JP2007007660A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ加工装置において、レーザ加工を行う場合にレーザ光の利用効率を改善することができ、それにより効率よく被加工物を加工することができるようにする。
【解決手段】 レーザ光Ｌ_２、Ｌ_３を発生するレーザ発振器１と、複数の微小ミラーが規則正しく配列され、被加工物１５の加工パターンに対応した断面形状を有する変調光Ｌ_Ｍに変換するマイクロミラーアレイ７と、変調光Ｌ_Ｍを被加工物１５に照射してレーザ加工を行う照射光学系２０と、照射光学系２０に対して、レーザ発振器１、マイクロミラーアレイ７の傾きを可変する傾斜ステージ４、５とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。例えば、レーザ光を照射することにより被加工物の指定領域の除去、切断などを行うレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ光を被加工物の所望領域に照射することにより加工を行うレーザ加工装置が知られている。例えば、液晶ディスプレイなどの製造において、ガラス基板上の配線パターンや、露光に用いるフォトマスクに存在する不要な残留物などの欠陥部を修正する手段として、レーザリペア装置が知られている。
このレーザ加工装置は、レーザ光の照射領域の大きさを可変の矩形開口などで規定していたが、近年、マイクロミラーアレイなどの空間変調素子を用いた装置も知られている。
例えば、特許文献１には、レーザ源と、被加工物を載置する加工テーブルと、微小ミラーアレイ（マイクロミラーアレイ）とを備え、微小ミラーアレイの複数のミラー片の角度を、ＯＮ／ＯＦＦ制御することで切り換えて、被加工物に任意のパターン形状を形成するレーザ加工装置が記載されている。
このレーザ加工装置に使用されるレーザの波長は、加工対象によって適切な波長が選択される。例えば、レーザリペア装置では、金属膜の修正には可視〜赤外帯、透明膜には紫外帯、というように被加工物に吸収されやすい波長が使用される。波長を切り換えるために、複数のレーザを備えた装置や、１つの基本波長のレーザの複数の高調波をきりかえられるようにした装置などが存在する。
特開平８−１７４２４２号公報（第３−４頁、図１−２）

しかしながら、特許文献１のようにマイクロミラーアレイなどの、複数の能動光学要素が規則的に配列された能動光学素子を用いたレーザ加工装置によって、レーザ光を用いたレーザ加工を行う場合、単にマイクロミラーによる正反射方向にレーザ光を照射する顕微鏡の光軸を設定しただけではレーザ光の利用効率を低下させる現象が発生するという問題がある。
マイクロミラーアレイを用いたレーザ加工装置では、マイクロミラーアレイの像を顕微鏡で被加工物上に縮小投影する。マイクロミラーアレイは小型ミラーを等間隔に配列した構造なので、そこから反射されたレーザ光は複数の回折光に分かれる。しかし、一般に顕微鏡の後側開口数は小さいので、複数に分かれた回折光をすべて入射することができない。

それにより、不都合を生じることがあることについて、図６を参照して説明する。
図７は、ＹＡＧレーザの第２高調波（波長λ_２＝５３２ｎｍ）と第３高調波（波長λ_３＝３５４．７ｎｍ）を切り換えられるレーザ加工装置における回折光の角度分布の例である。すなわち、マイクロミラーアレイを反射した回折光の角度分布（α，β）を入射する顕微鏡の光軸５０２を中心とした角度平面５０１にプロットしたものである。

波長λ_３では、図示×印で示すように、光軸５０２の近くに１つの回折次数５０４がある。レーザ光の照射領域に相当する小型ミラーは、光軸５０２の方向へレーザ光を反射するように傾いているので、光軸５０２に近い回折次数５０４が唯一、大きな強度を持つ回折光になる。この回折次数５０４は、顕微鏡の後側角開口５０３の範囲内にあるので、レーザ光の強度を効率よく被加工物に照射することができる。
一方、波長をλ_２に切り換えると、図示丸印で示すように、光軸５０２の近くに回折次数が無く、同じような角度だけ離れた位置に４つの回折次数５０５が存在している。そのため、これら複数の回折次数５０５にレーザの強度が分散し、かつ顕微鏡の後側角開口５０３に入射しなくなる。つまり、波長λ_２を使用する場合は、顕微鏡に対する入射角度を変えて、１つの回折次数を入射させることはできるが、それでもレーザ光の利用効率は改善されない。

