JP6584053B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビームプロファイルを調整してレーザ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。

下記の特許文献１に、半導体基板上のヒューズをレーザビームで切断するレーザ加工装置が開示されている。レーザ光源から出力されたレーザビームのビーム断面が可変アパーチャによって最適な形状に切り替えられる。加工対象物を保持するステージの端部にエネルギメータが置かれており、エネルギメータでレーザビームのエネルギがモニタされる。レーザビームのエネルギが目標値になるように、光量可変部でレーザ光量が調整される。

下記の特許文献２に、プリント基板に穴あけを行うレーザ加工装置が開示されている。レーザ光源から出力されたレーザビームが、ビームエキスパンダでビーム径を拡大された後、アパーチャ（マスク）でビーム断面形状が整形される。アパーチャを加工対象物上に結像させることにより、穴あけ加工が行われる。

特開平１１−１９７８８号公報 特開２０１３−１６９５５９号公報

穴開け加工を行う場合、パルスエネルギのみならず、ビームプロファイルも加工品質、例えば真円度等に影響を及ぼす。レーザ加工装置の初期調整時に、レーザビームのビームプロファイルをビームプロファイラで観察ながら、ビームプロファイルの調整が行われる。一般的には、レーザ加工装置の初期調整が終了すると、ビームプロファイラが取り外される。このため、レーザ加工装置の運転が開始された後は、ビームプロファイルを測定することが困難である。

本発明の目的は、ビームプロファイラのような大型の計測器を用いることなく、レーザビームのビームプロファイルを測定し、高い加工品質を維持することが可能な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、
レーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザビームのビーム径を変化させるビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームの経路内に配置され、透過領域の面積が可変のアパーチャと、
前記アパーチャを通過したレーザビームを加工対象物まで導光する導光光学系と、
前記アパーチャを通過したレーザビームのパワーを測定するパワーメータと、
前記アパーチャ及び前記ビームエキスパンダを制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記アパーチャの前記透過領域の面積と、前記パワーメータの測定結果との対応関係に基づいて、前記対応関係が許容範囲に収まるように前記ビームエキスパンダを制御して、前記ビーム径を変化させ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、
レーザビームの経路に、レーザビームのビーム径を変化させるビームエキスパンダ、及びアパーチャを配置し、前記アパーチャを通過したレーザビームのパワーを測定する第１工程と、
前記アパーチャの前記透過領域の面積と、前記レーザビームのパワーとの対応関係が、許容範囲内か否かを判定する工程と、
前記アパーチャの前記透過領域の面積と、前記レーザビームのパワーとの対応関係が、前記許容範囲から外れていると判定された場合には、前記ビームエキスパンダを調整してビーム径を変化させた後、前記第１工程に戻る工程と、
前記アパーチャの前記透過領域の面積と、前記レーザビームのパワーとの対応関係が、前記許容範囲内であると判定された場合には、前記アパーチャを通過したレーザビームでレーザ加工を行う工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

アパーチャの透過領域の面積を変化させてレーザビームのパワーを測定することにより、ビームプロファイルに関する情報を得ることができる。この情報に基づいて、ビームエキスパンダを制御することにより、ビームプロファイルを許容範囲内に収めることができる。

図１は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２は、アパーチャの回転板の正面図である。 図３は、実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う手順のフローチャートである。 図４は、アパーチャの透過領域の面積と、レーザビームのパワーとの対応関係を示すグラフである。 図５Ａは、アパーチャの複数の透過領域を、その中心を一致させて重ねた状態を示す図であり、図５Ｂは、アパーチャが配置されている位置におけるビーム中心からの距離ｒと、パワー密度ＰＤとの関係を示すグラフである。

