JP4611431B1 - レーザー照射装置及びレーザー加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー加工において使用されるレーザー照射装置及びこれを用いたレーザー加工方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、レーザー光線を出射する光源と、１又は複数のレンズを有し、光源から出射されるレーザー光線を対象物に導光及び集光する照射光学系とを備えるレーザー照射装置であって、この照射光学系の少なくとも一つのレンズの素材として、複屈折材料が用いられていることを特徴とするレーザー照射装置及びレーザー加工方法である。この照射光学系が、凹レンズ又は凸レンズである第１レンズと、凸レンズである第２レンズとをレーザー光線の進行方向順に有し、この第１レンズ及び第２レンズの間隔を変化可能に構成するビームエキスパンダを含み、この第１レンズ及び／又は第２レンズの素材として、複屈折材料が用いられているとよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス等のレーザー加工に使用されるレーザー照射装置及びこれを用いたレーザー加工方法に関するものである。

電子部品を搭載する回路基板等には、セラミックス材、ガラス材、シリコン材などの硬脆性材料が用いられている。このような硬脆性材料から形成される基板を割断するためには、基板の表面に溝を形成したり、基板の内部に微細な穴を形成する必要がある。かかる形成手段として、レーザー加工が広く用いられている。レーザー加工は、光源から出射されたレーザー光線をレンズ等の照射光学系を用いて集光し、高いパワー密度となったレーザー集光スポット（ビームウエスト）を基板の表面又は内部に照射して加工を行うものである。

現在では、電子部品の微細化や、加工部位を少なくして基板の歩留まり向上を図るために、基板に対して微細な溝や穴を形成し、その溝や穴を深く形成することが要求されている。また、穴加工の際には、微細かつテーパーの少ない穴を形成することが要求されている。このような要求を実現するためには、集光されたレーザー光線のビームウエストの特性を利用して、光軸方向に複数の焦点を形成することが好ましい。そして、このビームウエストの特性は、レーザー光線の波長及びビーム品質を基本として、その後の照射光学系（特に集光レンズ）の性質により決定される。

レーザー光線の光軸方向に複数の焦点を形成する方法としては、（Ａ）二重焦点レンズを用いて複数の焦点にレーザー光線を集光させる方法（特開２００６−１９２５０３号公報）、（Ｂ）ビームスプリッタを用いてレーザー光線を空間的に分離し、一方のビーム発散角を変えて再合成した後に同一の集光レンズで加工面上に集光する方法（特表２００６−５２５８７４号公報）、（Ｃ）焦点距離の異なる複数のレンズを機械的に切り替えながら複数回の加工を繰り返す方法（特開２００７−２９０９３２号公報）等が挙げられる。

しかしながら、上記（Ａ）の方法では、特殊な形状のレンズ等集光手段が必要となる。また、上記（Ｂ）の方法では、合成した２つのレーザー光線の光軸を一致させることが困難であり、また曲率半径の大きな反射面を用意しなければならないことから製作・調製上の問題がある。さらに、上記（Ｃ）の方法では、処理効率の低下や各加工間の位置精度の低下等の問題がある。

特開２００６−１９２５０３号公報 特表２００６−５２５８７４号公報 特開２００７−２９０９３２号公報

本発明は、これらの不都合に鑑みてなされたものであり、複数のビームウエストの形成を簡単な構成の照射光学系により実現し、レーザー光線の光軸上で複数のビームウエストの間隔を容易に変更・調節することができるレーザー照射装置及びこれを用いたレーザー加工方法の提供を目的とするものである。

上記課題を解決するためになされた発明は、
レーザー光線を出射する光源と、
１又は複数のレンズを有し、光源から出射されるレーザー光線を対象物に導光及び集光する照射光学系と
を備えるレーザー照射装置であって、
上記照射光学系が、凹レンズ又は凸レンズである第１レンズと、凸レンズである第２レンズとをレーザー光線の進行方向順に有し、この第１レンズ及び第２レンズの間隔を変化可能に構成するビームエキスパンダを含み、
上記第１レンズ及び／又は第２レンズの素材として、複屈折材料が用いられていることを特徴とするレーザー照射装置である。

