TWI510319B

TWI510319B - 偏光相位差板及雷射加工機

Info

Publication number: TWI510319B
Application number: TW102120866A
Authority: TW
Inventors: Kouji Funaoka; Toshie Yoshioka; Shinnosuke Soda; Yasuhiro Takigawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2015-12-01
Also published as: JP2014029467A; TW201404511A; JP5936574B2

Description

偏光相位差板及雷射加工機

本發明係有關利用了從細微的週期構造所產生的構造複折射的遠紅外光用的偏光相位差板。另外，本發明係有關使用了此偏光相位差板的雷射(laser)加工機。

作為於印刷(print)基板等之被加工物進行開孔加工等加工的以往的雷射加工機，已知有具有以下構成者。將1個雷射光以第1偏分光器(beam splitter)分歧為2個雷射光，一方的雷射光係經由鏡(mirror)，另一方的雷射光則以第1電流掃描器(galvanometer scanner)於YZ 2軸方向掃描，將2個雷射光導引至第2偏分光器後，以第2電流掃描器於XY 2軸方向掃描，對於XY台(stage)上的被加工物進行加工。在此，透過第1偏分光器的雷射光係以第2偏分光器反射，另一方面，以第1偏分光器反射的雷射光係構成如透過第2偏分光器般的光路。此雷射加工機係藉由個別掃描2個雷射光而可同時進行2個部位的加工(例如參照專利文獻1)。又，上述之雷射加工機的光源係以使用碳酸氣體(gas)雷射者為主流。

然而，於上述習知雷射加工機中，由於照射在被加工物的2個雷射光為偏光方向相差90°的直線偏光，故視被加工物的材質而存有因雷射光的直線偏光成分使得加工孔成為橢圓的課題。另外，亦存有視以何雷射光加工而導致橢圓加工孔的長軸方向不同的課題。如上所述的加工孔成為橢圓的現象，在被加工物為銅箔時尤其顯著。

為了處理上述課題，雖考慮過可於第2偏分光器與檢流計(galvanometer)之間的光路插入市售的反射型相位差板，而使其圓偏光化，但由於會導致第1電流掃描器遠離F θ透鏡(lens)達折返光路的部分，故第1電流掃描器可掃描的範圍將變窄，此外，透鏡收差變大，而使加工品質惡化。

因此，期望藉由設置透過型的偏光相位差板而將直線偏光的雷射光予以圓偏光化或橢圓偏光化。就偏光相位差板而言，已知有利用從細微的週期構造所產生的構造複折射者(例如專利文獻2至4等)。特別是專利文獻2、3中係使凸部成為錐狀而抑制菲涅耳(Fresnel)反射。專利文獻4中係使用可透過遠紅外光的硒化鋅(ZnSe)作為基板材料，藉由於表面使用YF₃ 而減低菲涅耳反射°

於製造利用了材料之複折射特性的偏光相位差板時，可列舉硫化鎘(CdS)作為可透過遠紅外光的材料。

(先前技術文獻) (專利文獻)

(專利文獻1)：國際公開第2003/082510號公報

(專利文獻2)：日本特開2007-178193號公報

(專利文獻3)：日本特開2005-044429號公報

(專利文獻4)：日本特開2011-232551號公報

(專利文獻5)：日本特開2006-258914號公報

(專利文獻6)：日本特開2008-096892號公報

(專利文獻7)：日本特開2008-279597號公報

(專利文獻8)：日本特開2006-323059號公報

(專利文獻9)：日本特開2005-177788號公報

然而，硫化鎘會因為酸的混入而產生有毒的硫化氫，因此從製造場所、及製造場所的環境對策的觀點來看係難以運用。

另外，於專利文獻2係使用熱可塑性樹脂作為基板材料，於專利文獻3係使用玻璃(glass)作為基板材料，故兩者之材料皆將吸收遠紅外光。

專利文獻4中，由於係使用ZnSe，故於加工之際將產生有毒氣體。因此需要特殊的廢棄設備而無法容易地加工。另外，積層於表面的YF₃ 由於吸收率高，故使高能量(energy)雷射光透過時，將因吸收所致的溫度上升而產生熱透鏡。所謂熱透鏡係指因吸收所致之溫度上升而導致於光學元件內產生溫度分佈而產生透鏡效果的現象。雷射加工機的情況時，若產生熱透鏡，會使光束(beam)的集光點遠離被加工物表面而成為加工品質惡化的缺陷。

