(57)【要約】【課題】デブリ防止のための保護膜の形成と除去が容易で短時間に行えるレーザ加工方法を提供すること。【解決手段】被加工物３の加工すべき表面にワックス皮膜６を形成する工程と、前記ワックス皮膜６側から前記加工すべき表面の加工すべき領域にレーザを集光照射してレーザ加工する工程と、前記ワックス皮膜６を除去する工程と、を有することを特徴とするレーザ加工方法。  レーザ加工でデブリが発生しても加工部周辺のワックス皮膜表面に堆積・付着する。レーザ加工後にワックス皮膜を除去するので、デブリも一緒に除去され、加工精度・加工品質が向上する。ワックス皮膜は形成および除去が簡単で、保護膜形成および除去に時間がかかることがない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の加工すべき表面にワックス皮膜を形成する工程と、前記ワックス皮膜側から前記加工すべき表面の加工すべき領域にレーザを集光照射してレーザ加工する工程と、前記ワックス皮膜を除去する工程と、を有することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記レーザはパルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記ワックス皮膜はフッ素又はシリコンのいずれか一方を含有することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記ワックス皮膜を除去する工程が超音波洗浄により除去する工程であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパルスレーザを被加工物に集光照射して被加工物を加工するレーザ加工方法に関し、詳しくは加工の際生じるデブリを除去する工程を有するレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスレーザを被加工物に集光照射すると、照射領域の周辺に加工残滓すなわち、デブリが堆積・付着して加工精度・加工品質が低下する。最近、レーザアブレーション加工におけるデブリを除去して加工品質を向上させる加工方法が公開された。この加工方法は、被加工物の加工すべき表面に保護膜を形成し、その上からレーザを照射してアブレーション加工して保護膜を除去するものであった（例えば、特許文献１参照）。保護膜の上からレーザを照射すると保護膜に貫通孔が開き、加工すべき表面がアブレーション加工される。アブレーションによりデブリが発生してもこのデブリは加工部周辺の保護膜表面に付着するので、レーザ加工後に保護膜を除去すると、保護膜に付着したデブリも一緒に除去される。
【０００３】
レーザアブレーションは、発振波長が２５０ｎｍ前後でパルス幅が２０〜５０ｎｓのエキシマレーザのような高いエネルギ密度をもつ紫外線レーザ照射によって分子や原子の結合が切断され光分解して飛散する現象である。したがって、上記従来の加工方法では保護膜にアブレーション加工され易い材料である、ポリイミド、ポリ酢酸ビニルなどを使用する必要がある。被加工物の加工すべき表面にポリイミドやポリ酢酸ビニルの保護膜を形成するには、それらを有機溶剤に溶かしてスピンコートあるいは刷毛塗りする必要があり、保護膜の形成に時間がかかるという問題があった。また、アブレーション加工の場合、パルス幅が２０〜５０ｎｓであるため、レーザ照射領域の周辺も高温になるので、保護膜は高温に耐えるだけの厚さが必要である。アブレーション加工後にそれら保護膜を取り除く必要があるが、そのためには、膜厚の大きな保護膜を有機溶剤に浸漬して軟化させてから粘着テープなどで剥がす必要があり、取り除くのにも時間がかかるという問題があった。
【特許文献１】特開平８−１８７５８８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、従来のレーザ加工方法では、保護膜に有機保護膜を用いる必要があり、保護膜形成に時間がかかる問題があった。また、厚さの大きな有機保護膜を取り除くのに時間がかかる問題があった。
【０００５】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、保護膜の形成と除去が容易で短時間に行えるレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題を解決するためになされた請求項１に係る発明はレーザ加工方法であって、被加工物の加工すべき表面にワックス皮膜を形成する工程と、前記ワックス皮膜側から前記加工すべき表面の加工すべき領域にレーザを集光照射してレーザ加工する工程と、前記ワックス皮膜を除去する工程と、を有することを特徴としている。
