JP6857669B2 - レーザ加工システム及びレーザ加工方法 - Google Patents
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Description
A.パルスレーザ光を出力するレーザ装置であって、パルスレーザ光の波長を変化させることが可能な波長可変レーザ装置;
B.波長可変レーザ装置から出力されたパルスレーザ光を被加工物に照射する光学システム;
C.被加工物の材料に応じた光子吸収に対応する基準波長を取得する基準波長取得部;
D.波長可変レーザ装置を制御して、被加工物に対して本加工を施す前にプレ加工を実行する制御部であって、基準波長を含む所定範囲内で波長可変レーザ装置が出力するパルスレーザ光の波長を変化させながら、複数の波長で波長探索用プレ加工を実行するレーザ加工制御部;
E.複数の波長で行った波長探索用プレ加工の波長毎の加工状態を計測する加工状態計測器;及び
F.波長毎の加工状態を評価して、本加工に使用する最適波長を決定する最適波長決定部。
A.被加工物の材料に応じた光子吸収に対応する基準波長を取得する基準波長取得ステップ;
B.パルスレーザ光の波長を変化させることが可能な波長可変レーザ装置を用い、基準波長を含む所定範囲内で波長可変レーザ装置が出力するパルスレーザ光の波長を変化させながら、複数の波長で波長探索用プレ加工を実行する波長探索用プレ加工ステップ;
C.複数の波長で行った波長探索用プレ加工の波長毎の加工状態を計測する加工状態計測ステップ;及び
D.波長毎の加工状態を評価して、本加工に使用する最適波長を決定する最適波長決定ステップ。
1.概要
2.比較例に係るレーザ加工システム
2.1 レーザ加工システムの構成
2.2 レーザ加工システムの動作
2.3 課題
3.第1実施形態のレーザ加工システム
3.1 構成
3.2 動作
3.3 作用
3.4 変形例
4.第2実施形態のレーザ加工システム
4.1 構成
4.2 動作
4.3 作用
5.第3実施形態のレーザ加工システム
5.1 構成
5.2 動作
5.3 作用
5.4 変形例
6.第4実施形態のレーザ加工システム
6.1 構成
6.2 動作
6.3 作用
7.波長可変レーザ装置の具体例
7.1 構成
7.2 動作
7.3 変形例
8.レーザ加工装置の変形例
8.1 構成
8.2 動作
9.反射型の光学系
9.1 反射型の集光光学系
9.2 反射型の転写光学系
本開示は、被加工物にレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工システムに関する。
2.1 レーザ加工システムの構成
図1は、比較例に係るレーザ加工システムの構成を概略的に示す。レーザ加工システム2は、レーザ装置3と、レーザ加工装置4とを備えている。レーザ装置3とレーザ加工装置4は光路管5によって接続されている。
図2〜図4のフローチャートを参照しながら、レーザ加工システム2の動作を説明する。図2に示すS1000は、レーザ加工装置4のレーザ加工制御部32の処理を示すフローチャートであり、図4に示すS2000は、レーザ装置3のレーザ制御部13の処理を示すフローチャートである。
PS=Depth/Nm・・・・・・(1)
ここで、PSは加工速度、Nmはパルス数である。
FL=Et/S[mJ/cm2]・・・・・・(2)
ここで、Sは照射面積であり、照射径をDとすると、S=π(D/2)2[cm2]となる。
FLm=Em/Sm[mJ/cm2]・・・・・・(3)
T=π(D/2)2(FL/Et)・・・・・(4)
ここで、FLはフルーエンス、Etは目標パルスエネルギ、Dは被加工物41の表面におけるパルスレーザ光の照射径である。レーザ加工に必要なフルーエンスFLmを得るための透過率Tを求める場合には、T=π(D/2)2(FLm/Em)となる。
比較例のレーザ加工システム2は、被加工物41の材料のバンドギャップに対応する基準波長λaのパルスレーザ光でレーザ加工を行う。上述のとおり、基準波長λaは、理論的には、加工速度PSが最大となる最適な波長と考えられる。しかし、レーザ加工において、加工速度PSを改善するために基準波長λaに合わせても、実際には、加工速度PSが改善しない場合があった。その理由は、実際に加工される被加工物41の材料においては、不純物等の影響で、理論的なバンドギャップとは多少異なるバンドギャップとなる場合があるためと考えられる。
3.1 構成
