JP2005077857A - 複数の焦点を有する顕微鏡、該顕微鏡を具備するレーザー加工装置および該装置を用いたレーザー加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザー加工を行う時に使用する顕微鏡において、複数の焦点を有し異なる領域を同時に観察できる顕微鏡を提供する。
【解決手段】
対物レンズと、それぞれ焦点距離の異なる複数の接眼レンズと、該対物レンズと該接眼レンズの間の光路上に位置する部分反射ミラーを有し、該部分反射ミラーを透過した光と該部分反射ミラーによって分岐された光のそれぞれを対応する前記複数の接眼レンズに入射させて、それぞれの接眼レンズに対物レンズから異なる距離の対象物を結像させる顕微鏡を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は光学顕微鏡に関するものであり、特に３次元光回路、３次元光メモリ、３次元実装回路、３次元フォトニックデバイスやノズル加工、溝加工、カッティング加工の製造及び検査に好適に使用することができる顕微鏡に関する。

従来、顕微鏡は１つの焦点を有するものであり、対象を観察する際は、観察対象を対物レンズから所定の距離に置くことが必要である。対象と対物レンズの距離が前記所定の距離になっていなければ、対象の像は正確に結像せず、いわゆるピンぼけを生じることになる。

一方、近年ではフェムト秒レーザーが開発されたことにより非常に小さなスケールで加工が可能となり、顕微鏡で対象を観察しながら加工を行ったり、加工後に顕微鏡を用いて検査を行う必要性が高くなっている。特に３次元光回路の製造では、透明な媒質中に周囲とは屈折率の異なる領域を設けこれを導波路として光伝達、スイッチングなどに使用するため３次元的に分布する対象を観察しながら加工を行うことが必要になる。

さらに光メモリは、フェムト秒レーザーによって製造が可能になった情報記録媒体であり、透明な媒質中に三次元的に分布する領域の光学特性（例えば屈折率、反射率など）を変化させることによって情報の記録及び読み出しを行うものである。光メモリは、極めて高密度、高精度な加工が必要であるため、顕微鏡により観察しながらの加工が必要不可欠である。

光メモリの製造に使用することができる、フェムト秒レーザーを使用した装置（従来技術）は、例えば図１に示したように、対象を観察する光学系１に加工用レーザーの入射口２及び対象を観察するためのカメラ３を組み合わせたものである。鏡筒内に部分反射ミラー４等を設け、該部分反射ミラー４で反射させることによって対象にレーザーを照射し、同時に部分反射ミラー４の透過光によって対象を観察することができる。

従来の顕微鏡を用いて媒質中に三次元的に分布する加工個所の観察を行う場合、試料又は顕微鏡を３次元的に逐次移動させる必要がある。しかしながら、この方法では検査等に極めて多くの時間が必要となる。また加工時に、レーザー光線と顕微鏡、若しくは該顕微鏡に接続されたカメラの焦点を一致させることが困難なために、ぼやけた画像を見ながら加工せざるを得ない場合が多く、また、深さ方向に異なる複数の点を同時に観察することは不可能であった。特に深さ方向の結像は接続されるカメラに依存する構造となるため数μｍという極めて浅い焦点深度分の観察しかできないのが現状であった。

本発明は、異なる複数の領域、特に深さ方向に分布する複数の領域の観察を速やかに実行するために２つ以上の焦点を有するか、あるいは、対物レンズから観察対象までの距離を速やかに調節可能な顕微鏡を提供するものである。

上述の問題に鑑み本発明は、対物レンズと、それぞれ焦点距離の異なるふたつ以上の接眼レンズと、該対物レンズと該接眼レンズの間の光路上に位置する部分反射ミラーを有し、該部分反射ミラーを透過した光と該部分反射ミラーによって分岐された光のそれぞれを対応する前記複数の接眼レンズに入射させて、それぞれの接眼レンズに対物レンズから異なる距離の対象物を結像させる顕微鏡を提供する。これによって対物レンズからの距離が異なる複数の領域を同時に観察することができる。

