JP2005205469A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内径が深さ方向に３段階以上変化する凹部を形成することが容易なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置は、レーザビームを出射するレーザ光源１と、レーザ光源１から出射したレーザビームを、第１のレーザビームと第２のレーザビームとに分岐させ、第１及び第２のレーザビームの強度比を変化させることができる分岐器２と、分岐器２から出射した第１及び第２のレーザビームが入射し、第１及び第２のレーザビームを、同一の光軸に沿って進行するように合成する合成器６と、第１のレーザビームの、分岐器２から合成器６までの光路上に配置され、第１のレーザビームの断面の大きさ及び形状及びビーム断面内の強度分布のうち少なくとも１つを変化させる光学装置５ａ、５ｂと、分岐器２を制御し、第１及び第２のレーザビームの強度比を、少なくとも３段階または連続的に変化させる制御装置３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、特に、レーザ光源から出射したレーザビームの断面の大きさまたは形状または断面内の強度分布の調節を行って、加工対象物にレーザビームを照射することができるレーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法に関する。

レーザビームは、加工対象物に穴を形成する加工装置等に用いられている。被加工面に形成される穴の内径は、照射するレーザビームの直径に応じて変えることができる。レーザビームの直径は、例えばアパーチャにより調節することができる。２種類の直径のレーザビームを加工対象物に照射することができるレーザ加工装置が、特許文献１に記載されている。以下、同文献記載のレーザ加工装置について説明する。

レーザ光源から出射したレーザビームが、ビーム方向変換素子に入射する。ビーム方向変換素子は、例えば可動式ミラーや音響光学変調素子からなり、入射したレーザビームが、第１の光路に沿って出射する状態と、第２の光路に沿って出射する状態とを切り替える。第２の光路中に、偏光方向回転素子が配置され、偏光方向を制御する。第１及び第２の光路中に、それぞれ、ビーム直径を調節するアパーチャ等が配置されている。第１及び第２の光路をそれぞれ通過したレーザビームのビーム直径が互いに異なるように調節される。

第１及び第２の光路が交差する位置にポーラライザが配置されている。第１の光路を経てポーラライザに入射したレーザビームが、ポーラライザを透過し、第２の光路を経てポーラライザに入射したレーザビームが、ポーラライザで反射される。ポーラライザから出射したレーザビームが、加工対象物に照射される。ビーム方向変換素子を用いて、レーザ光源から出射したレーザビームが、第１及び第２の光路のうち、どちらを通過するか切り替えることにより、加工対象物に照射されるレーザビームの直径を変えることができる。

なお、以下に説明するように、特許文献２にも、ほぼ同様なレーザ加工装置が記載されている。レーザ光源を出射したレーザビームが、音響光学偏向器に入射する。音響光学偏向器は、レーザビームが、第１の光路に沿って出射する状態と、第２の光路に沿って出射する状態とを切り替える。第１及び第２の光路中に、それぞれ、ビーム断面内の強度分布を調節するビーム整形ユニット、アパーチャ等が配置される。第１及び第２の光路が交差する位置に偏光ビームスプリッタが配置され、偏光ビームスプリッタから出射したレーザビームが、加工対象物に照射される。特許文献２に記載されたレーザ加工装置では、レーザ光源から出射したレーザビームが、第１及び第２の光路のうち、どちらを通過するか切り替えることにより、加工対象物に照射されるレーザビームの直径や断面内の強度分布を変えることができる。

特開２００２−３５９７９号公報 特開２００２−３３５０６３号公報

特許文献１及び２に記載されたレーザ加工装置は、レーザビームが第１または第２の光路を通過する２つの状態を切り替える。よって、このようなレーザ加工装置では、例えば加工対象物に照射するレーザビームの直径が、２段階に切り替わる。このようなレーザ加工装置を用いれば、細い直径のレーザビームで深い凹部を形成し、同一の被加工点に太い直径のレーザビームで浅い凹部を形成することにより、内径が深さ方向に２段階に変化する凹部を形成することができる。しかし、内径が深さ方向に３段階以上変化する凹部を形成することは容易ではない。

ところで、銅層に樹脂層が積層された加工対象物にレーザビームを照射して、樹脂層を除去し、底面に銅層が露出した凹部を形成する加工を行うとき、レーザビームにより除去された樹脂層が、加工対象物表面の凹部の開口近傍に付着し、開口の縁が盛り上がった形状になることが起こる。樹脂層の表面から銅層までの導通を確保するため、加工対象物表面に導電性ペーストを塗布して、形成された凹部に導電性ペーストを充填しようとするとき、凹部の開口近傍にこの付着物（デブリ）が存在すると、導電性ペーストの充填が阻害される。

本発明の一目的は、内径が深さ方向に３段階以上変化する凹部を形成することが容易なレーザ加工装置を提供することである。

本発明の他の目的は、加工対象物にレーザビームを照射して凹部を形成したとき、形成された凹部の開口近傍において、加工対象物表面の平坦性が悪化することを抑制できるレーザ加工方法及びそれに用いられるレーザ加工装置を提供することである。

本発明の第１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したレーザビームを、第１のレーザビームと第２のレーザビームとに分岐させ、該第１及び第２のレーザビームの強度比を変化させることができる分岐器と、前記分岐器から出射した第１及び第２のレーザビームが入射し、該第１及び第２のレーザビームを、同一の光軸に沿って進行するように合成する合成器と、前記第１のレーザビームの、前記分岐器から前記合成器までの光路上に配置され、該第１のレーザビームの断面の大きさ及び形状及びビーム断面内の強度分布のうち少なくとも１つを変化させる光学装置と、前記分岐器を制御し、前記第１及び第２のレーザビームの強度比を、少なくとも３段階または連続的に変化させる制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。

