JP5865671B2

JP5865671B2 - パルスレーザ加工装置

Info

Publication number: JP5865671B2
Application number: JP2011233738A
Authority: JP
Inventors: 林　誠; 誠林; 福山　聡; 聡福山; 庄一佐藤; 坂本　直樹; 直樹坂本
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: JP2013091074A

Description

本発明は、パルスレーザビームにより被加工物表面を加工するパルスレーザ加工装置およびパルスレーザ加工方法に関する。

近年、例えば液晶パネルのようなフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）は、その大型化に伴い、例えばμｍオーダーあるいはそれ以下の高精度の微細加工が大面積の領域に施された部材を必要としてきている。そして、従来の機械加工では作成が難しい、シート作成用大型ロール金型、止まり溝や深いマイクロレンズ用の微細形状をもつ金型、難削材等の微細加工について種々に検討されている。

一方、パルス幅がピコ秒（ｐｓ）オーダー以下になる超短パルスレーザビームを用いたアブレーション加工により、例えば金属表面に１μｍ以下の微細パターンを容易に形成できることが知られている。そして、これまで、この超短パルスレーザ加工により、樹脂を含む高分子材、半導体材、ガラス材、金属材等からなる被加工物の表面を加工する技術について種々の方法が提示されている（例えば、特許文献１参照）。

超短パルスレーザ加工では、生産性をあげるため加工時間の短縮が望まれる。加工時間を短縮するためには、繰り返し周波数をあげること、それと共にレーザ出力エネルギーをあげることが一般的である。

このため、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４を使用したｐｓレーザ、ｆｓレーザが用いられる。さらに、基本波（ω）から非線形結晶であるＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）等を使用して、第２高調波（２ω）、第３高調波等を得て加工が行われている。もっとも、高繰り返し周波数で、かつ、高出力エネルギーを得るためにはビーム径を非常に小さくする必要がある。

この場合、例えば、ビームプロファイルが悪くなる、非線形結晶のライフタイムが短くなる、非線形結晶から出力されるレーザビームの安定性が劣化する等の問題が生ずる。

特許４６１２７３３号公報

本発明は、上記事情に鑑み、パルスレーザビームの照射スポットの位置決め精度を向上させ、大型の被加工物表面の安定した微細加工とその高速化を可能にするパルスレーザ加工装置およびパルスレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様のパルスレーザ加工装置は、クロック信号を発生する基準クロック発振回路と、前記クロック信号に同期した第１のパルスレーザビームを出射する第１のレーザ発振器と、前記クロック信号に同期した第２のパルスレーザビームを出射する第２のレーザ発振器と、前記クロック信号に同期して前記第１のパルスレーザビームの通過と遮断を切り替える第１のパルスピッカーと、前記クロック信号に同期して前記第２のパルスレーザビームの通過と遮断を切り替える第２のパルスピッカーと、前記第１のパルスレーザビームの光パルス数に基づき、前記第１のパルスピッカーを制御する第１のパルスピッカー制御部と、前記第２のパルスレーザビームの光パルス数に基づき、前記第２のパルスピッカーを制御する第２のパルスピッカー制御部と、前記第１のパルスピッカーの後段に設けられ、前記第１のパルスレーザビームの出力を調整する第１のアッテネータと、前記第２のパルスピッカーの後段に設けられ、前記第２のパルスレーザビームの出力を調整する第２のアッテネータと、前記第１のアッテネータおよび前記第２のアッテネータの後段に設けられ、前記第１のパルスレーザビームと前記第２のパルスレーザビームとを合波し合波パルスレーザビームを生成する合波器と、前記クロック信号に同期して前記合波パルスレーザビームを１次元方向のみに走査するレーザビームスキャナと、被加工物を載置可能で前記１次元方向に直交する方向に移動するステージと、被加工物の加工データを入力する入力部と、前記加工データを加工パターンに変換する加工パターン生成部と、前記加工パターンを第１の副加工パターンと第２の副加工パターンに分割する加工パターン分割部と、を備え、前記第１のパルスピッカー制御部が、前記第１の副加工パターンに基づき、前記第１のパルスピッカーを制御し、前記第２のパルスピッカー制御部が、前記第２の副加工パターンに基づき、前記第２のパルスピッカーを制御することを特徴とする。

上記態様の装置において、前記ステージは、前記レーザビームスキャナからの走査角信号に基づき、前記１次元方向に直交する方向に移動することが望ましい。

上記態様の装置において、前記第１および第２の副加工パターンが、パルスレーザビームの光パルス数で記述した加工テーブルであることが望ましい。

上記態様の装置において、前記レーザビームスキャナはガルバノメータ・スキャナにより構成され、前記パルスピッカーは音響光学素子（ＡＯＭ）または電気光学素子（ＥＯＭ）により構成されていることが望ましい。

本発明によれば、パルスレーザビームの照射スポットの位置決め精度を向上させ、大型の被加工物表面の安定した微細加工とその高速化を可能にするパルスレーザ加工装置およびパルスレーザ加工方法を提供することが可能となる。

第１の実施の形態のパルスレーザ加工装置の構成図である。第１の実施の形態のガルバノメータ・スキャナを用いたレーザビームスキャナの説明図である。第１の実施の形態のパルスレーザ加工装置のレーザビームスキャナの走査の説明図である。第１の実施の形態の加工パターンの定義形式の一例である加工テーブルの具体例を示す図である。第１の実施の形態のパルスレーザ加工装置のタイミング制御を説明する信号波形図である。第１の実施の形態のパルスレーザ加工装置のタイミング制御を説明する信号波形図である。第１の実施の形態のパルスレーザ加工装置のパルスピッカー動作のタイミング制御を説明する信号波形図である。第１の実施の形態による被加工物の加工を説明する模式図である。第１の実施の形態のパルスレーザ加工装置による一加工例を示す図である。図９の加工における特定の１次元方向の走査を示す図である。図９の加工における特定のレイヤについての２次元加工を示す図である。第２の実施の形態の製造方法により形成される金型の加工例である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態のパルスレーザ加工装置およびパルスレーザ加工方法について説明する。

