JP2005246450A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置並びに強度調節器 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工対象物の表面の、相互に重なる少なくとも２つの領域にレーザビームを照射して、加工品質を劣化させることなく加工を行うことができるレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】 加工対象物の表面に相互に重なりを有する第１と第２の領域が画定されている。第１の領域のうち、第２の領域と重ならない領域には、凹部が形成できる閾値以上の第１のパワー密度でレーザビームを照射し、第２の領域と重なる領域には、閾値以上で第１のパワー密度より低い第２のパワー密度でレーザビームを照射して、第１の領域に凹部を形成する。第２の領域のうち、第１の領域と重ならない領域には、閾値以上の第３のパワー密度でレーザビームを照射し、第１の領域と重なる領域には、閾値以上で第３のパワー密度より低い第４のパワー密度でレーザビームを照射して、第２の領域に凹部を形成する。
【選択図】 図３（Ａ）

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関し、特にレーザビームの強度を調節して加工対象物に照射するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。本発明はまた、レーザビームの強度を調節する強度調節器に関する。

樹脂や金属等からなる加工対象物の表面に、レーザビームを照射して、溝を形成する加工が広く行われている。

図６（Ａ）に、表面に複数の溝が形成された加工対象物の一例の平面図を示す。加工対象物の表面に、複数の横方向の溝と、複数の縦方向の溝とが、網目状のパタンを成して形成されている。破線で囲まれた領域１００の内部においては、２本の溝が交差して、十字形の開口を持つ凹部が形成されている。

図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）を参照して、図６（Ａ）の領域１００に示したような十字形の凹部を形成するために、従来行われてきた方法について説明する。

図６（Ｂ）に示すように、加工対象物の表面上に、ＸＹ座標が画定されており、長さ方向がＸ軸に平行な線状の被加工領域１０１ａが画定されている。レーザビームの入射位置が、被加工領域１０１ａの長さ方向の一端から他端まで移動するように、レーザビームを照射しながら、被加工領域１０１ａに溝を形成する。被加工領域１０１ａに照射するレーザビームの、加工対象物表面におけるパワー密度は、長さ方向（Ｘ方向）の位置に依らず一定の値Ｐである。

図６（Ｃ）に示すように、加工対象物の表面上に、被加工領域１０１ａと交差するように、長さ方向がＹ軸に平行な線状の被加工領域１０１ｂが画定されている。被加工領域１０１ａ及び１０１ｂにより、加工対象物の表面上に十字形の領域が画定される。被加工領域１０１ａに溝を形成した後、レーザビームの入射位置が、被加工領域１０１ｂの長さ方向の一端から他端まで移動するように、レーザビームを照射しながら、被加工領域１０１ｂに溝を形成する。被加工領域１０１ｂに照射するレーザビームのパワー密度は、長さ方向（Ｙ方向）の位置に依らず一定の値Ｐである。

このように、被加工領域１０１ａ及び１０１ｂに、それぞれパワー密度Ｐでレーザ照射を行って溝を形成することにより、加工対象物の表面に十字形の凹部が形成される。このような加工方法は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００２−３０１５８１号公報

図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）を参照して説明した十字形の凹部の加工方法では、十字形を画定する２つの被加工領域１０１ａと１０１ｂとの重なりの領域に、等しいパワー密度Ｐで２回レーザが照射される。したがって、この重なりの領域に照射されるレーザビームのエネルギ密度が、十字形の凹部内の他の領域のそれの２倍になる。形成された十字形の凹部は、この重なりの領域で深くなるので、均一な深さにならない。

ところで、基板表面上に転写層が形成された加工対象物の表面にレーザビームを照射することにより、転写層を基板表面に接着させる加工がある。レーザ照射により接着された領域以外の転写層を剥離すると、基板表面上に、接着された転写層からなる凸部を残すことができる。このような加工対象物の表面に、接着された転写層からなる十字形の凸部を形成したい要望がある。

このような加工対象物の表面に画定された十字形の領域に対して、上記で十字形の凹部を形成したように、レーザ照射を行うことを考える。２本の線状領域が重なる領域（十字形の中心領域）に照射されるレーザビームのエネルギ密度が、十字形の中心以外の領域のそれの２倍になる。すると、十字形の中心領域と、それ以外の領域との間で、加工品質がばらつく。

本発明の一目的は、加工対象物の表面の、相互に重なる少なくとも２つの領域にレーザビームを照射して、加工品質を劣化させることなく加工を行うことができるレーザ加工方法を提供することである。

本発明の他の目的は、上記レーザ加工方法に適用可能な強度調節器及びレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、表面に相互に重なりを有する第１の領域と第２の領域とが画定された加工対象物の該第１の領域のうち、該第２の領域と重ならない領域には、該加工対象物に凹部を形成するための閾値以上の第１のパワー密度でレーザビームを照射し、該第２の領域と重なった領域には、該閾値以上で該第１のパワー密度より低い第２のパワー密度でレーザビームを照射して、該第１の領域に凹部を形成する工程と、前記第２の領域のうち、前記第１の領域と重ならない領域には、前記閾値以上の第３のパワー密度でレーザビームを照射し、前記第１の領域と重なった領域には、前記閾値以上で該第３のパワー密度より低い第４のパワー密度でレーザビームを照射して、前記第２の領域に凹部を形成する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明の他の観点によると、表面に相互に重なりを有する第１の領域と第２の領域とが画定された加工対象物の該第１の領域のうち、該第２の領域と重ならない領域には、該加工対象物に凹部を形成するための閾値以上の第１のパワー密度でレーザビームを照射し、該第２の領域と重なった領域には、該閾値より低い第２のパワー密度でレーザビームを照射して、該第１の領域の該第２の領域と重ならない領域に凹部を形成する工程と、前記第２の領域のうち、前記第１の領域と重ならない領域には、前記閾値以上の第３のパワー密度でレーザビームを照射し、前記第１の領域と重なった領域には、前記閾値以上の第４のパワー密度でレーザビームを照射して、前記第２の領域に凹部を形成する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明の他の観点によると、（ａ）基板表面上に形成された転写層の第１の領域に、該転写層を該基板表面に接着させることができる下限のパワー密度である第１の閾値以上のパワー密度でレーザビームを照射することによって、該転写層を該基板表面に接着させる工程と、（ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記第１の領域と部分的に重なる第２の領域にレーザビームを照射して、前記転写層を前記基板表面に接着する工程であって、前記第１の領域と重ならない領域には、前記第１の閾値以上のパワー密度でレーザビームを照射し、該第１の領域と重なった領域には、前記工程（ａ）で、該基板表面に接着された転写層が除去される下限のパワー密度である第２の閾値より低いパワー密度でレーザビームを照射する工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