本発明の第２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したレーザビームを、第１のレーザビームと第２のレーザビームとに分岐させ、該第１及び第２のレーザビームの強度比を変化させることができる分岐器と、前記分岐器から出射した第１及び第２のレーザビームが入射し、該第１及び第２のレーザビームを、同一の光軸に沿って進行するように合成する合成器と、前記第１のレーザビームの、前記分岐器から前記合成器までの光路上に配置され、該第１のレーザビームの直径を変化させる光学装置と、前記合成器から出射したレーザビームが入射するように配置され、ビーム断面内の強度分布がガウス分布で第１のビーム直径を有するレーザビームが入射した場合は、ビーム断面内の強度分布を、強度がビーム断面内で一定である分布に近づけ、ビーム断面内の強度分布がガウス分布で該第１のビーム直径よりも太い第２のビーム直径を有するレーザビームが入射した場合は、ビーム断面内の強度分布を、強度がビーム断面の周辺で高く、ビーム断面の中心で低い分布にする該強度分布調節器とを有するレーザ加工装置が提供される。

第１の観点により提供されるレーザ加工装置が有する分岐器から出射する第１及び第２のレーザビームの強度比を、例えば３段階に変えることにより、例えばレーザビームの断面の大きさを３段階に変えて、加工対象物に照射することができる。加工対象物に照射するレーザビームの断面の大きさを、２段階に変えるレーザ加工装置と比べて、このレーザ加工装置は、自由度の高い加工を行うことができる。例えば、内径が深さ方向に３段階に変化するステップビアの形成が、容易に行われる。また、例えば以下に説明するように、このレーザ加工装置を、レーザビームで加工される素材からなる第１の層と、第１の層の表面に積層された樹脂からなる第２の層とを含み、第２の層の表面へレーザビームを照射したとき、レーザビームの一部が第２の層を透過して、第１の層の表面に到達する加工対象物に凹部を形成する加工に用いることができる。

第２の層の表面へ、直径が充分に細い第１のレーザビームを照射し、第２の層を貫通し、第１の層の少なくとも表層が除去された凹部を形成する。その後、加工対象物表面に照射するレーザビームを太くしながら、凹部の内径を拡大することができる。凹部の内径を拡大するレーザビームの照射時に、除去される第１の層が、第１のレーザビームの照射で形成された凹部を通り道として加工対象物の外部に放出されるので、第１の層の加工に伴い第２の層が持ち上げられて、凹部の開口近傍に付着することが起こりにくい。凹部の開口近傍の、第２の層の表面の平坦性が悪化することが抑制される。

第２の観点により提供されるレーザ加工装置が有する光学装置により、合成器に入射する第１及び第２のレーザビームの直径を互いに異ならせることができる。分岐器から出射する第１及び第２のレーザビームの強度比を変化させることにより、強度分布調節器に入射するレーザビームの直径を変化させることができる。このレーザ加工装置は、例えば以下のような加工に用いることができる。強度がビーム断面内で一定である分布に近づけたレーザビームを、樹脂層を含む加工対象物に照射して、凹部を形成することができる。このとき、除去された樹脂層の一部が、凹部の開口近傍に付着して、デブリが生じる。次いで、強度がビーム断面の周辺で高く、ビーム断面の中心で低い分布にされたレーザビームを、該凹部が形成された被加工点に照射することにより、凹部の開口近傍に付着したデブリに、強度の高い部分を照射して、デブリを除去することができる。凹部の開口近傍の、樹脂層表面が平坦化される。

図１は、本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。例えばＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ等のレーザ光源１が、偏光ビームスプリッタ２ｂに対するＰ波となるパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１から出射したレーザビームが、電気光学変調素子２ａに入射する。

電気光学変調素子２ａは、印加電圧に応じて１軸方向の屈折率が変化する結晶を含む。印加電圧を変化させることにより、該結晶を透過したレーザビームの偏光状態を変える（Ｐ成分とＳ成分の強度比を変化させる）ことができる。例えば、電圧を印加しない（印加電圧がゼロの）ときは、電気光学変調素子２ａを出射したレーザビームがＰ成分のみを含み、第１の電圧を印加したときは、Ｓ成分のみを含み、ゼロから第１の電圧までの中間の電圧を印加したときは、Ｓ成分とＰ成分とをともに含むようにできる。電気光学変調素子２ａから出射したレーザビームが含むＳ成分とＰ成分の強度比は、印加電圧に応じて任意の値となるよう調節できる。なお、電気光学変調素子は、ＥＯＭ（Electro OpticModulator）とも呼ばれる。

電気光学変調素子２ａに印加する電圧の大きさ及びタイミングを、制御装置３が制御する。例えば、レーザ光源１から出射するパルスレーザビームの繰り返し周波数が１００ｋＨｚとすると、パルス周期は１０μｓである。電気光学変調素子２ａの応答速度はｎｓオーダであり、パルス周期より充分に短い。よって、電気光学変調素子２ａから出射するレーザビームのＳ成分とＰ成分の強度比を、必要に応じて、１パルスごとに制御することができる。

電気光学素子２ａから出射したレーザビームが、偏光ビームスプリッタ２ｂに入射する。偏光ビームスプリッタ２ｂに入射したＰ成分はそのまま透過して、折り返しミラー４ａに入射し、偏光ビームスプリッタ２ｂに入射したＳ成分は反射されて、折り返しミラー４ｂに入射する。電気光学変調素子２ａと偏光ビームスプリッタ２ｂとを含んで、ビーム分岐器２が構成される。ビーム分岐器２により、レーザ光源から出射したレーザビームを、互いに異なる２つの進行方向に進行する２本のレーザビームに分岐させ、これら２本のレーザビームの強度比を調節することができる。

