JP2008284602A - レーザ加工方法、レーザ加工制御プログラム、レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物に対するレーザの相対的な走査によって加工を行う場合に、被加工物の加工領域の深さや断面形状を任意に制御する。
【解決手段】１層以上の材料で形成された被加工物１１の加工工程において、各材料の１ショットあたりの加工閾値フルエンスの違いを利用するとともに、Ｘ−Ｙステージなどを用いて、被加工物１１と、超短パルスレーザ２を相対的に変位させて、超短パルスレーザ２を被加工物１１に照射するときの走査速度を制御することで、被加工物１１の断面の深さを任意に制御する。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、レーザ加工技術に関し、たとえば超短パルスレーザによって、被加工物に任意の形状を創成するレーザ加工技術に関する。

たとえば、特許文献１に開示されているように、フェムト秒レーザは、材料の熱伝播速度よりも、速い速度で照射エネルギの吸収が起こり、このエネルギ吸収によるアブレーション現象等によって加工が可能であるために、熱伝播による加工部分の周囲の変形が、ＹＡＧレーザや、ＣＯ_２レーザなどに比べて格段に少ないことから、高精度なレーザ加工が期待できる。

そして、特許文献１では、このようなフェムト秒レーザの特徴を生かしてフォトマスクの修正加工を行うべく、パルス幅３〜１６ＰＳ、および波長６００〜１１００ｎｍと規定された超短パルスレーザを、大気下にあるフォトマスク表面の金属薄膜に照射することで、下地の石英ガラス等にダメージを与えることなく、１μｍ以下の修正精度でフォトマスクの黒欠陥（遮光用の金属薄膜の取り残し欠陥）を修正できることが示されている。

ところが、通常、黒欠陥は金属薄膜や異物等の微小な取り残し部分であり、修正すべき部分が微小領域であるために、レーザビームの同一位置での照射によって生じる単一加工痕で事足り、特許文献１では、この単一加工痕よりも大きな面積をステージの相対的な移動によるレーザビーム（単一加工痕）の走査によって加工することは想定されていない。

そこで、本発明者らは、実験により、薄膜が被着されたガラス基板について、１ショットあたりの加工閾値フルエンス（超短パルスレーザ２のパルス照射によって任意の材料の加工可能な最小のフルエンスの値）と走査速度の関係を調査した結果、同じフルエンスでも、走査速度が速くなるほど、単位面積あたりのショット数が少なくなり、膜残りが増加する傾向であった。

このことは、レーザビームの走査速度を単に一定にした場合には、加工開始点、加工終了点の微小領域や、曲線の加工などでは、単発のレーザ照射によって生じる単一加工痕が重なり合う比率が異なる場所が生じるために、加工対象の薄膜が十分に取りきれない部分が発生する（すなわち、加工部の断面形状を正確に制御できない）という技術的課題が懸念される。

一方、特許文献１には、材料の加工閾値フルエンスの違いを利用することで、下地のガラス基板にはダメージが無く、加工対象の金属薄膜のみを、選択的に除去できると記載されている。

しかしながら、金属薄膜を除去したあとのガラス基板を干渉計（たとえば、ＺＹＧＯ社のＮＥＷＶＩＥＷ）等で子細に観察すると、実際には、ガラス基板から、金属薄膜を除去するときの衝撃によって生じたダメージの凹凸が観察される。

たとえば、フォトマスクに多用される石英ガラス以外に、ＢＫ７などの光学ガラスを基板として用いた場合には、当該光学ガラスが、石英に比べて、融点が低く、かつ透過率が低いことから、レーザの吸収が起こりやすいために、石英よりも上記衝撃の影響を受けやすいためか、平面度を表す指標であるＰ−Ｖ値で１０ｎｍよりも大きい深さのダメージが観察されることもある。

すなわち、下地のガラス基板の加工閾値フルエンスよりも単にフルエンスを小さくしただけでは、Ｐ−Ｖ値で１０ｎｍよりも大きい、平面度を損なうダメージが発生することがある、という技術的課題がある。
特開２０００−１５５４０９号公報

本発明の目的は、被加工物に対するレーザの相対的な走査によって加工を行う場合に、被加工物の加工領域の深さや断面形状を任意に制御可能なレーザ加工技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、基板に薄膜を被着してなる被加工物における基板のダメージを抑制することが可能なレーザ加工技術を提供することにある。

