JP2020082162A - レーザー加工装置および被加工物の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザービームの照射範囲を好適に制御しつつ被加工物を加工する。【解決手段】レーザービームを用いて被加工物を加工するレーザー加工装置が、レーザービームを出射可能な光源と、光源から出射されるレーザービームの光軸上に配置された双曲面レンズと、を備え、レーザービームのビーム径をＤとするとき、双曲面レンズの双曲面の曲率半径が０．１５Ｄ〜０．４Ｄなる値を有してなり、レーザービームが双曲面レンズによって集光されることにより形成される、レーザービームの強度が所定の加工閾値以上となる加工可能強度域に、被加工物の加工対象領域を含めることによって、被加工物を加工する、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物をレーザービームによって加工する装置に関する。

レーザービームを被加工物に照射することによって被加工物に対し分断、穴開け、溝形成などの種々の加工を行うことは、従来より広く行われている。その１つとして、ベッセル型のレーザービームを用いる態様がすでに公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−６４７９５号公報

被加工物に対し一方の表面側からレーザービームを照射し、深さ方向の所定範囲を同時に加工する場合において、ある深さ以上の部分については加工を行いたくない、あるいは、たとえ加工がされないとしても、何らかの悪影響が生じる可能性を懸念して、レーザービームが照射されることを避けたい、というニーズがある。

特許文献１には、アキシコンレンズを用いてベッセル型レーザービームを生成させる旨、および、ベッセル型レーザービームの伝搬方向におけるフルエンス変化において所定の閾値以上の範囲として特定される、光学的絶縁破壊が生じる範囲である最大損傷深さと、被加工物たる層状ガラスの厚みとの大小関係に基づいて、層状ガラスの切断範囲が定まる旨が開示されている。

しかしながら、特許文献１には、レーザービームの伝搬方向における広がりそのものを調整することにより、被加工物における加工範囲を調整する態様については、何らの開示も示唆もなされてはいない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、レーザービームの照射範囲を好適に制御しつつ被加工物を加工する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、レーザービームを用いて被加工物を加工するレーザー加工装置であって、前記レーザービームを出射可能な光源と、前記光源から出射される前記レーザービームの光軸上に配置された双曲面レンズと、を備え、前記レーザービームのビーム径をＤとするとき、前記双曲面レンズの双曲面の曲率半径が０．１５Ｄ〜０．４Ｄなる値を有してなり、前記レーザービームが前記双曲面レンズによって集光されることにより形成される、前記レーザービームの強度が所定の加工閾値以上となる加工可能強度域に、前記被加工物の加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のレーザー加工装置であって、前記光源と前記双曲面レンズの間に配置されてなり、０．６Ｄ〜０．９Ｄなる値の開口径を有する開口絞り、をさらに備え、前記開口絞りによって前記ビーム径が絞られた前記レーザービームが前記双曲面レンズによって集光されることにより形成される前記加工可能強度域に、前記加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のレーザー加工装置であって、前記双曲面レンズと前記被加工物の配置位置との間に配置されてなり、前記加工可能強度域を縮小再結像させる縮小レンズ、をさらに備え、前記縮小レンズによって縮小再結像された前記加工可能強度域に前記加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、レーザービームを用いて被加工物を加工する方法であって、所定の光源から出射される、ビーム径Ｄのレーザービームの光軸上に、双曲面の曲率半径が０．１５Ｄ〜０．４Ｄなる値である双曲面レンズを配置し、前記レーザービームが前記双曲面レンズによって集光されることにより形成される、前記レーザービームの強度が所定の加工閾値以上となる加工可能強度域に、前記被加工物の加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の被加工物の加工方法であって、前記光源と前記双曲面レンズの間に、０．６Ｄ〜０．９Ｄなる値の開口径を有する開口絞りを配置し、前記開口絞りによって前記ビーム径が絞られた前記レーザービームが前記双曲面レンズによって集光されることにより形成される前記加工可能強度域に、前記加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、ことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項４または請求項５に記載の被加工物の加工方法であって、前記双曲面レンズと前記被加工物の配置位置との間に前記加工可能強度域を縮小再結像させる縮小レンズを配置し、前記縮小レンズによって縮小再結像された前記加工可能強度域に前記加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項６の発明によれば、レーザービームが集光されることによって形成される加工可能強度域を、所定の範囲に制限しつつ、一度のレーザービームの出射により、深さ方向において加工対象領域全体を同時に加工することができる。

