JP6910086B1 - レーザ加工装置、レーザ加工システム、ローテータユニット装置、レーザ加工方法、及び、プローブカードの生産方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 正確な孔の形状で穿孔可能なレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ発振部１１、偏光ローテータ部１３、ビームローテータ部１４、集光光学系１５、回転駆動部（第１のモータ１３２、第２のモータ１４２）、及び、制御部１８を含み、偏光ローテータ部１３は、波長板１３１、及び、第１の回転機構１３４を含み、第１の回転機構１３４は、波長板１３１を回転可能であり、ビームローテータ部１４は、照射角度調整光学系、及び、第２の回転機構１４４を含み、第２の回転機構１４４は、照射角度調整光学系を回転可能であり、回転駆動部は、第１の回転機構１３４及び第２の回転機構に１４４回転駆動力を供給し、制御部１８は、第１の回転機構１３４及び第２の回転機１４４構の回転速度比を制御可能であり、回転速度比の制御により、レーザ光の偏光状態を調整可能である、レーザ加工装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工装置、レーザ加工システム、ローテータユニット装置、レーザ加工方法、及び、プローブカードの生産方法に関する。

金属、樹脂、及びセラミック等の各種材料に対しレーザ加工装置を用いた微細加工が実施されている。例えば、特許文献1では、レーザ反射光の影響を低減し、穿孔加工を高精度で実施できるレーザ加工装置が、開示されている。

特開２００９−２３３７１４号公報

レーザ加工において、加工対象物に穿孔する場合、孔の形状の正確性が求められている。例えば、孔の形状において、レーザ光の入射側と出射側においてサイズ及び形状に相違が無く、また、孔の内壁はテーパでなくストレートであり、そして、四角形の孔の場合は、四角の四隅が丸くなく直角形状であること等が求められている。

そこで、本発明は、正確な形状の微細加工が可能なレーザ加工装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、
レーザ発振部、偏光ローテータ部、ビームローテータ部、集光光学系、回転駆動部、及び、制御部を含み、
前記レーザ発振部は、直線偏光のレーザ光を出射可能であり、
前記レーザ発振部から出射されたレーザ光は、前記偏光ローテータ部、前記ビームローテータ部及び前記集光光学系を経て、加工対象物に照射可能であり、
前記偏光ローテータ部は、波長板、及び、第１の回転機構を含み、
前記波長板は、前記レーザ光の偏光方向を変更するものであり、
前記第１の回転機構は、前記波長板を回転可能であり、
前記ビームローテータ部は、照射角度調整光学系、及び、第２の回転機構を含み、
前記照射角度調整光学系は、入射するレーザ光を偏心させて出射し、前記集光光学系に対し当該光学系の中心軸から偏心した位置に入射させることで、前記加工対象物に対する前記レーザ光の照射角度を調整可能であり、
前記第２の回転機構は、前記照射角度調整光学系を回転可能であり、
前記集光光学系は、前記レーザ光を前記加工対象物に集光可能であり、
前記回転駆動部は、前記第１の回転機構及び第２の回転機構に回転駆動力を供給し、
前記制御部は、前記第１の回転機構及び前記第２の回転機構の回転速度比を制御可能であり、
前記回転速度比の制御により、前記レーザ光の偏光状態を調整可能である、
という装置である。

本発明のレーザ加工装置によれば、正確な形状の微細加工が可能となる。

図１は、本発明のレーザ加工装置の構成の一例を示す構成図である。 図２は、偏光ローテータの構成の一例を示す構成図である。 図３は、ビームローテータの構成の一例を示す構成図である。 図４は、ビームローテ―タの機能を説明する説明図である。 図５は、ビームローテータの機能を説明する説明図である。 図６は、本発明において、同期制御の一例を示す構成図である。 図７は、本発明において、位相差の制御を説明する説明図である。 図８は、本発明において、位相差の制御を説明する説明図である。 図９は、本発明において、位相差の制御を説明する説明図である。 図１０は、本発明のレーザ加工装置におけるレーザ光の偏光状態の例を示す図である。 図１１は、レーザ加工の原理を説明する説明図である。 図１２は、偏光の種類の相違による吸収率の差を説明する説明図である。 図１３は、レーザ加工により四角形状の孔を穿孔する一例を示す図である。 図１４は、偏光パターンの違いによる切断加工状態を示す図である。 図１５は、本発明の実施例によるレーザ加工状態を示す写真と、比較例によるレーザ加工状態を示す写真である。 図１６は、本発明において、ガルバノスキャナの走査軌跡を説明する図である。 図１７は、ガルバノスキャナの走査軌跡とレーザ加工状態を示す図である。

本発明の装置において、前記ビームローテータ部は、さらに回転半径調整光学系を有し、
前記回転半径調整光学系は、入射するレーザ光を入射光軸に対して傾斜させ、前記集光光学系に対して斜めに入射させ、前記加工対象物に対する前記レーザ光の照射位置を円環状に走査する、という態様であってもよい。

本発明の装置において、前記回転駆動部は、前記第１の回転機構及び第２の回転機構に対して、それぞれ個別に回転駆動力を供給する第１、第２のモータを含み、前記制御部は、前記二つのモータを同期して駆動するモータ制御部を有する、という態様であってもよい。

