(57)【要約】【課題】レーザ出力を低減しつつ広範囲に付着したデブリを除去可能なレーザ加工装置、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を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置は、被加工物４をアブレーション加工するためのレーザ加工用ビーム５１と、前記アブレーション加工によって生じるデブリ１０２を除去するためのデブリ除去用ビーム５２とを発振する発振装置１と、前記被加工物４を保持するための保持装置３とを備え、前記レーザ加工用ビーム５１は、前記保持装置３に保持された前記被加工物４に照射され、前記デブリ除去用ビーム５２は、前記被加工物４の前記レーザ加工用ビーム５１の照射位置又は該照射位置の近傍に照射され、前記デブリ除去用ビーム５２の前記被加工物における照射形状は線状である。【選択図】図１
2015020195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３０５６４６号公報
【特許文献２】特許第３０５２２２６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は、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り、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る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。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、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。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、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５２の照射形状を説明するための図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る実施例で形成した加工溝の上面画像である。
【図７】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。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、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。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、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。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１（ａ）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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
次に、図２（ａ）〜（ｄ）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２（ａ）、（ｂ）においては、図１（ａ）に示された反射ミラー２１の図示を省略している。
【００２２】
図２（ａ）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。矢印はビームの入射方向を示している。図２（ｃ）は、図２（ａ）に示されたビーム整形分割部１３から発振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。矢印（図の上方向）は各ビーム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２（ｃ））。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。
【００２３】
図２（ａ）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２（ｂ）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２（ｄ））。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。
【００２４】
次に、図１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１（ｂ）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。
【００２５】
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。
【００２６】
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）。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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３（ａ）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３（ａ）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３（ｂ））、コの字形（図３（ｃ））、その他直線と曲線を組合せた線（図３（ｄ））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３（ｅ））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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
図６（ａ）は、レーザ加工用ビーム５１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。
【００３６】
（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。
【００３７】
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。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図８（ａ）、（ｂ）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８（ａ）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８（ｂ）では、デブリ除去用ビーム５２の照射形状は直線状である。（ａ）、（ｂ）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８（ｂ）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８（ａ）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。
【００４２】
図９（ａ）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９（ａ）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。
【００４３】
また、図９（ｂ）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９（ｂ）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。
【００４４】
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。
【００４５】
（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（ａ）、（ｂ）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）が走査方向であり、一定距離の走査を行なって加工溝１０１を形成した。図１０（ａ）においては、同時にデブリ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（ａ））、デブリ除去用ビーム５２を照射していない場合（図１０（ｂ））と比較してデブリ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（画像ではラインビーム５２の下側）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（ａ）、（ｂ）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（ａ）では操作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。
【００４６】
（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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【図１】
2015020195.tif 000003
【図２】
2015020195.tif 000004
【図３】
2015020195.tif 000005
【図４】
2015020195.tif 000006
【図５】
2015020195.tif 000007
【図６】
2015020195.tif 000008
【図７】
2015020195.tif 000009
【図８】
2015020195.tif 000010
【図９】
2015020195.tif 000011
【図１０】
2015020195.tif 000012
【図１１】
2015020195.tif 000013
【図１２】
2015020195.tif 000014