WO2015008482A1 - レーザ加工装置、レーザ加工方法、及びレーザ発振装置 - Google Patents

レーザ加工装置、レーザ加工方法、及びレーザ発振装置 Download PDF

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WO2015008482A1
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debris
laser
laser processing
debris removal
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PCT/JP2014/003739
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秀知 高橋
道春 太田
芳夫 早崎
智士 長谷川
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アイシン精機株式会社
国立大学法人宇都宮大学
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Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus, a laser processing method, and a laser oscillation apparatus. More specifically, the present invention relates to a laser processing apparatus, a laser processing method, and an ablation process that ablate a workpiece by irradiating a laser beam. The present invention relates to a laser oscillating device that oscillates the laser beam.
  • Ablation processing is a laser processing technique used in micro-processing such as micro-drilling and micro-groove formation such as glass, semiconductor, and metal, and micro-cutting.
  • a workpiece is irradiated with a laser beam with a high energy density, and processing is performed by instantaneously decomposing, evaporating, and scattering substances on the surface of the material.
  • the processing debris (debris) scattered by processing sometimes reattaches around the processing portion.
  • several methods for removing the attached debris have been proposed.
  • Patent Document 1 as a method of forming a laser processing groove, a step of forming a processing groove with an elliptical laser processing beam and a step of removing debris accumulated in the processing groove with an elliptical debris removal beam are alternately implemented.
  • the elliptical beam shape at the time of laser processing has a ratio of the major axis to the minor axis of 30 to 60: 1
  • the elliptical beam shape at the time of debris removal has a ratio of the major axis to the minor axis of 1 to 20: 1.
  • Patent Document 2 discloses that a laser beam is divided into a laser processing beam and a debris removal beam, and debris is removed with a laser simultaneously with the laser processing.
  • the irradiation region of the beam for removing debris includes the irradiation region of the beam for laser processing, and the power density of the beam for removing the debris is lower than the ablation threshold value of the workpiece.
  • JP 2007-305646 A Japanese Patent No. 3052226
  • the width of the irradiation region of the beam for removing debris is the same as the width of the irradiation region for laser processing. Therefore, debris deposited and attached to the processing groove can be removed, but debris attached to the periphery of the processing groove cannot be removed.
  • the irradiation region of the debris removal beam is set to a wide region including the processing portion and the surrounding debris adhesion region.
  • a power density equal to or higher than a threshold value. Therefore, if the area of the irradiation region is increased, the output of the irradiated beam must be increased in accordance with the area. For example, when one laser beam is divided into a laser processing beam and a debris removal beam, a large part of the output of the original laser beam is assigned to the debris removal beam. There may be a problem with insufficient output to allocate. Such a problem becomes prominent when a low-power laser oscillator such as an ultrashort pulse laser is used as a laser light source.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and laser processing capable of removing debris adhering to a wide range while reducing the output of the laser beam. It is an object to provide a method and a laser oscillation apparatus used for such laser processing.
  • a laser processing apparatus includes a first beam for ablating a workpiece and a second beam for removing debris generated by the ablation processing.
  • An oscillating device that oscillates the beam and a holding device for holding the workpiece, wherein the first beam is applied to the workpiece held by the holding device, and the second beam Is irradiated to the irradiation position of the first beam of the workpiece or in the vicinity of the irradiation position, and the irradiation shape of the workpiece is linear.
  • the laser processing method oscillates a first beam for ablating a workpiece and a second beam for removing debris generated by the ablation processing.
  • An oscillation step wherein the workpiece is irradiated with the first beam, and the second beam is irradiated on or near the irradiation position of the first beam on the workpiece.
  • the irradiation shape of the second beam on the workpiece is linear.
  • the laser oscillation apparatus is a laser oscillation apparatus that oscillates a first beam for performing ablation processing and a second beam for removing debris generated by the ablation processing. And a shaping means for shaping the shape of a cross section of the second beam perpendicular to the optical axis of the second beam into a linear shape.
  • the irradiation shape of the second beam for removing the debris generated by the ablation processing is linear, it is possible to reduce the output of the laser beam and to remove the debris attached over a wide range. Become.
  • ablation processing is a kind of non-thermal processing, in which a workpiece is irradiated with a high-power density laser beam to decompose, evaporate, and scatter the surface material of the workpiece. Is to do.
  • debris refers to work waste of a workpiece that is generated as a result of ablation.
  • ablation threshold value is a value specific to a material and is a minimum power density that enables ablation processing.
  • FIG. 1A is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to the present embodiment.
  • the laser processing apparatus includes an oscillation device 1, a reflection mirror 21, a condenser lens 22, and a holding device 3.
  • the oscillation device 1 includes a laser light source 11, a laser control unit 12, and a beam shaping / dividing unit 13.
  • the holding device 3 includes a holding unit 31 and an XYZ axis stage 32.
  • a broken line with an arrow indicates a laser processing beam 51 for performing ablation processing, and a one-dot broken line with an arrow indicates a debris removal beam 52 for removing debris.
  • the laser light source 11 oscillates a laser beam for performing ablation processing.
  • a femtosecond laser is used as a laser beam oscillated from the laser light source 11, but the present invention is not limited to this.
  • a picosecond laser, excimer laser, YAG laser, CO2 laser, or the like may be used as long as it can perform ablation processing.
  • the controller 12 can control the output, frequency, etc. of the laser beam oscillated by the laser light source 11.
  • the laser beam oscillated from the laser light source 11 enters the beam shaping division unit 13.
  • the beam shaping division unit 13 divides the incident laser beam into two beams, a laser processing beam 51 and a debris removal beam 52, and shapes the shape of the debris removal beam 52.
  • the beam shaping division unit 13 will be described in detail later.
  • the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 change the optical path by the reflecting mirror 21 and are irradiated to the workpiece 4 installed on the holding unit 31 via the condenser lens 22.
  • the workpiece 4 is installed in the holding unit 31.
  • the holding unit 31 is a member that can hold the workpiece 4, and is fixed to the XYZ axis stage 32.
  • the XYZ axis stage 32 can be driven in the XY axis direction and the Z axis direction.
  • the XY axis direction is a surface direction of the installation surface on which the workpiece 4 of the holding unit 31 is installed
  • the Z axis direction is a direction orthogonal to the XY axis direction. Accordingly, by driving the XYZ axis stage 32 while irradiating the workpiece 4 installed on the holding unit 31 with the laser processing beam 51 and the debris removing beam 52, the workpiece 4 is subjected to the laser processing beam 51. Further, a desired processing can be performed by scanning with the debris removing beam 52.
  • the laser processing beam 51 and debris are configured by using a configuration in which the oscillation device 11, the reflecting mirror 21, and the condenser lens 22 are moved together, or using a galvano scanner.
  • the irradiation position of the removal beam 52 may be moved.
  • the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 may be moved while moving the workpiece 4. That is, by moving at least one of the workpiece 4 and the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52, the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 are scanned on the processing surface of the workpiece 4. Any configuration may be used.
  • the beam shaping division unit 13 will be described in detail with reference to FIGS. 2A and 2B.
  • the reflection mirror 21 shown in FIG. 1A is not shown in FIGS. 2A and 2B.
  • FIG. 2A is a diagram for explaining how the beam shaping / dividing unit 13 generates the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52.
  • FIG. The arrow on the left indicates the incident direction of the laser beam.
  • the right figure of FIG. 2A is a top view which shows the irradiation shape in the workpiece 4 of the beam 51 for laser processing and the beam 52 for debris removal irradiated from the beam shaping division
  • the arrows in the right figure (upward direction in the figure) indicate the scanning directions of the beams 51 and 52.
  • the beam shaping division unit 13 includes a diffractive optical element 131.
  • the diffractive optical element 131 has both a function of dividing the laser beam and a function of shaping the shape of an orthogonal cross section of one optical axis of the divided laser beam.
