(57)【要約】【課題】  加工対象物の面内で加工品質を均一に近づけることができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】  レーザ出射手段が、外部から制御されて、レーザパルスごとにパルスエネルギを変化させたパルスレーザビームを出射する。ステージが、加工対象物を保持する。ビーム走査器が、レーザ出射手段から出射されたパルスレーザビームを走査する。レンズが、ビーム走査器で走査されたパルスレーザビームを、ステージに保持された加工対象物上に集光させる。制御装置が、ビーム走査器によって走査されたパルスレーザビームの入射点の位置に基づいて、レーザ出射手段から出射されるレーザパルスのパルスエネルギを変化させるように、レーザ出射手段とビーム走査器とを制御する。【選択図】  図１
2007054853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から制御されて、レーザパルスごとにパルスエネルギを変化させたパルスレーザビームを出射するレーザ出射手段と、
加工対象物を保持するステージと、
前記レーザ出射手段から出射されたパルスレーザビームを走査するビーム走査器と、
前記ビーム走査器で走査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上に集光させるレンズと、
前記レーザ出射手段とビーム走査器とを制御する制御装置であって、前記ビーム走査器によって走査されたパルスレーザビームの入射点の位置に基づいて、前記レーザ出射手段から出射されるレーザパルスのパルスエネルギを変化させる制御装置と
を有するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ出射手段が、
パルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたパルスレーザビームを透過させる透過状態と、透過させない非透過状態との２つの状態を、前記制御装置からの制御によって切り替えるビーム切出し手段と
を有し、
前記制御装置は、前記レーザ発振器から出射されたレーザパルスの各々のパルス幅の一部の期間のみ該レーザパルスが透過するように前記ビーム切出し手段を制御する請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記制御装置は、パルスレーザビームが、前記レンズに対して相対位置が固定された走査可能範囲内の基準点に入射するときに、レーザパルスのパルス幅が基準値になるように前記レーザ出射手段を制御し、パルスレーザビームの入射位置が前記基準点とは異なる位置であるとき、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が、前記基準点に入射するときのパルスエネルギ密度に近づくようにパルス幅を変化させる請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記レンズがｆθレンズであり、前記基準点は、パルスレーザビームが前記ｆθレンズの中心を通過するときの入射位置であり、前記制御装置は、前記基準点からパルスレーザビームの入射位置までの距離に基づいてパルス幅を変化させる請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
（ａ）パルスレーザビームを出射する工程と、
（ｂ）出射されたパルスレーザビームを加工対象物の表面の、走査可能範囲内に位置する被加工点に入射させるとともに、該パルスレーザビームを走査して入射位置を移動させながら複数の被加工点のレーザ加工を行う工程と
を有し、前記工程ｂにおいて、前記走査可能範囲内におけるレーザパルスの入射位置に基づいて、レーザパルスのパルスエネルギを変化させるレーザ加工方法。
【請求項６】
前記工程ｂにおいて、レーザパルスのパルス幅を変化させることによってパルスエネルギを変化させる請求項５に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記工程ｂにおいて、被加工点に入射するレーザパルスのパルスエネルギ密度の、入射位置によるばらつきが小さくなるように、レーザパルスのパルスエネルギを変化させる請求項５または６に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記工程ｂにおいて、ビーム走査器でパルスレーザビームを走査し、走査されたパルスレーザビームをｆθレンズで加工対象物上に集光させ、該ｆθレンズの中心を通過したパルスレーザビームが入射する基準点から被加工点までの距離に基づいて、該被加工点に入射させるレーザパルスのパルス幅を変化させる請求項５または６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、レーザ加工装置及び加工方法に関し、特にパルスレーザビームを走査して入射位置を移動させながら加工を行うレーザ加工装置及び加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の特許文献１に記載されたレーザ加工装置について説明する。