特に、請求項３および請求項６の発明によれば、単位面積あたりの強度が大きい加工強度可能域を局所的に形成することが可能となるとともに、加工装置の作動距離を大きくすることが出来る。

双曲面レンズ１を用いたレーザービームの集光について模式的に示す図である。 レーザービームＬＢａ０のビーム径ｄ１を１１ｍｍとし、双曲面１ｂの曲率半径を３．５ｍｍとしたときの、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置におけるレーザービームＬＢｂ０の強度（任意単位：a.u.）との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。 レーザービームＬＢａ０のビーム径ｄ１を３ｍｍとし、双曲面１ｂの曲率半径を１．０ｍｍとしたときの、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置におけるレーザービームＬＢｂ０の強度（任意単位：a.u.）との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。 図１に模式的に示したレーザービームＬＢｂ０を集光させる構成に、開口絞り３を追加した構成を示す図である。 レーザービームＬＢのビーム径ｄ１を１１ｍｍとし、双曲面１ｂの曲率半径を３．５ｍｍとし、開口絞り３の条件を違えたときの、それぞれのレーザービームＬＢについての、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置における強度との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。 レーザービームＬＢのビーム径ｄ１を３ｍｍとし、双曲面１ｂの曲率半径を１．０ｍｍとし、開口絞り３の条件を違えたときの、それぞれのレーザービームＬＢについての、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置における強度との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。 レーザー加工装置１００の構成の一例を、模式的に示す図である。 図５に示した構成に、焦点距離ｆ＝２７ｍｍの縮小レンズ５を付加した構成における、縮小レンズ５からの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置におけるレーザービームの強度との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。 図６に示した構成に、焦点距離ｆ＝２７ｍｍの縮小レンズ５を付加した構成における、縮小レンズ５からの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置におけるレーザービームの強度との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。

＜双曲面レンズによるレーザービームの集光と加工への利用＞
図１は、双曲面レンズ１を用いたレーザービームの集光について模式的に示す図である。図１は、光源２からビーム径ｄ１のレーザービームＬＢ（ＬＢａ０）が出射され、双曲面レンズ１に入射されるときの、双曲面レンズ１によるレーザービームＬＢ（ＬＢｂ０）の集光の様子を示している。

以降においては、光源２からレーザービームＬＢａ０が出射される際の軸中心を、光軸ＡＸと称し、光軸ＡＸの延在する方向を光軸方向と称することとする。また、レーザービームＬＢはガウシアンビームであり、本実施の形態においては、その１／ｅ^２幅（強度値が最大強度の１／ｅ^２倍以上となる範囲）をレーザービームＬＢのビーム径であるとする。

レーザービームＬＢとしては、加工対象物に応じて種々のレーザービームを選択することができるが、例えば、ガラス、セラミックス、半導体等の脆性材料を加工するレーザービームとしては、例えば、パルス幅（パルス持続時間）が１００ｐｓ以下、好ましくは５０ｐｓ以下（通常は１ｐｓ以上）の赤外レーザービーム、特に近赤外レーザービーム（例えば波長１０６４ｎｍ）を使用することができ、例えばコヒレント社製ハイパーラピッド（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１５ｐｓ、平均出力５０Ｗ）が例示される。

双曲面レンズ１は、一方端側に平坦面１ａを有し、他方端側に双曲面１ｂを有するレンズである。双曲面レンズ１を、その中心軸を光軸ＡＸに一致させる態様にて（双曲面１ｂの頂点１Ｓが光軸ＡＸ上に位置する態様にて）配置した状態において、光源２から出射させたレーザービームＬＢａ０を双曲面レンズ１の平坦面１ａに対し垂直に入射させると、双曲面１ｂから出射されるレーザービームＬＢ（ＬＢｂ０）は、該双曲面１ｂの傾斜（接線の傾き）に応じた出射角にて光軸ＡＸに向けて傾斜させられる。これにより、レーザービームＬＢｂ０は、光軸ＡＸ上において集光されることになる。

