JP2018018909A

JP2018018909A - レーザ加工機

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Publication number: JP2018018909A
Application number: JP2016146857A
Authority: JP
Inventors: 輝尚川▲崎▼; Teruhisa Kawasaki
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-02-01
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: JP6815689B2

Abstract

【課題】ビームスキャナよりも下流側に配置された光学部品の汚れや劣化に起因する光強度の低下をオンラインモニタリングすることが可能なレーザ加工機を提供する。【解決手段】レーザ光源から出力されたレーザビームをビームスキャナが走査する。ビームスキャナによって走査されたレーザビームの経路に光学部品が配置されている。光学部品へのレーザビームの入射から出射までの過程で発生する光を光検出器が検出する。制御装置がビームスキャナに走査指令を与えるとともに、光検出器で検出された光の強度に基づいて、ビームスキャナによるレーザビームの走査範囲内における光の強度分布を求める。【選択図】図１

Description

本発明はレーザ加工機に関する。

ガルバノスキャナ等のビームスキャナを有するレーザ加工機では、例えばチャンバ内に加工対象物を配置し、チャンバに設けたレーザ透過窓を透過させてチャンバ内にレーザビームを入射させる。レーザ加工を行う前に、チャンバ内に配置された光検出器にレーザビームを入射させて、レーザ照射面に対応する位置に配置された光検出器で光強度（例えばレーザパワー、パルスエネルギ等）を測定することにより、レーザ照射条件が許容範囲に納まっているか否かの確認を行う。

また、光路中のレーザビームのエネルギの一部を取り出してレーザ発振器の出力のフィードバック制御を行う技術が知られている（特許文献１）。

特開２００３−５３５６４号公報

ビームスキャナで走査されたレーザビームが入射する加工対象物の面内における光強度の分布を均一に保つことが望まれている。例えば、加工対象物をチャンバ内に配置し、チャンバに設けたレーザ透過窓を透過させてチャンバ内にレーザビームを入射させる。レーザ加工中に発生する粉塵等の影響を考慮し、通常、ビームスキャナと加工対象物との間にレーザ透過窓が配置される。経時変化によりレーザ透過窓に部分的な汚れや劣化が生じると透過率が低下する。透過率の部分的な低下は、加工対象物の面内における光強度に影響を及ぼし、加工品質のばらつきの要因になる。

レーザ加工前に、チャンバ内に配置された光検出器で光強度を測定する方法では、走査範囲内の全域の検査を行うことが困難である。さらに、レーザ加工中に加工対象物の表面に入射するレーザビームの光強度をモニタリング（以下、オンラインモニタリングという。）することはできない。レーザ加工前に光強度をモニタリング（以下、オフラインモニタリングという。）する方法では、異常が発生してからオフラインモニタリングで異常が検出されるまでの期間に処理された加工対象物が不良となってしまう。

光路中のレーザビームのエネルギの一部を取り出してレーザ発振器の出力のフィードバック制御を行う方法では、光路が不変の位置のレーザビームの一部が取り出される。ビームスキャナで走査された後の光路中のレーザビームの一部を取り出すことは困難である。このため、ビームスキャナよりも下流側に配置された光学部品の汚れや劣化に起因する光強度の想定外の低下を検出することは困難である。

本発明の目的は、ビームスキャナよりも下流側に配置された光学部品の汚れや劣化に起因する光強度の低下をオンラインモニタリングすることが可能なレーザ加工機を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザビームを走査するビームスキャナと、
前記ビームスキャナによって走査されたレーザビームの経路に配置された光学部品と、
前記光学部品へのレーザビームの入射から出射までの過程で発生する光を検出する光検出器と、
前記ビームスキャナに走査指令を与えるとともに、前記光検出器で検出された光の強度に基づいて、前記ビームスキャナによるレーザビームの走査範囲内における光の強度分布を求める制御装置と
を有するレーザ加工機が提供される。

光学部品の汚れや劣化に起因して、光学部品へのレーザビームの入射から出射までの過程で光（例えば蛍光、散乱光、熱放射光等）が発生する。この光をオンラインモニタリングすることにより、光学部品の汚れや劣化の程度の知ることができる。

