TW201939585A - 雷射功率控制裝置、雷射加工裝置及雷射功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種能夠縮短雷射光的功率的測量中所花費之時間之雷射功率控制裝置、雷射加工裝置及雷射功率控制方法。該雷射加工裝置(1)及雷射功率控制裝置(10)具備儲存部(12)，該儲存部(12)儲存將熱輻射感測器(27)的測量值與雷射加工裝置在加工面上之雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料，該熱輻射感測器(27)測量從雷射加工裝置照射了雷射光之照射對象物(42)的熱輻射。
Description
本發明係有關一種雷射功率控制裝置、雷射加工裝置及雷射功率控制方法。
有一種將半導體晶圓作為加工對象物，向加工對象物照射雷射光來進行退火處理之雷射退火裝置。雷射退火裝置一般具備測量加工面上之雷射光的功率之功率計。並且，在裝置開始啟動前或每處理一片或複數片加工對象物時，利用功率計測量雷射光的功率，在其後的退火處理中調整向加工面照射之雷射光的功率。
在專利文獻1中示有如下技術：在雷射退火裝置中，於退火處理期間監視雷射束的漏光來迅速檢測雷射光的能量密度下降等異常。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開2007-059458號公報
在專利文獻1中示有如下技術：在雷射退火裝置中，於退火處理期間監視雷射束的漏光來迅速檢測雷射光的能量密度下降等異常。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開2007-059458號公報
(本發明所欲解決之課題)
測量雷射光的功率之功率計具備將被照射之雷射光轉換為熱之受光面，藉由將受光面的溫度轉換為電壓而得到雷射光的功率值。在該種功率計中，由雷射光的照射而產生之向受光面之熱量輸入與從受光面之熱量釋放達到平衡狀態而使測量值變穩定。因此，存在得到穩定之測量值為止需要較長時間之課題。例如，為了滿足對雷射退火裝置所要求之測量精確度，需要1分鐘左右的測量時間。這種較長的測量時間成為雷射退火裝置的處理量(throughput)大幅降低之主要原因。
本發明的目的在於提供一種能夠縮短雷射光的功率的調整中所花費之時間之雷射功率控制裝置、雷射加工裝置及雷射功率控制方法。
(用以解決課題之手段)
本發明之雷射控制裝置構成為具備儲存部，該儲存部儲存將熱輻射感測器的測量值與前述雷射加工裝置在加工面上之雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料，前述熱輻射感測器檢測從雷射加工裝置照射了雷射光之照射對象物的熱輻射的強度。
本發明之雷射加工裝置構成為具備：光學系統，向加工對象物照射雷射光；熱輻射感測器，測量利用前述光學系統照射了雷射光之照射對象物的熱輻射；及儲存部，儲存將前述熱輻射感測器的測量值與加工面上之雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料。
本發明之雷射控制方法設為如下雷射控制方法：測量從雷射加工裝置照射了雷射光之照射對象物的熱輻射，由所測量之熱輻射的值推斷前述雷射加工裝置在加工面上之雷射光的功率值，根據所推斷之功率值調整前述加工面上之雷射光的功率。
(發明之效果)
依本發明，可得到能夠提供能夠縮短雷射光的功率的調整中所花費之時間之雷射功率控制裝置、雷射加工裝置及雷射功率控制方法之效果。
測量雷射光的功率之功率計具備將被照射之雷射光轉換為熱之受光面，藉由將受光面的溫度轉換為電壓而得到雷射光的功率值。在該種功率計中，由雷射光的照射而產生之向受光面之熱量輸入與從受光面之熱量釋放達到平衡狀態而使測量值變穩定。因此，存在得到穩定之測量值為止需要較長時間之課題。例如，為了滿足對雷射退火裝置所要求之測量精確度，需要1分鐘左右的測量時間。這種較長的測量時間成為雷射退火裝置的處理量(throughput)大幅降低之主要原因。
本發明的目的在於提供一種能夠縮短雷射光的功率的調整中所花費之時間之雷射功率控制裝置、雷射加工裝置及雷射功率控制方法。
(用以解決課題之手段)
本發明之雷射控制裝置構成為具備儲存部，該儲存部儲存將熱輻射感測器的測量值與前述雷射加工裝置在加工面上之雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料，前述熱輻射感測器檢測從雷射加工裝置照射了雷射光之照射對象物的熱輻射的強度。
本發明之雷射加工裝置構成為具備：光學系統，向加工對象物照射雷射光；熱輻射感測器，測量利用前述光學系統照射了雷射光之照射對象物的熱輻射；及儲存部，儲存將前述熱輻射感測器的測量值與加工面上之雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料。
本發明之雷射控制方法設為如下雷射控制方法：測量從雷射加工裝置照射了雷射光之照射對象物的熱輻射，由所測量之熱輻射的值推斷前述雷射加工裝置在加工面上之雷射光的功率值，根據所推斷之功率值調整前述加工面上之雷射光的功率。
(發明之效果)
依本發明，可得到能夠提供能夠縮短雷射光的功率的調整中所花費之時間之雷射功率控制裝置、雷射加工裝置及雷射功率控制方法之效果。
