JP5936574B2

JP5936574B2 - 偏光位相差板およびレーザ加工機

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Publication number: JP5936574B2
Application number: JP2013066202A
Authority: JP
Inventors: 幸治船岡; 淑江吉岡; 真之介曽田; 靖弘滝川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: TWI510319B; TW201404511A; JP2014029467A

Description

本発明は、微細な周期構造から生じる構造複屈折を利用した遠赤外光用の偏光位相差板に関する。また本発明は、この偏光位相差板を用いたレーザ加工機に関する。

プリント基板等の被加工物に、孔あけ加工等の加工を行う従来のレーザ加工機として、以下の構成を備えたものが知られている。１つのレーザ光を第１の偏光ビームスプリッタで２つのレーザ光に分岐し、一方のレーザ光はミラーを経由し、他方のレーザ光は第１のガルバノスキャナでＹＺ２軸方向に走査し、２つのレーザ光を第２の偏光ビームスプリッタへ導いた後、第２のガルバノスキャナでＸＹ２軸方向に走査し、ＸＹステージ上の被加工物を加工している。ここで、第１の偏光ビームスプリッタを透過したレーザ光は、第２の偏光ビームスプリッタで反射され、一方、第１の偏光ビームスプリッタで反射したレーザ光は、第２の偏光ビームスプリッタを透過するような光路を構成している。このレーザ加工機は、２つのレーザ光を別個に走査することにより、同時に２箇所の加工を行なうことができる（例えば、特許文献１参照）。なお、このようなレーザ加工機の光源は、炭酸ガスレーザを用いたものが主流となっている。

しかしながら、上記従来のレーザ加工機では、被加工物に照射される２つのレーザ光が、互いに９０°偏光方向が異なる直線偏光であるために、被加工物の材質によっては、レーザ光の直線偏光成分によって加工孔が楕円になるという課題がある。また、どのレーザ光で加工したかによって、楕円加工孔の長軸方向が異なるという課題がある。このように加工孔が楕円となる現象は、被加工物が銅箔である場合に顕著である。

このような課題に対処するために、第２の偏光ビームスプリッタとガルバノの間の光路に、市販の反射型の位相差板を挿入し、円偏光化することが考えられるが、折り返し光路の分、Ｆθレンズから第１ガルバノスキャナが離れてしまうため、第１ガルバノスキャナで、走査できる範囲が狭くなる、また、レンズ収差が大きくなり、加工品質が悪化することになる。

このため、透過型の偏光位相差板を設置することで、直線偏光のレーザ光を、円偏光化または楕円偏光化することが望まれる。偏光位相差板として、微細な周期構造から生じる構造複屈折を利用したものが知られている（例えば、特許文献２〜４等）。特に、特許文献２，３では、凸部をテーパ形状にして、フレネル反射を抑制している。特許文献４では、基板材料として遠赤外光を透過できるセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を用いており、表面にＹＦ_３を用いることで、フレネル反射を低減している。

材料の複屈折特性を利用した偏光位相差板を製造する場合、遠赤外光を透過できる材料としては、硫化カドミウム（ＣｄＳ）が挙げられる。

国際公開第２００３／０８２５１０号特開２００７−１７８７９３号公報特開２００５−０４４４２９号公報特開２０１１−２３２５５１号公報特開２００６−２５８９１４号公報特開２００８−０９６８９２号公報特開２００８−２７９５９７号公報特開２００６−３２３０５９号公報特開２００５−１７７７８８号公報

しかしながら、硫化カドミウムは、酸の混入で有毒な硫化水素を発生するため、製造場所、使用場所での環境対策の観点から取扱いが困難である。
また、特許文献２では基板材料として熱可塑性樹脂を用い、特許文献３では基板材料としてガラスを用いているため、いずれの材料も遠赤外光を吸収してしまう。

