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JP3769942B2 - Laser processing method and apparatus, and circuit forming method and apparatus for non-conductive transparent substrate - Google Patents

Laser processing method and apparatus, and circuit forming method and apparatus for non-conductive transparent substrate Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光の照射により被加工物を材料除去して加工するレーザ加工方法及びそのための装置に関し、例えば非導電性透明基板の全ての面について導電性薄膜からなる回路を形成するために使用することができ、特に微細加工に適したレーザ加工方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、特に半導体製造技術において、フォトリソグラフィ技術とエッチング加工とを組み合わせた高精度な微細加工が広く採用されている。例えば、特開昭60−73414号公報には、水晶基板の両面に導電膜をスパッタリングし、その上に塗布したフォトレジストを露光・現像してパターニングし、これをマスクとしてエッチングすることにより、前記基板を任意の形状に高精度に加工し、また前記導電膜をエッチングして、所望の回路を高精度に形成する方法が記載されている。
【0003】
最近では、レーザ光を微小スポットに集束させ、それにより得られる高エネルギ密度を利用して被加工物を除去加工したり、エッチング等の表面加工や表面改質等を行うレーザ加工が幅広く実用化されている。レーザ光を被加工物表面上で2次元的に走査する方式の1つとして、図8に示すように、被加工物1をXY軸テーブル2に載せてXY方向に送りながら、その表面にレーザ光3を照射するXYテーブル型走査方式がある。この場合、レーザ光の照射は、レーザ発振器4及びXY軸テーブル2に接続したコントローラ5により、前記テーブルの駆動に同期させて行う。更に、被加工物を4軸テーブルに載せてレーザ光を照射し、3次元加工する方法が知られている。
【0004】
また、レーザ光を2次元的に走査する別の方式として、XY方向にそれぞれ別個のガルバノメータ型オプティカルスキャナを用いるガルバノメータ型走査方式がある。図9は、このようなガルバノメータ型走査方式の光学系を備えたレーザ加工装置の典型的な構成を示しており、レーザ発振器6と、それぞれ走査ミラー7、8を有するX軸及びY軸駆動ガルバノメータ9、10と、所謂f−θレンズからなる集光レンズ11とを備える。レーザ発振器6からのレーザ光12は、両走査ミラー7、8間で反射され、集光レンズ11で集光して被加工物13表面に照射される。レーザ光は、両ガルバノメータ9、10を別個に駆動して、被加工物表面上でX方向及び/又はY方向に走査する。その他に、X軸をポリゴンミラーで高速走査し、Y軸もこれに同期させて少しずつ送るポリゴンミラー型走査方式がレーザプリンタに採用されている。
【0005】
レーザ加工を用いて水晶基板などの非導電性透明基板の表裏両面に回路を形成する方法が、例えば特開平7−115338号公報に開示されている。同公報によれば、水晶基板の表裏面に導電性薄膜を蒸着し、それらの面の中間位置に焦点を合わせてレーザ光又は他の電磁波を照射し、表裏両面の導電性薄膜を同時に溶融・蒸発させることにより、振動ジャイロの表裏両面に同一の回路を同時に形成することができる。更に同公報には、レーザ光の焦点位置を表裏面いずれかの側にずらすことにより、表面と裏面とで電極間間隔の異なる回路を形成し得ることが記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のフォトリソグラフィを利用したエッチング加工では、基板の両面又は全ての面に回路を形成するためには、各面に対してそれぞれ別個にフォトレジストの塗布及びエッチングを行う必要があり、そのために処理工程が複雑で工数が多くなり、時間を要するという問題があった。
【0007】
特に、水晶振動片のように薄い基板の側面や狭い空隙を介して対向する内側の面は、フォトレジストを塗布したりパターニングすることが困難で、実際上回路を高精度にエッチング加工することは容易でない。更に、数十μm程度の微細なパターンを形成する場合や、狭い空隙の内側をエッチングする場合には、現像液などの粘性のためにエッチング不良が起こり易いという問題がある。
【0008】
上記特開平7−115338号公報のレーザ加工による回路形成方法は、従来のフォトリソグラフィを利用したエッチング加工に比して、工数を低減できかつ品質の向上を図れる利点がある。しかしながら、水晶基板の表裏面で全く異なる回路パターンを形成することはできない。片面だけを加工しようとしてレーザ光の焦点を加工面に合わせても、基板の厚さがレーザ光の焦点深度より薄い場合には、反対側の面も同様に加工されることになる。更に、狭い空隙を介して対向する内側の面を加工するために振動片を傾けてレーザ光を照射する場合にも、同公報記載の方法では、同様にレーザ光がその延長線上にある他の導電性薄膜まで溶融又は除去する虞がある。
【0009】
一般にレーザ加工において、上述したXYテーブル型走査方式を用いた場合、XY軸テーブルは高速駆動が困難で応答性が低く、しかも装置全体が大型化するという問題がある。図10(a)に例示するように、被加工物1表面の一定の領域Aを加工するためには、テーブルをX方向に送りつつ1回の照射によるレーザ加工痕14を部分的に重ねて連続させ、次に該テーブルをY方向にシフトさせかつX方向逆向きに送りながら同様にレーザ光を照射する。しかしながら、テーブルをX方向に一往復駆動して加工できる範囲は、レーザ痕の重なり具合を考慮してせいぜいレーザ痕の幅程度で、レーザ光のスポット径を10〜20μm程度と考えれば、加工時間は長くなる。他方、スポット径を大きくすれば、1回のレーザ照射による加工面積は大きくなるが、レーザのエネルギ密度が低下して却って加工時間が非常にかかる。いずれにせよ、従来のXY軸テーブルの駆動による走査は分解能が低いため、加工精度が低下する。
【0010】
特に、被加工物が水晶基板などの非導電性透明基板の場合には、不必要に裏面まで加工してしまうという問題が生じる。図10(a)、(b)において、加工領域Aには、テーブルの位置をより高精度に制御するために、送り方向に沿ってその始点及び終点付近にテーブルの送り速度を徐々に上げる加速域15と徐々に下げる減速域16とが設けられる。レーザ光の出力は通常一定であるから、これらの間の定速域17に合わせてレーザ出力を設定すると、加速領域15及び減速領域16では、レーザ光の過度なオーバラップにより照射エネルギが過大となって、上面の導電膜18だけでなく下面の導電膜19まで加工したり損傷する虞がある。また、レーザ出力を加工作業中に微調整することは実際上困難であり、レーザ発振器の出力を一定に維持したままレーザ光のパワーを調整するためには、別個に減衰光学系を設ける必要が生じる。
【0011】
ガルバノメータ型走査方式のレーザ加工では、構成が簡単かつ小型で、処理速度や精度、操作性、簡便さ等の点で有利であるが、2枚の走査ミラーを使用するために光学系の調整が難しく、特に微細加工には不向きであり、しかも高精度の走査が困難で応答性が低いため、加工精度が低くかつ加工時間が長くなるという問題がある。
【0012】
そこで、本発明は、上述した従来の問題点を解消するためのものであり、その目的とするところは、2次元的又は3次元的なレーザ加工において、加工精度及び加工速度を向上させることができ、特に微細加工に適した方法及び装置を提供することにある。
【0013】
また、本発明の別の目的は、非導電性透明基板の表裏両面に形成した導電性薄膜を別個に加工して、それぞれ異なるパターンの回路を形成できるレーザ加工方法及び装置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、レーザ光の照射により被加工物を加工するために、前記被加工物を所定の方向に送る過程と、レーザ発振器から出力されたレーザ光を反射しかつその反射方向を直交する2軸方向に制御可能なガルバノミラーを駆動して、その反射方向を変化させることにより、前記被加工物の送り方向と異なる向きに前記レーザ光を走査する過程とからなり、前記レーザ光の出力を前記ガルバノミラーの駆動に連関させて、前記被加工物の加工領域を走査するときは加工閾値より高く、前記加工領域以外を走査するときは前記加工閾値より低くするように調整するレーザ加工方法が提供される。
【0015】
このように、被加工物の送り速度に左右されることなく、1個のガルバノミラーによりレーザ光を被加工物表面で直交する2軸方向に走査できるので、従来のXY軸テーブルや2個のガルバノメータをXY方向に別個に駆動する従来の走査光学系に比して、応答性・操作性が著しく向上し、高速かつ高精度の走査・位置決めが可能になる。ここで、前記レーザ光を前記被加工物の送り方向と直交する向きに走査すると、被加工物をXY方向に走査・加工することができる。更に、ガルバノミラーの駆動、例えばミラーの変位、駆動電圧、ビームスポットの位置などに連関させてレーザ光の出力を調整することにより、照射エネルギを制御しながら加工領域に対応させてレーザ光を走査できるので、複雑な形状の領域を加工しかつ加工精度及び加工速度をより向上させることができる。
【0016】
ガルバノミラーは、特に圧電効果を利用してその反射方向を変化させるピエゾ式のものが、モータ駆動式のものに比して分解能が高くかつ応答性に優れ、より高精度な操作が可能になるので、有利である。
【0018】
照射されるレーザ光は、照射されるエネルギの制御、出力、熱影響などの観点から、高ピーク出力の割に平均出力が低いパルス発振のレーザ光を使用することが好ましく、より具体的には、レーザ光のピーク出力、パワー密度、パルス幅、又は照射回数を調整することにより、レーザ光のエネルギを加工領域に対応して良好に制御することができる。
【0019】
また、被加工物の送り方向及びレーザ光の走査方向に関して垂直方向に被加工物を変位させる過程を更に含むことにより、3次元的な加工が可能となり、特に基板の狭い空隙を介して対向する内側の面を、該基板を傾斜させて加工する場合等に有利である。
【0020】
本発明の別の側面によれば、被加工物を載せて所定の方向に送るための加工テーブルと、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して前記被加工物表面に照射するための集光レンズと、前記レーザ発振器からのレーザ光を反射しかつその反射方向を直交する2軸方向に制御可能なガルバノミラー及び前記ガルバノミラーを駆動してその反射方向を変化させるための駆動装置からなり、前記被加工物表面に照射されるレーザ光を前記被加工物の送り方向と異なる向きに走査する走査光学系と、前記レーザ光の出力を前記ガルバノミラーの駆動に連関させて、前記被加工物の加工領域を走査するときは加工閾値より高く、前記加工領域以外を走査するときは前記加工閾値より低くするように調整する制御装置とを備えるレーザ加工装置が提供される。
【0021】
このような加工テーブルと1個のガルバノミラーとの組み合わせに加え、レーザ光の走査と照射エネルギの制御とを同期させることにより、上述した本発明のより高速かつ高精度のレーザ加工が容易に実現されると共に、装置全体の構成が簡単化されて、小型化を図ることができる。
【0023】
更に、前記加工テーブルが被加工物の送り方向及びレーザ光の走査方向に関して垂直方向に変位可能であると、3次元的なレーザ加工が容易になる。
【0024】
