JP2019144426A - 光照射装置、光照射装置を用いた光加工装置、光照射方法、及び光加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高品質で安定的なビームプロファイルを有する光照射装置の提供。【解決手段】本発明の光照射装置は、光源から出力されたレーザー光を折り返しミラー及び集光レンズを介して所望の収束位置に収束させる光照射装置において、前記レーザー光の入射ビーム断面を変倍する第１調光手段と、前記レーザー光の透過波面の位相分布を変換する第２調光手段と、を有することを特徴とする光照射装置。【選択図】図１

Description

本発明は、光照射装置、光照射装置を用いた光加工装置、光照射方法、及び光加工方法に関する。

微細加工等の分野において、レーザー光を照射して対象物を加工するレーザー加工技術が知られている。
このような微細加工を精度よく行うためには、収束位置におけるビーム形状が、安定し、かつ理想的なビーム形状を維持する制御が求められている。
そこでビーム形状として、高品質なガウシアンビームやトップハットビーム、ラゲールビーム、ベッセルビームなどにビームプロファイルを変換して、対象物に照射させる要求がある。トップハットビームにビームプロファイルを変換する手段として、円柱形状のトップハットビームに変換する非球面レンズタイプや矩形形状のトップハットビームに変換する回折光学素子（DOE）を用いるなどの方法がある。

しかしながら、これらの光学素子を光軸中心など最適な位置に配置したとしても、複数回の反射を行うような複雑な光学系では、理想形状から乖離した形状しか作れない場合があることがわかった。
このような問題点を解決するために、例えば収差補正手段によってレーザー光の収差を抑えることでビームプロファイルを高品質にする方法が知られている（例えば特許文献１等参照）。

しかしながら、単に収差補正を行うのみでは、ビーム品質を向上させるには十分とは言えず、より高品質なビームプロファイルを得るための光照射手段が求められている。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、高品質で安定的なビームプロファイルを有する光照射装置の提供を目的とする。

本発明の光照射装置は、光源から出力されたレーザー光を折り返しミラー及び集光レンズを介して所望の収束位置に収束させる光照射装置において、前記レーザー光の入射ビーム断面を変倍する第１調光手段と、前記レーザー光の透過波面の位相分布を変換する第２調光手段と、を有することを特徴とする。

本発明の光照射装置によれば、高品質で安定的なビームプロファイルを持った光照射装置を提供できる。

本発明にかかる光照射装置の概略構成である。 図１に示されたビーム変倍手段の構成の一例を示す図である。 図２に示されたビーム変倍手段の動作の一例を示す図である。 図１に示されたビーム変倍手段の変形例を示す図である。 図１に示されたビーム変倍手段の変形例を示す図である。 図１に示されたビーム波面変換手段の構成の一例を示す図である。 図１に示されたビーム波面変換手段の他の構成の一例を示す図である。 図１に示されたビーム波面変換手段の他の構成例を示す図である。 図８に示されたビーム波面変換手段の構成の一例を示す斜視図である。 図１に示されたビーム波面変換手段の構成例を示す図である。 第１の実施形態としての光照射装置の構成の一例を示す図である。 図１１に示された光照射装置の出力例と比較例とを示す図である。 図１に示した光照射装置の構成の変形例を示す図である。 第２の実施形態としての光照射装置の構成の一例を示す図である。 図１４に示した光照射装置を用いて出力されるレーザー光のプロファイルの一例を示す図である。 第３の実施形態としての光照射装置の構成の一例を示す図である。 図１６に示した光照射装置の出力例を示す図である。 本発明に係る光加工装置の構成の一例を示す図である。 図１８に示した光加工装置の他の構成の一例を示す図である。 本発明にかかる光加工方法の動作の一例を示す図である。 本発明にかかる光加工方法の動作の他の一例を示す図である。

以下、本発明に係る光照射装置、及び当該光照射装置を用いた光加工装置の第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態おいて、光照射装置１００は、図１に示すように、加工対象物たる試料ＷＫの表面あるいは一部にレーザー光を照射して光加工物を得るためのレーザー加工装置として機能する。
光照射装置１００は、レーザー発振器たる光源１０１と、光源１０１から出射されたレーザー光を収束および調整するための照射光学系１０２と、試料ＷＫを配置するための試料テーブル１０３と、試料ＷＫの位置を調整するための移動ステージ１０４と、を有している。
なお、本実施形態においては、レーザー光Ｌの光軸方向をＺ軸として、光軸に垂直な２方向をＸ方向、Ｙ方向としている。したがって、『光軸に垂直な断面』とはＸＹ平面を指し、『光軸に垂直な断面における一方の軸』をＹ方向とすると、『光軸と一方の軸とに対して直交する他方の軸』はＸ方向と定まる。
また本実施形態では図１に示すように、照射光学系１０２によってレーザー光Ｌの進行方向が変化するが、かかる進行方向は、照射光学系１０２の設計によって、あるいは試料ＷＫの配置位置によって適宜変更され得るため、何れの場合においても光軸方向をＺ軸として表現している。

