以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、互いに同一の要素、又は、互いに相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
実施形態に係るレーザ加工装置では、加工対象物にレーザ光を集光することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物に改質領域を形成する。そこで、まず、改質領域の形成について、図1〜図6を参照して説明する。
図1に示されるように、レーザ加工装置100は、レーザ光Lをパルス発振するレーザ光源101と、レーザ光Lの光軸(光路)の向きを90°変えるように配置されたダイクロイックミラー103と、レーザ光Lを集光するための集光用レンズ105と、を備えている。また、レーザ加工装置100は、集光用レンズ105で集光されたレーザ光Lが照射される対象物である加工対象物1を支持するための支持台107と、支持台107を移動させるための移動機構であるステージ111と、レーザ光Lの出力やパルス幅、パルス波形等を調節するためにレーザ光源101を制御するレーザ光源制御部102と、ステージ111の移動を制御するステージ制御部115と、を備えている。
レーザ加工装置100においては、レーザ光源101から出射されたレーザ光Lは、ダイクロイックミラー103によってその光軸の向きを90°変えられ、支持台107上に載置された加工対象物1の内部に集光用レンズ105によって集光される。これと共に、ステージ111が移動させられ、加工対象物1がレーザ光Lに対して切断予定ライン5に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン5に沿った改質領域が加工対象物1に形成される。なお、ここでは、レーザ光Lを相対的に移動させるためにステージ111を移動させたが、集光用レンズ105を移動させてもよいし、或いはこれらの両方を移動させてもよい。
加工対象物1としては、半導体材料で形成された半導体基板や圧電材料で形成された圧電基板等を含む板状の部材(例えば、基板、ウェハ等)が用いられる。図2に示されるように、加工対象物1には、加工対象物1を切断するための切断予定ライン5が設定されている。切断予定ライン5は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物1の内部に改質領域を形成する場合、図3に示されるように、加工対象物1の内部に集光点(集光位置)Pを合わせた状態で、レーザ光Lを切断予定ライン5に沿って(すなわち、図2の矢印A方向に)相対的に移動させる。これにより、図4、図5及び図6に示されるように、改質領域7が切断予定ライン5に沿って加工対象物1に形成され、切断予定ライン5に沿って形成された改質領域7が切断起点領域8となる。切断予定ライン5は、照射予定ラインに対応する。
集光点Pとは、レーザ光Lが集光する箇所のことである。切断予定ライン5は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、これらが組み合わされた3次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。切断予定ライン5は、仮想線に限らず加工対象物1の表面3に実際に引かれた線であってもよい。改質領域7は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。改質領域7は列状でも点状でもよく、要は、改質領域7は少なくとも加工対象物1の内部、表面3又は裏面に形成されていればよい。改質領域7を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域7は、加工対象物1の外表面(表面3、裏面、若しくは外周面)に露出していてもよい。改質領域7を形成する際のレーザ光入射面は、加工対象物1の表面3に限定されるものではなく、加工対象物1の裏面であってもよい。
ちなみに、加工対象物1の内部に改質領域7を形成する場合には、レーザ光Lは、加工対象物1を透過すると共に、加工対象物1の内部に位置する集光点P近傍にて特に吸収される。これにより、加工対象物1に改質領域7が形成される(すなわち、内部吸収型レーザ加工)。この場合、加工対象物1の表面3ではレーザ光Lが殆ど吸収されないので、加工対象物1の表面3が溶融することはない。一方、加工対象物1の表面3又は裏面に改質領域7を形成する場合には、レーザ光Lは、表面3又は裏面に位置する集光点P近傍にて特に吸収され、表面3又は裏面から溶融され除去されて、穴や溝等の除去部が形成される(表面吸収型レーザ加工)。
改質領域7は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域7としては、例えば、溶融処理領域(一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくとも何れか一つを意味する)、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。更に、改質領域7としては、加工対象物1の材料において改質領域7の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある。加工対象物1の材料が単結晶シリコンである場合、改質領域7は、高転位密度領域ともいえる。
溶融処理領域、屈折率変化領域、改質領域7の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、及び、格子欠陥が形成された領域は、更に、それら領域の内部や改質領域7と非改質領域との界面に亀裂(割れ、マイクロクラック)を内包している場合がある。内包される亀裂は、改質領域7の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。加工対象物1は、結晶構造を有する結晶材料からなる基板を含む。例えば加工対象物1は、窒化ガリウム(GaN)、シリコン(Si)、シリコンカーバイド(SiC)、LiTaO3、及び、サファイア(Al2O3)の少なくとも何れかで形成された基板を含む。換言すると、加工対象物1は、例えば、窒化ガリウム基板、シリコン基板、SiC基板、LiTaO3基板、又はサファイア基板を含む。結晶材料は、異方性結晶及び等方性結晶の何れであってもよい。また、加工対象物1は、非結晶構造(非晶質構造)を有する非結晶材料からなる基板を含んでいてもよく、例えばガラス基板を含んでいてもよい。
実施形態では、切断予定ライン5に沿って改質スポット(加工痕)を複数形成することにより、改質領域7を形成することができる。この場合、複数の改質スポットが集まることによって改質領域7となる。改質スポットとは、パルスレーザ光の1パルスのショット(つまり1パルスのレーザ照射:レーザショット)で形成される改質部分である。改質スポットとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも1つが混在するもの等が挙げられる。改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物1の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することができる。また、実施形態では、切断予定ライン5に沿って、改質スポットを改質領域7として形成することができる。
[実施形態に係るレーザ加工装置]
次に、実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。以下の説明では、水平面内において互いに直交する方向をX軸方向及びY軸方向とし、鉛直方向をZ軸方向とする。
[レーザ加工装置の全体構成]
図7に示されるように、レーザ加工装置200は、装置フレーム210と、第1移動機構(移動機構)220と、支持台230と、第2移動機構240と、を備えている。さらに、レーザ加工装置200は、レーザ出力部300と、レーザ集光部400と、制御部500と、を備えている。
第1移動機構220は、装置フレーム210に取り付けられている。第1移動機構220は、第1レールユニット221と、第2レールユニット222と、可動ベース223と、を有している。第1レールユニット221は、装置フレーム210に取り付けられている。第1レールユニット221には、Y軸方向に沿って延在する一対のレール221a,221bが設けられている。第2レールユニット222は、Y軸方向に沿って移動可能となるように、第1レールユニット221の一対のレール221a,221bに取り付けられている。第2レールユニット222には、X軸方向に沿って延在する一対のレール222a,222bが設けられている。可動ベース223は、X軸方向に沿って移動可能となるように、第2レールユニット222の一対のレール222a,222bに取り付けられている。可動ベース223は、Z軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能である。
