JP2008168297A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い加工品質で加工を行う。
【解決手段】 外部から与えられるトリガ信号に基づいてパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持するステージと、レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを、外部から与えられる分岐指令信号に基づいて、ステージに保持された加工対象物に入射する複数本のパルスレーザビームに分岐させる分岐数可変の分岐手段と、ステージに保持された加工対象物上の複数の被加工点に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように、分岐手段に分岐指令信号を送出するとともに、レーザ光源に分岐指令信号で指令された分岐数に基づいたショット数のレーザパルスがステージに保持された加工対象物に入射するようにトリガ信号を送出する制御装置とを有するレーザ加工装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

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装置及びレーザ加工方法に関する。

加工対象物にレーザビームを照射して行う多点加工には、主に２種類の方法が用いられている。

一つは、１本または数本のレーザビームを加工対象物に入射させながら、レーザビームまたは加工対象物を走査して加工を行う方法である。走査には、たとえばガルバノスキャナや移動ステージが用いられる。走査とそれに伴う位置決めに多くの時間を必要とするため、加工時間が長くなるという欠点がある。

もう一つは、レーザビームを所定形状の透光領域を多数備えるマスクに入射させ、透光領域を通過することで整形された多数のレーザビームを加工対象物に一度に照射して、多数点一括加工を行う方法である。この方法では、レーザビームのほとんどがマスクに遮断されてエネルギが失われる。このため、レーザ発振器の出力エネルギのごく僅かしか加工に用いられず、エネルギ効率が悪い。

ホログラムをマスクとして用い、レーザビームを遮断せず、回折させることによって、ほぼ全てのビームエネルギを利用する多数点一括加工方法が実現されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、デジタル位相ホログラムを備えたレーザ転写加工装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。

デジタル位相ホログラムを用いれば、整形されたビーム照射パタンを、時間的に変化させることができる。加工対象物上の加工領域を複数の小領域に分割し、分割された小領域ごとに加工を行うことで、大きな加工領域を加工することもできる。照射パタンを時間的に変化させることができるので、各小領域で異なる照射パタンが求められる場合にもマスク（デジタル位相ホログラム）を交換する必要がない。このため、加工時間の短縮やコストダウンを実現することが可能である。

しかしながら異なる小領域においては、被加工点数が異なる場合が多く、その比は数倍に及ぶこともある。このため、レーザ発振器の出力エネルギが一定の場合、小領域ごとに被加工点に照射されるエネルギが異なることになり、良質な加工が困難となる。被加工点数が多い小領域では、１加工点あたりに照射されるエネルギが小さくなり、エネルギ不足による加工不良が生じることがある。たとえば樹脂層に貫通孔を形成する加工において、樹脂層の途中までしか穴が形成されない等である。また、被加工点数が少ない小領域では、１被加工点あたりに照射されるエネルギが大きくなり、エネルギ過剰による加工不良が生じる。たとえば基板穴開け加工において、穴径が大きくなったり、基板割れが発生したりすることがある。

特開昭５１−７３６９８号公報 特許第２７２３７９８号公報

本発明の目的は、高い加工品質で加工を行うことのできるレーザ加工装置を提供することである。

また、高い加工品質で加工を行うことのできるレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、外部から与えられるトリガ信号に基づいてパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持するステージと、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを、外部から与えられる分岐指令信号に基づいて、前記ステージに保持された加工対象物に入射する複数本のパルスレーザビームに分岐させる分岐数可変の分岐手段と、前記ステージに保持された加工対象物上の複数の被加工点に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように、前記分岐手段に、前記分岐指令信号を送出するとともに、前記レーザ光源に、前記分岐指令信号で指令された分岐数に基づいたショット数のレーザパルスが前記ステージに保持された加工対象物に入射するように前記トリガ信号を送出する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。

