JP2007118054A

JP2007118054A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置

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Publication number: JP2007118054A
Application number: JP2005315103A
Authority: JP
Inventors: Shiro Saito; 史朗齋藤; Hiroyuki Nagai; 裕之永井; Yoshinori Tabata; 能徳多幡
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; SIGMAKOKI Co Ltd
Current assignee: SIGMAKOKI Co Ltd; Aisin Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】偏光した超短光パルスレーザを低フルーエンスで集光照射しても穴や溝等のエッジ及び穴や溝等の底部がガタガタしないレーザ加工方法及び装置を提供すること。
【解決手段】偏光した超短光パルスレーザＬを発生するレーザ発生器１と、超短光パルスレーザＬの偏光面を回転させて偏光面が回転している状態の超短光パルスレーザを出射する回転偏光制御素子２と、回転偏光制御素子２から出射される偏光面が回転している状態の超短光パルスレーザを低フルーエンスで被加工材料５上に集光照射するレーザ照射手段３と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ加工方法及び装置に関し、詳しくは、超短光パルスレーザを用いた微細な除去加工を行う加工方法及び装置に関する。

レーザを集光照射して除去加工（穴あけ、穴掘り、溝掘り、切断、など）を行うには、エネルギ密度（フルーエンス）を除去加工に必要な閾値以上にする必要がある。集光照射スポット径を小さくすれば、同じフルーエンスに対しレーザエネルギを下げることができるし、微細な加工（例えば、穴径の小さな穴加工や、溝幅の狭い溝加工など）を行うことができる。スポット径を小さくしても所謂トレパニング（刳り抜き）加工を行うことで、穴径の大きな穴加工や溝幅の広い溝加工ができるので、スポット径を小さくすれば、小さな穴から大きな穴まで、狭い溝から広い溝まで加工することができる。本明細書では、集光スポットを円形に動かすことを”トレパニング”と記載する。

高倍率（焦点距離の短い）のレンズで集光することで、集光スポット径を小さくできるが、回折限界があり、レーザの波長オーダまでしか集光することができない。

一方、超短光パルスレーザをレンズで集光して、例えば穴あけ加工を行うと、レーザの波長が８００ｎｍで集光スポット径が５０μｍの場合でも、穴径が５８０ｎｍの穴あけができることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。すなわち、超短光パルスレーザを集光することで、回折限界以下の微小な穴をあけることができる。
光産業技術振興協会、「光テクノロジーロードマップ報告書−光加工分野−」、２００３年３月、ｐ．６４−６５

超短光パルスレーザをレンズで集光照射して穴あけ加工するする場合の穴径は、加工閾値と集光領域のエネルギ密度曲線の交点になるので、加工閾値（被加工材料で異なる）とフルーエンスで異なる。図３は、超短パルスレーザを半径ａの円形に集光したときのフルーエンス（エネルギ密度）の分布曲線Ｅを模式的に示したものである。集光照射される被加工材料の加工閾値がＥ_thの場合、直径２ａの穴があき、Ｅ’_thの場合、２ａ’の穴が、Ｅ”_thの場合、２ａ”の穴がそれぞれあくことになる。被加工材料の材質によって加工閾値が異なり、ａ＞ａ’＞ａ”であるので、加工閾値が高い材料ほど小さい穴になる。この事は、加工閾値ぎりぎりのフルーエンスで加工することで、より小さい穴あけ加工、微細加工ができることを示している。しかし、上記従来の超短光パルスレーザを集光照射する加工方法では、加工閾値ぎりぎりのフルーエンス、すなわち低フルーエンスで加工すると、レーザが偏光している場合、加工穴や加工溝等の周辺（とば口）、及び穴や溝等の底面に周期微細構造ができて、穴や溝等のエッジ及び穴や溝等の底部がガタガタし、高精度の加工をすることができないという問題を有していた。なお、レーザは、通常偏光した場合が多い。

本発明は、上記の従来のレーザ加工方法の問題に鑑みてなされたものであり、偏光した超短光パルスレーザを低フルーエンスで集光照射しても穴や溝等のエッジ及び穴や溝等の底部がガタガタしないレーザ加工方法及び装置を提供することを課題としている。