支持台230は、可動ベース223に取り付けられている。支持台230は、加工対象物1を支持する。加工対象物1は、例えば、シリコン等の半導体材料からなる基板の表面側に複数の機能素子(フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、又は回路として形成された回路素子等)がマトリックス状に形成されたものである。加工対象物1が支持台230に支持される際には、図8に示されるように、環状のフレーム11に張られたフィルム12上に、例えば加工対象物1の表面1a(複数の機能素子側の面)が貼付される。支持台230は、クランプによってフレーム11を保持すると共に真空チャックテーブルによってフィルム12を吸着することで、加工対象物1を支持する。支持台230上において、加工対象物1には、互いに平行な複数の切断予定ライン5a、及び互いに平行な複数の切断予定ライン5bが、隣り合う機能素子の間を通るように格子状に設定される。
図7に示されるように、支持台230は、第1移動機構220において第2レールユニット222が動作することで、Y軸方向に沿って移動させられる。また、支持台230は、第1移動機構220において可動ベース223が動作することで、X軸方向に沿って移動させられる。更に、支持台230は、第1移動機構220において可動ベース223が動作することで、Z軸方向に平行な軸線を中心線として回転させられる。このように、支持台230は、X軸方向及びY軸方向に沿って移動可能となり且つZ軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能となるように、装置フレーム210に取り付けられている。
レーザ出力部300は、装置フレーム210に取り付けられている。レーザ集光部400は、第2移動機構240を介して装置フレーム210に取り付けられている。レーザ集光部400は、第2移動機構240が動作することで、Z軸方向に沿って移動させられる。このように、レーザ集光部400は、レーザ出力部300に対してZ軸方向に沿って移動可能となるように、装置フレーム210に取り付けられている。
制御部500は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等によって構成されている。制御部500は、レーザ加工装置200の各部の動作を制御する。
一例として、レーザ加工装置200では、次のように、各切断予定ライン5a,5b(図8参照)に沿って加工対象物1の内部に改質領域が形成される。
まず、加工対象物1の裏面1b(図8参照)がレーザ光入射面となるように、加工対象物1が支持台230に支持され、加工対象物1の各切断予定ライン5aがX軸方向に平行な方向に合わせられる。続いて、加工対象物1の内部において加工対象物1のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Lの集光点が位置するように、第2移動機構240によってレーザ集光部400が移動させられる。続いて、加工対象物1のレーザ光入射面とレーザ光Lの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン5aに沿ってレーザ光Lの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン5aに沿って加工対象物1の内部に改質領域が形成される。
各切断予定ライン5aに沿っての改質領域の形成が終了すると、第1移動機構220によって支持台230が回転させられ、加工対象物1の各切断予定ライン5bがX軸方向に平行な方向に合わせられる。続いて、加工対象物1の内部において加工対象物1のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Lの集光点が位置するように、第2移動機構240によってレーザ集光部400が移動させられる。続いて、加工対象物1のレーザ光入射面とレーザ光Lの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン5bに沿ってレーザ光Lの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン5bに沿って加工対象物1の内部に改質領域が形成される。
このように、レーザ加工装置200では、X軸方向に平行な方向が加工方向(レーザ光Lのスキャン方向)とされている。なお、各切断予定ライン5aに沿ったレーザ光Lの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン5bに沿ったレーザ光Lの集光点の相対的な移動は、第1移動機構220によって支持台230がX軸方向に沿って移動させられることで、実施される。また、各切断予定ライン5a間におけるレーザ光Lの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン5b間におけるレーザ光Lの集光点の相対的な移動は、第1移動機構220によって支持台230がY軸方向に沿って移動させられることで、実施される。
図9に示されるように、レーザ出力部300は、取付ベース301と、カバー302と、複数のミラー303,304と、を有している。更に、レーザ出力部300は、レーザ発振器(レーザ光源)310と、シャッタ320と、λ/2波長板ユニット330と、偏光板ユニット340と、ビームエキスパンダ350と、ミラーユニット360と、を有している。
取付ベース301は、複数のミラー303,304、レーザ発振器310、シャッタ320、λ/2波長板ユニット330、偏光板ユニット340、ビームエキスパンダ350及びミラーユニット360を支持している。複数のミラー303,304、レーザ発振器310、シャッタ320、λ/2波長板ユニット330、偏光板ユニット340、ビームエキスパンダ350及びミラーユニット360は、取付ベース301の主面301aに取り付けられている。取付ベース301は、板状の部材であり、装置フレーム210(図7参照)に対して着脱可能である。レーザ出力部300は、取付ベース301を介して装置フレーム210に取り付けられている。つまり、レーザ出力部300は、装置フレーム210に対して着脱可能である。
カバー302は、取付ベース301の主面301a上において、複数のミラー303,304、レーザ発振器310、シャッタ320、λ/2波長板ユニット330、偏光板ユニット340、ビームエキスパンダ350及びミラーユニット360を覆っている。カバー302は、取付ベース301に対して着脱可能である。
レーザ発振器310は、直線偏光のレーザ光LをX軸方向に沿ってパルス発振する。レーザ発振器310から出射されるレーザ光Lの波長は、500〜550nm、1000〜1150nm又は1300〜1400nmのいずれかの波長帯に含まれる。500〜550nmの波長帯のレーザ光Lは、例えばサファイアからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。1000〜1150nm及び1300〜1400nmの各波長帯のレーザ光Lは、例えばシリコンからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。レーザ発振器310から出射されるレーザ光Lの偏光方向は、例えば、Y軸方向に平行な方向である。レーザ発振器310から出射されたレーザ光Lは、ミラー303によって反射され、Y軸方向に沿ってシャッタ320に入射する。
レーザ発振器310では、次のように、レーザ光Lの出力のON/OFFが切り替えられる。レーザ発振器310が固体レーザで構成されている場合、共振器内に設けられたQスイッチ(AOM(音響光学変調器)、EOM(電気光学変調器)等)のON/OFFが切り替えられることで、レーザ光Lの出力のON/OFFが高速に切り替えられる。レーザ発振器310がファイバレーザで構成されている場合、シードレーザ、アンプ(励起用)レーザを構成する半導体レーザの出力のON/OFFが切り替えられることで、レーザ光Lの出力のON/OFFが高速に切り替えられる。レーザ発振器310が外部変調素子を用いている場合、共振器外に設けられた外部変調素子(AOM、EOM等)のON/OFFが切り替えられることで、レーザ光Lの出力のON/OFFが高速に切り替えられる。
シャッタ320は、機械式の機構によってレーザ光Lの光路を開閉する。レーザ出力部300からのレーザ光Lの出力のON/OFFの切り替えは、上述したように、レーザ発振器310でのレーザ光Lの出力のON/OFFの切り替えによって実施されるが、シャッタ320が設けられていることで、例えばレーザ出力部300からレーザ光Lが不意に出射されることが防止される。シャッタ320を通過したレーザ光Lは、ミラー304によって反射され、X軸方向に沿ってλ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340に順次入射する。
λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340は、レーザ光Lの出力(光強度)を調整する出力調整部として機能する。また、λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340は、レーザ光Lの偏光方向を調整する偏光方向調整部として機能する。λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340を順次通過したレーザ光Lは、X軸方向に沿ってビームエキスパンダ350に入射する。
ビームエキスパンダ350は、レーザ光Lの径を調整しつつ、レーザ光Lを平行化する。ビームエキスパンダ350を通過したレーザ光Lは、X軸方向に沿ってミラーユニット360に入射する。
ミラーユニット360は、支持ベース361と、複数のミラー362,363と、を有している。支持ベース361は、複数のミラー362,363を支持している。支持ベース361は、X軸方向及びY軸方向に沿って位置調整可能となるように、取付ベース301に取り付けられている。ミラー(第1ミラー)362は、ビームエキスパンダ350を通過したレーザ光LをY軸方向に反射する。ミラー362は、その反射面が例えばZ軸に平行な軸線回りに角度調整可能となるように、支持ベース361に取り付けられている。
ミラー(第2ミラー)363は、ミラー362によって反射されたレーザ光LをZ軸方向に反射する。ミラー363は、その反射面が例えばX軸に平行な軸線回りに角度調整可能となり且つY軸方向に沿って位置調整可能となるように、支持ベース361に取り付けられている。ミラー363によって反射されたレーザ光Lは、支持ベース361に形成された開口361aを通過し、Z軸方向に沿ってレーザ集光部400(図7参照)に入射する。つまり、レーザ出力部300によるレーザ光Lの出射方向は、レーザ集光部400の移動方向に一致している。上述したように、各ミラー362,363は、反射面の角度を調整するための機構を有している。
ミラーユニット360では、取付ベース301に対する支持ベース361の位置調整、支持ベース361に対するミラー363の位置調整、及び各ミラー362,363の反射面の角度調整が実施されることで、レーザ出力部300から出射されるレーザ光Lの光軸の位置及び角度がレーザ集光部400に対して合わされる。つまり、複数のミラー362,363は、レーザ出力部300から出射されるレーザ光Lの光軸を調整するための構成である。
図10に示されるように、レーザ集光部400は、筐体401を有している。筐体401は、Y軸方向を長手方向とする直方体状の形状を呈している。筐体401の一方の側面401eには、第2移動機構240が取り付けられている(図11及び図13参照)。筐体401には、ミラーユニット360の開口361aとZ軸方向において対向するように、円筒状の光入射部401aが設けられている。光入射部401aは、レーザ出力部300から出射されたレーザ光Lを筐体401内に入射させる。ミラーユニット360と光入射部401aとは、第2移動機構240によってレーザ集光部400がZ軸方向に沿って移動させられた際に互いに接触することがない距離だけ、互いに離間している。
図11及び図12に示されるように、レーザ集光部400は、ミラー402と、ダイクロイックミラー403と、を有している。更に、レーザ集光部400は、反射型空間光変調器410と、4fレンズユニット420と、集光レンズユニット(対物レンズ)430と、駆動機構440と、一対の測距センサ450と、を有している。
ミラー402は、光入射部401aとZ軸方向において対向するように、筐体401の底面401bに取り付けられている。ミラー402は、光入射部401aを介して筐体401内に入射したレーザ光LをXY平面に平行な方向に反射する。ミラー402には、レーザ出力部300のビームエキスパンダ350によって平行化されたレーザ光LがZ軸方向に沿って入射する。つまり、ミラー402には、レーザ光Lが平行光としてZ軸方向に沿って入射する。そのため、第2移動機構240によってレーザ集光部400がZ軸方向に沿って移動させられても、Z軸方向に沿ってミラー402に入射するレーザ光Lの状態は一定に維持される。ミラー402によって反射されたレーザ光Lは、反射型空間光変調器410に入射する。
反射型空間光変調器410は、反射面410aが筐体401内に臨んだ状態で、Y軸方向における筐体401の端部401cに取り付けられている。反射型空間光変調器410は、例えば反射型液晶(LCOS:Liquid Crystal on Silicon)の空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)であり、レーザ光Lを変調しつつ、レーザ光LをY軸方向に反射する。反射型空間光変調器410によって変調されると共に反射されたレーザ光Lは、Y軸方向に沿って4fレンズユニット420に入射する。ここで、XY平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器410に入射するレーザ光Lの光軸と、反射型空間光変調器410から出射されるレーザ光Lの光軸とがなす角度αは、鋭角(例えば、10〜60°)とされている。つまり、レーザ光Lは、反射型空間光変調器410においてXY平面に沿って鋭角に反射される。これは、レーザ光Lの入射角及び反射角を抑えて回折効率の低下を抑制し、反射型空間光変調器410の性能を十分に発揮させるためである。なお、反射型空間光変調器410では、例えば、液晶が用いられた光変調層の厚さが数μm〜数十μm程度と極めて薄いため、反射面410aは、光変調層の光入出射面と実質的に同じと捉えることができる。
4fレンズユニット420は、ホルダ421と、反射型空間光変調器410側のレンズ422と、集光レンズユニット430側のレンズ423と、スリット部材424と、を有している。ホルダ421は、一対のレンズ422,423及びスリット部材424を保持している。ホルダ421は、レーザ光Lの光軸に沿った方向における一対のレンズ422,423及びスリット部材424の互いの位置関係を一定に維持している。一対のレンズ422,423は、反射型空間光変調器410の反射面410aと集光レンズユニット430の入射瞳面(瞳面)430aとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。
これにより、反射型空間光変調器410の反射面410aでのレーザ光Lの像(反射型空間光変調器410において変調されたレーザ光Lの像)が、集光レンズユニット430の入射瞳面430aに転像(結像)される。スリット部材424には、スリット424aが形成されている。スリット424aは、レンズ422とレンズ423との間であって、レンズ422の焦点面付近に位置している。反射型空間光変調器410によって変調されると共に反射されたレーザ光Lのうち不要な部分は、スリット部材424によって遮断される。4fレンズユニット420を通過したレーザ光Lは、Y軸方向に沿ってダイクロイックミラー403に入射する。
ダイクロイックミラー403は、レーザ光Lの大部分(例えば、95〜99.5%)をZ軸方向に反射し、レーザ光Lの一部(例えば、0.5〜5%)をY軸方向に沿って透過させる。レーザ光Lの大部分は、ダイクロイックミラー403においてZX平面に沿って直角に反射される。ダイクロイックミラー403によって反射されたレーザ光Lは、Z軸方向に沿って集光レンズユニット430に入射する。
集光レンズユニット430は、Y軸方向における筐体401の端部401d(端部401cの反対側の端部)に、駆動機構440を介して取り付けられている。集光レンズユニット430は、ホルダ431と、複数のレンズ432と、を有している。ホルダ431は、複数のレンズ432を保持している。複数のレンズ432は、支持台230に支持された加工対象物1(図7参照)に対してレーザ光Lを集光する。駆動機構440は、圧電素子の駆動力によって、集光レンズユニット430をZ軸方向に沿って移動させる。
一対の測距センサ450は、X軸方向において集光レンズユニット430の両側に位置するように、筐体401の端部401dに取り付けられている。各測距センサ450は、支持台230に支持された加工対象物1(図7参照)のレーザ光入射面に対して測距用の光(例えば、レーザ光)を出射し、当該レーザ光入射面によって反射された測距用の光を検出することで、加工対象物1のレーザ光入射面の変位データを取得する。なお、測距センサ450には、三角測距方式、レーザ共焦点方式、白色共焦点方式、分光干渉方式、非点収差方式等のセンサを利用することができる。
レーザ加工装置200では、上述したように、X軸方向に平行な方向が加工方向(レーザ光Lのスキャン方向)とされている。そのため、各切断予定ライン5a,5bに沿ってレーザ光Lの集光点が相対的に移動させられる際に、一対の測距センサ450のうち集光レンズユニット430に対して相対的に先行する測距センサ450が、各切断予定ライン5a,5bに沿った加工対象物1のレーザ光入射面の変位データを取得する。そして、加工対象物1のレーザ光入射面とレーザ光Lの集光点との距離が一定に維持されるように、駆動機構440が、測距センサ450によって取得された変位データに基づいて集光レンズユニット430をZ軸方向に沿って移動させる。