当該レーザー照射装置は、照射光学系の第１レンズ及び／又は第２レンズの素材として、複屈折材料が用いられているという単純かつ簡単な構成からなる。このように、第１レンズ及び／又は第２レンズの素材として複屈折材料を用いることにより、光源から出射されたレーザー光線の成分を空間分離することなく常光と異常光とに分離し、この常光と異常光との屈折率差を利用することで、照射光学系の光軸上にわずかに分離した複数のビームウエストを形成することができる。かかる単純かつ簡単な構成を採用することで、当該レーザー照射装置は、複数のビームウエストを確実かつ容易に形成することができる。

上記照射光学系は、凹レンズ又は凸レンズである第１レンズと、凸レンズである第２レンズとをレーザー光線の進行方向順に有し、この第１レンズ及び第２レンズの間隔を変化可能に構成するビームエキスパンダを含む。これにより、レンズ間隔を変化させるという簡単な操作で、複数のビームウエスト間の相対的な位置（間隔）を容易に調節することができる。

上記照射光学系は、レーザー光線の進行方向最後に配設される集光レンズを含み、この集光レンズの素材として、複屈折材料が用いられているとよい。これにより、照射光学系における集光レンズが複屈折性を有することとなり、素材として複屈折材料を用いているレンズを別途用意・配設する必要がなく、照射光学系の単純化を図ることができる。

上記複屈折材料を素材とするレンズの結晶軸方向は、照射光学系の光軸方向と直交するとよい。このように、複屈折材料を素材とするレンズの結晶軸方向が照射光学系の光軸方向と直交することで、光源から出射されたレーザー光線の成分を常光と異常光とに確実かつ効率よく分離することができる。

上記複屈折材料の素材としては、水晶が好ましい。このように、水晶を複屈折材料の素材とすることで、上述の複数のビームウエストを形成しつつ、光源から出射されるレーザー光線に対して高い耐光強度を発揮することができると共に、広い波長範囲に対する高い透過率を発揮することができる。

当該レーザー照射装置は、上記照射光学系に対する対象物の位置を、照射光学系の光軸と垂直な面内における直交２方向に加え、光軸方向に相対的に移動させる相対的移動手段を備えるとよい。これにより、対象物に対する連続的な溝加工や穴加工を迅速に行うと共に、加工部位の焦点深度を調節することができ、セラミックス等の割断加工の精密性や歩留まりを向上することができる。

上記照射光学系は、光軸を中心に回転可能な１／２波長板を含み、この１／２波長板がレーザー光線の進行方向を基準として上記複屈折材料を素材とするレンズの前に配設されるとよい。これにより、複数のビームウエストの強度比を連続的かつ容易に変化させることができる。

また、上記照射光学系は、１／４波長板を含み、この１／４波長板がレーザー光線の進行方向を基準として上記複屈折材料を素材とするレンズの後に配設されるとよい。これにより、レーザー光線の直線偏光を円偏光へと変換し、複数のビームウエストから偏光の影響を除去することで、加工特性の安定化を図ることができる。

上記レーザー光線の波長としては、２００ｎｍ以上１１μｍ以下が好ましい。このレーザー光線の波長を上記範囲とすることで、主としてセラミックス等のレーザー加工に見合ったレーザー出力を実現することができ、セラミックス等のレーザー加工の確実性及び効率性を向上することができる。

上記レーザー光線の発振手段としては、連続発振又はパルス発振であるとよい。このように、レーザー光線の発振手段を連続発振又はパルス発振とすることで、加工材料の種類や性質に応じて加工内容を調節することが可能となり、様々なバリエーションの加工を実現することができる。

また、上記課題を解決するためになされた別の発明は、当該レーザー照射装置を用いているレーザー加工方法である。このようなレーザー加工方法を採用することで、セラミックス等の基板に対して微細な溝や穴を形成し、かつ、その溝や穴を深く形成することができる。

このレーザー加工方法は、上記レーザー照射装置により形成される複数のビームウエストの間隔をレイリー長の０．５倍から１０倍に調節するとよい。このビームウエストの間隔を上記範囲とすることで、小さいビームウエスト径を維持した状態で、大きい焦点深度を実現することができる。

ここで、「照射光学系の光軸」とは、この光軸の対比対象となるレンズ又は照射対象物部分の光軸を意味する。「ビームウエスト」とは、集光されたレーザー光線の集光スポットを意味する。

