JP5464972B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置に関する。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、従来のレーザ加工装置を示す概略図である。

図６（Ａ）を参照する。レーザ光源１０からレーザビーム１０Ａが出射する。レーザビーム１０Ａは、反射ミラー１３で反射され、集光光学系１４で集光されて、ステージ３０上に載置された加工対象物２０に入射する。加工対象物２０は、たとえば不純物が添加されたシリコンウエハであり、レーザビーム１０Ａの照射により、不純物を活性化させる半導体アニール加工が行われる。

レーザ光源１０は、固体レーザ、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器１０ｗ、非線形光学結晶、一例としてＬＢＯ結晶を含んで構成される波長変換素子１０ｘ、温度計１０ｙ、及びヒータ１０ｚを備える。レーザ発振器１０ｗから発せられたＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）は、波長変換素子１０ｘを透過することにより波長を変換され、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）としてレーザ光源１０を出射する。

温度計１０ｙは、波長変換素子１０ｘの温度を測定する。波長変換素子１０ｘの温度変化は、レーザビーム１０Ａのパルス幅や出力等のレーザ特性に影響を及ぼすことから、波長変換素子１０ｘは一定温度に保持されるように制御される。保持温度はたとえば約２００℃である。この温度を維持するため、ヒータ１０ｚによる波長変換素子１０ｘの加熱が行われる。

しかしながらこの構成においては、レーザ加工中の反射光等による外乱に即時対応することは困難である。レーザ加工においては、たとえば加工対象物２０表面で反射された反射光が、出射光と同一の経路を逆方向に進行してレーザ光源１０に入射する。図６（Ａ）には、これを戻り光１０ａとして表示した。戻り光１０ａの光量（パワー）は、たとえば出射光１０Ａの光量（パワー）の１２％である。

戻り光１０ａが波長変換素子１０ｘに入射することで、波長変換素子１０ｘの温度が上昇し、加工中にレーザビーム１０Ａの特性が変化する。このため、半導体アニールの加工性能（たとえば不純物の活性化率）にも変化が生じる。

図６（Ｂ）に、２台のレーザ発振器が使用されるレーザ加工装置の一例を示す。レーザ光源１１、１２は、それぞれレーザ発振器１１ｗ、１２ｗ、波長変換素子１１ｘ、１２ｘ、温度計１１ｙ、１２ｙ及びヒータ１１ｚ、１２ｚを含む。

波長変換素子１１ｘ、１２ｘで波長を変換されたレーザビーム１１Ａ、１２Ａが、レーザ光源１１、１２を出射する。レーザビーム１１Ａ、１２Ａは、ビーム重畳器、たとえば偏光ビームスプリッタ(Polarizing Beam Splitter;PBS)１６に入射する。ＰＢＳ１６のビーム入射面に対し、たとえばレーザビーム１１ＡはＰ波、レーザビーム１２ＡはＳ波である。

ＰＢＳ１６は、入射するＰ波を透過しＳ波を反射する。このため、両レーザビーム１１Ａ、１２Ａを同一光軸上に重畳することができる。重畳されたレーザビーム１１Ａ、１２Ａは、反射ミラー１３で反射され、集光光学系１４で集光されて加工対象物２０に照射される。

図６（Ｂ）に示すような、複数台のレーザ発振器を用いていわゆるＰＳ合成を行う光学システムにおいても、戻り光は問題となる。レーザビーム１１Ａが加工対象物２０表面で反射されて生じる戻り光１１ａは、たとえばＰＢＳ１６を透過してレーザ光源１１の波長変換素子１１ｘに入射する。レーザビーム１２Ａが加工対象物２０表面で反射されて生じる戻り光１２ａは、たとえばＰＢＳ１６で反射されてレーザ光源１２の波長変換素子１２ｘに入射する。

図６（Ｃ）に、２台のレーザ発振器が使用されるレーザ加工装置の他の例を示す。図６（Ｂ）に示した例とは、ＰＢＳ１６と加工対象物２０との間（重畳されたレーザビーム１１Ａ、１２Ａの光路上）にλ／４板１７が配置されている点において異なる。λ／４板１７は、これを透過する光の直交する偏光成分の間に９０°の位相差を生じさせる。λ／４板１７を二度透過する光の直交する偏光成分の間には、１８０°の位相差が生じる。このため、レーザビーム１１Ａが加工対象物２０表面で反射されて生じる戻り光１１ａは、たとえばＳ波としてＰＢＳ１６に入射して反射され、レーザ光源１２の波長変換素子１２ｘに入射する。一方、レーザビーム１２Ａの戻り光１２ａは、たとえばＰ波としてＰＢＳ１６に入射してこれを透過し、レーザ光源１１の波長変換素子１１ｘに入射する。

戻り光１１ａ、１２ａの入射により、波長変換素子１２ｘ、１１ｘの温度が変動し、レーザビーム１２Ａ、１１Ａの特性が変化する。この結果、半導体アニールの加工品質が低下する。