図１に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。実施例によるレーザ加工装置は、例えばプリント基板の穴あけ加工に用いられる。レーザ光源１０から加工対象物３０までのレーザビームの経路上に、ビームエキスパンダ１１、非球面レンズ１２、アパーチャ１３、及び導光光学系２０が配置されている。導光光学系２０は、折り返しミラー１５、ビーム走査器１６、及び対物レンズ１７を含む。レーザ光源１０は、制御装置２５の制御の下で、パルスレーザビームを出力する。レーザ光源１０には、例えば炭酸ガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等が用いられる。

ビームエキスパンダ１１が、制御装置２５から制御されて、レーザビームのビーム径及び広がり角を変化させる。ビームエキスパンダ１１を通過したレーザビームのビームプロファイル４０は、ガウシアン分布で近似される。非球面レンズ１２は、アパーチャ１３の位置におけるビームプロファイル４１を均一に近づける機能を有する。アパーチャ１３は、レーザビームの透過領域１３Ｃの面積を変化させることができる。具体的には、アパーチャ１３は、大きさの異なる複数の透過領域１３Ｃが形成された回転板１３Ａと、モータ１３Ｂとを含む。モータ１３Ｂは、制御装置２５からの制御により、回転板１３Ａの回転方向の姿勢を変化させる。

図２に、回転板１３Ａの正面図を示す。回転中心１３Ｄを中心とする円周に沿って、大きさの異なる複数の透過領域１３Ｃが配置されている。複数の透過領域１３Ｃの各々は円
形であり、回転板１３Ａを回転させることにより、１つの透過領域１３Ｃをレーザビームの経路内に配置することができる。このとき、レーザビームの経路内に配置された透過領域１３Ｃの中心が、レーザビームの中心軸に一致する。

図１に戻って説明を続ける。アパーチャ１３を透過したレーザビームが、折り返しミラー１５で下方に向けて偏向される。折り返しミラー１５で偏向されたレーザビームが、ビーム走査器１６及び対物レンズ１７を経由して、加工対象物３０に入射する。ビーム走査器１６は、制御装置２５によって制御されて、レーザビームを二次元方向に走査する。ビーム走査器１６には、例えば一対のガルバノスキャナが用いられる。対物レンズ１７には、例えばｆθレンズが用いられる。対物レンズ１７は、アパーチャ１３の透過領域１３Ｃを加工対象物３０の表面に縮小投影する。

加工対象物３０は、ステージ１８に保持されている。移動機構１９を動作させることにより、ステージ１８に保持された加工対象物３０を、その表面に平行な二次元方向に移動させることができる。移動機構１９は、制御装置２５により制御される。ステージ１８にパワーメータ２３が取り付けられている。ステージ１８を移動させることにより、レーザビームをパワーメータ２３に入射させることができる。パワーメータ２３は、入射するレーザビームの平均パワーを測定し、測定結果を制御装置２５に送信する。

図３に、実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う手順のフローチャートを示す。これらの手順は、制御装置２５からの指令により実行される。ステップＳ１において、レーザビームが、パワーメータ２３（図１）に入射するように、ビーム走査器１６及び移動機構１９を調整する。ステップＳ２において、アパーチャ１３を調整し、１つの透過領域１３Ｃ（図２）を、レーザビームの経路内に配置する。

ステップＳ３において、レーザ光源１０からパルスレーザビームを出力させ、パワーメータ２３でレーザビームの平均パワーを測定する。測定結果が制御装置２５に入力される。ステップＳ４において、測定終了か否かを判定する。アパーチャ１３のすべての透過領域１３Ｃについて、パワーの測定が終了した場合には、測定終了と判定される。測定が終了していない場合には、ステップＳ５において、アパーチャ１３の回転板１３Ａを回転させて、次に測定すべき透過領域１３Ｃをレーザビームの経路内に配置する。その後、ステップＳ３に戻って、レーザビームのパワーを測定する。なお、必ずしもすべての透過領域１３Ｃについてパワーを測定する必要はない。一部の透過領域１３Ｃについてのみ、パワーを測定してもよい。

ステップＳ４で測定終了と判定された場合には、ステップＳ６において、アパーチャ１３の透過領域１３Ｃの面積と、測定されたレーザビームのパワーとの対応関係が許容範囲内か否かを判定する。

