JP2012011402A - Method for processing workpiece, device for emitting light for processing workpiece, and program used for the same - Google Patents

Method for processing workpiece, device for emitting light for processing workpiece, and program used for the same Download PDF

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隆史 吉沼
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make a depth constant even when a workpiece temperature is unequal, in a method of laser processing, which melts a workpiece by a prescribed depth by relatively displacing a laser beam and the workpiece, while emitting the laser beam to the workpiece.SOLUTION: In the method, a temperature of a point of the workpiece, which is different from a point to be irradiated of the workpiece, is measured to control an output power based on the depth and the temperature.

Description

本発明は、レーザ等の光をワークに照射しながら、光とワークの少なくとも一方を走査してワークを熱処理するワークの加工方法、ワークの加工用光照射装置およびそれに用いるプログラムに関する。   The present invention relates to a workpiece processing method, a workpiece processing light irradiation apparatus, and a program used therefor, in which at least one of light and a workpiece is scanned while the workpiece is irradiated with light such as a laser.

レーザ光をワークに照射しながら、レーザ光とワークの少なくとも一方を走査してワークを熱処理するとして、レーザ溶接やアニーリング、ドーピング、表面改質などがある。これらの加工では、レーザはワークに組織変化や融解など所望の加工を施すための加熱源として用いられる。またこれらの加工では、多くの場合レーザにより改質や融解させる深さをワーク内の位置によらず均一にすることが望まれる。   There are laser welding, annealing, doping, surface modification, and the like as the work is heat-treated by scanning at least one of the laser light and the work while irradiating the work with the laser light. In these processes, the laser is used as a heating source for performing a desired process such as tissue change or melting on the workpiece. In these processes, in many cases, it is desired that the depth to be modified or melted by the laser is uniform regardless of the position in the workpiece.

特許文献1には、COレーザ溶接に係り、溶接部の溶込み深さと溶接ビート幅を一定とするため、溶接部後部の温度及び溶接幅を計測し、計測した温度と溶接幅があらかじめ設定した温度と溶接幅となるように被溶接物への入熱を制御する技術が開示されている。 Patent Document 1 relates to CO 2 laser welding, in order to make the penetration depth and welding beat width of the welded portion constant, the temperature and weld width at the rear of the welded portion are measured, and the measured temperature and weld width are set in advance. A technique for controlling heat input to an object to be welded so as to obtain a temperature and a welding width is disclosed.

図5に特許文献1に係る装置の構成を示す。図5において、レーザ発振器101からのレーザ光103は、光学ミラー102で光路変換後、レーザ光の集光レンズ104で集光され、被溶接物120に照射される。光学ミラー102と集光レンズ104の間にハーフミラー106がレーザ光に対し45°の傾きで配置されている。ハーフミラー及び集光レンズはケース121で一体的に構成されている。この部分をレーザ溶接ヘッドと以下呼称する。溶接ヘッドの近傍には溶接部の溶解プール105の後部の温度検出用の赤外線集光ヘッド107が溶接ヘッドに固定されている。溶接部からの赤外線を赤外線集光ヘッド107で集光し、光ファイバ112で赤外線温度検出器115へ伝送する。赤外線温度検出器115では、伝送された赤外線の波長を光フィルタ113で限定し、赤外線検出器114に入射させる。ここで光電変換し、増幅器116で増幅する。すなわち、増幅器116の出力電気信号の大小は溶接部の温度に対応することとなる。増幅器116からの温度信号は、マイクロコンピュータ117で処理され、検出温度と設定温度が一致するようにレーザ照射出力の制御装置119を介して、レーザ発振器101の出力を制御する。   FIG. 5 shows a configuration of an apparatus according to Patent Document 1. In FIG. 5, a laser beam 103 from a laser oscillator 101 is optically converted by an optical mirror 102, condensed by a laser beam condensing lens 104, and irradiated onto a workpiece 120. A half mirror 106 is disposed between the optical mirror 102 and the condenser lens 104 at an inclination of 45 ° with respect to the laser light. The half mirror and the condenser lens are integrally formed by a case 121. This portion is hereinafter referred to as a laser welding head. In the vicinity of the welding head, an infrared condensing head 107 for detecting the temperature at the rear of the melting pool 105 of the welded portion is fixed to the welding head. Infrared light from the welded portion is condensed by the infrared condensing head 107 and transmitted to the infrared temperature detector 115 by the optical fiber 112. In the infrared temperature detector 115, the transmitted infrared wavelength is limited by the optical filter 113 and is incident on the infrared detector 114. Here, photoelectric conversion is performed, and amplification is performed by the amplifier 116. That is, the magnitude of the output electric signal of the amplifier 116 corresponds to the temperature of the weld. The temperature signal from the amplifier 116 is processed by the microcomputer 117, and the output of the laser oscillator 101 is controlled via the laser irradiation output control device 119 so that the detected temperature matches the set temperature.

一方、溶接ヘッドのハーフミラー106の部分には、溶接部を撮像するためのテレビカメラ109及びレンズ108がある。ハーフミラー106はCOレーザ光を透過し、可視光を反射する特性のミラーである。テレビカメラからの映像信号は画像信号処理装置110により2値化処理され溶接式部の溶接プール105の幅を検知する。またモニタテレビ111に溶接部は映し出され、監視用として用いられる。画像信号処理装置110からの出力すなわち溶解プール幅の信号はマイクロコンピュータ117で処理され、検出した溶接幅と設定した溶解幅が一致するように、レーザ光の集光レンズ104の位置をレンズ上下移動機構118を介して、被溶接物に対する集光したレーザ光の焦点位置を制御する。 On the other hand, the portion of the half mirror 106 of the welding head includes a television camera 109 and a lens 108 for imaging the welded portion. The half mirror 106 is a mirror that transmits CO 2 laser light and reflects visible light. The video signal from the TV camera is binarized by the image signal processor 110 to detect the width of the weld pool 105 of the welded part. In addition, the welded portion is displayed on the monitor TV 111 and is used for monitoring. The output from the image signal processor 110, that is, the melt pool width signal is processed by the microcomputer 117, and the position of the condensing lens 104 of the laser beam is moved up and down so that the detected weld width matches the set melt width. The focal position of the focused laser beam with respect to the workpiece is controlled via the mechanism 118.

また、特許文献2に、所望の温度上昇カーブと施工条件が得られる光ビーム加熱装置が開示されている。   Patent Document 2 discloses a light beam heating apparatus that can obtain a desired temperature rise curve and construction conditions.