偏光ビームスプリッタ２ｂから出射し、折り返しミラー４ａで反射されたＰ波と、偏光ビームスプリッタ２ｂから出射し、折り返しミラー４ｂで反射されたＳ波とは、それぞれ、レーザビームの断面の大きさを調節するビーム整形器５ａ及び５ｂに入射する。ビーム整形器５ａ及び５ｂとして、例えば、ビーム断面を拡大または縮小させるビームエキスパンダが用いられる。ビーム整形器５ａから出射したレーザビームの断面の大きさと、ビーム整形器５ｂから出射したレーザビームの断面の大きさとが、互いに異なる。

ビーム整形器５ａ及び５ｂからそれぞれ出射したレーザビームが、偏光ビームスプリッタ６に入射する。偏光ビームスプリッタ６は、ビーム整形器５ａから入射したＰ波をそのまま透過させ、ビーム整形器５ｂから入射したＳ波を反射する。偏光ビームスプリッタ６から出射した２本のレーザビームが、同一の光軸上に重畳される（合成される）。

図１（Ｂ）は、ビーム整形器５ａ及び５ｂから出射したレーザビームの断面内の強度分布の一例を示すグラフである。上段及び下段のグラフが、それぞれ、ビーム整形器５ａ及び５ｂから出射したレーザビームに対応する。両レーザビームの強度分布は、ガウス分布で近似される。レーザビームの直径は、例えば強度分布の半値全幅で定義できる。ビーム整形器５ａから出射したレーザビームの半値全幅が、ビーム整形器５ｂから出射したレーザビームの半値全幅より細い（ビーム整形器５ａから出射したレーザビームの直径が、ビーム整形器５ｂから出射したレーザビームのそれより細い）。

図１（Ｃ）は、偏光ビームスプリッタ６で合成されたレーザビームの断面内の強度分布を示すグラフである。強度分布Ｌａ〜Ｌｆは、それぞれ、ビーム整形器５ａから出射したレーザビームとビーム整形器５ｂから出射したレーザビームの強度比（ビーム分岐器２から出射したＰ成分とＳ成分の強度比）が、１０対０、８対２、６対４、４対６、２対８、０対１０の場合に対応する。

偏光ビームスプリッタ６から出射するレーザビームの強度は、ビーム整形器５ａ及び５ｂから出射したレーザビームの強度の和となる。強度分布Ｌａが、図１（Ｂ）の上段の強度分布に対応し、強度分布Ｌｆが、図１（Ｂ）の下段の強度分布に対応する。強度分布Ｌａ〜Ｌｆのうち、強度分布Ｌａの半値全幅が最も細く、強度分布Ｌｆの半値全幅が最も太い。偏光ビームスプリッタ６で合成されたレーザビームの断面内の強度分布は、ガウス分布で近似することができる。

ビーム分岐器２から出射したＳ成分が増加するにつれ（ビーム分岐器２から出射したＰ成分が減少するにつれ、偏光ビームスプリッタ６で合成されたレーザビームの強度分布が、強度分布Ｌａに近い形状から強度分布Ｌｆに近い形状に変化し、その半値全幅（レーザビームの直径）が太くなる。

このように、図１（Ａ）に示すレーザ加工装置を用いれば、ビーム分岐器２から出射するＳ成分とＰ成分との強度比を調節して、強度分布Ｌａに対応するビーム直径から、強度分布Ｌｆに対応するビーム直径まで、任意の太さのレーザビームを得ることができる。レーザビームの太さを連続的に太くする（または、細くする）こともできる。

図１（Ａ）に戻って説明を続ける。偏光ビームスプリッタ６から出射したレーザビームが、折り返しミラー１５及び折り返しミラー８で反射され、ガルバノスキャナ９に入射する。ガルバノスキャナ９は、レーザビームの進行方向を２次元方向に振ることができる。ガルバノスキャナ９から出射したレーザビームが、ｆθレンズ１０で収束され、ＸＹステージ１２に保持された加工対象物１１に入射する。

ｆθレンズ１０により、偏光ビームスプリッタ６のレーザビームの出射位置のビーム断面が、加工対象物１１の表面に結像する。偏光ビームスプリッタ６から出射するレーザビームの直径を調節することにより、加工対象物１１の表面に入射するレーザビームの直径が調節される。

ガルバノスキャナ９でレーザビームの進行方向を振ることにより、被加工面上のビーム入射位置が移動する。なお、ガルバノスキャナ９で、レーザビームの進行方向を振らずに、ＸＹステージ１２で加工対象物１１を移動させることにより、被加工面上のビーム入射位置を移動させても構わない。

次に、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）を参照し、図１（Ａ）に示したレーザ加工装置を用いて、内径が深さ方向に段階的に細くなる形状の凹部（ステップビア）を形成する方法について説明する。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、加工対象物１１の断面図である。図２（Ａ）に示すように、絶縁性の基板２０の表面に、銅層２１が形成されている。基板２０の表面に、銅層２１を覆って、樹脂層２２が形成されている。なお、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）には、銅層２１とその表面上の樹脂層２２のみを示す。以下の説明で、凹部の深さは、樹脂層２２の表面からの深さである。

図２（Ａ）に示すように、加工対象物１１に第１の直径のレーザビームを照射して、銅層２１の表面が露出しない第１の深さで、第１の内径を有する凹部２３ａを形成する。次に、図２（Ｂ）に示すように、凹部２３ａの底面に、第１の直径より細い第２の直径のレーザビームを照射して、底面に銅層２１が露出する第２の深さで、第１の内径より細い第２の内径を有する凹部２３ｂを形成する。このようにして、第１の深さまでは第１の内径を有し、第１の深さから銅層２１が露出する底面までは第２の内径を有する凹部２３ｃが形成される。なお、凹部２３ｂを形成した後に、凹部２３ａを形成することにより、凹部２３ｃを形成することもできる。