特許文献４では、ＺｎＳｅを用いているため、加工の際、有毒ガスが発生する。そのため特殊な廃棄設備が必要であり、容易に加工できない。また、表面に積層されたＹＦ_３は、吸収率が高いため、高エネルギーレーザ光を透過させた場合は、吸収による温度上昇で、熱レンズが発生する。熱レンズとは、吸収による温度上昇で、光学素子内に温度分布が発生し、レンズ効果が発生する現象である。レーザ加工機の場合、熱レンズが発生すると、ビームの集光点が被加工物表面から離れ、加工品質が悪化する不具合となる。

本発明の目的は、製作が容易で、遠赤外光の透過光量損失が少ない透過型の偏光位相差板を提供することである。

また本発明の目的は、１つのレーザ光を２つのレーザ光に分岐して２箇所の同時加工を行なう方式において、真円状の加工孔を形成できるレーザ加工機を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、基板の少なくとも一方の主面に、基板と同一でかつ単一の材料で、複数の凸部が整列された一定の周期Ｐを有する回折格子が形成され、前記回折格子の構造性複屈折を利用した偏光位相差板であって、
前記回折格子の周期Ｐは、入射光の波長λ、基板材料の屈折率ｎを用いて、Ｐ＜λ／ｎを満たし、
前記凸部の断面形状は、その底部から頂部に渡ってテーパ形状に形成され、
基板材料として、ＺｎＳを用いたことを特徴とする。

また本発明は、１つのレーザ発振器から出射されたレーザ光を第１の偏光ビームスプリッタで２つの直線偏光レーザ光に分岐し、第２の偏光ビームスプリッタで該２つの直線偏光レーザ光を集めてガルバノスキャナのミラーに入射させ、ガルバノスキャナにて走査して被加工物に照射し、該被加工物の所定位置に孔あけ加工を行うレーザ加工機において、
第２の偏光ビームスプリッタとガルバノスキャナとの間に、上記の偏光位相差板を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、遠赤外光の透過光量損失が少ない透過型の偏光位相差板が得られる。また、こうした偏光位相差板を利用したレーザ加工機では、品質の高いレーザ加工を実現できる。

本発明の実施の形態１による偏光位相差板を示す斜視図である。偏光位相差板の加工手順を示す断面図である。本発明の実施の形態２による偏光位相差板を示す断面図である。本発明の実施の形態３による偏光位相差板を示す断面図である。本発明に係る偏光位相差板を搭載したレーザ加工機の一例を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による偏光位相差板を示す斜視図である。偏光位相差板１００は、基板１０２と、基板１０２の少なくとも一方の主面に、基板１０２と同一でかつ単一の材料で形成された回折格子とを備える。回折格子は、ｘ方向と平行に直線状に延びる複数の凸部１０３が、ｙ方向に沿って一定の周期Ｐで整列することによって構成される。

こうした回折格子に向けて光がｚ方向に沿って入射した場合、ｘ方向の偏光成分（ＴＥ偏光）に関する有効屈折率と、ｙ方向の偏光成分（ＴＭ偏光）に関する有効屈折率とが互いに異なるようになり、いわゆる構造性複屈折が生ずる。その結果、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との間で伝搬速度差が生じ、この伝搬速度差に対応した位相差（リターデーション）に応じて楕円偏光が発生する。この位相差をπ／２に設定した場合、回折格子は、直線偏光を円偏光に変換したり、円偏光を直線偏光に変換する４分の１波長板と同等な機能を示す。また、位相差をπに設定した場合、回折格子は、ＴＥ偏光をＴＭ偏光に変換したり、ＴＭ偏光をＴＥ偏光に変換する２分の１波長板と同等な機能を示す。

こうした回折格子の正確なリターデーションおよび透過率は、厳密な電磁解析法の１つであるＲＣＷＡ法（厳密波結合法）でほぼ正確に計算できることが知られている。

このような微細周期構造において、入射光が回折せず「０次光」としてそのまま透過する条件は、周期Ｐが下記の式（１）を満たす場合である。

Ｐ＜λ／（ｍａｘ［ｎ，ｎ_ｉ］＋ｎ_ｊ・ｓｉｎΦ_ｍａｘ） …（１）

但し、λは、使用する光の波長であり、Φは、偏光位相差板に対する光の入射角度である。また、ｎは、偏光位相差板を構成する基材の屈折率であり、ｎ_ｉは、入射側の媒質（空気）の屈折率である。式（１）より、Ｐ＜λ／ｎを満たすようにしておけば、Φ＝０°の垂直入射光でも、高次回折光の損失を防止できることが判る。

