ワークの加工方法、ワークの加工用光照射装置およびそれに用いるプログラム
【課題】レーザ光をワークに照射しながら、前記レーザ光と前記ワークとを相対的に移動させて前記ワークを所定の深さまで融解するレーザ加工方法において、ワーク温度が不均一になる場合でも、前記深さを一定にする。
【解決手段】前記ワークの被照射部と異なる位置のワークの温度を測定し、前記深さと前記温度とから出力を制御する。
【解決手段】前記ワークの被照射部と異なる位置のワークの温度を測定し、前記深さと前記温度とから出力を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ等の光をワークに照射しながら、光とワークの少なくとも一方を走査してワークを熱処理するワークの加工方法、ワークの加工用光照射装置およびそれに用いるプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光をワークに照射しながら、レーザ光とワークの少なくとも一方を走査してワークを熱処理するとして、レーザ溶接やアニーリング、ドーピング、表面改質などがある。これらの加工では、レーザはワークに組織変化や融解など所望の加工を施すための加熱源として用いられる。またこれらの加工では、多くの場合レーザにより改質や融解させる深さをワーク内の位置によらず均一にすることが望まれる。
【０００３】
特許文献１には、ＣＯ２レーザ溶接に係り、溶接部の溶込み深さと溶接ビート幅を一定とするため、溶接部後部の温度及び溶接幅を計測し、計測した温度と溶接幅があらかじめ設定した温度と溶接幅となるように被溶接物への入熱を制御する技術が開示されている。
【０００４】
図５に特許文献１に係る装置の構成を示す。図５において、レーザ発振器１０１からのレーザ光１０３は、光学ミラー１０２で光路変換後、レーザ光の集光レンズ１０４で集光され、被溶接物１２０に照射される。光学ミラー１０２と集光レンズ１０４の間にハーフミラー１０６がレーザ光に対し４５°の傾きで配置されている。ハーフミラー及び集光レンズはケース１２１で一体的に構成されている。この部分をレーザ溶接ヘッドと以下呼称する。溶接ヘッドの近傍には溶接部の溶解プール１０５の後部の温度検出用の赤外線集光ヘッド１０７が溶接ヘッドに固定されている。溶接部からの赤外線を赤外線集光ヘッド１０７で集光し、光ファイバ１１２で赤外線温度検出器１１５へ伝送する。赤外線温度検出器１１５では、伝送された赤外線の波長を光フィルタ１１３で限定し、赤外線検出器１１４に入射させる。ここで光電変換し、増幅器１１６で増幅する。すなわち、増幅器１１６の出力電気信号の大小は溶接部の温度に対応することとなる。増幅器1１６からの温度信号は、マイクロコンピュータ1１７で処理され、検出温度と設定温度が一致するようにレーザ照射出力の制御装置1１９を介して、レーザ発振器１０１の出力を制御する。
【０００５】
一方、溶接ヘッドのハーフミラー１０６の部分には、溶接部を撮像するためのテレビカメラ１０９及びレンズ１０８がある。ハーフミラー１０６はＣＯ２レーザ光を透過し、可視光を反射する特性のミラーである。テレビカメラからの映像信号は画像信号処理装置１１０により２値化処理され溶接式部の溶接プール１０５の幅を検知する。またモニタテレビ１１１に溶接部は映し出され、監視用として用いられる。画像信号処理装置１１０からの出力すなわち溶解プール幅の信号はマイクロコンピュータ１１７で処理され、検出した溶接幅と設定した溶解幅が一致するように、レーザ光の集光レンズ１０４の位置をレンズ上下移動機構１１８を介して、被溶接物に対する集光したレーザ光の焦点位置を制御する。
【０００６】
また、特許文献２に、所望の温度上昇カーブと施工条件が得られる光ビーム加熱装置が開示されている。
【０００７】
図６に特許文献２記載の光ビーム加熱装置の構成図である。光ファイバ２０１とレンズ２０２等で照射手段が構成され、照射光２０３により被加熱物２０４を施工することができる。２０６は加熱中に被照射部２０５に供給される供給物質であり、２０７は供給物質送給装置である。２０８は被照射部２０５の温度を測定するための温度センサであり、２０９は温度センサ２０８からの温度測定データを記録する温度記録部である。２１０は温度記録部２０９からの温度測定データから被照射部２０５の熱定数を演算する熱定数演算部である。図６のフローチャートは処理の流れを示す。ＤＡＴＡ（Ｔｎ，ｔｎ）は温度記録部２０９に記録される温度測定データで、測定温度Ｔｎと測定時間ｔｎから構成される。熱定数演算部２１０には温度上昇関数Ｔ（ｔ）＝ｆ（Ｒ，Ｃ，Ｐ，ｔ）＋Ｔａが予め準備されている。温度上昇関数Ｔ（ｔ）は従属変数で、時間ｔは独立変数である。また、この温度上昇関数Ｔ（ｔ）は、媒介変数として放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃと照射出力Ｐ、定数項として周囲温度Ｔａを含んでいる。媒介変数のうち放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃが熱定数であって、被照射部２０５固有の値となる。周囲温度Ｔａは照射によって加熱される前の被照射部５、または被加熱物２０４の温度として表現される場合もある。
【０００８】
温度上昇関数Ｔ（ｔ）を構成する変数のうち、照射出力Ｐと周囲温度Ｔａの値はパワー測定器と温度計によって照射前に知ることができるため定数となる。照射出力Ｐと周囲温度Ｔａの測定値と温度測定データＤＡＴＡ（Ｔｎ，ｔｎ）を温度上昇関数Ｔ（ｔ）に代入し、熱定数である放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃについて解を求める。
【０００９】
求めた被照射部２０５固有の熱定数である放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃによって、温度測定データを関数として表現できる。また、その関数式に任意の照射出力Ｐと周囲温度Ｔａを代入することによって任意の温度上昇カーブを得ることができ、また演算した熱定数と所望の温度条件から施工条件設定値を得ることができる。
【００１０】
また、特許文献３に、レーザアニール対象物のレーザビーム入射位置の融解部分の深さを計測する技術が開示されている。
【００１１】
図７に、特許文献３記載のレーザアニール装置の概略図を示す。ＸＹステージ３０１がアニール対象である半導体基板３０２を保持し、その表面に平行な２次元方向に移動させる。半導体基板３０２の表面に平行な面をｘｙ面とし、基板の法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。図５は、ｙ軸に平行な視線で見たときの概略図を示す。
【００１２】
アニール用レーザ光源３０５が、制御装置３５０からのトリガ信号ｓｉｇ１に同期して、アニール用パルスレーザビームＬａを出射する。
【００１３】
アニール用レーザ光源３０５から出射されたレーザビームＬａが、整形均一化光学系３０６を経由して、ＸＹステージ３０１に保持された半導体基板３０２に入射する。整形均一化光学系３０６は、半導体基板３０２の表面におけるレーザビームの断面を、ｙ軸方向に長い長尺形状にし、かつ面内における光強度分布を均一化させる。ＸＹステージ３０１を駆動して半導体基板３０２をｘ軸方向に移動させながら、パルスレーザビームを入射させる主走査工程と、半導体基板３０２をｙ軸方向にずらす副走査工程とを繰り返すことにより、半導体基板３０２の表面のほぼ全面をレーザアニールすることができる。ＸＹステージ３０１は制御装置３５０により制御される。
【００１４】
測定用光源３１０が、測定用レーザビームを出射する。測定用光源３１０から出射された測定用レーザビームが、パルス化装置３１１、光ファイバ３１２、レンズ３１３を経由して、半導体基板３０２の、アニール用パルスレーザビームが入射する領域内に入射する。
【００１５】
半導体基板３０２の表面で反射された測定用レーザビームの反射光が、レンズ３２０、第１のフィルタ３２１、第２のフィルタ３２２、光ファイバ３２３を経由して、反射光検出器３２４に入射する。第１のフィルタ３２１は、波長が５３０ｎｍよりも短い光を遮光し、第２のフィルタ３２２は、波長が７００ｎｍよりも長い光を遮光する。第１のフィルタ３２１及び第２のフィルタ３２２により、アニール用レーザビームの入射により発生したプルームからのプラズマ光、及び温度上昇による黒体放射光等が遮光され、主として測定用レーザビームの反射光のみが反射光検出器３２４に入射する。
