CN100571960C - 激光加工方法以及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的激光加工装置中，具有：激光振荡器(3)，其输出激光束(1)；掩模(5)，其配置在激光束的光路中，使从激光振荡器(3)输出的激光束成形为希望的直径或者形状；波阵面曲率调整单元(8)，其配置在紧邻在前述掩模(5)前的激光束光路中，使前述掩模(5)上的激光束的波阵面曲率发散；复制透镜(7)，其配置在前述掩模(5)和被加工物(2)之间的激光束光路中，在将透过前述掩模(5)的激光束照射在被加工物(2)表面时，将前述掩模(5)的像复制到被加工物(2)表面上，由此，因为可以使被加工物(2)表面上的激光束(1)的波阵面曲率(23)发散，所以即使是厚度厚的被加工物(2)，也可以优化加工孔的锥度。

Description

激光加工方法以及激光加工装置

技术领域

本发明涉及一种激光加工方法及其激光加工装置，其利用激光束对印制电路板等被加工物进行打孔加工。

背景技术

在现有的以对印制电路板等被加工物进行打孔加工为主要目的、将掩模的像复制到被加工物表面来进行加工的激光加工装置以及方法中，其结构为：在光学系统中插入均匀化光学系统，以使激光束的强度分布成为所谓顶帽(top hat)形状，同时使掩模上的激光束的波阵面曲率收敛，由此得到均匀的加工品质(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：特开平2002-1566号公报

发明内容

在现有的激光加工装置以及方法中，通过实施上述结构，在被加工物的厚度薄时，能够优化加工孔的加工底面上的孔径(以下称之为底径)和加工表面上的孔径(以下称之为顶径)之间的比例即锥度(＝底径/顶径)，即能够接近100％。但是，在加工例如厚度超过100μm这样厚度的被加工物的情况下，会产生锥度恶化的问题。下面说明其理由。

在现有的激光加工装置以及方法中，在掩模的激光束光路下流侧配置孔径光阑，但在激光束透过掩模后的激光束周边部分的、由掩模引起的衍射的高次部分，被该孔径光阑遮蔽的情况下，激光束的轮廓恶化，顶帽形状被破坏而导致加工品质的降低。因此，为了使加工品质保持均匀，优选如下的结构，即，以使得通过掩模的激光束的衍射的高次成分不被孔径光阑遮蔽的方式，使掩模上的激光束的波阵面曲率收敛，从而使激光束不向孔径光阑发散。因此，在现有的激光加工装置以及方法中，掩模上的激光束的波阵面曲率收敛。

在将掩模的像复制到被加工物表面的情况下，加工表面上的激光束的波阵面曲率，由掩模上的激光束的波阵面曲率和将掩模的像复制到被加工物表面的复制透镜的复制率确定。通常，在掩模和被加工物之间，透镜系统仅是例如fθ透镜这样的复制透镜，如果比较掩模上的激光束的波阵面曲率和作为复制位置的加工表面上的波阵面曲率，则绝对值按照复制透镜的复制率产生变化，但符号不变化。也就是说，如果掩模上的激光束的波阵面曲率收敛，则被加工物表面的波阵面曲率也收敛。

由此，在现有的激光加工装置以及方法中，为了防止激光束轮廓的恶化而使掩模上的激光束的曲率收敛，因此，结果作为掩模的像的复制位置的被加工物表面上的波阵面曲率也收敛。因此，照射到被加工物上的激光束，成为光束直径从加工表面向加工底面变细的形状，从而成为被加工物的厚度越厚加工底面的光束直径就越细的状况。

其结果，被加工物的厚度越厚，加工孔的底径就越小，成为锥度恶化的原因。

本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，得到一种激光加工装置以及方法，其将掩模的像复制到被加工物的表面上来进行加工，对于厚度厚的被加工物也可以增大加工孔的底径，优化加工孔的锥度。

本发明涉及的激光加工装置，其特征在于，具有：激光振荡器，其输出激光束；掩模，其配置在激光束的光路中，将从激光振荡器输出的激光束成形为希望的直径或者形状；波阵面曲率调整单元，其配置在紧邻在前述掩模前的激光束光路上，使前述掩模上的激光束的波阵面曲率发散；以及复制透镜，其配置在前述掩模和被加工物之间的激光束光路中，在将透过前述掩模的激光束照射到被加工物表面时，将前述掩模的像复制到被加工物表面。

此外，本发明涉及的激光加工方法，是将成形由激光振荡器输出的激光束的掩模的像复制到被加工物表面，来进行打孔加工，其特征在于，利用波阵面曲率在被加工物表面上发散的激光束进行加工。

发明的效果

本发明通过使被加工物的加工表面上激光束的光束波阵面曲率发散，即使被加工物的厚度厚，也可优化加工孔的锥度。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的激光加工方法的说明图。

图2是表示本发明的实施方式1的激光加工装置的结构图。

图3是表示作为本发明的实施方式1的激光加工方法的实验结果的图。

图4是表示本发明的实施方式1的其他激光加工装置的结构图。

图5是表示本发明的实施方式2的激光加工装置的结构图。

图6是表示本发明的实施方式3的激光加工装置的结构图。

图7是用于说明作为本发明的实施方式3的激光加工装置的复制光学系统的示意图。

图8是表示存储在作为本发明的实施方式3的激光加工装置控制装置中的数据库的图。

图9是表示作为本发明的实施方式3的激光加工装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

实施方式1

如课题中所述，在现有的激光加工装置以及方法中，因为使掩模上的激光束的波阵面曲率收敛，所以其结果，被加工物上的激光束的波阵面曲率也收敛，照射到被加工物上的激光束成为逐渐变细的形状，存在当被加工物的厚度变厚时加工孔的锥度恶化的问题。因此，发明人研究能否通过使被加工物上的激光束的波阵面曲率发散来改善锥度。

