(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物を保持する保持台と、
入射するレーザビームを収束し、収束されたレーザビームを前記保持台に保持された加工対象物に入射させる１つの収束レンズと、
入射するレーザビームを走査する複数の走査装置であって、該走査装置の各々によって走査されたレーザビームが前記収束レンズを通って前記加工対象物に入射するように配置されて前記複数の走査装置が前記１つの収束レンズを共用し、外部からの制御を受けて、前記加工対象物への該レーザビームの入射位置を移動させる走査動作を行う複数の走査装置と、
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したレーザビームを、前記複数の走査装置から選択された一部の走査装置に入射させ、時間によって入射先の走査装置を変更する振り分け装置と、
前記走査装置を制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記振り分け装置からレーザビームが入射していない走査装置に走査動作を行わせるように、前記走査装置を制御する請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記レーザ光源がパルスレーザビームを出射し、
前記振り分け装置は、前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームの、時間軸上に配列した複数のパルスの各々を、前記複数の走査装置から選択された１つの走査装置に入射させる請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記走査装置が２群に分けられており、前記制御装置は、第１の群の走査装置にレーザビームが入射している期間に、第２の群の走査装置に走査動作を行わせ、第２の群の走査装置にレーザビームが入射している期間に、第１の群の走査装置に走査動作を行わせる請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記振り分け装置が、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射し、印加電圧によってレーザビームの偏光方向を変化させる電気光学素子と、
前記電気光学素子によって偏光方向を制御されたレーザビームが入射し、偏光方向によって入射するレーザビームの進行方向を変化させる偏光板と
を有する請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
レーザ光源から出射したレーザビームを、複数の走査装置から選択された一部の走査装置に入射させ、選択された走査装置で伝搬方向を制御されたレーザビームを、前記複数の走査装置で共用された１つの収束レンズで収束し、収束されたレーザビームを加工対象物に入射させて該加工対象物を加工する工程と、
選択された走査装置を通ってレーザビームが前記加工対象物に入射している期間に、選択されていない走査装置を通るレーザビームが入射する前記加工対象物上の位置が移動するように選択されていない走査装置を動作させる工程と、
選択されていなかった走査装置から少なくとも一部の走査装置を選択し、前記レーザ光源から出射したレーザビームの入射先を、今まで選択されていた走査装置から新たに選択された走査装置に切り換え、新たに選択された走査装置で伝搬方向を制御されたレーザビームを前記収束レンズで収束し、収束されたレーザビームを加工対象物に入射させて該加工対象物を加工する工程と
を有するレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、特に加工対象物上のある範囲内でレーザ照射位置を移動させて加工す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】
特許第３１１４５３３号公報に開示されたレーザ穴あけ加工装置について説明する。レーザ光源から出射したパルスレーザビームがハーフミラーで２分岐され、一方の第１のパルスレーザビームが第１のガルバノスキャナに入射し、他方の第２のパルスレーザビームが第２のガルバノスキャナに入射する。第１及び第２のガルバノスキャナは、それぞれ第１及び第２のパルスレーザビームを２次元方向に走査する。走査された第１及び第２のパルスレーザビームが１つのｆθレンズに入射する。ｆθレンズは、第１及び第２のパルスレーザビームを収束し、加工対象物に入射させる。
【０００３】
加工対象物にパルスレーザビームを入射させることにより、穴あけ加工を行うことができる。高価なｆθレンズ１つに対して２組のガルバノスキャナを配置することにより、装置コストの上昇を抑制しつつ、加工時間の短縮を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、銅箔への穴あけ加工に、赤外領域のＣＯ２ガスレーザが用いられていた。ＣＯ２ガスレーザを用いた穴あけ加工方法では、１ショットの照射で銅箔を熱分解させ、昇華させる。このため、熱の影響による穴の品質低下が生じやすかった。また、ＣＯ２ガスレーザの波長域における銅の反射率が高いため、レーザビームの吸収率を高めるために、銅箔の表面に粗化処理を施さなければならなかった。
