JP2015032682A - ガスレーザ装置、パルスレーザビームの出力方法、及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光変調素子を用いることなく、パルス幅の短いレーザパルスを出力することが可能なガスレーザ装置を提供する。【解決手段】 無声放電励起方式のガスレーザに、電源から励起用の高周波電力が供給される。制御装置が、電源に、ガスレーザへの高周波電力の供給を開始する開始指令と、高周波電力の供給を停止する停止指令とを送出する。制御装置は、電源に対して、開始指令と停止指令とを、この順番に少なくとも２回繰り返して送出し、停止指令から、次の開始指令までの待機時間が、ガスレーザのレーザ媒質の上位レーザ準位の寿命より短い。【選択図】 図３

Description

本発明は、パルスレーザビームを出力するガスレーザ装置、パルスレーザビームの出力方法、及びパルスレーザビームでレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。

炭酸ガスレーザから出力された１つのレーザパルスから、音響光学素子（ＡＯＭ）を用いてパルス幅の短い複数のレーザパルスを切り出す技術が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された方法により、例えば樹脂層にビアホールを形成し、内層の銅膜を露出させることができる。１つのレーザパルスから切り出された複数のレーザパルスを用いることにより、内層の銅膜の損傷を低減することができる。

特開２０１２−１０６２６６号公報

従来の方法では、１つのレーザパルスから複数のレーザパルスを切り出すために、音響光学素子等の光変調素子を準備しなければならない。本発明の目的は、光変調素子を用いることなく、パルス幅の短いレーザパルスを出力することが可能なガスレーザ装置、及びパルスレーザビームの出力方法を提供することである。本発明の他の目的は、このガスレーザ装置を用いた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、
無声放電励起方式のガスレーザと、
前記ガスレーザに、励起用の高周波電力を供給する電源と、
前記電源に、前記ガスレーザへの高周波電力の供給を開始する開始指令と、高周波電力の供給を停止する停止指令とを送出する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記電源に対して、前記開始指令と前記停止指令とを、この順番に少なくとも２回繰り返して送出し、前記停止指令から、次の開始指令までの待機時間が、前記ガスレーザのレーザ媒質の上位レーザ準位の寿命より短いガスレーザ装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
無声放電励起方式のガスレーザに、励起用の高周波電力をパルス的に複数回供給して、複数のレーザパルスを出力する工程を有し、
前記高周波電力の供給を停止した後、次の高周波電力の供給を開始するまでの待機時間が、前記ガスレーザのレーザ媒質の上位レーザ準位の寿命より短いパルスレーザビームの出力方法が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
無声放電励起方式のガスレーザと、
前記ガスレーザに、励起用の高周波電力を供給する電源と、
前記電源に、前記ガスレーザへの高周波電力の供給を開始する開始指令と、高周波電力の供給を停止する停止指令とを送出する制御装置と、
加工対象物を保持するステージと、
前記ガスレーザから出力されたレーザ光を、前記ステージに保持された加工対象物の表面に集光する集光光学系と
を有し、
前記制御装置は、前記電源に対して、前記開始指令と前記停止指令とを、この順番に少なくとも２回繰り返して送出し、前記停止指令から、次の開始指令までの待機時間が、前記ガスレーザのレーザ媒質の上位レーザ準位の寿命より短いレーザ加工装置が提供される。

音響光学素子等の光変調素子を用いることなく、パルスレーザビームを出力することができる。停止指令から、次の開始指令までの待機時間を、ガスレーザのレーザ媒質の上位レーザ準位の寿命より短くすることにより、励起エネルギの利用効率を高めることができる。

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、ガスレーザに収容されているレーザ媒質ガスのエネルギ準位図である。 図３は、トリガ信号、高周波電流、反転分布密度、及びパルスレーザビームの時間変化の一例を示すグラフである。 図４Ａ〜図４Ｃは、実施例によるレーザ加工装置によって加工される加工対象物の断面図である。

図１に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ加工装置のレーザ光源として、ガスレーザ装置が用いられている。ガスレーザ装置は、無声放電励起方式のガスレーザ１０、電源１５、及び制御装置２０を含む。ガスレーザ１０には、例えば炭酸ガスレーザが用いられる。ガスレーザ１０は、光共振器を構成する部分反射鏡１２と全反射鏡１３、及び一対の放電電極１１を含む。一対の放電電極１１の間に、レーザ媒質ガスが収容されている。

