JPH06344172A - レーザ加工法および加工装置 - Google Patents

レーザ加工法および加工装置

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JPH06344172A
JPH06344172A JP5138074A JP13807493A JPH06344172A JP H06344172 A JPH06344172 A JP H06344172A JP 5138074 A JP5138074 A JP 5138074A JP 13807493 A JP13807493 A JP 13807493A JP H06344172 A JPH06344172 A JP H06344172A
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Takashi Kuwabara
尚 桑原
Yasuo Tokunaga
康夫 徳永
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ光の照射によってデブリを生じるレー
ザ加工に関し、デブリの発生を抑止し、レーザ加工の終
了と同時に良好な加工表面を得ることのできるレーザ加
工技術を提供することを目的とする。 【構成】 加工用レーザビーム(11)を第1のビーム
(12)と第2(13)のビームに分割する工程と、第
1のビーム(12)を第1のパターン、第1のフルーエ
ンスで加工対象物(6)上に照射し、照射面(15)を
加工する工程と、第2のビーム(13)を第1のパター
ンを包む第2のパターン、第1のフルーエンスより低い
第2のフルーエンスで第1のビームと同時に加工対象物
上に照射し、照射面(16)上で第1のビームの照射に
よるデブリの形成を抑止する工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工に関し、特
にレーザ光の照射によってデブリを生じるレーザ加工に
関する。
【0002】
【従来の技術】レーザ光は高いエネルギ密度を実現する
ことができ、高エネルギ密度のレーザ光を加工対象物に
照射することにより、加工対象物を加工することができ
る。
【0003】加工用レーザとしては、CO2 レーザ、Y
AGレーザ、Arレーザ、エキシマレーザ等が知られて
いる。これらの中、前3者の発振波長は、赤外領域ない
し可視領域に存在し、これらのレーザ光が加工対象物に
与える影響は主に加熱作用であると言えよう。
【0004】エキシマレーザは、発振波長が紫外領域に
存在し、加工対象物に与える影響は熱的効果よりも光化
学的効果が支配的になる。たとえば、有機高分子化合物
にエキシマレーザを照射することにより、化学結合を切
断して飛散させ、照射領域をエッチング(削除)するこ
とができる。ポリイミド等の有機高分子材料、金属、ア
ルミナ等のセラミックスを加工できることが確認されて
いる。
【0005】一般に、エキシマレーザで材料を加工する
と、デブリ(debris)と称する副次物が発生す
る。デブリは、簡単に言えば木材加工時の鋸屑のような
ものであり、加工対象物がポリイミド等のポリマーであ
れば、加工孔周辺にカーボンのすすのような付着が認め
られる。加工対象物がアルチック(Al2 3 /TiC
複合焼結体)のようなセラミックスであれば、微小な破
砕物の堆積が加工穴周辺に確認できる。
【0006】このようなデブリを除去するためには、通
常は加工工程の後に除去工程が付加されている。この付
加工程は、たとえば湿式の洗浄工程、あるいは乾式のプ
ラズマ処理工程であり、両者とも加工処理の後に行なわ
れる。
【0007】レーザガス加工工程と同時に、加工副次物
を除去する方法としてガスアシスト法が知られている。
ガスアシスト法においては、反応性あるいは不活性のガ
ス(たとえば、H2 、O2 、Ne、He等)を吹き付け
ながら、レーザ光を照射し、レーザ加工を行なう。
【0008】ところが、ポリイミド等の有機高分子化合
物に対しては、O2 あるいはHe以外のアシストガスは
さほど効果を有さない。また、アルチック等のセラミッ
クスに対しては、どのようなアシストガスを用いても顕
著な効果は認められない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】加工対象物の表面を削
り取るようなレーザ加工においては、加工副次物として
加工領域周辺にデブリが発生することが多い。このよう
なデブリの発生を防止するためには、加工処理の後にデ
ブリ除去工程を設けるか、または加工対象物が所定の材
料である場合にはレーザ加工と同時にガスアシストを行
なう。
【0010】加工対象物がセラミックス等の場合には、
レーザ加工と同時にデブリの発生を抑止する方法は知ら
れていなかった。本発明の目的は、デブリの発生を抑止
し、レーザ加工の終了と同時に良好な加工表面を得るこ
とのできるレーザ加工技術を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明のレーザ加工法
は、加工用レーザビームを第1のビームと第2のビーム
に分割する工程と、第1のビームを第1のパターン、第
1のフルーエンスで加工対象物上に照射し、照射面を加
工する工程と、第2のビームを第1のパターンを包む第
2のパターン、第1のフルーエンスより低い第2のフル
ーエンスで第1のビームと同時に加工対象物上に照射
