JP2008087000A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、レーザ発振器から出力されたレーザ光を波長変換して得られる紫外レーザ光で加工するレーザ加工装置において、メンテナンス周期の長いレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 波長変換手段を、レーザ光のビーム形状を変更するビーム整形手段と被加工物に集光走査させる集光走査手段とを結ぶ光路上に設け、ビーム整形手段でパワー密度の低下した赤外レーザ光を紫外レーザ光に波長変換することで、光学素子がパワー密度の低下した紫外レーザ光に曝されるようにするとともに、紫外レーザ光に曝される光学素子の数を減らして、光学素子の汚れや光学損傷を抑制した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、レーザ発振器から出力されたレーザ光を波長変換し、レーザ加工を実施するレーザ加工装置に関するものである。

従来のレーザ加工装置では、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）結晶をレーザ媒質とする赤外レーザ発振器から出射される赤外レーザ光をまず非線形光学結晶を用いた波長変換素子により波長が４００ｎｍ以下の紫外レーザ光に変換する。

次に、例えば開口マスク等のビーム整形素子の光学素子を通過させることによって、紫外レーザ光のビーム断面形状の整形を行い、集光走査光学系で紫外レーザ光をプリント配線基板等の平板状の被加工物上に集光させて走査するようにしていた。（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第００／７３０１３号パンフレット（第９頁、ＦＩＧ．４）

このようなレーザ加工装置にあっては、波長変換素子から被加工物までの光路上に設けられた多くの光学素子がパワー密度の高い紫外レーザ光に曝されることとなるため、これらの多くの光学素子は、素子表面に空気中の有機物が不均一に焼き付いて汚れることで透過率の分布が生じたり、素子材料自体に光学欠陥が次第に発生して屈折率変化や光吸収の増加が引き起こされたりすることで、紫外レーザ光のビーム断面形状が所望の形状から変化してしまうという問題が起こっていた。

また、波長変換素子自体についても、やはり、パワー密度の高い紫外レーザ光に曝されることとなるため、上記の多くの光学素子と同様に、有機物の焼き付きによる汚れや光学欠陥が生じ、紫外レーザ光のビーム断面形状に悪影響を与える一因となっていた。

特に、レーザ加工において、赤外レーザ光ではなくて紫外レーザ光を用いる利点の１つは、微細加工が可能となる点であって、逆に言えば、紫外レーザ光を用いたレーザ加工装置においては、高い加工精度が要求されることとなる。

したがって、先に述べたように、紫外レーザ光のビーム断面形状が所望の形状から変化してしまうと加工精度が低下してしまうため、頻繁に光学素子や波長変換素子の新品交換を行う必要があり、これらの光学素子や波長変換素子の寿命を長くすることが困難で、レーザ加工装置のメンテナンス周期が極めて短いという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するために為されたもので、加工精度を落とすことなく、メンテナンス周期の長いレーザ加工装置を提供することを目的とする。

この発明に係るレーザ加工装置は、第１の波長のレーザ光を出射するレーザ発振器と、前記第１の波長のレーザ光のビーム断面のパワー密度分布を部分的に減衰させて整形するビーム整形手段と、前記ビーム整形手段により減衰された前記第１の波長のレーザ光を前記第１の波長よりも短い第２の波長のレーザ光に変換する波長変換手段と、前記第２の波長のレーザ光を被加工物面上に集光させて走査する集光走査手段とからなるレーザ加工装置であって、前記波長変換手段は、前記ビーム整形手段と前記集光走査手段とを結ぶ光路上に設けられていることを特徴とするものである。

この発明によれば、前記波長変換手段を前記ビーム整形手段と前記集光走査手段とを結ぶ光路上に設けるようにしたので、紫外レーザ光に曝される光学素子の数を減らすことができ、かつ、光学素子や波長変換素子が高いパワー密度の紫外レーザ光に曝されないようにできることから、加工精度を落とすことなく、メンテナンス周期の長いレーザ加工装置を得ることができる。

