮小するための縮小光学系が、レーザ走査部とステージとの間の距離間隔を一定に保ったまま両者間のレーザ光路に割り込む第１の位置と、前記レーザ光路から退避する第２の位置との間で移動可能に設けられる。
通常マーキングを行う場合は、縮小光学系を第２の位置に退避させておく。この場合、レーザ走査部より出射されたレーザ光がそのまま空中を直進してレーザ走査部の集光レンズの焦点距離で定まる焦点位置つまりステージ上の被加工物の加工点に集光し、その照射位置に通常または標準サイズのマーキングドットを形成する。レーザ走査部のスキャニング動作により被加工物の表面でマーキングドットを繋いで所望のパターンを通常サイズで形成することができる。

微細マーキングを行う場合は、縮小光学系を第１の位置に移動させてレーザ走査部とステージとの間に挿入する。この場合は、レーザ走査部より通常マーキングのときと同一の条件で出射されたレーザ光が縮小光学系を経由し、縮小光学系内でいったん焦点を結んでからステージ上の被加工物の加工点に再び集光し、その照射位置に縮小または微細サイズのマーキングドットを形成する。レーザ走査部のスキャニング動作により被加工物の表面でマーキングドットを繋いで所望のパターンを微細サイズで形成することができる。

このように、レーザ走査部とステージ間の距離間隔を一定に保ったまま、両者の間の光路に縮小光学系を出し入れするだけで、ソフトウェアの変更や制御系の調整等も要することなく一台で通常マーキングと縮小（微細）マーキングとを選択的に行うことができる。

好適な一態様として、縮小光学系を支持または収容するユニット本体と、前記縮小光学系を前記第１の位置と前記第２の位置との間で移動させるために、前記ユニット本体を移動させる移動機構と、前記移動機構の動作を制御するための制御系とが設けられる。かかる構成によれば、上記のような縮小光学系の進退移動動作および位置合わせ動作の精度・再現性・操作性を高めることができる。

本発明の第２のレーザマーキング装置は、被加工物にスキャニング方式でレーザ光を照射して所望のパターンをマーキングするレーザマーキング装置であって、被加工物を所定位置で支持するステージと、マーキング用のレーザ光を発振出力するレーザ発振部と、前記レーザ発振部からの前記レーザ光を前記ステージ上の前記被加工物に向けて反射するスキャン・ミラーと、前記スキャン・ミラーからの前記レーザ光を所定の焦点距離の位置に集光させる集光レンズとを有し、前記スキャン・ミラーを回転変位させて前記レーザ光の前記被加工物上の照射位置を光学的に走査するレーザ走査部と、前記レーザ走査部の走査可能な最大マーキング範囲の一部の領域のみに限定して介在するように前記レーザ走査部と前記ステージとの間に配置される縮小光学系とを有し、前記最大マーキング範囲のうちの前記縮小光学系が介在しない領域では、前記レーザ走査部を出た前記レーザ光が前記被加工物上に直接集光して、所望のパターンが縮小せずにマーキングされ、前記最大マーキング範囲のうちの前記縮小光学系が介在する領域では、前記レーザ走査部を出た前記レーザ光が前記縮小光学系内でいったん焦点を結んでから前記被加工物上に再び集光して、所望のパターンが所望の縮小率で縮小してマーキングされる。

上記の装置構成においては、最大マーキング範囲のうちの縮小光学系が介在しない領域では、レーザ走査部から出射されたレーザ光が縮小光学系を避けて空中を直進して集光レンズの焦点距離で定まる焦点位置つまりステージ上の加工点に直接集光して、通常サイズのマーキングドットないし所望のパターンを形成する。また、最大マーキング範囲のうちの縮小光学系が介在する領域では、レーザ走査部から出射されたレーザ光が縮小光学系を経由し、縮小光学系内でいったん焦点を結んでからステージ上の別の加工点に再び集光して、微細サイズのマーキングドットないし所望のパターンを形成する。かかるマーキング領域分割機能によれば、マーキング領域を選択することで、通常マーキングまたは微細マーキングのいずれも選択可能であり、通常マーキングと微細マーキングを混在させて同時に実施することも可能である。

