CN100540204C - 激光加工方法、激光加工装置、电子仪器 - Google Patents

激光加工方法、激光加工装置、电子仪器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种顶帽状分布的激光光束来进行加工时，提高光利用效率可能的技术。本发明的激光加工方法包括：第一过程，其产生能量强度分布为高斯分布(a)的激光光束(LB)；第二过程，其对激光光束的波面，施加规定的相位调制来整形相应激光光束，以便越是中心其相位相对提前，越是离开中心，相位相对延迟；第三过程，其对经过第二过程已经整形的激光光束波面，施加规定的相位调制来整形相应的激光光束，以便越是中心其相位相对延迟，越是离开中心其相位相对提前；和第四过程，其将经过第二和第三过程而能量强度分布近似变为平坦分布(b)的激光光束，照射在被加工体(100)而加工被加工体。

Description

激光加工方法、激光加工装置、电子仪器
技术领域
本发明涉及一种利用激光光束，为了加工各种材料的方法及其装置。
背景技术
随着各种产品的缩小化(小型化、高精细化)的进步，高精细、且高精度的加工技术的必要性在增加。并且，随着对产品的市场需要的推移，制造工艺的内容也在多样化，所使用的原料种类也在扩大。对这样的多样化的要求，只用以往的机械加工或光刻等技术就很难处理。因此，作为实现有关要求的有力的方法，期待着激光加工技术，在广泛的产业领域，其用途在扩大。
在激光加工中，利用能量强度分布为高斯分布的激光光束的情况下，由于光束的中心附近和周围(外侧)的能量强度的不均匀，在原料加工状态，容易产生差异，而均匀加工变为难。为了避免这样的不合理的现象，激光光束的照射条件等的工艺规程界限变窄，稳定生产变难，或成为加工对象的原料选择范围显著受到限制。与此相反，已经知道：采用能量强度分布作为几乎平坦分布(顶帽分布)的激光光束的方法，可以提高加工质量的技术(例如，参照专利文献1)。
[专利文献1]：特开平8-33993号公报
在上述的以往技术的激光加工中，利用振幅屏蔽，使激光光束的最大强度附近部分地通过的方法，将激光光束的能量强度分布整形为顶帽(tophat)状。因此，从激光振荡器所输出的激光光束的一部分被切去，光的利用效率低。并且，在上述的以往技术中，使激光光束通过开口屏蔽的方法而获得的衍射光中，使其有限范围次数(例如，±3次左右)成像，实现了顶帽状的能量强度分布。因此，由于中断更高次衍射光而产生皱波，不能说是激光光束能量强度分布的均匀性为十分充分。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种在利用顶帽分布的激光光束来进行加工的情况下，提高光利用效率成为可能的技术。
另外，本发明的目的还在于，提供一种在利用顶帽分布的激光光束来进行加工的情况下，提高相应激光光束的能量强度分布的均匀性成为可能的技术。
第一形态的本发明是一种激光加工方法，它包括：第一过程，其产生能量强度分布为高斯分布的激光光束；第二过程，其对上述激光光束的波面，以光束径向方向位置作为变量，通过具有负的倾斜度的线形函数(一次函数)所表现的相位分布来施加相位调制的方法，整形相应激光光束，以使越是中心其相位相对提前，越是离开中心，其相位相对延迟；第三过程，其对经过上述第二过程已整形过的上述激光光束的波面，以光束径向方向的位置作为变量，通过具有正的倾斜度的n次函数(n是2以上的自然数)所表现的相位分布来施加相位调制的方法，整形相应激光光束，以使越是中心其相位相对延迟，越是离开中心，其相位相对提前；和第四过程，其将经过上述第二和第三过程使能量强度分布近似变为平坦分布的上述激光光束，照射在被加工体而加工被加工体。在此，本说明书的所谓「加工」是指：由于激光光束的照射起因，对被加工体产生某种物理变化的现象。作为相应的加工，可以举出：切削(蚀刻)、打孔、改质、粘接、重合、对感光性膜的暴光等。
在本发明中，通过对高斯分布的激光光束，给予规定的相位调制，生成顶帽分布的激光光束，所以，在原理上，不会切去激光光束的一部分。从而，提高其进行激光加工时的光利用效率成为可能。并且，在本发明中，没有了理论性的切去所起因的误差产生要因，所以，更能提高激光光束能量强度分布均匀性成为可能。
优选上述第二过程的上述相位调制是利用衍射光学元件来进行。
利用衍射光学元件的方法，可以容易、且低成本来实现第二过程的相位调制。