本発明の他の観点によると、外部から入射したレーザビームを、第１の偏光成分のみを有する第１のレーザビームと、該第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分のみを有する第２のレーザビームとに分ける分岐器と、前記分岐器から出射した第１のレーザビームの前記第１の偏光成分の強度を変化させる第１の変調器と、前記分岐器から出射した第２のレーザビームの前記第２の偏光成分の強度を変化させる第２の変調器と、前記第１の変調器から出射した第１のレーザビームの前記第１の偏光成分と、前記第２の変調器から出射した第２のレーザビームの前記第２の偏光成分とを同一光軸上に重ね合わせる合成器とを有する強度調節器が提供される。

加工対象物の表面の、相互に重なる少なくとも２つの領域にレーザビームを照射するとき、領域同士が相互に重なった部分と、領域同士が相互に重ならない部分とで、照射するレーザのパワー密度を適宜異ならせる。これにより、領域同士が相互に重なった部分と、領域同士が相互に重ならない部分との間で、加工品質がばらつくことを抑制できる。

入射したレーザビームを、互いに直交する偏光成分に分け、各々の偏光成分について、強度調節を行う。これにより、入射したレーザビームが、単一の偏光成分を含むものでなくても、良好に強度調節が行える。

図１（Ａ）は、本発明の実施例によるレーザ加工方法を行うためのレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１が、連続波レーザビームを出射する。レーザ光源１として、例えば、ＹＡＧレーザや半導体レーザ等を用いることができる。レーザ光源１から出射したレーザビームは、レーザビームの強度を調節する強度調節器２に入射する。制御装置７が、レーザビームの強度を所望のタイミングで所望の大きさにするように、強度調節器２を制御する。強度調節器２については、後に図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して詳しく説明する。

強度調節器２を出射したレーザビームは、折り返しミラー３で反射され、レンズ４で収束されて、加工対象物５に入射する。加工対象物５は、例えば、樹脂層や金属層を含む。レーザ照射により、このような加工対象物５の表面を削って、加工対象物５の表面に溝や穴等の凹部を形成することができる。

ＸＹステージ６が、加工対象物５を保持している。ＸＹステージ６が、加工対象物５を、加工対象物５の表面に平行な面内で移動させることにより、被加工面上のレーザビームの入射位置が移動する。制御装置７が、ＸＹステージ６を制御する。

図１（Ａ）に示したレーザ加工装置は、樹脂層や金属層等の表面を削ることにより凹部を形成する以外の加工を行うこともできる。例えば、図１（Ｂ）に示すような加工対象物に、以下に説明するような加工を行うことができる。

図１（Ｂ）に示す加工対象物５は、例えばガラスからなる基板３０と、基板３０の表面上に形成された転写層３１とを含んで構成されている。転写層３１は、例えばポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等を含んで構成され、加工閾値以上のパワー密度でのレーザ照射により加熱されることで、基板３０の表面に接着される性質を有する。転写層３１は、感光性樹脂を含んで構成されるものであってもよい。

例えば転写層３１の一部３１ａを、レーザ照射により加熱すると、転写層３１の一部３１ａが変質して基板３０に接着される。転写層３１のうちレーザが照射されなかった部分３１ｂを剥離すると、基板３０の表面上に変質した部分３１ａのみが凸部として残る。

転写層３１の所望の領域をレーザ照射により変質させることで、基板３０の表面上に、転写層３１からなる所望のパタンの凸部を形成する（接着して残す）ことができる。図１（Ａ）に示したレーザ加工装置は、このような加工に用いることもできる。

なお、レーザ照射により基板３０に接着された転写層３１に、さらに、ある閾値以上のパワー密度でレーザが照射されると、接着された転写層３１が削られてしまい、基板３０上の凸部として残らない。

次に、図２（Ａ）及び２（Ｂ）を参照して、図１（Ａ）のレーザ加工装置が有する強度調節器２について説明する。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、強度調節器２の構成例を示す概略図である。

図２（Ａ）に示す強度調節器２は、１つの電気光学素子１１と、１つの偏光ビームスプリッタ１２と、１つのダンパ１３とを含んで構成される。レーザ光源１が出射するレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１２に対してＰ波となる直線偏光である。

レーザ光源１から出射したレーザビームが、ポッケルス効果を示す電気光学素子１１に入射する。電気光学素子１１は、入射したレーザビームの偏光状態を変化させることにより、Ｐ成分とＳ成分の強度比を変化させることができる。電気光学素子１１から出射するＰ成分とＳ成分の比率は、以下に説明するように、電気光学素子１１に印加する電圧の大きさに応じて変えられる。

電気光学素子１１への印加電圧が０Ｖのとき、偏光状態は変化せず、Ｐ波が出射される。所定電圧（例えば１０Ｖ）が印加されたとき、Ｓ成分のみを有する直線偏光（Ｓ波）が出射される。印加電圧が０Ｖと上記所定電圧との中間であるとき、電気光学素子１１から出射するレーザビームは、Ｐ成分とＳ成分とを共に含む。

