(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を成形して所定の断面形状のレーザビームを形成するパターン成形機構と、
前記パターン成形機構で成形されたレーザビームを被加工物上に結像させて該被加工物上に前記レーザビームの断面形状に対応する形状のレーザ加工スポットを形成する結像レンズと、
前記パターン成形機構で成形されたレーザビームに含まれる回折光のうち高次の回折光の一部を除去する高次回折光除去機構と、
前記レーザ発振器と前記パターン成形機構との間に配置され前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光させる集光レンズと、を備え、
前記パターン成形機構は、前記集光レンズによってレーザ光が収束した位置に配置され、
前記高次回折光除去機構は、前記パターン成形機構と前記結像レンズとの間であって、該パターン成形機構から離れた該結像レンズ寄りに配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記パターン成形機構は前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を遮蔽する遮蔽部材からなり、この遮蔽部材はレーザ光の一部のみを透過させるレーザ透過窓を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記パターン成形機構は前記遮蔽部材の前記レーザ透過窓の形状および寸法を変化させる透過窓可変機構を有することを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記高次回折光除去機構は前記パターン成形機構で成形されたレーザビームを遮蔽する遮蔽部材からなり、この遮蔽部材はレーザビームに含まれる回折光のうち低次の回折光のみを透過させるレーザ透過窓を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記高次回折光除去機構は前記遮蔽部材の前記レーザ透過窓の形状および寸法を変化させる透過窓可変機構を有することを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記遮蔽部材は前記結像レンズを保持するホルダであることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか記載のレーザ加工装置により加工された被加工物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光により被加工物を加工するレーザ加工に係り、とりわけ、レーザ発振器から出力されたレーザ光を結像させて被加工物を加工するレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、レーザ発振器から出力されたレーザ光を結像させて被加工物を加工する方法として、パターン成形機構により所定の断面形状のレーザビームを成形した後、この成形されたレーザビームを被加工物上に結像させ、被加工物上に任意形状の結像パターン（レーザ加工スポット）を形成する方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のレーザ加工方法では、レーザ光がパターン成形機構のレーザ透過窓を透過するときにレーザ透過窓にて回折が生じるので、レーザビームの結像位置にて干渉が引き起こされ、被加工物上での結像パターンに強度分布が生じることとなる。なお、この強度分布は、結像レンズが同一である場合には、レーザ光の波長とレーザ透過窓の寸法とに応じてピッチが変化する周期的な干渉縞として現れ、被加工物上でレーザ光のエネルギー密度に周期的に高低が生じることとなる。
【０００４】
このため、上述した従来のレーザ加工方法では、被加工物上で結像パターンの強度分布の高い部分では加工が十分に行われるが、強度分布が低い部分では加工が不十分または全く加工が行われないという状態（レーザ加工の不均一性）が発生し、被加工物上でレーザ加工の均一性を満たすような適正な加工条件を見つけ出すことが困難となり、特に被加工物や光学系の種類等によっては適正な加工条件が見つけ出すことが全くできなくなるという問題がある。
