JP4752837B2 - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザビームによりプリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工を行うレーザ加工方法とそのレーザ加工装置に関する。

従来のプリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工を主目的とした、マスクの像を被加工物表面に転写して加工を行うレーザ加工装置および方法においては、光学系に均一化光学系を挿入しレーザビームの強度分布をいわゆるトップハット形状とするとともに、マスク上でのレーザビームの波面曲率を収束にすることで、均一な加工品質を得る構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２００２−１５６６号公報

従来のレーザ加工装置および方法においては、上記構成を実施することにより、被加工物の厚みが薄いときには、加工穴の加工底面での穴径（以下ボトム径と呼ぶ）と加工表面での穴径（以下トップ径と呼ぶ）との比率であるテーパ度（＝ボトム径／トップ径）を良化する、すなわち１００％に近づけることができる。ところが、例えば厚みが１００μｍを超えるような厚みが厚い被加工物を加工する場合、テーパ度が劣化するという問題が発生していた。以下にその理由を説明する。

従来のレーザ加工装置および方法においては、マスクのレーザビーム光路の下流側には開口絞りが配置されているが、レーザビームがマスクを透過した後のレーザビームの周辺部分のマスクによる回折の高次部分が、この開口絞りにより遮蔽された場合、レーザビームのプロファイルが劣化し、トップハット形状が崩れ加工品質の低下につながる。よって、加工品質を均一に保つためには、マスクを通過したレーザビームの回折の高次成分が開口絞りで遮蔽されないように、マスク上でのレーザビームの波面曲率を収束とし、開口絞りに向かってレーザビームが発散しないような構成が望ましい。そのため、従来のレーザ加工装置および方法においては、マスクにおけるレーザビームの波面曲率を収束としていた。

マスクの像を被加工物表面に転写する場合、加工表面でのレーザビームの波面曲率は、マスク上でのレーザビームの波面曲率と、マスクの像を被加工物表面に転写する転写レンズの転写率で決定される。通常、マスクと被加工物との間には、レンズ系は例えばｆθレンズのような転写レンズのみであり、マスク上のレーザビームの波面曲率と転写位置である加工表面上の波面曲率とを比較すると、絶対値は転写レンズの転写率で変化するが、符号は変化しない。すなわち、マスク上のレーザビームの波面曲率が収束であれば被加工物表面の波面曲率も収束となる。

よって、従来のレーザ加工装置および方法においては、レーザビームのプロファイルの劣化を防止するべくマスク上でのレーザビームの曲率を収束にしていたため、結果的にマスクの像の転写位置である被加工物表面上での波面曲率も収束となっていた。このため、被加工物に照射されたレーザビームは、ビーム径が加工表面から加工底面に向かって細くなる形状となり、被加工物の厚みが厚くなるほど加工底面のビーム径がより細くなる状況となっていた。

その結果、被加工物の厚みが厚いものほど、加工穴のボトム径がより小さくなり、テーパ度が劣化する原因となっていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、マスクの像を被加工物表面に転写して加工を行うレーザ加工装置および方法において、被加工物の厚みが厚いものについても加工穴のボトム径を大きくすることができ、加工穴のテーパ度を良化することができるレーザ加工装置および方法を得ることを目的とするものである。

この発明に係るレーザ加工装置においては、レーザビームを出力するレーザ発振器と、レーザビームの光路中に配置されレーザ発振器から出力されたレーザビームを所望の径もしくは形状に成形するマスクと、前記マスクの直前のレーザビーム光路上に配置され前記マスク上でのレーザビームの波面曲率を発散とする波面曲率調整手段と、前記マスクと被加工物の間のレーザビーム光路中に配置され前記マスクを透過したレーザビームを被加工物表面に照射する際に前記マスクの像を被加工物表面に転写する転写レンズとを備えたことを特徴とするものである。

また、この発明に係るレーザ加工方法においては、レーザ発振器より出力されたレーザビームを成形するマスクの像を被加工物表面上に転写して穴あけ加工を行うレーザ加工方法において、被加工物表面上で波面曲率が発散となるレーザビームで加工することを特徴とするものである。

この発明は、被加工物の加工表面でレーザビームのビーム波面曲率を発散とすることにより、被加工物の厚みが厚いものであっても、加工穴のテーパ度を良化することができる。

この発明の実施の形態１を示すレーザ加工方法の説明図である。 この発明の実施の形態１を示すレーザ加工装置の構成図である。 この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法の実験結果を示す図である。 この発明の実施の形態１を示す他のレーザ加工装置の構成図である。 この発明の実施の形態２を示すレーザ加工装置の構成図である。 この発明の実施の形態３を示すレーザ加工装置の構成図である。 この発明の実施の形態３であるレーザ加工装置の転写光学系を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態３であるレーザ加工装置の制御装置に記憶されるデータベースを示す図である。 この発明の実施の形態３であるレーザ加工装置の制御方法を示すフローチャート図である。

実施の形態１．
課題において述べたように、従来のレーザ加工装置および方法においては、マスクでのレーザビームの波面曲率を収束としていたので、結果的に被加工物上でのレーザビームの波面曲率も収束となり、被加工物に照射されたレーザビームが先細りとなり、被加工物の厚みが厚くなると加工穴のテーパ度が劣化するという問題があった。そこで発明者は、被加工物上でのレーザビームの波面曲率を発散とすることでテーパ度が改善できないか検討を行った。