印加電圧を０Ｖから上記所定電圧まで増加させることにより、電気光学素子１１から出射されるＰ成分の比率を１００％から０％まで（Ｓ成分の比率を０％から１００％まで）変化させることができる。電気光学素子１１に電圧が印加されるタイミングや、印加電圧の大きさは、制御装置７が送出する制御信号に基づいて制御される。なお、電気光学素子１１にＳ波が入射した場合も、Ｐ波が入射した場合と同様に、印加電圧に応じて、出射するレーザビームのＰ成分とＳ成分の強度比を変化させることができる。

電気光学素子１１を出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１２に入射する。偏光ビームスプリッタ１２に入射したレーザビームのうちＰ成分は、偏光ビームスプリッタ１２を透過し、図１（Ａ）に示す折り返しミラー３とレンズ４とに順次入射した後、加工対象物５へ照射される。一方、偏光ビームスプリッタ１２に入射したレーザビームのうちＳ成分は、偏光ビームスプリッタ１２で反射され、レーザビームを吸収して光路の終端となるダンパ１３に入射する。

電気光学素子１１への印加電圧を変えて、電気光学素子１１から出射するレーザビームが含むＰ成分の強度を変化させることにより、偏光ビームスプリッタ１２を透過して加工対象物５に照射されるレーザビームの強度が調節される。

印加電圧が０Ｖのとき、レーザ光源１から出射したレーザビームのすべてが偏光ビームスプリッタ１２を透過するので、加工対象物５に照射されるレーザビームの強度は最大となる。Ｐ波がＳ成分のみを有するＳ波に変換される印加電圧のとき、レーザ光源１から出射したレーザビームのすべてが偏光ビームスプリッタ１２で反射されるので、加工対象物５にレーザビームが照射されなくなる。

なお、図２（Ａ）に示した強度調節器２は、レーザ光源１から出射されるレーザビームが、偏光ビームスプリッタ１２に対するＳ波である場合も、Ｐ波である場合と同様に、使用することができる。

しかし、レーザ光源１から出射されるレーザビームが、Ｓ成分とＰ成分とをともに含む場合は、電気光学素子１１から出射されるレーザビームを、Ｐ成分のみを有するＰ波、または、Ｓ成分のみを有するＳ波とすることができない。したがって、このような場合、図２（Ａ）に示した構成の強度調節器２では、レーザ光源１から出射したレーザビームすべてを加工対象物５に照射することや、加工対象物５にレーザビームが照射されないようにすることができない。

図２（Ｂ）に示す強度調節器２は、以下に説明するように、レーザ光源１から出射するレーザビームが、Ｓ成分とＰ成分とを含んでいる場合でも、強度調節を良好に行える。

図２（Ｂ）に示す強度調節器２は、２つの電気光学素子１１ａ及び１１ｂと、２つの偏光ビームスプリッタ１２ａ及び１２ｂと、１つのダンパ１３ａと、２枚の折り返しミラー１４ａ及び１４ｂとを含んで構成されている。レーザ光源１から出射するレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１２ａ及び１２ｂに対するＰ成分とＳ成分とを含む。Ｐ成分とＳ成分との強度比は、例えば１対１である。

レーザ光源１から出射したレーザビームのＰ成分とＳ成分とは、偏光ビームスプリッタ１２ａに入射する。偏光ビームスプリッタ１２ａは、入射したＰ成分を透過させて、直線偏光であるＰ波を出射させるとともに、入射したＳ成分を反射し、Ｐ波とは異なる光軸に沿って、Ｐ波と直交する偏光面を持つ直線偏光であるＳ波を出射させる。

偏光ビームスプリッタ１２ａを出射したＰ波は、電気光学素子１１ａに入射する。電気光学素子１１ａへの印加電圧の大きさを変えて、電気光学素子１１ａから出射するＰ成分とＳ成分の比率を変化させることができる。電気光学素子１１ａに電圧が印加されるタイミングや、印加電圧の大きさは、制御装置７が送出する制御信号に基づいて制御される。

電気光学素子１１ａから出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１２ｂの表側の面に、入射角４５度で入射する。偏光ビームスプリッタ１２ｂに入射したレーザビームのうちＰ成分は、偏光ビームスプリッタ１２ｂを透過し、図１（Ａ）に示す折り返しミラー３とレンズ４とに順次入射した後、加工対象物５に照射される。一方、偏光ビームスプリッタ１２ｂに入射したレーザビームのうちＳ成分は、偏光ビームスプリッタ１２ｂで反射され、ダンパ１３ａに入射する。

偏光ビームスプリッタ１２ａを出射したＳ波は、折り返しミラー１４ａで反射されて、電気光学素子１１ｂに入射する。電気光学素子１１ｂへの印加電圧の大きさを変えて、電気光学素子１１ｂから出射するＳ成分とＰ成分の比率を変化させることができる。電気光学素子１１ｂに電圧が印加されるタイミングや、印加電圧の大きさは、制御装置７が送出する制御信号に基づいて制御される。

電気光学素子１１ｂから出射したレーザビームは、折り返しミラー１４ｂで反射され、偏光ビームスプリッタ１２ｂの裏側の面に、入射角４５度で入射する。偏光ビームスプリッタ１２ｂに入射したレーザビームのうちＳ成分は、偏光ビームスプリッタ１２ｂで反射され、図１（Ａ）に示す折り返しミラー３とレンズ４とに順次入射した後、加工対象物５に照射される。一方、偏光ビームスプリッタ１２ｂに入射したレーザビームのうちＰ成分は、偏光ビームスプリッタ１２ｂを透過し、ダンパ１３ａに入射する。

電気光学素子１１ａから出射して偏光ビームスプリッタ１２ｂを透過したＰ波と、電気光学素子１１ｂから出射して偏光ビームスプリッタ１２ｂで反射されたＳ波とが、同一光軸上に重畳されるように、光路が調整されている。

電気光学素子１１ａ及び１１ｂへの印加電圧を変えて、電気光学素子１１ａから出射するレーザビームが含むＰ成分の強度及び電気光学素子１１ｂから出射するレーザビームが含むＳ成分の強度を変化させることにより、偏光ビームスプリッタ１２ｂを透過して加工対象物５に照射されるレーザビームの強度を変えることができる。

