JP4444883B2 - Beam homogenizer, laser processing apparatus and laser processing method - Google Patents
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Description
本発明は、レーザビームのビーム断面内における強度分布を均一化するビームホモジナイザ及びレーザ加工方法に関する。 The present invention relates to a beam homogenizer and a laser processing method for uniformizing an intensity distribution in a beam cross section of a laser beam.
図9に、特許文献1に開示されたビームホモジナイザ90の断面図を示す。ビームホモジナイザ90に入射するレーザビームLの光軸に平行な方向をZ方向とするXYZ直交座標系を考える。図9は、XZ平面に平行な断面図である。ビームホモジナイザ90は、一対のレンズアレイ91及び92、並びに収束レンズ93を有する。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
レンズアレイ91及び92の各々は、レンズ光軸をZ軸と平行にし、円柱面の母線をY軸と平行にした7本のシリンドリカルレンズを、X方向に配列して構成したものである。前段のレンズアレイ91を構成する各シリンドリカルレンズのレンズ光軸が、後段のレンズアレイ92を構成する対応するシリンドリカルレンズのレンズ光軸と一致する。
Each of the
レーザビームLが、前段のレンズアレイ91により各シリンドリカルレンズに対応した7本の光線束に分割される。図9には、中央と両端の光線束のみを代表して示す。前段のレンズアレイ91によって集束された光線束が、後段のレンズアレイ92によってさらに集束される。後段のレンズアレイ92から出射した各光線束は、収束レンズ93の前方で一旦集光した後、発散光線束となって収束レンズ93に入射する。
The laser beam L is divided into seven beam bundles corresponding to each cylindrical lens by the
収束レンズ93が、自己に入射した7本の発散光線束の全てをホモジナイズ面94内の共通の領域に重ね合わせる。これにより、各発散光線束の断面内強度分布(以下、プロファイルという。)が、ホモジナイズ面94内の共通の領域で足し合わされる。この結果、X方向に関するプロファイルの均一化が図られる。
The converging
従来のビームホモジナイザ90では、収束レンズ93から出射した各発散光線束の、ホモジナイズ面(被照射面)94に対する最大入射角は、例えば18°程度になる。ここで、被照射面に対する光線束の最大入射角とは、その光線束を構成する光線のうち被照射面への入射角が最も大きい光線の入射角のことをいう。加工品質の向上等の観点から、光線束を被照射面に対して略垂直に入射させたい場合がある。
In the
本発明の目的は、被照射面に入射させる光線束を被照射面に対して垂直に近づけることができるビームホモジナイザを提供することにある。また、本発明の目的は、レーザ加工の加工品質を高めることが可能な技術を提供することにある。また、本発明の目的は、レーザ加工の加工効率を高めることが可能な技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a beam homogenizer capable of bringing a light beam incident on an irradiated surface close to being perpendicular to the irradiated surface. Another object of the present invention is to provide a technique capable of improving the processing quality of laser processing. Another object of the present invention is to provide a technique capable of increasing the processing efficiency of laser processing.
本発明の一観点によれば、レーザビームを、被照射面上において一方向に長い直線状の長尺領域に入射させるビームホモジナイザであって、入射するレーザビームを、前記長尺領域の長尺方向に対応する方向に関して複数のビームに分割する分割光学素子と、前記分割光学素子で分割されて得られた複数の分割ビームのビーム断面が、前記被照射面上において前記長尺方向に配列し、該長尺方向に関して相互に隣り合うビーム断面同士が部分的にのみ重なり合うように、前記分割ビームを前記被照射面まで導き、該分割ビームの各々の、前記被照射面への最大入射角が5°以下である重ね合わせ光学系とを備えたビームホモジナイザが提供される。 According to one aspect of the present invention, a beam homogenizer that causes a laser beam to be incident on a linear long region that is long in one direction on a surface to be irradiated, the incident laser beam being a long region of the long region. A splitting optical element that splits a plurality of beams with respect to a direction corresponding to a direction, and a beam cross section of the plurality of split beams obtained by splitting with the splitting optical element are arranged in the longitudinal direction on the irradiated surface. The split beams are guided to the irradiated surface so that beam cross sections adjacent to each other in the longitudinal direction partially overlap, and the maximum incident angle of each of the split beams to the irradiated surface is A beam homogenizer provided with a superposition optical system that is 5 ° or less is provided.