【０００５】
また、上述した従来のレーザ加工方法では、レーザ光を被加工物まで効率良く導くためにパターン成形機構のレーザ透過窓の寸法をレーザビームの断面形状の大きさに比べて可能な限り大きくとる必要がある。そして、このようにしてレーザ透過窓の寸法を大きく保った状態で被加工物上で微小な結像パターンを形成する場合を考えると、結像倍率を小さくする必要から、結像レンズを短焦点としたり、パターン成形機構と結像レンズとの間の距離を大きくとったりする必要がある。
【０００６】
このため、上述した従来のレーザ加工方法では、結像レンズを短焦点とすることにより、レーザビームの結像位置での焦点深度が極めて浅くなり、被加工物を結像位置に正確に配置することが困難となり、加工の信頼性が低下してしまうという問題がある。また、結像レンズを短焦点とし、パターン成形機構と結像レンズとの間の距離を大きくとることにより、結像レンズの必要口径の増大や、結像レンズ等の光学部品の複雑化等を招き、装置の大型化およびコストの増大等を招いてしまうという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、被加工物上でレーザ加工を均一に行うことができるとともに、加工の信頼性を向上させ、かつ装置の小型化およびコストの低減等を容易に実現することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による解決手段は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を成形して所定の断面形状のレーザビームを形成するパターン成形機構と、前記パターン成形機構で成形されたレーザビームを被加工物上に結像させて該被加工物上に前記レーザビームの断面形状に対応する形状のレーザ加工スポットを形成する結像レンズと、前記パターン成形機構で成形されたレーザビームに含まれる回折光のうち高次の回折光の一部を除去する高次回折光除去機構と、前記レーザ発振器と前記パターン成形機構との間に配置され前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光させる集光レンズと、を備え、前記高次回折光除去機構が、前記パターン成形機構と前記結像レンズとの間に配置されていることを特徴とするレーザ加工装置である。
【０００９】
なお、上述した解決手段において、前記パターン成形機構は前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を遮蔽する遮蔽部材からなり、この遮蔽部材はレーザ光の一部のみを透過させるレーザ透過窓を有することが好ましい。さらに、前記高次回折光除去機構は前記パターン成形機構で成形されたレーザビームを遮蔽する遮蔽部材からなり、この遮蔽部材はレーザビームに含まれる回折光のうち低次の回折光のみを透過させるレーザ透過窓を有することが好ましい。ここで、前記パターン成形機構および前記高次回折光除去機構は前記遮蔽部材の前記レーザ透過窓の形状および寸法を変化させる透過窓可変機構を有することが好ましい。なお、前記遮蔽部材は前記結像レンズを保持するホルダとしてもよい。
上述した解決手段によれば、パターン成形機構で成形されたレーザビームに含まれる回折光のうち高次の回折光を遮蔽して低次の回折光のみを透過させるようにしているので、レーザビームの結像位置での干渉の影響を抑えることができ、結像パターンの内部に不均一な強度分布が生じることを効果的に防止することができる。また、パターン成形機構で成形されたレーザビームに含まれる低次の回折光の回折広がり角を大きくとることができるので、高次回折光除去機構のレーザ透過窓も大きくとることができ、隣り合った次数の回折光を分離するためのレーザ透過窓の寸法の調整を容易かつ簡易に行うことができる。
【００１０】
また、レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光レンズにより集光させることにより、パターン成形機構でのレーザ光の透過率を向上させることができ、パターン成形機構によるレーザ光の損失を抑えて被加工物の加工効率を向上させることができる。
【００１１】
