JP2018158360A

JP2018158360A - レーザ加工装置

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Publication number: JP2018158360A
Application number: JP2017056822A
Authority: JP
Inventors: 石原　裕; Yutaka Ishihara; 裕石原
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2037-03-23
Also published as: JP6808552B2

Abstract

【課題】ホモジナイザを有するレーザ加工装置において、大量のスパッタが飛散することを抑制する。【解決手段】このレーザ加工装置は、レーザ光のビーム形状をフラットトップ型に成形するホモジナイザ（１３）と、ホモジナイザを通過したレーザ光のビーム径を変更可能な第１絞り（１４）と、第１絞りを通過したレーザ光の回折光の通過量を変更可能な第２絞り（１５）と、加工対象物へ照射されるレーザ光が、ビーム中心の強度がその他の部分の強度より高いビーム形状となるように、第２絞りを制御する制御部（２０）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

以前より、樹脂層及び金属層を有する基板を加工対象物として、加工対象物に孔を形成するレーザ加工装置がある。このようなレーザ加工装置の中には、レーザ光のビーム形状をフラットトップ型に成形するホモジナイザを備えるものがある。フラットトップ型のビーム形状により、高品質の孔を形成することができる。

さらに、このようなレーザ加工装置は、異なる孔径の加工ができるよう、ビーム径を変更可能な絞りを一般に備える。通常、絞りの開口径を変化させることで、ホモジナイザにより成形されたフラットトップ型のビーム形状を維持したまま、被加工位置のレーザ光のスポット径を変化させることができる。これにより、孔径の異なる複数種類の孔を同等の品質で形成することができる。

特許文献１には、本発明に関連する技術として、孔径に対応してビーム径を変更可能なマスクと、ビーム形状をフラットトップ型に成型するための虹彩絞りとを有するレーザ加工装置が開示されている。特許文献１の虹彩絞りは、高価なホモジナイザを使用せずに、安価な構成でレーザ光のビーム形状をフラットトップ型に成形するために設けられている。

特開２００２−１２００８０号公報

近年、基板に形成される孔の種類が増し、孔径が大幅に異なる複数種類の孔を１台のレーザ加工装置で形成できるように要求されることがある。本発明者らが検討したところ、ホモジナイザで成形されたレーザ光を用いても、比較的に大径の孔を形成する場合に、小径の孔を形成する場合と異なる状況が生じることが分かった。具体的には、絞りの口径を大きくしてレーザ光のビーム径を大きくすると、被加工位置に結像されるレーザ光のビーム形状が凹型に変化する場合がある。そして、ビーム形状が凹型になると、孔の形成時に大量のスパッタ（溶融飛散物）がレーザ光が照射してくる側に飛散し、ｆθレンズの保護ウィンドウに付着するという課題が生じることが分かった。保護ウィンドウのスパッタの付着量が多くなると、レーザ加工装置に要求されるメンテナンス周期が短くなってしまう。

本発明は、ホモジナイザを有するレーザ加工装置において、大量のスパッタが飛散することを抑制できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、
レーザ光のビーム形状をフラットトップ型に成形するホモジナイザと、
前記ホモジナイザを通過したレーザ光のビーム径を変更可能な第１絞りと、
前記第１絞りを通過したレーザ光の回折光の通過量を変更可能な第２絞りと、
加工対象物へ照射されるレーザ光が、ビーム中心の強度がその他の部分の強度より高いビーム形状となるように、前記第２絞りを制御する制御部と、
を備える構成とした。

本発明によれば、ホモジナイザを有するレーザ加工装置において、大量のスパッタが飛散することを抑制できる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。第１絞り及び第２絞りの一例を示す図である。開口径設定データの一例を示す表である。孔径の小さな孔を形成するときの第１絞り及び第２絞りの開口径とビーム形状とを示す図である。孔径の大きな孔を形成するときの第１絞り及び第２絞りの開口径とビーム形状とを示す図である。大量のスパッタが飛散するときの第１絞り及び第２絞りの開口径とビーム形状とを示す図である。第２絞りの開口径と保護ウィンドウのスパッタ付着密度との関係を表わすグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。

