JP2005210037A - 高速度フェムト秒レーザー加工装置および加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
高繰り返しフェムト秒レーザー装置を用いて高速で正確な加工ができる加工装置及び方法を提供する。
【解決手段】
フェムト秒レーザー装置と、フェムト秒レーザーを集光光学系まで導く光学的手段と、レーザーと加工対象物の相対位置を複数軸で移動させる手段を有し、前記加工対象物の表面又は内部に、１００μｍ以下のライン又はスポット加工を、２０Ｊ／ｃｍ^２以下のフルエンスで、１秒間あたり１００００回以上のパルス照射によって行うレーザー加工装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明はフェムト秒レーザーを用いたレーザー加工装置及び該レーザー加工装置を用いたレーザー加工方法であり、特に加工に必要な高出力を維持し、１ｋＨｚ以上の繰り返しを実現させる装置及び加工方法に関する。

近年フェムト秒レーザーを用いた加工は加工精度及び加工品質が高いことから微細加工を必要とする分野において重要な技術である。例えば半導体表面の微細加工や自動車等に使用される噴射ノズルなどはμｍのオーダーの加工精度が必要である。さらに加工表面の滑らかさや加工によるデブリの発生を防止することなど、非常に高品質な加工が要求される。このような加工のためにフェムト秒レーザー加工法が開発された。しかしながら、従来のレーザー加工では加工速度を増加させるために、レーザーを複数台使用し、互いに同期をとり交互に出力させていたがこれは複雑になるためコストがかかり、しかも動作が不安定となる。あるいは多点同時照射を行う方法ではスループットが低下し品質が劣化する。また、いわゆるラインフォーカシング法では線状に集光することによりライン状に加工できるが品質劣化が生じる問題がある。
特表平９−５１１６８８

一般にフェムト秒レーザー加工はデブリなどが発生しないと考えられているが、パルスエネルギー又は照射フルエンスが所定の値を超えると熱による応力の発生、微小なクラック、デブリが発生することを本発明の発明者等は発見した。さらにスキャン加工において走査速度が速いと未加工領域が顕著に現れることも見出し、穴開け加工ではパルスエネルギーが０．１μＪ〜２００μＪでスポットを１００μ以下に集光することにより穴周辺に汚れを発生させない加工ができることを見出した。また穴開け加工においては１秒間当たりのレーザーパルス発振数が多いほど加工速度を高めることができる。このような加工を行うためには１０μＪ以上のパルスエネルギーを有し、１秒間当たり１００００ショット以上が必要であるが、このようなレーザー装置がないのが現状である。

上述の問題に鑑み本発明は、フェムト秒レーザー装置と、集光光学系と、フェムト秒レーザーを集光光学系まで導く光学的手段と、レーザーと加工対象物の相対位置を複数軸で移動させる手段を有し、前記加工対象物の表面又は内部に、１００μｍ以下のライン又はスポット加工を、２０Ｊ／ｃｍ^２以下のフルエンスで、１秒間あたり１００００回以上のパルス照射によって行うことのできるレーザー加工装置を提供する。この装置により高品質の加工を行うことができる。

前記加工対象物は、これらに限定されるわけではないが、例えば、金属、半導体、ガラス、セラミック、金属薄膜、合金、絶縁体、誘電体である。発明の好ましい実施形態に拠れば、前記フェムト秒レーザー装置は、シードレーザーから発生したフェムト秒レーザー光を、レーザー媒質を包含した増幅器で増幅する増幅器を有し、該増幅器は、励起レーザーからなる。前記増幅器はチャープパルス増幅方式による増幅器であるのが好ましい。

またこのような装置において、フェムト秒レーザー増幅器は、レーザー結晶の熱レンズ効果を能動的に補償して安定なビームとパルスを出力する光学的手段であり、例えば、レーザー結晶の熱レンズ効果を能動的に補償する位相共約鏡又はディフォーマブルミラーを用いたレーザー反射鏡と、レーザー増幅媒質とを有し、波長４８０〜５５０ｎｍの励起光によりチタンサファイア結晶を励起するものである。クライオスタットを用いて、レーザー結晶を零下１００℃以下に冷却するものであってもよい。