以下，參閱圖式對本發明的各實施形態進行詳細說明。
圖1係表示本發明的實施形態的雷射加工裝置之構成圖。圖1中，以一點鏈線及兩點鏈線表示雷射光的光路，以虛線表示熱輻射，以實線表示訊號線。
本發明的實施形態之雷射加工裝置1係將半導體元件材料的晶圓作為加工對象物(工件)41，向加工對象物41照射雷射光來進行退火處理之雷射退火裝置。雷射加工裝置1具備控制裝置10、雷射光源21、衰減光學系統22、分色鏡24、透鏡25、26、熱輻射感測器27、功率計29、載台31、全反射鏡33及照射對象物42。其中，控制裝置10的控制雷射光的功率之構成相當於本發明之雷射功率控制裝置的一例。
雷射光源21例如係YAG雷射等固體雷射、CO2 雷射等氣體雷射或LD(雷射二極體(Laser Diode))等半導體雷射，輸出照射到加工對象物41而將加工對象物41加熱至高溫之雷射光。雷射光源21被控制裝置10控制雷射光的輸出和停止。雷射光源21亦可以被稱為雷射振盪器。
衰減光學系統22使從雷射光源21出射的雷射光衰減並使其通過。衰減光學系統22的雷射光的衰減比能夠變更，被控制裝置10控制衰減比。
分色鏡24反射雷射光源21的輸出波長的光，並使包含熱輻射之紅外區域的光透射。
透鏡25使雷射光收斂於既定的照射位置P0。又，透鏡25將從雷射光的照射位置P0的周邊放射之熱輻射聚集。
透鏡26將被透鏡25聚集並通過了分色鏡24之熱輻射收斂於熱輻射感測器27。
熱輻射感測器27例如係紅外線感測器，測量輸入到受光部之熱輻射的強度。
載台31係保持加工對象物41之台，構成為能夠沿與雷射光的光軸交叉之兩個方向移動。載台31具有保持加工對象物41之區域W1、保持雷射功率的推斷中所使用之照射對象物42之區域W2及搭載全反射鏡33之區域W3。藉由驅動載台31，能夠使區域W1、W2、W3各自在雷射光的照射位置P0上對齊。若區域W1處於照射位置P0，則配置於區域W1之加工對象物41的上面部成為加工面。區域W1與區域W2設置為相同之高度。在圖1中，以兩點鏈線表示全反射鏡33移動到雷射光的照射位置P0時之雷射光的光路。
全反射鏡33在藉由載台31的驅動移動到雷射光的照射位置P0的延長上時使經由透鏡25照射之雷射光向功率計29側反射。
功率計29接收雷射光並測量雷射光的功率。功率係指雷射光的每單位時間的能量。功率計29具有將入射之雷射光轉換為熱之受光面和將受光面的溫度轉換為電壓之感測器部。受光面藉由雷射光的入射被輸入熱量而溫度上升，另一方面，藉由溫度的上升而進行熱量釋放，若熱量輸入與熱量釋放達到平衡狀態，則感測器部的輸出穩定。由於功率計29具有該種構成，所以在退火處理中以所需精確度測量雷射光的功率時需要60秒左右的時間。
照射對象物42係在由熱輻射感測器27的測量結果推斷雷射光的功率時被照射雷射光而產生熱輻射之材料。照射對象物42例如可以為與加工對象物41相同之材料，亦可以為金屬材料等熱容易分散之材料。照射對象物42亦可以被稱為基準工件。
控制裝置10係具備CPU(中央處理器(Central Processing Unit))、儲存由CPU執行之控制程式及控制資料之儲存裝置以及輸入輸出各部的訊號之接口之計算機。控制裝置10具備製作將熱輻射與雷射光的功率建立對應關聯之關係資料之關係資料的製作處理部11、儲存關係資料之關係資料儲存部12及推斷雷射光的功率之推斷部13。另外，控制裝置10具備調整雷射光的功率之調整部14、判定是否調整功率之要否判定部15及能夠輸出圖像或文字的輸出之顯示部16。關係資料的製作處理部11、推斷部13、調整部14及要否判定部15係藉由CPU執行控制程式而發揮功能之功能模組。關係資料儲存部12係在儲存區域中以預先儲存關係資料之方式設定之區域，相當於本發明之儲存部的一例。
雷射光的功率的推斷中所使用之關係資料係表示熱輻射感測器27的測量值與功率計29的測量值的對應關係之資料表或關係式等資料。關係資料所示之熱輻射感測器27的測量值係在照射位置P0配置照射對象物42並照射雷射光時所得到之熱輻射感測器27的測量值。又，與其建立對應關聯之功率計29的測量值係在測量了熱輻射時雷射光的功率不變更之狀態下，在照射位置P0的延長上配置全反射鏡33而得到之功率計29的測量值。
若向照射對象物42照射高頻脈衝的雷射光，則從熱輻射感測器27能夠得到峰以與雷射光的脈衝相應之頻率重複之測量結果等，從照射雷射光至產生與其相應之熱輻射為止的響應性非常高。又，若不在同一點上較長時間連續照射雷射光，則雷射光的功率與照射對象物42的熱輻射的峰值具有大致恆定的關係。例如，向照射對象物42的室溫的部位剛照射既定數量的脈衝(例如10個脈衝)的雷射光之後的熱輻射的峰值成為精確度良好地反映雷射光的功率之值。如此得到之值用作關係資料的熱輻射感測器27的測量值。
如上所述，功率計29的測量值在得到穩定之值為止需要60秒等較長時間。關係資料所示之功率的測量值相當於如此花費較長時間從功率計29得到之穩定之測量值。
關係資料的製作處理部11執行後述之關係資料製作處理而製作上述關係資料。
關係資料儲存部12儲存由製作處理部11製作之關係資料。或者，關係資料儲存部12亦可以預先儲存由另一裝置等製作之關係資料。
推斷部13由照射了雷射光之照射對象物42的熱輻射的強度與儲存於關係資料儲存部12之關係資料推斷照射位置P0上之雷射光的功率。