図１は、実施例によるレーザ加工機の概略図である。図２Ａは、光検出器で検出された光の強度の時間変化の一例を示すグラフであり、図２Ｂは、パルスレーザビームを走査したときの加工対象物の表面におけるレーザ入射位置の軌跡を示す図であり、図２Ｃは、制御装置が出力装置の表示画面に表示させた図形の一例を示す図である。図３は、上記実施例の変形例によるレーザ加工機の制御装置のブロック図である。図４Ａは、上記実施例の他の変形例によるレーザ加工機の制御装置のブロック図であり、図４Ｂは、レーザ透過窓と光検出器との相対位置関係を示す概略図である。図５は、上記実施例のさらに他の変形例によるレーザ加工機のレーザ透過窓と光検出器との相対位置関係を示す平面図である。図６は、他の実施例によるレーザ加工機の概略図である。図７は、さらに他の実施例によるレーザ加工機の概略図である。

図１及び図２Ａ〜図２Ｃを参照して、実施例によるレーザ加工機について説明する。

図１は、実施例によるレーザ加工機の概略図である。レーザ光源１０が制御装置４０からの指令に基づきパルスレーザビームを出力する。レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームがアッテネータ１１、ビームエキスパンダ１２、ビームホモジナイザ１３、ビームスキャナ１４、レンズ１５を経由して加工対象物５０に入射する。加工対象物５０は、チャンバ２０の内部に配置されたステージ２２に支持されている。パルスレーザビームは、チャンバ２０に設けられたレーザ透過窓２１を透過してチャンバ２０内に導入される。レンズ１５及びレーザ透過窓２１は、ビームスキャナ１４によって走査されたパルスレーザビームの経路に配置された光学部品である。レーザ透過窓２１は、例えば合成石英の板の表面に反射防止膜をコーティングした構造を有する。

加工対象物５０は、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）基板と、その表面に形成されたニッケル膜とを含む。加工対象物５０にパルスレーザビームを入射させてレーザアニールを行うことにより、ニッケルシリサイド膜を形成することができる。レーザアニール中、チャンバ２０内は、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気にされるか、または真空にされる。

レーザ光源１０は、紫外域のパルスレーザビームを出力する。パルスレーザビームのパルスの繰返し周波数は、例えば２０ｋＨｚである。レーザ光源１０には、例えば波長３５５ｎｍの第３高調波を出力するＮｄ：ＹＶＯ_４レーザ発振器が用いられる。その他に、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ発振器、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器等を用いてもよい。

アッテネータ１１は、制御装置４０からの指令に基づいて、パルスレーザビームの減衰率を変化させる。

ビームエキスパンダ１２は、パルスレーザビームのビーム径を拡大する。ビームホモジナイザ１３は、加工対象物５０の表面におけるビームプロファイルを均一化する。ビームスキャナ１４は、制御装置４０からの走査指令に基づき、パルスレーザビームを二次元方向に走査する。ビームスキャナ１４には、例えば一対の可動ミラーを持つガルバノスキャナを用いることができる。レンズ１５は、例えばｆθレンズで構成され、ほぼ像側テレセントリック光学系を実現している。ビームスキャナ１４で走査されたパルスレーザビームの入射位置の、加工対象物５０の表面における移動速度は、例えば６６０ｍｍ／ｓである。レーザ透過窓２１の位置におけるビーム径は例えば直径約３ｍｍであり、加工対象物５０の表面におけるビーム径は例えば直径約０．１ｍｍである。

チャンバ２０内に光検出器２５が配置されている。ビームスキャナ１４を制御することにより、パルスレーザビームを光検出器２５に入射させることができる。この状態で、光検出器２５はパルスレーザビームの光強度、例えば平均パワー、パルスエネルギ等を測定することができる。測定結果に基づいて、レーザ光源１０、アッテネータ１１、ビームエキスパンダ１２、ビームホモジナイザ１３の正常性を確認することができる。さらに、レンズ１５、レーザ透過窓２１の、パルスレーザビームが透過した箇所の汚れや劣化の有無を確認することができる。

ビームスキャナ１４で走査されたパルスレーザビームの経路の側方、より具体的にはレンズ１５とレーザ透過窓２１と間のパルスレーザビームの経路の側方（外側）に光検出器３０が配置されている。光検出器３０は、レーザ透過窓２１へのレーザビームの入射から出射までの過程で発生する光を検出する。検出した光の強度に応じた信号が制御装置４０に入力される。