【０００７】
レーザ加工でデブリが発生しても加工部周辺のワックス皮膜表面に堆積・付着する。レーザ加工後にワックス皮膜を除去するので、デブリも一緒に除去され、加工精度・加工品質が向上する。ワックス皮膜は形成および除去が簡単で、保護膜形成および除去に時間がかかることがない。
【０００８】
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、前記レーザはパルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザであることを特徴としている。
【０００９】
超短光パルスレーザによるレーザ加工はレーザ誘起破壊による断熱加工であるため、レーザ照射領域周辺の温度上昇がなく、保護膜としてのワックス皮膜の膜厚が小さくてよく、加工後の除去がさらに容易になり、除去に時間がかからない。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２のいずれかに記載のレーザ加工方法であって、前記ワックス皮膜はフッ素又はシリコンのいずれか一方を含有することを特徴としている。
【００１１】
通常の自動車用ワックスを使用することができ、安価なレーザ加工方法である。
【００１２】
また、請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ加工方法であって、前記ワックス皮膜を除去する工程が超音波洗浄により除去する工程であることを特徴としている。
【００１３】
超音波洗浄により除去することで、ワックス皮膜の除去がさらに容易になり、加工時間を大幅に短縮することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、被加工物の加工すべき表面にワックス皮膜を形成し、ワックス皮膜の上から加工すべき表面の加工すべき領域にレーザを集光照射してレーザ加工し、その後ワックス皮膜を除去するという方法により、レーザ加工後にワックス皮膜を除去するので、デブリも一緒に除去され、加工精度・加工品質が向上する。ワックス皮膜は形成および除去が簡単で、保護膜形成および除去に時間がかかることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。図１は本発明の最良の実施形態によるレーザ加工方法を説明するための被加工物の断面図である。図２は本発明の別の実施形態によるレーザ加工方法を説明するための被加工物の断面図である。
【００１６】
図１（Ａ）に示す被加工物３の加工すべき面３１にワックス皮膜を形成することで図１（Ｂ）に示すようなワックス皮膜６が形成された被加工物３となる。ワックス皮膜の形成は、例えば、スポンジや布にワックスを付着させ、加工すべき面３１に塗り伸ばすだけでよく、簡単に且つ短時間に行われる。自動車にワックスをかける要領でワックス皮膜を形成すると、通常ワックス皮膜の厚さは、可視光線の波長オーダ（０．５μｍ程度）であり、非常に薄い皮膜とすることができる。
【００１７】
ワックスは、高位脂肪酸と高級１価アルコールとからなる固形エステルで、鯨蝋、密蝋、シナ蝋、石蝋（パラフィン）、木蝋などの総称である。また、ワックスは分子量で分類すると、中分子材である。自動車の塗膜を保護し、光沢を付与する自動車用ワックスが安価で、入手しやすい。通常、この自動車用ワックスには撥水性をよくするためにフッ素やシリコンが含まれている。
【００１８】
図１（Ｃ）に示すように、加工すべき表面３１の所定の領域に、ワックス皮膜６側（本実施形態の場合、ワックス皮膜６の上方）からレーザＬをレンズ２で集光照射して除去加工（穴あけ加工、溝掘り加工、切断加工など）を行う。ワックス皮膜６の厚さが０．５μｍ程度であるので、ワックスの種類、レーザの種類にかかわらずレーザはワックス皮膜６を透過し、被加工物３の加工すべき面３１に達する。
【００１９】
パルス幅がｎｓ〜μｓオーダの短光パルスレーザ、あるいは連続発振レーザの場合、被加工物３によるレーザＬの吸収は通常の吸収であり、レーザの波長に透明な材料は吸収しないので加工されない。例えば、発振波長が１．０６μｍのＹＡＧレーザの場合、シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料を透過してしまい加工することができない。したがって、レーザの波長に不透明な、レーザの波長の光を吸収する材料を選定する必要がある。あるいは、被加工物の材料で吸収される発振波長のレーザを選定する必要がある。可視光波長領域で透明なガラスなどを加工する場合は、発振波長が紫外線領域のエキシマレーザや赤外線領域の炭酸ガスレーザを用いることで、加工することができる。被加工物が石英ガラスの場合は、エキシマレーザやＹＡＧレーザレーザの波長に透明であるため、加工が難しい。パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを用いると、集光照射部で多光子吸収が起こり、透明な材料でも加工することができる。