ここで、分割ビームの最大入射角とは、複数の分割ビームを構成するすべての光線のうち被照射面への入射角が最も大きい光線の入射角のことをいう。
本発明の他の観点によれば、 1本のレーザビームを、そのビーム断面内の位置に関して複数の分割ビームに分割する工程と、柱面の母線が第1の方向と交差するような姿勢で、被照射面に沿って配列した複数の凸シリンドリカルレンズで構成されたレンズアレイの該被照射面において、前記分割ビームの各々のビーム断面が前記第1の方向に長い形状になり、前記複数の分割ビームのビーム断面が前記第1の方向に配列し、かつ相互に隣り合うビーム断面同士が部分的にのみ重なり合い、重なり合ったビーム断面の前記第1の方向の光強度分布が、前記1本のレーザビームの前記第1の方向に対応する方向の光強度分布よりも均一に近づくように、前記分割ビームを前記レンズアレイまで導く工程と、前記レンズアレイまで導かれた分割ビームを、前記レンズアレイを通して被加工面に入射させる工程と、前記レーザビームの入射位置が、前記第1の方向と交差する第2の方向に移動するように、前記被加工面及び前記レーザビームの少なくとも一方を移動させる工程と
を含むレーザ加工方法が提供される。
Here, the maximum incident angle of a split beam refers to the incident angle of a light beam having the largest incident angle on the irradiated surface among all the light beams constituting a plurality of split beams.
According to another aspect of the present invention, a step of dividing one laser beam into a plurality of divided beams with respect to a position in the beam cross section, and an attitude such that a bus bar on a column surface intersects the first direction. In the irradiated surface of the lens array composed of a plurality of convex cylindrical lenses arranged along the irradiated surface, each beam cross section of the split beam has a long shape in the first direction, The beam cross sections of the divided beams are arranged in the first direction, and the beam cross sections adjacent to each other partially overlap each other, and the light intensity distribution in the first direction of the overlapped beam cross sections is the one A step of directing the split beam to the lens array so as to approach a light intensity distribution in a direction corresponding to the first direction of the laser beam; and a split bea guided to the lens array The arm, the step of entering the treated surface through the lens array, the incident position of the laser beam, the first to move in a second direction crossing the direction, the surface to be processed and the laser beam And a step of moving at least one of the laser processing method.
ビームホモジナイザにおいては、すべての分割ビームのビーム断面同士が同一領域上で重なり合うのではなく、長尺方向に関して隣り合う分割ビームのビーム断面同士が部分的にのみ重なり合うような構成とすることにより、各分割ビームの被照射面への最大入射角を5°以下とすることができる。これにより、レーザ加工の加工品質を高めることが可能となる。 In the beam homogenizer, the beam cross sections of all the divided beams do not overlap on the same region, but the beam cross sections of the adjacent divided beams with respect to the longitudinal direction are only partially overlapped. The maximum incident angle of the split beam on the irradiated surface can be 5 ° or less. Thereby, the processing quality of laser processing can be improved.
レーザ加工方法においては、被加工面及びレーザビームの少なくとも一方を第2の方向へ移動させることにより、各々凸シリンドリカルレンズの母線に平行な方向に延在する複数の領域を一括して加工することができる。このため、レーザ加工の加工効率を高めることが可能となる。 In the laser processing method, a plurality of regions each extending in a direction parallel to the generatrix of the convex cylindrical lens are collectively processed by moving at least one of the processing surface and the laser beam in the second direction. Can do. For this reason, it becomes possible to improve the processing efficiency of laser processing.
図8(a)に、レーザ加工の対象となる加工対象物80の断面図を示す。加工対象物80は、平板状部81と、平板状部81の表面に形成されたレンズアレイ部82と、平板状部81の裏面に形成された被加工膜83とを有する。平板状部81の厚さ方向をS方向とするSTU直交座標系を考える。レンズアレイ部82は、各々円柱面の母線をU方向と平行にし、レンズ光軸をS方向と平行にした複数の等価な凸シリンドリカルレンズがT方向に配列されて構成されている。平板状部81及びレンズアレイ部82は、近赤外線を透過させる材料、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)からなる。被加工膜83は、近赤外線を吸収する材料、具体的にはカーボンを含む材料からなる。
FIG. 8A shows a cross-sectional view of an object 80 to be processed by laser processing. The workpiece 80 includes a flat plate portion 81, a