また、本発明の他の観点によると、外部から与えられるトリガ信号に基づいてパルス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パルスレーザビームを、外部から与えられる分岐指令信号に基づいて、複数本のパルスレーザビームに分岐させる分岐数可変の分岐手段と、前記分岐手段で分岐されたパルスレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、前記分岐手段で分岐されたパルスレーザビームが入射する位置に配置された遮光部材と、前記ステージに保持された加工対象物上の複数の被加工点、及び前記遮光部材にそれぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように前記分岐指令信号を送出する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。

更に、本発明の他の観点によると、複数の被加工点が画定された加工対象物の第１の領域内の該被加工点に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように原パルスレーザビームを分岐させるとともに、分岐数に基づいて決定されたショット数のパルスレーザビームを前記加工対象物に入射させる工程と、前記第１の領域内の被加工点の数とは異なる被加工点を含む第２の領域内の該被加工点に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように原パルスレーザビームを分岐させるとともに、分岐数に基づいて決定されたショット数のパルスレーザビームを前記加工対象物に入射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

また、本発明の他の観点によると、複数の被加工点が画定された加工対象物の第１の領域内の該被加工点、及び遮光部材に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように原パルスレーザビームを分岐させ、分岐後のパルスレーザビームを前記加工対象物及び前記遮光部材に入射させる工程と、前記第１の領域内の被加工点の数とは異なる被加工点を含む第２の領域内の該被加工点、及び前記遮光部材に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように、かつ該第２の領域内の被加工点に入射するパルスレーザビームの光強度が、前記第１の領域内の被加工点に入射したパルスレーザビームの光強度と等しくなるように原パルスレーザビームを分岐させ、分岐後のパルスレーザビームを前記加工対象物及び前記遮光部材に入射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、高い加工品質で加工を行うことのできるレーザ加工装置を提供することができる。

また、高い加工品質で加工を行うことのできるレーザ加工方法を提供することができる。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。

図１（Ａ）を参照する。

第１の実施例によるレーザ加工装置は、等しいパルスエネルギをもつパルスレーザビームを連続的に出射するレーザ光源１０、折り返しミラー１１、ビーム照射パタンを整形し、時間的に変化させることができるデジタル位相ホログラム１２、デジタル位相ホログラム１２に指令信号を送出し、ビーム照射パタンの変化等を制御する制御装置１５、及び、移動ステージ１３を含んで構成される。

第１の実施例によるレーザ加工装置を用いて、加工基板１４の加工を行う。加工基板１４上には、加工が行われる小領域である第１の被加工領域１４ａ、第２の被加工領域１４ｂが隣接して画定されている。たとえば第２の被加工領域１４ｂには、第１の被加工領域１４ａの２倍の被加工点（ビーム照射位置）が存在する。

加工基板１４は、たとえば金属層上に同一厚さの樹脂層が形成されたプリント基板であり、被加工点の樹脂層を貫通する穴を形成する加工が行われる。

加工基板１４は、たとえばＸＹステージである移動ステージ１３の載置面上に載置されている。移動ステージ１３は、加工基板１４を載置面の面内方向に移動させることができる。

制御装置１５から送出されるトリガ信号に応じて、レーザ光源１０からパルスレーザビームが出射される。レーザ光源１０は、たとえば低パルスエネルギ、高繰り返し周波数型のレーザ発振器を含む。

レーザ光源１０から出射されたパルスレーザビームは、折り返しミラー１１で反射され、デジタル位相ホログラム１２に入射する。デジタル位相ホログラム１２は、制御装置１５から与えられる分岐指令信号に基づいて、レーザ光源１０から出射されたパルスレーザビームを複数本のパルスレーザビームに分岐させる分岐数可変の分岐手段である。デジタル位相ホログラム１２に入射した１ショットのパルスレーザビームは、エネルギ的に分割されて、加工基板１４上に画定されている第１の被加工領域１４ａ中の被加工点の各々の樹脂層に、１ショットのパルスレーザビームとして入射する。第１の被加工領域１４ａ中の被加工点の各々に入射する各パルスレーザビームの光強度は等しい。

