CN111148596B

CN111148596B - 激光加工方法以及激光加工系统

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Publication number: CN111148596B
Application number: CN201780094447.1A
Authority: CN
Inventors: 柿崎弘司; 小林正和; 诹访辉; 若林理
Original assignee: Gigaphoton Inc
Current assignee: Gigaphoton Inc
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2037-10-04
Also published as: US20200209760A1; JP7195261B2; US11604416B2; US11194255B2; US20220050382A1; CN111148596A; WO2019069397A1; JPWO2019069397A1

Abstract

一种激光加工方法，使用激光加工系统对相对于紫外线透明的透明材料实施激光加工，该激光加工系统具有：激光装置，其输出紫外线的脉冲激光；转印掩模，其形成有使脉冲激光透过的转印图案；以及转印光学系统，其对转印像进行转印，该转印像是通过使脉冲激光透过转印图案而形成的，且形状与转印图案对应，其中，该激光加工方法具有以下的步骤：A.定位步骤，在脉冲激光的光轴方向上进行由转印光学系统转印的转印像的转印位置与透明材料之间的相对定位，该定位使得转印位置在光轴方向上成为从透明材料的表面向透明材料的内部进入了规定的深度ΔZsf的位置；以及B.照射步骤，对透明材料照射脉冲宽度为1ns～100ns的范围且转印位置处的射束的直径为10μm以上且150μm以下的脉冲激光。

Description

激光加工方法以及激光加工系统

技术领域

本公开涉及激光加工方法以及激光加工系统。

背景技术

随着半导体集成电路的微细化、高集成化，在半导体曝光装置中要求提高分辨率。以下，将半导体曝光装置简称为“曝光装置”。为此，正在推进从曝光用光源输出的光的短波长化。在曝光用光源中，使用气体激光装置来代替以往的汞灯。目前，作为曝光用的气体激光装置，使用了输出中心波长约为248.4nm的紫外线的KrF准分子激光装置以及输出中心波长约为193.4nm的紫外线的ArF准分子激光装置。

作为目前的曝光技术，实用化了如下的浸液曝光：通过用液体充满曝光装置侧的投影透镜与晶片之间的间隙来改变该间隙的折射率，从而缩短曝光用光源的目击波长。在使用ArF准分子激光装置作为曝光用光源进行浸液曝光的情况下，对晶片照射水中的波长为134nm的紫外光。将这种技术称为ArF浸液曝光。ArF浸液曝光也被称为ArF浸液光刻。

由于KrF、ArF准分子激光装置在自然振荡中的谱线宽度宽至大约350pm～400pm，所以由曝光装置侧的投影透镜缩小投影到晶片上的激光(紫外线光)产生色像差而导致分辨率降低。因此，需要将从气体激光装置输出的激光的谱线宽度窄带化，直到色像差达到能够忽略的程度。谱线宽度也被称为谱宽。因此，在气体激光装置的激光谐振器内设置有具有窄带化元件的窄带化部(Line Narrow Module)，通过该窄带化部实现了谱宽的窄带化。另外，窄带化元件也可以是标准具或光栅等。将谱宽被以这种方式窄带化的激光装置称为窄带化激光装置。

另外，准分子激光的脉冲宽度为1ns～100ns，中心波长分别短至248.4nm和193.4nm。利用这样的特性，准分子激光除了曝光用途以外，有时还用于高分子材料、玻璃材料等的直接加工。对于高分子材料，通过具有比结合能量高的准分子能量的准分子激光，能够将高分子材料的结合切断。因此，公知能够进行非加热加工，加工形状变得美观。另外，已知玻璃、陶瓷等对准分子激光的吸收率高，因此也能够对在可见和红外线激光下难以加工的材料进行加工。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-284792号公报

专利文献2：日本特开平11-224839号公报

专利文献3：日本特许3799060号公报

专利文献4：日本特开平3-157917号公报

专利文献5：日本特开2000-031574号公报

发明内容

本公开的1个观点的激光加工方法使用激光加工系统对相对于紫外线透明的透明材料实施激光加工，该激光加工系统具有：激光装置，其输出紫外线的脉冲激光；转印掩模，其形成有使脉冲激光透过的转印图案；以及转印光学系统，其对转印像进行转印，该转印像是通过使脉冲激光透过转印图案而形成的，且形状与转印图案对应，其中，该激光加工方法具有以下的步骤：

A.定位步骤，在脉冲激光的光轴方向上进行由转印光学系统转印的转印像的转印位置与透明材料之间的相对定位，其中，该定位使得转印位置在光轴方向上成为从透明材料的表面向透明材料的内部进入了规定的深度ΔZsf的位置；以及

B.照射步骤，对透明材料照射脉冲宽度为1ns～100ns的范围且转印位置处的射束的直径为10μm以上且150μm以下的脉冲激光。

本公开的1个观点的激光加工方法使用激光加工系统对相对于紫外线透明的透明材料实施激光加工，该激光加工系统具有：激光装置，其输出紫外线的脉冲激光；以及聚光光学系统，其使脉冲激光会聚，其中，该激光加工方法具有以下的步骤：

A.定位步骤，在脉冲激光的光轴方向上进行脉冲激光的射束束腰位置与透明材料之间的相对定位，其中，该定位使得射束束腰位置在光轴方向上成为从透明材料的表面向透明材料的内部进入了规定的深度ΔZsf的位置；以及

B.照射步骤，对透明材料照射脉冲宽度为1ns～100ns的范围且射束束腰位置处的射束的直径为10μm以上且150μm以下的脉冲激光。

本公开的1个观点的激光加工系统对相对于紫外线透明的透明材料照射紫外线的脉冲激光而实施激光加工，其中，该激光加工系统具有：

A.激光装置，其输出脉冲宽度为1ns～100ns的范围的脉冲激光；

B.转印掩模，其形成有使从激光装置输出的脉冲激光透过的转印图案；

C.转印光学系统，其将转印像转印到透明材料，该转印像是通过使脉冲激光透过转印图案而形成的，且形状与转印图案对应；

D.定位机构，其在脉冲激光的光轴方向上进行由转印光学系统转印的转印像的转印位置与透明材料之间的相对定位；以及

E.定位控制部，其对定位机构进行控制而进行定位，以使转印位置在光轴方向上成为从透明材料的表面向透明材料的内部进入了规定的深度ΔZsf的位置，

这里，转印位置处的脉冲激光的射束的直为10μm以上且150μm以下。

附图说明

下面，仅仅作为例子，参照附图对本公开的几个实施方式进行说明。

图1概略地示出了比较例的激光加工系统的结构。

图2是示出比较例的激光加工过程的流程图。

图3是示出比较例的激光加工的处理过程的流程图。

图4是示出比较例的激光加工的加工状态的说明图。

图4A示出了使脉冲激光的转印位置与被加工物的表面一致而照射脉冲激光的状态。图4B示出了基于脉冲激光的照射的被加工物的加工状态。

图5概略地示出了第一实施方式的激光加工系统的结构。

图6是示出第一实施方式的激光加工过程的流程图。

图7是示出第一实施方式的激光加工的加工结果的照片。

图8是示出实施了第一实施方式的激光加工的情况下的被加工物的状态变化的说明图。图8A示出了使脉冲激光的转印位置与从被加工物的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置一致而照射脉冲激光的状态。图8B示出了刚被脉冲激光照射后的被加工物的加工状态。图8C示出了脉冲激光自收敛的状态。图8D示出了基于脉冲激光的照射的被加工物的加工状态。

图9是示出在第一实施方式中通过实验而得到的、注量与加工深度ΔZd之间的关系的曲线图。

图10是注量不足的情况下的加工结果的照片。

图11是示出在第一实施方式中通过实验而得到的、照射时间与加工深度ΔZd之间的关系的曲线图。

图12是示出在第一实施方式中通过实验而得到的、转印位置的深度ΔZsf与加工深度ΔZd之间的关系的曲线图。

图13概略地示出了第二实施方式的激光加工系统的结构。

图14是示出第二实施方式的激光加工过程的流程图。

图15是示出第二实施方式的激光加工的处理过程的流程图。

图16示出了第二实施方式的激光加工装置的变形例。

图17示出了激光装置的变形例1。

图18示出了激光装置的变形例2。

具体实施方式

<内容>

1.概要

2.比较例的激光加工系统以及激光加工方法

2.1结构

2.2动作

2.3课题

3.第一实施方式的激光加工系统以及激光加工方法

3.1结构

3.2动作

3.3作用

3.4优选的加工条件

3.5其他

4.第二实施方式的激光加工系统以及激光加工方法

4.1结构

4.2动作

4.3作用

4.4激光加工装置的变形例

5.激光装置的变形例

5.1变形例1

5.2变形例2

在下文中，参照附图对本公开的实施方式进行详细说明。以下说明的实施方式示出了本公开的几个例子，并没有限定本公开的内容。另外，并没有限定各实施方式中说明的结构和动作全部都是作为本公开的结构和动作所必须的。另外，对相同的构成要素标注相同的参照标号，省略重复的说明。

