JP2006247665A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複合材料の加工に適したレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】 第１の物質からなる第１の領域と、第１の物質とは光吸収係数の異なる第２の物質からなる第２の領域とを含む複合材料を準備する。この複合材料に、第１の波長のレーザビームを照射して該複合材料の一部を除去する。第１の波長とは異なる第２の波長のレーザビームを、複合材料の一部が除去された領域に照射して、該複合材料の一部をさらに除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関し、特にパルスレーザビームを用いて複合材料の加工を行うのに適したレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

樹脂薄膜への貫通孔の形成、及び溝の形成等を行う際に、炭酸ガスレーザ（赤外）や、ＹＡＧレーザの３倍高調波（紫外）が使用されている。炭酸ガスレーザが出力する波長１０μｍ近辺のレーザ光は、１パルスあたりの樹脂加工速度が速く、厚さ１００μｍ程度の樹脂薄膜であれば、数パルスで貫通孔が形成される。しかしながら、回折限界のため、理論的に波長と同程度大きさのビームスポットにしか集光することができない。工業的に安定な穴あけ加工を行うことができるのは、直径４０〜５０μｍ程度までである。このため、近年要求が高まりつつある直径数十μｍ程度の微細な穴あけ加工に対応できない場合がある。

また、金属上の樹脂薄膜を炭酸ガスレーザでアブレーション加工すると、樹脂薄膜に形成した貫通孔の底面に清浄な金属表面が露出せず、厚さ数μｍの残渣が残ってしまう。この残渣を除去するために、ＹＡＧレーザの３倍高調波が用いられる。また、炭酸ガスレーザでは加工できないような微細な加工を行う際にも、ＹＡＧレーザの３倍高調波が用いられる。ところが、紫外域における樹脂の吸収過程が赤外域における樹脂の吸収過程と異なるため、紫外光を用いた加工では、１パルスあたりの加工速度が遅い。このため、１つの貫通孔を形成するために数十〜百パルス程度が必要になる。

特許文献１に、単パルスのレーザビームから複数パルスのパルス列を形成し、加工対象物にある時間間隔で２つのレーザパルスを入射させる加工方法が開示されている。この方法によると、レーザ誘起プラズマの発生効率が高まり、加工効率を向上させることができる。単パルスから複数パルスを生成する他の例として、特許文献２に、Ｑスイッチモードロックパルスレーザの出射光から光シャッタで切り出したパルス列を用いて、半導体製造用マスクのリペアを行う技術が開示されている。

特許文献３に、赤外レーザビームに、紫外のエキシマパルスレーザビームを重畳させて金属材料表面に入射させるレーザ加工方法が開示されている。通常、赤外レーザビームの多くのパワーが金属表面で反射されるため、効率のよい加工を行うことが困難である。紫外レーザビームによって表面近傍に高密度プラズマを発生させ、このプラズマに赤外レーザビームを吸収させることにより、赤外レーザビームの吸収効率を高めることができる。

特開平１１−２２１６８４号公報 特開２００２−４０６２７号公報 特開２００１-１１７０号公報

樹脂製の母材中に、母材とは成分の異なる材料からなる含有物が分散されている複合材料を加工する場合について考える。複合材料の例として、例えば、樹脂薄膜中にゴム成分またはセラミックスの微粒子が分散されているもの、またはガラスファイバの編み込みシートを樹脂薄膜中に含浸させたもの等が挙げられる。

特許文献１及び２に開示された方法のように、単一波長のレーザビームで複合材料を加工すると、含有物の残渣が残る場合や、含有物だけが優先的に除去されて所望の形状の穴が形成されない場合がある。また、特許文献３に開示された方法は、金属表面の加工方法であり、複合材料の加工に適用した場合に、高密度プラズマの発生や、赤外レーザビームの吸収率の向上といった現象が生じるか否か不明である。また、赤外用と紫外用との２つのレーザ発振器を準備しなければならない。

