JP2000317668A - レーザー加工方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 調整が複雑な光学部品を使用しても、光軸に
対して垂直な面内において均一なエネルギー密度の分布
を持った高出力のレーザービームを形成することが困難
であり、このようなレーザービームをワークに照射する
ための特別な工夫が必要である。 【解決手段】 レーザービーム１１をワーク１５の表面
に照射し、このワーク１５の表面を加工する装置であっ
て、レーザービーム１１が入射するマイクロレンズアレ
イ１８と、このマイクロレンズアレイ１８を通過したレ
ーザービームのエネルギー密度を所定の空間位置２１で
その光軸に対して所定の空間位置の垂直な面上で所定形
状でほぼ均一化するためのビーム合成用レンズ２０とを
具える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザービームを
ワークの表面に照射し、その表面層を除去または改質す
るためのレーザー加工方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属，木材，ガラス，半導体などの表面
の塗料などの付着形成物や、酸化物などの加工変質層を
除去する場合、これらのワーク表面に高エネルギーのレ
ーザービームを照射することにより、付着形成物や加工
変質層などを蒸発させてワークの表面を清浄化すること
が行われている。

【０００３】このようなレーザー加工に用いられるレー
ザービームは、通常、その光軸に対して垂直な面内にお
いて円形であり、これをシリンドリカルレンズでほぼ線
状に集光し、長楕円形のビームスポットに変換してい
る。ただし、固体レーザー発振器であっても、光軸に対
して垂直な面内における断面形状が矩形のレーザービー
ムを出力可能なスラブ型レーザーや気体のエキシマレー
ザーの場合には、シリンドリカルレンズを用いてビーム
スポットを容易に線状または矩形に変換可能である。

【０００４】かかるレーザー加工の原理を図４に示し、
そのＶ−Ｖ矢視構造を図５に示す。すなわち、図示しな
いレーザー発振器からのレーザービーム１１をシリンド
リカルレンズ１２を用いて線状あるいは長楕円形状に変
換し、さらにビーム照射用レンズ１３によって長楕円形
状のビームスポット１４に縮小あるいは拡大してワーク
１５の表面に照射している。ただし、実際のレーザービ
ーム１１は完全に平行ではあり得ないので、それに応じ
てビームスポット１４の大きさが決まる。この場合、シ
リンドリカルレンズ１２に入射するレーザービーム１１
の光軸１６に対して垂直な面内におけるエネルギー密度
は、一般的に中心部のエネルギー密度が高くなったガウ
ス正規分布に準じているため、上述した長楕円形のビー
ムスポット１４における長手方向のエネルギー密度の相
違がさらに強調され、ビームスポット１４の長手方向両
端部のエネルギー密度が極端に低いものとなる。矩形断
面のレーザービームが得られるエキシマレーザー発振器
を用いた場合には、このような問題はないが、レーザー
ガスの劣化という問題があり、時間的な変動が空間的に
発生してエネルギー密度の変動に与えるばらつきの影響
がさらに大きくなる傾向を持つ。

【０００５】上述したようにして、ワーク１５の表面に
照射されるビームスポット１４は、そのエネルギー密度
分布の一例を模式的に表す図６に示すように、レーザー
ビーム１１の光軸に対して垂直な面内において、その中
心で最大となり（図では、レーザー発振器から出射した
レーザービーム１１のエネルギー密度の最大値を１とし
ている）、半径方向外側ほど少なくなるガウス正規分布
に準じたエネルギー密度を一般的に持っている。このた
め、レーザービーム１１をシリンドリカルレンズ１２に
よって長楕円形状のビームに変換し、この長楕円形状の
ビームのエネルギー密度を拡大あるいは縮小するビーム
照射用レンズ１３によって形成されるビームスポット１
４とワーク１５との相対位置を調整し、これをワーク１
５に照射することが一般的に行われている。

