JP2006326604A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小さい径を有する穴部をより確実に形成できるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザ加工装置は、レーザ光Ｌを照射して被加工物３に穴部Ｈを形成するものである。このレーザ加工装置１は、被加工物３に照射するレーザ光Ｌを出力するレーザ発振器５と、レーザ光を集光して被加工物に照射する集光光学系１１と、被加工物に照射され反射されたレーザ光としての反射光を受ける光検出器２７と、光検出器による反射光の検出結果に穴部に起因する干渉成分が含まれるように集光光学系と被加工物との相対位置を調整する制御手段２９と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関するものである。

従来からレーザ光により物質を加工する技術が知られている。この物質の加工をより的確に行う装置として、例えば、特許文献１に記載のパルスレーザ加工装置が知られている。

特許文献１に記載のパルスレーザ加工装置では、レーザ発振器から出力されたパルスレーザ光は、分岐手段によって参照光と照射光とに分岐される。そして、照射光が集光手段によって被加工物の所定部位に集光されて所定部位に照射されることで被加工物が加工されることになる。この所定部位に照射されて反射された照射光は分岐手段によって参照光と干渉し、分光手段により分光され、分光スペクトルが得られることになる。

被加工物が加工されることによって分光スペクトルに変化が生じるので、分光スペクトルの変化に応じて被加工物の加工状態をモニタできることになる。そして、被加工物の加工状態をモニタするために反射光が利用されているので、加工部位とモニタ部位とを確実に一致させることができており、より的確なモニタが可能となっている。
特開２００４―３０６１００号公報

ところで、近年では微細化が求められており、レーザ加工において形成する穴部においても、より細い直径を有するものが求められてきている。しかしながら、小さい径の穴部を形成するために集光条件などを制御することは困難である。

そこで、本発明は、小さい径を有する穴部をより確実に形成できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を照射して被加工物に穴部を形成するレーザ加工装置であって、被加工物に照射するレーザ光を出力するレーザ発振器と、レーザ光を集光して被加工物に照射する集光光学系と、被加工物に照射され反射されたレーザ光としての反射光を受ける光検出器と、光検出器による反射光の検出結果に穴部に起因する干渉成分が含まれるように集光光学系と被加工物との相対位置を調整する制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成では、レーザ発振器から出力されたレーザ光は、集光光学系によって集光され、被加工物に照射される。この被加工物によって反射されたレーザ光としての反射光は、光検出器によって検出される。レーザ光の照射によって被加工物に穴部が形成されている場合、被加工物の表面であって穴部の周囲にもレーザ光が照射されている状態では、反射光には孔部の周囲から反射された光と穴部内から反射された光とが含まれる。従って、検出器による反射光の検出結果に穴部に起因する干渉成分が含まれることになる。

そのため、制御手段によって、光検出器による反射光の検出結果に干渉成分が含まれるように被加工物と集光光学系との相対位置を調整することによって、穴部の周囲にもレーザ光が照射されるような小さい径の穴部を形成することができる。

また、本発明に係るレーザ加工装置では、集光光学系の光軸方向に被加工物を移動させる被加工物移動手段を更に備え、制御手段は、被加工物移動手段を制御して集光光学系と被加工物との間の距離を調整することが好ましい。通常、被加工物に照射されるレーザ光の強度は、集光光学系の光軸に直交する面内において、中心で一番高く周縁部に向かって強度が低下する。そして、レーザ光が被加工物に照射された際に、光軸に直交する面内ににおいて被加工物を加工できる強度以上の強度を含む領域の大きさは、集光光学系の光軸方向に応じて変化する。従って、上記のように、被加工物移動手段を利用して被加工物を光軸方向に移動させることによって集光光学系との間の距離を調整することで、穴部の周囲にレーザ光が照射されるような小さい径の穴部を形成することが可能である。

更にまた、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器と集光光学系との間に設けられており、レーザ発振器から出力されたレーザ光を参照光と照射光とに分岐する分岐光学系と、参照光を反射させて反射光とともに光検出器に入射させる反射光学系と、制御手段によって制御されると共に、参照光の光路上に設けられており参照光を遮断する光遮断手段と、を更に備え、集光光学系は照射光を被加工物に集光して照射し、制御手段は、光検出器による反射光と参照光との干渉光の検出結果に穴部に起因する干渉成分が含まれるように集光光学系と被加工物との相対位置を調整してから光遮断手段によって参照光を遮断し、光検出器による反射光の検出結果に穴部に起因する干渉成分が含まれるように集光光学系と被加工物との相対位置を調整することが好適である。

