KR20140024255A - 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 Download PDF

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Abstract

차례로 적층되어 있는 표층 (3)과 하층 (2)을 갖춘 피가공물 (W)에 대해서, 상기 표층 (3)보다 하층 (2)의 광흡수 계수가 큰 레이저빔(LZ)을 상기 표층 (3)측으로부터 하층 (2) 측으로 향해서 조사하고, 상기 하층 (2)의 아브레이션에 의해서 상기 표층 (3)만을 제거한다.

Description

레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치{Laser processing method and laser processing device}
본 발명은, 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치와 관한 것이며, 복수의 층이 적층되어 있는 피가공물에 대해서 레이저 가공을 하기에 적합한 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
종래부터 복수의 층이 적층되어 있는 피가공물에 대해서는 레이저 가공에 의해서 정밀한 가공을 하는 것이 많이 사용되고 있다. 이런 종류의 피가공물로서는, 금속제나 유리제등의 기판에 대해서 각종 박막을 형성한 것을 들 수 있다. 또한, 가공 방법으로서는, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼상에 막이 형성된 SiO2 보호막을 제거해서 박리 시키거나 a-Si 박막상에 막이 형성된 투명막을 제거해서 박리 시키거나 실리콘계, 화합물계 및 유기계의 태양전지상에 막이 형성된 투명막을 제거해서 박리 시키는 것을 들 수 있다.
　
이러한 막 형성에 대한 레이저 가공에 있어서는, 레이저 장치로부터 사출된 레이저빔 (레이저광)을 광섬유나 각종 렌즈등의 광학계를 사용하여 가공 헤드로 유도하고, 가공 헤드로부터 레이저빔을 피가공물을 향해서 조사(照射)시켜 가공을 하고 있었다. 이 경우, 가공 헤드와 피가공물을 상대적으로 이동시켜서 스캔 하거나 가공 헤드에 장착한 갈바노미러 등의 스캐너를 사용해서 레이저빔을 2 차원면내에서 이동시켜 스캔 시킴으로서, 피가공물의 소정 위치에 레이저빔을 조사시키고 있었다(특허 문헌 1, 도 4, 도 5 참조).
또한, 종래에 있어서는, 투명막 등의 형성된 막을 제거하는 레이저빔으로서 해당 형성된 막에 잘 흡수되는 광흡수 계수가 큰 파장의 레이저빔을 사용하고 있었지만, 다음과 같은 문제가 있었다. 예를 들면, 도 22(a)에 도시하는 바와 같이, 기판 (1)의 상면에 형성된 기초층으로서의 a-Si 박막 (2) 위에 막이 형성된 투명막 (3)을 제거하는 경우에, FHG(fourth harmonic generation：제4 고조파, 파장=266 nm) 레이저를 사용하면, 투명막 (3)에 잘 흡수되는 광흡수 계수가 큰 파장이므로, 가공에 제공하는 에너지가 과대해져서, 열영향이 투명막 (3) 하층의 기초층 (2)에도 미치고, 또한, 레이저빔LZ의 에너지 강도 분포가 중앙이 강하고 중앙으로부터 멀어짐에 따라 약해지는 이른바 Gauss 분포가 되므로, 동 도(b)에 도시하는 바와 같이, 투명막 (3)만을 정밀하게 제거할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 다시 설명하면, 레이저빔LZ가 Gauss 분포를 위해서 투명막 (3)은 테이퍼형상 부분 (3a)을 형성하도록 하여 제거되어 버리고, Gauss 분포의 중앙의 최강부에 의해서 기초층 (2)도 제거되어 손상 부분 (2a)이 발생되고, 또한, 기초층 (2)의 레이저빔LZ이 조사된 부위는 열에 의해서 변성되어 버린다고 하는 문제가 발생하였다.
또한, 도 23에 도시하는 바와 같이, 투명막 (3)의 윗쪽에 차광 마스크 (4)를 배치하여 투명막에 흡수되는 레이저빔LZ의 Gauss 분포의 중앙 부분의 영역을 투명막 (3)에 조사해서 가공하는 것이 제안되어 있으나, Gauss 분포의 중앙 부분으로부터 멀어진 에너지 강도가 낮은 위치에 있어서는 투명막 (3)을 제거하지 못하고 말리는 부분 (3b)이 발생하거나 Gauss 분포의 중앙 부분의 에너지 강도가 높은 위치에 있어서는 도 22(b)와 같이 기초층 (2)의 레이저빔LZ의 조사를 받은 부위가 열에 의해서 변성되어 버린다고 하는 문제가 발생하였다.
또한, 특허 문헌 2에 있어서는, 기초층이 되는 박막 EL유기 발광층 위에 막이 형성된 투명층을 통해서 Gauss 분포의 레이저빔을 기초층까지 조사해서, 기초층의 아브레이션(ablation)에 의해서 기초층의 일부와 그 상층의 투명층을 함께 제거하는 것이 제안되고 있다. 그러나 Gauss 분포의 레이저빔을 사용하고 있으므로, 기초층에 손상이 발생하거나 레이저빔의 파장이 900 nm이상으로 되어 있으므로 가공부 주변에 대한 열영향을 충분히 억제할 수 없다고 하는 문제가 발생하였다.
또한, 실리콘계, 화합물계 및 유기계의 태양전지에 있어서의 P1~P3의 패터닝 가공 중 각 셀을 분할하는 P3에 있어서는, 레이저빔에 의한 가공부 주변에 열영향을 주어 버리는 것이었다. 예를 들면, 도 25에 도시하는 바와 같이, 기판 (1) 위에 하부 전극(금속 전극층) (6), 태양전지층 (7) 및 상부 전극(투명 막상의 투명 전극층) (8)을 차례로 적층한 태양전지 모듈 (5)에 대해서, 상부 전극 (8)측에서 레이저빔LZ를 조사해서 상부 전극 (8) 및 태양전지층 (7)을 스크라이빙 하여 절연 가능한 폭(W)의 홈 (9)을 형성하면, 하부 전극 (6)에 손상이 발생하거나 태양전지층 (7)의 홈 (9)의 내측면인 가공부 주변에 열영향이 발생하여, 발전 효율을 저하시킨다고 하는 문제가 발생하였다.
[특허 문헌 1] 특개 2010-201473호 공보 [특허 문헌 2] 특허 제3479761호 게재 공보 [특허 문헌 3] 국제 공개 WO2009/066571호 공보
본 출원인은, 에너지 강도 분포가 Gauss 분포가 아니고, 피가공물에 조사되는 레이저빔의 전체 영역에 있어서 일정한 톱 햇 분포의 레이저빔에 의해서 가공하는 것을 제안하고 있다(특허 문헌 3, 특허 문헌 1의 단락(0040) 참조).
그 후의 본원 발명자의 연구한 바에 의하면, 톱 햇 분포의 레이저빔을 사용해서 투명막을 제거하는 경우에 있어서, 종래대로 투명막에 잘 흡수되는 광흡수 계수가 큰 파장의 레이저빔을 사용하면, 다음과 같은 문제가 발생하는 것이 판명되었다. 즉, 첫째로, 투명막을 확실하게 제거하기 위해서는 레이저빔의 에너지를 적어도 투명막에 흡수되는 양만큼을 많이 할 필요가 있고, 결국 가공에 필요한 에너지가 과대해져서, 열영향을 낮게 억제할 수 없다고 하는 문제가 발생한다. 둘째로, 도 24(a)에 도시하는 바와 같이, 투명막 (3)은 막두께가 불균일하므로, 톱 햇 분포의 레이저빔LZ을 조사해도, 동 도(b)에 도시하는 바와 같이, 투명막 (3)의 막두께의 불균일성이 그대로 가공 결과에 나타나고, 투명막 (3)에는 가공 잔여 부분 (3c)이 발생하고, 기초층 (2)에는 손상 부분 (2a)이 발생하여, 다시, 기초층 (2)의 레이저빔LZ의 조사를 받은 부위는 열에 의해서 변성되어 버린다고 하는 문제가 발생한다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 차례로 적층되어 있는 표층과 하층을 갖춘 피가공물에 대해서, 하층에 대한 손상을 낮게 억제해서 표층만을 확실하게 제거할 수 있고 피가공물에 대한 가공품질을 향상시킬 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1의 상태의 레이저 가공 방법은, 차례로 적층되어 있는 표층과 하층을 갖춘 피가공물에 대해서, 상기 표층보다 하층의 광흡수 계수가 큰 레이저빔을 상기 표층측으로부터 하층 측에 향해서 조사하여, 상기 하층의 아브레이션에 의해서 상기 표층만을 제거하는 것을 특징으로 한다. 이로써 본 발명 방법에 의하면, 표층측으로부터 조사된 레이저빔은 하층에 있어서 흡수되어 하층의 표면 부분에서만 아브레이션이 일어나, 같은 부분이 폭발적으로 날려짐으로써 표층 부분도 함께 날려져서 제거되고, 하층에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층만의 제거를 확실하게 실행할 수 있어서 가공품질도 향상된다.