戻り光の影響を受けず、突発的なモードホップや出力変動を起こさない、発振状態の安定した半導体レーザ励起固体レーザ装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０００−１３８４０５号公報

本発明の目的は、高品質の加工が可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、
レーザビームを出射するビーム出射装置と、
加工対象物を保持するステージと、
前記ビーム出射装置を出射したレーザビームを、前記ステージに伝搬する光学系と、
前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替える制御装置と
を有し、
前記ビーム出射装置は、
レーザ光の波長を変換する波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射するレーザ光源と、
外部から与えられる信号により、前記レーザ光源を出射したレーザビームの一部を前記レーザビームの経路を逆向きに伝搬するように反射するとともに、残余のレーザビームを前記ビーム出射装置の外部に出射させない戻り光発生装置と
を備え、
前記制御装置は、前記戻り光発生装置への信号で、前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替え、
前記光学系は、前記ビーム出射装置から出射したレーザビームを集光して、前記ステージ上に載置された加工対象物に入射させる集光光学系を含むレーザ加工装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、（ａ）レーザ光の波長を変換する波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射するレーザ光源から出射したレーザビームを加工対象物に照射する場合に、前記レーザ光源の波長変換素子に入射する戻り光のパワーを測定する工程と、（ｂ）レーザ光の波長を変換する波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射するレーザ光源からレーザビームを継続的に出射しながら、加工対象物にレーザビームを入射させない期間には、前記工程（ａ）で測定された戻り光のパワーに基づくパワーのレーザビームを、前記継続的に出射されるレーザビームから分岐して前記レーザ光源の波長変換素子に与えるという条件で、残余の期間に加工対象物にレーザビームを照射する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、高品質の加工が可能なレーザ加工装置を提供することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第３の実施例によるレーザ加工装置について説明するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第４の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第５の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、従来のレーザ加工装置を示す概略図である。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。

図１（Ａ）を参照する。第１の実施例によるレーザ加工装置は、レーザビームを出射することが可能なビーム出射装置、加工対象物２０を保持するステージ３０、及びビーム出射装置を出射したレーザビームをステージ３０に伝搬する光学系（反射ミラー４３及び集光光学系４４）を含んで構成される。第１の実施例によるレーザ加工装置のビーム出射装置は、レーザ光源４０、戻り光発生器４８、ビームダンパ４９、及び制御装置５０を含んで構成される。

レーザ光源４０は、固体レーザ、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器４０ｗ、非線形光学結晶、一例としてＬＢＯ結晶を含む波長変換素子４０ｘ、温度計４０ｙ、及びヒータ４０ｚを備える。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器４０ｗは、制御装置５０からのトリガ信号を受けて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波を発振する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波は、波長変換素子４０ｘに入射する。波長変換素子４０ｘは入射光の波長をレーザ媒質の励起波長の高調波に変換することができる。波長変換素子４０ｘに入射したＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波は、波長を変換され、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波としてレーザ光源４０を出射する。本図においては、レーザ光源４０を出射したＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波をレーザビーム４０Ａと表した。

温度計４０ｙは、波長変換素子４０ｘの温度を測定する。測定値は制御装置５０に送信される。ヒータ４０ｚは、波長変換素子４０ｘを加熱することができる。制御装置５０は、温度計４０ｙから送信される測定値に基づいて、波長変換素子４０ｘが一定温度、たとえば約２００℃に維持されるように、ヒータ４０ｚによる加熱を制御する。

戻り光発生器４８は、反射ミラー４８ａ及び反射フィルタ４８ｂを備える。たとえば反射ミラー４８ａは全反射ミラーであり、反射フィルタ４８ｂは、入射光の一部（一例として８８％）を透過し一部（たとえば１２％）を反射する部分透過ミラーである。制御装置５０は戻り光発生器４８に制御信号を送信して、戻り光発生器４８をレーザビーム４０Ａの光路上に配置することができる。この場合、後に説明するように、反射フィルタ４８ｂがレーザ光源４０を出射したレーザビーム４０Ａの上流側に配置され、反射ミラー４８ａが下流側に配置される。反射フィルタ４８ｂを透過したレーザビーム４０Ａは、反射ミラー４８ａに入射し、これに反射される。反射されたレーザビーム４０Ａは、ビームダンパ４９に入射する。

本図に示すように、戻り光発生器４８がレーザビーム４０Ａの光路上に配置されない場合、レーザ光源４０を出射したレーザビーム４０Ａは、ビームダンパ４９に吸収されることなく、ビーム出射装置を出射する。

レーザビーム４０Ａは、反射ミラー４３で反射され、集光光学系４４で集光されて、ステージ３０上に載置された加工対象物２０に入射する。加工対象物２０は、たとえば不純物が添加されたシリコンウエハであり、レーザビーム４０Ａの照射により、不純物を活性化させる半導体アニール加工が行われる。