さらに、前記接眼レンズのうち少なくとも１つには撮像カメラが接続されている装置を提供する。撮像カメラの映像を画像処理することによって肉眼による観察に比較して一層詳細な分析が可能になる。また、対物レンズと接眼レンズの間の光路上に第２の部分反射ミラーを設け、該部分反射ミラーで反射させたレーザー光を対象物に照射することで、対象を加工しながら同時に観察することも可能になる。この場合、観察と加工の光軸が一致しているので、加工が行われている位置の映像を正確に捉えることができ、加工されている位置とは別の位置を観察してしまう等の問題が生じない。レーザー光は、観測用の光路とは別の光路を通って対象物に照射されるものであっても良い。この場合、固定された領域の映像を観察しながら加工用レーザー光の焦点を移動させることが容易になる。

本発明は、さらにこのような光学系において、対物レンズと接眼レンズの間の光路上にズーム機構を設け、ズーム機構を操作することによって接眼レンズから距離の異なる対象物を次々と結像させる顕微鏡を提供する。前記ズーム機構を操作して対物レンズからの距離が異なる対象物の映像を順次結像させる顕微鏡を提供することによって、対象の深さ方向に異なる位置を連続的に加工、観察することができる。

また本発明は複数の接眼レンズを有しており、これらの接眼レンズに分光装置を組み込むことにより、加工に適した装置を構成することができる。この分光装置として特定の波長のみを透過あるいは遮断するような装置を用いることによって、対象物の観察を容易にすることができる。さらに前記複数の接眼レンズうちの少なくともひとつは、レーザー照射部の蒸散物そのものあるいは蒸散物からの発光を観察することにより、加工状態を計測するレーザー加工装置を提供する。また、前記複数の接眼レンズうちの少なくともひとつは、レーザー照射部あるいは照射部からの発光を観察することにより、加工状態を計測するレーザー加工装置を提供する。これらの装置により加工制御性が飛躍的に向上する。

前記分光装置はレーザー光の散乱光を接眼レンズで観察することにより加工状態を計測して、加工制御性を向上させることもできる。さらに前記複数の接眼レンズのうち少なくとも１つは、プローブ用レーザー光の散乱光を観察することにより、加工状態を計測して加工制御性を向上させることができる。また対象物を照射する照明光として白色光あるいは変調スペクトルを持つ光を照射する。

以下に図を用いて本発明の実施例を説明する。図２は本発明の顕微鏡の概略的な構成を示した図である。図示したように鏡筒６は対物レンズ８を有し、該対物レンズ８からの光がレーザー光を反射する第１の部分反射ミラー４を通過し、光を複数の接眼レンズに分岐するための第２の部分反射ミラー５に到達する。ここで光は第１の接眼レンズ９に向かう方向と、第２の接眼レンズ１０に向かう方向に分岐する。分岐したそれぞれの光は第１の撮像カメラ３、第２の撮像カメラ７に入射する。このとき第１及び第２のそれぞれの接眼レンズ９、１０の焦点距離が異なるので、対物レンズから像を結ぶ対象までの距離が異なることになり、第１と第２の撮像カメラ３、７によって同時に複数の領域を観察することができる。

ここで加工に用いるレーザー光を反射させる第１の部分反射ミラー４は該レーザー光のみを反射させ、通常光は透過させる特性を有することが好ましい。また接眼レンズ９、１０の焦点調節は光軸に沿って該レンズをスライドさせることによって行うことが好ましい。

次に本発明の装置を用いてレーザー加工を行う原理を説明する。図３は本発明の装置の原理を模式的に表した図である。したがって接眼レンズの構成、鏡筒などは省略してある。

前記記載のように対物レンズ８及び接眼レンズ９、１０に対し第１および第２の焦点１１、１２が形成されている。ここで再度述べるが、図３では接眼レンズが１つとして示されているが、実際には図２に示したように２つの接眼レンズを有するものであり、光軸は部分反射ミラー５によって分岐している。図３は、１つの光学系で複数の焦点が結ばれることを示すための模式的な図である。この焦点は深さ方向に位置しており、つまり同一の光軸１３上に位置している。さらにレーザー反射用の第１の部分反射ミラー４によってレーザー光１５を反射し、対象物１４に到達させて加工を行うことができる。このとき他の層の状態をモニタすことでより精密な加工を行うことができる。図３に示したように第１及び第２の接眼レンズ９、１０がそれぞれ光軸上の異なる領域に第１および第２の焦点１１、１２を結び、レーザー光１５が到達した点１８の上下にこれらの焦点を合わせておくことで加工の際、近隣の層の状態をモニタすることができる。