以下、この発明の実施の形態によるレーザ加工装置を、レーザ発振器がＮｄ：ＹＡＧをレーザ媒質とする赤外レーザ発振器であり、波長変換手段が非線形光学結晶としてＬＢＯ（Ｌｉｔｉｕｍ Ｂｏｒａｔｅ）結晶を用いた波長変換ユニットである場合を一例にして説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１の構成を示す構成図である。レーザ加工装置を左斜め上から見たもので、内部の構成がわかるように一部を露出させて示している。なお、図１に記載されている直交座標系が示すように、右斜め手前方向をＸ軸方向、横方向をＹ方向、上下方向をＺ方向と呼ぶこととする。さらに、向きを指定する場合は、正負の符号を付けて、例えば、上の向きであれば＋Ｚの向きと呼ぶものとする。

図１において、赤外レーザ発振器１から出射した赤外レーザ光は、レンズ２ａを通り、折返しミラー３で略９０°向きを変えた後、レンズ２ｂを通過する。ここで、レンズ２ａとレンズ２ｂは、赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光のビーム拡がり角やビーム径を制御するために、一定の範囲の自由度を持って、それぞれが光軸方向に独立して移動可能な機構を備えている。

次に、レンズ２ｂを通過した赤外レーザ光は、折返しミラー４で略９０°向きを変えた後、開口マスク５に入射する。上述したように、開口マスク５に入射する赤外レーザ光は、レンズ２ａとレンズ２ｂを光軸方向に動かすことにより、光路上のそれぞれの位置を調整して、ビーム拡がり角やビーム径が制御できるようになっている。

開口マスク５は、通常は円形の孔があいた形状をしており、その孔のサイズは被加工物にレーザ加工により施そうとする所望の加工形状との関係で設定される。例えば、プリント配線板の穴あけ加工の場合であれば、要求される穴径のサイズや穴の断面形状を考慮して設定されることとなる。

次に、開口マスク５を通過した赤外レーザ光は、レンズ６ａとレンズ６ｂを通過し、波長変換ユニット７ａに入射する。レンズ６ａとレンズ６ｂは、波長変換ユニット７ａに入射する赤外レーザ光のビーム拡がり角やビーム径を制御するために、一定の範囲の自由度を持って、それぞれが光軸方向に独立して移動可能な機構を備えている。

波長変換ユニット７ａに入射した赤外レーザ光は、紫外レーザ光に波長変換される。波長変換ユニット７ａには、非線形光学結晶であるＬＢＯ結晶を用いた波長変換素子が複数装填されている。

また、波長変換ユニット７ａ内には、温度を所望の値に設定したり、レーザ光と波長変換素子との為す角度を所望の値に設定する等、可視光発生、紫外光発生を行う波長変換素子に対して位相整合を行うための手段が備えられている。さらに、可視光や特に紫外光が照射されることによる光学素子や波長変換素子の損傷や汚れを低減するために、波長変換ユニット７ａ内のレーザ光の光路全体を封じ切るとともに、その封じ切った内部を、有機物の含有量が低減された酸素ガスや酸素を含む例えば乾燥空気等でパージする等の、メンテナンス周期を長くするための手段が施されている。

次に、図１において、波長変換ユニット７ａで変換されて出射される紫外レーザ光は、折返しミラー８で被加工物をレーザ加工するための加工エリアへと打ち下ろされ、ガルバノミラー９とガルバノミラー１０により方向が変えられた後、ｆθレンズ１１を通過することで集光されて、ステージ１２ａ上に置かれた、例えばプリント配線基板等の平板状の被加工物（図示せず）に照射され、被加工物（図示せず）は穴あけ等のレーザ加工が施されることとなる。

次に、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１の動作について、図１を用いて説明する。

赤外レーザ発振器１から出射した赤外レーザ光は、レンズ２ａとレンズ２ｂを通過した後に開口マスク５に入射するが、これらのレンズ２ａとレンズ２ｂは光軸方向に設置位置が移動調整されており、その結果、赤外レーザ光は、ビーム拡がり角やビーム径が制御されて、赤外レーザ発振器１の略出射ミラーの位置のビームパターンが開口マスク５の位置で結像して転写されるようになっている。