電気光学素子１１ａ及び１１ｂへの印加電圧の大きさと加工対象物５に照射されるレーザビームの強度には、以下に示すような関係がある。

電気光学素子１１ａ及び１１ｂへの印加電圧が共に０Ｖのとき、レーザ光源１から出射し、電気光学素子１１ａへ入射したＰ成分のすべてが偏光ビームスプリッタ１２ｂを透過して加工対象物５に照射され、かつ、レーザ光源１から出射し、電気光学素子１１ｂへ入射したＳ成分のすべてが偏光ビームスプリッタ１２ｂで反射されて加工対象物５に照射されるので、レーザ光源１から出射したレーザビームのすべてが加工対象物５に照射される。よって、このとき、加工対象物５に照射されるレーザビームの強度は最大値を取る。

電気光学素子１１ａへの印加電圧が、電気光学素子１１ａに入射したＰ波をＳ波に変換する第１の電圧であり、かつ、電気光学素子１１ｂへの印加電圧が、電気光学素子１１ｂに入射したＳ波をＰ波に変換する第２の電圧であるとき、レーザ光源１から出射し、電気光学素子１１ａへ入射したＰ波が、Ｓ波に変換され偏光ビームスプリッタ１２ｂで反射されてダンパ１３ａに入射し、かつ、レーザ光源１から出射し、電気光学素子１１ｂへ入射したＳ波が、Ｐ波に変換され偏光ビームスプリッタ１２ｂを透過してダンパ１３ａに入射する。よって、レーザ光源１から出射したレーザビームは、すべてダンパ１３ａに入射し、加工対象物５に照射されない。

電気光学素子１１ａへの印加電圧を、０Ｖから第１の電圧までの間で変化させるとともに、電気光学素子１１ｂへの印加電圧を、０Ｖから第２の電圧までの間で変化させることにより、加工対象物５に照射されるレーザビームの強度を、ゼロから上記の最大値まで変化させることができる。

このように、図２（Ｂ）に示した強度調節器２は、レーザ光源１から出射するレーザビームが、Ｓ成分とＰ成分とを含んでいる場合でも、良好な強度調節を行える。電気光学素子の応答速度は速いので、μｓオーダでの強度調節を行うことができる。なお、強度調節器２に入射するレーザビームは、Ｓ成分とＰ成分とを任意の強度比で含んでいて構わない。

なお、偏光ビームスプリッタ１２ｂから出射し、ダンパ１３ａに入射するレーザビームの光路上に加工対象物を配置し、加工対象物５に入射するレーザビームの光路上にダンパを配置しても構わない（つまり、偏光ビームスプリッタ１２ｂから出射する２本のレーザビームのうち、どちらを加工に用いても構わない）。

次に、図３（Ａ）を参照して、本発明の第１の実施例によるレーザ加工方法について説明する。本実施例によるレーザ加工方法は、例えば樹脂層や金属層からなる加工対象物の表面に、十字形の開口を有する凹部を形成するための方法である。

図３（Ａ）に示すように、相互に直交する２つの直線状の被加工領域２１ａ及び２１ｂが画定されている。被加工領域２１ａの長さ方向をＸ軸方向とし、被加工領域２１ｂの長さ方向をＹ軸方向とするＸＹ直交座標系を定義する。加工対象物の表面におけるパワー密度が加工閾値Ｐ_１以上になる条件でレーザビームを照射することにより、加工対象物に凹部を形成することができる。形成される凹部の深さは、入射するレーザビームのパワー密度に依存する。図３（Ａ）に、加工対象物に照射するレーザビームの、加工対象物表面におけるパワー密度と入射位置との関係を併せて示す。

レーザビームのパワー密度を加工閾値Ｐ_１以上のＰ_１１にして、被加工領域２１ａの一端（始点）から他端（終点）に向かって、レーザビームの入射位置を移動させる（レーザビームで被加工領域２１ａを走査する）。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ａに交差する被加工領域２１ｂの縁を横切る時に、パワー密度をＰ_１１から、加工閾値Ｐ_１以上のパワー密度Ｐ_１２に低下させる。パワー密度がＰ_１２になる条件で、被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域を走査する。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ｂの縁を、被加工領域２１ｂの内部から外部に横切る時に、パワー密度をＰ_１２からＰ_１１に上昇させる。レーザビームの入射位置が終点に達するとレーザビームの入射を終了させる。レーザビームの走査により、被加工領域２１ａに整合した凹部が形成される。被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域に形成される凹部は、他の領域に形成される凹部よりも浅い。

次に、レーザビームのパワー密度を加工閾値Ｐ_１以上のＰ_１３にして、被加工領域２１ｂの一端（始点）から他端（終点）に向かって、レーザビームの入射位置を移動させる。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ｂに交差する被加工領域２１ａの縁を横切る時に、パワー密度をＰ_１３から、加工閾値Ｐ_１以上のパワー密度Ｐ_１４に低下させる。パワー密度がＰ_１４になる条件で、被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域を走査する。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ａの縁を、被加工領域２１ａの内部から外部に横切る時に、パワー密度をＰ_１４からＰ_１３に上昇させる。レーザビームの入射位置が終点に達するとレーザビームの入射を終了させる。レーザビームの走査により、被加工領域２１ｂに整合する凹部が形成される。このようにして、被加工領域２１ａ及び２１ｂで画定される十字形の領域に整合するように、十字形の開口を有する凹部が形成される。

被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域においては、１回目のレーザ照射で形成された凹部が、２回目のレーザ照射で、より深く加工される。１回目の照射時のパワー密度Ｐ_１１を２回目の照射時のパワー密度Ｐ_１３と等しくすると、被加工領域２１ａと被加工領域２１ｂとの、相互に重なっていない領域に形成される凹部の深さを等しくすることができる。また、パワー密度Ｐ_１２とＰ_１４とを調節することにより、被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域に形成される凹部の深さを、他の領域の凹部の深さと等しくすることができる。

