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KR102226980B1 - 레이저 발진기 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

레이저 발진기 및 레이저 가공 장치 Download PDF

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KR102226980B1
KR102226980B1 KR1020197015729A KR20197015729A KR102226980B1 KR 102226980 B1 KR102226980 B1 KR 102226980B1 KR 1020197015729 A KR1020197015729 A KR 1020197015729A KR 20197015729 A KR20197015729 A KR 20197015729A KR 102226980 B1 KR102226980 B1 KR 102226980B1
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layer
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히데카즈 나카이
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

적외 레이저용 반사 부재(100)는 기판(1)과, SiO막(6)과, 기판(1)과 SiO막(6) 사이에 형성된 금속막(3)을 구비한다.

Description

레이저 발진기 및 레이저 가공 장치
본 발명은 적외 레이저 광을 반사하는 적외 레이저용 반사 부재, 레이저 발진기, 레이저 가공 장치 및 적외 레이저용 반사 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
레이저 광을 조사하여 대상물의 형상을 가공하는 레이저 가공 장치는, 여러 분야에서 이용되고 있다. 레이저 가공 장치가 이용하는 레이저 광의 파장은, 가공하는 대상물의 재질에 맞추어 선택된다. CO2(이산화탄소) 레이저로 대표되는 파장 9㎛대의 적외 레이저 광은, 수지제의 프린트 기판에 배선 전극을 형성하기 위한 천공 가공 등에 사용되고 있다.
천공 가공을 실행하는 경우, 레이저 가공 장치에 대해서는, 보다 진원에 가까운 형상의 가공 구멍을 형성하는 것이 요구된다. 진원에 가까운 형상의 가공 구멍을 형성하기 위해서는, 가공에 이용하는 레이저 광이, 등방(等方)적인 원 편광인 것이 필요하다. 이와 같은 요구를 만족하기 위해, 직선 편광의 레이저 광을 발진하는 레이저 발진기와, 광로 상에 배치된 편광 변환 부재를 구비하고, 직선 편광의 레이저 광을 원 편광으로 변환하는 방식을 채용한 레이저 가공 장치가 있다. 이와 같은 레이저 가공 장치가 보다 등방적인 원 편광의 레이저 광을 출사하기 위해서는, 진동 방향이 규칙적인 이상적인 직선 편광을 발진하는 레이저 발진기가 필요하다.
적외 레이저 광의 파장 영역에서 이용되는 반사 부재로서는, 예를 들면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 것을 들 수 있다. 특허문헌 1에 개시된 반사 부재는, Si(실리콘) 기판 또는 Cu(구리) 기판 상에, Cr(크롬)층과, Au(금)층 또는 Ag(은)층과, HfO2(산화하프늄)층 또는 Bi2O3(산화비스무트)층과, ZnSe(셀렌화아연)층 또는 ZnS(황화아연)층과, Ge(게르마늄)층이 형성되어 있다. 특허문헌 2에 개시된 반사 부재는, Si 기판 또는 Cu 기판 상에, Au층과, YF3(플루오린화이트륨) 층 또는 YbF3(플루오린화이터븀)층과, ZnSe층 또는 ZnS층과, Ge층과, ZnSe층 또는 ZnS층과, YF3층 또는 YbF3 층이 형성되어 있다. 상기 종래의 반사 부재는 모두 적외 레이저 광에 대해 99.7% 이상의 반사율을 실현하고 있다.
일본 특허 공개 제 2003-302520 호 공보 일본 특허 공개 제 2009-086533 호 공보
그렇지만, 상기 종래의 반사 부재를 레이저 발진기의 내부에서 이용하는 경우, 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 광이 직선 편광이 되지 않는다는 문제가 있었다. 직선 편광의 레이저 광을 얻기 위해서는, 반사 부재의 S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율 사이에 차가 있는 것이 필요하다. 그렇지만, 상기 종래의 반사 부재에서는 S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가 작기 때문에, 직선 편광을 발진하는 레이저 발진기를 구성할 수 없다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 직선 편광의 적외 레이저 광을 발진하는 레이저 발진기를 구성하는 것이 가능한 적외 레이저용 반사 부재를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 레이저 발진기는 기판과, SiO(일산화규소)막과, 기판과 SiO막 사이에 형성된 금속막을 갖는 적외 레이저용 반사 부재를 구비한다.
본 발명에 의하면, 진동 방향이 규칙적인 직선 편광의 적외 레이저 광을 발진하는 레이저 발진기를 실현하는 것이 가능한 적외 레이저용 반사 부재를 얻을 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시한 레이저 발진기의 구성도.
도 3은 도 2에 도시한 반환 미러로서 사용 가능한 반사 부재의 제 1 구성도.
도 4는 도 3에 도시한 반사 부재의 제조에 이용하는 성막 장치의 개략 구성도.
도 5는 실시예 1의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 6은 비교예 1의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 7은 비교예 2의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1의 반사 부재의 반사율을 반사 횟수와 함께 나타내는 도면.
도 9는 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4의 반사 부재의 내구성 시험 결과를 나타내는 표.
도 10은 실시예 2의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 11은 실시예 3의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 12는 실시예 4의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 13은 실시예 5의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 14는 비교예 5의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 15는 실시예 2 내지 실시예 5 및 비교예 5의 반사 부재의 반사율을 반사 횟수와 함께 나타내는 도면.
도 16은 실시예 1, 실시예 3, 실시예 4 및 실시예 5의 반사 부재의 내구성 시험 결과를 나타내는 도면.
도 17은 각종 재료의 굴절률을 나타내는 도면.
도 18은 각종 재료의 소쇠(消衰) 계수를 나타내는 도면.
도 19는 도 2에 도시한 반환 미러로서 사용 가능한 반사 부재의 제 2 구성도.
도 20은 도 2에 도시한 반환 미러로서 사용 가능한 반사 부재의 제 3 구성도.
도 21은 도 2에 도시한 반환 미러로서 사용 가능한 반사 부재의 제 4 구성도.
도 22는 실시예 6의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 23은 실시예 7의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 24는 실시예 8의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 25는 실시예 9의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 26은 실시예 10의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 27은 실시예 11의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 28은 비교예 6의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 29는 비교예 7의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 30은 비교예 8의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 31은 실시예 6 내지 실시예 11의 반사 부재의 반사율을 반사 횟수와 함께 나타내는 도면.
도 32는 비교예 6 내지 비교예 8의 반사 부재의 반사율을 반사 횟수와 함께 나타내는 도면.
도 33은 실시예 6 내지 실시예 11의 반사 부재의 내구성 시험 결과를 나타내는 표.
도 34는 도 1에 도시한 레이저 발진기의 다른 구성도.
도 35는 도 34에 도시하는 레이저 발진기에 있어서의 에너지의 이득 분포를 도시하는 도면.
도 36은 본 발명의 반사 부재를 적용한 레이저 발진기의 성능을 평가한 도면.
이하에, 본 발명의 실시형태에 따른 적외 레이저용 반사 부재, 레이저 발진기, 레이저 가공 장치 및 적외 레이저용 반사 부재의 제조 방법을 도면에 근거하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시형태 1.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다. 레이저 가공 장치(10)는 레이저 발진기(11)와, 편광 변환 부재(12)와, 집광 광학계(13)와, 가공 테이블(14)과, 구동부(15)와, 제어부(16)를 갖는다.
