WO2012036097A1 - レーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2012036097A1
WO2012036097A1 PCT/JP2011/070640 JP2011070640W WO2012036097A1 WO 2012036097 A1 WO2012036097 A1 WO 2012036097A1 JP 2011070640 W JP2011070640 W JP 2011070640W WO 2012036097 A1 WO2012036097 A1 WO 2012036097A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pulsed light
laser
processing method
thin film
metal thin
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/070640
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
角井　素貴
Original Assignee
住友電気工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 住友電気工業株式会社 filed Critical 住友電気工業株式会社
Priority to EP11825100.8A priority Critical patent/EP2617514A4/en
Priority to JP2012533982A priority patent/JP5983407B2/ja
Priority to CN201180044627.1A priority patent/CN103108722B/zh
Priority to KR1020137009492A priority patent/KR20130101057A/ko
Publication of WO2012036097A1 publication Critical patent/WO2012036097A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0427—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying modulation to the laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B23K26/0732—Shaping the laser spot into a rectangular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/361—Removing material for deburring or mechanical trimming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/57—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece the laser beam entering a face of the workpiece from which it is transmitted through the workpiece material to work on a different workpiece face, e.g. for effecting removal, fusion splicing, modifying or reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H01L31/0463—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate characterised by special patterning methods to connect the PV cells in a module, e.g. laser cutting of the conductive or active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced
    • B23K2103/166—Multilayered materials
    • B23K2103/172—Multilayered materials wherein at least one of the layers is non-metallic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/20—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing method.
  • Processing the processing object is performed by irradiating the processing object with pulsed laser light.
  • the laser processing technique described in Non-Patent Document 1 irradiates a CIS (Copper-Indium-Diselenide, CuInSe 2 ) thin film formed on a transparent glass plate with pulsed light having a pulse width of about picoseconds. A thin film is processed (ablated).
  • model “picoREGEN IC-1064-1500” manufactured by High Q Laser is used as a pulsed laser light source.
  • This pulse laser light source employs mode-locking and includes a regenerative amplifier, and can output pulsed light having a pulse width of about picoseconds. Heinz P. Huber, et al., "High speed structuring of CIS thin-film solar cells with picosecond laser ablation", Proc. Of SPIE, Vol.7203, (2009)
  • a mode-locked pulse laser light source that includes a regenerative amplifier and outputs pulsed light having a pulse width of about picoseconds is generally expensive.
  • the degree of freedom in setting the repetition frequency of the pulsed light output is limited by the structure of the laser resonator.
  • the pulse laser light source manufactured by High Q Laser can raise the repetition frequency of the pulsed light output to only 30 kHz. When the repetition frequency of the pulsed light output is low, the processing throughput is also low.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a method capable of performing high-throughput processing using an inexpensive non-mode-locked (non-resonant structure) pulse laser light source.
  • the purpose is that.
  • the laser processing method of the present invention is a laser processing method for processing a metal thin film formed on a transparent substrate by pulsed light irradiation.
  • a semiconductor laser is prepared, a fiber laser having an MOPA structure having at least an optical amplifier (hereinafter referred to as a MOPA fiber laser) is prepared, and the full width at half maximum of the amplified pulsed light is controlled within a desired range.
  • the metal thin film is irradiated with pulsed light from the MOPA fiber laser through the transparent substrate.
  • the prepared semiconductor laser outputs pulse light repeatedly by being directly modulated by an electric signal.
  • the prepared MOPA fiber laser includes at least an optical amplifier.
  • the optical amplifier includes glass doped with a rare earth element as an optical amplification medium, and amplifies pulsed light output from the semiconductor laser.
  • the full width at half maximum of each pulsed light output from the optical amplifier is controlled to be 0.2 ns or more and less than 1 ns. Then, the metal thin film is removed by irradiating the metal thin film from the MOPA fiber laser with the pulsed light whose full width at half maximum is controlled from the opposite side of the metal thin film on the transparent substrate.
  • the laser processing method of the present invention uses a pulse laser light source having a simple structure and an inexpensive MOPA structure.
  • the full width at half maximum of each amplified pulsed light output from the optical amplifier is controlled to 0.2 ns or more. This makes it possible to avoid damage to the transparent substrate.
  • the full width at half maximum of each amplified pulsed light output from the optical amplifier is controlled to be less than 1 ns, preferably 0.5 ns or less.
  • the repetition frequency of the pulsed light output is more than 100 kHz. In this case, the throughput can be increased.
  • the pulse light irradiation spot overlap rate is 60% or less during pulse scanning in which the pulse light irradiation position on the metal thin film is scanned at a preset pulse light irradiation scanning speed and repetition wave number. It is preferable that the laser output has a predetermined average power and peak power for removing the metal thin film. In this case, processing quality can be improved.
  • the overlap rate may be set to 50% or less.
  • the spectrum of the amplified pulsed light output from the optical amplifier has a peak at the peak wavelength of the spectrum of the pulsed light output from the semiconductor laser, and this peak also has a wavelength different from the length. Has a peak.
  • the pulsed light is preferably irradiated on the metal thin film.
  • an optical fiber including a core having a rectangular cross-sectional shape is suitable as the beam profile uniformizing means.
  • the fluence of pulsed light on the irradiated surface of the transparent substrate is preferably 4 J / cm 2 or more.
  • the laser processing method of the present invention enables high-throughput processing using an inexpensive pulse laser light source.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a pulse laser light source 1. These are figures explaining the laser processing method using the pulse laser light source 1. These are figures which show an example of the waveform of the pulsed light output from the pulse laser light source 1.
  • FIG. These are SEM photographs when the TCO film on the transparent glass plate is removed. These are figures which show another example of the waveform of the pulsed light output from the pulse laser light source 1. These are the figure of (a) micrograph, (b) SEM photograph, and (c) EDX analysis result when removing Mo film