また、本発明によれば、所定波長の光に対して透過性を有する非導電性基板の表面に形成した導電性薄膜に、前記非導電性基板を透過しかつ集光させると前記導電性薄膜を溶融又は蒸発させ得る特定波長の光を照射することにより、前記導電性薄膜を部分的に除去して回路を形成する方法において、前記非導電性基板を所定の方向に送る過程と、光源からの前記光を反射しかつその反射方向を直交する2軸方向に制御可能なガルバノミラーを駆動して、その反射方向を変化させることにより、前記光を前記非導電性基板の送り方向と異なる向きに走査する過程と、前記光の強度を前記ガルバノミラーの駆動に連関させて、前記導電性薄膜の加工領域を走査するときは加工閾値より高く、前記加工領域以外を走査するときは前記加工閾値より低くするように調整する過程とからなることを特徴とする非導電性透明基板の回路形成方法が提供される。
【0025】
このように非導電性基板の送り操作と1個のガルバノミラーの駆動によるレーザ光の走査とを組み合わせることにより、従来のレーザ加工に比して高速かつ高精度の走査・位置決めが可能となり、更に照射する光の強度調整とガルバノミラーの駆動制御とを組み合わせることにより、導電性薄膜の加工領域と被加工領域とをより高精度に区別して加工でき、かつ加工速度を上げることができる。
【0026】
このとき、照射する光の焦点を非導電性基板の表面の導電性薄膜に合わせかつその照射エネルギを適当に設定することにより、該表面の導電性薄膜のみを選択的に、かつ裏面の導電性薄膜に影響を与えることなく加工できるので、表裏各面にそれぞれ別個の回路パターンを形成することができる。
【0027】
或る実施例では、非導電性基板が或る空隙を挟んで互いに対向する内側の面を有する場合に、該基板を傾斜させて、この空隙を介して前記光が一方の内側の面に入射するようにし、かつ該一方の内側の面の導電性薄膜に集光させることにより、入射光の延長線上にある他の導電性薄膜に何ら影響を与えることなく、所望の内側の面だけを加工できるので、このような基板のすべての面に回路を形成することができる。
【0028】
前記光が、指向性・集光性に優れたレーザ光であると好都合であり、照射エネルギの制御、高出力、熱影響などの点からパルス発振のレーザ光を使用すると、より好都合である。
【0029】
また、パルス発振レーザの場合には、照射されるレーザエネルギの大小がそのパルスの待機時間の大小に依存するため、最初のパルスによるレーザエネルギは所定の値より大きくなるので、非導電性基板の外側の位置を始点としてレーザ光の走査を開始すると、最初に発振される過大なレーザエネルギが非導電性基板に照射されず、従って基板を損傷したり、不必要な部分を加工する虞が無くなる。別の実施例では、従来から公知の適当な機械的又は光学的シャッタ手段を用いて最初のパルスにより発振するレーザ光を選択的に遮断した後、レーザ光の走査を開始することにより、同様にその過大なレーザエネルギの弊害を防止することができる。
【0030】
更に本発明の別の側面によれば、所定波長の光に対して透過性を有する非導電性基板の表面に形成された導電性薄膜を部分的に除去して回路を形成する装置において、非導電性基板を所定の方向に送るための加工テーブルと、該非導電性基板を透過し、かつ集光させると前記導電性薄膜を溶融又は蒸発させ得る特定波長の光を発生させる光源と、該光源からの光を反射しかつその反射方向を直交する2軸方向に制御可能なガルバノミラーと、該ガルバノミラーを駆動してその反射方向を変化させる駆動装置とからなり、前記光を導電性薄膜上に集光させ、かつ非導電性基板の送り方向と異なる向きに走査する光学系と、前記光源からの光の強度をその光の走査に連関させて、前記導電性薄膜の加工領域を走査するときは加工閾値より高く、前記加工領域以外を走査するときは前記加工閾値より低くするように調整するための制御装置とを備えることを特徴とする非導電性透明基板の回路形成装置が提供される。
【0031】
或る実施例では、前記光源にレーザ光を出力するレーザ発振器を用いることができる。
【0032】
別の実施例では、非導電性透明基板の送り方向及びレーザ光の走査方向に関して垂直方向に変位可能な加工テーブルを使用し、3次元的加工を可能にすることができる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照しつつ実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明によるレーザ加工装置の好適な実施例の構成を概略的に示している。本実施例のレーザ加工装置は、レーザ光を出力するレーザ発振器21と、レーザ光を被加工物に向けて照射する集光レンズ22と、レーザ発振器21からのレーザ光を集光レンズ22に向けて反射するガルバノミラー23と、被加工物を載せて3軸方向X、Y、Zに移動可能な加工テーブル24とを備える。
【0034】
ガルバノミラー23は、2軸方向に高精度に制御して傾動可能なプラットホームを有するピエゾ式ガルバノメータ25と、該プラットホームに取り付けられた走査ミラー26とからなる。このようなガルバノメータとしては、複数の圧電変換子を用いてプラットホームを駆動するタイプのものが、例えばドイツ国の Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. から市販されている。
【0035】
本実施例では、被加工物として水晶基板27を加工テーブル24に載せ、その表裏各面に成膜したクロム、金などの導電性薄膜28、29を別個に又は同時に除去する。水晶基板27は、必要に応じて適当な治具を用いて加工テーブル24に設置することができる。
【0036】
図2は、前記レーザ加工装置全体の制御システムの構成を示している。ガルバノミラー23は、ガルバノメータ25の傾動を制御するための制御装置30に接続されている。また、制御装置30はレーザ発振器21及び集光レンズ22に接続されている。加工テーブル24の移動はテーブルドライバ31により制御される。制御装置30及びテーブルドライバ31は、共通のコンピュータ32の指令に従って動作する。
【0037】
コンピュータ32は、制御装置30を介して前記レーザ発振器からレーザ光Bを出力させる。レーザ光Bは走査ミラー26で反射され、集光レンズ22により集光して水晶基板27表面に照射される。コンピュータ32は、同様に制御装置30を介して集光レンズ22を調整し、レーザ光の焦点位置を水晶基板表面に合わせる。
【0038】
走査ミラー26の反射方向は、コンピュータ32により指示された制御装置30からの入力信号で前記プラットホームの傾斜角度を変化させることにより、連続的に変化させることができる。レーザ光の発振を走査ミラーの駆動と同期させて、その照射エネルギを調整することにより、水晶基板表面の加工領域を被加工領域と区別して、高精度にかつ高速で加工することができる。また、コンピュータ32は、レーザ光の走査に同期させてテーブルドライバ31に信号を送り、加工テーブル24を移動させる。
【0039】
また、加工テーブル24を更にZ軸方向に移動させることにより、3次元的加工が可能となる。このとき、後述する適当な治具を用いて前記水晶基板を加工テーブル24上に斜めに設置することにより、該基板の内側の面にレーザ光を直接照射して加工することができる。
【0040】
次に図3を用いて、図1及び図2のレーザ加工装置により水晶基板27の導電性薄膜を除去する過程を説明する。図3(a)、(b)に示すように、前記基板上面の導電性薄膜28は、加工テーブル24の送り方向即ちX方向に直交するY方向に沿って中央のレーザ加工する加工領域33と、左右両端のレーザ加工しない非加工領域34、35とに区分される。
【0041】
本実施例では、パルス幅が短く、熱影響が少ないQスイッチパルス発振のYAGレーザを使用する。レーザ光は、水晶基板27の左右外側に設けた加工開始位置P1・加工終了位置P2間を直線的に往復させて走査する。Y方向のレーザ光の走査と同時に、加工テーブル24をX(+)方向に移動させる。レーザ光の照射は、導電性薄膜28表面における各レーザ照射のビームスポットが部分的に重なりながら連続するように、レーザ光の走査即ち反射方向を変化させる走査ミラー26の動作にタイミングを合わせて行う。
【0042】
レーザ走査速度は、加工領域33で一定の速度を維持し、隣接する各ビームスポットが丸い加工痕36として連続して一定の割合で重なり、照射されない部分が残らないように制御する。非加工領域34、35には、加工開始位置P1からの加速域及び加工終了位置P2への減速域が含まれ、これら加減速域では、レーザ走査速度が加工領域33より低いので、隣接する各ビームスポット37、38がより大きな割合で重なり合う。
【0043】
コンピュータ32が水晶基板のエッチングに必要なデータを作成し、制御装置30に供給する。図3(c)、(d)に示すように、このデータに基づいて制御装置30は、操作位置により異なるパルス幅のレーザ発振信号S1、S2、S3 をレーザ発振器21に出力する。レーザ発振器21は、入力した前記レーザ発振信号(例えば、パルス間隔)に対応して大きさの異なるピーク出力のレーザ光をパルス発振する。
【0044】
加工領域33では、パルスp2 のピーク値が基板上面の加工閾値Q0 より高くかつ基板下面の加工閾値Q1 より低く、下面の導電性薄膜29に影響を与えずに上面の導電性薄膜28だけを溶融・除去できるように、例えば発振周波数を10kHz に設定する。非加工領域34、35での発振周波数は、パルスp1、p3のピーク値を加工閾値Q0 より十分に低くして、ビームスポットの重なりが大きくなっても影響を受けないように、例えば40kHz に設定する。
【0045】
先ず、ガルバノミラー23を駆動してレーザ光の照射位置を加工開始位置P1に合わせ、レーザ発振信号S1 により周波数40kHz で+Y方向にレーザ発振及び走査を開始する。このとき、最初の発振パルスp11は、その待機時間が長いためにピーク値が著しく大きくなる。しかしながら、この過大な出力のレーザ光は水晶基板27の外側位置で照射されるため、該基板に何ら影響を及ぼさない。別の実施例では、従来から公知の機械的又は光学的なシャッタなどを用いて、前記最初の発振パルスによるレーザ光を遮断することにより、同様に過大な出力のレーザ光が基板に与え得る影響を防止することができる。
【0046】
レーザ光が非加工領域34と加工領域33との境界位置P3に到達すると、周波数10kHz のレーザ発振信号S2 に切り換えて、レーザ出力を加工可能なレベルに変更し、レーザ光の走査を続行する。次にレーザ光が加工領域33と非加工領域35との境界位置P4に到達すると、周波数40kHz のレーザ発振信号S3 に切り換えて、レーザ出力を加工不能なレベルに戻す。
【0047】
レーザ光が加工終了位置P2に到達すると、これを始点としかつ位置P1を終点として逆向き即ち−Y方向にレーザ光を走査する。非加工領域34、35と加工領域33との境界位置P4、P3における発振周波数及びレーザ出力の切換えは、上述した+Y方向の走査と同様に行う。そして、加工テーブル24をX方向に送りながら、これら一連の動作を加工領域33のX方向後端に達するまで繰り返して、下面の導電性薄膜29を損傷することなく、上面の加工領域33全域をエッチングする。
【0048】
加工テーブル24の送り速度は、レーザによる加工痕36がX方向にも十分に基板下面を損傷しない程度に重なるように設定する。ガルバノミラー23の走査速度は、加工テーブル24の送り速度と比較して非常に高速に設定することができる。従って、水晶基板27の加工速度は、除去しようとする導電性薄膜自体の材質や膜厚などによる加工閾値は別として、加工テーブル24の送り速度に依存することになる。
【0049】
例えばレーザ光のスポット径を90μmとし、ビームスポットの重なる割合を50%と仮定した場合、僅か1mm幅の領域を加工テーブルの移動だけで加工するためには、加工テーブルを約30往復させる必要がある。これに対し、本発明では、加工テーブルをX方向に片道1回送るだけで加工が終了する。即ち、本発明によれば、加工テーブル24の送り速度だけを考慮しても、加工時間が従来技術の1/60に短縮される。更にガルバノミラー23の走査速度を考慮すれば、実際には更に加工時間を短縮することができる。
【0050】