この場合、分岐光学系によって分岐された参照光であって反射光学系によって反射された参照光は、被加工物に照射され反射された照射光としての反射光と一緒に光検出器に入射される。従って、光検出器は、参照光と反射光との干渉光を検出することになる。制御手段が、光検出器による干渉光の検出結果に穴部に起因する干渉成分が含まれるように集光光学系と被加工物との相対位置を調整することで、被加工物に確実に穴部が形成されることになる。

そして、干渉光の検出結果に干渉成分が含まれた後に、制御手段が光遮断手段を制御して参照光をカットすることで、光検出器には参照光が入射されずに反射光が入射されることになる。この状態で制御手段が光検出器による反射光の検出結果に穴部に干渉成分が含まれるように集光光学系と被加工物との相対位置を調整することによって、前述したように穴部の外側にも照射光としてのレーザ光が照射されるような小さい径の穴部を形成できる。この場合、例えば、集光光学系の光軸方向において段差のある穴部を形成することが可能である。

更に、本発明に係るレーザ加工装置の制御手段が、光検出器の検出結果に基づいて穴部の深さを算出する解析部を有することも好ましい。光検出器の検出結果に干渉成分が含まれている場合、干渉成分の繰り返し周波数は穴の深さに依存している。したがって、干渉成分に基づいて穴の深さを算出することができる。このように穴の深さを算出することで、所望の深さの穴を形成することが可能である。

更に、本発明に係るレーザ加工装置が有する検出器は分光器であり、受けた光を分光して分光スペクトルを検出結果として出力することが好適である。これにより、干渉信号をより容易に得ることができる。また、分光スペクトルによって被加工物の加工に伴う物性変化を検出することができる。

本発明のレーザ加工装置によれば、小さい径を有する穴部をより確実に形成することができる。

以下、図面と共に本発明に係るレーザ加工装置の好適な実施形態について説明する。以下の説明では、同一の要素には同一の符号を用いることとし重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置１は、レーザ光によって被加工物３に穴部Ｈを形成するためのものであり、図１に示すように干渉計を構成している。

レーザ加工装置１は、被加工物３に照射するためのパルスレーザ光Ｌを出力するレーザ発振器５を備えている。ここで、レーザ発振器５は、１０ｐｓ以下、好ましくは１ｐｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光Ｌを出力可能であることが好ましい。このようにパルス幅を短くすることで、レーザ発振器５から出力されるパルスレーザ光Ｌの波長幅を十分に広くすることができる。また、レーザ発振器５は、好ましくは１パルスあたり１μＪ以上のパルスレーザ光Ｌを出力可能であることが好ましい。このようなレーザ発振器５としては、例えばチタンサファイアレーザ装置を利用することができる。

レーザ発振器５と被加工物３との間のレーザ発振器５の光軸Ｃ上には、レーザ発振器５から出力されたレーザ光Ｌを参照光と照射光とに分岐する分岐光学系としてのハーフミラー７が設けられている。このハーフミラー７と被加工物３との間には、ハーフミラー７側から順にハーフミラー９及びアクロマートレンズ１１が更に配設されている。

アクロマートレンズ（以下、単に「レンズ」とも称す）１１は、その光軸がレーザ発振器５の光軸Ｃと一致するように配置されており、ハーフミラー７，９を透過したレーザ光Ｌとしての照射光を集光して被加工物３の被加工面（レンズ１１側の面）３ａの所定部位に照射する。照射光を集光する集光光学系としてアクロマートレンズ１１を利用することにより、パルスレーザ光Ｌの波長分散による集光スポットの広がりを十分に防止して被加工物３に対する加工精度を向上させることができる。レンズ１１は、被加工物３に照射され反射した照射光（レーザ光Ｌ）としての反射光を集光する機能も有する。

被加工物３は、レンズ１１によるレーザ光Ｌの焦点位置近傍に配置されている。被加工物３は、移動ステージ１３上に設けられており、レンズ１１に対して光軸Ｃに直交する方向及び光軸Ｃ方向の位置が調整される。移動ステージ１３は、レーザ加工装置１の一部を構成するコントローラ１５に接続されており、コントローラ１５によって制御される。

ハーフミラー９は、レンズ１１を通過した反射光の一部を分岐する。このハーフミラー９で分岐された反射光の光路上であって、レンズ１１による被加工物３の結像位置には、ＣＣＤカメラ１７が設けられている。ＣＣＤカメラ１７は、被加工物３の被加工面３ａを撮像し、その画像情報をディスプレイ１９に入力する。これにより、加工中に被加工物３の加工状態をモニタできることになる。また、ディスプレイ１９に映されるエリアは、被加工面３ａにレーザ光Ｌが照射されているエリアであるため、被加工物３の位置合わせをすることができる。

