産業素材

U V レーザ用 f θレンズの開発

荒木高＊志 ・平井隆之・京谷達也

Development of F-Theta Lens for UV Lasers ─ by Takashi Araki, Takayuki Hirai and Tatsuya Kyotani ─ In order toimprove the performance of electronic equipment and reduce its size and weight, UV laser drill machines are highly
required, with which small holes within ø50 µm in diameter can be provided during printed wiring boards (PWBs)
processing. To meet such demand, Sumitomo Electric Hardmetal Corp. has developed an f-theta lens for UV lasers
with the diffraction-limited performance over an entire scan field of 50 mm × 50 mm.
Test results by transmission wavefront measurement have confirmed that the f-theta lens has excellent properties inaccordance with designs. According to laser drilling experiments, the holes were ø23 µm in diameter and showed
uniformity throughout the 50 mm × 50 mm scan field.
Keywords: f-theta lens, UV Laser, laser drilling, PWB, transmission wavefront

1.

緒

言

携帯電話・ノートパソコン等の先端電子機器では、小型レーザビームを、2 軸のガルバノスキャナで高速に制御さ軽量化・高機能化・高速化が進んでいる。この背景には半れたスキャンミラーで振りプリント基板上の目標の位置へ導体素子の高集積度化・高速化とこれを搭載するプリントfθレンズで集光することにより加工を行うものである。実基板の高密度化・多層化・多様化がある。この動きに対応際のレーザドリルマシンではプリント基板は XY ステージするため、プリント基板穴あけ加工には、小径化だけでなに載せられておりガルバノスキャナの動きとあいまって、く、穴の真円度の向上のほか、種々の基板材料に加工でき広い面積を加工出来るようにシステム化されている。
現在のところの主役は、スピードと加工コストの点で優ることが要求されつつある。
この分野では、比較的大きい穴あけ加工はマイクロドリ位である炭酸ガスレーザを用いたレーザドリルマシンであルで為され、比較的小さい穴あけ加工やビルドアップ基板るが、先端分野向けでは、ø50µm 以下の小径化の要求がの加工等はレーザドリルで為されるという棲み分けがされますます強まっている。そのためには、炭酸ガスレーザ用ている。基板材料や加工条件等にも依るが、レーザドリル

fθレンズの焦点距離を小さくする（正確には F ナンバーをは概ね ø50 ～ ø200µm の加工に用いられる（1）〜（3）。

小さくする）ことが必要であり、当社はその開発も進めてレーザドリルマシンの概要を図 1 に示す。発振器からのいる。スキャン領域全域にわたる良好な穴形状の確保が厳しく要求されるため、fθレンズには従来に増して収差（光学的な歪み）の抑制が必要とされ、レンズ枚数の増加や従来以上の高精度な製造が必要となる。

Ｘ軸用
ガルバノスキャナ

ミラー間隔

マスクｰＸスキャンミラー間距離0.355µm で あ り 、 炭 酸 ガ ス レ ー ザ 光 の 波 長 （ 9.4 又 は10.6µm）の約 1/30 である。従って、UV レーザを用いる

Ｙ軸用
ガルバノスキャナミラーレンズ間距離(FWD)
マスク

Ｙスキャンミラー
Fθレンズ

マウントBWD

スキャン領域

図1−（ 62 ）−

この小径化を実現する、もう 1 つの方法が波長の短いレーザを使う方法である。例えば、UV レーザの波長はＸスキャンミラー方が原理的に小スポット化に有利である。さらに、熱的な加工が支配的である炭酸ガスレーザドリル加工とは違って、非熱的な加工がメインとなる UV レーザドリル加工では、多様な基板材料や複合材料に対して加工が可能であり、プリント基板加工以外に、太陽電池向けの加工にも使用さY軸れ始めている。そのため、UV レーザドリルの研究開発がX軸活発に進められている。

fθレンズを用いた穴あけ加工の概要

UV レーザ用 f θレンズの開発

ここではこのような UV レーザ用 fθレンズの開発の現状について、その設計、製造、性能評価を報告する。

2.

