JP5034015B2 - Laser processing apparatus and processing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、この加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工装置及びその加工方法に関し、より詳細には、半導体集積回路の製造及び光学部品の超微細加工に用いられる半導体レーザを用いて、加工対象物にビームスポットの径以下のナノ単位の大きさの超微細パターンを作製するレーザ加工装置及びその加工方法に関する。   The present invention relates to a laser processing apparatus and a processing method thereof for irradiating a processing target made of a heat-reactive substrate with a laser beam and forming a predetermined ultrafine pattern on the surface of the processing target. Laser processing apparatus and processing method for manufacturing ultra fine pattern with nano unit size below beam spot diameter on processing target using semiconductor laser used for manufacture of semiconductor integrated circuit and ultra fine processing of optical component About.

従来から、集積回路の製造などに用いられるフォトマスクやレチクルを製造するレーザ描画装置として、直交する２つのスライダを駆動してＸＹテーブル上に載置された被処理部材をＸ方向及びＹ方向に移動させながら、光学系を介してレーザ光を被処理部材上に集光し、この被処理部材上にビームスポットを形成してパターンを描画するＸＹテーブル式レーザ描画装置がよく知られている。   2. Description of the Related Art Conventionally, as a laser drawing apparatus for manufacturing photomasks and reticles used in integrated circuit manufacturing, etc., members to be processed placed on an XY table by driving two orthogonal sliders are moved in the X and Y directions. 2. Description of the Related Art An XY table type laser drawing apparatus that draws a pattern by focusing a laser beam on a member to be processed through an optical system while moving it and forming a beam spot on the member to be processed is well known.

しかしながら、このような従来のＸＹテーブル式レーザ描画装置でパターンを描画した場合、ピクセル数が多くなるとＸＹ方向のスライダの移動回数や加減速回数が増加して描画時間が長くなるという問題があった。また、パターン内部を塗りつぶす場合は、反復運動が多くなり、高速で描画する場合は、かなりリニアモータに負荷が掛かると同時にＸＹテーブルの加減速時の反作用により自らが振動要因となり、位置精度や速度精度が低下するという問題があった。さらに、複数のフォトマスクの製作が必要となることや、露光工程においてもフォトマスクの枚数分の位置合わせや露光が必要になり、製作時間が長くなるとともにコストが大幅にアップするという問題があった。   However, when a pattern is drawn by such a conventional XY table type laser drawing apparatus, there is a problem that if the number of pixels increases, the number of times the slider moves or accelerates in the XY direction increases and the drawing time becomes longer. . In addition, when painting the inside of the pattern, repeated motion increases, and when drawing at high speed, the linear motor is considerably loaded, and at the same time, the XY table reacts during acceleration / deceleration, causing itself to vibrate. There was a problem that the accuracy decreased. Furthermore, it is necessary to manufacture a plurality of photomasks, and alignment and exposure for the number of photomasks are also required in the exposure process, which increases the manufacturing time and significantly increases costs. It was.

そのため、このような問題点を解決するために、回転体と光学系を組み合わせてピクセル数が多い場合でもパターンを加工する描画時間を短縮でき、高精度な加工が可能なレーザ描画装置が提案されている。この回転体としてディスク型回転体を用いたレーザ描画装置としては、例えば、特許文献１に提案されており、また、回転体としてドラム型回転体を用いたレーザ描画装置としては、例えば、特許文献２に提案されている。   Therefore, in order to solve such problems, there has been proposed a laser drawing apparatus capable of reducing the drawing time for processing a pattern even when the number of pixels is large by combining a rotating body and an optical system, and capable of high-precision processing. ing. For example, Patent Document 1 proposes a laser drawing apparatus using a disk-type rotating body as the rotating body, and Patent Document 1 discloses a laser drawing apparatus using a drum-type rotating body as a rotating body. 2 is proposed.

この特許文献１に記載されているレーザ描画装置は、ターンテーブルにフォトレジストが塗布された円盤状の基板を載せて回転させながら、ビームスポットを径方向に移動させることにより高速の描画を行う装置である。この装置においては、描画パターンを構成する各ピクセルに対して露光量（レーザパワー）を変化させるとともに、トラックピッチをビームスポット半径と同等にすることにより深い方向に微細な階調のパターンを高精度に加工することができるようになっている。また、このレーザ描画装置は、ターンテーブルの回転数と光変調の制御信号を同期させることで回転数によらず、所定の２次元のパターンを記録することができるようになっている。   The laser drawing apparatus described in Patent Document 1 is an apparatus that performs high-speed drawing by moving a beam spot in the radial direction while rotating a disk-shaped substrate coated with a photoresist on a turntable. It is. In this device, the exposure amount (laser power) is changed for each pixel constituting the drawing pattern, and the fine pitch pattern in the deep direction is highly accurate by making the track pitch equal to the beam spot radius. It can be processed into. In addition, this laser drawing apparatus can record a predetermined two-dimensional pattern regardless of the rotational speed by synchronizing the rotational speed of the turntable and the control signal for light modulation.

また、特許文献２に記載されているドラム型回転体を用いたレーザ描画装置は、回転ドラム上に可撓性の長尺状のワークを巻きつけ、この回転ドラムの外周に隣接してその中心軸方向に延びるガイド機構を設け、このガイド機構に沿って移動可能にレーザアレイを含む移動機構を設けたものである。このレーザ描画装置においては、長尺状のワークを回転させながらレーザアレイを移動させ、ワークに形成されている銅膜をレーザアレイの個々のレーザ光源から照射されるレーザ光により除去することで高速の描画を高精度に行うことができる。そして、これらディスク型回転体を用いたレーザ描画装置やドラム型回転体を用いたレーザ描画装置は、それぞれの利点を勘案しながら用途に応じて利用されている。   Further, a laser drawing apparatus using a drum-type rotating body described in Patent Document 2 winds a flexible long work around a rotating drum, and its center is adjacent to the outer periphery of the rotating drum. A guide mechanism extending in the axial direction is provided, and a moving mechanism including a laser array is provided so as to be movable along the guide mechanism. In this laser drawing apparatus, the laser array is moved while rotating a long workpiece, and the copper film formed on the workpiece is removed by laser light emitted from each laser light source of the laser array. Can be drawn with high accuracy. The laser drawing apparatus using the disk-type rotating body and the laser drawing apparatus using the drum-type rotating body are used depending on the application while taking into account the advantages of each.

特開２００１−１３３９８７号公報JP 2001-133987 A 特開２００１−２０８９９３号公報JP 2001-20993 A

しかしながら、この特許文献１や特許文献２に記載のレーザ描画装置は、フォトレジストが塗布された石英原盤上や銅膜が形成されたワーク上にレーザ光を集光し、光学系を移動させながら領域内に所定のパターンを描画しているものであるため、個々のパターンの径をビームスポット径以下の大きさにすることができず超微細パターンを描画することは不可能であった。   However, the laser drawing apparatus described in Patent Document 1 or Patent Document 2 collects laser light on a quartz master disk coated with a photoresist or a work on which a copper film is formed, and moves the optical system. Since a predetermined pattern is drawn in the region, the diameter of each pattern cannot be made smaller than the beam spot diameter, and it is impossible to draw an ultrafine pattern.

つまり、特許文献１や特許文献２に記載のレーザ描画装置は、レーザ照射光量を変化させてもレーザスポットの径が個々のパターンの径に相当してしまうため、個々のパターンの加工深さを変化させることはできても、個々のパターンの径を変化させることはできなかった。   In other words, the laser drawing apparatuses described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have the processing depth of each pattern because the diameter of the laser spot corresponds to the diameter of each pattern even if the amount of laser irradiation is changed. Although it could be changed, the diameter of each pattern could not be changed.

また、上述した特許文献１や特許文献２に記載のレーザ描画装置では、描画をする際の最適条件を設定するための条件出しを行うには、条件を変化させていくつかの描画を行った後、顕微鏡等で加工パターンの形状を観察する以外に方法がなく、最適条件を設定するまでに多大な時間がかかるという問題があった。   Moreover, in the laser drawing apparatuses described in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, in order to determine the conditions for setting the optimum conditions for drawing, several conditions were changed and drawing was performed. After that, there was no method other than observing the shape of the processing pattern with a microscope or the like, and there was a problem that it took a long time to set the optimum conditions.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ビームスポットの径以下の超微細パターンを作製できるとともに、作製する超微細パターンの大きさをビームスポットの径以下の任意の大きさに調整することができ、さらには作製した超微細パターンの形状の評価を短時間で行なえるようにしたレーザ加工装置及びその加工方法を提供することである。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to produce an ultrafine pattern having a diameter equal to or smaller than the diameter of the beam spot, and to set the size of the produced ultrafine pattern to the diameter of the beam spot. It is possible to provide a laser processing apparatus and a processing method thereof that can be adjusted to the following arbitrary sizes and that can evaluate the shape of the produced ultrafine pattern in a short time.

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工装置において、前記加工対象物を回転させる回転手段と、該回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動可能な移動手段と、前記加工対象物に向けて前記レーザ光を出射する照射手段と、該照射手段からの前記レーザ光を前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する対物レンズを含む光学手段と、前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を検出する光検出手段と、前記レーザ光の光強度を直接変調することのできるレーザ駆動手段と、前記光検出手段による前記反射光の強度に基づいて、前記レーザ光の焦点を前記加工対象物の表面に合わせるように、前記対物レンズを駆動するオートフォーカス手段と、前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を調整するために、前記オートフォーカス手段が前記対物レンズを駆動するために出力する信号に、前記加工対象物の表面から前記レーザ光の焦点をずらす量に相当する信号を印加するフォーカスオフセット電圧印加手段とを含む調整手段とを備え、該調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とする。 The present invention has been made in order to achieve such an object, and the invention according to claim 1 is directed to irradiating a processing object made of a heat-reactive substrate with a laser beam, so that the surface of the processing object is obtained. In the laser processing apparatus for forming a predetermined ultrafine pattern, the rotating means for rotating the object to be processed, and the laser beam irradiated toward the rotation surface of the object to be processed rotated by the rotating means, A moving means capable of linearly moving in a rotation direction at a position where the laser beam of the processing object is irradiated and a direction substantially perpendicular to the irradiation direction of the laser beam; and toward the processing object Irradiation means for emitting laser light, optical means including an objective lens for condensing the laser light from the irradiation means on the surface of the object to be processed to form a beam spot, and the object to be processed are irradiated The bee Light detecting means for detecting the reflected light from the surface of the spot, the laser driving means capable of modulating the light intensity of the laser beam directly, based on the intensity of the reflected light by the light detecting means, the laser beam Autofocus means for driving the objective lens so as to focus on the surface of the workpiece, and the autofocus means for adjusting the light intensity distribution of the beam spot collected by the optical means. A focus offset voltage applying means for applying a signal corresponding to an amount of shifting the focus of the laser beam from the surface of the workpiece to a signal output for driving the objective lens , Due to the beam spot of the light intensity distribution adjusted by the adjusting means, a predetermined ultra-fine diameter smaller than the beam spot diameter is applied to the workpiece. Characterized in that to produce a nano-structure having a pattern.