電源１５が、ガスレーザ１０に励起用の高周波電力を供給する。電源１５は、インバータ１６及びタイミング発生器１７を含む。タイミング発生器１７がインバータ１６に、インバータ１６のスイッチング素子のオンオフを制御するためのタイミング信号を送出する。インバータ１６は、タイミング発生器１７からのタイミング信号に基づいて、放電電極１１に高周波電流Ｉｒｆを供給する。

制御装置２０が、タイミング発生器１７にトリガ信号Ｔｒｇを送出する。トリガ信号Ｔｒｇは、ガスレーザ１０への高周波電力の供給を開始する開始指令と、高周波電力の供給を停止する停止指令とを含む。

ガスレーザ１０に高周波電力が供給されると、ガスレーザ１０からパルスレーザビームＬＢが出力される。パルスレーザビームＬＢは、折り返しミラー３１、ガルバノスキャナ３２、集光光学系３３を経由して加工対象物４０に入射する。ガルバノスキャナ３２は、パルスレーザビームＬＢを二次元方向に走査する。集光光学系３３は、パルスレーザビームＬＢを加工対象物４０の表面に集光する。集光光学系３３には、例えばｆθレンズが用いられる。加工対象物４０は、ステージ３４に保持されている。ステージ３４は、加工対象物４０を、その表面に平行な二次元方向に移動させる。

図２に、ガスレーザ１０に収容されているレーザ媒質ガスのエネルギ準位図を示す。炭酸ガスレーザにおいては、二酸化炭素分子の（００１）準位から（１００）準位または（０２０）準位への遷移がレーザ発振に寄与する。（００１）準位が上位レーザ準位Ｅ２に相当し、（１００）準位及び（０２０）準位が下位レーザ準位Ｅ１に相当する。ここで、カッコ内の１番目、２番目、及び３番目の数字は、それぞれ対称伸縮モード、屈曲モード、及び非対称伸縮モードの量子数を意味する。レーザ媒質ガスには窒素分子が含まれている。励起状態（ｖ＝１）の窒素分子が二酸化炭素分子に衝突することにより、窒素分子から二酸化炭素分子への振動エネルギの移動が生じる。これにより、二酸化炭素分子が（００１）状態に励起される。

下位レーザ準位Ｅ１及び上位レーザ準位Ｅ２の分子の密度を、それぞれＮ１及びＮ２で表す。レーザ媒質ガスを励起すると、反転分布状態、すなわちＮ１＜Ｎ２の状態が得られる。反転分布密度、すなわちＮ２−Ｎ１が臨界値を超えると、レーザ発振が生じる。ここで、窒素分子から二酸化炭素分子への振動エネルギの移動の含めた上位レーザ準位Ｅ２の寿命をτ２で表すこととする。ここで、寿命τ２は、上位レーザ準位Ｅ２の分子の密度が、自然放出によって１／ｅまで低下する時間を意味する。

図３に、トリガ信号Ｔｒｇ、反転分布密度Ｎ２−Ｎ１、及びパルスレーザビームＬＢの時間変化の一例を示す。トリガ信号Ｔｒｇの立ち上がり、及び立ち下がりが、それぞれガスレーザ１０への高周波電力の供給の開始指令、及び停止指令に対応する。以下、図１及び図３を参照して、パルスレーザビームＬＢの出力方法について説明する。

時刻ｔ１において、トリガ信号Ｔｒｇが立ち上がる。すなわち、制御装置２０から電源１５に高周波電力の供給の開始指令が送出される。時刻ｔ１よりも前は、ガスレーザ１０は熱平衡状態である。このため、反転分布は生じておらず、Ｎ２−Ｎ１は、ほぼ０である。

電源１５が高周波電力供給の開始指令を受けると、ガスレーザ１０に高周波電流Ｉｒｆが流れ始める。高周波電流Ｉｒｆによって、ガスレーザ１０内で無声放電が生じる。これにより、レーザ媒質ガスが励起され、上位レーザ準位Ｅ２の分子の密度が上昇する。

時刻ｔ２において、反転分布密度Ｎ２−Ｎ１が光共振器の損失から決まる臨界値Ｔｈに達すると、レーザ発振が開始され、パルスレーザビームＬＢのレーザパルスが立ち上がる。レーザパルスの立ち上がり直後の波形は、ガスレーザ１０の特性に依存する。図３では、立ち上がり直後に光強度がピーク波形を示し、その後、ほぼ一定の光強度が継続する例を示している。