本発明の装置において、前記波長板は、例えば、λ／２板又はλ／４板であり、好ましくはλ／２板である。

本発明の装置は、前記第１の回転機構の回転速度（Ｘ）と前記第２の回転機構の回転速度（Ｙ）との前記回転速度比（Ｘ：Ｙ）を所定の値にすることにより所望の偏光パターン（形状）を作り出すことができる。前述のように、前記第１の回転機構は、前記偏光ローテータ部が含む前記波長板を回転可能であり、前記第２の回転機構は、前記ビームローテータ部が含む前記照射角度調整光学系を回転可能であることから、以下の説明において、「第１の回転機構の回転速度（Ｘ）」は、「偏光ローテータの回転速度（Ｘ）」ともいい、「第２の回転機構の回転速度（Ｙ）」は、「ビームローテータの回転速度（Ｙ）」ともいう。例えば、穿孔する孔の形状が四角形である場合、前記制御部は、前記回転速度比（Ｘ：Ｙ）を１．５：１、−０．５：１、又は０．５：１に設定することが好ましい。前記回転速度比（Ｘ：Ｙ）が、１．５：１、又は、−０．５：１であれば、レーザ光の偏光状態を四角偏光パターンにすることが可能である。また、前記回転速度比（Ｘ：Ｙ）が、０．５：１であれば、レーザ光の偏光状態を、ラジアル偏光パターンにすることが可能である。より具体的には、前記偏光状態を、ビームが回転する円形軌跡上のいずれの場所においても偏光方向が前記軌跡に対して放射方向となるラジアル偏光パターンとすることが可能である。なお、前記回転速度比（Ｘ：Ｙ）が、プラス（＋）：プラス（＋）の場合は、前記第１の回転機構の回転方向及び前記第２の回転機構の回転方向が同じ方向であることを示し、マイナス（−）：プラス（＋）の場合は、前記第１の回転機構の回転方向及び前記第２の回転機構の回転方向が逆方向であることを示す。なお、プラスとマイナスは、自由に定義してよく、例えば、反時計回り（左回り）をプラスとし、時計回り（右回り）をマイナスとしてもよく、その逆でもよい。

本発明の装置において、前記制御部は、さらに、前記第１の回転機構及び前記第２の回転機構の回転位相差を制御可能であり、前記第１の回転機構の第１の初期位置は、前記レーザ光の偏光方向と前記波長板の速軸方向とが一致する回転角度であり、前記第２の回転機構の第２の初期位置は、前記レーザ光の偏光方向と前記ビームローテータ部のビーム偏心方向が一致する回転角度であり、前記回転位相差は、前記第１の初期位置と第２の初期位置の位相差である、という態様であってもよい。前述のように、前記第１の回転機構は、前記偏光ローテータ部が含む前記波長板を回転可能であり、前記第２の回転機構は、前記ビームローテータ部が含む前記照射角度調整光学系を回転可能であることから、以下の説明において、「第１の回転機構及び第２の回転機構の回転位相差」は、例えば、「波長板及び前記ビームローテータ部の回転位相差」又は、「偏光ローテータ及びビームローテータの回転位相差」ともいう。本態様の場合、前記回転位相差を変えることで、偏光パターンの向きを変えることが可能である。具体的には、例えば、レーザ光の偏光状態がラジアル偏光パターンである場合、前記回転位相差を変えることで偏光状態をアジマス偏光パターンとできる。また、レーザ光の偏光状態が四角偏光パターン等である場合、前記回転位相差を変えることで偏光パターンの向きを変えることが可能である。

本発明の装置は、例えば、レーザ光の周波数を、２ｋＨｚ〜３ｋＨｚの範囲で照射する、という態様であってもよい。

本発明の装置において、前記集光光学系は、さらに、ガルバノスキャナを含み、前記ガルバノスキャナは、前記加工対象物において、前記集光光学系が集光したレーザ光を走査可能である、という態様であってもよい。

本発明の装置は、さらに、加工ステージ部を含み、前記加工ステージ部は、前記加工対象物を搭載可能であり、かつ、水平方向に移動可能である、という態様であってもよい。本発明の装置において、前記加工ステージは、上下方向に移動可能であってもよい。本発明において、前記水平方向は、例えば、鉛直方向に垂直に交わる平面方向であり、前記上下方向は、例えば、前記鉛直方向と平行な方向である。

本発明の装置において、前記制御部は、レーザ光制御部を含み、前記レーザ光制御部は、前記ガルバノスキャナによるレーザ光の走査、及び、前記加工ステージ部の水平方向の移動の少なくとも一方を制御可能である、という態様であってもよい。

本発明の装置は、さらに、通信部を含み、前記通信部は、端末と通信可能であり、前記通信部は、前記端末からの制御情報を受信して前記制御部に送信し、前記制御部は、受信した制御情報に基づきレーザ加工装置を制御する、という態様であってもよい。前記端末は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、サーバ、スマートフォン、及び、タブレット等がある。前記通信は、有線であっても無線であってもよく、前記通信部と前記端末との直接通信であってよいし、通信回線網を介した通信であってもよい。前記通信回線網としては、インターネット、イントラネット、ＬＡＮ等がある。

