フェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法

【課題】フェムト秒レーザを使用する微細加工において、反射ミラーと移動ステージの組み合わせにより、フェムト秒レーザ光をワークに頻繁且つ均等に分配照射し、ワークへの蓄熱を抑制しながら生産性を高めることが可能となる。
【解決手段】フェムト秒レーザ装置１から照射されたレーザ光Ｌは、ミラー回転制御用サーボモータ１０により角度調整されたミラー９により高精度に反射され、レーザ光Ｌは図中で左右方向に自在に位置制御が可能となっている。また、この箱体７は、直交３軸の移動ステージ１４と一体化しており高精度かつ自在に移動可能となっており、レーザ光はミラーにより頻繁且つ均等に分配され、各ワークに照射される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェムト秒レーザによる微小ワークの多数個取りの加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置による微細加工において、加工用光源にフェムト秒レーザを用いるものがあるが、１フェムト秒の単位が１０００兆分の１秒であることからわかるように、極々短時間のレーザ照射を加工用ワークに打ち込むことにより、熱発生を伴う前に加工を終了させるため、熱の発生がほとんどないことを特徴とする。
また、フェムト秒レーザは、レーザを照射する際のスポット径が非常に小さいため、熱発生を伴いにくいことから、微細加工分野においては優れた加工性能を期待でき、今後各種利用が進むであろうと考えられている。
しかしながら、現在の技術ではまだ実験的な域を脱しておらず、製造業において多数のワークを効率良く加工していくための量産技術が確立できていない。
特に、産業界において大きな需要が起こると予想される、０．１ｍｍ〜１ｍｍの金属部品の効率的な量産加工技術の開発が急がれている。
【０００３】
フェムト秒レーザ光の利用については、上記で述べたように、加工対象は微細な小物ワークとするのが一般的である。
この微細な小物ワークについては、個々に箱体（チャンバー）内にセットし、フェムト秒レーザを照射してワークを加工していくこととなるが、１回の照射で加工が完了するようなことはないため、照射位置を少しずつ移動させながら何回も照射を繰り返すこととなる。
１回あたりは極々短時間の照射で熱発生を伴いにくいが、照射回数が累積したり単位時間当たりの照射回数を多くすれば必然的に加工ワークに熱が蓄積し、加工ワークの変質や発熱による精度低下、プラズマ発生等の好ましくない現象が起こってしまう。
つまり、生産性を上げようと、照射頻度を増やせば熱発生による弊害が発生し、これを避けようとフェムト秒レーザの照射間隔を長めに設定すれば加工効率が下がってしまう。
【０００４】
例えば、箱体の真空チャンバー内にＸＹ直交２軸のステージを収納し、観測用の電子顕微鏡が具備されており、２個のガルバノミラーにより光軸調整したフェムト秒レーザを、上記箱体上部のガラス窓からワークに照射している。
そして、ワークは極微小の半導体デバイスを想定している。（特許文献１）
しかしながら、上記装置で想定しているワークは極微細であり、また多数のワークを効率良く加工するための手段が全く開示されていない。
【特許文献１】特開２００４−５３５５０号公報
【０００５】
上記のように、まだ未開拓なこの加工分野では、従来のＭＥＭＳ技術では非効率であり、このような技術をベースとした金属部品のマイクロ加工では量産を前提とした効率的な加工を行うことができなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする問題点は、フェムト秒レーザにより微細ワークを加工する方法において、加工ワークへの蓄熱を防止しつつ、生産性を高めるための多数個取りの加工方法が確立されていないことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数の加工ワークを移動ステージ上に配列させ、この複数の加工ワークに対し頻繁かつ均等にフェムト秒レーザ光を配分しながら照射することにより、複数個の加工ワークに対する同時加工と、上記レーザの分散照射による加工ワークの温度上昇を抑制することにより、加工の連続性を高め生産性を向上させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の多数個取りの加工方法は、フェムト秒レーザ光により複数の微小ワークを自在に加工する方法に係り、多数個の加工を同時進行させることによる段取りの手間の削減や生産性の向上と共に、個々のワークへの局所的な蓄熱を避けることによる高精度加工を実現できる利点がある。