本發明的目的為提供容易製作且遠紅外光的透過光量損失少的透過型偏光相位差板。

另外，本發明的目的為提供於將1個雷射光分歧成2個雷射光而進行2個部位的同時加工的方式中，可形成真圓形之加工孔的雷射加工機。

為了達成上述目的，本發明之一態樣係一種偏光相位差板，為於基板的至少一方的主面形成有藉由與基板相同且單一的材料排列複數個凸部且具有一定週期P的繞射光柵(diffraction grating，有稱為衍射光柵的情形，本文中稱為繞射光柵。)，且為利用前述繞射光柵的構造性複折射的偏光相位差板，其中，前述繞射光柵的週期P係入射光的波長為λ、基板材料的折射率(refraction index)為n而滿足P<λ/n，前述凸部的剖面形狀係從其底部遍及頂部地形成為錐(taper)狀，基板材料係使用ZnS。

於本發明中，較好為於前述凸部的頂部形成有相對於基板的主面平行的平坦部。

於本發明中，較好為於基板的兩面分別形成有前述繞射光柵。

於本發明中，較好為疊層複數個上述偏光相位差板。

於本發明中，較好為上述偏光相位差板係以繞射光柵的凸部相對向的方式疊層。

於本發明中，較好為繞射光柵的凸部係使用乾蝕刻(dry etching)來加工。

另外，本發明之其他態樣係一種雷射加工機，其係將從一個雷射振盪器出射的雷射光以第1偏分光器分歧成2個直線偏光雷射光，以第2偏分光器集合該2個直線偏光雷射光而入射至電流掃描器的鏡，以電流掃描器進行掃描而照射於被加工物，於該被加工物的預定位置進行開孔加工的雷射加工機，其中，於第2偏分光器與電流掃描器之間係具有上述偏光相位差板。

依據本發明，可獲得遠紅外光的透過光量損失少的透過型偏光相位差板。另外，利用上述偏光相位差板的雷射加工機可實現高品質的雷射加工。

1‧‧‧雷射振盪器

2‧‧‧雷射光

3‧‧‧延遲器

5‧‧‧鏡

6‧‧‧第1偏分光器

7、8‧‧‧雷射光

9‧‧‧第2偏分光器

10‧‧‧f θ透鏡

11‧‧‧第1電流掃描器

12‧‧‧第2電流掃描器

13‧‧‧被加工物

14‧‧‧XY台

100‧‧‧偏光相位差板

102‧‧‧基板

103‧‧‧凸部

104‧‧‧上部平坦部

105‧‧‧底部平坦部

106‧‧‧錐狀

110‧‧‧遮罩

111‧‧‧凸部的長邊方向

7a、8a‧‧‧偏光方向

第1圖係表示本發明之第1實施形態的偏光相位差板的立體圖。

第2圖係表示偏光相位差板之加工程序的剖面圖。

第3圖係表示本發明之第2實施形態的偏光相位差板的剖面圖。

第4圖係表示本發明之第3實施形態的偏光相位差板的剖面圖。

第5圖係表示安裝有本發明之偏光相位差板的雷射加工機之一例的構成圖。

第1實施形態

第1圖為表示本發明之第1實施形態的偏光相位差板的立體圖。偏光相位差板100係於基板102與基板102的至少一方主面具有由與基板102同一且單一的材料所形成的繞射光柵。繞射光柵係由與x方向平行地直線狀延伸的複數個凸部103沿著y方向以一定的週期P排列而構成。

光沿著z方向入射向上述繞射光柵時，於x方向的偏光成分(TE偏光)的有效折射率與於y方向的偏光成分(TM偏光)的有效折射率係成為相異，而產生所謂的構造性複折射。其結果，TE偏光與TM偏光之間產生傳遞速度差，而因應於與該傳遞速度差對應的相位差(retardation)而產生橢圓偏光。將該相位差設定為π/2時，繞射光柵係將直線偏光變換成圓偏光、或將圓偏光變換為直線偏光而展現與4分之1波長板同等的功能。另外，將相位差設定為π時，繞射光柵係將TE偏光變換為TM偏光、或將TM偏光變換為TE偏光而展現與2分之1波長板同等的功能。