レーザ発振器から出射された１つのレーザパルスから、パルス幅の短い２つのレーザパルスを切り出す。切り出されたレーザパルスの一方を、ビーム走査器に入射させ、走査されたビームをｆθレンズで加工対象物上に集光させる。他方のレーザパルスも、同様にビーム走査器及びｆθレンズを経由させて加工対象物上に入射させる。これにより、加工対象物の、レーザビームが入射した位置に穴を形成することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３４８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示されたレーザ加工装置においては、ｆθレンズの持つ像面湾曲特性に起因して、加工対象物の表面におけるビームスポットの大きさが、位置によって変化する。一般的には、パルスレーザビームの通過位置がｆθレンズの中心から離れるに従って、ビームスポットが大きくなる。このため、一定のパルスエネルギで加工を行うと、位置によってパルスエネルギ密度が変動してしまう。
【０００５】
さらに、ｆθレンズの透過率は、その中心から離れるに従って低下する。このため、ｆθレンズの外周近傍を透過したレーザビームの光強度は、中心を透過したレーザビームの光強度よりも低下する。ｆθレンズの透過率の変動も、位置によってパルスエネルギ密度が変動する要因になる。
【０００６】
加工品質がパルスエネルギ密度に敏感に影響されるような場合には、加工対象物の表面内で均一な加工品質を得ることが困難である。
本発明の目的は、加工対象物の面内で加工品質を均一に近づけることができるレーザ加工装置及び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、外部から制御されて、レーザパルスごとにパルスエネルギを変化させたパルスレーザビームを出射するレーザ出射手段と、加工対象物を保持するステージと、前記レーザ出射手段から出射されたパルスレーザビームを走査するビーム走査器と、前記ビーム走査器で走査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上に集光させるレンズと、前記レーザ出射手段とビーム走査器とを制御する制御装置であって、前記ビーム走査器によって走査されたパルスレーザビームの入射点の位置に基づいて、前記レーザ出射手段から出射されるレーザパルスのパルスエネルギを変化させ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、（ａ）パルスレーザビームを出射する工程と、（ｂ）出射されたパルスレーザビームを加工対象物の表面の、走査可能範囲内に位置する被加工点に入射させるとともに、該パルスレーザビームを走査して入射位置を移動させながら複数の被加工点のレーザ加工を行う工程とを有し、前記工程ｂにおいて、前記走査可能範囲内におけるレーザパルスの入射位置に基づいて、レーザパルスのパルスエネルギを変化させるレーザ加工方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
入射点の位置に基づいてパルスエネルギを変化させることにより、入射点の位置に起因したパルスエネルギ密度の変動を補正し、パルスエネルギ密度を、入射点の位置に依らず均一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。レーザ発振器１がパルスレーザビームＬＢ１を出射する。レーザパルスの出射時期は、制御装置１０からの制御信号ｓｉｇ２により指示される。レーザ発振器１として、例えば炭酸ガスレーザを用いることができる。なお、その他のレーザ発振器、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等を用いることも可能である。
【００１１】
レーザ発振器１から出射されたパルスレーザビームＬＢ１が、ビーム切出し装置２に入射する。ビーム切出し装置２は、例えば音響光学素子（ＡＯＭ）で構成される。ビーム切出し装置２は、レーザビームを、後段のビームエキスパンダ３に入射させる透過状態と、ビームダンパ１５に入射させる非透過状態との２つの状態のいずれかをとる。ビーム切り出し装置２が透過状態のとき、入射したパルスレーザビームＬＢ１が透過してパルスレーザビームＬＢ２が出射される。透過状態と非透過状態とは、制御装置２からの信号ｓｉｇ３により切り替えられる。
【００１２】
