JP2006224174A - レーザ加工装置及びパルスエネルギのしきい値設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスレーザビームの平均パワーを変動させるような光学装置がビーム経路内に挿入されている場合でも、パルスエネルギのしきい値を精度良く決定できるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源１１から出射されたパルスレーザビームを、分岐器１４が、測定用経路に沿って伝搬するレーザビームと加工用経路に沿って伝搬するレーザビームとに分岐させる。保持台２８が、加工用経路上に加工対象物１６を保持する。パワー測定器２０が、加工用経路に沿って伝搬するレーザビームの、ある期間の平均パワーを測定する。エネルギ測定器１７が、測定用経路に沿って伝搬するレーザビームのパルスエネルギを測定する。しきい値記憶手段１８ａが、パルスエネルギのしきい値を記憶する。制御装置１８が、エネルギ測定器で測定されたパルスエネルギの測定値と、しきい値記憶手段に記憶されているしきい値とを比較し、パルスエネルギの正常性を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置及びパルスエネルギのしきい値設定方法に関し、特にパルスレーザビームのパルスエネルギをモニタしながら加工対象物の加工を行うレーザ加工装置及びパルスエネルギのしきい値設定方法に関する。

図５に、下記の特許文献１に開示されたレーザ加工装置のブロック図を示す。レーザ発振器１１から出射されたパルスレーザビームが、折り返しミラー１２、１３を経て、部分反射ミラー１４に入射する。部分反射ミラー１４は、入射するパルスレーザビームの約９９％の成分を反射し、残りの約１％を透過させる。

部分反射ミラー１４を透過したレーザビームがエネルギ測定器１７に入射する。部分反射ミラー１４で反射したレーザビームは、加工レンズ１５により加工対象物１６上に集光される。エネルギ測定器１７は、パルスごとにパルスエネルギを検出し、検出結果を制御装置１８に送信する。

制御装置１８は、検出されたパルスエネルギと、メモリ１８ａに予め記憶されているしきい値とを比較する。検出されたパルスエネルギがしきい値よりも低い時には、検出信号をトリガパルス発生器１９に出力する。トリガパルス発生器１９は、この検出信号を受けると、レーザ発振器１１にトリガパルスを出力し、追加のレーザパルスを発生させる。

特開平９−２５３８７８号公報

上記特許文献１には、パルスエネルギのしきい値の決定方法について説明がなされていない。通常、レーザ発振器１１から部分反射ミラー１４までのレーザビームの経路に、ビームエキスパンダやマスク等のビーム整形光学装置が挿入される。レーザ発振器１１から出力されるレーザビームの平均パワーが一定であっても、ビーム整形光学装置を調整すると、部分反射ミラー１４に到達するパルスレーザビームの平均パワーが変化する。このため、レーザ発振器１１から出力されているパルスレーザビームの平均パワーの正常性を確認しても、その時にエネルギ測定器１７で検出されるパルスエネルギが本来の正常な値であるか否か判断できない。

本発明の目的は、パルスレーザビームの平均パワーを変動させるような光学装置がビーム経路内に挿入されている場合であっても、パルスエネルギのしきい値を精度良く決定することができるレーザ加工装置を提供することである。本発明の他の目的は、このレーザ加工装置のパルスエネルギのしきい値を決定する方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを、測定用経路に沿って伝搬するレーザビームと加工用経路に沿って伝搬するレーザビームとに分岐させる分岐器と、前記加工用経路に沿って伝搬するレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持する保持台と、前記加工用経路に沿って伝搬するレーザビームの、ある期間の平均パワーを測定するパワー測定器と、前記測定用経路に沿って伝搬するレーザビームの１パルスあたりのエネルギを測定するエネルギ測定器と、パルスエネルギのしきい値を記憶するしきい値記憶手段と、前記エネルギ測定器で測定されたパルスエネルギの測定値と、前記しきい値記憶手段に記憶されているしきい値とを比較し、パルスエネルギの正常性を判定する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、前記レーザ光源と前記分岐器との間のレーザビームの経路上に配置され、レーザビームに作用するとともに、レーザビームのパワーを低下させる特性を持つ光学装置を、上記レーザ加工装置に追加した装置のしきい値条件設定方法であって、前記光学装置がレーザビームに対して、加工対象物の加工時と同一の作用を施す状態に設定し、前記レーザ光源を、加工対象物の加工時と同一の条件で動作させた状態で、前記パワー測定器によりレーザパワーを測定すると共に、前記エネルギ測定器でパルスエネルギを測定する工程と、前記パワー測定器により測定されたレーザパワーが、加工条件の許容範囲に入っているとき、前記エネルギ測定器で測定されたパルスエネルギの測定値に基づいてしきい値を決定し、前記しきい値記憶手段にしきい値を記憶させる工程とを有するレーザ加工装置のしきい値条件設定方法が提供される。

