JP2004066293A

JP2004066293A - レーザ加工方法

Info

Publication number: JP2004066293A
Application number: JP2002228311A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Koito; 小糸　繁之
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2004-03-04
Also published as: WO2004016387A1; EP1535698A1

Abstract

【課題】加工中に発生する加工除去物質の被加工物からの除去を促進し、加工性能を高めることのできるレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【解決手段】超短パルスレーザ光Ｌが透過する被加工物２に対して超短パルスレーザ光Ｌを被加工物２の一方側（前面２ａ）から照射する。照射された超短パルスレーザ光Ｌが被加工物２の一方側（前面２ａ）を透過して他方側（後面２ｂ）で集光させ、他方側（後面２ｂ）の面あるいは面近傍から被加工物２を加工する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工方法にかかり、特に超短パルスレーザにより被加工物を加工するレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ加工方法は、被加工物に対してレーザを集光・照射することにより、高エネルギーを与えて被加工物の加工を行っていた。しかし、レーザを透過する被加工物（例えば、石英ガラス等の透明な被加工物や、ある特定の波長のレーザが透過する可視光では非透明な被加工物等）であると、パルス時間の長いパルスレーザや連続発振レーザを照射しても、レーザが被加工物を透過するためエネルギーが吸収されず、加工することは困難であった。
【０００３】
近年、レーザ加工方法に、パルス時間幅が１フェムト秒以上１ピコ秒以下の超短パルスレーザ（フェムト秒レーザ）を用いれば、レーザが透過してしまう被加工物であっても、多光子吸収プロセスによりレーザが集光した部分で被加工物を加工できる技術が開発されている。この超短パルスレーザを用いたレーザ加工方法で、被加工物に穴を形成する場合には、被加工物の前面（レーザ装置と対向する面）でレーザが集光するように被加工物の前面側からレンズによりレーザを集光し一定時間被加工物の前面から照射させて、加工を行うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した超短パルスレーザを用いたレーザ加工方法であると、穴の形成方向とレーザの照射方向とが同方向となる。図６に示すように、穴Ｈ２の形成方向（矢印Ｓ２）とレーザの照射方向（矢印Ｉ２）とが同方向であると、レーザＬ２によって発生したプラズマＰ２による圧力方向（矢印Ｐ３）とレーザの照射により発生する加工除去物質の飛散方向（矢印Ｍ２）とが対立し、加工除去物質の飛散が妨害される。これにより、図の矢印Ｄ２のように加工除去物質が穴Ｈ２の内部に残留してしまい、後のレーザ照射による加工の妨げとなるため、例えば穴を形成する場合にはアスペクト比（穴の深さと径の比）の高い穴Ｈ２を形成することができなかった。
【０００５】
また、形成された穴は、レーザの照射方向に近づくほど径の大きい穴、つまりテーパ形状となってしまう。テーパ形状とならない穴は、大抵の場合、ドリルを用いることにより形成可能であるが、被加工物との磨耗によるドリルの消耗や、加工時間がかかる、という問題がある。例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）に直径φ５００μｍの穴を形成する場合には、その加工速度は０．０５ｍｍ／ｓ程度である。
【０００６】
本発明の課題は、加工中に発生する加工除去物質の被加工物からの除去を促進し、加工性能を高めることのできるレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、