図6は、第1実施形態に係るレーザ加工システム2Aの構成を概略的に示す。第1実施形態のレーザ加工システム2Aは、図1に示す比較例のレーザ加工システム2のレーザ加工装置4に代えて、レーザ加工装置4Aを備えている。第1実施形態のレーザ装置3は、比較例のレーザ装置3と同様である。第1実施形態の以下の説明において、比較例のレーザ加工システム2との相違点を中心に説明する。
図7から図15を参照しながら、レーザ加工システム2Aの動作を説明する。図7のS1000Aに示すレーザ加工制御部32Aの処理のフローチャートにおいて、図2に示すS1000の比較例の処理と異なるのは、1つは、S1020の直後に、S1021Aの最適波長λoptを探索する処理が追加されている点である。
レーザ加工システム2Aは、レーザ加工においては、パルスレーザ光の波長として、最適波長λoptを使用する。レーザ加工制御部32Aは、基準波長λaを含む所定の波長範囲内でパルスレーザ光の波長を変化させながら、複数の波長で波長探索用プレ加工を行い、プレ加工の加工状態を評価して最適波長λoptを決定する。このように、本例においては、実際にプレ加工を行って最適波長λoptを決定する。そのため、加工される被加工物41の材料において、不純物等の影響により、理論上の最適波長である基準波長λaと実際の最適波長λoptとが異なる場合でも、実際の最適波長λoptを正確に求めることができる。そして、最適波長λoptを使用してレーザ加工を行うため、被加工物41において効率よくパルスレーザ光が吸収される。これにより、加工速度PSを改善することができる。
上記例では、第1波長選択テーブル56から基準波長λaを読み出して、図12のSR1205及び図13のSR1215に示すように、基準波長λaに基づいて波長を変化させる所定の波長範囲を計算により求めている。こうした例に限らず、第1波長選択テーブル56に、波長を変化させる所定の波長範囲であって、基準波長λaを含む波長範囲のデータを記録しておいてもよい。この場合、レーザ加工制御部32Aは、第1波長選択テーブル56から、材料名MNに対応する波長範囲のデータを取得する。これによれば、所定の波長範囲を求める計算が不要となる。
4.1 構成
図16から図22は、第2実施形態のレーザ加工システム2Bを示す。図16に示すように、第2実施形態のレーザ加工システム2Bは、レーザ装置3と、レーザ加工装置4Bとを備えている。レーザ装置3は、第1実施形態と同様である。レーザ加工装置4Bは、第1実施形態のレーザ加工装置4Aの構成に加えて、加工深さ計測器70を備えている。レーザ加工制御部32Bは、第1実施形態とは異なる方式の最適波長探索機能を備えている。レーザ加工システム2Bのそれ以外の構成は、第1実施形態のレーザ加工システム2Aと同様であるので、以下、相違点を中心に説明する。
図18から図21を参照しながら、レーザ加工システム2Bの動作を説明する。図18のS1000Bに示すように、第2実施形態のレーザ加工制御部32Bの処理において、図7の第1実施形態のS1000Aの処理と異なるのは、最適波長λoptの探索の方式である。第2実施形態では、S1021Aが、S1021Bに変更されている。その他の各ステップは、図7に示す第1実施形態と同様である。
このように、第2実施形態において、レーザ加工制御部32Bは、本加工に使用するフルーエンスFLmを目標フルーエンスFLtに設定して、波長探索用プレ加工を実行する。そして、最適波長決定部として機能するレーザ加工制御部32Bは、複数の波長で行ったプレ加工の加工深さDepthから加工速度PSを求めて、加工速度PSが最大の波長を最適波長λoptとして決定する。第1実施形態と同様に、実際にプレ加工を行って最適波長λoptを決定するため、実際の最適波長λoptを正確に求めることができる。これにより、加工速度PSを改善することができる。
5.1 構成
図25から図29に示す第3実施形態のレーザ加工システム2Cは、レーザ装置3Cとレーザ加工装置4Cとを備えている。第3実施形態のレーザ装置3Cは、レーザ装置3の固体レーザ装置10に代えて固体レーザ装置10Cを備えている。また、レーザ制御部13がレーザ制御部13Cに変更されている。固体レーザ装置10Cは、固体レーザ装置10の構成に加えて、同期回路81、パルス波形調節器82、及び光シャッタ83が追加されており、パルスレーザ光のパルス幅ΔTを変化させるパルス幅可変機能を備えている。レーザ装置3Cの他の構成は、レーザ装置3の構成と同様である。以下、レーザ装置3Cについて、レーザ装置3との相違点を中心に説明する。
