JP2005021964A - Laser beam ablation processing method and device therefor - Google Patents

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Yoshihiko Matsuoka
芳彦 松岡
Masamichi Kono
正道 河野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam ablation processing method capable of processing a high-aspect-ratio hole or groove with a fine hole opening or a fine line width, or capable of cutting a work with a fine line width, and to provide device therefor. <P>SOLUTION: An X-Y table 2, on which a work to be processed 13 is mounted, is located inside a pressure reducing chamber 11. A laser beam light source 14 which transmits pulses is provided in the outside of the pressure reducing chamber 11 and a laser light beam which is irradiated from the laser beam light source 14 is introduced into the inside of the pressure reducing chamber 11 through the window of the pressure reducing chamber 11 and is collimated by a magnification/collimate optical system 15. Then the laser light beam is formed to Bessel-beam by an axicon lens 16 and is irradiated onto the work to be processed 13. If required, gas contained in a gas cylinder 17 can be blown through a nozzle 18 as an assist gas to a laser beam irradiated region of the work to be processed 13. Again if desired, air(gas) inside the pressure reducing chamber 11 is evacuated. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、レーザービームを用いたアブレーション加工方法とその装置に係り、特に高アスペクト比の微細穴または微細線幅での加工を行うレーザーアブレーション加工方法およびその装置に関するものである。   The present invention relates to an ablation processing method using a laser beam and an apparatus therefor, and more particularly, to a laser ablation processing method and an apparatus for processing with a high aspect ratio fine hole or fine line width.

古くより、穴あけ加工は、ドリルなどの機械的加工によって行われてきた。しかしながら機械的加工では、径が１００μｍを下回るような微細な穴径の加工は困難である。近年、製品や部品の小型化、高集積化に伴い、微細な径の貫通穴やブラインド穴（非貫通穴）、微細な幅の溝加工や、微細な幅の切断加工が要求されている。これらの要求を満足する加工手法として、レーザー光パルスを用いたアブレーション加工がある。これは、パルス幅約１００ｎｓ以下のレーザー光パルスを凸レンズ等で微小スポットに集光して、尖頭値で約１００ＭＷ／ｃｍ２程度以上にパワー密度を高め、これを照射した被加工物表面部分をアブレーション（蒸散）させて除去する加工方法である。凸レンズ等の集光によりできる微小スポットのサイズ（直径）は、レーザー光の波長や凸レンズの焦点距離等により異なる。レーザー光の波長をλ、凸レンズの焦点距離をｆ、レーザー光がトップハットの強度分布を持っており、そのビーム直径がａであるとき、理想的集光状態でのスポットの直径φｃは近似的に次の（１）式で表される。
φｃ＝２．４４ λ ｆ ／ ａ （１）
また、理想的集光状態でのスポットの焦点深度ｚｆは近似的に（２）式で表される。
ｚｆ＝２ λ ｆ２ ／ ａ２ （２）
例えば、ビーム直径約４ｍｍ、波長５３２ｎｍのレーザー光を焦点距離約６０ｍｍの凸レンズを用いて集光すれば、スポット直径は約２０μｍとなる。しかしながらこのスポットの焦点深度は高々約２５０μｍでしかないため、加工に際して被加工物と集光のための凸レンズの位置を精密に調節する必要がある。 Since ancient times, drilling has been performed by mechanical processing such as drilling. However, in mechanical machining, it is difficult to machine a fine hole diameter such that the diameter is less than 100 μm. In recent years, along with downsizing and high integration of products and parts, fine diameter through holes and blind holes (non-through holes), fine width groove processing, and fine width cutting processing are required. As a processing method that satisfies these requirements, there is ablation processing using a laser light pulse. This is because a laser light pulse with a pulse width of about 100 ns or less is focused on a minute spot with a convex lens or the like, and the power density is increased to about 100 MW / cm 2 or more by a peak value, and the workpiece surface portion irradiated with this Is a processing method of removing by ablation (transpiration). The size (diameter) of a minute spot formed by condensing light such as a convex lens varies depending on the wavelength of the laser light, the focal length of the convex lens, and the like. When the wavelength of the laser beam is λ, the focal length of the convex lens is f, the laser beam has a top hat intensity distribution, and its beam diameter is a, the spot diameter φc in an ideal condensed state is approximate. Is expressed by the following equation (1).
φc = 2.44 λ f / a (1)
In addition, the focal depth zf of the spot in an ideal light collection state is approximately expressed by equation (2).
zf = 2 λ f 2 / a 2 (2)
For example, if a laser beam having a beam diameter of about 4 mm and a wavelength of 532 nm is condensed using a convex lens having a focal length of about 60 mm, the spot diameter is about 20 μm. However, since the focal depth of this spot is only about 250 μm at most, it is necessary to precisely adjust the position of the workpiece and the convex lens for condensing during processing.