本発明のレーザ加工システムは、端末、及び、レーザ加工装置を含み、前記レーザ加工装置は、本発明のレーザ加工装置である。

本発明のローテータユニット装置は、本発明のレーザ加工装置又は本発明のレーザ加工システムに使用するローテータユニット装置であって、
偏光ローテータ部、ビームローテータ部、回転駆動部、及び、制御部を含み、
前記偏光ローテータ部は、波長板、及び、第１の回転機構を含み、
前記波長板は、前記レーザ光の偏光方向を変更するものであり、
前記第１の回転機構は、前記波長板を回転可能であり、
前記ビームローテータ部は、照射角度調整光学系、及び、第２の回転機構を含み、
前記照射角度調整光学系は、入射するレーザ光を偏心させて出射し、前記集光光学系に対し当該光学系の中心軸から偏心した位置に入射させることで、前記加工対象物に対する前記レーザ光の照射角度を調整可能であり、
前記第２の回転機構は、前記照射角度調整光学系を回転可能であり、
前記回転駆動部は、前記第１の回転機構及び第２の回転機構に回転駆動力を供給し、
前記制御部は、前記第１の回転機構及び前記第２の回転機構の回転速度比を制御可能である。

本発明のローテータユニット装置において、前記ビームローテータ部は、さらに回転半径調整光学系を有し、前記回転半径調整光学系は、入射するレーザ光を入射光軸に対して傾斜させ、前記集光光学系に対して斜めに入射させ、前記加工対象物に対する前記レーザ光の照射位置を円環状に走査する、という態様であってもよい。

本発明のローテータユニット装置において、前記回転駆動部は、前記第１の回転機構及び第２の回転機構に対して、それぞれ個別に回転駆動力を供給する第１、第２のモータを含み、前記制御部は、前記二つのモータを同期して駆動するモータ制御部を有する、という態様であってもよい。

本発明のレーザ加工方法は、レーザ光により、加工対象物に四角形の孔を穿孔するレーザ加工方法であって、前記四角形の内部に４つの小四角形が隣接して形成される格子線を仮想し、レーザ光の走査軌跡が、前記四角形の各辺を通る走査軌跡であり、かつ、前記格子線の少なくとも一部を通る軌跡である。本発明のレーザ加工法は、例えば、本発明のレーザ加工装置又は本発明のレーザ加工システムを用いて実施してもよい。

本発明のプローブカードの生産方法は、プローブカード基板に孔を形成するための穿孔工程を含み、前記穿孔工程は、本発明のレーザ加工装置又本発明のレーザ加工システムを用いて実施される、方法である。

以下、本発明のレーザ加工装置について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の説明に限定されない。なお、以下の図１〜図１７において、同一部分には、同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なり、模式的に示す場合がある。

（実施形態１）
図１に、本発明のレーザ加工装置１の一例を示す。図示のように、本例のレーザ加工装置１は、レーザ発振部（レーザ発振器）１１、ビーム整形光学系１２、偏光ローテータ部（偏光ローテータ）１３、ビームローテータ部（ビームローテータ）１４、反射ミラー（図示しないガルバノ機構でスキャン可能であってもよい）１６、集光光学系である集光レンズ１５、加工ステージ（ＸＹステージ）１７、制御部１８、通信部１９、及び、回転駆動部（図１には図示せず）から構成されている。なお、ビーム整形光学系１２、反射ミラー１６、加工ステージ１７、及び通信部１９は、任意の構成であり、例えば、あってもなくてもよい。レーザ発振器１１は、固体レーザやファイバーレーザ光源であり、好ましくはパルスレーザである。このレーザ発振器１１から直線偏光のレーザ光を出射し、出射されたレーザ光は、ビーム整形光学系１２、偏光ローテータ１３、ビームローテータ１４、反射ミラー１６、及び、集光光学系１５を経て、加工ステージ１７上に搭載されている加工対象物に照射される。制御部１８は、例えば、モータ同期制御部１８１及びレーザ光制御部１８２を含む。モータ同期制御部１８１は、偏光ローテータ１３の第１の回転機構、及び、ビームローテータの第２の回転機構の回転を同期制御する。前記第１の回転機構及び第２の回転機構は、前記回転駆動部により回転駆動力を供給される。前記回転駆動部は、例えば、モータ（サーボモータ）があげられる。また、レーザ光制御部１８２は、ガルバノスキャナ１６及び加工ステージ１７の少なくとも一方を制御し、加工対象物に対するレーザ光の走査軌跡を制御する。通信部１９は、端末２と通信可能であり、端末２からの制御情報は、通信部１９を介して、制御部１８に送信され、前記制御情報により、モータ同期制御部１８１及びレーザ光制御部１８２が、偏光ローテータ１３、ビームローテータ１４、反射ミラー１６、加工ステージ１７、及び、前記回転駆動部等のレーザ加工装置１の各部を制御する。

図２に、偏光ローテータ１３の構成と機能を示す。図示のように、偏光ローテータ１３には、λ／２板１３１等の波長板が配置され、前記波長板（λ／２板１３１）は、第１の回転機構１３４により回転可能となっている。レーザ発振器１１から出射し、ビーム整形光学系１２で整形されたレーザ光は、直線偏光状態であるが、回転するλ／２板１３１を通過することにより、直線偏光の偏光方向が回転する。

図３に、ビームローテータ１４の構成の一例を示す。図示のように、ビームローテータ１４は、照射角度調整光学系１４１及び回転半径調整光学系１４２から構成される。照射角度調整光学系１４１は、一対のプリズム１４１ａ、１４１ｂから構成され、入射されるレーザ光を入射光軸に対して偏心させる。それにより集光レンズ１５に入射するレーザ光は集光レンズの中心軸から偏心した位置に入射されることとなり、加工対象物に照射されるレーザ光の照射角度を調整する。回転半径調整光学系１４２は、一対のプリズム１４２ａ、１４２ｂから構成され、ビームローテータ１４に入射するレーザ光を入射光軸に対して傾斜をさせて反射ミラー１６を介して集光レンズ１５に出射する。この回転半径調整光学系１４２により傾斜されて集光レンズに入射したレーザ光は、加工対象物に円環状に照射される。