【０００６】また、ビームスポット１４の一部を重複し
てワーク１５に照射することによる加工精度や加工能率
の低下を避けるべく、レーザービーム１１の光軸１６に
対して垂直な面内でのエネルギー密度を均一化したビー
ムスポット１４をワーク１５に照射するようにした技術
も知られている。具体的には、ルーフプリズム対やミラ
ー対を利用したり、アクシコンレンズ（一種の円錐プリ
ズム）などを用い、レーザービーム１１を空間的にその
中心部Ａと一対の周縁部Ｂ，Ｃとの領域に分割し（図６
参照）、一対の周縁部Ｂ，Ｃにおけるレーザービーム１
１の伝播方向を逆に切り換えた状態でこれら３つの領域
Ａ〜Ｃを図７に示すように重畳させ、合成されたエネル
ギー密度を図中の実線で示すように約１０％（ただし、
理想的なガウス正規分布を理想的に重畳した場合）のば
らつき範囲内で均一化させ、これをワーク１５に照射す
ることが考えられている。

【０００７】このほか、レーザービーム１１をカライド
スコープの内部に集光させ、このレーザービームの波
面、つまりレーザービーム１１の進行方向をランダムに
乱すことにより、カライドスコープから出射するレーザ
ービームの強度を均一化させる方法も知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】高エネルギーのレーザ
ービームを用いたワークの表面層に対する加工は、レー
ザービームのエネルギー密度がレーザー発振器の種類に
よって相違するのが普通であり、このエネルギー密度に
よってワークに対する加工状態が変化してしまう不具合
がある。すわなち、エネルギー密度が高すぎる場合には
ワークの表面層のみならず、その内側の加工が望ましく
ない箇所まで加工がなされたり、逆にエネルギー密度が
低すぎる場合には、ワークの表面層を完全に加工するこ
とができず、再度加工を繰り返す必要が生ずる。

【０００９】また、レーザービームのエネルギー密度の
不均一性に基づき、レーザービームの一部を重複してワ
ークに照射することは、処理能力の低下を招くばかり
か、例えば放射性物質を含むワークなどでは、放射性付
着物を巻き込む可能性があり、そのための後処理をさら
に行う必要が生ずるおそれがある。

【００１０】ルーフプリズム対やミラー対を用いてレー
ザービームのエネルギー密度を均一化する場合、レーザ
ービームの光軸に対して垂直な面内で２組のルーフプリ
ズム対やミラー対を直交させる必要があり、これらの光
軸調整が非常に面倒である上、レーザービームのエネル
ギー密度分布が光軸を中心として正確に対称となってい
る必要がある。アクシコンレンズを用いてレーザービー
ムのエネルギー密度を均一化する場合には、光軸調整の
問題は少なくなるが、レーザービームのエネルギー密度
分布が光軸を中心として正確に対称となっている必要が
あるという点で同じである。

【００１１】特に、図６に示すような理想的なガウス分
布に近いエネルギー密度を持ったレーザービームは、低
出力レーザー発振器において得られているのが現実であ
り、本発明で用いようとする高出力レーザー発振器では
ほとんど不可能である。つまり、高出力レーザー発振器
は、そのほとんどがマルチモード発振となるため、レー
ザビームのエネルギー密度分布がその光軸に対して非対
称となったり、エネルギー密度分布の最大密度近傍にお
けるばらつきの幅が広くなっている場合が多く、現実問
題としてエネルギー密度を例えば１０％以下のばらつき
に均一化することができない。

【００１２】また、カライドスコープを用いてレーザー
ビームのエネルギー強度を均一化する場合、カライドス
コープ内部でのレーザービームの集光が必要条件である
ので、それによるカライドスコープを構成する光学部品
の損傷を招くおそれがあり、高いエネルギー密度を有す
るレーザー加工に適用することは困難である。

【００１３】

【発明の目的】本発明の目的は、調整が複雑な光学部品
を使用することなく、光軸に対して垂直な面内において
均一なエネルギー密度を有する高出力のレーザービーム
を形成し、これをワークに照射することが可能なレーザ
ー加工方法およびその装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の形態は、
レーザービームをワークの表面に照射し、このワークの
表面を加工する方法であって、マイクロレンズアレイと
ビーム合成用レンズとを用いてレーザービームのエネル
ギー密度をその光軸に対して所定の空間位置の垂直な面
上でほぼ均一化するステップを具えたことを特徴とする
ものである。

【００１５】また、本発明の第２の形態は、レーザービ
ームをワークの表面に照射し、このワークの表面を加工
する方法であって、透過型回折格子を用いてレーザービ
ームのエネルギー密度をその光軸に対して所定の空間位
置の垂直な面上でほぼ均一化すると共にこのレーザービ
ームを所定形状に変換するステップを具えたことを特徴
とするものである。

