JP4112355B2

JP4112355B2 - ビーム成形方法及び装置

Info

Publication number: JP4112355B2
Application number: JP2002359252A
Authority: JP
Inventors: 直晃福田; 実山田; 太郎桑原
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Kanadevia Corp
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: JP2004188457A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばレーザビームを使用して基板表面の薄膜を除去する際のビーム成形方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＹＡＧレーザ等を用いて薄膜除去等の微細加工を実施する場合、従来はビームを均質化させるために高価なフライアイレンズ、シリンドリカルレンズ、ビームスプリット、プリズム等の光学部品を組み合わせて前記加工を実施していた（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３９２１号公報（第２頁、図５）
【特許文献２】
特開平９−２９５１７５号公報（第２頁、図１）
【０００４】
しかしながら、上記の光学部品を組み合わせたものでは、光学系の設計や光学調整に多大な時間が必要となるわりに、加工時、光学部品の移動に対する自由度が小さいという問題があった。
【０００５】
これに対し、前述の光学部品の組み合わせに比べて自由度の高いファイバーを使用することが考えられるが、ファイバーを使用した場合にはファイバーでの干渉性によりビームの均質化が困難になる。そのため、前記干渉を低減させるべく、ファイバーからの射出後に、高価なレンズや複雑な光学部品を透過させることになり、結果的に前述と同様の問題が生じていた（例えば、特許文献３，４参照。）。
【０００６】
【特許文献３】
特開２００１−１０５１６５号公報（第２頁、図１）
【特許文献４】
特開平１１−３３７８８８号公報（第２頁、図１）
【０００７】
一方、複数のファイバーを束ねた安価なバンドルファイバーによってビームを均質化させる方法もある（例えば、特許文献５参照。）。
【０００８】
【特許文献５】
特開平１１−３２６６５３号公報（第５頁）
【０００９】
しかしながら、高出力のビームをバンドルファイバーに入射させると、生ビームは外周部に比べて中心部のエネルギー強度が高いため、中心部に配置したファイバーのみ劣化するという問題がある。
【００１０】
また、バンドルファイバーのような多芯数のファイバーは断線しやすいので、取り替えや取り回しを等を考慮した固定構造としなければならないという問題があり、バンドルファイバー単独での使用はファイバーによる高い自由度を失うことになる。
【００１１】
なお、バンドルファイバーに入射するビームを光学系で均質化した後入射するという方法もある（例えば、特許文献６参照。）。
【００１２】
【特許文献６】
特開平１１−２７７２７６号公報（第２頁、図１）
【００１３】
しかしながら、この方法は、被加工物に形成する穴ピッチの自由度をもちつつマスクにおけるエネルギー損失を最小限とする為に上記の構成を採用しているのであって、ビームの均質化を目的にバンドルファイバーを使用しているのではない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ビームの均質化と高い自由度を両立させることができるビーム成形方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係るビーム成形方法は、発射されたビームビームをシングルファイバーに照射して伝送した後、シングルファイバーから更にバンドルファイバーに入射させる際、ウェッジ基板を用いてビームの光路を屈折させ、さらに前記ウェッジ基板を回転させて伝送し、バンドルファイバーから出射させることとしている。そして、このようにすることで、ビームの均質化と高い自由度を両立させることができるようになる。
【００１６】
上記の本発明に係るビーム成形方法は、発射されたビームを入射されて所定位置まで伝送するシングルファイバーと、このシングルファイバーの出側に対向して入側が配置され、前記シングルファイバーを伝送されてきたビームを入射されて所定位置まで伝送するバンドルファイバーと、前記シングルファイバーとバンドルファイバー間に、シングルファイバーからバンドルファイバーへの入射ビームの光路をウェッジ基板により屈折させ、さらに前記ウェッジ基板を回転させる光路屈折装置を備えた本発明に係るビーム成形装置によって実施可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、図１（ａ）に示したように、先ず、発射されたビームＢ1 を、図１（ｂ）に示したような、中心に配置した１本のファイバー１ａの外周をクラッド２で被覆したシングルファイバーＦＳの入側ＦＳ1 から入射し、所定位置まで伝送する。
【００１８】
その後、図１（ｃ）に示したような、中心部に配置した多数本のファイバー１ｂの外周をクラッド２で被覆したバンドルファイバーＦＢの入側ＦＢ1を、前記シングルファイバーＦＳの出側ＦＳ2に対向して配置し、前記シングルファイバーＦＳを伝送されその出側ＦＳ2から照射されたビームＢ2を、このバンドルファイバーＦＢの入側ＦＢ1に入射させて所定位置まで伝送した後、バンドルファイバーＦＢの出側ＦＢ2から照射するのである。なお、図１中のＢ3はバンドルファイバーＦＢの出側ＦＢ2から照射されたビームを示す。この図１（ｂ）（ｃ）や以下の図面では、ビームＢ 1 ，Ｂ 2 を受けるファイバー１ａ，１ｂを黒く塗りつぶして示している。
【００１９】