  • the laser beam oscillated from the laser light source 11 enters the beam shaping / dividing unit 13 and is divided into two beams of a laser processing beam 51 and a debris removal beam 52 by the diffractive optical element 131. Simultaneously with the division, the debris removal beam 52 is shaped into a linear line beam by the diffractive optical element 131.
  • the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 divided by the beam shaping division unit 13 are irradiated on the surface of the workpiece 4 through the condenser lens 22 (right diagram in FIG. 2A).
  • FIG. 2A the method of generating the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 using the diffractive optical element 131 has been described.
  • a debris removal beam 52 may be generated.
  • the laser beam incident on the beam shaping splitting unit 13 is split by the beam splitter 132 into two beams, a laser processing beam 51 and a debris removal beam 52.
  • the debris removal beam 52 is shaped into a linear line beam by the cylindrical lenses 134 and 135 while changing the optical path by the reflection mirror 136.
  • the linearly shaped debris removal beam 52 is superimposed again on the laser processing beam 51 by the reflection mirror 137 and the beam splitter 133, and is emitted from the beam shaping division unit 13 together with the laser processing beam 51.
  • the beam splitters 132 and 133 are not limited to the present embodiment as long as they can divide and combine beams, such as a deflection beam splitter. Further, the beam 51 for laser processing and the beam 52 for removing debris are superposed in the beam splitter 133 while shifting their axes rather than completely matching each optical axis. By adjusting the distance between the axes, the irradiation interval d of the beams 51 and 52 on the workpiece 4 can be changed.
  • FIG. 1B is a diagram for explaining the ablation processing method and the debris removal method according to the present embodiment.
  • the irradiation shape of the debris removal beam 52 is linear, and the workpiece 4 is applied to the workpiece 4 while irradiating the workpiece 4 from above with the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 separated from each other.
  • the processing groove 101 is formed by moving in the XY axis direction (the direction of the white arrow).
  • a solid line arrow indicates a relative movement direction (laser scanning direction) of the irradiation position of the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 with respect to the workpiece 4.
  • the processing groove 101 is formed by moving the irradiation position while irradiating the workpiece 4 with the laser processing beam 51, and is generated around the processing groove 101 with the irradiation of the laser processing beam 51.
  • the debris 102 is scattered and attached.
  • the attached debris 102 is removed by irradiation with the debris removing beam 52.
  • the laser beam 51 is irradiated onto the workpiece 4 with a power density higher than the ablation threshold of the workpiece 4, and the debris removal beam 52 removes the debris 102 generated from the workpiece 4.
  • the workpiece 4 is irradiated with a sufficient power density.
  • the power density of the debris removal beam 52 is less than the ablation threshold value of the workpiece 4.
  • the ablation threshold value of the debris 102 is preferable.
  • the power density of the debris removal beam 52 is within the above range as long as the debris removal effect can be exhibited. It is not limited to. That is, when removing the debris 102, it is desirable to irradiate the beam with a power density that can sufficiently remove the debris 102 without damaging the workpiece 4 or minimizing the damage. .
  • the debris removal beam 52 is irradiated backward from the irradiation position of the laser processing beam 51 in the direction in which the formation of the processing groove 101 formed by the laser processing beam 51 proceeds. Further, the debris removal beam 52 irradiates such that the axis of the linear irradiation shape of the debris removal beam 52 is orthogonal to the forming direction of the processing groove 101. By irradiating and moving the debris removal beam 52 in such an arrangement, the debris 102 generated by the laser processing beam 51 and scattered around can be removed while the debris removal beam 52 follows ( Debris removal region 103).
  • the debris removing beam 52 is irradiated away from the laser processing beam 51 on the rear side in the scanning direction of the laser processing beam 51.
  • the debris 102 scatters in four directions around a part of the processing groove 101 formed by the laser processing beam 51, and a part of the scattered debris 102 centers around a part of the processing groove 101. It adheres to the workpiece 4 with a distribution. That is, the debris 102 attached to the workpiece 4 is formed around the processing groove 101 formed by the irradiation of the laser processing beam 51.
  • the region where the attached debris 102 exists is debris removal beam 52. Will be scanned.
  • the debris removal beam 52 is a linear beam extending in a direction orthogonal to the scanning direction, the debris removal laser 52 can be irradiated to the debris 102 attached to the region away from the processing groove 101. it can. Therefore, the debris generated by processing the laser processing beam 51 and adhering to the workpiece 4 can be satisfactorily removed.
  • irradiation is performed so that the longitudinal direction of the irradiation shape of the debris removal beam 52 is orthogonal to the scanning direction of the laser processing beam 51, but the present invention is not limited to this. Irradiation may be performed at an arbitrary angle other than 0 degrees (parallel). That is, the debris removal beam 52 has a debris removal effect by making the angle formed by the irradiation shape and the scanning direction larger than 0 degree.
  • the length of the debris removal beam 52 is preferably equal to or greater than the width of the range in which the debris 102 scatters.
  • the irradiation interval between the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 is d [ ⁇ m], and the moving speed of the workpiece 4 (relative to the workpiece 4 in the irradiation area of the laser workpiece 4).
  • the moving speed is v [ ⁇ m / s]
  • it is preferable to set the interval d and the speed v so that the time T becomes a constant value at T d / v [s].
  • T [s] is determined when the debris 102 is generated by the laser processing beam 51 in a certain region of the workpiece 4, and then the debris 102 attached to the workpiece 4 is again returned by the debris removal beam 52. It can be regarded as the time until irradiation.
  • the generated debris particles are scattered in the air at the same time as they are generated, and fall for a while and adhere to the surface of the workpiece 4. Furthermore, the debris particles adhering to the surface of the workpiece 4 do not adhere to the workpiece 4 immediately after the adhesion, and if soon after the adhesion, the power lower than the normal ablation threshold of the debris 102 is obtained. Can be removed by density.
  • the relationship between the power density and time that is, the relationship between the power density necessary for removing the attached debris and the time elapsed after the deposition of the debris can be derived by repeated measurement.
  • the value of the irradiation time interval T [s] is preferably set shortly after the scattered debris 102 adheres to the surface of the workpiece 4.
  • Factors that determine the value of T [s] include the output of the laser processing beam 51, the wavelength, the energy absorption rate of the workpiece 4, and the like.
  • the laser processing apparatus irradiates the workpiece 4 with the two beams of the ablation processing beam 51 and the debris removal beam 52.
  • the debris removal beam 52 is a line beam shaped so that the irradiation shape is linear, if the output of the original beam is the same, the beam expanded over a wide range (for example, the diameter of the line beam is The output (power density) per unit area of the beam is higher than that of the disk-shaped beam having the same length as the length. In other words, when beams having the same power density are oscillated, the required beam output can be reduced by forming a linear beam shape instead of a wide range of beams.
  • the debris removal beam 52 irradiated onto the workpiece for example, if the irradiation shape of the debris removal beam 52 is linear, the workpiece 4 is moved in a direction perpendicular to the straight line. To remove debris. That is, in this embodiment, even if a low-power laser is used by irradiating the debris removal beam 52 so that the projected image of the debris removal beam 52 onto the workpiece 4 is linear, the debris removal beam 52 is debris. A power density sufficient to realize removal can be ensured, and an irradiation area along a predetermined direction (for example, a direction orthogonal to the laser scanning direction) can be increased.
  • a predetermined direction for example, a direction orthogonal to the laser scanning direction
  • the irradiation position of the linear debris removal beam 52 is moved as described above, the irradiation area can be expanded over a wide range, and the debris attached over a wide range can be removed while suppressing the output of the laser beam. Is possible.
