JP4698200B2

JP4698200B2 - レーザ加工方法およびレーザ加工装置

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Publication number: JP4698200B2
Application number: JP2004311630A
Authority: JP
Inventors: 直晃福田
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: JP2006122927A

Description

本発明は、レーザ加工方法およびレーザ加工装置に関するものである。

電子回路基板における溝加工や、基板表面に形成された薄膜を除去するのにレーザビームが用いられており、このレーザビームとしては、その照射断面形状が長方形状のものが用いられるとともにエネルギーの強度分布が均一なもの（所謂、マルチモードのビーム）が用いられている。

従来、照射断面形状が長方形状で且つエネルギーの強度分布が均一にされたマルチモードのレーザビームは、溝部であるスリットを通過させて長方形状に成形されるとともに、結像レンズを用いて所定の倍率に調整されたり（例えば、特許文献１参照）、またシリンドリカルレンズを用いて成形されていた（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−２０９５４４特開２００４−１１４１２０

しかし、エネルギーの強度分布が均一にされた所謂マルチモードのレーザビームは、発散しやすく集光しにくいという性質があるため、スリットを用いたビームの成形方法において、結像レンズにより倍率を増大させた場合、長い焦点深度（焦点距離）が得られないという問題がある。

また、シリンドリカルレンズを用いた場合、長方形状のビームに成形することはできるが、レーザビームの縦横比率を大きくするには、曲率が大きいレンズを用いる必要があるため、上記と同様に、長い焦点深度が得られないという問題がある。

なお、マルチモードとは異なるシングルモードのレーザビームを用いた場合、集光しやすいとともに長い焦点深度が得られるが、中央部が強いスポット状のエネルギー強度分布となるため、例えば基板表面における薄膜除去などの広範囲に亘る加工には用いることができなかった。

そこで、本発明は、エネルギーの強度分布が均一でしかも長い焦点深度が得られるレーザビームを用いたレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係るレーザ加工方法は、シングルモードのレーザビームをその照射経路上に配置された穴部を通過させて回折作用により広げるとともに、照射経路上の穴部内、穴部の前方または穴部の後方に配置された複数本のスリットによりレーザビームに干渉を生じさせ、このレーザビームを集光レンズで狭めて被加工物に照射させる方法である。

また、請求項２に係るレーザ加工方法は、シングルモードのレーザビームをその照射経路上に配置された溝部を通過させて回折作用により溝部幅方向で広げるとともに、照射経路上の溝部内、溝部の前方または溝部の後方に配置された複数本のスリットによりレーザビームに干渉を生じさせ、このレーザビームを集光レンズにて溝部幅方向と直交する方向で狭めて被加工物に照射させる方法である。

また、請求項３に係るレーザ加工方法は、請求項２に記載の加工方法における集光レンズとして凸レンズを用いるとともに、この凸レンズにおけるレーザビームの焦点位置を、当該凸レンズに照射した際の焦点位置に対して±１０ｍｍの範囲内となるようにする方法である。

さらに、本発明の請求項４に係るレーザ加工装置は、シングルモードのレーザビームを照射するレーザ照射器と、このレーザ照射器からのレーザビームの照射経路上に配置されるとともに穴部を有し且つ当該穴部をレーザビームが通過するに際し回折作用を行わせるビーム拡散部材と、上記穴部内、穴部の前方または穴部の後方に配置されてレーザビームに干渉を生じさせる複数本のスリットと、このビーム拡散部材の穴部を通過し回折したレーザビームを狭めて被加工物上に照射させる集光レンズとを具備したものである。

さらに、請求項５に係るレーザ加工装置は、シングルモードのレーザビームを照射するレーザ照射器と、このレーザ照射器からのレーザビームの照射経路上に配置されるとともに溝部を有し且つ当該溝部をレーザビームが通過するに際し回折作用を行わせるビーム拡散部材と、上記溝部内、溝部の前方または溝部の後方に配置されてレーザビームに干渉を生じさせる複数本のスリットと、このビーム拡散部材の溝部を通過し回折したレーザビームを溝部幅方向で狭めて被加工物上に照射させる集光レンズとを具備したものである。

