JP2013154378A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射率の高い材料をレーザ加工する際にも、エネルギ利用効率の低下を抑制することができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光源がレーザビームを出射する。第１のステージが加工対象物を保持する。第１の光学系が、レーザ光源から出射したレーザビームを、第１のステージに保持された加工対象物の表面に集光する。第１の光学系によって集光されたレーザビームのうち、第１のステージに保持された加工対象物で反射した第１の反射光が、第１の光学系で集光されたレーザビームの入射点とは異なる位置に、第２の光学系によって集光される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、銅のような反射率の高い材料にレーザビームを入射してレーザ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。

プリント基板の製造に、レーザ加工技術が使用されている。プロント基板の銅薄膜にレーザビームを入射させることにより、銅薄膜に貫通孔が形成される。炭酸ガスレーザ等の赤外域における銅の反射率は９９％であり、非常に高い。従って、レーザビームのエネルギを有効利用するために、レーザ照射前に、銅の表面に黒化処理を施すことが一般的である。

プリント基板に貫通孔が形成された後、その貫通孔を透過したレーザビームを反射して、プリント基板の背面に再入射させる技術が知られている。レーザビームを背面に再入射させることにより、側面が切り立った形状の貫通孔を形成することができる。

特開２００９−２１８３６８号公報 特開２００４−３２２１７３号公報

穴あけ加工の工程数削減のために、銅表面の黒化処理を行うことなく、穴あけ加工を行う技術が望まれている。黒化処理を行なっていない銅表面にレーザビームを入射させると、入射したエネルギの大部分が反射してしまう。このため、エネルギ利用効率が低くなってしまう。

本発明は、反射率の高い材料をレーザ加工する際にも、エネルギ利用効率の低下を抑制することができるレーザ加工装置及び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ると、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する第１のステージと、
前記レーザ光源から出射したレーザビームを、前記第１のステージに保持された加工対象物の表面に集光する第１の光学系と、
前記第１の光学系によって集光されたレーザビームのうち、前記第１のステージに保持された加工対象物で反射した第１の反射光を、前記第１の光学系で集光された前記レーザビームの入射点とは異なる位置に集光させる第２の光学系と
を有するレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
加工対象物の表面にレーザビームを入射させて第１のレーザ加工を行う工程と、
前記第１のレーザ加工時に、前記加工対象物から反射した第１の反射光を集光して、第２のレーザ加工を行う工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

第１の光学系によるレーザ加工時に生じた第１の反射光を、第２の光学系によるレーザ加工に利用することができる。これにより、第１の光学系によって反射率の高い材料を加工する場合にも、レーザビームのエネルギ利用効率の低下を抑制することができる。

図１は、実施例１によるレーザ加工装置の概略図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、第１のステージに保持された加工対象物の断面図であり、図２Ｃは、第２のステージに保持された加工対象物の断面図である。 図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、それぞれレーザビームＬ１、反射光Ｌ２、及びレーザビームＬ３のパルス波形を示すグラフである。 図４Ａ及び図４Ｂは、第２のステージに保持されて加工される加工対象物の断面図である。 図５は、第２のステージに保持されて加工される加工対象物の斜視図である。 図６は、実施例２によるレーザ加工装置の概略図である。

［実施例１］
図１に、実施例１によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０が制御装置１５からのトリガ信号を受けて、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源１０には、例えば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ等が用いられる。レーザビーム１０から出射されたレーザビームが、ビームエキスパンダ１１で大口径化され、コリメートされる。コリメートされたレーザビームのビーム断面がマスク１２で整形される。

マスク１２を透過したレーザビームＬ１が、第１の光学系２０を経由して加工対象物９０に入射する。加工対象物９０は、第１のステージ３９に保持されている。第１のステージ３９の保持面に平行な面をｘｙ面とし、保持面の法線方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。第１のステージ３９は、加工対象物９０をｘ方向及びｙ方向に移動させることができる。

加工対象物９０で反射した反射光Ｌ２が第１の光学系２０に再入射する。第１の光学系２０は、反射光Ｌ２をレーザビームＬ１の光路から分離し、第１の光学系２０から出射させる。第１の光学系２０から出射した反射光Ｌ２は、ベンディングミラー５０で反射し、第２の光学系４０に入射する。第２の光学系４０に入射した反射光Ｌ２は、第２の光学系４０を経由して加工対象物９１に入射する。加工対象物９１は、第２のステージ５９に保持されている。第２のステージ５９の保持面に平行な面をｘｙ面とし、保持面の法線方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。第２のステージ５９は、加工対象物９１をｘ方向及びｙ方向に移動させることができる。

