(57)【要約】  本発明は、唯一の加工プロセスで相互に独立した２つのレーザビーム（１１０，１２０）を、同じ加工領域に偏向することができるレーザ加工装置（１００）に関する。これは、第１のレーザビーム（１１０）をほぼ透過し、且つ、第２のレーザビーム（１２０）をほぼ反射する、少なくとも部分的に反射する光学要素（１３０）によって可能となる。両レーザビーム（１１０及び１２０）の各ビーム路は、少なくとも部分的に反射する光学要素（１３０）に入射する前に、相互に独立して２つの偏向ユニット（１１１及び１２１）によって変えられ、２つのプレーンフィールド光学系（ｆ−θ−対物レンズ）（１１２及び１２２）を用いてフォーカシングされる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを用いて対象を加工するための装置において、
第１の偏向ユニット（１１１）と第２の偏向ユニット（１２１）とを有しており、
前記第１の偏向ユニット（１１１）は、第１のレーザビーム（１１０）を、プレーンフィールド光学系（１１２）を介して部分的に反射する要素（１３０）の方に偏向し、
前記第２の偏向ユニット（１２１）は、第２のレーザビーム（１２０）を、第２のプレーンフィールド光学系（１２２）を介して前記部分的に反射する要素（１３０）の方に偏向し、
前記部分的に反射する要素（１３０）は、前記第１のレーザビーム（１１０）をほぼ透過し、且つ、前記第２のレーザビーム（１２０）をほぼ反射し、
前記部分的に反射する要素（１３０）は、処理すべき光学系に対して相対的に、前記第１のレーザビーム（１１０）と前記第２のレーザビーム（１２０）とが、前記伝達乃至反射の直後に前記処理すべき対象に照射するように設けられている
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
両偏向ユニット（１１１，１２１）は、相互に垂直方向に設けられている請求項１記載の装置。
【請求項３】
第１のレーザビーム（１１０）のスペクトル分布が第１の波長を有しており、
第２のレーザビーム（１２０）のスペクトル分布が、前記第１の波長とは異なった第２の波長（１２０）を有しており、
部分的に反射する要素（１３０）は、ダイクロイックミラーである
請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
付加的に、第１のレーザと第２のレーザとを有しており、
前記第１のレーザは、第１のレーザビーム（１１０）を形成し、
前記第２のレーザは、第２のレーザビーム（１２０）を形成する
請求項３記載の装置。
【請求項５】
レーザが設けられており、
該レーザは、周波数変換を介して直接又は間接的に第１のレーザビーム（１１０）を形成し、
前記レーザは、周波数変換を介して間接的に第２のレーザビーム（１２０）を形成する
請求項３記載の装置。
【請求項６】
部分的に反射する光学要素（１３０）は、偏向依存鏡であり、該偏向依存鏡の反射度は、当該偏向依存鏡に入射する光の偏向に依存し、
偏向依存鏡に入射される第１のレーザビーム（１１０）の偏向方向は、前記偏向依存鏡に入射される第２のレーザビーム（１２０）の偏向方向に対してほぼ垂直方向である
請求項１又は２記載の装置。
【請求項７】
偏向回転子（１５０）を設け、該偏向回転子は、偏向依存鏡に入射される第２のレーザビーム（１２０）の偏向方向を変える
請求項６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを用いて対象を加工するための装置に関する。
【０００２】
レーザ加工機械装置は、最近では、加工すべき対象の方に相互に独立して偏向される２つ、又は、それ以上の種々異なるレーザビームを利用する。種々異なるレーザビームを形成するために、種々異なる複数のレーザ源を必ずしも必要としない。ただ１つのレーザから放射されたレーザビームを、例えば、ビームスプリッタを用いて複数の部分ビームに分割し、その後、この部分ビームを、加工すべき対象の方に偏向することができれば十分である。
【０００３】