1.概要

本公开涉及对被加工物照射激光而进行激光加工的激光加工系统以及激光加工方法。

2.比较例的激光加工系统以及激光加工方法

2.1结构

图1概略地示出了比较例的激光加工系统的结构。激光加工系统2具有激光装置3和激光加工装置4。激光装置3和激光加工装置4通过光路管5来连接。

激光装置3包含主振荡器10、监视器模块11、快门12以及激光控制部13。激光装置3是使用包含氩(Ar)和氟(F)的ArF激光气体来作为激光介质的ArF准分子激光装置。激光装置3输出中心波长约为193.4nm的ArF激光、即紫外线的脉冲激光。

主振荡器10包含激光腔室21、一对电极22a和22b、充电器23以及脉冲功率模块(PPM)24。在图1中，示出了从与激光的行进方向大致垂直的方向观察到的激光腔室21的内部结构。

激光腔室21是封入ArF激光气体的腔室。一对电极22a和22b作为用于通过放电来激励激光介质的电极而配置在激光腔室21内。

在激光腔室21形成有开口，电绝缘部28塞入该开口。电极22a被支承于电绝缘部28，电极22b被支承于复位板21d。该复位板21d通过未图示的配线而与激光腔室21的内表面连接。在电绝缘部28中埋入有导电部。导电部对电极22a施加从脉冲功率模块24供给的高电压。

充电器23是以规定的电压对脉冲功率模块24中的未图示的充电电容器进行充电的直流电源装置。脉冲功率模块24包含由激光控制部13控制的开关24a。当开关24a从断开变为接通时，脉冲功率模块24根据保持在充电器23中的电能来生成脉冲状的高电压，并将该高电压施加在一对电极22a和22b之间。

当在一对电极22a和22b之间施加高电压时，一对电极22a和22b之间的绝缘被破坏，引起放电。通过该放电的能量，激光腔室21内的激光介质被激励而转移到高能级。被激励的激光介质在随后转移到低能级时，释放出与其能级差对应的光。

在激光腔室21的两端设置有窗口21a和21b。在激光腔室21内产生的光经由窗口21a和21b向激光腔室21的外部出射。

主振荡器10还包含后反射镜26和输出耦合镜27。在后反射镜26上涂覆有高反射膜，在输出耦合镜27上涂覆有部分反射膜。后反射镜26对从激光腔室21的窗口21a出射的光以高反射率进行反射而返回到激光腔室21。输出耦合镜27使从激光腔室21的窗口21b输出的光中的一部分透过而输出，对另一部分进行反射而返回到激光腔室21内。

因此，由后反射镜26和输出耦合镜27构成光谐振器。激光腔室21配置在光谐振器的光路上。从激光腔室21出射的光在后反射镜26与输出耦合镜27之间往返，在每次通过电极22a与电极22b之间的激光增益空间时被放大。放大后的光的一部分经由输出耦合镜27而作为脉冲激光输出。

监视器模块11配置在从主振荡器10出射的脉冲激光的光路上。监视器模块11例如包含分束器11a和光传感器11b。

分束器11a使从主振荡器10出射的脉冲激光以高透过率朝向快门12透过，并且使脉冲激光的一部分朝向光传感器11b的受光面反射。光传感器11b检测入射到受光面的脉冲激光的脉冲能量，并将检测到的脉冲能量的数据输出到激光控制部13。

激光控制部13在其与激光加工控制部32之间收发各种信号。例如，激光控制部13从激光加工控制部32接收发光触发Tr、目标脉冲能量Et的数据等。另外，激光控制部13对充电器23发送充电电压的设定信号，并且对脉冲功率模块24发送开关24a的接通或断开的指令信号。

激光控制部13从监视器模块11接收脉冲能量的数据，并参照所接收的脉冲能量的数据对充电器23的充电电压进行控制。通过对充电器23的充电电压进行控制，控制脉冲激光的脉冲能量。

快门12配置在透过了监视器模块11的分束器11a的脉冲激光的光路上。在激光振荡开始之后到从监视器模块11接收的脉冲能量与目标脉冲能量Et之差处于允许范围内为止的期间，激光控制部13控制为将快门12关闭。在从监视器模块11接收的脉冲能量与目标脉冲能量Et之差处于允许范围内之后，激光控制部13控制为将快门12打开。激光控制部13将表示能够受理脉冲激光的发光触发Tr的信号与快门12的开闭信号同步地发送到激光加工装置4的激光加工控制部32。

激光加工装置4包含激光加工控制部32、工作台33、XYZ台34、光学系统36、壳体37以及框体38。在壳体37内配置有光学系统36。在框体38上固定有壳体37和XYZ台34。

工作台33对被加工物41进行支承。被加工物41是被照射脉冲激光而进行激光加工的加工对象。被加工物41是相对于紫外线的脉冲激光透明的透明材料，例如是合成石英玻璃。激光加工例如是在被加工物41上开孔的孔加工。XYZ台34对工作台33进行支承。XYZ台34能够在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上移动，通过调整工作台33的位置，能够对被加工物41的位置进行调整。在激光加工控制部32的控制下，XYZ台34对被加工物41的位置进行调整，使得从光学系统36出射的脉冲激光被照射到期望的加工位置。

激光加工系统2例如对被加工物41的1个位置或多个位置实施孔加工。在激光加工控制部32中依次设置有与多个加工位置对应的位置数据。各加工位置的位置数据例如是以XYZ台34的原点位置为基准的对各加工位置的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的各自的位置进行了规定的坐标数据。激光加工控制部32根据这样的坐标数据来控制XYZ台34的移动量，从而对XYZ台34上的被加工物41进行定位。

光学系统36例如具有高反射镜36a～36c、射束均光器46、转印掩模47以及转印透镜48，对被加工物41的表面转印与加工形状对应的像。高反射镜36a～36c、射束均光器46、转印掩模47以及转印透镜48分别固定在未图示的保持架上，在壳体37内配置在规定的位置。

高反射镜36a～36c对紫外区域的脉冲激光以高反射率进行反射。高反射镜36a对从激光装置3输入的脉冲激光朝向高反射镜36b进行反射，高反射镜36b对脉冲激光朝向高反射镜36c进行反射。高反射镜36c对脉冲激光朝向转印透镜48进行反射。高反射镜36a～36c例如在由合成石英、氟化钙形成的透明基板的表面上涂覆有对脉冲激光进行高反射的反射膜。

射束均光器46和转印掩模47配置在高反射镜36b和36c之间的光路上。射束均光器46具有复眼透镜46a和聚光透镜46b。射束均光器46配置成使被高反射镜36b反射的脉冲激光的光强度分布均匀化而对转印掩模47进行柯勒照明。

转印掩模47通过使从射束均光器46出射的脉冲激光的一部分透过，形成与针对被加工物41的加工形状对应的脉冲激光的像。转印掩模47在遮光板上形成有转印图案，其中，该遮光板例如具有遮挡脉冲激光的遮光性，该转印图案例如由使光透过的透过孔构成。这里，将按照转印掩模47的转印图案的形状而形成的脉冲激光的像称为转印像。

在本例中，转印掩模47的转印图案是圆形的针孔。本例的激光加工装置4使用这样的转印掩模47对被加工物41实施形成截面为圆形的孔的孔加工。另外，转印掩模47具有能够变更针孔的大小的可变机构，根据对被加工物41的加工尺寸，能够对针孔的大小进行调节。激光加工控制部32对转印掩模47的可变机构进行控制而对针孔的大小进行调节。