加工経路上で平均パワーを測定するため、パワー測定器に至るレーザビームの経路内に配置される各種光学装置によるパワー変動の影響を排除し、加工対象物上における平均パワーに基づいて、パルスエネルギのしきい値を決定することができる。

図１に、実施例によるレーザ加工装置のブロック図を示す。レーザ光源１１が、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源１１として、例えば炭酸ガスレーザ発振器等が用いられる。レーザ光源１１から出射されたパルスレーザビームが、ビーム整形光学系２５を経由して、部分反射ミラー（分岐器）１４に入射する。ビーム整形光学系２５は、ビームエキスパンダ２５ａとマスク２５ｂとを含む。ビームエキスパンダ２５ａは、レーザビームのビーム径を変化させる。マスク２５ｂに貫通孔が形成されている。ビームエキスパンダ２５ａでビーム径が変換されたレーザビームの中心部分が貫通孔を通過し、周辺部分はマスク２５ｂにより遮蔽される。ビーム径を変化させると、マスク２５ｂを通過するレーザビームの平均パワーが変化する。

部分反射ミラー１４は、入射するレーザビームの大部分、例えば９０数％を反射し、残りの数％を透過させる。部分反射ミラー１４を透過したレーザビームは、測定用経路に沿って伝搬し、エネルギ測定器１７に入射する。エネルギ測定器１７は、レーザパルスごとに、１パルスあたりのエネルギ（パルスエネルギ）を測定する。パルスエネルギの測定値が、電気信号（具体的には電圧）の形態で、増幅率可変のアンプ２３を経て制御装置１８に入力される。

部分反射ミラー１４で反射したレーザビームは、加工用経路に沿って伝搬し、加工対象物１６に入射する。加工用経路内に、ガルバノスキャナ２１及び加工レンズ１５が配置されている。ガルバノスキャナ２１は、レーザビームを２次元方向に走査する。加工レンズ１５は、マスク２６の貫通孔を、加工対象物１６の表面に結像させる。加工対象物１６は、ＸＹステージ等で構成される保持台２８に保持されている。保持台２８は、加工対象物１６を、その表面に平行な２次元面内で移動させることができる。

保持台２８の上に、パワー測定器２０が取り付けられている。パワー測定器２０は、加工対象物１６と共に移動する。保持台２８を動作させてパワー測定器２０を移動させることにより、加工用経路に沿って伝搬するレーザビームをパワー測定器２０に入射させることができる。パワー測定器２０は、入射するレーザビームのパワーを測定する。測定対象のレーザビームがパルスレーザビームである場合、ある期間、例えば１秒間の平均のパワーが測定される。測定された平均パワーは、アンプ２３を経由して制御装置１８に入力される。

エネルギ測定器１７に温度センサ２２が取り付けられている。温度センサ２２は、エネルギ測定器１７の温度を測定し、測定結果を制御装置１８に送信する。

しきい値用メモリ１８ａにパルスエネルギのしきい値が記憶されている。制御装置１８は、メモリ１８ａからしきい値を読出し、パルスエネルギの測定値としきい値とを比較する。

制御装置１８が、トリガパルス発生器１９に制御信号を送信する。トリガパルス発生器１９は、受信した制御信号に基づいて、レーザ光源１１に対してトリガパルスを送信する。レーザ光源１１は、１つのトリガパルスを受信すると、１つのレーザパルスを出力する。