図４に示すように、ビームローテータ１４の機能は、（１）ビームの傾斜、（２）ビームのオフセット、（３）ビームの回転という、３つの機能を有する。これら（１）、（２）、（３）の機能を図５に基づき説明する。図５は、ビームローテータ１４の動作による加工点ビームの挙動を示す。同図において、加工点ビームの挙動は、加工対象物（ワーク）上の焦点、及び、焦点よりも１ｍｍ出射側の箇所の、二カ所の挙動を示している。図５において、レンズの中心軸を一点鎖線で示し、レーザの進行経路を、点線で示す。図５において、（Ａ）は、ビームローテータを使わない場合（通常入射）、（Ｂ）は、ビームを傾斜させ、レンズの中心軸に対して斜めから入射した場合（斜め入射）、（Ｃ）は、ビームをレンズの中心軸に対してオフセットして入射した場合（オフセット入射）、及び、（Ｄ）は、ビームを傾斜させ、レンズの中心軸に対してオフセットして入射した場合（斜め＋オフセット入射）を示す。前記通常入射の場合、図５（Ａ）に示すように、ビームは常にレンズの中心軸上を進む。前記斜め入射の場合、図５（Ｂ）に示すように、ビームは焦点及びディフォーカス位置のいずれにおいてもレンズの中心軸から外れた場所を通過する。このため、斜め入射の状態でビームローテータ１４を回転させるとビームは円形軌跡を描く。なお、図５（Ｂ）におけるビームの傾斜角は、模式的に一例を示したものであり、ビームの傾斜角は、例えば、１度に満たないわずかな傾斜角であってもよい。前記オフセット入射の場合、図５（Ｃ）に示すように、集光するビームは、レンズの中心軸に対して一定の角度で接近しながら進み、焦点でレンズの中心軸と交差した後、レンズの中心軸から離れるように進む。このため、オフセット入射の状態でビームローテータ１４を回転させると、焦点のビームは通常入射の場合と変わらないがディフォーカスしたビームが円形軌跡を描く。前記斜め入射及びオフセット入射を組み合わせた場合、図５（Ｄ）に示すように、レンズに入射するビームの傾斜角を変更することで焦点におけるビームの回転直径を変更し、ビームのオフセット量を変更することでワークに照射される回転ビームの照射角度を変更することができる。

図６に、偏光ローテータ１３とビームローテータ１４の同期制御を示す。図示のように、モータ同期制御部１８１は、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）から構成され、ＰＬＣは、ＣＰＵ（中央演算装置とモーションコントロールユニット）から構成されている。偏光ローテータ１３の第１の回転駆動部（サーボモータ）１３２は、第１のサーボアンプ１３３及び第１の回転機構１３４に接続され、ビームローテータ１４の第２の回転駆動部（サーボモータ）１４２は、第２のサーボアンプ１４３及び第２の回転機構１４４に接続され、第１のサーボアンプ１３３及び第２のサーボアンプ１４３にＰＬＣから制御信号が送信され、第１のサーボモータ１３２及び第２のサーボモータ１４２の回転速度及び回転位相差が制御される。なお、偏光ローテータ１３とビームローテータ１４は個別に別々のモータで駆動されるものに限らず、単一のモータにより駆動されるもの、例えば、ギア構造を有する二つの回転駆動部により駆動されるようにしてもよい。

図７に基づき、本発明のレーザ加工装置における偏光ローテータ１３とビームローテータ１４との回転位相差の制御について、説明する。例えば、波長板１３１の第１の初期位置（０度）を、レーザ光の偏光方向と波長板１３１の速軸方向とが一致する回転角度とする。ビームローテータ１４の第２の初期位置（０度）を、前記レーザ光の偏光方向とビームローテータ１４のビーム偏心方向が一致する回転角度とする。そして、前記回転位相差は、前記第１の初期位置と第２の初期位置の位相差とする。なお、本発明において、回転位相差の定義は、前記定義に限定されず、他の定義であってもよい。偏光ローテータ１３の回転角度（θＰＲ）、ビームローテータ１４の回転角度（θＢＲ）、偏光ローテータ１３とビームローテータ１４の回転速度比（Ｘ：Ｙ）、及び、回転位相差（θ０）の関係は、下記の式となる。本発明のレーザ加工装置において、例えば、装置の電源をオン若しくはオフにした際、又は回転動作を開始する前に、偏光ローテータ１３とビームローテータ１４の位相差は、「０」度にリセットされてもよい。
θＰＲ＝θＢＲ×Ｘ／Ｙ＋θ０