レーザ集光部400は、ビームスプリッタ461と、一対のレンズ462,463と、プロファイル取得用カメラ(強度分布取得部)464と、を有している。ビームスプリッタ461は、ダイクロイックミラー403を透過したレーザ光Lを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ461によって反射されたレーザ光Lは、Z軸方向に沿って一対のレンズ462,463及びプロファイル取得用カメラ464に順次入射する。一対のレンズ462,463は、集光レンズユニット430の入射瞳面430aとプロファイル取得用カメラ464の撮像面とが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。これにより、集光レンズユニット430の入射瞳面430aでのレーザ光Lの像が、プロファイル取得用カメラ464の撮像面に転像(結像)される。上述したように、集光レンズユニット430の入射瞳面430aでのレーザ光Lの像は、反射型空間光変調器410において変調されたレーザ光Lの像である。したがって、レーザ加工装置200では、プロファイル取得用カメラ464による撮像結果を監視することで、反射型空間光変調器410の動作状態を把握することができる。
更に、レーザ集光部400は、ビームスプリッタ471と、レンズ472と、レーザ光Lの光軸位置モニタ用のカメラ473と、を有している。ビームスプリッタ471は、ビームスプリッタ461を透過したレーザ光Lを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ471によって反射されたレーザ光Lは、Z軸方向に沿ってレンズ472及びカメラ473に順次入射する。レンズ472は、入射したレーザ光Lをカメラ473の撮像面上に集光する。レーザ加工装置200では、カメラ464及びカメラ473のそれぞれによる撮像結果を監視しつつ、ミラーユニット360において、取付ベース301に対する支持ベース361の位置調整、支持ベース361に対するミラー363の位置調整、及び各ミラー362,363の反射面の角度調整を実施することで(図9及び図10参照)、集光レンズユニット430に入射するレーザ光Lの光軸のずれ(集光レンズユニット430に対するレーザ光の強度分布の位置ずれ、及び集光レンズユニット430に対するレーザ光Lの光軸の角度ずれ)を補正することができる。
複数のビームスプリッタ461,471は、筐体401の端部401dからY軸方向に沿って延在する筒体404内に配置されている。一対のレンズ462,463は、Z軸方向に沿って筒体404上に立設された筒体405内に配置されており、プロファイル取得用カメラ464は、筒体405の端部に配置されている。レンズ472は、Z軸方向に沿って筒体404上に立設された筒体406内に配置されており、カメラ473は、筒体406の端部に配置されている。筒体405と筒体406とは、Y軸方向において互いに並設されている。なお、ビームスプリッタ471を透過したレーザ光Lは、筒体404の端部に設けられたダンパ等に吸収されるようにしてもよいし、或いは、適宜の用途で利用されるようにしてもよい。
図12及び図13に示されるように、レーザ集光部400は、可視光源481と、複数のレンズ482と、レチクル483と、ミラー484と、ハーフミラー485と、ビームスプリッタ486と、レンズ487と、観察カメラ488と、を有している。可視光源481は、Z軸方向に沿って可視光Vを出射する。複数のレンズ482は、可視光源481から出射された可視光Vを平行化する。レチクル483は、可視光Vに目盛り線を付与する。ミラー484は、複数のレンズ482によって平行化された可視光VをX軸方向に反射する。ハーフミラー485は、ミラー484によって反射された可視光Vを反射成分と透過成分とに分ける。ハーフミラー485によって反射された可視光Vは、Z軸方向に沿ってビームスプリッタ486及びダイクロイックミラー403を順次透過し、集光レンズユニット430を介して、支持台230に支持された加工対象物1(図7参照)に照射される。
加工対象物1に照射された可視光Vは、加工対象物1のレーザ光入射面によって反射され、集光レンズユニット430を介してダイクロイックミラー403に入射し、Z軸方向に沿ってダイクロイックミラー403を透過する。ビームスプリッタ486は、ダイクロイックミラー403を透過した可視光Vを反射成分と透過成分とに分ける。ビームスプリッタ486を透過した可視光Vは、ハーフミラー485を透過し、Z軸方向に沿ってレンズ487及び観察カメラ488に順次入射する。レンズ487は、入射した可視光Vを観察カメラ488の撮像面上に集光する。レーザ加工装置200では、観察カメラ488による撮像結果を観察することで、加工対象物1の状態を把握することができる。
ミラー484、ハーフミラー485及びビームスプリッタ486は、筐体401の端部401d上に取り付けられたホルダ407内に配置されている。複数のレンズ482及びレチクル483は、Z軸方向に沿ってホルダ407上に立設された筒体408内に配置されており、可視光源481は、筒体408の端部に配置されている。レンズ487は、Z軸方向に沿ってホルダ407上に立設された筒体409内に配置されており、観察カメラ488は、筒体409の端部に配置されている。筒体408と筒体409とは、X軸方向において互いに並設されている。なお、X軸方向に沿ってハーフミラー485を透過した可視光V、及びビームスプリッタ486によってX軸方向に反射された可視光Vは、それぞれ、ホルダ407の壁部に設けられたダンパ等に吸収されるようにしてもよいし、或いは、適宜の用途で利用されるようにしてもよい。
レーザ加工装置200では、レーザ出力部300の交換が想定されている。これは、加工対象物1の仕様、加工条件等に応じて、加工に適したレーザ光Lの波長が異なるからである。そのため、出射するレーザ光Lの波長が互いに異なる複数のレーザ出力部300が用意される。ここでは、出射するレーザ光Lの波長が500〜550nmの波長帯に含まれるレーザ出力部300、出射するレーザ光Lの波長が1000〜1150nmの波長帯に含まれるレーザ出力部300、及び出射するレーザ光Lの波長が1300〜1400nmの波長帯に含まれるレーザ出力部300が用意される。
一方、レーザ加工装置200では、レーザ集光部400の交換が想定されていない。これは、レーザ集光部400がマルチ波長に対応している(互いに連続しない複数の波長帯に対応している)からである。具体的には、ミラー402、反射型空間光変調器410、4fレンズユニット420の一対のレンズ422,423、ダイクロイックミラー403、及び集光レンズユニット430のレンズ432等がマルチ波長に対応している。
ここでは、レーザ集光部400は、500〜550nm、1000〜1150nm及び1300〜1400nmの波長帯に対応している。これは、レーザ集光部400の各構成に所定の誘電体多層膜をコーティングすること等、所望の光学性能が満足されるようにレーザ集光部400の各構成が設計されることで実現される。なお、レーザ出力部300において、λ/2波長板ユニット330はλ/2波長板を有しており、偏光板ユニット340は偏光板を有している。λ/2波長板及び偏光板は、波長依存性が高い光学素子である。そのため、λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340は、波長帯ごとに異なる構成としてレーザ出力部300に設けられている。
[レーザ加工装置におけるレーザ光の光路及び偏光方向]
レーザ加工装置200では、支持台230に支持された加工対象物1に対して集光されるレーザ光Lの偏光方向は、図11に示されるように、X軸方向に平行な方向であり、加工方向(レーザ光Lのスキャン方向)に一致している。ここで、反射型空間光変調器410では、レーザ光LがP偏光として反射される。これは、反射型空間光変調器410の光変調層に液晶が用いられている場合において、反射型空間光変調器410に対して入出射するレーザ光Lの光軸を含む平面に平行な面内で液晶分子が傾斜するように、当該液晶が配向されているときには、偏波面の回転が抑制された状態でレーザ光Lに位相変調が施されるからである(例えば、特許第3878758号公報参照)。
一方、ダイクロイックミラー403では、レーザ光LがS偏光として反射される。これは、レーザ光LをP偏光として反射させるよりも、レーザ光LをS偏光として反射させたほうが、ダイクロイックミラー403をマルチ波長に対応させるための誘電体多層膜のコーティング数が減少する等、ダイクロイックミラー403の設計が容易となるからである。
したがって、レーザ集光部400では、ミラー402から反射型空間光変調器410及び4fレンズユニット420を介してダイクロイックミラー403に至る光路が、XY平面に沿うように設定されており、ダイクロイックミラー403から集光レンズユニット430に至る光路が、Z軸方向に沿うように設定されている。