また、請求項２に記載の発明は、熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工装置において、前記加工対象物を回転させる回転手段と、該回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動可能な移動手段と、前記加工対象物に向けて前記レーザ光を出射する照射手段と、該照射手段からの前記レーザ光を前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する対物レンズを含む光学手段と、前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を検出する光検出手段と、前記レーザ光の光強度を直接変調することのできるレーザ駆動手段と、前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を調整する調整手段と、前記ナノ構造物にレーザ光を照射し、前記光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて前記超微細パターンの形状を評価する評価手段と、前記評価手段による評価結果に基づき、前記光強度分布を調整する前記調整手段の調整パラメータの値を設定するパラメータ値設定手段とを備え、該調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とする。 The invention described in claim 2 is a laser processing apparatus for irradiating a processing object made of a heat-reactive substrate with a laser beam to form a predetermined ultrafine pattern on the surface of the processing object. Rotating means for rotating the object, and the laser light emitted toward the rotation surface of the object to be processed rotated by the rotating means, the rotation direction at the position of the object to be irradiated with the laser light And moving means capable of linearly moving in a direction substantially perpendicular to the irradiation direction of the laser light, irradiation means for emitting the laser light toward the workpiece, and the laser from the irradiation means Optical means including an objective lens that collects light on the surface of the object to be processed to form a beam spot, and light detection means for detecting reflected light from the surface of the beam spot irradiated on the object to be processed A laser drive device capable of modulating the light intensity of the laser beam directly, and adjustment means for adjusting the light intensity distribution of the beam spot focused by said optical means, the laser beam is irradiated to the nanostructure The light intensity distribution is adjusted based on the evaluation result of the evaluation means by the evaluation means for evaluating the shape of the ultrafine pattern based on the reproduction signal generated from the signal based on the reflected light output from the light detection means Parameter value setting means for setting the value of the adjustment parameter of the adjustment means, and a beam spot of the light intensity distribution adjusted by the adjustment means is used to cause the workpiece to have a predetermined ultrafine diameter equal to or smaller than the diameter of the beam spot. It characterized that you prepare nanostructures having a pattern.

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記評価手段が、前記再生信号に基づいて、前記超微細パターンからの反射光の光量又は反射光の光量比又は反射光の偏光特性を検出して前記超微細パターンの形状を評価することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the evaluation means is configured such that, based on the reproduction signal, the light amount of reflected light or the light amount ratio or reflected light of the reflected light from the ultrafine pattern. The shape of the ultrafine pattern is evaluated by detecting the polarization characteristic of light.

また、請求項４に記載の発明は、熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工方法において、前記加工対象物を回転手段により回転させる回転ステップと、前記回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動させる移動ステップと、前記加工対象物に向けて照射手段により前記レーザ光を出射する照射ステップと、前記照射手段からの前記レーザ光を、対物レンズを含む光学手段により前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する形成ステップと、前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を光検出手段により検出する光検出ステップと、前記レーザ光の光強度をレーザ駆動手段により直接変調するレーザ駆動ステップと、前記光検出手段による前記反射光の強度に基づいて、前記レーザ光の焦点を前記加工対象物の表面に合わせるように、前記対物レンズを駆動し、前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を、前記対物レンズを駆動するために出力する信号に、前記加工対象物の表面から前記レーザ光の焦点をずらす量に相当する信号を印加することにより調整する調整手段により調整する調整ステップとを有し、前記調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the laser processing method of irradiating a processing target made of a heat-reactive substrate with a laser beam to form a predetermined ultrafine pattern on the surface of the processing target. A rotation step for rotating the object by a rotating means, and a position at which the laser light of the object to be processed is irradiated with the laser light irradiated toward the rotating surface of the object to be processed rotated by the rotating means. A moving step of relatively moving in a direction substantially perpendicular to the rotation direction of the laser beam and the irradiation direction of the laser beam, an irradiation step of emitting the laser beam toward the workpiece by an irradiation unit, and the irradiation And forming the beam spot by condensing the laser beam from the means on the surface of the object to be processed by optical means including an objective lens, and irradiating the object to be processed A light detecting step of detecting by the light detecting means light reflected from the surface of the beam spots, the laser drive step of directly modulated by the laser driving means the light intensity of the laser beam, the reflected light by the light detecting means The objective lens is driven so that the laser beam is focused on the surface of the object to be processed based on the intensity of the beam, and the light intensity distribution of the beam spot collected by the optical means is converted into the objective lens. An adjustment step of adjusting by adjusting means for adjusting by applying a signal corresponding to an amount of shifting the focal point of the laser beam from the surface of the workpiece to the signal output for driving By means of a beam spot having a light intensity distribution adjusted by the means, a predetermined ultrafine pattern having a diameter equal to or smaller than the beam spot diameter is formed on the workpiece Characterized in that to produce the nanostructures to.

また、請求項５に記載の発明は、熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工方法において、前記加工対象物を回転手段により回転させる回転ステップと、前記回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動させる移動ステップと、前記加工対象物に向けて照射手段により前記レーザ光を出射する照射ステップと、前記照射手段からの前記レーザ光を、対物レンズを含む光学手段により前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する形成ステップと、前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を光検出手段により検出する光検出ステップと、前記レーザ光の光強度をレーザ駆動手段により直接変調するレーザ駆動ステップと、前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を、調整手段により調整する調整ステップと、前記ナノ構造物にレーザ光を照射し、前記光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて前記超微細パターンの形状を評価する評価ステップと、前記評価ステップによる評価結果に基づき、前記光強度分布を調整する前記調整手段の調整パラメータの値を設定するパラメータ値設定ステップとを有し、前記調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the laser processing method of irradiating a processing target made of a heat-reactive substrate with a laser beam to form a predetermined ultrafine pattern on the surface of the processing target. A rotation step for rotating the object by a rotating means, and a position at which the laser light of the object to be processed is irradiated with the laser light irradiated toward the rotating surface of the object to be processed rotated by the rotating means. A moving step of relatively moving in a direction substantially perpendicular to the rotation direction of the laser beam and the irradiation direction of the laser beam, an irradiation step of emitting the laser beam toward the workpiece by an irradiation unit, and the irradiation And forming the beam spot by condensing the laser beam from the means on the surface of the object to be processed by optical means including an objective lens, and irradiating the object to be processed A light detecting step for detecting reflected light from the surface of the beam spot by a light detecting means, a laser driving step for directly modulating the light intensity of the laser light by a laser driving means, and a light focused by the optical means. An adjustment step of adjusting the light intensity distribution of the beam spot by an adjustment unit; and a reproduction signal generated from a signal based on a reflected light output from the light detection unit by irradiating the nanostructure with a laser beam. possess an evaluation step of evaluating the shape of the ultra fine pattern, based on the evaluation result by the evaluation step, and a parameter value setting step of setting a value of the adjustment parameters of the adjusting means for adjusting the light intensity distribution, the adjustment By means of a beam spot having a light intensity distribution adjusted by the means, the processing object is placed at a position equal to or smaller than the diameter of the beam spot. It characterized that you prepare nanostructures having an ultra fine pattern.

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記評価ステップが、前記再生信号に基づいて、前記超微細パターンからの反射光の光量又は反射光の光量比又は反射光の偏光特性を検出して前記超微細パターンの形状を評価することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect of the present invention, the evaluation step is based on the reproduction signal, and the amount of light reflected from the ultrafine pattern or the light amount ratio or reflection of reflected light. The shape of the ultrafine pattern is evaluated by detecting the polarization characteristic of light.

本発明によれば、熱反応型基材からなる加工対象物に集光されたビームスポットの光強度分布を調整する調整手段を備えたので、この調整手段によりビームスポットの光強度分布を調整することにより、加工対象物上に作製される超微細パターンの大きさをビームスポットの径以下にすることができるとともに、超微細パターンの大きさをビームスポットの径以下の任意の大きさにすることができる。   According to the present invention, the adjusting means for adjusting the light intensity distribution of the beam spot focused on the workpiece made of the heat-reactive substrate is provided, so that the light intensity distribution of the beam spot is adjusted by the adjusting means. Thus, the size of the ultrafine pattern produced on the workpiece can be made smaller than the diameter of the beam spot, and the size of the ultrafine pattern can be made arbitrarily smaller than the diameter of the beam spot. Can do.

また、ナノ構造物にレーザ光を照射し、光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて超微細パターンの形状を評価する評価手段を備えているので、超微細パターンの形状の評価を短時間で行なうことができる。   In addition, since the nanostructure is irradiated with laser light and provided with an evaluation means for evaluating the shape of the ultrafine pattern based on the reproduction signal generated from the signal based on the reflected light output from the light detection means, the ultrafine pattern is provided. The shape can be evaluated in a short time.

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明のレーザ加工装置を説明するための構成図で、図２は、図１に示されている光加工ヘッド１０３の構成図である。このレーザ加工装置は、熱反応型基材からなる加工対象物１０２にレーザ光を照射し、この加工対象物１０２の表面に所定の超微細パターンを形成するものである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining a laser processing apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram of the optical processing head 103 shown in FIG. This laser processing apparatus irradiates a processing object 102 made of a heat-reactive substrate with laser light, and forms a predetermined ultrafine pattern on the surface of the processing object 102.

このレーザ加工装置は、加工対象物１０２を載置して回転させるターンテーブル回転機構１０１と、加工対象物１０２の回転面に向けて配置される光加工ヘッド１０３を、加工対象物１０２の半径方向に相対的に直線移動可能なスレッドモータ１１５からなる移動機構とを有し、レーザ光が加工対象物１０２の回転面で軌跡を描きながら移動するように構成されている。   This laser processing apparatus includes a turntable rotating mechanism 101 that places and rotates a workpiece 102 and an optical machining head 103 that is disposed toward the rotation surface of the workpiece 102 in the radial direction of the workpiece 102. And a moving mechanism composed of a sled motor 115 that can move relatively linearly, and is configured such that the laser beam moves while drawing a locus on the rotating surface of the workpiece 102.

また、光加工ヘッド１０３は、第１の半導体レーザ２０１と、第２の半導体レーザ２１５と、第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４と、第２のフォトダイオ−ド（ＰＤ２）２０６と、第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５と、第４のフォトダイオード（ＰＤ４）２２０と、超解像光学素子２０７と、対物レンズ２１０とを含む光学系で構成されている。   In addition, the optical processing head 103 includes a first semiconductor laser 201, a second semiconductor laser 215, a first photodiode (PD1) 214, a second photodiode (PD2) 206, and a third semiconductor laser 201. The photodiode (PD3) 225, the fourth photodiode (PD4) 220, the super-resolution optical element 207, and the objective lens 210 are included.

第１の半導体レーザ２０１は、加工対象物１０２に向けて超微細パターン作製用のレーザ光を出射するものである。第２の半導体レーザ２１５は、加工対象物１０２に向けて超微細パターン評価用のレーザ光を出射するものである。対物レンズ２１０は、この第１の半導体レーザ２０１からのレーザ光を、第１のコリメートレンズ２０２と第１のアナモルフィックプリズム２０３とダイクロイックミラー２２１などの光学系を介して加工対象物１０２の表面に集光してビームスポットを形成するものであり、かつ第２の半導体レーザ２１５からのレーザ光を、第２のコリメートレンズと第２のアナモルフィックプリズム２１７とビームスプリッタ２１８などの光学系を介して加工対象物１０２の表面に集光してビームスポットを形成するものである。第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４及び第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５は、加工対象物１０２からの反射光を検出するものである。   The first semiconductor laser 201 emits laser light for producing an ultrafine pattern toward the workpiece 102. The second semiconductor laser 215 emits laser light for evaluating an ultrafine pattern toward the workpiece 102. The objective lens 210 converts the laser light from the first semiconductor laser 201 onto the surface of the workpiece 102 via an optical system such as the first collimating lens 202, the first anamorphic prism 203, and the dichroic mirror 221. The laser beam from the second semiconductor laser 215 is converted into an optical system such as a second collimating lens, a second anamorphic prism 217, and a beam splitter 218. The beam spot is formed by condensing on the surface of the workpiece 102. The first photodiode (PD1) 214 and the third photodiode (PD3) 225 detect reflected light from the workpiece 102.