또한, 본 발명의 제2의 상태의 레이저 가공 방법은, 상기 표층 및 하층은, 각각이 재질에 따라 레이저빔의 파장에 대응하는 광흡수 계수치가 정해져서 상기 레이저빔은, 상기 표층에 비해서 하층의 광흡수 계수치가 커지는 파장으로 설정되어 있는 것을 특징으로 한다. 이로써 본 발명 방법에 의하면, 적정한 광흡수 계수를 가지는 파장을 갖춘 레이저빔에 의해서, 보다 확실하게 하층에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층만의 제거를 확실히 실행할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3의 상태의 레이저 가공 방법은, 상기 레이저빔이, 에너지 강도 분포를 톱 햇 형상의 분포로 되어 있는 것을 특징으로 한다. 이로써 본 발명 방법에 의하면, 레이저빔의 조사 범위에 있어서의 광강도를 균일하게 가공을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제4의 상태의 레이저 가공 방법은, 상기 레이저빔은, 해당 레이저빔의 광축에 직각 방향의 단면 형상이 직사각형인 직사각형 레이저빔이며, 이 직사각형 레이저빔은 피가공물 위에 연속해서 조사되고 연속되는 상기 직사각형 레이저빔끼리는 스포트폭의 10%이하의 범위에서 서로 중복 시켜서 상기 피가공물에 조사해서 가공하는 것을 특징으로 한다. 이로써 본 발명 방법에 의하면, 레이저빔의 광축에 직각 방향의 단면 형상이 직사각형인 직사각형 레이저빔이며 조사 범위내에 있어서 균일 강도를 가지는 레이저빔을 확실히 중복 시켜서 연속적인 레이저 가공을 할 수 있어서 중복 부분을 한방향으로 병렬시킴으로써 직선 상태의 스크라이빙 가공을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제5의 상태의 레이저 가공 방법은, 상기 피가공물의 표층이 투명막이며, 하층이 기재(基材) 또는 기재의 표면 측에 적층된 기초층인 것을 특징으로 한다. 이로써 본 발명 방법에 의하면, 기초층에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층의 투명막만을 확실하게 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 제6의 상태의 레이저 가공 방법은, 상기 피가공물이, 태양전지 모듈이며, 상기 표층이 투명 막형상의 상부 전극이며, 하층이 기재 및 기재의 표면 측에 적층된 태양전지층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이로써 본 발명 방법에 의하면, 태양전지 모듈에 있어서, 기초층에 포함되는 태양전지층에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층의 투명막인 상부 전극만을 확실하게 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 제7의 상태의 레이저 가공 방법은, 상기 레이저빔이, 상기 투명막에 대한 광흡수 계수가 100[/mm]이하인 동시에 상기 기초층에 대한 광흡수 계수가 1000[/mm]이상인 파장으로 되어 있는 것을 특징으로 한다. 이로써 본 발명 방법에 의하면, 적정한 광흡수 계수를 가지는 파장을 갖춘 레이저빔에 의해서, 보다 확실하게 기초층에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층의 투명막만을 확실하게 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 제8의 상태의 레이저 가공 방법은, 상기 레이저빔이, 투명막에 대한 광흡수 계수가 1[/mm]이하인 동시에 상기 기초층에 대한 광흡수 계수가 100000[/mm]이상인 파장으로 되어 있는 것을 특징으로 한다. 이로써 본 발명 방법에 의하면, 더욱 적정한 광흡수 계수를 가지는 파장을 갖춘 레이저빔에 의해서, 보다 확실하게 기초층에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층의 투명막만을 확실하게 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1의 상태의 레이저 가공 장치는, 레이저빔을 사출하는 레이저 장치와 상기 레이저 장치로부터 사출된 상기 레이저빔을 도광 하는 광섬유와 상기 광섬유와 상기 광섬유로부터 사출되는 상기 레이저빔을 집광 하여 피가공물에 조사하는 가공 헤드와 상기 가공 헤드와 상기 피가공물을 상대적으로 이동시키는 이동 수단을 갖춘 레이저 가공 장치이며, 상기 가공 헤드로부터 사출되는 상기 레이저빔을 상기 제1에서 제3 중 어느 하나의 상태로 기재된 레이저 가공 방법에 의한 레이저빔으로 하고 있는 것을 특징으로 한다. 이로써, 본 발명 장치에 의하면, 상기 제1에서 제3의 상태의 레이저 가공 방법에 따라서, 차례로 적층되어 있는 표층과 하층을 갖춘 피가공물에 대한 가공품질을 향상시킨 레이저 가공을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2의 상태의 레이저 가공 장치는, 상기 광섬유의 코어 단면이, 상기 광섬유의 전체 영역 또는 그 광배출(出光) 끝단으로부터 일정한 거리의 영역에 있어서 직사각형 모양으로 형성되어 있고 상기 광섬유로부터 사출하는 레이저빔이 광축에 직각 방향의 단면 형상이 직사각형인 것을 특징으로 한다. 이로써, 본 발명 장치에 의하면, 직사각형 단면의 조사 영역을 가지고, 또한 톱 햇 형상의 광강도도 균일한 레이저빔을 가지고 레이저 가공을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3의 상태의 레이저 가공 장치는, 상기 코어 단면이 직사각형 모양으로 형성된 영역의 길이가, 3 m이상으로 설정되어 있는 것을 특징으로 한다. 이로써, 본 발명 장치에 의하면, 레이저빔의 단면 강도 분포를 보다 균일하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제4의 상태의 레이저 가공 장치는, 상기 가공 헤드가, 상기 레이저빔의 에너지 강도 분포를 Gauss 분포로부터 톱 햇 형상의 분포로 변환하는 변환 수단을 갖추는 것을 특징으로 한다. 이로써, 본 발명 장치에 의하면, 톱 햇 형상의 광 강도도 균일한 레이저빔을 가지고 레이저 가공을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제5의 상태의 레이저 가공 장치는, 상기 광섬유로부터 사출하는 상기 레이저빔은 이 레이저빔의 광축에 직각 방향의 단면 형상이 직사각형인 직사각형 레이저빔이며, 상기 피가공물을 상기 이동 수단에 의해서 이동시키므로써 상기 펄스 레이저빔끼리를 스포트폭의 10%이하의 범위에서 서로 중복 시켜서 상기 피가공물에 조사하여 가공하는 것을 특징으로 한다. 이로써, 본 발명 장치에 의하면, 조사 범위내에 있어서 균일 강도를 가지는 레이저빔을 확실하게 중복 시켜서 연속적인 레이저 가공을 할 수 있고 중복 부분을 한방향으로 병렬시킴으로써 직선 상태의 스크라이빙 가공을 할 수 있다.
