(57)【要約】      （修正有）【課題】  加工時間が短く、かつ形成される穴の側面を所望の形状に近づけるレーザ加工装置および加工方法を提供する。【解決手段】伝搬光学系１０により、第１のレーザ光源１Ａから出射されたパルスレーザビーム及び第２のレーザ光源１Ｂから出射されたパルスレーザビームを、ステージ１２に保持された加工対象物２０に入射させるとともに、加工対象物２０の表面において、第２のレーザ光源１Ｂから出射されたパルスレーザビームのビームスポットの外周線よりも内側に、第１のレーザ光源１Ａから出射されたパルスレーザビームのビームスポットを配置させる。第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームがステージに保持された加工対象物に入射した後に、第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが入射するように、第１及び第２のレーザ光源を制御する。【選択図】図１
2007029952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から出射されるパルスレーザビームよりも波長及びパルス幅の短いパルスレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
加工対象物を保持するステージと、
前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビーム及び前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物に入射させるとともに、該加工対象物の表面において、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームスポットの外周線よりも内側に、前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームスポットを配置させる伝搬光学系と、
前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが前記ステージに保持された加工対象物に入射した後に、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが入射するように、前記第１及び第２のレーザ光源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】
前記伝搬光学系は、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームの、前記ステージに保持された加工対象物の表面における光強度分布が、中央よりも周辺部が盛り上がった形状を有するように、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームプロファイルを整形する請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記伝搬光学系は、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームの、前記ステージに保持された加工対象物の表面におけるビーム断面が環状になるように、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビーム断面を整形する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
パルスレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から出射されるパルスレーザビームよりも波長の短いパルスレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
加工対象物を保持するステージと、
前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビーム及び前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物に入射させるとともに、該加工対象物の表面において、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームスポットの外周線よりも内側に、前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームスポットを配置させ、さらに、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームの、前記ステージに保持された加工対象物の表面における光強度分布が、中央よりも周辺部が盛り上がった形状を有するように、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームプロファイルを整形する伝搬光学系と、