そこで本発明は、このような課題を解決することにより、レーザ加工を行う場合にレーザ光の利用効率を改善することができ、それにより効率よく被加工物を加工することができるレーザ加工方法および装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を発生するレーザ光源と、該レーザ光源により発生されたレーザ光を少なくとも２方向に偏向可能な複数の偏向要素が規則的に配列された空間変調素子と、該空間変調素子により前記少なくとも２方向のうち１つの方向に沿って偏向された変調光を被加工物に照射する変調光照射光学系とを有するレーザ加工装置であって、前記変調光照射光学系に対する、前記レーザ光源および前記空間変調素子の少なくともいずれかの傾きを可変する回動機構を備え、該回動機構により、前記変調光照射光学系の光軸に沿って進む前記変調光の、前記空間変調素子に対する出射角を可変とした構成とする。
この発明によれば、回動機構によりレーザ光源および空間変調素子の少なくともいずれかの傾きを変調光照射光学系に対して可変することができ、それにより、変調光照射光学系の光軸に沿って進む変調光の空間変調素子に対する出射角を可変できる。そのため、変調光が空間変調素子により回折されても、変調光照射光学系の光軸に沿って進む変調光を適宜の回折方向のものに合わせることができる。したがって、変調光として回折効率の高い光を変調光照射光学系に入射させることができる。

また、本発明のレーザ加工装置では、前記回動機構が、前記空間変調素子に対する前記レーザ光源の傾きを変えるように回動する構成であることが好ましい。
この場合、回動機構により、空間変調素子に対して、レーザ光源の傾きを変えることができるので、空間変調素子が固定されている場合に、空間変調素子に対するレーザ光の入射角を変えることができる。そのため、変調光照射光学系の光軸に沿って進む変調光を、レーザ光の波長と空間変調素子への入射角とに応じて適宜次数の回折光に合わせることができる。そのため、回折効率の高い変調光を変調光照射光学系に入射することができる。

また、本発明のレーザ加工装置では、前記変調光照射光学系に対する前記空間変調素子の傾きを変えるように回動する構成であることが好ましい。
この場合、変調光照射光学系に入射する前記変調光の、空間変調素子に対する出射角を変えることができるので、レーザ光の波長と空間変調素子への入射角とに応じて適宜次数の回折光に合わせることができる。そのため、回折効率の高い変調光を変調光照射光学系に入射することができる。
また、このような構成に加えて、回動機構が、空間変調素子に対するレーザ光源の傾きを変えるように回動する構成である場合には、これらの回動を組み合わせることにより、変調光照射光学系に入射する変調光の回折条件を最適化することができる。
また、空間変調素子の回動に合わせてレーザ光源を回動できるようにすれば、レーザ光の入射角が一定の条件の下で、変調光の出射角を可変できるから、回動制御が容易となり効率よく変調光の回折次数を変更できる。

また、本発明のレーザ加工装置では、前記回動機構の回動位置および前記レーザ光の波長から、前記変調光の回折方向を算出し、該回折方向が前記変調光照射光学系の光軸に一致するように前記回動機構を駆動する回動機構制御部を備えることが好ましい。
この場合、回動機構制御部により、変調光の回折方向を算出し、その回折方向に変調光照射光学系の光軸を一致させることができるので、自動的に回折効率を最適化できる。

また、本発明の前記回動機構制御部備えるレーザ加工装置では、前記レーザ光源が、２つ以上の異なる波長のレーザ光を切り替え可能に発生し、前記回動機構制御部が、前記それぞれのレーザ光の波長に共通する回折方向に、前記変調光照射光学系の光軸を一致させるようにすることが好ましい。
この場合、複数の波長のレーザ光を用いてレーザ加工を行うときに、波長を切り替えても回動機構を再調整することなく、変調光の回折効率を最適の状態とすることができるので、波長を切り替えたレーザ加工を迅速に行うことができ、加工効率を向上することができる。

また、本発明のレーザ加工装置では、前記空間変調素子が、前記複数の偏向要素として、傾斜角を切り替えて前記レーザ光を少なくとも２方向に偏向する複数の微小ミラーを備えるマイクロミラーアレイである構成であることが好ましい。
この場合、変調光の回折効率を向上するために、回動機構により変調光の回折方向を変調光照射光学系の光軸に一致させるので、微小ミラーの傾斜角が一定値をとる場合にも、変調光の回折効率を容易に最適化でき、高速かつ高効率なレーザ加工を行うことができる。

本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光が空間変調素子により回折されても、回動機構により変調光の回折方向を変調光照射光学系に略一致させることができるので、レーザ光の利用効率を改善することができ、それにより効率よく被加工物を加工することができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式説明図である。図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置に用いる空間変調素子近傍の光路について説明するための模式的な光路説明図である。