半導体アニールの加工中には、加工対象物２０からの戻り光４０ａが、出射光（レーザビーム４０Ａ）と同一の経路を逆方向に進行してレーザ光源４０の波長変換素子４０ｘに入射する。戻り光４０ａの光量は、たとえば出射光４０Ａの光量の１２％である。

図１（Ｂ）を参照する。半導体アニール加工を行わない時間は、レーザ発振器４０ｗのレーザ発振を継続したまま、戻り光発生器４８を、レーザビーム４０Ａの光路上に配置する。

レーザ光源４０を出射したレーザビーム４０Ａは、反射フィルタ４８ｂに入射する。入射したレーザビーム４０Ａの１２％は反射フィルタ４８ｂで反射されて、レーザビーム４０Ａの経路を逆向きに伝搬し、波長変換素子４０ｘに入射する。本図においては、これを戻り光４０ｂと表示した。反射フィルタ４８ｂを透過した８８％は、反射ミラー４８ａに入射し、これに反射されてビームダンパ４９に吸収される。レーザビーム４０Ａは、ビーム出射装置を出射せず、加工対象物２０に照射されることはない。

第１の実施例によるレーザ加工装置のビーム出射装置は、レーザビーム４０Ａを出射した場合に、外部からレーザ光源４０（波長変換素子４０ｘ）に戻る戻り光４０ａの光量と、レーザビーム４０Ａを出射しない場合に、内部からレーザ光源４０（波長変換素子４０ｘ）に戻る戻り光４０ｂの光量とを等しくすることができる。

加工対象物２０へのレーザビーム４０Ａの照射の有無にかかわらず、波長変換素子４０ｘに入射する戻り光の量を一定とすることができるため、波長変換素子４０ｘの温度を容易に一定に保ち、レーザ光源４０ひいてはビーム出射装置を出射するレーザビーム４０Ａの特性を安定させることが可能である。

また、波長変換素子４０ｘのレーザビーム４０Ａの出射される位置について入熱量を一定とし、当該位置の温度を直接的に調整するため、波長変換素子４０ｘの高速な温度制御を実現することができる。

第１の実施例によるレーザ加工装置によれば、高品質の加工を行うことが可能である。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。第１の実施例においては、反射フィルタ４８ｂを反射ミラー４８ａに同期させて移動し、反射ミラー４８ａをレーザビーム４０Ａの光路上に配置する場合には、反射フィルタ４８ｂをその上流側に配置した。第２の実施例は、反射フィルタ４８ｂの設置位置が固定される点において、第１の実施例と相違する。

図２（Ａ）を参照する。制御装置５０は反射ミラー４８ａに制御信号を送信して、反射ミラー４８ａをレーザビーム４０Ａの光路上に配置することができる。反射フィルタ４８ｂは、反射ミラー４８ａで反射されたレーザビーム４０Ａの光路上に配置される。

本図に示すように、反射ミラー４８ａがレーザビーム４０Ａの光路上に配置されない場合には、レーザ光源４０を出射したレーザビーム４０Ａがビーム出射装置を出射し、加工対象物２０に入射して、半導体アニール加工が行われる。加工中には、たとえば出射光４０Ａの１２％の光量をもつ戻り光４０ａが、レーザ光源４０の波長変換素子４０ｘに入射する。

図２（Ｂ）を参照する。半導体アニール加工を行わない時間は、レーザ発振器４０ｗのレーザ発振を継続したまま、反射ミラー４８ａを、レーザビーム４０Ａの光路上に配置する。レーザ光源４０を出射したレーザビーム４０Ａは、反射ミラー４８ａで反射され、反射フィルタ４８ｂに入射する。入射したレーザビーム４０Ａの１２％は反射フィルタ４８ｂで反射され、レーザビーム４０Ａの経路を逆向きに伝搬して、戻り光４０ｂとして波長変換素子４０ｘに入射する。反射フィルタ４８ｂを透過した８８％は、ビームダンパ４９に入射し、これに吸収される。レーザビーム４０Ａは、ビーム出射装置を出射せず、加工対象物２０に照射されない。

第２の実施例によるレーザ加工装置は、第１の実施例と同様の効果を奏することができる。加えて、第２の実施例は、反射フィルタ４８ｂを移動させる必要がないため、装置の安定性が高い。

図３（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、第３の実施例によるレーザ加工装置について説明する。第１及び第２の実施例においては、反射フィルタ４８ｂとして、入射光の８８％を透過し１２％を反射する部分透過ミラーを用いた。第３の実施例においては、図３（Ｂ）及び図３（Ｄ）に示すように、入射光のほぼすべてを透過する透光領域と、入射光の８８％を透過し１２％を反射する部分透過領域（１２％反射領域）とを備える反射フィルタ４８ｂを用いる。反射フィルタ４８ｂは、回転軸の周囲に自転可能に支持されている。制御装置５０からの制御信号により、反射フィルタ４８ｂを、回転軸の周囲に自転させることで、レーザビーム４０Ａの光路上に透光領域と１２％反射領域とを選択的に配置することができる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照する。図３（Ａ）に示すように、反射フィルタ４８ｂは、レーザ光源４０を出射したレーザビーム４０Ａの光路上に配置され、反射ミラー４８ａは、制御装置５０の制御信号により、反射フィルタ４８ｂを透過したレーザビーム４０Ａの光路上に配置可能である。