レーザ光源１１から出射されるレーザビームのパワーや、ビーム整形光学系２５の設定を変えると、エネルギ測定器２２で測定されるパルスエネルギが変化する。測定されるパルスエネルギのダイナミックレンジは１００倍を超える。エネルギ測定器２２で測定されるパルスエネルギの想定される値に応じて、アンプ２３の増幅率を調整しておくことにより、Ｓ／Ｎ比の低下を防止することができる。

エネルギ測定器２２は、通常、温度依存性を持っている。このため、エネルギ測定器２２の測定結果に対して温度補正を行うことが好ましい。以下、図２を参照して、温度補正の方法について説明する。

図２に、エネルギ測定器２２から出力された信号の電圧、エネルギ測定器２２の温度、及びパルスエネルギの関係を示す。エネルギ測定器２２から出力された信号の電圧は、アンプ２３で増幅された後の値である。例えば、出力電圧がＶ１（Ｖ）、温度の測定結果がＴ１（℃）である場合、パルスエネルギはＥ１１（ｍＪ）であると判断される。図２に示したように、複数の出力電圧、温度に対して、予めパルスエネルギを記憶しておくことにより、エネルギ測定器２２の温度補正を行うことができる。なお、必要に応じて補間演算を行うことにより、任意の出力電圧及び温度において、温度補正を行うことができる。なお、出力電圧と温度から、パルスエネルギを求める計算式を記憶しておいても、温度補正を行うことができる。

次に、図３を参照して、しきい値の決定方法について説明する。必要に応じて図１を参照する。

図３に、しきい値決定方法のフローチャートを示す。まず、工程Ｓ１において、ビーム整形光学系２５を、実際の加工時と同一の状態に設定する。具体的には、ビームエキスパンダ２５ａのビーム径変換倍率、ビームエキスパンダ２５ａとマスク２５ｂとの相対位置関係等を、実際の加工時と同一にする。工程Ｓ２において、レーザ光源１１から、実際の加工時と同一の条件で、パルスレーザビームを出射する。工程Ｓ３において、パワー測定器２０を加工経路内に配置し、パルスレーザビームの平均パワーを測定するとともに、観測経路上のエネルギ測定器１７で、レーザパルスごとにパルスエネルギを測定する。

工程Ｓ４において、測定された平均パワーが許容範囲内か否かを判定する。測定された平均パワーが許容範囲内であれば、工程Ｓ５において、パルスエネルギの測定値に基づいて、しきい値を決定する。しきい値は、例えば、パルスエネルギの多数の測定値の平均値よりも７０％程度低い値にする。決定されたしきい値を、しきい値用メモリ１８ａに記憶させる。

工程Ｓ４で測定された平均パワーが許容範囲から外れている場合、工程Ｓ６において、各種光学装置の検査、及び再設定を行う。

実施例による方法では、工程Ｓ３において、加工対象物１６が配置される加工経路上で平均パワーが測定され、工程Ｓ４で、その正常性が確認される。このため、レーザ光源１１からの出力パワー、ビーム整形光学系２５の光軸調整、ビームエキスパンダ２５ａのビーム径変換倍率等が正常な状態であることが保証され、正常な状態におけるパルスエネルギのしきい値を設定することができる。ビーム整形光学系２５の他に、またはビーム整形光学系２５の代わりに、レーザビームに作用し、そのパワーを低下させる特性を持つ光学装置が配置されている場合にも、同様の効果が得られる。なお、このような光学装置が配置される場合には、工程Ｓ１において、光学装置を、レーザビームに対して加工時と同一の作用を施す状態に設定しておく。

次に、図４を参照して、実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う方法について説明する。必要に応じて図１を参照する。

ビーム整形光学系２５を、実際の加工時と同一の状態に調整し、図３に示した方法でしきい値を設定する。図１に示した保持台２８に加工対象物１６を載置し、固定する。レーザ光源１１からのパルスレーザビームの出射と、ガルバノスキャナ２１の駆動とを行い、加工対象物１６の所望の位置にパルスレーザビームを入射させる。