本発明の第１の観点は、１層以上の材料で形成された被加工物に超短パルスレーザを照射して加工するレーザ加工方法であって、
個々の前記材料の加工が可能な最小の照射エネルギ量を示す加工閾値フルエンスを決定する工程と、
前記被加工物に対して前記加工閾値フルエンスよりも大きなフルエンスの前記超短パルスレーザを相対的に走査するときの走査速度を制御することによって、前記被加工物の加工深さを制御する工程と、
を含むレーザ加工方法を提供する。

本発明の第２の観点は、第１の観点に記載のレーザ加工方法において、
前記被加工物に対して段差を形成するとき、前記段差の走査時に、前記走査速度を漸増または漸減するレーザ加工方法を提供する。

本発明の第３の観点は、第１の観点に記載のレーザ加工方法において、
前記被加工物が、ガラス基板の主面に少なくとも１層の薄膜を被着してなるとき、前記超短パルスレーザの前記フルエンスを０．０８から０．３５Ｊ／ｃｍ^２に制御するレーザ加工方法を提供する。

本発明の第４の観点は、第１の観点に記載のレーザ加工方法において、
前記被加工物が、ガラス基板の主面に少なくとも１層の薄膜を被着してなるとき、前記超短パルスレーザの前記フルエンスを０．０８から０．３５Ｊ／ｃｍ^２に制御し、前記ガラス基板のダメージを、Ｐ−Ｖ値で１０ｎｍ以下に抑制するレーザ加工方法を提供する。

本発明の第５の観点は、１層以上の材料で形成された被加工物に超短パルスレーザを照射して加工するレーザ加工を制御するレーザ加工制御プログラムであって、
個々の前記材料の加工が可能な最小の照射エネルギ量を示す加工閾値フルエンスを入力するステップと、
前記被加工物に対して前記加工閾値フルエンスよりも大きなフルエンスの前記超短パルスレーザを相対的に走査するときの走査速度を制御することによって、前記被加工物の加工深さを制御するステップと、
をコンピュータに実行させるレーザ加工制御プログラムを提供する。

本発明の第６の観点は、第５の観点に記載のレーザ加工制御プログラムにおいて、
前記被加工物に対して段差を形成するとき、前記段差の走査時に、前記走査速度を漸増
または漸減させる動作を前記コンピュータに実行させるレーザ加工制御プログラムを提供する。

本発明の第７の観点は、第５の観点に記載のレーザ加工制御プログラムにおいて、
前記被加工物が、ガラス基板の主面に少なくとも１層の薄膜を被着してなるとき、前記超短パルスレーザの前記フルエンスが０．０８から０．３５Ｊ／ｃｍ^２となるように前記コンピュータを制御するレーザ加工制御プログラムを提供する。

本発明の第８の観点は、１層以上の材料で形成された被加工物が載置される加工ステージと、
前記被加工物に超短パルスレーザを照射するレーザ源と、
個々の前記材料の加工が可能な最小の照射エネルギ量を示す加工閾値フルエンスを記憶する記憶手段と、
前記加工ステージを相対的に変位させ、前記被加工物に対して前記加工閾値フルエンスよりも大きなフルエンスの前記超短パルスレーザを相対的に走査するときの走査速度を制御することによって、前記被加工物の加工深さを制御する加工制御手段と、
を含むレーザ加工装置を提供する。

本発明の第９の観点は、第８の観点に記載のレーザ加工装置において、
前記加工制御手段は、前記被加工物に対して段差を形成するとき、前記段差の走査時に、前記走査速度を漸増または漸減させるレーザ加工装置を提供する。

本発明の第１０の観点は、第８の観点に記載のレーザ加工装置において、
前記加工制御手段は、前記被加工物が、ガラス基板の主面に少なくとも１層の薄膜を被着してなるとき、前記超短パルスレーザの前記フルエンスを０．０８から０．３５Ｊ／ｃｍ^２に制御するレーザ加工装置を提供する。

本発明によれば、被加工物に対するレーザの相対的な走査によって加工を行う場合に、被加工物の加工領域の深さや断面形状を任意に制御可能なレーザ加工技術を提供することができる。

また、基板に薄膜を被着してなる被加工物における基板のダメージを抑制することが可能なレーザ加工技術を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置の構成の一例を示す概念図であり、図１Ｂは、本実施の形態のレーザ加工装置における制御用コンピュータの構成例を示す概念図、図１Ｃは、本実施の形態のレーザ加工装置の機能仕様の一例を示すレーザ装置仕様情報の概念図である。

