JP2008053459A

JP2008053459A - ビームプロファイル計測方法、ビームプロファイル計測装置、レーザ加工方法、及び、レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2008053459A
Application number: JP2006228169A
Authority: JP
Inventors: Yuji Okamoto; 裕司岡本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2008-03-06

Abstract

【課題】高精度の計測を行うことのできるビームプロファイル計測方法を提供する。
【解決手段】（ａ）原ビームを、分岐後のビームの断面内の強度分布が原ビームの断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数のビームに分岐する。（ｂ）工程（ａ）で分岐された複数のビームのそれぞれの光路上の、原ビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置において、工程（ａ）で分岐された各々のビームの断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する。（ｃ）工程（ｂ）で計測された分岐後のビームの強度分布を合成して、原ビームのビームプロファイルを取得する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビーム断面内のプロファイルを計測する方法、装置、及び、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工方法、装置に関する。

表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、例えば、エキシマレーザのパルスの照射を繰り返すことにより、非晶質シリコン膜を多結晶化するレーザアニールが行われている。
このようなレーザアニールを行うに当たっては、ホモジナイザを用いて、レーザビームの断面を細長い形状に整形する（ラインビームとする）とともに、整形されたビーム断面内の長尺方向の光強度分布を均一化する。
基板表面に照射されるレーザビーム断面内の光強度分布が適切でないと、形成される多結晶シリコン膜の品質を高めることができない。そこで、ホモジナイザから出射したレーザビーム断面内の光強度分布を監視する種々の技術が考えられている。

図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、ビームプロファイルの計測技術の従来例について説明する。

図４（Ａ）を参照する。レンズを用いてラインビームを圧縮する方法が知られている。

アスペクト比の高いラインビーム１０が、ラインビーム１０の光路上に配置されたレンズ１１に入射する。ラインビーム１０は、レンズ１１によって圧縮され、計測器１３の計測素子１２、たとえばＣＣＤカメラに入射する。レンズ１１は、ラインビーム１０の全体が計測素子１２に入射するように、ラインビーム１０を圧縮する。計測素子１２により、ラインビーム１０のビームプロファイルが計測される。

この方法によると、ラインビーム１０全体のビームプロファイルを同時計測することができる。しかしながらラインビーム１０のアスペクト比が大きくなると、長軸方向のプロファイルが詳細に計測可能であっても、短軸方向プロファイルの詳細計測が困難な場合が生じる。

図４（Ｂ）を参照する。本図を参照して、複数の計測器１３を用いて行うビームプロファイル計測方法について説明する。

複数の計測器１３がラインビーム１０の光路上に、ラインビーム１０の長軸方向に沿って並ぶように配置されている。ラインビーム１０の全体が、並列配置された複数の計測器１３に入射し、ビームプロファイルの計測が行われる。

この方法によれば、レンズによる圧縮の不利益を避けながら、長軸方向プロファイル、及び、短軸方向プロファイルを同時計測することができる。しかし、たとえばラインビーム１０のうち、隣り合う計測素子１２間領域ｄに入射した部分のビームプロファイルを計測することができず、長軸方向に未計測部分を生じる。

図４（Ｃ）を参照する。

たとえばレール１４上に移動可能に設置された計測器１３を、ラインビーム１０の長軸方向（図の矢印方向）に走査して、ビームプロファイルを計測する技術が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

計測器１３は、ラインビーム１０の光路上を、ラインビーム１０の長軸方向に沿って移動する。ラインビーム１０のうち、計測素子１２に入射した部分のビームプロファイルが計測される。
この方法は、ラインビーム１０の一部を長軸方向に沿って切り取って計測を行うため、ラインビーム１０の短軸方向のプロファイルを十分な分解能で計測することができる。しかし、ラインビーム１０全体のビームプロファイルを計測するためには、計測器１３を走査することを要する。また、ラインビーム１０について、長軸方向のビーム形状や、短軸プロファイルの長軸方向の分布を測定する際に、時間的に同時計測ができないという不利益がある。

特開２００６−０４９６０６号公報

本発明の目的は、高精度の計測を行うことのできるビームプロファイル計測方法を提供することである。

また、高精度の計測を行うことのできるビームプロファイル計測装置を提供することである。

更に、高品質の加工を行うことのできるレーザ加工方法を提供することである。

また、高品質の加工を行うことのできるレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、（ａ）原ビームを、分岐後のビームの断面内の強度分布が原ビームの断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数のビームに分岐する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で分岐された複数のビームのそれぞれの光路上の、前記原ビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置において、前記工程（ａ）で分岐された各々のビームの断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）で計測された分岐後のビームの強度分布を合成して、前記原ビームのビームプロファイルを取得する工程とを有するビームプロファイル計測方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、原ビームを、分岐後のビームの断面内の強度分布が原ビームの断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数のビームに分岐して出射するビーム分岐器と、前記ビーム分岐器から出射された複数のビームのそれぞれの光路上の、前記原ビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置に１つずつ配置され、各自が自己に入射するビームの断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する複数の計測素子とを有するビームプロファイル計測装置が提供される。