図２は、係る集光の様子を確認するべく行った、レーザービームＬＢａ０のビーム径ｄ１を１１（ｍｍ）とし、双曲面１ｂの曲率半径を３．５（ｍｍ）としたときの、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置におけるレーザービームＬＢｂ０の強度（任意単位：a.u.）との関係についてのシミュレーションの結果を示す図である。

同様に、図３は、レーザービームＬＢａ０のビーム径ｄ１を３（ｍｍ）とし、双曲面１ｂの曲率半径を１．０（ｍｍ）としたときの、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置におけるレーザービームＬＢｂ０の強度（任意単位：a.u.）との関係についてのシミュレーションの結果を示す図である。

なお、本実施の形態において示すシミュレーション結果を得るにあたっては、レーザービームＬＢの波長は１０６４（ｎｍ）としている。

双曲面１ｂの相異なる位置から出射されたレーザービームＬＢｂ０は原理上、図１に示したように、光軸ＡＸ上の所定位置である集光点Ｆにおいてピンポイントに、強度が最大となるように集光される。

ところが、図２および図３に示した結果によれば、レーザービームＬＢａ０を双曲面レンズ１に入射させることによって得られるレーザービームＬＢｂ０のプロファイルは、概略、双曲面レンズ１の頂点１Ｓに近い側から順に、頂点１Ｓから離隔するにつれてレーザービームＬＢｂ０の強度が急激に増大する増大領域ＲＥ１と、強度が概ね最大に保たれ変動も小さい高強度領域ＲＥ２と、頂点１Ｓから離隔するにつれレーザービームＬＢｂ０の強度が緩やかに減少する減少領域ＲＥ３という３つの領域に大別される。

特に、図２および図３に示すプロファイルのいずれも、高強度領域ＲＥ２は光軸方向において数（ｍｍ）〜１０（ｍｍ）程度の比較的広い範囲を有しており、集光点Ｆについては、明確には特定し難いものとなっている。

本発明の発明者が鋭意検討したところ、レーザービームＬＢａ０のビーム径ｄ１がＤのとき、双曲面レンズ１の双曲面１ｂの曲率半径を０．１５Ｄ〜０．４Ｄとすると、このようなｍｍオーダーの高強度領域ＲＥ２が形成されるとの知見が得られた。

本実施の形態においては、係る高強度領域ＲＥ２のような、レーザービームＬＢｂ０を双曲面レンズ１によって集光することに伴う光軸方向に沿った強度の大きな領域の形成を、被加工物の深さ方向における加工に利用する。なお、本実施の形態において、被加工物の加工とは、変質領域の形成が例示されるが、アブレーションによる溝形成など、他の加工態様であってもよい。

図２および図３に示す結果は、あるビーム径ｄ１のレーザービームＬＢａ０を双曲面レンズ１に入射させることによって光軸上に集光されるレーザービームＬＢｂ０の強度が、所定の加工閾値（被加工物に所定の加工を行うのに必要なレーザービームの強度の最小値）以上となる範囲（以下、加工可能強度域）において、均質な加工を同時に行うことが、少なくとも原理的には可能であることを教示する。なお、加工可能強度域と高強度領域ＲＥ２とは必ずしも一致する必要はない。

すなわち、レーザービームＬＢａ０の出力およびビーム径ｄ１を適宜に選択し、該ビーム径ｄ１の大きさに応じた形状（曲率半径）の双曲面１ｂを有する双曲面レンズ１を採用することによって、レーザービームＬＢｂ０の加工可能強度域に被加工物における加工対象領域が含まれるようにすれば、一度のレーザービームＬＢａ０の出射により、深さ方向において加工対象領域全体を同時に加工することが可能となる。