微小スポットに集光された尖頭値パワー密度の高いレーザー光パルスの照射によるアブレーションによって被加工物表面は除去され、浅い穴が形成される。レーザー光パルスが、繰返し生成され、照射される場合（レーザー光パルス列照射）は、浅い穴の開口を通して、次のレーザー光パルスが穴の内部に入り、さらに穴の内部の被加工物表面がアブレーションによって除去される。連続して照射されるレーザー光パルスによって、穴の深さが順次深くなるのではなく、ある一定深さに達すると、照射するレーザー光パルスを増やしても、それ以上穴は深くならなくなる。従って、穴の径φを微細に保ったまま穴の深さｄを深くすること、即ち、アスペクト比ｄ／φの大きな穴あけ加工をすることは困難であった。   The surface of the workpiece is removed by ablation by irradiation with a laser beam pulse having a high peak power density focused on a minute spot, and a shallow hole is formed. When laser light pulses are repeatedly generated and irradiated (laser light pulse train irradiation), the next laser light pulse enters the inside of the hole through the opening of the shallow hole, and the workpiece surface inside the hole is ablated. Removed by. The depth of the hole is not gradually increased by the laser light pulse that is continuously irradiated. When the laser light pulse reaches a certain depth, the hole is not deepened even if the laser light pulse to be irradiated is increased. Accordingly, it is difficult to increase the depth d of the hole while keeping the diameter φ of the hole fine, that is, to perform drilling with a large aspect ratio d / φ.

この問題を解決するものとして、ある一定数のレーザー光パルスの照射毎に、被加工物を載せたステージを上昇させることにより、レーザー光の集光スポット（焦点）を被加工物内部に順次深く挿入し、加工穴の深さの飽和を避け、アスペクト比の高い穴を加工する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。   As a solution to this problem, each time a certain number of laser light pulses are irradiated, the stage on which the workpiece is placed is raised, so that the laser beam condensing spot (focal point) is gradually deepened inside the workpiece. There has been proposed a technique of inserting and machining a hole with a high aspect ratio while avoiding saturation of the depth of the machined hole (see, for example, Patent Document 1).

また、穴あけ加工の進行に合わせて、レーザー光を集光するレンズの位置を被加工物側に順次移動させることにより、レーザー光の集光スポット（焦点）を被加工物内部に順次深く挿入し、加工穴の深さの飽和を避け、アスペクト比の高い穴を加工する手法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。   As the drilling process progresses, the laser beam focusing spot (focal point) is sequentially inserted deeply into the workpiece by sequentially moving the lens focusing laser beam to the workpiece. A method of processing a hole having a high aspect ratio while avoiding saturation of the depth of the processed hole has also been proposed (for example, see Patent Document 2).

被加工物がレーザー光に対して透明である場合には、別種の手法が開示されている。例えば非特許文献１には、石英ガラスに波長７９０ｎｍのフェムト秒レーザー光パルス（パルス幅１００〜２００ｆｓ）を繰返し照射することによる、数μｍ径で深さ１ｍｍを越える穴あけが報告されている。
さらに、特許文献３、４には、レーザー光パルスの集光スポットを、レーザー光が入射する面とは反対側の被加工物表面（裏側）に位置させて裏側表面をアブレーションさせ、順次集光スポット（焦点）を被加工物内部に引き入れて、アスペクト比の高い穴を加工する手法が開示されている。
特開平５−２０８２８８号公報 特開２００２−３０７１８０号公報 特開２００１−２１２６８０号公報 特開２００３−２０２５８号公報 Ｖａｒｅｌ et al．、 Applied Physics A誌、６５巻、pp．３６７−３７３、１９９７年 In the case where the workpiece is transparent to the laser beam, another type of technique is disclosed. For example, Non-Patent Document 1 reports drilling with a diameter of several μm and a depth exceeding 1 mm by repeatedly irradiating quartz glass with femtosecond laser light pulses (pulse width: 100 to 200 fs) having a wavelength of 790 nm.
Further, in Patent Documents 3 and 4, the focused spot of the laser beam pulse is positioned on the workpiece surface (back side) opposite to the surface on which the laser beam is incident, and the back side surface is ablated to sequentially collect the laser beam. A technique for processing a hole having a high aspect ratio by drawing a spot (focus) into the workpiece is disclosed.
JP-A-5-208288 JP 2002-307180 A JP 2001-212680 A JP 2003-20258 A Varel et al. Applied Physics A, 65, pp. 367-373, 1997

従来、微細穴開口または微細線幅で、穴あけ加工、溝または切断の加工を、レーザー光パルスを用いたアブレーション加工によって実施する際には、被加工物と集光のためのレンズの位置を精密に調節する必要があった。
非特許文献１に報告されている手法や、特許文献３、４に開示されている手法は、いずれも被加工物が照射されるレーザー光に対して透明であるものに限定されている。
また、特許文献１、２に開示された手法では、被加工物を載せるステージの駆動機構や、集光用のレンズの移動機構が必要であり、手法及び装置が、複雑であり高価になる。
本発明の目的は、被加工物がレーザー光に対して透明であるか不透明であるかを問わず、被加工物と集光のための精密な位置合わせが不要で、複雑な装置を必要としない、微細穴開口または微細線幅の、高アスペクト比の穴、溝または切断の加工をする方法および装置を提供することにある。 Conventionally, when drilling, grooving, or cutting with a fine hole opening or fine line width is carried out by ablation using a laser light pulse, the position of the workpiece and the lens for condensing are precise. There was a need to adjust to.
The methods reported in Non-Patent Document 1 and the methods disclosed in Patent Documents 3 and 4 are all limited to those that are transparent to the laser beam irradiated on the workpiece.
Further, the methods disclosed in Patent Documents 1 and 2 require a stage driving mechanism on which a workpiece is placed and a condensing lens moving mechanism, and the method and apparatus are complicated and expensive.
It is an object of the present invention, regardless of whether the workpiece is transparent or opaque to the laser beam, and does not require precise alignment for focusing with the workpiece and requires a complicated apparatus. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for processing a high-aspect-ratio hole, groove, or cut with no fine hole opening or fine line width.