본 발명 장치를 본 발명 방법에 따라 동작시킴으로써, 차례로 적층되어 있는 표층과 하층을 갖춘 피가공물에 대해서, 하층에 대한 손상을 낮게 억제해서 표층만을 확실하게 제거할 수 있어서 피가공물에 대한 가공품질도 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 레이저 가공 방법에 의한 가공 후의 상태를 나타내는 피가공물의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 레이저 가공 방법에 의한 피가공물을 막두께 방향으로 진행하는 레이저빔의 강도 변화를 나타내는 특성도이다.
도 3은 본 발명의 레이저 가공 장치의 제1 실시 형태를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 실시 형태의 광섬유를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 실시 형태의 광섬유의 코어 치수를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 실시 형태의 레이저 가공 장치에 의해서 피가공물의 조사 부위에 레이저빔의 직사각형 스포트가 조사한 상태를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 실시 형태의 레이저 가공 장치에 의해서 피가공물의 조사 부위에 레이저빔을 중복 해서 조사한 상태를 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 7의 단면도이다.
도 9는 광섬유의 길이가 10 mm인 경우에 있어서의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10은 광섬유의 길이가 10 mm인 경우에 있어서의 X=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 11은 광섬유의 길이가 3 m인 경우에 있어서의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 12는 광섬유의 길이가 3 m인 경우에 있어서의 X=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 13은 광섬유의 길이가 5 m인 경우에 있어서의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 14는 광섬유의 길이가 5 m인 경우에 있어서의 X=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 15는 광섬유의 길이가 10 m인 경우에 있어서의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 16는 광섬유의 길이가 10 m인 경우에 있어서의 X=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 17은 직사각형 단면의 코어를 전체 영역에 가지는 광섬유의 길이와 그 사출(NA)과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 레이저빔의 파장에 대해서 광섬유의 코어의 굵기를 변화시켰을 경우의 Y=0의 레이저빔의 단면 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 19는 장방형의 직사각형 단면을 가지는 레이저빔을 사용해서 중복 조사를 한 상태를 나타내는 평면도이다.
도 20은 본 발명의 레이저 가공 방법에 의한 가공 후의 상태를 나타내는 피가공물인 실리콘계 및 유기계의 태양전지 모듈의 종단면도이다.
도 21은 본 발명의 레이저 가공 방법에 의한 가공 후 상태를 나타내는 피가공물인 화합물계의 태양전지 모듈의 종단면도이다.
도 22는 종래의 Gauss 분포의 레이저빔을 사용한 레이저 가공 방법을 나타내는 피가공물의 종단면이며, (a)는 가공전을 나타내고, (b)는 가공 후를 나타낸다.
도 23은 종래의 다른 방법을 나타내는 도 20(b)와 같은 도이다.
도 24는 종래의 톱 햇 분포의 레이저빔을 사용한 레이저 가공 방법을 나타내는 피가공물의 종단면이며, (a)는 가공전을 나타내고, (b)는 가공 후를 나타낸다.
도 25는 종래의 레이저 가공 방법에 의한 가공 후의 상태를 나타내는 피가공물인 실리콘계 및 유기계의 태양전지 모듈의 종단면도이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 설명한다.
＜레이저 가공 방법에 대해서＞
우선, 본 발명의 레이저 가공 방법의 원리를 도 1부터 도 2에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명 방법에 의한 피가공물의 레이저 가공 상태를 나타내고 있고 도 20과 동일 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
본 발명 방법에 있어서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 기판 (1) 위에 하층 (2) 및 표층 (3)이 차례로 적층된 피가공물 (W)에 대해서, 표층 (3)보다 하층 (2)의 광흡수 계수(α)(이하, 광흡수 계수라고 한다)가 큰 레이저빔(LZ)을 표층 (3)측으로부터 하층 (2) 측으로 향해서 조사하고, 하층 (2)의 아브레이션에 의해서 표층 (3)만을 제거하도록 형성되어 있다.
다시 설명하면, 표층 (3)측으로부터 조사된 레이저빔(LZ)은 하층 (2)에 흡수되고 하층 (2)의 표면 부분에서만 아브레이션이 일어나, 같은 부분이 폭발적으로 날아감으로써 표층 (3) 부분도 함께 날아가서 제거된다. 이로써 하층 (2)에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층 (3)만의 제거를 확실하게 실행할 수 있다.
여기서 피가공물 (W)로서는, 금속제나 유리제등의 기판 (1)에 대해서 각종 박막을 형성한 것을 들 수 있고 하층 (2)과 표층 (3)이 차례로 적층되어 있는 소재이면 어떤 것이어도 된다. 또한, 하층 (2)이 기판 (1)을 겸하고 있는 것도 포함된다. 그리고, 가공 방법의 구체적인 예로서는, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼상에 막이 형성된 SiO2 보호막을 제거하여 박리시키거나 a-Si 박막상에 막이 형성된 투명막을 제거해서 박리 시키거나 실리콘계, 화합물계 및 유기계의 태양전지상에 막이 형성된 투명막을 제거해서 박리 시키는 것을 들 수 있다.
상기 레이저빔(LZ)은 톱 햇 형상으로 분포하도록 형성되어 있다. 이 레이저빔을 톱 햇 형상으로 하는 것에 대해서는 본 발명의 레이저 가공 장치에서 설명한다.
상기 레이저빔(LZ)의 광흡수 계수란, 레이저빔이 물질내를 단위길이 진행하는 동안에 흡수되는 비율을 나타내고, 레이저빔의 파장과 물질이 정해지면 결정되는 값이다.
이 물질의 막두께와 광흡수 계수를 변화시켰을 경우의 레이저빔의 투과율은 표 1의 매트릭스와 같아진다.
Figure pct00001
표 1에 있어서, 매트릭스의 우측상향 경사진 빗금부의 투과율이 1 또는 1 이하의 1에 가까운 값이므로 레이저빔은 물질을 투과 하고, 또한, 매트릭스의 우측하향 경사진 빗금부의 투과율이 4.5 E-05이므로 레이저빔은 물질에 흡수된다.
이 표 1에 따라, 레이저빔(LZ)의 파장으로서 표층 (3) 및 하층 (2)의 각 재질에 따라 정해져 있는 레이저빔의 파장에 대응하는 광흡수 계수치를 표층 (3)보다 하층 (2)의 광흡수 계수가 커지는 파장으로 설정하면 된다.
구체적으로는, 예를 들면, 통상의 막두께가 0.1-10μm정도의 투명막 (3)에 대해서 레이저 가공을 하는 경우에는, 투명막 (3)에 대한 광흡수 계수가 100[/mm]이하인 동시에 기초층 (2)에 대한 광흡수 계수가 1000[/mm]이상(바람직하게는 투명막 (3)에 대한 광흡수 계수가 1[/mm]이하인 동시에 기초층 (2)에 대한 광흡수 계수가 100000[/mm]이상)인 파장의 레이저빔(LZ)을 사용하면 된다. 이로써 한쪽의 막두께가 0.1-10μm정도의 투명막 (3)에 있어서는, 레이저빔이 흡수되지 않으므로, 발열을 일으키지 않는다. 다른쪽의 기초층 (2)에 있어서는, 표면으로부터 0.1-10μm의 깊이의 표면 부분에 있어서 레이저빔(LZ)이 거의 흡수되므로, 해당 표면 부분 만이 손상을 받으므로, 아브레이션을 확실하게 발생시킬 수 있다.
표 1에 따라, 예를 들면, 상기 각종 투명막에 대해서 파장을 선택하면, SHG(second harmonic generation：제2 고조파, 파장=532 nm) 레이저 또는 THG(third harmonic generation：제3 고조파, 파장=355 nm) 레이저가 적합하다.
도 2는 본 발명 방법에 따라 적정한 파장을 가지는 레이저빔을 투명막에 조사시켰을 때의 광강도(I)의 막두께 방향(x)의 변화를 나타낸 것이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명 방법에 의하면, 가공 헤드로부터 사출된 레이저빔(LZ)은, 첫째로, 공기중을 광강도 Ix로 진행해서, 투명막 (3)에 광입사할 때에 반사된 만큼이 줄어서 광강도 Io 로 광이 입사되고(入光), 둘째로, 그 후 투명막 (3)의 막두께 t1내를 투명막 (3)의 광흡수 계수가 작기 때문에 광강도 Io 를 유지하거나 또는 약간 감소하면서 진행하며, 셋째로, 기초층(2)의 막두께 t2내를 기초층 (2)의 광흡수 계수가 크기 때문에 기초층 (2)의 표면을 x=0으로서 광강도 I(I=Io×Eep(-αx))에 따라서 지수함수적으로 급감하면서 진행한다.