以上説明したように、本発明のレーザー照射装置及びレーザー加工方法は、複数のビームウエストを確実かつ容易に形成することができ、その結果、対象物に対して微細かつ焦点深度の大きい加工を迅速に実現することができる。また、複数のビームウエストの位置を調節することで、加工対象（例えば、セラミックス、ガラス、サファイアなど）の種類に応じた最適な加工を実現することができる。なお、グリーンシート等の基板の穴開け加工においても、微細かつテーパーの少ない加工を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザー照射装置を示す概略構成図 図１のレーザー照射装置が２つのビームウエストを形成する機構を説明する概略構成図 図１のレーザー照射装置とは異なる実施形態に係るレーザー照射装置を示す概略構成図 図３のレーザー照射装置のビームエキスパンダのレンズ間隔（複屈折性凸レンズの相対移動距離）を変化させた場合に、２つビームウエストの間隔及びビームウエストの直径が変化する様子を試算した結果を示すグラフ 図１及び図３のレーザー照射装置とは異なる実施形態に係るレーザー照射装置を示す概略構成図 比較例１の１スポット照射によりホウ珪酸ガラスに形成した加工溝を示す断面観察画像 実施例１の２スポット照射によりホウ珪酸ガラスに形成した加工溝を示す断面観察画像 実施例２で２スポットの間隔を小さくしてホウ珪酸ガラスに形成した加工溝を示す断面観察画像 実施例３で１スポットにパワーを集中することでホウ珪酸ガラスに形成した加工溝を示す断面観察画像 実施例４で２スポットのパワー比を変化させることでホウ珪酸ガラスに形成した加工溝を示す断面観察画像 実施例５及び比較例２でフォーカスの相対位置とスクライブ深さ比率との相関関係を示すグラフ

以下、適宜図面を参照しつつ本発明の実施の形態を詳説する。

図１のレーザー照射装置は、光源１と、ステージ２と、照射光学系３とを主に備えている。

光源１は、レーザー光線Ｐを出射するものである。光源１の種類としては、特に限定されるものではなく、例えばＣＯ_２レーザーなどの気体レーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーなどの固体レーザー、フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザー等が挙げられる。特に、セラミックス材などの硬脆性材料が用いられている回路基板等に微細で焦点深度の大きい加工を行うためには、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーが好ましい。なお、超短パルスレーザーを使用する場合には、集光部位ではセルフフォーカシング又はフィラメンテーションを併発することから、加工部位周辺への熱影響を抑え、さらに大きい焦点深度を実現することができる。

光源１のレーザー光線の波長としては、２００ｎｍ以上１１μｍ以下であることが好ましく、２４０ｎｍ以上１６００ｎｍ以下であることが特に好ましい。このレーザー光線の波長を上記範囲とすることで、セラミックス材などの硬脆性材料が用いられている回路基板等の割断加工に最適なレーザー出力を実現することができ、レーザー加工の効率性及び確実性を向上することができる。

光源１のレーザー光線の発振手段としては、連続発振又はパルス発振を採用することが好ましい。このレーザー光線の発振手段を連続発振とすることで、一定のレーザー出力を連続して発振することができる。また、パルス発振とすることで、高いピークパワーを有するレーザーパルスを得ることができ、熱影響層が少なく、より効率的な加工が可能となる。その結果、加工材料の種類や性質に応じた最適な加工を実現することができる。

ステージ２は、対象物Ｑを設置するものである。このステージ２の具体的な構造としては、特に限定されず、例えばレーザー光線を透過する透明板や、レーザー光線の照射位置にスリット等の開口部を設けた台などが採用される。

ステージ２は、上記照射光学系３に対する対象物Ｑの位置を、照射光学系３の光軸Ｒと垂直な面内における直交２方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）に加え、光軸Ｒの方向（Ｚ軸方向）に相対的に移動させる相対的移動手段を備える。かかる相対的移動手段により、対象物Ｑに対する連続的な溝加工や穴加工を迅速に行うことができると共に、加工部位の焦点深度を調節することができる。特に、微細な基板を割断加工する場合において、加工の精密性を向上することができると共に、歩留まりを向上することができる。なお、ステージ２の移動手段の具体的な構造としては、特に限定されるものではなく、公知の手段が採用される。

照射光学系３は、光源１から出射されるレーザー光線Ｐを対象物Ｑに導光及び集光するものである。この照射光学系３は、レーザー光線Ｐの進行方向順に、１／２波長板４、ビームエキスパンダ５、ミラー６、複屈折レンズ７、１／４波長板８及び集光レンズ９とを備える。