レーザービームＬＢａ０の波長、出力、ビーム径ｄ１、および、双曲面レンズの曲率半径などは、被加工物の種類に応じて適宜に選択されてよい。

なお、実際に被加工物を加工する際には、被加工物の屈折率ｎも考慮して、加工可能強度域に被加工物における加工対象領域が含まれるようにする必要がある。

＜レーザービームの照射範囲の制限＞
上述のように、双曲面レンズ１を用いてレーザービームＬＢｂ０を集光することにより、被加工物の深さ方向につき同時加工が可能となるが、一方で、加工可能強度域には該当しないため加工はされないものの、レーザービームＬＢｂ０自体は弱いながらも照射される領域が存在する。係る照射に起因した何らかの悪影響が生じる可能性を懸念して、このような領域にレーザービームＬＢｂ０が照射されることを避けたい、という技術上の要請がある。

本実施の形態においては、係る要請につき、開口絞りを用いてレーザービームＬＢｂ０の照射範囲を限定することによって対応する。

図４は、図１に模式的に示したレーザービームＬＢｂ０を集光させる構成に、開口絞り３を追加した構成を示す図である。

開口絞り３は、光軸方向において光源２と双曲面レンズ１との間に配置される。開口絞り３としては、開口径φがレーザービームＬＢａ０のビーム径ｄ１よりも小さいものが用いられる。

係る態様にて開口絞り３が配置されることで、双曲面レンズ１の平坦面１ａに実際に入射するレーザービームＬＢａ１のビーム径ｄ３は、光源２から出射された時点におけるレーザービームＬＢａ０のビーム径ｄ１よりも絞られる（小さくなる）。係る場合、レーザービームＬＢｂ１のプロファイル形状には、特に、減少領域ＲＥ３における形状には、相違が生じる。

図５は、係る集光の様子を確認するべく行った、レーザービームＬＢａ１のビーム径ｄ１を１１（ｍｍ）とし、双曲面１ｂの曲率半径を３．５ｍｍとし、開口絞り３を設けない場合と、開口絞り３の開口径φを７（ｍｍ）、８（ｍｍ）、１０（ｍｍ）、および１１（ｍｍ）の４水準に違えたときの、それぞれのレーザービームＬＢｂ１についての、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置における強度（任意単位：a.u.）との関係についてのシミュレーションの結果を示す図である。なお、開口絞り３を設けない場合のプロファイルは、図２に示したレーザービームＬＢｂ０のプロファイルと同じである。

同様に、図６は、レーザービームＬＢａ１のビーム径ｄ１を３（ｍｍ）とし、双曲面１ｂの曲率半径を１．０ｍｍとしたときの、開口絞り３を設けない場合と、開口絞り３の開口径φを２．２（ｍｍ）、２．５（ｍｍ）、３（ｍｍ）、３．５（ｍｍ）、４（ｍｍ）、および５（ｍｍ）の６水準に違えたときの、それぞれのレーザービームＬＢｂ１についての、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置における強度（任意単位：a.u.）との関係についてのシミュレーションの結果を示す図である。なお、開口絞り３を設けない場合の結果は、図３に示したレーザービームＬＢｂ０のプロファイルと同じである。

図５および図６のいずれの場合も、増大領域ＲＥ１と高強度領域ＲＥ２については、開口絞り３を設けない場合のプロファイル形状が開口絞り３を設けた場合においても維持されているのに対して、減少領域ＲＥ３においては、開口絞り３を設けない場合の緩やかな減少とは異なり、所定の位置においてレーザービームＬＢｂ１の強度が急激に減衰し、当該位置以遠においては、ゼロになっている。すなわち、レーザービームＬＢｂ１がカットされている。また、開口径φの値を小さくするほど、減衰位置は双曲面レンズ１に近づいている。

このことを利用すれば、レーザービームＬＢｂ１を用いて被加工物を深さ方向の所定範囲について加工する場合に、加工対象領域よりも深い位置にまでレーザービームＬＢｂ１が照射されることを、好適に抑制することが出来る。

例えば、図５に示すビーム径ｄ１が１１（ｍｍ）の場合において、強度が１５０（a.u.）以上の範囲を加工可能強度域とした場合、開口絞り３の開口径φを７（ｍｍ）とすれば、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの距離が約２０（ｍｍ）の位置がレーザービームＬＢｂの減衰位置となり、当該位置以遠には、レーザービームＬＢｂは照射されない。そして、増大領域ＲＥ１の一部を含む当該距離が８．５（ｍｍ）〜約２０（ｍｍ）の範囲が、（被加工物の屈折率を考慮しない場合の）加工可能強度域Ｐ１となる。

