JP3764155B2

JP3764155B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置

Info

Publication number: JP3764155B2
Application number: JP2003363210A
Authority: JP
Inventors: 裕石原
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: JP2005125357A

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関し、特に、レンズと加工対象物との位置決めを行って加工するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

レーザ光源から出射したレーザビームの進行方向をガルバノスキャナで振り、ガルバノスキャナから出射したレーザビームをｆθレンズで収束させて加工対象物に照射し、加工を行うレーザ加工装置が広く用いられている。加工対象物は、加工対象物を被加工面に平行に移動させるＸＹステージ上に保持される。このようなレーザ加工装置は、例えば特許文献１に開示されている。

ｆθレンズは、入射したレーザビームを、ｆθレンズの中心軸に平行な方向に揃えて出射させる。加工対象物は、ｆθレンズを出射したレーザビームが、被加工面に垂直に入射するように配置される。したがって、ｆθレンズを出射したレーザビームを、被加工面上の、ｆθレンズのサイズを超えた広さの領域に照射することはできない。

被加工領域全体を加工するために、ある位置にＸＹステージを止め、ガルバノスキャナでレーザビームを振ってレーザを照射可能な領域を加工した後、ＸＹステージを動かし、未加工領域をレーザ照射可能な位置に移動させ、未加工領域の加工を行う、という工程が繰り返される。

特開２００１−７１１６７号公報

加工時間の全体は、ガルバノスキャナでレーザビームの進行方向を振って被加工部にレーザを照射する時間や、加工対象物をＸＹステージで移動する時間等を累積したものとなる。

特に、ＸＹステージの移動は、加減速が瞬時には行えないため時間がかかる。加工時間の短縮には、ＸＹステージの移動回数を少なくすることが好ましい。

本発明の一目的は、加工対象物の移動回数が少なく、加工時間の短縮を図ることができるレーザ加工方法及び加工装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、（ａ）レーザビームを収束させるレンズの中心軸が、加工対象物の表面上に画定された正三角格子の１つの格子点を通過するように、該レンズと該加工対象物とを位置決めする工程と、（ｂ）レーザビームを前記レンズに入射させ、該レンズに入射する前のレーザビームの進行方向を振り、前記加工対象物の表面にレーザビームを入射させる工程と、（ｃ）前記レンズの中心軸が、前記加工対象物の表面上に画定された前記正三角格子の他の格子点を通過するように、該レンズと該加工対象物とを位置決めする工程と、（ｄ）前記工程（ｂ）と工程（ｃ）とを、複数回繰り返し実施する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

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、外部からの制御を受けて、前記レーザ光源から出射したレーザビームの進行方向を振るビーム走査器と、加工対象物を保持し、外部からの制御を受けて、該加工対象物を移動させることができる保持台と、前記ビーム走査器で進行方向を振られたレーザビームを収束させ、前記保持台に保持された加工対象物の表面に入射させるレンズと、前記ビーム走査器と前記保持台とを制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、（ａ）前記レンズの中心軸が、加工対象物の表面上に画定された正三角格子の１つの格子点を通過するように、前記保持台を制御する工程と、（ｂ）前記ビーム走査器を制御してレーザビームの進行方向を振り、前記加工対象物の表面にレーザビームを入射させる工程と、（ｃ）前記レンズの中心軸が、前記加工対象物の表面上に画定された前記正三角格子の他の格子点を通過するように、前記保持台を制御する工程と、（ｄ）前記工程（ｂ）と工程（ｃ）とを、複数回繰り返し実施する工程とが実行されるように前記ビーム走査器と前記保持台とを制御するレーザ加工装置が提供される。

レンズと加工対象物とを位置決めする回数を従来よりも少なくして、被加工領域に隈なくレーザビームを照射し得る。加工対象物の移動回数が減少するので、加工速度の向上が図れる。