首先，说明通过使被加工物上的激光束的波阵面曲率发散来改善加工孔的锥度的理由。

图1是表示被加工物附近的激光束的形状以及波阵面曲率的示意图。图1(a)表示作为现有的加工方法的掩模上的波阵面曲率收敛的情况，图1(b)表示作为本发明的加工方法的掩模上的波阵面曲率发散的情况。在图1中，1是照射到被加工物上的激光束，2是作为加工对象的被加工物，21是被加工物的加工表面，22是被加工物的加工底面，虚线所示的23是激光束1的波阵面曲率。另外，W_1a表示现有的加工方法中的加工表面21上的光束直径，W_2a表示现有的加工方法中的加工底面22上的光束直径，W_1b表示本发明的加工方法中的加工表面21上的光束直径，W_2b表示本发明的加工方法中的加工底面22上的光束直径。24是作为激光束1最集中位置的所谓束腰位置，25是掩模的像利用复制透镜被复制而成像的复制位置。

在这里，在将掩模的像复制到被加工物上进行加工的激光加工方法中，因为在加工表面21和掩模的像成像的复制位置25之间有偏差的情况下，会产生因光学系统的像差等影响而加工孔的圆形度恶化的问题，因此如图1所示，希望复制位置25和加工表面21相吻合。

另外，如图1所示，激光束1的波阵面曲率23，在直至束腰位置24为止是收敛，光束直径渐渐变细，在束腰位置24，波阵面曲率23成为平面，波阵面曲率23在束腰位置24之后发散，激光束1渐渐变粗。

在现有的加工方法中，由于为了防止激光束1的轮廓的恶化，使掩模上的激光束的波阵面曲率收敛，因此复制位置25上的波阵面曲率23也收敛。即，复制位置25位于束腰位置24的激光束光路上流侧。如上所述，因为希望复制位置25和加工表面21一致，因此其结果，如图1(a)所示，加工表面21位于束腰位置24的激光束光路上流侧，激光束的形状如图1(a)所示，为从加工表面向加工底面变细的形状。

其结果，加工表面21上的光束直径W_1a和加工底面21上的光束直径W_2a之间的关系为

W_1a≥W_2a        (式1)

本来，因为加工表面21总是有激光束1的输入热量，所以加工孔的底径与加工孔的顶径相比有直径变小的倾向，再加上(式1)的影响，加工孔的底径进一步变小，锥度恶化。特别是在被加工物的厚度厚时，因为激光束1在加工底面21上变得更细，并且激光束1的输入热量在加工底面21侧变得更少，所以锥度的恶化变得显著。

另一方面，在本发明中，通过将掩模上的激光束1的波阵面曲率23设定为发散，使得复制位置25上的波阵面曲率23发散。即，复制位置25位于束腰位置24的激光束光路下流侧。因为希望复制位置25和加工表面21一致，所以其结果，如图1(b)所示，加工表面21位于束腰位置24的激光束光路下流侧。从而，激光束1的形状如图1(b)所示，成为从加工表面21向加工底面21逐渐变粗的形状。其结果，加工表面21上的光束直径W_1b和加工底面21上的光束直径W_2b的关系为

W_1b≤W_2b            (式2)

如上所述，因为加工表面21总是有激光束1的输入热量，所以加工孔的底径有比加工孔的顶径直径小的倾向，但(式2)的效果起到将其抵消的作用，与图1(a)所示的波阵面曲率收敛的情况相比，加工孔的底径变大，锥度优化。特别是，由于被加工物的厚度越厚，激光束1在加工底面21上就越粗，因此该效果越显著。

下面，使用图2说明用于实现上述加工方法的激光加工装置的一个例子。

图2表示用于实施本发明的实施方式1中的激光加工装置的结构。在图2中，3是激光振荡器；1是激光束；4是均匀化光学系统，其将从激光振荡器3输出的激光束1的模式形状，从高斯模式分布变换为在整个周边部强度分布均匀的所谓顶帽分布；5是掩模，其将激光束1成形为希望的直径或者形状；6是反射镜；2是被加工物；7是复制透镜，其将掩模5的像向被加工物2复制。8是波阵面曲率调整单元，其使利用均匀化光学系统4形成的激光束的波阵面曲率在掩模5上发散。9是构成波阵面曲率调整单元8的1个凸透镜，配置成焦点位于掩模5的前面。另外，10是用于控制激光加工装置整体的控制装置；11是加工台，其承载被加工物2并使被加工物2在XY方向上移动。

在这里，反射镜6与现有激光加工装置中的孔径光阑相同地，产生屏蔽激光束的衍射光的高次成分的影响。即，反射镜6的有效直径相当于孔径光阑的开口部，仅将入射到反射镜6的有效直径内的激光束引导到复制透镜7，以有效地在加工中使用。

下面，说明图2所示的激光加工装置的基本动作。

首先，从利用控制装置10控制激光输出的打开/关闭等的激光振荡器3输出激光束1，该激光束1利用均匀化光学系统4，变换为在整个激光束周边部强度分布均匀的所谓顶帽分布。然后，被变换为顶帽分布的激光束1透过波阵面曲率调整单元8而到达掩模5。在这里，由于构成波阵面曲率调整单元8的凸透镜9的焦点位于掩模5的前面，因此透过凸透镜9的激光束的波阵面曲率在掩模上发散。然后，利用掩模5成形的激光束被反射镜6利用反射，由复制透镜7变换为规定的倍率，照射到被加工物2上。由此，掩模5的像被复制到被加工物2上，因此，被加工物2上的激光束1的波阵面曲率发散。