図6に特許文献2記載の光ビーム加熱装置の構成図である。光ファイバ201とレンズ202等で照射手段が構成され、照射光203により被加熱物204を施工することができる。206は加熱中に被照射部205に供給される供給物質であり、207は供給物質送給装置である。208は被照射部205の温度を測定するための温度センサであり、209は温度センサ208からの温度測定データを記録する温度記録部である。210は温度記録部209からの温度測定データから被照射部205の熱定数を演算する熱定数演算部である。図6のフローチャートは処理の流れを示す。DATA(Tn,tn)は温度記録部209に記録される温度測定データで、測定温度Tnと測定時間tnから構成される。熱定数演算部210には温度上昇関数T(t)=f(R,C,P,t)+Taが予め準備されている。温度上昇関数T(t)は従属変数で、時間tは独立変数である。また、この温度上昇関数T(t)は、媒介変数として放熱抵抗Rと熱容量Cと照射出力P、定数項として周囲温度Taを含んでいる。媒介変数のうち放熱抵抗Rと熱容量Cが熱定数であって、被照射部205固有の値となる。周囲温度Taは照射によって加熱される前の被照射部5、または被加熱物204の温度として表現される場合もある。   FIG. 6 is a configuration diagram of a light beam heating device described in Patent Document 2. In FIG. An irradiation means is constituted by the optical fiber 201 and the lens 202, and the object to be heated 204 can be applied by the irradiation light 203. Reference numeral 206 denotes a supply substance that is supplied to the irradiated portion 205 during heating, and reference numeral 207 denotes a supply substance feeding device. Reference numeral 208 denotes a temperature sensor for measuring the temperature of the irradiated portion 205, and reference numeral 209 denotes a temperature recording unit for recording temperature measurement data from the temperature sensor 208. Reference numeral 210 denotes a thermal constant calculation unit that calculates the thermal constant of the irradiated portion 205 from the temperature measurement data from the temperature recording unit 209. The flowchart of FIG. 6 shows the flow of processing. DATA (Tn, tn) is temperature measurement data recorded in the temperature recording unit 209 and includes a measurement temperature Tn and a measurement time tn. In the thermal constant calculation unit 210, a temperature increase function T (t) = f (R, C, P, t) + Ta is prepared in advance. The temperature rise function T (t) is a dependent variable, and the time t is an independent variable. Further, the temperature increase function T (t) includes a heat radiation resistance R, a heat capacity C, an irradiation output P as parameters, and an ambient temperature Ta as a constant term. Among the parameters, the heat radiation resistance R and the heat capacity C are thermal constants and are values specific to the irradiated portion 205. The ambient temperature Ta may be expressed as the temperature of the irradiated portion 5 or the heated object 204 before being heated by irradiation.

温度上昇関数T(t)を構成する変数のうち、照射出力Pと周囲温度Taの値はパワー測定器と温度計によって照射前に知ることができるため定数となる。照射出力Pと周囲温度Taの測定値と温度測定データDATA(Tn,tn)を温度上昇関数T(t)に代入し、熱定数である放熱抵抗Rと熱容量Cについて解を求める。   Among the variables constituting the temperature increase function T (t), the values of the irradiation output P and the ambient temperature Ta are constants because they can be known by the power measuring device and the thermometer before the irradiation. The measured value of the irradiation output P and the ambient temperature Ta and the temperature measurement data DATA (Tn, tn) are substituted into the temperature rise function T (t), and a solution is obtained for the heat radiation resistance R and the heat capacity C, which are thermal constants.

求めた被照射部205固有の熱定数である放熱抵抗Rと熱容量Cによって、温度測定データを関数として表現できる。また、その関数式に任意の照射出力Pと周囲温度Taを代入することによって任意の温度上昇カーブを得ることができ、また演算した熱定数と所望の温度条件から施工条件設定値を得ることができる。   The temperature measurement data can be expressed as a function by the heat radiation resistance R and the heat capacity C, which are the thermal constants specific to the irradiated part 205. In addition, an arbitrary temperature rise curve can be obtained by substituting an arbitrary irradiation output P and ambient temperature Ta into the function formula, and a construction condition set value can be obtained from the calculated thermal constant and desired temperature conditions. it can.

また、特許文献3に、レーザアニール対象物のレーザビーム入射位置の融解部分の深さを計測する技術が開示されている。   Patent Document 3 discloses a technique for measuring the depth of the melted portion at the laser beam incident position of a laser annealing object.

図7に、特許文献3記載のレーザアニール装置の概略図を示す。XYステージ301がアニール対象である半導体基板302を保持し、その表面に平行な2次元方向に移動させる。半導体基板302の表面に平行な面をxy面とし、基板の法線方向をz軸とするxyz直交座標系を定義する。図5は、y軸に平行な視線で見たときの概略図を示す。   FIG. 7 shows a schematic diagram of a laser annealing apparatus described in Patent Document 3. The XY stage 301 holds the semiconductor substrate 302 to be annealed and moves it in a two-dimensional direction parallel to the surface. An xyz orthogonal coordinate system is defined in which a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate 302 is defined as an xy plane, and a normal direction of the substrate is defined as a z-axis. FIG. 5 shows a schematic view when seen with a line of sight parallel to the y-axis.

アニール用レーザ光源305が、制御装置350からのトリガ信号sig1に同期して、アニール用パルスレーザビームLaを出射する。   The annealing laser light source 305 emits an annealing pulse laser beam La in synchronization with the trigger signal sig1 from the control device 350.

アニール用レーザ光源305から出射されたレーザビームLaが、整形均一化光学系306を経由して、XYステージ301に保持された半導体基板302に入射する。整形均一化光学系306は、半導体基板302の表面におけるレーザビームの断面を、y軸方向に長い長尺形状にし、かつ面内における光強度分布を均一化させる。XYステージ301を駆動して半導体基板302をx軸方向に移動させながら、パルスレーザビームを入射させる主走査工程と、半導体基板302をy軸方向にずらす副走査工程とを繰り返すことにより、半導体基板302の表面のほぼ全面をレーザアニールすることができる。XYステージ301は制御装置350により制御される。   A laser beam La emitted from the annealing laser light source 305 is incident on the semiconductor substrate 302 held on the XY stage 301 via the shaping and uniformizing optical system 306. The shaping and homogenizing optical system 306 makes the cross section of the laser beam on the surface of the semiconductor substrate 302 long and long in the y-axis direction, and makes the light intensity distribution in the plane uniform. By repeating the main scanning process in which the pulse laser beam is incident while driving the XY stage 301 to move the semiconductor substrate 302 in the x-axis direction and the sub-scanning process in which the semiconductor substrate 302 is shifted in the y-axis direction, Nearly the entire surface of 302 can be laser annealed. The XY stage 301 is controlled by the control device 350.

測定用光源310が、測定用レーザビームを出射する。測定用光源310から出射された測定用レーザビームが、パルス化装置311、光ファイバ312、レンズ313を経由して、半導体基板302の、アニール用パルスレーザビームが入射する領域内に入射する。   A measurement light source 310 emits a measurement laser beam. The measurement laser beam emitted from the measurement light source 310 enters the region of the semiconductor substrate 302 where the annealing pulse laser beam is incident, via the pulsing device 311, the optical fiber 312, and the lens 313.

半導体基板302の表面で反射された測定用レーザビームの反射光が、レンズ320、第1のフィルタ321、第2のフィルタ322、光ファイバ323を経由して、反射光検出器324に入射する。第1のフィルタ321は、波長が530nmよりも短い光を遮光し、第2のフィルタ322は、波長が700nmよりも長い光を遮光する。第1のフィルタ321及び第2のフィルタ322により、アニール用レーザビームの入射により発生したプルームからのプラズマ光、及び温度上昇による黒体放射光等が遮光され、主として測定用レーザビームの反射光のみが反射光検出器324に入射する。   The reflected light of the measurement laser beam reflected by the surface of the semiconductor substrate 302 enters the reflected light detector 324 via the lens 320, the first filter 321, the second filter 322, and the optical fiber 323. The first filter 321 blocks light having a wavelength shorter than 530 nm, and the second filter 322 blocks light having a wavelength longer than 700 nm. The first filter 321 and the second filter 322 shield the plasma light from the plume generated by the incidence of the annealing laser beam, the black body radiation light due to the temperature rise, etc., mainly the reflected light of the measurement laser beam. Enters the reflected light detector 324.