转印透镜48对所入射的脉冲激光进行会聚并经由窗口42将所会聚的脉冲激光朝向被加工物41出射。转印透镜48构成了转印光学系统，该转印光学系统使通过透过转印掩模47而生成的脉冲激光的针孔形状的转印像在与转印透镜48的焦点距离对应的位置处成像。这里，将通过转印透镜48的作用使转印像成像的成像位置称为转印位置。

该转印位置在Z轴方向上被设定为与供脉冲激光入射的入射侧的表面一致的位置。以下，在简称为被加工物41的表面的情况下，是指被加工物41的入射侧的表面。这里，Z轴方向与从转印透镜48出射并入射到被加工物41的脉冲激光的光轴方向平行。

转印透镜48是通过多块透镜的组合而构成的。转印透镜48是使尺寸比设置于转印掩模47的针孔的实际尺寸小的针孔形状的转印像在转印位置处成像的缩小光学系统。由转印透镜48构成的转印光学系统的倍率M例如是M＝1/10～1/5。另外，在本例中，以组合透镜的例子来表示转印透镜48，但在转印透镜48的光轴上附近使1个小的圆形的转印像成像的情况下，转印透镜48也可以由单透镜构成。

窗口42配置在转印透镜48与被加工物41之间的光路上，在形成于壳体37的开口处通过O形环(未图示)以被密封的状态固定。

衰减器52在壳体37内配置在高反射镜36a与高反射镜36b之间的光路上。衰减器52例如包含两个局部反射镜52a和52b以及这两个局部反射镜的旋转台52c和52d。两个局部反射镜52a和52b是透过率根据脉冲激光的入射角度而变化的光学元件。局部反射镜52a和局部反射镜52b通过旋转台52c和旋转台52d来调整倾斜角度。使得脉冲激光的入射角度互相一致，并且为期望的透过率。

由此，脉冲激光被减光到期望的脉冲能量而通过衰减器52。衰减器52根据激光加工控制部32的控制信号来控制透过率T。激光加工控制部32除了通过目标脉冲能量Et对由激光装置3输出的脉冲激光的注量进行控制之外，还对衰减器52的透过率T进行控制，从而对脉冲激光的注量进行控制。如果使目标脉冲能量Et发生变化，则能够使注量发生变化，但在激光装置3的主振荡器10中，难以使脉冲能量较大地变化。通过使用衰减器52，即使主振荡器10的输出恒定，也能够使注量发生变化。

在激光加工系统2的工作期间，在壳体37的内部始终流过作为惰性气体的氮气(N₂)。在壳体37设置有将氮气吸入到壳体37的吸入口37a和将氮气从壳体37排出到外部的排出口37b。吸入口37a和排出口37b能够与未图示的吸气管或排出管连接。吸入口37a和排出口37b在与吸气管或排出管连接的状态下被O形环(未图示)密封以抑制外部气体混入到壳体37内。吸入口37a与氮气供给源43连接。

在光路管5内也流过氮气，光路管5在与激光加工装置4的连接部分和与激光装置3的连接部分处也被O形环密封。

2.2动作

参照图2和图3对激光加工系统2的动作进行说明。如图2所示，在进行激光加工的情况下，被加工物41被设置于XYZ台34的工作台33(S100)。激光加工控制部32对XYZ台34设置初始的加工位置的位置数据(S110)。

激光加工控制部32对XYZ台34进行控制而对被加工物41的XY平面的位置进行调整(S120)。在S120中，激光加工控制部32根据位置数据中所包含的XY平面内的坐标数据来控制XYZ台34的移动量，从而对被加工物41的XY平面内的位置进行调整。由此，被加工物41在XY平面内的位置被定位。

接着，激光加工控制部32对XYZ台34进行控制而对被加工物41的Z轴方向的位置进行调整，以使脉冲激光的转印像的转印位置与被加工物41的表面一致(S130)。具体来说，在位置数据中，被加工物41的Z轴方向的位置被规定为脉冲激光的转印像的转印位置与被加工物41的表面一致。转印像的转印位置是根据转印掩模47与转印透镜48之间的距离以及转印透镜48的焦点距离等而确定的。

在S130中，激光加工控制部32根据位置数据来控制XYZ台34的移动量，从而对被加工物41的Z轴方向的位置进行调整。由此，在Z轴方向上进行转印位置与被加工物41的相对定位，以使转印位置与被加工物41的表面一致。如上所述，Z轴方向与入射到被加工物41的脉冲激光的光轴方向平行，因此Z轴方向的定位相当于脉冲激光的光轴方向的定位。

当被加工物41的定位结束时，进行激光加工(S140)。在针对初始的加工位置的激光加工结束之后，在存在下一个加工位置的情况下(在S150中为“否”)，激光加工控制部32对XYZ台34设置下一个加工位置的位置数据(S160)。然后，利用XYZ台34使被加工物41移动到下一个加工位置(S120和S130)。在下一个加工位置处，对被加工物41进行激光加工(S140)。在不存在下一个加工位置的情况下，激光加工结束(在S150中为“是”)。反复进行这样的过程直到针对所有加工位置的激光加工结束。

在本例中，对每个加工位置进行XY平面的位置和Z轴方向的位置这两者的调整。但是，当在多个加工位置之间Z轴方向的位置相同的情况下，在初始的加工位置实施了对Z轴方向的位置进行调整的步骤S130之后，也可以对其之后的加工位置省略步骤S130。在该情况下，例如，在对初始的加工位置的位置数据进行设置的步骤S110之后，首先实施对Z轴方向的位置进行调整的步骤S130。之后，实施步骤S120，对与初始的加工位置相关的XY平面的位置进行调整而实施步骤S140。然后，在对下一个加工位置实施了步骤S160之后，仅实施步骤S120，省略步骤S130并实施步骤S140。

激光加工是按照图3所示的流程图进行的。激光加工控制部32对脉冲能量进行控制，以使转印像的转印位置即被加工物41的表面处的脉冲激光为激光加工所需的期望的注量Ft。具体来说，激光加工控制部32通过目标脉冲能量Et和衰减器52的透过率T的控制而对入射到被加工物41的脉冲能量进行控制。另外，激光加工控制部32对激光装置3的激光控制部13发送目标脉冲能量Et。由此，在激光控制部13中设定目标脉冲能量Et(S141)。

这里，注量Ft是指激光加工所需的注量，是脉冲激光在转印像的转印位置处的脉冲激光的能量密度。在可以无视光学系统36的光损失的情况下，注量Ft由下述式(1)定义。

Ft＝M^-2(T·Et)/S_IL[mJ/cm²]······(1)

这里，M：转印光学系统的倍率，T：衰减器的透过率，Et：激光加工所需的脉冲能量；S_IL：对转印掩模47进行柯勒照明的脉冲激光的激射束的面积。

照射在转印掩模47上的脉冲激光中的仅通过作为转印图案的针孔的光被照射在被加工物41上，从而有助于注量Ft。因此，将透过了衰减器52的脉冲激光的脉冲能量即T·Et除以S_IL，计算通过转印图案的脉冲激光的每单位面积的能量密度。另外，在如本例那样转印光学系统是缩小光学系统的情况下，倍率M的值越小，即，越缩小像，作为能量密度的注量越增加。

激光控制部13在从激光加工控制部32接收到目标脉冲能量Et时，关闭快门12而使充电器23工作。然后，激光控制部13通过未图示的内部触发使脉冲功率模块24的开关24a接通。由此，主振荡器10进行激光振荡。

监视器模块11对从主振荡器10输出的脉冲激光进行采样，计测作为脉冲能量的实测值的脉冲能量E。激光控制部13对充电器23的充电电压进行控制，以使脉冲能量E与目标脉冲能量Et之差ΔE接近为0。具体来说，激光控制部13对充电电压进行控制以使差ΔE处于允许范围(S142)。

激光控制部13监视差ΔE是否处于允许范围(S142)。在差ΔE处于允许范围的情况下(S142中为“是”)，激光控制部13对激光加工控制部32发送通知发光触发Tr的接收准备已完成的接收准备完成信号，并且打开快门12。由此，激光装置3处于发光触发Tr的接收准备完成状态(S143)。

激光加工控制部32在接收到接收准备完成信号的情况下，设定衰减器52的透过率T以使脉冲激光在转印像的转印位置处的注量为激光加工所需的注量Ft(S144)。在本例中，通过被加工物41的Z轴方向的定位(参照图2的S130)，转印位置与被加工物41的表面的位置一致，因此转印位置处的注量与被加工物41的表面处的脉冲激光的注量一致。因此，通过这样的衰减器52的透过率T的设定，被加工物41的表面的位置处的脉冲激光的注量被调节为激光加工所需的注量Ft。