本実施形態のレーザ加工装置１００は、図１に示すように、波長がそれぞれλ_２、λ_３とされたレーザ光Ｌ_２、Ｌ_３を、加工パターンに応じて、変調光Ｌ_Ｍとして被加工物１５上に照射することによりレーザ加工を行う装置である。
被加工物１５としては、例えば、液晶ディスプレイなどに用いるガラス基板や、半導体基板などを挙げることができる。これらの場合、加工対象は基板上の配線パターンや露光に用いるフォトマスクに存在する不要な残留物などの欠陥部などが挙げられる。また、マイクロダイセクション装置に用いる場合には、細胞などの生体試料などを挙げることができる。
被加工物１５は、特に図示しないが、必要に応じて、例えば加工時の位置を固定する保持機構、吸着機構や、加工位置を移動するための移動機構を備えた載置台に保持されている。
レーザ光Ｌ_２、Ｌ_３は、このような加工対象の波長吸収特性などに応じて切り替えて使い分けられるようになっている。

レーザ加工装置１００の概略構成は、レーザ発振器１（レーザ光源）、傾斜ステージ４（回動機構）、マイクロミラーアレイ７（空間変調素子）、傾斜ステージ５（回動機構）、照射光学系２０（変調光照射光学系）、および制御部１６からなる。

レーザ発振器１は、複数の波長を有するレーザ光をパルス発振し、略平行光束として出射するレーザ光源である。本実施形態では、基本波長λ_１＝１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用い、第２、第３高調波（それぞれ波長λ_２＝５３２ｎｍ、λ_３＝３５４．７ｎｍ）を切り替えて、それぞれレーザ光Ｌ_２、Ｌ_３として、同一光路上に出射できるようになっている。
レーザ光Ｌ_２、Ｌ_３の光束径は、後述するマイクロミラーアレイ７の基準反射面７ａを十分覆うことができる大きさとされる。そのため、特に図示しないが、レーザ発振器１は、必要に応じてビームエキスパンダなどの光学系や光束径を規制する絞りなどを適宜備えている。

傾斜ステージ４は、レーザ発振器１を、レーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）の光軸上に設けられた回動中心４Ｃを中心として回動可能に支持する回動機構である。例えば、ゴニオステージなどを採用することができる。回動方向は、必要に応じて１軸回りでもよいし、２軸回りでもよい。そして、例えば、ステッピングモータで駆動される送りねじ機構などからなるステージ駆動部４ａを備え、後述する制御部１６により制御信号に応じて回動動作が制御される。

レーザ発振器１から出射されるレーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）の光路上には、レーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）の光量を調整する光減衰器３と、レーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）の断面強度分布を均一化する均一化光学系としてホモジナイザ２が設けられている。
ホモジナイザ２は、例えば、フライアイレンズ、回折素子、非球面レンズや、カレイド型ロッドを用いたものなどの種々の構成が知られているので、必要に応じてどの構成を採用してもよい。

マイクロミラーアレイ７は、図２に示すように、傾斜角が０°の状態の時、基準反射面７ａ上に整列し、制御信号に応じて、所定方向に傾斜可能な複数の微小ミラー７ｂ（偏向要素）が多数、縦横方向の格子状などに規則正しく配置されたものである。例えば、１６μｍ角の微小ミラー７ｂを８００×６００個、矩形状の領域に配置したＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）などの素子を採用することができる。
各微小ミラー７ｂは、制御信号に応じて静電電界を発生する駆動部（不図示）により、オン状態とオフ状態との２つの傾斜角、例えば、±１２°に傾斜されるようになっている。
そのため、マイクロミラーアレイ７は、一定の入射角で入射されたレーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）をオン状態の微小ミラー７ｂにより反射して制御信号に応じた断面形状の変調光Ｌ_Ｍを形成し、オフ状態の微小ミラー７ｂで反射された光を変調光Ｌ_Ｍの光路と異なる光路（図５の破線矢印参照）に反射することにより、レーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）の空間変調を行うことができるものである。

例えば、図２には、微小ミラー７ｂが基準反射面７ａから図示反時計回りに傾斜角φ_ＯＮ＝１２°だけ傾斜されたオン状態の微小ミラー７ｂが示されている。符号Ｎは、基準反射面７ａの法線を示す。基準反射面７ａに対して角度θ_ｉで入射したレーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）は小型ミラー７ｂで反射されて、正反射方向Ｒに反射される。ただし、図２は、見やすさのために、同一角度であっても角度をずらして描いている。
一方、このような等ピッチに配列され同一方向に傾斜された複数の微小ミラー７ｂはレーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）に対して回折格子として作用する。そのため、レーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）は、その波長と微小ミラー７ｂの配列ピッチとに応じて回折される。
そのため、回折次数に対応する各回折方向の光強度が強められ、それらの間の方向では、回折効率が下がって光強度が低下する。図２に、法線Ｎから角度θ_Ｄだけ傾斜した回折方向Ｄは、これら回折方向のうちレーザ光Ｌ_２、Ｌ_３に共通する回折方向を図示したものである。