并且，通过使加工台11的移动与激光振荡器3的打开/关闭同步，可以在被加工物2的希望位置上进行打孔加工。另外，也可以是以下结构，即，将反射镜6替换成对激光束1进行扫描的电控扫描器，固定被加工物2而由电控扫描器在规定范围内进行打孔加工。

下面说明发明人采用图2所示的激光加工装置实施本发明的加工方法的实验内容以及结果。

在设定为从掩模5到复制透镜7的距离为1500mm、反射镜6的有效直径为φ30mm、复制透镜7的焦距为75mm的激光加工装置中，以掩模5上的光束波阵面曲率为参数，实施加工A(目标加工孔径为φ200μm、被加工物的厚度为200μm)、以及加工B(目标加工孔径为φ120μm、被加工物的厚度为50μm)的通孔加工，得到了图3所示的结果。在图3中，横轴表示掩模5上的光束波阵面的曲率半径，符号是发散为正，收敛为负。在负的区域中，波阵面的曲率半径越接近0，即绝对值越小，表示波阵面曲率的发散程度越大，当波阵面的曲率半径无限大时，表示波阵面是平面。此外，纵轴表示加工孔的锥度。

利用现有的加工方法得到的锥度，在同样条件下的加工中不足90％，是与图3中的波阵面的曲率半径-10000mm大致相同的程度。在利用本发明的加工方法中，在波阵面的曲率半径是-500mm的程度、加工A的情况下，得到了大约96％的锥度，此外在加工B的情况下，得到了大约91％的锥度。由此，特别是在被加工物的厚度厚的加工A中，明确地看出，利用本发明的加工方法比现有加工方法优化了锥度。此外，在被加工物的厚度是普通的加工B中，得到比现有的稍微优化的锥度。

观察图3的加工A的曲线可以看出，掩模5上的光束波阵面曲率的发散程度越大，锥度越优化，可以说利用波阵面曲率得到了锥度的改善效果。另外，在比较图3的加工A的曲线和加工B的曲线的情况下可以明确，利用使掩模5上的波阵面曲率发散得到的锥度改善效果，具有被加工物的厚度越厚、加工孔径越大，效果越好的倾向。

被加工物的厚度越厚效果越好的理由是，如图1(b)的说明中所述，被加工物2的厚度越厚，贯穿被加工物2的激光束1的加工底面的光束直径W_2b相对于加工表面21的光束直径W_1b越大。

另外，加工孔越大效果越好的理由如下所述。通常，因为加工孔径由掩模直径进行调整，所以加工孔径越大掩模5的直径也需要越大。但是，一般的，如果将掩模直径设为D、激光束的波长设为λ、掩模上的衍射中的0次衍射光的发散角度设为θ₁，则θ₁由以下的(式3)定义。

${\mathrm{\θ}}_1=2.44\frac{\mathrm{\λ}}{D}$ (式3)

由此，当增大掩模直径时，掩模上的衍射光的发散角度变小。因为如果掩模上的衍射光的发散变小，则图2中激光束1的衍射光的高次成分容易入射到反射镜6的有效直径内，所以激光束1的轮廓恶化小，锥度得到优化。相反，因为如果加工孔径小，则掩模5上的衍射光的发散大，衍射光的高次成分变得难以入射到反射镜6的有效直径内，所以光束轮廓恶化，抵消了由使波阵面曲率发散得到的锥度的改善效果。

另外，观察图3的加工B的曲线，如果过度加大波阵面曲率的发散程度，则产生锥度的恶化。这是由于，因为如果过度加大掩模5上的波阵面曲率的发散程度，则从掩模5到反射镜6的激光束的发散变大，所以掩模5上的衍射光的高次成分难以入射到反射镜6的有效直径内，因而光束轮廓恶化。此外，当激光束的发散变大时，反射镜6上的光束直径也变大，容易受反射镜6的像差的影响，这也是原因之一。

在上述中，作为波阵面曲率调整单元8使用了1个凸透镜9，但也可以由1个凹透镜构成波阵面曲率调整单元8。图4是由1个凹透镜31构成波阵面曲率调整单元8的激光加工装置的结构图。与图2所示的激光加工机的不同点仅在于，是将凸透镜9换成了凹透镜31。

在图2所示的激光加工机的情况下，因为必须使透过凸透镜9的激光束1会聚到焦点一次后入射到掩模5中，所以在凸透镜9和掩模5之间必须有某一程度的距离，但在凹透镜31的情况下，因为激光束1的波阵面在刚透过凹透镜31之后就发散，所以存在凹透镜31和掩模5之间的距离可以缩短，能够紧凑地构成光学系统的优点。另一方面，在使用凸透镜9的情况下，因为掩模5上的激光束1的光束直径可以比凹透镜31小，所以存在可以减小掩模5上的激光束1的能量损失的优点。

根据该实施方式1，在将掩模的像复制到被加工物表面来进行加工的激光加工装置中，因为可以通过1个凸透镜或者凹透镜，使掩模上的激光束的波阵面曲率发散，所以可以使被加工物表面上激光束的波阵面曲率发散，特别是在厚度厚的被加工物的打孔加工中，可以简单地优化加工孔的锥度。