上記の目的を達成するため、本発明によれば、レーザービームを被加工物表面に照射することにより、被加工物表面を除去して穴あけ、溝形成または切断を行うレーザーアブレーション加工方法において、前記被加工物に照射されるレーザービームがベッセルビームであることを特徴とするレーザーアブレーション加工方法、が提供される。   In order to achieve the above object, according to the present invention, in the laser ablation processing method in which the workpiece surface is removed by irradiating the workpiece surface with a laser beam, drilling, groove formation or cutting is performed. There is provided a laser ablation processing method, wherein a laser beam applied to a workpiece is a Bessel beam.

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、被加工物表面にレーザービームを照射することにより、被加工物表面を除去して穴あけ、溝形成または切断を行うレーザーアブレーション加工装置であって、レーザー光源と、レーザービームをベッセルビームに変換する変換光学手段と、被加工物が載置されるテーブルと、を備えるレーザーアブレーション加工装置、が提供される。   In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a laser ablation processing apparatus that removes a surface of a workpiece to form a hole, form a groove, or cut by irradiating the surface of the workpiece with a laser beam. There is provided a laser ablation processing apparatus including a laser light source, conversion optical means for converting a laser beam into a Bessel beam, and a table on which a workpiece is placed.

本発明によれば、被加工物がレーザー光に対して透明であるか不透明であるかを問わず、被加工物と集光のための精密な位置合わせが不要で、複雑な装置を必要としない、微細穴開口または微細線幅の、高アスペクト比の穴、溝または切断の加工をする方法および装置が提供される。その理由を以下に説明する。
本発明の特徴は、被加工物にレーザー光パルスとしてベッセルビームを照射していることにある。ベッセルビームに関しては、特願２００２−３３９５２０に詳しく記載されている。ベッセルビームの中心スポット直径φｂは、ビームと光軸（レーザー光の伝播軸）との交差角をθbとして、近似的に（３）式で表される（図１参照）。
φｂ＝２．４０５ λ ／（π ｓｉｎθｂ） （３）
通常の凸レンズ集光の場合の集光スポット直径は、（１）式においてｔａｎθｃ＝ａ／（２ ｆ）と置く事で、（４）式に書き換えることができる。
φｃ＝１．２２ λ ／ ｔａｎθｃ （４）
ここで角度θｃは、凸レンズで屈折して焦点に向かうレーザー光の光束の一番外側の光線が、光軸（伝播軸）と交差する角である（図２参照）。 According to the present invention, regardless of whether the workpiece is transparent or opaque to the laser beam, precise alignment for the workpiece and light collection is unnecessary, and a complicated apparatus is required. There is provided a method and apparatus for processing fine hole openings or fine line width, high aspect ratio holes, grooves or cuts. The reason will be described below.
A feature of the present invention resides in that a workpiece is irradiated with a Bessel beam as a laser light pulse. The Bessel beam is described in detail in Japanese Patent Application No. 2002-339520. The center spot diameter φb of the Bessel beam is approximately expressed by equation (3), where θb is the intersection angle between the beam and the optical axis (laser beam propagation axis) (see FIG. 1).
φb = 2.405 λ / (π sin θb) (3)
The condensing spot diameter in the case of normal convex lens condensing can be rewritten into equation (4) by setting tan θc = a / (2 f) in equation (1).
φc = 1.22 λ / tan θc (4)
Here, the angle θc is an angle at which the outermost light beam of the laser light beam refracted by the convex lens toward the focal point intersects the optical axis (propagation axis) (see FIG. 2).

波長λ＝５３２ｎｍのレーザー光を用いた場合の、同じスポット直径を得るのに必要な、交差角を計算し、図３に示す。いずれのスポット直径の場合も、通常の凸レンズ集光の場合よりも、ベッセルビームの方が交差角は小さい。
凸レンズで集光したスポットにより穴あけを行う場合の様子を図２に示す。被加工物１の表面に凸レンズにより集光されたレーザー光２を照射すると、アブレーションにより穴があけられる。この穴の内部を、次のレーザー光パルスが反射を繰り返しながら進むが、レーザー光束最外側光と伝播軸3とのなす角：交差角θｃが大きいため、単位距離進むのに多くの反射が必要になる。また、穴側面に対する反射角θｒが小さく、フレネル反射で理解されているように、反射の度毎に多くのエネルギーを失う。従って、凸レンズで集光したスポットの場合には、穴底に達するエネルギーは小さいものでしかない。
ベッセルビームにより穴あけを行う場合の様子を図１に示す。被加工物１の表面にベッセルビームであるレーザー光２を照射すると、アブレーションにより穴があけられ、この穴の内部を、次のレーザー光パルスが反射を繰り返しながら進むが、この場合、交差角θbが小さく、単位距離進むのに要する反射の回数が少ない。また、穴側面に対する反射角θｒが大きく、フレネル反射で理解されているように、反射の度毎に失うエネルギーは小さい。従って、ベッセルビームのスポットの場合には、開口を通過したレーザー光のエネルギーの多くが穴底にまで達する。従って、交差角が小さいベッセルビームを用いた方が、より深い穴底にまで高いエネルギーを保ったままレーザー光が届くため、深い穴を加工することが可能になる。 When a laser beam having a wavelength λ = 532 nm is used, the crossing angle necessary for obtaining the same spot diameter is calculated and shown in FIG. In any of the spot diameters, the crossing angle of the Bessel beam is smaller than that in the case of normal convex lens focusing.
FIG. 2 shows a state where drilling is performed with a spot condensed by a convex lens. When the surface of the workpiece 1 is irradiated with the laser beam 2 collected by the convex lens, a hole is formed by ablation. The inside of this hole advances while the next laser light pulse repeats reflection, but the angle between the laser beam outermost light and the propagation axis 3: the crossing angle θc is large, so many reflections are required to advance the unit distance. become. Further, the reflection angle θr with respect to the side surface of the hole is small, and as understood by Fresnel reflection, a lot of energy is lost for each reflection. Therefore, in the case of the spot condensed by the convex lens, the energy reaching the hole bottom is only small.
FIG. 1 shows the state of drilling with a Bessel beam. When the surface of the workpiece 1 is irradiated with the laser beam 2 which is a Bessel beam, a hole is formed by ablation, and the next laser beam pulse is repeatedly reflected inside the hole. In this case, the crossing angle θb And the number of reflections required to travel a unit distance is small. Further, the reflection angle θr with respect to the side surface of the hole is large, and as is understood by Fresnel reflection, the energy lost for each reflection is small. Therefore, in the case of a Bessel beam spot, much of the energy of the laser beam that has passed through the aperture reaches the bottom of the hole. Therefore, when the Bessel beam having a small crossing angle is used, the laser beam reaches the deeper hole bottom while maintaining high energy, so that a deep hole can be processed.