図１は、本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。レーザ光源１が、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源１として、例えば、炭酸ガスレーザや、波長変換ユニットを含み高調波を発生させるＮｄ：ＹＡＧレーザ等を用いることができる。

レーザ光源１から出射したレーザビームは、折り返しミラー２で反射され、ガルバノスキャナ３に入射する。ガルバノスキャナ３は、レーザビームの進行方向を、２次元方向に振ることができる。制御装置７が、ガルバノスキャナ３を、所望のタイミングで所望の方向にレーザビームの進行方向を振るように制御する。

ガルバノスキャナ３を出射したレーザビームは、ｆθレンズ４に入射して収束する。ｆθレンズ４は、入射したレーザビームを、ｆθレンズ４の中心軸に平行な方向に揃えて出射させる。

ｆθレンズ４を出射したレーザビームは、加工対象物５に入射する。加工対象物５は、ｆθレンズ４を出射したレーザビームが、被加工面に垂直に入射するように配置される。

加工対象物５は、例えば、樹脂層に内層配線層が埋設されたプリント配線板や、ガラス基材の表面上にＩＴＯ膜が形成された基板である。加工対象物５の表面にレーザを照射して、穴や溝等を形成する加工を行う。

加工対象物５は、ＸＹステージ６上に保持されている。ＸＹステージ６は、加工対象物５を、加工対象物５の表面に平行な方向に移動するために用いる。制御装置７が、加工対象物５を所望のタイミングで所望の位置に移動させるように、ＸＹステージ６を制御する。

加工対象物５の表面に、複数の単位領域が画定されている。各々の単位領域の形状及び大きさは、ＸＹステージ６を止めたまま、ガルバノスキャナ３でレーザビームの進行方向を振ってレーザを照射できる範囲に含まれるように設定される。単位領域ごとに、ガルバノスキャナ３を動作させて加工が行われる。ある単位領域の加工が終了したら、ＸＹステージ６を動かし、未加工の単位領域をレーザ照射可能な位置に移動させて加工する。このような工程を繰返し、被加工領域全体に亘る加工を行う。

次に、図２を参照して、本実施例によるレーザ加工方法で設定される単位領域について説明する。図２は、図１に示すｆθレンズ４の中心軸に沿った視線で見た加工対象物５の平面図である。

ガルバノスキャナで、ｆθレンズの入射側のレンズ面の全域を走査して、レーザを照射できる領域が、加工可能領域１０である。ｆθレンズが円形であるので、加工可能領域１０は円形となる。加工可能領域１０の直径は、例えば５６．５７ｍｍであり、その面積は約２５１３ｍｍ^２である。

加工可能領域１０に含まれるように、単位領域の各々が設定される。被加工領域全体を覆うように画定された複数の単位領域の各々を、順次加工可能領域１０内に移動させて加工を行う。

本実施例では、各単位領域を、正六角形に設定する。すべての単位領域は合同とする。単位領域は最大で、加工可能領域１０の外周に内接する正六角形１１と合同に設定される。以下、単位領域が、正六角形１１と合同である場合を説明する。後に図３を参照して説明するように、この単位領域を、重なりなくかつ隙間なく配置して、被加工領域全体を覆うことができる。

なお従来のレーザ加工方法では、単位領域を、加工可能領域１０の外周に内接する正方形１２と合同に設定する。この単位領域も、重なりなくかつ隙間なく配置して、被加工領域全体を覆うことができる。

正六角形１１と合同な本実施例の単位領域は、正方形１２と合同な従来技術の単位領域よりも面積が広い。加工可能領域１０の直径が例えば５６．５７ｍｍであるとき、正六角形１１の１辺は約２８．２９ｍｍで、面積は約２０７９ｍｍ^２である。この面積を加工可能領域１０の面積で除した比率は約８３％となる。一方、正方形１２の１辺の長さは４０．００ｍｍで、面積は１６００ｍｍ^２であり、加工可能領域１０の面積で除した比率は約６４％となる。本実施例のレーザ加工方法では、ｆθレンズが効率的に利用される。