多くの場合、殊に種々異なる材料を高い精度で加工することができるために、レーザ光の種々異なる波長が利用される。２つ又は複数の種々異なる波長のレーザ光を形成するために、通常、２つ又は複数のレーザ光源が使われる。択一的に、レーザを１つしか使わなくてもよい。その際、このレーザから放射されたビームは、ビームスプリッタを用いて少なくとも２つの部分ビームに分割され、両ビームの少なくとも一方が非直線光学効果（殊に、所謂周波数逓倍）によって、その波長が変えられる。このようにして、２つのレーザ光源を用いる際と同様に、１つのレーザ源を用いて種々異なる２つの部分ビームを形成することができ、その際、１つの部分ビームのスペクトル分布は、他の部分ビームのスペクトル分布に対して相対的に異なっている。
【０００４】
殊に、複数層のプリント基板のレーザによる構造化及びレーザによる穿孔の際には、短波長レーザビームと長波長レーザビームとを同時に使う必要がある。その際、しかも、例えば、加工すべき対象に出来る限り短いレーザパルスを照射する短波長レーザ光を用いて、表面にも複数プリント基板の内部にも形成されて、種々異なる各非直線層を相互に分離する金属薄膜を除去することができる。このようにして、例えば、２０μｍ以下の直径のホールを形成することができ、その結果、レーザ穿孔したホールを後続して金属化することによって、所定の各金属化中間層を極端に小さなスペース上で相互に導電接続することができる。
【０００５】
種々異なる２つの波長を用いてレーザ加工する際、最近では、通常、２つのレーザビームを相互に並べて設けられた偏向ユニットを用いて、目標に精確に、加工すべき対象に配向される。各偏向ユニットの各々は、通常、回転可能に支承された２つの鏡を有しており、その結果、加工すべき対象に照射されるレーザビームを、ｘ−ｙ平面内に配置することができる。両偏向ユニットの装置構成の欠点は、両レーザビームが、加工すべき対象の共通の部分領域に配向されている限りで、種々異なる角度で加工表面上に照射される点にある。両レーザビームの種々異なる照射角度は、殊に、小さなホールのレーザ穿孔にとっては不利である。つまり、種々異なる角度に基づいて、その結果達成される穿孔ホールの直径は、殊にホールの上エッジでのホール深さが大きくなるにつれて大きくなる。しかも、角度偏差が大きい場合、ホールは斜めに加工すべき対象に穿孔されてしまう。従って、例えば、対象の一方の面上のホールをスルーホールにした場合、対向する他方の面上とは別の位置となってしまい、その結果、穿孔ホールの精度が著しく劣化してしまう。
【０００６】
日本国公開特許第２００１  １９６  ６６５号からは、レーザビームを用いて対象を加工するための装置及び方法が公知であり、その際、種々異なるレーザ発振器によって形成された、種々異なる波長の２つのレーザビームが、ダイクロイックミラーを用いて重畳され、収束レンズを通った後、加工すべき対象の方に配向される。
【０００７】
ドイツ連邦共和国特許公開第１９９  １０  ８８０号公報からは、レーザビームを用いて対象を加工する装置が公知であり、この装置では、加工レーザビームは、フォーカシング光学系を通過した後、２つの偏向鏡から構成された偏向ユニットによって、加工すべき対象の方に偏向される。偏向ユニットと加工すべき対象との間に、プレーンフィールド光学系が設けられており、その結果、対象に配向されたレーザビームが、偏向ユニットの精確な位置とは無関係にフォーカス直径が同じままで対象に照射される。
【０００８】
日本国公開特許第２０００  １９０  ０８７号からは、種々異なって偏向された２つのレーザビームのビーム路を、偏向依存鏡を用いて結合して、プレーンフィールド光学系を通過した後、加工すべき対象の方に配向するレーザ加工機械装置が公知である。両レーザビームを、加工すべき対象に照射する位置は、両レーザビームの重畳前に両ビーム路内に位置している各々１つの偏向ユニットによって決められる。
【０００９】
従って、本発明の課題は、種々異なる２つのレーザビームを相互に依存しないように対象表面にフォーカシング可能な、レーザビームを用いて対象を加工するための装置を提供することにあり、その際、各々のフォーカシング直径は、各々のレーザビームが対象表面に入射する精確な位置とは無関係であるようにすることにある。
