JP4294239B2

JP4294239B2 - レーザ加工装置および透過型の１／２波長板

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Publication number: JP4294239B2
Application number: JP2001282009A
Authority: JP
Inventors: 貞雄森; 弘之菅原; 博志青山
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: JP2003088985A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いて加工対象に穴を加工するレーザ加工装置に係り、特に、底面が平な小径の穴を加工するのに好適なレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。
【０００３】
炭酸ガスレーザ発振器１の光路上には、ミラー２、アパーチャ５、スキャナ６のミラー８、ｆθレンズ９および加工対象１０が配置されている。
【０００４】
炭酸ガスレーザ発振器１は、断面が円形のレーザ光を図の下方に出力する。ミラー２は炭酸ガスレーザ発振器１から出力されるレーザ光に対して４５度に配置されている。アパーチャ５には、加工しようとする形状と相似形の穴５ａが形成されている。ミラー８はモータ７の出力軸に支持され、紙面に垂直な軸線の回りに位置決め自在である。加工対象１０（ここでは、多層プリント基板）は、ＸＹステージ１１に固定されている。
【０００５】
穴５ａの像の加工対象１０に対する位置は、ミラー８を回転させることによりＸ方向に、また、ＸＹステージ１１すなわち加工対象１０をＸ、Ｙ方向に移動させることにより、任意に選択することができる。
【０００６】
以上の構成において、炭酸ガスレーザ発振器１から出力されたレーザ光は、ミラー２により反射されて穴５ａにより外形を整形される。そして、穴５ａを通過したレーザ光は、スキャナ６、ｆθレンズ９を通過し、加工対象１０の表面に穴５ａの像として結像され、加工対象１０を加工する。
【０００７】
次に、加工対象１０の表面における穴５ａ像の光強度について説明する。
【０００８】
図９は、従来の加工部における光強度の計算結果を示す図であり、縦軸は最大値を１として規格化した相対値、横軸は距離である。なお、計算に用いた値は以下の通りである。
【０００９】
（１）穴５ａの直径：１．６５ｍｍ
（２）アパーチャ５からｆθレンズ９までの距離：２０００ｍｍ
（３）ｆθレンズ９の直径：３０ｍｍ
同図に示すように、光強度は中央部が大きい山形で、１／ｅ²直径（光強度が最大値の１／ｅ²となる位置の直径）は１００μｍになる。
【００１０】
このようなビームで、最上層を樹脂層とする銅箔と樹脂層を交互に重ねた多層プリント基板の加工を行うと、中央部のみが深く掘られた穴が形成され、表面の穴径に対して穴底の径が小さくなる。このため、例えば後工程においてこの穴に導電性のめっき処理をする場合、めっき処理の信頼性が低下する。この場合、加工エネルギを大きくすれば、穴底の径を大きくすることができるが、内層（下地）の銅箔を損傷してしまうので、適用できない。
【００１１】
そこで、特開平１０−１１８７８１号公報では、レーザ光に偏角に比例した位相差を与える位相シフト手段（以下、「移相板」という。）を設け、この移相板をレーザ光を集光する加工レンズの手前に配置している。このようにすると、レーザ光のビーム直径を小径にすることができ、しかもエネルギのピーク値を大きくすることができるので、穴明け切断等の加工を高速化することができた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術の場合、小径の穴を効率よく加工することはできるが、従来の場合と同様に、加工部における光強度分布が不均一であるため、穴底を平坦にすることはできない。
【００１３】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、底面が平坦でかつ底面の直径が入口の直径に近い小径の穴を加工することができるレーザ加工装置を提供するにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、第１の手段は、レーザ光をアパーチャに照射し、アパーチャを透過した前記レーザ光を集光して加工対象を加工をするレーザ加工装置において、反射光または透過光の偏光面を入射光の偏光面に対して偏光させる偏光変換手段と、反射光または透過光の位相を入射光の位相に対して、偏角に応じて移相させる移相手段と、を設け、前記レーザ光の円形の中心部を前記偏光変換手段により偏光させると共に、前記レーザ光の前記中心部を除く外縁部を、前記移相手段により移相させ、前記偏光変換手段により偏光させた前記中心部のレーザ光と、前記移相手段により移相させた前記外縁部のレーザ光を、前記アパーチャに照射することを特徴とする。
