特開 2024-61609 レーザー材料加工工程における光コヒーレンス断層撮影のためのデバイスおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024061609

(43)【公開日】2024-05-07

(54)【発明の名称】レーザー材料加工工程における光コヒーレンス断層撮影のためのデバイスおよび方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/17 20060101AFI20240425BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20240425BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240425BHJP

   B23K 26/36 20140101ALI20240425BHJP

【ＦＩ】

G01N21/17 620

B23K26/21 A

B23K26/00 P

B23K26/36

B23K26/00 N

【審査請求】有

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023114849

(22)【出願日】2023-07-13

(31)【優先権主張番号】10 2022 003 907.9

(32)【優先日】2022-10-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(31)【優先権主張番号】18/073,156

(32)【優先日】2022-12-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】519146787

【氏名又は名称】ツー－シックス デラウェア インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＩＩ－ＶＩ Ｄｅｌａｗａｒｅ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(72)【発明者】

【氏名】マルシン・コザック

(72)【発明者】

【氏名】ジョヴァンニ・バルバロッサ

【テーマコード（参考）】

2G059

4E168

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059EE02

2G059EE09

2G059FF01

2G059GG01

2G059GG02

2G059HH01

2G059JJ11

2G059JJ13

2G059JJ22

2G059KK04

4E168AD00

4E168BA12

4E168CA06

4E168CA13

4E168CB22

4E168DA26

4E168DA39

4E168EA03

4E168EA13

(57)【要約】

【課題】光ビームを生成するレーザーを備える、レーザー材料加工における工程を監視するためのデバイスであり、光ビームは、光源とビームスプリッターとの間に位置するレンズマトリックスに衝突し得る。
【解決手段】レンズマトリックスは、衝突する光ビームから光ビームのマトリックスを生成するように動作可能なマイクロレンズを備え得る。光ビームのマトリックスの一部は基準アームにおけるミラーに向けられ得、一部は測定アームにおける未知の表面に向けられ得る。これらのビームの反射は、評価される干渉信号を生成するために使用され得る。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ビームを生成するレーザーであって、前記光ビームは、前記光源とビームスプリッターとの間に位置するレンズマトリックスに衝突する、レーザーと、
衝突する前記光ビームからＭ×Ｎの光ビームのマトリックスを生成するように動作可能なＭ×Ｎのマイクロレンズを含む前記レンズマトリックスと、
前記Ｍ×Ｎの光ビームの第１の部分を基準アームにおけるミラー上に向け、前記Ｍ×Ｎの光ビームの第２の部分を測定アームにおける未知の表面上に向ける前記ビームスプリッターであって、前記Ｍ×Ｎの光ビームの前記第１の部分は、前記ミラーから前記ビームスプリッターに反射により戻され、前記Ｍ×Ｎの光ビームの前記第２の部分は、前記未知の表面から前記ビームスプリッターに反射により戻される、前記ビームスプリッターと、
前記Ｍ×Ｎの光ビームの反射された前記第１の部分を、前記Ｍ×Ｎの光ビームの反射された前記第２の部分と干渉させることにより、干渉信号を生成するように動作可能な前記ビームスプリッターと、
前記干渉信号を受信するディテクターと
を含む、レーザー材料加工工程のためのデバイス。

【請求項2】

請求項１に記載のデバイスであって、前記ディテクターはカメラである、デバイス。

【請求項3】

請求項１に記載のデバイスであって、前記ディテクターは白黒カメラまたはカラーカメラである、デバイス。

【請求項4】

請求項１に記載のデバイスであって、前記マイクロレンズが前記マイクロレンズ間に実質的に空間を伴わずに配置されるように、前記マイクロレンズは多角形である、デバイス。

【請求項5】

請求項１に記載のデバイスであって、前記ミラーは、前記光ビームのビーム経路の方向に前記ミラーを動かすための駆動部に結合された、デバイス。

【請求項6】

請求項１に記載のデバイスであって、検出された前記干渉信号を評価するためのユニットを更に含み、前記ディテクターは、データを評価するための前記ユニットに接続された、デバイス。

