JP2009107011A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高いエネルギ効率で良質のレーザ加工を行う。
【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のビームプロファイルを釣鐘型に変化させるビームプロファイル調整器と、ビームプロファイル調整器を出射した、ビームプロファイルが釣鐘型のレーザビームを透過させる透光領域を備えるマスクと、マスクを透過したレーザビームが入射する位置に配置された、透光領域のサイズが可変のアパーチャと、加工対象物を保持する保持器と、マスクの位置におけるレーザビームの断面を、保持器に保持された加工対象物上に結像させる光学系とを有するレーザ加工装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置、及び、レーザ加工方法に関する。

図４（Ａ）は、基板の穴開け加工に用いられるレーザ加工装置の従来例を示す概略図である。

レーザ光源１０、たとえばＣＯ_２レーザ発振器からパルスレーザビーム３０が出射する。パルスレーザビーム３０は、ビーム径調整用エキスパンダ１１でビーム径を調整され、たとえば円形の貫通孔を有するマスク１２で断面形状を整形された後、フィールドレンズ１３、ガルバノミラー１４ａ、１４ｂ、及びｆθレンズ１５を経て、ステージ１６に保持された基板２０に入射する。

基板２０は、たとえば金属層上に形成された樹脂層を表面層として含んで構成される。フィールドレンズ１３及びｆθレンズ１５は、マスク１２の貫通孔を基板２０の樹脂層表面に結像する。このため円形の断面形状のパルスレーザビーム３０が、樹脂層表面から基板２０に垂直方向から入射する。パルスレーザビーム３０の入射により、基板２０には樹脂層を貫通し金属層に至る、開口形状が円形の穴が形成される。

ガルバノミラー１４ａ、１４ｂは、ガルバノスキャナを構成する２枚の揺動鏡である。ガルバノスキャナは入射するパルスレーザビーム３０の出射方向を２次元方向に変化させて出射する。

ガルバノスキャナの動作（ガルバノミラー１４ａ、１４ｂの揺動）により、パルスレーザビーム３０のプリント基板２０上への入射位置が移動し、基板２０の樹脂層に複数の貫通孔が形成される。

上述の加工においては、パルスレーザビーム３０のビーム径は、ビーム径調整用エキスパンダ１１で、マスク１２の貫通孔のサイズに対応したサイズに調整される。この場合、基板２０上に結像される、マスク１２の位置におけるビーム断面の縁のビーム強度（光強度）が、基板２０の穴開け加工に必要なビーム強度（加工閾値）以上となるように、ビーム径の調整が行われる。

図４（Ｂ）に、レーザ光源１０出射直後のパルスレーザビーム３０のビームプロファイルの概略を示す。図の横軸はパルスレーザビーム３０の断面位置、縦軸はビーム強度を表す。本図に見られるように、パルスレーザビーム３０のビームプロファイルはガウシアン分布を示す。

図４（Ｃ）に、マスク１２の貫通孔を透過したパルスレーザビーム３０のビームプロファイルの概略を示す。図４（Ｂ）と同じく、図の横軸はパルスレーザビーム３０の断面位置、縦軸はビーム強度を表す。

本図に示すように、ガウシアン分布の裾野領域に対応するパルスレーザビーム３０の一部（周辺部分）が遮光され、図中に実線で表すビームプロファイルをもつパルスレーザビーム３０がマスク１２を透過する。

図中のＥ_１及びＥ_２は、マスク１２の貫通孔を透過したパルスレーザビーム３０断面の縁の位置であり、断面位置Ｅ_１及びＥ_２におけるビーム強度はＩ_０である。Ｉ_０は基板２０の穴開け加工に必要なビーム強度（加工閾値）以上のビーム強度である。

パルスレーザビーム３０の周辺部分をマスク１２を用いて遮光し、ビーム断面の整形を行うレーザ加工方法では大きなエネルギ損失が生じる。図４（Ｃ）には、加工に用いられないエネルギに対応する部分に斜線を付して示した。

