JP7299597B2

JP7299597B2 - レーザ加工におけるレーザ光強度への依存性の判定方法及びレーザ加工装置

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Publication number: JP7299597B2
Application number: JP2018244267A
Authority: JP
Inventors: 治之櫻井; 博晴田丸; 邦昭小西; 潤司湯本
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2023-06-28
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: WO2020138267A1; JP2020104136A; EP3903988B1; CN113474115A; EP3903988A1; EP3903988A4; US20220048142A1

Description

本発明は、レーザ加工におけるレーザ光強度への依存性を判定する方法、及び、この方法を応用したレーザ加工装置に関するものである。

下記特許文献１及び２には、いわゆるビームプロファイラを用いて、レーザ光強度の分布を求める技術が記載されている。しかしながら、これらの技術は、レーザ加工におけるレーザ光強度への依存性を判定する技術ではない。

特に、レーザ加工において、どのくらいのレーザ強度で物質が壊れるかという破壊閾値の測定は非常に重要なパラメータである。しかしながら、従来、破壊閾値を実験的に求めるためには、レーザ光強度を変えながら実験を繰り返してその結果を顕微鏡等で観察する必要があった（下記非特許文献１参照）。このため、この閾値の測定は非常に煩雑であるという問題があった。しかも、この測定では、レーザ光の強度分布がガウス分布であることを前提にしている。したがって、実際のレーザ光の強度分布がガウス分布ではない場合には、得られた破壊閾値の信頼性が低いという問題もあった。

特開２０１５－１９０９３４号公報特開２０１７－１５９３１９号公報

"Simple technique for measurements of pulsed Gaussian-beam spot sizes", J. M. Liu, Optics Letters 7, 196 (1982)

本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的の一つは、レーザ加工におけるレーザ光強度への依存性を、簡便な手法により、高精度に判定することができる技術を提供することである。また、本発明の他の目的は、この判定に基づいてレーザ加工を行うことができる加工装置及び加工方法を提供することである。

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。

（項目１）
レーザ加工におけるレーザ光強度への依存性を判定する方法であって、
工作物の加工位置における、前記レーザ加工による加工状態を示す加工状態情報を取得するステップと、
前記加工位置におけるレーザ光の強度分布を示す強度分布情報を取得するステップと、
前記加工状態情報と前記強度分布情報とに基づいて、前記工作物のレーザ加工における前記レーザ光強度への依存性を判定するステップと
を備えることを特徴とする方法。

（項目２）
前記加工状態情報及び前記強度分布情報の一方又は両方は、前記工作物の加工位置を示すためのｎ次元方向での情報となっており、
ここでｎは２以上の整数である
項目１に記載の方法。

（項目３）
前記工作物の加工状態とは、前記工作物の形状が加工により変化した状態である
項目１又は２に記載の方法。

（項目４）
前記工作物の加工状態とは、前記工作物の物性が加工により変化した状態である
項目１又は２に記載の方法。

（項目５）
前記加工状態情報における加工位置と、前記強度分布情報における加工位置とを整合させるステップをさらに備えており、
前記判定は、前記加工位置が整合させられた状態における前記加工状態情報と前記強度分布情報との重ね合わせに基づいて行われるものとなっている
項目１～４のいずれか１項に記載の方法。

（項目６）
レーザ光を工作物に照射してレーザ加工を行うための光源と、
前記工作物の加工位置における、前記レーザ加工による加工状態を示す加工状態情報を取得する加工状態取得部と、
前記加工位置における前記レーザ光の強度分布を示す強度分布情報を取得する強度分布取得部と、
前記加工状態情報と前記強度分布情報とに基づいて、前記工作物の前記レーザ加工におけるレーザ光強度への依存性を判定する判定部と
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。

