JP3656371B2 - 光加工装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レ−ザを用いた光加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は、例えば特願平８−５９４７１号（特開平９−２４８６８６号）に示すホログラムを用いた従来の光加工装置である。図において、１はレーザ発振器、２はレーザ発振器から出射されたレーザビームを多数のレーザビームに分割する位相ホログラム、３は集光レンズ、４はパターンマスク、５はパターンマスク４の像を転写する転写レンズ、６は加工対象である加工ターゲット、７はレーザビームである。
【０００３】
次に動作について説明する。レーザ発振器１を出たレーザビーム７はホログラム２によって多数の任意の方向へ進むレーザビームに分割され集光レンズ３によってそれぞれのレーザビームが集光されてパターンマスク４上に照射される。このパターンマスク４の転写パターンを通過したレーザビームは転写レンズ５によって加工ターゲット６上に転写像として結像され加工が行われる。このとき、パターンマスク４上に照射されるビームスポット径は集光レンズの焦点距離とレーザビームの発散角できまる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のホログラムを用いた加工光学系（上記特願平８−５９４７１号（特開平９−２４８６８６号）に示すレーザ転写加工装置に用いられている加工光学系である。）ではマスク開口部にホログラムによって分割されたレーザビームが照射されるとき、マスク穴径に対してレーザビームの集光スポット径が大きい場合、マスクで遮られる部分が増えて光利用効率（レーザ発振器から出射されるレーザ出力に対し、実際に加工ターゲットに照射されるレーザ出力の割合）が低下する。
【０００５】
従来のホログラムを用いた加工光学系ではマスクに複数の互いに離散した開口部が存在する場合、開口部の間隔が狭いときにはマスク開口部に集光したレーザビームを照射するとき、それぞれのマスク開口部に照射されたビームスポットが互いに重なり合ってしまい、マスク開口部上での強度分布が不均一になる。この結果精度のよい加工ができなくなる。
【０００６】
従来のホログラムを用いた加工光学系ではマスク開口部にホログラムによって分割されたレーザビームが照射されるとき、マスク穴径に対してレーザビームの集光スポット径が小さいとマスク開口部のエッジ部分の光強度が落ちてしまう。またマスクとビームスポットのアライメントを高精度で行う必要があり、ほんの少しミスアライメントをおこしただけで精度の良い加工ができなくなる。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、レーザとホログラムを用いて複数の加工位置を同時に加工する光加工装置において、ビームスポット径を小さくすることによってマスク開口内のビーム強度分布を均一にし、ビーム利用効率を高めた光加工装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の構成による光加工装置は、レーザ発振器を有するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザビームを複数の方向へ分割するホログラムと、前記ホログラムによって分割されたレーザビームをを透過させる１以上の開口部を有するマスクと、当該マスクの開口部を透過したレーザビームを加工ターゲット上に転写する転写レンズとを備えた光加工装置において、レーザ発振器は不安定型共振器を備え、且つ、前記分割された２以上のレーザビームを、その強度中心が、少なくとも１のマスク開口部内の相互に異なる位置に来るように入射させ、この入射する２以上のレーザビームの重ね合わせにより合成されたレーザービーム強度が、当該マスク開口部にわたり略均一となるように前記ホログラムを形成したものである。
【０００９】
また、この発明の第２の構成による光加工装置は、前記第１の構成による光加工装置の不安定型共振器を一次元の不安定型共振器とするものである。
【００１０】
また、この発明の第３の構成による光加工装置は、前記第１の構成による光加工装置の不安定型共振器を位相整合型不安定型共振器とするものである。
【００１１】
また、この発明の第４の構成による光加工装置は、前記第１の構成による光加工装置のレーザ発振器を、ガウスコア型共振器を備えたものに替えたものである。
【００１２】
また、この発明の第５の構成による光加工装置は、前記第１の構成による光加工装置のレーザ光源を、レーザ発振器と、少なくとも１台の光増幅器とを有するレーザ光源に替え たものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の第１の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態によるレーザ転写加工装置を示す図である。図において、１はレーザ発振器、２はレーザビームを多数のレーザビームに分割するホログラム、３は集光レンズ、４はパターンマスク、５はパターンマスク４の像を転写する転写レンズ、６は加工対象である加工ターゲット、７はレーザビームである。１のレーザ発振器はＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＡｒＦのエキシマレーザ、ＣＯ2 レーザ、ＹＡＧレーザ（基本波、２倍高調波、３倍高調波、４倍高調波、５倍高調波を含む）などの加工用レーザである。図２はマスクの開口部とビームスポットの関係を表す図である。図２（ａ）はマスク開口部に対して照射されるビームスポット径が大きい場合、図２（ｂ）はマスク開口部に対して照射されるビームスポット径が小さい場合である。ただし、マスクの穴径、穴数、穴の配置パターンは任意である。図において、８はマスク開口部、９は照射ビームスポットである。図３は発散角を持ったレーザビームがレンズによって集光される時のビームスポットの大きさと発散角の関係を表す図である。図において、１０は光線、ｆはレンズの焦点距離、θは光線の光軸に対する角度を表す。
【００１４】