同様に、図６に示すビーム径ｄ１が３（ｍｍ）の場合において、強度が７００（a.u.）以上の範囲を加工可能強度域とした場合、開口絞り３の開口径φを２．２（ｍｍ）とすれば、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからの距離が約６．２（ｍｍ）の位置がレーザービームＬＢｂの減衰位置となり、当該位置以遠には、レーザービームＬＢｂは照射されない。そして、減少領域ＲＥ３の一部を含む当該距離が２．５（ｍｍ）〜約６．２（ｍｍ）の範囲が、（被加工物の屈折率を考慮しない場合の）加工可能強度域Ｐ２となる。

これら図５および図６に示す結果からは、あるビーム径ｄ１のレーザービームＬＢａ０を所定の開口径φの開口絞り３にて絞ったうえで双曲面レンズ１に入射させ、これによって双曲面レンズ１から出射されるレーザービームＬＢｂ１を、被加工物の所定位置において集光すれば、光軸方向に相当する被加工物の深さ方向において、レーザービームＬＢｂ１の加工可能強度域を開口径φに応じた所定範囲に制限し、当該所定範囲においては均質な加工（例えば変質領域の形成）を同時に行う一方で、当該所定範囲以遠にはレーザービームＬＢｂ１を照射させないようにすることが、少なくとも原理的には可能であることが教示される。

本発明の発明者が鋭意検討したところ、レーザービームＬＢａ０のビーム径ｄ１をＤとし、双曲面レンズ１の双曲面１ｂの曲率半径を０．１５Ｄ〜０．４Ｄとするとき、開口絞り３の開口径φを０．６Ｄ〜０．９Ｄとすることによって、レーザービームＬＢｂ１の加工可能強度域を開口径φに応じた所定範囲に制限できるとの知見が得られた。

すなわち、レーザービームＬＢａ０の出力およびビーム径ｄ１と、双曲面レンズ１の双曲面１ｂの曲率半径と、開口絞り３の開口径φとを適宜に選択し、かつ、被加工物の屈折率ｎも考慮しつつ被加工物における加工対象領域の位置を適宜に調整することによって、一度のレーザービームＬＢａ０の出射により、深さ方向において加工対象領域全体を同時に加工する一方で、加工対象領域以遠にはレーザービームＬＢｂ１を照射させないことが、可能となる。

＜装置構成例＞
図７は、以上のような原理に基づいて被加工物Ｗの加工を行うレーザー加工装置１００の構成の一例を、模式的に示す図である。

レーザー加工装置１００は、上述した双曲面レンズ１、光源２、および開口絞り３に加えて、ステージ４と縮小レンズ５とをさらに、主たる構成要素として備える。

ステージ４は、被加工物Ｗが載置固定される水平な被載置面を有してなる。そして、レーザー加工装置１００においては、ステージ４に載置された被加工物Ｗに対して鉛直上方から、双曲面レンズ１によって集光されたレーザービームＬＢｂ２が照射されるようになっている。それゆえ、双曲面レンズ１、光源２、および開口絞り３は、図４に示された相互の配置関係をみたしつつも光軸方向が鉛直方向と一致するように、配置されてなる。いま、係る配置がなされた結果として、光源２から鉛直下方に向けて出射されるレーザービームＬＢａ２が、開口絞り３によって絞られてレーザービームＬＢａ３として双曲面レンズ１に入射し、これにより双曲面レンズ１から出射されたレーザービームＬＢｂ２が集光されることによって、双曲面レンズ１の頂点１Ｓから距離ｚ１だけ離隔した位置を起点とする長さＳ１の範囲に、最大幅ｗ１の加工可能強度域ＲＥ４が形成されるものとする。

好ましくは、ステージ４は、図示しない駆動機構よって駆動されることにより、水平面内における並進移動（２軸移動）および回転移動と、鉛直方向における昇降移動とが可能に設けられる。これにより、被加工物Ｗにおける加工対象領域の位置決めや、被加工物Ｗを移動させつつ加工を行う走査加工などが可能となる。

