JP4333172B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性基板をコアとし、このコアの表面に要素膜を形成したチップ抵抗器などのチップ電子部品や、混成集積回路その他の電子部品を製造する際に適用するに好適なレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯端末をはじめとする電子機器にあっては軽薄短小化がますます進展し、これに実装される電子部品も小型・高集積度化に伴う微細加工、つまり微細な孔や溝を形成する加工の必要性が高くなってきている。そのため、従来、レーザ発振器から基本波を発振させ、この基本波を波長変換素子で必要回数だけ波長変換して所望の高調波（２倍波、３倍波、４倍波など）を出射させ、この高調波を被加工物（本明細書において、被加工物とは、レーザ加工によって電子部品となる前の板状物を意味する。）に照射して微細加工を行う手法が提案されていた（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１９００８８号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２４８７３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これでは次のような不都合があった。
【０００５】
第１に、波長変換素子を用いて基本波から所望の高調波を取り出すとき、低次の高調波や基本波が付随的に発生するにもかかわらず、これらは無駄に捨てられているため、エネルギーの利用効率が悪い。
【０００６】
第２に、高調波が高次になればなるほど、その波長が短くなるため、先端曲率半径が小さくて細い孔や鋭角のＶ字溝を形成する微細加工を行える長所がある反面、基本波から取り出せる出力が低下する欠点を伴う。例えば、３倍波では基本波の２０〜４０％の出力となり、４倍波の出力は基本波の２０％以下、５倍波になると出力がさらに少なくなる。したがって、被加工物に形成する孔や溝を所定の深さにするためには加工速度を落とさざるを得ず、いきおい生産性が低下してしまう。
【０００７】
第３に、レーザ発振器が１台のみの場合、被加工物の表裏両面を加工しようとすると、片面ずつ順次加工しなければならないため、加工時間が長くなってしまう。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、エネルギーの利用効率を改善するとともに、加工速度を上げて生産性を高め、レーザ発振器が１台しかなくても被加工物の表裏両面の加工時間を短縮することが可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
まず、請求項１に記載の本発明は、基本波を発振するレーザ発振器（５ａ）を備えるとともに、このレーザ発振器から発振された基本波を波長変換して高調波を出射する波長変換素子（５ｂ）を必要個数だけ備えたレーザ発振装置（５）を有し、前記波長変換素子で波長変換して得た所望の高調波を板状の被加工物（４）の表面に導く第１の光路（Ｐ１）を形成し、前記波長変換素子による波長変換過程で付随的に発生する低次の高調波または前記レーザ発振器から発振された基本波を前記被加工物の裏面に導く第２の光路（Ｐ２）を形成して構成される。
【００１０】
こうした構成を採用することにより、所望の高調波（例えば、４倍波）のみならず低次の高調波（例えば、２倍波）または基本波をも被加工物の加工に利用することができ、これによって高調波の高次化に伴う出力低下を補い、加工速度を落とすことなく微細加工を行うことが可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の本発明は、第１および第２の光路（Ｐ１、Ｐ２）に光アイソレータ（６、７）を設置して構成される。さらに、請求項３に記載の本発明は、第１および第２の光路（Ｐ１、Ｐ２）の先端を互いにずらして構成される。
【００１２】
これらの構成により、レーザビームの逆行によるレーザ発振装置の損傷を避けることが可能となる。