本実施の形態１では、レーザ加工装置においてレーザの相対的な走査速度を制御することによって、被加工物の断面の深さを任意に制御する加工例について述べる。
すなわち、後述のように、本実施の形態１では、１層以上の材料で形成された被加工物１１の加工工程において、各材料の１ショットあたりの加工閾値フルエンスの違いを利用するとともに、Ｘ−Ｙステージなどを用いて、被加工物１１と、超短パルスレーザ２を相対的に変位させて、超短パルスレーザ２を被加工物１１に照射するときの走査速度を制御することで、被加工物１１の断面の深さを任意に制御する。

本実施の形態のレーザ加工装置は、超短パルスレーザ発振装置１（レーザ源）、切り出し用マスク３、ダイクロイックミラー４、モニター５、モニター用撮像素子６、ビームスプリッター７、観察光源８、結像レンズ９、対物レンズ１０、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２、ステージコントローラ１３、制御用コンピュータ２０を含んでいる。

超短パルスレーザ発振装置１から出射された超短パルスレーザ２は、ビームの切り出し用マスク３、ダイクロイックミラー４、結像レンズ９、対物レンズ１０を通過し、被加工物１１の表面に照射される。

被加工物１１は、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２に載置されており、このＸ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２は、ステージコントローラ１３によって制御され、さらにこのステージコントローラ１３は、上位の制御用コンピュータ２０に接続されている。

そして、超短パルスレーザ発振装置１から出射される超短パルスレーザ２に対して、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２を相対的に変位させることで、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２に載置された被加工物１１の加工位置（超短パルスレーザ２の照射位置）と、照射条件（照射エネルギ、ショット数、走査速度など）を、制御用コンピュータ２０を用いて制御することが可能になっている。

この場合、超短パルスレーザ２が通過する切り出し用マスク３には、１×１ｍｍの四角形の開口部が開設されており、この四角形の開口部よりも太い断面の超短パルスレーザ２が当該開口部を通過することにより、断面が四角形のほぼ均一な強度分布を有するレーザビームとなり、対物レンズ１０の倍率で縮小されて被加工物１１に照射される。

これにより、後述の四角形の単一ショット加工痕１８が被加工物１１に形成される。ただし、１パルス当たりの照射エネルギ（加工フルエンス）が加工閾値フルエンスよりも小さい場合には、単一ショット加工痕１８は形成されず、加工不能となる。

ダイクロイックミラー４の後段には、ビームスプリッター７が配置されており、このビームスプリッター７の側方には、観察光源８が配置されている。
そして、観察用の観察光源８から出射された観察光８ａは、ビームスプリッター７で下向きに反射され、結像レンズ９、対物レンズ１０を通過して、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２に載置された被加工物１１の表面に照射される。

ダイクロイックミラー４は、超短パルスレーザ２は反射し、観察光８ａは透過させる特性を持っている。
このため、被加工物１１の表面で反射された観察光８ａは、対物レンズ１０、結像レンズ９、ビームスプリッター７、およびダイクロイックミラー４を経由して、結像レンズ９等の光軸上に配置されたモニター用撮像素子６に入射して画像として検出される。

そして、この画像をモニター５に出力することで、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２に載置された被加工物１１の表面の様子を、モニター５で観察することが可能になっている。
図１Ｂに例示されるように、本実施の形態の制御用コンピュータ２０は、マイクロプロセッサ２１、主記憶２２（記憶手段）、ユーザインタフェース２３、制御インタフェース２４を備えている。

マイクロプロセッサ２１は、主記憶２２に格納されたプログラムを実行することで所望の機能を実現する。
本実施の形態の場合、主記憶２２には、オペレーティングシステム３０が格納され、マ
イクロプロセッサ２１がこのオペレーティングシステム３０を実行することで、制御用コンピュータ２０の全体を制御する。

さらに、本実施の形態の場合、主記憶２２には、レーザ加工制御プログラム３１（加工制御手段）、レーザ装置仕様情報３２、照射条件情報３３、加工形状情報３４が格納されている。

レーザ加工制御プログラム３１は、オペレーティングシステム３０の配下で可動するアプリケーションプログラムであり、マイクロプロセッサ２１によって実行されることで、本実施の形態の後述のようなレーザ加工を制御する。

レーザ装置仕様情報３２は、本実施の形態のレーザ加工装置の仕様を示す、図１Ｃのような情報が格納されており、レーザ加工制御プログラム３１から参照される。
本実施の形態の場合、レーザ装置仕様情報３２には、レーザ装置名称３２ａ、レーザ波長３２ｂ、パルス幅３２ｃ、結像方式３２ｄ、対物レンズ倍率３２ｅ、切り出し用マスクサイズ３２ｆ、走査速度３２ｇ、フルエンス３２ｈ、繰り返し周波数３２ｉ、等の情報が設定されている。

