WO2011001765A1 - レーザー照射装置及びレーザー加工方法 - Google Patents

レーザー照射装置及びレーザー加工方法 Download PDF

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laser
optical system
irradiation apparatus
laser beam
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敏和 梶川
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西進商事株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a laser irradiation apparatus used for laser processing of ceramics and the like and a laser processing method using the same.
  • Hard and brittle materials such as ceramic materials, glass materials, and silicon materials are used for circuit boards and the like on which electronic components are mounted.
  • Laser processing is widely used as such forming means.
  • Laser processing condenses the laser beam emitted from the light source using an irradiation optical system such as a lens, and irradiates the surface or the inside of the substrate with a laser focused spot (beam waist) with high power density to perform processing. It is something to do.
  • the substrate it is required to form fine grooves and holes in the substrate and to form the grooves and holes deeply in order to miniaturize the electronic parts and to improve the yield of the substrate by reducing the number of processing parts. ing.
  • hole processing it is required to form a fine hole with few tapers.
  • the method (A) requires a focusing means such as a lens of a special shape.
  • the method (B) it is difficult to make the optical axes of the two synthesized laser beams coincide with each other, and it is necessary to prepare a reflecting surface having a large radius of curvature, which causes problems in manufacture and preparation .
  • the method (C) has problems such as a decrease in processing efficiency and a decrease in positional accuracy between processings.
  • the present invention has been made in view of these problems, and realizes the formation of a plurality of beam waists by an irradiation optical system having a simple configuration, and easily changes the intervals of the plurality of beam waists on the optical axis of the laser beam.
  • -It aims at provision of the laser irradiation apparatus which can be adjusted, and the laser processing method using the same.
  • a light source for emitting a laser beam An irradiation optical system having one or more lenses and guiding and condensing a laser beam emitted from a light source to an object, comprising: A birefringent material is used as a material of at least one lens of the above-mentioned irradiation optical system.
  • the said laser irradiation apparatus consists of a simple and easy structure of using a birefringent material as a raw material of the at least 1 lens of an irradiation optical system.
  • a birefringent material as a material of at least one lens of the irradiation optical system
  • the component of the laser beam emitted from the light source is separated into the ordinary light and the extraordinary light without spatial separation, and the ordinary light and the extraordinary light are separated.
  • the laser irradiation apparatus can form a plurality of beam waists reliably and easily.
  • the irradiation optical system includes a first lens, which is a concave lens or a convex lens, and a second lens, which is a convex lens, in order of traveling direction of a laser beam, and a beam extract that can change the distance between the first lens and the second lens.
  • a birefringent material is used as a material of the first lens and / or the second lens, including a panda.
  • the irradiation optical system may include a condensing lens disposed at the end of the traveling direction of the laser beam, and a birefringent material may be used as a material of the condensing lens.
  • a condenser lens in the irradiation optical system has birefringence, and it is not necessary to separately prepare and arrange a lens using a birefringent material as a material, and the irradiation optical system can be simplified. it can.
  • the crystal axis direction of the lens made of the above-mentioned birefringent material may be orthogonal to the optical axis direction of the irradiation optical system.
  • the component of the laser beam emitted from the light source is separated into the ordinary light and the extraordinary light reliably and efficiently because the crystal axis direction of the lens made of the birefringent material is orthogonal to the optical axis direction of the irradiation optical system. can do.
  • an optical quartz is preferable as a raw material of the said birefringent material.
  • the optical quartz crystal As described above, by using the optical quartz crystal as the material of the birefringent material, it is possible to exhibit high light resistance to the laser beam emitted from the light source while forming the above-mentioned plurality of beam waists, and to obtain a wide wavelength High transmittance to the range can be exhibited.
  • the laser irradiation apparatus includes relative movement means for moving the position of the object relative to the irradiation optical system in two directions orthogonal to each other in a plane perpendicular to the optical axis of the irradiation optical system and relatively moving in the optical axis direction. It is good. As a result, continuous grooving and drilling on an object can be rapidly performed, and the depth of focus of a processing site can be adjusted, and the precision and yield of cutting of ceramics and the like can be improved.