次に、図３（Ｂ）を参照して、第１の実施例の変形例によるレーザ加工方法について説明する。本変形例によるレーザ加工方法は、例えば樹脂層や金属層からなる加工対象物の表面に、Ｔ字形の開口を有する凹部を形成するための方法である。

図３（Ｂ）に示すように、２つの直線状の被加工領域２１ａ及び２１ｃが画定されている。被加工領域２１ｃのうち長さ方向の一端近傍の領域が、被加工領域２１ａに、その端部以外の位置で重なり、被加工領域２１ｃの長さ方向の一端の縁が、被加工領域２１ａの縁に一致している。

図３（Ａ）を参照して説明したように、被加工領域２１ａに整合した凹部を形成する。次に、以下のように被加工領域２１ｃの一端から他端までをレーザビームで走査して、被加工領域２１ｃに整合した凹部を形成する。被加工領域２１ｃの、被加工領域２１ａと重なりを有する側の端から走査を開始する。

被加工領域２１ａと重なった領域に、加工閾値Ｐ_１以上のパワー密度Ｐ_１４で、レーザを照射する。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ｃに交差する被加工領域２１ａの縁を横切る時に、パワー密度をＰ_１４から、加工閾値Ｐ_１以上のパワー密度Ｐ_１３に上昇させる。レーザビームの入射位置が終点に達するとレーザビームの入射を終了させる。このようにして、被加工領域２１ａ及び２１ｃで画定されるＴ字形（図では、Ｔ字を上下逆さまにした形状である）の領域に整合するように、Ｔ字形の開口を有する凹部が形成される。

なお、このＴ字形の凹部の形成方法は、図３（Ａ）を参照して説明した十字形の凹部を形成する方法において、被加工領域２１ｂに整合した凹部を形成するレーザビームの走査を、被加工領域２１ａと２１ｂとが重なった領域から開始したものと考えることもできる。なお、被加工領域２１ｃの、被加工領域２１ａと重ならない側の端から走査を開始しても構わない。また、被加工領域２１ｃに凹部を形成してから、被加工領域２１ａに凹部を形成する順番で加工を行っても構わない。

次に、図４（Ａ）を参照して、本発明の第２の実施例によるレーザ加工方法について説明する。この方法では、図３（Ａ）を参照して説明した第１の実施例の方法と同様に、加工対象物に十字形の凹部を形成する。第１の実施例の方法と異なるのは、レーザビームの入射位置に応じたパワー密度の変化のさせ方のみであるので、主にそれについて説明する。図４（Ａ）に示すように、図３（Ａ）と同様に、相互に直交する２つの直線状の被加工領域２１ａ及び２１ｂが画定されている。

レーザビームのパワー密度を加工閾値Ｐ_１以上のＰ_１５にして、被加工領域２１ａの一端（始点）から他端（終点）に向かって、レーザビームで被加工領域２１ａを走査する。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ａに交差する被加工領域２１ｂの縁を横切る時に、パワー密度をＰ_１５から、加工閾値Ｐ_１未満のパワー密度Ｐ_１６に低下させる。パワー密度がＰ_１６になる条件で、被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域を走査する。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ｂの縁を、被加工領域２１ｂの内部から外部に横切る時に、パワー密度をＰ_１６からＰ_１５に上昇させる。レーザビームの入射位置が終点に達するとレーザビームの入射を終了させる。レーザビームの走査により、被加工領域２１ａと２１ｂとが重なった領域を除いて、被加工領域２１ａに整合した凹部が形成される。被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域には、凹部が形成されない。

なお、パワー密度Ｐ_１６は、加工閾値Ｐ_１より少し低い程度とすることが好ましい。電気光学素子の応答特性を反映し、強度調節器２が強度を変化させるのに要する時間は、強度の変化の幅が小さいほど短くなる。上述のようにパワー密度Ｐ_１６を設定した場合、Ｐ_１６をゼロに設定した場合（つまり、被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域にレーザビームを照射しない場合）と比べて、パワー密度をＰ_１５からＰ_１６まで低下させるのに必要な時間、及びパワー密度をＰ_１６からＰ_１５まで上昇させるのに必要な時間が短くなる。パワー密度をＰ_１５からＰ_１６まで低下させるのに必要な時間、及びパワー密度をＰ_１６からＰ_１５まで上昇させるのに必要な時間が短いほど、被加工領域２１ａに交差する被加工領域２１ｂの縁の位置での、凹部の深さの変化を急峻にできる。

次に、レーザビームのパワー密度を加工閾値Ｐ_１以上のＰ_１７にして、被加工領域２１ｂの一端（始点）から他端（終点）に向かって、レーザビームの入射位置を移動させる。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ｂに交差する被加工領域２１ａの縁を横切る時に、パワー密度を加工閾値Ｐ_１以上のパワー密度Ｐ_１８とする。パワー密度がＰ_１８になる条件で、被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域を走査する。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ａの縁を、被加工領域２１ａの内部から外部に横切る時に、再びパワー密度をＰ_１７とする。レーザビームの入射位置が終点に達するとレーザビームの入射を終了させる。レーザビームの走査により、被加工領域２１ｂに整合する凹部が形成される。このようにして、被加工領域２１ａ及び２１ｂで画定される十字形の領域に整合するように、十字形の開口を有する凹部が形成される。

被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域においては、１回目のレーザ照射では凹部が形成されないが、２回目のレーザ照射で凹部が形成される。１回目の照射時のパワー密度Ｐ_１５を２回目の照射時のパワー密度Ｐ_１７と等しくすると、被加工領域２１ａと被加工領域２１ｂとの、相互に重なっていない領域に形成される凹部の深さを等しくすることができる。また、さらに、パワー密度Ｐ_１８を、パワー密度Ｐ_１５及びＰ_１７と等しくすると、被加工領域２１ａと２１ｂとの重なった領域に形成される凹部の深さも、他の領域の凹部の深さと等しくすることができる。

