JP3982136B2 - Laser processing method and apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工方法及びその装置に関し、特に超短パルスレーザを適用した微細加工技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
超短パルスレーザを適用した微細加工については、例えば「超短パルスレーザによるクロム薄膜のアブレーション加工」p53−60、第48回レーザ熱加工研究会論文集(1999.12)において提案されている加工方法がある。
【0003】
上記の文献においては、フェムト秒領域(〜10-13秒)の超短パルスレーザを光源に用いてフォトマスクに応用されるクロム膜にレーザ光を照射して熱損傷の無いアブレーション加工について提案している。
【0004】
図6は上記の文献において報告されている加工方法により得られた被加工物の加工断面図であり、フェムト秒領域(〜10-13秒)のパルス幅の超短パルスレーザ光を複数回照射したときの加工断面を示している。同図からも明らかなように、加工周囲に熱損傷の無い、シャープな加工エッジをもったパターンが得られている。しかし、加工底部22には円錐状のクロム残渣23が散在している。
【0005】
図7は上記よりもパルス幅の広い(例えばナノ秒の領域)パルスレーザ光を照射したときの加工断面図である。パルスレーザ光が照射された領域のクロム薄膜21は殆ど除去されており、加工底部22には残渣がなく、また、水晶基板20に対するダメージの無いフラットな加工面が得られている。しかし、加工周囲には熱損傷によるロールアップ24と呼ばれる溶融・再凝固部による盛り上がりが観測され、加工領域が広がっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のレーザ加工方法においては、アブレーションと熱伝導効果とを両立するための加工条件を見い出すことが難しかった。このため、熱損傷や加工の不均一が起こり、高精度な微細加工ができなかった。
【0007】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、アブレーションと熱伝導効果とを両立させて高精度な微細加工を可能にしたレーザ加工方法及びその装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ加工方法は、第1のレーザ光を照射して被加工物を予備加熱する工程と、第2のレーザ光を照射して予備加熱された被加工物を加工する工程とを有し、第2のレーザ光はフェムト秒レーザ光である。本発明においては、第1のレーザ光により被加工物を予め加熱してからフェムト秒レーザ光により加工を施すようにしたので、フェムト秒レーザ光による加工が適切になされており、加工底部に残渣が生ぜず、また、加工周囲の熱損傷が抑制され、シャープな加工形状が得られる。このため、高精度な微細加工が可能になっている。また、予備加熱を第1のレーザ光を照射することにより行っているので、加熱箇所を所望の箇所に限定することができ、例えば残渣が予想される部位に限って予備加熱をすることができるので、この点からも高精度な加工が可能になっている。
【0010】
本発明に係るレーザ加工方法において、上記の第1のレーザ光は連続したレーザ光である。
また、本発明に係るレーザ加工方法において、上記の第1のレーザ光はパルスレーザ光である。
また、本発明に係るレーザ加工方法において、予備加熱は被加工物の溶融温度を超えないようにする。第1のレーザ光による被加工物に対する不可逆的な変化を避け、予備加熱による加工を避ける。
【0011】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第1のレーザ光を照射している間に第2のレーザ光を照射する。
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第1のレーザ光を照射した後に、第2のレーザ光を照射する。
【0012】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第1のレーザ光と第2のレーザ光とを、被加工物に対して同じ方向から照射する。
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第1のレーザ光と第2のレーザ光とを、被加工物に対して反対方向から照射することを特徴とする。
【0013】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第1のレーザ光により一光子吸収過程よる予備加熱を行い、第2のレーザ光により多光子吸収過程よる加工を行う。予備加熱を行った後にフェムト秒レーザ光を照射するので、多光吸収が起こりやすくなっており、光化学反応によるアブレーション加工が行われ、熱損傷が抑制される。