  • FIG. 1 shows an example of the waveform of the pulsed light output from the pulse laser light source 1.
  • FIG. These are the figures of a pulse waveform in the other light source of the pulse laser light source 1.
  • FIG. These are the (a) SEM photograph and (b) the figure of the three-dimensional image when the Mo film
  • SYMBOLS 1 Pulse laser light source, 2 ... Transparent substrate, 3 ... Metal thin film, 10 ... Seed light source, 20 ... YbDF, 21 ... Optical coupler, 22 ... Excitation light source, 23, 24 ... Optical isolator, 30 ... Band pass filter, 40 ... YbDF, 41 ... optical coupler, 42 ... excitation light source, 43, 44 ... optical isolator, 50 ... YbDF, 51 ... combiner, 52-55 ... excitation light source, 60 ... end cap.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a pulsed laser light source 1.
  • the pulse laser light source 1 shown in this figure includes a seed light source 10, a YbDF (Yb-Doped Fiber) 20, a band pass filter 30, a YbDF40 and a YbDF50, and has a MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) structure. Yes.
  • the pulse laser light source 1 is non-mode-locked (non-resonant structure) and outputs pulsed light having a wavelength of about 1060 nm that is suitable for laser processing.
  • the seed light source 10 includes a semiconductor laser that is directly modulated by an electric signal and repeatedly outputs pulsed light.
  • This semiconductor laser is preferably of the Fabry-Perot type from the viewpoint of increasing power and from the viewpoint of avoiding nonlinear effects such as stimulated Brillouin scattering (SBS).
  • this semiconductor laser outputs pulsed light having a wavelength of about 1060 nm at which the amplification optical fibers YbDF 20, 40, and 50 have a gain.
  • YbDF 20, 40, and 50 are optical amplifying media in which Yb element (rare earth element) is added as an active material to the core of an optical fiber mainly composed of quartz glass, and the excitation light wavelength and the amplified light wavelength are close to each other.
  • YbDFs 20, 40, and 50 constitute a three-stage optical fiber amplifier (which constitutes at least a part of a MOPA fiber laser).
  • the first stage YbDF 20 is supplied with pumping light output from the pumping light source 22 and passed through the optical coupler 21 in the forward direction.
  • the YbDF 20 receives the pulsed light output from the seed light source 10 and passed through the optical isolator 23 and the optical coupler 21, amplifies the pulsed light, and outputs the pulsed light through the optical isolator 24.
  • the band pass filter 30 receives the pulsed light output from the seed light source 10 and amplified by the first-stage YbDF 20, and has a shorter wavelength side and a longer wavelength than the peak wavelength of the pulsed light in the wavelength band of the input pulsed light. One of the wavelengths is attenuated from the other and output.
  • a high-pass filter or a low-pass filter may be used instead of the band-pass filter, but the high-pass filter can cut out only the long wavelength side of the seed light source spectrum, and the low-pass filter cut out only the short wavelength side of the seed light source spectrum. I can't.
  • a band-pass filter is suitable because it has both functions.
  • the second stage YbDF 40 is supplied with pumping light output from the pumping light source 42 and passed through the optical coupler 41 in the forward direction.
  • the YbDF 40 receives the pulsed light output from the bandpass filter 30 and passed through the optical isolator 43 and the optical coupler 41, amplifies the pulsed light, and outputs the pulsed light through the optical isolator 44.
  • the third stage YbDF 50 is supplied with pumping light output from the pumping light sources 52 to 55 and passing through the combiner 51 in the forward direction.
  • the YbDF 50 receives the pulse light amplified by the second stage YbDF 40, further amplifies the light, and outputs the pulse light to the outside through the end cap 60.
  • the first stage YbDF 20 is a core pumping system, and pumping light with a pumping wavelength of 975 nm and a constant power of 200 mW is injected in the forward direction.
  • YbDF20 one having an unsaturated absorption coefficient at a wavelength of 975 nm of 240 dB / m and a length of 5 m is used.
  • the core diameter of YbDF20 is 6 ⁇ m, and the NA is about 0.12.
  • the second stage YbDF 40 is a core pumping system, and pumping light having a pumping wavelength of 975 nm and a constant power of 200 mW is injected in the forward direction.
  • the YbDF 40 one having a unsaturated absorption coefficient at a wavelength of 975 nm of 240 dB / m and a length of 7 m is used.
  • the core diameter of YbDF40 is 6 ⁇ m, and the NA is about 0.12.
  • the third-stage YbDF 50 is a cladding excitation method, and a power of 20 W (four 5 W class excitation LDs) is injected in the forward direction at an excitation wavelength of 975 nm.
  • a core portion having an unsaturated absorption coefficient of 1200 dB / m and a length of 5 m is used.
  • the core of YbDF50 has a diameter of 10 ⁇ m and an NA of about 0.06.
  • the inner cladding of YbDF50 has a diameter of 125 ⁇ m and an NA of about 0.46.
  • the pulse laser light source 1 having such a MOPA structure is inexpensive because of its simple structure, and the repetition frequency of the pulsed light output can be arbitrarily set.
  • the pulse laser light source 1 uses a bandpass filter 30 to attenuate one of the short wavelength side and the long wavelength side of the pulsed light output from the seed light source 10 and amplified by the first stage YbDF 20 from the other. Since it outputs, the pulsed light compressed to a pulse width of 1 ns or less can be output.
  • the pulse laser light source 1 having such a MOPA structure is used, and the metal thin film 3 formed on the transparent substrate 2 is irradiated with pulsed light as shown in FIG. Processed.
  • the full width at half maximum of each pulsed light output from the pulsed laser light source 1 is controlled to be 0.5 ns or less, and the metal thin film 3 is irradiated with this pulsed light from the transparent substrate 2 side.
  • the metal thin film 3 is removed.
  • the repetition frequency of the pulsed light output is preferably more than 100 kHz.
  • the overlapping rate of pulsed light irradiation spots is 60% or less
  • the laser The output preferably has a predetermined average power and peak power for removing the metal thin film.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the waveform of the pulsed light output from the pulsed laser light source 1. This figure shows a pulsed light waveform when the repetition frequency of the pulsed light output is 500 kHz and 2 MHz, respectively. In any case, the full width at half maximum of the pulse can be shortened to 200 ps or less.
  • FIG. 4 is an SEM photograph when the TCO film on the transparent glass plate is removed. Processing conditions at this time were a full width at half maximum of the pulse of 200 ps, a repetition frequency of the pulsed light output of 150 kHz, an average power of the pulsed light irradiation of 6.8 W, and a scanning speed of 2000 mm / s. The fluence of the pulse at this time was 3.1 J / cm 2 .
  • pulsed light having a wide pulse width and a low pulse peak value was used.
  • the full width at half maximum of this pulse was 0.5 ns, and the repetition frequency of the pulsed light output was 250 kHz.
  • the Mo film (melting point: 2620 ° C.) on the transparent glass plate was removed by irradiation with pulsed light having the pulse waveform shown in FIG.
