JP2007029964A

JP2007029964A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2007029964A
Application number: JP2005213608A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sugawara; 弘之菅原; Hiroaki Ashizawa; 弘明芦沢; Kunio Arai; 邦男荒井; Hiromi Nishiyama; 宏美西山
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-25
Also published as: JP4977341B2

Abstract

【課題】
レーザ加工機において、反射光の減衰に起因するＳＮ比の低下を防止する。
【解決手段】
レーザ加工機１００は、基板１１上にレーザ光５を照射して基板をレーザ加工する。レーザ発振器４がレーザ光を発振する。レーザ発振器から発射されたレーザ光をビームスキャン光学系が位置決めする。ビームスキャン光学系は、２軸スキャナ８およびｆθレンズ９を有する。ｆθレンズと被加工品間に被加工品からの反射光を偏光する１／４波長板を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ光を用いて穴の加工や、切断等を行うレーザレーザ加工装置に関する。

従来のレーザ加工装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のレーザ加工装置では、多層基板に対して高精度に穴あけできるように、加工対象物をレーザ加工の加工予定領域と非加工予定領域とに分け、レーザ光の反射光を用いて加工領域が非加工予定領域に達したことを検出したら、さらにレーザ光の強度を増している。また、筒型反射器を設けて、加工対象物からの反射レーザビームの光路がずれ、反射光検出器の検出部以外に入射するような場合であっても、検出部に反射レーザビームを導入できるようにしている。さらに、ノイズ成分となる余分な光を排除する波長フィルタを設けて、加工対象物の穴加工の状態を示す反射レーザ光強度をより的確に検出している。

従来のレーザ加工装置の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載のレーザ加工装置では、穴が絶縁層を貫通したことを的確にかつ容易に検出するために、プリント配線板の絶縁層の上層の導体と下層の導体とを導通させる穴を加工する際に、加工用レーザの波長と異なる波長の電磁波を放射する処理層を設け、レーザ加工時に処理層から発せられる信号の変化を計測して、絶縁層の残存状態を判定している。

特開平１０−８５９７６号公報特開２００１−１０２７２０号公報

上記従来のレーザ加工装置においては、例えば特許文献１に記載のものでは、基板の表面状況により光路がずれることについては考慮されているものの、表面粗さにより反射光強度が減衰することについては、考慮されていない。表面粗さにより反射光強度が減衰するとＳＮ比が低下し、検出の信頼性が低下するという不具合を生じる。一方、特許文献２に記載のレーザ加工装置では、基板内に加工状態を検出する処理層を設ける必要があり、一般に使用される基板には適用できない、という不具合がある。また、このような特殊な基板を製造することは、基板製造に係わるプロセスが増えて費用および製造時間の増大を招く。

本発明は上記従来の技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、特別な処理層を基板に設けることなく、レーザ加工装置が信頼性高く基板の加工状態を検出できることにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、被加工品上にレーザ光を照射して被加工品をレーザ加工するレーザ加工機において、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発射されたレーザ光を加工品上に位置決めするスキャナおよび加工レンズを含むビームスキャン光学系と、加工レンズと加工対象物間に配置され被加工品からの反射光を偏光する１／４波長板とを有することにある。

そしてこの特徴において、ビームスキャン光学系はガルバノミラーを有し、このミラーから外れた被加工品からの反射光を受光する検出手段を、ミラーよりも反被加工品側に配置するのがよい。

また、ビームスキャン光学系とレーザ発振器との間に、レーザ発振器から発射されたレーザ光よりも大きい開口を有する光検出手段を、レーザ光の光軸とほぼ同軸に配置してもよい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、被加工品上にレーザ光を照射して被加工品をレーザ加工するレーザ加工機において、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発射されたレーザ光を加工品上に位置決めするスキャナおよび加工レンズを含むビームスキャン光学系と、加工レンズと被加工品間に配置されたビームスプリッタとを有し、このビームスプリッタで反射したレーザ光で被加工品を加工することにある。

上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、被加工品上にレーザ光を照射して被加工品をレーザ加工するレーザ加工機において、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発射されたレーザ光を加工品上に位置決めしスキャナおよび加工レンズを含むビームスキャン光学系と、加工レンズと被加工品間に配置されたダイクロイックミラーとを有し、このダイクロイックミラーで反射したレーザ光で被加工品を加工するものである。