図４（ａ）に、波長５３２ｎｍ、ビーム直径（１／ｅ２）４ｍｍの強度分布がガウシアンであるレーザー光束を、アクシコンレンズや回折型光学素子等の集光手段を用いて生成した、交差角θｂが約１．１７°であるベッセルビームの、伝播軸上の光強度分布を示す。この場合のスポット直径は約２０μｍである。
また、伝播軸上光強度は、集光手段からの伝播距離が約５０ｍｍで最大値を持ち、最大強度の８０％の値を維持している伝播距離区間（焦点深度、伝播距離約３０ｍｍから約７５ｍｍまで）は長さ４５ｍｍに及んでおり、少なくともこの区間内において、図４（ｂ）に示されるビーム断面内の光強度分布が維持されている。通常の凸レンズ集光において、集光スポット径が約２０μｍの場合の焦点深度が約２５０μｍであるのに比べ、ベッセルビームは遥かに深い焦点深度を有しており、加工時に被加工物と集光のためのレンズの位置を精密に調節する必要がなくなる。
以下に実施の形態、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内での種々の変更、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。 In FIG. 4A, a laser beam having a wavelength distribution of 532 nm and a beam diameter (1 / e 2 ) of 4 mm and having a Gaussian intensity distribution is generated using a condensing means such as an axicon lens or a diffractive optical element. The light intensity distribution on the propagation axis of a Bessel beam having an angle θb of about 1.17 ° is shown. In this case, the spot diameter is about 20 μm.
Further, the light intensity on the propagation axis has a maximum value when the propagation distance from the light collecting means is about 50 mm and maintains a value of 80% of the maximum intensity (focus depth, about 30 mm to about 30 mm). (Up to 75 mm) extends to a length of 45 mm, and at least in this section, the light intensity distribution in the beam cross section shown in FIG. 4B is maintained. In a normal convex lens condensing, the Bessel beam has a much deeper depth of focus when the condensing spot diameter is about 20 μm and is about 250 μm. Eliminates the need for precise adjustment of the lens position.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments and examples, but the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made without departing from the scope of the present invention.

