JP2008015005A - ビーム照射装置、及び、ビーム照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の加工を行う。
【解決手段】 レーザビームを出射するレーザ光源と、レーザ光源を出射したレーザビームを、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが第１の比率で混在する第１のレーザビームと、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが第１の比率とは異なる第２の比率で混在する第２のレーザビームとに分岐するビームスプリッタと、第１のレーザビームの光路上に配置され、第１のレーザビームを円偏光化する円偏向装置とを有するビーム照射装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ビームを照射して加工を行うビーム照射装置、及び、ビーム照射方法に関する。

レーザ加工には、レーザ光源から出射したビームを焦点位置で加工面に集光して行うスポット加工と、貫通孔を有するマスクにレーザビームを入射させ、貫通孔を通過したビームの形状を加工面に投影する結像加工とがある。

たとえば前者はＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接に用いられ、後者はエキシマレーザを用いたパタン加工に用いられる。

結像加工を行うレーザ加工装置には、高出力のレーザ光源が使用されることが多い。レーザ光源を出射した１本のレーザビームを分岐せず、被加工物に照射してレーザ加工を行う場合は、マスクでカットされ、被加工部に到達しないビームが多くなるため、エネルギ利用効率が低い。

レーザビームを多分岐し、多分岐したビームのそれぞれを別個のマスクに入射させ、加工速度を向上させるレーザ加工が行われている。ビームの分岐には、たとえばエッジミラーが使用される。しかし、エッジミラーを用いて分岐を行った場合、ビーム内部のエネルギ強度が不均一になりやすいため、ビームスプリッタが用いられることも多い。
なお、必要に応じてエキスパンダでビーム径を拡大し、ビームを貫通孔のサイズと整合させてマスクに入射させ、エネルギ利用効率を高めることも行われている。

ビームスプリッタでビームを２分割する場合、ビームスプリッタは、ビームの入射面が、ビームの入射方向に対して４５°の角をなすように配置される。ビームスプリッタで反射された反射光、及び、ビームスプリッタを透過した透過光は、ともに偏光となり、ビームスプリッタ以降の光学系の構成によっては、その偏光状態が維持されたまま被加工面に到達する。

たとえば、円偏光のレーザビームをビームスプリッタに入射させると、等しい強度の反射光と透過光とに分岐することができる。反射光と透過光は、それぞれＰ偏光成分とＳ偏光成分とを含む。偏光成分の割合は、レーザビームの入射方向とビームスプリッタのビーム入射面とのなす相対角度に影響を受ける。一般に、反射光には、Ｐ偏光成分が３０〜４０％、Ｓ偏光成分が６０〜７０％含まれ、透過光には、Ｐ偏光成分が６０〜７０％、Ｓ偏光成分が３０〜４０％含まれる。反射光、透過光ともに、強い直線偏光、及び、強い直線偏光と直交する偏光方向を有する弱い直線偏光の混合であるといえる。

紫外線の波長領域のレーザビームを入射させるビームスプリッタにおいては、反射光と透過光とを同強度とし、かつ、反射光と透過光とのそれぞれにおいて、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比率を等しくすることは不可能ではない。ビームスプリッタの反射コーティングを適宜調整することで、実現可能である。

しかし、紫外線の波長領域のレーザビームに比べ、ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザから出射したレーザビームの波長は長いため、これらのレーザ発振器を出射したビームを分岐するビームスプリッタにおいては、ビームスプリッタ表面に形成される反射コーティング膜の膜厚が厚くなり、レーザビームの照射によって、コーティング膜が損傷し、剥離する場合がある。このため、ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザを出射したレーザビームを分岐するビームスプリッタにおいては、偏光成分のＰ／Ｓ比を変更するのが一般的である。反射光と透過光との強度比を３％以内に調整するとき、Ｐ／Ｓ比は５％以内の変動となるのが通常である。

結像加工法では、たとえば貫通孔の大きさの１／２０〜１／８の大きさに縮小されたビームを、加工対象物に入射させて加工を行う。結像加工点は、集光点から若干離れた位置に位置する。
レーザ光源から出射されたビームをビームスプリッタで分岐して、分岐後のビームをマスクを通して加工対象物上に結像させると、マスクの貫通孔が真円形状を備えている場合であっても、加工形状が一方向に長くなる（楕円形状となる）という問題がある。