レーザビーム４０Ａを加工対象物２０に照射して、半導体アニール加工を行う場合には、図３（Ｂ）に示すように、レーザビーム４０Ａの入射位置に反射フィルタ４８ｂの透光領域を配置する。また、図３（Ａ）に示すように、反射ミラー４８ａはレーザビーム４０Ａの光路上に配置されない。半導体アニール加工中には、出射光４０Ａの１２％の光量をもつ戻り光４０ａが、反射フィルタ４８ｂの透光領域を、出射光４０Ａとは逆向きに通過してレーザ光源４０の波長変換素子４０ｘに入射する。

図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）を参照する。半導体アニール加工を行わない時間は、レーザ発振器４０ｗのレーザ発振を継続したまま、図３（Ｄ）に示すように、レーザビーム４０Ａの入射位置に反射フィルタ４８ｂの１２％反射領域を配置するとともに、図３（Ｃ）に示すように、反射ミラー４８ａをレーザビーム４０Ａの光路上に配置する。レーザ光源４０を出射したレーザビーム４０Ａの１２％は、反射フィルタ４８ｂの１２％反射領域で反射されて、レーザビーム４０Ａの経路を逆向きに伝搬し、戻り光４０ｂとして波長変換素子４０ｘに入射する。反射フィルタ４８ｂの１２％反射領域を透過したレーザビーム４０Ａの８８％は、反射ミラー４８ａで反射されてビームダンパ４９に入射し、これに吸収される。レーザビーム４０Ａは、ビーム出射装置を出射せず、加工対象物２０に照射されない。

第３の実施例によるレーザ加工装置は、第１の実施例と同様の効果を奏することができる。また、第１の実施例においては、反射フィルタ４８ｂを反射ミラー４８ａの移動に同期させて移動させたが、第３の実施例においては、反射フィルタ４８ｂを反射ミラー４８ａの移動に同期させて回転させる。このため高い応答性で制御を行うことが可能である。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、第４の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。

図４（Ａ）を参照する。第４の実施例によるレーザ加工装置は、レーザビームを出射することが可能なビーム出射装置、加工対象物２０を保持するステージ３０、及びビーム出射装置を出射したレーザビームをステージ３０に伝搬する光学系（反射ミラー４３及び集光光学系４４）を含んで構成される。第４の実施例によるレーザ加工装置のビーム出射装置は、レーザ光源４１、４２、ビーム重畳器であるＰＢＳ４６、戻り光発生器４８、ビームダンパ４９、及び制御装置５０を含んで構成される。

レーザ光源４１、４２は、それぞれ固体レーザ、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器４１ｗ、４２ｗ、非線形光学結晶、一例としてＬＢＯ結晶を含む波長変換素子４１ｘ、４２ｘ、温度計４１ｙ、４２ｙ、及びヒータ４１ｚ、４２ｚを備える。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器４１ｗ、４２ｗは、制御装置５０からのトリガ信号を受けて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波を発振する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波は、波長変換素子４１ｘ、４２ｘに入射する。波長変換素子４１ｘ、４２ｘは入射光の波長をレーザ媒質の励起波長の高調波に変換することができる。波長変換素子４１ｘ、４２ｘに入射したＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波は、波長を変換され、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波としてレーザ光源４１、４２を出射する。レーザ光源４１、４２を出射したＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波をレーザビーム４１Ａ、４２Ａと表した。

温度計４１ｙ、４２ｙは、波長変換素子４１ｘ、４２ｘの温度を測定する。測定値は制御装置５０に送信される。ヒータ４１ｚ、４２ｚは、波長変換素子４１ｘ、４２ｘを加熱することができる。制御装置５０は、温度計４１ｙ、４２ｙから送信される測定値に基づいて、波長変換素子４１ｘ、４２ｘが一定温度、たとえば約２００℃に維持されるように、ヒータ４１ｚ、４２ｚによる加熱を制御する。

レーザ光源４１、４２を出射するレーザビーム４１Ａ、４２Ａは、ＰＢＳ４６のビーム入射面に対し、それぞれＰ波、Ｓ波となるように調整される。ＰＢＳ４６は、入射するＰ波を透過しＳ波を反射する。このため、ＰＢＳ４６に入射するレーザビーム４１Ａ、４２Ａは同一光軸上に重畳される。

