JP2006082130A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のレーザ加工方法では、穴径に対する穴深さが大きくなると、所望の形状の穴あけ加工が困難になる。
【解決手段】 光源６から射出されるレーザビーム１をレンズ２で集光しつつ、レーザビーム１を、被加工物３の表面３ａ上の被加工領域に対して、その斜め方向から、且つレンズ２の中心軸を基準に回転させるようにして照射して被加工物３を加工することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源から射出されるレーザビームをレンズで集光して被加工物に照射することにより被加工物に対して加工を行うようにしたレーザ加工に関する。

この種のレーザ加工では、通常、被加工物の厚さ、材質等により適合するレーザ（波長、出力等）を決定し、所定のショット数を照射することで所定の穴径の穴をあけるようにしている。穴の縦断面形状としては、テーパ穴、ストレート穴、逆テーパ穴等があり、レーザのフルエンス、あるいはパワー密度のコントロールとショット数のコントロールとで任意の断面形状の穴あけ加工を行っている。

被加工物がいかなる材質であれ、基本的にテーパ形状の穴あけ加工となり、被加工物の表面の穴径が大きく、裏面の穴径が小さくなる。これは、原理的に被加工物の表面のパワー密度が裏面のパワー密度よりも高いためである。このテーパ穴の角度はレンズのＮＡによりほぼ決定される。

逆テーパの穴をあける場合は、材質にも制限を受けるが、被加工物の裏面のパワー密度を加工スレッシュ以上に設定し、穴貫通に必要な任意のショット数を照射することで可能である。ストレート穴に関しては、テーパ穴と逆テーパ穴の中間に条件設定されれば可能ということになる。

ただし、レーザビームをレンズで集光したときのパワー密度は、当然のごとくフォーカス位置からディフォーカスに伴って大きく変化することは言うまでも無く、穴形状の制御は深さ的に限界がある。例えば、おおよそ穴径の５倍以上の深さまたは材料厚の穴あけでは、ストレート穴や逆テーパ穴は非常に難しいのが実情である。

従来のレーザ加工方法を図６に基づいて説明する。

すなわち、従来のレーザ加工では、レーザビーム１はレンズ２の中心に向かって垂直に入射し、被加工物３の表面３ａ上の被加工領域に照射される。このとき、レーザビーム１の中心の主光線１ａはレンズ２に対しても被加工物の表面３ａに対しても垂直な関係になっている。

ここでレーザビーム１のパワー密度が最も高いのが被加工物の表面３ａであり、任意のショット数のレーザビーム１を照射することで穴Ｈは貫通するが、被加工物の表面３ａの穴径は大きく、裏面３ｂの穴径は表面３ａよりも小さくなるのが普通である。

そこで、従来は、加工条件であるエネルギーやパワー密度、集光径等を被加工物の材料や形状に合わせて選択すること、言い換えれば適性条件を設定することによりストレート穴や逆テーパ穴の穴加工を行っていた。この場合、レンズでレーザビームを集光するため、例えば、おおよそ穴径の５倍以上の深さの穴加工は非常に困難であった。もし、穴深さが十分大きい場合は、加工が飽和し、貫通すら起こらない場合があった。
特開２００３−２２０４８４号公報 特開２０００−２８００８５号公報

解決しようとする問題点は、従来のレーザ加工方法では、穴径に対する穴深さが大きくなると、ストレート穴や逆テーパ穴の穴あけ加工が困難になる点である。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工方法は、光源から射出されるレーザビームをレンズで集光しつつ、前記レーザビームを、被加工物の被加工領域に対して、その斜め方向から、且つ前記レンズの中心軸を基準に回転させるようにして照射し、前記被加工物を加工することを特徴としている。

また、本発明のレーザ加工装置は、レーザビームを射出する光源と、前記光源から射出されたレーザビームを集光して被加工物に照射するレンズと、前記光源と前記レンズの間の光路間に前記レーザビームの光軸に対して所定角度傾斜した状態で配置され、前記レーザビームを屈折させる光学素子と、前記光学素子の前記光軸に対する傾斜角度を一定に保ちつつ前記光学素子を前記光軸まわりに回転させる機構とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、穴径に対する穴深さが大きい場合でも、ストレート穴や逆テーパ穴を所定の形状に、精度良く、かつ容易に穴あけ加工することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、図１に示すように、レーザビーム１が、光源（図示せず）とレンズ２の間の光路においてレーザビーム１の光軸に対して角度αを成すように傾斜させて配置した平行平板のプリズム４（光学素子）に入射して屈折し、光軸がレンズ２の中心軸２ａと平行な状態でレンズ２における中心軸２ａから径方向に所定量シフトした領域に入射する。なお、角度αは、レーザビーム１の光軸とプリズム４の主面への垂線とが成す角度を表す。