【請求項7】

レーザー材料加工工程において未知の表面を監視するための方法であって、
レーザーを用いて光ビームを生成するステップであって、前記光ビームは、前記光源とビームスプリッターとの間に位置するレンズマトリックスに衝突する、ステップと、
Ｍ×Ｎのマイクロレンズを含む前記レンズマトリックスを使用して、衝突する前記光ビームからＭ×Ｎの光ビームのマトリックスを生成するステップと、
前記ビームスプリッターを使用して、前記Ｍ×Ｎの光ビームの第１の部分を基準アームにおけるミラー上に向け、前記Ｍ×Ｎの光ビームの第２の部分を測定アームにおける未知の表面上に向けるステップであって、前記Ｍ×Ｎの光ビームの前記第１の部分は、前記ミラーから前記ビームスプリッターに反射により戻され、前記Ｍ×Ｎの光ビームの前記第２の部分は、前記未知の表面から前記ビームスプリッターに反射により戻される、ステップと、
前記ビームスプリッターにおいて、前記Ｍ×Ｎの光ビームの反射された前記第１の部分を、前記Ｍ×Ｎの光ビームの反射された前記第２の部分と干渉させることにより干渉信号を生成するステップと、
ディテクターにおいて前記干渉信号を受信するステップと
を含む方法。

【請求項8】

請求項７に記載の方法であって、前記干渉信号を受信する前記ステップはカメラにより実施される、方法。

【請求項9】

請求項７に記載の方法であって、受信された前記干渉信号は、前記ディテクターに接続された評価ユニットにより評価される、方法。

【請求項10】

請求項９に記載の方法であって、前記評価の結果はディスプレイに画像として示される、方法。

【請求項11】

請求項７に記載の方法であって、Ｍ×Ｎの光ビームの前記マトリックス、および、従って前記干渉信号のＭ×Ｎピクセルのマトリックスは、個別に制御されることができる、方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の方法であって、個別に制御される前記光ビームおよび前記ピクセルは、Ｘ方向またはＹ方向における動きを含んでよい、方法。

【請求項13】

請求項９に記載の方法であって、前記評価は、レーザー材料加工工程における工程を制御するために使用される、方法。

【請求項14】

請求項７に記載の方法であって、前記レーザー材料加工工程は、溶接工程または材料切削工程である、方法。

【請求項15】

請求項１１に記載の方法であって、レーザービームによりワークピースを連結するときの連結工程を監視するための方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
[0001]この特許出願は、Ｄｅｕｔｓｃｈｅｓ Ｐａｔｅｎｔ－ｕｎｄ Ｍａｒｋｅｎａｍｔにおいて２０２２年１０月２１日に出願されたドイツ特許出願ＤＥ１０ １０２２ ００３ ９０７．９に基づく優先権および利益を主張する。上述の出願は本明細書に参照により組み込まれる。

【0002】

[0002]本開示は、レーザー材料加工工程における光コヒーレンス断層撮影のためのデバイスおよび方法に関する。

【背景技術】

【0003】

[0003]本開示の態様は、レーザー材料加工工程における光コヒーレンス断層撮影のためのデバイスおよび方法に関する。様々な課題が、レーザー材料加工工程における光コヒーレンス断層撮影のための従来の解決策に存在し得る。この点について、光コヒーレンス断層撮影のための従来のシステムおよび方法は、高価であり、煩わしく、および／または非効率であり得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

[0004]従来のシステムおよび方法の限界および欠点が、このような手法と、図面を参照しながら本開示の残りの部分において記載されている本方法およびシステムの幾つかの態様との比較を通して当業者に明らかになる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

[0006]光コヒーレンス断層撮影のためのデバイスおよび方法が、図のうちの少なくとも１つに示され、および／または、図のうちの少なくとも１つに関連して説明され、および、特許請求の範囲に更に完全に記載される。

