(57)【要約】【課題】レーザマーキング以外の比較的高いエネルギ密度を要する穴あけなどの形状加工を高精度に実施するためのマスク転写式レーザ形状加工方法を提供する。【解決手段】レーザ発振器から出射されたパルス状のレーザ光を、任意形状の開口部を有したマスクに照射し、マスクの開口部を通過したレーザ光を被加工物上に集光することで、マスクの開口部の形状を被加工物に転写し加工を行うマスク転写式レーザ形状加工方法において、レーザ発振器とマスクとの間の光軸上に備えられたスキャナーによりパルス状のレーザ光を１パルス毎にレーザ光の断面の一部が重なり合うようにマスク上を走査すると共に、該走査位置を１パルス毎に移動させる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から出射されたパルス状のレーザ光を、任意形状の開口部を有したマスクに照射し、前記マスクの開口部を通過したレーザ光を被加工物上に集光することで、前記マスクの開口部の形状を被加工物に転写し加工を行うマスク転写式レーザ形状加工方法において、
前記レーザ発振器と前記マスクとの間の光軸上に備えられたスキャナーにより前記パルス状のレーザ光を１パルス毎にレーザ光の断面の一部が重なり合うように前記マスク上を走査すると共に、該走査位置を１パルス毎に移動させることを特徴とするマスク転写式レーザ加工方法。
【請求項２】
レーザ発振器から出射されたレーザ光のエネルギ密度を前記レーザ発振器と前記スキャナーとの間の光軸上に備えられた光学機構により調整するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のマスク転写式レーザ形状加工方法。
【請求項３】
レーザ発振器から出射されたレーザ光の１パルス毎の断面の重なりを３から３０％の範囲として走査することを特徴とする請求項２に記載のマスク転写式レーザ形状加工方法。
【請求項４】
レーザ発振器から出射されたレーザ光をアパーチャにより概略矩形の断面形状にすることを特徴とする請求項３に記載のマスク転写式レーザ形状加工方法。
【請求項５】
形状加工すべきマスク部分をレーザ光が走査する際に、前記マスクの開口部を複数回にわたり巡回して走査することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のマスク転写式レーザ形状加工方法。
【請求項６】
スキャナーによるマスクの走査時に、該スキャナーの偏向角を３０ｍｒａｄ以下とすることを特徴とする請求項１乃至５何れかに記載のマスク転写式レーザ形状加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマスクの形状を加工物に転写することにより加工を行うマスク転写式レーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光による加工方法としてレーザ光の光軸上に任意形状の開口部を有したマスクを配置し、このマスクにレーザ光を照射することで前記マスクの開口部形状を加工物上に転写することで加工を行うマスク転写式レーザ加工方法がある。
【０００３】
図５は、例えば特開平５−２３７６７３号公報に示される従来のレーザマーキング装置を示した図ブロック図である。
図において、パルスレーザ発振器２１から発振されたレーザ光はビーム整形光学系２２で整形された後、マスク２５上の任意のポジションに位置決めされるためガルバノメータ２３によってＸ軸方向及びＹ軸方向に走査されてコリメータレンズ２４を介して平行光となりマスク２５に出射される。
マスク２５でマスクされたレーザ光は、加工面２９上の加工位置に位置決めするために、位置決め用ガルバノメータ２６によってＸ軸方向及びＹ軸方向に走査され、対物レンズ７を介して加工面２９の加工位置に照射される。
コンピュータ制御部２８はパルスレーザ発振器２１、ガルバノメータ２３、２６とを夫々制御し、図６で示されるように数十ショットのレーザビームａでレーザ光透過部２５ｂを塗りつぶし、マーキング加工を行う。
【０００４】
その他、従来のレーザマーキング装置に関するものとしては、特開平２−２５１３８７号公報、特開平２−１５８８７号公報等があり、同様にセラミック板に歪みを与える加工方法として特開２００１−１５０１５８号公報がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５及び従来技術で説明した従来のレーザ加工においては、文字の刻印など短時間に多くの形状を転写する必要があるいわゆるレーザマーキング装置に関するものであり、レーザマーキング装置による加工では表層のインクを除去したり変質させたりするだけなので比較的低いエネルギ密度しか必要としないため、特にエネルギ密度を高めるような調整は行わず、図６に示すように単純にマスクを塗りつぶすように走査することによりマスクの転写を行っている。
マーキング加工に関しては上述した加工装置／加工方法を用いることで構わないが、単なるレーザマーキングではなく、より高いエネルギ密度を必要とする穴あけなどの形状加工においては、まず加工に必要とされるエネルギ密度が得られるようにレーザ光の大きさを調整し、次に加工物に対してできるだけ均一に、かつ熱影響を考慮してレーザ光を照射しなければならない。