上述繞射光柵的正確的相位差及透過率，已知可藉由屬於嚴密的電磁解析法之一的RCWA法(嚴密波結合法)而幾乎正確地計算。

於上述細微週期構造中，入射光不回折而作為「0」次光保持原樣地透過的條件係週期P滿足下述式(1)的情況。

P<λ/(max[n,n_i ]+n_j ．sin Φ_max )…(1)

但，λ為使用的光之波長，Φ為對於偏光相位差板的光之入射角度。另外，n為構成偏光相位差板的基材之折射率，n_i 為入射側之介質(空氣)的折射率。依據式(1)，只要滿足P<λ/n，即使是Φ=0°的垂直入射光也可以防止高次回折光的損失。

凸部103之剖面形狀係從其底部跨及頂部而形成角度θ的錐狀106。又，當θ=0°時則成為無錐的片狀(lamellar)。於凸部103之頂部係形成有對於基板102之主面平行的上部平坦部104。於凸部103之底部係以介在於相鄰的凸部103之間的的方式，形成有相對於基板102之主面平行的底部平坦部105。

其次，對於基板材料進行說明。就遠紅外光可透過的代表性材料中，即使加工亦不會產生有毒物的較易於運用的材料而言，可列舉鍺(Ge，折射率n=4.004)。下述(表1)係示有使用Ge作為基板材料時之設計資料(data)的一例。計算手法係使用RCWA法(嚴密波結合法)。使用波長為碳酸氣體雷射的9.29μm，空氣的折射率為1。

凸部103之剖面形狀為從其底部跨及頂部的傾斜角度θ的錐狀106。於第1圖所示的深度H為0至15[μm]，填充因子(filling factor)f為0至1，錐部的傾斜角度θ為0°至90°的範圍內，將該等3個參數(parameter)的組合以循環的方式計算，於(表1)表示在滿足相位差成為目標值，且凸部103的上部平坦部104 之尺寸Lt為0.3mm以上，且底部平坦部105之尺寸Lb為0mm以上的條件中，探索Te反射率及Tm反射率的較高者成為最小的條件的結果。

填充因子f為凸部103之高度H的一半的位置(H/2)的凸部103之寬度W的對於週期P的比率，亦即f=W/P的值。週期P係於P<λ/n的範圍內近似於λ/n的值而為2.31μm。

觀看(表1)，可知當使用Ge作為基板材料的情形中，相位差為λ/2、λ/4、λ/8時，Te反射率遠遠超過5%而非常高。Tm反射率則於相位差為λ/8時變高。

雖已知藉由於凸部103設置傾斜部可將反射率減低，但亦知於遠紅外光中仍無法充分地減低反射率。尤其，於相對地寬高比(aspect)較小而易於製造的λ/8等之低相位差的情形中，Te反射率將成為20%以上而難以實用化。

與可視光用材料(折射率1.5左右)相比之下，遠紅外光用材料折射率較高，菲涅耳反射較大，能量利用率低。尤其在相位差愈小的相位差板，格子深度H將會愈淺，故厚度方向的折射率變化將會變得劇烈而使反射率提高，其影響亦大。

其次，說明使用折射率n為2.2以下的材料例如硫化鋅(ZnS)作為基板材料的情形。於(表2)表示使用與(表1)的Ge的情形相同的手法探索關於ZnS的使反射率成為最小的條件的結果。此時凸部103的上部平坦部104的尺寸Lt設為0.3mm以上。週期P係於P<λ/n的範圍內作為接近λ/n的值而設為4.22μm。

由(表2)可知，在使用ZnS作為基板材料的情形中，相位差為λ//2、λ//4、λ//8時，Te反射率及Tm反射率皆為1.4%以下，相較於使用Ge的情形，亦可抑制為更小，而可得到能量利用效率佳的遠紅外光用的相位差板。尤其，於相對地寬高比較小而易於製造的λ/8等之低相位差的情形中，可得到展現Te反射率1.4%而足以實用的相位差板。