【０００５】
紫外線の波長領域のレーザビームを用いることにより、熱的な影響を排除して高品質の加工を行う技術が注目されている。紫外線の波長領域のレーザビームを用いて銅箔の加工を行うためには、銅箔表面におけるパルスエネルギ密度を銅箔加工に必要なしきい値（約１０〜２０Ｊ／ｃｍ２）以上にする必要がある。加工時間の短縮を図るために、レーザビームをハーフミラーで２分岐させると、そのパルスエネルギ密度が約半分になる。このため、銅箔表面におけるパルスエネルギ密度を、銅箔加工のしきい値以上にすることが困難になる。
【０００６】
本発明の目的は、加工対象物表面におけるパルスエネルギ密度を高く維持し、高速かつ高品質な加工を行うことが可能なレーザ加工装置及び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】
加工対象物を保持する保持台と、入射するレーザビームを収束し、収束されたレーザビームを前記保持台に保持された加工対象物に入射させる１つの収束レンズと、入射するレーザビームを走査する複数の走査装置であって、該走査装置の各々によって走査されたレーザビームが前記収束レンズを通って前記加工対象物に入射するように配置されて前記複数の走査装置が前記１つの収束レンズを共用し、外部からの制御を受けて、前記加工対象物への該レーザビームの入射位置を移動させる走査動作を行う複数の走査装置と、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したレーザビームを、前記複数の走査装置から選択された一部の走査装置に入射させ、時間によって入射先の走査装置を変更する振り分け装置と、前記走査装置を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
【０００８】
レーザビームが加工対象物に入射することにより、穴あけ加工が行われる。ある時刻に着目すると、複数の走査装置のうち一部の走査装置のみをレーザビームが通過する。このため、走査装置の操作動作を、レーザビームの通過していない期間に行うことができる。複数の走査装置が１つの収束レンズを共用しているため、収束レンズの枚数の増加を回避することができる。
【０００９】
本発明の他の観点によると、レーザ光源から出射したレーザビームを、複数の走査装置から選択された一部の走査装置に入射させ、選択された走査装置で伝搬方向を制御されたレーザビームを、前記複数の走査装置で共用された１つの収束レンズで収束し、収束されたレーザビームを加工対象物に入射させて該加工対象物を加工する工程と、選択された走査装置を通ってレーザビームが前記加工対象物に入射している期間に、選択されていない走査装置を通るレーザビームが入射する前記加工対象物上の位置が移動するように選択されていない走査装置を動作させる工程と、選択されていなかった走査装置から少なくとも一部の走査装置を選択し、前記レーザ光源から出射したレーザビームの入射先を、今まで選択されていた走査装置から新たに選択された走査装置に切り換え、新たに選択された走査装置で伝搬方向を制御されたレーザビームを前記収束レンズで収束し、収束されたレーザビームを加工対象物に入射させて該加工対象物を加工する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【００１０】
選択されていない期間に、走査装置を動作させることにより、１つの走査装置の動作期間中に、他の走査装置を用いてレーザビームを有効利用することができる。複数の走査装置で１つの収束レンズを共用しているため、収束レンズの枚数増を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１が、パルスレーザビーム２を出射する。レーザ光源１は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器と非線形光学素子とを含んで構成され、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）を出射する。
【００１２】
パルスレーザビーム２が、振り分け装置１０に入射する。振り分け装置１０は、半波長板１１、ポッケルス効果を示す電気光学素子１２、及び偏光板１３を含んで構成される。半波長板１１は、レーザ光源１から出射したパルスレーザビーム２を、偏光板１３に対してＰ波となるような直線偏光にする。このＰ波が電気光学素子１２に入射する。
【００１３】