光学設計

fθレンズは、広いスキャン領域と小さなスポット径及び

光学設計の具体的な考え方や方法は、既報（4）に譲り、こスキャン領域全域にわたっての真円且つ均一なスポット形

こでは、炭酸ガスレーザ用 fθレンズと比較することで、状が求められる。従って、光学的にはスキャン領域全域にUV レーザ用 fθレンズの特徴を明確化して、その設計上のわたって回折限界の集光特性が必要となる。さらに、小さポイントを概説する。

なテレセントリックエラーや良好なスキャン線形性等の機

2−1fθレンズの仕様

表 1 に炭酸ガスレーザ用 fθ

レンズと UV レーザ用 fθレンズの要求仕様を示す。炭酸ガ能も求められる。しかしながら、広いスキャン領域を得ようとすると一般にスポット径は大きくなる等、これらの多スレーザ用 fθレンズの要求仕様は、一般的な場合で示してくの特性はトレードオフの関係にある。そのため、光学設ある。UV レーザ用 fθレンズの要求仕様は市場での注目度計解を得ること自体にノウハウが必要とされるが、得られの高い典型的な値を示してある。UV レーザの波長は短いた解も一般に製造誤差に敏感な解となることが多い。そのため、ことさら入射ビーム径を大きく又は焦点距離を短く結果、試作ではたまたまうまく使用できる fθレンズを製造せずともスポット径を小さくできる。実際、表 1 では UVレーザ用 fθレンズの方が焦点距離が長く、また入射瞳径もできても、いざ量産してみると特性ばらつきが大きく、事実上使えないということが起こり得る。

小さいが、スポット径は、炭酸ガスレーザ用 fθレンズ

ここで重要となるのは、製造の実力値を充分に把握して、ø88µm に対し、UV レーザ用 fθレンズでは ø7.2 ～ 25µm

光学設計の条件に織り込むことである。当社では、図 2 のとかなり小さくなる。
（注：ここではエアリディスク径を計算し、スポット径とした。実際の加工径とは異なる）

ように、公差に余裕のある解を得る光学設計（5）を行い、構成レンズの素材や枚数を選択し必要に応じて非球面も導入した上、高精度なレンズ加工と組立を行っている。その結果、高精度且つ製造誤差にロバストな fθレンズを実現して

表1No.

項目いる。

fθレンズの要求仕様

fθレンズ要求仕様
炭酸ガスレーザ用 UV レーザ用

1 波長

9.4µm

0.355µm

2 入射瞳径

ø26mm

ø7 〜 12mm

3 マスクｰ X ミラー間距離2000mm

1500 〜 4000mm

4 スキャンミラー間距離37mm

23.7mm備考ミラーレンズ間距離
ミラーからレンズマウ
537.8mm 以上 19.4mm 以上（FWD）
ント端面までの距離
6 焦点距離100mm

100 〜 200mm

7 スキャン領域

50mm 角50mm 角8 カバーウインドウ

標準装備

標準装備

要解決手段

求・小さいスポット径・回折限界の収差

高性能 ・真円のスポット
・均一な大きさのスポット

光学設計 ・公差に余裕のある光学設
計解を得る最適化計算

・小さな像面湾曲・構成レンズ素材の選択

・大きなスキャン領域

・構成レンズ枚数の決定

高機能 ・小さなテレセントリックエラー
・良好なスキャン線形性

・非球面の使用…

・ワーキングディスタンス制約
その他 ・ｆθレンズ大きさ制約（マシンに装着できること）

・高精度レンズ加工
製造

・高精度マウント加工
・高精度組立・評価

従って、UV レーザ光学系では入射瞳径を小さくできることが多く、ガルバ­ノミラー系がコンパクトになる。これ
により、一般に次のような効果がある。

製造誤差にロバストな高精度ｆθレンズの実現→製造誤差に敏感な解になりやすい

図2

要求と解決手段・テレセントリックエラー（像面へのビーム入射角）を縮小できる。
・fθレンズの近くでミラーをスキャンできるので、同じミラー振り角でも構成レンズの直径を小さくできる。
・ミラーが小さく軽いので、高速にミラーを駆動でき、穴炭酸ガスレーザ用と UV レーザ用 fθレンズを比較した場
合、前節で指摘したように、後者の方が入射瞳径を小さく又は焦点距離を長くでき、要求特性を実現するのには有利あけ加工速度が向上する。