反射光検出器324は、反射光の強度を電気信号に変換する。電気信号に変換された反射光の強度信号sig2が制御装置350に入力される。   The reflected light detector 324 converts the intensity of the reflected light into an electrical signal. The intensity signal sig2 of the reflected light converted into the electric signal is input to the control device 350.

パルスレーザビームLaの1つのレーザパルスが半導体基板302に入射すると、その表層部が一時的に融解し、レーザパルスの入射が終了すると、融解した部分が再結晶化する。表層部が融解している期間、反射率が高くなるため、反射光強度信号sig2が大きくなる。   When one laser pulse of the pulse laser beam La is incident on the semiconductor substrate 302, the surface layer portion is temporarily melted, and when the laser pulse is incident, the melted portion is recrystallized. Since the reflectance increases during the period when the surface layer portion is melted, the reflected light intensity signal sig2 increases.

反射光強度が、バックグランドレベルから最大値までの上昇分の1/2の大きさまで上昇した時点から、1/2の大きさまで低下した時点までの経過時間を、融解時間とした。制御装置350は、式(1)に基づいて、融解時間τから融解深さhを算出することができる。 The elapsed time from the time when the reflected light intensity increased to 1/2 the amount of increase from the background level to the maximum value to the time when the reflected light intensity decreased to 1/2 was taken as the melting time. Controller 350 can be based on equation (1), to calculate the melting depth h m from the melting time tau s.

ここで、C、Cは定数である。 Here, C 1 and C 2 are constants.

特開昭59−212184号公報JP 59-212184 A 特開平11−221683号公報JP-A-11-221683 特開2008−117877号公報JP 2008-117877 A

しかしながら、特許文献1記載の技術において、溶接部後部の温度及び溶接幅を一定としたとしても、常に溶込み深さが一定となるとは言えない。特許文献1記載の技術において、測定している温度は被溶接部材の表面の温度である。溶接の進行等に伴って被溶接部材の温度が変化した場合、特許文献1記載の技術を用いて溶接部後部の表面の温度を一定とするよう制御しても、その深部の温度が常に一致するとは言えない。すなわち、溶込み深さが一定となるとは言えない。   However, in the technique described in Patent Document 1, even if the temperature and the welding width at the rear portion of the welded portion are constant, it cannot be said that the penetration depth is always constant. In the technique described in Patent Document 1, the temperature being measured is the surface temperature of the member to be welded. When the temperature of the member to be welded changes with the progress of welding, etc., even if the surface temperature of the rear part of the welded part is controlled to be constant using the technique described in Patent Document 1, the temperature in the deep part always matches. I can't say that. That is, it cannot be said that the penetration depth is constant.

また、特許文献2記載の技術も、周囲温度Taを定数としており、溶接の進行等に伴って周辺温度Taが変化する場合は考慮されていない。そのため、周辺温度Taが変化に伴い放熱抵抗Rと熱容量Cの算出に誤差を生じる可能性がある。また、加熱によって被照射物を所定の深さまで融解させるための技術ではないため、係る用途に用いることができない。   The technique described in Patent Document 2 also uses the ambient temperature Ta as a constant, and does not consider the case where the ambient temperature Ta changes as the welding progresses. Therefore, there is a possibility that an error occurs in the calculation of the heat radiation resistance R and the heat capacity C as the ambient temperature Ta changes. Moreover, since it is not a technique for melting an irradiated object to a predetermined depth by heating, it cannot be used for such applications.

また、特許文献3記載の技術では、式(1)に係る算出において、半導体基板302に与えられたエネルギのうち熱伝導等による損失分を一定と仮定しているが、半導体基板302のレーザ照射前の温度が一定でない場合、前記損失分が変化することになるため、融解深さhの算出に誤差を生じる。 In the technique described in Patent Document 3, in the calculation according to the equation (1), it is assumed that the loss due to heat conduction or the like among the energy given to the semiconductor substrate 302 is constant. If the temperature of the front is not constant, this means that the loss is changed, causing an error in the calculation of the melting depth h m.

例えば、レーザ光をワーク上に照射しながらスキャンする場合、レーザ照射領域からの熱伝導によりワーク面内で温度ムラが生じる。このため、融解深さの算出に誤差を生じる。また、融解時間τまたはレーザ出力を一定に保ってワークをスキャンしても融解深さが不均一になる。 For example, when scanning while irradiating a workpiece with laser light, temperature unevenness occurs in the workpiece surface due to heat conduction from the laser irradiation region. For this reason, an error occurs in the calculation of the melting depth. Further, even if the workpiece is scanned while keeping the melting time τ s or the laser output constant, the melting depth becomes non-uniform.

図8に、ワーク上に円形のレーザ光をスキャンしながら照射して直線を等間隔に描く場合の、ワーク上の温度分布を等温線で模式的に示す。図8(a)はワーク上の点P1からレーザ照射を開始する直前における温度分布を示す。図8(a)において基板面内の温度Tiは一定であるため、等温線はワーク上に無い。その後、レーザ照射が行なわれるにつれて、レーザ光の照射によってワークに加えられた熱はワーク内に熱伝導で広がり、ワークの温度は上昇する。そのため、図8(b)に示す4本目のスキャンを点P3より開始する直前においては、3本目のスキャンの終了点P2を中心とした温度勾配が生じる。また、点P3におけるレーザ照射する直前の温度Ti’はTiより高い。そのため、点P1におけるレーザ出力と点P3におけるレーザ出力を同じとした場合、点P3における融解深さの方が点P1における融解深さより深くなる。また、点P1における融解時間と点P3における融解時間とを同じとしても点P3における融解深さは点P1における融解深さより深くなる。   FIG. 8 schematically shows the temperature distribution on the workpiece as an isotherm when the workpiece is irradiated with a circular laser beam while being scanned and straight lines are drawn at regular intervals. FIG. 8A shows a temperature distribution immediately before starting laser irradiation from a point P1 on the workpiece. In FIG. 8A, since the temperature Ti in the substrate surface is constant, there is no isotherm on the workpiece. Thereafter, as laser irradiation is performed, the heat applied to the workpiece by the laser beam irradiation spreads in the workpiece due to heat conduction, and the temperature of the workpiece rises. Therefore, immediately before starting the fourth scan shown in FIG. 8B from the point P3, a temperature gradient occurs around the end point P2 of the third scan. Further, the temperature Ti ′ immediately before the laser irradiation at the point P3 is higher than Ti. Therefore, when the laser output at the point P1 is the same as the laser output at the point P3, the melting depth at the point P3 is deeper than the melting depth at the point P1. Further, even if the melting time at the point P1 is the same as the melting time at the point P3, the melting depth at the point P3 becomes deeper than the melting depth at the point P1.

また、特許文献3記載の技術はパルス照射における融解時間τを用いて深さを算出する技術であるので、レーザ光等を連続照射する場合は融解深さを算出することができない。 In addition, since the technique described in Patent Document 3 is a technique for calculating the depth using the melting time τ s in pulse irradiation, the melting depth cannot be calculated when laser light or the like is continuously irradiated.

上記の問題を鑑み、本発明は、所望の融解深さまでワークを融解させる加工方法、光照射装置およびプログラムを提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a processing method, a light irradiation apparatus, and a program for melting a workpiece to a desired melting depth.