实施方式2

图5表示本发明的实施方式2中的激光加工装置的结构，是从实施方式1的图2中去掉均匀化光学系统4的结构。因为其他结构与图2相同，所以省略详细说明。因此，与实施方式1动作不同的地方在于，不对从激光振荡器3输出的激光束1进行光束模式分布的变换。即，加工中使用的激光束1的轮廓为所谓的高斯模式分布，为加工孔的锥度容易恶化的光束模式分布。本实施方式中的激光加工装置以及加工方法的目的是，在保持该分布的情况下，通过使被加工物表面上的激光束波阵面曲率发散，来实现加工孔锥度的改善。由此，波阵面曲率调整单元8的结构和动作与实施方式1相同，也可以由凹透镜构成。

发明人使用图5所示的激光加工装置实施的实验的结果如下所述。

实验实施了使用厚度较厚的被加工物的加工C(目标加工孔径为φ120μm、被加工物的厚度为200μm)的打孔加工。在入射光束的波阵面的曲率半径是300mm程度的收敛时，加工孔的锥度是81％，与之相对，在使入射光束的波阵面曲率发散的本发明的加工方法的情况下，在波阵面的曲率半径是-300mm程度的发散时，加工孔的锥度为94％，得到了大幅的改善效果。该值与使用均匀化光学系统使波阵面曲率收敛的现有的加工方法相比较，更优化了锥度，是接近于利用实施方式1的加工方法的值。

这意味着，加工孔锥度的改善，在被加工物的厚度薄时，光束轮廓的效果与利用波阵面曲率的被加工物底面上的光束直径扩大的效果相比，是主要的，在被加工物的厚度厚时，利用波阵面曲率的被加工物底面上的光束直径扩大的效果与光束轮廓的效果相比，是主要的。即，可以说，在被加工物的厚度厚时，使激光束的波阵面曲率发散在改善加工孔锥度的方面最具有效果。

由此，特别是在被加工物的厚度厚的情况下，因为即使不使用高价的均匀化光学系统4，也可以得到对加工孔的锥度大幅改善的效果，因此在不需要实施方式1的加工方法那样的效果的情况下，能够利用本实施方式得到廉价的激光加工装置。

实施方式3

在进行打孔加工的激光加工中，必须根据加工条件调整照射到被加工物上的激光束的能量。要调整激光束的能量，可以考虑使激光束的脉冲宽度变化或调整向激光振荡器的供给功率的方法，但存在如下的问题：有时候如果使脉冲宽度变化则加工品质就会变化，如果使向振荡器的供给功率变化则振荡变得不稳定。因此，通常优选使掩模上的激光束的光束直径变化，来调整透过掩模的激光束能量的方法。

在这里，在实施方式1以及2中，利用1个凸透镜或者凹透镜使掩模上的激光束波阵面曲率发散，但在调整掩模上的激光束的光束直径的情况下，例如可以在透镜上设置驱动装置，使透镜和掩模的距离变化。但是，同时掩模上的激光束波阵面曲率也会变化。例如，在图2中，在要加大掩模上的光束直径的情况下，使凸透镜9远离掩模5即可，但该情况下波阵面曲率的发散程度变小。在该情况下，利用波阵面曲率的锥度改善效果变弱。相反地，在要减小掩模上的光束直径的情况下，使凸透镜9靠近掩模5即可，该情况下波阵面曲率的发散程度大，锥度改善效果也变好。但是，如图1所示，当过度加大波阵面曲率发散程度时，有时反而会引起锥度恶化。

另外，如上所述，加工孔锥度的改善，在被加工物的厚度薄时，光束轮廓的效果与利用波阵面曲率的被加工物底面上的光束直径扩大的效果相比，是主要的，在被加工物的厚度厚时，利用波阵面曲率的被加工物底面上的光束直径扩大的效果与光束轮廓的效果相比，是主要的，因此在被加工物的厚度薄时，也可能产生希望使波阵面曲率收敛的情况。

因此，如果能够各自独立地调整掩模上的激光束波阵面曲率和光束直径，则扩大了加工条件的选择范围，能够由最适合被加工物的材质和厚度以及其他加工条件的波阵面曲率和能量值，进行高品质的加工。本实施方式的目的在于，得到能够各自独立地对掩模上的激光束波的阵面曲率和光束直径进行调整的激光加工装置。

图6表示用于实施本发明的实施方式3中的激光加工装置的结构。与实施方式1的图2的最大不同点在于，利用由3个凸透镜组成的复制光学系统，构成由图2中的1个凸透镜构成的波阵面曲率调整单元5。

在图6中，3是激光振荡器；1是激光束；4是均匀化光学系统，其将从激光振荡器3输出的激光束1的模式形状，从高斯模式分布变换为在整个周边部均匀的所谓顶帽分布5是掩模，其将激光束1成形为希望的直径或者形状；6是反射镜；2是被加工物；7是复制透镜，其将掩模5的像向被加工物2复制；8是波阵面曲率调整单元，其使利用均匀化光学系统4形成的激光束波阵面曲率在掩模5上发散。42是由3个透镜组成的复制光学系统，其构成波阵面曲率调整单元8；43是由滚珠丝杠等构成驱动装置，其用于使构成复制光学系统42的各透镜在光轴方向上移动。此外，41是掩模变换器，其用于将掩模5变换成不同直径或者形状的掩模；10是控制装置，其用于控制激光加工装置整体；11是加工台，其承载被加工物2并使被加工物2在XY方向上移动44是设置在加工台11上的功率传感器，其用于测定照射到被加工物2上的激光束1的能量。