超解像光学素子２０７は、加工対象物１０２の表面に形成されるビームスポットの径を小さくするための素子で、具体的にはレーザ光の断面を輪帯状にする素子や位相輪帯素子などがある。レーザ光の断面を輪帯状にする素子としては、例えば、ドーナツ状の遮光板や対向させた２つのアキシコンなどがある。位相輪帯素子は、光が透過する板を半径方向に階段状にした光学素子で、透過したレーザ光の断面の半径方向に位相を変化させるものである。   The super-resolution optical element 207 is an element for reducing the diameter of the beam spot formed on the surface of the workpiece 102. Specifically, an element that makes the cross section of the laser beam annular or a phase annular element or the like There is. As an element which makes the cross section of a laser beam ring-shaped, there are, for example, a donut-shaped light shielding plate and two axicons facing each other. The phase ring element is an optical element in which a light transmitting plate is stepped in the radial direction, and changes the phase in the radial direction of the cross section of the transmitted laser light.

半導体レーザ駆動装置は、記録信号生成回路１１０とレーザパワー設定回路１１１とレーザ駆動回路１１２とクロック信号発生回路１１９を備えており、第１の半導体レーザ２０１の光強度のパルス状の変化をターンテーブル回転機構１０１の回転数に応じて変調することができるものである。また、この半導体レーザ駆動装置は、レーザパワー設定回路１１１にコンピュータ装置１１６を介して設定される第１の半導体レーザ２０１からパルス状に出射されるレーザ光のハイレベル時のレーザ光強度値を調整することにより、ビームスポットの光強度分布を調整することができるものである。   The semiconductor laser driving device includes a recording signal generation circuit 110, a laser power setting circuit 111, a laser driving circuit 112, and a clock signal generation circuit 119, and turns the pulse-like change in light intensity of the first semiconductor laser 201 into a turntable. It can be modulated according to the number of rotations of the rotation mechanism 101. Further, this semiconductor laser driving device adjusts the laser light intensity value at the high level of the laser light emitted in a pulse form from the first semiconductor laser 201 set in the laser power setting circuit 111 via the computer device 116. By doing so, the light intensity distribution of the beam spot can be adjusted.

なお、レーザパワー設定回路１１１は、第２のフォトダイオード（PD２）２０６が出力するレーザ光の光強度に相当する信号を随時入力し、第１の半導体レーザ２０１が出射するレーザ光の強度が設定された強度になるようにレーザ駆動回路１１２を制御する回路である。   The laser power setting circuit 111 inputs a signal corresponding to the light intensity of the laser light output from the second photodiode (PD2) 206 as needed, and sets the intensity of the laser light emitted from the first semiconductor laser 201. This is a circuit for controlling the laser driving circuit 112 so as to have the intensity.

また、対物レンズ２１０を含む光学系は、加工対象物１０２の垂直振動を補償する振動補償機構を併設している、この振動補償機構は、対物レンズ２１０を焦点方向の１方向のみに可動する１軸アクチュエータ１０３ａと、加工対象物１０２からの反射光を利用したオートフォーカス機能とを備え、このオートフォーカス機能は、フォーカスエラー信号発生回路１０５とオートフォーカス回路１０６とドライブ回路１０７とを備えている。   Further, the optical system including the objective lens 210 is provided with a vibration compensation mechanism that compensates for the vertical vibration of the workpiece 102. This vibration compensation mechanism moves the objective lens 210 only in one direction of the focal direction. The shaft actuator 103a and an autofocus function using reflected light from the workpiece 102 are provided. The autofocus function includes a focus error signal generation circuit 105, an autofocus circuit 106, and a drive circuit 107.

なお、フォーカスエラー信号生成回路１０５に入力する信号は、第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４及び第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５が出力する反射光の光強度に相当する信号を信号増幅回路１０４で増幅した信号である。この信号増幅回路１０４は、コンピュータ装置１１６の指令に基づいて第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４及び第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５が出力する信号の１つを選択して入力するとともに設定された増幅率で増幅する回路である。   Note that the signal input to the focus error signal generation circuit 105 is a signal corresponding to the light intensity of the reflected light output from the first photodiode (PD1) 214 and the third photodiode (PD3) 225. It is the signal amplified by. The signal amplifying circuit 104 selects and inputs one of the signals output from the first photodiode (PD1) 214 and the third photodiode (PD3) 225 based on a command from the computer device 116. It is a circuit that amplifies at a high amplification factor.

また、オートフォーカス回路１０６とドライブ回路１０７の間には加算器１２１を介してオートフォーカス回路１０６が出力する信号に直流成分の電圧を印加するフォーカスオフセット電圧印加回路１２０がある。このフォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定される直流成分の電圧（オフセット電圧）は、入力装置１１８からコンピュータ装置１１６を介して任意の値に設定できる。   Between the autofocus circuit 106 and the drive circuit 107 is a focus offset voltage application circuit 120 that applies a DC component voltage to a signal output from the autofocus circuit 106 via an adder 121. The DC component voltage (offset voltage) set in the focus offset voltage application circuit 120 can be set to an arbitrary value from the input device 118 via the computer device 116.

オートフォーカス回路１０６が出力する信号に直流成分の電圧（オフセット電圧）を印加することで、加工対象物１０２のほぼ表面にあるレーザ光の焦点位置を垂直方向に移動させ、加工対象物１０２の表面に形成されたビームスポットの光強度分布を変化させることができる。すなわち、フォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定されるオフセット電圧を入力装置１１８から入力する値を変えて調整することにより、加工対象物１０２の表面に形成されるビームスポットの光強度分布を調整することができる。   By applying a DC component voltage (offset voltage) to the signal output from the autofocus circuit 106, the focal position of the laser beam almost on the surface of the workpiece 102 is moved in the vertical direction, and the surface of the workpiece 102 is moved. It is possible to change the light intensity distribution of the beam spot formed on the substrate. That is, by adjusting the offset voltage set in the focus offset voltage application circuit 120 by changing the value input from the input device 118, the light intensity distribution of the beam spot formed on the surface of the workpiece 102 is adjusted. Can do.

このように構成されたレーザ加工装置により、加工対象物１０２の加工領域内に所定の超微細パターンを形成する際、加工対象物１０２が熱反応型材料（一例として酸化白金膜）の場合は、レーザ光が照射された部分で所定の光強度以上の部分が熱反応により溶解して凹形状のピットが形成されるため、加工対象物１０２の表面に形成されるビームスポットの光強度分布を調整することで、ピットの形状を調整することができる。   When a predetermined ultrafine pattern is formed in the processing region of the processing target object 102 by the laser processing apparatus configured as described above, when the processing target object 102 is a heat-reactive material (for example, a platinum oxide film), The portion of the laser light that is irradiated with the laser beam is melted by a thermal reaction to form a concave pit, so that the light intensity distribution of the beam spot formed on the surface of the workpiece 102 is adjusted. By doing so, the shape of the pit can be adjusted.

また、超微細パターンを評価する機能として、光加工ヘッド１０３内の第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５の手前に設けた回転偏光子２２４と、光加工ヘッド１０３に取り付けられ回転偏光子２２４を回転させる回転モータ１０３ｂと、この回転モータ１０３ｂに回転位置に相当する信号を供給し、回転偏光子２２４の回転位置を制御する回転偏光子制御回路１２２と、信号増幅回路１０４が出力する信号から再生信号を生成して出力する再生信号生成回路１０８と、この再生信号生成回路１０８が出力する信号のレベルを測定し、その値をデジタル信号にしてコンピュータ装置１１６に出力する信号レベル測定回路１０９とがある。   Further, as a function for evaluating the ultrafine pattern, a rotating polarizer 224 provided in front of the third photodiode (PD3) 225 in the optical processing head 103 and a rotating polarizer 224 attached to the optical processing head 103 are rotated. A rotation motor 103b to be rotated, a signal corresponding to the rotation position to the rotation motor 103b, a rotation polarizer control circuit 122 for controlling the rotation position of the rotation polarizer 224, and a signal output from the signal amplification circuit 104 And a signal level measurement circuit 109 that measures the level of the signal output from the reproduction signal generation circuit 108 and outputs the value as a digital signal to the computer device 116. .

回転偏光子２２４は、１つの偏光方向の光のみを通過させる偏光子が反射光の光軸回りに回転するようになっている素子である。この回転偏光子２２４を回転させて各々の回転角度で通過した光の光量を検出することで、入射した反射光の偏光特性を測定できる。   The rotating polarizer 224 is an element in which a polarizer that passes only light in one polarization direction rotates around the optical axis of reflected light. By rotating the rotary polarizer 224 and detecting the amount of light that has passed through each rotation angle, the polarization characteristics of the incident reflected light can be measured.

回転偏光子制御回路１２２には、コンピュータ装置１１６から回転偏光子２２４の回転角度に相当する信号が入力し、回転偏光子制御回路１２２は入力した回転角度から回転モータ１０３ｂの回転位置を算出して、算出した回転位置に相当する信号を回転モータ１０３ｂに供給している。   The rotation polarizer control circuit 122 receives a signal corresponding to the rotation angle of the rotation polarizer 224 from the computer device 116, and the rotation polarizer control circuit 122 calculates the rotation position of the rotation motor 103b from the input rotation angle. A signal corresponding to the calculated rotational position is supplied to the rotary motor 103b.

再生信号生成回路１０８は、信号増幅回路１０４が少なくとも４つに分割されている第３のフォトダイオード（ＰＤ３）のそれぞれの分割部分が出力する信号をそれぞれ増幅して出力しているので、このそれぞれ増幅された信号をすべて入力して、信号の総計を再生信号として生成して信号レベル測定回路１０９に出力する回路である。   The reproduction signal generation circuit 108 amplifies and outputs the signals output from the respective divided portions of the third photodiode (PD3) divided by the signal amplification circuit 104 into at least four parts. This is a circuit that inputs all the amplified signals, generates a sum of signals as a reproduction signal, and outputs it to the signal level measurement circuit 109.

信号レベル測定回路１０９は、入力した再生信号をローパスフィルタに通して信号レベルがほぼ一定の信号にした後、所定の間隔で信号の波高値をデジタル信号にして取り込み、取り込んだ複数の波高値を平均し、この平均値のデジタル信号をコンピュータ装置１１６に供給する回路である。   The signal level measurement circuit 109 passes the input reproduction signal through a low-pass filter to make the signal level a substantially constant signal, and then captures the peak value of the signal as a digital signal at a predetermined interval, and captures the plurality of captured peak values. It is a circuit that averages and supplies a digital signal of this average value to the computer device 116.