【００１３】
また、請求項４に記載の本発明は、前記被加工物（４）の反りを矯正してレーザビームの焦点深度以内に抑える機構を設けて構成される。さらに、請求項５に記載の本発明は、前記被加工物（４）の反りに対応してレーザビームの焦点を当該被加工物上に合致させる機構を設けて構成される。
【００１４】
一方、請求項６に記載の本発明は、レーザ発振器（５ａ）から発振された基本波を波長変換素子（５ｂ）で必要回数だけ波長変換して所望の高調波を出射させ、この高調波を板状の被加工物（４）の表面に照射して加工するレーザ加工方法において、前記高調波を発生させる波長変換過程で付随的に発生する低次の高調波または前記基本波を前記被加工物の裏面に照射して加工するようにして構成される。ここで、被加工物の表裏各面に照射されるレーザの少なくとも一方はＵＶレーザ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４ の４倍波など）とすることが望ましい。
【００１５】
また、請求項７に記載の本発明は、前記被加工物（４）の表裏両面の加工を同時に実施するようにして構成される。
【００１６】
こうした構成を採用することにより、所望の高調波（例えば、４倍波）のみならず低次の高調波（例えば、２倍波）や基本波が被加工物の加工に利用されるとともに、これによって高調波の高次化に伴う出力低下が補われ、加工速度を落とすことなく微細加工が行われうるように作用する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るレーザ加工装置の第１の実施形態を示す概要図である。
【００１８】
このレーザ加工装置１は、図１に示すように、制御装置２を有しており、制御装置２には自動ステージ３およびレーザ発振装置５が接続されている。この自動ステージ３は、その上に板状の被加工物４を搭載したまま水平面内の３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびθ軸方向）に移動自在に支持されている。また、レーザ発振装置５にはレーザ発振器５ａおよび必要個数（例えば、２個）の波長変換素子５ｂが内蔵されており、レーザ発振器５ａは波長変換素子５ｂに向けて基本波（波長１０６４ｎｍ）を発振することができる。そして、レーザ発振装置５は、レーザ発振器５ａから発振された基本波（波長１０６４ｎｍ）を波長変換素子５ｂで必要回数（例えば、２回）だけ波長変換して所望の高調波（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ の４倍波）を出射させることができるとともに、この波長変換過程で併発する低次の高調波（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ の２倍波）や基本波をも出射させることができる。なお、図１には波長変換素子５ｂを１個しか図示していないが、一般に１個の波長変換素子５ｂでは１回の波長変換（例えば、基本波から２倍波への波長変換）しか行えないので、所望の高調波の次数に応じた個数（詳しくは、所望の高調波の次数をｎとしてｎ−１個）の波長変換素子５ｂを用意する必要がある。
【００１９】
また、レーザ発振装置５からは自動ステージ３に向けて２本の光路、すなわち第１の光路Ｐ１および第２の光路Ｐ２が形成されている。ここで、第１の光路Ｐ１上には順に光アイソレータ６、反射ミラー９、エキスパンダー１５、反射ミラー１０および集光レンズ１７などの光学素子が配置しており、第１の光路Ｐ１は、これらの光学素子を経て自動ステージ３上の被加工物４の表面に至る。他方、第２の光路Ｐ２上には順に反射ミラー１１、１２、光アイソレータ７、エキスパンダー１６、反射ミラー１３および集光レンズ１８などの光学素子が配置しており、第２の光路Ｐ２は、これらの光学素子を経て自動ステージ３上の被加工物４の裏面に至る。
【００２０】