레이저 발진기(11)는 진동 방향이 규칙적인 직선 편광의 레이저 광을 출사한다. 편광 변환 부재(12)는 레이저 발진기(11)로부터 출사된 레이저 광이 가공 대상물(17)에 조사될 때까지의 광로 상에 배치되며, 레이저 발진기(11)로부터 출사된 직선 편광의 레이저 광을 원 편광으로 변환한다. 집광 광학계(13)는 편광 변환 부재(12)에 의해 원 편광으로 변환된 레이저 광을 가공 대상물(17)에 집광시킨다. 집광 광학계(13)는 집광 렌즈 및 콜리메이터 렌즈(collimate lens)를 포함한다. 가공 테이블(14)은 가공 대상물(17)을 탑재하는 대이다. 구동부(15)는 가공 테이블(14)을 이동시킨다. 구동부(15)는 예를 들면, 모터를 갖고, 전기 에너지를 역학적 에너지로 변환한다. 제어부(16)는 레이저 가공 장치(10)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(16)는 레이저 발진기(11)가 레이저 광을 발생시키는 타이밍과, 구동부(15)가 가공 테이블(14)을 이동시키는 타이밍 및 방향을 제어할 수 있다. 구동부(15)가 가공 테이블(14)을 이동시키는 것에 의해, 레이저 광이 가공 대상물(17)에 조사되는 위치가 변화한다. 레이저 가공 장치(10)는 레이저 발진기(11)가 발진한 직선 편광의 레이저 광을 편광 변환 부재(12)에서 원 편광으로 변환하고, 원 편광의 적외 레이저 광을 이용하여 가공 대상물(17)의 가공을 실행한다. 레이저 발진기(11)가 발진하는 레이저 광의 진동 방향이 보다 규칙적인 이상적인 직선 편광인 경우, 레이저 가공 장치(10)가 가공에 이용하는 레이저 광은 보다 등방적인 원 편광이 된다. 이 때문에, 레이저 가공 장치(10)를 이용하여 천공 가공을 실행할 때에, 보다 진원에 가까운 형상의 가공 구멍을 형성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 레이저 발진기(11)의 구성도이다. 레이저 발진기(11)는 적외 영역에 피크 파장을 갖는 적외 레이저 광(L)을 발진한다. 레이저 발진기(11)가 발진하는 적외 레이저 광(L)은, 직선 편광이다. 레이저 발진기(11)는, 하우징(20)과, 레이저 매질(21)과, 한 쌍의 전극(22)과, 부분 반사 미러(23)와, 전반사 미러(24)와, 반환 미러(25)를 구비한다.
레이저 매질(21)은 예를 들면, CO2 가스에 N2(질소) 및 He(헬륨)을 더한 혼합 가스 등의 여기 가스이다. 혼합 가스의 가스 비율은, CO2 : N2：He=10：30：60이다. 여기에 예로 든 혼합 가스는 일례이며, 레이저 매질(21)은 적외 영역에 피크 파장을 갖는 적외 레이저 광을 발생시킬 수 있는 것이면 좋다. 한 쌍의 전극(22)은, 레이저 매질(21)에 여기 에너지를 공급하는 에너지 공급부의 일례이다. 한 쌍의 전극(22)에 전압을 인가하면, 방전이 생겨서 레이저 매질(21)에 에너지가 공급된다. 부분 반사 미러(23) 및 전반사 미러(24)는, 공진기를 구성한다. 부분 반사 미러(23) 및 전반사 미러(24) 사이를 광이 왕복하는 동안에 광은 증폭된다. 광의 강도가 문턱 값을 초과하면, 적외 레이저 광(L)이 발진되고, 부분 반사 미러(23)로부터 적외 레이저 광(L)이 출사된다. 반환 미러(25)는, 부분 반사 미러(23) 및 전반사 미러(24) 사이의 광로 상에 배치되며, 광로의 방향을 변경하는 반사 부재이다. 구체적으로는, 반환 미러(25)는, 반환 미러(25)와 부분 반사 미러(23) 사이에 전극(22)을 사이에 두도록 배치되어 있으며, 부분 반사 미러(23)가 반사한 광을 전반사 미러(24)에 입사하는 방향으로 반사한다. 전반사 미러(24)가 반사한 광은, 다시 반환 미러(25)에 입사되고, 반환 미러(25)는 입사된 광을 부분 반사 미러(23)에 입사하는 방향으로 반사한다. 반환 미러(25)를 이용하여 광로를 되풀이하는 것에 의해, 반환 미러(25)를 이용하지 않는 경우와 비교하여, 광로 길이를 바꾸지 않고 전체 길이를 단축할 수 있어서, 하우징(20)의 사이즈를 작게 할 수 있다.
레이저 발진기(11)의 원리에 대해 설명한다. 전극(22)에 전압을 인가하면, 방전이 생겨서 레이저 매질(21)에 에너지가 공급된다. 레이저 매질(21) 중의 CO2 분자는, 부여된 에너지에 의해 여기되고, 여기 상태의 CO2 분자는 기저 상태로 천이될 때에 광을 발한다. 레이저 매질(21)이 발한 광은, 부분 반사 미러(23)와 전반사 미러(24) 사이에서 반복되어 반사되어, 다시 레이저 매질(21)로 입사된다. 레이저 매질(21)에 포함되는 여기 상태의 CO2 분자에 광이 입사되면, 광의 유도 방출이 생기고, 여기 상태의 CO2 분자는, 입사된 광과 동일한 파장의 광을 발한다. 부분 반사 미러(23)와 전반사 미러(24)로 구성되는 공진기를 광이 왕복하는 동안에, 광은 증폭된다. 광의 강도가 문턱 값을 초과하면, 부분 반사 미러(23)로부터 적외 레이저 광(L)이 발진된다. 부분 반사 미러(23)와 전반사 미러(24) 사이의 광로 상에는 반환 미러(25)가 배치되어 있다. 반환 미러(25)는, S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가 크다. 구체적으로는, 반환 미러(25)는, S파에 대한 반사율이 높고, 광의 반사를 반복하여도 S파의 감쇠는 적으며, P파에 대한 반사율이 S파에 대한 반사율보다 낮고, 광의 반사를 반복하는 동안에 P파가 크게 감쇠한다. 이 때문에, 부분 반사 미러(23)로부터 발진되는 적외 레이저 광(L)은, 직선 편광이 된다.
도 3은 도 2에 도시한 반환 미러(25)로서 사용 가능한 반사 부재(100)의 제 1 구성도이다. 반사 부재(100)는, 적외 레이저 광에 대해 높은 반사율을 갖는 적외 레이저용 반사 부재이다. 반사 부재(100)는 P파에 대한 반사율이 S파에 대한 반사율보다 낮기 때문에, 광의 반사를 반복하는 동안에 P파가 S파보다 크게 감쇠한다. 반사 부재(100)는 기판(1)과, 산화규소막(2)과, 금속막(3)과, ZnS막(4)과, Ge막(5)과, SiO막(6)을 포함한다. 산화규소막(2), 금속막(3), ZnS막(4), Ge막(5) 및 SiO막(6)은, 기판(1) 상에 기판(1)에 가까운 쪽으로부터, 전술한 순서로 형성되어 있다. 또한, 이하의 설명 중에 있어서, 「기판(1) 상에 형성된 막」이라고 하는 경우, 기판(1) 상에 직접 형성된 막과, 해당 막과 기판(1) 사이에 다른 막을 거쳐서 형성된 막을 포함한다.
반사 부재(100)는 기판(1)과, SiO막(6)과, 기판(1)과 SiO막(6) 사이에 형성된 금속막(3)을 적어도 포함한다. 기판(1)은 내식성이 뛰어난 재료인 것이 바람직하며, 예를 들면, Si 기판 또는 Cu 기판 등이다. 광의 확산을 방지하기 위해서, 기판(1)은 경면 가공되어 있는 것이 바람직하다. 금속막(3)은, 적외 레이저 광을 반사하는 반사막이다. 금속막(3)은, CO2 레이저에서 주로 이용되는 파장역인 8㎛ 내지 11㎛의 범위의 적외 레이저 광에 대해 높은 반사율을 실현하는 것이 바람직하다. 금속막(3)으로서는, 예를 들면 Au막 또는 Ag막을 이용할 수 있다. SiO막(6)은, 기판(1) 상에 예를 들면, 반사 부재(100)의 최표층으로서 형성되어 있다. 기판(1) 상에 SiO막(6)을 형성하는 것에 의해, 적외 레이저 광을 반사할 때에, S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가 커진다.
도 17은 SiO, Ge, ZnS 및 SiO2의 굴절률(n)의 파장 의존성을 도시하는 도면이다. 도 18은 SiO, Ge, ZnS 및 SiO2의 소쇠 계수(k)의 파장 의존성을 도시하는 도면이다. 도 17은 파장 8~11㎛에 있어서의 굴절률(n)을 나타내고 있으며 도 18은 파장 8~11㎛에 있어서의 소쇠 계수(k)를 도시하고 있다. 소쇠 계수(k)는, 흡수 계수(α)와 비례 관계에 있으며, 광의 흡수에 관계하는 양이다. SiO2는 SiO와 조성이 비슷하기 때문에, SiO2의 굴절률(n) 및 소쇠 계수(k)는, 참고를 위해 나타내고 있다.
통상, 반사 미러의 금속막 상에 형성하는 기능막으로서는, 광의 흡수를 방지하기 위해, 사용 파장역에 있어서의 투과 재료를 선택한다. 도 17에 도시되는 바와 같이, Ge 및 ZnS는, 파장 8~11㎛에 있어서의 투과 재료이며, 특허문헌 1, 특허문헌 2의 반사 부재에도 사용되고 있다.