  • the irradiation optical system includes a half-wave plate rotatable about an optical axis, and the half-wave plate is disposed in front of a lens made of the birefringent material as a reference with respect to the traveling direction of the laser beam. Good to be done. Thereby, the intensity ratio of a plurality of beam waists can be changed continuously and easily.
  • the irradiation optical system may include a quarter-wave plate, and the quarter-wave plate may be disposed behind a lens made of the birefringent material based on the traveling direction of the laser beam.
  • the processing characteristics can be stabilized by converting the linear polarization of the laser beam into circular polarization and removing the influence of the polarization from the plurality of beam waists.
  • a wavelength of the said laser beam 200 nm or more and 11 micrometers or less are preferable.
  • the wavelength of this laser beam in the above-mentioned range, it is possible to realize a laser output mainly corresponding to laser processing of ceramics and the like, and to improve the reliability and efficiency of the laser processing of ceramics and the like.
  • the oscillation means of the laser beam may be continuous oscillation or pulse oscillation. As described above, by setting the oscillation means of the laser beam to continuous oscillation or pulse oscillation, it is possible to adjust the processing content according to the type and the property of the processing material, and processing of various variations can be realized.
  • another invention made in order to solve the said subject is the laser processing method which is using the said laser irradiation apparatus.
  • the laser processing method By adopting such a laser processing method, it is possible to form fine grooves and holes in a substrate such as ceramics and to form the grooves and holes deep.
  • the distance between the plurality of beam waists formed by the laser irradiation apparatus may be adjusted to 0.5 to 10 times the Rayleigh length.
  • optical axis of the irradiation optical system means the optical axis of the lens or the irradiation target portion to be compared with the optical axis.
  • Beam waist means the focused spot of the focused laser beam.
  • the laser irradiation apparatus and the laser processing method of the present invention can form a plurality of beam waists reliably and easily, and as a result, it is possible to quickly process a fine object with a large focal depth. Can be realized.
  • the positions of the plurality of beam waists it is possible to realize optimal processing according to the type of processing target (for example, ceramics, glass, sapphire, etc.).
  • the drilling processing of a substrate such as a green sheet, it is possible to realize fine processing with less taper.
  • the schematic block diagram which shows the laser irradiation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention A schematic configuration diagram for explaining a mechanism in which the laser irradiation apparatus of FIG. 1 forms two beam waists
  • the schematic block diagram which shows the laser irradiation apparatus which concerns on embodiment different from the laser irradiation apparatus of FIG. When changing the lens distance (relative movement distance of the birefringent convex lens) of the beam expander of the laser irradiation apparatus of FIG. 3, the calculation result of the change in the distance between the two beam waists and the diameter of the beam waist is calculated.
  • the laser irradiation apparatus of FIG. 1 mainly includes a light source 1, a stage 2 and an irradiation optical system 3.
  • the light source 1 emits a laser beam P.
  • the type of the light source 1 is not particularly limited, and examples thereof include a gas laser such as a CO 2 laser, a solid laser such as an Nd: YAG laser, and an ultrashort pulse laser such as a femtosecond laser.
  • a gas laser such as a CO 2 laser
  • a solid laser such as an Nd: YAG laser
  • an ultrashort pulse laser such as a femtosecond laser.
  • an Nd: YAG laser is preferable in order to process a fine and large focal depth on a circuit board or the like in which a hard and brittle material such as a ceramic material is used.
  • an ultrashort pulse laser since self focusing or filamentation occurs at the light collecting site, the thermal influence on the periphery of the processing site can be suppressed, and a larger focal depth can be realized.
  • the wavelength of the laser beam of the light source 1 is preferably 200 nm or more and 11 ⁇ m or less, and particularly preferably 240 nm or more and 1600 nm or less.
  • oscillation means of the laser beam of the light source continuous oscillation or pulse oscillation is preferably employed.