上記目的を達成するさらに他の特徴は、被加工品上にレーザ光を照射して被加工品をレーザ加工するレーザ加工機において、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発射されたレーザ光を加工品上に位置決めするとともにスキャナおよび加工レンズを有するビームスキャン光学系と、加工レンズと被加工品間に配置され被加工品で発生した光を透過させる光学部品と、この光学部品を透過した光を検出する検出手段とを有するものである。

本発明によれば、レーザ加工装置が加工時に発生する発光プルームや加工レーザの反射光を１/４波長板やビームスプリッタ、ダイクロイックミラー等を介してｆθレンズに導いているので、検出信号のＳＮ比が向上する。その結果、検出信号が微弱でも確実に加工状態を判定でき、高品質な加工が可能になる。

以下、本発明に係るレーザ加工装置のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１に、本発明に係るレーザ加工装置１００の一実施例を、ブロック図で示す。Ｘ−Ｙテーブル１２上に載置された基板１１を位置決め制御する位置決め制御部３と、基板１１に照射するレーザ光５を制御するレーザ制御部２とを、加工機制御部１は有している。レーザ制御部２にはレーザ発振器４が接続されており、レーザ制御部２の指令に基づいてレーザ発振器４がレーザ光５を出射する。

レーザ発振器４の下方にはマスク６が配置されており、マスクのさらに下方には偏光ビームスプリッタ７が配置されている。レーザ発振器４から出射されたレーザ光５は、マスク６を経て偏光ビームスプリッタ７に入射する。偏光ビームスプリッタ７は、レーザ光５の光路に対して４５度に配置されており、レーザ光５の向きを９０度変える。進行方向を変えられたレーザ光５は、詳細を後述する２軸スキャナ８に導かれる。２軸スキャナ８の下方には、ｆθレンズ９が配置されており、ｆθレンズ９と基板１１の間には、１／４波長板１０が配置されている。２軸スキャナ８はｆθレンズ１０に入射するレーザ光５の角度を制御する。そして、１／４波長板１０を経て基板１１の所定の位置にレーザ光５を照射する。

基板１１に照射されたレーザ光５は、基板１１が有する銅箔部で反射し、基板反射光１３を生成する。基板反射光１３は、レーザ発振器から出射されたレーザ光５と逆方向に光路を進む。すなわち１／４波長板１０、ｆθレンズ９、２軸スキャナ８から偏光ビームスプリッタ７に到る。この偏光ビームスプリッタ７で、レーザ光５とは異なり反射しないで偏光ビームスプリッタ７を透過する。偏光ビームスプリッタ７の奥側には透過した基板反射光１３が導かれる集光レンズ１５が配置されており、この集光レンズ１５で集光された基板反射光１３は光検出器１６に導かれる。光検出器１６は基板反射光１３を電気信号に変換する。変換された信号は、加工エラー診断部１７に送られ、加工エラーが判断される。

図６に、２軸スキャナ８を斜視図で示す。２軸スキャナ８は、２個のガルバノミラー２０、２１を有している。一方のガルバノミラー２０は、水平軸回りに揺動可能であり、ＸＹステージ１２上に載置された基板１１の被加工領域上のＸ軸方向にレーザ光５を走査する。他方のガルバノミラー２１は、垂直軸回りに揺動可能であり、基板１１の被加工領域上のＹ軸方向にレーザ光５を走査させる。２個のガルバノミラー２０、２１は直交配置されている。ガルバノミラー２０、２１の回転角度を、位置決め制御部３が制御する。２軸スキャナ８を用いた被加工領域での加工が終了すると、ＸＹステージ１２は２軸スキャナ８の走査域に基板１１の次の被加工領域を設定し、位置決めする。

図７の模式図を用いて、偏光ビームスプリッタ７および１／４波長板１０の動作を、以下に説明する。偏光ビームスプリッタ７は、振動方向が紙面に対して平行な光であるＰ偏光を透過させ、振動方向が紙面に対して垂直な光であるＳ偏光を反射させる特性を有する。したがって、レーザ発振器４から出射されるレーザ光５をＳ偏光すると、偏光ビームスプリッタ７で１００％反射され、２軸スキャナ８で角度制御されてｆθレンズ９に入射する。ｆθレンズ９は、収差等を補正する複数枚のレンズ９ａ、９ｂ、…で構成されており、各レンズ９ａ、９ｂ、…の両面には、反射防止膜が施されている。