さらに、深さ方向に異なる位置を観測するためには、鏡筒を光軸に沿って移動させることも可能であるが、図３に示すように部分反射ミラー４を用いて観測用光学系の光軸に沿ってレーザー光１５を照射する場合、鏡筒を移動させることはレーザー光の照射位置の変動を生じる問題がある。それに対して、部分反射ミラー４よりも接眼レンズよりにズーム機構を設けて、各接眼レンズの焦点距離を変化させる構造を採用した場合は、深さ方向に距離の異なる対象に短時間で精度良く合焦させることができ、加工効率、精度ともに向上させることができる。

次に、本発明の装置の実施例を説明する。図４は複焦点を有する加工機の形態図である。図中の符号は、１９はＣＣＤ用ミラー、２０はＣＣＤ用部分反射ミラー、２１は４５度ミラー、２２はＣＣＤカメラ、２３はオートフォーカス（ＡＦ）機能付きＣＣＤカメラ、２４は取付け部、２５はレーザー導入用ダイクロックミラー、２６は結像レンズ、２７は対物レンズ、２８はワーク、２９はマスク用レンズ、３０はレーザー光である。ＣＣＤ用部分反射ミラー２０及びＣＣＤ用ミラー１９によって光線は分岐され、それぞれＡＦ機能付きＣＣＤカメラ２３及びＣＣＤカメラ２２に結像する。本図に対応する具体的な構成図は図５に示した。他の図面と対応する部分は同じ符号を用いている。

このような構成に基づいて、カメラの位置、又はレーザー光源の位置等について様々な実施例を考えることができる。図６はレーザー光源３１が複数設置されているときの構成である。また図７では鏡筒外に設置されたカメラ３２を有する装置である。

図６（ａ）は２つのレーザー光源３１を鏡筒に設置した時の図であり、部分反射ミラー４を用いてレーザー光を対象物に照射している。（ｂ）では鏡筒に設置されたレーザー光源３１と鏡筒外のレーザー光源３７の２つのレーザー光源を有しているときの図である。（ｃ）についてはレーザー光源を２つ有しているが、両方とも鏡筒外のレーザー光源３７であり直接対象物を照射している。

一方、図７（ａ）では鏡筒外のカメラ３２を有しており、対象物からの散乱光を観察する。（ｂ）では鏡筒外のカメラ３２を有しさらに鏡筒外にレーザー光源３７を有している。（ｃ）では鏡筒外のカメラ３２を２つ有しており、対象物からの散乱光を斜め方向から撮像する。

このように複数のカメラ又は光源を有する装置では従来にはない利点が考えられる。例えば図８はレーザー照射経路に結像光学系３８を設けた例である。結像レンズ２６を用いて結像光学系を構成することにより任意のビーム強度分布での加工が可能になり、ガウシアン分布だけでなくトップハット分布やドーナツ分布を生成することができる。ビーム形状も円形だけでなく多角形も可能になる。また、図９に示した例では、それぞれの観察カメラの前に色フィルタ３５、３６を挿入して、レーザーからの散乱光を遮断して撮影することができる。この色フィルタは接眼レンズの前後どちらかまたは両方に設置される。さらにフィルタのみならず分光光学系を設置し、特定の波長のみを透過または遮断することができる。また、これら複数の接眼レンズにレーザー光の散乱光を入射させることにより撮像カメラで対象物を観察し、加工制御性を向上させることができる。同様に、これら複数の接眼レンズに入射する光として、プローブ用レーザー光の散乱光、または対象物に照射される白色光または変調スペクトルを有する光を用いて対象物を観察することができる。これによって対象物の加工状態を観察し加工制御性を向上させることができる。さらに前記複数の接眼レンズうちの少なくともひとつは、レーザー照射部の蒸散物そのものあるいは蒸散物からの発光を観察することにより、加工状態を計測することによっても加工制御性が向上し、同様に複数の接眼レンズうちの少なくともひとつは、レーザー照射部あるいは照射部からの発光を観察することにより、加工状態を計測するレーザー加工装置によっても加工制御性を向上させることができる。

