JP2006278525A

JP2006278525A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2006278525A
Application number: JP2005092648A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Akiyama; 山靖裕秋
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】被加工物上に照射されるレーザ光の光強度分布を面内でできるだけ均一にすることができる、簡素でかつ安価なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】光ファイバ１２は、レーザ発振器から出射されたレーザ光Ｌを伝送するためのものであり、コア１２ａと、コア１２ａを取り囲むクラッド１２ｂとを有している。このうち、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状は、光ファイバ１２の出射端面１５から出射されたレーザ光の光強度分布が面内で均一となるよう、その外周部の少なくとも一部に非円形の部分を含む形状（コア径が均一でない形状）をなしている。具体的には、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状は、円形の一部が切り欠かれたＤ型形状、長方形形状、又は星形形状をなしているとよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、被加工物上にレーザ光を照射してレーザ加工を施すレーザ加工装置に係り、とりわけ、光ファイバにより伝送されたレーザ光を加工レンズにより被加工物上に照射してレーザ加工を施すレーザ加工装置に関する。

半導体素子やフラットパネル表示装置（液晶表示装置やプラズマ表示装置等）、太陽電池パネル等のデバイスを製造する際には、被加工物であるデバイス上にレーザ光を直接照射して各種のレーザ加工（描画等）を施すレーザ加工装置が広く用いられている。

このようなレーザ加工装置で施される代表的なレーザ加工としては、薄膜であるレジストの露光や薄膜のレーザ除去加工等の薄膜加工がある。このような薄膜加工では、被加工物上に照射されるレーザ光の光強度分布を面内でできるだけ均一にすることが重要であり、そのための方法が従来から幾つか提案されている。

具体的には、投影光学系により投影されたレーザ光をマスクを介して被加工物上に照射することにより、均一な光照射を実現する方法が知られている（特許文献１参照）。また、レーザ光の条件を補正することが可能な光学機器により得られた比較的ビーム品質の良いレーザ光を被加工物上に直接照射することにより、均一な光照射を実現する方法が知られている（特許文献２参照）。さらに、レーザ光を光ファイバを介して伝送し、光ファイバにより伝送されたレーザ光を照明光学系を介して被加工物上に照射することにより、均一な光照射を実現する方法が知られている（特許文献３参照）。なお、この最後の方法では、照明光源系として、スリットやフライアイレンズ、カライドスコープといった光学系が用いられる。
特開２００３−２８７９０４号公報特開平８−１５６３０号公報特開２００２−２０８５５８号公報

しかしながら、上述した従来の方法ではいずれも、レーザ加工装置の構成要素として、レーザ加工に必要とされる本来の光学系以外の付随的な光学系が必要になるので、装置構成が全体として複雑となり、製造コストがかさむという問題がある。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、被加工物上に照射されるレーザ光の光強度分布を面内でできるだけ均一にすることができる、簡素でかつ安価なレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、被加工物上にレーザ光を照射してレーザ加工を施すレーザ加工装置において、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送する光ファイバであって、コアと、このコアを取り囲むクラッドとを有する光ファイバと、前記光ファイバの出射端面から出射されたレーザ光を被加工物上に照射する加工レンズとを備え、前記光ファイバの前記コアの断面形状は、前記光ファイバの前記出射端面から出射されたレーザ光の光強度分布が面内で均一となるよう、その外周部の少なくとも一部に非円形の部分を含む形状をなしていることを特徴とするレーザ加工装置を提供する。

なお、本発明において、前記光ファイバの前記コアの断面形状は、円形の一部が切り欠かれたＤ型形状、長方形形状、及び星型形状の中から選択された少なくとも一つの形状をなしていることが好ましい。また、前記加工レンズは、前記光ファイバの出射端面から出射されたレーザ光を前記被加工物上に投影結像するものであることが好ましい。

本発明によれば、被加工物上に照射されるレーザ光が光ファイバのコア内で伝送される際に、レーザ光がコアの外周面で全反射を繰り返しながら伝播される。このとき、光ファイバのコアの断面形状は、通常の円形形状とは異なり、その外周部の少なくとも一部に非円形の部分を含む形状をなしているので、レーザ光が光ファイバのコア内を伝播する過程で、コアの外周面へ入射するレーザ光の入射角（反射角）が当該外周面での全反射の度に変化していくこととなり、コアの断面内でレーザ光Ｌが均一の光強度分布で満たされることとなる。このため、光ファイバの出射端面でのレーザ光の光強度分布は均一となり、被加工物上でもレーザ光の照射強度分布は均一となる。その結果、被加工物に対する良好なレーザ加工（薄膜加工等）を簡便に行うことができる。