下面说明图6所示的激光加工装置的基本动作。

首先，从利用控制装置10控制激光输出的打开/关闭等的激光振荡器3输出激光束1，该激光束1利用均匀化光学系统4变换为在整个激光束周边部强度分布均匀的所谓顶帽分布。然后，被变换为顶帽分布的激光束利用复制光学系统42而被复制到掩模5上。在这里，在均匀化光学系统4是例如利用掩模等切下激光束的中央部从而变换为顶帽分布的情况下，将该掩模的像作为物点复制到掩模5上即可，在均匀化光学系统4是例如利用非球面透镜等使强度分布变化而变换为顶帽分布的情况下，将利用该非球面透镜成像的像作为物点复制到掩模5上即可。另外，在复制光学系统42中，为了使掩模5上的激光束的波阵面曲率和光束直径成为希望的值，利用由控制装置10控制的驱动装置9，移动构成复制光学系统42的沿透镜光轴的位置。

然后，利用复制光学系统42复制到掩模5上的激光束1，由掩模5进行光束成形后，通过反射镜6，利用复制透镜7变换成规定的倍率，照射到被加工物2上。通过使加工台11的移动与激光振荡器的打开/关闭同步，可以在被加工物2的希望的位置上进行打孔加工。另外，也可以为以下结构，即，将反射镜6替换成对激光束1进行扫描的电控扫描器，固定被加工物2而利用电控扫描器在规定范围内进行打孔加工。

另外，在调整进行加工的激光束的能量的情况下，移动加工台11以使激光束1照射到功率传感器44上，以利用功率传感器44测定的激光束1的能量测定值为基础，调整激光束1的能量。

在这里，被加工物2上的激光束的波阵面曲率，由掩模5上的波阵面曲率和从掩模5到复制透镜7的距离以及复制透镜7的焦距决定。因为从掩模5到复制透镜7的距离和复制透镜7的焦距，对于每个加工装置来说都是固定的，所以为了控制被加工物2上的激光束的波阵面曲率，必须控制掩模5上的波阵面曲率，因而本发明的复制光学系统42有效地发挥作用。

下面使用图7说明作为本发明的特征的复制光学系统42的作用。

在图7中，51相当于复制光学系统42的物点位置，是均匀化光学系统4的光束输出位置。例如，在均匀化光学系统4是利用掩模等切下激光束的中央部而变换为顶帽分布的情况下，是该掩模位置，在均匀化光学系统4是利用非球面透镜等使强度分布变化而变换为顶帽分布的情况下，对应于该非球面透镜的成像位置。52表示焦距为f₁的第1透镜；53表示焦距为f₂的第2透镜；54表示焦距为f₃的第3透镜；55表示相当于复制光学系统42的像点位置的掩模5的位置；L₁表示从光束输出位置51到第1透镜52之间的距离；L₂表示第1透镜52和第2透镜53之间的距离；L₃表示第2透镜53和第3透镜54之间的距离；L₄表示第3透镜54和掩模位置55之间的距离；L_all表示从均匀化光学系统4的光束输出位置12到掩模位置55之间的距离。

通常，复制光学系统的ABCD矩阵由(式4)表示。

$\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}m& 0\\ \mathrm{rf}& \frac{1}{m}\end{array}\right)$ (式4)

在这里，A(＝m)表示复制光学系统的倍率。B在复制光学系统的情况下为0。C(＝rf)被称为波阵面参数，当入射的光束波阵面的曲率半径是∞、即波阵面是平面时，如果给定复制后的波阵面曲率，并将复制后的波阵面曲率半径设为R，则由(式5)表示。

$R\≅-\frac{m}{\mathrm{rf}}$ (式5)

另外，折射率1的空间中的距离S的传递矩阵、以及焦距F的折射矩阵分别由(式6)、(式7)提供。

$\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{cc}1& S\\ 0& 1\end{array}\right)\end{array}$ (式6)

$\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{F}& 1\end{array}\right)$ (式7)

由于图7中的系统矩阵是(式6)和(式7)的组合矩阵，因此成为(式8)、(式9)。

$\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& L_4\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f_3}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& L_3\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f_2}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& L_2\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f_1}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& L_1\\ 0& 1\end{array}\right)$ (式8)

$=\left(\begin{array}{cc}a+c{L}_4& a{L}_1+b+c{L}_1{L}_4+d{L}_4\\ c& d+c{L}_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}m& 0\\ \mathrm{rf}& \frac{1}{m}\end{array}\right)$ (式9)

在这里，(式9)中的a、b、c、d由以下的(式10)表示。

$a=1-\frac{L_2}{f_1}-\frac{L_3}{f_1}-\frac{L_3}{f_2}+\frac{L_2{L}_3}{f_1{f}_2}$

$b=L_2+L_3-\frac{L_2{L}_3}{f_2}$

$c=-\frac{1}{f_1}-\frac{1}{f_2}-\frac{1}{f_3}+(\frac{1}{f_2}+\frac{1}{f_3})\frac{L_2}{f_1}+(\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2})\frac{L_3}{f_3}-\frac{L_2{L}_3}{f_1{f}_2{f}_3}$ (式10)

$d=1-\frac{L_2}{f_2}-\frac{L_2}{f_3}-\frac{L_3}{f_3}+\frac{L_2{L}_3}{f_2{f}_3}$

另外，由于L₁、L₂、L₃、L₄的和是从均匀化光学系统4的光束输出位置12到掩模位置55之间的距离L_all，因此必须满足下式。

L_all＝L₁+L₂+L₃+L₄        (式11)