如上所述，於利用構造性複折射的相位差板使遠紅外光透過時，由於多為材料之折射率高者，故為了抑制其菲涅耳反射，折射率的選擇相當重要。

另外，關於週期P，由於存有P<λ/n的關係，故於使用折射率2.2以下的ZnS時，週期P可增大至4.22μm左右為止，故可獲得可使用研削機械加工、或以i線步進器(stepper)進行的光微影(photolithography)和蝕刻(etching)加工而可比較容易地進行加工的優點。

另外，ZnS由於即使加工亦不會產生有毒氣體，故不需要特別的廢棄物處理設備而可抑制設備投資。

另外，於使用ZnS的情形中，由於不需要如專利文獻4般地於格子表面設置YF₃ 等層，故成本(cost)低。另外，相較於ZnS的吸收係數為10^-5 [1/cm]，YF₃ 的吸收係數為10[1/cm]左右而非常高，故藉由不使用YF₃ 層，可防止因雷射光之吸收所致的熱透鏡的產生。其結果，即使在因反射率高而需要高能量的雷射光的銅箔加工中，亦可實現高品質的加工。

其次，對於偏光相位差板100的製法進行說明。在此，例示為了獲得於凸部103的頂部設置有平坦部104的構造，而使用蝕刻製程(etching process)加工的情形。於凸部103的頂部設置平坦部104時，由於在界面的折射率變化不連續而變得劇烈，故有菲涅耳反射變大之虞，但由上述分析結果可知，在ZnS的情形中，由於在透過遠紅外光的材料之中相對的折射率較小，故即使平坦部104的尺寸為0.3μm左右，反射率仍為1.4%以下而較小，而充分堪用。

加工步驟係如第2圖(a)所示，於ZnS所構成的基板102的表面，利用微影製程，以光阻劑(photoresist)形成圖樣(pattern)，設置對應於平坦部104的平面形狀的遮罩(mask)110。然後，如第2圖(b)所示，利用遮罩110蝕刻基板102，最後，除去遮罩110。

使用乾蝕刻時，其課題為將錐的角度精度良好地加工為目標值。本例中，使用幾乎為等向性乾蝕刻的離子銑(ion milling)裝置，調整離子束(ion beam)對於基板的入射角度，藉此而以使錐的角度成為目標值的方式調整。經實驗確認，藉由上述方法，可加工為(表2)的λ/8的相位差格子的剖面形狀。

亦可使用反應性離子蝕刻(ion etching)(RIE)等的異向性乾蝕刻進行加工來取代離子銑。亦可將蝕刻條件選擇為亦進行橫方向蝕刻，換句話說即選擇為進行等向的蝕刻的方式，而將其加工為越往上部則寬度變得越狹窄的立錐狀。具體而言，藉由改變蝕刻氣體的流量、壓力，而可選擇異向的蝕刻條件至底切(under cut)大的等向的蝕刻條件，藉此而決定錐角θ。

另一方面，凸部103之頂部沒有平坦部的形狀的情形中，雖有研削加工錐狀106的需要，但由於雷射加工機的光學元件為較大的直徑50mm左右，故有加工時間長、高成本的問題。相對於此，蝕刻加工因可將較寬的面一次加工，故有加工時間短且較廉價的優點。

第2實施形態

第3圖為表示本發明之第2實施形態的偏光相位差板的剖面圖。於第1實施形態中，雖以於基板102之單面形成有繞射光柵時的情形進行說明，但於本實施形態中，偏光相位差板係於基板102之兩面具有以與基板102同樣且單一的材料形成的繞射光柵。

位於基板102之上表面的繞射光柵及位於基板102之下表面的繞射光柵係凸部103的位置、週期及錐狀彼此一致地上下對稱形狀。藉由該繞射光柵的兩面設置，相較於單面設置，可將偏光相位差板的相位差增加為2倍。

另外，藉由使用硫化鋅(ZnS)作為基板材料，可與第1實施形態同樣地獲得反射率小且透過光量損失少的透過型偏光相位差板。

關於其製法，與第1實施形態相同地，可使用離子銑、反應性離子蝕刻等的乾蝕刻。

第3實施形態

第4圖為表示本發明第3實施形態的偏光相位差板的剖面圖。於本實施形態中，使用2片第1實施形態的偏光相位差板100，以凸部103彼此相對向的方式疊合，藉以構成積層型(type)的偏光相位差板。接合方法可使用接著、熔著、機械壓接等。