本明細書中、ある部材がある部材の「前段にある」、「後段にある」とはレーザビームの進行方向を基準にした概念である。したがって、ある部材に対しレーザビームの進行方向側の部材が「後段にある」部材となる。

（第１の実施の形態）
本実施の形態のパルスレーザ加工装置は、クロック信号を発生する基準クロック発振回路と、クロック信号に同期した第１のパルスレーザビームを出射する第１のレーザ発振器と、クロック信号に同期した第２のパルスレーザビームを出射する第２のレーザ発振器と、クロック信号に同期して第１のパルスレーザビームの通過と遮断を切り替える第１のパルスピッカーと、クロック信号に同期して第２のパルスレーザビームの通過と遮断を切り替える第２のパルスピッカーと、第１のパルスレーザビームの光パルス数に基づき、第１のパルスピッカーを制御する第１のパルスピッカー制御部と、第２のパルスレーザビームの光パルス数に基づき、第２のパルスピッカーを制御する第２のパルスピッカー制御部と、第１のパルスピッカーの後段に設けられ、第１のパルスレーザビームの出力を調整する第１のアッテネータと、第２のパルスピッカーの後段に設けられ、第２のパルスレーザビームの出力を調整する第２のアッテネータと、第１のアッテネータおよび第２のアッテネータの後段に設けられ、第１のパルスレーザビームと第２のパルスレーザビームとを合波し合波パルスレーザビームを生成する合波器と、クロック信号に同期して合波パルスレーザビームを１次元方向のみに走査するレーザビームスキャナと、被加工物を載置可能で１次元方向に直交する方向に移動するステージと、を備える。

本実施の形態のパルスレーザ加工装置は、同一のクロック信号に同期される複数のレーザ発振器を備え、これらから発せられるパルスレーザビームを合波して被加工物に照射することを可能とする。すなわち、複数のレーザ系を備え、複数のレーザ系から得られるパルスレーザビームを合波する。合波されたパルスレーザビームにより、加工時のレーザビームの高出力化、高繰り返し周波数化が実現できる。

また、本実施の形態のパルスレーザ加工装置は、レーザ発振器のパルス、パルスレーザビームの通過と遮断およびレーザビームスキャナの走査を、同一の基準クロック信号に直接または間接的に同期させる。このように、レーザ系とビーム走査系の同期を維持することで、パルスレーザビームの照射スポットの位置決め精度を向上させる。

そして、さらに、パルスレーザビームの光パルス数に基づき、パルスレーザビームの通過と遮断を制御することを可能にする。これにより、レーザ発振器のパルス、パルスレーザビームの通過と遮断およびレーザビームスキャナの走査の同期維持が容易になる。また、制御回路の構成が簡略化できる。本実施の形態のパルスレーザ加工装置は、パルスレーザビームの照射スポットの位置決め精度を一層向上させるとともに、大型の被加工物表面の安定した微細加工とその高速化を容易に実現する。

図１は、本実施の形態のパルスレーザ加工装置の構成図である。パルスレーザ加工装置１０は、その主要な構成として、加工データ入力部１１、第１のレーザ発振器１２ａ、第２のレーザ発振器１２ｂ、第１のパルスピッカー１４ａ、第２のパルスピッカー１４ｂ、第１のビーム整形器１６ａ、第２のビーム整形器１６ｂ、第１のアッテネータ１７ａ、第２のアッテネータ１７ｂ、合波器４０、レーザビームスキャナ１８、ＸＹステージ部２０、第１のパルスピッカー制御部２２ａ、第２のパルスピッカー制御部２２ｂ、加工パターン分割部５０および加工制御部２４を備えている。加工制御部２４には所望のクロック信号Ｓ１を発生する基準クロック発振回路２６、分周器５２、加工パターン生成部５４が備えられている。

基準クロック発振回路２６では基準クロック信号Ｓ１が生成される。基準クロック信号Ｓ１は分周器５２により、第１のクロック信号Ｓ１ａと第２のクロック信号Ｓ１ｂとに分周される。第１のクロック信号Ｓ１ａと第２のクロック信号Ｓ１ｂとは、例えば、相互間位相を１８０度ずらしたクロック信号である。また、例えば、それぞれ周波数が基準クロック信号Ｓ１の半分となっている。

第１のレーザ発振器１２ａは、第１のクロック信号Ｓ１ａに同期したパルスレーザビームＰＬ１ａを出射するよう構成されている。すなわち、基準クロック信号Ｓ１に同期したパルスレーザビームＰＬ１ａを出射する。このレーザ発振器１２ａは、超短パルスであるｐｓ（ピコ秒）レーザビームあるいはｆｓ（フェムト秒）レーザビームを発振するものが望ましい。

ここで第１のレーザ発振器１２ａから射出されるレーザ波長は被加工物の光吸収率、光反射率等を考慮して選択される。例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、難削材であるＳＫＤ１１等を含む金属材料あるいはダイヤモンドライク・カーボン（ＤＬＣ）からなる被加工物の場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）を用いることが望ましい。

第１のパルスピッカー１４ａは、第１のレーザ発振器１２ａの後段、レーザビームスキャナ１８の前段の光路に設けられる。そして、第１のクロック信号Ｓ１ａに同期して、すなわち基準クロック信号Ｓ１に同期して第１のパルスレーザビームＰＬ１ａの通過と遮断（オン／オフ）を切り替えることで被加工物（ワークＷ）の加工と非加工を切り替えるよう構成されている。このように、第１のパルスピッカー１４ａの動作により第１のパルスレーザビームＰＬ１ａは、被加工物の加工のためにオン／オフが制御され変調された第１の変調パルスレーザビームＰＬ２ａとなる。

第１のパルスピッカー１４ａは、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）で構成されていることが望ましい。また、例えばラマン回折型の電気光学素子（ＥＯＭ）を用いても構わない。

