DE112009003829T5

DE112009003829T5 - Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112009003829T5
Application number: DE112009003829T
Authority: DE
Inventors: Makoto Hayashi
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2012-02-09
Also published as: JP4612733B2; JP2010167491A; WO2010073465A1; US9012806B2; US20110240619A1

Abstract

Es wird eine Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung bereitgestellt, die eine stabile Mikroherstellung der Oberfläche eines großen Ziel-Verarbeitungsmaterials und einer Vergrößerung der Geschwindigkeit der Mirkoherstellung ermöglicht. Die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung umfasst eine Referenztakt-Oszillationsschaltung, die ein Taktsignal erzeugt, einen Laser-Oszillator, der einen Pulslaserstrahl synchron mit dem Taktsignal emittiert, einen Laser-Scanner, der einen Pulslaserstrahl nur in einer eindimensionalen Richtung synchron mit dem Taktsignal abtastet, eine Plattform, auf der das Ziel-Verarbeitungsmaterial platziert werden kann und die in einer Richtung bewegt wird, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist, und einen Pulswähler, der bereitgestellt wird, in einem optischen Pfad zwischen dem Laser-Oszillator und dem Laser-Scanner, und der eine Weitergabe und eine Blockierung des Pulslaserstrahls synchron mit dem Taktsignal schaltet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserverarbeitungsvorrichtung, die Laserstrahlen verwendet, insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung, die eine Mikroherstellung der Oberfläche eines Ziel-Verarbeitungsmaterials ermöglicht, das durch Pulslaserstrahlen größer gemacht wird, sowie eine Erhöhung in der Geschwindigkeit der Mikroherstellung.
Stand der Technik
In letzter Zeit werden Flachbildschirme (engl. Flat Panel Display, FPD), wie zum Beispiel ein Flüssigkristallbildschirm größer gemacht, und erfordern daher Bauelemente, in denen ein großer Bereich genau auf der Mikrometerskala oder geringer durch eine Mirkoherstellung hergestellt wird. Ferner wird eine Mikroherstellung von Gießformen (engt. Moulds) und schwierig zu schneidender Materialien mit einer genauen Form, wie zum Beispiel Platten-herstellende große Walzformen (engl. Roll Moulds), Stop-Grooves oder tiefe Mikrolinsen, die mit einer herkömmlichen mechanischen Verarbeitung schwierig herzustellen sind, verschiedentlich studiert.
Ferner ist bekannt, dass gemäß einer Ablationsverarbeitung unter Verwendung eines ultrakurzen Pulslasers mit einer Pulsbreite gleich oder geringer als eine Pikosekunde (ps) es möglich ist, ein genaues Muster gleich oder geringer als 1 μm auf, zum Beispiel, einer Metalloberfläche auszubilden. Ferner wurden verschiedene Verfahren für eine Technik vorgeschlagen, die mit dieser ultrakurzen Pulslaser-Verarbeitung die Oberfläche eines Ziel-Material bearbeitet, das aus einem Polymermaterial besteht, einschließlich einem Harz, einem Halbleitermaterial, einem Glasmaterial oder einem Metallelement (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
Wenn hier eine große Fläche durch die Laserverarbeitung, die in der Patentliteratur 1 offenbart ist mikrohergestellt wird, muss ein Ziel-Verarbeitungsmaterial, das auf einer Plattform gehalten wird, in einem großen Bereich in der zweidimensionalen Richtung der XY-Richtung bewegt und gescannt werden. Die Geschwindigkeit der Mikroherstellung in diesem Fall wird jedoch gemäß der Geschwindigkeit der Bewegung der Plattform gesteuert, und es ist daher schwierig, die Geschwindigkeit zu erhöhen. Um eine Synchronisation mit dieser langsamen Plattformbewegung herzustellen, wird darüber hinaus ein Hochgeschwindigkeitsverschluss für den Pulslaser-Strahl (im Folgenden auch „Pulslicht”) angewendet, der von einem Laseroszillator emittiert wird, und eine Pulsfrequenz (im Folgenden auch „Wiederholungsfrequenz”) wird gering moduliert.
Ferner ist eine Technik in der Laserverarbeitung bekannt, die einen vorbestimmten Bereich durch ein zweidimensionales Scannen eines Laser-Strahls in der XY-Richtung mikorherstellt, mittels zum Beispiel, einer Strahlscann-Einheit wie zum Beispiel ein Galvanometer-Scanner (siehe zum Beispiel Patentliteratur 2). Ein zweidimensionaler Scan bzw. Abtastung von Pulslicht in diesem Fall erfordert jedoch mit der neuesten Technik eine Positionierungspräzision, die gleich oder mehr als 10 μm für Bestrahlungspunkte ist, und es ist daher schwierig, eine Mikroherstellung durch Ablation unter Verwendung von Pulslaserstrahlen anzuwenden.
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische veröffentlichte Patentanmeldung 2005-118821
Patentliteratur 2: Japanische veröffentlichte Patentanmeldung 2002-160086

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts des obigen Problems und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung, die, bei der Bearbeitung unter Verwendung von Pulslaserstrahlen, eine Positionierpräzision für Bestrahlungsflecken verbessern kann und die eine stabile Mirkoherstellung einer Oberfläche eines großen Ziel-Verarbeitungsmaterials und eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Mirkoherstellung bereitstellen kann.
Lösung des Problems
Die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Referenztakt-Oszillationsschaltung, die ein Taktsignal erzeugt; einen Laser-Oszillator, der einen Pulslaserstrahl synchron mit dem Taktsignal emittiert; einen Laser-Scanner, der den Pulslaserstrahl nur in einer eindimensionalen Richtung synchron mit dem Taktsignal abtastet, eine Plattform, auf der ein Ziel-Verarbeitungsmaterial platziert werden kann, und die in eine Richtung bewegt wird, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist; und einen Pulswähler, der in einem optischen Pfad zwischen dem Laser-Oszillator und einem -Scanner bereitgestellt wird, und der zwischen einer Weitergabe und einer Blockierung des Pulslaserstrahls synchron mit dem Taktsignal schaltet.
Es wird bevorzugt, dass in dem obigen Aspekt die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung einen Korrekturmechanismus ausweist, der an eine Verarbeitungsursprungspunktposition von jeder Abtastung korrigiert, auf Grundlage eines Abtastpositionssignals von dem Laser-Scanner.
Es wird in dem obigen Aspekt bevorzugt, dass der Korrekturmechanismus eine Weitergabe und eine Blockierung des Pulslaserstrahls in dem Pulswähler auf Grundlage des Abtastpositionssignals steuert.
Es wird in dem obigen Aspekt bevorzugt, dass die Bewegung der Plattform in eine Richtung gesteuert wird, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist, auf Grundlage eines Abtastpositionssignals des Laser-Scanners.
Es wird in dem obigen Aspekt bevorzugt, dass die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung eine Strahlenformgebungsvorrichtung aufweist, die den Pulslaserstrahl formt, in einem optischen Pfad zwischen dem Laser-Oszillator und dem Laser-Scanner.
Es wird in dem obigen Aspekt bevorzugt, dass das Ziel-Verarbeitungsmaterial bearbeitet wird, durch ein alternierendes Wiederholen der Abtastung des Pulslaserstrahls in der eindimensionalen Richtung, mittels des Laserstrahl-Scanners und einer Bewegung einer Plattform in eine Richtung, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist, nach der Abtastung.
Es wird in dem obigen Aspekt bevorzugt, dass ein einzelner Abschnitt einer Oberfläche des Ziel-Verarbeitungsmaterials eine Vielzahl von Malen bearbeitet wird, durch Durchführen der Abtastung durch den Laser-Scanner und Bewegung der Plattform.
Es wird in dem obigen Aspekt bevorzugt, dass eine Oberfläche des Ziel-Verarbeitungsmaterials durch eine Ablation unter Verwendung des Pulslaserstrahls bearbeitet wird.
