(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームによって加工物を加工するレーザ加工方法であって、強度分布が単峰形状であるガウシアン形状を有するレーザビームを、前記加工物面上において、前記レーザビームの強度分布を断面内でほぼ１次元方向にのみ、台形形状であるフラットトップ分布となるように変換し、前記強度分布を有する方向と直交する方向に前記強度分布が変換されたレーザビームと前記加工物とを相対的に移動させて加工するものであり、前記強度分布の変換は、前記レーザビームを断面内において１次元の空間位相変調を行う手段と、前記空間位相変調されたレーザビームを空間的にフーリエ変換する手段、とによって行い、前記１次元の空間位相変調手段は、前記１次元方向とは直交する方向に前記１次元空間位相変調の位相形状を連続的かつ相似的に保持しており、前記レーザビームのビーム径を変更したとき、前記加工物面上における前記ビームの強度分布が常に前記フラットトップ分布を生成するように、前記１次元空間位相変調手段への前記レーザビームの入射位置を前記フラットトップ分布の方向と直交する方向に移動して調整することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
レーザビームによって加工物を加工するレーザ加工機であって、強度分布が単峰形状であるガウシアン形状を有するレーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザビームを前記加工物面上において、前記レーザビームの強度分布を断面内でほぼ１次元方向にのみ、台形形状であるフラットトップ分布となるように変換する手段と、前記分布を有する方向と直交する方向に前記レーザビームと前記加工物とを相対的に移動する手段とを備え、前記強度分布の変換は、前記レーザビームを断面内において１次元の空間位相変調を行う手段と、前記空間位相変調されたレーザビームを空間的にフーリエ変換する手段、とによって行い、前記１次元の空間位相変調手段は、前記１次元方向とは直交する方向に前記１次元空間位相変調の位相形状を連続的かつ相似的に保持しており、前記レーザビームのビーム径を変更したとき、前記加工物面上における前記ビームの強度分布が常に前記フラットトップ分布を生成するように、前記１次元空間位相変調手段への前記レーザビームの入射位置を前記フラットトップ分布の方向と直交する方向に移動して調整することを特徴とするレーザ加工機。
【請求項３】
前記１次元の空間位相変調が、前記ガウシアン強度分布を有するレーザビームの中心に対して前記１次元空間的に対称に施されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。
【請求項４】
前記１次元空間位相変調の振幅が、前記レーザビームの光波に対してπの奇数倍であることを特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ加工機。
【請求項５】
前記１次元空間位相変調の空間分布が、山谷の長さを同一とする矩形形状であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
【請求項６】
前記１次元の空間位相変調手段が、前記レーザビームに対して透明な材料を基板とし、前記基板をエッチングして前記位相形状が形成されることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
【請求項７】
前記１次元の空間位相変調手段が、前記レーザビームに対して透明な材料を基板とし、前記基板に前記基板と同一または異なる材質の膜を堆積して前記位相形状が形成されることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザビームの強度プロファイルを補正する１次元位相板を用いたレーザ加工方法並びに加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを用いて加工を行うレーザ加工機においては、加工の形状はレーザのエネルギー分布であるガウス分布の影響により、中心部分が深く加工され、ビームの中心から離れるにつれて加工が浅くなり、底面が平らで切り立った側壁を有する矩形性の良い加工形状を必要とする場合には不都合が生ずるという問題がある。この問題を解決するために、２次元の位相板を用いてガウシアンビームをフラットトップビームに変換し、ビームの尖端強度を均一化してレーザ加工装置に応用した例が特開平５−３２６７１６号公報に開示されている。
特開平５−３２６７１６号公報に示されている２次元位相板について、図６を用いて説明する。図６はその２次元位相板の平面図（図６（Ａ））と、Ｙ＝０におけるＸ軸に沿った切断面（図６（Ｂ））を示す。２次元位相板３２は、径方向全ての方向にフラットトップとする為に、同心円状にパターンを持ち、ａとｂの部分に位相差πを持たせた素子である。円形開口のフーリエ変換がエアリー関数（Ｊ0 （ｒ）／ｒ）であるため、光ビームの断面電界分布をエアリー関数に近似して形成すれば、レンズによってフーリエ変換すると中心強度分布が一様で外側で急峻に強度が低下する円形ビームの断面分布が得られる。図６に示すように、同心円状の０、πの２値の位相分布を持った２次元位相板３２にガウシアンビームを透過することによって、近似的にエアリー関数型のビームを得ることができる。このビームをレンズ透過し、焦点面で強度分布を見ると、図７（Ａ）、（Ｂ）に示す中心強度が一様な円形のビームが形成されている。加工物をレンズ焦点位置に置きレーザ加工を行うと、加工底面が平らな加工を行うことができる。