また、本発明は光照射域からの熱伝導などでワークの温度が不均一となる場合でも、融解深さを一定とする加工方法、光照射装置およびプログラムを提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide a processing method, a light irradiation apparatus, and a program for making the melting depth constant even when the temperature of the workpiece becomes non-uniform due to heat conduction from the light irradiation region.

また、本発明は、連続照射する光出射器を用いて、融解深さを一定とする加工方法、加工装置およびプログラムを提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide a processing method, a processing apparatus, and a program for making the melting depth constant by using a light emitter that continuously irradiates.

上記課題を解決するために、本発明の加工方法は、光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて、前記ワークを所定の深さまで融解する加工方法において、前記被照射部と異なる位置のワークの温度Txを測定し、前記深さと前記温度Txから前記光の出力を制御することを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the processing method of the present invention is configured to move the optical axis of the light and the work relative to each other while irradiating the irradiated portion of the work with the work to a predetermined depth. In the melting processing method, the temperature Tx of the workpiece at a position different from the irradiated portion is measured, and the light output is controlled from the depth and the temperature Tx.

また、前記被照射部の温度Tsを測定し、前記温度Ts、前記温度Tx及び前記出力から前記出力を制御することを特徴とする。   Further, the temperature Ts of the irradiated portion is measured, and the output is controlled from the temperature Ts, the temperature Tx, and the output.

また、前記出力の制御は、前記温度Ts、前記温度Tx及び前記出力から前記被照射部の表面温度の論理値を算出し、前記温度Tsを論理値に近づけるよう行われることを特徴とする。   The output is controlled by calculating a logical value of the surface temperature of the irradiated portion from the temperature Ts, the temperature Tx, and the output so that the temperature Ts approaches a logical value.

また、前記論理値と前記温度Tsとの比率を前記出力の補正係数αとして、前記光の出力の制御を行うことを特徴とする。   Further, the output of the light is controlled using the ratio between the logical value and the temperature Ts as the output correction coefficient α.

また、前記異なる位置は、前記被照射部から前記光の走査方向前方に所定距離離れた位置であることを特徴とする。   Further, the different position is a position separated from the irradiated portion by a predetermined distance forward in the scanning direction of the light.

また、前記温度Txとして、所定の時間だけ以前に測定された温度を用いることを特徴とする。   Further, as the temperature Tx, a temperature previously measured for a predetermined time is used.

また、前記異なる位置は、前記被照射部の裏面であることを特徴とする。   Further, the different position is a back surface of the irradiated portion.

また、本発明のプログラムは、光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを熱処理する光照射装置を制御するプログラムであって、前記プログラムは、前記ワークの被照射面上の前記光が照射される位置である被照射部と異なる位置のワークの温度Txを測定するステップと、前記深さと前記温度Txとから出力を算出するステップと、前記算出するステップに基づき前記光の出力を制御するステップと、からなることを特徴とする。   The program of the present invention is a program for controlling a light irradiation apparatus that heats the workpiece by moving the optical axis of the light relative to the workpiece while irradiating the irradiated portion of the workpiece with light. The program calculates an output from the step of measuring the temperature Tx of the workpiece at a position different from the irradiated portion that is the position irradiated with the light on the irradiated surface of the workpiece, and the depth and the temperature Tx. And a step of controlling the light output based on the calculating step.

また、本発明者の光照射装置は、光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを所定の深さまで融解する光照射装置であって、光出射器と、前記被照射部と異なる位置の温度Txを測定する周辺用温度計と、
前記深さと前記温度Txとから出力を算出する演算部と、前記出力に前記光の出力を制御する制御部と、を備えることを特徴とする光照射装置。
The inventor's light irradiation apparatus is a light irradiation apparatus that melts the work to a predetermined depth by relatively moving the optical axis of the light and the work while irradiating the irradiated portion of the work with light. A light emitter and a peripheral thermometer for measuring a temperature Tx at a position different from the irradiated portion;
A light irradiation apparatus comprising: an arithmetic unit that calculates an output from the depth and the temperature Tx; and a control unit that controls the output of the light to the output.

また、前記光出射器は、前記光の走査方向と直交する方向に開口寸法を調整可能な絞りと、前記絞りの像を結像させる結像レンズと、を備えることを特徴とする。   Further, the light emitter includes a stop whose aperture size can be adjusted in a direction orthogonal to the scanning direction of the light, and an imaging lens for forming an image of the stop.

また、前記被照射部と異なる位置は、被照射部を中心とした位置を移動可能に構成されていることを特徴とする。   Further, the position different from the irradiated portion is configured to be movable about a position around the irradiated portion.

本発明によれば、融解深さを所望の深さまでワークを融解させる光照射を行なうことができる。   According to the present invention, it is possible to perform light irradiation that melts a workpiece to a desired depth.

また、周辺温度計によって測定された照射前の温度Txに基づいて、光の出力Qを算出するので、融解深さを一定とすることができる。   Further, since the light output Q is calculated based on the temperature Tx before irradiation measured by the ambient thermometer, the melting depth can be made constant.

また、連続照射する光出射器を用いることができる。   Moreover, the light emitter which irradiates continuously can be used.

本実施の形態に係るレーザ光照射装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the laser beam irradiation apparatus concerning this Embodiment. 本実施の形態に係るレーザ加工方法の制御の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of control of the laser processing method which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る常温から準定常状態となるまでの温度変化をグラフである。It is a graph which shows the temperature change from the normal temperature to the quasi-stationary state according to the present embodiment. 本実施の形態に係るレーザ光照射装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the laser beam irradiation apparatus concerning this Embodiment. 従来技術に係るCOレーザ溶接に用いる装置の概略図である。It is a schematic diagram of an apparatus used for CO 2 laser welding according to the prior art. 従来技術に係る光ビーム加熱装置の概略図である。It is the schematic of the light beam heating apparatus which concerns on a prior art. 従来技術に係るレーザアニール装置の概略図である。It is the schematic of the laser annealing apparatus based on a prior art. ワーク上の温度分布を等温線で示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the temperature distribution on a workpiece | work with an isotherm.

以下、本発明の実施形態であるワークの加工方法、ワークの加工用光照射装置およびそれに用いるプログラムについて詳細に説明する。   Hereinafter, a workpiece machining method, a workpiece machining light irradiation apparatus, and a program used therefor according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

以下において、光の照射による加熱によって少なくともその表面の一部を融解させる被加工対象物をワークと呼ぶ。本発明に実施形態に係るワークの加工方法の用途としては、半導体ウェファをワークとするドーピング処理や再結晶化のためのレーザアニール等がある。また、ハンダ付けや溶接等、被加工対象物を融解させる目的であれば他のワークにおいても適用可能である。   In the following, a workpiece to be melted at least part of its surface by heating by light irradiation is called a workpiece. Applications of the workpiece processing method according to the embodiment of the present invention include doping processing using a semiconductor wafer as a workpiece and laser annealing for recrystallization. In addition, the present invention can be applied to other workpieces as long as the object to be processed is melted, such as soldering or welding.