更に、本発明の他の観点によれば、（ａ）レーザビームを出射位置から出射する工程と、（ｂ）出射されたレーザビームを加工対象物に照射し、照射位置において加工を行い、加工を行う期間内に、前記加工対象物に照射されるレーザビーム断面内の、計測位置におけるビームプロファイルを計測する工程とを有し、前記工程（ｂ）におけるビームプロファイルの計測は、（ｂ１）出射された後のレーザビームを、分岐後のビームの断面内の強度分布が、出射された後のレーザビームの断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数のビームに分岐する工程と、（ｂ２）前記工程（ｂ１）で分岐された複数のビームのそれぞれの光路上の、前記出射された後のレーザビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置において、前記工程（ｂ１）で分岐された各々のビームの断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する工程と、（ｂ３）前記工程（ｂ２）で計測された分岐後のビームの強度分布を合成して、前記出射された後のレーザビームのビームプロファイルを取得する工程とを含んで行われるレーザ加工方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザビームの光路上に配置され、前記レーザ光源から出射したレーザビームの断面形状を整形する第１の光学系と、前記第１の光学系で整形されたレーザビームを照射する加工対象物を保持する保持台と、（ｉ）前記第１の光学系で整形されたレーザビームを、分岐後のビームの断面内の強度分布が、前記第１の光学系で整形されたレーザビームの断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数のビームに分岐して出射する第１のビーム分岐器と、（ｉｉ）前記第１のビーム分岐器から出射された複数のビームのそれぞれの光路上の、前記前記第１の光学系で整形されたレーザビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置に１つずつ配置され、各自が自己に入射するビームの断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する複数の計測素子とを備えるビームプロファイル計測装置とを有し、前記ビームプロファイル計測装置は、前記保持台に保持された加工対象物に照射されたレーザビームの断面内のビームプロファイルを取得することのできる位置に設置されているレーザ加工装置が提供される。

更に、本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザビームの光路上に配置され、前記レーザ光源から出射したレーザビームの断面形状を整形する第１の光学系と、前記第１の光学系で整形されたレーザビームが照射される加工対象物を保持する保持台と、前記第１の光学系で整形されたレーザビームが、前記保持台に保持された加工対象物に照射されたときに散乱する散乱光が入射する位置に設けられ、該加工対象物の表面を結像する第２の光学系と、前記第２の光学系が該加工対象物の表面を結像する位置に計測位置が配置され、（ｉ）該加工対象物表面で散乱された散乱光を、分岐後の散乱光の断面内の強度分布が、該加工対象物表面で散乱された散乱光の断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数の散乱光に分岐して出射する光分岐器と、（ｉｉ）前記光分岐器から出射された複数の散乱光のそれぞれの光路上の、前記第１の光学系で整形されたレーザビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置に１つずつ配置され、各自が自己に入射する散乱光の断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する複数の計測素子とを備えるプロファイル計測装置とを有するレーザ加工装置が提供される。

本発明によれば、高精度の計測を行うことのできるビームプロファイル計測方法を提供することができる。

また、高精度の計測を行うことのできるビームプロファイル計測装置を提供することができる。

更に、高品質の加工を行うことのできるレーザ加工方法を提供することができる。

また、高品質の加工を行うことのできるレーザ加工装置を提供することができる。

図１（Ａ）は、実施例によるビームプロファイル計測装置１５を示す概略図である。実施例によるビームプロファイル計測装置１５は、入射したビームを分岐するビーム分岐手段（ハーフミラー１６ａ〜１６ｃ）、及び、ビームのプロファイルを計測することのできる、複数の計測素子（計測器１３ａ〜１３ｄにそれぞれ含まれる計測素子１２ａ〜１２ｄ）を含んで構成される。

計測素子には、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、ラインセンサ、フォトダイオードアレイ等、光強度を計測することのできる素子が用いられる。

たとえばレーザ発振器から出射され、ホモジナイザを経て、一方向に長い形状に整形されたラインビーム１０が、ハーフミラー１６ａに入射し、ラインビーム１０ａ及び１０ｂに分岐する。

ラインビーム１０ａは、ハーフミラー１６ｂに入射し、ラインビーム１０ｃ及び１０ｄに分岐する。ラインビーム１０ｃ、１０ｄの一部は、それぞれ計測器１３ａ、１３ｂの、計測素子１２ａ、１２ｂに入射する。

一方、ラインビーム１０ｂは、ハーフミラー１６ｃに入射し、ラインビーム１０ｅ及び１０ｆに分岐する。ラインビーム１０ｅ、１０ｆの一部は、それぞれ計測器１３ｃ、１３ｄの、計測素子１２ｃ、１２ｄに入射する。