各単位領域が広くなれば、被加工領域全体を覆うのに必要な単位領域の数を減らせるので、加工対象物を移動させるＸＹステージの動作回数が少なくなる。ＸＹステージの動作回数が減ることにより、加工時間の短縮化が図れる。

次に図３を参照して、被加工領域全体を加工する方法の一例を説明する。加工対象物５が、ＸＹステージ６上の所定の位置に位置決めされて保持されている。加工対象物５の表面に、被加工領域２０が画定されている。被加工領域２０内に画定された被加工部にレーザを照射して、穴開け等の加工を行う。

加工対象物５の表面に、各々合同な正六角形の単位領域１１−１〜１１−２６が画定されている。単位領域１１−１、１１−２等に、それぞれ、一点鎖線で示す円１０−１、１０−２等が外接している。なお、これらの円はすべて合同である。各単位領域が加工されるとき、その単位領域の外接円の内部は、図２に示した加工可能領域１０の内部に対応する。つまり、各単位領域が加工されるとき、その外接円の内部に、ガルバノスキャナを動作させてレーザ照射が可能である。

円１０−１、１０−２等の中心が、中心点１３−１、１３−２等である。中心点１３−１〜１３−２６は、各単位領域１１−１〜１１−２６の中心（正六角形の対角線の交点）に一致する。

単位領域１１−１〜１１−２６は、重なりなくかつ隙間なく、４行に並んでいる。単位領域１１−１〜１１−６までが１行目、単位領域１１−７〜１１−１３までが２行目、単位領域１１−１４〜１１−１９までが３行目、単位領域１１−２０〜１１−２６までが４行目をなす。２６個の単位領域１１−１〜１１−２６で覆われた領域の内部に、被加工領域２０が含まれる。互いに隣接する２つの単位領域は、１つの辺を共有するように接している。ある行内の単位領域の中心点は、その行の両端の単位領域の中心点を結ぶ直線上に位置する。各行の両端の単位領域の中心点を結ぶ直線は、互いに平行である。

本実施例による加工方法を説明する。まず、ｆθレンズの中心軸上に、単位領域１１−１の中心点１３−１が位置するように（ｆθレンズの中心軸が、中心点１３−１を通過するように）、ＸＹステージ６を動作させて、加工対象物５の位置決めを行う。次に、ＸＹステージ６を停止したまま、ガルバノスキャナを動作させながら、単位領域１１−１内の被加工部にレーザ照射を行う。

単位領域１１−１内へのレーザ照射が完了したら、中心点１３−１と１３−６とを結ぶ直線の方向にＸＹステージ６を移動させ、ｆθレンズの中心軸上に、単位領域１１−１に隣接する単位領域１１−２の中心点１３−２を位置させる。ＸＹステージ６を停止したまま、ガルバノスキャナを動作させながら、単位領域１１−２内の被加工部へのレーザ照射を行う。

引き続き、ＸＹステージ６を、中心点１３−１と１３−６とを結ぶ直線の方向に移動させながら、１列目の残りの単位領域１１−３〜１１−６を加工する。被加工領域の縁を含む単位領域１１−６の加工が終了したら、単位領域１１−６に隣接し、２列目の単位領域１１−７〜１１−１３の端である単位領域１１−７の中心点１３−７上に、ｆθレンズの中心軸が位置するようＸＹステージ６を移動させ、単位領域１１−７の加工を行う。

次いで、ＸＹステージ６を、中心点１３−７と１３−１３とを結ぶ直線の方向に移動させながら、２列目の残りの単位領域１１−８〜１１−１３を加工する。２列目を加工するときのＸＹステージ６の移動の向きは、１列目を加工したときとは反対となる。

