JP3673255B2 - Laser processing method and laser processing apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを、断面のサイズを制御して、加工対象物に入射させるレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5は、従来のレーザ加工装置を示す概略図である。レーザ光源30、たとえばNd:YAGレーザから、パルスレーザビームが出射する。出射したパルスレーザビームは、ホモジナイザ31に入射する。ホモジナイザ31は、入射したレーザビームが、たとえば円形の貫通孔を有するマスク32の位置でトップフラットになるように、強度分布を整形して出射する。マスク32により、レーザビームは、断面を円形に整形される。マスク32を出射したレーザビームは、結像レンズ33を経て、ステージ35上に載置された加工対象物34に入射する。加工対象物34は、たとえばプリント基板である。結像レンズ33は、マスク32の円形の貫通孔を、加工対象物34上に結像させる。加工対象物34には、レーザビームの入射した位置に、円形の穴が開く。
【0003】
図6(A)〜(C)は、レーザビームの断面における強度分布を示す概略的なグラフである。図6(A)は、レーザ光源30から出射し、ホモジナイザ31に入射する前の、レーザビーム断面における強度分布である。ビーム断面の中央部で強度が強く、周辺に向かうにつれて強度が減衰する、ガウシャン分布を示している。図6(B)は、ホモジナイザ31を出射したレーザビームの、マスク32の位置における強度分布を示す。レーザビーム断面における強度分布は、ほぼ一様である。図6(C)は、マスク32で断面形状を円形に整形されたレーザビームの、ビーム断面における強度分布を示す。マスク32の円形の貫通孔を通過することにより、図6(B)に示した、トップフラット形状のパルスエネルギ分布を有するレーザビームの周辺部がカットされている。したがって、マスク32から出射するレーザビームのパルスエネルギは、マスク32に入射する前より、小さくなる。(たとえば、特許文献1参照。)
また、大きさの異なる貫通孔を有するマスクで、ビームの断面形状を整形することにより、加工対象物34に開ける穴の穴径を制御していた。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−23099号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ加工においては、ビーム断面を、必要な形状に整形する際に、マスクで、大きなエネルギロスを生じていた。
【0006】
本発明の目的は、エネルギ利用効率の高い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。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、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が入射し、仮想的なホモジナイズ面上におけるレーザビームのビームスポット内の強度分布を一様に近づけるビームホモジナイザと、前記ホモジナイズ面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、結像倍率を変えることができる可変倍率転写光学系とを有し、前記ビームホモジナイザが、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの中心の入射位置から周辺に進むに従って焦点距離が長くなる第1の非球面レンズと、前記第1の非球面レンズを透過したレーザビームが入射し、該レーザビームの中心の入射位置から周辺に進むに従って、焦点距離が短くなる第2の非球面レンズとを有し、該第2の非球面レンズを透過したレーザビームの、前記ホモジナイズ面におけるビームスポット内の強度分布が、前記レーザ光源から出射したレーザビームの強度分布よりも一様に近づいているレーザ加工装置が提供される。
【0008】
このレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行うと、レーザビーム断面の形状及びサイズを制御する際のエネルギロスを小さくすることができるので、高いエネルギ利用効率で、レーザ加工を行うことができる。
【0011】
【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Nd:YAGレーザから、レーザビームが出射する。出射したパルスレーザビームの断面形状は、たとえば円形である。また、ビーム断面内の強度分布は、図6(A)のようなガウシャン分布を示す。
【0012】
レーザビームは、フラットトップオプティクス(Flat Top Optics、FTO)2に入射する。フラットトップオプティクス2は、非球面レンズ光学系を含んで構成される。断面形状が円形で、断面内における強度分布がガウシャン分布のレーザビームが入射すると、断面形状が円形で、断面内における強度分布がトップフラットであるレーザビームに変換して出射する。なお、断面形状の整形と、強度分布の変換は、非球面レンズにレーザビームを通すことにより、同時に行われる。フラットトップオプティクス2については、後に詳述する。
【0013】
フラットトップオプティクス2を出射したレーザビームは、可変倍率転写光学系3を経て、ステージ5上に載置された加工対象物4に入射する。加工対象物4は、たとえば、プリント基板である。可変倍率転写光学系3は、所定の位置のレーザビームの断面形状を加工対象物4上に転写する。加工対象物4のレーザビームが入射した位置には、転写された像の形状の穴が開く。可変倍率転写光学系3は、転写倍率を変化させる(切り替える)ことができる。転写倍率を変化させることで、加工対象物4上に入射するレーザビームの断面サイズを制御することができる。これにより、形成する穴の大きさを変えることができる。マスクの貫通孔のサイズで、レーザビームの断面サイズを制御するのと異なり、可変倍率転写光学系3を用いると、ビームサイズの制御によるエネルギロスはない。マスクを用いないので、加工対象物4に入射するレーザビームには、ケラレが生じないためである。