また、レーザ加工装置１は、ハーフミラー７で反射により分岐された参照光を反射する反射ミラー（反射光学系）２１を備える。反射ミラー２１は、ハーフミラー７からの参照光の光軸と、反射ミラー２１で更に反射された参照光の光軸とが同軸になるように配置されている。これにより、反射ミラー２１で反射された参照光は、ハーフミラー７に入射されてハーフミラー７を透過し、後述するように反射光と一緒に分光器２７に入射する。

反射ミラー２１は、反射ミラー２１を参照光の光軸と平行に移動させる移動ステージ２３上に設けられている。移動ステージ２３は、コントローラ１５に接続されており、コントローラ１５によって制御される。この移動ステージ２３により参照光の光路長を調整することができる。ハーフミラー７と反射ミラー２１との間には、参照光を遮断する光遮断手段としての電磁シャッタ２５が配置されている。電磁シャッタ２５は、コントローラ１５に接続されており、コントローラ１５からの信号に応じて開閉される。

また、ハーフミラー７は、ハーフミラー９を透過してきた反射光の一部を、反射ミラー２１で反射された参照光の進行方向側に反射させて分岐する。この反射光の光路上には、反射光を受ける検出器としてのマルチチャネル分光器（以下、単に「分光器」とも称す）２７が設けられている。

分光器２７は、電磁シャッタ２５が開いている状態では、反射ミラー２１で反射されハーフミラー７を透過した参照光と反射光との干渉光を検出して分光する。従って、分光器２７は、干渉光の分光スペクトル（干渉スペクトル）を算出し、検出結果として出力することになる。

また、分光器２７は、電磁シャッタ２５が閉じた状態では、反射光のみを検出して分光する。従って、電磁シャッタ２５が閉じた状態では、分光器２７は、反射光の分光スペクトルを算出し検出結果として出力することになる。

更に、レーザ加工装置１は、分光器２７の検出結果を解析し、その解析結果を利用してレーザ加工装置１における各種加工条件を制御する制御手段２９を有する。制御手段２９は、コントローラ１５を介して移動ステージ１３，２３を制御すると共に、レーザ発振器５を制御する。制御手段２９には、解析結果を表示する表示手段としてのディスプレイ３１が接続されていることが好ましい。

上記構成では、レーザ加工装置１は干渉計を構成しており、電磁シャッタ２５を開いた状態では、分光器２７には、参照光と反射光との干渉光が入射されることになる。

反射光は、被加工物３で反射された照射光であり、被加工物３に穴部Ｈが形成されていない状態で分光器２７に入射される照射光と参照光との光路長とが一致する（又は波長の整数倍の差を有する）場合、分光器２７から出力される分光スペクトルには、干渉成分は含まれないことになる。一方、被加工物３に光軸Ｃ方向に延びる穴部Ｈが形成されると、光路長が変化するため、検出結果に穴部Ｈの形成に起因する干渉成分が含まれることになる。

従って、上記構成のレーザ加工装置１では、参照光と反射光との干渉光の分光スペクトルにおける穴部Ｈに起因する干渉成分の有無によって穴部Ｈが形成されているか否かを判断できる。なお、以下の説明では、特に断らない限り、干渉成分とは、穴部Ｈに起因する干渉成分を意味すものとする。

また、前述したように干渉成分は、穴部Ｈが形成されることによる光路長変化を表しているため、干渉成分は穴部Ｈの深さｄの情報を含んでいる。そのため、干渉成分を解析することにより穴部Ｈの深さｄをリアルタイムでモニタリングできる。

干渉成分を有する分光スペクトルから穴部Ｈの深さdを算出する方法について説明する。ここでは、被加工物３に深さ１００μｍの穴部Ｈが形成されているとし、分光器２７に反射光と参照光との干渉光が入射されているという条件でのシミュレーション結果に基づいて説明する。

図２（ａ）は、分光器の出力結果としての分光スペクトルを示している。図２（ａ）の横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は信号強度を示している。図２（ａ）に示すように、干渉光の分光スペクトルには干渉成分（干渉縞）が含まれる。分光器２７からの出力結果としての分光スペクトルは、波長λの関数であるため、分光スペクトルをＩ（λ）とする。

深さｄを算出する場合、先ず、分光スペクトルＩ（λ）を、周波数νの関数に変換する。図２（ｂ）に、分光スペクトルＩ（λ）を光周波数νの関数に変換して得られるＩ（ν）のグラフを示す。図２（ｂ）の横軸は光周波数ν（ＴＨｚ）を示し、縦軸は信号強度を示している。