図５は、本発明のレーザーアブレーション加工装置の概略の構成を示す断面図である。必須の構成要件ではないが、被加工物１３が載置されるＸ−Ｙテーブル２は、減圧チャンバ１１内に置かれる。減圧チャンバ１１の外に、パルス発振するレーザー光源１４が配置されており、レーザー光源１４より出射されたレーザー光ビームは、減圧チャンバ１１の窓を通して減圧チャンバ１１内に導入され、拡大・コリメート光学系１５により平行化された後、アクシコンレンズ１６によりベッセルビーム化され、被加工物１３上に照射される。レーザー光源１４と拡大・コリメート光学系１５との間あるいは拡大・コリメート光学系１５とアクシコンレンズ１６との間に、レーザー光ビームの強度を調整する光減衰器を配置してもよい。また、レーザー光源１４から出射される光ビームのビーム径が十分に大きくその平行度が高い場合には拡大・コリメート光学系１５を省略してもよい。あるいは、拡大・コリメート光学系１５、アクシコンレンズ１６及び光減衰器は、減圧チャンバ１１の外側に置かれてもよい。
レーザー光源１４から出射される光のパルス幅は、好ましくは１００ｎｓ以下であり、一層好ましくは３０ｎｓ以下である。レーザー光源１４には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ルビーレーザーやＴｉ：サファイアレーザーなどの固体レーザーあるいはその第二高調波出力などが用いられる。拡大・コリメート光学系１５にはケプラータイプやガリレオタイプのビームエキスパンダーなどが用いられ、これによりレーザー光源１４より出射された光ビームはビーム径が広げられ平行ビーム化される。この平行光ビームは、円錐形レンズであるアクシコンレンズ１６によりベッセルビーム化されるが、アクシコンレンズ１６に代え同様の機能を有する回折型光学素子を用いてもよい。被加工物１３は、Ｘ−Ｙテーブル２により水平面内を移動される。例えば被加工物１３に溝加工を加えるとき、Ｘ-Ｙテーブル２は制御装置(図示なし)により制御される。Ｘ−Ｙテーブル２に上下方向移動の機能を持たせることができる。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the laser ablation processing apparatus of the present invention. Although not an essential component, the XY table 2 on which the workpiece 13 is placed is placed in the decompression chamber 11. A laser light source 14 that pulsates is disposed outside the decompression chamber 11, and a laser light beam emitted from the laser light source 14 is introduced into the decompression chamber 11 through a window of the decompression chamber 11, and an expansion / collimating optical system. After being collimated by 15, it is converted into a Bessel beam by the axicon lens 16 and irradiated onto the workpiece 13. An optical attenuator for adjusting the intensity of the laser light beam may be disposed between the laser light source 14 and the magnifying / collimating optical system 15 or between the magnifying / collimating optical system 15 and the axicon lens 16. If the beam diameter of the light beam emitted from the laser light source 14 is sufficiently large and the parallelism thereof is high, the magnification / collimating optical system 15 may be omitted. Alternatively, the magnifying / collimating optical system 15, the axicon lens 16, and the optical attenuator may be placed outside the decompression chamber 11.
The pulse width of the light emitted from the laser light source 14 is preferably 100 ns or less, and more preferably 30 ns or less. As the laser light source 14, a solid laser such as an Nd: YAG laser, an Nd: ruby laser, or a Ti: sapphire laser, or a second harmonic output thereof is used. A Kepler type or Galileo type beam expander or the like is used for the magnifying / collimating optical system 15, whereby the light beam emitted from the laser light source 14 is expanded into a parallel beam. This parallel light beam is converted into a Bessel beam by the axicon lens 16 which is a conical lens, but a diffractive optical element having a similar function may be used instead of the axicon lens 16. The workpiece 13 is moved in the horizontal plane by the XY table 2. For example, when grooving is added to the workpiece 13, the XY table 2 is controlled by a control device (not shown). The XY table 2 can have a function of moving up and down.

所望により、被加工物１３のレーザービーム照射部位にガスボンベ１７中のガスをアシストガスとしてノズル１８を介して吹きつける。アシストガスとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ２、Ｎ２ガス等が用いられる。また、所望により、減圧チャンバ１１内の空気（ガス）をポンプ（図示なし）により排気する。穴あけ、溝及び切断加工において、被加工物表面の照射部位を含む領域にアシストガスを吹き付けながら、レーザー光パルスを照射することは、加工速度が速くなるとともに表面平滑度が向上するので効果的である。また、穴あけ、溝及び切断加工において、被加工物表面の照射部位を含む領域を減圧しながら、レーザー光パルスを照射することは、除去物の穴や溝からの排出を促進するので、加工速度向上、加工面平滑性向上に効果がある。 If desired, the gas in the gas cylinder 17 is blown through the nozzle 18 as an assist gas to the laser beam irradiation site of the workpiece 13. As the assist gas, He, Ar, O 2 , N 2 gas or the like is used. If desired, air (gas) in the decompression chamber 11 is exhausted by a pump (not shown). In drilling, grooving and cutting, it is effective to irradiate laser light pulses while spraying an assist gas to the area including the irradiated part on the surface of the workpiece because the processing speed increases and the surface smoothness improves. is there. Also, in drilling, grooving and cutting, irradiating the laser light pulse while reducing the area including the irradiated part on the surface of the work piece promotes discharge of the removed material from the hole or groove, so that the processing speed This is effective for improving the smoothness of the processed surface.