ビームエキスパンダ３によりビーム径を拡大されたレーザビームが、折り返しミラー４で折り返され、マスク５に入射する。マスク５には、レーザビームを透過させる貫通孔が形成されている。マスク５の貫通孔を透過したレーザビームが、ビーム走査器６に入射する。
【００１３】
ビーム走査器６は、例えば２組の揺動するミラーを含むガルバノスキャナで構成されており、制御装置１０からの制御信号ｓｉｇ１により、入射したレーザビームを２次元方向に走査する。ビーム走査器６で走査されたレーザビームが、ｆθレンズ７で収束され、ＸＹステージ８に保持された加工対象物２０に入射する。ｆθレンズ７は、マスク５の貫通孔を加工対象物２０の表面に結像させる。
【００１４】
図２（Ａ）に、ビーム走査器６及びｆθレンズ７によりレーザビームを入射させることができる走査可能範囲の平面図を示す。走査可能範囲３０は、ｆθレンズ７に対して相対位置が固定されている。加工対象物２０の表面上において、走査可能範囲３０は、例えば一辺の長さが５０ｍｍの正方形になる。この正方形の中心を原点（基準点）ＯとするＸＹ直交座標系を定義する。Ｘ軸及びＹ軸は、走査可能範囲３０の一つの辺に平行である。ｆθレンズ７の中心を通過したレーザビームが、原点Ｏに入射する。走査可能範囲３０内のレーザビーム入射位置Ｐと原点Ｏとの距離をｒとする。
【００１５】
図２（Ｂ）に、原点Ｏからビーム入射位置Ｐまでの距離ｒと、ビーム入射位置Ｐにおけるパルスエネルギ密度との関係を示す。横軸は、距離ｒを表し、縦軸はパルスエネルギ密度及びパルスエネルギを表す。ｆθレンズ７に入射する前のパルスレーザビームのパルスエネルギがレーザパルスごとに一定である場合のパルスエネルギ密度を、実線Ｄ１で示す。ビーム入射位置Ｐが原点Ｏから遠ざかると、ｆθレンズ７の透過率の低下や、ビームスポットサイズの増大等により、パルスエネルギ密度が減少する。
【００１６】
実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う場合の、ｆθレンズ７に入射する前のパルスエネルギを破線Ｅで示す。距離ｒが増加するに従って、パルスエネルギが増加する。パルスエネルギを破線Ｅで示すように変化させた場合のパルスエネルギ密度を実線Ｄ２で示す。距離ｒが増加することによるｆθレンズ７の透過率の低下や、ビームスポットサイズの増大に起因するパルスエネルギ密度の低下を補うように、パルスエネルギが増加する。このため、パルスエネルギ密度は距離ｒが変化してもほぼ一定になる。
【００１７】
図３を参照して、図１に示したレーザ加工装置の動作について説明する。時刻ｔ１１からｔ１２までの間に、制御装置１０からビーム走査器６に、ビーム入射位置を指示するための制御信号ｓｉｇ１が送信される。制御信号ｓｉｇ１には、レーザビームの入射位置を指示する位置情報が含まれる。ビーム走査器６は、制御信号ｓｉｇ１を受信すると、制御信号ｓｉｇ１で指示された位置にレーザビームが入射するように、揺動するミラーの姿勢を変化させる。姿勢の変化が完了すると、制御装置１０に完了信号を送信する。
【００１８】
制御装置１０は、ビーム走査器６から完了信号を受信した後の時刻ｔ１３からｔ１７の間、レーザ発振器１に対して発振指令信号ｓｉｇ２を送信する。レーザ発振器１は、発振指令信号ｓｉｇ２を受信している期間、パルスレーザビームＬＢ１を出射する。パルスレーザビームＬＢ１の光強度は、時刻ｔ１３から上昇し始め、時刻ｔ１４でほぼ定常状態に達する。また、時刻ｔ１７で光強度が低下し始め、時刻ｔ１８で０になる。
【００１９】
パルスレーザビームＬＢ１の光強度が定常状態になっている時刻ｔ１４から時刻ｔ１７までの期間に含まれる時刻ｔ１５から時刻ｔ１６までの間に、制御装置１０がビーム切出し装置２に制御信号ｓｉｇ３を送信する。ビーム切出し装置２は、制御信号ｓｉｇ３が送信されている期間、透過状態になる。このため、時刻ｔ１５からｔ１６までの間だけ、パルスレーザビームＬＢ２が出力される。
【００２０】
ビーム切出し装置２を透過状態にする期間の長さを変化させることにより、パルスレーザビームＬＢ２のパルス幅を変化させることができる。レーザ発振器１から出射されたパルスレーザビームＬＢ１のピークパワーは一定である。このため、パルスレーザビームＬＢ２のピークパワーも一定になる。パルス幅を変化させることにより、パルスレーザビームＬＢ２のパルスエネルギを変化させることができる。
【００２１】
パルスレーザビームＬＢ１の光強度が時刻ｔ１８で０になると、制御装置１０は、時刻ｔ２１からｔ２２の間に、次にレーザビームを入射させるべき位置を指令する信号ｓｉｇ１をビーム走査器６に送信する。その後の時刻ｔ２３からｔ２８までの基本動作は、時刻ｔ１３から時刻ｔ１８までの動作と同一である。なお、パルスレーザビームＬＢ２のパルス幅に相当する時刻ｔ２５からｔ２６までの長さは、レーザビームの入射位置に応じて所望の値に制御される。