図２（Ｃ）に示すように、深さ方向に内径が３段階に細くなる凹部２３ｄを形成することもできる。図２（Ｂ）を参照して説明した工程で、第２の直径のレーザビーム照射により形成する第２の内径の凹部の深さを、底面に銅層２１が露出しない第３の深さとする。さらに、この第２の内径の凹部の底面に、第２の直径より細い第３の直径のレーザビームを照射して、底面に銅層２１が露出する深さで、第２の内径より細い第３の内径を有する凹部を形成すればよい。このように、３種の内径及び深さを有する凹部を形成することにより、凹部２３ｄを形成することができる。

上述の説明では、浅く太い凹部ほど先に形成したが、深く細い凹部ほど先に形成してもよい。凹部を形成する順序はこれ以外でも構わない。なお、深さ方向に内径が４段階以上変化する凹部も、同様な工程により形成することができる。

図１（Ａ）に示したレーザ加工装置を用いれば、ステップビアを１つ形成するために必要な、複数種類の内径及び深さを有する凹部を形成する工程を、レーザビームの太さを変えながら、連続的に行うことができる。これにより、ステップビアを１つ形成するとき、ガルバノスキャナの位置合わせが１回で済む。比較のため、被加工面上のすべての被加工点について、ある内径及び深さの凹部を形成した後、他の内径及び深さの凹部を形成する順序で、ステップビアを形成する場合を考える。この場合、１つのステップビアを形成するための、ガルバノスキャナの位置合わせが、複数回必要となる。

ステップビアの開口の直径が、例えば５０μｍ程度であるのに対し、ガルバノスキャナの位置合わせの誤差は、例えば１０μｍ程度である。よってガルバノスキャナの位置合わせを複数回行って、１つのステップビアを形成しようとするとき、形成される複数種類の内径及び深さの凹部のそれぞれの中心を、互いに一致させることが困難となる。一方、上述の方法を用いれば、ガルバノスキャナの位置合わせが１回で済むので、これらの凹部の中心が、互いに一致する。

次に、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）を参照して、図１（Ａ）に示したレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の他の例を説明する。図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は加工対象物１１の断面図を示す。図３（Ａ）に示すように、絶縁性の基板２０ａの表面に、銅層２１ａが形成されている。基板２０ａの表面に、銅層２１ａを覆って、液晶ポリマー（ＬＣＰ）からなる層２４ａが形成されている。層２４ａの表面上に、接着剤からなる層２４ｂを介して、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる層２５が接着されている。以下では、層２４ａ及び２４ｂをまとめて、層２４と呼ぶ。層２０ａ、層２４ａ、層２４ｂ、層２５の厚さは、それぞれ、例えば１００〜４００μｍ、５０μｍ、１０μｍ、５０μｍ程度である。なお、図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）には、銅層２１ａとその表面上の層２４及び層２５のみを示す。

加工対象物１１の表面に（層２５の表面に）、レーザビームを照射して、層２５及び層２４を除去し、底面に銅層２１ａが露出した凹部を形成することを考える。例えば、ＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）またはＹＬＦレーザの第３高調波（波長３４９ｎｍ）を照射したとき、ポリエチレンテレフタレートからなる層２５が、照射されたレーザビームの一部を透過させ、透過したレーザビームが、接着剤と液晶ポリマーからなる層２４に到達することが起こる。このような場合、層２５と層２４の双方にレーザビームが照射されて、両層の加工が同時に進行する。

図３（Ｄ）を参照して、このような加工対象物に凹部を形成する従来の方法と、それに伴って生じる問題について説明する。従来の方法では、形成したい凹部の内径と一致する太さのレーザビームを、加工対象物１１に照射する。凹部の内径は、例えば５０〜２００μｍである。上述したように、レーザビームの一部が層２５を透過して、層２４に到達する。これにより、層２５に形成される凹部の底面が層２４の表面に達する前に、層２４の加工が開始する。このとき、層２４の素材が、加工対象物１１の外部に吹き出ようとするため、層２５を持ち上げる。持ち上げられた層２５の一部が、層２５の表面の開口近傍に付着して盛り上がり、デブリ２５ａとなる。

底面に銅層２１ａが露出するまで、層２５及び層２４を除去して、凹部２３ｅが形成される。凹部２３ｅが形成された後、凹部２３ｅに導電性ペーストを充填することにより、層２５の表面から銅層２１ａまでの導通を確保する。凹部２３ｅの開口近傍にデブリ２５ａが存在すると、導電性ペーストの充填の妨げとなる。

なお、実験によれば、層２５を形成するポリエチレンテレフタレートの透過係数は、ＹＬＦレーザの第４高調波（波長２６２ｎｍ）に対しては小さく、ＹＬＦレーザの第４高調波から第３高調波（波長３４９ｎｍ）までの間で急激に上昇する。加工対象物１１にＹＬＦレーザの第４高調波を照射した場合は、レーザビームが層２４まで透過しないため、層２５の加工が先に行われると考えられる。ＹＬＦレーザの第４高調波と第３高調波との間である３００ｎｍ程度以上の波長に対して、上述したような、レーザビームが層２４まである程度透過し、層２４と層２５とが同時に加工されることが起こると考えられる。

なお、波長が長すぎると、照射したレーザビームが、ポリエチレンテレフタレートからなる層２５を透過し、さらに、液晶ポリマーからなる層２４ａもほとんど透過してしまう。このとき、凹部の形成が良好に行われない。照射する波長（の上限）は、液晶ポリマーからなる層２４ａにレーザビームが吸収される程度まで（層２４ａが加工される程度まで）の長さにとどめる。