上記の各構成によると、長い焦点深度を有するシングルモードのレーザビームを、少なくとも、穴部または溝部を通過させて回折作用により広げた後、集光部材にて狭めるようにしたので、長い焦点深度を有しながらエネルギーの強度分布がほぼ均一で且つ長方形状のレーザビームを照射することができる。

［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置を、図１〜図３に基づき説明する。

本実施の形態１に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置については、電子回路基板などの被加工物の表面に、薄膜の除去加工、溝加工などの少なくとも、広範囲に亘って加工を施し得るものとして説明する。

このレーザ加工装置は、図１および図２に示すように、少なくとも、照射断面形状（照射面への投影形状である）が円形状にされるとともにシングルモード（エネルギーの強度分布が均一ではなく、中央が強いスポット状にされたもの）のレーザビーム（具体的には、ＹＡＧレーザが用いられる）Ｒを出射し得るレーザ照射器（レーザ発振器ともいう）１と、このレーザ照射器１から出射されたレーザビームの被加工物Ｋへの照射経路上に配置されて所定方向で且つ所定幅Ｗの溝部２ａを有して回折作用によりレーザビームを溝部幅方向で広げるビーム拡散部材２と、レーザビームの照射経路上で且つ上記ビーム拡散部材２の手前にすなわち溝部２ａの後方に配置されて溝部２ａと同一方向の複数本のスリット３ａを有しレーザビームＲを複数に分割して最終的に干渉作用を生じさせてレーザビームの強度分布の均一化を促進するためのビーム均し部材（微細線が入った光学素子でもある）３と、上記ビーム拡散部材２の溝部２ａを通過し回折して当該溝部２ａの所定方向と直交する方向（溝部幅方向でもある）に広がったレーザビームＲ（Ｒ１）を所定方向（溝方向）で狭めて被加工物Ｋの表面に照射させる［この照射については、ビーム均し部材（スリット）のない状態で、凸レンズにレーザビームを照射したときの焦点位置にて加工が行われる。すなわち、ビーム均し部材（スリット）については、焦点位置から外れた箇所に結像することになる。］集光レンズ（集光部材の一例）としての凸レンズ４とが具備されるとともに、図２の矢印ａにて示すように、ビーム拡散部材２の溝部２ａの幅（間隔）Ｗを調節し得るように構成されている。

すなわち、上記ビーム拡散部材２は、互いに接近離間自在に設けられた左右一対の遮蔽板材１１と、これら両遮蔽板材１１を互いに接近離間させる駆動部材（図示しないが、例えばラックピニオン機構を介して電動機により接近離間させるもの、またはシリンダ装置により、直接、接近離間させるもの）とから構成され、勿論、これら両遮蔽板材１１，１１同士の隙間が溝部２ａとされる。そして、さらに上記ビーム拡散部材２と凸レンズ４との間には、レーザビームＲのサンプリング用ミラー（例えば、ハーフミラーが用いられる）１２が配置されるとともに、このサンプリング用ミラー１２にて取り出されたレーザビームＲの照射断面形状を検出し得るビーム形状検出装置１３が設けられている。なお、レーザビームの照射断面形状を検出する替わりに、光電素子などを用いてレーザビームの光強度や、熱量計などを用いてレーザビームの熱量を検出するようにしてもよい。

また、上記レーザ照射器１から照射されるレーザビームの品質（Ｍ２）は、１．０〜３．０の範囲内とされている。
なお、図示しないが、ビーム拡散部材２の遮蔽板材１１の駆動部材を制御して溝部２ａの幅を調節するための制御部が設けられており、上記ビーム形状検出装置１３にて検出された検出結果は、当該制御部に入力されて、所定幅の溝部２ａとなるように制御される。

次に、上記レーザ加工装置により、被加工物Ｋ例えば電子回路基板の表面にレーザ照射をして薄膜除去を行う場合のレーザ加工方法について説明する。
レーザ照射器１からシングルモードで且つ照射断面形状が円形状のレーザビームＲが出射されると、このレーザビームＲはビーム均し部材３の複数のスリット３ａを通過した後、ビーム拡散部材２の溝部２ａを通過する。

