JP2011079057A

JP2011079057A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法

Info

Publication number: JP2011079057A
Application number: JP2010254536A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Amako; 淳尼子
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2011-04-21

Abstract

【課題】加工能力が高く、かつ加工品質にも優れたレーザ加工装置、レーザ加工方法を得る。
【解決手段】レーザ発振器１１０１と、レーザ発振器１１０１から出射されるビームを複数ビームに分岐する位相格子１１０７と、位相格子１１０７によって分岐された複数ビームをそれぞれ集光し、被加工物１１０９に照射する集光レンズ１１０８を備え、位相格子１１０７は、被加工物１１０９の加工に不要な高次回折光の発生を抑制するように設計された凹凸形状を表面に有し、凹凸形状の断面はいたるところで連続的である。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

レーザ加工装置としては、ＣＯ_２レーザを使った金属板の切断・穴あけ加工や、ＹＡＧレーザによる金属薄板の精密加工が広く知られている。とくに、小型でメンテナンス性が良く、直径数１０μｍの集光スポットが容易に得られるという理由から、ＹＡＧレーザは各種の精密加工に適している。さらに、ＹＡＧレーザでは第２高調波（波長５３２ｎｍ）が得られるので、アブレーション効果を利用した微細な薄膜加工へも応用できる。レーザアブレーションとは、高分子材料にエキシマレーザやＹＡＧ高調波などの短波長・短パルスレーザを照射した時に、瞬時に分解・気化・飛散が起こり、局所的に材料が除去される現象のことである。事実、半導体製造用マスクの欠陥修正、薄膜センサの検出部のパターンニング、液晶パネルの電極パターンニング等に、ＱスイッチＹＡＧレーザが利用され始めた。Ｑスイッチを用いる理由は、パルス幅が短くピークパワーが大きいビームを利用することにより、被加工部材への熱的損傷がない高品質な加工が実現できるからである。

液晶パネルの電極のパターンニングは、一般には、透光性導電膜が被着した基板をレーザビームに対して移動させながら、導電膜を所定の間隔で切断することにより行う。この時の加工品質すなわち導電膜の電気特性は、ＱスイッチＹＡＧレーザの特性（主にピークパワー）から決まる。そして、レーザの特性はＱスイッチ周波数に左右される。すなわち、Ｑスイッチ周波数を低くすると、パルス幅が狭くなり、ピークパワーは大きくなる。逆に、Ｑスイッチ周波数を高くすると、パルス幅が広がり、ピークパワーは小さくなる。

加工品質の観点からは、Ｑスイッチ周波数を低くして、ビームのピーク強度を高めることが望ましい。こうすると、アブレーション効果を介して、瞬間的に加工部位を除去することができ、加工部近傍や膜基板へ熱的損傷を与えることがない。

しかし、これらの加工方法には、生産性の点に問題がある。なぜならば、Ｑスイッチ周波数を下げることは、そのぶんだけ、ステージの送り速度を遅らせることにつながり、その結果として加工速度が著しく低下するからである。

他方、加工速度の観点からは、Ｑスイッチ周波数を高くしてステージをすばやく移動させることが望ましい。しかし、Ｑスイッチ周波数を高くすると、ピークパワーが低下し、パルス幅が広がる。このために、液晶パネルの電極をパターンニングする時に、電極基板であるガラスに熱的損傷を与え、微小なクラックやくぼみを発生させる。このクラックやくぼみは、液晶パネルの表示品質を損ねる要因となる。また、ガラスに微小量含まれているアルカリ金属イオンがクラック及びくぼみから液晶中に溶出し、このことが液晶パネルの表示不良の原因となる。

この問題を解決するため、特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、位相変調作用を有する回折光学素子でレーザ発振器からのビームを複数本に分岐し、被加工物表面の複数部位を同時に加工することで加工能力を大きく向上させている。すなわち、ビーム分岐数をＮとすると、１本のビームで加工した場合に比べＮ倍の加工能力を達成することができる。特許文献１では、回折光学素子には、ほぼ矩形の断面形状を有する表面凹凸型２値位相格子を用いている。