次に、図１及び図２に基づいて、本発明のレーザ加工装置の動作について説明する。まず、入力装置１１８からレーザ光強度とフォーカスオフセット電圧の値を入力する。入力した値は、コンピュータ装置１１６を介してレーザパワー設定回路１１１とフォーカスオフセット電圧印加回路１２０にそれぞれ設定される。この値は、加工対象物１０２に所定の超微細パターンを作製するのに最適な値と思われる値であるが、この値は、後述する超微細パターンの評価により適宜変更される。次に、ターンテーブル回転機構１０１に加工対象物１０２をセットし、ターンテーブル回転機構１０１を回転する。このターンテーブル回転機構１０１は、スピンドルモータ制御回路１１３により回転数が制御される。   Next, based on FIG.1 and FIG.2, operation | movement of the laser processing apparatus of this invention is demonstrated. First, the values of the laser light intensity and the focus offset voltage are input from the input device 118. The input values are set in the laser power setting circuit 111 and the focus offset voltage application circuit 120 via the computer device 116, respectively. This value is a value that seems to be an optimum value for producing a predetermined ultrafine pattern on the workpiece 102, but this value is appropriately changed by evaluation of the ultrafine pattern described later. Next, the workpiece 102 is set on the turntable rotating mechanism 101 and the turntable rotating mechanism 101 is rotated. The rotation speed of the turntable rotating mechanism 101 is controlled by a spindle motor control circuit 113.

このスピンドルモータ制御回路１１３は、ターンテーブル回転機構１０１のスピンドルモータ内にあるエンコーダ１０１ａから、回転数に相当する周波数のパルス信号を入力し、算出した回転数がスピンドルモータ制御回路１１３内に設定された回転数になるようターンテーブル回転機構１０１の回転数を制御する。スピンドルモータ制御回路１１３内の回転数の設定は、入力装置１１８から回転数を入力することでコンピュータ装置１１６を介して行われる。   The spindle motor control circuit 113 receives a pulse signal having a frequency corresponding to the rotation speed from an encoder 101 a in the spindle motor of the turntable rotation mechanism 101, and the calculated rotation speed is set in the spindle motor control circuit 113. The number of rotations of the turntable rotation mechanism 101 is controlled so that the number of rotations becomes the same. The rotation speed in the spindle motor control circuit 113 is set via the computer device 116 by inputting the rotation speed from the input device 118.

次に、最初にレーザ光を照射する半径位置を入力装置１１８から入力する。これによりスレッドモータ１１５が作動し、ターンテーブル回転機構１０１は径方向に移動して入力された半径位置で停止する。ターンテーブル回転機構１０１は、スレッドモータ１１５よりなる移動機構に接続されており、スレッドモータ１１５の回転により径方向に移動するようになっている。   Next, the radial position where the laser beam is first irradiated is input from the input device 118. As a result, the sled motor 115 operates, and the turntable rotating mechanism 101 moves in the radial direction and stops at the input radial position. The turntable rotating mechanism 101 is connected to a moving mechanism including a sled motor 115, and is moved in the radial direction by the rotation of the sled motor 115.

次に、レーザ加工を終了する半径位置を入力装置１１８から入力する。この値は、コンピュータ装置１１６内に記憶され、コンピュータ装置１１６は、随時入力しているスレッドモータ１１５のエンコーダ１１５ａからのパルス信号からレーザ照射の半径位置を随時算出しているので、レーザ照射の半径位置が記憶されているレーザ加工を終了する半径位置になったとき、レーザ光照射を停止し、スレッドモータ１１５の駆動およびオートフォーカス機能を停止する。   Next, a radius position at which laser processing is to be ended is input from the input device 118. This value is stored in the computer device 116, and the computer device 116 calculates the radial position of the laser irradiation from time to time from the pulse signal from the encoder 115a of the thread motor 115 that is input as needed. When the position reaches the radial position at which laser processing is completed, the laser beam irradiation is stopped, and the driving of the sled motor 115 and the autofocus function are stopped.

なお、これによらず、コンピュータ装置１１６から記録信号生成回路１１０に入力する記録信号が有限のものであれば、記録信号生成回路１１０からの信号出力がなくなるときが、レーザ光照射が停止するときであるので、レーザ光照射が停止したことによりスレッドモータ１１５の駆動およびオートフォーカス機能を停止してもよい。   Regardless of this, if the recording signal input from the computer device 116 to the recording signal generation circuit 110 is finite, the signal output from the recording signal generation circuit 110 ceases or the laser light irradiation stops. Therefore, the driving of the sled motor 115 and the autofocus function may be stopped when the laser beam irradiation is stopped.

次に、超微細パターンの個々のパターン（ピット）における加工対象物１０２の径方向の間隔を入力装置１１８から入力する。この値は、後述するように、コンピュータ装置１１６によりスレッドモータ制御回路１１４内にスレッドモータ１１５の回転数を設定するのに使用される。   Next, the radial interval of the workpiece 102 in each pattern (pit) of the ultrafine pattern is input from the input device 118. This value is used by the computer device 116 to set the rotation speed of the thread motor 115 in the thread motor control circuit 114 as will be described later.

次に、レーザ光の照射開始を入力装置１１８から指示する。これにより信号レベル測定回路１０９を除くすべての回路が作動し、スレッドモータ１１５は、超微細パターンの個々のパターン（ピット）における加工対象物１０２の径方向の間隔が予め設定されている間隔になるような回転数で回転し、レーザ光の照射位置は、加工対象物１０２から見ると回転しながら径方向に移動して加工対象物１０２の表面に超微細パターンを作製していく。   Next, the start of laser beam irradiation is instructed from the input device 118. As a result, all the circuits except the signal level measuring circuit 109 are operated, and the thread motor 115 has a predetermined interval in the radial direction of the workpiece 102 in each pattern (pit) of the ultrafine pattern. The laser light irradiation position rotates in such a manner that the laser beam irradiation position moves in the radial direction when viewed from the processing object 102, thereby producing an ultrafine pattern on the surface of the processing object 102.

スレッドモータ１１５による加工対象物１０２の半径方向への移動において、スレッドモータ１１５は、スレッドモータ制御回路１１４により回転位置および回転数が制御される。スレッドモータ制御回路１１４は、スレッドモータ１１５内にあるエンコーダ１１５ａから、回転数に相当する周波数のパルス信号を入力し、算出した半径位置が入力装置１１８から入力された半径位置になるまでスレッドモータ１１５を回転させる。およびスレッドモータ制御回路１１４は、同パルス信号から算出した回転数がスレッドモータ制御回路１１４内に設定された回転数になるよう、スレッドモータ１１５の回転数を制御する。   When the workpiece 102 is moved in the radial direction by the sled motor 115, the sled motor 115 is controlled by the sled motor control circuit 114 in its rotational position and number of revolutions. The thread motor control circuit 114 receives a pulse signal having a frequency corresponding to the number of rotations from an encoder 115 a in the thread motor 115, and the thread motor 115 until the calculated radial position becomes the radial position input from the input device 118. Rotate. The sled motor control circuit 114 controls the rotation speed of the sled motor 115 so that the rotation speed calculated from the pulse signal becomes the rotation speed set in the sled motor control circuit 114.

スレッドモータ制御回路１１４内の回転数は、入力装置１１８から入力されたターンテーブル回転機構１０１の回転数と同じく入力装置１１８から入力された超微細パターンの個々のパターン（ピット）の径方向の間隔からコンピュータ装置１１６にて計算され設定される。なお、スレッドモータ制御回路１１４は、入力装置１１８から半径位置が入力されたときは回転位置の制御を行い、ターンテーブル回転機構１０１の回転とレーザ光照射が開始された後は、回転数の制御を行う。   The rotational speed in the thread motor control circuit 114 is the same as the rotational speed of the turntable rotating mechanism 101 input from the input device 118, but is the radial interval between the individual patterns (pits) of the ultrafine pattern input from the input device 118. Is calculated and set by the computer 116. The thread motor control circuit 114 controls the rotational position when the radial position is input from the input device 118, and controls the rotational speed after the rotation of the turntable rotating mechanism 101 and the laser light irradiation are started. I do.

第１の半導体レーザ２０１から出射したレーザ光は、コリメートレンズ２０２により平行光束へ変換される。さらに、第１のアナモルフィックプリズム２０３によりレーザ光の断面形状を真円にする整形がされる。この第１のアナモルフィックプリズム２０３を通った光束は、ＰＢＳ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ；偏光ビームスプリッタ）２０４により偏光分離され、そのほとんどが加工対象物１０２へ行く光束となる。   Laser light emitted from the first semiconductor laser 201 is converted into a parallel light beam by the collimator lens 202. Further, the first anamorphic prism 203 performs shaping so that the cross-sectional shape of the laser light is a perfect circle. The light beam that has passed through the first anamorphic prism 203 is polarized and separated by a PBS (polarization beam splitter) 204, and most of the light beam goes to the workpiece 102.

このＰＢＳ２０４により偏光分離された一部の光は、第１の凸レンズ２０５を介して集光され、第２のフォトダイオ−ド（ＰＤ２）２０６によって光検出される。この第２のフォトダイオード（ＰＤ２）２０６が出力する検出した光の光量に相当する信号を用いて、レーザパワー設定回路１１１とレーザ駆動回路１１２は、半導体レーザ２０１から出射するレーザ光のハイレベル時の光強度を一定とするオートパワーコントロールを行う。   A part of the light polarized and separated by the PBS 204 is condensed through the first convex lens 205 and is detected by the second photodiode (PD2) 206. The laser power setting circuit 111 and the laser driving circuit 112 use the signal corresponding to the detected light amount output from the second photodiode (PD2) 206 when the laser light emitted from the semiconductor laser 201 is at a high level. Auto power control with constant light intensity.

ＰＢＳ２０４を通った光束は、超解像光学素子２０７を通過する。この超解像光学素子２０７を通過させることで、対物レンズ（ＯＬ）２１０により加工対象物１０２の表面に形成されるビームスポットの径を小さくすることができる。   The light beam that has passed through the PBS 204 passes through the super-resolution optical element 207. By passing this super-resolution optical element 207, the diameter of the beam spot formed on the surface of the workpiece 102 by the objective lens (OL) 210 can be reduced.

図３（ａ），（ｂ）は、対物レンズ２１０により形成されるビームスポットの径方向の光強度分布を示す図である。図３（ａ）は超解像光学素子２０７がない場合を示し、図３（ｂ）は超解像光学素子２０７がある場合を示している。これを見て分かるように、超解像光学素子２０７がある場合は、ビームスポットの径方向の光強度分布が狭まっている（すなわち、径が小さくなっている）。したがって、レーザ光を、超解像光学素子２０７を通過させることで更に微小な加工を行うことができる。   3A and 3B are diagrams showing the light intensity distribution in the radial direction of the beam spot formed by the objective lens 210. FIG. FIG. 3A shows a case where the super-resolution optical element 207 is not provided, and FIG. 3B shows a case where the super-resolution optical element 207 is provided. As can be seen from this, when there is the super-resolution optical element 207, the light intensity distribution in the radial direction of the beam spot is narrowed (that is, the diameter is small). Therefore, further fine processing can be performed by passing the laser light through the super-resolution optical element 207.

