JP5808267B2

JP5808267B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法

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Publication number: JP5808267B2
Application number: JP2012033847A
Authority: JP
Inventors: 石原　裕; 裕石原
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: CN103252576B; JP2013169559A; TWI546146B; CN103252576A; TW201341095A; KR20130095680A

Description

本発明は、ビーム走査器で走査されたレーザビームを、テレセントリックｆθレンズを通して加工対象物に入射させて加工を行うレーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関する。

ガルバノスキャナとテレセントリックｆθレンズとを組み合わせたレーザドリルが、プリント基板の穴開け加工に用いられている。走査可能範囲内の任意の場所に、レーザビームが垂直入射するため、走査範囲の中心と周辺とで、形状のばらつきが少ない穴を形成することができる。

特開２０００−３０１３７４号公報

テレセントリックｆθレンズを使用すると、理想的には、走査可能範囲内のどの場所にも、レーザビームが垂直入射する。ところが、走査可能範囲の周辺部近傍において、テレセントリックエラーが発生することにより、レーザビームの入射角が９０°からややずれる場合がある。形成する穴が浅い場合には、レーザビームの入射角が９０°から僅かにずれても問題は顕在化しない。形成する穴が深くなると、レーザビームの入射角のずれの影響によって、形成される穴の中心軸が基板表面に対して傾斜する場合がある。

本発明の目的は、テレセンエラーの影響を軽減し、所望の形状の穴を形成することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
加工対象物を保持するステージと、
パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームを走査するビーム走査器と、
前記ステージと前記ビーム走査器との間のレーザビームの経路上に配置されたテレセントリックｆθレンズと、
前記ステージに保持された前記加工対象物の表面に対して、前記テレセントリックｆθレンズのフォーカス面の高さを変化させるフォーカス面移動機構と、
前記レーザ光源、前記ビーム走査器、及び前記フォーカス面移動機構を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記ビーム走査器及び前記レーザ光源を制御して、前記加工対象物の表面に画定された複数の加工点の各々に、少なくとも１つの第１の加工点に入射するレーザパルスの中心光線が、前記加工対象物の表面に対して傾斜する条件で、複数のレーザパルスを入射させて穴を形成し、
前記第１の加工点に入射する複数の前記レーザパルスの中心光線の入射位置が、前記加工対象物の面内に関して同じ位置で、前記穴の底面に入射するように、前記加工点の各々に入射するレーザパルスの最初のショットから最後のショットまでの間に、少なくとも１回、前記フォーカス面移動機構を制御して、前記フォーカス面の高さを変えるレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
パルスレーザビームを、ビーム走査器及びテレセントリックｆθレンズを経由して、加工対象物の加工点に、前記パルスレーザビームの中心光線が前記加工対象物の表面に対して傾斜する条件で入射させて凹部を形成する工程と、
前記凹部を形成した後、前記加工点に入射する前記パルスレーザビームの中心光線の入射位置が、前記加工対象物の面内に関して同じ位置で、既に形成されている前記凹部の底面に入射するように、前記テレセントリックｆθレンズのフォーカス面を下降させる工程と、
前記フォーカス面を下降させた後、前記ビーム走査器及び前記テレセントリックｆθレンズを経由して、前記凹部にレーザパルスを入射させて、前記凹部を深くする工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

レーザパルスのショットごとに、フォーカス面の高さを調節することにより、テレセンエラーが発生している場合でも、加工対象物の表面に対してほぼ垂直な穴を形成することができる。

図１は、実施例１によるレーザ加工装置の概略図である。図２Ａは、加工対象物の平面図であり、図２Ｂは、加工対象物の断面図である。図３は、実施例１によるレーザ加工方法のフローチャートである。図４Ａは、実施例１による方法で加工する加工対象物の断面図であり、図４Ｂは、実施例１によるレーザ加工方法で形成された穴の断面図である。図５は、比較例によるレーザ加工方法で形成した穴の断面図である。図６は、実施例２によるレーザ加工方法のフローチャートである。図７は、実施例３によるレーザ加工方法で形成される穴の断面図である。

