JP2003080391A

JP2003080391A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2003080391A
Application number: JP2001271620A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Sajiki; 一明桟敷; Yoshiyuki Niwatsukino; 義行庭月野; Hironobu Ishimabuse; 広信石間伏
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2003-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】被加工物の表面に損傷等を与えることがな
く、かつ、パターン転写を行った場合に被加工物の表面
で結像可能なレーザ照射を実現できるレーザ加工装置を
提供する。【解決手段】レーザ加工装置は、レーザ光を斜め方向
から所定の角度で被加工物に照射して加工面に結像させ
る光学系と、加工面の中央上方であり、かつレーザ光の
光路を遮らない位置に配置された吸引手段とを具備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いて
被加工物を加工するために使用されるレーザ加工装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザは、プリント基板の溝
や孔あけ加工、材料の切断、ＩＣモールド等のマーキン
グ等に用いられてきた。また、レーザを用いて、材料表
面を蒸散させて表面加工を行うことも可能である。高出
力のレーザ光で加工を行うと加工の影響を被加工物の表
面部分のみに留めることができるので、高出力でパルス
発振されたレーザ光を用いて表面加工等を行うことも多
い。ところがレーザ加工においては、加工処理を行う際
に発生する材料の飛散粒子が、レーザ照射ノズル内に入
り込んだり、レーザ光を集光する集光レンズ等の光学部
品に付着したり、加工部周辺へ飛散する等の問題があっ
た。

【０００３】これを解決するために、集光レンズの近傍
に吸引ノズルを配置して飛散粒子を吸引除去するレーザ
加工方法が知られている。また、特開平８−３９２７９
号公報には、図６に示すように、ガスを吹き付けて飛散
粒子を吸引除去するレーザ照射方法が開示されている。
図６において、内部に集光レンズ２を装着したレーザノ
ズル１は、被加工物３の加工すべき面に対する垂線８と
所定角θを為すように配置されている。レーザノズル１
の先端から、及びレーザノズル１の下方に配置されたシ
ールドガスノズル１０から、被加工物のレーザ光照射位
置に向けてガス４を吹き出し、飛散粒子をレーザノズル
１と離間する方向ｘへ放出する。また、ｘ方向の先に
は、吸引ノズル９が配置されており、レーザ照射により
発生した飛散粒子７と共に、レーザ照射位置に発生した
プラズマ５を吸引除去する。

【０００４】しかし、高出力のレーザ光による加工にお
いては、被加工物の飛散粒子が法線方向にかなり高速で
飛び出すため、この飛散粒子を除去するために強いガス
流の吹き付けを行う必要がある。そのためには、大量の
吹き付けガスが必要となり、また、強いガス流の吹き付
けにより被加工物の表面が損傷を受け易い。さらに、図
６に示すレーザ加工方法によれば、斜めからのレーザ照
射のためレーザ光軸が被加工物の表面に対して傾いてい
るので、パターン転写を行う場合に、良好に結像できな
いことがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、上記の点に鑑
み、本発明は、被加工物の表面に損傷等を与えることが
なく、かつパターン転写を行う場合に被加工物の表面に
良好に結像可能なレーザ照射を実現できるレーザ加工装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用効果】上記課題を
解決するため、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を
斜め方向から所定角度で被加工物に照射して加工面に結
像させる光学系と、加工面の中央上方であり、かつ、レ
ーザ光の光路を遮らない位置に配置された吸引手段とを
具備する。

【０００７】本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を斜
め方向から照射し、吸引ダクトを照射位置の上方に配置
したので、飛散粒子の除去のためにガスの吹き付けを必
要とせず、被加工物の表面を損傷させることがない。

【０００８】本発明に係るレーザ装置において、光学系
は、レンズ中央部に貫通孔を有するドーナツ形状のレン
ズを含み、ドーナツ形状のレンズ中央部の貫通孔に吸引
手段が配置されていてもよい。このような光学系を備え
ることにより、レーザ光の光路を遮らないで照射位置の
上方に吸引手段を配置し、飛散粒子の除去を良好に行う
ことができる。