光源１０１は、本実施形態では試料ＷＫへの熱影響によるダメージの少ない１００ピコ秒以下のパルスレーザー発振器である。なお本実施形態では特に実施例として、波長５３２ｎｍ、最大出力８Ｗ、周波数２００ｋＨｚ、後述するビームエキスパンダ（ＢＥＸ）１０による拡大後のビーム径３ｍｍ、として説明を行う。

照射光学系１０２は、複数のミラーＭ１〜Ｍ６と、ミラーＭ１とミラーＭ２との間に配置され、光源１０１から出射されたレーザー光Ｌの光線径を拡大するビームエキスパンダ１０と、ミラーＭ２とミラーＭ３との間に配置されたビームプロファイル制御手段２０と、を有している。
照射光学系１０２はまた、レーザー光Ｌの光軸の位置調整に用いられるＸ偏向ミラー４０、Ｙ偏向ミラー５０と、試料ＷＫの任意の収束位置にレーザー光Ｌを収束させるための集光レンズ６０と、を有している。
なお、本実施形態ではミラーＭ１〜Ｍ６の６枚構成としているが、１０枚以上のミラーを用いた構成であっても良いし、かかるミラーの数は限定されるものではない。

試料テーブル１０３には試料ＷＫが載置されており、移動ステージ１０４によってレーザー光Ｌの光軸に対して垂直なＸＹ平面上を２軸で移動可能に保持される。

光源１０１から出射されたレーザー光Ｌは、ビームエキスパンダ１０によって光束のビーム径を拡大された後、ビームプロファイル制御手段２０を透過することで光束の後述する種々のビームプロファイルを調整される。
Ｘ偏向ミラー４０とＹ偏向ミラー５０とを用いて、レーザー光Ｌは光軸中心に対して対称になるように微調整された後、集光レンズ６０により試料ＷＫの任意の収束位置Ｐへと照射される。
照射されたレーザー光Ｌにより、試料ＷＫが加工される。

ビームプロファイル制御手段２０は、レーザー光Ｌの入射ビームの断面における縦横比を変化させるための第１調光手段たるビーム変倍手段２１と、レーザー光Ｌの透過波面の位相分布を変換するための第２調光手段たるビーム波面変換手段２２と、を有している。

ビーム変倍手段２１は、図２に示すように、ガラス等の透明体製のプリズム２１１、２１２が２枚１組で構成されたダブルプリズムであり、光の屈折を利用して光の方向を変えることで、特定方向のレーザー光Ｌの径を変更するものである。
ここで、図３（ａ）、（ｂ）に、図２において下記の通り回転させたときの、レーザー光Ｌの入射ビームの破線における断面をそれぞれ示す。
図２において、プリズム２１１をＡ方向、プリズム２１２をＢ方向にそれぞれ回転させる。かかる方向に回転させると、図３（ａ）に示すように、Ｘ方向、Ｙ方向におけるレーザー光Ｌのビーム断面の径：Ｒｘ、Ｒｙとしたとき縦横比Ｒｘ／Ｒｙ＜１となってレーザー光Ｌのビーム断面ＤはＹ方向に相対的に伸長する。なお、このとき実際にはＸ方向の射出ビームが狭くなることにより、縦横比Ｒｘ／Ｒｙ＜１となる。
同様に、図２においてプリズム２１１をＢ方向、プリズム２１２をＡ方向にそれぞれ回転させると、図３（ｂ）に示すように、縦横比Ｒｘ／Ｒｙ＞１となってレーザー光Ｌのビーム断面ＤはＸ方向に伸長する。

ビーム変倍手段２１は、かかる２つの動作を組み合わせることにより、レーザー光Ｌの入射ビームの断面Ｄにおける一方の軸Ｙ軸に沿った径：Ｒｙと、一方の軸と光軸とに垂直なＸ軸に沿った径：Ｒｘとを自由に調整することができる。言い換えると、ビーム断面Ｄの縦横比を変化させることができる。
かかる構成により、例えば入射ビームの断面が歪な形状であったとしても、ビーム変倍手段２１を用いてレーザー光Ｌのビーム断面Ｄを真円にすることができるから、より理想的なビームプロファイルを生成することができて、加工精度が向上する。

また、ビーム変倍手段２１の他の実施形態として、図４に示すような３群３枚のシリンダレンズＬ２１ａ、Ｌ２１ｂ、Ｌ２１ｃを用いた構成であっても良い。かかるシリンダレンズは、何れも片側が凹または凸の円弧を備えるレンズであって、円柱の軸方向たるＹ方向については屈折力を持たないか十分に小さく、Ｙ方向と光軸方向と直交するＸ方向についてはかかる凹または凸の円弧の屈折力によってビーム径が拡大・縮小される。
このような３群３枚のシリンダレンズＬ２１ａ〜Ｌ２１ｃのうち、中央の可動シリンダレンズＬ２１ｂをＺ方向に前後移動させることにより、Ｘ方向についてのビーム径：Ｒｘだけを拡大・縮小することができる。
かかる構成によれば、Ｙ方向のビーム径：Ｒｙはそのままで、Ｘ方向のビーム径：Ｒｘだけを拡大・縮小することができるから、Ｘ方向とＹ方向とのうちどちらか１方のみのビーム径を変倍させることが可能である。
なお、ここでの変倍とは、レーザー光Ｌのビーム断面の形状を相似的に拡大・縮小するのではなく、ビーム断面の形状を非相似的に変形して拡大・縮小することである。
かかる構成により、例えば入射ビームの断面が歪な形状であったとしても、ビーム変倍手段２１を用いてレーザー光Ｌのビーム断面Ｄを真円にすることができるから、より理想的なビームプロファイルを生成することが可能となる。

