(57)【要約】【課題】特別の工程を付加することなく、特別の装置を用いることなく、デブリスの付着を防止する。【解決手段】連続発振のレーザ光源１から出射され、整形光学系２において、必要に応じてビーム径の拡大、ビーム内エネルギー分布の整形の行われたレーザビーム３は、テーブル６上の被加工物５上に照射される。テーブル６を連続的に移動させることにより、又は、レーザビーム３の光路中に配置された光路可変偏向手段（図示なし）を用いてビーム偏向を行うことにより、レーザビーム３のスポット４を被加工物５上を連続的に移動させてアブレーションを行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源から出射されるレーザビームを用いて被加工物に対してアブレーション加工を行うレーザ加工方法において、レーザ光源が連続発振して連続光を出射するものでありかつレーザ光源の出射口でのパワー密度（輝度）が１０ｋＷ／ｃｍ２以上であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
レーザ光源から出射されるレーザビームを用いて被加工物に対してアブレーション加工を行うレーザ加工方法において、レーザ光源が連続発振して連続光を出射するものでありかつレーザビームの被加工物上でのスポットのパワー密度が１００ＭＷ／ｃｍ２以上であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】
被加工物上に形成されるスポットの直径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
被加工物上に形成されるスポットを、被加工物上で移動させながらアブレーション加工を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
被加工物が無機材料であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
レーザ光源と、レーザ光源から出射されるレーザビームを整形し被加工物上でスポットを形成する光学系と、被加工物を保持するテーブルとを備え、レーザビームにより被加工物に対してアブレーション加工を行うレーザ加工装置において、レーザ光源が連続発振して連続光を出射するものでありかつレーザ光源の出射口でのパワー密度（輝度）が１０ｋＷ／ｃｍ２以上であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
前記テーブルは、互いに直行する３方向に移動が可能であり直行する２軸を中心として回転が可能であることの全てまたはその一部を実現できるものであることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
レーザビームの光路中に、レーザビームを偏向させる光路可変偏向手段が配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記レーザ光源が固体レーザであることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源がファイバレーザであることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いたアブレーション加工の方法と装置に関し、さらに詳しくは、アブレーション加工に付随して発生するデブリスの付着を防止するレーザ加工方法とレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光は、エネルギー密度やパワー密度の高いビームとして利用することができる。加工する材料に依存するが、レーザ照射により材料表面にピークパワー密度で数百ＭＷ／ｃｍ２の吸収が生じると、アブレーションと呼ばれる現象が生じ、材料表面の除去加工を行うことができる。このレーザ光を用いたアブレーション加工は、金属、半導体、セラミックス、ガラス等、幅広い材料に適用できる有用な加工技術である。
しかしながら、アブレーション加工により、加工領域およびその周辺表面にデブリスと呼ばれる飛散物が付着するので、所望の加工精度が得られなかったり外観不良が発生したりすることがある。従来は、レーザを用いたアブレーション加工の前後に若しくは加工中に、特別の工程を付加することによりデブリスの除去を行ってきた。
【０００３】
例えば、特許文献１には、アブレーション加工後にアブレーション加工に用いたエネルギー密度よりも低い第二のレーザビームを用いてクリーニング処理する加工方法が開示されている。また、特許文献２には、加工材料表面に前もって有機薄膜を形成しておき、また特許文献３には、加工材料表面に液体層を形成しておき、有機薄膜あるいは液体層越しにアブレーション加工を行った後に有機薄膜あるいは液体を除去することによる、デブリスの付着防止方法が開示されている。
