JP2014205176A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ビームの広がり角が変動しても、パルスエネルギの変動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】 レーザ光源から出射されたパルスレーザビームの経路内に、パルスレーザビームのビーム断面を整形するマスクが配置されている。ステージが加工対象物を保持する。マスクを透過したパルスレーザビームが、ビーム偏向器を経由して、ステージに保持された加工対象物の表面に入射する。ビーム偏向器は、パルスレーザビームを偏向させて、加工対象物の表面上においてパルスレーザビームの入射位置を移動させる。レーザ光源とマスクとの間の、パルスレーザビームの経路内に広がり角修正光学系が配置されている。加工対象物上の、加工済の被加工点から次に加工すべき被加工点までの距離に応じて、ビーム偏向器の制御と同期して、広がり角修正光学系を制御することにより、加工対象物の表面におけるパルスエネルギの変動が抑制される方向に、パルスレーザビームの広がり角を変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加工対象物上の複数の被加工点にレーザパルスを順番に入射させて、レーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。

下記の特許文献１に、複数の被加工点が不規則に分布するプリント基板の穴開け加工を行うレーザドリルが開示されている。レーザ発振器として、炭酸ガスレーザが用いられる。このレーザドリルにおいては、プリント基板上の被加工点にレーザパルスを順番に入射させることにより、穴開け加工が行われる。

レーザビームの入射位置を、加工済の被加工点から、次に加工すべき被加工点まで移動させるために必要となる時間が、被加工点間の距離に依存する。被加工点が不規則に分布する場合には、被加工点間の距離に応じて、レーザパルスの出射間隔（パルスの繰り返し周波数）が変動する。レーザパルスの出射間隔が変動すると、レーザパルスのピークパワーも変動する。具体的には、レーザビームの出射間隔が短くなると、ピークパワーが低下する。

特許文献１に開示されたレーザドリルにおいては、パルス幅を制御することによって、ピークパワーの変動を補償している。具体的には、ピークパワーが低下すると、パルス幅を長くすることによって、パルスエネルギを一定に保つ。これにより、パルスエネルギのばらつきを低減することができる。

特開２０１２−１１５８８３号公報

レーザパルスの出射間隔が変動すると、ピークパワーのみならず、ビーム品質、具体的にはビームの広がり角も変動する。ビームの広がり角が変動すると、レーザ光源から被加工点までに配置された種々の光学部品による口径食（ケラレ）の程度が変動することによって、パルスエネルギが変動してしまう。本発明の目的は、ビームの広がり角が変動しても、パルスエネルギの変動を抑制することができるレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームの経路内に配置され、前記パルスレーザビームのビーム断面を整形するマスクと、
加工対象物を保持するステージと、
前記マスクを透過したパルスレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面に入射させると共に、前記パルスレーザビームを偏向させて、前記加工対象物の表面上においてパルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム偏向器と、
前記レーザ光源と前記マスクとの間の、前記パルスレーザビームの経路内に配置され、前記パルスレーザビームの広がり角を変化させる広がり角修正光学系と、
前記レーザ光源、前記ビーム偏向器、及び前記広がり角修正光学系を制御する制御装置
と
を有し、
前記制御装置は、
前記加工対象物上の複数の被加工点の位置を記憶しており、
前記レーザ光源及び前記ビーム偏向器を制御することによって、前記被加工点に順番にレーザパルスを入射させ、
加工済の前記被加工点から次に加工すべき前記被加工点までの距離に応じて、前記ビーム偏向器の制御と同期して前記広がり角修正光学系を制御することにより、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギの変動が抑制される方向に、前記パルスレーザビームの広がり角を変化させるレーザ加工装置が提供される。

広がり角修正光学系を配置することにより、レーザ光源から出射したパルスレーザビームの広がり角がばらついても、マスクに入射するパルスレーザビームの広がり角のばらつきを少なくすることができる。これにより、加工対象物に入射するレーザパルスのパルスエネルギの変動を抑制することができる。