이와 같이 본 발명 방법에 의하면, 표층 (3)측으로부터 조사된 레이저빔(LZ)은 하층 (2)에 흡수되어 하층 (2)의 표면 부분에서만 아브레이션이 일어나고, 같은 부분 (2)이 폭발적으로 날려지므로 표층 (3) 부분도 함께 날려져 제거되고, 하층 (3)에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층 (2)만의 제거를 확실하게 실행할 수 있어서 가공품질도 향상된다.
＜레이저 가공 장치에 대해서＞
다음에, 본 발명의 레이저 가공 장치를 도 3부터 도 19에 대해서 설명한다.
본 발명의 레이저 가공 장치는, 에너지 강도 분포가 피가공물 (W)에 조사되는 레이저빔의 전체 영역에 있어서 일정한 톱 햇 분포의 레이저빔이며, 표층보다 하층의 광흡수 계수가 큰 레이저빔에 의해서 가공하도록 형성되고 있다. 레이저빔을 톱 햇 분포로 하는 구성은 상기 특허 문헌 3 및 특허 문헌 1의 단락(0040)에 기재되어 있는 구성에 따르는 것이다.
＜제1 실시 형태＞
먼저, 상기 특허 문헌 3에 따르는 구성에 대해 도 3부터 도 19에 대해서 설명한다.
도 3은, 본 발명의 일실시 형태의 레이저 가공 장치 (11)의 개념도를 나타내고 있다.　본 실시 형태의 레이저 가공 장치 (11)는, 플래시 램프 여기(勵起)에 의해서 레이저빔(LZ)을 발생시켜서, 피가공물 (W)의 원하는 조사 부위 (LP)에 그 레이저빔(LZ)을 조사하는 장치이다. 또한, 이 레이저 가공 장치 (11)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 레이저빔(LZ)을 사출하는 레이저 장치 (12)와 레이저 장치 (12)로부터 사출된 레이저빔(LZ)을 도광 하는 광섬유 (13)와 광섬유 (13)로부터 사출되는 레이저빔(LZ)을 집광하여 피가공물 (W)에 조사하는 가공 헤드 (14)와 가공 헤드 (14)와 피가공물 (W)을 상대적으로 이동시키는 이동 수단 (15)을 갖추고 있다.
본 실시 형태의 레이저 장치 (12)는, YAG(Yttrium Aluminum Garnet：이트륨·알루미늄·가닛) 로드 (16), 크세논램프 등의 플래시 램프 (17), 전원 장치 (18), 제어부 (19), 전반사 미러 (20) 및 출력 미러 (21)를 가지고 있다. YAG 로드 (16)는, 광학 특성이 뛰어난 레이저 매질의 하나이며, 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 플래시 램프 (17)는, YAG 로드 (16)의 옆에 배치되어 있다. 즉, 본 실시 형태의 레이저 장치 (12)는, YAG 로드 (16)의 옆에 배치된 플래시 램프 (17)로부터 YAG 로드 (16)에 여기용 빛을 직접 조사하므로써 YAG 로드 (16)의 원자를 광여기시키는 사이드 폰핑 방식의 YAG 레이저빔(LZ)발생기이다.
전원 장치 (18)는 플래시 램프 (17) 및 제어부 (19)의 사이에 접속되어 있고 제어부 (19)에 의해 플래시 램프 (17)의 전력을 공급한다. 제어부 (19)는, 전원 장치 (18)를 통해서 레이저 장치 (12)의 출력 및 레이저빔(LZ)의 특성을 제어하도록 형성되어 있다. 본 실시 형태의 레이저 장치 (12)는 YAG 레이저빔(LZ)발생기이다. 본 실시 형태의 레이저 가공 장치 (11)의 제어부 (19)는, YAG 레이저의 발진 파장λ이 기본 파장 1064 nm의 SHG 레이저, THG 레이저, FHG 레이저의 고조파를 발진시키도록 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치 (11)의 제어부 (19)는, 전원 장치 (18)를 통해서 플래시 램프 (17)의 펄스 점등을 제어하므로써, 펄스 YAG 레이저를 발생하도록 설정되어 있다.
전반사 미러 (20)는, YAG 로드 (16)의 한끝면(도 3에 있어서는 YAG 로드 (16)의 좌끝면)으로부터 소정의 간격을 두고 배치되어 있다. 이 전반사 미러 (20)는, YAG 로드 (16)의 일단면으로부터 출력한 레이저빔(LZ)을 YAG 로드 16의 일단 측에 전반사 시키고 있다.
출력 미러 (21)는, YAG 로드 (16)의 다른 끝면(도 3에 있어서는 YAG 로드 (16)의 우끝면)으로부터 소정의 간격을 두고 배치되어 있다. 이 출력 미러 (21)는, 고체 레이저빔(LZ)만 투과 시키는 반투과성을 가지고 있다.
입사 광학 유닛 (22)은, 레이저 장치 (12)의 출력 미러 (21)로부터 출력된 레이저빔(LZ)을 좁힘으로써, 그 레이저빔(LZ)을 광섬유 (13)의 광입사(入光) 끝단 (13a)에 입광 시키는 것이다. 본 실시 형태의 입사(入射) 광학 유닛 (22)에 있어서는, 주로 집광렌즈 (23)가 사용되고 있다. 이 집광렌즈 (23)의 촛점거리 f1는 40 mm로 설정되어 있다.
광섬유 (13)는, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 그 내부에 배치된 코어 (24)를 사용하여 레이저빔(LZ)을 전송하는 광도파로이며, 입사 광학 유닛 (22)과 사출 광학 유닛을 겸한 가공 헤드 (14)와의 사이에 배치되어 있다. 레이저빔(LZ)은 입사 광학 유닛 (22)측으로부터 입사 하므로, 본 실시 형태의 광섬유 (13)에 있어서는, 입사 광학 유닛 (22)측의 끝면이 광섬유 (13)의 광입사 끝단 (13a)이 되어, 가공 헤드 (14)측의 끝면이 광섬유 (13)의 광배출 끝단 (13b)이 된다.
광섬유 (13)의 광배출 끝단 (13b)에 있어서의 코어 (24)의 단면은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 직사각형으로 형성되어 있다. 직사각형 단면형상의 코어 (24)에 있어서는, 광섬유 (13)의 전체 영역에 형성되어 있어도 된다. 본 실시 형태의 광섬유 (13)의 코어 (24)의 단면은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 그 광배출 끝단 (13b)으로부터 일정한 거리 (FL)의 영역에 있어서 직사각형으로 형성되어 있고 그 나머지 영역의 코어 (24)의 단면에 있어서는 원형 모양으로 형성되어 있다. 전술한 일정한 거리 FL(직사각형 단면의 코어 (24)를 전체 영역에 가지는 광섬유 (13)의 경우는 그 전체 길이)에 있어서는, 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포, 사출(NA)(Numerical Aperture：개구수) 및 레이저빔(LZ)의 취급 용이성의 관점에서 3 m~30m 정도가 바람직하고, 5 m~10m 정도가 보다 바람직하다.
광섬유 (13)의 코어 (24)의 치수에 있어서는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 직사각형 단면의 한 변 (L)이 레이저빔(LZ)의 파장λ의 150배 이상(본 실시 형태에 있어서는 L=0.52 mm=489λ)이며, 원형 단면의 직경 (R)은 R≤L로 되어 있다. 레이저빔(LZ)의 전송 손실을 막기 위해서, 광입사 끝단 (13a)측의 원형 단면의 직경 (R)은 광배출 끝단 (13b)측의 직사각형 단면의 한 변 (L)의 값을 넘지 않지만 그와 근사한 값이 바람직하다.