한편, SiO막(6)은, 가시광의 영역을 중심으로 하여 종래부터 사용되고 있던 재료이지만, CO2 레이저에서 주로 사용되는 적외 레이저의 파장역 8~11㎛의 범위에서는 사용이 검토되어 있지 않았다. SiO는 가시 영역에 있어서, 광을 흡수하지 않는 투과 재료이다. 한편, 도 18에 도시되는 바와 같이, 파장 8~11㎛에 있어서의 SiO의 소쇠 계수(k)는 크고, 광을 흡수하기 때문에, 종래의 기능막으로의 용도에 검토되지 않았다.
본원 발명자는, 반사 부재(100)가 일부의 광(=P파)을 흡수하는 점에 주목하여, 흡수를 갖는 막에 대해, 광학 정수(굴절률(n), 소쇠 계수(k))와 광학 특성을 결정하는 프레넬 계수의 관계를 검증했다. 그 결과, 기판(1) 상에, 투과 재료가 아닌 SiO막(6)을 형성하는 것에 의해, 적외 레이저 광을 반사할 때에, S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가 커진다는 새로운 광학 특성이 생기게 하는 것을 발견했다.
SiO2는, SiO와 마찬가지로, 가시 영역에 있어서의 투과 재료이다. 구성 원소가 동일하므로, 이들 재료는 동일시되는 경우가 있지만, 도 17 및 도 18에 도시되는 바와 같이, 파장 8~11㎛에 있어서, 이들은 상이한 광학 정수(굴절률(n), 소쇠 계수(k))를 갖는 재료이다. 즉, 광학막으로서 형성된 경우에 상이한 기능을 발휘하는, 다른 물질이다.
금속막(3)과 SiO막(6) 사이에는, ZnS막(4)이 형성되고, ZnS막(4)과 SiO막(6) 사이에는, Ge막(5)이 형성되어도 좋다. ZnS막(4) 및 Ge막(5)을 형성하는 것에 의해, 적외 레이저 광에 대한 반사 부재(100)의 반사율을 더욱 향상시킬 수 있다.
반사 부재(100)는 기판(1)과 금속막(3) 사이에, 산화규소막(2)을 가져도 좋다. 산화규소막(2)은 SiO막, SiO2(이산화규소)막 또는 Si2O3(아산화규소)막이다. 기판(1)이 Si 기판이고, 금속막(3)이 Au막인 경우, Si 기판 상에 Au막을 직접 형성하면, Si 기판과 Au막 사이의 밀착력이 충분하지 않아 막 박리가 발생하기 쉽다. 그래서, Si 기판과 Au막 사이에 산화규소막(2)을 형성하는 것에 의해, Si 기판과 Au막의 밀착력을 강화시킬 수 있다. 금속막(3)을 형성하기 전에, O2를 주성분으로 하는 가스를 이용하여, Si 기판의 표면에 산화물 이온을 조사함으로써, Si 기판의 표면에 산화막인 산화규소막(2)을 발생시킬 수 있다. 이와 같이 하여 형성된 산화규소막(2)은, Si 기판과 일체적으로 형성되기 때문에, Si 기판과의 밀착력이 매우 강고하다. 산화규소막(2)을 발생시키는 공정은, 성막 장치 내에서 진공 중에서 실행된다. 산화규소막(2)을 발생시키는 공정에 이어서 Au막을 형성하는 공정이 진공 중에서 실행되어도 좋다. 이에 의해, 산화규소막(2)의 표면의 단글링 본드(dangling bond)와 Au막의 본드가 결합하여, 산화규소막(2)과 Au막 사이의 밀착력도 강화된다.
반사 부재(100)는, 진공조를 갖는 성막 장치로 형성되는 것이 바람직하다. 대표적인 성막 장치로서는, 증착 장치, 스퍼터링 장치, CVD(Chemical Vapor Deposition) 장치 등을 들 수 있다.
도 4는 도 3에 도시한 반사 부재(100)의 제조에 이용하는 성막 장치의 개략 구성도이다. 도 4에 도시하는 성막 장치는, 진공 증착 장치이다. 이하, 진공 증착 장치를 이용한 반사 부재(100)의 제조 방법을 설명한다.
진공 증착 장치는 진공 용기(30)와, 진공 펌프(31)를 구비한다. 진공 펌프(31)는 진공 용기(30) 내를 진공 흡인한다. 진공 용기(30) 내에는, 증착 재료(32), 증착 재료(32)를 설치하기 위한 냉각대(33), 증착 재료(32)에 에너지를 투입하는 전자총(電子銃)(34), 성막 공정을 제어하는 차폐판(35), 기판(1)을 고정하기 위한 돔(36) 및 이온을 조사하는 이온원(源)(37)이 설치되어 있다.
도가니에 수납한 복수의 증착 재료(32)와 기판(1)을 준비하여, 증착 재료(32)를 진공 용기(30) 내의 냉각대(33)에 설치하고, 기판(1)을 돔(substrate dome)(36) 상에 설치한다. 이 때 기판(1)은, 성막면이 증착 재료(32)의 방향을 향하여 설치된다. 냉각대(33)는, 복수의 도가니를 설치하는 것이 가능하다. 냉각대(33)가 회전하는 것에 의해, 증착에 이용되는 증착 재료(32)를 교체할 수 있다. 증착 재료(32)와 기판(1)을 설치한 후, 진공 펌프(31)에 의해 진공 용기(30) 내를 배기하여 진공 용기(30) 내의 압력을 낮춘다. 진공 용기(30) 내의 압력이 10-3Pa로부터 10-6Pa의 압력에 도달하고 나서, 기판(1)의 표면에 대해 이온원(37)으로부터 O2 이온 빔을 조사한다. O2 이온 빔의 조사에 의해, 기판(1)의 표면에 산화막이 형성된다.
기판(1)의 표면에 산화막이 형성되면, 이어서, 진공 중에서 금속막(3)을 형성하는 공정이 실행된다. 우선 차폐판(35)을 폐쇄한 상태에서, 전자총(34)으로부터 증착 재료(32)인 금속에 전자 빔을 조사하여, 금속을 용융시켜 증발시킨다. 차폐판(35)을 폐쇄한 상태에서는, 증발된 금속이 존재하는 공간과, 기판(1)이 설치된 공간은 차단되어 있다. 금속을 용융시켜 증발시킨 후, 증발량이 안정된 상태에서, 차폐판(35)을 개방하고 성막을 개시한다. 증발된 금속은, 돔(36)에 설치된 기판(1)에 접촉하면 기판(1)에 부착되어져 퇴적되어 간다. 이에 의해, 기판(1) 상에 금속막(3)을 형성할 수 있다. 설계된 막 두께에 도달하면, 차폐판(35)을 폐쇄하고 성막을 종료한다.
냉각대(33)를 회전시키면, 전자총(34)으로부터 전자 빔이 조사되는 증착 재료(32)를 교체할 수 있다. 금속막(3)의 형성 공정에 이어 ZnS막(4)의 형성 공정을 실행하기 위해, 증착 재료(32)를 ZnS로 교체한다. ZnS막(4)의 형성 공정이 종료되면, 이어서 Ge막(5)의 형성 공정이 실행된다. Ge막(5)의 형성 공정이 종료되면, 이어서 SiO막(6)의 형성 공정이 실행된다. 이에 의해 금속막(3) 상에 SiO막(6)이 형성된다. 각 막의 형성 공정에서는, 금속막(3)의 형성 공정과 동일한 순서가 반복된다. SiO막(6)의 형성 공정이 종료되면, 진공 용기(30)로부터 기판(1)이 취출된다.
이어서, 본 발명의 실시형태에 따른 반사 부재(100)의 실시예에 대해 설명한다. 이하, 복수의 실시예 및 비교예를 들면서, 본 발명의 실시형태에 따른 반사 부재(100)의 광학 특성에 대해 검토한다.
우선, 이하에 나타내는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2를 이용하여, 반사 부재(100)의 SiO막(6)이 가져오는 효과와, ZnS막(4) 및 Ge막(5)이 가져오는 효과에 대해 검증한다.
［실시예 1］
실시예 1의 반사 부재(100)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 각 층은, 기판에 가까운 측으로부터 순서대로 제 1 층, 제 2 층, 제 3 층, 제 4 층 및 제 5 층이라 칭한다.
제 5 층 SiO 110㎚
제 4 층 Ge 540㎚
제 3 층 ZnS 1090㎚
제 2 층 Au 200㎚
제 1 층 SiO 10㎚
기판 Si 10㎜
실시예 1에서는, 기판(1)은 경면 가공된 직경 40㎜의 원 형상의 Si 기판이고, 금속막(3)은 Au막이며, 산화규소막(2)은 SiO막이다.