  • the average power of pulsed light irradiation was 5.7 W, and the scanning speed was 5000 mm / s.
  • the Mo film was irradiated with pulsed light from the transparent glass plate side.
  • the Mo film on the transparent glass plate is formed on the transparent glass plate by a method such as sputtering or CVD, and is used for a CIS solar cell.
  • FIG. 6 shows (a) a micrograph, (b) an SEM photograph, and (c) an EDX analysis result when the Mo film on the transparent glass plate is removed.
  • This processing quality is comparable to the processing result by irradiation with pulsed light having a pulse width of 10 ps described in Non-Patent Document 1.
  • the scanning speed was 240 mm / s in Non-Patent Document 1, whereas in this example, 5000 mm / s, which is 20 times or more, could be achieved.
  • the fluence of the pulse at this time was 4.5 J / cm 2 .
  • Mo residue was observed at a smaller fluence.
  • the reason why the above processing is possible even with a pulse width larger than 10 ps described in Non-Patent Document 1 is estimated by the influence of the fluence setting.
  • the relationship between the fluence, the pulse width, and the object to be machined is on a case-by-case basis, and this time, it has been presented because machining is possible even with pulse widths that have never been imagined.
  • the rising between spots refers to a defect in which the Mo film swells between two adjacent pulsed light irradiation spots, as indicated by the circle in the broken line in the SEM photograph of FIG.
  • the processing conditions in the figure are such that the full width at half maximum of the pulse is set to 10 to 20 ns, the repetition frequency of the pulsed light output is 250 kHz, the average power of the pulsed light irradiation is 8 W, and the scanning speed is 5000 mm / s. there were.
  • the pulse laser light source 1 having the above configuration has a MOPA structure including a semiconductor laser directly modulated with a drive current of several hundred mA (exceeding 200 mA) as a seed light source 10, and is output from the pulse laser light source 1. Since processing is performed using pulsed light having a pulse width of sub-nanoseconds, there are the following advantages. In other words, the pulse laser light source 1 outputs the pulsed light output from the seed light source 10 and amplified by the first stage YbDF 20 by attenuating one of the short wavelength side and the long wavelength side from the peak wavelength by the bandpass filter 30 from the other. Therefore, pulsed light whose pulse width is compressed to sub-nanoseconds can be output.
  • the spectrum has sub-peaks at different wavelengths, and the full width at half maximum of the entire spectrum including the peak and sub-peak is 10 nm or more.
  • the sub-peak value is about half of the peak value.
  • the spectrum indicated by the broken line in the figure is the spectrum of the pulsed light when the SEM photograph is shown in FIG. 7.
  • the BPF does not cut out the chirping component as shown by the solid line, and transmits the seed light source output. The amount is set to maximize.
  • FIG. 9 shows a spectrum waveform (light output and time) in a pulse laser light source (the same structure as that shown in FIG. 1) different from the pulse laser light source used in FIGS.
  • the half width of the pulse width is 0.96 ns.
  • FIG. 10 shows (a) a SEM photograph and (b) a three-dimensional image when the Mo film on the transparent glass plate is removed.
  • This processing quality is comparable to the processing result by irradiation with pulsed light having a pulse width of 10 ps described in Non-Patent Document 1.
  • the scanning speed was able to achieve 4000 mm / s.
  • the repetition frequency of the pulsed light at this time was 150 kHz, the average power of the pulse was 8 W, and the fluence was 8.9 J / cm 2 .
  • Broadening the spectrum as shown by the solid line in FIG. 8 is advantageous when performing beam homogenization (beam profile equalization) by propagating pulsed light to an optical fiber including a core having a rectangular cross-sectional shape. . This is because the beam homogenization mechanism depends on multi-transverse mode. If the spectrum width of the pulsed light is widened, speckle due to interference between a plurality of transverse modes is suppressed, and generation of dark spots can be avoided.
  • FIG. 11 is a diagram showing a beam profile after the pulse light whose spectrum is indicated by a broken line in FIG. 8 propagates through the rectangular core optical fiber.
  • FIG. 12 is a diagram showing a beam profile after the pulsed light whose spectrum is shown by a solid line in FIG. 8 propagates through the rectangular core optical fiber.
  • the core size of the rectangular core optical fiber was 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m
  • the NA of the rectangular core optical fiber was 0.18
  • the length of the rectangular core optical fiber was 10 m.
  • the V / P ratio which is the ratio between the minimum value (Valley) and the maximum value (peak), is only 45%.
  • the V / P ratio is 63%. Therefore, when beam homogenization is performed using a pulse laser light source 1 having a MOPA structure using a directly modulated semiconductor laser as a seed light source, it is better to cut out the chirping component of the seed light source 10 with BPF and compress the pulse width. It is clear that the spectral width is wide and it is advantageous for a method of performing laser homogenization with beam homogenization.
  • the rising of the Mo film between spots as shown in the dotted circle in the SEM photograph of FIG. 7 may cause the Mo film to peel off or wrinkle.
  • beam homogenization is performed.
  • One effective solution is to make the cross-sectional shape of the pulsed light rectangular and arrange the rectangular spots on the Mo film.
  • the example in which the beam profile is shown in each of FIGS. 11 and 12 is a simple means of directly fusing the end face of the output fiber of the MOPA light source (single mode fiber having a core diameter of 10 ⁇ m) to the end face of the rectangular core fiber. It is taken.
  • a spatial optical system may be provided between them, and the pulsed light emitted from the end face of the output fiber is collected by a high NA lens and rectangular.
  • the overlapping rate may be set to be 50% or less.
  • the removal of the TCO (Transparent Conductive Oxide) film on the transparent glass plate shown in FIG. 4 is a pulse having a relatively wide pulse width of about 5 ns full width at a full pulse width of 160 kHz. Success was achieved when the average power of irradiation was 10 W and the scanning speed was 2500 mm / s.
  • the TCO film was mainly composed of tin dioxide. That is, a fiber laser having a MOPA structure in which a semiconductor laser is directly modulated by an electric signal and pulsed light is repeatedly output and amplified by an optical amplifier including glass doped with a rare earth element as an optical amplification medium is as described above. It is preferable in that it can output a pulse train and has a capability of removing both a TCO film on glass and a metal film such as Mo on glass.
  • the laser processing method of the present embodiment is not limited to the Mo film on the transparent glass plate, but is effective for the entire processing of a metal film with relatively weak adhesion formed on a substrate made of another transparent material. .