ところで、レーザ加工に用いられる赤外レーザ光のビームプロファイル（断面の光強度分布）は、通常は、略同心円状で中央付近のパワー密度が高く、周辺ほど低くなる分布をしている。開口マスク５を通過した赤外レーザ光は、そのビームプロファイルにおいて、周辺部が遮蔽されることでパワー密度が十分に減衰され、周辺が急峻に立ち下がるパワー密度分布となっている。先に述べたように、開口マスク５の開口サイズは被加工物のレーザ加工形状との関係で設定されるものであり、開口マスク５で遮蔽されて開口マスク５よりも後方側へ伝搬しない赤外レーザ光は、被加工物を所望の加工形状にレーザ加工する上で不要な光成分である。また、その際、開口マスク５を出射した直後のビームプロファイルにおいては、周辺部は遮蔽されて急峻にパワー密度が低下するが、中央部のパワー密度は変化しない。しかし、開口マスク５から距離が離れていくにつれて、回折効果の影響を受けて、中央部のパワー密度も低下することとなる。

次に、開口マスク５を通過して周辺部の光成分を遮蔽された赤外レーザ光は、レンズ６ａとレンズ６ｂを通過した後に波長変換ユニット７ａに入射するが、これらのレンズ６ａとレンズ６ｂは光軸方向に設置位置が移動調整されており、その結果、赤外レーザ光は、ビーム拡がり角やビーム径が制御されて、開口マスク５の位置でのビームパターンが波長変換ユニット７ａ内の波長変換素子の位置にて略結像して転写されるようになっている。

次に、波長変換ユニット７ａに入射した赤外レーザ光は、紫外レーザ光に波長変換されることとなるが、ここでは、赤外レーザ発振器１のレーザ媒質はＮｄ：ＹＡＧである場合を一例として説明しているので、赤外レーザ光の波長は１０６４ｎｍである。波長変換ユニット７ａ内において、まず、この波長１０６４ｎｍの赤外レーザ光は、第２高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）により、波長５３２ｎｍに変換され、次に、和周波発生（ＳＦＧ：Ｓｕｍ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）により、波長１０６４ｎｍの赤外レーザ光と波長５３２ｎｍの可視レーザ光の和周波となる波長３５５ｎｍの紫外レーザ光に変換される。なお、この波長変換ユニット７ａは、ＳＨＧにより得られた波長５３２ｎｍの可視レーザ光をさらにＳＨＧを用いることにより波長２６６ｎｍの紫外レーザ光に変換するものであっても良い。

また、波長変換の過程を詳述することはしないが、波長変換ユニット７ａは、第５高調波の波長２１３ｎｍを発生するものであっても良いのは言うまでも無い。

次に、波長変換ユニット７ａから出射された紫外レーザ光は、ガルバノミラー９とガルバノミラー１０で角度を変えて反射されることによって、伝搬する向きが変えられ、ｆθレンズ１１で集光された上で、ステージ１２ａ上のＸ−Ｙ平面内を２次元走査されることとなる。

平板状の被加工物（図示せず）は、ステージ１２ａ上に置かれているので、ガルバノミラー９とガルバノミラー１０の角度を高速に変えながら、ステージ１２ａを高速に移動することにより、被加工物（図示せず）の所望の位置に対して、汎用性高く、フレキシブルにレーザ加工を施すことができる。

ところで、従来のレーザ加工装置では、ビーム整形手段を通過する前に、波長変換手段によって赤外レーザ光が紫外レーザ光に変換されるようになっており、パワー密度の高い紫外レーザ光が、波長変換手段とビーム整形手段との間の光路上に設けられた多くの光学素子を照射することとなっていた。従って、多くの光学素子がパワー密度の高い紫外レーザ光に曝されることによって、有機物の焼き付きによる汚れや光学欠陥の発生による光学損傷といった光学劣化を生じてしまうために、これらの光学素子の新品交換を次々と行う必要があり、メンテナンス周期が極めて短くなってしまっていた。

それに対して、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１においては、上記に説明したように、赤外レーザ光を紫外レーザ光に変換する波長変換手段である波長変換ユニット７ａは、赤外レーザ光のビーム断面のパワー密度分布を部分的に減衰させて整形するビーム整形手段である開口マスク５と紫外レーザ光を被加工物（図示せず）面上に集光して走査するルバノミラー９とガルバノミラー１０とｆθレンズ１１からなる集光走査手段とを結ぶ光路上に設けられている。

