JP2007118070A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の加工面に保護材を均一に塗布もしくは接着し、レーザ加工による除去加工によって保護材と被加工物とを同時に除去した後に保護材を剥離することによって、加工部周辺に飛散した保護材上の加工カスを処理し、加工カスの再付着を防止できるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】超短パルスレーザ光によるレーザ加工方法において、被加工物４の表面に保護材３を装着して被加工物４を加工する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超短パルスレーザによるレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

従来の超短パルスレーザによる加工法では加工したときに加工カス（デブリ）が発生することがある。超短パルスレーザ加工で発生する加工カスは非常に細かい粒子であるため、加工の際に加工カスが被加工物に再付着しやすく、また再付着すると洗浄も困難である。そこで、加工の際における、加工カスの加工面への再付着を防ぐ技術として、例えば特許文献１に提案されている手法がある。この特許文献１の手法では、空気やガスなどの気体流下、ガス雰囲気下、若しくは液体中でレーザ加工を行うことにより、加工によって発生する加工カスを気体流下や液体中に取り込んで被加工物への再付着を防止することができる。
特開２００１−２１９２９０号公報

ここで、特許文献１において提案されている手法では、気体流での振動や、液面での揺らぎ、発生するプラズマや泡により加工光が影響を受けるため、バリやチッピングを起こしやすく、高精度加工が困難である。特許文献１においては、特に液体中での加工の場合などはアブレーションの副産物として気体状態が発生するものは高精度加工ができないことが明記されている。

また、ガス雰囲気中の加工においてはレーザ集光により、雰囲気ガスがプラズマ発生を起こし、チップやバリを発生させたり、加工領域以外の領域に損傷を与えたりするおそれもある。

本発明は上記課題を解決するものであり、被加工物の加工面に保護材を均一に塗布もしくは接着し、レーザ加工による除去加工によって保護材と被加工物とを同時に除去した後に保護材を剥離することによって、加工部周辺に飛散した保護材上の加工カスを処理し、加工カスの再付着を防止できるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様によるレーザ加工方法は、超短パルスレーザ光によるレーザ加工方法において、被加工物の表面に保護材を装着し、上記被加工物を加工することを特徴とする。

この第１の態様においては、被加工物の加工面に保護材を均一に塗布もしくは接着し、レーザ加工による除去加工によって保護材および被加工物を同時に除去した後に保護材を剥離することによって、加工部周辺に飛散した保護材上の加工カスを同時に処理する。ここで、チップ、バリが発生しやすい材料や薄膜を持つ複合体のチップ、バリの発生要因は、除去加工が可能となるエネルギである加工閾値エネルギばらつきによるショックウェーブやアブレーションによる表層部への応力緩和に起因することが多いが、保護材による加工の場合は、保護材がショックウェーブを軽減し、表層部への応力緩和を抑えるため、チップ、バリを抑えた加工が可能となる。

本発明によれば、被加工物の加工面に保護材を均一に塗布もしくは接着し、レーザ加工による除去加工によって保護材と被加工物とを同時に除去した後に保護材を剥離することによって、加工部周辺に飛散した保護材上の加工カスを処理し、加工カスの再付着を防止できるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、被加工物の加工面に保護材を装着し、レーザ加工による除去加工によって保護材および被加工物を同時に除去した後に保護材を剥離することによって、加工部周辺に飛散した保護材上の加工カスを同時に処理するレーザ加工方法である。

図１に第１の実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための概要図を示す。図１に示すように、図示しない加工ヘッドから照射された超短パルスレーザ光１は、集光レンズ２により、保護材３が塗布又は接着された被加工物４に集光される。これにより、超短パルスレーザ光１が照射された範囲の保護材３と被加工物４とが同時に除去される。

ここで、超短パルスレーザ光１の集光位置は加工時の加工分解能を決めるだけである。したがって、第１の実施形態においては、超短パルスレーザ光１の集光位置が、被加工物４の上面位置、表面位置、下面位置、または保護材３の上面位置、表面位置の何れであっても良い。

以下、第１の実施形態の実施例について説明する。この実施例では被加工物４にガラスを用い、保護材３に樹脂性の保護フィルムを用いた。このような保護材３、被加工物４に対し、照射エネルギを1μJ、照射時間を500fs、発振周波数を1kHzに設定した超短パルスレーザにより穴あけ加工を行った。そして、レーザ加工後、有機溶剤により保護材３を被加工物４から剥離した。