ハーフミラー１６ａ〜１６ｃ、及び、計測器１３ａ〜１３ｄは、ラインビーム１０が、ハーフミラー１６ａで分岐した後、更に分岐して、計測素子１２ａ〜１２ｄの計測面に入射するまでの光路長が、すべて等しくなるように配置される。

（ｉ）計測素子１２ａ〜１２ｄには、たとえばラインビーム１０を長軸方向に沿って４分割した、各々の分割部分が入射する。または、（ｉｉ）隣り合う分割部分が、オーバーラップする領域を有するようにラインビーム１０を長軸方向に沿って４分割した、各々の分割部分が入射する。

図１（Ｂ）は、上記（ｉ）に記したラインビーム１０の入射態様を示す概略図である。

測定範囲Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ計測器１３ａ〜１３ｄの計測素子１２ａ〜１２ｄが、ラインビーム１０のビームプロファイルを計測する範囲である。

ラインビーム１０の断面内のどの位置のビーム強度も、計測素子１２ａ〜１２ｄのいずれか１つによって計測される。このため、長軸方向に沿っても短軸方向に沿っても、ラインビーム１０のビームプロファイルを余すところなく計測することができる。
また、ハーフミラー１６ａから計測素子１２ａ〜１２ｄまでの光路長はすべて等しいため、ラインビーム１０の断面内のビームプロファイルは、計測素子１２ａ〜１２ｄによって、同時刻において計測されることになる。更に、ラインビーム１０をレンズで圧縮することなく計測するため、十分な分解能で、両軸方向のビームプロファイルを同時に計測することができる。

図１（Ｃ）は、上記（ｉｉ）に記したラインビーム１０の入射態様を示す概略図である。本図においては、計測素子１２ａ〜１２ｄの測定範囲Ｒ１〜Ｒ４を、それぞれ実線、破線、一点鎖線、二点鎖線で表した。

ラインビーム１０の断面内の領域のうち、斜線を付した領域（オーバーラップする領域）のビーム強度は、２つの計測素子により計測される。なお、たとえばラインビーム１０の長さの１０％ほどの長さについて、長軸方向にオーバーラップさせる。

図１（Ｃ）に示すように、オーバーラップする領域を設けて、ラインビーム１０を分割し、計測素子１２ａ〜１２ｄに入射させた場合、次図を参照して詳細に説明するように、計測素子１２ａ〜１２ｄ相互の相対的なキャリブレーションが可能であり、計測素子１２ａ〜１２ｄ相互の感度のばらつきを補正することができる。
実施例によるビームプロファイル計測装置１５においては、ビーム分岐手段としてハーフミラーを用いたが、たとえばビームスプリッタを用いてもよい。分岐後のビーム断面内の強度分布が、分岐前のビーム断面内の強度分布を反映した形状、たとえば強度がビーム断面内の位置によらず、一定の割合で減少されるようにビームを分岐させる。

なお、ハーフミラーやビームスプリッタを用いて、ビーム強度を小さくすることができるため、後述するように、本実施例によるビームプロファイル計測装置を、たとえばレーザ加工装置に利用した場合、レーザ加工装置に用いられるアッテネータの減衰率を低くしたり、場合によっては、アッテネータをレーザ加工装置に含ませないことも可能である。

また、実施例においては、ラインビーム１０を４分割し、４つの計測素子を用いてビームプロファイルを計測した。ラインビームは、ラインビームの長さや、計測素子の大きさ、分解能に応じて、計測に必要な数に分割することができる。８分割や１６分割はもとより、ビーム分割手段の透過率や反射率を適切に設定することで、３分割や１０分割等することも可能である。

ビームプロファイルを計測するラインビームは、高アスペクト比、たとえばアスペクト比が１：１００００程度のものであってもよい。更に、ビームプロファイルを計測する対象は、ラインビームに限定されない。三角形、正方形等の多角形状、円形状、楕円形状等の様々な断面形状のビームであってもよい。

図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、ラインビームをオーバーラップ領域を設けて分割し、ビームプロファイルを計測する方法について説明する。

図２（Ａ）を参照する。

ラインビーム１０がハーフミラー１６ｄに入射し、反射ラインビームと透過ラインビームとに分岐する。反射ラインビームの一部（本図においては、計測素子入射領域２２として示した。）は、計測素子１２ｅに入射して、ビームプロファイルの計測が行われる。一方、透過ラインビームの一部（本図においては、計測素子入射領域２３として示した。）は、計測素子１２ｆに入射して、ビームプロファイルの計測が行われる。