照射条件情報３３には、後述の図７のようにして得られる照射条件が格納され、レーザ加工制御プログラム３１によって参照される。
加工形状情報３４は、被加工物１１の加工領域に対して形成すべき加工形状の情報が格納されており、レーザ加工制御プログラム３１によって参照され、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２の相対的な走査制御に用いられる。

ユーザインタフェース２３は、たとえば、ディスプレイやキーボード等で構成され、制御用コンピュータ２０からユーザに対する情報表示や、ユーザによる制御用コンピュータ２０に対する情報入力手段を提供する。

制御インタフェース２４は、制御用コンピュータ２０の制御対象である超短パルスレーザ発振装置１やステージコントローラ１３との間の情報の入出力インタフェースを提供する。本実施の形態の場合には、制御インタフェース２４は、テーブル制御線２５を介してステージコントローラ１３に接続され、レーザ制御線２６を介して超短パルスレーザ発振装置１に接続されている。

以下、本実施の形態１の作用について説明する。
図２Ａは、加工前の被加工物１１の断面形状の一例を示す断面図、図２Ｂは、加工後の被加工物１１の理想的な加工断面形状を示す断面図である。

図１Ａに例示されたレーザ加工装置を用いて加工される１層以上の材料で形成された被加工物１１の一例として、図２Ａに示すように、被加工物１１が、ガラス基板１６と、このガラス基板１６の主面に被着された薄膜１５で構成されている場合を考える。

この場合、超短パルスレーザ２の被加工物１１に対する相対的な走査速度が一定の場合には、加工開始点、加工終了点の微小領域をはじめとして、曲線の加工などで、照射スポット領域（単一加工痕）が重なり合う比率が異なる場所があるために、薄膜１５が十分に取りきれない部分が発生する、という技術的課題が懸念される。本実施の形態１では、以下のようにしてこの技術的課題を解決する。

ここで、図２Ｂに例示されるように、加工後の任意の開口部１７の形状（加工領域サイズＸ０、加工領域サイズＹ０）が、図１Ｃのレーザ装置仕様情報３２に示す超短パルスレ
ーザ２の照射スポット領域（単一ショット加工痕１８のＸ方向加工痕跡幅Ｗｘ、Ｙ方向加工痕跡幅Ｗｙ）より大きい場合、図２Ａのガラス基板１６（被加工物１１）を、図１ＡのＸ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２にのせて、図３に示すように、単一ショット加工痕１８を、Ｘ走査方向１９ＸおよびＹ走査方向１９Ｙに走査して加工を行う必要がある。

すなわち、本実施の形態のレーザ加工装置では、一例として、レーザ装置仕様情報３２の切り出し用マスクサイズ３２ｆが１×１ｍｍであり、対物レンズ倍率３２ｅが２０倍であるため、Ｘ方向加工痕跡幅Ｗｘ＝Ｙ方向加工痕跡幅Ｗｙ＝１／２０（ｍｍ）、となり、これより大きい加工領域サイズＸ０、加工領域サイズＹ０の開口部１７を加工するには、図３のように、Ｘ走査方向１９ＸおよびＹ走査方向１９Ｙのように単一ショット加工痕１８を被加工物１１に対して相対的に走査させて加工する必要がある。

また、本実施の形態の場合、レーザ装置仕様情報３２の繰り返し周波数３２ｉは一定であり、走査速度が遅いほど加工深さは深くなる。
この場合、レーザ加工制御プログラム３１は、Ｘ走査方向１９Ｘの方を主走査方向として、左端から右端まで１回のＸ走査方向１９Ｘの走査が終わるたびに、重複領域１８ａが生じるように（Ｙ方向の走査境界に取り残しが生じないように）、Ｙ方向加工痕跡幅Ｗｙ−（重複領域１８ａの幅）の距離だけＹ走査方向１９Ｙの方向にステップ移動して加工を行う。

このとき、図３のＸ走査方向１９Ｘの走査速度と、単一ショット加工痕１８の関係によっては、図４の拡大図に示すように、１ショット目では、単一ショット加工痕１８が、重なり合わない部分（非重複領域１８ｂ）ができてしまう。

このような開口部１７の加工開始点１７−Ａおよび加工終了点１７−Ｂを拡大した状態を図５に示す。
この図５では、加工開始点１７−Ａ、および、加工終了点１７−Ｂは、ほかの中央部分に比べて、薄膜１５の残渣が、鋭利に除去できずに、傾斜したように残っている。