超短パルスレーザが透過する被加工物に対して前記超短パルスレーザを前記被加工物の一方側から照射し、照射された前記超短パルスレーザが前記被加工物の一方側を透過して他方側で集光し、前記他方側の面あるいは面近傍から前記被加工物を加工することを特徴としている。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、被加工物の他方側で集光した超短パルスレーザにより被加工物が加工されるので、被加工物は前記他方側から加工が開始されることとなる。被加工物に凹みを形成する場合には、前記他方側で集光した超短パルスレーザの集光地点を、被加工物の内部に向かうように、被加工物に対して相対的に移動させて加工を行う。この加工で発生する加工除去物質は、レーザの照射に形成された凹みから発散し易い方向、つまり発生位置から被加工物の外部に向かって飛散する。一方、レーザの照射によって発生するプラズマは、常にレーザが照射されている加工部分に存在するため、結果として加工除去物質の飛散方向の上流側に位置することになる。従って、プラズマの発生により生じる圧力の方向と加工除去物質の飛散方向とがほぼ一致するので、プラズマにより加工除去物質の飛散は促進され、加工された凹み内部への加工除去物質の残留を防止することができる。したがって、加工性能を向上させることができる。
【０００９】
本発明でいう「レーザが透過する被加工物」とは、例えば、石英ガラス等の透明な被加工物や、ある特定の波長のレーザが透過する可視光では非透明な被加工物等であり、レーザ光を完全に透過する、つまりレーザ光に対する吸収が全くないものに限らず、吸収係数α＜１の物質を含んだ意味である。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザ加工方法において、
前記他方側で集光した前記超短パルスレーザを前記被加工物の前記他方側から前記一方側に向かうように、前記被加工物に対して相対的に移動させて前記被加工物に穴を形成することを特徴としている。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、他方側で集光した超短パルスレーザが被加工物の他方側から一方側に向かうように、集光した超短パルスレーザを被加工物に対して相対的に移動させて被加工物に穴を形成する。このため穴が深くなっても加工除去物質の飛散が促進されているので、従来のように被加工物の前面側から加工を開始した場合よりも深い穴、つまり高アスペクト比の穴を形成することができる。特に、ドリルなどを用いた機械加工等と比較して、短時間で高アスペクト比の穴を形成することができる。
【００１２】
また、残留した加工除去物質の影響をほとんど受けないため、テーパ状でない、すなわち円筒状の穴を形成することができる。
また、超短パルスレーザでは熱的影響の少ない加工が行えるために、被加工物の穴の内周部分への光学損傷も少なく、機械研磨や熱処理等の後処理の必要のない穴を形成することができる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２記載のレーザ加工方法において、
超短パルスレーザが透過する被加工物が、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を主成分とする材料であることを特徴としている。
ここで、本発明の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を主成分とする材料」とは、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）単独の材料だけでなく、各種のドーパント等、他の物質を含有する材料も含まれることを意味している。例えば、「酸化アルミニウム」は、ドーパントを含むチタンサファイヤ、ルビー、サファイヤ等　も含む。「二酸化珪素（ＳｉＯ_２）」は石英（結晶）、石英ガラスを含む。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、他方側で集光した超短パルスレーザが被加工物の他方側から加工、例えば凹みを形成する、あるいは、他方側から一方側に向かうように、集光した超短パルスレーザを被加工物に対して相対的に移動させて被加工物に穴を形成するため、従来では加工が困難であった二酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を主成分とする材料に対しても、後処理の必要のない精度の高い加工を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５の図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明に係るレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の実施形態を示したもので、このレーザ加工装置１は、レーザ装置４が照射した超短パルスレーザ光（パルス時間幅が１フェムト秒以上１ピコ秒以下のパルスレーザ：以下レーザ光Ｌと記載）をステージ３上で固定された被加工物２に対して、被加工物２の前面２ａ側（一方側）から照射し、被加工物２を後面２ｂ（他方側）から加工するものである。