【0014】
図2は、フラットトップオプティクス2の機能を説明するための図である。フラットトップオプティクス2は、2枚の非球面レンズ11及び12を含んで構成される。非球面レンズ11の焦点距離は、レンズの周辺部ほど長い。非球面レンズ12の焦点距離は、レンズの周辺部ほど短い。なお、たとえば非球面レンズ11は、中心部が凹レンズ、周辺部が凸レンズで形成されている。凹レンズの焦点距離は、負である。したがって、非球面レンズの焦点距離には、負の値も含む。たとえば、非球面レンズ11の周辺部ほど焦点距離が長いとは、焦点距離を示す、符号を含む数値が、周辺部ほど大きくなることを意味する。
【0015】
レーザビーム10が、非球面レンズ11に入射する。レーザビーム10の断面における強度は、図6(A)に示したようなガウシャン分布であり、断面の中央部で、強度が強く、周辺にいくにつれて、強度が弱くなる。非球面レンズ11を透過すると、強度の強いレーザビーム10の中央部13は、発散光線束となり、非球面レンズ12に入射する。強度の弱いレーザビーム10の周辺部14は、集光光線束となり、非球面レンズ12に入射する。非球面レンズ12から出射するレーザビームは、非球面レンズ11に入射する直前のレーザビーム10と平行である。2枚の非球面レンズ11及び12によって、レーザビーム10の断面における強度が、一様に近づけられ、レーザビーム15として出射される。ホモジナイズ面16において、レーザビーム15の断面内の強度の均一性が最も高くなる。
【0016】
図3(A)は、ホモジナイズ面16におけるレーザビーム15の強度分布を示す概略的なグラフである。フラットトップオプティクス2に入射したレーザビーム15は、ホモジナイズ面16における強度分布が、ほぼ一様となるように変換される。
【0017】
図3(B)は、ホモジナイズ面16におけるレーザビーム15の断面形状を、レーザビームの光軸方向から見た概略図である。ビームは、円形の断面形状を有している。ホモジナイズ面16における、この円形のビームスポットが、可変倍率転写光学系3により、加工対象物4上に、所望の結像倍率で結像される。加工対象物4上には、たとえば、結像された像の大きさ及び形状に照応した穴があく。
【0018】
次に、ステージ5により、加工対象物4を移動させる。可変倍率転写光学系3は、ホモジナイズ面16と加工対象物4の表面とを、共役の関係に保ちながら、結像倍率を変化させ、ホモジナイズ面16におけるビームスポットを、加工対象物4の表面上に結像させる。結像位置には、結像された像の大きさ及び形状に照応した穴があく。これによって、加工対象物4上の異なる位置に、異なる大きさの穴を開けることができる。なお、加工対象物4を移動させている間は、レーザ発振を停止させたり、レーザビームを遮光したりして、レーザビームが加工対象物4に入射しないようにする。
【0019】
図4は、図1に示したレーザ加工装置に、ガルバノスキャナ20を加入したレーザ加工装置の概略図である。他の構成要件は、図1のレーザ加工装置とすべて等しい。ガルバノスキャナ20により、レーザビームを走査して、加工対象物4上の異なる位置に、異なる大きさの穴を開けることができる。
【0020】
フラットトップオプティクスは、設計により、断面における強度分布がトップフラットである、様々な断面形状のレーザビームを得ることができる。また、フラットトップオプティクスを用いると、ほとんどエネルギのロスなく、ビーム形状を整形することができる。
【0021】
レーザビームの形状及びサイズを制御する際に、エネルギのロスをほとんどなくすことができるので、高いエネルギ利用効率で、レーザ加工を行うことができる。
【0022】
従来は、マスクの貫通孔の大きさを変えて、ビームの断面サイズを変化させ、一定の結像倍率で、レーザビームを加工対象物に入射させ、加工を行っていた。実施例によるレーザ加工方法においては、均一面における一定サイズの断面を、可変倍率転写光学系で結像倍率を変化させて、加工対象物上に結像させ、加工を行う。
【0023】
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。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エネルギ利用効率の高い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】フラットトップオプティクスの機能を説明するための図である。
【図3】(A)は、フラットトップオプティクスを出射した、レーザビームの断面における、1パルス当たりのパルスエネルギ密度の分布を示す概略的なグラフであり、(B)は、フラットトップオプティクスを出射したパルスレーザビームの断面形状を、レーザビームの光軸方向から見た概略図である。
【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】従来のレーザ加工装置を示す概略図である。
【図6】(A)、(B)及び(C)は、1ショットのパルスレーザビームの断面におけるパルスエネルギ密度の分布を示す概略的なグラフである。
【符号の説明】
1 レーザ光源
2 フラットトップオプティクス
3 可変倍率転写光学系
4 加工対象物
5 ステージ
10 レーザビーム
11 非球面レンズ
12 非球面レンズ
13 中央部
14 周辺部
15 レーザビーム
16 ホモジナイズ面
20 ガルバノスキャナ
30 レーザ光源
31 ホモジナイザ
32 マスク
33 結像レンズ
34 加工対象物
35 ステージ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method in which a laser beam is incident on a workpiece by controlling the size of a cross section.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 is a schematic view showing a conventional laser processing apparatus. A pulse laser beam is emitted from a
