JP2006315053A - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザビームを被加工物の表面に対して斜め方向から照射した場合に、被加工物表面の照射面で、均一なエネルギ分布が得られるようにする加工方法と加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザビームをトップハット形状のエネルギ分布に成形して、被加工物１１に対して斜め方向から照射することで加工する。レーザ発振器１と、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２ａを入射され、被加工物１１に対して斜め方向から照射する、照射位置により焦点距離が異なる第１のレンズ３ａと、第１のレンズ３ａに対向して配置され、斜め方向から入射されたレーザビーム２ａをトップハット形状に形成する第２のレンズ３ｂを備える。この第１と第２のレンズ３ａ，３ｂを介してレーザビームを被加工物１１に照射する。
【効果】 被加工物表面の照射面で均一なエネルギ分布が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザビームを使用して被加工材に加工を施す方法及びその方法を実施する装置に関するものである。

近年、半導体薄膜、薄膜太陽電池、液晶パネル等への薄膜パターン形成や、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイや、透明複層薄膜構造製品等の薄膜除去に、レーザビームが利用されている。このレーザビームを使用した薄膜除去において、従来は、レーザビームを基板に対して垂直に入射させていた。

そして、その際、基板に熱影響を与えないように、(1)非常に短い焦点距離の集光光学系を使用したり、(2)短波長のレーザを使用したり、(3)短時間照射を利用する方法が実施されている。これら(1)〜(3)の方法では、基板の素材、色、層構造の状態により適正な薄膜除去条件が異なるので、薄膜を除去する基板状態を限定してその加工を行っていた。

しかしながら、基板の薄膜除去に短焦点の集光光学系を用いる(1)の方法では、焦点深度が浅くなるので、レーザーヘッドと被加工物との位置決め精度が厳しくなり、高精度の加工機が必要となる。

また、たとえばＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）層からなる薄膜の除去には、１０６４ｎｍよりも短波長のレーザを使用することが有効である（(2)の方法）と言われている。しかしながら、従来の垂直入射では、基板内にブラックマトリックス層が存在する場合には、このブラックマトリックス層に熱影響を与えてしまうことが、発明者らの実験で判明している。

また、(3)の方法の実施には、フェムト秒レーザというものがある。このレーザを使用すると、前記ＩＴＯ層のみを除去することが可能であるが、このフェムト秒レーザは非常に高価で、また、エネルギ変換効率が非常に低いので、研究段階の域を脱していない。

加えて、これら(1)〜(3)の方法では、前記のように基板の素材、色、層構造の状態により適正な薄膜除去条件が異なるので、同一基板上で材質、色、層構造などの状態が変化すると、薄膜除去状態が変化したり、基板に熱影響を与えたりする。

そこで、前述の問題を解決するために、レーザビームを基板表面に対して斜め方向から照射する薄膜除去技術が、特許文献１で提案された。この技術によれば、同一基板上で材質、色、層構造などの状態が変化する状態であっても、薄膜の除去状態を変化させず、しかも安価で汎用的なレーザ発振器を用いて、高い位置決め精度で薄膜を除去できる。
特開２００４−４２１４０号公報

ところで、通常のレーザ加工では、レーザ発振器から出射されたレーザビームは、均一化光学系でエネルギ分布を均一となされた後に被加工物に垂直な方向から照射される。しかしながら、本来は垂直方向から照射する前記レーザビームを、特許文献１のように被加工物の表面に対して斜め方向から照射すると、被加工物表面から近い部分と遠い部分とでエネルギ分布に差が生じ、均一なエネルギ分布が得られないという問題があった。

本発明が解決しようとする問題点は、レーザビームを被加工物の表面に対して斜め方向から照射する従来の薄膜除去では、被加工物表面の照射面で、均一なエネルギ分布が得られないという点である。

本発明のレーザ加工方法は、
レーザビームを被加工物の表面に対して斜め方向から照射した場合であっても、被加工物表面の照射面で、均一なエネルギ分布が得られるようにするために、
レーザビームをトップハット形状のエネルギ分布に成形して、被加工物に対して斜め方向から照射することで加工する方法において、
前記レーザビームを、照射位置によって焦点距離が異なる均一化光学系を介して被加工物に照射することを最も主要な特徴としている。

また、本発明のレーザ加工装置は、
前記本発明のレーザ加工方法を実施する装置であって、
被加工物に対して、レーザビームをトップハット形状のエネルギ分布に成形して斜め方向から照射することで加工する装置であって、
レーザ発振器と、
このレーザ発振器から出射されたレーザビームを入射され、被加工物に対して斜め方向から照射する、照射位置により焦点距離が異なる均一化光学系を備えたことを最も主要な特徴としている。