【００１０】
この課題は、第１の偏向ユニットと第２の偏向ユニットとを有しており、第１の偏向ユニットは、第１のレーザビームを、プレーンフィールド光学系を介して部分的に反射する要素の方に偏向し、第２の偏向ユニットは、第２のレーザビームを、第２のプレーンフィールド光学系を介して部分的に反射する要素の方に偏向し、部分的に反射する要素は、第１のレーザビームをほぼ伝達し、且つ、第２のレーザビームをほぼ反射し、部分的に反射する要素は、処理すべき光学系に対して相対的に、第１のレーザビームと第２のレーザビームとが、伝達乃至反射の直後に処理すべき対象に照射するように設けられているレーザビームを用いて対象を加工するための装置によって解決される。
【００１１】
本発明の認識は、部分的に反射する光学要素を用いて、両レーザビームのビーム路をほぼ一緒に案内すると、種々異なる２つのレーザビームを用いて、対象を出来る限り垂直方向に加工することができる点にある。本発明の装置の利点は、両偏向ユニットを、原理的に、相互に任意間隔で設けることができ、その際、こうすることによって、入射角度がかなり異なるために、対象の方に配向された両レーザビームのビーム案内が劣化することはなくなる点にある。
本発明の装置は、殊に、両レーザビームが部分的に反射される光学要素で、その各ビーム路がほぼ同軸で、加工すべき対象に照射されるように重畳されると、有利にレーザ穿孔のために使用することができる。このようにして、両レーザビームの正確な出力制御時に、スルーホールも所謂止まり穴も迅速且つ高い精度で穿孔することができる。
【００１２】
本発明の装置は、２つのレーザビームを、所定のようにずらして平行に、加工すべきホールの方に偏向すると、レーザ穿孔のために有利に使うことができる。この場合、同時に２つの異なったホールを穿孔することができる。
【００１３】
本発明の装置の重要な利点は、対象の加工のために、別個の２つのレーザビームを、相互に完全に独立して同一の加工フィールドに偏向することができる点にある。これにより、唯一の加工機械装置を用いて、種々異なった対象を精確且つ迅速に加工することができる多数の手段が提供される。
【００１４】
プレーンフィールド光学系を用いることにより、２つのレーザビームを、大きな加工領域内で、加工すべき対象の方に偏向することができ、その際、フォーカス幅が異なってビームの質が変化することはない。フォーカス幅が、そのように変化するのは、フォーカス領域、つまり、レーザビームの異なる入射角度でレーザビームがフォーカシングされる領域が、球の表面上に位置している普通の所謂球面レンズでは通常のことである。ｆ−θ−対物レンズとも呼ばれるプレーンフィールド光学系が、普通の球面レンズと相違する点は、フォーカス領域が、プレーンフィールド光学系に入射する光ビームの入射角度にほぼ依存しないで同一面内に位置している点にある。従って、プレーンフィールド光学系を用いると、加工レーザビームを、大きな加工領域内に精確にフォーカシングすることができ、その結果、大きな対象でも、一時的にずらしたりせずに、従って、中断せずに加工することができる。
【００１５】
偏向ユニットは、相互に垂直方向に設けられているという請求項２記載の本発明の実施例の利点は、２つの偏向ユニットのゼロ点調整時に、２つのレーザビームが、相互に垂直方向に、部分的に反射される光学要素に入射する点にある。この構成により、相応のレーザ加工装置の構成、殊に光学調整を容易に行うことができるようになる。つまり、両偏向ユニットのゼロ点調整時にレーザビームを、加工表面に対して垂直方向にだけ、又は、平行に案内することができるからである。
【００１６】