以後同様にして、単位領域１１−１４〜１１−２６を順次加工する。このように、ある単位領域の加工が終了したら、それに隣接する単位領域の加工を行うことを繰り返して、被加工領域２０全体の加工を完了させる。言い換えると、ある中心点上にｆθレンズの中心軸を位置させて加工が終了したら、その中心点に最近接する中心点上にｆθレンズの中心軸を移動させて、加工することを繰り返す。ＸＹステージの移動回数は、単位領域１１−１の加工を開始してから単位領域１１−２６の加工が終了するまで、２５回となる。図の矢印は、加工対象物表面におけるｆθレンズの中心軸の移動方向示す。なお、ＸＹステージの移動中は、レーザ光源からのレーザビームの出射を停止すること等により、被加工領域にレーザを入射させない。

なお、従来技術による正方形の単位領域が、破線で示す正方形１２−１、１２−２等である。これらはそれぞれ、円１０−１に内接する正方形と合同である。重なりなくかつ隙間なく、４行７列に並んだ２８個の正方形の単位領域１２−１、１２−２等の内部に、被加工領域２０が含まれる。

従来技術で加工する場合、正方形の単位領域の中心（対角線の交点）を、ｆθレンズの中心軸上に位置させて、その単位領域の加工を行えばよい。２８個の正方形の単位領域を加工して、被加工領域２０全体の加工を完了できる。ＸＹステージの移動回数は２７回となる。

ＸＹステージの１回の移動を挟んで、本実施例の方法では、円１０−１の内接正六角形２つ分の面積を加工できる。一方、従来技術の方法では、円１０−１の内接正方形２つ分の面積しか加工できない。

このように、本実施例の加工方法では、従来技術の加工方法よりも単位領域の面積が広く、ＸＹステージの移動回数が少なくなるので、加工時間の短縮化が図れる。

相互に隣接する単位領域を順次加工する例を説明したが、単位領域を加工する順番はこれに限らない。ある単位領域を加工したら、その次に、それと隣接しない単位領域を加工しても構わない。

なお、相互に隣接する単位領域を順次加工する方法では、毎回のＸＹステージの移動距離が、隣り合う単位領域の中心間の距離で済む。よって、単位領域１１−１〜１１−２６をすべて加工するときのＸＹステージの総移動距離を、最短にできる。

すべての単位領域が合同である必要はない。例えば、図に斜線で示した領域３０は、単位領域１１−２５の外接円内に存在すると同時に、単位領域１１−２６の外接円内にも存在する。

よって、単位領域１１−２５から領域３０を除いた領域を２５番目の単位領域とし、単位領域１１−２６に領域３０を付加した領域を２６番目の単位領域としてもよい。中心点１３−２５上にｆθレンズの中心軸を位置させて、この２５番目の単位領域内を加工することができる。次いで、中心点１３−２６上にｆθレンズの中心軸を位置させて、この２６番目の単位領域内を加工することができる。

このように、ある単位領域の外接円内と他の単位領域の外接円内とに共通して含まれる領域は、一方の単位領域が加工されるときに加工しても、他方の単位領域が加工されるときに加工してもよい。

次に図４（Ａ）を参照して、中心点（すなわち、各単位領域を加工するときの、ｆθレンズの中心軸と被加工面との交点）が、被加工面上にどのように位置しているか説明する。図４（Ａ）は、図３に示した単位領域１１−１、１１−２、１１−１２、１１−１３を示す。

各単位領域の加工時にｆθレンズの中心軸が位置する中心点１３−１、１３−２、１３−１２、１３−１３は、正三角格子の格子点上に位置している。この正三角格子の格子間隔は、円１０−１の半径を１とすると、３の平方根に一致する。以下、長さの単位は、ｆθレンズの加工可能領域の外周を示す円の半径を１として説明を続ける。