ラインビーム１０の長軸方向の中央に中央線Ｃを画定するとき、中央線Ｃで長軸方向に２等分されたラインビーム１０の分割領域の一方の最終的なビームプロファイルは、計測素子１２ｅの計測値に基づいて定められる。本図においては、当該領域を実質計測領域２０として示した。実質計測領域２０は、計測素子入射領域２２の一部である。
また、ラインビーム１０の２等分割領域の他方の最終的なビームプロファイルは、計測素子１２ｆの計測値に基づいて定められる。本図においては、当該領域を実質計測領域２１として示した。実質計測領域２１は、計測素子入射領域２３の一部である。
ラインビーム１０の断面において、計測素子入射領域２２及び２３の重なり合う領域が、オーバーラップ領域２４である。

図２（Ｂ）及び（Ｃ）は、ともに、計測素子１２ｅ及び１２ｆで計測したラインビーム１０のビームプロファイルの計測値の一例を示す概略的なグラフである。グラフの横軸は、ラインビーム１０の断面内における位置を、長軸方向に沿って基準位置からの距離ｘで示す。また、グラフの縦軸はビーム強度を示す。

図２（Ｂ）を参照する。

符号２２を付した部分は、計測素子１２ｅによって計測された計測素子入射領域２２のビームプロファイルである。また、符号２３を付した部分は、計測素子１２ｆによって計測された計測素子入射領域２３のビームプロファイルである。なお、本図には、中央線Ｃの位置を書き入れてある。

ビーム断面内のビーム強度が、計測素子の個体差に由来して、異なる値に測定される場合がある。本図においては、オーバーラップ領域２４のビーム強度が、計測素子１２ｅと計測素子１２ｆとで、異なった値に計測されている。しかし、本来これらの計測値は一致すべきものである。したがってオーバーラップ領域２４における、両計測素子１２ｅ、１２ｆの計測値を一致させる補正を行い、計測素子相互間の感度のばらつきを調整する。

補正は、たとえば以下のように行う。

図２（Ｂ）に示すように、中央線Ｃ上におけるビーム強度が、計測素子１２ｅで計測したときα_１であり、計測素子１２ｆで計測したときβ_１であり、更に、ラインビーム１０の長さ方向の一端部の計測素子１２ｅによる計測値、及び、ラインビーム１０の長さ方向の他端部の計測素子１２ｆによる計測値が、ともに０である場合を考える。

計測素子１２ｆで計測されたビームプロファイル曲線を示す関数をＩ_１（ｘ）とするとき、補正後のビームプロファイル曲線を示す関数Ｉ_０１（ｘ）は、たとえば、
Ｉ_０１（ｘ）＝Ｉ_１（ｘ）＊α_１／β_１・・・（１）
と表すことができる。
このように計測素子１２ｆで計測されたビームプロファイルが、オーバーラップ領域２４において、計測素子１２ｅで計測されたビームプロファイルと一致するように補正を行った後、補正後の値を用いて、ラインビーム１０の最終的なビームプロファイルを作成する。
最終的なビームプロファイルは、計測素子１２ｅによる実質計測領域２０の計測値と、上記式（１）を用いて補正された実質計測領域２１の計測値とを連続させて作成する。
各計測素子にオーバーラップ領域を設けてビームを入射させ、計測値に補正を加えることによって、計測素子相互間の感度のばらつきの影響を減少させることができる。

なお、式（１）を用いた補正は、計測素子１２ｆによる計測値を、計測素子１２ｅによる計測値に合わせる補正であるが、計測素子１２ｅによる計測値を、計測素子１２ｆによる計測値に合わせてもよいし、補正後のビームプロファイルが両者の平均となるように、計測素子１２ｅ、１２ｆ双方の計測値を補正することもできる。
図２（Ｃ）を参照して、補正の他の例を説明する。

図２（Ｃ）に示す例においては、中央線Ｃ上におけるビーム強度が、計測素子１２ｅで計測したときα_２であり、計測素子１２ｆで計測したときβ_２である。また、ラインビーム１０の長さ方向の一端部の計測素子１２ｅによる計測値は０であり、ラインビーム１０の長さ方向の他端部の計測素子１２ｆによる計測値はγである。

計測素子１２ｆで計測されたビームプロファイル曲線を示す関数をＩ_２（ｘ）とするとき、補正後のビームプロファイル曲線を示す関数Ｉ_０２（ｘ）は、たとえば、
Ｉ_０２（ｘ）＝（Ｉ_２（ｘ）−γ）＊α_２／（β_２ −γ）・・・（２）
と表すことができる。

以上説明したように、計測素子の計測域をオーバーラップさせることで、ビームプロファイルの相対較正をビームプロファイル計測装置自身で行うことができる。

なお、計測域をオーバーラップさせず、ビーム断面のすべての位置のビーム強度を、いずれか１つの計測素子で計測した場合、計測器の台数を少なくすることができる。この場合は、たとえば別途に計測素子相互間の較正を行う。