傾斜ステージ５は、マイクロミラーアレイ７を、基準反射面７ａの略中心に位置する回動中心５Ｃを中心として回動可能に支持する回動機構である。例えば、ゴニオステージなどを採用することができる。回動方向は、必要に応じて１軸回りでもよいし、２軸まわりでもよい。そして、例えば、ステッピングモータで駆動される送りねじ機構などからなるステージ駆動部５ａを備え、後述する制御部１６により制御信号に応じて回動動作が制御される。
回動中心５Ｃと傾斜ステージ４の回動中心４Ｃは略一致される。

照射光学系２０は、図１に示すように、光軸２０２が回動中心４Ｃ、５Ｃを通るように配置された結像レンズ１１、対物レンズ１４が、基準反射面７ａと被加工物１５とが略共役となるように設けられた結像光学系である。例えば、顕微鏡などの光学系が採用することができる。
対物レンズ１４は像側が無限遠設計とされ、結像レンズ１１と対物レンズ１４との間では、レーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）が略平行光となっている。
この略平行光の光路上に、光源１３から出射された照明光Ｌ_ｏｂの一部を反射し一部を透過させ変調光Ｌ_Ｍを透過する半透鏡１２が設けられている。そのため、照明光Ｌ_ｏｂは変調光Ｌ_Ｍと同一光路上に導かれ、被加工物１５を照明できるようになっている。
照明光Ｌ_ｏｂの波長は、後述するＣＣＤ１０により撮像できる光であれば、どのような波長であってもよく、例えば可視光の波長領域に設定することができる。
半透鏡１２は、例えばハーフミラーやそのような波長特性を有するコーティングが施された反射板、プリズムなどの光分岐素子を採用することができる。

また、結像レンズ１１とマイクロミラーアレイ７との間の光路には、変調光Ｌ_Ｍを透過し、被加工物１５で反射された照明光Ｌ_ｏｂを反射する半透鏡８が設けられている。そのため、被加工物１５により照明光Ｌ_ｏｂが反射されて半透鏡８に戻ると、光路が分岐されるようになっている。半透鏡８は、半透鏡１２と同様の構成を採用することができる。
半透鏡８により分岐された光路上には、被加工物１５上の画像を撮像するためのＣＣＤ１０が、被加工物１５の表面と略共役となる位置に配置されている。

制御部１６は、レーザ加工装置１００の全体制御を行うもので、操作入力を行うための操作部１７、ＣＣＤ１０、操作部１７からの操作入力やＣＣＤ１０から送出される画像信号を表示するためのモニタ９が接続されている。
また、少なくとも制御対象であるレーザ発振器１、マイクロミラーアレイ７、ステージ駆動部４ａ、５ａと電気的に接続され、それぞれに対して、それらの動作を制御する制御信号を送出できるようになっている。
レーザ発振器１に対しては、操作部１７の操作入力に基づいて、レーザ光Ｌ_２、Ｌ_３のいずれかを選択して点灯または消灯させる制御信号を送出する。
また、マイクロミラーアレイ７に対しては、ＣＣＤ１０により撮像された被加工物１５の画像取り込んで画像処理し加工すべき領域を検出することにより、変調光Ｌ_Ｍの照射領域を加工すべき領域に一致させるべく各微小ミラー７ｂのオン状態とオフ状態とを制御する制御信号を送出する。

また、ステージ駆動部４ａ、５ａに対しては、操作部１７により設定されたレーザ光の波長に応じて、回折方向Ｄ（図２参照）を算出し、回折方向Ｄが光軸２０２に一致するように傾斜ステージ４、５の少なくともいずれかを回動するような制御信号を送出する。すなわち、制御部１６は、回動機構を駆動する回動機構制御部を構成している。

ここで、回折方向Ｄの設定方法について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の空間変調素子から出射される回折光の回動制御後の回折方向について説明するための角度分布図である。図４は、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の光軸設定の一例について説明するための模式的な光路説明図である。

マイクロミラーアレイ７は、四角い反射面を有する微小ミラー７ｂが縦横の格子状に配列されているため、回折光は２次元的に分布する。レーザ発振器１、マイクロミラーアレイ７、照射光学系２０の配置関係によっては、図７に示すように、（α_０，β_０）に位置する照射光学系２０の光軸２０２に対して、各回折方向は無関係に分布する。ここで、丸印は波長λ_２のレーザ光Ｌ_２の回折方向、×印は波長λ_３のレーザ光Ｌ_３の回折方向をそれぞれ示す。符号２０３は、照射光学系２０の後側角開口を示す。
また、レーザ光Ｌ_２、Ｌ_３は、基本波長λ_１の高調波であるので、波長λ_２、λ_３の比が、正確な整数比３：２となっている。そのため、ｍ_ｘ、ｍ_ｙを整数とすると、レーザ光Ｌ_２の回折次数（２・ｍ_ｘ，２・ｍ_ｙ）次、レーザ光Ｌ_３の回折次数（３・ｍ_ｘ，３・ｍ_ｙ）次のそれぞれの回折方向が一致するものである。