まず、被加工物上でのレーザビームの波面曲率を発散とすることで、加工穴のテーパ度が改善される理由を説明する。
図１は、被加工物付近におけるレーザビームの形状および波面曲率を示した模式図である。図１（ａ）は、従来の加工方法であるマスク上での波面曲率が収束の場合を示し、図１（ｂ）は、本発明の加工方法であるマスク上での波面曲率が発散の場合を示している。図１において、１は被加工物に照射されるレーザビーム、２は加工対象である被加工物、２１は被加工物の加工表面、２２は被加工物の加工底面、破線で示された２３はレーザビーム１の波面曲率である。また、Ｗ_1ａは従来の加工方法における加工表面２１でのビーム径、Ｗ_2ａは従来の加工方法における加工底面２２でのビーム径、Ｗ_1ｂはこの発明の加工方法における加工表面２１でのビーム径、Ｗ_2ｂはこの発明の加工方法における加工底面２２でのビーム径を示している。２４はレーザビーム１が最も絞れた位置であるいわゆるビームウェスト位置、２５はマスクの像が転写レンズにより転写され結像する転写位置である。

ここで、マスクの像を被加工物上に転写して加工を行うレーザ加工方法においては、加工表面２１とマスクの像が結像する転写位置２５がずれた場合、光学系の収差等の影響により加工穴の真円度が劣化するという問題が発生するため、図１に示したように、転写位置２５と加工表面２１を合わせることが望ましい。

また、図１に示したように、レーザビーム１の波面曲率２３はビームウェスト位置２４に至るまでは収束でありビーム径は徐々に細くなっていき、ビームウェストの位置２４で波面曲率２３はフラットとなり、ビームウェスト位置２４以降は波面曲率２３は発散となりレーザビーム１は徐々に太くなっていく。

従来の加工方法においては、レーザビーム１のプロファイルの劣化を防止するべくマスク上でのレーザビームの波面曲率を収束にしていたため、転写位置２５での波面曲率２３も収束となる。すなわち、転写位置２５はビームウェスト位置２４よりもレーザビーム光路の上流側に位置することとなる。上述したように、転写位置２５と加工表面２１とは一致させることが望ましいので、結果的に図１（ａ）に示したように、加工表面２１はビームウェスト位置２４よりもレーザビーム光路の上流側に位置することとなり、レーザビームの形状は図１（ａ）に示したように加工表面から加工底面に向かって細くなる形状となる。

この結果、加工表面２１でのビーム径Ｗ_1aと加工底面２１でのビーム径Ｗ_2aの関係は、

となっていた。元々、加工表面２１は常にレーザビーム１の入熱があるので、加工穴のボトム径は加工穴のトップ径に比べ径が小さくなる傾向に有るが、さらに（式１）の影響が加わり、加工穴のボトム径がさらに小さくなり、テーパ度が劣化する。特に被加工物の厚みが厚いときは、レーザビーム１が加工底面２１でより細くなるとともにレーザビーム１の入熱が加工底面２１側でより少なくなることから、テーパ度の劣化が顕著となる。

一方、この発明においては、マスク上でのレーザビーム１の波面曲率２３を発散に設定することにより、転写位置２５での波面曲率２３は発散となる。すなわち、転写位置２５はビームウェスト位置２４よりもレーザビーム光路の下流側に位置することとなる。転写位置２５と加工表面２１とは一致させることが望ましいので、結果的に図１（ｂ）に示したように、加工表面２１はビームウェスト位置２４よりもレーザビーム光路の下流側に位置することとなる。したがって、レーザビーム１の形状は、図１（ｂ）に示したように加工表面２１から加工底面２１に向かって太くなる形状となる。この結果、加工表面２１でのビーム径Ｗ_1bと加工底面２１でのビーム径Ｗ_2bの関係は、

となる。上述したように、加工表面２１は常にレーザビーム１の入熱があるので、加工穴のボトム径は加工穴のトップ径に比べ径が小さくなる傾向に有るが、（式２）の効果はこれを打ち消す作用として働き、図１（ａ）に示した波面曲率が収束の場合に比べて加工穴のボトム径が大きくなり、テーパ度が良化する。特に被加工物の厚みが厚いほど、レーザビーム１は加工底面２１でより太くなるので、この効果が顕著となる。

次に、上記加工方法を実現するためのレーザ加工装置の一例を図２を用いて説明する。
図２は、この発明を実施するための実施の形態１におけるレーザ加工装置の構成を示したものである。図２において、３はレーザ発振器、１はレーザビーム、４はレーザ発振器３から出力されるレーザビーム１のモード形状をガウスモード分布から周辺部にわたって均一ないわゆるトップハット分布に変換する均一化光学系、５はレーザビーム１を所望の径もしくは形状に成形するマスク、６は反射ミラー、２は被加工物、７はマスク５の像を被加工物２へ転写する転写レンズである。８は均一化光学系４で形成されたレーザビームの波面曲率をマスク５上で発散とする波面曲率調整手段である。９は波面曲率調整手段８を構成する１枚の凸レンズであり、マスク５の手前で焦点を結ぶように配置されている。また、１０はレーザ加工装置全体を制御するための制御装置、１１は被加工物２を載置しＸＹ方向に被加工物２を移動させる加工テーブルである。

ここで、反射ミラー６が、従来のレーザ加工装置における開口絞りと同様に、レーザビームの回折光の高次成分を遮蔽する影響を与えることとなる。すなわち、反射ミラー６の有効径が開口絞りの開口部にあたり、反射ミラー６の有効径内に入射したレーザビームのみが転写レンズ７に導かれ、加工に有効に用いられるのである。

