(57)【要約】      （修正有）【課題】本来加工すべきで無い部分に対して少なからず加工の影響を及ぼす要因となるサテライトの照射を防止するレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】レーザビームを加工対象となるワークに向けて照射し、当該レーザビームのエネルギー吸収によって当該ワークに加工をおこなうレーザ加工装置１において、エネルギー分布がガウシアン分布のレーザビームを照射するレーザ照射部２と、レーザビームのエネルギー分布をガウシアン分布からトップハット分布に変更するホモジナイザー３とを備え、ホモジナイザーを通過または反射したレーザビームを集光させる集光レンズ部４と、集光レンズにより集光されたレーザビームのビームウエスト位置の近傍に配置され、当該集光されたレーザビームを通過させつつサテライト成分を遮光するマスク部５とを備える。【選択図】図１
2018118293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを加工対象となるワークに向けて照射し、当該レーザビームのエネルギー吸収によって当該ワークに加工をおこなうレーザ加工装置において、
エネルギー分布がガウシアン分布のレーザビームを照射するレーザ照射部と、
前記レーザビームのエネルギー分布をガウシアン分布からトップハット分布に変更するホモジナイザーとを備え、
前記ホモジナイザーを通過または反射したレーザビームを集光させる集光レンズ部と、
前記集光レンズにより集光されたレーザビームのビームウエスト位置に配置され、当該集光されたレーザビームを通過させつつサテライト成分を遮光するマスク部とを備えたことを特徴とする、レーザ加工装置。
【請求項２】
前記マスク部は、前記集光されたレーザビームのビームウエスト径よりも小さい開口部を有することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記ホモジナイザーが、円形状ないし楕円形状ガウシアン分布のエネルギー分布で照射されたレーザビームを、矩形状トップハット分布のエネルギー分布に変更するものであり、
前記マスク部は、矩形の開口部を備えた
ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記集光されたレーザビームのビームウエストよりも前記ワーク側に配置されて所定の拡がり角で拡がるレーザビームを平行光にするコリメートレンズ部と、
平行光にされたレーザビームを所定の範囲内でスキャニングさせるガルバノスキャナ部とを備えた
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを加工対象となるワークに向けて照射し、当該レーザビームのエネルギー吸収によって当該ワークに加工をおこなうレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属、樹脂、ガラス、セラミックないしこれらの積層体など（つまり、ワーク）に、孔あけ、蒸散、溶接、熱処理、改質などの加工行うために、赤外光、可視光ないし紫外光のレ−ザビームを照射して加工する技術が知られている。
【０００３】
そして、多層プリント基板の配線層間を接続するためのビアホールの形成に、機械式ドリルに代えて、レーザ穴開け加工機（レーザドリル）が提案されている。
【０００４】
なお、複数の薄膜を積層して形成された成膜のうち上層の薄膜のみを蒸散等させ、下層の薄膜に与えるダメージや影響を防止ないし軽減させるために、非球面レンズやホモジナイザーと呼ばれる光学機器を用いてレーザビームのエネルギー分布を均一にする技術が提案されている（例えば、特許文献１，２など）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１８３１５２号公報
【特許文献２】特開２００７−３１０３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている様な非球面レンズを用いると、ある程度のビームプロファイルの均一化は可能であるが、いわゆるトップハットと呼ばれるフラットな状態にすることは難しい。