各単位領域は、正三角格子のある格子点と、その格子点に最近接する６個の格子点の各々とを結ぶ線分の垂直二等分線で画定される正六角形と合同である。

なお、従来技術の場合、ｆθレンズの中心軸は、正方形の単位領域の中心がなす正方格子の格子点上に位置する。正方格子の格子間隔は、２の平方根となる。

次に、図４（Ｂ）を参照して、格子間隔が３の平方根より短い正三角格子の格子点上に、中心軸が位置するようにｆθレンズを配置して加工を行う変形例について説明する。

図４（Ｂ）において、被加工面上に画定された、格子間隔が３の平方根より短い正三角格子の格子点上に、中心点１３−１ａ〜１３−４ａが画定されている。各中心点１３−１ａ〜１３−４ａ上に、ｆθレンズの中心軸を位置させて、加工可能な領域が、それぞれ円１０−１ａ〜１０−４ａの内部である。なお、これらの円は、図４（Ａ）の円１０−１と合同である。

互いに合同な正六角形の単位領域１１−１ａ〜１１−４ａが、図４（Ａ）の単位領域と同様、重なりなくかつ隙間なく、２行２列に配置されている。各単位領域の中心は、中心点１３−１ａ〜１３−４ａに一致している。なお説明のため、４つの単位領域、格子点のみを例示している。

格子間隔が３の平方根より短いことに対応して、単位領域１１−１ａ等は、円１０−１ａに内接する正六角形よりも小さい。格子間隔が短くなるほど、単位領域の面積は狭くなる。

格子間隔を、１．５２０より長くすれば（つまり、ｆθレンズの加工可能領域の外周を示す円の半径の１．５２０倍より長くすれば）、この単位領域を、円１０−１ａに内接する正方形より広くできる。したがって、被加工領域全体を加工するために必要な単位領域の個数を従来技術より少なくし得る。ＸＹステージの移動回数を減らすことにより、加工時間の短縮化が図られる。

なお、この値１．５２０は、以下のように導出される。半径１の円について、内接正方形の面積は２．０００で、内接正六角形の面積は約２．５９８であり、内接正方形の面積は、内接正六角形の面積の約７６．９８％である。半径ｘの円の内接正六角形の面積が、半径１の円の内接正方形の面積と等しくなるとき、ｘは約０．８７７４（０．７６９８の平方根）となる。

半径１の円に内接する正六角形を敷詰めたときに、正六角形の中心がなす正三角格子の格子間隔は３の平方根となるから、半径ｘの円に内接する正六角形を敷詰めたときに、正六角形の中心がなす正三角格子の格子間隔は、３の平方根のｘ倍である約１．５２０となる。

なお、このように単位領域がｆθレンズの加工可能領域に内接する正六角形より小さい場合、単位領域の中心を、格子点上（すなわち、ｆθレンズの中心軸上）に位置させなくても構わない。

また、単位領域は、互いに合同な正六角形に設定しなくても構わない。各格子点上に配置されたｆθレンズの加工可能領域内に含まれるのであれば、各単位領域は任意の形状及び大きさに設定して構わない。

なお、図５を参照して説明するように、格子間隔を３の平方根より長くすることはできない。図５において、被加工面上に画定された、格子間隔が３の平方根より長い正三角格子の格子点上に、中心点１３−１ｂ〜１３−４ｂが配置されている。各中心点１３−１ｂ〜１３−４ｂ上に、ｆθレンズの中心軸を位置させて、加工可能な領域が、円１０−１ｂ〜１０−４ｂの内部である。例えば斜線で示す領域４０のように、どの格子点上に配置されたｆθレンズの加工可能領域内にも含まれない隙間の領域が発生する。このような領域は、加工することができない。したがって、格子間隔を３の平方根より長くする方法は採用できない。

一方、格子間隔が３の平方根以下の正三角格子の格子点上に、中心軸が位置するようにｆθレンズを移動させていけば、被加工領域内の任意の領域が、いずれかの格子点上に中心軸が位置するｆθレンズの加工可能領域に含まれる（つまり、被加工領域が隈なくｆθレンズの加工可能領域に覆われる）ようにできる。