レーザ加工装置１は以上のような構成を有するので、このレーザ加工装置１を用いて板状の被加工物４の表裏両面を加工する際には、この被加工物４を自動ステージ３上に搭載した後、穴あけ加工や溝切り加工など所望の両面加工を制御装置２に指令する。これを受けて制御装置２は、その加工内容に応じて自動ステージ３を被加工物４とともに３軸方向に適宜移動させつつ、レーザ発振装置５から第１の光路Ｐ１へ向けて４倍波（波長２６６ｎｍまたは２６２ｎｍのＵＶ波）を出射させるとともに、レーザ発振装置５から第２の光路Ｐ２へ向けて２倍波（波長５３２ｎｍまたは５２４ｎｍのグリーン波）を出射させる。すると、４倍波が第１の光路Ｐ１上の光学素子（光アイソレータ６、反射ミラー９、エキスパンダー１５、反射ミラー１０および集光レンズ１７など）を経由してから自動ステージ３上の被加工物４にその表面から照射されると同時に、２倍波が第２の光路Ｐ２上の光学素子（反射ミラー１１、１２、光アイソレータ７、エキスパンダー１６、反射ミラー１３および集光レンズ１８など）を経由してから自動ステージ３上の被加工物４にその裏面から照射される。その結果、被加工物４の表裏両面に対して、４倍波と２倍波で所定のレーザ加工が同時に行われることになる。
【００２１】
このとき、２本の光路Ｐ１、Ｐ２上には光アイソレータ６、７が設置されているので、これらの光路Ｐ１、Ｐ２の先端が同軸上で対向しても、レーザビームの逆行によるレーザ発振装置５の損傷、つまり一方の光路（第１の光路Ｐ１または第２の光路Ｐ２）を前進したレーザビームが他方の光路（第２の光路Ｐ２または第１の光路Ｐ１）を逆行してからレーザ発振装置５内に侵入してレーザ発振装置５に損傷を与える事態を避けることができる。さらに、制御装置２は、予め双方の光路Ｐ１、Ｐ２と被加工物４との位置関係を把握しておき、被加工物４が光路Ｐ１、Ｐ２上にあるときのみレーザビームが被加工物４に照射されるように制御する。具体的には、被加工物４を載せた自動ステージ３の位置情報から予め指定した位置に来たとき信号を発し、この信号を合図にＱスイッチ（Q-switch）を作動させてパルス発振を開始させる。これにより、自動ステージ３とともに移動する被加工物４の指定個所に加工を行うことができる。現実的には、さらに信号合図とパルス発振のタイミングに若干のずれが生じるため、このズレを補正するためのタイミング調整機構を設けるのが望ましい。なお、ここではレーザ発振装置５内のＱスイッチで調整を行ったが、ガルバノミラーやＡＯＭ偏光器などのビーム偏光器（図示せず）をヘッド外部の光軸上に配置し、自動ステージ３からの合図でこのビーム偏光器を作動させることによって同様の効果を得ることもできる。この際、ガルバノミラーでは機械的動作のため速度に問題があるときには、機械的動作がないＡＯＭ偏光器が有利である。
【００２２】
このように、被加工物４の加工には４倍波のみならず２倍波が有効に利用されるので、エネルギーの利用効率が良好となる。また、被加工物４の表面を加工する４倍波は基本波の２０％以下の出力しか得られないため加工速度を低くせざるを得ないが、この低い加工速度は２倍波の併用によって補われるので、４倍波による先端曲率半径が小さくて細い孔や鋭角のＶ字溝を形成する微細加工を加工全体として比較的高速で行うことができる。さらに、被加工物４の加工はその表裏両面に対して同時に行われるので、レーザ発振器５が１台しかなくても加工時間を短縮することが可能となる。
【００２３】
なお、ここでは被加工物４の表面を４倍波でレーザ加工すると同時に、被加工物４の裏面を２倍波でレーザ加工する場合について説明したが、被加工物４の表裏各面に照射して加工するレーザの種類を変更することにより、種々の加工を行うことができる。
【００２４】
例えば、チップ抵抗器などのチップ電子部品を製造するに際して、絶縁性基板からなる被加工物４の表裏両面に溝切り加工を行うときには、図２（ａ）に示すように、被加工物４の表面に４倍波を照射して深くて鋭い溝４ａを形成すると同時に、被加工物４の裏面に２倍波を照射して幅広い溝４ｂを形成した後、被加工物４を溝４ａ、４ｂに沿って精度よく容易に分割できるように、図２（ｂ）に示すとおり、被加工物４の裏面にさらに４倍波を照射して深くて鋭い溝４ｃを幅広い溝４ｂの底部に追加して形成することもできる。このとき、被加工物４の表面の溝４ａの深さを被加工物４の厚さの約２〜２０％（望ましくは５〜１０％）とし、被加工物４の裏面の溝４ｂ、４ｃの深さを被加工物４の厚さの約１０〜５０％（望ましくは１５〜２０％）とし、溝４ａの先端曲率半径に対する溝４ｂ、４ｃの先端曲率半径の比率を約１〜１０（望ましくは１〜２）とし、溝４ａの幅に対する溝４ｂ、４ｃの幅の比率を４以下（望ましくは１〜３）とすれば、被加工物４の分割時に溝４ａ、４ｃ間に応力集中しやすくなるため、被加工物４の分割が高精度で容易なものとなる。
