(57)【要約】      （修正有）【課題】複雑な表面形状を有する被加工物に対しても容易にかつ安価な設備でレーザ加工を施すようにすることができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工法において、レーザビームの集光位置３近傍の光強度分布４を、レーザパルスエネルギもしくは集光レンズの開口数の制御により被加工物２の表面形状に沿って制御することで、被加工物２の表面形状に沿ったレーザ加工を行う。【選択図】図１
2006320938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工方法において、
前記レーザビームの集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
レーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工方法において、
前記レーザビームを多点に分岐して多数の集光位置を有するレーザビームとし、これら多数の集光位置を有するレーザビームの集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のレーザ加工方法において、
前記被加工物の表面形状に沿った光強度分布を得るためのシミュレーションを行い、このシミュレーションに基づいて前記レーザビームの集光位置近傍の光強度分布を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、該レーザビームのパルス幅を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、該レーザビームのパルスエネルギ分布を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項６】
請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、該レーザビームの開口数を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項７】
レーザ発振器からのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工装置において、
前記レーザビームの集光位置近傍の光強度分布データを測定する光強度分布測定手段と、
前記被加工物の表面形状を測定する形状測定手段と、
この形状測定手段により測定された表面形状のレーザ加工に必要な光強度分布をシミュレートするシミュレート手段と、
前記光強度分布測定手段により測定される光強度分布データが前記シミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致するように前記レーザビームを制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項７記載のレーザ加工装置において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、
前記制御手段は、前記レーザビームのパルス幅を制御することによって前記光強度分布測定手段により測定される光強度分布データが前記シミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致させることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項７記載のレーザ加工装置において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、
前記制御手段は、前記レーザビームのパルスエネルギ分布を制御することによって前記光強度分布測定手段により測定される光強度分布データが前記シミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致させることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１０】
請求項７記載のレーザ加工装置において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、
前記制御手段は、前記レーザビームの開口数を制御することによって前記光強度分布測定手段により測定される光強度分布データが前記シミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致させることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば超短パルスレーザのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば超短パルスレーザのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施す場合、従来は、レーザビームの集光点近傍でのみ加工が行われていた。このため、図８の原理図に示すように、被加工物２の表面が球面や自由曲面のように複雑形状を有する場合でも、集光レンズ１で集光されたレーザビームの集光位置３と被加工物２の表面との相対距離を一定に保つ必要があった。
【０００３】
そこで従来、加工光学系と測定光学系とを同軸で構成し、測定光学系によって測定された被加工物２の表面形状変位量に基づき加工光学系の集光位置を制御することによって、レーザビームの集光位置３と被加工物２の表面との相対距離を一定に保つレーザ加工技術が知られていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、超短パルスレーザを用いたレーザ加工技術として、分岐された複数のレーザビームを被加工物の表面に一括照射することによりレーザ加工を施す技術がある（例えば、特許文献２参照）
【特許文献１】特開２００４−１８８４２２号公報
