JP2004322174A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームを照射して、高品質の加工を行う。
【解決手段】（ａ）レーザビームの断面の一部を遮光してレーザビームの断面形状を整形する。工程（ａ）で生じたある次数以上の高次回折光を含まないレーザビームを、工程（ａ）で整形された断面形状が加工対象物上に結像するように、加工対象物上に入射させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを照射して、加工対象物を加工するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の、レーザビームを用いた穴開け加工に使用されるレーザ加工装置の概略図である。レーザ光源１、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器やその高次高調波から、パルスレーザビームが出射する。パルスレーザビームは、たとえば円形の貫通孔２ａを有するマスク２で断面形状を円形に整形され、フィールドレンズ４に入射する。フィールドレンズ４を透過したパルスレーザビームは、必要に応じて配置される反射ミラー５で反射され、ガルバノスキャナ６に入射する。ガルバノスキャナ６は、揺動可能な２枚のガルバノミラーを含んで構成され、レーザビームを加工面上で２次元方向に走査する。ガルバノスキャナ６で走査されたパルスレーザビームは、ｆθレンズ７を透過して、ステージ９上に保持された加工対象物８に入射する。フィールドレンズ４及びｆθレンズ７は、マスク２の貫通孔２ａを加工対象物８上に結像させる。（たとえば、特許文献１参照。）図７は、加工対象物８を示す概略的な断面図である。加工対象物８は、たとえばプリント配線用の基板である。たとえばガラスエポキシ樹脂で形成された基板３０上にたとえば銅で形成された金属層３１が積層され、更に金属層３１上にたとえば熱硬化性樹脂で形成された樹脂層３２が積層されている。樹脂層３２の厚さは、たとえば４０μｍである。樹脂層３２の表面にパルスレーザビームを入射させて、樹脂層３２を貫通し、金属層３１の表面を露出させる穴を形成する。たとえば７０ショットのパルスレーザビームを樹脂層３２上の同一位置に入射させることにより、１つの穴を形成する。穴の開口の形状は、たとえば直径５０μｍの円形である。
【０００３】
図８（Ａ）は、マスク２の貫通孔２ａで円形に整形されたパルスレーザビーム断面の回折像を示す概略図である。ビームが貫通孔２ａで整形される際の回折効果により、パルスレーザビームの断面中央部から周辺部に向かって、０次回折光２０、１次回折光２１、２次回折光２２、３次回折光２３、４次回折光２４、５次回折光２５、６次回折光２６、・・・、に対応する強度の強い部分が、円形のビーム断面の中心を中心とする同心円状に生じる。すなわちｎ次回折光（ｎ＝０、１、２、３、４、５、６、・・・）による強度の強い部分が、同心円状に、次数が大きくなるにつれて、順に、断面の中央部から周辺部に向かって発生する。
【０００４】
図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線に沿って、パルスレーザビームの１パルス当たりのパルスエネルギ密度の分布を表した概略的なグラフである。なお、８Ｂ−８Ｂ線は、図８（Ａ）に示すビームの円形断面の中心を通る。
【０００５】
ビーム断面におけるパルスエネルギ密度は、回折光ごとに、円形のビーム断面の中心を中心とする同心円状に分布する。また、次数が大きくなるにつれてｎ次回折光（ｎ＝０、１、２、・・・）のエネルギ密度は小さくなる。このようなパルスエネルギ密度分布を有するレーザビームが、上述の経路を辿って、加工対象物８に入射する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３０８９８１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図９は、加工対象物８に入射した複数ショットのパルスレーザビームで、樹脂層３２に形成された略円形の穴を示す概略的な平面図である。穴径が最も大きな部分の長さをＤｘ、穴径が最も小さい部分の長さをＤｙとするとき、Ｄｙ／Ｄｘを真円度と定義することとすると、形成される穴の真円度の平均は、たとえば９２．５％以下であり、決して高いとはいえない。また、ガルバノスキャナ６でビームを走査し、樹脂層３２の異なる位置に複数の穴を形成するとき、形成される穴の穴径は一様ではなく、ばらつきが生じる。
【０００８】