図１は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２は、実施例によるレーザ加工装置のビームエキスパンダ及び広がり角修正光学系の概略図である。 図３は、加工対象物の表面に画定されている被加工点の分布を示す平面図である。 図４は、制御装置が実行する処理のフローチャートである。 図５Ａは、繰り返し周波数と、レーザ光源から出射されるパルスレーザビームの広がり角との関係の一例を示すグラフであり、図５Ｂは、レーザパルスの入射位置の移動距離と、ビーム偏向器の整定時間との関係を示すグラフである。 図６Ａは、広がり角修正光学系の出射位置におけるビーム広がり角が０になるという前提条件の下での、レーザ光源の出射位置におけるビーム広がり角と、可動レンズの位置との関係の一例を示すグラフであり、図６Ｂは、図６Ａに示した関係に基づいて可動レンズの位置を変位させた場合の、レーザ光源の出射位置におけるビーム広がり角と、広がり角修正光学系の出射位置におけるビーム広がり角との関係を示すグラフであり、図６Ｃは、図６Ａに示した関係に基づいて可動レンズの位置を変位させた場合の、レーザ光源の出射位置におけるビーム広がり角と、広がり角修正光学系の出射位置におけるビーム径との関係を示すグラフである。 図７は、広がり角修正光学系の出射位置におけるビーム広がり角が０になるという前提条件の下での、入射位置の移動距離と可動レンズの位置との対応関係の一例を示すグラフである。

図１に、実施例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２５から制御されて、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が用いられる。レーザ光源１０から出射したパルスレーザビームがビームエキスパンダ１１に入射する。ビームエキスパンダ１１は、パルスレーザビームのビーム径を拡大する。

ビームエキスパンダ１１を透過したパルスレーザビームが広がり角修正光学系１２に入射する。広がり角修正光学系１２は、パルスレーザビームの広がり角を修正する。広がり角修正光学系１２を透過したパルスレーザビームが、マスク１３に入射する。マスク１３は、遮光領域、及び遮光領域内に配置された透過窓を含み、ビーム断面を整形する。

マスク１３の透過窓を透過したレーザビームが、音響光学素子（ＡＯＭ）１４に入射する。ＡＯＭ１４は、制御装置２５から制御されて、入射したパルスレーザビームの経路を、ビームダンパ１５に向かう経路と、加工用の経路とに振り分ける。一例として、１つのレーザパルスＬＰから立ち上がり部分ＬＰ１と立下り部分ＬＰ３とを除いた主部ＬＰ２を加工用の経路に沿って伝搬させ、立ち上がり部分ＬＰ１と立下り部分ＬＰ３とをビームダンパ１５に入射させる。

加工用の経路に振り向けられたパルスレーザビームは、ビーム偏向器１８及びｆθレンズ１９を経由して加工対象物３０に入射する。加工対象物３０は、ステージ２０に保持されている。ビーム偏向器１８は、制御装置２５から制御信号を受信すると、パルスレーザビームを偏向させることにより、パルスレーザビームを加工対象物３０の表面に入射させると共に、加工対象物３０の表面において、パルスレーザビームの入射位置を２次元方向に移動させる。一例として、ビーム偏向器１８は、Ｘ用ガルバノスキャナ１６及びＹ用ガルバノスキャナ１７を含む。

Ｘ用ガルバノスキャナ１６及びＹ用ガルバノスキャナ１７は、それぞれ揺動ミラーを含み、制御装置２５からの制御を受けて、揺動ミラーを回転方向に変位させる。これにより、パルスレーザビームの入射位置が、加工対象物３０の表面に画定されたＸＹ直交座標系のＸ方向及びＹ方向に移動する。Ｘ用ガルバノスキャナ１６及びＹ用ガルバノスキャナ１７の揺動ミラーの回転方向の位置が、目標位置を中心とした許容範囲内に収まることを「静定」という。ビーム偏向器１８は、揺動ミラーが整定されると、整定完了信号を制御装置２５に送信する。ビーム偏向器１８が整定された状態でパルスレーザビームを出射すると、レーザパルスの入射位置が、入射目標位置を中心とした許容範囲内に収まる。加工対象物３０の表面のうち、ビーム偏向器１８によってパルスレーザビームを入射させることができる範囲を、「走査可能範囲」ということとする。