また、図５の加工開始点１７−Ａ、加工終了点１７−Ｂに限らず、曲線の加工では、図６に示すように、照射スポット領域（単一ショット加工痕）１８の重なり率の低い低密度照射領域Ａや、重なり率の高い高密度照射領域Ｂのような部分ができてしまう。

そこで、図５の加工開始点１７−Ａ、加工終了点１７−Ｂにおける、部分的な薄膜１５の取り残し、すなわち、被加工物の断面深さの不均一を生じさせないようにするためには、あらかじめ、同一のフルエンスにおける、単一ショット加工痕１８を作成し、ショット数を変化させることによって、ショット数と、薄膜１５の除去深さを計測して、照射条件情報３３として登録しておき、その結果に基づいて、レーザ加工制御プログラム３１は、単一ショット加工痕１８における単位面積あたりのショット数、すなわち、面加工における走査速度を制御する。

加工閾値フルエンスを０．３３Ｊ／ｃｍ^２として、ショット数を変化させて、薄膜１５（たとえば、クロム膜）を除去した場合の実験結果は、図７のようになった。
この結果から、ショット数が、１回の場合には、薄膜１５がわずかしか除去できていないが、ショット数が増えると、薄膜１５が深く除去できる傾向であることがわかった。

これらの関係から、図５の加工開始点１７−Ａ、および、加工終了点１７−Ｂでは、走査速度を低速にして、図６の低密度照射領域Ａのように、照射スポット領域（単一ショット加工痕）１８が重なるように、走査速度の制御をすることで、加工開始点１７−Ａも、加工終了点１７−Ｂも、ほかの中央部分と同様に、薄膜１５の断面深さを均一に加工でき
る。

すなわち、本実施の形態１の場合、レーザ加工制御プログラム３１は、開口部１７の加工において、図８に例示されるプロファイルにて走査速度を制御する。
すなわち、図５の加工開始点１７−Ａの加工位置Ｐ０からテーパの下端に対応する加工位置Ｐ１の位置まで徐々に加速し、加工位置Ｐ１から加工位置Ｐ２の間の中央部では、一定の速度で走査し、加工終了点１７−Ｂの側のテーパの下端部に対応する加工位置Ｐ２から、上端部に対応する加工位置Ｐ３までは、徐々に減速するように走査する。

これにより、加工位置Ｐ０と加工位置Ｐ１の間、および加工位置Ｐ２と加工位置Ｐ３の区間では、単一ショット加工痕１８の形成頻度が増し、図５のような薄膜１５のテーパ状の取り残し部分が発生せず、図２Ｂに示されるように、薄膜１５に対して、加工開始点１７−Ａおよび加工終了点１７−Ｂで垂直に切り立ったシャープな形状の設計通りの開口部１７の加工を実現できる。

また、このようなレーザ加工制御プログラム３１による走査速度の制御による薄膜１５の加工深さの制御作用を用いて、図９のように、被加工物１１の断面深さを制御して、階段状の断面を創成することも可能である。

この場合、まず、図９に示すように、１段目の薄膜１５を階段状に除去するために、レーザ加工制御プログラム３１は、上述の図７に示すショット数と除去深さの関係を示す線図（照射条件情報３３）から、ショット数を求める。

すなわち、本実施の形態１の場合、照射条件情報３３には、図７のショット数と除去深さの関係を示す線図が、テーブルとして記録されている。
そして、図１ＡのＸ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２の上に、この被加工物１１を乗せて、あらかじめ、図７のショット数と除去深さの関係から算出した照射条件（照射条件情報３３）の情報を用いて、図１０に例示されるようなプロファイルにて走査速度を制御することで超短パルスレーザ２を照射する。この結果、図９のような階段状の薄膜１５の加工が可能になる。

すなわち、本実施の形態１の場合、薄膜１５を完全に除去する加工位置Ｐ１０の区間では一定の走査速度Ｖ１０で加工し、薄膜１５の除去部と残存部の境界の加工位置Ｐ１１までは減速してテーパ状の取り残しを防止する。

その後、一定の走査速度Ｖ１２（＞Ｖ１０）まで加速して、高段差部１５ａの軽度の加工を行い、低段差部１５ｂとの境界である加工位置Ｐ１２では、後述の低段差部１５ｂの加工のための走査速度Ｖ１３（＞Ｖ１２）以下まで減速して、高段差部１５ａと低段差部１５ｂの間のテーパ状の取り残しの発生を防止する。

その後、低段差部１５ｂの平坦加工のための一定の走査速度Ｖ１３まで加速する。
すなわち、本実施の形態１では、レーザ加工制御プログラム３１は、加工深さの異なる境界部では、当該境界部の前後のいずれの一定走査速度よりも低い走査速度に減速するように走査速度を制御して、シャープな段差形状の加工を可能にする。