次に、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）を参照して、加工対象物表面にデブリが生じにくい（または、残りにくい）レーザ加工方法について説明する。加工対象物１１に、まず、細い直径（例えば、形成したい凹部の内径の１／４〜１／３以下の直径）のレーザビームを照射する。このとき、図３（Ｄ）を参照して説明したのと同様に、加工対象物表面にデブリ２５ｂが生じるが、ビーム直径を細くして、照射領域を狭くしたことにより、デブリ２５ｂの量を少なくできる。層２４の表面まで貫通する深さより深い凹部が形成されるまで、直径が細いレーザビームの照射を続ける。

次に、図３（Ｃ）に示すように、図３（Ｂ）を参照して説明した工程で照射したレーザビームより太い直径のレーザビームを照射する。これにより、図３（Ｂ）の工程で形成された凹部の側壁近傍が削られ、凹部の内径が拡大される。このとき、図３（Ｂ）の工程で凹部の開口近傍に生じたデブリ２５ｂも削り取ることができる。

図３（Ｂ）の工程で形成された凹部の深さが層２４まで達しているので、レーザ照射により加工された層２４は、この凹部が通り道となって、加工対象物１１の外部に放出される。よって、層２４の加工に伴い層２５が持ち上げられる現象が起こりにくく、デブリが生じることが抑制される。必要に応じて、さらに太い直径のレーザビームを照射して、凹部の内径を所望の太さまで拡大することができる。なお、加工対象物１１に照射するレーザビームの直径を、１ショットごとに太くなるよう変化させても構わない。

図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）を参照して説明したレーザ加工方法を用いれば、デブリを少なくできるので、凹部形成に伴う加工対象物表面の平坦性の悪化が抑制される。

次に、図４及び図５（Ａ）〜図５（Ｃ）を参照して、第２の実施例によるレーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法について説明する。図４に示すレーザ加工装置は、図１（Ａ）のレーザ加工装置の偏光ビームスプリッタ６からガルバノスキャナ９までの光路上に、強度分布調節器７を追加した構成を有する。ｆθレンズ１０により、強度分布調節器７のレーザビームの出射位置のビーム断面が、加工対象物１１の表面に結像する。なお、以下の説明におけるレーザビームの第１及び第２の直径は、図２を参照して説明したレーザ加工方法における第１及び第２のビーム直径と異なって構わない。

図５（Ａ）を参照して、強度分布調節器７の構成及び作用について説明する。図５（Ａ）は、強度分布調節器７を、それに入射するレーザビームの光軸に直交する視線で見た断面図である。強度分布調節器７は、２枚の非球面レンズであるレンズ７ａ（強度変換レンズ）及びレンズ７ｂ（位相補正レンズ）を含んで構成される。強度分布調節器７は、以下に説明するように、断面内の強度分布がガウス分布で、第１のビーム直径を有するレーザビームが入射したとき、ビーム断面内の強度分布を、強度がビーム断面内で一定である分布（トップフラットな分布）に近づける。

偏光ビームスプリッタ６から出射し、第１のビーム直径を有するレーザビームが、レンズ７ａに入射する。図５（Ａ）の左端のグラフに示すように、入射光のビーム断面内の強度は、ビーム断面の中心で高く、周辺に向かうにつれ低くなる。レンズ７ａは、ビーム断面の中心が入射する部分で薄く、そこからレンズの縁に向かうにつれ厚くなり、ある位置で厚さが最大となり、厚さが最大の位置からさらにレンズの縁に向かうにつれ薄くなる。レンズ７ａが、ビーム断面の中心部分に対し凹レンズとして作用して入射光を拡散させ、ビーム断面の周辺部分に対し凸レンズとして作用して入射光を収束させる。

これにより、レンズ７ａから出射したレーザビームの断面内で、中心部分の強度が相対的に低下し、周辺部分の強度が相対的に上昇する。レンズ７ａから所定距離だけ離れた仮想的な面７ｃにおいて、図５（Ａ）の右端のグラフに示すように、ビーム断面内の強度がほぼ一定となる。

面７ｃを通過した後、レンズ７ａの作用により、ビーム断面の中心部分の光は、さらに拡散し、周辺部分の光は、さらに収束される。よって、面７ｃを通過したレーザビームの断面内で、均一化された強度分布が保たれなくなる。均一化された強度分布が保たれるようにするため、面７ｃの近傍に、レンズ７ｂが配置される。

レンズ７ｂは、ビーム断面の中心が入射する部分で厚く、そこからレンズの縁に向かうにつれ薄くなり、ある位置で厚さが最小となり、厚さが最小の位置からさらにレンズの縁に向かうにつれ厚くなる。レンズ７ｂが、ビーム断面の中心部分に対し凸レンズとして作用して入射光を収束させ、ビーム断面の周辺部分に対し凹レンズとして作用して入射光を拡散させる。これにより、レンズ７ｂから出射したレーザビームが、ビーム断面内でほぼ均一な強度を有する平行光となるようにできる。

次に、図５（Ｂ）を参照して、図５（Ａ）を参照して説明した強度分布調節器７に、断面内の強度分布がガウス分布で、上記第１のビーム直径より太い第２の直径のレーザビームを入射させた場合について説明する。図５（Ｂ）の上段及び下段のグラフは、強度分布調節器７から出射したレーザビームの強度分布を示す。上段が、第１のビーム直径のビームを入射させた場合であり、上述したように、ビーム断面内の強度はほぼ均一である。下段が、第２の直径のビームを入射させた場合であり、強度はビーム断面の周辺部分で高く、ビーム断面の中心部分で低い。下段に示すビームは、上段に示すビームよりやや太い。

