JP4158481B2

JP4158481B2 - レーザー加工方法およびその装置、並びにその装置を用いた穴あけ加工方法

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Publication number: JP4158481B2
Application number: JP2002305573A
Authority: JP
Inventors: 淳尼子; 永一藤井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: JP2004136358A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば石英ガラスなどの透明材料に形成された変質領域を除去することにより穴や溝を形成する過程において、レーザーを用いて透明材料に変質領域を形成するレーザー加工方法およびその装置、並びにその装置を用いた穴あけ加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザー加工方法は、石英ガラスなどの透明材料からなる被加工物を、モーター等の駆動手段を含む可動手段により上下方向に移動自在なステージ上に載置し、その被加工物の厚さ（深さ）方向に形成される貫通穴の上端部の位置（被加工物の上面）に、集光レンズで集光された例えば超短パルスレーザーを照射し、ステージを上方に移動させて照射ビームを被加工物の深さ方向に移動させ、被加工物の貫通穴を形成する領域において深さ方向に物性的に変質させながら長く成長させて、貫通穴に対応する変質領域を形成する。なお、物性変質とは、例えば誘電率などの物性がレーザー照射前と比べて変化することをいい、被加工物中のレーザー照射部においてレーザー強度が加工閾値を超えた領域でのみ透明材料が変質する。そして、レーザーにより変質領域が形成された被加工物を溶剤中に浸し、変質領域を溶剤エッチングにより除去して貫通穴を形成する。このとき、レーザー照射部である変質領域のエッチングがより速く進み、レーザー未照射部である変質領域以外の部分のエッチングがより遅く進む（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
「オプティクスレターズ第２６巻（ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ．２６）」、（米国）、第５版、米国光学会（ＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ）、２００１年、ｐ．２７７−２７９
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のレーザー加工方法は、被加工物の貫通穴を形成するための変質領域を、ビーム照射点を深さ（厚さ）方向に移動させることによって形成しており、そのビーム照射点の移動は、被加工物が載置されるステージを可動手段によって上下方向に移動させることによって行っていた。そして、この変質領域の大きさは、〜数μｍから〜数１０μｍであって、レーザー強度分布に依存し、そのレーザー強度分布を決める一般的な要因としては、レーザービーム強度、ビーム径、集光レンズの集光距離、集光系ＮＡ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ、集光レンズの有効径と集光距離から定まるレンズの性能指数）などのレーザー照射条件であり、可動手段はこのレーザー照射条件に対応するようにビーム照射点を移動させていた。