  • the shape of the debris removal beam 52 is not limited to a straight line, and the irradiation shape may be curved or arcuate. In this case, as shown in FIG. 3A, the debris removal beam 52 is moved while moving the debris removal beam 52 with the curved / arc-shaped opening side of the debris removal beam 52 forward (in the direction of the arrow in FIG. 3A). I do. Further, the irradiation shape of the debris removal beam 52 may be a U-shape (FIG. 3B), a U-shape (FIG. 3C), a line combining a straight line and a curve (FIG. 3D), or the like. The shape of the beam is not necessarily a line in a strict sense.
  • an ellipse having a very large ratio of the length of the major axis to the length of the minor axis (FIG. 3E), etc.
  • the elongated shape is also included in the “line shape”. That is, it can be said that the shape of the debris removal beam 52 is a one-dimensional shape that produces an effect that the substantial irradiation region is expanded two-dimensionally by moving the irradiation region in a specific direction. .
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an example according to an embodiment of the present invention.
  • the laser beam oscillated from the laser light source 11 is a femtosecond laser having a pulse width of 500 fs, a repetition frequency of 100 kHz, an average output of 1 w, and a wavelength of 1 ⁇ m.
  • the material of the workpiece 4 is soda-lime glass. It has been found that the ablation threshold value of soda-lime glass is about 0.05 W in terms of the output of the laser beam when the femtosecond laser and the condenser lens 22 described later are used.
  • the spot diameter of the beam condensed by the condenser lens 22 is about 1 ⁇ m.
  • the laser shaping / dividing unit 13 includes a half-wave plate 41, a deflecting beam splitter 42, a reflecting mirror 43, and a spatial light modulator 44.
  • a laser beam with an output of 1 W (pulse energy 10 ⁇ J) oscillated from the laser light source 11 was adjusted to 0.2 W (pulse energy 2 ⁇ J) with a half-wave plate 41 and a deflection beam splitter 42.
  • the laser beam whose output is adjusted is incident on the spatial light modulator 44 via the reflection mirror 43, and the laser beam 51 for output with an output of 0.1 W (pulse energy 1 ⁇ J) and the beam with an output of 0.1 W (pulse energy 1 ⁇ J).
  • the beam was divided into debris removal beams 52.
  • the workpiece 4 was irradiated with the divided laser beam 51 and debris removal beam 52 via the condenser lens 22 (50 times), and scanning was performed.
  • the workpiece 4 is set on a holding unit 31 fixed to the XYZ axis stage 32, and the machining groove 10 is formed and the debris 102 is removed while the XYZ axis stage 32 is moved in the XY axis direction at a speed of 20 ⁇ m / s. Went.
  • a comparison was made between the case where only the laser processing beam 51 was scanned and the case where both the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 were scanned.
  • FIG. 5 is an image of the beam shape irradiated on the workpiece 4.
  • the upper point is the laser processing beam 51, and the lower straight line is the debris removal beam 52.
  • the irradiation interval d between the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 is 10 ⁇ m, and the length of the debris removal beam 52 is 30 ⁇ m. Therefore, the irradiation time interval T [s] between the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 is 0.5 seconds.
  • FIG. 6A is an upper surface image of the processing groove 10 formed only by the laser processing beam 51. It can be seen that debris 102 is adhered around the processing groove 10.
  • FIG. 6B is an upper surface image of the processing groove 10 after the debris removal beam 52 is scanned simultaneously with the laser processing beam 51 and the debris removal is performed. It was confirmed that the scattered debris 102 can be removed by irradiating the debris removing beam 52 0.5 seconds after forming the machining groove 101 with the laser processing beam 51.
  • Example 2 In the laser processing apparatus having the same configuration as that of Example 1 described above, an experiment was performed in which the irradiation interval d [ ⁇ m] between the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 was changed to check the change in the debris removal amount. .
  • the laser processing beam 51 has an output of 0.05 W (pulse energy 0.5 ⁇ J)
  • the debris removal beam 52 has an output of 0.06 W (pulse energy 0.6 ⁇ J)
  • the irradiation time intervals T [s] are 0.026 seconds, 0.078 seconds, and 0.13 seconds, respectively.
  • FIG. 7 is a graph showing the removal amount of the debris 102 when the irradiation interval d [ ⁇ m] between the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 is changed.
  • the ablation threshold value of the debris 102 reattached to the surface of the workpiece 4 is lower than the ablation threshold value of the original workpiece 4. Therefore, in order to remove the reattached debris 102, it is considered that the debris removal beam 52 may be irradiated with a power density slightly lower than the ablation threshold of the workpiece 4. However, the portion where the debris 102 is fixed to the surface is easily absorbed by the workpiece 4 starting from the fixed debris 102, so even if it is less than the ablation threshold of the workpiece 4. There is a possibility of damaging the workpiece 4.
  • FIG. 8A and FIG. 8B are diagrams for explaining how the debris 102 is removed by the debris removal beam 52.
  • the irradiation shape of the debris removal beam 52 is arcuate, and in FIG. 8B, the irradiation shape of the debris removal beam 52 is linear.
  • FIGS. 8A and 8B when the debris removal beam 52 is scanned in the direction of the solid arrow, the attached debris 102 is gradually collected while being blown off to the front side in the scanning direction of the debris removal beam 52 (debris). 102a).
  • the beam shape is a straight line as shown in FIG.
  • the debris 102 can be discharged well by the debris removal beam 52, but the debris 102 is blown away in the direction of the outer side of the irradiation region near both ends of the line beam. In some cases (broken arrows), debris may remain. On the other hand, if the beam shape is an arc shape as shown in FIG. 8A, the debris 102 is likely to be blown away in the inner direction of the irradiation region covered by the beam (broken arrow), so that the debris 102 is not missed. In addition, it can be removed more efficiently.
  • the shape of the debris removal beam 52 having a curved shape, a circular arc shape, a square shape, a U shape, or the like is very effective in controlling the scattering direction of the debris 102.
  • the shape of the debris removal beam 52 is such that the debris removal beam 52 can be gathered in front of the debris removal beam 52 in the scanning direction without further scattering the debris 102 to the surroundings or reducing the amount of scattering. Is preferred.
  • FIG. 9A is a diagram for explaining a method of removing the debris 102 of the laser processing apparatus according to the present embodiment.
  • the irradiation shape of the debris removal beam 52 is an annular shape.
  • a solid arrow indicates the relative movement direction of the beam.
  • the debris 102 moves together with the annular debris removal beam 52 while repeating scattering and adhesion. That is, the generated debris 102 can be guided to the end of the workpiece 4 while being confined in the ring.
  • the irradiation shape of the debris removal beam 52 may be inclined with respect to the scanning direction.
  • FIG. 9B shows a top view of the workpiece 4, and a debris suction device 201 is installed on the lateral side with respect to the relative movement direction of the beam. Since the debris removal beam 52 is irradiated so that the irradiation shape has an angle with respect to the moving direction, the debris 102 is flipped obliquely forward and efficiently recovered by the debris aspirator 201.
  • the variation of the irradiation shape of the debris removal beam 52 has been described, but a configuration in which a similar effect can be obtained by using a plurality of beams is also possible.
  • a plurality of debris removal beams 52 it is possible to control the scattering direction of the debris 102 and efficiently remove the debris 102.
  • One of the advantages of the debris removal beam 52 is that it can flexibly cope with the shape of the workpiece 4 and the required debris removal level by devising the irradiation shape and number of beams.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a top image of the workpiece 4 after processing.
  • the white arrow direction (upward direction of the image) is the beam scanning direction, and the processing groove 101 is formed by performing beam scanning at a constant distance.
  • the removal of the debris 102 is performed simultaneously with the formation of the machining groove 101.
  • the debris 102 adhering to the surface of the workpiece 4 is indicated by a plurality of black dots in the figure.
