JP2007522946A - レーザービーム形成方法及びレーザー処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザービーム形成方法及びレーザー処理方法
【解決手段】本発明は、第１の横の強度分布を有する第１のレーザービーム２１１がビーム形成素子２１５に向けられ、第１のレーザービーム２１１が、ビーム形成素子２１５によって、第２の横の強度分布を有する第２のレーザービーム２１６に変換されることを特徴とした、レーザービーム形成方法に関する。本発明によれば、第２の強度分布は、第２のレーザービーム２１６の光軸に垂直な好適方向を有し、ビーム形成素子２１５は、好適方向が光軸の回りに回転するように動作する。ビーム形成素子２１５は、機械的動作によって、第１のレーザービーム２１１の光軸の回りを回転する光学素子になり得る。しかし、好適には、ビーム形成素子２１５は、同様に作動させた場合や、いかなる機械的回転も防止している間、どんな任意の強度分布でも有する第２のレーザービーム２１６のいかなるビームの広さも事実上発生せしめる、動的システムによって構成される。本発明は、また有利な方法で材料をレーザー処理するためのレーザービームを形成する方法を用いることを特徴とした、レーザー処理方法に関する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザービームの横の強度分布をビーム形成素子によって変化させることを特徴とした、レーザービーム形成方法に関する。更に、本発明は、上記の方法を使用するレーザー処理方法に関する。

エレクトロニクスの製造分野で回路基板に穴を開けるとき、開けられた穴の形状は、回路基板上に形成される電子アッセンブリの品質において重要な要素である。一方、常時増え続けている利用可能なレーザー出力のおかげで、いわゆるパンチングによって異なる回路基板材料に穴を開けることが可能になった。ここでパンチングとは、一つの同一の箇所に当たるレーザービームパルスによって実現される材料除去による穴の穿孔のことをいう。最小集束径より大きい穴径を有する穴をパンチングで開けるためには、単にレーザービームの集束広さを広げるだけでは不十分である。何故なら、これは、開けられた穴のエッジの急勾配がレーザービームのガウスビーム形状によってあまりにも平坦になることが導かれるからである。それ以外にも、集束を拡大した場合、多くの場合、レーザー出力が、回路基板に使われる多くの材料の除去しきい値を越える出力密度を実現するのに十分ではない。

先行技術によれば、いわゆるビーム形成素子は開けられる穴のエッジの急勾配を高めるために用いられている。ビーム形成素子は、集束径がより大きい場合でも、回路基板に当たるレーザービームが、急勾配の側面と可能な限り平坦な平坦域とを有する分布形状を示すように、レーザービームの光路の中に導入されてレーザービームを形成する。理想的には、実際には実現不可能だが、横の強度分布の形状は、完全なビーム形成素子の通過後に長方形となる。実際には、形成されたレーザービームの横の強度分布は、特にうねった平坦域を示す。図１は、開けられた穴の中心までの距離ｄが横軸に示され、形成されたレーザービームの強度Ｉが縦軸に示されている座標系に描かれた横強度分布１００を示す。特に曲線の漸進と平坦域は、縦軸に対して対称ではない。

パンチングの際、レーザーパルスは常に同じ箇所に当たるが、このように、横の強度分布のうねりによって形成された局所的な強度分布が合計されて、非常に異なった材料除去を局所的に導く可能性がある。同様に、これによって、完全に形成されたレーザービームによって達成される品質と比較して、開けられた穴の品質が低くなる可能性もある。

このように、本発明の目的は、形成されたレーザービームのうねりに材料除去が反映されないレーザービーム形成方法を提供することにある。本発明の他の目的は、レーザービーム形成方法が好適に用いられることを特徴としたレーザー処理方法を提供することにある。

本発明の基本となる第１の目的は、独立請求項１の特徴からなるレーザービーム形成方法によって達成される。

本発明によれば、第１の横強度分布を有する第１のレーザービームはビーム形成素子の上に向けられて、第１のレーザービームが第２の横強度分布を有する第２のレーザービームに変換されるようになっている。第２の横強度分布は、レーザービームの光軸に対して垂直な、好適な方向に対して非対称を示す。ビーム形成素子を適切に動作することにより、第２の強度分布の好適な方向を光軸の回りに回転させることができる。本発明は、複数のレーザーパルスが常に同じ箇所に当たるというパンチングの方法による材料除去は、非対称強度分布の回転による形成されたレーザービームの非対称のうねりに起因する局地的な強度分布を均一化できるという事実に基づく。回折又は屈折光学素子は、例えばビーム形成素子として使用してもよい。

