JP3776913B2 - レーザによって材料を除去するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、穿孔された穴におけるチャネルつまりフィラメントの形成を最小に抑えることができる、短パルスのエネルギーで金属を穿孔する技術に関する。なお、以下の説明で用いられるチャネルとフィラメントは同じものを意味する。

超短パルスレーザドリリングでは、穿孔または切断されたフィーチャーの底部において、入射レーザのフルエンスのピーク部の付近で小さなチャネル（直径２０から８０μｍ）が形成される。ステンレススチールでは、この種のチャネルは約５Ｊ／ｃｍ^２を超えるフルエンスに対して形成される。このチャネル内では、材料の除去率がチャネルを囲む領域に対する除去率よりも一層大きい。材料の除去により穴の表面下方に延在するフィラメント部が形成される。本明細書において使用される”超短パルスレーザドリリング”とは、２０ピコ秒未満の期間のレーザパルスを生成する超短パルスレーザを用いて穿孔つまり穴を開けることを意味する。

図１を参照して、同図には、穴開けつまりドリリング加工の間における上述の特徴が示された、超短パルスレーザにより穿孔された穴１０の理想的な断面図が例示されている。ドリル材１３の表面１７から穴１０の粗い底面までの距離は”ａ”と示される。粗い穴１０の底部１５の最高点から最低点までの距離は”ｂ”と示される。ドリル材１３の外面１７からフィラメント１９の底部までの距離は”ｃ”と示される。また、本明細書において、「ドリル材」とは、ドリリングつまり穿孔がされる材料を意味する。

特定の穿孔への用途においては、フィラメントの発生が後壁部への損傷の可能性を高めることから、この小さなフィラメントの生成および成長（広がり）を制御ないしコントロールすることは重要である。すなわち、フィラメント１９がドリリング材１３の後面を急速に突破する際に、レーザ光が相当時間、ワークピース後方のいずれかの材料の上に衝突する。この種のフィラメントの成長をなくすことで、穴の底部が１５がワークピースの後側面に達した直後にドリリング加工を終え、これにより穴１０が形成される。

従って、フィラメントの形成を実質的に低減ないしなくすことができる、金属内に穴や溝をレーザドリリングする手法が求められている。

従って本発明の目的は、開けられた穴におけるチャネルつまりフィラメントの形成を最小に抑えるようにレーザエネルギーの短パルスで金属をドリリングつまり穿孔する技術を提供することにある。

本発明に係わる、レーザによって材料を除去し、チャネルの形成を低減できる方法は、パルスエネルギー、パルス幅、およびフルエンスを有してなるレーザパルスをドリル材の表面に向けて放射するステップを有してなり、上記フルエンスは側壁および底部（底面）を有してなる穴を形成し且つ前記表面でドリル材へのチャネル形成を回避するのに十分な値（量）であり、また、レーザパルスの空間プロファイルを、前記フルエンスが前記空間プロファイルにわたって（つまり空間プロファイルの端から端まで）実質的に均一になるように整形ないし形成するステップを有してなり、さらに、パルスエネルギー、パルス幅、および穴の底部におけるチャネル形成を回避するのに十分なフルエンスを有する少なくとも１つの後続のレーザパルスを放射させるステップを有してなる。

入射レーザビームの空間プロファイルを形成し、主となるフィーチャー（穴や溝）の底部上に入射するフルエンスをコントロールすることにより、フィラメントの形成、およびそれに続くドリル材を通るレーザ光の急速な貫通が低減、または排除できる。

本発明は上記のチャネル形成を回避する方法を説明する。このチャネルは約５Ｊ／ｃｍ２の入射フルエンスで、ステンレススチールやアルミニウムに形成される。銅ではこれより高いフルエンスでチャネルが形成される。この開始は材料に依存しており、２から３０Ｊ／ｃｍ２の範囲である。その他の好ましい材料にはニッケルベースの超合金およびニッケルベースの単結晶合金がある。