【００１６】一方、本発明の第３の形態は、本発明の第
１の形態を実現し得るものであり、レーザービームをワ
ークの表面に照射し、このワークの表面を加工する装置
であって、レーザービームが入射するマイクロレンズア
レイと、このマイクロレンズアレイを通過したレーザー
ビームのエネルギー密度を所定の空間位置でその光軸に
対して垂直な面上で所定形状でほぼ均一化するためのビ
ーム合成用レンズとを具えたことを特徴とするものであ
る。

【００１７】本発明の第３の形態によると、レーザービ
ームがマイクロレンズアレイを通過する際、このマイク
ロレンズアレイによってレーザービームが分割され、さ
らにビーム合成用レンズによってこれらが相互に重畳さ
れた状態となり、マイクロレンズアレイに入射前のレー
ザービームのエネルギー密度の分布状態が矯正され、所
定の空間位置においてその光軸に対して垂直な面上で所
定形状となってほぼ均一化される。そして、この均一化
された空間位置にワークを相対移動させることにより、
ワーク表面に対する加工が行われる。

【００１８】また、本発明の第４の形態は、上述した本
発明の第２の形態を実現し得るものであり、レーザービ
ームをワークの表面に照射し、このワークの表面を加工
する装置であって、レーザービームのエネルギー密度を
所定の空間位置でその光軸に対して垂直な面上でほぼ均
一化して所定形状にするための透過型回折格子を具えた
ことを特徴とするものである。

【００１９】本発明によると、レーザービームが透過型
回折格子を通過する際、この透過型回折格子による回折
現象によってレーザービームが相互干渉を起こして透過
型回折格子に入射前のレーザービームのエネルギー密度
の分布状態が矯正され、所定の空間位置においてその光
軸に対して垂直な面上で所定形状となってほぼ均一化さ
れる。そして、この均一化された空間位置にワークを相
対移動させることにより、ワーク表面に対する加工が行
われる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の第１の形態によるレーザ
ー加工方法において、ビームスポット形状が矩形であっ
てもよい。

【００２１】本発明の第１または第２の形態によるレー
ザー加工方法において、ワークの表面の加工が、このワ
ークの表面層の除去または改質であってもよい。

【００２２】本発明の第３の形態によるレーザー加工装
置において、マイクロレンズアレイが矩形の凹レンズま
たは凸レンズを整列状態で配列したものであってもよ
い。

【００２３】本発明の第４の形態によるレーザー加工装
置において、透過型回折格子が多階層形であってもよ
い。

【００２４】本発明の第３または第４の形態によるレー
ザー加工装置において、所定の空間位置において合成さ
れたレーザービームを拡大または縮小するためのビーム
照射用レンズをさらに具えるようにしてもよい。

【００２５】

【実施例】本発明によるレーザー加工方法を実現し得る
レーザー加工装置の実施例について、図１〜図３を参照
しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施例
に限らず、これらをさらに組み合わせたり、この明細書
の特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含され
るべき他の技術にも応用することができる。

【００２６】本発明のレーザー加工装置においては、そ
の原理を表す図１に示すように、図示しない高出力レー
ザー発振器から出射するレーザービーム１１は、ビーム
ホモジナイザ１７により、所定の空間位置においてその
光軸１６に対して垂直な面内にてエネルギー密度が均一
化されると共に光軸１６に対して垂直な面における形状
が矩形などの所定形状の合成ビーム２１が形成され、こ
の合成ビーム２１がビーム照射用レンズとしての集光レ
ンズ１３により集光され、最終的な所定形状のビームス
ポット１４となってワーク１５の表面に照射され、ワー
ク１５とビームスポット１４との相対移動によりワーク
１５の表面層に対する加工が行われる。

【００２７】なお、図１中の破線は、所定の空間位置に
おける合成ビーム２１に対する集光レンズ１３による結
像光線の軌跡を表す。

【００２８】ただし、ワーク１５の加工形態やレーザー
ビーム１１の出力によっては、集光レンズ１３に代えて
拡散レンズなどをビーム照射用レンズとして使用するこ
とも可能であり、均一化された合成ビーム２１のフルエ
ンスが適度であれば、集光レンズ１３や拡散レンズなど
を使用せず、ビームホモジナイザ１７によって形成され
る合成ビーム２１をそのままワーク１５の表面に照射す
るようにしてもよい。

