JP2003088985A

JP2003088985A - レーザ加工装置および透過型の１／２波長板

Info

Publication number: JP2003088985A
Application number: JP2001282009A
Authority: JP
Inventors: Sadao Mori; 貞雄森; Hiroyuki Sugawara; 弘之菅原; Hiroshi Aoyama; 博志青山
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2003-03-25
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: JP4294239B2

Abstract

(57)【要約】【課題】底面が平坦でかつ底面の直径が入口の直径に
近い小径の穴を加工することができるレーザ加工装置を
提供すること。【解決手段】レーザ光の光路中に、反射光の偏光面を
入射光の偏光面に対して９０度偏向させる偏光変換手段
３と、入射光を入射光の中心から計った偏角に応じて移
相させる移相手段４と、を設ける。そして、中心部のレ
ーザ光の偏光面を９０度偏向させると共に、レーザ光の
外縁部を、中心部の中心から計った偏角に応じて移相さ
せて、アパーチャ５に照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いて
加工対象に穴を加工するレーザ加工装置に係り、特に、
底面が平な小径の穴を加工するのに好適なレーザ加工装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来のレーザ加工装置の構成を示
す図である。

【０００３】炭酸ガスレーザ発振器１の光路上には、ミ
ラー２、アパーチャ５、スキャナ６のミラー８、ｆθレ
ンズ９および加工対象１０が配置されている。

【０００４】炭酸ガスレーザ発振器１は、断面が円形の
レーザ光を図の下方に出力する。ミラー２は炭酸ガスレ
ーザ発振器１から出力されるレーザ光に対して４５度に
配置されている。アパーチャ５には、加工しようとする
形状と相似形の穴５ａが形成されている。ミラー８はモ
ータ７の出力軸に支持され、紙面に垂直な軸線の回りに
位置決め自在である。加工対象１０（ここでは、多層プ
リント基板）は、ＸＹステージ１１に固定されている。

【０００５】穴５ａの像の加工対象１０に対する位置
は、ミラー８を回転させることによりＸ方向に、また、
ＸＹステージ１１すなわち加工対象１０をＸ、Ｙ方向に
移動させることにより、任意に選択することができる。

【０００６】以上の構成において、炭酸ガスレーザ発振
器１から出力されたレーザ光は、ミラー２により反射さ
れて穴５ａにより外形を整形される。そして、穴５ａを
通過したレーザ光は、スキャナ６、ｆθレンズ９を通過
し、加工対象１０の表面に穴５ａの像として結像され、
加工対象１０を加工する。

【０００７】次に、加工対象１０の表面における穴５ａ
像の光強度について説明する。

【０００８】図９は、従来の加工部における光強度の計
算結果を示す図であり、縦軸は最大値を１として規格化
した相対値、横軸は距離である。なお、計算に用いた値
は以下の通りである。

【０００９】（１）穴５ａの直径：１．６５ｍｍ（２）アパーチャ５からｆθレンズ９までの距離：２０
００ｍｍ（３）ｆθレンズ９の直径：３０ｍｍ同図に示すように、光強度は中央部が大きい山形で、１
／ｅ²直径（光強度が最大値の１／ｅ²となる位置の直
径）は１００μｍになる。

【００１０】このようなビームで、最上層を樹脂層とす
る銅箔と樹脂層を交互に重ねた多層プリント基板の加工
を行うと、中央部のみが深く掘られた穴が形成され、表
面の穴径に対して穴底の径が小さくなる。このため、例
えば後工程においてこの穴に導電性のめっき処理をする
場合、めっき処理の信頼性が低下する。この場合、加工
エネルギを大きくすれば、穴底の径を大きくすることが
できるが、内層（下地）の銅箔を損傷してしまうので、
適用できない。

【００１１】そこで、特開平１０−１１８７８１号公報
では、レーザ光に偏角に比例した位相差を与える位相シ
フト手段（以下、「移相板」という。）を設け、この移
相板をレーザ光を集光する加工レンズの手前に配置して
いる。このようにすると、レーザ光のビーム直径を小径
にすることができ、しかもエネルギのピーク値を大きく
することができるので、穴明け切断等の加工を高速化す
ることができた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
の場合、小径の穴を効率よく加工することはできるが、
従来の場合と同様に、加工部における光強度分布が不均
一であるため、穴底を平坦にすることはできない。

