JP2008145605A - レーザ照射装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ある程度の規則性を持って近接して分布する複数のパターンの加工に適したレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】 ステージが、照射対象物を保持する。分岐光学系が、１本のレーザビームを、進行方向が相互に平行な複数のレーザビームに分岐させる。また、分岐光学系は、分岐後の複数のレーザビームの間隔を変化させることができる。集光光学系が、分岐光学系によって分岐された分岐後のレーザビームの各々を、ステージに保持された照射対象物の表面上に集光させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザ照射装置に関し、特に１本のレーザビームを複数のレーザビームに分岐させて、分岐後の複数のレーザビームを被照射物に入射させるレーザ照射装置に関する。

図６に、液晶表示装置のバックライト用導光板の平面図を示す。長方形の導光板１０１の１つの頂点に点光源１００が取り付けられている。導光板１０１の表面に、凹凸パターン１０２が形成されている。凹凸パターン１０２は、点光源１００が取り付けられている頂点を中心とする同心円の円周に沿って、円周方向に離散的に配置される。点光源１００が取り付けられている頂点から離れるに従って、同心円を構成する各円の半径の増分が小さくなる。すなわち、点光源１００から離れるに従って、凹凸パターン１０２の分布が密になる。

点光源１００から放射された光が、導光板１０１内を伝搬し、凹凸パターン１０２で散乱されることにより、導光板１０１の表面から外部に光が放射される。点光源１００から離れるに従って凹凸パターン１０２の分布を密にすることにより、導光板１０１の表面内に関して、明るさを、均一に近づけることができる。

凹凸パターン１０２は、例えばレーザビームを入射させて導光板１０１の表層部を除去することにより形成される。凹凸パターン１０２の形成時間を短くするために、複数本のレーザビームを用いて加工を行うことが好ましい。下記の特許文献１に、１本のレーザビームを４本のレーザビームに分割して加工を行う装置が開示されている。

特許文献１に開示された装置では、分割後の４本のレーザビームの各々を、ガルバノスキャナで走査し、その後、ｆθレンズで被照射物上に収束させることにより、レーザ加工が行われる。ガルバノスキャナでレーザビームを走査することにより、被照射物表面の所望の位置にレーザビームを入射させることができる。

特開２００２−１１５８４号公報

図６に示したバックライト用導波板１０１に形成される凹凸パターン１０２は、完全にランダムに分布するわけではなく、ある程度の規則性を持って分布する。すなわち、同心円の円周に沿って離散的に分布するとともに、同心円の各々の半径の増分は、点光源１００から離れるにしたがって小さくなる。

上記特許文献１に開示されたレーザ加工装置は、複数のレーザビームを独立に走査することが可能であるため、複数のレーザビームの入射位置を独立に移動させることができる。このため、形成可能な凹凸パターン１０２の自由度が高い。ところが、レーザビームごとにガルバノスキャナ及びｆθレンズが配置されるため、装置が大型になってしまう。

また、バックライト用導波板１０１においては、通常、１つの凹凸パターン１０２の近傍に他の凹凸パターン１０２が配置される。このため、近接して配置される複数の凹凸パターンを同時に加工することが便利である。ところが、特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、レーザビームごとにガルバノスキャナ及びｆθレンズが配置されるため、２本のレーザビームを近接させることが困難である。

本発明の目的は、ある程度の規則性を持って近接して分布する複数のパターンの加工に適したレーザ照射装置及びレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
照射対象物を保持するステージと、
１本のレーザビームを、進行方向が相互に平行な複数のレーザビームに分岐させるとともに、分岐後の複数のレーザビームの間隔を変化させることができる分岐光学系と、
前記分岐光学系によって分岐された分岐後のレーザビームが入射し、レーザビームの各々を、前記ステージに保持された照射対象物の表面上に集光させる集光光学系と
を有するレーザ照射装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
進行方向が相互に平行な２本のレーザビームを同一の集光レンズを経由して被照射物の表面に入射させる工程と、
被照射物を、その表面に平行な方向に移動させながら、前記２本のレーザビームの間隔を変化させる工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

分岐光学系を経由した複数のレーザビームの間隔を変化させると、被照射物の表面におけるレーザビームの入射位置の位置関係が変化する。これにより、パターン形成の自由度を高めることができる。