［비교예 1］
비교예 1의 반사 부재의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다.
제 1 층 Au 200㎚
기판 Si 10㎜
비교예 1에 있어서도, 기판은 경면 가공된 직경 40㎜의 원 형상의 Si 기판이고, 그 위에 금속막인 Au층이 직접 형성되어 있으며, 산화규소막, ZnS막, Ge막 및 SiO막을 포함하지 않는다.
［비교예 2］
비교예 2의 반사 부재의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 비교예 2는, 실시예 1의 구성으로부터 최표층인 SiO막(6)을 생략한 구성이다.
제 4 층 Ge 540㎚
제 3 층 ZnS 1090㎚
제 2 층 Au 200㎚
제 1 층 SiO 10㎚
기판 Si 10㎜
도 5는 실시예 1의 반사 부재(100)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 도 6은 비교예 1의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 도 7은 비교예 2의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 도 5 내지 도 7의 가로축은, 반사 부재에 입사시키는 광의 파장이며, 단위는 ㎛이다. 도 5 내지 도 7의 세로축은, 반사 부재의 각 파장에 대한 반사율이며, 단위는 %이다. 반사율은, S파 및 P파 각각에 대해 나타나 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 도시한 파장역인 8㎛ 내지 11㎛의 파장역에 있어서, 실시예 1의 반사 부재(100)는, S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가, 비교예 1 및 비교예 2보다 큰 것을 알 수 있다. 비교예 2의 반사 부재는, 실시예 1의 반사 부재(100)로부터 최표층의 SiO막(6)을 생략한 구성이기 때문에, S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차는, SiO막(6)이 만들어 낸다는 것을 알 수 있다. 또한 도 6 및 도 7을 비교하면, 비교예 2가 비교예 1보다 파장역의 전역에 걸쳐서 반사율이 높은 것을 알 수 있다. 비교예 2의 반사 부재는, 비교예 1의 반사 부재에 기판(1) 상의 산화규소막(2)인 SiO막과, ZnS막(4)과, Ge막(5)을 더한 구성이기 때문에, SiO막, ZnS막(4) 및 Ge막(5)을 형성하는 것에 의해, 반사율이 향상하는 것을 알 수 있다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1의 반사 부재의 반사율을 반사 횟수와 함께 나타내는 도면이다. 이 표는, 각 반사 횟수에 있어서, 파장 9.3㎛의 광에 대한 반사율을 나타내고 있다.
반사 부재(100)를 레이저 발진기(11) 내에서 이용하는 경우, 광은 반복하여 반사된다. 이 경우, 반사율이 차가 출사되는 레이저 광의 특성에 미치는 영향은 커진다. 예를 들면 실시예 1의 반사 부재(100)의 S파에 대한 반사율은 99.7%이고, 비교예 1의 반사 부재의 S파에 대한 반사율은 99.1%이며, 1회의 반사에서는 반사율의 차는 0.6%이다. 그렇지만 50회 반사를 반복한 경우, 실시예 1의 반사 부재(100)의 S파에 대한 반사율은 86.1%가 되고, 비교예 1의 반사 부재의 S파에 대한 반사율은 63.6%가 되며, 반사율의 차는 22.5%가 된다. 실시예 1의 반사 부재(100)의 P파에 대한 반사율은, 1회의 반사에서는 90.4%이며, 비교예 1의 반사 부재의 P파에 대한 반사율은 98.3%이다. 이 경우, 50회 반사를 반복하면, 실시예 1의 반사 부재(100)의 P파에 대한 반사율은 0.6%가 되고, 비교예 1의 반사 부재의 P파에 대한 반사율은 42.4%가 된다. 도 8을 보면 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1에서는, S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가 작기 때문에, 레이저 발진기(11) 내에서 이용하는 경우, 발진되는 레이저 광에 P파 성분이 섞여 직선 편광이 되지 않는다. 이에 반해 실시예 1에서는, S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가 크기 때문에, 반사를 반복할 때마다 P파는 감쇠된다. 이 때문에, 레이저 발진기(11) 내의 반환 미러(25)로서 사용한 경우, 직선 편광의 레이저 광을 발진하는 것이 가능하게 된다.
도 7을 다시 참조하면, 비교예 2의 반사 부재의 S파에 대한 반사율은 99.7%이며, P파에 대한 반사율은 99.4%이다. 비교예 2에서는 실시예 1과 마찬가지로 높은 반사율을 달성하고 있지만, S파와 P파에서 반사율의 차가 작기 때문에, 레이저 발진기(11)에 탑재한 경우, 직선 편광의 레이저 광을 출력할 수 없다.
이어서 이하에 나타내는 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4를 이용하여, 반사 부재(100)의 산화규소막(2)이 가져오는 효과에 대해 검증한다.
［실시예 2］
실시예 2의 반사 부재(100)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 직경 40㎜의 원 형상의 Si 기판이며, 금속막(3)은 Au막이며, 산화규소막(2)은 SiO막이다.
제 5 층 SiO 150㎚
제 4 층 Ge 590㎚
제 3 층 ZnS 1120㎚
제 2 층 Au 200㎚
제 1 층 SiO 10㎚
기판 Si 10㎜
［비교예 3］
비교예 3의 반사 부재의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 비교예 3은, 실시예 2의 구성으로부터 산화규소막(2)인 SiO막을 생략한 구성이다.
제 4 층 SiO 150㎚
제 3 층 Ge 590㎚
제 2 층 ZnS 1120㎚
제 1 층 Au 200㎚
기판 Si 10㎜
［비교예 4］
비교예 4의 반사 부재의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 비교예 4는, 실시예 2의 산화규소막(2)인 SiO막을 Cr막으로 교체한 구성이다. Cr은, 기판과 Au막의 밀착력을 강화하는 재료로서 일반적으로 이용되고 있다.
제 5 층 SiO 150㎚
제 4 층 Ge 590㎚
제 3 층 ZnS 1120㎚
제 2 층 Au 200㎚
제 1 층 Cr 10㎚
기판 Si 10㎜
도 9는 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4의 반사 부재의 내구성 시험 결과를 나타내는 표이다. 이 표에는, 테이프 박리 시험의 결과와, 고온 시험의 결과와, 레이저 발진기용 적합성이 나타나 있다. 도 9 중에 있어서, 동그라미 표시는 시험의 결과가 기준을 만족시키고 있는 것을 나타내고 있으며, 엑스 표시는 기준을 만족시키지 않은 것을 나타내고 있다. 구체적으로는, 테이프 박리 시험은, MIL(MILitary Specifications and Standard)-C-48497A를 따른 방법으로 실행된다. 테이프 박리 시험에서는, 상기 규격으로 지정된 종류의 테이프를 이용한다. 반사 부재의 막면에 테이프를 부착한 후, 막면에 수직하는 방향으로 단숨에 테이프를 잡아당긴다. 그 후, 육안 및 현미경을 이용하여 막의 박리 상태를 확인한다. 테이프 박리 시험 결과의 동그라미 표시는 박리가 생기지 않았던 것을 나타내고 있으며, 엑스 표시는 박리가 생긴 것을 나타내고 있다. 고온 시험에서는, 반사 부재를 200℃의 고온 환경 하에 48시간 둔 후의 반사 부재의 특성에 근거하여 시험 결과가 판단된다. 고온 시험에서는, 고온 환경 하에 48시간 둔 후에, 반사율 및 막의 상태(박리 및 크랙 중 적어도 1개의 유무 등)가 계측된다. 고온 시험의 결과의 동그라미 표시는, 반사율이 문턱 값 이상인 것을 나타내고 있으며, 엑스 표시는 반사율이 문턱 값 미만이며, 광학 특성의 저하가 생긴 것을 나타내고 있다. 레이저 발진기용 적합성은, 대상의 반사 부재가 레이저 발진기의 내부에서 사용하기 위한 적합성을 구비하고 있는지의 여부를 나타내고 있다. 레이저 발진기용 적합성의 동그라미 표시는 적합성을 구비하고 있는 것을 나타내고 있으며, 엑스 표시는 적합성을 구비하고 있지 않은 것을 나타내고 있다. 도 9의 예에서는, 테이프 박리 시험의 결과, 박리가 생기지 않으며, 또한, 고온 시험의 결과, 광학 특성이 기준을 만족시킨 경우에, 적합성을 구비하고 있다고 판정된다.