なお、レーザビームがパルスレーザビームである場合を説明したが、半導体レーザ等から出射する連続波レーザビームを用いた加工を行っても構わない。

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。

実施例によるレーザ加工装置の概略図である。単位領域について説明するための加工対象物の平面図である。被加工領域全体を加工する方法を説明するための加工対象物の平面図である。実施例によるレーザ加工方法における、ｆθレンズの中心軸と被加工面との交点の配置を示す加工対象物の平面図である。変形例によるレーザ加工方法における、ｆθレンズの中心軸と被加工面との交点の配置を示す加工対象物の平面図である。比較例によるレーザ加工方法における、ｆθレンズの中心軸と被加工面との交点の配置を示す加工対象物の平面図である。

符号の説明

１レーザ光源
２折り返しミラー
３ガルバノスキャナ
４ｆθレンズ
５加工対象物
６ＸＹステージ
７制御装置
１０加工可能領域
１１（加工可能領域１０に内接する）正六角形
１２（加工可能領域１０に内接する）正方形
１１−１〜１１−２６単位領域
１０−１、１０−２（単位領域を含む加工可能領域の外周に対応する）円
１３−１〜１３−２６（単位領域を含む加工可能領域の外周に対応する円の）中心点
２０被加工領域

Claims

（ａ）レーザビームを収束させるレンズの中心軸が、加工対象物の表面上に画定された正三角格子の１つの格子点を通過するように、該レンズと該加工対象物とを位置決めする工程と、
（ｂ）レーザビームを前記レンズに入射させ、該レンズに入射する前のレーザビームの進行方向を振り、前記加工対象物の表面にレーザビームを入射させる工程と、
（ｃ）前記レンズの中心軸が、前記加工対象物の表面上に画定された前記正三角格子の他の格子点を通過するように、該レンズと該加工対象物とを位置決めする工程と、
（ｄ）前記工程（ｂ）と工程（ｃ）とを、複数回繰り返し実施する工程と
を有するレーザ加工方法。
前記正三角格子の格子点の間隔は、前記工程（ｂ）と工程（ｃ）とを複数回繰り返すことにより、前記加工対象物の表面に隈なくレーザビームを入射させることができる長さに設定されている請求項１に記載のレーザ加工方法。
前記工程（ｃ）において、前記工程（ｂ）の終了時点で前記レンズの中心軸が通過している格子点に最近接する６個の格子点のうち１つの格子点を通過するように、前記レンズと前記加工対象物との位置決めを行う請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
前記工程（ｂ）でレーザビームの入射する前記加工対象物の表面上の位置は、前記レンズの中心軸が通過している格子点と、それに最近接する６個の格子点の各々とを結ぶ線分の垂直二等分線で画定される正六角形の内部及び外周上に限定される請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
レーザビームを出射するレーザ光源と、
外部からの制御を受けて、前記レーザ光源から出射したレーザビームの進行方向を振るビーム走査器と、
加工対象物を保持し、外部からの制御を受けて、該加工対象物を移動させることができる保持台と、
前記ビーム走査器で進行方向を振られたレーザビームを収束させ、前記保持台に保持された加工対象物の表面に入射させるレンズと、
前記ビーム走査器と前記保持台とを制御する制御装置と
を有し、前記制御装置は、
（ａ）前記レンズの中心軸が、加工対象物の表面上に画定された正三角格子の１つの格子点を通過するように、前記保持台を制御する工程と、
（ｂ）前記ビーム走査器を制御してレーザビームの進行方向を振り、前記加工対象物の表面にレーザビームを入射させる工程と、
（ｃ）前記レンズの中心軸が、前記加工対象物の表面上に画定された前記正三角格子の他の格子点を通過するように、前記保持台を制御する工程と、
（ｄ）前記工程（ｂ）と工程（ｃ）とを、複数回繰り返し実施する工程と
が実行されるように前記ビーム走査器と前記保持台とを制御するレーザ加工装置。