この加工対象物80に対し、近赤外域の波長をもち、T方向に長尺化された線状ビームLを、レンズアレイ部82側から入射させる。レンズアレイ部82を構成する各シリンドリカルレンズのT方向の長さは、線状ビームLの長尺方向(T方向)の長さよりも短い。線状ビームLを加工対象物80に入射させると、レンズアレイ部82が線状ビームLをT方向に複数に分割するとともに、分割した各々の光線束をST面内で被加工膜83の表面(被加工面)に集光させる。これにより、レンズアレイ部82によって分割されて得られた収束光線束が入射した位置の被加工膜83が除去される。このようにして被加工膜83の一部を除去しつつ、加工対象物80をU方向に移動させることにより、被加工膜83に各々U方向に延在する複数本の除去部分を形成することができる。
A linear beam L having a wavelength in the near infrared region and elongated in the T direction is incident on the workpiece 80 from the
図8(b)に、被加工膜83に複数の除去部分84が形成された加工対象物80を示す。このように複数の除去部分84が形成されたものは、プロジェクション型テレビションの映像投影用スクリーンとして用いられる。
FIG. 8B shows a workpiece 80 in which a plurality of removed
ここで、加工対象物80を加工するための上記線状ビームLを形成するものとして図9に示した従来のホモジナイザ90を用いることを考える。図9のX、Y、Z方向がそれぞれ図8(a)及び(b)のT、U、S方向と対応する。この場合、以下の課題が生じる。即ち、図9のホモジナイザ90から出射する光線束の各々は発散しているため、それらの発散光線束群を線状ビームLとして用いる場合、線状ビームLを構成する光線が、図8のTU平面に対して垂直とならない。このため、レンズアレイ部82によって分割された収束光線束の集光位置を被加工膜83の表面(被加工面)に揃えること、及び隣り合う集光位置のT方向の間隔を均等にすることに関して改善の余地がある。
Here, it is considered that the
一方、線状ビームLを構成する光線を被加工面に対して垂直に近づける場合、線状ビームLの長尺方向(T方向)の長さが、ホジナイザを構成するレンズのうち、長尺方向に関するビームの集束又は発散に影響を与えるレンズであって、最も被加工面側に配置されているレンズの直径と略同じになる。現状では直径800mm以上のガラス製レンズを精度よく製造することが困難である。このため、線状ビームLを構成する光線を被加工面に垂直に近づける場合は、線状ビームLのT方向の長さを800mm以上に長尺化することが困難となる。従って、線状ビームLのT方向の長さをできるだけ長尺化し、加工対象物80の加工効率を向上させることに関して課題が生じる。そこで、以上説明した課題を解決すべく発明者によって案出されたレーザ照射装置について以下に説明する。 On the other hand, in the case where the light beam constituting the linear beam L is brought close to perpendicular to the surface to be processed, the length of the linear beam L in the longitudinal direction (T direction) is the longitudinal direction of the lenses constituting the hosizer. The lens has an influence on the focusing or divergence of the beam, and is approximately the same as the diameter of the lens arranged closest to the processing surface. At present, it is difficult to accurately manufacture a glass lens having a diameter of 800 mm or more. For this reason, when making the light beam which comprises the linear beam L near perpendicular | vertical to a to-be-processed surface, it becomes difficult to lengthen the length of the T direction of the linear beam L to 800 mm or more. Accordingly, there is a problem with increasing the length of the linear beam L in the T direction as much as possible to improve the processing efficiency of the processing target 80. Then, the laser irradiation apparatus devised by the inventor to solve the problems described above will be described below.
図1に、実施例によるレーザ照射装置の概略図を示す。光源1が、レーザビームL1を出射する。光源1は、YAGレーザ発振器からなり、レーザビームL1は近赤外域の波長をもつ。なお、光源1として、他の固体レーザ又は半導体レーザ等を用いてもよい。ビームホモジナイザ2が、光源1から出射されたレーザビームL1を線状ビームL2に変換する。線状ビームL2が被照射面3に入射する。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a laser irradiation apparatus according to an embodiment. The light source 1 emits the laser beam L 1. Light source 1 consists of a YAG laser oscillator, the laser beam L 1 has a wavelength in the near infrared region. Note that another light source laser or a semiconductor laser may be used as the light source 1.
図2は、被照射面3上における線状ビームL2の照射領域Rを示す線図である。照射領域Rは、一方向に長い直線状をなしている。ここで、図1の被照射面3に平行な面内に、この照射領域(以下、長尺領域という。)Rの長尺方向をX1方向とし、短尺方向をY1方向とするX1Y1直交座標系を定義する。 Figure 2 is a diagram showing an irradiation region R of the linear beam L 2 on the surface to be illuminated 3. The irradiation region R has a linear shape that is long in one direction. Here, in a plane parallel to the surface to be illuminated 3 of Figure 1, the irradiation region (hereinafter,. As long region) the longitudinal direction of R and X 1 direction, X 1 to a short direction and Y 1 direction Define a Y 1 Cartesian coordinate system.