  • continuous oscillation By setting the oscillation means of this laser beam to continuous oscillation, it is possible to continuously oscillate a constant laser output.
  • pulse oscillation By using pulse oscillation, it is possible to obtain a laser pulse having high peak power, and it is possible to perform more efficient processing with less heat affected layer. As a result, it is possible to realize optimal processing according to the type and nature of the processing material.
  • Stage 2 is for setting an object Q.
  • the specific structure of the stage 2 is not particularly limited, and, for example, a transparent plate that transmits a laser beam, or a table provided with an opening such as a slit at an irradiation position of the laser beam is adopted.
  • the stage 2 adds the position of the object Q with respect to the irradiation optical system 3 in two orthogonal directions (X-axis direction, Y-axis direction) in a plane perpendicular to the optical axis R of the irradiation optical system 3.
  • a relative moving means is provided to move relatively in the direction (Z-axis direction). By such relative movement means, continuous grooving and drilling on the object Q can be rapidly performed, and the depth of focus of the processing site can be adjusted. In particular, when cutting a fine substrate, the processing accuracy can be improved and the yield can be improved.
  • the specific structure of the moving means of the stage 2 is not particularly limited, and known means may be employed.
  • the irradiation optical system 3 guides and condenses the laser beam P emitted from the light source 1 to the object Q.
  • the irradiation optical system 3 includes a half wave plate 4, a beam expander 5, a mirror 6, a birefringence lens 7, a quarter wave plate 8, and a condenser lens 9 in the traveling direction of the laser beam P.
  • the half-wave plate 4 is disposed in front of the birefringent lens 7 on the basis of the traveling direction of the laser beam P, and rotates the electric field vector of the laser beam. This mechanism will be described in detail with reference to FIG. 2.
  • the angle between the slow axis of the half wave plate 4 and the electric field vector (E y ) of the incident laser light is ⁇
  • the laser light P is transmitted through the half wave plate 4
  • the transmitted electric field vector rotates by 2 ⁇ .
  • the half-wave plate 4 is rotatable about the optical axis R of the illumination optical system 3, in accordance with the rotation angle of the slow and axis perpendicular normal light component E x, abnormal light orthogonal thereto
  • the intensity ratio with component E y can be varied.
  • the means for rotating the half-wave plate 4 is not particularly limited, and any known means may be employed.
  • the beam expander 5 has a concave lens 10 which is a first lens and a convex lens 11 which is a second lens in the traveling direction of the laser beam P in order.
  • the concave lens 10 is a plano-concave lens, and is disposed such that the laser beam P is incident on the concave surface, and enlarges the laser beam P emitted from the light source 1.
  • the convex lens 11 is a plano-convex lens, and is disposed so that the laser beam P is incident on the convex surface, and converts the laser beam P expanded by the concave lens 10 into a parallel light flux.
  • a biconcave lens, a concave meniscus lens and the like can be mentioned.
  • a biconvex lens, a convex meniscus lens and the like can be mentioned besides the plano-convex lens.
  • the mirror 6 guides the laser beam P transmitted through the beam expander 5 to the condensing lens 9. By changing the reflection angle of the laser beam P using this mirror 6, the traveling direction of the laser beam P can be easily adjusted.
  • the means for adjusting the reflection angle of the laser beam P using the mirror 6 is not particularly limited, and any known means may be employed.
  • the birefringent lens 7 is a single lens, and a birefringent material is used as its material.
  • the birefringent lens 7 separates the incident laser beam P into two electric field components and forms two beam waists. The mechanism will be described in detail with reference to FIG. 2.
  • the laser beam P emitted from the light source 1 is initially linearly polarized in the direction of the electric field, and a retardation is generated by transmitting the half wavelength plate 4. Thereafter, the laser beam P incident on the birefringent lens 7, a crystal axis S perpendicular component E x, is separated into the component E y perpendicular thereto, and transmitted as the component E x ordinary 12, component E y is It is transmitted as extraordinary light 13.