課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、偏光した超短光パルスレーザの偏光面を回転させる回転ステップと、前記回転ステップで偏光面が回転させられて偏光面が回転している状態の前記超短光パルスレーザを低フルーエンスで被加工材料上に集光照射するレーザ照射ステップと、を有することを特徴とするレーザ加工方法である。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザ加工方法であって、さらに、前記被加工材料上で前記集光照射する位置を円形に動かすトレパニングステップを有することを特徴としている。

課題を解決するためになされた請求項３に係る発明は、偏光した超短光パルスレーザを発生するレーザ発生器と、前記超短光パルスレーザの偏光面を回転させて偏光面が回転している状態の超短光パルスレーザを出射する回転偏光制御素子と、前記回転偏光制御素子から出射される前記偏光面が回転している状態の超短光パルスレーザを低フルーエンスで被加工材料上に集光照射するレーザ照射手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置である。

また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載のレーザ加工装置であって、前記偏光制御素子が１／２波長板であることを特徴としている。

また、請求項５に係る発明は、請求項３或いは４に記載のレーザ加工装置であって、さらに、前記被加工材料上で前記集光照射する位置を円形に動かすトレパニング手段を有することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、偏光した超短光パルスレーザの偏光を回転させる回転ステップを有するので、周期微細構造の形成を防止することができる。よって、穴や溝等のエッジ及び穴や溝等の底部がガタガタしない高精度の加工を行うことができる。

請求項２の発明によれば、被加工材料上で集光照射する位置を円形に動かすトレパニングステップを有するので、超短光パルスレーザの断面形状が円形でなくても、真円の穴をあけることができる。

請求項３の発明によれば、超短光パルスレーザの偏光面を回転させて偏光面が回転している状態の超短光パルスレーザを出射する回転偏光制御素子を有しているので、周期微細構造の形成を防止することができる。

請求項４の発明によれば、偏光制御素子が１／２波長板であるので、エネルギロスなく偏光面を回転させることができる。

請求項５の発明によれば、被加工材料上で前記集光照射する位置を円形に動かすトレパニング手段を有するので、超短光パルスレーザの断面形状が円形でなくても、真円の穴をあけることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成図である。１は偏光した超短光パルスレーザＬを発生するレーザ発生器、２は偏光面が回転している状態の超短光パルスレーザを出射する回転偏光制御素子、３は超短光パルスレーザを低フルーエンスで被加工材料５の上に集光照射するレーザ照射手段を構成する集光レンズ、４はトレパニング手段、５は被加工材料、６はＸＹ移動ステージである。

レーザ発生器１は、波長が２２６〜１６００ｎｍ、望ましくは７００〜１６００ｎｍの範囲で、パルス幅が１０ｆｓ〜１０ｐｓ、望ましくは５０ｆｓ〜２ｐｓの範囲の超短光パルスレーザＬを発生するレーザ発生器がよい。ガラス、セラミックス、結晶等の硬脆材料、樹脂材料、金属材料、透明材料など幅広い材料を高速にアブレーション加工したり、衝撃加工したり、多光子吸収を利用して加工したりすることができる。上記特性のパルスレーザを発生するレーザ発生器として、例えば、アイシン精機製フェムトライト（ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌＤ−４００）を用いることができる。このフェムトライトは、中心波長が１０４５ｎｍ、パルス幅が３００ｆｓ、繰り返し周波数が２００ＫＨｚの直線偏光した超短光パルスレーザを発生する。レーザ発生器１から発生されるパルスレーザが円偏光している場合は、回転偏光制御素子２の前に、例えば１／４波長板を挿入して円偏光を直線偏光にすればよい。

回転偏光制御素子２は、回転手段７に取り付けられた偏光制御素子である。偏光制御素子としては、偏光板、１／２波長板、ファイバ偏光子などを用いることができるが、１／２波長板が好ましい。そうすることで、エネルギロスなく偏光面を回転させることができる。

回転手段７は、中空シャフト７１の回りに回転する回転子７２を備えた、例えば電動モータ、エアタービン等である。

トレパニング手段４は、Ｘ軸ガルバノミラー４２とＹ軸ガルバノミラー４３を備えている。４１は、ベンディングミラーである。

集光レンズ３には、１枚の凸レンズ、収差補正した組み合わせレンズ、或いはｆθレンズを用いることができる。トレパニング手段４が上記のようにガルバノミラーを用いている場合、集光スポット径を小さくして微細加工を行うには、ｆθレンズを用いる必要がある。