別の実施例では、上記実施例と同様にY方向にレーザ光を走査しながら、その発振周波数を切り換えるタイミングを変えることにより、Y方向に位置又は長さの異なる領域、若しくは複数の領域をレーザ加工することができる。更にX方向に沿って発振周波数を切り換えるタイミングを変化させることにより、上記実施例のような一定幅の矩形領域だけでなく、複雑な形状の領域を加工することもできる。
【0051】
更に別の実施例では、加工テーブルを送るX方向に関して斜めにレーザ光を走査することができる。この場合にもレーザ光の走査を、必要に応じて加工テーブルの送りと同時に又は別個に行うことができる。特に上述した2軸制御可能なガルバノミラーを用いて斜めにかつY方向に切り換えて走査することにより、より複雑な加工を高精度に行うことができる。
【0052】
次に、加速度を電気信号に変換して取り出す振動ジャイロの表裏両面及び他の面に、本発明のレーザ加工を用いて回路を形成する場合を説明する。図4は一般的な振動ジャイロ40の構成を示しており、基部41から両側に突出した各1対の振動片42、43、44、45を備える。振動ジャイロには、外力が加わるとその歪みエネルギーを電気エネルギーに変換するための回路が、その全面に形成されている。
【0053】
振動ジャイロは、先ず圧電効果を有する水晶基板からエッチングにより図4の形状に、例えば全体の寸法を3.5mm×16mm×0.5mm(X×Y×Z)に、振動片42、43の寸法を0.25mm×6mm×0.5mm(X×Y×Z)に形成し、かつその全面に導電性薄膜を蒸着などにより付着させる。次に、この導電性薄膜46を部分的に除去することにより、前記各振動片のすべての面にそれぞれ様々なパターンの回路を形成する。
【0054】
その一例として、図5(a)、(b)に振動片42の表面47及び裏面48を示す。振動片42の表裏各面は、それぞれ回路に対応してパターンの異なる領域49、50(斜線部分)の導電性薄膜が除去されている。表面47は、図1及び図2に示すレーザ加工装置を用いて、図6に示すように領域49をエッチングする。
【0055】
例えば、表面の領域49に対応する裏面の部分がエッチングすべき領域50と一致しない範囲は、図6(a)に示すように、レーザ光Bの焦点位置を表面47の導電性薄膜に合わせる。このとき、レーザ光の出力は、当然ながら裏面48の導電性薄膜が加工されないレベルに設定する。他方、表面47と裏面48とでエッチングすべき範囲が一致する部分は、図6(b)に示すように、表面47からレーザ光を同じ経路に沿って再度走査し、導電性薄膜を除去した領域49の隙間を通してレーザ光Bを照射することにより、裏面48の導電性薄膜を除去する。このとき、レーザ光Bの焦点位置は、上下に変位可能な集光レンズ22の位置を調整して裏面48に合わせ、かつその出力は、表面47の加工していない導電性薄膜が加工されないレベルに設定する。
【0056】
表面と同時に加工されなかった裏面48の領域50の部分は、次のようにしてレーザ光を直接照射して加工する。図7に示すように、加工テーブル24上に固定した適当な治具51を使用し、振動片42、43間の狭い空隙52を通過してレーザ光Bが振動片42の裏面48を直接照射できるな角度で、ジャイロ40を斜めに設置する。レーザ光は、ガルバノミラー23を駆動して図中X方向に走査する。レーザ光の出力は、表面47の導電性薄膜に何ら影響を与えないレベルに調整する。
【0057】
振動片42の幅方向に図中矢印Cの向きに加工する必要がある場合には、加工テーブル24をY方向に移動させながら、ガルバノミラー23によりレーザ光BをX方向に走査する。レーザ光の焦点は、加工部位の高さの変化に合わせて集光レンズ22の高さを変化させ、常に裏面48の導電性薄膜上にあるように設定する。この制御は、コンピュータ32が、制御装置30及びテーブルドライバ31を介して加工テーブル24の移動に連関させて行う。別の実施例では、加工テーブル24を固定して、レーザ光BをX方向及びY方向に走査して加工することもできる。
【0058】
このようにして振動片42の裏面48の導電性薄膜のみを、その反対側の表面47の導電性薄膜に何ら影響を与えることなくエッチングできる。他の振動片43〜45を同様に加工することにより、前記ジャイロ全面に所望のパターンの回路を形成することができる。
【0059】
以上、本発明について好適な実施例を用いて詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内において様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば上記実施例では、2軸制御可能なガルバノミラー23を使用したが、レーザ光を直線状に走査する場合又はあまり高い加工精度を要求されない場合は、1軸制御式のガルバノミラーを用いて同様の作用効果を得ることができる。
【0060】
また、図1のレーザ加工装置は、集光レンズ22とガルバノミラー23間に偏光ビームスプリッタ及びλ/4板を配置した走査光学系を使用し、その光路の外側に配置されたレーザ発振器からのレーザ光が、偏光ビームスプリッタ及びλ/4板を経てガルバノミラーで反射され、再びλ/4板、偏光ビームスプリッタを通過して集光レンズ14により集光され、非加工物27に照射されるように構成することができる。この場合、より線形的なレーザ光の走査が可能となって精度が向上する。
【0061】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明のレーザ加工方法によれば、1個のガルバノミラーにより、被加工物の送り速度に左右されずにレーザ光を走査できるので、加工精度・及び加工速度が飛躍的に向上し、微細加工が可能で、水晶基板を含む様々な材料について2次元的又は3次元的なレーザ加工を実現することができる。
【0062】
また、本発明の非導電性透明基板の回路形成方法によれば、1個のガルバノミラーの駆動によるレーザ光の走査と、これに連関させて照射する光の強度を調整することにより、水晶基板などの薄い非導電性透明基板であってもその表裏両面に、また該基板を相対的に傾斜させることによりすべての面に、それぞれ異なる回路パターンを、他の面に影響や損傷を与えることなく高精度にかつ高速で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるレーザ加工装置の実施例を示す概略構成図である。
【図2】図1の装置全体の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図3】(a)図は図1の装置を用いて非導電性透明基板表面に回路を形成する過程を説明するための平面図、(b)図はその横断面図、(c)図及び(d)図は該基板の横断方向に沿ってレーザ光を発振させるレーザ発振信号、発振パルスをそれぞれ示す線図である。
【図4】本発明を適用して回路を形成する振動ジャイロを示す斜視図である。
【図5】(a)図及び(b)図は、それぞれジャイロ腕の異なる回路を示す側面図である。
【図6】(a)図及び(b)図は、振動ジャイロの表面及び裏面をそれぞれレーザ加工する過程を示す説明図である。
【図7】ジャイロ腕の内側の面をレーザ加工する過程を示す説明図である。
【図8】従来の加工テーブルを備えたレーザ加工装置の構成を示す概略図である。
【図9】従来のガルバノメータ型走査光学系を備えたレーザ加工装置の構成を示す概略図である。
【図10】(a)図は図8の従来方法により加工される非導電性透明基板表面の平面図、(b)図はその縦断面図である。
【符号の説明】
1 被加工物
2 XY軸テーブル
3 レーザ光
4 レーザ発振器
5 コントローラ
6 レーザ発振器
7、8 走査ミラー
9、10 ガルバノメータ
11 集光レンズ
12 レーザ光
13 被加工物
14 レーザ加工痕
15 加速域
16 減速域
17 定速域
18、19 導電膜
21 レーザ発振器
22 集光レンズ
23 ガルバノミラー
24 加工テーブル
25 ガルバノメータ
26 走査ミラー
27 水晶基板
28、29 導電性薄膜
30 制御装置
31 テーブルドライバ
32 コンピュータ
33 加工領域
34、35 非加工領域
36 加工痕
37、38 ビームスポット
40 振動ジャイロ
41 基部
42〜45 振動片
46 導電性薄膜
47 表面
48 裏面
49、50 領域
51 治具
52 空隙
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing method for removing material from a workpiece by laser irradiation and a device therefor, for example, for forming a circuit made of a conductive thin film on all surfaces of a non-conductive transparent substrate. The present invention relates to a laser processing method and apparatus that can be used and is particularly suitable for fine processing.
[0002]
[Prior art]
In recent years, particularly in semiconductor manufacturing technology, high-precision fine processing combining photolithography technology and etching processing has been widely adopted. For example, in JP-A-60-73414, a conductive film is sputtered on both surfaces of a quartz substrate, a photoresist applied thereon is exposed and developed, patterned, and etched using this as a mask. A method is described in which a substrate is processed into an arbitrary shape with high accuracy, and the conductive film is etched to form a desired circuit with high accuracy.
[0003]
Recently, laser processing that focuses laser light on a minute spot and removes the workpiece using the high energy density that is obtained, and performs surface processing such as etching and surface modification has been widely put into practical use. Has been. As one of the two-dimensional scanning methods of the laser beam on the surface of the workpiece, as shown in FIG. 8, the workpiece 1 is placed on the XY axis table 2 and sent in the XY direction while the laser is applied to the surface. There is an XY table type scanning system that irradiates light 3. In this case, laser light irradiation is performed by the controller 5 connected to the laser oscillator 4 and the XY axis table 2 in synchronization with the driving of the table. Furthermore, a method is known in which a workpiece is placed on a four-axis table and irradiated with laser light for three-dimensional processing.