凸部１０３の断面形状は、その底部から頂部に渡って角度θのテーパ形状１０６に形成されている。なお、θ＝０°の場合は、テーパなしのラメラ形状となる。凸部１０３の頂部には、基板１０２の主面に対して平行な上部平坦部１０４が形成されている。凸部１０３の底部には、隣りの凸部１０３との間に介在するように、基板１０２の主面に対して平行な底部平坦部１０５が形成されている。

次に、基板材料について説明する。遠赤外光を透過する代表的な材料であって、加工しても有毒物の発生しない比較的扱いやすい材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ、屈折率ｎ＝４．００４）がある。下記（表１）は、基板材料としてＧｅを用いたときの設計データの一例を示す。計算手法は、ＲＣＷＡ法（厳密波結合法）を使用した。使用波長は、炭酸ガスレーザの９．２９μｍとし、空気の屈折率は１とした。

凸部１０３の断面形状は、その底部から頂部に渡って傾斜角度θのテーパ形状１０６とした。図１に示す深さＨは０〜１５［μｍ］、フィリングファクターｆは０〜１、テーパ部の傾斜角度θは０°〜９０°の範囲内で、これら３個のパラメータの組み合わせを総当たりで計算し、リターデーションが、狙いの値になり、かつ、凸部１０３の上部平坦部１０４の寸法Ｌｔが０．３ｍｍ以上、かつ、底部平坦部１０５の寸法Ｌｂが０ｍｍ以上である条件を満たす中で、Ｔｅ反射率及びＴｍ反射率の高い方が最も小さくなる条件を探索した結果を（表１）に示している。

フィリングファクターｆは、凸部１０３の高さＨの半分の位置（Ｈ／２）における、凸部１０３の幅Ｗの周期Ｐに対する比率、即ち、ｆ＝Ｗ／Ｐの値である。周期Ｐは、Ｐ＜λ／ｎの範囲で、λ／ｎに近い値として、２．３１μｍとした。

（表１）を見ると、基板材料としてＧｅを用いた場合、リターデーションがλ／２，λ／４，λ／８のとき、Ｔｅ反射率は５％を遙かに超え、非常に高いことがわかる。Ｔｍ反射率は、リターデーションがλ／８のときに高くなることが判る。

凸部１０３に傾斜部を設けることで、反射率が低減されることが、知られているが、遠赤外光においては、十分に、反射率を低減できないことがわかる。特に、比較的アスペクト比が小さく製造が容易なλ／８等の低位相差の場合に、Ｔｅ反射率は２０％以上になり、実用に耐えない。

遠赤外用材料は、可視光用材料（屈折率１．５程度）と比較して、屈折率が高く、フレネル反射が大きく、エネルギー利用率が低い。特に位相差が小さい位相差板ほど、格子深さＨが浅くなるため、厚み方向の屈折率変化が急となって反射率が高くなり、その影響は大きい。

次に、基板材料として、屈折率ｎが２．２以下の材料、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）を使用した場合を説明する。（表１）のＧｅの場合と同様の手法を用いて、ＺｎＳについて反射率が最も小さくなる条件を探索した結果を（表２）に示す。このとき凸部１０３の上部平坦部１０４の寸法Ｌｔは、０．３ｍｍ以上とした。周期Ｐは、Ｐ＜λ／ｎの範囲で、λ／ｎに近い値として、４．２２μｍとした。