これは偏光の強い方向は、ビームの強度が強く、偏光の弱い方向は、ビームの強度が弱いところ、ビームスプリッタで分岐したレーザビームは、透過光、反射光ともに、Ｐ／Ｓ比が不均一であることから、直交する２方向でビーム強度の強弱が生じることが原因である。

なお、レーザビームを結像点からずらした位置で加工対象物に入射させた場合、結像の影響が薄れ、偏光の影響が顕著に出現し、加工形状が、結像点でビームを入射させた場合よりも細長い楕円形状となる。

Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射するビームスプリッタでレーザビームを分岐させ、両者を重畳した後、１／４波長板、または円偏向ミラーで円偏光に変換し、加工対象物に照射することで、２つの加工ビームによる加工形状を同じにすることができるレーザ加工装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００５−１７７７８８号公報

本発明の目的は、高品質の加工が可能なビーム照射装置を提供することである。

また、高品質の加工が可能なビーム照射方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが第１の比率で混在する第１のレーザビームと、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが前記第１の比率とは異なる第２の比率で混在する第２のレーザビームとに分岐するビームスプリッタと、前記第１のレーザビームの光路上に配置され、前記第１のレーザビームを円偏光化する円偏向装置とを有するビーム照射装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、原レーザビームを、ビームスプリッタを用いて、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが第１の比率で混在する第１のレーザビームと、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが前記第１の比率とは異なる第２の比率で混在する第２のレーザビームとに分岐する工程と、前記第１のレーザビームを円偏光化して照射対象物に照射する工程とを有するビーム照射方法が提供される。

本発明によれば、高品質の加工が可能なビーム照射装置を提供することができる。

また、高品質の加工が可能なビーム照射方法を提供することができる。

図１は、実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。

たとえば炭酸ガスレーザ発振器を含むレーザ光源３０が、たとえば直線偏光とされたパルスレーザビーム３１を出射する。レーザビーム３１は、全反射ミラー３２ａで反射され、１／４波長板３３に入射し、円偏光とされた後、ビームスプリッタ３４のビーム入射面に入射し、相互にエネルギの等しいレーザビーム（透過光）３１ａとレーザビーム（反射光）３１ｂとに分岐される。
レーザビーム３１ａ及び３１ｂは、ともにＰ偏光成分とＳ偏光成分とを異なる比率で含む。また、レーザビーム３１ａとレーザビーム３１ｂとの間でも、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比率は相互に異なる。
なお、レーザ光源３０から出射されるレーザビーム３１がランダム偏光の場合は、１／４波長板３３は不要である。

レーザビーム３１ａは、レンズ３６ａ、ビームの断面形状を整形する、たとえば円形の透過領域を備えるマスク３７ａ、及び、反射鏡に特殊コーティングを施した円偏向ミラー３８ａを含んで構成される光学系３５ａを経て、ガルバノスキャナ３９ａに入射する。

レーザビーム３１ａは、マスク３７ａで断面形状を円形に整形された後、円偏向ミラー３８ａで円偏光に変換される。

円偏光に変換されたレーザビーム３１ａは、一対の揺動可能な反射鏡を含むガルバノスキャナ３９ａで走査され、ｆθレンズ４０ａを透過して、ＸＹステージ４１ａ上に保持された加工対象物であるプリント基板５０ａに垂直方向から入射する。

ｆθレンズ４０ａは、マスク３７ａの透過領域の位置のレーザビームの断面形状を、プリント基板５０ａ上に結像させることができる。プリント基板５０ａは、その表面上にマスク３７ａの透過領域の位置のレーザビームの断面形状の像が結像されるように、ＸＹステージ４１ａ上に載置される。
プリント基板５０ａは、たとえば樹脂層と導電層とが交互に積層された構造を有する。円偏光であるレーザビーム３１ａが、プリント基板５０ａの樹脂層の所定の１箇所に、たとえば数ショット照射され、プリント基板５０ａの樹脂層を貫通する円形状の穴が形成される。
ビームスプリッタ３４で分岐されたレーザビーム（反射光）３１ｂは、全反射ミラー３２ｂ〜ｄで反射され、光学系３５ｂを経て、ガルバノスキャナ３９ｂに入射する。
光学系３５ｂは、レンズ３６ｂ、たとえば円形の透過領域を備えるマスク３７ｂ、及び円偏向ミラー３８ｂを含んで構成される。
レーザビーム３１ｂは、マスク３７ｂで断面形状を円形に整形された後、円偏向ミラー３８ｂで円偏光に変換される。