レーザ透過窓２１へのレーザビームの入射から出射までの過程で発生する光として、例えばレーザ透過窓２１の表面の汚れや異物に起因する発光（例えば蛍光）、レーザ透過窓２１に生じた傷に起因する散乱光、レーザ透過窓２１の温度上昇に起因する赤外放射光等が挙げられる。光検出器３０として、レーザ光源１０の発振周波数程度の応答性能を持つセンサ、例えばフォトダイオードセンサを用いることができる。フォトダイオードセンサとして、異物から発生する蛍光の波長、傷に起因する散乱光（パルスレーザビームを同一の波長）、及び赤外放射光の波長の領域の光を検出可能なものを用いることが好ましい。

制御装置４０は、光検出器３０で検出された光の強度に基づく情報を出力装置４１に出力する。出力装置４１は、例えば画像を表示する表示画面、音声を発出するスピーカ等を含む。

次に、図２Ａ〜図２Ｃを参照して、制御装置４０が行う処理、及び出力装置４１の表示画面に表示する画像について説明する。

図２Ａは、光検出器３０で検出された光の強度の時間変化の一例を示すグラフである。横軸は経過時間を表し、縦軸は光強度を表す。１枚の加工対象物５０に対する走査開始時刻をｔ０で表し、走査終了時刻をｔ１で表す。図２Ａに示した例では、１回の走査期間中に、２つの時点で光強度のピークが現れている。

図２Ｂは、パルスレーザビームを走査したときの加工対象物５０及びレーザ透過窓２１の表面におけるレーザ入射位置の軌跡を示す図である。図２Ｂの左右方向にパルスレーザビームを主走査し、上下方向に副走査することにより、加工対象物５０の表面のほぼ全域をレーザアニールする。走査開始位置５１にパルスレーザビームが入射する時刻が図２Ａの時刻ｔ０に対応し、走査終了位置５２にパルスレーザビームが入射する時刻が図２Ａの時刻ｔ１に対応する。図２Ａに示した時間軸上の位置と、図２Ｂに示した軌跡上の位置とは１対１に対応する。

制御装置４０（図１）は、光検出器３０で検出された光の強度の時間変化（図２Ａ）を、ビームスキャナ１４に与える走査指令に基づいて空間分布に変換する。ここで、空間分布は、例えばレーザ透過窓２１の表面内における二次元分布に相当する。

図２Ｃは、制御装置４０（図１）が出力装置４１（図１）の表示画面に表示させた図形の一例を示す図である。制御装置４０は、レーザ透過窓２１の表面内における光強度分布を出力装置４１の表示画面に二次元画像で表示させる。図２Ｃにおいて、光強度の強い箇所ほど密度の高いドットパターンを付して表している。光強度の強い箇所が、図２Ａに示したピークが現れている時刻に対応する。

制御装置４０は、さらに光検出器３０で検出された光の強度が許容範囲に納まっているか否かを判定する。この許容範囲は、予め制御装置４０に記憶されている。光の強度が許容範囲から外れている場合には、出力装置４１から異常を通知する情報を出力する。異常を通知する情報は、例えば、スピーカから出力される音声情報であってもよいし、表示画面に表示される画像情報であってもよい。

次に、上記実施例によるレーザ加工機の優れた効果について説明する。

光検出器３０で検出される光の強度は、レーザ透過窓２１の汚れ、劣化（例えば傷）等に依存する。光検出器３０で検出された光の強度が大きいことは、汚れまたは劣化によってレーザ透過窓２１の透過率が低下していることを意味する。すなわち、光検出器３０で検出された光の強度が大きいときにパルスレーザビームが入射した加工対象物５０内の箇所において、パルスエネルギ不足が生じている可能性が懸念される。

本実施例においては、レーザアニール中に光検出器３０で光の強度をオンラインモニタリングすることにより、パルスエネルギ不足が生じた可能性が懸念される箇所に関する情報を得ることができる。光検出器３０で検出された光の強度分布が二次元画像（図２Ｃ）で表示されるため、オペレータはパルスエネルギ不足が生じた箇所を視覚的に容易に認識することができる。

オペレータは、光検出器３０で検出された光の強度の最大値が許容範囲を超えたことに気づくと、レーザ透過窓２１の洗浄または交換を行うことにより、今後のレーザアニールの不良の発生を回避することができる。このように、レーザ透過窓２１の汚れ、劣化等をオンラインモニタリングしているため、異常が発生した状態に気付かず、不良の製品が継続して製造される事態が発生することを防止することができる。