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本願発明において、レーザ加工方法において好適に用いられるパルスレーザ光源（１）は、種光源（１０）、ＹｂＤＦ（２０）、バンドパスフィルタ（３０）、ＹｂＤＦ（４０）およびＹｂＤＦ（５０）等を備えるとともに、ＭＯＰＡ構造を有し、当該レーザ加工方法は、透明基板上に形成された金属薄膜（３）をパルス光照射により加工する方法であって、種光源（１０）に含まれる半導体レーザを電気信号により直接変調することでパルス光を繰り返し出力し、ＹｂＤＦ（１０）、（３０）、（４０）を光増幅媒体として含む光増幅器によりパルス光を増幅し、光増幅器により増幅されて出力されるパルス光それぞれの半値全幅を０.５ｎｓ以下となるように制御をし、このように半値全幅が制御されたパルス光を、透明基板（２）を介して金属薄膜（３）に照射することにより当該金属薄膜（３）を除去する。

Description

レーザ加工方法
　本発明は、レーザ加工方法に関するものである。
　パルスレーザ光を加工対象物に照射することで該加工対象物を加工することが行われている。非特許文献１に記載されたレーザ加工技術は、透明ガラス板上に形成されたＣＩＳ（Copper-Indium-Diselenide、ＣｕＩｎＳｅ２）薄膜に対してパルス幅ピコ秒程度のパルス光を照射することで該薄膜を加工（アブレーション）するものである。非特許文献１に記載されたレーザ加工技術では、パルスレーザ光源として High Q Laser社製の model "picoREGEN IC-1064-1500" が用いられている。このパルスレーザ光源は、モードロックを採用し再生増幅器を含んでおり、パルス幅ピコ秒程度のパルス光を出力することができる。
Heinz P. Huber, et al., "High speed structuring of CIS thin-film solar cells with picosecond laser ablation", Proc. of SPIE, Vol.7203, (2009)
　発明者は、上述の従来について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、再生増幅器を含みパルス幅ピコ秒程度のパルス光を出力するモードロックパルスレーザ光源は、一般に高価である。また、このようなパルスレーザ光源では、パルス光出力の繰り返し周波数の設定の自由度がレーザ共振器の構造により制約される。High Q Laser社製の上記パルスレーザ光源は、パルス光出力の繰り返し周波数を僅か３０ｋＨｚまでしか上げられない。パルス光出力の繰り返し周波数が低いと、加工のスループットも低くなる。
　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、安価な非モードロック（非共振構造）のパルスレーザ光源を用いて高スループットで加工をすることができる方法を提供することを目的としている。
　本発明のレーザ加工方法は、透明基板上に形成された金属薄膜をパルス光照射により加工するレーザ加工方法である。当該レーザ加工方法は、半導体レーザを用意し、光増幅器を少なくとも備えたＭＯＰＡ構造を有するファイバレーザ（以下、ＭＯＰＡファイバレーザという）を用意し、増幅されたパルス光の半値全幅を所望の範囲に制御した後、ＭＯＰＡファイバレーザからのパルス光を、透明基板を介して金属薄膜に照射する。用意される半導体レーザは、電気信号により直接変調されることにより、パルス光を繰り返し出力する。用意されるＭＯＰＡファイバレーザは光増幅器を少なくとも備え、この光増幅器は、希土類元素が添加されたガラスを光増幅媒体として含むとともに半導体レーザから出力されるパルス光を増幅する。また、ＭＯＰＡファイバレーザでは、光増幅器から出力されるパルス光それぞれの半値全幅が０．２ｎｓ以上かつ１ｎｓ未満となるように制御される。そして、ＭＯＰＡファイバレーザから、このように半値全幅が制御されたパルス光が透明基板の金属薄膜とは逆側から金属薄膜に照射されることにより、金属薄膜が除去される。
　本発明のレーザ加工方法は、構造が簡単であって安価なＭＯＰＡ構造のパルスレーザ光源を用いる。また、光増幅器から出力される増幅パルス光それぞれの半値全幅は０.２ｎｓ以上に制御される。これにより、透明基板の損傷を回避することが可能になる。一方、光増幅器から出力される増幅されたパルス光それぞれの半値全幅は１ｎｓ未満、好ましくは０．５ｎｓ以下に制御される。この状態でパルス光を透明基板の側から金属薄膜に照射することにより、高スループットで金属薄膜を除去することが可能になる。
　本発明のレーザ加工方法において、パルス光の出力の繰り返し周波数は、１００ｋＨｚ超であるのが好適である。この場合、スループットを高めることができる。
　本発明のレーザ加工方法において、予め設定されたパルス光照射の走査速度と繰り返し波数で金属薄膜におけるパルス光照射位置を走査させるパルス走査の際、パルス光の照射スポットの重なり率は６０％以下であるのが好ましく、また、そのレーザ出力は、金属薄膜を除去する所定の平均パワーとピークパワーを有するのが好ましい。この場合、加工品質を向上させることができる。なお、矩形の断面形状を有するコアを含む光ファイバを用いる場合は、重なり率は５０％以下に設定されても良い。
　本発明のレーザ加工方法において、光増幅器から出力される増幅パルス光のスペクトルは、半導体レーザから出力されるパルス光のスペクトルのピーク波長にピークを有するとともに、このピークは長とは異なる波長にもピークを有する。そして、光増幅器から出力される増幅パルス光のビームプロファイルがビームプロファイル均一化手段により均一化した後に、そのパルス光が金属薄膜に照射されるのが好適である。また、このとき、ビームプロファイル均一化手段としては、例えば、矩形の断面形状を有するコアを含む光ファイバが好適である。さらに、透明基板の照射表面でのパルス光のフルーエンスは、４Ｊ／ｃｍ２以上であるのが好ましい。
　本発明のレーザ加工方法は、安価なパルスレーザ光源を用いて高スループットの加工を可能にする。
は、パルスレーザ光源１の構成図である。 は、パルスレーザ光源１を用いたレーザ加工方法を説明する図である。 は、パルスレーザ光源１から出力されるパルス光の波形の一例を示す図である。 は、透明ガラス板上のＴＣＯ膜の除去を行ったときのＳＥＭ写真である。 は、パルスレーザ光源１から出力されるパルス光の波形の他の一例を示す図である。 は、透明ガラス板上のＭｏ膜の除去を行ったときの(a)顕微鏡写真，(b)ＳＥＭ写真および(c)ＥＤＸ解析結果の図である。 は、透明ガラス板上のＭｏ膜の除去を行ったときのＳＥＭ写真である。 は、パルスレーザ光源１から出力されるパルス光のスペクトルを示す図である。 は、パルスレーザ光源１の他の光源での、パルス波形の図である。 は、図９における半値全幅０．９６ｎｓのパルスで、透明ガラス板上のＭｏ膜の除去を行ったときの(a)ＳＥＭ写真および(b)その３次元画像の図である。 は、図８中に破線でスペクトルが示されたパルス光が矩形コア光ファイバを伝搬した後のビームプロファイルを示す図である。 は、図８中に実線でスペクトルが示されたパルス光が矩形コア光ファイバを伝搬した後のビームプロファイルを示す図である。
　１…パルスレーザ光源、２…透明基板、３…金属薄膜、１０…種光源、２０…ＹｂＤＦ、２１…光カプラ、２２…励起光源、２３，２４…光アイソレータ、３０…バンドパスフィルタ、４０…ＹｂＤＦ、４１…光カプラ、４２…励起光源、４３，４４…光アイソレータ、５０…ＹｂＤＦ、５１…コンバイナ、５２～５５…励起光源、６０…エンドキャップ。
