JP2004098120A

JP2004098120A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2004098120A
Application number: JP2002262803A
Authority: JP
Inventors: Shiro Hamada; 浜田　史郎
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】良質の加工を行うことのできるレーザー加工方法及び装置を提供する。
【解決手段】相互に平行な２つの辺を有する貫通孔３ａが設けられたマスク３を準備する。マスク３の貫通孔３ａを通過したレーザビームが、レンズ７で集光され、貫通孔が加工対象物の表面上に結像されたとき、貫通孔の像の相互に平行な２つの辺が、加工対象物の表面上に画定された第１の方向と平行となるように、マスク３を回転し、固定する。マスクでレーザビームの断面を整形し、レンズで集光して、貫通孔を加工対象物の表面上に結像させる。レーザビームを第１の方向に走査して、加工対象物の一部を除去する加工を行う。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、溝を形成する従来のレーザ加工装置を示す概略図である。
【０００３】
レーザ光源５１から、パルスレーザビームが出射する。レーザビームは、ホモジナイザ５２でビーム断面のパルスエネルギ密度を均一（トップフラット）にされた後、たとえば円形の貫通孔を有するマスク５３で断面形状を円形に整形される。反射ミラー５４で反射され、集光レンズ５５を経て、基板５６に入射する。基板５６は、たとえばガラス基材の上に、インジウムティンオキサイド（ＩＴＯ）膜が形成された基板である。レーザビームは、基板５６のＩＴＯ膜に入射する。ＩＴＯ膜表面におけるレーザビームのビームスポットは、たとえば直径が０．２ｍｍの円形である。基板５６は、ＸＹステージ５７上に載置されている。ＸＹステージ５７は、基板５６を２次元平面内で移動させることによって、基板５６上の表面内においてパルスレーザビームの入射位置を移動させることができる。
【０００４】
まず、基板５６に、５０％の重複率でパルスレーザビームが照射されるようにＸＹステージ５７を動かし、基板５６のＩＴＯ膜に溝を形成する。ここで重複率とは、ビームスポットの直径に対するパルスレーザビーム１ショット当たりの移動距離を意味する。
【０００５】
図７（Ａ）は、５０％の重複率で照射されたレーザビームによって連続的な穴を開けられ、ＩＴＯ膜に溝が形成された基板５６の概略的な平面図である。溝の開口部の外周を太線で示した。ＩＴＯ膜に入射するレーザビームのビームスポットに依存する形状の穴が連続的に穿たれた結果、溝が形成されている。このため、溝の長さ方向に沿う開口の縁は、円形ビームスポットの外周の一部に対応する凹凸を有する。
【０００６】
ＩＴＯ膜に形成される溝の開口の縁を直線状に近づけるために、重複率を大きくする方法が用いられる。たとえば、基板５６のＩＴＯ膜上に、９０％の重複率でパルスレーザビームが照射されるようにＸＹステージ５７を動かし、溝を形成する。
【０００７】
図７（Ｂ）は、９０％の重複率で照射されたレーザビームによって連続的な穴を開けられ、ＩＴＯ膜に溝が形成された基板５６の概略的な平面図である。図７（Ａ）と同様に、溝の開口部の外周を太線で示した。溝の長さ方向に沿う開口の縁は、直線状に近づく。しかし、９０％の重複率でレーザビームを照射しているため、加工速度は重複率５０％の場合の５分の１である。開口の形状を改善することはできるが、加工の時間効率は悪化する。
【０００８】
矩形の貫通孔を有するマスク５３を用いることによって、開口の縁が直線状であるような溝を形成することができる。パルスレーザビームを、ＩＴＯ膜上に、矩形のビームスポットを形成して入射させ、矩形の一対の平行な辺と平行な方向に走査すればよい。
【０００９】
図７（Ｃ）は、上記のようにして、連続的な穴を開けられ、ＩＴＯ膜に溝が形成された基板５６の概略的な平面図である。溝の開口部の外周を太線で示した。溝の長さ方向に沿う開口の縁は、直線状である。しかし、このような溝が形成されるのは、レーザビームの走査方向と、矩形の一対の平行な辺の方向とが平行である場合に限られる。
【００１０】
図７（Ｄ）は、パルスレーザビームを、ＩＴＯ膜上に、矩形のビームスポットを形成して入射させ、矩形の一対の平行な辺と平行ではない方向に走査することによって、ＩＴＯ膜に溝が形成された基板５６の概略的な平面図である。溝の開口部の外周を太線で示した。加工される溝の幅は、図７（Ｃ）に示した溝の幅とは異なる。また、溝の長さ方向に沿う開口の縁は、矩形のビームスポットの外周の一部に対応する凹凸を有している。
【００１１】