そして、この溝部２ａの通過に伴い生じた回折作用により、当該レーザビームＲ（Ｒ１）は溝部２ａの所定方向と直交する方向（溝部幅方向でもある）に広がり、その照射断面形状が楕円形状（長方形状の一例であり、また図１の右側に各位置での形状を示す）となる。

この楕円形状にされたレーザビームＲ（Ｒ１）は、凸レンズ４を通過して溝部２ａの幅方向で狭められ、この狭められたレーザビームＲ（Ｒ２）が被加工物Ｋの表面に照射されて、薄膜の除去が行われる。

このときのレーザビームＲ（Ｒ２）の照射断面形状は、溝部２ａを通過した際の回折作用により広げられて楕円形状にされ、またそのエネルギー強度分布は回折作用によりほぼ均一にされ、さらにスリット３ａの通過により生じた干渉作用により、被加工物Ｋの表面においては、より均一化が図られている。なお、図３（ａ）に被加工物Ｋの表面に照射されるレーザビームＲ（Ｒ２）の照射断面形状を示し、また図３（ｂ）にはそのときのエネルギー強度分布状態を示す。

また、被加工物の位置すなわち加工位置は、凸レンズ４に照射した際の焦点位置に対して、±１０ｍｍの範囲内となるようにされている。
なお、加工時においては、レーザビームＲ（Ｒ１）の照射断面形状がビーム形状検出装置１３により検出されるとともに、制御部を介して、当該照射断面形状が常に所定形状となるように、駆動部材を介して溝部２ａの幅が制御されている。勿論、この制御については、それぞれの加工幅に応じて、溝部２ａの幅を変更する際にだけ用いるようにしてもよい。

そして、上記レーザ加工に用いられるレーザビームの品質（Ｍ２）は２にされている。この品質（Ｍ２）の値はレンズ等を用いてビームをどこまで細く狭めることができるかを示すもので、１．０が基準となる理論値で、３．０はシングルモードとマルチモードとのおおよその境界部分に該当し、１．０〜３．０の範囲内にある場合に、本発明の効果が得られる。

また、レーザビームとしてＹＡＧレーザを用いるものとして説明したが、特に、このＹＡＧレーザに限定されるものでもないが、エキシマレーザについては、シングルモードのような品質の良いレーザビームが得られないため、用いられない。

上述したレーザ加工方法および加工装置の構成によると、長い焦点深度を有するシングルモードのレーザビームを、複数本のスリットおよび溝部を通過させた後、集光レンズ例えば凸レンズにて狭めるようにしたので、溝部通過による回折作用によりレーザビームを溝部幅方向で広げるとともにシングルモード（スポット状）のエネルギー強度分布をほぼ均一にすることができ、しかも複数本のスリットの通過により生じる干渉作用にて、よりエネルギー強度分布の均一化を図ることができ、したがって長い焦点深度を有しながらエネルギー強度分布の均一化が図られたレーザビームを所定の照射断面形状に、例えば楕円形状、長円形状などの長方形状にすることができ、加工表面が広い場合に適している。

簡単に言えば、溝部によりレーザビームを回折させてビームの拡散角を増大させて当該ビームを細長く（長方形状）することにより、焦点距離が長いレンズを使用でき、したがって長い焦点深度を得ることができる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係るレーザ加工方法および加工装置を、図４に基づき説明する。

上記実施の形態１においては、回折作用により広げられたレーザビームを狭める集光レンズとして凸レンズを用いたのに対して、本実施の形態２においては、シリンドリカルレンズを用いたものである。

なお、本実施の形態２と上記実施の形態１と異なる箇所は、集光レンズにあるため、本実施の形態２においては、この部分に着目して説明するとともに、実施の形態１で説明したものと同一の構成部材については、同一番号を付してその説明を省略する。

すなわち、図４に示すように、ビーム拡散部材２（ビーム均し部材については図示せず）の前方で且つ互いに所定距離でもって離された位置で、第１シリンドリカルレンズ２１と第２シリンドリカルレンズ２２とが配置され、しかもこれら両シリンドリカルレンズ２１，２２同士は、各シリンドリカルレンズ２１，２２の長手軸方向（光学作用が得られない軸方向）Ｃ１，Ｃ２が互いに直交するように配置されたものである。