しかしながら、被加工物に形成される変質領域を所望の位置でかつ大きさに形成するには、レーザー照射条件に対応させて可動手段を可動させなければならないため、ビーム照射点の移動に対して精密さや正確さが要求され、その要求をクリアするために、可動手段の構造が複雑で大型になりコスト高となってしまうとともに、加工に多くの時間がかかってしまって加工効率が低下してしまうなどの問題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、可動手段を省略し、被加工物またはビーム照射点を移動させることなく被加工物の貫通穴等が形成される所望領域にレーザービームを照射させて変質領域を形成することができ、コスト高を抑え加工効率を向上させることのできるレーザー加工方法およびその装置、並びにその装置を用いた穴あけ加工方法を提供することを目的としたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザー加工方法は、超短パルスレーザービームであるレーザービームを回折光学素子に通して整形し、光軸方向に沿って所定の強度分布をもった非回折ビームを発生させ、前記非回折ビームの所定レベル以上の強度分布部分のビームを、透明な被加工物の少なくとも厚さ方向の所望領域に対応させて照射し、前記所望領域の全域を前記ビームにより加工することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るレーザー加工方法は、超短パルスレーザービームであるレーザービームを回折光学素子に通して整形し、光軸方向に沿って所定領域に光エネルギーが集光され局在する強度分布をもったビームを形成し、前記強度分布部分のビームを、透明な被加工物の少なくとも厚さ方向の所望領域に対応させて照射し、前記所望領域の全域を前記ビームにより加工することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るレーザー加工方法は、複数の回折光学素子を光軸上に直列に配置し、超短パルスレーザービームであるレーザービームを前記複数の回折光学素子に通して整形し、光軸方向に沿って所定領域に光エネルギーが集光され局在する強度分布をもったビームを形成し、前記強度分布部分のビームを、透明な被加工物の少なくとも厚さ方向の所望領域に対応させて照射し、前記所望領域の全域を前記ビームにより加工することを特徴とする。
また、上記方法において、被加工物の所望領域は、穴または溝が形成される領域であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る透明な被加工物を加工するレーザー加工装置は、超短パルスレーザービームを発振するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射された超短パルスレーザービームを整形する回折光学素子とを備え、
前記回折光学素子は、光軸方向に沿って所定の強度分布をもった非回折ビームを発生させるものであることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る透明な被加工物を加工するレーザー加工装置は、超短パルスレーザービームを発振するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射された超短パルスレーザービームを整形する回折光学素子とを備え、
前記回折光学素子は、光軸方向に沿って所定領域に光エネルギーが集光され局在する強度分布をもったビームを発生させるものであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る透明な被加工物を加工するレーザー加工装置は、超短パルスレーザービームを発振するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射された超短パルスレーザービームを整形する光軸上に直列に配置された複数の回折光学素子とを備え、