電気光学素子１２は、制御装置４０から送出される制御信号ｓｉｇ０に基づいて、パルスレーザビームの偏光軸を旋回させる。電気光学素子１２が電圧無印加状態にされている時、入射したＰ波がそのまま出射される。電気光学素子１２が電圧印加状態にされている時、電気光学素子１２は、入射するパルスレーザビームの偏光軸を９０度旋回させる。これにより、電気光学素子１２から出射するパルスレーザビームは、偏光板１３に対してＳ波となる。
【００１４】
偏光板１３は、Ｐ波をそのまま透過させ、Ｓ波を反射する。偏光板１３を透過したＰ波は、光軸２０に沿って伝搬するパルスレーザビームｐｌ１となる。偏光板１３で反射したＳ波は、他の光軸３０に沿って伝搬するパルスレーザビームｐｌ２となる。光軸２０に沿って伝搬するパルスレーザビームｐｌ１は、折返しミラー２１で反射され、第１の走査装置１７に入射する。他の光軸３０に沿って伝搬するパルスレーザビームｐｌ２は、第２の走査装置３５に入射する。
【００１５】
第１の走査装置２５は、Ｘ用ガルバノミラー２５ＸとＹ用ガルバノミラー２５Ｙとを含んで構成される。２つのガルバノミラー２５Ｘ及び２５Ｙを回転移動させることにより、入射したレーザビームを２次元方向に走査することができる。ガルバノミラーの回転移動動作を走査動作と呼ぶこととする。ガルバノミラー２５Ｘ及び２５Ｙは、制御装置４０から入力される制御信号ｓｉｇ１により制御される。第２の走査装置３５は、Ｙ用ガルバノミラー３５ＸとＹ用ガルバノミラー３５Ｙとを含んで構成され、入射したレーザビームを２次元方向に走査する。ガルバノミラー３５Ｘ及び３５Ｙは、制御装置４０から入力される制御信号ｓｉｇ２により制御される。
【００１６】
第１の走査装置２５により走査されたパルスレーザビーム、及び第２の走査装置３５により走査されたパルスレーザビームは、同一のｆθレンズ３８に入射する。ｆθレンズ３８は、入射したパルスレーザビームを収束する。収束されたレーザビームは、ＸＹテーブル３９に載置された加工対象物５０に入射する。なお、ｆθレンズ３８の代わりに、他の収束レンズを用いてもよい。
【００１７】
図２（Ａ）に、加工対象物５０の平面図を示す。加工対象物５０の表面内に、行列状に配置された複数の単位加工領域５１が画定されている。単位加工領域５１の各々は、第１の領域５１ａと第２の領域５１ｂとに区分されている。
【００１８】
図１に示した第１の走査装置２５は、レーザビームの入射位置を第１の領域５１ａ内の任意の位置に移動させることができる。第２の走査装置３５は、レーザビームの入射位置を第２の領域５１ｂ内の任意の位置に移動させることができる。第１及び第２の走査装置２５及び３５を動作させることにより、１つの単位加工領域５１内の任意の位置にレーザビームを入射させることができる。１つの単位加工領域５１の加工が終了すると、図１に示したＸＹステージ３９を駆動して加工対象物５０を移動させることにより、他の単位加工領域５１の加工を行うことができる。
【００１９】
図２（Ｂ）に、加工対象物５０の断面図を示す。加工対象物５０は、例えば厚さ５０μｍの樹脂製ベースフィルム５３の両面に、それぞれ厚さ９μｍの銅箔５２及び５４が密着された３層構造を有する。パルスレーザビームを複数ショット入射させることにより、この３層を貫通する貫通孔５５を形成することができる。
【００２０】
次に、図３を参照して、振り分け装置１０、第１及び第２の走査装置２５及び３５の制御方法について説明する。
【００２１】
図３は、制御信号ｓｉｇ０、ｓｉｇ１、ｓｉｇ２及びパルスレーザビームｐｌ１、ｐｌ２のタイミングチャートを示す。制御信号ｓｉｇ０に基づき、電気光学素子１２が電圧無印加状態になっている第１の期間Ｔ１は、図１に示した電気光学素子１２を通過したパルスレーザビームがＰ波であるため、光軸２０に沿ったパルスレーザビームｐｌ１が出力され、光軸３０に沿ったパルスレーザビームｐｌ２は出力されない。このため、第１の走査装置２５を通過したパルスレーザビームにより穴開けが行われる。
【００２２】
第１の期間Ｔ１中に、制御装置４０は、パルスレーザビームの入射していない第２の走査装置３５に対して制御信号ｓｉｇ２を送信する。これにより、第２の走査装置３５は、入射するパルスレーザビームが加工対象物５０上の所望の位置に入射するように制御される。
【００２３】
第１の期間Ｔ１の後の第２の期間Ｔ２では、制御信号ｓｉｇ０により、電気光学素子１２が電圧印加状態になる。このため、第２の期間Ｔ２の間は、パルスレーザビームｐｌ１が出力されず、パルスレーザビームｐｌ２が出力される。この前の第１の期間Ｔ１中に、第２の走査装置３５のガルバノミラー３５Ｘ及び３５Ｙが駆動され、パルスレーザビームの入射位置が調整されているため、第２の期間Ｔ２の間に、所望の位置に穴開けを行うことができる。
【００２４】
さらに、第２の期間Ｔ２の間に、制御装置４０は、パルスレーザビームの入射していない第１の走査装置２５に、制御信号ｓｉｇ１を送信する。これにより、第１の走査装置２５のガルバノミラー２５Ｘ及び２５Ｙが、パルスレーザビームを加工対象物５０上の所望の位置に入射させるように制御される。
【００２５】
第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２とを交互に繰り返すことにより、加工対象物５０の所望の複数の位置に穴開けを行うことができる。