  • the debris removal beam 52 is irradiated (the left diagram in FIG. 10)
  • the debris removal beam 52 is more forward in the scanning direction than when the debris removal beam 52 is not irradiated (the right diagram in FIG. 10). It can be confirmed that the adhesion amount of the debris 102 is considerably increased. Further, it can be confirmed that the debris 102 is sufficiently removed in the region scanned with the debris removal beam 52 (the lower region 103 of the debris removal beam 52 in the image). Since the left and right diagrams in FIG. 10 are performed under the same conditions except for the use of the debris removal beam 52, the amount of the generated debris 102 is considered to be approximately the same.
  • the debris 102 is accumulated in the front in the scanning direction, the debris 102 is swept out along the scanning direction by the debris removal beam 52, that is, the direction in which the debris is scattered and removed. It was confirmed that control was possible.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to the present embodiment.
  • the laser processing apparatus includes an oscillation device 1, a beam splitter (half mirror) 91, a condenser lens 22, and a holding device 3.
  • the oscillation device 1 includes laser light sources 11a and 11b, laser control units 12a and 12b, and beam shaping units 93a and 93b.
  • the holding device 3 includes a holding unit 31 and an XYZ axis stage 32.
  • the workpiece 4 is installed on the holding unit 31.
  • a broken line with an arrow indicates a laser processing beam 51 for performing ablation processing, and a one-dot broken line with an arrow indicates a debris removal beam 52 for removing debris.
  • the two laser light sources 11a and 11b are provided. That is, the laser processing beam 51 and the debris removal beam 52 are generated from the laser beams oscillated from the laser light sources 11a and 11b, respectively.
  • the laser processing beam 51 and the laser removal beam 52 oscillated from the oscillation device 1 are combined by a beam splitter (half mirror) 91 and enter the workpiece 4 through the condenser lens 22.
  • the beam splitter 91 is not limited to the present embodiment as long as it can divide and combine beams, such as a deflecting beam splitter.
  • the irradiation interval d between the laser processing beam 51 and the laser removing beam 52 on the workpiece 4 changes the distance between the optical axes when each beam enters the beam splitter (half mirror) 91. Can be adjusted. Further, the workpiece 4 is scanned in a state where the workpiece 4 is irradiated with the laser processing beam 51 and the laser removal beam 52, so that ablation processing and debris removal are simultaneously performed.
  • the debris removal beam 52 may be irradiated so that the irradiation region includes at least a part of the irradiation region of the laser processing beam 51.
  • the debris removal beam 52 can be irradiated so as to overlap the laser processing beam processing hole (FIG. 12).
  • the debris removing beam 52 is rotated around the processing point irradiated with the laser processing beam 51, or the processing point irradiated with the laser processing beam 51 is sandwiched between the processing points.
  • the beam 52 may be configured to reciprocate and scan.

Abstract

　本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置は、被加工物をアブレーション加工するためのレーザ加工用ビームと、アブレーション加工によって生じるデブリを除去するためのデブリ除去用ビームとを発振する発振装置と、被加工物を保持するための保持装置とを備え、レーザ加工用ビームは、保持装置に保持された被加工物に照射され、デブリ除去用ビームは、被加工物のレーザ加工用ビームの照射位置又は照射位置の近傍に照射され、デブリ除去用ビームの被加工物における照射形状は線状である。

Description

レーザ加工装置、レーザ加工方法、及びレーザ発振装置
　本発明は、レーザ加工装置、レーザ加工方法、及びレーザ発振装置に関し、より詳細には、レーザビームを照射することにより被加工物をアブレーション加工するレーザ加工装置、レーザ加工方法、及びアブレーション加工のためのレーザビームを発振するレーザ発振装置に関するものである。
　アブレーション加工は、ガラス、半導体、金属等の微細穴あけや微細溝形成等の微細加工、微細切断等で用いられるレーザ加工技術である。アブレーション加工においては、高エネルギー密度のレーザビームを被加工物に照射し、材料表面の物質を瞬時に分解・蒸発・飛散させて加工を行う。しかし、加工により飛散した加工屑（デブリ）は加工部の周囲に再付着してしまうことがある。そこで、付着したデブリを除去する方法がいくつか提案されている。
　特許文献１では、レーザ加工溝を形成する方法として、楕円形のレーザ加工用ビームで加工溝を形成する工程と、楕円形のデブリ除去用ビームで加工溝に堆積しているデブリを除去する工程とを交互に実施することが開示されている。レーザ加工時の楕円ビーム形状は、長軸と短軸との比が３０～６０：１、デブリ除去時の楕円ビーム形状は、長軸と短軸との比が１～２０：１である。
　特許文献２では、レーザビームをレーザ加工用のビームとデブリ除去用のビームとに分割して、レーザ加工と同時にレーザでデブリを除去することが開示されている。デブリ除去用のビームの照射領域はレーザ加工用のビームの照射領域を含み、デブリ除去用のビームのパワー密度は被加工物のアブレーションしきい値以下である。