[0004]
As another method for two-dimensionally scanning laser light, there is a galvanometer type scanning method that uses separate galvanometer type optical scanners in the XY directions. FIG. 9 shows a typical configuration of a laser processing apparatus having such a galvanometer type scanning optical system, and an X-axis and Y-axis drive galvanometer having a laser oscillator 6 and scanning mirrors 7 and 8, respectively. 9 and 10 and a condensing lens 11 composed of a so-called f-θ lens. The laser beam 12 from the laser oscillator 6 is reflected between the scanning mirrors 7 and 8, condensed by the condenser lens 11, and irradiated on the surface of the workpiece 13. The laser light drives both galvanometers 9 and 10 separately to scan in the X direction and / or Y direction on the surface of the workpiece. In addition, a polygon mirror type scanning method in which the X axis is scanned at high speed with a polygon mirror and the Y axis is also sent in synchronization with this is adopted in the laser printer.
[0005]
A method of forming circuits on both front and back surfaces of a non-conductive transparent substrate such as a quartz substrate using laser processing is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-115338. According to the publication, a conductive thin film is deposited on the front and back surfaces of a quartz substrate, and a laser beam or other electromagnetic wave is focused on an intermediate position between those surfaces to simultaneously melt the conductive thin films on both the front and back surfaces. By evaporating, the same circuit can be simultaneously formed on both the front and back surfaces of the vibrating gyroscope. Furthermore, the publication describes that a circuit having a gap between electrodes on the front surface and the back surface can be formed by shifting the focal position of the laser light to either the front or back surface.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional etching process using photolithography, in order to form a circuit on both sides or all sides of the substrate, it is necessary to apply and etch photoresist separately on each side. Therefore, there is a problem that the processing steps are complicated, man-hours are increased, and time is required.
[0007]
In particular, it is difficult to apply photoresist or pattern the side surface of a thin substrate such as a quartz crystal vibrating piece or the inner surface facing through a narrow gap, and in practice it is difficult to etch a circuit with high accuracy. Not easy. Furthermore, when a fine pattern of about several tens of μm is formed or when the inside of a narrow gap is etched, there is a problem that etching defects are likely to occur due to the viscosity of the developer.
[0008]
The circuit forming method by laser processing disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-115338 has an advantage that man-hours can be reduced and quality can be improved as compared with conventional etching processing using photolithography. However, completely different circuit patterns cannot be formed on the front and back surfaces of the quartz substrate. Even if only one surface is processed and the focus of the laser beam is focused on the processing surface, if the thickness of the substrate is thinner than the focal depth of the laser beam, the opposite surface is processed in the same manner. Further, in the case of irradiating the laser beam by tilting the resonator element in order to process the inner surfaces facing each other through a narrow gap, the method described in this publication similarly uses another laser beam on the extension line. There is a risk of melting or removing even the conductive thin film.
[0009]
In general, when the above-described XY table type scanning method is used in laser processing, the XY axis table has a problem that high-speed driving is difficult and responsiveness is low, and the entire apparatus becomes large. As illustrated in FIG. 10A, in order to process a certain region A on the surface of the workpiece 1, the laser processing traces 14 by one irradiation are partially overlapped while feeding the table in the X direction. Next, the laser beam is similarly irradiated while shifting the table in the Y direction and feeding it in the opposite direction in the X direction. However, the range in which the table can be driven by one reciprocating drive in the X direction is at most about the width of the laser mark in consideration of the overlapping state of the laser mark, and the processing time is considered if the spot diameter of the laser beam is about 10 to 20 μm. Becomes longer. On the other hand, if the spot diameter is increased, the processing area by one laser irradiation is increased, but the energy density of the laser is lowered and processing time is very long. In any case, the scanning by driving the conventional XY axis table has a low resolution, so that the processing accuracy is lowered.
