CN109890554B - 激光照射装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光照射装置，具备：将自激光光源所输出的激光对应于相位图案进行调制并出射的空间光调制器；将自上述空间光调制器所出射的上述激光朝对象物聚光的物镜；配置于上述激光的光路上的上述空间光调制器与上述物镜之间，将上述激光聚焦的聚焦透镜；配置于上述激光的光路上的上述聚焦透镜的后侧的焦点位置，将上述激光的一部分遮断的狭缝构件，上述相位图案包含将入射于上述物镜的瞳面的上述激光的一部分调制的第1图案、和将上述激光的余部进行调制的第2图案，上述第2图案包含用于将上述激光的上述余部分支成多个衍射光的衍射光栅图案，上述狭缝构件通过狭缝将上述衍射光予以遮断。

Description

激光照射装置
技术领域
本发明的一个方面涉及激光照射装置。
背景技术
在专利文献1中记载有对对象物照射激光的激光照射装置。在这种激光照射装置中，激光光源所产生的激光在通过空间光调制器进行调制后，通过物镜聚光至对象物。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-51011号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，当激光经由空间光调制器入射于物镜时，会有激光的光束尺寸较物镜的瞳面的尺寸(瞳径)大的情况。在该情况下，激光的一部分入射于物镜的瞳面，另一方面，激光的余部入射于物镜的保持器等的其他构件。入射于物镜的瞳面的激光的一部分为照射于对象物的有效光，入射于其他构件的激光的余部为未照射于对象物的非有效光。若非有效光入射于其他构件的话，则在该其他构件产生热。因此，会有激光的聚光点的位置变化等、激光朝对象物的照射状态发生变化的担忧。
本发明的一个方面有鉴于上述状况而完成，其目的在于，提供可抑制激光朝对象物的照射状态的变化的激光照射装置。
解决问题的技术手段
本发明人们为了解决上述课题，反复研究探讨，其结果，获得了下述的见解。即，为了解决上述课题，在物镜的前段侧，将非有效光遮断即可，因此，例如，在空间光调制器显示包含衍射光栅图案的相位图案而通过衍射使非有效光分支，通过狭缝将被分支了的衍射光遮断即可。本发明的一个方面是基于这样的见解进一步反复研究的结果。
即，本发明的一个方面所涉及的激光照射装置，是将激光沿着第1方向照射于对象物的激光照射装置，具备：输出激光的激光光源；将自激光光源所输出的激光对应于相位图案进行调制并出射的空间光调制器；将自空间光调制器所出射的激光朝对象物聚光的物镜；配置于激光的光路上的空间光调制器与物镜之间且将激光聚焦的聚焦透镜；配置于激光的光路上的聚焦透镜的后侧的焦点位置且将激光的一部分遮断的狭缝构件，相位图案包含将入射于物镜的瞳面的激光的一部分调制的第1图案、和将激光的余部调制的第2图案，第2图案包含用于沿着与第1方向交叉的第2方向使激光的余部分支成多个衍射光的衍射光栅图案，狭缝构件通过狭缝来遮断衍射光。
在此激光照射装置中，自激光光源所输出的激光在通过空间光调制器的相位图案进行调制后，通过物镜朝对象物聚光。空间光调制器的相位图案包含：将入射于物镜的瞳面的激光的一部分(有效光)进行调制的第1图案；和将激光的余部(非有效光)进行调制的第2图案。第2图案包含用于沿着与第1方向交叉的第2方向使光衍射的衍射光栅图案。因此，激光中的非有效光关于与激光的扫描方向交叉的第2方向，分支成多个衍射光。于是，衍射光在聚焦透镜的后侧焦点位置，被狭缝构件的狭缝遮断。其结果，有效光通过狭缝而照射于对象物，另一方面，非有效光的衍射光被狭缝遮断，并未到达物镜。因此，根据该激光照射装置，能够抑制激光朝对象物的照射状态的变化。
在本发明的一个方面所涉及的激光照射装置中，也可为狭缝构件通过以相较于第2方向，在第1方向相对变长的方式形成的狭缝，遮断衍射光。
在此，在激光照射装置中，会有将激光分支成多个并照射于对象物的要求。因此，在本发明的一个方面所涉及的激光照射装置中，也可为第1图案包含用于沿着第1方向使激光的一部分分支成多个其他衍射光的其他衍射光栅图案。在此情况下，可将激光中的有效光关于激光相对于对象物的照射方向(扫描方向)即第1方向分支成多个其他衍射光，并照射于对象物。
再者，以下，会有将第1图案所包含的“其他衍射光栅图案”称为(或并记为)“第1衍射光栅图案”，将被该第1衍射光栅图案所分支的“其他衍射光”称为(或并记为)“第1衍射光”的情况。另外，会有将第2图案所包含的“衍射光栅图案”称为(或并记为)“第2衍射光栅图案”，将被该第2衍射光栅图案所分支的“衍射光”称为(或并记为)“第2衍射光”的情况。
在本发明的一个方面所涉及的激光照射装置中，也可为关于第1方向的狭缝的尺寸较焦点位置上的第1衍射光(其他衍射光)的光束尺寸与焦点位置上的第1衍射光(其他衍射光)的分支间隔的合计值大，关于第2方向的狭缝的尺寸较焦点位置上的第2衍射光(衍射光)的光束尺寸大。在此情况下，不会由狭缝遮断多个第1衍射光而可可靠地照射于对象物。
在本发明的一个方面所涉及的激光照射装置中，也可为分支间隔为第1方向上的±1次的第1衍射光(其他衍射光)的间隔。在此情况下，至少可将第1衍射光中的0次光与±1次光照射于对象物。
在本发明的一个方面所涉及的激光照射装置中，也可为关于第2方向的狭缝的尺寸较当将聚焦透镜的焦点距离设为f、将激光的波长设为λ、将空间光调制器的像素尺寸设为xSLM时，以下述式(1)所表示的1次光的最大衍射距离F小。在此情况下，可通过狭缝可靠地遮断第2衍射光。
[数1]
Figure BDA0002032044170000031
在本发明的一个方面所涉及的激光照射装置中，也可为狭缝的关于第1方向的尺寸较焦点位置上的±3次的第1衍射光(其他衍射光)的间隔小。在此情况下，可通过狭缝遮断第1衍射光中±3次以上的高次光。
在本发明的一个方面所涉及的激光照射装置中，也可为第1衍射光栅图案(其他衍射光栅图案)由沿着第2方向的多个槽图案所构成，第2衍射光栅图案(衍射光栅图案)由沿着第1方向的多个槽图案所构成。这样，通过以由第1衍射光栅图案与第2衍射光栅图案将槽图案的方向交叉的方式进行设定，能够使第1衍射光的分支方向与第2衍射光的分支方向不同。
在本发明的一个方面所涉及的激光照射装置中，也可为空间光调制器包含显示相位图案的液晶层，液晶层包含激光入射的区域中的圆形状的有效区域和有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，第1图案将显示于有效区域的激光的一部分进行调制，第2图案将显示于非有效区域的激光的余部进行调制。在此情况下，对应于入射于物镜的光束轮廓，可将照射于对象物的光束形状设定成期望形状，能够进行细微的加工控制(照射控制)。
在此，本发明的一个方面所涉及的激光照射装置，是使激光沿着第1方向照射于对象物的激光照射装置，具备：输出激光的激光光源；将自激光光源所输出的激光对应于相位图案进行调制并出射的空间光调制器；将自空间光调制器所出射的激光朝对象物聚光的物镜；配置于激光的光路上的空间光调制器与物镜之间且将激光聚焦的聚焦透镜；及配置于激光的光路上的聚焦透镜的后侧的焦点位置且将激光的一部分遮断的狭缝构件，空间光调制器包含显示相位图案的液晶层，液晶层包含入射于物镜的瞳面的激光的一部分入射的有效区域和激光的余部入射的非有效区域，狭缝构件通过狭缝将在非有效区域被调制的光遮断。
在该激光照射装置中，自激光光源所输出的激光在通过空间光调制器的相位图案进行调制后，通过物镜朝对象物聚光。空间光调制器的液晶层包含：入射于物镜的瞳面的激光的一部分(有效光)入射的有效区域；和激光的余部(非有效光)入射的非有效区域。于是，在非有效区域被调制的光在聚焦透镜的后侧焦点位置，通过狭缝构件的狭缝被遮断。其结果，有效光通过狭缝而照射于对象物，另一方面，非有效光被狭缝遮断，并未到达物镜(其他构件)。因此，根据该激光照射装置，能够抑制激光朝对象物的照射状态的变化。
发明的效果
根据本发明的一个方面，能够提供可抑制激光朝对象物的照射状态的变化的激光照射装置。
附图说明
图1为被使用于改质区域的形成的激光加工装置的概略构成图。
图2为成为改质区域的形成的对象的加工对象物的俯视图。
图3为沿着图2的加工对象物的III-III线的截面图。
图4为激光加工后的加工对象物的俯视图。
图5为沿着图4的加工对象物的V-V线的截面图。
图6为沿着图4的加工对象物的VI-VI线的截面图。
图7为实施方式所涉及的激光加工装置的立体图。
图8为安装于图7的激光加工装置的支撑台的加工对象物的立体图。