前記複数の回折光学素子の組み合せにより、光軸方向に沿って所定領域に光エネルギーが集光され局在する強度分布をもったビームを発生させるものであることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る穴あけ加工方法は、上記のいずれかのレーザー加工装置を用いて、被加工物を加工するビームを被加工物の厚さ方向の所望領域全域に照射して物性的に変質させ、変質させた領域を溶剤エッチングにより除去して穴または溝を形成することを特徴とする。これによれば、短時間で穴あるいは溝を形成することができ、コスト高を抑えて加工効率を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るレーザー加工装置の要部の構成説明図、図２はそのレーザー加工装置に係る回折光学素子の平面図である。図において、１は石英などの透明材料からなり、表面に凹凸が形成された周期ｐが等しい同心円パターンの回折光学素子で、例えば超短パルスであるフェムト秒パルス光源（波長０．８０μｍ、パルス幅〜１００ｆｓ）の図示しないレーザー発振器から発振されるレーザービーム２を位相変調させて光軸Ｘ上およびその近傍に、後述する被加工物を加工するための所定の強度分布をもったビーム（非回折ビーム）を発生させる。なお、フェムト秒等の超短パルスを使用した場合、レーザービームが光学デバイスを通過する際にパルスの品質が劣化するなど問題が多い。このため、光学デバイスの厚みを薄くしてパルスに対する影響を少くしたい。回折光学素子１は厚みが充分に薄いため、パルスに対する影響を少なくすることができ、本発明ではこれを用いる。
【００１７】
ここで、回折光学素子１の製造工程を簡単に説明する。
（１）まず、回折光学素子１を形成する石英からなる基板にレジストを塗布する。
（２）ついで、集光したレーザービームでレジストを露光し、レジストのパターニングを行う。露光する際に、実現したい形状（ここでは周期ｐが等しい同心円パターン）に応じて場所毎に露光量を変える。その後レジストを現像して、レジストパターン（凹凸形状）を形成する。
（３）次に、レジストパターンにイオン化したガス（例えばＣＨＦ₃）をあて、同パターンをマスクとして利用することにより、石英基板にパターンを転写するイオンエッチングを行う。
（４）イオンエッチング後、残存するレジストを除去して石英基板上に所望の凹凸形状（実現したい形状）の回折光学素子１を形成する。
【００１８】
このように形成された回折光学素子１は、その表面が周期ｐが等しい同心円パターンに形成されているため、レーザービーム波面に位相変調を加えることができ、これにより被加工物を加工するための所定の強度分布をもったビームが得られ、このビームの強度分布により被加工物の厚さ（深さ）方向に形成される貫通穴または溝となる変質領域の形および大きさを変えることが可能となる。つまり、本発明に係る実施の形態１は、このような位相分布を有する回折光学素子１を用いてレーザービーム２を整形し、被加工物を加工するための所定の強度分布をもったビーム（非回折ビーム）を光軸Ｘ上およびその近傍に形成させ、この強度分布のビーム、特に所定レベル以上の強度分布部分のビームを、被加工物に形成される変質領域となる所望領域に位置させて、その所望領域の全域をそのビームにより加工するようにしたものである。
【００１９】
また、図１において、３は例えば石英などのレーザービームが透過される透明材料からなり、貫通穴または溝などが形成される被加工物で、図示しないテーブルに載置されて加工される。なお、テーブルは、上下方向等に移動せず、加工中載置された被加工物３は、その所望領域が光軸Ｘ上およびその近傍に形成される所定の強度分布のビーム（所定レベル以上の強度分布部分のビーム）に対応するような位置に固定される。また、このレーザー加工装置は、図示しないがレーザー発振器からのレーザービーム２を被加工物３に向けて反射させる全反射ミラーおよび全反射ミラーで全反射したレーザービーム２を幅広に拡大させるビーム拡大器が、レーザー発振器と回折光学素子１との間に設けられている。
【００２０】