第１のステージ３９と第２のステージ５９とは、相互に独立して、加工対象物９０及び９１を移動させることができる。

次に、第１の光学系２０の構成について説明する。マスク１２を透過したレーザビームＬ１が、ビームスプリッタ２１に入射する。レーザ光源１０から出射したレーザビームは、ビームスプリッタ２１に対してＳ偏光成分のみを持つ直線偏光である。このため、ビームスプリッタ２１に入射したレーザビームは、ビームスプリッタ２１で反射する。

ビームスプリッタ２１で反射したレーザビームＬ１が、１／４波長板２２、ｘ用ガルバノスキャナ２３、ｙ用ガルバノスキャナ２４、及びｆθレンズ２５を経由して、加工対象物９０に入射する。

ｘ用ガルバノスキャナ２３及びｙ用ガルバノスキャナ２４は、それぞれ加工対象物９０の表面において、レーザビームの入射点をｘ方向及びｙ方向に移動させる。ｆθレンズ２５は、ｘ用ガルバノスキャナ２３及びｙ用ガルバノスキャナ２４で走査されたレーザビームを、加工対象物９０の表面に垂直入射させるとともに、表面に集光する。

レーザビームＬ１が加工対象物９０に垂直入射するため、加工対象物９０の表面で反射した反射光Ｌ２の大部分は、レーザビームＬ１の光路を逆方向に進行する。反射光Ｌ２は、１／４波長板２２を透過することにより、ビームスプリッタ２１に対してＰ偏光成分のみを持つ直線偏光に変換される。このため、反射光Ｌ２はビームスプリッタ２１を透過し、ベンディングミラー５０で反射されて第２の光学系４０に入射する。ビームスプリッタ２１は、反射光Ｌ３を、レーザビームＬ１の入射光路から分岐させる分岐光学系として作用する。

次に、第２の光学系４０の構成について説明する。ベンディングミラー５０で反射された反射光Ｌ２は、シャッタ５１に入射する。シャッタ５１を透過したレーザビームＬ３が、ベンディングミラー５２で偏向された後、ｘ用ガルバノスキャナ４３、ｙ用ガルバノスキャナ４４、及びｆθレンズ４５を経由して、加工対象物９１に入射する。

シャッタ５１は、制御装置１５からの制御を受けて、透過状態及び非透過状態のいずれかの状態に切り替わる。シャッタ５１は、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）とビームダンパとにより構成される。レーザビームＬ２の進行方向をビームダンパの方に向けることにより、非透過状態が実現される。ｘ用ガルバノスキャナ４３、ｙ用ガルバノスキャナ４４、及びｆθレンズ４５の構成は、第１の光学系２０のｘ用ガルバノスキャナ２３、ｙ用ガルバノスキャナ２４、及びｆθレンズ２５の構成と同一である。

図２Ａに、第１のステージ３９に保持されている加工対象物９０の断面図を示す。樹脂製の下地基板６０の上に、内層の銅パターン６１が形成されている。下地基板６０及び銅パターン６１の上に、樹脂膜６２が形成されている。樹脂膜６２の上に、銅膜６３が形成されている。銅膜６３の表面は、黒化処理されていない。

レーザ光源１０（図１）からレーザビームＬ１を出射すると、銅膜６３にレーザビームＬ１が入射する。レーザ光源１０に、波長９．３μｍの炭酸ガスレーザを用いた場合、黒化処理していない銅膜６３の反射率は９９％以上である。レーザ光源１０に、ＹＡＧレーザの３倍高調波を出射する光源を用いた場合、黒化処理していない銅膜６３の反射率は６０％程度である。従って、レーザビームＬ１のエネルギの大部分が銅膜６３の表面で反射する。反射光Ｌ２は、レーザビームＬ１の光路を逆方向に進む。