  • birefringent lens 7 examples include a biconvex lens, a plano-convex lens, a convex meniscus lens, a biconcave lens, a plano-concave lens, and a concave meniscus lens.
  • the birefringent lens 7 has two different refractive indexes, and by utilizing these refractive index differences, the incident laser beam P is separated into the ordinary light 12 and the extraordinary light 13 to form different focal points.
  • Have the characteristic of Such characteristics determine the waist diameter and waist spacing at the two beam waists. Therefore, for example, in the irradiation optical system, various birefringent lenses having different characteristics are suitably adopted, and by adjusting the waist diameter and the waist interval at the two beam waists, the lens is optimally processed according to the properties of the processing material It can also be realized by a simple means of exchange.
  • the direction of the crystal axis S of the birefringent lens 7 may be orthogonal to the direction of the optical axis R of the illumination optical system. As described above, when the direction of the crystal axis S of the birefringence lens 7 is orthogonal to the direction of the optical axis R of the irradiation optical system, the direction of the crystal axis S coincides with the direction of the electric field.
  • the components of the laser beam can be separated into the ordinary light and the extraordinary light with certainty and efficiency.
  • the material of the birefringent lens 7 is not particularly limited.
  • optical quartz, sapphire, calcite or the like is used, and among them, optical quartz is preferably employed.
  • optical quartz As a material of the birefringent lens 7, it is possible to exhibit high light resistance to a laser beam and to exhibit high transmittance to a wide wavelength range.
  • Birefringent lens 7 for such an optical crystal and materials the refractive index with respect to a typical laser wavelength (n o: a refractive index of ordinary light, n e: refractive index of extraordinary light) shown in the following Table 1 .
  • Table 1 in the birefringent lens 7 made of optical quartz, it is understood that the value of n e is larger than the value of n o and the extraordinary light corresponds to the short focus.
  • Table 2 in the fundamental wave (1064 nm) of the Nd: YAG laser, the value of f e is smaller than the value of f o , so it can be understood that the extraordinary light corresponds to the short focus.
  • the quarter wavelength plate 8 is disposed after the birefringent lens 7 with reference to the traveling direction of the laser beam P.
  • This quarter-wave plate 8 converts the linearly polarized light of the laser beam P transmitted through the birefringent lens 7 into circularly polarized light to remove the influence of the polarization and stabilize processing characteristics, thereby achieving a deep focal depth. It can be realized reliably and efficiently.
  • the condensing lens 9 is a single lens or a combination lens whose optical aberration is corrected with respect to the wavelength of the laser beam to be used, and condenses the laser beam P guided from the mirror 6 onto the object Y It is Two beam waists are collected by the condensing lens 9 by condensing the ordinary light 12 and the extraordinary light 13 of the laser beam P transmitted through the 1 ⁇ 4 wavelength plate 8 at different positions on the optical axis R of the irradiation optical system. Can be formed.
  • Examples of the type of lens constituting the focusing lens 9 include biconvex lenses, planoconvex lenses, convex meniscus lenses, biconcave lenses, planoconcave lenses, concave meniscus lenses, and the like.
  • the beam waist diameter 2 ⁇ o formed by the laser irradiation apparatus is calculated by the following formula 1 where f is the focal length of the condensing lens, D is the diameter of the beam incident on the condensing lens, and ⁇ is the laser wavelength.
  • f the focal length of the condensing lens
  • D the diameter of the beam incident on the condensing lens
  • ⁇ the laser wavelength
  • the Rayleigh length d f of the laser beam emitted by the above-mentioned laser irradiation apparatus is calculated by the following formula 2 assuming that the radius of the beam waist is ⁇ o and the laser wavelength is ⁇ .
  • the Rayleigh length d f is closely related to the radius ⁇ o of the beam waist according to the following equation 2, and in order to realize a beam waist with a large focal depth (long Rayleigh length), the beam is constant when the wavelength ⁇ is constant It is necessary to increase the radius ⁇ o of the waist.
  • the radius ⁇ o of the beam waist becomes large, fine processing becomes difficult.
