JP5953198B2 - 極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置及び形成方法 - Google Patents
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Description
一方、省資源に貢献する微量な潤滑材を充分に活用するためのオイル・プール・メカニズムは、特異な2次元あるいは3次元形状パターンが必要となる。
上記の2つの応用展開でも明らかなように、光学設計及び潤滑メカニズム設計が求める特徴的な多次元パターンを形成できる技術が必須であり、本発明の技術もその点を目指している。
(1) 微細ピンホール加工、高アスペクト比(孔径に比較して深い貫通孔)孔加工などの1次元加工技術。
(2) 電子回路の直接加工描画、周期溝パターン、周期孔パターンなどの2次元加工技術。
(3) フレネルパターンなどの回折格子パターン、DOEなどの3次元加工技術。
例えば、半導体検査に使用されるプローブカード用基板は、マシナブルセラミックスに機械加工で、プローブと呼ばれる探針を固定する孔(φ40μm〜φ100μm)を数千孔/枚加工してきた。
しかし、最新のバーインテストでの高温化(125℃〜150℃)に伴い、シリコンに膨張係数を近づけた高硬度材(ファインセラミックス)に、より微細な孔(Φ30μm〜)を数千個レーザで加工する必要性が複数の半導体検査用プローブカードメーカーから寄せられている。
また、同様に小径(Φ60μm〜Φ140μm)の金属パイプにスプリング機能を持たせたプローブピンの要求も高まっている。
この間、多くのレーザ媒質の発見、波長変換技術・短パルス化技術の発展により、現在は、高出力・高速化・高精度化が特徴となっており、当初の熱加工の代替技術から、微細加工(超微細加工)を含めたマイクロ加工の時代に突入している。
例えば、前者では、YAG第3高調波、後者では、従来のナノ秒レーザに加え、ピコ秒レーザやフェムト秒レーザが発表されている。
また、ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザについても、生産レベルの精度と加工特性を実証できる産業界向け量産化技術には未だ達していなかった。
以下に、レーザ発振器12の特性を例示する。
(1) レーザ波長
基本波:1030nm
2倍波: 515nm(波長変換器使用時)
(2) レーザ出力
基本波:50W
2倍波:30W(波長変換器使用時)
(3) パルスエネルギ
基本波:250μJ/P
2倍波:125μJ/P(波長変換器使用時)
(4) 最大発振繰り返し数:200kHz
(5) パルス幅:8〜10ps
なお、レーザ発振器12の特性は上記に限定されるものではない。また、レーザ発振器12として、フェムト秒レーザ発振器を用いることもできる。
また、入射角度調整用光学系28におけるウェッジプリズム26a, 26bのウェッジ角を適宜調整することにより、レーザビームのワークに対する入射角度を加減することが可能となる。
さらに、回転半径調整用光学系32におけるウェッジプリズム30a, 30bのウェッジ角を適宜調整することにより、レーザビームのワークにおける回転半径を加減することが可能となる。
すなわち、市場に多く出回っている集光光学系は、複数のレンズを組合わせて各収差をとるように設計されているが、ビームローテータを用いる場合、複数レンズを組合わせたレンズを使用すると、設計値通りに回転半径、傾きを得ることが難しくなってしまう。
これに対し、グラディウムレンズは、屈折率の異なるガラス素材を高温で溶融接合し、1枚の多層ガラス基材とし、これを非球面に仕上られた型で整形することでレンズにしたものであり、1枚で収差のないレンズを得ることができる。
そして、このビームエキスパンダ16によってビーム径が縮小されたレーザビームLは、第2の反射ミラー24bで反射されてビームローテータ18に入射し、必要な入射角度及び回転半径に偏向される。
このガルバノスキャナ36によって必要方向に必要量偏向されたレーザビームLは、プロジェクションレンズ38を介してワークαの表面に結像される。
これに対し、通常のビームローテータを用いて同じ加工を行うと、図2(b)に示すように、ダレ46の面積が縮小すると共に、開口部44の形状も比較的整ったものとなる。
しかも、アスペクト比(口径に対する深さの割合)が10倍以上の深い孔を形成することが可能となる。
なお、ワークαの表面に形成される開口部の形状としては、特に真円に限定されるものではなく、ディンプル(半球型、円錐)や溝であってもよい。
図5はその一例を示すものであり、レーザ加工ヘッド20と加工テーブル40の部分を中心に描かれているが、多次元パターン形成装置10としては上記と同様、レーザ発振器12、波長変換器14、ビームエキスパンダ16、ビームローテータ18、第1の反射ミラー24a〜第5の反射ミラー24eを備えている。
このワーク保持装置60は、本体部62とワーク固定用腕部64を備えており、このワーク固定用腕部64は、回転軸66を中心に上下に回転できるように、本体部62に軸着されている。また、本体部62内には、ワーク固定用腕部64の回転機構(ステッピングモータやドライバ回路等)が設けられている。