上述したように、レンズ７ａは、入射光の断面の周辺部分に対して凸レンズとして作用する。レンズ７ａに入射するレーザビームの直径が第１の直径より大きくなると、レンズ７ａの凸レンズとして作用する領域へ入射する光の強度が上昇する。これにより、面７ｃにおいて、ビーム断面の周辺部分に収束される光の強度が上昇し、ビーム断面の中心部分の強度より高くなる。強度分布調節器７に第２の直径のビームを入射させた場合、このようにして、図５（Ｂ）の下段に示したような強度分布が得られる。

次に、図５（Ｃ）を参照して、図４に示したレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の例について説明する。図５（Ｃ）は、加工対象物１１の断面図である。この加工対象物１１は、図２（Ａ）に示した加工対象物１１と同様なものである。

強度分布調節器７に入射するレーザビームの直径を第１の直径とする。上述したように、トップフラットな強度分布のレーザビームが得られる。このレーザビームを樹脂層２２に照射することにより、樹脂層２２を除去して、底面に銅層２１が露出した凹部２３を形成する。強度分布がトップフラットであるため、凹部２３の側壁を急峻にすることが容易である。被加工面上のレーザビームの強度は、樹脂層２２の加工閾値以上で、銅層２１の加工閾値未満とする。これにより、底面に露出した銅層２１が損傷することを抑制できる。凹部２３の形成に伴い、除去された樹脂層２２の一部が、樹脂層２２の表面の凹部２３の開口近傍に付着して、デブリ２２ａが生じる。

後の工程で、凹部２３に導電性ペーストを充填することにより、樹脂層２２の表面から銅層２１までの導通を確保する。凹部２３の開口近傍にデブリ２２ａが存在すると、導電性ペーストの充填の妨げとなる。

凹部２３が形成された後、強度分布調節器７に入射するレーザビームの直径を第２の直径とすることにより、トップフラットな強度分布のビームよりもやや太く、断面内の周辺部分で強度が高く、中心部分で強度が低いレーザビームが得られる。このビームの断面内の周辺部分の強度を、デブリ２２ａが除去できる閾値以上とし、中心部分の強度を、銅層２１の加工閾値未満とする。なお、デブリ２２ａの加工閾値は、樹脂層２２の加工閾値よりやや低い。

このレーザビームを凹部２３が形成された被加工点に照射することにより、ビーム断面内の周辺の強度が高い部分を、デブリ２２ａに照射して、デブリ２２ａを除去することができる。これにより、凹部２３の形成に伴う加工対象物表面の平坦性の悪化が抑制される。凹部２３の底面には、ビーム断面内の中心部分の強度が低い部分が照射されるので、底面の損傷を防止できる。

デブリ２２ａを除去するのに適したビーム直径（上記第２の直径）は、強度分布調節器７に入射するレーザビームの直径を様々な値に変化させながら、テスト加工を行うことにより見つけることができる。図４に示したレーザ加工装置を用いれば、このようなテスト加工を行うことが容易である。

さて、図６に示すように、図１（Ａ）及び図４に示したレーザ加工装置のビーム分岐器２として、音響光学変調素子（Acousto Optic Modulator、ＡＯＭ）を用いることもできる。

レーザ光源１から出射したレーザビームが、音響光学変調素子であるビーム分岐器２に入射する。音響光学変調素子は、音響光学媒体である結晶と、結晶に振動を与える振動子とを含んで構成される。振動子に高周波信号が印加されると、結晶中に高周波信号に同期した音波が発生する。この音波が回折格子として作用し、入射したレーザビームを回折させる。音響光学変調素子を用いることにより、入射したレーザビームを、第１の方向へ進行するビーム（０次回折光）と、第２の方向へ進行するビーム（１次回折光）とに分岐させることができる。音響光学変調素子から出射する２本のレーザビームの強度比は、振動子に印加する高周波信号の強度に応じて変化させることができる。

ビーム分岐器２から出射した２本のレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、偏光面が互いに平行である。ビーム分岐器２から出射したレーザビームＬＢ１が、折り返しミラー４ｂで反射され、ビーム整形器５ｂを透過して、偏光ビームスプリッタ６に入射する。

ビーム分岐器２から出射したレーザビームＬＢ２が、一対の折り返しミラー３１ａ及び３１ｂ（ペリスコープ）で反射される。折り返しミラー３１ａに入射するレーザビームＬＢ２の偏光面と、折り返しミラー３１ａの反射面との相対位置、及び、折り返しミラー３１ａで反射されて折り返しミラー３１ｂに入射するレーザビームＬＢ２の偏光面と、折り返しミラー３１ｂの反射面との相対位置が所定の関係となるよう調節することにより、折り返しミラー３１ａに入射するレーザビームＬＢ２と、折り返しミラー３１ｂから出射したレーザビームＬＢ２の偏光面を、互いに直交させることができる。これにより、折り返しミラー３１ｂから出射したレーザビームＬＢ２の偏光面が、レーザビームＬＢ１の偏光面と直交する。

折り返しミラー３１ｂから出射したレーザビームＬＢ２の光軸は、レーザビームＬＢ１の光軸とねじれの位置にある。折り返しミラー３１ｂから出射したレーザビームＬＢ２を、折り返しミラー３２ａ及び３２ｂで反射させることにより、折り返しミラー３２ｂで反射されたレーザビームＬＢ２の光軸と、レーザビームＬＢ１の光軸とが、同一平面上に配置される。折り返しミラー３２ｂで反射されたレーザビームＬＢ２が、ビーム整形器５ｂを透過して、偏光ビームスプリッタ６に入射する。偏光ビームスプリッタ６が、レーザビームＬＢ１をそのまま透過させ、レーザビームＬＢ１の偏光面と直交する偏光面を持つレーザビームＬＢ２を反射させることにより、両レーザビームが同一光軸上に重畳される。