図８に基づき、偏光ローテータ１３（波長板１３１、λ／２板）の回転速度（Ｘ）とビームローテータ１４の回転速度（Ｙ）の回転速度比（Ｘ：Ｙ）を−０．５：１にし、回転位相差（度）を「０」度に制御した場合、波長板１３１の速軸方向とビームローテータ１４のビーム偏心方向の関係を示す。なお、この場合のレーザ光の偏光状態は、図８の右側に示すように、ひし形状の四角偏光パターンである。以下の回転角度は、波長板１３１の速軸方向の角度、及び、ビームローテータ１４のビーム偏心方向の角度である。
まず、ビームローテータ１４の回転角度が０度の場合、波長板１３１の回転角度も０度である。ビームローテータ１４が反時計回り（左回り）に回転して回転角度が４５度になった場合、波長板１３１が順時計回り（右回り）に回転して回転角度が−２２．５度になる。λ／２板の速軸方向と入射ビームの偏光方向との角度差をθとすると、λ／２板を透過したビームの偏光方向は２θとなる。このため、波長板の回転角度が−２２．５度のときのビームの偏光方向は、−４５度となり、ビームローテータ１４の偏心方向に対して直交する向きとなる。ビームローテータ１４が反時計回り（左回り）に回転して回転角度が９０度になった場合、波長板１３１が順時計回り（右回り）に回転して回転角度が−４５度になり、このときのビームの偏光方向は、−９０度となる。ビームローテータ１４が反時計回り（左回り）に回転して回転角度が１３５度になった場合、波長板１３１が順時計回り（右回り）に回転して回転角度が−６７．５度になり、このときのビームの偏光方向は、−１３５度となる。このように、ビームが回転する角度に対して特定の偏光方向となるようにすることで、回転ビーム全体でひし形状の四角偏光パターンを形成することができる。

図９に基づき、偏光ローテータ１３（波長板１３１、λ／２板）の回転速度（Ｘ）とビームローテータ１４の回転速度（Ｙ）の回転速度比（Ｘ：Ｙ）を−０．５：１にし、回転位相差（度）を「４５度」に制御した場合の、波長板１３１の速軸方向とビームローテータ１４のビーム偏心方向の関係を示す。なお、この場合のレーザ光の偏光状態は、図９の右側に示すように、正方形状の四角偏光パターンである。以下の回転角度は、波長板１３１の速軸方向、及び、ビームローテータ１４のビーム偏心方向の角度である。まず、ビームローテータ１４の回転角度が０度の場合、波長板１３１の回転角度は４５度となり、このときのビームの偏光方向は、９０度となる。ビームローテータ１４が反時計回り（左回り）に回転して回転角度が４５度になった場合、波長板１３１が順時計回り（右回り）に回転して回転角度が２２．５度になり、このときのビームの偏光方向は、４５度となる。ビームローテータ１４が反時計回り（左回り）に回転して回転角度が９０度になった場合、波長板１３１が順時計回り（右回り）に回転して回転角度が０度になり、このときのビームの偏光方向も、０度となる。ビームローテータ１４が反時計回り（左回り）に回転して回転角度が１３５度になった場合、波長板１３１が順時計回り（右回り）に回転して回転角度が−２２．５度になり、このときのビームの偏光方向は、−４５度となる。このように、回転位相差を与えることで、図８ではひし形方向（４５度）であった偏光パターンを回転させ、正方形状の四角偏光パターンとできる。

図１０に、偏光ローテータ１３（波長板１３１、λ／２板）の回転速度（Ｘ）とビームローテータ１４の回転速度（Ｙ）の回転速度比（Ｘ：Ｙ）及び回転位相差（度）を制御した場合のレーザ光の偏光状態を示す。まず、回転速度比が、０．５：１の場合、回転位相差０度では、ラジアル偏光パターンとなり、回転位相差４５度では、アジマス偏光パターンとなる。回転速度比が、０：１の場合、回転位相差０度では、直線偏光（横）となり、回転位相差４５度では、直線偏光（縦）となる。回転速度比が−０．５：１の場合、回転位相差０度では、ひし形形状の四角偏光パターンとなり、回転位相差４５度では、正方形形状の四角偏光パターンとなる。回転速度比が−１：１の場合、回転位相差０度では、左右に頂点を有する六角偏光パターンとなり、回転位相差４５度では、上下に頂点を有する六角偏光パターンとなる。なお、図１０に示す偏光状態は、例示であり、偏光ローテータ１３とビームローテータ１４の回転速度比と回転位相差を変えることにより、レーザ光を様々な偏光状態にすることができる。

（実施形態２）
次に、実施形態１のレーザ加工装置１を用いて四角形状の穴を穿孔する作用を説明する。まず、前述の偏光ローテータ１３の回転速度（Ｘ）とビームローテータ１４の回転速度（Ｙ）の回転速度比（Ｘ：Ｙ）を１．５：１あるいは−０．５：１に設定をする。

レーザ光による穿孔の物理的原理を図１１及び図１２を用いて説明をする。図１１に示すように、レーザで加工対象物に穴をあける場合、表面は直接レーザ光が照射（入射角が約０度）されて効率よく加工対象物にエネルギーが吸収されて穴が形成されるが、裏面に向かって掘り進む際には、穴の壁面で反射されて深部に進んでいく。具体的には、レーザ光を照射し始めた初期の段階においては、加工対象物の表面は平面であるため入射角はほぼ０度となるが、穴が形成されるに従いレーザ光は穴の内壁に照射される。このため、加工対象物の表面に対するレーザ光の入射角が大きくなる。そして、穴の内壁に照射されたレーザ光のうち一部が反射されて穴の深部へ進み深い穴が形成される。図１２に示すように、このように斜めに入射するレーザ光は、Ｐ偏光とＳ偏光では大きく反射率が違う。Ｓ偏光と比較して、Ｐ偏光は反射率が低く、加工対象物への吸収率が高い。この原理により、四隅をＰ偏光、直線部をＳ偏光の状態とした四角偏光パターンのレーザ光を使用することで、四隅の加工が促進され、穴の深部や裏面においてもエッジの効いた四角穴を加工することができる。このように、Ｐ偏光が加工対象物への吸収率がよいことに着目して四角偏光パターンのレーザ光を使用して四角穴を形成する場合には、この偏光効果を高めるためにレーザ光の周波数を通常より高くすることが好ましい。前記周波数は、例えば、２ｋＨｚから３ＫＨｚ、好ましくは２．５ｋＨｚ近辺があげられる。前記周波数が、前述の範囲をとることで、例えば、穴の深部や裏面でエッジの効いた四角穴を加工できる。