第１のビーム整形器１６ａは、入射した第１のパルスレーザビームＰＬ２ａを所望の形状に整形された第１のパルスレーザビームＰＬ３ａとする。例えば、ビーム径を一定の倍率で拡大するビームエクスパンダである。また、例えば、ビーム断面の光強度分布を均一にするホモジナイザのような光学素子が備えられていてもよい。また、例えばビーム断面を円形にする素子や、ビームを円偏光にする光学素子が備えられていても構わない。

第１のアッテネータ１７ａは、第１のパルスピッカー１４ａの後段に設けられ、第１のパルスレーザビームＰＬ３ａの出力を調整し、第１のパルスレーザビームＰＬ４ａとして出射する。例えば、第１のアッテネータ１７ａは第１のパルスレーザビームＰＬ４ａの出力をビームサンプラーでモニタし、このビームサンプラーのモニタ結果に基づきコントローラーで第１のパルスレーザビームＰＬ３ａを所望の出力に調整し、第１のパルスレーザビームＰＬ４ａとする。

第２のレーザ発振器１２ｂは、第２のクロック信号Ｓ１ｂに同期したパルスレーザビームＰＬ１ｂを出射するよう構成されている。すなわち、基準クロック信号Ｓ１に同期したパルスレーザビームＰＬ１ｂを出射する。このレーザ発振器１２ｂは、超短パルスであるｐｓ（ピコ秒）レーザビームあるいはｆｓ（フェムト秒）レーザビームを発振するものが望ましい。

ここで第２のレーザ発振器１２ｂから射出されるレーザ波長は被加工物の光吸収率、光反射率等を考慮して選択される。例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、難削材であるＳＫＤ１１等を含む金属材料あるいはダイヤモンドライク・カーボン（ＤＬＣ）からなる被加工物の場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）を用いることが望ましい。

第２のパルスピッカー１４ｂは、第１のレーザ発振器１２ｂの後段、レーザビームスキャナ１８の前段の光路に設けられる。そして、第２のクロック信号Ｓ１ｂに同期して、すなわち基準クロック信号Ｓ１に同期して第２のパルスレーザビームＰＬ１ｂの通過と遮断（オン／オフ）を切り替えることで被加工物（ワークＷ）の加工と非加工を切り替えるよう構成されている。このように、第２のパルスピッカー１４ｂの動作により第２のパルスレーザビームＰＬ１ｂは、被加工物の加工のためにオン／オフが制御され変調された第２の変調パルスレーザビームＰＬ２ｂとなる。

第２のパルスピッカー１４ｂは、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）で構成されていることが望ましい。また、例えばラマン回折型の電気光学素子（ＥＯＭ）を用いても構わない。

第２のビーム整形器１６ｂは、入射した第１のパルスレーザビームＰＬ２ａを所望の形状に整形された第２のパルスレーザビームＰＬ３ａとする。例えば、ビーム径を一定の倍率で拡大するビームエクスパンダである。また、例えば、ビーム断面の光強度分布を均一にするホモジナイザのような光学素子が備えられていてもよい。また、例えばビーム断面を円形にする素子や、ビームを円偏光にする光学素子が備えられていても構わない。

第２のアッテネータ１７ｂは、第２のパルスピッカー１４ｂの後段に設けられ、第２のパルスレーザビームＰＬ３ｂの出力を調整し、第２のパルスレーザビームＰＬ４ｂとして出射する。例えば、第２のアッテネータ１７ｂは第２のパルスレーザビームＰＬ４ｂの出力をビームサンプラーでモニタし、このビームサンプラーのモニタ結果に基づきコントローラーで第２のパルスレーザビームＰＬ３ｂを所望の出力に調整し、第２のパルスレーザビームＰＬ４ｂとする。

合波器４０は、例えば、第１のミラー４０ａと第２のミラー４０ｂとで構成される。第１のミラー４０ａは例えば折り返しミラーであり、第２のミラー４０ｂは例えばハーフミラーである。第１のミラー４０ａは、例えば、ピエゾ素子を利用した駆動系を備えたホルダーで保持され、微細な位置調整を可能としている。合波器４０は、位相が、例えば１８０度ずれた第１のパルスレーザビームＰＬ４ａと第２のパルスレーザビームＰＬ４ｂを合波して合波パルスレーザビームＰＬ５を生成する。

このように、別個のレーザ発振器で生成された２系列のパルスレーザビームを合波して合波パルスレーザビームを生成することで、高繰り返し周波数で高出力エネルギーを、レーザ発振器の信頼性を確保した上で実現することが可能となる。

レーザビームスキャナ１８は、クロック信号Ｓ１に同期して合波パルスレーザビームＰＬ５を、１次元方向のみに走査するよう構成されている。このように、クロック信号Ｓ１に同期して合波パルスレーザビームＰＬ５を走査することにより、パルスレーザビームの照射スポットの位置決め精度が向上する。

また、１次元方向のみの走査とすることによっても、パルスレーザビームの照射スポットの位置決め精度の向上を図ることができる。なぜなら、２次元方向の走査を行うレーザビームスキャナは、構造上１次元方向のみ走査するレーザビームスキャナに対してビームの位置精度が劣化するためである。

レーザビームスキャナ１８としては、例えば１軸スキャンミラーを備えたガルバノメータ・スキャナが挙げられる。

図２は、ガルバノメータ・スキャナを用いたレーザビームスキャナの説明図である。

ガルバノメータ・スキャナは、１軸スキャンミラー２８、ガルバノメータ３０、レーザビームスキャナ制御部３２を有している。ここで、ガルバノメータ３０は、例えば走査角センサ３６からのフィードバックによるサーボ制御のようなスキャンミラー回転の駆動機構を備えている。