図２（ａ）に保護材３を使用せずにレーザ加工を行ったときの被加工物４の加工部周辺の拡大図を示し、図２（ｂ）に保護材３を使用し、レーザ加工後、保護材３を剥離したときの被加工物４の加工部周辺の拡大図を示す。保護材３を利用しなかった場合は、図２（ａ）に示すように、加工によって発生した加工カスが加工によって形成された穴の周辺に付着しているのを確認できるが、保護材３を使用した場合は、図２（ｂ）に示すように、穴の周辺に加工カスのない綺麗な加工ができていることが確認できる。

このように、第１の実施形態によれば、保護材３を被加工物４に装着してからレーザ加工を行うことにより、レーザの除去加工によって発生した加工カスの再付着を防止したレーザ加工を行うことができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態のレーザ加工方法において、保護材の選択により、加工品位を向上させるレーザ加工方法である。即ち、構成は図１で説明したものに準じており、保護材３のみが第１の実施形態と異なっている。

以下、第２の実施形態の実施例について説明する。この実施例においては、被加工物４にガラス材料を利用した。また、保護材３には、除去加工が可能となるエネルギである加工閾値エネルギの低い樹脂材料と加工閾値エネルギの高い金属材料の２種類の材料を使用した。更に、超短パルスレーザは、第１の実施形態の実施例と同じ、照射エネルギを1μJ、照射時間を500fs、発振周波数を1kHzに設定した。

図３（ａ）は保護材３として樹脂材料を利用した場合の加工部を示し、図３（ｂ）は保護材３として金属材料を利用した場合の加工部を示す。図３（ａ）と図３（ｂ）の比較によって明らかなように、保護材３として、加工閾値の高い金属材料を利用したほうがチップやバリの少ない綺麗な加工ができている事がわかる。

レーザ加工の際の加工効率を鑑みた場合、超短パルスレーザ光の出力を高くすることが望ましいが、その分、保護材３が損傷しやすい。つまり、高出力の加工を行う場合には、加工閾値エネルギの低い樹脂などの保護材を用いると損傷しやすく、保護材３としての機能が低下しやすい。これに対し、加工閾値エネルギの高い金属などの保護材では、高出力の加工を行った場合であっても損傷を抑えることができ、加工品位を向上させることができる。逆にレーザの照射エネルギを抑えて、精密に加工したい場合は被加工物に対してエネルギ加工閾値が同等程度の保護材料を選択することが望ましい。

つまり、第２の実施形態によれば、保護材料を、被加工物の加工閾値エネルギに合わせて選択することによって、用途に応じた加工を行うことができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態のレーザ加工方法において、レーザ光波長に対して不透明で遮光性のある保護材を選択することにより加工部周辺への影響を抑えたレーザ加工方法である。即ち、構成は図１で説明したものに準じており、保護材３のみが第１の実施形態と異なっている。

以下、第２の実施形態の実施例について説明する。この実施例においては、被加工物４に、剥離しやすい樹脂膜が塗布されたガラス基材を利用した。また、保護材３には、超短パルスレーザの波長である780nmの光に対し遮光性のある黒色ポリエチレンを使用した。超短パルスレーザは、波長を780nm、照射エネルギを1μJ、照射時間を500fs、発振周波数を1kHzに設定した。

図４（ａ）は、保護材３を使用せずにレーザ加工を行ったときの被加工物４の加工部周辺の拡大図を示し、図４（ｂ）は、保護材３を使用し、レーザ加工後、保護材３を剥離したときの被加工物の加工部周辺の拡大図を示す。保護材を使用しない場合、図４（ａ）に示すように、加工カスが再付着し、ガラス基材に塗布された樹脂膜が加工部周辺で損傷して剥離しているのが見られる。一方、遮光性の高い黒色ポリエチレンを使用した場合は、図４（ｂ）に示すように、加工部周辺でのチッピングが極力抑えられ、高品位な加工状態であることがわかる。ここで、黒色ポリエチレンは、超短パルスレーザ光を遮光するため、レーザ加工によって除去される部分以外は被加工物にレーザ光を通さない。したがって加工部周辺における損傷が少なくすむ。

つまり、第３の実施形態によれば、保護材３に、超短パルスレーザ光の波長に対して遮光性の高い材料を選択することによって、超短パルスレーザ光の焦点位置をその光軸方向に沿って移動させた時に、レーザスポットの周辺部に発生する損傷を抑えることができ、加工部周辺への影響を抑えた綺麗な加工が可能となる。

（第４の実施形態）
次に本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は第１〜第３の実施形態で説明したレーザ加工方法を実現するためのレーザ加工装置である。

図５は、レーザ加工装置のシステム構成図である。図５に示すレーザ加工装置において、装着ユニット１１により、被加工物１２に保護材１３が均一に装着される。ここで、装着ユニット１１は、具体的にはローラであり、回転することによって保護材１３を被加工物１２上に引き込んで、停止することによって保護材１３を所定位置に装着させる。