次に動作について説明する。レーザ発振器１を出た光は、ホログラム２によって多数の任意の方向へ進むレーザビームに分割され、集光レンズ３によってそれぞれのレーザビームが集光されて、パターンマスク４上に照射される。パターンマスク４の転写パターンを透過し、加工形状に整形されたたレーザビームは、転写レンズ５によって加工ターゲット６上に転写像として結像され、必要な加工が行われる。
【００１５】
ホログラム２では、レーザビームは任意の方向へ進むレーザビームに分割できるので、分割されたレーザビームそれぞれが、集光レンズ３によって集光され、図１に示すようにパターンマスク４上の多数の開口部にのみに選択的に配置することができ、このことによりマスク遮光部分を照射するエネルギを減らすことができるので、光利用効率の高い、高効率な加工をおこなうことができる。
【００１６】
ここで、光利用効率はレーザ発振器からでたレーザビームのうち加工面に到達する光の割合であり利用効率が落ちる原因としてはマスクに遮られることが最も大きい。この光学系ではホログラムの回折効率（ホログラムによってレーザビームを分割するとき、所望の位置に分割配置できる割合を示す。）は６０〜７０％あり、また集光レンズ及び転写レンズの損失は光学素子（レンズ）の反射、吸収ロスのみであり１０％以下である。マスクによる損失はマスクパターンによってまちまちであるが、例えば加工ターゲットに微細な穴（１００μｍ以下）を開けたい場合、マスク開口部は必然的に小さくならざるを得ず、マスク開口部に照射されるビームスポット径がマスク開口部に対して大きくなりすぎてしまう。
【００１７】
パターンマスク４上に集光されるレーザビームのスポット径は図３に示すように集光レンズ３の焦点距離と集光レンズに入射するときのレーザビームの発散角によって決まる。
【００１８】
ここで、レーザビームの発散角について説明する。レーザビームはいろいろな方向に向かって飛行している光線の束と考えられる。レーザビーム内の光線の角度分布を求めたときにレーザビームエネルギーのある割合以内に含まれる光線の角度を発散角と定義している。つまりレーザビーム内の光線のうち光軸に対して角度成分が小さな光線の割合が多いほど発散角の小さいレーザビームといえる。発散角の影響はそのレーザビームをレンズで集光したときに顕著になる。
【００１９】
例えば、図３に示すように焦点距離ｆのレンズに発散角θ（片側θ／２）で入射する光はレンズからｆだけ離れたマスク上ではスポット径はほぼｆθで表される。つまり、レーザビームの発散角が大きいほど中心から離れた位置に光が多く分配されることになる。このため、発散角が大きいレーザビームを用いると図２（ａ）のようにパターンマスク４上にできるレーザビームのスポット径が大きくなる。スポット径がマスク開口部に対して大きくなりすぎるとレーザビームのマスクによって遮られる部分が多くなり、このため光利用効率が落ちてしまう。
【００２０】
マスク上でのスポット径を小さくするためにはレーザビームの発散角を小さくする必要があり、このためレーザ発振器１に不安定型共振器を使用する。
【００２１】
次に、不安定型共振器の効果について説明する。図４は通常の安定型共振器の一例を示しており、共焦点型と呼ばれるものである。これは片方に全反射、もう一方に部分反射の球面ミラーを用いている。図中に示す光線１０からもわかるように光軸１１に対してある角度以内で進む光線は常に共振器内に閉じこめられている。これが安定型といわれるゆえんであるが、この場合、その角度がある範囲内にある光線群は常に共振器内に閉じこめられているため光軸と平行に進む光線と同じように増幅される。このため発振器からでてくる光は大きな発散角分布を持ったものとなる。更に、図４に示す共焦点型の安定型共振器の場合は、部分反射鏡から共振器外に取り出される光に、光軸に平行な光と、共焦点を通過するものの２種類がある。このことも大きな発散角分布の原因となる。
【００２２】
一方、図５は不安定型共振器を表す図である。これは一次元不安定型共振器を示しており、外径及び曲率の異なるシリンドリカルミラーを対向させたものである。図中の光線が示す通りこの共振器は光を常に共振器内に閉じこめておくことができない。また光軸１１に対する角度成分が大きい光線ほど早く共振器内から飛び出す。これは光軸に対する角度が小さな光線が、ある程度共振器内を往復して増幅された後、外に飛び出していくのに対して、角度の大きい光線は共振器内で十分に増幅されないうちに外へ飛び出していくことになり、光の強度が弱くなる。すなわち、共振器から外部に取出される光のうち強度の大きい成分は、光軸との角度が小さく往復反射を多数回繰返し得る成分に限られる。
その結果、発散角の小さいレーザビームとなる。
【００２３】
例えば、図６は書籍「エキシマレーザの開発と応用技術・例」（応用技術出版）に示されているもの（Ｐ５１図１．６８）で、安定共振器と不安定型共振器及び注入同期による発振器を使用した場合の広がり角内に集中するレーザ出力を表す図である。ここで、広がり角とはレーザビーム内に含まれる光線の光軸に対する角度を表しており、図６はその角度以内にあるビームエネルギーの割合を示すものである。図６では安定型共振器を用いた場合よりも不安定型共振器を用いた場合の方が狭い範囲の広がり角内にレーザ出力が集中しており、不安定型共振器を用いた場合の方が集光スポットを小さくできることがわかる。
【００２４】
図７は一次元不安定型共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図であり、詳しくは、ホログラム加工光学系と一次元不安定型共振器を組み合わせた加工装置を表す。図において、２０は反転分布が形成されている励起領域、１２は前記励起領域に対して設置された一次元不安定型共振器を示す。一次元不安定共振器は一方にシリンドリカル凹面ミラー、もう片方にシリンドリカル凸面ミラーを対向させたものであり、曲率が付いている方向の発散角のみを小さくすることができる。一次元不安定型共振器は図に示した片出し方式（取り出しミラーの片側からレーザビームを取り出す）と両側からレーザビームを取り出す方式がある。
【００２５】