集光レンズ３から被加工材５の表面までの距離を調節することで集光照射スポット径を所定の値に設定することができる。また、レーザ発生器１の出力を調整することで、集光照射スポットｐにおけるフルーエンスを所定の値（低フルーエンス）に設定することができる。したがって、本実施形態のレーザ加工装置における低フルーエンスで被加工材料上に集光照射するレーザ照射手段は、レーザ発生器１と集光レンズ３で構成されることになる。なお、レーザ発生器１が出力調整機能を備えていない場合は、例えば、レーザ発生器１の後にアッテネータを挿入すればよい。

ここで、「フルーエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）」とは、レーザの１パルス当たりのエネルギＥ（Ｊ）を照射断面積Ｓ（ｃｍ²）で割ったエネルギ密度Ｅ／Ｓ（Ｊ／ｃｍ²）である。「低フルーエンス」とは、材料表面が蒸散する現象（アブレーション）が生じるエネルギ密度の最小値（アブレーション閾値）近傍のフルーエンスのことである。アブレーション閾値及び低フルーエンスの範囲では材料表面に熱影響がほとんどない。このアブレーション閾値及び低フルーエンスの範囲は、材料によって異なる。低フルーエンスの範囲は、主にその材料の融点の違いにより異なり、通常アブレーション閾値の５倍程度を上限とする範囲で、材料によっては１０倍程度の範囲まで熱影響がほとんど生じない場合もある。

次に、本実施形態のレーザ加工装置の動作について説明する。まず、集光レンズ３から被加工材５の表面までの距離を調節して集光スポット径を所定の値に設定する。次にレーザ発生器１の出力を調整して、集光スポットｐにおけるフルーエンスを所定の値に設定する。次にレーザ発生器１から直線偏光した所定の出力に調整された超短光パルスレーザを発生させる。すると発生したレーザは、回転している１／２波長板２に入射し、１／２波長板２によって偏光面が回転させられ、波長板２から偏光面が回転している超短光パルスレーザが出射される。次に、波長板２から出射された超短光パルスレーザは、Ｘ軸ガルバノミラー４２、Ｙ軸ガルバノミラー４３で順次反射され、集光レンズ３で所定の集光スポット径に集光されて被加工材料５に照射される。

Ｘ軸ガルバノミラー４２、Ｙ軸ガルバノミラー４３で集光照射スポットｐを円運動すなわちトレパニングさせれば、被加工材５に真円の穴を加工することができる。すなわち、Ｘ軸ガルバノミラー４２にＸ＝ｒｃｏｓθ、Ｙ軸ガルバノミラー４３にＹ＝ｒｓｉｎθ信号を供給することにより、集光照射スポットｐがトレパニングして、直径２ｒの真円の穴があく。そして、集光照射スポットのフルーエンスが低フルーエンスに調整されているので、穴のとば口や穴の底に周期微細構造が形成されず、高精度の穴堀り加工を行うことができる。

また、穴掘りを行いながら、ＸＹ移動ステージ６を移動させることで、幅２ｒの溝が形成される。そして、集光照射スポットのフルーエンスが低フルーエンスに調整されているので、溝のとば口や溝の底に周期微細構造が形成されず、高精度の溝掘り加工を行うことができる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係るレーザ加工装置の構成図である。本実施形態のレーザ加工装置は、実施形態１のレーザ加工装置におけるガルバノミラーを用いたトレパニング手段４を回転ウエッジ板４’にし、ＸＹ移動ステージ６を省略した以外は基本的に同じである。実施形態１のレーザ加工装置と同じ構成要素には同じ符号を付し説明を省略する。

回転ウエッジ板４’は、回転手段７の回転子７２に取り付けられたウエッジ板である。

次に、回転ウエッジ板４’でトレパニングするメカニズムについて説明する。入射面４１’と出射面４２’のなす角度がαの実線で示すウエッジ板４’に光軸１０方向からパルスレーザＬが入射すると、スネルの法則により光軸１０とθをなす方向に偏向され、実線で示すレーザＬaを出射する。θとαの間には次式の関係がある。

θ＝ｓｉｎ^-1［ｎｓｉｎα］−α （１）
ここで、ｎはウエッジ板４’の屈折率である。

光軸１０とθをなすレーザＬaが集光レンズ３に入射すると、実線で示すようにレンズ３から焦点距離Ｆ離れた位置にある被加工材料５の上面における光軸１０からｒの位置に集光され、集光スポットｐとなる。ｒとθには次式の関係がある。