現在供用されている反射防止膜は、相当程度に反射を防止できるが完全に反射を防止することが困難である。通常、０．１％程度の反射が各面で生じるのを、許容せざるを得ない。このように、０．１％程度の反射がレンズ９ａ、…の各面で生じると、レンズ９ａ、…の枚数分のレンズ反射光１４として、偏光ビームスプリッタ１３に入射する。偏光ビームスプリッタ１３では、透過せずに反射光となってレーザ発振器４側に向かう。

ところで、ｆθレンズ９を透過したレーザ光５は、基板１１の加工に用いられる。このとき、多層に形成された基板１１が有する絶縁層と導体層では、レーザ光５の吸収に大きな差があるので、基板反射光１３も吸収の差に応じて変化する。一般的には導体層の方が絶縁層に比べて反射が大きい。したがって、反射光５を検出すれば、絶縁層と導体層のどちらを加工しているかのモニタリングが可能となる。

反射光１３の検出は、基板１１の表面粗さが少なく平滑な面とみなせる場合には容易である。しかしながら、基板１１の導体層の表面粗さと照射するレーザ光５の波長との関係で、反射光１３が乱反射状態になる場合もある。この場合、基板１１で反射して光検出器１６に戻る反射光１３の光量は僅かになり、ｆθレンズの各面で反射するレンズ反射光１４がノイズとして無視できなくなる。この基板１１の表面粗さは、波長が短いレーザを用いたときにその影響が顕著になる。

そこで、本実施例ではこの不具合を解消するために、基板１１とｆθレンズ９間に１／４波長板１０を配置した。レーザ光５が１／４波長板１０を透過する(往路)と、１／４波長板１０を透過したレーザ光５は円偏光になる。一方、基板１１で反射して基板反射光１３として再び１／４波長板１０を透過する(復路)と、偏光方向が９０度回転する。

レンズ反射光１４と基板反射光１３は共に同じ光路を戻り、偏光ビームスプリッタ７に達する。偏光ビームスプリッタ７では、レンズ反射光１４は、その偏光状態がＳ偏光のままなので反射する。しかしながら基板反射光１３は、偏光状態が９０度回転してＰ偏光になっているので、偏光ビームスプリッタ７を透過する。上述したように透過した基板反射光１３は、集光レンズ１５をへて光検出器１６に導かれる。

本実施例によれば、レーザ加工装置が、１／４波長板１０をｆθレンズ９と基板１１の間に有しているので、１／４波長板１０の偏光特性により、基板１１で反射する光だけを検出することが可能となる。これにより、基板１１からの反射光が少なく、検出信号が微弱でも確実に基板１１の加工状態を判定できる。

本発明に係るレーザ加工装置１００の他の例を、図２のブロック図を用いて説明する。図２では、反射光の経路部だけを示している。本実施例が上記実施例と異なるのは、偏光板２３を追加したことにある。偏光板２３を追加したので、反射光１３を検出する光学系の配置も上記実施例と相違する。レーザ光５は、２軸スキャナ８によりｆθレンズ１０に入射する角度が制御される。これにより、基板１１の所定の位置にレーザ光５が照射され、基板１１に穴が加工される。その際、基板１１から基板反射光１３が放出される。

ここで、基板１１の導体層の表面粗さが著しく粗い場合、基板反射光１３はかなり拡がった乱反射状態となる。そして、拡がりが広い場合には、２軸スキャナ８のガルバノミラー２０の周辺からも乱反射光が洩れる。ｆθレンズ１０で反射するレンズ反射光１４も、レンズ９ａ、…の形状や構成により拡がりを有する場合があり、ガルバノミラー２０の周辺から洩れることもある。ガルバノミラー２０の周辺から洩れる基板反射光１３は、１／４波長板１０を往復するとレンズ反射光１４とは偏光方向が９０°回転した光となる。したがって、偏光板２３を基板反射光１３が透過する方向に一致させれば、レンズ反射光１４は偏光板２３で遮光される。その結果、集光レンズ１５を経て光検出器１６が受光する光は、基板反射光１３のみになる。