【００１６】
反射光検出器３２４は、反射光の強度を電気信号に変換する。電気信号に変換された反射光の強度信号ｓｉｇ２が制御装置３５０に入力される。
【００１７】
パルスレーザビームＬａの１つのレーザパルスが半導体基板３０２に入射すると、その表層部が一時的に融解し、レーザパルスの入射が終了すると、融解した部分が再結晶化する。表層部が融解している期間、反射率が高くなるため、反射光強度信号ｓｉｇ２が大きくなる。
【００１８】
反射光強度が、バックグランドレベルから最大値までの上昇分の１／２の大きさまで上昇した時点から、１／２の大きさまで低下した時点までの経過時間を、融解時間とした。制御装置３５０は、式（１）に基づいて、融解時間τｓから融解深さｈｍを算出することができる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
ここで、Ｃ１、Ｃ２は定数である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開昭５９−２１２１８４号公報
【特許文献２】特開平１１−２２１６８３号公報
【特許文献３】特開２００８−１１７８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、特許文献１記載の技術において、溶接部後部の温度及び溶接幅を一定としたとしても、常に溶込み深さが一定となるとは言えない。特許文献１記載の技術において、測定している温度は被溶接部材の表面の温度である。溶接の進行等に伴って被溶接部材の温度が変化した場合、特許文献１記載の技術を用いて溶接部後部の表面の温度を一定とするよう制御しても、その深部の温度が常に一致するとは言えない。すなわち、溶込み深さが一定となるとは言えない。
【００２３】
また、特許文献２記載の技術も、周囲温度Ｔａを定数としており、溶接の進行等に伴って周辺温度Ｔａが変化する場合は考慮されていない。そのため、周辺温度Ｔａが変化に伴い放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃの算出に誤差を生じる可能性がある。また、加熱によって被照射物を所定の深さまで融解させるための技術ではないため、係る用途に用いることができない。
【００２４】
また、特許文献３記載の技術では、式（１）に係る算出において、半導体基板３０２に与えられたエネルギのうち熱伝導等による損失分を一定と仮定しているが、半導体基板３０２のレーザ照射前の温度が一定でない場合、前記損失分が変化することになるため、融解深さｈｍの算出に誤差を生じる。
【００２５】
例えば、レーザ光をワーク上に照射しながらスキャンする場合、レーザ照射領域からの熱伝導によりワーク面内で温度ムラが生じる。このため、融解深さの算出に誤差を生じる。また、融解時間τｓまたはレーザ出力を一定に保ってワークをスキャンしても融解深さが不均一になる。
【００２６】
図８に、ワーク上に円形のレーザ光をスキャンしながら照射して直線を等間隔に描く場合の、ワーク上の温度分布を等温線で模式的に示す。図８（ａ）はワーク上の点Ｐ１からレーザ照射を開始する直前における温度分布を示す。図８（ａ）において基板面内の温度Ｔｉは一定であるため、等温線はワーク上に無い。その後、レーザ照射が行なわれるにつれて、レーザ光の照射によってワークに加えられた熱はワーク内に熱伝導で広がり、ワークの温度は上昇する。そのため、図８（ｂ）に示す４本目のスキャンを点Ｐ３より開始する直前においては、３本目のスキャンの終了点Ｐ２を中心とした温度勾配が生じる。また、点Ｐ３におけるレーザ照射する直前の温度Ｔｉ’はＴｉより高い。そのため、点Ｐ１におけるレーザ出力と点Ｐ３におけるレーザ出力を同じとした場合、点Ｐ３における融解深さの方が点Ｐ１における融解深さより深くなる。また、点Ｐ１における融解時間と点Ｐ３における融解時間とを同じとしても点Ｐ３における融解深さは点Ｐ１における融解深さより深くなる。
【００２７】
また、特許文献３記載の技術はパルス照射における融解時間τｓを用いて深さを算出する技術であるので、レーザ光等を連続照射する場合は融解深さを算出することができない。
【００２８】
上記の問題を鑑み、本発明は、所望の融解深さまでワークを融解させる加工方法、光照射装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【００２９】
また、本発明は光照射域からの熱伝導などでワークの温度が不均一となる場合でも、融解深さを一定とする加工方法、光照射装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【００３０】
また、本発明は、連続照射する光出射器を用いて、融解深さを一定とする加工方法、加工装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記課題を解決するために、本発明の加工方法は、光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて、前記ワークを所定の深さまで融解する加工方法において、前記被照射部と異なる位置のワークの温度Ｔｘを測定し、前記深さと前記温度Ｔｘから前記光の出力を制御することを特徴とする。
【００３２】
また、前記被照射部の温度Ｔｓを測定し、前記温度Ｔｓ、前記温度Ｔｘ及び前記出力から前記出力を制御することを特徴とする。
【００３３】
また、前記出力の制御は、前記温度Ｔｓ、前記温度Ｔｘ及び前記出力から前記被照射部の表面温度の論理値を算出し、前記温度Ｔｓを論理値に近づけるよう行われることを特徴とする。
【００３４】
また、前記論理値と前記温度Ｔｓとの比率を前記出力の補正係数αとして、前記光の出力の制御を行うことを特徴とする。
【００３５】
また、前記異なる位置は、前記被照射部から前記光の走査方向前方に所定距離離れた位置であることを特徴とする。
【００３６】
また、前記温度Ｔｘとして、所定の時間だけ以前に測定された温度を用いることを特徴とする。
【００３７】
また、前記異なる位置は、前記被照射部の裏面であることを特徴とする。
【００３８】
また、本発明のプログラムは、光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを熱処理する光照射装置を制御するプログラムであって、前記プログラムは、前記ワークの被照射面上の前記光が照射される位置である被照射部と異なる位置のワークの温度Ｔｘを測定するステップと、前記深さと前記温度Ｔｘとから出力を算出するステップと、前記算出するステップに基づき前記光の出力を制御するステップと、からなることを特徴とする。
【００３９】
また、本発明者の光照射装置は、光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを所定の深さまで融解する光照射装置であって、光出射器と、前記被照射部と異なる位置の温度Ｔｘを測定する周辺用温度計と、
前記深さと前記温度Ｔｘとから出力を算出する演算部と、前記出力に前記光の出力を制御する制御部と、を備えることを特徴とする光照射装置。
【００４０】
また、前記光出射器は、前記光の走査方向と直交する方向に開口寸法を調整可能な絞りと、前記絞りの像を結像させる結像レンズと、を備えることを特徴とする。
【００４１】
また、前記被照射部と異なる位置は、被照射部を中心とした位置を移動可能に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、融解深さを所望の深さまでワークを融解させる光照射を行なうことができる。
【００４３】
また、周辺温度計によって測定された照射前の温度Ｔｘに基づいて、光の出力Ｑを算出するので、融解深さを一定とすることができる。
【００４４】
また、連続照射する光出射器を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施の形態に係るレーザ光照射装置の構成を示す模式図である。
【図２】本実施の形態に係るレーザ加工方法の制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】本実施の形態に係る常温から準定常状態となるまでの温度変化をグラフである。
【図４】本実施の形態に係るレーザ光照射装置の構成を示す模式図である。
【図５】従来技術に係るＣＯ２レーザ溶接に用いる装置の概略図である。
【図６】従来技術に係る光ビーム加熱装置の概略図である。
【図７】従来技術に係るレーザアニール装置の概略図である。
