(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ加工対象物の表面位置や凹凸を測定し、加工対象物の任意の位置に正確にレーザ光を集光照射できるレーザ加工方法および加工装置を提供する。【解決手段】加工対象物５を６軸ステージ７に載置し、この６軸ステージ７に戴置された加工対象物５の表面形状を位置測定器８によって測定し、この情報に基づいて６軸ステージ制御部９が、レーザ光２が加工対象物５の所定の位置に集光照射するようにレーザ光２の集光照射位置を制御する。このとき、６軸ステージ７を微移動、もしくはレーザ光２の光軸を調整して集光照射位置を制御する。位置測定器８は、加工対象物の表面にある凹凸及びレーザ光２と加工対象物５の表面とのなす角度を検知することが好ましい。位置測定器８は複数備えられていることが好ましく、さらに、レーザ光２の集光照射部の移動に伴って移動することが好ましい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物にレーザ光を集光照射するレーザ加工において、加工対象物の表面形状を検出し、この表面形状に基づいて、レーザ光が加工対象物の所定の位置に集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
加工対象物の表面形状を位置測定器によって測定することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
レーザ光が、加工対象物の表面から一定の深さに集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
レーザ光が、加工対象物の裏面から一定の高さに集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
加工対象物の表面の凹凸を計測し、これらの情報に基づいて加工対象物の表面とレーザ光の光軸とのなす角度を調整することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
フェムト秒レーザ光を透明材料からなる加工対象物に集光照射し、屈折率上昇領域を形成することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
加工対象物を載置する６軸ステージと、この６軸ステージに戴置された加工対象物の表面形状を測定する位置測定器と、この位置測定器により測定した加工対象物の表面形状に基づいて、レーザ光が加工対象物の所定の位置に集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御する６軸ステージ制御部を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
６軸ステージ制御部が、位置測定器により測定した加工対象物の表面形状に基づいて、加工対象物の表面とレーザ光の光軸とのなす角度を制御することを特徴とする請求項７記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
複数個の位置測定器を備えたことを特徴とする請求項７又は８記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
位置測定器が、レーザ光の集光照射部の移動に伴い移動することを特徴とする請求項７ないし９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、レーザ加工方法及び加工装置に関するものである。特には、加工対象物の表面形状を測定し、レーザ光が加工対象物の所定の位置に、かつ加工対象物の表面に対して所望の角度で集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、レーザ加工技術の発達に伴い、様々なレーザ加工の用途がある。例えば、フェムト秒レーザ光の集光照射により光導波路を製造する方法は、石英ガラスなどの各種透明材料からなる加工対象物内部に高強度のフェムト秒レーザ光を集光照射した際、焦点付近で屈折率が上昇する現象を利用している。この現象を利用して、フェムト秒レーザ光を加工対象物である基板内部に集光照射し、フェムト秒レーザ光あるいは加工対象物を走査することにより、線状の屈折率上昇領域、つまり光導波路を形成することができる。
【０００３】
例えばフェムト秒レーザ光をガラス内部に集光照射、走査することにより光導波路を作製する場合、作製される光導波路の光学特性は、加工対象物の材質や、集光照射するフェムト秒レーザ光の平均出力、繰り返し周波数、パルス幅、偏光方向、集光照射位置、フェムト秒レーザ光もしくは加工対象物の走査速度、などにより制御される。
【０００４】
任意の集光照射位置に精度よく光導波路を製作するためには、まず光導波路を形成する石英ガラスなどからなる加工対象物の表面を検知し、レーザ光が前記加工対象物の表面から所望の深さに集光照射するようにレーザ光を制御する必要がある。この加工対象物の表面を検知する方法として、例えば、加工対象物の表面もしくは裏面にアブレーションによりマーキングをし、このアブレーション痕を基準にフェムト秒レーザ光を集光照射する位置を決定するという方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−０５７４７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