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第1のレーザ光の集光スポット径を第2のレーザ光による集光スポット径よりも小さく設定する。予備加熱を主として加工底部の残渣が生じ易い部位に行ってその部位の熱的ポテンシャルを上昇しておくことにより加工底部に残渣が生ぜず、また、加工形状も更にシャープになる。
【0014】
本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光を照射して予備加熱する第1のレーザと、被加工物にレーザ光を照射して予備加熱された被加工物を加工する第2のレーザとを有し、第2のレーザはフェムト秒パルスレーザである。本発明においては、第1のレーザ光により被加工物を予備加熱してからフェムト秒パルスレーザにより加工を施すようにしたので、フェムト秒パルスレーザ光による加工が適切になされており、加工底部に残渣が生ぜず、また、加工周囲の熱損傷が抑制され、シャープな加工形状が得られる。このため、高精度な微細加工が可能になっている。また、予備加熱を第1のレーザ光を照射することにより行っているので、加熱箇所を所望の箇所に限定することができ、例えば残渣が予想される部位に限って予備加熱をすることができるので、この点からも高精度な加工が可能になっている。
【0016】
また、本発明に係るレーザ加工装置において、第1のレーザは連続したレーザ光を出力するものである。
また、本発明に係るレーザ加工装置において、第1のレーザはパルスレーザ光を出力するものである。
【0017】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第1のレーザと第2のレーザとを駆動して、第1のレーザによる照射をしている間に第2のレーザを照射させる制御手段を有する。
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第1のレーザ及び第2のレーザを駆動して、第1のレーザにより照射を行った後に、第2のレーザによる照射を行わせる制御手段を有する。
【0018】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第1のレーザと第2のレーザとを、被加工物に対して同じ方向から照射するための光学系を有する。
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第1のレーザと第2のレーザとを、被加工物に対して反対方向から照射するための光学系を有する。
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第1のレーザによるレーザ光の集光スポット径を第2のレーザによる集光スポット径よりも小さく設定するための光学系を有する。予備加熱を主として加工底部の残渣が生じ易い部位に行ってその部位の熱的ポテンシャルを上昇させておくことにより加工底部に残渣が生ぜず、また、加工形状も更にシャープになる。
【0019】
【発明の実施の形態】
実施形態1.
図1は本発明の実施形態1に係るレーザー加工装置の構成を示すブロック図である。このレーザー加工装置は、YAGレーザ10及びチタンサファイアレーザ(フェムト秒レーザ)11を備えており、これらは制御装置12によりその照射タイミングが制御される。YAGレーザ10は、波長λ1:1064nm、パルス幅Δt1:10nsのパルスレーザ光10aを出力する。チタンサファイアレーザ11は、波長λ2:800nm、パルス幅Δt2:100fsのフェムト秒レーザ光11aを出力する。
【0020】
YAGレーザ10からのパルスレーザ光10aは、ビームスプリッタ15にて反射された後に、集光レンズ(焦点距離f100mm)16にて集光されて、水晶基板20上に形成されているクロム膜21に照射される。また、チタンサファイアレーザ11からのフェムト秒レーザ光11aは、全反射ミラー14にて反射された後に、ビームスプリッタ15を透過した後に、集光レンズ16にて集光されてクロム膜21に照射される。水晶基板20はXYテーブル30上に配置されており、XYテーブル30を加工形状に対応して移動することにより、クロム膜21が所望の形状に加工される。なお、全反射ミラー14は800nmのレーザ光を反射し、また、ビームビームスプリッタ15は波長が800nmのレーザ光を透過して波長が1064nmのレーザ光を反射するように設定されているものとする。
【0021】
図2は図1のレーザー加工装置の動作を示すタイミングチャートである。制御装置12から制御信号12aが出力されると、YAGレーザ10はその制御信号12aとほぼ同じパルス幅(Δt1:10ns)のパルスレーザ光10aを出力してクロム膜21に照射する。また、その所定時間後に、制御装置12から制御信号12bが出力されると、チタンサファイアレーザ11はその制御信号12の立ち上がりに同期した、パルス幅Δt2:100fsのフェムト秒レーザ光11aを出力してクロム膜21の上記の照射位置と同じ位置に照射する。
【0022】