そして、ワークの個数が多いほど、単位時間当たりの各ワークへの蓄熱を減らすことができ、熱の影響を最小限に抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明では、反射ミラーによりフェムト秒レーザ光を頻繁且つ均等に分配し、箱体内の移動ステージに配列させた同形状のワークに対し、同時進行で３次元加工の多数個取りを行う加工方法を実現した。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明による加工装置の基本構成を示しており、コンピュータ１２のソフトウエア処理により、制御ユニット１１を介して、ターミナル１５で信号を分配し、信号線１３から位置決めやレーザ光の調整等の操作を行う。
フェムト秒レーザ装置１から照射されたレーザ光Ｌは、ミラー回転制御用サーボモータ１０により角度調整されたミラー９により高精度に反射されるため、レーザ光Ｌは図中で左右方向に自在に位置制御が可能となっている。
パルス状のフェムト秒レーザ光Ｌは、上記ミラーにより、各微細ワークＷに頻繁且つ均等に分配照射される。
加工ワークＷを載せた移動ステージ１４はＸ、Ｙ、Ｚ各軸のサーボモータ３、４、５により、高精度かつ自在に移動可能となっている。
【００１１】
図２は、図１で示した基本構成において気密性を考慮した実施例２の加工装置である。
ワークの置かれた箱体７は気密性があり、また箱体７の上部にはレーザ光Ｌが透過可能なガラス窓８を設けている。
この箱体７は、直交３軸の移動ステージ１４と一体化し、高精度かつ自在に移動可能となっている。
【００１２】
図３は、図２の構成において箱体内を減圧可能としたものであり、箱体７に配管１８を接続し減圧ポンプ３により箱体７の内部を減圧している。
そして、この箱体７内の減圧度について気圧調整等の制御を加えたい場合は、気圧センサーＳによりリアルタイムで箱体内の気圧を監視し、減圧調整用バルブＶ１にて適宜調整することにより箱体内は所望の気圧に維持可能となる。
【００１３】
次に、箱体内を各種ガスで満たす方法を図４に示す。
まず、ガス調整用バルブＶ２を閉めた状態で、箱体７の内部の空気を気圧センサーＳにて確認しながら所望の気圧になるまで減圧ポンプ１１にて調整後、減圧調整用バルブＶ１を閉め、次にガス調整用バルブＶ２を少しづつ開くことにより、ガスボンベＢから配管１８を経由し箱体内にガスＧが流入するので、これが所望の気圧になったところでガス調整用バルブＶ２を閉める。
その後は、気圧センサーＳの測定値により減圧調整用バルブＶ１、ガス調整用Ｖ２を適宜制御し、箱体内のガス圧の安定化を図ることとなる。
【００１４】
本発明は微細な加工ワークへの適用を想定しているが、１ミリ未満の大きさのワークでは目視による確認が難しい。
特に、加工実績が十分にない加工ワークの場合は、図５に示すように、マイクロスコープＭにより加工ワーク及びその加工状況を確認しながら加工ワークの観察やレーザ照射の調整等を適宜行うこととなる。
マイクロスコープＭは信号線１３により画像処理ユニット１６に接続され、ここでデジタル変換等の画像処理を行った後、パソコン１２にてデータ処理の状況やワーク等の映像の表示等を行う。
【００１５】
また、図６に示すように、箱体７上部のガラス窓８はパッキング１７を介して密着しているので、ガラス窓８を取り外し、加工ワークの直上からマイクロスコープＭにてワークを観測することも可能である。
この場合、図７に示すように、移動ステージ１４の位置決めとマイクロスコープＭの画像入力を合わせて行うことにより、加工前のワーク表面の検査や、多数個に配列されたワークの位置誤差の認識、また加工後のワーク検査などを自動的に行うことも可能である。
なお、ガラス窓８が加工ワークＷに近ければ、ガラス窓越しにマイクロスコープＭで観測可能である。
【００１６】
次に、実際の加工手順に則して説明を行う。
図８に示すように、多数個の加工ワークＷ０１、Ｗ０２、・・・は加工ワーク用プレートＰ上に整然と並べられた状態で、移動ステージに載せられるか、もしくは箱体内に納められる。
そして、フェムト秒レーザ光は反射ミラーの可動範囲の範疇において、頻繁且つ均等に分配されるが、この配置では、Ｗ０１、Ｗ０２、・・・Ｗ１０への照射を１サイクルとして、再度Ｗ０１、Ｗ０２、・・・Ｗ１０を繰り返していくことにより、見かけ上同時進行で、多数個取りによる加工が進行する。
そして、Ｗ０１からＷ１０までの加工工程が終了すると、移動ステージ１４により箱体が移動し、今度はＷ１１からＷ２０が加工対象となる。
【００１７】
次に、図９にてフェムト秒レーザ光の分配方法を示す。
なお、わかりやすくするために、加工ワークの個数を２個とした場合で説明する。