加工対象物の表面もしくは裏面にアブレーションによりマーキングをし、このアブレーション痕を基準にフェムト秒レーザ光を集光照射する位置を決定するという方法は、加工対象物の表面が完全に平面であれば非常に有効である。しかし、石英ガラスをはじめとする各種透明材料からなる加工対象物の表面は、実際には数μｍ〜数百μｍ程度の反りやうねりなどの凹凸がある。
【０００７】
図６は、石英ガラスなどの透明材料からなる加工対象物内部でのフェムト秒レーザ光の屈折を示す概略図である。（ａ）に示すように、表面が完全に平らな加工対象物にフェムト秒レーザ光を照射した場合、フェムト秒レーザ光と加工対象物の表面とのなす角度はθとなり、加工対象物の表面から深さＬ１の位置に焦点が形成される。一方（ｂ）に示すように、表面が反った加工対象物にフェムト秒レーザ光を照射した場合、フェムト秒レーザ光と加工対象物の表面とのなす角度はθ′となり、加工対象物の表面から深さＬ２の位置に焦点が形成される。（ａ）と（ｂ）を比較すると、加工対象物の表面が平らである場合と反っている場合では、焦点の位置が異なることがわかる。
【０００８】
加工対象物の表面もしくは裏面にアブレーションによりマーキングをし、このアブレーション痕を基準にフェムト秒レーザ光の集光照射位置を決定する方法は、フェムト秒レーザの光軸に対して垂直に集光照射位置を移動させることは可能であるが、加工対象物の表面の反りやうねりなどの凹凸によってフェムト秒レーザ光の焦点が変化する場合、集光照射位置を制御し、加工対象物の表面から任意の深さに光導波路を形成することはできない。
【０００９】
また、光導波路を形成するためには、加工対象物を載置するステージを移動もしくはフェムト秒レーザ光を走査するという作業が行われる。この際、ステージの傾きやフェムト秒レーザ光を反射するミラーや集光レンズなどの傾きにより、フェムト秒レーザ光の集光照射位置が変化する。フェムト秒レーザ光を反射するミラーや集光レンズをあらかじめ調整することでレーザ光の集光照射位置を制御する方法では、走査中のステージ自体の傾きや、加工対象物の表面の反りやうねりなどの凹凸による焦点のずれを改善することはできない。
【００１０】
したがって、本発明は、レーザ加工対象物の表面位置及び反りやうねりなどの凹凸を測定し、加工対象物の任意の位置に正確にレーザ光を集光照射でき、かつレーザ光の光軸と加工対象物の表面とのなす角度を任意に調整することができるレーザ加工方法及びかかるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明は、加工対象物にレーザ光を集光照射するレーザ加工において、加工対象物の表面形状を検出し、この表面形状に基づいて、レーザ光が加工対象物の所定の位置に集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御するレーザ加工方法を提供する。
また、本発明は、かかるレーザ加工方法において、加工対象物の表面形状を位置測定器によって測定するレーザ加工方法を提供する。
さらに、本発明は、かかるレーザ加工方法において、レーザ光が、加工対象物の表面から一定の深さに集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御するレーザ加工方法を提供する。
さらに、本発明は、かかるレーザ加工方法において、レーザ光が、加工対象物の裏面から一定の高さに集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御するレーザ加工方法を提供する。
さらに、本発明は、かかるレーザ加工方法において、加工対象物の表面の凹凸を計測し、これらの情報に基づいて加工対象物の表面とレーザ光の光軸とのなす角度を調整するレーザ加工方法を提供する。
さらに、本発明は、上記のレーザ加工方法を用い、フェムト秒レーザ光を透明材料からなる加工対象物に集光照射して屈折率上昇領域を形成するレーザ加工方法を提供する。
さらに、本発明は、加工対象物を載置する６軸ステージと、この６軸ステージに載置された加工対象物の表面形状を測定する位置測定器と、この位置測定器により測定した加工対象物の表面形状に基づいて、レーザ光が加工対象物の所定の位置に集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御する６軸ステージ制御部を備えたレーザ加工装置を提供する。
さらに、本発明は、かかるレーザ加工装置において、６軸ステージ制御部が、位置測定器により測定した加工対象物の表面形状に基づいて、加工対象物の表面とレーザ光の光軸とのなす角度を制御するレーザ加工装置を提供する。
さらに、本発明は、複数個の前記位置測定器を備えたレーザ加工装置を提供する。
さらに、本発明は、前記位置測定器が、レーザ光の集光照射部の移動に伴い移動するレーザ加工装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、フェムト秒レーザ光の集光照射により光導波路を形成する方法を例示して、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明のレーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。