次に、図２に示したレーザ加工装置の基本動作を説明する。
まず、制御装置１０によりレーザ出力のＯＮ／ＯＦＦ等を制御されたレーザ発振器３からレーザビーム１が出力され、このレーザビーム１を均一化光学系４によって、レーザビーム周辺部にわたって強度分布が均一ないわゆるトップハット分布に変換する。次に、トップハット分布に変換されたレーザビーム１は波面曲率調整手段８を透過しマスク５に到達する。ここで、波面曲率調整手段８を構成する凸レンズ９はマスク５手前で焦点を結ぶので、凸レンズ９を透過したレーザビームの波面曲率はマスク上で発散となる。そして、マスク５にて成形されたレーザビームは、反射ミラー６にて反射され、転写レンズ７で所定の倍率に変換され、被加工物２に照射される。よって、マスク５の像が被加工物２上に転写されるので、被加工物２上のレーザビーム１の波面曲率は発散となる。

そして、加工テーブル１１の移動とレーザ発振器３のＯＮ／ＯＦＦを同期させることで、被加工物２の所望の位置に穴あけ加工を行うことができる。また、反射ミラー６をレーザビーム１を走査するガルバノスキャナに置き換えて、被加工物２を固定しガルバノスキャナにて所定の範囲に穴あけ加工するように構成しても良い。

次に、発明者が図２に示したレーザ加工装置をもちいて本発明の加工方法を実施した実験内容および結果について説明する。
マスク５から転写レンズ７までの距離１５００ｍｍ、反射ミラー６の有効径φ３０ｍｍ、転写レンズ７の焦点距離７５ｍｍと設定したレーザ加工装置において、マスク５上でのビーム波面曲率をパラメータとし、加工Ａ（狙い加工穴径φ２００μｍ、被加工物の厚み２００μｍ）、並びに加工Ｂ（狙い加工穴径φ１２０μｍ、被加工物の厚み５０μｍ）の貫通穴加工を実施したところ、図３に示される結果が得られた。図３において、横軸はマスク５上でのビーム波面の曲率半径を示しており、符号は発散をマイナス、収束をプラスとしている。マイナスの領域においては、波面の曲率半径が０に近いほど、すなわち絶対値が小さいほど波面曲率の発散の度合いが大きいことを示しており、波面の曲率半径が無限大のとき、波面がフラットであることを示している。また、縦軸は加工穴のテーパ度を示している。

従来の加工方法によるテーパ度は、同様な条件での加工において９０％未満であり、図３における波面の曲率半径−１００００ｍｍとほぼ同程度である。この発明による加工方法では、波面の曲率半径が−５００ｍｍ程度で、加工Ａの場合、テーパ度約９６％が得られており、また加工Ｂの場合、テーパ度約９１％が得られた。よって、特に被加工物の厚みが厚い加工Ａにおいて、明らかにこの発明による加工方法のほうが、従来の加工方法に比べテーパ度が良化していることが判る。また、被加工物の厚みが普通の加工Ｂにおいても、従来よりもやや良化したテーパ度が得られた。

図３の加工Ａのグラフを見ると分かるように、マスク５上でのビーム波面曲率の発散の度合いが大きいほどテーパ度が良化しており、波面曲率によりテーパ度の改善効果が得られていると言える。また図３の加工Ａのグラフと加工Ｂのグラフを比較した場合、マスク５上での波面曲率を発散にすることによるテーパ度の改善効果は、被加工物の厚みが厚く、加工穴径が大きいほど効果が大きい傾向があることが分かる。

被加工物の厚みが厚いほど効果が大きい理由は、図１（ｂ）の説明において前述したように、被加工物２の厚みが厚いほど被加工物２を貫通するレーザビーム１の加工表面２１のビーム径Ｗ_1bに対し加工底面のビーム径Ｗ_2bが大きくなるからである。

また、加工穴が大きいほど効果が大きい理由は、以下の通りである。通常、加工穴径はマスク径により調整するので、加工穴径が大きいほどマスク５の径も大きくする必要がある。ところで、一般的に、マスク径をＤ、レーザビームの波長をλ、マスクでの回折における０次回折光の広がり角度θ_１とすると、θ_１は以下の（式３）で定義される。

よって、マスク径を大きくすると、マスクでの回折光の広がり角度は小さくなる。マスクでの回折光の広がりが小さくなると、図２において反射ミラー６の有効径内にレーザビーム１の回折光の高次成分が入射しやすくなるため、レーザビーム１のプロファイルの劣化が少なく、テーパ度が良化する。逆に、加工穴径が小さいと、マスク５での回折光の広がりが大きくなり、反射ミラー６の有効径内に回折光の高次成分が入射されにくくなるため、ビームプロファイルが劣化し、波面曲率を発散にすることによるテーパ度の改善効果が相殺されるためである。

また、図３の加工Ｂのグラフを見ると、波面曲率の発散の度合いを大きくしすぎると、テーパ度の劣化が発生している。これは、マスク５上の波面曲率の発散の度合いを大きくしすぎると、マスク５から反射ミラー６までのレーザビームの発散が大きくなるため、マスク５での回折光の高次成分が反射ミラー６の有効径内に入射しにくくなり、ビームのプロファイルが劣化するためである。さらに、レーザビームの発散が大きくなると反射ミラー６でのビーム径も大きくなり、反射ミラー６による収差の影響を受けやすくなることも原因の一つである。