一方、特許文献２に開示されている様なホモジナイザーを用いると、レーザビームのエネルギー分布が均一化（つまり、トップハットと呼ばれるフラットな状態に）される一方で、ビームスポット外にサテライトと呼ばれる副次的なエネルギーが点状、放射状またはリング状に発生し、本来加工すべきで無い部分に対して少なからず加工の影響が及んでしまうことがある。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本来加工すべきで無い部分に対して少なからず加工の影響を及ぼす要因となるサテライトの照射を防止するレーザ加工装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
レーザビームを加工対象となるワークに向けて照射し、当該レーザビームのエネルギー吸収によって当該ワークに加工をおこなうレーザ加工装置において、
エネルギー分布がガウシアン分布のレーザビームを照射するレーザ照射部と、
レーザビームのエネルギー分布をガウシアン分布からトップハット分布に変更するホモジナイザーとを備え、
ホモジナイザーを通過または反射したレーザビームを集光させる集光レンズ部と、
集光レンズにより集光されたレーザビームのビームウエスト位置の近傍に配置され、当該集光されたレーザビームを通過させつつサテライト成分を遮光するマスク部とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
上記のレーザ加工装置によれば、マスク部により集光されたレーザビームを通過させつつサテライト成分を遮光されるため、本来加工すべきで無い部分に対して少なからず加工の影響を及ぼす要因となるサテライトの照射を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明を具現化する形態の一例および変形例の要部を示す斜視図である。
【図３】本発明を具現化する別の形態の一例の全体構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。
なお、以下の説明では、レーザビームの進む側（つまり、ワーク側）を「後方」、その反対側を「前方」と呼ぶことがある。
【００１２】
図１は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。図１には、本発明に係る本発明に係るレーザ加工装置１の概略図が示されている。
【００１３】
レーザ加工装置１は、レーザ照射部２と、ホモジナイザー３と、集光レンズ部４と、マスク部５、対物レンズ６等を備えており、対物レンズ６を通過したレーザビームＬｅを加工対象となるワークＷに向けて照射し、レーザビームＬｅのエネルギー吸収によってワークＷに加工をおこなうものである。
【００１４】
レーザ照射部２は、エネルギー分布がガウシアン分布のレーザビームＬａを照射するものである。
【００１５】
具体的には、レーザ照射部２は、加工対象となるワークＷの材質や表面加工状態に応じて、レーザパワーや波長、発振周波数などが設定され、外部からの制御信号等に基づいて所定時間ないし所定回数レーザビームＬａを照射するよう構成されている。
【００１６】
より具体的には、レーザ照射部２から照射されるレーザビームＬａは、円形状ないし楕円形状をしている。
【００１７】
ホモジナイザー３は、レーザビームＬａのエネルギー分布をガウシアン分布からトップハット分布に変更するものである。
【００１８】
具体的には、ホモジナイザー３は、回折格子素子（ＤＯＥ）で構成されており、レーザビームの入射側の面またはその反対側（つまり、出射側の面）には微細な凹凸加工が施されている。そして、ホモジナイザー３は、エネルギー分布がガウシアン分布のレーザビームＬａを入射させると、ワークＷの加工面ではトップハット分布となるように、微細な凹凸の大きさや位置、形状など（いわゆるパターン）が設計されている。
【００１９】
より具体的には、ホモジナイザー３として、円形状ガウシアン分布のエネルギー分布で照射されたレーザビームＬａを、矩形状トップハット分布のエネルギー分布のレーザビームＬｂに変更する構成のものを例示する。