この場合、例えば、波長λ_３では、光軸２０２近傍の回折方向２０６の回折光が略入射されるから、回折効率の高い光が入射される。一方、波長λ_２に切り替えると、照射光学系２０に入射される光は３種類の回折方向２０７に分散し、それぞれ回折効率の低い光となるため、入射光量は低下する。
そこで、本実施形態では、傾斜ステージ４、５の少なくともいずれかを駆動して、回折方向を回動し、図３のような状態とする。すなわち、（α_０，β_０）の位置に、回折方向が共通する回折次数に対応した回折方向２０４、２０５を移動させる。

以下、このような回折方向の位置関係について光路を含む断面で説明する。ただし、簡単のため、図４に示す１次元の回折モデルを用いて説明する。
マイクロミラーアレイ６０１に、ＹＡＧレーザの基本波、第２高調波、第３高調波が、入射光６０２として入射角θ_ｉで入射される場合、各回折光の回折角θ_ｄは、次式の回折条件で表される。
ｓｉｎθ_ｄ−ｓｉｎθ_ｉ＝ｐ・λ_ｉ／Ｔ （２）
ただし、ｐは回折の次数、λ_ｉは入射光６０２の波長、Ｔはマイクロミラーアレイ６０１の配列ピッチである。
基本波、第２高調波、第３高調波のそれぞれの０次回折光６１０、６２０、６３０は、式（２）で、ｐ＝０の場合であり、マイクロミラーアレイ６０１の微小ミラーが基準反射面に整列した場合の正反射光である。
ｐが０でないとき、回折角θ_ｄが等しくなる条件は、式（２）より、ｐ・λ_ｉが一定となることである。
λ_２＝λ_１／２、λ_３＝λ_１／３であるから、図４に示すように、波長λ_１の１次回折光６１１（ｐ＝１）に回折方向が一致するのは、波長λ_２の第２高調波では、２次回折光６２２（ｐ＝２）であり、波長λ_３の第３高調波では、３次回折光６３３（ｐ＝３）である。一般に、基本波長のｍ次回折光の回折方向に、第ｕ高調波の（ｕ・ｍ）次回折光の回折方向が一致する。
そして、第２高調波の１次回折光６２１、第３高調波の１次回折光６３１、２次回折光６３２は、それぞれ異なる回折方向に回折される。

例えば、マイクロミラーアレイ６０１の微小ミラーの配列ピッチが、Ｔ＝１６μｍのとき、入射角θ_ｉ＝２３．８°で波長５３２ｎｍの第２高調波を入射すると１２（＝２×６）次回折光の回折角は、θ_ｄ＝０．２°となる。また、同じ入射角θ_ｉで波長３５４．７ｎｍの第３高調波を入射すると、その１８（＝３×６）次回折光の回折角が、θ_ｄ＝０．２°となって、両者が一致する。
そこで、光軸２０２に回折方向Ｄが一致するように、傾斜ステージ５を回動し、そのときの基準反射面７ａに対して、レーザ光Ｌ_２、Ｌ_３の入射角が上記のθ_ｉとなるように傾斜ステージ４を回動する。このようにすることにより、ＹＡＧレーザの波長を切り替えても、マイクロミラーアレイ６０１以降の光学系に対する入射条件が変わらず、かつレーザ光量の利用効率を最大にできるものである。
なお、小型ミラー７ｂの傾斜角φ_ＯＮが異なるマイクロミラーアレイ７を用いる場合でも、同様にして光利用効率を最大にする入射角θ_ｉが算出されるから、それに合わせて傾斜ステージ４、５を回動させることができる。そのため、傾斜角φ_ＯＮは、１２°とは限定されない。

以上は、回折次数が１次元の例で説明したが、回折次数が２次元となる一般の場合でも同様である。すなわち、第ｕ高調波は、ｍ_ｘ、ｍ_ｙを整数として、（ｕ・ｍ_ｘ，ｕ・ｍ_ｙ）次回折光の回折方向がすべて正確に一致するので、その回折方向と入射角とに合わせて傾斜ステージ４、５を回動することで、回折効率を最大にすることができる。
図１は、そのような状態を図示している。回折光１２１は、図３の回折方向２０４（２０５）に対応しており、回折光１２０、１２２は、その他の回折方向に対応している。

なお、回折方向Ｄは、２次元の入射角θ_ｉの関数であるから、角度調整の自由度は、２自由度あれば足りる。したがって、傾斜ステージ４、５がそれぞれ２軸回りに回動する場合は、いずれか一方のみを回動するだけで上記調整を行うことができる。また、傾斜ステージ４、５を独立な方向の１軸回りに回動するようにしてもよい。