　以下、本発明の各実施形態を、図１～１２を参照しながら詳細に説明する、なお、図面の説明において同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
　先ず、本実施形態のレーザ加工方法において好適に用いられるパルスレーザ光源の構成の一例を説明する。図１は、パルスレーザ光源１の構成図である。この図に示されるパルスレーザ光源１は、種光源１０、ＹｂＤＦ（Yb-Doped Fiber）２０、バンドパスフィルタ３０、ＹｂＤＦ４０およびＹｂＤＦ５０等を備えていて、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）構造を有している。このパルスレーザ光源１は、非モードロック（非共振構造）であり、レーザ加工に好適である波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。
　種光源１０は、電気信号により直接変調されてパルス光を繰り返して出力する半導体レーザを含む。この半導体レーザは、ハイパワー化の観点から、また、誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）などの非線形効果を避ける観点から、ファブリーペロ型のものであるのが好適である。また、この半導体レーザは、増幅用光ファイバであるＹｂＤＦ２０，４０，５０が利得を有する波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。ＹｂＤＦ２０，４０，５０は、石英ガラスを主成分とする光ファイバのコアに活性物質としてＹｂ元素（希土類元素）が添加された光増幅媒体であり、励起光波長と被増幅光波長とが互いに近くパワー変換効率的の点で有利であり、また、波長１０６０ｎｍ付近において高い利得を有する点でも有利である。これらＹｂＤＦ２０，４０，５０は、３段の光ファイバ増幅器（ＭＯＰＡファイバレーザの少なくとも一部を構成している）を構成している。
　第１段のＹｂＤＦ２０は、励起光源２２から出力されて光カプラ２１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ２０は、種光源１０から出力されて光アイソレータ２３および光カプラ２１を経たパルス光を入力し、このパルス光を増幅し、光アイソレータ２４を経て該パルス光を出力させる。
　バンドパスフィルタ３０は、種光源１０から出力され第１段のＹｂＤＦ２０により増幅されたパルス光を入力して、その入力したパルス光の波長帯域のうちのパルス光のピーク波長より短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させて出力する。なお、バンドパスフィルタに替えてハイパスフィルタまたはローパスフィルタが用いられてもよいが、ハイパスフィルタは種光源スペクトルの長波長側しか切り出すことができず、ローパスフィルタは種光源スペクトルの短波長側しか切り出すことができない。バンドパスフィルタは両者の機能を併せ持つので好適である。
　第２段のＹｂＤＦ４０は、励起光源４２から出力されて光カプラ４１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ４０は、バンドパスフィルタ３０から出力されて光アイソレータ４３および光カプラ４１を経たパルス光を入力し、このパルス光を増幅し、光アイソレータ４４を経て該パルス光を出力させる。第３段のＹｂＤＦ５０は、励起光源５２～５５それぞれから出力されコンバイナ５１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ５０は、第２段のＹｂＤＦ４０により増幅されたパルス光を入力して更に増幅し、エンドキャップ６０を経て該パルス光を外部へ出力させる。
　より好適な構成例は以下のとおりである。第１段のＹｂＤＦ２０は、コア励起方式で、励起波長９７５ｎｍでパワー２００ｍＷ一定の励起光が順方向に注入される。ＹｂＤＦ２０として、波長９７５ｎｍの非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍであるものが長さ５ｍ使用される。ＹｂＤＦ２０のコア径は６μｍであり、ＮＡは０.１２程度である。第２段のＹｂＤＦ４０は、コア励起方式で、励起波長９７５ｎｍでパワー２００ｍＷ一定の励起光が順方向に注入される。ＹｂＤＦ４０として、波長９７５ｎｍの非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍであるものが長さ７ｍ使用される。ＹｂＤＦ４０のコア径は６μｍであり、ＮＡは０.１２程度である。第３段のＹｂＤＦ５０は、クラッド励起方式で、励起波長９７５ｎｍでパワー２０Ｗ（５Ｗ級の励起ＬＤを４個）が順方向に注入される。ＹｂＤＦ５０として、コア部分の非飽和吸収係数が１２００ｄＢ／ｍであるものが長さ５ｍ使用される。ＹｂＤＦ５０のコアは、直径が１０μｍであり、ＮＡが０.０６程度である。ＹｂＤＦ５０の内クラッドは、直径が１２５μｍであり、ＮＡが０.４６程度である。
　このようなＭＯＰＡ構造のパルスレーザ光源１は、構造が簡単であることから安価であり、また、パルス光出力の繰り返し周波数を任意に設定することができる。特に、このパルスレーザ光源１は、種光源１０から出力され第１段のＹｂＤＦ２０により増幅されたパルス光についてバンドパスフィルタ３０によりピーク波長より短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させて出力するので、パルス幅が１ｎｓ以下まで圧縮されたパルス光を出力することができる。
　そして、本実施形態のレーザ加工方法では、このようなＭＯＰＡ構造のパルスレーザ光源１が用いられて、図２に示されるように、透明基板２上に形成された金属薄膜３がパルス光照射により加工される。このとき、パルスレーザ光源１から出力される個々のパルス光の半値全幅が０.５ｎｓ以下となるように制御をされて、このパルス光が透明基板２の側から金属薄膜３に照射されることにより金属薄膜３が除去される。パルスレーザ光源１から出力される個々のパルス光の半値全幅が０.２ｎｓ以上となるように制御をされるのが好適である。パルス光出力の繰り返し周波数が１００ｋＨｚ超であるのが好適である。また、予め設定されたパルス光照射の走査速度と繰り返し波数で金属薄膜３におけるパルス光照射位置が走査されるパルス光走査の際、パルス光の照射スポットの重なり率は６０％以下とし、そのレーザ出力は金属薄膜を除去する所定の平均パワーとピークパワーを有するのが好適である。
　図３は、パルスレーザ光源１から出力されるパルス光の波形の一例を示す図である。この図には、パルス光出力の繰り返し周波数を５００ｋＨｚおよび２ＭＨｚそれぞれとした場合のパルス光波形が示されている。何れの場合にもパルスの半値全幅を２００ｐｓ以下まで短くすることができる。
　ただし、図３に示されるパルス波形を有するパルス光の照射により透明ガラス板上のＴＣＯ（Transparent Conductive Oxide）膜の除去を行ったところ、図４に示されるように透明ガラス板に微小クラックを生じさせてしまう結果となった。図４は、透明ガラス板上のＴＣＯ膜の除去を行ったときのＳＥＭ写真である。このときの加工条件は、パルスの半値全幅が２００ｐｓであり、パルス光出力の繰り返し周波数が１５０ｋＨｚであり、パルス光照射の平均パワーが６.８Ｗであり、走査速度が２０００ｍｍ／ｓであった。このときのパルスのフルーエンスは、３．１Ｊ／ｃｍ２であった。