レーザビームＬ１のエネルギの一部は銅膜６３で吸収される。このため、時間の経過と共に銅膜６３がアブレーション加工される。

図２Ｂに、レーザビームＬ１が１ショット入射した後の加工対象物９０の断面図を示す。銅膜６３に貫通孔６４が形成される。銅膜６３が貫通した後は、樹脂膜６２の表層部が削られて凹部が形成される。銅膜６３が貫通した後は、反射光Ｌ２の強度が弱くなる。

図２Ｃに、第２のステージ５９に保持されている加工対象物９１の断面図を示す。樹脂製の下地基板７０の上に、内層の銅パターン７１が形成されている。下地基板７０及び銅パターン７１の上に、樹脂膜７２が形成されている。樹脂膜７２の上に、銅膜７３が形成されている。銅膜７３には、貫通孔７４が形成されている。この構造を有する加工対象物９１は、例えば、第１のステージ３９（図１）に保持してレーザ加工することにより作製
することができる。

貫通孔７４が形成された位置に、レーザビームＬ３が入射する。これにより、樹脂膜７２がアブレーション加工される。これにより、樹脂膜７２を貫通する孔７５が形成され、その底面に内層の銅パターン７１が露出する。

レーザビームＬ３は、第１のステージ３９に保持された加工対象物９０の表面で反射した後のビームであるため、そのビーム品質は、レーザビームＬ１に比べて低い。このため、レーザビームＬ３を集光したときの最小のビームスポットは、レーザビームＬ１のビームスポットよりも大きくなる。

第１のステージ３９に保持された加工対象物９０の表面での反射による損失があるため、レーザビームＬ３のパワーは、レーザビームＬ１のパワーより小さい。さらに、ビームスポットサイズの拡大により、加工対象物９１の表面におけるレーザビームＬ３のパワー密度は、第１のステージ３９に保持されている加工対象物９０の表面におけるレーザビームＬ１のパワー密度より小さくなる。従って、孔７５の底面に露出した内層の銅パターン７１は、レーザビームＬ３が入射しても、ほとんど加工されない。

図３Ａに、レーザビームＬ１（図１）のパルス波形の一例を示す。パルス波形は、時刻ｔｓで立ち上がった直後に、鋭いピークを示す。その後、ほぼ一定の光強度を維持し、一定時間経過後、光強度が徐々に低下する。時刻ｔｅで光強度が０になる。

図３Ｂに、反射光Ｌ２のパルス波形の一例を示す。加工対象物９０の表面の銅膜６３（図２Ａ）が残っている間は、反射率が高いため、反射光Ｌ２の光強度は、入射光であるレーザビームＬ１の光強度よりやや低い程度である。時刻ｔｍで銅膜６３が貫通すると、加工対象物９０の反射率が急激に低下する。このため、反射光Ｌ２の光強度は、レーザビームＬ１の光強度に比べて、大きく低下する。さらに、光強度の時間変動が大きくなり、光強度が不安定になる。

図３Ｃに、レーザビームＬ３（図１）のパルス波形の一例を示す。時刻ｔｍよりも前の時刻ｔｗにシャッタ５１（図１）が透過状態から非透過状態に切り替えられる。このため、銅膜６３（図２Ｂ）が貫通した時刻ｔｍより後の光強度が不安定な部分が除去される。光強度が不安定な部分が加工対象物９１（図１、図２Ｃ）に入射しないため、反射光を利用した加工の品質の低下を防止することができる。パルスの立ち上がり時刻ｔｓから、シャッタ５１を非透過状態にする時刻ｔｗまでの待ち時間ｔｗ−ｔｓは、予め制御装置１５に記憶されている。

上記実施例１によるレーザ加工装置を用いると、第１のステージ３９に保持された加工対象物９０にレーザビームＬ１を入射させることにより、第１のレーザ加工が行われる。第１のレーザ加工時に、加工対象物９０で反射した反射光Ｌ２が、第２のステージ５９に保持された加工対象物９１に入射し、第２のレーザ加工が行われる。このため、第１のレーザ加工で利用されなかったエネルギを、第２のレーザ加工で有効利用することができる。

さらに、第２のステージ５９に保持されている加工対象物９１で反射した反射光を、入射光路から分離して再利用することも可能である。

上記実施例１では、第１の光学系２０から出射されるレーザビームＬ１の加工対象が銅膜６３（図２Ａ）である例を示した。レーザビームＬ１の加工対象は、銅膜に限定されず、その他の反射率の高い材料（例えば金属）からなる薄膜であってもよい。