従来のレーザマーキング装置で行っていたようにエネルギ密度を高めるためにレーザ光の大きさを調整することなく、単純にガルバノで走査し、塗りつぶすだけでは加工物に照射されるレーザ光の強さに不均一が生じてしまい加工内容によっては問題となる。
【０００６】
具体的には、本願発明が対象とする高いエネルギ密度を必要とする難加工材の形状加工に仮に上述したレーザマーキング装置の加工方法を適用したとすると、加工に不十分なエネルギ密度の状態で従来技術に示される単純な塗りつぶしの考え方より、所定マスクを塗りつぶし、該位置の加工終了後にガルバノを制御し、所定マスクの別のエリアに移動し、同様に全てのエリアを塗りつぶすが如く加工するものとなる。
このような方法で加工を行うと、不十分なエネルギ密度であるため効率的に加工が進展せず熱影響のみが加工物に蓄積され、しかも単純に塗りつぶしているだけなのでレーザ光の強さの不均一は免れず、これらの影響で形状精度不良の生じてしまう。
【０００７】
本発明は上記のような従来のマスク転写式レーザ加工方法の問題に鑑みてなされたものであり、レーザマーキング以外の比較的高いエネルギ密度を要する穴あけなどの形状加工を高精度に実施するためのマスク転写式レーザ形状加工方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために本発明の第１の発明に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器から出射されたパルス状のレーザ光を、任意形状の開口部を有したマスクに照射し、前記マスクの開口部を通過したレーザ光を被加工物上に集光することで、前記マスクの開口部の形状を被加工物に転写し加工を行うマスク転写式レーザ形状加工方法において、前記レーザ発振器と前記マスクとの間の光軸上に備えられたスキャナーにより前記パルス状のレーザ光を１パルス毎にレーザ光の断面の一部が重なり合うように前記マスク上を走査すると共に、該走査位置を１パルス毎に移動させるものである。
【０００９】
また、レーザ発振器から出射されたレーザ光のエネルギ密度を前記レーザ発振器と前記スキャナーとの間の光軸上に備えられた光学機構により調整するものである。
【００１０】
また、レーザ発振器から出射されたレーザ光の１パルス毎の断面の重なりを３から３０％の範囲として走査するものである。
【００１１】
また、レーザ発振器から出射されたレーザ光をアパーチャにより概略矩形の断面形状にするものである。
【００１２】
また、形状加工すべきマスク部分をレーザ光が走査する際に、前記マスクの開口部を複数回にわたり巡回して走査するものである。
【００１３】
また、スキャナーによるマスクの走査時に、該スキャナーの偏向角を３０ｍｒａｄ以下とするものである。
【００１４】
【発明の実施形態】
本発明のマスク転写式レーザ形状加工方法の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る一実施例のマスク転写式レーザ形状加工方法を適用した装置の構成図である。
図において、１はパルス状のレーザ光を発生するレーザ発振器、２はレーザ光、３は焦点距離ｆの結像レンズ、４は加工物、５は任意のマスク形状を有したマスクで本図においては文字「Ｅ」型のマスク形状とし、その大きさは照射されるレーザ光２のビーム断面よりも大きいものとする。
６は反射ミラー、７はレーザ発振器１とマスク５との間の光軸上に配置されたガルバノスキャナー、８は加工物４を移動するためのＸＹテーブル、９はレーザ発振器１、ガルバノスキャナー７、ＸＹテーブル８を制御するための制御装置、１０はレーザ光２の大きさを調整することでエネルギ密度を調整するための光学機構である。
【００１５】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１から出射されたレーザ光２は、レーザ発振器１とマスク５との間の光軸上に配置されたガルバノスキャナー７によりマスク５に向けて反射される。
このときレーザ光２は、図２に示すようにレーザ発振器１内の共振器ミラー１７との間に備えられた矩形アパーチャ１８により概略矩形の断面形状とされたレーザ光２として出射され、光学機構１０により加工に必要なエネルギ密度が得られる大きさに調整されている。
ガルバノスキャナー７は、マスク５に対して前記概略矩形断面のレーザ光２を２次元状に走査できるように例えば２個のガルバノメータ式スキャナーで構成されている。
ここでマスク５、結像レンズ３との距離をＡ、結像レンズ３、加工物４との距離をＢとし、予めマスク５、結像レンズ３、加工物４は、
１／ｆ＝１／Ａ＋１／Ｂ
となる位置関係に配置しておくことにより、マスク５の開口部の形状が加工物に転写される。
【００１６】
ガルバノスキャナー７によりレーザ光２をマスク５の上へ走査する方法を示したものが図３である。
概略矩形の断面形状されたレーザ光２は、マスク５の上をレーザパルスと同期してＳ１、Ｓ２、Ｓ３・・・の順にガルバノスキャナー７によりマスク形状全体にわたって順次走査される。
この際、隣り合って照射される箇所でビーム断面の一部が重なるように照射する。
この重なり合う量が少なすぎたり多すぎたりすると加工物上でのエネルギ密度の不均一が生じ形状精度が低下してしまう。