図１において、符号１はレーザ光源を示す。このレーザ光源１は、例えば、チタンサファイアレーザなどのフェムト秒領域（１０−１３〜１０−１５秒程度）の超短パルス幅のフェムト秒レーザ光２を発振するものである。
【００１３】
ミラー３は、レーザ光源１から発したフェムト秒レーザ光２を反射し、集光レンズ４に照射するものである。ミラー３の例として、金属コーティングミラー、誘電体コーティングミラーが挙げられる。
集光レンズ４は、ミラー３によって照射されたフェムト秒レーザ光２を集光し、石英ガラスなどの透明材料からなる加工対象物５に集光照射するものである。集光レンズ４の例として、油浸対物レンズ、赤外用対物レンズが挙げられる。
ミラー３上部には、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ６が備えられている。このＣＣＤカメラ６は、フェムト秒レーザ光２を加工対象物５に集光照射した際に、加工対象物５内部の集光点から発光する白色光をミラー３を介して受像し、集光点での反応状態を監視できるようにするものである。
【００１４】
図１において、符号７は６軸ステージを示す。６軸ステージ７は、石英ガラスなどの透明材料からなる加工対象物５を戴置するものである。
この６軸ステージ７は、ｘ、ｙ、ｚ、θｘ、θｙ、θｚの６軸方向に精密に微移動可能なものである。ｘ−ｙ平面が集光レンズ４の光軸に対して垂直な平面となっており、ｚ軸が集光レンズ４の光軸に対して平行な軸となっている。
この６軸ステージ７の動きは、６軸ステージ制御部９によって制御されるようになっている。
【００１５】
図１において、符号８は位置測定器を示す。この位置測定器８は、６軸ステージ７に戴置された加工対象物５の表面形状を検出する機能を有するものである。この位置測定器８には、例えば、後述するレーザ光の反射を用いた位置測定器などが用いられる。また、加工対象物５の表面の反りやうねりなどの凹凸を計測するために、図２に示すように、位置測定器８は複数個設けられていることが好ましい。
さらに、図３及び図４に示すように、位置測定器８は、フェムト秒レーザ光２の集光照射部の移動に伴い移動することが好ましい。さらに、フェムト秒レーザ光２の進行方向における加工対象物５の表面形状を測定できることが好ましい。
【００１６】
さらに、位置測定器８は、ミラー３や集光レンズ４の傾きによるフェムト秒レーザ光２と加工対象物５の表面とのなす角度の変化や、６軸ステージ７の傾きによる前記角度の変化を検知する機能を有することが好ましい。
かかる位置測定器８によって測定された加工対象物５の表面位置、凹凸及びフェムト秒レーザ光２と加工対象物５の表面とのなす角度の変化に関する情報は、６軸ステージ制御部９へ入力されるようになっている。
【００１７】
この６軸ステージ制御部９は、前記位置測定器８によって測定された加工対象物５の表面位置、凹凸、及びフェムト秒レーザ光２と加工対象物５の表面とのなす角度の変化に関する情報に基づいて、フェムト秒レーザ光２が加工対象物５の所定の位置に集光照射するように６軸ステージ７を制御するものである。また、ミラー３及び／又は集光レンズ４を制御することもできるようになっている。
【００１８】
本発明のレーザ加工装置を用いた光導波路の作製は、以下のようにして行われる。
光源１から例えばフェムト秒レーザ光２を発し、ミラー３及び集光レンズ４を介して加工対象物５の任意の位置に集光照射するように調整する。
具体的には、位置測定器８によって加工対象物５の表面形状を測定し、６軸ステージ制御部９へ測定した加工対象物５の表面形状の情報を入力する。このとき、複数の位置測定器８を用い、加工対象物５の複数箇所における表面形状を検出し、これらの情報に基づいて反りやうねりなどの凹凸を計測することが好ましい。
【００１９】
加工対象物５の表面形状は、例えば、以下のようにして計測することができる。
まず、位置測定器８においてレーザ発振部から加工対象物に向けてパルスレーザを出射させて、加工対象物５の表面から反射されたパルスレーザを位置測定器８の検知部で測定する。加工対象物５の表面位置は、パルスレーザを出射した時間と、加工対象物５表面で反射して戻ってきた該パルスレーザを検知部で測定した時間の差として検出することができる。
さらに、前記検知部において、加工対象物５表面で反射されるパルスレーザの反射角を測定することで、前記反射角の変化に基づいて加工対象物５の表面の凹凸を検知できる。
【００２０】
また、前記位置測定器８は、フェムト秒レーザ光２もしくは加工対象物５を走査し光導波路を形成する際、フェムト秒レーザ光２の集光照射部の移動に伴って移動することが好ましい。位置測定器８がフェムト秒レーザ光２の集光照射部と共に移動することによって、加工対象物５の全ての表面形状に関する情報を得ることができる。
【００２１】
加工対象物５内部に連続的にフェムト秒レーザ光２を集光照射し光導波路を形成する際、加工対象物５を固定した状態でフェムト秒レーザ光２を走査する方法と、フェムト秒レーザ光２を固定した状態で加工対象物５を走査する方法がある。後者の場合、６軸ステージ７を６軸ステージ制御部９によって移動することによって、加工対象物５を走査させ、光導波路を形成できる。
【００２２】
この際、６軸ステージ７の傾きによってフェムト秒レーザ光２と加工対象物５の表面とのなす角度が変化するので、位置測定器８はこれを検知する。一方、加工対象物５を固定した状態でフェムト秒レーザ光２を走査して光導波路を形成する場合、位置測定器８はミラー３及び集光レンズ４の傾きによるフェムト秒レーザ光２の入角度の変化を検知する。