特許第３２９３１３６号公報

しかし、２値位相格子を用いてレーザビームを分岐すると、高次回折光へのエネルギー漏れが多くなる。加工に不要な高次回折光が被加工物に照射されると、被加工物の表面にダメージを与える場合がある。このため、従来は不要なビームを遮るための遮光マスクを設けていた。しかし、加工中に発生する除去物が遮光マスクのへりに堆積し、加工用ビームの光路を遮ってビームの強度分布を乱したり、堆積した除去物が被加工物の表面に落下して被加工物を汚染したりする場合があった。このような弊害を回避するためには加工の途中で遮光マスクを交換する必要があるが、この作業にはレーザ光学系の調整が伴うため多くの時間とコストを要していた。また、レーザ光学系の調整のために装置の稼動を停止することは加工能力の低下につながる。

本発明の目的は、加工能力が高く、かつ加工品質にも優れたレーザ加工装置、レーザ加工方法を得ることである。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器と、上記レーザ発振器から出射されるビームを複数ビームに分岐して、被加工物に照射する回折光学素子を備え、上記回折光学素子は、上記被加工物の加工に不要な高次回折光の発生を抑制するように設計された凹凸形状を表面に有し、上記凹凸形状は素子上のいたるところで連続的なものである。
いたるところで連続的な断面形状を持つ回折光学素子を用いると、高次回折光へのエネルギー漏れが少ないため、加工に不要なビームによる弊害を回避できる。これにより、加工能力が高く、かつ加工品質にも優れたレーザ加工装置を得ることができる。
また、上記回折光学素子によって分岐された複数ビームをそれぞれ集光し、被加工物に照射する集光レンズを備えるようにしてもよい。

また、上記回折光学素子から生じる回折ビームのうち加工へ用いる複数の回折ビームの最大回折次数がＮであるとき、上記回折光学素子の凹凸形状が有する空間周波数νが、
ν≦２ＮΔ／λｆ（Δはビーム分岐ピッチ、λはビーム波長、ｆは回折光学素子から被加工物までの距離）を満たすように設計することにより、高次回折光の発生を抑える回折光学素子を得ることができる。

本発明のレーザ加工方法は、レーザ発振器からビームを出射する工程と、いたるところで連続的な凹凸形状を表面に有する回折光学素子によって、被加工物の加工に不要な高次回折光の発生を抑制しながら上記ビームを複数ビームに分岐する工程を有する。
いたるところで連続的な断面形状を持つ回折光学素子を用いると、高次回折光へのエネルギー漏れが少ないため、加工に不要なビームによる弊害を回避できる。これにより、加工能力が高く、かつ加工品質にも優れたレーザ加工装置を得ることができる。
また、各々の複数ビームを集光レンズによって集光し、上記被加工物に照射する工程を有するようにしてもよい。

本発明のレーザ加工装置の構成を示す図である。本発明のレーザ加工装置による切断加工を模式的に示した図である。本発明の位相格子の位相分布を模式的に示した図である。比較例の２値位相格子の鳥瞰図である。（ａ）、（ｂ）は、連続的な断面形状を持つ位相格子により再生される回折光の強度分布を示した図である。（ａ）、（ｂ）は、上記の比較例により再生される回折光の強度分布を示した図である。高次回折光によって被加工物に与えられるダメージを説明する図である。（ａ）、（ｂ）は、遮光マスクを設けて加工する方法を説明する図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
本発明のレーザ加工装置の構成を図１に示す。レーザ発振器１１０１はＱスイッチＹＡＧレーザであり、直線偏光のＴＥＭ_００モードを出射する。レーザ発振器１１０１のＱスイッチ周波数は、Ｑスイッチドライバ１１０２により制御される。
エクスパンダコリメータ１１０４によりレーザ発振器１１０１から出射されるビーム１１０３を拡大し、光路折り曲げミラー１１０５でビーム１１０３の光路を折り曲げる。波長板１１０６によりビームの偏光を楕円偏光にした後に、ビームを位相格子１１０７へ入射させる。位相格子１１０７は、１本の入射ビームを複数の回折ビームに分岐する作用を有する。位相格子１１０７から出射された複数のビームは、集光レンズ１１０８を介して、精密ステージ１１１０の上に保持された被加工物に照射される。ここでは、透光性導電膜（ＩＴＯ膜）基板１１０９の表面に複数の集光スポット１１１１を等しい間隔で形成し、精密ステージ１１１０を移動することにより、直線状あるいは曲線状にＩＴＯ膜を切断する。

図２は、本発明のレーザ加工装置による切断加工を模式的に示した図である。図に示すように、位相格子１１０７で分岐された複数のビーム（ここでは１３本）が集光レンズ１１０８でそれぞれ集光され、透光性導電膜基板１１０９上に、図中の挿入図Ａに示すような１３個の集光スポットを形成する。精密ステージ１１１０を図中の矢印方向に移動させることにより、１３箇所同時に切断することができる。