以下、図3及び図4を参照して、ビームホモジナイザ2の、長尺領域Rの長尺方向(X1方向)に対応する方向に平行な断面内における光線束の伝播の様子を説明する。
図3は、ビームホモジナイザ2を構成する光学系の一部の断面図である。レーザビームL1の光軸と平行な方向をZ2方向とするX2Y2Z2直交座標系を考える。図3は、X2Z2面に平行な断面図である。X2方向が、図2の長尺領域Rの長尺方向(X1方向)と対応する。Z2方向に、第1〜第6のシリンドリカルレンズCL1〜CL6、レンズアレイLA、及び第7〜第10のシリンドリカルレンズCL7〜CL10、及び凸面鏡M1がこの順に配置されている。
Hereinafter, with reference to FIGS. 3 and 4, the
FIG. 3 is a sectional view of a part of the optical system constituting the
レーザビームL1が、第1〜第3のシリンドリカルレンズCL1〜CL3を通過して、第4のシリンドリカルレンズCL4に入射する。第1〜第3のシリンドリカルレンズCL1〜CL3は、X2Z2面内ではレンズ作用をもたない。第4のシリンドリカルレンズCL4はレーザビームを発散させる。第4のシリンドリカルレンズCL4から出射したレーザビームは、第5のシリンドリカルレンズCL5を通過して第6のシリンドリカルレンズCL6に入射する。第5のシリンドリカルレンズCL5は、X2Z2面内ではレンズ作用をもたない。第6のシリンドリカルレンズCL6は、自己に入射したレーザビームを平行光線束に近づける。第4及び第6のシリンドリカルレンズCL4及びCL6が、レーザビームのビーム径をX2方向に拡大するエキスパンダとしての機能を果たす。第6のシリンドリカルレンズCL6から出射したレーザビームは、レンズアレイLAに入射する。
The laser beam L 1 will pass through the first to third cylindrical lens CL 1 -CL 3, enters the fourth cylindrical lens CL 4. The first to third cylindrical lenses CL 1 to CL 3 do not have a lens action in the X 2 Z 2 plane. The fourth cylindrical lens CL 4 of diverging laser beam. The laser beam emitted from the fourth cylindrical lens CL 4 is incident through the cylindrical lens CL 5 of the fifth to the sixth cylindrical lens CL 6 of. The fifth cylindrical lens CL 5 of, no lens action is
レンズアレイLAは、各々レンズ光軸をZ2軸と平行にし、円柱面の母線をY2軸と平行にした等価な9個の凸シリンドリカルレンズが、X2方向に配列されて構成されている。レンズアレイLAは、自己に入射したレーザビームをX2方向の位置に関して9分割し、9本の分割ビームを形成する。図3には、便宜上、そのうちの3本の分割ビームLa、Lb、及びLcの各々について、中心光線と両端の光線とを代表して示す。レンズアレイLAから出射した各分割ビームは、第7〜第10のシリンドリカルレンズCL7〜CL10を通して凸面鏡M1に入射する。 Lens arrays LA are each lens optical axis was parallel to the Z 2 axes, equivalent nine convex cylindrical lens busbars and parallel to the Y 2 axis of the cylinder surface is configured to be arranged in the X 2 direction . Lens array LA is a laser beam incident on the self-divided into nine terms X 2 direction position, forming a nine split beams. In FIG. 3, for the sake of convenience, the center beam and the beam at both ends are representatively shown for each of the three split beams La, Lb, and Lc. Each divided beam emitted from the lens array LA is incident through the cylindrical lens CL 7 -CL 10 of the seventh to tenth to convex mirror M 1.
第7及び第8のシリンドリカルレンズCL7及びCL8は凸シリンドリカルレンズであり、第9及び第10のシリンドリカルレンズCL9及びCL10は、X2Z2面内ではレンズ作用をもたない。凸面鏡M1の凸面は球面である。なお、凸面鏡M1の凸面は放物面であってもよい。レンズアレイLAから出射した各分割ビームは、第7及び第8のシリンドリカルレンズCL7及びCL8で収束され、凸面鏡M1の前方で一旦焦点を結ぶ。その後、発散光線束となって凸面鏡M1に入射する。 The seventh and eighth cylindrical lenses CL 7 and CL 8 are convex cylindrical lenses, and the ninth and tenth cylindrical lenses CL 9 and CL 10 have no lens action in the X 2 Z 2 plane. Convex surface of the convex mirror M 1 is spherical. Incidentally, the convex surface of the convex mirror M 1 may be a paraboloid. Each divided beam emitted from the lens array LA is converged in the seventh and the cylindrical lens CL 7 and CL 8 eighth, connecting once focus in front of the convex surface mirror M 1. Then, incident on the convex mirror M 1 becomes divergent light beam.
図4は、図1のビームホモジナイザ2を構成する光学系の残部の断面図である。図3にも示した凸面鏡M1及び被照射面3の双方と対面する位置に、凹面鏡M2が配置されている。凹面鏡M2の凹面は球面である。なお、凹面鏡M2の凹面は放物面であってもよい。
4 is a cross-sectional view of the remaining portion of the optical system constituting the
図4(a)に示すように、凸面鏡M1で反射した各分割ビームが凹面鏡M2に入射する。なお、図4(a)には、図3にも示した分割ビームLa、Lb、及びLcのみを代表して示す。凸面鏡M1で反射した各分割ビームは発散光線束であるとともに、それら発散光線束の中心光軸の間隔は、凸面鏡M1から遠ざかるに従って広がる。 As shown in FIG. 4 (a), each divided beam reflected by the convex mirror M 1 is incident on the concave mirror M 2. In FIG. 4A, only the split beams La, Lb, and Lc shown in FIG. 3 are shown as representatives. With each divided beam reflected by the convex mirror M 1 is a divergent bundle of rays, the spacing of the central optical axis thereof divergent light beam spreads as the distance from the convex mirror M 1.