本発明の好適な一態様によれば、縮小光学系が、所定の相対位置関係で配置される複数の折り返しミラーを有し、前記レーザ走査部からの前記レーザ光を前記複数の折り返しミラーで順次折り返して前記走査部と前記ステージ間のレーザ光路長を所定の距離だけ伸長させる反射光学系と、一定の縮小倍率を有し、前記反射光学系からの前記レーザ光を前記被加工物上に縮小集光させる縮小レンズ光学系とを有する。

この場合、より好ましくは、反射光学系が第１、第２、第３および第４の折り返しミラーを含み、第１の折り返しミラーがレーザ走査部より略鉛直方向に直進してくるレーザ光を第２の折り返しミラーに向けて略水平方向に反射させ、第２の折り返しミラーが第１の折り返しミラーより略水平方向に直進してくるレーザ光を第３の折り返しミラーに向けて略鉛直方向に反射させ、第３の折り返しミラーが第２の折り返しミラーより略鉛直方向に直進してくるレーザ光を第４の折り返しミラーに向けて略水平方向に反射させ、第４の折り返しミラーが第３の折り返しミラーより略水平方向に直進してくるレーザ光を縮小レンズ光学系に向けて略鉛直方向に反射させる。かかる構成によれば、反射光学系内のレーザ光路が鉛直面内で長方形の形をとり、レーザ走査部によるレーザビームのスキャニング動作に対してレーザ光路長を最も効率よく一定に保つことができる。

また、好ましい一態様によれば、縮小光学系に、レーザ光の光路長を調節するための光路長調節部が備えられる。この光路長調節部は、好ましい一態様として、一部または全部の折り返しミラーの位置を水平方向で調節するためのミラー水平位置調節部によって構成される。

また、好適な一態様によれば、縮小光学系に減光フィルタたとえばＮＤフィルタが設けられる。この減光フィルタでレーザ光の光量を減衰させることで、被加工物の表面に微細サイズでレーザ光が縮小集光しても、レーザエネルギーを通常マーキングのときと同程度の適量に調節することができる。

また、好ましい一態様として、縮小レンズ光学系は顕微鏡レンズで構成されてよい。ステージは、水平面内で被加工物を任意の方向に移動させ、かつ位置決めするためのＸＹステージ機構を含む構成が好ましい。レーザ光としては、３５０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長が好適に用いられ、具体的にはND:もしくはNd:YV04の第二高調波もしくは第三高調波が好適に用いられる。スキャン・ミラーにはガルバノメータ・ミラーが好適に用いられ、レーザ走査部の集光レンズにはｆθレンズが好適に用いられる。

本発明のレーザマーキング装置によれば、上記のような構成と作用により、通常マーキングと縮小（微細）マーキングとを一台で兼用して簡便かつ効率よく行うことができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な一実施形態を説明する。

図１〜図４に、第１の実施形態におけるスキャニング式レーザマーキング装置の構成を示す。これらの図のうち、図１および図３は装置全体のシステム構成を示し、図２および図４は装置内の主要な光学系の構成を示す。

このレーザマーキング装置は、制御電源ユニット１０、レーザ発振ユニット１２、スキャニング・ヘッド１４、操作盤１６、加工台１８、用力室２０等の一般的な装置構成に加えて、微細マーキング用の縮小光学ユニット３２を備えている。