トップハット形状のビームプロファイルを有するレーザビームをマスクに入射させ、マスク面のビームプロファイルを加工面に転写することで加工品質の向上を図るレーザ加工装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００５−２５７７３５号公報

本発明の目的は、エネルギ効率が高く、かつ良質の加工を実現することのできるレーザ加工装置を提供することである。

また、エネルギ効率が高く、かつ良質の加工を実現することのできるレーザ加工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のビームプロファイルを釣鐘型に変化させるビームプロファイル調整器と、前記ビームプロファイル調整器を出射した、ビームプロファイルが釣鐘型のレーザビームを透過させる透光領域を備えるマスクと、前記マスクを透過したレーザビームが入射する位置に配置された、透光領域のサイズが可変のアパーチャと、加工対象物を保持する保持器と、前記マスクの位置におけるレーザビームの断面を、前記保持器に保持された加工対象物上に結像させる光学系とを有するレーザ加工装置が提供される。

また、本発明の他の観点によると、（ａ）ビームプロファイルが釣鐘型のレーザビームをマスクに入射させる工程と、（ｂ）前記マスクを透過したレーザビームの周辺部分を遮光する工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）で周辺部分を遮光されたレーザビームを、前記マスクの位置におけるビーム断面が加工対象物上に結像する条件で、該加工対象物に入射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、エネルギ効率が高く、かつ良質の加工を実現可能なレーザ加工装置を提供することができる。

また、エネルギ効率が高く、かつ良質の加工を実現可能なレーザ加工方法を提供することができる。

図１（Ａ）は、実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。

実施例によるレーザ加工装置は、たとえばＣＯ_２レーザ発振器を含むレーザ光源１０、入射するレーザビームのビーム径を変化させて出射するビーム径調整用エキスパンダ１１、入射するレーザビームのビームプロファイルを調整する非球面レンズ１７、透光領域（たとえば円形の貫通孔）と遮光領域とを備え、透過するレーザビームの断面形状を整形するマスク１２、フィールドレンズ１３、たとえばマスク１２に対応した形状の透光領域と遮光領域とを備えるアパーチャ１８、ガルバノミラー１４ａ、１４ｂ、ｆθレンズ１５、及び加工対象物を保持する保持器であるステージ１６を含んで構成される。アパーチャ１８は、透光領域のサイズを変えることのできる径可変のアパーチャである。

加工対象物は、たとえば金属層上に形成された樹脂層を表面層として含んで構成される基板２０である。実施例によるレーザ加工装置を用いて、基板２０の樹脂層を貫通し金属層に至る穴開け加工を行う。

フィールドレンズ１３及びｆθレンズ１５は、マスク１２の位置のパルスレーザビーム３０の断面を基板２０の樹脂層表面に結像する機能を有する。

ガルバノミラー１４ａ、１４ｂは、ガルバノスキャナを構成する２枚の揺動鏡であり、入射するパルスレーザビーム３０の出射方向を２次元方向に変化させて出射する。ガルバノスキャナの動作（ガルバノミラー１４ａ、１４ｂの揺動）により、パルスレーザビーム３０のプリント基板２０上への入射位置が移動し、基板２０の樹脂層の複数の位置に貫通孔が形成される。

以下、実施例によるレーザ加工装置の動作、及び本レーザ加工装置を用いて行うレーザ加工について詳述する。

ＣＯ_２レーザ発振器を含むレーザ光源１０から波長９．３μｍのパルスレーザビーム３０が出射する。レーザ光源１０から出射したパルスレーザビーム３０のビームプロファイルは、図４（Ｂ）に示したようなガウシアン分布である。パルスレーザビーム３０は、ビーム径調整用エキスパンダ１１でビーム径を調整され、非球面レンズ１７に入射する。