図9に示されるように、レーザ出力部300では、レーザ光Lの光路がX軸方向又はY軸方向に沿うように設定されている。具体的には、レーザ発振器310からミラー303に至る光路、並びに、ミラー304からλ/2波長板ユニット330、偏光板ユニット340及びビームエキスパンダ350を介してミラーユニット360に至る光路が、X軸方向に沿うように設定されており、ミラー303からシャッタ320を介してミラー304に至る光路、及び、ミラーユニット360においてミラー362からミラー363に至る光路が、Y軸方向に沿うように設定されている。
ここで、Z軸方向に沿ってレーザ出力部300からレーザ集光部400に進行したレーザ光Lは、図11に示されるように、ミラー402によってXY平面に平行な方向に反射され、反射型空間光変調器410に入射する。このとき、XY平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器410に入射するレーザ光Lの光軸と、反射型空間光変調器410から出射されるレーザ光Lの光軸とは、鋭角である角度αをなしている。一方、上述したように、レーザ出力部300では、レーザ光Lの光路がX軸方向又はY軸方向に沿うように設定されている。
したがって、レーザ出力部300において、λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340を、レーザ光Lの出力を調整する出力調整部としてだけでなく、レーザ光Lの偏光方向を調整する偏光方向調整部としても機能させる必要がある。
[4fレンズユニット]
上述したように、4fレンズユニット420の一対のレンズ422,423は、反射型空間光変調器410の反射面410aと集光レンズユニット430の入射瞳面430aとが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。具体的には、図14に示されるように、反射型空間光変調器410側のレンズ422の中心と反射型空間光変調器410の反射面410aとの間の光路の距離がレンズ422の第1焦点距離f1となり、集光レンズユニット430側のレンズ423の中心と集光レンズユニット430の入射瞳面430aとの間の光路の距離がレンズ423の第2焦点距離f2となり、レンズ422の中心とレンズ423の中心との間の光路の距離が第1焦点距離f1と第2焦点距離f2との和(すなわち、f1+f2)となっている。反射型空間光変調器410から集光レンズユニット430に至る光路のうち一対のレンズ422,423間の光路は、一直線である。
レーザ加工装置200では、反射型空間光変調器410の反射面410aでのレーザ光Lの有効径を大きくする観点から、両側テレセントリック光学系の倍率Mが、0.5<M<1(縮小系)を満たしている。反射型空間光変調器410の反射面410aでのレーザ光Lの有効径が大きいほど、高精細な位相パターンでレーザ光Lが変調される。反射型空間光変調器410から集光レンズユニット430に至るレーザ光Lの光路が長くなるのを抑制するという観点では、0.6≦M≦0.95であることがより好ましい。ここで、(両側テレセントリック光学系の倍率M)=(集光レンズユニット430の入射瞳面430aでの像の大きさ)/(反射型空間光変調器410の反射面410aでの物体の大きさ)である。レーザ加工装置200の場合、両側テレセントリック光学系の倍率M、レンズ422の第1焦点距離f1及びレンズ423の第2焦点距離f2が、M=f2/f1を満たしている。
なお、反射型空間光変調器410の反射面410aでのレーザ光Lの有効径を小さくする観点から、両側テレセントリック光学系の倍率Mが、1<M<2(拡大系)を満たしていてもよい。反射型空間光変調器410の反射面410aでのレーザ光Lの有効径が小さいほど、ビームエキスパンダ350(図9参照)の倍率が小さくて済み、XY平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器410に入射するレーザ光Lの光軸と、反射型空間光変調器410から出射されるレーザ光Lの光軸とがなす角度α(図11参照)が小さくなる。反射型空間光変調器410から集光レンズユニット430に至るレーザ光Lの光路が長くなるのを抑制するという観点では、1.05≦M≦1.7であることがより好ましい。
[反射型空間光変調器]
図15に示されるように、反射型空間光変調器410は、シリコン基板213、駆動回路層914、複数の画素電極214、誘電体多層膜ミラー等の反射膜215、配向膜999a、液晶層(変調層)216、配向膜999b、透明導電膜217、及びガラス基板等の透明基板218がこの順に積層されることで構成されている。
透明基板218は、表面218aを有している。表面218aは、上述したように、実質的に反射型空間光変調器410の反射面410aを構成しているとも捉えられるが、より具体的には、レーザ光Lが入射される入射面である。すなわち、透明基板218は、例えばガラス等の光透過性材料からなり、反射型空間光変調器410の表面218aから入射したレーザ光Lを、反射型空間光変調器410の内部へ透過する。透明導電膜217は、透明基板218の裏面上に形成されており、レーザ光Lを透過する導電性材料(例えばITO)からなる。
複数の画素電極214は、透明導電膜217に沿ってシリコン基板213上にマトリックス状に配列されている。各画素電極214は、例えばアルミニウム等の金属材料からなり、これらの表面214aは、平坦且つ滑らかに加工されている。表面214aは、透明基板218の表面218aから入射したレーザ光Lを、表面218aに向けて反射する。すなわち、反射型空間光変調器410は、レーザ光Lが入射される表面218aと、表面218aから入射したレーザ光Lを表面218aに向けて反射する表面214aと、を含む。複数の画素電極214は、駆動回路層914に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。
アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極214とシリコン基板213との間に設けられており、反射型空間光変調器410から出力しようとする光像に応じて各画素電極214への印加電圧を制御する。このようなアクティブ・マトリクス回路は、例えば図示しないX軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第1ドライバ回路と、Y軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第2ドライバ回路とを有しており、制御部500によって双方のドライバ回路で指定された画素の画素電極214に所定電圧が印加されるように構成されている。
配向膜999a,999bは、液晶層216の両端面に配置されており、液晶分子群を一定方向に配列させる。配向膜999a,999bは、例えばポリイミド等の高分子材料からなり、液晶層216との接触面にラビング処理等が施されている。
液晶層216は、複数の画素電極214と透明導電膜217との間に配置されており、各画素電極214と透明導電膜217とにより形成される電界に応じてレーザ光Lを変調する。すなわち、駆動回路層914のアクティブ・マトリクス回路によって各画素電極214に電圧が印加されると、透明導電膜217と各画素電極214との間に電界が形成され、液晶層216に形成された電界の大きさに応じて液晶分子216aの配列方向が変化する。そして、レーザ光Lが透明基板218及び透明導電膜217を透過して液晶層216に入射すると、このレーザ光Lは、液晶層216を通過する間に液晶分子216aによって変調され、反射膜215において反射した後、再び液晶層216により変調されて、出射する。
このとき、制御部500により各画素電極214に印加される電圧が制御され、その電圧に応じて、液晶層216において透明導電膜217と各画素電極214とに挟まれた部分の屈折率が変化する(各画素に対応した位置の液晶層216の屈折率が変化する)。この屈折率の変化により、印加した電圧に応じて、レーザ光Lの位相を液晶層216の画素ごとに変化させることができる。つまり、ホログラムパターンに応じた位相変調を画素ごとに液晶層216によって付与することができる。
換言すると、変調を付与するホログラムパターンとしての変調パターンを、反射型空間光変調器410の液晶層216に表示させることができる。変調パターンに入射し透過するレーザ光Lは、その波面が調整され、そのレーザ光Lを構成する各光線において進行方向に直交する所定方向の成分の位相にずれが生じる。したがって、反射型空間光変調器410に表示させる変調パターンを適宜設定することにより、レーザ光Lが変調(例えば、レーザ光Lの強度、振幅、位相、偏光等が変調)可能となる。
さらに換言すれば、各画素電極214に印可する電圧に応じて、画素電極214の配列方向に沿って液晶層216に屈折率分布が発生し、レーザ光Lに位相変調を付与し得る位相パターンが液晶層216に表示される。すなわち、反射型空間光変調器410は、表面218aと表面214aとの間に配置され、位相パターンを表示してレーザ光Lを変調する液晶層(変調層)216を含む。