Es wird in dem obigen Aspekt bevorzugt, dass der Laser-Scanner einen Galvanometer-Scanner aufweist; und dass der Pulswähler einen akusto-optischen Modulator (AOM) oder einen elektrooptischen Modulator (EOM) aufweist.
Das Pulslaser-Verarbeitungsverfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ferner: Platzieren eines Ziel-Verarbeitungsmaterials auf einer Plattform; Erzeugen eines Taktsignals; Emittieren eines Pulslaserstrahls synchron mit dem Taktsignal; Abtasten des Pulslaserstrahls in einer eindimensionalen Richtung durch Schalten einer Weitergabe und einer Blockierung des Pulslaserstrahls synchron mit dem Taktsignal auf dem Ziel-Verarbeitungsmaterial; Bewegung der Plattform in einer Richtung, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist, nach Abtasten des Pulslaserstrahls in der eindimensionalen Richtung; und Abtasten des Pulslaserstrahls in der eindimensionalen Richtung, durch Schalten der Weitergabe und Blockierung synchron mit dem Taktsignal.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bei der Verarbeitung unter Verwendung eines Pulslaserstrahls möglich, die Positionierpräzision für Bestrahlungsflecken zu verbessern, und eine stabile Mirkoherstellung auf einer Oberfläche eines großen Ziel-Verarbeitungsmaterials und eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Mikrofabrikation bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Strahlabschirmvorrichtung, die in der Pulslaster-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Strahlabschirmvorrichtung, die in der Pulslaserverarbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4 ist ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung einer Abtastung durch eine Strahlabtastvorrichtung, die in der Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
5 ist ein Signalwellenformdiagramm zum Beschreiben einer Zeitsteuerung der Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Signalwellenformdiagramm zum Beschreiben einer Pulswähloperation in der Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung eines Beispiels der Projektion von Bestrahlungspulslicht der Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Bestrahlungsorts, auf den ein Bestrahlungspulslicht durch die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung projiziert wird.
9 ist ein erläuterndes Diagramm zur Darstellung eines anderen Beispiels eines Bestrahlungspunkts, auf den ein Bestrahlungspullicht durch die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung projiziert wird.
10 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Aussparungsverarbeitung durch die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Referenztakt-Oszillatorschaltung, die ein Taktsignal erzeugt, einen Laseroszillator, der einen Pulslaserstrahl synchron mit dem Taktsignal emittiert, einen Laser-Scanner, der den Pulslaserstrahl nur in einer eindimensionalen Richtung synchron mit dem Taktsignal abtastet bzw. scannt. Eine Plattform, auf der ein Ziel-Verarbeitungsmaterial angeordnet werden kann, und die das Ziel-Verarbeitungsmaterial in einer Richtung orthogonal zu der eindimensionalen Richtung bewegt, und einen Pulsauswähler, der auf einem optischen Pfad zwischen dem Laser-Oszillator und Laser-Scanner bereitgestellt wird, und der zwischen einem Durchgang und einem Blockieren eines Pulslaserstrahls synchron mit dem Taktsignal schaltet.
Gemäß der obigen Konfiguration, ist es möglich, einen Pulslaserstrahl zu emittieren, den Pulslasterstrahl abzutasten, und einen Durchgang und eine Blockierung des Pulslaserstrahls synchron mit einem einzelnen Taktsignal zu steuern. Das heißt, dass das Lasersystem und Abtastsystem in der Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung leicht und genau synchronisiert werden kann. Unter Verwendung eines Laser-Scanners für das Abtastsystem, ist es ferner möglich, die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Somit wird eine Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung realisiert, die, bei Verarbeitung unter Verwendung von Pulslaserstrahlen, eine Positionierpräzision zum Bestrahlen von Orten der Pulslaserstrahlen verbessert, und eine stabile Mikroherstellung der Oberfläche eines großen Ziel-Verarbeitungsmaterials durchführen kann, und die Geschwindigkeit der Mirkoherstellung erhöhen kann.
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm zur Darstellung eines Beispiels der Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung. Wie in 1 gezeigt, setzt eine Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration ein, die im Wesentlichen umfasst eine Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11, die ein Laster-Oszillator ist, eine Strahlabschirmvorrichtung 12, eine Strahlenformgebungsvorrichtung 13, eine Strahlabtastvorrichtung (Laser-Scanner 14), eine X-Y-Plattformbewegungsvorrichtung 15 und eine Verarbeitungssteuereinheit 16. Hier wird zum Beispiel ein Werkstück P einer großen Metallplatte, bei dem es sich um ein Ziel-Verarbeitungsmaterial handelt, auf der X-Y-Plattformbewegungsvorrichtung 15 platziert.
Ferner weist die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung 10 eine Referenztakt-Oszillationsschaltung (nicht dargestellt) auf, die ein Taktsignal erzeugt. Diese Referenztakt-Oszillationsschaltung wird zum Beispiel in der Verarbeitungssteuereinheit 16 bereit gestellt.
Die Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 oszilliert bevorzugt einen ps-Laserstrahl des ultrakurzen Pulses oder einen Femtosekunden (fs) Laserstrahl. Die Laserwellenlänge wird hier unter Berücksichtigung der optischen Absorption und optischen Reflektivität eines Ziel-Verarbeitungsmaterials ausgewählt. In dem Fall eines Ziel-Verarbeitungsmaterials, das aus einem Metallmaterial hergestellt ist, einschließlich Cu, Ni und SKD11, was ein schwierig zu schneidendes Material ist, oder Diamant, wie zum Beispiel Karbon (DLC), ist die zweite Harmonische des ND:YAG-Lasers (Wellenlänge: 532 nm) im Wesentlichen geeignet.
Mit diesem YAG-Laser wird ein Pulslicht einer vorbestimmten Pulsfrequenz von einem YAG-Stab erzeugt, was ein aktives Medium ist, mittels eines sogenannten Q-Switch. Ferner geht ein Pulslicht mit der Fundamentalwelle von 1064 nm durch einen Wellenlängen-wandelnden Kristall, wie zum Beispiel KTiOPO₄(KTP), LIB₃O₅(L₃O) und BBO(β-Ba₂O₄), und wird in die zweite Harmonische des P-polarisierten Lichts gewandelt. Ferner wird die Pulsfrequenz zum Beispiel auf ca. 50 kHz bis 500 kHz eingestellt.
In dem obigen YAG-Laseroszillator kann ein Nd:YLF-Kristall, ein ND:YVO₄-Kristall und ein Yb:YAG-Kristall sowie ein Nd:YAG-Laser für ein aktives Medium verwendet werden, das eine Fundamentalwelle erzeugt. Ferner kann ein YAG-Laseroszillator verwendet werden, der die dritte Harmonische der Fundamentalwelle (Wellenlänge: 355 nm) verwendet. Zur Reduzierung der Absorption und Dämpfung des Laserstrahls in der Luft, ist es unterdessen in diesem Fall notwendig, den Druck des optischen Pfads zu reduzieren.
Die Strahlabschirmvorrichtung 12 wird bereitgestellt auf dem optischen Pfad zwischen der Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 und der Strahlabtastvorrichtung 14. die Strahlabschirmvorrichtung 12 weist einen sogenannten Pulsauswähler (engl. Pulse Picker) auf. Durch Blockierung oder Durchgang eines Pulslaserstrahls, der bei einer konstanten Frequenz von der Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 emittiert wird, mittels eines Pulswähler-Ansteuersignals, das mit einem Taktsignal synchronisiert wird, das in der Referenztakt-Oszillationsschaltung erzeugt wird, wird ein vorbestimmter Pulslaserstrahl extrahiert. Dadurch wird die Pulsfrequenz des Pulslaserstrahls moduliert, wenn gleich die Details im Folgenden beschrieben werden.