図１に、第１の実施例によるレーザ照射装置の概略図を示す。レーザ光源１から出射されたレーザビームが、可変減衰器２を経由して、マスク３に入射する。マスク３は、レーザビームのビーム断面の形状を所望の形状に整形する。第１の実施例においては、ビーム断面が細長い長方形状に整形される。

マスク３でビーム断面が整形されたレーザビームが、分岐光学系１０に入射する。分岐光学系１０は、入射したレーザビームを、進行方向が相互に平行な２本のレーザビームに分岐させる。さらに、分岐光学系１０は、分岐された２本のレーザビームの相対的な位置関係を変化させることができる。分岐光学系１０の構成については、後に、図２Ａ及び図２Ｂを参照して詳細に説明する。

分岐光学系１０で分岐された２本のレーザビームが、折り返しミラー４で反射され、結像レンズ５を経由して、被照射物７に入射する。被照射物７は、ＸＹステージ６に保持されている。ＸＹステージ６は、被照射物７を、その表面に平行な２次元方向に移動させることができる。結像レンズ７は、マスク３の位置を、ＸＹステージ６に保持された被照射物７の表面に結像させる。なお、ＸＹステージは、さらに被照射物７を、その表面に垂直な軸を中心として回転させるθステージを含んでもよい。

図２Ａ及び図２Ｂに、分岐光学系１０の概略図を示す。図１に示したマスク３を経由したレーザビームが、１／２波長板１１を経由して、第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射する。第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射するレーザビームの進行方向をｚ軸、入射面をｙｚ面とするｘｙｚ直交座標系を定義する。１／２波長板１１を回転させることにより、第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射するレーザビームのＰ偏光成分とＳ偏光成分との比を調整することができる。第１の実施例においては、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが５０％ずつになるように、１／２波長板１１の回転方向の位置を調節する。第１の偏光ビームスプリッタ１５は、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する。

図２Ａに示すように、第１の偏光ビームスプリッタ１５で反射されたレーザビームは、ｙ軸の負の向きに進み、第１の光軸変位機構２０に入射する。第１の偏光ビームスプリッタ１５を透過したレーザビームは、ｚ軸の正の向きに進み、第２の光軸変位機構３０に入射する。第１の光軸変位機構２０を経由したレーザビーム、及び第２の光軸変位機構３０を経由したレーザビームは、第２の偏光ビームスプリッタ１８に入射する。第１の光軸変位機構２０を経由したレーザビームが第２の偏光ビームスプリッタ１８で反射され、第２の光軸変位機構３０を経由したレーザビームが第２の偏光ビームスプリッタ１８を透過することにより、進行方向が相互に平行な２本のレーザビームになる。

第１の光軸変位機構２０は、固定ミラー２１、可動ミラー２２、及びミラー移動機構２３を含む。第１の偏光ビームスプリッタ１５で反射されたレーザビームが、固定ミラー２１で反射されてｚ軸の正の向きに進み、その後可動ミラー２２で反射されて、ｙ軸の正の向きに進み、第２の偏光ビームスプリッタ１８に入射する。ミラー移動機構２３は、固定ミラー２１と可動ミラー２２との間のレーザビームの進行方向（ｚ軸に平行な方向）に平行な方向に、可動ミラー２２を並進移動させことができる。なお、可動ミラー２２の移動方向は、ｚ軸に平行な方向に限られない。

第２の偏光ビームスプリッタ１８は、可動ミラー２２で反射されたレーザビームの入射面がｙｚ面に平行になり、かつ入射角が４５°になるような姿勢で配置されている。このため、第２の偏光ビームスプリッタ１８は、可動ミラー２２で反射されたレーザビームを、ｚ軸の正の向きに反射する。

可動ミラー２２を移動させると、第２の偏光ビームスプリッタ１８に入射するレーザビームの中心軸がｚ軸方向（入射面に平行な方向）に変位する。このため、第２の偏光ビームスプリッタ１８で反射されたレーザビームの中心軸がｙ軸方向に変位する。

図２Ｂに示すように、第２の光軸変位機構３０は、固定反射部材３１、可動反射部材３２、及び反射部材移動機構３３を含む。固定反射部材３１は、相互に直交し、外側を向く２枚の反射面を持つ。可動反射部材３２は、相互に直交し、内側を向く２枚の反射面を持つ。