これらの問題は、マスク２の貫通孔２ａでビームの断面形状を整形する際に生じたｎ次回折光（ｎ＝０、１、２、・・・）が加工対象物８に入射するまでに、レーザビームの光路上に配置されたミラーやレンズ等の光学部品によって発生する回折損失に起因する。回折損失のために、真円度の低下や穴径の不均一が起こり、マスク２の貫通孔２ａを忠実に反映した穴加工が困難となる。
【０００９】
本発明の目的は、真円度や穴径の均一性を向上させることのできるレーザ加工方法、及び、レーザ加工装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、（ａ）レーザビームの断面の一部を遮光して、該レーザビームの断面形状を整形する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で生じたある次数以上の高次回折光を含まないレーザビームを、前記工程（ａ）で整形された断面形状が加工対象物上に結像するように、前記加工対象物上に入射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【００１１】
また、本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの断面形状を整形する貫通孔を有するマスクと、前記マスクの貫通孔の形状で整形されたレーザビームから、前記マスクの貫通孔で整形する際に生じるある次数以上の高次回折光を除去する回折光除去手段と、前記回折光除去手段で、ある次数以上の高次回折光を除去されたレーザビームを、前記マスクの貫通孔の形状が加工対象物上に結像するように、前記加工対象物上に入射させる結像レンズとを有するレーザ加工装置が提供される。
【００１２】
このレーザ加工方法、または、このレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行うと、高品質のレーザ加工を行うことができる。たとえば、高い真円度の加工穴を形成することができる。また、たとえば、複数の加工穴を形成した場合、穴径のばらつきを低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の実施例によるレーザ加工方法に使用するレーザ加工装置の概略図である。図６に示したレーザ加工装置に、たとえば円形の貫通孔３ａを有するアパーチャ３が加入されている。
【００１４】
レーザ光源１、たとえばパルス発振するＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器の３次高調波から、たとえば出力５Ｗ、７０ｋＨｚの周波数で、パルスレーザビームが出射する。パルスレーザビームは、たとえば直径０．６ｍｍの円形の貫通孔２ａを有するマスク２で断面形状を円形に整形される。この時、前述のように、ｎ次回折光（ｎ＝０、１、２、・・・）が生じる。
【００１５】
マスク２の貫通孔２ａを透過したパルスレーザビームは、たとえば直径４ｍｍの円形の貫通孔３ａを有するアパーチャ３に入射する。マスク２とアパーチャ３との間の光路長は、たとえば約１５００ｍｍである。パルスレーザビームは、アパーチャ３の貫通孔３ａを透過する。アパーチャ３は、貫通孔３ａの縁の部分によって、貫通孔３ａを透過するレーザビームから、ある次数以上の高次回折光を除去（カット）する。たとえば２次回折光及びそれ以上のすべての高次回折光を除去するように貫通孔３ａの大きさ（穴径）を設定しておく。
【００１６】
アパーチャ３によって２次回折光及びそれ以上の高次回折光を除去されたパルスレーザビームは、フィールドレンズ４に入射する。フィールドレンズ４は、たとえば直径が３０ｍｍである円形の凸レンズであり、焦点距離は、たとえば２２５０ｍｍである。マスク２とフィールドレンズ４との間の光路長は、たとえば２２５０ｍｍである。
【００１７】
フィールドレンズ４を出射したパルスレーザビームは、反射ミラー５で反射され、ガルバノスキャナ６に入射する。ガルバノスキャナ６は、揺動可能な２枚のガルバノミラーを含んで構成され、レーザビームを２次元方向に走査する。ガルバノスキャナ６で走査されたパルスレーザビームは、ｆθレンズ７を透過して、ステージ９上に保持された加工対象物８に入射する。ｆθレンズ７の焦点距離は、たとえば１５０ｍｍである。ｆθレンズ７と加工対象物８とは、その間の光路長が１５０ｍｍとなるように配置される。
【００１８】
フィールドレンズ４及びｆθレンズ７は、マスク２の貫通孔２ａを加工対象物８上に結像させる。加工対象物８は、たとえば図７に示したようなプリント配線基板である。樹脂層３２の表面にパルスレーザビームを入射させて、樹脂層３２を貫通し、金属層３１の表面を露出させる穴を形成する。たとえば７０ショットのパルスレーザビームを樹脂層３２上の同一位置に入射させることにより、１つの穴を形成する。穴の開口の形状は、たとえば直径５０μｍの円形である。