上記の基本構成によれば、例えば図１（ｄ）に示したようなガウシアンモードのエネルギ分布を有する発射ビームＢ1が、シングルファイバーＦＳのファイバー１ａ内を伝送されてバンドルファイバーＦＢに照射される際には図１（ｅ）に示したようなエネルギ分布のビームＢ2となり、更に、バンドルファイバーＦＢ内の多数のファイバー１ｂを伝送されてその出側ＦＢ2から照射される際には図１（ｆ）に示したような可及的トップハット形状に似た、加工に適した均質なエネルギ分布のビームＢ3となる。加えて、シングルファイバーＦＳによって高い自由度も確保できる。
【００２０】
そして、上記の基本構成において、例えば図２（ａ）に示すように、前記シングルファイバーＦＳと前記バンドルファイバーＦＢ間に、シングルファイバーＦＳからバンドルファイバーＦＢへの入射ビームＢ 2 の光路屈折装置４を備えさせ、前記シングルファイバーＦＳから更にバンドルファイバーＦＢに入射させる際、前記ビームＢ 2 の光路を屈折させるようにしているので、前記光路屈折装置４を備えさせない場合には図２（ｂ）に示したようなエネルギ分布となるビームＢ 3 が、図２（ｃ）に示したような振幅の小さなエネルギ分布のより均質なビームＢ 3 となる。前記光路屈折装置４として、図２（ａ）では２枚のウェッジ基板４ａ，４ｂを用いて光路を屈折させ、空洞モータ等で前記２枚のウェッジ基板４ａ，４ｂを回転するものを示している。
【００２１】
また、シングルファイバーＦＳとバンドルファイバーＦＢ間に、シングルファイバーＦＳからバンドルファイバーＦＢへの入射ビームＢ 2 の光路屈折装置４を備えさせた上記の本発明において、例えばバンドルファイバーＦＢの入側ＦＢ1から出側ＦＢ2にビームを伝送するファイバー１ｂの整列状態を、入側ＦＢ1と出側ＦＢ2で変化させれば、例えば入側ＦＢ1で、図３（ａ）に示したような中心部に円形状に配置されたファイバー１ｂで受けたビームＢ2を、例えば出側ＦＢ2では、図３（ｂ）に示したように矩形状のビームＢ3として照射することもできる。
【００２２】
また、上記の本発明において、例えば図４（ａ）に示すように、前記シングルファイバーＦＳと前記バンドルファイバーＦＢにこれらを加振する装置３、例えば圧電素子３ａや超音波振動素子等を備えさせ、シングルファイバーＦＳとバンドルファイバーＦＢを加振するようにしても良い。
【００２３】
このようにすれば、シングルファイバーＦＳからバンドルファイバーＦＢを経て照射されるビームＢ3 は、先に図１（ｄ）〜（ｆ）を用いて説明したように、図４（ｂ）に示したようなエネルギ分布を有する発射ビームＢ1 から、図４（ｃ）に示したようなエネルギ分布のビームＢ2 を経て、図４（ｄ）に示したようなエネルギ分布のビームＢ3 となるところが、図４（ｅ）（ｆ）に示したように、どちらのビームＢ2 ，Ｂ3 も図４（ｃ）（ｄ）に比べて振幅の小さなエネルギ分布のより均質なビームとなる。なお、加振するのはシングルファイバーＦＳ、バンドルファイバーＦＢの何れか一方でも良い。
【００２４】
この際、前記加振装置３は、図５に示したように、ファイバーＦＳ，ＦＢを複数回巻いた状態で加振装置３によって加振させるようにした場合には、前述の作用効果はより助長される。
【００２５】
更にこの際、前記加振するファイバーＦＳ，ＦＢにおける加振動部を、図６に示したように複数（図６の例では２箇所）とし、それぞれの圧電素子３ａによる加振装置３の振動を相殺するようにした場合には、装置全体の振動を防止することもできる。なお、図６における３ｂはパルスジェネレータを示す。
【００２８】
上記の本発明において、図７に示したように、前記バンドルファイバーＦＢの入側ＦＢ1 端部に冷却装置５を設けた場合には、バンドルファイバーＦＢの熱ダメージを抑制することができる。
【００３１】
本発明は以上説明した例に限るものではなく、本発明の技術的範囲に含まれるものであれば、特にビーム成形装置の各構成要素についての設計変更は任意である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、例えばレーザビームを使用して基板表面の薄膜を除去する際のビーム成形において、バンドルファイバーによるビームの均質化と、シングルファイバーによる高い自由度の両立を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を説明する図であり、（ａ）はビーム成形装置の概略構成図、（ｂ）はシングルファイバーの断面図、（ｃ）はバンドルファイバーの断面図、（ｄ）は発射ビームのエネルギー分布の一例を示した図、（ｅ）はシングルファイバーから照射されたビームのエネルギー分布の一例を示した図、（ｆ）はバンドルファイバーから照射されたビームのエネルギー分布の一例を示した図である。
【図２】本発明の第１の例を説明する図であり、（ａ）はビーム成形装置の概略構成図、（ｂ）は基本構成におけるバンドルファイバーから照射されたビームのエネルギー分布の一例を示した図、（ｃ）は第１の例における（ｂ）と同様の図である。
【図３】本発明の第２の例を説明する図であり、（ａ）はバンドルファイバーの入側での説明図、（ｂ）はバンドルファイバーの出側での説明図である。
【図４】本発明の第３の例を説明する図であり、（ａ）はビーム成形装置の概略構成図、（ｂ）は発射ビームのエネルギー分布の一例を示した図、（ｃ）（ｄ）は基本構成におけるシングルファイバーとバンドルファイバーから照射されたビームのエネルギー分布の一例を示した図、（ｅ）（ｆ）は第３の例における（ｃ）（ｄ）と同様の図である。
【図５】本発明の第３の例における加振装置の構造の一例を示した図である。
【図６】本発明の第３の例における加振装置の構造の他の例を示した図である。
【図７】本発明の第４の例を説明するビーム成形装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂファイバー
３加振装置
４光路屈折装置
５冷却装置
Ｂ1，Ｂ2，Ｂ3 ビーム
ＦＳシングルファイバー
ＦＢバンドルファイバー