なお、図４に示されたように、シリンダレンズＬ２１ａ、Ｌ２１ｃが凸レンズである場合にはケプラー型３群レンズ系、図５に示すようにシリンダレンズＬ２１ａ、Ｌ２１ｃが凹レンズを含む場合にはガリレオ型３群レンズ系、と呼ばれる。いずれの形態においても、光軸変位について考慮しなくてよくなるという効果を奏する。
また、図４に示したケプラー型３群レンズ系は、既に述べたダブルプリズム方式に比べてさらに収差が少なくて済む。同様に図５に示したガリレオ型３群レンズ系は、レーザー光Ｌを集光させない光学系のため、エアブレイクダウンしにくい構成であり、フェムト秒レーザー等、短時間でピークパワーの大きい（≒大出力の）レーザー用途に適している。

ビーム波面変換手段２２は、図６に示すように、互いに対向して設けられた透明電極２２０と、透明電極２２０間に塗布された液晶２２１と、を有している。ビーム波面変換手段２２は、図６（ａ）、（ｂ）に透明電極２２０間に電圧が印加されたＯＮ状態と、電圧が印加されていないＯＦＦ状態としてそれぞれ示すように、液晶素子内の液晶分子の配向方向が電位分布によって変動することで、液晶素子に入射した透過波面が対応する位相差を与えられて変調される透過型の液晶位相変調素子である。
このような透過型の位相変調素子は、数画素〜数十画素の透明な分割電極でできており、素子の透過面全体に２次関数的な電位分布を作ることができて、電位に応じた位相差が印加されることで位相分布を作り出して球面収差や非点収差など特定の波面を生成する。
その結果、ツェルニケ多項式の収差関数に相当する波面を作り出すことができる。

あるいは、ビーム波面変換手段２２は、図７に示すように、反射型位相変調素子２２３と、プリズムミラー２２４とを用いても良い。かかる反射型位相変調素子２２３を用いるとすれば、マトリクス状の電極を用いて複雑な位相分布を作ることができる。

また、ビーム波面変換手段２２は、図８、図９に示すように複数枚のアナモフィックレンズを用いた構成であっても良い。
かかる構成は、光軸たるＺ軸に垂直なＸＹ面内において、一方の軸と、一方の軸に直交する他方の軸との焦点位置が異なる光軸について回転非対称な光学素子として複数のシリンダレンズを用いた構成である。

図８に示したビーム波面変換手段２２は、レーザー光Ｌの入射方向から順に、Ｘ方向がシリンダ面となる凸のシリンダレンズＣＹＬ１と、凹のシリンダレンズＣＹＬ２の複数のシリンダレンズを有している。
２つのシリンダレンズＣＹＬ１、ＣＹＬ２の曲面は互いに向い合せになるように配置されている。かかるレンズ構成を、凹凸ＣＹＬ方式と呼称する。

凹凸ＣＹＬ方式においては、２つのシリンダレンズの合成焦点距離：ｆ、シリンダレンズＣＹＬ１の焦点距離：ｆ１、シリンダレンズＣＹＬ２の焦点距離：ｆ２、２つのシリンダレンズＣＹＬ１、ＣＹＬ２間の間隔：ｄとしたとき、合成焦点距離ｆが数式１で表される。

すなわち、間隔ｄが短ければ短いほど、合成焦点距離が長くなる。
具体的には、ｆ１＝５０ｍｍ、ｆ２＝−５０ｍｍ、ｄ＝０．２５ｍｍとしたとき、ｆ＝１００００ｍｍであり、ｆ１とｆ２の値よりも非常に長い焦点距離を作ることができる。
言い換えると、２つのシリンダレンズＣＹＬ１、ＣＹＬ２を透過する透過波面に、わずかな量のシリンダ波面を重畳させることができる。すなわち、図８に破線で示すように、平行な波面をもつ入射したレーザー光Ｌに対して、湾曲した波面をもつ出射レーザー光Ｌ’を得ることができる。
また、集光レンズ６０のデフォーカス効果と組み合わせることで、透過波面の０度アスティグマ成分を創り出すこともできる。
さらに、間隔ｄを調整することで、レーザー光Ｌの短軸径に対する長軸径の割合すなわち縦横比が、収束位置Ｐ近傍で相対的に小さくなるようにビーム成型することも可能である。
ビーム波面変換手段２２をこのような凹凸ＣＹＬ方式とすれば、２枚のシリンダレンズをほぼ密着させればよいため、コンパクトな設計が可能となるとともに、光軸調整が容易になる。

