JP2004314155A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ密度分布がガウス分布のレーザビームを垂直（矩形）分布のレーザビームに変換することなく、ガウス分布のレーザビームにより、ワークを加工して加工部端面を垂直にすることが可能なレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】レーザビーム２を、所定のパターンの開口部６ａが形成されたマスク６を介して、ワーク３の表面に略垂直に照射することにより、ワーク３にレーザ加工を行うレーザ加工方法において、マスク開口部６ａの端縁に対応するワーク３の加工領域端部と、ワーク３に照射されるレーザビーム２のエネルギ密度分布が最大となる部分とを略一致させることにより、ワーク３の加工部端面３ａがワーク３の表面に対して垂直に加工されるようにする。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工方法に関し、特に、マスクを用いてレーザ加工を行う場合において、加工部端面が略垂直になるような加工を行うことが可能なレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般に、レーザを用いてワークに垂直加工を施す方法として、カライドスコープ等のホモジナイザを用いてエネルギ密度分布がガウス分布のレーザを垂直（矩形）分布レーザに変換して加工する方法が知られている。
【０００３】
しかし、エネルギ密度分布の垂直（矩形）化に用いられるカライドスコープなどのホモジナイザを用いて、エネルギ密度分布がガウス分布のレーザビームを垂直（矩形）分布のレーザビームに変換しようとすると、構成が複雑で、高価な光学部品を用いることが必要になるため、設備コストの増大を招くという問題点がある。
【０００４】
一方、ガウス分布レーザを用いてワークを加工する方法としては、図５に示すような装置を用い、マスクを利用して加工を行う方法がある。
【０００５】
この従来のレーザ加工に用いられる装置は、レーザビーム５１を発生させるレーザ発振器５２と、ビームエキスパンダ５３と、マスク５４と、レーザアッテネータ５５と、これらを通過させたレーザビーム５１をワーク６０上の所定の位置に集光させるスキャン光学系５６とを備えている。
ビームエキスパンダ５３はレーザ発振器５２から射出されたレーザビーム５１を所定のビーム径に整形する機能を果たす。また、マスク５４は所定のビーム径に整形されたレーザビーム５１のビーム周辺を遮蔽する。さらに、レーザアッテネータ５５は、レーザビーム５１の全体エネルギーを指定値に調整し、スキャン光学系５６は、レーザビーム５１を基板上をスキャニングするとともに集光する機能を果たす。
【０００６】
そして、このレーザ加工装置においては、レーザ発振器５２から射出され、ビームエキスパンダ５３にて所望のビーム径に整形されたレーザビーム５１は、マスク５４によりビーム周辺を遮蔽される。そして、マスク５４を通過したレーザビーム５１は、レーザアッテネータ５５を通過し、スキャン光学系５６によりワーク６０の表面の所定位置に集光、照射される。
すなわち、レーザ発振器５２から出た、図６（ａ）に示すようなエネルギ密度分布を有するレーザビーム５１が、図６（ｂ）に示すように、マスク５４を通過して周辺部が遮蔽された状態でワーク６０に照射されることになる（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１３８０７６号公報
【０００８】
しかしながら、この特許文献１の方法のように、レーザビームのエネルギ密度分布の小さい周辺部のみを遮蔽する位置にマスクを配置するようにした場合において、図７（ａ）に示すように、周辺部が遮蔽された状態のレーザビーム５１がワーク６０（図７（ｂ））に照射されると、図７（ｂ）に示すように、ワーク６０の加工領域端部Ｐにおいて、レーザビーム５１の周辺部のエネルギ密度分布が傾斜した部分の影響により、ワーク６０の加工部端面６３ａが斜めになり、テーパ形状の加工部が形成されてしまうという問題点がある。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、マスクを用いて、エネルギ密度分布がガウス分布のレーザビームによりワークを加工する場合において、ガウス分布のレーザビームを、垂直（矩形）分布のレーザビームに変換する必要なく、加工部端面を垂直にすることが可能なレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ加工方法は、
レーザビームを、所定のパターンの開口部が形成されたマスクを介してワーク表面に略垂直に照射することによりワークに加工を行うレーザ加工方法において、
マスク開口部の端縁に対応するワークの加工領域端部と、ワークに照射されるレーザビームのエネルギ密度分布が最大となる部分とを略一致させることにより、ワークの加工部端面が略垂直になるようにしたこと
を特徴としている。
【００１１】
マスク開口部の端縁に対応するワークの加工領域端部と、ワークに照射されるレーザビームのエネルギ密度分布が最大となる部分とを略一致させることにより、マスク開口部の端縁に対応する加工領域端部におけるエネルギ分布が垂直となるため、ワークの加工部端面にテーパを生じることがなく、加工部端面がワーク表面に対して垂直になるようなレーザ加工を行うことが可能になる。