가공 헤드 (14)는, 광섬유 (13)의 광배출 끝단 (13b)으로부터 출광한 레이저빔(LZ)을 피가공물 (W)의 조사 부위 (LP)에 조사하는 것이며, 주로, 코리메이트렌즈 (25), 벤트미러 (26) 및 출광 렌즈 (27)를 사용하여 형성되어 있다. 코리메이트렌즈 (25)의 촛점거리 (f2)는 100 mm로 설정되어 있고 출광 렌즈 (27)의 촛점거리 (f3)는 50 mm로 설정되어 있다. 이러한 촛점거리 (f2, f3)는, 피가공물 (W)의 특성 및 조사 조건에 따라 적당히 변경하는 것이 바람직하고, 미세한 가공등을 하기 위해서는, 상기 광배출 끝단 (13b)으로부터 출광한 레이저빔(LZ)의 직사각형의 한 변을 상기 조사 부위 (LP)에 한 변이 1/2에서 1/5이 되도록, 가공 헤드 (14)에 의해서 광학적으로 축소하면 된다. 구체적으로는, f3/f2를 1/2에서 1/5이 되도록 설정한다.
다음에, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치 (11)를 사용한 본 발명의 레이저 가공 방법을 설명한다.
피가공물 (W)의 조사 부위 (LP)는, 도 3에 나타낸 레이저 가공 장치 (11)에 있어서의 4개의 공정을 거침으로써, 레이저 가공이 실시된다.
제1 공정에 있어서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 레이저 장치 (12)로부터 원하는 펄스 YAG 레이저빔(LZ)이 입사 광학 유닛 (22)을 향해서 출력된다. 제1 공정의 구체적 내용으로서는, 처음에, 제어부 (19)에 의해서 제어된 전원 장치 (18)가 플래시 램프 (17)를 점등하므로써, YAG 로드 16의 원자를 여기한다. 그 때, 플래시 램프 (17)를 펄스 점등하므로써, 레이저빔(LZ)의 펄스폭을 원하는 값이 되도록 조정한다. 레이저빔(LZ)은 YAG 로드 (16)의 한쪽 끝면 및 다른 끝면의 양끝면으로부터 출력되지만, YAG 로드 (16)의 한쪽 끝면으로부터 출력된 레이저빔(LZ)은 전반사 미러 (20)에 의한 전반사에 의해서 YAG 로드 (16)의 한쪽 끝측으로부터 YAG 로드 (16)에 입력된다. 또한, YAG 로드 (16)의 다른 끝면 측에 배치된 출력 미러 (21)는, 고체 레이저빔(LZ)만을 투과 시킨다. 본 실시 형태에 도 1의 피가공물 (W)의 투명막 (3)을 제거하는 레이저 가공을 하는 경우에는, 투명막에 대해서 적합한 파장을 가지는 SHG(second harmonic generation：제2 고조파, 파장=532 nm) 레이저 또는 THG(third harmonic generation：제3 고조파, 파장=355 nm) 레이저를 발진시킨다. 이로써, 레이저 장치 (12)로부터 원하는 펄스 YAG 레이저빔(LZ)이 입사 광학 유닛 (22)을 향해서 출력된다.
제2 공정에 있어서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 레이저 장치 (12)로부터 출력된 레이저빔(LZ)을 입사 광학 유닛 (22)을 통해서 광섬유 (13)의 광입사 끝단 (13a)에 입광 시킨다. 레이저빔(LZ)의 입광방법으로서는, 광섬유 (13)의 치수나 그 입사 NA에 따라 입사 광학 유닛 (22)의 집광렌즈 (23)에 의해 레이저빔(LZ)을 조여서 실시한다.
제3 공정에 있어서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 단면이 직사각형으로 변환된 레이저빔(LZ)을 광섬유 (13)의 광배출 끝단 (13b)에서 출광시킨다. 제3 공정의 구체적 수단으로서는, 도 4에 나타낸 본 실시 형태의 광섬유 (13)의 광입사 끝단 (13a)에 레이저빔(LZ)을 입광 하여 실시한다. 본 실시 형태의 광섬유 (13)는 광섬유 (13)의 광배출 끝단 (13b)으로부터 일정한 거리 (FL)의 영역에 있어서 코어 (24)의 단면이 직사각형으로 형성되어 있으므로, 광섬유 (13)에 입사 한 레이저빔(LZ)의 단면이 원형이었다고 해도, 광섬유 (13)의 광배출 끝단 (13b)으로부터 사출할 때 레이저빔(LZ)의 단면이 직사각형의 펄스 레이저빔으로 변환된다. 또한, 전술한 광섬유 (13)의 일정한 거리 (FL), 즉 코어 (24)의 단면이 직사각형으로 형성된 영역의 광섬유 (13)의 길이가 3 m이상으로 설정되어 있으면, 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포를 균일하게 할 수 있다. 이 광섬유 (13)의 일정한 거리 (FL)의 상세한 것에 대해서는 후술한다.
제4 공정에 있어서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 광섬유 (13)의 광배출 끝단 (13b)으로부터 출광한 레이저빔(LZ)을 가공 헤드 (14)를 통해서 피가공물 (W)의 조사 부위 (LP)에 조사한다. 가공 헤드 (14)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 코리메이트렌즈 (25), 벤트 미러 (26) 및 출광 렌즈 (27)에 의해서 형성되어 있지만, 이들을 통해서 광섬유 (13)의 광배출 끝단 (13b)으로부터 출광한 레이저빔(LZ)을 조사 부위 (LP)에 조사해도, 레이저빔(LZ)의 단면 형상은 변화하지 않는다. 그 때문에, 도 6에 도시하는 바와 같이, 조사 부위 (LP)에 조사하는 레이저빔(LZ)의 단면 형상(레이저빔(LZ)의 스포트 S의 형상)을 직사각형으로 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 코리메이트렌즈 (25)와 출광 렌즈 (27)와의 촛점거리의 비가, f3/f2=1/2이므로, 조사 부위 (LP)에 있어서는, 광섬유 (13)의 직사각형의 한 변의 길이 L=0.52 mm의 1/2의 0.26 mm=260μm로 형성된다. 이로써 한 변의 길이가 260μm의 직사각형 단면의 레이저빔(LZ)을 사용해서 미세한 가공을 할 수 있다.
　본 실시 형태와 같이, 레이저빔(LZ)의 단면 형상이 직사각형이면, 도 7에 도시하는 바와 같이, 오버랩율 (OL)의 값을 0%에 근접시킨 값(예를 들면 5~10%정도)으로 설정하였다고 해도, 균일한 폭을 가지는 선형상으로 투명막 (3)의 제거(스크라이빙)를 연속해서 할 수 있다. 그 때문에, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치 (11)를 사용해서 본 발명의 레이저 가공 방법을 실행하므로써, 투명막 (3)의 제거를 확실하게 행할 수 있다. 또한, 도 8에 도시하는 바와 같이, 레이저빔의 강도 분포가 균일해짐으로, 레이저빔의 평면 단면 형상 뿐만 아니라, 피가공물 (W)의 두께 방향의 강도 분포도 직사각형에 가까워진다. 그 때문에, 오버랩율을 저하시켜서, 스포트수를 줄여도, 연속적으로 투명막 (3)의 제거를 할 수 있다.
또한, 도 7에 도시하는 바와 같이, 이론적으로는, 오버랩율 (OL)이 0% 때가 가장 효율적으로 레이저 가공을 할 수 있다. 그러나, 이웃에 위치하는 레이저빔(LZ)의 스포트 S가 이간되어 버리면 레이저 가공이 불연속이 되어 버린다. 그 때문에, 오버랩율 (OL)은 0%보다 큰 값이 바람직하다.