　そこで、図５に示されるように、パルス幅を拡げる一方でパルスピーク値を低くしたパルス光を用いた。このパルスの半値全幅は０.５ｎｓであり、パルス光出力の繰り返し周波数は２５０ｋＨｚであった。この図５に示されるパルス波形を有するパルス光の照射により透明ガラス板上のＭｏ膜（融点２６２０℃）の除去を行った。パルス光照射の平均パワーが５.７Ｗであり、走査速度が５０００ｍｍ／ｓであった。パルス光を透明ガラス板の側からＭｏ膜に照射した。この透明ガラス板上のＭｏ膜は、スパッタリングやＣＶＤなどの方法で透明ガラス板上に形成されたものであって、ＣＩＳ系太陽電池に使われる。
　上記のパルス光の照射によりＭｏ膜除去を行った結果、図６に示されるように、マイクロクラック、剥離、および、スポットとスポットとの間の捲れ上がりといった欠陥を生じることなく、Ｍｏ膜の除去に成功した。図６は、透明ガラス板上のＭｏ膜の除去を行ったときの(a)顕微鏡写真，(b)ＳＥＭ写真および(c)ＥＤＸ解析結果の図である。この加工品質は、非特許文献１に記載されたパルス幅１０ｐｓのパルス光の照射による加工の結果に対して遜色ない。走査速度は、非特許文献１では２４０ｍｍ／ｓであったのに対して、本実施例では２０倍以上の５０００ｍｍ／ｓを達成することができた。このときのパルスのフルーエンスは、４．５Ｊ／ｃｍ２であった。なお、これより小さいフルーエンスでは、Ｍｏの残渣が観測されるケースがあった。非特許文献１に記載されたパルス幅１０ｐｓより大きなパルス幅でも上記の加工が可能になったのは、フルーエンスの設定による影響が推定される。フルーエンスとパルス幅、加工対象との関係は、ケースバイケースであり、今回では、これまで想定のないパルス幅でも加工が現実に可能になったので、提示されている。
　なお、スポットとスポットとの間の捲れ上がりとは、図７のＳＥＭ写真において破線丸内に示されるように、隣り合う２つのパルス光照射スポットの間でＭｏ膜が捲れ上がる欠陥をいう。同図の加工条件は、パルスの半値全幅が１０～２０ｎｓに設定されてあり、パルス光出力の繰り返し周波数が２５０ｋＨｚであり、パルス光照射の平均パワーが８Ｗであり、走査速度が５０００ｍｍ／ｓであった。
　また、上記の構成のパルスレーザ光源１は数百ｍＡ（２００ｍＡを超える）の駆動電流を直接変調された半導体レーザを種光源１０として備えるＭＯＰＡ構造であって、このパルスレーザ光源１から出力されるパルス幅がサブナノ秒であるパルス光を用いて加工を行うことから、以下のような有利な点がある。すなわち、パルスレーザ光源１は、種光源１０から出力され第１段のＹｂＤＦ２０により増幅されたパルス光についてバンドパスフィルタ３０によりピーク波長より短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させて出力するので、パルス幅がサブナノ秒に圧縮されたパルス光を出力することができる。
　その結果、図８中に実線で示されるように、図１のパルスレーザ光源１から種光源１０のチャーピング成分をＢＰＦで切り出すことで、パルス幅がサブナノ秒に圧縮されて出力されるパルス光のスペクトルは、種光源１０としての半導体レーザから出力されるパルス光のスペクトルのピーク波長に加えて、これと異なる波長にもサブピークを有し、ピークおよびサブピークを含めた全体のスペクトルの半値全幅が１０ｎｍ以上になる。サブピーク値はピーク値の２分の１程度である。なお、同図中に破線で示されるスペクトルは、図７にＳＥＭ写真が示された加工の際のパルス光のスペクトルで、ＢＰＦを実線のようにチャーピング成分を切り出さず、種光源出力の透過量が最大になるように設定したものである。
　図９に、上記図３、図５に使用したパルスレーザ光源とは異なるパルスレーザ光源（図１で示したものと同じ構造）でのスペクトル波形（光出力と時間）を示す。パルス幅の半値幅は、０．９６ｎｓである。このパルス光を使用して、図６での事例と同様の加工を行ったところ、図１０の結果が得られた。図１０は、透明ガラス板上のＭｏ膜の除去を行ったときの(a)ＳＥＭ写真および(b)その３次元画像の図である。この加工品質は、非特許文献１に記載されたパルス幅１０ｐｓのパルス光の照射による加工の結果に対して遜色ない。走査速度は、４０００ｍｍ／ｓを達成することができた。このときのパルス光の繰り返し周波数は１５０ｋＨｚであり、パルスの平均パワーは８Ｗであり、フルーエンスは、８．９Ｊ／ｃｍ２であった。
　図８中に実線で示されるようなスペクトルのブロードバンド化は、矩形の断面形状を有するコアを含む光ファイバにパルス光を伝搬させることによってビームホモジナイズ（ビームプロファイル均一化）を行う際に有利である。何故なら、ビームホモジナイズのメカニズムは、マルチ横モード化に依るからである。パルス光のスペクトル幅が広くなれば、複数の横モード間の干渉によるスペックルが抑圧され、ダークスポットの生成を避けることができる。
　図１１は、図８中に破線でスペクトルが示されたパルス光が矩形コア光ファイバを伝搬した後のビームプロファイルを示す図である。また、図１２は、図８中に実線でスペクトルが示されたパルス光が矩形コア光ファイバを伝搬した後のビームプロファイルを示す図である。何れの場合も、矩形コア光ファイバのコアサイズは５０μｍ×５０μｍであり、矩形コア光ファイバのＮＡは０.１８であり、矩形コア光ファイバの長さは１０ｍであった。
　図１１に示されるビームプロファイルでは、極小値（Valley）と最大値（peak）との比であるＶ／Ｐ比率は４５％でしかない。これに対して、図１２に示されるビームプロファイルではＶ／Ｐ比率は６３％である。したがって、直接変調された半導体レーザを種光源とするＭＯＰＡ構造のパルスレーザ光源１を用いてビームホモジナイズを行う場合は、種光源１０のチャーピング成分をＢＰＦで切り出し、パルス幅を圧縮する方が、スペクトル幅が広がり、ビームホモジナイズしたレーザ光加工を行う方法には有利であることが明らかである。
　また、図７のＳＥＭ写真において破線丸内に示されるようなスポットとスポットとの間のＭｏ膜の捲れ上がりはＭｏ膜の剥離や捲れの原因となるが、これを防ぐには、ビームホモジナイズを行ってパルス光の断面形状を矩形とし矩形のスポットをＭｏ膜上に並べることが一つの有効な解決策となる。
　図１１および図１２それぞれにビームプロファイルが示された例は、ＭＯＰＡ光源の出力ファイバ（コア径１０μｍの単一モードファイバ）の端面を上記矩形コアファイバの端面に直接融着するという簡易的手段を採ったものである。しかし、出力ファイバと矩形コアファイバとの光学的な接続に際して、両者の間に空間光学系を設けてもよく、出力ファイバの端面から出射されたパルス光を高ＮＡのレンズにより集光して矩形コアファイバの端面に結合することで、横モードのマルチ化が更に促進されて、Ｖ／Ｐ比率が一層改善されると期待される。なお、矩形コアファイバを使用する際は、重なり率は、５０％以下となるように設定しても良い。
　尚、図４に示した透明ガラス板上のＴＣＯ（Transparent Conductive Oxide）膜の除去は、半値全幅５ｎｓ程度の比較的広いパルス幅を有するパルスで、パルス光出力の繰り返し周波数を１６０ｋＨｚとし、パルス光照射の平均パワーを１０Ｗとし、更に走査速度が２５００ｍｍ／ｓとした時に成功した。尚、この時のTCO膜は主に二酸化スズで構成されていた。即ち、半導体レーザを電気信号により直接変調してパルス光を繰り返して出力し、希土類元素が添加されたガラスを光増幅媒体として含む光増幅器で増幅するＭＯＰＡ構造を有するファイバレーザは、上述のようなパルス列を出力でき、ガラス上のＴＣＯ膜であれ、ガラス上のＭｏなどの金属膜であれ、何れも除去できる能力を有する点で、好適である。
　なお、本実施形態のレーザ加工方法は、透明ガラス板上のＭｏ膜に限らず、その他の透明材料からなる基板上に形成された接着性の比較的弱い金属膜の加工の全般に有効である。

