JP3348345B2 - レーザによる溝加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザを被加工物体に
照射して、照射点を被加工物体に対して相対的に走査す
ることで、走査方向には同一深さで、走査方向に垂直な
方向には所定の深さ分布を有した溝を容易に形成できる
レーザによる溝加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザアブレーション加工法により、多
様な断面形状をした溝を加工する方法としては、投影用
マスクにより、ビームをスリット状にして被加工物の表
面に照射し、レーザのパルス発振に同期させて被加工物
を溝の幅方向に移動させる方法が知られている（特開平
８−１９８７８号）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の加工方
法は、スリット状のビームの幅方向に精密な速度制御す
ることで所望の断面形状を得るため、断面形状に合わせ
た速度制御が複雑になるという問題がある。さらに、こ
のような断面形状に合わせて変調された速度制御を１周
期とする１断面加工を、ビームを被加工物上において相
対的に溝の長さ方向に微小移動させながら繰り返し行う
必要がある。このため、従来の方法は、位置及び速度制
御が複雑になるという問題があると共に、ｘ軸、ｙ軸の
２方向への走査が必要となるために、加工に時間がかか
るという問題がある。

【０００４】そこで、本発明の目的は、レーザビームを
溝の長さ方向へ走査するだけで、所望の断面形状を有し
た溝を容易且つ高速で得ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザを被加
工物に照射して被加工物に溝を形成する溝加工方法にお
いて、形成すべき溝の長さ方向をｘ軸、幅方向をｙ軸と
する時、被加工物上におけるレーザの照射領域の強度分
布ｆ（ｘ，ｙ）のｘに関する積分ｇ（ｙ）が、形成すべ
き溝の深さ分布ｄ（ｙ）に比例するように、レーザをマ
スクパターンを透過させることでその強度分布ｆ（ｘ，
ｙ）を生成し、照射領域をｘ軸方向に走査して、溝を形
成することを特徴とする。

【０００６】上記の構成において、照射領域の強度分布
ｆ（ｘ，ｙ）を一定値としても良い。強度分布を一定値
とした場合には、ｆ（ｘ，ｙ）は照射領域外で０、領域
内で一定値Ａとなる関数である。よって、積分ｇ（ｙ）
はＡ・ΔＬ（ｙ）となる。但し、ΔＬ（ｙ）は照射領域
の座標ｙにおけるｘ軸方向の長さである。このＡ・ΔＬ
（ｙ）が溝の深さ分布ｄ（ｙ）に比例するように、ΔＬ
（ｙ）が決定される。照射領域に相似形のマスクパター
ンを形成して、レーザをこのマスクパターンを透過させ
て、被加工物上に照射することで、所定形状ΔＬ（ｙ）
の照射領域を得ることができる。

【０００７】

【発明の作用及び効果】強度分布ｆ（ｘ，ｙ）の照射領
域をｘ軸方向に一定速度ｖで走査する時、点（ｘ，ｙ）
の受けるエネルギーｗ（ｘ，ｙ）は、∫ｆ（ｘ，ｙ）ｄ
ｘ／ｖ＝ｇ（ｙ）／ｖとなる。点（ｘ，ｙ）において形
成される溝の深さｄ（ｙ）は、その点において受けるエ
ネルギーｗ（ｘ，ｙ）に比例する。よって、強度分布ｆ
（ｘ，ｙ）の積分ｇ（ｙ）が溝の深さ分布ｄ（ｙ）に比
例するように、照射領域の強度分布ｆ（ｘ，ｙ）を生成
して、照射領域を一定速度ｖでｘ軸方向に走査すれば、
所望の深さ分布ｄ（ｙ）を有する溝を形成することがで
きる。よって、溝の深さ分布ｄ（ｙ）と強度分布ｆ
（ｘ，ｙ）との間には次の関係式が成立する。

【０００８】

【数１】 ∫ｆ（ｘ，ｙ）ｄｘ＝ｋ・ｄ（ｙ） …（１） 但し、ｋ＝ｖ／ａであり、ａは溝の深さｄ（ｙ）のエネ
ルギーｗ（ｘ，ｙ）に対する比例定数である。

【０００９】又、この強度分布ｆ（ｘ，ｙ）は、マスク
パターンを透過しない場合のレーザビームの強度分布Ｉ
（ｘ，ｙ）とマスクパターンの透過率分布Ｔ（ｘ，ｙ）
との積Ｉ（ｘ，ｙ）・Ｔ（ｘ，ｙ）で与えられる。よっ
て、次式が成立する。