ただし、レーザー加工装置１００においては、上述の態様にて集光されたレーザービームＬＢｂ２がなす加工可能強度域ＲＥ４が直接に被加工物Ｗの加工に寄与するのではなく、縮小レンズ５を含む縮小光学系にて縮小再結像された２次加工可能強度域ＲＥ４αが、被加工物Ｗの加工に寄与するようになっている。

縮小レンズ５は、双曲面レンズ１とステージ４の間に（より詳細には、被加工物Ｗがステージ４に載置固定された状態においては被加工物Ｗと双曲面レンズ１の間に位置するように）配置されてなる。

より詳細には、縮小レンズ５の焦点距離をｆとし、加工可能強度域ＲＥ４の形成位置と縮小レンズ５との距離をａとし、縮小レンズ５と２次加工可能強度域ＲＥ４αの形成位置との距離をｂ（＜ａ）とし、１／ｆ＝（１／ａ）＋（１／ｂ）なる関係をみたす場合、加工可能強度域ＲＥ４が縮小再結像されることによって、長さＳ２＝（ｂ／ａ）^２Ｓ１の範囲に最大幅ｗ２＝（ｂ／ａ）ｗ１を有する２次加工可能強度域ＲＥ４αが形成される。

ただし、加工可能強度域ＲＥ４におけるレーザービームＬＢｂ２のエネルギーは２次加工可能強度域ＲＥ４αにおいても実質的に維持されるため、２次加工可能強度域ＲＥ４αの単位面積あたりの強度は加工可能強度域ＲＥ４の強度よりも大きくなっている。

すなわち、レーザー加工装置１００においては、縮小再結像を行わない場合に比して、加工可能強度域ＲＥ４における単位面積あたりの強度がより大きいレーザービームＬＢｂ２を、局所的に（ピンポイントに）照射することが、可能となっている。

このことは、加工可能強度域に隣接する、強度が所定の加工閾値に満たない領域がより狭められることを、意味している。これにより、加工対象領域以外に強度の弱いレーザービームＬＢｂが照射されてしまうことに起因した不具合の発生が好適に抑制される。

また、２次加工可能強度域ＲＥ４αにおけるレーザービームＬＢｂ２の強度が加工閾値を超えていさえすれば加工はなされるので、単位面積あたりの強度が大きい分、加工可能強度域ＲＥ４において被加工物Ｗの加工に用いる場合に比して、光源２から出射させるレーザービームＬＢａ２の出力を小さくしたとしても、所望の加工可能強度域を得ることが出来る。

例えば、図６によれば、光源２から出射されるレーザービームＬＢ２のビーム径が３（ｍｍ）の場合、仮に開口絞り３として開口径φが２．２（ｍｍ）のものを用いたとしても、加工可能強度域ＲＥ４の光軸方向における長さＳ１は４（ｍｍ）〜５（ｍｍ）程度となる（被加工物Ｗの屈折率は考慮せず）。それゆえ、被加工物Ｗの厚みが１（ｍｍ）程度であると、照射不要な範囲にまでレーザービームＬＢｂが照射されてしまうことになるが、レーザー加工装置１００においては、縮小レンズ５の焦点距離ｆおよび配置位置を好適に定めることにより、２次加工可能強度域ＲＥ４αの深さ方向における長さＳ２を被加工物Ｗの厚みと同じ１（ｍｍ）程度にすることが可能となる。

さらに、レーザー加工装置１００においては、例えば図７に示すように、被加工物Ｗ内部の、表面から所定の距離ｚ３離隔した位置以遠が加工対象領域とされるような場合であっても、好適に加工を行うことが可能となる。係る場合においては、被加工物Ｗの表面から距離ｚ３の範囲に、レーザービームＬＢｂ２が実質的に照射されないような加工も可能である。

好ましくは、縮小レンズ５は、図示しない駆動機構によって、鉛直方向に移動自在とされてなる。係る場合、被加工物の厚みが薄い場合など、被加工物の深さ方向における加工対象領域のサイズが小さいような場合でも、縮小レンズ５を移動させることによって距離ａ、ｂの比率を適宜に調整することにより、当該加工対象領域のみを加工可能強度域と一致させて加工を行えることを、意味している。