加工制御部２４からは、クロック信号Ｓ１に同期した走査指令信号Ｓ２が送られる。そして、ガルバノメータ３０は、走査指令信号Ｓ２に基づくレーザビームスキャナ制御部３２からの駆動信号Ｓ３により駆動制御されるよう構成されている。ガルバノメータ・スキャナは、１軸スキャンミラー２８により全反射する合波パルスレーザビームＰＬ５を、図２の矢印に示すようにスキャンミラーの回転運動（首振り）に従い走査する。

レーザビームスキャナ１８には、走査角センサ３６が備えられている。ガルバノメータ・スキャナの場合には、その１軸スキャンミラー２８の回転位置をロータリエンコーダ等によって検出する構造になっている。そして、走査角センサ３６は検出した走査角検出信号Ｓ４をレーザビームスキャナ制御部３２に送り、ガルバノメータ３０の駆動制御用として使用する。また、レーザビームスキャナ制御部３２は、走査角検出信号Ｓ４に基づき走査角信号Ｓ５を加工制御部２４に送信する。

そして、上記１軸スキャンミラー２８で反射した合波パルスレーザビームＰＬ５は、ｆθレンズ３４を通り、１次元方向に、例えば一定の速度Ｖで並行して走査される像高Ｈ＝ｆθの合波パルスレーザビームＰＬ６となる。そして、この合波パルスレーザビームＰＬ６が、ＸＹステージ部２０上に保持される被加工物Ｗの表面を微細加工する照射パルス光として、被加工物Ｗ上に投射される。

レーザビームスキャナ１８には、ガルバノメータ・スキャナの他に、例えば、ポリゴン・スキャナ、ピエゾ・スキャナ、またはレゾナント・スキャナ等を適用することも可能である。

上記いずれのレーザビームスキャナであっても、加工を行う範囲で一定の走査速度Ｖが確保できるように制御するよう構成されることが、加工精度を上げる観点から重要である。

図３は、本実施の形態のパルスレーザ加工装置のレーザビームスキャナの走査を説明する図である。図３に示すように、スキャンミラーの走査角範囲の走査開始位置から走査終了位置に対応する位置範囲には、加速期間、安定域、減速期間がある。加工精度をあげるためには、実際の加工範囲が含まれる安定域内で走査速度Ｖが一定となるよう制御するよう装置が構成されることが重要である。

ＸＹステージ部２０は、被加工物Ｗを載置可能で、パルスレーザビームが走査される１次元方向に直交する方向を含むＸＹ方向に自在に移動できるＸＹステージ、その駆動機構部、ＸＹステージの位置を計測する例えばレーザ干渉計を有した位置センサ等を備えている。ここで、ＸＹステージは、２次元の広範囲、例えば１ｍ程度のＸ方向およびＹ方向の距離範囲で、連続移動あるいはステップ移動できるようになっている。そして、その位置決め精度および移動誤差がサブミクロンの範囲の高精度になるよう構成されている。

加工データ入力部１１では、被加工物の加工データが入力される。加工データは、例えば、例えば、３次元形状の指定、寸法、形状の数、配置、ワークの材料名、ワークの寸法等で構成されている。３次元形状の指定は、例えば、被加工物の加工後の形状がカラーデータとして含まれるビットマップ形式のデータにより行われる。加工データ入力部１１は、例えば、加工データが記憶される記憶媒体、例えば半導体メモリやＤＶＤ（ＤｅｇｉｔａｌＶｉｄｅｏＤｉｓｋ）等の記憶媒体読み取り装置である。

加工制御部２４は、加工データ入力部１１から入力される加工データに基づき、パルスレーザ加工装置による加工を統合して制御する。加工制御部２４は、基準クロック信号Ｓ１を発生する基準クロック発振回路２６、基準クロック信号Ｓ１を第１のクロック信号Ｓ１ａ、第２のクロック信号Ｓ１ｂに分周する分周器５２を備えている。

さらに、加工制御部２４は、加工データ入力部１１から入力される加工データから、実際の加工に即したパラメータのデータの加工パターンに変換する加工パターン生成部５４を備える。加工データは加工パターン生成部５４の加工データ解析部で解析される。そして、加工に使用されるレーザの発振器動作、ビーム走査条件である照射パルスエネルギー、ビームスポット径、繰り返し周波数、走査速度、ステージ送り量等の条件から単位光パルスの加工量が経験的に得られる。

上記条件を基に、更に３次元形状から２次元レイヤに分解し、レイヤ毎のビットマップデータ等による２次元データに変換する。この２次元データからパルスピッカーの動作データ（加工パルス数、非加工パルス数、待機長パルス数）に変換する。

加工パターン生成部５４で生成される加工パターンは、例えば、レーザビームの走査毎の待機長、加工長、非加工長がパルス数を単位として記述された加工テーブルである。加工データ生成部では、例えば、合波された後の合波パルスレーザビームのパルス数を単位として記述された加工テーブルを生成する。

図４は、加工パターンの定義形式の一例である加工テーブルの具体例を示す図である。ある１レイヤの加工テーブルを示している。図４に示すように、加工テーブルは、例えば、加工パターンについて、待機長、加工長や非加工長をパルスレーザビームの光パルス数に基づき記載する。また、図４中、ステージ送り（μｍ）とは、レーザビームスキャナ１８によるＸ方向の走査が終了した後、ＸＹステージ部によりＸ方向に直交するＹ方向に移動される移動距離である。

加工パターン分割部５０では、加工パターン生成部５４で生成された加工パターンを、第１の副加工パターンと第２の副加工パターンに分割する機能を備える。第１の副加工パターンは第１のパルスレーザビームＰＬ１ａから第１のパルスレーザビームＰＬ２ａを生成するために用いられる。また、第２の副加工パターンは第２のパルスレーザビームＰＬ１ｂから第２のパルスレーザビームＰＬ２ｂを生成するために用いられる。

第１の副加工パターンは、例えば、レーザビームの走査毎の待機長、加工長、非加工長が第１のパルスレーザビームＰＬ１ａのパルス数を単位として記述された加工テーブルである。また、第２の副加工パターンは、例えば、レーザビームの走査毎の待機長、加工長、非加工長が第２のパルスレーザビームＰＬ１ｂのパルス数を単位として記述された加工テーブルである。例えば、図４に示した加工テーブルの各ライン（各走査）のデータが、２つのレーザ系列用に２つに分割された形式を備える。