従って、赤外レーザ光がレーザ加工に不要な光成分を遮蔽して十分に減衰するためのビーム整形手段である開口マスク５をまず通過し、パワー密度が低下した赤外レーザ光が波長変換手段である波長変換ユニット７ａに入射するようになっているので、波長が変換された紫外レーザ光のパワー密度も低くなっている。なお、紫外レーザ光のパワー密度が低くなっているのは、レーザ加工に不要な光成分を除いたからであって、従来のレーザ加工装置においても、紫外レーザ光に変換した後にビーム整形手段でパワー密度を低下させることとなるので、レーザ加工に関する性能という点において、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１と従来のレーザ加工装置とに差は無い。

しかし、光学素子の光学劣化によるメンテナンス周期への影響に関しては、例えば、図１において、紫外レーザ光に曝される光学素子は、折返しミラー８、ガルバノミラー９、ガルバノミラー１０、及び、ｆθレンズ１１であり、少なくとも、レンズ６ａとレンズ６ｂは紫外レーザ光に曝されることは無く、さらに、波長変換ユニット７ａで波長変換された紫外レーザ光のパワー密度は低くなっているので、紫外レーザ光に曝される光学素子や波長変換ユニット７ａ内の波長変換素子自体であっても光学劣化の程度は抑制されることとなり、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１においては、極めて長いメンテナンス周期を実現することが可能となる。

以上のように、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１においては、波長変換手段をビーム整形手段と集光走査手段とを結ぶ光路上に設けるようにしたので、紫外レーザ光に曝される光学素子の数を減らすことができ、かつ、光学素子や波長変換素子が高いパワー密度の紫外レーザ光に曝されないようにできることから、極めて長いメンテナンス周期を実現することができる。

また、図１においては、波長変換手段である波長変換ユニット７ａと、ガルバノミラー９、ガルバノミラー１０、及び、ｆθレンズ１１から構成された集光走査手段との間に、光学素子である折返しミラー８が設けられているが、実施の形態１のレーザ加工装置のレーザ発振器１や波長変換ユニット７ａやその他の光学素子の配置構成を見直して、波長変換ユニット７ａから出射される紫外レーザ光がＺ軸の−Ｚの向きに伝搬するようにすれば、折返しミラー８を設ける必要が無くなって、紫外レーザ光に曝される光学素子の数をさらに減らすことができ、メンテナンス周期をさらに長くすることができる。

また、波長変換ユニット７ａから出射される紫外レーザ光がＺ軸の−Ｚの向きに伝搬させる代わりに、ステージ１２をＸ−Ｚ平面に設けるようにし、ガルバノミラー９、ガルバノミラー１０、及び、ｆθレンズ１１から構成された集光走査手段がＸ−Ｚ平面上を走査できるように配置すれば、同様に、折返しミラー８を設ける必要が無くなって、紫外レーザ光に曝される光学素子の数をさらに減らすことができ、メンテナンス周期をさらに長くすることができることは言うまでも無い。

ところで、波長変換ユニット７ａ内の波長変換素子の寿命をさらに延ばして、メンテナンス周期をさらに長くするために、赤外レーザ発振器１内の出射ミラーから赤外レーザ光を取り出すポイントに関して、ビーム変動が比較的小さいポイントを選び、そのポイント上の赤外レーザ光のビームパターンを開口マスク５の位置に結像させて転写し、さらに、開口マスク５の位置のビームパターンを波長変換素子の非線形光学結晶の位置に略結像させて転写する構成とすることにより、レーザ加工に用いる紫外レーザ光の安定化、加工品質の安定化を図るようにしても良い。

また、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１では、ビーム整形手段である開口マスク５を通過した後で波長変換ユニット７ａで紫外レーザ光に変換するようにしたので、紫外レーザ光のパワー密度が低いため、ビーム径をさらに小さくしても従来のレーザ加工装置と同じ寿命を確保できる。従って、波長変換ユニット７ａ内の波長変換素子を構成する非線形光学結晶を光軸に垂直な方向に移動して、汚れや損傷が発生すれば結晶端面上の別のポイントに順次移動する構成とした場合、ビーム径を小さくすることができるため、使用できるポイントの数を多くでき、波長変換ユニット７ａの交換頻度を極めて少なくできるので、メンテナンス周期をさらに長くすることができるという効果がある。