このチャック68は、ワーク固定用腕部64内に設けられた回転機構(ステッピングモータやドライバ回路等)により、ワーク70と共に任意の方向に任意の角度で回転可能となされている。
すなわち、ワーク保持装置60のチャック68の回転制御及びワーク固定用腕部64の角度制御は、PC72から出力される制御信号に基づいて、実行される。
同様に、レーザ発振器12からのレーザビームの出射やビームローテータ18の回転、加工テーブル40のXY方向への移動、ガルバノスキャナ36の角度調整、加工ヘッド20の上下移動も、PC72からの制御信号に従って制御される。
このリバースエンジニアリングデータ74に基づいて、PC72上に起動された専用プログラムがワーク70の輪郭データ等を抽出し、これに各種パラメータ(各ディンプルの径や深さ、ピッチ等)を適用することにより、装置10の各部の動作を制御するための制御データが生成される。
また、ワーク70の傾斜角度を変位させる傾斜角度調整機構(ワーク固定用腕部64の回転機構)を備えているため、ワーク70の傾斜角度を制御すると共に、レーザのパワーやショット数、周波数を調整することにより、部分的に形状や深さの異なる凹部を容易に形成可能となる。
12 レーザ発振器
14 波長変換器
16 ビームエキスパンダ
18 ビームローテータ
20 加工ヘッド
22 加工ステージ
24a 第1の反射ミラー
24b 第2の反射ミラー
24c 第3の反射ミラー
24d 第4の反射ミラー
24e 第5の反射ミラー
26a 入射角度調整用光学系のウェッジプリズム
26b 入射角度調整用光学系のウェッジプリズム
28 入射角度調整用光学系
30a 回転半径調整用光学系のウェッジプリズム
30b 回転半径調整用光学系のウェッジプリズム
32 回転半径調整用光学系
34 集光光学系
36 ガルバノスキャナ
38 プロジェクションレンズ
40 加工テーブル
42 回転軸
44 開口部
46 ダレ
48 凹部
50 傾斜面
52 凹部
54 垂直面
56 傾斜面
58 四角錐台形状の微細凹部
60 ワーク保持装置
62 本体部
64 ワーク固定用腕部
66 回転軸
68 チャック
70 丸棒状ワーク
72 PC
74 リバースエンジニアリングデータ
76 ディンプル
Claims (5)
- 極短パルスレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出射されたレーザビームのワークに対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームのワークにおける回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、
ガルバノスキャナ及びレンズを有する加工ヘッドと、
この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構と、
ワークを載置する加工テーブルと、
この加工テーブルを必要量上下動させる上下動駆動機構と、
この加工テーブルを必要量回転させる回転駆動機構とを備え、
さらに、上記ビームローテータの集光光学系が、無収差レンズよりなることを特徴とする極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置。 - 請求項1に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置を用いた多次元パターン形成方法であって、
上記加工ヘッドの上下動と加工テーブルの上下動を組み合わせることにより、ワーク表面に垂直面と傾斜面が混在した四角錐台形状の凹部を形成することを特徴とする極短パルスレーザによる多次元パターン形成方法。 - 極短パルスレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出射されたレーザビームのワークに対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームのワークにおける回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、
ガルバノスキャナ及びレンズを有する加工ヘッドと、
この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構と、
少なくとも一端が固定された丸棒状のワークを、その軸を中心に任意の方向に任意の角度で回転させるワーク回転機構とを備え、
さらに、上記ビームローテータの集光光学系が、無収差レンズよりなることを特徴とする極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置。 - 上記ワークの傾斜角度を変位させる傾斜角度調整機構を備えたことを特徴とする請求項3に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置。
- 上記極短パルスレーザ発振器が、ピコ秒レーザ発振器であることを特徴とする請求項1、3、4の何れかに記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置。
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