１／２波長板４は、レーザー光線Ｐの進行方向を基準として複屈折レンズ７の前に配設され、レーザー光線の電場ベクトルを回転させるものである。かかる仕組みを図２で詳説すると、１／２波長板４の遅相軸及び入射レーザー光線の電場ベクトル（Ｅ_ｙ）のなす角度をθとした場合に、レーザー光線Ｐが１／２波長板４を透過すると、透過後の電場ベクトルは２θ回転する。

この１／２波長板４は、照射光学系３の光軸Ｒを中心に回転可能であり、その回転角度に応じて、遅相軸に垂直な常光成分Ｅ_ｘと、これに直交する異常光成分Ｅ_ｙとの強度比を変化させることができる。これにより、２つのビームウエストの強度比を連続的かつ容易に変化させることができ、その結果、加工材料の種類や性質に応じた加工内容の調節が容易となり、レーザー加工の効率性が向上する。なお、この１／２波長板４の回転手段としては、特に限定されるものではなく、公知の手段が採用される。

ビームエキスパンダ５は、第１レンズである凹レンズ１０及び第２レンズである凸レンズ１１をレーザー光線Ｐの進行方向順に有する。この凹レンズ１０は、具体的には平凹レンズであり、レーザー光線Ｐが凹面に入射するように配設され、光源１から出射されるレーザー光線Ｐを拡大するものである。また、凸レンズ１１は、具体的には平凸レンズであり、レーザー光線Ｐが凸面に入射するように配設され、凹レンズ１０により拡大されたレーザー光線Ｐを平行な光束にするものである。かかる凹レンズ１０の種類としては、平凹レンズの他に両凹レンズ、凹メニスカスレンズ等が挙げられ、凸レンズ１１の種類としては、平凸レンズの他に両凸レンズ、凸メニスカスレンズ等が挙げられる。

ミラー６は、上記ビームエキスパンダ５を透過するレーザー光線Ｐを集光レンズ９に導光するものである。このミラー６を用いてレーザー光線Ｐの反射角度を変化させることにより、レーザー光線Ｐの進行方向を容易に調節することができる。なお、このミラー６を用いたレーザー光線Ｐの反射角度の調節手段としては、特に限定されるものではなく、公知のものが採用される。

複屈折レンズ７は、具体的には単レンズであり、その素材として複屈折材料が用いられている。この複屈折レンズ７は、入射したレーザー光線Ｐを２つの電場成分に分離し、２つのビームウエストを形成するものである。かかる仕組みを図２で詳説すると、光源１から出射されたレーザー光線Ｐは、当初は電界方向に直線偏光しており、１／２波長板４を透過することにより位相差が発生する。その後、複屈折レンズ７に入射したレーザー光線Ｐは、結晶軸Ｓに垂直な成分Ｅ_ｘと、これに直交する成分Ｅ_ｙとに分離され、成分Ｅ_ｘは常光１２として透過し、成分Ｅ_ｙは異常光１３として透過する。なお、この複屈折レンズ７の種類としては、両凸レンズ、平凸レンズ、凸メニスカスレンズ、両凹レンズ、平凹レンズ、凹メニスカスレンズ等が挙げられる。

このように、複屈折レンズ７は、２つの異なる屈折率を有し、これらの屈折率差を利用することで、入射したレーザー光線Ｐを常光１２と異常光１３とに分離し、異なる焦点を形成するという特性を有する。かかる特性により、２つのビームウエストにおけるウエスト径及びウエスト間隔が決定される。従って、例えば、照射光学系において、特性の異なる種々の複屈折レンズを適宜採用し、２つのビームウエストにおけるウエスト径及びウエスト間隔を調節することで、加工材料の性質に応じた最適な加工をレンズ交換という簡単な手段により実現することもできる。

複屈折レンズ７の結晶軸Ｓの方向は、照射光学系の光軸Ｒの方向と直交するとよい。このように、複屈折レンズ７の結晶軸Ｓの方向が照射光学系の光軸Ｒの方向と直交することで、かかる結晶軸Ｓの方向と電界方向とが一致し、その結果、光源から出射されたレーザー光線の成分を常光と異常光とに確実かつ効率よく分離することができる。