図4(b)に示すように、凹面鏡M2で反射した各分割ビームは、グラデーションフィルタFを通して被照射面3に入射する。なお、図4(b)にも分割ビームLa、Lb、及びLcのみを代表して示す。凹面鏡M2は、凸面鏡M1で反射した各分割ビームを平行光線束に近づけ、かつそれら平行光線束に近づけられた複数の分割ビームの光軸同士も平行に近づける。凹面鏡M2で反射した9本の分割ビームが、図1にも示した線状ビームL2を構成する。 As shown in FIG. 4B, each split beam reflected by the concave mirror M 2 enters the irradiated surface 3 through the gradation filter F. FIG. 4B also shows only the split beams La, Lb, and Lc as representatives. The concave mirror M 2 is brought close to the split beam reflected by the convex mirror M 1 into a parallel light beam, and also close parallel optical axes of the plurality of split beams which are close to their parallel light flux. The nine split beams reflected by the concave mirror M 2 constitute the linear beam L 2 shown in FIG.
凹面鏡M2で反射した分割ビームのビーム断面は、被照射面3上においてX1方向(図2の長尺領域Rの長尺方向)に配列する。X1方向に関して相互に隣り合うビーム断面同士は部分的にのみ重なり合う。このような構成とすることにより、各分割ビームの被照射面3への最大入射角を5°以下とすることが可能となる。ここで、分割ビームの最大入射角とは、その分割ビームの各々を構成するすべての光線のうち被照射面3への入射角が最も大きい光線の入射角のことをいう。 Beam cross-section of the split beam reflected by the concave mirror M 2 is arranged in the X 1 direction on the surface to be illuminated 3 (longitudinal direction of the long region R of FIG. 2). Beam cross-section adjacent to one another with respect to X 1 direction overlap only partially. With such a configuration, the maximum incident angle of each split beam on the irradiated surface 3 can be set to 5 ° or less. Here, the maximum incident angle of a split beam refers to the incident angle of a light beam having the largest incident angle to the irradiated surface 3 among all the light beams constituting each of the split beams.
なお、原理的には凹面鏡M2に代えて等価な凸レンズを用いることもできる。但し、現状では直径が800mm以上のレンズの製作が困難である。この点、本実施例では、凸レンズではなく凹面鏡M2を用いたことにより、線状ビームL2のX1方向に関するビーム幅を800mm以上とすることが可能になる。 Note that in principle it is also possible to use an equivalent convex lens instead of the concave mirror M 2. However, at present, it is difficult to manufacture a lens having a diameter of 800 mm or more. In this regard, in the present embodiment, by using a concave mirror M 2 instead of the convex lens, comprising a beam width in the X 1 direction of the linear beam L 2 can be greater than or equal 800 mm.
凹面鏡M2によって反射された分割ビームの、X1方向に隣り合うビーム断面同士は部分的には重なり合うため、被照射面3の表面におけるX1方向の光強度分布は、図1の光源1から出射されるレーザビームLのX1方向に対応する方向の光強度分布よりも均一に近づく。また、グラデーションフィルタFを配置したことにより、これを配置しない場合に比べるとX1方向に関する光強度分布の均一性をさらに高めることができる。即ち、グラデーションフィルタFは、それを配置することによりX1方向に関する光強度分布の均一性が増進されるような、X1方向に変化した光減衰率の分布を有する。 Split beam reflected by the concave mirror M 2, since the beam cross-section adjacent to X 1 direction overlap in part, the light intensity distribution in the X 1 direction in the surface of the irradiated surface 3, the light source 1 of FIG. 1 than the light intensity distribution in the direction corresponding to the X 1 direction of the laser beam L emitted approach uniform. Further, the gradation by a filter F is arranged, which can further enhance the uniformity of the light intensity distribution for comparison when X 1 direction when not disposed. That is, the gradient filter F has a X 1 direction about such as uniformity of the light intensity distribution is enhanced, the distribution of light attenuation factor is changed to X 1 direction by placing it.
図5に、被照射面3におけるX1方向の光強度分布を示す。横軸はX1方向の位置を示し、縦軸は光強度を示す。図5は、図1の光源1から出射されるレーザビームL1がガウス分布状のプロファイルを有し、かつ図4(b)のグラデーションフィルタFを省略した場合に得られる光強度分布である。X1方向両端部分を除いて、光強度分布が略平坦となっている。具体的には、X1方向に関する光強度分布のトップフラット率を、0.853とすることができた。ここで、トップフラット率Rとは、光強度分布の最高値の90%以上の強度を有する部分の幅をW1、最高値の50%以上の強度を有する部分の幅をW2としたとき、R=W1/W2で定義される値のことである。なお、本実施例においてW1の値は1497mmであり、W2の値は1755mmである。 Figure 5 shows the X 1 direction of the light intensity distribution on the illuminated surface 3. The horizontal axis indicates the position of X 1 direction, the vertical axis indicates the light intensity. 5, the laser beam L 1 emitted from the light source 1 of FIG. 1 has a Gaussian-like profile, and the light intensity distribution obtained when omitting the gradient filter F in Figure 4 (b). Except for the X 1 direction end portion, the light intensity distribution are substantially flat. Specifically, the top flat of the light intensity distribution for X 1 direction, it was possible to 0.853. Here, the top flat rate R means that the width of a portion having an intensity of 90% or more of the maximum value of the light intensity distribution is W 1 , and the width of a portion having an intensity of 50% or more of the maximum value is W 2. , R = W 1 / W 2 . The value of W 1 in this embodiment is 1497Mm, the value of W 2 is 1755Mm.
