JP4753786B2

JP4753786B2 - 短パルスレーザ加工方法および装置

Info

Publication number: JP4753786B2
Application number: JP2006124346A
Authority: JP
Inventors: 能徳多幡; 広之山宮; 栄紀小山; 隆一郎笹木
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; SIGMAKOKI Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: SIGMAKOKI Co Ltd; Aisin Corp
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: JP2007296534A

Description

本発明は、薄板状の被加工物を短時間幅のレーザ光照射で非熱加工する短パルスレーザ加工する方法および装置に関する。

短パルスレーザ加工は、たとえば露光用マスクやインクジェットヘッドのノズル孔などを精密加工するのに利用されている。

図３は、従来の短パルスレーザ加工装置の概略構成例を示す。同図に示す装置は、短パルスレーザ光Ｌｐを出力するレーザ装置２０、このレーザ装置２０から出力された短パルスレーザ光Ｌｐを被加工物１０に集束させる光学系２２、ＸＹテーブル等の可動ステージ３０、および可動ステージ３０上で被加工物１０を所定の加工位置に保持する治具３５などによって構成される（特許文献１参照）。

レーザ装置２０からは短時間幅で高出力の短パルスレーザ光Ｌｐが間けつ的（あるいは周期的）に出力される。この短パルスレーザ光Ｌｐを光学系２２で点状に集束して被加工部位に照射することにより、その照射個所が瞬間的かつ局所的にプラズマ化されて穿孔あるいは切削などの加工が行われる。

この加工を、レーザ光Ｌｐと被加工物１０を相対移動させながら行うことにより、被加工物１０に所定パターンの切断あるいは穴開け加工を施すことができる。これにより、たとえば露光用マスクやインクジェットヘッド等のノズル孔を高精度に形成することができる。

特開２００３−１９５８７

しかしながら、従来の短パルスレーザ加工技術には、次のような問題のあることが本発明者等により明らかとされた。すなわち、上述した短パルスレーザ加工では、被加工物１０に高出力のレーザ光Ｌｐを瞬間的に照射した際に、その被加工物１０内で超音波の衝撃波が生じる。

この衝撃波は、レーザ光の瞬間的な照射によって被加工部位にプラズマが発生したときの反跳によって生じると考えられるが、この衝撃波が被加工部位の温度を上昇させて加工の効率や精度を悪化させる原因になることが判明した。

短パルスレーザ加工では、高出力レーザ光の瞬間的かつ局所的な照射により、被加工物１０を加熱せずに穿孔や切削などの加工を行う、いわゆる非熱加工によって高効率かつ高精度の加工が可能であるが、その瞬間的なレーザ光照射にともなって発生する超音波振動が、熱エネルギーとなって被加工部位の温度を上昇させてしまうため、理想的な非熱加工が行われないという問題が生じる。

被加工部位の温度が上昇すると、レーザ光Ｌｐの注入光路にて屈折率に揺らぎが生じて正確な集光ができなくなってしまう。また、被加工部位の温度が加工材料の溶融温度近くまで上昇すると、光反射率が増えてレーザ光の照射効率（注入効率）が低下してしまうという問題も生じる。

上述した問題はとくに、短パルスレーザ光Ｌｐのパルス幅を短くするほど、また被加工物１０の板厚が薄くなるほど顕著化する。とくに、パルス幅が２００ｐｓ以下の短パルスレーザによる加工、板厚が１ｍｍ以下の被加工物では、短パルスレーザ光の照射にともなって発生する衝撃波を原因とする温度上昇が、非熱加工による高効率かつ高精度の加工を妨げる大きな原因となることが判明した。

本発明は以上のような問題を鑑みたものであって、その目的は、薄板状の被加工物を短パルスレーザ光の照射によって加工するレーザ加工において、被加工部位での温度上昇を確実に抑えて、加工の効率および精度が高い理想的な非熱加工を実現させることにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。

本発明は次のような解決手段を提供する。
（１）薄板状の被加工物を短パルスレーザ光の照射によって加工するレーザ加工方法であって、レーザ照射側面の背面を衝撃吸収体に密着させた状態で加工を行うことを特徴とする短パルスレーザ加工方法。

（２）上記手段（１）において、衝撃吸収体が液体であって、この液体の液面を被加工物に接触させることを特徴とする短パルスレーザ加工方法。

（３）上記手段（１）または（２）において、衝撃吸収体として水を用いることを特徴とする短パルスレーザ加工方法。

（４）上記手段（１）〜（３）のいずれかにおいて、短パルスレーザ光のパルス幅が２００ｐｓ以下であることを特徴とする短パルスレーザ加工方法。

（５）上記手段（１）〜（４）のいずれかにおいて、被加工物の板厚が１ｍｍ以下であることを特徴とする短パルスレーザ加工方法。

（６）薄板状の被加工物を短パルスレーザ光の照射によって加工するレーザ加工装置であって、被加工物を所定位置に保持するための治具が液体容器を形成し、この容器内の液体液面がレーザ照射側面の背面に接触するようにしたことを特徴とする短パルスレーザ加工装置。

薄板状の被加工物を短パルスレーザ光の照射によって加工するレーザ加工において、被加工部位での温度上昇を確実に抑えて、加工の効率と精度の高い理想的な非熱加工が実現される。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。

図１は、本発明に係るレーザ加工技術を実施する装置の概略構成を示す。同図に示す装置は、基本的には従来と同様、短パルスレーザ光Ｌｐを出力するレーザ装置２０、このレーザ装置２０から出力される短パルスレーザ光Ｌｐを被加工物１０に集束させる光学系２２、ＸＹテーブル等の可動ステージ３０、および可動ステージ３０上で被加工物１０を所定位置に保持するための治具３３などによって構成される。