【図８】ワーク上の温度分布を等温線で示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明の実施形態であるワークの加工方法、ワークの加工用光照射装置およびそれに用いるプログラムについて詳細に説明する。
【００４７】
以下において、光の照射による加熱によって少なくともその表面の一部を融解させる被加工対象物をワークと呼ぶ。本発明に実施形態に係るワークの加工方法の用途としては、半導体ウェファをワークとするドーピング処理や再結晶化のためのレーザアニール等がある。また、ハンダ付けや溶接等、被加工対象物を融解させる目的であれば他のワークにおいても適用可能である。
【実施例１】
【００４８】
図１は、光照射装置の構成を示す模式図である。光出射器であるレーザ発振器２は、制御部７からの信号を受けてレーザ光を発振し、レーザ光をワーク３の被照射面に照射する。照射されるレーザ光は、被照射面において半径２０μｍの円形の均一なエネルギ分布をもつ。ワーク３は移動部であるステージ８上に支持されており、レーザ光照射装置１は、ステージ８の動作によって、ワーク３をレーザ光の光軸に対して相対移動することができる。本実施の形態のレーザ光照射装置は、レーザ光を照射しながらステージ８を動作させることで、ワーク３の被照射面において任意のパターンに沿ってレーザ光を照射し、熱処理することができる。
【００４９】
ワーク３の上方には、２つの放射温度計が設置される。一方はワーク３の被照射面上のレーザ光が照射される位置（以下、被照射部と呼ぶ）においてワーク３の表面温度を測定する被照射部用温度計５であり、前記被照射部に焦点を合わせて設置される。
【００５０】
もう一方の周辺用温度計４はワーク３の被照射部と異なる位置の温度を測定するため、前記異なる位置に焦点を合わせて設置される。周辺用温度計４が焦点を合わせる位置は、被照射部からの熱伝導が無視できる程度に、被照射部から離れていることが必要である。本実施例においては、前記熱伝導から生じる被照射部の温度における誤差を、被照射部における温度上昇量の１％以下とするため、周辺温度計４が焦点を合わせる位置と被照射部との距離xを０.２mmとした。
【００５１】
前記異なる位置は、被照射部からステージ８の送り方向の反対方向、換言すると、レーザ光の走査方向前方に距離ｘ離れた被照射面上の位置とする。
【００５２】
また、周辺用温度計４が焦点を合わせる位置は、被照射部を中心とした位置を移動可能に構成されていることが望ましい。該構成では、レーザ光の走査方向を変更する場合に、周辺用温度計４が焦点を合わせる位置を回転移動させるだけで、周辺用温度計４が焦点を合わせる位置をレーザ光の走査方向前方とすることができ、かつ距離ｘが変化することが無い。従って、レーザ光の走査方向を任意に変更することが可能となる。
【００５３】
また、スキャンの方向に応じて被照射部用温度計５と周辺用温度計４とを入れ変えて用いても良い。この場合、周辺用温度計４が焦点を合わせる位置を被照射部とし、被照射部用温度計５が焦点を合わせる位置をレーザ光の走査方向前方とするために、被照射部用温度計５が焦点の合わせる位置、周辺用温度計４が焦点の合わせる位置、または被照射部の位置を移動させることが必要である。
【００５４】
２つの放射温度計は、演算部６に接続され、温度の測定値は演算部６に入力される。演算部６はプログラムを記憶する記憶部と、プログラムを実行するＣＰＵとを備え、記憶されたプログラムは、本実施例のレーザ光照射装置を制御して、周辺用温度計４および被照射部用温度計５から入力された測定値に基づき、レーザ発振器２が出射すべきレーザ光の出力を算出し、本実施例の加工方法を実行するよう構成される。
【００５５】
演算部６は制御部７に接続され、算出した結果を制御部７に入力できるように構成される。レーザ発振器２からワーク３までのレーザ光の軸上に、開口寸法を調整可能な絞り９と絞り９の像を結像させる結像レンズ１０が設置され、ワーク３に照射されるレーザ光の形状を調整することができる。
【００５６】
なお、本実施例のレーザ光照射装置１においては、レーザ光の光軸とワーク３との少なくとも一方を移動させることにより、相対的に移動できれば良い（本明細書では、該移動を「スキャン」と呼ぶこととする）。すなわち、本実施例のレーザ光照射装置１は、ステージ８を固定ステージとし、レーザ発振器２、周辺用温度計４、被照射部用温度計５、絞り９、結像レンズ１０を移動させる移動部を代わりに備えても良い。
【００５７】
図２は本実施例のレーザ加工方法の制御の流れを示すフローチャートである。以下、図１、図２を用いてワークを所定の深さｚまで融解する本実施例のレーザ加工方法の手順を説明する。
【００５８】
まずＳ１において、演算部６が記憶する変数である補正係数αに初期値として１を入力する。次にＳ２において、周辺用温度計４が周辺温度Ｔｘを測定し、演算部６が前記周辺温度Ｔｘを記憶する。
【００５９】
次にＳ３において、演算部６が、所望の融解深さｚと前記周辺温度Ｔｘとから必要なレーザ光の出力Q[W]を算出する。前記算出には、演算部６に記憶された周辺温度Ｔｘのうち、距離xをスキャン速度ｖで割った時間ｘ／ｖだけ以前に測定した周辺温度Ｔｘを用いる。前記Ｔｘは、出力Ｑ算出時において被照射部に位置するワーク３表面の以前の温度である。但し、スキャン開始またはＴｘ測定開始からの経過時間がｘ／ｖ［ｓｅｃ］未満の時は、レーザ光の走査開始時またはＴｘ測定開始時（開始時からの経過時間が０sec）の値を用いる。本実施例においては、ｘ＝０．２ｍｍ、ｖ＝１００ｍｍ／秒であるので、ｘ／ｖ＝０．００２秒とした。
【００６０】
なお、出力Ｑの算出時と該出力Ｑに制御されるレーザ光の照射時とのタイムラグΔｔを用いて、時間x／ｖ−Δｔだけ以前に測定したＴｘを出力Ｑの算出に用いても良い。この場合、該出力Ｑに制御される前記レーザ光の照射時において被照射部に位置するワーク３表面の以前の温度を該出力Ｑの算出に用いることになる。
【００６１】
本実施例においては、前記被照射部からレーザ光の走査方向前方に離れた位置で周辺温度Ｔｘを測定するよう構成したことによって、また、出力Ｑの算出時または該出力Ｑに制御される前記レーザ光の照射時において被照射部に位置するワーク３表面の以前の温度を該出力Ｑの算出に用いることにより、温度Ｔｘの測定位置と被照射部とのワーク３における位置が異なることによる測定誤差を無くすことができる。
【００６２】
前記算出の原理について、詳細に説明する。「日経技術図書株式会社 レーザプロセシング ２２０-２２１」によれば、半径aの円形均一分布熱をもつ移動熱源に対する温度上昇量θ（ｒ，ｚ）［Ｋ]とワークが吸収する熱流束ｑ０［Ｗ／ｍ２］との定常状態における関係は、式（２）で与えられる。
【００６３】
【数２】
【００６４】
ｖ：スキャン速度、ｋ：熱拡散率、λ：熱伝導率である。
【００６５】
ここで、レーザ照射前の深さｚにおける温度をＴｘと仮定し、被照射部直下の深さzにおいて温度が融点Ｔｍに達すると仮定すると、式（２）においてθ（０，ｚ）＝Ｔｍ−Ｔｘ，ｒ＝０であり、代入して整理すれば必要な出力Ｑ［Ｗ］は式（３）で与えられる。
【００６６】
【数３】
【００６７】
A：ワーク表面の吸収率、α：補正係数とする。
【００６８】
式（３）のＱには、ワークの融解熱が考慮されていないので、融解熱に相当する上昇温度として、βΔTを加える。βΔT加算後の式を式（４）に示す。
【００６９】
【数４】
【００７０】
ΔＴは、ワーク３の融解熱Ｌ［Ｊ／ｋｇ］と比熱ｃ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］を用いて、ΔＴ＝Ｌ／ｃ［Ｋ］として算出した値である。また、βは補正係数であり、事前の照射実験における熱量Ｑと融解深さｚとの関係に基づき算出した値である。式（４）によれば、半径aの円形均一分布熱をもつ移動熱源によって、深さｚまで融解させるに必要な熱量Ｑを算出することができる。
【００７１】
次に、Ｓ４において制御部７は、演算部６が算出した熱量Ｑに基づきレーザ発振器２を発振させ、レーザ光を照射させる。
【００７２】
次に、Ｓ５において、被照射部用温度計５が被照射部の表面温度Ｔｓを測定する。
【００７３】
次に、Ｓ６において、演算部６は、被照射部の表面温度の論理値Ｔｓ’を式（２）に用いて、Ｔｓ’=θ（０，０）+Ｔｘ−ΔＴとして算出する。なお、θ（０，０）算出にあたり、ｑ０として、出力Ｑをその照射面積πａ２で除した値を用いる。次に、Ｓ５において測定したＴｓと前記論理値Ｔｓ’とを用いて、前記論理値Ｔｓ’と前記温度Ｔｓとの比率に基づき、補正係数α＝（Ｔｓ−Ｔｘ)／（Ｔｓ’−Ｔｘ)として計算し、演算部６が記憶する補正係数αの値を前記算出した補正係数αの値に更新する。