さらに、上記では、赤外レーザ発振器１は、レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧである場合を一例にして説明しているが、Ｎｄ：ＹＡＧ以外の光学単結晶や光学多結晶であっても、希土類を添加したガラスファイバであっても赤外レーザ光を発生できるものであれば良い。また、波長変換ユニットにおける波長変換効率を向上させる目的で、赤外レーザ発振器１はＱスイッチレーザやモードロックレーザ等のパルス発振するものが望ましい。

さらに、上記では、波長変換ユニット７ａに入射するレーザ光が赤外レーザ光である場合のみについて説明したが、赤外レーザ発振器１に代えて、可視レーザ発振器を用い、可視レーザ光を紫外レーザ光に波長変換して紫外レーザ光を照射するレーザ加工装置であっても、メンテナンス周期を長くすることができるという効果が得られるのは言うまでもない。レーザ加工装置を構成するために使用する光学素子や波長変換素子は、波長が４００ｎｍ以下の紫外レーザ光に曝されることにより、顕著な汚れや光学損傷が発生する点が問題なのであって、波長変換を行う前のレーザ光の波長が赤外であるか可視であるかに関わらず、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１の構成は、メンテナンス周期を長くすることができるという格別なる効果を得ることができる。

さらに、言うならば、上記で説明した実施の形態１のレーザ加工装置では、ビーム整形手段である開口マスク５は赤外レーザ光を整形するように配置されているが、波長変換ユニット７ａを構成している複数の波長変換素子のうち、可視レーザ光を波長４００ｎｍ以下の紫外レーザ光に変換する波長変換素子の上流側、すなわち、レーザ発振器１がある側の光路上にビーム整形手段である開口マスク５を設けるようにすれば、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

実施の形態２．
実施の形態１のレーザ加工装置においては、ビーム整形手段が開口マスクである場合を説明したが、開口マスクに代えて非球面レンズやＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）を用い、他の構成は実施の形態１と同様にしても、メンテナンス周期の長いレーザ加工装置を得ることが可能である。開口マスクの場合は、レーザ光断面の周辺部の光成分を捨てることとなるが、非球面レンズやＤＯＥを用いた場合は、周辺部の光成分を捨てることなく有効に利用した上で、中央部のパワー密度を効果的に低下させるようにビーム整形することが可能で、開口マスクの場合よりもメンテナンス周期をさらに長くすることができるとともに、レーザ発振器で発生させたレーザ光のエネルギー利用効率が高い点が優れている。また、レーザ加工に用いる紫外レーザ光のビーム形状を整形する自由度が高いため、高い加工品質を得られる点でも優れている。

図２は、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態２の光学系の主要部を示す構成図である。図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。さらに、図の構成をわかりやすくするために、図１を構成する光学素子のうち、主要で無い光学素子については記載を省略している。

赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光は、レンズ２ａとレンズ２ｂにより、赤外レーザ発振器１の出射ミラーの位置でのビームパターンが非球面レンズ１３の位置で結像して転写され、さらに、レンズ６ａとレンズ６ｂにより、非球面レンズ１３の位置でのビームパターンが波長変換ユニット７ａの内に設けられた波長変換素子の位置で結像して転写される。

その際、ビームプロファイルが略同心円状で中央付近のパワー密度が高く、周辺ほど低くなる分布をしている、例えば、基本ガウシアンビームである赤外レーザ光は、非球面レンズ１３に入射して通過することにより、ビームプロファイルが中央部のパワー密度が低下して、かつ、その中央部の分布が平坦となった、いわゆるトップハット形状に整形される。

トップハット形状の赤外レーザ光は、波長変換ユニット７ａでトップハット形状の紫外レーザ光に変換されるが、ビームプロファイルにおいて、中央部が平坦されてパワー密度が低くなっているので、紫外レーザ光に曝される光学素子や波長変換素子自体の汚れや光学損傷を効果的に抑制でき、メンテナンス周期を極めて長くできるという効果が得られる。

なお、ビーム整形手段として、ＤＯＥを用いても同様の効果が得られるのは言うまでも無い。

ところで、ビーム整形手段として、非球面レンズやＤＯＥを使用した場合には、エキシマレーザ等で使用されるホモジナイザを使用する場合に比べ、高輝度のレーザ発振器に対して、ビーム品質、集光性といった輝度に寄与するパラメータを大きく劣化することなく、ビーム整形を行うことができる。従って、特に回折限界に近いビームを光源としてレーザ加工装置を構成した場合に有効である。