また図示しないが、金属、半導体、セラミックなどの微細加工において、例えばコンタクトホールのような開口部を有する形状の加工を行う際、開口部付近で発生するデブリが問題となる。本発明の装置を用いることによって一方のカメラで開口部付近を監視し、他方のカメラでレーザー光による加工が行われている部分をモニタしながらデブリの発生を抑えて加工を行うことができる。また加工の際の僅かのデブリが表面等へ付着するか否かを観察することができ、適切な加工ができる。

本発明は上記実施例以外にも様々な応用が可能である。前記記載の例では撮像カメラ又は接眼レンズは２つであったが、カメラ又は接眼レンズの数はこれに限定されるものではなく例えば３台のカメラを用いて、１つは加工部位を観察するカメラとし、他の１台はその上部を、別の１台は下部を観察することができる。この場合当然ながら部分反射ミラーも所定の数だけ必要である。またそれぞれのカメラにオートフォーカス機構を設けることによって、加工を行うオペレータは加工にのみ注意を払い、カメラの焦点調節は自動で行うこともできる。さらにはズーム機構を設け観察領域、又は拡大率を変更して加工することもできる。

他の実施例では、本発明の装置において、対象物への焦点は１つとして、複数の異なる機能を備えたカメラを使用することによって、１つの領域を複数のパラメータで同時に観察することができる。例えば一方のカメラは通常光によるカメラであり、他のカメラは赤外線カメラ、紫外線カメラ等として複数のカメラによって、１つの領域を同時に観察することができる。

したがって本発明の装置はレーザー加工のみならず、光学顕微鏡、共焦点顕微鏡、又は電子ビーム顕微鏡に応用することができる。

本発明によって複数の領域を同時に観察することができ、従ってレーザー加工を行う層、およびその近隣の領域を観察しながら加工を行うことができる。

最後に本発明の顕微鏡は特にフェムト秒レーザー装置を用いた加工に利用することができる。さらに上述のように３次元光回路、３次元光メモリ、３次元実装回路や３次元フォトニックデバイスの製造及び検査に対して有効である。複数のカメラで同時に観察ができることから加工及び検査の速度を大幅に向上させることができる。本発明を実施した装置の写真を図１０に示す。図１０は一例に過ぎないがワーク２８は加工対象に応じて任意の大きさに形成することができる。

図１はレーザー加工に用いる顕微鏡の従来技術である。 図２は本発明のレーザー加工用顕微鏡の概略的な構成図である。 図３は本発明の顕微鏡を用いてレーザー加工を行う際の模式的な図である。 図４は複焦点を有する加工機を示した図である。 図４の加工機の具体的な構成図である。 図６はレーザー光源が複数設置されているときの実施例である。 図７では鏡筒外にカメラを設置したときの実施例である。 図８ではレーザー照射方法として結像光学系を組んでいる実施例である。 図９は各カメラの前にいろフィルタを挿入したときの図である。 図１０は本発明の実施例の写真である。

符号の説明

１ 光学系
２ 入射口
３ 第１の撮像カメラ
４ 第１の部分反射ミラー
５ 第２の部分反射ミラー
６ 鏡筒
７ 第２の撮像カメラ
８ 対物レンズ
９ 第１の接眼レンズ
１０ 第２の接眼レンズ
１１ 第１の焦点
１２ 第２の焦点
１３ 光軸
１４ 対象
１５ レーザー光
１８ レーザー光到達点
１９ ＣＣＤ用ミラー
２０ ＣＣＤ用部分反射ミラー
２１ ４５度ミラー
２２ ＣＣＤカメラ
２３ オートフォーカス（ＡＦ）機能付きＣＣＤカメラ
２４ 取付部
２５ レーザー導入用ダイクロックミラー
２６ 結像レンズ
２７ 対物レンズ
２８ ワーク
２９ マスク用レンズ
３０ レーザー光
３１ レーザー光源
３２ 鏡筒外に設置されたカメラ
３７ 鏡筒外のレーザー光源
３８ 結像光学系