複屈折レンズ７の素材としては、特に限定されるものではなく、例えば水晶、サファイア、方解石等が用いられ、中でも、水晶を採用することが好ましい。この複屈折レンズ７の素材として水晶を用いることで、レーザー光線に対する高い耐光強度を発揮することができると共に、広い波長範囲に対する高い透過率を発揮することができる。このような水晶を素材とする複屈折レンズ７が、代表的なレーザー波長に対して有する屈折率（ｎ_ｏ：常光の屈折率、ｎ_ｅ：異常光の屈折率）を下記表１に示す。表１に示すとおり、水晶を素材とする複屈折レンズ７では、ｎ_ｅの値がｎ_ｏの値より大きく、異常光が短焦点に相当することがわかる。

また、このような水晶を素材とする複屈折レンズ７が有する複屈折性に関し、曲率半径Ｒ＝１００ｍｍの水晶製平凸レンズの場合について近軸計算した焦点距離（ｆ_ｏ：常光の焦点距離、ｆ_ｅ：異常光の焦点距離）を下記表２に示す。表２に示すとおり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの基本波（１０６４ｎｍ）では、ｆ_ｅの値がｆ_ｏの値より小さいことから、異常光が短焦点に相当することがわかる。

１／４波長板８は、レーザー光線Ｐの進行方向を基準として上記複屈折レンズ７の後に配設されるものである。この１／４波長板８により、複屈折レンズ７を透過したレーザー光線Ｐの直線偏光を円偏光へと変換して偏光の影響を除去し、加工特性の安定化を図ることで、深い焦点深度を確実かつ効率的に実現することができる。

集光レンズ９は、具体的には使用するレーザー光の波長に対して光学収差を補正した単レンズ又は組合せのレンズであり、上記ミラー６から導光されるレーザー光線Ｐを対象物Ｙに集光するものである。この集光レンズ９により、１／４波長板８を透過したレーザー光線Ｐの常光１２及び異常光１３を、照射光学系の光軸Ｒ上のそれぞれ異なる位置に集光することで、２つのビームウエストを形成することができる。なお、この集光レンズ９を構成するレンズの種類としては、例えば両凸レンズ、平凸レンズ、凸メニスカスレンズ、両凹レンズ、平凹レンズ、凹メニスカスレンズ等が挙げられる。

ここで、上記レーザー照射装置の作用効果について詳説する。

上記レーザー照射装置が形成するビームウエスト径２ω_０は、集光レンズの焦点距離をｆ、集光レンズに入射するビーム径をＤ、レーザー波長をλとすると、下記数１により算出される。下記数１より、微細なビームウエスト径を得ようとする場合には、レーザー波長λを短くする、焦点距離ｆを小さくする、集光レンズに入射するビーム径Ｄを大きくすることが必要となる。

次に、上記レーザー照射装置が出射するレーザー光線のレイリー長ｄ_ｆは、ビームウエストの半径をω_０、レーザー波長をλとすると、下記数２により算出される。一般的に、レーザー光線のデフォーカスの影響を受け難くするためには、レイリー長の長いビームを形成することが必要である。下記数２より、レイリー長ｄ_ｆはビームウエストの半径ω_０と密接な関係があり、焦点深度の大きい（レイリー長の長い）ビームウエストを実現するためには、波長λを一定にすると、ビームウエストの半径ω_０を大きくする必要がある。一方でビームウエストの半径ω_０が大きくなれば、微細な加工は困難となる。

図３のレーザー照射装置は、光源１と、ステージ２と、照射光学系１４とを主に備えている。光源１及びステージ２は、図１のレーザー照射装置の場合と同様であるため、同一番号を付して説明を省略する。

照射光学系１４は、光源から出射されるレーザー光線Ｐを対象物Ｑに導光及び集光するものである。この照射光学系１４は、レーザー光線Ｐの進行方向順に、１／２波長板４、ビームエキスパンダ１５、１／４波長板８、ミラー６及び集光レンズ９を備える。レーザー光線Ｐ、対象物Ｑ、１／２波長板４、１／４波長板８、ミラー６及び集光レンズ９は、図１のレーザー照射装置の場合と同様であるため、同一番号を付して説明を省略する。