[0010]
In particular, when the workpiece is a non-conductive transparent substrate such as a quartz substrate, there arises a problem that the back surface is unnecessarily processed. 10 (a) and 10 (b), in the machining area A, in order to control the position of the table with higher accuracy, acceleration that gradually increases the table feed speed in the vicinity of the start point and end point along the feed direction. An area 15 and a gradually decreasing deceleration area 16 are provided. Since the output of the laser beam is usually constant, if the laser output is set in accordance with the constant speed region 17 between them, the irradiation energy is excessive in the acceleration region 15 and the deceleration region 16 due to excessive laser light overlap. Thus, not only the upper conductive film 18 but also the lower conductive film 19 may be processed or damaged. In addition, it is practically difficult to finely adjust the laser output during the processing operation. In order to adjust the power of the laser beam while keeping the output of the laser oscillator constant, it is necessary to provide a separate attenuation optical system. Arise.
[0011]
Galvanometer-type scanning laser processing is simple and compact, and is advantageous in terms of processing speed, accuracy, operability, simplicity, etc. However, the use of two scanning mirrors requires adjustment of the optical system. Difficult, particularly unsuitable for microfabrication, and further, there is a problem that processing accuracy is low and processing time is long because high-accuracy scanning is difficult and response is low.
[0012]
Therefore, the present invention is for solving the above-mentioned conventional problems, and its object is to improve processing accuracy and processing speed in two-dimensional or three-dimensional laser processing. It is possible to provide a method and an apparatus particularly suitable for microfabrication.
[0013]
Another object of the present invention is to provide a laser processing method and apparatus capable of separately processing conductive thin films formed on both front and back surfaces of a nonconductive transparent substrate to form circuits having different patterns. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  According to the present invention,In order to process a workpiece by laser light irradiation,The process of sending the workpiece in a specified direction and the laser beam output from the laser oscillator is reflectedAnd the reflection direction can be controlled in two orthogonal directions.By driving the galvanometer mirror and changing its reflection direction, it consists of a process of scanning the laser beam in a direction different from the feed direction of the workpiece,The output of the laser light is linked to the driving of the galvanometer mirror so that it is higher than the processing threshold when scanning the processing region of the workpiece and lower than the processing threshold when scanning other than the processing region. adjustA laser processing method is provided.
[0015]
  In this way, the laser beam is irradiated on the surface of the workpiece by one galvanometer mirror without being influenced by the feed speed of the workpiece.In two orthogonal directionsCompared with the conventional scanning optical system that drives the XY axis table and two galvanometers separately in the X and Y directions, the responsiveness and operability are significantly improved, and high-speed and high-accuracy scanning and positioning is possible. Is possible. Here, when the laser beam is scanned in a direction perpendicular to the feeding direction of the workpiece, the workpiece can be scanned and machined in the XY directions.Furthermore, by adjusting the output of the laser beam in association with the driving of the galvanometer mirror, for example, the displacement of the mirror, the driving voltage, the position of the beam spot, etc., the laser beam is scanned corresponding to the processing region while controlling the irradiation energy. Therefore, it is possible to process a complex shape region and further improve the processing accuracy and processing speed.
[0016]
  Galvano mirrors, especially those that use the piezoelectric effect to change the direction of reflection, have higher resolution and better response than motor-driven ones, enabling more precise operation. So it is advantageous.
[0018]
The irradiated laser beam is preferably a pulsed laser beam having a low average output for a high peak output from the viewpoint of control of the irradiated energy, output, thermal influence, and the like. By adjusting the peak output, power density, pulse width, or number of irradiations of the laser beam, the energy of the laser beam can be controlled favorably in accordance with the processing region.
[0019]
Further, by further including a process of displacing the workpiece in a direction perpendicular to the feed direction of the workpiece and the scanning direction of the laser beam, three-dimensional processing becomes possible, particularly facing through a narrow gap in the substrate. This is advantageous when the inner surface is processed with the substrate inclined.
[0020]
  According to another aspect of the present invention, a processing table for placing a workpiece and sending it in a predetermined direction, a laser oscillator, and a surface of the workpiece by condensing laser light output from the laser oscillator The condenser lens for irradiating the laser beam and the laser beam from the laser oscillator is reflectedAnd the reflection direction can be controlled in two orthogonal directions.Galvano mirroras well asDriving device for driving the galvanometer mirror and changing its reflection directionFromAnd a scanning optical system for scanning the laser beam irradiated on the workpiece surface in a direction different from the feeding direction of the workpieceThe output of the laser light is linked to the driving of the galvanometer mirror so that it is higher than the processing threshold when scanning the processing area of the workpiece and lower than the processing threshold when scanning other than the processing area. Control device to adjustIs provided.
[0021]
  Combination of such a processing table and one galvanometer mirrorIn addition to synchronizing laser beam scanning and irradiation energy controlAccording to the present invention described above,ThanHigh-speed and high-precision laser processingeasilyAs well as being realized, the configuration of the entire apparatus is simplified and the size can be reduced.
[0023]
Furthermore, if the processing table can be displaced in a direction perpendicular to the workpiece feed direction and the laser beam scanning direction, three-dimensional laser processing is facilitated.
[0024]
  Further, according to the present invention, when the non-conductive substrate is transmitted through and condensed on a non-conductive substrate formed on the surface of the non-conductive substrate that is transparent to light of a predetermined wavelength, the conductive thin film In the method of forming a circuit by partially removing the conductive thin film by irradiating light of a specific wavelength capable of melting or evaporating the substrate, a process of sending the non-conductive substrate in a predetermined direction, and a light source Reflecting the lightAnd the reflection direction can be controlled in two orthogonal directions.By driving the galvanometer mirror and changing its reflection direction, the process of scanning the light in a direction different from the feeding direction of the non-conductive substrate, and the intensity of the light in association with the driving of the galvanometer mirrorWhen scanning the processing region of the conductive thin film, it is higher than the processing threshold, and when scanning other than the processing region, it is set lower than the processing threshold.A circuit forming method for a non-conductive transparent substrate is provided.
[0025]
By combining the operation of feeding the non-conductive substrate and the scanning of the laser beam by driving one galvanometer mirror in this way, scanning and positioning can be performed at higher speed and higher accuracy than conventional laser processing. By combining the adjustment of the intensity of irradiated light and the drive control of the galvanometer mirror, the processing region and the processing region of the conductive thin film can be distinguished and processed with higher accuracy, and the processing speed can be increased.
[0026]
At this time, the irradiation light is focused on the conductive thin film on the surface of the non-conductive substrate and the irradiation energy is set appropriately so that only the conductive thin film on the front surface is selectively selected and the conductivity on the back surface is selected. Since processing can be performed without affecting the thin film, separate circuit patterns can be formed on the front and back surfaces.
[0027]
In one embodiment, when the non-conductive substrate has inner surfaces facing each other with a certain gap, the substrate is inclined and the light is incident on one inner surface through the gap. By focusing the light on the conductive thin film on one inner surface, only the desired inner surface is processed without affecting the other conductive thin film on the extension line of the incident light. Therefore, a circuit can be formed on all surfaces of such a substrate.
[0028]
The light is advantageously laser light with excellent directivity and light condensing properties, and it is more convenient to use pulsed laser light from the viewpoints of irradiation energy control, high output, thermal influence, and the like.
[0029]
Further, in the case of a pulsed laser, the magnitude of the laser energy to be irradiated depends on the magnitude of the standby time of the pulse, so that the laser energy by the first pulse is greater than a predetermined value, so that the non-conductive substrate When the scanning of the laser beam is started from the outside position, the excessively oscillated laser energy that is first oscillated is not applied to the non-conductive substrate, so that there is no possibility of damaging the substrate or processing unnecessary parts. . In another embodiment, the laser light oscillated by the first pulse is selectively cut off by using an appropriate mechanical or optical shutter means known in the art, and then scanning of the laser light is started. The adverse effect of the excessive laser energy can be prevented.
[0030]
  Further, according to another aspect of the present invention, in an apparatus for forming a circuit by partially removing a conductive thin film formed on a surface of a nonconductive substrate that is transparent to light of a predetermined wavelength, A processing table for sending a conductive substrate in a predetermined direction, a light source that transmits light through the non-conductive substrate and generates light of a specific wavelength that can melt or evaporate the conductive thin film when condensed, and the light source Reflecting light fromAnd the reflection direction can be controlled in two orthogonal directions.An optical system that includes a galvanometer mirror and a driving device that drives the galvanometer mirror to change its reflection direction, condenses the light on a conductive thin film, and scans in a direction different from the feeding direction of the non-conductive substrate. System and the light intensity from the light source linked to the light scanningWhen scanning the processing region of the conductive thin film, it is higher than the processing threshold, and when scanning other than the processing region, it is set lower than the processing threshold.There is provided a circuit forming apparatus for a non-conductive transparent substrate, comprising a control device for adjusting.
[0031]
In one embodiment, a laser oscillator that outputs laser light to the light source can be used.