本発明では、上記構成において、被加工物１０を所定位置に保持するための治具３３が液体容器を形成し、この容器内に保持した液体４０の液面がレーザ照射側面の背面（被加工物の裏面）に接触するようになっている。

治具３３は、底部３１と側方部３２とからなる扁平な開放容器（トレー）であって、液体容器の縁をなす側方部３２の上端面に薄板状の被加工物１０の周辺部を載置することにより、被加工物１０は所定の高さ位置に位置決めされるとともに、背面が液体４０に面状に接触させられるようになっている。液体４０としては水（純水）が使用されている。

上記装置では、レーザ装置２０からは短時間幅で高出力の短パルスレーザ光Ｌｐが間けつ的（周期的）に出力される。この実施例で使用したレーザ装置２０は、波長１５６０ｎｍ、パルス幅が１０００フェムト秒（１ｐｓ）、発振周波数２００ＫＨｚ、平均出力２００ｍＷの短パルスレーザ光Ｌｐを出力するように構成されている。

図２は短パルスレーザ光Ｌｐの出力波形（タイミングチャート）を例示する。同図において、Ｔは発振周期、Ｐｗはパルス幅をそれぞれ示す。パルス幅Ｐｗは、非熱加工の依存度を高めるために２００ｐｓ以下が望ましい。

この短パルスレーザ光Ｌｐを光学系２２で点状に集束して照射することにより、その照射個所が瞬間的かつ局所的にプラズマ化されて穿孔あるいは切削などの加工が行われる。

この加工を、レーザ光Ｌｐと被加工物１０を相対移動させながら行うことにより、被加工物１０に所定パターンの切断あるいは穴開け加工を施すことができる。

これにより、たとえば露光用マスクやインクジェットヘッド等のノズル孔を高精度に形成することができるのであるが、上記加工に際しては、短パルスレーザ光Ｌｐが照射される被加工部位にてプラズマが発生するが、このプラズマの反跳によって超音波の衝撃波が発生する。

しかし、その衝撃波は、被加工物１０内に定在することなく、被加工物１０の背面に密着している液体４０に伝播して吸収される。これにより、衝撃波による被加工部位の温度上昇が確実に抑制されて、加工の効率と精度の高い理想的な非熱加工が行われるようになる。

上記のように、本発明では、被加工物１０を衝撃吸収体に密着させた状態で加工を行うことにより、被加工部位の温度上昇を抑えて、精度の高い理想的な非熱加工を行わせることができる。

衝撃吸収体としては、被加工物との間に理想的な密着状態を確実かつ安定に形成することができる液体４０がとくに好適である。この液体４０として水とくに純水を用いると、加工後における被加工物１０の洗浄を不要にできるといった利点が得られる。

本発明による短パルスレーザ加工では、非熱加工を行わせるために、短パルスレーザ光Ｌｐのパルス幅を短くした方がよい。良好な非熱加工条件を得るためには、パルス幅が２００ｐｓ以下の短パルスレーザ光が望ましい。パルス幅を短くするほど、加工時の照射エネルギー（ピーク出力）を大きくして被加工部位のプラズマ化による加工効率および加工精度を高めることができる。

短パルスレーザ光のパルス幅を短くすると、その短パルスレーザ光Ｌｐを照射したときに超音波の衝撃波が発生しやすくなるが、この衝撃波は、被加工物に密着状態で接触している液体の衝撃吸収体により、被加工物１０内に定在波として止まることなく、ただちにその吸収体に伝播して吸収される。

また、超音波衝撃波による加工部位の温度上昇は、被加工物１０の板厚が薄い場合、とくに、被加工物の板厚が１ｍｍ以下の場合に顕著となるが、この場合も、被加工物１０を液体の衝撃吸収体に密着させた状態で加工を行うことにより、被加工部位での温度上昇を非常に効果的に低減あるいは解消させることができる。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。
たとえば、衝撃吸収体として用いる液体４０は、被加工物１０との密着状態を非常に確実かつ安定に形成することができるが、この液体４０には水以外の液体、たとえばアルコールや油脂などであってもよい。

衝撃吸収体をなす液体４０は、たとえば水を過分に含んだゲル状であってもよい。また、粘性を有する流動体は好適な衝撃吸収体として使用できる。

本発明による短パルスレーザ加工装置の実施形態を示す概略構成図である。短パルスレーザ光の出力波形を例示する図である。従来の短パルスレーザ加工装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

Ｌｐ短パルスレーザ光、
Ｐｗレーザ光のパルス幅、
１０被加工物、
２０レーザ装置、
２２光学系、
３０可動ステージ、
３１底部、
３２側方部、
３３治具、
４０液体

Claims

薄板状の被加工物を短パルスレーザ光の照射によって加工するレーザ加工方法であって、前記被加工物のレーザ照射側面の背面をゲル状の流動体に密着させた状態で加工を行うことにより、前記短パルスレーザ光の照射に伴う衝撃を前記流動体で吸収させることを特徴とする短パルスレーザ加工方法。
請求項１において、短パルスレーザ光のパルス幅が２００ｐｓ以下であることを特徴とする短パルスレーザ加工方法。
請求項１において、被加工物の板厚が１ｍｍ以下であることを特徴とする短パルスレーザ加工方法。
薄板状の被加工物を短パルスレーザ光の照射によって加工するレーザ加工装置であって、被加工物を所定位置に保持するための治具が容器を形成し、この容器内に保持したゲル状の流動体が、前記被加工物のレーザ照射側面の背面に接触するように構成することにより、前記短パルスレーザ光の照射に伴う衝撃を前記流動体で吸収可能としたことを特徴とする短パルスレーザ加工装置。