このレーザマーキング装置の基本構成において、制御電源ユニット１０には主に制御基板（図示せず）等が内蔵されており、その周りに操作盤（たとえばキーボード）１６およびディスプレイ２２が設けられる。レーザ発振ユニット１２には、たとえばＱスイッチパルス型のレーザ発振器２４および励起部（図示せず）等が内蔵されている。スキャニング・ヘッド１４は、互いに直交して配置される一対（Ｘ，Ｙ）のガルバノメータ・ミラー２６Ｘ，２６Ｙおよびｆθレンズ（歪曲特性を有する集光レンズ）２８を収容または装備しており、レーザ発振ユニット１２の出射口に一体的に結合されている。スキャニング・ヘッド１４の出射口と対向してその直下の加工台１８には、水平面内でＸＹ方向に移動および位置決め可能なＸＹステージ３０が設けられている。被加工物ＷはＸＹステージ３０の上に載置される。用力室２０には、電力系の部品・回路基板やチラー装置（図示せず）等が収容される。

縮小光学ユニット３２は、加工台１８の近傍たとえばレーザ発振ユニット１２の下で、水平方向に移動可能に設置されている。縮小光学ユニット３２の具体的な構成および作用については後に詳細に説明する。

このレーザマーキング装置において通常マーキングを行うとき、すなわちＸＹステージ３０上の被加工物Ｗにたとえば１ｍｍ以上の通常サイズでパターンをマーキングするときは、図１および図２に示すように、縮小光学ユニット３２をＸＹステージ３０の上に架からない側方の原位置（復動位置）に退避させておく。

この場合、レーザ発振器２４より発振出力されたパルスレーザ光ＬＢは、スキャニング・ヘッド１４内でガルバノメータ・ミラー２６Ｘ，２６Ｙの各回転角（振れ角）に応じた反射角で順次反射してからｆθレンズ２８を通って略垂直下方に出射され、そのまま空中を直進してＸＹステージ３０上の被加工物Ｗの表面に集光し、照射位置（焦点位置）にたとえば５０μｍ程度のドットサイズで１個のマーキングドットを形成する。両ガルバノメータ・ミラー２６Ｘ，２６Ｙの回転角を制御しながら上記のようなパルス単位のレーザマーキングを多数回繰り返すことで、マーキングドットを線状につないで１ｍｍ以上の所望のサイズで所望のパターンを形成することができる。

このレーザマーキング装置において微細マーキングを行うとき、すなわちＸＹステージ３０上の被加工物Ｗにたとえば１００μｍ以下の微小サイズでパターンをマーキングするときは、図３および図４に示すように縮小光学ユニット３２を原位置から前方に移動（前進）させてスキャニング・ヘッド１４とＸＹステージ３０との間に位置（介在）させる。ここで、スキャニング・ヘッド１４とＸＹステージ３０間の距離間隔は通常マーキングのときと同じでよく、変更する必要はない。なお、縮小光学ユニット３２を原位置（復動位置）と往動位置との間で進退移動させるために、制御系の制御の下で動作するたとえばロボットハンド３４あるいはガイドレール付きのリニアアクチエータ等を用いてよい。

微細マーキングのモードにおいて、レーザ発振器２４より発振出力されたパルスレーザ光ＬＢは、通常マーキングモードのときと全く同様にスキャニング・ヘッド１４内でガルバノメータ・ミラー２６Ｘ，２６Ｙの各回転角（振れ角）に応じた反射角で順次反射してからｆθレンズ２８を通って略垂直下方に出射される。しかし、スキャニング・ヘッド１４を出たパルスレーザ光ＬＢは、縮小光学ユニット３２の中に入り、ユニット内部で後述する反射光学系の光路を通ってから、ユニット下端の出射部（縮小レンズ光学系）４２より鉛直下方に出て、ＸＹステージ３０上の被加工物Ｗの表面に集光し、照射位置（焦点位置）にたとえば５μｍ程度のドットサイズで１個のマーキングドットを形成する。この場合も、両ガルバノメータ・ミラー２６Ｘ，２６Ｙの回転角を制御しながら上記のようなパルス単位のレーザマーキングを多数回繰り返すことにより、微細なマーキングドットを線状につないで、１００μｍ以下のサイズでも所望のパターンを高精細に描画することができる。