このように構成された実施の形態１に係るレーザー加工装置を用いて被加工物３に貫通穴を形成するための変質領域５を形成する場合、まず、レーザービーム２が照射される被加工物３の変質領域５となる所望領域４が、光軸Ｘ上およびその近傍に形成される所定の強度分布をもったビーム（所定レベル以上の強度分布部分のビーム）に対応するように、被加工物３をテーブルに固定する。ついで、レーザー発振器を駆動すると、レーザービーム２が発振されて全反射ミラーで反射し、ビーム拡大器により幅広に拡大して回折光学素子１に入射する。このとき、回折光学素子１に入射したレーザービーム２の光軸Ｘは、回折光学素子１の中心とほぼ一致する。そして、回折光学素子１に入射したレーザービーム２は、回折光学素子１の表面に形成された周期ｐが等しい同心円パターンによって位相変調され、被加工物３を加工するための所定の強度分布をもったビーム（非回折ビーム）を光軸Ｘ上およびその近傍に形成し、その所定レベル以上の強度分布部分のビームが被加工物３の所望領域４に照射される。
【００２１】
被加工物３を加工するための所定の強度分布をもったビーム（非回折ビーム）を発生する回折光学素子１の位相分布φ（ｒ）は、次式（１）で与えられる。
φ（ｒ）＝ｍｏｄ［２ｍπｒ／ｐ］・・・（１）
ただし、ｍは回折光学素子１の回折次数、ｒは回折光学素子１の半径、λはレーザー波長、ｐは回折光学素子１の周期であり、関数ｍｏｄ［］は位相分布を２πで折り返す。この位相分布から得られる非回折ビームの光軸Ｘ上の強度分布Ｉ（ｚ）は、次式（２）で計算できる。
Ｉ（ｚ）＝Ｃ₁ｚ・ｅｘｐ（−Ｃ₂ｚ²）；
Ｃ₁＝２πＩ₀ｓｉｎ²θ、Ｃ₂＝（２ｓｉｎ²θ／ａ²）・・・（２）
ただし、入射ビームの強度分布はガウス分布で、Ｉ（ｒ）＝Ｉ₀ｅｘｐ（−２ｒ²／ａ²）であり、その半径（１／ｅ²）をａとした。また、ｓｉｎθ＝ｍλ／ｐであり、ｍ次の回折波を利用した光軸Ｘ上のビーム整形であることを意味する。
そして、式（２）から、光軸Ｘ上の強度が最大となる位置Ｚ_cは、同式を微分することにより次式（３）のように求まる。
Ｚ_c＝（ａ／２）（ｐ／λ）（１／ｍ）・・・（３）
この関係から、加工内容に応じて、強度分布の光軸Ｘ方向の距離（強度分布の強度０から最大強度を経てまた強度０になるまでの距離（深さ））および強度分布の所定レベル、例えば最大強度の９０％以上の強度分布部分の深さを変えるには、（Ａ）回折光学素子１の周期ｐを変える、あるいは（Ｂ）回折次数ｍを選ぶ。そして、式（３）から、光軸Ｘ上の強度が最大となる位置Ｚ_cにおけるビーム強度は以下のように求まる。
Ｉ（Ｚ_c）＝（πａＩ₀／ｅｘｐ（１／２））・ｍ（λ／ｐ）・・・（４）
式（４）から、回折光学素子１の周期ｐを短くすることにより光軸Ｘ上のビーム強度が高くなることがわかる。また、高次（ｍ＞１）の回折波を用いてビーム整形を行う場合にも、回折次数ｍが大きくなるため光軸Ｘ上のビーム強度は高くなる。なお、非回折ビームの光軸Ｘと直交する幅Ｗは次式で与えられる。
Ｗ＝〜ｐ・・・（５）
【００２２】
これらの関係から求めたビーム強度分布Ｉ（ｚ）の計算例を図４に示す。計算にあたり、回折次数ｍとして１次（ｍ＝１）の回折波を用いることを仮定し、レーザー波長λ＝０．８０μｍ、入射ビームの半径ａ＝３．０ｍｍとした。
そして、図４（ａ）は、回折光学素子１の周期ｐを２０．０ｍｍとした場合で、光軸Ｘ上の強度が最大となる位置Ｚは３７．５ｍｍとなり、所定レベル以上の強度分布部分の深さは２４ｍｍとなる。ここでの所定レベル以上は、最大強度の９０％以上と定義する。また、図４（ｂ）は、回折光学素子１の周期ｐを１０．０ｍｍとした場合で、光軸Ｘ上の強度が最大となる位置Ｚは１８．８ｍｍとなり、所定レベル以上の強度分布部分の深さは１２ｍｍとなる。さらに、図４（ｃ）は、回折光学素子１の周期ｐを５．０ｍｍとした場合で、光軸Ｘ上の強度が最大となる位置Ｚは９．４ｍｍとなり、所定レベル以上の強度分布部分の深さは６ｍｍとなる。
【００２３】
このような所定の強度分布をもったビームが形成されるレーザー加工装置において、図１に示すように、被加工物３の貫通穴が形成される変質領域５となる所望領域４に、所定の強度分布をもったビーム（所定レベル以上の強度分布部分のビーム）を照射すると、そのビームが所望領域４（深さ〜数ｍｍから〜数１０ｍｍ、幅〜数μｍから〜数１０μｍ）の全域に照射され、多光子吸収過程を介して所望領域４の物性を変えて変質領域５を形成する。
レーザー加工後、図３に示すように、変質領域５が形成された被加工物３を、例えばＨＦ（〜１０％水溶液）などのエッチング溶剤中に浸し、変質領域５を溶剤エッチングして除去し、貫通穴６を形成する。