【００１５】
また、第２の手段は、透過型の１／２波長板を、板状で一方の表面側にグレーティングが形成された第１の透明部材と、前記グレーティングが形成された表面に接して配置される板状の第２の透明部材とにより構成し、前記グレーティングの深さおよびピッチが、グレーティングの上面で反射される反射光とグレーティングの下面で反射される反射光とが互いに打ち消し合い、かつ透過光の偏光面を入射光の偏光面に対して９０度偏光させるように選択されていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図であり、図８と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。
【００１８】
炭酸ガスレーザ発振器１の光路上にはミラー２、移相板４、アパーチャ５、結像光学系１５、ミラー８、ｆθレンズ９および加工対象１０が配置されている。
【００１９】
炭酸ガスレーザ発振器１は、断面が円形、かつ振動面（電場の振動面）が紙面に対して４５度方向の直線偏光のレーザ光を図の下方に出力する。
【００２０】
ミラー２の表面には、反射光の振動面を入射光の振動面に対して９０度偏光させる薄膜状の偏光面回転手段３が配置されている。偏光面回転手段３は、例えば誘電体等を蒸着により形成したものであり、外形は、移相板４の後述するＡ部を投影した大きさである。
【００２１】
結像光学系１５は、２個のレンズ（ここでは、凸レンズ）１６、１７から構成されている。レンズ１６とレンズ１７は、両者の焦点距離の和だけ隔てて設置され、穴５ａの像をレンズ１６とレンズ１７の焦点距離の比で縮小する機能を備えている。
【００２２】
次に、移相板について説明する。
【００２３】
図２は、第１の実施形態に係る移相板の構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は偏角θが０度の位置における側面断面図である。移相板４の材質はＺｎＳｅであり、基部４ａの表面には、輪帯部４ｂが基部４ａと一体に形成されている。基部４ａはＯを中心とする半径Ｒ、板厚がＨの円盤状である。また、輪帯部４ｂは内側の半径がｒ、外側の半径がＲのリング状で、基部４ａからの高さｈは式１、２で定まる高さに形成されている。
【００２４】
ｈ＝ｈ1・θ／３６０・・・（式１）
ｈ1＝λ／ｎ・・・（式２）
なお、θ、ｎ、λは以下の通りである。
【００２５】
θ：Ｏを原点とする極座標の偏角θ（ただし、０＜θ≦３６０度）
ｎ：ＺｎＳｅの屈折率
λ：レーザ光の波長
したがって、θ＝３６０度（０度）の位置では、輪帯部４ｂにｈ1の段差が形成されている。また、輪帯部４ｂの基部４ａからの高さｈが偏角に比例することから、偏角が１８０度の位置における輪帯部４ｂの高さはｈ1／２である。以下、移相板４の輪帯部４ｂが形成されていない中心部を「Ａ部」、移相板４のＡ部以外の部分（すなわち輪帯部４ｂと輪帯部４ｂが形成されている基部４ａ）を「Ｂ部」という。
【００２６】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
【００２７】
なお、説明を容易にするため、以下、炭酸ガスレーザ発振器１から出力されるレーザ光のうち、中心から半径ｒのレーザ光を「レーザ光ＬＣ」と、レーザ光ＬＣの外側の環状のレーザ光を「レーザ光ＬＯ」という。
【００２８】
炭酸ガスレーザ発振器１から出力されたレーザ光ＬＣは、偏光面回転手段３により偏光面が紙面に対して−４５度方向になって移相板４のＡ部に入射し、Ａ部および穴５ａを通過した後、結像光学系１５により径を縮小され、スキャナ６、ｆθレンズ９を介して加工対象１０の表面に導かれ、円形の像が結像される。一方、レーザ光ＬＯはミラー２により反射されて移相板４のＢ部に入射し、入射した位置に応じて位相がずれる。そして、穴５ａを通過した後、結像光学系１５により径を縮小され、スキャナ６、ｆθレンズ９を介して加工対象１０の表面に導か、リング状の像が結像される。そして、レーザ光ＬＣとレーザ光ＬＯにより、加工対象１０の表面には穴５ａの像が結像される。