図27に示す第3実施形態のS1000Cのフローチャートは、第3実施形態のレーザ加工制御部32Cの処理手順を示す。第3実施形態のS1000Cは、図7に示す第1実施形態のS1000Aの変形例である。第3実施形態のS1000Cにおいて、第1実施形態のS1000Aと異なる点は、S1020がS1020Cに、S1021AがS1021Cに、S1050がS1050Cに、それぞれ変更されている点であり、他のステップは同様である。以下、相違点を中心に説明する。
第3実施形態において、レーザ加工制御部32Cは、1光子吸収波長λ1hνが所定値λzよりも短い場合、基準波長λaとして2光子吸収波長λ2hνを選択する。材料のバンドギャップが比較的小さく、1光子吸収波長λ1hνが長い場合には、固体レーザ装置10から出力されるパルスレーザ光として、第2高調波(325nm〜550nm)または第3高調波(217nm〜367nm)を使用することができる。第2高調波または第3高調波であれば、波長変換効率が比較的高いため、高いパルスエネルギを確保することができる。パルスエネルギが高いと、効率よく光子吸収を生じさせることができるため、加工速度PSが改善する。
上記例において、図27に示すS1021Cの最適波長λoptの探索を、波長探索用フルーエンスFLthを使用する第1実施形態の方式で行う例で説明したが、波長探索用フルーエンスFLthを使用しない第2実施形態の方式で行ってもよい。この場合には、第2実施形態のレーザ加工装置4Bと同様に、レーザ加工装置4Cに加工深さ計測器70が設けられる。
6.1 構成
図30から図36に示す第4実施形態のレーザ加工システム2Dは、レーザ装置3Cと、レーザ加工装置4Dとを備えている。レーザ加工システム2Dにおいて、図25に示す第3実施形態のレーザ加工システム2Cと異なる点は、レーザ加工装置4Cに代えて、レーザ加工装置4Dを備えている点である。その他の点は第3実施形態のレーザ加工システム2Cと同様である。
図31及び図32に示す第4実施形態のS1000Dのフローチャートは、第4実施形態のレーザ加工制御部32Dの処理手順を示す。図18に示すS1000Bや図27に示す第3実施形態のS1000Cと同じステップについては、説明を省略し、以下相違点を中心に説明する。
第4実施形態において、レーザ加工制御部32Dは、パルスレーザ光のパルス幅を変化させながら、複数のパルス幅でパルス幅探索用プレ加工を実行し、パルス幅毎の加工状態を計測し、パルス幅毎の加工状態を評価して、最適パルス幅ΔToptを決定する。このため、最適波長λoptに加えて、最適パルス幅ΔToptでレーザ加工できるため、光子の吸収効率のさらなる改善と、加工速度PSの向上が期待できる。特に、2光子吸収は、1光子吸収よりも吸収効率が低いので、本例は有効である。
7.1 構成
図37において、第3実施形態及び第4実施形態で使用される波長可変レーザ装置であるレーザ装置3Cの具体例を示す。上述したとおり、レーザ装置3Cは、固体レーザ装置10Cと、モニタモジュール11と、レーザ制御部13Cとを備えている。
レーザ制御部13Cは、レーザ加工制御部32Cから、目標波長λt、目標パルスエネルギEt、パルス幅ΔT、及び発光トリガTrのデータを受信する。レーザ制御部13Cは、シャッタ12を閉じて、レーザ加工NG信号をレーザ加工制御部32Cに送信する。レーザ制御部13Cは、パルス幅ΔTのデータをパルス波形調節器82に送信する。
図37に示すレーザ装置3Cから、同期回路81、パルス波形調節器82及び光シャッタ83を取り除くと、図1に示す比較例、図6に示す第1実施形態、図16に示す第2実施形態の各レーザ装置3として使用することができる。この場合は、パルス幅は1nsから数十nsのパルスレーザ光が出力されるため、2光子吸収の割合は殆どなくなる。
8.1 構成
上記各実施形態のレーザ加工装置において、集光光学系として機能する光学システムを備えた例で説明したが、図38に示すレーザ加工装置4Eのように、被加工物41に対して像を転写できる転写光学系として機能する光学システム93を備えていてもよい。光学システム93は、ビームホモジナイザ91と、可変スリット92と、転写レンズ94とを備えている。ここで、転写レンズ94は、硝材が異なる複数枚のレンズの組み合わせで構成され、波長可変レーザ装置の波長可変範囲において色収差補正を行うことが可能な色収差補正レンズである。複数枚のレンズとしては、たとえば、合成石英レンズとCaF2結晶レンズの組合せレンズが使用される。