（項目７）
項目６に記載のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
前記光源からレーザ光を前記工作物に照射するステップと、
前記加工状態取得部により、前記工作物の加工位置における加工状態を示す加工状態情報を取得するステップと、
前記強度分布取得部により、前記加工位置におけるレーザ光の強度分布を示す強度分布情報を取得するステップと、
前記判定部により、前記加工状態情報と前記強度分布情報とに基づいて、前記工作物のレーザ加工におけるレーザ光強度への依存性を判定し、この判定の結果に応じて加工状態を調整することにより、レーザ加工された工作物を得るステップと
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。

（項目８）
項目７に記載のレーザ加工方法によりレーザ加工された工作物。

本発明によれば、レーザ加工におけるレーザ光強度への依存性を、簡便な手法により、高精度に判定することが可能になる。また、この判定に基づいてレーザ加工を行うことも可能になる。

本発明の一実施形態におけるレーザ加工方法において使用する測定装置の構成要素を示すブロック図である。図１の測定装置の概略的な説明図である。図１の装置を用いて行われるレーザ加工方法の手順を説明するためのフローチャートである。強度分布情報の一例を示す図であって、縦軸及び横軸は、ＸＹ方向を示し、レーザ光の強度情報をグレイスケールで示している。加工状態情報の一例を示す図であって、縦軸及び横軸は、ＸＹ方向を示し、深さ情報をグレイスケールで示している。座標を一致させた後の加工状態情報と強度分布情報とを重ね合わせた状態を模式的に示す説明図である。サファイア基板におけるレーザ光強度（横軸）と加工深さ（縦軸）との関係を示すグラフである。加工深さと破壊閾値との関係を説明するための説明図である。本発明の一実施形態において用いられるレーザ加工装置の構成要素を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態に係る判定方法を、添付の図面を参照しながら説明する。

（測定装置）
まず、この判定方法に用いる測定装置の概要を、図１及び図２に基づいて説明する。

この測定装置は、光源１と、光学系２と、加工状態取得部３と、強度分布取得部４と、ホルダ５と、ステージ６（図２参照）とを備えている。

（光源）
光源１は、レーザ光１１（図２参照）を工作物１０に照射してレーザ加工を行うものである。ここで、レーザ光１１は、図２において図中左から右に進むように設定されている。また、図２においては、レーザ光１１の光軸方向を一点鎖線で示している。

（光学系）
光学系２は、光源１から発せられたレーザ光１１を、ホルダ５により保持された工作物１０に向けて転送するものであり、適宜なレンズ、フィルタ、あるいは波長変換器（図示せず）を必要に応じて備えている。

（加工状態取得部）
加工状態取得部３は、工作物１０の加工位置における、レーザ加工による加工状態を示す加工状態情報を取得する構成となっている。ここで、本実施形態における加工とは、工作物１０の形状を変化させる操作、又は、工作物１０の物性を変化させる操作をいうものとする。またここで、工作物１０の形状の変化とは、工作物の部分的除去（いわゆる除去加工）、又は、工作物１０への物質の付加（いわゆる付加加工）をいうものとする。したがって、本実施形態における加工には、いわゆる光造形法による工作物（造形物）の形成を含む。

加工状態取得部３としては、工作物１０の形状あるいは物性の変化を、位置情報と併せて取得可能な検査装置を用いることが好ましい。例えば、加工目的が工作物１０の除去加工（すなわち部分的破壊）又は付加加工である場合は、工作物１０の形状を取得可能な各種の顕微鏡を用いることができる。また、顕微鏡としては、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のような電子顕微鏡を用いることができるが、用途によっては、光学顕微鏡を用いることも可能である。

また、加工目的が工作物１０の物性の変化（すなわち変性）である場合は、加工状態取得部３としては、この変性を、位置情報と併せて取得可能な機器を用いることができる。例えばＳＥＭは、対象物に照射された電子線により対象物から放射される二次電子などを検出するので、これを用いて、形状の変化を伴わないある種の変性を検出することもできる。

いずれにせよ、本実施形態の加工状態取得部３としては、工作物１０の形状又は変性に関する必要な加工状態情報を取得できるものであれば、その具体的構成は特に制約されない。