前記の本発明において、
前記均一化光学系としては、プリズム又はレンズを使用する。

本発明では、レーザビームの照射位置により、均一化光学系の焦点距離を変更するので、被加工物に対して斜め方向から照射した場合であっても、被加工物表面の照射面で均一なエネルギ分布を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図７を用いて詳細に説明する。
図１は本発明のレーザ加工装置の概略基本構成図、図２はレーザビーム照射方向の同じ距離位置に配置した１組のレンズでＹ方向の均一化光学系を構成する場合の、レンズの曲率半径を求める際に必要なビーム照射角度などを示す図、図３、図４は１枚のプリズムでＹ方向、Ｘ方向の均一化光学系を構成する場合の、プリズムの面角度を求める際に必要なビーム照射角度などを示す図、図５はプリズムの面角度を示した図、図６、図７は本発明のレーザ加工装置において、レーザビーム断面のＸＹ方向を成形する場合の第１及び第２の例を説明する概略基本構成図である。

図１において、１はたとえばＹＡＧレーザ発振器（以下、単にレーザ発振器という。）であり、このレーザ発振器１から出射されたガウシアン波形のレーザビーム２ａ（（ｂ）図参照）は、均一化光学系３により、（ｃ）図に示すようなトップハット形状の波形に成形される。

そして、トップハット形状の波形に成形されたレーザビーム２ｂは、たとえばマスク４で任意の形状となされた後、結像レンズ５を経て基板等の被加工物１１に対して斜め方向から照射される。

ところで、本発明では、前記均一化光学系３は、従来の均一化光学系と異なり、ガウシアン波形のレーザビーム２ａをトップハット形状の波形に成形する際に、斜め方向から被加工物１１に照射した場合でも、被加工物１１の照射面で均一なエネルギ分布が得られるように、以下のように構成している。

図２は、Ｙ方向（図１（ａ）の紙面前後方向）の均一化光学系３を構成するものとして、レーザビーム２ａが入射される位置や、レーザビーム２ｂを照射する位置によって、焦点距離が異なるレンズ３ａを使用したものである。

レーザビーム照射方向の同じ距離位置に、レーザビーム２ａの幅Ｄの１／３だけ隔てて配置した１組のレンズ３ａで、Ｙ方向の均一化光学系３を構成する場合の、レンズ３ａを通過するレーザビーム２ａの幅Ｄ（mm）の中心からの距離Ｌ（mm）と、レンズ３ａの曲率半径Ｒ（mm）の関係は、図２に示すように、レンズ３ａの縦断面中心位置の焦点距離をｆ’（mm）、屈折率をｎ、レーザビーム２ｂのマスク４への照射角度をα（度）とした場合、
Ｒ＝（ｎ−１）｛（ｆ’−Ｌtanα）／２｝
で表すことができる。

屈折率ｎを１．５７、レーザビーム２ａの幅Ｄを６mm、レンズ３ａの縦断面中心位置の焦点距離ｆ’を２００mm、レーザビーム２ｂの前記照射角度αを４５度とした場合に、前記関係式を用いて、レンズ３ａに照射されるレーザビーム２ａの幅中心（０mm）と、レーザビーム２ａの上端（３mm）及び下端（−３mm）の位置での曲率半径を求めると、それぞれ５６．１mm、５７mm、５７．９mmになる。

また、図３及び図４は、均一化光学系３として使用する、レーザビーム２ａが入射される位置によって、焦点距離が異なるプリズム３ｂを示したもので、図４はＹ方向に、図５はＸ方向（図１（ａ）の紙面左右方向）に均一化するものである。

１枚のプリズム３ｂでＹ方向の均一化光学系３を構成する場合の、プリズム３ｂを通過するレーザビーム２ａの幅Ｄ（mm）の中心からの距離Ｌ（mm）と、プリズム３ｂの面角度θ（度）の関係は、図３に示すように、プリズム３ｂの焦点距離をｆ（mm）、屈折率をｎ、プリズム３ｂの構成面数をｍ、レーザビーム２ｂのマスク４への照射角度をα（度）、プリズム３ｂの横断面中心からの面の順番をｉ（図３（ｅ）（ｆ）参照）、係数をｋ（前記構成面数が奇数の場合が１、偶数の場合が０）とした場合、
θ＝｛１／（ｎ−１）｝tan^−１｛Ｄ（ｉ−ｋ）／２ｍ（ｆ−Ｌtanα）｝
で表すことができる。

屈折率ｎを１．５７、プリズム３ｂに入射する前のレーザビーム２ａの幅Ｄを６mm、プリズム３ｂの構成面数を２、プリズム３ｂの焦点距離ｆを５０mm、レーザビーム２ｂの前記照射角度αを４５度とした場合に、前記関係式を用いて、プリズム３ｂに照射されるレーザビーム２ａの幅中心（０mm）と、レーザビーム２ａの上端（３mm）及び下端（−３mm）の位置での面角度を求めると、図５（ａ）に示すように、それぞれ２．５８度、２．５１度、２．４５度になる。