上記実施例では、ビームスキャナ１４による走査指令と、光検出器３０の検出値の時間変化とに基づいて、光強度の二次元分布を求めたが、光検出器３０として、二次元画像を取得可能な撮像装置を用いてもよい。撮像装置として、例えばＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等を用いることができる。この撮像装置は、レーザ透過窓２１の表面を撮像して二次元画像を取得する。

次に、図３〜図５を参照して上記実施例の種々の変形例について説明する。

図３は、上記実施例の変形例によるレーザ加工機の制御装置４０の一部の機能を示すブロック図である。本変形例においては、レーザ透過窓２１（図１）の透過率に応じてアッテネータ１１（図１）の減衰率を調整することにより、透過率の低下に起因するパルスエネルギの低下を補償する処理を行う。

制御装置４０は、ビームスキャナ１４に与える走査指令を生成する走査指令生成部４０ａ、及びアッテネータ１１の減衰量を制御するアッテネータ制御部４０ｂを含む。さらに、制御装置４０は、光検出器３０で検出された光の強度の走査範囲内における分布を表す光強度分布データ４０ｃを記憶している。

アッテネータ制御部４０ｂは、走査指令生成部４０ａで生成された走査指令値から、レーザ透過窓２１（図１）の表面内におけるパルスレーザビームの入射位置を求める。この入射位置と、光強度分布データ４０ｃとに基づいて、アッテネータ１１の減衰量を調整する。例えば、光強度分布データ４０ｃから想定されるレーザ透過窓２１の透過率の低下を補償するように、アッテネータ１１の減衰量を小さくする。これにより、レーザ透過窓２１の透過率低下に起因して加工対象物５０（図１）の表面におけるパルスエネルギが不足する事態の発生を抑制することができる。

図４Ａは、上記実施例の他の変形例によるレーザ加工機の制御装置４０の一部の機能を示すブロック図である。本変形例においては、レーザ透過窓２１の表面内のパルスレーザビーム入射位置から光検出器３０までの距離のばらつきに起因する検出光の強度の増減を補償する。

光検出器３０による光の強度の検出結果が制御装置４０の光強度正規化部４０ｄに入力される。光強度正規化部４０ｄは、走査指令生成部４０ａで生成された走査指令値から、レーザ透過窓２１（図１）の表面内におけるパルスレーザビームの入射位置を求める。この入射位置に基づいて、光検出器３０で検出された光強度の検出値を正規化する。

図４Ｂを参照して、光強度の正規化の方法について説明する。図４Ｂは、レーザ透過窓２１と光検出器３０との相対位置関係を示す概略図である。光検出器３０からレーザ透過窓２１の表面におけるレーザ入射位置Ｐ１までの距離は一定ではない。レーザ入射位置Ｐ１における発光強度が同一でも、レーザ入射位置Ｐ１から光検出器３０までの距離Ｄ１が異なると、光検出器３０による光強度の検出値は同一にはならない。

本変形例においては、光検出器３０によって検出された光の強度を、レーザ入射位置Ｐ１から光検出器３０までの距離Ｄ１と基準距離Ｄ０との比に基づいて正規化する。ここで基準距離Ｄ０は、レーザ透過窓２１の基準位置、例えば中心位置から光検出器３０までの距離である。光検出器３０で検出される光強度は光検出器３０から光源までの距離の２乗に反比例するため、パルスレーザビームがレーザ入射位置Ｐ１に入射しているときに検出された光強度に（Ｄ１／Ｄ０）^２を乗算することにより正規化された光強度を算出することができる。制御装置４０の判定部４０ｅ（図４Ａ）が、正規化された光強度に基づいて、レーザ透過窓２１の汚れ、劣化の有無を判定する。

本変形例では、レーザ透過窓２１の表面におけるレーザ入射位置Ｐ１に依存しない正規化された光強度に基づいて判定を行うため、レーザ透過窓２１の汚れ、劣化の有無の判定精度を高めることができる。

図５は、上記実施例のさらに他の変形例によるレーザ加工機のレーザ透過窓２１と光検出器３０（図１）との相対位置関係を示す平面図である。本変形例においては、光検出器３０が複数、例えば４個の光検出部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを含む。複数の光検出部３０ａ〜３０ｄは、ビームスキャナ１４（図１）で走査されたレーザビームの経路２７の側方に、レーザビームの経路２７を取り囲むように配置されている。