請求項３によると、両レーザビームが各々異なった波長を有しており、部分的に反射する要素として、ダイクロイックミラーが使われている。ダイクロイックミラーを用いると、普通の半透過性鏡を用いる場合と異なって、ダイクロイックミラーの適切なスペクトル反射特性乃至透過特性を前提にして、異なった２つのレーザビームによって形成される出力を、大きな損失なしに、加工すべき対象の加工に使うことができるという利点が得られる。それとは異なり、従来技術の半透過性鏡を用いた場合には、透過レーザビームの不所望な反射も、反射レーザビームの不所望な透過も生じる。この不所望なレーザビームの強度により、損失出力が生じ、この損失出力により、従来技術の半透過性鏡を用いてビームを一緒に案内した場合には、レーザ加工機械装置を熱安定化させるのが難しくなってしまう。従って、２つのレーザビームの各波長に同調されたダイクロイックミラーを用いると、損失出力の低減に基づいて、レーザ加工機械装置を容易に熱安定化することができ、そうすることによって、高い加工精度を、時間が経つに連れて変わらないようにするのに役立つ。
【００１７】
請求項４によると、第１のレーザビームを形成するために、第１のレーザが使われ、第２のレーザビームを形成するために、第２のレーザが使われる。
【００１８】
２つのレーザ光源の使用に対して択一的に、請求項５によると、２つのレーザビームが１つのレーザによって形成され、その際、両レーザビームの少なくとも一方のスペクトル分布が所謂周波数変換によって変えられる。１次レーザビームの周波数を高める周波数変換は、例えば、非直線の光学結晶内での周波数逓倍を示す。同様に、周波数変換を用いて、１次レーザ光の周波数を低減することもできる。これは、例えば、種々異なる２つの光ビームを、相互に異なる非直線光学結晶でのスペクトル分布と空間的に重畳する周波数混合によって行うことができ、その結果、加算周波数も、殊に、両混合光ビームの各周波数間の差周波数も形成される。
【００１９】
同じ波長の２つのレーザビームの場合でも、不所望な反射レーザビーム、乃至、不所望な透過レーザビームの損失出力なしにビームを効率的に案内することができる。そのために、請求項６によると、偏向依存の鏡を部分的に反射する光学要素として使用することができる。偏向依存のレフレクタを効率的に用いるには、両レーザビームの偏向方向が相互に異なる、最もよいのは相互に垂直方向であることが前提である。偏向依存鏡として、例えば、所謂ニコルプリズム、又は、原理的に各光学的に能動的な他の材料を用いることができる。
【００２０】
偏向依存の鏡から放射された光ビームの偏向方向は、光学的に能動的な結晶によって制御することができる。例えば、先ず所定方向にリニアに偏向された光ビームを、所謂λ／４板によって９０°だけ回転することができる。しかし、偏向回転要素として、その光学的能動性が、磁気光学的効果（ファラディー効果）又は電気光学的カー又はポッケルス効果に基づく他の材料を用いてもよい。更に、偏向光学要素、例えば、偏向薄膜、又は、ニコルプリズムを、先ず非偏向光ビームから、偏向光ビームを形成するのに使うことができる。
【００２１】
本発明の別の利点及び特徴について、以下、図示の有利な実施例を用いて説明する。
【００２２】
その際、
図１は、本発明の第１の実施例のレーザ加工装置１００の略図を示す。レーザ加工装置１００は、相互に異なったスペクトル分布の２つのレーザビームにより、対象（図示していない）を加工することができる。図１から分かるように、第１のレーザビーム１１０のビーム路は、偏向ユニット１１１を用いて変えることができる。偏向ユニット１１１は、先ず相互に傾斜した２つの鏡を有しており、この鏡は、制御ユニット（図示していない）を用いて、第１のレーザビーム１１０が、第１のレーザビーム１１０の伝搬路に対して垂直方向面に偏向されるように可動である。相応に、第２のレーザビーム１２０のビーム路は、第２の偏向ユニット１２１を用いて変えられ、この第２の偏向ユニット１２１は、ここに説明している本発明の実施例によると、第１の偏向ユニット１１１に対して垂直方向に設けられている。第１の偏向ユニット１１１と同様に、第２の偏向ユニット１２１は、相互に傾斜した２つの鏡を有しており、この鏡は、第２のビーム路１２０のビーム路を偏向ユニット１２１の制御に相応して、図示していない制御ユニットによって操作される。
【００２３】