【００２６】
上記実施例では、レーザ光源１から出射したパルスレーザビームの各パルスのエネルギは、分割されることなく加工対象物５０に到達する。このため、加工対象物５０の表面におけるパルスエネルギ密度を、銅箔加工に必要とされるしきい値以上に維持することが容易である。また、上記実施例では、２つの走査装置２５及び３５が１つのｆθレンズ３８を共用するため、装置コストの上昇を抑制することができる。
【００２７】
また、上記実施例では、第１の走査装置２５を駆動している第２の期間Ｔ２の間に、第２の走査装置３５を通過したパルスレーザビームにより穴開けが行われる。また、第２の走査装置３５を駆動している第１の期間Ｔ１の間に、第１の走査装置２５を通過したパルスレーザビームにより穴開けが行われる。このため、レーザ光源１から出射されたパルスレーザビームのすべてのパルスが、穴開け加工に有効に利用される。
【００２８】
パルスの繰り返し周波数が１０ｋＨｚ、第３高調波のパワーが１０Ｗのレーザ光源を用いて、図２（Ｂ）に示した加工対象物５０に直径５０μｍの貫通孔５５を形成する場合を考える。厚さ９μｍの銅箔５２及び５４の各々を貫通する孔を形成するのに必要なショット数は約１０である。厚さ５０μｍのベースフィルム５３を貫通する孔を形成するのに必要なショット数は約５である。このため、２５ショットの照射を行うことにより、貫通孔５５を形成することができる。
【００２９】
パルス周波数１０ｋＨｚのパルスレーザビームを２５ショット照射するのに必要な時間は２．５ｍｓである。すなわち、図３に示した期間Ｔ１及びＴ２の各々は２．５ｍｓになる。ガルバノミラーを駆動してレーザビームの入射位置を移動させるのに必要な時間は約１ｍｓである。このため、期間Ｔ１及びＴ２の間にガルバノミラーを駆動してレーザビームの照射準備を完了させることができる。
【００３０】
これに対し、１つの走査装置のみを使用して加工を行う場合には、１つの貫通孔を形成するために、２．５ｍｓ＋１ｍｓ＝３．５ｍｓの時間を必要とする。実施例のように、パルスレーザビームのパルスエネルギを分割するのではなく、時間軸上に配列した複数のパルスを、時間軸上で複数の走査装置に振り分けることにより、パルスエネルギ密度を低下させることなく、加工時間を短縮することができる。
【００３１】
上記実施例では、レーザ光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、その第３高調波を加工に利用したが、加工対象物に穴開けできるその他のレーザ光源を用いてもよい。例えば、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやＮｄ：ＹＶＯ４レーザの高調波を用いてもよい。微細で高品質な穴を形成するためには、波長４００ｎｍ以下の紫外線領域のレーザビームを使用することが好ましい。
【００３２】
上記実施例では、銅箔と樹脂層との積層構造に貫通孔を形成する場合を説明したが、銅以外の他の金属箔と樹脂層との積層構造に貫通孔を形成する場合にも、実施例によるレーザ加工装置を適用することが可能である。また、貫通孔に限らず、貫通しない凹部を形成する場合にも適用可能である。
【００３３】
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、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。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の走査装置で１つの収束レンズを共用することにより、装置コストを抑えることができる。また、複数の走査装置を用い、レーザビームが一部の走査装置を通過している期間に、他の走査装置の走査動作を行うことにより、走査動作中も、レーザビームによる加工を継続して行うことができる。これにより、加工時間の短縮を図ることが可能になる。
【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概略図である。
【図２】加工対象物の平面図及び断面図である。
【図３】実施例による加工対象物のパルスレーザビーム及び各種制御信号のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  レーザ光源
２  パルスレーザビーム
１０  振り分け装置
１１  半波長板
１２  電気光学素子
１３  偏光板
２０、３０  光軸
２１  折返しミラー
２５、３５  走査装置
３８  ｆθレンズ
３９  ＸＹテーブル
４０  制御装置
５０  加工対象物
５１  単位加工領域
５２、５４  銅箔
５３  樹脂製ベースフィルム
５５  貫通孔
【図１】
0003604014.tif 000002
【図２】
0003604014.tif 000003
【図３】
0003604014.tif 000004