さらに、レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光レンズにより集光させることにより、被加工物上で微小な結像パターンを形成する場合でも、結像倍率を大きくとることが可能となり、結像レンズを短焦点としたり、パターン成形機構と結像レンズとの間の距離を大きくとったりする必要がなくなる。このため、レーザビームの結像位置での焦点深度を深くして加工の信頼性を向上させるとともに、結像レンズの必要口径の増大や、結像レンズ等の光学部品の複雑化等を防止して装置の小型化およびコストの低減等を容易に実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は本発明によるレーザ加工装置の一実施の形態の構成を示す図である。図１に示すように、レーザ加工装置は、レーザ光Ｌを出力するレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出力されたレーザ光Ｌを成形して所定の断面形状のレーザビームＬ１を形成するパターン成形機構２と、パターン成形機構２で成形されたレーザビームＬ１を被加工物６上に結像させて該被加工物６上にレーザビームＬ１の断面形状と相似形をなす形状の結像パターン（レーザ加工スポット）を形成する結像レンズ３と、パターン成形機構２と結像レンズ３との間に配置されパターン成形機構２で成形されたレーザビームＬ１に含まれる回折光のうち高次の回折光を除去する高次回折光除去機構４とを備えている。
【００１４】
ここで、パターン成形機構２は、レーザ発振器１から出力されたレーザ光を遮蔽する遮蔽部材からなり、レーザ光の一部のみを透過させるレーザ透過窓２ａを有している。また、高次回折光除去機構４は、パターン成形機構２で成形されたレーザビームＬ１を遮蔽する遮蔽部材からなり、レーザビームＬ１に含まれる回折光のうち低次の回折光のみを透過させるレーザ透過窓４ａを有している。
【００１５】
なお、レーザ発振器１とパターン成形機構２との間には、レーザ発振器１から出力されたレーザ光Ｌを集光させる集光レンズ５が設けられている。
【００１６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について、被加工物６上に正方形の結像パターンを形成する場合を例に挙げて説明する。なおここでは、説明を簡略化するため、結像レンズ３および集光レンズ５等の光学部品は収差等が全くない理想光学系であるとし、光軸Ｌａ方向の厚さは無視できるものとする。
この場合には、パターン成形機構２として、被加工物６上に形成される結像パターンの形状と相似形をなす正方形のレーザ透過窓２ａを有する遮蔽部材を設け、レーザ透過窓２ａの中心が光軸Ｌａ上でかつ集光レンズ５の焦点位置にくるよう配置する。
【００１７】
ここで例えば、レーザ光Ｌのビーム径が３ｍｍ、広がり角が１ｍｒａｄ、波長が０．５μｍ、被加工物６上での結像パターン（正方形）の一辺が１００μｍである場合を想定する。この場合には、パターン成形機構２のレーザ透過窓２ａが一辺１００μｍの正方形であるとすると、レーザ発振器１から出力されたレーザ光Ｌは、集光レンズ５によって集光された後、パターン成形機構２のレーザ透過窓２ａを透過して断面形状が正方形のレーザビームとして成形され、またレーザ光Ｌはパターン成形機構２のレーザ透過窓２ａで回折される。なおこのとき、集光レンズ５の焦点距離が１５０ｍｍである場合を想定すると、パターン成形機構２のレーザ透過窓２ａにてそのスポット径はレーザ透過窓２ａに外接する径とほぼ等しい約１５０μｍとなる。
【００１８】
なお、このような回折はフラウンホーファ近似を用いて次のように定式化することができる。すなわち、パターン成形機構２のレーザ透過窓２ａの形状（正方形）の一辺の長さをａ、レーザ光Ｌの波長をλとすると、零次光の回折広がり角の零値幅ｄは、ｄ＝２×λ／ａ（ｒａｄ）となり、λ／ａの値に比例して干渉縞の暗線のピッチが変更されることとなる。なお、上述した例では、λ＝０．５μｍ、ａ＝１００μｍであるので、零次光の回折広がり角は零値幅で１０ｍｒａｄとなり、レーザビームＬ１に含まれる回折光の強度は、光軸Ｌａから１２．３ｍｒａｄ（１次）、１７．３５ｍｒａｄ（２次）、２２．４ｍｒａｄ（３次）、…の角度の位置で極大となる。
【００１９】