[0032]
In another embodiment, a three-dimensional processing can be performed by using a processing table that is displaceable in a direction perpendicular to the feeding direction of the non-conductive transparent substrate and the scanning direction of the laser beam.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 schematically shows the configuration of a preferred embodiment of a laser processing apparatus according to the present invention. The laser processing apparatus of the present embodiment includes a laser oscillator 21 that outputs laser light, a condensing lens 22 that irradiates the laser beam toward a workpiece, and a laser beam from the laser oscillator 21 that is directed toward the condensing lens 22. And a galvanometer mirror 23 that reflects and a processing table 24 on which a workpiece is placed and which can be moved in three axial directions X, Y, and Z.
[0034]
The galvanometer mirror 23 includes a piezo-type galvanometer 25 having a platform that can be tilted with high precision control in two axial directions, and a scanning mirror 26 attached to the platform. As such a galvanometer, a type in which a platform is driven using a plurality of piezoelectric transducers is commercially available from, for example, Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. of Germany.
[0035]
In this embodiment, a quartz substrate 27 is placed on a processing table 24 as a workpiece, and conductive thin films 28 and 29 such as chromium and gold formed on the front and back surfaces are removed separately or simultaneously. The crystal substrate 27 can be placed on the processing table 24 using an appropriate jig as required.
[0036]
FIG. 2 shows a configuration of a control system for the entire laser processing apparatus. The galvanometer mirror 23 is connected to a control device 30 for controlling the tilt of the galvanometer 25. The control device 30 is connected to the laser oscillator 21 and the condenser lens 22. The movement of the machining table 24 is controlled by the table driver 31. The control device 30 and the table driver 31 operate according to a command from the common computer 32.
[0037]
The computer 32 causes the laser beam B to be output from the laser oscillator via the control device 30. The laser beam B is reflected by the scanning mirror 26, condensed by the condenser lens 22, and irradiated on the surface of the crystal substrate 27. Similarly, the computer 32 adjusts the condensing lens 22 via the control device 30 to adjust the focal position of the laser light to the surface of the quartz substrate.
[0038]
The reflection direction of the scanning mirror 26 can be continuously changed by changing the tilt angle of the platform by an input signal from the control device 30 instructed by the computer 32. By synchronizing the oscillation of the laser beam with the driving of the scanning mirror and adjusting the irradiation energy, the processing region on the surface of the quartz substrate can be distinguished from the processing region, and processing can be performed with high accuracy and at high speed. Further, the computer 32 sends a signal to the table driver 31 in synchronization with the scanning of the laser beam to move the processing table 24.
[0039]
Further, three-dimensional machining is possible by further moving the machining table 24 in the Z-axis direction. At this time, by placing the quartz crystal substrate obliquely on the processing table 24 using an appropriate jig, which will be described later, the inner surface of the substrate can be directly irradiated with laser light for processing.
[0040]
Next, the process of removing the conductive thin film of the quartz substrate 27 by the laser processing apparatus of FIGS. 1 and 2 will be described with reference to FIG. As shown in FIGS. 3A and 3B, the conductive thin film 28 on the upper surface of the substrate has a processing region 33 for laser processing at the center along the feed direction of the processing table 24, that is, the Y direction orthogonal to the X direction. The left and right ends are divided into non-processed areas 34 and 35 that are not laser processed.
[0041]
In this embodiment, a Q-switch pulse oscillation YAG laser having a short pulse width and little thermal influence is used. The laser beam scans by linearly reciprocating between the processing start position P1 and the processing end position P2 provided on the left and right outer sides of the quartz substrate 27. Simultaneously with the scanning of the laser beam in the Y direction, the processing table 24 is moved in the X (+) direction. The laser beam irradiation is performed in synchronization with the operation of the scanning mirror 26 that changes the scanning direction of the laser beam, that is, the reflection direction, so that the beam spots of the laser beams on the surface of the conductive thin film 28 are partially overlapped and continued. .
[0042]
The laser scanning speed is controlled so that a constant speed is maintained in the processing region 33, and adjacent beam spots are continuously overlapped at a constant rate as round processing marks 36, and no unirradiated portion remains. The non-machining areas 34 and 35 include an acceleration area from the machining start position P1 and a deceleration area to the machining end position P2. In these acceleration / deceleration areas, the laser scanning speed is lower than the machining area 33. The beam spots 37, 38 overlap at a larger rate.
[0043]
The computer 32 creates data necessary for etching the quartz substrate and supplies it to the control device 30. As shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d), the control device 30 outputs laser oscillation signals S 1, S 2, S 3 having different pulse widths to the laser oscillator 21 based on the operation position based on this data. The laser oscillator 21 pulse-oscillates laser beams having peak outputs having different sizes corresponding to the input laser oscillation signal (for example, pulse interval).
[0044]
In the processing region 33, the peak value of the pulse p2 is higher than the processing threshold value Q0 on the upper surface of the substrate and lower than the processing threshold value Q1 on the lower surface of the substrate, and only the upper conductive film 28 is melted without affecting the lower conductive film 29.・ For example, the oscillation frequency is set to 10 kHz so that it can be removed. The oscillation frequency in the non-processed regions 34 and 35 is set to, for example, 40 kHz so that the peak values of the pulses p1 and p3 are sufficiently lower than the processing threshold value Q0 and are not affected even when the overlap of the beam spots is increased. To do.
[0045]
First, the galvano mirror 23 is driven so that the irradiation position of the laser beam is aligned with the processing start position P1, and laser oscillation and scanning are started in the + Y direction at a frequency of 40 kHz by the laser oscillation signal S1. At this time, the peak value of the first oscillation pulse p11 is remarkably large because the standby time is long. However, since the laser beam with an excessive output is irradiated at a position outside the quartz substrate 27, the substrate is not affected at all. In another embodiment, by using a conventionally known mechanical or optical shutter or the like to cut off the laser beam generated by the first oscillation pulse, the laser beam having an excessively large output can be similarly applied to the substrate. Can be prevented.
[0046]
When the laser beam reaches the boundary position P3 between the non-processed region 34 and the processed region 33, the laser output is switched to a laser oscillation signal S2 having a frequency of 10 kHz, the laser output is changed to a processable level, and scanning of the laser beam is continued. Next, when the laser beam reaches the boundary position P4 between the machining area 33 and the non-machining area 35, the laser oscillation signal S3 having a frequency of 40 kHz is switched to return the laser output to a level at which machining is impossible.
[0047]
When the laser beam reaches the processing end position P2, the laser beam is scanned in the opposite direction, that is, in the −Y direction, with the start point as the start point and the position P1 as the end point. Switching of the oscillation frequency and the laser output at the boundary positions P4 and P3 between the non-processed areas 34 and 35 and the processed area 33 is performed in the same manner as the scanning in the + Y direction described above. Then, while feeding the processing table 24 in the X direction, these series of operations are repeated until the rear end of the processing region 33 in the X direction is reached, and the entire processing region 33 on the upper surface is moved without damaging the conductive thin film 29 on the lower surface. Etch.
[0048]
The feed rate of the processing table 24 is set so that the processing marks 36 by the laser overlap sufficiently to the extent that the lower surface of the substrate is not damaged in the X direction. The scanning speed of the galvanometer mirror 23 can be set at a very high speed compared with the feed speed of the processing table 24. Therefore, the processing speed of the quartz substrate 27 depends on the feed speed of the processing table 24 apart from the processing threshold value depending on the material and film thickness of the conductive thin film itself to be removed.
[0049]
For example, assuming that the spot diameter of the laser beam is 90 μm and the overlapping ratio of the beam spots is 50%, it is necessary to reciprocate the processing table about 30 times in order to process an area having a width of only 1 mm by moving the processing table. is there. On the other hand, in the present invention, the machining is completed only by sending the machining table once in one direction in the X direction. That is, according to the present invention, even if only the feed rate of the machining table 24 is taken into account, the machining time is reduced to 1/60 of the prior art. Further, if the scanning speed of the galvanometer mirror 23 is taken into consideration, the processing time can be further shortened in practice.
[0050]
In another embodiment, the laser light is scanned in the Y direction and the timing for switching the oscillation frequency is changed while the laser light is scanned in the Y direction, so that a region or a plurality of regions having different positions or lengths in the Y direction can be obtained. Can be processed. Furthermore, by changing the timing for switching the oscillation frequency along the X direction, not only a rectangular region having a constant width as in the above embodiment but also a region having a complicated shape can be processed.
[0051]
In still another embodiment, the laser beam can be scanned obliquely with respect to the X direction in which the processing table is sent. In this case as well, the scanning of the laser beam can be performed simultaneously with the processing table or separately. In particular, by using the galvanometer mirror capable of two-axis control described above and performing scanning while switching obliquely and in the Y direction, more complicated processing can be performed with high accuracy.
[0052]
Next, a description will be given of a case where circuits are formed on the front and back surfaces and other surfaces of the vibration gyro which is extracted by converting acceleration into an electric signal by using the laser processing of the present invention. FIG. 4 shows a configuration of a general vibrating gyroscope 40, which includes a pair of vibrating pieces 42, 43, 44, 45 that protrude from the base 41 on both sides. A circuit for converting strain energy into electric energy when an external force is applied is formed on the entire surface of the vibration gyro.