調整部14在雷射加工裝置開始啟動前或雷射光的功率產生了一定以上的變動時實施之調整製程中，根據由推斷部13推斷之雷射光的功率控制衰減光學系統22來調整照射位置P0上之雷射光的功率。
要否判定部15執行後述之要否判定處理，在雷射加工裝置1的運轉中判定需要再調整雷射光的功率之定時。照射位置P0上之雷射光的功率在雷射加工裝置1的運轉中因各部的溫度漂移等而稍微發生變動。在習知的裝置中，為了應對該種功率的變動，退火處理的次數每達到既定次數時，實施了雷射光的功率的再調整。但是，在該方法中，為了防止成品率下降，確定進行再調整之間隔以便在功率的變動充分小時再調整功率，藉此，再調整頻率變高，有時會導致退火處理的效率下降。要否判定部15將雷射光的功率的變動抑制在成品率不會下降的範圍內的同時，判定是否再調整功率以免功率的再調整頻率變高。
顯示部16顯示由推斷部13推斷之雷射光的功率值和在調整處理中調整之雷射光的功率值等。
＜關係資料製作處理＞
接著，對雷射光的功率的推斷中所使用之關係資料的製作處理進行說明。圖2係表示由製作處理部執行之關係資料的製作處理之流程圖。
在雷射加工裝置1初期設定時或因劣化等而更換了照射對象物42等時，藉由操作員的指示或藉由製作部處理部11自動執行關係資料的製作處理。
若開始進行關係資料的製作處理，則製作處理部11驅動載台31而使照射對象物42向雷射光的照射位置P0移動(步驟S1)。接著，製作處理部11向照射位置P0照射既定發射數的雷射光(步驟S2)，並輸入熱輻射感測器27的測量值(步驟S3)。在此，製作處理部11將與既定發射數的雷射光的照射相對應之熱輻射測量值的峰值的平均值作為熱輻射的測量值而採用即可。雷射光的照射可以藉由雷射光源21的動作的開/關的切換來實施，亦可以藉由將從雷射光源21出射之雷射光利用光學元件透射或屏蔽而切換來實施。
接下來，製作處理部11驅動載台31而使全反射鏡33向雷射光的照射位置P0的延長上移動(步驟S4)。並且，製作處理部11向照射位置P0照射雷射光(步驟S5)，並輸入功率計29的測量值(步驟S6)，若得到穩定之測量值，則停止雷射光的照射(步驟S7)。並且，製作處理部11將步驟S3的測量值與步驟S6的測量值建立對應關聯而儲存(步驟S8)。
接著，製作處理部11判別是否以既定的複數階段變更了雷射光的功率設定(步驟S9)，若尚未以既定的複數階段變更雷射光的功率設定，則控制衰減光學系統22，將功率設定變更一個階段(步驟S10)。並且，將處理返回到步驟S1，重複步驟S1～S8的處理。藉由重複該步驟S1至步驟S10的循環處理，在複數個功率設定的每一個功率設定中得到熱輻射的測量值和與其相對應之雷射光的功率的測量值的組合的資料。
並且，若在步驟S9的判別中判別為完成，則使用在步驟S8中儲存之資料更新將熱輻射的測量值與雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料，並儲存於關係資料儲存部12(步驟S11)。並且，結束關係資料製作處理。
藉由如以上之關係資料製作處理，能夠自動製作將熱輻射的測量值與功率計29的測量值建立對應關聯之關係資料。另外，亦可以藉由人的操作進行與圖2相同之處理來製作關係資料。
＜調整處理＞
接著，對調整雷射光的功率之調整處理進行說明。圖3係表示利用控制裝置執行之雷射光的功率的調整處理之流程圖。該調整處理相當於本發明之雷射功率的控制方法的一例。
當雷射加工裝置1開始運轉前、運轉中雷射光的功率變動了既定量時、或者有操作員的指示時，在其後的調整製程中執行雷射光的功率的調整處理。
若開始進行調整處理，則控制裝置10驅動載台31而使照射對象物42向照射位置P0移動(步驟S21)。接著，控制裝置10向照射位置P0照射既定發射數的雷射光(步驟S22)，並輸入熱輻射感測器27的測量值(步驟S23)。在此，控制裝置10將與既定發射數的雷射光的照射相對應之熱輻射測量值的峰值的平均值作為熱輻射的測量值而採用即可。
接著，控制裝置10的推斷部13根據儲存於關係資料儲存部12之關係資料和在步驟S23中獲取之熱輻射的測量值推斷照射位置P0上之雷射光的功率(步驟S24)。在此，關係資料中，熱輻射的測量值和與其相對應之雷射光的功率的測量值建立有對應關聯，因此推斷部13按照該對應關係推斷雷射光的功率。
若推斷出雷射光的功率，則控制裝置10在顯示部16顯示功率的推斷值(步驟S25)。另外，在重複執行之步驟S22～S26的途中顯示之功率的推斷值相當於表示調整後的雷射光的功率之調整值。接下來，控制裝置10的調整部14判別功率是否在指定範圍內(步驟S26)，若在範圍外，則調整部14控制衰減光學系統22，調整功率進入範圍內(步驟S27)。並且，控制裝置10將處理返回到步驟S22而再次執行步驟S22～S26的處理。在此，功率的指定範圍相當於在雷射退火處理中向加工對象物41應照射之雷射光的功率。
另一方面，若在步驟S26的判別中判別為功率在指定範圍內，則控制裝置10結束調整處理。藉由該種調整處理，能夠迅速地且以高精確度將雷射光的功率調整在指定範圍內。