本発明の目的は、複合材料の加工に適したレーザ加工方法及び加工装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、（ａ）第１の物質からなる第１の領域と、該第１の物質とは光吸収係数の異なる第２の物質からなる第２の領域とを含む複合材料を準備する工程と、（ｂ）前記複合材料に、第１の波長のレーザビームを照射して該複合材料の一部を除去する工程と、（ｃ）前記第１の波長とは異なる第２の波長のレーザビームを、前記工程（ｂ）で前記複合材料の一部が除去された領域に照射して、該複合材料の一部をさらに除去する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明の他の観点によると、パルス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パルスレーザビームの波長変換を行い、第１の波長と第２の波長とを含むパルスレーザビームを生成する波長変換素子と、前記波長変換素子を通過したパルスレーザビームの前記第１の波長成分を第１の経路に沿って伝搬させ、前記第２の波長成分を第２の経路に沿って伝搬させる分岐器と、前記第２の経路に沿って伝搬するパルスレーザビームをある時間遅延させる遅延光学系と、前記遅延光学系で遅延されたパルスレーザビームと、前記第１の経路に沿って伝搬するパルスレーザビームとを共通の第３の経路に沿って伝搬させる合成器と、前記第３の経路に沿って伝搬するパルスレーザビームの入射する位置に加工対象物を保持する保持台とを有するレーザ加工装置が提供される。

第１の波長のレーザビームで、第１及び第２の領域の一方を優先的に除去し、第２の波長のレーザビームで、他方を優先的に除去する。これにより、第１の領域と第２の領域との除去速度の平準化を図ることができ、高品質な加工を行うことが可能になる。

図１（Ａ）に、第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１が角周波数ωのパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１は、例えばＮｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ発振器であり、波長１０６４ｎｍのパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１から出射されたパルスレーザビームが２倍高調波発生器２に入射する。２倍高調波発生器２は、入射したパルスレーザビームの波長変換を行い、角周波数ωの基本波と角周波数２ωの２倍高調波とを含むパルスレーザビームを出射する。

このパルスレーザビームが、４倍高調波発生器３に入射する。４倍高調波発生器３は、入射したパルスレーザビームの波長変換を行い、角周波数ωの基本波、角周波数２ωの２倍高調波、及び角周波数４ωの４倍高調波を含むパルスレーザビームを出射する。

基本波、２倍高調波、及び４倍高調波を含むパルスレーザビームが、分岐器５に入射する。分岐器５は、２枚のダイクロイックミラー５ａ及び５ｂを含んで構成される。前段のダイクロイックミラー５ａは、４倍高調波を反射し、基本波及び２倍高調波を透過させる。後段のダイクロイックミラー５ｂは、２倍高調波を反射し、基本波を透過させる。後段のダイクロイックミラー５ｂを透過した基本波は、ビームダンパ６に入射する。すなわち、分岐器５は、入射するパルスレーザビームの４倍高調波と２倍高調波とを、相互に異なる経路に沿って伝搬させる。４倍高調波の伝搬経路を「第１の経路」７と呼び、２倍高調波の伝搬経路を「第２の経路」８と呼ぶこととする。

第１の経路７内に、可変減衰器１１ｆが配置されている。第２の経路８内に、遅延光学系１０及び可変減衰器１１が配置されている。遅延光学系１０は、入射するパルスレーザビームを遅延させる。可変減衰器１１及び１１ｆは、入射するパルスレーザビームを減衰させる。折返しミラー１４が、第２の経路８に沿って伝搬するパルスレーザビームを反射させることにより、第２の経路８を第１の経路７と交差させる。

第１の経路７と第２の経路８との交差箇所に、ダイクロイックミラーで構成された合成器１５が配置されている。合成器１５は、第１の経路に沿って伝搬する４倍高調波を透過させ、第２の経路８に沿って伝搬する２倍高調波を反射することにより、両者を、共通の第３の経路１６に沿って伝搬させる。