図２（ｂ）に示したＩ（ν）における繰り返し周波数は、穴部Ｈの深さｄに比例する。そこで、Ｉ（ν）をフーリエ変換したＦ（ω）を算出し、Ｆ（ω）を更に深さ（距離）ｄの関数に変換する。このＦ（ω）を深さｄの関数に変換して得られる関数を干渉信号Ｆ（ｄ）と称す。

図２（ｃ）は、干渉信号Ｆ（ｄ）のグラフを示す図である。Ｉ（ν）がフーリエ変換されたＦ（ω）は、繰り返し周波数に対応する部分でピークを有するので、図２（ｃ）に示すように、干渉信号Ｆ（ｄ）でも穴部Ｈの深さである１００μｍでピークを有することになる。従って、干渉信号Ｆ（ｄ）における最大値を示す位置が、被加工物３に形成されている穴部Ｈの深さｄになる。

ところで、電磁シャッタ２５によって参照光をカットした場合、分光器２７に入射される光は反射光のみになるので、通常、分光スペクトルに干渉成分は含まれないと考えられる。

これに対して、本発明者らは、被加工物３に小さい径の穴部Ｈが形成されている場合には、反射光の検出結果としての分光スペクトルに起因する干渉成分が含まれること、及び、分光スペクトルに干渉成分が含まれるように加工条件を制御することによって、細径の穴部Ｈを形成できることを見出した。

図３を参照して、反射光の分光スペクトルに干渉成分が含まれる理由をより具体的に説明する。図３（ａ）は、レーザ光が照射されている被加工物の加工面の平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の断面図である。図３（ｃ）は、照射されるレーザ光の強度分布を示す図である。図３では、穴部Ｈが形成されている状態の図を示している。

図３（ａ）に示すように、被加工物３の被加工面３ａにおいて、光軸Ｃを中心として半径ｒ_１の円内に照射光が照射されているとする。照射光（レーザ光Ｌ）が照射されている照射領域Ａにおいて、照射光の強度は、図３（ｃ）に示すように、レンズ１１の光軸（すなわち、レーザ発振器５の光軸Ｃ）近傍で最大強度Ｉ_ｍａｘであって周縁部に向かって強度が低下するガウシアン分布を有する。光軸Ｃから半径ｒ_２の位置で被加工物３に対して加工が可能な閾値強度Ｉ_Ｓを有するとすると、図３（ａ），（ｂ）に示すように、光軸Ｃを中心とした直径Ｄ_２（すなわち半径ｒ_２）の円内よりも内側に穴部Ｈが形成されることになる。

このような、照射領域Ａの直径Ｄ１（２ｒ_１）よりも小さい直径Ｄ２（２ｒ_２）を有する穴部Ｈが形成されている場合、照射光は、図３（ｂ）に示すように、照射領域Ａ内であって穴部Ｈの外側（周囲）と、穴部Ｈ（より具体的には、穴部Ｈの底から）とからそれぞれ反射されることになる。従って、反射光には、穴部Ｈとその周囲から反射された光、言い換えれば、照射領域Ａにおける中心部とその周縁部とから反射された光がそれぞれ含まれることになる。

そして、穴部Ｈが形成されるまでは、中心部から反射した光とその周縁部とから反射した光との間に光路長差は生じないが、穴部Ｈが生じるで光路長差が生じる。その結果として、分光スペクトルに穴部Ｈに起因する干渉成分が含まれることになる。

被加工物３に照射される照射光は、レンズ１１によって集光されているので、被加工面３ａでの半径ｒ_２（閾値強度Ｉ_Ｓを示す光軸Ｃからの距離）は、レーザ光Ｌの強度を変化させたり、光軸Ｃ方向の位置に応じて変化することになる。

したがって、例えば、被加工物３とレンズ１１との間の距離を調整したり、レーザ光Ｌの強度を調整することで、干渉成分が含まれるようにすることで照射領域Ａの直径Ｄ１よりも小さい直径Ｄ２の穴部Ｈを形成することができる。また、この場合も、分光スペクトルに干渉成分が含まれるので、前述した方法と同様の方法により、穴部Ｈの深さｄも算出できることになる。

次に、上記のように照射領域Ａの半径ｒ_１よりも小さい半径ｒ_２を有する穴部Ｈを形成するようにレーザ加工装置１の各構成要素を制御する制御手段２９についてより詳細に説明する。

制御手段２９は、例えば、パーソナルコンピュータであり、解析部２９Ａ、判断部２９Ｂ及び制御部２９Ｃを有する。解析部２９Ａは、分光器２７による光の検出結果から穴部Ｈの深さｄを算出する。深さｄの算出方法は前述の通りである。すなわち、分光器２７の検出結果であって波長λの関数としての分光スペクトルＩ（λ）を周波数νの関数としてのＩ（ν）に変換してからフーリエ変換した後、干渉信号Ｆ（ｄ）を算出する。