なお、図４において、レーザ照射器１、ビーム均し部材３、サンプリング用ミラー１２およびビーム形状検出装置１３については、その図示を省略している。
この構成によると、レーザ照射器１から出射されたレーザビームＲは、少なくともビーム拡散部材２を通過する際の回折作用によりＹ方向に広げられ、このＹ方向に広がったレーザビームは第１シリンドルカルレンズ２１にてＹ方向で狭められて円形状にされた後、第２シリンドルカルレンズ２２にてＸ方向に狭められて、その照射断面形状が、長方形状に、より具体的には細長い楕円形状に成形されて、被加工物Ｋの表面に照射される。なお、図４の右側に、各照射経路上でのレーザビームＲの照射断面形状を示しておく。

本実施の形態２の構成においても、少なくとも、上述した実施の形態１と同様の効果が得られる。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係るレーザ加工方法および加工装置を、図５〜図８に基づき説明する。

上記実施の形態１および２においては、レーザビームを回折作用により所定方向に広げるために、溝部などの細長い穴部を通過させるようにしたが、本実施の形態３においては、矩形状の穴部を通過させるようにしたものである。

すなわち、図５〜図７に示すように、所定幅Ｗの第１溝部３１ａを有する第１ビーム拡散部材３１と、この第１溝部３１ａと同一幅Ｗ（同一幅でなくてもよい）で且つ当該第１溝部３１ａと直交する方向の第２溝部３２ａを有する第２ビーム拡散部材３２とが重ねて配置されたものであり、またこれら両ビーム拡散部材３１，３２の手前（穴部の後方）に配置されるビーム均し部材３３には、上記各溝部３１ａ，３２ａに沿うように複数本のスリット３３ａ，３３ｂが直交するように形成されている。

このようなビーム拡散部材３１，３２を配置することにより、図８（ａ）に示すような円形状のレーザビームを被加工物Ｋの表面に照射し得るとともに、またビーム拡散部材３１，３２に加えてビーム均し部材を配置することにより、図８（ｂ）に示すように、シングルモードのレーザビームのエネルギー強度分布をより均一にすることができる。すなわち、本実施の形態３の構成においても、少なくとも、上述した各実施の形態と同様の効果が得られる。

なお、実施の形態２と同様に、図５においても、レーザ照射器１、レーザ均し部材３、サンプリング用ミラー１２およびビーム形状検出装置１３については、その図示を省略しており、勿論、図７に示すように、各ビーム拡散部材３１，３２を構成する遮蔽板材４１，４２については、矢印ｂ，ｃにて示すように移動されて、それぞれの溝部３１ａ，３２ａの幅Ｗを調節し得るようにされている。
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４に係るレーザ加工方法および加工装置を、図９に基づき説明する。

上述した各記実施の形態においては、集光部材として集光レンズを用いたが、本実施の形態４においては、集光部材として集光ミラーを用いたものである。
すなわち、図９に示すように、実施の形態１で説明したレーザ加工装置におけるレーザ拡散部材２から照射されたレーザビームＲの照射経路の途中に、その経路を９０度変える（鉛直方向から水平方向へ）反射ミラー５１およびこの反射ミラー５１にて方向が変えられたレーザビームＲを、さらにその照射経路を９０度変える（水平方向から鉛直方向へ）とともに溝部２ａの方向で狭めて被加工物Ｋの表面に照射させる集光ミラー（具体的には、凹面鏡が用いられる）５２が配置されたものである。

このように、集光レンズの代わりに、集光ミラー５２を用いた場合でも、上述した実施の形態１と同様の効果が得られる。
なお、図９においても、レーザ照射器１、レーザ均し部材３、サンプリング用ミラー１２およびビーム形状検出装置１３については、その図示を省略している。

さらに、図１０に示すように、レーザ照射器１から出射されたレーザビームＲの照射方向と被加工物Ｋの入射方向とが９０度異なる場合には、集光ミラー５２だけで、レーザビームＲを被加工物Ｋの表面に導き所定の照射断面形状にて照射することができ、したがって反射ミラー５１を設ける必要はない。