（強度分布取得部）
強度分布取得部４は、加工位置におけるレーザ光の強度分布を示す強度分布情報を取得する構成となっている。強度分布取得部４としては、本実施形態では、２次元面内でのレーザ光の強度分布を取得可能な、いわゆるビームプロファイラが用いられている。ここで、レーザ光の強度分布の分解能としては、必要な程度に高性能であることが好ましい。例えば、レーザ光がレンズにより集光されているときは、集光面内において十分な解像度を持つことが好ましい。より具体的な一例としては、ピクセルサイズが１．１２μｍ×１．１２μｍであり、量子化ビット数が１０ｂｉｔのＣＭＯＳセンサをビームプロファイラとして用いることができる。

（ホルダ）
ホルダ５は、工作物１０を保持する構成となっている。このようなホルダ５としては、適宜な構成を採用できるので、これについての詳しい説明は省略する。

（ステージ）
ステージ６は、ホルダ５の三次元的な（つまりＸＹＺ軸上での）位置を調整できるようになっており、これによって、ホルダ５を介して工作物１０の位置を調整できるようになっている。また、ステージ６は、ホルダ５と同じ位置に強度分布取得部４を配置できるようになっており、同様に強度分布取得部４の位置を調整できるようになっている。このステージ６としては、必要な方向において、必要な精度で位置調整が可能なものであればよい。

（本実施形態の判定方法）
以上の説明を前提として、本実施形態に係る判定方法を、図３をさらに参照しながら説明する。以下の例では、基本的に、工作物１０に対する除去加工を行う場合について説明する。

（図３のＳＡ－１及びＳＡ－２）
まず、ステージ６に強度分布取得部４を配置する。強度分布取得部４の位置は、工作物１０が加工のために配置される位置と同じ位置とされる。この状態で、光源１からレーザ光１１を照射する。照射されたレーザ光１１は、光学系２を介して強度分布取得部４に到達する。これにより、強度分布取得部４は、工作物の加工位置におけるレーザ光１１の強度分布情報を取得することができる。図４に、このようにして得られた強度分布情報の一例を示す。図４の例では、２次元座標（つまりピクセル位置）に対応するレーザ光の強度情報が示されている。

（図３のＳＡ－３）
前記したステップの後又は前に、ホルダ５をステージ６に配置することによって、工作物１０の加工位置に、工作物１０を設置する。その後、前記したステップＳＡ－１と同様にレーザ光の照射を行い、工作物に対する加工（この例では除去加工）を行う。

（図３のＳＡ－４）
ついで、加工状態取得部３により、工作物１０における加工状態情報を取得する。取得された加工状態情報の一例を図５に示す。この例では、除去加工により形成された穴の深さを、工作物表面に対応する２次元座標に対応して示している。

（図３のステップＳＡ－５）
ついで、本実施形態では、強度分布情報を表す画像を滑らかにするための画像処理、例えば画素補間やスムージングを行う。これらの処理については従来から知られた手法を利用できるので、詳しい説明は省略する。

ついで、座標系が整合された強度分布情報と加工状態情報とを重ね合わせる。重ね合わせた状態を図６に示す。重ね合わせの際には、得られた強度分布情報（図４参照）における２次元座標と加工状態情報（図５参照）における２次元座標とを整合させる。例えば、加工された穴の端の点（図６の黒点）のレーザ強度が、Ｘ軸及びＹ軸上のそれぞれにおいて最も等しくなるように、図４と図５の原点の相対位置と相対的な面内回転角を調整することで、整合させることが可能である。つまり、同じレーザ光強度であれば同じ加工量であることを前提として、ばらつきが最小になるように調整する。この重ね合わせにより、特定の位置（すなわち座標）におけるレーザ光強度と深さとの関係を知ることができる。

図６では、同じレーザ光強度である位置を楕円状の破線で示している。つまり、一つの楕円状の破線は、同じレーザ光強度となる位置を示している。ただし、図６は、概念を説明するための模式的な説明図であり、このように重ね合わせた図を実際に作成しなくともよい。要するに、工作物１０の特定位置における強度分布情報と加工状態情報とを取得できればよい。