図1は、光照射装置の構成を示す模式図である。光出射器であるレーザ発振器2は、制御部7からの信号を受けてレーザ光を発振し、レーザ光をワーク3の被照射面に照射する。照射されるレーザ光は、被照射面において半径20μmの円形の均一なエネルギ分布をもつ。ワーク3は移動部であるステージ8上に支持されており、レーザ光照射装置1は、ステージ8の動作によって、ワーク3をレーザ光の光軸に対して相対移動することができる。本実施の形態のレーザ光照射装置は、レーザ光を照射しながらステージ8を動作させることで、ワーク3の被照射面において任意のパターンに沿ってレーザ光を照射し、熱処理することができる。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a light irradiation apparatus. The laser oscillator 2, which is a light emitter, oscillates laser light in response to a signal from the control unit 7 and irradiates the irradiated surface of the work 3 with the laser light. The irradiated laser light has a circular uniform energy distribution with a radius of 20 μm on the irradiated surface. The workpiece 3 is supported on a stage 8 which is a moving unit, and the laser beam irradiation apparatus 1 can move the workpiece 3 relative to the optical axis of the laser beam by the operation of the stage 8. The laser beam irradiation apparatus of the present embodiment can perform heat treatment by irradiating the laser beam along an arbitrary pattern on the irradiated surface of the workpiece 3 by operating the stage 8 while irradiating the laser beam.

ワーク3の上方には、2つの放射温度計が設置される。一方はワーク3の被照射面上のレーザ光が照射される位置(以下、被照射部と呼ぶ)においてワーク3の表面温度を測定する被照射部用温度計5であり、前記被照射部に焦点を合わせて設置される。   Two radiation thermometers are installed above the work 3. One is an irradiated portion thermometer 5 that measures the surface temperature of the workpiece 3 at a position (hereinafter referred to as an irradiated portion) irradiated with laser light on the irradiated surface of the workpiece 3. Installed in focus.

もう一方の周辺用温度計4はワーク3の被照射部と異なる位置の温度を測定するため、前記異なる位置に焦点を合わせて設置される。周辺用温度計4が焦点を合わせる位置は、被照射部からの熱伝導が無視できる程度に、被照射部から離れていることが必要である。本実施例においては、前記熱伝導から生じる被照射部の温度における誤差を、被照射部における温度上昇量の1%以下とするため、周辺温度計4が焦点を合わせる位置と被照射部との距離xを0.2mmとした。   The other peripheral thermometer 4 is installed with a focus on the different position in order to measure the temperature at a position different from the irradiated portion of the work 3. The position where the peripheral thermometer 4 is focused needs to be far from the irradiated part to such an extent that heat conduction from the irradiated part can be ignored. In the present embodiment, the error in the temperature of the irradiated portion resulting from the heat conduction is set to 1% or less of the amount of temperature rise in the irradiated portion, so that the position where the peripheral thermometer 4 focuses and the irradiated portion The distance x was set to 0.2 mm.

前記異なる位置は、被照射部からステージ8の送り方向の反対方向、換言すると、レーザ光の走査方向前方に距離x離れた被照射面上の位置とする。   The different position is a position on the irradiated surface which is a distance x away from the irradiated portion in the direction opposite to the feeding direction of the stage 8, in other words, in the scanning direction of the laser beam.

また、周辺用温度計4が焦点を合わせる位置は、被照射部を中心とした位置を移動可能に構成されていることが望ましい。該構成では、レーザ光の走査方向を変更する場合に、周辺用温度計4が焦点を合わせる位置を回転移動させるだけで、周辺用温度計4が焦点を合わせる位置をレーザ光の走査方向前方とすることができ、かつ距離xが変化することが無い。従って、レーザ光の走査方向を任意に変更することが可能となる。   Further, it is desirable that the position where the peripheral thermometer 4 is focused is configured to be movable around the irradiated portion. In this configuration, when the scanning direction of the laser beam is changed, the position where the peripheral thermometer 4 is focused is set to the front of the scanning direction of the laser beam only by rotating the position where the peripheral thermometer 4 is focused. And the distance x does not change. Therefore, the scanning direction of the laser beam can be arbitrarily changed.

また、スキャンの方向に応じて被照射部用温度計5と周辺用温度計4とを入れ変えて用いても良い。この場合、周辺用温度計4が焦点を合わせる位置を被照射部とし、被照射部用温度計5が焦点を合わせる位置をレーザ光の走査方向前方とするために、被照射部用温度計5が焦点の合わせる位置、周辺用温度計4が焦点の合わせる位置、または被照射部の位置を移動させることが必要である。   Further, the irradiated portion thermometer 5 and the peripheral thermometer 4 may be interchanged depending on the scanning direction. In this case, in order to set the position where the peripheral thermometer 4 is focused as the irradiated part and the position where the irradiated thermometer 5 is focused as the front in the scanning direction of the laser beam, the irradiated thermometer 5 It is necessary to move the position where the focus is adjusted, the position where the peripheral thermometer 4 is focused, or the position of the irradiated part.

2つの放射温度計は、演算部6に接続され、温度の測定値は演算部6に入力される。演算部6はプログラムを記憶する記憶部と、プログラムを実行するCPUとを備え、記憶されたプログラムは、本実施例のレーザ光照射装置を制御して、周辺用温度計4および被照射部用温度計5から入力された測定値に基づき、レーザ発振器2が出射すべきレーザ光の出力を算出し、本実施例の加工方法を実行するよう構成される。   The two radiation thermometers are connected to the calculation unit 6, and the temperature measurement value is input to the calculation unit 6. The calculation unit 6 includes a storage unit that stores a program and a CPU that executes the program. The stored program controls the laser beam irradiation apparatus of the present embodiment, and is used for the peripheral thermometer 4 and the irradiated unit. Based on the measurement value input from the thermometer 5, the output of the laser beam which the laser oscillator 2 should emit is calculated, and the processing method of the present embodiment is executed.

演算部6は制御部7に接続され、算出した結果を制御部7に入力できるように構成される。レーザ発振器2からワーク3までのレーザ光の軸上に、開口寸法を調整可能な絞り9と絞り9の像を結像させる結像レンズ10が設置され、ワーク3に照射されるレーザ光の形状を調整することができる。   The calculation unit 6 is connected to the control unit 7 and configured to input the calculated result to the control unit 7. On the axis of the laser beam from the laser oscillator 2 to the workpiece 3, an aperture 9 whose aperture size can be adjusted and an imaging lens 10 that forms an image of the aperture 9 are installed, and the shape of the laser beam irradiated onto the workpiece 3 Can be adjusted.

なお、本実施例のレーザ光照射装置1においては、レーザ光の光軸とワーク3との少なくとも一方を移動させることにより、相対的に移動できれば良い(本明細書では、該移動を「スキャン」と呼ぶこととする)。すなわち、本実施例のレーザ光照射装置1は、ステージ8を固定ステージとし、レーザ発振器2、周辺用温度計4、被照射部用温度計5、絞り9、結像レンズ10を移動させる移動部を代わりに備えても良い。   In the laser beam irradiation apparatus 1 of the present embodiment, it is only necessary that the laser beam irradiation apparatus 1 can move relatively by moving at least one of the optical axis of the laser beam and the work 3 (in this specification, the movement is “scan”). Will be called). That is, the laser beam irradiation apparatus 1 of this embodiment uses the stage 8 as a fixed stage, and a moving unit that moves the laser oscillator 2, the peripheral thermometer 4, the irradiated portion thermometer 5, the diaphragm 9, and the imaging lens 10. May be provided instead.

図2は本実施例のレーザ加工方法の制御の流れを示すフローチャートである。以下、図1、図2を用いてワークを所定の深さzまで融解する本実施例のレーザ加工方法の手順を説明する。   FIG. 2 is a flowchart showing a control flow of the laser processing method of this embodiment. Hereinafter, the procedure of the laser processing method of the present embodiment for melting the workpiece to a predetermined depth z will be described with reference to FIGS.