优选上述第三过程的上述相位调制是利用聚光镜来进行。
通过利用聚光镜，可以容易、且低成本来实现第三过程的相位调制。
并且，更优选是还包括，将经过第二过程的上述激光光束，还分为多个分支的第五过程；上述第四过程是将多条已经分支的激光光束分别照射在被加工体的方法，近似同时加工该被加工体的多处。
由此，能够同时进行加工多处，可以提高制造时的生产能力。特别是在本发明中，光利用效率高即能量损失少，所以，可以将激光光束分支为更多。
上述的第五过程的上述激光光束的分支，优选是利用衍射型光束分离器来进行。
利用衍射型光束分离器的方法，可以容易、且低成本来实现第五过程的激光光束的分支。
上述的衍射型光束分离器更优选是兼有上述第二过程的上述相位调制功能。
由此，利用于实施有关本发明方法的装置·器具更能简化。
第二形态的本发明是涉及一种利用于上述第一形态的本发明有关方法实施的适用装置。具体地，第二形态的本发明是一种激光加工装置，它包括：产生能量强度分布为高斯分布的激光光束的激光光源；第一光学元件，其布置在上述激光光束的光线路上，对相应激光光束的波面，以光束径向方向位置作为变量，具有负的倾斜度的线形函数所表现的相位分布来施加相位调制的方法，整形相应激光光束，以使越是中心其相位相对提前，越是离开中心，其相位相对延迟；第二光学元件，其布置在由上述第一光学元件所整形后的上述激光光束的光线路上，对相应的激光光束的波面，以光束径向方向的位置作为变量，具有正的倾斜度的n次函数(n是2以上的自然数)所表现的相位分布来施加相位调制的方法，整形相应激光光束，以便越是中心其相位相对延迟，越是离开中心，其相位相对提前；和位置调整机构，其调整相应的被加工体的相对布置，以使由上述第一和第二光学元件所整形的且能量强度分布近似变为平坦分布的上述激光光束能够照射在被加工体的规定位置。
根据有关构成，进行激光加工时的能够提高光利用效率。并且，能够进而提高进行激光加工时的激光光束的能量强度分布的均匀性。
上述的第一光学元件，优选是如用衍射型光学元件来实现。
由此，激光加工装置的构成的更简化、且低成本化成为可能。
上述的第二光学元件，优选是如用聚光镜来实现。
由此，激光加工装置的构成的更简化、且低成本化成为可能。
并且，激光加工装置的构成最好还包括，将上述的第一光学元件所整形后的上述的激光光束分支为多个的第三光学元件，并通过将多条分支的激光光束，分别照射在上述被加工体，大致同时加工该被加工体的多处。
由此，以同时进行加工多处成为可能，可以谋求提高制造时的生产能力。特别是在本发明中，光利用效率高即能量损失少，所以，可以将激光光束更多地分支。
上述的第三光学元件优选是如用衍射型光束分离器来实现。
由此，激光加工装置的构成的更简化且低成本化成为可能。
上述的衍射型光束分离器优选是兼有上述第一光学元件的功能的构成。
由此，激光加工装置的更简化、且低成本化成为可能。
第三形态的本发明是一种电子仪器，它具备：利用上述的第一形态的有关本发明的加工方法所制造、或利用第二形态的有关本发明的激光加工装置所制造的被加工体。在此，作为「被加工体」没有特别的限制，可以考虑种种物体，但可以举出，例如，在玻璃等的基板上形成膜的透明导电膜。这样的被加工体具有作为液晶显示装置的构成零件来利用的种种用途。
附图说明
图1是说明有关第一实施方式的激光加工方法的模式图。
图2是说明第二过程的相位调制一例的图。
图3是说明第三过程的相位调制一例的图。
图4是说明第一实施方式的激光加工装置构成的图。
图5是说明被加工体一例的图。
图6是表示被加工体的比较例的图。
图7是说明有关第二实施方式的激光加工方法的模式图。
图8是说明光束分支功能的相位分布Ф3的一例的图。
图9是说明电子仪器具体例的图。
图中：
10-第一光学元件，12-第二光学元件，14-衍射型光束分离器，20-激光光源，21-Q开关驱动器，22-扩展式平行光管，23-反射镜，24-衍射光学元件，25-聚光镜，26-载物台(位置调整机构)，100-被加工体，LB-激光光束。
具体实施方式
下面，参照附图，说明本发明的实施方式。
<第一实施方式>
图1是说明有关第一实施方式的激光加工方法的模式图。如图1所示，首先，利用激光振荡器产生能量强度分布为高斯分布(参照符号a)的激光光束LB(第一过程)。然后，通过对激光光束LB的波面，施加相位调制来进行整形，以使激光光束LB的越是中心其相位相对提前、越是离开中心使其相位相对延迟(第二过程)。在这个第二过程的相位调制是可以由衍射光学元件所构成的第一光学元件来实现。