第１の被加工領域１４ａにｍ個の被加工点が存在し、エネルギロスが発生しないと仮定したとき、第１の被加工領域１４ａ中の１つの被加工点には、デジタル位相ホログラム１２に入射する１ショットのパルスレーザビームのパルスエネルギの１／ｍのパルスエネルギをもつレーザビームが入射する。

なお、デジタル位相ホログラム１２を通過した直後のレーザビームは、全体的かつ不均一な光強度分布を有し、加工基板１４上でちょうど位相が強めあうまたは弱めあうことで多数の被加工点にレーザビームが照射される。

制御装置１５は、移動ステージ１３に保持された加工基板１４上の複数の被加工点に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように、デジタル位相ホログラム１２に分岐指令信号を送出するとともに、レーザ光源１０に、分岐指令信号で指令された分岐数に基づいたショット数のレーザパルスが加工基板１４に入射するようにトリガ信号を送出する。

レーザ光源１０から出射されたｋショット（ｋはたとえば２以上の整数）のパルスレーザビームで、第１の被加工領域１４ａ中の全ての被加工点にもｋショットのパルスレーザビームが照射され、全ての被加工点の樹脂層に貫通孔が形成される。

図１（Ｂ）を参照する。

制御装置１５は、第１の被加工領域１４ａに所定のｋショットが照射され、全ての被加工点の樹脂層に貫通孔が形成されたら、移動ステージ１３を駆動し、デジタル位相ホログラム１２を出射したレーザビームが第２の被加工領域１４ｂ中の被加工点に照射されるように、加工基板１４を移動させる。それとともに、デジタル位相ホログラム１２のビーム照射パタンを、第２の被加工領域１４ｂ中の被加工点の位置に対応するように変化させる。

制御装置１５からの制御信号に応じて、レーザ光源１０から出射されたパルスレーザビームがデジタル位相ホログラム１２を介して、第２の被加工領域１４ｂ中の被加工点の樹脂層に照射される。第２の被加工領域１４ｂには、第１の被加工領域１４ａとは異なる数の被加工点が存在する。一例として、第２の被加工領域１４ｂに第１の被加工領域１４ａの２倍の被加工点、すなわち２＊ｍ個の被加工点が存在する場合を示す。デジタル位相ホログラム１２に入射するパルスレーザビームのパルスエネルギは一定であるため、第２の被加工領域１４ｂの１つの被加工点に入射する１ショットのパルスレーザビームのパルスエネルギは、第１の被加工領域１４ａのそれの１／２となる。このため、制御装置１５は、２＊ｋショットのパルスレーザビームを第２の被加工領域１４ｂの全ての被加工点に入射させる制御を行い、第２の被加工領域１４ｂ中の全ての被加工点の樹脂層に貫通孔を形成する。

このように、第１の実施例によるレーザ加工装置を用いると、分割された各小領域（被加工領域）に含まれる被加工点数に応じてレーザ照射の回数を調整して加工を行うことができる。

被加工点の多い小領域（被加工領域）、すなわち各被加工点に照射される１ショット当たりのエネルギが小さい小領域（被加工領域）においては、レーザビームの照射回数を多くし、被加工点の少ない小領域（被加工領域）においては、レーザビームの照射回数を少なくする。たとえば、全ての小領域（被加工領域）の被加工点において、１ショット当たりの入射エネルギとショット数（レーザビーム照射回数）との積を一定（ある小領域（被加工領域）に含まれる被加工点数と、その小領域（被加工領域）に照射するレーザビーム照射回数の比を、すべての小領域（被加工領域）を通じて一定）とするように制御を行う。

このように加工を行うことで、各被加工点において、高い加工品質の加工を実現することができる。

なお、被加工点における１ショット当たりの入射エネルギとショット数との積は一定でなくてもよい。被加工点に入射するパルスレーザビームのエネルギ密度の全ショットにおける総和が、所望の加工（たとえば、貫通孔形成加工）を実現できる最低エネルギ密度以上となるようにショット数を定めることができる。この場合、過剰なビーム照射とならないように、たとえば、被加工点に入射するパルスレーザビームのエネルギ密度の全ショットにおける総和が、所望の加工を実現できる最低エネルギ密度以上となる最小のショット数の１．２倍以下の範囲でショット数を定めることが適当であろう。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。