图9为沿着图7的XY平面的激光输出部的截面图。
图10为图7的激光加工装置中的激光输出部及激光聚光部的一部分的立体图。
图11为沿着图7的XY平面的激光聚光部的截面图。
图12为沿着图11的XII-XII线的激光聚光部的截面图。
图13为沿着图12的XIII-XIII线的激光聚光部的截面图。
图14为图7的激光加工装置中的反射型空间光调制器的部分截面图。
图15为显示图11的激光聚光部中的反射型空间光调制器、4f透镜单元及聚光透镜单元的光学配置置关系的图。
图16为显示第1实施方式所涉及的激光加工装置的主要部分的概略构成图。
图17为示意地显示从如图16所示的反射型空间光调制器至加工对象物的激光的光路及该光路上的各光学要件的图。
图18为显示于反射型空间光调制器的相位图案的一个例子的图。
图19为显示反射型空间光调制器上的激光的强度分布的图像。
图20为显示狭缝构件及衍射光的光束光点的图。
图21为用于说明最大衍射距离的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的一个方面的一个实施方式进行详细的说明。另外，在各图中，对相互相同的要素或相互相当的要素赋予相同的符号，有时省略重复的说明。
在实施方式所涉及的激光加工装置中，通过将激光聚光于加工对象物，沿着切断预定线在加工对象物形成改质区域。于是，首先，对改质区域的形成，参照图1～图6进行说明。
如图1所示，激光加工装置100具备使激光L进行脉冲振荡的激光光源101、被配置成将激光L的光轴(光路)的方向改变90°的分色镜103、用于聚光激光L的聚光用透镜105。再者，激光加工装置100具备用于支撑被照射通过聚光用透镜105被聚光的激光L的对象物、即加工对象物1的支撑台107、用于使支撑台107移动的移动机构、即平台111、为了调节激光L的输出或脉冲宽度、脉冲波形等而控制激光光源101的激光光源控制部102、控制平台111的移动的平台控制部115。
在激光加工装置100中，从激光光源101被出射的激光L通过分色镜103使其光轴的方向改变90°，通过聚光用透镜105在载置于支撑台107上的加工对象物1的内部聚光。与此同时使平台111移动，且使加工对象物1相对于激光L沿着切断预定线5相对移动。由此，在加工对象物1形成沿着切断预定线5的改质区域。另外，在此，为了使激光L相对移动，使平台111移动，但是也可以使聚光用透镜105移动，或也可以使该双方移动。
作为加工对象物1，使用包含以半导体材料所形成的半导体基板或以压电材料所形成的压电基板等的板状的构件(例如，基板、晶圆等)。如图2所示，在加工对象物1，设定有用于切断加工对象物1的切断预定线5。切断预定线5是直线状延伸的假想线。在加工对象物1的内部形成改质区域的情况下，如图3所示，在将聚光点(聚光位置)P对准加工对象物1的内部的状态下，使激光L沿着切断预定线5(即，图2的箭号A方向)相对移动。由此，如图4、图5及图6所示，沿着切断预定线5在加工对象物1形成改质区域7，沿着切断预定线5所形成的改质区域7成为切断起点区域8。切断预定线5对应于照射预定线。
聚光点P是激光L聚光的部位。切断预定线5并不限定于直线状，可以为曲线状，也可以为组合它们的3维状，也可以为坐标指定的线。切断预定线5并不限定于假想线，也可以为实际绘制在加工对象物1的表面3的线。改质区域7也有连续形成的情况，也有断续形成的情况。改质区域7可以为列状，也可以为点状，只要改质区域7至少形成在加工对象物1的内部、表面3或背面即可。有以改质区域7为起点形成龟裂的情况，龟裂及改质区域7即使露出于加工对象物1的外表面(表面3、背面或外周面)也可。形成改质区域7的时候的激光入射面并非限定于加工对象物1的表面3，即使为加工对象物1的背面也可。
即，在加工对象物1的内部形成改质区域7的情况下，激光L透过加工对象物1并且在位于加工对象物1的内部的聚光点P附近被特别吸收。由此，在加工对象物1形成改质区域7(即，内部吸收型激光加工)。在此情况下，由于在加工对象物1的表面3几乎不吸收激光L，因而加工对象物1的表面3不会熔融。另一方面，在加工对象物1的表面3或背面形成改质区域7的情况下，激光L在位于表面3或背面的聚光点P附近被特别吸收，从表面3或背面熔融且被除去，形成孔或槽等的除去部(表面吸收型激光加工)。
改质区域7是指成为密度、折射率、机械强度或其他物理特性与周围不同的状态的区域。作为改质区域7，例如有熔融处理区域(是指一旦熔融后再固化的区域、熔融状态中的区域及从熔融再固化的状态中的区域中的至少任一个)、裂纹区域、绝缘破坏区域、折射率变化区域等，也有它们混合存在的区域。再有，作为改质区域7，有在加工对象物1的材料中改质区域7的密度与非改质区域的密度比较而变化的区域、或形成有晶格缺陷的区域。在加工对象物1的材料为单晶硅的情况下，改质区域7也可以称为高错位密度区域。
熔融处理区域、折射率变化区域、改质区域7的密度与非改质区域的密度比较而变化的区域、及形成有晶格缺陷的区域，进一步有在这些区域的内部或改质区域7和非改质区域的界面内含龟裂(破裂、微裂纹)的情况。内含的龟裂有遍及改质区域7的全面的情况或仅在一部分或在多个部分形成的情况。加工对象物1包含由具有结晶构造的结晶材料所构成的基板。例如，加工对象物1包含由氮化镓(GaN)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、LiTaO3及蓝宝石(Al2O3)中的至少任一者所形成的基板。换言之，加工对象物1包含例如氮化镓基板、硅基板、SiC基板、LiTaO3基板、或蓝宝石基板。结晶材料即使为各向异性结晶及各向同性结晶中的任一者也可。再者，加工对象物1即使包含由具有非结晶构造(非晶质构造)的非结晶材料所构成的基板也可，例如即使包含玻璃基板也可。
在实施方式中，通过沿着切断预定线5形成多个改质光点(spot)(加工痕)，可以形成改质区域7。在此情况下，通过多个改质光点聚集而成为改质区域7。改质光点是以脉冲激光的1脉冲的射击(shot)(即，1脉冲的激光照射：激光射击)所形成的改质部分。作为改质光点，可以举出裂纹光点、熔融处理光点或折射率变化光点、或混合存在有这些的至少一个的光点等。关于改质光点，考虑所要求的切断精度、所要求的切截面的平坦性、加工对象物1的厚度、种类、结晶方位等，可以适当地控制其大小或产生的龟裂的长度。再者，在本实施方式中，可以沿着切断预定线5，形成改质光点以作为改质区域7。
[实施方式所涉及的激光加工装置]
其次，说明实施方式所涉及的激光加工装置。在以下的说明中，将在水平面内相互地正交的方向设为X轴方向及Y轴方向，将铅垂方向设为Z轴方向。
[激光加工装置的全体结构]
如图7所示，激光加工装置200具备：装置框架210；第1移动机构(移动机构)220；支撑台230；及第2移动机构240。再有，激光加工装置200具备：激光输出部300；激光聚光部400；及控制部500。
第1移动机构220安装于装置框架210。第1移动机构220具有：第1轨道单元221；第2轨道单元222；及可动基座223。第1轨道单元221安装于装置框架210。在第1轨道单元221，设有沿着Y轴方向延伸的一对轨道221a、221b。第2轨道单元222安装于第1轨道单元221的一对轨道221a、221b，使得可沿着Y轴方向移动。在第2轨道单元222，设有沿着X轴方向延伸的一对轨道222a、222b。可动基座223安装于第2轨道单元222的一对轨道222a、222b，使得可沿着X轴方向移动。可动基座223可以与Z轴方向平行的轴线为中心线进行旋转。
支撑台230安装于可动基座223。支撑台230支撑加工对象物1。加工对象物1是例如，在由硅等的半导体材料所构成的基板的表面侧，多个功能元件(光电二极管等的受光元件、激光二极管等的发光元件、或作为电路形成的电路元件等)形成为矩阵状的加工对象物。当加工对象物1被支撑台230支撑时，如图8所示，在挂设于环状的框架11的薄膜12上，贴附有例如加工对象物1的表面1a(多个功能元件侧的面)。支撑台230通过利用夹子保持框架11并且利用真空夹台吸附薄膜12，来支撑加工对象物1。在支撑台230上，在加工对象物1，相互平行的多个切断预定线5a及相互平行的多个切断预定线5b以通过相邻的功能元件之间的方式设定成格子状。
如图7所示，支撑台230通过在第1移动机构220使第2轨道单元222动作，而沿着Y轴方向进行移动。另外，支撑台230通过在第1移动机构220使可动基座223动作，而沿着X轴方向进行移动。再有，支撑台230通过在第1移动机构220使可动基座223动作，而以与Z轴方向平行的轴线为中心线进行旋转。这样，支撑台230以沿着X轴方向及Y轴方向可移动且可以与Z轴方向平行的轴线为中心线进行旋转的方式，安装于装置框架210。