特開２００７－３０５６４６号公報 特許第３０５２２２６公報
　特許文献１に開示された技術では、デブリ除去用のビームの照射領域の幅は、レーザ加工用の照射領域の幅と同じである。したがって、加工溝に堆積、付着したデブリを除去することはできるが、加工溝周囲に付着したデブリを除去することはできない。
　特許文献２に開示された技術では、デブリ除去用ビームの照射領域は、加工部とその周囲のデブリ付着可能領域を含む広範な領域に設定されている。デブリを除去するためにはしきい値以上のパワー密度でビームを照射する必要があるため、照射領域の面積が広くなれば、照射するビームの出力をその面積に応じて増加させなければならない。例えば、１本のレーザビームをレーザ加工用ビームとデブリ除去用ビームとに分割して用いる場合には、デブリ除去用ビームに元のレーザビームの出力の多くを割り当てた結果、レーザ加工用ビームに割り当てる出力が不足するという問題が生じる可能性がある。このような問題は、超短パルスレーザ等の低出力レーザ発振器をレーザ光源として用いる場合に顕著となる。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、レーザビームの出力を低減しつつ、広範囲に付着したデブリを除去することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法、並びにそのようなレーザ加工に用いられるレーザ発振装置を提供することにある。
　この目的を達成するために、本発明の第１の態様に係るレーザ加工装置は、被加工物をアブレーション加工するための第１のビームと、前記アブレーション加工によって生じるデブリを除去するための第２のビームとを発振する発振装置と、前記被加工物を保持するための保持装置とを備え、前記第１のビームは、前記保持装置に保持された前記被加工物に照射され、前記第２のビームは、前記被加工物の前記第１のビームの照射位置又は該照射位置の近傍に照射され、前記被加工物における照射形状は線状である。
　また、本発明の第２の態様に係るレーザ加工方法は、被加工物をアブレーション加工するための第１のビームと、前記アブレーション加工によって生じるデブリを除去するための第２のビームとを発振する発振工程を有し、前記第１のビームは、前記被加工物に照射され、前記第２のビームは、前記被加工物の前記第１のビームの照射位置又は該照射位置の近傍に照射され、前記第２のビームの前記被加工物における照射形状は線状である。
　また、本発明の第３の態様に係るレーザ発振装置は、アブレーション加工を行うための第１のビームと、前記アブレーション加工によって生じるデブリを除去するための第２のビームとを発振するレーザ発振装置であって、前記第２のビームの、該第２のビームの光軸に直交する断面の形状を線状に整形する整形手段を備える。
　本発明においては、アブレーション加工によって生じるデブリを除去するための第２のビームの照射形状を線状としているため、レーザビームの出力を低減すると共に、広範囲に付着したデブリを除去することが可能となる。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の模式図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置を用いたアブレーション加工及びデブリ除去方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置のビーム整形分割部を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置のビーム整形分割部を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置のデブリ除去用ビームの照射形状を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置のデブリ除去用ビームの照射形状を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置のデブリ除去用ビームの照射形状を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置のデブリ除去用ビームの照射形状を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置のデブリ除去用ビームの照射形状を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る実施例のレーザ加工装置の模式図である。 本発明の一実施形態に係る実施例で照射したビームの被加工物における照射形状を示す画像である。 レーザ加工用ビームのみによって形成された加工溝と本発明の一実施形態に係る実施例で形成された加工溝との比較を示す被加工物の上面画像である。 本発明の一実施形態に係る実施例のレーザ加工用ビームとデブリ除去用ビームの照射間隔とデブリの除去量との対応関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るデブリの除去方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るデブリの除去方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るデブリの飛散方向が制御される様子を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るデブリの飛散方向が制御される様子を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る実施例のデブリの飛散方向が制御された様子を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の模式図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工用ビームとデブリ除去用ビームの照射領域を説明するための図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
　本発明において「アブレーション加工」とは、非熱加工の一種であって、高パワー密度のレーザビームを被加工物に照射することで、被加工物の表面物質を分解・蒸発・飛散させて加工を行うことである。また、本発明において「デブリ」とは、アブレーション加工によって副次的に生じる被加工物の加工屑である。さらに、本発明において「アブレーションしきい値」とは、材料固有の値であって、アブレーション加工を可能とする最小パワー密度のことである。
（第１の実施形態）
　図１Ａは、本実施形態に係るレーザ加工装置の模式図である。レーザ加工装置は、発振装置１、反射ミラー２１、集光レンズ２２、保持装置３を備えている。発振装置１は、レーザ光源１１、レーザ制御部１２、ビーム整形分割部１３を有している。保持装置３は、保持部３１、ＸＹＺ軸ステージ３２を有している。矢印付き破線は、アブレーション加工を行うためのレーザ加工用ビーム５１を示し、矢印付き一点破線は、デブリを除去するためのデブリ除去用ビーム５２を示している。
　レーザ光源１１は、アブレーション加工を行うためのレーザビームを発振する。本実施形態では、レーザ光源１１から発振されるレーザビームとしてフェムト秒レーザを用いるが、これに限定されるものではない。アブレーション加工を行うことができるレーザであれば、ピコ秒レーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ等であっても良い。制御部１２は、レーザ光源１１で発振するレーザビームの出力、周波数等を制御することができる。レーザ光源１１から発振したレーザビームは、ビーム整形分割部１３に入射する。ビーム整形分割部１３は、入射したレーザビームを、レーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２の２本のビームに分割すると共に、デブリ除去用ビーム５２の形状を整形する。ビーム整形分割部１３については、詳しく後述する。
　レーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２は、反射ミラー２１によって光路を変え、集光レンズ２２を介して保持部３１に設置された被加工物４に照射される。
　被加工物４は、保持部３１に設置される。保持部３１は、被加工物４を保持することが可能な部材であり、ＸＹＺ軸ステージ３２に固定されている。ＸＹＺ軸ステージ３２は、Ｘ－Ｙ軸方向及びＺ軸方向に駆動することができる。ここで、Ｘ－Ｙ軸方向とは、保持部３１の被加工物４を設置する設置面の面方向であり、Ｚ軸方向とは、Ｘ－Ｙ軸方向に直交する方向である。したがって、レーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２を保持部３１に設置された被加工物４に照射させながら、ＸＹＺ軸ステージ３２を駆動させることで、被加工物４をレーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２で走査して所望の加工を行うことができる。
　ＸＹＺ軸ステージ３２により被加工物４を移動させる代わりに、発振装置１１、反射ミラー２１、及び集光レンズ２２を一体で移動させる構成、又はガルバノスキャナを用いる等してレーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２の照射位置を移動させる構成としても良い。あるいは、被加工物４を移動させながら、レーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２を移動させても良い。すなわち、被加工物４、並びにレーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２の少なくとも一方を移動させることにより、被加工物４の加工面をレーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２が走査されれば、いずれの構成を用いても良い。