上記では、波面曲率調整手段８として１枚の凸レンズ９を用いたが、１枚の凹レンズにより波面曲率調整手段８を構成しても良い。図４は、１枚の凹レンズ３１により波面曲率調整手段８を構成したレーザ加工装置の構成図である。図２に示したレーザ加工機との相違点は、凸レンズ９を凹レンズ３１に置き換えた点のみである。

図２に示したレーザ加工機の場合、凸レンズ９を透過したレーザビーム１を一度焦点を結んだ後にマスク５に入射する必要があるため、凸レンズ９とマスク５との間にある程度の距離が必要となるが、凹レンズ３１の場合、凹レンズ３１を透過した直後からレーザビーム１の波面は発散なので、凹レンズ３１とマスク５との距離が短くて済み光学系をコンパクトに構成することができるという利点がある。一方、凸レンズ９を用いた場合、マスク５上でのレーザビーム１のビーム径は凹レンズ３１よりも小さくできるので、マスク５でのレーザビーム１のエネルギーロスを少なくできるという利点がある。

この実施の形態１によれば、マスクの像を被加工物表面に転写して加工を行うレーザ加工装置において、１枚の凸レンズもしくは凹レンズでマスク上のレーザビームの波面曲率を発散とすることができるので、被加工物表面でレーザビームの波面曲率を発散にすることができ、特に厚みの厚い被加工物での穴あけ加工において、簡易に加工穴のテーパ度を良化することができる。

実施の形態２.
図５は、この発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置の構成を示したものであり、実施の形態１の図２から均一化光学系４を取り除いた構成である。その他の構成は図２と同様であるので、詳細な説明は省略する。したがって、実施の形態１と動作で異なるのは、レーザ発振器３から出力されるレーザビーム１の、ビームモード分布の変換を行わない点である。すなわち、加工に用いるレーザビーム１のプロファイルはいわゆるガウスモード分布となり、加工穴のテーパ度が劣化しやすいビームモード分布となる。この分布のまま、被加工物表面でのレーザビーム波面曲率を発散とすることで、加工穴のテーパ度の改善を図ることを目的としたものが、本実施の形態におけるレーザ加工装置および加工方法である。よって、波面曲率調整手段８の構成や動作は実施の形態１と同様であり、凹レンズで構成しても良い。

発明者が図５に示したレーザ加工装置を用いて実施した実験の結果は、以下のとおりとなった。
実験は、比較的厚みの厚い被加工物を用いた加工Ｃ（狙い加工穴径φ１２０μｍ、被加工物の厚み２００μｍ）の穴あけ加工を実施した。入射ビームの波面の曲率半径が３００ｍｍ程度の収束では、加工穴のテーパ度は８１％であったのに対し、入射ビームの波面曲率を発散にするこの発明による加工方法の場合、波面の曲率半径が−３００ｍｍ程度の発散で加工穴のテーパ度は９４％となり大幅な改善効果が得られた。この値は、均一化光学系を用い波面曲率を収束とした従来の加工方法と比較しても、よりテーパ度が良化しており、実施の形態１による加工方法に近い値である。

これは、加工穴のテーパ度の改善は、被加工物の厚みが薄いときは、波面曲率による被加工物底面でのビーム径拡大の効果よりもビームプロファイルの効果が支配的であり、被加工物の厚みが厚いときは、ビームプロファイルの効果よりも波面曲率による被加工物底面でのビーム径拡大の効果が支配的であることを意味している。すなわち、被加工物の厚みが厚いときは、レーザビームの波面曲率を発散にすることが加工穴のテーパ度を改善する上で最も効果が高いと言える。

このように、特に被加工物の厚みが厚い場合は、高価な均一化光学系４を用いなくても、加工穴のテーパ度に大幅な改善効果が得られるため、実施の形態１による加工方法ほどの効果が必要でない場合には、本実施の形態により比較的安価なレーザ加工装置を得ることが可能となる。

実施の形態３．
穴あけ加工を行うレーザ加工においては、加工条件により被加工物に照射するレーザビームのエネルギーを調整する必要がある。レーザビームのエネルギーを調整するには、レーザビームのパルス幅を変化させたり、レーザ発振器への供給電力を調整したりする方法が考えられるが、パルス幅を変化させると加工品質が変化する場合があり、発振器への供給電力を変化させると発振が不安定になるという問題がある。そのため、通常はマスク上でのレーザビームのビーム径を変化させ、マスクを透過するレーザビームのエネルギーを調整する方法が望ましい。

ここで、実施の形態１および２においては、１枚の凸レンズまたは凹レンズにてマスク上のレーザビームの波面曲率を発散としたが、マスク上でのレーザビームのビーム径を調整する場合、例えばレンズに駆動装置を設け、レンズとマスクの距離を変化させればよい。しかし、同時にマスク上でのレーザビーム波面曲率も変化してしまう。例えば、図２において、マスク上でのビーム径を大きくする場合には、凸レンズ９をマスク５から遠ざければよいが、その場合波面曲率の発散の度合いは小さくなってしまう。この場合、波面曲率によるテーパ度の改善効果が小さくなってしまう。逆に、マスク上でのビーム径を小さくする場合、凸レンズ９をマスク５に近づければよく、この場合は波面曲率の発散の度合いは大きくなりテーパ度の改善効果は大きくなる。しかし、図１に示したように、あまり波面曲率の発散の程度を大きくしすぎると逆にテーパ度の劣化を引き起こす場合も有る。