【００１９】
図２（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、パルスレーザビームの１パルス当たりのパルスエネルギ密度の分布を、ビーム断面の中心を通る線に沿って表した概略的なグラフである。
【００２０】
図２（Ａ）は、レーザ光源１から出射後、マスク２に入射する前のレーザビームのパルスエネルギ密度の分布を示す。レーザ光源１から出射したパルスレーザビームは、ビーム断面の中央部でパルスエネルギ密度が高く、周辺部に向かうにつれてパルスエネルギ密度が低くなるガウス分布を示す。
【００２１】
図２（Ｂ）は、マスク２を出射した直後のレーザビームのパルスエネルギ密度の分布を示す。マスク２によって、図２（Ａ）のガウス分布を示すエネルギ密度の裾の部分が除去されている。
【００２２】
図２（Ｃ）は、マスク２を出射後、アパーチャ３に入射する直前のレーザビームのパルスエネルギ密度の分布を示す。ビームが貫通孔２ａで整形される際の回折効果により、ｎ次回折光（ｎ＝０、１、２、３、・・）による強度の強い部分が、円形のビーム断面の中心を中心とする同心円状に、次数が大きくなるにつれて、順に、パルスレーザビームの断面中央部から周辺部に向かって発生する。回折光のパルスエネルギ密度は、次数の増加に従い、小さくなる。なお、図２（Ｃ）には、回折光のうち、０次回折光２０から６次回折光２６までを示した。
【００２３】
図２（Ｄ）は、アパーチャ３を透過した直後のレーザビームのパルスエネルギ密度の分布を示す。アパーチャ３によって、２次回折光２２及びそれ以上の高次回折光が除去され、０次回折光２０及び１次回折光２１のみが、アパーチャ３の貫通孔３ａを透過する。
【００２４】
本願発明者は、アパーチャ３によって、２次回折光２２及びそれ以上の高次回折光を除去したパルスレーザビームを、加工対象物８の樹脂層３２に入射させ、複数の穴を開ける穴開け加工を行った。樹脂層３２には、真円度が１００％に近い円形の開口部を有する加工穴を開けることができた。また、形成された複数の穴は、穴径のばらつきの小さい穴であった。
【００２５】
更に、本願発明者は、アパーチャ３の貫通孔３ａの大きさ（円形の貫通孔３ａの直径）を変え、アパーチャ３によって除去される高次回折光の範囲を変化させて、樹脂層３２に形成される円形の加工穴について、真円度を調べた。また、形成される加工穴の穴径のばらつきについても調べた。
【００２６】
図３は、アパーチャ径（アパーチャ３の円形の貫通孔３ａの直径）を変化させたときに形成される加工穴の真円度の変化を示すグラフである。横軸は、アパーチャ径を単位「ｍｍ」で示し、縦軸は、真円度を「％」で示す。アパーチャ径は６ｍｍから２０ｍｍの範囲で変化させた。アパーチャ径が６ｍｍのときは、４次回折光及びそれ以上の高次回折光が除去され、０次回折光から３次回折光までがアパーチャ３の貫通孔３ａを透過した。アパーチャ径が２０ｍｍのときは、１１次回折光及びそれ以上の高次回折光が除去され、０次回折光から１０次回折光までがアパーチャ３の貫通孔３ａを透過した。アパーチャ３によって高次回折光の一部を除去されたパルスレーザビームを樹脂層３２に入射させて、樹脂層３２を貫通する円形の加工穴を、各アパーチャ径に対して１００個形成し、それらの加工穴の真円度の平均を、真円度としてグラフに示した。
【００２７】
アパーチャ径が８ｍｍ以下のとき、すなわち、５次以上の高次回折光が除去され、０次回折光から４次回折光までが透過するアパーチャ径以下のアパーチャ径で、真円度の向上が見られる。アパーチャ径が小さくなるほど、真円度は高くなる。５次以上の高次回折光を除去したパルスレーザビームを用いて樹脂層３２に穴を開ける場合、穴の真円度は、９２．５％以上９７．５％未満である。
【００２８】
したがって、レーザ加工を行う際には、５次回折光及びそれ以上の高次回折光を除去することが好ましい。また、除去する高次回折光の次数を低くするほど好ましい。更に、高い真円度を得るためには、２次回折光及びそれ以上の高次回折光を除去することが最も好ましい。
【００２９】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、樹脂層３２に形成された穴の穴径を、樹脂層３２上に画定された直交する２方向（Ｕ方向及びＶ方向）に沿って計測した結果を示す穴径分布図である。図４（Ａ）は、アパーチャ径が６ｍｍのときの穴径分布を示し、図４（Ｂ）は、アパーチャ径が２０ｍｍのときのそれを示す。両図ともに、横軸は、Ｕ方向に沿う穴径を単位「μｍ」で表し、縦軸は、Ｖ方向に沿う穴径を単位「μｍ」で表す。