【００２９】ビームホモジナイザ１７としてマイクロレ
ンズアレイとビーム合成用レンズとを用いた本発明の一
実施例の概念を図２に示す。すなわち、本実施例におけ
るマイクロレンズアレイ１８は、それぞれ矩形の微小な
平凹レンズ（マイクロレンズ）１９を整列状態で形成し
た一辺が１０mmから４０mm程度の矩形の板状をなしてお
り、個々の平凹レンズ１９はそれぞれ開口数が非常に小
さく設定されており、極めて深い焦点深度をそれぞれ有
する。

【００３０】図示しないレーザー発振器からのレーザー
ビーム１１は、マイクロレンズアレイ１８に入射してそ
れぞれ分散されるが、ビーム合成用レンズ２０によって
これらが重畳するように所定の空間位置において矩形の
合成ビーム２１に合成される結果、この合成ビーム２１
はほぼ均一なエネルギー密度となる。この場合、マイク
ロレンズアレイ１８に入射するレーザービーム１１の形
状（光軸に対して垂直な面内での形状）が円形や矩形で
あっても、そのエネルギー密度を均一化することが可能
である。また、マイクロレンズアレイ１８の一辺の大き
さが１０mm程度の場合、個々の平凹レンズ１９の大きさ
を１mm角程度に設定しても、得られるエネルギー密度分
布を１０％程度のばらつきに抑えことができる。また、
上述した平凹レンズ１９に代えて矩形の平凸あるいは両
凸レンズにてマイクロレンズアレイ１８を構成しても、
基本的な作用は同じである。

【００３１】ちなみに、上述したエネルギー密度のばら
つき（％）は、ある領域内でのエネルギー密度の最大値
をＨ，最小値をＬとした場合、（Ｈ−Ｌ）×１００／Ｈ
で表される。

【００３２】本実施例では、図１に示した集光レンズ１
３を使用せず、直接、ワーク１５の表面にビーム合成用
レンズ２０からの合成ビーム２１を照射するようにして
いるが、先にも述べたように、必要に応じて集光レンズ
１３や拡散レンズを使用してもよい。また、上述した実
施例では、ビームホモジナイザ１７としてビーム合成用
レンズ２０と共にマイクロレンズアレイ１８を使用した
が、このマイクロレンズアレイ１８に代えて透過型回折
格子を利用することも可能である。

【００３３】このような本発明によるレーザー加工装置
の他の実施例の概念を図３に示すが、先の実施例と同一
機能の部材にはこれと同一符号を記すに止め、重複する
説明は省略するものとする。すなわち、レーザービーム
１１が入射する透過型回折格子２２は、レーザー発振器
から発振されるレーザビーム１１に対応して設計するこ
とか可能であり、本実施例では表面からの深さが１種類
の凹部を形成した２階層形のものを採用しているが、エ
ネルギー密度の均一性を高めるためには、複数種の凹部
を持つ多階層形の透過型回折格子を採用することも可能
である。このような透過型回折格子２２は、レーザービ
ーム１１の形状の如何に拘らず、この透過型回折格子２
２から出射するレーザービーム１１の形状を任意に変換
することができ、このレーザービーム１１が凹部を通過
する際に位相差による相互干渉を起こし、所定の空間位
置においてエネルギー密度の均一な回折ビームとなって
所定形状の合成ビーム２１を形成するが、これを必要に
応じて集光レンズや拡散レンズなどを用い、拡大あるい
は縮小するようにしてもよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明によると、マイクロレンズアレイ
とビーム合成用レンズとを用い、所定の空間位置におい
てレーザービームのエネルギー密度をその光軸に対して
垂直な面上でほぼ均一化すると共に所定形状でワークの
表面に照射するようにしたので、ワークの表面層を均一
に除去することができる上、高出力のレーザー発振器を
使用して効率の良い加工を行うことが可能となり、表面
層に対するグレージング，アニーリング，アロイング，
硬化，ゲッタリングなどの改質処理も良好に行うことが
できる。

【００３５】所定の空間位置における合成ビームの形状
を矩形にした場合には、ワークに対するレーザービーム
の照射量をさらに均一化させることができる上に加工効
率を向上させることができる。