第３の経路１６に沿って伝搬するパルスレーザビームが、ガルバノスキャナ等で構成された走査器１８により２次元方向に走査される。走査されたパルスレーザビームが、ｆθレンズ等で構成される集光レンズ１９により、加工対象物３０の表面に集光される。加工対象物３０は、ＸＹステージ等で構成される保持台２０に保持されている。保持台２０は、加工対象物３０を、その被加工面に平行な２次元方向に移動させることができる。

図１（Ｂ）に、加工対象物３０に入射するパルスレーザビームのタイミングチャートを示す。時刻ｔ０に、４倍高調波のレーザパルスが加工対象物３０に入射する。遅延光学系１０により付与された遅延時間分遅れて、時刻ｔ１に、２倍高調波のレーザパルスが加工対象物３０に入射する。この２つのレーザパルスの入射が、レーザ発振器１の発振周波数と同一の周波数で繰り返される。４倍高調波への変換効率が、２倍高調波への変換効率よりも低いため、４倍高調波のレーザパルスのピークパワーが、２倍高調波のレーザパルスのピークパワーよりも小さい。図１（Ａ）の可変減衰器１１及び１１ｆによる減衰量を調整することにより、２倍高調波及び４倍高調波のレーザパルスのピークパワーを変化させることができる。

次に、図２（Ａ）〜図２（Ｅ）を参照して、図１（Ａ）に示した実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工する方法について説明する。

図２（Ａ）に、加工対象物３０の部分断面図を示す。樹脂製の板状母材３１内に多数のフィラー３２が分散されている。フィラー３２は、例えば合成ゴムで形成されている。合成ゴムのフィラー３２を分散させることにより、弾力性を高めることができる。

母材３１を形成する樹脂、及びフィラー３２を形成する合成ゴムの光学的性質について、説明する。

通常、可視域から波長数百ｎｍ程度の波長域においては、多くの材料は、波長が短くなるに従って光吸収係数が大きくなる傾向を示す。母材３１及びフィラー３２も同様の傾向を示す。すなわち、母材３１及びフィラー３２の、４倍高調波の波長２６６ｎｍにおける光吸収係数は、２倍高調波の波長５３２ｎｍにおける光吸収係数よりも大きい。

また、４倍高調波の波長域において、母材３１の光吸収係数がフィラー３２の光吸収係数よりも小さい。このため、４倍高調波のレーザビームは、フィラー３２よりも母材３１内に、より深く侵入する。これにより、フィラー３２よりも母材３１を、より深く除去する。フィラー３２への侵入の深さが浅いため、フィラー３２は、極薄い表層部しか除去されない。

２倍高調波の波長域において、母材３１の光吸収係数がフィラー３２の光吸収係数よりも小さい。２倍高調波の波長域における母材３１の光吸収係数は、母材が実質的にアブレーションされない程度に小さい。フィラー３２は、２倍高調波によってアブレーションされる。このため、２倍高調波のレーザビームは、母材３１よりもフィラー３２を、より深く除去する。

図２（Ｂ）に示すように、加工対象物３０に４倍高調波のレーザパルスを入射させる。これは、例えば図１（Ｂ）に示したタイミングチャートの時刻ｔ０に対応する。４倍高調波は、母材３１及びフィラー３２をアブレーションさせる。アブレーション前の状態を破線で示し、アブレーション後の状態を実線で示す。フィラー３２は、極薄い表層部しかアブレーションされないため、フィラー３２が露出した領域に、凸部３３が残る。

図２（Ｃ）に示すように、４倍高調波が照射されてアブレーションされた領域に、２倍高調波のレーザパルスを入射させる。これは、図１（Ｂ）に示したタイミングチャートの時刻ｔ１に対応する。母材３１は、２倍高調波をほとんど吸収しないため、２倍高調波のレーザパルスの照射では、ほとんどアブレーションされない。これに対し、フィラー３２は、２倍高調波を吸収するため、アブレーションされる。アブレーション前の状態を破線で示し、アブレーション後の状態を実線で示す。フィラー３２が露出していた凸部３３の一部が除去され、表面が平坦に近づく。