更に、計測素子相互間の相対較正を行う際にのみ、計測域をオーバーラップさせることもできる。

図３（Ａ）〜（Ｆ）は、それぞれ第１〜第６の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。

図３（Ａ）を参照する。

第１の実施例によるレーザ加工装置は、たとえばエキシマレーザ発振器を含むレーザ光源３０、アッテネータ、ズームレンズ、ホモジナイザを含む光学系３１、ビームスプリッタ３２、ＸＹステージ３３、図１（Ａ）に示したビームプロファイル計測装置１５、及び、制御装置３７を含んで構成される。

光学系３１に含まれるアッテネータは、レーザ光源３０を出射したレーザビームの強度を減衰させることができる。ズームレンズは、アッテネータを経て入射したレーザビームの断面を拡大し、断面を拡大したレーザビームを、ほぼ平行光として出射する。出射したレーザビームは、ホモジナイザに入射する。ホモジナイザは、たとえばアレイレンズとフォーカスレンズとを含んで構成され、ビーム断面の整形（たとえばラインビームへの整形）と、ビーム断面内の光強度分布の均一化とを行う。
ＸＹステージ３３は、加工対象物３４を保持する保持面を備え、加工対象物３４を保持面の面内方向に移動させることができる。

レーザ光源３０からレーザビームが出射する。出射したレーザビームは、光学系３１に入射し、ビーム強度を調整されたうえで、ビーム断面内の光強度分布が均一化されたラインビーム１０に整形され、光学系３１を出射する。

光学系３１を出射したラインビーム１０は、ビームスプリッタ３２により、反射光と透過光に分岐する。反射光と透過光との割合は、たとえば９９：１である。反射光は、ＸＹステージ３３に保持された加工対象物３４に入射し、たとえばレーザアニール等のレーザ加工が行われる。なお、図３（Ａ）〜（Ｆ）においては、加工対象物にラインビームが照射され、レーザ加工が行われる面を、加工面（照射面）３５として、一点鎖線で示してある。
ビームスプリッタ３２を透過したラインビームは、ビームプロファイル計測装置１５に入射し、ビームプロファイルの計測が行われる。

ここで、加工対象物３４とビームプロファイル計測装置１５とは、ラインビーム１０のビームスプリッタ３２での分岐後、反射したラインビームが加工面（照射面）３５に到達するまでの距離（光路長）と、透過したラインビームがビームプロファイル計測装置１５に含まれる計測素子の計測面に入射するまでの距離（光路長）とが等しくなるように、配置される。加工対象物３４とビームプロファイル計測装置１５とをこのように配置することで、加工面（照射面）３５におけるビームプロファイルを、ビームプロファイル計測装置１５を用いて計測することができる。

制御装置３７は、計測されたビームプロファイルが加工に適切なものであるか否かを判別する。計測されたビームプロファイルが加工に適切なものであった場合、加工はそのまま続けられる。不適切なものであった場合、制御装置３７により、たとえば光学系３１のアッテネータに制御信号が伝えられ、ビーム強度の減衰率が適正な値に補正される。

第１の実施例によるレーザ加工装置を用いると、レーザアニールなどのレーザ加工を行いながら、現実に加工対象物に照射されているレーザビームのプロファイルをリアルタイムで計測することができる。

図３（Ｂ）を参照して、第２の実施例によるレーザ加工装置について説明する。

第２の実施例によるレーザ加工装置は、ビームスプリッタ３２でラインビーム１０を分岐後、透過したラインビームの光路上に拡大／縮小結像光学系３６を配置している点において、第１の実施例と異なる。
拡大／縮小結像光学系３６は、加工面（照射面）３５に相当する位置（ビームスプリッタ３２での反射後、反射光が加工面（照射面）３５に到達するまでの光路長と等しい光路長だけ、ビームスプリッタ３２から透過光の光路上に離れた位置）におけるビーム断面を、ビームプロファイル計測装置１５に含まれる計測素子の計測面上に結像させる。
第２の実施例によるレーザ加工装置も、レーザ加工を行いながら、加工対象物に照射されているレーザビームのプロファイルをリアルタイムで計測することができる。

図３（Ｃ）を参照して、第３の実施例によるレーザ加工装置について説明する。

第３の実施例によるレーザ加工装置は、ビームスプリッタ３２を備えず、ラインビーム１０を、加工用ビームと計測用ビームとに分岐させない点において、第１の実施例によるレーザ加工装置と異なる。また、加工対象物３４を保持するＸＹステージ３３には、ビームプロファイル計測装置１５が、保持面の面内方向に移動可能に設置されている。
第３の実施例においては、たとえばラインビーム１０は、一定方向に向かって光学系３１から出射する。レーザ加工を行う場合には、ラインビーム１０を、加工対象物３４に入射させる。ビームプロファイルの計測を行う場合には、ＸＹステージ３３により、ビームプロファイル計測装置１５をラインビーム１０の光路上まで移動させる。
加工時における光学系３１から加工面／照射面３５までの光路長と、計測時における光学系３１からビームプロファイル計測装置１５に含まれる計測素子の計測面までの光路長が等しくなるように、加工対象物３４とビームプロファイル計測装置１５とは配置される。このため加工対象物３４に照射されるラインビーム１０のビームプロファイルを、ビームプロファイル計測装置１５を用いて計測することができる。