【０００９】また、光学系は、プリズム的レンズである
集光レンズを含んでいてもよい。このような構成とする
ことにより、レーザ加工により発生した飛散粒子を効果
的に除去することができる。

【００１０】さらに、光学系は、中央部に貫通孔を有す
るドーナツ形状の凹面ミラーと、該貫通孔の真下に配置
された凸面ミラーとを含み、前記凸面ミラーの下方に前
記吸引手段が配置されていてもよい。かかる光学系によ
れば、レーザ光を集光するレンズ等の光軸が被加工物の
表面の法線と一致しているので、レーザ光を被加工物の
表面に良好に結像させることができる。

【００１１】また、光学系は、輪帯光供給手段をさらに
含んでいてもよい。このような構成とすることにより、
中央部に貫通孔を有するドーナツ形状のレンズに効率良
くレーザ光を照射することができる。

【００１２】ここで、輪帯光供給手段は、四角錘プリズ
ム又は円錐プリズムであってもよい。かかるプリズムを
配置することにより、良好な輪帯光が得られるからであ
る。

【００１３】本発明のレーザ加工装置において、所定の
角度は、加工面の法線に対して２０度以上９０度未満で
あることが望ましい。このように構成することにより、
飛散物を効果的に吸引することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明の実施形態について説明する。なお、同一の構成
要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。図１
は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の構
成を示す断面図である。図１に示すレーザ加工装置は、
投影レンズ１１を含む光学系と、レーザ加工の際に被加
工物の表面から放出される飛散粒子を、下側に開口した
口から吸引する吸引ダクト１２を含む吸引手段と、被加
工物１４を載置して移動させる移動ステージ１５とを有
している。

【００１５】投影レンズ１１は、中央部に貫通孔１３を
有するドーナツ形状のレンズであり、円形の両凸レンズ
の中央部がくり抜かれたような形状を有している。投影
レンズ１１は、被加工物１４と平行に配置されている。

【００１６】また、被加工物１４の表面に斜めから入射
するレーザ光の角度αは、被加工物表面の加工部に垂直
に立てた法線から所定の角度以上とされている。図１に
示すようなマスク転写加工の場合には、加工面のそれぞ
れの位置における法線からのレーザ光の角度αのうち最
小の角度が、所定の角度以上であることが必要である。
レーザ光の光路を遮らない位置に吸引ダクト１２を配置
するためには、αは２０度以上９０度未満とする。本実
施形態においては、αの最小値を２０度としている。レ
ーザ加工により発生した飛散粒子を吸引ダクト１２によ
って効果的に吸引させるために、頂角が約４０度の円錐
状の空間を確保することが望ましいからである。

【００１７】吸引ダクト１２は、下側に開口部を有する
円筒体であり、例えば、真空ポンプ（図示せず）に接続
されている。吸引ダクト１２は、投影レンズ１１の中心
軸と同軸上に配置されており、貫通孔１３内に位置して
いる。吸引ダクト１２の被加工物からの距離は、レーザ
光の光路を遮らない位置で、かつ吸引効率の良い位置に
吸引ダクト１２が配置されるように選択される。

【００１８】移動ステージ１５は、吸引ダクト１２の下
方に配置されており、吸引ダクト１２の開口部と対向す
る。被加工物１４は、移動ステージ１５上に載置される
か、又は、両面接着テープ等により接着固定される。

【００１９】図１において、レーザ光１６は、ドーナツ
形状の投影レンズ１１に入射する輪帯光である。ここ
で、輪帯光を用いると、焦点深度が広くとれるという利
点がある。かかる輪帯光を形成する光学素子の具体例と
して、四角錐プリズムを図２に示す。四角錐プリズムの
底面２２を投影レンズ１１と平行に配置すると、輪帯光
を実現することができる。