【００２３】
位置測定器７によって測定された加工対象物５の表面形状、凹凸、及びフェムト秒レーザ光２と加工対象物５の表面とのなす角度の変化に関する情報は６軸ステージ制御部９に入力される。これらの情報に基づいて、６軸ステージ制御部９が６軸ステージ７を６軸方向に移動し、フェムト秒レーザ光２の焦点が加工対象物５の所望の位置になるように、加工対象物５の位置を調整する。
【００２４】
例えば、フェムト秒レーザ光２の集光照射部の加工対象物５の表面において、前記位置検出器８により計測された情報に基づいて反りがあることが判明した場合、加工対象物５の表面が完全に平らである場合と比べて、焦点の深さが変化するので、その分６軸ステージ７をＺ軸方向に移動することで焦点の位置を一定に保つことができる。
【００２５】
６軸ステージ７を固定し、ミラー３や集光レンズ４を移動することによってフェムト秒レーザ光２の光軸を調整しても同じ効果が得られる。
また、フェムト秒レーザ光２の進行方向の加工対象物の表面位置及び凹凸をあらかじめ測定し、これらの情報に基づいて６軸ステージ制御部９がフェムト秒レーザ光２の集光照射位置を制御することによって、加工対象物５に常に任意の位置に光導波路が形成できる。
【００２６】
かかるレーザ加工方法を用い、様々な表面形状を有する加工対象物において任意の光導波路を作製することが可能である。図５にその一例を示す。例えば、（ａ）に示すように、加工対象物の表面の凹凸に伴って表面から一定の深さに光導波路を形成することもできる。また、（ｂ）に示すように、加工対象物の表面の凹凸に関わらず、加工対象物の裏面から一定の高さに光導波路を形成することもできる。
【００２７】
本発明のレーザ加工方法は、上記のフェムト秒レーザ光の集光照射による加工に限られず、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザなどの種々のレーザ光を用いた加工方法にも適応でき、例えば、レーザ光照射による基板の希土類イオンの価数変化や結晶化、金属析出、溶接、切断、アブレーション等のマーキングなどを行う際にも適用できる。
さらに、本発明のレーザ加工方法によって、木材、布地、プラスチック、セラミック、紙、金属などをレーザ加工することもできる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によるレーザ加工方法は、加工対象物にレーザ光を集光照射するレーザ加工において、加工対象物の表面形状を検出し、この表面形状に基づいて、レーザ光が加工対象物の所定の位置に集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御するものであるので、加工対象物の任意の位置に正確にレーザ光を集光照射できる。前記加工対象物の表面形状は、位置測定器によって測定できる。
【００２９】
また、本発明のレーザ加工方法を用いることによって、複雑な表面形状を有する加工対象物においても任意の位置にレーザ光の集光照射を行うことができる。さらに、本発明の効果は、位置測定器によって加工対象物の表面の凹凸を計測し、この情報に基づいて加工対象物の表面とレーザ光の光軸とのなす角度を調整することによってさらに向上する。さらに、本発明の光導波路の作製方法は、加工対象物の任意の位置に光導波路を形成できる。
【００３０】
本発明のレーザ加工装置は、加工対象物を載置する６軸ステージと、この６軸ステージに載置した加工対象物の表面形状を測定する位置測定器と、この位置測定器により測定した加工対象物の表面形状に基づいて、レーザ光が加工対象物の所定の位置に集光照射するようにレーザ光の集光照射位置を制御する６軸ステージ制御部を備えたものであるので、加工対象物の任意の位置にレーザ光を集光照射することができる。
【００３１】
また、前記位置測定器が、加工対象物の表面とレーザ光の光軸とのなす角度を調整することによって、より精密に加工対象物におけるレーザ光の集光照射位置を制御できる。さらに、前記位置測定器を複数設置することによって、加工対象物の複数箇所における表面位置を測定できる。さらに、前記位置測定器がレーザ光の集光照射部の移動に伴い移動することで、加工対象物の全部の表面位置を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明のレーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明のレーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。
【図４】本発明のレーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。
【図５】本発明のレーザ加工方法を用いたレーザ加工の例を示す概略断面図である。
【図６】フェムト秒レーザ光の屈折を示す概略図である。
【符号の説明】
２・・・レーザ光、５・・・加工対象物、７・・・６軸ステージ、８・・・位置測定器、９・・・６軸ステージ制御部。
【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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【図６】
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