【0006】

[0007]本開示のこれらの、および他の利点、態様、および新規な特徴、および、それらの示される実施形態の詳細が、以下の説明および図面から更に十分に理解される。
[0008]本開示の様々な特徴および利点が、添付図面と併せて考慮される以下の詳細な説明を参照することでより容易に理解され得、同様の参照符号は同様の構造要素を指し示す。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】[0009]ＯＣＴ測定のための構成を示す図である。

【図2】[0010]ＯＣＴを使用した測定のための構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

[0011]以下の説明は、半導体デバイスおよび半導体デバイスを製造する方法の様々な例を提供する。このような例は非限定的であり、添付の請求項の範囲は開示されている特定の例に限定されてはならない。以下の説明において、「例」および「例えば」という用語は非限定的である。

【0009】

[0012]図は構造の概略的な様相を示しており、よく知られた特徴および技術の説明および詳細事項は、本開示を不必要に不明瞭にすることを避けるために省略される場合がある。加えて、図面における要素は一定の縮尺で描かれるとは限らない。例えば、図中の幾つかの要素の寸法は、本開示において説明されている例の理解を深めることに役立つように他の要素より誇張される場合がある。異なる図における同じ参照符号は同じ要素を表す。

【0010】

[0013]「または」という用語は、「または」により連結されたリストにおける項目のうちの任意の１つまたは複数を意味する。一例として、「ｘまたはｙ」は、３要素集合｛（ｘ），（ｙ），（ｘ，ｙ）｝のうちの任意の要素を意味する。別の例として、「ｘ、ｙ、またはｚ」は、７要素集合｛（ｘ），（ｙ），（ｚ），（ｘ，ｙ），（ｘ，ｚ），（ｙ，ｚ），（ｘ，ｙ，ｚ）｝のうちの任意の要素を意味する。

【0011】

[0014]「備える」、「含む」、「有する」、および／または「もつ」という用語は「非排他的な」用語であり、記載された特徴の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴の存在または追加を排除しない。

【0012】

[0015]「第１の」、「第２の」などの用語は様々な要素を説明するために本明細書において使用され得、これらの要素はこれらの用語により限定されてはならない。これらの用語は１つの要素を別の要素と区別するために使用されるのみである。したがって、例えば、本開示において議論されている第１の要素は、本開示の教示から逸脱せずに第２の要素と呼ばれ得る。

【0013】

[0016]別段の指定がない限り、「結合された」という用語は、直接的に互いに接触する２つの要素を説明するために、または、１つまたは複数の他の要素により間接的に接続された２つの要素を説明するために使用され得る。例えば、要素Ａが要素Ｂに結合されている場合、要素Ａは、要素Ｂに直接的に接触し、または介在要素Ｃにより要素Ｂに間接的に接続され得る。同様に、「上方に」または「上に」という用語は、互いに直接的に接触する２つの要素を説明するために、または、１つまたは複数の他の要素により間接的に接続された２つの要素を説明するために使用され得る。

【0014】

[0017]光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）は、高分解能断面イメージングのために使用され得る技術である。ＯＣＴは光を使用し、例えば、インサイチュで、およびリアルタイムにマイクロメートルスケールで組織構造の断面画像を取得するために使用され得る。カテーテルおよび内視鏡と組み合わされたＯＣＴの使用は、臓器系の高分解能管腔内イメージングを可能にし得る。

【0015】

[0018]ＯＣＴは、あるタイプの光学的生検として機能し得、例えば眼科における使用のための医療診断のためのイメージング技術として強力であり得る。
[0019]ＯＣＴは、材料加工工程のためにも使用され得る。例えば、ＯＣＴ構成は、偏向ミラーと組み合わせて１つの低コヒーレンス光源およびディテクターを使用し得る。この技術は、工程監視のための関心対象であり得るフィールド全体にわたってスイープされる１つの「ピクセル」を生成し得る。しかし、幾つかの例では、高度な光学素子および電子機器がデータ獲得および処理に必要とされ得るとき、測定データの速度および品質が制限され得る。本発明の様々な実施形態によると、ＯＣＴを使用した材料加工工程の監視が改善され得る。

