JP5430510B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガルバノミラーを用いてレーザビームを走査するレーザ加工装置に関する。

２つのガルバノミラーとｆθレンズとを用いて、加工対象物上をレーザビームでｘ方向及びｙ方向に走査することができる。ｘ用ガルバノミラーとｙ用ガルバノミラーとの間に補正光学系を挿入することにより、ｆθレンズの設計上の偏向点にレーザビームを位置決めすることができる。さらに、第２のガルバノミラーの寸法を小さくすることができる。

特開２００３−１４６６号公報 特開２００３−２８７６９２号公報

補正光学系を配置すると、レーザビームを、ｆθレンズに対してほぼ理想的な経路に位置決めすることができる。ところが、レーザビームの位置精度を、より高めるためには、補正光学系のレンズの収差を考慮しなければならない。従来の補正光学系では、レンズの収差を考慮すると、レーザビームの集光性能が低下してしまう。

本発明の目的は、補正光学系のレンズの収差を考慮しても、十分な集光性能を確保することができるレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザビームの経路上に配置され、レーザビームを走査する第１のガルバノミラーと、
前記第１のガルバノミラーで走査されたレーザビームを、前記第１のガルバノミラーの走査方向とは異なる方向に走査する第２のガルバノミラーと、
前記第１のガルバノミラーと前記第２のガルバノミラーとの間の前記レーザビームの経路上に配置された第１のレンズ群と第２のレンズ群と
を有し、
前記第１のレンズ群の前側焦点の位置に前記第１のガルバノミラーが配置され、前記第１のレンズ群の後側焦点と前記第２のレンズ群の前側焦点とが一致し、前記第２のレンズ群の後側焦点の位置に前記第２のガルバノミラーが配置されており、
前記第１のレンズ群及び前記第２のレンズ群の各々は、少なくとも２枚のメニスカスレンズと、
前記第２のガルバノミラーで走査されたレーザビームを、加工対象物上に集光するｆθレンズと含み、
前記第１のレンズ群及び前記第２のレンズ群を、球面平凸レンズまたは球面両凸レンズで構成した場合に比べて、レーザビームの振れ角が０°から増加したときの、前記加工対象物上におけるビームスポットの拡大が抑制されているレーザ加工装置が提供される。

第１のガルバノミラーでレーザビームを走査したときの加工対象物上におけるビームスポットを小さくすることができる。特に、波動光学に基づいて算出されるエアリーディスクと同程度の寸法までビームスポットを小さくすることが可能になる。

実施例によるレーサ加工装置の概略図である。 第１及び第２のレンズ群の各々を１枚の球面平凸レンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す線図である。 第１及び第２のレンズ群の各々を１枚の球面両凸レンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す線図である。 第１及び第２のレンズ群の各々を２枚の球面平凸レンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す線図である。 （５Ａ）は、第１及び第２のレンズ群の各々を２枚の球面メニスカスレンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す線図であり、（５Ｂ）は、幾何光学により算出した光線の入射点の分布を示す図である。 （６Ａ）は、第１及び第２のレンズ群の各々を２枚の球面メニスカスレンズと１枚の両凸レンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す線図であり、（６Ｂ）は、幾何光学により算出した光線の入射点の分布を示す図である。 （７Ａ）は、第１及び第２のレンズ群の各々を２枚のメニスカスレンズで構成し、１つの屈折面を非球面とした場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す線図であり、（７Ｂ）は、幾何光学により算出した光線の入射点の分布を示す図である。 （８Ａ）は、第１及び第２のレンズ群の各々を１枚の非球面メニスカスレンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す線図であり、（８Ｂ）は、幾何光学により算出した光線の入射点の分布を示す図である。

図１Ａに、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０から出射したレーザビームが、直径１ｍｍ〜５ｍｍの開口を有するマスク１１により整形される。マスク１１を通過したレーザビームが折り返しミラー１２、コリメートレンズ１３を経由して、第１のガルバノミラー１４に入射する。第１のガルバノミラー１４が、レーザビームを第１の方向に走査する。

第１のガルバノミラー１４で走査されたレーザビームが、補正光学系１８を経由して第２のガルバノミラー１５に入射する。第２のガルバノミラー１５は、レーザビームを、第１のガルバノミラー１４の走査方向とは異なる方向に走査する。

第２のガルバノミラー１５で走査されたレーザビームがｆθレンズ１６で収束され、加工対象物２０に入射する。加工対象物２０はステージ１７に保持されている。加工対象物２０の表面にｘｙ直交座標系を定義したとき、例えば第１のガルバノミラー１４により、レーザビームがｘ方向に走査され、第２のガルバノミラー１５によりｙ方向に走査される。