レーザ装置４と被加工物２の間には、レーザ装置４により照射されたレーザ光Ｌを前記前面２ａ側から集光するレンズ５が設けられている。このレンズ５に対して、ステージ３が、モータ等のステージ駆動部６によってレーザＬの光軸方向（矢印Ａ）に沿って移動させられることで、被加工物２とレンズ５とが相対的に移動させられる。これらレーザ装置４とステージ駆動部６は、制御装置７によって加工条件に適するように制御されている。
【００１７】
次に、レーザ加工装置を用いた本発明のレーザ加工方法について図２を参照にして説明する。ここで、被加工物２は、レーザ装置４から照射されるレーザ光Ｌが透過するものであれば如何なるものでもよく、本実施の形態では、被加工物２として板状の透明な石英ガラスを用いている。
【００１８】
制御装置７は、レーザ加工を開始するタイミングになると、図２（ａ）に示すように、レンズ５による集光地点Ｆが被加工物２の後面２ｂ側（他方側）となるように、ステージ駆動部６を制御してステージ３を駆動させる。そして、制御装置７は、レーザ装置４を制御してレーザ光Ｌを被加工物２に向けて照射させる。
【００１９】
そして、制御装置７は、レーザ光Ｌを照射させたままで、被加工物２が所定の速度（加工速度）で後方（図２では右側）へと移動するようにステージ３を制御する。これにより、レンズ５で集光されたレーザ光Ｌの集光地点Ｆは、被加工物２に対して相対的に被加工物２の後面２ｂ側から前面２ａ側に向かって移動することとなる。この移動によって、集光地点Ｆが被加工物２の後面２ｂに位置すると、被加工物２のこの部分には、集光地点Ｆで集光されたレーザ光Ｌによって多光子吸収プロセスが生じて加工除去され、図２（ｂ）に示すように、被加工物２に対して穴Ｈの形成が行われる。
【００２０】
その後ステージ３の移動に伴って、図２（ｃ）に示すように、レンズ５で集光されたレーザ光Ｌにより穴Ｈが深く形成されていき、集光地点Ｆが被加工物２の前面２ａ側に位置すると図２（ｄ）に示すように、穴Ｈが被加工物２を貫通する。
ここで、穴Ｈの形成時には、図３に示すように、穴Ｈの形成方向（矢印Ｓ１）とレーザの照射方向（矢印Ｉ１）とが逆方向となり、レーザＬによって発生したプラズマＰにより発生した圧力の方向（矢印Ｐ１）と加工除去物質の飛散方向（矢印Ｍ１）とが穴Ｈの形成方向とは逆の方向を向くこととなる。また、穴Ｈの形成時においては、レーザによって発生するプラズマは、常にレーザが照射されている加工部分に存在するため、結果として加工除去物質の飛散方向の上流側で発生するので、プラズマＰの圧力により加工除去物質の飛散が加勢される（矢印Ｄ１）。つまり、プラズマＰによって加工除去物質の飛散が促進されることになり、アスペクト比の高い穴Ｈを形成することが可能となる。
【００２１】
また、穴Ｈが被加工物２を貫通するまでは、加工除去物質は後方（２ｂ側）に向かって、つまりレンズ５が配置された方向とは逆の方向に向かって飛散する。これにより、飛散した加工除去物質がレンズ５に付着することを防止することができる。
また、超短パルスレーザでは熱的影響の少ない加工が行えるために、被加工物の穴の内周部分への光学損傷も少なく、機械研磨や熱処理等の後処理の必要のない穴を形成することができる。
このように、本発明の加工方法は、従来のドリル等の加工に比べて、加工時間を大幅に短縮することができるうえ、ドリル加工と同程度の加工性を有するものである。
【００２２】
さらに、本発明の加工方法は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を主成分とする材料を被加工物として使用することもできる。これらの、被加工材料としては硬度が大きく、加工が困難な材料に対しても、超短パルスレーザ光を使用し、さらに、上記加工方法を用いることにより、短時間で高精度の加工を行うことができる。
これらの材料は、その硬度が大きいことから加工は困難である反面、工業用品としての需要やその用途、及び、利用価値も大きいものである。
【００２３】