ベッセルビームの特徴は、パワー密度が高くかつ１００μｍ程度以下の中心ピーク直径が容易に得られ、さらにその中心ピーク直径が比較的長い伝播距離に渡って維持されることにある。これよりも大きい集光スポット直径は、通常の凸レンズ集光でも容易に得られるし、図３からも分かるように大きなスポット直径におけるベッセルビームと凸レンズ集光の伝播軸との交差角は、依然としてベッセルビームの方が小さいものの、両者ともに十分小さい値となっており、従来の手法で十分な加工の実施が可能である。本発明の特徴が特に発揮される穴の短直径、あるいは、溝幅または切断幅は、１００μｍ以下である。穴あけ加工は多くの場合真円度の高い円形穴あけであるが、楕円や異形穴形状の場合もある。
穴あけ加工における短直径とは、穴形状に内接する最大面積の円または楕円の、円の場合には直径、楕円の場合には短軸（最短直径）とする。照射するレーザー光の集光により高められたパワー密度の値に依存するが、一般的には穴の短直径と同程度の深さまでは従来技術により容易に穴あけ加工を実施できる。本発明の特徴が特に発揮される、穴の短直径φと穴の深さｄの比ｄ／φ、あるいは、溝の幅または切断幅ｗと溝深さまたは切断厚さｔの比ｔ／ｗ、すなわちアスペクト比は２以上である。穴あけ加工の場合、照射するレーザー光パルスのパルス数及びパルスあたりのエネルギーを適宜選択することで、穴の深さを調節することができ、貫通穴だけでなく、所望の深さのブラインド穴を加工することが可能である。
溝及び切断加工の場合、照射するレーザー光パルスのパルスあたりのエネルギー及び照射位置の移動速度を適宜選択することで、溝の深さを調節することができ、切断だけでなく、所望の深さの溝を加工することが可能である。 A characteristic of the Bessel beam is that a center peak diameter of high power density and about 100 μm or less can be easily obtained, and the center peak diameter is maintained over a relatively long propagation distance. A condensing spot diameter larger than this can be easily obtained by ordinary convex lens condensing, and as can be seen from FIG. 3, the crossing angle between the Bessel beam at the large spot diameter and the propagation axis of the convex lens condensing is still Bessel. Although the beam is smaller, both values are sufficiently small, and sufficient processing can be performed by the conventional method. The short diameter, groove width, or cutting width of the hole in which the characteristics of the present invention are particularly exhibited is 100 μm or less. In many cases, the drilling process is circular drilling with high roundness, but there are also cases of elliptical or irregular hole shapes.
The short diameter in the drilling process is the circle or ellipse of the maximum area inscribed in the hole shape, the diameter in the case of a circle, and the short axis (shortest diameter) in the case of an ellipse. Although it depends on the value of the power density increased by condensing the laser beam to be irradiated, in general, drilling can be easily performed by the conventional technique at a depth similar to the short diameter of the hole. The ratio d / φ of the short diameter φ of the hole and the depth d of the hole, or the ratio t / w of the groove width or cutting width w and the groove depth or cutting thickness t, in which the features of the present invention are particularly exhibited. That is, the aspect ratio is 2 or more. In the case of drilling, the depth of the hole can be adjusted by appropriately selecting the number of laser light pulses to irradiate and the energy per pulse, and not only through holes but also blind holes of the desired depth can be adjusted. It is possible to process.
In the case of groove and cutting, the depth of the groove can be adjusted by appropriately selecting the energy per pulse of the laser light pulse to be irradiated and the moving speed of the irradiation position, and not only the cutting but also the desired depth It is possible to machine the groove.

繰返し周波数１０Ｈｚのパルス発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波出力である、パルス幅約１０ｎｓ、波長５３２ｎｍ、ビーム断面内の光強度分布がニアガウシアンで、ビーム直径（１／ｅ２）が約７ｍｍの概ね平行光束であるレーザー光パルス列を、光源に用いた。
合成石英ガラス製アクシコンレンズ（円錐形状、底円半径３０ｍｍ、半頂角６８°）の光学軸とレーザー光パルス列光束の軸を概ね一致させて、レーザー光パルス列光束をアクシコンレンズの底面に概ね垂直に入射させ、交差角θｂ約１１．２°、中心ピーク直径約２μｍ、焦点深度がアクシコンレンズ円錐底面からの距離約１７ｍｍから約２４．５ｍｍにわたるベッセルビームを生成した。X-Yテーブルに厚さ約２０μｍのＳＵＳ３０４の箔を固定し、ＳＵＳ３０４箔の表面をアクシコンレンズの円錐底面からの距離約２０ｍｍに設置した。ＳＵＳ３０４箔の表面に概ね垂直にベッセルビームが入射するように調整し、１０Ｈｚの繰返しでベッセルビームであるレーザー光パルスを、１パルスあたり１．２５ｍＪのエネルギーで、約５０パルス照射した。
穴の短直径は約４μｍで、穴はＳＵＳ３０４箔の裏面に達する貫通穴であり、アスペクト比ｄ／φは約５である。レーザー顕微鏡による貫通穴の断面形状測定結果を、図６に示す。但し、レーザー顕微鏡では微細穴の中の形状評価ができないので、斜線を引いてある。 The second harmonic output of a pulsed Nd: YAG laser with a repetition rate of 10 Hz, pulse width of about 10 ns, wavelength of 532 nm, light intensity distribution in the beam cross section is near Gaussian, and beam diameter (1 / e 2 ) is about 7 mm. A laser light pulse train having a substantially parallel luminous flux was used as a light source.
The optical axis of the synthetic quartz glass axicon lens (conical shape, base circle radius 30 mm, half apex angle 68 °) and the axis of the laser beam pulse train light beam are made to substantially coincide with each other so that the laser light pulse train light beam is generally applied to the bottom surface of the axicon lens. A Bessel beam was generated that was incident perpendicularly and had a crossing angle θb of about 11.2 °, a center peak diameter of about 2 μm, and a depth of focus of about 17 mm to about 24.5 mm from the bottom of the axicon lens cone. A SUS304 foil having a thickness of about 20 μm was fixed to the XY table, and the surface of the SUS304 foil was set at a distance of about 20 mm from the conical bottom surface of the axicon lens. The surface of the SUS304 foil was adjusted so that the Bessel beam was incident substantially perpendicularly, and a laser beam pulse as a Bessel beam was irradiated at an energy of 1.25 mJ per pulse at a repetition rate of 10 Hz.
The short diameter of the hole is about 4 μm, the hole is a through hole reaching the back surface of the SUS304 foil, and the aspect ratio d / φ is about 5. FIG. 6 shows the result of measuring the cross-sectional shape of the through hole using a laser microscope. However, since the shape inside the microscopic hole cannot be evaluated with a laser microscope, it is hatched.