【００２０】
なお、ここではホモジナイザー３として、レンズタイプ（つまり、レーザビームを通過させる素子の表面に微細な凹凸加工が施されているもの）を例示するが、ミラータイプ（つまり、レーザビームを反射させる素子の表面に凹凸加工が施されているもの）であっても良い。
【００２１】
集光レンズ部４は、ホモジナイザー３を通過または反射したレーザビームＬｂを集光させるものである。
【００２２】
具体的には、集光レンズ部４は、平行光で入射したレーザビームＬｂを所定の焦点距離ｄｃで集光させるものである。なお、集光されたレーザビームＬｃの焦点位置付近はビームウエストＬｗと呼ばれ、集光されたレーザビームＬｃのビーム径が最も小さい部分である。そして、ビームウエストＬｗより後ろのレーザビームＬｄは、所定の拡がり角で拡がっていく。
【００２３】
より具体的には、対物レンズ６は、レーザビームＬｂを透過させる１枚の凸レンズや複数の組合せレンズで構成されている。
【００２４】
マスク部５は、集光レンズ４により集光されたレーザビームＬｃのビームウエスト位置Ｌｗに配置され、集光されたレーザビームＬｃを通過させつつサテライト成分Ｌｓを遮光するものである。
【００２５】
具体的には、マスク部５は、開口部Ｈが設けられた金属などの板材で構成されている。なお、マスク部５の表面（特に、集光レンズ４側）には、微小な凹凸加工や反射防止コーティングなどのレーザビームのサテライト成分Ｌｓを効率よく吸収させる処理が施されている。
【００２６】
より具体的には、マスク部５の開口部Ｈは、レーザビームＬｃのビームウエスト径よりも小さい、矩形の開口が設けられている。
【００２７】
対物レンズ６は、所定の拡がり角で拡がるレーザビームＬｄを、所定の作動距離ｄｗでワークＷに集光させるものである。
【００２８】
具体的には、対物レンズ６は、レーザビームＬｄを透過させる１枚の凸レンズや複数の組合せレンズで構成されている。
【００２９】
本発明に係るレーザ加工装置１は、この様な構成をしているため、エネルギー分布がトップハット分布かつサテライト成分が除去されたレーザビームＬｅをワークＷに照射して加工することができる。
【００３０】
さらに、この様な構成のレーザ加工装置１であれば、ホモジナイザー３でレーザビームを矩形に整形しつつ、エネルギー分布をトップハット分布に変換するため、トップハット分布に変換した円形ビームの周囲を遮光マスクなどによりカットする構成と比較して、エネルギーロスが削減できるので、好ましい。
【００３１】
また、集光されたレーザビームＬｃのビームウエスト位置に配置されたマスク部５の開口部Ｈが、レーザビームＬｃのビームウエスト径よりも小さな矩形の開口であるため、ワークＷに照射されるレーザビームＬｅのビームスポットをクッキリした矩形として整形することができるので、好ましい。
【００３２】
なお、レーザ加工装置１は、ワークＷを保持しつつ、対物レンズ６との作動距離ｄｗを一定に保ちながらワークＷを平行移動させる移動機構を備えた構成としても良い。
【００３３】
［変形例］
なお上述では、本発明を具現化するレーザ加工装置１として、ホモジナイザー３として、円形状ガウシアン分布のエネルギー分布で照射されたレーザビームＬａを、矩形状トップハット分布のエネルギー分布のレーザビームＬｂに変更する構成を例示し、マスク部５が矩形の開口部Ｈは、レーザビームＬｃのビームウエスト径よりも小さい、矩形の開口が設けられている構成を例示した。
【００３４】
しかし、本発明を具現化する上で、矩形のビームスポットに整形することは必須ではなく、円形や楕円形のビームスポットで加工する場合にも適用することができる。その場合、円形状ないし楕円形状ガウシアン分布のエネルギー分布で照射されたレーザビームＬａ’を、楕円形状ないし円形状トップハット分布のエネルギー分布のレーザビームＬｂ’に変更するホモジナイザー３’を備えた構成としても良い。またこの場合、マスク部５’の開口部Ｈ’の形状は、集光レンズで集光させるレーザビームＬｃ’の形状に対応させて、レーザビームＬｃ’のビームウエスト形よりも小さな円形状ないし円形状の開口形状とする。そうすることで、マスク部５’でサテライト成分が遮光され、ワークＷに対するサテライトの照射を防止することができる。