【００２５】
また、被加工物４を溝４ａ、４ｂに沿って精度よく容易に分割できるように、図３に示すとおり、被加工物４の溝４ｂを局所的に深くする場合には、被加工物４の裏面に照射するレーザの繰り返し数を変えるか、送り速度を変化させればよい。
【００２６】
さらに、図４に示すように、被加工物４の溝４ｂを局所的に細くする場合には、その箇所のみ２倍波ではなく４倍波を用いて加工するか、或いは被加工物４の裏面に照射するレーザの繰り返し数と送り速度を調整すればよい。
【００２７】
ところで、被加工物４が反りやすい材質の場合、その反りがレーザビームの焦点深度を超えると加工量が減少する。そこで、被加工物４の反りを矯正してレーザビームの焦点深度以内に抑える機構を設けるか、或いは被加工物４の反りに応じて集光レンズ１７、１８を適宜昇降させて被加工物４上にレーザビームの焦点を合わせる機構を設ければ、被加工物４の反りに起因する加工量の減少を未然に防ぐことができる。
【００２８】
ここで、前者の方法（被加工物４の反りを矯正してレーザビームの焦点深度以内に抑える機構を設ける方法）としては、いくつか考えられる。例えば、図５（ａ）に示すように、被加工物４の加工部位の近傍を２対のチャック２１、２２、２３、２４で挟み込むことにより、被加工物４の反りを矯正することもできる。このとき、加工の進捗に合わせて被加工物４を水平方向に順次送るには、図５（ｂ）に示すように、１対のチャック２１、２３を開き、もう１対のチャック２２、２４を被加工物４とともに水平方向（図５では左向き）に規定量だけ移動させ、チャック２１、２３を閉じて被加工物４を挟み込んだ後、チャック２２、２４を逆方向（図５では右向き）に規定量だけ移動させてから閉じて被加工物４を挟み込むようにすればよい。
【００２９】
また、図６（ａ）に示すように、被加工物４の加工部位の近傍を１対のチャック２２、２３で吸着することにより、被加工物４の反りを矯正することもできる。このとき、加工の進捗に合わせて被加工物４を水平方向に順次送るには、図６（ｂ）に示すように、下位のチャック２３を解除して若干量だけ下降させ、上位のチャック２２を被加工物４とともに水平方向（図５では左向き）に規定量だけ移動させ、チャック２３上昇させて被加工物４を吸着させた後、チャック２２を逆方向（図５では右向き）に規定量だけ移動させてから被加工物４を吸着させるようにすればよい。
【００３０】
一方、後者の方法（被加工物４の反りに対応してレーザビームの焦点を被加工物４上に合致させる機構を設ける方法）としては、集光レンズ１７、１８にオートフォーカス機能を付与する方法のほか、被加工物４の外周部を固定したまま被加工物４の座標軸を調整できる機構を付設する方法が考えられる。
【００３１】
例えば、図７に示すように、被加工物４の外周部のうち両端部のみを２対の帯状の固定治具２５、２６、２７、２８で固定し、被加工物４の座標軸を調整できる機構を設ければ、被加工物４の加工位置精度を高めることができる。すなわち、図７（ａ）に示すように、被加工物４を固定治具２５、２６、２７、２８まで搬送して座標調整用吸着治具２９で吸着し、被加工物４の形状またはマーカーを基準に画像処理で座標軸を合わせた後、被加工物４を固定治具２５、２６、２７、２８で挟み込んで固定し、固定治具２５、２６、２７、２８ごと加工位置に搬送する。そして、図７（ｂ）に示すように、レーザ通過溝が形成された反り矯正用吸着治具３０を被加工物４上に載置し、この反り矯正用吸着治具３０で被加工物４を吸着するようにすれば、被加工物４の反りを矯正することも可能となる。このとき、被加工物４の表面に照射されるレーザビームは反り矯正用吸着治具３０のレーザ通過溝を通過するので、被加工物４の加工に支障を来す不都合はない。