第１の副加工パターンは、第１のパルスピッカー制御部２２ａに転送され、第１のパルスピッカー１４ａの制御に用いられる。また、第２の副加工パターンは、第２のパルスピッカー制御部２２ｂに転送され、第２のパルスピッカー１４ｂの制御に用いられる。

加工制御部２４、加工パターン分割部５０は、半導体集積回路からなるマイクロコンピュータ（ＭＣＵ）、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、半導体メモリ、回路基板等のハードウェアまたはこれらのハードウェアとソウトウェアとの組み合わせにより構成されている。

次に、上記パルスレーザ加工装置１０を用いたパルスレーザ加工方法について説明する。このパルスレーザ加工方法は、ステージに被加工物（ワーク）を載置し、クロック信号を発生し、クロック信号に同期した第１のパルスレーザビームを出射し、第１のパルスレーザビームの光パルス数に基づき、クロック信号に同期して第１のパルスレーザビームの照射と非照射を切り替え、クロック信号に同期した第２のパルスレーザビームを出射し、第２のパルスレーザビームの光パルス数に基づき、クロック信号に同期して第２のパルスレーザビームの照射と非照射を切り替え、第１のパルスレーザビームと第２のパルスレーザビームとを合波して合波パルスレーザビームを生成し、被加工物表面に、合波パルスレーザビームをクロック信号に同期して１次元方向に走査し、合波パルスレーザビームを１次元方向に走査した後に、１次元方向に直交する方向にステージを移動して、更にクロック信号に同期して合波パルスレーザビームを１次元方向に走査する。

図５および図６は、本実施の形態のパルスレーザ加工装置のタイミング制御を説明する信号波形図である。ステージに載置されるワークＷを加工する際、第１および第２のレーザ発振器１２ａ、１２ｂは、内蔵する制御部によりレーザ発振の大半が制御され自律して動作する。もっとも、図５に示すように基準クロック発振回路により生成される周期Ｔｐの基準クロック信号Ｓ１から分周された第１のクロック信号Ｓ１ａ、第２のクロック信号Ｓ１ｂにより、パルス発振のタイミングの制御が行われる。

このようにして、基準クロック信号Ｓ１に同期した第１のパルスレーザビームＰＬ１ａ、および、第２のパルスレーザビームＰＬ１ｂが出射される。第１のクロック信号Ｓ１ａと第２のクロック信号Ｓ１ｂは位相が１８０度異なるよう分周されているため、第１のパルスレーザビームＰＬ１ａと第２のパルスレーザビームＰＬ１ｂも位相が１８０度異なっている。

第１のパルスレーザビームＰＬ１ａと第２のパルスレーザビームＰＬ１ｂが合波器４０により合波されることにより、合波パルスレーザビームＰＬ５が生成される。

レーザビームスキャナ１８は、走査起動信号Ｓ１１に基づき図３に示す走査開始位置（走査原点）で走査起動する。この時、レーザビームスキャナ１８は図５に示すように、基準クロック信号Ｓ１の立ち上がり（立下りでもよい）に同期した、加工制御部２４で生成される周期Ｔｓの走査指令信号Ｓ２により指示を受ける。そして、この走査指令信号Ｓ２に基づき、レーザビームスキャナ制御部３２がガルバノメータ３０の駆動制御を行う。

このように、レーザビームスキャナ１８により、基準クロック信号Ｓ１に同期してパルスレーザビームを１次元方向に走査する。この時、パルスレーザビームの照射と非照射を切り替えることで、ワークＷ表面にパターンを加工する。なお、走査指令信号Ｓ２は、ＸＹ２−１００プロトコルに対応することで、例えば、１００ｋＨｚ（Ｔｓ＝１０μｓｅｃ）での、ガルバノメータ３０の走査角「０度」位置を基準とする絶対走査角指令に従う。

１次元方向に合波パルスレーザビームＰＬ６を走査した後に、上記１次元方向に直交する方向にステージを移動して、更に上記基準クロック信号Ｓ１に同期して合波パルスレーザビームＳ６を上記１次元方向に走査する。このように、パルスレーザビームの１次元方向の走査と、上記１次元方向に直交する方向にステージの移動が交互に行われる。

ここで、レーザビームスキャナ１８からの走査角信号Ｓ５が、ＸＹステージ部の移動タイミングを指示する。レーザビームスキャナ１８の１次元走査方向をＸ軸方向とすると、上記移動タイミングにより、Ｙ軸方向の所定幅のステップ移動あるいは連続移動がなされる。その後、パルスレーザビームをＸ方向に走査する。

ここで、図３の加速期間では、走査速度が早期に安定した走査速度Ｖになるように、走査指令信号Ｓ２によるレーザビームスキャナ１８の制御を行う。最適条件での１軸スキャンミラー２８の走査角繰り返し再現性は、安定域では１０μｒａｄ／ｐ−ｐ程度が得られることが経験的に明らかである。この値は、焦点距離が１００ｍｍのｆθレンズとした場合、１μｍ／ｐ−ｐの走査位置再現性になる。

もっとも、加速期間における走査速度Ｖの繰り返し安定性は、長期の走査において１０倍程度まで悪化する。このため、図３における加工原点の位置が走査ごとに変動する恐れがある。そこで、加速期間終了後、充分に安定した領域で、パルスレーザビームＰＬ１の発振と、ビーム走査との同期をとるための同期角（θｓｙ）を設定する。充分に安定した領域に達するまでの走査角範囲は、例えば、加速期間が１ｍｓｅｃ〜１．５ｍｓｅｃで、焦点距離が１００ｍｍのｆθレンズとした場合、約２．３度〜３．４度である。