【００２９】
次に、加工対象１０の表面における穴５ａの像の光強度について説明する。
【００３０】
図３は、本発明に係る加工部における光強度の計算結果を示す図であり、縦軸は図９に示した光強度に対する相対値、横軸は距離である。また、計算に用いた値は以下の通りである。
【００３１】
（１）結像光学系の倍率：１／１０倍
（２）穴５ａの直径：１８ｍｍ
（３）Ａ部の直径：８．１ｍｍ
（４）アパーチャ５からｆθレンズ９までの距離：２０００ｍｍ
（５）ｆθレンズ９の直径：３０ｍｍ
なお、穴５ａの直径は、従来技術との比較を容易にするため、加工位置における１／ｅ²直径が図９の場合と同じ１００μｍになるようにして、定めたものである。
【００３２】
同図において、点線はレーザ光ＬＣの寄与分、実線はレーザ光ＬＯの寄与分である。そして、Ａ部を透過したレーザ光ＬＣとＢ部を透過したレーザ光ＬＯは、偏光方向が互いに９０度異なっているので、加算される。この結果、点線と実線の和である一点鎖線で示す強度が加工対象１０の表面における穴５ａ像の光強度になる。そして、一点鎖線で示す曲線は、中央部が平坦化された台形であるから、底面が平坦でかつ底面の直径が入口の直径に近い小径の穴を加工することができる。
【００３３】
ここで、中央付近の強度分布を平坦化するためには、Ａ部の半径ｒとＢ部の半径（実質的には穴５ａの半径）との比を、０．２５〜０．６の間にすることが望ましい。
【００３４】
この実施形態では、結像光学系１５を設けることにより移相板４を光学的に縮小するようにしたので、移相板４の製作許容誤差を大きくすることができる。したがって、移相板４の製作が容易になる。
【００３５】
なお、結像光学系１５は穴５ａの像を複数のレンズで縮小する機能を有するものであれば、図１に示す構成のものに限らず、例えば１枚の凹レンズと１枚の凸レンズとの組み合わせであってもよい。
【００３６】
また、偏光面回転手段３がレーザ光を偏光する角度は９０度でなくてもよい。
また、移相板４のＡ部の厚さをＨにしたが、０（貫通穴）であってもよい。
【００３７】
また、移相板４を精度よく製作することができる場合は、結像光学系１５を省略することができる。
【００３８】
さらに、ミラー２に入射光するレーザ光を直線偏光のレーザ光としたが、入射するレーザ光が円偏光のレーザ光の場合にも、適用することができる。これは、右回りの円偏光と左回りの円偏光は互いに干渉せず（広義の意味で直交している）、また、偏光面回転手段３は右回りの円偏光を左回りの円偏光に変換するからである。
【００３９】
また、本発明は、炭酸ガスレーザに限らず、可視光、ＵＶ光のレーザに対しても適用することができる。
【００４０】
次に、移相板の変形例について説明する。
【００４１】
図４は、本発明に係る移相板の変形例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は偏角θが０度の位置における側面断面図である。移相板４０の材質はシリコン（Ｓｉ）であり、基部４０ａの表面側には輪帯部４０ｂが形成されている。基部４０ａはＯを中心とする半径Ｒ、板厚がＫの円盤である。また、輪帯部４０ｂは内側の半径がｒ、外側の半径がＲのリング状で、輪帯部４０ｂの基部４０ａからの深さｋは、Ｏを原点とする極座標の偏角θに対して順次等しい段差でＮｏ１から階段状に変化するように形成され、Ｂ部のＮｏｊはＡ部と同一面であり、Ｎｏ１のＡ部表面からの高さ（深さ）はｋ１である。このように、輪帯部４ｂの高さ（深さ）を階段状に変化させても、高さを連続的に変化させた場合と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
この移相板４０は例えば、シリコンの多段階エッチングにより容易に製作することができ、しかも微細な加工が可能であるので、結像光学系１５を省くこともできる。
【００４３】
なお、段数ｊは、整数（好ましくは５以上の整数）であればよい。
【００４４】
ところで、上記第１の実施形態の場合、偏光面回転手段３と移相板４のＡ部を同軸に位置決めする作業が面倒である。そこで、Ａ部に偏光面回転手段を設けるようにすると、偏光面回転手段３と移相板４の相対的な位置決め作業が容易になる。
【００４５】