反射ミラー４８ａと反射フィルタ４８ｂとを備える戻り光発生器４８、及びビームダンパ４９は、第１の実施例におけるものと同一である。制御装置５０は戻り光発生器４８に制御信号を送信して、戻り光発生器４８を、重畳されたレーザビーム４１Ａ、４２Ａの光路上に配置することができる。その場合、反射フィルタ４８ｂがレーザビーム４１Ａ、４２Ａの上流側に配置され、反射ミラー４８ａが下流側に配置される。反射フィルタ４８ｂを透過したレーザビーム４１Ａ、４２Ａは、反射ミラー４８ａに入射し、これに反射される。反射されたレーザビーム４１Ａ、４２Ａは、ビームダンパ４９に入射する。

本図に示すように、戻り光発生器４８がレーザビーム４１Ａ、４２Ａの光路上に配置されない場合、レーザビーム４１Ａ、４２Ａは、ビームダンパ４９に吸収されることなく、ビーム出射装置を出射する。

レーザビーム４１Ａ、４２Ａは、反射ミラー４３で反射され、集光光学系４４で集光されて、ステージ３０上に載置された加工対象物２０に入射する。加工対象物２０は、たとえば不純物が添加されたシリコンウエハであり、レーザビーム４１Ａ、４２Ａの照射により、不純物を活性化させる半導体アニール加工が行われる。

半導体アニールの加工中には、レーザビーム４１Ａ、４２Ａがそれぞれ加工対象物２０表面で反射されて発生する戻り光４１ａ、４２ａが、出射光（レーザビーム４１Ａ、４２Ａ）と同一の経路を逆方向に進行してＰＢＳ４６に入射する。戻り光４１ａ、４２ａの光量は、それぞれたとえば出射光４１Ａ、４２Ａの光量の１２％である。

ＰＢＳ４６に入射した戻り光４１ａは、これを透過してレーザ光源４１の波長変換素子４１ｘに入射する。ＰＢＳ４６に入射した戻り光４２ａは、これに反射されてレーザ光源４２の波長変換素子４２ｘに入射する。

図４（Ｂ）を参照する。半導体アニール加工を行わない時間は、レーザ発振器４１ｗ、４２ｗのレーザ発振を継続したまま、戻り光発生器４８を、レーザビーム４１Ａ、４２Ａの光路上に配置する。

ＰＢＳ４６で重畳されたレーザビーム４１Ａ、４２Ａは、戻り光発生器４８の反射フィルタ４８ｂに入射する。入射したレーザビーム４１Ａ、４２Ａの１２％は反射フィルタ４８ｂで反射されて、重畳されたレーザビーム４１Ａ、４２Ａの経路を逆向きに伝搬して、ＰＢＳ４６に入射する。本図においては、これらを戻り光４１ｂ、４２ｂと表示した。戻り光４１ｂは、ＰＢＳ４６を透過し、レーザビーム４１Ａの経路を逆向きに伝搬して、レーザ光源４１の波長変換素子４１ｘに入射する。戻り光４２ｂは、ＰＢＳ４６で反射され、レーザビーム４２Ａの経路を逆向きに伝搬して、レーザ光源４２の波長変換素子４２ｘに入射する。

反射フィルタ４８ｂを透過したレーザビーム４１Ａ、４２Ａの８８％は、反射ミラー４８ａに入射し、これに反射されてビームダンパ４９に吸収される。レーザビーム４１Ａ、４２Ａは、ビーム出射装置を出射せず、加工対象物２０に照射されることはない。

複数台のレーザ発振器を用いてＰＳ合成を行う第４の実施例によるレーザ加工装置においても、第１の実施例と同様の効果が奏される。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、第５の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。第５の実施例によるレーザ加工装置においては、第４の実施例によるそれのＰＢＳ４６と戻り光発生器４８が配置される位置との間のレーザビーム４１Ａ、４２Ａの光路上に、λ／４板４７が配置される。

図５（Ａ）を参照する。半導体アニール加工時には、レーザ光源４１、４２から出射されたレーザビーム４１Ａ、４２ＡがＰＢＳ４６でＰＳ合成され、λ／４板４７を透過した後、加工対象物２０に照射される。レーザビーム４１Ａ、４２Ａが加工対象物２０で反射されて発生する戻り光４１ａ、４２ａは、λ／４板４７を経由してＰＢＳ４６に入射する。このためレーザ光源４１を出射しＰＢＳ４６を透過したレーザビーム４１Ａの戻り光４１ａは、ＰＢＳ４６のビーム入射面に対するＳ波としてこれに入射して反射され、レーザ光源４２の波長変換素子４２ｘに入射する。また、レーザ光源４２を出射しＰＢＳ４６で反射されたレーザビーム４２Ａの戻り光４２ａは、ＰＢＳ４６のビーム入射面に対するＰ波としてこれに入射して透過し、レーザ光源４１の波長変換素子４１ｘに入射する。