また、複数のシリンダレンズを用いた構成としては、凹凸ＣＹＬ方式の他にも、凸のシリンダレンズを２つ用いた凸凸ＣＹＬ方式や、凹凹ＣＹＬ方式も考えられる。
凸凸ＣＹＬ方式のビーム波面変換手段２２は、図１０に示すように、２つのＸ方向がシリンダ面となるシリンダレンズＣＹＬ３、ＣＹＬ４を、平面が対向するように距離Ｌ＋ΔＬだけ離間して配置された光学系である。

かかる構成について説明する。
まず、入射側のシリンダレンズＣＹＬ３を入射側に凸面が向くように、同様に出射側のシリンダレンズＣＹＬ４を出射側に凸面が向くように配置し、シリンダレンズＣＹＬ３と、シリンダレンズＣＹＬ４との焦点位置が重なるように配置すれば、当該光学系全体での倍率１で波面はフラットのままである。すなわち、理想的にはＸ方向とＹ方向の集光位置は一致する。
このときのシリンダレンズＣＹＬ３とシリンダレンズＣＹＬ４との間の距離Ｌに対して、微小距離ΔＬだけ調整することでわずかに変化させると、図１０に破線で示すようにＸ方向にだけシリンダ波面を作ることができる。
集光レンズ６０のデフォーカス効果と組み合わせることで、透過波面の０度アスティグマ成分を創り出すこともできる。

具体的には例えば、入射側のシリンダレンズＣＹＬ３を合成石英製の焦点距離５０ｍｍの平凸シリンダレンズ、出射側のシリンダレンズＣＹＬ４を合成石英製の焦点距離５０ｍｍの平凸シリンダレンズ、集光レンズ６０を合成石英製の焦点距離１００ｍｍの軸対称レンズとしたとき、シリンダレンズ間隔Ｌ＝８７ｍｍ、微小間隔ΔＬ、集光レンズ６０の第１面から集光点（焦点位置）までの距離：Ｓとして、表１のようになることがわかっている。

表１から明らかなように、シリンダレンズ間隔Ｌ＋ΔＬが０．１ｍｍ変動すると、焦点位置Ｓは約０．５ｍｍ変動する。かかる構成により、Ｘ方向とＹ方向の集光位置をずらすことができる。なお、実施例においては、シリンダレンズＣＹＬ３、ＣＹＬ４を２枚１組の構成としたが、アクロマートレンズなどの張り合わせレンズを用いても良いし、非球面レンズを２枚組み合わせるとしても良い。かかる構成によれば、さらに収差が補正されるから、加工精度の向上に寄与する。
このように凸凸ＣＹＬ方式によれば、凹凸ＣＹＬ方式よりも光路長は長くなるものの、非常に良好な波面を形成することができる。

なお、上述したようなシリンダレンズを用いて入射ビーム波面の位相分布を変換する構成においては、ツェルニケ多項式での０度非点収差と４５度非点収差など変換できる波面に制約が生じてしまう。
しかしながら、これらの非点収差波面は、チルトやデフォーカスといった照射光学系１０２を構成する光学素子の位置調整で解決可能な波面を除けば最も低周波成分であり、ビーム品質において非常に重要な波面である。本実施形態によれば、簡単な構成を用いてかかる重要な波面の非点収差の成分だけを効率よく補正できる。

さて、かかる構成の光照射装置１００を用いて、高品質なガウシアンビームを照射する構成について図１１に示す。
なお、光源１０１が波長５３２ｎｍ、最大出力８Ｗ、周波数２００ｋＨｚ、ビームエキスパンダ１０による拡大後のレーザー光Ｌの直径３ｍｍ、集光レンズ６０の焦点距離１００ｍｍとしたときの、集光レンズ６０の集光位置におけるビームプロファイルの測定結果の一例を図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した。
なお、図１０に示した照射光学系１０２の構成においては、折り返しミラーなど、光学設計上必要な構成であっても収差等への影響が微小なものについては適宜説明を省略した。

図１２（ａ）は、デフォルト条件すなわち、縦横比Ｒｘ／Ｒｙ＝１、位相変換無しの条件におけるビームプロファイルである。すなわち、図１２（ａ）は、光源１０１及び照射光学系１０２の基準となるビームプロファイルであるともいえる。図１２（ａ）〜（ｃ）は何れも、集光レンズ６０の集光位置を中心Ｏとしたときに、光軸方向のデフォーカス量を横軸、ビーム径の測定結果を縦軸として示している。
かかる結果から、集光レンズ６０の手前において、非点収差が生じており、Ｘ方向とＹ方向とでビーム径Ｄが最小となるビームウエスト位置にずれが生じていることがわかる。