（表２）を見ると、基板材料としてＺｎＳを用いた場合、リターデーションがλ／２，λ／４，λ／８のとき、Ｔｅ反射率及びＴｍ反射率はいずれも１．４％以下になり、Ｇｅを用いた場合よりも、遙かに小さく抑えることができ、エネルギー利用効率の良い遠赤外光用の位相差板が得られることが判る。特に、比較的アスペクト比が小さく製造が容易なλ／８等の低位相差の場合に、Ｔｅ反射率は１．４％を示し、実用に耐え得る位相差板が得られる。

このように、構造性複屈折を利用する位相差板で遠赤外光を透過させる場合、材料の屈折率が高いものが多いため、そのフレネル反射を抑制するためには、屈折率の選択が重要である。

また、周期Ｐについても、Ｐ＜λ／ｎの関係から、屈折率が２．２以下のＺｎＳを用いた場合、周期Ｐは４．２２μｍ程度まで大きくでき、研削機械加工または、ｉ線ステッパーによるフォトリソグラフィとエッチング加工を用いて比較的容易に加工できるという利点が得られる。

また、ＺｎＳは、加工しても有毒ガスは発生しないため、特別な廃棄物処理設備が不要で、設備投資が抑えられる。

また、ＺｎＳを使用した場合、特許文献４のように格子表面にＹＦ_３等の層が不要なため、低コストになる。また、ＺｎＳの吸収係数は１０^−５［１／ｃｍ］であるのに対して、ＹＦ_３の吸収係数は１０［１／ｃｍ］程度と非常に高いため、ＹＦ_３層の不使用により、レーザ光の吸収による熱レンズの発生を防止できる。この結果、反射率が高いため高エネルギーのレーザ光が必要とされる銅箔加工においても、高品質な加工が実現できる。

次に、偏光位相差板１００の製法について説明する。ここでは、凸部１０３の頂部に平坦部１０４を設けた構造を得るために、エッチングプロセスを用いて加工した場合を例示する。凸部１０３の頂部に平坦部１０４を設けると、界面での屈折率変化が不連続で急となるため、フレネル反射が大きくなる懸念があるが、ＺｎＳの場合、遠赤外光を透過する材料の中では、屈折率が比較的小さいため、平坦部１０４の寸法Ｌｔが０．３μｍ程度でも、反射率は１．４％以下と小さく、十分使用に耐えるものであることが、上記の解析結果から判る。

加工手順は、図２（ａ）に示すように、ＺｎＳからなる基板１０２の表面に、リソグラフィを用いてフォトレジストをパターン形成し、平坦部１０４の平面形状に対応したマスク１１０を設置する。そして、図２（ｂ）に示すように、マスク１１０を用いて基板１０２をエッチングし、最後に、マスク１１０を除去する。

ドライエッチングを使用した場合、その課題はテーパの角度を狙い値に精度良く加工することである。今回は、ほぼ等方性ドライエッチングとなるイオンミリング装置を用い、イオンビームの基板への入射角度を調整することで、テーパの角度が狙い値になるように、調整した。この方法によって、（表２）のλ／８の位相差格子の断面形状に加工できることを実験で確認した。

また、イオンミリングの代わりに、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の異方性ドライエッチングを用いて加工してもよい。エッチング条件を、横方向エッチングも進行するように、言い換えれば、等方的エッチングが行われるように選択して、上部に行くほど幅が狭くなるような順テーパ形状に加工してもよい。具体的には、エッチングガスの流量、圧力を変えることにより、異方的エッチング条件から、アンダーカットの大きい等方的エッチング条件までを選択することができ、これによりテーパ角θが決まる。

一方、凸部１０３の頂部に平坦部がない形状の場合は、テーパ形状１０６を研削加工する必要があるが、レーザ加工機の光学素子は直径５０ｍｍ程度と大きいため、加工時間が長く、高コストの問題がある。これに対して、エッチング加工は、広い面を一度に加工できるため加工時間が短く、比較的安価であるという利点がある。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２による偏光位相差板を示す断面図である。実施の形態１では、基板１０２の片面に回折格子を形成した場合を説明したが、本実施形態では、偏光位相差板１００は、基板１０２の両面に、基板１０２と同一でかつ単一の材料で形成された回折格子を備える。