円偏光に変換されたレーザビーム３１ｂは、ガルバノスキャナ３９ｂで走査され、ｆθレンズ４０ｂを透過して、ＸＹステージ４１ｂ上に保持されたプリント基板５０ｂに垂直方向から入射する。

マスク３７ｂの透過領域の位置のレーザビームの断面形状は、ｆθレンズ４０ｂにより、プリント基板５０ｂ上に結像される。
円偏光とされたレーザビーム３１ｂが、プリント基板５０ｂの樹脂層の所定の１箇所に、たとえば数ショット照射され、プリント基板５０ｂの樹脂層を貫通する円形状の穴が形成される。
なお、コントローラ４２は、レーザ光源３０、ガルバノスキャナ３９ａ、３９ｂ、及び、ＸＹステージ４１ａ、４１ｂに接続され、これらの動作を制御する。コントローラ４２からレーザ光源３０、ガルバノスキャナ３９ａ、３９ｂ、及び、ＸＹステージ４１ａ、４１ｂに伝えられる制御信号は、操作装置４３からコントローラ４２に予め与えられた被加工部のデータ等に基づいて作成される。

実施例によるビーム照射装置を用いると、円偏光に変換された、円形の断面形状を有するレーザビームがプリント基板５０ａ、５０ｂに照射され、プリント基板５０ａ、５０ｂの樹脂層を貫通する穴が形成される。円偏光に変換されているため、樹脂層に形成される貫通孔は楕円形状とはならず、マスク３７ａ、３７ｂの透過領域の形状を忠実に反映した真円形状となる。このように実施例によるビーム照射装置を用いると、良好な加工品質で加工を行うことができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば実施例においては、円偏向ミラーを用いて加工レンズに入射するレーザビームを円偏光化した。円偏向ミラーの代わりに１／４波長板を、たとえばガルバノスキャナ直前に配置することによって、レーザビームを円偏光化してもよい。ただし光学系の構成素子は簡素化することが望ましいという観点からは、円偏向ミラーを用いる方が好ましいであろう。
その他、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。

レーザ加工及びレーザ加工装置一般に利用することができる。殊に、レーザビームを、多層プリント基板の樹脂層やセラミックシートに照射して穴開けを行うレーザドリル加工、及び、レーザドリル装置に好適に利用される。

実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。

符号の説明

３０ レーザ光源
３１、３１ａ、ｂ レーザビーム
３２ａ〜ｄ 全反射ミラー
３３ １／４波長板
３４ ビームスプリッタ
３５ａ、ｂ 光学系
３６ａ、ｂ レンズ
３７ａ、ｂ マスク
３８ａ、ｂ 円偏向ミラー
３９ａ、ｂ ガルバノスキャナ
４０ａ、ｂ ｆθレンズ
４１ａ、ｂ ＸＹステージ
４２ コントローラ
４３ 操作装置
５０ａ、ｂ プリント基板

Claims (3)

1. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源を出射したレーザビームを、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが第１の比率で混在する第１のレーザビームと、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが前記第１の比率とは異なる第２の比率で混在する第２のレーザビームとに分岐するビームスプリッタと、
   前記第１のレーザビームの光路上に配置され、前記第１のレーザビームを円偏光化する円偏向装置と
   を有するビーム照射装置。
2. 前記円偏向装置が、円偏向ミラー、または、１／４波長板である請求項１に記載のビーム照射装置。
3. 原レーザビームを、ビームスプリッタを用いて、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが第１の比率で混在する第１のレーザビームと、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが前記第１の比率とは異なる第２の比率で混在する第２のレーザビームとに分岐する工程と、
   前記第１のレーザビームを円偏光化して照射対象物に照射する工程と
   を有するビーム照射方法。

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