Claims (7)

  1. 透明基板上に形成された金属薄膜をパルス光照射により加工するレーザ加工方法であって、
    　電気信号により直接変調されることでパルス光を繰り返し出力する半導体レーザを用意し、
    　希土類元素が添加されたガラスを光増幅媒体として含むとともに前記半導体レーザから出力されるパルス光を増幅する光増幅器を、少なくとも備えたＭＯＰＡファイバレーザを用意し、
    　前記光増幅器から出力されるパルス光それぞれの半値全幅を、０．２ｎｓ以上かつ１ｎｓ未満となるよう制御し、そして、
    　前記ＭＯＰＡファイバレーザから出射されたパルス光を前記透明基板の金属薄膜とは逆側から前記金属薄膜に照射することにより、前記金属薄膜を除去するレーザ加工方法。
  2. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
    　前記光増幅器により増幅されるパルス光それぞれの半値全幅は、０．５ｎｓ以下である。
  3. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
    　前記パルス光の出力の繰り返し周波数は、１００ｋＨｚ超である。
  4. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
    　予め設定されたパルス光照射の走査速度と繰り返し波数に基づいて前記金属薄膜における前記パルス光照射位置を走査させるパルス光走査の際、前記パルス光の照射スポットの重なり率は６０％以下であり、かつ、レーザ出力は前記金属薄膜を除去する所定の平均パワーとピークパワーを有する。
  5. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
    　前記光増幅器により増幅されるパルス光のスペクトルは、前記半導体レーザから出力されるパルス光のスペクトルのピーク波長においてピークを有するとともに、前記ピーク波長とは異なる波長にもピークを有しており、
    　前記光増幅器により増幅されたパルス光は、そのビームプロファイルがビームプロファイル均一化手段により均一化した後に、前記金属薄膜に照射される。
  6. 請求項５記載のレーザ加工方法において、
    　前記ビームプロファイル均一化手段は、矩形の断面形状を有するコアを含む光ファイバを含む。
  7. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
    　前記透明基板の照射表面でのパルス光のフルーエンスは、４Ｊ／ｃｍ２以上である。
PCT/JP2011/070640 2010-09-15 2011-09-09 レーザ加工方法 WO2012036097A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11825100.8A EP2617514A4 (en) 2010-09-15 2011-09-09 Laser processing method
JP2012533982A JP5983407B2 (ja) 2010-09-15 2011-09-09 レーザ加工方法
CN201180044627.1A CN103108722B (zh) 2010-09-15 2011-09-09 激光加工方法
KR1020137009492A KR20130101057A (ko) 2010-09-15 2011-09-09 레이저 가공 방법

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010-206871 2010-09-15
JP2010206871 2010-09-15
US38537310P 2010-09-22 2010-09-22
US61/385373 2010-09-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012036097A1 true WO2012036097A1 (ja) 2012-03-22

Family

ID=45831560

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2011/070640 WO2012036097A1 (ja) 2010-09-15 2011-09-09 レーザ加工方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8873595B2 (ja)
EP (1) EP2617514A4 (ja)
JP (1) JP5983407B2 (ja)
KR (1) KR20130101057A (ja)
CN (1) CN103108722B (ja)
WO (1) WO2012036097A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020526423A (ja) * 2017-07-10 2020-08-31 ガーディアン・グラス・エルエルシーＧｕａｒｄｉａｎ Ｇｌａｓｓ， Ｌｌｃ 組み立て前及び後の絶縁ガラスユニットのコーティングのレーザーアブレーション／スクライビング技術並びに／又は関連方法
JP2020535653A (ja) * 2017-09-29 2020-12-03 （シーエヌビーエム）ボンブー デザイン アンド リサーチ インスティテュート フォー グラス インダストリー カンパニー，リミティド 半透明薄膜ソーラーモジュール
JPWO2022065407A1 (ja) * 2020-09-25 2022-03-31

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170009833A (ko) * 2014-05-20 2017-01-25 닛폰고세이가가쿠고교 가부시키가이샤 수지 시트, 점착제층을 갖는 수지 시트, 및 이들을 이용하여 이루어진 용도
JP6261471B2 (ja) * 2014-07-31 2018-01-17 株式会社キーエンス レーザ加工装置
CN104733988B (zh) * 2015-03-31 2016-03-02 深圳市创鑫激光股份有限公司 基于脉冲驱动超辐射发光二极管的mopa脉冲光纤激光器
US10894054B2 (en) 2015-04-07 2021-01-19 Intercept Pharmaceuticals, Inc. FXR agonist compositions for combination therapy
DE102016210844A1 (de) * 2016-06-17 2017-12-21 4Jet Microtech Gmbh & Co. Kg Vorrichtung und Verfahren zum Abtragen einer Schicht