また、上述したように、加工穴のテーパ度の改善は、被加工物の厚みが薄いときは、波面曲率による被加工物底面でのビーム径拡大の効果よりもビームプロファイルの効果が支配的であり、被加工物の厚みが厚いときは、ビームプロファイルの効果よりも波面曲率による被加工物底面でのビーム径拡大の効果が支配的であるので、被加工物の厚みが薄いときには波面曲率を収束にしたい場合も発生する可能性がある。

したがって、マスク上のレーザビームの波面曲率とビーム径はそれぞれ独立に調整できるほうが、加工条件の選択範囲が拡がり、被加工物の材質や厚さその他加工条件に最適な波面曲率とエネルギー値によって高品質な加工を行うことができる。本実施の形態は、マスク上のレーザビームの波面曲率とビーム径をそれぞれ独立に調整できるレーザ加工装置を得ることを目的としたものである。

図６は、この発明を実施するための実施の形態３におけるレーザ加工装置の構成を示したものである。実施の形態１の図２との最も大きな違いは、図２における凸レンズ１枚で構成された波面曲率調整手段５を、３枚の凸レンズから成る転写光学系により構成した点である。

図６において、３はレーザ発振器、１はレーザビーム、４はレーザ発振器３から出力されるレーザビーム１のモード形状をガウスモード分布から周辺部にわたって均一ないわゆるトップハット分布に変換する均一化光学系、５はレーザビーム１を所望の径もしくは形状に成形するマスク、６は反射ミラー、２は被加工物、７はマスク５の像を被加工物２へ転写する転写レンズ、８は均一化光学系４で形成されたレーザビームの波面曲率をマスク５上で発散とする波面曲率調整手段である。４２は波面曲率調整手段８を構成する３枚のレンズから成る転写光学系、４３は転写光学系４２を構成している各レンズを光軸方向に動かすためのボールネジ等で構成された駆動装置である。また、４１はマスク５を異なる径もしくは形状のマスクに入れ替えるためのマスクチェンンジャー、１０はレーザ加工装置全体を制御するための制御装置、１１は被加工物２を載置しＸＹ方向に被加工物２を移動させる加工テーブル、４４は被加工物２に照射されるレーザビーム１のエネルギーを測定するために加工テーブル１１上に設けられたパワーセンサを示す。

次に、図６に示したレーザ加工装置の基本動作を説明する。
まず、制御装置１０によりレーザ出力のＯＮ／ＯＦＦ等を制御されたレーザ発振器３からレーザビーム１が出力され、このレーザビーム１を均一化光学系４によって、レーザビーム周辺部にわたって強度分布が均一ないわゆるトップハット分布に変換する。次に、トップハット分布に変換されたレーザビームを転写光学系４２によってマスク５に転写する。ここで、均一化光学系４が、例えばマスク等によりレーザビームの中央部を切り出してトップハット分布に変換している場合には、このマスクの像を物点としてマスク５に転写すればよく、均一化光学系４が、例えば非球面レンズ等により強度分布を変化させてトップハット分布に変換している場合は、この非球面レンズにより結像された像を物点としてマスク５に転写すればよい。また、転写光学系４２においては、マスク５上におけるレーザビームの波面曲率とビーム径が所望の値になるように、転写光学系４２を構成するレンズの光軸に沿った位置を、制御装置１０により制御された駆動装置９により移動する。

そして、転写光学系４２によりマスク５に転写されたレーザビーム１は、マスク５にてビーム成形された後、反射ミラー６を通過し、転写レンズ７で所定の倍率に変換され、被加工物２に照射される。加工テーブル１１の移動とレーザ発振器のＯＮ／ＯＦＦを同期させることで、被加工物２の所望の位置に穴あけ加工を行うことができる。また、反射ミラー６をレーザビーム１を走査するガルバノスキャナに置き換えて、被加工物２を固定しガルバノスキャナにて所定の範囲に穴あけ加工するように構成しても良い。

また、加工するレーザビームのエネルギーを調整する場合、パワーセンサ４４にレーザビーム１が照射されるように加工テーブル１１を移動させ、パワーセンサ４４で測定したレーザビーム１のエネルギー測定値を基に、レーザビーム１のエネルギーを調整する。

ここで、被加工物２上のレーザビームの波面曲率は、マスク５上での波面曲率とマスク５から転写レンズ７までの距離および転写レンズ７の焦点距離で決定される。マスク５から転写レンズ７までの距離と転写レンズ７の焦点距離は加工装置毎に固定されているため、被加工物２上のレーザビームの波面曲率を制御するためにはマスク５上での波面曲率を制御する必要があり、この発明の転写光学系４２が有効に作用する。

次に、この発明の特徴である転写光学系４２の作用について、図７を用いて説明する。
図７において、５１は転写光学系４２の物点の位置にあたり、均一化光学系４のビーム出力位置である。例えば、均一化光学系４が、マスク等によりレーザビームの中央部を切り出してトップハット分布に変換している場合には、このマスクの位置であり、非球面レンズ等により強度分布を変化させてトップハット分布に変換している場合は、この非球面レンズの結像位置に対応する。５２は焦点距離ｆ_１の第１のレンズ、５３は焦点距離ｆ_２の第２のレンズ、５４は焦点距離ｆ_３の第３のレンズ、５５は転写光学系４２の像点の位置にあたるマスク５の位置、Ｌ_１はビーム出力位置５１から第１のレンズ５２間の距離、Ｌ_２は第１のレンズ５２と第２のレンズ５３間の距離、Ｌ_３は第２のレンズ５３と第３のレンズ５４間の距離、Ｌ_４は第３のレンズ５４とマスク位置５５間の距離、Ｌ_allは均一化光学系４のビーム出力位置１２からマスク位置５５間の距離を示す。