在本发明的复制光学系统42中，因为各透镜焦距f₁、f₂、f₃以及透镜间距离的合计L_all，是由每个激光加工装置确定的固定参数，所以可变参数是L₁、L₂、L₃、L₄。因此，为了得到希望的光束直径以及波阵面曲率，只要求出与希望的光束直径以及波阵面曲率相对应的倍率m和波阵面参数rf，利用(式9)(式10)(式11)求出满足了得到的m和rf的L₁、L₂、L₃、L₄即可。

例如，如果使复制光学系统42的物点位置51和像点位置55上的激光束波阵面的曲率半径同时为∞、即，使波阵面为平面，则因为由(式5)，rf＝C＝0，因此，成为

$\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}m& 0\\ 0& \frac{1}{m}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}a& a{L}_1+b+d{L}_4\\ 0& d\end{array}\right)$ (式12)

对其求解可得到(式13)～(式16)。

$L_1=\frac{L_{\mathrm{all}}-(1+m^2)f_1-2f_2-2f_3-\frac{f_1{f}_2}{f_3}m-\frac{f_2{f}_3}{f_1}\frac{1}{m}-\frac{f_1{f}_3}{f_2}m}{1-m^2}$ (式13)

$L_2=f_1+f_2+\frac{f_1{f}_2}{f_3}m$ (式14)

$L_3=f_2+f_3+\frac{f_2{f}_3}{f_1}\frac{1}{m}$ (式15)

$L_4=\frac{L_{\mathrm{all}}-(1+\frac{1}{m^2})f_3-2f_1-2f_2-\frac{f_1{f}_2}{f_3}m-\frac{f_2{f}_3}{f_1}\frac{1}{m}-\frac{f_1{f}_3}{f_2}\frac{1}{m}}{1-\frac{1}{m^2}}$ (式16)

但是，这是m≠1的情况，在m＝1时，L₁和L₄为满足下式的任意值。

$L_1+L_4-f_1-f_3-\frac{f_1{f}_3}{f_2}=0$ (式17)

因此，利用上述(式13)～式(17)，如果给定倍率m，则可以得到各透镜间距离L₁～L₄。

另外，例如，在复制光学系统42的物点位置51上的激光束波阵面的曲率半径是∞、即波阵面是平面的情况下，只要使复制光学系统42的像点位置55即掩模5上的波阵面曲率为发散即可，即，要使(式5)中R＜0，根据(式5)，使rf＞0即可。另外，因为根据(式9)，c＝rf，所以只要满足c＞0即可。由此，根据(式10)，选择满足下式的L₁、L₂、L₃、L₄即可。

$-\frac{1}{f_1}-\frac{1}{f_2}-\frac{1}{f_3}+(\frac{1}{f_2}+\frac{1}{f_3})\frac{L_2}{f_1}+(\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2})\frac{L_3}{f_3}-\frac{L_2{L}_3}{f_1{f}_2{f}_3}>0$ (式18)

如上所述，在rf＝0时求出解析解是容易的，但在rf为任意值的情况下，由于式子变得复杂，所以可以利用使用了计算机的数值计算求出。这也可以是，预先制作如图8所示的、记录了与适当的波阵面参数rf和倍率m相对应的各透镜52～54的位置数据的数据库，并将数据保存在控制装置10中。通常，激光束的输出必须根据加工条件进行微调，因此优选在可能的范围内能够尽量精细地控制，对此，因为通过发明人实施的实验结果可知，波阵面参数rf只要在几个数值中选择就足够，因此如图8所示，使用以几个数值的波阵面参数rf和以几百个数值的倍率m来标记的离散数据库即可。另外，在从数据容量的方面考虑，要将数据库的容量降低到必要的最低限度的情况下，可以将倍率m的分辨率稍微降低，并利用线性插值计算进行校正。

下面，使用流程图9说明图6所示的激光加工装置的控制方法的一个例子。

首先，使用激光加工装置的用户，选择振荡器条件(脉冲宽度和光束输出等)、掩模直径或者形状、光束波阵面、加工能量的设定值，作为与加工内容相符合的加工条件，使用输入装置等输入到控制装置10中(步骤S01)。

然后，在控制装置10中，比较输入的设定值与当前设定的设定值是否不同，如果变更则重新设定。在图9所示的例子中，按振荡器条件、掩模条件的顺序进行确认，但该顺序相反也没关系。

在图9中，首先确认振荡器条件是否变更(步骤S02)。

如果有必要进行变更，则控制装置10变更激光振荡器3的振荡条件(步骤S03)。如果没有必要进行变更，则跳过步骤S03。

然后，确认是否有必要进行掩模的直径或者形状的变更(步骤S04)。如果有必要进行变更，则控制装置10驱动掩模变换器41，切换为希望的掩模(步骤S05)。如果没有必要进行变更，则跳过步骤S05。

然后，确认是否有必要进行波阵面参数rf的变更(步骤S06)。

如果有必要进行变更，则控制装置10从保存于控制装置10内的存储器中的、图8所示的数据库中，选择并读入与所希望的波阵面参数rf相对应的复制倍率m和复制光学系统42内的透镜位置的组合数据(步骤S07)。如果没有必要进行变更，则跳过步骤S07。

然后，控制装置10驱动加工台11，使功率传感器44移动到激光束照射位置。然后，使激光振荡器3动作，将激光束1照射到功率传感器44上，利用功率传感器44测定激光束1的能量(步骤S08)。