【0016】

[0020]例えば、マイクロ光学素子の数に対応した独立したサブ要素のＭ×Ｎマトリックスが、例えば１つのピクセルに対応した１つのレーザー源の代わりに測定のために使用され得るように、マイクロ光学素子がレーザー源とビームスプリッターとの間におけるＯＣＴの光路中に配置され得る。

【0017】

[0021]サブ要素は、光ビームまたはピクセルという意味において、一種のマトリックスにおいて組み合わされ得、サブ要素の各々は別々に制御され得る。光は測定される表面上に投影され得、反射光が収集され得る。上述のマトリックスは、個別に作用する多くの小型レンズの格子と理解され得る。これらは、特定の用途により必要とされ得る行またはライン内に配置されてもよい。

【0018】

[0022]このようなマトリックスの使用は、瞬間的な状態をキャプチャするという意味においてスナップショットとしてＭ×Ｎの測定点を取得することを可能にし得る。これは、例えばレーザー溶接工程における例えば融解ゾーンといった、それらの状態を継続的に変える工程に対して特に有益であり得る。

【0019】

[0023]マトリックスにおける個々のピクセルのサイズは技術的に制限され得るが、個々のピクセルは別々に制御され、または必要に応じてひとまとめにされ得るので、要件に応じてスキャンプログラムを生成することも可能であり得る。これらのスキャンプログラムのうちの１つは、メルトプールのための一種の「フラッシュライダー」、すなわち、視界全体にわたる多くのスキャンの結果の代わりに実質的に全ての個々のピクセルを含有し得る「写真」であり得る。これは結果の品質を高め得、および、例えば電動の乗り物のための電池の部分のための重要な経路を溶接するときに、より良い品質保証をもたらし得る。

【0020】

[0024]更に、本発明の様々な実施形態によると、カメラは、このようなＭ×Ｎマトリックスの干渉信号を記録するために使用され得る。
[0025]図１は、ＯＣＴ測定のための例示的な構成を示す。光ビーム２は低コヒーレンスで光源１において生成され得、ビームスプリッター５に衝突し得る。ビームスプリッター５から、サンプルの未知の表面２０が測定アーム７５において照射され得、光は未知の表面２０によりビームスプリッター５上に反射され得る。ビームスプリッター５を通して透過された光は、基準アーム５０においてミラー１０に当たり得、ミラー１０により反射されて戻り得る。次に、反射されたサンプルビーム７６および基準ビーム５１がビームスプリッター５において組み合わされ得、２つのビーム７６、５１により辿られた経路の差がコヒーレンス長未満であり得るとき、干渉し得る。干渉信号８５はディテクター１５により記録され得、次に評価され得る。評価のために、ディテクター１５は、評価ユニット（図示されていない）に結合され得る。これは、例えばデータ処理ユニットであり得る。

【0021】

[0026]光源１から出射された光ビーム２のビーム軸に沿って基準アーム５０（２重矢印）においてミラーを動かすとともに、干渉信号８５を同時に測定することが、サンプルの未知の表面２０の軸方向のスキャニングを可能にし得る。

【0022】

[0027]図２は、本発明の様々な実施形態による例示的な構成を示す。マイクロレンズのＭ×Ｎマトリックスを備えるレンズマトリックス４が光源１とビームスプリッター５との間に配置され得る。したがって、複数の光ビーム２はビームスプリッター５に衝突し得、したがって、複数の基準ビーム５１が基準アーム５０においてミラー１０に衝突し得、および、複数のサンプルビーム７６が、測定アーム７５においてサンプルの未知の表面２０に衝突し得る。

