JP5330892B2

JP5330892B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP5330892B2
Application number: JP2009110912A
Authority: JP
Inventors: 晴康伊藤; 直也松本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: JP2010260063A

Description

本発明は、レーザ光を用いて加工を行うレーザ加工装置に関するものである。

レーザ光を集光して加工対象物に照射し、当該加工対象物の表面や内部の加工を行うレーザ加工装置が広く知られており、この種のレーザ加工装置が特許文献１〜５に開示されている。特に、特許文献１〜３には、レーザ光を加工対象物における異なる複数の加工位置に集光するレーザ加工装置が開示されている。このように、レーザ光を複数の位置に集光することにより、加工対象物における複数の位置を同時に加工することができ、加工時間を短縮することが可能となる。特許文献１〜３に記載のレーザ加工装置では、レーザ光を複数の位置に集光させるために、それぞれ、空間光位相変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）、複屈折性結晶、回折光学素子（Diffractive Optical Element：ＤＯＥ）を用いている。

ところで、位相変調部に液晶を用いた空間光位相変調器は偏光依存性を有する。そのため、空間光位相変調器に入射されるレーザ光のうち、空間光位相変調器の偏光方向と一致する偏光成分は位相変調可能であり、集光位置の制御が可能であるが、空間光位相変調器の偏光方向に対して直交する偏光成分は位相変調できず、集光位置あるいは集光形状の制御が不可能である。その結果、空間光位相変調器の偏光方向に対して直交する偏光成分は、空間光位相変調器の偏光方向と一致する偏光成分の集光位置と同一の位置に集光することができず、０次光として異なる位置に集光されてしまう。これにより、意図しない位置も０次光によって損傷を与えてしまう。この点に関し、特許文献５には、出力段に０次光遮蔽板を備えることによって、不要な０次光を除去するレーザ加工装置が開示されている。

特開２００６−６８７６２号公報国際公開第２００５／８４８７４号パンフレット特許第３３４６３７４号明細書特開２００４−２９０９８５号公報特開２００１−２７２６３６号公報

しかしながら、特許文献５に記載のレーザ加工装置では、０次光を無駄に捨てることとなり、レーザ光の一部を無駄に捨てていた。

そこで、本発明は、レーザ光の利用効率を向上するレーザ加工装置を提供することを目的としている。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を集光して加工対象物に照射し、当該加工対象物の加工を行うレーザ加工装置において、（ａ）レーザ光を発生するレーザ光源と、（ｂ）レーザ光源からのレーザ光を第１の偏光成分と当該第１の偏光成分の偏光に対して直交する偏光を有する第２の偏光成分とに分岐する第１の偏光ビームスプリッタと、（ｃ）第１の偏光成分を受けて空間的な位相変調を行うための第１の空間光位相変調器であって、当該第１の空間光位相変調器の偏光方向が第１の偏光成分の偏光と一致するように配置される当該第１の空間光位相変調器と、（ｄ）第２の偏光成分を受けて空間的な位相変調を行うための第２の空間光位相変調器であって、当該第２の空間光位相変調器の偏光方向が第２の偏光成分の偏光と一致するように配置される当該第２の空間光位相変調器と、（ｅ）第１の空間光位相変調器によって第１の偏光成分を位相変調してなる第１の変調光と第２の空間光位相変調器によって第２の偏光成分を位相変調してなる第２の変調光とを合成する第２の偏光ビームスプリッタと、（ｆ）第１及び第２の変調光を加工対象物に集光する集光レンズと、を備える。

本発明によれば、第１の偏光ビームスプリッタによってレーザ光のうちの偏光方向が異なる第１の偏光成分と第２の偏光成分とを分岐し、二つの第１及び第２の空間光位相変調器を用いて第１及び第２の偏光成分の位相変調をそれぞれ行い、第２の偏光ビームスプリッタによって第１及び第２の変調光を合成して加工対象物に照射する。したがって、例えば、第１の空間光位相変調器にとっての０次光成分を無駄に捨てることなく、第２の空間光位相変調器によって積極的に用いているので、レーザ光の利用効率を向上することができる。

上記した第１及び第２の空間光位相変調器のうちの少なくとも何れか一方は、第１の変調光の集光位置と第２の変調光の集光位置とを異ならせるように位相変調を行なってもよい。また、上記した第１及び第２の空間光位相変調器は、第１及び第２の変調光のうちの少なくとも何れか一方をそれぞれ異なる複数の位置に集光するように位相変調を行なってもよい。これによれば、複数の加工位置の同時加工を行うことができる。