【００１３】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、底面が平坦でかつ底面の直径が入口の直径
に近い小径の穴を加工することができるレーザ加工装置
を提供するにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、第１の手段は、レーザ光をアパーチャに照射し、ア
パーチャを透過した前記レーザ光を集光して加工対象を
加工をするレーザ加工装置において、反射光または透過
光の偏光面を入射光の偏光面に対して偏光させる偏光変
換手段と、反射光または透過光の位相を入射光の位相に
対して、偏角に応じて移相させる移相手段と、を設け、
前記レーザ光の円形の中心部を前記偏光変換手段により
偏光させると共に、前記レーザ光の前記中心部を除く外
縁部を、前記移相手段により移相させ、前記偏光変換手
段により偏光させた前記中心部のレーザ光と、前記移相
手段により移相させた前記外縁部のレーザ光を、前記ア
パーチャに照射することを特徴とする。

【００１５】また、第２の手段は、透過型の１／２波長
板を、板状で一方の表面側にグレーティングが形成され
た第１の透明部材と、前記グレーティングが形成された
表面に接して配置される板状の第２の透明部材とにより
構成し、前記グレーティングの深さおよびピッチが、グ
レーティングの上面で反射される反射光とグレーティン
グの下面で反射される反射光とが互いに打ち消し合い、
かつ透過光の偏光面を入射光の偏光面に対して９０度偏
光させるように選択されていることを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて説明する。

【００１７】（第１の実施形態）図１は本発明の第１の
実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図であり、
図８と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付し
て説明を省略する。

【００１８】炭酸ガスレーザ発振器１の光路上にはミラ
ー２、移相板４、アパーチャ５、結像光学系１５、ミラ
ー８、ｆθレンズ９および加工対象１０が配置されてい
る。

【００１９】炭酸ガスレーザ発振器１は、断面が円形、
かつ振動面（電場の振動面）が紙面に対して４５度方向
の直線偏光のレーザ光を図の下方に出力する。

【００２０】ミラー２の表面には、反射光の振動面を入
射光の振動面に対して９０度偏光させる薄膜状の偏光面
回転手段３が配置されている。偏光面回転手段３は、例
えば誘電体等を蒸着により形成したものであり、外形
は、移相板４の後述するＡ部を投影した大きさである。

【００２１】結像光学系１５は、２個のレンズ（ここで
は、凸レンズ）１６、１７から構成されている。レンズ
１６とレンズ１７は、両者の焦点距離の和だけ隔てて設
置され、穴５ａの像をレンズ１６とレンズ１７の焦点距
離の比で縮小する機能を備えている。

【００２２】次に、移相板について説明する。

【００２３】図２は、第１の実施形態に係る移相板の構
造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は偏角θが
０度の位置における側面断面図である。移相板４の材質
はＺｎＳｅであり、基部４ａの表面には、輪帯部４ｂが
基部４ａと一体に形成されている。基部４ａはＯを中心
とする半径Ｒ、板厚がＨの円盤状である。また、輪帯部
４ｂは内側の半径がｒ、外側の半径がＲのリング状で、
基部４ａからの高さｈは式１、２で定まる高さに形成さ
れている。

【００２４】ｈ＝ｈ1・θ／３６０・・・（式１）ｈ1＝λ／ｎ・・・（式２）なお、θ、ｎ、λは以下の通りである。

【００２５】θ：Ｏを原点とする極座標の偏角θ（ただ
し、０＜θ≦３６０度）ｎ：ＺｎＳｅの屈折率 λ：レーザ光の波長したがって、θ＝３６０度（０度）の位置では、輪帯部
４ｂにｈ1の段差が形成されている。また、輪帯部４ｂ
の基部４ａからの高さｈが偏角に比例することから、偏
角が１８０度の位置における輪帯部４ｂの高さはｈ1／
２である。以下、移相板４の輪帯部４ｂが形成されてい
ない中心部を「Ａ部」、移相板４のＡ部以外の部分（す
なわち輪帯部４ｂと輪帯部４ｂが形成されている基部４
ａ）を「Ｂ部」という。

【００２６】次に、本実施の形態の動作を説明する。

【００２７】なお、説明を容易にするため、以下、炭酸
ガスレーザ発振器１から出力されるレーザ光のうち、中
心から半径ｒのレーザ光を「レーザ光ＬＣ」と、レーザ
光ＬＣの外側の環状のレーザ光を「レーザ光ＬＯ」とい
う。

【００２８】炭酸ガスレーザ発振器１から出力されたレ
ーザ光ＬＣは、偏光面回転手段３により偏光面が紙面に
対して−４５度方向になって移相板４のＡ部に入射し、
Ａ部および穴５ａを通過した後、結像光学系１５により
径を縮小され、スキャナ６、ｆθレンズ９を介して加工
対象１０の表面に導かれ、円形の像が結像される。一
方、レーザ光ＬＯはミラー２により反射されて移相板４
のＢ部に入射し、入射した位置に応じて位相がずれる。
そして、穴５ａを通過した後、結像光学系１５により径
を縮小され、スキャナ６、ｆθレンズ９を介して加工対
象１０の表面に導か、リング状の像が結像される。そし
て、レーザ光ＬＣとレーザ光ＬＯにより、加工対象１０
の表面には穴５ａの像が結像される。