このように、このレーザマーキング装置では、スキャニング・ヘッド１４とＸＹステージ３０間の距離間隔（つまりｆθレンズ２８からＸＹステージ３０までのワーキング・ディスタンス）を一定に保ったまま、縮小光学ユニット３２の配置位置（復動位置／往動位置）を切り替えるだけで、ソフトウェアの変更や制御系の調整等も要することなく、一台で１ｍｍ以上の通常サイズに適した通常マーキングのモードと１００μｍ以下の微細サイズに適した微細マーキングとを選択的に自由自在に実施することができる。

したがって、任意の被加工物Ｗに、通常マーキングおよび微細マーキングのいずれか一方を施すことはもちろん、双方のマーキングを混在させることも容易に行える。混在型の場合は、ＸＹステージ３０により被加工物Ｗ上のマーキング位置をシフトさせる機能を好適に用いることができる。

また、たとえば、ＣＳＰ向けの両面マーキングのアプリケーションにおいては、ＸＹステージ３０上に被加工物Ｗとしてシリコンウエハを載置して、ウエハ状態でマーキング加工を行ってよい。この場合、ＣＳＰのチップ裏面に通常マーキングを施すときは、基板裏面を上にしてシリコンウエハＷをＸＹステージ３０上に載置し、縮小光学ユニット３２を原位置（復動位置）に退避させる。そして、チップ単位でＸＹステージ３０によるステップ移動を繰り返すステップアンドリピート方式で各チップの裏面にロット番号等のパターンを通常サイズでマーキングすればよい。また、ＣＳＰのチップ主面に微細マーキングを施すときは、基板主面（回路パターン面）を上にしてシリコンウエハＷをＸＹステージ３０上に載置し、縮小光学ユニット３２を往動位置へ移動させてスキャニング・ヘッド１４とＸＹステージ３０との間に挿入する。そして、ステップアンドリピート方式で各チップ主面の片隅にＩＤ等のパターンを微細サイズでマーキングすることができる。

なお、レーザ発振器２４より発振出力されるレーザ光は、固体レーザの基本波または高調波のいずれであってもよく、またパルスレーザ光に限らず、連続発振のレーザ光であってもよい。あるいは、レーザ発振器２４をたとえば半導体レーザ等の他種類のレーザで代用することも可能である。特に、ＣＳＰ等のシリコン基板向けのレーザ光は、シリコンウエハ（またはチップ）による吸収率に優れ、所望の光学系の作製が容易な３５０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有するのが望ましい。具体的には、ND:YAGまたはNd:YV04の第二高調波または第三高調波を好適に使用できる。

図５に、縮小光学ユニット３２の具体的構成例を示す。この構成例の縮小光学ユニット３２は、剛性の筐体またはユニット本体３６を有し、この筐体３６の中に光路伸長用の反射光学系３８、レーザ光量減衰用の減光フィルタ４０および縮小集光用の縮小レンズ光学系４２をそれぞれ所定位置に配設している。

反射光学系３８は、４枚の折り返しミラー４４，４６，４８，５０で構成されている。ここで、第１の折り返しミラー４４は、水平軸または鉛直軸に対して４５°の傾きで反射面を斜め上方に向けてスキャニング・ヘッド１４の出射部（ｆθレンズ２８）の直下に配置されている。

第２の折り返しミラー４６は、第１の折り返しミラー４４から水平方向に所定の距離間隔（Ｄａ）を隔てて、第１の折り返しミラー４４の反射面と水平方向で対向するように、水平軸または鉛直軸に対して４５°の傾きで反射面を斜め下方に向けて配置されている。

