JP2003251475A - レーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工方法

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JP2003251475A
JP2003251475A JP2002056301A JP2002056301A JP2003251475A JP 2003251475 A JP2003251475 A JP 2003251475A JP 2002056301 A JP2002056301 A JP 2002056301A JP 2002056301 A JP2002056301 A JP 2002056301A JP 2003251475 A JP2003251475 A JP 2003251475A
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Japan
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shape
processed
mask
laser
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JP2002056301A
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English (en)
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Yuusuke Katsumata
右丞 勝又
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 加工面が滑らかなテーパ状の3次元加工を可
能にするレーザ加工方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 レーザ光を、マスク41及び結像レンズ
14を介して加工対象物19に照射して、前記加工対象
物に所定の形状を加工するレーザ加工方法において、前
記加工対象物19を前記結像レンズ14の結像位置の手
前に配置して加工することにより、上記課題を解決す
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、レーザ加工方法に
係り、特に、加工対象物にレーザ光を照射して所定の形
状を形成させるレーザ加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、レーザ光を用いた加工方法が広く
普及されている。レーザ光には、YAGレーザ,CO
レーザのような赤外線レーザやエキシマレーザ等の紫外
線レーザが使用され、機械、電子、半導体装置等の製造
過程等で加工処理が行われている。
【0003】また、最近では加工対象物に微細な3次元
の加工形状を形成させるために、加工対象物を移動させ
ながら加工を行ったり、マスクによりレーザ光を結像さ
せて加工対象物へ照射する等の加工方法を用いることに
より種々の加工形状の形成を可能としている。
【0004】ここで、従来のレーザ加工装置における加
工内容の一例について図を用いて説明する。なお、加工
にはパルスレーザ光を用いている。
【0005】図1は、従来のレーザ加工装置の一例の図
である。
【0006】図1のレーザ加工装置は、レーザ発振器1
0と、マスク交換装置11と、制御装置12と、ミラー
13と、結像レンズ14と、架台15と、カメラ用レン
ズ16と、CCDカメラ17と、モニタ18とを有する
ように構成されている。
【0007】図1において、まず、レーザ発振器10よ
りパルスレーザ光が出射されると、マスク交換装置11
に入射され、パルスレーザ光の一部がマスク交換装置1
1にセットされたマスク形状を通過する。ミラー13
は、通過したパルスレーザ光を結像レンズ14側へと反
射させる。結像レンズ14は、マスク形状にて形成され
たパルスレーザ光を集光し、架台15上に載置された加
工対象物19の加工面にパルスレーザ光を照射する。
【0008】ここで、前記マスク形状が、例えば、2m
m×1mmとし、結像縮小比が20:1とすると、加工
面上のパルスレーザ光は100μm×50μmの角形状
に集光される。
【0009】また、パルスレーザ光が照射された加工対
象物19の加工内容(加工面)は、カメラレンズ16に
て拡大してCCDカメラ17で撮影し、その加工内容を
モニタ18にて確認することができる。
【0010】なお、マスク交換装置11には形状の異な
る多数のマスク形状を備えており、制御装置12がパル
ス発振器10より出射されるパルスレーザ光からの出射
タイミングに基づいて、ステッピングモータ等を用いて
マスク形状を変更させることにより、加工対象物19に
対して多種の加工形状を形成することが可能となる。
【0011】例えば、図2の制御装置12におけるレー
ザ発振信号とマスク変更信号のタイミングの一例に示す
ように、同一のタイミングでレーザ発振器10とマスク
交換装置11に信号が発信されないように制御装置12
にて制御を行うことにより、マスク形状の変更を容易か
つ正確に行うことができ、また手作業によるマスク径上
の変更を行う必要がないため、加工作業時間を短縮させ
ることができる。
【0012】また、架台15は、XYZθテーブルであ
り、結像レンズ14に対して前後左右方向(X、Y方
向)及び上下方向(Z方向)への移動が可能であり、か
つ架台15を照射軸に対して傾斜角θ分傾かせることが
できる。このように架台15を移動させることでも、多
種の加工形状を形成することが可能となる。
【0013】ここで、上述した図1のレーザ加工装置を
用いた従来の加工方法を図を用いて説明する。
【0014】図3は、加工形状の一例の図である。
【0015】図3に示すように、例えば、ポリイミドシ
ート等の加工対象物19にテーパ状の加工形状を形成す
る場合、図4に示すような横幅の異なる複数のマスク形
状41をマスク交換装置11にセットし、制御装置12
にて、レーザ発振器10より出射させるパルスレーザ光
の出射タイミングに対応させて、マスク形状41を順次
