JP4346254B2

JP4346254B2 - レーザ加工装置とレーザ加工方法

Info

Publication number: JP4346254B2
Application number: JP2001099031A
Authority: JP
Inventors: 次郎山本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002292487A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置とレーザ加工方法に関し、特に２波長のレーザ光を利用したレーザ加工装置とレーザ加工方法に関する。
【０００２】
本明細書において、可視領域とは０．３８〜０．７８μｍの波長領域を指し、この領域より短波長の領域を紫外領域、この領域より長波長の領域を赤外領域と呼ぶ。また、これらを波長領域と呼ぶ。
【０００３】
【従来の技術】
炭酸ガスレーザは高出力が得やすく、穴あけ、切断などの加工に適している。主として、１０．６μｍ帯の炭酸ガスレーザ光が加工に用いられている。１０．６μｍ帯のレンズは、ゲルマニウムなどを用いて作成される。
【０００４】
炭酸ガスレーザ光の進行方向をガルバノミラーを用いて変化させ、加工対象物の所望の位置にレーザビームを照射して孔あけ加工等を行なう技術が実用化されている。孔あけ加工を行なうと、加工された孔の周囲にスミヤと呼ばれる加工残さが付着する。
【０００５】
スミヤを除去するデスミア工程は、ＹＡＧレーザの高調波やエキシマレ−ザ等の可視領域又は紫外領域のレーザ光を用いて行なうことができる。通常、可視領域または紫外領域のレーザ光は、ガラス、石英、弗化物などの可視、紫外透過材料などを用いて作成される。このように赤外レーザ光と可視／紫外レーザ光は別々の光学系で取り扱われる。
【０００６】
可視／紫外レーザ光を、赤外レーザ光と共に被加工物上に同時に照射できれば、効率的な加工を行なうことができる。ＮａＣｌなどのイオン結晶は、紫外領域から赤外領域に達する透過領域を有し、理論的には紫外領域または可視領域のレーザ光を赤外領域のレーザ光と同時に制御する光学系を作成することができる。しかし、これらのイオン結晶は強い潮解性や強度の毒性を有し、加工用レーザ光の実用的な光学系を作成することは難しい。
【０００７】
通常の赤外領域の光学材料と紫外領域の光学材料は異なり、加工用炭酸ガスレーザとデスミア用エキシマレーザ光を同一の光学系で制御することは極めて困難である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
波長領域が異なる２種類以上のレーザ光を被加工物の加工面上に同時に照射することが出来れば、レーザ加工の自由度が向上し、効率を向上させることができるであろう。
【０００９】
本発明の目的は、波長領域が異なる２種類以上のレーザ光を同時に被加工物の加工面上に照射することのできるレーザ加工装置とレーザ加工方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、赤外領域の第１の波長を有する第１のレーザ光を発振する第１のレーザ発振器と、前記第１のレーザ光を空間的に走査する第１の走査系と、前記第１の走査系で走査された第１のレーザ光を、照射面上に集光する第１の集光光学系と、前記照射面に被加工物の加工面を保持するための被加工物保持台と、前記第１の集光光学系から前記照射面までの間に配置され、前記第１の波長を有する光は透過させ、可視領域または紫外領域の第２の波長を有する光は反射又は回折させる第１の合波部材と、前記第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する第２のレーザ発振器を含み、前記第１の合波部材に前記第２のレーザ光を入射させ、反射または回折した第２のレーザ光を前記照射面上に照射する第１の補助系とを有するレーザ加工装置が提供される。
【００１１】
本発明の他の観点によれば、（ａ）赤外領域の第１の波長を有する第１のレーザ光を、第１の走査系で空間的に走査しつつ、第１の集光光学系で集光し、合波部材を透過させ、被加工物上に照射し、該被加工物を加工する工程と、
（ｂ）可視領域または紫外領域の第２の波長を有する第２のレーザ光を前記合波部材に入射し、反射または回折させ、前記被加工物上に照射する工程と
を含むレーザ加工方法が提供される。
【００１２】
波長領域の異なる２種類以上のレーザ光を同時に加工面に照射することにより、レーザ加工の自由度を向上させることができ、レーザ加工の効率を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施例によるレーザ加工装置の要部を示す断面図である。第１のレーザ発振器である加工用レーザ発振器１０は、例えば波長１０．６μｍのレーザ光を発振する炭酸ガスレーザ発振器である。加工用レーザ光として、ＹＡＧレーザ光、高調波ＹＡＧレーザ光を用いることもできる。
【００１５】