また、図５のレーザ加工装置は、被加工物１２に対して超短パルスレーザ光を照射可能なように加工ヘッド１４が配置されている。更に、図５のレーザ加工装置は、加工ヘッド１４による被加工物１２及び保護材１３に対する除去加工を行った後、剥離ユニット１５によって被加工物１２から保護材１３を剥離することができるように構成されている。ここで、剥離ユニット１５は、具体的にはローラであり、回転することによって保護材１３を被加工物１２上から引き出す。

このような構成により、装着ユニット１１により、被加工物１２に均一に保護材１３を装着できるため、保護材１３の装着バラツキによる加工への影響を極力抑えることができる。また、被加工物１２への保護材１３の装着、被加工物１２の加工、及び被加工物１２からの保護材１３の剥離が一貫して行えるため、加工スループットを向上させることができる。

つまり、第４の実施形態によれば、装着バラツキによる影響を極力抑えた加工が行え、かつ加工スループットの向上が可能である。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

ここで、本発明の要旨をまとめると以下のようなものを含む。

（１） 超短パルスレーザ光によるレーザ加工方法において、被加工物の表面に保護材を装着し、上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。
この（１）によれば、被加工物の表面に保護材を装着し、レーザ加工による除去加工によって保護材と被加工物とを同時に除去した後に保護材を剥離することによって、除去加工時に発生する加工カスを取り除き、被加工物表面への再付着を防止することができる。

（２） 上記保護材は、金属、有機物、無機物の少なくとも何れかであることを特徴とする請求項（１）に記載のレーザ加工方法。
この（２）によれば、超短パルスレーザ加工は材料を選ばないエネルギ依存の加工であるので、被加工物の加工閾値エネルギや目的に合わせて保護材を選択することができる。

（３） 上記保護材は、加工閾値エネルギが、上記被加工物の加工閾値エネルギに対して十分高い材料であることを特徴とする（１）に記載のレーザ加工方法。
この（３）によれば、保護材に加工閾値エネルギの高い材料を選択することで加工品位を向上させることができる。

（４） 上記保護材は、上記超短パルスレーザ光の波長に対して不透明な素材であることを特徴とする請求項（１）に記載のレーザ加工方法。
この（４）によれば、保護材がレーザ波長に対して遮光性の高い不透明材料であるので、焦点位置を光軸方向に沿って移動させた時に、レーザスポットの周辺部に発生する損傷を抑えることができ、加工部周辺への影響を抑えた綺麗な加工が可能となる。

（５） 被加工物の表面に保護材を装着する装着ユニットと、上記保護材を介して上記被加工物に超短パルスレーザ光を照射する加工ヘッドと、上記被加工物から上記保護材を剥離する剥離ユニットとを有することを特徴とするレーザ加工装置。
この（５）によれば、被加工物に安定して保護材を装着することができ、より高精度に加工することができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための概要図である。 第１の実施形態の実施例について説明するための図であって、図２（ａ）は保護材を使用せずにレーザ加工を行ったときの被加工物の加工部周辺の拡大図であり、図２（ｂ）は保護材を使用し、レーザ加工後、保護材を剥離したときの被加工物４の加工部周辺の拡大図である。 第２の実施形態の実施例について説明するための図であって、図３（ａ）は保護材として樹脂材料を利用した場合の加工部を示す図であり、図３（ｂ）は保護材として金属材料を利用した場合の加工部を示す図である。 第３の実施形態の実施例について説明するための図であって、図４（ａ）は、保護材を使用せずにレーザ加工を行ったときの被加工物の加工部周辺の拡大図であり、図４（ｂ）は、保護材を使用し、レーザ加工後、保護材を剥離したときの被加工物の加工部周辺の拡大図である。 レーザ加工装置のシステム構成図である。

符号の説明

１…超短パルスレーザ光、２…集光レンズ、３…保護材、４…被加工物、１１…装着ユニット、１２…被加工物、１３…保護材、１４…加工ヘッド、１５…剥離ユニット

Claims (5)

1. 超短パルスレーザ光によるレーザ加工方法において、
   被加工物の表面に保護材を装着し、
   上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。
2. 上記保護材は、金属、有機物、無機物の少なくとも何れかであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 上記保護材は、加工閾値エネルギが、上記被加工物の加工閾値エネルギに対して十分高い材料であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
4. 上記保護材は、上記超短パルスレーザ光の波長に対して不透明な素材であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
5. 被加工物の表面に保護材を装着する装着ユニットと、
   上記保護材を介して上記被加工物に超短パルスレーザ光を照射する加工ヘッドと、
   上記被加工物から上記保護材を剥離する剥離ユニットと、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。

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