실시예 2의 반사 부재(100)는 테이프 박리 시험의 결과, 박리가 생기지 않으며, 또한, 고온 시험의 결과, 광학 특성이 기준을 만족시켰으므로, 레이저 발진기용의 반사 부재로서 적합성을 구비하고 있다고 판정되어 있다. 비교예 3의 반사 부재는, 테이프 박리 시험 및 고온 시험 모두 기준을 만족시키지 않으며, 레이저 발진기용의 반사 부재로서 적합성을 구비하지 않는다고 판정되어 있다. 비교예 3의 반사 부재는, Si 기판 상에 직접, Au막이 마련되어 있다. 고온 환경 하에 비교예 3의 반사 부재를 두면, 기판으로부터 Si가 Au막 중에 확산되어, 반사율이 저하하고 있는 것이 원인이라고 고려할 수 있다. 비교예 4의 반사 부재에서는, 테이프 박리 시험의 기준은 만족시키고 있지만, 고온 시험의 기준은 만족시키지 않으며, 레이저 발진기용의 적합성을 구비하고 있지 않다고 판정되어 있다. 비교예 4의 반사 부재는, Si 기판과 Au막 사이에 Cr막을 형성하고 있다. Cr막은 기판과의 밀착성을 높이고 있으며, 비교예 4의 반사 부재는 테이프 박리 시험의 기준은 만족시키고 있다. 그렇지만, 비교예 4의 반사 부재는, 고온 시험의 기준을 만족시키고 있지 않다. 이것은, 고온 환경 하에서 Si 및 Cr이 Au막 중에 확산되어, 반사 부재의 반사율이 저하하고 있는 것이라고 고려할 수 있다. 도 9에 나타내는 시험 결과로부터, Si 기판과 Au막 사이에 마련된 SiO막은, Cr막과 마찬가지로 Si 기판과 Au막의 밀착력을 강화하는 동시에, 고온 환경 하에서도 Si가 Au막 중에 확산되는 것을 방지하여, 반사율의 저하를 억제하는 것을 알 수 있다. 반사 부재(100)는, Si 기판과 Au막 사이에 SiO막을 형성하는 것에 의해, 경시(經時)적인 성능 저하를 억제할 수 있으며, 레이저 발진기(11)의 내부의 사용에 견딜 수 있는 내구성을 구비하고 있다.
이어서, 상기의 실시예 2와, 이하에 나타내는 실시예 3, 실시예 4, 실시예 5 및 비교예 5를 이용하여, 반사 부재(100)의 산화규소막(2)의 재질과 각 층의 막 두께에 대해 검토한다.
실시예 2의 반사 부재(100)의 각 층의 재질 및 막 두께는 상기한 바와 같다. 도 10은 실시예 2의 반사 부재(100)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 2의 반사 부재(100)의 S파에 대한 반사율은 99.5%이며, P파에 대한 반사율은 87.2%이다.
［실시예 3］
실시예 3의 반사 부재(100)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 40㎜ 각 평판의 Si 기판이고, 금속막(3)은 Au막이며, 산화규소막(2)은 SiO2막이다. 도 11은 실시예 3의 반사 부재(100)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 3의 반사 부재(100)의 S파에 대한 반사율은 99.7%이며, P파에 대한 반사율은 95.1%이다.
제 5 층 SiO 50㎚
제 4 층 Ge 540㎚
제 3 층 ZnS 920㎚
제 2 층 Au 200㎚
제 1 층 SiO2 10㎚
기판 Si 10㎜
［실시예 4］
실시예 4의 반사 부재(100)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 40㎜ 각 평판의 Si 기판이며, 금속막(3)은 Au막이며, 산화규소막(2)은 SiO2막이다. 도 12는 실시예 4의 반사 부재(100)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 4의 반사 부재(100)의 S파에 대한 반사율은 99.7%이며, P파에 대한 반사율은 86.5%이다.
제 5 층 SiO 160㎚
제 4 층 Ge 600㎚
제 3 층 ZnS 810㎚
제 2 층 Au 200㎚
제 1 층 SiO2 10㎚
기판 Si 10㎜
［실시예 5］
실시예 5의 반사 부재(100)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 40㎜ 각 평판의 Si 기판이며, 금속막(3)은 Au막이며, 산화규소막(2)은 Si2O3막이다. 도 13은 실시예 5의 반사 부재(100)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 5의 반사 부재(100)의 S파에 대한 반사율은 99.6%이며, P파에 대한 반사율은 85.1%이다.
제 5 층 SiO 180㎚
제 4 층 Ge 550㎚
제 3 층 ZnS 1110㎚
제 2 층 Au 100㎚
제 1 층 Si2O3 15㎚
기판 Si 10㎜
［비교예 5］
비교예 5의 반사 부재의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판은 경면 가공된 40㎜ 각 평판의 Si 기판이고, 금속막은 Au막이며, Si 기판과 Au막 사이에 Si2O3막이 형성되어 있다. 비교예 5의 반사 부재는, 최표층의 SiO막의 막 두께가, 본 발명의 실시예 1 내지 5보다 두꺼운 340㎚이다. 도 14는 비교예 5의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 비교예 5의 반사 부재의 S파에 대한 반사율은 96.8%이며, P파에 대한 반사율은 72.6%이다.
제 5 층 SiO 340㎚
제 4 층 Ge 550㎚
제 3 층 ZnS 1110㎚
제 2 층 Au 100㎚
제 1 층 Si2O3 15㎚
기판 Si 10㎜
도 10 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예 2 내지 실시예 5의 반사 부재(100)는, 모두 적외 파장역에 있어서, S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가 실시예 1과 동일한 정도로 큰 것을 알 수 있다.
도 15는 실시예 2 내지 실시예 5 및 비교예 5의 반사 부재의 반사율을 반사 횟수와 함께 나타내는 도면이다. 도 15를 참조하면, 실시예 2 내지 실시예 5의 반사 부재(100)는, 반사를 반복할 때마다 S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차는 커지는 것을 알 수 있다. 이 때문에, P파를 감쇠시키는 것이 가능한 동시에, S파에 대해서는 반사를 반복하여도 높은 반사율을 유지할 수 있다. 이 때문에, 실시예 2 내지 실시예 5의 반사 부재(100)를 레이저 발진기(11) 내에서 반환 미러(25)로서 이용한 경우, 직선 편광의 적외 레이저 광을 발진할 수 있다.
도 15를 참조하면 비교예 5의 반사 부재는, S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가 크고, 반사를 반복하는 것에 의해 P파를 감쇠시킬 수 있다. 그렇지만 비교예 5의 반사 부재는, S파에 대한 반사율이 레이저 발진기(11)의 반환 미러(25)로서 이용하기 때문에 충분하지 않으며, 반사를 반복할 때마다 S파도 감쇠해 버려, 충분한 강도의 레이저 광을 발진할 수 없다.
도 16은 실시예 1, 실시예 3, 실시예 4 및 실시예 5의 반사 부재의 내구성 시험 결과를 나타내는 도면이다. 도 16에 나타내는 시험 내용은, 도 9와 마찬가지이다. 도 16을 참조하면, 실시예 1, 실시예 3, 실시예 4 및 실시예 5의 반사 부재(100) 모두, 레이저 발진기(11) 내에서의 사용에 견딜 수 있는 내구성을 구비하고 있는 것을 알 수 있다.
산화규소막(2)은, 실시예 1 및 실시예 2에서는 일산화규소(SiO)막이며, 실시예 3 및 실시예 4에서는 이산화규소(SiO2)막이며, 실시예 5에서는 아산화규소(Si2O3)막이다. 도 16을 참조하면, 어느 산화규소막(2)을 이용하여도, 레이저 발진기(11) 내에서의 사용에 견딜 수 있는 내구성을 구비한 반사 부재(100)를 구성하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.
상기의 실험 결과에 더하여, 반사 부재(100)의 각 층의 막 두께를 변화시킨 실험의 결과, 반사 부재(100)의 각 층의 막 두께가 이하의 범위인 경우, 「금속막, Ge막」의 인장 응력이 「ZnS막, SiO막」의 압축 응력에 의해 상쇄되기 때문에, 고온 시험에 대한 내구성이 향상하여, 반사 부재(100)가 레이저 발진기(11) 내에서의 사용에 견딜 수 있는 내구성을 구비하는 것이 확인되었다. 따라서, 반사 부재(100)의 각 층의 막 두께는, 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
제 1 층 산화규소막(2) 1㎚ 이상 50㎚ 이하
제 2 층 금속막(3) 20㎚ 이상 400㎚ 이하
제 3 층 ZnS막(4) 700㎚ 이상 1400㎚ 이하
제 4 층 Ge막(5) 450㎚ 이상 650㎚ 이하
제 5 층 SiO막(6) 20㎚ 이상 250㎚ 이하
또한, 보다 가혹한 고온 시험(72시간)에 견딜 수 있으며, 제품 수명이 긴 반사 부재를 얻기 위해서는, 반사 부재(100)의 각 층의 막 두께는, 이하의 범위인 것이 보다 바람직하다.