衰减器52的透过率T是在光学系统36无光损失的情况下由上述式(1)到下述式(2)求出的。

T＝(Ft/Et)S_IL·M²·····(2)

如上所述，Ft：激光加工所需的注量，Et：激光加工所需的目标脉冲能量；S_IL：对转印掩模47进行柯勒照明的脉冲激光的激射束的面积。

激光加工控制部32在设定了衰减器52的透过率T之后，将由规定的重复频率f和规定的脉冲数N规定的发光触发Tr发送到激光控制部13(S145)。其结果是，与发光触发Tr同步地从激光装置3输出透过了监视器模块11的分束器11a的脉冲激光并入射到激光加工装置4。

入射到激光加工装置4的脉冲激光经由高反射镜36a在衰减器52中被减光。透过了衰减器52的脉冲激光被高反射镜36b反射而入射到射束均光器46。脉冲激光在射束均光器46中使光强度在空间上均匀化，从而对转印掩模47进行柯勒照明。

照射在转印掩模47上的脉冲激光中的透过了针孔的脉冲激光被高反射镜36c反射并入射到转印透镜48。透过了转印掩模47的针孔的脉冲激光向转印透镜48入射。通过转印透镜48，将转印掩模47的针孔被缩小后的转印像经由窗口42转印到被加工物41的表面。透过了转印透镜48的脉冲激光对该转印像的区域的被加工物41的表面进行照射。这样的脉冲激光的激光照射是根据由激光加工所需的重复频率f和脉冲数N规定的发光触发Tr而进行的(S145)。通过该激光照射，对被加工物41实施形成针孔形状的孔的激光加工。

2.3课题

在这样的被加工物41形成孔的激光加工中，希望形成高纵横比的孔。高纵横比的孔是指与孔的直径相比孔的深度即加工深度深的细长的孔。具体来说，高纵横比的孔是指与孔的直径为约10μm到约150μm相比加工深度为约1.5mm(1500μm)以上的孔。这里，将高纵横比定义为1500μm/150μm＝10以上。

在上述图1到图3所示的比较例的激光加工系统2中，存在这样的高纵横比的孔加工的精度低的课题。在比较例的激光加工系统2中，如图4A所示，被加工物41以被加工物41的表面与脉冲激光PL的转印像的转印位置FP一致的状态被定位。在该状态下进行激光照射，使透过了窗口42的脉冲激光PL照射在被加工物41上。

脉冲激光PL是中心波长为193.4nm的紫外线即ArF激光，被加工物41是相对于ArF激光透明的合成石英玻璃，因此在刚照射后，脉冲激光PL透过被加工物41。当继续照射脉冲激光PL时，在被加工物41的表面附近产生缺陷，开始吸收脉冲激光PL。在被加工物41中，在开始吸收脉冲激光PL的部分中，如图4B所示，开始烧蚀加工。

在比较例的激光加工系统2中，如图4A所示，脉冲激光PL的转印像的转印位置FP与被加工物41的表面一致，因此注量Ft在被加工物41的表面上最大。因此，如图4B所示，在注量Ft高的被加工物41的表面附近进行烧蚀加工。

但是，在注量Ft为15J/cm²以下的区域中，在转印位置处会聚的脉冲激光在通过转印位置时会发散，因此注量Ft也是距被加工物41的表面越深越减少。因此，在比较例的激光加工系统2的加工方法中，与Z轴方向平行的深度方向的孔H的加工深度最多停留在1mm左右。另外，即使在能够确保1mm以上的加工深度的情况下，加工精度也不充分。具体来说，孔H的深处部分的加工直径与表面附近的加工直径相比明显较小，成为孔H的深处部分的加工直径不满足所要求的加工直径的尖细形状的孔等。这样，在使用紫外线的脉冲激光对相对于紫外线透明的被加工物41实施激光加工的激光加工方法中，存在无法高精度地进行高纵横比的孔加工的课题。

3.第一实施方式的激光加工系统以及激光加工方法

3.1结构

图5概略地示出了第一实施方式的激光加工系统2A的结构。第一实施方式的激光加工系统2A具有激光加工装置4A，代替参照图1说明的比较例的激光加工系统2的激光加工装置4。在第一实施方式的以下说明中，以与比较例的激光加工系统2不同的点为中心进行说明，对相同的结构标注相同的标号并省略说明。

第一实施方式的激光加工装置4A与比较例的激光加工装置4不同，具有激光加工控制部32A来代替激光加工控制部32。激光加工装置4A的其他结构与比较例的激光加工装置4相同。

在激光加工控制部32A中，与比较例的激光加工控制部32的不同之处在于Z轴方向上的脉冲激光的转印位置与被加工物41的定位控制。关于被加工物41的Z轴方向的位置，激光加工控制部32A使脉冲激光的转印位置FP与从被加工物41的表面向内部进入了规定的深度ΔZsf的位置一致，而不是脉冲激光的转印位置FP与被加工物41的表面一致的位置。其他点与激光加工控制部32相同。

如上所述，Z轴方向的定位相当于脉冲激光的光轴方向的定位。因此，激光加工控制部32A相当于定位控制部，通过对作为定位机构的XYZ台34进行控制，在脉冲激光的光轴方向上进行转印位置与被加工物41的相对定位。

激光加工系统2A对被加工物41进行加工直径为10μm以上且150μm以下的高纵横比的孔的加工。因此，激光加工装置4A对被加工物41照射转印位置处的射束的直径为10μm以上且150μm以下的脉冲激光。转印位置处的脉冲激光的射束的直径在转印位置处与转印像的直径一致。在激光加工装置4A中，设定转印掩模47的转印图案的大小、转印透镜48的倍率M以使转印像的直径为10μm以上且150μm以下。

3.2动作

参照图6对激光加工系统2A的动作进行说明。第一实施方式的图6的流程图与比较例的图2的流程图的不同之处在于步骤S130变更为步骤S130A，其他点是相同的。激光加工控制部32A在与比较例同样地执行了S100到S120的处理之后，执行S130A。

在S130A中，激光加工控制部32A对XYZ台34进行控制而对被加工物41的Z轴方向的位置进行调整，以使脉冲激光的转印像的转印位置为从被加工物41的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置(S130A)。具体来说，在位置数据中，被加工物41的Z轴方向的位置被规定为，脉冲激光的转印像的转印位置为从被加工物41的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置。如上所述，转印像的转印位置是根据转印掩模47与转印透镜48之间的距离以及转印透镜48的焦点距离等而确定的。

在S130A中，激光加工控制部32A根据位置数据对XYZ台34的移动量进行控制，从而对被加工物41的Z轴方向的位置进行调整。由此，在与Z轴方向平行的脉冲激光的光轴方向上，进行转印位置与被加工物41的相对定位，以使转印像的转印位置为从被加工物41的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置。

当被加工物41的定位结束时，进行激光加工(S140)。S140到S160的处理与图2所示的比较例的激光加工系统2的处理相同。另外，S140的处理内容也与图3所示的比较例的处理相同。

在本例中，如在比较例中补充的那样，当在多个加工位置之间Z轴方向的位置相同的情况下，在初始的加工位置实施了对Z轴方向的位置进行调整的步骤S130A之后，在其之后的加工位置中也可以省略步骤S130A。在该情况下，例如，在对初始的加工位置的位置数据进行设置的步骤S110之后，首先实施对Z轴方向的位置进行调整的步骤S130A。之后，实施步骤S120，对与初始的加工位置相关的XY平面的位置进行调整而实施步骤S140。然后，在对下一个加工位置实施了步骤S160之后，仅实施步骤S120，省略步骤S130A而实施步骤S140。

3.3作用

图7是示出在上述激光加工方法的过程中使用第一实施方式的激光加工系统2A对被加工物41实施了激光加工的情况的加工结果的照片。由于被加工物41也是相对于可见光透明的合成石英玻璃，所以图7的照片是从Y轴方向对被加工物41的孔H的加工完成后的状态进行拍摄而成的。从图7的照片可知，形成了在Z轴方向上细长的高纵横比的孔H。

