JP2011176116A

JP2011176116A - レーザ媒質及びレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2011176116A
Application number: JP2010039007A
Authority: JP
Inventors: Naoaki Fukuda; 直晃福田; Norihiro Inoue; 典洋井上; Toshio Takitani; 俊夫滝谷
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-09-08

Abstract

【課題】レンズなどの光学系の手段によってレーザビームを均質化する場合、レンズの形状によって定まる特定の位置でしか均一なエネルギ分布が得られなかった。
【解決手段】レーザ媒質３に入射された被増幅光１ａがトップハット形状のエネルギ分布に成形されたレーザビーム３ａとして出射されるように、前記レーザ媒質３の母材中に添加する希土類イオンのドープ濃度を、前記レーザ媒質３の光軸３ｂの方向と交差する断面３１の中心部３２よりも周縁部３３に近づく程より高くなるよう分布させた構成のレーザ媒質３である。この均質化されたレーザビーム３ａを被加工物に照射して加工を施すレーザ加工装置を使用する。
【効果】レーザヘッドと被加工物の間の距離が変化した場合でも被加工物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、レーザ増幅器に用いるレーザ媒質、及びこのレーザ媒質によって均質化されたレーザビームを使用して被加工物に加工を施すレーザ加工装置に関するものである。

例えば、半導体薄膜、有機ＥＬ素子、薄膜太陽電池などの製造工程における薄膜パターン形成や薄膜除去に、レーザビームが利用されている。

従来、この薄膜パターン形成や薄膜除去などに使用されるレーザ加工装置では、レーザ発振器から出射されたガウシアン波形を示すレーザビームのエネルギ分布を均一化するために、フライアイレンズや、入射側及び出射側にその稜線を互いに直交させた切妻屋根形の屈折面を有するホモジナイザーレンズなどが使用されていた（例えば、特許文献１の図２）。

しかし、上記のようにレンズを使用してレーザビームを均質化する場合、出射されるレーザビームは、レンズの形状によって定まる特定の位置でしか均一なエネルギ分布が得られず、例えばレーザヘッドと被加工物の間の距離が変化した場合はエネルギ分布の均質化が保たれないという問題があった。

例えば、複層膜に対する選択除去では、選択した膜のみを加工し、下部層にダメージを与えないことが要求される。このような正確さが要求されるレーザ加工装置では特に上記の問題点が顕著であった。

特開平９−２９５１７５号公報

本発明が解決しようとする問題点は、フライアイレンズやホモジナイザーレンズなどの光学系の手段によってレーザビームを均質化していた従来の装置では、出射されたレーザビームは、特定の位置でしか均一なエネルギ分布が得られなかった点である。

本発明のレーザ媒質は、
レーザ媒質に入射された被増幅光がトップハット形状のエネルギ分布に成形されたレーザビームとして出射されるように、前記レーザ媒質の母材中に添加する希土類イオンのドープ濃度を前記レーザ媒質の光軸方向と交差する断面の中心部よりも周縁部に近づく程より高くなるよう分布させたことを最も主要な特徴点としている。

また、本発明のレーザ加工装置は、
上記構成の本発明のレーザ媒質を備えたレーザ増幅器と、前記レーザ媒質に入射させる被増幅光を出射するレーザ発振器とを備え、前記レーザ媒質の周囲に前記レーザ媒質に励起光を導入する励起源を設けたものである。

前記の本発明のレーザ加工装置は、
前記レーザ発振器から出射された被増幅光を反射して前記レーザ媒質に入射させるミラーと、前記レーザ媒質が前記励起光によって励起されたときに前記レーザ媒質から出射されるトップハット形状のエネルギ分布に成形されたレーザビームを集光し、被加工物に照射する集光レンズとを、さらに備えた構成とすることができる。