【００３５】
また上述では、マスク部５，５’の開口部Ｈ，Ｈ’が、集光レンズ４で集光されたレーザビームＬｃのビームウエスト径よりも小さい開口が設けられている構成を示した。この様な構成であれば、サテライト成分が完全に除去でき、さらにレーザビームのパワーが低下し始める肩部やレーザパワーが半減する裾野領域の光を遮光できる。そのため、ワークＷの加工面でのビーム均一性を著しく向上させることができ、良好な（シャープエッジとも言う）加工スポットを実現することができ、好ましい。さらに、複数のレーザスポットを隣接状態で照射させる場合であれば、照射されるエネルギー過多となることを防ぐことができ、複数のレーザスポット（複数ドットとも言う）による広範囲な加工を良好に行うことができ、好ましい。
【００３６】
しかし、ワークＷの加工面でのビーム均一性に対する要求がさほどシビアでなければ、マスク部５，５’の開口部Ｈ，Ｈ’は上述の様な構成に限らず、以下の様にしても良い。
【００３７】
図２は、本発明を具現化する形態の一例および変形例の要部を示す概略図である。図２（ａ）〜（ｃ）には、本発明に係る本発明に係るマスク部の開口サイズの違いによる、マスク部通過後の各レーザビームＬｄ，Ｌｄ２，Ｌｄ３と、それらのビームプロファイルのイメージが示されている。
【００３８】
図２（ａ）には、レーザビームＬｃのビームウエスト径より小さい開口部Ｈ，Ｈ’が設けられたマスク部５，５’が配置された構成が例示されている。開口部Ｈ，Ｈ’を通過したレーザビームＬｄのビームプロファイルＢＰは、マスク部５，５’が無い場合のビームプロファイルＢＰ０と比較すると、肩部、裾野部分のエネルギーとサテライト成分が除去された状態となる。
【００３９】
図２（ｂ）には、レーザビームＬｃのビームウエスト径と同じ開口部Ｈ２，Ｈ２’が設けられたマスク部５，５’が配置された構成が例示されている。開口部Ｈ２，Ｈ２’を通過したレーザビームＬｄ２のビームプロファイルＢＰ２は、マスク部５，５’が無い場合のビームプロファイルＢＰ０と比較すると、肩部は残りつつ、裾野部分のエネルギーとサテライト成分は除去された状態となる。
【００４０】
図２（ｃ）には、レーザビームＬｃのビームウエスト径より大きい開口部Ｈ３，Ｈ３’が設けられたマスク部５，５’が配置された構成が例示されている。開口部Ｈ３，Ｈ３’を通過したレーザビームＬｄ３のビームプロファイルＢＰ３は、マスク部５，５’が無い場合のビームプロファイルＢＰ０と比較すると、肩部および裾野部分のエネルギーは残りつつ、サテライト成分が除去された状態となる。
【００４１】
なお上述では、マスク部５，５’が、集光されたレーザビームＬｃの焦点位置付近のビームウエストＬｗと呼ばれる位置に配置されている構成を示した。なお、本発明を適用する上で、マスク部５，５’が配置されるビームウエスト位置は、厳格なビームウエスト位置（最もビーム径が小さくなる部分）のみならず、その近傍の前方ないし後方（いわゆるレイリーの範囲と呼ばれる、焦点深度内）も含まれるものとする。
【００４２】
［別の形態］
なお上述では、対物レンズ６で集光したレーザビームＬｅをワークＷに照射する形態のレーザ加工装置１や変形例を例示した。しかし、この様な形態に限らず、以下に例示するようなレーザ加工装置１Ｂでも本発明を具現化することができる。
【００４３】
図３は、本発明を具現化する別の形態の一例の全体構成を示す概略図である。図３には、本発明に係る本発明に係るレーザ加工装置１Ｂの概略図が示されている。
【００４４】
レーザ加工装置１Ｂは、レーザ照射部２と、ホモジナイザー３と、集光レンズ部４と、マスク部５、コリメートレンズ部７、ガルバノスキャナ部８等を備えており、ガルバノスキャナ部８から照射されたレーザビームＬｆを加工対象となるワークＷに向けて照射し、レーザビームＬｆのエネルギー吸収によってワークＷに加工をおこなうものである。
【００４５】
なお、レーザ加工装置１Ｂに備えられたレーザ照射部２と、ホモジナイザー３と、集光レンズ部４と、マスク部５は、レーザ加工装置１に備えられたものと同様の構成のため、詳細な説明は省略する。
