JP3642774B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスクを用いたレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来のトレパニング加工に用いるレーザ加工装置の概略図である。レーザ光源３０、たとえばＣＯ₂レーザ発振器から、パルスレーザビームが出射する。パルスレーザビームは、たとえば円形の貫通孔３１ａを有するマスク３１で、断面形状を円形に整形されて、イメージングレンズ３２に入射する。イメージングレンズ３２は、マスク３１の貫通孔３１ａを加工対象物３５上に結像させる。
【０００３】
イメージングレンズ３２を出射したパルスレーザビームは、必要に応じて配置される反射ミラー３３で反射され、ガルバノスキャナ３４に入射する。ガルバノスキャナ３４は、２枚の揺動可能な反射鏡を含んで構成され、パルスレーザビームを２次元方向に高速で走査することができる。走査されたレーザビームは、ステージ３６上に載置された加工対象物３５に入射する。ここでは、結像された貫通孔３１ａの像が、加工対象物３５上を、円周に沿って移動するように、レーザビームを走査する。加工対象物３５は、たとえばプリント基板である。加工対象物３５には、パルスレーザビームが照射された位置に、穴が開く。
【０００４】
図６（Ａ）及び（Ｂ）は、複数ショットのパルスレーザビームを入射させることにより加工対象物３５に形成した穴の平面図である。図６（Ａ）、（Ｂ）ともに、マスク３１の貫通孔３１ａが結像された円形の像を実線で示した。点線で描いた円は、トレパニング加工により、加工対象物３５に開けようとする真円形の穴の開口の縁である。
【０００５】
図６（Ａ）には、ガルバノスキャナ３４により、パルスレーザビームを走査して、加工対象物３５に形成した穴の開口の縁を、太線で記した。穴の開口の縁は、点線で描いたような真円形とはならず、凹凸を有する形状となる。凹凸の程度は、たとえばトレパニングの送り量に依存する。トレパニングの送り量とは、連続する２ショットのパルスレーザビームが、加工対象物３５上において形成するビームスポット（貫通孔３１ａの像）の中心間の移動距離をいう。トレパニングの送り量が小さいほど凹凸の程度が小さくなり、穴の加工品質は向上するが、穴を開けるのに要するレーザビームのショット数が多くなり、加工時間が長くなる。
【０００６】
図６（Ｂ）には、位置決め精度の悪いガルバノスキャナ３４を用いて、パルスレーザビームを走査し、形成した穴の開口の縁を太線で示した。加工対象物３５上におけるビームスポット（貫通孔３１ａの像）は、ガルバノスキャナ３４の位置決め精度が悪いため、円に沿っては走査されない。このため、形成される穴の開口の縁は、図６（Ａ）に示した穴よりも、更に真円から遠ざかる。このように、形成する穴の加工品質は、ガルバノスキャナ３４等の走査光学系の位置決め精度にも依存する。（たとえば、特許文献１参照。）
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−９６１８８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のトレパニング加工においては、高品質の穴を加工することは、困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、加工する穴の品質を向上させることのできるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、第１の貫通孔を透過したレーザビームのビームスポットを、第２の貫通孔の位置において移動させる工程と、前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットを、加工対象物の表面上に結像させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【００１１】
このレーザ加工方法によると、加工対象物に、第２の貫通孔に整合した穴を開けることができるので、穴の品質を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの断面を整形する、第１の貫通孔を有する第１のマスクと、第２の貫通孔を有する第２のマスクと、前記第１の貫通孔を透過したレーザビームの、前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットを移動させる第１の走査光学系と、前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットを、加工対象物の表面上に結像させる第１の結像レンズとを有するレーザ加工装置が提供される。
【００１３】
このレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行うと、加工対象物に、第２の貫通孔に整合した穴を開けることができるので、穴の品質を向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例によるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の概略図である。レーザ光源１、たとえばＣＯ₂レーザ発振器から、パルスレーザビームが出射する。パルスレーザビームは、たとえば直径が１ｍｍである円形の貫通孔２ａを有するドット用マスク２で、断面形状を円形に整形されて、イメージングレンズ３に入射する。イメージングレンズ３は、たとえば凸レンズである。イメージングレンズ３を出射したパルスレーザビームは、ビーム走査用ミラー４、たとえばチルトミラーにより、２次元方向に高速で走査され、大口径マスク５に入射する。
【００１５】
イメージングレンズ３は、ドット用マスク２の円形の貫通孔２ａを大口径マスク５の位置に結像させる。大口径マスク５は、たとえば直径が５ｍｍである円形の貫通孔５ａを有している。大口径マスク５の位置に結像される貫通孔２ａの円形の像のサイズは、たとえば直径が１ｍｍである。貫通孔５ａのサイズは、大口径マスク５の位置に結像される貫通孔２ａの像のサイズよりも大きい。なお、ビーム走査用ミラー４としては、チルトミラーの他、２枚のガルバノミラー等、ビームを２次元方向に走査できるものであればよい。