また、図４（ａ），（ｂ）は、熱反応型材料の加工対象物に対するビームスポットの径以下のサイズのパターンの加工状態を示す図で、図４（ａ）は超解像光学素子２０７がない場合を示し、図４（ｂ）は超解像光学素子２０７がある場合を示している。この図４（ａ），（ｂ）は、ドットパターンを作製した実施例を示すものであるが、図４（ａ）に示すように、超解像光学素子２０７を用いない場合と比べて、図４（ｂ）に示したように超解像光学素子２０７を用いた場合の方が、ドットパターンを微小にできるのみならず、均一に作製できることがわかる。   4 (a) and 4 (b) are diagrams showing a processing state of a pattern having a size equal to or smaller than the diameter of the beam spot with respect to the heat-reactive material processing object, and FIG. 4 (a) is a super-resolution optical element. FIG. 4B shows a case where the super-resolution optical element 207 is present. 4A and 4B show an embodiment in which a dot pattern is produced. As shown in FIG. 4A, as compared with the case where the super-resolution optical element 207 is not used, It can be seen that when the super-resolution optical element 207 is used as shown in FIG. 4B, not only the dot pattern can be made minute, but also the dot pattern can be produced uniformly.

超解像光学素子２０７を通過した光束は、１／４波長板２０８を通過して円偏光へ変換され、立ち上げミラー２０９及び対物レンズ（ＯＬ）２１０を介して加工対象物１０２へ照射される。この加工対象物１０２からの反射光は、対物レンズ（ＯＬ）２１０を介して１／４波長板２０８を通過して超解像光学素子２０７を通過した光束とは偏光方向が９０度異なる直線偏光へ変換され、超解像光学素子２０７を通過し、ＰＢＳ２０４によって反射ミラー２１１の方向へと反射される。   The light beam that has passed through the super-resolution optical element 207 passes through the quarter-wave plate 208, is converted into circularly polarized light, and is irradiated onto the workpiece 102 through the rising mirror 209 and the objective lens (OL) 210. . The reflected light from the workpiece 102 is linearly polarized light whose polarization direction is 90 degrees different from that of the light beam that has passed through the quarter-wave plate 208 and the super-resolution optical element 207 via the objective lens (OL) 210. , Passes through the super-resolution optical element 207, and is reflected by the PBS 204 toward the reflection mirror 211.

この反射ミラー２１１にて反射された光束は、第２の凸レンズ２１２とシリンドリカルレンズ２１３を介して第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４にて光検出される。この検出した光の光量に相当する信号が第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４から信号増幅回路１０４に出力し、この信号増幅回路１０４とフォーカスエラー信号生成回路１０５とオートフォーカス回路１０６と、ドライブ回路１０７の作動により１軸アクチュエータ１０３ａが駆動制御されて、対物レンズ（ＯＬ）２１０により加工対象物１０２の表面に集光したレーザ光は、その焦点位置が加工対象物１０２の表面に追従するよう制御される。なお、このフォーカス制御を行なうための反射光検出機構は、第２の凸レンズ２１２とシリンドリカルレンズ２１３を用いた非点収差法に限定されるものではなく、ナイフエッジ法など多くの方法が採用できる。   The light beam reflected by the reflecting mirror 211 is detected by the first photodiode (PD1) 214 via the second convex lens 212 and the cylindrical lens 213. A signal corresponding to the detected amount of light is output from the first photodiode (PD1) 214 to the signal amplifier circuit 104. The signal amplifier circuit 104, the focus error signal generation circuit 105, the autofocus circuit 106, and the drive circuit The single-axis actuator 103a is driven and controlled by the operation of 107, and the laser beam condensed on the surface of the workpiece 102 by the objective lens (OL) 210 is controlled so that the focal position follows the surface of the workpiece 102. Is done. The reflected light detection mechanism for performing the focus control is not limited to the astigmatism method using the second convex lens 212 and the cylindrical lens 213, and many methods such as a knife edge method can be employed.

オートフォーカス機能が付いていることにより、図５に示すように、加工対象物が平面でなくても加工することができ、今まで加工が難しかった自由曲面に対する直接加工が可能となる。   With the autofocus function, as shown in FIG. 5, it is possible to process even if the object to be processed is not a flat surface, and it is possible to directly process a free curved surface that has been difficult to process.

オートフォーカス回路１０６が出力する信号にはフォーカスオフセット電圧印加回路１２０により加算器１２１を介して直流成分の電圧（オフセット電圧）が印加される。上述したように、このオフセット電圧を変化させることで、レーザ光が加工対象物１０２の表面付近でフォーカス制御される位置を垂直方向に変化させ、加工対象物１０２に形成されたビームスポットの光強度分布を変化させることができる。   The focus offset voltage application circuit 120 applies a DC component voltage (offset voltage) to the signal output from the autofocus circuit 106 via the adder 121. As described above, by changing the offset voltage, the position where the laser beam is focus-controlled near the surface of the workpiece 102 is changed in the vertical direction, and the light intensity of the beam spot formed on the workpiece 102 is changed. The distribution can be changed.

第１の半導体レーザ２０１からは、レーザ駆動回路１１２が出力する信号波形に基づくレーザ光が出射される。レーザ駆動回路１１２が出力する信号は、記録信号生成回路１１０が出力するハイレベルとローレベルのパルス信号とレーザパワー設定回路１１１が出力するハイレベルにおけるレーザ光強度に相当する信号とから生成される信号波形の信号を、クロック信号発生回路１１９が出力するクロック信号に同期させた信号である。   The first semiconductor laser 201 emits laser light based on the signal waveform output from the laser driving circuit 112. The signal output from the laser drive circuit 112 is generated from the high level and low level pulse signals output from the recording signal generation circuit 110 and the signal corresponding to the laser light intensity at the high level output from the laser power setting circuit 111. The signal having a signal waveform is synchronized with the clock signal output from the clock signal generation circuit 119.

そして、レーザ駆動回路１１２は、エンコーダ１０１ａが出力するインデックス信号（１回転ごとに発生する信号）を検出したときから、信号の出力を開始する。後述する記録信号生成回路１１０が出力する信号は、１回転ごとに分けられている信号になっているため、レーザ駆動回路１１２は、それぞれの１回転ごとに、エンコーダ１０１ａが出力するインデックス信号を検出したときから信号の出力を開始する。   Then, the laser drive circuit 112 starts outputting a signal when it detects an index signal (a signal generated every rotation) output from the encoder 101a. Since a signal output from a recording signal generation circuit 110, which will be described later, is a signal divided for each rotation, the laser driving circuit 112 detects an index signal output from the encoder 101a for each rotation. The signal output starts when

記録信号生成回路１１０は、コンピュータ装置１１６で設定された任意の記録信号を加工対象物１０２のビームスポットの進行方向における超微細パターンの作製部分と作製外部分に相当するハイレベルとローレベルのパルス信号に変換する回路である。そして、この記録信号生成回路１１０は、このパルス信号を１回転分ごとに分けてレーザ駆動回路１１２に供給する。   The recording signal generation circuit 110 applies an arbitrary recording signal set by the computer device 116 to high-level and low-level pulses corresponding to the production portion and the non-production portion of the ultrafine pattern in the traveling direction of the beam spot of the workpiece 102. It is a circuit that converts it into a signal. The recording signal generation circuit 110 divides the pulse signal for each rotation and supplies the pulse signal to the laser driving circuit 112.

クロック信号発生回路１１９は、エンコーダ１０１aが出力するパルス信号の所定個数分を１パルスにした信号を生成して出力する回路である。すなわち、クロック信号発生回路１１９は、ターンテーブル回転機構１０１の所定回転角度ごとにハイレベルとローレベルが繰り返すパルス信号を出力する回路である。   The clock signal generation circuit 119 is a circuit that generates and outputs a signal in which a predetermined number of pulse signals output from the encoder 101a are one pulse. That is, the clock signal generation circuit 119 is a circuit that outputs a pulse signal that repeats a high level and a low level for each predetermined rotation angle of the turntable rotation mechanism 101.

これにより第１の半導体レーザ２０１が出射するレーザ光は、ターンテーブル回転機構１０１の回転に同期したパルス波形になり、ターンテーブル回転機構１０１の回転数によらず加工対象物１０２に同一の超微細パターンを作製することができる。   As a result, the laser light emitted from the first semiconductor laser 201 has a pulse waveform synchronized with the rotation of the turntable rotating mechanism 101, and is the same ultrafine as the workpiece 102 regardless of the rotation speed of the turntable rotating mechanism 101. A pattern can be produced.

また、それぞれの１回転ごとにエンコーダ１０１ａが出力するインデックス信号が発生してから超微細パターンの作製が開始されるので、図６に示すように、それぞれの１回転ごとに先頭のパターン（ピット）の位置を高い精度で合わせることができる。   In addition, since the production of the ultrafine pattern is started after the index signal output from the encoder 101a is generated for each rotation, as shown in FIG. 6, the leading pattern (pit) is generated for each rotation. Can be aligned with high accuracy.

レーザ加工を終了する半径位置になるか、記録信号生成回路１１０が出力する信号が停止すると、コンピュータ装置１１６は、レーザ駆動回路１１２と記録信号生成回路１１０とレーザパワー設定回路１１１とスレッドモーター制御回路１１５とオートフォーカス回路１０６およびフォーカスオフセット電圧印加回路１２０の作動を停止する。これによりレーザ光照射は停止し、加工対象物１０２の半径方向への移動は停止する。   When the radial position at which laser processing is finished or when the signal output from the recording signal generation circuit 110 is stopped, the computer device 116 includes a laser driving circuit 112, a recording signal generation circuit 110, a laser power setting circuit 111, and a thread motor control circuit. 115, the autofocus circuit 106, and the focus offset voltage application circuit 120 are stopped. Thereby, the laser beam irradiation is stopped, and the movement of the workpiece 102 in the radial direction is stopped.

次に、作製された超微細パターンの評価を行い、意図したレーザ加工が行われているか確認を行う。まず、入力装置１１８から評価を行う半径位置を入力する。これにより上述したように、スレッドモータが駆動し、ターンテーブル回転機構１０１はレーザ照射が行われる半径位置に移動する。そして入力装置１１８から評価のためのレーザ照射を指示する。これによりコンピュータ装置１１６は、レーザ駆動回路１２３とレーザパワー設定回路１２４の作動を開始し、第２の半導体レーザ２１５からレーザ光が出射される。   Next, the produced ultrafine pattern is evaluated to confirm whether the intended laser processing is performed. First, a radius position for evaluation is input from the input device 118. As a result, as described above, the sled motor is driven, and the turntable rotating mechanism 101 moves to a radial position where laser irradiation is performed. Then, laser irradiation for evaluation is instructed from the input device 118. Thereby, the computer device 116 starts the operation of the laser driving circuit 123 and the laser power setting circuit 124, and the laser light is emitted from the second semiconductor laser 215.