このように、高アスペクト比で、かつ、光学的損傷の少ない加工が可能であるため、ダイス、精密部品のガイド、あるいは、近年化学などの分野で用いられているμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｔｏｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ）等の流路の形成等、様々な分野に用いられる物品の形成に、本発明のレーザ加工方法を適用することができる。
【００２４】
次に本発明者による実験の結果について説明する。
この実験では、本発明を適用したレーザ加工方法と従来のレーザ加工方法とで、それぞれ被加工物に穴を形成している。
【００２５】
［実験１］
実験１では、本発明を適用したレーザ加工方法によって大気中で被加工物に穴を形成した。
本実験１の各条件は以下に示す。なお、実験１で用いたレーザ装置４は、超短パルスレーザを照射するフェムト秒レーザ装置を用いている。
・中心波長　　　　　約　８００ｎｍ
・パルス幅　　　　　約　１５０〜２００　ｆｓ
・繰り返し周波数　　１ｋＨｚ
・出力　　　　　　　２００ｍＷ
・レンズ　　　　　　×５の対物レンズ
・被加工物　　　　　石英ガラス
・加工速度　　　　　１００μｍ／ｓ
である。
【００２６】
そして、上記したレーザ加工方法で石英ガラスＧ１にレーザ光Ｌを照射して、図４に示すように深さ３．２ｍｍの穴ｈ１を形成した。図４に示すような内径の一様な穴を形成できた。
【００２７】
［実験２］
実験２では、従来のレーザ加工方法によって被加工物に穴を形成した。
ここで、従来のレーザ加工方法も上記したレーザ加工装置１によって実行される。具体的には、制御装置７は、レンズ５の集光地点Ｆが被加工物２の前面２ａに配置されるように、ステージ駆動部６を制御してステージ３を駆動した後その位置で固定する。そして、制御装置７は、レーザ装置４を制御して、レーザ光Ｌを被加工物２に向けて照射する。
そして、制御装置７は、レーザ光Ｌの照射を所定の時間（照射時間）行い、被加工物２に穴を形成する。
【００２８】
本実験２の各条件は以下に示す。なお、実験２で用いたレーザ装置４についても、超短パルスレーザを照射するフェムト秒レーザ装置を用いている。
・中心波長　　　　　約　８００ｎｍ
・パルス幅　　　　　約　１５０〜２００　ｆｓ
・繰り返し周波数　　１ｋＨｚ
・出力　　　　　　　５９０ｍＷ
・レンズ　　　　　　ｆ＝４０のレンズ
・被加工物　　　　　石英ガラス
・照射時間　　　　　１０ｓ、３０ｓ、６０ｓ、３００ｓ、６００ｓ
である。
【００２９】
そして、上記した従来のレーザ加工方法で、照射時間を１０ｓ、３０ｓ、６０ｓ、３００ｓ、６００ｓと異ならせて石英ガラスＧ２にレーザ光Ｌを照射し、複数の穴ｈ２〜ｈ６を形成する。
ここで、照射時間と形成された複数の穴ｈ２〜ｈ６についての結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１に示すように、形成された穴の深度について、従来の方法により形成された複数の穴ｈ２〜ｈ６は、照射時間が異なるにも関わらず深度が全て０．７８５ｍｍと同じであり、深度の深い穴を形成するのが困難であることがわかる。一方、本発明の加工方法で形成した穴は、３．２ｍｍであり、この穴ｈ１の形成のために照射した時間は、３２秒である。このように、本発明の加工方法は、短時間で、従来に比べてはるかに深度の深い穴を形成することができる。
また、複数の穴ｈ２〜ｈ６は、図５に示すように、いずれの穴ｈ２〜ｈ６も先方に向かって内径が小さくなるテーパ状の穴となっている。
このように、実験２ではいずれの穴ｈ２〜ｈ６もテーパ状に形成されているのに対して、実験１では図４に示すように、テーパ状でない円筒状の穴を被加工物に形成していることがわかる。このように、本発明を適用したレーザ加工方法であれば、円筒状の穴を形成することが可能となる。従って、本発明の加工方法により、高アスペクト比の穴ｈ１を形成することが可能となる。
【００３２】
尚、実験２において、レンズにｆ＝４０のレンズを使用したのは、実験１と同様に対物レンズを使用すると、形成される穴がほとんど測定不能な程小さいためである。
【００３３】
なお、本発明は上記実施の形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、本実施の形態では、被加工物２として石英ガラスを例示して説明したが、被加工物２はレーザ光Ｌが透過する物質であれば如何なるものでもよく、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）等を主成分とする材料を用いることができる。この他にも、レーザ光Ｌが透過する物質や、ある特定の波長のレーザが透過する可視光では非透明な物質に対しても、本発明の加工方法を適用することができる。