なお、本発明によれば、例えばガウス分布など、回転対称強度分布から放射状に広がるいかなる強度分布も、少なくとも１つの好適な方向を含むものであることを言及する。

請求項２によれば、第１のレーザービームは、レーザービームの光軸に対して対称な強度分布を含んでもよい。従って、本発明による方法は、いかなるタイプのビームを形成するにも、すなわち、例えばＴＥＭ_００モードなど、対称モードによってレーザービームを出射するにも適している。

請求項３による方法は、ビームの形成を利用してビーム幅を減少し、それによって好適な方法で出力密度の増加に導き、処理すべき材料の材料除去のしきい値を選択的に超過できるという利点がある。このようなエネルギー密度の増加では、強度分布の有効面と比較して、回転に起因する第２の強度分布の汚れが無視できるくらい、レーザーパルスの時間の間、好適な方向の回転を十分に小さくする必要がある。

請求項４による方法は、複数のレーザーパルスに亘る一時的な平均が、常に、平均化された横強度分布を最適に平坦にする効果が得られるという利点がある。

請求項５による方法は、材料除去の分野において、各面素子に入射するレーザーエネルギーを事前に正確に決定できるという利点がある。

請求項６による方法は、比較的単純な構成で、更に比較的安価な静止ビーム形成素子を使用できるという利点がある。

請求項７による動的ビーム形成システムは、ビーム形成素子の機械的回転を防止できるという利点がある。動的ビーム形成システムは、原理的に、自由に選択可能なスイッチング周波数で自由に選択可能な局所的強度分布を有する自由に選択可能なビーム広さを作ることができるように、ビーム形成素子の構造において選択的に切り替えられるようにする。例えば、ＬＣＤに基づく光変調器は、動的制御可能ビーム形成素子として適している。更に、いわゆる膜状ミラー、ミラーアレイ、又はその他の光学的に適応するミラーは、特にレーザービーム強度がより高い場合に、動的制御可能ビーム形成素子として適している。動的ビーム形成システムの使用は、原理的に、第１の層ビームの各パルスが個別に形成されるように、第２のレーザービームの横強度分布が、それに対応して動的システムを制御することによって直接的に影響され得るという利点がある。

請求項８による方法は、第２のレーザービームのために２つの部分面からなる断面形状を利用する。好適には、２つの部分面は、三角形又は円部分であって、断面形状は点対称を示す。

本発明の基本となる第２の目的は、請求項１乃至８のいずれかによる方法で形成されたレーザービームを処理対象に向けることを特徴とした、請求項９によるレーザー処理方法によって達成される。

請求項１０によれば、レーザービームは、第２のレーザービームの強度が第１のレーザービームの強度よりも高いビーム形成素子によって形成される。特に、これは、第１のレーザービームにおいて光軸付近の面素子を通すレーザー照射が、光軸から更に離れて置かれた別の表面素子に向けられる方法において変換されるレーザービームの断面領域の形成によって達成される。従って、ある角度又は一つの方向に好ましくは垂直である別の方向への広がりの減少を犠牲にして、上記一つの方向への断面領域の最大空間拡張を伴ったビームを形成することによって、全体的に断面領域を減少させることができる。従って、非形成レーザービームの出力又はエネルギー密度が材料除去のしきい値未満であっても、形成レーザービームの出力又はエネルギー密度は材料除去のしきい値を超えることになるであろう。このように、この少なくとも部分的な非対称な断面領域を回転させることにより、連続レーザーパルスによって、非形成レーザービームによって処理され得る表面より大きい表面を処理することが可能となる。従って、多くのアプリケーションの場合に、第１のレーザービームの断面領域と比べてより大きい処理面にレーザービームを連続的に照射する偏向装置をある程度都合よく省略することができ、それぞれ、材料の処理工程において、偏向装置を静的位置に調整することができる。第２のレーザービームに適したビーム形状は、例えば、長三角形である。

請求項１１によるレーザー穿孔の際、利用可能なレーザー出力密度とレーザーエネルギー密度の増加を、それぞれ、パンチング方法によって穴を開けるために特に好都合な方法で用いることができる。この工程において、限られたパルスエネルギーのため、非形成ビームで開けられる最大穴径よりも大きい穴径を有する穴を開けることができる。従って、特により大きい穴を開ける場合、いわゆる穿孔方法を都合よく省略でき、好適には環状路に位置する複数の穿孔位置に一緒に並べることによって穴を開けることができる。このように、穴を開ける時は、偏向装置は、レーザービームが穴の中心に位置するように作動させるだけでよく、そのため偏向装置は、開けられる穴の中心を囲む小さな円に向かって動く必要はない。このため、偏向装置による偏向は、付加的な円運動の作動を防止することにより、開けられる別の穴に向かう跳躍動作に関して最適化され得る。