走査機構１２は、加工用レーザ光１１を空間的に走査し、加工面３０上の照射位置をｘｙ方向に走査することができる。走査機構１２は、例えばｘ用とｙ用の２つのガルバノミラーを含む。集光光学系１３は、走査機構１２で走査された加工用レーザ光１１を集光し、加工面３０上に焦合することができる。集光光学系１３は、例えばｆθレンズであり、出射レンズを含む。
【００１６】
集光光学系１３の出射レンズの出射面には、加工用レーザ光１１を透過するダイクロイックミラー２５が配置されている。ダイクロイックミラー２５は、炭酸ガスレーザ光は透過するが、可視領域又は紫外領域の所定波長の光は反射する性質を有する。集光光学系の出射レンズをゲルマニウムで形成し、ゲルマニウムの出射面をそのまま可視／紫外レーザ光に対する反射面としてダイクロイックミラーを構成することも可能であろう。もちろん、多層膜干渉フィルタを形成してもよい。
【００１７】
第２のレーザ発振器である補助加工用レーザ発振器２０は、例えばエキシマレーザ発振器であり、紫外光を発振する。補助加工用レーザ光２１の光路上にも走査機構２２が配置され、加工用レーザ光２１を空間的に走査し、加工面３０上でｘｙ方向に走査することができる。走査機構２２は、例えばｘ用、ｙ用の２つのガルバノミラーを含む。集光光学系２３は、補助加工用レーザ光２１を集光し、ミラー２４及びダイクロイックミラー２５で反射した後、加工面３０上に焦合することができる。
【００１８】
エキシマレーザ光としては、ＫｒＦエキシマ（波長０．２４８μｍ）、ＡｒＦエキシマ（波長０．１９３μｍ）、ＸｅＣｌ，ＸｅＦなどを目的に合わせて用いることができる。
【００１９】
このように、加工用の第１のレーザ光に対する光学系の出射面上に波長の異なる第２のレーザ光を反射させるダイクロイックミラーを配置することにより、２つのレーザ光を合波し、加工面３０上に２つのレーザ光を同時に照射することができる。
【００２０】
炭酸ガスレーザ光で穴あけなどの加工を行ない、加工によって生じたスミアをエキシマレーザ光でデスミアすることができる。この場合は、エキシマレーザはデフォーカスし、加工領域を内包する領域に照射することが好ましいであろう。
【００２１】
又、多層印刷基板の絶縁層の孔空けにおいては、上層（銅）配線とエポキシ樹脂などの層間絶縁層のほとんどを炭酸ガスレーザ光で穴あけし、残った薄い層間絶縁層をエキシマレーザ光で除去することもできる。最後のレーザ光ショットをエキシマレーザ光とすることにより、良好な断面形状をうることができる。炭酸ガスレーザ光で過剰のエネルギを与えると、所望の孔形状より外側部分までが除去され、外側に膨らむ凹部が形成されることがある。
【００２２】
この場合も、エキシマレーザ光は、デフォーカスした状態で照射できる。穴の外側に照射されたエキシマレーザ光は上層配線層で反射される。すなわち、穴のあいた上層配線層がマスクとなり、穴の内部にエキシマレーザ光を照射させることができる。穴の外側に照射されたエキシマレーザ光をデスミアに利用することもできる。
【００２３】
本実施例によれば、第２のレーザ光２１は、走査機構２２から斜め方向に進行し、加工面３０上に照射される。従って、加工面３０上の位置により、入射角が異なることとなり、その位置の制御が複雑になる。又、入射角度が変化することにより、加工面に与える影響が位置により変化することもあり得る。２種類以上のレーザ光を用い、加工面上に同時にかつ同一方向から照射できることが望まれる。
【００２４】
図２は、本発明の他の実施例によるレーザ加工装置を示す断面図である。第１のレーザ発振器１０、第１のレーザ光１１、走査機構１２、集光光学系１３、被加工物３０は、図１の構成と同様である。
【００２５】
又、第２のレーザ発振器２０、第２のレーザ光２１、走査機構２２も図１の構成と同様である。
【００２６】
本実施例においては、第１のレーザ光用の集光光学系１３の出射面に、第２のレーザ光の回折を生じさせるディフラクティブ素子２６が設けられている。
【００２７】
図２（Ｂ）は、ディフラクティブ素子として、回折格子を形成した場合を概略的に示す。回折格子２６の格子定数をｄ、レーザ光Ｌ１，Ｌ２が回折格子２６表面となす角度をθとする。回折光が垂直下方に進行するためには、図示の状態で回折格子に入射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の間に波長λの光路差が生じればよい。
【００２８】
【数式１】
ｄ * cosθ ＝ λ
ｄ＝ λ／cosθ
の関係が成立すれば、波長λの光は垂直下方に進行する干渉光を生じる。
【００２９】
角度θは、回折格子上の位置によって変化する。λは固定なので、θが小さくなれば、その分格子定数ｄを小さくすればよい。レーザ光の進行方向は放射状に変化するので、格子状数が外側に向って次第に大きくなる同心円状の格子を作成する。
【００３０】
最近、上述のような規則的格子による回折に代え、所望の回折光を生じさせる回折パターンをコンピュータ演算で行ない、ディフラクティブ素子を形成する技術が進歩している。
【００３１】