また、実施の形態２では、ビーム形状をトップハット形状とする場合について説明したが、凹形状であっても、ビームプロファイル全体で見て、パワー密度が低下するようにビーム整形されるのであれば、他の形状であっても同様の効果が得られることは言うまでも無い。

また、ビーム整形手段として、開口マスク、非球面レンズ、及び、ＤＯＥのいずれかを組み合わせて使用するようにしても、メンテナンス周期を長くできる効果を得ることが可能である。

実施の形態３．
実施の形態１や実施の形態２のレーザ加工装置においては、赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光を２枚のレンズにより、ビーム拡がり角やビーム径が制御されて、開口マスク５や非球面レンズ１３等のビーム整形手段に入射するように構成されているが、赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光を一旦光ファイバを通過させてから、開口マスク５に入射するようにすれば、ビーム変動を抑制することが可能で、メンテナンス周期を長くできることに加えて、赤外レーザ発振器１の出力変動に対して、より加工性能が安定したレーザ加工装置を構成することが可能となる。

図３は、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態３の構成を示す構成図である。図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

図３において、赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光は、レンズ２ｃにより集光され、光ファイバ１４ａの一端に入射する。光ファイバ１４ａの他端から出射された赤外レーザ光は、レンズ２ｄにより集光され、開口マスク５に入射する。開口マスク５を通過した赤外レーザ光は、実施の形態１や実施の形態２と同様に、波長変換ユニット７ａで紫外レーザ光に波長変換され、集光走査手段で集光と同時に２次元走査されて、ステージ１２ａ上に置かれた被加工物（図示せず）に照射され、所望のレーザ加工が行われることとなる。

ただし、実施の形態３のレーザ加工装置においては、赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光は、一旦、光ファイバ１４ａを通過することとなるが、その際、赤外レーザ光のビームプロファイルは光ファイバ１４ａの伝搬特性で規制される分布形状となり、ビーム整形手段として機能する。その結果、光ファイバ１４ａと開口マスク５の２段のビーム整形手段を備えることになる。従って、赤外レーザ発振器１の横モードの変動を一層抑制することができるので、赤外レーザ発振器１の出力変動に対して、より加工性能が安定したレーザ加工装置を構成することが可能となる。

また、上記では、ビーム整形手段として、光ファイバ１４ａと開口マスク５の２段となっているが、ビーム整形手段が光ファイバ１４ａのみであっても、同様の効果が得られることは言うまでも無い。

さらに、ビーム整形手段として、光ファイバ１４ａと非球面レンズ１３ないしはＤＯＥのいずれか１つと組み合わせて２段のビーム整形手段を備えるようにしても、同様の効果が得られることは言うまでも無い。

実施の形態４．
実施の形態１、実施の形態２、及び、実施の形態３においては、波長変換手段である波長変換ユニット７ａと集光走査手段を構成するガルバノミラー９とガルバノミラー１０とｆθレンズ１１とは、それぞれ個別に配置されているが、波長変換手段と集光走査手段とが加工ヘッド部により一体にして保持され、この加工ヘッド部が平板状の被加工物の面と平行な方向に移動できるように構成されていれば、柔軟に対応して加工ができるレーザ加工装置を実現することが可能となる。

すなわち、走査エリアは小さいが極めて高速で走査できるガルバノミラーとｆθレンズによる集光走査手段と、比較的高速で移動できるとともに、移動可能範囲が大きい加工ヘッド部と、高速で移動することは困難であるが移動可能範囲が極めて大きいステージとを組み合わせることによって、サイズの大きい被加工物であって、その被加工物面上の加工位置が大量でかつ極めて複雑な配置をしていたとしても、柔軟に対応して被加工物上を紫外レーザ光で走査することができる。

図４は、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態４の構成を示す構成図である。図１、図２、及び、図３と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

図４においては、折返しミラー８、波長変換ユニット７ｂ、ガルバノミラー９、ガルバノミラー１０、及びｆθレンズ１１とが、加工ヘッド部１６ａで一体となるように保持されている。この加工ヘッド部１６ａは、加工ヘッド送り機構１５に取り付けられており、Ｙ軸方向に比較的高速に移動可能となっている。この加工ヘッド送り機構１５は、リニアモータを使用するものでも、ボールネジを使用するものであっても良い。