［実施例１］
図１に、実施例１によるレーザ加工装置の概略図を示す。基台１０に、ステージ移動機構１１を介してステージ１２が支持されている。ステージ１２の保持面の上に、プリント基板等の加工対象物１３が保持されている。一般的には、ステージ１２の保持面及び加工対象物１３の表面が水平になるように、基台１０の姿勢が決められる。ステージ１２の保持面に平行で相互に直交する２方向をｘ方向及びｙ方向とし、保持面の法線方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ステージ移動機構１１は、ステージ１２及び加工対象物１３をｘ方向及びｙ方向に移動させる。

レーザ光源２０がパルスレーザビームを出射する。レーザ光源２０として、例えば炭酸がスレーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等が用いられる。レーザ光源２０から出射したパルスレーザビームがビームエキスパンダ２１、マスク２２、レンズ２３、ベンディングミラー２４、ビーム走査器２５、及びｆθレンズ２６を経由して、加工対象物１３に入射する。

ビームエキスパンダ２１が、レーザビームのビーム断面を拡大する。マスク２２は、レーザビームのビーム断面形状を整形する。レンズ２３は、マスク２２を透過したレーザビームをコリメートする。ベンディングミラー２４はレーザビームの進行方向を下方に向ける。ビーム走査器２５は、加工対象物１３の表面において、レーザビームの入射点がｘ方向及びｙ方向に移動するように、レーザビームを走査する。ビーム走査器２５には、例えば一対のガルバノスキャナが用いられる。

ｆθレンズ２６が、ビーム走査器２５とステージ１２との間のレーザビームの経路上に配置されている。ｆθレンズ２６は、マスク２２の位置のビーム断面形状を加工対象物１３の表面に結像させる。ビーム走査器２５及びｆθレンズ２６は、像側テレセントリック光学系を構成する。すなわち、ビーム走査器２５で走査されたレーザビームの主光線は、加工対象物１３に垂直入射する。

フォーカス面移動機構２７が、ｆθレンズ２６をステージ１２に対して昇降させる（ｚ方向に移動させる）。ｆθレンズ２６をｚ方向に移動させると、加工対象物１３の表面を基準として、フォーカス面の高さが変化する。ここで、フォーカス面とは、マスク２２の位置のビーム断面形状が結像する面を意味する。

制御装置３０が、レーザ光源２０、ビーム走査器２５、フォーカス面移動機構２７、及びステージ移動機構１１を制御する。

図２Ａに、加工対象物１３の平面図を示す。加工対象物１３の表面が、複数のスキャンエリア１４に区分されている。１つのスキャンエリア１４は、ビーム走査器２５で走査可能な範囲（以下、「走査可能範囲」という。）と同一か、走査可能範囲に内包される大きさ及び形状を有する。加工対象物１３の表面に、穴を形成すべき複数の加工点４５の座標が予め決められている。加工点４５の座標は、制御装置３０に登録されている。さらに、１つの加工点４５に入射させるレーザパルスのショット数、及び各ショットに対応するレーザパルスのパルスエネルギに関する情報が制御装置３０に登録されている。

図２Ｂに、加工対象物１３の１つの加工点４５の近傍の断面図を示す。ガラスエポキシ等の基板４０の上に、内層の銅パターン４１が形成されている。基板４０及び銅パターン４１の上に、樹脂膜４２が形成されている。樹脂膜の４２の上に、表層の銅膜４３が形成されている。加工対象物１３の表面に、穴を形成すべき加工点４５の位置が定義されている。

図３に、実施例１によるレーザ加工方法のフローチャートを示す。以下の説明において、必要に応じて図１、図２Ａ、図２Ｂ、図４Ａ、図４Ｂを参照する。ステップＳＡ１において、制御装置３０（図１）がステージ移動機構１１を制御して、未加工のスキャンエリア１４（図２Ａ）を走査可能範囲内に配置する。ステップＳＡ２において、制御装置３０がフォーカス面移動機構２７を制御して、フォーカス面の高さを調整する。例えば、フォーカス面を、加工対象物１３の表面に一致させる。加工対象物１３の厚さは、予め制御装置３０に登録されている。このため、制御装置３０は、加工対象物１３の表面の高さ（ｚ方向の位置）を算出することができる。

ステップＳＡ３において、制御装置３０がビーム走査器２５とレーザ光源２０とを制御して、スキャンエリア１４内の加工点４５（図２Ａ）に、順番に、１ショットずつレーザパルスを入射させる。レーザパルスのパルス幅及び出力パワーは、予め制御装置３０に登録されている。なお。必要に応じて、レンズ２３とビームスキャナ２５との間のレーザビームの経路上に、パルス幅調整器を配置してもよい。パルス幅調整器は、例えば、音響光学素子とビームダンパとにより構成することができる。