前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが前記ステージに保持された加工対象物に入射した後に、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが入射するように、前記第１及び第２のレーザ光源を制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。
【請求項５】
パルスレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から出射されるパルスレーザビームよりも波長の短いパルスレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
加工対象物を保持するステージと、
前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビーム及び前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物に入射させるとともに、該加工対象物の表面において、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームスポットの外周線よりも内側に、前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームスポットを配置させ、さらに、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームの、前記ステージに保持された加工対象物の表面におけるビーム断面が環状になるように、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビーム断面を整形する伝搬光学系と、
前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが前記ステージに保持された加工対象物に入射した後に、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが入射するように、前記第１及び第２のレーザ光源を制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。
【請求項６】
加工対象物に、第１のパルスレーザビームを入射させて穴を形成する工程と、
前記第１のパルスレーザビームよりも波長が短く、加工対象物の表面において、ビームスポットの外周線が前記穴を取り囲む第２のパルスレーザビームを前記加工対象物に入射させて、前記穴の側面を整形する工程と
を有するレーザ加工方法。
【請求項７】
前記第２のパルスレーザビームの、前記加工対象物の表面における光強度分布は、中央よりも周辺部が盛り上がった形状を有している請求項６に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記第２のパルスレーザビームの、前記加工対象物の表面におけるビーム断面が環状である請求項６または７に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関し、特に加工対象物への穴の形成に適したレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、プリント基板等の微細加工においてはレーザ光を利用した加工が主流になっている。
【０００３】
レーザ加工装置で用いられるレーザの種類には、波長で区分すると赤外又は可視域のレーザビームを出射するレーザと、紫外域のレーザビームを出射するレーザに分けられる。赤外又は可視域のレーザビームを用いた場合、加工時間は紫外域のレーザビームを用いた場合よりも短いが、形成される穴の品質に問題が生じる。例えば、複数のプリント基板が積層された多層プリント基板にバイアホールを形成する工程においては、形成された穴の底面、すなわち露出させようとする導電層の表面の一部又は全面に薄い残渣成分が残ってしまう。また、樹脂基板等に貫通孔を形成するスルーホール加工においては、形成される穴が樽状になるという問題がある。紫外域のレーザビームを用いた場合、形成される穴にこれらの問題は生じないが、加工時間は赤外又は可視域のレーザビームを用いた場合に比べて長くなる。
【０００４】
下記の特許文献１に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波または２倍高調波と３倍または４倍高調波とを加工対象物に重畳して照射することで、多層プリント基板の穴あけ加工における加工時間の短縮と穴の底面の残渣成分除去との両立を図ったレーザ加工方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３４３２６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された方法でスルーホール加工を行うと、赤外または可視域の波長のレーザビームによる熱的影響により、穴の側面から横方向に除去が進み、樽状の穴になってしまう。