次に、一次元不安定型共振器を使用した場合の効果を表す。例えば、エキシマレーザなどでは励起領域の断面形状が矩形である場合が多く、レーザビームのプロファイルが方向によって異なる場合がある。このときの発散角は方向によって異なるのがふつうであり、従来のホログラムを用いた加工光学系では発散角の大きい方向のスポット径が問題となることがあった。このようにレーザ発振器に一次元不安定型共振器を使用することによって、発散角の大きかった方だけ発散角を小さくし、マスク上でのスポット径を縦と横で同じように小さくすることができ、レーザビームのマスクによって遮られる部分を少なくすることができる。
【００２６】
実施の形態２．
この発明による第２の実施の形態について説明する。図８は二次元不安定共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。図において、１３は二次元不安型共振器を示す。二次元不安定型共振器を使用することによってマスク上でのビーム集光スポット径を小さくすることができる。二次元不安定共振器は一方に球面凹面ミラー、もう片方に球面凸面ミラーを対向させたものである。二次元不安定型共振器を使用することにより、ビームスポット径を小さくすることができ、マスク透過率が向上し、光利用効率の高い加工が可能となる。二次元不安定型共振器は励起領域の断面形状が正方形もしくは円形に近い系に対して有効であり、常に軸対称なビームスポットを得ることができる。
【００２７】
実施の形態３．
この発明による第３の実施の形態について説明する。図９は位相整合型の共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。図において、１４は位相整合型不安定型共振器（特開昭６３ー２６５４７９号公報）の一例を示す。図１０は位相整合型の共振器を表す図である。図において、１５は球面ミラー、１６は全透過膜、１７は部分反射球面ミラーである。位相整合型不安定型共振器は図１０に示すような構造になっており、通常の不安定型共振器では発振器の取り出し口で強度分布がドーナツ上になってしまうのに対して、位相整合型不安定共振器は中心からもレーザビームを取り出せるようにして強度分布がドーナツ状にならないようにしたものである。これは通常の二次元不安定型共振器はレーザビームを集光した場合にスポットにサイドロープができるのに対してこのサイドロープをなくす効果がある。安定型共振器に対しては通常の不安定型共振器と同様に発散角を抑える効果がある。上記実施の形態１と同様にレーザ発振器に位相整合型型不安定型共振器を用いることによりレーザビームの発散角を低減し、マスク上でのビーム集光スポット径を小さくする。このことによりマスク透過率が向上し、光利用効率の高い加工が可能となる。
【００２８】
実施の形態４．
この発明による第４の実施の形態について説明する。図１１はガウスコア型の共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。図において、１８はガウスコア型共振器（レーザ研究，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．９（１９９５））を示す。ガウスコア共振器は通常の安定型共振器でモード選択（発散角の大きな成分を取り除く）を行おうとすると共振器内でのレーザビーム幅を制限する必要があり、レーザの出力が落ちてしまうのに対し、ガウスコア型共振器ではレーザビームの幅を制限せずモード選択ができ、レーザの出力を大きく落とさずに発散角の小さなレーザビームが取り出せる。上記実施の形態１と同様にレーザ発振器にガウスコア型安定共振器を用いることによりレーザビームの発散角を低減し、マスク上でのビーム集光スポット径を小さくする。このことによりマスク透過率が向上し、光利用効率の高い加工が可能となる。
【００２９】
実施の形態５．
この発明による第５の実施の形態について説明する。図１６はインジェクション方式のレーザ発振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。図において、２０は反転分布が形成されている励起領域、２１は励起電極である。図１６のように、この発明による加工光学系にレーザ共振部分とレーザ増幅部分が独立したレーザ発振器（インジェクション方式）を使用することにより発散角の小さなレーザビームが取り出せる。上記、実施の形態１と同様にレーザ発振器にインジェクション方式のレーザ発振器を用いることによりレーザビームの発散角を低減し、マスク上でのビーム集光スポット径を小さくする。このことによりマスク透過率が向上し、光利用効率の高い加工が可能となる。
【００３０】
実施の形態６．
この発明による第６の実施の形態について説明する。図１２はマスク開口部内でレーザビームの強度分布がある場合の影響を示す図である。図において、１９はマスク透過後のレーザビーム強度プロファイルを表す。実施の形態１〜４に示したように発散角を小さくした場合や、発散角を制御しない場合でもマスク上でのビームスポット径がマスク開口部に対して小さい場合、図１２（ａ）に示すようにマスク開口部の中心部とエッジ部で光の強度が異なってしまい精度の良い加工ができなくなってしまう可能性がある。つまり図１２（ｂ）に示すようにレーザビームがほんの少し横にずれただけでもエッジ部の強度が変化し、被加工対象に転写される光に強度分布ができてしまうため加工パターンが歪んでしまう。このようにマスクの透過率を上げようとして不安定共振器などを使用することによってビームスポットを小さくしても、レーザビームの強度分布がなだらかに変化するためにスポットを小さくするにも限界がある。
【００３１】
また、不安定共振器を使用せずにホログラムによって図１３（ａ）に示すように複数のビームスポットを１つのマスク開口部に対して重ねあわせた場合、マスク開口部が小さいとレーザビームを重ね合わせても十分な均一度が得られない。
【００３２】
この場合、図１３（ｂ）に示すように不安定共振器を使用しビームスポットを十分小さくした上で、ホログラムにより複数のビームスポットを１つのマスク開口部に対して重ねあわせると、マスク開口部で立ち上がりの急峻なトップハット状に近い強度分布をつくることができマスク透過率が高くさらに均一度も高いビームプロファイルを形成することができる。さらに、このことによってミスアライメントに対する裕度を高めることができる。