解析部２９Ａは、この干渉信号Ｆ（ｄ）を判断部２９Ｂ及び制御部２９Ｃに入力する。また、解析部２９Ａは、干渉信号Ｆ（ｄ）をディスプレイ３１に入力する。これにより、ディスプレイ３１によって穴部Ｈの形成過程を観察できることになる。

判断部２９Ｂは、分光器２７の出力結果に干渉成分（穴部Ｈに起因する干渉成分）が含まれているか否かを判断する。判断部２９Ｂは、解析部２９Ａが算出した干渉信号Ｆ（ｄ）の最大値（ピーク強度）が予め設定している設定値より大きいか否かを判断し、設定値以上の場合に「干渉成分あり」と判断し、設定値より小さい場合に「干渉成分なし」と判断する。被加工物３の表面などに凹凸などがあると、その凹凸による干渉成分が含まれることになるが、前述したように干渉信号Ｆ（ｄ）での最大値と設定値とを比較することで穴部Ｈの形成に伴う干渉成分の有無を確実に判断できることになる。

また、判断部２９Ｂは、干渉信号Ｆ（ｄ）の最大値を示す深さが所望の深さか否かを判断する。判断部２９Ｂは、上記判断結果を制御部２９Ｃに出力する。

制御部２９Ｃは、所望の深さ及び所望の半径の穴部Ｈが形成されるように、コントローラ１５を介して移動ステージ１３，２３及び電磁シャッタ２５を制御する。より具体的には、制御部２９Ｃは、電磁シャッタ２５を開いた状態で、判断部２９Ｂが「干渉成分あり」と判断するように移動ステージ１３の位置を調整する。また、制御部２９Ｃは、判断部２９Ｂが「干渉成分あり」と判断した後に、電磁シャッタ２５を閉じた状態で、更に、判断部２９Ｂが「干渉成分あり」と判断するように移動ステージ１３の位置を調整する。制御部２９Ｃは、移動ステージ１３の位置の調整と一緒に、又は移動ステージ１３の位置の調整に代えてレーザ光Ｌの強度を調整してもよい。

次に、図１及び図４を参照して、レーザ加工装置１を利用して被加工物３に穴部Ｈを形成する方法を説明する。図４は、被加工物に穴部を形成する方法を示すフローチャートである。ここでは、被加工物３をレーザ加工装置１にセットした状態で、参照光と照射光との光路長は一致しているもの、すなわち、分光スペクトルに干渉成分が含まれないものとする。

先ず、制御部２９Ｃが、コントローラ１５を介して電磁シャッタ２５を開き、レーザ発振器５を制御してレーザ光Ｌを出力させる。レーザ発振器５から出力されたレーザ光Ｌは、ハーフミラー７により参照光と照射光とに分岐される。照射光は、ハーフミラー９を更に透過してレンズ１１により集光されて被加工物３の所定部位に照射される（Ｓ１１）。また、参照光は、電磁シャッタ２５を通過し、反射ミラー２１で反射される。そして、反射ミラー２１で反射された参照光は更に電磁シャッタ２５を通過してハーフミラー７に入射される。

被加工物３から反射された照射光としての反射光は、レンズ１１を通過した後に、ハーフミラー９によって分岐されＣＣＤカメラ１７に入射される。これにより、ディスプレイ１９で被加工物３の加工状態が観察できることになる。

また、ハーフミラー９を透過した反射光は、ハーフミラー７によって更に分岐される。そして、反射ミラー２１で反射してハーフミラー７を透過した参照光と反射光の干渉光が分光器２７に入射される。

分光器２７の検出結果は、制御手段２９に入力され、解析部２９Ａは、分光器２７による上記干渉光の検出結果としての分光スペクトルから干渉信号Ｆ（ｄ）を算出し、判断部２９Ｂに入力する。判断部２９Ｂは、干渉信号Ｆ（ｄ）に基づいて干渉成分の有無を判断し、その判断結果を制御部２９Ｃに入力する。

制御部２９Ｃは、判断部２９Ｂが「干渉成分なし」と判断した場合は（Ｓ１２で「Ｎ」）、判断部２９Ｂが「干渉成分有り」と判断するように移動ステージ１３を制御して被加工物３の光軸Ｃ方向における位置を調整する（Ｓ１５）。この際、制御部２９Ｃは、レーザ発振器５から出力される強度を調整することも好適である。レーザ光Ｌの強度を調整することで、被加工物３の表面に例えば酸化膜などが形成されていても、確実に酸化膜に穴部を形成することができるからである。