本発明の目的は、形成される穴の側面の形状を所望の形状に近づけるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によれば、パルスレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源から出射されるパルスレーザビームよりも波長及びパルス幅の短いパルスレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、加工対象物を保持するステージと、前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビーム及び前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物に入射させるとともに、該加工対象物の表面において、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームスポットの外周線よりも内側に、前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームのビームスポットを配置させる伝搬光学系と、前記第１のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが前記ステージに保持された加工対象物に入射した後に、前記第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが入射するように、前記第１及び第２のレーザ光源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】
本発明の他の観点によると、加工対象物に、第１のパルスレーザビームを入射させて穴を形成する工程と、前記第１のパルスレーザビームよりも波長が短く、前記加工対象物の表面において、ビームスポットの外周線が前記穴を取り囲む第２のパルスレーザビームを前記加工対象物に入射させて、前記穴の側面を整形する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
第１のレーザ光源及び第２のレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが加工対象物に照射され、穴を形成する。第１のレーザ光源から出射するパルスレーザビームは、長波長でパルス幅が長く、その加工速度は速いが、穴の周囲に熱的影響を与えるため、単独で用いると加工品質が低下する。第２のレーザ光源から出射するパルスレーザビームは短波長でパルス幅が短く、加工対象物への熱的影響は、第１のレーザ光原から出射したパルスレーザビームに比べて小さいが、単独で用いると加工速度が遅くなる。本願では、まず第１のレーザ光源から長波長のパルスレーザビームを加工対象物に照射した後に、第２のレーザ光源から短波長のパルスレーザビームを照射させることにより、穴の中央部分の加工速度を速くしている。また、短波長のパルスレーザビームのビームスポットの外周線が、長波長のパルスレーザビームにより形成された穴を取り囲むように照射させることにより、穴の側面の加工が短波長のパルスレーザビームによって行われ、穴の側面の形状を所望の形状に近づけることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、本願の実施例におけるレーザ加工装置の概略図を示す。
【００１１】
レーザ光源１Ａがパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１Ａは、例えばＮｄ：ＹＬＦレーザであり、２倍高調波（波長５２７ｎｍ）もしくは３倍高調波（波長３５１ｎｍ）のパルスレーザビームを出射する。出力は３０Ｗ以下であり、そのパルス幅は２０〜５００ｎｓが望ましい。
【００１２】
レーザ光源１Ａから出射したレーザビームが、リレーレンズ２Ａを介してマスク３Ａに入射する。マスク３Ａは、レーザビームを遮光する遮光領域内に、レーザビームを透過させる透過領域を有する板状構造物である。マスク３Ａの配置された位置におけるレーザビームのビームスポット内に透過領域が内包される。
【００１３】
マスク３Ａを透過したレーザビームが、ダイクロイックミラー４Ａで反射して、ガルバノスキャナ５に入射する。
【００１４】
レーザ光源１Ｂがパルスレーザビームを出射する。パルスレーザビームの出射のタイミングについては、図２を用いて後述する。レーザ光源１Ｂは、例えばＮｄ：ＹＬＦレーザであり、４倍高調波（波長２６３ｎｍ）のパルスレーザビームを出射する。出力は１０Ｗ以下であり、そのパルス幅は５００ｐｓ以下が望ましい。
【００１５】
レーザ光源１Ｂから出射したレーザビームが、リレーレンズ２Ｂを介してビームプロファイル整形ユニット７に入射する。ビームプロファイル整形ユニット７は、１対の円錐プリズムからなり、その中心軸同士が一致するように配置されている。レーザ光源１Ｂから出射したレーザビーム、及びリレーレンズ２Ｂを通過したレーザビームは、通常ガウシアンビームであり、ビームスポットの中心において光強度が大きく、中心から離れるに従って光強度が低下する。ビームプロファイル整形ユニット７は、ビーム断面の外周近傍に、ビームスポットの中央よりも盛り上がった盛り上がり部を有するプロファイルになるように、レーザビームのプロファイルを整形する。また、ビームプロファイル整形ユニット７は、調整により、加工対象物２０の表面上におけるビーム断面が環状になるようにレーザ光源１Ｂから出射したレーザビームのビーム断面を整形することもできる。