他方、図１２（ｂ）は、比較例として単に位相分布を変換する構成のみを用いて、図１２（ａ）で生じていた非点収差を補正したときの測定結果である。
かかる構成により、Ｘ方向とＹ方向とで、ビームウエスト位置はほぼ一致しているものの、ビームウエストサイズが変わってしまうということがわかる。
これは、非点収差を補正したことにより、Ｙ方向に発散光、Ｘ方向に収束光となってしまったことにより、集光レンズ６０前でＸ方向の入射ビーム径Ｒｘが小さく、Ｙ方向の入射ビーム径Ｒｙが大きくなってしまったことによって生じる。

そこで、本実施形態では、ビーム波面変換手段２２を用いて非点収差を補正するとともに、ビーム変倍手段２１を用いて入射するレーザー光Ｌの断面の縦横比を変倍することで、非点収差を補正することで生じる入射ビーム径の縦横比の変動をも抑制する。かかる構成により、図１２（ｃ）に示すように、高品質な加工用のレーザービームを照射することができる。

また、図１３に示すように、集光レンズ６０の直前に配置された波面センサ７０を有していても良い。
波面センサ７０の配置位置としては、集光レンズ６０の入射側であって、集光レンズ６０の直前に配置されることが理想ではあるが、照射光学系１０２内のどこに配置するものであっても良い。なお、かかる波面センサ７０は集光レンズ６０以降や試料ＷＫと等価な位置に配置されるものであっても良い。

かかる波面センサ７０を用いて、透過波面の収差を計測することができるから、波面収差の位相分布をツェルニケ多項式に展開して、収差成分を補正することが可能である。
つまり、かかる波面センサ７０で計測された透過波面の収差量の位相分布をツェルニケ多項式に展開して収差成分を導出し、ビーム波面変換手段２２を用いて当該収差成分の一部あるいは全部の位相がオフセットされるように位相分布を変換することができる。
このように、波面センサ７０の収差計測結果に基づいてビーム波面変換手段２２を調整することで、より高精度にビームプロファイルを制御することができる。
さらに、波面センサ７０によるモニタリングによりフィードバック制御を行うことで、加工途中における環境変化が生じてしまった場合にも、環境変化に応じたプロファイルに設定することができるから高精度な加工を行うことができる。

また、第２の実施形態として、光軸上で最もビーム強度の高いガウスビームを、光軸中心から離れた周辺位置においてビーム強度が最大になるラゲールガウスビームに変換する実施例を図１４に示す。
本実施形態では、照射光学系１０２は、集光レンズ６０の直前に配置されたＶｏｒｔｅｘ素子用ＤＯＥであるビーム強度変換素子９０を有している。
本実施形態においては、ビーム変倍手段２１は図５に示したようにシリンダレンズＬ２１ａ、Ｌ２１ｃが凹レンズを含むガリレオ型３群レンズ系であり、３枚のシリンダレンズによって入射したレーザー光ＬをＸ方向について変倍することができる。
また、ビーム波面変換手段２２は透過型の液晶位相変調素子であり、位相変調素子が全ＯＦＦの所謂フラットミラー状態で配置されている。照射光学系１０２は、複数のミラーや光学素子を経由してレーザー光Ｌが試料ＷＫに達するように配置されている。なお、その他の構成については、第１の実施形態において既に述べた構成と重複するため適宜説明を省略する。

かかる実施形態において、レーザー光Ｌを用いて試料ＷＫを加工する場合には、図２０に示すようにまずデフォルト状態のレーザー光Ｌを波面センサ７０によって計測し、透過波面収差量の位相分布を測定する（ステップＳ１０１）。
ビーム波面変換手段２２は、かかる収差量の位相分布をツェルニケ多項式に展開して収差成分を導出し（ステップＳ１０２）、その一部あるいは全部の波面収差の位相がオフセットされるような波面の位相を逆算して、位相変調素子に印加する電圧等を決定する（ステップＳ１０３）。かかる工程は、レーザー光Ｌの透過波面の位相分布を変換するためのビーム位相変更工程である。

同時に、かかるビーム波面変換手段２２の位相制御によって生じたレーザー光Ｌの断面の縦横比の変動を抑制するように、ビーム変倍手段２１がシリンダレンズＬ２１ｂを移動させて、Ｒｘ／Ｒｙを適切な値となるように変倍する（ステップＳ１０４）。かかる工程は、レーザー光Ｌの光軸Ｚ軸に垂直なＸＹ断面において、Ｘ軸の直径Ｒｘと、Ｙ軸の直径Ｒｙと、の径の比を変更するビーム断面変更工程である。

ビーム強度変換素子９０は、例えばDOE(Diffractive Optical Element)回折光学素子であり、入射したレーザー光Ｌの強度分布を変換する変換手段である。
かかるビーム強度変換素子９０は、入射する直前において透過波面収差が良好に補正されていることが好ましい。したがって、集光レンズ６０の直前に配置されることが最も望ましい。

一般にビーム強度変換素子９０としてＤＯＥを用いた場合には、ＤＯＥに対して入射ビームの大きさは定められた範囲で固定される必要があることが知られている。しかしながら、本実施形態のように、集光レンズ６０の直前に配置することとすれば、集光レンズ６０の前面で収束光や発散光とすることにより、任意のビームプロファイルを作り出すことができる。