然后，控制装置10利用功率传感器44读取激光束的能量值，与用户输入的规定的加工能量值进行比较。如果利用功率传感器44得到的测定值和设定值之间的差在允许范围内，则结束加工条件的设定而开始加工(步骤S09)。

在步骤S09中判断为允许范围外的情况下，控制装置10利用由功率传感器44得到的测定值与设定值之间的比例，计算掩模5上的最佳光束透过率，根据该值，求出复制光学系统42的复制倍率m(步骤S10)。

从步骤S07中读入的数据中选择与求出的复制倍率m相对应的复制光学系统42内的透镜位置数据(步骤S11)。这时，在要变更的倍率m不在数据库中的情况下，可以选择最接近的倍率m，也可以由数据库实施线性插值计算来确定。

根据选择出的透镜位置数据，控制装置10控制驱动装置9，使复制光学系统42内的各透镜52～54移动到希望的位置上(步骤S12)。

透镜的移动完成后，返回到步骤S08，再次进行加工能量的测定。然后，在步骤S09中比较测定值和设定值。如果测定值和设定值的差量在允许值范围内，则完成加工条件设定，如果在允许值范围外，则再次重复步骤S10、S11、S12，进行测定值和设定值的收敛作业。

综上所述，本发明中的由3个透镜52～54构成的复制光学系统42中，光束波阵面作为加工条件的一部分由用户来选择，倍率作为加工能量的调整参数在内部进行选择，在此基础上，从数据库中求出与其相对应的各透镜52～54的位置，根据求出的位置指令，利用例如滚珠丝杠等驱动部43，进行使各透镜52～54在光轴方向上移动的控制。

换言之，通过控制各透镜52～54之间的距离，使掩模5上的光束直径和光束波阵面曲率变化为适于加工内容的值。

在该实施方式3中，表示了由3个透镜构成的复制光学系统，但是因为只要具备3个或3个以上的透镜，就可以同时独立地控制倍率m和波阵面参数rf，所以可得到与上述结构相同的效果。

另外，在上述实施方式3中，将激光束利用均匀化光学系统4形成顶帽分布的位置作为物点，利用复制光学系统42复制到掩模5上，但物点的位置并不限于此。例如，也有希望激光束的强度分布是周边部比中央部高的M字分布的加工，该情况下，因为在比均匀化光学系统4的成像位置更远的地方激光束成为M字分布，所以也可以将该位置作为物点。因为使用环形掩模也可以实现M字分布，所以也可以将该环形掩模的位置作为物点的位置。另外，在与实施方式2同样地，不使用均匀化光学系统4来进行加工时，如果是即使加工条件变动光束直径不变的点也在光路中，则也可以将该点作为物点，将激光束的像复制到掩模5上。无论怎样，只要将得到适于实施的加工条件的激光束的像的位置作为物点的位置，从激光束光路中选择并向掩模5复制就可以。

根据本实施方式3，因为可以利用3个透镜独立地控制掩模上的光束直径和波阵面曲率，所以在厚度厚的被加工物的打孔加工中，通过使被加工物表面上激光束的波阵面曲率发散，可以优化加工孔的锥度。另外，因为可以得到从收敛到发散为止，各种加工条件中最佳的激光束的波阵面曲率，所以可以保持加工孔锥度的优化。并且，因为可以以不对振荡器条件以及激光束的波阵面曲率产生影响的方式，调整激光束的能量，所以可以实现稳定的加工。

在本实施方式3中，固定复制光学系统内的各透镜的焦距，以各透镜间的距离作为参数来控制，但通过利用(式9)～(式11)，固定各透镜间距离而控制各透镜的焦距，当然可以得到同样效果。

工业实用性

本发明涉及的激光加工装置以及方法，特别适用于必须对厚度厚的被加工物优化加工孔锥度的激光加工中。

Claims (23)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具有：

激光振荡器，其输出激光束；

掩模，其配置在激光束的光路中，将从激光振荡器输出的激光束成形为具有希望的光束直径或者形状；

波阵面曲率调整单元，其配置在紧邻在前述掩模前的激光束光路上，使前述掩模上的激光束的波阵面曲率发散；以及

复制透镜，其配置在前述掩模和被加工物之间的激光束光路中，在将透过前述掩模的激光束照射到被加工物表面时，将前述掩模的像复制到被加工物表面。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

前述波阵面曲率调整单元使用凹透镜，输出使前述掩模上的激光束波阵面曲率发散的激光束。

3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

前述波阵面曲率调整单元使用焦点位于前述掩模前面的凸透镜，输出使前述掩模上的激光束波阵面曲率发散的激光束。

4.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

前述波阵面曲率调整单元是由3个或3个以上的透镜构成的复制光学系统，该复制光学系统将激光束光路上的规定位置上的激光束的像作为物点，复制到前述掩模上。

5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，具有：

驱动装置，其使构成前述复制光学系统的各透镜沿着激光束光轴独立地移动；以及

控制装置，其设定前述各透镜的位置，使前述掩模上的激光束波阵面曲率和/或光束直径成为期望值，通过控制前述驱动装置使各透镜移动到该设定的位置上。

6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，

前述控制装置，根据记录了与预先设定的波阵面曲率和光束直径相对应的各透镜位置的数据库，设定前述各透镜的位置。

7.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，

具备功率传感器，其测定照射到被加工物上的激光束的能量，前述控制装置对由前述功率传感器测定的激光束的能量测定值和能量设定值进行比较，求出使前述测定值成为前述设定值的光束直径，然后设定前述各透镜的位置，以成为该光束直径。