次に、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の動作について説明する。
図５は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の初期状態について説明するための模式説明図である。
レーザ加工装置１００の初期状態では、図５に示すように、傾斜ステージ４、５が回動の基準位置に設定され、レーザ発振器１、マイクロミラーアレイ７の位置関係が最適化されていない。そのため、一般には、その状態でレーザ光Ｌ_２（Ｌ_３）を照射すると、回折光１２０、１２１、１２２などがいずれも光軸２０２からずれ、図３（ａ）に示すように照射光学系２０に入射する光が、複数の回折光に分散される結果、被加工物１５に照射される光強度が低下してしまう。

そこで、レーザ光を照射する前に、傾斜ステージ４、５の回動位置を最適化するための初期設定動作を行う。
すなわち、出射可能なレーザ光の波長λ_２、λ_３に対して、共通する回折方向Ｄと光軸２０２とを一致させるレーザ発振器１、マイクロミラーアレイ７の位置関係を上記の回折方向の設定方法に基づいて制御部１６により算出し、傾斜ステージ４、５の回動位置に対応する制御信号が傾斜ステージ４、５に送出される。

次に、レーザ加工装置１００を用いて、レーザ加工を行うための加工パターンデータを作成する。そのために、光源１３から照明光Ｌ_ｏｂを出射し、半透鏡１２で反射して対物レンズ１４を通して被加工物１５上を照明する。
照明光Ｌ_ｏｂの反射光は、対物レンズ１４、半透鏡１２、結像レンズ１１をそれぞれ透過して半透鏡８で反射され、ＣＣＤ１０により撮像される。そして、照明光Ｌ_ｏｂによる被加工物１５の表面の画像が画像信号１５０Ａとして制御部１６に送出される。
制御部１６は、この画像信号１５０Ａを画像データに変換して、モニタ９に表示する。そして、操作者がモニタ９の画像を観察し操作部１７を通じて加工すべき欠陥部や切断部を指定したり、制御部１６により画像データを画像処理して欠陥部や切断部を自動抽出したりして、それら欠陥部や切断部の画像データに対応した加工パターンデータ１５１を作成する。
この加工パターンデータ１５１は、レーザ光の照射領域を、マイクロミラーアレイ７の各微小ミラー７ｂのオン状態に対応させる制御データである。

次に、操作者は、操作部１７から、レーザ加工に用いる波長、例えばλ_２を選択し、加工開始を指示する操作入力を行い、レーザ加工工程を開始する。
レーザ加工工程では、制御部１６から、レーザ発振器１に対してレーザ光Ｌ_２を発振する制御信号を送出するとともに、マイクロミラーアレイ７に対して、加工パターンデータ１５１を送出する。
レーザ光Ｌ_２は、光減衰器３により光強度が調整され、ホモジナイザ２により断面方向の光強度分布が均一化され、マイクロミラーアレイ７の基準反射面７ａに対して一定の入射角θ_ｉで入射する。

マイクロミラーアレイ７では、各微小ミラー７ｂが加工パターンデータ１５１応じてオン状態とオフ状態とに傾斜角が制御されているため、レーザ光Ｌ_２のうち、オン状態の微小ミラー７ｂに入射した部分のみが正反射方向Ｒ（図２参照）に反射される。
このとき、オン状態の微小ミラー７ｂが集まった領域では、回折が起こり、回折次数に応じた方向に回折される。本実施形態では、回折方向Ｄと正反射方向Ｒとが一致されているため、回折効率が最大となる状態で光強度が低下することなく、出射角θ_ｏ（図２参照）の方向に反射され、半透鏡８を透過する。
そして、回折方向Ｄに一致するように光軸２０２を配置した結像レンズ１１に入射し、対物レンズ１４により被加工物１５上に結像される。したがって、被加工物１５上の加工パターンデータ１５１に対応した領域に変調光Ｌ_Ｍが照射される。そのため。加工パターンデータ１５１に対応する領域が変調光Ｌ_Ｍによりレーザ加工される。
一方、オフ状態の微小ミラー７ｂで反射された光は、結像レンズ１１に入射しない方向に反射されるので、被加工物１５に到達しない。