ここで、上述したように、画素電極214は、マトリクス状に配列されている。すなわち、画素電極214は、第1方向及び第1方向に交差(直交)する第2方向に沿って配列されている。液晶層216は、各画素電極214と透明導電膜217との間において、各画素電極214に対応する領域ごとに屈折率が変化される。したがって、液晶層216は、画素電極214の配列に対応するように、第1方向及び第2方向に沿って配列され、位相パターンを表示する複数の画素領域216pを含む。一例として、1つの画素領域216pは、1つの画素電極214と透明導電膜217とに挟まれた領域である。したがって、以下では、1つの画素電極214、及び対応する1つの画素領域216pを、単に「画素」という場合がある。
次に、一実施形態に係るレーザ加工装置200の要部について詳細に説明する。
図16は、一実施形態に係るレーザ加工装置200の要部を示す概略構成図である。図16に示されるように、レーザ出力部300から出力されたレーザ光Lは、反射型空間光変調器410に入射する。反射型空間光変調器410は、入射されたレーザ光Lを、液晶層216に表示された位相パターンに応じて変調しつつ反射して出射する。反射型空間光変調器410から出射したレーザ光Lは、4fレンズユニット420のリレーレンズであるレンズ(集光レンズ)422で集光された後、4fレンズユニット420のリレーレンズであるレンズ423でコリメートされる。
ここでは、レンズ423の後段のダイクロイックミラー403、及び、集光レンズユニット430等が省略されており、レーザ光Lの光路におけるレンズ423の後段にはパワーメータ520が配置されている。したがって、レンズ423によりコリメートされたレーザ光Lは、パワーメータ520に入射する。一対のレンズ422,423は、反射面410aにおけるレーザ光Lの波面を、パワーメータ520のレーザ光Lの入射面にリレーする。これにより、反射面410aとパワーメータ520の入射面とは、互いに共役の関係となる。
レーザ光Lの光路におけるレンズ422の後側の焦点位置には、スリット部材424が配置されている。スリット部材424は、レーザ光Lにおける一定値以上の空間周波数成分(広角回折光)を遮光すると共に、レーザ光Lにおける一定値未満の空間周波数成分を通過させる。例えばスリット部材424では、一定値以上の空間周波数成分を遮光するように、開口の大きさが設定されている。例えば、反射型空間光変調器410(液晶層216)に位相パターンとして回折格子パターンが表示されているときには、スリット部材424は、当該回折格子パターンに応じて回折されたレーザ光Lの回折光の少なくとも一部(例えば±1次以上の回折光)を遮断する。
制御部500は、上記のレーザ光源制御部102と、表示制御部(取得部、演算部)501と、SLM駆動部502と、保持部503と、を有している。レーザ光源制御部102は、少なくともレーザ出力部300の動作を制御する。また、レーザ光源制御部102は、1つの切断予定ライン5に沿うレーザ加工毎において、加工条件(照射条件)に基づいて、レーザ発振器310で発生させるレーザ光Lの出力を決定して設定する。加工条件は、例えば、外部PC600や制御部500のタッチパネル等の入力部によりオペレータから入力される。加工条件としては、例えば、加工対象物1における改質領域7を形成する深さ位置、レーザ出力等である。
表示制御部501は、反射型空間光変調器410の液晶層216に表示する位相パターンを制御する。すなわち、表示制御部501は、位相パターンを液晶層216に表示させる表示処理を行う。一例としては、表示制御部501は、保持部503に保持された位相パターンから所定の位相パターンを選択し、SLM駆動部502を介して当該所定の位相パターンを液晶層216に表示させる。保持部503は、複数の位相パターンを保持している。図17及び図18は、図16に示された保持部が保持する複数の位相パターンの一例を示す図である。
図17,18に示されるように、保持部503は、位相パターンとして、液晶層216の互いに異なる位置にパターンのエッジE1,E2を有する複数の回折格子パターンP1,P2を保持している。回折格子パターンP1,P2は、回折格子領域RGとブラック領域RBとを含む。回折格子領域RGは、回折格子を構成する複数の溝状のパターンが形成された領域であり、回折格子として機能する領域である。したがって、回折格子領域RGに入射したレーザ光Lは、回折により複数の回折光に分岐されながら反射され、出射される。
一方、ブラック領域RBは、一例として、液晶層216の画素領域216pに電圧を印可せず、屈折率分布が実質的に生じていない領域である。したがって、ブラック領域RBに入射したレーザ光Lは、位相変調されることなく画素電極214で反射され出射される。エッジE1,E2とは、これらの回折格子領域RGとブラック領域RBとの境界である。なお、保持部503は、液晶層216の全体が回折格子を構成する溝状のパターンとなる(すなわちエッジを有していない)基準パターンをさらに保持している。
図17に示されるように、保持部503は、第1方向D1に延びるエッジE1を有する複数の回折格子パターンP1を保持している。複数の回折格子パターンP1においては、そのエッジE1の第2方向D2における位置が互いに異なる(例えば10画素ずつ第2方向D2にシフトしている)。また、図18に示されるように、保持部503は、第2方向に延びるエッジE2を有する複数の回折格子パターンP2を保持している。複数の回折格子パターンP2においては、そのエッジE2の第1方向D1における位置が互いに異なる(例えば10画素ずつ第1方向D1にシフトしている)。なお、回折格子パターンP1と回折格子パターンP2との間では、回折格子領域RGを構成する溝状のパターンは、いずれも同一方向に沿って延びている(すなわち、回折による光の分岐方向が同一である)。
これらの回折格子パターンP1,P2が液晶層216に表示されている場合、レーザ光Lのうちの回折格子領域RGに入射する一部は、複数の回折光に分岐される。図19は、レーザ光が回折される様子を示す模式図である。図19に示されるように、回折格子Gとして機能する(すなわち回折格子パターンを表示した)反射型空間光変調器410に入射したレーザ光Lは、回折により複数の回折光に分岐される。ここでは、0次光L0、1次光L1、−1次光L2のみを図示し、より高次の回折光の図示は省略する。
図19の(c)に示されるように、1次光L1及び−1次光L2は、0次光L0に対してθ(及び−θ)の回折角でもって回折される。回折角θは、回折格子Gの溝間隔d、屈折率n、及びレーザ光Lの波長λによって、d・sinθ=n・λと表される。一例として、図19の(b)に示されるように、0次光L0は、レンズ422により集光され、スリット部材424を通過してパワーメータ520に到達する。一方、1次光(及び−1次光、±2次以上の高次光)は、レンズ422により集光及び偏向された後に、スリット部材424により遮断され、パワーメータ520に到達しない。
すなわち、スリット部材424は、回折格子パターンP1,P2に応じて回折されたレーザ光Lの±1次以上の回折光を遮断する。したがって、回折格子パターンP1,P2が液晶層216に表示されている場合、回折格子領域RGに入射したレーザ光Lの0次光、及び、ブラック領域RBに入射したレーザ光L(すなわち非回折光)が、パワーメータ520に入射することになる。
引き続いて、表示制御部501の表示処理について説明する。表示制御部501は、表示処理として、回折格子パターンP1,P2のエッジE1,E2がシフトしていくように、回折格子パターンP1,P2を液晶層216に順次表示させる。より具体的には、表示制御部501は、表示処理として、まず、図20に示されるように、第1方向D1に延びるエッジE1が第2方向D2にシフトしていくように、回折格子パターンP1を液晶層216に順次表示させる第1表示処理を行う。これにより、液晶層216に入射するレーザ光Lのうち、回折格子領域RGに入射して回折される一部と、ブラック領域RBに入射して回折されない残部と、の第2方向D2に沿った割合が、エッジE1のシフトと共に変化していく。
その後、表示制御部501は、表示処理として、第2方向D2に延びるエッジE2が第1方向D1にシフトしていくように回折格子パターンを液晶層216に順次表示させる第2表示処理を行う。これにより、液晶層216に入射するレーザ光Lのうち、回折格子領域RGに入射して回折される一部と、ブラック領域RBに入射して回折されない残部と、の第1方向D1に沿った割合が、エッジE2のシフトと共に変化していく。
このような表示処理を行う一方で、表示制御部501は、レーザ光Lの光路におけるスリット部材424の後段のパワーメータ520において測定されたレーザ光Lの強度を、レーザ光源制御部102を介して取得する(すなわち取得部である)。より具体的には、例えば、表示制御部501は、表示処理(第1表示処理及び第2表示処理)を行っている間に、回折格子パターンP1,P2のそれぞれにより変調されたレーザ光Lのそれぞれの強度データを取得する。これらの表示処理及び強度データの取得は、ナイフエッジ法によりレーザ光Lの強度分布を取得することに相当する。