なお、ビーム分岐器２から偏光ビームスプリッタ６までの光路上に、ビーム整形器５ａ及び５ｂのうち、一方だけ配置しても、偏光ビームスプリッタ６に入射する２本のレーザビームの断面の大きさを互いに異ならせることは可能である。このとき、ビーム分岐器２から偏光ビームスプリッタ６までの光路中にビーム整形器が配置されていない方の光路を通るレーザビームの断面の大きさを、レーザ光源１からビーム分岐器２までの光路中にビーム整形器を配置することによって、調節することもできる。

なお、図１（Ａ）及び図４のビーム整形器５ａ及び５ｂとして、アパーチャを用いることもできる。アパーチャは、遮光領域中に形成された開口を有し、入射したレーザビームの一部がこの開口を透過することにより、レーザビームの断面を開口に対応した大きさにする。

図１（Ａ）に示したレーザ加工装置において、ビーム整形器５ａ及び５ｂとして例えばマスクを用い、ビーム断面の形状を変えるようにしてもよい。例えば、片方のビーム断面が円形となり、他方のビーム断面が矩形となるように整形することにより、円形と矩形が重ね合わされた断面形状のレーザビームを得ることができる。断面形状を、円形から矩形まで次第に変化させることもできる。このようなレーザ加工装置を用いれば、加工対象物に形成する凹部の深さ方向に直交する断面の形状を、例えば凹部ごとに変えることが容易となる。

図１（Ａ）に示したレーザ加工装置において、ビーム整形器５ａ及び５ｂが、ビーム断面内の強度分布を調節するものであってもよい。例えば、片方のビームがガウス分布を有し、他方のビームがトップフラット分布を有するように、両ビームの強度分布を調節する。両ビームの強度比を調節することにより、両強度分布の中間的な強度分布を有するレーザビームを得ることができる。強度分布を、ガウス分布からトップフラット分布まで連続的に変化させることもできる。ビーム整形器５ａ及び５ｂが、ビーム断面の大きさ、形状、強度分布のうち、いくつかを組み合わせて変化させるようにしても構わない。

なお、ビーム整形器５ａ及び５ｂから出射した２本のレーザビームを、偏光ビームスプリッタ６で合成したが、ビーム合成に他の装置を用いることもできる。例えば、シンフィルムポーラライザやグラントムソンプリズムを用いることができる。シンフィルムポーラライザ及びグラントムソンプリズムは、偏光ビームスプリッタと同様に、偏光面が互いに直交する２本のレーザビームを入射させることにより、両ビームを同一光軸上に重畳することができる。

また、ビーム整形器５ａ及び５ｂから出射した２本のレーザビームを、ハーフミラーの表側及び裏側の面にそれぞれ入射させることにより、合成することもできる。ハーフミラーは、表側及び裏側の両面が、入射するレーザビームの偏光状態に依らずに入射光の５０％を透過し５０％を反射するものを用いることができる。ハーフミラーで合成する場合は、入射する２本のレーザビームの偏光面が互いに直交している必要がない。

ハーフミラーの表側の面で反射されたレーザビームと、ハーフミラーの裏側の面を透過したレーザビームとが合成されたビーム（ハーフミラーの表側から出射するビーム）と、ハーフミラーの裏側の面で反射されたレーザビームと、ハーフミラーの表側の面を透過したレーザビームとが合成されたビーム（ハーフミラーの裏側から出射するビーム）とは、相等しい強度である。また、ハーフミラーの表側及び裏側から出射するビームは、それぞれ、ビーム整形器５ａ及び５ｂから出射した２本のレーザビームを等しい強度比で含むので、ビーム断面の大きさ、形状、強度分布等が相等しい。

ハーフミラーを出射した２本のレーザビームを、被加工面上の互いに異なる位置に入射させることにより、２軸のレーザ加工装置を作製できる。両レーザビームの強度並びにビーム断面の大きさ、形状、強度分布等が相等しいので、２つの被加工位置で同一工程の加工を同時に行うことができる。

なお、図１（Ａ）及び図４のレーザ加工装置では、レーザ光源１がパルスレーザビームを出射したが、レーザ光源１は連続波レーザビームを出射するものであってもよい。パルス状のレーザビームの照射が必要な場合は、チョッパ等によりレーザビームを必要な照射時間分だけ切り出すことができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限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自明であろう。

図１（Ａ）は、本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図であり、図１（Ｂ）は、ビーム整形器から出射したレーザビームの断面内の強度分布を示すグラフであり、図１（Ｃ）は、偏光ビームスプリッタで合成されたレーザビームの断面内の強度分布を示すグラフである。 第１の実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の一例を説明するための加工対象物の断面図である。 第１の実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の一例を説明するための加工対象物の断面図である。 第１の実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の一例を説明するための加工対象物の断面図である。 第１の実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の他の例を説明するための加工対象物の断面図である。 第１の実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の他の例を説明するための加工対象物の断面図である。 第１の実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の他の例を説明するための加工対象物の断面図である。 第１の実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の他の例を説明するための加工対象物の断面図である。 第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図５（Ａ）は、強度分布調節器の構成例を示す断面図であり、図５（Ｂ）は、強度分布調節器から出射したレーザビームの断面内の強度分布を示すグラフであり、図５（Ｃ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の一例を説明するための加工対象物の断面図である。 ビーム分岐器の他の構成例を説明するための、レーザ加工装置の一部を示す概略図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ ビーム分岐器
２ａ 電気光学変調素子
２ｂ 偏光ビームスプリッタ
３ 制御装置
４ａ、４ｂ 折り返しミラー
５ａ、５ｂ ビーム整形器
６ 偏光ビームスプリッタ
７ 強度分布調節器
８、１５ 折り返しミラー
９ ガルバノスキャナ
１０ ｆθレンズ
１１ 加工対象物
１２ ＸＹステージ