第１の偏光ビームスプリッタ１５を透過し、ｚ軸の正の向きに進むレーザビームは、固定反射部材３１の一方の反射面で、ｘ軸の正の向きに反射され、続いて可動反射部材３２の一方の反射面でｚ軸の正の向きに反射され、他方の反射面でｘ軸の負の向きに反射される。その後、固定反射部材３１のもう一方の反射面でｚ軸の正の向きに反射され、第２の偏光ビームスプリッタ１８に入射する。

反射部材移動機構３３が、可動反射部材３２をｚ軸に平行な方向に移動させる。可動反射部材３２がｚ軸に平行な方向に移動すると、可動反射部材３２から固定反射部材３１に進むレーザビームの中心軸がｚ軸方向に変位する。これにより、第２の偏光ビームスプリッタ１８に入射するレーザビームの中心軸がｘ軸方向（入射面に直交する方向）に変位する。

上述のように、分岐光学系１０は、図１に示したように、マスク３を経由したレーザビームを２本のレーザビームに分岐させると共に、分岐後の一方のレーザビームの中心軸をｙ軸方向に変位させ、他方のレーザビームの光軸をｘ軸方向に変位させることができる。また、図２Ａに示した可動ミラー２２を移動させても、マスク３から結像レンズ５までの光路長は不変であり、図２Ｂに示した可動反射部材３２をｚ軸方向に移動させても、マスク３から結像レンズ５までの光路長は不変である。このため、マスク３の位置の結像状態が維持される。

図３Ａ〜図３Ｃに、被照射物７の表面上における２本のレーザビームの入射領域の位置関係を示す。被照射物７の表面に、ｘｙ直交座標系を定義する。ｘ軸及びｙ軸は、それぞれ図２Ａ及び図２Ｂに示したｘｙｚ直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対応する。マスク３の透過領域は、ｙ軸方向に長い長方形であるとする。

図３Ａに示すように、図２Ａに示した可動ミラー２２及び図２Ｂに示した可動反射部材３２が基準位置に配置されている時、第１の光軸変位機構２０を経由したレーザビームの入射領域（以下、「第１のビーム入射領域」と記す。）２５と、第２の光軸変位機構３０を経由したレーザビームの入射領域（以下、「第２のビーム入射領域」と記す。）３５とが一致する。入射領域２５及び３５の形状は、マスク３の透過領域の形状に相似し、ｙ軸方向に長い長方形である。

図２Ｂに示した可動反射部材３２をｚ軸方向に移動させると、図３Ｂに示すように、第２のビーム入射領域３５がｘ軸方向に変位する。さらに、図２Ａに示した可動ミラー２２を移動させると、図３Ｃに示すように、第１のビーム入射領域２５がｙ軸方向に変位する。このように、２本のレーザビームの入射領域の、ｘ軸方向及びｙ軸方向に関する相対位置を変化させることができる。

マスク３を回転させることにより、第１のビーム入射領域２５及び第２のビーム入射領域３５の長手方向の向きを変化させることができる。ＸＹステージ６を移動させることにより、被照射物７の表面の所望の場所にレーザビームを入射させることができる。パルスレーザビームを用いることにより、離散的に分布する複数の凹部を形成することができる。ＸＹステージ６を移動させながら、分岐光学系１０を経由した２本のレーザビームの間隔を変化させることにより、面内で分布密度が変動する複数の凹部を形成することができる。

図６に示した導光板１０１の凹凸パターン１０２が疎の領域を加工する際には、２本のレーザビームの入射領域を遠ざけ、凹凸パターン１０２が密の領域を加工する際には、２本のレーザビームの入射領域を近づければよい。このように、同時に２本のレーザビームで加工を行うことができるため、１本のレーザビームで加工を行う場合に比べて、加工時間を短くすることが可能になる。また、２本のレーザビームを独立に走査する場合に比べて、装置を小型化することが可能になる。

第１の実施例では、２本のレーザビームの入射位置の、ｘ軸方向及びｙ軸方向に関する位置関係を変化させることが可能である。１次元方向に関してのみ位置関係を変化させれば十分であるような用途に用いる場合には、可動ミラー２２及び可動反射部材３２の一方を固定してもよい。

図４Ａに、第２の実施例によるレーザ照射装置の分岐光学系の概略図を示す。第１の実施例では、１本のレーザビームを２分岐させたが、第２の実施例では、１本のレーザビームを４分岐させる。