ところで、上記各実施の形態においては、ビーム均し部材を、すなわちスリットをビーム拡散部材の溝部若しくは穴部の手前（後方）に配置したが、例えば前方に配置してもよく、または溝部内若しくは穴部内に配置してもよい。

また、上記各実施の形態においては、レーザ拡散部材の溝部の幅を調節し得るように説明したが、固定式にしてもよい。この場合、レーザビームの照射断面形状を検出するためのサンプリング用ミラーおよびビーム検出装置を設ける必要はない。

さらに、上記各実施の形態においては、被加工物が電子回路基板である場合について説明したが、例えば金属を対象とした熱処理用にも用いることができ、さらにはその加工部位についても、基板表面の薄膜除去、溝加工の他に、例えばビアホールの加工などにも適用することができる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。図１のＡ−Ａ矢視図である。同実施の形態１のレーザ加工装置によるレーザビームの加工表面での状態を説明する図で、（ａ）はビーム形状を示す平面図、（ｂ）はレーザビームのエネルギー強度分布を示す図である。本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。本発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。図５のＢ−Ｂ矢視図である。図５のＣ−Ｃ矢視図である。同実施の形態３のレーザ加工装置によるレーザビームの加工表面での状態を説明する図で、（ａ）はビーム形状を示す平面図、（ｂ）はレーザビームのエネルギー強度分布を示す図である。本発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。同実施の形態４に係るレーザ加工装置の変形例を示す模式図である。

符号の説明

１レーザ照射器
２レーザ拡散部材
２ａ溝部
３レーザ均し部材
３ａスリット
４凸レンズ
１１遮蔽板材
１２サンプリング用ミラー
１３ビーム形状検出装置
２１第１シリンドリカルレンズ
２２第２シリンドリカルレンズ
３１第１レーザ拡散部材
３１ａ第１溝部
３２第２レーザ拡散部材
３２ａ第２溝部
４１遮蔽板材
４２遮蔽板材
５１反射ミラー
５２集光ミラー

Claims

シングルモードのレーザビームをその照射経路上に配置された穴部を通過させて回折作用により広げるとともに、照射経路上の穴部内、穴部の前方または穴部の後方に配置された複数本のスリットによりレーザビームに干渉を生じさせ、このレーザビームを集光レンズで狭めて被加工物に照射させることを特徴とするレーザ加工方法。
シングルモードのレーザビームをその照射経路上に配置された溝部を通過させて回折作用により溝部幅方向で広げるとともに、照射経路上の溝部内、溝部の前方または溝部の後方に配置された複数本のスリットによりレーザビームに干渉を生じさせ、このレーザビームを集光レンズにて溝部幅方向と直交する方向で狭めて被加工物に照射させることを特徴とするレーザ加工方法。
集光レンズとして凸レンズを用いるとともに、この凸レンズにおけるレーザビームの焦点位置を、当該凸レンズに照射した際の焦点位置に対して、±１０ｍｍの範囲内となるようにすることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工方法。
シングルモードのレーザビームを照射するレーザ照射器と、このレーザ照射器からのレーザビームの照射経路上に配置されるとともに穴部を有し且つ当該穴部をレーザビームが通過するに際し回折作用を行わせるビーム拡散部材と、上記穴部内、穴部の前方または穴部の後方に配置されてレーザビームに干渉を生じさせる複数本のスリットと、このビーム拡散部材の穴部を通過し回折したレーザビームを狭めて被加工物上に照射させる集光レンズとを具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
シングルモードのレーザビームを照射するレーザ照射器と、このレーザ照射器からのレーザビームの照射経路上に配置されるとともに溝部を有し且つ当該溝部をレーザビームが通過するに際し回折作用を行わせるビーム拡散部材と、上記溝部内、溝部の前方または溝部の後方に配置されてレーザビームに干渉を生じさせる複数本のスリットと、このビーム拡散部材の溝部を通過し回折したレーザビームを溝部幅方向で狭めて被加工物上に照射させる集光レンズとを具備したことを特徴とするレーザ加工装置。