複数の光検出部３０ａ〜３０ｄで検出された光の強度の検出値が制御装置４０に入力される。制御装置４０は、複数の検出値に基づいて、レーザ透過窓２１の汚れ、劣化の有無を判定する。

本変形例では、レーザ透過窓２１の表面内におけるレーザ入射位置から光検出器３０までの距離のばらつきが平準化される。これにより、レーザ入射位置から光検出器３０までの距離のばらつきに起因する光強度の検出値のばらつきが少なくなり、レーザ透過窓２１の汚れ、劣化の有無の判定精度を高めることができる。

光検出部の個数は４個に制限されない。例えば、光検出部を２個、３個、または５個以上配置してもよい。複数の光検出部は、ビームスキャナ１４で走査されたレーザビームの経路２７の中心軸を回転中心としたｎ回回転対称（ｎは２以上の整数）となる位置に配置することが好ましい。

上記実施例及び変形例では、パルスレーザビームを用いてレーザアニールを行ったが、上記実施例及び変形例によるレーザ加工機は、その他のレーザビームを走査するレーザ加工機一般に適用することができる。例えば、レーザドリルに適用することも可能である。

次に、図６を参照して他の実施例によるレーザ加工機について説明する。以下、図１〜図２Ｃに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図６は、本実施例によるレーザ加工機の概略図である。図１に示した実施例では、レンズ１５とレーザ透過窓２１との間のレーザビームの経路の側方に光検出器３０が配置されていたが、図６に示した実施例では、ビームスキャナ１４とレンズ１５との間のレーザビームの経路の側方に光検出器３０が配置されている。

光検出器３０は、レンズ１５へのレーザビームの入射から出射までの過程で発生する光を検出する。本実施例においては、レンズ１５の汚れ、劣化等をオンラインモニタリングすることができる。

次に、図７を参照してさらに他の実施例によるレーザ加工機について説明する。以下、図１〜図２Ｃに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

本実施例においては、光検出器３０がチャンバ２０の中に配置されている。光検出器３０は、レーザ透過窓２１へのレーザビームの入射から出射までの過程で発生し、チャンバ２０の内部に向かって伝搬する光の一部を検出する。

本実施例のように、光検出器３０をチャンバ２０の内部に配置しても、図１〜図２Ｃに示した実施例と同様にレーザ透過窓２１の汚れ、劣化等をオンラインモニタリングすることができる。本実施例では、特にレーザ透過窓２１の内側の表面の汚れ、傷等の検出を効率的に行うことができる。

上述の各実施例及び変形例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０レーザ光源
１１アッテネータ
１２ビームエキスパンダ
１３ビームホモジナイザ
１４ビームスキャナ
１５レンズ
２０チャンバ
２１レーザ透過窓
２２ステージ
２５光検出器
２７走査されたレーザビームの経路
３０光検出器
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ光検出部
４０制御装置
４０ａ走査指令生成部
４０ｂアッテネータ制御部
４０ｃ光強度分布データ
４０ｄ光強度正規化部
４０ｅ判定部
４１出力装置
５０加工対象物
５１走査開始位置
５２走査終了位置

Claims

レーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザビームを走査するビームスキャナと、
前記ビームスキャナによって走査されたレーザビームの経路に配置された光学部品と、
前記光学部品へのレーザビームの入射から出射までの過程で発生する光を検出する光検出器と、
前記ビームスキャナに走査指令を与えるとともに、前記光検出器で検出された光の強度に基づいて、前記ビームスキャナによるレーザビームの走査範囲内における光の強度分布を求める制御装置と
を有するレーザ加工機。
前記光検出器は、前記ビームスキャナで走査されたレーザビームの経路の側方に配置された複数の光検出部を含む請求項１に記載のレーザ加工機。
前記光検出部は、前記ビームスキャナで走査されたレーザビームの経路の中心軸を回転中心とした回転対称となる位置に配置されている請求項２に記載のレーザ加工機。
前記制御装置は、前記光検出器で検出された光の強度の時間変化を、前記ビームスキャナに与える走査指令に基づいて空間分布に変換する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
前記光検出器は二次元画像を取得する撮像装置を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
さらに、画像を表示する出力装置を有し、
前記制御装置は、前記光検出器で検出された光の強度の二次元分布を前記出力装置に二次元画像として表示する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
前記制御装置は、前記光検出器で検出された光の強度が許容範囲に納まっているか否かを判定し、許容範囲から外れている場合には異常を通知する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ加工機。