Für einen Hochgeschwindigkeitsverschluss eines Pulslaserstrahls in dieser Strahlabschirmvorrichtung 12 wird geeignet ein akusto-optischer Modulator (AOM) verwendet, der in 2 beschrieben ist. Zum Beispiel wird eine Ultraschallwelle 19 zwischen einer Ultraschallwellen-Oszillationseinheit 17 und einer Schallwellen-Absorptionseinheit 18 erzeugt, die zum Beispiel ein piezoelektrisches Element und ein akustisches Element aufweisen. Ein Pulswähler-Ansteuersignal 32 wird hier von einer Pulswähler-Steuervorrichtung 12a an eine Ultraschallwellen-Erzeugungssteuereinheit 20 abgegeben. Ferner steuert diese Ultraschallwellen-Erzeugungssteuereinheit 20 ein EIN/AUS der Ultraschallwellen-Oszillation, und gibt eine vorbestimmte Pulsspannung, die das obige piezoelektrische Element ansteuert an die Ultraschallwellen-Oszillationseinheit ab.
Diese Strahlenabschirm-Vorrichtung 12 verwendet eine Phonon-Energie der Ultraschallwelle 19 in dem AN-Zustand der Ultraschallwellen-Oszillation auf Grundlage des obigen Pulswähler-Ansteuersignals 32 auf einen Pulslaser-Strahl PL_1, der von der Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 emittiert wird, und die Phonon-Frequenz (ω) wird auf (ω + Q) erhöht, wodurch die Wellenlänge gewandelt wird. Dann wird der Pulslaserstrahl PL_1 gebeugt und gestreut und in diesem Zustand einem Shuttering unterworfen. Somit wird die Pulsfrequenz des Pulslaserstrahls PL_1 moduliert, und, wie in 1 gezeigt, in den Pulslaserstrahl PL_2 gewandelt, und fällt auf die Strahlenformgebungsvorrichtung 13 ein.
Diese Strahlenabschirmvorrichtung 121 kann zusätzlich einen Raman-Diffraktions-Elektrooptischen-Modulator (EOM) verwenden, der Strahlen weitergibt oder beugt und streut gemäß, zum Beispiel, einem AN/AUS eines elektrischen Signals.
Die Strahlenformgebungsvorrichtung 13 weist einen Strahlerweiterer auf, der den Strahldurchmesser des einfallenden Pulslaserstrahls PL_2 mit einer bestimmten Vergrößerung erweitert. Dieser Strahlerweiterer setzt eine Konfiguration ein, bei der zum Beispiel gemeinsame zwei optische Linsen auf einem optischen Strahlpfad angeordnet sind. Der Pulslaserstrahl PL_2, der diesen Strahlerweiterer passiert hat, wird hier zu einem parallelen Licht kollimiert.
Ferner kann ein optisches Element bereitgestellt werden, das die Lichtintensitätsverteilung eines Strahlenquerschnitts uniform macht, und macht die Querschnittsform kreisförmig. Dieses optische Element kann zwei aspherische Homogenisatoren verwenden. Plankonvexe Zylindricals werden auf einem optischen Pfad angeordnet, die orthogonal zueinander sind.
Ferner kann ein optisches Element bereitgestellt werden, das einen Strahl in ein zirkular polarisiertes Licht wandelt. In einem Fall, bei dem die zweite Harmonische des YAG-Lasers ein P-polarisiertes Licht eines linear polarisierten Lichts ist, wird zum Beispiel ein P-polarisiertes Licht in ein zirkular polarisiertes Licht gewandelt, zum Beispiel durch eine ¼-Wellenlängenplatte.
Ein optisches Element oder eine Strahlenausbildungsapertur, die eine Lichtintensitätsverteilung des Strahlenquerschnitts in eine vorbestimmte Verteilung wandelt, wie zum Beispiel eine Gausssche Verteilung, kann auf einem optischen Pfad angeordnet sein. Der Pulslaserstrahl PL_3, der in einer vorbestimmten Form durch die obige Strahlenformgebungsvorrichtung 13 geformt wird, fällt auf die Strahlenabtastvorrichtung 14.
Die Strahlenabtastvorrichtung 14 setzt eine Struktur ein, die den Pulslaserstrahl PL_3 nur in der eindimensionalen Richtung (X-Achsenrichtung) bei einer konstanten Geschwindigkeit eindimensional abtastet. Als Strahlenabtastvorrichtung 14, die zur Durchführung einer eindimensionalen Strahlenabtastung geeignet ist, gibt es zum Beispiel einen Galvanometer-Scanner mit einem Achsenabtastspiegel.
Die Grundlegende Konfiguration der Strahlenabtastvorrichtung 14 einschließlich dieses Galvanometer-Scanners wird mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben. Der Galvanometer-Scanner umfasst einen Einachsen-Abtastspiegel 21 und ein Galvanometer 22, das den Pulslaserstrahl PL_3 abtastet, der total reflektiert wird, einer Rotationsvibration (Oszillation) folgend, in dem festen Beugungswinkelbereich dieses Abtastspiegels 21, in einem Winkel, der in 3 durch den Pfeil angezeigt ist. Das Galvanometer 22 weist hier zum Beispiel einen Ansteuermechanismus auf, wie zum Beispiel einen Servo-Steuermotor, der den Abtastspiegel mittels eines Feedbacks von dem Abtastwinkelsensor 24 rotiert, und das gemäß einem Ansteuersignal von der Abtaststeuereinheit 23 angesteuert und gesteuert wird.
Diese Strahlenabtastvorrichtung 14 weist den Abtastwinkelsensor 24 auf, und verwendet im Fall des Galvanometer-Scanners, eine Struktur, die die Rotationsposition des Einachsen-Abtastspiegels 21 mittels eines Dreh-Encoders erfasst. Ferner gibt der Abtastwinkelsensor 24 das erfasste Abtastwinkel-Erfassungssignal an die Abtaststeuereinheit 23 aus, zur Verwendung als das Ansteuer-Steuersignal für das Galvanometer 22, und überträgt ferner das Abtastwinkel-Erfassungssignal an die Verarbeitungssteuereinheit 16, als das Abtastwinkelsignal 34.
Der Pulslaserstrahl PL_3, der durch den obigen Einachsen-Abtastspiegel 21 reflektiert wird, passiert eine fθ-Linse 25, und wird in einen Pulslaserstrahl PL_4 gewandelt, der die Bildhöhe H = fθ aufweist, die parallel in der eindimensionalen Richtung bei einer konstanten Abtastgeschwindigkeit V abgetastet wird. Dieser Pulslaserstrahl PL_4 wird ferner, wie im Folgenden beschrieben, als Bestrahlungspulslicht projiziert, das die Oberfläche des Werkstücks W einer Mirkoherstellung unterwirft, das auf der Plattform der X-Y-Plattformbewegungsvorrichtung 15 gehalten wird.
Für diese Strahlenabtastvorrichtung 14 kann darüber hinaus ein Polygon-Scanner mit eine Polygon-Spiegel, eine Rotationssteuereinheit des Polygon-Fensters und eine fθ-Linse, ein Piezo-Scanner, der den Einachsen-Abtastspiegel mittels des piezoelektrischen Elements rotiert und vibriert, und ein sogenannter Resonanz-Scanner adäquat verschiedenartig verwendet werden.
Mit irgendeinem der obigen Laser-Scanner ist es wichtig, eine Steuerung durchzuführen, so dass eine konstante Abtastgeschwindigkeit V zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt des festen Beugungswinkelbereichs des Abtastspiegels sichergestellt wird. Das heißt, dass, wie in 4 gezeigt wird, in der Abtastfeldposition des Pulslaserstrahls PL_4 auf der Oberfläche des Werkstücks W eine Beschleunigungsperiode in dem Positionsbereich, der mit der Abtaststartposition bis zu der Abtastendposition in dem Abtastwinkelbereich des Abtastspiegels zusammenhängt, ein stabiler Bereich und eine Abtastgeschwindigkeit in dem stabilen Bereich in der Verzögerungsperiode gesteuert werden, um bei einem virtuellen V-Wert stabil zu sein.