【００３２】
また、被加工物４の反りを矯正する必要がない場合は、反り矯正用吸着治具３０が不要となるので、図８に示すように、被加工物４の外周部を１対の枠状の固定治具３１、３２で固定し、被加工物４の座標軸を調整できる機構を設けることにより、被加工物４の加工位置精度を高めることができる。すなわち、図８（ａ）に示すように、被加工物４を固定治具３１、３２まで搬送して座標調整用吸着治具２９で吸着し、被加工物４の形状またはマーカーを基準に画像処理で座標軸を合わせた後、被加工物４を固定治具３１、３２で挟み込んで固定し、固定治具３１、３２ごと加工位置に搬送する。このとき、被加工物４の表裏両面に照射されるレーザビームは枠状の固定治具３１、３２の中空部を通過するので、被加工物４の加工に支障を来す不都合はない。
【００３３】
なお、上述の実施形態においては、レーザビームの逆行によるレーザ発振装置５の損傷を避けるため、図１に示すように、それぞれの光路Ｐ１、Ｐ２上に光アイソレータ６、７を設置した場合について説明したが、２本の光路Ｐ１、Ｐ２の先端を互いにずらすことにより、レーザビームの逆行によるレーザ発振装置５の損傷を避けつつ、２個の光アイソレータ６、７を不要としてレーザ加工装置１を簡素化することもできる。
【００３４】
すなわち、このレーザ加工装置１は、図９に示すように、２本の光路Ｐ１、Ｐ２の先端が互いにずれていることと、光アイソレータ６、７が省かれていることを除き、図１に示すレーザ加工装置１と同様に構成されている。したがって、このレーザ加工装置１による被加工物４の両面加工においても、エネルギーの利用効率が良好となるとともに、微細加工を比較的高速で行うことができ、さらに、レーザ発振器５が１台しかなくても加工時間を短縮することができる。このとき、２本の光路Ｐ１、Ｐ２の先端が互いにずれているため、光路Ｐ１、Ｐ２上に光アイソレータ６、７がなくても、レーザ発振装置５に損傷を与える危険性はない。しかも、２個の光アイソレータ６、７の分だけ部品点数が減り、レーザ加工装置１が簡素化されることになる。
【００３５】
また、上述の実施形態においては、図１および図２に示すように、１台の自動ステージ３上に被加工物４を搭載し、この被加工物４の表裏両面を同時にレーザ加工する場合について説明したが、１枚の被加工物４の表裏両面を同時に加工する必要はない。例えば、図１０に示すように、２台の自動ステージ３Ａ、３Ｂを独立に制御しうる形で並列に設置し、一方の自動ステージ３Ａに被加工物４Ａを表向きに搭載し、自動ステージ３Ａを３軸方向に適宜移動させつつレーザ発振装置５から第１の光路Ｐ１へ向けて４倍波を出射させて被加工物４Ａの表面に照射するとともに、他方の自動ステージ３Ｂに別の被加工物４Ｂを裏向きに搭載し、自動ステージ３Ｂを３軸方向に適宜移動させつつレーザ発振装置５から第２の光路Ｐ２へ向けて２倍波を出射させて被加工物４Ｂの裏面に照射するようにしても構わない。こうすれば、１枚の被加工物４の表裏両面を同時にレーザ加工する場合と異なり、２本の光路Ｐ１、Ｐ２の先端が同軸上で対向しないので、レーザビームの逆行によるレーザ発振装置５の損傷を回避することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明によれば、所望の高調波（例えば、４倍波）のみならず低次の高調波（例えば、２倍波）または基本波をも被加工物の加工に利用することができ、これによって高調波の高次化に伴う出力低下を補い、加工速度を落とすことなく微細加工を行うことが可能となるので、エネルギーの利用効率を改善するとともに、加工速度を上げて生産性を高め、レーザ発振器が１台しかなくても被加工物の表裏両面の加工時間を短縮することが可能なレーザ加工装置を提供することができる。
【００３７】
また、請求項２、３に記載の本発明によれば、レーザビームの逆行によるレーザ発振装置の損傷を避けることが可能となるため、レーザ加工装置の使用時の安全性を高めることができる。
【００３８】