位相格子１１０７は１次元の表面凹凸型位相格子である。位相格子１１０７の主要な設計事項は、１周期の長さ、全体の大きさ、１周期内の位相分布の３つである。１周期の長さは加工形状によって決まる。すなわち、ここではＩＴＯ膜上に形成する開溝の間隔から決まる。全体の大きさは入射ビーム径から決まる。１周期内の位相分布は、所要のビーム分岐数及び所要のビーム強度の均一性から決まる。

回折理論から、位相格子の周期ｐは次式で与えられる。
ｐ＝ｍλｆ／Δ （１）
ただし、ｍ＝１（ビーム分岐数が奇数の時）、ｍ＝２（ビームの分岐数が偶数の時）、λはビーム波長（５３２ｎｍ）、ｆは集光レンズ１１１０の焦点距離、Δはビーム分岐ピッチ（開溝の間隔）である。例えば、分岐数を偶数として、ｆ＝１００ｍｍ、Δ＝２００μｍとすると、ｐ＝５３２μｍとなる。

位相格子の全体の大きさＤは、波動光学の理論から次式の条件を満たす必要がある。
Ｄ＞ｄ＝２ｆ・ｔａｎ［ｓｉｎ^−１（２λ／πｗ）］（２）
ただし、ｄは入射ビーム径（ｌ／ｅ^２）、ｗは所要の集光スポット径（ｌ／ｅ^２）である。例えば、ｆ＝１００ｍｍ、ｗ＝１０μｍとすると、Ｄ＞ｄ＝４ｍｍとなる。

位相格子の位相分布の計算には、例えばシミュレーテッドアニーリング法（Ｓｃｉｅｎｃｅ２２０，６７１−６８０（１９８３）、以後、ＳＡ法と略す）を用いることができる。ＳＡ法の運用に必要なルールの構築には経験が必要であり、このルールの出来不出来により位相格子の光学性能が決まる。

ＳＡ法を用いて位相格子を設計するには、少なくとも評価関数の定義と重みの設定、温度スケジューリング、平衡状態の判定について、運用のルールを定めなければならない。なお、評価関数とは位相格子の性能に関する推定値と目標値の差に対応する量であり、この関数値が最も小さくなる時の解が最適解である。本実施例で用いる位相格子１１０７に要求される光学性能は、レーザ発振器の出力、加工閾値、要求される加工均一性に基づいて決定され、例えば以下のようになる。
（１）光利用効率が８０％以上であること。
（２）分岐後のビーム強度均一性が０．９０以上であること。
ここで、光利用効率とは、所要の回折次数のビームに供給し得る光エネルギーの割合を意味する。また、ビーム強度均一性とは、分岐された複数の回折ビームにおける強度の最小と最大の比を意味する。

実際の計算では、（１）と（２）の条件を評価関数の中に取り入れ、（１）と（２）の条件を満足する解の中から、位相格子の作製に使用するフォトマスク描画装置、露光・現像装置、及びエッチング装置の各装置のパターン転写能力を考慮して決められる。

図３は、上記の方法で設計した位相格子１１０７の位相分布（１周期分）を模式的に示した図であり、位相格子１１０７の断面形状を示している。図に示すように、位相格子１１０７の断面形状は滑らかな形状を有しており、いたるところで連続的になっている。

位相格子１１０７の断面形状は三角関数の重ね合わせにより表現される。位相格子１１０７による最大回折次数をＮとすると、位相格子１１０７の空間周波数νは、概ね以下の条件を満たしている。
ν≦２ＮΔ／λｆ（３）
ただし、ここでΔはビーム分岐ピッチ、λはビーム波長、ｆは回折光学素子から被加工物までの距離である。

また、図４は、上記の方法で設計した、比較例による１次元の表面凹凸型２値位相格子の鳥瞰図である。比較例の位相格子の断面形状はほぼ矩形であり、いわゆる２値位相格子として分類されるものである。

