JP3673255B2

JP3673255B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置

Info

Publication number: JP3673255B2
Application number: JP2002353407A
Authority: JP
Inventors: 次郎山本; 明良常見
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP2004181504A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを、断面のサイズを制御して、加工対象物に入射させるレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来のレーザ加工装置を示す概略図である。レーザ光源３０、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザから、パルスレーザビームが出射する。出射したパルスレーザビームは、ホモジナイザ３１に入射する。ホモジナイザ３１は、入射したレーザビームが、たとえば円形の貫通孔を有するマスク３２の位置でトップフラットになるように、強度分布を整形して出射する。マスク３２により、レーザビームは、断面を円形に整形される。マスク３２を出射したレーザビームは、結像レンズ３３を経て、ステージ３５上に載置された加工対象物３４に入射する。加工対象物３４は、たとえばプリント基板である。結像レンズ３３は、マスク３２の円形の貫通孔を、加工対象物３４上に結像させる。加工対象物３４には、レーザビームの入射した位置に、円形の穴が開く。
【０００３】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、レーザビームの断面における強度分布を示す概略的なグラフである。図６（Ａ）は、レーザ光源３０から出射し、ホモジナイザ３１に入射する前の、レーザビーム断面における強度分布である。ビーム断面の中央部で強度が強く、周辺に向かうにつれて強度が減衰する、ガウシャン分布を示している。図６（Ｂ）は、ホモジナイザ３１を出射したレーザビームの、マスク３２の位置における強度分布を示す。レーザビーム断面における強度分布は、ほぼ一様である。図６（Ｃ）は、マスク３２で断面形状を円形に整形されたレーザビームの、ビーム断面における強度分布を示す。マスク３２の円形の貫通孔を通過することにより、図６（Ｂ）に示した、トップフラット形状のパルスエネルギ分布を有するレーザビームの周辺部がカットされている。したがって、マスク３２から出射するレーザビームのパルスエネルギは、マスク３２に入射する前より、小さくなる。（たとえば、特許文献１参照。）
また、大きさの異なる貫通孔を有するマスクで、ビームの断面形状を整形することにより、加工対象物３４に開ける穴の穴径を制御していた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２３０９９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ加工においては、ビーム断面を、必要な形状に整形する際に、マスクで、大きなエネルギロスを生じていた。
【０００６】
本発明の目的は、エネルギ利用効率の高いレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、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が入射し、仮想的なホモジナイズ面上におけるレーザビームのビームスポット内の強度分布を一様に近づけるビームホモジナイザと、前記ホモジナイズ面におけるビームスポットを、加工対象物の表面上に結像させ、結像倍率を変えることができる可変倍率転写光学系とを有し、前記ビームホモジナイザが、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの中心の入射位置から周辺に進むに従って焦点距離が長くなる第１の非球面レンズと、前記第１の非球面レンズを透過したレーザビームが入射し、該レーザビームの中心の入射位置から周辺に進むに従って、焦点距離が短くなる第２の非球面レンズとを有し、該第２の非球面レンズを透過したレーザビームの、前記ホモジナイズ面におけるビームスポット内の強度分布が、前記レーザ光源から出射したレーザビームの強度分布よりも一様に近づいているレーザ加工装置が提供される。
【０００８】
このレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行うと、レーザビーム断面の形状及びサイズを制御する際のエネルギロスを小さくすることができるので、高いエネルギ利用効率で、レーザ加工を行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明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。レーザ光源１、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザから、レーザビームが出射する。出射したパルスレーザビームの断面形状は、たとえば円形である。また、ビーム断面内の強度分布は、図６（Ａ）のようなガウシャン分布を示す。
【００１２】
レーザビームは、フラットトップオプティクス（ＦｌａｔＴｏｐＯｐｔｉｃｓ、ＦＴＯ）２に入射する。フラットトップオプティクス２は、非球面レンズ光学系を含んで構成される。断面形状が円形で、断面内における強度分布がガウシャン分布のレーザビームが入射すると、断面形状が円形で、断面内における強度分布がトップフラットであるレーザビームに変換して出射する。なお、断面形状の整形と、強度分布の変換は、非球面レンズにレーザビームを通すことにより、同時に行われる。フラットトップオプティクス２については、後に詳述する。
【００１３】
フラットトップオプティクス２を出射したレーザビームは、可変倍率転写光学系３を経て、ステージ５上に載置された加工対象物４に入射する。加工対象物４は、たとえば、プリント基板である。可変倍率転写光学系３は、所定の位置のレーザビームの断面形状を加工対象物４上に転写する。加工対象物４のレーザビームが入射した位置には、転写された像の形状の穴が開く。可変倍率転写光学系３は、転写倍率を変化させる（切り替える）ことができる。転写倍率を変化させることで、加工対象物４上に入射するレーザビームの断面サイズを制御することができる。これにより、形成する穴の大きさを変えることができる。マスクの貫通孔のサイズで、レーザビームの断面サイズを制御するのと異なり、可変倍率転写光学系３を用いると、ビームサイズの制御によるエネルギロスはない。マスクを用いないので、加工対象物４に入射するレーザビームには、ケラレが生じないためである。
【００１４】
図２は、フラットトップオプティクス２の機能を説明するための図である。フラットトップオプティクス２は、２枚の非球面レンズ１１及び１２を含んで構成される。非球面レンズ１１の焦点距離は、レンズの周辺部ほど長い。非球面レンズ１２の焦点距離は、レンズの周辺部ほど短い。なお、たとえば非球面レンズ１１は、中心部が凹レンズ、周辺部が凸レンズで形成されている。凹レンズの焦点距離は、負である。したがって、非球面レンズの焦点距離には、負の値も含む。たとえば、非球面レンズ１１の周辺部ほど焦点距離が長いとは、焦点距離を示す、符号を含む数値が、周辺部ほど大きくなることを意味する。
【００１５】
レーザビーム１０が、非球面レンズ１１に入射する。レーザビーム１０の断面における強度は、図６（Ａ）に示したようなガウシャン分布であり、断面の中央部で、強度が強く、周辺にいくにつれて、強度が弱くなる。非球面レンズ１１を透過すると、強度の強いレーザビーム１０の中央部１３は、発散光線束となり、非球面レンズ１２に入射する。強度の弱いレーザビーム１０の周辺部１４は、集光光線束となり、非球面レンズ１２に入射する。非球面レンズ１２から出射するレーザビームは、非球面レンズ１１に入射する直前のレーザビーム１０と平行である。２枚の非球面レンズ１１及び１２によって、レーザビーム１０の断面における強度が、一様に近づけられ、レーザビーム１５として出射される。ホモジナイズ面１６において、レーザビーム１５の断面内の強度の均一性が最も高くなる。
【００１６】
図３（Ａ）は、ホモジナイズ面１６におけるレーザビーム１５の強度分布を示す概略的なグラフである。フラットトップオプティクス２に入射したレーザビーム１５は、ホモジナイズ面１６における強度分布が、ほぼ一様となるように変換される。
【００１７】
図３（Ｂ）は、ホモジナイズ面１６におけるレーザビーム１５の断面形状を、レーザビームの光軸方向から見た概略図である。ビームは、円形の断面形状を有している。ホモジナイズ面１６における、この円形のビームスポットが、可変倍率転写光学系３により、加工対象物４上に、所望の結像倍率で結像される。加工対象物４上には、たとえば、結像された像の大きさ及び形状に照応した穴があく。
【００１８】
次に、ステージ５により、加工対象物４を移動させる。可変倍率転写光学系３は、ホモジナイズ面１６と加工対象物４の表面とを、共役の関係に保ちながら、結像倍率を変化させ、ホモジナイズ面１６におけるビームスポットを、加工対象物４の表面上に結像させる。結像位置には、結像された像の大きさ及び形状に照応した穴があく。これによって、加工対象物４上の異なる位置に、異なる大きさの穴を開けることができる。なお、加工対象物４を移動させている間は、レーザ発振を停止させたり、レーザビームを遮光したりして、レーザビームが加工対象物４に入射しないようにする。