【００２９】次に、加工対象１０の表面における穴５ａ
の像の光強度について説明する。

【００３０】図３は、本発明に係る加工部における光強
度の計算結果を示す図であり、縦軸は図９に示した光強
度に対する相対値、横軸は距離である。また、計算に用
いた値は以下の通りである。

【００３１】（１）結像光学系の倍率：１／１０倍（２）穴５ａの直径：１８ｍｍ（３）Ａ部の直径：８．１ｍｍ（４）アパーチャ５からｆθレンズ９までの距離：２０
００ｍｍ（５）ｆθレンズ９の直径：３０ｍｍなお、穴５ａの直径は、従来技術との比較を容易にする
ため、加工位置における１／ｅ²直径が図９の場合と同
じ１００μｍになるようにして、定めたものである。

【００３２】同図において、点線はレーザ光ＬＣの寄与
分、実線はレーザ光ＬＯの寄与分である。そして、Ａ部
を透過したレーザ光ＬＣとＢ部を透過したレーザ光ＬＯ
は、偏光方向が互いに９０度異なっているので、加算さ
れる。この結果、点線と実線の和である一点鎖線で示す
強度が加工対象１０の表面における穴５ａ像の光強度に
なる。そして、一点鎖線で示す曲線は、中央部が平坦化
された台形であるから、底面が平坦でかつ底面の直径が
入口の直径に近い小径の穴を加工することができる。

【００３３】ここで、中央付近の強度分布を平坦化する
ためには、Ａ部の半径ｒとＢ部の半径（実質的には穴５
ａの半径）との比を、０．２５〜０．６の間にすること
が望ましい。

【００３４】この実施形態では、結像光学系１５を設け
ることにより移相板４を光学的に縮小するようにしたの
で、移相板４の製作許容誤差を大きくすることができ
る。したがって、移相板４の製作が容易になる。

【００３５】なお、結像光学系１５は穴５ａの像を複数
のレンズで縮小する機能を有するものであれば、図１に
示す構成のものに限らず、例えば１枚の凹レンズと１枚
の凸レンズとの組み合わせであってもよい。

【００３６】また、偏光面回転手段３がレーザ光を偏光
する角度は９０度でなくてもよい。また、移相板４のＡ
部の厚さをＨにしたが、０（貫通穴）であってもよい。

【００３７】また、移相板４を精度よく製作することが
できる場合は、結像光学系１５を省略することができ
る。

【００３８】さらに、ミラー２に入射光するレーザ光を
直線偏光のレーザ光としたが、入射するレーザ光が円偏
光のレーザ光の場合にも、適用することができる。これ
は、右回りの円偏光と左回りの円偏光は互いに干渉せず
（広義の意味で直交している）、また、偏光面回転手段
３は右回りの円偏光を左回りの円偏光に変換するからで
ある。

【００３９】また、本発明は、炭酸ガスレーザに限ら
ず、可視光、ＵＶ光のレーザに対しても適用することが
できる。

【００４０】次に、移相板の変形例について説明する。

【００４１】図４は、本発明に係る移相板の変形例を示
す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は偏角θが０度の
位置における側面断面図である。移相板４０の材質はシ
リコン（Ｓｉ）であり、基部４０ａの表面側には輪帯部
４０ｂが形成されている。基部４０ａはＯを中心とする
半径Ｒ、板厚がＫの円盤である。また、輪帯部４０ｂは
内側の半径がｒ、外側の半径がＲのリング状で、輪帯部
４０ｂの基部４０ａからの深さｋは、Ｏを原点とする極
座標の偏角θに対して順次等しい段差でＮｏ１から階段
状に変化するように形成され、Ｂ部のＮｏｊはＡ部と同
一面であり、Ｎｏ１のＡ部表面からの高さ（深さ）はｋ
１である。このように、輪帯部４ｂの高さ（深さ）を階
段状に変化させても、高さを連続的に変化させた場合と
同様の効果を得ることができる。

【００４２】この移相板４０は例えば、シリコンの多段
階エッチングにより容易に製作することができ、しかも
微細な加工が可能であるので、結像光学系１５を省くこ
ともできる。