図５（ａ）、（ｂ）は、位相格子１１０７により再生される回折光の強度分布を示した図である。また、図６（ａ）、（ｂ）は、上記の比較例の位相格子により再生される回折光の強度分布を示した図である。
図から分かるように、比較例の２値位相格子では、加工に必要な１３本のビームの外側に、高次回折光のピークが現れている。一方、位相格子１１０７では、加工に必要な１３本のビームの外側に、高次回折光のピークが現れていない。両者の光学性能を比べてみると、比較例の２値位相格子では光利用効率７８％、分岐均一性０．９５、位相格子１１０７では光利用効率９７％、分岐均一性０．９９となっており、２値位相格子は光利用効率が低い。すなわち、位相格子１１０７ではわずか３％のエネルギーが高次回折光へ漏れているのに対し、２値位相格子では２２％のエネルギーが高次回折光へ漏れている。このため、加工に用いる分岐光と不要な高次回折光の強度比を表すＳＮ比が、２値位相格子では高々５程度であるのに対し、位相格子１１０７では４０近くまで向上している。

上記の２値位相格子を用いた場合、高次回折光が被加工物にダメージを与える場合がある。図７は、高次回折光によって被加工物に与えられるダメージを説明する図である。図に示すように、所要の切断溝の外側に高次回折光に起因する不要な切断溝が生じてしまう場合がある。

これを回避するため、２値位相格子を用いる場合には、図８（ａ）に示すように、被加工物の表面上に遮光マスクを設けて、高次回折光が被加工物を照射するのを防ぐ必要がある。しかし、各回折光の間隔は１００〜２００μｍ程であるため、高次回折光を遮断するためには遮光マスクを加工領域のごく近傍に配置しなければならない。
このため、加工が進むにつれ、加工により発生する除去物が遮光マスクのエッジ８００１に堆積し、図８（ｂ）に示すように、堆積物が加工用回折光の光路を遮って強度分布を乱すことが起こりうる。また、堆積物が被加工物上に落下し、被加工物を汚染することも起こりうる。

一方、滑らかな断面形状を持つ位相格子１１０７を用いる場合には、高次回折光へ漏れるエネルギーが小さく、高次回折光によるダメージを考慮する必要が無いので遮光マスクを設ける必要がない。また、光利用効率が向上するのでビーム分岐数を増やすことができ、加工スループットを高めることができる。

本発明のレーザ加工装置は、例えば、インクジェットヘッドの製造におけるインクキャビティの形成や、液晶パネルの製造における帯電防止用導電膜の切断分離に利用することができる。
これらの加工用途においては、装置の構成上の制約から、遮光マスクを設けることが困難な場合があるが、上記のレーザ加工装置を用いることにより、高次回折光によるダメージを抑制することができることから、高い加工能力で、高品質な、インクキャビティや液晶パネル等を得ることができる。

１１０１レーザ発振器、１１０２Ｑスイッチドライバ、１１０３ビーム、１１０４エクスパンダコリメータ、１１０５光路折り曲げミラー、１１０６波長板、１１０７位相格子（回折光学素子）、１１０８集光レンズ、１１０９透光性導電膜基板（被加工物）、１１１０精密ステージ、１１１１集光スポット

Claims

レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されるビームを複数ビームに分岐して、被加工物に照射する回折光学素子を備え、
前記回折光学素子は、前記被加工物の加工に不要な高次回折光の発生を抑制するように設計された凹凸形状を表面に有し、前記凹凸形状は素子上のいたるところで連続的なレーザ加工装置。
前記回折光学素子によって分岐された複数ビームをそれぞれ集光し、被加工物に照射する集光レンズを備えた請求項１記載のレーザ加工装置。
前記回折光学素子から生じる回折ビームのうち加工へ用いる複数の回折ビームの最大回折次数がＮであるとき、前記回折光学素子の凹凸形状が有する空間周波数νが、
ν≦２ＮΔ／λｆ（Δはビーム分岐ピッチ、λはビーム波長、ｆは回折光学素子から被加工物までの距離）
を満たす請求項１または請求項２記載のレーザ加工装置。
レーザ発振器からビームを出射する工程と、
いたるところで連続的な凹凸形状を表面に有する回折光学素子によって、被加工物の加工に不要な高次回折光の発生を抑制しながら前記ビームを複数ビームに分岐する工程を有するレーザ加工方法。
各々の複数ビームを集光レンズによって集光し、前記被加工物に照射する工程を有する請求項４記載のレーザ加工方法。
前記回折光学素子から生じる回折ビームのうち加工へ用いる複数の回折ビームの最大回折次数がＮであるとき、前記回折光学素子の凹凸形状が有する空間周波数νが、
ν≦２ＮΔ／λｆ（Δはビーム分岐ピッチ、λはビーム波長、ｆは回折光学素子から被加工物までの距離）
を満たす請求項４または請求項５記載のレーザ加工方法。