次に、信号増幅回路１０４が、増幅のために選択する信号を第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５からの信号に切り替え、信号レベル測定回路１０９の作動を開始してコンピュータ装置１１６に再生信号の信号レベル値を入力する。さらに、スレッドモータ制御回路１１４の作動を開始してスレッドモータ１１５により加工対象物１０２をレーザ加工時と同等の速度で半径方向に移動し、オートフォーカス回路１０６の作動を開始してレーザ加工時と同様に加工対象物１０２の表面にレーザ光焦点位置が追従するようフォーカス制御を行う。   Next, the signal amplification circuit 104 switches the signal to be selected for amplification to the signal from the third photodiode (PD3) 225, starts the operation of the signal level measurement circuit 109, and sends the reproduction signal to the computer device 116. Enter the signal level value. Further, the operation of the thread motor control circuit 114 is started, the workpiece 102 is moved in the radial direction by the thread motor 115 at a speed equivalent to that during laser processing, the operation of the autofocus circuit 106 is started, and laser processing is performed. Similarly, focus control is performed so that the focal position of the laser beam follows the surface of the workpiece 102.

第２の半導体レーザ２１５から出射されるレーザ光の強度は、レーザパワー設定回路１２４に設定されたレーザ強度になるように、第４の凸レンズ２１９を介して第４のフォトダイオード（ＰＤ４）２２０で検出された光の強度を用いてオートパワーコントロールで制御されるが、このレーザ光は、一定のレーザ光強度であるとともに加工対象物１０２にレーザ加工が行われないレーザ光強度である。また、第２の半導体レーザ２１５から出射されるレーザ光は、ダイクロイックミラー２２１で反射してレーザ加工時のレーザ光と光軸を一致させるため、第１の半導体レーザ２０１から出射するレーザ光と波長を異ならせている。   The fourth photodiode (PD4) 220 passes through the fourth convex lens 219 so that the intensity of the laser light emitted from the second semiconductor laser 215 becomes the laser intensity set in the laser power setting circuit 124. Although it is controlled by auto power control using the detected light intensity, this laser light has a constant laser light intensity and a laser light intensity at which the workpiece 102 is not subjected to laser processing. In addition, the laser beam emitted from the second semiconductor laser 215 is reflected by the dichroic mirror 221 so that the optical axis coincides with the laser beam at the time of laser processing. Are different.

この状態で入力装置１１８から回転偏光子２２４の回転を指示する。これによりコンピュータ装置１１６は回転偏光子制御回路１２２を作動させ、この回転偏光子制御回路１２２に所定時間間隔で回転角度に相当する信号を送る。回転偏光子制御回路１２２は、指示された回転角度になるよう回転モータ１０３ｂを回転させるので、回転偏光子２２４は所定時間間隔で回転角度が変化し、信号レベル測定回路１０９からコンピュータ装置１１６に入力する再生信号の信号レベル値は、回転偏光子２２４の回転角度により値が変化する。   In this state, the input device 118 instructs to rotate the rotating polarizer 224. As a result, the computer device 116 activates the rotating polarizer control circuit 122 and sends a signal corresponding to the rotation angle to the rotating polarizer control circuit 122 at predetermined time intervals. Since the rotation polarizer control circuit 122 rotates the rotation motor 103b so as to have the instructed rotation angle, the rotation angle of the rotation polarizer 224 changes at predetermined time intervals and is input from the signal level measurement circuit 109 to the computer device 116. The signal level value of the reproduction signal to be changed varies depending on the rotation angle of the rotating polarizer 224.

コンピュータ装置１１６に入力する再生信号の信号レベル値は、反射光の光量に相当する値である。コンピュータ装置１１６にはあらかじめ加工対象物１０２をミラーまたは反射率が大きい物体に変えたときの再生信号の信号レベル値が回転偏光子２２４の回転角度ごとに記憶されており、入力した再生信号の信号レベル値をこの記憶されている信号レベル値で除した信号レベル比は反射光の光量比と同じ値である。そして、回転偏光子２２４を通過する光は、偏光方向が１方向の光のみであるので、回転偏光子２２４の回転角度ごとの再生信号の信号レベル値は反射光のそれぞれの偏光方向における偏光の大きさ（すなわち、それぞれの偏光方向のベクトル値）に相当する。   The signal level value of the reproduction signal input to the computer device 116 is a value corresponding to the amount of reflected light. The computer device 116 stores in advance the signal level value of the reproduction signal when the workpiece 102 is changed to a mirror or an object having a high reflectance for each rotation angle of the rotating polarizer 224. The signal level ratio obtained by dividing the level value by the stored signal level value is the same value as the light amount ratio of the reflected light. Since the light passing through the rotating polarizer 224 is only light having a polarization direction of one direction, the signal level value of the reproduction signal for each rotation angle of the rotating polarizer 224 is the polarization level of the reflected light in each polarization direction. This corresponds to the magnitude (that is, the vector value of each polarization direction).

コンピュータ装置１１６は、入力した信号レベル値、信号レベル比（反射光の光量比）を、回転偏光子２２４の回転角度ごとに表示装置１１７に表示する。この表示された値によりあらかじめ実験により得ているデータに基づいて超微細パターンの個々のパターン（ピット）の大きさやパターンの加工対象物１０２の半径方向のピットの幅を評価する。   The computer device 116 displays the input signal level value and signal level ratio (amount ratio of reflected light) on the display device 117 for each rotation angle of the rotating polarizer 224. Based on this displayed value, the size of individual patterns (pits) of the ultrafine pattern and the width of pits in the radial direction of the workpiece 102 of the pattern are evaluated based on data obtained by experiments in advance.

図８は、反射光の内、偏光方向が加工対象物の接線方向である光の光量比と超微細パターンの個々のパターン（ピット）の直径との関係を示した図である。図８からわかるように、パターン（ピット）の直径が大きくなると光量比が小さくなっており、表示装置１１７に表示された、回転偏光子２２４の１つの回転角度における（すなわち、反射光の１つの偏光方向における）光量比から、パターン（ピット）の直径を特定することができる。   FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the light quantity ratio of the reflected light whose polarization direction is the tangential direction of the object to be processed and the diameters of the individual patterns (pits) of the ultrafine pattern. As can be seen from FIG. 8, as the pattern (pit) diameter increases, the light quantity ratio decreases, and at one rotation angle of the rotating polarizer 224 displayed on the display device 117 (that is, one reflected light) From the light quantity ratio (in the polarization direction), the diameter of the pattern (pit) can be specified.

また、図９は、超微細パターンの半径方向のピットの幅に対する偏光方向の異なる２つの偏光の信号レベル比（光量比）の差を示した図である。この図９からわかるように、ピットの幅が大きくなると２つの偏光方向の光の光量比の差が大きくなっており、表示装置１１７に表示された回転偏光子２２４の２つの回転角度における（すなわち、反射光の２つの偏光方向における）それぞれの光量比から差を算出すれば、加工対象物１０２の半径方向のピットの幅を特定することができる。   FIG. 9 is a diagram showing a difference in signal level ratio (light quantity ratio) between two polarized lights having different polarization directions with respect to the pit width in the radial direction of the ultrafine pattern. As can be seen from FIG. 9, as the pit width increases, the difference in the light quantity ratio between the two polarization directions increases, and the rotational polarizer 224 displayed on the display device 117 has two rotational angles (ie, If the difference is calculated from the respective light quantity ratios (in the two polarization directions of the reflected light), the width of the pit in the radial direction of the workpiece 102 can be specified.

このように超微細パターンの個々のパターン（ピット）の評価を行い、意図したレーザ加工が行われているかの確認をした結果、意図したレーザ加工の寸法よりずれがあった場合、レーザパワー設定回路１１２およびフォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定するレーザ強度値およびオフセット電圧値を意図したレーザ加工が行えると思われる値に変更し、最初に戻って再度レーザ加工を行う。また、必要であればスピンドルモータ制御回路１１３に設定する回転数やクロック信号発生回路１１９に設定するクロック信号１パルスに相当するエンコーダのパルス数や記録信号生成回路１１０に設定するハイレベル信号とローレベル信号のデューティ比を変更する。   As a result of evaluating individual patterns (pits) of the ultrafine pattern and confirming whether the intended laser processing is performed or not, if there is a deviation from the intended laser processing size, the laser power setting circuit The laser intensity value and the offset voltage value set in 112 and the focus offset voltage application circuit 120 are changed to values that can be used for intended laser processing, and the laser processing is performed again after returning to the beginning. If necessary, the number of rotations set in the spindle motor control circuit 113, the number of encoder pulses corresponding to one pulse of the clock signal set in the clock signal generation circuit 119, and the high level signal and low level set in the recording signal generation circuit 110 Change the duty ratio of the level signal.

このときレーザパワー設定回路１１２およびフォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定する値は、実験により得ているデータがあればそのデータに基づいて想定する。   At this time, values to be set in the laser power setting circuit 112 and the focus offset voltage application circuit 120 are assumed based on data obtained through experiments.

図１０は、レーザ光強度と作製された超微細パターンの個々のパターン（ピット）の面積との関係および反射光の光量に基づく信号レベルとの関係を示した図である。この図１０からわかるように、レーザ加工を行う際のレーザ光強度を強くすると、超微細パターン評価において得られる信号レベルはあるレーザ光強度まで急激に小さくなるがそれ以上はゆっくりとなり、あるレベルで一定になっている。また、超微細パターンの個々のパターン（ピット）の面積はこれとは逆の関係になっている。したがって、このデータから超微細パターンの個々のパターン（ピット）を望む大きさにするためのレーザ光強度がわかるので、超微細パターンの評価の結果とこのデータを用いれば望む大きさのピットにするためのレーザ光強度を想定できる。   FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the laser light intensity and the area of each pattern (pit) of the produced ultrafine pattern and the signal level based on the amount of reflected light. As can be seen from FIG. 10, when the laser beam intensity at the time of laser processing is increased, the signal level obtained in the ultrafine pattern evaluation is rapidly reduced to a certain laser beam intensity, but more slowly than that, at a certain level. It is constant. In addition, the areas of individual patterns (pits) of the ultrafine pattern have a reverse relationship. Therefore, the laser light intensity for making the individual patterns (pits) of the ultrafine pattern desired can be known from this data. Therefore, the result of evaluation of the ultrafine pattern and the pits of the desired size can be obtained using this data. Therefore, the laser beam intensity can be assumed.

そして、再度レーザ加工を行った後、上述のように評価用レーザ光を照射して再度超微細パターンの評価を行い意図したレーザ加工が行われているか確認を行う。これを繰り返すことにより、レーザ加工の際、レーザパワー設定回路１１２およびフォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定するレーザ光強度値およびオフセット電圧値を最適な値でき、意図したレーザ加工を行うことができる。   Then, after laser processing is performed again, the evaluation laser beam is irradiated as described above to evaluate the ultrafine pattern again to check whether the intended laser processing is performed. By repeating this, the laser light intensity value and the offset voltage value set in the laser power setting circuit 112 and the focus offset voltage application circuit 120 can be optimized at the time of laser processing, and intended laser processing can be performed.

このように、本発明のレーザ加工装置を用いて加工対象物１０２を加工し、続いて評価を行なうことを繰り返せばビームスポットの径以下のサイズを有する超微細パターンの構造物を意図した形状で作製することができる。   In this way, if the processing object 102 is processed using the laser processing apparatus of the present invention and then the evaluation is repeated, an ultrafine pattern structure having a size equal to or smaller than the diameter of the beam spot can be obtained. Can be produced.

なお、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限り種々の変更が可能である。   The implementation of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the object of the present invention.