本発明では、希土類イオンのドープ濃度をレーザ媒質の光軸方向と交差する断面の中心部よりも周縁部に近づく程より高くなるよう分布させたレーザ媒質によって、被増幅光をトップハット形状のエネルギ分布を有するレーザビームに成形して出射するので、レーザヘッドと被加工物の間の距離が変化した場合でも、被加工物の照射面で均一なエネルギ分布が得られる。

（ａ）は本発明のレーザ加工装置の概略構成図、（ｂ）はレーザ発振器から出射される被増幅光のエネルギ分布の一例を示した図、（ｃ）は本発明のレーザ媒質から出射される成形されたレーザビームのエネルギ分布の一例を示した図である。本発明のレーザ媒質において母材中に添加する希土類イオンのドープ濃度の分布を説明する図で、（ａ）はレーザ媒質の幅中心からの相対距離と希土類イオンの濃度の関係を表したグラフ、（ｂ）はレーザ媒質の光軸まわりの希土類イオンの濃度分布を立体的に示した図である。レーザ発振器から出射される被増幅光のエネルギ分布を説明する図で、（ａ）は被増幅光の幅中心からの相対距離とエネルギ強度の関係を表したグラフ、（ｂ）は被増幅光の光軸まわりのエネルギ分布を立体的に示した図である。本発明のレーザ媒質から出射される成形されたレーザビームのエネルギ分布を説明する図で、（ａ）は成形されたレーザビームの幅中心からの相対距離とエネルギ強度の関係を表したグラフ、（ｂ）は成形されたレーザビームの光軸まわりのエネルギ分布を立体的に示した図である。本発明のレーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。本発明のレーザ加工装置の他の一例を示す概略構成図である。

以下、本発明を実施するための種々の形態を、図１〜図６を用いて詳細に説明する。図１（ａ）において、１は例えばＹＡＧレーザ発振器（以下、単にレーザ発振器という。）であり、２は本発明のレーザ媒質３を備えたレーザ増幅器を示している。

レーザ媒質３には、レーザ発振器１から発射された、例えば図１（ｂ）に示すようなガウシアンモードのエネルギ分布を有する被増幅光１ａが入射されると共に、例えばレーザダイオード（不図示）から励起光が導入される。レーザ媒質３が高励起状態になると、被増幅光１ａに対し、後述する希土類イオンの濃度分布に従った増幅がなされ、レーザ媒質３から出射されるレーザビーム３ａは、例えば図１（ｃ）に示すような幅方向のエネルギ分布が均質化されたトップハット形状のものに成形される。

レーザ媒質３は、例えば四角柱状のセラミックス体からなる成形物であり、本実施例では、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）を母材とし、希土類イオンであるＮｄを活性元素としてドープした固体レーザ媒質を使用している。そして、この固体レーザ媒質は、単結晶のものではなく、レーザヘッドから被加工物までの距離が変化した場合でも被加工物の照射面で均一なエネルギ分布が得られるように、レーザ媒質３の幅方向の中心部よりも周縁部に向かうほど希土類イオンの濃度を高くした多結晶の構造としている。

すなわち、本実施例では、レーザ媒質３に入射された被増幅光１ａがトップハット形状のエネルギ分布に成形されたレーザビーム３ａとして出射されるように、レーザ媒質３の母材であるＹＡＧ中に添加する希土類イオンであるＮｄのドープ濃度を、レーザ媒質３の光軸３ｂの方向（被増幅光１ａがレーザビーム３ａとして出射するまでの間レーザ媒質３内を進行する方向）と交差する任意の断面３１の中心部３２よりも周縁部３３に近づく程より高くなるよう、レーザ媒質３中に希土類イオンを分布させている。

このような多結晶構造のレーザ媒質３は、例えば希土類イオンであるＮｄのドープ濃度を０．１％，１％，２％，３％，４％の５段階に変化させたＮｄ：ＹＡＧ結晶の微粉末を予め準備し、これらの微粉末を成形型のキャビティに充填するときに、図２（ａ）に示すように、中央からの相対距離が±１の周縁部には４％、相対距離が±０．７の部分には３％、相対距離が±０．５の部分には２％、相対距離が±０．３の部分には１％、相対距離０の中央部には０．１％の各ドープ濃度のレーザ媒質が配置されるように区分けして充填し、高温高圧下で焼成し、セラミックス化することにより製造することができる。このようにすれば、活性元素であるＮｄの濃度が中央部から周縁部にかけて徐々に高くなるように変化する空間分布を持つレーザ媒質３が得られる。