実施例１と同じ光源を用い、アクシコンレンズの半頂角を８７°に代えて、交差角θｂ約１．３８°、中心ピーク直径約１７μｍ、焦点深度がアクシコンレンズ底面からの距離約４２ｍｍから約１１０ｍｍにわたるベッセルビームを生成した。
X-Yテーブルに厚さ約３００μｍのＳＵＳ３０４板を固定し、ＳＵＳ３０４板の表面をアクシコンレンズの円錐底面からの距離約７４ｍｍに、ＳＵＳ３０４板の表面に概ね垂直にベッセルビームが入射するように調整・設置した。１０Ｈｚの繰返しでベッセルビームであるレーザー光パルスを、１パルスあたり１１ｍＪのエネルギーで、約１２０００パルス照射した。穴の開口の短直径は約２０μｍで、穴はＳＵＳ３０４板の裏面に達する貫通穴であり、アスペクト比ｄ／φは約１５である。 Using the same light source as in Example 1, the half apex angle of the axicon lens was changed to 87 °, the crossing angle θb was about 1.38 °, the center peak diameter was about 17 μm, and the focal depth was about 42 mm from the bottom surface of the axicon lens. A Bessel beam spanning about 110 mm from
An SUS304 plate with a thickness of about 300 μm is fixed to the XY table, and the surface of the SUS304 plate is adjusted and installed so that the Bessel beam is incident on the surface of the SUS304 plate at a distance of about 74 mm from the conical bottom surface of the axicon lens. did. A laser beam pulse that is a Bessel beam at a repetition rate of 10 Hz was irradiated with about 12000 pulses at an energy of 11 mJ per pulse. The short diameter of the opening of the hole is about 20 μm, the hole is a through hole reaching the back surface of the SUS304 plate, and the aspect ratio d / φ is about 15.

実施例１と同じ光源、アクシコンレンズ、厚さ約２０μｍのＳＵＳ３０４箔を用いた。X-YテーブルにＳＵＳ３０４箔を固定し、ＳＵＳ３０４箔の表面をアクシコンレンズの円錐底面からの距離約２０ｍｍに、ＳＵＳ３０４箔の表面に概ね垂直にベッセルビームが入射するように調整・設置した。X-Yテーブルを毎分約６０μｍの速度で直線的に、レーザー光パルスの入射方向とは垂直な方向に、５分間移動させる間、１０Ｈｚの繰返しでベッセルビームであるレーザー光パルスを、１パルスあたり１．２５ｍＪのエネルギーで繰返し照射し続けた。ＳＵＳ箔は、幅約４μｍ、長さ約３００μｍにわたり、裏面まで切断されており、アスペクト比ｔ／ｗは約５であった。   The same light source, axicon lens, and SUS304 foil having a thickness of about 20 μm were used as in Example 1. The SUS304 foil was fixed to the XY table, and the surface of the SUS304 foil was adjusted and installed so that the Bessel beam was incident on the surface of the SUS304 foil at a distance of about 20 mm from the conical bottom surface of the axicon lens. While the XY table is moved linearly at a speed of about 60 μm per minute in a direction perpendicular to the incident direction of the laser light pulse for 5 minutes, a laser light pulse that is a Bessel beam with a repetition of 10 Hz is 1 per pulse. Continued irradiation repeatedly at an energy of .25 mJ. The SUS foil had a width of about 4 μm and a length of about 300 μm, was cut to the back surface, and the aspect ratio t / w was about 5.

本発明による微細穴あけ加工における、穴内部のレーザー光パルスの伝播の状態を示す断面図。Sectional drawing which shows the state of the propagation of the laser beam pulse inside a hole in the fine hole drilling process by this invention. 通常の凸レンズで集光したスポットによる微細穴あけ加工における、穴内部のレーザー光パルスの伝播の状態を示す断面図。Sectional drawing which shows the state of the propagation of the laser beam pulse inside a hole in the fine hole drilling process by the spot condensed with the normal convex lens. 目的のスポット直径を得るのに必要な交差角を示す図表。The chart which shows the crossing angle required in order to obtain the target spot diameter. 波長５３２ｎｍ、ビーム直径（１／ｅ２）４ｍｍのガウシアンビームから生成された交差角θｂ約１．１７°のベッセルビームの、伝播軸上の光強度分布（ａ）と、ビーム断面内の光強度分布（ｂ）を示すグラフ。Light intensity distribution (a) on the propagation axis and light intensity in the beam cross section of a Bessel beam having a crossing angle θb of about 1.17 ° generated from a Gaussian beam having a wavelength of 532 nm and a beam diameter (1 / e 2 ) of 4 mm The graph which shows distribution (b). 本発明のレーザーアブレーション加工装置の一実施の形態を示す概念図。The conceptual diagram which shows one Embodiment of the laser ablation processing apparatus of this invention. 厚さ２０μｍのＳＵＳ３０４箔の貫通穴のレーザー顕微鏡を用いた断面形状計測結果を示すグラフ。The graph which shows the cross-sectional shape measurement result using the laser microscope of the through hole of 20-micrometer-thick SUS304 foil.