図４を参照して、ステップＳ４の判定処理について説明する。図４は、アパーチャ１３の透過領域１３Ｃの面積と、レーザビームのパワーとの対応関係を示す。横軸は、アパーチャ１３の透過領域１３Ｃの面積を表し、縦軸はパワーを表す。透過領域１３Ｃに、面積の小さい方から順番に通し番号を付し、ｉ番目の透過領域１３Ｃの半径をｒ（ｉ）で表すと、ｉ番目の透過領域１３Ｃの面積はπ×ｒ（ｉ）^２で表される。

ビームプロファイルが完全に平坦であれば、対応関係Ｐ０のように、透過領域１３Ｃの面積がビーム断面の面積Ａより小さい範囲において、パワーが透過領域１３Ｃの面積に比例する。透過領域１３Ｃの面積がビーム断面の面積Ａより大きい範囲では、パワーは透過領域１３Ｃの面積に依存せず、一定である。透過領域１３Ｃの種々の面積において、パワーの許容範囲Ｒａの下限値Ｐｍｉｎ及び上限値Ｐｍａｘが定義されている。この許容範囲
Ｒａ内は、理想的な対応関係Ｐ０を含んでいる。

ステップＳ６（図３）において、アパーチャ１３の透過領域１３Ｃの面積と、パワーとの対応関係が、許容範囲Ｒａ（図４）に収まっていると判定された場合には、ステップＳ８において、レーザ加工を実行する。ステップＳ６において、アパーチャ１３の透過領域１３Ｃの面積と、パワーとの対応関係が、許容範囲Ｒａ（図４）から外れていると判定された場合には、ステップＳ７において、ビームエキスパンダ１１（図１）を調整した後、ステップＳ２に戻る。

図４に、許容範囲Ｒａから外れている例として、対応関係Ｐ１が示されている。透過領域１３Ｃの面積がビーム断面の面積Ａよりも小さい領域において、対応関係Ｐ１のパワーが、理想的な対応関係Ｐ０のパワーより大きくなっている。これは、ビームプロファイルが均一化されておらず、ビーム断面の中心のパワー密度が周辺のパワー密度より高いことを表している。

ステップＳ７においてビームエキスパンダ１１（図１）を調整することにより、ビームエキスパンダ１１を透過したレーザビームの広がり角、及び非球面レンズ１２（図１）の位置におけるビーム径を変化させる。非球面レンズ１２の位置におけるビーム径とビーム広がり角が変化すると、アパーチャ１３（図１）の位置におけるビームプロファイルが変化する。なお、レーザビームの広がり角を一定にし、ビーム径のみを変化させてもよい。

ビームプロファイルを変化させて、ステップＳ２からステップＳ６までの手順を実行することにより、変化後のビームプロファイルが許容範囲Ｒａ（図４）に収まっているか否かを判定することができる。ビームプロファイルが許容範囲Ｒａ（図４）に収まるまで、ビームエキスパンダ１１の調整を行う。

上記実施例のステップＳ１からステップＳ６までの手順は、レーザ加工を行う度に実施する必要はない。例えば、真円度等の加工品質の低下が観察され始めたときに、ステップＳ１からステップＳ６までの手順を実行してもよいし、ある決められた運転時間が経過する度に、定期的に実行してもよい。上記実施例では、大型で、かつ高価なビームプロファイラを使用することなく、ビームプロファイルを調整することができる。

次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、ステップＳ１からステップＳ６までの手順で得られたアパーチャ１３の透過領域１３Ｃの面積とパワーとの対応関係に基づいて、ビームプロファイルを求める方法について説明する。

図５Ａに、アパーチャ１３（図２）の複数の透過領域１３Ｃを、その中心を一致させて重ねた状態を示す。小さな透過領域１３Ｃからｉ番目の半径をｒ（ｉ）で表す。半径ｒ（ｉ）の透過領域１３Ｃを透過したときにパワーメータ２３（図１）で測定されたレーザビームのパワーをＰ（ｉ）で表す。半径ｒ（ｉ）の円周と半径ｒ（ｉ＋１）の円周との間の円環状の領域のパワー密度ＰＤ（ｉ，ｉ＋１）は、以下の式で求められる。