ビーム強度変換素子９０によって強度分布を変更されたレーザー光Ｌは、集光レンズ６０により試料ＷＫの加工対象位置たる収束位置Ｐに集光される（ステップＳ１０５）。
かかる構成により、レーザー光Ｌのビーム断面が理想的な状態で、ラゲールガウスビームに変換されるから、集光レンズ６０によって試料ＷＫ上の収束位置Ｐに照射されることで、狙いのビームプロファイルのレーザー光Ｌを照射することができる。
かかる実施形態を用いて、収束位置Ｐにおける強度分布を色分けにより模式的に表示したものが図１５である。

あるいは、レーザー光Ｌを用いた光加工方法は、図２１に示すように、予め与えられた初期条件を用いてレーザー光Ｌのビームプロファイルを設定（ステップＳ２００）し、上述のステップＳ１０１〜Ｓ１０５に説明した各ステップを経た後、加工を終了するかどうかの判定を行う（ステップＳ２０１）としても良い。
このとき、ステップＳ２０１において、ｎｏすなわち加工が終了していないと判断されると、収束位置Ｐの座標（ｘ，ｙ，ｚ）を変更（ステップＳ２０２）して、再度透過波面を取得する（ステップＳ１０１）。
かかる構成とすれば、加工途中においても透過波面を取得して波面を補正することができるから、さらに精度よく、任意のビームプロファイルを作り出すことができる。

また、本発明の第３の実施形態として、図１６に示すようにレーザー光Ｌをトップハットビームへと変換する構成について説明する。
本実施形態において、ビーム強度変換素子９０は、トップハットビームに変換するためのトップハットコンバイナ用ＤＯＥであり、ビームエキスパンダ１０の出射側に設けられている。
また、本実施形態において、ビーム変倍手段２１は、ダブルプリズム型の変倍手段であり、複数のプリズム２１１と、プリズム２１２とを独立して回転させる所謂ダブルプリズム方式を用いている。かかる構成においては、プリズム２１１とプリズム２１２とに入射する光線の角度を互いに異ならせることで縦横比を変倍することができる。

また本実施形態では、ビーム波面変換手段２２は、反射型の液晶位相変調素子２２３と、プリズムミラー２２４とを用いて構成されている。

光源１０１から出射したレーザー光Ｌは、ビームエキスパンダ１０によって所望の大きさのビーム径に拡大され、ビーム強度変換素子９０へと入射する。
ビーム強度変換素子９０によって、レーザー光Ｌの断面における強度分布は、所謂トップハット型のビームプロファイルに変換される。
さらに、レーザー光Ｌは、プリズム２１１とプリズム２１２とを透過することで、Ｘ方向、Ｙ方向に所望の縦横比に変倍される。かかる工程は、レーザー光Ｌの光軸Ｚ軸に垂直なＸＹ断面において、Ｘ軸の直径Ｒｘと、Ｙ軸の直径Ｒｙと、の径の比を変更するビーム断面変更工程である。

ついで、変倍されたレーザー光Ｌは、プリズムミラー２２４で反射されて液晶位相変調素子２２３に入射し、配向された液晶に応じて位相が変換される。かかる工程は、レーザー光Ｌの透過波面の位相分布を変換するためのビーム位相変更工程である。
レーザー光Ｌは、再度プリズムミラー２２４で反射され、照射光学系１０２を構成する光学素子を順次透過した後、集光レンズ６０によって試料ＷＫに照射される。かかる工程は、本実施形態における集光工程である。

このようなダブルプリズム方式のビーム変倍手段２１を用いる時には、レーザー光Ｌの光軸がシフトすることが知られている。しかしながら、プリズムミラー２２４と反射型の液晶位相変調素子２２３との配置を調整することで、かかる光軸シフトをも補正して、良好なビーム形状を形成することができる。

ところで、かかるビームプロファイルの調整のためには、例えば透過波面精度の向上のために折り返しミラーの平面精度を高める方法も知られている。しかしながら、例えばλ／１０程度の微小な非点収差を折り返しミラーによって補正するためには、ここの折り返しミラーにおけるそれぞれの面精度をλ／５０程度には向上させる必要があり、現実的には困難であった。

本発明の第３の実施形態として示した構成により矩形のトップハットビームを照射したときの、試料ＷＫの収束位置Ｐにおける強度分布の一例を図１７（ａ）に示す。
図１７（ａ）は、ビーム変倍手段２１を用いて補正を行った後のビーム断面の縦横比が理想的なＲｘ／Ｒｙ＝１の状態であり、かつ位相分布が理想的な状態となった測定結果である。
他方、図１７（ｂ）、（ｃ）は、位相分布が理想的な状態からわずかに非点収差が重畳された状態の比較例を表している。かかる比較例においては、非点収差が重畳された量は透過波面においてλ／１０以下の微少量ではあるが、形状に影響がでるほど乖離してしまうことがわかる。
このように、ビーム変倍手段２１とビーム波面変換手段２２とを合わせ用いることによって、適切なビームプロファイルを高精度に再現することで、高品質で安定的なビームプロファイルを持ったレーザー光Ｌを照射可能となる。
本実施形態では、ミラーや光学素子の面精度によらず、照射されるレーザー光Ｌのビームプロファイルを制御できる。