【００３３】
実施の形態７．
図１４はマスク開口部が互いに接近している場合に比較的大きなビームスッポトを照射した場合の影響を示す図である。図に示すように、マスク開口部が互いに近接している場合、マスク開口部に照射されるビームスポットの一部が隣接する他の開口部にも同時に照射され、図中の１９に示すようにマスク透過後のビーム強度分布が変わってしまう。このため、精度の良い加工ができなくなる。
【００３４】
このような場合、実施の形態５に示したように不安定共振器により発散角をマスク開口部にたいして十分に小さくし、さらにホログラムによってマスク開口部で多数のビームスポットを重ね合わせることにより立ち上がりの急峻なトップハット状に近い強度分布をつくることができ、図１５に示すように近接するマスク開口部に影響のないように強度分布の制御ができる。
【００３５】
【発明の効果】
この発明の第１の構成に係る光加工装置によれば、不安定型共振器を備えたレーザ光源の採用により、ビーム発散角を小さくすることができ、その結果、マスク開口部におけるレーザスポット径を小さくすることができるので、分割された２以上のレーザビームを、その強度中心が、少なくとも１のマスクの開口部内の相互に異なる位置に来るように入射させることにより、合成されたレーザビーム強度をこのマスク開口部にわたり略均一にす るとともに、このマスク開口部外への不要な照射を小さくすることができ、当該マスク開口部におけるレーザビームの利用効率を高め、マスクとレーザビーム間のミスアライメントに対する裕度を大きくすることができる。
【００３６】
この発明の第２から第５の構成に係る光加工装置によれば、上記第１の構成に係る光加工装置において、発散角の小さなレーザビームを発生することのできる他のレーザ光源の採用により、上記第１の構成に係る光加工装置と同様に、合成されたレーザビーム強度を少なくとも１のマスク開口部にわたり略均一にするとともに、このマスク開口部外への不要な照射を小さくすることができ、当該マスク開口部におけるレーザビームの利用効率を高め、マスクとレーザビーム間のミスアライメントに対する裕度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明によるホログラムを使用した転写加工光学系図である。
【図２】 マスク開口部とビームスポットの関係を表す図である。
【図３】 レーザビームが集光レンズを通してマスクに照射される場合のレーザビームの発散角とスポット径の関係を表す図である。
【図４】 安定型共振器を表す図である。
【図５】 不安定型共振器を表す図である。
【図６】 安定共振器と不安定型共振器及び注入同期による発振器を使用した場合の広がり角内に集中するレーザ出力を表す図である。
【図７】 一次元不安定型共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図８】 二次元不安定型共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図９】 位相整合型の共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図１０】 位相整合型不安定共振器を表す図である。
【図１１】 ガウスコア型の共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図１２】 マスク開口部内でレーザビームの強度分布がある場合の影響を示す図である。
【図１３】 マスク開口部でホログラムによりビームスポットを重ね合わせた場合に、スポット径が大きい場合と小さい場合の違いを表す図である。
【図１４】 マスク開口部が互いに接近している場合に比較的大きなビームスポットを照射した場合の影響を示す図である。
【図１５】 マスク開口部が互いに接近している場合に不安定共振器によりビームスポットを小さくしさらにホログラムによってマスク開口部に多数のビームスポットを重ね合わせた場合の効果を示す図である。
【図１６】 インジェクション方式のレーザ発振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図１７】 従来のホログラムを使用した転写加工光学系図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器、２ ホログラム、３ 集光レンズ、４ パターンマスク、５ 転写レンズ、６ 加工ターゲット、７ レーザビーム、８ マスク開口部、９ 照射ビームスポット、１０ 光線、１１ 光軸、１２ 一次元不安定型共振器、１３ 二次元不安定型共振器、１４ 位相整合型の共振器、１５ 球面ミラー、１６ 全透過膜、１７ 部分反射球面ミラー、１８ ガウスコア型の共振器、１９ マスク透過後のレーザビーム強度プロファイル、２０ 反転分布が形成されている励起領域、２１ 励起電極。
【発明の属する技術分野】
この発明は、レ−ザを用いた光加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は、例えば特願平８−５９４７１号（特開平９−２４８６８６号）に示すホログラムを用いた従来の光加工装置である。図において、１はレーザ発振器、２はレーザ発振器から出射されたレーザビームを多数のレーザビームに分割する位相ホログラム、３は集光レンズ、４はパターンマスク、５はパターンマスク４の像を転写する転写レンズ、６は加工対象である加工ターゲット、７はレーザビームである。
【０００３】
次に動作について説明する。レーザ発振器１を出たレーザビーム７はホログラム２によって多数の任意の方向へ進むレーザビームに分割され集光レンズ３によってそれぞれのレーザビームが集光されてパターンマスク４上に照射される。このパターンマスク４の転写パターンを通過したレーザビームは転写レンズ５によって加工ターゲット６上に転写像として結像され加工が行われる。このとき、パターンマスク４上に照射されるビームスポット径は集光レンズの焦点距離とレーザビームの発散角できまる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のホログラムを用いた加工光学系（上記特願平８−５９４７１号（特開平９−２４８６８６号）に示すレーザ転写加工装置に用いられている加工光学系である。）ではマスク開口部にホログラムによって分割されたレーザビームが照射されるとき、マスク穴径に対してレーザビームの集光スポット径が大きい場合、マスクで遮られる部分が増えて光利用効率（レーザ発振器から出射されるレーザ出力に対し、実際に加工ターゲットに照射されるレーザ出力の割合）が低下する。