【００１０】

【数２】 Ｉ（ｘ，ｙ）・Ｔ（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ） …（２）

【数３】 ∫Ｉ（ｘ，ｙ）・Ｔ（ｘ，ｙ）ｄｘ＝∫ｆ（ｘ，ｙ）ｄｘ …（３）

【００１１】（３）式に（１）式を代入して次式を得る
ことができる。

【数４】 ∫Ｉ（ｘ，ｙ）・Ｔ（ｘ，ｙ）ｄｘ＝ｋ・ｄ（ｙ） …（４）

【００１２】一般的には、（４）式を満たすように、マ
スクパターンの透過率分布Ｔ（ｘ，ｙ）を決定して、一
定速度ｖでｘ軸方向に照射領域を走査すれば、深さ分布
ｄ（ｙ）の溝が形成される。

【００１３】又、透過率分布Ｔ（ｘ，ｙ）のＩ（ｘ，
ｙ）で重み付けられたｘに関する平均値をＳ（ｙ）、照
射領域の座標ｙでのｘ軸方向の長さをＬ（ｙ）とすると
き、（４）式は次式で表現される。

【数５】 Ｓ（ｙ）・Ｌ（ｙ）＝ｋ・ｄ（ｙ） …（５）

【００１４】（５）式の関係を満たすように、マスクパ
ターンの平均透過率とｘ軸方向の形状を決定すれば、深
さ分布ｄ（ｙ）が得られる。

【００１５】今、簡単のために、マスクパターンの透過
率は照射領域内で１、照射領域外で０とすると、次式が
成立する。

【数６】 ∫Ｉ（ｘ，ｙ）ｄｘ＝ｋ・ｄ（ｙ） …（６） よって、Ｉ（ｘ，ｙ）の照射領域内の座標ｙにおけるｘ
に関する平均値をｂ（ｙ）とすれば、次式が成立する。

【数７】 Ｌ（ｙ）＝ｋ・ｄ（ｙ）／ｂ（ｙ） …（７）

【００１６】又、照射領域はマスクパターンをｍ倍だけ
拡大したものであるので、マスクパターンの透過率１の
領域のｘ軸方向の長さ分布Ｅ（ｙ）は、溝の深さ分布ｄ
（ｙ）を用いて次式で得られる。

【数８】 Ｅ（ｙ）＝ｋ・ｄ（ｙ）／（ｂ（ｙ）・ｍ） …（８） 又、ｂ（ｙ）がｙについて一定ｂとみなせる場合には、
Ｅ（ｙ）に関し次式が得られる。

【数９】 Ｅ（ｙ）＝ｋ・ｄ（ｙ）／（ｂ・ｍ） …（９）

【００１７】このようにして、形成すべき溝の深さ分布
ｄ（ｙ）からマスクパターンの長さ分布Ｅ（ｙ）を決定
することができる。このようにして形成されたマスクパ
ターンにレーザを透過させて、被加工物上に照射領域を
形成し、この照射領域をｘ軸方向に一定速度で加工すれ
ば、所望の深さ分布ｄ（ｙ）を有し、ｘ軸方向に長さを
有する溝を形成することができる。溝の断面形状はマス
クパターンの形状により決定できるので、複雑な断面形
状の溝を容易に加工することができる。又、一定速度で
加工でき、且つ、１軸方向への１回の走査で所定の深さ
分布を有した溝を形成できるので、溝加工を簡単且つ容
易に行うことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。図１は、本実施例の加工方法を実施す
るための装置の構成を示している。レーザ発振器１０か
ら発振されるレーザ光１１は、ミラー１７により方向を
変換され、光路途中に設置された投影用マスク１２およ
び結像レンズ１３を介して、ＸＹステージ１４上に設置
された被加工物１５の表面上に照射される。結像レンズ
１３は被加工物１５と投影用マスク１２との間に設置さ
れ、投影用マスク１２に作られたマスクパターン１２ａ
が被加工物１５の表面上に投影されるような位置に調整
されている。尚、マスクパターン１２ａは、透過率Ｔ
（ｘ，ｙ）が１の領域で形成され、パターン１２ａ以外
の部分は透過率Ｔ（ｘ，ｙ）は０である。

【００１９】このような構成においてレーザを発振させ
ると、被加工物１５の表面上には投影用マスク１２に形
成された透過率Ｔ（ｘ，ｙ）が１の領域であるマスクパ
ターン１２ａに整形されたビーム形状のレーザ光１１ａ
が照射される。被加工物１５上のマスクパターン１２ａ
の像が照射領域Ｑである。この状態で、被加工物１５が
設置されているＸＹステージ１４もしくはレーザ光１１
ａの少なくとも一方を加工しようとする溝１６の長手方
向であるｘ軸方向に一定速度ｖで移動させることで、ｚ
軸方向に深さ、ｙ軸方向に幅、ｘ軸方向に長さを有する
溝１６を形成することが出来る。

