JP5518867B2 - レーザ加工システムにおける補償光学ビーム整形 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工に関する。具体的には、本発明は材質加工中に補償光学系を用いてレーザビームの空間強度プロファイルの形状を高速に変化させることに関する。

多くのレーザ加工システムは、加工面において特定の空間強度プロファイルを有する加工点を用いて、特定のレーザ加工を最適化する。所望の空間強度プロファイルを生成するためのビーム整形法には、例えば回折光学素子または屈折光学素子を用いる手法が含まれる。しかしこれらのアプローチは、許容可能な出力ビーム特性を維持するため一般に必要となる入力レーザビームの許容値（例えば、位置、直径、モード品質、その他のパラメータ）が限られているため、設計変更をもたらす。生成レーザ加工システムは、入力レーザビーム特性および／またはレーザビーム出射光学部品が様々であるにもかかわらず、一般に上記のような出力ビーム特性を満たすように設計されている。上記のような多様性は、例えば時間変化、温度変化、および／またはシステム構成要素の相違（例えば、システム毎の相違）によって生じ得る。

所望の空間強度プロファイルを有するレーザビームを生成する一般的なアプローチは、適正動作のためのビーム特性に依存する、事前に設計されたハード光学素子を用いる。例えば、回折光学素子（ＤＯＥ）は、特定の重心、ＸおよびＹ直径、空間モード内容、および波面誤差を有するガウスビームともに用いると、所望の特性（例えば、ピーク強度変化、空間カットオフ帯域、最大サイドローブ振幅、およびその他の特性）を有する整形されたビームを生成する。しかし出力整形ビーム特性は、ＤＯＥを設計するために用いられた仕様から入力ビーム特性が逸脱するのにともなって、劣化する。

ＤＯＥは一般に特定用途向けに作成されるので、ＤＯＥをいったん設計すると出力ビーム形状を容易に修正することができない。したがって、特定のレーザ加工が加工品質またはスピードを最適化するため新たな出力ビーム形状または様々な出力ビーム形状を用いる場合、事前設計されたハード光学素子を用いる既存の手法は、扱いにくく、および／または非実用的である。この例外は、スケーリング（例えば、可変倍率を介して）と回転（例えば、ドーブプリズムのようなデバイスを介して）によって出力ビームを操作する場合である。これら手法は、用途によっては適切であるが、他の用途においては不適切または制約が生じる可能性がある。

したがって、本発明の実施形態は、高速かつ柔軟に加工ビームを修正し、特定用途（または用途のサブセット）向けに改善された、または最適なビームプロファイルを決定および実装するレーザ加工システムを含む。システムは、ビーム整形サブシステムがレーザ加工システムの変化から受ける影響度を緩和する。この変化は、製造公差、熱ドリフト、構成要素の性能変化、およびその他のシステム変化の原因を含む。実施形態は、より品質の低いレーザビーム（Ｍ^２値がより高い）を操作して、許容可能な整形ビームプロファイルを提供する。

１実施形態において、被加工物を加工する方法は、選択的に整形された空間強度プロファイルを有するレーザビームを用いる。同方法は、被加工物の第１部分を加工特性の第１セットに関連付け、被加工物の第２部分を加工特性の第２セットに関連付けるステップを有する。同方法はまた、第１空間強度プロファイルを第１特性セットに関連付け、第２空間強度プロファイルを第２特性セットに関連付けるステップを有する。１以上の補償光学モジュールは、入力レーザビームの位相と振幅のうち少なくとも１つを変調し、第１空間強度プロファイルを有する出力レーザビームを生成する。第１空間強度プロファイルを有する出力レーザビームは、被加工物の第１部分を加工する。同方法はまた、１以上の補償光学素子を用いて入力レーザビームの変調を調整することによって、所定のスイッチング時間内に出力レーザビームの第１空間強度プロファイルから出力レーザビームの第２空間強度プロファイルへ動的にスイッチングするステップ、第２空間強度プロファイルを有する出力レーザビームを用いて被加工物の第２部分を加工するステップ、を有する。実施形態によっては、所定のスイッチング時間は約１００μｓから約５ｍｓの間の範囲内である。