上記実施形態においては、図７（ａ）に示すような、ターンテーブル（ディスク回転型）回転機構を有したレーザ加工装置について本発明を適用したが、図７（ｂ）に示すような、ドラム回転型回転機構を有したレーザ加工装置についても適用することができる。   In the above embodiment, the present invention is applied to a laser processing apparatus having a turntable (disk rotation type) rotation mechanism as shown in FIG. 7A. However, a drum as shown in FIG. The present invention can also be applied to a laser processing apparatus having a rotary type rotating mechanism.

ディスク回転型の場合に、回転機構に搭載される熱反応型の基材は平面円板であり、ドラム回転型の場合には、ドラムに巻きつけられるような長尺基材である。これらは超微細パターンの利用形態によって使い分けられる。   In the case of the disk rotation type, the thermal reaction type substrate mounted on the rotation mechanism is a flat disk, and in the case of the drum rotation type, it is a long substrate wound around the drum. These are properly used according to the usage pattern of the ultrafine pattern.

また、上記実施形態においては、加工対象物１０２の半径方向にビームスポットを移動するのに、ターンテーブル回転機構１０１をスレッドモータ１１５よりなる移動機構に取り付け、この移動機構により加工対象物１０２を半径方向に移動するようにしたが、加工対象物１０２の半径方向にビームスポットを移動できればこれに限定されるものではない。光加工ヘッド１０３にスレッドモータ１１５よりなる移動機構を取り付け、光加工ヘッド１０３を加工対象物１０２の半径方向に移動するように構成してもよい。これによっても上記実施形態と同様の効果が期待できる。   In the above embodiment, in order to move the beam spot in the radial direction of the workpiece 102, the turntable rotating mechanism 101 is attached to a moving mechanism including the sled motor 115, and the workpiece 102 is radiused by this moving mechanism. However, the present invention is not limited to this as long as the beam spot can be moved in the radial direction of the workpiece 102. A moving mechanism including a thread motor 115 may be attached to the optical processing head 103, and the optical processing head 103 may be configured to move in the radial direction of the workpiece 102. Also by this, the same effect as the above embodiment can be expected.

また、上記実施形態においては、光加工ヘッド１０３内に加工対象物１０２をレーザ加工する際に使用する部分と加工対象物１０２をレーザ加工して作製した超微細パターンを評価する際に使用する部分を設け、ダイクロイックミラー２２１により２つの場合の照射レーザ光の光軸を一致させて対物レンズ（ＯＬ）２１０を共通で使用するように構成したが、加工対象物１０２をレーザ加工し、加工対象物１０２をレーザ加工して作製した超微細パターンを評価することができればこれに限定されるものではない。光加工ヘッド１０３にレーザ加工用と評価用の対物レンズをそれぞれ設け、レーザ加工用の部分と評価用の部分をまったく独立させるように構成してもよいし、レーザ加工用と評価用の光ヘッドをそれぞれ設けるように構成してもよい。これによっても上記実施形態と同様の効果が期待できる。   Moreover, in the said embodiment, the part used when evaluating the ultrafine pattern produced by carrying out the laser processing of the process target object 102 and the part used when the process target object 102 is laser-processed in the optical processing head 103 And the objective lens (OL) 210 is configured to be used in common by matching the optical axes of the irradiation laser beams in the two cases by the dichroic mirror 221, but the workpiece 102 is laser-processed, and the workpiece is processed. The present invention is not limited to this as long as an ultrafine pattern produced by laser processing 102 can be evaluated. The laser processing head 103 may be provided with objective lenses for laser processing and evaluation, respectively, and the laser processing portion and the evaluation portion may be completely independent, or the laser processing and evaluation optical heads. May be provided. Also by this, the same effect as the above embodiment can be expected.

また、上記実施形態においては、加工対象物１０２の表面に形成されたビームスポットの光強度分布を調整するための手段として、レーザ光強度の調整とフォーカスオフセット電圧の調整の2つを具体的にあげたが、ビームスポットの光強度分布を調整することができればこれに限定されるものではない。例えば、超解像光学素子２０７として対向させた２つのアキシコンを使用した場合は、このアキシコンの間隔を変化させることでレーザ光の断面の輪帯部分の内径を変化させれば、加工対象物１０２の表面に形成されたビームスポットの径、すなわち、光強度分布を変化させることができる。また、光加工ヘッド１０３内に開口数（ＮＡ）を変えた対物レンズを複数用意し、いずれかを選択できるような構成にしてもビームスポットの径、すなわち、光強度分布を変化させることができる。これらを上記実施形態に加えればさらにビームスポットの光強度分布の調整手段が増え、より最適なビームスポットの光強度分布を設定することができる。   Further, in the above embodiment, as means for adjusting the light intensity distribution of the beam spot formed on the surface of the workpiece 102, two adjustments of the laser light intensity and the focus offset voltage are specifically performed. However, the present invention is not limited to this as long as the light intensity distribution of the beam spot can be adjusted. For example, when two axicons opposed to each other are used as the super-resolution optical element 207, the inner diameter of the annular zone in the cross section of the laser beam can be changed by changing the distance between the axicons. The diameter of the beam spot formed on the surface, that is, the light intensity distribution can be changed. In addition, a plurality of objective lenses having different numerical apertures (NA) are prepared in the optical processing head 103, and even if one of them can be selected, the diameter of the beam spot, that is, the light intensity distribution can be changed. . If these are added to the above embodiment, the means for adjusting the light intensity distribution of the beam spot is further increased, and a more optimal light intensity distribution of the beam spot can be set.

また、上記実施形態においては、加工対象物に作製した超微細パターンの評価値として、信号レベル値、信号レベル比（反射光の光量比）、回転偏光子２２４の回転角度ごとの信号レベル比（すなわち、反射光の偏光特性）を具体的にあげたが、超微細パターンを適切に評価できればこれに限定されるものではない。例えば、別の構成の光加工ヘッドを用意し、反射光のそれぞれの偏光方向における位相を検出できるようにして偏光方向における位相差を評価値にしてもよいし、反射光を参照光と干渉させて干渉縞を検出し、反射光の波面収差を算出してこの波面収差を評価値にしてもよい。これらを上記実施形態の評価値に加えればさらに超微細パターンの評価を適切に行うことができる。   In the above embodiment, the evaluation value of the ultrafine pattern produced on the workpiece is a signal level value, a signal level ratio (a ratio of the amount of reflected light), and a signal level ratio for each rotation angle of the rotating polarizer 224 ( In other words, the polarization characteristics of the reflected light are specifically described, but the invention is not limited to this as long as the ultrafine pattern can be appropriately evaluated. For example, an optical processing head with another configuration may be prepared, and the phase difference in the polarization direction of the reflected light may be detected so that the phase difference in the polarization direction can be used as an evaluation value, or the reflected light can interfere with the reference light. Then, the interference fringes may be detected, the wavefront aberration of the reflected light may be calculated, and this wavefront aberration may be used as an evaluation value. If these are added to the evaluation values of the above embodiment, it is possible to appropriately evaluate the ultrafine pattern.

本発明のレーザ加工装置を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the laser processing apparatus of this invention. 図２は、図１に示されている光加工ヘッドの構成図である。FIG. 2 is a block diagram of the optical processing head shown in FIG. 対物レンズにより形成されるビームスポットの径方向の光強度分布を示す図で、（ａ）は超解像光学素子がない場合を示し、（ｂ）は超解像光学素子がある場合を示している。It is a figure which shows the light intensity distribution of the radial direction of the beam spot formed with an objective lens, (a) shows the case where there is no super-resolution optical element, (b) shows the case where there exists a super-resolution optical element. Yes. 熱反応型材料の加工対象物に対するビームスポットの径以下のサイズのパターンの加工状態を示す図で、（ａ）は超解像光学素子がない場合を示し、（ｂ）は超解像光学素子がある場合を示している。It is a figure which shows the processing state of the pattern of the size below the diameter of the beam spot with respect to the workpiece of a heat reaction type material, (a) shows the case where there is no super-resolution optical element, (b) is a super-resolution optical element Shows when there is. 自由曲面に対するオートフォーカス機構を示す図である。It is a figure which shows the autofocus mechanism with respect to a free-form surface. ターンテーブル回転機構の回転数によらず加工対象物に同一の超微細パターンを作製することを説明するための図である。It is a figure for demonstrating producing the same ultrafine pattern in a workpiece regardless of the rotation speed of a turntable rotation mechanism. （ａ），（ｂ）は回転機構を用いた光加工装置の例を示す図で、（ａ）はターンテーブル型（ディスク回転型）、（ｂ）はドラム回転型を示している。(A), (b) is a figure which shows the example of the optical processing apparatus using a rotation mechanism, (a) is a turntable type | mold (disk rotation type), (b) has shown the drum rotation type. 反射光の内、偏光方向が加工対象物の接線方向である光の光量比と超微細パターンの個々のパターン（ピット）の直径との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the light quantity ratio of the light whose polarization direction is a tangent direction of a process target object among reflected light, and the diameter of each pattern (pit) of an ultrafine pattern. 超微細パターンの半径方向のピットの幅に対する偏光方向の異なる２つの偏光の信号レベル比（光量比）の差を示した図である。It is the figure which showed the difference of the signal level ratio (light quantity ratio) of two polarization | polarized-lights from which the polarization direction differs with respect to the width | variety of the pit of the radial direction of an ultrafine pattern. レーザ光強度と作製された超微細パターンの個々のパターン（ピット）の面積との関係および反射光の光量に基づく信号レベルとの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the laser beam intensity | strength, the area of each pattern (pit) of the produced ultrafine pattern, and the signal level based on the light quantity of reflected light.

符号の説明Explanation of symbols

１０１ ターンテーブル回転機構
１０２ 加工対象物
１０３ 光加工ヘッド
１０３ａ １軸アクチュエータ
１０３ｂ 回転モータ
１０４ 信号増幅回路
１０５ フォーカスエラー信号発生回路
１０６ オートフォーカス回路
１０７ ドライブ回路
１０８ 再生信号生成回路
１０９ 信号レベル測定回路
１１０ 記録信号生成回路
１１１ レーザパワー設定回路
１１２ レーザ駆動回路
１１３ スピンドルモータ制御回路
１１４ スレッドモータ制御回路
１１５ スレッドモータ
１１６ コンピュータ装置
１１７ 表示装置
１１８ 入力装置
１１９ クロック信号発生回路
１２０ フォーカスオフセット電圧印加回路
１２１ 加算器
１２２ 回転偏光子制御回路
１２３ レーザ駆動回路
１２４ レーザパワー設定回路
２０１ 第１の半導体レーザ
２０２ 第１のコリメートレンズ
２０３ 第１のアナモルフィックプリズム
２０４ ＰＢＳ
２０５ 第１の凸レンズ
２０６ 第２のフォトダイオ−ド（ＰＤ２）
２０７ 超解像光学素子
２０８ １／４波長板
２０９ 立ち上げミラー
２１０ 対物レンズ
２１１ 反射ミラー
２１２ 第２の凸レンズ
２１３ シリンドリカルレンズ
２１４ 第１のフォトダイオード（ＰＤ１）
２１５ 第２の半導体レーザ
２１６ 第２のコリメートレンズ
２１７ 第２のアナモルフィックプリズム
２１８ ビームスプリッタ
２１９ 第４の凸レンズ
２２０ 第４のフォトダイオード（ＰＤ４）
２２１ ダイクロイックミラー
２２２ 第３の凸レンズ
２２３ シリンドリカルレンズ
２２４ 回転偏光子
２２５ 第３のフォトダイオード（ＰＤ３）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Turntable rotating mechanism 102 Processing object 103 Optical processing head 103a Single axis actuator 103b Rotating motor 104 Signal amplification circuit 105 Focus error signal generation circuit 106 Auto focus circuit 107 Drive circuit 108 Reproduction signal generation circuit 109 Signal level measurement circuit 110 Recording signal Generation circuit 111 Laser power setting circuit 112 Laser drive circuit 113 Spindle motor control circuit 114 Thread motor control circuit 115 Thread motor 116 Computer device 117 Display device 118 Input device 119 Clock signal generation circuit 120 Focus offset voltage application circuit 121 Adder 122 Rotating polarization Child control circuit 123 Laser drive circuit 124 Laser power setting circuit 201 First semiconductor laser 202 First collimator lens 203 First anamorphic prism 204 PBS
205 First convex lens 206 Second photodiode (PD2)
207 Super-resolution optical element 208 1/4 wavelength plate 209 Rising mirror 210 Objective lens 211 Reflecting mirror 212 Second convex lens 213 Cylindrical lens 214 First photodiode (PD1)
215 Second semiconductor laser 216 Second collimating lens 217 Second anamorphic prism 218 Beam splitter 219 Fourth convex lens 220 Fourth photodiode (PD4)
221 Dichroic mirror 222 Third convex lens 223 Cylindrical lens 224 Rotating polarizer 225 Third photodiode (PD3)