パルスレーザ光10aが照射されるとクロム膜21の温度は次第に上昇していき、熱的ポテンシャルが高くなる。但し、この時の最大温度はクロム膜21の溶融温度を超えないようにし、クロム膜21には不可逆的な変化を与えないようにする。そして、このような状態のときに、フェムト秒レーザ光11aが照射されることで、熱的ポテンシャルが高くなっているクロム膜21が気化してアブレーション加工がなされる。なお、このときのフェムト秒レーザ光11aのエネルギー密度は、予備加熱後の被加工物に対する加工閾値よりも若干大きめに設定するものとする。
【0023】
ここで、フェムト秒レーザ光11aの照射による動作を説明する。一般に、クロム膜21に照射されたレーザ光のエネルギーは電子に吸収された後に格子系へ移動してクロム膜21の温度を上昇させる。その後に、熱はクロム特有の熱物性に従って周囲に拡散していく。しかし、フェムト秒レーザ光11aのパルス幅は電子から格子系へのエネルギーの移動時間よりも短いので、パルス光が照射中に照射領域外に拡散しない。このため、照射領域を効率良く加熱することができ、周囲への熱損傷の抑制が可能になっている。
【0024】
また、フェムト秒レーザ光11aの照射による動作を別の観点から説明する。パルスレーザ光10aはエネルギー密度の小さいレーザ光が得られているから、1光子分吸収過程が行われており、パルス幅が長い(時間が長い)ことから熱拡散が行われる。そして、上記の予備加熱により多光子吸収過程が起きやすい状態になっているときに、上述のフェムト秒レーザ光11aが照射されると、そのパルス幅が短いことから結果的にエネルギー密度の大きいレーザ光が照射されて多光子吸収過程が起き、エネルギーがバンドギャップを超えて分子が分離する。このようにして被加工物のアブレーション加工が、熱反応よらず、光・化学反応によりなされるので、加工周囲への熱損傷の抑制ができ、高精度な微細加工が可能になっている。
【0025】
図3は上記の実施形態による加工断面図である。上述のように、パルスレーザ10aにより予備加熱をしてからフェムト秒レーザ光11aを照射して加工するようにしたので、図示のように、加工底部22には残渣が生じることなく、また、加工形状も熱損傷がなくシャープな加工形状になっている。
【0026】
実施形態2.
図4は本発明の実施形態2に係るレーザー加工装置の構成を示すブロック図である。このレーザー加工装置は、上記の実施形態と同様に、YAGレーザ10及びチタンサファイアレーザ11を備えており、これらは制御装置12によりその照射タイミングが制御される。YAGレーザ10からのパルスレーザ光10aは集光レンズ16にて集光されてクロム膜2に照射される。また、チタンサファイアレーザ(フェムト秒レーザ)11からのフェムト秒レーザ光11aは全反射ミラー17,18にて反射されて集光レンズ19にて集光され、水晶基板20を介してクロム膜21に照射される。このようにして、クロム膜21にはその裏側及び表側の両側からフェムト秒レーザ光11a及びパルスレーザ光10bが照射される。そして、上記の実施形態と同様に、クロム膜21はパルスレーザ光10aの照射により予備加熱がなされ、フェムト秒レーザ光11aの照射によりアブレーション加工が施される。なお、全反射ミラー17,18は波長が800nmのレーザ光を反射するように設定されているものとする。
【0027】
ところで、上記の実施形態においては、パルスレーザ光10aをクロム膜21の表側から照射し、フェムト秒レーザ光11aをクロム膜21の裏側から照射した例を示したが、その逆でも良い。即ち、フェムト秒レーザ光11aをクロム膜21の表側から照射し、パルスレーザ光10aをクロム膜21の裏側から照射してもた良い。いずれの場合においても、水晶基板20を介してクロム膜21にレーザ光を照射する場合には、レーザ光の波長を水晶基板20を透過し易い波長に設定する必要がある。
【0028】
実施形態3.
図5は上記実施形態1,2においてクロム膜に照射されるレーザ光の集光スポットの大きさの説明図である。図示の例においては、パルスレーザ光10aの集光スポット10bをフェムト秒レーザ光11aの集光スポット11bよりも小さくしており、主として加工底部22に相当する位置の熱的ポテンシャルを上昇させておいて、フェムト秒レーザ光11aを照射させた際に残渣が残らないようにしている。また、加工部の周囲の熱的ポテンシャルを上げないようしてシャープな加工形状が得られるようにしてある。
【0029】
なお、図5の例は典型的な例であり、この他に、集光スポット10b=集光スポット11b、或いは、集光スポット10b>フェムト秒レーザ光11aの集光スポット11bであっても良い。なお、この集光スポットの径の調整は、例えばYAGレーザ10又はチタンサファイアレーザ11にビームエキスパンダを内蔵しておいてビーム径を調整したり、或いは、YAGレーザ10又はチタンサファイアレーザ11から出射されたレーザ光の光学系にビームエキスパンダを挿入することでビーム径を調整することによりなされる。
【0030】
実施形態4.