図５（Ｂ）を参照する。半導体アニール加工を行わない時間は、レーザ発振器４１ｗ、４２ｗのレーザ発振を継続したまま、戻り光発生器４８を、レーザビーム４１Ａ、４２Ａの光路上に配置する。

ＰＢＳ４６で重畳されたレーザビーム４１Ａ、４２Ａは、λ／４板４７を透過した後、戻り光発生器４８の反射フィルタ４８ｂに入射する。入射したレーザビーム４１Ａ、４２Ａの１２％は反射フィルタ４８ｂで反射され、λ／４板４７を経由し、重畳されたレーザビーム４１Ａ、４２Ａの経路を逆向きに伝搬してＰＢＳ４６に入射する。本図においては、レーザビーム４１Ａ、４２Ａの反射光を、それぞれ戻り光４１ｂ、４２ｂと表示した。反射フィルタ４８ｂを透過したレーザビーム４１Ａ、４２Ａの８８％は、反射ミラー４８ａに入射し、これに反射されてビームダンパ４９に吸収される。レーザビーム４１Ａ、４２Ａは、ビーム出射装置を出射せず、加工対象物２０に照射されることはない。

戻り光４１ｂは、ＰＢＳ４６と反射フィルタ４８ｂとの間の光路上に配置されたλ／４板４７を往復しているため、ＰＢＳ４６のビーム入射面に対するＳ波としてこれに入射して反射され、レーザビーム４２Ａの経路を逆向きに伝搬してレーザ光源４２の波長変換素子４２ｘに入射する。また戻り光４２ｂは、同様の理由から、ＰＢＳ４６のビーム入射面に対するＰ波としてこれに入射して透過し、レーザビーム４１Ａの経路を逆向きに伝搬してレーザ光源４１の波長変換素子４１ｘに入射する。

第４の実施例においては、レーザビーム４１Ａの加工時の戻り光４１ａ、非加工時の戻り光４１ｂは、ともにレーザ光源４１の波長変換素子４１ｘに入射した。また、レーザビーム４２Ａの加工時の戻り光４２ａ、非加工時の戻り光４２ｂは、ともにレーザ光源４２の波長変換素子４２ｘに入射した。第５の実施例においても、レーザビームの戻り光が、加工時と非加工時において、同一の波長変換素子に入射する構成は等しい。すなわち第５の実施例においては、レーザビーム４１Ａの加工時の戻り光４１ａ、非加工時の戻り光４１ｂは、ともにレーザ光源４２の波長変換素子４２ｘに入射し、レーザビーム４２Ａの加工時の戻り光４２ａ、非加工時の戻り光４２ｂは、ともにレーザ光源４１の波長変換素子４１ｘに入射する。

第５の実施例によるレーザ加工装置においては、第４の実施例と同様の効果が奏される。

上述の説明とも重複するが、実施例によるレーザ加工装置を用いて、概略、以下のレーザ加工方法が可能である。

まず加工中に発生し、レーザ光源の波長変換素子に入射する戻り光の量（パワー）を測定し把握する。たとえば戻り光が出射光の１２％であることを把握する。これはたとえば加工に先立ち、レーザ強度等のレーザ照射条件や加工対象物を、実際の加工と等しくして測定する。そして、加工を行う際には、加工前や加工と加工との間の時間に、把握された戻り光の量に基づいて決定された量の光、たとえば出射光の１２％のパワーの光をレーザ光源の波長変換素子に付加する。こうすることで波長変換素子の状態を一定に保ち、レーザ特性を安定させることができるため、高い品質で加工を行うことが可能となる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが本発明はこれらに制限されるものではない。

たとえば反射ミラー４８ａではなく、プリズム等を用いてレーザビームを偏向させてもよい。

また、実施例においては、固体レーザとしてＮｄ：ＹＡＧレーザを使用したが、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ等を使用することができる。

更に、波長変換素子に用いられる非線形光学結晶としては、ＬＢＯ結晶のほか、ＫＴＰ、ＫＮｂＯ_３、β‐ＢＢＯ等の結晶が使用可能である。

また、第４、第５の実施例においては、非加工時に戻り光を発生させるために、第１の実施例と同様の構成を用いたが、第２、第３の実施例と同様の構成を用いることもできる。

更に、実施例においては、レーザ発振器を出射したレーザビームが波長変換素子に入射する構成を採用したが、波長変換素子を含むレーザ発振器を使用してもよい。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