次に、図４（Ｂ）を参照して、第２の実施例の変形例によるレーザ加工方法について説明する。この方法では、図３（Ｂ）を参照して説明した第１の実施例の変形例と同様に、加工対象物にＴ字形の凹部を形成する。第１の変形例の方法と異なるのは、レーザビームの入射位置に応じたパワー密度の変化のさせ方のみであるので、主にそれについて説明する。図４（Ｂ）に示すように、図３（Ｂ）と同様に、２つの直線状の被加工領域２１ａ及び２１ｃが画定されている。

図４（Ａ）を参照して説明したように、被加工領域２１ａに整合した凹部を形成する。次に、被加工領域２１ｃの、被加工領域２１ａと重なりを有する側の端からレーザビームの走査を開始する。

被加工領域２１ａと重なった領域に、加工閾値Ｐ_１以上のパワー密度Ｐ_１８で、レーザを照射する。レーザビームの入射位置が被加工領域２１ｃに交差する被加工領域２１ａの縁を横切る時に、パワー密度を加工閾値Ｐ_１以上のパワー密度Ｐ_１７とする。レーザビームの入射位置が終点に達するとレーザビームの入射を終了させる。このようにして、被加工領域２１ａ及び２１ｃで画定されるＴ字形の領域に整合するように、Ｔ字形の開口を有する凹部が形成される。

なお、第２の実施例及び変形例において、被加工領域２１ａと２１ｂ（または２１ｃ）とが重なった領域に照射するレーザビームのパワー密度を、１度目の照射では加工閾値Ｐ_１未満とし、２度目の照射では加工閾値Ｐ_１以上としたが、１度目の照射で加工閾値Ｐ_１以上とし、２度目の照射で加工閾値Ｐ_１未満としてもかまわない。

上記の第１及び第２の実施例及び変形例において、各被加工領域（被加工領域２１ａ等）は直線状であったが、各被加工領域は、他の形状であってもよい。上記で説明したレーザ加工方法を応用すれば、加工対象物表面に画定された互いに重なりを持つ２つの領域により画定される領域に、レーザを照射して凹部を形成するとき、２つの領域が互いに重なった部分と、２つの領域が互いに重ならない部分とに対し、パワー密度を適宜異ならせてレーザ照射を行うことにより、凹部の深さの均一化を図ることができる。

ところで、図１（Ｂ）を参照して説明した加工対象物に対して、基板の表面上に、接着された転写層からなる、十字形の凸部を形成したいという要望がある。

本明細書において、本発明の背景技術として、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）を参照し、加工対象物の表面に十字形の凹部を形成するために従来行われてきた方法を説明した。ここで、この方法（レーザ照射の方法）を、このような、転写層からなる十字形の凸部の形成に適用することを考える。

十字形を画定する２つの被加工領域の各々に、加工閾値（転写層が基板に接着される下限のパワー密度）以上のあるパワー密度Ｐで、レーザを照射する。このとき、十字形を画定する２つの被加工領域が重なった領域において、１度目のレーザ照射により転写層が基板へ接着される。しかし、２度目のレーザ照射により、図１（Ｂ）を参照して説明したように、接着された転写層が削られてしまうであろう。良好な加工を行うためには、レーザビームの入射位置に応じて、パワー密度を調節する必要がある。

次に、図５（Ａ）を参照して、本発明の第３の実施例によるレーザ加工方法について説明する。本実施例によるレーザ加工方法は、図１（Ｂ）を参照して説明したような加工対象物に対し、基板の表面上に、転写層からなる十字形の凸部を形成するための方法である。

図５（Ａ）に示すように、相互に直交する２つの直線状の被加工領域２２ａ及び２２ｂが画定されている。被加工領域２２ａの長さ方向をＸ軸方向とし、被加工領域２２ｂの長さ方向をＹ軸方向とするＸＹ直交座標系を定義する。図５（Ａ）に、加工対象物に照射するレーザビームの、加工対象物表面におけるパワー密度と入射位置との関係を併せて示す。

加工対象物の表面（転写層の表面）におけるパワー密度が加工閾値Ｐ_２以上になる条件でレーザビームを照射することにより、転写層が変質して基板表面に接着される。しかし、加工対象物の表面（転写層の表面）におけるパワー密度が閾値Ｐ_２ａ以上になる条件で、接着された転写層にレーザビームが照射されると、接着された転写層が基板表面から除去されてしまう。

レーザビームのパワー密度を加工閾値Ｐ_２以上のＰ_２１にして、被加工領域２２ａの一端（始点）から他端（終点）に向かって、レーザビームの入射位置を移動させる（レーザビームで被加工領域２２ａを走査する）。レーザビームの入射位置が終点に達するとレーザビームの入射を終了させる。この１度目のレーザビーム走査により、被加工領域２２ａに整合した凸部が形成される（被加工領域２２ａに整合して基板表面に転写層が接着される）。

次に、レーザビームのパワー密度を加工閾値Ｐ_２以上のＰ_２３にして、被加工領域２２ｂの一端（始点）から他端（終点）に向かって、レーザビームの入射位置を移動させる。レーザビームの入射位置が被加工領域２２ｂに交差する被加工領域２２ａの縁を横切る時に、パワー密度をＰ_２３から、閾値Ｐ_２ａ未満のパワー密度Ｐ_２４に低下させる。パワー密度がＰ_２４になる条件で、被加工領域２２ａと２２ｂとの重なった領域を走査する。レーザビームの入射位置が被加工領域２２ａの縁を、被加工領域２２ａの内部から外部に横切る時に、パワー密度をＰ_２４からＰ_２３に上昇させる。レーザビームの入射位置が終点に達するとレーザビームの入射を終了させる。この２度目のレーザビーム走査により、被加工領域２２ａと２２ｂとが重なった領域を除いて、被加工領域２２ｂに整合した凸部が形成される（被加工領域２２ａと２２ｂとが重なった領域を除いて、被加工領域２２ｂに整合して基板表面に転写層が接着される）。