Die X-Y-Plattformbewegungsvorrichtung 15 weist eine X-Y-Plattform, die in der XY-Richtung bewegbar ist, eine Ansteuermechanismus-Einheit der X-Y-Plattform und einen Positionssensor auf, einschließlich einem Laser-Interferometer, das die Position der X-Y-Plattform misst. Die X-Y-Plattform kann hier kontinuierlich oder schrittweise in einem breiten zweidimensionalen Bereich bewegt werden, zum Beispiel über den Abstandsbereich von ca. 1 m in der X-Richtung und der Y-Richtung. Ferner wird die Positionierpräzision und der Bewegungsfehler präzise innerhalb des Submikrons konfiguriert.
Die Verarbeitungssteuereinheit 16 weist eine integrierte Steuereinheit auf, die Steuersignale für Vorrichtungen integriert steuert, wie zum Beispiel die Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11, die Strahlenabschirmvorrichtung 12, die Pulswahl-Steuervorrichtung 12a, die Strahlabtastvorrichtung 14, und die X-Y-Plattform-Abtastvorrichtung 15. Diese Vorrichtungen (Intra-Vorrichtungs-Steuereinheiten) und die integrierte Steuereinheit weisen einen Mirkocomputer (MCU), einen Mirkoprozessor (MPU), einen digitalen Signalprozessor (DSP) und einen Halbleitespeicher auf, der mit einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet wird, und können in einen Personalcomputer eingebaut werden.
Die obige integrierte Steuerungseinheit ist konfiguriert, um Daten zu verarbeiten, die von einer Endgerät-Eingabeeinheit der Verarbeitungssteuereinheit 16 eingegeben werden (zum Beispiel eine Tastatur eines Personalcomputers), und vergibt eine Anweisung an jede Vorrichtung (Intra-Vorrichtungs-Steuereinheit). Diese eingegebenen Daten umfassen eine Wiederholungsfrequenz eines Pulslaserstrahls, eine Bestrahlungsenergie, Form und Dimension des Pulslaserstrahls, ein Pulswahl-Betriebsmuster, eine Abtastbewegungsgeschwindigkeit, und ein Bewegungsmuster der X-Y-Plattform in der X-Y-Achsenrichtung. Ferner vergibt die integrierte Steuereinheit Anweisungen zum Starten des Antriebs und zum Stoppen jeder Vorrichtung, die die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung 10 ausbilden. Ferner gibt die Verarbeitungssteuereinheit 16 verschiedene Datenelemente über eine Endgerät-Ausgabeeinheit aus.
Das obige Pulswahl-Betriebsmuster und Bewegungsmuster der X-Y-Plattform in der X-Y-Achsenrichtung werden auf Grundlage von zweidimensional verarbeiteten Daten jeder Verarbeitungsschicht bestimmt, die erhalten werden, durch eine Erweiterung (in ein dreidimensionales Bitmap) einer Volumeninformation, die für das Ziel-Verarbeitungsmaterial auf Grundlage der Einstellung der dreidimensional verarbeiteten Form, einer Bestrahlungsenergie, Form und Dimension des obigen Pulslaserstrahls verarbeitet werden. Ferner werden diese Muster als die absoluten Positionen von dem in 4 dargestellten Verarbeitungsursprungspunkt bestimmt.
Die Referenztakt-Oszillationsschaltung der Verarbeitungssteuereinheit 16 erzeugt einen Oszillationstakt (Taktsignal) 30, der an die Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 gegeben wird, auf Grundlage von Wiederholungsfrequenz-Eingabedaten eines Pulslaserstrahls. Ferner erzeugt die Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 einen Pulslaserstrahl unter Verwendung des Oszillationstaktgebers 30. Das heißt der Pulslaserstrahl wird synchron mit dem Taktsignal emittiert.
Wenn eine Verarbeitungsstartanweisung ausgegeben wird, wird der Pulslaserstrahl PL_1 durch Öffnung des eingebauten Verschlusses emittiert. Wenn somit der Pulslaserstrahl PL_1 emittiert wird, existiert der erste Puls nicht, und eine stabile Ausgabeenergie wird aufrecht erhalten.
Ferner erzeugt die Verarbeitungssteuereinheit 16 ein Verarbeitungsmustersignal 31 aus den obigen zweidimensionalen verarbeiteten Daten. Ferner versorgt die Pulswahl-Steuervorrichtung 12a die Strahlabschirmvorrichtung 12 mit dem Pulswahl-Ansteuersignal 32, das eine Synchronisation mit dem Pulslaserstrahl PL_1 durch den Oszillationstaktgeber 30 einrichtet, gemäß diesem Verarbeitungsmustersignal 31. Somit schaltet der Pulswähler zwischen einer Weitergabe und einer Blockierung des Pulslaserstrahls, synchron mit dem Taktsignal.
Ferner erzeugt die Verarbeitungssteuereinheit 16 ein Abtastanweisungssignal 33, das eine Synchronisation mit dem Oszillationstaktgeber 30 einrichtet, mit dem Start einer Abtastung durch die Strahlabtastungsvorrichtung 14. Ferner führt die Abtaststeuereinheit 23 der Strahlabtastvorrichtung 14 eine Ansteuersteuerung des Galvanometers 22 durch, wenn das obige Abtastanweisungssignal 33 empfangen wird. Dadurch führt der Laser-Scanner nur eine Abtastung des Pulslaserstrahls in der eindimensionalen Richtung synchron mit dem Taktsignal durch.
Ferner entscheidet die Verarbeitungssteuereinheit 16 einen Bewegungszeitpunkt der X-Y-Plattformbewegungsvorrichtung 15 auf Grundlage des Abtastwinkelsignals 34, das ein Abtastpositionssignal von der Strahlenabtastvorrichtung 14 ist, und erzeugt ein Plattformbewegungssignal 34 auf Grundlage der obigen zweidimensionalen verarbeiteten Daten und des obigen Bewegungszeitpunkts. Das Abtastwinkelsignal 34 in diesem Fall wird von einem Abtastwinkel-Erfassungssignal abgeleitet, das erhalten wird durch ein Erfassen in dem Abtastwinkelsensor 24 einer Verarbeitungsendposition, an der die in 4 beschriebene Verarbeitung beendet wird, oder einer Abtastendposition, an der die Scanner-Abtastung beendet wird. Ferner arbeitet die X-Y-Plattformbewegungsvorrichtung 15 als Antwort auf die Anweisung des obigen Plattformbewegungssignals 35.
Auf diese Art und Weise wird die Bewegung der X-Y-Plattform in der Richtung orthogonal zu der Abtastrichtung des Laser-Scanners gesteuert, auf Grundlage des Abtastpositionssignals des Laser-Scanners. Dadurch wird die Zeit bis zu der nächsten Abtastung reduziert, und die Geschwindigkeit der Laserstrahlverarbeitung wird weiter erhöht.
Ferner wird in der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt ein Korrekturmechanismus bereit gestellt, der die Verarbeitungsursprungsposition für jede Abtastung korrigiert, auf Grundlage eines Abtastpositionssignals von dem Laser-Scanner. Durch die Bereitstellung dieses Korrekturmechanismus ist es möglich, die Variation der Abtastgeschwindigkeit in einer Beschleunigungsperiode des Laser-Scanners (siehe 4) für jede Abtastung zu kompensieren, und dadurch eine genauere Verarbeitung durchzuführen.
Darüber hinaus kann eine Konfiguration in 1 eingesetzt werden, bei der die Verarbeitungssteuereinheit 16 auch die Strahlenformgebungsvorrichtung 13 steuert. Dies ist besonders effektiv, wenn die Strahlenformgebungsvorrichtung 13 automatisch den Strahlendurchmesser steuert oder eine Lichtintensitätsverteilung des Strahlenquerschnitts automatisch anpasst.