第３の折り返しミラー４８は、第２の折り返しミラー４６から鉛直方向に所定の距離間隔（Ｄｂ）を隔てて、第２の折り返しミラー４６の反射面と鉛直方向で対向するように、水平軸または鉛直軸に対して４５°の傾きで反射面を斜め上方に向けて配置されている。

第４の折り返しミラー５０は、第３の折り返しミラー４８から水平方向に所定の距離間隔（Ｄｃ）を隔てて、第３の折り返しミラー４８の反射面と水平方向で対向するように、水平軸または鉛直軸に対して４５°の傾きで反射面を斜め下方に向けて配置されている。

通常は、第４の折り返しミラー５０が第１の折り返しミラー４４の真下の位置にきて、Ｄａ＝Ｄｃ、Ｄｂ＝Ｄｄの関係が成立する。ここで、Ｄｄは第１の折り返しミラー４４と第４の折り返しミラー５０間の距離間隔を表わす。

減光フィルタ４０は、たとえばＮＤフィルタからなり、反射光学系３８周りのレーザ光路上であれば任意の位置に配置可能であるが、好適には第１の折り返しミラー４４と第２の折り返しミラー４６との間に配置される。

縮小レンズ光学系４２は、好適には、複数枚のレンズ５２を組み合わせた一定の縮小倍率を有する顕微鏡レンズからなり、最終段（第４）の折り返しミラー５０から鉛直方向に所定の距離間隔を隔てて、該ミラー５０の反射面と鉛直方向で対向するように、光軸を鉛直に合わせてユニット下端の出射部に取り付けられる。

この縮小光学ユニット３２において、上方のスキャニング・ヘッド１４よりＸＹステージ３０上の被加工物Ｗに向けて出射されてくるレーザ光ＬＢは、ユニット本体３６の上面に設けられた開口（レーザ導入口）３６ａからユニットの中に入る。

ユニット３２内で、第１の折り返しミラー４４は、スキャニング・ヘッド１４のｆθレンズ２８より略鉛直方向に直進してくるレーザ光ＬＢを第２の折り返しミラー４６に向けて水平方向に反射させる。

第２の折り返しミラー４６は、第１の折り返しミラー４４より水平方向に直進してくるレーザ光ＬＢを第３の折り返しミラー４８に向けて鉛直方向に反射させる。なお、第１の折り返しミラー４４と第２の折り返しミラー４６との間の光路でレーザ光ＬＢはＮＤレンズ４２を通り、ここで光量をたとえば１／１０程度まで減衰させる。

第３の折り返しミラー４８は、第２の折り返しミラー４６より鉛直方向に直進してくるレーザ光ＬＢを第４の折り返しミラー５０に向けて水平方向に反射させる。第４の折り返しミラー５０は、第３の折り返しミラー４８より水平方向に直進してくるレーザ光ＬＢを縮小レンズ光学系４０に向けて鉛直方向に反射させる。

縮小レンズ光学系４２は、第４の折り返しミラー５０より鉛直方向に直進して入射してくるレーザ光ＬＢを所定の縮小倍率（たとえば１／２０）で絞って被加工物Ｗ上に縮小集光させる。

被加工物Ｗ上の集光点はμｍオーダの微小面積であるが、減光フィルタ４０によりレーザ光ＬＢのパワーを適度に減衰させているので、通常マーキングのときと殆ど変わらないレーザエネルギーで微細なマーキングドットが形成される。このことにより、微細マーキングのために、制御電源ユニット１０ないしレーザ発振ユニット１２側でレーザ発振の出力を下げる調整を行わなくて済む。すなわち、レーザ発振器２４のレーザ発振動作に最適な励起電力を維持・選択することができる。

なお、反射光学系３８においては、各折り返しミラー４４〜５０で若干の透過光（漏れ光）が生じることもある。その中で、第１の折り返しミラー４４から出る漏れ光ＭＢは、直下の第４の折り返しミラー５０に裏面から入射して縮小レンズ光学系４２に入る可能性がある。その場合は、図示のように、第１の折り返しミラー４４と第４の折り返しミラー５０との間に遮光板５４を配置することで、漏れ光ＭＢの混入を完全に断ち切ることができる。