本実施形態に係るレーザ加工装置１は、レーザ光により加工対象物３０に孔を形成するレーザドリル装置である。加工対象物３０は、例えば樹脂層及び金属層を有する基板である。レーザ加工装置１は、レーザ光源１１、ビームエキスパンダ１２、ホモジナイザ１３、第１絞り１４、第２絞り１５、走査光学系１６、反射ミラー１７、ｆθレンズ１８、ステージ１９及び制御部２０を備える。

レーザ光源１１は、例えばＣＯ_２レーザ等のガスレーザである。レーザ光源１１はレーザ発振器と呼んでもよい。ビームエキスパンダ１２は、レーザ光のビーム径を拡大する素子である。ホモジナイザ１３は、レーザ光のビーム形状をフラットトップ型に成形する光学系である。

第１絞り１４は、加工対象物３０に形成する孔の孔径を変化するために、ホモジナイザ１３を通過したレーザ光のビーム径を変える構成である。第１絞り１４はマスクと呼んでもよい。図２に示すように、第１絞り１４としては、径の異なる複数の開口ｈを有し、レーザ光の光軸上に配置される開口ｈを、複数の開口ｈのいずれか１つに切替え可能な構成を採用できる。

第２絞り１５は、第１絞り１４の後段に配置され、開口径を変えて、第１絞り１４で発生した回折光（例えば二次以上の高次回折光）の通過量を制御する構成である。第２絞り１５はアパーチャと呼んでもよい。図２に示すように、第２絞り１５としては、径の異なる複数の開口ｈを有し、レーザ光の光軸上に配置される開口ｈを、複数の開口ｈのいずれか１つに切替え可能な構成を採用できる。図２により、第１絞り１４と第２絞り１５の構成の一例を示したが、両者の間で各開口ｈの大きさは同一でなくてもよい。

走査光学系１６は、例えばガルバノミラーを含み、レーザ光の照射位置すなわち被加工位置Ｐ０を例えばステージ１９の上面に沿った２方向へ変化させる光学系である。反射ミラー１７は、レーザ光を反射して走査光学系１６からｆθレンズ１８へレーザ光を送る構成である。ｆθレンズ１８は、走査光学系１６から送られてきたレーザ光を被加工位置Ｐ０へ収束させるレンズである。ステージ１９は、加工対象物３０を保持する台である。

制御部２０は、プログラムが格納された記憶装置、プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、作業用のメモリ、ならびに、制御信号及び検出信号の入出力を行うＩ／Ｏなどを有するコンピュータである。制御部２０は、レーザ光源１１の出力タイミングの制御と、第１絞り１４と第２絞り１５の開口径を変更する制御と、走査光学系１６の駆動制御とを行う。制御部２０は、さらに、開口径設定データ２２が格納される記憶部２１を備える。

図３は、開口径設定データの一例を示す表である。

開口径設定データ２２は、加工対象物３０に形成する孔の孔径と、第１絞り１４の開口径と、第２絞り１５の開口径との対応関係を表わす。図３において、孔径と開口径とを番号によって表わす。表の各行において番号は小さいほど小さい径を表わすが、異なる行間においては同一の番号は同一の径を表わすものでない。制御部２０は、開口径設定データ２２に従って、孔径に応じて第１絞り１４の開口径を制御する。また、制御部２０は、開口径設定データ２２に従って、孔径又は第１絞り１４の開口径に応じて第２絞り１５の開口径を制御する。

＜動作説明＞
このように構成されたレーザ加工装置１によれば、ステージ１９に加工対象物３０が保持された状態で、制御部２０の制御によりレーザ光源１１からレーザ光が出射される。すると、レーザ光は、ビームエキスパンダ１２、ホモジナイザ１３、第１絞り１４、第２絞り１５、走査光学系１６、反射ミラー１７及びｆθレンズ１８を経由して、加工対象物３０の被加工位置Ｐ０に照射される。このとき、レーザ光は、ホモジナイザ１３によりフラットトップ型に成形され、第１絞り１４によってビーム径が絞られる。これにより、被加工位置Ｐ０に照射されるレーザ光のスポットは、孔径に応じたスポット径となる。そして、このレーザ光の照射によって、加工対象物３０の被加工位置Ｐ０には、設定された孔径で孔が形成される。