[0003]
6A to 6C are schematic graphs showing the intensity distribution in the cross section of the laser beam. FIG. 6A shows the intensity distribution in the cross section of the laser beam before being emitted from the
Further, the diameter of the hole to be drilled in the
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-23099
[Problems to be solved by the invention]
In conventional laser processing, a large energy loss has occurred in the mask when the beam cross-section is shaped into a required shape.
[0006]
An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser processing method with high energy utilization efficiency.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, a laser light source that emits a laser beam and a laser beam emitted from the laser light source are incident, and the intensity distribution in the beam spot of the laser beam on a virtual homogenized surface is uniform. And a variable magnification transfer optical system that can form an image of the beam spot on the homogenized surface on the surface of the workpiece and change the imaging magnification, and the beam homogenizer includes the laser A laser beam emitted from a light source is incident, and a first aspherical lens having a focal length that increases as it advances from the incident position of the center of the laser beam to the periphery, and a laser beam transmitted through the first aspherical lens. A second aspherical lens having a focal length that decreases as it enters and advances from the incident position at the center of the laser beam to the periphery. A laser processing apparatus in which the intensity distribution in the beam spot of the laser beam transmitted through the second aspherical lens is uniformly closer than the intensity distribution of the laser beam emitted from the laser light source. Is provided.
[0008]
When laser processing is performed using this laser processing apparatus, energy loss when controlling the shape and size of the cross section of the laser beam can be reduced, so that laser processing can be performed with high energy utilization efficiency.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser processing apparatus used in a laser processing method according to an embodiment of the present invention. A laser beam is emitted from a laser light source 1, for example, an Nd: YAG laser. The cross-sectional shape of the emitted pulse laser beam is, for example, a circle. The intensity distribution in the beam cross section shows a Gaussian distribution as shown in FIG.