その結果、レーザ媒質３の中心部は希土類イオンのドープ量が少ないのでゲインが小さい部分となり、レーザ媒質３の周縁部に近づく程、希土類イオンのドープ量は多くなり、ゲインが大きい部分となる。

よって、例えば、レーザ媒質３の光軸３ｂの方向と交差する断面３１において、Ｘ方向またはＹ方向の何れか一方向について、図２（ａ）に示すような希土類イオンのドープ濃度の分布を設ければ、例えばライン状に加工する場合に適したレーザビームが得られる。

これに対し、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、レーザ媒質３の一方向についてだけ希土類イオンのドープ濃度が異なるようにするのではなく、図２（ｂ）に示すように、レーザ媒質３の光軸方向と交差する断面の中心部のドープ濃度は低くし、前記光軸まわりの全方向について前記断面の周縁部に近づくほど希土類イオンのドープ濃度がより高くなるように濃度分布を設ければ良い。

つまり、本発明のレーザ媒質３は、レーザ媒質３に入射する被増幅光のエネルギ分布（一般的には円形ガウシアンモード）と、レーザ加工に適した所望のレーザビームのエネルギ分布（例えば四角柱のトップハット形状）との差を求め、その差の分だけ増幅できるように、レーザ媒質３の母材中に添加する希土類イオンのドープ濃度をレーザ媒質３の光軸方向と交差する断面の中心部よりも周縁部に近づく程より高くなるよう分布させたものである。

よって、レーザ媒質３における希土類イオンの分布は、理想的にはガウシアン分布を上下に反転させた濃度分布とすることが最も望ましい。ただ、レーザ媒質３を実際に製造する上では、ガウシアン分布の上下反転形状を基準として、できるだけこれに近似するように段階的に濃度分布を設定すれば良い。

次に、以上のような構成の本発明のレーザ媒質３に被増幅光１ａを入射させた場合、レーザビームのエネルギ分布がどのように変化するのかについて説明する。図３は、レーザ発振器１から出射された被増幅光１ａのエネルギ分布の一例を示したものである。一般にＹＡＧレーザ等のレーザ発振器から発射されたシードビームは、被増幅光１ａの幅中心からの相対距離と光の強度の関係を表した（ａ）図のグラフ、及び被増幅光１ａの光軸まわりのエネルギ分布を立体的に示した（ｂ）図に示すように、ガウシアンモードのエネルギ分布を示すものである。

そこで、このような中心部のエネルギ量が高く周縁部のエネルギ量が低い円形ガウシアン分布を示す被増幅光１ａを、図２に示すような希土類イオンの濃度分布を有する本発明のレーザ媒質３の一端に入射すると共に、レーザ媒質３の例えば側面から励起光を導入してレーザ媒質３を高励起状態にすると、被増幅光１ａがレーザ媒質３を通過するたびにレーザ媒質３内の希土類イオンの濃度分布に応じた増幅がなされて、レーザ媒質３の他端から出射されるレーザビームのエネルギ分布は、図４（ａ）に示すように、レーザビームの幅方向に対しエネルギ強度が均質化されたトップハット形状となる。

また、図２（ｂ）に示すように、レーザ媒質３の光軸方向と交差する断面の中心部のドープ濃度は低くし、前記光軸まわりの全方向について前記断面の周縁部に向かうほど希土類イオンのドープ濃度が高くなるように濃度分布を設けた場合は、図４（ｂ）に示すように、Ｘ方向及びこれに直交するＹ方向についてトップハット形状に均一化されたエネルギ分布を有するレーザビームが得られる。