激光输出部300安装于装置框架210。激光聚光部400经由第2移动机构240安装于装置框架210。激光聚光部400通过第2移动机构240动作，沿着Z轴方向进行移动。这样，激光聚光部400以相对于激光输出部300可沿着Z轴方向移动的方式，安装于装置框架210。
控制部500通过CPU(Central Processing Unit(中央处理单元))、ROM(Read OnlyMemory(只读存储器))及RAM(Random Access Memory(随机存储器))等所构成。控制部500控制激光加工装置200的各部的动作。
作为一个例子，在激光加工装置200中，如下所述，沿着切断预定线5a、5b(参照图8)在加工对象物1的内部形成改质区域。
首先，以加工对象物1的背面1b(参照图8)成为激光入射面的方式，将加工对象物1支撑于支撑台230，使加工对象物1的各切断预定线5a和与X轴方向平行的方向对齐。接着，通过第2移动机构240移动激光聚光部400，使得在加工对象物1的内部，激光L的聚光点位于加工对象物1的自激光入射面分离规定距离的位置。然后，使加工对象物1的激光入射面与激光L的聚光点的距离维持为一定，并沿着各切断预定线5a使激光L的聚光点相对地移动。由此，沿着各切断预定线5a，在加工对象物1的内部形成改质区域。
若沿着各切断预定线5a的改质区域的形成结束的话，则通过第1移动机构220使支撑台230旋转，将加工对象物1的各切断预定线5b和与X轴方向平行的方向对齐。接着，通过第2移动机构240移动激光聚光部400，使得在加工对象物1的内部，激光L的聚光点位于加工对象物1的自激光入射面分离规定距离的位置。然后，使加工对象物1的激光入射面与激光L的聚光点的距离维持为一定，并沿着各切断预定线5b使激光L的聚光点相对地移动。由此，沿着各切断预定线5b，在加工对象物1的内部形成改质区域。
这样，在激光加工装置200中，与X轴方向平行的方向设为加工方向(激光L的扫描方向)。再者，沿着各切断预定线5a的激光L的聚光点的相对移动、及沿着各切断预定线5b的激光L的聚光点的相对移动，通过利用第1移动机构220使支撑台230沿着X轴方向移动来实施。另外，各切断预定线5a间的激光L的聚光点的相对移动、及各切断预定线5b间的激光L的聚光点的相对移动，通过利用第1移动机构220使支撑台230沿着Y轴方向移动来实施。
如图9所示，激光输出部300具有安装基座301、罩302及多个镜303、304。再有，激光输出部300具有：激光振荡器(激光光源)310；快门320；λ/2波长板单元330；偏光板单元340；扩束器350；及镜单元360。
安装基座301支撑多个镜303、304、激光振荡器310、快门320、λ/2波长板单元330、偏光板单元340、扩束器350及镜单元360。多个镜303、304、激光振荡器310、快门320、λ/2波长板单元330、偏光板单元340、扩束器350及镜单元360安装于安装基座301的主面301a。安装基座301为板状的构件，相对于装置框架210(参照图7)可进行装卸。激光输出部300经由安装基座301安装于装置框架210。即，激光输出部300相对于装置框架210可进行装卸。
罩302在安装基座301的主面301a上，覆盖多个镜303、304、激光振荡器310、快门320、λ/2波长板单元330、偏光板单元340、扩束器350及镜单元360。罩302相对于安装基座301可进行装卸。
激光振荡器310使直线偏振光的激光L沿着X轴方向进行脉冲振荡。从激光振荡器310出射的激光L的波长包含于500～550nm、1000～1150nm或1300～1400nm中的任一波长带。500～550nm的波长带的激光L适用于对例如由蓝宝石所构成的基板的内部吸收型激光加工。1000～1150nm及1300～1400nm的各波长带的激光L适用于对例如由硅所构成的基板的内部吸收型激光加工。由激光振荡器310所出射的激光L的偏光方向为例如与Y轴方向平行的方向。自激光振荡器310所出射的激光L被镜303反射，沿着Y轴方向入射到快门320。
在激光振荡器310中，如下所述，切换激光L的输出的开启/关断(ON/OFF)。在激光振荡器310由固体激光器所构成的情况下，通过切换设在共振器内的Q开关(AOM(声光调制器)、EOM(电光调制器)等)的开启/关断，高速地切换激光L的输出的开启/关断。在激光振荡器310由光纤激光器所构成的情况下，通过切换晶种激光器、构成放大器(激发用)激光的半导体激光器的输出的开启/关断，高速地切换激光L的输出的开启/关断。在激光振荡器310使用外部调制元件的情况下，通过切换设在共振器外的外部调制元件(AOM、EOM等)的开启/关断，高速地切换激光L的输出的开启/关断。
快门320通过机械式的机构，将激光L的光路开闭。来自激光输出部300的激光L的输出的开启/关断的切换如上所述，通过在激光振荡器310的激光L的输出的开启/关断的切换来实施，但通过设置快门320，例如，可防止激光L从激光输出部300不经意地出射。通过快门320的激光L通过镜304反射，沿着X轴方向依次入射到λ/2波长板单元330及偏光板单元340。
λ/2波长板单元330及偏光板单元340作为调整激光L的输出(光强度)的输出调整部发挥功能。另外，λ/2波长板单元330及偏光板单元340作为调整激光L的偏光方向的偏光方向调整部发挥功能。依次通过λ/2波长板单元330及偏光板单元340的激光L沿着X轴方向入射到扩束器350。
扩束器350调整激光L的直径并且将激光L平行化。通过扩束器350的激光L沿着X轴方向入射到镜单元360。
镜单元360具有支撑基座361及多个镜362、363。支撑基座361支撑多个镜362、363。支撑基座361以可沿着X轴方向及Y轴方向进行位置调整的方式安装于安装基座301。镜(第1镜)362将通过扩束器350的激光L朝Y轴方向反射。镜362以其反射面可在例如与Z轴平行的轴线周围进行角度调整的方式安装于支撑基座361。
镜(第2镜)363将被镜362所反射的激光L朝Z轴方向反射。镜363以其反射面可在例如与X轴平行的轴线周围进行角度调整、且沿着Y轴方向可进行位置调整的方式安装于支撑基座361。被镜363所反射的激光L通过形成于支撑基座361的开口361a，沿着Z轴方向入射到激光聚光部400(参照图7)。即，利用激光输出部300的激光L的出射方向与激光聚光部400的移动方向一致。如上所述，各镜362、363具有用于调整反射面的角度的机构。
在镜单元360中，通过实施支撑基座361相对于安装基座301的位置调整，镜363相对于支撑基座361的位置调整，及各镜362、363的反射面的角度调整，可将自激光输出部300所出射的激光L的光轴的位置及角度相对于激光聚光部400进行匹配。即，多个镜362、363是用于调整自激光输出部300出射的激光L的光轴的结构。
如图10所示，激光聚光部400具有框体401。框体401呈以Y轴方向为长度方向的长方体状的形状。在框体401的一方的侧面401e，安装有第2移动机构240(参照图11及图13)。在框体401，以与镜单元360的开口361a在Z轴方向上相对的方式，设有圆筒状的光入射部401a。光入射部401a使自激光输出部300所出射的激光L入射到框体401内。镜单元360与光入射部401a相互分离有当通过第2移动机构240使激光聚光部400沿着Z轴方向移动时不会相互接触的距离。
如图11及图12所示，激光聚光部400具有镜402及分色镜403。再有，激光聚光部400具有：反射型空间光调制器410、4f透镜单元420、聚光透镜单元(物镜)430、驱动机构440及一对测距传感器450。
镜402以与光入射部401a在Z轴方向上相对的方式，安装在框体401的底面401b。镜402将经由光入射部401a入射到框体401内的激光L朝与XY平面平行的方向反射。在镜402，通过激光输出部300的扩束器350平行化的激光L沿着Z轴方向入射。即，在镜402，激光L作为平行光沿着Z轴方向入射。因此，即使通过第2移动机构240使激光聚光部400沿着Z轴方向移动，沿着Z轴方向入射到镜402的激光L的状态也维持为一定。通过镜402反射的激光L入射到反射型空间光调制器410。