これにより、高段差部１５ａとガラス基板１６の露出部との境界である加工位置Ｐ１１にはテーパ状の取り残しが発生せず、同様に、高段差部１５ａと低段差部１５ｂの境界である加工位置Ｐ１２にもテーパ状の取り残しが発生せず、設計通りの垂直な境界を有する高段差部１５ａおよび低段差部１５ｂの形成加工が可能になる。

また、この図１０に例示される走査速度のプロファイルにおいて、走査速度Ｖ１２と走査速度Ｖ１３の大きさを逆にすれば、加工初期の形状の断面形状が階段状であった場合に、加工位置によって、ショット数（走査速度）を可変にすることで、階段状の断面形状であった場合に、高段差部１５ａを除去して低段差部１５ｂの高さに平坦化することもできる。

さらに、曲線の形状など、加工位置によって照射スポット領域（単一ショット加工痕）１８の重なり率が異なる場合においては、走査速度が一定の場合には、図６の単一ショット加工痕１８の重なり率の高い高密度照射領域Ｂや、単一ショット加工痕１８の重なり率の低い低密度照射領域Ａができてしまう。

そこで、このような重なり率が、図６の直線部分（均一照射領域Ｃ）と異なる部分が発生する場合には、図６の低密度照射領域Ａのように重なり率の低い部分が、図６の直線部分（均一照射領域Ｃ）と同じになるように、レーザ加工制御プログラム３１が、図１１に例示されるようなプロファイルによって走査速度を制御することで、薄膜１５の部分的な取り残しを防ぎ、被加工物１１の断面深さを任意に制御できるようになる。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、超短パルスレーザ２のショット数の制御、およびＸ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２の制御によって超短パルスレーザ２を走査する面加工においては、走査速度を制御することによって、加工開始点、および、加工終了点をはじめとした、照射スポット領域（単一ショット加工痕１８）の重なり率の違う場合においても被加工物１１の断面の加工深さを随意に制御することができる。
（実施の形態２）
この実施の形態２では、ガラス基板１６と薄膜１５で構成された被加工物１１の薄膜１５を選択的に除去する際に、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸ステージ１２などを用いて、被加工物１１と超短パルスレーザ２を相対的に動かしながら、フルエンスを制御することによって、ガラス基板１６へのダメージ深さをＰ−Ｖ値で１０ｎｍ以下に抑制するレーザ加工例を述べる。

本実施の形態２の装置構成は、上述の図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ等に例示した実施の形態１と同様である。
ガラス基板１６と薄膜１５で構成された被加工物１１に対して、照射条件によっては、薄膜１５を除去するときの衝撃の影響で、下地のガラス基板１６に、ダメージが入ることもあり薄膜１５を除去したあとの開口部１７のガラス基板１６の表面を、干渉計等で子細に観察すると、Ｐ−Ｖ値で１０ｎｍよりも大きいダメージが発生することがある。

そこで、この実施の形態２では、このガラス基板１６のＰ−Ｖ値で１０ｎｍよりも大きいダメージを抑止するために、超短パルスレーザ２のフルエンスを制御して、ガラス基板１６へのダメージをＰ−Ｖ値で１０ｎｍ以下にした例を示す。

一般に、図２Ａおよび図２Ｂのように、ガラス基板１６と薄膜１５で構成された被加工物１１に対して、ガラス基板１６にダメージを与えずに、薄膜１５を除去するための照射条件は、ガラス基板１６の加工閾値フルエンスをＱｇ、薄膜１５を除去するための最適な照射条件である加工フルエンスをＱｂ、薄膜１５の加工閾値フルエンスをＱｔとすると、次の（１）式で表されると考えられている。

Ｑｇ ＞ Ｑｂ ＞ Ｑｔ ・・・・（１）
しかし、たとえば、ガラス基板１６の加工閾値フルエンスＱｇが１Ｊ／ｃｍ^２、薄膜１５の加工閾値フルエンスＱｔが０．０８Ｊ／ｃｍ^２であるとき、
１Ｊ／ｃｍ^２ ＞ 加工フルエンスＱｂ ＞ ０．０８Ｊ／ｃｍ^２、
としても、ガラス基板１６の表面に形成された、薄膜１５を除去するための最適な照射条
件（加工フルエンスＱｂ）としては、上述の１から０．０８Ｊ／ｃｍ^２の範囲のどの値を使っても、ガラス基板１６にダメージを与えずに、薄膜１５を除去できるわけではない。