また、被加工物を予備加熱するためのレーザ光は、必ずしもパルスレーザ光である必要はなく連続光であっても良い。また、その光源はYAGレーザに限られず他の固体レーザ、或いはガスレーザ(例えばCO2レーザ)、半導体レーザを用いても良い。また、被加工物に加工を施すためのレーザについてもチタンサファイアレーザに限られず他のレーザであっても良い。また、上記のYAGレーザ10とチタンサファイアレーザ11とではその波長を異ならせた例(λ1>λ2)について示したが、その波長については同じでも良い。また、発明に係る超短パルスレーザは、熱損傷が抑制されれば良いので、そのパルス幅がフェムト秒領域〜ピコ秒領域(〜10-15秒−10-12秒)のパルス幅のパルスレーザが該当する。
【0031】
また、被加工物は、上記のクロム膜に限定されるものではなく、例えばアルミナ、シリコン、ゲルマニウム、水晶等の熱伝導率の高い材料においても熱拡散領域が限定されるので精密な加工ができる。更に、本発明の加工は生体、例えば角膜、歯、脳等のレーザアブレーションにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係るレーザー加工装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1のレーザー加工装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図3】本実施形態による加工断面図である。
【図4】本発明の実施形態2に係るレーザー加工装置の構成を示すブロック図である。
【図5】クロム膜に照射されるレーザ光の集光スポットの大きさの説明図である。
【図6】先行文献において報告されている加工断面図である。
【図7】図6の例よりもパルス幅の広いレーザ光をを照射したときの加工断面図である。
【符号の説明】
10 YAGレーザ
11 チタンサファイアレーザ
14,17,18 反射ミラー
15 ビームスプリッタ
16,19 集光レンズ
20 水晶基板
21 クロム膜
30 XYテーブル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing method and an apparatus therefor, and more particularly to a fine processing technique using an ultrashort pulse laser.
[0002]
[Prior art]
As for microfabrication using an ultrashort pulse laser, for example, the processing proposed in “Ablation Machining of Chromium Thin Films by Ultrashort Pulse Laser” p53-60, Proc. 48th Laser Thermal Processing Research Group (1999.12). There is a way.
[0003]
In the above-mentioned document, ablation processing without thermal damage is proposed by irradiating a chromium film applied to a photomask with a laser beam to an ultrashort pulse laser in the femtosecond region ( -10-13 seconds) as a light source. ing.
[0004]
FIG. 6 is a cross-sectional view of a workpiece obtained by the processing method reported in the above-mentioned literature, and an ultrashort pulse laser beam having a pulse width in a femtosecond region (10 −13 seconds) is irradiated a plurality of times. The processing cross section when doing is shown. As is apparent from the figure, a pattern having a sharp processing edge without thermal damage around the processing is obtained. However,
[0005]
FIG. 7 is a cross-sectional view of processing when irradiated with pulsed laser light having a wider pulse width (for example, nanosecond region) than the above. The chromium
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional laser processing methods as described above, it has been difficult to find processing conditions for achieving both ablation and a heat conduction effect. For this reason, thermal damage and non-uniform processing occurred, and high-precision fine processing could not be performed.
[0007]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides a laser processing method and apparatus capable of achieving high-precision fine processing by achieving both ablation and a heat conduction effect. With the goal.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The laser processing method according to the present invention includes a step of preheating a workpiece by irradiating a first laser beam, and a step of processing the preheated workpiece by irradiating a second laser beam. And the second laser beam is a femtosecond laser beam. In the present invention, since the workpiece is preheated with the first laser beam and then processed with the femtosecond laser beam, the processing with the femtosecond laser beam is appropriately performed, and a residue is formed on the bottom of the processing. In addition, thermal damage around the machining is suppressed, and a sharp machining shape can be obtained. For this reason, high-precision fine processing is possible. In addition, since the preheating is performed by irradiating the first laser beam, the heating location can be limited to a desired location, and for example, the preheating can be limited only to a location where a residue is expected. Therefore, high-precision processing is possible from this point.
[0010]
In the laser processing method according to the present invention, the first laser beam is a continuous laser beam.
In the laser processing method according to the present invention, the first laser beam is a pulsed laser beam.
In the laser processing method according to the present invention, the preheating is performed so as not to exceed the melting temperature of the workpiece. Avoid irreversible changes to the workpiece by the first laser beam and avoid pre-heating processing.
[0011]
In the laser processing method according to the present invention, the second laser beam is irradiated while the first laser beam is irradiated.
In the laser processing method according to the present invention, the second laser beam is irradiated after the first laser beam is irradiated.
[0012]
In the laser processing method according to the present invention, the workpiece is irradiated with the first laser beam and the second laser beam from the same direction.