第２の偏向ユニット１２１は、第１の偏向ユニット１１１に対して付加的に別のレフレクタを有しており、その結果、両偏向ユニットに１次入射するレーザビーム１１０及び１２０が平行に配向されている場合、両偏向ユニットから放射されたレーザビームの各ビーム路は、有利には、相互に９０°の角度である。別のレフレクタに対して択一的に、第２の偏向ユニット１２１の両鏡の少なくとも一方のゼロ位置を、第１の偏向ユニット１１１の各鏡に対して相応にずらしてもよい。構成が同じ各コンポーネントを用いるので特に有利な別の択一的な実施例として、第２の偏向ユニット１２１として第１の偏向ユニット１１１と同一の偏向ユニットを、付加的なリフレクタなしで使用することができる。この場合、偏向ユニット１２１に入射するレーザビーム１２０は、第１のレーザビーム１１０に対して垂直方向に配向する必要がある。これは、簡単に、偏向ユニット１２１に入射するレーザビーム１２０を有利には９０°だけ偏向する、付加的なリフレクタを用いて実施することができる。
【００２４】
ビーム路１１０乃至１２０には、更にプレーンフィールド光学系１１２乃至１２２が設けられており、プレーンフィールド光学系１１２乃至１２２は、偏向ユニット１１１乃至１２１の直ぐ近くに設けられている。両レーザビーム１１０及び１２０は、ダイクロイックミラー１３０を用いて一緒に案内される。ダイクロイックミラー１３０は、第１のレーザビーム１１０の光の高い透過係数と、第２のレーザビーム１２０の光の高い反射係数とによって特徴付けられる。ダイクロイックミラー１３０を透過した第１のレーザビーム１１０、及び、ダイクロイックミラー１３０によって反射された第２のレーザビーム１２０は、両プレーンフィールド光学系１１２乃至１２２の焦点距離を適切に選択して、加工面１４０上にフォーカシングされる。
【００２５】
ダイクロイックミラー１３０のスペクトル反射乃至透過特性は、両レーザビーム１１０及び１２０の各波長に綿密に同調される必要がある。第２のレーザビーム１２０の不所望な透過光、及び、第１のレーザビーム１１０の不所望な反射光による大きな損失なしに、効率的にビームを一緒に案内することができるのは、殊に、両レーザビーム１１０及び１２０の各波長の差が非常に大きくて、ダイクロイックミラー１３０が、レーザビーム１１０に対しては出来る限り１００％近くの透過係数を有し、且つ、レーザビーム１２０に対しては出来る限り１００％近くの反射係数を有している程である。Ｎｄ：ＹＡＧ−，Ｎｄ：ＹＶＯ４−，Ｎｄ：ＹＬＦ−，エキシマレーザと、Ｃｏ２レーザとを用いる際、殊に、波長の組み合わせは、３５５ｎｍと５３２ｎｍ、３５５ｎｍと１０６４ｎｍ、５３２ｎｍと１０６４ｎｍ、３５５ｎｍと９．２μｍ〜１０．６μｍ並びに５３２ｎｍ、及び、９．２μｍ〜１０．６μｍが適している。
【００２６】
両レーザビーム１１０及び１２０の各ビーム路には、更に図１に図示していない従来技術の所謂ビームスプリッタを挿入することができ、その結果、両レーザビーム１１０と１２０とを、異なったフォーカス幅で加工面１４０上に結像することができる。このビームスプリッタは、更に、両レーザビーム１１０と１２０の微調整用に使用することができる。ビームスプリッタの調整によって、更に、相応のレーザビームのフォーカス面を調整することができ、その結果、種々の面でレーザ加工することができる。
【００２７】
予め穿孔されたホールから、障害となる材料痕跡を取り除くために、フォーカス面を更に変更することができる。そのような材料は、穿孔によって生じたばり、又は、穿孔されたホール内の切り屑である。そのようなクリーニングプロセスでは、フォーカスのシフトは、選択の結果得られるビーム強度が、穿孔されたホール内で、次のような強さであるような大きさに選定される。つまり、その強さが、一方では、障害となる材料痕跡が出来る限り完全に取り除かれ、且つ、他方では、プリント配線板での材料飛散が、予め穿孔されたホールの幾何形状が変わらない程度に小さいようにされる。
【００２８】
更に、第１のレーザビーム１１０の透過の際、ダイクロイックミラー１３０によってビームがシフトされ、このシフトの大きさは、鏡基板の屈折率、鏡基板の厚み、殊に、第１のレーザビーム１１０がダイクロイックミラー１３０に入射する角度に依存している。テレセントリックプレーンフィールド１１２を用いることによって、ビームシフトの角度依存性を著しく小さくすることができる。