【００１６】
ビームプロファイル整形ユニット７を通過したレーザビームが、マスク３Ｂに入射する。マスク３Ｂは、レーザビームを遮光する遮光領域内に、レーザビームを透過させる透過領域を有する板状構造物である。マスク３Ｂの配置された位置におけるレーザビームのビームスポット内に透過領域が内包される。
【００１７】
マスク３Ｂを透過したレーザビームが、折り返しミラー４Ｂで反射し、ダイクロイックミラー４Ａを透過して、ガルバノスキャナ５に入射する。
【００１８】
ガルバノスキャナ５は、１対の揺動可能な反射鏡を含んで構成され、入射するレーザビームを２次元方向に走査する。ガルバノスキャナ５で走査されたレーザビームがｆθレンズ６で収束され、ＸＹステージ１２に保持された加工対象物２０に入射する。ｆθレンズ６は、マスク３Ａ及び３Ｂの透過領域を加工対象物２０の表面上に結像させる。加工対象物２０は、例えばポリイミド等の絶縁樹脂からなる。加工対象物２０に入射したパルスレーザビームは加工対象物２０にスルーホールを形成する。
【００１９】
なお、リレーレンズ２Ａ及び２Ｂ、マスク３Ａ及び３Ｂ、折り返しミラー４Ａ及び４Ｂ、ガルバノスキャナ５、ｆθレンズ６、並びにビームプロファイル整形ユニット７をまとめて伝播光学系１０と呼ぶこととする。
【００２０】
制御装置１１が、レーザ光源１Ａ及び１Ｂからパルスレーザビームを出射させるタイミングを制御する。
【００２１】
図２に、パルスレーザビームのタイミングチャートを示す。図２上段のように、レーザ光源１ＡからパルスレーザビームＡのレーザパルスＰＡ１が出射する。レーザ光源１Ａから出射するレーザパルスＰＡ１の立ち上がり時刻から時間ｔだけ経過した後、図２下段のようにレーザ光源１ＢからパルスレーザビームＢのレーザパルスＰＢ１が出射する。パルスレーザビームＡのレーザパルスＰＡ１の照射が終了した後、パルスレーザビームＢのレーザパルスＰＢ１のみが照射される期間が存在する。レーザビームＡ及びＢの次のレーザパルスＰＡ２及びＰＢ２についても、レーザパルスＰＢ２の立ち上がりがレーザパルスＰＡ２の立ち上がりよりも時間ｔだけ遅れ、レーザパルスＰＢ２のみが照射される期間が存在する。
【００２２】
図３に、加工対象物の表面上における、第１のレーザ光源から照射されたレーザビームのビームスポットＡｓと第２のレーザ光源から照射されたレーザビームのビームスポットＢｓとの大きさを比較した図を示す。
【００２３】
図３に示すように、加工対象物２０の表面上において、パルスレーザビームＡのビームスポットＡｓの中心と、パルスレーザビームＢのビームスポットＢｓの中心とが一致するようにパルスレーザビームＡ及びＢが照射される。パルスレーザビームＡ及びＢが、マスク３Ａ及び３Ｂをそれぞれ通過することにより、パルスレーザビームＡの、加工対象物２０の表面上におけるビームスポットＡｓの半径が、パルスレーザビームＢの加工対象物２０の表面上におけるビームスポットＢｓの半径よりも小さくなる。例えば、パルスレーザビームＡのビームスポットＡｓの半径は１２〜１４０μｍ、パルスレーザビームＢのビームスポットＢｓの半径は１５〜１５０μｍの範囲である。一例として、パルスレーザビームＡのビームスポットＡｓの半径が１２μｍ、パルスレーザビームＢのビームスポットＢｓの半径が１５μｍのようにビームスポット半径の大きさを調整する。このように、パルスレーザビームＢのビームスポットＢｓの外周線よりも内側に、パルスレーザビームＡのビームスポットＡｓが配置されるように伝播光学系１０が調整される。
【００２４】
次に図４を参照して、本願の実施例によるレーザ加工方法について説明する。まず、加工対象物２０に、レーザ光源１Ａから出射されたパルスレーザビームＡのレーザパルスＰＡ１を入射させ、スルーホールを形成する。
【００２５】
図４（Ａ）に、レーザ光源１Ａから出射し、加工対象物２０に照射されたパルスレーザビームＡのビームプロファイル３０および加工対象物２０の断面図を示す。
【００２６】
レーザ光源１Ａから出射し、伝播光学系１０を通過して加工対象物に照射されたパルスレーザビームＡのビームプロファイルは、通常ガウシアン分布であり、図４（Ａ）上段のように、ビームスポットの中心において光強度が大きく、中心から離れるに従って光強度が低下する。さらに、マスク３Ａを通過することによりビームプロファイルの裾野の部分が遮られ、端において光強度は急激に下がっている。このようなビームプロファイルを持つパルスレーザビームＡにより、加工対象物２０には側面が樽状に窪んだ、例えば図４（Ａ）下段のような穴２１が形成される。これは、長波長のパルスレーザビームＡを用いたことで、穴を形成する過程で発生した熱が横方向に伝わり、厚さ方向に関して、中央近傍の部分に熱が蓄積されて過剰に除去されたことによるものである。
【００２７】