【特許文献２】特開２００１−２３６００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、レーザビームの集光位置３と被加工物２の表面との相対距離を一定に保つようにした従来のレーザ加工技術にあっては、この相対距離を一定に保つために被加工物２若しくは集光レンズ１の高い位置決め精度や高分解能が必要で、特に、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）が高い集光レンズ１を用いた場合には数１０ｎｍの分解能や位置決精度が必要であり、複雑な制御が要求される上、高価な設備が必要とされるという問題があった。
【０００６】
また、分岐された複数のレーザビームを被加工物の表面に一括照射するレーザ加工技術は、シングルポイントの加工よりも加工時間を短縮できる利点があるものの、同一焦点位置でのみ干渉パターンが得られるため、平面にしかレーザ加工を施すことができず、複雑な表面形状を有する被加工物２のレーザ加工には適さなかった。
【０００７】
本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、複雑な表面形状を有する被加工物に対しても容易にかつ安価な設備でレーザ加工を施すことができるレーザ加工方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、レーザビームの集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御するものである。
【０００９】
また、レーザビームを多点に分岐して多数の集光位置を有するレーザビームとし、これら多数の集光位置を有するレーザビームの集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御するものであってもよい。
【００１０】
このものにおいて、被加工物の表面形状に沿った光強度分布を得るためのシミュレーションを行い、このシミュレーションに基づいてレーザビームの集光位置近傍の光強度分布を制御することが望ましい。
【００１１】
レーザビームは、例えば超短パルスレーザのレーザビームであり、該レーザビームのパルス幅を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御することが考えられる。
【００１２】
また、レーザビームのパルスエネルギ分布を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御することも考えられる。
【００１３】
さらに、レーザビームの開口数を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御することも考えられる。
【００１４】
また本発明は、レーザ発振器からのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工装置において、レーザビームの集光位置近傍の光強度分布データを測定する光強度分布測定手段と、被加工物の表面形状を測定する形状測定手段と、この形状測定手段により測定された表面形状のレーザ加工に必要な光強度分布をシミュレートするシミュレート手段と、光強度分布測定手段により測定される光強度分布データがシミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致するようにレーザビームを制御する制御手段とを備えたものである。
【００１５】
例えば超短パルスレーザのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施す場合、従来は、レーザビームの集光点近傍でのみ加工が行われていたが、本発明では、レーザビームの光強度分布における光強度の加工しきい値によって光軸方向の加工位置が決定されることに着眼した。図１にその原理図を示す。図示するように、集光レンズ１と被加工物２との光軸方向相対距離、つまりは集光位置３と被加工物２との光軸方向相対距離を一定としても、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布４を制御することによって、光強度の加工しきい値（光強度分布４の最外周の実線で示される）が光軸方向に変化する。そこで、被加工物２の表面形状に沿って光強度の加工しきい値が変化するように光強度分布４を制御することによって、複雑形状を有する被加工物２の表面に対しても容易にレーザ加工を行うことができる。
【００１６】
また、レーザビームを多点に分岐して多数の集光位置を有するレーザビームとした場合でも、各レーザビームの光強度の加工しきい値が被加工物２の表面形状に沿うように各レーザビームの集光位置近傍の光強度分布４を制御することによって、複雑形状を有する被加工物２の表面に対しても面一括照射によるレーザ加工が可能となり、高スループット化が得られる。
【００１７】
また、光強度の加工しきい値が被加工物の表面形状に沿うようにするための光強度分布のシミュレーションを行い、このシミュレーションに基づいてレーザビーム集光位置近傍の光強度分布を制御することによって、様々な複雑形状を有する被加工物に対しても容易にレーザ加工を行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複雑な表面形状を有する被加工物に対しても容易にかつ安価な設備でレーザ加工を施すことができるレーザ加工方法を提供できる。  
また、複雑な表面形状を有する被加工物に対しても容易にレーザ加工を施すことができる安価なレーザ加工装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
はじめに、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御するレーザ加工方法に対応した第１の実施の形態について、図２〜図４を用いて説明する。
【００２０】
図２は本実施の形態に関わるレーザ加工装置の構成図である。同図において、符号５はレーザ発振器であり、パルスの繰り返し周波数が１KHz、レーザ波長が８００nm、パルス幅が１５０fsの超短パルスレーザが発振出力される。なお、超短パルスレーザは、パルス幅１０fs〜１００ps程度が望ましく、繰り返し周波数は１Hz〜１０MHz程度が望ましい。また、超短パルスレーザの波長は材料の吸収波長に依存せず、限定されるものではないが、吸収の必要エネルギを鑑みて、１００nm〜２０００nm程度の波長を利用することが望ましい。