제 1 층 산화규소막(2) 1㎚ 이상 50㎚ 이하
제 2 층 금속막(3) 20㎚ 이상 300㎚ 이하
제 3 층 ZnS막(4) 800㎚ 이상 1200㎚ 이하
제 4 층 Ge막(5) 500㎚ 이상 600㎚ 이하
제 5 층 SiO막(6) 20㎚ 이상 200㎚ 이하
이상의 실시형태에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 일례를 나타내는 것으로, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 일부를 생략, 변경하는 것도 가능하다.
예를 들어, 상기의 실시형태에 있어서, ZnS막(4) 및 Ge막(5)을 생략한 구성, 및 ZnS막(4) 및 Ge막(5)을 다른 재질의 막으로 교체한 구성도, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내이다. ZnS막(4) 및 Ge막(5)을 다른 재질의 막으로 교체하는 경우, 적외 레이저 광에 대한 반사율을 높이는 재질인 것이 바람직하다. 혹은, 상기의 실시형태에 있어서, 산화규소막(2) 대신 금속막(3)과 기판(1)의 밀착력을 높이는 막이 이용되어도 좋다.
실시형태 2.
실시형태 2에서는, 반사 부재의 기판으로서 Cu(구리)를 사용하는 예를 나타낸다. 도 19는 도 2에 도시한 반환 미러(25)로서 사용 가능한 반사 부재(200)의 제 2 구성도이다. 도 19에 도시하는 반사 부재(200)는 기판(1)과, 금속막(3)과, SiO막(6)을 포함한다. 금속막(3) 및 SiO막(6)은 기판(1)에 가까운 쪽으로부터, 전술한 순서로 형성되어 있다.
도 20은 도 2에 도시한 반환 미러(25)로서 사용 가능한 반사 부재(300)의 제 3 구성도이다. 도 20에 도시하는 반사 부재(300)는 기판(1)과, 금속막(3)과, ZnS막(4)과, Ge막(5)과, SiO막(6)을 포함한다. 금속막(3), ZnS막(4), Ge막(5) 및 SiO막(6)은 기판(1)에 가까운 쪽으로부터, 전술한 순서로 형성되어 있다.
도 21은 도 2에 도시한 반환 미러(25)로서 사용 가능한 반사 부재(400)의 제 4 구성도이다. 도 21에 도시하는 반사 부재(400)는 기판(1)과, Cr(크롬) 막(7)과, 금속막(3)과, SiO막(6)을 포함한다. Cr막(7), 금속막(3) 및 SiO막(6)은 기판(1)에 가까운 쪽으로부터, 전술한 순서로 형성되어 있다.
반사 부재(200), 반사 부재(300) 및 반사 부재(400)는, 반사 부재(100)와 마찬가지로, 적외 레이저 광에 대해 높은 반사율을 갖는 적외 레이저용 반사 부재이다. 또한 반사 부재(200), 반사 부재(300) 및 반사 부재(400)는, 반사 부재(100)와 마찬가지로, P파에 대한 반사율이 S파에 대한 반사율보다 낮기 때문에, 광의 반사를 반복하는 동안에 P파가 S파보다 크게 감쇠된다.
이어서, 본 발명의 실시형태 2에 따른 반사 부재(200), 반사 부재(300) 및 반사 부재(400)의 실시예에 대해 설명한다. 이하에 나타내는 실시예 6은 반사 부재(200)의 실시예이며, 실시예 7 내지 10은 반사 부재(300)의 실시예이며, 실시예 11은 반사 부재(400)의 실시예이다.
［실시예 6］
실시예 6의 반사 부재(200)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 직경 40mm 각 평판의 Cu 기판이며, 금속막(3)은 Au막이다.
제 2 층 SiO 150㎚
제 1 층 Au 200㎚
기판 Cu 10㎜
도 22는 실시예 6의 반사 부재(200)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 6의 반사 부재(200)의 S파에 대한 반사율은 98.8%이며, P파에 대한 반사율은 86.1%이다.
［실시예 7］
실시예 7의 반사 부재(300)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 직경 40mm 각 평판의 Cu 기판이며, 금속막(3)은 Au막이다.
제 4 층 SiO 90㎚
제 3 층 Ge 570㎚
제 2 층 ZnS 930㎚
제 1 층 Au 300㎚
기판 Cu 10㎜
도 23은 실시예 7의 반사 부재(300)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 7의 반사 부재(300)의 S파에 대한 반사율은 99.7%이며, P파에 대한 반사율은 92.0%이다. 또한, 실시예 7의 반사 부재(300)에 있어서의 P파와 S파의 위상차는, -0.9°이다.
［실시예 8］
실시예 8의 반사 부재(300)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 직경 40mm의 원 형상의 Cu 기판이며, 금속막(3)은 Au막이다.
제 4 층 SiO 60㎚
제 3 층 Ge 540㎚
제 2 층 ZnS 1060㎚
제 1 층 Au 100㎚
기판 Cu 10㎜
도 24는 실시예 8의 반사 부재(300)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 8의 반사 부재(300)의 S파에 대한 반사율은 99.7%이며, P파에 대한 반사율은 94.4%이다. 또한, 실시예 8의 반사 부재(300)에 있어서의 P파와 S파의 위상차는, 0.1°이다.
［실시예 9］
실시예 9의 반사 부재(300)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 직경 40mm의 원 형상의 Cu 기판이며, 금속막(3)은 Au막이다.
제 4 층 SiO 170㎚
제 3 층 Ge 530㎚
제 2 층 ZnS 840㎚
제 1 층 Au 100㎚
기판 Cu 10㎜
도 25는 실시예 9의 반사 부재(300)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 9의 반사 부재(300)의 S파에 대한 반사율은 99.7%이며, P파에 대한 반사율은 85.4%이다. 또한, 실시예 9의 반사 부재(300)에 있어서의 P파와 S파의 위상차는, -1.0°이다.
［실시예 10］
실시예 10의 반사 부재(300)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 직경 40mm의 원 형상의 Cu 기판이며, 금속막(3)은 Au막이다.
제 4 층 SiO 230㎚
제 3 층 Ge 530㎚
제 2 층 ZnS 710㎚
제 1 층 Au 100㎚
기판 Cu 10㎜
도 26은 실시예 10의 반사 부재(300)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 10의 반사 부재(300)의 S파에 대한 반사율은 99.1%이며, P파에 대한 반사율은 80.6%이다. 또한, 실시예 10의 반사 부재(300)에 있어서의 P파와 S파의 위상차는, -1.3°이다.
［실시예 11］
실시예 11의 반사 부재(400)의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판(1)은 경면 가공된 직경 40mm 각 평판의 Cu 기판이며, 금속막(3)은 Au막이다.
제 3 층 SiO 150㎚
제 2 층 Au 200㎚
제 1 층 Cr 10㎚
기판 Cu 10㎜
도 27은 실시예 11의 반사 부재(400)의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 실시예 11의 반사 부재(400)의 S파에 대한 반사율은 98.8%이며, P파에 대한 반사율은 86.1%이다.
［비교예 6］
비교예 6의 반사 부재의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판은 경면 가공된 직경 40mm의 원 형상의 Cu 기판이며, 금속막은 Au막이다. 비교예 6의 반사 부재는, 최표층이 SiO막이 아닌, SiO2막을 채용한 구성이다.
제 2 층 SiO2 150㎚
제 1 층 Au 100㎚
기판 Cu 10㎜
도 28은 비교예 6의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 비교예 6의 반사 부재의 S파에 대한 반사율은 97.7%이며, P파에 대한 반사율은 92.9%이다.
［비교예 7］
비교예 7의 반사 부재의 각 층의 재질 및 막 두께는 이하와 같다. 기판은 경면 가공된 직경 40mm의 원 형상의 Cu 기판이며, 금속막은 Au막이다. 비교예 7의 반사 부재는, 최표층이 SiO막이 아닌, ZnS막을 채용한 구성이다.
제 2 층 ZnS 150㎚
제 1 층 Au 100㎚
기판 Cu 10㎜
도 29는 비교예 7의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 비교예 7의 반사 부재의 S파에 대한 반사율은 99.1%이며, P파에 대한 반사율은 98.2%이다.