さらに、請求項４、５に記載の本発明によれば、被加工物が反りやすい材質であっても、被加工物の反りに起因する加工量の減少を未然に防ぐことができる。
【００３９】
一方、請求項６、７に記載の本発明によれば、所望の高調波（例えば、４倍波）のみならず低次の高調波（例えば、２倍波）や基本波が被加工物の加工に利用されるとともに、これによって高調波の高次化に伴う出力低下が補われ、加工速度を落とすことなく微細加工が行われうることから、エネルギーの利用効率を改善するとともに、加工速度を上げて生産性を高め、レーザ発振器が１台しかなくても被加工物の表裏両面の加工時間を短縮することが可能なレーザ加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の第１の実施形態を示す概要図である。
【図２】被加工物の表裏両面を溝切り加工する第１の方法を示す端面図である。
【図３】被加工物の表裏両面を溝切り加工する第２の方法を示す斜視図である。
【図４】被加工物の表裏両面を溝切り加工する第３の方法を示す斜視図である。
【図５】被加工物の反りを矯正してレーザビームの焦点深度以内に抑える第１の方法を示す斜視図である。
【図６】被加工物の反りを矯正してレーザビームの焦点深度以内に抑える第２の方法を示す斜視図である。
【図７】被加工物の反りに対応してレーザビームの焦点を被加工物上に合致させる第１の方法を示す斜視図である。
【図８】被加工物の反りに対応してレーザビームの焦点を被加工物上に合致させる第２の方法を示す斜視図である。
【図９】本発明に係るレーザ加工装置の第２の実施形態を示す概要図である。
【図１０】本発明に係るレーザ加工装置の第３の実施形態を示す概要図である。
【符号の説明】
１……レーザ加工装置
４、４Ａ、４Ｂ……被加工物
５……レーザ発振装置
５ａ……レーザ発振器
５ｂ……波長変換素子
Ｐ１……第１の光路
Ｐ２……第２の光路

Claims (7)

1. 基本波を発振するレーザ発振器（５ａ）を備えるとともに、このレーザ発振器から発振された基本波を波長変換して高調波を出射する波長変換素子（５ｂ）を必要個数だけ備えたレーザ発振装置（５）を有し、
   前記波長変換素子で波長変換して得た所望の高調波を板状の被加工物（４）の表面に導く第１の光路（Ｐ１）を形成し、
   前記波長変換素子による波長変換過程で付随的に発生する低次の高調波または前記レーザ発振器から発振された基本波を前記被加工物の裏面に導く第２の光路（Ｐ２）を形成したことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 第１および第２の光路（Ｐ１、Ｐ２）に光アイソレータ（６、７）を設置したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 第１および第２の光路（Ｐ１、Ｐ２）の先端を互いにずらしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記被加工物（４）の反りを矯正してレーザビームの焦点深度以内に抑える機構を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記被加工物（４）の反りに対応してレーザビームの焦点を当該被加工物上に合致させる機構を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載のレーザ加工装置。
6. レーザ発振器（５ａ）から発振された基本波を波長変換素子（５ｂ）で必要回数だけ波長変換して所望の高調波を出射させ、
   この高調波を板状の被加工物（４）の表面に照射して加工するレーザ加工方法において、
   前記高調波を発生させる波長変換過程で付随的に発生する低次の高調波または前記基本波を前記被加工物の裏面に照射して加工することを特徴とするレーザ加工方法。
7. 前記被加工物（４）の表裏両面の加工を同時に実施することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。

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