8.根据权利要求6所述的激光加工装置，其特征在于，

具备功率传感器，其测定照射到被加工物上的激光束的能量，前述控制装置对由前述功率传感器测定的激光束的能量测定值和能量设定值进行比较，求出使前述测定值成为前述设定值的光束直径，然后设定前述各透镜的位置，以成为该光束直径。

9.根据权利要求4至8中任意一项所述的激光加工装置，其特征在于，

前述复制光学系统由3个凸透镜构成，

在前述复制光学系统的物点位置上的激光束波阵面是平面的情况下，

前述3个凸透镜中，如果将前述激光振荡器侧的第1透镜的焦距设为f₁，将中央的第2透镜的焦距设为f₂，将前述被加工物侧的第3透镜的焦距设为f₃，将物点的位置和第1透镜之间的距离设为L₁，将第1透镜和第2透镜之间的距离设为L₂，将第2透镜和第3透镜之间的距离设为L₃，将第3透镜和前述掩模之间的距离设为L₄，则设定f₁～f₃以及L₁～L₄，使得其满足：

$-\frac{1}{f_1}-\frac{1}{f_2}-\frac{1}{f_3}+(\frac{1}{f_2}+\frac{1}{f_3})\frac{L_2}{f_1}+(\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2})\frac{L_3}{f_3}-\frac{L_2{L}_3}{f_1{f}_2{f}_3}>0.$

10.根据权利要求1至8中任意一项所述的激光加工装置，其特征在于，

具备均匀化光学系统，其配置在前述激光振荡器和前述波阵面曲率调整单元之间的激光束光路中，使激光束的强度分布成为中央部和周边部大致相同的所谓顶帽分布。

11.根据权利要求9所述的激光加工装置，其特征在于，

具备均匀化光学系统，其配置在前述激光振荡器和前述波阵面曲率调整单元之间的激光束光路中，使激光束的强度分布成为中央部和周边部大致相同的所谓顶帽分布。

12.一种激光加工装置，其具有：

激光振荡器，其输出激光束；

掩模，其配置在前述激光束的光路中，将从激光振荡器输出的激光束成形为具有希望的光束直径或者形状；以及

复制透镜，其配置在前述掩模和被加工物之间的激光束光路中，在将透过前述掩模的激光束照射到被加工物表面时，将前述掩模的像复制到被加工物表面上，其特征在于，具有：

复制光学系统，其由配置在紧邻在前述掩模前的激光束光路上的3个或3个以上的透镜构成，将激光束光路上的适当位置上的激光束的像作为物点，复制到前述掩模上；

驱动装置，其使构成前述复制光学系统的各透镜沿着激光束光轴独立地移动；以及

控制装置，其设定前述各透镜的位置，使前述掩模上的激光束波阵面曲率和/或光束直径成为期望值，通过控制前述驱动装置使各透镜移动到该设定的位置上。

13.根据权利要求12所述的激光加工装置，其特征在于，

前述控制装置，根据记录了与预先设定的与波阵面曲率和光束直径相对应的各透镜位置的数据库，设定前述各透镜的位置。

14.根据权利要求12或13所述的激光加工装置，其特征在于，

具备功率传感器，其测定照射到被加工物上的激光束能量，

前述控制装置对由前述功率传感器测定的激光束的能量测定值和能量设定值进行比较，求出使前述测定值成为前述设定值的光束直径，然后设定前述各透镜的位置，以成为该光束直径。

15.一种激光加工方法，将对激光振荡器输出的激光束进行成形的掩模的像复制到被加工物表面，来进行打孔加工，其特征在于，

利用波阵面曲率在被加工物表面上发散的激光束进行加工。

16.根据权利要求15所述的激光加工方法，其特征在于，

通过使前述掩模上的激光束的波阵面曲率发散，来使被加工物表面上的激光束的波阵面曲率发散。

17.根据权利要求16所述的激光加工方法，其特征在于，

利用插入在前述激光振荡器和前述掩模之间的凹透镜，使前述掩模上的激光束的波阵面曲率发散。

18.根据权利要求16所述的激光加工方法，其特征在于，

利用插入在前述激光振荡器和前述掩模之间的、焦点位于前述掩模的前面的凸透镜，使前述掩模上的激光束的波阵面曲率发散。

19.根据权利要求17或18所述的激光加工方法，其特征在于，

包含使入射到前述透镜的激光束的强度分布成为在中央部和周边部大致相同的所谓顶帽分布的工序。

20.根据权利要求16所述的激光加工方法，其特征在于，

利用插入在前述激光振荡器和前述掩模之间的、由3个或3个以上的透镜构成的复制光学系统，使前述掩模上的激光束的波阵面曲率发散。

21.根据权利要求20所述的激光加工方法，其特征在于，

包含使构成前述复制光学系统的各透镜沿着光轴独立移动的第1移动工序。

22.根据权利要求21所述的激光加工方法，其特征在于，上述第1移动工序中包含以下工序：

测定照射到被加工物上的激光束的能量的工序；

对利用上述工序测定的测定值和另外设定的能量设定值进行比较，并计算使前述激光束能量成为设定值的前述复制光学系统的倍率的工序；

由另外设定的掩模上的激光束波阵面曲率值和前述计算出的倍率，设定构成前述复制光学系统的各透镜的位置的工序；以及

根据前述设定的各透镜的位置，使各透镜沿着光轴移动的工序。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的激光加工方法，其特征在于，

包含使入射到前述复制光学系统的激光束的强度分布成为中央部和周边部大致相同的所谓顶帽分布的工序。

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