第1實施形態的偏光相位差板100由於凸部係露出於空氣，故存有浮游在空氣中的異物等附著於凸部與凸部的間凹部的情形。異物一旦附著則難以去除。當在附著有異物的狀態下使高能量的雷射光通過時，會有異物吸收光而於光學元件產生溫度分佈，進而產生熱透鏡的問題。

於本實施形態中，由於2片的偏光相位差板100係以凸部103相對向的方式疊合，故凸部103不會與外氣接觸，而可防止浮游於空氣中的灰塵等異物附著於凸部。其結果，即使在使高能量的雷射光通過的情形中，亦可防止熱透鏡的產生，進而可於雷射加工中實現高品質的加工。

另外，當雷射光通過積層的偏光相位差板時，成為通過相同的繞射光柵2次，故可將偏光相位差板100的相位差增加為2倍。反過來說，欲獲得與使用1片偏光相位差板時相同的相位差時，1個繞射光柵的相位差只要有一半則已足夠。參照(表2)可知，若相位差越小，則凸部的寬高比亦將越小，故繞射光柵的製造將變得容易。

以上，雖以使用2片的單面繞射光柵的偏光相位差板(第1圖)積層之例進行說明，但積層3片以上的單面繞射光柵的偏光相位差板(第1圖)的構成、積層2片以上的兩側繞射光柵的偏光相位差板(第3圖)的構成、積層單面繞射光柵的偏光相位差板(第1圖)與兩側繞射光柵的偏光相位差板(第3圖)的構成等亦可同樣地使用。

第4實施形態

第5圖為表示裝設有本發明之偏光相位差板的雷射加工機之一例的構成圖。雷射加工機係與專利文獻1相同地為了於印刷基板等的被加工物進行開孔加工等的加工，而採用將1個雷射光分歧為2個雷射光而進行2個部位的同時加工的方式。

從CO₂ 雷射振盪器1所輸出的直線偏光雷射光2係藉由延遲器(retarder)3而變換為圓偏光，於經由鏡5後，藉由第1偏分光器6而分歧成為2個雷射光。一方的雷射光7係經由鏡5，另一方的雷射光8則藉由第1電流掃描器(galvano scanner)11而於YZ2軸方向掃描。2個雷射光7、8係導入第2偏分光器9而合流，藉由第2電流掃描器12而於XY2軸方向掃描，且藉由f θ透鏡10而集光後，加工XY台14上的被加工物13。

透過第1偏分光器6的雷射光7係以第2偏分光器反射，另一方面，以第1偏分光器6反射的雷射光8係構成如透過第2偏分光器9般的光路。此雷射加工機係藉由將2個雷射光個別地進行掃描而可同時地進行2個部位的加工。

於上述雷射加工機中，通過第2偏分光器9與第2電流掃描器12間的雷射光之偏光方向(7a及8a)係正交，於此場所設置第1至3實施形態的1/4波長的偏光相位差板100，並且凸部103之長邊111(第1圖的x方向)係以對於入射的2條雷射光7、8 的偏光方向(7a及8a)成45°之角度的方式定位。

1/4波長的偏光相位差板100係分別將從第2偏分光器9出射的直線偏光的雷射光7、8變換成圓偏光雷射光。其結果，2個圓偏光雷射光7、8係照射於被加工物13而可形成真圓形的孔。

於本實施形態中，由於使用透過型的偏光相位差板100，故不需要延長第2偏分光器9與第2電流掃描器12之間的光路，亦不會因收差而導致加工品質降低。

又，使用偏光相位差板100將直線偏光變換為圓偏光的情況時，雖以λ/4的相位差為理想，但經實驗證明，即使從λ/4波長偏移而使圓偏光度成為30%左右，仍可進行沒有偏光依存性的真圓形的孔加工，故不限定為λ/4附近。當然，亦可使用2片λ/8的相位差板而使其作為1/4波長板而發揮功能，或亦可如第3圖所示，於基板的兩面實施λ/8的繞射光柵，而使全體作為1/4波長板而發揮功能。

另外，於本實施形態中，雖對於入射至第1偏分光器6的雷射光為圓偏光的情形進行說明，但亦可採用將偏光方向對於Y軸傾斜45的直線偏光入射至第1偏分光器6的方式。