用于得到图7所示的加工结果的孔H的加工条件如下。首先，被加工物41是厚度约为6mm的合成石英玻璃。脉冲激光是如上述那样中心波长约为193.4nm的紫外线、即ArF激光。重复频率f为1kHz，脉冲激光的照射时间为5sec，照射脉冲数为1kHz×5sec＝5，000脉冲。转印位置处的针孔形状的转印像的直径为100μm，转印位置距离被加工物41的表面的深度ΔZsf为1mm，注量Ft为11.7J/cm²。在这样的加工条件下，能够实现加工深度ΔZd约为1.7mm且被加工物41的表面、中间位置、最深部的各自的直径为110μm、53μm、45μm的高纵横比的孔加工。

另外，在同样的加工条件下，在将照射脉冲时间增加到10秒～15秒的情况下，即，在将照射脉冲数增加到10,000～15,000的情况下，如后述的图11的曲线图所示，通过实验确认了能够进行直径与上述大致相同且加工深度为3mm～4mm的高纵横比的孔加工。

图8是示出使用第一实施方式的激光加工系统2A以及激光加工方法对被加工物41实施了激光加工的情况的被加工物41的状态变化的说明图。在第一实施方式的激光加工系统2A中，如图8A所示，脉冲激光PL的转印像的转印位置FP被定位成从被加工物41的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置。在该状态下进行激光照射，透过了窗口42的脉冲激光PL被照射在被加工物41上。

脉冲激光PL是中心波长约为193.4nm的ArF激光，被加工物41是相对于ArF激光透明的合成石英玻璃，因此，如图8A所示，在刚照射后，脉冲激光PL透过被加工物41。当继续照射脉冲激光PL时，如图8B所示，在被加工物41的表面附近产生缺陷DF，开始吸收脉冲激光PL。

当继续照射脉冲激光时，在开始吸收脉冲激光PL的被加工物41的表面附近，脉冲激光的吸收率增加，如图8C所示，开始烧蚀加工。在烧蚀加工开始之后，脉冲激光的一部分未被吸收，而是透过被加工物41内部。在烧蚀加工开始之后，该脉冲激光的透过光从某个时间点起如图8C所示那样自收敛并沿与Z轴方向平行的深度方向行进，而不是在被加工物41的内部发散。然后，自收敛的脉冲激光使烧蚀加工沿深度方向进行。由此，如图8D所示，实施与孔H的直径为约10μm到约150μm相比加工深度ΔZd为1.5mm以上的高纵横比的孔H的加工。

从形成这样的高纵横比的孔H这一加工结果来考虑，如图8C所示，可认为脉冲激光在被加工物41的内部由于某种理由而自收敛。作为自收敛的理由，其原因可认为是，如图8C所示，在被加工物41的内部，在供脉冲激光透过的光路上产生改质，生成在深度方向上细长延伸的改质层RF。

作为1个假设，认为该改质层RF由于脉冲激光的透过而与其他部分相比折射率增大，由此产生自收敛。作为另一个假设，认为如在光纤内传播的光那样，在作为改质层RF与未改质部分的边界的孔H的内壁面上，脉冲激光反复进行菲涅尔反射并沿深度方向行进，从而产生自收敛。

这样的自收敛的理由姑且不论，能够确认在上述加工条件下对被加工物41进行激光加工时，能够高精度地进行高纵横比的孔加工。

3.4优选的加工条件

在使用紫外线的脉冲激光的情况下，优选使用脉冲宽度为半峰全宽、1ns～100ns的纳秒级的脉冲激光。这是因为，脉冲宽度由激光装置3的性能来决定，但在目前的情况下，作为紫外线的脉冲激光，难以制造出能够输出脉冲宽度为皮秒级且高脉冲能量的脉冲激光的激光装置3。如本例那样，通过使用纳秒级的紫外线的脉冲激光，能够使用目前容易得到的激光装置3。

作为优选的脉冲宽度，半峰全宽为1ns～100ns，更优选为10ns～20ns。作为激光装置3，优选使用输出这样的脉冲宽度的脉冲激光的激光装置3。

适合使用这样的纳秒级的紫外线的脉冲激光对合成石英玻璃等相对于紫外线透明的透明材料即被加工物41实施形成高纵横比的孔的激光加工的情况的加工条件如下。

图9所示的曲线图是示出转印位置处的注量Ft与加工深度ΔZd之间的关系的曲线图。标绘点为菱形且用实线表示的曲线是转印位置的深度ΔZsf为1mm的情况的曲线图，标绘点为四边形且用虚线表示的曲线是转印位置的深度ΔZsf为2mm的情况的曲线图。在这两个曲线图中，都是加工深度ΔZd随着注量Ft的增加而增加。

另外，在图9的曲线图中，未示出注量Ft小于3J/cm²的数据，但确认了当转印位置的注量Ft小于3J/cm²时，加工深度ΔZd较浅，难以进行高纵横比的孔加工。这是被认为是，当注量Ft不足3J/cm²时，能量过小，难以产生烧蚀加工，加工不完全。

图10是示出将注量Ft设定为2J/cm²而对被加工物41实施了激光加工的加工结果的照片。与图7同样，拍摄方向是Y轴方向。加工条件是除注量Ft之外与图7的加工结果相同的加工条件。在图10中，横向延伸的白色虚线表示被加工物41的表面的位置。如图10所示，能够确认如下的情况：在注量Ft为2J/cm²时，在被加工物41的表面稍微形成孔，但在深度方向上未进行加工，孔加工不完全。

图11所示的曲线图是示出照射时间与加工深度ΔZd之间的关系的曲线图。标绘点为菱形且用实线表示的曲线是注量Ft为9.3J/cm²且转印位置的深度ΔZsf为1mm的情况的曲线图。标绘点为四边形且用虚线表示的曲线是注量Ft为4.7J/cm²且转印位置的深度ΔZsf为2mm的情况的曲线图。

重复频率f在两个曲线图中都是1kHz。由于图11的横轴的照射时间的单位为秒(sec)，所以重复频率f×照射时间(秒)＝照射脉冲数，例如，在照射时间为5秒的情况下，照射脉冲数为5，000。

在图11中，关于加工深度ΔZd饱和的饱和点，当对实线和虚线的曲线图进行比较时，注量Ft相对较低的虚线的曲线图的饱和点约为10sec，与此相对，注量Ft相对较高的实线的曲线图的饱和点约为30sec。从图11的曲线图可以确认，注量Ft较高的一方的的饱和相对于照射时间变慢，加工深度ΔZd变深。

另外，在图11中，当以照射时间约为3秒、即重复频率f为1kHz为前提时，在照射脉冲数约为3，000之前，实线和虚线的曲线图都重叠。因此，可知在该范围内，加工深度ΔZd与注量Ft无关。因此，认为在照射脉冲数达到约3，000的范围中，不会开始脉冲激光的自收敛。因此，优选照射脉冲数为3，000脉冲以上。作为照射脉冲数的上限，优选到达加工深度ΔZd的饱和点的照射脉冲数为35，000。另外，在图11中，示出了重复频率f为1kHz的结果，但在重复频率f为100Hz的情况下，当利用照射脉冲数进行比较时，加工深度ΔZd饱和的饱和点也大致相同。因此，对于照射脉冲数与加工深度ΔZd的关系，重复频率f的依赖较少。

图12是示出转印位置的深度ΔZsf与加工深度ΔZd之间的关系的曲线图。在图12中，标绘点为菱形且用实线表示的曲线与图11所示的实线的曲线图同样，是注量Ft为9.3J/cm²的情况的曲线图，标绘点为四边形且用虚线表示的曲线与图11所示的虚线的曲线图同样，是注量Ft为4.7J/cm²的情况的曲线图。在这两个曲线图中，重复频率f都为1kHz，照射时间为10秒。

在图12中，在注量Ft相对较低的虚线的曲线图中，在转印位置的深度ΔZsf约为2.5mm之前，转印位置的深度ΔZsf越深，加工深度ΔZd越增加。这被认为是，在约2.5mm之前，由于注量Ft最大的转印位置距被加工物41的表面变深，因此被加工物41的深处部分的脉冲激光的能量增大，加工沿深度方向进行。