反射型空间光调制器410在反射面410a面临框体401内的状态下，安装于Y轴方向上的框体401的端部401c。反射型空间光调制器410为例如反射型液晶(LCOS：LiquidCrystal on Silicon)的空间光调制器(SLM：Spatial Light Modulator)，将激光L调制并且将激光L朝Y轴方向反射。通过反射型空间光调制器410调制并且反射的激光L沿着Y轴方向入射到4f透镜单元420。在此，在与XY平面平行的平面内，入射到反射型空间光调制器410的激光L的光轴与自反射型空间光调制器410出射的激光L的光轴所形成的角度α设为锐角(例如，10～60°)。即，激光L在反射型空间光调制器410沿着XY平面呈锐角反射。这是为了抑制激光L的入射角及反射角而抑制衍射效率降低，使反射型空间光调制器410的性能充分地发挥。再者，在反射型空间光调制器410中，例如，由于使用了液晶的光调制层的厚度为极薄的数μm～数十μm左右，因此，实质上反射面410a可视为与光调制层的光入射出射面相同。
4f透镜单元420具有：保持器421、反射型空间光调制器410侧的透镜422、聚光透镜单元430侧的透镜423及狭缝构件424。保持器421保持一对透镜422、423及狭缝构件424。保持器421将沿着激光L的光轴的方向上的一对透镜422、423及狭缝构件424的相互的位置关系维持成一定。一对透镜422、423构成反射型空间光调制器410的反射面410a与聚光透镜单元430的入射瞳面(瞳面)430a处于成像关系的两侧远心光学系统。
由此，在反射型空间光调制器410的反射面410a上的激光L的像(在反射型空间光调制器410被调制的激光L的像)转像(成像)于聚光透镜单元430的入射瞳面430a。在狭缝构件424形成有狭缝424a。狭缝424a位于透镜422与透镜423之间、即位于透镜422的焦点面附近。通过反射型空间光调制器410调制并且反射的激光L中的不要的部分被狭缝构件424遮断。通过4f透镜单元420的激光L沿着Y轴方向入射到分色镜403。
分色镜403将激光L的大部分(例如，95～99.5％)朝Z轴方向反射，使激光L的一部分(例如，0.5～5％)沿着Y轴方向透过。激光L的大部分在分色镜403沿着ZX平面呈直角反射。通过分色镜403反射的激光L沿着Z轴方向入射到聚光透镜单元430。
聚光透镜单元430经由驱动机构440安装于Y轴方向上的框体401的端部401d(端部401c的相反侧的端部)。聚光透镜单元430具有保持器431和多个透镜432。保持器431保持多个透镜432。多个透镜432使激光L聚光于支撑于支撑台230的加工对象物1(参照图7)。驱动机构440通过压电元件的驱动力，使聚光透镜单元430沿着Z轴方向移动。
一对测距传感器450以在X轴方向上位于聚光透镜单元430的两侧的方式安装于框体401的端部401d。各测距传感器450对支撑于支撑台230的加工对象物1(参照图7)的激光入射面出射测距用的光(例如，激光)，检测被该激光入射面所反射的测距用的光，取得加工对象物1的激光入射面的位移数据。再者，对于测距传感器450来说，能够使用三角测距方式、激光共焦点方式、白色共焦点方式、分光干涉方式、像散方式等的传感器。
在激光加工装置200中，如上所述，与X轴方向平行的方向设为加工方向(激光L的扫描方向)。因此，当沿着各切断预定线5a、5b使激光L的聚光点相对地移动时，一对测距传感器450中相对于聚光透镜单元430相对地先移动的测距传感器450取得沿着切断预定线5a、5b的加工对象物1的激光入射面的位移数据。于是，以将加工对象物1的激光入射面与激光L的聚光点的距离维持成一定的方式，驱动机构440基于通过测距传感器450所取得的位移数据，使聚光透镜单元430沿着Z轴方向移动。
激光聚光部400具有：分束器461、一对透镜462、463及轮廓取得用相机(强度分布取得部)464。分束器461将透过了分色镜403的激光L分成反射成分与透过成分。通过分束器461反射的激光L沿着Z轴方向，依次入射到一对透镜462、463及轮廓取得用相机464。一对透镜462、463构成聚光透镜单元430的入射瞳面430a与轮廓取得用相机464的摄像面处于成像关系的两侧远心光学系统。由此，在聚光透镜单元430的入射瞳面430a上的激光L的像转像(成像)于轮廓取得用相机464的摄像面。如上所述，在聚光透镜单元430的入射瞳面430a上的激光L的像为在反射型空间光调制器410被调制的激光L的像。因此，在激光加工装置200中，通过监视由轮廓取得用相机464所获得的摄像结果，能够掌握反射型空间光调制器410的动作状态。
再有，激光聚光部400具有分束器471、透镜472及激光L的光轴位置监视用相机473。分束器471将透过了分束器461的激光L分成反射成分与透过成分。通过分束器471反射的激光L沿着Z轴方向，依次入射到透镜472及相机473。透镜472将入射的激光L聚光于相机473的摄像面上。在激光加工装置200中，监视由相机464及相机473分别得到的摄像结果，且在镜单元360中实施支撑基座361相对于安装基座301的位置调整、镜363相对于支撑基座361的位置调整及各镜362、363的反射面的角度调整(参照图9、图10)，能够修正入射到聚光透镜单元430的激光L的光轴的偏移(激光相对于聚光透镜单元430的强度分布的位置偏移及激光L相对于聚光透镜单元430的光轴的角度偏移)。
多个分束器461、471配置于从框体401的端部401d沿着Y轴方向延伸的筒体404内。一对透镜462、463配置于沿着Z轴方向立设在筒体404上的筒体405内，轮廓取得用相机464配置于筒体405的端部。透镜472配置于沿着Z轴方向立设在筒体404上的筒体406内，相机473配置于筒体406的端部。筒体405与筒体406在Y轴方向上相互地并列设置。再者，透过了分束器471的激光L可被设在筒体404的端部的阻尼器等吸收，或也可利用在适宜的用途。
如图12及图13所示，激光聚光部400具有：可见光源481、多个透镜482、刻线483、镜484、半透半反镜485、分束器486、透镜487及观察相机488。可见光源481沿着Z轴方向出射可见光V。多个透镜482将自可见光源481出射的可见光V平行化。刻线483对可见光V赋予刻度线。镜484将通过多个透镜482予以平行化的可见光V朝X轴方向反射。半透半反镜485将被镜484所反射的可见光V分成反射成分与透过成分。被半透半反镜485所反射的可见光V沿着Z轴方向依次透过分束器486及分色镜403，经由聚光透镜单元430，照射于支撑于支撑台230的加工对象物1(参照图7)。
照射于加工对象物1的可见光V通过加工对象物1的激光入射面反射，经由聚光透镜单元430入射到分色镜403，沿着Z轴方向透过分色镜403。分束器486将透过了分色镜403的可见光V分成反射成分与透过成分。透过了分束器486的可见光V透过半透半反镜485，沿着Z轴方向依次入射到透镜487及观察相机488。透镜487将入射的可见光V聚光于观察相机488的摄像面上。在激光加工装置200中，通过观察由观察相机488所获得的摄像结果，能够掌握加工对象物1的状态。
镜484、半透半反镜485及分束器486配置于安装在框体401的端部401d上的保持器407内。多个透镜482及刻线483配置于沿着Z轴方向立设在保持器407上的筒体408内，可见光源481配置于筒体408的端部。透镜487配置于沿着Z轴方向立设在保持器407上的筒体409内，观察相机488配置于筒体409的端部。筒体408与筒体409在X轴方向上相互地并列设置。再者，沿着X轴方向透过了半透半反镜485的可见光V及通过分束器486朝X轴方向反射的可见光V可分别被设在保持器407的壁部的阻尼器等吸收，或也可利用在适宜的用途。
在激光加工装置200中，设想激光输出部300的更换。这是因为对应于加工对象物1的规格、加工条件等，适于加工的激光L的波长不同。因此，准备出射的激光L的波长相互不同的多个激光输出部300。在此，准备出射的激光L的波长包含于500～550nm的波长带的激光输出部300、出射的激光L的波长包含于1000～1150nm的波长带的激光输出部300及出射的激光L的波长包含于1300～1400nm的波长带的激光输出部300。
另一方面，在激光加工装置200中，未设想激光聚光部400的更换。这是因为激光聚光部400与多波长对应(与相互不连续的多个波长带对应)。具体而言，镜402、反射型空间光调制器410、4f透镜单元420的一对透镜422、423、分色镜403及聚光透镜单元430的透镜432等与多波长相对应。