Claims

発射されたビームから所定の形状・大きさのビームを成形する方法であって、
前記ビームをシングルファイバーに照射して伝送した後、シングルファイバーから更にバンドルファイバーに入射させる際、ウェッジ基板を用いてビームの光路を屈折させ、さらに前記ウェッジ基板を回転させて伝送し、バンドルファイバーから出射させることを特徴とするビーム成形方法。
請求項１に記載のビーム成形方法において、
前記バンドルファイバーから出射するビーム形状を、バンドルファイバーに入射時のビーム形状から変化させることを特徴とするビーム成形方法。
請求項１又は２に記載のビーム成形方法において、
シングルファイバー又はバンドルファイバーの少なくとも何れか一方を加振することを特徴とするビーム成形方法。
前記加振は、複数箇所で、それぞれの振動を相殺するように行うことを特徴とする請求項３に記載のビーム成形方法。
発射されたビームを入射されて所定位置まで伝送するシングルファイバーと、
このシングルファイバーの出側に対向して入側が配置され、前記シングルファイバーを伝送されてきたビームを入射されて所定位置まで伝送するバンドルファイバーと、
前記シングルファイバーとバンドルファイバー間に、シングルファイバーからバンドルファイバーへの入射ビームの光路をウェッジ基板により屈折させ、さらに前記ウェッジ基板を回転させる光路屈折装置を備えたことを特徴とするビーム成形装置。
請求項５に記載のビーム成形装置において、
前記シングルファイバー又はバンドルファイバーの少なくとも何れか一方を加振する装置を備えたことを特徴とするビーム成形装置。
前記加振装置は複数個設けられ、それぞれの加振装置による振動を相殺するようにしたことを特徴とする請求項６に記載のビーム成形装置。