另一方面，当超过约2.5mm时，即使转印位置的深度ΔZsf变深，加工深度ΔZd也有递减的倾向，当深度ΔZsf超过4mm时，加工深度ΔZd大大地超过1mm。这被认为是，当深度ΔZsf超过约2.5mm时，被加工物41的表面附近的注量Ft不足，表面附近的烧蚀加工无法进行，其结果是，也无法沿深度方向进行烧蚀加工。

另外，在图12中，在注量Ft相对较高的实线的曲线图中，在转印位置的深度ΔZsf为约0.5mm到约3.5mm的期间，加工深度ΔZd为2mm以上。这被认为是，在该范围内，由于注量Ft最大的转印位置距被加工物41的表面变深，所以被加工物41的深处部分的脉冲激光的能量增大，沿深度方向进行烧蚀加工。

另一方面，当转印位置的深度ΔZsf超过约3.5mm时，转印位置的深度ΔZsf有递减的倾向，当深度ΔZsf超过4mm时，加工深度ΔZd接近1mm。

另外，在转印位置的深度ΔZsf为0mm到约0.5mm附近的范围内，对于加工深度ΔZd，能够确保2mm以上的深度。但是，在该范围内，即使能够确保加工深度ΔZd，也多为深处部分的加工直径比表面附近的加工直径明显变细的尖细形状的孔，加工精度差。以上，作为转印位置的深度ΔZsf的优选的范围，优选0.5mm以上且4mm以下的范围。

另外，当对图12的实线和虚线的曲线图的各自的加工深度ΔZd的峰值进行比较时，注量Ft相对较低的虚线的曲线图的一方在转印位置的深度ΔZsf深的位置存在峰值。换言之，在注量Ft相对较高的实线的曲线图中，与注量Ft相对较低的虚线的曲线图相比，加工深度ΔZd表示峰值的转印位置的深度ΔZsf被转移到被加工物41的表面附近。

另外，如图9所示，对被加工物41进行激光加工所需的注量Ft的下限值为3J/cm²。当考虑这样的图9和图12所示的实验结果时，作为转印位置的深度ΔZsf的范围，特别优选0.5mm以上且4mm以下的范围，这是因为注量Ft在3J/cm²到15J/cm²的范围内。

3.5其他

如本例那样，当使用射束均光器46时，脉冲激光的光强度在空间上被均匀化而照射到转印掩模47上。因此，如果在转印掩模47中处于被脉冲激光照射的范围内，则无论在转印掩模47内的哪个位置形成转印图案，由转印图案形成的脉冲激光的转印像的注量都是稳定的。

另外，作为转印掩模47，例如也可以使用形成有多个针孔的掩模等、形成有多个转印图案的掩模。如果使用这样的转印掩模47，则能够同时对多个孔进行加工。作为该情况下的转印透镜48，优选使用至少加工侧为远心的转印光学系统。也就是说，如果是远心的光学系统，则透过多个转印图案的各个脉冲激光的光轴平行，因此照射在被加工物41上的各个脉冲激光相对于被加工物41的表面垂直地入射。其结果是，能够形成中心轴相对于被加工物41的表面大致垂直的多个孔。

另外，在本例中，通过对XYZ台34进行控制而使被加工物41移动，从而进行脉冲激光的转印位置与被加工物41的相对定位。也可以代替以这种方式使被加工物41移动，而是通过使转印掩模47在脉冲激光的光轴方向上移动而进行相对定位。即，使转印掩模47在脉冲激光的光轴方向上移动就是使转印透镜48所转印的转印像的物体侧的位置相对于转印透镜48发生变化，因此转印像的转印位置也在光轴方向上发生变化。由此，能够进行脉冲激光的转印位置与被加工物41的相对定位。另外，在该情况下，当使转印掩模47相对于转印透镜48在光轴方向上移动时，转印像的大小也发生变化。也可以使转印掩模47的针孔的直径发生变化以抑制因这样的转印掩模47的移动而引起的转印像的直径的变化。

另外，如本例那样，在使用转印光学系统将针孔形状的转印像转印到被加工物41的情况下，与如后述的第二实施方式那样仅使脉冲激光会聚而照射于被加工物41的情况相比，具有抑制射束的直径发生变化的优点。激光装置3输出的脉冲激光的射束在激光装置3的光谐振器等的状态下发生模式变化而使射束的直径发生变化。与此相对，在使用转印光学系统的情况下，不是将脉冲激光的射束直接照射于被加工物41，而是利用转印掩模47来形成脉冲激光的针孔形状的转印像，并将形成的转印像转移到被加工物41。因此，抑制了由脉冲激光的模式变化引起的射束直径的变化。

另外，在本例中，作为激光装置3，以使用ArF激光气体作为激光介质并射出中心波长约为193.4nm的脉冲激光的ArF准分子激光装置为例来进行说明，但也可以是其他激光装置。作为激光装置3，也可以使用KrF准分子激光装置，该KrF准分子激光装置使用KrF激光气体作为激光介质，输出中心波长约为248.4nm的脉冲激光。在使用合成石英玻璃作为被加工物41的情况下，优选脉冲激光的中心波长的范围是作为F₂激光的中心波长的约157.6nm到作为KrF激光的中心波长的248.4nm的范围。

作为被加工物41，以合成石英玻璃为例，但并不限定于合成石英玻璃，作为被加工物41，只要是相对于紫外线的脉冲激光透明的透明材料即可。例如，作为相对于紫外线的脉冲激光透明的透明材料，存在MgF₂晶体、CaF₂晶体、蓝宝石等。

4.第二实施方式的激光加工系统以及激光加工方法

4.1结构

图13示出了第二实施方式的激光加工系统2B。如图13所示，第二实施方式的激光加工系统2B具有激光装置3和激光加工装置4B。激光装置3与第一实施方式同样。激光加工装置4B具有光学系统61来代替第一实施方式的激光加工装置4A的光学系统36。光学系统61不像第一实施方式的光学系统36那样具有转印掩模47和转印透镜48，是具有对激光装置3输出的具有高斯分布的脉冲激光的射束直接进行会聚而照射于被加工物41的聚光光学系统的光学系统。

激光加工控制部32B进行脉冲激光的射束束腰位置与被加工物41的相对定位，代替如第一实施方式的激光加工控制部32A那样进行脉冲激光的转印位置与被加工物41的相对定位。激光加工系统2B的其他结构与第一实施方式的激光加工系统2A相同，因此，以下以不同点为中心进行说明。

光学系统61具有高反射镜36a到36c、衰减器52以及聚光透镜62。高反射镜36a到36c及衰减器52与第一实施方式的光学系统36相同。高反射镜36c对脉冲激光朝向聚光透镜62进行反射。

聚光透镜62被配置成将所入射的脉冲激光经由窗口42会聚到被加工物41。

另外，第二实施方式的激光加工系统2B也与第一实施方式的激光加工系统2A同样，对被加工物41进行加工直径为10μm以上且150μm以下的高纵横比的孔的加工。因此，激光加工系统2B也对被加工物41照射射束束腰位置处的射束的直径为10μm以上且150μm以下的脉冲激光。射束束腰位置处的脉冲激光的射束的直径与脉冲激光的射束束腰位置处的后述的会聚直径D一致。

激光加工系统2B的情况与激光加工系统2A不同，该激光加工系统2B将高斯分布的脉冲激光照射在被加工物41上而不转换成转印像。因此，脉冲激光的射束的直径由激光装置3的规格来决定。

4.2动作

参照图14和图15对激光加工系统2B的动作进行说明。第二实施方式的图14的流程图与第一实施方式的图6的流程图不同之处在于步骤S130A变更为步骤S130B这点和步骤S140变更为S140B这点，其他点是相同的。激光加工控制部32B在执行了S100到S120之后，执行S130B。

在S130B中，激光加工控制部32B对XYZ台34进行控制而对被加工物41的Z轴方向的位置进行调整，以使脉冲激光的射束束腰位置为从被加工物41的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置(S130B)。具体来说，在位置数据中，被加工物41的Z轴方向的位置被规定为，脉冲激光的射束束腰位置为从被加工物41的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置。

在S130B中，激光加工控制部32B根据位置数据对XYZ台34的移动量进行控制，从而对被加工物41的Z轴方向的位置进行调整。由此，在与Z轴方向平行的脉冲激光的光轴方向上进行被加工物41与射束束腰位置的相对定位，以使射束束腰位置为从被加工物41的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置。