基板１０２の上面にある回折格子および、基板１０２の下面にある回折格子は、凸部１０３の位置、周期およびテーパ形状が互いに一致するように、上下対称形である。こうした回折格子の両面設置により、片面設置と比べて、偏光位相差板１００のリターデーションを２倍に増加させることができる。

また、基板材料として硫化亜鉛（ＺｎＳ）を使用することにより、実施の形態１と同様に、反射率が小さく、透過光量損失が少ない透過型の偏光位相差板が得られる。

その製法に関して、実施の形態１と同様に、イオンミリング、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを使用することができる。

実施の形態３
図４は、本発明の実施の形態３による偏光位相差板を示す断面図である。本実施形態では、実施の形態１に係る偏光位相差板１００を２枚用いて、凸部１０３同士が向かい合うように重ね合わせることによって、積層タイプの偏光位相差板を構成している。接合方法は、接着、融着、機械的圧接などが使用できる。また、接合せずに、２枚重ねた位相差板をレンズホルダー等で、位相差板の端部を機械的に挟み込み固定してもよい。
実施の形態１の偏光位相差板１００は、凸部が外気に露出しているため、空気中に浮遊する異物等が凸部と凸部の谷間に付着することがある。異物がいったん付着すると、取り除くことが困難である。異物が付着した状態で高エネルギーのレーザ光を通過させた場合、異物が光を吸収し、光学素子に温度分布が発生し、熱レンズが発生するという問題がある。

本実施形態では、２枚の偏光位相差板１００を、凸部１０３が向かい合うように重ね合わせているため、凸部１０３が外気に触れることがなく、空気中に浮遊するゴミ等の異物が凸部に付着することを防止できる。その結果、高エネルギーのレーザ光が通過した場合でも、熱レンズの発生を防止することができ、レーザ加工においては、高品質な加工が実現できる。

また、積層した偏光位相差板をレーザ光が通過する場合、同じ回折格子を２回通過することになり、偏光位相差板１００のリターデーションを２倍に増加させることができる。逆に言えば、偏光位相差板の１枚使用と同じリターデーションを得る場合は、１つの回折格子のリターデーションは半分で足りることになる。（表２）を参照すると、リターデーションが小さいほど、凸部のアスペクト比は小さくなるため、回折格子の製造がより容易になる。

以上、片面回折格子の偏光位相差板（図１）を２枚用いて積層した例を説明したが、片面回折格子の偏光位相差板（図１）を３枚以上積層した構成、両側回折格子の偏光位相差板（図３）を２枚以上積層した構成、片面回折格子の偏光位相差板（図１）と両側回折格子の偏光位相差板（図３）を組み合わせた構成、なども同様に使用できる。

実施の形態４．
図５は、本発明に係る偏光位相差板を搭載したレーザ加工機の一例を示す構成図である。レーザ加工機は、特許文献１と同様に、プリント基板等の被加工物に孔あけ加工等の加工を行うために、１つのレーザ光を２つのレーザ光に分岐して２箇所の同時加工を行なう方式を採用している。

ＣＯ_２レーザ発振器１から出力された直線偏光レーザ光２が、リターダ３によって円偏光に変換され、ミラー５を経由した後、第１の偏光ビームスプリッタ６によって２つのレーザ光に分岐される。一方のレーザ光７は、ミラー５を経由し、他方のレーザ光８は第１のガルバノスキャナ１１によってＹＺ２軸方向に走査される。２つのレーザ光７，８は、第２の偏光ビームスプリッタ９に導入されて合流し、第２のガルバノスキャナ１２によってＸＹ２軸方向に走査され、ｆθレンズ１０によって集光されてＸＹステージ１４上の被加工物１３を加工する。

第１の偏光ビームスプリッタ６を透過したレーザ光７は、第２の偏光ビームスプリッタで反射され、一方、第１の偏光ビームスプリッタ６で反射したレーザ光８は、第２の偏光ビームスプリッタ９を透過するような光路を構成している。このレーザ加工機は、２つのレーザ光を別個に走査することにより、同時に２箇所の加工を行なうことができる。