パルスレーザビームＡのレーザパルスＰＡ１の照射が終了した後も、パルスレーザビームＢのレーザパルスＰＢ１の照射期間が存在するように、レーザパルスＰＢ１を加工対象物２０に入射させる。図４（Ｂ）に、レーザ光源１Ｂから出射し、加工対象物２０に照射されたパルスレーザビームＢのビームプロファイル３１および加工対象物２０の断面図を示す。パルスレーザビームＢはパルスレーザビームＡよりも短波長であるため、側面に対する熱的影響が少ないので、側面が過剰に除去されることはない。加えて、図３で示したように、パルスレーザビームＢのビームスポットＢｓは、パルスレーザビームＡのビームスポットＡｓを内包するように配置される。このため、パルスレーザビームＢの照射によって、パルスレーザビームＡで形成された穴の側面を窪みなく除去することができ、図４（Ｂ）下段のように、側面２２が加工対象物２０の表面に対してほぼ垂直な穴２１が形成される。
【００２８】
パルスレーザビームＢのみが照射されている期間は、パルスレーザビームＡの熱的影響を受けない。したがって、パルスレーザビームＢのみの照射時間が十分取られていれば、形成される穴を所望の形状に加工することができる。穴を所望の形状に加工するために必要なパルスレーザビームＢのみの照射時間は０．１ｐｓ以上とすることが好ましい。
【００２９】
また、パルスレーザビームＡのビームスポット半径は、パルスレーザビームＢのビームスポット半径に比べて小さくすることが必要だが、一方で、パルスレーザビームＢによる穴の側面の加工を妨げない程度に十分大きくすることが望ましい。パルスレーザビームＡにより加工する穴の中央部分の面積が広いほど、一穴あたりの加工時間が短くできるからである。パルスレーザビームＡのビームスポット半径は、パルスレーザビームＢのビームスポット半径の９／１０以下とすることが好ましい。
【００３０】
相対的に長波長のパルスレーザビームＡを単独で照射した場合、加工速度は速いが、側面が窪んだ形状の穴が形成される。相対的に短波長のパルスレーザビームＢを単独で用いた場合、所望の形状に近い穴を形成することはできるが、加工速度が遅くなってしまう。そのため、上述のように、穴の中央部分を加工速度の速いパルスレーザビームＡを用いて加工し、穴の側面をパルスレーザビームＢを用いて加工することで、加工速度の向上と、穴の側面を所望の形状に近づけることの両立がなされている。
【００３１】
本願の実施例では、ビームプロファイル整形ユニット７により、加工対象物２０の表面上におけるパルスレーザビームＢのビームプロファイルが、中央よりも周辺部に盛り上がった盛り上がり部を有するようにパルスレーザビームＢのビーム断面を整形している。これにより、パルスレーザビームＢにより加工を行う穴の周辺部分にビームのエネルギーを集中させることができ、エネルギーの利用効率を高めることができる。さらに、ビームプロファイル整形ユニット７を調整することにより、パルスレーザビームＢのビーム断面を環状に整形することができる。形成すべき穴の中央部は、パルスレーザビームＡにより既に除去されている。既に除去されている部分には、パルスレーザビームＢを入射させる必要はない。このためパルスレーザビームＢのビーム断面を、その中央の光強度がほぼ０となる環状に整形してもよい。パルスレーザビームＢのビーム断面を環状にすると、そのエネルギー利用効率をより高めることができる。
【００３２】
上述のように、伝播光学系１０及び制御装置１１により、２つのレーザビームを整形し照射位置とタイミングを調整して加工対象物に照射させることで、穴の側面が所望の形状に近づいた穴を従来より短い時間で形成することができる。
【００３３】
上述の実施例では、パルスレーザビームＡのパルス幅をパルスレーザビームＢのパルス幅よりも長くしたが、パルス幅の長短の関係を逆にしてもよい。例えば、パルスレーザビームＢのパルス幅は、加工対象物２０を加工するために必要なピークパワーが得られるように調整される。
【００３４】
また、パルスレーザビームＢの出射を、パルスレーザビームＡの熱的影響がでないようになるまで待ってもよい。例えば、レーザパルスＰＡ１が立ち下がった後に、レーザパルスＰＢ１が立ち上がるように、両者のタイミングを制御しても良い。その場合でも、上述のように、従来に比べ加工時間が短く、側面の形状が所望の形状に近づいた加工を行うことができる。
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本願の実施例で用いられるレーザ加工装置の概略図である。
【図２】レーザビームの出力信号を示した線図である。
【図３】加工対象物の表面上における、第１のレーザ光源から照射されたレーザビームのビームスポットと第２のレーザ光源から照射されたレーザビームのビームスポットとの大きさを比較した図である。
【図４】レーザビームの加工対象物の表面上におけるビームプロファイルと加工対象物の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１Ａ、１Ｂ  レーザ光源
２Ａ、２Ｂ  リレーレンズ
３Ａ、３Ｂ  マスク
４Ａ  ダイクロイックミラー
４Ｂ  折り返しミラー
５  ガルバノスキャナ
６  ｆθレンズ
７  ビームプロファイル整形ユニット
１０  伝播光学系
１１  制御装置
１２  ＸＹステージ
２０  加工対象物
２１  穴
２２  側面
３０、３１  ビームプロファイル
【図１】
2007029952.tif 000003
【図２】
2007029952.tif 000004
【図３】
2007029952.tif 000005
【図４】
2007029952.tif 000006