　次に、図２Ａ、図２Ｂを参照しながら、ビーム整形分割部１３について詳しく説明する。なお、説明の便宜上、図２Ａ、図２Ｂにおいては、図１Ａに示された反射ミラー２１の図示を省略している。
　図２Ａ左図は、ビーム整形分割部１３において、レーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２が生成される様子を説明するための図である。左側の矢印はレーザビームの入射方向を示している。図２Ａ右図は、図２Ａ左図に示されたビーム整形分割部１３から照射されるレーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２の、被加工物４における照射形状を示す上面図である。右図の矢印（図の上方向）は各ビーム５１、５２の走査方向を示している。ビーム整形分割部１３は、回折光学素子１３１を有している。回折光学素子１３１は、レーザビームを分割する機能と分割したレーザビームの一方の光軸の直交断面の形状を整形する機能の両方を有している。レーザ光源１１から発振されたレーザビームは、ビーム整形分割部１３に入射し、回折光学素子１３１によって、レーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２の２本のビームに分割される。分割と同時に、回折光学素子１３１によって、デブリ除去用ビーム５２は、線状のラインビームに整形される。ビーム整形分割部１３によって分割されたレーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２は、集光レンズ２２を介して被加工物４の表面に照射される（図２Ａ右図）。なお、回折光学素子１３１と集光レンズ２２との間の光路長を変えることによって、被加工物４におけるレーザ加工用ビーム５１の照射領域と、被加工物４におけるデブリ除去用ビーム５１の照射領域との間の距離ｄを変えることができる。
　図２Ａでは、回折光学素子１３１を用いてレーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２を生成する方法を説明したが、図２Ｂに示すように、ビームスプリッタ１３２を用いてレーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２とを生成しても良い。この場合、ビーム整形分割部１３に入射したレーザビームは、ビームスプリッタ１３２によって、レーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２の２本のビームに分割される。さらに、デブリ除去用ビーム５２は、反射ミラー１３６で光路を変えながら、シリンドリカルレンズ１３４、１３５によって線状のラインビームに整形される。線状に整形されたデブリ除去用ビーム５２は、反射ミラー１３７、ビームスプリッタ１３３でレーザ加工用ビーム５１と再び重ね合わされ、レーザ加工用ビーム５１と共にビーム整形分割部１３から出射されるレーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２は、集光レンズ２２を介して被加工物４の表面に照射される（図２Ｂ右図）。なお、ビームスプリッタ１３２、１３３は、例えば偏向ビームスプリッタのようにビームを分割及び合波できるものであれば良く、本実施形態に限定されるものではない。また、レーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２は、ビームスプリッタ１３３において、各光軸を完全に一致させるのではなく軸をずらして重ね合わされる。この軸間の距離を調節することによって、各ビーム５１、５２の被加工物４における照射間隔ｄを変化させることができる。
　次に、図１Ｂに戻って本実施形態に係るレーザ加工装置におけるアブレーション加工及びデブリ除去方法について説明する。図１Ｂは、本実施形態に係るアブレーション加工方法及びデブリ除去方法を説明するための図である。本実施形態では、デブリ除去用ビーム５２の照射形状は直線状であり、レーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２を離間して上方から被加工物４に照射しながら、被加工物４をＸ－Ｙ軸方向（白抜き矢印方向）へ移動して加工溝１０１を形成する。実線矢印は、レーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２の照射位置の被加工物４に対する相対的な移動方向（レーザの走査方向）を示している。
　レーザ加工用ビーム５１を被加工物４に照射しながら、その照射位置を移動することで加工溝１０１を形成するが、加工溝１０１の周囲には、レーザ加工用ビーム５１の照射に伴って生じたデブリ１０２が飛散して付着する。付着したデブリ１０２は、デブリ除去用ビーム５２の照射によって除去する。レーザ加工用ビーム５１は、被加工物４のアブレーションしきい値よりも高いパワー密度で被加工物４に照射され、デブリ除去用ビーム５２は、被加工物４から生じたデブリ１０２が除去されるのに十分なパワー密度で被加工物４に照射される。一般に、デブリ１０２は、被加工物４のアブレーションしきい値よりも低いパワー密度で除去することができるため、デブリ除去用ビーム５２のパワー密度は、被加工物４のアブレーションしきい値未満で、デブリ１０２のアブレーションしきい値以上とすることが好ましい。しかしながら、本発明において第２のビーム（デブリ除去用ビーム５２）はデブリを除去するために用いられるので、デブリの除去効果が発揮できるのであれば、デブリ除去用ビーム５２のパワー密度が上述の範囲に限定されることはない。すなわち、デブリ１０２を除去する際に、被加工物４にダメージを与えることなく、または与えるダメージを最低限にしながら、デブリ１０２を十分に除去することができるパワー密度でビームを照射することが望ましい。
　デブリ除去用ビーム５２は、レーザ加工用ビーム５１により形成される加工溝１０１の形成が進行する方向に対して、該レーザ加工用ビーム５１の照射位置より後方に照射する。さらに該デブリ除去用ビーム５２は、該デブリ除去用ビーム５２の直線状の照射形状の軸が該加工溝１０１の形成方向に対して直交するように照射する。このような配置でデブリ除去用ビーム５２を照射し、移動することで、レーザ加工用ビーム５１によって発生し周囲に飛散したデブリ１０２を、デブリ除去用ビーム５２が追従しながら除去することができる（デブリ除去領域１０３）。
　すなわち、本実施形態のように、レーザ加工用ビーム５１を走査する場合、レーザ加工用ビーム５１の走査方向の後段側に該レーザ加工用ビーム５１から離間してデブリ除去用ビーム５２を照射することが好ましい。ある瞬間においては、レーザ加工用ビーム５１により形成された加工溝１０１の一部を中心にデブリ１０２が四方に飛散し、飛散したデブリ１０２の一部は、上記加工溝１０１の一部を中心に分布を持って被加工物４に付着する。つまり、レーザ加工用ビーム５１の照射により形成された加工溝１０１の周囲に被加工物４に付着したデブリ１０２が形成されることになる。これに対して、本実施形態では、上述のようにレーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２とを照射しているので、付着してしまったデブリ１０２が存在する領域をデブリ除去用ビーム５２が走査することになる。このとき、デブリ除去用ビーム５２が走査方向に直交する方向に延在する線状ビームであるので、加工溝１０１から離れた領域に付着したデブリ１０２にまでデブリ除去用レーザ５２を照射することができる。よって、レーザ加工用ビーム５１の加工により生じ、被加工物４に付着してしまったデブリを良好に除去することができる。
　なお、本実施形態においては、デブリ除去用ビーム５２の照射形状の長手方向が、レーザ加工用ビーム５１の走査方向に対して直交するように照射されているが、これに限定されるものではなく、０度（平行）以外の任意の角度を成すように照射されても良い。つまり、該照射形状と該走査方向の成す角度を０度よりも大きくすることで、デブリ除去用ビーム５２はデブリ１０２の除去効果を有する。
　デブリ除去用ビーム５２の長さは、デブリ１０２が飛散する範囲の幅以上とするのが好ましい。また、レーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２との照射間隔をｄ［μｍ］とし、被加工物４の移動速度（レーザの被加工物４への照射領域の該被加工物４に対する相対移動速度）をｖ［μｍ／ｓ］とした場合、Ｔ＝ｄ／ｖ［ｓ］において、時間Ｔが一定の値となるように間隔ｄ及び速度ｖを設定するのが好ましい。Ｔ［ｓ］は、具体的には、被加工物４のある領域において、レーザ加工用ビーム５１によってデブリ１０２が発生した後、被加工物４に付着したデブリ１０２がデブリ除去用ビーム５２によって再び照射されるまでの時間とみなすことができる。