  • the laser irradiation apparatus of FIG. 3 mainly includes a light source 1, a stage 2, and an irradiation optical system 14.
  • the light source 1 and the stage 2 are the same as in the case of the laser irradiation apparatus of FIG.
  • the irradiation optical system 14 guides and condenses the laser beam P emitted from the light source to the object Q.
  • the irradiation optical system 14 includes a half wave plate 4, a beam expander 15, a quarter wave plate 8, a mirror 6, and a focusing lens 9 in the traveling direction of the laser beam P.
  • the laser beam P, the object Q, the half wave plate 4, the quarter wave plate 8, the mirror 6 and the condenser lens 9 are the same as in the case of the laser irradiation apparatus of FIG. I omit explanation.
  • the beam expander 15 has a concave lens 16 as a first lens and a convex lens 17 as a second lens in the traveling direction of the laser beam P in order of travel.
  • a birefringent material is used as a material of the convex lens 17.
  • the beam expander 15 is configured such that the distance between the concave lens 16 and the convex lens 17 can be changed. Thereby, the waist interval can be easily adjusted without largely changing the diameters of the two beam waists emitted from the irradiation optical system 14, and the optimum processing according to the processing material can be realized by an easy means. Can.
  • the distance between the concave lens 16 and the convex lens 17 can be adjusted by moving one or both of the concave lens 16 and the convex lens 17 in the direction of the optical axis R of the irradiation optical system 14.
  • the means for moving the lens is not particularly limited, and any known means may be employed.
  • FIG. 4 is a graph showing the results of calculation of how the distance between the two beam waists and the diameter (ordinary light) of the beam waist change when the distance between the concave lens 16 and the convex lens 17 is changed.
  • the distance between the concave lens 16 and the convex lens 17 is indicated by the distance (relative movement distance) in which the convex lens 17 is moved relative to the concave lens 16.
  • the magnification of the beam expander 15 and the focal length of the condenser lens 9 are selected, and the final beam waist diameter is set to be about 5 ⁇ m. As shown in FIG.
  • the beam expander 15 can change the distance between the beam waists without significantly changing the beam waist diameter, so that the laser processing with a small diameter and a large depth of focus can be performed by adapting to the properties of the processing material. It can be realized.
  • the laser irradiation apparatus of FIG. 5 mainly includes a light source 1, a stage 2 and an irradiation optical system 18.
  • the light source 1 and the stage 2 are the same as in the case of the laser irradiation apparatus of FIG.
  • the irradiation optical system 18 guides and condenses the laser beam P emitted from the light source 1 to the object Q.
  • the irradiation optical system 18 includes a beam expander 5, a mirror 6, and a condenser lens 19 in the traveling direction of the laser beam P.
  • the laser beam P, the object Q, the beam expander 5 and the mirror 6 are the same as in the case of the laser irradiation apparatus of FIG.
  • the condensing lens 19 is for condensing the laser beam P guided from the mirror 6 onto the object, and a birefringent material is used as its material.
  • the condenser lens 19 has a function of condensing the laser beam P, and also has a function of separating the laser beam P into an ordinary light 12 and an extraordinary light 13 to form two beam waists. Therefore, two beam waists can be easily formed using one lens having light collecting property and birefringence, without separately preparing and arranging a lens using a birefringent material as a material, The irradiation optical system can be simplified and the cost can be reduced.
  • a laser processing method using the laser irradiation apparatus of FIG. 1, the laser irradiation apparatus of FIG. 3, and the laser irradiation apparatus of FIG.
  • a laser processing method for example, a plurality of beam waists can be formed at intervals at which cracks are induced in the object. Further, by arranging one beam waist in the vicinity of the surface of the object and arranging the other beam waist inside the object, it is possible to induce a processing crack extending from the surface of the object to the inside.
  • an interval between a plurality of beam waists formed by the laser irradiation apparatus can be adjusted to 0.5 to 10 times the Rayleigh length.