上記のように、微細マーキングが行われるときも、通常マーキングのときと同一の条件で、スキャニング・ヘッド１４よりＸＹステージ３０上の被加工物Ｗに向けてレーザ光ＬＢが出射される。しかし、レーザ光ＬＢが縮小光学ユニット３２内の反射光学系３８および縮小レンズ光学系４２を通過または経由させられることで、ＸＹステージ３０上の被加工物Ｗの表面には通常マーキングのときと同一の焦点位置にレーザ光ＬＢがビーム径を所定の縮小率に縮小させて集光し、それによって微細サイズのマーキングドットないしパターンが形成されるようになっている。

ここで、反射光学系３８においては、スキャニング・ヘッド１４より出射されてくるレーザ光ＬＢのビーム径や縮小レンズ光学系４２の縮小倍率等に合わせて、微細マーキングの焦点位置を通常マーキングの焦点位置に一致させるように、レーザ光路長を設定する。このレーザ光路長の設定・調整のための光路長調節部５６として、この実施形態では、第２および第３の折り返しミラー４６，４８の位置を水平方向で変位または微調整する手段を備えている。

図６は、反射光学系３８内の各折り返しミラー４４〜５０で曲折しているレーザ光路を全て鉛直方向にまっすぐ繋いで一本化した光学的に等価な展開図である。図中、反射光学系３８の各折り返しミラー４４〜５０を省いている。この鉛直展開図から明瞭にわかるように、スキャニング・ヘッド１４より出射されたレーザ光ＬＢは、ｆθレンズ２８の焦点距離で定まる反射光学系３８内の光路上の位置Ｓ₁にいったん焦点（第１焦点）を結ぶものの、そこに物体は無いので、その先から一定の拡がり角で光路上を伝播して縮小レンズ光学系４２に入射し、縮小レンズ光学系４２の焦点距離で定まる位置つまりＸＹステージ３０上の被加工物Ｗの加工点Ｓ₂に焦点（第２焦点）を結ぶ。

光学的には、上記第１焦点位置Ｓ₁が通常マーキングにおける単一の焦点位置つまりＸＹステージ３０上の被加工物Ｗの加工点Ｓ_Cの位置に対応している。上記第１焦点位置Ｓ₁と第２焦点位置仮焦点位置Ｓ₂との間の光学的な伸長距離間隔ＤＨを与えるように、反射光学系３８内の光路長または各折り返しミラー４４〜５０の配置位置が設定される。

図７および図８に、本発明の第２の実施形態におけるレーザマーキング装置の要部の構成を示す。図中、上記した第１実施形態の装置構成と実質的に同一の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。

この第２の実施形態は、上記した縮小光学ユニット３２に相当する縮小光学系をスキャニング・ヘッド１４とＸＹステージ３０との間に定常的に固定して配置する構成を特徴とする。ただし、図８にわかりやすく示すように、平面視でスキャニング・ヘッド１４の走査可能な最大マーキング範囲ＭＥの一部の領域Ｅａのみに限定的に介在するように縮小光学系３２を配置する。

かかる構成においては、最大マーキング範囲ＭＡのうちの縮小光学系３２が介在しない通常マーキング領域Ｅｂでは、スキャニング・ヘッド１４を出たレーザ光ＬＢが縮小光学系３２を避けて空中を鉛直下方に直進してＸＹステージ３０上の被加工物Ｗの一加工点Ｓ_Cに直接集光して、通常サイズのマーキングドットないし所望のパターンを形成する。また、最大マーキング範囲のうちの縮小光学系が介在する微細マーキング領域Ｅａでは、スキャニング・ヘッド１４を出たレーザ光ＬＢが上記した第１実施形態と同様に縮小光学系３２（反射光学系３８、ＮＤフィルタ４０、縮小レンズ光学系４２）を経由して同一の被加工物Ｗの別の加工点Ｓ２に集光して、微細サイズのマーキングドットないし所望のパターンを形成する。