図４Ａに、１ショット目のレーザパルスＬＰ１が加工点４５に入射するときの断面図を示す。フォーカス面ＦＳ１が加工対象物１３の表面と一致している。このため、加工対象物１３の表面に、マスク２２（図１）の位置におけるビーム断面形状の像４７が形成される。図４Ａでは、テレセンエラーが生じている場合を示している。すなわち、レーザパルスＬＰ１の中心光線は、加工対象物１３の表面の法線方向に対して傾斜している。レーザパルスＬＰ１が入射した位置に穴４６が形成される。

図３のステップＳＡ４において、各加工点４５（図２Ｂ）に、加工に必要なショット数のレーザパルスが入射したか否かを判定する。入射したショット数が、加工に必要なショット数に達するまで、ステップＳＡ２及びステップＳＡ３を繰り返す。

図４Ｂに、２ショット目〜４ショット目のレーザパルスＬＰ２〜ＬＰ４が加工点４５に入射するときの断面図を示す。レーザパルスを入射させる前に、ステップＳＡ２（図３）において、２〜４ショット目のレーザパルスＬＰ２〜ＬＰ４のそれぞれのフォーカス面ＦＳ２〜ＦＳ４の高さを、前回のショットのレーザパルスの入射によって形成されている穴４６の底面に一致させる。

穴４６の深さは、予め同一のレーザ照射条件で評価実験を行うことにより、求めておくことができる。穴４６の深さから算出されたフォーカス面の移動量は、制御装置３０に登録されている。１ショット目〜３ショット目のレーザパルスＬＰ１〜ＬＰ３を入射させる度に、穴４６が破線で示したように深くなる。このため、相対的に後のショットのレーザパルスのフォーカス面ＬＰ１〜ＬＰ４を、相対的に前のショットのレーザパルスのフォーカス面ＬＰ１〜ＬＰ４より深い位置に配置すればよい。フォーカス面の移動量は、各ショット間で同一とは限らない。４ショット目のレーザパルスＬＰ４を入射させた時点で、穴４６が内層の銅パターン４１に達する。

穴４６が深くなっても、各ショットのレーザパルスＬＰ２〜ＬＰ４の中心光線は、ｘｙ面内に関して同じ位置で穴４６の底面に入射する。このため、穴４６が、加工対象物１３の表面に対してほぼ垂直方向に掘り下げられる。

穴４６が深くなると、表層の銅膜４３によってレーザパルスのケラレが発生する。ただし、レーザパルスの中心光線と、加工対象物１３の表面の法線方向との成す角度はわずかであるため、ケラレによる影響は無視できる程度である。

図３のステップＳＡ４において、加工に必要なショット数分のレーザパルスが入射したと判定された場合には、ステップＳＡ５において、すべてのスキャンエリア１４の加工が終了したか否かを判定する。未加工のスキャンエリア１４が残っている場合には、ステップＳＡ１に戻って、制御装置３０がステージ移動機構１１を制御することにより、未加工のスキャンエリア１４を走査可能範囲に配置する。すべてのスキャンエリア１４の加工が終了すると、穴開け加工が終了する。

図５に、比較例による方法で形成された穴の断面図を示す。比較例による方法では、フォーカス面の位置を固定して１ショット目〜４ショット目のレーザパルスを加工対象物１３に入射させる。１ショット目〜４ショット目のレーザパルスの中心光線は一致し、マスク２２の位置のビーム断面形状の像４７は、加工対象物１３の表面に固定される。このため、穴４６は、レーザパルスの中心光線に沿って掘り進められる。中心光線が加工対象物１３の表面の法線方向から傾斜している場合には、形成される穴４６も、表面に対して傾斜する。本願の発明者の評価実験によると、形成された穴４６の傾斜は、目視によって確認できる程度であった。

実施例１によるレーザ加工装置を用いることにより、穴４６を、加工対象物１３の表面に対してほぼ垂直な方向に掘り進めることができる。このため、穴４６の傾斜を防止または軽減することができる。