増幅光のモードボリュームを励起ボリュームより小さくし、熱レンズの不均一効果を減じて安定なビーム品質とパルスを出力する光学的手段である上記のようなレーザー加工装置を提供することができる。これによって高繰り返しのパルスを発生させることができる。またフェムト秒レーザーを集光光学系まで導く光学的手段は、反射ミラーを複数用い、またはマルチモードファイバを用いてフェムト秒レーザーを伝送する装置を用いることができる。このマルチモード光ファイバを用いる際はフェムト秒レーザーのパルスフルエンスを３０Ｊ／ｃｍ^２以下に制限し、繰り返し数を１０ｋＨｚ以上にすることにより、平均出力の低下を抑えることができる。前記フェムト秒レーザー装置は、シードレーザー、励起レーザー、フェムト秒レーザー増幅器、パルス幅制御機構を有するものであっても良い。

本発明は、このような装置を用いた加工方法として、フェムト秒レーザー装置と、フェムト秒レーザーを集光光学系まで導く光学的手段と、レーザーと加工対象物の相対位置を複数軸で移動させる手段により、加工対象物の表面又は内部に、１００μｍ以下のライン又はスポット加工を、２０Ｊ／ｃｍ^２以下のフルエンスで、１秒間あたり１０,０００回以上のパルス照射によって行う方法を提供する。このような加工方法ではさらにパルス幅が８００ｆｓ以下、パルス繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上、パルスフルエンスが２０Ｊ／ｃｍ^２以下のフェムト秒レーザーを照射することが効果的である。また照射フルエンスを２０Ｊ／ｃｍ^２以下に制限し、パルス照射の繰り返し数を１０ｋＨｚ以上で加工することによって上述の課題を解決することができる。このような装置及び方法による加工の対象となる材料は、不透明材料及び透明材料であり、これらに限定されるわけではないが、材料がセラミック、結晶、多結晶、アモルファス、自動車部品、ガラス部品、高分子材料、半導体材料のうちの何れかであり、例えば、自動車部品、ガラス部品、高分子材料、半導体材料のいずれかである。さらに照射するレーザー光の波長は１００ｎｍから１１０００ｎｍである。

以下に図を用いて本発明を説明する。図１は本発明のフェムト秒レーザー装置であり（ａ）はレーザー光が位相共役ミラーで反射する前、（ｂ）は反射後を示した図である。本発明のフェムト秒レーザー装置は入力フルエンスが２０Ｊ／ｃｍ^２以下であり繰り返し数は１０ｋＨｚ以上であるため、レーザー結晶４の熱レンズ効果によりレーザー光の波面１が該結晶４を通過する際に歪み２をうける。この波面の歪みを打ち消すために位相共役ミラー５を使用する。このとき位相共役ミラー５の代わりにディフォーマブルミラーを使用しても良い。このように反射した光は波面が整形された出力光３となる。

また、他の方法としてレーザー結晶を冷却する方法がある。冷却にはクライオスタットなどを用いる。図２にレーザー結晶を冷却した状態の装置を示す。該結晶４は冷却用のホルダ６に搭載されており、該ホルダ６は熱交換装置７と接続され例えば液体窒素、液体ヘリウム等で前記結晶を冷却する。よって冷却温度は零下１００度Ｃ以下である。この場合熱レンズ効果によって波面１が歪むことなく、安定したビーム及びパルスを取り出すことができる。増幅光のモードボリュームを励起ボリュームより小さくし、熱レンズの不均一効果を減少させることにより、安定したビームおよびパルスを取り出すことができる。

このように発生させたフェムト秒レーザーを加工に用いるために光ファイバーによりワーク（加工対象物）へ伝送する。このとき用いる光ファイバはマルチモード光ファイバであり、該光ファイバを通過するレーザーのパルスフルエンスは３０Ｊ／ｃｍ^２以下、繰り返し数は１０ｋＨｚ以上である。このように出力することによってレーザー光の平均出力の低下を防ぐことができる。