第２の実施例によるレーザ加工装置は、ビームブロック１６を含む点において、第１の実施例によるレーザ加工装置と異なる。ビームブロック１６は、加工基板１４とデジタル位相ホログラム１２との間の高さで、加工を妨げない位置に配置される。ビームブロック１６には、デジタル位相ホログラム１２を通過したレーザビームのうち、加工に用いられない（加工基板１４に入射させない）レーザビームを入射させる。

図２（Ａ）を参照する。

レーザ光源１０を出射したパルスレーザビームは、折り返しミラー１１で反射され、デジタル位相ホログラム１２に入射する。デジタル位相ホログラム１２に入射したパルスレーザビームは、エネルギ的に分割されて出射される。加工基板１４上に画定されている第１の被加工領域１４ａ中の被加工点の各々の樹脂層に入射する各パルスレーザビームの光強度は等しい。デジタル位相ホログラム１２は、制御装置１５から与えられる分岐指令信号によって、入射したレーザビームのエネルギの１／ｎ（ｎは２＊ｍ以上の整数）のエネルギをもつレーザビームが、第１の被加工領域１４ａ内の全て（ｍ個）の被加工点に照射され、残余のエネルギをもつビームがビームブロック１６に入射するようにビーム照射パタンを形成する。

レーザ光源１０からのｓ（ｓは２＊ｋ以上の整数）ショットのパルスレーザビームがデジタル位相ホログラム１２を通過して、各ショットが１／ｎのエネルギとされて第１の被加工領域１４ａ内の各被加工点に照射され、全ての被加工点において樹脂層を貫通する穴が形成される。

図２（Ｂ）を参照する。

制御装置１５は、第１の被加工領域１４ａに所定のｓショットが照射され、全ての被加工点の樹脂層に貫通孔が形成されたら、移動ステージ１３を駆動し、デジタル位相ホログラム１２を出射したレーザビームが第２の被加工領域１４ｂ中の被加工点に照射されるように、加工基板１４を移動させる。それとともに、デジタル位相ホログラム１２のビーム照射パタンを、第２の被加工領域１４ｂ中の被加工点の位置に対応するように変化させる。

デジタル位相ホログラム１２は、入射したレーザビームのエネルギの１／ｎのエネルギをもつレーザビームが、第２の被加工領域１４ｂ内の全て（２＊ｍ個）の被加工点に照射され、残余のエネルギをもつビームがビームブロック１６に入射するようにビーム照射パタンを形成する。

第２の被加工領域１４ｂの１つの被加工点に入射する１ショットのパルスレーザビームのパルスエネルギ、及び光強度は、第１の被加工領域１４ａのそれらと等しい。このため、制御装置１５は、第１の被加工領域１４ａの場合と同じく、ｓショットのパルスレーザビームを第２の被加工領域１４ｂの全ての被加工点に入射させる制御を行い、第２の被加工領域１４ｂ中の全ての被加工点の樹脂層に貫通孔を形成する。

このように、第２の実施例によるレーザ加工装置は、各小領域（被加工領域）に、同じショット数（ｓショット）のパルスレーザビームを照射して加工を行う。また、全ての小領域（被加工領域）を通じて、１つの被加工点に１ショットで入射させるエネルギは等しい。

第２の実施例によるレーザ加工装置を用いても、各被加工点において、高い加工品質の加工を実現することができる。

第２の実施例においては、余分なエネルギをビームブロックに入射させたが、たとえば加工基板上にダミー領域を画定して、加工に使用しないエネルギを入射させてもよい。

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、実施例においては、集光による穴開け加工について説明したが、たとえばマスクの貫通孔の形状を加工基板上に結像させ、被加工位置によって形成される穴の形状や大きさが異なるように照射パタンを形成することもできる。