［비교예 8］
비교예 8의 반사 부재의 각 층의 재질 및 막 두께는, 특허문헌 1을 인용한 구성이다. 기판은 경면 가공된 직경 40mm의 원 형상의 Cu 기판이며, 제 2 층의 금속막은 Au막이다. 비교예 7의 반사 부재는, 최표층이 SiO막이 아닌, Ge막을 채용한 구성이다.
제 7 층 Ge 670㎚
제 6 층 ZnS 1170㎚
제 5 층 Ge 670㎚
제 4 층 ZnS 1170㎚
제 3 층 HfO2 100㎚
제 2 층 Au 300㎚
제 1 층 Cr 100㎚
기판 Cu 4㎜
도 30은 비교예 8의 반사 부재의 광학 특성을 도시하는 도면이다. 파장 9.3㎛에 있어서, 비교예 8의 반사 부재의 S파에 대한 반사율은 99.9%이며, P파에 대한 반사율은 99.7%이다.
도 31과 도 32는 각각 실시예 6 내지 실시예 11의 반사 부재와 비교예 6 내지 비교예 8의 반사 부재의 반사율을 반사 횟수와 함께 나타내는 도면이다. 실시예 6 내지 실시예 11의 반사 부재(200, 300, 400)에서는, 반사를 반복할 때마다 S파에 대한 반사율과 P파에 대한 반사율의 차가 커진다. 이 때문에, P파를 감쇠시키는 것이 가능한 동시에, S파에 대해서는 반사를 반복하여도 높은 반사율을 유지할 수 있다. 50회 반사를 반복한 경우 S파의 반사율은 50% 이상이며, S파와 P파의 반사율의 비는 10 이상이다. 실시예 6 내지 실시예 11의 반사 부재(200, 300, 400)를 레이저 발진기(11) 내에서 반환 미러(25)로서 이용한 경우, 직선 편광의 적외 레이저 광을 발진할 수 있다.
한편, 비교예 6의 반사 부재에서는, 반사를 반복할 때마다 S파에 대한 반사율이 저하하고, 50회 반사를 반복한 경우, S파의 반사율은 기준으로 하는 40%에 도달하지 않는다. 이 때문에, 비교예 6의 반사 부재는, S파에 대한 반사율이 레이저 발진기(11)의 반환 미러(25)로서 이용하기 때문에 충분하지 않고, 반사를 반복할 때마다 S파도 감쇠해버려, 충분한 강도의 레이저 광을 발진할 수 없다.
또한, 비교예 7의 반사 부재에서는, 50회 반사를 반복한 경우, S파에 대한 반사율이 40%를 초과한다. 그렇지만, S파와 P파의 반사율의 비는 거의 1：1로, 반사율의 차가 얻어지지 않는다. 이 때문에, 비교예 7의 반사 부재를 레이저 발진기에 탑재한 경우에는, 발진되는 레이저 광에 P파 성분이 섞이기 때문에, 직선 편광의 레이저 광을 출력할 수 없다. 비교예 8의 반사 부재에 대해서도, 동일한 이유로, 직선 편광의 레이저 광을 출력할 수 없다.
도 33은 실시예 6 내지 실시예 11의 반사 부재의 내구성 시험 결과를 나타내는 표이다. 이 표에는, 테이프 박리 시험의 결과와, 고온 시험의 결과와, 레이저 발진기용 적합성이 나타나 있다. 실시예 6 내지 실시예 11의 반사 부재(200, 300, 400)에서는, 테이프 박리 시험의 결과, 박리가 생기지 않으며, 또한, 고온 시험의 결과, 광학 특성이 기준을 만족시켰으므로, 레이저 발진기용의 반사 부재로서 적합성을 구비하고 있다고 판정되어 있다. Cu 기판의 경우, Si 기판과 같이 기판 원소가 Au막 중으로 확산되는 현상은 보이지 않았다. 밀착력 강화를 위해, Cu 기판과 금속막 사이에, 산화물이나 황화물과 같은 막을 형성하여도 좋다.
실시예 7 내지 실시예 10의 반사 부재(300)는 기판과, 금속막과, ZnS막과, Ge막과, SiO막을 포함하며, 금속막, ZnS막, Ge막 및 SiO막이 기판 상에 기판에 가까운 쪽부터, 전술한 순서로 형성되어 있다. 이와 같은 반사 부재(300)에 있어서, 각 층의 막 두께를 이하의 범위로 설정하는 것에 의해, S파에 대해 고반사율을 얻으면서, S파와 P파에 반사율의 차를 만들어 내고, 또한, S파와 P파 사이에 있어서의 위상차를 ±1° 이내로 제어할 수 있다. 이와 같은 반사 부재는, 레이저 발진기의 고출력화·발진 안정화에 기여한다.
제 1 층 금속막 50㎚ 이상 300㎚ 이하
제 2 층 ZnS막 820㎚ 이상 1080㎚ 이하
제 3 층 Ge막 520㎚ 이상 590㎚ 이하
제 4 층 SiO막 40㎚ 이상 180㎚ 이하
이상과 같이, 본 발명의 반사 부재를 적용하는 것에 의해, 산업상 이용 가능한 출력을 갖는 직선 편광의 레이저 발진기를 실현할 수 있다.
실시형태 3.
실시형태 3에서는, 본 발명의 반사 부재(100), 반사 부재(200), 반사 부재(300) 및 반사 부재(400) 중 적어도 1개를 사용한 레이저 발진기의 실시예를 나타낸다.
도 34는 도 1에 도시한 레이저 발진기(11)의 다른 구성도이다. 레이저 발진기(11)는 부분 반사 미러(41)와, 부분 반사 미러(41)에서 반사한 레이저 광을, 해당 레이저 광의 광축을 따라서 반사하기 위한 직교형 미러(42)와, 한 쌍의 방전 전극(43, 44)의 사이에 공급되며, 레이저 매질로서 기능하는 레이저 가스를 구비한다. 부분 반사 미러(41)는, 발진한 레이저 광의 일부를 레이저 광(45)으로서 외부로 취출하는 출력 미러로서 기능한다. 직교형 미러(42)는, 직교하는 2개의 반사면을 가지며, 양 반사면이 교차하는 선을 본 명세서에서 「곡선(谷線)」이라 칭한다. 레이저 가스의 가스류 방향, 한 쌍의 방전 전극(43, 44)의 방전 방향, 및 부분 반사 미러(41)와 직교형 미러(42) 사이의 광축의 방향은, 서로 직교하고 있다. 레이저 가스류의 방향을 x 방향, 방전 전극(43, 44)의 방전 방향을 y 방향, 부분 반사 미러(41)와 직교형 미러(42) 사이의 광축을 z 방향이라 한다.
방전 전극(43, 44)은, 유전체 플레이트(46, 47)의 대향면과는 반대인 배면에 각각 마련되며, 급전선(48)을 거쳐서 고주파 전원(49)에 접속된다. 방전 전극(43, 44)의 사이에 교번(交番) 전압이 인가되면, 균일한 글로우(glow) 방전이 형성된다. 방전 전극(43, 44)의 사이에는, 화살표(50)로 나타내는 방향으로 레이저 가스가 공급되고 있으며, 글로우 방전에 의해 레이저 가스 중의 분자 또는 원자가 레이저 상준위에 여기되면, 광의 증폭 작용을 나타내게 된다. 예를 들어, 레이저 가스로서 CO2 분자를 포함하는 혼합 가스를 사용한 경우, CO2 분자의 진동 준위 간의 천이에 의해 파장 9.3㎛의 레이저 증폭이 가능하게 된다.
도 35는 도 34에 도시하는 레이저 발진기(11)에 있어서의 에너지의 이득 분포를 도시하는 도면이다. 방전 방향의 y 방향을 따른 이득 분포는 대체로 일정하다. 한편, 가스류 방향의 x 방향을 따른 이득 분포는, 위치에 의해 크게 변화한다. 이는 글로우 방전(51) 중을 레이저 가스가 통과할 때, 통과 시간의 증가와 함께 레이저 상준위가 순차 축적되기 때문이다. 이득은, 글로우 방전(51)의 가스 상류측에서 낮고, 가스 하류측에서 가장 높아지며, 글로우 방전(51)의 외측에서 서서히 저하하는 산형의 분포 형상이 된다.