Als nächstes wird die Hauptoperation der Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung 10 beschrieben. In der Laserverarbeitungsoperation des Werkstücks W, steuert die Steuereinheit, die in die Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 eingebaut ist, das meiste der Laser-Oszillation, und folglich arbeitete die Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 unabhängig. Der Pulsoszillationszeitpunkt wird derweil gemäß dem obigen Oszillationstaktgeber gesteuert. Dies wird mit Bezug auf 5 beschrieben.
Der Einachsen-Abtastspiegel 21 des Galvanometers, der in 3 dargestellt ist, ist ein Beispiel eines Laser-Scanners, der ein Abtasten an der Abtaststartposition (Abtastursprungspunkt), wie in 4 beschrieben gemäß dem Abtaststartsignal startet. Zu diesem Zeitpunkt empfängt, wie in 5(a) gezeigt, die Strahlabtastungsvorrichtung 14 eine Anweisung von dem Abtastanweisungssignal 33, das, zum Beispiel, mit einem Anstieg (ein Abfall ist auch möglich) des Oszillationstaktgebers 30 synchronisiert ist, und die Abtaststeuereinheit 23 steuert den Antrieb des Galvanometers 22. Das Abtastanweisungssignal 33 unterstützt hier das XY-2-100-Protokoll, und folgt der Absolut-Abtastwinkel-Anweisung, zum Beispiel, bei 100 kHz (Ts = 10 μsec) ohne Fehler.
Darüber hinaus stellt 5(a) ein Beispiel des Abtastanweisungssignals 33 dar, das mit einem Anstieg des Oszillationstaktgebers 30 synchronisiert ist, bei Start einer Abtastung in einem Fall, bei dem die Oszillationsfrequenz eines Pulslasers 500 kHz (Tp = 2 μsec) ist, der Strahlendurchmesser des Pulslaserstrahls 16 μm ist, und die Abtastgeschwindigkeit V = 4000 mm/sec ist. Diese Operation wird jedes Mal dann durchgeführt, wenn der Pulslaserstrahl abgetastet wird.
In der Beschleunigungsperiode in 4 steuert die Abtaststeuereinheit 23 hier einen Antrieb des Galvanometers 22 gemäß dem Abtastanweisungssignal 33, so dass die Abtastgeschwindigkeit früher die stabile Abtastgeschwindigkeit V einnimmt. Zu diesem Zeitpunkt wird empirische bestätigt, dass ca. 10 μrad/p-p der Abtastwinkel-Wiederholungsreproduzierbarkeit des Einachsen-Abtastspiegels 21 unter der optimalen Bedingung in dem stabilen Bereich erhalten werden kann. Dieser Wert ist 1 μm/p-p der Abtastpositions-Reproduzierbarkeit in einem Fall, bei dem die fθ-Linse eine Brennweite von 100 mm aufweist.
Die Wiederholungsstabilität in der Beschleunigungsperiode verschlechtert sich jedoch ca. zehnfach in einer langen Abtastung, und fluktuiert daher pro Abtastung in der Verarbeitungsstartposition. Der Korrekturmechanismus korrigiert dann die Verarbeitungsursprungsposition pro Abtastung auf Grundlage des Abtastpositionssignals von dem Laser-Scanner.
Nachdem die Beschleunigungsperiode abgeschlossen ist, wenn ein ausreichend stabiler Bereich erhalten wird (empirisch, zum Beispiel, wenn die Beschleunigungsperiode zwischen 1 msec bis 1,5 msec und die fθ-Linse einen Brennpunkt von 100 mm aufweist, ist der Abtastwinkelbereich zwischen 2,3° und 3,4°) und der Abtastwinkelsensor 24 dann einen Synchronisationswinkel (θsy) erfasst, der im Voraus in 5(b) als ein Erfassungssignal eingestellt wird, ist die Differenz von dem Abtastanweisungssignal (θo: Abtastwinkel von der Abtaststartposition) die Phasendifferenz (θi) und der Abstand zu dem Verarbeitungsursprungspunkt für dieses Abtastanweisungssignal 33 wird gemäß dieser Phasendifferenz korrigiert.
Unter der Annahme, dass dieser Abstandkorrekturwert bis zu dem obigen Verarbeitungsursprungspunkt als der Referenzkorrekturwert für die erste Abtastung (i = 1) bei der Verarbeitung gespeichert wird, und die Differenz zwischen der Phasendifferenz (θn) und der Phasendifferenz (θ1) ein Abstandskorrekturwert bis zu dem Verarbeitungsursprungspunkt für die n-te Abtastung bezüglich des Abtastungsanweisungssignals der ersten Abtastung pro Abtastung von der n-ten Abtaststartposition ist, wo i = n ist, und die Verarbeitungsursprungspositionen an der ersten Abtastung und an der n-ten Abtastung werden angepasst.
Das Verarbeitungsmustersignal 31, das in 6 dargestellt wird, wird aus dem dreidimensionalen Bitmap erhalten, einschließlich Abstandsdaten von dem Verarbeitungsursprungspunkt. Wenn somit die Verarbeitungsursprungspunktposition pro Abtastung übereinstimmt, stimmt die Verarbeitungsstartposition der Verarbeitungsmusterabtastung 31 überein und das Pulswahl-Ansteuersignal 32 wird zu einem gewünschten Zeitpunkt erzeugt.
Wenn die Strahlabtastungsvorrichtung 14 einen Galvanometer-Scanner aufweist, der in 3 beschrieben ist, treibt das Abtasttaktsignal einen Servo-Steuermotor an, als ein Ansteuersignal von der Abtaststeuereinheit 23. Die Strahlabtastungsvorrichtung 14 arbeitet jedoch individuell, wodurch ein Phasenoffset erzeugt wird. Unter Verwendung eines Synchronisationswinkel-Erfassungssignals, bei dem es sich um ein Abtastpositionssignal handelt, das jedes Mal dann erzeugt wird, wenn die obige Abtastoperation wiederholt wird, werden eine Weitergabe/Blockierung des oszillierten Pulslichts und eine Abtastoperation eines Strahls synchronisiert, das heißt, dass Zeitpunkte angepasst werden, so dass es möglich ist, eine Laserverarbeitung mit einer signifikanten Stabilität durchzuführen.
Insbesondere steuert der Korrekturmechanismus zum Beispiel eine Weitergabe und eine Blockierung eines Pulslaserstrahls in einem Pulswähler auf Grundlage eines Abtastpositionssignals. Das heißt, dass auf Grundlage der Phasendifferenz, die aus dem Abtastpositionssignal zur Synchronisationspositions-(Winkel)-Erfassung der Rotationsposition des obigen Abtastspiegels erfasst wird, der Zeitpunkt eines Ansteuersignals eines Pulswählers in der Strahlenabschirmvorrichtung 12 bestimmt wird. Dadurch wird die Verarbeitungsursprungspunktposition pro Abtastung des Pulslaserstrahls korrigiert.
Anstelle dessen korrigiert der Korrekturmechanismus, zum Beispiel, die Verarbeitungsursprungsposition jedes Mal dann, wenn ein Pulslaserstrahl abgetastet wird, durch Bereitstellung eines Abstandkorrekturwerts, der aus der Phasendifferenz erhalten wird, die aus dem Abtastpositionssignal erfasst wird, an ein Abtastanweisungssignal anschließend zu einem Abtastanweisungssignal für den Laser-Scanner, als Antwort auf den Abtastwinkel θo der Abtaststartposition.
Die Pulsfrequenz des oszillierten Pulslichts wird durch die Pulswahloperation moduliert, um ein vorbestimmtes moduliertes Pulslicht zu erzeugen. Dies wird mit Bezug auf 6 beschrieben.