＜孔径が小さい場合＞
図４は、孔径の小さな孔を形成するときの第１絞り及び第２絞りの開口径とビーム形状とを示す図である。図４には、反射ミラー１７を省略したレーザ光の光路と、行路中の複数の位置ｔ１〜ｔ３におけるレーザ光のビーム形状を示している。位置ｔ１はホモジナイザ１３の通過後の位置であり、位置ｔ２は第１絞り１４を通過後の位置であり、位置ｔ３は加工対象物３０の上面の位置である。図４中のレーザ形状を示すグラフは、縦軸にレーザ光の強度、横軸に光軸に垂直な一軸の方向Ｘを示す。

図４に示すように、孔径の小さな孔を形成するときには、制御部２０は、第１絞り１４を小さい開口径に切り替える。これにより、レーザ光のビーム径は孔径に応じた長さに調整される。さらに、制御部２０は、第２絞り１５を最大径に切り替えて、第２絞り１５がレーザ光に作用を及ぼさないように制御する。

孔径が小さい場合、ホモジナイザ１３によるビーム形状の成形と、第１絞り１４の制御により、加工対象物３０に照射されるレーザ光は、スポット径Ｗ１が孔径に応じた長さに調整され、ビーム形状がフラットトップ型などの適切な形状に調整される。これにより、設定された孔径で、高品質な孔（例えば中央から外周部にかけて均一な深さの孔）を加工対象物３０に形成することができる。孔径が小さい場合、第２絞り１５による作用が不要である。このため、制御部２０は、第２絞り１５を最大径に切り替えている。

＜孔径が大きい場合＞
図５は、孔径の大きな孔を形成するときの第１絞り及び第２絞りの開口径とビーム形状とを示す図である。図６は、大量のスパッタが飛散するときの第１絞り及び第２絞りの開口径とビーム形状とを示す図である。図５及び図６は、図４と同様に、光路中の各位置ｔ１〜ｔ３におけるレーザ光のビーム形状を表わす。

図５に示すように、孔径の大きな孔を形成するときには、制御部２０は、第１絞り１４を孔径に応じた大きい開口径に切り替える。これにより、レーザ光のビーム径は孔径に応じた長さに調整され、加工対象物３０に照射されるレーザ光のスポット径Ｗ２が孔径に応じた長さに調整される。さらに、制御部２０は、第２絞り１５を、孔径又は第１絞り１４の開口径に応じて、第１絞り１４で発生するレーザ光の回折光ｄ１の通過量を低下させる開口径に切り替える。ここで、回折光ｄ１は、例えば二次以上の高次の回折光に相当する。

図６に示すように、孔径が大きいときには、ホモジナイザ１３によるビーム形状の成形と、第１絞り１４のビーム径の制御だけでは、回折光ｄ１の作用によって、加工対象物３０に照射されるレーザ光のビーム形状Ｓ２が凹型になる。ここで、凹型とは、レーザ光における最大強度の部位が、レーザ光のビーム中心より、外周部に近い位置にある形状を意味する。このような凹型のビーム形状Ｓ２を有するレーザ光により孔が形成されると、加工対象物３０からｆθレンズ１８の方へ大量のスパッタが飛散し、ｆθレンズ１８の保護ウィンドウ１８ａに付着してしまう。

一方、図５に示すように、第２絞り１５の開口径が制御されることで、第１絞り１４で発生した回折光ｄ１の通過が遮断され、この作用により、加工対象物３０に照射されるレーザ光のビーム形状Ｓ１が凸型になる。ここで、凸型とは、レーザ光のビーム中心の強度が、他の部分の強度以上となる形状を意味する。そして、このようなビーム形状のレーザ光により、設定された孔径で加工対象物３０に孔を形成でき、さらに、孔の形成時に加工対象物３０から大量のスパッタがｆθレンズ１８の方へ飛散することが抑制される。