다음에, 도 9 내지 도 16을 사용하여, 직사각형 단면의 코어 (24)를 전체 영역에 가지는 광섬유 (13)의 길이(광섬유 (13)의 일정한 거리 FL)와 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포와의 관계에 대해서 설명한다. 사용한 광섬유 (13)의 길이 (FL)는 10 mm, 3 m, 5 m, 10 m의 4 종류이다. 또한, 이 광섬유 (13)의 코어 (24)의 한 변 (L)는 0.53 mm(광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우만 0.3 mm)이다.
도 9 및 도 10은, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우에 있어서의 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 광섬유 (13)의 스포트 (S)의 중심을 XY좌표의 중심으로 설정하고, Y=0에 있어서의 레이저빔(LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포를 도 9에 나타내고, X=0에 있어서의 레이저빔(LZ)의 Y좌표의 단면 강도 분포를 도 10에 나타내고 있다. 도 9 및 도 10에 도시하는 바와 같이, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우에 있어서는, 광섬유 (13)의 스포트 (S)의 끝단부(X, Y=-0.3 mm 또는 0.3 mm)부터 완만하게 레이저빔(LZ)의 강도가 상승하고 있어서, 레이저빔(LZ)의 강도 파형이 0도~90도간의 정현파 또는 여현파를 닮은 형상으로 되어 있다. 또한, 도 9 및 도 10에 도시하는 바와 같이, 단면 강도 분포의 변화의 폭도 크다.
이로써, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우에 있어서는, 레이저빔(LZ)의 강도 파형이 이상적인 직사각형 파형과는 다른 산형의 형상이 된다. 또한, 레이저빔(LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화도 급격하기 때문에, 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포가 균일하지 않음을 알 수 있다.
도 11 및 도 12는, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 3 m인 경우에 있어서의 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 11은 Y=0에 있어서의 레이저빔(LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포를 나타내고, 도 12는 X=0에 있어서의 레이저빔(LZ)의 Y좌표의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 11 및 도 12에 도시하는 바와 같이, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 3 m인 경우에 있어서의 레이저빔(LZ)의 강도 파형은, 그 스포트 (S)의 일 끝단(X, Y= 약 -0.8 mm)부터 급격하게 상승하여, 2.2W/cm2 부근에 있어서 일시적인 정체가 생기고 그 스포트 (S)의 다른 끝단(X, Y= 약 0.8 mm)이 되면 급격하게 저하한다. 또한, 도 11 및 도 12에 도시하는 바와 같이, 도 9 및 도 10에 나타낸 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우의 단면 강도 분포와 비교하면, 그들의 단면 강도 분포의 변화의 폭도 작다.
이로써, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 3 m인 경우, 도 9 및 도 10에 나타낸 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우와 비교하여, 그 레이저빔(LZ)의 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워진 형상으로 되어 있다. 또한, 레이저빔(LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화도 작아지고 있다. 그 때문에, 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포는 어느 정도 균일하게 되는 것을 알 수 있다.
도 13 및 도 14는, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 5 m인 경우에 있어서의 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 13은 Y=0에 있어서의 레이저빔(LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포를 나타내고, 도 14는 X=0에 있어서의 레이저빔(LZ)의 Y좌표의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 13 및 도 14에 도시하는 바와 같이, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 5 m인 경우에 있어서의 레이저빔(LZ)의 강도 파형은, 그 스포트 (S)의 일 끝단(X, Y= 약 -0.8 mm)으로부터 급격하게 상승하여, 2.6W/cm2 부근에 있어서 일시적인 정체가 생기고 그 스포트 (S)의 다른 끝단(X, Y= 약 0.8 mm)이 되면 급격하게 저하한다. 또한, 도 13 및 도 14에 도시하는 바와 같이, 그러한 단면 강도 분포의 변화의 폭도 작다.
이로써, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 5 m인 경우, 도 11 및 도 12에 나타낸 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 3 m인 경우와 같이, 그 레이저빔(LZ)의 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워진 형상으로 되어 있다. 한편, 레이저빔(LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화는 도 11 및 도 12에 나타낸 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 3 m인 경우의 해당 강도 변화보다 작아지고 있다. 그 때문에, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 5 m인 경우의 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포는 그 길이 (FL)가 3 m인 경우의 강도 분포보다 균일하게 되는 것을 알 수 있다.
그리고, 도 15 및 도 16은, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 m인 경우에 있어서의 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 15는 Y=0에 있어서의 레이저빔(LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포를 나타내고, 도 16은 X=0에 있어서의 레이저빔(LZ)의 Y좌표의 단면 강도 분포를 나타내고 있다. 도 15 및 도 16에 도시하는 바와 같이, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 m인 경우에 있어서의 레이저빔(LZ)의 강도 파형은, 그 스포트 (S)의 일 끝단(X, Y= 약 -0.8 mm)으로부터 급격하게 상승하여, 1.15W/cm2 부근에 있어서 일시적인 정체가 생기고 그 스포트 (S)의 다른 끝단(X, Y= 약 0.8 mm)이 되면 급격하게 저하한다. 또한, 도 15 및 도 16에 도시하는 바와 같이, 단면 강도 분포의 변화의 폭도 작음을 알 수 있다.
이로써, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 m인 경우, 도 13 및 도 14에 나타낸 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 5 m인 경우와 같이, 그 레이저빔(LZ)의 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워진 형상으로 되어 있다. 또한, 도 13 및 도 14에 나타낸 광섬유 (10)의 길이 (FL)가 5 m인 경우의 해당 강도 변화와 비교하여, 레이저빔(LZ)의 극대치·극소치간에 있어서의 강도 변화는 보다 작아지고 있다. 그 때문에, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 m인 경우의 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포는, 그 길이 (FL)가 5 m인 경우의 강도 분포보다 한층 더 균일하게 되는 것을 알 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 길어질수록, 레이저빔(LZ)의 강도 파형은 이상적인 직사각형 파형에 가까워지고, 또한, 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포가 균일하게 가까워지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 8 내지 도 16에 있어서는, 단면 강도 분포의 파형에 대해서 설명하였으나, 그 피크의 절대치에 있어서는 시간에 따라 변화하는 값이므로 수치 자체에 의미는 없다.
다음에, 직사각형 단면의 코어 (24)를 전체 영역에 가지는 광섬유 (13)의 길이 (FL)와 그 사출(NA)과의 관계에 대해서 설명한다. 사용한 광섬유 (13)의 직사각형 코어 (24)의 한 변 (L)은, 전술한 강도 분포를 측정한 광섬유 (13)와 같이, 0.53 mm(광섬유 (10)의 길이 (FL)가 10 mm인 경우만 0.3 mm)이다. 또한, 그 입사 NA는 0.0375, 파이버 NA는 0.4이다.
Figure pct00002
표 2는, 직사각형 단면의 코어 (24)를 전체 영역에 가지는 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 mm, 3 m, 5 m, 10 m인 경우에 있어서의 사출(NA)의 값을 나타내고 있다. 표 2에 도시하는 바와 같이, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 3 m이하인 경우, 광섬유 (13)의 사출(NA)은 그 입사 NA와 거의 같다. 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 5 m가 되면, 광섬유 (13)의 사출(NA)은 0.045가 되며, 그 입사 (NA)보다 커진다. 마찬가지로 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 10 m가 되면, 광섬유 (13)의 사출(NA)은 입사 (NA)의 2배 이상의 0.085가 되고, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 3 m인 경우의 사출(NA)보다 커진다. 즉, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 길어지면 그 사출(NA)이 급격하게 증가하는 경향에 있다.
도 17은, 직사각형 단면의 코어 (24)를 전체 영역에 가지는 광섬유 (13)의 길이 (FL)와 그 사출(NA)과의 관계를 나타내고 있다. 전술한 바와 같이, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 3 m이하인 경우, 광섬유 (13)의 사출(NA)은 그 입사 (NA)와 거의 같다. 그러나, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 3 m를 넘으면, 광섬유 (13)의 사출(NA)은 서서히 커져서, 그 변화의 비율도 커진다. 그러나, 사출(NA)은 파이버 (NA)의 값을 넘지 않기 때문에, 최종적으로는, 사출(NA)은 NA=0.4의 점차 근접선에 접근하도록 완만하게 변화한다. 단, 광섬유 (13)의 길이 (FL)가 너무 길면 레이저빔(LZ)의 최대 전송각이 커져서, 레이저빔(LZ)의 취급이 곤란하게 되는 문제도 있으므로, 광섬유 (13)의 길이 (FL)는 30 m정도로 억제해 두는 것이 바람직하다.