【００７４】
次にＳ７において、スキャンが完了したか否かを判断する。完了していれば照射を停止し、完了していなければＳ２に戻る。補正係数αはＳ６において更新されているので、次のＳ３における出力Ｑの算出には、更新された補正係数αが用いられる。これによりフィードバック制御が可能となる。なお、本実施例においては、Ｓ２〜Ｓ６を１つのサイクルとするフィードバックループ制御が０．００２秒に１回の割合で行なわれる。式（２）〜式（４）は定常状態における関係式であるが、本実施例においては、レーザ照射開始後、極めて短時間で準定常状態となるため、フィードバック制御の間隔が、準定常状態となるまでの時間より大きい本実施例においては、その誤差は許容範囲となる。
【００７５】
図３にレーザを照射して、常温から準定常状態となるまでの温度変化をグラフで示す。図３のグラフより、照射開始後０．０００６秒後１３３０度に達し、０．０００８秒後に１３２８度に低下し、０．００１秒後に１３３４度に再上昇していることがわかる。すなわち、０．０００８秒以後、上昇傾向が観察されず、１３２８度から１３３４度までの６℃の範囲内を推移する定常状態となっていると推測される。
【００７６】
本実施例のレーザ光照射装置は、所望の融解深さｚと周辺温度Ｔｘによって定まる出力Ｑにレーザ光の出力を制御するレーザ光照射装置である。
【００７７】
また、本実施例のレーザ光照射装置は、出力Ｑと周辺温度Ｔｘによって、一意に定まる被照射部の表面温度の論理値Ｔｓ’に測定値Ｔｓを近づけるようレーザ光の出力Ｑを制御するレーザ光照射装置である。
【００７８】
本実施例によれば、融解深さを所望の深さzまでワークを融解させるレーザ照射を行なうことができる。
【００７９】
また、周辺温度計４によって測定されたレーザ照射前の温度Ｔｘに基づいて、レーザ光の出力Ｑを算出するので、温度Ｔｘに関わらず融解深さを一定とすることができる。
【００８０】
また、連続照射するレーザを用いることができる。
【００８１】
なお、ワーク３が固体の時と液体の時とでレーザ光の吸収率Ａが異なる場合、θ（０，０）＜Ｔｍである区間（すなわち、ワーク３表面が融点Ｔｍに達するまで）に関し、固体の吸収率を用いて出力Ｑｓを求め、融点に到達後の期間に関し、液体の吸収率を用いて出力Ｑｌを求め、前記出力Ｑｓと前記出力Ｑｌを合算して出力Ｑを求めても良い。
【００８２】
なお、レーザ光が被照射面において円形の均一な分布でない場合、式（２）〜（４）に替えて、各分布に対応する式を用いれば良い。
【００８３】
たとえば、レーザ発振器２としてガウス分布のレーザ発振器を用いても良く、その場合、「日経技術図書株式会社 レーザプロセシング ２２０-２２１」にあるように、式（２）の代わりに式（５）を用いて算出すれば良い。
【００８４】
【数５】
【００８５】
また、近似として「日経技術図書株式会社 レーザプロセシング ２２０-２２１」に記載の理想点熱源の式（６）を式（２）の代わりに用いて算出しても良い。
【００８６】
【数６】
【００８７】
また、レーザ出力の制御に伴って水平方向の温度分布が変化して融解領域の幅が変化した場合、絞り９のレーザ光の走査方向と直交する方向の開口寸法を調整することで融解領域の幅を調整することが望ましい。例えば、レーザ出力の制御により融解幅が増大した場合、開口寸法を狭くして照射領域を小さくする。ここでレーザ光の単位面積当たりの出力は変化しないため、融解深さｚに及ぼす影響は小さく、また融解幅の減少量は開口寸法の減少量とほぼ等しいため、高精度に融解幅を調整できる。
【００８８】
また、本実施例ではレーザ発振器２を連続的に発振させてレーザ光を連続照射したが、レーザ光をパルス発振させても良い。その場合、パルス照射に対応する温度上昇量θの算出式を式（２）〜（４）の代わりに用いれば良い。
【実施例２】
【００８９】
図４は、本実施例のレーザ光照射装置（光照射装置）の構成を示す模式図である。本実施例では、実施例１と異なり、周辺用温度計４は、ステージ８の下方に設置され、被照射部の真裏に焦点を合わせて設置されている。
【００９０】
ワーク３の板厚は、被照射部からの熱伝導が無視できる程度に厚いことが必要である。本実施例においては、前記熱伝導から生じる被照射部の温度における誤差を、被照射部における温度上昇量の１％以下とするため、周辺温度計４が焦点を合わせる位置と被照射部との距離xを０.２mmとした。
【００９１】
被照射部の裏面で温度Ｔｘを測定することにより、温度Ｔｓを測定する時と温度Ｔｍを測定する時との間隔を短く、理想的には同時にすることができるので、該間隔による経時変化によって生じる誤差を小さくすることができる。
【００９２】
また、周辺用温度計４が測定する位置を被照射部を中心として回転移動できるように構成することを要しないための本実施例のレーザ光照射装置の構成を単純とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明に係る加工方法および照射装置は、レーザ光のみならず、可視光線を含む電磁波を照射、または高温ガス等を噴射してワークを熱して所定の深さまで融解させる利用分野において利用可能である。
【符号の説明】
【００９４】
２ レーザ発振器
４ 周辺用温度計
５ 被照射部用温度計
６ 演算部
７ 制御部
８ ステージ
９ 絞り
１０ 結像レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ等の光をワークに照射しながら、光とワークの少なくとも一方を走査してワークを熱処理するワークの加工方法、ワークの加工用光照射装置およびそれに用いるプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光をワークに照射しながら、レーザ光とワークの少なくとも一方を走査してワークを熱処理するとして、レーザ溶接やアニーリング、ドーピング、表面改質などがある。これらの加工では、レーザはワークに組織変化や融解など所望の加工を施すための加熱源として用いられる。またこれらの加工では、多くの場合レーザにより改質や融解させる深さをワーク内の位置によらず均一にすることが望まれる。
【０００３】
特許文献１には、ＣＯ２レーザ溶接に係り、溶接部の溶込み深さと溶接ビート幅を一定とするため、溶接部後部の温度及び溶接幅を計測し、計測した温度と溶接幅があらかじめ設定した温度と溶接幅となるように被溶接物への入熱を制御する技術が開示されている。
【０００４】
図５に特許文献１に係る装置の構成を示す。図５において、レーザ発振器１０１からのレーザ光１０３は、光学ミラー１０２で光路変換後、レーザ光の集光レンズ１０４で集光され、被溶接物１２０に照射される。光学ミラー１０２と集光レンズ１０４の間にハーフミラー１０６がレーザ光に対し４５°の傾きで配置されている。ハーフミラー及び集光レンズはケース１２１で一体的に構成されている。この部分をレーザ溶接ヘッドと以下呼称する。溶接ヘッドの近傍には溶接部の溶解プール１０５の後部の温度検出用の赤外線集光ヘッド１０７が溶接ヘッドに固定されている。溶接部からの赤外線を赤外線集光ヘッド１０７で集光し、光ファイバ１１２で赤外線温度検出器１１５へ伝送する。赤外線温度検出器１１５では、伝送された赤外線の波長を光フィルタ１１３で限定し、赤外線検出器１１４に入射させる。ここで光電変換し、増幅器１１６で増幅する。すなわち、増幅器１１６の出力電気信号の大小は溶接部の温度に対応することとなる。増幅器1１６からの温度信号は、マイクロコンピュータ1１７で処理され、検出温度と設定温度が一致するようにレーザ照射出力の制御装置1１９を介して、レーザ発振器１０１の出力を制御する。
【０００５】
一方、溶接ヘッドのハーフミラー１０６の部分には、溶接部を撮像するためのテレビカメラ１０９及びレンズ１０８がある。ハーフミラー１０６はＣＯ２レーザ光を透過し、可視光を反射する特性のミラーである。テレビカメラからの映像信号は画像信号処理装置１１０により２値化処理され溶接式部の溶接プール１０５の幅を検知する。またモニタテレビ１１１に溶接部は映し出され、監視用として用いられる。画像信号処理装置１１０からの出力すなわち溶解プール幅の信号はマイクロコンピュータ１１７で処理され、検出した溶接幅と設定した溶解幅が一致するように、レーザ光の集光レンズ１０４の位置をレンズ上下移動機構１１８を介して、被溶接物に対する集光したレーザ光の焦点位置を制御する。