そこで、本実施の形態２において、加工フルエンスＱｂとガラス基板１６へのダメージ深さを調査した結果を図１２に示す。
この実施の形態２では、加工フルエンスＱｂを調整するために、図１Ａに示すレーザ加工装置の対物レンズ１０の下に、図示しないパワーメータを設置し、対物レンズ１０を通過した超短パルスレーザ２の照射エネルギを測定しながら、超短パルスレーザ発振装置１で超短パルスレーザ２の出力を調整して、加工フルエンスＱｂを制御することで、図１２の結果を得たものである。

この図１２の結果から、上述の１から０．０８Ｊ／ｃｍ^２の範囲内において、加工フルエンスＱｂが、０．３３Ｊ／ｃｍ^２では、ガラス基板１６へのダメージ深さが、Ｐ−Ｖ値で５ｎｍであるが、加工フルエンスＱｂを、０．４９Ｊ／ｃｍ^２とした場合には、ガラス基板１６へのダメージ深さが、Ｐ−Ｖ値で４０ｎｍとなることがわかる。

すなわち、ガラス基板１６の加工閾値フルエンスＱｇ（この場合、１Ｊ／ｃｍ^２）に近いほうに加工フルエンスＱｂが大きくなるほど、薄膜１５を除去する場合に発生する衝撃が大きく発生し、ガラス基板１６へのダメージが深くなり、また、加工フルエンスＱｂが０．０８Ｊ／ｃｍ^２以下では、薄膜１５が除去できないことがわかる。

そこで、本実施の形態２では、レーザ加工制御プログラム３１は、照射条件情報３３としての加工フルエンスＱｂを０．０８から０．３５Ｊ／ｃｍ^２の間に制御して、たとえば、走査速度：１mm／秒で加工することによって、ガラス基板１６へのダメージ深さをＰ−Ｖ値で１０ｎｍ以下に抑制する。

このように、本実施の形態２によれば、被加工物１１が、ガラス基板１６の主面に薄膜１５が被着された構成の場合に、ガラス基板１６へのダメージ深さをＰ−Ｖ値で１０ｎｍ以下に抑制して、平坦度を損なわずに、任意形状に薄膜１５を選択的に除去することができる。

以上説明したように、本発明の各実施の形態によれば、１層以上の材料から形成された被加工物１１の任意の深さの断面形状を創成することができる。また、被加工物１１が、ガラス基板１６と薄膜１５で構成されている場合に、ガラス基板１６へのダメージ深さをＰ−Ｖ値で１０ｎｍ以下に抑制して平坦度を損なうことなく、任意の形状に薄膜１５を選択的に除去することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置における制御用コンピュータの構成例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置の機能仕様の一例を示すレーザ装置仕様情報の概念図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置の加工対象である被加工物の加工前の断面形状の一例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置で加工された被加工物の加工断面形状を示す断面図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置の超短パルスレーザの相対的な走査方法の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置の超短パルスレーザの被加工物に対する照射状態の一例を示す概念図である。 超短パルスレーザの走査速度を一定にした場合の被加工物の加工断面形状を示す断面図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置の超短パルスレーザの被加工物に対する照射状態の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置にて用いられる照射条件情報の一例を示す線図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置の超短パルスレーザの被加工物に対する走査速度の制御プロファイルの一例を示す線図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置で加工された被加工物の加工断面形状の変形例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置における図９の段差形状を被加工物に形成する場合の走査速度の制御プロファイルの一例を示す線図である。 本発明の一実施の形態であるレーザ加工装置における図６の走査経路で被加工物を加工する場合の走査速度の制御プロファイルの一例を示す線図である。 超短パルスレーザの照射における加工フルエンスとガラス基板のダメージ深さとの関係の一例を示す線図である。