Claims (15)

1. 対物レンズと、それぞれ焦点距離の異なる複数の接眼レンズと、該対物レンズと該接眼レンズの間の光路上に位置する部分反射ミラーを有し、該部分反射ミラーを透過した光と該部分反射ミラーによって分岐された光のそれぞれを対応する前記複数の接眼レンズに入射させて、それぞれの接眼レンズに対物レンズから異なる距離の対象物を結像させる顕微鏡。
2. 前記接眼レンズのうち少なくとも１つには撮像カメラが接続されている請求項１に記載の装置。
3. 対物レンズと、接眼レンズと、該対物レンズと該接眼レンズの間の光路上に設けられたズーム機構を有し、ズーム機構を操作することによって接眼レンズから距離の異なる対象物を順次結像させることができる顕微鏡。
4. さらに、前記部分反射ミラーと対物レンズとの間に第２の部分反射ミラーを備え、該第２の部分反射ミラーで反射させたレーザー光を対象物に照射すると同時に対象物の映像を結像させることができる前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の顕微鏡。
5. 前記第２の部分反射ミラーはレーザー光を一部反射し、通常光を一部透過するものである前記請求項４に記載の顕微鏡。
6. 対物レンズと、それぞれ焦点距離の異なる複数の接眼レンズと、該対物レンズと該接眼レンズの間の光路上に位置する第１と第２の部分反射ミラーを有し、該第２の部分反射ミラーで反射させたレーザー光を対象物に照射すると同時に、該第１の部分反射ミラーを透過した光と分岐された光のそれぞれを対応する前記複数の接眼レンズに入射させて、それぞれの接眼レンズに対物レンズから異なる距離の対象物を結像させて観測を行うことができるレーザー加工装置。
7. レーザー光源と第２の部分反射ミラーとの間の光路上に結像光学系を有し、レーザービームの強度分布またはビーム形状を制御することができる請求項６に記載のレーザー加工装置。
8. レーザー光を部分反射ミラーによって反射させて対象物に照射すると同時に、該部分反射ミラーを透過した対象物からの反射光を他の部分反射ミラーによって分岐させ、分岐光毎に焦点距離の異なる複数の接眼レンズを用いてそれぞれの接眼レンズによって対物レンズから異なる距離の対象物を結像させてレーザー加工と同時に対象物の複数の点の観測を行うレーザー加工方法。
9. 前記複数の接眼レンズのうちの１つにはレーザーによる加工が行われている位置の映像を結像し、他の１つにはレーザー加工によりデブリの発生が予想される位置の映像を結像してデブリの発生を防止する前記請求項８に記載のレーザー加工方法。
10. 前記複数の接眼レンズのうち少なくともひとつには、その前後どちらかまたは両方に特定の波長のみを透過あるいは遮断するような分光装置を組み込む請求項１ないし７のいずれか１項に記載の顕微鏡。
11. 前記複数の接眼レンズのうち少なくともひとつには、レーザー光の散乱光を入射させて対象物を観察することにより、間接的に加工状態を計測する請求項６に記載のレーザー加工装置。
12. 前記複数の接眼レンズうちの少なくともひとつは、プローブ用レーザー光の散乱光を入射させ対象物を観察することにより、加工状態を計測する請求項６に記載のレーザー加工装置。
13. 前記複数の接眼レンズうちの少なくともひとつは、レーザー照射部の蒸散物そのものあるいは蒸散物からの発光を入射させ対象物を観察することにより、加工状態を計測する請求項６に記載のレーザー加工装置。
14. 前記複数の接眼レンズうちの少なくともひとつは、レーザー照射部あるいは照射部からの発光を入射させ対象物を観察することにより、加工状態を計測する請求項６に記載のレーザー加工装置。
15. 前記対象物は、白色光あるいは変調スペクトルを持つ光を照射される、請求項６に記載のレーザー加工装置。