また、上記実施例１では、第２の光学系４０から出射するレーザビームＬ３の加工対象が、銅膜７３の下の樹脂膜７２（図２Ｃ）である例を示した。レーザビームＬ３の加工対象は、銅膜７３の下の樹脂膜７２に限定されず、その他の材料でもよい。ただし、レーザビームＬ３のパルスエネルギは、レーザビームＬ１のパルスエネルギより低いため、レーザビームＬ３の加工対象物は、レーザビームＬ１の加工対象物よりもアブレーションが生じやすい材料であることが好ましい。

図４Ａ及び図４Ｂに、レーザビームＬ３で加工を行う加工対象物９１の他の例を示す。図４Ａに示すように、下地基板１１０の上に内層の銅パターン１１１が形成されている。下地基板１１０及び銅パターン１１１の上に樹脂膜１１２及び銅膜１１３が形成されている。銅膜１１３及び樹脂膜１１２に、孔１１７が形成されている。孔１１７の底面の銅パターン１１１の表面に、加工残渣１１８が残存している。

図４Ｂに示すように、孔１１７内にレーザビームＬ３を入射させることにより、加工残渣１１８（図４Ａ）を除去することができる。

図５に、レーザビームＬ３で加工を行う加工対象物９１のさらに他の例を示す。この例では、レーザビームＬ３により、プリント基板の表面にマーキングを行う。レーザビームＬ３を加工対象物９１の表面に集光し、ｘ用ガルバノスキャナ４３及びｙ用ガルバノスキャナ４４（図１）走査することにより、文字、数字、記号等を加工対象物９１の表面に刻印することができる。

［実施例２］
図６に、実施例２によるレーザ加工装置の概略図を示す。以下、図１に示した実施例１によるレーザ加工装置との相違点について説明する。レーザ光源１０、ビームエキスパンダ１１、マスク１２、第１の光学系２０、第１のステージ３９、ベンディングミラー５０、第２の光学系４０、及び第２のステージ５９の基本構成は、第１の実施例によるレーザ加工装置と同一である。

第２の実施例では、ベンディングミラー５０と第２の光学系４０との間の光路上にビームスプリッタ８０が配置されている。ベンディングミラー５０で反射したレーザビームＬ２が、ビームスプリッタ８０に対してＰ偏光成分のみを持つように、ビームスプリッタ８０の姿勢が調整されている。第２の光学系４０のｘ用ガルバノスキャナ４３の手前に１／４波長板４２が配置されている。第２のステージ５９に保持された加工対象物９１で反射した反射光Ｌ４は、１／４波長板４２によって、入射するレーザビームＬ３に対して偏光方向が直交する直線偏光に変換される。このため、反射光Ｌ４は、ビームスプリッタ８０で反射される。

さらに、第２の実施例では、レーザ光源１０から出射するレーザビームが、ビームスプリッタ２１に対してＳ偏光成分のみではなく、Ｐ偏光成分も有する。Ｐ偏光成分は、ビームスプリッタ２１を透過する。ビームスプリッタ２１を透過したレーザビームＬ５は、第３の光学系１２０に入射する。第３の光学系１２０の構成は、第１の光学系２０（図１）の１／４波長板２２、ｘ用ガルバノスキャナ２３、ｙ用ガルバノスキャナ２４、及びｆθレンズ２５と同一の構成を有する。第３の光学系１２０は、第３のステージ１３９に保持された加工対象物９２の表面にレーザビームＬ５を集光する。

加工対象物９２で反射した反射光Ｌ６が、ビームスプリッタ２１まで戻り、ビームスプリッタ２１で反射される。反射光Ｌ６は、ベンディングミラー５０、及びビームスプリッタ８０で反射されて、第４の光学系１４０に入射する。第４の光学系１４０の構成は、第
２の光学系４０と同一である。

レーザビームＬ６のパルス波形が、シャッタ１５１によって整形される。シャッタ１５１を透過したレーザビームＬ７が、第４のステージ１５９に保持された加工対象物９３の表面に集光される。加工対象物９３で反射した反射光Ｌ８が、レーザビームＬ７の光路を反対向きに進み、ビームスプリッタ８０を透過する。