上記のようなマーキング領域分割機能により、所与の被加工物Ｗに対して、通常マーキング領域Ｅｂを利用して通常マーキングのみを施すことも、微細マーキング領域Ｅａを利用して微細マーキングのみを施すことも可能であり、通常マーキング領域Ｅｂおよび微細マーキング領域Ｅａの双方を利用して時分割方式で同時に通常マーキングおよび微細マーキングを施すことも可能である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものでは決してなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。

たとえば、縮小光学系または縮小光学ユニット３２においては、反射光学系３８を上記実施形態のように４枚の折り返しミラー４４，４６，４８，５０を所定の向きで４５°に傾けて長方形の各頂点に配置する構成が最も効率的で光路長の安定したレーザ光路を形成することができる。この点に関し、図示省略するが、効率性または安定性の低下を伴うものの、反射光学系３８を３枚あるいは５枚以上の折り返しミラーで構成することも可能である。また、縮小倍率の低下を伴うが、縮小レンズ光学系４２を単レンズの集光レンズで簡略化することも可能である。

また、本発明のレーザマーキング装置を、たとえば金属薄膜剥離加工等の微細加工に適用または応用することも可能である。

本発明の第１の実施形態におけるレーザマーキング装置の全体構成（通常マーキングモード）を示す斜視図である。図１のレーザマーキング装置における光学系の構成を示す略側面図である。上記第１の実施形態におけるレーザマーキング装置の全体構成（微細マーキングモード）を示す斜視図である。図３のレーザマーキング装置における光学系の構成を示す略側面図である。上記実施形態における縮小光学ユニットの具体的構成例を示す略断面図である。上記実施形態における縮小光学ユニット内の反射光学系のレーザ光路を鉛直方向に展開した光学的等価図である。第２の実施形態におけるレーザマーキング装置の要部の構成を示す略断面図である。上記第２の実施形態における最大マーキング範囲内の通常マーキング領域／微細マーキング領域の区分けを平面視で示す図である。

符号の説明

１０制御電源ユニット
１２レーザ発振ユニット
１４スキャニング・ヘッド
１８加工台
２４レーザ発振器
２６Ｘ，２６Ｙガルバノメータ・ミラー
２８ｆθレンズ
３０ＸＹステージ
３２縮小光学ユニット
３４ロボットアーム（アクチエータ）
３８反射光学系
４０減光フィルタ
４２縮小レンズ光学系
４４，４６，４８，５０折り返しミラー
５６光路長調節部