本実施例によれば、偏光板２３がレンズ反射光１３を遮光するので、基板１１で反射する光だけを検出することができる。したがって、基板１１の導体層の表面粗さが著しく粗くて、２軸スキャナ部まで乱反射光が到達するような場合であっても、微弱な基板反射光１３を検出でき、確実に加工状態を判定できる。

本発明に係るレーザ加工装置１００のさらに他の実施例を、図３のブロック図を用いて以下に説明する。図３では、図２と同様に反射光の検出部だけを示している。本実施例では、図１に示した実施例に、偏光板２４と光ファイバアレイ２５を追加し、集光レンズを省いている。光ファイバアレイに２５は、検出器１６が接続されている。これに伴い、反射光１３を検出する光学系の配置も相違している。

レーザ光５は、光ファイバアレイ２５とレーザ光５のビーム径よりもやや大きい穴を有する偏光板２３を通過して、２軸スキャナ８に到る。２軸スキャナ８でｆθレンズ１０に入射するレーザ光５の角度が制御され、基板１１の所定の位置に照射位置が位置決めされる。基板１１をレーザ光５で加工する際には、基板１１から基板反射光１３が放射される。この基板反射光１３は、レンズ反射光１４とともに往路を戻る。基板反射光１３とレンズ反射光１４は、乱反射やレンズの曲率の影響で、レーザ光５よりも太いビームになる。そのため、基板反射光１３とレンズ反射光の一部は、偏光板２４の穴を通過することができず、穴の周囲にある偏光板２４に入射する。

基板反射光１３は、１／４波長板を往復したから、レンズ反射光１４とは偏光方向が９０°回転している。したがって、偏光板２４を基板反射光１３が透過する方向に一致させれば、レンズ反射光１４が偏光板２４で遮光される。その結果、光ファイバアレイ２５を通過して光検出器１６で受光される光は、基板反射光１３だけになる。本実施例によれば、偏光板２４でレンズ反射光１４を遮光し、基板反射光１３を光ファイバアレイ２５で光検出器１６に導いているので、基板で反射する光だけを検出することができる。その結果、検出信号が微弱でも確実に加工状態を判定できる。

本発明に係るレーザ加工装置１００のさらに他の実施例を、図４のブロック図を用いて説明する。図１に示した実施例では、ビームスプリッタをレーザ発振器と２軸スキャナ８間に配置していたが、本実施例ではｆθレンズ９と基板１１間にビームスプリッタ１８を配置した。そして、ｆθレンズ９と基板１１間に配置していた１／４波長板を省いている。

レーザ発振器４から出射されたレーザ光５は、マスク６を経て直接２軸スキャナ８に入射する。２軸スキャナ８でこの２軸スキャナ８の側方に配置されたｆθレンズ１０に入射する角度を制御された後、レーザ光５の大部分は、光路に対して４５度に配置されたビームスプリッタ１８で９０度向きを変えられる。そして、基板１１の所定の位置に照射され、基板１１に穴加工する。ここで、ビームスプリッタ１８におけるレーザ光５の反射と透過の比率は９９：１程度である。

基板１１で反射して発生した基板反射光１３の一部は、ビームスプリッタ１８を透過し、集光レンズ１５で集光された後、光検出器１６に入射する。光検出器１６は基板反射光１３を電気信号に変換する。その後は、図１に示した実施例と同様に処理される。本実施例では、光検出器１６に導かれるレーザ光が、基板反射光１３だけであるから、ｆθレンズ９におけるレンズ反射光の影響を受けず、微弱な基板反射光１３の信号でも確実に加工状態を把握できる。

なお本実施例では、ｆθレンズ９と基板１１の間にビームスプリッタ１８を配置し、ビームスプリッタ１８で反射した光を用いて基板１１を加工している。ここで、透過光ではなく反射光で加工したのは、以下の理由による。すなわち、斜め４５度に配置した並行平板型のビームスプリッタ１８に対してレンズ等で集光した光を透過させると、非点収差が発生し、集光点付近でビームスポットの形状が長方形なる不具合を生じるためである。

本発明にレーザ加工装置のさらに他の実施例を、図５に示したブロック図を用いて説明する。本実施例は、図４に示した実施例とｆθレンズ９と基板１１間に配置する光学部品が相違するのみである。すなわち、図４の実施例ではビームスプリッタ１８を配置していたが、本実施例ではダイクロイックミラー１９を配置している。ダイクロイックミラー１９を用いたので、基板１１の加工状態を発光プルーム２２で判断する。