他実施形態において、レーザ加工システムは、選択的に整形された空間強度プロファイルを用いて被加工物を加工する。システムは、入力レーザビームを生成するレーザ源、低次横モードを有する第1ビーム成分と第１ビーム成分より高次の横モードを有する第２ビーム成分へ入力レーザビームを空間的に分離する空間フィルタ、を備える。システムはまた、第１ビーム成分の位相と振幅のうち少なくとも１つを変調する第１補償光学素子、第２ビーム成分の位相と振幅のうち少なくとも１つを変調する第２補償光学素子、変調された第１ビーム成分と変調された第２ビーム成分を被加工物の加工のための出力レーザビームへ再結合する光学素子、を備える。

さらなる側面と利点は、添付する図面とともに説明する以下の実施形態の詳細記述から明らかになるであろう。

１実施形態に基づく、位相／振幅変調器を備えるレーザ加工システムのブロック図である。 １実施形態に基づく、被加工物の異なる部分を異なる空間強度プロファイルでレーザ加工する方法のフローチャートである。 １実施形態に基づく、位相／振幅変調器として用いることのできる可変鏡の側断面図を示す概略図である。 １実施形態に基づく、フィードバックを備えるレーザ加工システムのブロック図である。 １実施形態に基づく、フィードバックを用いるレーザ加工方法のフロー図である。 １実施形態に基づく、高品質ビームモードと低品質ビームモードを個別に修正するように構成されたレーザ加工システムのブロック図である。 １実施形態に基づく、図６に示すレーザ加工システムの空間フィルタリングを示す概略図である。 １実施形態に基づく、高品質ビームモードと低品質ビームモードを個別に修正するレーザ加工方法を示すフロー図である。 １実施形態に基づく、線形偏光された加工ビームを高品質成分と低品質成分に分離する空間フィルタのブロック図である。

補償光学素子は、レーザ加工システムの光学素子列に統合され、柔軟かつ高速に加工ビームの空間強度プロファイルを整形する。補償光学素子は、２つの空間強度プロファイルの間で高速スイッチングするため、レーザビームを位相変調および／または振幅変調するように構成されている。開示する実施形態において位相変調および／または振幅変調のいずれも用いることができるが、振幅変調よりも比較的高い光学効率を維持することができるので、実施形態によっては位相変調のほうが望ましい。レーザ加工システムが出力を第１空間強度プロファイルから第２空間強度プロファイルへ変更するために用いる時間は、以下では「スイッチング時間」と呼ぶ場合がある。例えば１実施形態において、レーザ加工システムのスイッチング時間は、約１００μｓから約５ｍｓの間の範囲内にある。当業者は、本開示から、特定用途のために選択された補償光学素子の反応性に応じて、その他のスイッチング時間を用いることができることを理解するであろう。

１実施形態に基づくレーザ加工システムは、選択的に修正することのできる特性を有する整形された加工ビームを生成するように構成されている。例えばシステムは、楕円形に整形された空間強度プロファイルを有するレーザビームを生成し、被加工物内の溝の線形部分を切断することができる。システムは次に、円形に整形された空間強度プロファイルを有するレーザビームへスイッチし、被加工物内の溝の曲がった部分を切断することができる。他例において、システムは比較的大きく整形されたビームを用いて被加工物の部位を加工し、強く集束したガウス正規形スポットを用いて被加工物の他部位を加工することができる。他例において、システムは特定のサイズとフルエンスの第1整形ビームを用いて低密度領域を加工することができる。システムは次に、第１整形ビームとパワーは同じだがフルエンスの高い第２のより小さく整形されたビームを用いて、より高密度の領域を加工することができる。さらに他の例では、システムは被加工物の加工中に整形ビームの方向を変更することができる。例えばシステムは、被加工物内の溝の角部分を切断するとき、方形ビームの軸を約９０度（例えば、Ｘ軸からＹ軸へ）回転することができる。