し、照射面上で第1のビームの照射によるデブリの形成
を抑止する工程とを含む。
【0012】
【作用】加工対象物を加工するための第1のレーザビー
ムとは別に、フルーエンスを低く選んだ第2のレーザビ
ームを加工領域周辺に照射すると、デブリの形成を抑止
することができる。両レーザビームは同時に照射するこ
とができるため、加工終了と同時に良好な加工対象物表
面を得ることができる。
【0013】
【実施例】本出願人は、先にエキシマレーザビーム照射
によるレーザ加工に続いてエネルギ密度(フルーエン
ス)を低下させたクリーニングレーザビームを照射する
ことにより、デブリを除去する技術を提案した(特願平
4−139311号)。
【0014】図2を参照して、この参考例をまず説明す
る。図2(A)は、エキシマレーザを用いた加工光学系
を示す。エキシマレーザ1から発したレーザビーム11
は、全反射ミラー2a、2b等で構成された光学系によ
ってマスク4に導かれ、マスク4を照射する。
【0015】マスク4は、たとえばMo、CuNi等の
板を打抜くことで形成されたパターンを有し、所望形状
のレーザビームのみを透過させる。なお、この際レーザ
ビームの中央部分のみを用いることにより、エネルギ密
度(フルーエンス)の均一な所望形状のレーザビームを
発生させる。
【0016】なお、保持手段9およびその上に載置され
た加工対象物6は、真空容器17中に収容されている。
真空容器17には、エキシマレーザビームを透過させる
ための窓18が設けられている。
【0017】マスク4に対する結像レンズ5は、マスク
4の像を加工対象物6上に形成するためのものであり、
所定の倍率(縮小率)のパターンを加工対象物6上に結
像させる。加工対象物6は、テーブル等の保持手段9上
に保持され、その位置を調整することができる。
【0018】結像レンズ5、加工対象物6の光軸上の位
置を変更することにより、加工対象物6上に結像される
マスク4の像の倍率を変更することができる。加工対象
物にある程度以上のエネルギ密度(フルーエンス)でエ
キシマレーザビームを照射すると、加工対象物表面でア
ブレーションと呼ばれるドライエッチング現象が生じ、
加工対象物が徐々に削られていく。加工を可能とする最
低エネルギ密度を閾値と呼ぶ。
【0019】図2(B)に示すように、たとえば矩形パ
ターンの加工を行なう場合、加工ビーム照射領域15に
閾値よりも十分高いフルーエンスを有するレーザビーム
を照射し、加工を終えた後、加工ビーム照射領域15を
含むより広いクリーニングビーム照射領域16に、閾値
以下にフルーエンスを低下させたクリーニングビームを
照射する。クリーニングビームは、加工対象物6を加工
する能力は有さないが、加工ビームによって加工を行な
った際に発生したデブリを除去する能力を有する。
【0020】先の提案には開示していないが、アルチッ
ク(Al2 3 /TiC複合焼結体)を加工する場合を
以下に説明する。アルチックの加工対象物6を約2×1
-3Torrの真空雰囲気下に配置し、フルーエンス
4.2J/cm2 のエキシマレーザビームを、たとえば
1000ショット照射する。このような高いフルーエン
スのエキシマレーザビームを照射された加工対象物表面
においては、アブレーションが生じ、レーザビーム加工
が行なわれる。
【0021】真空雰囲気下でアブレーションを生じさせ
ると、デブリは広い範囲に薄く生じる。真空雰囲気であ
るため、酸化、窒化等の空気の成分との化学反応もほと
んど生じないものと考えられる。
【0022】その後、フルーエンスを1.5J/cm2
に低下させ、照射面積を約2.5倍に拡大して10ショ
ットのエキシマレーザビームを照射した。なお、アルチ
ックに対して、フルーエンス1.5J/cm2 のエキシ
マレーザビームは閾値以下であり、アルチック自身を加
工することはできない。しかしながら、このような閾値
以下のエキシマレーザビームの照射によってデブリは完
全に除去することができることが確認された。なお、ク
リーニングショットは真空雰囲気の中に限らず、大気中
で行なってもよい。
【0023】マスク4と結像レンズ5の間の距離をaと
し、結像レンズ5と加工対象物6の間の距離をbとし、
結像レンズ5の焦点距離をfとすると、 1/a+1/b=1/f のレンズの公式が成立する。
【0024】マスク4と結像レンズ5の間の距離aを縮
小すると、このレンズの式を成立させるためには、bが
大きな値となり、縮小率が低くなる。すなわち、加工対
象物6の広い面積にレーザビームが照射され、そのエネ
ルギ密度は低下する。このような調整によって、クリー
ニングショットを行なう際の照射面積を広く、エネルギ
密度を閾値以下の適当な値に設定することができる。
【0025】このように、レーザビーム加工に引き続い
てクリーニングショットを行なうことにより、デブリを
除去することが可能であるが、レーザ加工に引き続く操
作を必要とし、加工プロセス全体を複雑なものとしてし
まう。
【0026】以下、このような問題を解決した本発明の
実施例を説明する。図1は、本発明の実施例によるエキ
シマレーザを用いた加工光学系を示す。発振波長248
nmのKrFエキシマレーザ等のエキシマレーザ1から
発したレーザビーム11は、全反射ミラー2等の光学系
を通って、ビームスプリッタ7に導かれる。ビームスプ
リッタ7は、たとえば部分反射ミラーで形成され、入射
した光の所定割合を反射させ、所定割合を透過させる。