図１Ｂに、補正光学系１８の、より詳細な構成を示す。補正光学系１８は、第１のガルバノミラー１４側の第１のレンズ群１８Ａと、第２のガルバノミラー１５側の第２のレンズ群１８Ｂとを含む。第１のガルバノミラー１４は、第１のレンズ群１８Ａの前側焦点Ｆ１の位置に配置される。第２のガルバノミラー１５は、第２のレンズ群１８Ｂの後側焦点Ｆ３の位置に配置される。第１のレンズ群１８Ａの後側焦点Ｆ２は、第２のレンズ群１８Ｂの前側焦点と一致する。なお、第１のレンズ群１８Ａと第２のレンズ群１８Ｂとのレンズの光軸は一致している。

コリメートレンズ１３で平行光線束にされ、第１のガルバノミラー１４で走査されたレーザビームが、第１のレンズ群１８Ａに入射すると、その後側焦点Ｆ２を含み光軸に垂直な平面上に集光される。後側焦点Ｆ２が、第２のレンズ群１８Ｂの前側焦点と一致するため、第２のレンズ群１８Ｂを通過したレーザビームは、平行光線束になる。

コリメートレンズ１３を通過したレーザビームの中心光線は、第１のガルバノミラー１４上の焦点Ｆ１に入射する。第１のガルバノミラー１４を揺動させてレーザビームを走査したとき、レーザビームの中心光線は、振れ角によらず、第１のレンズ群１８Ａと第２のレンズ群１８Ｂとの間において、補正光学系１８の光軸に対して平行になる。その後、中心光線は、第２のレンズ群１８Ｂを経由して、第２のガルバノミラー１５上の焦点Ｆ３に入射する。

ｆθレンズ１６の設計上の偏向点が、焦点Ｆ３に一致する。このため、レーザビームの入射点の高精度の位置決めが可能になる。「設計上の偏向点」とは、ｆθレンズの焦点距離をｆ、ｆθレンズに入射する光線と光軸とのなす角度をθ、その光線の像高をＹとしたとき、Ｙ＝ｆ×θの関係が成立する光線が共通して通過する光軸上の点を意味する。

次に、図２〜図８Ｂを参照して、補正光学系１８の好ましいレンズ構成について説明する。

図２に、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を、１枚の球面平凸レンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す。図２には、第１のガルバノミラー１４、第１のレンズ群１８Ａ、第２のレンズ群１８Ｂ、第２のガルバノミラー１５、ｆθレンズ１６、及び加工対象物２０を示すとともに、５本のレーザビームの経路を示す。図２に示された５本のレーザビームは、それぞれ第１のガルバノミラー１４の位置において、補正光学系１８及びｆθレンズ１６の光軸からの振れ角が−２０°、−１０°、０°、＋１０°、＋２０°のものである。

いずれのレーザビームも、第１のガルバノミラー１４と第１のレンズ群１８Ａとの間、及び第２のレンズ群１８Ｂとｆθレンズ１６との間では、平行光線束である。また、第１のレンズ群１８Ａの後側焦点Ｆ２の位置でビームスポットが最小になっている。

振れ角０°のレーザビームが、加工対象物２０の表面において最小のビームスポットになる条件で、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂのレンズ設計を行った。第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂに、それぞれ１枚の平凸レンズを用いる場合には、振れ角が±１０°及び±２０°の時に、加工対象物２０の表面でビームスポットが十分小さくなっていないことがわかる。

図３に、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を、１枚の球面両凸レンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す。図２に示した球面平凸レンズを用いた場合と同様に、振れ角が±１０°及び±２０°の時に、加工対象物２０の表面でビームスポットが十分小さくなっていないことがわかる。

図４に、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を、２枚の球面平凸レンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す。図２に示した球面平凸レンズを用いた場合と同様に、振れ角が±１０°及び±２０°の時に、加工対象物２０の表面でビームスポットが十分小さくなっていないことがわかる。

図２〜図４のシミュレーション結果から、球面平凸レンズまたは球面両凸レンズを用いる場合には、振れ角が大きくなったときにビームスポットを十分小さくすることが困難であることがわかった。

図５Ａに、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を、２枚の球面メニスカスレンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す。図２〜図４の場合に比べて、振れ角が−２０°〜＋２０°の範囲内で、加工対象物２０の表面で小さなビームスポットが得られていることがわかる。

図５Ｂに、第１のガルバノミラー１４の位置のビーム断面内を通過する光線が、加工対象物２０に入射する位置を、幾何光学に基づいて求めた結果を示す。図５Ｂの左端にスケールを示し、左から順番に、振れ角が−２０°、−１０°、０°、＋１０°、＋２０°の場合の入射点の分布を示す。参考のために、波動光学に基づいて算出されるエアリーディスクＡＤを併せて示す。光線の入射点が、エアリーディスクＡＤよりも外側まで分布していることがわかる。このため、波動光学に基づいて算出される最小のビームスポットを得ることは困難であることがわかる。

球面平凸レンズまたは球面両凸レンズに代えて、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々に、２枚の球面メニスカスレンズを用いると、レーザビームの振れ角が大きくなったときのビームスポットの拡大を抑制することができる。ただし、エアリーディスクＡＤと同程度のビームスポットを得ることは困難である。