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002033495A (ja) * 2000-07-13 2002-01-31 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 光起電力装置の製造方法
JP2002273582A (ja) * 2001-03-16 2002-09-25 Ricoh Microelectronics Co Ltd ビーム加工装置及びタッチパネル基板の製造方法
JP2003181678A (ja) * 2001-12-18 2003-07-02 Ricoh Co Ltd 立体構造体の加工方法、立体形状品の製造方法、立体構造体の加工装置及び立体構造体
JP2007158012A (ja) * 2005-12-05 2007-06-21 Hamamatsu Photonics Kk 励起光導入部材、光ファイバ構造体および光学装置
JP2009119521A (ja) * 2007-11-19 2009-06-04 Miyachi Technos Corp レーザ溶接方法
JP2009172629A (ja) * 2008-01-23 2009-08-06 Miyachi Technos Corp マーキング装置およびマーキング方法
JP2010087041A (ja) * 2008-09-29 2010-04-15 Ulvac Japan Ltd レーザービームによる薄膜の除去方法及び薄膜太陽電池パネルの製造方法
JP2010125489A (ja) * 2008-11-28 2010-06-10 Keyence Corp レーザマーカ及びレーザマーキングシステム
JP2010171131A (ja) * 2009-01-21 2010-08-05 Omron Corp レーザ光源装置およびレーザ加工装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4190759A (en) * 1975-08-27 1980-02-26 Hitachi, Ltd. Processing of photomask
US5710786A (en) * 1995-08-25 1998-01-20 Sdl, Inc. Optical fibre laser pump source for fibre amplifiers
JP4064340B2 (ja) * 2003-12-25 2008-03-19 昭和シェル石油株式会社 集積型薄膜太陽電池の製造方法
US20060207976A1 (en) * 2005-01-21 2006-09-21 Bovatsek James M Laser material micromachining with green femtosecond pulses
JP4954836B2 (ja) * 2006-09-21 2012-06-20 株式会社半導体エネルギー研究所 半導体装置の作製方法
US8290003B2 (en) * 2007-11-30 2012-10-16 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Pulse light source
JP2009168914A (ja) * 2008-01-11 2009-07-30 Mitsubishi Cable Ind Ltd 光ファイバ及びその製造方法
JP5454080B2 (ja) * 2008-10-23 2014-03-26 住友電気工業株式会社 レーザ加工方法およびレーザ加工装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002033495A (ja) * 2000-07-13 2002-01-31 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 光起電力装置の製造方法
JP2002273582A (ja) * 2001-03-16 2002-09-25 Ricoh Microelectronics Co Ltd ビーム加工装置及びタッチパネル基板の製造方法
JP2003181678A (ja) * 2001-12-18 2003-07-02 Ricoh Co Ltd 立体構造体の加工方法、立体形状品の製造方法、立体構造体の加工装置及び立体構造体
JP2007158012A (ja) * 2005-12-05 2007-06-21 Hamamatsu Photonics Kk 励起光導入部材、光ファイバ構造体および光学装置
JP2009119521A (ja) * 2007-11-19 2009-06-04 Miyachi Technos Corp レーザ溶接方法
JP2009172629A (ja) * 2008-01-23 2009-08-06 Miyachi Technos Corp マーキング装置およびマーキング方法
JP2010087041A (ja) * 2008-09-29 2010-04-15 Ulvac Japan Ltd レーザービームによる薄膜の除去方法及び薄膜太陽電池パネルの製造方法
JP2010125489A (ja) * 2008-11-28 2010-06-10 Keyence Corp レーザマーカ及びレーザマーキングシステム
JP2010171131A (ja) * 2009-01-21 2010-08-05 Omron Corp レーザ光源装置およびレーザ加工装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HEINZ P. HUBER ET AL.: "High speed structuring of CIS thin-film solar cells with picosecond laser ablation", PROC. OF SPIE, vol. 7203, 2009, XP008148338, DOI: doi:10.1117/12.812332
See also references of EP2617514A4 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020526423A (ja) * 2017-07-10 2020-08-31 ガーディアン・グラス・エルエルシーＧｕａｒｄｉａｎ Ｇｌａｓｓ， Ｌｌｃ 組み立て前及び後の絶縁ガラスユニットのコーティングのレーザーアブレーション／スクライビング技術並びに／又は関連方法
JP2020535653A (ja) * 2017-09-29 2020-12-03 （シーエヌビーエム）ボンブー デザイン アンド リサーチ インスティテュート フォー グラス インダストリー カンパニー，リミティド 半透明薄膜ソーラーモジュール
JPWO2022065407A1 (ja) * 2020-09-25 2022-03-31
JP7407964B2 (ja) 2020-09-25 2024-01-04 古河電気工業株式会社 レーザ加工方法およびレーザ加工装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP2617514A1 (en) 2013-07-24
US20120106581A1 (en) 2012-05-03
JP5983407B2 (ja) 2016-08-31
KR20130101057A (ko) 2013-09-12
CN103108722B (zh) 2015-12-02
JPWO2012036097A1 (ja) 2014-02-03
US8873595B2 (en) 2014-10-28
CN103108722A (zh) 2013-05-15
EP2617514A4 (en) 2018-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5983407B2 (ja) レーザ加工方法
US7724787B2 (en) Method and system for tunable pulsed laser source
US8933367B2 (en) Laser processing method
KR101601344B1 (ko) 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치
US7796655B2 (en) Method and system for a pulsed laser source emitting shaped optical waveforms
CN102596482B (zh) 使用具有有益的脉冲波形的激光脉冲群在薄膜材料中划线的方法及装置
KR20110112347A (ko) 마이크로 가공을 위해 펄스 시간을 프로그래밍 가능한 초고속 버스트 모드 레이저
JP2009524232A (ja) 高出力の短小光パルス供給源
US9044829B2 (en) Fiber laser systems for cold ablation
CN102368588B (zh) 一种提高超短脉冲对比度的方法
US20080261382A1 (en) Wafer dicing using a fiber mopa
CN101814689A (zh) 啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大提高飞秒激光信噪比的方法
JP2007147663A (ja) パルスレーザ光発生装置
JP5405904B2 (ja) Ｍｏｐａ光源
EP3504589B1 (en) Modular ultraviolet pulsed laser-source
Desbiens et al. Flexible and programmable pulse shaping MOPA fiber laser platform, performances and applications
CN110048294B (zh) 一种产生高功率中红外超快脉冲激光的方法
Creeden et al. Pulsed Tm-doped fiber lasers for mid-IR frequency conversion
Hasse et al. Yb: CALGO waveguide laser written with 1 MHz-repetition rate fs-laser
CN114389141B (zh) 一种基于受激拉曼散射产生放大结构的超短脉冲激光器
Hernandez et al. Investigation of CIS/CIGS and CdTe solar cells scribing with high-power fibre short pulse lasers
Yu et al. A B-integral managing strategy with multi-stage SCF amplifier: towards direct power scaling of femtosecond sources near 2 μm
JPWO2012165163A1 (ja) レーザ装置及びレーザ加工方法
Mielke et al. Performance scaling of fiber optic femtosecond lasers for industrial micro-machining
Sharma et al. Tunable dual wavelength Q-switched fiber laser for DIAL applications

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201180044627.1

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11825100

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012533982

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011825100

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20137009492

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A