一般的に転写光学系のＡＢＣＤ行列は（式４）で表される。

ここで、Ａ（＝ｍ）は転写光学系の倍率を示す。Ｂは転写光学系の場合、０となる。Ｃ（＝ｒｆ）は波面パラメータと呼び、入射するビーム波面の曲率半径が∞すなわち波面がフラットのとき、転写後の波面曲率を与え、転写後の波面曲率半径をＲとすると（式５）で示される。

また、屈折率１の空間中における距離Ｓにおける転送行列、並びに焦点距離Ｆにおける屈折行列はそれぞれ（式６）、（式７）で与えられる。

図７におけるシステム行列は、（式６）と（式７）の組み合わせ行列であるので、（式８）、（式９）となる。

ここで、（式９）におけるａ、ｂ、ｃ、ｄは以下の（式１０）で表される。

また、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の和は、均一化光学系４のビーム出力位置１２からマスク位置５５間の距離Ｌ_allとなるため次式を満たす必要がある。

この発明における転写光学系４２では、各レンズの焦点距離ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３およびレンズ間距離の合計Ｌ_allは、レーザ加工装置毎で決定される固定パラメータであるので、可変パラメータはＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４となる。よって、所望のビーム径および波面曲率を得るためには、所望のビーム径および波面曲率に対応する倍率ｍと波面パラメータｒｆを求め、得られたｍとｒｆを満足するＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４を（式９）（式１０）（式１１）より求めればよい。

例えば、転写光学系４２の物点の位置５１と像点の位置５５におけるレーザビーム波面の曲率半径をともに∞すなわち波面がフラットとすると、（式５）よりｒｆ＝Ｃ＝０であるので、

となり、これを解くと（式１３）〜（式１６）が得られる。

但し、ｍ≠１の場合であり、ｍ＝１のときは、Ｌ_１とＬ_４は次式を満たす任意の値となる。

したがって、上記（式１３）〜（式１７）より倍率ｍを与えると各レンズ間距離Ｌ_１〜Ｌ_４が得られる。

また、例えば、転写光学系４２の物点の位置５１でのレーザビーム波面の曲率半径が∞すなわち波面がフラットの場合、転写光学系４２の像点の位置５５すなわちマスク５上での波面曲率を、発散すなわち（式５）にてＲ＜０とするには（式５）より、ｒｆ＞０であれば良い。また（式９）より、ｃ＝ｒｆなので、ｃ＞０を満たせばよいことになる。よって、（式１０）より

を満たすＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４を選択すればよい。

上記のように、ｒｆ＝０のときは解析的な解を求めるのは容易であるが、ｒｆを任意とした場合は式が複雑になるためコンピュータを使用した数値計算により求めると良い。これは、あらかじめ図８に示すような、適当な波面パラメータｒｆと倍率ｍに対する各レンズ５２〜５４の位置データを記録したデータベースを作成し、制御装置１０にデータを保存しておいても良い。通常、レーザビームの出力は加工条件によって微調整が必要であるので、できる限り細かく制御できたほうが好ましいのに対し、発明者が実施した実験結果では、波面パラメータｒｆは数段階で選択できれば十分であることが分かったので、図８に示すように数段階の波面パラメータｒｆと数百段階の倍率ｍで刻まれた離散的なデータベースとしても良い。また、データ容量の関係上、データベースの容量を必要最低限に抑えたい場合は、倍率ｍの分解能を少し落とし、線形補間計算により補っても良い。

次に、図６に示したレーザ加工装置の制御方法の一例を、フローチャート図９を用いて説明する。
まず、レーザ加工装置を使用するユーザーが加工内容に合わせた加工条件として、発振器条件（パルス幅やビーム出力など）、マスク径もしくは形状、ビーム波面、加工エネルギーの設定値を選択し、制御装置１０に入力装置等を用いて入力する（ステップＳ０１）。
次に、制御装置１０において、入力された設定値が現在設定されている設定値と異なっているかどうか比較し、変更されていれば設定しなおす。図９に示した例においては、発振器条件、マスク条件の順に確認するとしているが、この順序は逆でもかまわない。

図９においては、最初に発振器条件の変更がなされたかどうか確認する（ステップＳ０２）。
変更する必要があれば、制御装置１０はレーザ発振器３の発振条件を変更する（ステップＳ０３）。変更する必要が無ければステップＳ０３をスキップする。
次に、マスクの径もしくは形状の変更が必要かどうか確認する（ステップＳ０４）。変更する必要があれば、制御装置１０はマスクチェンジャー４１を駆動し、所望のマスクに切り替える（ステップＳ０５）。変更する必要が無ければステップＳ０５をスキップする。
次に、波面パラメータｒｆの変更が必要かどうか確認する（ステップＳ０６）。
変更する必要があれば、制御装置１０は制御装置１０内のメモリに保存されている図８に示したデータベースから、所望の波面パラメータｒｆに対応する転写倍率ｍと転写光学系４２内のレンズ位置の組み合わせデータを選択して読み込む（ステップＳ０７）。変更する必要が無ければステップＳ０７をスキップする。
次に、制御装置１０は、加工テーブル１１を駆動しパワーセンサ４４をレーザビーム照射位置に移動させる。そして、レーザ発振器３を動作させレーザビーム１をパワーセンサ４４に照射し、パワーセンサ４４によりレーザビーム１のエネルギーを測定する（ステップＳ０８）。
次に、制御装置１０はパワーセンサ４４よりレーザビームのエネルギー値を読み取り、ユーザーが入力した所定の加工エネルギー値と比較する。パワーセンサ４４による測定値と設定値との差が許容範囲内であれば、加工条件の設定を終了し加工を開始する（ステップＳ０９）。