まず、ミラー回転制御用サーボモータ１０によりミラー９の反射角度を調整し、最初のレーザ光Ｌ１がワークＷ０１に照射される。
次に、ミラー回転制御用サーボモータ１０によりミラー９の反射角度を変更し、レーザ光Ｌ２がワークＷ０２に照射される。
次に、ミラーの反射角度を最初にＬ１を照射した時の角度に戻しつつ、加工ワーク用プレートＰを移動させ次の照射位置に位置決めする。
そしてレーザ光Ｌ１１、Ｌ１２を照射し加工ワーク用プレートＰを移動させ、レーザ光Ｌ２１、Ｌ２２を照射し加工ワーク用プレートＰを移動させるというような、フェムト秒レーザ光の分散照射と加工ワーク用プレートＰの移動の繰り返しにより、多数個の加工ワークに対し加工が同時進行する。
なお、図９で示したレーザ光の照射については、通常はＬ１、Ｌ１１、Ｌ１２は同一位置に対する照射であり、Ｌ２、Ｌ１２、Ｌ２２も同様である。
通常使用では移動ステージによりワーク側が移動するため、光源側が固定で相対移動するのであるが、説明をわかりやすくするためこのように記載した。
【００１８】
移動ステージについては、直交３軸により自在に位置決め可能である。
例えば、図１０に示すように、破線枠で示したエリア２１のような方向に移動ステージを動かしフェムト秒レーザを照射するようにすれば、２次元形状作成に対応できる。
【００１９】
また、図１１は加工ワークの断面をブロック化し簡略に示したものであるが、例えば、加工部２２がフェムト秒レーザを１単位照射、加工部２３が２単位照射というように、同一個所に対してレーザ光の照射回数を制御することにより加工深さの調整も可能である。
【００２０】
上述したように、テーブル移動と照射回数の調整により、複数個の加工ワークに対し同時進行で３次元加工を行うことが可能となる。
特に、フェムト秒レーザ光による３次元加工の場合、照射回数が必然的に多くなるため従来方法ではワークへの蓄熱が心配されるところであるが、本発明によれば、フェムト秒レーザ光は頻繁且つ均等に分配されるため、単位時間当たりの各ワークへのレーザ照射量は低く押さえられ熱の悪影響を抑制でき、これはワークの個数がより多くなれば更に低く抑制できる。
【００２１】
そして、図１２に示すように、１行（または１列）のワークの加工が終了すると、破線枠２５で示した次行のワークプレートに位置決めし、次の行（または次の列）のワークの加工に取りかかることとなる。
なお、ワークが非常に蓄熱しやすい場合や、ワークが非常に熱に弱い場合など、特に熱の配慮が必要な時は、Ｗ０１、Ｗ０２、・・・、Ｗ１１、Ｗ１２の順で加工することにより、単位時間当たりに各ワークへ照射されるレーザ光の量を減らし、かつワークの冷却期間を長く取ることで、レーザ光照射による熱の悪影響を抑制することが可能である。
【００２２】
上記では、ミラーによるフェムト秒レーザ光の反射方法を示したが、反射ミラーの替わりにポリゴンミラー１９を使用することも可能であり、これを図１３に示す。
フェムト秒レーザ装置１から射出されたフェムト秒レーザ光Ｌは、ミラー回転制御用サーボモータ１０によりポリゴンミラー１９の角度を高精度かつ自在に調整し、フェムト秒レーザ光Ｌの位置を制御する。
【００２３】
通常の反射ミラーでは反射角の揺動によりレーザ光の位置制御をするが、このような角度制御は高精度な半面、その制御速度を著しく向上させることは難しい。
しかし、複数の反射面を持つポリゴンミラー１９を揺動ではなく回転させることにより更なる高速化が可能となる。
同時加工する加工ワークの数が非常に多い場合、これに見合うだけのフェムト秒レーザ光の分配能力が必要となるが、上記の方法により対応可能となる。
【００２４】
また、図１４に示すようにポリゴンミラー１９の各反射面Ｒ1、Ｒ２、・・について、各平面にそれぞれ傾きを持たせることにより、ポリゴンミラー側で反射光を２次元的に分配する事が可能となる。
これにより、より多くの加工ワークに対して高速にフェムト秒レーザ光を分配できるようになると共に、単位時間当たりの各ワークへの蓄熱を抑制することが可能となる。
【００２５】
フェムト秒レーザ光による３次元加工では、ワークＷに対し打ち込むレーザ光の回数を制御することにより、加工深さを調整することが可能である。
つまり、レーザ光Ｌの１回あたりの照射で除去される加工量を数値管理することにより、高精度に自由形状を造り出すことができる。
【００２６】
加工精度と加工時間については、図１５に示すように、強度の強いレーザ光ＬＡにより、発熱に注意しながら短時間で加工することも可能であるし、逆に図１６に示すように弱レーザＬＢにより、精度や品質を追求するようなことも可能である。
レーザ光の強度、レーザ光のスポット径、発熱量等の条件の組み合わせにより、状況に合わせて最適な設定をすることととなる。
【００２７】