また、上記した第１及び第２の空間光位相変調器のうちの少なくとも何れか一方は、第１の変調光の集光位置と第２の変調光の集光位置とを光軸方向において異ならせてもよい。これによれば、加工対象物の加工深さ方向において異なる加工位置の多点同時加工を行うことができる。

また、上記した第１及び第２の空間光位相変調器のうちの少なくとも何れか一方は、第１の変調光の集光位置と第２の変調光の集光位置とを走査方向において異ならせてもよい。これによれば、加工対象物の加工走査方向において異なる加工位置の多点同時加工を行うことができる。

また、上記した第１及び第２の空間光位相変調器のうちの少なくとも何れか一方は、第１の変調光の集光位置と第２の変調光の集光位置とを光軸方向及び走査方向に交差する方向において異ならせてもよい。これによれば、加工対象物の加工深さ方向及び加工走査方向に交差する方向において異なる加工位置の多点同時加工を行うことができる。

また、上記したレーザ光源は、ランダム偏光を有するレーザ光を出射することを特徴とする。

本発明によれば、レーザ加工において、レーザ光の利用効率を向上することができる。その結果、加工効率の向上が可能となる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す斜視図である。本実施形態のレーザ加工装置を簡略化して示す図である。本実施形態のレーザ加工装置の加工対象物における集光位置を示す図である。本発明の変形例に係るレーザ加工装置の加工対象物における集光位置を示す図である。本発明の変形例に係るレーザ加工装置の加工対象物に対する集光位置を示す図である。本発明の別の変形例に係るレーザ加工装置の加工対象物における集光位置を示す図である。本発明の更に別の変形例に係るレーザ加工装置の加工対象物における集光位置を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す斜視図であり、図２は、図１に示す本実施形態のレーザ加工装置を簡略化して示す図である。また、図３は、本実施形態のレーザ加工装置の加工対象物に対する集光位置を示す図である。なお、図１及び図２にも、図３に示す加工対象物及びレーザ光が共に示されている。

図１及び図２に示すレーザ加工装置１は、レーザ光源１０と、コリメートレンズ１２と、第１及び第２の偏光ビームスプリッタ１４，１５と、第１及び第２のプリズムミラー１６，１７と、第１及び第２の空間光位相変調器（ＳＬＭ）１８，１９と、２個のミラー２０，２１と、対物レンズ４０（集光レンズ）と、ステージ４２とを備えている。

レーザ光源１０は、ランダム偏光を有する発散光を放出する。以下では、レーザ光源１０は、互いに直交する偏光方向Ｄ１，Ｄ２を含むレーザ光を発生するものとする。このレーザ光は、第１及び第２の空間光位相変調器１８，１９に位相変調のための十分な空間解像度が得られる大きさに拡大された後にコリメートレンズ１２によって平行光に変換され、第１の偏光ビームスプリッタ１４に入射する。

第１の偏光ビームスプリッタ１４は、入射するレーザ光を、第１の偏光成分ｈ１と、第１の偏光成分ｈ１の偏光と直交する偏光を有する第２の偏光成分ｈ２とに分岐する。例えば、第１の偏光ビームスプリッタ１４は、入射するレーザ光のうち、偏光方向Ｄ１の第１の偏光成分ｈ１を透過して第１の方向Ｄ１１へ出力すると共に、偏光方向Ｄ１に直交する偏光方向Ｄ２の第２の偏光成分ｈ２を反射して第１の方向Ｄ１１に略垂直な第２の方向Ｄ２２へ出力する。

第１の偏光ビームスプリッタ１４を透過した第１の偏光成分ｈ１は、第１のプリズムミラー１６を介して第１の空間光位相変調器１８に入射する。一方、第１の偏光ビームスプリッタ１４を反射した第２の偏光成分ｈ２は、ミラー２０によって約９０度方向転換されて第１の方向Ｄ１１へ出力され、第２のプリズムミラー１７を介して第２の空間光位相変調器１９に入射する。すなわち、第１の偏光成分ｈ１と第２の偏光成分ｈ２とは略平行に進行することとなる。

第１及び第２の空間光位相変調器１８，１９は、２次元配列された複数の画素を有しており、例えば、フレネルレンズパターンやＣＧＨ（Computer Generated Hologram）等のホログラムに応じて、入射するレーザ光の空間的な位相変調を行う。