また、本実施の形態では、被加工物２を移動させることで、被加工物２とレンズ５とを相対的に移動させていたが、被加工物２を移動させなくてもレンズ５を移動させて、両者を相対的に移動させる構成であってもよい。
また、本実施の形態では、大気中でレーザ加工装置１を使用する場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば真空中でレーザ加工装置１を使用してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、被加工物は他方側から加工が開始されため、被加工物に凹みを形成する場合には、他方側で集光した超短パルスレーザを、被加工物の内部に向かうように被加工物に対して相対的に移動させて加工を行う。この加工で発生する加工除去物質は、凹みの開口から被加工物の外部に向かって飛散する。一方、レーザによって発生するプラズマは、常に加工除去物質の上流側に位置することとなる。つまり、プラズマの圧力方向と加工除去物質の飛散方向とがほぼ一致するので、プラズマにより加工除去物質の飛散は促進され、加工された凹み内部からの加工除去物質の除去を促進することができる。したがって、レーザ加工方法の加工性能を高めることができる。
【００３５】
請求項２記載の発明によれば、穴が深くなっても加工除去物質の飛散は妨害されることなく、従来のように被加工物の前面側から加工を開始した場合よりも深い穴、つまり高アスペクト比の穴を形成することができる。特に、ドリルなどを用いた機械加工等と比較して、短時間で高アスペクト比の穴を形成することができる。
特に、従来のレーザ加工方法で穴を形成した場合には、入口部分が径の大きいテーパ状の穴になってしまっていたが、この発明では、プラズマが加工除去物質の飛散を促進し、加工除去物質が加工に与える影響も少なく、円筒状の穴を形成することができる。
【００３６】
また、超短パルスレーザでは熱的影響の少ない加工が行えるために、被加工物の穴の内周部分が光学損傷をうけることを抑えることができ、機械研磨や熱処理等の後処理の必要のない穴を形成することができる。
さらに、加工に要する時間も従来のドリル等の加工に比べて、大幅に短縮することができる。
【００３７】
請求項３記載の発明によれば、他方側で集光した超短パルスレーザが被加工物の他方側から加工、例えば凹みを形成する、あるいは、他方側から一方側に向かうように、集光した超短パルスレーザを被加工物に対して相対的に移動させて被加工物に穴を形成するため、従来では加工が困難であった二酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を主成分とする材料に対しても、後処理の必要のない精度の高い加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ加工方法により加工を行うレーザ加工装置の概念構成説明図である。
【図２】図１のレーザ加工装置で被加工物に穴が形成される際の形成手順を表す説明図である。
【図３】図１のレーザ加工装置で穴が形成される際の加工除去物質とプラズマとの関係を表した説明図である。
【図４】実験１で被加工物に形成された穴を表す説明図である。
【図５】実験２で被加工物に形成された穴を表す説明図である。
【図６】従来のレーザ加工方法で穴が形成される際の加工除去物質とプラズマとの関係を表した説明図である。
【符号の説明】
２　　　被加工物
Ｌ　　　レーザ光（超短パルスレーザ光）

Claims

超短パルスレーザが透過する被加工物に対して前記超短パルスレーザを前記被加工物の一方側から照射し、照射された前記超短パルスレーザが前記被加工物の一方側を透過して他方側で集光し、前記他方側の面あるいは面近傍から前記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
請求項１記載のレーザ加工方法において、
前記他方側で集光した前記超短パルスレーザを前記被加工物の前記他方側から前記一方側に向かうように、前記被加工物に対して相対的に移動させて前記被加工物に穴を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
請求項１又は請求項２記載のレーザ加工方法において、
超短パルスレーザが透過する被加工物が、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を主成分とする材料であることを特徴とするレーザ加工方法。