次に、図6及び図7を参照して、ビームホモジナイザ2の、図2の長尺領域Rの短尺方向(Y1方向)に対応する方向に平行な断面内における光線束の伝播の様子を説明する。
図6は、図3にも示した光学系のY2Z2面に平行な断面図である。Y2方向が、図2の長尺領域Rの短尺方向(Y1方向)と対応する。レーザビームL1は、第1のシリンドリカルレンズCL1によって発散された後、第2のシリンドリカルレンズCL2によってさらに発散される。第2のシリンドリカルレンズCL2によって発散されたレーザビームは、第3のシリンドリカルレンズCL3によって平行光線束に近づけられ、第4のシリンドリカルレンズCL4を通過して第5のシリンドリカルレンズCL5に入射する。第4のシリンドリカルレンズCL4は、Y2Z2面内ではレンズ作用をもたない。第5のシリンドリカルレンズCL5は、第3のシリンドリカルレンズCL3から出射した光線束をさらに平行光線束に近づける。第1及び第2のシリンドリカルレンズCL1及びCL2と、第3及び第5のシリンドリカルレンズCL3及びCL5とが、レーザビームのビーム径をY2方向に関して拡大するエキスパンダとしての機能を果たす。
Next, with reference to FIGS. 6 and 7, the
FIG. 6 is a cross-sectional view parallel to the Y 2 Z 2 plane of the optical system shown in FIG. Y 2 direction corresponds to the short direction of the long area R in FIG. 2 (Y 1 direction). The laser beam L 1, after being diverged by the first cylindrical lens CL 1, further diverged by the second cylindrical lens CL 2. Laser beam diverged by the second cylindrical lens CL 2 is brought close to parallel light flux by the third cylindrical lens CL 3, incident on the fifth cylindrical lens CL 5 through the fourth cylindrical lens CL 4 To do. The fourth cylindrical lens CL 4 of the no lens action by
第5のシリンドリカルレンズCL5から出射したビームは、第6のシリンドリカルレンズCL6、レンズアレイLA、並びに第7及び第8のシリンドリカルレンズCL7及びCL8を通過して、第9及び第10のシリンドリカルレンズCL9及びCL10に入射する。第6のシリンドリカルレンズCL6、レンズアレイLA、並びに第7及び第8のシリンドリカルレンズCL7及びCL8は、Y2Z2面内ではレンズ作用をもたない。第9及び10のシリンドリカルレンズCL9及びCL10からなる合成レンズは、自己に入射したビームを収束させる。第9及び10のシリンドリカルレンズCL9及びCL10よって収束されたビームは、凸面鏡M1に入射する。 The beam emitted from the cylindrical lens CL 5 of the fifth, a cylindrical lens CL 6 of the sixth lens array LA, and passes through the seventh and the cylindrical lens CL 7 and CL 8 eighth, ninth and tenth The light enters the cylindrical lenses CL 9 and CL 10 . The sixth cylindrical lens CL 6 , the lens array LA, and the seventh and eighth cylindrical lenses CL 7 and CL 8 have no lens action in the Y 2 Z 2 plane. The synthetic lens including the ninth and tenth cylindrical lenses CL 9 and CL 10 converges the beam incident thereon. The beams converged by the ninth and tenth cylindrical lenses CL 9 and CL 10 are incident on the convex mirror M 1 .
図7は、ビームホモジナイザ2を構成する光学系の残部の概略図である。凸面鏡M1で反射されたビームが、凹面鏡M2で反射され、被照射面3に入射する。凹面鏡M2で反射されたビームの光軸が被照射面3に対して垂直となるように光学系が調整されている。凹面鏡M2が、被照射面3にビームを収束させるため、図2の長尺領域RのY1方向に関する短尺化が図られる。なお、図7では、便宜的に図4(b)のグラデーションフィルタFの図示を省略した。
FIG. 7 is a schematic view of the remaining part of the optical system constituting the
表1に、第1〜第10のシリンドリカルレンズCL1〜CL10、及びレンズアレイLAの曲率半径を掲げる。表1中の数値の単位はmmである。表1中、「入射表面」とは、レンズの光が入射する側の面のことであり、「出射表面」とは、レンズの光が出射する側の面のことである。曲率半径が正の値であることは、その面が凸面であることを示し、曲率半径が負の値であることは、その面が凹面であることを示す。また、曲率半径が∞であることは、その面が平面であることを示す。また、レンズアレイLAの入射表面の曲率半径は、レンズアレイLAを構成する各シリンドリカルレンズの入射表面の曲率半径を示す。 Table 1 lists the radii of curvature of the first to tenth cylindrical lenses CL 1 to CL 10 and the lens array LA. The unit of the numerical values in Table 1 is mm. In Table 1, “incident surface” refers to the surface on the side where the lens light enters, and “exit surface” refers to the surface on the side where the lens light exits. A positive value for the radius of curvature indicates that the surface is convex, and a negative value for the radius of curvature indicates that the surface is concave. Further, a curvature radius of ∞ indicates that the surface is a plane. Further, the radius of curvature of the incident surface of the lens array LA indicates the radius of curvature of the incident surface of each cylindrical lens constituting the lens array LA.