在此，激光聚光部400与500～550nm、1000～1150nm及1300～1400nm的波长带相对应。这通过在激光聚光部400的各结构涂布规定的电介质多层膜等、设计激光聚光部400的各结构以满足期望的光学性能来实现。再者，在激光输出部300中，λ/2波长板单元330具有λ/2波长板，偏光板单元340具有偏光板。λ/2波长板及偏光板为波长依赖性高的光学元件。因此，λ/2波长板单元330及偏光板单元340作为按每个波长带不同的结构，设在激光输出部300。
[激光加工装置中的激光的光路及偏光方向]
在激光加工装置200中，对支撑于支撑台230的加工对象物1聚光的激光L的偏光方向如图11所示，为与X轴方向平行的方向，与加工方向(激光L的扫瞄方向)一致。在此，在反射型空间光调制器410中，激光L作为P偏振光被反射。这是因为在将液晶使用于反射型空间光调制器410的光调制层的情况下，当将该液晶进行取向，使得液晶分子在与包含相对于反射型空间光调制器410入射出射的激光L的光轴的平面平行的面内倾斜时，在抑制了偏波面的旋转的状态下，对激光L实施相位调制(例如，参照日本专利第3878758号公报)。
另一方面，在分色镜403中，激光L作为S偏振光被反射。这是因为相较于将激光L作为P偏振光反射，将激光L作为S偏振光反射能够使用于使分色镜403与多波长对应的电介质多层膜的镀层数减少等，使分色镜403的设计变得容易。
因此，在激光聚光部400中，从镜402经由反射型空间光调制器410及4f透镜单元420到达分色镜403的光路设定成沿着XY平面，从分色镜403到达聚光透镜单元430的光路设定成沿着Z轴方向。
如图9所示，在激光输出部300中，激光L的光路设定成沿着X轴方向或Y轴方向。具体而言，从激光振荡器310到达镜303的光路及从镜304经由λ/2波长板单元330、偏光板单元340及扩束器350到达镜单元360的光路设定成沿着X轴方向，从镜303经由快门320到达镜304的光路及在镜单元360上从镜362到达镜363的光路设定成沿着Y轴方向。
在此，沿着Z轴方向从激光输出部300朝激光聚光部400行进的激光L如图11所示，通过镜402朝与XY平面平行的方向反射，入射到反射型空间光调制器410。此时，在与XY平面平行的平面内，入射到反射型空间光调制器410的激光L的光轴与自反射型空间光调制器410出射的激光L的光轴形成锐角的角度α。另一方面，如上所述，在激光输出部300中，激光L的光路设定成沿着X轴方向或Y轴方向。
因此，在激光输出部300中，使λ/2波长板单元330及偏光板单元340不仅作为调整激光L的输出的输出调整部发挥功能，也需要作为调整激光L的偏光方向的偏光方向调整部发挥功能。
[反射型空间光调制器]
如图14所示，反射型空间光调制器410通过将硅基板213、驱动电路层914、多个像素电极214、电介质多层膜镜等的反射膜215、取向膜999a、液晶层(显示部)216、取向膜999b、透明导电膜217及玻璃基板等的透明基板218按该顺序层叠而构成。
透明基板218具有表面218a，该表面218a构成反射型空间光调制器410的反射面410a。透明基板218例如由玻璃等的光透过性材料所构成，将从反射型空间光调制器410的表面218a入射的规定波长的激光L朝反射型空间光调制器410的内部透过。透明导电膜217形成于透明基板218的背面上，由将激光L透过的导电性材料(例如，ITO)所构成。
多个像素电极214沿着透明导电膜217，在硅基板213上排列成矩阵状。各像素电极214例如由铝等的金属材料所构成，它们的表面214a加工成平坦且光滑。多个像素电极214通过设在驱动电路层914的主动矩阵电路进行驱动。
主动矩阵电路设在多个像素电极214与硅基板213之间，对应于欲从反射型空间光调制器410输出的光像，控制朝各像素电极214施加的施加电压。这样的主动矩阵电路具有例如控制未图示的排列于X轴方向的各像素列的施加电压的第1驱动电路、和控制排列于Y轴方向的各像素列的施加电压的第2驱动电路，构成为通过控制部5000中的下述的空间光调制器502(参照图16)，对由双方的驱动电路指定的像素的像素电极214施加规定电压。
取向膜999a、999b配置于液晶层216的两端面，使液晶分子群排列于一定方向。取向膜999a、999b由例如聚酰亚胺等的高分子材料所构成，对与液晶层216接触的接触面实施摩擦处理等。
液晶层216配置于多个像素电极214与透明导电膜217之间，对应于通过各像素电极214与透明导电膜217所形成的电场，将激光L进行调制。即，若通过驱动电路层914的主动矩阵电路对各像素电极214施加电压的话，则在透明导电膜217与各像素电极214之间形成电场，对应于形成于液晶层216的电场的大小，液晶分子216a的排列方向改变。然后，若激光L透过透明基板218及透明导电膜217而入射到液晶层216的话，则该激光L在通过液晶层216的期间被液晶分子216a所调制，在反射膜215反射后，再次被液晶层216所调制，并出射。
此时，通过下述的空间光调制器控制部502(参照图16)，控制施加于各像素电极214的电压，对应于该电压，在液晶层216，被透明导电膜217与各像素电极214夹着的部分的折射率改变(对应于各像素的位置的液晶层216的折射率改变)。通过该折射率的改变，能够对应于所施加的电压，使激光L的相位在液晶层216的每个像素改变。即，可通过液晶层216针对每个像素赋予对应于全息图案的相位调制。
换言之，可将赋予调制的作为全息图案的调制图案显示于反射型空间光调制器410的液晶层216。入射到调制图案并透过的激光L，其波前被调整，在构成该激光L的各光线中与行进方向正交的规定方向的成分的相位产生偏移。因此，通过适宜设定显示于反射型空间光调制器410的调制图案，能够将激光L进行调制(例如，将激光L的强度、振幅、相位、偏光等进行调制)。
[4f透镜单元]
如上所述，4f透镜单元420的一对透镜422、423构成反射型空间光调制器410的反射面410a与聚光透镜单元430的入射瞳面430a处于成像关系的两侧远心光学系统。具体而言，如图15所示，反射型空间光调制器410侧的透镜422的中心与反射型空间光调制器410的反射面410a之间的光路的距离成为透镜422的第1焦点距离f1，聚光透镜单元430侧的透镜423的中心与聚光透镜单元430的入射瞳面430a之间的光路的距离成为透镜423的第2焦点距离f2，透镜422的中心与透镜423的中心之间的光路的距离成为第1焦点距离f1与第2焦点距离f2的和(即，f1+f2)。从反射型空间光调制器410到达聚光透镜单元430的光路中的一对透镜422、423间的光路为一直线。
在激光加工装置200中，从增大在反射型空间光调制器410的反射面410a上的激光L的有效直径的观点来看，两侧远心光学系统的倍率M符合0.5＜M＜1(缩小系统)。在反射型空间光调制器410的反射面410a上的激光L的有效直径越大，则越能以高精细的相位图案，将激光L进行调制。在抑制自反射型空间光调制器410到达聚光透镜单元430的激光L的光路变长这样的观点中，能够设为0.6≦M≦0.95。在此，(两侧远心光学系统的倍率M)＝(聚光透镜单元430的入射瞳面430a上的像的大小)/(在反射型空间光调制器410的反射面410a上的物体的大小)。在激光加工装置200的情况下，两侧远心光学系统的倍率M、透镜422的第1焦点距离f1及透镜423的第2焦点距离f2符合M＝f2/f1。
再者，从缩小在反射型空间光调制器410的反射面410a上的激光L的有效直径的观点来看，两侧远心光学系统的倍率M也可符合1＜M＜2(扩大系统)。在反射型空间光调制器410的反射面410a上的激光L的有效直径越小，则扩束器350(参照图9)的倍率越小即可，在与XY平面平行的平面内，入射到反射型空间光调制器410的激光L的光轴与自反射型空间光调制器410出射的激光L的光轴所形成的角度α(参照图11)变小。在抑制从反射型空间光调制器410到达聚光透镜单元430的激光L的光路变长这样的观点中，可设为1.05≦M≦1.7。
其次，详细地说明第1实施方式所涉及的激光加工装置200的主要部分。
图16是显示第1实施方式所涉及的激光加工装置200的主要部分的概略构成图。图17为示意地显示从如图16所示的反射型空间光调制器至加工对象物的激光的光路及该光路上的各光学要件的图。在图17中，省略分色镜403。激光L例如沿着Y轴方向行进后，在位置Pd上由分色镜403而朝Z轴方向被反射，沿着Z轴方向行进而入射到聚光透镜单元430。