図６Ａに、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を、２枚の球面メニスカスレンズと１枚の両凸レンズとで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す。

図６Ｂに、図５Ｂと同じ手法で求めた光線の入射点の分布を示す。図５Ｂと図６Ｂとでは、スケールが異なる。図５Ｂの場合に比べて、入射点の分布範囲が狭くなっていることがわかる。ただし、入射点は、エアリーディスクＡＤ内のほぼ全域に広がり、一部の入射点は、エアリーディスクＡＤの外側にも分布する。このため、レンズ取り付け精度の限界等を考慮すると、エアリーディスクＡＤと同程度のビームスポットを得ることが困難であることに変わりはない。

図７Ａに、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を、２枚のメニスカスレンズで構成し、最も外側の屈折面を非球面にした場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す。

図７Ｂに、図６Ｂと同じ手法で求めた光線の入射点の分布を示す。図６Ｂと図７Ｂとでは、スケールが異なる。図６Ｂの場合に比べて、入射点の分布範囲が狭くなっていることがわかる。入射点は、エアリーディスクＡＤのほぼ中心に局在化されている。このように、レンズ収差を考慮した幾何光学に基づいて算出される入射点を、波動光学に基づいて算出されるエアリーディスクＡＤより十分狭い範囲に局在化させることが可能である。これにより、レンズ取り付け精度の限界等を考慮しても、エアリーディスクＡＤとほぼ同程度の寸法のビームスポットを得ることが可能になる。

図８Ａに、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を、１枚の非球面メニスカスレンズで構成した場合のレーザビームの経路のシミュレーション結果を示す。

図８Ｂに、図７Ｂと同じ手法で求めた光線の入射点の分布を示す。入射点は、エアリーディスクＡＤの外側まで広がっている。このことから、非球面メニスカスレンズを採用したとしても、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を１枚のレンズで構成する場合には、エアリーディスクＡＤとほぼ同程度の寸法のビームスポットを得ることが困難であることがわかる。

図５Ａ〜図８Ｂのシミュレーション結果から、ビームスポットをエアリーディスクＡＤと同程度まで小さくするためには、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を、少なくとも２枚のメニスカスレンズで構成し、かつ少なくとも１つの屈折面を非球面にすることが好ましいことがわかる。

プリント配線基板のビアホールを加工する場合のように、ビームスポットを小さく絞る必要がある場合に、図７Ａに示したレンズ構成が最も有効である。

像面湾曲を抑制するために、第１のレンズ群１８Ａ及び第２のレンズ群１８Ｂの各々を構成する２枚のメニスカスレンズの一方のパワーを正とし、他方のパワーを負とすることが好ましい。

上記図２〜図８Ｂでは、第１のレンズ群１８Ａと第２のレンズ群１８Ｂとが、両者の間の焦点位置に関して対称なレンズ構成である場合についてシミュレーションを行ったが、必ずしも対称である必要はない。

１０ レーザ光源
１１ マスク
１２ 折返しミラー
１３ コリメートレンズ
１４ 第１のガルバノミラー
１５ 第２のガルバノミラー
１６ ｆθレンズ
１７ ステージ
１８ 補正光学系
１８Ａ 第１のレンズ群
１８Ｂ 第２のレンズ群
２０ 加工対象物

Claims (3)

1. レーザビームの経路上に配置され、レーザビームを走査する第１のガルバノミラーと、
   前記第１のガルバノミラーで走査されたレーザビームを、前記第１のガルバノミラーの走査方向とは異なる方向に走査する第２のガルバノミラーと、
   前記第１のガルバノミラーと前記第２のガルバノミラーとの間の前記レーザビームの経路上に配置された第１のレンズ群と第２のレンズ群と
   を有し、
   前記第１のレンズ群の前側焦点の位置に前記第１のガルバノミラーが配置され、前記第１のレンズ群の後側焦点と前記第２のレンズ群の前側焦点とが一致し、前記第２のレンズ群の後側焦点の位置に前記第２のガルバノミラーが配置されており、
   前記第１のレンズ群及び前記第２のレンズ群の各々は、少なくとも２枚のメニスカスレンズと、
   前記第２のガルバノミラーで走査されたレーザビームを、加工対象物上に集光するｆθレンズと含み、
   前記第１のレンズ群及び前記第２のレンズ群を、球面平凸レンズまたは球面両凸レンズで構成した場合に比べて、レーザビームの振れ角が０°から増加したときの、前記加工対象物上におけるビームスポットの拡大が抑制されているレーザ加工装置。
2. 前記第１のレンズ群及び前記第２のレンズ群の各々の屈折面のうち少なくとも１面は非球面である請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第１のレンズ群及び前記第２のレンズ群の各々の前記少なくとも２枚のメニスカスレンズの一方のパワーは正であり、他方のパワーは負である請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
   

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