【００２４】
このように、レーザービーム波面に位相変調を加えられる回折光学素子１を設け、この回折光学素子１により所定の強度分布をもったビームを光軸Ｘ上およびその近傍に形成し、被加工物３の所望領域４がこの所定レベル以上の強度分布部分のビームに対応するように固定して、このビームにより所望領域４の全域を加工するようにしたので、機械的可動手段によって被加工物３またはビーム照射点を移動させることなく、被加工物３の厚さ（深さ）方向に形成される貫通穴６となる変質領域５を短時間で形成することができる。また、このような加工を繰り返すことにより、複数の変質領域５を１つの被加工物３に対して様々な形態で形成することができる。さらに、光軸Ｘ上およびその近傍に形成されるビーム強度分布形状またはあるビーム照射条件（強度、時間）を変えることによって、被加工物３に形成される変質領域５の形および大きさを容易に変えることができる。また、溝を形成する場合、所定レベル以上の強度分布部分のビームの最深度側の端部が、被加工物３に形成される溝の最大深度の部分に位置するように、被加工物３をテーブルに固定してビームを照射するようにすることにより、所望の大きさ（深さ）の溝を形成することができる。これにより、短時間で貫通穴６あるいは溝を形成することができ、コスト高を抑えて加工効率を向上させることができるレーザー加工方法およびその加工装置を得ることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２に係るレーザー加工装置の要部の構成説明図で、この実施の形態２は、実施の形態１に係る回折光学素子１に代えて、石英などの透明材料からなり、表面に凹凸が形成された回折光学素子７としたもので、実施の形態１に係る回折光学素子１とは異なって周期ｐが等間隔に形成されておらず、レーザー発振器からのレーザービーム２を回折光学素子７を用いて回折させて、光軸Ｘ上の所定の領域のみに光エネルギーを集光させて局在させるほぼ矩形状の強度分布をもったビームを形成させ、その強度分布部分のビームを被加工物３の貫通穴６が形成される所望領域４に対応させて、そのビームにより所望領域４の全域を加工して貫通穴６（所望領域４）となる変質領域５を形成するようにしたものである。
【００２６】
このように構成された実施の形態２に係るレーザー加工装置を用いて被加工物３に貫通穴６を形成するための変質領域５を形成する場合、まず、レーザービーム２が照射される被加工物３の変質領域５となる所望領域４が、光軸Ｘ上に形成される所定領域にほぼ矩形状の強度分布をもったビームに対応するように、被加工物３をテーブルに固定する。ついで、レーザー発振器を駆動すると、レーザービーム２が発振されて全反射ミラーで反射し、ビーム拡大器により幅広に拡大して回折光学素子７に入射する。このとき、回折光学素子７に入射したレーザービーム２の光軸Ｘは、回折光学素子１の中心とほぼ一致する。そして、回折光学素子７に入射したレーザービーム２は、回折光学素子７の表面に形成された凹凸によって位相変調され、被加工物３を加工するためのほぼ矩形状の強度分布をもったビームを光軸Ｘ上の所定領域に形成し、その形成されたほぼ矩形状の強度分布部分のビームが被加工物３の所望領域４に照射される。
【００２７】
光軸上Ｘ上の所定領域に光エネルギーを集光させて局在させるほぼ矩形状の強度分布をもったビームを発生する回折光学素子７の位相分布φ（ｒ）は、次式（６）で与えられる。
φ（ｒ）＝（２π／λ）∫（ｒ／ｚ（ｒ））ｄｒ・・・（６）
ただし、積分区間は０〜ｒである。ここで、ｚ（ｒ）は回折光学素子７から出射したビームが光軸Ｘと交わる点の位置であり、その位置ｚ（ｒ）は次式（７）によって求まる。
ｚ（ｒ）＝ｚ_a＋(ｚ_b−ｚ_a)(∫ｉ（ｒ）ｒｄｒ)／(∫ｉ（ｒ）ｒｄｒ)・・・（７）
ただし、積分区間（分子）は０〜ｒで、積分区間（分母）は０〜Ｒであり、ｚ_a，ｚ_bはビーム強度分布の両端の位置（回折光学素子７面を基準に測る）、ｉ（ｒ）は入射ビームの強度分布、Ｒは入射ビームの最大半径である。