このように、レーザ加工装置１００では、被加工物１５の画像から、レーザ加工する領域の加工パターンを作成し、その加工パターンに一致した領域を１ショットのレーザ光を照射することにより加工できるものである。
そして、操作部１７から、加工に用いるレーザ光の波長を切り替える操作入力を行い、制御部１６によりレーザ光の波長を切り替える制御信号をレーザ発振器１に送出することにより、波長を切り替えてレーザ加工を行うことができる。例えば、レーザ光Ｌ_２に代えてレーザ光Ｌ_３を選択して、上記と同様にレーザ加工工程を実行することができる。
その際、レーザ光Ｌ_３は、波長が異なるため、レーザ光Ｌ_２と異なった回折パターンで回折されるが、オン状態の微小ミラー７ｂの正反射方向Ｒと一致される回折方向Ｄが波長λ_２、λ_３で共通のため、レーザ光Ｌ_３の場合にも、オン状態の微小ミラー７ｂにより回折方向Ｄに向けて最も回折効率が高い状態で出射される。
そのため、波長の違いに基づく回折方向の変化に応じて、例えば照射光学系２０の設置位置を移動するといった手間をかけることなく、単にレーザ発振器１に波長の切り替えを指示するのみで、異なる波長によるレーザ加工を同様な回折効率で実現することができる。

また、本実施形態によれば、傾斜ステージ４、５を備えるので、マイクロミラーアレイ７の微小ミラー７ｂの傾斜角が一定であっても、回折効率の高い光を照射光学系２０に入射させることができる。そのため、微小ミラー７ｂの傾斜角を変えた特注品などを用いることなく、標準的な製品により装置を構成することができるので、簡素かつ安価な装置とすることができるという利点がある。

次に、本実施形態の変形例について説明する。
図６は、本発明の実施形態の変形例のレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的説明図である。
本変形例のレーザ加工装置１１０は、上記実施形態のレーザ加工装置１００の傾斜ステージ５を削除し、マイクロミラーアレイ７をレーザ発振器１に対して相対的な位置関係を固定した変調光発生部３０に一体化し、変調光発生部３０を傾斜ステージ４により回動可能に保持したものである。マイクロミラーアレイ７の位置は、レーザ光Ｌ_２、Ｌ_３の光軸が、基準反射面７ａの略中心に一定入射角で入射する位置とされる。
以下、上記実施形態と異なる点を中心に簡単に説明する。

本変形例の構成によれば、上記実施形態において、傾斜ステージ４、５を同期して回動する場合に相当する。傾斜ステージ４が２軸方向に回動できるようになっているため、回折方向Ｄと光軸２０２を一致させることができる。
この場合、傾斜ステージ５を削除できるので、簡素な構成となり安価な装置を構成できるという利点がある。

なお、上記の説明では、レーザ光が、２つの高調波からなる場合の例で説明したが、高調波の数は、３つ以上でもよい。その場合、それぞれに共通する回折方向は以下のようにして設定することができる。
すなわち、複数の高調波を、ｎ個（ｎ≧３）の第ｕ_ｋ高調波（ｕ_ｋは互いに異なる整数、ｋ＝１，２，…，ｎ）とするとき、これら複数の波長に共通する回折方向として、回折次数が、（ｕ_ｋ・ｍ_ｘ，ｕ_ｋ・ｍ_ｙ）次（ただし、ｍ_ｘ，ｍ_ｙは整数）である方向に設定すればよい。

また、上記の説明では、レーザ光が基本波長の高調波により複数の波長を備える例について説明したが、複数の波長は高調波に限定されない。例えば、別々の光源から出射される複数の波長のレーザ光であってもよい。
複数の波長は、正確な整数比であることが好ましいが、回折効率の変化が許容範囲であれば、略整数比であってもよい。この場合、それぞれに共通する回折方向は存在しないが、互いに近い回折方向が存在する。したがって、これら互いに近い回折方向の１つもしくは、それらの平均的な回折方向に照射光学系の光軸を一致させることにより、整数比の場合と略同様の作用効果を備えるものである。
略整数比の程度は、回折方向の一致度合によって設定する。例えば、ｍ_ｘ、ｍ_ｙが大きくなると、整数比のずれに比例して回折方向がずれるので、より厳密な整数比に近づけることが好ましい。一方、ｍ_ｘ、ｍ_ｙが比較的小さければ、厳密な整数比からのずれていても、回折方向としてのずれ量が小さくなり、良好な回折効率を得ることができる。回折方向のずれ量は、少なくとも照射光学系２０の後側角開口よりも小さく設定することが好ましい。

この場合、複数のレーザ光源の波長を、ｎ個（ｎ≧２）のλ_ｕｋ（ｕ_ｋは互いに異なる整数、ｋ＝１，２，…，ｎ）とするとき、一定波長λに対して、λ_ｕｋが、略（λ／ｕ_ｋ）であるように設定し、各波長光に共通する回折方向として、回折次数が、（ｕ_ｋ・ｍ_ｘ，ｕ_ｋ・ｍ_ｙ）次（ただし、ｍ_ｘ，ｍ_ｙは整数）の回折方向に設定するようにする。
例えば、窒素レーザ（波長λ_２＝３３７．１ｎｍ）と、ＹＡＧレーザの第２高調波（λ_３＝５３２ｎｍ）とを用いることにより、２つの波長比λ_２：λ_３が、略整数比５：８となるように構成することができる。