【０００６】
また、特許文献２に、所望の温度上昇カーブと施工条件が得られる光ビーム加熱装置が開示されている。
【０００７】
図６に特許文献２記載の光ビーム加熱装置の構成図である。光ファイバ２０１とレンズ２０２等で照射手段が構成され、照射光２０３により被加熱物２０４を施工することができる。２０６は加熱中に被照射部２０５に供給される供給物質であり、２０７は供給物質送給装置である。２０８は被照射部２０５の温度を測定するための温度センサであり、２０９は温度センサ２０８からの温度測定データを記録する温度記録部である。２１０は温度記録部２０９からの温度測定データから被照射部２０５の熱定数を演算する熱定数演算部である。図６のフローチャートは処理の流れを示す。ＤＡＴＡ（Ｔｎ，ｔｎ）は温度記録部２０９に記録される温度測定データで、測定温度Ｔｎと測定時間ｔｎから構成される。熱定数演算部２１０には温度上昇関数Ｔ（ｔ）＝ｆ（Ｒ，Ｃ，Ｐ，ｔ）＋Ｔａが予め準備されている。温度上昇関数Ｔ（ｔ）は従属変数で、時間ｔは独立変数である。また、この温度上昇関数Ｔ（ｔ）は、媒介変数として放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃと照射出力Ｐ、定数項として周囲温度Ｔａを含んでいる。媒介変数のうち放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃが熱定数であって、被照射部２０５固有の値となる。周囲温度Ｔａは照射によって加熱される前の被照射部５、または被加熱物２０４の温度として表現される場合もある。
【０００８】
温度上昇関数Ｔ（ｔ）を構成する変数のうち、照射出力Ｐと周囲温度Ｔａの値はパワー測定器と温度計によって照射前に知ることができるため定数となる。照射出力Ｐと周囲温度Ｔａの測定値と温度測定データＤＡＴＡ（Ｔｎ，ｔｎ）を温度上昇関数Ｔ（ｔ）に代入し、熱定数である放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃについて解を求める。
【０００９】
求めた被照射部２０５固有の熱定数である放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃによって、温度測定データを関数として表現できる。また、その関数式に任意の照射出力Ｐと周囲温度Ｔａを代入することによって任意の温度上昇カーブを得ることができ、また演算した熱定数と所望の温度条件から施工条件設定値を得ることができる。
【００１０】
また、特許文献３に、レーザアニール対象物のレーザビーム入射位置の融解部分の深さを計測する技術が開示されている。
【００１１】
図７に、特許文献３記載のレーザアニール装置の概略図を示す。ＸＹステージ３０１がアニール対象である半導体基板３０２を保持し、その表面に平行な２次元方向に移動させる。半導体基板３０２の表面に平行な面をｘｙ面とし、基板の法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。図５は、ｙ軸に平行な視線で見たときの概略図を示す。
【００１２】
アニール用レーザ光源３０５が、制御装置３５０からのトリガ信号ｓｉｇ１に同期して、アニール用パルスレーザビームＬａを出射する。
【００１３】
アニール用レーザ光源３０５から出射されたレーザビームＬａが、整形均一化光学系３０６を経由して、ＸＹステージ３０１に保持された半導体基板３０２に入射する。整形均一化光学系３０６は、半導体基板３０２の表面におけるレーザビームの断面を、ｙ軸方向に長い長尺形状にし、かつ面内における光強度分布を均一化させる。ＸＹステージ３０１を駆動して半導体基板３０２をｘ軸方向に移動させながら、パルスレーザビームを入射させる主走査工程と、半導体基板３０２をｙ軸方向にずらす副走査工程とを繰り返すことにより、半導体基板３０２の表面のほぼ全面をレーザアニールすることができる。ＸＹステージ３０１は制御装置３５０により制御される。
【００１４】
測定用光源３１０が、測定用レーザビームを出射する。測定用光源３１０から出射された測定用レーザビームが、パルス化装置３１１、光ファイバ３１２、レンズ３１３を経由して、半導体基板３０２の、アニール用パルスレーザビームが入射する領域内に入射する。
【００１５】
半導体基板３０２の表面で反射された測定用レーザビームの反射光が、レンズ３２０、第１のフィルタ３２１、第２のフィルタ３２２、光ファイバ３２３を経由して、反射光検出器３２４に入射する。第１のフィルタ３２１は、波長が５３０ｎｍよりも短い光を遮光し、第２のフィルタ３２２は、波長が７００ｎｍよりも長い光を遮光する。第１のフィルタ３２１及び第２のフィルタ３２２により、アニール用レーザビームの入射により発生したプルームからのプラズマ光、及び温度上昇による黒体放射光等が遮光され、主として測定用レーザビームの反射光のみが反射光検出器３２４に入射する。
【００１６】
反射光検出器３２４は、反射光の強度を電気信号に変換する。電気信号に変換された反射光の強度信号ｓｉｇ２が制御装置３５０に入力される。
【００１７】
パルスレーザビームＬａの１つのレーザパルスが半導体基板３０２に入射すると、その表層部が一時的に融解し、レーザパルスの入射が終了すると、融解した部分が再結晶化する。表層部が融解している期間、反射率が高くなるため、反射光強度信号ｓｉｇ２が大きくなる。
【００１８】
反射光強度が、バックグランドレベルから最大値までの上昇分の１／２の大きさまで上昇した時点から、１／２の大きさまで低下した時点までの経過時間を、融解時間とした。制御装置３５０は、式（１）に基づいて、融解時間τｓから融解深さｈｍを算出することができる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
ここで、Ｃ１、Ｃ２は定数である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開昭５９−２１２１８４号公報
【特許文献２】特開平１１−２２１６８３号公報
【特許文献３】特開２００８−１１７８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、特許文献１記載の技術において、溶接部後部の温度及び溶接幅を一定としたとしても、常に溶込み深さが一定となるとは言えない。特許文献１記載の技術において、測定している温度は被溶接部材の表面の温度である。溶接の進行等に伴って被溶接部材の温度が変化した場合、特許文献１記載の技術を用いて溶接部後部の表面の温度を一定とするよう制御しても、その深部の温度が常に一致するとは言えない。すなわち、溶込み深さが一定となるとは言えない。
【００２３】
また、特許文献２記載の技術も、周囲温度Ｔａを定数としており、溶接の進行等に伴って周辺温度Ｔａが変化する場合は考慮されていない。そのため、周辺温度Ｔａが変化に伴い放熱抵抗Ｒと熱容量Ｃの算出に誤差を生じる可能性がある。また、加熱によって被照射物を所定の深さまで融解させるための技術ではないため、係る用途に用いることができない。
【００２４】
また、特許文献３記載の技術では、式（１）に係る算出において、半導体基板３０２に与えられたエネルギのうち熱伝導等による損失分を一定と仮定しているが、半導体基板３０２のレーザ照射前の温度が一定でない場合、前記損失分が変化することになるため、融解深さｈｍの算出に誤差を生じる。
【００２５】
例えば、レーザ光をワーク上に照射しながらスキャンする場合、レーザ照射領域からの熱伝導によりワーク面内で温度ムラが生じる。このため、融解深さの算出に誤差を生じる。また、融解時間τｓまたはレーザ出力を一定に保ってワークをスキャンしても融解深さが不均一になる。
【００２６】
図８に、ワーク上に円形のレーザ光をスキャンしながら照射して直線を等間隔に描く場合の、ワーク上の温度分布を等温線で模式的に示す。図８（ａ）はワーク上の点Ｐ１からレーザ照射を開始する直前における温度分布を示す。図８（ａ）において基板面内の温度Ｔｉは一定であるため、等温線はワーク上に無い。その後、レーザ照射が行なわれるにつれて、レーザ光の照射によってワークに加えられた熱はワーク内に熱伝導で広がり、ワークの温度は上昇する。そのため、図８（ｂ）に示す４本目のスキャンを点Ｐ３より開始する直前においては、３本目のスキャンの終了点Ｐ２を中心とした温度勾配が生じる。また、点Ｐ３におけるレーザ照射する直前の温度Ｔｉ’はＴｉより高い。そのため、点Ｐ１におけるレーザ出力と点Ｐ３におけるレーザ出力を同じとした場合、点Ｐ３における融解深さの方が点Ｐ１における融解深さより深くなる。また、点Ｐ１における融解時間と点Ｐ３における融解時間とを同じとしても点Ｐ３における融解深さは点Ｐ１における融解深さより深くなる。