図４Ａに示すように、図１のマスク３を経由したレーザビームがハーフミラー１２により、２分岐される。ハーフミラー１２で反射されたレーザビームが、折り返しミラー１３で反射された後、第１の１／２波長板１１Ａを経由して第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射する。ハーフミラー１２を透過したレーザビームが、第２の１／２波長板１１Ｂを経由して第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射する。

第１の偏光ビームスプリッタ１５で反射された２本のレーザビームが、第１の光軸変位機構２０に入射し、第１の偏光ビームスプリッタ１５を透過した２本のレーザビームが、第２の光軸変位機構３０に入射する。

第２の実施例による第１の光軸変位機構２０においては、図２Ａに示した第１の実施例によるレーザ照射装置の可動ミラー２２に代えて、２つの可動ミラー２２Ａ及び２２Ｂが配置されている。可動ミラー２２Ａ及び２２Ｂは、独立してｚ軸方向に移動することができる。第１の光軸変位機構２０に入射した２本のレーザビームのうち一方のレーザビームが、一方の可動ミラー２２Ａで反射され、他方のレーザビームが他方の可動ミラー２２Ｂで反射される。

第２の実施例による第２の光軸変位機構３０においては、図２Ｂに示した第１の実施例によるレーザ照射装置の可動反射部材３２に代えて、２つの可動反射部材３２Ａ及び３２Ｂが配置されている。可動反射部材３２Ａ及び３２Ｂは、独立してｚ軸方向に移動することができる。第２の光軸変位機構３０に入射した２本のレーザビームのうち一方のレーザビームが、一方の可動反射部材３２Ａを経由し、他方のレーザビームが他方の可動反射部材３２Ｂを経由する。

第１の光軸変位機構２０及び第２の光軸変位機構３０を経由したレーザビームは、第１の実施例の場合と同様に、第２の偏光ビームスプリッタ１８により、ｚ軸の正の向きに伝搬する４本のレーザビームとなる。

図４Ｂに、可動ミラー２２Ａ及び２２Ｂ、可動反射部材３２Ａ及び３２Ｂが、共に基準位置に配置されているときのレーザビームの照射領域を示す。第１の可動ミラー２２Ａを経由したレーザビームの入射領域２５Ａと、第１の可動反射部材３２Ａを経由したレーザビームの入射位置３５Ａとが一致する。同様に、第２の可動ミラー２２Ｂを経由したレーザビームの入射領域２５Ｂと、第２の可動反射部材３２Ｂを経由したレーザビームの入射位置３５Ｂとが一致する。ビーム入射位置２５Ａと２５Ｂとは、ｘ軸方向に関して同じ位置に配置される。

図４Ｃに、可動ミラー２２Ａ、２２Ｂ、及び可動反射部材３２Ａ、３２Ｂを基準位置から移動させたときのレーザビームの入射領域を示す。第１の実施例の場合と同様に、第１の光軸変位機構２０を経由したレーザビームの入射位置２５Ａ及び２５Ｂは、ｙ軸方向に移動する。また、第２の光軸変位機構３０を経由したレーザビームの入射位置３５Ａ及び３５Ｂは、ｘ軸方向に移動する。このため、相互にある間隙を隔てて配置された４箇所に、同時にレーザビームを入射させることができる。これにより、第１の実施例の場合に比べて、加工時間をより短くすることが可能になる。

図５に、第３の実施例によるレーザ照射装置の特徴的な部分の概略図を示す。図１に示したマスク３を経由したレーザビームが、ハーフミラー５０により２分岐される。ハーフミラー５０で反射されたレーザビームが、折り返しミラー５１で、ｚ軸の正の向きに反射される。

ハーフミラー５０を透過したレーザビームが、第１のプリズム５５で屈折し、その後第２のプリズム５６で、ｚ軸の正の向きに屈折する。第１のプリズム５５の出射側の表面と第２のプリズム５６の入射側の表面とは、相互に平行である。また、第１のプリズム５５の入射側の表面と第２のプリズム５６の出射側の表面とは、相互に平行である。この相対位置関係を維持したまま、第２のプリズム５６を移動させることにより、２本のレーザビームの中心軸の間隔を変化させることができる。

第３の実施例の場合には、第２のプリズム５６を移動させると、図１に示したマスク３から結像レンズ５までの光路長が変化してしまう。ただし、この光路長の変化が、被写界深度の範囲内であれば、被照射物７の表面に鮮明な像を得ることができる。