【０００４】
さらに、特許文献４には、順次レーザビームと材料の相対位置を変化させて材料表面のアブレーション加工を行った後、先と同じエネルギー密度のビームを用いて、レーザビームと材料の相対位置を先よりは早く変化させて加工領域およびその周辺に付着するデブリスをクリーニングする方法が開示されている。また、特許文献５には、中心部がアブレーションを生じさせるエネルギー密度であり、その周辺部がデブリスのクリーニング処理に適したエネルギー密度のとなるような、エネルギー分布を持つレーザビームを用い、アブレーション加工とクリーニング処理を同時に行なう加工方法が開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献６には、真空容器内の反応性ガス雰囲気中でアブレーション加工を行うことにより、発生したデブリスを反応性ガスと反応させてガス化し消滅させる加工方法が開示されている。また、特許文献７には、アブレーション加工に臨んだ位置に真空吸引装置のノズルを設置し、アブレーションで生じたデブリスを吸引して除去する方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−３３９７８４号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】
特開平８−１８７５８８号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】
特開平９−１４１４８０号公報（第２、第３頁、図１）
【特許文献４】
特開２００２−２４８５８９号公報（第３頁、図２）
【特許文献５】
特開平８−１３５７号公報（第３頁、図１〜図３）
【特許文献６】
特開平７−９１８２号公報（第２、第３頁、図１）
【特許文献７】
特開平８−３１８３９０号公報（第４頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１ないし４にて開示されている方法はいずれもが、アブレーション加工のほかに別の工程を必要としており、全体として加工に長い時間を必要としまた装置に特別な機能を付加する必要もある場合がありコスト高となる。
【０００８】
一方、特許文献５に開示されている方法では、所望のエネルギー分布を得るために特別なビーム整形光学系が、特許文献６に開示されている方法では、真空装置や反応性ガスの導入・排出・処理装置が、また、特許文献７に開示されている方法では真空吸引装置が必要となるので、装置が複雑になる。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、特別の工程を必要とせず、また複雑な装置を必要としない、デブリスの付着を防止する、レーザ光を用いたアブレーション加工方法およびその装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、レーザ光源から出射されるレーザビームを用いて被加工物に対してアブレーション加工を行うレーザ加工方法において、レーザ光源が連続発振して連続光を出射するものでありかつレーザ光源の出射口でのパワー密度（輝度）が１０ｋＷ／ｃｍ２以上であることを特徴とするレーザ加工方法、が提供される。
【００１０】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、レーザ光源から出射されるレーザビームを用いて被加工物に対してアブレーション加工を行うレーザ加工方法において、レーザ光源が連続発振して連続光を出射するものでありかつレーザビームの被加工物上でのスポットのパワー密度が１００ＭＷ／ｃｍ２以上であることを特徴とするレーザ加工方法、が提供される。
【００１１】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、レーザ光源と、レーザ光源から出射されるレーザビームを整形し被加工物上でスポットを形成する光学系と、被加工物を保持するテーブルとを備え、レーザビームにより被加工物に対してアブレーション加工を行うレーザ加工装置において、レーザ光源が連続発振して連続光を出射するものでありかつレーザ光源の出射口でのパワー密度（輝度）が１０ｋＷ／ｃｍ２以上であることを特徴とするレーザ加工装置、が提供される。
【００１２】
［作用］