【００２０】以下に、四角錐プリズムを使用して輪帯光
を実現した例について説明する。図３において、レーザ
光の分割状態を併せて説明するために、（ａ）に平面図
を示し、（ｂ）に正面図を示す。四角錐プリズム２１の
上面側から入射したレーザ光は、四角錐プリズム２１に
よって４つに分割される（図３の（ａ）参照）。四角錐
プリズム２１から出射したレーザ光は、マスク面２３で
１つに重ね合わせられるが、マスク面２３を通過すると
分離され、図３の（ａ）に示すように、円周に接近した
位置で投影レンズ１１を通過する。レーザ光は、図３の
（ｂ）に示すように、投影レンズ１１によって内側に屈
折し、被加工物１４の表面に結像する。このようにし
て、被加工物１４上にマスクのパターンが刻まれる。図
３の（ａ）において、四角錐プリズムの斜線部に入射し
たレーザ光は、マスク面を通過し、投影レンズ１１の斜
線部に入射することになる。

【００２１】本発明においては、四角錐プリズムの替り
に円錐プリズムを使用することもできる。円錐プリズム
は、四角錐プリズムの分割数を増やしたものに相当す
る。円錐プリズムを使用すると、マスク面に入射する光
は円形となり、マスクを通過すると輪状に広がり、ドー
ナツ形状の投影レンズ１１に入射する。投影レンズ１１
を通過したレーザ光は、被加工物の表面に結像する。

【００２２】本実施形態において、四角錐プリズム、投
影レンズ等を含む光学系は被加工物との距離等を任意に
設定することができ、レーザ光の焦点位置と被加工物に
応じて適性に調整することができる。

【００２３】次に、図１に示すレーザ加工装置を用いた
レーザ加工について説明する。レーザ発振器から発生し
たレーザ光は、四角錐プリズム２１によって輪帯光とな
り、投影レンズ１１に入射する。その後、投影レンズ１
１によって屈折させられたレーザ光は、被加工物１４の
表面に結像し、マスクパターンの転写を行う。レーザ光
の照射により発生したプラズマ１７に含まれる飛散粒子
は、吸引ダクト１２内に吸引され、外部に排出される。

【００２４】本実施形態によれば、加工面の上方に吸引
ダクト１２を吸引効率が良くなるように配置しているの
で、レーザ光の照射により発生した飛散粒子を吸引、捕
捉し、光学系等に付着させない。また、加工による飛散
粒子は、加工面の法線上に放出されるので、放出方向と
同一方向にあるプラズマ１７の上方に吸引ノズル１２を
配置した本実施形態によれば、飛散粒子のほとんど全て
を捕捉することができる。また、本実施形態によれば、
加工面にガスを吹き付けることがないので、ガスの吹き
付けによる加工面の損傷という問題は生じない。さら
に、本実施形態によれば、投影レンズの光軸が加工面の
法線と一致しているので、レーザ光を被加工物の表面に
良好に結像させることができる。したがって、マスクを
用いるパターン転写にも適している。

【００２５】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。図４に、本発明の第２の実施形態に係るレーザ
加工装置の構成を示す。図４に示すレーザ加工装置は、
集光レンズ４１を含む光学系と、加工により発生した飛
散粒子を吸引する吸引ダクト１２を含む吸引手段と、被
加工物１４を載置する移動ステージ１５とを有してい
る。集光レンズ４１は、円形の両凸レンズの周辺部の一
部を円形に切り出したような形状のプリズム的なレンズ
である。吸引ダクト１２は、集光レンズ４１の肉厚側の
近傍に、すなわちレーザ光が集光レンズ４１によって屈
折する側に、開口部を下に向けて配置されている。

【００２６】本実施形態において、集光レンズを含む光
学系は被加工物との距離等を任意に設定することがで
き、レーザ光の焦点位置と被加工物に応じて適性に調整
することができる。

【００２７】次に、図４に示すレーザ加工装置を用いた
レーザ加工について説明する。レーザ発振器から発生し
たレーザ光４２は、集光レンズ４１に入射し、集光レン
ズ４１によって図中右側の方向へ屈折させられる。屈折
したレーザ光は、被加工物１４の表面に結像し、被加工
物１４の加工を行う。レーザ光の照射により発生した飛
散粒子は、吸引ダクト１２内に吸引され、外部に排出さ
れる。