図１３に、加工対象物に対し、四角穴を形成する場合の偏光パターンと走査軌跡の一例を示す。図１３（Ａ）及び（Ｂ）において、上段の図は、偏光パターンを示し、中段の図は、入射側の操作軌跡の一例を示し、下段の図は、出射側の操作軌跡の一例を示す。図１３（Ａ）の中段及び下段に示すような四角穴を穿孔する場合には、まず、前述の初期位置における回転位相差を４５度に設定する。四角穴の向きを、例えば、図１３（Ｂ）の中段及び下段に示すような、時計回りに４５度回転させた正方形状の穴を穿孔する場合には、回転位相差を初期位置において０度とする。そして、この偏光パターンのレーザ光を、ガルバノスキャナあるいはＸＹステージにより、加工対象物表面において、それぞれの偏光パターンの向きに沿った四角形状にスキャンする。従来の偏光ローテータとビームローテータは、同期して回転させることがなく、ランダムな偏光方向をもったレーザ光で穿孔することで、直線偏光が穿孔に影響のないようにしているのに対し、本実施態様では、回転速度比を−０．５：１にすることにより、偏光パターンを四角形状とすることで、加工対象物の表面（レーザ光の焦点面）と同様にスキャンされた軌跡と同様の穴形状を、加工対象物裏面（レーザ光の出射面）においても形成することができる。

実施形態１のレーザ加工装置１において、偏光ローテータ１３とビームローテータ１４との回転速度比（Ｘ：Ｙ）を０．５：１に設定し、回転位相差を０度に設定をした場合に形成されるラジアル偏光パターンは、図１１、１２を例にあげて用いて説明したように、加工対象物を効率よく加工できる。図１４は、回転速度比（Ｘ：Ｙ）を０．５：１とし、位相差を０度から４５度として、窒化ケイ素の板材（厚さ０．２５ミリメートル）に切断溝を形成した結果を示す。このように、使用者は端末２を操作し、モータ同期制御部１８１で回転速度比及び位相差を所望の値に設定をすることで、例えば、加工対象物に最適な偏光パターンを容易に選ぶことができる。これにより、前記加工対象物に対し、エッジのきいた四角穴や六角穴を形成したり、あるいはエネルギー効率のよい、すなわち、加工速度が速い加工を行うことができる。

図１５に、実施形態１のレーザ加工装置１を用い、偏光ローテータ１３とビームローテータ１４の回転速度比（Ｘ：Ｙ）を−０．５：１として、偏光ローテータ１３とビームローテータ１４の回転位相差を４５度として、窒化ケイ素をレーザ加工した例を実施例として示す。また、図１５に、従来のレーザ加工装置を用い、ビームローテータと無関係に直線偏光を回転させてランダムパターンでレーザ加工した例を比較例として示す。図１５の上側が比較例の加工状態を示す写真であり、図１５の下側が、実施例の加工状態を示す写真であり、図１５の左側がレーザ入射側の加工状態を示す写真であり、図１５の右側がレーザ出射側の加工状態を示す写真である。図１５に示すように、実施例では、レーザ入射側及びレーザ出射側共に、四つの角が直角な四角形状の孔を穿孔できた。これに対し、比較例では、四つの角が丸い四角形状の孔となり、特にレーザ出射側の四角形状の孔では、四つの角の丸くなり方が大きかった。同様な原理で、六角形の穴をあける場合には、回転速度比を２：１とし、図１０にある六角偏光パターンのレーザ光を作り出し、そのレーザ光で六角の形状にレーザスキャンをすると、エッジのきいた角部を持つ六角穴を穿孔することができる。また、例えば、レーザ光をラジアル偏光パターンにすることで丸穴や切断、溝加工の効率が向上する。

（実施形態３）
図１６に、本発明のレーザ加工方法における、ガルバノスキャナ走査軌跡の例を示す。本発明のレーザ加工方法は、レーザ光により、加工対象物に四角形の孔を穿孔するレーザ加工方法であって、前記四角形の内部に４つの小四角形が隣接して形成される格子線を仮想し、レーザ光の走査軌跡が、前記四角形の各辺を通る走査軌跡であり、かつ、前記格子線の少なくとも一部を通る走査軌跡である。本発明の方法において、走査軌跡は、下記の第１の走査軌跡、及び、第２の走査軌跡がある。

図１６の上側に示す走査軌跡は、第１の走査軌跡であり、穿孔する孔の四角形を４分割する方法である。
まず、前記四角形を大四角形とし、大四角形の内部に４つの小四角形が隣接して形成される格子線を仮想する。そして、ステップ１で、大四角形の左下角を始点及び終点として、大四角形の四辺を順方向（反時計周り方向）に走査する。
ステップ２で、左下の小四角形の左下角を始点及び終点として、同小四角形の四辺を順方向に走査する。
ステップ３で、左下の小四角形の左下角を始点として、右下の小四角形の左下角を終点として、同小四角の四辺を順方向に走査する。
ステップ４で、右下の小四角形の左下角を始点として、右上の小四角形の右下角を終点として、同小四角の四辺を順方向に走査する。
ステップ５で、右上の小四角形の右下角を始点として、左上の小四角形の右上角を終点として、同小四角の四辺を順方向に走査する。
ステップ６で、左上の小四角形の右上角を始点として、左下の小四角形の左下角を終点として、大四角形の上辺と左辺を順方向に走査する。
次に、ステップ１から６を逆方向（時計周り方向）に実施する。