実施例１では、図４Ａ及び図４Ｂに示したように、フォーカス面ＦＳ２〜ＦＳ４の高さを、既に形成されている穴４６の底面の位置に一致させたが、必ずしも厳密に一致させる必要はない。一例として、最終的に形成する穴４６の深さ（表層の銅膜４３の表面から内層の銅パターン４１の上面までの深さ）を、加工に必要なショット数で等分した値を、フォーカス面の移動距離としてもよい。

また、実施例１では、１つの加工点４５（図４Ａ、図４Ｂ）に４ショットのレーザパル
スを入射させる例を示したが、１つの加工点４５に入射させるショット数は４ショットに限らない。加工に必要なショット数は、加工対象物１３の材料及び厚さに依存する。フォーカス面を移動させる上述の実施例１は、１つの加工点４５に複数ショットのレーザパルスを入射させる場合に有効である。

［実施例２］
図６に、実施例２によるレーザ加工方法のフローチャートを示す。以下、実施例１との相違点について説明し、同一の構成及び工程については説明を省略する。実施例１では、１つのスキャンエリア１４の加工が終了した後に、次に加工すべきスキャンエリア１４の加工を行った。実施例２では、すべてのスキャンエリア１４に対して、１ショット目のレーザパルスを入射させる。すべてのスキャンエリア１４に対して１ショット目のレーザパルスの入射が終了した後、次のショットのレーザパルスの入射を、すべてのスキャンエリア１４に対して行う。

まず、ステップＳＢ１において、ショット番号を初期設定する。具体的には、ショット番号を「１」とする。ステップＳＢ２において、フォーカス面の高さを調整する。１ショット目の加工を行う場合には、図４Ａに示したように、フォーカス面ＦＳ１の高さを加工対象物１３の表面に一致させる。

ステップＳＢ３において、１ショット目のレーザパルスの入射が行われていないスキャンエリア１４を走査可能範囲に配置する。ステップＳＢ４において、走査可能範囲に配置されたスキャンエリア１４内の加工点に、順番に１ショット目のレーザパルスを入射させる。ステップＳＢ５において、すべてのスキャンエリア１４への１ショット目のレーザパルスの入射が終了したか否かを判定する。未終了のスキャンエリア１４が残っている場合には、ステップＳＢ３に戻って、未終了のスキャンエリア１４の処理を行う。

すべてのスキャンエリア１４への１ショット目のレーザパルスの入射が終了した場合には、ステップＳＢ６において、必要ショット数の入射が終了したか否かを判定する。入射ショット数が、必要ショット数よりも少ない場合には、ステップＳＢ７においてショット番号を更新した後、ステップＳＢ２に戻る。ステップＳＢ２からステップＳＢ５までの工程において、すべてのスキャンエリア１４のすべての加工点４５に対して、次の１ショットのレーザパルスを入射させる。ステップＳＢ７においては、具体的にはショット番号に「１」を加える。

スッテプＳＢ６で、必要ショット数の入射が終了したと判定された場合には、レーザ加工を終了する。

実施例２においても、ステップＳＢ２で、ショットごとにフォーカス面の高さを調整している。このため、実施例１と同様に、加工対象物１３の表面に対してほぼ垂直な穴を形成することができる。

［実施例３］
図７に、実施例３によるレーザ加工方法で加工される穴の断面図を示す。以下、実施例１との相違点について説明し、同一の構成及び工程については説明を省略する。実施例１では、図４Ｂに示したように、レーザパルスの１ショットごとにフォーカス面を下降させたが、必ずしも１ショットごとにフォーカス面を下降させる必要はない。

図７に示したように、実施例３では、１ショット目と２ショット目のレーザパルスＬＰ１、ＬＰ２を入射させるときには、フォーカス面ＦＳ１を、加工対象物１３の表面に一致させる。３ショット目と４ショット目のレーザパルスＬＰ３、ＬＰ４を入射させるときに
は、フォーカス面ＦＳ３を、２ショット目のレーザパルスＬＰ２の照射後の穴４６の底面に一致させる。

２ショット目及び４ショット目のレーザパルスＬＰ２、ＬＰ４の中心光線は、１ショット目のレーザパルスＬＰ１の中心光線の入射位置からややずれた位置で、穴４６の底面に達する。ただし、３ショット目のレーザパルスＬＰ３の中心光線が穴４６の底面に入射する位置は、１ショット目のレーザパルスＬＰ１の中心光線の入射位置とほぼ一致する。このため、フォーカス面を加工対象物１３の表面に固定して加工する場合に比べて、穴４６の傾斜を程度を軽減することができる。