そして、式（６），（７）から求めた回折光学素子７の位相分布φ（ｒ）を用い、フレネルの積分公式により、光軸Ｘ上のビーム強度分布Ｉ（ｚ）は次式（８）により計算される。
【００２８】
【数１】

【００２９】
式（８）に基づき、ビーム強度分布Ｉ（ｚ）の計算例を図６に示す。計算にあたり、入射ビームはガウス分布、その半径ａ＝３．０ｍｍとした。また、このビーム強度分布Ｉ（ｚ）が形成される光軸Ｘ上の所定領域の中心値をここでは５０ｍｍとした。
そして、図６（ａ）は、ｚ_aを４０．０ｍｍ、ｚ_bを６０．０ｍｍとした場合、所定領域の光軸Ｘ上の強度分布部分の深さは２０ｍｍとなり、これらを用いて計算すると、図６（ａ）に示すようなビーム強度分布Ｉ（ｚ）が得られる。また、図６（ｂ）は、ｚ_aを４５．０ｍｍ、ｚ_bを５５．０ｍｍとした場合、所定領域の光軸Ｘ上の強度分布部分の深さは１０ｍｍとなり、これらを用いて計算すると、図６（ｂ）に示すようなビーム強度分布Ｉ（ｚ）が得られる。さらに、図６（ｃ）は、ｚ_aを４７．５ｍｍ、ｚ_bを５２．５ｍｍとした場合、所定領域の光軸Ｘ上の強度分布部分の深さは５ｍｍとなり、これらを用いて計算すると、図６（ｃ）に示すようなビーム強度分布Ｉ（ｚ）が得られる。
そして、各ビーム強度分布Ｉ（ｚ）が得られる位相分布を有する回折光学素子７をそれぞれ形成し、光軸Ｘ上の所定領域のみに光エネルギーを集光させて局在させる強度分布をもったビームを発生させる。
【００３０】
このような光軸Ｘ上の所定領域のみに光エネルギーを集光させて局在させるほぼ矩形状の強度分布をもったビームが形成されるレーザー加工装置において、図５に示すように、被加工物３の貫通穴６が形成される変質領域５となる所望領域４に、所定領域のみに光エネルギーを集光させて局在させるほぼ矩形状の強度分布をもったビームを照射すると、そのビームが所望領域４（深さ〜数ｍｍから〜数１０ｍｍ、幅〜数μｍから〜数１０μｍ）の全域に照射され、多光子吸収過程を介して所望領域４の物性を変えて変質領域５を形成する。
レーザー加工後、変質領域５が形成された被加工物３を、例えばＨＦ（〜１０％水溶液）などのエッチング溶剤中に浸し、変質領域５を溶剤エッチングして除去し、貫通穴６を形成する。
【００３１】
このように、レーザービーム波面に位相変調を加えられる回折光学素子７を設け、この回折光学素子７により光軸Ｘ上の所定領域のみに光エネルギーを集光させて局在させるほぼ矩形状の強度分布をもったビームを形成し、被加工物３の所望領域４が所定領域のみにほぼ矩形状の強度分布をもったビームに対応するように固定して、このビームにより所望領域４の全域を加工するようにしたので、機械的可動手段によって被加工物３またはビーム照射点を移動させることなく、被加工物３に厚さ（深さ）方向に形成される貫通穴６となる変質領域５を短時間で形成することができる。また、光軸Ｘ上の所定領域に形成されるビーム強度分布形状を違えることによって、被加工物３に形成される変質領域５の形および大きさを容易に変えることができる。さらに、溝を形成する場合、ビームの強度分布の端部Ｚ_bが、被加工物３に形成される溝の最大深度の部分に位置するように、被加工物３をテーブルに固定してビームを照射するようにすることにより、所望の大きさ（深さ）の溝を形成することができる。これにより、短時間で貫通穴６あるいは溝を形成することができ、コスト高を抑えて加工効率を向上させることができるレーザー加工方法およびその加工装置を得ることができる。
【００３２】
実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３に係るレーザー加工装置の要部の構成説明図で、この実施の形態３は、実施の形態２に係る回折光学素子７に代えて、複数の回折光学素子を用いて光軸Ｘ上の所定領域のみに光エネルギーを集光させて局在させるほぼ矩形状のビーム強度分布を形成させ、その強度分布部分のビームを被加工物３の貫通穴６が形成される所望領域４に対応させて、そのビームにより所望領域４の全域を加工して貫通穴６（所望領域４）となる変質領域５を形成するようにしたものである。そして、レーザー発振器からのレーザービーム２のビーム強度分布を変換する第１の回折光学素子８と、その第１の回折光学素子８で変換されたビームの位相の変化を補正する第２の回折光学素子９と、第２の回折光学素子９からのビーム強度分布をリング状の強度分布にするとともに、ビームを集光して被加工物３に照射する第３の回折光学素子１０とを備え、各回折光学素子８，９，１０は光軸Ｘ上に直列に配置されている。