なお、必要があれば、ビームプロファイル計測時においては、光学系３１に含まれるアッテネータの減衰率を増加させ、レーザ光源３０を出射したレーザビーム強度を小さくする。

図３（Ｄ）を参照して、第４の実施例によるレーザ加工装置について説明する。

第４の実施例によるレーザ加工装置は、ビームスプリッタ３２を備えず、ラインビーム１０を、加工用ビームと計測用ビームとに分岐させない点において、第２の実施例によるレーザ加工装置と異なる。
第４の実施例においては、たとえばラインビーム１０は、一定方向に向かって光学系３１から出射する。レーザ加工を行う場合には、ラインビーム１０を、加工対象物３４に入射させる。ビームプロファイルの計測を行う場合には、ＸＹステージ３３で、加工対象物３４をラインビーム１０の光路上から移動させ、ラインビーム１０を、拡大／縮小結像光学系３６に入射させる。拡大／縮小結像光学系３６は、ラインビーム１０が、ＸＹステージ３３及び加工対象物３４で遮られない場合のラインビーム１０の光路上に配置されている。
拡大／縮小結像光学系３６は、加工面（照射面）３５の位置におけるビーム断面を、ビームプロファイル計測装置１５に含まれる計測素子の計測面上に結像させるため、加工対象物３４に照射されるラインビーム１０のビームプロファイルを、ビームプロファイル計測装置１５を用いて計測することができる。

図３（Ｅ）を参照して、第５の実施例によるレーザ加工装置について説明する。

第５の実施例によるレーザ加工装置は、レーザ光源３０、光学系３１、ＸＹステージ３３、拡大／縮小結像光学系３６、ビームプロファイル計測装置１５、及び、制御装置３７を含んで構成される。

レーザ光源３０を出射したレーザビームが、光学系３１を経、たとえばラインビーム１０に整形されて、ＸＹステージ３３上に保持された加工対象物３４に照射され、レーザ加工が行われる。ラインビーム１０の加工対象物３４への入射は、垂直入射であっても、斜め入射であってもよい。
加工時に加工対象物３４の加工面（照射面）３５で散乱された散乱光が、拡大／縮小結像光学系３６に入射する。拡大／縮小結像光学系３６は、加工対象物３４の加工面（照射面）３５を、ビームプロファイル計測装置１５に含まれる計測素子の計測面上に結像させる。このため、加工対象物３４に照射されるラインビーム１０のビームプロファイルを、ビームプロファイル計測装置１５を用いて、リアルタイムに計測することができる。

図３（Ｆ）を参照して、第６の実施例によるレーザ加工装置について説明する。

第６の実施例によるレーザ加工装置は、第５の実施例と同様に、レーザ光源３０、光学系３１、ＸＹステージ３３、拡大／縮小結像光学系３６、ビームプロファイル計測装置１５、及び、制御装置３７を含んで構成される。

レーザ光源３０を出射したレーザビームが、光学系３１を経、たとえばラインビーム１０に整形されて、ＸＹステージ３３上に保持された加工対象物３４に斜め方向から入射し、レーザ加工が行われる。
加工対象物３４の加工面（照射面）３５に照射されたラインビーム１０の正反射光が、拡大／縮小結像光学系３６に入射する。拡大／縮小結像光学系３６は、加工対象物３４の加工面（照射面）３５におけるビーム断面を、ビームプロファイル計測装置１５に含まれる計測素子の計測面上に結像させる。このため、加工対象物３４に照射されるラインビーム１０のビームプロファイルを、ビームプロファイル計測装置１５を用いて、リアルタイムに計測することができる。

第１〜第６の実施例によるレーザ加工装置を用いると、加工面におけるビームプロファイルを監視し、計測値にもとづいて、フィードバックをかけながらレーザ加工を行うことができる。このため高品質のレーザ加工が可能となる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

ビームプロファイル計測方法、及び、ビームプロファイル計測装置は、ビームプロファイルの計測それ自体の他、たとえば様々なレーザ加工に伴って行われるビームプロファイルの計測に用いることができる。

また、レーザ加工方法、及び、レーザ加工装置は、レーザアニール等レーザ加工一般に利用することができる。

（Ａ）は、実施例によるビームプロファイル計測装置１５を示す概略図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ラインビーム１０の入射態様を示す概略図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、ラインビームをオーバーラップ領域を設けて分割し、ビームプロファイルを計測する方法について説明するための図である。（Ａ）〜（Ｆ）は、それぞれ第１〜第６の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、ビームプロファイルの計測技術の従来例について説明するための図である。