【００１２】
また、本発明によれば、エネルギ密度分布がガウス分布のレーザビームを用いて加工部端面がワーク表面に対して垂直になるようレーザ加工を行うことが可能になるため、ガウス分布のレーザビームを垂直（矩形）分布のレーザビームに変換する場合に必要となるような、高価な光学部品を必要としないため、設備コストの増大を防止して、効率よくレーザ加工を行うことが可能になる。
なお、本発明は、センサやフィルタなどの電子部品の製造時において、電子部品に用いられている基板に、ダイヤフラムなどの矩形凹部を形成するのに用いた場合に特に有意義である。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示してその特徴とするところをさらに詳しく説明する。
【００１４】
［実施例１］
この実施例１では、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザビーム（ガウス分布のレーザビーム）を、所定のパターンの開口部が形成されたマスクを介して、ワークであるセラミック基板に照射して、１ｍｍ×１ｍｍの穴加工を行う場合を例にとって説明する。
【００１５】
図１は、この実施例１において用いたレーザ加工装置の要部を模式的に示す図である。
このレーザ加工装置は、レーザ発振器１と、レーザ発振器から出射したレーザビーム２をワーク３の表面に対して略垂直方向に反射させるベンドミラー４と、集光レンズ５と、ワーク３の表面に載置される、１ｍｍ×１ｍｍの開口部（マスク開口部）６ａを有するマスク（遮光装置）６と、ワーク３をＸ−Ｙ方向に移動させる加工テーブル７を備えている。
すなわち、この実施例１のレーザ加工装置は、レーザビーム２及び集光レンズ５は移動せず、マスク６及びワーク３を加工テーブル７により所定の方向に移動させることによりレーザスキャニングが行われるように構成されている。
【００１６】
そして、このレーザ加工装置においては、レーザ発振器１から出射したレーザビーム２が、ベンドミラー４により、ワーク３の表面に対して垂直な方向に反射される。
ベンドミラー４により反射されたレーザビーム２は、ベンドミラー４とワーク３の間に配設された集光レンズ５及びマスク開口部６ａを経て、加工テーブル７に設置されたワーク３に照射される。
【００１７】
そして、ここでは、加工テーブル７が移動することにより、図２に示すように、レーザビーム２が、Ｘ方向に走査された後、Ｘ方向と直交するＹ方向に所定のピッチで移動し、さらに、Ｘ方向に走査された後、再びＹ方向に所定のピッチだけ移動することにより、マスク開口部６ａに対応する所定の領域全体についてレーザスキャニングが行われる。
これにより、ワーク３は所定の領域に亘ってレーザビーム２の照射を受けて除去され、このレーザスキャニング操作が繰り返されることにより、領域の穴深さが所定の深さになるまで（ワーク３に貫通穴を形成する場合にはワーク３を貫通するまで）レーザ加工が行われる。
【００１８】
そして、この実施例１では、ワーク３及びマスク６が、加工テーブル７により、マスク開口部６ａの端縁（加工領域端部）、すなわち図３の点Ｐで示される位置において、エネルギ密度分布が最大となるように位置制御されながらワーク３にレーザビーム２が照射されるように構成されている。
【００１９】
したがって、加工領域端部Ｐでのエネルギ密度分布がワーク３の表面に対して垂直かつエネルギ密度が最大となり、ワーク３の加工部端面３ａがワーク３の表面に対して垂直になるようにレーザ加工を行うことが可能になる。
【００２０】
また、この実施例１の方法によれば、エネルギ密度分布がガウス分布のレーザビームを用いて加工部端面が垂直なレーザ加工を行うことができるため、エネルギ密度分布がガウス分布のレーザビームを、垂直（矩形）分布のレーザビームに変換する場合に必要となるような、複雑で高価な光学部品を必要としないため、設備コストの増大を防止して、経済的に高精度のレーザ加工を行うことが可能になる。
【００２１】
なお、この実施例１では、ワーク３の加工領域の平面形状が方形である場合を例にとって説明したが、加工領域の平面形状が三角形あるいは五角形以上の多角形、円形、さらにはその他の形状である場合にも本発明を適用することが可能である。
【００２２】
［実施例２］
この実施例２でも、上記実施例１の場合と同様に、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザビーム（ガウス分布のレーザビーム）を、所定のパターンの開口部が形成されたマスクを介して、ワークであるセラミック基板に照射して、１ｍｍ×１ｍｍの穴加工を行う場合を例にとって説明する。
【００２３】
図４は、この実施例２において用いたレーザ加工装置の要部を模式的に示す図である。
このレーザ加工装置は、レーザ発振器１と、レーザビーム２を反射させて方向を変えるガルバノミラー１２ａ及び１２ｂと、ガルバノミラー１２ａ，１２ｂを回転駆動するガルバノミラー駆動手段１３ａ，１３ｂと、ガルバノミラー１２ｂとワーク３の間に配設され、ガルバノミラー１２ｂで反射されたレーザビーム２を集光してワーク３に照射する集光レンズ５と、ワーク３の表面に載置される、１ｍｍ×１ｍｍの開口部（マスク開口部）６ａが形成されたマスク（遮光装置）６とを備えている。
【００２４】
このレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う場合、レーザ発振器１から出射したレーザビーム２が、ガルバノミラー１２ａ，１２ｂの回転により、図２に示すように、Ｘ方向に走査された後、Ｘ方向と直交するＹ方向に所定のピッチで移動し、さらに、Ｘ方向に走査された後、再びＹ方向に所定のピッチだけ移動することにより、マスク開口部６ａに対応する所定の領域全体についてレーザスキャニングが行われる。
【００２５】
これにより、ワーク３は所定の領域に亘ってレーザビーム２の照射を受けて除去され、このレーザスキャニング操作が繰り返されることにより、領域の穴深さが所定の深さになるまで（ワーク３に貫通穴を形成する場合にはワーク３を貫通するまで）加工が行われる。
【００２６】
そして、この実施例２では、２枚のガルバノミラー１２ａ，１２ｂの回転位置制御により、マスク開口部６ａの端縁（＝加工領域端部）、すなわち図３の点Ｐで示される位置において、レーザビーム２のエネルギ密度分布が最大となるようにレーザビーム２がワーク３に照射されるように構成されている。
【００２７】
したがって、加工領域端部Ｐでのエネルギ密度分布がワーク３の表面に対して垂直かつエネルギ密度が最大となり、ワーク３の加工部端面３ａがワーク３の表面に対して垂直になるようにレーザ加工を行うことが可能になる。
【００２８】
また、この実施例２の方法によれば、エネルギ密度分布がガウス分布のレーザビームを用いて加工部端面が垂直なレーザ加工を行うことができるため、エネルギ密度分布がガウス分布のレーザビームを、垂直（矩形）分布のレーザビームに変換する場合に必要となるような、複雑で高価な光学部品を必要としないため、設備コストの増大を防止して、経済的に高精度のレーザ加工を行うことができるようになる。
【００２９】
なお、実施例２でも、ワーク３の加工領域の平面形状が方形である場合を例にとって説明したが、加工領域の平面形状が三角形あるいは五角形以上の多角形、円形、さらにはその他の形状である場合にも本発明を適用することが可能である。
【００３０】
また、上記実施例１，２では、１つの開口部６ａを備えたマスク６を用いて加工を行う場合を例にとって説明したが、多数個の開口部を備えたマスクを用いて、１つのワークの多数の領域に同時に加工する場合にも本発明を適用することが可能であり、いわゆる多数個取りの製造工程にも適用することが可能である。
【００３１】
なお、本発明は、さらにその他の点においても上記実施例に限定されるものではなく、ワークの構成材料、レーザビームの種類、マスクのパターンなどに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
上述のように、本発明のレーザ加工方法は、マスク開口部の端縁に対応するワークの加工領域端部と、ワークに照射されるレーザビームのエネルギ密度分布が最大となる部分とを略一致させるようにしているので、マスク開口部の端縁に対応する加工領域端部におけるエネルギ分布が垂直となるため、ワークの加工部端面にテーパを生じることがなく、加工部端面がワーク表面に対して垂直になるようなレーザ加工を行うことができるようになる。
【００３３】
また、本発明によれば、エネルギ密度分布がガウス分布のレーザビームを用いて加工部端面がワーク表面に対して垂直になるようレーザ加工を行うことが可能になるため、ガウス分布のレーザビームを垂直（矩形）分布のレーザビームに変換する場合に必要となるような、高価な光学部品を必要としないため、設備コストの増大を防止して、効率よくレーザ加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例（実施例１）において用いたレーザ加工装置の要部を示す図である。
【図２】本発明の実施例（実施例１及び２）におけるレーザビームのスキャン経路を示す図である。
【図３】本発明の実施例（実施例１）の一工程におけるワークの加工状態を示す、図２のＡ−Ａ線による断面図である。
【図４】本発明の他の実施例（実施例２）において用いたレーザ加工装置の要部を示す図である。
【図５】従来のレーザ加工装置を示す図である。
【図６】（ａ）はマスクを通過する前のレーザビームのエネルギ密度分布を示す図、（ｂ）はマスクを通過した後のレーザビームのエネルギ密度分布を示す図である。
【図７】（ａ）はマスクを通過する前と通過した後のレーザビームのエネルギ密度分布を示す図、（ｂ）はワークの加工状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器
２ レーザビーム
３ ワーク
３ａ ワークの加工部端面
４ ベンドミラー
５ 集光レンズ
６ マスク
６ａ マスクの開口部
７ 加工テーブル
１２ａ，１２ｂ ガルバノミラー
１３ａ，１３ｂ ガルバノミラー駆動手段
Ｐ マスク開口部の端縁（加工領域端部）

Claims (1)

1. レーザビームを、所定のパターンの開口部が形成されたマスクを介してワーク表面に略垂直に照射することによりワークに加工を行うレーザ加工方法において、
   マスク開口部の端縁に対応するワークの加工領域端部と、ワークに照射されるレーザビームのエネルギ密度分布が最大となる部分とを略一致させることにより、ワークの加工部端面が略垂直になるようにしたこと
   を特徴とするレーザ加工方法。

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