図２（ａ）（ｂ）はパターン成形機構２で成形されたレーザビームＬ１に含まれる回折光のパターンを模式的に示す図である。このうち、図２（ａ）はレーザ透過窓２ａの寸法が大きい場合の回折光のパターンを示しており、この場合には、零次光の回折広がり角が狭くなり、また各次数の回折光のピッチも狭くなる（図２（ａ）参照）。これに対し、図２（ｂ）はレーザ透過窓２ａの寸法が小さい場合の回折光のパターンを示しており、この場合には、零次光の回折広がり角が十分な大きさとなり、また各次数の回折光のピッチも十分な大きさとなる（図２（ｂ）参照）。なお、上述した例のようにレーザ透過窓２ａが一辺１００μｍの正方形である場合には、図２（ｂ）に示すようなパターンとなり、高次回折光除去機構４のレーザ透過窓４ａにより、隣り合った次数の回折光を確実に分離することが可能となる。
【００２０】
パターン成形機構２で成形されたレーザビームＬは、高次回折光除去機構４へ導かれ、レーザビームＬ１に含まれる高次の回折光が遮蔽されて低次の回折光（零次の回折光を含む）のみがレーザ透過窓４ａを通して透過される。また、高次回折光除去機構４で高次の回折光が除去されたレーザビームＬ１は結像レンズ３に導かれ、被加工物６上にレーザビームＬ１の断面形状と相似形をなす形状の結像パターンが結像される。
【００２１】
なお、高次回折光除去機構４で除去される回折光の次数は、高次回折光除去機構４のパターン成形機構２からの距離およびレーザ透過窓４ａの寸法等を適宜調整することにより、例えば３〜４次以上の範囲で任意に選択することができる。
具体的には例えば、レーザビームＬ１に含まれる回折光のうち２次の回折光までを透過させて被加工物６上に結像させる場合には、パターン成形機構２から１００ｍｍだけ離間した位置に一辺２ｍｍの正方形のレーザ透過窓４ａを有する高次回折光除去機構４を配置し、さらにその直ぐ後段に焦点距離が５０ｍｍの結像レンズ３を配置するようにするとよい。これにより、２次の回折光までを含むレーザビームＬ１を被加工物６上に結像する等倍結像の光学系が得られ、結像レンズ３から１００ｍｍの後段の位置にて一辺１００μｍの正方形の結像パターンを得ることができる。
【００２２】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は被加工物の表面パターンを模式的に示す図である。
このうち、図３（ａ）は図１に示すレーザ加工装置で加工された被加工物の表面パターンを示しており、この場合には、結像パターンの内部でほぼ均一な強度分布が得られた。これに対し、図３（ｂ）（ｃ）は高次回折光除去機構４を用いない場合の比較例を示している。このうち、図３（ｂ）はパターン生成機構２のレーザ透過窓２ａの寸法が大きい場合を示しており、この場合には、結像パターンの内部に細かな強弱パターンが現れた。また、図３（ｃ）はパターン生成機構２のレーザ透過窓２ａの寸法が小さい場合を示しており、この場合には、図３（ｂ）に比べて結像パターンの内部の強弱パターンの密度は減少したが、図３（ｂ）に比べてより粗い強弱パターンが現れた。
【００２３】
このように本実施の形態によれば、パターン成形機構２から所定距離だけ離間した位置に高次回折光除去機構４を配置し、パターン成形機構２で成形されたレーザビームＬ１に含まれる回折光のうち高次の回折光を遮蔽して低次の回折光のみを透過させるようにしているので、レーザビームＬ１の結像位置での干渉の影響を抑えることができ、被加工物６上にて結像される結像パターンの内部に不均一な強度分布が生じることを効果的に防止することができる。
【００２４】
また本実施の形態によれば、パターン成形機構２の前段に集光レンズ５を配置し、レーザ発振器１から出力されたレーザ光Ｌのスポット径をパターン成形機構２のレーザ透過窓２ａに外接する径程度まで集光させるようにしているので、パターン成形機構２でのレーザ光Ｌの透過率を向上させることができ、パターン成形機構２のレーザ透過窓２ａが小さな寸法を有している場合でも、パターン成形機構２によるレーザ光Ｌの損失を抑えて被加工物６の加工効率を向上させることができる。なおこのとき、レーザ発振器１から出力されたレーザ光Ｌを集光レンズ５により集光させることにより、パターン成形機構２で成形されたレーザビームＬ１に含まれる低次の回折光の回折広がり角を大きくとることができるので、高次回折光除去機構４のレーザ透過窓４ａも大きくとることができ、隣り合った次数の回折光を分離するためのレーザ透過窓４ａの寸法の調整を容易かつ簡易に行うことができる。