まずS1において、演算部6が記憶する変数である補正係数αに初期値として1を入力する。次にS2において、周辺用温度計4が周辺温度Txを測定し、演算部6が前記周辺温度Txを記憶する。   First, in S1, 1 is input as an initial value to the correction coefficient α, which is a variable stored in the calculation unit 6. Next, in S2, the ambient thermometer 4 measures the ambient temperature Tx, and the calculation unit 6 stores the ambient temperature Tx.

次にS3において、演算部6が、所望の融解深さzと前記周辺温度Txとから必要なレーザ光の出力Q[W]を算出する。前記算出には、演算部6に記憶された周辺温度Txのうち、距離xをスキャン速度vで割った時間x/vだけ以前に測定した周辺温度Txを用いる。前記Txは、出力Q算出時において被照射部に位置するワーク3表面の以前の温度である。但し、スキャン開始またはTx測定開始からの経過時間がx/v[sec]未満の時は、レーザ光の走査開始時またはTx測定開始時(開始時からの経過時間が0sec)の値を用いる。本実施例においては、x=0.2mm、v=100mm/秒であるので、x/v=0.002秒とした。   Next, in S <b> 3, the calculation unit 6 calculates the necessary laser light output Q [W] from the desired melting depth z and the ambient temperature Tx. For the calculation, among the ambient temperatures Tx stored in the calculation unit 6, the ambient temperature Tx measured previously by the time x / v obtained by dividing the distance x by the scan speed v is used. The Tx is the previous temperature of the surface of the work 3 located at the irradiated portion when the output Q is calculated. However, when the elapsed time from the start of scanning or the start of Tx measurement is less than x / v [sec], the value at the start of scanning of the laser beam or the start of Tx measurement (the elapsed time from the start is 0 sec) is used. In this embodiment, x = 0.2 mm and v = 100 mm / second, so x / v = 0.002 seconds.

なお、出力Qの算出時と該出力Qに制御されるレーザ光の照射時とのタイムラグΔtを用いて、時間x/v−Δtだけ以前に測定したTxを出力Qの算出に用いても良い。この場合、該出力Qに制御される前記レーザ光の照射時において被照射部に位置するワーク3表面の以前の温度を該出力Qの算出に用いることになる。   It should be noted that Tx measured before time x / v−Δt may be used for calculating the output Q by using the time lag Δt between the calculation of the output Q and the irradiation of the laser beam controlled by the output Q. . In this case, the previous temperature of the surface of the work 3 positioned at the irradiated portion at the time of irradiation of the laser light controlled by the output Q is used for calculation of the output Q.

本実施例においては、前記被照射部からレーザ光の走査方向前方に離れた位置で周辺温度Txを測定するよう構成したことによって、また、出力Qの算出時または該出力Qに制御される前記レーザ光の照射時において被照射部に位置するワーク3表面の以前の温度を該出力Qの算出に用いることにより、温度Txの測定位置と被照射部とのワーク3における位置が異なることによる測定誤差を無くすことができる。   In the present embodiment, the ambient temperature Tx is measured at a position away from the irradiated portion in the scanning direction of the laser beam, and the output Q is controlled or calculated by the output Q. By using the previous temperature of the surface of the work 3 positioned at the irradiated portion at the time of laser light irradiation for the calculation of the output Q, the measurement due to the difference between the measurement position of the temperature Tx and the position of the irradiated portion on the work 3 Errors can be eliminated.

前記算出の原理について、詳細に説明する。「日経技術図書株式会社 レーザプロセシング 220-221」によれば、半径aの円形均一分布熱をもつ移動熱源に対する温度上昇量θ(r,z)[K]とワークが吸収する熱流束q[W/m]との定常状態における関係は、式(2)で与えられる。 The principle of the calculation will be described in detail. According to “Nikkei Technical Library Co., Ltd. Laser Processing 220-221”, the temperature rise θ (r, z) [K] for the moving heat source having a circular uniform distribution heat of radius a and the heat flux q 0 [ The relationship in the steady state with W / m 2 ] is given by equation (2).

v:スキャン速度、k:熱拡散率、λ:熱伝導率である。 v: scan speed, k: thermal diffusivity, λ: thermal conductivity.

ここで、レーザ照射前の深さzにおける温度をTxと仮定し、被照射部直下の深さzにおいて温度が融点Tmに達すると仮定すると、式(2)においてθ(0,z)=Tm−Tx,r=0であり、代入して整理すれば必要な出力Q[W]は式(3)で与えられる。   Here, assuming that the temperature at the depth z before the laser irradiation is Tx, and assuming that the temperature reaches the melting point Tm at the depth z immediately under the irradiated portion, θ (0, z) = Tm in the equation (2). -Tx, r = 0, and if it is substituted and arranged, the necessary output Q [W] is given by equation (3).

A:ワーク表面の吸収率、α:補正係数とする。 A: Absorption rate of workpiece surface, α: Correction coefficient.

式(3)のQには、ワークの融解熱が考慮されていないので、融解熱に相当する上昇温度として、βΔTを加える。βΔT加算後の式を式(4)に示す。   Since Q of the formula (3) does not consider the heat of fusion of the workpiece, βΔT is added as the rising temperature corresponding to the heat of fusion. The equation after βΔT addition is shown in equation (4).

ΔTは、ワーク3の融解熱L[J/kg]と比熱c[J/kg・K]を用いて、ΔT=L/c[K]として算出した値である。また、βは補正係数であり、事前の照射実験における熱量Qと融解深さzとの関係に基づき算出した値である。式(4)によれば、半径aの円形均一分布熱をもつ移動熱源によって、深さzまで融解させるに必要な熱量Qを算出することができる。 ΔT is a value calculated as ΔT = L / c [K] using the heat of fusion L [J / kg] of the workpiece 3 and the specific heat c [J / kg · K]. Β is a correction coefficient, which is a value calculated based on the relationship between the heat quantity Q and the melting depth z in the previous irradiation experiment. According to the equation (4), it is possible to calculate the amount of heat Q necessary for melting to the depth z by a moving heat source having a circular uniform distribution heat with a radius a.

次に、S4において制御部7は、演算部6が算出した熱量Qに基づきレーザ発振器2を発振させ、レーザ光を照射させる。   Next, in S4, the control unit 7 oscillates the laser oscillator 2 based on the heat quantity Q calculated by the calculation unit 6, and irradiates the laser beam.

次に、S5において、被照射部用温度計5が被照射部の表面温度Tsを測定する。   Next, in S5, the irradiated portion thermometer 5 measures the surface temperature Ts of the irradiated portion.

次に、S6において、演算部6は、被照射部の表面温度の論理値Ts’を式(2)に用いて、Ts’=θ(0,0)+Tx−ΔTとして算出する。なお、θ(0,0)算出にあたり、qとして、出力Qをその照射面積πaで除した値を用いる。次に、S5において測定したTsと前記論理値Ts’とを用いて、前記論理値Ts’と前記温度Tsとの比率に基づき、補正係数α=(Ts−Tx)/(Ts’−Tx)として計算し、演算部6が記憶する補正係数αの値を前記算出した補正係数αの値に更新する。 Next, in S6, the calculation unit 6 calculates Ts ′ = θ (0,0) + Tx−ΔT by using the logical value Ts ′ of the surface temperature of the irradiated portion in Expression (2). In calculating θ (0,0), a value obtained by dividing the output Q by the irradiation area πa 2 is used as q 0 . Next, using the Ts measured in S5 and the logical value Ts ′, the correction coefficient α = (Ts−Tx) / (Ts′−Tx) based on the ratio between the logical value Ts ′ and the temperature Ts. And the value of the correction coefficient α stored in the calculation unit 6 is updated to the calculated value of the correction coefficient α.