非球面レンズ１７は、入射するパルスレーザビーム３０のビームプロファイルを「釣鐘型」に変化させる。「釣鐘型」のビームプロファイルは、「ガウシアン型」と「トップハット型」の中間に当たるビームプロファイルであり、「中心部の光強度が最も強く、その強度（ピーク強度）を１００％とした場合に、光強度がピーク強度の１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）以上の領域を含む円の直径の７０％のサイズの直径をもつ円周上での光強度がピーク強度の９５％未満であり、かつ、光強度がピーク強度の５０％以上の領域内に、ビーム全体がもつエネルギの７５％以上が含まれているビームプロファイル」と定義される。

図１（Ｂ）に釣鐘型のビームプロファイルの一例を示した。図の横軸はパルスレーザビーム３０の断面位置、縦軸はビーム強度を表す。非球面レンズ１７でビームプロファイルを釣鐘型に変形されたパルスレーザビーム３０は、円形の貫通孔（透光領域）を備えるマスク１２に入射する。

図中のＥ_１及びＥ_２は、マスク１２の遮光領域の縁の位置を表す。パルスレーザビーム３０は、マスク１２の遮光領域で、釣鐘型分布のビームプロファイルの周辺領域（本図においては斜線を付して示した。）に対応する周辺部分を遮光される。パルスレーザビーム３０の残余の部分（中心部分）はマスク１２の貫通孔（透光領域）に入射し、これを透過する。

マスク１２の貫通孔（透光領域）を透過するパルスレーザビーム３０の外縁の位置でもあるＥ_１及びＥ_２におけるビーム強度はＩ_０である。Ｉ_０は基板２０の穴開け加工に必要なビーム強度（加工閾値）以上のビーム強度である。

マスク１２を透過したパルスレーザビーム３０は、フィールドレンズ１３を経てアパーチャ１８に入射する。

アパーチャ１８は、サイズ可変の円形の貫通孔（透光領域）と遮光領域とを備える。アパーチャ１８は、たとえばマスク１２を透過したパルスレーザビーム３０の０次及び１次回折光を透過させ、２次以下の回折光を遮光する。

アパーチャ１８を透過したパルスレーザビーム３０は、ガルバノミラー１４ａ、１４ｂで反射され、ｆθレンズ１５を経て、ステージ１６に保持されている基板２０に垂直方向から入射し、基板２０の樹脂層に金属層に至る貫通孔を形成する。

円形の貫通孔を備えるアパーチャ１８で整形された、円形の断面形状を有するパルスレーザビーム３０が基板２０に入射するため、基板２０に形成される穴の開口形状は円形である。

図２を参照して、実施例によるレーザ加工装置のマスク１２位置と、従来例によるレーザ加工装置のマスク１２位置とにおけるビーム強度を比較する。実施例、従来例ともに、マスク１２のマスク径（円形貫通孔の直径）は２．７ｍｍとした。図の横軸は、マスク１２の円形貫通孔直径に沿うパルスレーザビーム３０の断面位置、縦軸はビーム強度を表す。

黒三角の点で、従来例によるレーザ加工装置のマスク１２に入射する、１／ｅ^２ビーム直径が３．８ｍｍ（Φ３．８ｍｍ）のガウシアン型パルスレーザビーム３０の、マスク透過直後におけるビームプロファイルを示す。

また、黒四角の点で、従来例によるレーザ加工装置のマスク１２に入射する、１／ｅ^２ビーム直径が５．０ｍｍ（Φ５．０ｍｍ）のガウシアン型パルスレーザビーム３０の、マスク透過直後におけるビームプロファイルを示す。

更に、実線で、実施例によるレーザ加工装置のマスク１２に入射する釣鐘型のパルスレーザビーム３０の、マスク透過直後におけるビームプロファイルを示す。

Φ３．８ｍｍのレーザビーム３０のビームプロファイル（黒三角）を参照する。Φ３．８ｍｍレーザビーム３０のマスク１２におけるエネルギ透過率は、６３．６％と計算された。また、図から理解されるように、ビーム強度は中心部で強くマスク端で弱い。更に、中心部とマスク端でのビーム強度差が大きい。このようなレーザビーム３０が基板２０上に転写されて照射されるため、基板２０に形成される穴の径が小さくなる傾向が生じる。