図５は、以上のような本発明のレーザ媒質３を備えたレーザ増幅器２と、前記レーザ媒質３に入射させる被増幅光１ａを出射するレーザ発振器１とを備え、前記レーザ媒質３の周囲に前記レーザ媒質３に励起光４ａを導入する励起源４を設けた本発明のレーザ加工装置の構成を示したものである。

レーザ媒質３の周囲に配置した励起源４は、レーザ媒質３を高励起状態にするための励起光４ａを照射できるものであればどのような構成のものでも良く、例えばランプやレーザーダイオード発光素子を用いることができる。励起源４からの励起光４ａをレーザ媒質３に導入することでレーザ媒質３が励起し、レーザ発振器１から発射されたシードビームが増幅成形されて均質化されたレーザビームとなる。本発明のレーザ加工装置は、この均質化されたレーザビームを被加工物に照射して加工を施す装置である。

また、本発明のレーザ加工装置は、例えば図６に示すように、レーザ発振器１から出射された被増幅光１ａを反射してレーザ媒質３に入射させるミラー５と、前記レーザ媒質３が励起光によって励起されたときに前記レーザ媒質３から出射されるトップハット形状のエネルギ分布に成形されたレーザビーム３ａを集光し、被加工物７に照射する集光レンズ６とを、さらに備えた構成とすることもできる。

以上説明したように、本発明によれば、希土類イオンのドープ濃度をレーザ媒質の光軸方向と交差する断面の中心部よりも周縁部に近づく程より高くなるよう分布させたレーザ媒質を用いることにより、入射された被増幅光をトップハット形状のエネルギ分布を有するレーザビームに成形して出射するので、レーザヘッドと被加工物の間の距離が変化した場合でも、被加工物の照射面で常に均一なエネルギ分布が得られる。よって、例えば基板表面の薄膜を除去する際の加工等において、均質化されたレーザビームを安定して供給することができる。

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。

例えば、レーザ媒質の母材は、実施例で示したＹＡＧに限らず、ルビー、ＹＬＦ、ＹＶＯ₄などの中から適宜選択しても良い。また、レーザ媒質にドープする希土類イオンも、Ｎｄに限られるものではなく、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ等を使用しても良い。また、レーザ媒質の形状も実施例で示したものに限らず、例えば円柱状のロッド型のものを使用しても良い。

また、レーザ加工装置の実施例では、励起光を被増幅光と直交する方向から入射する例を開示したが、励起光は被増幅光と同じ面から入射させても良い。また、レーザ媒質以外の光学系の構成などは、実施例で示したもの以外にも必要な構成を適宜追加することができる。

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装置にも適用が可能である。

１レーザ発振器
１ａ被増幅光
２レーザ増幅器
３レーザ媒質
３ａ成形されたレーザビーム
３ｂ光軸
３１交差する断面
３２中心部
３３周縁部
４励起源
５ミラー
６集光レンズ
７被加工物

Claims

レーザ媒質に入射された被増幅光がトップハット形状のエネルギ分布に成形されたレーザビームとして出射されるように、前記レーザ媒質の母材中に添加する希土類イオンのドープ濃度を前記レーザ媒質の光軸方向と交差する断面の中心部よりも周縁部に近づく程より高くなるよう分布させたことを特徴とするレーザ媒質。
請求項１に記載のレーザ媒質を備えたレーザ増幅器と、前記レーザ媒質に入射させる被増幅光を出射するレーザ発振器とを備え、前記レーザ媒質の周囲に前記レーザ媒質に励起光を導入する励起源を設けたことを特徴とするレーザ加工装置。
前記レーザ発振器から出射された被増幅光を反射して前記レーザ媒質に入射させるミラーと、前記レーザ媒質が前記励起光によって励起されたときに前記レーザ媒質から出射されるトップハット形状のエネルギ分布に成形されたレーザビームを集光し、被加工物に照射する集光レンズとを、さらに備えたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。