被加工領域２２ａと２２ｂとの重なった領域では、１度目のレーザビーム走査により、転写層の接着が起こっている。２度目のレーザビーム走査において、この領域には、接着された転写層が除去される閾値Ｐ_２ａ未満のパワー密度でレーザビームが照射される。このように２度目のレーザビーム走査を行うことにより、１度目のレーザ照射で接着された転写層が除去されないようにできる。基板表面から、接着されなかった転写層を剥離すると、加工領域２２ａ及び２２ｂで画定された十字形の領域に整合させて、転写層からなる凸部を形成することができる。

なお、被加工領域２２ａと２２ｂとの重なった領域へのレーザ照射のパワー密度を、１度目は加工閾値Ｐ_２より低くし、２度目は加工閾値Ｐ_２以上とすると、以下に説明するように、良好な加工ができない。１度目のレーザ照射において、転写層は基板に接着されない。しかし、レーザ照射により、被加工領域２２ａと２２ｂとの重なった領域内の転写層がある程度変質する。２度目のレーザ照射は、ある程度変質した転写層に対して行われる。ある程度変質した転写層に加工閾値Ｐ_２以上のパワー密度でレーザ照射を行っても、転写層の接着が起こらない場合がある。

次に、図５（Ｂ）を参照して、第３の実施例の変形例によるレーザ加工方法について説明する。本変形例によるレーザ加工方法は、図１（Ｂ）を参照して説明したような加工対象物に対し、基板の表面上に、転写層からなるＴ字形の凸部を形成するための方法である。

図５（Ｂ）に示すように、２つの直線状の被加工領域２２ａ及び２２ｃが画定されている。被加工領域２２ｃのうち長さ方向の一端近傍の領域が、被加工領域２２ａに、その端部以外の位置で重なり、被加工領域２２ｃの長さ方向の一端の縁が、被加工領域２２ａの縁に一致している。

図５（Ａ）を参照して説明したように、被加工領域２２ａに整合した凸部を形成する。次に、以下のように被加工領域２２ｃの一端から他端までをレーザビームで走査して、（被加工領域２２ａと２２ｃとが重なった領域を除いて、）被加工領域２２ｃに整合した凸部を形成する。被加工領域２２ｃの、被加工領域２２ａと重なりを有する側の端から走査を開始する。

被加工領域２２ａと重なった領域に、閾値Ｐ_２ａ未満のパワー密度Ｐ_２４で、レーザを照射する。レーザビームの入射位置が被加工領域２２ｃに交差する被加工領域２２ａの縁を横切る時に、パワー密度をＰ_２４から、加工閾値Ｐ_２以上のパワー密度Ｐ_２３に上昇させる。レーザビームの入射位置が終点に達するとレーザビームの入射を終了させる。このようにして、被加工領域２２ａ及び２２ｃで画定されるＴ字形の領域に整合するように、基板表面にＴ字形の凸部が形成される。基板表面から、接着されなかった転写層を剥離すると、加工領域２２ａ及び２２ｃで画定されたＴ字形の領域に整合させて、転写層からなる凸部を形成することができる。なお、被加工領域２２ｃの、被加工領域２２ａと重ならない側の端から走査を開始しても構わない。

上記の第３の実施例及び変形例において、各被加工領域（被加工領域２２ａ等）は直線状であったが、各被加工領域は、他の形状であってもよい。上記で説明したレーザ加工方法を応用すれば、図１（Ｂ）に示したような加工対象物の表面の互いに重なりを持つ２つの領域により画定される領域に、レーザを照射して、２つの領域により画定される領域に整合する形状を有する凸部を形成する（基板表面に接着された転写層を残す）ことができる。２つの領域が互いに重なった部分と、２つの領域が互いに重ならない部分とに対し、パワー密度を適宜異ならせてレーザ照射を行うことにより、１度目のレーザ照射で形成された凸部（接着された転写層）が、２度目のレーザ照射で除去されないようにできる。

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。

本発明の実施例によるレーザ加工方法を行うためのレーザ加工装置の概略図である。 加工対象物の一例を示す、加工対象物の断面図である。 図２（Ａ）及び図２（Ｂ）はともに、強度調節器の構成例を示す概略図である。 本発明の第１の実施例によるレーザ加工方法を説明するための加工対象物の平面図と、同実施例によるレーザ加工方法を説明するためのパワー密度のグラフである。 第１の実施例の変形例によるレーザ加工方法を説明するための加工対象物の平面図と、同変形例によるレーザ加工方法を説明するためのパワー密度のグラフである。 第２の実施例によるレーザ加工方法を説明するための加工対象物の平面図と、同実施例によるレーザ加工方法を説明するためのパワー密度のグラフである。 第２の実施例の変形例によるレーザ加工方法を説明するための加工対象物の平面図と、同変形例によるレーザ加工方法を説明するためのパワー密度のグラフである。 第３の実施例によるレーザ加工方法を説明するための加工対象物の平面図と、同実施例によるレーザ加工方法を説明するためのパワー密度のグラフである。 第３の実施例の変形例によるレーザ加工方法を説明するための加工対象物の平面図と、同変形例によるレーザ加工方法を説明するためのパワー密度のグラフである。 図６（Ａ）は、表面に複数の溝が形成された加工対象物の平面図であり、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）は、十字形の凹部を形成する従来技術を説明するための加工対象物の平面図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ 強度調節器
３ 折り返しミラー
４ レンズ
５ 加工対象物
６ ＸＹステージ
７ 制御装置
３０ 基板
３１ 転写層
１１、１１ａ、１１ｂ 電気光学素子
１２、１２ａ、１２ｂ 偏光ビームスプリッタ
１３、１３ａ ダンパ
１４ａ、１４ｂ 折り返しミラー

Claims (12)