즉, 전술한 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포, 사출(NA) 및 레이저빔(LZ)의 취급 용이성을 고려하면, 광섬유 (13)의 길이(FL)는, 3 m~30m 정도, 특히 5 m~10m로 설정하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
다음에, 도 18 및 도 19를 사용하여, 피가공물 (W)의 조사 부위 (LP)에 조사하는 레이저빔(LZ)의 직사각형 단면의 미소화(微小化) 및 레이저빔의 단면 강도 분포의 균일화에 대해 설명한다.
먼저, 레이저빔(LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 도모하려면 광섬유 (13)의 코어 (24)의 직사각형 단면의 한 변(L)을 사이즈 다운하면 된다.
도 3에 나타내는 YAG 레이저의 발진 파장λ=532 nm(SHG)에 대해서, 코어 (8)의 한 변의 길이 (L)를,
L1=260μm=489λ,
L2=175μm=329λ,
L3=133μm=250λ,
L4=87μm=164λ,
L5=24μm=46λ
로 변화시켜서, 도 15와 같이 Y=0에 있어서의 레이저빔(LZ)의 X좌표의 단면 강도 분포의 경향을 구하면 도 18에 나타내는 바와 같다.
도 18에 의하면, 코어 (24)의 한 변의 길이가 L1, L2, L3, L4인 경우에는, 레이저빔의 강도 파형이 이상적인 직사각형 파형에 가까워진 형상으로 되어 있고 강도 변화도 작아졌다. 한편, 코어 (24)의 한 변의 길이가 L5인 경우에는, 레이저빔의 강도 파형이 이상적인 직사각형 파형과는 다른 형상이 되어 있고 강도 변화도 커졌다. 이 결과로부터, 레이저빔(LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 도모하는 동시에 레이저빔의 단면 강도 분포도 균일하게 유지하기 위해서는, L1, L2, L3, L4는 조건을 충족하고 있고 L5는 조건을 충족하지 못하였다. 즉, 레이저빔(LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 도모하는 동시에 레이저빔의 단면 강도 분포도 균일하게 유지하기 위해서는, 직사각형 단면의 한 변 L이 레이저빔의 파장(λ)의 150배 이상 필요하다는 것을 알 수 있다.
또한, 바람직하게는 직사각형 단면의 한 변 (L)이 레이저빔의 파장(λ)의 250배~350배이며, 레이저빔의 단면 강도 분포가 보다 균일하다.
또한, 레이저빔(LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 도모하려면 발진 파장λ=532 nm(SHG)을 발진할 수 있는 단파장의 광원쪽이 코어 (24)의 미소화를 보다 유효하게 완수할 수 있으므로, 발진 파장λ을 600 nm이하로 하는 것이 바람직하다.
코어 (24)의 미소화에는 레이저빔의 단면 강도 분포 유지의 면보다 하한이 존재하므로, 거듭되는 레이저빔(LZ)의 직사각형 단면의 미소화를 위해서는, 전술한 바와 같이 광섬유 (13)의 광배출 끝단 (13b)으로부터 출광한 레이저빔(LZ)의 직사각형의 한 변을 조사 부위 (LP)에 한 변이 1/2에서 1/5이 되도록, 가공 헤드 (14)에 의해 광학적으로 축소하면 된다. 광섬유 (13)로부터의 사출NA는, 실용적으로는 0.1이상 필요하며, 상기 축소 배율이 1/5보다 작아지면, 집광NA가 0.5이상으로 커져서, 초점심도가 작아져서 실용적이지 않다.
또한, 도 19에 도시하는 바와 같이, 광섬유 (13)의 코어 (24)의 직사각형 단면을 장방형으로 형성하면 된다. 이로써 이웃하는 스포트 (S)의 오버랩율을 더욱 저하시킬 수 있다. 또한, 같은 선폭으로 빔 면적을 크게 할 수 있으므로, 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포의 균일성도 향상시킬 수 있다. 즉, 굵은 광섬유 (13)를 사용하면서 미세한 레이저빔을 출력할 수 있어서 가공 속도도 향상된다.
또한, 레이저빔 발생 수단으로서 M2가 10~30 정도의 공지의 가로멀티 모드 레이저 발진기(도시하지 않음)를 사용함으로써, 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 세로 멀티 모드 레이저 발진기(도시하지 않음)를 사용할 수도 있다.
이상으로부터, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치 (11)에 의하면, 조사하는 레이저빔(LZ)의 단면 형상을 직사각형으로 형성해서 레이저 가공을 하고 있으므로, 레이저빔(LZ)의 오버랩율 (OL)을 저하시켰다고 해도, 균일폭의 선형상 레이저 가공을 정밀하게 할 수 있다. 또한, 레이저빔(LZ)의 강도 분포가 균일해짐으로, 레이저빔(LZ)의 평면 단면 형상뿐만이 아니고, 피가공물 (W)의 두께 방향의 강도 분포도 직사각형이 되므로, 오버랩율을 저하시키고, 스포트수를 줄여도, 연속적인 레이저 가공을 할 수 있다. 또한, 광섬유 (13)의 코어 (24)의 직사각형 단면의 한 변이 레이저빔(LZ)의 파장의 150배 이상으로 형성되어 있어서 가공 헤드 (14)는, 광섬유 (13)의 광배출 끝단으로부터 출광한 레이저 LZ빔을 축소하도록 형성되어 있으므로, 용접 대상 (W)의 용접 부위 LP에 조사하는 레이저빔(LZ)의 직사각형 단면의 미소화 및 레이저빔(LZ)의 단면 강도 분포의 균일화를 확실하게 도모할 수 있다.
또한, 본 발명 장치는, 전술한 실시 형태 등에 한정되는 것이 아니고, 필요에 따라서 다양한 변경이 가능하다.
예를 들면, 레이저 장치 (12)에는 플래시 램프 (17)가 사용되고 있으나, 플래시 램프 (17) 대신 복수의 반도체 레이저 다이오드를 사용해도 좋다. 그 때, 레이저빔의 스위칭(펄스 점등)은 전원 장치 (18)의 레이저 공진기 내부에 설치한 Q스윗치의 온 오프에 의해서 하면 된다.
또한, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치 (11)는 표면에 형성된 박막등의 제거 목적 외에 레이저 용접 목적으로도 적용 가능하다.
＜제2 실시 형태＞
다음에, 상기 특허 문헌 1의 단락(0040)에 기재되어 있는 톱 햇 분포를 실행하는 실시예에 대해서 도 3을 이용하여 설명한다.
본 실시예에 있어서는, 도 3의 광섬유 (13) 대신 코어의 전체 길이가 단면이 원형인 광섬유(도시하지 않음)를 사용하는 동시에, 해당 광섬유의 끝단에 SHG 레이저빔의 Gauss 분포를 톱 햇 분포로 변환하는 변환 수단을 갖춘 가공 헤드(모두 도시하지 않음)를 장착하여 형성하고 있다. 이 변환 수단으로서는, 예를 들면, LIMO 사제의 가우시안투툽햇컨버터를 사용하면 된다.
본 실시 형태에 톱 햇 분포의 레이저빔을 가지고 본 발명의 레이저 가공 방법에 따라서 레이저 가공을 할 수 있다. 구체적으로는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 표층 (3)측으로부터 조사된 레이저빔(LZ)이 하층 (2)에 흡수되어 하층 (2)의 표면 부분에서만 아브레이션이 일어나고, 같은 부분 (2)이 폭발적으로 날려지므로써 표층 (3) 부분도 함께 날려서 제거되고, 하층 (3)에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층 (2)만의 제거를 확실하게 실행할 수 있어서 가공품질도 향상하는 뛰어난 작용 효과를 발휘할 수 있다.