另外，在本實施形態中示出了由裝置內的功能模組執行從雷射光的功率的推斷(步驟S24)至控制衰減光學系統22來調整雷射光的功率之處理(步驟S27)為止之例子。但是，該等處理的一部分或全部亦可以由操作員手動進行。例如，可以將熱輻射的測量值輸出到顯示部16，由操作員參閱該值和關係資料來推斷功率，另外，亦可以由操作員藉由旋鈕操作調整衰減光學系統22的衰減量而操作成使功率在指定範圍內。
又，在本實施形態中示出了根據向照射對象物42照射雷射光時之熱輻射的測量值調整雷射光的功率之處理。但是，當照射對象物42和加工對象物41為同質材料時，可以將加工對象物41用作照射對象物42並向加工對象物41的一部分照射雷射光，使用此時的熱輻射的測量值進行雷射光的功率的推斷及調整。
＜加工處理＞
加工製程係對加工對象物41進行加工處理(退火處理)之製程，以向照射位置P0照射之雷射光的功率被調整之狀態過渡到該加工製程。在加工製程中，控制裝置10驅動載台或者驅動光學系統而改變照射位置P0與加工對象物41的相對位置，以使照射位置P0沿著加工對象物41的處理對象的區域的各部位。另外，控制裝置10在移動照射位置P0的同時，向照射位置P0照射雷射光而逐漸對加工對象物41施加熱處理。若對一片加工對象物41的處理對象的所有區域完成熱處理，則完成對一片加工對象物41之加工處理。
＜功率調整的要否判定處理＞
接下來，對雷射光的功率調整的要否判定處理進行說明。圖4係表示利用要否判定部執行之功率調整的要否判定處理之流程圖。
在雷射加工裝置1的運轉中對複數個加工對象物41依序進行退火處理時，利用要否判定部15執行要否判定處理。若開始進行要否判定處理，則要否判定部15判別是否已開始一片加工對象物41的退火處理(步驟S31)，若已開始，則接著進行處理。如此一來，要否判定部15在向加工對象物41之雷射光的照射中輸入並記錄熱輻射感測器27的測量值(步驟S32)，判別是否已完成一片加工對象物41的退火處理(步驟S33)。並且，直至完成退火處理為止重複測量值的輸入和記錄。藉此，蓄積向加工對象物41的處理對象的區域的各部位照射雷射光時的熱輻射的各測量值。
若完成一片加工對象物41的退火處理，則要否判定部15對在退火處理中記錄之熱輻射的複數個測量值計算表示平均熱輻射之統計值(步驟S34)。統計值可以單純為複數個測量值的平均，亦可以為將退火區域的周緣部的熱輻射的測量值除外的範圍的平均值。或者，要否判定部15亦可以將熱輻射的分散值計算為統計值。
接著，要否判定部15由在步驟S34中計算之統計值和儲存於關係資料儲存部12之關係資料推斷雷射光的功率的變動量(步驟S35)。在關係資料中得到熱輻射的測量值時的測量條件與對加工對象物41進行退火處理時不同，因此無法由退火處理中的熱輻射的值使用關係資料準確地獲取雷射光的功率。但是，由關係資料能夠求出熱輻射的變化量相對於雷射光的功率的變化量之比率，該比率與熱輻射的變化量相對於退火處理時的功率的變化量之比率具有相關關係。要否判定部15被預先賦予有該相關關係，要否判定部15能夠根據該相關關係和由關係資料得到之比率來計算雷射光的功率的變化量相對於每一次退火處理時的熱輻射的值的變化量之比率。在步驟S35中，要否判定部15由在前面的步驟S34中計算之統計值計算每一次的退火處理時各次的熱輻射的變化量，並乘以由上述相關關係和關係資料計算出之比率來推斷雷射光的功率的變動量。
若推斷出雷射光的功率的變動量，則要否判定部15判別變動量是否超過閾值(步驟S36)，若未超過，則將處理返回到步驟S31並繼續進行要否判定處理。另一方面，若超過閾值，則在接下來的退火處理之前，將處理過渡到再調整雷射光的功率的調整處理。閾值被設定為不會使退火處理的成品率下降且能夠將功率的再調整頻率抑制為較低的值。
藉由該種要否判定處理，僅在需要調整雷射光的功率時執行再調整，藉此，能夠實現更有效的加工對象物41的退火處理。
另外，在上述要否判定處理中示出了使用關係資料和熱輻射的測量值推斷雷射光的功率的變動量並判定是否再調整功率之例子。但是，加工處理中的加工對象物41的熱輻射的值與雷射光的功率值具有相關關係。因此，要否判定部15可以不使用關係資料，而是對加工處理中的熱輻射的測量值的統計值與閾值進行比較來判定是否再調整功率。或者，要否判定部亦可以在複數個加工對象物41的加工處理過程中根據從上次或上上次的上述統計值的變動量來判定是否再調整功率。
如上，依本實施形態的雷射加工裝置1及功率控制裝置，儲存有將向照射對象物42照射雷射光時的熱輻射的測量值與利用功率計29計測之照射位置P0上之雷射光的功率建立對應關聯之關係資料。因此，由關係資料和熱輻射的測量值能夠推斷照射位置P0上之雷射光的功率。並且，藉由利用該雷射光的功率的推斷結果，無需花費較長時間而利用功率計29每次進行功率的測量，能夠根據熱輻射的測量不花費時間而準確地推斷雷射光的功率並進行其調整。藉此，能夠實現加工處理的處理量的提高。另外，在本實施形態中，雷射光的功率的推斷和功率的調整亦可以由操作員手動進行。
又，依本實施形態的雷射加工裝置1及功率控制裝置，設置有由熱輻射的測量值和關係資料推斷雷射光的功率之推斷部13。因此，能夠利用推斷部13在裝置內執行雷射光的功率的推斷，與由操作員手動進行之情況相比，能夠省略操作員的繁瑣的作業，能夠得到錯誤少的推斷結果。
又，依本實施形態的雷射加工裝置1及功率控制裝置，設置有根據功率的推斷結果調整照射位置P0上之雷射光的功率之調整部14。因此，能夠利用調整部14在裝置內完成雷射光的功率調整，與由操作員手動進行之情況相比，能夠省略操作員的繁瑣的作業，能夠進行準確且迅速的功率調整。