チャネルの形成は、１）入射エネルギーの密度を低減して、ドリル材においてチャネル形成のためのしきい値以下に確実にすること、２）ビーム全体が均一したフルエンスになるように入射レーザビームの空間プロファイルを形成すること、および／または３）低いフルエンスでドリリング／切断加工を開始し、穴／溝の深さが増大するにつれパルスエネルギーを徐々に増加させること、によって回避できる。

図２を参照して、同図には入射レーザビーム用の空間プロファイル２３が例示されている。入射レーザビーム用の好ましい空間プロファイル２３は、フルエンスがビーム幅２１の全体にわたって略均一である、トップハット状（山高帽ないしシルクハットの形状）である。このプロファイルに対するピークフルエンスは、レーザにおいて典型的であるガウスプロファイルに対するピークフルエンス以下ないしこれより小さい（同じ全パルスエネルギー、および同じ１／ｅ２ポイントにおける直径に対して）。また、小さなチャネルやフィラメントの形成を優先的に誘起する高フルエンス領域はない。これを超えた、より深い穴に対しては、入射レーザパルスのエネルギーは穴／溝壁（側壁）に多少吸収される。他の好ましい実施形態では、より深い穴における均一性を確保するために、空間プロファイル２３は穿孔された穴の縁に近接してエネルギーの損失を補償するように形成される。好ましい実施形態において、入射レーザビームの波長は約１．０３μｍである。レーザビームの好ましいパルス幅は１０ピコ秒以下であり、より好ましくは１ピコ秒以下である。好ましいレーザの形式は、チャ−プパルス増幅(ＣＰＡ)された超短レーザ、つまりチャープパルス増幅法による超短レーザである。

以上説明したように、短パルスビームが既に形成された穴／溝内に伝搬ないし広がるため、穴／溝の壁内におけるエネルギー損失がある。従って、深い穴／溝内では、穴／溝の底部ないし底面に達するエネルギーは、ワークピース上に入射するエネルギーよりも著しく低減される。上記同様に材料にもよるが、０．５から４Ｊ／ｃｍ^２を超えると、材料（ドリル材）１３の除去率（除去速度）はフルエンスと共に増加しないことが知得されている。よって、チャネル形成のためのしきい値以下ないし未満のフルエンスでドリリング／切断を開始し、また穴／溝の穿孔／切断と共にパルスエネルギーを漸次増加させることが好都合である。パルスエネルギーの増加率（増加速度）は、穴／溝の底部上でのフルエンスが壁内へのエネルギー損失後におけるチャネル形成のためのしきい値以下ないし未満であり、つまり、穴／溝の底部上への入射フルエンスがチャネル形成のしきい値のフルエンスのすぐ下であるようにすれば良い。

以下の実施例を検証することでこの種の穿孔に含まれるパラメータがより確実に理解される。

９００μｍ厚のステンレススチールに幾つかの穴を穿孔した。穴は通常の入射および１０J／ｃｍ^２（２ワット、１ｋＨｚ、１５０ｆｓ）で、５、１０、１５、２５、および３０秒間（各露光時間に対して２つの穴）で開けられた。偏向は円偏向であり（ゼロオーダーの１／４波長板を使用）、集束レンズの集点距離は３３ｃｍであった。１組の穴の端部でのレーザ入射窓の透過率は約８０％であった。レーザの空間プロファイルは直径が約２３０μｍ（１／ｅ２ポイントで）のガウス形であった。

上記部品は取り外されて顕微鏡下で調べられた。各穴は入射表面で直径が約４００から４３０μｍであった。直径は５秒の穴から３０秒の穴まで約２０から３０μｍ増大していた。穴は図１の断面図で図示した内部形態を示した。上述したように、各穴は、部品内に”ａ”の深さ延在し、粗くざらざらした底部１５で終端する、大きな直径の穴を有している。また、穴の中心付近に位置するのが小さな直径を有する穴、つまりフィラメント１９であり、このフィラメントは部品内でより深く（距離”ｃ”）延在している。このような形態が２０秒までの露出時間（２０，０００パルス）で開けられた全ての穴に観察された。これら全てのケースに対して、小さくて深い穴の直径は、その入り口で計測した所、７０から８０μｍであった。