【００４３】なお、段数ｊは、整数（好ましくは５以上
の整数）であればよい。

【００４４】ところで、上記第１の実施形態の場合、偏
光面回転手段３と移相板４のＡ部を同軸に位置決めする
作業が面倒である。そこで、Ａ部に偏光面回転手段を設
けるようにすると、偏光面回転手段３と移相板４の相対
的な位置決め作業が容易になる。

【００４５】ここで、板状透明部材の表面にグレーティ
ング（格子状の凹凸）を設けると、振動面がグレーティ
ングの格子ベクトルに対して垂直な光と、振動面が格子
ベクトルに対して平行な光の屈折率を変えることができ
ることが知られている（例えば、ＡｐｐｌｉｅｄＯｐ
ｔｉｃｓＶｏｌ．３４，Ｎｏ．１４Ｄｅｓｉｇｎ
ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｏｆｆｏｒｍｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒ
ｅｓ，Ｉ．Ｒｉｃｈｔｅｒ他。）。

【００４６】そして、グレーティングに垂直な振動面を
持つ光に対する屈折率ｎ_sと、グレーティングに平行な
振動面をもつ光に対する屈折率ｎ_pは、それぞれ式３〜
６により近似的に求めることができる。

【００４７】

【数１】（第２の実施形態）図５は、本発明の第２の実施形態に
係る移相板の構造を示す図であり、（ａ）は正面図、
（ｂ）は偏角θが０度の位置における側面断面図であ
る。なお、この場合の全体構成は上記図１において偏光
面回転手段３を除いた構成であり、その他は同一である
ので、図示を省略する。

【００４８】移相板５５は、材質がシリコンであり、Ａ
部に加工された深さｋ３のグレーティング５６を除き、
上記図４に示した移相板４０と同じ形状である。移相板
５５のグレーティング５６が形成された面と反対側のｗ
面には通常の無反射コーティングが施されている。

【００４９】材質がＳｉの平板状のカバー５７は、移相
板５５に接するようにして、ミラー２側に配置される。
カバー５７の位相板５５に接する面と反対側のｕ面には
通常の無反射コーティングが施されている。カバー５７
は、後述するように、レーザ光のグレーティング５６の
上下面におけるレーザ光の反射を抑えるためのものであ
る。

【００５０】この実施形態におけるグレーティング５６
は、Ａ部に入射したレーザ光を９０度偏光させることが
目的であるので、深さｋ３は、Ａ部が１／２波長板にな
るように、式７に基づいて定められる。

【００５１】また、グレーティング５６の上下面で反射
したレーザ光が移相板５５内部で往復すると、そのまま
透過するレーザ光と干渉して出力が不安定になったり、
Ａ部を透過したレーザ光の偏光方向が９０度にならない
等の問題が発生するおそれがある。

【００５２】そこで、この実施の形態では、深さｋ３
が、移相板５５が１／２波長板になる条件式である式７
に加え、グレーティング５６の上下面で反射したレーザ
光が互いに弱め合うように、無反射の条件式である式８
も満足するように選定する。

【００５３】ｋ３＝λ／２×ｒ／（ｎ_s−ｎ_p）・・・（式７）ｋ３＝λ×ｓ／２ｎ_p ・・・（式８）なお、ｒ：奇数ｓ：整数次に、具体的な数値について述べる。

【００５４】なお、ここでは、レーザ光の波長λを９．
４μｍ、グレーテイングのピッチΛをΛ＝２μｍ、ｒ＝
１、ｓ＝２とする。

【００５５】Ｓｉの屈折率ｎ_siは約３．４２２であるか
ら、ｄｕｔｙ比ｐを変化させながら式７、８を満足する
ｋ３とｐの組み合わせを探す。すると、例えば、ｋ３＝
４．５５μｍ、ｐ＝０．２７を得ることができる。な
お、このとき、ｎ_s＝３．０８，ｎ_p＝２．０４である。

【００５６】そこで、ｋ３＝４．５５μｍ、ｐ＝０．２
７になるように、Ａ部の表面をエッチングすると、形成
されたグレーティング５６により、Ａ部に偏光面回転手
段を形成できると共に、グレーティング上下面での反射
を抑えることができる。

【００５７】なお、この実施形態では、ｎ_s、ｎ_pを近次
式を用いて求めたが、厳密な計算によるものや、実験的
に求めたものを用いてもよい。また、移相板５５の材質
をシリコンとしたが、ゲルマニウムを用いても同様のこ
とが可能である。

【００５８】なお、移相板５５はグレーティング５６の
溝が紙面に垂直になるように設置する。

【００５９】（第３の実施形態）図６は本発明の第３の
実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図であり、
図１と同じもの又は同一機能のものは同一符号を付して
説明を省略する。また、図７はこの実施形態に係る移相
板の構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は偏
角θが０度の位置における側面断面図である。