  • Such adjustment can avoid the influence of defocus of the laser beam, and can achieve a large depth of focus while maintaining a small beam waist diameter.
  • the specific adjustment means is particularly limited. Instead, known means are employed.
  • the laser irradiation apparatus of this invention and the laser processing method using the same are not limited to the said embodiment.
  • the condensing lens 19 of the laser irradiation apparatus of FIG. 5 can be easily adjusted in position of the two beam waists by providing a means for moving relatively in the direction of the optical axis R of the irradiation optical system 18. It is possible to realize a simpler and simpler irradiation optical system.
  • the upper side and the lower side of the beam waist can be obtained by not arranging the quarter wavelength plate in the irradiation optical system.
  • the polarization directions with the side are orthogonal to each other, the processing groove width can be increased, and the depth of focus can be reduced.
  • Example 1 and Example 2 ⁇ Description of experimental system> At least one beam waist is placed inside the borosilicate glass where it is easy to observe processing marks using an irradiation optical system equipped with at least a light source, a beam expander, a half wave plate, and a condenser lens, It formed. After that, a cross-sectional observation image orthogonal to the processed groove was taken.
  • the beam expander used in Examples 1 and 2 includes a concave lens and a convex lens having birefringence, and is configured such that the distance between both lenses can be changed.
  • the distance between the two beam waists formed on the optical axis can be changed by changing the distance between the two lenses (Lm).
  • the half-wave plate used in Examples 1 and 2 is rotated about the optical axis of the irradiation optical system, the laser power distribution in the two focused spots can be changed.
  • Comparative Example 1 The irradiation optical system used in Comparative Example 1 has a standard configuration provided with at least a light source, a beam expander, and a condenser lens, and the convex lens of the beam expander does not have birefringence, and has a half wavelength
  • the board is not included either.
  • Example 1 a processed groove having a length of about 100 ⁇ m was formed in the optical axis direction (the thickness direction of the borosilicate glass) of the irradiation optical system (FIG. 6).
  • the two waist spacings were about 190 ⁇ m
  • the lengths of the processed grooves by the individual waists were about 60 ⁇ m and about 70 ⁇ m (FIG. 7). Since the lengths (about 60 ⁇ m and about 70 ⁇ m) of the two processed grooves in Example 1 are shorter than the lengths (about 100 ⁇ m) when processed by one spot in Comparative Example 1, one spot in Example 1 It is considered that the laser power to be concentrated on is separated into two.
  • Example 2 in order to form a long processed groove in the thickness direction of borosilicate glass, the distance between the convex lens and the convex lens having birefringence is set small in order to reduce the distance between the two waists. Specifically, the expander lens interval Lm is reduced by 10 mm from the time of processing in Example 1, and as a result, processed grooves by both waists are connected, and a processed groove having a maximum length of 180 ⁇ m is formed (see FIG. 8). Thus, it was found that the length (about 180 ⁇ m) of the processed groove in Example 2 was longer than the length (about 100 ⁇ m) of the processed groove in Comparative Example 1.
  • Example 2 when forming a long machined groove with one spot, high laser power is required, but even if the same deep machined groove as in Example 2 is formed, the machined groove width is increased at the same time. It is known that a much wider width of altered process site is formed. Accordingly, in Example 2, it is considered that groove processing with a large focal depth can be realized while minimizing the processing deterioration range in the groove width direction with a small laser power.
  • Example 2 [Example 3 and Example 4] ⁇ Description of experimental system> The experimental system is the same as that of Example 1 and Example 2 in Experiment 1 above.
  • the expander lens interval Lm was fixed, and the half-wave plate was rotated about the optical axis of the irradiation optical system to change the power distribution of the two waists.
  • Example 3 all the laser power was concentrated on the lower waist, and processing was performed as one spot (FIG. 9). On the other hand, in Example 4, the half-wave plate was rotated to divide the laser power component into the upper waist: maximum 30% and the lower waist: maximum 70% (FIG. 10). In Example 3, only one processed portion was formed inside the borosilicate glass, but when the laser power was divided into 2 waists in Example 4, processed portions were also formed near the surface.