光学顕微鏡上に垂直エンコーダーを使用して、異なる露光時間のこれらのフィーチャーの深さがそれぞれ計測された。計測された深さはそれぞれの露光時間設定で開けられた２つの穴との間で一致した。結果は次の通りである（”ｂ”はこの粗い底部１５の最高点から最低点までの距離である）。

図３において、レーザの露光時間に対する深さ”ａ”と”ｃ”がプロットされている。穴は２５秒までに、滑らかな側壁のみを残して、ドリル材を通って完全に開けられている。深さ”ａ”と”ｃ”の時間的な発展は図３に示した通りであり、指数法則に従って適合している。定性的には、パルスエネルギーを増加させてフルエンスを増加させることで最初の貫通に対する時間が低減することが観察されたが、これが”クリーン”な穴を形成するのに必要な時間に対して大きな影響を及ぼすとは考えられない。これが示すのは、より高いフルエンスはフィラメント（”ｃ”）の成長率（成長速度）を増加させるが、主要な穴（”ａ”）の成長率（成長速度）に対しては殆ど影響を及ぼさないということである。

本発明によれば、上述した各目的、手段、および特長を完全に満足する、レーザエネルギーの短パルスを用いて金属を穿孔し、穿孔した穴におけるチャネルないしフィラメントの形成を最小に抑えることができる方法が提供されることは明らかである。以上の説明では本発明をその特定の実施形態に基づいて説明したが、以上の説明を読むことで当業者にはその他の代替、変更、および変形は自明である。従って、添付の特許請求の範囲の広い範囲はこれらの代替、変更および変形を包含するように意図されている。

レーザで穿孔された穴の形態を例示した断面図である。 本発明のレーザパルスの好ましい空間プロファイルの断面図である。 レーザで穿孔された穴における穴の深さとフィラメントの形成をプロットした説明図である。

符号の説明

１０ 穴
１３ ドリル材
１５ 底部
１９ フィラメント
２３ 空間プロファイル

Claims (11)

1. チャネルの形成を低減するようにレーザによって材料を除去するための方法であって、
   パルスエネルギー、パルス幅、およびフルエンスを有してなるレーザパルスをドリル材の表面に向けて放射するステップを有してなり、前記フルエンスは、側壁と底部を有する穴を形成し且つ前記表面で前記ドリル材へのチャネル形成を回避するために十分な値であり、
   前記レーザパルスの空間プロファイルを、前記フルエンスが前記空間プロファイルにわたって実質的に均一になるように、整形するステップを有してなり、
   パルスエネルギー、パルス幅、および前記穴の前記底部におけるチャネル形成を回避するのに十分なフルエンスを有する少なくとも１つの後続のレーザパルスを放射するステップを有してなる、方法。
2. 前記レーザパルスの前記空間プロファイルを整形するステップが、前記空間プロファイルがトップハット状に形成されるように整形することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ドリル材が、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケルベース超合金、ニッケルベースの単結晶合金、および銅からなるグループから選択されたものである、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記レーザパルスが放射される際の前記フルエンスが２から３０Ｊ／ｃｍ^２の間である、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記レーザパルスが放射される際の前記フルエンスが５Ｊ／ｃｍ^２以下である、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記レーザパルスの空間プロファイルを整形するステップが、前記後続のレーザパルスの少なくとも１つの空間プロファイルを、前記フルエンスが前記穴の前記底部にわたって実質的に均一になるように整形することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記レーザパルスが放射される間のパルス幅が１０ピコ秒以下である、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記レーザパルスが放射される間のパルス幅が１ピコ秒以下である、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記レーザパルスを放射するステップが、１から１．０６μｍの間の波長で、前記レーザパルスを放射することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 前記レーザパルスを放射するステップが、約１．０３μｍの波長で、前記レーザパルスを放射することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 前記レーザパルスを放射するステップが、チャープパルス増幅された超短レーザから前記レーザパルスを放射することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
    
    

Images