次に本発明のフェムト秒レーザーによるレーザー加工方法を説明する。上述のように本発明におけるフェムト秒レーザー装置は光ファイバを用いており、したがってレーザー光は光ファイバを通過できる出力に制限されるため、上記記載のように平均出力の低下を防ぐために繰り返し数を大きくしている。繰り返し数を大きくすることによる利点を次に説明する。図３（ａ）はスキャン速度が大きいときの加工であり（ｂ）は適切なスキャン速度の場合のライン加工である。（ａ）ではスキャン速度が速いためフェムト秒レーザー装置２０から出力される１つのパルスと次のパルスの間にワーク８がスポット径以上の距離を動くため未加工領域１１が生じる結果となる。（ｂ）では適切なスキャン速度によってライン状１０に加工されている様子を示している。本発明の発明者等はこのスキャン速度と加工品質の間の関係が次式で表されることを見出した。
加工品質指標＝ｄ・ｆ／ｖ
ここで、ｄはスポットサイズ、ｆはレーザーの繰り返し、ｖはスキャン速度である。この式によれば、例えばスポット形状が円形である場合、１つのパルスと次のパルスまでの間のワークの移動距離が、スポット径と同じである時に開口が互いに接触する状態に加工される。また次のパルスが来るまでのワークの移動距離がスポット径以下の場合、スポットは前の加工領域に重なって照射されるため開口が連続的に形成されライン加工が可能となる。つまり上式においてスポットが重なる面積が大きいほど加工品質指標の値は大きくなり加工精度は高くなる。さらに、発明者等はこの式において加工品質指標が２以上であるときライン加工が可能であることを見出した。

このように加工精度を高めるには適切なスキャン速度が必要であるが、これだけでは十分な加工品質を確保することはできない。高い加工品質を達成するためにはさらに入力フルエンスを適切な範囲に調節しなければならない。穴開け加工においては、入力フルエンスを増加させると加工速度は増加するが加工形状が悪くなり、加工品質は著しく低下することを本発明の発明者等は発見した。図４に示したように入力フルエンスが大きい領域１３では加工精度が粗くなり参照符号１４で示したように開口部周辺の加工精度が悪くなる。一方、入力フルエンスが適切な大きさ１２であれば参照符号１５に示したように開口部が精度良く加工される。このように正確に加工するためには適切な入力フルエンスが必要でありこの値は３０Ｊ／ｃｍ^２以下である。またより好ましい値は２０Ｊ／ｃｍ^２以下である。

図５にこれらの結果をまとめたグラフを示す。図中の１８はレーザー繰り返し周波数とパルスエネルギーを変化させたものであり、１９は同じく周波数とスキャン速度を変化させたものである。このとき１６で示した領域は加工形状が粗い領域であり、１７で示した領域が加工精度が高い領域である。図よりパルスエネルギーが大きい領域では繰り返し周波数やスキャン速度にかかわらず加工精度が低くなることが解る。

本発明の加工装置及び加工方法は不透明材料、透明材料の両方に使用することができる。例えばセラミック、結晶、多結晶、アモルファス、ガラス、高分子材料、半導体材料、あるいは自動車部品などの加工に用いることができる。また、レーザー光の波長は１００ｎｍから１１００ｎｍの範囲で使用することができる。

図１は位相共役ミラーまたはディフォーマブルミラーを用いたレーザー共振器の概略図である。 図２はレーザー結晶を冷凍機で冷却したときのレーザー共振器の概略図である。 図３の（ａ）はスキャン速度が速いときのレーザー加工の様子を示した概略図であり、（ｂ）は適切なスキャン速度の時のレーザー加工の様子を示した図である。 図４は入力フルエンスに対する加工形状を示した図である。 図５はレーザー繰り返し周波数、パルスエネルギー、スキャン速度をパラメータとしたときの加工領域を示す図である。

符号の説明

１ レーザー光の波面
２ 波面が歪んだレーザー光
３ 出力光
４ レーザー結晶
５ 位相共役ミラー
６ 冷却ホルダ
７ 熱交換装置
８ ワーク
９ スポット状加工形状
１０ ライン状加工形状
１１ 未加工領域
１２ 適切なフルエンス領域
１３ 加工形状が粗いフルエンス領域
１４ 粗い加工形状
１５ 正確な加工形状
１６ 加工形状が粗い領域
１７ 加工形状が正確な領域
１８ レーザー繰り返し周波数とパルスエネルギーの変化
１９ レーザー繰り返し周波数とスキャン速度の変化
２０ フェムト秒レーザー装置

Claims (19)