【００２１】
本レーザ加工装置は、レーザ発振器５から発振出力された超短パルスレーザが、パルス幅制御機能部６，ビーム径制御機能部７，パルスエネルギ制御機能部８を通り、集光レンズ１により被加工物２に集光されるようになっている。
【００２２】
因みに、パルス幅制御機能部６としては、分散ミラー，回折格子対，プリズム対等がある。ビーム径制御機能部７としては、コリメータ等がある。パルスエネルギ制御機能部８としては、ＮＤフィルタ，酸化多層膜フィルタ，位相板，ＤＯＥ，デフォーマブルミラー等がある。
【００２３】
被加工物２は、金属，ウェハ，ガラス，結晶材料，生体材料，樹脂材料等であり、加工ステージ９の上に置かれている。加工ステージ９は、制御部としてのパーソナルコンピュータ（以下、パソコンと略称する）１０によってその駆動が制御される。レーザ加工時、加工ステージ９の駆動によってレーザビームのスキャニングが行われる。また、集光レンズ１と被加工物２との光軸方向の大まかな相対距離も、加工ステージ９によって調整される。
【００２４】
また、本レーザ加工装置は、パルスエネルギ制御機能部８を経た超短パルスレーザの光強度分布が光強度分布測定器１１によって測定されるようになっている。光強度分布測定器１１としては、ナイフエッジやＣＣＤによるビームプロファイラ等がある。この光強度分布測定器１１によって測定された光強度分布のデータは、前記パソコン１０でモニタされ、各制御機能部６，７，８にフィードバックされて、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布が被加工物２の表面形状に沿って制御される。
【００２５】
すなわち、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布を制御する手法として、パルス幅制御機能部６によりパルス幅を制御する手法と、パルスエネルギ制御機能部８によりパルスエネルギ分布を制御する手法と、ビーム径制御機能部７と集光レンズ１とによりレーザビームの開口数（ＮＡ）を制御する手法とがある。本実施の形態では、いずれか１つの手法或いは複数の手法の組み合わせによって、図３に示すように、被加工物２の表面と集光位置３との光軸方向相対距離の長短に拘らず光強度の加工しきい値１１が被加工物２の表面形状に沿うように、若しくは表面を越えるように半径方向の光強度分布１３が制御される。
【００２６】
このように本実施の形態は、超短パルスレーザによるレーザビームの集光位置近傍の光強度分布に依存してレーザ加工を施すものである。すなわち、レーザビームの光軸方向の光強度を加工しきい値１１を超える強度に制御することによって、集光位置３より離れた領域であっても被加工物２に対してレーザ加工を施すことができる。
【００２７】
図５は、同一のアブレーション加工痕を得るための被加工物２と集光位置３との相対距離μｍ（横軸）と、パルスエネルギの増加量μＪ（縦軸）との関係を示したグラフである。集光レンズ１の開口数（ＮＡ）は０．４６とした。図からわかるように、被加工物２と集光位置３との相対距離が長くなっても、パルスエネルギを増加させることで光強度分布４を制御することによって、同一加工痕で加工を施すことができる。
【００２８】
このように本実施の形態によれば、複雑な表面形状を有する被加工物２に対しても、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布を制御することにより、被加工物２の表面形状に沿ってレーザ加工を行うことができる。したがって、被加工物２若しくは集光レンズ１の高い位置決め精度や高分解能が要求されないので、容易にかつ安価な設備でレーザ加工を行うことができる。
【００２９】
なお、本実施の形態のレーザ加工方法は、材料表面のアブレーションだけでなく、表面改質や表面近傍の内部改質などの超短パルスレーザを用いたレーザ加工全般に利用されるものである。
【００３０】
［第２の実施の形態］
次に、レーザビームを多点に分岐して多数の集光位置を有するレーザビームとし、これら多数の集光位置を有するレーザビームの各集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御するレーザ加工方法に対応した第２の実施の形態について、図５〜図６を用いて説明する。
【００３１】
図５は本実施の形態に関わるレーザ加工装置の構成図である。なお、第１の実施の形態を示す図２と共通する部分には同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００３２】
この第２の実施の形態においては、レーザ発振器５から発振出力され、パルス幅制御機能部６，ビーム径制御機能部７，パルスエネルギ制御機能部８を通って光強度分布が被加工物２の表面形状に沿って制御されるレーザビームが、多点分割機能部１２で多数のビームに分割された後、集光レンズ１を通って被加工物２に照射されるようになっている。多点分割機能部１２としては、マスク，回折格子，マイクロレンズアレイ，位相板，ＤＯＥ，ホモジナイザ等がある。また、干渉露光等によるビームパターンを利用して多点集光位置を作成してもよい。
【００３３】
図６（ａ）は、多数に分割されたレーザビームにより凹面形状を有する被加工物２の表面を加工する場合の原理図であり、同図（ｂ）は、Ｓ部の拡大図である。因みに、光強度分布制御にパルスエネルギ制御機能部８を使用し、多点分割機能部１２にマスクを使用している。
【００３４】
図示するように、多点分割機能部１２で分割された複数のレーザビームの光強度加工しきい値１１が、ガウス分布に制御された半径方向の光強度分布１３により、被加工物２の表面である凹面形状に沿うように照射されて、レーザ加工が施される。
【００３５】
このように本実施の形態によれば、凹面形状のような複雑形状を有する被加工物２の表面に対しても面一括照射によるレーザ加工が可能となるので、シングルポイントの加工よりも加工時間を短縮でき、高スループット化を得られるようになる。