如图16、图17所示，从激光输出部300(激光振荡器310)输出的激光L入射于反射型空间光调制器410。反射型空间光调制器410将入射的激光L对应于显示于液晶层216的相位图案调制并出射。自反射型空间光调制器410出射的激光L在4f透镜单元420的中继透镜即透镜(聚焦透镜)422进行聚焦后，在4f透镜单元420的中继透镜即透镜423予以准直，入射于分色镜403。入射于分色镜403的激光L被分支成反射光与透过光。通过分色镜403所反射的激光L入射于聚光透镜单元430。
即，激光加工装置200具备配置于激光L的光路上的反射型空间光调制器410与聚光透镜单元430之间的透镜422。入射于聚光透镜单元430的激光L通过聚光透镜单元430朝加工对象物1聚光。另一方面，透过了分色镜403的激光L在中继透镜即上述透镜463聚焦，入射于轮廓取得用相机464的摄像面464a。
一对透镜422、423将反射型空间光调制器410的反射面410a上的激光L的波前中继于聚光透镜单元430的入射瞳面430a和分色镜403的下游侧(后段)的共轭面491。透镜463将通过一对透镜422、423中继于共轭面491的激光L的波前(液晶层216中的实像)中继(成像)于轮廓取得用相机464的摄像面464a。由此，液晶层216、聚光透镜单元430的入射瞳面430a、共轭面491及轮廓取得用相机464的摄像面464a构成相互共轭的关系。
轮廓取得用相机464是取得由分色镜403分支的激光L的强度分布的摄像装置。具体而言，轮廓取得用相机464将关于从反射型空间光调制器410出射且入射至聚光透镜单元430之前的激光L的关于光束截面的强度分布的图像(强度分布图像)作为静止图像加以摄像。将摄像的强度分布图像输出至控制部500。作为轮廓取得用相机464，例如可使用CMOS(Complementar Metal Oxide Semiconductor(互补金属氧化物半导体))影像传感器。
控制部500具有上述激光光源控制部102、空间光调制器控制部(控制部)502、相机控制部504及存储部510。激光光源控制部102控制激光振荡器310的动作。另外，激光光源控制部102在沿着1条切断预定线5的每次激光加工中，基于加工条件(照射条件)，决定并设定由激光振荡器310所产生的激光L的输出。加工条件通过例如触控面板等的输入部由操作员输入。作为加工条件，例如是加工对象物1中的形成改质区域7的深度位置、激光输出等。
空间光调制器控制部502控制显示于反射型空间光调制器410的液晶层216的相位图案。图18是表示显示于反射型空间光调制器410的相位图案的一个例子的图。图18(a)表示相位图案的全体，图18(b)是图18(a)的区域RA的放大图。如图18所示，显示于反射型空间光调制器410的相位图案P0包含第1图案P1和第2图案P2。第1图案P1将激光L中的入射于聚光透镜单元430的入射瞳面430a的一部分进行调制。第2图案P2将激光L中的余部、即、未入射于入射瞳面430a(例如入射于入射瞳面430a的周缘部)的部分进行调制。关于该点，更具体地说明。
图19是显示反射型空间光调制器上的激光的强度分布的图像。如图19所示，液晶层216包含激光L入射的区域HA。区域HA包含：圆形的有效区域AC和有效区域AC的外侧的圆环形状的非有效区域AB。入射于有效区域AC的激光L的一部分为入射于聚光透镜单元430的入射瞳面430a并照射于加工对象物1的有效光。即，有效区域AC为用于将有效光(激光L的一部分)进行调制的区域。有效区域AC为例如在激光L为高斯光束的情况下，若使用激光L的强度成为峰的13.5(1/e＾2)％的高斯光束半径w的话，则以高斯光束半径w为半径的圆形区域。
入射于非有效区域AB的激光L的余部为未入射于聚光透镜单元430的入射瞳面430a且未照射于加工对象物1的非有效光。即，非有效区域AB为用于将非有效光(激光L的余部)进行调制的区域。非有效区域AB为例如以高斯光束半径w为内半径，且以高斯光束半径w的1.22倍(＝1.22w)为外半径的圆环区域。高斯光束半径w的1.22倍的位置为激光L的强度成为峰的大约5％的位置。
再者，液晶层216包含区域HA的外侧的区域AA。区域AA为实质上激光L未入射的区域。作为一个例子，区域AA为在激光L为高斯光束的情况下，激光的强度较峰的5％小的区域。
图18所示的第1图案P1显示于液晶层216的有效区域AC。因此，第1图案P1将激光L中的有效光进行调制。第2图案P2显示于液晶层216的非有效区域AB及区域AA。因此，第2图案P2将激光L中的非有效光进行调制。
第1图案P1包含用于沿着第1方向(在此为X轴方向：激光L的扫描方向：激光L的聚光点的相对于加工对象物1的相对移动方向)使激光L的一部分(有效光)分支成多个第1衍射光(其他衍射光)DL1的第1衍射光栅图案(其他衍射光栅图案)G1(参照图17、图20)。在此，第1图案P1为衍射光栅图案，但是，也可包含像差修正图案等的其他相位图案(即，也可在衍射光栅图案重叠有其他相位图案而构成)。第1衍射光栅图案G1以沿着与第1方向及光轴方向交叉(正交)的第2方向(在此为Z轴方向)的直线状的多个槽图案排列于第1方向的方式构成。因此，在透镜422的后侧的焦点位置上，形成有沿着第1方向分支的多个第1衍射光DL1的光束光点SP1(参照图20)。
第2图案P2包含沿着第2方向使激光L的余部(非有效光)分支成多个第2衍射光(衍射光)DL2的第2衍射光栅图案(衍射光栅图案)G2(参照图20)。在此，第2图案P2为衍射光栅图案，但是，也可包含像差修正图案等的其他相位图案(即，也可在衍射光栅图案重叠有其他相位图案而构成)。第2衍射光栅图案G2以沿着第1方向的直线状的多个槽图案排列于第2方向的方式构成。因此，在透镜422的后侧的焦点位置上，形成有沿着第2方向分支的多个第2衍射光DL2的光束光点SP2(参照图20)。
在此，如图16、17所示，在激光L的光路上的透镜422的后侧的焦点位置，配置有狭缝构件424。狭缝构件424对激光L的相位调制中的一定值以上的空间频率成分(广角衍射光)进行遮光，并且使激光L的相位调整中的小于一定值的空间频率成分通过。例如在狭缝构件424中，设定开口的大小，以对一定值以上的空间频率成分进行遮光。例如，当在反射型空间光调制器410(液晶层216)显示有包含衍射光栅图案的相位图案时，狭缝构件424将对应于该衍射光栅图案进行了衍射的激光L的衍射光的至少一部分予以遮断。
特别是在狭缝构件424，如图20所示，设有相较于第2方向，在第1方向相对长的长方形状的狭缝424a。狭缝构件424通过狭缝424a，使低次的第1衍射光DL1通过，并且将高次的第1衍射光DL1及第2衍射光DL2遮断。因此，在此，如下所述规定狭缝424a的尺寸。
即，关于第1方向的狭缝424a的尺寸较透镜422的后侧的焦点位置上的第1衍射光DL1的光束尺寸(光点SP1的直径)S1和透镜422的后侧的焦点位置上的第1衍射光DL1的分支间隔S2的合计值大。在此，分支间隔S2为透镜422的后侧的焦点位置上的关于第1方向的±1次的第1衍射光DL1的中心彼此的间隔。另外，在此，关于第1方向的狭缝424a的尺寸较透镜422的后侧的焦点位置上的±2次的第1衍射光DL1的间隔S3小。
另一方面，关于第2方向的狭缝424a的尺寸较透镜422的后侧的焦点位置上的第1衍射光DL1的光束尺寸大。另外，关于第2方向的狭缝424a的尺寸较当将透镜422的焦点距离设为f、将激光L的波长设为λ、将反射型空间光调制器410的像素尺寸设为xSLM时，以下述式(1)所表示的1次光的最大衍射距离F小。因此，在此，第1衍射光DL1中的0次光及±1次光通过狭缝424a，第1衍射光DL1中的±3次以上的高次光及第2衍射光DL2未通过狭缝424a而被遮断。
[数2]
Figure BDA0002032044170000241
在此，说明上述最大衍射距离F。如图21所示，若将衍射光栅G中的衍射角设为θ、衍射次数设为m(m＝0，±1，±2，±3，…)、衍射光栅G中的光栅间隔(一周期的间隔)设为L的话，各值的关系以下述式(2)所表示。m次衍射光是指当光栅间隔为L时以θ进行衍射的光成分。
[数3]
Figure BDA0002032044170000242
若将θ的衍射角的光入射于焦点距离为f的聚焦透镜CL，在焦点距离f附近聚光时的像高设为h的话，则h与θ具有下述式(3)的关系。
[数4]
h＝f×tanθ…(3)
由于空间光调制器中的最大衍射角(分支间隔)为光栅间隔L＝2XSLM时，因此，m次光的最大衍射距离Fm＝2×h(h为绝对値)根据上述式(2)、(3)，如下述式(4)所示进行表示。因此，m＝1的1次光的最大衍射距离F如上述式(1)所示进行表示。
[数5]
Figure BDA0002032044170000251