次に、図1のレーザ照射装置を用いたレーザ加工方法について説明する。図1のビームホモジナイザ2から出射する線状ビームL2を、図8(a)の線状ビームLとして用いる。即ち、図2のX1、Y1方向がそれぞれ図8のT、U方向と対応する。被加工膜83の平板状部81の裏面と接する面(被加工面)を、図1の被照射面3の位置に配置する。図1の線状ビームL2である線状ビームLを、レンズアレイ部82側から入射させると、レンズアレイ部82が線状ビームLをT方向(X1方向)に複数に分割し、分割した各々の光線束をST面内で被加工膜83の表面(被加工面)に集光させる。これにより、レンズアレイ部82によって分割されて得られた収束光線束が入射した位置の被加工膜83が除去される。このようにして被加工膜83の一部を除去しつつ、加工対象物80をU方向(Y1方向)に移動させることにより、被加工膜83に各々U方向に延在する複数本の除去部分を形成することができる。
Next, a laser processing method using the laser irradiation apparatus of FIG. 1 will be described. The linear beam L 2 emitted from the
本レーザ加工方法によれば、線状ビームL2のT方向(X1方向)に関する光強度分布が均一化されているため、レンズアレイ部82によって分割されて得られた収束光線束の被加工膜83の表面における強度を、収束光線束間で均等にすることができる。このため、除去部分84の幅の均等化が図られる。即ち、レーザ加工の加工品質を高めることができる。
According to this laser processing method, since the light intensity distribution for linear beam L 2 of the T direction (X 1 direction) is uniform, the work of the convergent light beam obtained by being divided by the
また、平板状部81に平行な仮想平面を考えたとき、その仮想平面に対する入射角が5°以下となる条件で線状ビームL2を加工対象物80に入射させることができるため、レンズアレイ部82によって分割されて得られた収束光線束の集光位置を被加工膜83の表面(被加工面)に揃えることができ、かつ隣り合う集光位置のT方向(X1方向)の間隔を均等にすることができる。このため、隣り合う除去部分84同士のT方向(X1方向)の間隔を均等にすることができる。即ち、レーザ加工の加工品質を高めることができる。
Also, when considering a virtual plane parallel to the flat plate portion 81, it is possible to enter the linear beam L 2 under the condition that the incident angle with respect to the virtual plane is 5 ° or less in the object 80, the lens array distance divided by the resulting convergence light beam condensing position of the processed
また、線状ビームL2のT方向(X1方向)のビーム幅を1200mm以上に長尺化することができるため、移動機構による加工対象物80のU方向(Y1方向)への一回の並進移動で形成することができる除去部分84の本数を増やすことができる。即ち、レーザ加工の加工効率を高めることができる。
Moreover, the linear order of the beam width of the beam L 2 in the T direction (X 1 direction) can be elongated into above 1200 mm, once in the U direction of the object 80 by the moving mechanism (Y 1 direction) The number of
なお、本実施例では、レンズアレイ部82を構成するシリンドリカルレンズの円柱面の母線の方向と線状ビームL2の長尺方向(T方向)とが直交する構成としたが、これらの方向は交差していればよい。また、加工対象物80を移動させることとしたが、加工対象物80及び線状ビームL2の少なくとも一方を移動させればよい。加工対象物80又は線状ビームL2の移動の方向は、必ずしもT方向と直交するU方向でなくてもよく、T方向と交差する方向であればよい。
In the present embodiment, although the generatrix direction and the longitudinal direction of the linear beam L 2 of the cylindrical surface of the cylindrical lenses constituting the
以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。実施例では、被加工膜の除去加工を例示したが、本発明のビームホモジナイザは、被照射面の改質、例えばアモルファスシリコン膜の結晶化アニール等にも応用することができる。この他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 As mentioned above, although the Example was described, this invention is not limited to this. In the embodiment, the removal processing of the film to be processed is exemplified, but the beam homogenizer of the present invention can be applied to the modification of the irradiated surface, for example, crystallization annealing of the amorphous silicon film. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
1…光源、2…ビームホモジナイザ、3…被照射面(被加工面)、L1…レーザビーム、L2…線状ビーム、R…被照射領域(長尺領域)、CL1〜CL10…シリンドリカルレンズ、LA…レンズアレイ(分割光学素子)、M1…凸面鏡、M2…凹面鏡、F…グラデーションフィルタ、80…加工対象物、81…平板状部、82…レンズアレイ部、83…被加工膜、84…除去部分、91…前段のレンズアレイ、92…後段のレンズアレイ、93…収束レンズ、94…ホモジナイズ面。
1 ... light source, 2 ... a beam homogenizer, 3 ... irradiated surface (the surface to be processed), L 1 ... laser beam,
Claims (8)
自己に入射するレーザビームを、前記長尺領域の長尺方向に対応する方向に関して複数のビームに分割する分割光学素子と、
前記分割光学素子で分割されて得られた複数の分割ビームのビーム断面が、前記被照射面上において前記長尺方向に配列し、該長尺方向に関して相互に隣り合うビーム断面同士が部分的にのみ重なり合うように、前記分割ビームを前記被照射面まで導き、該分割ビームの各々の、前記被照射面への最大入射角が5°以下である重ね合わせ光学系と
を備えたビームホモジナイザ。 A beam homogenizer that makes a laser beam incident on a linear long region that is long in one direction on an irradiated surface,