フーリエ変換レンズに入射するビームの振幅と位相の関係が、エアリー関数型から大きくずれると、フーリエ変換したビームの形状が崩れてくるため、入射するガウシアンビームと位相板の輪帯の径とは特定の関係を保持し中心の軸合わせを厳密に行う必要がある。２次元位相板３２の大きさを定めると、２次元位相板３２に入射するガウシアンビーム１１の大きさには適切な大きさが一つだけ存在し、２次元位相板３２のパターンの大きさに合わせて入射させるガウシアンビームの径を調整する必要が生まれる。
レーザ加工機にこの位相板を用いた場合、フーリエ変換面である加工面におけるフラットトップ分布は、２次元位相板３２に入射するビーム径と、２次元位相板３２の面内位置に大きく左右されるため、ビーム径の調整と２次元位相板の面内位置の調整を行う構成が必要となる。このため、入射ガウシアンビーム径を変更した場合、調整するパラメータが多く複雑になり、かつ難しい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ加工を一点で行うものであれば、ビーム形状はＸＹ方向の２次元にフラットトップである必要があるが、加工点をＹ方向にスキャンして線状に加工を行う場合、加工断面を考えるとＸ方向にのみフラットトップであればよいことになる。本発明は、このような課題に鑑み成されたものであって、その目的は、レーザビームをＸ方向の１次元のみフラットトップ形状に変換し、かつビーム径の変更に対しても調整が簡易な位相板と、これを用いたレーザ加工機を提供することにある。
【０００４】
本発明に係るレーザ加工方法は、レーザビームによって加工物を加工するレーザ加工方法であって、強度分布が単峰形状であるガウシアン形状を有するレーザビームを、前記加工物面上において、前記レーザビームの強度分布を断面内でほぼ１次元方向にのみ、台形形状であるフラットトップ分布となるように変換し、前記強度分布を有する方向と直交する方向に前記強度分布が変換されたレーザビームと前記加工物とを相対的に移動させて加工するものであり、前記強度分布の変換は、前記レーザビームを断面内において１次元の空間位相変調を行う手段と、前記空間位相変調されたレーザビームを空間的にフーリエ変換する手段、とによって行い、前記１次元の空間位相変調手段は、前記１次元方向とは直交する方向に前記１次元空間位相変調の位相形状を連続的かつ相似的に保持しており、前記レーザビームのビーム径を変更したとき、前記加工物面上における前記ビームの強度分布が常に前記フラットトップ分布を生成するように、前記１次元空間位相変調手段への前記レーザビームの入射位置を前記フラットトップ分布の方向と直交する方向に移動して調整することを特徴とする。
本発明に係るレーザ加工機は、レーザビームによって加工物を加工するレーザ加工機であって、強度分布が単峰形状であるガウシアン形状を有するレーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザビームを前記加工物面上において、前記レーザビームの強度分布を断面内でほぼ１次元方向にのみ、台形形状であるフラットトップ分布となるように変換する手段と、前記分布を有する方向と直交する方向に前記レーザビームと前記加工物とを相対的に移動する手段とを備え、前記強度分布の変換は、前記レーザビームを断面内において１次元の空間位相変調を行う手段と、前記空間位相変調されたレーザビームを空間的にフーリエ変換する手段、とによって行い、前記１次元の空間位相変調手段は、前記１次元方向とは直交する方向に前記１次元空間位相変調の位相形状を連続的かつ相似的に保持しており、前記レーザビームのビーム径を変更したとき、前記加工物面上における前記ビームの強度分布が常に前記フラットトップ分布を生成するように、前記１次元空間位相変調手段への前記レーザビームの入射位置を前記フラットトップ分布の方向と直交する方向に移動して調整することを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１に本発明の１次元位相板の平面図（図１（Ａ））と、Ｙ＝０におけるＸ軸に沿った切断面（図１（Ｂ））を示す。
１次元位相板３１は透過型の素子であり、Ｘ方向の断面において、ａで示す領域とｂで示す領域とで透過光に位相差πを与える構造を有し、ｂの幅：ａの幅：ｂの幅＝１：２：１の関係を満たし、この幅の比を保持しつつＹ方向に幅Ｌが変化する構造を持つ。本１次元位相板は、入射ビーム断面のＹ方向で幅Ｌの変化が大きくならないようテーパーの角度θを小さくすることによって、２次元の空間分布がガウシアン分布であるレーザビームを１次元の方向のみフラットトップに変換することを目的とした素子である。また、テーパー状にすることで、入射ビームに対してＹ方向に素子を移動することによって、全ゆるビーム径に対して位相変調の空間比率を変化させず一定にすることが可能である。