ステップＳ０９において、許容範囲外と判断された場合は、制御装置１０において、パワーセンサ４４による測定値と設定値との比率からマスク５における最適なビーム透過率を算出し、この値に基づき転写光学系４２の転写倍率ｍを求める（ステップＳ１０）。
求めた転写倍率ｍに対応する転写光学系４２内のレンズ位置データを、ステップＳ０７にて読み込んだデータから選択する（ステップＳ１１）。このとき、変更したい倍率ｍがデータベースにない場合は、最も近い倍率ｍを選択しても良いし、データベースから線形補間計算を実施し決定しても良い。
選択されたレンズ位置データに基づき、制御装置１０は駆動装置９を制御し、転写光学系４２内の各レンズ５２〜５４を所望の位置に移動させる（ステップＳ１２）。
レンズの移動完了後、ステップＳ０８に戻り再度加工エネルギーの測定を行う。そして、ステップＳ０９にて測定値と設定値と比較する。測定値と設定値との差分が許容値範囲内であれば加工条件設定完了とし、許容値範囲外であれば再度ステップＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２を繰り返し、測定値と設定値との収斂作業を行う。

以上をまとめると、この発明における３枚のレンズ５２〜５４からなる転写光学系４２は、ビーム波面は加工条件の一部としてユーザーが選択し、倍率は加工エネルギーの調整パラメータとして内部的に選択した上で、それに応じた各レンズ５２〜５４の位置をデータベースから求め、求めた位置指令により、例えばボールネジ等の駆動部４３によって、各レンズ５２〜５４を光軸方向に移動する制御を行うというものである。

言い換えると、各レンズ５２〜５４間の距離を制御することにより、マスク５上でのビーム径とビーム波面曲率を加工内容に適したものに変化させるというものである。

この実施の形態３では、３枚のレンズで構成した転写光学系を示したが、３枚以上のレンズを備えていれば倍率ｍと波面パラメータｒｆをともに独立して制御することができるので、上記構成と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態３では、均一化光学系４によりレーザビームがトップハット分布に形成される位置を物点として、転写光学系４２によりマスク５に転写するとしたが、物点の位置はこれに限られるものではない。例えば、レーザビームの強度分布が中央部より周辺部の方が高いＭ字分布が望ましい加工もあり、この場合、均一化光学系４の結像位置よりもさらに遠方ではレーザビームはＭ字分布となるので、その位置を物点としても良い。ドーナツ型のマスクを用いてもＭ字分布は実現できるので、このドーナツ型マスクの位置を物点の位置としても良い。また、実施の形態２と同様に均一化光学系４を用いずに加工を行うときには、加工条件が変動してもビーム径が不変な点が光路中にあれば、この点を物点としレーザビームの像をマスク５に転写しても良い。いずれにしても、実施する加工条件に適したレーザビームの像が得られる位置を物点の位置として、レーザビーム光路中から選択しマスク５へ転写すればよい。

この実施の形態３によれば、３枚のレンズでマスク上のビーム径と波面曲率を独立して制御することができるので、厚みの厚い被加工物での穴あけ加工においては、被加工物表面でレーザビームの波面曲率を発散にすることにより、加工穴のテーパ度を良化することができる。また、収束から発散に至るまで、各種加工条件において最適なレーザビームの波面曲率を得ることができるので、加工穴のテーパ度の良化を維持することができる。さらに、発振器条件およびレーザビームの波面曲率に影響を与えずにレーザビームのエネルギーを調整することができるので、安定した加工が実現できる。

この実施の形態３では、転写光学系内の各レンズの焦点距離を固定し各レンズ間距離を制御するパラメータとしたが、（式９）〜（式１１）より各レンズ間距離を固定し各レンズの焦点距離を制御することによって同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

この発明に係るレーザ加工装置および方法は、特に被加工物の厚みが厚いものについて加工穴のテーパ度を良化する必要があるレーザ加工に用いられるのに適している。

Claims (20)