[0012]
The laser beam is incident on a flat top optics (FTO) 2. The
[0013]
The laser beam emitted from the
[0014]
FIG. 2 is a diagram for explaining the function of the flat-
[0015]
The
[0016]
FIG. 3A is a schematic graph showing the intensity distribution of the
[0017]
FIG. 3B is a schematic view of the cross-sectional shape of the
[0018]
Next, the
[0019]
FIG. 4 is a schematic view of a laser processing apparatus in which a
[0020]
By design, flat-top optics can obtain laser beams with various cross-sectional shapes having a top-flat intensity distribution in the cross-section. Further, when flat top optics are used, the beam shape can be shaped with almost no energy loss.
[0021]
When controlling the shape and size of the laser beam, energy loss can be almost eliminated, so that laser processing can be performed with high energy utilization efficiency.
[0022]
Conventionally, the size of the through-hole of the mask is changed to change the cross-sectional size of the beam, and the laser beam is incident on the object to be processed at a constant imaging magnification to perform the processing. In the laser processing method according to the embodiment, a cross section having a constant size on a uniform surface is imaged on a processing object by changing the imaging magnification with a variable magnification transfer optical system and processed.
[0023]
As mentioned above, although this invention was demonstrated along the Example, this invention is not limited to these. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a laser processing method and a laser processing apparatus with high energy utilization efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a laser processing apparatus used in a laser processing method according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram for explaining functions of flat-top optics.
3A is a schematic graph showing a distribution of pulse energy density per pulse in a cross section of a laser beam emitted from a flat top optics, and FIG. 3B emits the flat top optics. It is the schematic which looked at the cross-sectional shape of the obtained pulse laser beam from the optical axis direction of the laser beam.
FIG. 4 is a schematic view of a laser processing apparatus used in a laser processing method according to an embodiment.
FIG. 5 is a schematic view showing a conventional laser processing apparatus.
6A, 6B, and 6C are schematic graphs showing a distribution of pulse energy density in a cross section of a one-shot pulse laser beam.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser
Claims (4)
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、仮想的なホモジナイズ面上におけるレーザビームのビームスポット内の強度分布を一様に近づけるビームホモジナイザと、
前記ホモジナイズ面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、結像倍率を変えることができる可変倍率転写光学系と
を有し、
前記ビームホモジナイザが、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの中心の入射位置から周辺に進むに従って焦点距離が長くなる第1の非球面レンズと、
前記第1の非球面レンズを透過したレーザビームが入射し、該レーザビームの中心の入射位置から周辺に進むに従って、焦点距離が短くなる第2の非球面レンズと
を有し、該第2の非球面レンズを透過したレーザビームの、前記ホモジナイズ面におけるビームスポット内の強度分布が、前記レーザ光源から出射したレーザビームの強度分布よりも一様に近づいているレーザ加工装置。A laser light source for emitting a laser beam;
A beam homogenizer that makes the laser beam emitted from the laser light source incident, and makes the intensity distribution in the beam spot of the laser beam uniformly on the virtual homogenization surface;
A variable magnification transfer optical system capable of forming an image of the beam spot on the homogenized surface on the surface of the workpiece and changing the imaging magnification;
The beam homogenizer is
A first aspherical lens having a focal length that increases as the laser beam emitted from the laser light source enters and proceeds from the incident position of the center of the laser beam to the periphery;
A laser beam that has passed through the first aspherical lens is incident, and a second aspherical lens that has a focal length that decreases as it advances from the incident position at the center of the laser beam to the periphery, A laser processing apparatus in which an intensity distribution of a laser beam transmitted through an aspheric lens in a beam spot on the homogenized surface is closer to the intensity distribution of a laser beam emitted from the laser light source.
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