な方向である。一方で、それぞれに使用できる素材は、一同じく焦点距離をある程度長くできることはワーキング

般に前者では ZnSe と Ge、後者では SiO2 に限られており、ディスタンスを長くできることに繋がり、加工時のワーク

表 2 に示すように後者の素材の方が圧倒的に屈折率が小さからの飛散物により fθレンズが汚れて透過率が低下するの（6）、（7）を駆（Single­Point­Diamond­Turning，SPDT 技術）を軽減できる。
2−2fθレンズの光学設計い。また、高精度な非球面創製は、超精密切削加工技術

光学設計とは、表 1 の使できる ZnSe や Ge に比べて、SiO2 では加工が難しい。

ように与えられた仕様を満足するレンズ構造を、公差を含従って、UV レーザ用 fθレンズの方が構成­­レンズ枚数が多めて決定するプロセスである。

くなる。また、加工面の面精度は、仮に使用波長の 1/20

2 0 0 9 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 5 号 −（ 63 ）−表 2­­ レンズ素材の比較

炭酸ガスレーザ用 UV レーザ用ZnSeGeSiO2

屈折率

2.410

4.006

1.457

非球面創製

○○△

←

0.018µm

面精度をλ/20 とした場合の公差（例） 0.47µm

Xスキャ Yスキャ
ンミラー ンミラー
レーザ（ａ）平行ビームを集光する系（設計条件）
マスクｰコリメータレンズ間距離：F(mm)レーザ
コリメータレンズ
焦点距離：F (mm)

マスクが必要とすると、波長が短い分だけ UV レーザ用の方が公fθレンズ
焦点距離：ｆ(mm)注）縮小率はｆ／Ｆ差が厳しくなる。
2−3fθレンズ
焦点距離：ｆ(mm)（ｂ）マスク像を転写する系

UV レーザ用 fθレンズ

光学設計結果と検証

図3

代表的なレーザ穴あけ光学系（Yスキャンミラーを振った場合を示す）の設計結果を表 3 に、その特性を表 4 に示す。スポット径の均一性、真円度ともに良好で、像面湾曲も小さくテレセントリック性にも優れている。この fθレンズは汎用性を持たせるべく、図 3（a）のように入射ビームが平行光である

Y (mm)（point­spread­function）コンター図を示す。コンター図25fθレンズとして設計した。図 4 にこの fθレンズの PSF

は fθレンズによる集光ビームの強度分布をスキャン領域内の主要点において、算出したものである。スキャン領域内

表 3­­ ｆθレンズの設計結果

No.

項

目

仕様

1 波長0.355µm

2 入射瞳径

ø13mm

3 入射ビーム発散角0mrad

4 スキャンミラー間距離23.7mm

15

備考0

コリメータレンズ使用を前提

5 ミラーレンズ間距離（FWD）

29mm

6 焦点距離160mm

7 スキャン領域50mm 角

8 マウントサイズ

ø120mm ウインドウセルを含む
110mm L サイズ

9 カバーウインドウ

20015

図4有り

脱着可

200.01mm

25X (mm)

PSF コンター図の各点において描かれている同心円状の円は中央の強度を100 ％として、9.09 ％ずつ低下する円である。実際の加工では、加工しきい値は充分低いと考えられるので、コンター図上のかなり外側の円の大きさ・形状が重要となる。
この図からスキャン領域全域で真円度が良好で均一な大きさのスポットを確認でき、充分良好な特性を有しているこ

表 4­­ 平行光を集光した場合の特性

No.