【００２５】
さらに本実施の形態によれば、レーザ発振器１から出力されたレーザ光Ｌを集光レンズ５により集光させることにより、パターン成形機構２のレーザ透過窓２ａの寸法を小さくすることができるので、被加工物６上で微小な結像パターンを形成する場合でも、結像倍率を大きくすることが可能となり、結像レンズ３を短焦点としたり、パターン成形機構２と結像レンズ３との間の距離を大きくとったりする必要がなくなる。このため、レーザビームＬ１の結像位置での焦点深度を深くして加工の信頼性を向上させるとともに、結像レンズ３の必要口径の増大や、結像レンズ３等の光学部品の複雑化等を防止して装置の小型化およびコストの低減等を容易に実現することができる。
【００２６】
なお、上述した実施の形態においては、パターン成形機構２および高次回折光除去機構４のレーザ透過窓２ａ，４ａの形状および寸法を固定としているが、可変スリットや可変絞り等の機構（透過窓可変機構）によりレーザ透過窓の形状および寸法を変化させるようにしてもよい。
【００２７】
また、上述した実施の形態においては、パターン成形機構２および高次回折光除去機構４のレーザ透過窓２ａ，４ａの形状を正方形としているが、これに限らず、任意の形状を採用することができる。また、高次回折光除去機構４のレーザ透過窓４ａの形状はパターン成形機構２のレーザ透過窓２ａの形状と同一である必要はなく、レーザビームＬ１に含まれる高次の回折光を除去できる限りにおいて任意の形状を採用することができる。
【００２８】
さらに、上述した実施の形態においては、高次回折光除去機構４がパターン成形機構２と結像レンズ３との間に配置されているが、これに限らず、結像レンズ３と被加工物６との間に配置することも可能である。
【００２９】
さらにまた、上述した実施の形態においては、高次回折光除去機構４を結像レンズ３とは独立した部材としているが、結像レンズ３を保持するホルダ（図示せず）を高次回折光除去機構４として用いるようにしてもよい。また、結像レンズ３の断面形状がパターン成形機構２で生じた回折光のうち低次の回折光のみを受け入れるのに適した寸法（口径）を有している場合には、結像レンズ３へのレーザビームＬ１の入射および非入射を利用して高次回折光除去機構４の機能をも果たすようにすることも可能である。
【００３０】
なお、上述した実施の形態においては、パターン成形機構２および高次回折光除去機構４のレーザ透過窓２ａ，４ａの形状および寸法、各光学部品間の距離、および結像レンズ３の焦点距離等について具体的な数値を上げて説明したが、これらはあくまでも一例として挙げたものであり、レーザ発振器１の特性や結像倍率、加工内容等に応じて適宜選択することが可能であることは当然である。また、各光学部品の数等もあくまでも一例として挙げたものであり、例えばパターン成形機構２および高次回折光除去機構４等を複数設けるようにしたり、結像レンズ３を複数設けるようにしてもよい。
【００３１】
なお、上述した実施の形態においては、集光レンズ５により、レーザ発振器１から出力されたレーザ光Ｌのスポット径をパターン成形機構２のレーザ透過窓２ａに外接する径程度まで集光させるようにしているが、被加工物６上での結像パターンの内部の強度分布の均一性がどの程度要求されるかに応じてスポット径の大きさを増減するようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、被加工物上でレーザ加工を均一に行うことができるとともに、加工の信頼性を向上させ、かつ装置の小型化およびコストの低減等を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ加工装置の一実施の形態を示す概略図。
【図２】パターン成形機構で成形されたレーザビームに含まれる回折光のパターンを示す図。
【図３】被加工物の表面パターンを示す図。
【符号の説明】
１  レーザ発振器
２  パターン成形機構
２ａ  レーザ透過窓
３  結像レンズ
４  高次回折光除去機構
４ａ  レーザ透過窓
５  集光レンズ
６  被加工物
【図１】
0004570182.tif 000002
【図２】
0004570182.tif 000003
【図３】
0004570182.tif 000004