再者，狭缝构件424也可配置于透镜422的后侧的焦点位置的附近。焦点位置的附近，是指大致焦点位置、焦点位置的附近、焦点位置的周边，且为狭缝构件424可对激光L中的一定值以上的空间频率成分进行遮光的范围(可遮断一定次数以上的衍射光的范围)。
另外，透镜422的后侧的焦点位置上的第1衍射光DL1的光束尺寸S1可对应于相位图案P0改变。即，相位图案P0(例如第1图案P1)如上所述在包含衍射光栅图案以外的图案的情况，会有光束尺寸S1发生变化的情况。例如，会有相位图案P0包含用于修正当激光L聚光于加工对象物1时所产生的像差的像差修正图案的情况。在此情况下，相较于相位图案P0不包含像差修正图案的情况，在透镜422的后侧的焦点位置上的激光L的扩散变大。因此，光束尺寸S1变大。因此，狭缝424a的尺寸基于对应于相位图案P0的光束尺寸S1加以规定即可。
接着，参照图16。相机控制部504控制轮廓取得用相机464的动作。另外，相机控制部504从轮廓取得用相机464取得强度分布图像并加以识别。由此，相机控制部504可取得激光L的强度。存储部510例如存储用于显示于反射型空间光调制器410的相位图案。另外，存储部510也可存储相机控制部504所取得的激光L的强度。再有，在控制部500，连接有监视器600。监视器600可显示通过空间光调制器控制部502显示于反射型空间光调制器410(液晶层216)的相位图案、及由轮廓取得用相机464所取得的强度分布图像等。
如以上所说明的那样，在激光加工装置200中，自激光输出部300(激光振荡器310)所输出的激光L在通过反射型空间光调制器410的相位图案P0进行调制后，通过聚光透镜单元430朝加工对象物1聚光。激光L沿着第1方向照射于加工对象物1。在此，第1方向是使激光L与加工对象物1相对地移动的方向。反射型空间光调制器410的相位图案P0包含：将入射于聚光透镜单元430的入射瞳面430a的激光L的一部分(有效光)进行调制的第1图案P1；和将激光L的余部(非有效光)进行调制的第2图案P2。第1图案P1包含用于沿着第1方向使光衍射的第1衍射光栅图案G1。因此，激光L中的有效光关于激光L相对于加工对象物1的照射方向(扫描方向)即第1方向，分支成多个第1衍射光DL1。
另一方面，第2图案P2包含用于沿着与第1方向交叉的第2方向使光衍射的第2衍射光栅图案G2。因此，激光L中的非有效光关于与激光L的扫描方向交叉的第2方向，分支成多个第2衍射光DL2。于是，第2衍射光DL2在透镜422的后侧的焦点位置，被狭缝构件424的狭缝424a遮断。
其结果，作为有效光的衍射光的多个第1衍射光DL1通过狭缝424a而照射于加工对象物1，另一方面，作为非有效光的衍射光的第2衍射光DL2被狭缝424a遮断，并未到达聚光透镜单元430。因此，根据激光加工装置200，可抑制激光L朝加工对象物1的照射状态的变化，且可使激光L分支成多个并照射于加工对象物1。即，可一边抑制加工精度的劣化一边沿着切断预定线5a、5b进行多点(在一个例子中为3点)上的激光加工(改质区域的形成)。
另外，在激光加工装置200中，第1衍射光栅图案G1由沿着第2方向的多个槽图案所构成，第2衍射光栅图案G2由沿着第1方向的多个槽图案所构成。这样，通过以由第1衍射光栅图案G1与第2衍射光栅图案G2将槽图案的方向交叉(正交)的方式进行设定，能够使第1衍射光DL1的分支方向与第2衍射光DL2的分支方向不同。
另外，在激光加工装置200中，关于第1方向的狭缝424a的尺寸较透镜422的焦点位置上的第1衍射光DL1的光束尺寸S1与焦点位置上的第1衍射光DL1的分支间隔S2的合计值大，关于第2方向的狭缝424a的尺寸较焦点位置上的第1衍射光DL1的光束尺寸S1大。因此，不会由狭缝424a遮断多个第1衍射光DL1而可可靠地照射于加工对象物1。
另外，在激光加工装置200中，分支间隔S2也可为第1方向上的±1次的第1衍射光的间隔。在此情况下，至少可将第1衍射光中的0次光与±1次光照射于对象物。
另外，在激光加工装置200中，关于第2方向的狭缝424a的尺寸较当将透镜422的焦点距离设为f、将激光L的波长设为λ、将反射型空间光调制器410的像素尺寸设为xSLM时，以上述式(1)所表示的最大衍射距离F小。因此，可通过狭缝424a可靠地遮断第2衍射光DL2。
再有，在激光加工装置200中，狭缝424a的关于第1方向的尺寸较透镜422的焦点位置上的±3次的第1衍射光DL1的间隔S3小。因此，可通过狭缝424a遮断第1衍射光中的±3次以上的高次光。
以上是本发明的一个方面的一个实施方式。本发明的一个方面不限于上述实施方式，在不变更各权利要求的主旨的范围内可进行变形，或也可应用于其他方面。
例如，上述实施方式不限于将改质区域7形成于加工对象物1的内部，也可实施烧蚀等其他激光加工。上述实施方式不限定于被用于使激光L聚光于加工对象物1的内部的激光加工的激光加工装置，也可为被用于使激光L聚光于加工对象物1的表面1a、3或背面1b的激光加工的激光加工装置。应用本发明的一个方面的装置不限于激光加工装置，若为将激光L照射于对象物的装置的话，则可适用于各种激光照射装置。在上述实施方式中，以切断预定线5为照射预定线，但是，照射预定线不限于切断预定线5，只要是使被照射的激光L沿着的线即可。
另外，在上述实施方式中，构成反射型空间光调制器410的反射面410a与聚光透镜单元430的入射瞳面430a处于成像关系的两侧远心光学系统的成像光学系统不限于一对透镜422、423，也可包含反射型空间光调制器410侧的第1透镜系统(例如，接合透镜、3个以上的透镜等)及聚光透镜单元430侧的第2透镜系统(例如接合透镜、3个以上的透镜等)。
另外，在上述实施方式中，轮廓取得用相机464其摄像面464a位于与反射型空间光调制器410的液晶层216的反射面共轭的面即可，也可在共轭面491的位置配置轮廓取得用相机464。在此情况下，在激光加工装置200(参照图16)中，不需要透镜463。在上述实施方式中，透镜422、透镜423及透镜463的中继倍率可为任意倍率。上述实施方式具备反射型空间光调制器410，但是，空间光调制器不限于反射型，也可为透过型的空间光调制器。
另外，聚光透镜单元430及一对测距传感器450安装于Y轴方向上的框体401的端部401d，但是，也可相较于Y轴方向上的框体401的中心位置更靠近端部401d侧来安装。反射型空间光调制器410安装于Y轴方向上的框体401的端部401c，但是，也可相较于Y轴方向上的框体401的中心位置更靠近端部401c侧来安装。另外，测距传感器450也可在X轴方向上仅配置于聚光透镜单元430的单侧。
再有，狭缝424a的形状及尺寸不限于上述的一个例子。例如，狭缝424a只要是相较于第2方向，在第1方向相对长的形状即可，例如也可为椭圆形状等。狭缝424a也可不必遮断高次的第1衍射光DL1。例如，也可使关于第1方向的狭缝424a的尺寸较±2次的第1衍射光DL1的间隔大。
另外，在上述实施方式中，例示了第1图案P1包含第1衍射光栅图案(其他衍射光栅图案)的情况。但是，第1图案P1也可不包含衍射光栅图案。例如，第1图案P1也可为用于像差修正的图案。另一方面，第1图案P1及/或第2图案P2也可包含用于将激光L不仅在平面(例如X-Y面)内)分支而且在与该平面交叉的方向(例如Z方向：深度方向)分支的图案。
在此，从抑制激光L朝加工对象物1的照射状态的变化的观点来看，液晶层216包含入射于聚光透镜单元(物镜)430的瞳面的激光L的一部分(有效光)入射的有效区域AC、和激光L的余部(非有效光)入射的非有效区域，狭缝构件424通过狭缝424a将在非有效区域AB进行调制后的光遮断即可。特别是有效区域AC的形状不限于上述圆形状，也可为例如圆环形状。再有，非有效区域AB的形状不限于上述圆环形状，可设为相对于有效区域AC相辅的形状。
即，作为一个例子，在有效区域AC为圆环形状的情况下，非有效区域AB也可为包含圆环的内侧的圆形部分和圆环的外侧的部分的形状。即，在液晶层216，会有至少沿着一方向混合存在有有效区域AC和非有效区域AB的情况。即使在这种情况下，如上所述，通过狭缝424a仅将在非有效区域AB进行调制后的光予以遮断即可。
产业上的利用可能性
能够提供可抑制激光朝对象物的照射状态的变化的激光照射装置。
符号的说明
1…加工对象物(对象物)、100、200…激光加工装置(激光照射装置)、310…激光振荡器(激光光源)、410…反射型空间光调制器(空间光调制器)、422…透镜(聚焦透镜)、424…狭缝构件、424a…狭缝、430…聚光透镜单元(物镜)、430a…入射瞳面(瞳面)、L…激光、DL1…第1衍射光、DL2…第2衍射光、P0…相位图案、P1…第1图案、P2…第2图案、G1…第1衍射光栅图案、G2…第2衍射光栅图案。