【００２０】
例えば、レーザを発振波長が２５０ｎｍ前後でパルス幅が２０〜５０ｎｓのエキシマレーザとし、被加工物３をポリイミドとすると、レーザはワックス皮膜６を透過し、被加工物３の加工すべき面３１に達して吸収され、図１（Ｄ）に示すように、アブレーション加工する。すなわち、レーザが集光照射された部分の物質がバラバラになって飛散し、凹部３２が形成されると共に、飛散物質がワックス皮膜６を突き破って噴き出し、凹部３２周辺に付着する。
【００２１】
図１（Ｅ）に示すように、ワックス皮膜６を除去すると、ワックス皮膜６の表面に付着していたデブリも一緒に除去される。ワックス皮膜６の除去は、超音波洗浄で行うとよい。例えば、超音波洗浄漕に有機溶剤（アルコールやトルエンなど）入れ、その中にワックス皮膜６の付いた被加工物３を浸積させて超音波洗浄すると、短時間でワックス皮膜６を除去することができる。
【００２２】
パルス幅がｎｓ〜μｓオーダの短光パルスレーザ、あるいは連続発振レーザを用いるとレーザ照射領域周辺も高温になり、ワックス皮膜６の照射領域周辺も損傷され、デブリを受け止めることができない場合がある。それに対して、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを用いると、レーザ誘起破壊による断熱加工であるため、レーザ照射領域周辺の温度上昇がなく、ワックス皮膜６の照射領域周辺が損傷されることがなく、デブリを受け止めることができる。
【００２３】
また、ワックス皮膜６の膜厚が薄いと、どうしてもワックス皮膜６の加工部周辺が損傷されやすく、デブリを確実に受け止めることができない場合がある。しかし、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを用いると、集光照射部のみがレーザ誘起破壊加工されるので、図２に示すように保護膜６０を、用いるレーザに透明な材料で厚くすることができる。
【００２４】
図２はレーザＬにパルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを用いる場合のレーザ加工方法を説明するための被加工物の断面図である。例えば、図２（Ａ）の被加工物３は半導体シリコン基板であり、図２（Ｂ）の６０はワックス皮膜６に換えて形成されたシリコーン厚膜である。シリコーン厚膜６０は、例えば、屈折率が１．７のシリコングリースで、厚さは１ｍｍである。図２（Ｃ）のレーザＬは、例えばパルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザで、エルビウムドープ光ファイバを用いた発振波長が１．５６μｍのモードロックレーザである。図２（Ｃ）のようにシリコン基板３の表面３１にレーザＬを集光照射すると、図２（Ｄ）のように、多光子吸収によるレーザ誘起破壊が起こり断熱加工する。すなわち、レーザが集光照射された部分の物質がプラズマ化して蒸発され、凹部３２が形成されると共に、蒸発物質がシリコーン厚膜６０を突き破って噴き出し、凹部３２周辺に付着する。図２（Ｅ）に示すように、シリコーン厚膜６０を除去すると、シリコーン厚膜６０の表面に付着していたデブリも一緒に除去される。
【００２５】
上記のように、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを用いると、集光照射部のみがレーザ誘起破壊加工されるので、図２に示すように保護膜６０を、照射するレーザに透明な材料で厚くすることができ、デブリを確実に受け止めることができるだけでなく、次のような効果もある。光が屈折率の異なる界面に入射すると、反射が起こり、それが損失になるが、シリコン基板３の表面３１にシリコーン厚膜６０を形成することで、その損失を減らすことができる。すなわち、シリコン基板３の屈折率が３．４４であり、シリコーン厚膜６０がない場合の反射損失は｛（３．４４−１）／（３．４４＋１）｝2＝０．３０２となり、３０．２％にも及ぶ。一方、シリコン基板３に屈折率が１．７のシリコーン厚膜６０が形成されていると、反射損失は空気とシリコーン厚膜６０の界面６０１及び、シリコーン厚膜６０とシリコン基板３との界面３１で起き、それぞれ｛（１．７−１）／（１．７＋１）｝2＝０．０６７２、｛（３．４４−１．７）／（３．４４＋１．７）｝2＝０．１１４６となり、シリコン基板３に入射されるレーザの割合は（１−０．００６７２）（１−０．１１４６）＝０．８２５９となる。したがって、この場合１７．４％（＝１−０．８２５９）の反射損失にしかならない。つまり、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを用いると、集光照射部のみがレーザ誘起破壊加工されるので透明で屈折率の大きな材料でも反射損失を抑えて加工することができる。