高反射ミラー36bによって反射したパルスレーザ光は、ビームホモジナイザ91によって光強度が空間的に均一化されて、可変スリット92に入射する。可変スリット92のスリットをパルスレーザ光が透過すると、スリットの形状に応じた像光が形成される。この像光は、高反射ミラー36cを介して転写レンズ94に入射する。転写レンズ94は、ウインドウ42Aを介して、可変スリット92のスリットの形状に応じたスリット像を被加工物41の表面に結像させて、スリット像を転写する。これにより、被加工物41の表面の加工形状を、可変スリット92のスリットに応じた形状にすることができる。
上記実施形態において、集光光学系や転写光学系として機能する光学システムは、集光レンズ36dや転写レンズ94などのレンズを使用する例で説明したが、光学システムにおいて、レンズの代わりに反射型の光学系を使用してもよい。
図39に示す反射型の集光光学系101は、集光レンズ36dの代わりに使用することが可能である。集光光学系101は、平面ミラー101aと軸外放物面の凹面ミラー101bとを備えている。集光光学系101は、平面ミラー101aと凹面ミラー101bの反射によって光を集光する。平面ミラー101aと凹面ミラー101bは、反射面に、波長可変レーザ装置の波長可変範囲の光を高反射する高反射コーティングが施されている。この高反射コーティングは、例えば、Al膜の上にMgF2をコートしたもの、または、波長可変レーザ装置の波長可変範囲においてある程度の高い反射率を有する誘電体多層膜のコートである。
図40に示す転写光学系102は、図38に示す転写レンズ94の代わりに使用することが可能である。転写光学系102は、周知のSchwarzschildタイプの光学系であり、中央に開口が形成された球面凹面ミラー102bと、球面凸面ミラー102aとを備えている。マスク103を透過した像光は、球面凹面ミラー102bの開口に入射して、球面凸面ミラー102aと球面凹面ミラー102bとで反射することにより、被加工物41の加工面に結像する。
Claims (20)
- 被加工物にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工システムであって、以下を備える:
A.前記パルスレーザ光を出力するレーザ装置であって、前記パルスレーザ光の波長を変化させることが可能な波長可変レーザ装置;
B.前記波長可変レーザ装置から出力された前記パルスレーザ光を前記被加工物に照射する光学システム;
C.前記被加工物の材料に応じた光子吸収に対応する基準波長を取得する基準波長取得部;
D.前記波長可変レーザ装置を制御して、前記被加工物に対して本加工を施す前にプレ加工を実行する制御部であって、前記基準波長を含む所定範囲内で前記波長可変レーザ装置が出力する前記パルスレーザ光の波長を変化させながら、複数の波長で波長探索用プレ加工を実行するレーザ加工制御部;
E.複数の波長で行った前記波長探索用プレ加工の波長毎の加工状態を計測する加工状態計測器;及び
F.波長毎の前記加工状態を評価して、前記本加工に使用する最適波長を決定する最適波長決定部。 - 請求項1に記載のレーザ加工システムであって、
前記レーザ加工制御部は、前記本加工を行う際に、前記波長可変レーザ装置が出力する前記パルスレーザ光の目標波長として前記最適波長を設定する。 - 請求項1に記載のレーザ加工システムであって、さらに、以下を備える;
G.前記被加工物の材料毎に前記基準波長を記録した波長選択テーブルを記憶する記憶部;
ここで、前記基準波長取得部は、入力された材料識別情報を受け付けて、前記波長選択テーブルを参照して、入力された前記材料識別情報に応じた前記基準波長を取得する。 - 請求項3に記載のレーザ加工システムであって、
前記波長選択テーブルには、前記基準波長を含む所定範囲のデータが記録されており、
前記基準波長取得部は、前記基準波長を含む所定範囲のデータを取得する。 - 請求項1に記載のレーザ加工システムであって、
前記加工状態計測器は、前記加工状態として、少なくとも加工が施されたか否かを計測する。 - 請求項5に記載のレーザ加工システムであって、さらに、以下を備える;
H.前記パルスレーザ光の前記被加工物におけるフルーエンスであって、前記波長探索用プレ加工において使用される波長探索用フルーエンスを決定する波長探索用フルーエンス決定部。 - 請求項6に記載のレーザ加工システムであって、
前記レーザ加工制御部は、目標波長を前記基準波長に固定した状態で、フルーエンスを変化させながら、複数のフルーエンスで、フルーエンス決定用のプレ加工である第1プレ加工を実行する;