图2是说明第二过程的相位调制一例的图。如图2所示，在本实施方式中，对激光光束LB，以光束径向方向的位置作为变量r，用具有负的倾斜度的线形函数所表现的相位分布，施加相位调制。可以获得如图所示的线形函数，例如，可以由下面式(1)表示。式中P1是线形函数的周期。
Ф1＝-2πr/P1    ......     (1)
在此，经过上述的每一个过程的激光光束LB，如果函数Ф1的倾斜度为适当的大小的情况下，传播到充分远时，变为环状扩展的状态。这个环状半径Δ是可以由下面式(2)表示。式中，λ是激光光束LB波长，f是聚光距离。
Δ＝λf/P1    ......    (2)
下面，对经过上述的第二过程而被整形的激光光束LB，施加规定的相位调制的方法，进行相应激光光束的整形，以使越是中心其相对相位越延迟、越是离开中心其相对相位越提前(第三过程)。这个第三过程的相位调制是可以利用聚光镜所构成的第二光学元件12来实现。
图3是说明第三过程的相位调制一例的图。如图3所示，在本实施方式中，对激光光束LB，以光束径向方向的位置作为变量r，用具有正的倾斜度的n次函数(n是2以上的自然数)所表现的相位分布，施加相位调制。可以获得如图所示的Ф2的n次函数，例如，可以由下面式(3)表示。
Ф2＝πr2/λf    ......    (3)。
在此，由第二光学元件12所聚光的激光光束的直径w可以由下面的式(4)来表示。式中，D是入射在第二光学元件12的激光光束的直径。
W＝2.44λf/D    ......    (4)
从而，用上述的式(2)所表示的激光光束LB的环的半径Δ只要设定成满足下面式(5)的关系，则激光光束LB能量强度分布可以变为近似平坦的分布(顶帽分布：参照符号b)。式中，α是为了决定能量强度分布的平坦化水准，是可以任意设定的系数，例如，设定为0.50左右。
Δ＜αw    ......    (5)
这样的、经过每一个过程而能量强度分布被整形为近似平坦分布后的激光光束LB，通过向被加工体100照射，加工相应的被加工体100(第四过程)。在此，所谓「加工」是指：由于激光光束的照射起因，对被加工体100产生某种物理变化的现象。
下面，说明适应于本实施方式激光加工方法的激光加工装置的构成例。
图4是说明第一实施方式的激光加工装置之构成的图。图4所示的激光加工装置的构成包括：激光光源20、Q开关驱动器21、扩展式平行光管22、反射镜23、衍射光学元件(第一光学元件)24、聚光镜(第二光学元件)25、载物台(位置调整机构)26。
激光光源20产生能量强度分布为高斯分布的激光光束。作为这样的激光光源20可以利用各种激光振荡器。作为一例，在本实施方式中，作为激光光源20利用Q开关控制的脉冲YAG激光(波长532nm、平均功率5W、Q开关频率1kHz左右)。激光光源20的Q开关频率是由Q开关驱动器21来控制。
扩展式平行光管22是扩大激光光源20所射出的激光光束LB(例如，光束直径为约1mm)的光束直径。由扩展式平行光管22被扩大后的激光光束LB是利用反射镜23变更光线路。
衍射光学元件24布置在由反射镜23使光路弯曲后的激光光束LB的光路上，对相应的激光光束施加规定的相位调制的方法，整形相应的激光光束LB，以使越是中心其相位相对提前，越是离开中心其相位相对延迟。具体地，衍射光学元件24以光束径向方向的位置作为变量，用具有负的倾斜度的线形函数所表现的相位分布，施加相位调制。
聚光镜25是布置在由衍射光学元件24被整形后的激光光束LB的光路上，通过对激光光束LB的波面施加规定的相位调制，整形相应的激光光束LB，以使越是中心其相对相位延迟，越是离开中心其相对相位提前。具体地，聚光镜25以光束径向方向的位置作为变量，用具有正的倾斜度的n次函数(n是2以上的自然数)所表现的相位分布，施加相位调制(参照图3)。
载物台26是固定被加工体100并调整被加工体100与激光光束LB的相对布置，以使衍射光学元件24和聚光镜25来被整形、能量强度分布变为近似平坦分布的激光光束LB照射在被加工体100的规定位置。