レンズ２を透過したレーザビーム１はレンズ２の焦点位置に配置された被加工物３の表面３ａ上の被加工領域に集光される。レーザビーム１はレンズ２の中心軸２ａから径方向にシフトした位置にあるため、図２に示すように、レーザビーム１の中心の主光線１ａは、被加工領域にある集光点３ｃに向かって表面３ａに斜めに入射する。

ここで、平行平板のプリズム４をレーザビーム１の光軸まわりに回転させることで、レーザビーム１の主光線１ａはレンズ２の中心軸２ａを中心に円運動し、被加工物３に対しては入射方向が変わりながら常に被加工物の表面３ａ上の被加工領域に斜め入射することになる。

したがって、レーザビーム１のパルス繰返し数及びプリズム４の回転数を適当な値にすることにより、被加工領域にある集光点３ｃを中心に斜め穴あけが繰り返して行われることになる。以上の作用により、図３に示すような逆テーパの穴Ｈが形成される。この原理を利用することでストレート穴加工も可能である。

なお、このレーザ加工方法は、例えば融点が２０００°以上の高融点のセラミック材料（例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等）から成る被加工物への適用が効果的である。すなわち、この種の被加工物は溶融しにくいため、従来のレーザ加工方法では、例えば穴径の５倍以下の深さの逆テーパ穴やストレート穴の加工でも困難であったが、本実施形態の加工方法では、例えば穴径に対する穴深さが５倍以上の場合でも、逆テーパ穴やストレート穴を形成することができるようになる。

また、材料がセラミックの場合、レーザービームとして、５０〜２００ｎｓ程度のパルス幅を有するもの（ＣＷ−Ｑスイッチパルス）を用いると、穴形状が良好になるだけでなく、穴内面の熱変質層が少なくなるため、良好な品質の穴を形成することができる。また、このレーザビームは、ある程度のエネルギーを有しているため、効率の良い加工を行うことができる。

原理的に、加工条件（エネルギー、パワー密度等）を調整することで、逆テーパ状、ストレート状の穴を形成することができる。実際には、パルス幅１００ｎｓ、繰り返し数１ＫＨｚ、エネルギー１０ｍＪ／パルス（平均出力１０Ｗ）のように加工条件を調整してみて、厚さ０．８ｍｍのセラミックサンプルに対して穴径０．１ｍｍの穴加工を行ったところ、表面の穴の直径は約０．１ｍｍ、裏面の穴の直径は約０．１ｍｍとなり、断面形状もストレート状の穴を形成することができた。さらに、その断面側壁を見ると、溶融物付着が少なく、加工後に溶融物が脱落して悪影響を及ぼす危険性が少ない品質の高い穴となっていた。

図４は本実施形態のレーザ加工装置の概略構成図である。同図において、光学ユニット５はプリズム４を含む。この光学ユニット５は、レーザ発振器６（光源）が射出するレーザビーム１の光軸まわりに回転する回転ステージ７と、この回転ステージ７上に取り付けられ、レーザビーム１の光軸に対する角度を調節可能な角度ステージ８とを備えており、この角度ステージ８上にプリズム４が固定されている。角度ステージ８の角度を調節することで、レーザビーム１の光軸に対するプリズム４の傾斜角度を調節することができる。

レーザ発信器６は、被加工物３がセラミック材料から成る場合、５０〜２００ｎｓのパルス幅を有するレーザービーム（ＣＷ−Ｑスイッチパルス）を射出可能とするものを用いると、良好な状態の穴を形成することができるので、好ましい。

回転ステージ７は、レーザビーム１の光軸に沿って延びるシャフト９の一端に固定されている。このシャフト９はベアリング１０を介して光学ユニット本体１１に軸線まわりに回転自在に支持されており、他端にはプーリ１２が固定されている。また、光学ユニット本体１１にはモータ１３が固定され、その回転軸にはプーリ１４が固定されている。このプーリ１４とシャフト９のプーリ１２とがベルト１５を介して連結されている。

モータ１３を駆動することでシャフト９が回転し、プリズム４がレーザビーム１の光軸に対する傾斜角度を一定に保ちつつ該光軸まわりに回転する。モータ１３は回転速度を調節可能であり、プリズム４の回転速度を調節することができる。プリズム４の回転速度は、レーザビーム１のパルス繰り返し数（被加工物の材質や厚み等に応じて決定される）に応じた適切な値となるように設定される。

光学ユニット５におけるレーザビーム１の光軸に沿う部分はすべて空洞化され、レーザビーム１が通過することができるようになっている。レーザビーム１は、その光軸に対して傾きを持つプリズム４により、プリズム４の厚さと屈折率分シフトする。

レーザビーム１の主光線１ａは光学ユニット５の内部を通過し、ダイクロイックミラー１６を介してレンズ２に入射し、集光点３ｃに到達するが、プリズム４によるシフト分だけ斜入射となる。