通常、アブレーション加工には、アブレーションを生じさせるに必要な吸収のピークパワー密度である数百ＭＷ／ｃｍ２を実現するために、数から百ｎｓ程度のパルス幅のパルスレーザが用いられている。パルスレーザを用いた場合のアブレーションを生じさせるに必要な１パルス当りのエネルギー密度は、０．数から十数Ｊ／ｃｍ２である。このような高エネルギー密度あるいは高パワー密度の吸収により、材料表面は瞬時に高温に達し、材料表面の物質が飛散するとともに、高温のプラズマプルームが生成される。高温のプラズマプルームはパルス持続時間の間、雰囲気ガスを押しのけて成長し、その体積を増す。
【００１３】
パルスレーザを用いたアブレーションの場合、パルス持続時間が終わった後は、材料表面およびプラズマプルームへのエネルギー供給が停止され、プルームは冷却され、プルーム体積が収縮する。プルームの体積収縮により生じた密度空洞を埋めるために、周囲から雰囲気ガスが流入し、この雰囲気ガスの流れによってデブリスは材料表面に高速で衝突し、付着する。
本発明者らは、上述のレーザを用いたアブレーション加工におけるデブリス付着メカニズムを鋭意検討し、高温プラズマプルームを継続・維持させることで、密度空洞の発生を原因とするデブリスの付着を防止できることを見出し、本発明に至った。本発明によれば、レーザ光源として連続波を用いてアブレーション加工を行うので、アブレーション加工に伴って発生する高温プラズマプルームが断続することなく継続・維持されることとなり、密度空洞が発生せず、従って密度空洞発生を原因とするデブリスの付着を防止できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、レーザアブレーション加工に用いられるレーザ加工装置の、本発明の１実施の形態を示す概略図である。ファイバレーザなどの連続発振するレーザ光源１から出射されたレーザビーム３は、必要に応じてビーム径の拡大、ビーム内のエネルギー分布の整形などや、被加工物５表面でアブレーションを生じさせるのに必要なパワー密度が被加工物５上の直径１００μｍよりも小さいスポット４内で得られるように適切な集光を整形光学系２で行われた後、テーブル６上の被加工物５に照射される。
【００１５】
被加工物５が金属、半導体、セラミックス、ガラス等の無機材料であるとき表面でアブレーションが生じるに必要な被加工物表面でのビームスポットのパワー密度は１００ＭＷ／ｃｍ２以上である。一般に高出力レーザはコヒーレンスが低く、集光素子を用いても細く絞ることが困難である。種々の光学素子を組み合わせて集光させたとして、高出力レーザの集光ビームスポット直径はレーザ光源の出射口直径の約１／１００、集光ビームスポット面積ではレーザ光源の出射口面積の約１／１００００までが、工業的に利用できる範囲と考えられる。従って、アブレーションを生じさせるパワー密度をスポット４内で実現するためには、レーザ光源はその出射口で少なくとも１０ｋＷ／ｃｍ２のパワー密度を持つ必要がある。
スポット４の直径は、所望のパワ−密度がスポット４内で得られるのであれば、最大１００μｍまでの直径を有してよい。スポット１２の直径が１００μｍを越えると、熱拡散が緩慢になるため、加工点近傍の温度上昇が顕著となり、熱影響が深刻となるため好ましくない。
【００１６】
なお、出射口で１０ｋＷ／ｃｍ２を越えるパワー密度を持つならば、レーザ光源としてＡｒイオンなどのガスレーザやＮｄ：ＹＡＧなどの固体レーザおよびこれらの高調波を発生させる光源など連続発振のレーザを用いてもよい。
テーブル６は、テーブル６上の被加工物５に照射されるレーザビームのスポット４が、被加工物５上を連続的に移動できるように、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動できるＸ、Ｙ、Ｚステージおよび、Ｚ軸と平行および垂直な軸を中心に回転可能なθ、φステージから、あるいはこれらのステージの幾つかから構成される。
【００１７】
レーザビームスポット４と、被加工物５の相対位置を連続的に変化させる手段は、テーブル６が可動であることに限定されない。同様の作用が得られるのであれば、レーザ光源１が連続的に空間を移動できる手段を有していてもよいし、あるいはレーザ光源１から被加工物５に至るレーザビーム３の光路中にガルバノミラーなどの光路可変偏向素子を設置してもよい。
被加工物５上のスポット４内におけるパワー密度がある閾値を越えると、被加工物５表面でアブレーションが生じ、被加工物５の表面が削られる。
【００１８】
【実施例】
実施例で加工される被加工物５は炭素鋼（ＳＰＣＣ）である。パルス発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（発振波長１０６４ｎｍ、パルス幅９ｎｓ）を用いた場合、スポット４内におけるエネルギー密度が５Ｊ／ｃｍ２（ピークパワー密度約０．５６ＧＷ／ｃｍ２）のとき、１パルス当り約０．０１μｍの深さまで削られることが知られている。また、炭素鋼（ＳＰＣＣ）のアブレーションが生じる閾値は、エネルギー密度でおおよそ１Ｊ／ｃｍ２（ピークパワー密度約０．１１ＧＷ／ｃｍ２）である。