そして、図６に示すように、この同期角を走査角センサ３６が同期角検出信号Ｓ１２として検出する。そして、同期角を検出する時に走査開始位置からの走査角θ_０に対応する走査指令信号Ｓ２との位相差θｉを求める。そして、この位相差θ_ｉに基づき、走査指令信号Ｓ２に対する加工原点までの距離を補正する。

上記加工原点までの距離の補正値は、加工時の第１回目の走査（ｉ＝１）を基準補正値として記憶させる。そして、以後のｉ＝ｎとなる第ｎ回目の走査開始位置からの走査の都度、位相差θ_ｎと位相差θ_１の差分を第ｎ回目走査の第１回目走査に対する走査指令信号Ｓ２に対する加工原点までの距離補正値とする。求められた距離補正値は、走査開始位置からの走査角θ_０に対する走査指令信号（Ｓ２：絶対走査角指令）以降の走査指令信号（Ｓ２）に与えることで、加工原点位置が補正される。このようにして、レーザビームスキャナ１８の加速期間における走査速度がばらついたとしても、第１回目走査時と第ｎ回目走査時の加工原点位置を一致させることが可能となる。

以上のように、１次元方向に合波パルスレーザビームＰＬ６を走査した後に、上記１次元方向に直交する方向にステージを移動して、更に上記基準クロック信号Ｓ１に同期して合波パルスレーザビームＰＬ６を上記１次元方向に走査する場合において、走査ごとの加工原点位置が一致し、加工精度が向上する。

そして、上記、１次元方向に合波パルスレーザビームＰＬ６を走査する際に、合波パルスレーザビームＰＬ６の光パルス数に基づき、上記基準クロック信号Ｓ１に同期して合波パルスレーザビームＰＬ６の照射と非照射を切り替える。パルスレーザビームの照射と非照射は、第１および第２のパルスピッカー１４ａ、１４ｂを用いて行われる。

図７は、本実施の形態のパルスレーザ加工装置のパルスピッカー動作のタイミング制御を説明する信号波形図である。加工データから生成され、例えば、光パルス数で管理される加工パターン信号Ｓ７は、加工パターン生成部５４から出力される。

図７に示すように、周期Ｔｐの基準クロック信号Ｓ１から生成される第１のクロック信号Ｓ１ａからｔ_１遅延した第１のパルスレーザビームＰＬ１ａは、第１のパルスピッカー駆動信号Ｓ６ａに基づき遮断／通過が制御される。なお、レーザビームスキャナ１８の走査と、第１のパルスレーザビームの遮断／通過との同期は、走査角指令信号Ｓ２生成タイミングを基準クロック信号Ｓ１に同期させることで行っている。

例えば、第１のパルスピッカー駆動信号Ｓ６ａは、加工パターン信号Ｓ７から加工パターン分割部５４で生成された第１の加工パターン信号Ｓ７ａを、第１のクロック信号Ｓ１ａの立ち上がりによりサンプリングする。そして、第１のクロック信号Ｓ１ａの一クロックの立ち上がりからｔ_２時間遅延して立ち上がる。そして、所要のパルス数に相当するクロック数後、第１の加工パターン信号Ｓ７ａがインアクティブとなった状態を第１のクロック信号Ｓ１ａの立ち上がりでサンプリングし、ｔ_３時間遅延して立ち下がる。

そして、この第１のパルスピッカー駆動信号Ｓ６ａにより、第１のパルスピッカー１４ａの動作が遅延時間ｔ_４およびｔ_５経過後に生ずる。この第１のパルスピッカー１４ａの動作により、第１のパルスレーザビームＰＬ１ａが、第１の変調パルスレーザビームＰＬ２ａとして抽出される。

同様に、周期Ｔｐの基準クロック信号Ｓ１から生成される第２のクロック信号Ｓ１ｂからｔ_１遅延した第２のパルスレーザビームＰＬ１ｂは、第２のパルスピッカー駆動信号Ｓ６ｂに基づき遮断／通過が制御される。なお、レーザビームスキャナ１８の走査と、第２のパルスレーザビームの遮断／通過との同期は、走査角指令信号Ｓ２生成タイミングを基準クロック信号Ｓ１に同期させることで行っている。

例えば、第２のパルスピッカー駆動信号Ｓ６ｂは、加工パターン信号Ｓ７から加工パターン分割部５４で生成された第２の加工パターン信号Ｓ７ｂを、第２のクロック信号Ｓ１ｂの立ち上がりによりサンプリングする。そして、第２のクロック信号Ｓ１ｂの一クロックの立ち上がりからｔ_２時間遅延して立ち上がる。そして、所要のパルス数に相当するクロック数後、第２の加工パターン信号Ｓ７ｂがインアクティブとなった状態を第２のクロック信号Ｓ１ｂの立ち上がりでサンプリングし、ｔ_３時間遅延して立ち下がる。

そして、この第２のパルスピッカー駆動信号Ｓ６ｂにより、第２のパルスピッカー１４ｂの動作が遅延時間ｔ_４およびｔ_５経過後に生ずる。この第２のパルスピッカー１４ｂの動作により、第２のパルスレーザビームＰＬ１ｂが、第２の変調パルスレーザビームＰＬ２ｂとして抽出される。

第１の変調パルスレーザビームＰＬ２ａと第２の変調パルスレーザビームＰＬ２ｂが合波器４０（図１）で合波されることにより、基準クロック信号Ｓ１に同期した合波パルスレーザビームＰＬ５が生成され、基準クロック信号Ｓ１に同期したレーザビームスキャナ１８の走査により、合波パルスレーザビームＰＬ６として被加工物に照射されことになる。

図８は、本実施の形態による被加工物の加工を説明する模式図である。図８に示すように第１および第２のパルスピッカー動作により生成される第１および第２の変調パルスレーザビームＰＬ２ａ、ＰＬ２ｂは、第１および第２のビーム整形器によって各パルス光が所望の形状に整形される。さらに、第１および第２のアッテネータにより２つの出力が、例えば同等になるよう調整され合波器４０にて合波される。