図８は、穴６２と配線用溝６３が加工されたグリーンシート６１の概略的な平面図である。穴６２は、グリーンシート６１を貫通する穴である。穴６２は、レーザビームを照射することで開けられる。配線用溝６３は、エッチングにより、化学的に形成される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、良質の加工を行うことのできるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、相互に平行な２つの辺を有する貫通孔が設けられたマスクを準備する工程と、前記マスクの貫通孔を通過したレーザビームが、レンズで集光され、前記貫通孔が加工対象物の表面上に結像されたとき、前記貫通孔の像の相互に平行な２つの辺が、前記加工対象物の表面上に画定された第１の方向と平行となるように、前記マスクを回転し、固定する工程と、前記マスクでレーザビームの断面を整形し、前記レンズで集光して、前記貫通孔を前記加工対象物の表面上に結像させる工程と、レーザビームを前記第１の方向に走査して、前記加工対象物の一部を除去する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。
【００１４】
このレーザ加工方法によると、加工対象物に、一定幅を有し、開口の縁が直線状となる溝を形成することができる。
【００１５】
また、本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの断面を整形する貫通孔が設けられたマスクであって、該貫通孔は、相互に平行な２つの辺を有するマスクと、前記マスクで断面を整形されたレーザビームを、前記マスクの貫通孔が、加工対象物の表面に結像するように集光する集光レンズと、前記加工対象物の表面上に結像された前記貫通孔の像が、前記加工対象物に対して回転するように、前記マスクを回転させ、ある位置で固定させるマスク回転機構と、前記加工対象物に入射するレーザビームを、前記加工対象物表面内において走査するビーム走査器と、前記ビーム走査器のビーム走査方向を制御するとともに、前記マスクの貫通孔の像の相互に平行な２つの辺が、該ビーム走査方向と平行となるように、前記マスク回転機構を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
【００１６】
このレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行うと、加工対象物に、一定幅を有し、開口の縁が直線状となる溝を形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
【００１８】
レーザ光源１、たとえば波長変換ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器から、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）が、パルスエネルギ０．５ｍＪ／パルス、パルス幅５０ｎｓで出射する。なお、加工材料の種類に応じて、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ_４等の固体レーザの基本波及びその高調波、または、ＣＯ_２レーザ等のレーザ光を用いることができる。レーザビームは、ビーム径を拡大し、平行光として出射するエキスパンダ２を経て、マスク３に入射する。マスク３は、たとえば矩形の貫通孔３ａを有している。レーザビームは、断面形状を矩形に整形されて、マスク３から出射する。マスク３は、マスク回転機構４に保持されている。マスク回転機構４は、たとえばゴニオメータを含んで構成される。マスク回転機構４によりマスク３が回転すると、それに応じて、レーザビームは、矩形状に整形された断面を回転されて、マスク３から出射する。マスク回転機構４については、後述する。
【００１９】
マスク３を出射したレーザビームは、反射ミラー５で反射され、ガルバノスキャナ６に入射する。ガルバノスキャナ６は、２枚の揺動可能な反射鏡を含んで構成され、レーザビームを２次元方向に高速で走査する。ガルバノスキャナ６を出射したレーザビームは、ｆθレンズ７を経て、ステージ９上に載置された加工対象物である基板８に入射する。基板８は、たとえばガラス基材の上にＩＴＯ膜が形成された基板である。レーザビームは、基板８のＩＴＯ膜に入射する。ｆθレンズ７は、マスク３の貫通孔３ａを基板８のＩＴＯ膜上に結像させる。
【００２０】
図２は、矩形の貫通孔３ａを有するマスク３を保持したマスク回転機構４を示す概略図である。マスク回転機構４は、貫通孔３ａの矩形の対角線の交点を回転中心として、マスク３を回転する。マスク３の回転に対応して、基板８上の貫通孔３ａの像が回転する。すなわち、マスク回転機構４の回転によって、基板８上に結像させた貫通孔３ａの矩形の像を、基板８の表面内において回転させ、その１つの辺を、任意の方向と平行にすることができる。マスク回転機構４は、貫通孔３ａの矩形の像が、基板８の表面内において、所定の方向と平行になるように、マスク３を回転し、その位置で固定する。