　ここで、デブリ１０２の一粒子に着目してみると、発生したデブリの粒子は発生と同時に空中に飛散し、暫く後に落下して被加工物４の表面に付着する。さらに、被加工物４の表面に付着したデブリ粒子は、付着後すぐに被加工物４に固着するわけではなく、付着後まもなくであれば、デブリ１０２の通常のアブレーションしきい値よりも低いパワー密度で除去することができる。このパワー密度と時間との関係、つまり、付着したデブリを除去するために必要なパワー密度とデブリ付着後に経過した時間との関係は、繰り返し測定を行うことで導き出すことができる。したがって、照射時間間隔Ｔ［ｓ］の値は、飛散したデブリ１０２が被加工物４の表面に付着後まもなくとすることが好ましい。Ｔ［ｓ］の値を決定する要因としては、レーザ加工用ビーム５１の出力、波長及び被加工物４のエネルギー吸収率等が考えられる。
　このように、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置は、アブレーション加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２の２本のビームを被加工物４に照射する。デブリ除去用ビーム５２は、照射形状が線状となるように整形されたラインビームであるため、元のビームの出力が同じである場合、広範囲に拡大したビーム（例えば、その直径がラインビームの長さと同程度の円板形状のビーム）よりもビームの単位面積当たりの出力（パワー密度）は高くなる。言い換えれば、同じパワー密度のビームを発振する場合、広範囲のビームではなく、線状のビーム形状とすることによって、必要なビームの出力を低減することができる。さらに、デブリ除去用ビーム５２を被加工物に照射した状態で、例えば、デブリ除去用ビーム５２の照射形状が直線状であれば、その直線と直交するような方向へ被加工物４を移動させてデブリの除去を行う。すなわち、本実施形態では、デブリ除去用ビーム５２の被加工物４への投影像が線状になるようにデブリ除去用ビーム５２を照射することにより、低パワーのレーザを用いたとしても、デブリ除去を実現できる程度のパワー密度を確保し、かつ所定の方向（例えば、レーザの走査方向と直交する方向）に沿った照射面積を大きくすることができる。よって、線状のデブリ除去用ビーム５２の照射位置を上述のように移動させれば照射領域を広範囲に拡大することができ、レーザビームの出力を抑えつつ、広範囲に付着したデブリを除去することが可能となる。
　デブリ除去用ビーム５２の形状は直線に限定されるものではなく、照射形状が湾曲状・円弧状であっても良い。その場合、図３Ａに示されるように、デブリ除去用ビーム５２の湾曲状・円弧状の開口側を前方にして該デブリ除去用ビーム５２を移動させながら（図３Ａの矢印方向）、デブリの除去を行う。さらに、デブリ除去用ビーム５２の照射形状は、くの字形（図３Ｂ）、コの字形（図３Ｃ）、その他直線と曲線を組合せた線（図３Ｄ）等であっても良い。ビームの形状が「線状」とは、厳密な意味で線でなくても良く、例えば、短軸の長さに対して長軸の長さの比が非常に大きい楕円形（図３Ｅ）等の細長い形状も「線状」に含まれる。つまり、デブリ除去用ビーム５２の形状は、その照射領域を特定の方向に移動することで、実質的な照射領域が２次元的に拡大するような効果を生じる１次元的な形状であると言える。
（実施例１）
　図４は、本発明の一実施形態に係る実施例の模式図である。レーザ光源１１から発振されるレーザビームは、パルス幅５００ｆｓ、繰返し周波数１００ｋＨｚ、平均出力１ｗ、波長１μｍのフェムト秒レーザである。また、被加工物４の材質は、ソーダ石灰ガラスである。ソーダ石灰ガラスのアブレーションしきい値は、該フェムト秒レーザ及び後述の集光レンズ２２を用いた場合、レーザビームの出力に換算して０．０５Ｗ程度であることが分かっている。なお、該集光レンズ２２によって集光されたビームのスポット径は約１μｍである。レーザ整形分割部１３は、１／２波長板４１、偏向ビームスプリッタ４２、反射ミラー４３、空間光変調素子４４を有している。レーザ光源１１から発振された出力１Ｗ（パスルエネルギー１０μＪ）のレーザビームを、１／２波長板４１及び偏向ビームスプリッタ４２で出力を０．２Ｗ（パスルエネルギー２μＪ）に調整した。さらに、出力を調整したレーザビームを反射ミラー４３を介して空間光変調素子４４に入射し、出力０．１Ｗ（パスルエネルギー１μＪ）のレーザ加工用ビーム５１と出力０．１Ｗ（パスルエネルギー１μＪ）のデブリ除去用ビーム５２に分割した。分割したレーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２を集光レンズ２２（５０倍）を介してそれぞれ被加工物４に照射し、走査を行った。被加工物４はＸＹＺ軸ステージ３２に固定された保持部３１に設置し、ＸＹＺ軸ステージ３２をＸ－Ｙ軸方向へ２０μｍ／ｓの速度で移動させながら加工溝１０の形成とデブリ１０２の除去を行った。デブリ除去用ビーム５２の効果を確認するために、レーザ加工用ビーム５１のみを走査した場合と、レーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２を共に走査した場合の比較を行った。
　図５は、被加工物４に照射したビーム形状の画像である。上部の点がレーザ加工用ビーム５１、下部の直線がデブリ除去用ビーム５２である。レーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２の照射間隔ｄは１０μｍであり、デブリ除去用ビーム５２の長さは３０μｍである。したがって、レーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２の照射時間間隔Ｔ［ｓ］は０．５秒である。
　図６（ａ）は、レーザ加工用ビーム５１のみによって形成された加工溝１０の上面画像である。加工溝１０の周囲にデブリ１０２が付着していることが分かる。図６（ｂ）は、レーザ加工用ビーム５１と同時に、デブリ除去用ビーム５２を走査してデブリ除去を行った後の加工溝１０の上面画像である。レーザ加工用ビーム５１で加工溝１０１を形成してから、０．５秒後にデブリ除去用ビーム５２を照射することで、飛散したデブリ１０２を除去できることが確認された。
（実施例２）
　上述の実施例１と同一構成のレーザ加工装置において、レーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２の照射間隔ｄ［μｍ］を変化させて、デブリの除去量の変化を確認する実験を行った。レーザ加工用ビーム５１は、出力０．０５Ｗ（パスルエネルギー０．５μＪ）、デブリ除去用ビーム５２は、出力０．０６Ｗ（パスルエネルギー０．６μＪ）とし、ＸＹＺ軸ステージ３２の移動速度は１００μｍ／ｓとした。照射間隔ｄ＝２．６μｍ、７．８μｍ、１３μｍの３水準で比較を行った。照射時間間隔Ｔ［ｓ］はそれぞれ、０．０２６秒、０．０７８秒、０．１３秒である。
　図７は、レーザ加工用ビーム５１とデブリ除去用ビーム５２の照射間隔ｄ［μｍ］を変化させた時のデブリ１０２の除去量を示したグラフである。横軸は、加工溝１０の中心からの距離を表し、縦軸は、被加工物４の加工前の表面の高さを０とした時の加工後の加工部の高さを表している。ｄ＝７．８μｍの場合に最もデブリを除去できていることが確認できた。
（第２の実施形態）
　被加工物４の表面に再固着したデブリ１０２のアブレーションしきい値は、元の被加工物４のアブレーションしきい値よりも低くなっている。そのため、再固着したデブリ１０２を除去するためには、被加工物４のアブレーションしきい値をわずかに下回るパワー密度でデブリ除去用ビーム５２を照射すれば良いと考えられる。しかしながら、表面にデブリ１０２が固着した部位は、固着したデブリ１０２を起点としてビームのエネルギーが被加工物４に吸収され易くなっているため、被加工物４のアブレーションしきい値未満であっても被加工物４に損傷を与える可能性がある。
　飛散したデブリ１０２は、被加工物４に付着後まもなくは、デブリ本来のアブレーションしきい値よりも低いアブレーションしきい値でデブリ１０２を除去できることがこれまでの実験により分かっている。したがって、飛散したデブリ１０２が被加工物４に付着後すぐに、デブリ１０２を除去することが重要となる。
　デブリ除去用ビーム５２がデブリ１０２に照射された時、蒸発して消滅するデブリもあるが、そのデブリの多くが周囲に弾き飛ばされる。例えば、デブリ除去用ビーム５２を照射しながらデブリ１０２に接近させると、デブリ１０２の多くはデブリ除去用ビーム５２の移動方向の前方に弾き飛ばされる。このことは、デブリ除去用ビーム５２の形状と移動方向を工夫することによって、デブリ１０２の飛散方向を制御することができることを示している。例えるならば、デブリ１０２というゴミをデブリ除去用ビーム５２という箒で所望の方向へ掃き出すことができることを意味する。
　図８Ａ、図８Ｂは、デブリ除去用ビーム５２によるデブリ１０２の除去の様子を説明するための図である。図８Ａでは、デブリ除去用ビーム５２の照射形状は円弧状であり、図８Ｂでは、デブリ除去用ビーム５２の照射形状は直線状である。図８Ａ、図８Ｂのそれぞれの場合において、デブリ除去用ビーム５２を実線矢印方向に走査すると、付着していたデブリ１０２はデブリ除去用ビーム５２の走査方向前側に弾き飛ばされながら次第に集められる（デブリ１０２ａ）。図８Ｂのようにビーム形状が直線状の場合、デブリ除去用ビーム５２によりデブリ１０２を良好に吐き出すことができるが、ラインビームの両端付近においてはデブリ１０２が照射領域の外側方向にも弾き飛ばされることもあり（破線矢印）、デブリが残存する可能性がある。これに対して、図８Ａのようにビーム形状が円弧状であれば、デブリ１０２は、ビームによってカバーされる照射領域の内側方向に弾き飛ばされ易くなるため（破線矢印）、デブリ１０２を逃さずに、より効率良く除去していくことができる。したがって、デブリ除去用ビーム５２の形状を、湾曲状、円弧状、くの字形、コの字形等の形状とすることはデブリ１０２の飛散方向を制御する上で非常に有効である。つまり、デブリ除去用ビーム５２の形状は、デブリ１０２をさらに周囲に飛散させることなく、あるいはその飛散量を低減させて、デブリ除去用ビーム５２の走査方向の前方でまとめることができる形状であることが好ましい。