ビームエキスパンダ１５は、第１レンズである凹レンズ１６及び第２レンズである凸レンズ１７をレーザー光線Ｐの進行方向順に有するものであり、この凸レンズ１７の素材として複屈折材料が用いられている。かかるビームエキスパンダ１５は、凹レンズ１６及び凸レンズ１７の間隔を変化可能に構成されるものである。これにより、照射光学系１４から出射される２つのビームウエスト径を大きく変化させることなく、ウエスト間隔を容易に調節することができ、加工材料に応じた最適な加工を容易な手段により実現することができる。なお、凹レンズ１６及び凸レンズ１７の間隔は、凹レンズ１６と凸レンズ１７とのいずれか一方又は両方を照射光学系１４の光軸Ｒの方向に移動させることで調節することができる。かかるレンズの移動手段については、特に限定されるものではなく、公知の手段が採用される。

図４は、この凹レンズ１６及び凸レンズ１７の間隔を変化させた場合に、２つのビームウエストの間隔及びビームウエストの直径（常光）が変化する様子を試算した結果を示すグラフである。図４の横軸では、この凹レンズ１６及び凸レンズ１７の間隔を、凸レンズ１７を凹レンズ１６に対して相対的に移動させた距離（相対移動距離）で示してある。また、ビームエキスパンダ１５としての倍率や集光レンズ９の焦点距離を選定し、最終的なビームウエスト径が約５μｍになるように設定してある。図４より、レンズ間隔を約９ｍｍ変化させると、両ビームウエストの間隔は９０μｍから１５０μｍの間隔で変化し、ビームウエスト直径は５μｍから６μｍの範囲で変化する。従って、ビームエキスパンダ１５は、ビームウエスト径を大きく変化させることなく、両ビームウエストの間隔を変化させることができるため、加工材料の性質に適合させて、小さな径で焦点深度の大きいレーザー加工を実現することができる。

図５のレーザー照射装置は、光源１と、ステージ２と、照射光学系１８とを主に備えている。光源１及びステージ２は、図１のレーザー照射装置の場合と同様であるため、同一番号を付して説明を省略する。

照射光学系１８は、光源１から出射されるレーザー光線Ｐを対象物Ｑに導光及び集光するものである。かかる照射光学系１８は、レーザー光線Ｐの進行方向順に、ビームエキスパンダ５と、ミラー６と、集光レンズ１９とを備える。レーザー光線Ｐ、対象物Ｑ、ビームエキスパンダ５及びミラー６は、図１のレーザー照射装置の場合と同様であるため、同一番号を付して説明を省略する。

集光レンズ１９は、ミラー６から導光されるレーザー光線Ｐを対象物に集光するためのものであり、その素材として複屈折材料が用いられている。この集光レンズ１９は、レーザー光線Ｐを集光する機能を有すると共に、レーザー光線Ｐを常光１２と異常光１３とに分離し２つのビームウエストを形成する機能を有する。従って、素材として複屈折材料を用いているレンズを別途用意・配設することなく、集光性及び複屈折性を有する１つのレンズを用いて２つのビームウエストを容易に形成することができ、照射光学系の単純化を図ると共に低コスト化を実現することができる。

ここで、上記図１のレーザー照射装置、図３のレーザー照射装置、図５のレーザー照射装置を利用するレーザー加工方法を構築することも可能である。かかるレーザー加工方法により、例えば、対象物内に亀裂が誘起される間隔で複数のビームウエストを形成することができる。また、一方のビームウエストを対象物表面近傍内に配置させ、他方のビームウエストを対象物内部に配置させることで、対象物の表面から内部に至る加工亀裂を誘因させることができる。

また、上記レーザー加工方法は、レーザー照射装置により形成される複数のビームウエストの間隔を、レイリー長の０．５倍から１０倍に調節可能であるとよい。このような調節により、レーザー光線のデフォーカスの影響を回避することができると共に、小さなビームウエスト径を維持しつつ大きい焦点深度を実現することができる。このレイリー長の長さを調節するためには、例えば複屈折レンズを照射光学系の光軸Ｒの方向に相対的に移動させることが考えられるが、その具体的な調節手段については、特に限定されるものではなく、公知の手段が採用される。

なお、本発明のレーザー照射装置及びこれを用いたレーザー加工方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図５のレーザー照射装置の集光レンズ１９が、照射光学系１８の光軸Ｒの方向に相対的に移動させる手段を備えることにより、２つのビームウエストの位置を容易に調節することができ、より単純かつ簡単な照射光学系を実現することができる。

また、加工材料の性質により２つのビームウエストの偏光方向を区別することが有効と想定される場合には、照射光学系に１／４波長板を配設しないことで、ビームウエストの上側と下側との偏光方向が互いに直交し、加工溝幅を大きく、焦点深度を小さくすることができる。