レーザ光の角度については、一般的な使用ならば、反射ミラーと加工ワークとの距離に対して、ワークが微細なため、レーザ光の角度変化の影響は軽微であると考えられるが、特に照射角度による位置誤差を考慮したい場合は、移動ステージのＺ方向の移動で位置補正が可能であり、それを図１７から図１９にて説明する。
【００２８】
まず、図１７に示すように、直下のワークＷ１にレーザ光Ｌ１を照射する場合、レーザ光の焦点２０の位置は加工部に合わせて設定される。
次に、反射ミラーを回転させると、角度のついたレーザ光Ｌ２がワークＷ２に照射される際に、焦点２０が加工したい部分より上にずれてしまう。
【００２９】
これは図１８に示すように、数値処理可能な問題である。
直下に照射したレーザ光Ｌ１に対し、角度θだけ変化したレーザ光Ｌ２の横方向の移動量は、（距離）×ｓｉｎθで表すことができる。
そして、高さ方向Ｄについては、ｔａｎ（θ／２）×（距離）×ｓｉｎθで表すことができるため、この誤差を事前に検証し、全体的な位置誤差が許容範囲になるように移動ステージを位置決めればよい。
そうすることにより、図１９（ａ）、図１９（ｂ）に示すように、加工ワークＷ１の加工の時は図１９（ａ）、加工ワークＷ１の加工の時は図１９（ｂ）のように移動ステージを上記で示した分だけＺ方向に補正すればよい。
このように照射角度の変化によるレーザ光の焦点位置のずれにも対応することが可能である。
【００３０】
また、箱体内の気密性については、図２に示したように移動ステージ上に箱体を載せ、この中にワークを置く以外に、図２０のように、移動ステージまで含めて箱体内に納めることも考えられ、ワークの大きさや個数の規模により、ワークのみの収納か、移動ステージまで含めた収納かを適宜選択できる。
【００３１】
また、図２１のように、フェムト秒レーザ光の反射ミラーを１個から２個に増やすことにより、加工ワークに対し、フェムト秒レーザ光を２次元的に頻繁且つ均等に分配できるようになる。
フェムト秒レーザ光は、まず１個目の反射ミラー９により２個目の反射ミラー９’に反射可能な範囲内で反射角度の制御がされ、次に、２個目の反射ミラー９’によりフェムトレーザ光が加工ワークに到達する。
各反射ミラー９、９’の設置する位置関係については、フェムト秒レーザ光の分配がしやすいように考慮する必要がある。
各反射ミラーの角度と、実際に加工ワークへ到達した際の平面座標との相関を予め調べておくことにより、これをマッピングし、各反射ミラー角度制御に反映することで対応可能であるが、このような座標変換を行うとパソコン等の処理系の演算負荷はその分高くなる。
【００３２】
加工ワークの座標原点ついては、加工ワーク用プレートの基準位置に基づき加工ワークを精度良く並べた後、この加工ワーク用プレート基準位置をもとにした相対位置関係から各加工ワークの位置が定められることとなる。
この加工ワーク用プレートのそれぞれに対し、加工ワークの相対位置とそれに対応するためのレーザ光の照射パターンを予め登録しておけば、複数種類の加工ワークの切り替えに迅速に対応可能となる。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、以下の効果が得られる。
フェムト秒レーザにおいて、微細ワークを効率良く大量に生産できるようになるため、マイクロマシン等の生産において多大なコストダウンをもたらすことができる。
本発明によれば、ワークの個数が多くなるほど単位時間当たりの各ワークへのレーザ照射による熱量が低くなり、量産するほどに本発明のメリットが顕著となる。
また、高出力のフェムト秒レーザ光を用いた場合の運用においても、効果的に熱を分散し、加工効率を大きく改善できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は微細ワークの加工において、フェムト秒レーザ加工の効率的な運用を目指したものであるが、光源がフェムト秒レーザ光に以外であっても、レーザ光による熱の影響を受けやすいワークを効率的に量産することが可能であり、熱発生を伴う各種光源の加工機に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による加工装置の構成図である。（実施例１）
【図２】本発明による加工装置の構成図である。（実施例２）
【図３】本発明による箱体内の減圧方法を示す操作図である。
【図４】箱体内へのガス充填方法を示す操作図である。
【図５】マイクロスコープを装備した場合の構成図である。
【図６】箱体とガラス窓の構成図である。
【図７】マイクロスコープでワーク検査等を行う際の説明図である。
【図８】ワークプレート上のワークの配置を示す状態図である。
【図９】複数個の同時加工の説明図である。