符号の説明

１０、１０ａ〜１０ｆラインビーム
１１レンズ
１２、１２ａ〜１２ｆ計測素子
１３、１３ａ〜１３ｄ計測器
１４レール
１５ビームプロファイル計測装置
１６ａ〜１６ｄハーフミラー
２０、２１実質計測領域
２２、２３計測素子入射領域
２４オーバーラップ領域
３０レーザ光源
３１光学系
３２ビームスプリッタ
３３ＸＹステージ
３４加工対象物
３５加工面（照射面）
３６拡大／縮小結像光学系
３７制御装置
Ｃ中央線
Ｒ１〜Ｒ４測定範囲

Claims

（ａ）原ビームを、分岐後のビームの断面内の強度分布が原ビームの断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数のビームに分岐する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で分岐された複数のビームのそれぞれの光路上の、前記原ビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置において、前記工程（ａ）で分岐された各々のビームの断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）で計測された分岐後のビームの強度分布を合成して、前記原ビームのビームプロファイルを取得する工程と
を有するビームプロファイル計測方法。
原ビームを、分岐後のビームの断面内の強度分布が原ビームの断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数のビームに分岐して出射するビーム分岐器と、
前記ビーム分岐器から出射された複数のビームのそれぞれの光路上の、前記原ビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置に１つずつ配置され、各自が自己に入射するビームの断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する複数の計測素子と
を有するビームプロファイル計測装置。
前記計測素子の計測対象範囲は、前記原ビームの全域のビームプロファイルが取得されるように選択される請求項２に記載のビームプロファイル計測装置。
前記原ビームのビーム断面が一方向に長い形状を有し、前記計測素子の計測対象範囲は、前記原ビームのビーム断面の長さ方向に関して一部を占める請求項２または３に記載のビームプロファイル計測装置。
前記ビーム分岐器による分岐後の第１のビームの計測対象範囲と、第２のビームの計測対象範囲とが部分的に重なり、部分的に重なった範囲の前記第１のビームの強度分布と前記第２のビームの強度分布とに基づいて、前記計測素子が、前記第１のビームの計測対象範囲内の強度分布、または、前記第２のビームの計測対象範囲内の強度分布の強度を補正する請求項２〜４のいずれか１項に記載のビームプロファイル計測装置。
（ａ）レーザビームを出射位置から出射する工程と、
（ｂ）出射されたレーザビームを加工対象物に照射し、照射位置において加工を行い、加工を行う期間内に、前記加工対象物に照射されるレーザビーム断面内の、計測位置におけるビームプロファイルを計測する工程と
を有し、
前記工程（ｂ）におけるビームプロファイルの計測は、
（ｂ１）出射された後のレーザビームを、分岐後のビームの断面内の強度分布が、出射された後のレーザビームの断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数のビームに分岐する工程と、
（ｂ２）前記工程（ｂ１）で分岐された複数のビームのそれぞれの光路上の、前記出射された後のレーザビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置において、前記工程（ｂ１）で分岐された各々のビームの断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する工程と、
（ｂ３）前記工程（ｂ２）で計測された分岐後のビームの強度分布を合成して、前記出射された後のレーザビームのビームプロファイルを取得する工程と
を含んで行われるレーザ加工方法。
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームの光路上に配置され、前記レーザ光源から出射したレーザビームの断面形状を整形する第１の光学系と、
前記第１の光学系で整形されたレーザビームを照射する加工対象物を保持する保持台と、
（ｉ）前記第１の光学系で整形されたレーザビームを、分岐後のビームの断面内の強度分布が、前記第１の光学系で整形されたレーザビームの断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数のビームに分岐して出射する第１のビーム分岐器と、（ｉｉ）前記第１のビーム分岐器から出射された複数のビームのそれぞれの光路上の、前記前記第１の光学系で整形されたレーザビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置に１つずつ配置され、各自が自己に入射するビームの断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する複数の計測素子とを備えるビームプロファイル計測装置と
を有し、
前記ビームプロファイル計測装置は、前記保持台に保持された加工対象物に照射されたレーザビームの断面内のビームプロファイルを取得することのできる位置に設置されているレーザ加工装置。
前記計測素子の計測対象範囲は、前記第１の光学系で整形されたレーザビームの全域のビームプロファイルが取得されるように選択される請求項７に記載のレーザ加工装置。