次にS7において、スキャンが完了したか否かを判断する。完了していれば照射を停止し、完了していなければS2に戻る。補正係数αはS6において更新されているので、次のS3における出力Qの算出には、更新された補正係数αが用いられる。これによりフィードバック制御が可能となる。なお、本実施例においては、S2〜S6を1つのサイクルとするフィードバックループ制御が0.002秒に1回の割合で行なわれる。式(2)〜式(4)は定常状態における関係式であるが、本実施例においては、レーザ照射開始後、極めて短時間で準定常状態となるため、フィードバック制御の間隔が、準定常状態となるまでの時間より大きい本実施例においては、その誤差は許容範囲となる。   Next, in S7, it is determined whether or not the scan is completed. If completed, the irradiation is stopped, and if not completed, the process returns to S2. Since the correction coefficient α is updated in S6, the updated correction coefficient α is used for calculation of the output Q in the next S3. This enables feedback control. In this embodiment, feedback loop control with S2 to S6 as one cycle is performed once every 0.002 seconds. Expressions (2) to (4) are relational expressions in the steady state. In this embodiment, since the quasi-steady state is reached in a very short time after the start of laser irradiation, the feedback control interval is set to the quasi-steady state. In the present embodiment, which is longer than the time until the error, the error is within an allowable range.

図3にレーザを照射して、常温から準定常状態となるまでの温度変化をグラフで示す。図3のグラフより、照射開始後0.0006秒後1330度に達し、0.0008秒後に1328度に低下し、0.001秒後に1334度に再上昇していることがわかる。すなわち、0.0008秒以後、上昇傾向が観察されず、1328度から1334度までの6℃の範囲内を推移する定常状態となっていると推測される。   FIG. 3 is a graph showing the temperature change from the normal temperature to the quasi-steady state by laser irradiation. From the graph of FIG. 3, it can be seen that the temperature reached 1330 degrees after 0.0006 seconds after the start of irradiation, decreased to 1328 degrees after 0.0008 seconds, and increased again to 1334 degrees after 0.001 seconds. That is, after 0.0008 seconds, no upward trend is observed, and it is estimated that the steady state transitions within the range of 6 ° C. from 1328 degrees to 1334 degrees.

本実施例のレーザ光照射装置は、所望の融解深さzと周辺温度Txによって定まる出力Qにレーザ光の出力を制御するレーザ光照射装置である。   The laser beam irradiation apparatus of the present embodiment is a laser beam irradiation apparatus that controls the output of the laser beam to an output Q determined by a desired melting depth z and an ambient temperature Tx.

また、本実施例のレーザ光照射装置は、出力Qと周辺温度Txによって、一意に定まる被照射部の表面温度の論理値Ts’に測定値Tsを近づけるようレーザ光の出力Qを制御するレーザ光照射装置である。   Further, the laser beam irradiation apparatus of the present embodiment controls the laser beam output Q so that the measured value Ts approaches the logical value Ts ′ of the surface temperature of the irradiated portion that is uniquely determined by the output Q and the ambient temperature Tx. It is a light irradiation device.

本実施例によれば、融解深さを所望の深さzまでワークを融解させるレーザ照射を行なうことができる。   According to the present embodiment, it is possible to perform laser irradiation for melting the workpiece to the desired depth z.

また、周辺温度計4によって測定されたレーザ照射前の温度Txに基づいて、レーザ光の出力Qを算出するので、温度Txに関わらず融解深さを一定とすることができる。   Further, since the laser beam output Q is calculated based on the temperature Tx before laser irradiation measured by the ambient thermometer 4, the melting depth can be made constant regardless of the temperature Tx.

また、連続照射するレーザを用いることができる。   In addition, a continuous irradiation laser can be used.

なお、ワーク3が固体の時と液体の時とでレーザ光の吸収率Aが異なる場合、θ(0,0)<Tmである区間(すなわち、ワーク3表面が融点Tmに達するまで)に関し、固体の吸収率を用いて出力Qsを求め、融点に到達後の期間に関し、液体の吸収率を用いて出力Qlを求め、前記出力Qsと前記出力Qlを合算して出力Qを求めても良い。   When the absorption rate A of the laser beam is different between when the workpiece 3 is solid and when the workpiece 3 is liquid, regarding a section where θ (0,0) <Tm (that is, until the surface of the workpiece 3 reaches the melting point Tm), The output Qs may be obtained using the solid absorptance, the output Ql may be obtained using the liquid absorptivity for the period after reaching the melting point, and the output Qs may be obtained by adding the output Qs and the output Ql. .

なお、レーザ光が被照射面において円形の均一な分布でない場合、式(2)〜(4)に替えて、各分布に対応する式を用いれば良い。   When the laser light is not a circular uniform distribution on the irradiated surface, equations corresponding to each distribution may be used instead of equations (2) to (4).

たとえば、レーザ発振器2としてガウス分布のレーザ発振器を用いても良く、その場合、「日経技術図書株式会社 レーザプロセシング 220-221」にあるように、式(2)の代わりに式(5)を用いて算出すれば良い。   For example, a Gaussian-distributed laser oscillator may be used as the laser oscillator 2, and in this case, the expression (5) is used instead of the expression (2) as described in “Nikkei Technical Library Co., Ltd. Laser Processing 220-221”. To calculate.

また、近似として「日経技術図書株式会社 レーザプロセシング 220-221」に記載の理想点熱源の式(6)を式(2)の代わりに用いて算出しても良い。   Further, as an approximation, the ideal point heat source equation (6) described in “Nikkei Technical Library Co., Ltd. Laser Processing 220-221” may be used instead of the equation (2).

また、レーザ出力の制御に伴って水平方向の温度分布が変化して融解領域の幅が変化した場合、絞り9のレーザ光の走査方向と直交する方向の開口寸法を調整することで融解領域の幅を調整することが望ましい。例えば、レーザ出力の制御により融解幅が増大した場合、開口寸法を狭くして照射領域を小さくする。ここでレーザ光の単位面積当たりの出力は変化しないため、融解深さzに及ぼす影響は小さく、また融解幅の減少量は開口寸法の減少量とほぼ等しいため、高精度に融解幅を調整できる。   In addition, when the temperature distribution in the horizontal direction changes due to the control of the laser output and the width of the melting region changes, the aperture size in the direction orthogonal to the scanning direction of the laser beam of the diaphragm 9 is adjusted to adjust the melting region. It is desirable to adjust the width. For example, when the melting width is increased by controlling the laser output, the aperture size is narrowed to reduce the irradiation area. Here, since the output per unit area of the laser beam does not change, the influence on the melting depth z is small, and the reduction amount of the melting width is almost equal to the reduction amount of the opening size, so that the melting width can be adjusted with high accuracy. .

また、本実施例ではレーザ発振器2を連続的に発振させてレーザ光を連続照射したが、レーザ光をパルス発振させても良い。その場合、パルス照射に対応する温度上昇量θの算出式を式(2)〜(4)の代わりに用いれば良い。   In this embodiment, the laser oscillator 2 is continuously oscillated and the laser beam is continuously irradiated. However, the laser beam may be pulsated. In that case, a calculation formula for the temperature increase θ corresponding to the pulse irradiation may be used instead of the formulas (2) to (4).