Wie in 6 dargestellt, wird ein oszilliertes Pulslicht, das um t1 von dem Oszillationstaktgeber 30 der Frequenz Tp verzögert ist, gemäß dem Pulswahl-Ansteuersignal 32 blockiert oder weitergegeben. Das Pulswahl-Ansteuersignal 32 wird zum Beispiel zu einem Mustersignal, das das Verarbeitungsmustersignal 31 gemäß einem Anstieg des Oszillationstaktgebers 30 abtastet, und das um t2 verzögert ist und von einem Anstieg eines Takts des Oszillationstaktgebers 30 ansteigt, und das um t3 verzögert ist und von einem Anstieg eines anderen Takts nach einer vorbestimmten Anzahl von Takten abfällt. Dann wird die Pulswahloperation der Strahlenabschirmvorrichtung 12 gemäß den Verzögerungszeiten t4 und t5 angefahren, als Antwort auf dieses Pulswahl-Ansteuersignal, und ein oszilliertes Pulslicht während dieser Operation wird als ein moduliertes Pulslicht moduliert. Die obigen Verzögerungszeiten t2, t3, t4, und t5 werden gemäß der Strahlenabschirmvorrichtung 12 eingestellt.
Wenn darüber hinaus die Strahlenabschirmvorrichtung 12 den akusto-optischen Modulator (AOM) verwendet, wie in 2 beschrieben, wird ein umgekehrtes Mustersignal des obigen Pulswahl-Ansteuersignals 32 ein Antriebssignal zum Steuern von an/aus der Oszillation in der Ultraschallwellen-Erzeugungssteuereinheit 20. Dann wird das vorbestimmte oszillierte Pulslicht gemäß dem Ansteuersignal dieses umgekehrten Musters extrahiert.
Ferner weist das Abtastpositionssignal von der obigen Strahlenabtastvorrichtung 14, zum Beispiel, das Abtastpositionssignal der Verarbeitungsendposition in der Rotationsposition des Abtastspiegels den Bewegungszeitpunkt der X-Y-Plattform-Bewegungsvorrichtung 15 an. Unter Annahme der eindimensionalen Abtastrichtung der Strahlenabtastvorrichtung 14 als die X-Achsenrichtung erfolgt eine vorbestimmte Breite der schrittweisen Bewegungen oder der kontinuierlichen Bewegungen in der Y-Achsenrichtung zu dem obigen Bewegungszeitpunkt. Anstelle dessen wird die X-Y-Plattfarm kontinuierlich oder schrittweise um einen vorbestimmten Abstand in die X-Achsenrichtung bewegt. Somit wird die Bewegung der X-Y-Plattform gemäß dem Bewegungsmuster gesteuert, das im Voraus bestimmt wird.
Jedes modulierte Pulslicht, das gemäß dem Pulswahl-Betriebsmuster, wie in 7 dargestellt, erzeugt wird, wird in einer vorbestimmten Form in der Strahlenformgebungsvorrichtung 13 geformt. Wenn dann die obige Strahlenabtastvorrichtung 14 die Position des Werkstücks P in der X-Achsenrichtung abtastet, und die X-Y-Plattform-Bewegungsvorrichtung 15 die Position des Werkstücks W in die Y-Achsenrichtung bewegt, wird eine vorbestimmte Position des Werkstücks W mit einem Bestrahlungspulslicht bestrahlt, und auf der Oberfläche des Werkstücks W wird eine genaue Mirkoherstellung durchgeführt. Die Zeitdauer jeder Pulswahloperation und das Zeitintervall von jeder Operation in dem Pulswahl-Betriebsmuster in 7 können jeweils unterschiedlich sein.
Als nächstes wird ein Pulslaser-Verarbeitungsverfahren unter Verwendung der Laserverarbeitungsvorrichtung 10 beschrieben. Gemäß dieses Pulslaser-Verarbeitungsverfahrens wird, zum Beispiel, ein Ziel-Verarbeitungsmaterial auf einer Plattform platziert, ein Taktsignal erzeugt, ein Pulslaserstrahl synchron mit dem Taktsignal emittiert, wobei der Pulslaserstrahl, der zwischen einer Weitergabe und einer Blockierung geschalten wird, synchron mit dem Taktsignal ist, und auf der Oberfläche eines Ziel-Verarbeitungsmaterials in einer eindimensionalen Richtung abgetastet wird, der Pulslaserstrahl in der eindimensionalen Richtung abgetastet wird, dann die Plattform in eine Richtung bewegt wird, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist, und der Pulslaserstrahl in der eindimensionalen Richtung abgetastet wird, durch Schalten des Pulslaserstrahls zwischen einer Weitergabe und einer Blockierung, synchron mit dem Taktsignal.
Ein spezifisches Beispiel des Pulslaser-Verarbeitungsverfahrens wird mit Bezug auf die 8 und 9 beschrieben. 8 stellt schematisch Bestrahlungsorte bzw. Bestrahlunsflecken dar, an denen die Zeitbreite und das Zeitintervall jeder Operation des Pulswahl-Betriebsmusters, das in 7 gezeigt ist, uniform gemacht werden, ein Bestrahlungspulslicht auf das Werkstück P projiziert wird, und der halbe Orts- bzw. Fleckdurchmesser des Bestrahlungspulslichts durch die Strahlenabtastvorrichtung 14 in der X-Achsenrichtung abgetastet wird.
Hier werden sechs Bestrahlungsflecken ausgebildet und der Abtastabstand in die X-Achsenrichtung ist Xp. Wenn dann die Strahlenabtastvorrichtung 14 eine Abtastung in die X-Achsenrichtung durchführt, werden vergleichbare Bestrahlungsflecken wiederholt von den separierten Positionen von X1 auf dem Werkstück W ausgebildet. Eine erforderliche Anzahl von Bestrahlungsflecken wird automatisch bestimmt. Obwohl das Licht des Fleckens in 8 als ein wahrer Kreis dargestellt wird, wird darüber hinaus das Licht dieses Fleckens in eine andere Form geändert, wie zum Beispiel eine Ellipse, gemäß der Form des Strahlenquerschnitts. Diese Fleckendurchmesser sind zum Beispiel zwischen ca. 10 μm und 60 μm.
Wenn ferner der Startpunkt und der Endpunkt passiert werden, die den Abtastbereich (Abtastfeld) ausbilden, wo die Strahlenabtastvorrichtung 14 (nicht dargestellt) verwendet werden kann, wird die X-Y-Plattform um einen vorbestimmten Abstand in die X-Achsenrichtung wenn nötig bewegt, wie oben beschrieben. Ein Bestrahlungsflecken wird in einem benachbarten Feld vergleichbar ausgebildet. Intervalle zwischen benachbarten Abtastfeldern kann unterdessen 0 und kontinuierlich sein.
Wenn, wie in 9 dargestellt, die erste Abtastung beendet ist, die ein Bestrahlungspulslicht in der obigen X-Achsenrichtung projiziert, wie in 8 dargestellt, wird als nächstes die X-Y-Plattform schrittweise bewegt, zum Beispiel, um einen Abstand, der mit der Hälfte des optischen Fleckendurchmessers in der Y-Achsenrichtung zusammenhängt, von der Startposition des Bestrahlungsfleckens in der X-Achsenrichtung, wie in 8 dargestellt. Durch Wiederholung der gleichen Abtastung, wie in 8 dargestellt, werden jeweilige Bestrahlungsflecken durch Durchführen einer zweiten, dritten und vierten Abtastung ausgebildet. Somit werden vier Bestrahlungsflecken in der Y-Achsenrichtung ausgebildet, und der Abstand ist Yp. Eine erforderliche Anzahl von Bestrahlungsflecken wird automatisch bestimmt.
Wenn darüber hinaus die obige erste Abtastung bis vierte Abtastung in dem Bereich zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt der Rotationsposition des Abtastspiegels in der Strahlenabtastvorrichtung 14 durchgeführt werden kann, wird eine Rasterabtastung effektiv in einer Richtung oder bidirektional verwendet.