レーザ光強度と加工深さとの関係を図７に示す。一つのレーザ光強度に対応する加工深さ（縦軸）は、図６に示す一つの破線を辿りながら取得した深さと同じ意味である。この深さに分散があるのは、同じレーザ光強度であっても、深さが若干ばらついていることを示す。図７において実線は、それぞれのレーザ光強度における深さの平均値を示す。

（図３のステップＳＡ－６）
ついで、本実施形態では、図７のような解析結果を参照して、工作物１０の破壊閾値を判定する。

ここで、本実施形態における破壊閾値の判定の概念を、図８を参照して説明する。図８では、工作物１０に形成された凹部１０１の断面を模式的に示している。また、凹部１０１の上方には、照射されたレーザ光の強度分布を示している。この強度分布の横軸（位置）は、工作物１０の位置と整合させられているものとする。

この状態で、凹部１０１の開口端位置（すなわち破壊開始位置）におけるレーザ光強度Ｆを破壊閾値Ｆ_ｔｈとすることができる。なお、この図においてＦ_０はレーザ光強度のピークを示している。

ここで図７を参照すると、図７において符号Ａで示す三角の先端が、工作物１０の破壊閾値を示している。また、同図において符号Ｂでおよび符号Ｃで示す三角の先端は、別の破壊閾値を示していると考えられる。

図８では、レーザ光の強度分布がガウス分布である例を示しているが、本実施形態の手法によれば、ガウス分布以外の波形、例えば二峰性の分布においても、破壊閾値を精度よく判定することができる。

また、レーザ加工においては、レンズにより加工点にレーザ光を集光することが一般的である。この場合、レーザ光の強度分布は理想的なガウス分布とはならない。しかしながら、このような場合でも、従来は、ガウス分布を前提として破壊閾値を推定する手法が採られており、推定の信頼性が低いという問題があった。これに対して、本実施形態の手法によれば、特定の強度分布波形を前提とせずに、実際の強度分布から破壊閾値を判定することができるので、破壊閾値の判定精度を向上させることができるという利点がある。

さらに、本例の手法では、図７に示すような複数の閾値を判定することも可能になる。

（レーザ加工装置）
次に、前記した手法を応用したレーザ加工装置の実施形態を、図９を参照しながら説明する。この加工装置の説明においては、前記した測定装置における各要素と基本的に同様の要素については、同一符号を付することにより、説明の重複を避ける。

この加工装置は、図１の装置構成に加えて、さらに、判定部７を備えている。この判定部７は、加工状態取得部３で得られた加工状態情報と、強度分布取得部４で得られた強度分布情報とに基づいて、工作物１０のレーザ加工におけるレーザ光強度への依存性を判定する構成となっている。

具体的には、この判定部７は、図７に示すような形状情報を抽出し、その変化量（例えば微分値）に基づいて、変化量の極大点におけるレーザ光強度を破壊閾値とすることができる。このような判定部７は、コンピュータハードウエア若しくはコンピュータソフトウエア、又はそれらの組み合わせにより構成することができる。また、このような判定結果に基づいて、例えば光源１におけるレーザ光出力値や光学系２を調整し、工作物１０の加工状態を最適化することができる。これにより、最適条件で加工された工作物１０を得ることができる。

なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。

例えば、前記した実施形態の説明においては、レーザ加工として主に除去加工について説明したが、除去加工以外の加工、例えば付加加工に本実施形態の手法を適用することができる。この場合も、工作物の形状情報を図７に示すように取得し、この形状情報とレーザ光の強度分布情報とを用いて加工閾値を判定することができる。