图5是说明用上述的激光加工装置来加工的被加工体的一例的图。概略地表示激光蚀刻了玻璃基板上的ITO(Indium Tin Oxide氧化铟钛)膜情况的样子。另外，图6是表示被加工体的比较例的图，概略表示利用高斯分布的激光光束来进行和上述同样加工(激光蚀刻)的情况。如图5所示，利用其具有顶帽状(载物台形状)的能量强度分布的激光光束的方法，对下面的玻璃基板不会给不必要的损伤，均匀地只去除ITO膜成为可能。与此相反，如图6所示，利用高斯分布的激光光束的情况下，为了所要宽度来去除ITO膜，有必要提高激光光束全体强度，由于其影响，会产生对应于中央的玻璃基板的部位也一部分被去除的不合理的现象。
<第二实施方式>
在上述的第一实施方式中，说明了产生一条具有顶帽状的能量强度分布的激光光束的情况，但是，也可以将相应的激光光束分支为多条而进行加工。下面，说明此种情况。另外，和上述的第一实施方式重复的内容，适当省略其说明。
图7是说明有关第二实施方式的激光加工方法的模式图。和上述的第一实施方式同样，产生高斯分布(参照符号a)的激光光束(第一过程)之后，对相应的激光光束LB施加规定的相位调制(第二过程)。
接着，将经过每一个过程的激光光束分支为多个(第五过程)。在该第五过程的光束的分支是可以利用如衍射型光束分离器14来实现。并且，也可能是在衍射型光束分离器14，集积第二过程的相位调制功能(光束整形功能)和光束分支功能，兼备两个功能的构成。在图7中，表示两个功能集积在衍射型光束分离器的情况的构成。
在此，假设：光束整形功能的相位函数为Ф1(参照上述的式(1))、光束分支功能的相位函数为Ф3。则应该记录在衍射型光束分离器的相位函数变为Ф1+Ф3。
另外，将第三过程的光束聚光功能也重叠在衍射型光束分离器的情况下，应该记录在衍射型光束分离器的相位函数变为Ф1+Ф2+Ф3。
哪一种情况下也在被加工体上，获得以下式所获得的衍射光模式的强度分布I(x)。式中，“F[]”是表示傅立叶变换。
I(x)＝|F[Ф1+Ф2+Ф3]|2    ......    (6)
图8是说明衍射型光束分离器应该具有的光束分支功能的相位分布Ф3的一例的图。如图8所示，相位函数Ф3变为：相位变为0或π的、具有规定图形的周期性的相位分布(周期P2)。在图8中，表示4周期份的相位分布。在此，如果比较相位函数Ф1的周期P1与相位函数Ф3的周期P2，则有P1＞＞P2的关系。另外，相位函数Ф3是根据规定的反复运算法，反复计算的方法来设计的。
接着，对被分支的每一个激光光束，施加规定的相位调制(第三过程)。由此，可以获得：能量强度分布已经变为近似平坦分布(参照符号b)的多条激光光束。然后，将分支为多条激光光束的每一个，照射在被加工体100的方法近似同时加工该被加工体的多处(第四过程)。在本实施方式中，光利用效率高即能量损失少，所以，将激光光束分支为更多而同时加工多处成为可能。
另外，适合于本实施方式激光加工方法的激光加工装置的构成例，几乎和图4所示的第一实施方式的情况相同，不同点只是用衍射光学元件24来替换衍射型光束分离器。因此，省略了第二实施方式有关的激光加工装置的构成例的图示。
上述的每一个实施方式有关的激光加工方法和激光加工装置是可以应用在各种用途，例如，适合于液晶显示装置制造时的透明电极的加工(形状加工、修复)。下面，举例具备了应用本实施方式的激光加工方法和激光加工装置来制造的液晶显示装置的电子仪器。
图9是说明电子仪器的具体例的图。图9(A)是在手机上的应用例，相应的手机530备有：天线部531、声音输出部532、声音输入部533、操作部534和装入本实施方式有关的被加工体(透明电极)的液晶显示装置100。图9(B)是在摄像机的应用例。相应的摄像机540备有：接收像部541、操作部542、声音输入部543、和装入本实施方式有关的被加工体(透明电极)的液晶显示装置100。另外，电子仪器不限于这些，例如，除了这些以外，还可以包括附加显示功能的传真、数码相机的取景器、携带型电视机、电子记事本等。
这样，根据上述的实施方式，对高斯分布的激光光束，通过给予规定的相位调制而生成顶帽状分布的激光光束，所以，在原理上，不会切去激光光束的一部分。从而，进行激光加工时的提高光利用效率成为可能。
并且，根据本实施方式，没有了由于理论性的中断所起因的误差产生要因，所以，更能提高激光光束的能量强度分布的均匀性。
并且，根据第二实施方式，同时进行加工多处成为可能，可以提高制造时的生产能力。
另外，根据本实施方式，没有必要以往那样为了确保工艺规程界限，进行精密调整等的消耗成本。
另外，本发明不是上述的实施方式的内容所限定的，在本发明的要旨的范围内，能够实施种种变形。