第１の空間光位相変調器１８は、偏光依存性を有しており、特定の方向に偏光特性を有する。例えば、第１の空間光位相変調器１８は、第１の偏光成分ｈ１の偏光方向Ｄ１と一致する偏光方向を有するように配置されている。これにより、第１の空間光位相変調器１８は、第１の偏光成分ｈ１に対して位相変調を行ない、第１の変調光ｈｍ１として出力する。第１の空間光位相変調器１８では、ホログラム（例えば、上記したＣＧＨやフレネルレンズパターン）を制御することにより、第１の偏光成分ｈ１を位相変調してなる第１の変調光ｈｍ１を加工対象物５０の表面及び内部の任意の位置に集光させ、ホログラム再生像を結像させることができる。

同様に、第２の空間光位相変調器１９は、偏光依存性を有しており、特定の方向に偏光特性を有する。例えば、第２の空間光位相変調器１９は、第２の偏光成分ｈ２の偏光方向Ｄ２と一致する偏光方向を有するように配置されている。これにより、第２の空間光位相変調器１９は、第２の偏光成分ｈ２に対して位相変調を行ない、第２の変調光ｈｍ２として出力する。第２の空間光位相変調器１９では、ホログラム（例えば、上記したＣＧＨやフレネルレンズパターン）を制御することにより、第２の偏光成分ｈ２を位相変調してなる第２の変調光ｈｍ２を加工対象物５０の表面及び内部の任意の位置に集光させ、ホログラム再生像を結像させることができる。

なお、偏光方向Ｄ２と第２の空間光位相変調器１９の偏光方向とが直交する場合は第２の空間光位相変調器１９の前後にそれぞれ１／２波長板を配置して（例えば、ミラー２０とプリズムミラー１７との間の光路上及び、プリズムミラー１７とミラー２１との間の光路上のそれぞれに１／２波長板を配置して）、第２の空間光位相変調器１９の偏光方向と偏光方向Ｄ２とを一致させるようにする。

なお、本実施形態では、第１及び第２の空間光位相変調器１８，１９として反射型の空間光位相変調器を例示したが、透過型の空間光位相変調器が用いられてもよい。この場合には、第１及び第２のプリズムミラー１６，１７を備える必要はない。反射型の空間光位相変調器としては、液晶空間光位相変調器ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型、光アドレス型等が適用可能である。一方、透過型の空間光位相変調器としては、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）型等が適用可能である。

第１の空間光位相変調器１８から出力される第１の変調光ｈｍ１は、第１のプリズムミラー１６を介して第２の偏光ビームスプリッタ１５へ入射する。一方、第２の空間光位相変調器１９から出力される第２の変調光ｈｍ２は、第２のプリズムミラー１７を介してミラー２１に入射し、ミラー２１によって約９０度方向転換されて第２の方向Ｄ２２の逆方向へ出力され、第２の偏光ビームスプリッタ１５へ入射する。

第２の偏光ビームスプリッタ１５は、第１の空間光位相変調器１８からの第１の変調光ｈｍ１と第２の空間光位相変調器１９からの第２の変調光ｈｍ２とを合成する。例えば、第２の偏光ビームスプリッタ１５は、第２の偏光ビームスプリッタ１５の偏光方向を第１の偏光ビームスプリッタ１４の偏光方向と一致させれば、第１の変調光ｈｍ１を透過して第１の方向Ｄ１１へ出力すると共に、第２の変調光ｈｍ２を反射して第１の方向Ｄ１１へ出力する。第２の偏光ビームスプリッタ１５から出力された第１の変調光ｈｍ１及び第２の変調光ｈｍ２は対物レンズ４０に入射する。

対物レンズ４０は、第１の変調光ｈｍ１及び第２の変調光ｈｍ２を共にステージ４２上の加工対象物５０の表面又は内部に集光する。

ステージ４２は、加工対象物５０を支持すると共に、スライド移動が可能となっている。これにより、第１の変調光ｈｍ１及び第２の変調光ｈｍ２は加工対象物５０に対して相対的に走査可能となっている。

このレーザ加工装置１では、第１の空間光位相変調器１８及び第２の空間光位相変調器１９によって、第１の変調光ｈｍ１及び第２の変調光ｈｍ２のうちの少なくとも何れか一方の位相変調を制御し、第１の変調光ｈｍ１の集光位置と第２の変調光ｈｍ２の集光位置とを光軸Ｚ方向、すなわち加工対象物５０の加工深さ方向において異ならせる。