【００３６】本発明によると、透過型回折格子を用い、
所定の空間位置においてレーザービームのエネルギー密
度をその光軸に対して垂直な面上でほぼ均一化すると共
にこのレーザービームを所定形状に変換し、これをワー
クの表面に照射するようにしたので、ワークの表面層を
均一に除去することができる上、高出力のレーザー発振
器を使用して効率の良い加工を行うことが可能となり、
表面層に対するグレージング，アニーリング，アロイン
グ，硬化，ゲッタリングなどの改質処理も良好に行うこ
とができる。

【００３７】矩形のマイクロレンズによってマイクロレ
ンズアレイを構成した場合には、レーザービームの光軸
に対して垂直な面内において矩形の合成ビームを容易に
形成することができ、しかも装置全体の製造コストを抑
制することができる。

【００３８】透過型回折格子を多階層形にした場合に
は、レーザービームのエネルギー密度分布の如何に拘ら
ず、エネルギー密度をより確実に均一にすることがで
き、これによって最高強度の合成ビームをワークに照射
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザー加工装置の概念図であ
る。

【図２】図１に示したビームホモジナイザの一実施例の
概念図である。

【図３】ビームホモジナイザの他の実施例の概念図であ
る。

【図４】シリンドリカルレンズを使用した従来のレーザ
ー加工装置の概念図である。

【図５】図４中のＶ−Ｖ矢視図である。

【図６】レーザービームの光軸に対して垂直な面内での
エネルギー密度分布の一例を表すグラフである。

【図７】図６に示したレーザービームのエネルギー密度
分布を均一化させた場合の一例を表すグラフである。

【符号の説明】

１１ レーザービーム １２ シリンドリカルレンズ １３ 集光レンズ １４ ビームスポット １５ ワーク １６ 光軸 １７ ビームホモジナイザ １８ マイクロレンズアレイ １９ 平凹レンズ ２０ ビーム合成用レンズ ２１ 合成ビーム ２２ 透過型回折格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沼田 忍 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 AC00 AH00 CA01 CD05 CD08 CD14

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザービームをワークの表面に照射
   し、このワークの表面を加工する方法であって、 マイクロレンズアレイとビーム合成用レンズとを用いて
   レーザービームのエネルギー密度をその光軸に対して所
   定の空間位置の垂直な面上でほぼ均一化するステップを
   具えたことを特徴とするレーザー加工方法。
2. 【請求項２】 ビームスポット形状が矩形であることを
   特徴とする請求項１に記載のレーザー加工方法。
3. 【請求項３】 レーザービームをワークの表面に照射
   し、このワークの表面を加工する方法であって、 透過型回折格子を用いてレーザービームのエネルギー密
   度をその光軸に対して垂直な面上でほぼ均一化すると共
   に所定の空間位置でこのレーザービームを所定形状に変
   換するステップを具えたことを特徴とするレーザー加工
   方法。
4. 【請求項４】 ワークの表面の加工が、このワークの表
   面層の除去または改質であることを特徴とする請求項１
   から請求項３の何れかに記載のレーザー加工方法。
5. 【請求項５】 レーザービームをワークの表面に照射
   し、このワークの表面を加工する装置であって、 レーザービームが入射するマイクロレンズアレイと、 このマイクロレンズアレイを通過したレーザービームの
   エネルギー密度を所定の空間位置でその光軸に対して垂
   直な面上で所定形状でほぼ均一化するためのビーム合成
   用レンズとを具えたことを特徴とするレーザー加工装
   置。
6. 【請求項６】 前記マイクロレンズアレイは、整列状態
   で配列する矩形のマイクロレンズを有することを特徴と
   する請求項５に記載のレーザー加工装置。
7. 【請求項７】 レーザービームをワークの表面に照射
   し、このワークの表面を加工する装置であって、 レーザービームのエネルギー密度を所定の空間位置でそ
   の光軸に対して垂直な面上でほぼ均一化して所定形状に
   するための透過型回折格子を具えたことを特徴とするレ
   ーザー加工装置。
8. 【請求項８】 前記透過型回折格子は、多階層形である
   ことを特徴とする請求項７に記載のレーザー加工装置。
9. 【請求項９】 前記所定の空間位置において合成された
   前記レーザービームを拡大または縮小するためのビーム
   照射用レンズをさらに具えたことを特徴とする請求項５
   から請求項７の何れかに記載のレーザー加工装置。