【００４６】
コリメートレンズ部７は、集光されたレーザビームＬｃのビームウエストＬｗよりもワークＷ側に配置されて、所定の拡がり角で拡がるレーザビームｄを平行光にするものである。具体的には、コリメートレンズ部７は、レーザビームＬｄを透過させる１枚の凸レンズや複数の組合せレンズで構成されている。
【００４７】
ガルバノスキャナ部８は、コリメートレンズ部７で平行光にされたレーザビームＬｆを所定の範囲内でスキャニングさせるものである。
【００４８】
具体的には、ガルバノスキャナ部８は、外部からの制御信号に基づいて、レーザビームＬｆをライン状ないし面状にスキャン（つまり、スキャニング）させるものであり、レーザ照射部２から照射するレーザビームＬａのＯＮ／ＯＦＦタイミングと同期させて、スキャン制御が行われる。
【００４９】
より具体的には、ガルバノスキャナ部８は、１組または複数組のミラー及びスキャナと、Ｆθレンズを備えている。
【００５０】
ミラー及びスキャナは、レーザビームＬｆの方向を変更するものであり、外部からの制御信号に基づいてスキャナの角度が制御され、スキャナに取り付けられたミラーの角度が制御される。
【００５１】
Ｆθレンズは、レーザビームＬｆの照射位置が変化して、レーザビームの光路長が変化しても、作動距離ｄｗ２が同じになる様に補正するためのものである。なおガルバノスキャナ部８は、Ｆθレンズに代えて、Ｚスキャナと呼ばれる機器を備え、作動距離ｄｗ２を同じにするような構成であっても良い。なお、ここで言う作動距離ｄｗ２とは、ガルバノスキャナ部８の出射口８１からワークＷまでの距離を言う。
【００５２】
本発明に係るレーザ加工装置１Ｂは、この様な構成をしているため、エネルギー分布がトップハット分布かつサテライト成分が除去されたレーザビームＬｆをワークＷに照射して加工することができる。さらにレーザビームをスキャンさせて照射することができるため、ライン状ないし面状の加工も容易に行うことができる。
【００５３】
［変形例］
なお上述のレーザ加工装置１Ｂにおいても、上述でレーザ加工装置１を例示して説明した変形例の様に、矩形の開口部Ｈが設けられたやマスク部５のみならず、円形ないし楕円形の開口部Ｈ’が設けられたマスク部５’を備えた構成でも良い。また、ビームウエスト径に対するマスク部５，５’の開口部の大きさも、加工対象や要求されるビームプロファイル等に応じて適宜設定することができ、いずれの場合でも本発明を適用することができる。
【００５４】
なお上述では、本発明を具現化するレーザ加工装置１，１Ｂとして、本発明を構成する必須の構成要素（つまり、光学部品等）のみがレーザビームの光路中に配置されている形態を例示した。しかし、本発明を適用したレーザ加工装置を具現化する上で、光路中の図１，３に破線で示す位置等にビームエキスパンダーＥを配置したり、他の光路中に折返しミラーなどを配置したりしても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１    レーザ加工装置
１Ｂ  レーザ加工装置
２    レーザ照射部
３    ホモジナイザー
４    集光レンズ部
５    マスク部（矩形開口部）
５’  マスク部（円形・楕円形の開口部）
６    対物レンズ
７    コリメートレンズ部
８    ガルバノスキャナ部
８１  出射口
Ｗ    基板
Ｌａ    レーザビーム（レーザ照射部から照射されたガウシアン分布のもの）
Ｌｂ    レーザビーム（ホモジナイザを通過/反射したもの）
Ｌｃ    レーザビーム（集光レンズを通過したもの）
Ｌｄ    レーザビーム（集光後、所定の拡がり角で拡がるもの）
Ｌｅ    レーザビーム（対物レンズを通過したもの）
Ｌｆ    レーザビーム（コリメートレンズを通過したもの）
Ｌｇ    レーザビーム（ガルバノスキャナ部から照射されたもの）
Ｌｓ    サテライト成分
ｄｃ    焦点距離
ｄｗ    作動距離
ｄｗ２  作動距離
Ｅ    破線（ビームエキスパンダ）
【図１】
2018118293.tif 000003
【図２】
2018118293.tif 000004
【図３】
2018118293.tif 000005