【0023】

[0028]本発明の様々な実施形態によると、赤外光が光源から出射され得、したがって、例えばレーザーダイオードが光源として使用され得る。
[0029]多角形がマイクロレンズに対して使用され得、すなわち、正方形、長方形、六角形、八角形などの形状が提供され得、したがって、マイクロレンズは、マイクロレンズ間に実質的に空間を伴わずに配置され得る。マイクロレンズの光学特性に関連して、Ｍ×Ｎの光線または光スポットを含むマトリックスが結果として取得され得るように、マイクロレンズから出射する光線は実質的に平行であり得る。

【0024】

[0030]カメラ２５が、１つのビームに対する小さいディテクターの代わりにセンサーとして使用され得る。Ｍ×Ｎマトリックスからの基準アーム５０および測定アーム７５からの複数のビーム５１、７６は、Ｍ×Ｎマトリックスからの複数のＭ×Ｎのビームに更に対応し得る干渉信号８５において相応に評価され得る。

【0025】

[0031]本発明の様々な実施形態によるこのような構成は、見られ、および／または評価され得る１つの点をもたらし得るだけでなく、マトリックスに対応した多数のピクセルＭ×Ｎを含むエリアをもたらし得る。

【0026】

[0032]レーザー材料加工工程では、メルトプールは、進行中の動作工程中に連続的に変化し得る。上述の構成を使用して、メルトプールまたはその過渡的な前部の継続的に変化する表面をそれぞれ連続的に監視することが可能であり得る。本発明の様々な実施形態によると、この目的のために、いわゆるライダー（ＬｉＤＡＲ：光による検出および測距）センサーがカメラとして使用され得る。白黒画像はカメラに対して十分であり得るが、カラー画像のためのカメラも使用され得る。フレームレートは、好ましくは１０ｆｐｓ（１秒当たりのフレーム）より大きいものであり得る。

【0027】

[0033]レーザー材料加工工程における工程を監視するための、および制御するための方法およびその使用が、本発明の様々な実施形態により実現され得る。干渉信号の評価の結果の画像表現に加えて、このような結果がレーザー材料加工工程を制御するために、または最適化するために使用されてもよい。マトリックスにおける個々のピクセルは個別に制御され得る。これは、それらが、望ましい場合にはＸ次元およびＹ次元において個別に動かされ得ることを意味する。この目的のために、例えばマイクロレンズが相応に動かされ得、これが光ビームの位置を変化させ得、したがって、更に干渉信号において関連するピクセルの位置を変化させ得る。

【0028】

[0034]したがって、本発明の様々な実施形態による方法は、レーザー材料加工工程の工程を制御するために使用され得、したがって、それを最終的に制御し得る。この場合において、それは、品質保証の問題であるだけでなく、制御の問題でもあり得る。

【0029】

[0035]本発明の他の態様、特徴、および利点は、好ましい実施形態および実施態様を簡単に記載している以下の詳細な説明から容易に明らかとなる。本発明は、他の実施形態および異なる実施形態において更に実現され得、その様々な詳細事項は、本発明の教示および範囲から逸脱せずに様々な自明な態様により修正され得る。したがって、図面および説明は、例示的であると考えられ、限定とは考えられない。本発明の更なる目的および利点は、以下の説明において部分的に記載されており、および、説明から部分的に明らかとなり、または、本発明の実施形態から推測され得る。

【0030】

[0036]本開示は特定の例に対する参照を含むが、本開示の範囲から逸脱せずに様々な変更が行われてもよいこと、および同等なものが置換されてもよいことが当業者により理解される。加えて、変更が本開示の範囲から逸脱せずに、開示されている例に対して行われ得る。したがって、本開示が開示されている例に限定されないこと、および、本開示が添付の請求項の範囲に入る全ての例を含むことが意図されている。

【符号の説明】

【0031】

１ 光源
２ 光ビーム
４ レンズマトリックス
５ ビームスプリッター
１０ ミラー
１５ ディテクター
２０ 未知の表面
２５ カメラ
５０ 基準アーム
５１ 基準ビーム
５１ ビーム
７５ 測定アーム
７６ サンプルビーム
７６ ビーム
８５ 干渉信号

【図1】

【図2】

【外国語明細書】