【００２０】又、本加工方法は、図２、図３、図４に示
すように、例えば、導波路基板２０上に光ファイバー固
定用の溝２１、２２、２３を形成するのに用いることが
できる。被加工物１５である光導波路基板２０として
は、その加工原理からして、ガラス材料、金属材料、半
導体材料、樹脂材料等あらゆる材料の基板が使用可能で
ある。本実施例では導波路材料として頻繁に使用される
LiNbO₃を用いた。又、レーザ発振器１０としては、被加
工物材料によって最も適した種類のエキシマレーザを使
用した。レーザ発振器１０から発振れるエキシマレーザ
光１１は、適正なエネルギー密度、かつビーム内強度分
布が均一となるように調整され出射される。即ち、上述
した強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）が一定値ｂとなるように調整
されている。

【００２１】照射領域Ｑにおいて、レーザ光の強度分布
Ｉ（ｘ，ｙ）が一定と見なせるなら、（７）式が成立す
るので、溝１６の深さ分布ｄ（ｙ）は、照射領域Ｑのｘ
軸方向の長さＬ（ｙ）によって決定される。即ち、照射
領域Ｑの移動方向の長さＬ（ｙ）が長くなればレーザ光
の照射時間が長くなり、そのため深く加工されることに
なる。一方、その長さＬ（ｙ）が短くなればレーザ光の
照射時間は短くなり、浅く加工されることになる。従っ
て投影用マスク１２のマスクパターン１２ａのｘ軸方向
の長さＥ（ｙ）を（９）式のように溝１６の所望の深さ
分布ｄ（ｙ）に応じて設定することで、所望の断面形状
を有した溝１６を形成することができる。

【００２２】溝の形成加工において投影用マスク１２は
金属板に穴を開けるなどして作製するが、そのパターン
は、形成すべき溝の断面形状によって決定される。溝の
断面形状がＶ字形状であれば、Ｖ字溝の底角の大きさに
応じた形状の二等辺三角形や菱形、長方形等が使用でき
る。本実施例では図２に示すように菱形パターンを用い
て行った。又、ＸＹステージ１４の移動方向は、導波路
基板２０の表面上に縮小投影された照射領域Ｑの菱形パ
ターンの対角線方向（ｘ軸）に移動させることとし、か
つ等速Ｖで移動させることでＶ字溝が形成できる。

【００２３】本発明では、投影用マスク１２のパターン
を変更させるだけで容易に任意の断面形状の溝を形成で
きる。図３に示すようにＨ字形状のマスクを使用し被加
工物である導波路基板２０を移動させれば、溝の中央部
に凸部の形成された凸型溝２２を形成することが可能で
ある。

【００２４】さらに、図４に示すように複数のパターン
が分離して形成された投影用マスクを用いれば、複数の
溝２３ａ、２３ｂ、２３ｃを同時に形成することも可能
である。このことから、光ファイバーアレイ用の固定溝
の形成が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な実施例に係る製造方法を実施
するための装置を示した構成図。

【図２】照射領域の形状と形成される溝の形状との関係
を示した説明図。

【図３】照射領域の他の形状と形成される溝の形状との
関係を示した説明図。

【図４】照射領域の他の形状と形成される溝の形状との
関係を示した説明図。

【符号の説明】

１０…レーザ発振器 １１…レーザ光 １２…投影用マスク １２ａ…マスクパターン １３…結像レンズ １５…被加工物 １６…溝 １４…ＸＹステージ ２１、２２、２３ａ〜２３ｃ…溝 Ｑ…照射領域

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−179108（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−135665（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−224686（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/36

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザを被加工物に照射して被加工物に溝
   を形成する溝加工方法において、 形成すべき溝の長さ方向をｘ軸、幅方向をｙ軸とする
   時、前記被加工物上における前記レーザの照射領域の強
   度分布ｆ（ｘ，ｙ）のｘに関する積分ｇ（ｙ）が、形成
   すべき溝の深さ分布ｄ（ｙ）に比例するように、レーザ
   をマスクパターンを透過させることでその強度分布ｆ
   （ｘ，ｙ）を生成し、 前記照射領域を前記ｘ軸方向に走査して、前記溝を形成
   することを特徴とするレーザによる溝加工方法。