このようなレーザ加工機において、第２の偏光ビームスプリッタ９と第２のガルバノスキャナ１２との間を通るレーザ光の偏光方向（７ａ及び８ａ）は直交しており、この場所に、実施の形態１〜３に係る１／４波長の偏光位相差板１００を設置するとともに、凸部１０３の長手方向１１１（図１のｘ方向）が、入射する２本のレーザ光７，８の偏光方向（７ａ及び８ａ）に対して４５°の角度をなすように位置決めしている。

１／４波長の偏光位相差板１００は、第２の偏光ビームスプリッタ９から出射された直線偏光のレーザ光７，８を円偏光レーザ光にそれぞれ変換する。その結果、被加工物１３には、２つの円偏光レーザ光７，８が照射され、真円状の孔を形成することができる。

本実施形態では、透過型の偏光位相差板１００を使用しているため、第２の偏光ビームスプリッタ９と第２のガルバノスキャナ１２との間の光路を延ばす必要がなく、収差で加工品質が低下することもない。

なお、偏光位相差板１００を用いて直線偏光を円偏光に変換する場合、λ／４の位相差が理想であるが、λ／４波長からずれて円偏光度が３０％程度になっても、偏光依存性のない、真円状の孔加工が可能であることが実験で判明しており、λ／４近傍に限定されるものではない。もちろん、λ／８の位相差板を２枚用いて、１／４波長板として機能させてもよいし、図３に示すように、λ／８の回折格子を基板の両面に施して、全体として１／４波長板として機能させてもよい。

また、本実施形態では、第１の偏光ビームスプリッタ６に入射するレーザ光が円偏光の場合について説明したが、偏光方向がＹ軸に対して４５傾斜した直線偏光を第１の偏光ビームスプリッタ６に入射するようにしてもよい。

１レーザ発振器、２レーザ光、３リターダ、５ミラー、
６第１の偏光ビームスプリッタ、７，８レーザ光、
９第２の偏光ビームスプリッタ、１０ｆθレンズ、
１１第１のガルバノスキャナ、１２第２のガルバノスキャナ、
１３被加工物、１４ＸＹステージ、
１００偏光位相差板、１０２基板、１０３凸部、１０４上部平坦部、
１０５底部平坦部、１０６テーパ形状、１１０マスク、
１１１凸部の長手方向。

Claims

基板の少なくとも一方の主面に、基板と同一でかつ単一の材料で、複数の凸部が整列された一定の周期Ｐを有する回折格子が形成され、前記回折格子の構造性複屈折を利用した偏光位相差板であって、
前記回折格子の周期Ｐは、入射光の波長λ、基板材料の屈折率ｎを用いて、Ｐ＜λ／ｎを満たし、
前記凸部の断面形状は、その底部から頂部に渡ってテーパ形状に形成され、
基板材料として、ＺｎＳを用いたことを特徴とする偏光位相差板。
前記凸部の頂部には、基板の主面に対して平行な平坦部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の偏光位相差板。
基板の両面に、前記回折格子がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の偏光位相差板。
請求項１〜３のいずれかに記載の偏光位相差板が複数積層されていることを特徴とする偏光位相差板。
回折格子の凸部が向かい合うように積層されていることを特徴とする請求項４記載の偏光位相差板。
１つのレーザ発振器から出射されたレーザ光を第１の偏光ビームスプリッタで２つの直線偏光レーザ光に分岐し、第２の偏光ビームスプリッタで該２つの直線偏光レーザ光を集めてガルバノスキャナのミラーに入射させ、ガルバノスキャナにて走査して被加工物に照射し、該被加工物の所定位置に孔あけ加工を行うレーザ加工機において、
第２の偏光ビームスプリッタとガルバノスキャナとの間に、請求項１〜５のいずれかに記載の偏光位相差板を備えたことを特徴とするレーザ加工機。