[0053]
The vibration gyro is first etched from a quartz substrate having a piezoelectric effect into the shape shown in FIG. 4, for example, the overall dimensions are 3.5 mm × 16 mm × 0.5 mm (X × Y × Z), and the dimensions of the vibration pieces 42 and 43. Is formed to 0.25 mm × 6 mm × 0.5 mm (X × Y × Z), and a conductive thin film is attached to the entire surface by vapor deposition or the like. Next, the conductive thin film 46 is partially removed to form circuits with various patterns on all surfaces of the vibrating pieces.
[0054]
As an example, the front surface 47 and the rear surface 48 of the vibrating piece 42 are shown in FIGS. The conductive thin films in regions 49 and 50 (hatched portions) having different patterns corresponding to the circuits are removed from the front and back surfaces of the vibrating piece 42. The surface 47 is etched in a region 49 as shown in FIG. 6 using the laser processing apparatus shown in FIGS.
[0055]
For example, in a range where the back surface portion corresponding to the surface region 49 does not coincide with the region 50 to be etched, the focal position of the laser beam B is adjusted to the conductive thin film on the surface 47 as shown in FIG. At this time, the output of the laser beam is naturally set to a level at which the conductive thin film on the back surface 48 is not processed. On the other hand, as shown in FIG. 6B, the portion where the areas to be etched on the front surface 47 and the rear surface 48 coincide with each other was scanned again with laser light along the same path to remove the conductive thin film. By irradiating the laser beam B through the gap of the region 49, the conductive thin film on the back surface 48 is removed. At this time, the focal position of the laser beam B is adjusted to the rear surface 48 by adjusting the position of the condenser lens 22 that can be displaced up and down, and the output is a level at which the conductive thin film not processed on the front surface 47 is processed. Set to.
[0056]
The portion of the region 50 on the back surface 48 that has not been processed simultaneously with the front surface is processed by direct irradiation with laser light as follows. As shown in FIG. 7, using a suitable jig 51 fixed on the processing table 24, the laser beam B directly irradiates the back surface 48 of the vibrating piece 42 through the narrow gap 52 between the vibrating pieces 42 and 43. The gyro 40 is installed at an angle as possible. The laser beam drives the galvanometer mirror 23 to scan in the X direction in the figure. The output of the laser beam is adjusted to a level that does not affect the conductive thin film on the surface 47 at all.
[0057]
When it is necessary to process in the direction of the arrow C in the figure in the width direction of the vibrating piece 42, the laser beam B is scanned in the X direction by the galvano mirror 23 while moving the processing table 24 in the Y direction. The focus of the laser beam is set so that the height of the condenser lens 22 is changed in accordance with the change in the height of the processing site, and is always on the conductive thin film on the back surface 48. This control is performed by the computer 32 in association with the movement of the machining table 24 via the control device 30 and the table driver 31. In another embodiment, the processing table 24 may be fixed and the laser beam B may be scanned and processed in the X direction and the Y direction.
[0058]
In this way, only the conductive thin film on the back surface 48 of the vibrating piece 42 can be etched without affecting the conductive thin film on the surface 47 on the opposite side. By processing the other vibrating pieces 43 to 45 in the same manner, a circuit having a desired pattern can be formed on the entire surface of the gyro.
[0059]
As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail using the suitable Example, this invention is not limited to the said Example, It can implement by adding various deformation | transformation and change within the technical scope. it can. For example, in the above-described embodiment, the galvano mirror 23 that can be controlled in two axes is used. The effect of this can be obtained.
[0060]
1 uses a scanning optical system in which a polarizing beam splitter and a λ / 4 plate are arranged between a condenser lens 22 and a galvanometer mirror 23, and the laser processing apparatus from a laser oscillator arranged outside the optical path. The laser beam passes through the polarizing beam splitter and the λ / 4 plate, is reflected by the galvanometer mirror, passes again through the λ / 4 plate and the polarizing beam splitter, and is collected by the condenser lens 14 and irradiated to the non-workpiece 27. It can be constituted as follows. In this case, a more linear laser beam can be scanned and the accuracy is improved.
[0061]
【The invention's effect】
Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as described below.
According to the laser processing method of the present invention, the laser light can be scanned by one galvanometer mirror without being influenced by the feed speed of the workpiece, so that the processing accuracy and processing speed are greatly improved, and fine processing is performed. 2D or 3D laser processing can be realized for various materials including a quartz substrate.
[0062]
Further, according to the circuit forming method of the non-conductive transparent substrate of the present invention, the quartz substrate is adjusted by scanning the laser beam by driving one galvanometer mirror and adjusting the intensity of the irradiated light in association with the scanning. Even if it is a thin non-conductive transparent substrate, such as the front and back, and by tilting the substrate relative to each other, a different circuit pattern is applied to each other without affecting or damaging the other surface. It can be formed with high accuracy and at high speed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a laser processing apparatus according to the present invention.
2 is a block diagram showing a configuration of a control system for the entire apparatus of FIG. 1;
3A is a plan view for explaining a process of forming a circuit on the surface of a non-conductive transparent substrate using the apparatus of FIG. 1, FIG. 3B is a cross-sectional view thereof, and FIG. FIGS. 4A and 4D are diagrams respectively showing a laser oscillation signal and an oscillation pulse for oscillating a laser beam along the transverse direction of the substrate.
FIG. 4 is a perspective view showing a vibrating gyroscope that forms a circuit by applying the present invention.
FIGS. 5A and 5B are side views showing different circuits of the gyro arm, respectively.
FIGS. 6A and 6B are explanatory views showing a process of laser processing the front surface and the back surface of the vibrating gyroscope, respectively.
FIG. 7 is an explanatory view showing a process of laser processing the inner surface of the gyro arm.
FIG. 8 is a schematic view showing a configuration of a laser processing apparatus provided with a conventional processing table.
FIG. 9 is a schematic view showing a configuration of a laser processing apparatus including a conventional galvanometer type scanning optical system.
10A is a plan view of the surface of a non-conductive transparent substrate processed by the conventional method of FIG. 8, and FIG. 10B is a longitudinal sectional view thereof.
[Explanation of symbols]
1 Workpiece
2 XY axis table
3 Laser light
4 Laser oscillator
5 Controller
6 Laser oscillator
7, 8 Scanning mirror
9, 10 Galvanometer
11 Condensing lens
12 Laser light
13 Workpiece
14 Laser processing marks
15 Acceleration range
16 Deceleration range
17 Constant speed range
18, 19 Conductive film
21 Laser oscillator
22 Condensing lens
23 Galvano mirror
24 Processing table
25 Galvanometer
26 Scanning mirror
27 Quartz substrate
28, 29 Conductive thin film
30 Control device
31 Table driver
32 computers
33 Processing area
34, 35 Non-working area
36 processing marks
37, 38 Beam spot
40 Vibrating gyro
41 Base
42 to 45 Vibrating piece
46 Conductive thin film
47 Surface
48 Back side
49, 50 area
51 Jig
52 gap

Claims (21)

レーザ光の照射により被加工物を加工するレーザ加工方法において、
前記被加工物を所定の方向に送る過程と、
レーザ発振器から出力されたレーザ光を反射しかつその反射方向を直交する2軸方向に制御可能なガルバノミラーを駆動して、その反射方向を変化させることにより、前記被加工物の送り方向と異なる向きに前記レーザ光を走査する過程とからなり、
前記レーザ光の出力を前記ガルバノミラーの駆動に連関させて、前記被加工物の加工領域を走査するときは加工閾値より高く、前記加工領域以外を走査するときは前記加工閾値より低くするように調整することを特徴とするレーザ加工方法。
In a laser processing method of processing a workpiece by laser light irradiation,
Sending the workpiece in a predetermined direction;
By driving a galvanometer mirror that reflects the laser beam output from the laser oscillator and can control the reflection direction in two orthogonal directions , the reflection direction is changed, thereby different from the feeding direction of the workpiece. Scanning the laser beam in the direction ,
The output of the laser light is linked to the driving of the galvanometer mirror so that it is higher than the processing threshold when scanning the processing region of the workpiece and lower than the processing threshold when scanning other than the processing region. The laser processing method characterized by adjusting .