波長変換素子の特性が変化する要因となる反射光の影響を受ける加工に、好適に利用可能である。

１０、１１、１２ レーザ光源
１０Ａ、１１Ａ、１２Ａ レーザビーム
１０ａ、１１ａ、１２ａ 戻り光
１０ｗ、１１ｗ、１２ｗ レーザ発振器
１０ｘ、１１ｘ、１２ｘ 波長変換素子
１０ｙ、１１ｙ、１２ｙ 温度計
１０ｚ、１１ｚ、１２ｚ ヒータ
１３、１５ 反射ミラー
１４ 集光光学系
１６ ＰＢＳ
１７ λ／４板
２０ 加工対象物
３０ ステージ
４０、４１、４２ レーザ光源
４０Ａ、４１Ａ、４２Ａ レーザビーム
４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４２ａ、４１ｂ、４２ｂ 戻り光
４０ｗ、４１ｗ、４２ｗ レーザ発振器
４０ｘ、４１ｘ、４２ｘ 波長変換素子
４０ｙ、４１ｙ、４２ｙ 温度計
４０ｚ、４１ｚ、４２ｚ ヒータ
４３、４５ 反射ミラー
４４ 集光光学系
４６ ＰＢＳ
４７ λ／４板
４８ 戻り光発生器
４８ａ 反射ミラー
４８ｂ 反射フィルタ
４９ ビームダンパ
５０ 制御装置

Claims (7)