In einem Zustand, in dem eine Pulswahloperation nicht durchgeführt wird, wird ferner die X-Y-Plattform, die das Werkstück W hält, um einen Bewegungsabstand Y1 in die Y-Achsenrichtung bewegt. Von der Bewegungsposition dieses Bewegungsabstands Y1, wird vergleichbar die fünfte Abtastung bis achte Abtastung durchgeführt, um Bestrahlungsflecken auszubilden. Durch die Bewegung der X-Y-Plattform um einen Bewegungsabstand Y2 in der Y-Achsenrichtung, wird ferner die neunte Abtastung vergleichbar durchgeführt, von der Bewegungsposition des Bewegungsabstands Y2, um Bestrahlungsflecken auszubilden.
Wenn das Bestrahlungs-Pulslicht projiziert wird, wie oben beschrieben, überlappen die Hälfte der Durchmesser der Bestrahlungsflecken in der X-Richtung und der Y-Richtung. Durch die Durchführung einer Abtastung in der X-Achsenrichtung durch einen Laser-Scanner und die Anpassung einer schrittweisen Bewegung der X-Y-Plattform in der Y-Achsenrichtung, ist es möglich, den Grad der Überlappung zu ändern. In diesem Fall wird der Grad der Überlappung eingestellt unter Berücksichtigung einer Lichtintensitätsverteilung des Strahlenquerschnitts des Bestrahlungs-Pulslichts.
Wenn das obige Bestrahlungs-Pulslicht projiziert wird, wird eine Ablationsverarbeitung auf die Oberfläche des Werkstücks B an einem Bestrahlungsflecken von jedem Bestrahlungs-Pulslicht angewendet. Durch Wiederholung der Projektion von Bestrahlungspulslicht für eine vorbestimmte Anzahl in der ersten bis zwölften Abtastung, die in 9 dargestellt ist, ist es ferner möglich, eine Aussparungsverarbeitung der Oberfläche des Werkstücks F durchzuführen, das aus einer Metallplatte besteht.
10 stellt schematisch ein Beispiel der Aussparungsverarbeitung dar, und 10(a) ist eine Draufsicht der Aussparungsverarbeitung, und 10(b) ist ein Querschnitt aus Sicht eines A-A-Pfeils. Wie in 10 gezeigt, werden eine Vielzahl konkaver Abschnitte 26 ausgebildet, die mit den Projektionsflächen des Bestrahlungs-Pulslichts zusammenhängen, das in 9 beschrieben ist. Die Dimensionen dieser konkaven Abschnitte werden hier auf Grundlage eines Bestrahlungsfleckdurchmessers und einer Lichtintensitätsverteilung eines Strahlenquerschnitts zusätzlich zu der Anzahl von Bestrahlungsflecken bestimmt. Die vorbestimmte Anzahl zur Wiederholung der Projektion des obigen Bestrahlungs-Pulslichts wird adäquat gemäß dem Material des Werkstücks B eingestellt (insbesondere gemäß der optischen Absorption und der optischen Reflektivität), sowie der Verarbeitungsform einer Wellenlänge des Pulslichts, einer Pulsbreite und einer Intensität des Pulslichts.
Es wird tatsächlich bestätigt, dass die obige Aussparungsverarbeitung für die Verarbeitung für die Oberfläche des Werkstücks W angewendet werden kann, das aus einem Cu-Material, einem Ni-Material, einem DLC-Material und einem SKD11 besteht. Die Projektion eines Bestrahlungspulslichts, wie oben beschrieben, bearbeitet die Oberfläche des Werkstücks W in einer willkürlichen Form, durch einen flexible Erzeugung eines Pulswahl-Betriebsmusters und der Steuerung einer vorbestimmten Anzahl zur Wiederholung der Projektion des Bestrahlungs-Pulslichts.
Es wird zum Beispiel bestätigt, dass, unter Verwendung der zweiten Harmonischen des ND:YAG-Lasers für die Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11, genaue V-Gräben oder R-Gräben mit mehreren 10 μm tiefe und Öffnungsbreite auf der Oberfläche des Werkstücks W einer Cu-Platte bearbeitet werden können. Ferner wird die Bearbeitung einer Gussform für Mirkolinsen mit mehreren 10 μm Durchmesser bestätigt. Darüber hinaus ist die Mirkofabrikation auf der 1 μm-Skala leicht und eine Verarbeitung auf der Sub-μm-Skala kann durch Reduzierung der Wellenlänge des Pulslichts auch durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es ferner möglich, die Oberfläche eines Ziel-Verarbeitungsmaterials zu bearbeiten, das aus einem Polymer-Material besteht, einschließlich einem Harz, einem Halbleitermaterial oder einem Glasmaterial.
Als nächstes wird ein modifiziertes Beispiel der obigen Ausführungsform erläutert. Es wird eine Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung in diesem modifizierten Beispiel beschrieben, die ferner eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Laserverarbeitung des Werkstücks W ermöglicht. Die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung kann zum Beispiel eine Struktur verwenden, die eine Vielzahl von Pulslaserstrahl-Erzeugungsquellen und optischen Strahlsystemen aufweist, die mit der Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11, der Strahlenabschirmvorrichtung 12, der Strahlenformgebungsvorrichtung 13 und der Strahlenabtastvorrichtung 14, wie in 1 dargestellt, ausgebildet sind, und die ein Bestrahlungs-Pulslicht von einer Vielzahl von Pulslaserstrahl-Erzeugungsquellen und optischen Strahlsystemen steuert und projiziert, auf die Oberfläche eines Werkstücks W, das auf der X-Y-Plattform-Bewegungsvorrichtung 15 gehalten wird. Mit dieser Laserverarbeitungsvorrichtung, steuert die Verarbeitungssteuereinheit 16 kollektiv alle Pulslaserstrahl-Erzeugungsquellen und optischen Strahlensysteme, wie für die Pulslaser-Verarbeitungseinheit 10 beschrieben.
Anstelle dessen, kann die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung eine Struktur einsetzten, die den Pulslaserstrahl PL_4 von der Strahlenabtastvorrichtung 14 verzweigt, in eine Vielzahl von optischen Wegen, mittels einer Vielzahl von optischen Strahlteilern (engl. Splitter), und die das Bestrahlungs-Pulslicht auf unterschiedliche Bereiche auf der Oberfläche des einen Werkstücks W projiziert. Diese Verarbeitungsvorrichtung muss die Lichtintensität des oszillierten Pulslichts, das von der Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 emittiert wird, erhöhen, gemäß der obigen Anzahl optischer Pfade, die verzweigt werden.
Anstelle dessen kann die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung eine Struktur einsetzten, in der ein diffraktives optisches Element (DOE) in den optischen Pfade zwischen der Strahlabtastungsvorrichtung 14 und der X-Y-Plattform-Bewegungsvorrichtung 15 dazwischen gestellt wird. In diesem Fall kann das obige diffraktive optische Element (DOE) gemäß einem elektrischen Signal gesteuert werden, und der Pulslaserstrahl PL_4 kann auf unterschiedliche Bereiche der Oberfläche des Werkstücks W projiziert werden.
Anstelle dessen kann die Pulslaserverarbeitungsvorrichtung eine Struktur einsetzten, in der jede Steuereinheit, die als die obige Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11, die Strahlenabschirmvorrichtung 12, die Strahlenabtastvorrichtung 14 und die X-Y-Plattform-Bewegungsvorrichtung 15 beschrieben wurde, in der Verarbeitungssteuereinheit 16 integriert ist.
Anstelle dessen kann die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung 14 eine Struktur einsetzten, die einen Mechanismus zum Blockieren eines Strahls verwendet, nur während sich die X-Y-Plattform bewegt, anstelle des Pulswählers wie die Strahlenabschirmvorrichtung 12.
Die Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform projiziert ein Bestrahlungs-Pulslicht auf das Werkstück W, um die zweidimensionale Oberfläche eines Ziel-Verarbeitungsmaterials zu bearbeiten, durch ein Abtastung in die X-Achsenrichtung mittels eines eindimensionalen abtastenden Laser-Scanners und der Bewegung der X-Y-Plattform in die Y-Achsenrichtung. Ferner wird ein Bestrahlungspulslicht, das auf die Oberfläche eines Ziel-Verarbeitungsmaterials projiziert wird, gemäß einem Pulswahl-Betriebsmuster flexibel gesteuert.