上記実施例では、マスク３の位置を被照射物７の表面に結像させる場合を説明したが、被照射物７の表面においてレーザビームのビーム径を最小にしてレーザ加工を行うことも可能である。この加工方法は、「焦点加工」と呼ばれる。焦点加工を行う場合には、マスク３を配置する必要はない。結像レンズ５に代えて、被照射物７の表面でビームスポットを最小にする集光レンズが用いられる。分岐光学系１０でレーザビームの間隔を変化させることにより、被照射物７の表面に形成されるビームスポットの間隔を変化させることができる。

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。

第１の実施例によるレーザ照射装置の概略図である。 第１の実施例によるレーザ照射装置の主要部の概略図である。 第１の実施例によるレーザ照射装置のＸＹステージに保持された被照射物の表面におけるレーザビーム入射領域の位置を示す線図である。 （４Ａ）は、第２の実施例によるレーザ照射装置の主要部の概略図であり、（４Ｂ）及び（４Ｃ）は、被照射物の表面におけるレーザビーム入射領域の位置を示す線図である。 第３の実施例によるレーザ照射装置の主要部の概略図である。 バックライト用導光板の概略図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ 可変減衰器
３ マスク
４ 折り返しミラー
５ 結像レンズ
６ ＸＹステージ
７ 被照射物
１０ 分岐光学系
１１、１１Ａ、１１Ｂ １／２波長板
１２ ハーフミラー
１３ 折り返しミラー
１５ 第１の偏光ビームスプリッタ
１８ 第２の偏光ビームスプリッタ
２０ 第１の光軸変位機構
２１ 固定ミラー
２２、２２Ａ、２２Ｂ 可動ミラー
２３ ミラー移動機構
２５ 第１のビーム入射領域
３０ 第２の光軸変位機構
３１ 固定反射部材
３２、３２Ａ、３２Ｂ 可動反射部材
３３ 反射部材移動機構
３５ 第２のビーム入射領域
５０ ハーフミラー
５１ 折り返しミラー
５５ 第１のプリズム
５６ 第２のプリズム
１００ 点光源
１０１ 導光板
１０２ 凹凸パターン

Claims (6)

1. 照射対象物を保持するステージと、
   １本のレーザビームを、進行方向が相互に平行な複数のレーザビームに分岐させるとともに、分岐後の複数のレーザビームの間隔を変化させることができる分岐光学系と、
   前記分岐光学系によって分岐された分岐後のレーザビームが入射し、レーザビームの各々を、前記ステージに保持された照射対象物の表面上に集光させる集光光学系と
   を有するレーザ照射装置。
2. さらに、前記分岐光学系に入射するレーザビームのビーム断面を整形するマスクを有し、前記集光光学系が、前記マスクの位置を前記ステージに保持された被照射物の表面に結像させる請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. 前記分岐光学系は、分岐後の複数のレーザビームの間隔を変化させても、前記マスクから前記集光光学系までの光路長が変化しない構成とされている請求項２に記載のレーザ照射装置。
4. 前記分岐光学系は、
   入射するレーザビームのＰ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射させることにより、相互に異なる経路に沿って伝搬させる第１の偏光ビームスプリッタと、
   前記第１の偏光ビームスプリッタで分岐された２本のレーザビームが入射し、一方のレーザビームを透過させ、他方のレーザビームを反射させることにより、２本のレーザビームの中心光線を相互に平行にする第２の偏光ビームスプリッタと、
   前記第１の偏光ビームスプリッタで分岐されたレーザビームの少なくとも一方のレーザビームを、前記第２の偏光ビームスプリッタへの入射位置において、レーザビームの進行方向と直交する方向に変位させる光軸変位機構と
   を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
5. 前記光軸変位機構は、
   前記第２の偏光ビームスプリッタに入射する一方のレーザビームを、入射面に平行な方向に変位させ、他方のレーザビームを、入射面に垂直な方向に変位させる請求項４に記載のレーザ照射装置。
6. 進行方向が相互に平行な２本のレーザビームを同一の集光レンズを経由して被照射物の表面に入射させる工程と、
   被照射物を、その表面に平行な方向に移動させながら、前記２本のレーザビームの間隔を変化させる工程と
   を有するレーザ加工方法。

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