A splitting optical element that splits a laser beam incident thereon into a plurality of beams in a direction corresponding to a longitudinal direction of the long region;
Beam sections of a plurality of split beams obtained by splitting with the split optical element are arranged in the longitudinal direction on the irradiated surface, and beam sections adjacent to each other in the longitudinal direction are partially A beam homogenizer provided with a superimposing optical system in which the divided beams are guided to the irradiated surface so as to overlap each other, and each of the divided beams has a maximum incident angle of 5 ° or less to the irradiated surface.
前記ビームホモジナイザにレーザビームを入射させる光源と、
前記ビームホモジナイザから出射されるレーザビームが入射する位置に、(i)前記被照射面と平行に配置される平板状部と、(ii)前記平板状部の表面に形成されたレンズアレイ部であって、各々柱面の母線を前記長尺領域の長尺方向と交差する第1の方向と平行にした複数の凸シリンドリカルレンズが、該第1の方向と直交する第2の方向に配列されて構成されたレンズアレイ部と、(iii)前記平板状部の裏面に形成された被加工膜とを有する加工対象物を保持する保持台と、
前記保持台を前記第1の方向に移動させる移動機構と
を備えたレーザ加工装置。 A beam homogenizer according to any one of claims 1 to 3,
A light source for injecting a laser beam into the beam homogenizer;
A position where a laser beam emitted from the beam homogenizer is incident; (i) a plate-like portion arranged in parallel to the irradiated surface; and (ii) a lens array portion formed on the surface of the plate-like portion. A plurality of convex cylindrical lenses, each having a cylindrical surface generating line parallel to a first direction intersecting the longitudinal direction of the elongated region, are arranged in a second direction orthogonal to the first direction. A holding base for holding a processing object having a lens array portion configured as described above, and (iii) a film to be processed formed on the back surface of the flat plate portion,
A laser processing apparatus comprising: a moving mechanism that moves the holding table in the first direction.
柱面の母線が第1の方向と交差するような姿勢で、被照射面に沿って配列した複数の凸シリンドリカルレンズで構成されたレンズアレイの該被照射面において、前記分割ビームの各々のビーム断面が前記第1の方向に長い形状になり、前記複数の分割ビームのビーム断面が前記第1の方向に配列し、かつ相互に隣り合うビーム断面同士が部分的にのみ重なり合い、重なり合ったビーム断面の前記第1の方向の光強度分布が、前記1本のレーザビームの前記第1の方向に対応する方向の光強度分布よりも均一に近づくように、前記分割ビームを前記レンズアレイまで導く工程と、
前記レンズアレイまで導かれた分割ビームを、前記レンズアレイを通して被加工面に入射させる工程と、
前記レーザビームの入射位置が、前記第1の方向と交差する第2の方向に移動するように、前記被加工面及び前記レーザビームの少なくとも一方を移動させる工程と
を含むレーザ加工方法。 Splitting one laser beam into a plurality of split beams with respect to positions in the beam cross section;
Each beam of the split beams on the irradiated surface of a lens array composed of a plurality of convex cylindrical lenses arranged along the irradiated surface in such a posture that the generatrix of the column surface intersects the first direction. The cross-section has a shape that is long in the first direction, the beam cross-sections of the plurality of split beams are arranged in the first direction, and the beam cross-sections adjacent to each other partially overlap each other, and overlap each other. Directing the split beam to the lens array so that the light intensity distribution in the first direction of the laser beam is more uniform than the light intensity distribution in the direction corresponding to the first direction of the one laser beam. When,
A step of causing the split beam guided to the lens array to enter the processing surface through the lens array;
Moving the at least one of the surface to be processed and the laser beam such that the incident position of the laser beam moves in a second direction intersecting the first direction.
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