Φ５．０ｍｍのレーザビーム３０のビームプロファイル（黒四角）を参照する。Φ５．０ｍｍレーザビーム３０のマスク１２におけるエネルギ透過率は、４４．２％と計算された。Φ３．８ｍｍのレーザビーム３０のビームプロファイル（黒三角）と比較した場合、中心部のビーム強度は弱く、マスク端のそれが強い。また、ビーム強度は全体的に弱く、中心部とマスク端でのビーム強度差が小さい。このようなレーザビーム３０が基板２０上に転写されて照射されるため、エネルギ不足で良質の穴開け加工が困難となる傾向が生じる。

実施例におけるレーザビーム３０のビームプロファイル（実線）を参照する。実施例におけるレーザビーム３０のマスク１２におけるエネルギ透過率は、７０％と計算された。実施例におけるレーザビーム３０のビーム強度は、中心部においてΦ３．８ｍｍのレーザビーム３０とほぼ等しく、マスク１２端部においてΦ５．０ｍｍのレーザビーム３０とほぼ等しい。

実施例におけるレーザビーム３０を基板２０上に転写して照射した場合、Φ３．８ｍｍのレーザビーム３０を照射した場合に比べて、エネルギ密度は約１割高くなる。また、Φ５．０ｍｍのレーザビーム３０を照射した場合に比べると、エネルギ密度は６割近く高くなる。

このように、釣鐘型のビームプロファイルを有するレーザビーム３０をマスク１２に入射させることで、マスク１２透過率を高くすることができる。また、加工面（基板２０表面）でのエネルギ密度を高くすることができる。

図３（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、基板２０に入射するパルスレーザビーム３０のビームプロファイルを説明する。図３（Ａ）〜（Ｄ）において、横軸は基板２０に入射するパルスレーザビーム３０の断面位置、縦軸はビーム強度を表す。以下述べるように、アパーチャ１８のアパーチャ径（円形貫通孔の直径）を変えることによって、基板２０面でのビームプロファイルを、マスク１２面でのそれと異ならせることができる。

図３（Ａ）は、マスク１２を出射したパルスレーザビーム３０のうち、０次回折光のみが透過され、１次以下の回折光は遮光されるようにアパーチャ径を設定した場合のビームプロファイルを示す。

この場合、基板２０におけるパルスレーザビーム３０のビームプロファイルは、ガウシアン分布に類似の形状を示す。

図３（Ｂ）は、マスク１２を出射したパルスレーザビーム３０のうち、０次回折光、及び約７０％の１次回折光が透過され、残余の回折光は遮光されるようにアパーチャ径を設定した場合のビームプロファイルを示す。

この場合、基板２０におけるパルスレーザビーム３０のビームプロファイルは、ビーム強度の裾野部分は広いもののトップハット形状に近づく。

図３（Ｃ）は、マスク１２を出射したパルスレーザビーム３０のうち、０次回折光、及び約５０％の１次回折光が透過され、残余の回折光は遮光されるようにアパーチャ径を設定した場合のビームプロファイルを示す。

この場合、基板２０におけるパルスレーザビーム３０のビームプロファイルは、中凹み型の形状となる。

図３（Ｄ）は、マスク１２を出射したパルスレーザビーム３０のうち、０次及び１次回折光が透過され、２次以下の回折光は遮光されるようにアパーチャ径を設定した場合のビームプロファイルを示す。

この場合には、マスク１２の位置におけるパルスレーザビーム３０のビームプロファイルが、ほぼそのまま基板２０上に転写され、基板２０上におけるパルスレーザビーム３０のビームプロファイルは、ほぼ釣鐘型の形状となる。

実施例によるレーザ加工装置を用いると、アパーチャ１８のアパーチャ径を変えることで、基板２０面でのビームプロファイルを変化させ、加工対象物や加工内容に応じた良質の加工を実現することができる。