なお、光源２から出射されるレーザービームＬＢａ２のビーム径を小さくすることや、開口絞り３の開口径φを小さくすることによって、加工可能強度域を狭める態様も考えられる。しかしながら、前者については、実用される加工用レーザービームのビーム径の下限値が概ね２（ｍｍ）〜３（ｍｍ）であることを考えると現実的ではない。また、後者については、開口径φを小さくしすぎると、図５および図６に示すような強度プロファイルにおいて、ピーク近傍ひいてはピーク部分そのものをカットすることになり、コスト面や、光学部品へのダメージという点から好ましくないない。

一方で、縮小レンズ５を用いることは、被加工物Ｗと双曲面レンズ１との距離を確保する効果もある。すなわち、図２および図３からわかるように、ビーム径が数（ｍｍ）程度のレーザービームＬＢ２を双曲面レンズ１に入射させることによって形成される高強度領域ＲＥ２が最大強度となるのは、双曲面レンズ１の頂点１Ｓからせいぜい数（ｍｍ）〜十数（ｍｍ）程度離隔した位置に過ぎないため、加工可能強度域ＲＥ４をそのまま加工に用いる場合、装置の作動距離が十分に確保されず、被加工物Ｗにおける加工対象領域の位置および範囲によっては、加工の実施そのものが不可能あるいは困難な場合がある。あるいは、加工の際に生じる飛散物が双曲面レンズ１に付着してしまうなどの不具合が生じる可能性もある。

これに対し、本実施の形態に係るレーザー加工装置１００においては、縮小レンズ５を用いることによって、被加工物Ｗと近接するのは双曲面レンズ１ではなく縮小レンズ５となるが、距離ａ、距離ｂおよび焦点距離ｆを好適に定めることによって、装置の作動距離を十分に確保することが可能である。

図８は、図５に示した、レーザービームＬＢａ１のビーム径ｄ１を１１（ｍｍ）とし、双曲面１ｂの曲率半径を３．５（ｍｍ）とし、開口絞り３の開口径φを７（ｍｍ）および８（ｍｍ）とした構成に、焦点距離ｆ＝２７（ｍｍ）の縮小レンズ５（厚み０の無収差レンズ）を付加した構成によって、ｂ／ａの値をおよそ１／４として縮小再結像したレーザービームＬＢｂ２の、縮小レンズ５からの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置における強度（任意単位：a.u.）との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。

また、図９は、図６に示した、レーザービームＬＢａ１のビーム径ｄ１を３（ｍｍ）とし、双曲面１ｂの曲率半径を１．０（ｍｍ）とし、開口絞り３の開口径φを２．２（ｍｍ）、３（ｍｍ）、４（ｍｍ）とした構成に、焦点距離ｆ＝２７（ｍｍ）の縮小レンズ５（厚み０の無収差レンズ）を付加した構成によって、ｂ／ａの値をおよそ１／４として縮小再結像したレーザービームＬＢｂ２の、縮小レンズ５からの光軸ＡＸ上における距離と光軸ＡＸの位置における強度（任意単位：a.u.）との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。

図８および図９のいずれにおいても、プロファイルの幅はせいぜい１（ｍｍ）という、図５および図６に示したプロファイルに比して十分に小さい（（１／４）^２＝１／１６程度の）値となっている。一方で、最大強度は、図５および図６に示したプロファイルの最大強度に比して十分に大きな（１６倍程度の）値となっている。

なお、図８および図９においてはプロファイルの立ち上がりが図５および図６に示したプロファイルよりも緩やかになっているが、これは、縮小レンズ５がない場合に比して収差の影響が大きいためであると考えられる。

さらに、縮小レンズからの３３．７（ｍｍ）〜３３．８（ｍｍ）程度離れた位置において、強度が最大となっていることがわかる。これは、作動距離が十分に確保されることを意味する。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、双曲面レンズにレーザービームを入射させてレーザービームを集光することにより、被加工物の深さ方向につき同時加工が可能となる。レーザービームのビーム径と双曲面レンズの双曲面における曲率半径を適宜に選択し、かつ、被加工物における加工対象領域の位置を適宜に調整することによって、集光されるレーザービームの加工可能強度域に被加工物における加工対象領域が含まれるようにすれば、一度のレーザービームの出射により、深さ方向において加工対象領域全体を同時に加工することが可能となる。