図２（Ｄ）に示すように、４倍高調波のレーザパルスを入射させる。これは、図１（Ｂ）に示したタイミングチャートの２周期目の４倍高調波のレーザパルスに対応する。母材３１が相対的に深くまで除去され、フィラー３２が露出した部分は、相対的に浅くまでしか除去されない。アブレーション前の状態を破線で示し、アブレーション後の状態を実線で示す。フィラー３２の露出した領域に凸部３４が残る。

図２（Ｅ）に示すように、２倍高調波のレーザパルスを入射させる。これは、図１（Ｂ）に示したタイミングチャートの２周期目の２倍高調波のレーザパルスに対応する。フィラー３２がアブレーションされることにより、表面が平準化される。

上述のように、４倍高調波を照射する工程（図２（Ｂ）及び図２（Ｄ））では、母材３１の方がフィラー３３よりも深い領域までアブレーションされる。２倍高調波を照射する工程（図２（Ｃ）及び図２（Ｅ））では、母材３１はほとんど除去されず、実質的にフィラー３２のみがアブレーションされる。２つの波長のパルスレーザビームが交互に照射されるため、母材３１とフィラー３２との除去速度を平準化し、残渣を生じることなく、所望の形状の穴を形成することができる。

上記実施例では、樹脂製の母材３１内に、合成ゴム製の球状のフィラー３２が分散された加工対象物を加工する方法について説明した。上記実施例は、その他に、第１の物質からなる第１の領域と、第１の物質とは光吸収係数の異なる第２の物質からなる第２の領域とを含む複合材料の加工にも適用することができる。例えば、エポキシ樹脂中にシリカのフィラーが分散されたプリント基板、ガラスファイバを編み込んだシートをエポキシ樹脂に含浸させたガラスエポキシ基板等の穴あけ加工に適用可能である。

第１の物質及び第２の物質の光吸収特性に基づいて、２種類の波長を適当に選択することが好ましい。例えば、２倍高調波と３倍高調波との組み合わせ、２倍高調波と５倍高調波との組み合わせ、４倍高調波と５倍高調波との組み合わせ等の中から、最適な組み合わせを選択すればよい。

また、４倍高調波の照射時に、母材３１がレーザエネルギを吸収することにより発生する熱により、フィラー３２を溶融または気化させてもよい。この方法によっても、加工速度の向上を図ることができる。

図３（Ａ）に、第２の実施例によるレーザ加工装置の一部の概略図を示す。以下、図１（Ａ）に示した第１の実施例によるレーザ加工装置との相違点に着目して説明する。

第２の実施例では、第２の経路８内にハーフミラー４０が挿入され、第２の経路８に沿って伝搬するレーザビームの約半分の成分が、第２の経路８から分岐される。第２の経路から分岐された経路を、「第４の経路」４５と呼ぶこととする。第４の経路４５を伝搬するレーザビームは、折返しミラー４１、遅延光学系１０ａ、可変減衰器１１ａ、折返しミラー４２、１／２波長板４３を経由して、偏光ビームスプリッタ４４に入射する。

偏光ビームスプリッタ４４は、第２の経路８内に配置されており、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する。第２の経路８に沿って伝搬するレーザビームがＰ偏光であるとき、第４の経路４５を伝搬するレーザビームは、１／２波長板４３によりＳ偏光に変換される。偏光ビームスプリッタ４４が、このＳ偏光を反射することにより、第４の経路４５に沿って伝搬するレーザビームが第２の経路８に戻される。

第２の経路８内に配置された遅延光学系１０の遅延時間と、第４の経路４５内に配置された遅延光学系１０ａの遅延時間とを異ならせることにより、２倍高調波のレーザパルスを時間軸上で２つに分離することができる。

図３（Ｂ）に、第２の実施例によるレーザ加工装置に保持された加工対象物上におけるレーザパルスのタイミングチャートを示す。時刻ｔ０に、４倍高調波のレーザパルスが現れる。時刻ｔ０よりも後の時刻ｔ１及びｔ２に、それぞれ２倍高調波のレーザパルスが現れる。時刻ｔ１とｔ２との間隔は、２つの遅延光学系１０及び１０ａの遅延時間の差を調整することにより、変化させることができる。