そして、判断部２９Ｂが、「干渉成分有り」、すなわち、穴部Ｈが形成されていると判断すると（Ｓ１２で「Ｙ」）、制御部２９Ｃは、コントローラ１５を介して電磁シャッタ２５を閉じる。これにより、参照光が遮断され、分光器２７には反射光のみが入射されることになる（Ｓ１４）。

この状態では、解析部２９Ａは、分光器２７による反射光の分光スペクトルに基づいて干渉信号Ｆ（ｄ）を算出する。そして、制御部２９Ｃは、判断部２９Ｂが「干渉成分なし」と判断した場合は（Ｓ１６で「Ｎ」）、判断部２９Ｂが「干渉成分有り」と判断するように移動ステージ１３を制御して被加工物３の光軸Ｃ方向における位置を調整する（Ｓ１７）。この場合も、制御部２９Ｃは、レーザ発振器５から出力される強度を調整することも好適である。

判断部２９Ｂが「干渉成分有り」と判断した状態では、穴部Ｈの周囲にも照射光が照射された状態、すなわち、被加工面３ａの位置での照射光の照射領域Ａの半径ｒ_１よりも小さい半径ｒ_２を有する穴部Ｈが形成されることになる。

このように穴部Ｈが形成されているときには、干渉信号Ｆ（ｄ）の最大値を示す深さは、穴部Ｈの形成に伴って移動するため、その深さが所望の深さに位置したとき（Ｓ１８で「Ｙ」）に、レーザ光Ｌの照射を停止して加工を終了する。所望の深さか否かの判断は、判断部２９Ｂが解析部２９Ａの解析結果に基づいて判断してもよいし、例えば、操作者がディスプレイ３１に表示された干渉信号Ｆ（ｄ）に基づいて判断してもよい。

なお、所望の深さになっていない場合には（Ｓ１８で「Ｎ」）、Ｓ１８の工程を繰り返せばよい。これにより、より小さい半径を有する穴部Ｈを所望の深さまで形成できる。

上記レーザ加工装置１を利用して穴部Ｈを形成する場合、分光スペクトルにおける干渉成分の有無によって穴部Ｈが形成されているか否かを判断して、レーザ加工を行っているため、確実に穴部Ｈを形成することができる。これは、分光スペクトルが参照光と反射光との干渉光の検出結果の場合でも、反射光の検出結果の場合でも同様である。

被加工物３が透明なものでない場合、例えば、被加工物３を側方（横側）から穴部Hの深さを計測することはできない。

これに対して、上記レーザ加工装置１の構成では、分光スペクトルの干渉成分の繰り返し周波数が穴部Ｈの深さｄに依存していることから、分光器２７で検出される分光スペクトルを利用して制御手段２９が穴部Ｈの深さｄを算出している。この場合、分光器２７と制御手段２９とは、深度モニタとして機能している。そのため、加工中の穴部Ｈの深さ（深度）ｄをリアルタイムでモニタできることになり、その結果として、所望の深さの穴部Ｈを確実に形成することができる。以上説明したように深さｄをより確実に制御できることは、分光スペクトルが参照光と反射光との干渉光の検出結果の場合でも、反射光の検出結果の場合でも同様である。

更に、レーザ加工装置１を利用した穴部Hの形成方法では、参照光をカットした状態で反射光の分光スペクトルに穴部Ｈに起因する干渉成分が含まれるように穴部Ｈを形成している。これにより、穴部Hの周囲にも照射光が照射されているような穴部Ｈ、言い換えれば、被加工面３ａでの照射光の照射領域Ａの半径ｒ_１よりも小さい半径ｒ_２を有する穴部Ｈを形成できる。従って、所望の深さを有した細い穴部Hをより確実に形成できることになる。そのため、微細加工により好適に利用できる。

穴部Ｈの形成条件は、被加工面３ａに照射されるレーザ光Ｌの強度分布などにも依存するため、従来では、細い穴部Ｈを形成することは困難であった。これに対して、レーザ加工装置１では、前述したように、反射光の分光スペクトルに基づいて各種加工条件（レンズ１１と被加工物３との位置関係や、レーザ強度）を制御することで、より確実に小さい径を有する穴部Ｈを形成できる。