加えて、レーザービームをビーム径に応じた開口径の開口絞りにて絞ったうえで双曲面レンズに入射させることにより、加工対象領域以遠にはレーザービームを照射させないことが、可能となる。

さらには、いったん集光させたレーザービームそのものではなく、係るレーザービームを縮小レンズにて縮小再結像させたレーザービームを加工に用いるようにすることで、単位面積あたりの強度が大きいレーザービームを局所的に照射することが可能となるほか、縮小再結像を行わない場合に比して、作動距離を大きくすることが出来る。

１ 双曲面レンズ
１Ｓ （双曲面レンズの）頂点
１ａ （双曲面レンズの）平坦面
１ｂ （双曲面レンズの）双曲面
２ 光源
３ 開口絞り
４ ステージ
５ 縮小レンズ
１００ レーザー加工装置
ＡＸ 光軸
ＬＢ（ＬＢ０、ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢａ、ＬＢｂ） レーザービーム
Ｐ１、Ｐ２ 加工可能強度域
ＲＥ１ 増大領域
ＲＥ２ 高強度領域
ＲＥ２α ２次高強度領域
ＲＥ３ 減少領域
Ｗ 被加工物

Claims (6)

1. レーザービームを用いて被加工物を加工するレーザー加工装置であって、
   前記レーザービームを出射可能な光源と、
   前記光源から出射される前記レーザービームの光軸上に配置された双曲面レンズと、
   を備え、
   前記レーザービームのビーム径をＤとするとき、前記双曲面レンズの双曲面の曲率半径が０．１５Ｄ〜０．４Ｄなる値を有してなり、
   前記レーザービームが前記双曲面レンズによって集光されることにより形成される、前記レーザービームの強度が所定の加工閾値以上となる加工可能強度域に、前記被加工物の加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、
   ことを特徴とする、レーザー加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザー加工装置であって、
   前記光源と前記双曲面レンズの間に配置されてなり、０．６Ｄ〜０．９Ｄなる値の開口径を有する開口絞り、
   をさらに備え、
   前記開口絞りによって前記ビーム径が絞られた前記レーザービームが前記双曲面レンズによって集光されることにより形成される前記加工可能強度域に、前記加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、
   ことを特徴とする、レーザー加工装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザー加工装置であって、
   前記双曲面レンズと前記被加工物の配置位置との間に配置されてなり、前記加工可能強度域を縮小再結像させる縮小レンズ、
   をさらに備え、
   前記縮小レンズによって縮小再結像された前記加工可能強度域に前記加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、
   ことを特徴とする、レーザー加工装置。
4. レーザービームを用いて被加工物を加工する方法であって、
   所定の光源から出射される、ビーム径Ｄのレーザービームの光軸上に、双曲面の曲率半径が０．１５Ｄ〜０．４Ｄなる値である双曲面レンズを配置し、
   前記レーザービームが前記双曲面レンズによって集光されることにより形成される、前記レーザービームの強度が所定の加工閾値以上となる加工可能強度域に、前記被加工物の加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、
   ことを特徴とする、被加工物の加工方法。
5. 請求項４に記載の被加工物の加工方法であって、
   前記光源と前記双曲面レンズの間に、０．６Ｄ〜０．９Ｄなる値の開口径を有する開口絞りを配置し、
   前記開口絞りによって前記ビーム径が絞られた前記レーザービームが前記双曲面レンズによって集光されることにより形成される前記加工可能強度域に、前記加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、
   ことを特徴とする、被加工物の加工方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の被加工物の加工方法であって、
   前記双曲面レンズと前記被加工物の配置位置との間に前記加工可能強度域を縮小再結像させる縮小レンズを配置し、
   前記縮小レンズによって縮小再結像された前記加工可能強度域に前記加工対象領域を含めることによって、前記被加工物を加工する、
   ことを特徴とする、被加工物の加工方法。

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