【００３０】
アパーチャ径を６ｍｍにして穴を形成した方が、２０ｍｍのアパーチャ径で穴を形成するよりも、真円度の高い穴を形成できることが理解されるとともに、形成される複数の穴の穴径のばらつきを小さくできることがわかる。アパーチャ径を小さくし、より低次の回折光までを除去することにより、穴径のばらつきを改善し、形成される穴の穴径を均一に近づけることができる。
【００３１】
このように、レーザビームの断面の一部を遮光してビーム断面を整形する際に生じたある次数以上の高次回折光を含まないレーザビームを用いて、加工対象物８上にマスク２の貫通孔２ａを結像させるイメージング加工を行うことにより、高品質の穴開け加工等のレーザ加工を実現することができる。
【００３２】
図５は、第２の実施例によるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の概略図である。図１に示した、第１の実施例によるレーザ加工装置に、新たに、マスク径可変機構２ｂ、アパーチャ径可変機構３ｂ及び制御装置１０が加入されている。
【００３３】
マスク径可変機構２ｂは、マスク２の円形の貫通孔２ａの大きさ（直径）を変えることができる。アパーチャ径可変機構３ｂは、アパーチャ３の円形の貫通孔３ａの大きさ（直径）を変え、除去される高次回折光の範囲を変えることができる。
【００３４】
たとえばプリント配線基板である加工対象物８の樹脂層３２に、異なる大きさの穴を形成しようとする場合に、マスク径可変機構２ｂにより、マスク径（マスク２の円形の貫通孔２ａの直径）を変更する。マスク径の変更に応じ、マスク２の貫通孔２ａで断面を整形されるレーザビームにおいて、ｎ次回折光（ｎ＝０、１、２、３、・・・）の進行方向が変化する。したがって、アパーチャ３の設置位置や貫通孔３ａの大きさ（アパーチャ径）に変更を加えない場合、たとえばアパーチャ３の貫通孔３ａを透過するレーザビームのパルスエネルギが変化したり、透過する回折光の次数が変化し、均質な加工性で加工を行うことができない。
【００３５】
アパーチャ径可変機構３ｂを用いて、アパーチャ径を変更する。アパーチャ径は、たとえば、マスク径の変更に伴い、レーザビームの断面の大きさが変化しても、除去される高次回折光の次数が一定となるように（マスク径変更前と等しくなるように）、ある次数以上の高次回折光を除去する値に変更される。
【００３６】
制御手段１０は、たとえば、マスク２の貫通孔２ａの大きさ（整形されるレーザビーム断面の大きさ）が変化しても、除去される高次回折光の次数が一定となるように、アパーチャ径可変機構３ｂを制御する。
【００３７】
マスク径の変更に従って、アパーチャ径を変化させることにより、マスク径の変更（樹脂層３２に形成される穴の穴径の変更）に伴う加工品質の変化を低減し、高品質のレーザ加工を行うことができる。
【００３８】
第１及び第２の実施例においては、貫通孔２ａを有するマスク２で断面の大きさを整形し、その際に生じた回折光をアパーチャ３で除去する場合を考えた。また、たとえばフィールドレンズ４の有効径を調節することによって、高次回折光を除去してもよい。
【００３９】
更に、加工対象物上に結像されるビーム断面の形状は円でなくとも、任意の形状でよい。断面の整形に当たって生じた回折光の一部を含まないレーザビームを用いてイメージング加工を行うことにより、結像されるビーム断面の形状をよりよく反映させ、加工品質を向上させることができる。
【００４０】
なお、第１及び第２の実施例では穴開け加工を例として説明を行ったが、実施例によるレーザ加工方法は、溝形成加工等にも適用することができる。
【００４１】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、真円度や穴径の均一性を向上させることのできるレーザ加工方法、及び、レーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例によるレーザ加工方法に使用するレーザ加工装置の概略図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、パルスレーザビームの１パルス当たりのパルスエネルギ密度の分布を、ビーム断面の中心を通る線に沿って表した概略的なグラフである。
【図３】アパーチャ径を変化させたときに形成される加工穴の真円度の変化を示すグラフである。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、樹脂層に形成された穴の穴径を、樹脂層上に画定された直交する２方向（Ｗ方向及びＺ方向）に沿って計測した結果を示す穴径分布図である。