又，依本實施形態的雷射加工裝置1及功率控制裝置，設置有根據關係資料和加工處理中的熱輻射的測量結果判定是否調整照射位置P0上之雷射光的功率之要否判定部15。因此，在繼續進行複數片加工對象物41的加工處理之期間，能夠藉由要否判定部15的判定來適當地確定接下來進行功率的再調整之定時。例如，能夠將雷射光的功率的變動抑制在雷射加工裝置1的成品率不會下降之範圍內的同時，確定進行功率的再調整之適當的定時以免功率的再調整頻率變高。藉此，能夠提高雷射加工裝置的加工處理的處理量。
以上，雖然對本發明的實施形態進行了說明。但是，本發明並不限於上述實施形態。例如，在上述實施形態中示出了在雷射加工裝置中設置有功率計之例子，但是作為雷射加工裝置，亦可以採用從裝置的外部提供將熱輻射的測量值與雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料且不具有功率計之構成。又，在上述實施形態中示出了雷射加工裝置為雷射退火裝置之情況，但是作為雷射加工裝置，亦可以適用利用雷射光在配線基板上設置貫通孔或非貫通孔之雷射鑽孔裝置、利用雷射光進行焊接之雷射焊接裝置等。此外，可以在從雷射光源至加工對象物為止的光路中追加發揮各種功能之各種各樣的光學系統，在實施形態中示出之細節在不脫離發明的趣旨之範圍內能夠適當地進行變更。
圖1係表示本發明的實施形態的雷射加工裝置之構成圖。圖1中，以一點鏈線及兩點鏈線表示雷射光的光路，以虛線表示熱輻射，以實線表示訊號線。
本發明的實施形態之雷射加工裝置1係將半導體元件材料的晶圓作為加工對象物(工件)41，向加工對象物41照射雷射光來進行退火處理之雷射退火裝置。雷射加工裝置1具備控制裝置10、雷射光源21、衰減光學系統22、分色鏡24、透鏡25、26、熱輻射感測器27、功率計29、載台31、全反射鏡33及照射對象物42。其中，控制裝置10的控制雷射光的功率之構成相當於本發明之雷射功率控制裝置的一例。
雷射光源21例如係YAG雷射等固體雷射、CO2 雷射等氣體雷射或LD(雷射二極體(Laser Diode))等半導體雷射，輸出照射到加工對象物41而將加工對象物41加熱至高溫之雷射光。雷射光源21被控制裝置10控制雷射光的輸出和停止。雷射光源21亦可以被稱為雷射振盪器。
衰減光學系統22使從雷射光源21出射的雷射光衰減並使其通過。衰減光學系統22的雷射光的衰減比能夠變更，被控制裝置10控制衰減比。
分色鏡24反射雷射光源21的輸出波長的光，並使包含熱輻射之紅外區域的光透射。
透鏡25使雷射光收斂於既定的照射位置P0。又，透鏡25將從雷射光的照射位置P0的周邊放射之熱輻射聚集。
透鏡26將被透鏡25聚集並通過了分色鏡24之熱輻射收斂於熱輻射感測器27。
熱輻射感測器27例如係紅外線感測器，測量輸入到受光部之熱輻射的強度。
載台31係保持加工對象物41之台，構成為能夠沿與雷射光的光軸交叉之兩個方向移動。載台31具有保持加工對象物41之區域W1、保持雷射功率的推斷中所使用之照射對象物42之區域W2及搭載全反射鏡33之區域W3。藉由驅動載台31，能夠使區域W1、W2、W3各自在雷射光的照射位置P0上對齊。若區域W1處於照射位置P0，則配置於區域W1之加工對象物41的上面部成為加工面。區域W1與區域W2設置為相同之高度。在圖1中，以兩點鏈線表示全反射鏡33移動到雷射光的照射位置P0時之雷射光的光路。
全反射鏡33在藉由載台31的驅動移動到雷射光的照射位置P0的延長上時使經由透鏡25照射之雷射光向功率計29側反射。
功率計29接收雷射光並測量雷射光的功率。功率係指雷射光的每單位時間的能量。功率計29具有將入射之雷射光轉換為熱之受光面和將受光面的溫度轉換為電壓之感測器部。受光面藉由雷射光的入射被輸入熱量而溫度上升，另一方面，藉由溫度的上升而進行熱量釋放，若熱量輸入與熱量釋放達到平衡狀態，則感測器部的輸出穩定。由於功率計29具有該種構成，所以在退火處理中以所需精確度測量雷射光的功率時需要60秒左右的時間。
照射對象物42係在由熱輻射感測器27的測量結果推斷雷射光的功率時被照射雷射光而產生熱輻射之材料。照射對象物42例如可以為與加工對象物41相同之材料，亦可以為金屬材料等熱容易分散之材料。照射對象物42亦可以被稱為基準工件。
控制裝置10係具備CPU(中央處理器(Central Processing Unit))、儲存由CPU執行之控制程式及控制資料之儲存裝置以及輸入輸出各部的訊號之接口之計算機。控制裝置10具備製作將熱輻射與雷射光的功率建立對應關聯之關係資料之關係資料的製作處理部11、儲存關係資料之關係資料儲存部12及推斷雷射光的功率之推斷部13。另外，控制裝置10具備調整雷射光的功率之調整部14、判定是否調整功率之要否判定部15及能夠輸出圖像或文字的輸出之顯示部16。關係資料的製作處理部11、推斷部13、調整部14及要否判定部15係藉由CPU執行控制程式而發揮功能之功能模組。關係資料儲存部12係在儲存區域中以預先儲存關係資料之方式設定之區域，相當於本發明之儲存部的一例。