第２のビームのビーム形状に２つの面、特に２つの三角形又は２つの円部分で、２つの部分面がそれぞれ角で接触して形成された対称形状があれば、特に好適である。レーザーパルス列が発生される時、そのようなビーム分布形状は、対称軸の周りを回転する。このように、好適な方向の回転速度とレーザービームの繰り返し率によって決定される、設定された形成パルスの空間的距離が達成できる。穴の高品質を確実にするように、いくつかの連続レーザーパルスがあっても、互に接触した２つの部分面によって定義されたビーム形状が、開けられる穴の領域内に均質なエネルギー入力を可能にする。

本発明の更なる利点と特徴は、以下の現在の好適な実施の形態の例示的説明から得られる。

図２に示すレーザー処理装置２００は、第１のレーザービーム２１１を出射するレーザー光源２１０を備えて構成される。図示された実施の形態によれば、パルスレーザービームである第１のレーザービーム２１１は、ガウス強度分布によく近似させて定義できる横のビーム分布形状を有する。第１のレーザービーム２１１は、第１のレーザービーム２１１の横強度分布を第２のレーザービーム２１６の変更された横強度分布に変換するビーム形成素子２１５に入射される。第２のレーザービーム２１６の強度分布が第２のレーザービーム２１６の光軸に垂直な好適な方向を有するように、第２のレーザービーム２１６の強度分布は非対称である。ビーム形成素子２１５は、制御器２５０と結合している。この制御器により、第２のレーザービーム２１６の強度分布の好適な方向が第２のレーザービーム２１６の光軸の回りに回転運動をするように、ビーム形成素子２１５を作動させることが可能である。この回転運動を、レーザー光源２１０から出射された第１のレーザービーム２１１のパルス列に同期させることが必要であるならば、制御器２５０はまたレーザー光源２１０と結合される。

第２のレーザービーム２１６は、偏向装置２２０に入射され、通常互に垂直な２つの軸を通る２つのミラー偏向素子を経由して偏向されることを特徴とする。そして、ビームは、結像光学系、一般的にはｆθレンズを通じて処理される対象２４０上の目標位置に向けられる。

図３Ａは、本発明の実施の形態によれば、いわゆるパンチング方法による穿孔に好適な形成レーザービーム３１０の断面図である。形成されたレーザービーム３１０は、ほぼ蝶形状の断面領域からなる。この形状では、２つの部分面の角が互いに接触している。特に、部分面は、それぞれ２つの三角形と２つの円部分である。形成レーザービーム３１０は、円形のビーム径を有する元のガウス分布形状のレーザービームの形成に起因する。この第１のレーザービームはパルス出力密度とパルスエネルギー密度とを、すなわち材料を除去するためのしきい値に対応する面積当たりのパルス出力とパルスエネルギーとをそれぞれ有する。従って、最大開けられた穴サイズｒ_ｍａｘを有する穴３００は、非形成レーザービームによって開けることができる。

中心Ｍのまわりを形成されたレーザービーム３１０が回転する間に、元のレーザービームの出力密度を増加させることなく半径Ｒ_ｍａｘを有する穴を開けることが可能な連続したレーザーパルス列によって、穴を開けることができる。そして、ビーム広がり角度α、即ちレーザービームのパルス周波数と同じように、連続形成されたレーザービームパルスの間の望ましい重複は、ビーム形成素子の回転周波数を決めることになるであろう。

上述のように形成されたレーザービーム３１０のいくつかのパルスを重複させることによる実際の条件においては、局所的な強度の超過上昇が起こる可能性があるが、これらは、形成されたレーザービーム３１０のビームの広さ内に強度を同様に適合させることで補償されることが指摘されている。特に、図示された蝶形状では、中心Ｍに回折限界幅があるので、同様にビーム形成素子を作動することによって中心Ｍの領域内に強度の減少が実現し得るような、正確な点形状にはならない。

以下に、具体的な例を用いて、重要なパラメータの寸法を示す。蝶形状レーザービーム３１０のビーム広がり角度αが４０°で、２つの連続形成されたレーザーパルスの間の望ましい重複が２５％の場合、光学素子は２つの連続形成されたレーザーパルスの間を３０°回転し続けなければならない。つまり、３６０°の回転を達成するのにちょうど１２のパルスが必要だということである。５０ｋＨｚのパルス周波数が選択されると、形成されたレーザービーム３１０の回転周波数は丁度４１６７Ｈｚになるはずである。当然ながら、定められたビーム広がり角度、重複、及びパルス周波数のパラメータは、互に適応する限り、自由に選択できる。