項目

10 入射ビーム径

特性

備考

ø8.7mm 1/e 径（ガウスビーム）
2

11 ビームが蹴られない領域 53mm 角とがわかる。
この fθレンズを使って、マスク像を転写する場合は、図3（b）のようにコリメータレンズを併用する。表 5 は、

ø0.6mm のマスクと焦点距離 2000mm のコリメータレン

12 ワークディスタンス(BWD) 213.1mm

ズを使ってマスク転写した場合の特性である。図 5（a）は13 スポット径

ø8.9µm

ピーク強度の 13.5%にて

14 スポット径バラツキ± 0.38%｛max-min｝/min × 100 ÷ 2(%)
ピーク強度の 13.5%にて15 スポット真円度99%

ピーク強度の 13.5%にて

16 スキャン線形性0.3%以下るのが確認される。なお、コリメータレンズを用いない場

17 像面湾曲±2.6µm 面内 36 ヶ所から算出した計算値

18 最大テレセントリックエラー

1.6deg

合は、像面湾曲が大きくなり、図 5（b）のようにスポット−（ 64 ）−UV レーザ用 f θレンズの開発

その場合の結像解析結果（このコンター図では、同心円状の線が密になるので、13.5 ％､30 ％､60 ％の強度のみ示した）であるが、スキャン領域全域で良好な特性を有していも楕円化してしまう。

表5

ø0.6mm マスクを像転写した場合の特性+200.00

No.

項

目

19

マスクｰコリメータ
レンズ間距離2000mm

nm-200.00
43.0

20

コリメータレンズ
焦点距離2000mm

特性

備考

mm

21 スポット径

ø48.3µm ピーク強度の 13.5%にて

22 スポット径バラツキ｛max-min｝/min × 100 ÷ 2(%)±0.10%
ピーク強度の 13.5%にて

23 スポット真円度

99%

11.3mm49.54.9（ａ）従来研磨方法

ピーク強度の 13.5%にて+200.00
nm-200.00
42.1

Y (mm)

mm

2512.4mm

50.34.2（ｂ）新研磨方法

12.5

図6

研磨加工面の面精度

0012.50.02mm

25X (mm)（ａ）コリメータレンズ有り
Y (mm)

2512.50012.50.02mm

25

写真 1X (mm)

製作したＵＶレーザ用ｆθレンズ（ｂ）コリメータレンズ無し

図5製作した UV レーザ用 fθレンズの写真を写真 1 に示す。

結像解析

各構成レンズが、アルミ合金製のマウント内部に高精度に組み付けられている。

3.

fθレンズの製造
UV レーザ用 fθレンズの性能を左右する製造品質の１つは、それを構成する複数枚の石英レンズの形状精度である。
石英レンズの研磨加工は目新しいものではないが、fθレン
ズでは通常の単レンズ等とは異なり、曲率半径・厚さ・面精度等の各品質項目で非常に厳しい公差が要求される。厚さ／直径の比の小さいレンズでは特に面精度の制御が難し
く、図 6（a）のような形状になってしまうことが多かった。
加工条件や貼付条件を最適化した新研磨技術によって、図6（b）のように面精度（PV 値）を従来比 40 ～ 60 ％減とし且つ形状に分布の少ないものにすることが可能となり、これを適用している。

4.