【０００５】
従来のホログラムを用いた加工光学系ではマスクに複数の互いに離散した開口部が存在する場合、開口部の間隔が狭いときにはマスク開口部に集光したレーザビームを照射するとき、それぞれのマスク開口部に照射されたビームスポットが互いに重なり合ってしまい、マスク開口部上での強度分布が不均一になる。この結果精度のよい加工ができなくなる。
【０００６】
従来のホログラムを用いた加工光学系ではマスク開口部にホログラムによって分割されたレーザビームが照射されるとき、マスク穴径に対してレーザビームの集光スポット径が小さいとマスク開口部のエッジ部分の光強度が落ちてしまう。またマスクとビームスポットのアライメントを高精度で行う必要があり、ほんの少しミスアライメントをおこしただけで精度の良い加工ができなくなる。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、レーザとホログラムを用いて複数の加工位置を同時に加工する光加工装置において、ビームスポット径を小さくすることによってマスク開口内のビーム強度分布を均一にし、ビーム利用効率を高めた光加工装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の構成による光加工装置は、レーザ発振器を有するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザビームを複数の方向へ分割するホログラムと、前記ホログラムによって分割されたレーザビームをを透過させる１以上の開口部を有するマスクと、当該マスクの開口部を透過したレーザビームを加工ターゲット上に転写する転写レンズとを備えた光加工装置において、レーザ発振器は不安定型共振器を備え、且つ、前記分割された２以上のレーザビームを、その強度中心が、少なくとも１のマスク開口部内の相互に異なる位置に来るように入射させ、この入射する２以上のレーザビームの重ね合わせにより合成されたレーザービーム強度が、当該マスク開口部にわたり略均一となるように前記ホログラムを形成したものである。
【０００９】
また、この発明の第２の構成による光加工装置は、前記第１の構成による光加工装置の不安定型共振器を一次元の不安定型共振器とするものである。
【００１０】
また、この発明の第３の構成による光加工装置は、前記第１の構成による光加工装置の不安定型共振器を位相整合型不安定型共振器とするものである。
【００１１】
また、この発明の第４の構成による光加工装置は、前記第１の構成による光加工装置のレーザ発振器を、ガウスコア型共振器を備えたものに替えたものである。
【００１２】
また、この発明の第５の構成による光加工装置は、前記第１の構成による光加工装置のレーザ光源を、レーザ発振器と、少なくとも１台の光増幅器とを有するレーザ光源に替え たものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の第１の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態によるレーザ転写加工装置を示す図である。図において、１はレーザ発振器、２はレーザビームを多数のレーザビームに分割するホログラム、３は集光レンズ、４はパターンマスク、５はパターンマスク４の像を転写する転写レンズ、６は加工対象である加工ターゲット、７はレーザビームである。１のレーザ発振器はＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＡｒＦのエキシマレーザ、ＣＯ2 レーザ、ＹＡＧレーザ（基本波、２倍高調波、３倍高調波、４倍高調波、５倍高調波を含む）などの加工用レーザである。図２はマスクの開口部とビームスポットの関係を表す図である。図２（ａ）はマスク開口部に対して照射されるビームスポット径が大きい場合、図２（ｂ）はマスク開口部に対して照射されるビームスポット径が小さい場合である。ただし、マスクの穴径、穴数、穴の配置パターンは任意である。図において、８はマスク開口部、９は照射ビームスポットである。図３は発散角を持ったレーザビームがレンズによって集光される時のビームスポットの大きさと発散角の関係を表す図である。図において、１０は光線、ｆはレンズの焦点距離、θは光線の光軸に対する角度を表す。
【００１４】
次に動作について説明する。レーザ発振器１を出た光は、ホログラム２によって多数の任意の方向へ進むレーザビームに分割され、集光レンズ３によってそれぞれのレーザビームが集光されて、パターンマスク４上に照射される。パターンマスク４の転写パターンを透過し、加工形状に整形されたたレーザビームは、転写レンズ５によって加工ターゲット６上に転写像として結像され、必要な加工が行われる。
【００１５】
ホログラム２では、レーザビームは任意の方向へ進むレーザビームに分割できるので、分割されたレーザビームそれぞれが、集光レンズ３によって集光され、図１に示すようにパターンマスク４上の多数の開口部にのみに選択的に配置することができ、このことによりマスク遮光部分を照射するエネルギを減らすことができるので、光利用効率の高い、高効率な加工をおこなうことができる。
【００１６】
ここで、光利用効率はレーザ発振器からでたレーザビームのうち加工面に到達する光の割合であり利用効率が落ちる原因としてはマスクに遮られることが最も大きい。この光学系ではホログラムの回折効率（ホログラムによってレーザビームを分割するとき、所望の位置に分割配置できる割合を示す。）は６０〜７０％あり、また集光レンズ及び転写レンズの損失は光学素子（レンズ）の反射、吸収ロスのみであり１０％以下である。マスクによる損失はマスクパターンによってまちまちであるが、例えば加工ターゲットに微細な穴（１００μｍ以下）を開けたい場合、マスク開口部は必然的に小さくならざるを得ず、マスク開口部に照射されるビームスポット径がマスク開口部に対して大きくなりすぎてしまう。