雷射光的功率的推斷中所使用之關係資料係表示熱輻射感測器27的測量值與功率計29的測量值的對應關係之資料表或關係式等資料。關係資料所示之熱輻射感測器27的測量值係在照射位置P0配置照射對象物42並照射雷射光時所得到之熱輻射感測器27的測量值。又，與其建立對應關聯之功率計29的測量值係在測量了熱輻射時雷射光的功率不變更之狀態下，在照射位置P0的延長上配置全反射鏡33而得到之功率計29的測量值。
若向照射對象物42照射高頻脈衝的雷射光，則從熱輻射感測器27能夠得到峰以與雷射光的脈衝相應之頻率重複之測量結果等，從照射雷射光至產生與其相應之熱輻射為止的響應性非常高。又，若不在同一點上較長時間連續照射雷射光，則雷射光的功率與照射對象物42的熱輻射的峰值具有大致恆定的關係。例如，向照射對象物42的室溫的部位剛照射既定數量的脈衝(例如10個脈衝)的雷射光之後的熱輻射的峰值成為精確度良好地反映雷射光的功率之值。如此得到之值用作關係資料的熱輻射感測器27的測量值。
如上所述，功率計29的測量值在得到穩定之值為止需要60秒等較長時間。關係資料所示之功率的測量值相當於如此花費較長時間從功率計29得到之穩定之測量值。
關係資料的製作處理部11執行後述之關係資料製作處理而製作上述關係資料。
關係資料儲存部12儲存由製作處理部11製作之關係資料。或者，關係資料儲存部12亦可以預先儲存由另一裝置等製作之關係資料。
推斷部13由照射了雷射光之照射對象物42的熱輻射的強度與儲存於關係資料儲存部12之關係資料推斷照射位置P0上之雷射光的功率。
調整部14在雷射加工裝置開始啟動前或雷射光的功率產生了一定以上的變動時實施之調整製程中，根據由推斷部13推斷之雷射光的功率控制衰減光學系統22來調整照射位置P0上之雷射光的功率。
要否判定部15執行後述之要否判定處理，在雷射加工裝置1的運轉中判定需要再調整雷射光的功率之定時。照射位置P0上之雷射光的功率在雷射加工裝置1的運轉中因各部的溫度漂移等而稍微發生變動。在習知的裝置中，為了應對該種功率的變動，退火處理的次數每達到既定次數時，實施了雷射光的功率的再調整。但是，在該方法中，為了防止成品率下降，確定進行再調整之間隔以便在功率的變動充分小時再調整功率，藉此，再調整頻率變高，有時會導致退火處理的效率下降。要否判定部15將雷射光的功率的變動抑制在成品率不會下降的範圍內的同時，判定是否再調整功率以免功率的再調整頻率變高。
顯示部16顯示由推斷部13推斷之雷射光的功率值和在調整處理中調整之雷射光的功率值等。
＜關係資料製作處理＞
接著，對雷射光的功率的推斷中所使用之關係資料的製作處理進行說明。圖2係表示由製作處理部執行之關係資料的製作處理之流程圖。
在雷射加工裝置1初期設定時或因劣化等而更換了照射對象物42等時，藉由操作員的指示或藉由製作部處理部11自動執行關係資料的製作處理。
若開始進行關係資料的製作處理，則製作處理部11驅動載台31而使照射對象物42向雷射光的照射位置P0移動(步驟S1)。接著，製作處理部11向照射位置P0照射既定發射數的雷射光(步驟S2)，並輸入熱輻射感測器27的測量值(步驟S3)。在此，製作處理部11將與既定發射數的雷射光的照射相對應之熱輻射測量值的峰值的平均值作為熱輻射的測量值而採用即可。雷射光的照射可以藉由雷射光源21的動作的開/關的切換來實施，亦可以藉由將從雷射光源21出射之雷射光利用光學元件透射或屏蔽而切換來實施。
接下來，製作處理部11驅動載台31而使全反射鏡33向雷射光的照射位置P0的延長上移動(步驟S4)。並且，製作處理部11向照射位置P0照射雷射光(步驟S5)，並輸入功率計29的測量值(步驟S6)，若得到穩定之測量值，則停止雷射光的照射(步驟S7)。並且，製作處理部11將步驟S3的測量值與步驟S6的測量值建立對應關聯而儲存(步驟S8)。
接著，製作處理部11判別是否以既定的複數階段變更了雷射光的功率設定(步驟S9)，若尚未以既定的複數階段變更雷射光的功率設定，則控制衰減光學系統22，將功率設定變更一個階段(步驟S10)。並且，將處理返回到步驟S1，重複步驟S1～S8的處理。藉由重複該步驟S1至步驟S10的循環處理，在複數個功率設定的每一個功率設定中得到熱輻射的測量值和與其相對應之雷射光的功率的測量值的組合的資料。
並且，若在步驟S9的判別中判別為完成，則使用在步驟S8中儲存之資料更新將熱輻射的測量值與雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料，並儲存於關係資料儲存部12(步驟S11)。並且，結束關係資料製作處理。
藉由如以上之關係資料製作處理，能夠自動製作將熱輻射的測量值與功率計29的測量值建立對應關聯之關係資料。另外，亦可以藉由人的操作進行與圖2相同之處理來製作關係資料。
＜調整處理＞
接著，對調整雷射光的功率之調整處理進行說明。圖3係表示利用控制裝置執行之雷射光的功率的調整處理之流程圖。該調整處理相當於本發明之雷射功率的控制方法的一例。
當雷射加工裝置1開始運轉前、運轉中雷射光的功率變動了既定量時、或者有操作員的指示時，在其後的調整製程中執行雷射光的功率的調整處理。
若開始進行調整處理，則控制裝置10驅動載台31而使照射對象物42向照射位置P0移動(步驟S21)。接著，控制裝置10向照射位置P0照射既定發射數的雷射光(步驟S22)，並輸入熱輻射感測器27的測量值(步驟S23)。在此，控制裝置10將與既定發射數的雷射光的照射相對應之熱輻射測量值的峰值的平均值作為熱輻射的測量值而採用即可。