【図５】第２の実施例によるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の概略図である。
【図６】従来の、レーザビームを用いた穴開け加工に使用されるレーザ加工装置の概略図である。
【図７】加工対象物を示す概略的な断面図である。
【図８】（Ａ）は、マスクの貫通孔で円形に整形されたパルスレーザビーム断面の回折像を示す概略図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線に沿って、パルスレーザビームの１パルス当たりのパルスエネルギ密度の分布を表した概略的なグラフである。
【図９】加工対象物に入射した複数ショットのパルスレーザビームで、樹脂層３２に形成された（略）円形の穴を示す概略的な平面図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ マスク
２ａ 貫通孔
２ｂ マスク径可変機構
３ アパーチャ
３ａ 貫通孔
３ｂ アパーチャ径可変機構
４ フィールドレンズ
５ 反射ミラー
６ ガルバノスキャナ
７ ｆθレンズ
８ 加工対象物
９ ステージ
１０ 制御装置
２０ ０次回折光
２１ １次回折光
２２ ２次回折光
２３ ３次回折光
２４ ４次回折光
２５ ５次回折光
２６ ６次回折光
３０ 基板
３１ 金属層
３２ 樹脂層

Claims (11)

1. （ａ）レーザビームの断面の一部を遮光して、該レーザビームの断面形状を整形する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）で生じたある次数以上の高次回折光を含まないレーザビームを、前記工程（ａ）で整形された断面形状が加工対象物上に結像するように、前記加工対象物上に入射させる工程と
   を有するレーザ加工方法。
2. 前記工程（ａ）が、貫通孔を有するマスクの貫通孔でレーザビームの断面形状を整形する工程とを含む請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記工程（ｂ）が、更に、
   （ｃ）前記工程（ａ）で断面形状を整形されたレーザビームから、前記工程（ａ）で生じたある次数以上の高次回折光を除去する工程
   を含み、
   前記工程（ｃ）である次数以上の高次回折光を除去されたレーザビームを、前記加工対象物に入射させる請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記工程（ｃ）において、前記工程（ａ）で整形されるレーザビームの断面の大きさが変化しても、除去される高次回折光の次数が一定となるように、ある次数以上の高次回折光を除去する請求項３に記載のレーザ加工方法。
5. 前記工程（ｃ）において、２次回折光及びそれ以上の高次回折光を除去する請求項３または４に記載のレーザ加工方法。
6. 前記工程（ｃ）において、５次回折光及びそれ以上の高次回折光を除去する請求項３または４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
7. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザビームの断面形状を整形する貫通孔を有するマスクと、
   前記マスクの貫通孔で整形されたレーザビームから、前記マスクの貫通孔で整形する際に生じるある次数以上の高次回折光を除去する回折光除去手段と、
   前記回折光除去手段で、ある次数以上の高次回折光を除去されたレーザビームを、前記マスクの貫通孔の形状が加工対象物上に結像するように、前記加工対象物上に入射させる結像レンズと
   を有するレーザ加工装置。
8. 更に、前記回折光除去手段により除去される高次回折光の範囲を変えることのできる回折光除去範囲可変機構を有する請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 更に、前記マスクの貫通孔の大きさが変化しても、前記回折光除去手段により除去される高次回折光の次数が一定となるように、前記回折光除去範囲可変機構を制御する制御機構を有する請求項８に記載のレーザ加工装置。
10. 前記回折光除去手段は、２次回折光及びそれ以上の高次回折光を除去する請求項７〜９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
11. 前記回折光除去手段は、５次回折光及びそれ以上の高次回折光を除去する請求項７〜９のいずれかに記載のレーザ加工装置。

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