【００１９】
図４は、図１に示したレーザ加工装置に、ガルバノスキャナ２０を加入したレーザ加工装置の概略図である。他の構成要件は、図１のレーザ加工装置とすべて等しい。ガルバノスキャナ２０により、レーザビームを走査して、加工対象物４上の異なる位置に、異なる大きさの穴を開けることができる。
【００２０】
フラットトップオプティクスは、設計により、断面における強度分布がトップフラットである、様々な断面形状のレーザビームを得ることができる。また、フラットトップオプティクスを用いると、ほとんどエネルギのロスなく、ビーム形状を整形することができる。
【００２１】
レーザビームの形状及びサイズを制御する際に、エネルギのロスをほとんどなくすことができるので、高いエネルギ利用効率で、レーザ加工を行うことができる。
【００２２】
従来は、マスクの貫通孔の大きさを変えて、ビームの断面サイズを変化させ、一定の結像倍率で、レーザビームを加工対象物に入射させ、加工を行っていた。実施例によるレーザ加工方法においては、均一面における一定サイズの断面を、可変倍率転写光学系で結像倍率を変化させて、加工対象物上に結像させ、加工を行う。
【００２３】
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。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エネルギ利用効率の高い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】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】フラットトップオプティクスの機能を説明するための図である。
【図３】（Ａ）は、フラットトップオプティクスを出射した、レーザビームの断面における、１パルス当たりのパルスエネルギ密度の分布を示す概略的なグラフであり、（Ｂ）は、フラットトップオプティクスを出射したパルスレーザビームの断面形状を、レーザビームの光軸方向から見た概略図である。
【図４】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５】従来のレーザ加工装置を示す概略図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、１ショットのパルスレーザビームの断面におけるパルスエネルギ密度の分布を示す概略的なグラフである。
【符号の説明】
１レーザ光源
２フラットトップオプティクス
３可変倍率転写光学系
４加工対象物
５ステージ
１０レーザビーム
１１非球面レンズ
１２非球面レンズ
１３中央部
１４周辺部
１５レーザビーム
１６ホモジナイズ面
２０ガルバノスキャナ
３０レーザ光源
３１ホモジナイザ
３２マスク
３３結像レンズ
３４加工対象物
３５ステージ

Claims

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が入射し、仮想的なホモジナイズ面上におけるレーザビームのビームスポット内の強度分布を一様に近づけるビームホモジナイザと、
前記ホモジナイズ面におけるビームスポットを、加工対象物の表面上に結像させ、結像倍率を変えることができる可変倍率転写光学系と
を有し、
前記ビームホモジナイザが、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの中心の入射位置から周辺に進むに従って焦点距離が長くなる第１の非球面レンズと、
前記第１の非球面レンズを透過したレーザビームが入射し、該レーザビームの中心の入射位置から周辺に進むに従って、焦点距離が短くなる第２の非球面レンズと
を有し、該第２の非球面レンズを透過したレーザビームの、前記ホモジナイズ面におけるビームスポット内の強度分布が、前記レーザ光源から出射したレーザビームの強度分布よりも一様に近づいているレーザ加工装置。
前記ビームホモジナイザを通過したレーザビームのビーム断面内の強度分布の均一性が、前記ホモジナイズ面上において最も高い請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記可変倍率転写光学系の倍率を変化させても、前記ホモジナイズ面と前記加工対象物の表面とが共役の関係にある請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが前記加工対象物に到達するまでに、ケラレが生じない請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。