ここで、板状透明部材の表面にグレーティング（格子状の凹凸）を設けると、振動面がグレーティングの格子ベクトルに対して垂直な光と、振動面が格子ベクトルに対して平行な光の屈折率を変えることができることが知られている（例えば、ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３４，Ｎｏ．１４Ｄｅｓｉｇｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｏｆｆｏｒｍｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｉ．Ｒｉｃｈｔｅｒ他。）。
【００４６】
そして、グレーティングに垂直な振動面を持つ光に対する屈折率ｎ_sと、グレーティングに平行な振動面をもつ光に対する屈折率ｎ_pは、それぞれ式３〜６により近似的に求めることができる。
【００４７】
【数１】

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る移相板の構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は偏角θが０度の位置における側面断面図である。なお、この場合の全体構成は上記図１において偏光面回転手段３を除いた構成であり、その他は同一であるので、図示を省略する。
【００４８】
移相板５５は、材質がシリコンであり、Ａ部に加工された深さｋ３のグレーティング５６を除き、上記図４に示した移相板４０と同じ形状である。移相板５５のグレーティング５６が形成された面と反対側のｗ面には通常の無反射コーティングが施されている。
【００４９】
材質がＳｉの平板状のカバー５７は、移相板５５に接するようにして、ミラー２側に配置される。カバー５７の位相板５５に接する面と反対側のｕ面には通常の無反射コーティングが施されている。カバー５７は、後述するように、レーザ光のグレーティング５６の上下面におけるレーザ光の反射を抑えるためのものである。
【００５０】
この実施形態におけるグレーティング５６は、Ａ部に入射したレーザ光を９０度偏光させることが目的であるので、深さｋ３は、Ａ部が１／２波長板になるように、式７に基づいて定められる。
【００５１】
また、グレーティング５６の上下面で反射したレーザ光が移相板５５内部で往復すると、そのまま透過するレーザ光と干渉して出力が不安定になったり、Ａ部を透過したレーザ光の偏光方向が９０度にならない等の問題が発生するおそれがある。
【００５２】
そこで、この実施の形態では、深さｋ３が、移相板５５が１／２波長板になる条件式である式７に加え、グレーティング５６の上下面で反射したレーザ光が互いに弱め合うように、無反射の条件式である式８も満足するように選定する。
【００５３】
ｋ３＝λ／２×ｒ／（ｎ_s−ｎ_p）・・・（式７）
ｋ３＝λ×ｓ／２ｎ_p ・・・（式８）
なお、
ｒ：奇数
ｓ：整数
次に、具体的な数値について述べる。
【００５４】
なお、ここでは、レーザ光の波長λを９．４μｍ、グレーテイングのピッチΛをΛ＝２μｍ、ｒ＝１、ｓ＝２とする。
【００５５】
Ｓｉの屈折率ｎ_siは約３．４２２であるから、ｄｕｔｙ比ｐを変化させながら式７、８を満足するｋ３とｐの組み合わせを探す。すると、例えば、ｋ３＝４．５５μｍ、ｐ＝０．２７を得ることができる。なお、このとき、ｎ_s＝３．０８，ｎ_p＝２．０４である。
【００５６】
そこで、ｋ３＝４．５５μｍ、ｐ＝０．２７になるように、Ａ部の表面をエッチングすると、形成されたグレーティング５６により、Ａ部に偏光面回転手段を形成できると共に、グレーティング上下面での反射を抑えることができる。
【００５７】
なお、この実施形態では、ｎ_s、ｎ_pを近次式を用いて求めたが、厳密な計算によるものや、実験的に求めたものを用いてもよい。また、移相板５５の材質をシリコンとしたが、ゲルマニウムを用いても同様のことが可能である。
【００５８】
なお、移相板５５はグレーティング５６の溝が紙面に垂直になるように設置する。
【００５９】
（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図であり、図１と同じもの又は同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。また、図７はこの実施形態に係る移相板の構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は偏角θが０度の位置における側面断面図である。
【００６０】