ｆθレンズ１９は、マスク１３の透過窓を加工対象物３０の表面に結像させる。ステージ２０は、加工対象物３０をＸ方向及びＹ方向に移動させる。加工対象物３０を静止させた状態でビーム偏向器１８を制御することにより、加工対象物３０の表面のうち、走査可能範囲内の任意の位置にパルスレーザビームを入射させることができる。走査可能範囲内の加工が終了すると、加工対象物３０を移動させて、未加工の領域を走査可能範囲内に移動させる。これにより、加工対象物３０の全面を加工することができる。

図２に、ビームエキスパンダ１１及び広がり角修正光学系１２の、より詳細な構成を示す。ビームエキスパンダ１１は、３枚のレンズ４１、４２、４３を含む。広がり角修正光学系１２は、固定レンズ５１、可動レンズ５２、及びアクチュエータ５３を含む。固定レンズ５１は、ビームエキスパンダ１１に対して相対位置が固定されている。アクチュエータ５３は、制御装置２５から制御信号を受信することにより、可動レンズ５２を光軸方向に変位させる。可動レンズ５２が光軸方向に変位すると、固定レンズ５１と可動レンズ５２との間隔が変動する。

アクチュエータ５３が制御装置から制御信号を受信し、可動レンズ５２の位置が、目標位置を中心とした許容範囲内に収まったとき、広がり角修正光学系１２が制御装置２５に整定完了信号を送出する。可動レンズ５２の位置が、目標位置を中心とした許容範囲内に収まることを、「整定」という。

図３に、加工対象物３０の表面に画定されている被加工点３１の分布の一例を示す。被加工点３１が、加工対象物３０の表面に不規則に分布している。複数の被加工点３１に、順番にレーザパルスを入射させることにより、レーザ加工が行われる。例えば、加工対象
物３０はプリント基板であり、レーザパルスによって穴開け加工が行われる。

制御装置２５（図１、図２）に、被加工点３１の位置、及び加工の順番が記憶されている。制御装置２５は、複数の被加工点３１に順番にレーザパルスが入射するように、レーザ光源１０及びビーム偏向器１８を制御する。

被加工点３１が不規則に分布するため、加工済の被加工点３１から、次に加工すべき被加工点３１までの距離が一定にならない。すなわち、レーザパルスが入射した位置から、次のレーザパルスを入射させるべき位置までの距離（以下、「入射位置の移動距離」という。）がばらつく。入射位置の移動距離が変動すると、図１に示したビーム偏向器１８の整定時間も変動する。一般的には、入射位置の移動距離が長くなると、ビーム偏向器１８の整定時間も長くなる。

ビーム偏向器１８の整定時間が被加工点３１（図３）ごとに変動するため、レーザパルスの出射間隔も、レーザパルスごとに変動する。レーザパルスの出射間隔は、レーザパルスの繰り返し周波数の逆数に等しい。

炭酸ガスレーザであるレーザ光源１０から出射されるパルスレーザビームのレーザ品質、例えばビーム広がり角は、繰り返し周波数の変動に応じて変化する。このため、被加工点３１（図３）ごとに、レーザ光源１０から出射されるレーザパルスのビーム広がり角が変動する。ビーム広がり角が変動すると、パルスレーザビームの経路上に配置されている種々の光学部品による口径食（ケラレ）の程度が変動するため、加工対象物３０に到達するレーザパルスのパルスエネルギが変動してしまう。

実施例によるレーザ加工装置においては、制御装置２５が広がり角修正光学系１２を制御することにより、加工対象物３０に到達するレーザパルスのパルスエネルギを安定化させることができる。以下、制御装置２５による制御について説明する。

図４に、制御装置２５が実行する処理のフローチャートを示す。ステージ２０に加工対象物３０が保持されている。ステップＳ１において、次に加工すべき被加工点３１（図３）にレーザパルスが入射するように、ビーム偏向器１８（図１）を制御する。ステップＳ２において、加工済の被加工点３１から次に加工すべき前記被加工点３１までの距離に応じて広がり角修正光学系１２を制御することにより、加工対象物３０の表面におけるパルスエネルギの変動が抑制される方向に、パルスレーザビームの広がり角を変化させる。広がり角修正光学系１２の制御は、ビーム偏向器１８の制御と同期して行われる。一例として、広がり角修正光学系１２（図２）の出射位置における広がり角が０になるように、広がり角修正光学系１２を制御する。広がり角修正光学系１２の具体的な制御方法については、後に、図５Ａ〜図７を参照して説明する。