Claims (21)

1.一种激光照射装置，其特征在于，
是将激光沿着第1方向照射于对象物的激光照射装置，
包含：
激光光源，输出所述激光；
空间光调制器，将自所述激光光源输出的所述激光对应于相位图案进行调制并出射；
物镜，将自所述空间光调制器出射的所述激光朝所述对象物聚光；
聚焦透镜，配置于所述激光的光路上的所述空间光调制器与所述物镜之间，将所述激光聚焦；及
狭缝构件，配置于所述激光的光路上的所述聚焦透镜的后侧的焦点位置，遮断所述激光的一部分，
所述相位图案包含：将入射于所述物镜的瞳面的所述激光的一部分进行调制的第1图案；和将所述激光的余部进行调制的第2图案，
所述第2图案包含衍射光栅图案，该衍射光栅图案用于沿着与所述第1方向交叉的第2方向使所述激光的所述余部分支成多个衍射光，
所述狭缝构件通过狭缝将所述衍射光予以遮断。
2.如权利要求1所述的激光照射装置，其特征在于，
所述狭缝构件通过以相较于所述第2方向，在所述第1方向相对变长的方式形成的所述狭缝，遮断所述衍射光。
3.如权利要求1或2所述的激光照射装置，其特征在于，
所述第1图案包含用于沿着所述第1方向使所述激光的所述一部分分支成多个其他衍射光的其他衍射光栅图案。
4.如权利要求3所述的激光照射装置，其特征在于，
关于所述第1方向的所述狭缝的尺寸较所述焦点位置上的所述其他衍射光的光束尺寸与所述焦点位置上的所述其他衍射光的分支间隔的合计值大，
关于所述第2方向的所述狭缝的尺寸较所述焦点位置上的所述衍射光的光束尺寸大。
5.如权利要求4所述的激光照射装置，其特征在于，
所述分支间隔为所述第1方向上的±1次的所述其他衍射光的间隔。
6.如权利要求4或5所述的激光照射装置，其特征在于，
关于所述第2方向的所述狭缝的尺寸较当将所述聚焦透镜的焦点距离设为f、将所述激光的波长设为λ、将所述空间光调制器的像素尺寸设为xSLM时，以下述式(1)所表示的最大衍射距离F小，
Figure FDA0002839116870000021
7.如权利要求4或5所述的激光照射装置，其特征在于，
所述狭缝的关于所述第1方向的尺寸较所述焦点位置上的±3次的所述其他衍射光的间隔小。
8.如权利要求6所述的激光照射装置，其特征在于，
所述狭缝的关于所述第1方向的尺寸较所述焦点位置上的±3次的所述其他衍射光的间隔小。
9.如权利要求3所述的激光照射装置，其特征在于，
所述其他衍射光栅图案由沿着所述第2方向的多个槽图案所构成，
所述衍射光栅图案由沿着所述第1方向的多个槽图案所构成。
10.如权利要求4或5所述的激光照射装置，其特征在于，
所述其他衍射光栅图案由沿着所述第2方向的多个槽图案所构成，
所述衍射光栅图案由沿着所述第1方向的多个槽图案所构成。
11.如权利要求6所述的激光照射装置，其特征在于，
所述其他衍射光栅图案由沿着所述第2方向的多个槽图案所构成，
所述衍射光栅图案由沿着所述第1方向的多个槽图案所构成。
12.如权利要求1或2所述的激光照射装置，其特征在于，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含所述激光入射的区域中的圆形状的有效区域和所述有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，
所述第1图案将显示于所述有效区域的所述激光的所述一部分进行调制，
所述第2图案将显示于所述非有效区域的所述激光的所述余部进行调制。
13.如权利要求3所述的激光照射装置，其特征在于，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含所述激光入射的区域中的圆形状的有效区域和所述有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，
所述第1图案将显示于所述有效区域的所述激光的所述一部分进行调制，
所述第2图案将显示于所述非有效区域的所述激光的所述余部进行调制。
14.如权利要求4或5所述的激光照射装置，其特征在于，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含所述激光入射的区域中的圆形状的有效区域和所述有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，
所述第1图案将显示于所述有效区域的所述激光的所述一部分进行调制，
所述第2图案将显示于所述非有效区域的所述激光的所述余部进行调制。
15.如权利要求6所述的激光照射装置，其特征在于，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含所述激光入射的区域中的圆形状的有效区域和所述有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，
所述第1图案将显示于所述有效区域的所述激光的所述一部分进行调制，
所述第2图案将显示于所述非有效区域的所述激光的所述余部进行调制。
16.如权利要求7所述的激光照射装置，其特征在于，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含所述激光入射的区域中的圆形状的有效区域和所述有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，
所述第1图案将显示于所述有效区域的所述激光的所述一部分进行调制，
所述第2图案将显示于所述非有效区域的所述激光的所述余部进行调制。
17.如权利要求8所述的激光照射装置，其特征在于，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含所述激光入射的区域中的圆形状的有效区域和所述有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，
所述第1图案将显示于所述有效区域的所述激光的所述一部分进行调制，
所述第2图案将显示于所述非有效区域的所述激光的所述余部进行调制。
18.如权利要求9所述的激光照射装置，其特征在于，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含所述激光入射的区域中的圆形状的有效区域和所述有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，
所述第1图案将显示于所述有效区域的所述激光的所述一部分进行调制，
所述第2图案将显示于所述非有效区域的所述激光的所述余部进行调制。
19.如权利要求10所述的激光照射装置，其特征在于，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含所述激光入射的区域中的圆形状的有效区域和所述有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，
所述第1图案将显示于所述有效区域的所述激光的所述一部分进行调制，
所述第2图案将显示于所述非有效区域的所述激光的所述余部进行调制。
20.如权利要求11所述的激光照射装置，其特征在于，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含所述激光入射的区域中的圆形状的有效区域和所述有效区域的外侧的圆环形状的非有效区域，
所述第1图案将显示于所述有效区域的所述激光的所述一部分进行调制，
所述第2图案将显示于所述非有效区域的所述激光的所述余部进行调制。
21.一种激光照射装置，其特征在于，
是将激光沿着第1方向照射于对象物的激光照射装置，
包含：
激光光源，输出所述激光；
空间光调制器，将自所述激光光源输出的所述激光对应于相位图案进行调制并出射；
物镜，将自所述空间光调制器出射的所述激光朝所述对象物聚光；
聚焦透镜，配置于所述激光的光路上的所述空间光调制器与所述物镜之间，将所述激光聚焦；及
狭缝构件，配置于所述激光的光路上的所述聚焦透镜的后侧的焦点位置，遮断所述激光的一部分，
所述空间光调制器包含显示所述相位图案的液晶层，
所述液晶层包含：入射于所述物镜的瞳面的所述激光的一部分入射的有效区域；和所述激光的余部入射的非有效区域，
所述狭缝构件通过狭缝将在所述非有效区域进行调制后的光予以遮断。
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