これに関連して、形成されたレーザービーム３１０の回転は、ビーム形成素子の機械的な回転によってだけではなく、動的ビーム形成システムの対応する動作によっても実現可能であることを、再度指摘する。動的ビーム形成システムの場合、形成レーザービーム３１０の回転は、正確な連続方法でも実行できない。この場合、回転は、複数の不連続角度位置の間で連続的に切り替えることによって実行される。

図３Ｂは、図３Ａに示されたビーム広がり角度よりも大きい９０°のビーム広がり角度αを有するように形成されたレーザービーム３２０の断面図である。形成されたレーザービーム３２０を利用できるレーザー出力が、図３Ａに示された、形成されたレーザービーム３１０と同じであるとすると、材料除去のしきい値が変わらない場合、ビーム広がり角度αが大きいため、図３Ｂに示された半径Ｒ_ｍａｘを有する穴のみを開けることができる。

要約すると、以下の点が観察される。本発明は、第１の横の強度分布を有する第１のレーザービーム２１１がビーム形成素子２１５に向けられ、第１のレーザービーム２１１が、ビーム形成素子２１５によって、第２の横の強度分布を有する第２のレーザービーム２１６に変換されることを特徴とした、レーザービーム形成方法に関する。本発明によれば、第２の強度分布は、第２のレーザービーム２１６の光軸に垂直な好適方向を有し、ビーム形成素子２１５は、好適方向が光軸を中心に回転するように動作する。ビーム形成素子２１５は、機械的動作によって、第１のレーザービーム２１１の光軸を中心に回転する光学素子になり得る。しかし、好適には、ビーム形成素子２１５は、同様に作動された場合や、いかなる機械的回転も防止している間、どんな任意の強度分布でも有する第２のレーザービーム２１６のいかなるビーム幅も事実上発生させられる、動的システムによって構成される。本発明はまた、有利な方法で材料をレーザー処理するためのレーザービームを形成する方法を用いることを特徴とした、レーザー処理方法に関する。

知られたビーム形成素子によって作られた横強度分布を示す図である。 動的制御可能ビーム形成素子を有するレーザー処理装置のアッセンブリの概略構成を示す図である。 大きい穴を開けるために、具体的に形成されたレーザービームの使用を示す図である。 大きい穴を開けるために、具体的に形成されたレーザービームの使用を示す図である。

符号の説明

２００…レーザー処理装置、２１０…レーザー光源、２１１…第１のレーザービーム、２１５…ビーム形成素子、２１６…第２のレーザービーム、２２０…偏向装置、２４０…対象物、２５０…制御器、３００…穴、３１０、３２０…形成されたレーザービーム。

Claims (11)

1. レーザービームを形成する方法であって、
   第１の横強度分布を有する第１のレーザービーム（２１１）は、ビーム形成素子（２１５）に向けられ、
   前記第１のレーザービーム（２１１）は、前記ビーム形成素子（２１５）によって、第２の横強度分布を有する第２のレーザービーム（２１６）に変換され、
   前記第２の横強度分布は、前記レーザービーム（２１６）の光軸に垂直な好適方向から形成され、
   前記ビーム形成素子（２１５）は、前記第２の横強度分布の前記好適方向が前記光軸の回りに回転するように動作することを特徴とするレーザービーム形成方法。
2. 第１のレーザービーム（２１１）は、前記レーザービームの光軸に対して対称な強度分布と共に使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. パルス状の第１のレーザービーム（２１１）が使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ビーム形成素子（２１５）は、レーザーパルスの一時的な列と無関係に動作することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記ビーム形成素子（２１５）の動作は、レーザーパルスの一時的な列と同期することを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記ビーム形成素子（２１５）は、前記光軸の回りに回転することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 動的制御可能なビーム形成素子（２１５）が使用されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
8. 前記第２のレーザービーム（２１６）は、互いに１点で接触する２つの部分面から構成される断面形状を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の方法によって形成されたレーザービームが、処理される対象物（２４０）に向けられることを特徴とするレーザー処理方法。
10. 請求項９に記載のレーザー処理方法において、
    第２のレーザービーム（２１６）は、円形状から放射状に広がる断面領域で形成され、
    前記第２のレーザービーム（２１６）の強度は、第１のレーザービーム（２１１）の強度よりも高いことを特徴とするレーザー処理方法。
11. 請求項９に記載のレーザー処理方法において、前記処理される対象物（２４０）に穴が開けられることを特徴とするレーザー処理方法。

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