例如，在上述的实施方式中，作为被加工体的一例，举出了玻璃基板上的ITO膜，但是并不限于这些。进而，至于加工也不限于薄膜的去除，除此之外还可以进行切断、打孔、改质、感光性膜的暴光等的种种加工。
另外，在上述的第一实施方式中，为了说明的方便，将衍射光学元件和聚光镜作为个别的元件来说明的，但是，可以将这些功能集积(重叠)在一个元件上。同样，在第二实施方式中，为了说明的方便，将衍射型光束分离器和聚光镜作为个别的元件来说明的，但是，也可以将这些功能集积(重叠)在一个元件上。

Claims (12)

1、一种激光加工方法，其特征在于，包括：
第一过程，其产生能量强度分布为高斯分布的激光光束；
第二过程，其对所述激光光束的波面，以光束径向位置作为变量，具有负的倾斜度的线形函数所表现的相位分布来施加相位调制的方法，整形相应激光光束，以便越是中心其相位相对提前，越是离开中心，其相位相对延迟；
第三过程，其对经过所述第二过程已经整形的所述激光光束的波面，以光束径向方向的位置作为变量，具有正的倾斜度的n次函数所表现的相位分布来施加相位调制的方法，整形相应激光光束，以便越是中心其相位相对延迟，越是离开中心，其相位相对提前，n是2以上的自然数；和
第四过程，其将经过所述第二和第三过程而能量强度分布近似变为平坦分布的所述激光光束，照射在被加工体而加工被加工体。
2、根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于：
所述第二过程的所述相位调制是利用衍射光学元件所进行。
3、根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于：
所述第三过程的所述相位调制是利用聚光镜所进行。
4、根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，还包括：
第五过程，其将经过第二过程的所述激光光束，还分为多个分支；
所述第四过程是通过将多条已经分支的激光光束分别照射在被加工体，大致同时加工该被加工体的多处。
5、根据权利要求4所述的激光加工方法，其特征在于：
所述第五过程的所述激光光束的分支是利用衍射型光束分离器来进行。
6、根据权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于：
所述衍射型光束分离器兼备所述第二过程的所述相位调制功能。
7、一种激光加工装置，其特征在于，包括：
激光光源，其产生能量强度分布为高斯分布的激光光束；
第一光学元件，其布置在所述激光光束的光线路上，对相应激光光束的波面，以光束径向方向位置作为变量，具有负的倾斜度的线形函数所表现的相位分布来施加相位调制的方法，整形相应激光光束，以便越是中心其相位相对提前，越是离开中心，其相位相对延迟；
第二光学元件，其布置在由所述第一光学元件所整形后的所述激光光束的光线路上，对相应的激光光束的波面，以光束径向方向的位置作为变量，具有正的倾斜度的n次函数所表现的相位分布来施加相位调制的方法，整形相应激光光束，以便越是中心其相位相对延迟，越是离开中心，其相位相对提前，n是2以上的自然数；和
位置调整机构，其调整相应被加工体的相对布置，以便由所述第一和第二光学元件所整形的且能量强度分布近似变为平坦分布的所述激光光束能够照射在被加工体的规定位置。
8、根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于：
所述第一光学元件是衍射光学元件。
9、根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于：
所述第二光学元件是聚光镜。
10、根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，还包括：
第三光学元件，其将利用所述第一光学元件整形后的所述激光光束，还分为多个分支；
通过将多条已经分支的激光光束分别照射在被加工体，大致同时加工该被加工体的多处。
11、根据权利要求10所述的激光加工装置，其特征在于，所述第三光学元件是衍射型光束分离器。
12、根据权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于：
所述衍射型光束分离器也兼有所述第一光学元件的功能。
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