以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。

（実験１）
［実施例１及び実施例２］
〈実験系の説明〉
少なくとも光源、ビームエキスパンダ、１／２波長板、集光レンズを備える照射光学系を用いて、加工痕跡の観察しやすいホウ珪酸ガラスの内部に１又は２つのビームウエストを配置し、加工溝を形成した。その後、この加工溝と直交する断面観察画像を撮影した。
実施例１及び２で使用するビームエキスパンダは、凹レンズと複屈折性を有する凸レンズとを備え、両レンズ間隔を変化可能に構成されている。この両レンズ間隔（Ｌｍ）を変化させることで、光軸上に形成される２つのビームウエストの間隔を変化させることができる。また、実施例１及び２で使用する１／２波長板を照射光学系の光軸回りに回転させると、２つの集光スポットにおけるレーザーパワー配分を変化させることができる。

［比較例１］
比較例１で使用する照射光学系は、少なくとも光源、ビームエキスパンダ、集光レンズを備える標準的な構成であり、ビームエキスパンダの凸レンズは複屈折性を有するものではなく、また１／２波長板も含まれていない。

〈特性の評価〉
加工条件及び実験結果を下記表３、図６〜図８に示す。

比較例１では、照射光学系の光軸方向（ホウ珪酸ガラスの厚み方向）に、長さが約１００μｍの加工溝が形成された（図６）。一方、実施例１では、２つのウエスト間隔（中心間隔）は約１９０μmで、個々のウエストによる加工溝の長さは、約６０μｍ及び約７０μmであった（図７）。実施例１における２つの加工溝の長さ（約６０μｍ及び約７０μm）は、比較例１における１スポットで加工したときの長さ（約１００μm）に比べると短いことから、実施例１では１スポットに集中するレーザーパワーが２つに分離されたものと考えられる。

実施例２では、ホウ珪酸ガラスの厚み方向に長い加工溝を形成することを目的として、２つのウエスト間隔を小さくするため、凸レンズと複屈折性を有する凸レンズとの間隔を小さく設定した。具体的には、実施例１の加工時からエキスパンダレンズ間隔Ｌｍを１０ｍｍ縮めており、その結果、両ウエストによる加工溝がつながり、全体の長さが最大１８０μmの加工溝が形成された（図８）。このように、実施例２における加工溝の長さ（約１８０μm）は、比較例１における加工溝の長さ（約１００μm）よりも長いことがわかった。一般的に、１スポットで長い加工溝を形成する場合には高いレーザーパワーを必要とするが、仮に実施例２と同様の深い加工溝が形成されたとしても、加工溝幅が増大すると同時に、はるかに広い幅の加工変質部位が形成されることが知られている。従って、実施例２では、少ないレーザーパワーで溝幅方向の加工変質範囲を最小限に止めつつ、焦点深度の大きい溝加工を実現できたと考えられる。

（実験２）
［実施例３及び実施例４］
〈実験系の説明〉
実験系は、上記実験１での実施例１及び実施例２の場合と同様である。実験２では、エキスパンダレンズ間隔Ｌｍを一定とし、１／２波長板を照射光学系の光軸回りに回転させて、２つのウエストのパワー配分を変化させた。

〈特性の評価〉
加工条件及び実験結果を下記表４、図９、図１０に示す。

実施例３では、レーザーパワーを全て下側のウエストに集中させ、１スポットとして加工を行った（図９）。一方、実施例４では、１／２波長板を回転させ、レーザーパワーの成分を上側ウエスト：最大３０％、下側ウエスト：最大７０％に分割して加工を行った（図１０）。実施例３では、ホウ珪酸ガラス内部に加工部位が１カ所形成されるだけであったが、実施例４でレーザーパワーを分割して２ウエストにすると、表面近傍にも加工部位が形成された。即ち、実施例３及び実施例４では、任意の間隔で光軸方向に２つのウエストを形成し、個々のウエストによる加工部位の本来の溝長さに加えて、個々の加工部位間に発生する歪応力を利用してクラックを発生させることで、より焦点深度の大きい加工溝を形成することができたと考えられる。