第１の実施例で説明した加工対象物３０の母材３１は、２倍高調波をほとんど吸収しないが、そのピークパワーが大きくなると、多光子吸収が生じ、母材３１が損傷を受ける場合がある。第２の実施例では、２倍高調波のレーザパルスのピークパワーが小さくなる。このため、２倍高調波を照射する工程における母材３１の予期せぬ損傷を防止することができる。

上記第１及び第２の実施例では、波長ごとにレーザ発振器を準備することなく、複数の波長のレーザビームを利用して、高速かつ高品質なレーザ加工を行うことが可能になる。

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。

（Ａ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図であり、（Ｂ）は、レーザパルスのタイミングチャートである。 第１の実施例によるレーザ加工方法で加工される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方法を説明するための、加工途中における加工対象物の断面図（その１）である。 第１の実施例によるレーザ加工方法を説明するための、加工途中における加工対象物の断面図（その２）である。 第１の実施例によるレーザ加工方法を説明するための、加工途中における加工対象物の断面図（その３）である。 第１の実施例によるレーザ加工方法を説明するための、加工途中における加工対象物の断面図（その４）である。 （Ａ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図であり、（Ｂ）は、レーザパルスのタイミングチャートである。

符号の説明

１ レーザ発振器
２ ２倍高調波発生器
３ ４倍高調波発生器
５ 分岐器
６ ビームダンパ
７ 第１の経路
８ 第２の経路
１０、１０ａ 遅延光学系
１１、１１ａ 可変減衰器
１４、４１、４２ 折返しミラー
１５ 合成器
１６ 第３の経路
１８ 走査器
１９ 集光レンズ
２０ 保持台
３０ 加工対象物
３１ 母材
３２ フィラー
３３、３４ 凸部
４０ ハーフミラー
４３ １／２波長板
４４ 偏光ビームスプリッタ
４５ 第４の経路

Claims (5)

1. （ａ）第１の物質からなる第１の領域と、該第１の物質とは光吸収係数の異なる第２の物質からなる第２の領域とを含む複合材料を準備する工程と、
   （ｂ）前記複合材料に、第１の波長のレーザビームを照射して該複合材料の一部を除去する工程と、
   （ｃ）前記第１の波長とは異なる第２の波長のレーザビームを、前記工程（ｂ）で前記複合材料の一部が除去された領域に照射して、該複合材料の一部をさらに除去する工程と
   を有するレーザ加工方法。
2. 前記第１の波長のレーザビームは、前記第２の領域よりも前記第１の領域内に深く侵入することにより、該第２の領域よりも該第１の領域を、より深く除去し、
   前記第２の波長のレーザビームは、前記第１の領域よりも前記第２の領域で、より多く吸収されることにより、該第１の領域よりも該第２の領域を、より深く除去する請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. さらに、工程（ｂ）と工程（ｃ）とを交互に繰り返す請求項１に記載のレーザ加工方法。
4. 前記工程ｂで照射される第１の波長のレーザビームと、前記工程ｃで照射される第２の波長のレーザビームとは、同一のレーザ発振器から出射され、少なくとも一方は波長変換されたレーザビームである請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. パルス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パルスレーザビームの波長変換を行い、第１の波長と第２の波長とを含むパルスレーザビームを生成する波長変換素子と、
   前記波長変換素子を通過したパルスレーザビームの前記第１の波長成分を第１の経路に沿って伝搬させ、前記第２の波長成分を第２の経路に沿って伝搬させる分岐器と、
   前記第２の経路に沿って伝搬するパルスレーザビームをある時間遅延させる遅延光学系と、
   前記遅延光学系で遅延されたパルスレーザビームと、前記第１の経路に沿って伝搬するパルスレーザビームとを共通の第３の経路に沿って伝搬させる合成器と、
   前記第３の経路に沿って伝搬するパルスレーザビームの入射する位置に加工対象物を保持する保持台と
   を有するレーザ加工装置。

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