時刻ｔ３において、トリガ信号Ｔｒｇが立ち下がる。すなわち、制御装置２０から電源１５に高周波電力の供給の停止指令が送出される。これにより、高周波電流Ｉｒｆが０になる。レーザ発振は、反転分布密度Ｎ２−Ｎ１が臨界値Ｔｈ以上である間継続され、時刻ｔ４で停止する。その後、上位レーザ準位Ｅ２の寿命τ２に依存する時定数で反転分布密度Ｎ２−Ｎ１が低下する。パルスレーザビームＬＢの光強度は、時刻ｔ３から低下し始める。光強度が、時刻ｔ３における値の１０％まで低下する時間を、立下り時間ｔｆということとする。

時刻ｔ３から待機時間ｔｗが経過した時刻ｔ５において、２ショット目のトリガ信号Ｔｒｇが立ち上がる。待機時間ｔｗは、上位レーザ準位Ｅ２の寿命τ２より短く、立下り時間ｔｆより長い。時刻ｔ５において、電源１５からガスレーザ１０への高周波電力の供給が開始され、反転分布密度Ｎ２−Ｎ１が上昇し始める。時刻ｔ６において、反転分布密度Ｎ２−Ｎ１が臨界値Ｔｈに達し、２ショット目のレーザパルスが立ち上がる。

待機時間ｔｗが上位レーザ準位Ｅ２の寿命τ２より短いため、時刻ｔ５において、上位レーザ準位Ｅ２の分子の密度は、熱平衡状態のときの密度より高い。このため、時刻ｔ５から、反転分布密度Ｎ２−Ｎ１が臨界値を超えるまでの時間（レーザパルスの立上り遅延時間ｔ６−ｔ５）は、熱平衡状態から、反転分布密度Ｎ２−Ｎ１が臨界値を超えるまでの時間（レーザパルスの立上り遅延時間ｔ２−ｔ１）よりも短い。

時刻ｔ７において、トリガ信号Ｔｒｇが立ち下がる。これにより、高周波電流Ｉｒｆが０になり、レーザパルスが立ち下がる。その後、待機時間ｔｗが経過した時点で３ショット目のトリガ信号Ｔｒｇが立ち上がり、３ショット目のレーザパルスが出力される。トリガ信号Ｔｒｇの立ち上がり（開始指令）と立ち下がり（停止指令）とを交互に繰り返すことにより、周期的にレーザパルスを出力することができる。

２ショット目以降のレーザパルスの出力のために、直前のレーザパルスの出力時に消費されず、上位レーザ準位Ｅ２に残留している分子のエネルギを利用することができる。このため、励起エネルギの利用効率を高めることができる。炭酸ガスレーザの上位レーザ準位Ｅ２の寿命τ２は、ガス組成、圧力等に依存するが、一般的に５０μｓ程度である。従って、励起エネルギの利用効率を高めるために、待機時間ｔｗ（図３）を５０μｓ以下にすることが好ましい。

さらに、実施例によるレーザ加工装置においては、音響光学素子等の光変調素子を使用することなく、パルスレーザビームＬＢを出力することができる。

１ショット目のレーザパルスの立上り遅延時間ｔ２−ｔ１が、２ショット目以降のレーザパルスの立上り遅延時間ｔ６−ｔ５より長い。このため、トリガ信号Ｔｒｇのパルス幅を一定にすると、１ショット目のレーザパルスのパルス幅が、２ショット目以降のレーザパルスのパルス幅より短くなってしまう。１ショット目のトリガ信号Ｔｒｇのパルス幅を、２ショット目以降のトリガ信号Ｔｒｇのパルス幅より長くすることにより、１ショット目のレーザパルスのパルス幅を、２ショット目以降のレーザパルスのパルス幅と等しくすることができる。一例として、１ショット目のトリガ信号Ｔｒｇのパルス幅を１０μｓとし、２ショット目以降のトリガ信号Ｔｒｇのパルス幅を５μｓとすればよい。

図４Ａ〜図４Ｃを参照して、実施例によるレーザ加工装置を用いた加工方法について説明する。図４Ａに、加工前の加工対象物の断面図を示す。加工対象物として、例えばビルドアップ基板が用いられる。下側の樹脂層４１の上に、第１の金属膜４２が形成されている。第１の金属膜４２及び下側の樹脂層４１の上に、上側の樹脂層４３が形成されている。樹脂層４３の上に、第２の金属膜４４が形成されている。樹脂層４１、４３には、例えばガラス繊維を含んだポリイミドが用いられる、第１の金属膜４２及び第２の金属膜４４には、例えば銅が用いられる。なお、銅以外の金属を用いてもよい。