また、加工ヘッド部１６ａは、Ｚ軸方向にも紫外レーザ光のフォーカシングを調整するレベルの極めて短い範囲であるが、移動可能となっており、ステージ１２ｂの上に置かれた平板状の被加工物（図示せず）とのＺ軸方向の位置関係を所望の条件に設定することができる。

赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光は、開口マスク５を通過してパワー密度が低下した後、レンズ６ａとレンズ６ｂでビーム拡がり角とビーム径が制御された上で、加工ヘッド部１６ａに保持された折返しミラー８で下方である−Ｚの向きに打ち下ろされ、波長変換ユニット７ｂに入射する。波長変換ユニット７ｂから出射されたパワー密度の低下した紫外レーザ光は、ガルバノミラー９とガルバノミラー１０で極めて高速に向きが変えられ、ｆθレンズ１１で集光されて、ステージ１２ｂに置かれた平板状の被加工物（図示せず）上を走査してレーザ加工が施される。なお、ステージ１２ｂは、図４に示したレーザ加工装置においては、Ｘ軸方向に大きな移動範囲で移動可能となっている。

実施の形態４のレーザ加工装置は、上記のように、走査エリアは小さいが極めて高速で走査できる集光走査手段と、比較的高速で移動できるとともに、移動可能範囲が大きい加工ヘッド部と、高速で移動することは困難であるが移動可能範囲が極めて大きいステージとを組み合わせて構成されているので、サイズの大きい被加工物であって、その被加工物面上の加工位置が大量でかつ極めて複雑な配置をしていたとしても、柔軟に対応して加工ができるレーザ加工装置を実現することが可能となる。

なお、実施の形態４のレーザ加工装置は、波長変換手段は、ビーム整形手段と集光走査手段とを結ぶ光路上に設けられているので、メンテナンス周期を長くできることは言うまでもない。

さらに、波長変換手段は、集光走査手段と連設しており、両者の間には如何なる光学素子も配置されていないことから、紫外レーザ光に曝される光学素子の数が少なくなっており、さらに、メンテナンス周期を長くすることができるという効果がある。

実施の形態５．
実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、及び、実施の形態４のレーザ加工装置においては、複数のレンズを用いて、赤外レーザ光のビーム拡がり角やビーム径を制御するようにしていたが、赤外レーザ発振器１と波長変換手段との間には、赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光を光ファイバに入射させるために集光するレンズのみを備え、光ファイバから出射した赤外レーザ光を直接に加工ヘッド部で保持された波長変換ユニットに入射させるようにすれば、光学素子の数を著しく少なくすることが可能となる。

実施の形態４のレーザ加工装置は、穴明け加工のような高い加工精度が要求されるレーザ加工には適さないが、例えば、シリコンウエハのダイシング等、加工精度が比較的低くて良いが、材料的な問題から切断加工に紫外レーザ光が必要な用途向けのレーザ加工装置には、メンテナンス周期を極めて長くすることができ、かつ、光学素子の数を著しく少なくすることにより、レーザ加工装置の小型化が図れる点で、格別なる効果を奏する。

図５は、この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態５の構成を示す構成図である。図１、図２、図３、及び、図４と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

図５において、赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光は、レンズ２ｅにより集光されて、光ファイバ１４ｂの一端に入射される。光ファイバ１４ｂは、実施の形態３にて説明したのと同様に、ビーム整形手段として機能し、赤外レーザ光のパワー密度を低下させる。光ファイバ１４ｂの他端から出射された赤外レーザ光は、加工ヘッド部１６ｂに保持された波長変換ユニット７ｃに入射される。

波長変換ユニット７ｃから出射された紫外レーザ光は、加工ヘッド部１６ｂに保持された対物レンズ１７によって集光され、例えば、シリコンウエハ等の平板状の被加工物（図示せず）に照射される。

加工ヘッド部１６ｂは、加工ヘッド送り機構１５に取り付けられて、Ｙ軸方向に移動可能となっており、被加工物（図示せず）を載せるステージ１２ｂはＸ軸方向に移動可能となっているので、加工ヘッド部１６ｂとステージ１２ｂを移動させて、平板状の被加工物（図示せず）の切断等のレーザ加工を施すことができる。