例えば、第１の空間光位相変調器１８に供給されるホログラム（例えば、フレネルレンズパターン）を制御することにより、第１の変調光ｈｍ１を集光位置Ａに集光する。その後、第２の空間光位相変調器１９に供給されるホログラム（例えば、フレネルレンズパターン）を制御することにより、第２の変調光ｈｍ２を集光位置Ｂに集光する。

なお、第２の空間光位相変調器１９により第２の変調光ｈｍ２の集光位置を先に決定し、その後、第１の空間光位相変調器１８により第１の変調光ｈｍ１の集光位置を決定してもよい。また、第１の空間光位相変調器１８による第１の変調光ｈｍ１の集光位置と、第２の空間光位相変調器１９による第２の変調光ｈｍ２の集光位置とを同時に行ってもよい。

その後、ステージ４２をスライド移動することによって、第１の変調光ｈｍ１及び第２の変調光ｈｍ２を加工対象物５０に対して相対的に走査すると、２点同時加工を連続的に行うことが可能となる。

ところで、従来のレーザ加工手法では、異なる複数の偏光を含むレーザ光を一つの空間光位相変調器に入射すると、集光位置の制御できない非変調光、すなわち０次光が発生し、この０次光は不要光として扱われてきた。特に、ランダム偏光の光源に対して１つの光位相変調器を用いた加工においては、光位相変調器の偏光方向に直交する偏光成分は０次光となる。そこで、例えば、特許文献５に記載のように、０次光遮蔽板等によって０次光を除去したり、空間光位相変調器のホログラムの精度を高めることによって０次光の比率を下げたりする試みがなされてきた。また、偏光素子によって光位相変調器の偏光方向に直交する偏光成分を除去した後に、空間光位相変調器のホログラムにフレネルレンズを重畳させることによって、ホログラム再生像（変調光）と０次光とを分離させ、０次光の影響を低減させる試みがなされてきた。しかしながら、０次光を完全に除去することは不可能であり、従来のレーザ加工手法では、レーザ光の一部の成分を無駄に捨てていた。

ところが、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、第１の偏光ビームスプリッタ１４によってレーザ光を偏光方向が直交する第１の偏光成分ｈ１と第２の偏光成分ｈ２とに分岐し、二つの第１及び第２の空間光位相変調器１８，１９を用いて第１及び第２の偏光成分ｈ１，ｈ２の位相変調をそれぞれ行い、第２の偏光ビームスプリッタ１５によって第１及び第２の変調光ｈｍ１，ｈｍ２を合成して加工対象物５０に照射する。したがって、例えば、第１の空間光位相変調器１８にとっての０次光成分を無駄に捨てることなく、第２の空間光位相変調器１９によって積極的に用いているので、レーザ光の利用効率を向上することができる。その結果、加工効率を２倍に向上することが可能となる。

この第１の実施形態のレーザ加工装置１は、空間光位相変調器によって変調されない０次光を低減させ、空間光位相変調器によって変調された変調光のみを加工対象物に照射することができるので、高精度な加工を行う用途において大きな効果を奏する。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、第２の変調光ｈｍ２を第１の変調光ｈｍ１の集光位置Ａと異なる１点の集光位置Ｂに集光したが、第１の変調光ｈｍ１及び第２の変調光ｈｍ２のうちの少なくとも一方に上記したＣＧＨを用いて、他方と異なる２点以上の位置に集光してもよい。これにより、３点以上の他点同時加工が可能となる。その結果、加工効率は飛躍的に向上する。

また、第１の変調光ｈｍ１の集光位置と第２の変調光ｈｍ２の集光位置とは同一であってもよい。これにより、１点加工が可能となる。

また、本実施形態では、第１の変調光ｈｍ１の集光位置Ａと第２の変調光ｈｍ２の集光位置Ｂとを光軸Ｚ方向において異ならせたが、図４に示すように、光軸Ｚ方向に直交する平面上において異ならせてもよい。

例えば、図５に示すように、第１の変調光ｈｍ１の集光位置Ａと第２の変調光ｈｍ２の集光位置Ｂとを走査方向Ｘにおいて異ならせてもよい。これにより、走査方向Ｘにおける照射点を増加することができ、パルスレーザ光の繰り返し周波数を実効的に増倍する効果が得られる。例えば、レーザ光源からのレーザ光の繰り返し周波数が１ｋＨｚの場合、変調光と非変調光とによって、実効的に繰り返し周波数が２ｋＨｚのパルスレーザ光を照射した場合と同一の効果が得られる。