接著，控制裝置10的推斷部13根據儲存於關係資料儲存部12之關係資料和在步驟S23中獲取之熱輻射的測量值推斷照射位置P0上之雷射光的功率(步驟S24)。在此，關係資料中，熱輻射的測量值和與其相對應之雷射光的功率的測量值建立有對應關聯，因此推斷部13按照該對應關係推斷雷射光的功率。
若推斷出雷射光的功率，則控制裝置10在顯示部16顯示功率的推斷值(步驟S25)。另外，在重複執行之步驟S22～S26的途中顯示之功率的推斷值相當於表示調整後的雷射光的功率之調整值。接下來，控制裝置10的調整部14判別功率是否在指定範圍內(步驟S26)，若在範圍外，則調整部14控制衰減光學系統22，調整功率進入範圍內(步驟S27)。並且，控制裝置10將處理返回到步驟S22而再次執行步驟S22～S26的處理。在此，功率的指定範圍相當於在雷射退火處理中向加工對象物41應照射之雷射光的功率。
另一方面，若在步驟S26的判別中判別為功率在指定範圍內，則控制裝置10結束調整處理。藉由該種調整處理，能夠迅速地且以高精確度將雷射光的功率調整在指定範圍內。
另外，在本實施形態中示出了由裝置內的功能模組執行從雷射光的功率的推斷(步驟S24)至控制衰減光學系統22來調整雷射光的功率之處理(步驟S27)為止之例子。但是，該等處理的一部分或全部亦可以由操作員手動進行。例如，可以將熱輻射的測量值輸出到顯示部16，由操作員參閱該值和關係資料來推斷功率，另外，亦可以由操作員藉由旋鈕操作調整衰減光學系統22的衰減量而操作成使功率在指定範圍內。
又，在本實施形態中示出了根據向照射對象物42照射雷射光時之熱輻射的測量值調整雷射光的功率之處理。但是，當照射對象物42和加工對象物41為同質材料時，可以將加工對象物41用作照射對象物42並向加工對象物41的一部分照射雷射光，使用此時的熱輻射的測量值進行雷射光的功率的推斷及調整。
＜加工處理＞
加工製程係對加工對象物41進行加工處理(退火處理)之製程，以向照射位置P0照射之雷射光的功率被調整之狀態過渡到該加工製程。在加工製程中，控制裝置10驅動載台或者驅動光學系統而改變照射位置P0與加工對象物41的相對位置，以使照射位置P0沿著加工對象物41的處理對象的區域的各部位。另外，控制裝置10在移動照射位置P0的同時，向照射位置P0照射雷射光而逐漸對加工對象物41施加熱處理。若對一片加工對象物41的處理對象的所有區域完成熱處理，則完成對一片加工對象物41之加工處理。
＜功率調整的要否判定處理＞
接下來，對雷射光的功率調整的要否判定處理進行說明。圖4係表示利用要否判定部執行之功率調整的要否判定處理之流程圖。
在雷射加工裝置1的運轉中對複數個加工對象物41依序進行退火處理時，利用要否判定部15執行要否判定處理。若開始進行要否判定處理，則要否判定部15判別是否已開始一片加工對象物41的退火處理(步驟S31)，若已開始，則接著進行處理。如此一來，要否判定部15在向加工對象物41之雷射光的照射中輸入並記錄熱輻射感測器27的測量值(步驟S32)，判別是否已完成一片加工對象物41的退火處理(步驟S33)。並且，直至完成退火處理為止重複測量值的輸入和記錄。藉此，蓄積向加工對象物41的處理對象的區域的各部位照射雷射光時的熱輻射的各測量值。
若完成一片加工對象物41的退火處理，則要否判定部15對在退火處理中記錄之熱輻射的複數個測量值計算表示平均熱輻射之統計值(步驟S34)。統計值可以單純為複數個測量值的平均，亦可以為將退火區域的周緣部的熱輻射的測量值除外的範圍的平均值。或者，要否判定部15亦可以將熱輻射的分散值計算為統計值。
接著，要否判定部15由在步驟S34中計算之統計值和儲存於關係資料儲存部12之關係資料推斷雷射光的功率的變動量(步驟S35)。在關係資料中得到熱輻射的測量值時的測量條件與對加工對象物41進行退火處理時不同，因此無法由退火處理中的熱輻射的值使用關係資料準確地獲取雷射光的功率。但是，由關係資料能夠求出熱輻射的變化量相對於雷射光的功率的變化量之比率，該比率與熱輻射的變化量相對於退火處理時的功率的變化量之比率具有相關關係。要否判定部15被預先賦予有該相關關係，要否判定部15能夠根據該相關關係和由關係資料得到之比率來計算雷射光的功率的變化量相對於每一次退火處理時的熱輻射的值的變化量之比率。在步驟S35中，要否判定部15由在前面的步驟S34中計算之統計值計算每一次的退火處理時各次的熱輻射的變化量，並乘以由上述相關關係和關係資料計算出之比率來推斷雷射光的功率的變動量。
若推斷出雷射光的功率的變動量，則要否判定部15判別變動量是否超過閾值(步驟S36)，若未超過，則將處理返回到步驟S31並繼續進行要否判定處理。另一方面，若超過閾值，則在接下來的退火處理之前，將處理過渡到再調整雷射光的功率的調整處理。閾值被設定為不會使退火處理的成品率下降且能夠將功率的再調整頻率抑制為較低的值。
藉由該種要否判定處理，僅在需要調整雷射光的功率時執行再調整，藉此，能夠實現更有效的加工對象物41的退火處理。
另外，在上述要否判定處理中示出了使用關係資料和熱輻射的測量值推斷雷射光的功率的變動量並判定是否再調整功率之例子。但是，加工處理中的加工對象物41的熱輻射的值與雷射光的功率值具有相關關係。因此，要否判定部15可以不使用關係資料，而是對加工處理中的熱輻射的測量值的統計值與閾值進行比較來判定是否再調整功率。或者，要否判定部亦可以在複數個加工對象物41的加工處理過程中根據從上次或上上次的上述統計值的變動量來判定是否再調整功率。