上述のように、第２の光学系４０から戻ってきた反射光Ｌ４と、第４の光学系１４０から戻ってきた反射光Ｌ８とが、ビームスプリッタ８０によって同一光路に合成される。

実施例２では、レーザビーム１０から出射したレーザビームのＳ偏光成分が、第１の光学系２０及び第２の光学系４０で利用され、Ｐ偏光成分が、第３の光学系１２０及び第４の光学系１４０で利用される。

さらに、ビームスプリッタ８０によって同一の光路に合成された反射光Ｌ４とＬ８とを、さらに後段の光学系で利用することも可能である。

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。

１０ レーザ光源
１１ ビームエキスパンダ
１２ マスク
１５ 制御装置
２０ 第１の光学系
２１ ビームスプリッタ
２２ １／４波長板
２３ ｘ用ガルバノスキャナ
２４ ｙ用ガルバノスキャナ
２５ ｆθレンズ
３９ 第１のステージ
４０ 第２の光学系
４２ １／４波長板
４３ ｘ用ガルバノスキャナ
４４ ｙ用ガルバノスキャナ
４５ ｆθレンズ
５０ ベンディングミラー
５１ シャッタ
５２ ベンディングミラー
５９ 第２のステージ
６０ 下地基板
６１ 内層の銅パターン
６２ 樹脂膜
６３ 銅膜
６４ 貫通孔
７０ 下地基板
７１ 内層の銅パターン
７２ 樹脂膜
７３ 銅膜
７４、７５ 貫通孔
８０ ビームスプリッタ
９０、９１、９２、９３ 加工対象物
１１０ 支持基板
１１１ 内層の銅パターン
１１２ 樹脂膜
１１３ 銅膜
１１７ 孔
１１８ 加工残渣
１２０ 第３の光学系
１３９ 第３のステージ
１４０ 第４の光学系
１５１ シャッタ
１５９ 第４のステージ

Claims (10)

1. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   加工対象物を保持する第１のステージと、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームを、前記第１のステージに保持された加工対象物の表面に集光する第１の光学系と、
   前記第１の光学系によって集光されたレーザビームのうち、前記第１のステージに保持された加工対象物で反射した第１の反射光を、前記第１の光学系で集光された前記レーザビームの入射点とは異なる位置に集光させる第２の光学系と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記第１の光学系は、前記第１のステージに保持された加工対象物で反射し、前記レーザビームの入射経路を反対向きに伝搬する前記第１の反射光を、前記入射経路から分岐させる分岐光学系を有し、
   前記分岐光学系で分岐された前記第１の反射光が、前記第２の光学系に入射する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. さらに、他の加工対象物を保持する第２のステージを有し、
   前記第２のステージは、前記第１のステージとは独立して、該第２のステージに保持された加工対象物を移動させることができ、
   前記第２の光学系は、前記第１の反射光を、前記第２のステージに保持された加工対象物に集光させる請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. さらに、前記レーザ光源にレーザパルスを出射させるトリガ信号を与える制御装置を有し、
   前記第２の光学系は、さらに、前記第１の反射光を透過させる透過状態と、前記第１の反射光を透過させない非透過状態とを実現するシャッタを含み、
   前記制御装置は、前記シャッタを非透過状態にするまでの待ち時間を記憶しており、前記レーザ光源にトリガ信号を与えた後、前記待ち時間が経過した時点で、前記シャッタを非透過状態にする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 加工対象物の表面にレーザビームを入射させて第１のレーザ加工を行う工程と、
   前記第１のレーザ加工時に、前記加工対象物から反射した第１の反射光を集光して、第２のレーザ加工を行う工程と
   を有するレーザ加工方法。
6. 前記第１のレーザ加工は、下地基板上に形成された銅薄膜に貫通孔を形成する加工である請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記第２のレーザ加工は、樹脂材料に孔を形成する加工である請求項５に記載のレーザ加工方法。
8. 前記第２のレーザ加工は、金属膜上の樹脂材料に形成された穴の底面に残存している樹脂を除去する加工である請求項５に記載のレーザ加工方法。
9. 前記第２のレーザ加工は、対象物の表面にレーザマーキングを行う加工である請求項５に記載のレーザ加工方法。
10. さらに、前記第２のレーザ加工時に、レーザビームの入射位置から反射した第２の反射光を集光して、第３のレーザ加工を行う工程を有する請求項５乃至９のいずれか１項に記
    載のレーザ加工方法。

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