  • Example 3 and Example 4 two waists are formed in the optical axis direction at an arbitrary interval, and in addition to the original groove length of the machined portion by each waist, it occurs between the individual machined portions It is considered that by generating a crack using strain stress, it is possible to form a processed groove with a greater depth of focus.
  • Example 3 Example 5 and Comparative Example 2 ⁇ Description of experimental system>
  • Experiment 3 examined about realizing processing with a deep depth of focus while maintaining a small beam waist diameter.
  • the configuration of the experimental system in Experiment 3 is as shown in FIG. 1, and the beam expander is a standard lens configuration in which a concave lens and a convex lens are arranged, and a convex lens having birefringence is a condensing lens together with a 1 ⁇ 4 wavelength plate. It is placed just before the In addition, although the beam waist distance was set so that the Rayleigh length of both waists may overlap, this distance is not necessarily optimal.
  • Example 5 With such a configuration, in Comparative Example 2, groove processing was performed in one spot in which all the laser power was concentrated on the lower waist. Moreover, in Example 5, the groove processing in the case where laser power was equally divided into upper and lower spots by 2 spots was implemented. Then, in Example 5 and Comparative Example 2, the correlation between the defocus amount (the relative position of the focus) and the groove depth (the scribe depth ratio) was examined (FIG. 11).
  • Example 5 It was found from FIG. 11 that the variation in scribe depth in Example 5 is smaller than that in Comparative Example 2 with respect to the defocus from the focal position where the maximum scribe depth is realized. Therefore, in Example 5, resistance to defocus was observed.
  • the laser irradiation apparatus and the laser processing method using the same according to the present invention are fine and have a large focal depth according to the processing characteristics and processing quality of the processing object using a simple and simple irradiation optical system. Machining grooves and holes can be easily formed. Therefore, the operation can be simplified, the apparatus can be simplified, and the cost can be reduced, and can be widely used in the field of laser processing.

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Abstract

　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。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。

Description

レーザー照射装置及びレーザー加工方法
　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。
　当該レーザー照射装置は、照射光学系の少なくとも一つのレンズの素材として、複屈折材料を用いているという単純かつ簡単な構成からなる。このように、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。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、光学水晶が好ましい。このように、光学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ＣＯ２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（Ｅｙ）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Ｅｘと、これに直交する異常光成分Ｅｙ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Ｅｘと、これに直交する成分Ｅｙとに分離され、成分Ｅｘは常光１２として透過し、成分Ｅｙ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、例えば光学水晶、サファイア、方解石等が用いられ、中でも、光学水晶を採用することが好ましい。この複屈折レンズ７の素材として光学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。このような光学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（ｎｏ：常光の屈折率、ｎｅ：異常光の屈折率）を下記表１に示す。表１に示すとおり、光学水晶を素材とする複屈折レンズ７では、ｎｅの値がｎｏ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　また、このような光学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の光学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（ｆｏ：常光の焦点距離、ｆｅ：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、ｆｅの値がｆｏ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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２ωｏ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　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ｄｆは、ビームウエストの半径をωｏ、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ｄｆはビームウエストの半径ωｏ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ωｏを大きくする必要がある。一方でビームウエストの半径ωｏが大きくなれば、微細な加工は困難となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　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 (12)

  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。
  2. 　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請求項１に記載のレーザー照射装置。
  3. 　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。
  4. 　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に記載のレーザー照射装置。
  5. 　上記複屈折材料が光学水晶である請求項１に記載のレーザー照射装置。
  6. 　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に記載のレーザー照射装置。
  7. 　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に記載のレーザー照射装置。
  8. 　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に記載のレーザー照射装置。
  9. 　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に記載のレーザー照射装置。
  10. 　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に記載のレーザー照射装置。
  11. 　請求項１に記載のレーザー照射装置を用いているレーザー加工方法。
  12. 　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倍に調節する請求項１１に記載のレーザー加工方法。
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