具体的には、光路に対して４５度にダイクロイックミラー１９を配置する。レーザ光５は、ダイクロイックミラー１９で反射されて、基板１１の所定の位置に照射され、基板１１に穴加工する。ところで、基板１１をレーザ光５で加工すると、基板反射光１３と共に材料特有の発光プルームが２２放出される。ダイクロイックミラー１９は特定の波長の光のみ反射可能なので、レーザ光５の波長だけを反射するダイクロイックミラー１９を用いる。基板反射光１３をダイクロイックミラー１９で反射させると、発光プルーム２２だけがダイクロイックミラー１９を透過し、集光レンズ１５に集光される。その後の処理は、上記各実施例と同様である。本実施例によれば、光検出器１６には基板反射光１３だけが導かれ、レンズ反射光の影響を受けないので、確実に基板の加工状態を把握できる。

なお、本実施例では、ｆθレンズ９と基板１１の間に配置したダイクロイックミラー１９を、使用するレーザ光５の波長で反射するようにしている。ここで、透過光ではなく反射光を用いる理由は、以下による。斜め４５度に配置した平行平板型のビームスプリッタ１８に対してレンズ等で集光した光を透過させると非点収差が発生すること、その結果、集光点付近でビームスポットの形状が長方形になること、および基板１１の材料を変えたときに発光プルーム２２の波長が変化しても、発光プルーム２２を検出できるようにするためである。

本発明に係るレーザ加工装置の一実施例のブロック図である。本発明に係るレーザ加工装置の他の実施例のブロック図である。本発明に係るレーザ加工装置のさらに他の実施例のブロック図である。本発明に係るレーザ加工装置のさらに他の実施例のブロック図である。本発明に係るレーザ加工装置のさらに他の実施例のブロック図である。図１ないし５に示したレーザ加工機に用いる２軸スキャナの斜視図である。本発明に係るレーザ加工装置における検出方法を説明する図である。

符号の説明

４…レーザ源、６…マスク、７…偏光ビームスプリッタ、８…２軸スキャナ、９…ｆθレンズ、１０…１／４波長板、１１…基板(被加工品)、１８…ビームスプリッタ、１９…ダイクロイックミラー。

Claims

被加工品上にレーザ光を照射して被加工品をレーザ加工するレーザ加工機において、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発射されたレーザ光を加工品上に位置決めするスキャナおよび加工レンズを含むビームスキャン光学系と、前記加工レンズと被加工品間に配置され被加工品からの反射光を偏光する１／４波長板とを有することを特徴とするレーザ加工装置。
ビームスキャン光学系はガルバノミラーを有し、このミラーから外れた被加工品からの反射光を受光する検出手段を、ミラーよりも反被加工品側に配置したことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
前記ビームスキャン光学系とレーザ発振器との間に、前記レーザ発振器から発射されたレーザ光よりも大きい開口を有する光検出手段を、前記レーザ光の光軸とほぼ同軸に配置したことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
被加工品上にレーザ光を照射して被加工品をレーザ加工するレーザ加工機において、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発射されたレーザ光を加工品上に位置決めするスキャナおよび加工レンズを含むビームスキャン光学系と、前記加工レンズと被加工品間に配置されたビームスプリッタとを有し、このビームスプリッタで反射したレーザ光で被加工品を加工することを特徴とするレーザ加工装置。
被加工品上にレーザ光を照射して被加工品をレーザ加工するレーザ加工機において、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発射されたレーザ光を加工品上に位置決めするスキャナおよび加工レンズを含むビームスキャン光学系と、前記加工レンズと被加工品間に配置されたダイクロイックミラーとを有し、このダイクロイックミラーで反射したレーザ光で被加工品を加工することを特徴とするレーザ加工装置。
被加工品上にレーザ光を照射して被加工品をレーザ加工するレーザ加工機において、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発射されたレーザ光を加工品上に位置決めするとともにスキャナおよび加工レンズを有するビームスキャン光学系と、前記加工レンズと被加工品間に配置され被加工品で発生した光を透過させる光学部品と、この光学部品を透過した光を検出する検出手段とを有することを特徴とするレーザ加工装置。