【００１７】
パターンマスク４上に集光されるレーザビームのスポット径は図３に示すように集光レンズ３の焦点距離と集光レンズに入射するときのレーザビームの発散角によって決まる。
【００１８】
ここで、レーザビームの発散角について説明する。レーザビームはいろいろな方向に向かって飛行している光線の束と考えられる。レーザビーム内の光線の角度分布を求めたときにレーザビームエネルギーのある割合以内に含まれる光線の角度を発散角と定義している。つまりレーザビーム内の光線のうち光軸に対して角度成分が小さな光線の割合が多いほど発散角の小さいレーザビームといえる。発散角の影響はそのレーザビームをレンズで集光したときに顕著になる。
【００１９】
例えば、図３に示すように焦点距離ｆのレンズに発散角θ（片側θ／２）で入射する光はレンズからｆだけ離れたマスク上ではスポット径はほぼｆθで表される。つまり、レーザビームの発散角が大きいほど中心から離れた位置に光が多く分配されることになる。このため、発散角が大きいレーザビームを用いると図２（ａ）のようにパターンマスク４上にできるレーザビームのスポット径が大きくなる。スポット径がマスク開口部に対して大きくなりすぎるとレーザビームのマスクによって遮られる部分が多くなり、このため光利用効率が落ちてしまう。
【００２０】
マスク上でのスポット径を小さくするためにはレーザビームの発散角を小さくする必要があり、このためレーザ発振器１に不安定型共振器を使用する。
【００２１】
次に、不安定型共振器の効果について説明する。図４は通常の安定型共振器の一例を示しており、共焦点型と呼ばれるものである。これは片方に全反射、もう一方に部分反射の球面ミラーを用いている。図中に示す光線１０からもわかるように光軸１１に対してある角度以内で進む光線は常に共振器内に閉じこめられている。これが安定型といわれるゆえんであるが、この場合、その角度がある範囲内にある光線群は常に共振器内に閉じこめられているため光軸と平行に進む光線と同じように増幅される。このため発振器からでてくる光は大きな発散角分布を持ったものとなる。更に、図４に示す共焦点型の安定型共振器の場合は、部分反射鏡から共振器外に取り出される光に、光軸に平行な光と、共焦点を通過するものの２種類がある。このことも大きな発散角分布の原因となる。
【００２２】
一方、図５は不安定型共振器を表す図である。これは一次元不安定型共振器を示しており、外径及び曲率の異なるシリンドリカルミラーを対向させたものである。図中の光線が示す通りこの共振器は光を常に共振器内に閉じこめておくことができない。また光軸１１に対する角度成分が大きい光線ほど早く共振器内から飛び出す。これは光軸に対する角度が小さな光線が、ある程度共振器内を往復して増幅された後、外に飛び出していくのに対して、角度の大きい光線は共振器内で十分に増幅されないうちに外へ飛び出していくことになり、光の強度が弱くなる。すなわち、共振器から外部に取出される光のうち強度の大きい成分は、光軸との角度が小さく往復反射を多数回繰返し得る成分に限られる。
その結果、発散角の小さいレーザビームとなる。
【００２３】
例えば、図６は書籍「エキシマレーザの開発と応用技術・例」（応用技術出版）に示されているもの（Ｐ５１図１．６８）で、安定共振器と不安定型共振器及び注入同期による発振器を使用した場合の広がり角内に集中するレーザ出力を表す図である。ここで、広がり角とはレーザビーム内に含まれる光線の光軸に対する角度を表しており、図６はその角度以内にあるビームエネルギーの割合を示すものである。図６では安定型共振器を用いた場合よりも不安定型共振器を用いた場合の方が狭い範囲の広がり角内にレーザ出力が集中しており、不安定型共振器を用いた場合の方が集光スポットを小さくできることがわかる。
【００２４】
図７は一次元不安定型共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図であり、詳しくは、ホログラム加工光学系と一次元不安定型共振器を組み合わせた加工装置を表す。図において、２０は反転分布が形成されている励起領域、１２は前記励起領域に対して設置された一次元不安定型共振器を示す。一次元不安定共振器は一方にシリンドリカル凹面ミラー、もう片方にシリンドリカル凸面ミラーを対向させたものであり、曲率が付いている方向の発散角のみを小さくすることができる。一次元不安定型共振器は図に示した片出し方式（取り出しミラーの片側からレーザビームを取り出す）と両側からレーザビームを取り出す方式がある。
【００２５】
次に、一次元不安定型共振器を使用した場合の効果を表す。例えば、エキシマレーザなどでは励起領域の断面形状が矩形である場合が多く、レーザビームのプロファイルが方向によって異なる場合がある。このときの発散角は方向によって異なるのがふつうであり、従来のホログラムを用いた加工光学系では発散角の大きい方向のスポット径が問題となることがあった。このようにレーザ発振器に一次元不安定型共振器を使用することによって、発散角の大きかった方だけ発散角を小さくし、マスク上でのスポット径を縦と横で同じように小さくすることができ、レーザビームのマスクによって遮られる部分を少なくすることができる。
【００２６】
実施の形態２．
この発明による第２の実施の形態について説明する。図８は二次元不安定共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。図において、１３は二次元不安型共振器を示す。二次元不安定型共振器を使用することによってマスク上でのビーム集光スポット径を小さくすることができる。二次元不安定共振器は一方に球面凹面ミラー、もう片方に球面凸面ミラーを対向させたものである。二次元不安定型共振器を使用することにより、ビームスポット径を小さくすることができ、マスク透過率が向上し、光利用効率の高い加工が可能となる。二次元不安定型共振器は励起領域の断面形状が正方形もしくは円形に近い系に対して有効であり、常に軸対称なビームスポットを得ることができる。
【００２７】
実施の形態３．