当被加工物41的定位结束时，进行激光加工(S140B)。S140B的激光加工后的S150到S160的处理与第一实施方式相同，并且与图2所示的比较例的激光加工系统2的处理相同。

图15是进行激光加工的S140B的流程图。S140B的处理基本上与图3的比较例的流程图同样，但代替S144而执行S144B的处理。在第二实施方式中，进行脉冲激光的射束束腰位置与被加工物41的相对定位。因此，S144B中的衰减器52的透过率T被设定成脉冲激光的射束束腰处的注量为Ft。

这里，第二实施方式的注量Ft是激光加工所需的注量，是脉冲激光的射束束腰位置处的脉冲激光的能量密度。在能够无视光学系统36的光损失的情况下，注量Ft由下述式(3)来定义。

Ft＝Et·T/S[mJ/cm²]······(3)

这里，S是照射面积，当将脉冲激光的射束束腰位置处的会聚直径设为D时，S＝π(D/2)²[cm²]。会聚直径D为1/e²全宽，1/e²全宽是光强度相对于峰值为1/e²的值的位置处的直径。T是衰减器52的透过率。

因此，第二实施方式的衰减器52的透过率T是在光学系统36无光损失的情况下根据上述式(3)和下述式(4)求出的。

T＝π(D/2)²(Ft/Et)·····(4)

在第二实施方式中，脉冲激光的波长、脉冲宽度、注量Ft的范围、ΔZsf的范围、照射脉冲数等加工条件与第一实施方式相同。

4.3作用

在第二实施方式的情况下，与第一实施方式的转印位置同样，射束束腰位置也是要照射的脉冲激光的注量最高的位置。因此，通过将射束束腰位置设为从被加工物41的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置，与第一实施方式同样，能够高精度地进行高纵横比的孔加工。

4.4激光加工装置的变形例

图16所示的激光加工装置4C是图13所示的第二实施方式的激光加工装置4B的变形例。激光加工装置4C具有光学系统71来代替激光加工装置4B的光学系统61。另外，还具有激光加工控制部32C来代替激光加工控制部32B。除此以外的结构相同。以下，以不同点为中心来进行说明。

光学系统71在光学系统61中追加了波面调节器72。波面调节器72具有凹透镜72a、凸透镜72b以及单轴台72c。单轴台72c对凹透镜72a进行保持，使凹透镜72a在光轴方向上移动，从而对凹透镜72a与凸透镜72b的间隔进行调节。凹透镜72a和凸透镜72b配置在高反射镜36c与聚光透镜62之间的脉冲激光的光路上。被高反射镜36c反射的脉冲激光经由凹透镜72a和凸透镜72b入射到聚光透镜62。

通过对凹透镜72a与凸透镜72b的间隔进行调节，能够变更向被加工物41照射的脉冲激光的射束束腰位置。

激光加工控制部32C对XYZ台34进行控制而对被加工物41的XY平面的位置进行调整。另一方面，对于Z轴方向上的脉冲激光的射束束腰位置与被加工物41的相对位置，代替利用XYZ台34使被加工物41移动，而是对波面调节器72的单轴台72c进行控制而对射束束腰的Z轴方向的位置进行调整。具体来说，激光加工控制部32C对单轴台72c进行控制而对凹透镜72a与凸透镜72b的间隔进行调节，从而能够变更脉冲激光的波面。通过对该脉冲激光的波面进行控制，对射束束腰位置进行调整以使脉冲激光的射束束腰位置为从被加工物41的表面向内部进入了深度ΔZsf的位置。

5.激光装置的变形例

在上述各实施方式中，激光装置能够进行各种变形。例如，作为激光装置，也可以使用图17或图18所示的激光装置。

5.1变形例1

图17所示的变形例1的激光装置3D在第一实施方式的激光装置3中追加了放大器80，除此以外的结构大致相同。放大器80配置在主振荡器10和监视器模块11之间的脉冲激光的光路上。放大器80是对从主振荡器10输出的脉冲激光的能量进行放大的放大器。

放大器80的基本结构与主振荡器10相同，与主振荡器10同样地具有激光腔室21、充电器23以及脉冲功率模块(PPM)24。

当激光控制部13D接收到从激光加工控制部32A接收的目标脉冲能量Et的数据时，对充电器23的充电电压进行控制而对脉冲能量进行控制。

当激光控制部13D从激光加工控制部32A接收到发光触发Tr时，使主振荡器10进行激光振荡。此外，控制为放大器80与主振荡器10同步地进行动作。激光控制部13D将放大器80的脉冲功率模块24的开关24a打开，以使主振荡器10输出的脉冲激光在入射到放大器80的激光腔室21内的放电空间时产生放电。其结果是，入射到放大器80的脉冲激光在放大器80中进行放大振荡。

在监视器模块11中对被放大器80放大并输出的脉冲激光计测脉冲能量。激光控制部13D对放大器80和主振荡器10的各自的充电器23的充电电压进行控制，以使计测出的脉冲能量的实测值分别接近目标脉冲能量Et。

当快门12打开时，透过了监视器模块11的分束器11a的脉冲激光向图5所示的激光加工装置4A入射。

如激光装置3D那样，通过设置放大器80，能够提高脉冲激光的脉冲能量。

5.2变形例2

在激光加工系统中，也可以使用图18所示的变形例2的激光装置3E。激光装置3E具有主振荡器83和放大器84。另外，激光装置3E具有监视器模块11E来代替监视器模块11。

监视器模块11E除了第一实施方式的监视器模块11的结构之外，还追加了波长监视器11c和分束器11d。

在监视器模块11E中，分束器11d配置在分束器11a的反射光路上，并且配置在分束器11a与光传感器11b之间。分束器11d对由分束器11a反射的反射光的一部分进行反射，并使剩余部分透过。透过了分束器11d的透过光向光传感器11b入射，被分束器11d反射的反射光向波长监视器11c入射。

波长监视器11c是公知的标准分光器。标准分光器例如由扩散板、空气间隙标准具、聚光透镜以及线传感器构成。标准分光器通过扩散板、空气间隙标准具来产生所入射的激光的干涉条纹，并利用聚光透镜使产生的干涉条纹在线传感器的受光面上成像。然后，通过对在线传感器中成像的干涉条纹进行计测，计测激光的波长λ。

主振荡器83是固体激光装置，其具有：半导体激光器86，其输出种子光；钛蓝宝石放大器87，其对种子光进行放大；以及波长转换系统88。

半导体激光器86是输出波长为773.6nm的连续振荡的激光即CW(ContinuousWave：连续波)激光作为种子光的分布反馈型的半导体激光器。通过变更半导体激光器86的温度设定，能够使振荡波长发生变化。

钛蓝宝石放大器87包含钛蓝宝石晶体(未图示)和抽运用脉冲激光装置(未图示)。钛蓝宝石晶体配置在种子光的光路上。抽运用脉冲激光装置是输出YLF激光的第二高次谐波光的激光装置。

波长转换系统88是产生第四高次谐波光的波长转换系统，包含LBO(LiB₃O₅)晶体和KBBF(KBe₂BO₃F₂)晶体。各晶体配置在未图示的旋转台上，构成为能够变更种子光相对于各晶体的入射角度。

放大器84与图17所示的放大器80同样，包含：一对电极22a和22b；激光腔室21，其包含ArF激光气体作为激光介质；脉冲功率模块24；以及充电器23。另外，放大器84与放大器80不同，具有凸面镜91和凹面镜92来代替输出耦合镜27和后反射镜26。

凸面镜91和凹面镜92被配置成，利用凸面镜91和凹面镜92对从主振荡器83输出的脉冲激光进行反射，从而使射束在激光腔室21的放电空间内通过3次而放大。

当激光控制部13E从激光加工控制部32A接收到目标波长λt和目标脉冲能量Et时，向主振荡器83的固体激光控制部89发送目标波长λt。另外，激光控制部13E以成为目标脉冲能量的方式对放大器84的充电器23的充电电压进行设定。

当固体激光控制部89从激光控制部13E接收到目标波长λt时，变更半导体激光器86的振荡波长λa1以使从波长转换系统88输出的种子光的波长为目标波长λt。这里，振荡波长λa1被设定为目标波长λt的4倍、即λa1＝4λt。由于目标波长λt为193.4nm，所以λa1为193.4×4＝773.6nm。这里，以ArF激光气体为激光介质的放大器84所能够放大的波长范围为193.2nm～193.6nm，因此也可以根据需要在该波长范围内变更目标波长λt。