Claims

被加工物にスキャニング方式でレーザ光を照射して所望のパターンをマーキングするレーザマーキング装置であって、
被加工物を所定位置で支持するステージと、
マーキング用のレーザ光を発振出力するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部からの前記レーザ光を前記ステージ上の前記被加工物に向けて反射するスキャン・ミラーと、前記スキャン・ミラーからの前記レーザ光を所定の焦点距離の位置に集光させる集光レンズとを有し、前記スキャン・ミラーを回転変位させて前記レーザ光の前記被加工物上の照射位置を光学的に走査するレーザ走査部と、
前記レーザ走査部と前記ステージとの間の距離間隔を一定に保ったまま両者間のレーザ光路に割り込む第１の位置と、前記レーザ光路から退避する第２の位置との間で移動可能に設けられる縮小光学系と
を有し、
前記縮小光学系が前記第２の位置に配置されているときは、前記レーザ走査部を出た前記レーザ光が前記被加工物上に直接集光して、所望のパターンが縮小せずにマーキングされ、
前記縮小光学系が前記第１の位置に配置されているときは、前記レーザ走査部を出た前記レーザ光が前記縮小光学系内でいったん焦点を結んでから前記被加工物上に再び集光して、所望のパターンが所望の縮小率で縮小してマーキングされる、
レーザマーキング装置。
前記縮小光学系を支持または収容するユニット本体と、
前記縮小光学系を前記第１の位置と前記第２の位置との間で移動させるために、前記ユニット本体を移動させる移動機構と、
前記移動機構の動作を制御するための制御系と
を有する請求項１に記載のレーザマーキング装置。
被加工物にスキャニング方式でレーザ光を照射して所望のパターンをマーキングするレーザマーキング装置であって、
被加工物を所定位置で支持するステージと、
マーキング用のレーザ光を発振出力するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部からの前記レーザ光を前記ステージ上の前記被加工物に向けて反射するスキャン・ミラーと、前記スキャン・ミラーからの前記レーザ光を所定の焦点距離の位置に集光させる集光レンズとを有し、前記スキャン・ミラーを回転変位させて前記レーザ光の前記被加工物上の照射位置を光学的に走査するレーザ走査部と、
前記レーザ走査部の走査可能な最大マーキング範囲の一部の領域のみに限定して介在するように前記レーザ走査部と前記ステージとの間に配置される縮小光学系と
を有し、
前記最大マーキング範囲のうちの前記縮小光学系が介在しない領域では、前記レーザ走査部を出た前記レーザ光が前記被加工物上に直接集光して、所望のパターンが縮小せずにマーキングされ、
前記最大マーキング範囲のうちの前記縮小光学系が介在する領域では、前記レーザ走査部を出た前記レーザ光が前記縮小光学系内でいったん焦点を結んでから前記被加工物上に再び集光して、所望のパターンが所望の縮小率で縮小してマーキングされる、
レーザマーキング装置。
前記縮小光学系が、
所定の相対位置関係で配置される複数の折り返しミラーを有し、前記レーザ走査部からの前記レーザ光を前記複数の折り返しミラーで順次折り返して前記走査部と前記ステージ間のレーザ光路長を所定の距離だけ伸長させる反射光学系と、
一定の縮小倍率を有し、前記反射光学系からの前記レーザ光を前記被加工物上に縮小集光させる縮小レンズ光学系と
を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。
前記反射光学系が第１、第２、第３および第４の折り返しミラーを含み、
前記第１の折り返しミラーが、前記レーザ走査部より略鉛直方向に直進してくる前記レーザ光を前記第２の折り返しミラーに向けて略水平方向に反射させ、
前記第２の折り返しミラーが、前記第１の折り返しミラーより略水平方向に直進してくる前記レーザ光を前記第３の折り返しミラーに向けて略鉛直方向に反射させ、
前記第３の折り返しミラーが、前記第２の折り返しミラーより略鉛直方向に直進してくる前記レーザ光を前記第４の折り返しミラーに向けて略水平方向に反射させ、
前記第４の折り返しミラーが、前記第３の折り返しミラーより略水平方向に直進してくる前記レーザ光を前記縮小レンズ光学系に向けて略鉛直方向に反射させる、
請求項４に記載のレーザマーキング装置。
前記縮小光学系が、前記レーザ光の光路長を調節するための光路長調節部を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。
前記光路長調節部が、一部または全部の前記折り返しミラーの位置を水平方向で調節するためのミラー水平位置調節部を有する、請求項６に記載のレーザマーキング装置。
前記縮小光学系が、前記レーザ光の光量を減衰させるための減光フィルタを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。
前記縮小レンズ光学系が顕微鏡レンズを有する、請求項４〜８のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。
前記ステージが、水平面内で前記被加工物を任意の方向に移動させ、かつ位置決めするためのＸＹステージ機構を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。
前記レーザ光の波長が３５０ｎｍ〜５５０ｎｍである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。
前記スキャン・ミラーがガルバノメータ・ミラーである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。
前記走査部の集光レンズがｆθレンズである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。