図２（Ｃ）は、このようなディフラクティブ素子２６の構成を概略的に示す断面図である。ディフラクティブ素子２６の表面は、回折光に所望の位相差を与えるように多段にエッチングされている。
【００３２】
このような光学素子は、例えばバイナリホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）等として知られている。例えば、コンピュータ処理により算出したパターンに従って複数のマスクを形成し、ディフラクティブ素子２６の表面を多段にエッチングすることによって形成される。
【００３３】
ディフラクティブ素子２６に入射する第２のレーザ光２１は、表面パターンに従って位相差を与えられ、種々の回折光２１ｄが形成される。所定波長の入射光に対し、回折光が所定の方向に進むように回折パターンを形成することもできる。従って、ディフラクティブ素子２６の各領域において、回折光が垂直下方に向うように回折パターンを設計することができる。
【００３４】
このようなディフラクティブ素子を用いることにより、ミラー２４で反射し、ディフラクティブ素子２６に入射する第２のレーザ光が回折光となり、加工面３０に垂直に進行するように設計される。従って、加工面３０上には、第１のレーザ光１１及び第２のレーザ光２１が共にほぼ垂直に入射する。
【００３５】
たとえば、第１のレーザ光１１として炭酸ガスレーザ光を用い、第２のレーザ光２１として例えばエキシマレーザ光を用い、第１のレーザ光で加工面３０に孔あけを行い、第２のレーザ光で加工面３０上に付着したスミヤを除去することができる。なお、エキシマレーザ光に代え、ＹＡＧレーザの高調波を用いることもできる。なお、第２のレーザ光に対し、図１の構成同様集光光学系を用いることもできる。
【００３６】
又、加工用レーザビームを正確に位置決めするために、加工対象物上にマーカーを光学的に照射することが望まれる場合がある。
【００３７】
図３は、本発明の他の実施例によるレーザ加工装置を示す概略断面図である。第１のレーザ発振器１０、第１のレーザ光１１、走査機能１２、第１の集光光学系１３、加工面３０は、図１の構成と同様である。
【００３８】
本実施例においては、第２のレーザ発振器２０ｘ、第３のレーザ発振器２０ｙと第１のディフラクティブ素子２６ｘ、第２のディフラクティブ素子２６ｙとを用い、加工面３０上に色の異なる格子状マーカーを結像させる。第１のディフラクティブ素子２６ｘ、第２のディフラクティブ素子２６ｙは、出射レンズの出射面の異なる領域に形成されている。
【００３９】
図においては、２つのレーザ光が同一方向に進行するように示されているが、２つのレーザ光の進行方向は、平面視上直交するようにしてもよい。その場合、２つのディフラクティブ素子は対象波長の相違以外、同一の性質となり、パターンの設計が容易になる。
【００４０】
第２のレーザ発振器２０から出射した第２のレーザ光２１ｘは、ミラー２８ｘで反射し、集光光学系１３の出射面に設けられたディフラクティブ素子２６ｘに入射し、図３（Ｂ）に示すｘ方向マーカー線２９ｘを加工面３０上に結像する。
【００４１】
第３のレーザ発振器２０ｙから出射した第３のレーザ光２１ｙは、ミラー２８ｙで反射し、集光光学系１３の出射面に設けられたディフラクティブ素子２６ｙに入射し、加工面３０上に図３（Ｂ）に示すｙ方向マーカー線２９ｙを結像させる。ディフラクティブ素子２６ｘ、２６ｙは、所定の入射光を回折させ、図３（Ｂ）に示すような回折像を形成するように設計される。
【００４２】
第２のレーザ光２１ｘ、第３のレーザ光２１ｙの色を変えれば、図３（Ｂ）に示す格子縞は、縦の線と横の線の色が異なる格子となる。
【００４３】
例えば、集光光学系１３を可視光が透過するＺｎＳｅで形成し、加工面３０で反射した第２のレーザ光、第３のレーザ光を集光光学系１３の入射側でモニターすることができる。例えば、図３（Ａ）に示すダイクロイックミラー３４で可視光を反射させ、工業用テレビカメラ３５で図３（Ｂ）に示す位置マーカーをモニターすることができる。
【００４４】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、第１のレーザ光、第２のレーザ光を共に十分高出力のものとし、加工面を加工するようにしても良い。例えば、２種類以上のレーザ光を用いて、目的の異なる２つ以上の加工や、加工材料に合わせた加工を行なうこともできる。その他種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ加工を行なう際、２種類のレーザ光を同時に加工面に照射することができる。
【００４６】
一方のレーザ光で主加工を行ない、他方のレーザ光で補助加工を行なうことができる。
【００４７】
又、一方のレーザ光で加工を行ない、他方のレーザ光で位置合わせマークを結像させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるレーザ加工装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施例によるレーザ加工装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施例によるレーザ加工装置の構成を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０第１のレーザ発振器