ステップＳ３において、ビーム偏向器１８及び広がり角修正光学系１２が整定されるまで待機する。ビーム偏向器１８及び広がり角修正光学系１２から整定完了信号を受信すると、ステップＳ４において、レーザ光源１０（図１）にトリガ信号を送出する。レーザ光源１０は、トリガ信号に同期してレーザパルスを出射する。

ステップＳ５において、ビーム偏向器１８の走査可能範囲内に未加工の被加工点３１（図３）が残っているか否かを判定する。未加工の被加工点３１が残っている場合には、ステップＳ１に戻って、未加工の被加工点３１の加工を実行する。ビーム偏向器１８の走査可能範囲内のすべての被加工点３１の加工が完了したら、処理を終了する。

ステージ２０（図１）で加工対象物３０をＸ方向及びＹ方向に移動させて、図４に示し
た処理を繰り返すことにより、加工対象物３０の全域の加工を行うことができる。

次に、図５Ａ〜図７を参照して、ステップＳ２（図４）における広がり角修正光学系１２の具体的な制御方法について説明する。

図５Ａに、繰り返し周波数と、レーザ光源１０（図１）から出射されるパルスレーザビームの広がり角との関係の一例を示す。図５Ａに示した例では、繰り返し周波数が高くなるに従って、広がり角が大きくなる。図５Ａに示した繰り返し周波数とビーム広がり角との関係は、種々の繰り返し周波数でパルスレーザビームを出射させ、出射したパルスレーザビームの広がり角を観測する評価実験を行うことにより取得することができる。

図５Ｂに、レーザパルスの入射位置の移動距離と、ビーム偏向器１８（図１）の整定時間との関係を示す。入射位置の移動距離が長くなるにしたがって、整定時間が長くなる傾向を示す。図５Ｂに示した入射位置の移動距離と整定時間との関係は、入射位置の移動距離を異ならせて複数の評価実験を行うことにより取得することができる。

図６Ａに、広がり角修正光学系１２の出射位置におけるビーム広がり角（以下、「修正後の広がり角」という。）が０になるという前提条件の下で、レーザ光源１０（図２）の出射位置におけるビーム広がり角（以下、「出射時点の広がり角」という。）と、可動レンズ５２（図２）の位置との関係の一例を示す。横軸は、出射時点の広がり角を単位「ｍｒａｄ」で表し、縦軸は、固定レンズ５１（図２）の位置を基準としたときの可動レンズ５２の位置を、単位「ｍｍ」で表す。図６Ａに示した関係は、ビームエキスパンダ１１（図１）の光学特性、固定レンズ５１及び可動レンズ５２の焦点距離に基づいて、算出することができる。

図６Ｂに、図６Ａに示した関係に基づいて可動レンズ５２（図２）の位置を変位させた場合の、出射時点の広がり角と、修正後の広がり角との関係を示す。横軸は、出射時点の広がり角を単位「ｍｒａｄ」で表し、縦軸は、修正後の広がり角を単位「ｍｒａｄ」で表す。可動レンズ５２の変位量を調整することにより、ビーム広がり角がほぼ０に修正されていることがわかる。

図６Ｃに、図６Ａに示した関係に基づいて可動レンズ５２（図２）の位置を変位させた場合の、出射時点の広がり角と、広がり角修正光学系１２（図２）の出射位置におけるビーム径との関係を示す。ビーム径は、ほぼ一定に維持されていることがわかる。

図６Ａ〜図６Ｃに示した計算結果からわかるように、出射時点の広がり角が０ｍｒａｄから正の方向に大きくなったとき、可動レンズ５２を固定レンズ５１から遠ざけることにより、広がり角を０に維持することができる。逆に、出射時点の広がり角が０ｍｒａｄから負の方向に大きくなったとき、すなわち収束光線束になったとき、可動レンズ５２を固定レンズ５１に近付けることにより、広がり角を０に維持することができる。ビームの広がり角を修正しても、ビーム径は、ほぼ一定に維持される。