【００２２】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に戻って説明を続ける。原点Ｏからレーザビームの入射位置Ｐまでの距離ｒが長くなるに従って、パルスレーザビームＬＢ２のパルス幅を長くすることにより、図２（Ｂ）の破線Ｅで示すように、距離ｒが増加するに従ってパルスエネルギを増大させることができる。
【００２３】
例えば、レーザビームの入射位置が原点Ｏになるようにビーム走査器６が制御されているときに、制御装置１０は、パルスレーザビームＬＢ２のパルス幅がある基準値になるようにビーム切出し装置２を制御する。レーザビームの入射位置が原点Ｏとは異なるとき、原点Ｏから、レーザビームの入射位置Ｐまでの距離ｒに依存してパルス幅を長くする。これにより、加工対象物２０の表面におけるパルスエネルギ密度を、原点Ｏに入射するときのパルスエネルギ密度に近づけることができる。
【００２４】
上記実施例では、加工対象物２０の表面における光強度及びビームスポットサイズが、原点Ｏからの距離ｒに依存する場合を示した。より一般的に、光強度及びビームスポットサイズがレーザビームの入射位置に依存する場合にも、パルスレーザビームＬＢ２のパルス幅を、入射位置に基づいて変化させることにより、パルスエネルギ密度を入射位置に依らず均一に近づけることができる。
【００２５】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照して、上記実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う一例を説明する。
図４（Ａ）に加工対象物２０の部分断面図を示す。加工対象物２０は、厚さ０．２ｍｍの塩化ビニルフィルムである。レーザビームが入射した位置にほぼ円形の開口部を有するスルーホール２１が形成される。レーザビームが入射する側の表面におけるスルーホール２１の直径（トップ径）をＤＴとし、反対側の表面における直径（ボトム径）をＤＢとする。通常、トップ径ＤＴがボトム径ＤＢよりも大きくなる。
【００２６】
図４（Ｂ）に、パルスエネルギ密度と、スルーホール２１の開口部の直径との関係を示す。横軸はパルスエネルギ密度を表し、縦軸は開口部の直径を表す。図中の実線ＲＬ及び破線ＲＳは、それぞれ加工対象物２０の表面におけるビームスポットサイズが相対的に大きな場合及び相対的に小さな場合のスルーホールの開口部の直径を示す。また、太い実線ＲＬ及び太い破線ＲＳが、トップ径ＤＴを示し、細い実線ＲＬ及び細い破線ＲＳがボトム径ＤＢを示す。
【００２７】
パルスエネルギ密度が増加するに従って、トップ径ＤＴ及びボトム径ＤＢのいずれも大きくなる。また、トップ径ＤＴは、ビームスポットサイズに大きく依存するが、ボトム径ＤＢは、ビームスポットサイズが変化しても、あまり変化しない。すなわち、パルスエネルギ密度を、レーザビームの入射位置に依らず均一になるように制御することにより、スルーホール２１のボトム径ＤＢを均一に近づけることができる。
【００２８】
スルーホール２１のボトム径ＤＢを揃えたい場合に、上記実施例によるレーザ加工装置が有用である。
上記実施例では、パルスレーザビームのパルス幅を調節することにより、パルスエネルギを変化させたが、その他の方法によりパルスエネルギを変化させることも可能である。例えば、ピークパワーを変化させることによっても、パルスエネルギを変化させることができる。可変光減衰器を用いることにより、ピークパワーを変化させることができる。
【００２９】
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】
【００３０】
【図１】実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
【図２】（Ａ）は、操作可能範囲内の座標系を示す平面図であり、（Ｂ）は、走査可能範囲内の原点からレーザビーム入射位置までの距離と、パルスエネルギ、パルスエネルギ密度との関係を示すグラフである。
【図３】図１に示したレーザ加工装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】（Ａ）は、加工対象物の部分断面図であり、（Ｂ）は、パルスエネルギ密度と開口部の直径との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１  レーザ発振器
２  ビーム切出し装置
３  ビームエキスパンダ
４  折り返しミラー
５  マスク
６  ビーム走査器
７  ｆθレンズ
８  ＸＹステージ
１０  制御装置
１５  ビームダンパ
２０  加工対象物
２１  スルーホール
３０  走査可能範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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