図４Ｂに示すように、第１の金属膜４２の上の樹脂層４３及び第２の金属膜４４に、第１のレーザパルスＬｐ１を入射させることにより、第２の金属膜４４に開口４５を形成し、樹脂層４３に凹部４６を形成する。凹部４６の側面は、深くなるに従って平断面が小さくなるように傾斜している。図４Ｂでは、凹部４６が第１の金属膜４２まで達していない例を示しているが、凹部４６の底面に第１の金属膜４２の一部が露出するようにしてもよい。この場合にも、凹部４６の側面が傾斜する。このため、第１の金属膜４２が露出した部分の面積は、開口４５の面積よりも小さい。凹部４６の深さは、第１のレーザパルスＬｐ１のパルスエネルギ密度に依存する。

図４Ｃに示すように、凹部４６に、複数の第２のレーザパルスＬｐ２を入射させる。こ
れにより、凹部４６の側面及び底面の樹脂層４３が除去され、凹部４６の底面に第１の金属膜４２が露出する。図４Ｂに示した段階で、凹部４６の底面に第１の金属膜４２が露出していた場合には、第２のレーザパルスＬｐ２の入射によって、第１の金属膜４２が露出する領域が大きくなる。

第２のレーザパルスＬｐ２の各々のパルス幅は、第１のレーザパルスＬｐ１のパルス幅より短い。第２のレーザパルスＬｐ２は、図３に示した実施例によるパルスレーザビームＬＢの出力方法により生成される。

図４Ｂに示した凹部４６が形成された後、第１のレーザパルスＬｐ１よりもパルス幅の短い複数の第２のレーザパルスＬｐ２を用いることにより、第１の金属膜４２の損傷を軽減することができる。

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。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 ガスレーザ
１１ 放電電極
１２ 部分反射鏡
１３ 全反射鏡
１５ 電源
１６ インバータ
１７ タイミング発生器
２０ 制御装置
３１ 折り返しミラー
３２ ガルバノスキャナ
３３ 集光光学系
３４ ステージ
４０ 加工対象物
４１ 樹脂層
４２ 第１の金属膜
４３ 樹脂層
４４ 第２の金属膜
４５ 開口
４６ 凹部

Claims (5)

1. 無声放電励起方式のガスレーザと、
   前記ガスレーザに、励起用の高周波電力を供給する電源と、
   前記電源に、前記ガスレーザへの高周波電力の供給を開始する開始指令と、高周波電力の供給を停止する停止指令とを送出する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記電源に対して、前記開始指令と前記停止指令とを、この順番に少なくとも２回繰り返して送出し、前記停止指令から、次の開始指令までの待機時間が、前記ガスレーザのレーザ媒質の上位レーザ準位の寿命より短いガスレーザ装置。
2. 前記待機時間は、前記電源に前記停止指令を送出した時点から、前記ガスレーザから出力されているレーザ光の光強度が１０％に低下するまでの立ち下がり時間よりも長い請求項１に記載のガスレーザ装置。
3. 無声放電励起方式のガスレーザに、励起用の高周波電力をパルス的に複数回供給して、複数のレーザパルスを出力する工程を有し、
   前記高周波電力の供給を停止した後、次の高周波電力の供給を開始するまでの待機時間が、前記ガスレーザのレーザ媒質の上位レーザ準位の寿命より短いパルスレーザビームの出力方法。
4. 前記待機時間は、前記高周波電力の供給を停止した時点から、前記ガスレーザから出力されているレーザ光の光強度が１０％に低下するまでの立ち下がり時間よりも長い請求項３に記載のパルスレーザビームの出力方法。
5. 無声放電励起方式のガスレーザと、
   前記ガスレーザに、励起用の高周波電力を供給する電源と、
   前記電源に、前記ガスレーザへの高周波電力の供給を開始する開始指令と、高周波電力の供給を停止する停止指令とを送出する制御装置と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記ガスレーザから出力されたレーザ光を、前記ステージに保持された加工対象物の表面に集光する集光光学系と
   を有し、
   前記制御装置は、前記電源に対して、前記開始指令と前記停止指令とを、この順番に少なくとも２回繰り返して送出し、前記停止指令から、次の開始指令までの待機時間が、前記ガスレーザのレーザ媒質の上位レーザ準位の寿命より短いレーザ加工装置。

Images