次に、図１６の下側に示す走査軌跡は、第２の走査軌跡であり、穿孔する孔の四角形内に、４つの小四角形が隣接する格子線を想定し、格子線の一部を走査し、かつ、四角形の４辺を順方向及び逆方向に走査するものであり、あたかも直線の途中で寄り道をするような走査軌跡である。
まず、前記四角形を大四角形と、大四角形の内部に４つの小四角形が隣接して形成される格子線を仮想する。
ステップ１で、大四角形の左下角を始点及び終点として、大四角形の四辺を順方向（反時計周り方向）に走査する。
ステップ２で、左下の小四角形の左下角を始点とし、同小四角形の下辺を順方向に走査し、かつ、同小四角形の右辺の途中を終点として走査する。
ステップ３で、ステップ２の終点を始点とし、右下の小四角形の上辺の途中を終点とし、順方向に、走査する。
ステップ４で、ステップ３の終点を始点とし、右上の小四角形の左辺の途中を終点とし、順方向に、走査する。
ステップ５で、ステップ４の終点を始点とし、左上の小四角形の下辺の途中を終点とし、順方向に、走査する。
ステップ６で、ステップ５の終点を始点とし、左下の小四角形の左下角を終点とし、順方向に、走査する。
次に、ステップ１から６を逆方向（時計周り方向）に実施する。

図１７に、各種の走査軌跡により、窒化ケイ素にレーザ光で四角形の孔を穿孔した加工結果の写真（レーザ光出射側の孔の形状）を示す。図１７において、上から１番目の行が、四角形の外周を走査した例（通常）であり、上から２番目の行が、四角形を二分割して走査した例（直線を二分割）であり、上から３番目の行が、本発明の第１の走査軌跡であり、四角を格子状に４分割した例（四角４分割）であり、上から４行から６行が、本発明の第２の走査軌跡であり、四角形を格子状に分割し、格子線の一部をなぞるようにした例（直線の途中で寄り道）である。図１７に示すように、上から１行と２行の例では、四角形の直線に凹部が生じ、正確な四角形にならなかった。これに対し、本発明の第１の走査軌跡及び第２の走査軌跡である上から３行から６行では、四角形の各辺が直線状であり、凹部の発生が抑制された。

以上説明したように、本発明では、偏光ローテータとビームローテータの回転を同期制御することにより、種々の偏光状態のレーザ光とすることができ、その結果、従来のレーザ加工に比べて、正確な微細加工が可能である。レーザ光の偏光状態を変える方法としては、従来、偏光変換素子を使用する方法、及び、液晶軸対称コンバータを使用する方法がある。しかし、偏光変換素子を使用する方法では、波長板が高額であり、しかも偏光状態は固定で切り替えることができないという問題がある。また、液晶軸対称コンバータを使用する方法では、レーザ光の透過率が低く、耐光強度が低いという問題がある。これらの技術に対し、本発明は、レーザ加工装置において、偏光ローテータ及びビームローテータの回転を同期制御することで、レーザ光を、正確な精密加工が可能な種々の偏光状態とすることができるため、低コストであり、レーザ光の透過率問題がなく、耐光強度の問題もない。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をできる。

本発明のレーザ加工装置によれば、加工対象物に対し、正確な形状の孔を穿孔可能である。本発明のレーザ加工装置は、プローブカードに好ましく適用できるが、それ以外のレーザ加工の分野にも好ましく適用できる。

１ レーザ加工装置
２ 端末
１１ レーザ発信部（レーザ発振器）
１２ ビーム整形光学系
１３ 偏光ローテータ部（偏光ローテータ）
１４ ビームローテータ部（ビームローテータ）
１５ 集光光学系（集光レンズ）
１６ 反射ミラー（ガルバノスキャナ）
１７ 加工ステージ（ＸＹステージ）
１８ 制御部
１９ 通信部
１３１ 波長板（λ／２板）
１３２ 第１の回転駆動部（サーボモータ）
１４２ 第２の回転駆動部（サーボモータ）
１３４ 第１の回転機構
１４４ 第２の回転機構
１８１モータ同期制御部
１８２レーザ光制御部

Claims (16)