なお、加工ヘッド部１６ｂは、Ｚ軸方向にも紫外レーザ光のフォーカシングを調整するレベルの極めて短い範囲であるが、移動可能となっており、ステージ１２ｂの上に置かれた平板状の被加工物（図示せず）とのＺ軸方向の位置関係を所望の条件に設定することができる。

実施の形態５のレーザ加工装置は、以上のように、波長変換手段である波長変換ユニット７ｃがビーム整形手段である光ファイバ１４ｂと対物レンズ１７とを結ぶ光路上に設けられているので、メンテナンス周期を長くできることは言うまでもない。

さらに、赤外レーザ発振器１と波長変換手段との間には、赤外レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光を光ファイバに入射させるために集光するレンズのみを備え、光ファイバから出射した赤外レーザ光を直接に加工ヘッドで保持された波長変換ユニットに入射させるように構成されているので、光学素子の数を著しく少なくすることが可能で、レーザ加工装置の小型化が図れるという効果がある。

ところで、この発明に係るレーザ加工装置は、樹脂、セラミック、金属、もしくはそれらを積層した材料、もしくはシリコンウエハ等の電子部品材料に対し、高精度の微細穴あけ加工や切断加工を長期間安定して実施できる点に特徴がある。上記の材料をレーザ加工するには、高い吸収率を示す短波長の紫外レーザ光を用いることが適しているが、この発明に係るレーザ加工装置においては、このような短波長の紫外レーザ光を用いても、装置のメンテナンス周期を長くすることができるので、レーザ加工装置の稼働率を高くでき、高い生産性が得られる。

この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１の構成を示す構成図である。 この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態２の光学系の主要部を示す構成図である。 この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態３の構成を示す構成図である。 この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態４の構成を示す構成図である。 この発明に係るレーザ加工装置の実施の形態５の構成を示す構成図である。

符号の説明

１ 赤外レーザ発振器
５ 開口マスク
７ａ 波長変換ユニット
９ ガルバノミラー
１０ ガルバノミラー
１１ ｆθレンズ
１３ 非球面レンズ
１４ａ 光ファイバ
１４ｂ 光ファイバ
１５ 加工ヘッド送り機構
１６ａ 加工ヘッド部
１６ｂ 加工ヘッド部
１７ 対物レンズ

Claims (10)

1. 第１の波長のレーザ光を出射するレーザ発振器と、
   前記第１の波長のレーザ光のビーム断面のパワー密度分布を変更するビーム整形手段と、
   前記ビーム整形手段により変更された前記第１の波長のレーザ光に基づいて前記第１の波長よりも短い第２の波長のレーザ光を出力する波長変換手段と、
   前記第２の波長のレーザ光を被加工物面上に集光走査する集光走査手段と
   からなるレーザ加工装置であって、
   前記波長変換手段は、前記ビーム整形手段と前記集光走査手段とを結ぶ光路上に設けられていることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 波長変換手段は、集光走査手段と連設されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 波長変換手段と集光走査手段とを一体にして保持する加工ヘッド部をさらに備え、
   前記加工ヘッド部は、被加工物面と少なくとも垂直に移動可能であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 波長変換手段と集光走査手段とを一体にして保持する加工ヘッド部をさらに備え、
   前記加工ヘッド部は、被加工物面と平行な一方向に移動可能であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
5. ビーム整形手段は、開口マスクであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. ビーム整形手段は、非球面レンズないしは回折型光学素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. ビーム整形手段は、光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項
   に記載のレーザ加工装置。
8. 第２の波長が４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
9. 第１の波長のレーザ光を出射するレーザ発振器と、
   前記第１のレーザ光のビーム断面のパワー密度分布を部分的に減衰させて整形する光ファイバと、
   前記光ファイバにより減衰された前記第１の波長のレーザ光を前記第１の波長よりも短い第２の波長のレーザ光に変換する波長変換手段と、
   前記第２の波長のレーザ光を被加工物面上に集光する対物レンズとからなるレーザ加工装置であって、
   前記波長変換手段は、前記光ファイバと前記対物レンズとを結ぶ光路上に設けられることを特徴とするレーザ加工装置。
10. 波長変換手段と対物レンズを一体にして保持する加工ヘッド部をさらに備え、前記加工ヘッド部は、被加工物面と平行な一方向に移動可能であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。

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