より一般的には、最初のショットから最後のショットまでの間に、少なくとも１回、フォーカス面を下降させることにより、フォーカス面を固定して加工する場合に比べて、穴の傾斜の程度を軽減することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０基台
１１ステージ移動機構
１２ステージ
１３加工対象物
１４スキャンエリア
２０レーザ光源
２１ビームエキスパンダ
２２マスク
２３レンズ
２４ベンディングミラー
２５ビーム走査器
２６ｆθレンズ
２７フォーカス面移動機構
３０制御装置
４０基板
４１内層の銅パターン
４２樹脂膜
４３表層の銅膜
４５加工点
４６穴
４７マスク位置のビーム断面形状の像

Claims

加工対象物を保持するステージと、
パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームを走査するビーム走査器と、
前記ステージと前記ビーム走査器との間のレーザビームの経路上に配置されたテレセントリックｆθレンズと、
前記ステージに保持された前記加工対象物の表面に対して、前記テレセントリックｆθレンズのフォーカス面の高さを変化させるフォーカス面移動機構と、
前記レーザ光源、前記ビーム走査器、及び前記フォーカス面移動機構を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記ビーム走査器及び前記レーザ光源を制御して、前記加工対象物の表面に画定された複数の加工点の各々に、少なくとも１つの第１の加工点に入射するレーザパルスの中心光線が、前記加工対象物の表面に対して傾斜する条件で、複数のレーザパルスを入射させて穴を形成し、
前記第１の加工点に入射する複数の前記レーザパルスの中心光線の入射位置が、前記加工対象物の面内に関して同じ位置で、前記穴の底面に入射するように、前記加工点の各々に入射するレーザパルスの最初のショットから最後のショットまでの間に、少なくとも１回、前記フォーカス面移動機構を制御して、前記フォーカス面の高さを変えるレーザ加工装置。
前記制御装置は、前記加工点の各々について、前記フォーカス面が低くなるように前記フォーカス面移動機構を制御する請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記制御装置は、前記フォーカス面の移動量を記憶しており、前記加工点の各々に入射するレーザパルスのショット間で前記フォーカス面を移動させる距離を、記憶されている前記移動量と等しくする請求項２に記載のレーザ加工装置。
前記加工対象物の表面に、前記ビーム走査器で走査可能な大きさを有する複数のスキャンエリアが画定されており、
前記制御装置は、
前記ビーム走査器で走査可能な走査可能範囲内に、前記スキャンエリアの１つを配置して、前記走査可能範囲内に配置された前記スキャンエリアの前記複数の加工点に、１ショットずつレーザパルスを入射させ、
その後、前記フォーカス面を下降させ、
前記フォーカス面を下降させた後、前記走査可能範囲内に配置された前記スキャンエリア内の前記複数の加工点に、次のショットのレーザパルスを入射させる請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
前記制御装置は、
前記スキャンエリア内の複数の前記加工点に、１ショットずつ順番にレーザパルスを入射させる処理を、複数の前記スキャンエリアについて順番に実行し、
その後、前記フォーカス面を下降させ、
前記フォーカス面を下降させた後、前記スキャンエリア内の複数の前記加工点に、次のショットのレーザパルスを１ショットずつ順番に入射させる処理を、前記複数のスキャンエリアについて順番に実行する請求項４に記載のレーザ加工装置。
パルスレーザビームを、ビーム走査器及びテレセントリックｆθレンズを経由して、加工対象物の加工点に、前記パルスレーザビームの中心光線が前記加工対象物の表面に対して傾斜する条件で入射させて凹部を形成する工程と、
前記凹部を形成した後、前記加工点に入射する前記パルスレーザビームの中心光線の入射位置が、前記加工対象物の面内に関して同じ位置で、既に形成されている前記凹部の底面に入射するように、前記テレセントリックｆθレンズのフォーカス面を下降させる工程と、
前記フォーカス面を下降させた後、前記ビーム走査器及び前記テレセントリックｆθレンズを経由して、前記凹部にレーザパルスを入射させて、前記凹部を深くする工程と
を有するレーザ加工方法。
前記フォーカス面を下降させる工程において、前記フォーカス面を下降させる前の前記凹部の底面に前記フォーカス面が一致するように、前記フォーカス面を下降させる請求項６に記載のレーザ加工方法。