【００３３】
このように構成された実施の形態３に係るレーザー加工装置を用いて被加工物３に貫通穴６を形成するための変質領域５を形成する場合、まず、レーザービーム２が照射される被加工物３の変質領域５となる所望領域４が、光軸Ｘ上に形成される所定領域にほぼ矩形状の強度分布をもったビームに対応するように、被加工物３をテーブルに固定する。ついで、レーザー発振器を駆動すると、レーザービーム２が発振されて全反射ミラーで反射し、ビーム拡大器により幅広に拡大して回折光学素子８に入射する。このとき、回折光学素子８に入射するレーザービーム２の強度分布をガウス分布、位相分布を平坦とする。ついで、回折光学素子８に入射したレーザービーム２は、ビーム強度分布の交換を行って回折光学素子９上に所定の強度分布を得る。そして、そのビームは回折光学素子８の作用によって位相分布も変化するため、回折光学素子９により位相変化が補正され、回折光学素子１０上にリング状の強度分布を有する平面波ビームを得る。ついで、リング状の強度分布をもった平面波ビームは、回折光学素子１０によって集光されて、ほぼ矩形状の強度分布をもったビームを光軸Ｘ上の所定領域に形成し、その形成されたほぼ矩形状の強度分布部分のビームが被加工物３に照射される。
【００３４】
このような光軸Ｘ上の所定領域にほぼ矩形状の強度分布をもったビームが形成されるレーザー加工装置において、図７に示すように、被加工物３の貫通穴が形成される変質領域５となる所望領域４に、所定領域のみにほぼ矩形状の強度分布をもったビームを照射すると、そのビームが所望領域４（深さ〜数ｍｍから〜数１０ｍｍ、幅〜数μｍから〜数１０μｍ）の全域に照射され、多光子吸収過程を介して所望領域４の物性を変えて変質領域５を形成する。
レーザー加工後、変質領域５が形成された被加工物３を、例えばＨＦ（〜１０％水溶液）などのエッチング溶剤中に浸し、変質領域５を溶剤エッチングして除去し、貫通穴６を形成する。
【００３５】
このように、複数の回折光学素子８〜１０を光軸Ｘ上に直列に配置し、これらの回折光学素子８，９，１０により、光軸Ｘ上の所定領域のみに光エネルギーを集光させて局在させるほぼ矩形状の強度分布をもったビームを形成し、被加工物３の所望領域４が所定領域のみにほぼ矩形状の強度分布をもったビームに対応するように固定して、このビームにより所望領域４の全域を加工するようにしたので、機械的可動手段によって被加工物３またはビーム照射点を移動させることなく、被加工物３の厚さ（深さ）方向に形成される貫通穴６となる変質領域５を短時間で形成することができる。また、光軸Ｘ上に形成されるビーム強度分布形状を違えることによって、被加工物３に形成される変質領域５の形および大きさを容易に変えることができる。さらに、溝を形成する場合、ビームの強度分布の深い方向に位置する端部が、被加工物３に形成される溝の最大深度の部分に位置するように、被加工物３をテーブルに固定してビームを照射するようにすることにより、所望の大きさ（深さ）の溝を形成することができる。これにより、短時間で貫通穴６あるいは溝を形成することができ、コスト高を抑えて加工効率を向上させることができるレーザー加工方法およびその加工装置を得ることができる。
【００３６】
なお、上述の実施の形態３では、３つの回折光学素子８，９，１０を備えた場合を示したが、第２の回折光学素子９の作用と第３の回折光学素子１０の作用を集積した１つの回折光学素子により、同様の作用を得るようにしてもよい。この場合も同様の効果を奏する。
【００３７】