変更させる。この時、加工対象物19の照射位置を固定
しておいた状態で、マスク形状を変更させることにより
加工を行う。
【0016】図5は、図4のマスク形状41と加工対象
物19の加工形状を対応させた一例の図である。
【0017】図5(a)は、マスク形状41−1を用い
て加工した加工形状を示す図であり、図5(b)は、図
5(a)の加工終了後に加工対象物19の同位置にマス
ク形状41−2にて加工を行った図である。加工対象物
19の同一箇所にパルスレーザ光を照射することによ
り、図5(a)と図5(b)で重複している部分は、そ
の分深い形状を形成することができる。この結果、図5
(b)により形成される加工形状は、階段上の断面を有
するものとなる。
【0018】更に、図5(c)以降、所定の形状になる
までマスク形状41を変更し、加工対象物19にパルス
レーザ光を照射することにより、図3とほぼ同様の加工
形状を形成することができる。
【0019】また、上述したマスク形状を変更させる方
法の他に、架台15を移動させて結像レンズ14からの
光学的距離を変化させることにより、像の結像倍率=b
/a(aはマスク交換装置11からミラー13を経て結
像レンズ14に至るまでの光学的距離、bは結像レンズ
14から加工対象物19の加工面までの光学的距離を表
す。)を変化させることで、加工対象物19の表面に結
像される像の大きさを変化させることができ、加工対象
物19の加工面に照射される光のエネルギー密度も変化
させることができるため、これを利用して図3に示すよ
うな加工を行うことができる。
【0020】なお、上述した結像される像の大きさを変
化させる方法は、前記a又はbの何れかを変化させても
よく、また、aとbを両方変化させてもよい。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような方法を用いて加工対象物19に図3のようなテー
パ状の加工形状を形成した場合、図6の従来の加工方法
による加工結果の一例に示すように、マスク形状の変更
部分(境界部分)に段差を生じてしまい、滑らかなテー
パ状の3次元加工を行うことができない。なお、図6
(a)は、加工形状の全体図を示し、図6(b)は、加
工形状の断面図を示す。
【0022】また、架台15を上下にスライドさせて加
工する方法を用いた場合、加工面の結像の大きさが変化
するだけでなく、エネルギー密度の大きさが変化するた
め、微細な3次元加工は困難となる。
【0023】本発明は、上述した問題点に鑑みなされた
ものであり、特に、加工面が滑らかなテーパ状の3次元
加工を可能にするレーザ加工方法を提供することを目的
とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するた
めの手段を採用している。
【0025】請求項1に記載された発明は、レーザ光
を、マスク及び結像レンズを介して加工対象物に照射し
て、前記加工対象物に所定の形状を加工するレーザ加工
方法において、前記加工対象物を前記結像レンズの結像
位置の手前に配置して加工することを特徴とする。
【0026】請求項1記載の発明によれば、マスク形状
を変化させて、レーザ波形の異なる複数のレーザ光を加
工対象物に照射した場合においても、加工面を滑らかに
形成することができる。
【0027】請求項2に記載された発明は、前記レーザ
光はエキシマレーザ光であることを特徴とする。
【0028】請求項2記載の発明によれば、COレー
ザやYAGレーザと比較して波長が短いため、微細加工
を行うことができる。
【0029】請求項3に記載された発明は、前記所定の
形状はテーパ状の形状であることを特徴とする。
【0030】
【発明の実施の形態】本発明は、段差が形成されないよ
うに結像レンズの結像位置から僅かにずらした位置に加
工対象物を設置し、その状態のままマスク形状を変更し
て、パルスレーザ光を加工対象物に照射することによ
り、滑らかなテーパ状の3次元加工形状を形成すること
を主眼とする。
【0031】ここで、本発明における具体的なレーザ加
工方法について、図面に基づいて説明する。
【0032】図7は、本発明におけるテーパ状の3次元
加工形状の一実施例である。なお、加工対象物にはポリ
イミドを用い、レーザ加工装置は図1と同様とする。
【0033】また、加工処理に用いられるパルスレーザ
光は、エキシマレーザ光とする。これは、エキシマレー
ザ光による加工は、COレーザやYAGレーザと比較
して波長が短いため、微細加工に適しており、また、熱
処理ではなく、光で化学結合を分解する過程を主に利用
する加工(アブレーション加工)であるため、YAGレ
ーザや、COレーザのように赤外線の熱エネルギーを
利用した加工よりも加工断面の仕上がりがきれいになる
ためである。
【0034】図7に示した縦50μm、横25μm、片
側の深さ5μmでテーパ角12°の3次元形状を形成す
る方法を以下に説明する。
【0035】まず、本発明における光学系について、図
8にレーザ加工装置の従来の光学系の一例を示し説明す
る。
【0036】マスク交換装置11からミラー13を介し
た結像レンズ14までの距離をaとし、結像レンズ14
から集光点までの距離をfとし、結像レンズ14から加
工対象物19の加工面までの距離(結像位置)をbとす
ると、上述の距離の関係は、 1/a+1/b=1/f となり、結像倍率Mは、上述したように、 M=b/a で表すことができる。
【0037】したがって、架台15を結像レンズ14に
対して上下方向に移動することで、光学的距離bを変化
させることにより、加工対象物19の加工面に結像され
るマスク形状の像を変更させることができる。また、加
工対象物19の加工面に照射される光のエネルギー密度
も変化させることができる。
【0038】上記関係式において、例えば、結像倍率を
M=20とすると、マスク形状に対し、その加工形状は
1/20に縮小投影される。
【0039】次に、図7のような加工形状を形成する場
合、対応する複数のマスク形状が必要となる。図7の3
次元形状加工を行うためのマスク形状は、上述した図4
に示すように横幅が徐々に長くなるマスク形状41を有
する。なお、マスク形状41は、横幅が次第に大きくな