【００１６】
マスク５の貫通孔５ａを通過したレーザビームは、ｆθレンズ７を経て、ステージ９上に載置された加工対象物８に入射する。ｆθレンズ７は、大口径マスク５の位置におけるレーザビームのビームスポットを、加工対象物８上に結像させる。なお、ｆθレンズ７のかわりに、大口径マスク５の位置におけるレーザビームのビームスポットを、加工対象物８上に結像させる結像レンズを用いてもよい。加工対象物８は、たとえば、銅で形成された配線の表面に、厚さ５０μｍｔ〜１００μｍｔ（数十μｍｔ）の樹脂層を有するプリント基板である。加工対象物８には、パルスレーザビームが照射された位置に、樹脂層を貫通し、底面に銅の配線を露出させる穴が開けられる。１ショットのパルスレーザビームの照射により開けられる穴の開口は、たとえば、直径が３００μｍの円形状であり、ｆθレンズ７により結像された、大口径マスク５の位置におけるビームスポットの像に一致する。
【００１７】
図２（Ａ）は、ビーム走査用ミラー４で走査された、複数ショットのパルスレーザビームが入射した大口径マスク５を示す概略図である。大口径マスク５の位置における、１ショットのパルスレーザビームのビームスポット２ｂ（イメージングレンズ３によって結像された、貫通孔２ａの円形の像）を、実線で示した。点線で描いた円は、大口径マスク５の、貫通孔５ａの開口の縁である。
【００１８】
前述のように、貫通孔５ａのサイズは、ビームスポット２ｂのサイズよりも大きい。大口径マスク５に入射するレーザビームは、大口径マスク５の位置で、ビームスポット２ｂが貫通孔５ａ内を埋め尽くすように（大口径マスク５の位置におけるビームスポット２ｂの軌跡が、貫通孔５ａを完全に内包するように）、走査される。図２（Ａ）においては、ビームスポット２ｂが、３つの同心円の円周に沿って移動するように、レーザビームが走査されている。
【００１９】
レーザビームは、ビームスポット２ｂが、貫通孔５ａ内を埋め尽くすように、任意の２次元方向に走査してよい。たとえば、加工対象物８上に、直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）を画定するとき、Ｘ方向に沿って貫通孔５ａの開口の端から端までレーザビームを走査し、次にＹ方向にビームスポット２ｂを移動させ、続いて、再びＸ方向に沿って貫通孔５ａの開口の端から端までレーザビームを走査する。これを繰り返し、ビームスポット２ｂが、貫通孔５ａを埋め尽くすように、レーザビームを走査する。なお、ビームスポット２ｂのＹ方向への移動距離は、ビームスポット２ｂの軌跡が貫通孔５ａを埋め尽くすような値が選択される。
【００２０】
図２（Ｂ）は、ビームスポット５ｂを形成して加工対象物８に入射したパルスレーザビームにより、加工対象物８に開けられた真円形の穴を示す概略図である。形成された真円形の穴を太線で示した。穴は、大口径マスク５の貫通孔５ａを通過した複数ショットのパルスレーザビームが照射されることによって形成される。また、大口径マスク５の位置におけるビームスポット２ｂのうち、貫通孔５ａの内部に位置する部分が、加工対象物８上に結像される。結像された像が、ビームスポット５ｂである。大口径マスク５の位置において、ビームスポット２ｂの一部分が、貫通孔５ａの外部に位置する場合、その一部分は、加工対象物８上に結像されない。図２（Ｂ）の点線は、貫通孔５ａの外部で、レーザビームが遮られなかった場合に形成されるビームスポット５ｂの一部を、便宜的に示したものである。パルスレーザビームは、前述のように、ビーム走査用ミラー４により、たとえば、複数の同心円の円周に沿って、この場合は、３つの同心円の円周に沿って、ビームスポット２ｂが、貫通孔５ａ内を埋め尽くすように、走査されている。したがって、加工対象物８に形成される穴は、大口径マスク５の円形の貫通孔５ａの像と一致する、真円形の穴となる。開口の縁が凹凸を有さない高品質の穴である。
【００２１】
図３（Ａ）は、ビームスポット２ｂの軌跡が、貫通孔５ａを内包しないが、貫通孔５ａの外部に広がるように、パルスレーザビームが走査された大口径マスク５を示す概略図である。図２（Ａ）と同様に、１ショットのパルスレーザビームのビームスポット２ｂを実線で、貫通孔５ａの開口の縁を点線で示した。５ショットのパルスレーザビームが、大口径マスク５に入射している。
【００２２】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示したように、レーザビームを走査したとき、加工対象物８に形成される、真円形の円周の一部を有する穴を示す概略図である。真円形の円周の一部は、５ショットのパルスレーザビームが入射した貫通孔５ａの像の縁に整合している。加工対象物８に形成されるのは、開口の縁の一部に、良質に加工された円周の一部を有する穴である。穴の外周の一部のみを円周形状にしたい場合に、この方法が有効である。
【００２３】
図４は、図１に示したレーザ加工装置の、大口径マスク５とｆθレンズ７との間に、ガルバノスキャナ６を加入したレーザ加工装置の概略図である。他の構成は、図１に示したレーザ加工装置の構成と等しい。ガルバノスキャナ６は、２枚の揺動可能な反射鏡を含んで構成され、レーザビームを２次元方向に高速で走査する。
【００２４】
たとえば、図２（Ａ）を用いて説明したように、大口径マスク５の位置におけるビームスポット２ｂの軌跡が貫通孔５ａを内包するように、ビーム走査用ミラー４でパルスレーザビームを走査し、加工対象物８に、図２（Ｂ）に示したような真円形の穴を形成する。次に、レーザビームが加工対象物８上において、形成された穴とは異なる位置に入射するように、ガルバノスキャナ６の２枚の反射鏡を揺動して、固定する。こうした後、再び、複数ショットのパルスレーザビームを、ビーム走査用ミラー４で走査し、ビームスポット２ｂの軌跡が貫通孔５ａを内包するように、大口径マスク５に入射させる。貫通孔５ａを通過したレーザビームが、ガルバノスキャナ６の２枚の反射鏡で反射され、加工対象物８に形成された穴とは異なる位置に入射するため、加工対象物８には、先に形成された穴とは別の真円形の穴が開く。上記のような、ガルバノスキャナ６に含まれる２枚の反射鏡の揺動によるビーム入射位置の変更と、ビーム走査用ミラー４によるビーム走査とを繰り返すことによって、加工対象物８上の複数の位置に、真円形の穴を形成することができる。また、ガルバノスキャナ６で、レーザビームを走査するかわりに、ステージ９により加工対象物８を移動させ、レーザビームの入射位置を変えてもよい。ビーム走査用ミラー４でビームを走査して加工対象物８に入射させ、穴を開けた後、ステージ９により加工対象物８を移動させて、加工対象物８上の異なる位置にビームを入射させ、別の穴を開ける。ビーム走査用ミラー４によるビーム走査と、ステージ９を用いた加工対象物８の移動によるビーム入射位置の変更とを繰り返すことによって、加工対象物８上の複数の位置に、真円形の穴を形成することができる。