なお、パワーＰ（０）は、透過領域１３Ｃの半径が０、すなわちビーム断面の全域が遮
光されている場合のパワーを表し、Ｐ（０）＝０である。

図５Ｂに、アパーチャ１３が配置されている位置におけるビーム中心からの距離ｒと、パワー密度ＰＤとの関係を示す。距離ｒがｒ（ｉ）とｒ（ｉ＋１）との間の領域のパワー密度がＰＤ（ｉ，ｉ＋１）で与えられる。すべてのｉについてパワー密度ＰＤ（ｉ，ｉ＋１）を求めることにより、ビームプロファイルに関する情報が得られる。

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 レーザ光源
１１ ビームエキスパンダ
１２ 非球面レンズ
１３ アパーチャ
１３Ａ 回転板
１３Ｂ モータ
１３Ｃ 透過領域
１３Ｄ 回転中心
１５ 折り返しミラー
１６ ビーム走査器
１７ 対物レンズ
１８ ステージ
１９ 移動機構
２０ 導光光学系
２３ パワーメータ
２５ 制御装置
３０ 加工対象物
４０、４１ ビームプロファイル

Claims (5)

1. レーザビームを出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザビームのビーム径を変化させるビームエキスパンダと、
   前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームの経路内に配置され、透過領域の面積が可変のアパーチャと、
   前記アパーチャを通過したレーザビームを加工対象物まで導光する導光光学系と、
   前記アパーチャを通過し、前記加工対象物に入射するレーザビームのパワーを前記加工対象物の加工位置で測定するパワーメータと、
   前記アパーチャ及び前記ビームエキスパンダを制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記アパーチャを通過し、前記加工対象物に入射するレーザビームのパワーを前記加工対象物の加工位置で前記アパーチャの透過領域を異なる面積に変更して複数回繰り返し測定し、
   前記アパーチャの透過領域中心からの距離に対応するパワー密度を算出し、前記アパーチャの前記透過領域の面積と、前記パワーメータの測定結果との対応関係に基づいて、前記対応関係が許容範囲に収まるように前記ビームエキスパンダを制御して、前記ビーム径を変化させるレーザ加工装置。
2. 前記アパーチャの前記透過領域は、前記レーザビームの中心軸を中心とする円形である請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. さらに、前記ビームエキスパンダと前記アパーチャとの間に配置された非球面レンズを有し、
   前記非球面レンズは、前記アパーチャの位置におけるビームプロファイルを均一に近づける請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. レーザビームの経路に、レーザビームのビーム径を変化させるビームエキスパンダ、及びアパーチャを配置し、前記アパーチャを通過し、加工対象物に入射するレーザビームのパワーを当該加工対象物の加工位置で前記アパーチャの透過領域を異なる面積に変更して複数回パワーメータで測定する第１工程と、
   前記アパーチャの透過領域中心からの距離に対応するパワー密度を算出し、前記アパーチャの前記透過領域の面積と、前記レーザビームのパワーとの対応関係が、許容範囲内か否かを判定する工程と、
   前記アパーチャの前記透過領域の面積と、前記レーザビームのパワーとの対応関係が、前記許容範囲から外れていると判定された場合には、前記ビームエキスパンダを調整してビーム径を変化させた後、前記第１工程に戻る工程と、
   前記アパーチャの前記透過領域の面積と、前記レーザビームのパワーとの対応関係が、前記許容範囲内であると判定された場合には、前記アパーチャを通過したレーザビームでレーザ加工を行う工程と
   を有するレーザ加工方法。
5. 前記アパーチャの前記透過領域は、前記レーザビームの中心軸を中心とする円形である請求項４に記載のレーザ加工方法。

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