性能評価
製作した fθレンズの性能を評価する方法としては、次の3 つがある。
①製作した fθレンズを何らかの光学的測定により評価する方法（透過波面測定、MTF 測定等）。
②製造工程で採取した製造実績データから特性をシミュレートする方法。
③製作した fθレンズをレーザドリルマシンに搭載して実加工により評価する方法。
今回 3 個の fθレンズ（A，B，C レンズ）を製作したが、これらの方法で評価した結果を以下に示す。

2 0 0 9 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 5 号 −（ 65 ）−fθ

ザ発振器・ビーム伝送系等の光学的条件等々により一概にレンズそのものの光学特性を評価する指標として、透過波面は決められず、個々のレーザドリルマシンとその加工条件収差（光学的な歪み）を測定した。図 7 のように、フィゾーによって決めて行かなければならない。今回、製造した 3式干渉計に用いられる光学系を応用して、fθレンズに入射個の fθレンズについては設計値からの測定値のズレは最大するレーザ光と fθレンズを透過後に参照球面原器で反射さ7.0 ％であったが、次節に述べた加工評価において有意差れたレーザ光によって生じる干渉縞の歪み量を測定した（8）。

は認められず、いずれも良好に使用できた。

4−1

透過波面測定及び特性シミュレーション製作した 3 個の fθレンズ（A，B，C レンズ）において、スキャンミラーを振ってスキャン領域 50mm 角相当内の数点において測定した結果を図 8 に示す。3 個の fθレンズ（A，4−22 個の fθレンズ（A，B レンズ）を実装評価

実装評価をした結果を図 9（a）、（b）に示す。加工条件は

次のように、マスク転写ではなく、集光である。

B，C レンズ）の測定結果と設計結果は良く一致しており、レーザパワー： 1.5W所望の光学特性が得られている。スキャン領域 50mm 角相

周波数： 120KHz

当の透過波面収差測定値から、3 個の fθレンズ間のバラツ

照射時間

： 1ms

キは 4.6 ％であり、充分小さいと判断している。

ワーク：アルミ蒸着ガラス板（1.82mm 厚）

ここで、図 8 中の点線は、C レンズの製造実績データよ

ここでは、スキャン領域 50mm 角の中央、中間、最外位り特性をシミュレートした計算結果である。製造実績デー

置でデフォーカス量（DF）を +0.05,0,-0.05mm とした

タとは、厚さ・曲率半径等の構成レンズの測定値やディセデータを示している。スキャン領域中央でも真円の穴にンター・レンズ間隔等の組立作業時の採取値で、面精度はなっていない理由は、使用したレーザビームの特性の影響

Zernike 多項式の係数を求め、入力した。C レンズのシと推測される。デフォーカス時やミラースキャン時に、そミュレーションデータも設計値と良く一致していることの傾向を持ちながら穴の形状が少しずつ変化しているのは fは、製造が充分制御されて実施されていることを裏付けてθレンズとガルバノミラー系の特性によるものと考えられいる。

る。2 つの fθレンズの穴あけ加工結果に有意な差は認めら

設計値からのズレがどの程度までなら実際の加工で問題れないことは、前節の透過波面収差測定結果を裏付ける。

なく使用できるかについては、加工材料・加工条件やレーなお、スキャン領域中央での穴径は ø23µm である。比較のため、図 10 には従来レンズ（従来の当社設計・製造レベル）での加工実験結果を示すが、スキャン領域最外での穴の品質が良くない。この fθレンズを使用した場合には、穴品質発散
レンズ

コリメータレンズ
ビームスプリッタ

基準板
ミラーアパーチャ

レーザ光源
撮像素子

反射
球面原器

DF 0mm

DF -0.05mm

最外(25mm,25mm)

スキャンミラーfθレンズ(測定サンプル)

図7DF +0.05mm

中間(12.5mm,12.5mm)fθレンズ透過波面測定の概要

中央(0mm,0mm)（a）Aレンズ加工評価

透過波面収差（a.u.）1

DF +0.05mm
設計値
Aレンズ実測値
Bレンズ実測値
Cレンズ実測値
Cレンズ特性シミュレーション値

0.80.6

最外(25mm,25mm)

中間(12.5mm,12.5mm)