Gemäß der Pulslaserverarbeitung synchron mit einem einzelnen Taktsignal, das in einer Referenztakt-Oszillationsschaltung erzeugt wird, werden ferner die Emission eines Pulslaserstrahls, die Abtastung des Pulslaserstrahls und die Weitergabe und Blockierung des Pulslaserstrahls gesteuert. Die Positionierpräzision für Bestrahlungs-Flecken, die auf der Oberfläche eines Ziel-Verarbeitungsmaterials projiziert werden, wird folglich signifikant verbessert.
Ferner wird zum Beispiel ein Korrekturmechanismus bereitgestellt, der die Verarbeitungsursprungsposition pro Abtastung korrigiert auf Grundlage eines Abtastpositionssignals von dem Laser-Scanner, so dass es möglich ist, die Positionierpräzision für Bestrahlungsflecken zu verbessern.
Ferner wird die Bewegung der Plattform, auf der ein Werkstück platziert ist, in einer Richtung gesteuert, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist, auf Grundlage eines Abtastpositionssignals eines Laser-Scanners, so dass es leicht ist, die Geschwindigkeit der Operation zu erhöhen, und die Operation zu stabilisieren.
Ferner wird die Ablation unter Verwendung eines ultrakurzen Lasers, wie zum Beispiel ein ps-Laserstrahl, und eines fs-Laserstrahls leicht so dass es möglich ist, eine thermische Verformung eines Ziel-Verarbeitungsmaterials so weit wie möglich zu unterdrücken. Es ist folglich möglich, einen thermischen Einfluss aufgrund einer Pulslaserbestrahlung auf einem Verarbeitungsmaterial bei der Verarbeitung zu reduzieren. Folglich ist es möglich, eine genaue Form stabil zu bearbeiten.
Es werden somit eine Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung und ein Pulslaser-Verarbeitungsverfahren realisiert, die, bei der Bearbeitung unter Verwendung von Pulslaserstrahlen, die Positionierpräzision für Bestrahlungsflecken verbessert und eine stabile Mikroherstellung der Oberfläche eines großen Ziel-Verarbeitungsmaterials durchzuführen, und die Geschwindigkeit der Mirkoherstellung erhöht.
Obwohl eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurde, limitiert die obige Ausführungsform keinesfalls die vorliegende Erfindung. Der Durchschnittsfachmann kann spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschiedentlich modifizieren und ändern, ohne von einer technischen Idee und einem technischen Bereich abzuweichen.
Mit einer Steuerung auf Grundlage eines Abtastpositionssignals von der Strahlenabtastvorrichtung 14, kann das Signal ferner von einer Rotationsposition erfasst werden, die sich von einer Rotationsposition des obigen Einachsen-Abtastspiegels unterscheidet. Ein Signal von einem Rotationsansteuermechanismus, der sich von der obigen Rotationsposition unterscheidet, kann anstelle verwendet werden.
Ferner kann die X-Y-Plattform-Bewegungsvorrichtung 15 eine Struktur einsetzten, die eine Rolle in der Rotationsachse anstelle der X-Y-Plattform aufweist.
Für die Pulslaser-Oszillationsvorrichtung 11 kann ferner eine Einheit verwendet werden, die, zusätzlich zu einem YAG-Laser, einen Einzelwellenlängenband-Laser oder einen Mehrfachwellenlängenband-Laser emittiert, die adäquat ausgewählt werden, in Abhängigkeit von einem Ziel-Verarbeitungsmaterial.
Bezugszeichenliste

10: Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung
11: Pulslaser-Oszillationsvorrichtung
12: Strahlenabschirmvorrichtung
12a: Pulswahl-Steuervorrichtung
13: Strahlenformgebungsvorrichtung
14: Strahlenabtastvorrichtung
15: X-Y-Plattform-Bewegungsvorrichtung
16: Verarbeitungssteuereinheit
17: Ultraschallwellen-Oszillationseinheit
18: Schallwellen-Absorptionseinheit
19: Ultraschallwelle
20: Ultraschallwellen-Erzeugungssteuereinheit
21: Einachsen-Abtastspiegel
22: Galvanometer
23: Scanner-Steuereinheit
24: Abtastwinkelsensor
25: Fθ-Linse
26: Konkaver Abschnitt
27: PL_1, PL_2, PL_3, PL_4 Pulslaserstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-118821 [0006]
JP 2002-160086 [0006]

Claims

Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung, umfassend: eine Referenztakt-Oszillationsschaltung, die ein Taktsignal erzeugt; einen Laser-Oszillator, der einen Pulslaserstrahl synchron mit dem Taktsignal emittiert; einen Laser-Scanner, der den Pulslaserstrahl nur in einer eindimensionalen Richtung synchron mit dem Taktsignal abtastet; eine Plattform, auf der ein Ziel-Verarbeitungsmaterial platziert werden kann, und die sich in eine Richtung bewegt, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist; und einen Pulswähler, der bereitgestellt ist, in einem optischen Pfad zwischen dem Laser-Oszillator und dem Laser-Scanner, und der zwischen einer Weitergabe und einer Blockierung des Pulslaserstrahls synchron mit dem Taktsignal schaltet.
Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Korrekturmechanismus, der eine Verarbeitungsursprungspunktposition für jede Abtastung korrigiert, auf Grundlage eines Abtastpositionssignals von dem Laser-Scanner.
Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Korrekturmechanismus eine Weitergabe und eine Blockierung des Pulslaserstrahls in dem Pulswähler auf Grundlage des Abtastpositionssignals steuert.
Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Bewegung der Plattform in eine Richtung gesteuert wird, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist, auf Grundlage eines Abtastpositionsignals des Laser-Scanners.
Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Strahlenformgebungsvorrichtung, die den Pulslaserstrahl formt, in einem optischen Pfad zwischen dem Laser-Oszillator und dem Laser-Scanner.
Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ziel-Verarbeitungsmaterial bearbeitet wird, durch eine alternierende Wiederholung der Abtastung des Pulslaserstrahls in der eindimensionalen Richtung, mittels des Laserstrahl-Scanners und einer Bewegung einer Plattform in eine Richtung orthogonal zu der eindimensionalen Richtung, nach der Abtastung.
Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein einzelner Abschnitt einer Oberfläche des Ziel-Bearbeitungsmaterials eine Vielzahl von Malen bearbeitet wird, durch Durchführung der Abtastung durch den Laser-Scanner und eine Bewegung der Plattform.
Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche des Ziel-Verarbeitungsmaterials durch eine Ablation unter Verwendung des Pulslaserstrahls bearbeitet wird.
Pulslaser-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laser-Scanner einen Galvanometer-Scanner umfasst, und der Pulswähler einen akusto-optischen Modulator (AOM) oder einen elektrooptischen Modulator (EOM) umfasst.
Pulslaser-Verarbeitungsverfahren, umfassend: Platzieren eines Ziel-Verarbeitungsmaterials auf einer Plattform; Erzeugen eines Taktsignals; Emittieren eines Pulslaserstrahls synchron mit einem Taktsignal; Abtasten des Pulslaserstrahls in einer eindimensionalen Richtung, durch Schalten einer Weitergabe und einer Blockierung des Pulslaserstrahls synchron mit dem Taktsignal auf einer Oberfläche des Ziel-Verarbeitungsmaterials; Bewegen der Plattform in einer Richtung, die orthogonal zu der eindimensionalen Richtung ist, nach Abtastung des Pulslaserstrahls in der eindimensionalen Richtung; und Abtasten des Pulslaserstrahls in der eindimensionalen Richtung, durch Schalten der Weitergabe und der Blockierung, synchron mit dem Taktsignal.