図７は、第２絞りの開口径と保護ウィンドウのスパッタ付着密度との関係を示すグラフである。このグラフは孔径が大きい場合の特性を示している。このグラフに示されるように、孔径が大きい場合、第２絞り１５の開口径が大きく、ビーム形状が凹型となる領域Ｒ２では、スパッタ付着密度は高くなる。一方、第２絞り１５の開口径が小さく、ビーム形状が凸型となる領域Ｒ１では、スパッタ付着密度が非常に低くなる。

上述したように、１つの孔が形成されると、レーザ加工装置１では、複数の孔の形成位置及び各孔の孔径が示された加工データに基づいて、制御部２０が走査光学系１６を制御して被加工位置Ｐ０を変更する。加えて、制御部２０が、上述した第１絞り１４及び第２絞り１５の制御を行って、レーザ光源１１からレーザ光を出力させる処理を繰り返す。これにより、加工対象物３０に加工データに従った複数の孔が形成される。

以上のように、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、第１絞り１４でビーム径を絞っただけでは、ビーム形状が凹状になって大量のスパッタがｆθレンズ１８の方へ飛散するような場合でも、第２絞り１５が第１絞り１４で発生した回折光ｄ１の通過を遮る。従って、このような場合でも、ビーム形状を凸状にして大量のスパッタの飛散を抑止することができる。

また、実施形態のレーザ加工装置１によれば、制御部２０は、開口径設定データ２２に基づいて、第１絞り１４を孔径に応じた開口径に制御し、第２絞り１５を孔径又は第１絞り１４の開口径に応じた開口径に制御する。よって、ユーザは、孔の形成位置と孔径とが示された加工データを作成することで、適宜、制御部２０が加工データに示された孔径に応じて第１絞り１４の開口径と第２絞り１５の開口径とを調整する。従って、ユーザが第１絞り１４又は第２絞り１５の開口径を逐次定めて加工データを作成する場合と比較して、加工データの作成が容易となる。

以上、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施の形態に限られない。例えば、上記実施形態では、本発明をレーザドリル装置に適用した例を示したが、凹状のレーザ光によりスパッタが発生するような加工であれば、孔の加工に限られない。また、第１絞り及び第２絞りとしては虹彩絞りを適用してもよい。また、上記実施形態では、開口径設定データ２２に基づいて、制御部２０が第１絞り１４及び第２絞り１５の開口径を制御する構成を示した。しかし、加工データに、各孔を形成するときの第１絞り１４の開口径及び第２絞り１５の開口径のデータを含めておき、制御部２０は、加工データに基づいて第１絞り１４と第２絞り１５の開口径を制御するようにしてもよい。その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１レーザ加工装置
１１レーザ光源
１２ビームエキスパンダ
１３ホモジナイザ
１４第１絞り
１５第２絞り
１６走査光学系
１７反射ミラー
１８ｆθレンズ
１９ステージ
２０制御部
２１記憶部
２２開口径設定データ
３０加工対象物

Claims

レーザ光のビーム形状をフラットトップ型に成形するホモジナイザと、
前記ホモジナイザを通過したレーザ光のビーム径を変更可能な第１絞りと、
前記第１絞りを通過したレーザ光の回折光の通過量を変更可能な第２絞りと、
加工対象物へ照射されるレーザ光が、ビーム中心の強度がその他の部分の強度以上のビーム形状となるように、前記第２絞りを制御する制御部と、
を備えるレーザ加工装置。
前記制御部は、前記第１絞りの開口径に応じて前記第２絞りの開口径を制御する、
請求項１記載のレーザ加工装置。
前記制御部は、形成する孔の孔径に応じて前記第２絞りを制御する、
請求項１記載のレーザ加工装置。