たとえば実施例においては、アパーチャ１８で０次及び１次回折光を透過し、２次以下の回折光を遮光することにより、良質な加工を実現することができる。

なお、実施例においては、０次及び１次回折光を透過させ、２次以下の回折光を遮光したが、少なくとも０次及び１次回折光を透過させるようにアパーチャ１８径を設定することで、良質な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、本発明はこれらに制限されるものではない。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。

マスクを用いて行うレーザ加工一般に利用することができる。

（Ａ）は実施例によるレーザ加工装置を示す概略図であり、（Ｂ）は釣鐘型のビームプロファイルの一例を示す図である。 図１（Ａ）に示した実施例によるレーザ加工装置のマスク１２位置と、図４（Ａ）に示した従来例によるレーザ加工装置のマスク１２位置とにおけるビーム強度を比較するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、基板２０に入射するパルスレーザビーム３０のビームプロファイルを説明するための図である。 （Ａ）は、基板の穴開け加工に用いられるレーザ加工装置の従来例を示す概略図であり、（Ｂ）は、レーザ光源１０出射直後のパルスレーザビーム３０のビームプロファイルの概略を示す図であり、（Ｃ）は、マスク１２の貫通孔を透過したパルスレーザビーム３０のビームプロファイルの概略を示す図である。

符号の説明

１０ レーザ光源
１１ ビーム径調整用エキスパンダ
１２ マスク
１３ フィールドレンズ
１４ａ、１４ｂ ガルバノミラー
１５ ｆθレンズ
１６ ステージ
１７ 非球面レンズ
１８ アパーチャ
２０ 基板
３０ レーザビーム

Claims (4)

1. 釣鐘型のビームプロファイルを、中心部の光強度が最も強く、該ピーク強度を１００％とした場合に、光強度が該ピーク強度の１／ｅ^２以上の領域を含む円の直径の７０％のサイズの直径をもつ円周上での光強度が該ピーク強度の９５％未満であり、かつ、光強度が該ピーク強度の５０％以上の領域内に、ビーム全体がもつエネルギの７５％以上が含まれているビームプロファイルと定義するとき、
   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のビームプロファイルを前記釣鐘型に変化させるビームプロファイル調整器と、
   前記ビームプロファイル調整器を出射した、ビームプロファイルが前記釣鐘型のレーザビームを透過させる透光領域を備えるマスクと、
   前記マスクを透過したレーザビームが入射する位置に配置された、透光領域のサイズが可変のアパーチャと、
   加工対象物を保持する保持器と、
   前記マスクの位置におけるレーザビームの断面を、前記保持器に保持された加工対象物上に結像させる光学系と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記アパーチャの透光領域は、前記マスクを透過したレーザビームの少なくとも０次及び１次回折光を透過させるサイズに可変である請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 釣鐘型のビームプロファイルを、中心部の光強度が最も強く、該ピーク強度を１００％とした場合に、光強度が該ピーク強度の１／ｅ^２以上の領域を含む円の直径の７０％のサイズの直径をもつ円周上での光強度が該ピーク強度の９５％未満であり、かつ、光強度が該ピーク強度の５０％以上の領域内に、ビーム全体がもつエネルギの７５％以上が含まれているビームプロファイルと定義するとき、
   （ａ）ビームプロファイルが前記釣鐘型のレーザビームをマスクに入射させる工程と、
   （ｂ）前記マスクを透過したレーザビームの周辺部分を遮光する工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）で周辺部分を遮光されたレーザビームを、前記マスクの位置におけるビーム断面が加工対象物上に結像する条件で、該加工対象物に入射させる工程と
   を有するレーザ加工方法。
4. 前記工程（ｂ）において、前記マスクを透過したレーザビームの少なくとも０次及び１次回折光が透過するように、レーザビームの周辺部分を遮光する請求項３に記載のレーザ加工方法。

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