１次元位相板３１を透過し、位相変調を受けたビームをフーリエ光学系で集光すれば、Ｘ方向にフラットトップで、Ｙ方向にガウス分布を有する分布に集光される。この１次元位相板を搭載したレーザ加工機において、フラットトップ形状となった方向（Ｘ方向）に直行する方向（Ｙ方向）にビームないし加工物を直線走査しながら加工を行うことで、エッジが切り立ち底面が平らな均一な線状の加工を行うことが可能となる。
【０００６】
図２にレーザ加工機光学系の全体構成を示す。レーザ発振器１の直後にはレーザの広がり角を補正するためにエキスパンダー等の第１の光学系２が設置される。第１の光学系２の次には加工面におけるビーム形状を変化させるための位相板３が設置される。位相板３と加工面５の間にはレーザ光を集光するための第２の光学系４が配置される。ここで、第２の光学系４はフーリエ光学系に構成され、位相板３と加工面５の関係をフーリエ変換となるように構成されるものとする。具体的には、最も簡単な構成では第２の光学系４の焦点距離をｆとした場合、位相板３の位置は前焦点−ｆの位置に、加工面５は後焦点＋ｆの位置に設置することでフーリエ光学系を形成できる。
また、１次元位相板３は、ビーム入射の面内位置が調整可能な機構を備える。
【０００７】
図２の位相板３の位置には、図１に示す１次元位相板３１が設置される。図１に示す１次元位相板３１は、例えば合成石英等の基板にエッチング、あるいは堆積により作製される。
材質は透過する材質であれば代用が可能である。その場合、位相を反転させる深さｄは下式、
ｄ＝λφ／２π（ｎ−１）
で設計することができる。ここで、λは波長、φ（＝π）は位相、ｎは屈折率であって、用いる材質の屈折率によってπの位相差を与える深さｄを変えて作製する。
【０００８】
次に１次元位相板３１の作用について説明する。１次元位相板３１にガウシアンビーム１１が入射すると、Ｙ方向は殆ど位相変調を受けないが、Ｘ方向は位相変調を受ける。この位相変調を受けたビーム１２は、Ｙ方向にはガウシアン形状を保持して伝搬するが、Ｘ方向は空間的に位相変調を受けている為に回折の効果を受けて形状が変化する。フラットトップ分布（矩形）の逆フーリエ変換が１次元の場合ｓｉｎ（ｘ）／ｘで表されるｓｉｎｃ関数の分布（円形の２次元の場合はＪ0 （ｒ）／ｒのエアリー関数）となることから、ガウス分布をｓｉｎｃ関数で表される分布に変換しフーリエ光学系で集光すれば１次元方向のフラットトップ分布が得られる。１次元位相板３１において、ガウス分布をｂの幅：ａの幅：ｂの幅＝１：２：１の割合でπの位相変調を行った分布はｓｉｎｃ関数で表される分布に近い分布を示す。すなわち、１次元位相板３１を透過し、位相変調を受けたビーム１２をフーリエ光学系で集光すれば、Ｘ方向にフラットトップで、Ｙ方向にガウス分布を有する分布に集光される。ｓｉｎｃ関数は厳密にはさらに高次の振幅振動を有しているが、高次振動の振幅値は小さくなるため省略し、主ピークに最初の副ピークのみを付加すれば、良好なフラットトップの形状が得られる。
【０００９】
１次元位相板３１を使用した場合のフラットトップのシミュレーション結果を図３（Ａ）（Ｂ）に示す。比較のために、図４（Ａ）（Ｂ）にガウシアンビームをそのまま集光した場合の結果を示す。
図３に示すように、位相変調を掛けたＸ方向にフラットトップ分布、変調の掛からないＹ方向にガウス分布となっている。
以上のように構成した１次元位相板をＹ方向に加工を走査する機構と組み合わせることによって、図５に示すように側壁が急峻に立ち底面が平らで均一な線状の加工を行うことができる。
なお、走査の機構は、光学系は固定で、加工物を搭載したステージを走査する方式、また光学系に角度光偏向器とＦθレンズを用いてレーザビームを走査する方式のどちらであっても、本発明の位相板を有効に使用することができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の１次元位相板は、ガウシアンビームに対して１次元方向（Ｘ方向）のみに中心対称に振幅πの位相変調を与え、Ｙ方向には変調の幅が変化するようにテーパー状に構成したことによって、Ｘ方向の１次元のみフラットトップ形状に変換し、かつ、入射ビームに対してＹ方向に素子を移動することで、入射ビームの大きさに対して位相変調の空間比率を容易に適合変化させることが可能である。このため、この１次元位相板を用いたレーザ加工機は、矩形性の良い線状加工形状を形成することができ、また、ビーム径の調整を行う上において極めて簡便に行える利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１次元位相板の構成を示す図である。
【図２】本発明のレーザ加工機光学系の構成を示す図である。
【図３】本発明の１次元位相板透過光のフーリエ変換強度を示す図である。
【図４】ガウシアンビームのフーリエ変換強度を示す図である。
【図５】本発明のレーザ加工機による線状加工後の形状を模式的に表す図である。
【図６】従来の２次元位相板の構成を示す図である。
【図７】従来の２次元位相板透過光のフーリエ変換強度を示す図である。
【符号の説明】
１    レーザ発振器
２    第１の光学系
３    位相板
４    第２の光学系
５    加工面
１１    ガウシアンビーム
３１    １次元位相板
３２    ２次元位相板
【図１】
0004201506.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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