反射型の移相板６１の材質はシリコンであり、中央のＡ部と輪帯部のＮｏｊおよび表面Ｓは同じ高さである。そして、輪帯部のＮｏ１〜Ｎｏｊは順次等しい段差ｍで変化している。Ｎｏ１とＮｏｊの段差Ｍはレーザの波長をλ、ｎ_siをシリコンの屈折率として、式９、１０で表される。
【００６１】
ｍ＝Ｍ／（ｊ−１）・・・（式９）
Ｍ＝λ／√２ｎ_si ・・・（式１０）
そして、移相板６１のＡ部には薄膜からなる反射型の偏向面回転手段６２が配置され、その他の部分には反射コーティングが施されている。
【００６２】
この第３の実施形態では、上記第２の実施形態の場合と同様に、偏向面回転手段６２を輪帯部に対して予め固定できるので、装置の組立てが容易になる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ光の円形の中心部を９０度偏光させる偏光変換手段と、レーザ光の中心部に接する外縁部を、中心部の中心から計った偏角に応じて移相させる移相手段と、を設け、偏光変換手段により偏光させた中心部のレーザ光と、移相手段により移相させた外縁部のレーザ光をアパーチャに照射するので、結像位置におけるレーザ光の強度は中央部が平坦化された台形になる。したがって、底面が平坦でかつ底面の直径が入口の直径に近い小径の穴を加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る移相板の構造を示す図である。
【図３】本発明に係る加工部における光強度の計算結果を示す図である。
【図４】本発明に係る移相板の変形例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る移相板の構造を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る移相板の構造を示す図である。
【図８】従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図９】従来の加工部における光強度の計算結果を示す図である。
【符号の説明】
３偏光変換手段
４移相手段
５アパーチャ

Claims

レーザ光をアパーチャに照射し、アパーチャを透過した前記レーザ光を集光して加工するレーザ加工装置において、
反射光または透過光の偏光面を入射光の偏光面に対して偏光させる偏光変換手段と、
反射光または透過光の位相に入射光の位相に対する偏角に応じた位相差を与える移相手段と、を設け、
前記レーザ光の円形の中心部を前記偏光変換手段により偏光させると共に、
前記レーザ光の前記中心部を除く外縁部を、前記移相手段により移相させ、
前記偏光変換手段により偏光させた前記中心部のレーザ光と、前記移相手段により移相させた前記外縁部のレーザ光を、前記アパーチャに照射することを特徴とするレーザ加工装置。
前記移相手段は断面を円形環状、かつ移相に関与する部分の高さを、偏角が０度から３６０度の間で、偏角に比例して連続的に変化するように形成され、偏角が１８０度異なる位置における移相量の差を１８０度とすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記移相手段は断面を円形環状、かつ移相に関与する部分の高さを、偏角が０度から３６０度の間で、偏角に略比例して段階的に変化するように形成され、偏角が１８０度異なる位置における移相量の差を略１８０度とすることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
前記偏光変換手段は、前記移相手段の内縁に配置されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記偏光変換手段は、透明部材の表面に形成したグレーティングであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
前記アパーチャと前記レーザ光を集光するレンズとの間に、前記アパーチャの像を光学的に縮小する結像光学系を配置することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
板状で一方の表面側にグレーティングが形成された第１の透明部材と、
前記グレーティングが形成された表面に接して配置される板状の第２の透明部材と、からなり、
前記グレーティングの深さおよびピッチが、グレーティングの上面で反射される反射光とグレーティングの下面で反射される反射光とが互いに打ち消し合い、かつ透過光の偏光面を入射光の偏光面に対して９０度偏光させるように選択されていることを特徴とする透過型の１／２波長板。