この場合、第１の実施例に対応しては、分割された小領域（被加工領域）ごとに、被加工位置に照射されるレーザビームの単位面積当たりの光強度を等しくする。被加工面積の大きい小領域（被加工領域）においては、レーザビームの照射回数を多くし、被加工面積の小さい小領域（被加工領域）においては、レーザビームの照射回数を少なくする。

たとえば全ての小領域（被加工領域）の被加工位置において、パルスエネルギ密度とショット数（レーザビーム照射回数）の積を一定とするように制御を行う。

第２の実施例に対応しては、全ての小領域（被加工領域）を通じて、加工位置に入射させるパルスエネルギ密度を等しくし、残余のエネルギは、たとえばビームブロックに入射させる。各小領域（被加工領域）に同じショット数のパルスレーザビームが照射されて加工が行われる。

その他、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。

（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。

符号の説明

１０ レーザ光源
１１ 折り返しミラー
１２ デジタル位相ホログラム
１３ 移動ステージ
１４ 加工基板
１４ａ 第１の被加工領域
１４ｂ 第２の被加工領域
１５ 制御装置
１６ ビームブロック

Claims (7)

1. 外部から与えられるトリガ信号に基づいてパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを、外部から与えられる分岐指令信号に基づいて、前記ステージに保持された加工対象物に入射する複数本のパルスレーザビームに分岐させる分岐数可変の分岐手段と、
   前記ステージに保持された加工対象物上の複数の被加工点に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように、前記分岐手段に、前記分岐指令信号を送出するとともに、前記レーザ光源に、前記分岐指令信号で指令された分岐数に基づいたショット数のレーザパルスが前記ステージに保持された加工対象物に入射するように前記トリガ信号を送出する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記分岐手段は、前記ステージに保持された加工対象物に入射する複数本のパルスレーザビームの各々の光強度が等しくなるように、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを分岐させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御装置は、前記被加工点に入射するパルスレーザビームのエネルギ密度の全ショットにおける総和が、所望の加工を実現できる最低エネルギ密度以上になるショット数となるように、前記レーザ光源に前記トリガ信号を送出する請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 外部から与えられるトリガ信号に基づいてパルス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パルスレーザビームを、外部から与えられる分岐指令信号に基づいて、複数本のパルスレーザビームに分岐させる分岐数可変の分岐手段と、
   前記分岐手段で分岐されたパルスレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
   前記分岐手段で分岐されたパルスレーザビームが入射する位置に配置された遮光部材と、
   前記ステージに保持された加工対象物上の複数の被加工点、及び前記遮光部材にそれぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように前記分岐指令信号を送出する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
5. 前記制御装置は、前記ステージに保持された加工対象物上の複数の被加工点に入射する各パルスレーザビームの光強度が分岐数によらず一定となるように、前記分岐指令信号を送出する請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 複数の被加工点が画定された加工対象物の第１の領域内の該被加工点に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように原パルスレーザビームを分岐させるとともに、分岐数に基づいて決定されたショット数のパルスレーザビームを前記加工対象物に入射させる工程と、
   前記第１の領域内の被加工点の数とは異なる被加工点を含む第２の領域内の該被加工点に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように原パルスレーザビームを分岐させるとともに、分岐数に基づいて決定されたショット数のパルスレーザビームを前記加工対象物に入射させる工程と
   を有するレーザ加工方法。
7. 複数の被加工点が画定された加工対象物の第１の領域内の該被加工点、及び遮光部材に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように原パルスレーザビームを分岐させ、分岐後のパルスレーザビームを前記加工対象物及び前記遮光部材に入射させる工程と、
   前記第１の領域内の被加工点の数とは異なる被加工点を含む第２の領域内の該被加工点、及び前記遮光部材に、それぞれ分岐後のパルスレーザビームが入射するように、かつ該第２の領域内の被加工点に入射するパルスレーザビームの光強度が、前記第１の領域内の被加工点に入射したパルスレーザビームの光強度と等しくなるように原パルスレーザビームを分岐させ、分岐後のパルスレーザビームを前記加工対象物及び前記遮光部材に入射させる工程と
   を有するレーザ加工方法。

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