また、１枚のプリズム３ｂでＸ方向の均一化光学系３を構成する場合の、プリズム３ｂの面角度θ（度）は、図４に示すように、プリズム３ｂの焦点距離をｆ（mm）、屈折率をｎ、プリズム３ｂに入射する前のレーザビーム２ａの幅をＤ（mm）、レーザビーム２ｂのマスク４への照射角度をα（度）とした場合、
θ＝｛１／（ｎ−１）｝tan^−１｛Ｄ／（２ｆ＋Ｄtanα）｝
で表すことができる。

屈折率ｎを１．５７、プリズム３ｂに入射する前のレーザビーム２ａの幅Ｄを６mm、プリズム３ｂの焦点距離ｆを１００mm、レーザビーム２ｂの前記照射角度αを４５度とした場合に、前記式を用いて、プリズム３ｂの面角度を求めると、図５（ｂ）に示すように、２．４５度になる。

均一化光学系３を、以上説明したように構成することで、被加工物１１に対して斜め方向から照射した場合であっても、被加工物１１表面の照射面で、Ｙ方向又はＸ方向に均一なエネルギ分布が得られるようになる。

以上の例はレーザビームのＹ方向又はＸ方向の断面のみが、図１（ｃ）に示すようなトップハット形状のエネルギ分布となっており、ライン状に加工する場合に適している。

これに対して、Ｘ方向とこれに直交するＹ方向ともにトップハット形状のエネルギ分布とするには、例えば図６に示すように、Ｙ方向には図２に示したレンズ３ａからなる均一化光学系３を、Ｘ方向には図３に示したプリズム３ｂからなる均一化光学系３を配置するか、図７に示すように、Ｙ方向には図３に示したプリズム３ｂからなる均一化光学系３を、Ｘ方向には図４に示したプリズム３ｂからなる均一化光学系３を配置すればよい。

本発明は、前記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範囲内において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

本発明は、薄膜除去だけでなく、被加工物に均一にレーザビームを照射する必要のある加工であれば、微細加工等、どのようなレーザ加工にも適用が可能である。

（ａ）は本発明のレーザ加工装置の概略基本構成図、（ｂ）は均一化光学系に入射前のレーザビームのエネルギ分布を示した図、（ｃ）は均一化光学系から照射されるレーザビームのエネルギ分布を示した図である。 レーザビーム照射方向の同じ距離位置に配置した１組のレンズを用いてＹ方向の均一化光学系を構成する場合の、レンズを通過するレーザビームの幅中心からの距離と、レンズの曲率半径の関係式を求める際に必要なビーム照射角度などを示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）を平面から見た図、（ｃ）はレンズの縦断面した位置の図、（ｄ）はレンズに照射されるレーザビームの幅中心と、上端及び下端の位置における曲率半径を示した図である。 １枚のプリズムを用いてＹ方向の均一化光学系を構成する場合の、プリズムを通過するレーザビームの幅中心からの距離と、プリズムの面角度の関係式を求める際に必要なビーム照射角度などを示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）（ｃ）は（ａ）を平面から見た図で面数が偶数と奇数の場合の図、（ｄ）はレンズの縦断面した位置の図、（ｅ）（ｆ）はプリズム３ｃの横断面中心からの面の順番を示した図である。 １枚のプリズムを用いてＸ方向の均一化光学系を構成する場合の、プリズムの面角度を求める際に必要なビーム照射角度などを示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）はレンズの縦断面した位置の図である。 （ａ）は図３に示したプリズムに照射されるレーザビームの幅中心と、上端及び下端の位置における面角度を示した図、（ｂ）は図４に示したプリズムの面角度を示した図である。 本発明のレーザ加工装置において、レーザビーム断面のＸＹ方向すべてを成形する場合の第１の例を説明する概略基本構成図である。 本発明のレーザ加工装置において、レーザビーム断面のＸＹ方向すべてを成形する場合の第２の例を説明する概略基本構成図である。

符号の説明

１ レーザ発振器
２ａ，２ｂ レーザビーム
３ 均一化光学系
３ａ レンズ
３ｂ プリズム
１１ 被加工物

Claims (4)

1. レーザビームをトップハット形状のエネルギ分布に成形して、被加工物に対して斜め方向から照射することで加工する方法において、
   前記レーザビームを、照射位置によって焦点距離が異なる均一化光学系を介して被加工物に照射することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記均一化光学系がプリズム又はレンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 被加工物に対して、レーザビームをトップハット形状のエネルギ分布に成形して斜め方向から照射することで加工する請求項１に記載の方法を実施する装置であって、
   レーザ発振器と、
   このレーザ発振器から出射されたレーザビームを入射され、被加工物に対して斜め方向から照射する、照射位置により焦点距離が異なる均一化光学系を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
4. 前記均一化光学系がプリズム又はレンズであることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
   

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