このようにして生成された合波パルスレーザビームＰＬ５は、レーザ系を１系列しか用いない場合に比べ、単位長あたり２倍の出力を備えることになる。合波パルスレーザビームＰＬ５は、レーザビームスキャナによるＸ軸方向の走査と、ＸＹステージ部２０による被加工物Ｗ位置のＹ軸方向の移動によって被加工物Ｗの所定位置に照射され、被加工物Ｗ表面の高出力かつ高精度での微細加工が可能となる。なお、図８におけるパルスピッカー動作の時間幅および各動作の時間間隔はそれぞれ異なるようになってもよい。

次に、レイヤ毎のパルスピッカー動作データ、すなわち、加工パルス数、非加工パルス数、待機長パルス数について説明する。図９は本実施の形態のパルスレーザ加工装置による一加工例を示す図である。図１０は図９の加工における特定の１次元方向の走査を示す図である。図１１は図９の加工における特定のレイヤについての２次元加工を示す図である。

図９に示すように、例えば、ＬＸ_１（横）×ＬＹ_１（縦）×Ｄｐ（深さ）、具体的には、例えば、５２．５μｍ×３７．５μｍ×０．１ＲｎμｍのポケットをワークＷ上の９箇所に形成する。この加工例では、ビーム走査方向であるＸ方向については、ＬＸ_１の加工長とＬＸ_２の非加工長の加工を行い、ステージ移動方向であるＹ方向については、ＬＹ_１の加工長で、ＬＹ_２、ＬＹ_３の非加工長の加工を行う。

ここで、Ｒｎは被加工物の深さ方向に分解されたレイヤの数である。

図１０には、Ｙ方向で、ＬＹ_１に相当する領域内の１本のラインの１次元方向の走査を示す。同期角検出位置からＳ_Ｌ＋Ｗ_１、光パルス数にして（Ｓ_Ｌ＋Ｗ_１）／（Ｄ／ｎ）離れた加工原点（ＳＹＮＣ）を基準にＬｗ、光パルス数にしてＬ_Ｗ／（Ｄ／ｎ）の待機長をおいて、ワークへのパルスレーザビーム照射が行われる。この照射は光パルス数にして（ＬＸ_１／（Ｄ／ｎ））−１である。その後、光パルス数にして（ＬＸ_２／（Ｄ／ｎ））＋１の間、非照射とし、更に、光パルス数で管理された照射と非照射を同一走査内で繰り返す。

ここで、Ｄはビームスポット径、ｎはビーム照射移動比である。ビーム照射移動比とはビームスポット間の移動量をＤ／ｎとした場合のｎの値である。

１次元方向のみに走査されるレーザビームスキャナ１８により、特定のＸ方向のライン走査が終了すると、ステージをＸ方向に直交するＹ方向に移動させて、更にレーザビームスキャナ１８により、Ｘ方向の走査を行う。すなわち、レーザビームスキャナ１８による合波パルスレーザビームの１次元方向の走査と、この走査に続く１次元方向に直交する方向のステージの移動を交互に繰り返すことで、被加工物を加工する。

このようにして、図１１に示すような特定のレイヤについての２次元加工が行われる。さらに、レイヤ分解により生成された別のレイヤについて、図１１に示すと同様な手法で２次元加工を行う。このようなレイヤ毎の加工を繰り返して、最終的に図９に示すような３次元のポケット加工が完了する。

例えば、レーザ系を１系列使用することとして、加工走査条件を、
走査速度：３０．０ｍ／ｓｅｃ
ビームスポット径：１５．０μｍ
とすると、
ビームスポット単位移動量：７．５μｍ
とするためには、４ＭＨｚの繰り返し周波数が必要となる。

ここで、上記条件を本実施の形態のようにレーザ系を２系列使用すると、各系列のレーザ発振器は２ＭＨｚの繰り返し周波数で加工走査条件を充足することが可能となる。これは、繰り返し周波数「２ＭＨｚ」でＳＨＧ（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）出力が「３Ｗ」のピコ秒レーザ発振器を用いると、等価的に４ＭＨｚの繰り返し周波数での加工を、パルスあたりのエネルギーを「１．５μＪ」程度で加工できるということである。

例えば、「４ＭＨｚ」のような高い繰り返し周波数で１個のレーザ発振器を使用するとビームプロファイルの劣化、非線形結晶のダメージ率の増大、非線形結晶のライフタイムの短縮、一パルスあたりのエネルギーの減少、レーザ出力の不安定化等が懸念される。本実施の形態によれば、同程度の加工を行うために１個のレーザ発振器の繰り返し周波数は半分の、例えば「２ＭＨｚ」で済む。このため、上述のビームプロファイルの劣化、非線形結晶のダメージ率の増大、非線形結晶のライフタイムの短縮、一パルスあたりのエネルギーの減少、レーザ出力の不安定化等が抑制される。

また、例えば、「４ＭＨｚ」の繰り返し周波数で１個のレーザ発振器を使用するとプレパルス、ポストパルスの影響についても考慮が必要となる。本実施の形態によれば、同程度の加工を行うために１個のレーザ発振器の繰り返し周波数は半分の、例えば「２ＭＨｚ」で済む。このためプレパルス、ポストパルスの影響について考慮する負担が軽減される。

ここで、被加工物の加工品質を高める際、一般的にビームスポット単位移動量を小さくすることが行われる。例えば、ビームスポット単位移動量を５μｍ、３μｍとすると、走査速度はそれぞれ２０．０ｍ／ｓｅｃ、１２．０ｍ／ｓｅｃとなる。

レーザビームスキャナをガルバノメータとした場合、加工範囲を１００ｍｍ、各発振器の繰り返し周波数を２ＭＨｚとすると、実際の加工走査時間は、
ビームスポット単位移動量＝５μｍ：レーザ１系列時１０ｍｓｅｃ
：レーザ２系列時５ｍｓｅｃ
ビームスポット単位移動量＝３μｍ：レーザ１系列時１６．６ｍｓｅｃ
：レーザ２系列時８．３ｍｓｅｃ
ビームスポット単位移動量＝７．５μｍ：レーザ１系列時６．６ｍｓｅｃ
：レーザ２系列時３．３ｍｓｅｃ
と、２系列時では単位時間あたり１系列に比較して２倍のビームスポットを照射することが可能であるため走査時間が短縮する。