ｒ＝Ｆｔａｎθ （２）
レーザＬが点線で示す１８０°回転したウエッジ板４’に入射すると、光軸１０と−θをなす方向に偏向され、点線で示すレーザＬbを出射する。

光軸１０と−θをなすレーザＬbが集光レンズ３に入射すると、やはり、点線で示すように被加工材料５の上面における光軸１０からｒの位置に集光され、集光スポットｐとなる。

図２Ｂは、図２Ａの被加工材料５をＺ軸（光軸１０）方向から見た図であるが、ウエッジ板４’が矢印１１方向に回転すると、集光スポットｐも矢印１２方向に順次形成され、半径ｒのトレパニング円８を描く。

（１）式と（２）式からトレパニング円８の大きさ（半径ｒ）は、集光レンズ３の焦点距離Ｆ、ウエッジ板４’のウエッジ角αで制御できることがわかる。

本実施形態のレーザ加工装置では、トレパニング手段にガルバノミラーを用いていないので、集光レンズ３にｆθレンズを用いる必要がなく、収差補正された例えば顕微鏡対物レンズを使用することができる。したがって、集光照射スポットｐをｆθレンズを用いた場合の実施形態１のレーザ加工装置より小さくすることができ、より微細な加工を行うことができる。

また、回転手段７で偏光制御素子２とウエッジ板４’を同時に回転させることができ、実施形態１のレーザ加工装置に比べ、装置の小型化、低コスト化が図られる。

（実施例１）
超硬材を図１のレーザ加工装置にセットして、下記の条件で超短光パルスレーザを照射し、穴あけ加工を行った。

すなわち、条件としては、
レーザ発生器１：中心波長１０４５ｎｍ±５ｎｍ、出力４００ｍＷ、パルス幅３００ｆｓ、繰り返し周波数：２００ｋＨｚ、直線偏光
回転偏光制御素子２：１／２波長板
回転手段７：中空シャフト電動モータ、回転数１６０００ｒｐｍ
トレパニング手段４：ガルバノミラーシステム（シグマ光機(株)製）
集光レンズ３：倍率５０倍、開口数０．５５、焦点距離３．６ｍｍ
フルーエンス：４０μＪ／ｃｍ²
加工出力：１ｍＷ
被加工材５：超硬材
ＸＹ移動ステージ：移動量０ｍｍ
トレパニング径：１μｍ
である。

上記の条件で穴堀加工を実施した結果、φ１．８μｍの真円に近い穴を加工することができた。また、穴のとば口（周辺）及び、穴の底部に周期微細構造が観察されなかった。

本発明のレーザ加工方法及び装置は、携帯電話やディスプレイ装置といった精密電子機械部品等の加工に用いられ、産業上の利用可能性が極めて高いものである。

本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成図である。本発明の実施形態２に係るレーザ加工装置の構成図である。超短パルスレーザを半径ａの円形に集光したときのフルーエンス（エネルギ密度）の分布曲線Ｅを模式的に示した図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・レーザ発生器
２・・・・・・・・・回転偏光制御素子
３・・・・・・・・・集光レンズ（レーザ照射手段を一部兼ねる）
４、４’・・・・・・トレパニング手段
５・・・・・・・・・被加工材料
Ｌ・・・・・・・・・偏光した超短光パルスレーザ

Claims

偏光した超短光パルスレーザの偏光面を回転させる回転ステップと、
前記回転ステップで偏光面が回転させられて偏光面が回転している状態の前記超短光パルスレーザを低フルーエンスで被加工材料上に集光照射するレーザ照射ステップと、
を有することを特徴とするレーザ加工方法。
さらに、前記被加工材料上で前記集光照射する位置を円形に動かすトレパニングステップを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
偏光した超短光パルスレーザを発生するレーザ発生器と、
前記超短光パルスレーザの偏光面を回転させて偏光面が回転している状態の超短光パルスレーザを出射する回転偏光制御素子と、
前記回転偏光制御素子から出射される前記偏光面が回転している状態の超短光パルスレーザを低フルーエンスで被加工材料上に集光照射するレーザ照射手段と、
を有することを特徴とするレーザ加工装置。
前記偏光制御素子が１／２波長板であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
さらに、前記被加工材料上で前記集光照射する位置を円形に動かすトレパニング手段を有することを特徴とする請求項３或いは４に記載のレーザ加工装置。