このようなビームスプリッタは、一般に誘電体多層膜や
部分金属ミラー等によって形成できる。
【0027】このようにして、入射するレーザビーム1
1から部分反射ビーム12と部分透過ビーム13を形成
する。たとえば、反射率約90%の部分反射ミラーでビ
ームスプリッタ7を形成し、部分反射ビーム12に対し
て約1/10のエネルギ密度を有する部分透過ビーム1
3を形成する。
【0028】部分反射ビーム12は、マスク4に導か
れ、マスク4を透過したレーザビームは結像レンズ5に
よって加工対象物6上に結像される。このように、部分
反射ビーム12を用いて、参考例で説明したものと同様
のレーザ加工を行なうことができる。
【0029】なお、加工対象物6は、テーブル等の保持
手段9上に載置され、保持手段9と共に真空容器17中
に収容されている。真空容器17には窓18が設けられ
ており、エキシマレーザビームを透過させることができ
る。
【0030】ビームスプリッタで分割された部分透過ビ
ーム13は、全反射ミラー8等の光学系によって加工用
ビームとは別の光路をたどり、窓18を通って加工対象
物6上に照射される。この部分透過ビーム13によって
レーザ加工と同時にクリーニングショットを照射するこ
とができる。
【0031】図示の構成においては、部分透過ビーム1
3の光路上にはマスクも結像レンズも配置されていな
い。部分透過ビーム13の照射領域が、マスク4を通っ
た部分反射ビーム12の照射領域を含む十分広い領域に
照射されればよいためである。
【0032】もちろん、全反射ミラー8をたとえば曲率
半径10m程度の凹面鏡とすること等により、部分透過
ビーム13に収束作用を付与してもよい。また、マスク
4と同等の形状を有するマスクを透過させてもよい。た
だし、加工対象物上での照射領域は、加工領域とその周
囲のデブリ付着可能領域を含むように設定する。さら
に、ビームを遮断するシャッタを設けてもよい。
【0033】テストとして、ポリイミドフィルムをレー
ザ加工した。ポリイミドフィルムの加工閾値は、約50
mJ/cm2 と言われている。我々は、加工ビームのフ
ルーエンスを100mJ/cm2 とし、クリーニングビ
ームのフルーエンスをその1/10程度とした。加工ビ
ームとクリーニングビームを同時に加工対象物上に照射
することにより、実質的にデブリのないレーザ加工を行
なうことができた。
【0034】なお、レーザビームを分割し、その一方を
加工ビームとして用いると共に、他方をクリーニングビ
ームとして用い、レーザ加工と同時にクリーニングを行
なうことが可能であれば図示の構成に限らず、種々の構
成を取ることができる。
【0035】ビームスプリッタの光軸上位置は、図示の
場合に制限されず、マスクの後に設けることも可能であ
る。クリーニングビームの光軸は、加工用ビームの光軸
と別である必要はなく、一致させることも可能である。
必要に応じてクリーニングビームをレンズ等で集光して
もよい。
【0036】なお、エキシマレーザを用いてレーザ加工
を行なう場合を説明したが、YAGレーザのような他の
レーザによるレーザ加工にも適用することが可能であ
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。たとえば、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。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ加工と同時にレーザ加工によって発生するデブリ
を除去することが可能となる。このため、レーザ加工が
全体として簡単化される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるエキシマレーザ加工を説
明するための概略図である。
【図2】参考例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
1 エキシマレーザ 2 全反射ミラー 4 マスク 5 結像レンズ 6 加工対象物 7 ビームスプリッタ 8 全反射ミラー 9 保持手段 11 レーザビーム 12 部分反射ビーム 13 部分透過ビーム 15 加工ビーム照射領域 16 クリーニングビーム照射領域 17 真空容器 18 窓

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加工用レーザビームを第1のビームと第
    2のビームに分割する工程と、 第1のビームを第1のパターン、第1のフルーエンスで
    加工対象物上に照射し、照射面を加工する工程と、 第2のビームを第1のパターンを包む第2のパターン、
    第1のフルーエンスより低い第2のフルーエンスで第1
    のビームと同時に加工対象物上に照射し、照射面上で第
    1のビームの照射によるデブリの形成を抑止する工程と
    を含むレーザ加工法。
  2. 【請求項2】 加工対象物を保持する保持手段と、 加工用レーザビームを第1のビームと第2のビームに分
    割するビームスプリッタと、 第1のビームを第1のフルーエンスで保持手段上に導く
    第1の光学系と、 第2のビームを第1のフルーエンスより低い第2のフル
    ーエンスで保持手段上に導く第2の光学系とを有するレ
    ーザ加工装置。
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