【図１０】二次元形状で加工する際の説明図である。
【図１１】レーザ加工で深さ方向の調整する際の説明図である。
【図１２】より多くのワークに対しレーザ光を分配する際の説明図である。
【図１３】ポリゴンミラーによるレーザ光の反射を示す構成図である。
【図１４】異なる反射面をもつポリゴンミラーの説明図である。
【図１５】レーザ光の強度と加工深さを示す関係図である。
【図１６】レーザ光の強度と加工深さを示す関係図である。
【図１７】レーザ光の傾きによるＺ方向のずれを示す説明図である。
【図１８】レーザ光の傾きによるＺ方向のずれを示す幾何図である。
【図１９】Ｚ方向のずれを補正するための移動ステージの動作図である。
【図２０】移動ステージまで箱体に収めた場合の構成図である。
【図２１】反射ミラーが２個の場合の構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１フェムト秒レーザ装置
２エアフィルター
３減圧ポンプ
４サーボモータ１（Ｘ軸）
５サーボモータ２（Ｙ軸）
６サーボモータ３（Ｚ軸）
７箱体
８ガラス窓
９ミラー
１０ミラー回転制御用サーボモータ
１１制御ユニット
１２コンピュータ
１３信号線
１４移動ステージ
１５ターミナル
１６画像処理ユニット
１７パッキング
１８配管
１９ポリゴンミラー
２０レーザ光の焦点
Ａ空気
Ｂガスボンベ
Ｇガス
Ｈ加工部
Ｋ１パルス当たりの加工エリア
Ｋ１、Ｋ２１パルス当たりの加工エリア
Ｌレーザ光
Ｌ１、Ｌ２レーザ光
ＬＡ、ＬＢレーザ光（強、弱）
Ｍマイクロスコープ
Ｐ加工ワーク用プレート
Ｓ気圧センサー
Ｗ加工ワーク
Ｗ１、Ｗ２・・加工ワーク
Ｗ０１、Ｗ０２・・加工ワーク
Ｖ１減圧調整用バルブ
Ｖ２ガス調整用バルブ
θ 反射角度

【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交３軸からなる３次元移動軸を持つ移動ステージの上面に、複数の加工ワークを並べて配置し、
別設したフェムト秒レーザ装置から照射されるフェムト秒レーザ光を、サーボ制御により自在に反射角度を可変可能な反射ミラーにより反射させ、
上記フェムト秒レーザ光を上記加工ワークに照射するレーザ加工方法において、
上記反射ミラーの反射角制御により、複数の加工ワークに対し頻繁且つ均等にフェムト秒レーザ光を分配照射しつつ、移動ステージにより加工ワークを３次元移動させて、フェムト秒レーザ光の連続照射による発熱を複数の加工ワークに分散し、各加工ワークへの蓄熱を防止しつつ、複数個の加工ワークを同時に加工することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。
【請求項２】
請求項１において、上記反射ミラーに替えて、多面体構造により複数の反射面を持つポリゴンミラーを使用したことを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。
【請求項３】
請求項１において、移動ステージの上面に、内部に気密性を持つ箱体を接合し、
上記箱体が移動ステージと一体化して移動するようにし、
上記箱体上部にはガラス窓を設け、
上記箱体内部に複数の加工ワークを並べて配置し、
フェムト秒レーザ光を上記箱体上部のガラス窓から上記箱体内に並べて置いた加工ワークに照射するようにし、
上記箱体と減圧ポンプを配管接続し、上記箱体内を減圧状態にして加工することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。
【請求項４】
請求項１において、移動ステージ及び加工ワーク全体を、気密性を持つ箱体に収納し、
上記箱体上部にはガラス窓を設け、
フェムト秒レーザ光を上記箱体上部のガラス窓から上記箱体内に並べて置いた加工ワークに照射するようにし、
上記箱体と減圧ポンプを配管接続し、上記箱体内を減圧状態にして加工することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。
【請求項５】
請求項１において、反射ミラーの個数を２個にすることにより、フェムト秒レーザ光を加工ワークに対し、２次元的に頻繁且つ均等に分配することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。
【請求項６】
請求項３、請求項４において、箱体内を減圧した後、
上記箱体内に窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、酸素、アルゴン、ヘリウムの任意の組み合わせから成る混合ガスを充填し、フェムト秒レーザ光により加工することを特徴とするフェムト秒レーザ光のための多数個取りの加工方法。

【図１】