前記ガルバノミラーが、圧電効果を利用してその反射方向を変化させるピエゾ式ガルバノミラーであることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。  The laser processing method according to claim 1, wherein the galvanometer mirror is a piezo galvanometer mirror that changes a reflection direction using a piezoelectric effect. 前記レーザ光を前記被加工物の送り方向と直交する向きに走査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方法。  The laser processing method according to claim 1, wherein the laser beam is scanned in a direction orthogonal to a feeding direction of the workpiece. 前記被加工物の送り方向及び前記レーザ光の走査方向に関して垂直方向に前記被加工物を変位させる過程を更に含むことを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載のレーザ加工方法。Laser processing method according to any one of claims 1 to 3, further comprising the step of displacing the workpiece in the vertical direction with respect to the scanning direction of the feeding direction and the laser beam of the workpiece. パルス発振のレーザ光を使用することを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載のレーザ加工方法。Laser processing method according to any one of claims 1 to 4, characterized by using a pulsed laser light. 被加工物を載せて所定の方向に送るための加工テーブルと、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して前記被加工物表面に照射するための集光レンズと、
前記レーザ発振器からのレーザ光を反射しかつその反射方向を直交する2軸方向に制御可能なガルバノミラー、及び前記ガルバノミラーを駆動してその反射方向を変化させるための駆動装置からなり、前記被加工物表面に照射されるレーザ光を前記被加工物の送り方向と異なる向きに走査する走査光学系と、
前記レーザ光の出力を前記ガルバノミラーの駆動に連関させて、前記被加工物の加工領域を走査するときは加工閾値より高く、前記加工領域以外を走査するときは前記加工閾値より低くするように調整する制御装置とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
A processing table for loading a workpiece and feeding it in a predetermined direction;
A laser oscillator;
A condensing lens for condensing the laser beam output from the laser oscillator and irradiating the workpiece surface;
It consists driving device for changing the controllable galvanomirror laser beam in two axial directions that reflects vital perpendicular to the reflection direction, and the reflected direction by driving the galvanometer mirror from the laser oscillator, the object A scanning optical system that scans laser light applied to the surface of the workpiece in a direction different from the feeding direction of the workpiece ;
The output of the laser light is linked to the driving of the galvanometer mirror so that it is higher than the processing threshold when scanning the processing region of the workpiece and lower than the processing threshold when scanning other than the processing region. A laser processing apparatus comprising a control device for adjustment .
前記ガルバノミラーが、圧電効果を利用してその反射方向を変化可能なピエゾ式ガルバノミラーであることを特徴とする請求項6に記載のレ―ザ加工装置。The laser processing apparatus according to claim 6 , wherein the galvanometer mirror is a piezo-type galvanometer mirror capable of changing a reflection direction using a piezoelectric effect. 前記走査光学系が、前記レーザ光を前記被加工物の送り方向と直交する向きに走査可能であることを特徴とする請求項6又は7に記載のレ―ザ加工装置。The laser processing apparatus according to claim 6 , wherein the scanning optical system is capable of scanning the laser beam in a direction orthogonal to a feeding direction of the workpiece. 前記加工テーブルが被加工物の送り方向及びレ―ザ光の走査方向に関して垂直方向に変位可能であることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載のレーザ加工装置。9. The laser processing apparatus according to claim 6, wherein the processing table is displaceable in a direction perpendicular to a workpiece feed direction and a laser beam scanning direction. 所定波長の光に対して透過性を有する非導電性基板の表面に形成した導電性薄膜に、前記非導電性基板を透過しかつ集光させると前記導電性薄膜を溶融又は蒸発させ得る特定波長の光を照射することにより、前記導電性薄膜を部分的に除去して回路を形成する方法において、
前記非導電性基板を所定の方向に送る過程と、
光源からの前記光を反射しかつその反射方向を直交する2軸方向に制御可能なガルバノミラーを駆動して、その反射方向を変化させることにより、前記光を前記非導電性基板の送り方向と異なる向きに走査する過程と、
前記光の強度を前記ガルバノミラーの駆動に連関させて、前記導電性薄膜の加工領域を走査するときは加工閾値より高く、前記加工領域以外を走査するときは前記加工閾値より低くするように調整する過程とからなることを特徴とする非導電性透明基板の回路形成方法。
A specific wavelength capable of melting or evaporating the conductive thin film when the non-conductive substrate is transmitted through and condensed on a conductive thin film formed on the surface of the non-conductive substrate that is transparent to light of a predetermined wavelength. In the method of forming a circuit by partially removing the conductive thin film by irradiating
Sending the non-conductive substrate in a predetermined direction;
By driving a galvanometer mirror that reflects the light from the light source and that can be controlled in a biaxial direction orthogonal to the reflection direction, the reflection direction is changed, so that the light is sent to the feeding direction of the non-conductive substrate. Scanning in different directions;
The light intensity is linked to the driving of the galvanometer mirror so that it is higher than the processing threshold when scanning the processing region of the conductive thin film and lower than the processing threshold when scanning other than the processing region. A circuit forming method for a non-conductive transparent substrate comprising the steps of:
前記光を前記非導電性基板の送り方向と直交する向きに走査することを特徴とする請求項10に記載の回路形成方法。  The circuit forming method according to claim 10, wherein the light is scanned in a direction orthogonal to a feeding direction of the non-conductive substrate. 前記光の焦点を前記非導電性基板の表面の導電性薄膜に合わせ、かつその照射エネルギを、前記非導電性基板の裏面の導電性薄膜に影響を与えないように適当に設定することを特徴とする請求項10又は11に記載の回路形成方法。The light is focused on the conductive thin film on the surface of the non-conductive substrate, and the irradiation energy is appropriately set so as not to affect the conductive thin film on the back surface of the non-conductive substrate. The circuit forming method according to claim 10 or 11 . 前記非導電性基板が或る空隙を挟んで互いに対向する内側の面を有し、前記空隙を介して前記光が一方の前記内側の面に入射するように前記非導電性基板を傾斜させつつ、前記光を前記一方の内側の面の前記導電性薄膜に集光させることを特徴とする請求項10乃至12のいずれかに記載の回路形成方法。The non-conductive substrate has inner surfaces facing each other with a certain gap in between, and the non-conductive substrate is inclined so that the light is incident on one of the inner surfaces through the gap. The circuit forming method according to claim 10 , wherein the light is condensed on the conductive thin film on the one inner surface. 前記光がレーザ光であることを特徴とする請求項10乃至13のいずれかに記載の回路形成方法。The circuit forming method according to claim 10 , wherein the light is a laser beam. パルス発振のレーザ光を使用することを特徴とする請求項14に記載の回路形成方法。15. The circuit forming method according to claim 14 , wherein pulsed laser light is used. 前記非導電性基板の外側の位置を始点として前記レーザ光の走査を開始することを特徴とする請求項15に記載の回路形成方法。 16. The circuit forming method according to claim 15 , wherein scanning of the laser beam is started from a position outside the nonconductive substrate as a starting point. 最初のパルスにより発振するレ―ザ光を選択的に遮断した後、前記レーザ光の走査を開始することを特徴とする請求項16に記載の回路形成方法。17. The circuit forming method according to claim 16 , wherein scanning of the laser beam is started after selectively blocking the laser beam oscillated by the first pulse. 所定波長の光に対して透過性を有する非導電性基板の表面に形成された導電性薄膜を部分的に除去して回路を形成する装置において、
前記非導電性基板を所定の方向に送るための加工テーブルと、
前記非導電性基板を透過し、かつ集光させると前記導電性薄膜を溶融又は蒸発させ得る特定波長の光を発生させる光源と、
前記光源からの光を反射しかつその反射方向を直交する2軸方向に制御可能なガルバノミラーと、前記ガルバノミラーを駆動してその反射方向を変化させる駆動装置とからなり、前記光を前記導電性薄膜上に集光させ、かつ前記非導電性基板の送り方向と異なる向きに走査する光学系と、
前記光源からの前記光の強度を前記ガルバノミラーの駆動に連関させて、前記導電性薄膜の加工領域を走査するときは加工閾値より高く、前記加工領域以外を走査するときは前記加工閾値より低くするように調整する制御装置とを備えることを特徴とする非導電性透明基板の回路形成装置。
In an apparatus for forming a circuit by partially removing a conductive thin film formed on the surface of a non-conductive substrate that is transparent to light of a predetermined wavelength,
A processing table for sending the non-conductive substrate in a predetermined direction;
A light source that transmits the non-conductive substrate and generates light of a specific wavelength that can melt or evaporate the conductive thin film when condensed;
A galvanometer mirror that reflects light from the light source and that can be controlled in a biaxial direction orthogonal to the reflection direction; and a driving device that drives the galvanometer mirror to change the reflection direction. An optical system that focuses light on the conductive thin film and scans in a direction different from the feeding direction of the non-conductive substrate;
The intensity of the light from the light source is linked to the driving of the galvanometer mirror, and is higher than a processing threshold when scanning the processing region of the conductive thin film, and lower than the processing threshold when scanning other than the processing region. A circuit forming apparatus for a non-conductive transparent substrate, comprising:
前記光学系が、前記光を前記非導電性基板の送り方向と直交する向きに走査可能であることを特徴とする請求項18に記載のレーザ加工装置。The laser processing apparatus according to claim 18 , wherein the optical system is capable of scanning the light in a direction orthogonal to a feeding direction of the non-conductive substrate. 前記光源がレーザ光を出力するレーザ発振器であることを特徴とする請求項18又は19に記載の回路形成装置。The circuit forming apparatus according to claim 18, wherein the light source is a laser oscillator that outputs laser light. 前記加工テーブルが前記非導電性透明基板の送り方向及びレーザ光の走査方向に関して垂直方向に変位可能であることを特徴とする請求項18乃至20のいずれかに記載の回路形成装置。 21. The circuit forming apparatus according to claim 18, wherein the processing table is displaceable in a direction perpendicular to a feeding direction of the non-conductive transparent substrate and a scanning direction of the laser beam.
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