発明を実施するための形態

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、被加工物２０上にレーザ光Ｌを照射してレーザ加工を施すためのものであり、レーザ発振器１１、光ファイバ１２及び加工レンズユニット１３を備えている。

このうち、レーザ発振器１１は、レーザ光Ｌを発生するためのものであり、図２に示すように、発生されたレーザ光Ｌが入射レンズ１６により集光されることにより、レーザ光Ｌが光ファイバ１２の入射端面１４から光ファイバ１２へ入射するようになっている。

光ファイバ１２は、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光Ｌを伝送するためのものであり、図２に示すように、コア１２ａと、コア１２ａを取り囲むクラッド１２ｂとを有している。このうち、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状は、光ファイバ１２の出射端面１５から出射されたレーザ光の光強度分布が面内で均一となるよう、その外周部の少なくとも一部に非円形の部分を含む形状（コア径が均一でない形状）をなしている。具体的には、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状は、図３（ａ）に示すように、円形の一部が切り欠かれたＤ型形状をなしているとよい。なおこの場合には、光ファイバ１２のコア１２ａの断面は、その外周部に円形部分１２ｃと非円形の直線部分１２ｄとを有している。また、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状は、図３（ｂ）に示すように、その外周部に４つの直線部分１２ｅを含む長方形形状をなしていてもよい。さらに、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状は、図３（ｃ）に示すように、その外周部に複数の直線部分１２ｆを含む星型形状をなしていてもよい。なお、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状は、これらの形状に限定されるものではなく、光ファイバ１２の出射端面１５から出射されたレーザ光の光強度分布が面内で均一となる形状であればよく、その外周部の少なくとも一部に非円形の部分を含む円形形状以外の任意の形状をとることができる。

図１に戻って説明を続けると、加工レンズユニット１３は、光ファイバ１２の出射端面１５から出射されたレーザ光Ｌを被加工物２０上に照射するためのものであり、レーザ光Ｌを被加工物２０上に投影結像する投影結像タイプの加工レンズ１３ａを有している。

次に、このような構成からなるレーザ加工装置１０の作用について説明する。

図１に示すレーザ加工装置１０において、レーザ発振器１１で発生されたレーザ光Ｌは、図２に示すように、入射レンズ１６により集光され、次いで、光ファイバ１２の入射端面１４から光ファイバ１２へ入射する。

このようにして入射端面１４から入射したレーザ光Ｌは、光ファイバ１２のコア１２ａ内で伝送される。なお、レーザ光Ｌは、図２に示すように、光ファイバ１２のコア１２ａの外周面で全反射を繰り返しながら伝播される。

このとき、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状は、通常の円形形状とは異なり、その外周部の少なくとも一部に非円形の部分を含む形状（図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなＤ型形状、長方形形状又は星型形状といった、コア径が均一でない形状）をなしている。このため、レーザ光Ｌが光ファイバ１２のコア１２ａ内を伝播する過程で、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、コア１２ａの外周面へ入射するレーザ光Ｌの入射角（反射角）が当該外周面での全反射の度に変化していくこととなり、コア１２ａの断面内でレーザ光Ｌが均一の光強度分布で満たされることとなる。その結果、光ファイバ１２の出射端面１５でのレーザ光Ｌの光強度分布は、入射されたレーザ光Ｌのプロファイルや光ファイバ１２の入射端面１４での入射位置に依存することなく均一となる。すなわち、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）の符号３１，３２，３３に示すように、所定の空間範囲に亘ってレーザ光Ｌの強度が一定のいわゆるフラットトップ形状の分布となる。ただし、この場合には、光ファイバ１２の長さは、コア１２ａの断面内でレーザ光Ｌが均一の光強度分布で満たされる程度に十分に長くする必要がある。