【００２１】
図３（Ａ）は、基板８上に結像された矩形の貫通孔３ａの像（ビームスポット）を示す概略図である。矢印３０方向は、レーザビームの照射により、形成しようとする溝の長さ方向と平行な方向である。基板８のＩＴＯ膜上において、貫通孔３ａの矩形の像の平行な一対の辺が、矢印３０方向と平行になるように、マスク回転機構４によりマスク３を回転させ、レーザビームを入射させる。基板８には、貫通孔３ａが結像された位置のＩＴＯ膜に、穴が開く。次に、ガルバノスキャナ６により、基板８に入射するパルスレーザビームを、矢印３０方向に、走査する。
【００２２】
図３（Ｂ）は、ＩＴＯ膜に、矢印３０方向と平行な方向にのびる溝が形成された基板８の概略的な平面図である。ビームの入射位置を移動し、５ショットのパルスレーザビームを、５０％の重複率で照射することによって、照射位置に溝を形成した。ここで重複率とは、矩形のビームスポットの、矢印３０方向と平行な一辺の長さに対する、パルスレーザビーム１ショット当たりの移動距離である。パルスレーザビームは、矩形状の貫通孔３ａの像（ビームスポット）の平行な一対の辺の一部が、前回のショットのそれに重なるように、基板８に入射した。溝は、各ショットで開けられた穴が連続することによって、形成される。
【００２３】
形成された溝は、一定幅を有する。また、溝の開口の縁は、矩形状の貫通孔３ａの像の直線部によって形成されるため、凹凸を有しない直線状になる。なお、形成される溝の深さは、たとえば重複率により、調整することができる。
【００２４】
前述の通り、マスク回転機構４によりマスク３を回転させ、基板８上に結像される矩形の貫通孔３ａの像を、基板８の表面内における任意の方向と平行にすることができる。したがって、まず、加工しようとする溝の長さ方向と、矩形状の貫通孔３ａの像（ビームスポット）の平行な一対の辺の方向とが、平行になるように、マスク３を回転させ、基板８のＩＴＯ膜にレーザビームを入射させる。次に、矩形状の貫通孔３ａの像（ビームスポット）の平行な一対の辺の方向と平行な方向（加工しようとする溝の長さ方向）に、レーザビームを走査する。こうすることによって、基板８上に、任意の方向にのびる溝を形成することができる。溝は、一定幅を有し、開口の縁が直線状となる。
【００２５】
なお、基板８上に結像させるマスク３の貫通孔３ａは、矩形でなくてもよい。貫通孔３ａを、たとえば、平行な一対の辺を有する形状に形成して、レーザビームの断面を整形し、ビームスポットの平行な一対の辺と平行な方向に、レーザビームを走査すれば、開口の縁に凹凸を有しない、一定幅の溝を加工することができる。
【００２６】
図４（Ａ）は、マスク３の貫通孔３ａの一例を示す図である。貫通孔３ａは、平行な一対の辺を有する形状に形成されている。この一対の辺同士を接続する他の一対の辺は、内側に向かって湾曲している。このような貫通孔３ａを有するマスク３を用いて、レーザビームの断面を整形すると、基板８上に、平行な一対の辺を有する形状の貫通孔３ａの像（ビームスポット）を形成することができる。
【００２７】
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示した貫通孔が、基板８上に結像されたとき、基板８に開けられる穴を示した概略図である。この穴と同形状の穴を、平行な一対の辺に平行な方向に、連続して形成することにより、開口の縁に凹凸を有しない、一定幅の溝を加工することができる。
【００２８】
なお、一般に、パルスレーザビームは、ビーム断面の周辺部よりも、中央部において、高いパルスエネルギ密度を有する。また、図４（Ｂ）に示すようなビームスポットを形成してレーザビームを入射させ、平行な一対の辺の方向に走査すると、溝の中央部は、ビームスポットの中央部（パルスエネルギ密度の高い部分）で形成され、溝の縁近傍は、ビームスポットの周辺部（パルスエネルギ密度の低い部分）で形成される。図４（Ｂ）に示すビームスポットにおいては、平行な一対の辺同士を接続する他の一対の辺が内側に湾曲しているため、溝の中央部におけるレーザビームの照射回数は、縁近傍におけるそれよりも少なくなる。したがって、矩形の貫通孔を有するマスクを用いて加工を行う場合に比べ、形成される溝の深さを均一に近づけることができる。
【００２９】
図５は、本発明の第２の実施例によるレーザ加工方法で用いるレーザ加工装置の概略図である。図１に示したレーザ加工装置から、マスク回転機構４が除かれ、その代わりに回転ステージ１０が加入されている。回転ステージ１０は、その上に載置される基板８を、任意の方向に回転することができる。したがって、回転ステージ１０により、マスク回転機構４を用いる場合と同様に、貫通孔３ａの像（ビームスポット）を、基板８に対して、任意の方向に回転させることができる。よって、まず、加工しようとする溝の長さ方向と、矩形状の貫通孔３ａの像（ビームスポット）の平行な一対の辺の方向とが、平行になるように、基板８のＩＴＯ膜にレーザビームを入射させる。次に、矩形状の貫通孔３ａの像（ビームスポット）の平行な一対の辺の方向と平行な方向（加工しようとする溝の長さ方向）に、レーザビームを走査する。こうすることによって、基板８のＩＴＯ膜上に、任意の方向にのびる溝を形成することができる。溝は、一定幅を有し、開口の縁が直線状となる。