図4は、本実施例のレーザ光照射装置(光照射装置)の構成を示す模式図である。本実施例では、実施例1と異なり、周辺用温度計4は、ステージ8の下方に設置され、被照射部の真裏に焦点を合わせて設置されている。   FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration of a laser beam irradiation apparatus (light irradiation apparatus) according to the present embodiment. In the present embodiment, unlike the first embodiment, the peripheral thermometer 4 is installed below the stage 8 and is placed in focus on the back of the irradiated portion.

ワーク3の板厚は、被照射部からの熱伝導が無視できる程度に厚いことが必要である。本実施例においては、前記熱伝導から生じる被照射部の温度における誤差を、被照射部における温度上昇量の1%以下とするため、周辺温度計4が焦点を合わせる位置と被照射部との距離xを0.2mmとした。   The plate thickness of the work 3 needs to be so thick that heat conduction from the irradiated portion can be ignored. In the present embodiment, the error in the temperature of the irradiated portion resulting from the heat conduction is set to 1% or less of the amount of temperature rise in the irradiated portion, so that the position where the peripheral thermometer 4 focuses and the irradiated portion The distance x was set to 0.2 mm.

被照射部の裏面で温度Txを測定することにより、温度Tsを測定する時と温度Tmを測定する時との間隔を短く、理想的には同時にすることができるので、該間隔による経時変化によって生じる誤差を小さくすることができる。   By measuring the temperature Tx on the back surface of the irradiated part, the interval between the time when measuring the temperature Ts and the time when measuring the temperature Tm can be shortened and ideally at the same time. The generated error can be reduced.

また、周辺用温度計4が測定する位置を被照射部を中心として回転移動できるように構成することを要しないための本実施例のレーザ光照射装置の構成を単純とすることができる。   In addition, the configuration of the laser beam irradiation apparatus of the present embodiment can be simplified because it is not necessary to configure the position measured by the peripheral thermometer 4 so that the position can be rotated about the irradiated portion.

本発明に係る加工方法および照射装置は、レーザ光のみならず、可視光線を含む電磁波を照射、または高温ガス等を噴射してワークを熱して所定の深さまで融解させる利用分野において利用可能である。     INDUSTRIAL APPLICABILITY The processing method and the irradiation apparatus according to the present invention can be used in fields of application in which not only laser light but also electromagnetic waves including visible light are irradiated, or high-temperature gas is injected to heat a workpiece and melt it to a predetermined depth. .

2 レーザ発振器
4 周辺用温度計
5 被照射部用温度計
6 演算部
7 制御部
8 ステージ
9 絞り
10 結像レンズ
2 Laser Oscillator 4 Peripheral Thermometer 5 Irradiated Part Thermometer 6 Arithmetic Unit 7 Control Unit 8 Stage 9 Aperture 10 Imaging Lens

Claims (11)

光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて、前記ワークを所定の深さまで融解する加工方法において、
前記被照射部と異なる位置のワークの温度Txを測定し、
前記深さと前記温度Txから前記光の出力を制御することを特徴とする加工方法。
In the processing method of melting the workpiece to a predetermined depth by relatively moving the optical axis of the light and the workpiece while irradiating the irradiated portion of the workpiece,
Measure the temperature Tx of the workpiece at a position different from the irradiated part,
A processing method comprising controlling the light output from the depth and the temperature Tx.
前記被照射部の温度Tsを測定し、
前記温度Ts、前記温度Tx及び前記出力から前記出力を制御することを特徴とする請求項1記載の加工方法。
Measure the temperature Ts of the irradiated part,
The processing method according to claim 1, wherein the output is controlled from the temperature Ts, the temperature Tx, and the output.
前記出力の制御は、前記温度Ts、前記温度Tx及び前記出力から前記被照射部の表面温度の論理値を算出し、前記温度Tsを論理値に近づけるよう行われることを特徴とする請求項1ないし2記載の加工方法。 The output is controlled by calculating a logical value of a surface temperature of the irradiated portion from the temperature Ts, the temperature Tx, and the output, and making the temperature Ts close to the logical value. The processing method of thru | or 2. 前記論理値と前記温度Tsとの比率を前記出力の補正係数αとして、前記光の出力の制御を行うことを特徴とする請求項3記載のレーザ加工方法。   4. The laser processing method according to claim 3, wherein the output of the light is controlled using the ratio between the logical value and the temperature Ts as the output correction coefficient α. 前記異なる位置は、前記被照射部から前記光の走査方向前方に所定距離離れた位置であることを特徴とする請求項1記載の加工方法。   The processing method according to claim 1, wherein the different position is a position away from the irradiated portion by a predetermined distance forward in the scanning direction of the light. 前記温度Txとして、所定の時間だけ以前に測定された温度を用いることを特徴とする請求項5記載の加工方法。   The processing method according to claim 5, wherein a temperature measured previously for a predetermined time is used as the temperature Tx. 前記異なる位置は、前記被照射部の裏面であることを特徴とする請求項1記載の加工方法。   The processing method according to claim 1, wherein the different position is a back surface of the irradiated portion. 光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを熱処理する光照射装置を制御するプログラムであって、
前記プログラムは、
前記ワークの被照射面上の前記光が照射される位置である被照射部と異なる位置のワークの温度Txを測定するステップと、
前記深さと前記温度Txとから出力を算出するステップと、
前記算出するステップに基づき前記光の出力を制御するステップと、
からなることを特徴とするプログラム。
A program for controlling a light irradiation device that heats the workpiece by moving the optical axis of the light relative to the workpiece while irradiating the irradiated portion of the workpiece,
The program is
Measuring the temperature Tx of the workpiece at a position different from the irradiated portion that is the position irradiated with the light on the irradiated surface of the workpiece;
Calculating an output from the depth and the temperature Tx;
Controlling the output of the light based on the calculating step;
A program characterized by comprising.
光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを所定の深さまで融解する光照射装置であって、
光出射器と、
前記被照射部と異なる位置の温度Txを測定する周辺用温度計と、
前記深さと前記温度Txとから出力を算出する演算部と、
前記出力に前記光の出力を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする光照射装置。
A light irradiation device that melts the work to a predetermined depth by relatively moving the optical axis of the light and the work while irradiating the irradiated portion of the work,
A light emitter;
A peripheral thermometer for measuring a temperature Tx at a position different from the irradiated portion;
An arithmetic unit for calculating an output from the depth and the temperature Tx;
A control unit for controlling the output of the light to the output;
A light irradiation apparatus comprising:
前記光出射器は、
前記光の走査方向と直交する方向に開口寸法を調整可能な絞りと、前記絞りの像を結像させる結像レンズと、
を備えることを特徴とする請求項9に記載の光照射装置。
The light emitter is
A diaphragm whose aperture size can be adjusted in a direction orthogonal to the scanning direction of the light; and an imaging lens that forms an image of the diaphragm;
The light irradiation apparatus according to claim 9, comprising:
前記被照射部と異なる位置は、被照射部を中心とした位置を移動可能に構成されていることを特徴とする請求項10記載の光照射装置。   The light irradiation apparatus according to claim 10, wherein the position different from the irradiated portion is configured to be able to move a position around the irradiated portion.
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