制御装置２５（図２）は、ビーム偏向器１８の整定が完了した時点で、レーザ光源１０（図２）にトリガ信号を送出し、レーザパルスを出射させる。このため、ビーム偏向器１８の整定時間が、ほぼレーザパルスの出射間隔に相当する。レーザパルスの出射間隔と繰り返し周波数とは１：１に対応するため、図５Ａの横軸である繰り返し周波数と、図５Ｂの縦軸である整定時間とを対応付けることができる。図５Ｂの縦軸は、図６Ａの横軸に相当する。このため、図５Ａ、図５Ｂ、及び図６Ａから、入射位置の移動距離と可動レンズ５２の位置との対応関係が得られる。

図７に、入射位置の移動距離と可動レンズ５２の位置との対応関係の一例を示す。制御装置２５に、図７に示した入射位置の移動距離と、可動レンズ５２の位置との対応関係が予め記憶されている。制御装置２５は、加工済の被加工点３１（図３）から次に加工すべき被加工点３１（図３）までの距離と、図７に示した対応関係とに基づいて、ビーム広がり角が０になる可動レンズ５２の位置を求めることができる。

上述のように、出射時点の広がり角がばらついても、修正後の広がり角をほぼ０にすることができる。図１に示したマスク１３に入射するパルスレーザビームの広がり角がほぼ０になるため、マスク１３から加工対象物３０までのパルスレーザビームの伝搬条件が、出射時点の広がり角のばらつきの影響を受けない。このため、加工対象物３０の表面におけるパルスエネルギの変動が抑制される。

実施例では、修正後の広がり角がほぼ０になるように、広がり角修正光学系１２を制御したが、必ずしも広がり角を０にする必要はない。例えば、加工対象物の表面におけるパルスエネルギの変動が抑制される方向に、パルスレーザビームの広がり角を変化させることにより、加工対象物３０の表面におけるパルスエネルギの変動を抑制する効果が得られる。修正後の広がり角がある一定の範囲内に収まるように、広がり角修正光学系１２を制御してもよい。

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 広がり角修正光学系
１３ マスク
１４ 音響光学素子
１５ ビームダンパ
１６ Ｘ用ガルバノスキャナ
１７ Ｙ用ガルバノスキャナ
１８ ビーム偏向器
１９ ｆθレンズ
２０ ステージ
２５ 制御装置
３０ 加工対象物
３１ 被加工点
４１、４２、４３ レンズ
５１ 固定レンズ
５２ 可動レンズ
５３ アクチュエータ

Claims (2)

1. パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームの経路内に配置され、前記パルスレーザビームのビーム断面を整形するマスクと、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記マスクを透過したパルスレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物の表面に入射させると共に、前記パルスレーザビームを偏向させて、前記加工対象物の表面上においてパルスレーザビームの入射位置を移動させるビーム偏向器と、
   前記レーザ光源と前記マスクとの間の、前記パルスレーザビームの経路内に配置され、前記パルスレーザビームの広がり角を変化させる広がり角修正光学系と、
   前記レーザ光源、前記ビーム偏向器、及び前記広がり角修正光学系を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記加工対象物上の複数の被加工点の位置を記憶しており、
   前記レーザ光源及び前記ビーム偏向器を制御することによって、前記被加工点に順番にレーザパルスを入射させ、
   加工済の前記被加工点から次に加工すべき前記被加工点までの距離に応じて、前記ビーム偏向器の制御と同期して前記広がり角修正光学系を制御することにより、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギの変動が抑制される方向に、前記パルスレーザビームの広がり角を変化させるレーザ加工装置。
2. さらに、前記レーザ光源と前記広がり角修正光学系とを間の、前記パルスレーザビームの経路内に配置され、ビーム径を拡大するビームエキスパンダを有し、
   前記広がり角修正光学系は、
   前記ビームエキスパンダに対して、光軸方向の相対位置が固定された固定レンズと、
   前記固定レンズに対して、光軸方向の相対位置が可変の可動レンズと、
   前記制御装置からの制御により、前記可動レンズを前記光軸方向に変位させるアクチュエータと
   を含む請求項１に記載のレーザ加工装置。

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