この発明による第３の実施の形態について説明する。図９は位相整合型の共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。図において、１４は位相整合型不安定型共振器（特開昭６３ー２６５４７９号公報）の一例を示す。図１０は位相整合型の共振器を表す図である。図において、１５は球面ミラー、１６は全透過膜、１７は部分反射球面ミラーである。位相整合型不安定型共振器は図１０に示すような構造になっており、通常の不安定型共振器では発振器の取り出し口で強度分布がドーナツ上になってしまうのに対して、位相整合型不安定共振器は中心からもレーザビームを取り出せるようにして強度分布がドーナツ状にならないようにしたものである。これは通常の二次元不安定型共振器はレーザビームを集光した場合にスポットにサイドロープができるのに対してこのサイドロープをなくす効果がある。安定型共振器に対しては通常の不安定型共振器と同様に発散角を抑える効果がある。上記実施の形態１と同様にレーザ発振器に位相整合型型不安定型共振器を用いることによりレーザビームの発散角を低減し、マスク上でのビーム集光スポット径を小さくする。このことによりマスク透過率が向上し、光利用効率の高い加工が可能となる。
【００２８】
実施の形態４．
この発明による第４の実施の形態について説明する。図１１はガウスコア型の共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。図において、１８はガウスコア型共振器（レーザ研究，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．９（１９９５））を示す。ガウスコア共振器は通常の安定型共振器でモード選択（発散角の大きな成分を取り除く）を行おうとすると共振器内でのレーザビーム幅を制限する必要があり、レーザの出力が落ちてしまうのに対し、ガウスコア型共振器ではレーザビームの幅を制限せずモード選択ができ、レーザの出力を大きく落とさずに発散角の小さなレーザビームが取り出せる。上記実施の形態１と同様にレーザ発振器にガウスコア型安定共振器を用いることによりレーザビームの発散角を低減し、マスク上でのビーム集光スポット径を小さくする。このことによりマスク透過率が向上し、光利用効率の高い加工が可能となる。
【００２９】
実施の形態５．
この発明による第５の実施の形態について説明する。図１６はインジェクション方式のレーザ発振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。図において、２０は反転分布が形成されている励起領域、２１は励起電極である。図１６のように、この発明による加工光学系にレーザ共振部分とレーザ増幅部分が独立したレーザ発振器（インジェクション方式）を使用することにより発散角の小さなレーザビームが取り出せる。上記、実施の形態１と同様にレーザ発振器にインジェクション方式のレーザ発振器を用いることによりレーザビームの発散角を低減し、マスク上でのビーム集光スポット径を小さくする。このことによりマスク透過率が向上し、光利用効率の高い加工が可能となる。
【００３０】
実施の形態６．
この発明による第６の実施の形態について説明する。図１２はマスク開口部内でレーザビームの強度分布がある場合の影響を示す図である。図において、１９はマスク透過後のレーザビーム強度プロファイルを表す。実施の形態１〜４に示したように発散角を小さくした場合や、発散角を制御しない場合でもマスク上でのビームスポット径がマスク開口部に対して小さい場合、図１２（ａ）に示すようにマスク開口部の中心部とエッジ部で光の強度が異なってしまい精度の良い加工ができなくなってしまう可能性がある。つまり図１２（ｂ）に示すようにレーザビームがほんの少し横にずれただけでもエッジ部の強度が変化し、被加工対象に転写される光に強度分布ができてしまうため加工パターンが歪んでしまう。このようにマスクの透過率を上げようとして不安定共振器などを使用することによってビームスポットを小さくしても、レーザビームの強度分布がなだらかに変化するためにスポットを小さくするにも限界がある。
【００３１】
また、不安定共振器を使用せずにホログラムによって図１３（ａ）に示すように複数のビームスポットを１つのマスク開口部に対して重ねあわせた場合、マスク開口部が小さいとレーザビームを重ね合わせても十分な均一度が得られない。
【００３２】
この場合、図１３（ｂ）に示すように不安定共振器を使用しビームスポットを十分小さくした上で、ホログラムにより複数のビームスポットを１つのマスク開口部に対して重ねあわせると、マスク開口部で立ち上がりの急峻なトップハット状に近い強度分布をつくることができマスク透過率が高くさらに均一度も高いビームプロファイルを形成することができる。さらに、このことによってミスアライメントに対する裕度を高めることができる。
【００３３】
実施の形態７．
図１４はマスク開口部が互いに接近している場合に比較的大きなビームスッポトを照射した場合の影響を示す図である。図に示すように、マスク開口部が互いに近接している場合、マスク開口部に照射されるビームスポットの一部が隣接する他の開口部にも同時に照射され、図中の１９に示すようにマスク透過後のビーム強度分布が変わってしまう。このため、精度の良い加工ができなくなる。
【００３４】
このような場合、実施の形態５に示したように不安定共振器により発散角をマスク開口部にたいして十分に小さくし、さらにホログラムによってマスク開口部で多数のビームスポットを重ね合わせることにより立ち上がりの急峻なトップハット状に近い強度分布をつくることができ、図１５に示すように近接するマスク開口部に影響のないように強度分布の制御ができる。
【００３５】
【発明の効果】
この発明の第１の構成に係る光加工装置によれば、不安定型共振器を備えたレーザ光源の採用により、ビーム発散角を小さくすることができ、その結果、マスク開口部におけるレーザスポット径を小さくすることができるので、分割された２以上のレーザビームを、その強度中心が、少なくとも１のマスクの開口部内の相互に異なる位置に来るように入射させることにより、合成されたレーザビーム強度をこのマスク開口部にわたり略均一にす るとともに、このマスク開口部外への不要な照射を小さくすることができ、当該マスク開口部におけるレーザビームの利用効率を高め、マスクとレーザビーム間のミスアライメントに対する裕度を大きくすることができる。