【００３６】
なお、被加工物２の表面形状が凸面形状を有している場合には、分割する前のレーザビームをガウス分布とは逆の分布に制御することにより、多点一括照射によるレーザ加工が可能になる。また、自由な形状を有する被加工物２の場合は、デフォーマブルミラー等を用いて所望の光強度分布に制御すればよい。
【００３７】
また、本実施の形態では、光強度分布を制御してから多数分割を行ったが、多数分割後に各ビーム毎に光強度分布を制御するようにしてもよい。
【００３８】
また、本実施の形態のレーザ加工方法も、材料表面のアブレーションだけでなく、表面改質や表面近傍の内部改質などの超短パルスレーザを用いたレーザ加工全般に利用されるものである。
【００３９】
［第３の実施の形態］
次に、被加工物の表面形状に沿った光強度分布を得るためのシミュレーションを行い、このシミュレーションに基づいて前記レーザビームの集光位置近傍の光強度分布を制御するレーザ加工方法に対応した第３の実施の形態について、図７を用いて説明する。
【００４０】
図７は本実施の形態に関わるレーザ加工装置の構成図である。なお、第１及び第２の実施の形態を示す図２及び図５と共通する部分には同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４１】
この第３の実施の形態においては、被加工物２の表面形状を測定する形状測定手段として表面形状測定器１４を有している。表面形状測定器１４としては、接触式の表面形状計測器の他、干渉計や原子間力顕微鏡等がある。表面形状測定器１４によって測定された表面形状データは、パソコン１０に与えられる。パソコン１０には、光強度分布測定手段としての光強度分布測定器１１にて測定された光強度分布のデータも与えられている。
【００４２】
パソコン１０では、表面形状測定器１４によって測定された表面形状データにより、該表面形状のレーザ加工に必要な光強度分布がシミュレートされる（シミュレート手段）。そして、光強度分布測定器１１にて測定される光強度分布のデータがシミュレートされた光強度分布に一致するように、パルス幅制御機能部６，ビーム径制御機能部７またはパルスエネルギ制御機能部８のいずれか１つまたは複数が制御される（制御手段）。
【００４３】
かかる手段を有したレーザ加工装置においては、表面形状測定器１４で計測された表面形状の変位量により、集光レンズ１と被加工物２との光軸方向相対距離が求められる。そして、この相対距離に対応した光強度分布４に制御される。
【００４４】
光強度分布４は、シミュレーションにより求められる。例えば半径方向の光強度分布１３をガウス分布とし、開口数（ＭＡ）を制御することによって光強度分布４を制御する場合、ガウス分布を集光した場合の光軸方向の光強度分布は、次のように算出される。
【００４５】
先ず、集光レンズ１の開口数（ＭＡ）をＱとし、レーザ波長をλとすると、スポット径Ｗ０は（１）式で表される。
【００４６】
Ｗ０＝２λ／π・Ｑ      …（１）
次に、レイリー長Ｚｒをｋ・Ｗ０２／２（ｋは波長ベクトル）とすると、光軸ｚ上でのガウスビーム半径Ｗ（ｚ）は、（２）式で表される。
【００４７】
Ｗ２（ｚ）＝Ｗ０２（１＋Ｚ２／Ｚｒ２）    …（２）
したがって、集光ビームの光強度分布は、（３）式で表される。
【００４８】
Ｉ＝｛１／（１＋Ｚ２／Ｚｒ２）｝・exp[{-2(X2+Y2)}/W2(z)]    …（３）
そこで、（３）式にしたがって光強度分布４をシミュレーションすることにより、集光レンズ１と被加工物２との光軸方向相対距離と等光強度線が求められるので、光強度の加工しきい値を示す等光強度線の位置が集光レンズ１と被加工物２との光軸方向相対距離と等しく、若しくは超えるように集光レンズ１の開口数（ＭＡ）を制御することによって、複雑形状を有する被加工物２の表面若しくはその近傍に沿ったレーザ加工が可能となる。
【００４９】
このように本実施の形態によれば、表面形状測定機能とシミュレーション機能とを組み合わせることによって、いかなる表面形状を有する被加工物２に対しても高精度にレーザ加工を施すことができる。
【００５０】
なお、前記各実施の形態では超短パルスレーザのレーザビームでレーザ加工を行う場合を示したが、レーザビームの光源は超短パルスレーザに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明のレーザ加工方法の原理説明に用いる模式図。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるレーザ加工装置の要部構成を示す模式図。
【図３】同第１の実施の形態におけるレーザ加工方法の原理説明に用いる模式図。
【図４】同第１の実施の形態において、同一のアブレーション加工痕を得るための被加工物と集光位置との相対距離と、パルスエネルギの増加量との関係を示したグラフ。
【図５】本発明の第２の実施の形態におけるレーザ加工装置の要部構成を示す模式図。
【図６】同第２の実施の形態におけるレーザ加工方法の原理説明に用いる模式図。
【図７】本発明の第３の実施の形態におけるレーザ加工装置の要部構成を示す模式図。
【図８】従来例の原理説明に用いる模式図。
【符号の説明】
【００５２】
１…集光レンズ、２…被加工物、３…集光位置、４…光強度分布、５…レーザ発振器、６…パルス幅制御機能部、７…ビーム径制御機能部、８…パルスエネルギ制御機能部、９…加工ステージ、１０…パソコン、１１…光強度分布測定器、１２…多点分割機能部、１３…半径方向の光強度分布、１４…表面形状測定器。
【図１】
2006320938.tif 000003
【図２】
2006320938.tif 000004
【図３】
2006320938.tif 000005
【図４】
2006320938.tif 000006
【図５】
2006320938.tif 000007
【図６】
2006320938.tif 000008
【図７】
2006320938.tif 000009
【図８】
2006320938.tif 000010