【００２７】
また、特許文献３記載の技術はパルス照射における融解時間τｓを用いて深さを算出する技術であるので、レーザ光等を連続照射する場合は融解深さを算出することができない。
【００２８】
上記の問題を鑑み、本発明は、所望の融解深さまでワークを融解させる加工方法、光照射装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【００２９】
また、本発明は光照射域からの熱伝導などでワークの温度が不均一となる場合でも、融解深さを一定とする加工方法、光照射装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【００３０】
また、本発明は、連続照射する光出射器を用いて、融解深さを一定とする加工方法、加工装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記課題を解決するために、本発明の加工方法は、光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて、前記ワークを所定の深さまで融解する加工方法において、前記被照射部と異なる位置のワークの温度Ｔｘを測定し、前記深さと前記温度Ｔｘから前記光の出力を制御することを特徴とする。
【００３２】
また、前記被照射部の温度Ｔｓを測定し、前記温度Ｔｓ、前記温度Ｔｘ及び前記出力から前記出力を制御することを特徴とする。
【００３３】
また、前記出力の制御は、前記温度Ｔｓ、前記温度Ｔｘ及び前記出力から前記被照射部の表面温度の論理値を算出し、前記温度Ｔｓを論理値に近づけるよう行われることを特徴とする。
【００３４】
また、前記論理値と前記温度Ｔｓとの比率を前記出力の補正係数αとして、前記光の出力の制御を行うことを特徴とする。
【００３５】
また、前記異なる位置は、前記被照射部から前記光の走査方向前方に所定距離離れた位置であることを特徴とする。
【００３６】
また、前記温度Ｔｘとして、所定の時間だけ以前に測定された温度を用いることを特徴とする。
【００３７】
また、前記異なる位置は、前記被照射部の裏面であることを特徴とする。
【００３８】
また、本発明のプログラムは、光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを熱処理する光照射装置を制御するプログラムであって、前記プログラムは、前記ワークの被照射面上の前記光が照射される位置である被照射部と異なる位置のワークの温度Ｔｘを測定するステップと、前記深さと前記温度Ｔｘとから出力を算出するステップと、前記算出するステップに基づき前記光の出力を制御するステップと、からなることを特徴とする。
【００３９】
また、本発明者の光照射装置は、光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを所定の深さまで融解する光照射装置であって、光出射器と、前記被照射部と異なる位置の温度Ｔｘを測定する周辺用温度計と、
前記深さと前記温度Ｔｘとから出力を算出する演算部と、前記出力に前記光の出力を制御する制御部と、を備えることを特徴とする光照射装置。
【００４０】
また、前記光出射器は、前記光の走査方向と直交する方向に開口寸法を調整可能な絞りと、前記絞りの像を結像させる結像レンズと、を備えることを特徴とする。
【００４１】
また、前記被照射部と異なる位置は、被照射部を中心とした位置を移動可能に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、融解深さを所望の深さまでワークを融解させる光照射を行なうことができる。
【００４３】
また、周辺温度計によって測定された照射前の温度Ｔｘに基づいて、光の出力Ｑを算出するので、融解深さを一定とすることができる。
【００４４】
また、連続照射する光出射器を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施の形態に係るレーザ光照射装置の構成を示す模式図である。
【図２】本実施の形態に係るレーザ加工方法の制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】本実施の形態に係る常温から準定常状態となるまでの温度変化をグラフである。
【図４】本実施の形態に係るレーザ光照射装置の構成を示す模式図である。
【図５】従来技術に係るＣＯ２レーザ溶接に用いる装置の概略図である。
【図６】従来技術に係る光ビーム加熱装置の概略図である。
【図７】従来技術に係るレーザアニール装置の概略図である。
【図８】ワーク上の温度分布を等温線で示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明の実施形態であるワークの加工方法、ワークの加工用光照射装置およびそれに用いるプログラムについて詳細に説明する。
【００４７】
以下において、光の照射による加熱によって少なくともその表面の一部を融解させる被加工対象物をワークと呼ぶ。本発明に実施形態に係るワークの加工方法の用途としては、半導体ウェファをワークとするドーピング処理や再結晶化のためのレーザアニール等がある。また、ハンダ付けや溶接等、被加工対象物を融解させる目的であれば他のワークにおいても適用可能である。
【実施例１】
【００４８】
図１は、光照射装置の構成を示す模式図である。光出射器であるレーザ発振器２は、制御部７からの信号を受けてレーザ光を発振し、レーザ光をワーク３の被照射面に照射する。照射されるレーザ光は、被照射面において半径２０μｍの円形の均一なエネルギ分布をもつ。ワーク３は移動部であるステージ８上に支持されており、レーザ光照射装置１は、ステージ８の動作によって、ワーク３をレーザ光の光軸に対して相対移動することができる。本実施の形態のレーザ光照射装置は、レーザ光を照射しながらステージ８を動作させることで、ワーク３の被照射面において任意のパターンに沿ってレーザ光を照射し、熱処理することができる。
【００４９】
ワーク３の上方には、２つの放射温度計が設置される。一方はワーク３の被照射面上のレーザ光が照射される位置（以下、被照射部と呼ぶ）においてワーク３の表面温度を測定する被照射部用温度計５であり、前記被照射部に焦点を合わせて設置される。
【００５０】
もう一方の周辺用温度計４はワーク３の被照射部と異なる位置の温度を測定するため、前記異なる位置に焦点を合わせて設置される。周辺用温度計４が焦点を合わせる位置は、被照射部からの熱伝導が無視できる程度に、被照射部から離れていることが必要である。本実施例においては、前記熱伝導から生じる被照射部の温度における誤差を、被照射部における温度上昇量の１％以下とするため、周辺温度計４が焦点を合わせる位置と被照射部との距離xを０.２mmとした。
【００５１】
前記異なる位置は、被照射部からステージ８の送り方向の反対方向、換言すると、レーザ光の走査方向前方に距離ｘ離れた被照射面上の位置とする。
【００５２】
また、周辺用温度計４が焦点を合わせる位置は、被照射部を中心とした位置を移動可能に構成されていることが望ましい。該構成では、レーザ光の走査方向を変更する場合に、周辺用温度計４が焦点を合わせる位置を回転移動させるだけで、周辺用温度計４が焦点を合わせる位置をレーザ光の走査方向前方とすることができ、かつ距離ｘが変化することが無い。従って、レーザ光の走査方向を任意に変更することが可能となる。
【００５３】
また、スキャンの方向に応じて被照射部用温度計５と周辺用温度計４とを入れ変えて用いても良い。この場合、周辺用温度計４が焦点を合わせる位置を被照射部とし、被照射部用温度計５が焦点を合わせる位置をレーザ光の走査方向前方とするために、被照射部用温度計５が焦点の合わせる位置、周辺用温度計４が焦点の合わせる位置、または被照射部の位置を移動させることが必要である。
【００５４】
２つの放射温度計は、演算部６に接続され、温度の測定値は演算部６に入力される。演算部６はプログラムを記憶する記憶部と、プログラムを実行するＣＰＵとを備え、記憶されたプログラムは、本実施例のレーザ光照射装置を制御して、周辺用温度計４および被照射部用温度計５から入力された測定値に基づき、レーザ発振器２が出射すべきレーザ光の出力を算出し、本実施例の加工方法を実行するよう構成される。