【００６０】反射型の移相板６１の材質はシリコンであ
り、中央のＡ部と輪帯部のＮｏｊおよび表面Ｓは同じ高
さである。そして、輪帯部のＮｏ１〜Ｎｏｊは順次等し
い段差ｍで変化している。Ｎｏ１とＮｏｊの段差Ｍはレ
ーザの波長をλ、ｎ_siをシリコンの屈折率として、式
９、１０で表される。

【００６１】ｍ＝Ｍ／（ｊ−１）・・・（式９）Ｍ＝λ／√２ｎ_si ・・・（式１０）そして、移相板６１のＡ部には薄膜からなる反射型の偏
向面回転手段６２が配置され、その他の部分には反射コ
ーティングが施されている。

【００６２】この第３の実施形態では、上記第２の実施
形態の場合と同様に、偏向面回転手段６２を輪帯部に対
して予め固定できるので、装置の組立てが容易になる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ光の円形の中心部を９０度偏光させる偏光変換手
段と、レーザ光の中心部に接する外縁部を、中心部の中
心から計った偏角に応じて移相させる移相手段と、を設
け、偏光変換手段により偏光させた中心部のレーザ光
と、移相手段により移相させた外縁部のレーザ光をアパ
ーチャに照射するので、結像位置におけるレーザ光の強
度は中央部が平坦化された台形になる。したがって、底
面が平坦でかつ底面の直径が入口の直径に近い小径の穴
を加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置
の構成を示す図である。

【図２】第１の実施形態に係る移相板の構造を示す図で
ある。

【図３】本発明に係る加工部における光強度の計算結果
を示す図である。

【図４】本発明に係る移相板の変形例を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る移相板の構造を
示す図である。

【図６】本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置
の構成を示す図である。

【図７】本発明の第３の実施形態に係る移相板の構造を
示す図である。

【図８】従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。

【図９】従来の加工部における光強度の計算結果を示す
図である。

【符号の説明】

３偏光変換手段４移相手段５アパーチャ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青山博志神奈川県海老名市上今泉2100番地日立ビアメカニクス株式会社内Ｆターム(参考） 2H099 AA17 BA09 CA07 CA08 4E068 AF00 CB08 CD08 CD10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光をアパーチャに照射し、アパー
チャを透過した前記レーザ光を集光して加工するレーザ
加工装置において、反射光または透過光の偏光面を入射光の偏光面に対して
偏光させる偏光変換手段と、反射光または透過光の位相に入射光の位相に対する偏角
に応じた位相差を与える移相手段と、を設け、前記レーザ光の円形の中心部を前記偏光変換手段により
偏光させると共に、前記レーザ光の前記中心部を除く外縁部を、前記移相手
段により移相させ、前記偏光変換手段により偏光させた前記中心部のレーザ
光と、前記移相手段により移相させた前記外縁部のレー
ザ光を、前記アパーチャに照射することを特徴とするレ
ーザ加工装置。
【請求項２】前記移相手段は断面を円形環状、かつ移
相に関与する部分の高さを、偏角が０度から３６０度の
間で、偏角に比例して連続的に変化するように形成さ
れ、偏角が１８０度異なる位置における移相量の差を１
８０度とすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ
加工装置。
【請求項３】前記移相手段は断面を円形環状、かつ移
相に関与する部分の高さを、偏角が０度から３６０度の
間で、偏角に略比例して段階的に変化するように形成さ
れ、偏角が１８０度異なる位置における移相量の差を略
１８０度とすることを特徴とする請求項１記載のレーザ
加工装置。
【請求項４】前記偏光変換手段は、前記移相手段の内
縁に配置されることを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】前記偏光変換手段は、透明部材の表面に
形成したグレーティングであることを特徴とする請求項
１ないし４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】前記アパーチャと前記レーザ光を集光す
るレンズとの間に、前記アパーチャの像を光学的に縮小
する結像光学系を配置することを特徴とする請求項１に
記載のレーザ加工装置。
【請求項７】板状で一方の表面側にグレーティングが
形成された第１の透明部材と、前記グレーティングが形成された表面に接して配置され
る板状の第２の透明部材と、からなり、前記グレーティングの深さおよびピッチが、グレーティ
ングの上面で反射される反射光とグレーティングの下面
で反射される反射光とが互いに打ち消し合い、かつ透過
光の偏光面を入射光の偏光面に対して９０度偏光させる
ように選択されていることを特徴とする透過型の１／２
波長板。