また、上記のように、参照光と反射光との干渉光の分光スペクトルに基づいて穴部Ｈの形成の有無を判断する工程を含めることによって、例えば、光軸Ｃ方向において半径の異なる（換言すれば、段差を有する）穴部Ｈを形成することも可能である。更に、仮に大きくぼけている（デフォーカス）状態でレーザ光Ｌが被加工物３に照射された場合、穴部Ｈの中心部分から反射した光が主に分光器２７に入力されることになる。この場合、反射光による分光では、干渉信号とその変化が得にくいため、上記のように参照光を利用することで穴部Ｈが形成されていることをより確実に確認できることになる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、図５に示すレーザ加工装置２のように、反射ミラーを備えなくてもよい。

レーザ加工装置２では、制御手段２９の制御部２９Ｃは、被加工物３にレーザ光Ｌが照射されている時に判断部２９Ｂが「干渉成分有り」と判断するように移動ステージ１３を調整すればよい。この「干渉成分有り」と判断された場合には、被加工物３に細径の穴部Ｈが形成されていることになるので、「干渉成分有り」の状態が維持されるように移動ステージ１３を調整することによって、確実に細径の穴部Ｈを形成できる。

また、上記レーザ加工装置１は、穴部Ｈの半径の大きさに関係なく所望の深さを有する穴部Ｈを形成するためにも利用することができる。この場合には、電磁シャッタ２５は設けなくても良い。

従来、レーザ加工で形成される穴部はアスペクト比が比較的大きいため、照射光の照射側から加工面を観察しても穴部の深さを測ることが困難である。そのため、所望の深さの穴部を形成しにくかった。

しかしながら、上記のように分光器２７を深度モニタリングに利用することによってリアルタイムで深さｄを観測しながら穴部Ｈを形成するので、所望の深さの穴部Ｈを確実に形成することができる。

また、レーザ加工装置１，２では、被加工面３ａをＣＣＤカメラ１７で観察するようにしているが、ＣＣＤカメラ１７は利用しなくてもよい。また、上記レーザ加工装置１を利用した穴部Ｈの形成方法では、反射光のみの検出結果に干渉成分が含まれている場合、穴部Ｈの深さｄをその干渉成分を含む検出結果に基づいて算出するようにしているが、例えば、適当な時間間隔で電磁シャッタ２５を開き参照光と反射光との合波光に基づいて深さｄを算出してもよい。

更にまた、レーザ加工装置１，２では、光検出器としてマルチチャネル分光器２７を使用しているが、光検出器は、干渉成分を検出できれば特に限定されず、例えば、スクリーンなども利用することが可能である。また、分岐光学系としてハーフミラー７を利用しているが、例えば、レーザ発振器５からのレーザ光を分岐できると共に、反射ミラーで反射されてきた参照光と反射光とを結合できるものであればよく、プリズムなども利用できる。

また、これまでの説明では、説明の簡単化のために、穴部Ｈが形成される前には、分光スペクトルには干渉成分が含まれていないとして説明した。しかしながら、被加工物３と反射ミラーの配置関係によっては干渉成分が含まれる場合もある。この場合は、照射光を照射することによって生じる干渉成分の変化分を穴部Ｈに起因する干渉成分とすればよい。

以下、本発明の内容を実施例を用いてより具体的に説明する。

（実施例１）
図１のレーザ加工装置１を利用し、被加工物３として半透明黄緑アクリル板に開口径φ１８μｍ×深さ１００μｍの微小穴部Ｈを形成した。アクロマートレンズ１１としては焦点距離６０ｍｍのものを利用した。被加工物３は、その被加工面３ａをレンズ１１の焦点位置近傍に配置した。レーザ発振器５としては、チタンサファイアレーザ装置を利用し、マルチチャネル分光器２７としては、オーシャンオプティクス社製ＨＲ２０００を利用した。

実施例１では、電磁シャッタ２５を閉じ、最初から参照光を遮断した状態で深さｄを測定しながらレーザ発振器５から２０μＪ／ｐｕｌｓ、１Ｈｚのフェムト秒レーザパルスを被加工物３に照射した。そして、反射光のみの分光スペクトルに干渉成分が含まれるようにしてレーザ加工装置１を制御して穴部Ｈを形成し、解析部２９Ａで算出された深さｄが１００μｍを示した直後に照射を止めた。

図６（ａ）は、加工後の被加工物３の顕微鏡写真である。図６（ａ）における上側の写真は被加工物３の被加工面３ａの平面図である。また、図６（ａ）における下側の写真は、被加工物３を側方から写した顕微鏡写真である。また、図６（ｂ）は、制御手段２９で算出された干渉信号Ｆ（ｄ）を示すグラフである。

図６（ａ）に示すように、反射光のみの分光スペクトルを利用することで直径１８μｍの穴部Ｈを形成することができた。また、図６（ｂ）に示すように、解析部２９Ａで算出された深さｄが１００μｍで照射を止めることによって、確かに、解析結果とほぼ一致する深さ１０２μｍの穴部Ｈが形成されていた。