【００５５】
演算部６は制御部７に接続され、算出した結果を制御部７に入力できるように構成される。レーザ発振器２からワーク３までのレーザ光の軸上に、開口寸法を調整可能な絞り９と絞り９の像を結像させる結像レンズ１０が設置され、ワーク３に照射されるレーザ光の形状を調整することができる。
【００５６】
なお、本実施例のレーザ光照射装置１においては、レーザ光の光軸とワーク３との少なくとも一方を移動させることにより、相対的に移動できれば良い（本明細書では、該移動を「スキャン」と呼ぶこととする）。すなわち、本実施例のレーザ光照射装置１は、ステージ８を固定ステージとし、レーザ発振器２、周辺用温度計４、被照射部用温度計５、絞り９、結像レンズ１０を移動させる移動部を代わりに備えても良い。
【００５７】
図２は本実施例のレーザ加工方法の制御の流れを示すフローチャートである。以下、図１、図２を用いてワークを所定の深さｚまで融解する本実施例のレーザ加工方法の手順を説明する。
【００５８】
まずＳ１において、演算部６が記憶する変数である補正係数αに初期値として１を入力する。次にＳ２において、周辺用温度計４が周辺温度Ｔｘを測定し、演算部６が前記周辺温度Ｔｘを記憶する。
【００５９】
次にＳ３において、演算部６が、所望の融解深さｚと前記周辺温度Ｔｘとから必要なレーザ光の出力Q[W]を算出する。前記算出には、演算部６に記憶された周辺温度Ｔｘのうち、距離xをスキャン速度ｖで割った時間ｘ／ｖだけ以前に測定した周辺温度Ｔｘを用いる。前記Ｔｘは、出力Ｑ算出時において被照射部に位置するワーク３表面の以前の温度である。但し、スキャン開始またはＴｘ測定開始からの経過時間がｘ／ｖ［ｓｅｃ］未満の時は、レーザ光の走査開始時またはＴｘ測定開始時（開始時からの経過時間が０sec）の値を用いる。本実施例においては、ｘ＝０．２ｍｍ、ｖ＝１００ｍｍ／秒であるので、ｘ／ｖ＝０．００２秒とした。
【００６０】
なお、出力Ｑの算出時と該出力Ｑに制御されるレーザ光の照射時とのタイムラグΔｔを用いて、時間x／ｖ−Δｔだけ以前に測定したＴｘを出力Ｑの算出に用いても良い。この場合、該出力Ｑに制御される前記レーザ光の照射時において被照射部に位置するワーク３表面の以前の温度を該出力Ｑの算出に用いることになる。
【００６１】
本実施例においては、前記被照射部からレーザ光の走査方向前方に離れた位置で周辺温度Ｔｘを測定するよう構成したことによって、また、出力Ｑの算出時または該出力Ｑに制御される前記レーザ光の照射時において被照射部に位置するワーク３表面の以前の温度を該出力Ｑの算出に用いることにより、温度Ｔｘの測定位置と被照射部とのワーク３における位置が異なることによる測定誤差を無くすことができる。
【００６２】
前記算出の原理について、詳細に説明する。「日経技術図書株式会社 レーザプロセシング ２２０-２２１」によれば、半径aの円形均一分布熱をもつ移動熱源に対する温度上昇量θ（ｒ，ｚ）［Ｋ]とワークが吸収する熱流束ｑ０［Ｗ／ｍ２］との定常状態における関係は、式（２）で与えられる。
【００６３】
【数２】
【００６４】
ｖ：スキャン速度、ｋ：熱拡散率、λ：熱伝導率である。
【００６５】
ここで、レーザ照射前の深さｚにおける温度をＴｘと仮定し、被照射部直下の深さzにおいて温度が融点Ｔｍに達すると仮定すると、式（２）においてθ（０，ｚ）＝Ｔｍ−Ｔｘ，ｒ＝０であり、代入して整理すれば必要な出力Ｑ［Ｗ］は式（３）で与えられる。
【００６６】
【数３】
【００６７】
A：ワーク表面の吸収率、α：補正係数とする。
【００６８】
式（３）のＱには、ワークの融解熱が考慮されていないので、融解熱に相当する上昇温度として、βΔTを加える。βΔT加算後の式を式（４）に示す。
【００６９】
【数４】
【００７０】
ΔＴは、ワーク３の融解熱Ｌ［Ｊ／ｋｇ］と比熱ｃ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］を用いて、ΔＴ＝Ｌ／ｃ［Ｋ］として算出した値である。また、βは補正係数であり、事前の照射実験における熱量Ｑと融解深さｚとの関係に基づき算出した値である。式（４）によれば、半径aの円形均一分布熱をもつ移動熱源によって、深さｚまで融解させるに必要な熱量Ｑを算出することができる。
【００７１】
次に、Ｓ４において制御部７は、演算部６が算出した熱量Ｑに基づきレーザ発振器２を発振させ、レーザ光を照射させる。
【００７２】
次に、Ｓ５において、被照射部用温度計５が被照射部の表面温度Ｔｓを測定する。
【００７３】
次に、Ｓ６において、演算部６は、被照射部の表面温度の論理値Ｔｓ’を式（２）に用いて、Ｔｓ’=θ（０，０）+Ｔｘ−ΔＴとして算出する。なお、θ（０，０）算出にあたり、ｑ０として、出力Ｑをその照射面積πａ２で除した値を用いる。次に、Ｓ５において測定したＴｓと前記論理値Ｔｓ’とを用いて、前記論理値Ｔｓ’と前記温度Ｔｓとの比率に基づき、補正係数α＝（Ｔｓ−Ｔｘ)／（Ｔｓ’−Ｔｘ)として計算し、演算部６が記憶する補正係数αの値を前記算出した補正係数αの値に更新する。
【００７４】
次にＳ７において、スキャンが完了したか否かを判断する。完了していれば照射を停止し、完了していなければＳ２に戻る。補正係数αはＳ６において更新されているので、次のＳ３における出力Ｑの算出には、更新された補正係数αが用いられる。これによりフィードバック制御が可能となる。なお、本実施例においては、Ｓ２〜Ｓ６を１つのサイクルとするフィードバックループ制御が０．００２秒に１回の割合で行なわれる。式（２）〜式（４）は定常状態における関係式であるが、本実施例においては、レーザ照射開始後、極めて短時間で準定常状態となるため、フィードバック制御の間隔が、準定常状態となるまでの時間より大きい本実施例においては、その誤差は許容範囲となる。
【００７５】
図３にレーザを照射して、常温から準定常状態となるまでの温度変化をグラフで示す。図３のグラフより、照射開始後０．０００６秒後１３３０度に達し、０．０００８秒後に１３２８度に低下し、０．００１秒後に１３３４度に再上昇していることがわかる。すなわち、０．０００８秒以後、上昇傾向が観察されず、１３２８度から１３３４度までの６℃の範囲内を推移する定常状態となっていると推測される。
【００７６】
本実施例のレーザ光照射装置は、所望の融解深さｚと周辺温度Ｔｘによって定まる出力Ｑにレーザ光の出力を制御するレーザ光照射装置である。
【００７７】
また、本実施例のレーザ光照射装置は、出力Ｑと周辺温度Ｔｘによって、一意に定まる被照射部の表面温度の論理値Ｔｓ’に測定値Ｔｓを近づけるようレーザ光の出力Ｑを制御するレーザ光照射装置である。
【００７８】
本実施例によれば、融解深さを所望の深さzまでワークを融解させるレーザ照射を行なうことができる。
【００７９】
また、周辺温度計４によって測定されたレーザ照射前の温度Ｔｘに基づいて、レーザ光の出力Ｑを算出するので、温度Ｔｘに関わらず融解深さを一定とすることができる。
【００８０】
また、連続照射するレーザを用いることができる。
【００８１】
なお、ワーク３が固体の時と液体の時とでレーザ光の吸収率Ａが異なる場合、θ（０，０）＜Ｔｍである区間（すなわち、ワーク３表面が融点Ｔｍに達するまで）に関し、固体の吸収率を用いて出力Ｑｓを求め、融点に到達後の期間に関し、液体の吸収率を用いて出力Ｑｌを求め、前記出力Ｑｓと前記出力Ｑｌを合算して出力Ｑを求めても良い。
【００８２】
なお、レーザ光が被照射面において円形の均一な分布でない場合、式（２）〜（４）に替えて、各分布に対応する式を用いれば良い。
【００８３】
たとえば、レーザ発振器２としてガウス分布のレーザ発振器を用いても良く、その場合、「日経技術図書株式会社 レーザプロセシング ２２０-２２１」にあるように、式（２）の代わりに式（５）を用いて算出すれば良い。
【００８４】
【数５】
【００８５】
また、近似として「日経技術図書株式会社 レーザプロセシング ２２０-２２１」に記載の理想点熱源の式（６）を式（２）の代わりに用いて算出しても良い。
【００８６】
【数６】
【００８７】
また、レーザ出力の制御に伴って水平方向の温度分布が変化して融解領域の幅が変化した場合、絞り９のレーザ光の走査方向と直交する方向の開口寸法を調整することで融解領域の幅を調整することが望ましい。例えば、レーザ出力の制御により融解幅が増大した場合、開口寸法を狭くして照射領域を小さくする。ここでレーザ光の単位面積当たりの出力は変化しないため、融解深さｚに及ぼす影響は小さく、また融解幅の減少量は開口寸法の減少量とほぼ等しいため、高精度に融解幅を調整できる。