前記第１の光学系で整形されたレーザビームのビーム断面が一方向に長い形状を有し、前記計測素子の計測対象範囲は、前記第１の光学系で整形されたレーザビームのビーム断面の長さ方向に関して一部を占める請求項７または８に記載のレーザ加工装置。
前記第１のビーム分岐器による分岐後の第１のビームの計測対象範囲と、第２のビームの計測対象範囲とが部分的に重なり、部分的に重なった範囲の前記第１のビームの強度分布と前記第２のビームの強度分布とに基づいて、前記計測素子が、前記第１のビームの計測対象範囲内の強度分布、または、前記第２のビームの計測対象範囲内の強度分布の強度を補正する請求項７〜９のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
更に、前記第１の光学系を出射したレーザビームの光路上に配置され、分岐位置で該レーザビームを分岐する第２のビーム分岐器を含み、
前記第２のビーム分岐器で分岐されたレーザビームの１つが、前記保持台に保持された加工対象物の照射位置に照射され、他の１つが前記ビームプロファイル計測装置に入射して、計測位置におけるビームプロファイルが計測され、
前記分岐位置から前記照射位置までの光路長と、前記分岐位置から前記計測位置までの光路長とが等しくなるように、前記照射位置と前記計測位置とが配置される請求項７〜１０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
更に、前記第１の光学系を出射したレーザビームの光路上に配置され、分岐位置で該レーザビームを分岐する第２のビーム分岐器と、
前記第２のビーム分岐器で分岐されたレーザビームの１つの光路上に配置された第２の光学系と
を含み、
前記第２の光学系を出射したレーザビームが、前記ビームプロファイル計測装置に入射して、計測位置におけるビームプロファイルが計測され、
前記第２のビーム分岐器で分岐されたレーザビームの他の１つが、前記保持台に保持された加工対象物の照射位置に照射され、
前記第２の光学系は、前記分岐位置から前記照射位置までの光路長と等しい光路長だけ、前記分岐位置から前記計測位置側に離れた位置におけるレーザビームの断面を結像し、
前記計測位置は、前記第２の光学系による結像位置に配置される請求項７〜１０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
前記ビームプロファイル計測装置は、前記保持台に固定され、
前記保持台は、保持した加工対象物、及び、固定された前記ビームプロファイル計測装置を、選択的に、前記第１の光学系で整形されたレーザビームの光路上に、前記第１の光学系から、前記保持台に保持された加工対象物にレーザビームが照射される位置までの光路長と、前記第１の光学系から、前記計測素子までの光路長とが等しくなるように移動させることができる請求項７〜１０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
更に、前記保持台に保持された加工対象物にレーザビームが照射される位置におけるレーザビームの断面を結像する第２の光学系を含み、
前記第１の光学系で整形されたレーザビームは、選択的に、前記保持台に保持された加工対象物、または、前記第２の光学系に入射し、
前記ビームプロファイル計測装置は、前記第２の光学系がレーザビームの断面を結像する位置に前記計測素子が配置されるように設置されている請求項７〜１０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
更に、前記保持台に保持された加工対象物にレーザビームが照射される位置におけるレーザビームの断面を結像する第２の光学系を含み、
前記第１の光学系で整形されたレーザビームは、まず前記保持台に保持された加工対象物に照射され、
前記第２の光学系は、前記第１の光学系で整形されたレーザビームが、前記保持台に保持された加工対象物に照射され、正反射して入射する位置に設けられ、
前記ビームプロファイル計測装置は、前記第２の光学系がレーザビームの断面を結像する位置に前記計測素子が配置されるように設置されている請求項７〜１０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
前記第１の光学系が、前記レーザ光源から出射したレーザビームの強度を増減させるビーム強度変化装置を含み、
更に、前記ビームプロファイル計測装置で計測されたビームプロファイルに基づいて、前記ビーム強度変化装置によるレーザビームの強度の増減を制御する制御装置を含む請求項７〜１５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームの光路上に配置され、前記レーザ光源から出射したレーザビームの断面形状を整形する第１の光学系と、
前記第１の光学系で整形されたレーザビームが照射される加工対象物を保持する保持台と、
前記第１の光学系で整形されたレーザビームが、前記保持台に保持された加工対象物に照射されたときに散乱する散乱光が入射する位置に設けられ、該加工対象物の表面を結像する第２の光学系と、
前記第２の光学系が該加工対象物の表面を結像する位置に計測位置が配置され、（ｉ）該加工対象物表面で散乱された散乱光を、分岐後の散乱光の断面内の強度分布が、該加工対象物表面で散乱された散乱光の断面内の強度分布を反映した形状になるように、複数の散乱光に分岐して出射する光分岐器と、（ｉｉ）前記光分岐器から出射された複数の散乱光のそれぞれの光路上の、前記第１の光学系で整形されたレーザビーム上のある点からの光路長が相互に等しくなる位置に１つずつ配置され、各自が自己に入射する散乱光の断面内の一部である計測対象範囲の強度分布を計測する複数の計測素子とを備えるプロファイル計測装置と
を有するレーザ加工装置。