【００３０】
第１及び第２の実施例においては、基板８上に、貫通孔３ａを正確に結像させる必要はない。溝加工が可能な程度に、貫通孔３ａの像が形成されればよい。
【００３１】
また、第１及び第２の実施例においては、加工対象物として、ガラス基材の表面上にＩＴＯ膜が形成された基板８を用いた。たとえば金属層上に樹脂層が形成されたプリント基板、パッケージ基板、グリーンシート、ガラス、セラミックス基板、各種ウエハ等を加工することができる。図８に示したグリーンシートにおいて、従来はエッチングで化学的に形成されていた配線用溝６３も、実施例によるレーザ加工方法によれば、レーザビームを照射して形成することができる。
【００３２】
なお、第１及び第２の実施例においては、加工対象物表面上に溝を形成する加工を例にとって説明したが、加工対象物にレーザビームを照射し、加工対象物の一部を除去する種々の加工を行うことができる。
【００３３】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定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は自明であろう。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、良質の加工を行うことが可能なレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の概略図である。
【図２】マスクを保持したマスク回転機構を示す概略図である。
【図３】（Ａ）は、基板上に結像されたマスクの貫通孔を示す概略図であり、（Ｂ）は、溝が形成された基板の概略的な平面図である。
【図４】（Ａ）は、マスクの貫通孔の一例を示す概略図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示した貫通孔を通過したレーザビームを用いて、基板に形成した穴の概略図である。
【図５】第２の実施例によるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の概略図である。
【図６】溝を形成するための、従来のレーザ加工装置の概略図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｅ）は、従来のレーザ加工方法によって、溝を形成された基板の概略的な平面図である。
【図８】穴及び配線用溝が形成されたグリーンシートの概略的な平面図である。
【符号の説明】
１　レーザ光源
２　エキスパンダ
３　マスク
３ａ　貫通孔
４　マスク回転機構
５　反射ミラー
６　ガルバノスキャナ
７　ｆθレンズ
８　基板
９　ステージ
１０　回転ステージ
３０　矢印
５１　レーザ光源
５２　ホモジナイザ
５３　マスク
５４　反射ミラー
５５　集光レンズ
５６　基板
５７　ＸＹステージ
６１　グリーンシート
６２　穴
６３　配線用溝

Claims

相互に平行な２つの辺を有する貫通孔が設けられたマスクを準備する工程と、
前記マスクの貫通孔を通過したレーザビームが、レンズで集光され、前記貫通孔が加工対象物の表面上に結像されたとき、前記貫通孔の像の相互に平行な２つの辺が、前記加工対象物の表面上に画定された第１の方向と平行となるように、前記マスクを回転し、固定する工程と、
前記マスクでレーザビームの断面を整形し、前記レンズで集光して、前記貫通孔を前記加工対象物の表面上に結像させる工程と、
レーザビームを前記第１の方向に走査して、前記加工対象物の一部を除去する加工を行う工程と
を有するレーザ加工方法。
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームの断面を整形する貫通孔が設けられたマスクであって、該貫通孔は、相互に平行な２つの辺を有するマスクと、
前記マスクで断面を整形されたレーザビームを、前記マスクの貫通孔が、加工対象物の表面に結像するように集光する集光レンズと、
前記加工対象物の表面上に結像された前記貫通孔の像が、前記加工対象物に対して回転するように、前記マスクを回転させ、ある位置で固定させるマスク回転機構と、
前記加工対象物に入射するレーザビームを、前記加工対象物表面内において走査するビーム走査器と、
前記ビーム走査器のビーム走査方向を制御するとともに、前記マスクの貫通孔の像の相互に平行な２つの辺が、該ビーム走査方向と平行となるように、前記マスク回転機構を制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。