図21は、取得された強度データの微分値を示すグラフである。表示制御部501が表示処理を行っている間には、上記のように、回折格子領域RGに入射して回折された回折光と、ブラック領域RBに入射して回折されない非回折光と、の割合が、エッジE1,E2のシフトと共に変化している。したがって、エッジE1,E2の位置に応じて、すなわち、回折格子領域RGの大きさに応じて、当該強度データ(例えば図21のプロット)の値が変化する。
したがって、表示処理の間に、エッジE1,E2がシフトして回折格子領域RGが小さくなっていくにしたがって、スリット部材424によって遮断される回折光の割合が少なくなっていくので、強度データの値が大きくなる。実際には、ナイフエッジ法の場合には、エッジE1,E2がレーザ光Lの強度中心を過ぎると、回折格子領域RGの縮小に伴う強度の増大の割合が徐々に減少し、回折格子領域RGの大きさが0になる(全体がブラック領域RBになる)ときの強度の値に漸近する(図22の(a)参照)。したがって、そのようにして得られた強度分布の微分により、図21に示されるような正規分布状の強度分布が得られる。
これらの強度分布は、エッジE1,E2の位置(画素番号)に対応付けられている。したがって、これらの強度分布の解析に基づいて、レーザ光Lのプロファイルの取得が可能である。この解析について説明する。ここでは、例えば表示制御部501が解析を行う。具体的には、まず、表示制御部501は、レーザ光Lのビーム径を求めるための解析を行う。すなわち、図21の微分後の測定結果を示すプロット群に対して、下記式(1)の正規分布関数f(x)をフィッティングする。これにより、反射面410aにおけるレーザ光Lのビーム径を、4・σとして求めることができる。或いは、図22の(b)に示されるように、反射面410aにおけるレーザ光Lのビーム径を、ピークから13.5%となる1/e2の幅S3として求めることができる。
一方、図22の(a)に示されるように、ナイフエッジ法により取得される強度分布(微分前の強度分布)から、次ようにしてビーム径を求めることができる。すなわち、反射面410aにおけるレーザ光Lのビーム径を、強度が10%となる画素と90%となる画素との距離S1を測定し、1.561×距離S1により求めることができる。或いは、反射面410aにおけるレーザ光Lのビーム径を、強度が16%となる画素と84%となる画素との距離S2を測定し、2×距離S2により求めることができる。レーザ光Lが理想的なガウシアンビームである場合には、上記の正規分布関数f(x)を用いたビーム径と、ナイフエッジ法により所得される強度分布から求めたビーム径とは、互いに一致する。
続いて、表示制御部501は、強度分布の解析により、レーザ光Lの強度中心を求めるための解析を行う。すなわち、図23の(a)に示されるように、反射面410aにおけるレーザ光Lの強度中心は、ナイフエッジ法により取得される強度分布において、強度が50%になった画素の位置となる。これは、レーザ光Lの重心位置でもある。一方、図23の(b)に示されるように、反射面410aにおけるレーザ光Lの強度中心は、正規分布関数f(x)から、強度が最大となる画素の位置として求められる。これらの強度中心は、レーザ光Lが理想的なガウシアンビームである場合には互いに一致する。
ここで、図24に示されるように、上記の方法で取得された強度分布は、実際にはオフセット成分Lfを含む。すなわち、レーザ光Lの回折格子領域RGに入射した部分の強度は、理想的には0になることが望ましいが、反射型空間光変調器410の原理上、若干の漏れ光が発生する。そして、そのオフセット成分Lfの大部分は、0次光L0の強度成分に由来する。このため、表示制御部501は、実際に得られた強度分布に対して、0次光L0に応じた強度成分を除去する演算を行う(すなわち演算部である)。
そもそも、0次光L0は次のような理由から発生する。すなわち、まず、理論上の回折格子の最大効率は、変調量がπ(=λ/2:128階調)のときである。そして、図25の(a),(c)に示されるように、液晶層216に対して、高さ(変調量)がπである矩形の位相パターンを表示することが理想的である。しかしながら、図25の(b),(d)に示されるように、実際に液晶層216に表示される位相パターンは、隣接する画素間での屈折率分布の影響が存在するため、変調量の立ち上がり及び立ち下りが鈍化する。
特に、図25の(d)のように、溝間隔dが比較的小さい場合には、この影響が無視できず、回折効率が落ちて0次光が発生する(0次光の強度が大きくなる)。これに対して、図25の(e)に示されるように、変調量πの係数aを調整することにより、回折効率の低下を抑制可能である。したがって、このように変調量πの係数aを調整して回折効率を最大化することにより、0次光L0に応じた強度成分を除去することが可能である(第1の演算方法)。なお、上記の128階調とは、液晶層216に位相パターンを表示するための画像信号における輝度の階調値である。
0次光L0に応じた強度成分の除去の別の演算方法について説明を続ける。図26の(a)に示されるように、液晶層216にある回折格子パターンP1が表示され、レーザ光Lの全体が回折格子領域RGに入射する場合(第1の場合)には、測定されるレーザ光Lの強度は、ほとんどが漏れ光(0次光)である。このときの強度を、I0とする(図27の(a)参照)。この第1の場合では、強度I0の減算により、0次光L0に応じた強度成分の除去が可能である。
一方、図26の(b)に示されるように、液晶層216に対してある回折格子パターンP1が表示され、レーザ光Lのある程度の部分が回折格子領域RGに入射している場合(第2の場合)、0次光L0に応じた強度成分を除去するためには、回折格子領域RGに入射する比率Rに応じて強度の減算が必要となる。さらに、図26の(c)に示されるように、液晶層216に対してある回折格子パターンP1が表示されているが、レーザ光Lの全体が回折格子領域RGに入射していない場合(第3の場合)がある。この第3の場合の強度をImとする(図27の(a)参照)。この第3の場合には、測定される強度が回折格子の影響を受けないので、強度の減算が不要である。
以上のような状況に沿って、各画素における減算量を算出する。まず、上記のように、レーザ光Lの全体が回折格子領域RGに入射する第1の場合の強度をI0とする。続いて、レーザ光Lの全体が回折格子領域RGに入射しない第3の場合の強度をImとする。続いて、レーザ光Lの一部が回折格子領域RGに入射する第2の場合、エッジE1が位置するある画素番号(x[pixel])における補正前(減算前)の強度をy(x)とする。また、同位置における補正後(減算後)の強度をY(x)とする。そして、第2の場合には、下記式(2)に示されるように、比率Rを使用してY(x)を求める。
なお、比率Rについては、R=Y(x)/Imとして、最終的なデータから比率を求める必要がある。この比率Rの式と、上記式(2)とを計算することにより、最終的に得られる式は下記式(3)となる。以上のように、第2の場合には下記式(3)により補正後の強度Y(x)を求め、且つ、第1の場合に強度I0を減算する共に第3の場合に減算を不要とすることにより、図27の(b)に示されるように、0次光L0に応じた強度成分の除去が行われた強度分布を取得することができる(第2の演算方法)。
一方、さらに別の演算方法によっても、0次光L0に応じた強度成分の除去を行うことが可能である。すなわち、まず、図28の(a)に示されるような、ナイフエッジ法により取得され、0次光L0に応じた強度成分(オフセット成分Lf)を含む強度分布を、図28の(b)に示されるように微分し、正規分布状の強度分布を取得する。この段階で、微分による傾き成分の抽出のため、傾きが実質的に0であるオフセット成分Lfが除去される。
そして、微分により得られた強度分布を改めて積分することにより、図28の(c)に示されるように、オフセット成分Lf(0次光L0に応じた強度成分)が除去された状態の強度分布が得られる(第3の演算方法)。なお、図28の(c)のプロットは、測定されたオリジナルの強度データを示しており、曲線は積分により得られた強度分布を示している。以上のように、複数の演算方法によって、0次光L0に応じた強度成分の除去が可能である。それらのうちのいずれの演算方法を採用するかによって、0次光L0に応じた強度成分の除去のタイミングが異なる。したがって、後述するように、プロファイル取得方法のフローが異なることになる。
引き続いて、一実施形態に係るプロファイル取得方法について説明する。図29は、第1の演算方法を用いる場合のプロファイル取得方法を示すフローチャートである。図29に示されるように、この方法では、まず、レーザ光Lの強度の測定準備を行う(ステップS1)。このステップS1では、例えば、スリット部材424(及びレンズ423)の後段にパワーメータ520を配置したり、各所のケーブルの接続を行ったり、制御部500のプログラムを立ち上げたりする。