【００１９】
光を直径１００μｍを下回るような微小なスポットに集光した場合、一般的にスポット内の強度分布は同心円状になり、同心円の中心からの距離をｒとして、ｒを変数とする正規分布で近似的に表すことができる。
スポット４の半径ｒ０［ｃｍ］を、正規分布のピークの１／ｅ２となる点間の最大値で表すこととする。レーザ光源１の出力をｐ［Ｗ］とするとき、スポット４内のパワー密度分布Ｐ（ｒ）［Ｗ／ｃｍ２］は、次式で近似的に表される。
Ｐ（ｒ）＝｛２ｐ／（πｒ０２）｝ｅｘｐ（−２ｒ２／ｒ０２）
また、あるパワー密度Ｐ［Ｗ／ｃｍ２］となる半径ｒ［ｃｍ］は、次式で近似的に表される。
ｒ＝（ｒ０／２１／２）｛ｌｎ［２ｐ／（πｒ０２Ｐ）］｝１／２
【００２０】
次に、図２を参照して、本発明の実施例による加工方法について説明する。レーザ光源として、発振波長１０６４ｎｍ、最大出力１５０Ｗ、出射口での最大エネルギー密度７．６ＭＷ／ｃｍ２の連続発振ファイバレーザを用いた。この光源からの出力は、整形光学系２により、被加工物５上でのスポット４の直径が５μｍ、スポット４内における平均パワー密度が０．２８ＧＷ／ｃｍ２となるように調整される。
このとき、スポット中心から半径約３５ｎｍ（直径約７０ｎｍ）内では、パワー密度が０．５６ＧＷ／ｃｍ２を越えており、またスポット中心から半径約２．３μｍ（直径約４．６μｍ）内では、パワー密度が０．１１ＧＷ／ｃｍ２を越えている。
【００２１】
レーザ光源１とテーブル６の間のレーザビーム３の光路中にガルバノミラー（図示されない）が設置され、被加工物５上を、スポット４が線速度約１ｍ／ｓで被加工物５上を移動するように調節される。ガルバノミラーは、コンピュータ（図示されない）制御されており、被加工物５上のスポット４が、図示されたように、ラスタースキャンによる面走査を行なう。
被加工物５上のスポット４の移動速度は１ｍ／ｓに限定されることはなく、所望のアブレーション加工が得られるように、スポット４内のパワー密度分布を勘案して適宜選択されてよい。また、スポットの移動は、任意の曲線に沿った移動が可能であり、任意のパターンを描かせることが可能である。
【００２２】
被加工物５である炭素鋼（ＳＰＣＣ）の表面をスポット４が移動することによって、アブレ−ション加工が行われる。加工中、高温プラズマプルームは継続して維持され、スポット４の移動に追随して被加工物５である炭素鋼（ＳＰＣＣ）の表面を移動する。従って、密度空洞は発生せず、これを原因とするデブリスの付着は防止される。アブレーション加工の削り取り深さは、スポット４の直径およびパワー密度分布、移動速度の組合せによって調節可能であるし、また複数回スポット４の移動をなぞるようにしてアブレーション加工を繰り返すことによっても可能である。
【００２３】
以上好ましい実施の形態、実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、移動・回転可能なテーブルとレーザビームを走査するガルバノミラーとを併用するようにしてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、出射口でのパワー密度が１０ｋＷ／ｃｍ２以上または被加工物上でのスポットのパワー密度が１００ＭＷ／ｃｍ２以上である連続発振レーザ光源を用いてアブレーション加工を行うものであるので、アブレーション加工に伴って発生する高温プラズマプルームが断続することなく継続・維持されることとなり、密度空洞の発生を防止することができる。従って、本発明によれば、別の工程や、真空装置や吸引装置などの特別な装置を用いることなく、密度空洞発生を原因とするデブリスの付着を防止することができる。さらに本発明によれば、レーザとして連続波を用いているので、従来のパルスレーザを用いた場合よりもアブレーション加工速度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態、実施例で用いられるレーザ加工装置の概略図。
【図２】本発明の実施例によるレーザ加工方法で加工を行う際のビームスポットの移動の様子を示す図。
【符号の説明】
１  レーザ光源
２  整形光学系
３  レーザビーム
４  レーザビームのスポット
５  被加工物
６  テーブル
【図１】
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【図２】
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