また本実施形態では、ビーム強度変換素子９０はビームエキスパンダ１０の直後に配置される。このようにビーム強度変換素子９０を光源１０１側すなわち照射光学系１０２における上流側に配置することにより、ＤＯＥの入射ビーム側と射出ビーム側の両方の品質を確保することができる。

以上述べたような光照射装置を用いたラスタースキャン走査型のレーザー加工装置３００について、図１８を用いて説明する。
本実施形態では、既に説明した光照射装置１００に加えて、試料ＷＫの位置を調整するためのホストコンピュータである加工制御部３１０と、光照射装置１００から出射されたレーザー光Ｌをポリゴンミラー３２１によって偏向して走査光として試料ＷＫに照射する走査光学系３２０と、を有している。
加工制御部３１０は、移動ステージ１０４を制御して収束位置Ｐの座標に試料ＷＫを移動させる座標制御手段３１１と、試料ＷＫの材質や形状によって光源１０１のレーザー光Ｌの露光時間等の制御を行う露光条件設定手段３１２と、を有している。

加工制御部３１０は、ＣＡＤ等で作成された加工対象の画像データ等の加工用データが外部から入力されると、かかる加工対象のデータをもとに、露光条件設定手段３１２によって露光領域や走査速度、光出力といった露光パラメータを選択して決定する。
かかる露光パラメータに従って、光源１０１はレーザー光Ｌを出射し、上述の第１〜第３の実施形態として述べたようなビーム変倍手段２１とビーム波面変換手段２２とによってレーザー光Ｌの断面の縦横比や透過波面の位相が高精度に制御された状態で、走査光学系３２０へと入射する。

走査光学系３２０は、ポリゴンミラー３２１と、少なくとも１つの走査レンズたるｆθレンズ３２２と、を有している。
ポリゴンミラー３２１は、等角速度で回転する多面体ミラーであり、側面に入射したレーザー光Ｌを反射することで主走査方向に連続して照射する。ここで主走査方向とは、ポリゴンミラー３２１の回転によってレーザー光Ｌの収束位置Ｐが動く方向であるとする。
ｆθレンズ３２２は、主走査方向と直交する副走査方向にはパワーを有し、主走査方向にはレーザー光Ｌが角度θで入射すると、焦点距離ｆ’を掛け合わせた大きさ（Ｈ＝ｆ’・θ）の像を結ぶようなレンズである。かかる構成により、ポリゴンミラー３２１が等角度で回転していても、レーザー光Ｌの入射角度によって走査速度が変動することなく一様な走査速度でレーザー光Ｌを照射することができる。

かかる構成により、走査光学系３２０によって出射されたレーザー光Ｌ言い換えると収束位置Ｐは、試料ＷＫの表面を主走査方向Ｃに沿って移動する。
かかる構成により、試料ＷＫの表面は、主走査方向Ｃに沿って連続的にレーザー光Ｌによって加工されることとなる。かかる工程は、集光された光によって加工対象物を加工する光加工工程である。
このとき、試料ＷＫに照射されるビームスポット径は、数十μｍ〜１００μｍ程度であり、一般にはビームスポット径は小さい方が加工品質が高いとされる。
しかしながら、ビームスポット径を小さくすると、ビームの位相や縦横比の制御、また集光工程における収束位置Ｐの制御の難易度が増大してしまうことが知られている。
本実施形態のように、小さなビームスポットであっても、高品質で安定的なビームプロファイルを持ったレーザー光Ｌを照射可能とすることで、加工品質の向上に寄与する。

また、レーザー加工装置３００は、図１９に示すように、走査レンズたるｆθレンズ３２２よりも試料ＷＫ側に、同期検知手段３３０を有している。
かかる構成により、ポリゴンミラー３２１の各ポリゴン面で走査したときの、走査開始位置を毎回同じ位置に揃えることができるから、回転ムラや露光位置のずれを生じることなく、精度よく収束位置Ｐを決定することができる。
また、レーザー加工装置３００は、シリンダレンズＣＹＬよりも手前側に、開口絞りたるアパーチャ３３２と、コリメータレンズ３３１と、を有している。

本実施形態では、レーザー加工装置３００は、かかる構成により、高品質で安定した光加工物を生産することができる。

また本実施形態では、レーザー加工装置３００は、光源１０１はパルスレーザー発振器であって、少なくとも１つの回転可能な走査ミラーたるポリゴンミラー３２１を有し、レーザー光Ｌをポリゴンミラー３２１を介して所望の位置に収束させ、収束位置Ｐにおいて試料ＷＫの加工を行う光加工装置である。
かかる構成により、短パルスレーザーによる微細加工で、レーザーパワーを挙げることなくスループットを上げるレーザー加工装置を提供することができる。
かかるレーザー加工装置を用いることで、特にタッチパネルで利用されるＩＴＯ電極のパターニング加工や銀ペースト加工、導光板加工をはじめとする、微小サイズで加工面積率が高く、目標加工深さが揃っている試料に対して高速かつ高精細の加工を可能とする。