（第２の実施の形態）
本実施の形態は、第１の実施の形態のパルスレーザ加工装置およびパルスレーザ加工方法を用いたマイクロレンズ用金型の製造方法、これを用いて製造されるマイクロレンズ用金型、および、このマイクロレンズ用金型を用いたマイクロレンズの製造方法である。

例えば、フラットパネルディスプレイに用いられるマイクロレンズは大面積と高い加工精度が求められる。そのため、金型を用いて、このマイクロレンズを製造する場合には、必然的に、その金型にも大面積と高い加工精度が要求される。図１２は、本実施の形態の製造方法により形成される金型の加工例である。

図１２に示すように、例えば、Ｃｕ材のワークに、直径Ｒ、深さＤｐのディンプルを、間隔Ｉで９箇所に形成する。レーザ加工については、第１の実施の形態と同様の方法による。加工テーブルとして、図１２の３次元形状に即したテーブルを用いることで、図１２の加工が実現できる。本実施の形態によれば、大面積かつ高精度のマイクロレンズ用金型の製造が可能となる。

また、このマイクロレンズ用金型は大面積かつ高精度のマイクロレンズを製造する上で有用である。そして、このマイクロレンズ用金型を用いたマイクロレンズの製造方法によれば、大面積かつ高精度のマイクロレンズを製造することが可能である。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。パルスレーザ加工装置、パルスレーザ加工方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分については記載を省略したが、必要とされるパルスレーザ加工装置、パルスレーザ加工方法を適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのパルスレーザ加工装置、パルスレーザ加工方法は、本発明の範囲に包含される。

例えば、実施の形態ではレーザ系が２系列の場合を例に説明したが、３系列またはそれ以上の数の系列を適用することも可能である。

また、例えば、実施の形態では、ポケットやディンプルを加工する場合を例に説明したが、これらの形状に限られることなく、例えば、電子ペーパ用のリブを製造するための円錐形状、あるいは三角錐、四角錘、Ｖ溝、凹溝、Ｒ溝等の任意形状の加工、その組み合わせの形状の加工を行うパルスレーザ加工装置またはパルスレーザ加工方法であっても構わない。

また、被加工物として、主にＣｕ材を例に説明したが、例えば、Ｎｉ材、ＳＫＤ１１等の金属材、ＤＬＣ材、高分子材料、半導体材、ガラス材等のその他の材料であっても構わない。

また、レーザ発振器としては、ＹＡＧレーザに限ることなく、被加工物の加工に適したその他の、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）のような単一波長帯レーザあるいは複数波長帯レーザを出力するものであっても構わない。

１０パルスレーザ加工装置
１１加工データ入力部
１２ａ第１のレーザ発振器
１２ｂ第２のレーザ発振器
１４ａ第１のパルスピッカー
１４ｂ第２のパルスピッカー
１７ａ第１のアッテネータ
１７ｂ第２のアッテネータ
１８レーザビームスキャナ
２０ＸＹステージ部
２２ａ第１のパルスピッカー制御部
２２ｂ第２のパルスピッカー制御部
２６基準クロック発振回路
５０加工パターン分割部
５２分周器
５４加工パターン生成部

Claims

クロック信号を発生する基準クロック発振回路と、
前記クロック信号に同期した第１のパルスレーザビームを出射する第１のレーザ発振器と、
前記クロック信号に同期した第２のパルスレーザビームを出射する第２のレーザ発振器と、
前記クロック信号に同期して前記第１のパルスレーザビームの通過と遮断を切り替える第１のパルスピッカーと、
前記クロック信号に同期して前記第２のパルスレーザビームの通過と遮断を切り替える第２のパルスピッカーと、
前記第１のパルスレーザビームの光パルス数に基づき、前記第１のパルスピッカーを制御する第１のパルスピッカー制御部と、
前記第２のパルスレーザビームの光パルス数に基づき、前記第２のパルスピッカーを制御する第２のパルスピッカー制御部と、
前記第１のパルスピッカーの後段に設けられ、前記第１のパルスレーザビームの出力を調整する第１のアッテネータと、
前記第２のパルスピッカーの後段に設けられ、前記第２のパルスレーザビームの出力を調整する第２のアッテネータと、
前記第１のアッテネータおよび前記第２のアッテネータの後段に設けられ、前記第１のパルスレーザビームと前記第２のパルスレーザビームとを合波し合波パルスレーザビームを生成する合波器と、
前記クロック信号に同期して前記合波パルスレーザビームを１次元方向のみに走査するレーザビームスキャナと、
被加工物を載置可能で前記１次元方向に直交する方向に移動するステージと、
被加工物の加工データを入力する入力部と、
前記加工データを加工パターンに変換する加工パターン生成部と、
前記加工パターンを第１の副加工パターンと第２の副加工パターンに分割する加工パターン分割部と、
を備え、
前記第１のパルスピッカー制御部が、前記第１の副加工パターンに基づき、前記第１のパルスピッカーを制御し、
前記第２のパルスピッカー制御部が、前記第２の副加工パターンに基づき、前記第２のパルスピッカーを制御することを特徴とするパルスレーザ加工装置。
前記ステージは、前記レーザビームスキャナからの走査角信号に基づき、前記１次元方向に直交する方向に移動することを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ加工装置。
前記第１および第２の副加工パターンが、パルスレーザビームの光パルス数で記述した加工テーブルであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のパルスレーザ加工装置。
前記レーザビームスキャナはガルバノメータ・スキャナにより構成され、前記パルスピッカーは音響光学素子（ＡＯＭ）または電気光学素子（ＥＯＭ）により構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。