るマスクを別個に用意しておき、ステッピングモータ等
により変更させてもよく、また、横幅のみ可変すること
ができるマスクを用意して、順次、幅を広げるように稼
動させてもよい。
【0040】図4において、マスク形状の縦幅は、レー
ザ光が加工対象物19に照射する際に、図7の縦幅(5
0μm)と同一となるように設定する。つまり、マスク
形状の縦幅は、M=20の場合、50μm×20(=
M)=1000μm=1.0mmとする。
【0041】また、横幅は、最初0から徐々に0.5m
m(25μm×20(=M))まで大きくしながらエキ
シマレーザ光を照射する。なお、レーザ発振器10から
エキシマレーザ光が出射されるタイミングと、マスク交
換装置11によりマスク形状が変更されるタイミングは
制御装置12により制御されるため、マスタ形状を変更
途中にエキシマレーザ光が出射されることはない。
【0042】また、レーザ発振器10のレーザ照射エネ
ルギーは0.6J/cmとする。この場合、1sho
tで加工対象物のポリイミドが掘れる量は0.3μm/
shotであるため、図7に示すような5μmの掘れ量
を得るためには、5.0μm/0.3μm≒17sho
ts程度の照射が必要となる。
【0043】更に、段差のない滑らかなテーパ状の加工
面を得るためには、図8において、加工対象物19を結
像位置bの手前の位置(図8のc)になるように設置す
る。加工対象物19を位置cに設置することにより、レ
ーザ光の結像点を僅かにずらした状態で固定されて形状
加工されることになり、その結果、加工面が滑らかにな
り、階段状の段差のスジを消すことができ、テーパ状の
3次元加工形状を形成することができる。
【0044】本実施例においては、結像レンズ14から
の距離を結像位置より約20μm程度短くすることによ
り、段差のないテーパ状の加工形状を可能にする。
【0045】なお、加工対象物19を結像位置bより僅
かに長い距離に設定して加工処理を行った場合も結像点
をずらしたことになるが、近づけた場合と比べてエネル
ギー分布が不安定になり、また、ノイズが入り易くなる
ため、平面形状及び断面形状において加工程度が悪くな
る。
【0046】上述したように、加工対象物19の位置を
結像レンズ14からの結像位置bよりも結像レンズ14
よりに僅かに近づけて、複数のマスク形状を用いて加工
を行うことにより、微細で滑らかなテーパ状の3次元加
工形状を形成することができる。
【0047】なお、本発明によるレーザ加工方法におい
ては、発明の範囲においてこの限りではなく、例えば、
加工対象物としては、ポリイミドだけでなく、プリント
基板や電子部品等、微細で正確な加工が必要なもので利
用することができる。
【0048】また、本発明における3次元加工形状は、
テーパ状のものだけではなく、その他の特殊な3次元加
工においても段差のない滑らかな加工面を形成すること
ができる。
【0049】
【発明の効果】本発明によれば、パルスレーザ発振器よ
り出射されるエキシマレーザ光が加工物に照射する際
に、結像レンズからの結像位置よりも結像レンズよりに
僅かに近づけて、且つ複数のマスク形状を用いて加工処
理を行うことにより、微細で滑らかなテーパ状の3次元
加工形状を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のレーザ加工装置の一例の図である。
【図2】レーザ発振信号とマスク変更信号のタイミング
の一例の図である。
【図3】加工形状の一例の図である。
【図4】複数のマスク形状の一例の図である。
【図5】マスク形状と加工対象物の加工形状を対応させ
た一例の図である。
【図6】従来の加工方法による加工結果の一例の図であ
る。
【図7】本発明におけるテーパ状の3次元加工形状の一
実施例である。
【図8】レーザ加工装置の従来の光学系の一例の図であ
る。
【符号の説明】
10 レーザ発振器 11 マスク交換装置 12 制御装置 13 ミラー 14 結像レンズ 15 架台 16 カメラ用レンズ 17 CCDカメラ 18 モニタ 19 加工対象物 41 マスク形状

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ光を、マスク及び結像レンズを介
    して加工対象物に照射して、前記加工対象物に所定の形
    状を加工するレーザ加工方法において、 前記加工対象物を前記結像レンズの結像位置の手前に配
    置して加工することを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 【請求項2】 前記レーザ光は、 エキシマレーザ光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。
  3. 【請求項3】 前記所定の形状は、 テーパ状の形状であ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。
JP2002056301A 2002-03-01 2002-03-01 レーザ加工方法 Pending JP2003251475A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015514018A (ja) * 2012-04-05 2015-05-18 コリア リサーチ インスティチュート オブ スタンダーズ アンド サイエンス 超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置および方法
CN110238513A (zh) * 2019-04-28 2019-09-17 大族激光科技产业集团股份有限公司 MiniLED晶元的切割方法及装置
US11103958B2 (en) 2016-05-04 2021-08-31 Precitec Gmbh & Co. Kg Imaging optic for material machining by means of laser radiation and laser machining head having same

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