如上，依本實施形態的雷射加工裝置1及功率控制裝置，儲存有將向照射對象物42照射雷射光時的熱輻射的測量值與利用功率計29計測之照射位置P0上之雷射光的功率建立對應關聯之關係資料。因此，由關係資料和熱輻射的測量值能夠推斷照射位置P0上之雷射光的功率。並且，藉由利用該雷射光的功率的推斷結果，無需花費較長時間而利用功率計29每次進行功率的測量，能夠根據熱輻射的測量不花費時間而準確地推斷雷射光的功率並進行其調整。藉此，能夠實現加工處理的處理量的提高。另外，在本實施形態中，雷射光的功率的推斷和功率的調整亦可以由操作員手動進行。
又，依本實施形態的雷射加工裝置1及功率控制裝置，設置有由熱輻射的測量值和關係資料推斷雷射光的功率之推斷部13。因此，能夠利用推斷部13在裝置內執行雷射光的功率的推斷，與由操作員手動進行之情況相比，能夠省略操作員的繁瑣的作業，能夠得到錯誤少的推斷結果。
又，依本實施形態的雷射加工裝置1及功率控制裝置，設置有根據功率的推斷結果調整照射位置P0上之雷射光的功率之調整部14。因此，能夠利用調整部14在裝置內完成雷射光的功率調整，與由操作員手動進行之情況相比，能夠省略操作員的繁瑣的作業，能夠進行準確且迅速的功率調整。
又，依本實施形態的雷射加工裝置1及功率控制裝置，設置有根據關係資料和加工處理中的熱輻射的測量結果判定是否調整照射位置P0上之雷射光的功率之要否判定部15。因此，在繼續進行複數片加工對象物41的加工處理之期間，能夠藉由要否判定部15的判定來適當地確定接下來進行功率的再調整之定時。例如，能夠將雷射光的功率的變動抑制在雷射加工裝置1的成品率不會下降之範圍內的同時，確定進行功率的再調整之適當的定時以免功率的再調整頻率變高。藉此，能夠提高雷射加工裝置的加工處理的處理量。
以上，雖然對本發明的實施形態進行了說明。但是，本發明並不限於上述實施形態。例如，在上述實施形態中示出了在雷射加工裝置中設置有功率計之例子，但是作為雷射加工裝置，亦可以採用從裝置的外部提供將熱輻射的測量值與雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料且不具有功率計之構成。又，在上述實施形態中示出了雷射加工裝置為雷射退火裝置之情況，但是作為雷射加工裝置，亦可以適用利用雷射光在配線基板上設置貫通孔或非貫通孔之雷射鑽孔裝置、利用雷射光進行焊接之雷射焊接裝置等。此外，可以在從雷射光源至加工對象物為止的光路中追加發揮各種功能之各種各樣的光學系統，在實施形態中示出之細節在不脫離發明的趣旨之範圍內能夠適當地進行變更。
1‧‧‧雷射加工裝置
10‧‧‧控制裝置
11‧‧‧製作處理部
12‧‧‧關係資料儲存部
13‧‧‧推斷部
14‧‧‧調整部
15‧‧‧要否判定部
16‧‧‧顯示部
21‧‧‧雷射光源
22‧‧‧衰減光學系統
24‧‧‧分色鏡
25、26‧‧‧透鏡
27‧‧‧熱輻射感測器
29‧‧‧功率計
31‧‧‧載台
33‧‧‧全反射鏡
P0‧‧‧照射位置(加工面)
圖1係表示本發明的實施形態的雷射加工裝置之構成圖。
圖2係表示利用製作處理部執行之關係資料的製作處理之流程圖。
圖3係表示利用控制裝置執行之雷射光的功率的調整處理之流程圖。
圖4係表示利用要否判定部執行之功率調整的要否判定處理之流程圖。
Claims (7)
- 一種雷射功率控制裝置，具備儲存部，前述儲存部儲存將熱輻射感測器的測量值與前述雷射加工裝置在加工面上之雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料，前述熱輻射感測器檢測從雷射加工裝置照射了雷射光之照射對象物的熱輻射的強度。
- 如申請專利範圍第1項所述之雷射功率控制裝置，其中，還具備推斷部，前述推斷部根據前述熱輻射感測器的測量值與儲存於前述儲存部之前述關係資料推斷前述加工面上之雷射光的功率。
- 如申請專利範圍第2項所述之雷射功率控制裝置，其中，還具備調整部，前述調整部根據前述推斷部的推斷結果調整前述加工面上之雷射光的功率。
- 如申請專利範圍第3項所述之雷射功率控制裝置，其中，還具備顯示部，前述顯示部顯示利用前述推斷部推斷之雷射光的功率或利用前述調整部調整之雷射光的功率。
- 如申請專利範圍第1至4中任一項所述之雷射功率控制裝置，其中，還具備要否判定部，前述要否判定部根據在向加工對象物之雷射光的照射中得到之前述熱輻射感測器的測量值和前述關係資料判定是否調整雷射光的功率。
- 一種雷射加工裝置，具備： 光學系統，向加工對象物照射雷射光； 熱輻射感測器，測量利用前述光學系統照射了雷射光之照射對象物的熱輻射；及 儲存部，儲存將前述熱輻射感測器的測量值與加工面上之雷射光的功率值建立對應關聯之關係資料。
- 一種雷射功率控制方法， 測量從雷射加工裝置照射了雷射光之照射對象物的熱輻射， 由所測量之熱輻射的值推斷前述雷射加工裝置在加工面上之雷射光的功率值， 根據所推斷之功率值調整前述加工面上之雷射光的功率。
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