【００２５】
なお、大口径マスク５の貫通孔５ａの形状は、真円には限らない。楕円、正方形等、開けたい穴の形状に応じて、適宜決定すればよい。
【００２６】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定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は自明であろう。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工する穴の品質を向上させることのできるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例によるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の概略図である。
【図２】（Ａ）は、ビームスポットの軌跡が貫通孔を内包するように、レーザビームが走査された大口径マスクを示す概略図であり、（Ｂ）は、加工対象物に形成された真円形の穴を示す概略図である。
【図３】（Ａ）は、ビームスポットの軌跡が、貫通孔を内包しないが、貫通孔の外部に広がるように、パルスレーザビームが走査された大口径マスクを示す概略図であり、（Ｂ）は、加工対象物に形成された穴を示す概略図である。
【図４】実施例によるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の概略図である。
【図５】従来のトレパニング加工に用いるレーザ加工装置を示す概略図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、パルスレーザビームが入射した加工対象物を示す概略図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ ドット用マスク
２ａ 貫通孔
２ｂ ビームスポット
３ イメージングレンズ
４ ビーム走査用ミラー
５ 大口径マスク
５ａ 貫通孔
５ｂ ビームスポット
６ ガルバノスキャナ
７ ｆθレンズ
８ 加工対象物
９ ステージ
３０ レーザ光源
３１ マスク
３１ａ 貫通孔
３２ イメージングレンズ
３３ 反射ミラー
３４ ガルバノスキャナ
３５ 加工対象物
３６ ステージ

Claims (9)

1. 第１の貫通孔を透過したレーザビームのビームスポットを、第２の貫通孔の位置において移動させる工程と、
   前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットを、加工対象物の表面上に結像させる工程と
   を有するレーザ加工方法。
2. 前記第２の貫通孔の位置において移動させる工程が、前記第１の貫通孔が、前記第２の貫通孔の位置で結像するように、レーザビームを集束させる工程を含む請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記第２の貫通孔が、該第２の貫通孔の位置における前記第１の貫通孔の像よりも大きい請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記ビームスポットを移動させる工程において、前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットの軌跡が前記第２の貫通孔を内包するように、前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットを移動させる請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. 前記ビームスポットを移動させる工程において、前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットの軌跡が前記第２の貫通孔の外部に広がるように、前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットを移動させる請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
6. 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レーザビームの断面を整形する、第１の貫通孔を有する第１のマスクと、
   第２の貫通孔を有する第２のマスクと、
   前記第１の貫通孔を透過したレーザビームの、前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットを移動させる第１の走査光学系と、
   前記第２の貫通孔の位置におけるビームスポットを、加工対象物の表面上に結像させる第１の結像レンズと
   を有するレーザ加工装置。
7. 更に、前記第１の貫通孔を、前記第２の貫通孔の位置に結像させる第２の結像レンズを有する請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記第２の貫通孔が、該第２の貫通孔の位置における前記第１の貫通孔の像よりも大きい請求項６または７に記載のレーザ加工方法。
9. 更に、前記第２の貫通孔を透過したレーザビームの前記加工対象物表面上におけるビームスポットを移動させる第２の走査光学系とを有する請求項６〜８のいずれかに記載のレーザ加工装置。

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