1. レーザビームを出力するレーザ発振器と、
   レーザビームの光路中に配置されレーザ発振器から出力されたレーザビームを所望の径もしくは形状に成形するマスクと、
   前記マスクの直前のレーザビーム光路上に配置され前記マスク上でのレーザビームの波面曲率を発散とする波面曲率調整手段と、
   前記マスクと被加工物の間のレーザビーム光路中に配置され前記マスクを透過したレーザビームを被加工物表面に照射する際に前記マスクの像を被加工物表面に転写する転写レンズとを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記波面曲率調整手段は、凹レンズを用いて前記マスク上での波面曲率が発散となるレーザビームを出力するものであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記波面曲率調整手段は、前記マスクの手前で焦点を結ぶ凸レンズを用いて前記マスク上での波面曲率が発散となるレーザビームを出力するものあることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記波面曲率調整手段は、３枚以上のレンズで構成されレーザビーム光路上の所定の位置におけるレーザビームの像を物点とし、前記マスク上に転写を行う転写光学系であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
5. 前記転写光学系を構成する各レンズをレーザビーム光軸に沿って独立に移動させる駆動装置と、
   前記マスク上のレーザビームの波面曲率および／またはビーム径が所望の値となるような前記各レンズの位置を設定し、この設定した位置に各レンズが移動するように前記駆動装置を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記制御装置は、予め定められた波面曲率およびビーム径に対応した各レンズ位置を記録したデータベースに基づき前記各レンズの位置を設定するものであることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 被加工物に照射するレーザビームのエネルギーを測定するパワーセンサを備え、
   前記制御装置は、前記パワーセンサで測定されたレーザビームのエネルギー測定値とエネルギー設定値とを比較し、前記測定値が前記設定値となるようなビーム径を求め、このビーム径となるように前記各レンズの位置を設定するものであることを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
8. 前記転写光学系が３枚の凸レンズで構成されており、
   前記転写光学系の物点の位置におけるレーザビームの波面がフラットな場合、
   前記３枚の凸レンズにおいて、前記レーザ発振器側の第１のレンズの焦点距離をｆ_１とし、中央の第２のレンズの焦点距離をｆ_２とし、前記被加工物側の第３のレンズの焦点距離をｆ_３とし、前記均一化光学系のレーザビーム出力位置と第１のレンズとの距離をＬ_１とし、第１のレンズと第２のレンズとの距離をＬ_２とし、第２のレンズと第３のレンズとの距離をＬ_３とし、第３のレンズと前記マスクとの距離をＬ_４とした場合、
   

   

   を満たすようにｆ_１〜ｆ_３およびＬ_１〜Ｌ_４が設定されていることを特徴とする請求項４〜７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記レーザ発振器と前記波面曲率調整手段との間のレーザビームの光路中に配置されレーザビームの強度分布を中央部と周辺部で略一様ないわゆるトップハット分布とする均一化光学系を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
10. レーザビームを出力するレーザ発振器と、
    前記レーザビームの光路中に配置されレーザ発振器から出力されたレーザビームを所望の径もしくは形状に成形するマスクと、
    前記マスクと前記被加工物の間のレーザビーム光路中に配置され前記マスクを透過したレーザビームを被加工物表面に照射する際に前記マスクの像を被加工物表面に転写する転写レンズとを備えたレーザ加工装置において、
    前記マスクの直前のレーザビーム光路上に配置された３枚以上のレンズで構成されレーザビーム光路上の適切な位置におけるレーザビームの像を物点として前記マスク上に転写する転写光学系と、
    前記転写光学系を構成する各レンズをレーザビーム光軸に沿って独立に移動させる駆動装置と、
    前記マスク上のレーザビームの波面曲率および／またはビーム径が所望の値となるような前記各レンズの位置を設定し、この設定した位置に各レンズが移動するように前記駆動装置を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
11. 前記制御装置は、予め定められた波面曲率およびビーム径に対応した各レンズ位置を記録したデータベースに基づき前記各レンズの位置を設定するものであることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ加工装置。
12. 被加工物に照射するレーザビームのエネルギーを測定するパワーセンサを備え、
    前記制御装置は、前記パワーセンサで測定されたレーザビームのエネルギー測定値とエネルギー設定値とを比較し、前記測定値が前記設定値となるようなビーム径を求め、このビーム径となるように前記各レンズの位置を設定するものであることを特徴とする請求項１０または１１のいずれかに記載のレーザ加工装置。
13. レーザ発振器より出力されたレーザビームを所望の径もしくは形状に成形するマスクの像を被加工物表面上に転写して穴あけ加工を行うレーザ加工方法において、
    前記マスクの直前のレーザビーム光路上に配置された波面曲率調整手段により前記マスク上でのレーザビームの波面曲率を発散とする工程と、
    前記マスクの像を転写レンズにより被加工物表面上に転写することで被加工物表面上でレーザビームの波面曲率を発散とする工程とを含むことを特徴とするレーザ加工方法。
14. 前記レーザ発振器と前記マスクとの間に挿入された凹レンズにより、前記マスク上のレーザビームの波面曲率を発散とすることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ加工方法。
15. 前記レーザ発振器と前記マスクとの間に挿入され、前記マスクの手前で焦点を結ぶ凸レンズにより、前記マスク上のレーザビームの波面曲率を発散とすることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ加工方法。
16. 前記レンズに入射するレーザビームの強度分布を中央部と周辺部で略一様ないわゆるトップハット分布とする工程を含むことを特徴とする請求項１４または１５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
17. 前記レーザ発振器と前記マスクとの間に挿入された３枚以上のレンズから構成された転写光学系により、前記マスク上のレーザビームの波面曲率を発散とすることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ加工方法。
18. 前記転写光学系を構成する各レンズを光軸に沿って独立に移動させる工程を含むことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ加工方法。
19. 被加工物に照射されるレーザビームのエネルギーを測定する工程と、
    この工程により測定された測定値と別途設定されたエネルギー設定値とを比較し、前記レーザビームのエネルギーが設定値となるような前記転写光学系の倍率を算出する工程と、
    別途設定されたマスク上での波面曲率値と前記算出された倍率とから、前記転写光学系を構成する各レンズの位置を設定する工程と、
    前記設定された各レンズ位置に基づいて各レンズを光軸に沿って移動させる工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載のレーザ加工方法。
20. 前記転写光学系に入射するレーザビームの強度分布を中央部と周辺部で略一様ないわゆるトップハット分布とする工程を含むことを特徴とする請求項１７〜１９のいずれかに記載のレーザ加工方法。

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