その後、光ファイバ１２の出射端面１５から出射されたレーザ光Ｌは、図１に示すように、加工レンズユニット１３へ向けて出射され、次いで、加工レンズユニット１３の投影結像タイプの加工レンズ１３ａにより、光ファイバ１２の出射端面１５でのレーザ光Ｌのパターンが投影結像されて被加工物２０上に照射される。ここで、加工レンズユニット１３の加工レンズ１３ａにより、光ファイバ１２の出射端面１５で均一の光強度分布を持つレーザ光Ｌが被加工物２０上に投影結像されるので、被加工物２０上でもレーザ光Ｌの照射強度分布は均一となる。その結果、被加工物２０に対する良好なレーザ加工（薄膜加工等）を簡便に行うことができる。

なお、比較のために、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状が通常の円形形状である場合について説明する。この場合には、レーザ光Ｌが光ファイバ１２のコア１２ａ内を伝播する過程で、図４（ａ）（ｂ）に示すように、コア１２ａの外周面へ入射するレーザ光Ｌの入射角（反射角）が当該外周面での全反射によっても変化せずに保存されることとなり、コア１２ａの断面内でレーザ光Ｌが均一の光強度分布で満たされることがない。その結果、光ファイバ１２の出射端面１５でのレーザ光Ｌの光強度分布は、図４（ａ）（ｂ）の符号４１，４２に示すように、入射されたレーザ光Ｌのプロファイルや光ファイバ１２の入射端面１４での入射位置に依存した不均一なものとなる。

このように本実施形態によれば、被加工物２０上に照射されるレーザ光Ｌが光ファイバ１２のコア１２ａ内で伝送される際に、レーザ光Ｌがコア１２ａの外周面で全反射を繰り返しながら伝播される。このとき、光ファイバ１２のコア１２ａの断面形状は、通常の円形形状とは異なり、その外周部の少なくとも一部に非円形の部分を含む形状（Ｄ型形状、長方形形状又は星型形状といった、コア径が均一でない形状）をなしているので、レーザ光Ｌが光ファイバ１２のコア１２ａ内を伝播する過程で、コア１２ａの外周面へ入射するレーザ光Ｌの入射角（反射角）が当該外周面での全反射の度に変化していくこととなり、コア１２ａの断面内でレーザ光Ｌが均一の光強度分布で満たされることとなる。このため、光ファイバ１２の出射端面１５でのレーザ光Ｌの光強度分布は、入射されたレーザ光Ｌのプロファイルや光ファイバ１２の入射端面１４での入射位置に依存することなく均一となり、加工レンズユニット１３の加工レンズ１３ａにより投影結像される被加工物２０上でもレーザ光Ｌの照射強度分布は均一となる。その結果、被加工物２０に対する良好なレーザ加工（薄膜加工等）を簡便に行うことができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す図。図１に示すレーザ加工装置の光ファイバ内におけるレーザ光の伝播の様子を示す図。図１及び図２に示すレーザ加工装置で用いられる、コア断面形状が非円形の光ファイバ内におけるレーザ光の伝播の様子を示す端面図及び当該端面での光強度分布図。従来のレーザ加工装置で用いられる、コア断面形状が円形の光ファイバ内におけるレーザ光の伝播の様子を示す端面図及び当該端面での光強度分布図。

符号の説明

１０レーザ加工装置
１１レーザ発振器
１２光ファイバ
１２ａコア
１２ｂクラッド
１３加工レンズユニット
１３ａ加工レンズ
１４入射端面
１５出射端面
１６入射レンズ
２０被加工物
Ｌレーザ光

Claims

被加工物上にレーザ光を照射してレーザ加工を施すレーザ加工装置において、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を伝送する光ファイバであって、コアと、このコアを取り囲むクラッドとを有する光ファイバと、
前記光ファイバの出射端面から出射されたレーザ光を被加工物上に照射する加工レンズとを備え、
前記光ファイバの前記コアの断面形状は、前記光ファイバの前記出射端面から出射されたレーザ光の光強度分布が面内で均一となるよう、その外周部の少なくとも一部に非円形の部分を含む形状をなしていることを特徴とするレーザ加工装置。
前記光ファイバの前記コアの断面形状は、円形の一部が切り欠かれたＤ型形状、長方形形状、及び星型形状の中から選択された少なくとも一つの形状をなしていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記加工レンズは、前記光ファイバの出射端面から出射されたレーザ光を前記被加工物上に投影結像するものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。