また、上記の説明では、レーザ光をマイクロミラーアレイ７に対して所定角度で入射させるために、平面鏡６で偏向する例で説明したが、レーザ光源から直接所定角度に入射できる場合は、平面鏡６は省略してもよい。

また、上記の説明では、高調波として、第２、第３高調波の２つのを用いた例で説明したが、必要に応じて、３つ以上の高調波を用いてもよい。また、高調波の次数はとびとびに選択してもよい。
その場合、複数の高調波を、ｎ個（ｎ≧２）の第ｕ_ｋ高調波（ｕ_ｋは互いに異なる整数、ｋ＝１，２，…，ｎ）とするとき、複数の波長に共通する回折方向として、それぞれの回折次数が、（ｕ_ｋ・ｍ_ｘ，ｕ_ｋ・ｍ_ｙ）次（ただし、ｍ_ｘ，ｍ_ｙは整数）である方向に設定すればよい。

また、上記の説明では、複数の波長のすべてに共通するかまたは略一致する回折方向と照射光学系の光軸とを合わせる例で説明したが、加工条件によっては、複数の波長の一部しか用いない場合がある。その場合、回動機構制御部が加工に使用する波長に応じて、それらの回折方向が略一致する方向を算出し、照射光学系の光軸とを合わせるべく制御信号を送出するようにしてもよい。
また、加工に用いる波長が１種類のみであってもよく、その場合は、適宜の回折方向と照射光学系の光軸とを合わせることができる。

また、上記の説明では、回動機構制御部が回動機構の回動位置を算出して制御信号を送出するとして説明したが、レーザ光源のすべてのレーザ光の波長あるいはそれらの組合せに応じて、予め位置関係を算出しておき、算出結果を例えばデータテーブルなどとして記憶しておいてもよい。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置に用いる空間変調素子近傍の光路について説明するための模式的な光路説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の空間変調素子から出射される回折光の回動制御後の回折方向について説明するための角度分布図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の光軸設定の一例について説明するための模式的な光路説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の初期状態について説明するための模式説明図である。 本発明の実施形態の変形例のレーザ加工装置の概略構成について説明するための模式的説明図である。 波長を切り替ることができるレーザ加工装置における回折光の角度分布の一例について説明するための角度分布図である。

符号の説明

１ レーザ発振器（レーザ光源）
４、５ 傾斜ステージ（回動機構）
４ａ、５ａ ステージ駆動部
７、６０１ マイクロミラーアレイ（空間変調素子）
７ａ 基準反射面
７ｂ 微小ミラー（偏向要素）
１１ 結像レンズ
１４ 対物レンズ
１５ 被加工物
１６ 制御部
２０ 照射光学系（変調光照射光学系）
１００、１１０ レーザ加工装置
１５０Ａ 画像信号
１５１ 加工パターンデータ
２０２ 光軸（変調光照射光学系の光軸）
２０３ 後側角開口
６１０、６２０、６３０ ０次回折光
６１１、６２１、６３１ １次回折光
６２２、６３２ ２次回折光
６３３ ３次回折光
Ｌ_２、Ｌ_３ レーザ光
Ｌ_Ｍ 変調光
Ｎ 法線

Claims (6)

1. レーザ光を発生するレーザ光源と、該レーザ光源により発生されたレーザ光を少なくとも２方向に偏向可能な複数の偏向要素が規則的に配列された空間変調素子と、該空間変調素子により前記少なくとも２方向のうち１つの方向に沿って偏向された変調光を被加工物に照射する変調光照射光学系とを有するレーザ加工装置であって、
   前記変調光照射光学系に対する、前記レーザ光源および前記空間変調素子の少なくともいずれかの傾きを可変する回動機構とを備え、
   該回動機構により、前記変調光照射光学系の光軸に沿って進む前記変調光の、前記空間変調素子に対する出射角を可変としたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記回動機構が、
   前記空間変調素子に対する前記レーザ光源の傾きを変えるように回動することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記回動機構が、
   前記変調光照射光学系に対する前記空間変調素子の傾きを変えるように回動することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記回動機構の回動位置および前記レーザ光の波長から、前記変調光の回折方向を算出し、該回折方向が前記変調光照射光学系の光軸に一致するように前記回動機構を駆動する回動機構制御部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記レーザ光源が、２つ以上の異なる波長のレーザ光を切り替え可能に発生し、
   前記回動機構制御部が、前記それぞれのレーザ光の波長に共通する回折方向に、前記変調光照射光学系の光軸を一致させるようにしたことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記空間変調素子が、
   前記複数の偏向要素として、傾斜角を切り替えて前記レーザ光を少なくとも２方向に偏向する複数の微小ミラーを備えるマイクロミラーアレイであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工装置。

Images