図４に、加工時におけるパルスエネルギの測定値の時間変化を示す。横軸は経過時間を表し、縦軸はパルスエネルギの測定値を表す。制御装置１８が、レーザパルスごとに、パルスエネルギの測定値としきい値Ｊｔｈとを比較する。しきい値Ｊｔｈ以下のレーザパルスＰＬが検出された場合、例えば加工対象物１６の同じ位置に追加のレーザパルスを照射する。これにより、加工不良の発生を防止することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例によるレーザ加工装置のブロック図である。 エネルギ測定器の出力電圧と温度からパルスエネルギを求める変換表を示す図表である。 実施例によるレーザ加工装置のしきい値を決定する方法を示すフローチャートである。 エネルギ測定器で測定されるパルスエネルギの時系列の一例を示すグラフである。 従来のレーザ加工装置のブロック図である。

符号の説明

１１ レーザ光源
１４ 部分反射ミラー（分岐器）
１５ 加工レンズ
１６ 加工対象物
１７ エネルギ測定器
１８ 制御装置
１８ａ しきい値用メモリ
１９ トリガパルス発生器
２０ パワー測定器
２１ ガルバノスキャナ
２２ 温度センサ
２３ 増幅率可変アンプ
２５ ビーム整形光学系
２８ 保持台

Claims (4)

1. パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザビームを、測定用経路に沿って伝搬するレーザビームと加工用経路に沿って伝搬するレーザビームとに分岐させる分岐器と、
   前記加工用経路に沿って伝搬するレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持する保持台と、
   前記加工用経路に沿って伝搬するレーザビームの、ある期間の平均パワーを測定するパワー測定器と、
   前記測定用経路に沿って伝搬するレーザビームの１パルスあたりのエネルギを測定するエネルギ測定器と、
   パルスエネルギのしきい値を記憶するしきい値記憶手段と、
   前記エネルギ測定器で測定されたパルスエネルギの測定値と、前記しきい値記憶手段に記憶されているしきい値とを比較し、パルスエネルギの正常性を判定する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. さらに、前記レーザ光源と前記分岐器との間のレーザビームの経路上に配置され、レーザビームのパワーを低下させる特性を持つ光学装置を有する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. さらに、前記エネルギ測定器の温度を測定する温度センサを有し、
   前記制御装置は、前記温度センサで測定された温度に基づいて、前記エネルギ測定器で測定された測定値を補正する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザビームを、測定用経路に沿って伝搬するレーザビームと加工用経路に沿って伝搬するレーザビームとに分岐させる分岐器と、
   前記加工用経路に沿って伝搬するレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持する保持台と、
   前記加工用経路に沿って伝搬するレーザビームの、ある期間の平均パワーを測定するパワー測定器と、
   前記測定用経路に沿って伝搬するレーザビームの１パルスあたりのエネルギを測定するエネルギ測定器と、
   パルスエネルギのしきい値を記憶するしきい値記憶手段と、
   前記エネルギ測定器で測定されたパルスエネルギの測定値と、前記しきい値記憶手段に記憶されているしきい値とを比較し、パルスエネルギの正常性を判定する制御装置と、
   前記レーザ光源と前記分岐器との間のレーザビームの経路上に配置され、レーザビームに作用するとともに、レーザビームのパワーを低下させる特性を持つ光学装置と
   を有するレーザ加工装置のしきい値条件設定方法であって、
   前記光学装置がレーザビームに対して、加工対象物の加工時と同一の作用を施す状態に設定し、前記レーザ光源を、加工対象物の加工時と同一の条件で動作させた状態で、前記パワー測定器によりレーザパワーを測定すると共に、前記エネルギ測定器でパルスエネルギを測定する工程と、
   前記パワー測定器により測定されたレーザパワーが、加工条件の許容範囲に入っているとき、前記エネルギ測定器で測定されたパルスエネルギの測定値に基づいてしきい値を決定し、前記しきい値記憶手段にしきい値を記憶させる工程と
   を有するレーザ加工装置のしきい値条件設定方法。

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