また、上述の実施の形態１乃至３では、回折光学素子１，７乃至１０によって光軸Ｘ上のビーム強度分布を制御することにより形状あるいは大きさ等が異なる様々な変質領域５を形成する場合を示したが、これに限定するものではなく、光軸Ｘ上のビーム強度分布を制御する方法であれば適宜変更することができる。また、レーザービーム２あるいは被加工物３を光軸Ｘと直交する方向に移動させることにより、様々な形状を有する貫通溝を形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係るレーザー加工装置の要部の構成説明図。
【図２】図１のレーザー加工装置に係る回折光学素子の平面図。
【図３】実施の形態１の作用説明図。
【図４】実施の形態１のビーム強度分布の計算例を示す図。
【図５】実施の形態２に係るレーザー加工装置の要部の構成説明図。
【図６】実施の形態２のビーム強度分布の計算例を示す図。
【図７】実施の形態３に係るレーザー加工装置の要部の構成説明図。
【符号の説明】
１，７，８，９，１０回折光学素子、２レーザービーム、３被加工物、４所望領域、５変質領域、６貫通穴。

Claims

超短パルスレーザービームであるレーザービームを回折光学素子に通して整形し、光軸方向に沿って所定の強度分布をもった非回折ビームを発生させ、前記非回折ビームの所定レベル以上の強度分布部分のビームを、透明な被加工物の少なくとも厚さ方向の所望領域に対応させて照射し、前記所望領域の全域を前記ビームにより加工することを特徴とするレーザー加工方法。
超短パルスレーザービームであるレーザービームを回折光学素子に通して整形し、光軸方向に沿って所定領域に光エネルギーが集光され局在する強度分布をもったビームを形成し、前記強度分布部分のビームを、透明な被加工物の少なくとも厚さ方向の所望領域に対応させて照射し、前記所望領域の全域を前記ビームにより加工することを特徴とするレーザー加工方法。
複数の回折光学素子を光軸上に直列に配置し、超短パルスレーザービームであるレーザービームを前記複数の回折光学素子に通して整形し、光軸方向に沿って所定領域に光エネルギーが集光され局在する強度分布をもったビームを形成し、前記強度分布部分のビームを、透明な被加工物の少なくとも厚さ方向の所望領域に対応させて照射し、前記所望領域の全域を前記ビームにより加工することを特徴とするレーザー加工方法。
前記被加工物の所望領域は、穴または溝が形成される領域であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー加工方法。
超短パルスレーザービームを発振するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射された超短パルスレーザービームを整形する回折光学素子とを備え、
前記回折光学素子は、光軸方向に沿って所定の強度分布をもった非回折ビームを発生させるものであることを特徴とする透明な被加工物を加工するレーザー加工装置。
超短パルスレーザービームを発振するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射された超短パルスレーザービームを整形する回折光学素子とを備え、
前記回折光学素子は、光軸方向に沿って所定領域に光エネルギーが集光され局在する強度分布をもったビームを発生させるものであることを特徴とする透明な被加工物を加工するレーザー加工装置。
超短パルスレーザービームを発振するレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射された超短パルスレーザービームを整形する光軸上に直列に配置された複数の回折光学素子とを備え、
前記複数の回折光学素子の組み合せにより、光軸方向に沿って所定領域に光エネルギーが集光され局在する強度分布をもったビームを発生させるものであることを特徴とする透明な被加工物を加工するレーザー加工装置。
請求項５乃至７のいずれかに記載のレーザー加工装置を用いて、透明な被加工物を加工するビームを、前記被加工物の厚さ方向の所望領域全域に照射して物性的に変質させ、前記変質させた領域を溶剤エッチングにより除去して穴または溝を形成することを特徴とする穴あけ加工方法。