【００８８】
また、本実施例ではレーザ発振器２を連続的に発振させてレーザ光を連続照射したが、レーザ光をパルス発振させても良い。その場合、パルス照射に対応する温度上昇量θの算出式を式（２）〜（４）の代わりに用いれば良い。
【実施例２】
【００８９】
図４は、本実施例のレーザ光照射装置（光照射装置）の構成を示す模式図である。本実施例では、実施例１と異なり、周辺用温度計４は、ステージ８の下方に設置され、被照射部の真裏に焦点を合わせて設置されている。
【００９０】
ワーク３の板厚は、被照射部からの熱伝導が無視できる程度に厚いことが必要である。本実施例においては、前記熱伝導から生じる被照射部の温度における誤差を、被照射部における温度上昇量の１％以下とするため、周辺温度計４が焦点を合わせる位置と被照射部との距離xを０.２mmとした。
【００９１】
被照射部の裏面で温度Ｔｘを測定することにより、温度Ｔｓを測定する時と温度Ｔｍを測定する時との間隔を短く、理想的には同時にすることができるので、該間隔による経時変化によって生じる誤差を小さくすることができる。
【００９２】
また、周辺用温度計４が測定する位置を被照射部を中心として回転移動できるように構成することを要しないための本実施例のレーザ光照射装置の構成を単純とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明に係る加工方法および照射装置は、レーザ光のみならず、可視光線を含む電磁波を照射、または高温ガス等を噴射してワークを熱して所定の深さまで融解させる利用分野において利用可能である。
【符号の説明】
【００９４】
２ レーザ発振器
４ 周辺用温度計
５ 被照射部用温度計
６ 演算部
７ 制御部
８ ステージ
９ 絞り
１０ 結像レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて、前記ワークを所定の深さまで融解する加工方法において、
前記被照射部と異なる位置のワークの温度Ｔｘを測定し、
前記深さと前記温度Ｔｘから前記光の出力を制御することを特徴とする加工方法。
【請求項２】
前記被照射部の温度Ｔｓを測定し、
前記温度Ｔｓ、前記温度Ｔｘ及び前記出力から前記出力を制御することを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項３】
前記出力の制御は、前記温度Ｔｓ、前記温度Ｔｘ及び前記出力から前記被照射部の表面温度の論理値を算出し、前記温度Ｔｓを論理値に近づけるよう行われることを特徴とする請求項１ないし２記載の加工方法。
【請求項４】
前記論理値と前記温度Ｔｓとの比率を前記出力の補正係数αとして、前記光の出力の制御を行うことを特徴とする請求項３記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記異なる位置は、前記被照射部から前記光の走査方向前方に所定距離離れた位置であることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項６】
前記温度Ｔｘとして、所定の時間だけ以前に測定された温度を用いることを特徴とする請求項５記載の加工方法。
【請求項７】
前記異なる位置は、前記被照射部の裏面であることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項８】
光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを熱処理する光照射装置を制御するプログラムであって、
前記プログラムは、
前記ワークの被照射面上の前記光が照射される位置である被照射部と異なる位置のワークの温度Ｔｘを測定するステップと、
前記深さと前記温度Ｔｘとから出力を算出するステップと、
前記算出するステップに基づき前記光の出力を制御するステップと、
からなることを特徴とするプログラム。
【請求項９】
光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを所定の深さまで融解する光照射装置であって、
光出射器と、
前記被照射部と異なる位置の温度Ｔｘを測定する周辺用温度計と、
前記深さと前記温度Ｔｘとから出力を算出する演算部と、
前記出力に前記光の出力を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする光照射装置。
【請求項１０】
前記光出射器は、
前記光の走査方向と直交する方向に開口寸法を調整可能な絞りと、前記絞りの像を結像させる結像レンズと、
を備えることを特徴とする請求項９に記載の光照射装置。
【請求項１１】
前記被照射部と異なる位置は、被照射部を中心とした位置を移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１０記載の光照射装置。
【請求項１】
光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて、前記ワークを所定の深さまで融解する加工方法において、
前記被照射部と異なる位置のワークの温度Ｔｘを測定し、
前記深さと前記温度Ｔｘから前記光の出力を制御することを特徴とする加工方法。
【請求項２】
前記被照射部の温度Ｔｓを測定し、
前記温度Ｔｓ、前記温度Ｔｘ及び前記出力から前記出力を制御することを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項３】
前記出力の制御は、前記温度Ｔｓ、前記温度Ｔｘ及び前記出力から前記被照射部の表面温度の論理値を算出し、前記温度Ｔｓを論理値に近づけるよう行われることを特徴とする請求項１ないし２記載の加工方法。
【請求項４】
前記論理値と前記温度Ｔｓとの比率を前記出力の補正係数αとして、前記光の出力の制御を行うことを特徴とする請求項３記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記異なる位置は、前記被照射部から前記光の走査方向前方に所定距離離れた位置であることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項６】
前記温度Ｔｘとして、所定の時間だけ以前に測定された温度を用いることを特徴とする請求項５記載の加工方法。
【請求項７】
前記異なる位置は、前記被照射部の裏面であることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項８】
光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを熱処理する光照射装置を制御するプログラムであって、
前記プログラムは、
前記ワークの被照射面上の前記光が照射される位置である被照射部と異なる位置のワークの温度Ｔｘを測定するステップと、
前記深さと前記温度Ｔｘとから出力を算出するステップと、
前記算出するステップに基づき前記光の出力を制御するステップと、
からなることを特徴とするプログラム。
【請求項９】
光をワークの被照射部に照射しながら、前記光の光軸と前記ワークを相対的に移動させて前記ワークを所定の深さまで融解する光照射装置であって、
光出射器と、
前記被照射部と異なる位置の温度Ｔｘを測定する周辺用温度計と、
前記深さと前記温度Ｔｘとから出力を算出する演算部と、
前記出力に前記光の出力を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする光照射装置。
【請求項１０】
前記光出射器は、
前記光の走査方向と直交する方向に開口寸法を調整可能な絞りと、前記絞りの像を結像させる結像レンズと、
を備えることを特徴とする請求項９に記載の光照射装置。
【請求項１１】
前記被照射部と異なる位置は、被照射部を中心とした位置を移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１０記載の光照射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１１４０２（Ｐ２０１２−１１４０２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４８４１７（Ｐ２０１０−１４８４１７）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]