직교형 미러(42)가 아닌 평면형의 반사 미러를 사용한 경우, y 방향으로 고차의 가로 모드가 나타나는 문제가 발생한다. 그래서, 방전 방향인 y 방향에 대해 각도 45도의 방향으로 기준축(52)을 설정하고, 직교형 미러(42)의 곡선이 기준축(52)에 평행이 되도록 직교형 미러(42)를 배치한다. 이에 의해, 직교형 미러(42)에서 반사된 레이저 광은, 입사 레이저 광의 기준축(52)에 대한 경면 대칭상(像)을, 광축 주위로 90도 회전시킨 상과 동일해진다. 즉, y 방향을 따른 이득 분포(62)의 영향과 x 방향을 따른 이득 분포(63)의 영향을 평균화할 수 있다. 따라서, 이와 같은 레이저 발진기(11)에서는, x 방향 및 y 방향에 있어서 고차의 가로 모드를 억제하여, 빔 강도가 등방성이 뛰어난 레이저 광을 안정적으로 얻을 수 있다.
이와 같은 구성의 레이저 발진기(11)에 있어서, 직선 편광의 레이저 광을 얻기 위해, 직교형 미러(42)의 2개의 반사면 중 적어도 1개의 반사면은 반사 부재(100, 200, 300 및 400) 중 적어도 1개이다. 예를 들어, 비교예 1에 나타내는 Au막을 형성한 반사 부재를 직교형 미러(42)의 양면에 적용하면, 전술과 같이, 직선 편광의 레이저가 발생하지 않는다. 등방적이라고는 할 수 없는 랜덤한 편광의 레이저 광이 출현한다.
한편, 상기의 반사 부재(100, 200, 300 및 400) 중 적어도 1개를 직교형 미러(42)의 2개의 반사면 중 적어도 1개의 반사면에 적용하는 것에 의해, 레이저가 증폭되는 동안에, 직교형 미러(42)에 대한 S파의 레이저 광이 살아남고, 그에 직교하는 P파의 레이저 광이 소멸된다. 즉, 직선 편광의 레이저 광이 실현된다.
이와 같이, 산업상의 이용에 대해 충분한 출력이 있고, 빔 강도가 등방적이며, 또한, 직선 편광의 레이저를 발진하는 레이저 발진기(11)를 실현하기 위해서는, 본 발명의 반사 부재(100, 200, 300, 400)가 필요 불가결하다.
도 36은 실시예 2, 실시예 6, 실시예 7, 비교예 1, 비교예 6, 비교예 8의 반사 부재를 직교형 미러의 일면에 적용하고, 레이저 발진기에 탑재하여 성능을 평가한 결과를 나타낸다. 여기에서는 평가 결과를 양호한 결과로부터 순서대로 ◎, ○, ×의 기호로 나타내고 있다. 부분 반사 미러(41)와 직교형 미러(42)가 공진기를 구성하는 레이저 발진기의 구성을 채용한 것에 의해, 빔 강도에 대해서는, 등방적인 레이저 광이 얻어지고 있다. 한편, 직선 편광의 실현성을 비교하면, 본 발명의 반사 부재를 적용한 레이저 발진기에서는 직선 편광이 얻어지지만, 비교예 1, 8에 나타내는 종래의 반사 부재를 적용한 레이저 발진기에서는, 직선 편광이 얻어지지 않았다. 또한, 본 발명의 반사 부재를 적용한 경우에는, 산업상 이용할 수 있는 발진 출력을 실현할 수 있었지만, 비교예 6에 나타내는 종래의 반사 부재를 적용한 레이저 발진기에서는, 충분한 발진 출력이 얻어지지 않았다.
레이저 발진기를 실제로 사용할 때, 현실적으로는 발진기 내부의 가스류 밀도·분포가 일정하지 않기 때문에, 광축은 반드시 일직선이 아닌, 약간 비뚤어져 있다. 즉, 이론대로 S파 성분의 레이저만이 공진하는 것이 아닌, S파 성분의 레이저의 일부가 P파 성분으로 바뀌고, P파 성분의 레이저가 일정 시간, S파 성분과 마찬가지로 공진한다. 상기 이유로 인해, 이 P파 성분도, 직교형 미러에서 반사될 때, S파 성분으로 변화한다. P파가 S파로 되돌아왔을 때, 원래의 S파와 P파에 위상차가 생겨버리고 있으면, P파의 에너지는 공급되지 않고, 소멸되어 버린다. 이 때문에, 에너지의 이용 효율이 뛰어난 레이저 발진기를 실현하려면, 위상차를 제어한 이하의 반사 부재를 사용하는 것이 바람직하다.
제 1 층 금속막 50㎚ 이상 300㎚ 이하
제 2 층 ZnS막 820㎚ 이상 1080㎚ 이하
제 3 층 Ge막 520㎚ 이상 590㎚ 이하
제 4 층 SiO막 40㎚ 이상 180㎚ 이하
이상의 실시형태에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 일례를 나타내는 것으로, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 일부를 생략, 변경하는 것도 가능하다. 본 발명에 의해, 산업상의 이용에 대해 충분한 출력이 있으며, 빔 강도가 등방적이고, 또한, 직선 편광의 레이저를 발진하는 레이저 발진기를 실현할 수 있다.
1 : 기판 2 : 산화규소막
3 : 금속막 4 : ZnS막
5 : Ge막 6 : SiO막
7 : Cr막 10 : 레이저 가공 장치
11 : 레이저 발진기 12 : 편광 변환 부재
13 : 집광 광학계 14 : 가공 테이블
15 : 구동부 16 : 제어부
17 : 가공 대상물 41 : 부분 반사 미러
42 : 직교형 미러 43, 44 : 방전 전극
46, 47 : 유전체 플레이트 48 : 급전선
49 : 고주파 전원
100, 200, 300, 400 : 반사 부재

Claims (15)

  1. 적외 레이저 광을 발진하는 레이저 발진기에 있어서,
    적외 레이저용 반사 부재를 구비하고,
    상기 적외 레이저용 반사 부재는,
    기판과,
    SiO막과,
    상기 기판과 상기 SiO막 사이에 형성된 금속막을 갖는 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속막과 상기 SiO막 사이에 형성된 ZnS막과,
    상기 ZnS막과 상기 SiO막 사이에 형성된 Ge막을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속막의 막 두께는 20㎚ 이상 400㎚ 이하이고,
    상기 ZnS막의 막 두께는 700㎚ 이상 1200㎚ 이하이며,
    상기 Ge막의 막 두께는 450㎚ 이상 650㎚ 이하이고,
    상기 SiO막의 막 두께는 20㎚ 이상 250㎚ 이하인 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속막은 Au막인 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 기판은 Si 기판이며,
    상기 기판과 상기 Au막 사이에 형성된 산화규소막을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 산화규소막의 막 두께는 1㎚ 이상 50㎚ 이하인 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 산화규소막은 SiO막, SiO2막 또는 Si2O3막인 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 산화규소막은 SiO막, SiO2막 또는 Si2O3막인 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속막의 막 두께는 20㎚ 이상 300㎚ 이하이고,
    상기 ZnS막의 막 두께는 820㎚ 이상 1080㎚ 이하이며,
    상기 Ge막의 막 두께는 520㎚ 이상 590㎚ 이하이며,
    상기 SiO막의 막 두께는 40㎚ 이상 180㎚ 이하인 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  10. 청구항 1에 있어서,
    파장이 8.3㎛ 이상 9.8㎛ 이하의 레이저 광을 출력하는 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    부분 반사 미러와,
    서로 직교하는 2개의 반사면을 갖고, 상기 부분 반사 미러에서 반사된 레이저 광을, 상기 레이저 광의 광축을 따라서 반사시키는 직교형 미러와,
    한 쌍의 방전 전극과,
    상기 한 쌍의 방전 전극 사이에 공급되며 레이저 매질로서 기능하는 레이저 가스를 구비하고,
    상기 한 쌍의 방전 전극의 방전 방향과, 상기 레이저 가스의 가스류 방향과, 상기 광축의 방향이 서로 직교하고 있으며,
    상기 직교형 미러는, 상기 직교형 미러의 상기 2개의 반사면이 교차하는 선인 곡선(谷線)이, 상기 광축에 직교하는 면 내에 있어서, 상기 방전 방향에 대해 45도의 각도로 교차하는 기준축과 평행이 되도록 배치되며,
    상기 직교형 미러의 상기 2개의 반사면 중 적어도 1개의 반사면은 상기 적외 레이저용 반사 부재인 것을 특징으로 하는
    레이저 발진기.
  12. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 레이저 발진기를 구비하는 것을 특징으로 하는
    레이저 가공 장치.
  13. 청구항 11에 기재된 레이저 발진기를 구비하는 것을 특징으로 하는
    레이저 가공 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
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