다음에, 톱 햇 분포의 레이저빔을 가지고 본 발명의 레이저 가공 방법에 따라서 각종 태양전지에 대한 P3 가공을 하는 경우를 설명한다.
도 20은, 실리콘계 및 유기계의 태양전지 모듈 (5)에 대해서 P3 가공을 하는 경우를 나타내고 있다. 동 도에 있어서, 태양전지층 (7)은 실리콘계에 있어서는 실리콘계 반도체를 가지고 형성되어 있고 유기계에 있어서는 유기계 반도체를 가지고 형성되어 있다.
도 20에 있어서, 톱 햇 분포의 레이저빔(LZ) 상태를, 그 폭(W)을 태양전지의 각 셀을 절연 가능하게 하는 폭(예를 들면, 50μm~100μm정도)으로 한 단면이 직사각형으로 하여, 상부 전극 (8)측에서 조사한다. 이로써 상부 전극 (8)측으로부터 조사된 레이저빔(LZ)이 태양전지층 (7)에 흡수되어 태양전지층 (7)의 표면 부분에서만 아브레이션이 일어나고, 같은 부분 (7)이 폭발적으로 날려짐으로써 상부 전극 (8) 부분도 함께 날려서 제거되고, 하층인 태양전지층 (7)에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층인 상부 전극 (8)만의 제거를 확실하게 실행할 수 있어서 가공품질도 향상되고, 태양전지로서의 기전력의 저하를 방지할 수 있다고 하는 뛰어난 작용 효과를 발휘할 수 있다.
도 21은, 화합물계의 CIGS 태양전지 모듈 (5)에 대해서 P3 가공을 하는 경우를 나타내고 있다. 동 도에 있어서, 태양전지층 (7)은 예를 들면 Cu, In, Ga, Se를 함유 하는 다결정을 가지고 형성되어 있고 또한, 상부 전극 (8)과 태양전지층 (7)과의 사이에는 얇은 버퍼층 (10)이 형성되어 있다. 버퍼층 (10)은, 예를 들면 CdS(황화카드뮴)에 의해 형성되어 있다.
도 21에 있어서, 도 20과 마찬가지로, 톱 햇 분포의 레이저빔(LZ) 상태를, 그 폭(W)을 태양전지의 각 셀을 절연 가능하게 하는 폭으로 한 단면이 직사각형으로 하여, 상부 전극 (8)측에서 조사한다. 이로써 상부 전극 (8)측으로부터 조사된 레이저빔(LZ)이 버퍼층 (10)에 흡수되어 버퍼층 (10)의 표면 부분에서만 아브레이션이 일어나고, 같은 부분 (10)이 폭발적으로 날려짐으로써 상부 전극 (8) 부분도 함께 날려서 제거되고, 하층인 태양전지층 (7)에 큰 손상을 주는 일 없이, 표층인 상부 전극 (8)만의 제거를 확실하게 할 수 있어서 가공품질도 향상되고, 태양전지로서의 기전력의 저하를 방지할 수 있다고 하는 뛰어난 작용 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명은 필요에 따라서 다양하게 변경 가능하다.
또한, 제1 실시 형태의 레이저 가공 장치의 특징을 모으면 아래와 같이 된다.
첫째로, 코어에 있어서의 해당 직사각형 단면의 한 변이, 레이저빔의 파장의 150배 이상으로 형성되어 있고 사출 광학 유닛은, 광섬유의 광배출 끝단으로부터 출광한 레이저빔을 축소하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
둘째로, 상기 사출 광학 유닛에 의한 축소 배율은, 1/2 내지 1/5로 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
셋째로, 상기 광섬유의 직사각형 단면의 한 변은, 상기 레이저빔의 파장의 250배 내지 350배로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
넷째로, 상기 레이저 장치가 출력하는 레이저빔의 파장은, 600 nm이하인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
다섯째로, 상기 광섬유의 직사각형 단면은, 장방형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
여섯째로, 레이저 장치는, 멀티 모드 레이저 발진기에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
일곱째로, 상기 레이저빔발생 수단은, 세로 멀티 모드 레이저 발진기에 의해서 형성되어 있고 상기 코어에 있어서의 해당 직사각형 단면의 한 변이, 상기 레이저빔의 파장의 25배 이상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
여덟째로, 상기 광섬유의 직사각형 단면은, 장방형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
1　기판
2　하층
3　표층
5　태양전지 모듈
6　하부 전극
7　태양전지층
8　상부 전극
11　레이저 가공 장치
12　레이저 장치
13　광섬유
14　가공 헤드
15　이동 수단
24　코어

Claims (13)

  1. 차례로 적층되어 있는 표층과 하층을 갖춘 피가공물에 있어서, 상기 표층보다 하층의 광흡수 계수가 큰 레이저빔을 상기 표층측으로부터 하층 측으로 향해서 조사하고, 상기 하층의 아브레이션에 의해서 상기 표층만을 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표층 및 하층은, 각각이 재질에 따라 레이저빔의 파장에 대응하는 광흡수 계수치가 정해지고
    상기 레이저빔은, 상기 표층에 비해서 하층의 광흡수 계수치가 커지는 파장으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저빔은, 에너지 강도 분포가 톱 햇 형상의 분포로 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 레이저빔은 해당 레이저빔의 광축에 직각 방향의 단면 형상이 직사각형인 펄스 레이저빔이며, 이 직사각형 펄스 레이저빔은 피가공 물위에 연속적으로 조사되어 연속되는 상기 직사각형 펄스 레이저빔끼리는 스포트폭의 10%이하의 범위에서 서로 중복 시켜서 상기 피가공물에 조사하여 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피가공물의 표층은 투명막이며, 하층은 기재(基材) 또는 기재의 표면 측에 적층된 기초층인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피가공물은, 태양전지 모듈이며, 상기 표층은 투명 막형상의 상부 전극이며, 하층은 기재 및 기재의 표면 측에 적층된 태양전지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 레이저빔은, 상기 투명막에 대한 광흡수 계수가 100[/mm]이하인 동시에 상기 기초층에 대한 광흡수 계수가 1000[/mm]이상인 파장으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서 상기 레이저빔은, 상기 투명막에 대한 광흡수 계수가 1[/mm]이하인 동시에 상기 기초층에 대한 광흡수 계수가 100000[/mm]이상인 파장으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  9. 레이저빔을 사출하는 레이저 장치와
    상기 레이저 장치로부터 사출된 상기 레이저빔을 도광 하는 광섬유와
    상기 광섬유로부터 사출되는 상기 레이저빔을 집광 하여 피가공물에 조사하는 가공 헤드와
    상기 가공 헤드와 상기 피가공물을 상대적으로 이동시키는 이동 수단을 갖춘 레이저 가공 장치이며,
    상기 가공 헤드로부터 사출되는 상기 레이저빔을 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 레이저 가공 방법에 의한 레이저빔으로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광섬유의 코어 단면은, 상기 광섬유의 전체 영역 또는 그 광배출 끝단으로부터 일정한 거리의 영역에 있어서 직사각형으로 형성되어 있어서 상기 광섬유로부터 사출하는 레이저빔이 광축에 직각 방향의 단면 형상이 직사각형인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 코어 단면이 직사각형으로 형성된 영역의 길이는, 3 m이상으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  12. 제9항에 있어서 상기 가공 헤드가, 상기 레이저빔의 에너지 강도 분포를 Gauss 분포로부터 톱 햇 형상의 분포로 변환하는 변환 수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유로부터 사출하는 상기 레이저빔은 이 레이저빔의 광축에 직각 방향의 단면 형상이 직사각형인 직사각형 펄스 레이저빔이며, 상기 피가공물을 상기 이동 수단에 의해서 이동시키므로서 상기 펄스 레이저빔끼리를 스포트폭의 10%이하의 범위에서 서로 중복 시켜서 상기 피가공물에 조사하여 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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