以上の実験結果から分かるように、反射光の分光スペクトルに干渉成分が含まれるようにレーザ加工装置１を制御することで、より小さい径の穴部Ｈを形成することが可能である。また、干渉成分を利用して深さｄを算出することで所望の深さｄの穴部Ｈを形成することもできる。

（実施例２）
また、図１のレーザ加工装置１を利用し、電磁シャッタ２５を開いて分光器２７には参照光と反射光との干渉光が入射するようにして、被加工物３に所望の深さｄの穴部Ｈを形成した。レーザ発振器５、マルチチャネル分光器２７、アクロマートレンズ１１及び被加工物３は、実施例１と同様のものを利用した。

まず、被加工物３の被加工面３ａをレンズ１１の焦点位置よりレーザ発振器５側へ１ｍｍの位置に配置して
、出力されるエネルギが３００μＪ/ｐｕｌｓｅで、繰り返し周波数が１Ｈｚのフェムト秒レーザーパルスを被加工物３に６００ｓｈｏｔｓ連続して照射した。

そして、分光器２７からの検出結果としての分光スペクトルから算出された深さｄが約１０５０μｍとなったときにレーザ光の照射を止めた。

図７（ａ）は、加工後の被加工物３の顕微鏡写真であり、被加工物３の側方から写したものである。図７（ｂ）は、加工終了直前の解析部２９Ｃで算出された干渉信号Ｆ（ｄ）をモニタ結果である。図７（ｂ）に示すように、算出された深さｄが約１０５０μｍで照射を止めることによって、図７（ａ）に示すように、所望の深さである１０５０μｍの
穴部Ｈが確かに形成できた。

本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 深さを算出する工程を示す図である。 （ａ）は、穴部が形成されている被加工物の平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＩＩＩｂ―ＩＩＩｂの断面図である。（ｃ）は、レーザ照射領域における強度分布を示す図である。 レーザ加工装置を利用した穴部の形成方法を示すフローチャートである。 本発明に係るレーザ加工装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、被加工物に形成した穴部の顕微鏡写真である。（ｂ）は、（ａ）で示した穴部を形成したときの深さの算出結果である。 （ａ）加工後の被加工物の顕微鏡写真である。（ｂ）は、加工終了直前の解析部で算出された干渉信号Ｆ（ｄ）を示すグラフである。

符号の説明

１，２…レーザ加工装置、３…被加工物、５…レーザ発振器、７…ハーフミラー（分岐光学系）、１１…アクロマートレンズ（集光光学系）、１３…移動ステージ（被加工物移動手段）、２１…反射ミラー（反射光学系）、２５…電磁シャッタ（光遮断手段）、２７…分光器（検出手段）、２９…制御手段。

Claims (5)

1. レーザ光を照射して被加工物に穴部を形成するレーザ加工装置であって、
   前記被加工物に照射するレーザ光を出力するレーザ発振器と、
   前記レーザ光を集光して前記被加工物に照射する集光光学系と、
   前記被加工物に照射され反射されたレーザ光としての反射光を受ける光検出器と、
   前記光検出器による前記反射光の検出結果に前記穴部に起因する干渉成分が含まれるように前記集光光学系と前記被加工物との相対位置を調整する制御手段と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記集光光学系の光軸方向に前記被加工物を移動させる被加工物移動手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記被加工物移動手段を制御して前記集光光学系と前記被加工物との間の距離を調整することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ発振器と前記集光光学系との間に設けられており、前記レーザ発振器から出力された前記レーザ光を参照光と照射光とに分岐する分岐光学系と、
   前記参照光を反射させて前記反射光とともに前記光検出器に入射させる反射光学系と、
   前記制御手段によって制御されると共に、参照光の光路上に設けられており前記参照光を遮断する光遮断手段と、
   を更に備え、
   前記集光光学系は前記照射光を前記被加工物に集光して照射し、
   前記制御手段は、
   前記光検出器による前記反射光と前記参照光との干渉光の検出結果に前記穴部に起因する干渉成分が含まれるように前記集光光学系と前記被加工物との相対位置を調整してから前記光遮断手段によって前記参照光を遮断し、前記光検出器による前記反射光の検出結果に前記穴部に起因する干渉成分が含まれるように前記集光光学系と前記被加工物との相対位置を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記制御手段は、前記光検出器の検出結果に基づいて前記穴部の深さを算出する解析部を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記光検出器は分光器であり、受けた光を分光して分光スペクトルを検出結果として出力することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のレーザ加工装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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