なお、本発明を用いる光加工装置としては、他にＩＴＯパターニング装置、レーザーマーキング装置、３Ｄプリンティング装置などが含まれる。すなわち、光加工装置には、切断や穴あけといった除去加工を行う装置のほか、光を照射して加熱により溶解凝固させる積層造形法のような加工を行う装置も含まれるものとする。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに異なる実施形態や変形例を適宜に組み合わせてもよい。

１０ ビームエキスパンダ
２０ ビームプロファイル制御手段
２１ 第１調光手段（ビーム変倍手段）
２２ 第２調光手段（ビーム波面変換手段）
６０ 集光レンズ
１００ 光照射装置（光加工装置）
１０１ 光源
１０２ 照射光学系
１０３ 試料テーブル
１０４ 移動ステージ
３００ 光加工装置
３２０ 走査光学系
Ｃ 主走査方向
Ｍ１〜Ｍ７ ミラー（折り返しミラー）
Ｐ 収束位置

特許第５６９２９６９号公報

Claims (11)

1. 光源から出力されたレーザー光を折り返しミラー及び集光レンズを介して所望の収束位置に収束させる光照射装置において、
   前記レーザー光の入射ビーム断面を変倍する第１調光手段と、
   前記レーザー光の透過波面の位相分布を変換する第２調光手段と、を有することを特徴とする光照射装置。
2. 請求項１に記載の光照射装置において、
   前記第１調光手段は、当該第１調光手段に入射する入射ビームの光軸に垂直な断面において、一方の軸に沿った径と、前記光軸と前記一方の軸とに対して直交する他方の軸に沿った径との割合を変化させ、
   前記第１調光手段と、前記第２調光手段とは、前記集光レンズの前記光源側に配置され、前記集光レンズの入射側面において前記レーザー光が所望の断面形状と透過波面とを有することを特徴とする光照射装置。
3. 請求項１または２に記載の光照射装置において、
   前記第１調光手段は、複数のアナモフィックレンズを有し、前記複数のアナモフィックレンズのうち少なくとも１つのアナモフィックレンズを光軸方向に移動させることで前記レーザー光を変倍することを特徴とする光照射装置。
4. 請求項１または２に記載の光照射装置において、
   前記第１調光手段は、複数のプリズムを有し、前記プリズムに入射する角度を互いに異ならせることで前記レーザー光を変倍することを特徴とする光照射装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の光照射装置において、
   前記第２調光手段は、複数のアナモフィックレンズを有し、
   前記複数のアナモフィックレンズの間隔を変更することで、前記レーザー光の透過波面の位相分布を変換することを特徴とする光照射装置。
6. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の光照射装置において、
   前記第２調光手段は、液晶位相変調素子であることを特徴とする光照射装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の光照射装置において、
   前記集光レンズの光源側に配置された波面センサと、当該波面センサの計測結果に基づいて前記第１調光手段と前記第２調光手段とを制御する位相分布制御手段と、を有し、
   前記位相分布制御手段は、前記波面センサで計測された前記透過波面の収差量の位相分布をツェルニケ多項式に展開して収差成分を導出し、前記収差成分の一部あるいは全部の位相がオフセットされるように前記第２調光手段を用いて位相分布を変換することを特徴とする光照射装置。
8. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の光照射装置において、
   回折光学素子を有し、
   前記第１調光手段と前記第２調光手段とは、前記回折光学素子と前記集光レンズの間に配置されたことを特徴とする光照射装置。
9. 請求項１乃至７の何れか１つに記載の光照射装置と、
   少なくとも１つの回転可能な走査ミラーを有し、
   前記光源はパルスレーザー発振器であって、
   前記レーザー光を前記走査ミラーを介して所望の位置に収束させ、前記収束位置において対象物の加工を行うことを特徴とする光加工装置。
10. 光源から出射された光を集光する集光工程と、
    前記集光される前記光を制御して所望の断面形状と位相分布とを持ったビームへと変換する調光工程と、を有し、
    前記調光工程は、当該光の光軸に垂直な断面において、一方の軸の直径と、前記一方の軸と前記光軸とに垂直な他方の軸と、の径の比を変更するビーム断面変更工程と、
    前記光の透過波面の位相分布を変換するためのビーム位相変更工程と、
    を有することを特徴とする光照射方法。
11. 光源から出射された光を加工対象物の表面の加工対象位置に集光する集光工程と、
    前記集光される前記光を、当該光の光軸に垂直な断面において、一方の軸の直径と、前記一方の軸と前記光軸とに垂直な他方の軸の直径と、の比を変更するビーム断面変更工程と、
    前記光の透過波面の位相分布を変換するためのビーム位相変更工程と、
    前記集光された光によって前記加工対象物を加工する光加工工程と、
    を有し、
    前記集光工程よりも前に前記ビーム断面変更工程と、前記ビーム位相変更工程とが実施され、前記集光工程において入射光が所望の断面形状と位相分布とを有することを特徴とする光加工方法。

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