２０第２のレーザ発振器
１１第１のレーザ光
２１第２のレーザ光
１２、２２走査機構
１３、２３集光光学系
２４ミラー
２５ダイクロイックミラー
２６ディフラクティブ素子

Claims

赤外領域の第１の波長を有する第１のレーザ光を発振する第１のレーザ発振器と、
前記第１のレーザ光を空間的に走査する第１の走査系と、
前記第１の走査系で走査された第１のレーザ光を、照射面上に集光する第１の集光光学系と、
前記照射面に被加工物の加工面を保持するための被加工物保持台と、
前記第１の集光光学系から前記照射面までの間に配置され、前記第１の波長を有する光は透過させ、可視領域または紫外領域の第２の波長を有する光は反射又は回折させる第１の合波部材と、
前記第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する第２のレーザ発振器を含み、前記第１の合波部材に前記第２のレーザ光を入射させ、反射または回折した第２のレーザ光を前記照射面上に照射する第１の補助系と
を有するレーザ加工装置。
前記第１の補助系が、第２のレーザ光を空間的に走査する第２の走査系と、第２のレーザ光を集光する第２の集光光学系とを有する請求項１記載のレーザ加工装置。
前記第１および第２の走査系が、第１および第２のレーザ光を可変入射角度で反射するガルバノミラーを含む請求項２記載のレーザ加工装置。
前記第１のレーザ光が炭酸ガスレーザ光であり、前記第２のレーザ光がＹＡＧ高調波レーザ光またはエキシマレーザ光である請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
前記第１の集光光学系が出射レンズを含み、前記合波部材が前記出射レンズの出射面に配置されている請求項１〜４のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
前記第１の合波部材が、ダイクロイックミラーである請求項１〜５のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
前記第１の合波部材が、ディフラクティブ素子である請求項１〜５のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
さらに、前記第１の集光光学系から前記照射面までの間に配置され、前記第１の波長を有する光は透過させ、可視領域または紫外領域の第３の波長を有する光は反射又は回折させる第２の合波部材と、
前記第３の波長を有する第３のレーザ光を発振する第３のレーザ発振器を含み、前記第２の合波部材に前記第３のレーザ光を入射させ、反射または回折した第３のレーザ光を前記照射面上に照射する第２の補助系と
を有する請求項１〜７のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
前記第２の合波部材が、前記出射レンズの出射面に配置されているディフラクティブ素子である請求項８記載のレーザ加工装置。
前記第２、第３のレーザ光が可視領域の色の異なるレーザ光である請求項８または９記載のレーザ加工装置。
（ａ）赤外領域の第１の波長を有する第１のレーザ光を、第１の走査系で空間的に走査しつつ、第１の集光光学系で集光し、合波部材を透過させ、被加工物上に照射し、該被加工物を加工する工程と、
（ｂ）可視領域または紫外領域の第２の波長を有する第２のレーザ光を前記合波部材に入射し、反射または回折させ、前記被加工物上に照射する工程と
を含むレーザ加工方法。
前記工程（ａ）が前記第１のレーザ光で前記被加工物に主加工を行い、前記工程（ｂ）が前記第２のレーザ光を空間的に走査し、集光し、前記被加工物に補助加工を行なう請求項１１記載のレーザ加工方法。
前記工程（ｂ）が前記主加工で生じた加工派生物を除去するアブレーションを行う請求項１２記載のレーザ加工方法。
前記工程（ｂ）が可視領域の前記第２のレーザ光で前記被加工物上にマーカを表示する請求項１１記載のレーザ加工方法。
さらに、（ｃ）前記第２の波長と色の異なる可視領域の第３の波長を有するレーザ光を合波部材に入射し、反射または回折させ、前記被加工物上に他のマーカを表示する工程を含む請求項１４記載のレーザ加工方法。
赤外領域の第１のレーザ光を空間的に走査する第１の走査系と、
出射レンズを含み、前記第１の走査系で走査された第１のレーザ光を、照射面上に集光する第１の集光光学系と、
前記照射面に被加工物の加工面を保持するための被加工物保持台と、
前記出射レンズの出射面に配置され、前記第１の波長を有する光は透過させ、可視領域または紫外領域の第２の波長を有する光は回折させるディフラクティブ素子を含む第１の合波部材と、
前記第１の合波部材に第２のレーザ光を入射させ、反射または回折した第２のレーザ光を前記照射面上に照射する第１の補助系と
を有するレーザ加工装置。