前述のようにプリズム４が回転することで、レーザビーム１の主光線１ａはレンズ２の中心軸を中心に円運動し、被加工物３に対しては入射方向が変わりながら常に被加工物３の表面３ａに斜め入射し、集光点３ｃを中心に斜め穴あけが繰り返して行われることになる。これにより、図３に示すような逆テーパの穴Ｈが形成される。

このレーザビーム１による加工状態は、ダイクロイックミラー１６の上部に設置された観察光学系１７により作業者が常時モニタできるようになっている。

ここでは、図３に示すような逆テーパ穴を形成した場合を示しているが、プリズム４の傾き、レンズ２の焦点距離およびスポット径などの条件因子を適宜選択することで、ストレート穴を容易にあけることができるのは言うまでもない。

このレーザ加工装置により、例えば深さが穴径の５倍以上のストレート穴あけ加工、逆テーパ穴あけ加工を行うことができる。また、セラミック等の高融点、脆性材料へのストレート穴あけ加工、逆テーパ穴あけ加工を行うこともできる。

なお、本実施形態では平行平板のプリズムを用いた加工方法を示したが、図５に示すように、厚みが一方向に向かって連続的に変化している断面楔形の板状のプリズム４（以下、テーパプリズムと記す）を用いることもできる。

この場合、テーパプリズムをレーザ加工装置に対して着脱可能とすると、傾斜角度の異なるテーパプリズムに交換することで、様々な穴径の穴加工を行うことができる。

また、本実施形態では、被加工物の表面に斜めに入射するレーザビームを回転させて被加工物に対して穴あけ加工を行うようにしているが、これに代えて、被加工物の表面に斜めに入射するレーザビームを固定して被加工物側を回転させるようにしても被加工物にストレート穴や逆テーパ穴を形成することができる。この場合、レンズの中心軸と被加工物の回転中心とを一致させる必要がある。

その他にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。

なお、本発明が適用される被加工物の種類は特に限定されるものではないが、例えば半導体製造装置の部品等の加工に適用することができる。

実施形態のレーザ加工方法の説明図である。 実施形態のレーザ加工方法の説明図である。 逆テーパ穴が形成された被加工物の断面模式図である。 実施形態のレーザ加工装置の概略構成図である。 テーパプリズムの斜視図である。 従来のレーザ加工方法の説明図である。

符号の説明

1・・・レーザビーム、1a・・・主光線、2・・・レンズ、3・・・被加工物、4・・・プリズム、
5・・・光学ユニット、6・・・レーザ発振器、7・・・回転ステージ、8・・・角度ステージ、
9・・・シャフト、10・・・ベアリング、11・・・光学ユニット本体、12・・・プーリ、13・・・モータ、
14・・・プーリ、15・・・ベルト、16・・・ダイクロイックミラー、17・・・観察光学系

Claims (11)

1. 光源から射出されるレーザビームをレンズで集光しつつ、前記レーザビームを、被加工物の被加工領域に対して、その斜め方向から、且つ前記レンズの中心軸を基準に回転させるようにして照射し、前記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記レーザビームは５０〜２００ｎｓのパルス幅を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記レーザビームを、前記光源と前記レンズの光路間に前記レーザビームの光軸に対して所定角度傾斜した状態で配置された光学素子により屈折させ、且つ前記光学素子の前記光軸に対する傾斜角度を一定に保ちつつ前記光学素子を前記光軸まわりに回転させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ加工方法。
4. 前記レーザビームは、前記レンズにおける中心軸から径方向に所定量シフトした領域に入射し、前記レンズで集光されることにより前記被加工領域に斜めに照射されることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工方法。
5. 前記被加工物は、セラミック材の領域を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
6. レーザビームを射出する光源と、
   前記光源から射出されたレーザビームを集光して被加工物に照射するレンズと、
   前記光源と前記レンズの光路間に前記レーザビームの光軸に対して所定角度傾斜した状態で配置され、前記レーザビームを屈折させる光学素子と、
   前記光学素子の前記光軸に対する傾斜角度を一定に保ちつつ前記光学素子を前記光軸まわりに回転させる機構とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
7. 前記レーザビームは、前記レンズにおける中心軸から径方向に所定量シフトした領域に入射し、前記レンズで集光されることにより前記被加工領域に斜めに照射されることを特徴とする請求項６記載のレーザ加工装置。
8. 前記光学素子が平板状のプリズムであり、このプリズムの前記光軸に対する傾斜角度を調節可能であることを特徴とする請求項６又は請求項７記載のレーザ加工装置。
9. 前記光学素子が断面楔形の板状のプリズムであり、このプリズムが着脱可能であることを特徴とする請求項６又は請求項７記載のレーザ加工装置。
10. 前記光学素子の回転速度を調節可能であることを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
11. 前記レーザビームは５０〜２００ｎｓのパルス幅を有することを特徴とする請求項６乃至請求項１０のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
    

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