1. （ａ）表面に相互に重なりを有する第１の領域と第２の領域とが画定された加工対象物の該第１の領域のうち、該第２の領域と重ならない領域には、該加工対象物に凹部を形成するための閾値以上の第１のパワー密度でレーザビームを照射し、該第２の領域と重なった領域には、該閾値以上で該第１のパワー密度より低い第２のパワー密度でレーザビームを照射して、該第１の領域に凹部を形成する工程と、
   （ｂ）前記第２の領域のうち、前記第１の領域と重ならない領域には、前記閾値以上の第３のパワー密度でレーザビームを照射し、前記第１の領域と重なった領域には、前記閾値以上で該第３のパワー密度より低い第４のパワー密度でレーザビームを照射して、前記第２の領域に凹部を形成する工程と
   を有するレーザ加工方法。
2. 前記第１〜第４のパワー密度を、前記第１の領域のうち、前記第２の領域と重ならない領域に形成された凹部と、前記第２の領域のうち、前記第１の領域と重ならない領域に形成された凹部と、前記第１と第２の領域が重なった領域に形成された凹部とが、等しい深さになるように設定する請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記第１及び第３のパワー密度が相等しい請求項１記載のレーザ加工方法。
4. 前記工程（ａ）が、レーザビームの入射点の軌跡が前記第２の領域の縁を横切るようにレーザビームを走査する工程を含み、前記第２の領域の縁を、該第２の領域の外側から内側に横切る時には、レーザビームのパワー密度を低下させ、該第２の領域の内側から外側に横切る時には、レーザビームのパワー密度を上昇させ、前記工程（ｂ）が、レーザビームの入射点の軌跡が前記第１の領域の縁を横切るようにレーザビームを走査する工程を含み、前記第１の領域の縁を、該第１の領域の外側から内側に横切る時には、レーザビームのパワー密度を低下させ、該第１の領域の内側から外側に横切る時には、レーザビームのパワー密度を上昇させる請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. （ａ）表面に相互に重なりを有する第１の領域と第２の領域とが画定された加工対象物の該第１の領域のうち、該第２の領域と重ならない領域には、該加工対象物に凹部を形成するための閾値以上の第１のパワー密度でレーザビームを照射し、該第２の領域と重なった領域には、該閾値より低い第２のパワー密度でレーザビームを照射して、該第１の領域の該第２の領域と重ならない領域に凹部を形成する工程と、
   （ｂ）前記第２の領域のうち、前記第１の領域と重ならない領域には、前記閾値以上の第３のパワー密度でレーザビームを照射し、前記第１の領域と重なった領域には、前記閾値以上の第４のパワー密度でレーザビームを照射して、前記第２の領域に凹部を形成する工程と
   を有するレーザ加工方法。
6. 前記第１、第３及び第４のパワー密度を、前記第１の領域のうち、前記第２の領域と重ならない領域に形成された凹部と、前記第２の領域のうち、前記第１の領域と重ならない領域に形成された凹部と、前記第１と第２の領域が重なった領域に形成された凹部とが、等しい深さになるように設定する請求項５記載のレーザ加工方法。
7. 前記第１、第３及び第４のパワー密度が相等しい請求項５記載のレーザ加工方法。
8. 前記工程（ａ）が、レーザビームの入射点の軌跡が前記第２の領域の縁を横切るようにレーザビームを走査する工程を含み、前記第２の領域の縁を、該第２の領域の外側から内側に横切る時には、レーザビームのパワー密度を低下させ、該第２の領域の内側から外側に横切る時には、レーザビームのパワー密度を上昇させる請求項５〜７のいずれかに記載のレーザ加工方法。
9. （ａ）基板表面上に形成された転写層の第１の領域に、該転写層を該基板表面に接着させることができる下限のパワー密度である第１の閾値以上のパワー密度でレーザビームを照射することによって、該転写層を該基板表面に接着させる工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記第１の領域と部分的に重なる第２の領域にレーザビームを照射して、前記転写層を前記基板表面に接着する工程であって、前記第１の領域と重ならない領域には、前記第１の閾値以上のパワー密度でレーザビームを照射し、該第１の領域と重なった領域には、前記工程（ａ）で、該基板表面に接着された転写層が除去される下限のパワー密度である第２の閾値より低いパワー密度でレーザビームを照射する工程と
   を有するレーザ加工方法。
10. 前記工程（ｂ）が、レーザビームの入射点の軌跡が前記第１の領域の縁を横切るようにレーザビームを走査する工程を含み、前記第１の領域の縁を、該第１の領域の外側から内側に横切る時には、レーザビームのパワー密度を低下させ、該第１の領域の内側から外側に横切る時には、レーザビームのパワー密度を上昇させる請求項９に記載のレーザ加工方法。
11. 外部から入射したレーザビームを、第１の偏光成分のみを有する第１のレーザビームと、該第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分のみを有する第２のレーザビームとに分ける分岐器と、
    前記分岐器から出射した第１のレーザビームの前記第１の偏光成分の強度を変化させる第１の変調器と、
    前記分岐器から出射した第２のレーザビームの前記第２の偏光成分の強度を変化させる第２の変調器と、
    前記第１の変調器から出射した第１のレーザビームの前記第１の偏光成分と、前記第２の変調器から出射した第２のレーザビームの前記第２の偏光成分とを同一光軸上に重ね合わせる合成器と
    を有する強度調節器。
12. 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したレーザビームの強度を変化させる強度調節器と、
    前記強度調節器から出射したレーザビームが照射される加工対象物を保持する保持機構と、
    を有し、前記強度調節器は、
    入射したレーザビームを、第１の偏光成分のみを有する第１のレーザビームと該第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分のみを有する第２のレーザビームとに分ける分岐器と、
    前記分岐器から出射した第１のレーザビームの前記第１の偏光成分の強度を変化させる第１の変調器と、
    前記分岐器から出射した第２のレーザビームの前記第２の偏光成分の強度を変化させる第２の変調器と、
    前記第１の変調器から出射した第１のレーザビームの前記第１の偏光成分と前記第２の変調器から出射した第２のレーザビームの前記第２の偏光成分とを同一光軸上に重ね合わせる合成器と
    を有するレーザ加工装置。

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