【００３６】
この発明の第２から第５の構成に係る光加工装置によれば、上記第１の構成に係る光加工装置において、発散角の小さなレーザビームを発生することのできる他のレーザ光源の採用により、上記第１の構成に係る光加工装置と同様に、合成されたレーザビーム強度を少なくとも１のマスク開口部にわたり略均一にするとともに、このマスク開口部外への不要な照射を小さくすることができ、当該マスク開口部におけるレーザビームの利用効率を高め、マスクとレーザビーム間のミスアライメントに対する裕度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明によるホログラムを使用した転写加工光学系図である。
【図２】 マスク開口部とビームスポットの関係を表す図である。
【図３】 レーザビームが集光レンズを通してマスクに照射される場合のレーザビームの発散角とスポット径の関係を表す図である。
【図４】 安定型共振器を表す図である。
【図５】 不安定型共振器を表す図である。
【図６】 安定共振器と不安定型共振器及び注入同期による発振器を使用した場合の広がり角内に集中するレーザ出力を表す図である。
【図７】 一次元不安定型共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図８】 二次元不安定型共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図９】 位相整合型の共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図１０】 位相整合型不安定共振器を表す図である。
【図１１】 ガウスコア型の共振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図１２】 マスク開口部内でレーザビームの強度分布がある場合の影響を示す図である。
【図１３】 マスク開口部でホログラムによりビームスポットを重ね合わせた場合に、スポット径が大きい場合と小さい場合の違いを表す図である。
【図１４】 マスク開口部が互いに接近している場合に比較的大きなビームスポットを照射した場合の影響を示す図である。
【図１５】 マスク開口部が互いに接近している場合に不安定共振器によりビームスポットを小さくしさらにホログラムによってマスク開口部に多数のビームスポットを重ね合わせた場合の効果を示す図である。
【図１６】 インジェクション方式のレーザ発振器を用いたホログラム加工光学系を表す図である。
【図１７】 従来のホログラムを使用した転写加工光学系図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器、２ ホログラム、３ 集光レンズ、４ パターンマスク、５ 転写レンズ、６ 加工ターゲット、７ レーザビーム、８ マスク開口部、９ 照射ビームスポット、１０ 光線、１１ 光軸、１２ 一次元不安定型共振器、１３ 二次元不安定型共振器、１４ 位相整合型の共振器、１５ 球面ミラー、１６ 全透過膜、１７ 部分反射球面ミラー、１８ ガウスコア型の共振器、１９ マスク透過後のレーザビーム強度プロファイル、２０ 反転分布が形成されている励起領域、２１ 励起電極。
Claims (5)
- レーザ発振器を有するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザビームを複数の方向へ分割するホログラムと、前記ホログラムによって分割されたレーザビームを透過させる１以上の開口部を有するマスクと、当該マスクの開口部を透過したレーザビームを加工ターゲット上に転写する転写レンズとを備えた光加工装置において、前記レーザ発振器は不安定型共振器を備え、且つ、前記分割された２以上のレーザビームを、その強度中心が、少なくとも１のマスク開口部内の相互に異なる位置に来るように入射させ、この入射する２以上のレーザビームの重ね合わせにより合成されたレーザービーム強度が、当該マスク開口部にわたり略均一となるように前記ホログラムを形成したことを特徴とする光加工装置。
- 不安定型共振器は一次元の不安定型共振器であることを特徴とする請求項１記載の光加工装置。
- 不安定型共振器は位相整合型不安定型共振器であることを特徴とする、請求項１記載の光加工装置。
- レーザ発振器を有するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザビームを複数の方向へ分割するホログラムと、前記ホログラムによって分割されたレーザビームを透過させる１以上の開口部を有するマスクと、当該マスクの開口部を透過したレーザビームを加工ターゲット上に転写する転写レンズとを備えた光加工装置において、前記レーザ発振器はガウスコア型共振器を備え、且つ、前記分割された２以上のレーザビームを、その強度中心が、少なくとも１のマスク開口部内の相互に異なる位置に来るように入射させ、この入射する２以上のレーザビームの重ね合わせにより合成されたレーザービーム強度が、当該マスク開口部にわたり略均一となるように前記ホログラムを形成したことを特徴とする光加工装置。
- レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザビームを複数の方向へ分割するホログラムと、前記ホログラムによって分割されたレーザビームを透過させる１以上の開口部を有するマスクと、当該マスクの開口部を透過したレーザビームを加工ターゲット上に転写する転写レンズとを備えた光加工装置において、前記レーザ光源は、レーザ発振器と少なくとも１台の光増幅器を備え、且つ、前記分割された２以上のレーザビームを、その強度中心が、少なくとも１のマスク開口部内の相互に異なる位置に来るように入射させ、この入射する２以上のレーザビームの重ね合わせにより合成されたレーザービーム強度が、当該マスク開口部にわたり略均一となるように前記ホログラムを形成したことを特徴とする光加工装置。
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