0.4
0.20DF 0mm

中央(0mm,0mm)010

図8−（ 66 ）−20304050

スキャンエリア相当位置（mm角）（b）Bレンズ加工評価

透過波面収差測定結果

図9UV レーザ用 f θレンズの開発

実装評価結果DF -0.05mm

確保のため実施する加工によっては、スキャン領域を倍波（0.532µm）用 fθレンズ等 UV レーザより波長の長30mm 角等に絞らざるを得ないことがわかる。

いものについても同様に開発・製作が可能で、今後その分最後に、図 9、図 10 の穴の位置とデフォーカス量から、野にも展開していく。

スキャン領域 50mm 角最外でのテレセントリックエラーを求めた結果を表 6 に示す。今回製作した A レンズと B レン

小径加工が可能で、ますます応用分野が拡がる短波長レーザ用 fθレンズの発展に、今後とも寄与したい。

ズの方が、従来レンズよりテレセントリック性も良好であることがわかる。なお、テレセントリックエラーの設計値は、X 方向 0.46deg，Y 方向 1.71deg であり、測定誤差を考慮するとほぼ一致していると判断される。
参DF +0.05mm

DF 0mm考文

献「第 7 章 ディフィカルトチェンジ」、2007 年度版日本実装技術ロード（1）
マップ プリント配線板技術編、社団法人 電子情報技術産業協会、
p130-284（2007）

DF -0.05mm（2）中井出ほか、「プリント配線板のレーザ高速穴あけ装置」、第 35 回
レーザ熱加工研究会誌、vol.2、No.2、p.199-206（1995）

最外(25mm,25mm)（3）北泰彦ほか、「CO2 レーザ 銅ダイレクト加工の技術動向」、第 23 回エレクトロニクス実装学会（2009）

中間(12.5mm,12.5mm)（4）荒木高志ほか、「レーザ穴あけ加工用 fθレンズの開発」、SEI テクニカ
ルレビュー、第 154 号、p89-95（1999）（5）住友電気工業、布施敬司、「レンズ及び光学系の設計方法」、特許第3006611 号（1999-11-26）

中央(0mm,0mm)（6）京谷達也ほか、「CO2 レーザ用 Mo コート放物面鏡」、住友電気、第138 号、p162-167（1991）

図 10（7）平井隆之ほか、「高出力ファイバーレーザ用放物面鏡加工ヘッドの開発」、第 71 回レーザ加工学会講演会（2008）

実装評価結果（従来レンズ）（8）平井隆之ほか、「レーザ加工用 fθレンズの透過波面測定法の確立」、
SEI テクニカルレビュー、第 175 号、p68-71（2009）

表6

実装評価結果から求めたテレセントリックエラー

今回開発したfθレンズ

A レンズ
B レンズ

従来レンズ

Ｘ方向

Ｙ方向0.80

1.400.75

1.460.32

2.83（9）成田知徳、「TSV 用レーザー・ドリリング及び薄型ウエハーのダイシング」、Proceedings xm-07-043.0 STS Japan（2007）（10）青柳裕治ほか、「UV レーザを用いた微細穴加工に関する研究」、福井工業技術センター、NO.399（2005）（単位： deg）

執5.

結筆

者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------荒木高 志＊：シニアスペシャリスト
住友電工ハードメタル㈱光学部品開発部 主幹
レーザ加工用光学部品の開発に従事

平井隆 之 ：住友電工ハードメタル㈱ 光学部品開発部 主査

言

高精度の UV レーザ用 fθレンズを製作し、その性能を透過波面収差測定と加工実験結果により確認した。この光学的評価データと、加工結果の相関をとることで、加工性能の高い fθレンズを市場に供給していくことも可能となる。
スキャン領域拡大・短焦点距離化等の高性能化について

京 谷 達 也 ：住友電工ハードメタル㈱ 光学部品開発部 部長------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者も検討中で、この際も透過波面収差測定結果を、設計へフィードバックして開発を加速させている。
UV レーザドリルは、プリント基板加工だけでなく、・グリーンシート加工・シリコンへの穴あけ加工・透明電極のスクライブ・樹脂シートの切断（10）。
等々に応用が拡がりつつある（9）、

また、YAG レーザ基本波（1.064µm）用 fθレンズ・ 2

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