Claims (6)

熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工装置において、
前記加工対象物を回転させる回転手段と、
該回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動可能な移動手段と
前記加工対象物に向けて前記レーザ光を出射する照射手段と、
該照射手段からの前記レーザ光を前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する対物レンズを含む光学手段と、
前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を検出する光検出手段と、
前記レーザ光の光強度を直接変調することのできるレーザ駆動手段と、
前記光検出手段による前記反射光の強度に基づいて、前記レーザ光の焦点を前記加工対象物の表面に合わせるように、前記対物レンズを駆動するオートフォーカス手段と、前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を調整するために、前記オートフォーカス手段が前記対物レンズを駆動するために出力する信号に、前記加工対象物の表面から前記レーザ光の焦点をずらす量に相当する信号を印加するフォーカスオフセット電圧印加手段とを含む調整手段とを備え、
該調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とするレーザ加工装置。 In a laser processing apparatus for irradiating a processing target made of a heat-reactive substrate with laser light and forming a predetermined ultrafine pattern on the surface of the processing target,
Rotating means for rotating the workpiece;
The laser light emitted toward the rotation surface of the workpiece to be rotated by the rotating means is applied to the rotation direction of the workpiece to be irradiated with the laser light and the irradiation direction of the laser light. Moving means that is relatively linearly movable in a substantially vertical direction, and irradiation means that emits the laser light toward the workpiece,
Optical means including an objective lens for condensing the laser light from the irradiation means on the surface of the object to be processed to form a beam spot;
Light detecting means for detecting reflected light from the surface of the beam spot irradiated on the workpiece;
Laser driving means capable of directly modulating the light intensity of the laser light;
Based on the intensity of the reflected light from the light detection means, the laser light is focused by the optical means and autofocus means for driving the objective lens so as to focus on the surface of the workpiece . In order to adjust the light intensity distribution of the beam spot, a signal corresponding to an amount by which the focus of the laser beam is shifted from the surface of the object to be processed is a signal output by the autofocus unit to drive the objective lens. And an adjusting means including a focus offset voltage applying means for applying
A laser processing apparatus characterized in that a nanostructure having a predetermined ultrafine pattern equal to or smaller than the diameter of the beam spot is formed on the object to be processed by a beam spot having a light intensity distribution adjusted by the adjusting means. 熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工装置において、
前記加工対象物を回転させる回転手段と、
該回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動可能な移動手段と
前記加工対象物に向けて前記レーザ光を出射する照射手段と、
該照射手段からの前記レーザ光を前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する対物レンズを含む光学手段と、
前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を検出する光検出手段と、
前記レーザ光の光強度を直接変調することのできるレーザ駆動手段と、
前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を調整する調整手段と、
前記ナノ構造物にレーザ光を照射し、前記光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて前記超微細パターンの形状を評価する評価手段と、
前記評価手段による評価結果に基づき、前記光強度分布を調整する前記調整手段の調整パラメータの値を設定するパラメータ値設定手段とを備え、
該調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とするレーザ加工装置。 In a laser processing apparatus for irradiating a processing target made of a heat-reactive substrate with laser light and forming a predetermined ultrafine pattern on the surface of the processing target
Rotating means for rotating the workpiece;
The laser light emitted toward the rotation surface of the workpiece to be rotated by the rotating means is applied to the rotation direction of the workpiece to be irradiated with the laser light and the irradiation direction of the laser light. Moving means that is relatively linearly movable in a substantially vertical direction, and irradiation means that emits the laser light toward the workpiece,
Optical means including an objective lens for condensing the laser light from the irradiation means on the surface of the object to be processed to form a beam spot;
Light detecting means for detecting reflected light from the surface of the beam spot irradiated on the workpiece;
Laser driving means capable of directly modulating the light intensity of the laser light;
Adjusting means for adjusting the light intensity distribution of the beam spot collected by the optical means ;
An evaluation unit that irradiates the nanostructure with a laser beam and evaluates the shape of the ultrafine pattern based on a reproduction signal generated from a signal based on reflected light output from the light detection unit;
A parameter value setting unit that sets a value of an adjustment parameter of the adjustment unit that adjusts the light intensity distribution based on an evaluation result by the evaluation unit ;
A laser processing apparatus characterized in that a nanostructure having a predetermined ultrafine pattern equal to or smaller than the diameter of the beam spot is formed on the object to be processed by a beam spot having a light intensity distribution adjusted by the adjusting means. 前記評価手段が、前記再生信号に基づいて、前記超微細パターンからの反射光の光量又は反射光の光量比又は反射光の偏光特性を検出して前記超微細パターンの形状を評価することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。 The evaluation means evaluates the shape of the ultrafine pattern by detecting the amount of reflected light from the ultrafine pattern, the light quantity ratio of reflected light, or the polarization characteristics of reflected light based on the reproduction signal. The laser processing apparatus according to claim 2 . 熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工方法において、
前記加工対象物を回転手段により回転させる回転ステップと、
前記回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動させる移動ステップと、
前記加工対象物に向けて照射手段により前記レーザ光を出射する照射ステップと、
前記照射手段からの前記レーザ光を、対物レンズを含む光学手段により前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する形成ステップと、
前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を光検出手段により検出する光検出ステップと、
前記レーザ光の光強度をレーザ駆動手段により直接変調するレーザ駆動ステップと、
前記光検出手段による前記反射光の強度に基づいて、前記レーザ光の焦点を前記加工対象物の表面に合わせるように、前記対物レンズを駆動し、前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を、前記対物レンズを駆動するために出力する信号に、前記加工対象物の表面から前記レーザ光の焦点をずらす量に相当する信号を印加することにより調整する調整手段により調整する調整ステップとを有し、
前記調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とするレーザ加工方法。 In a laser processing method of irradiating a processing target made of a heat-reactive substrate with a laser beam and forming a predetermined ultrafine pattern on the surface of the processing target,
A rotating step of rotating the workpiece by a rotating means;
The laser beam emitted toward the rotation surface of the workpiece to be rotated by the rotating means is applied to the rotation direction of the workpiece to be irradiated with the laser beam and the irradiation direction of the laser beam. A moving step for relatively linear movement in a substantially vertical direction,
An irradiation step of emitting the laser beam toward the workpiece by an irradiation unit;
A step of forming the beam spot by condensing the laser beam from the irradiation unit on the surface of the object to be processed by an optical unit including an objective lens;
A light detection step of detecting reflected light from the surface of the beam spot irradiated on the workpiece by a light detection means;
A laser driving step for directly modulating the light intensity of the laser light by a laser driving means;
Based on the intensity of the reflected light by the light detection means, the objective lens is driven to focus the laser light on the surface of the workpiece, and the beam spot collected by the optical means is focused. Adjustment that adjusts the light intensity distribution by adjusting means that adjusts the signal output to drive the objective lens by applying a signal corresponding to the amount by which the focal point of the laser beam is shifted from the surface of the workpiece. And having steps
A laser processing method, wherein a nanostructure having a predetermined ultrafine pattern not more than the diameter of the beam spot is formed on the processing object by a beam spot having a light intensity distribution adjusted by the adjusting means. 熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工方法において、
前記加工対象物を回転手段により回転させる回転ステップと、
前記回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動させる移動ステップと、
前記加工対象物に向けて照射手段により前記レーザ光を出射する照射ステップと、
前記照射手段からの前記レーザ光を、対物レンズを含む光学手段により前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する形成ステップと、
前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を光検出手段により検出する光検出ステップと、
前記レーザ光の光強度をレーザ駆動手段により直接変調するレーザ駆動ステップと、
前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を、調整手段により調整する調整ステップと、
前記ナノ構造物にレーザ光を照射し、前記光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて前記超微細パターンの形状を評価する評価ステップと、
前記評価ステップによる評価結果に基づき、前記光強度分布を調整する前記調整手段の調整パラメータの値を設定するパラメータ値設定ステップとを有し、
前記調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とするレーザ加工方法。 In a laser processing method of irradiating a processing target made of a heat-reactive substrate with a laser beam and forming a predetermined ultrafine pattern on the surface of the processing target,
A rotating step of rotating the workpiece by a rotating means;
The laser beam emitted toward the rotation surface of the workpiece to be rotated by the rotating means is applied to the rotation direction of the workpiece to be irradiated with the laser beam and the irradiation direction of the laser beam. A moving step for relatively linear movement in a substantially vertical direction,
An irradiation step of emitting the laser beam toward the workpiece by an irradiation unit;
A step of forming the beam spot by condensing the laser beam from the irradiation unit on the surface of the object to be processed by an optical unit including an objective lens;
A light detection step of detecting reflected light from the surface of the beam spot irradiated on the workpiece by a light detection means;
A laser driving step for directly modulating the light intensity of the laser light by a laser driving means;
An adjusting step of adjusting the light intensity distribution of the beam spot collected by the optical means by an adjusting means ;
An evaluation step of irradiating the nanostructure with laser light and evaluating the shape of the ultrafine pattern based on a reproduction signal generated from a signal based on reflected light output from the light detection means;
A parameter value setting step for setting an adjustment parameter value of the adjusting means for adjusting the light intensity distribution based on the evaluation result of the evaluation step ;
A laser processing method, wherein a nanostructure having a predetermined ultrafine pattern not more than the diameter of the beam spot is formed on the processing object by a beam spot having a light intensity distribution adjusted by the adjusting means. 前記評価ステップが、前記再生信号に基づいて、前記超微細パターンからの反射光の光量又は反射光の光量比又は反射光の偏光特性を検出して前記超微細パターンの形状を評価することを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。 In the evaluation step, the shape of the ultrafine pattern is evaluated by detecting a light amount of reflected light from the ultrafine pattern, a light amount ratio of reflected light, or a polarization characteristic of reflected light based on the reproduction signal. The laser processing method according to claim 5 .
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