（実験３）
［実施例５及び比較例２］
〈実験系の説明〉
実験３では、小さなビームウエスト径を維持しながら、焦点深度の深い加工を実現することについて検討した。実験３における実験系の構成は、図１に示すとおりであり、ビームエキスパンダは凹レンズ及び凸レンズを配置した標準的なレンズ構成とし、複屈折性を有する凸レンズは１／４波長板と共に集光レンズの直前に配置している。なお、ビームウエスト間隔は、両ウエストのレイリー長が重なるように設定したが、必ずしもこの間隔が最適というわけではない。

このような構成で、比較例２では、レーザーパワーを全て下側ウエストに集中した１スポットでの溝加工を実施した。また、実施例５では、２スポットで上下スポットにレーザーパワーを等分した場合の溝加工を実施した。そして、実施例５及び比較例２において、それぞれデフォーカス量（フォーカスの相対位置）と溝深さ（スクライブ深さ比率）との相関を検討した（図１１）。

＜特性の評価＞
加工条件及び実験結果を下記表５、図１１に示す。実施例５におけるウエスト径、レイリー長及びパワー密度は、２つのビームウエスト間でほぼ同じ値を示した。

図１１より、最大スクライブ深さを実現した焦点位置からのデフォーカスに対して、実施例５は比較例２に比べてスクライブ深さの変動は少ないことがわかった。従って、実施例５では、デフォーカスに対する耐性が認められた。

以上のように、本発明のレーザー照射装置及びこれを用いたレーザー加工方法は、単純かつ簡単な照射光学系を用いて、加工対象物の加工特性・加工品質に合わせて微細で焦点深度の大きい加工溝や加工穴を容易に形成することができる。従って、作業の容易化、装置の単純化、低コスト化が可能となり、レーザー加工の分野において広く使用されうる。

１ 光源
２ ステージ
３ 照射光学系
４ １／２波長板
５ ビームエキスパンダ
６ ミラー
７ 複屈折レンズ
８ １／４波長板
９ 集光レンズ
１０ 凹レンズ
１１ 凸レンズ
１２ 常光
１３ 異常光
１４ 照射光学系
１５ ビームエキスパンダ
１６ 凹レンズ
１７ 複屈折性凸レンズ
１８ 照射光学系
１９ 複屈折性集光レンズ
Ｐ レーザー光線
Ｑ 対象物
Ｒ 光軸
Ｓ 結晶軸

Claims (11)

1. レーザー光線を出射する光源と、
   １又は複数のレンズを有し、光源から出射されるレーザー光線を対象物に導光及び集光する照射光学系と
   を備えるレーザー照射装置であって、
   上記照射光学系が、凹レンズ又は凸レンズである第１レンズと、凸レンズである第２レンズとをレーザー光線の進行方向順に有し、この第１レンズ及び第２レンズの間隔を変化可能に構成するビームエキスパンダを含み、
   上記第１レンズ及び／又は第２レンズの素材として、複屈折材料が用いられていることを特徴とするレーザー照射装置。
2. 上記照射光学系が、レーザー光線の進行方向最後に配設される集光レンズを含み、
   この集光レンズの素材として、複屈折材料が用いられている請求項１に記載のレーザー照射装置。
3. 上記複屈折材料を素材とするレンズの結晶軸方向が、照射光学系の光軸方向と直交する請求項１又は請求項２に記載のレーザー照射装置。
4. 上記複屈折材料が水晶である請求項１、請求項２又は請求項３に記載のレーザー照射装置。
5. 上記照射光学系に対する対象物の位置を、照射光学系の光軸と垂直な面内における直交２方向に加え、光軸方向にも相対的に移動させる相対的移動手段を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザー照射装置。
6. 上記照射光学系が、光軸を中心に回転可能な１／２波長板を含み、
   この１／２波長板が、レーザー光線の進行方向を基準として上記複屈折材料を素材とするレンズの前に配設される請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザー照射装置。
7. 上記照射光学系が１／４波長板を含み、
   この１／４波長板が、レーザー光線の進行方向を基準として上記複屈折材料を素材とするレンズの後に配設される請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザー照射装置。
8. 上記レーザー光線の波長が２００ｎｍ以上１１μｍ以下である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレーザー照射装置。
9. 上記レーザー光線の発振手段が連続発振又はパルス発振である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のレーザー照射装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のレーザー照射装置を用いるレーザー加工方法。
11. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のレーザー照射装置により形成される複数のビームウエストの間隔を、レイリー長の０．５倍から１０倍に調節する請求項１０に記載のレーザー加工方法。