【００２９】
レーザ加工装置１００の高い精度は、両レーザビーム１１０と１２０とを相互に独立して行われる規則的な較正によって達成することができる。その際、各々レーザビームが対象に照射されるべき目標位置も、各々レーザビームが対象に照射される実際位置も画像検出装置によって検出される。目標位置と実際位置との偏差は、所謂歪テーブル（Ｖｅｒｚｅｒｒｕｎｇｓｔａｂｅｌｌｅ）内に記憶される。これは、各々の偏向ユニットの後続の制御で考慮されて、作動領域全体内で、目標位置と実際位置との予め求められた偏差が出来る限り補償される。
【００３０】
図２には、本発明の第２の実施例のレーザ加工装置１００ａが示されている。レーザ加工装置１００ａによって、第１のレーザビーム１１０を第２のレーザビーム１２０と一緒に案内することができる。その際、両レーザビーム１１０及び１２０のスペクトル分布は、異なっていても同じであってもよい。レーザ加工装置１００ａは、部分的に反射する光学要素（レーザ加工装置１００ａでは偏向依存の鏡１３０ａである）の点で、レーザ加工装置１００から区別される。第２のレーザビーム１２０の不所望な、高い透過光強度なしに効率的にビームを案内することが、偏向依存鏡１３０ａに照射するレーザビーム１１０及び１２０の各偏向方向が出来る限り異なるようにして達成される。
【００３１】
これは、図２に示された本発明の実施例によると、所謂偏向回転子１５０によって、第２のレーザビーム１２０の偏向方向乃至偏向の形式が変えられるようになる。偏向回転子１５０の使用は、殊に、両レーザビーム１１０及び１２０を、同一レーザによって従来技術のビーム分割を介して発生するか、又は、両レーザ光源を、放射された両レーザビーム１１０及び１２０の各々の偏向方向が同じである場合に適している。
【００３２】
両レーザビーム１１０及び１２０の異なった偏向を、偏向回転子１５０を用いずに達成することができ、その際、両レーザビーム１１０及び１２０を形成する両レーザ光源は、異なった空間配向で設けられている。
【００３３】
レーザ加工装置１００は、図１を用いて上述したレーザ加工装置１００と同様の形式で較正される。
【００３４】
要するに、本発明によると、唯一の加工プロセスで、相互に独立の２つのレーザビーム１１０，１２０を、同じ加工領域に偏向することができる。これは、第１のレーザビーム１１０をほぼ透過し、第２のレーザビーム１２０をほぼ反射する、少なくとも部分的に反射する光学要素１３０を用いることによって可能となる。両レーザビーム１１０及び１２０の各ビーム路は、少なくとも部分的に反射する光学要素１３０に入射する前に相互に独立して２つの偏向ユニット１１１及び１２１によって変えられる。従って、殊に、材料加工用の以下の有利な手段が得られる：
・同一加工領域を、個別に偏向可能な２つのレーザビームで加工することができる。
・同じ波長の各レーザビームを用いる際、相互に並列して設けられた２つの異なる構造を同時に加工することによって、倍の加工速度を達成することができる。
・パルス状のレーザビームを使用する際、両レーザビームのパルスシーケンスを時間的にシフトすることによって、両レーザビームを同軸的に重畳して、倍のパルスシーケンスで材料加工を実行することができる。これは、殊に、ホールの穿孔時に有利である。
・相互に異なった波長の各レーザビームを重畳し、従って、１つのステップでほぼ同時に同じ個所で、２つの加工ステップを実行することができる。これは、殊に、両加工ステップで、加工すべき対象が相互に重ねて設けられている各々異なった材料を切除する場合に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施例のレーザ加工装置１００の略図。
【００３６】
【図２】本発明の第２の実施例のレーザ加工装置１００ａの略図。
【図１】
2005514212.tif 000003
【図２】
2005514212.tif 000004
【国際調査報告】
2005514212.tif 000005
2005514212.tif 000006
2005514212.tif 000007
2005514212.tif 000008