Claims (10)

1. 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したレーザビームを、第１のレーザビームと第２のレーザビームとに分岐させ、該第１及び第２のレーザビームの強度比を変化させることができる分岐器と、
   前記分岐器から出射した第１及び第２のレーザビームが入射し、該第１及び第２のレーザビームを、同一の光軸に沿って進行するように合成する合成器と、
   前記第１のレーザビームの、前記分岐器から前記合成器までの光路上に配置され、該第１のレーザビームの断面の大きさ及び形状及びビーム断面内の強度分布のうち少なくとも１つを変化させる光学装置と、
   前記分岐器を制御し、前記第１及び第２のレーザビームの強度比を、少なくとも３段階または連続的に変化させる制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記光学装置が、前記第１のレーザビームの断面の大きさを変化させ、前記合成器に入射する前記第１及び第２のレーザビームの断面の大きさが互いに異なり、
   前記制御装置が、前記合成器に入射する第１及び第２のレーザビームのうち、断面が大きい方の強度が時間の経過とともに大きくなるように、該第１及び第２のレーザビームの強度比を変化させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. （ａ）レーザビームで加工される素材からなる第１の層と、該第１の層の表面に積層された樹脂からなる第２の層とを含み、該第２の層の表面へレーザビームを照射したとき、レーザビームの一部が該第２の層を透過して、該第１の層の表面に到達する加工対象物の、該第２の層の表面へレーザビームを照射し、該第２の層を貫通し、該第１の層の少なくとも表層が除去された凹部を形成する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）の後、前記加工対象物に、該工程（ａ）で照射されたレーザビームより太いレーザビームを照射し、該工程（ａ）で形成された凹部の内径を拡大する工程と
   を含むレーザ加工方法。
4. 前記第２の層がポリエチレンテレフタレートで構成され、前記工程（ａ）で照射されるレーザビームの波長が、３００ｎｍ以上である請求項３に記載のレーザ加工方法。
5. 前記第１の層が、表面に金属層が形成された絶縁性の基板の表面に積層されており、前記凹部の底面に該金属層が露出する請求項３または４に記載のレーザ加工方法。
6. レーザ光源から出射したレーザビームを、第１及び第２のレーザビームに分岐させ、該第１及び第２のレーザビームの直径が互いに異なるように調節した後、該第１及び第２のレーザビームが同一の光軸に沿って進行するように合成し、該第１及び第２のレーザビームの強度比を変化させることにより、同一光軸上に合成されたレーザビームの直径を変化させる装置を用いて、前記工程（ａ）及び工程（ｂ）において、レーザビームの直径を調節する請求項３〜５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
7. 前記工程（ｂ）においてレーザビームを照射した後、さらに、該工程（ｂ）で照射されたレーザビームより太いレーザビームを照射して、凹部の内径を拡大する請求項３〜６のいずれかに記載のレーザ加工方法。
8. 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したレーザビームを、第１のレーザビームと第２のレーザビームとに分岐させ、該第１及び第２のレーザビームの強度比を変化させることができる分岐器と、
   前記分岐器から出射した第１及び第２のレーザビームが入射し、該第１及び第２のレーザビームを、同一の光軸に沿って進行するように合成する合成器と、
   前記第１のレーザビームの、前記分岐器から前記合成器までの光路上に配置され、該第１のレーザビームの直径を変化させる光学装置と、
   前記合成器から出射したレーザビームが入射するように配置され、ビーム断面内の強度分布がガウス分布で第１のビーム直径を有するレーザビームが入射した場合は、ビーム断面内の強度分布を、強度がビーム断面内で一定である分布に近づけ、ビーム断面内の強度分布がガウス分布で該第１のビーム直径よりも太い第２のビーム直径を有するレーザビームが入射した場合は、ビーム断面内の強度分布を、強度がビーム断面の周辺で高く、ビーム断面の中心で低い分布にする該強度分布調節器と
   を有するレーザ加工装置。
9. 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したレーザビームを、第１のレーザビームと第２のレーザビームとに分岐させ、該第１及び第２のレーザビームの強度比を変化させることができる分岐器と、
   前記分岐器から出射した第１及び第２のレーザビームが入射し、該第１及び第２のレーザビームを、同一の光軸に沿って進行するように合成する合成器と、
   前記第１のレーザビームの、前記分岐器から前記合成器までの光路上に配置され、該第１のレーザビームの直径を変化させる光学装置と、
   前記合成器から出射したレーザビームの断面の中心部分の光を拡散させ、周辺部分の光を収束させる第１の非球面レンズと、前記第１の非球面レンズから出射したレーザビームの断面の中心部分の光を収束させ、周辺部分の光を拡散させる第２の非球面レンズとからなる強度分布調節器と
   を有するレーザ加工装置。
10. （ａ）第１のレーザビームを加工対象物に照射して、該加工対象物の表面に凹部を形成する工程と、
    （ｂ）第１のレーザビームより太く、強度がビーム断面の周辺で高く、ビーム断面の中心で低い第２のレーザビームを、前記工程（ａ）で形成された凹部の開口近傍に強度の高い部分が照射されるよう、前記加工対象物に入射させて、該凹部の開口近傍に付着したデブリを除去する工程と
    を含むレーザ加工方法。

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