【００２８】本実施形態によれば、第１の実施形態より
も簡単な構成で同様の効果を奏することができる。

【００２９】次に、本発明の第３の実施形態について説
明する。図５に、本発明の第３の実施形態に係るレーザ
加工装置の構成を示す。図５に示すレーザ装置は、中央
部に貫通孔を有するドーナツ形状の凹面ミラー５２、及
び貫通孔の真下に配置された凸面ミラー５１を含む光学
系と、加工により発生した飛散粒子を吸引する吸引ダク
ト５３を含む吸引手段と、被加工物１４を載置する移動
ステージ１５とを有している。凸面ミラー５１の下側に
は、吸引ダクト５３が、開口部を下側に向けて配置され
ている。

【００３０】本実施形態において、凸面ミラー５１と凹
面ミラー５２とを含む光学系は、被加工物との距離や、
各ミラー間の距離等を任意に設定することができ、レー
ザ光の焦点位置と被加工物に応じて適性に調整すること
ができる。

【００３１】次に、図５に示すレーザ加工装置を用いた
レーザ加工について説明する。レーザ発振器から発生し
たレーザ光５４は、凸面ミラー５１に入射し、凸面ミラ
ー表面で反射して凹面ミラー５２の方へ進む。さらにレ
ーザ光は、凹面ミラー５２によって集光方向に反射さ
れ、被加工物１４の表面に結像し、被加工物１４の加工
を行う。レーザ光の照射により発生した飛散粒子は、吸
引ダクト５３内に吸引され、外部に排出される。

【００３２】本実施形態によれば、反射光学系を用いて
いるので、レンズに起因する色収差が生じないという利
点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置
を示す断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態において用いられる四
角錐プリズムを示す図である。

【図３】本発明の第１の実施形態において用いられる輪
帯光の例を説明するための図である。

【図４】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置
を示す断面図である。

【図５】本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置
を示す断面図である。

【図６】従来のレーザ加工方法を示す図である。

【符号の説明】

１レーザノズル２集光レンズ３、１４被加工物４ガス５、１７プラズマ７飛散粒子９吸引ノズル１０シールドガスノズル１１投影レンズ１２、５３吸引ダクト１３貫通孔１５移動ステージ１６、４２、５４レーザ光２１四角錐プリズム２２四角錐プリズムの底面２３マスク面４１集光レンズ５１凸面ミラー５２凹面ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石間伏広信神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究本部内Ｆターム(参考） 4E068 CA08 CD09 CD11 CD13 CG02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を斜め方向から所定の角度で被
加工物に照射して加工面に結像させる光学系と、該加工面の中央上方であり、かつ前記レーザ光の光路を
遮らない位置に配置された吸引手段と、を具備するレー
ザ加工装置。
【請求項２】前記光学系が、レンズ中央部に貫通孔を
有するドーナツ形状のレンズを含み、該ドーナツ形状の
レンズ中央部の貫通孔に前記吸引手段が配置されること
を特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】前記光学系がプリズム的レンズである集
光レンズを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ
加工装置。
【請求項４】前記光学系が、中央部に貫通孔を有する
ドーナツ形状の凹面ミラーと、該貫通孔の真下に配置さ
れた凸面ミラーとを含み、前記凸面ミラーの下方に前記
吸引手段が配置されることを特徴とする請求項１記載の
レーザ加工装置。
【請求項５】前記光学系が、輪帯光供給手段をさらに
含むことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項６】前記輪帯光供給手段が、四角錘プリズム
又は円錐プリズムを含むことを特徴とする請求項５記載
のレーザ加工装置。
【請求項７】前記所定の角度が、加工面の法線に対し
て２０度以上９０度未満であることを特徴とする請求項
１〜６のいずれか１項記載のレーザ加工装置。