前記加工状態計測器は、複数のフルーエンスで行った前記第1プレ加工のフルーエンス毎の加工状態を計測する;
前記波長探索用フルーエンス決定部は、複数のフルーエンス毎の前記加工状態を評価して、前記被加工物に対して加工が施される直前のフルーエンスの最大値を前記波長探索用フルーエンスとして決定する。 - 請求項7に記載のレーザ加工システムであって、
前記レーザ加工制御部は、前記第1プレ加工の後に、目標フルーエンスを前記波長探索用フルーエンスに固定した状態で、前記波長探索用プレ加工を第2プレ加工として実行し、
前記加工状態計測器は、複数の波長で行った前記第2プレ加工の波長毎の加工状態を計測し、
前記最適波長決定部は、前記第2プレ加工の波長毎の加工状態を評価して、加工が施された波長を前記最適波長として決定する。 - 請求項1に記載のレーザ加工システムであって、
前記加工状態計測器は、前記加工状態として、加工深さを計測する加工深さ計測器である。 - 請求項9に記載のレーザ加工システムであって、
前記加工深さ計測器は、レーザ顕微鏡、レーザ変位計、及び原子間力顕微鏡のいずれかを含む。 - 請求項9に記載のレーザ加工システムであって、
前記レーザ加工制御部は、本加工に使用するフルーエンスを目標フルーエンスに設定して、前記波長探索用プレ加工を実行する;
前記最適波長決定部は、複数の波長で行った前記波長探索用プレ加工の加工深さから加工速度を求め、前記加工速度が最大の波長を前記最適波長として決定する。 - 請求項1に記載のレーザ加工システムであって、
前記基準波長取得部は、前記材料毎の前記基準波長として、1光子で光子吸収が生じる吸収波長である1光子吸収波長を取得する。 - 請求項12に記載のレーザ加工システムであって、
前記基準波長取得部は、前記材料毎の前記基準波長として、前記1光子吸収波長に加えて、2光子で光子吸収が生じる吸収波長である2光子吸収波長を取得する。 - 請求項13に記載のレーザ加工システムであって、
前記波長可変レーザ装置は、前記パルスレーザ光のパルス幅が可変である。 - 請求項14に記載のレーザ加工システムであって、さらに、以下を含む;
I.前記1光子吸収波長が所定値未満の場合に、前記プレ加工に使用する前記基準波長として前記2光子吸収波長を選択する波長選択部;及び
J.前記2光子吸収波長が選択された場合において、前記パルス幅を、前記1光子吸収波長が選択された場合の第1パルス幅より短い第2パルス幅に設定するパルス幅設定部。 - 請求項15に記載のレーザ加工システムは、さらに、以下を含む。
K.前記パルス幅設定部が設定した前記パルス幅を基準パルス幅として、前記基準パルス幅を含む所定範囲の中から、本加工に使用する最適パルス幅を決定する最適パルス幅決定部。 - 請求項16に記載のレーザ加工システムであって、
前記レーザ加工制御部は、前記基準パルス幅を含む所定範囲内で前記波長可変レーザ装置が出力する前記パルスレーザ光のパルス幅を変化させながら、複数のパルス幅でパルス幅探索用プレ加工を実行する;
前記加工状態計測器は、複数のパルス幅で行った前記パルス幅探索用プレ加工のパルス幅毎の加工状態を計測する;及び
前記最適パルス幅決定部は、前記パルス幅探索用プレ加工のパルス幅毎の加工状態を評価して、前記最適パルス幅を決定する。 - 請求項1に記載のレーザ加工システムであって、
前記基準波長は、前記被加工物の材料が結晶材料である場合は、前記結晶材料のバンドギャップに応じた吸収波長である。 - 請求項1に記載のレーザ加工システムであって、さらに、以下を含む;
L.前記被加工物の表面を撮像して観察画像を記録する観察装置。 - 被加工物にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、以下のステップを備える:
A.前記被加工物の材料に応じた光子吸収に対応する基準波長を取得する基準波長取得ステップ;
B.前記パルスレーザ光の波長を変化させることが可能な波長可変レーザ装置を用い、前記基準波長を含む所定範囲内で前記波長可変レーザ装置が出力する前記パルスレーザ光の波長を変化させながら、複数の波長で波長探索用プレ加工を実行する波長探索用プレ加工ステップ;
C.前記複数の波長で行った前記波長探索用プレ加工の波長毎の加工状態を計測する加工状態計測ステップ;及び
D.波長毎の前記加工状態を評価して、本加工に使用する最適波長を決定する最適波長決定ステップ。
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