1. レーザ発振部、偏光ローテータ部、ビームローテータ部、集光光学系、回転駆動部、及び、制御部を含み、
   前記レーザ発振部は、直線偏光のレーザ光を出射可能であり、
   前記レーザ発振部から出射されたレーザ光は、前記偏光ローテータ部、前記ビームローテータ部及び前記集光光学系を経て、加工対象物に照射可能であり、
   前記偏光ローテータ部は、波長板、及び、第１の回転機構を含み、
   前記波長板は、前記レーザ光の偏光方向を変更するものであり、
   前記第１の回転機構は、前記波長板を回転可能であり、
   前記ビームローテータ部は、照射角度調整光学系、及び、第２の回転機構を含み、
   前記照射角度調整光学系は、入射するレーザ光を偏心させて出射し、前記集光光学系に対し当該光学系の中心軸から偏心した位置に入射させることで、前記加工対象物に対する前記レーザ光の照射角度を調整可能であり、
   前記第２の回転機構は、前記照射角度調整光学系を回転可能であり、
   前記集光光学系は、前記レーザ光を前記加工対象物に集光可能であり、
   前記回転駆動部は、前記第１の回転機構及び第２の回転機構に回転駆動力を供給し、
   前記制御部は、前記第１の回転機構及び前記第２の回転機構の回転速度比を制御可能であり、
   前記回転速度比の制御により、前記レーザ光の偏光状態を調整可能である、
   レーザ加工装置。
2. 前記ビームローテータ部は、さらに回転半径調整光学系を有し、
   前記回転半径調整光学系は、入射するレーザ光を入射光軸に対して傾斜させ、前記集光光学系に対して斜めに入射させ、前記加工対象物に対する前記レーザ光の照射位置を円環状に走査する請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記回転駆動部は、前記第１の回転機構及び第２の回転機構に対して、それぞれ個別に回転駆動力を供給する第１、第２のモータを含み、前記制御部は、前記二つのモータを同期して駆動するモータ制御部を有する請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
4. 前記波長板が、λ／２板である、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 第１の回転機構の回転速度（Ｘ）と前記第２の回転機構の回転速度（Ｙ）との前記回転速度比（Ｘ：Ｙ）が、１．５：１、−０．５：１、又は、０．５：１である請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記制御部は、さらに、前記第１の回転機構及び前記第２の回転機構の回転位相差を制御可能であり、
   前記第１の回転機構の第１の初期位置は、前記レーザ光の偏光方向と前記波長板の速軸方向とが一致する回転角度であり、
   前記第２の回転機構の第２の初期位置は、前記レーザ光の偏光方向と前記ビームローテータ部のビーム偏心方向が一致する回転角度であり、
   前記回転位相差は、前記第１の初期位置と第２の初期位置の位相差である、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
7. さらに、加工ステージ部を含み、
   前記加工ステージ部は、前記加工対象物を搭載可能であり、かつ、水平方向に移動可能である、請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記レーザ加工装置は、さらに、ガルバノスキャナを含み、
   前記ガルバノスキャナは、前記加工対象物において、前記集光光学系が集光したレーザ光を走査可能である、
   請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
9. 前記制御部は、レーザ光制御部を含み、
   前記レーザ光制御部は、前記ガルバノスキャナによるレーザ光の走査、及び、前記加工ステージ部の水平方向の移動の少なくとも一方を制御可能である、請求項８記載のレーザ加工装置。
10. さらに、通信部を含み、
    前記通信部は、端末と通信可能であり、
    前記通信部は、前記端末からの制御情報を受信して前記制御部に送信し、
    前記制御部は、受信した制御情報に基づきレーザ加工装置を制御する、
    請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
11. 端末、及び、レーザ加工装置を含み、
    前記レーザ加工装置は、請求項１０記載のレーザ加工装置である、
    レーザ加工システム。
12. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置又は請求項１１に記載のレーザ加工システムに使用するローテータユニット装置であって、
    偏光ローテータ部、ビームローテータ部、回転駆動部、及び、制御部を含み、
    前記偏光ローテータ部は、波長板、及び、第１の回転機構を含み、
    前記波長板は、前記レーザ光の偏光方向を変更するものであり、
    前記第１の回転機構は、前記波長板を回転可能であり、
    前記ビームローテータ部は、照射角度調整光学系、及び、第２の回転機構を含み、
    前記照射角度調整光学系は、入射するレーザ光を偏心させて出射し、前記集光光学系に対し当該光学系の中心軸から偏心した位置に入射させることで、前記加工対象物に対する前記レーザ光の照射角度を調整可能であり、
    前記第２の回転機構は、前記照射角度調整光学系を回転可能であり、
    前記回転駆動部は、前記第１の回転機構及び第２の回転機構に回転駆動力を供給し、
    前記制御部は、前記第１の回転機構及び前記第２の回転機構の回転速度比を制御可能である、
    ローテータユニット装置。
13. 前記ビームローテータ部は、さらに回転半径調整光学系を有し、
    前記回転半径調整光学系は、入射するレーザ光を入射光軸に対して傾斜させ、前記集光光学系に対して斜めに入射させ、前記加工対象物に対する前記レーザ光の照射位置を円環状に走査する請求項１２記載のローテータユニット装置。
14. 前記回転駆動部は、前記第１の回転機構及び第２の回転機構に対して、それぞれ個別に回転駆動力を供給する第１、第２のモータを含み、前記制御部は、前記二つのモータを同期して駆動するモータ制御部を有する請求項１２又は１３記載のローテータユニット装置。
15. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置又は請求項１１記載のレーザ加工システムを用いて実施する、
    レーザ光により、加工対象物に四角形の孔を穿孔するレーザ加工方法であって、
    前記四角形の内部に少なくとも４つの小四角形が隣接して形成される格子線を仮想し、
    レーザ光の走査軌跡が、前記四角形の各辺を通る走査軌跡であり、かつ、前記格子線の少なくとも一部を通る走査軌跡であるレーザ加工方法。
16. プローブカード基板に孔を形成するための穿孔工程を含み、
    前記穿孔工程は、請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置又は請求項１１に記載のレーザ加工システムを用いて実施される、
    プローブカードの生産方法。

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