　図９Ａは、本実施形態に係るレーザ加工装置のデブリ１０２の除去方法を説明するための図である。図９Ａでは、デブリ除去用ビーム５２の照射形状を、円環状としている。実線矢印はビームの相対的な移動方向を示している。デブリ除去用ビーム５２の円環内において、デブリ１０２は飛散と付着を繰り返しながら円環状のデブリ除去用ビーム５２と共に移動する。つまり、発生したデブリ１０２を円環内に閉じこめたまま、被加工物４の端まで誘導することができる。
　また、図９Ｂに示すように、デブリ除去用ビーム５２の照射形状を走査方向に対して斜めにしても良い。図９Ｂは、被加工物４の上面図を示し、ビームの相対的な移動方向に対して横側にデブリ吸引器２０１が設置されている。デブリ除去用ビーム５２は、照射形状が移動方向に対して角度が付くように照射されるため、デブリ１０２は斜め前方へ弾き飛ばされてデブリ吸引器２０１で効率良く回収される。
　なお、本実施形態では、デブリ除去用ビーム５２の照射形状のバリエーションを説明したが、ビームを複数本用いて同様の効果を得られる構成としても良い。すなわち、デブリ除去用ビーム５２を複数本配置することによって、デブリ１０２の飛散方向を制御して効率良くデブリ１０２の除去を行う構成としても良い。デブリ除去用ビーム５２の利点の１つは、照射形状・本数等を工夫することで、被加工物４の形状や要求されるデブリの除去レベルに対して柔軟に対応できることである。
（実施例３）
　被加工物４にレーザ加工用ビーム５１及びデブリ除去用ビーム５２を照射して加工溝１０１の形成とデブリ１０２の除去を同時に行った場合と、レーザ加工用ビーム５１のみを照射して加工溝１０１の形成のみを行った場合のデブリ１０２の付着状況を比較した。図１０は、加工後の被加工物４の上面画像を示す図である。白矢印方向（画像の上方向）がビームの走査方向であり、一定距離のビーム走査を行なって加工溝１０１を形成した。図１０の左図においては、加工溝１０１の形成と同時にデブリ１０２の除去も同時に行なっている。被加工物４の表面に付着したデブリ１０２は、図において複数の黒い点で示されている。デブリ除去用ビーム５２を照射した場合には（図１０左図）、デブリ除去用ビーム５２を照射していない場合（図１０右図）と比較して、デブリ除去用ビーム５２の走査方向前方におけるデブリ１０２の付着量がかなり増加している様子が確認できる。さらに、デブリ除去用ビーム５２を走査した領域（画像ではデブリ除去用ビーム５２の下側領域１０３）は、デブリ１０２が十分に除去されている様子も確認できる。図１０左図と右図とでは、デブリ除去用ビーム５２の使用以外は同一の条件で実施したため、発生したデブリ１０２の量は同程度であると考えられる。したがって、図１０左図では走査方向の前方にデブリ１０２が溜まっていることから、デブリ除去用ビーム５２によってデブリ１０２が走査方向に沿って掃き出されていること、すなわち、デブリ飛散、除去する方向の制御ができていることが確認された。
（第３の実施形態）
　図１１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の模式図である。レーザ加工装置は、発振装置１、ビームスプリッタ（ハーフミラー）９１、集光レンズ２２、保持装置３を備えている。発振装置１は、レーザ光源１１ａ、１１ｂ、レーザ制御部１２ａ、１２ｂ、ビーム整形部９３ａ、９３ｂを有している。保持装置３は、保持部３１、ＸＹＺ軸ステージ３２を有している。被加工物４は保持部３１に設置される。矢印付き破線は、アブレーション加工を行うためのレーザ加工用ビーム５１を示し、矢印付き一点破線は、デブリを除去するためのデブリ除去用ビーム５２を示している。
　このように、本実施形態では、２つのレーザ光源１１ａ、１１ｂを備える構成としている。つまり、レーザ加工用ビーム５１及びレデブリ除去用ビーム５２が、それぞれレーザ光源１１ａ及び１１ｂから発振されたレーザビームから生成される。発振装置１から発振したレーザ加工用ビーム５１及びレーザ除去用ビーム５２は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）９１で合成され、集光レンズ２２を介して被加工物４に入射する。なお、ビームスプリッタ９１は、例えば偏向ビームスプリッタのようにビームを分割及び合波できるものであれば良く、本実施形態に限定されるものではない。また、被加工物４におけるレーザ加工用ビーム５１とレーザ除去用ビーム５２との照射間隔ｄは、各ビームがビームスプリッタ（ハーフミラー）９１に入射する際のそれぞれの光軸間の距離を変化させて調整することができる。さらに、レーザ加工用ビーム５１及びレーザ除去用ビーム５２を被加工物４に照射した状態で被加工物４を走査することで、アブレーション加工及びデブリの除去を同時に行う。
　なお、デブリ除去用ビーム５２は、その照射領域がレーザ加工用ビーム５１の照射領域の少なくとも一部を含むように照射されても良い。例えば、孔開け加工のようにレーザ加工用ビーム５１の照射位置を固定する場合には、デブリ除去用ビーム５２を、レーザ加工用ビームの加工孔に重なるように照射することができる（図１２）。あるいは、レーザ加工用ビーム５１の照射位置を固定して加工を行いつつ、その周囲をデブリ除去用ビーム５２のみを走査して付着するデブリを除去するような構成とすることもできる。図１２に示すように、レーザ加工用ビーム５１が照射される加工点を中心として、デブリ除去用ビーム５２を回転させる、またはレーザ加工用ビーム５１が照射される加工点を挟んで、デブリ除去用ビーム５２を往復走査する等の構成とすれば良い。
　この出願は２０１３年７月１９日に出願された日本国特許出願第２０１３－１５０８９７号からの優先権を主張するものであり、その内容を引用してこの出願の一部とするものである。
　１　発振装置
　１１　レーザ光源
　１２　レーザ制御部
　１３　ビーム整形分割部
　１３１　回折光学素子
　１３２、１３３　ビームスプリッタ
　１３４、１３５　シリンドリカルレンズ
　１３６、１３７　反射ミラー
　２１　反射ミラー
　２２　集光レンズ
　３　保持装置
　３１　保持部
　３２　ＸＹＺ軸ステージ
　４　被加工物
　４１　１／２波長板
　４２　偏向ビームスプリッタ
　４３　反射ミラー
　４４　空間光変調素子
　５１　レーザ加工用ビーム
　５２　デブリ除去用ビーム
　９１　ビームスプリッタ（ハーフミラー）
　９３　ビーム整形部
　１０１　加工溝
　１０２　デブリ（デブリ付着領域）
　１０２ａ　デブリ（デブリ集積領域）
　１０３　デブリ除去領域
　２０１　デブリ吸引ノズル

Claims (9)

  1. 　被加工物をアブレーション加工するための第１のビームと、前記アブレーション加工によって生じるデブリを除去するための第２のビームとを発振する発振装置と、
    　前記被加工物を保持するための保持装置とを備え、
    　前記第１のビームは、前記保持装置に保持された前記被加工物に照射され、前記第２のビームは、前記被加工物の前記第１のビームの照射位置又は該照射位置の近傍に照射され、前記第２のビームの前記被加工物における照射形状は線状であるレーザ加工装置。
  2. 　前記第１のビームは、前記被加工物のアブレーションしきい値以上のパワー密度で前記被加工物に照射され、前記第２のビームは、前記被加工物のアブレーションしきい値未満かつ前記デブリのアブレーションしきい値以上のパワー密度で前記被加工物に照射される請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 　前記第１のビームは、前記被加工物を走査し、前記第２のビームは、照射形状の長手方向が前記第１のビームの走査方向に対して０度よりも大きい角度を成した状態で、前記走査方向へ前記被加工物を走査する請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
  4. 　前記第１のビームは、前記被加工物を走査し、前記第２のビームは、前記第１のビームの走査方向に対して後方に離間して照射されて前記走査方向に前記被加工物を走査する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  5. 　前記第２のビームの照射形状の少なくとも一部が円弧状である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  6. 　前記発振装置は、レーザビームを発生する光源と、前記レーザビームを前記第１のビームと前記第２のビームとに分割する分割部を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  7. 　前記発振装置は、前記第１のビームを発振する第１の光源と、上記第２のビームを発振する第２の光源とを備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  8. 　被加工物をアブレーション加工するための第１のビームと、前記アブレーション加工によって生じるデブリを除去するための第２のビームを発振する発振工程を有し、
    　前記第１のビームは、前記被加工物に照射され、前記第２のビームは、前記被加工物の前記第１のビームの照射位置又は該照射位置の近傍に照射され、前記被加工物における照射形状は線状であるレーザ加工方法。
  9. 　アブレーション加工を行うための第１のビームと、前記アブレーション加工によって生じるデブリを除去するための第２のビームとを発振するレーザ発振装置であって、
    　前記第２のビームの、該第２のビームの光軸に直交する断面の形状を線状に整形する整形手段を備えるレーザ発振装置。
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