【００１７】
図４は、比較的高いエネルギ密度を必要とするポリイミド材に炭酸ガスレーザを使用し、概略矩形とした断面形状のレーザ光２を矩形の幅Ｗに対して重なり量を変化させて文字Ｅ型の穴あけ転写加工を行った場合の形状精度の違いを模式的に示したものである。
概略矩形とした断面内のレーザ光のエネルギ密度はポリイミドの加工に適した５Ｊ／ｃｍ２となるようにマスク５の前に配置された光学機構１０により予めその大きさは調整されている。
図に示されるように、矩形の幅Ｗに対して重なり量３％以下では（ａ）に示すように輪郭部に凸部が見られ、一方３０％以上では（ｃ）に示すように細い部分が正確に加工できない結果となり、（ｂ）に示すように３〜３０％の範囲の重なり量ではほぼ良好な形状精度が実加工の結果より得られた。
以上のように、マスクを使用した穴あけのような形状加工ではレーザ光の重なり量の違いにより加工精度に差異が生じてしまい、従来のように単純にレーザ光２でマスク５を塗りつぶすように走査するだけではレーザ光の強さの不均一によりこのような良好な形状精度の転写加工を行うことは難しい。
【００１８】
さらに材料が厚い場合の形状加工においては、同一箇所に複数ショットのレーザ光を照射する必要があるが、そのためには前記３から３０％の範囲の重なり量でパルスと同期してＳ１、Ｓ２、Ｓ３・・・の順に照射しマスク全体の照射が一巡したらしたら再び同様にＳ１からの照射を行い、この動作を複数回巡回することにより複数ショットに相当するレーザ照射を行う。
このように巡回しながら照射する方法をとることにより同一箇所に複数ショット照射しながら走査する場合に比較して加工物への熱影響が緩和され良好な形状精度の加工が可能となる。
【００１９】
また、マスク５の手前にガルバノスキャナー７を配置した構成とするとガルバノスキャナー７の偏向角が大きい場合はマスク５に対してレーザ光２は斜めに入射するのでマスク５を通過したレーザ光２は発散してしまう。
これを防ぐために従来のレーザマーキング装置などではガルバノスキャナーとマスクの間にリレーレンズを設けることでレーザ光をマスクに対して垂直に入射するように構成していた。
しかしこのリレーレンズは、ガルバノスキャナーの偏向角が小さい場合にはレーザ光の発散が小さくなるため必要ではなく、小さい偏向角で使用すればリレーレンズは不要となり装置を安価に構成することができる。
また、ひとつのマスクを走査するために必要な偏向角は小さくて良く、数十ｍｒａｄ以下の偏向角の範囲で使用すればレーザ光の発散の影響は無視でき、ガルバノスキャナーとマスクの間に高価なリレーレンズ、コリメーションレンズを設けなくても良く、装置を安価に構成できる。
発明者の行った実験によれば、例えば１５ｍｍ四方の大きさに収まるマスクを走査する場合はガルバノスキャナー７とマスク５の間の距離を５００ｍｍ離し、ガルバノスキャナー７の偏向角を３０ｍｒａｄ以下になるように使用するとリレーレンズを使用することなく十分実用的な転写加工が可能である。
【００２０】
本実施の形態によれば、高価な高いエネルギを出力できるパルスレーザ発振器を使用することなく加工に必要なエネルギ密度が確保でき、また、レーザ光の照射の仕方により生じるレーザ光の強さの過不足や熱影響により加工形状の精度を低下させることなく、高いエネルギ密度を必要とする難加工材に対して、レーザ光の大きさに左右されること無く、比較的大きな面積のマスクの転写加工を高精度に行うことが可能となる。
また、光学機構によりレーザ光の大きさを調整し必要なエネルギ密度を確保しているため高価な高いエネルギを出力できるパルスレーザ発振器を使用する必要はない。
さらに、形状加工に際しても、１パルス毎にレーザ照射位置を変更しているため、入熱による影響を最小限に押えられ、高品質の加工を行うことができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るマスク転写式レーザ形状加工方法によれば、比較的高いエネルギ密度を要する穴あけなどの形状加工に際して、任意形状の開口部を有したマスクを用いてを高精度に形状加工を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマスク転写式レーザ加工方法を適用した装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明のマスク転写式レーザ加工方法の矩形のレーザ光を得る方法の模式図である。
【図３】本発明のマスク転写式レーザ加工方法のレーザ走査方法を示す模式図である。
【図４】本発明のマスク転写式レーザ加工方法でレーザ光の重なり量を変えたときの加工結果を示す模式図である。
【図５】従来のマスク転写式レーザ加工方法の図である。
【図６】従来のマスクを用いた加工例を示す図である。
【符号の説明】
１　レーザ発振器、２　レーザ光、３　結像レンズ、４　加工物、５　マスク、６　反射ミラー、７　ガルバノスキャナー、８　ＸＹテーブル、９　制御装置、１０　光学機構、１７　共振器ミラー、１８　矩形アパーチャ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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