【実施例１】
【００２６】
図３のレーザ加工装置を用いて、顕微鏡スライドガラスの溝掘り加工を行った。レーザ加工装置は、レーザＬを発生するレーザ発生器１と、レーザＬを集光点ｐに集光する集光レンズ２と、集光レンズ２で集光されたレーザＬが垂直（Ｚ軸）方向から入射される被加工物３が載置される載置台７と、載置台７をＺ軸方向と直交するＸ軸方向に移動させるＸ軸ステージ４１及びＺ軸方向に移動させるＺ軸ステージ４２からなる移動ステージ４と、レーザ発生器１からのレーザＬの出力、パルス幅、繰返し周波数、及び移動ステージ４の移動を制御する制御部５と、を備えている。
【００２７】
Ｚ軸方向は被加工物３の加工すべき表面３１と直交する方向なので、被加工物３にレーザＬを集光照射する集光レンズ２の焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ４２をＺ軸方向に移動させることにより被加工物３の表面３１或いは内部にレーザＬの集光径（照射断面積）を任意に設定することができる。
【００２８】
レーザ発生器１は、アイシン精機製フェムトライト（ＦＣＰＡ−Ｂ−２５０）で、このフェムトライトは、波長λが１．５６μｍ、パルス幅が１ｐｓ、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの超短パルスレーザを発生する。
【００２９】
図３の加工対象物３として厚さ１．８ｍｍのスライドガラス板を用い、その加工すべき表面３１に固形ワックス（ＳＯＦＴ９９製ソフト９９激防水パール＆メタリック）を塗布してワックス皮膜６を形成して裁置台７の上にセットした。集光レンズ２に顕微鏡対物レンズ×５０（オリンパス製）を用い、Z軸ステージ４２を制御部５で上下させ、集光点をスライドガラス板３の表面３１に設定し、集光点のスポット径を３．４６μｍにした。そして、制御部５でレーザ発生器１を制御してパルスエネルギ１．５μＪ、繰り返し周波数３４５ＫＨｚの超短光パルスレーザを発生させてフルーエンス５．１Ｊ／ｃｍ2にし、制御部５でＸ軸ステージを０．５ｍｍ／ｓのスピードで移動させて溝掘り加工を行った。
【００３０】
溝掘り加工後のスライドガラス３をアルコール中で超音波洗浄してワックス皮膜６を除去し、顕微鏡観察を行った。図４はその顕微鏡写真である。これから、溝周辺にデブリが全くないことが確認された。
【００３１】
（比較例１）
実施例１において、スライドガラス３にワックス皮膜６を形成しないスライドガラス３を用いた以外は同一条件で溝掘り加工を行った。溝掘り加工後のスライドガラス３をアルコール中で超音波洗浄して顕微鏡観察を行った結果が図５である。これから、溝周辺にデブリが観察され、ワックス皮膜がないと、デブリが除去されないことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の最良の実施形態によるレーザ加工方法を説明するための被加工物の断面図である。
【図２】パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを用いる場合のレーザ加工方法を説明するための被加工物の断面図である。
【図３】本発明のレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の概略構成図である。
【図４】実施例１でレーザ加工されたスライドガラスの顕微鏡写真である。
【図５】比較例１でレーザ加工されたスライドガラスの顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・・・・・・レーザ発生器
２・・・・・・・・集光レンズ
３・・・・・・・・被加工物
５・・・・・・・・制御部
６・・・・・・・・ワックス皮膜
７・・・・・・・・載置台
３１・・・・・・・被加工物の加工すべき表面
４１・・・・・・・X軸ステージ
４２・・・・・・・Y軸ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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