符号の説明Explanation of symbols

１ 被加工物
２ レーザー光
３ 伝播軸
θｂ、θｃ 交差角
θｒ 反射角
１１ 減圧チャンバ
１２ Ｘ−Ｙテーブル
１３ 被加工物
１４ レーザー光源
１５ 拡大・コリメート光学系
１６ アクシコンレンズ
１７ ガスボンベ
１８ ノズル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Workpiece 2 Laser beam 3 Propagation axis (theta) b, (theta) c Crossing angle (theta) r Reflection angle 11 Decompression chamber 12 XY table 13 Workpiece 14 Laser light source 15 Enlarging / collimating optical system 16 Axicon lens 17 Gas cylinder 18 Nozzle

Claims (17)

レーザービームを被加工物表面に照射することにより、被加工物表面を除去して穴あけ、溝形成または切断を行うレーザーアブレーション加工方法において、前記被加工物に照射されるレーザービームがベッセルビームであることを特徴とするレーザーアブレーション加工方法。 In the laser ablation processing method in which the surface of the workpiece is removed by irradiating the surface of the workpiece with drilling, groove formation or cutting, the laser beam irradiated on the workpiece is a Bessel beam A laser ablation processing method characterized by that. レーザー光源がパルス発振を行うレーザーであって、前記被加工物にレーザー光パルスまたはパルス列を照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザーアブレーション加工方法。 The laser ablation processing method according to claim 1, wherein the laser light source is a laser that performs pulse oscillation, and the workpiece is irradiated with a laser light pulse or a pulse train. 前記レーザー光源が１００ｎｓ以下のパルス幅でパルス発振を行うレーザーであることを特徴とする請求項２に記載のレーザーアブレーション加工方法。 The laser ablation processing method according to claim 2, wherein the laser light source is a laser that performs pulse oscillation with a pulse width of 100 ns or less. 前記被加工物にあけられる穴の短直径φ、あるいは、形成される溝の幅または切断幅ｗ、が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工方法。 4. The laser ablation processing according to claim 1, wherein a short diameter φ of a hole formed in the workpiece or a width or a cutting width w of a groove to be formed is 100 μm or less. 5. Method. 前記被加工物表面にあけられる穴の短直径φと穴の深さｄの比ｄ／φ、あるいは、形成される溝の幅または切断幅ｗと溝深さまたは切断厚さｔの比ｔ／ｗ、が２以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工方法。 The ratio d / φ of the short diameter φ of the hole to be drilled on the surface of the workpiece and the depth d of the hole, or the ratio t / 5. The laser ablation processing method according to claim 1, wherein w is 2 or more. 前記被加工物上のレーザービームの照射部位を含む領域にアシストガスを吹き付けながら加工を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工方法。 6. The laser ablation processing method according to claim 1, wherein the processing is performed while spraying an assist gas on a region including a laser beam irradiation site on the workpiece. 前記アシストガスが、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ２、Ｎ２ガスの中のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載のレーザーアブレーション加工方法。 The laser ablation processing method according to claim 6, wherein the assist gas is any one of He, Ar, O 2 , and N 2 gas. 前記被加工物上のレーザービームの照射部位を含む領域を減圧しながら加工を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工方法。 The laser ablation processing method according to any one of claims 1 to 7, wherein processing is performed while decompressing a region including a laser beam irradiation site on the workpiece. 被加工物表面にレーザービームを照射することにより、被加工物表面を除去して穴あけ、溝形成または切断を行うレーザーアブレーション加工装置であって、レーザー光源と、レーザービームをベッセルビームに変換する変換光学手段と、被加工物が載置されるテーブルと、を備えるレーザーアブレーション加工装置。 A laser ablation processing device that removes the surface of a workpiece, drills, forms grooves, or cuts by irradiating the surface of the workpiece with a laser beam, and converts the laser light source and the laser beam into a Bessel beam. A laser ablation processing apparatus comprising optical means and a table on which a workpiece is placed. 前記変換光学手段が、アクシコンレンズまたは回折型光学素子であることを特徴とする請求項９に記載のレーザーアブレーション加工装置。 The laser ablation processing apparatus according to claim 9, wherein the conversion optical means is an axicon lens or a diffractive optical element. 前記レーザー光源と前記変換光学手段との間に、ビームを拡大し平行化する拡大・コリメート光学手段が配置されることを特徴とする請求項９または１０に記載のレーザーアブレーション加工装置。 11. The laser ablation processing apparatus according to claim 9, wherein an enlargement / collimation optical means for expanding and collimating a beam is disposed between the laser light source and the conversion optical means. 前記拡大・コリメート光学手段がビームエキスパンダーであることを特徴とする請求項１１に記載のレーザーアブレーション加工装置。 The laser ablation processing apparatus according to claim 11, wherein the magnifying / collimating optical means is a beam expander. 前記レーザー光源と前記変換光学手段との間に、レーザービームの強度を調整する光減衰器が配置されることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。 The laser ablation processing apparatus according to any one of claims 9 to 12, wherein an optical attenuator for adjusting the intensity of a laser beam is disposed between the laser light source and the conversion optical means. 前記テーブルは、ＸＹ方向若しくはＸＹＺ方向に移動が可能であることを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。 The laser ablation processing apparatus according to any one of claims 9 to 13, wherein the table is movable in an XY direction or an XYZ direction. 前記被加工物上のレーザービームの照射部位を含む領域にアシストガスを吹き付けるノズルを備えることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。 The laser ablation processing apparatus according to any one of claims 9 to 14, further comprising a nozzle for spraying an assist gas on a region including a laser beam irradiation site on the workpiece. 前記テーブルが、ポンプにより排気が可能な減圧チャンバ内に配置されていることを特徴とする請求項９から１５のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。 The laser ablation processing apparatus according to claim 9, wherein the table is disposed in a decompression chamber that can be evacuated by a pump. 前記レーザー光源が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー若しくはその第二高調波出力を用いるものであることを特徴とする請求項９から１６のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。 The laser ablation processing apparatus according to any one of claims 9 to 16, wherein the laser light source uses an Nd: YAG laser or a second harmonic output thereof.
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