また、レーザ加工としては、工作物の変形を伴わずに、その物性のみが変化する変性を生じさせる加工であってもよい。この場合でも、変性位置を可視化することにより、例えば図５に示すような二次元座標上での変性位置の情報を取得することができる。この変性位置情報と、図４に示すような強度分布情報との対比により、変性の閾値を判定することができる。何らかの手段により変性の深さ情報を取得することができれば、図７に示すような深さ方向での変性位置情報を用いて変性の閾値を判定することもできる。判定部７により変性閾値を自動的に取得することも可能である。

さらに、図５及び図７に示される加工状態情報は、工作物の表面におけるＸＹ方向と深さ方向でのＺ方向という３次元の形状情報となっているが、これに限らず、用途によっては２次元的な情報により閾値を判定することもできる。つまり、非加工位置と加工位置との境界を加工開始位置と推定し、この位置におけるレーザ光強度を加工閾値と判定することができる。

また、前記した実施形態では、加工状態情報と強度分布情報とがいずれも静止画により表されているが（図４及び図５参照）、いずれか又は両方が動画像であってもよい。動画像は、時間方向において離散的に順次取得された静止画として観念できるので、動画像の一部を適宜に利用して本実施形態の手法を適用することができる。

さらに、前記した実施形態では、工作物のレーザ加工におけるレーザ光強度への依存性として、閾値を例示したが、閾値に限らず、レーザ加工におけるレーザ光強度とレーザ光による加工状態との間の何らかの依存性あるいは相関であれば、前記した本発明の手法を適用できる。

１光源
１１レーザ光
２光学系
３加工状態取得部
４強度分布取得部
５ホルダ
６ステージ
７判定部
１０工作物
１０１工作物の凹部

Claims

レーザ加工におけるレーザ光強度への相関性を判定する方法であって、
工作物の加工位置における、前記レーザ加工による加工状態を示す加工状態情報を取得するステップと、
レーザ光の強度分布を示す強度分布情報を取得する強度分布取得部を前記加工位置に設置し、その状態で、前記強度分布取得部に前記レーザ光を照射することによって、前記加工位置における前記強度分布情報を取得するステップと、
前記工作物の特定位置における前記加工状態情報と前記強度分布情報とに基づいて、前記工作物のレーザ加工における前記レーザ光強度への相関性を判定するステップと
を備えることを特徴とする方法。
前記加工状態情報及び前記強度分布情報の一方又は両方は、前記工作物の加工位置を示すためのｎ次元方向での情報となっており、
ここでｎは２又は３である
請求項１に記載の方法。
前記工作物の加工状態とは、前記工作物の形状が加工により変化した状態である
請求項１又は２に記載の方法。
前記工作物の加工状態とは、前記工作物の物性が加工により変化した状態である
請求項１又は２に記載の方法。
前記加工状態情報における加工位置と、前記強度分布情報における加工位置とを整合させるステップをさらに備えており、
前記判定は、前記加工位置が整合させられた状態における前記加工状態情報と前記強度分布情報との重ね合わせに基づいて行われるものとなっている
請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
レーザ光を工作物に照射してレーザ加工を行うための光源と、
前記工作物の加工位置における、前記レーザ加工による加工状態を示す加工状態情報を取得する加工状態取得部と、
前記加工位置に設置され、前記加工位置において、照射された前記レーザ光の強度分布を示す強度分布情報を取得する強度分布取得部と、
前記工作物の特定位置における前記加工状態情報と前記強度分布情報とに基づいて、前記工作物の前記レーザ加工におけるレーザ光強度への相関性を判定する判定部と
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項６に記載のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
前記光源からレーザ光を前記工作物に照射するステップと、
前記加工状態取得部により、前記工作物の加工位置における加工状態を示す加工状態情報を取得するステップと、
前記強度分布取得部を前記加工位置に設置した状態で、前記強度分布取得部に前記レーザ光を照射することによって、前記加工位置における前記強度分布情報を取得するステップと、
前記判定部により、前記工作物の特定位置における前記加工状態情報と前記強度分布情報とに基づいて、前記工作物のレーザ加工におけるレーザ光強度への相関性を判定し、この判定の結果に応じて加工状態を調整することにより、レーザ加工された工作物を得るステップと
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。