続いて、回折効率の最大となる位相変調量を確認する(ステップS2)。より具体的には、この工程S2においては、第1の演算方法によって、0次光に応じた強度成分の除去のための演算を行う。すなわち、この工程S2においては、まず、液晶層216に対して、液晶層216の全体が回折格子を構成する溝状のパターンとなる基準パターンを表示させる。
その後、上記係数aを調整しながらパワーメータ520でレーザ光Lの強度を測定し、強度が最小となる係数aを特定する。これにより、回折効率が最大となる位相変調量が、π×aとして確認される(特定される)。また、その位相変調量を与える画像信号の輝度の階調値が特定される。この結果、0次光に応じた強度成分の影響を実質的に除去しつつ、この後のステップを行うことができる。
引き続いて、液晶層216に対して回折格子パターンを表示する(ステップS3、表示ステップ)。ここでは、まず、回折格子パターンとして基準パターンを表示する(すなわち、全面を回折格子とする)。続いて、ステップS3で表示した回折格子パターンに応じて変調されたレーザ光Lの強度を取得する(ステップS4、強度取得ステップ)。その後、回折格子パターンのエッジが液晶層216の端の画素に到達したか否かの判定を行う(ステップS5)。
ステップS5の判定の結果、エッジが液晶層216の端の画素に到達したと判定されるまで、ステップS3〜S5を繰り返し行う。その際、ステップS3においては、回折格子パターンのエッジがシフトしていくように、回折格子パターンを液晶層216に順次表示していく。そして、ステップS4においては、液晶層216に表示された回折格子パターンのそれぞれにより変調されたレーザ光Lのそれぞれの強度データを取得していく。これにより、エッジの位置に対応付けられた強度データが順次取得されていく。
そして、ステップS5の判定の結果、エッジが液晶層216の端の画素に到達したと判定された場合には、得られた強度データに基づいて上記のような解析を行うことにより、反射面410aにおけるレーザ光Lのビーム径や強度中心といったプロファイルを取得する(ステップS6、プロファイル取得ステップ)。そして、処理を終了する。なお、ステップS3を繰り返し行う際には、例えば、まず、第1方向D1に延びるエッジE1が第2方向D2に沿ってシフトしていく回折格子パターンP1を液晶層216に順次表示させた後に、第2方向D2に延びるエッジE2が第1方向D1に沿ってシフトしていくように回折格子パターンP2を液晶層216に順次表示させることができる。
図30は、第2の演算方法又は第3の演算方法を用いる場合のプロファイル取得方法を示すフローチャートである。図30に示されるように、この方法では、まず、上記のステップS1を行う。続いて、上記のようにステップS3〜S5を繰り返し行う。そして、ステップS5の判定の結果、エッジが液晶層216の端の画素に到達したと判定された場合には、得られた強度データから0次光応じた強度成分の除去する演算を行う。この際に、上記の第2の演算方法、又は、第3の演算方法を用いる。その後、得られた強度データに基づいて上記のような解析を行うことにより、反射面410aにおけるレーザ光Lのビーム径や強度中心といったプロファイルを取得する(ステップS6)。そして、処理を終了する。
以上説明したように、レーザ加工装置200及びそのプロファイル取得方法においては、レーザ光Lは、反射型空間光変調器410の液晶層216に表示された位相パターンに応じて変調された後に、レンズ422により集光される。位相パターンとしては、液晶層216の互いに異なる位置にパターンのエッジE1,E2を有する複数の回折格子パターンP1,P2が使用される。液晶層216の互いに異なる位置にパターンのエッジE1,E2を有するということは、回折格子パターンP1,P2のそれぞれにおいて回折格子領域RGの大きさが異なることを意味する。
ここで、ある回折格子パターンP1,P2を液晶層216に表示した状態においては、レーザ光Lに対して、回折格子により回折されて出射される回折光と、回折されずに反射される非回折光と、が生じることになる。レーザ光Lのうちの非回折光は、レンズ422によって集光され、レンズ422の後段のスリット部材424を通過する。一方、レーザ光Lのうちの±1以上の回折光は、スリット部材424により遮断される。
つまり、液晶層216にある回折格子パターンP1,P2が表示されているときには、レーザ光Lのうちの非回折光と0次光のみの強度データが取得される。そして、回折格子パターンP1,P2のエッジE1,E2の位置に応じて、すなわち、回折格子領域RGの大きさに応じて、当該強度データの値が変化する。より具体的には、回折格子領域RGが小さいほど、スリット部材424によって遮断される回折光の割合が少なくなるので、強度データの値は大きくなる。
したがって、回折格子パターンP1,P2のエッジE1,E2がシフトしていくように、回折格子パターンP1,P2を液晶層216に順次表示させ、且つ、回折格子パターンP1,P2のそれぞれにより変調されたレーザ光Lのそれぞれの強度データを取得していけば、回折格子パターンP1,P2のエッジE1,E2の位置に対応付けられたレーザ光Lの強度分布が得られることになる。よって、当該強度分布に基づいて、反射型空間光変調器410を用いたレーザ光Lのプロファイルの取得が可能である。また、反射型空間光変調器410の反射面410a(又は液晶層216)でのレーザ光Lのプロファイルが取得可能であるので、光軸ずれが発生した際に、反射型空間光変調器410の前段に起因するか後段に起因するかの識別が可能である。
また、レーザ加工装置200においては、液晶層216は、第1方向D1及び第1方向D1に交差する第2方向D2に沿って配列され、位相パターンを表示する複数の画素領域216pを含む。保持部503は、第1方向D1に延びるエッジE1を有する回折格子パターンP1と、第2方向D2に延びるエッジE2を有する回折格子パターンP2と、を保持している。そして、表示制御部501は、表示処理として、第1方向D1に延びるエッジE1が第2方向D2にシフトしていくように回折格子パターンP1を液晶層216に順次表示させる第1表示処理と、第2方向D2に延びるエッジE2が第1方向D1にシフトしていくように回折格子パターンP2を液晶層216に順次表示させる第2表示処理と、を行う。このため、2つの方向に沿ってエッジE1,E2の位置に対応付けられたレーザ光Lの強度分布が得られる。したがって、より正確なレーザ光Lのプロファイルを取得可能である。
また、レーザ加工装置200においては、表示制御部501が、取得した強度データから、レーザ光Lの0次回折光に応じた強度成分を除去する演算を行う。このため、より正確なレーザ光Lのプロファイルを取得可能である。
以上は、本発明の一実施形態である。本発明は、上記実施形態に限定されず、各請求項の要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。
例えば、上記実施形態は、加工対象物1の内部に改質領域7を形成するものに限定されず、アブレーション等、他のレーザ加工を実施するものであってもよい。上記実施形態は、加工対象物1の内部にレーザ光Lを集光させるレーザ加工に用いられるレーザ加工装置に限定されず、加工対象物1の表面1a,3又は裏面1bにレーザ光Lを集光させるレーザ加工に用いられるレーザ加工装置であってもよい。本発明が適用される装置はレーザ加工装置に限定されず、レーザ光Lを対象物に照射するものであれば、様々なレーザ光照射装置に適用できる。上記実施形態では、切断予定ライン5を照射予定ラインとしたが、照射予定ラインは切断予定ライン5に限定されず、照射されるレーザ光Lを沿わせるラインであればよい。
ここで、保持部503が保持する位相パターンは、上記の回折格子パターンP1,P2に限定されない。例えば、保持部503は、図31に示されるように、液晶層216の互いに異なる位置にパターンのエッジE1を有する複数の回折格子パターンP3を保持することができる。回折格子パターンP3は、エッジE1に加えて、エッジE1に対向する別のエッジE3と、エッジE1とエッジE3との間に形成されたスリットRSと、を有する。スリットRSは、エッジE1,E3の延びる方向に沿って延びる長尺状のブラック領域RBである。したがって、エッジE3は、回折格子領域RGとブラック領域RBとの境界である。
スリットRSの幅は、複数の回折格子パターンP3にわたって実質的に一定である。したがって、複数の回折格子パターンP3にわたってエッジE1の位置が異なることは、エッジE3及びスリットRSの位置が異なることを意味する。表示制御部501は、表示処理として、エッジE1(すなわちエッジE3及びスリットRS)がシフトしていくように回折格子パターンP3を液晶層216に順次表示させる。これにより、スリットRSの位置に対応付けられたレーザ光Lの強度分布を取得可能である。これは、上記のようなナイフエッジ法とは異なり、所謂スリット法式で強度を測定することに相当する。この場合においても、同様にレーザ光Lのプロファイルを取得可能である。