1. レーザビームを出射するビーム出射装置と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記ビーム出射装置を出射したレーザビームを、前記ステージに伝搬する光学系と、
   前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替える制御装置と
   を有し、
   前記ビーム出射装置は、
   レーザ光の波長を変換する波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射するレーザ光源と、
   外部から与えられる信号により、前記レーザ光源を出射したレーザビームの一部を前記レーザビームの経路を逆向きに伝搬するように反射するとともに、残余のレーザビームを前記ビーム出射装置の外部に出射させない戻り光発生装置と
   を備え、
   前記制御装置は、前記戻り光発生装置への信号で、前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替え、
   前記光学系は、前記ビーム出射装置から出射したレーザビームを集光して、前記ステージ上に載置された加工対象物に入射させる集光光学系を含むレーザ加工装置。
2. 前記戻り光発生装置は、
   入射するレーザビームの一部を透過させ、一部を反射させる部分反射ミラーと、
   前記部分反射ミラーを透過するレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームを偏向させるビーム偏向器と、
   前記ビーム偏向器で偏向されるレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームを吸収するビームダンパと
   を含み、
   前記制御装置は、前記戻り光発生装置への信号で、前記レーザ光源を出射したレーザビームが前記部分反射ミラーに入射し、前記部分反射ミラーで反射されたレーザビームが前記レーザビームの経路を逆向きに伝搬し、前記波長変換素子に入射するように、前記戻り
   光発生器を制御する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記戻り光発生装置は、
   入射するレーザビームを偏向させるビーム偏向器と、
   前記ビーム偏向器で偏向されるレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームの一部を透過させ、一部を反射させる部分反射ミラーと、
   前記部分反射ミラーを透過するレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームを吸収するビームダンパと
   を含み、
   前記制御装置は、前記戻り光発生装置への信号で、前記レーザ光源を出射したレーザビームが前記ビーム偏向器に入射し、前記部分反射ミラーで反射されたレーザビームが前記レーザビームの経路を逆向きに伝搬し、前記波長変換素子に入射するように、前記戻り光発生器を制御する請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. レーザビームを出射するビーム出射装置と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記ビーム出射装置を出射したレーザビームを、前記ステージに伝搬する光学系と、
   前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替える制御装置と
   を有し、
   前記ビーム出射装置は、
   レーザ光の波長を変換する波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射するレーザ光源と、
   外部から与えられる信号により、前記レーザ光源を出射したレーザビームの一部を前記レーザビームの経路を逆向きに伝搬するように反射するとともに、残余のレーザビームを前記ビーム出射装置の外部に出射させない戻り光発生装置と
   を備え、
   前記制御装置は、前記戻り光発生装置への信号で、前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替え、
   前記戻り光発生装置は、
   入射するレーザビームを透過させる透光領域と、入射するレーザビームの一部を透過させ、一部を反射させる部分反射領域とを備える光学素子であって、前記透光領域と前記部分反射領域のいずれか一方が選択的に前記レーザ光源を出射したレーザビームの光路上に配置され、前記レーザ光源を出射したレーザビームが前記部分反射領域に入射する場合には、反射されたレーザビームを前記波長変換素子に入射させる光学素子と、
   入射するレーザビームを偏向させるビーム偏向器と、
   前記ビーム偏向器で偏向されるレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームを吸収するビームダンパと
   を含み、
   前記制御装置は、前記戻り光発生装置への信号で、前記レーザ光源を出射したレーザビームが、前記光学素子の部分反射領域に入射するときに、前記ビーム偏向器が、前記光学素子を透過したレーザビームの光路上に配置され、前記光学素子の透光領域に入射するときには、前記ビーム偏向器が、前記光学素子を透過したレーザビームの光路上に配置されず、前記レーザ光源を出射したレーザビームが前記ビーム出射装置を出射するように、前記戻り光発生器を制御するレーザ加工装置。
5. 前記ビーム出射装置は、
   前記レーザ光源として、レーザ光の波長を変換する第１の波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射する第１のレーザ光源と、レーザ光の波長を変換する第２の波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射する第２のレーザ光源とを
   備え、
   更に、前記第１のレーザ光源を出射したレーザビームと、前記第２のレーザ光源を出射したレーザビームとを同一光軸上に重畳するビーム重畳器とを有し、
   前記戻り光発生装置は、前記制御装置から与えられる信号により、前記ビーム重畳器で重畳されたレーザビームの一部を前記重畳されたレーザビームの経路を逆向きに伝搬するように反射するとともに、残余のレーザビームを吸収する請求項１に記載のレーザ加工装置。
6. レーザビームを出射するビーム出射装置と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記ビーム出射装置を出射したレーザビームを、前記ステージに伝搬する光学系と、
   前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替える制御装置と
   を有し、
   前記ビーム出射装置は、
   レーザ光の波長を変換する波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射するレーザ光源と、
   外部から与えられる信号により、前記レーザ光源を出射したレーザビームの一部を前記レーザビームの経路を逆向きに伝搬するように反射するとともに、残余のレーザビームを前記ビーム出射装置の外部に出射させない戻り光発生装置と
   を備え、
   前記制御装置は、前記戻り光発生装置への信号で、前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替え、
   前記ビーム出射装置は、
   前記レーザ光源として、レーザ光の波長を変換する第１の波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射する第１のレーザ光源と、レーザ光の波長を変換する第２の波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射する第２のレーザ光源とを備え、
   更に、前記第１のレーザ光源を出射したレーザビームと、前記第２のレーザ光源を出射したレーザビームとを同一光軸上に重畳するビーム重畳器とを有し、
   前記戻り光発生装置は、前記制御装置から与えられる信号により、前記ビーム重畳器で重畳されたレーザビームの一部を前記重畳されたレーザビームの経路を逆向きに伝搬するように反射するとともに、残余のレーザビームを吸収し、
   前記ビーム重畳器は偏光ビームスプリッタであり、
   前記第１のレーザ光源を出射したレーザビームは、前記偏光ビームスプリッタのビーム入射面に対するＰ波としてこれに入射し、
   前記第２のレーザ光源を出射したレーザビームは、前記偏光ビームスプリッタのビーム入射面に対するＳ波としてこれに入射し、
   前記戻り光発生装置は、前記偏光ビームスプリッタで重畳されたレーザビームのうち、前記第１のレーザ光源を出射したレーザビームの一部を前記第１の波長変換素子に入射させ、前記第２のレーザ光源を出射したレーザビームの一部を前記第２の波長変換素子に入射させるレーザ加工装置。
7. レーザビームを出射するビーム出射装置と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記ビーム出射装置を出射したレーザビームを、前記ステージに伝搬する光学系と、
   前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替える制御装置と
   を有し、
   前記ビーム出射装置は、
   レーザ光の波長を変換する波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射するレーザ光源と、
   外部から与えられる信号により、前記レーザ光源を出射したレーザビームの一部を前記レーザビームの経路を逆向きに伝搬するように反射するとともに、残余のレーザビームを前記ビーム出射装置の外部に出射させない戻り光発生装置と
   を備え、
   前記制御装置は、前記戻り光発生装置への信号で、前記ビーム出射装置からレーザビームが出射する状態と出射しない状態とを切り替え、
   前記ビーム出射装置は、
   前記レーザ光源として、レーザ光の波長を変換する第１の波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射する第１のレーザ光源と、レーザ光の波長を変換する第２の波長変換素子を含み、レーザ媒質の励起波長の高調波を出射する第２のレーザ光源とを備え、
   更に、前記第１のレーザ光源を出射したレーザビームと、前記第２のレーザ光源を出射したレーザビームとを同一光軸上に重畳するビーム重畳器とを有し、
   前記戻り光発生装置は、前記制御装置から与えられる信号により、前記ビーム重畳器で重畳されたレーザビームの一部を前記重畳されたレーザビームの経路を逆向きに伝搬するように反射するとともに、残余のレーザビームを吸収し、
   前記ビーム重畳器は偏光ビームスプリッタであり、
   前記第１のレーザ光源を出射したレーザビームは、前記偏光ビームスプリッタのビーム入射面に対するＰ波としてこれに入射し、
   前記第２のレーザ光源を出射したレーザビームは、前記偏光ビームスプリッタのビーム入射面に対するＳ波としてこれに入射し、
   前記ビーム出射装置は、更に、前記偏光ビームスプリッタで重畳されたレーザビームの光路上に配置され、透過するレーザビームの直交する偏光成分の間に９０°の位相差を生じさせることが可能な位相差発生器を含み、
   前記戻り光発生装置は、前記偏光ビームスプリッタで重畳されたレーザビームのうち、前記第１のレーザ光源を出射したレーザビームの一部を前記第２の波長変換素子に入射させ、前記第２のレーザ光源を出射したレーザビームの一部を前記第１の波長変換素子に入射させるレーザ加工装置。
   

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