1. フェムト秒レーザー装置と、集光光学系と、フェムト秒レーザーを該集光光学系まで導く光学的手段と、レーザーと加工対象物との相対位置を複数軸で移動させる手段を有し、前記加工対象物の表面又は内部に、１００μｍ以下のライン又はスポット加工を、１ｍＪ／ｃｍ^２以上２０Ｊ／ｃｍ^２以下のフルエンスで、１秒間あたり１００００回以上のパルス照射して行うことができるレーザー加工装置。
2. 前記加工対象物は、金属、半導体、ガラス、セラミック、金属薄膜、合金、絶縁体、誘電体である請求項１に記載のレーザー加工装置。
3. 前記フェムト秒レーザー装置は、シードレーザーから発生したフェムト秒レーザー光を、レーザー媒質を包含した増幅器で増幅する請求項１に記載のレーザー加工装置。
4. 前記増幅器はチャープパルス増幅方式による増幅器である請求項３に記載のレーザー加工装置。
5. レーザー結晶の熱レンズ効果を能動的に補償する位相共約鏡又はディフォーマブルミラーを用いたレーザー反射鏡と、レーザー増幅媒質とを有し、波長４８０〜５５０ｎｍの励起光によりチタンサファイア結晶を励起する増幅器を有する請求項１に記載のレーザー加工装置。
6. 前記フェムト秒レーザー装置は、クライオスタットを用いて、レーザー結晶を零下１００℃以下に冷却する請求項１に記載のレーザー加工装置。
7. 前記フェムト秒レーザー装置は、増幅光のモードボリュームを励起ボリュームより小さくし、熱レンズの不均一効果を減じ、安定なビーム品質とパルスを出力する光学的手段である、請求項１に記載のレーザー加工装置。
8. フェムト秒レーザーを集光光学系まで導く光学的手段として、反射ミラーを複数用いる、請求項１に記載のレーザー加工装置。
9. フェムト秒レーザーを集光光学系まで導く光学的手段として、マルチモードファイバを用いてフェムト秒レーザーを伝送する、請求項１に記載のレーザー加工装置。
10. マルチモードファイバによるフェムト秒レーザーの伝送方法として、フェムト秒レーザーのパルスフルエンスを３０Ｊ／ｃｍ^２以下に制限し、繰り返し数を１０ｋＨｚ以上にすることにより、平均出力の低下を抑えることができる、請求項９に記載のレーザー加工装置。
11. 前記フェムト秒レーザー装置は、シードレーザー、励起レーザー、フェムト秒レーザー増幅器、パルス幅制御機構を有する請求項１ないし１０のいずれかに記載のレーザー加工装置。
12. フェムト秒レーザーを用いたレーザー加工方法であって、フェムト秒レーザー装置と、フェムト秒レーザーを集光光学系まで導く光学的手段と、レーザーと加工対象物の相対位置を複数軸で移動させる手段により、加工対象物の表面又は内部に、１００μｍ以下のライン又はスポット加工を、２０Ｊ／ｃｍ^２以下のフルエンスで、１秒間あたり１００００回以上のパルス照射によって行うレーザー加工方法。
13. パルス幅が１０００ｆｓ以下、パルス繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上、パルスフルエンスが２０Ｊ／ｃｍ^２以下のフェムト秒レーザーを照射する、請求項１２に記載のレーザー加工方法。
14. 照射フルエンスを２０Ｊ／ｃｍ^２以下に制限し、パルス照射の繰り返し数を１０ｋＨｚ以上とした請求項１２に記載のレーザー加工方法。
15. 前記加工対象物は、１つ以上の不透明材料または透明材料からなる請求項１２ないし１４のいずれかに記載のレーザー加工方法。
16. 前記加工対象物は、セラミック、結晶、多結晶、アモルファスの何れかからなる請求項１２ないし１５のいずれかに記載のレーザー加工方法。
17. 前記加工対象物は、自動車部品、ガラス部品、高分子材料、半導体材料の何れかである請求項１２ないし１６のいずれかに記載のレーザー加工方法。
18. レーザービームの進行方向が材料表面へ向かう方向である、請求項１２ないし１７のいずれかに記載のレーザー加工方法。
19. レーザー光の波長は、１００ｎｍから１１０００ｎｍの範囲である、請求項１２ないし１８のいずれかに記載のレーザー加工方法。