在波长转换系统88中，固体激光控制部89对未图示的旋转台进行控制而设定激光相对于各晶体的入射角度，以使LBO晶体和KBBF晶体的波长转换效率最大。

当从激光控制部13E输入发光触发Tr时，固体激光控制部89向钛蓝宝石放大器87的抽运用脉冲激光装置发送触发信号。在钛蓝宝石放大器87中，抽运用脉冲激光装置根据触发信号，将所输入的种子光即CW激光转换为脉冲激光而输出。从钛蓝宝石放大器87输出的脉冲激光被输入到波长转换系统88。波长转换系统88将λa1的脉冲激光波长转换为第四高次谐波即目标波长λt的脉冲激光而输出。

另外，当激光控制部13E从激光加工控制部32A接收到发光触发Tr时，将脉冲功率模块24的开关24a关闭，以使从主振荡器83输出的脉冲激光在入射到放大器84的激光腔室21的放电空间时放电。

其结果是，在激光腔室21中，从主振荡器83入射到放大器84的脉冲激光通过凸面镜91和凹面镜92的作用在放电空间内通过3次而被放大。另外，通过3次通过，脉冲激光的射束的直径被扩大。

放大后的脉冲激光由监视器模块11E进行采样，计测脉冲能量和波长的实测值。激光控制部13E对充电器23的充电电压进行控制，以使计测出的脉冲能量与目标脉冲能量Et之差接近为0。接着，激光控制部13E对半导体激光器的振荡波长λa1进行控制，以使计测出的波长与目标波长λt之差接近为0。当快门12打开时，透过了监视器模块11E的分束器11a的脉冲激光向激光加工装置入射。

在主振荡器83为固体激光装置的情况下，优选作为图13或图16所示的激光加工装置4B或激光加工装置4C的光源来应用。由于所输出的脉冲激光的射束接近于单横模的高斯射束，所以能够将射束束腰位置处的射束的直径减小到衍射极限附近。

在本例中，作为放大器84，示出了多路径放大器的例子，但并不限于此，例如，也可以是具有法布里-珀罗型谐振器、环型谐振器的放大器。

另外，在本例中，使用固体激光装置来作为主振荡器83，将固体激光装置和使用ArF激光气体作为激光介质的放大器84组合起来而构成激光装置3E。

在放大器84是以KrF激光气体为激光介质的放大器的情况下，可放大的波长范围是248.1nm～248.7nm。作为该情况下的激光装置，主振荡器83可以使用能够使波长在上述可放大的波长范围内变化的波长可变的固体激光装置，也可以使用使谱线宽度窄带化的窄带化KrF准分子激光装置。并且，在放大器84是以F₂激光气体为激光介质的放大器的情况下，可放大的波长为157.6nm。该情况下的激光装置例如使用使主振荡器83在该波段内振荡的固体激光装置。如上所述，从对紫外线的脉冲激光进行放大的放大器的观点来看，优选紫外线的脉冲激光的波长为157.6nm～248.7nm的范围。

上述的说明只是示例性的，不是用于限定的内容。因此，本领域技术人员可以理解在不脱离权利要求书的范围的情况下可以对本公开的各实施方式实施变更。

本说明书以及附带的权利要求书整体中使用的术语应该解释为“不限定”的术语。例如，“包括”或者“包含”等术语应该解释为“不限定于作为包含的手段记载的手段”。术语“具有”应该解释为“不限定于作为具有的手段记载的手段”。并且，本说明书以及附带的权利要求书中记载的修饰语“一个”应该解释为“至少一个”或者“一个或一个以上”。

Claims

1.一种激光加工方法，使用激光加工系统对相对于紫外线透明的透明材料实施激光加工，该激光加工系统具有：激光装置，其输出所述紫外线的脉冲激光；转印掩模，其形成有使所述脉冲激光透过的转印图案；以及转印光学系统，其对转印像进行转印，该转印像是通过使所述脉冲激光透过所述转印图案而形成的，且形状与所述转印图案对应，其中，该激光加工方法具有以下的步骤：

A.定位步骤，在所述脉冲激光的光轴方向上进行由所述转印光学系统转印的所述转印像的转印位置与所述透明材料之间的相对定位，该定位使得所述转印位置在所述光轴方向上成为从所述透明材料的表面向所述透明材料的内部进入了规定的深度ΔZsf的位置；

B.照射步骤，对所述透明材料照射脉冲宽度为1ns～100ns的范围且所述转印位置处的射束的直径为10μm以上且150μm以下的所述脉冲激光；

C.在所述透明材料的内部，在所述脉冲激光透过的光路上产生改质，使所述脉冲激光在所述透明材料的内部自收敛的步骤；以及

D.通过所述自收敛的脉冲激光的透过光使烧蚀加工沿深度方向进行，实施加工深度为1.5mm以上的高纵横比的孔加工的步骤，

其中，所述透明材料是合成石英玻璃，所述脉冲激光的波长为157.6nm～248.7nm，

所述深度ΔZsf的范围为0.5mm以上且4mm以下。

2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，

所述脉冲激光为ArF激光。

3.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，

所述脉冲激光在所述转印位置处的注量为3J/cm²以上且15J/cm²以下。

4.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，

所述脉冲激光的照射脉冲数为3,000脉冲以上。

5.根据权利要求4所述的激光加工方法，其中，

所述照射脉冲数为35,000脉冲以下。

6.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，

所述激光装置具有：包含固体激光装置的主振荡器；以及放大器，其包含ArF激光气体作为激光介质，且对所述主振荡器输出的脉冲激光进行放大。

7.根据权利要求6所述的激光加工方法，其中，

所述固体激光装置包含由多个晶体构成的波长转换系统。

8.根据权利要求7所述的激光加工方法，其中，

所述固体激光装置包含能够使振荡波长发生变化的半导体激光器。

9.根据权利要求8所述的激光加工方法，其中，

所述激光装置具有计测脉冲激光的波长的波长监视器，在接收到目标波长时，以脉冲激光的波长成为目标波长的方式对所述固体激光装置所具有的半导体激光器设定与所述目标波长不同的波长。

10.根据权利要求7所述的激光加工方法，其中，

所述波长转换系统具有对激光相对于各所述晶体的入射角度进行设定的旋转台。

11.一种激光加工方法，使用激光加工系统对相对于紫外线透明的透明材料实施激光加工，该激光加工系统具有：激光装置，其输出所述紫外线的脉冲激光；以及聚光光学系统，其使所述脉冲激光会聚，其中，该激光加工方法具有以下的步骤：

A.定位步骤，在所述脉冲激光的光轴方向上进行所述脉冲激光的射束束腰位置与所述透明材料之间的相对定位，该定位使得所述射束束腰位置在所述光轴方向上成为从所述透明材料的表面向所述透明材料的内部进入了规定的深度ΔZsf的位置；

B.照射步骤，对所述透明材料照射脉冲宽度为1ns～100ns的范围且所述射束束腰位置处的射束的直径为10μm以上且150μm以下的所述脉冲激光；

其中，所述透明材料是合成石英玻璃，所述脉冲激光的波长为157nm～248nm，

所述深度ΔZsf的范围为0.5mm以上且4mm以下。

12.根据权利要求11所述的激光加工方法，其中，

所述脉冲激光是ArF激光。

13.根据权利要求11所述的激光加工方法，其中，

所述脉冲激光的所述射束束腰位置处的注量为3J/cm²以上且15J/cm²以下。

14.根据权利要求11所述的激光加工方法，其中，

所述脉冲激光的照射脉冲数为3,000脉冲以上。

15.根据权利要求14所述的激光加工方法，其中，

所述照射脉冲数为35,000脉冲以下。

16.根据权利要求11所述的激光加工方法，其中，

所述激光装置具有：包含固体激光装置的主振荡器；以及放大器，其包含ArF激光气体或KrF激光气体作为激光介质，且对所述主振荡器输出的脉冲激光进行放大。

17.根据权利要求16所述的激光加工方法，其中，

所述固体激光装置包含由多个晶体构成的波长转换系统。

18.根据权利要求17所述的激光加工方法，其中，

19.根据权利要求18所述的激光加工方法，其中，

20.根据权利要求17所述的激光加工方法，其中，