The laser processing method according to the present invention is characterized in that the first laser beam and the second laser beam are irradiated to the workpiece from opposite directions.
[0013]
In the laser processing method according to the present invention, preheating is performed by the first laser beam by the one-photon absorption process, and processing by the multi-photon absorption process is performed by the second laser beam. Since the femtosecond laser beam is irradiated after the preheating, multi-light absorption is likely to occur, ablation processing is performed by a photochemical reaction, and thermal damage is suppressed.
In the laser processing method according to the present invention, the focused spot diameter of the first laser beam is set smaller than the focused spot diameter of the second laser beam. By performing preheating mainly on a portion where the residue at the bottom of the machining is likely to be generated and increasing the thermal potential of the portion, no residue is generated at the bottom of the machining, and the machining shape is further sharpened.
[0014]
The laser processing apparatus according to the present invention includes a first laser that preheats a workpiece by irradiating the workpiece with laser light, and a second laser that processes the preheated workpiece by irradiating the workpiece with laser light. The second laser is a femtosecond pulse laser. In the present invention, since the workpiece is preheated with the first laser beam and then processed with the femtosecond pulse laser, the processing with the femtosecond pulse laser beam is appropriately performed, There is no residue, and thermal damage around the processing is suppressed, and a sharp processing shape is obtained. For this reason, high-precision fine processing is possible. In addition, since the preheating is performed by irradiating the first laser beam, the heating location can be limited to a desired location, and for example, the preheating can be limited only to a location where a residue is expected. Therefore, high-precision processing is possible from this point.
[0016]
In the laser processing apparatus according to the present invention, the first laser outputs a continuous laser beam.
In the laser processing apparatus according to the present invention, the first laser outputs pulsed laser light.
[0017]
In addition, the laser processing apparatus according to the present invention includes a control unit that drives the first laser and the second laser to irradiate the second laser while irradiating with the first laser.
In addition, the laser processing apparatus according to the present invention includes a control unit that drives the first laser and the second laser to perform irradiation with the first laser, and then performs irradiation with the second laser.
[0018]
The laser processing apparatus according to the present invention includes an optical system for irradiating the workpiece with the first laser and the second laser from the same direction.
The laser processing apparatus according to the present invention has an optical system for irradiating the workpiece with the first laser and the second laser from opposite directions.
In addition, the laser processing apparatus according to the present invention has an optical system for setting the focused spot diameter of the laser beam by the first laser to be smaller than the focused spot diameter by the second laser. Preliminary heating is mainly performed on a portion where the residue at the bottom of the machining is likely to generate a residue, and the thermal potential at that portion is increased, so that no residue is generated at the bottom of the machining, and the machining shape is further sharpened.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to
[0020]
The
[0021]
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the laser processing apparatus of FIG. When the
[0022]
When the
[0023]
Here, the operation | movement by irradiation of the
[0024]
Further, the operation by irradiation with the
[0025]
FIG. 3 is a cross-sectional view of processing according to the above embodiment. As described above, since the pre-heating is performed by the
[0026]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. This laser processing apparatus includes a
[0027]
In the above embodiment, the
[0028]
Embodiment 3. FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram of the size of the focused spot of the laser light irradiated on the chromium film in the first and second embodiments. In the illustrated example, the
[0029]
The example of FIG. 5 is a typical example. In addition, the
[0030]
Embodiment 4 FIG.
Further, the laser beam for preheating the workpiece does not necessarily need to be a pulsed laser beam and may be a continuous beam. The light source is not limited to the YAG laser, and other solid-state lasers, gas lasers (for example, CO 2 lasers), or semiconductor lasers may be used. Further, the laser for processing the workpiece is not limited to the titanium sapphire laser, and may be another laser. Moreover, although the example ((lambda) 1> (lambda) 2) in which the wavelength was different between said
[0031]
In addition, the workpiece is not limited to the above-described chromium film, and the heat diffusion region is limited even in a material having high thermal conductivity such as alumina, silicon, germanium, quartz, etc., so that precise processing can be performed. . Furthermore, the processing of the present invention can also be applied to laser ablation of a living body such as the cornea, teeth, and brain.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the laser processing apparatus of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of machining according to the present embodiment.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of the size of a focused spot of laser light applied to a chromium film.
FIG. 6 is a cross-sectional view of processing reported in the prior art.
7 is a processing cross-sectional view when a laser beam having a wider pulse width than that of the example of FIG. 6 is irradiated. FIG.
[Explanation of symbols]
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