符号の説明

１ 超短パルスレーザ発振装置
２ 超短パルスレーザ
３ 切り出し用マスク
４ ダイクロイックミラー
５ モニター
６ モニター用撮像素子
７ ビームスプリッター
８ 観察光源
８ａ 観察光
９ 結像レンズ
１０ 対物レンズ
１１ 被加工物
１２ Ｘ−Ｙ−Ｚ軸ステージ
１３ ステージコントローラ
１５ 薄膜
１５ａ 高段差部
１５ｂ 低段差部
１６ ガラス基板
１７ 開口部
１７−Ａ 加工開始点
１７−Ｂ 加工終了点
１８ 単一ショット加工痕
１８ａ 重複領域
１８ｂ 非重複領域
１９Ｘ Ｘ走査方向
１９Ｙ Ｙ走査方向
２０ 制御用コンピュータ
２１ マイクロプロセッサ
２２ 主記憶
２３ ユーザインタフェース
２４ 制御インタフェース
２５ テーブル制御線
２６ レーザ制御線
３０ オペレーティングシステム
３１ レーザ加工制御プログラム
３２ レーザ装置仕様情報
３２ａ レーザ装置名称
３２ｂ レーザ波長
３２ｃ パルス幅
３２ｄ 結像方式
３２ｅ 対物レンズ倍率
３２ｆ 切り出し用マスクサイズ
３２ｇ 走査速度
３２ｈ フルエンス
３２ｉ 繰り返し周波数
３３ 照射条件情報
３４ 加工形状情報
Ａ 低密度照射領域
Ｂ 高密度照射領域
Ｃ 均一照射領域
Ｑｇ ガラス基板の加工閾値フルエンス
Ｑｔ 薄膜の加工閾値フルエンス
Ｑｂ 薄膜の加工フルエンス

Claims (10)

1. １層以上の材料で形成された被加工物に超短パルスレーザを照射して加工するレーザ加工方法であって、
   個々の前記材料の加工が可能な最小の照射エネルギ量を示す加工閾値フルエンスを決定する工程と、
   前記被加工物に対して前記加工閾値フルエンスよりも大きなフルエンスの前記超短パルスレーザを相対的に走査するときの走査速度を制御することによって、前記被加工物の加工深さを制御する工程と、
   を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
   前記被加工物に対して段差を形成するとき、前記段差の走査時に、前記走査速度を漸増または漸減することを特徴とするレーザ加工方法。
3. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
   前記被加工物が、ガラス基板の主面に少なくとも１層の薄膜を被着してなるとき、前記超短パルスレーザの前記フルエンスを０．０８から０．３５Ｊ／ｃｍ^２に制御することを特徴とするレーザ加工方法。
4. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
   前記被加工物が、ガラス基板の主面に少なくとも１層の薄膜を被着してなるとき、前記超短パルスレーザの前記フルエンスを０．０８から０．３５Ｊ／ｃｍ^２に制御し、前記ガラス基板のダメージを、Ｐ−Ｖ値で１０ｎｍ以下に抑制することを特徴とするレーザ加工方法。
5. １層以上の材料で形成された被加工物に超短パルスレーザを照射して加工するレーザ加工を制御するレーザ加工制御プログラムであって、
   個々の前記材料の加工が可能な最小の照射エネルギ量を示す加工閾値フルエンスを入力するステップと、
   前記被加工物に対して前記加工閾値フルエンスよりも大きなフルエンスの前記超短パルスレーザを相対的に走査するときの走査速度を制御することによって、前記被加工物の加工深さを制御するステップと、
   をコンピュータに実行させることを特徴とするレーザ加工制御プログラム。
6. 請求項５記載のレーザ加工制御プログラムにおいて、
   前記被加工物に対して段差を形成するとき、前記段差の走査時に、前記走査速度を漸増または漸減させる動作を前記コンピュータに実行させることを特徴とするレーザ加工制御プログラム。
7. 請求項５記載のレーザ加工制御プログラムにおいて、
   前記被加工物が、ガラス基板の主面に少なくとも１層の薄膜を被着してなるとき、前記超短パルスレーザの前記フルエンスが０．０８から０．３５Ｊ／ｃｍ^２となるように前記コンピュータを制御することを特徴とするレーザ加工制御プログラム。
8. １層以上の材料で形成された被加工物が載置される加工ステージと、
   前記被加工物に超短パルスレーザを照射するレーザ源と、
   個々の前記材料の加工が可能な最小の照射エネルギ量を示す加工閾値フルエンスを記憶する記憶手段と、
   前記加工ステージを相対的に変位させ、前記被加工物に対して前記加工閾値フルエンス
   よりも大きなフルエンスの前記超短パルスレーザを相対的に走査するときの走査速度を制御することによって、前記被加工物の加工深さを制御する加工制御手段と、
   を含むことを特徴とするレーザ加工装置。
9. 請求項８記載のレーザ加工装置において、
   前記加工制御手段は、前記被加工物に対して段差を形成するとき、前記段差の走査時に、前記走査速度を漸増または漸減させることを特徴とするレーザ加工装置。
10. 請求項８記載のレーザ加工装置において、
    前記加工制御手段は、前記被加工物が、ガラス基板の主面に少なくとも１層の薄膜を被着してなるとき、前記超短パルスレーザの前記フルエンスを０．０８から０．３５Ｊ／ｃｍ^２に制御することを特徴とするレーザ加工装置。