更に、図６に示すように、パルス状の第２の変調光ｈｍ２の集光位置と１つ前のパルス状の第１の変調光ｈｍ１の集光位置とを一致させてもよい。これにより、実効的にダブルパルス照射の効果を得ることが可能となる。ここで、超短パルス光を短い時間間隔で照射することにより、多光子吸収等により被加工物を非熱的に加工する加工方法がある。この超短パルス光による加工では、レーザ誘起プラズマが用いられており、加工効率の向上のためにはレーザ誘起プラズマの発生効率を向上すればよい。そして、レーザ誘起プラズマの発生効率の向上のためには、ダブルパルス照射が有効である。これより、図６に示すように、パルス状の第２の変調光ｈｍ２の集光位置と１つ前のパルス状の第１の変調光ｈｍ１の集光位置とを一致させ、実効的にダブルパルス照射を行うことにより、レーザ誘起プラズマの発生効率を向上させることができ、その結果、加工効率を向上させることが可能となる。

また、図７に示すように、第１の変調光ｈｍ１の集光位置Ａと第２の変調光ｈｍ２の集光位置Ｂとを光軸Ｚ方向及び走査方向Ｘに直交する方向Ｙにおいて異ならせてもよい。これにより、レーザ光走査方向Ｘに対して垂直な面内での２点同時加工が可能となる。

また、ビームスプリッタ１４で分岐したそれぞれのレーザ光の光量を調整する機構（例えば、偏光板や減光フィルタ）を配置して、均一な光量に調整しても良い。

１…レーザ加工装置、１０…レーザ光源、１２…コリメートレンズ、１４…第１の偏光ビームスプリッタ、１５…第２の偏光ビームスプリッタ、１６…第１のプリズムミラー、１７…第２のプリズムミラー、１８…第１の空間光位相変調器、１９…第２の空間光位相変調器、２０，２１…ミラー、４０…対物レンズ（集光レンズ）、４２…ステージ、５０…加工対象物。

Claims

レーザ光を集光して加工対象物に照射し、当該加工対象物の加工を行うレーザ加工装置において、
レーザ光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を第１の偏光成分と当該第１の偏光成分の偏光と直交する偏光を有する第２の偏光成分とに分岐する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の偏光成分を受けて空間的な位相変調を行うための第１の空間光位相変調器であって、当該第１の空間光位相変調器の偏光方向が前記第１の偏光成分の偏光と一致するように配置される当該第１の空間光位相変調器と、
前記第２の偏光成分を受けて空間的な位相変調を行うための第２の空間光位相変調器であって、当該第２の空間光位相変調器の偏光方向が前記第２の偏光成分の偏光と一致するように配置される当該第２の空間光位相変調器と、
前記第１の空間光位相変調器によって前記第１の偏光成分を位相変調してなる第１の変調光と前記第２の空間光位相変調器によって前記第２の偏光成分を位相変調してなる第２の変調光とを合成する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１及び第２の変調光を前記加工対象物に集光する集光レンズと、
を備える、レーザ加工装置。
前記第１及び第２の空間光位相変調器のうちの少なくとも何れか一方は、前記第１の変調光の集光位置と前記第２の変調光の集光位置とを異ならせるように位相変調を行うことを特徴とする、
請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記第１及び第２の空間光位相変調器は、前記第１及び第２の変調光のうちの少なくとも何れか一方をそれぞれ異なる複数の位置に集光するように位相変調を行うことを特徴とする、
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
前記第１及び第２の空間光位相変調器のうちの少なくとも何れか一方は、前記第１の変調光の集光位置と前記第２の変調光の集光位置とを光軸方向において異ならせることを特徴とする、
請求項２又は３に記載のレーザ加工装置。
前記第１及び第２の空間光位相変調器のうちの少なくとも何れか一方は、前記第１の変調光の集光位置と前記第２の変調光の集光位置とを走査方向において異ならせることを特徴とする、
請求項２又は３に記載のレーザ加工装置。
前記第１及び第２の空間光位相変調器のうちの少なくとも何れか一方は、前記第１の変調光の集光位置と前記第２の変調光の集光位置とを前記光軸方向及び前記走査方向に交差する方向において異ならせることを特徴とする、
請求項２又は３に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ光源は、ランダム偏光を有するレーザ光を出射することを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載のレーザ加工装置。