以上に加えて、または他実施形態において、レーザ加工システムは、所望の空間強度プロファイルとなるように追加調節または補正調節するため、補償光学素子へフィードバックを提供する。例えば、加工ビームの最適特性（例えば、形状、解像度、アポディゼーション、波面、及び他の特性）は、事前には十分に分かっていない可能性がある。そのような実施形態においては、システムは加工ビームプロファイルを高速修正し、被加工物に対するパフォーマンスを評価するように構成されている。上述のように、一連のハード光学ビーム整形器を介して繰り返してプロファイルを評価することは実施すべきでないし、望ましくない。しかし実施形態では、この手順を大幅に簡易化する。

以上に加えて、または他実施形態において、レーザ加工システムは、高品質ビームモード（例えば、ＴＥＭ_００モード）を低品質ビームモード（例えば、ＴＥＭ_００でないモード）から分離する空間フィルタ分離器を備える。システムは、例えば２以上の補償光学素子を用いて、高品質ビームモードと低品質ビームモードを個別に修正する。システムは次に、被加工物を加工するため、修正された高品質モードを修正された低品質モードと結合する。一般に、空間フィルタリングを用いる従来のシステムは、低品質ビームモードを出力ビームから実質的に除去する。これは、出力ビームのパワーを減少させる犠牲の下で出力ビームの解像度を増加させる。本開示のように、補償光学素子を用いて高品質モードと低品質モードを個別に修正することにより、システムはモードを再結合し、パワー損失の少ない高解像度プロファイルを生成することができる。

したがって、レーザ加工システムは、劣化したまたは低品質なレーザビームを用い、またはこれらを用いるように調整することができる。例えば、所望の特性（例えば、パルスエネルギー、パルス周波数、パルス幅、波長、およびその他の特性）を有するがビーム品質（例えば、Ｍ^２ビーム品質）が劣るレーザ源を利用することは、有用である。従来のビーム整形光学素子は、入力ビームが高品質（Ｍ^２が低い）ビームであることを必要とし、および／または仮定している。入力ビーム品質が劣化していると、出力ビーム形状は、所望用途において効果的にまたは合理的に用いることのできない段階まで次第に劣化する場合がある。場合によっては、個々のビームの特性は許容範囲（ビーム整形設計過程において知ることができれば）であるが、レーザ加工中に変化し、一定のパフォーマンスが容易には得られない。しかしここに開示する実施形態によれば、システムは入力ビームの高品質成分と低品質成分を個別に修正し、低品質または劣化した入力ビームであっても被加工物を加工するために用いることができる。

図面において、同様の構成要素には同様の符号を付与している。以下の説明では、ここに開示する実施形態を完全に理解するため、多くの詳細説明が提供される。しかし当業者は、実施形態が１以上の詳細部分を用いずに、または他の手法、構成要素、もしくは材質を用いて実施できることを理解するであろう。さらに、場合によっては、よく知られている構造、材質、または操作は、実施形態の特徴を没却させないため、詳細には提示ないし説明しない場合もある。さらには、説明する特徴、構造、または特性は、１以上の実施形態において適切な形態で結合することができる。

図１は、１実施形態に基づく、位相／振幅変調器１１０を備えるレーザ加工システム１００のブロック図である。レーザ加工システム１００はまた、対物レンズ１１２と制御システム１１４を備えることができる。制御システム１１４は、例えばプロセッサと、本発明に係る方法を実行するために用いるコンピュータ実行可能な命令およびデータを記憶するように構成されたコンピュータ記憶媒体（図示せず）を備えることができる。位相／振幅変調器１１０は、入力加工レーザビーム１１６の空間強度プロファイルを柔軟かつ高速に整形するため、レーザ加工システム１００の光学素子列に統合された補償光学素子を備える。対物レンズ１１２は、位相／振幅変調器１１０から受け取った調整済みの加工レーザビーム１１８を被加工物１２０に集束させ（例えば、スクライビング、ダイシング、ビア穴開け、および／またはその他の材質加工のため）、所望形状の加工ビームを生成する。

図１に示すように、位相／振幅変調器１１０は、制御システム１１４から受け取った制御信号に基づき、入力加工ビーム１１６を位相変調および／または振幅変調するように構成されている。位相／振幅変調器１１０の動作は、基本フーリエ光学素子に基づいている。例えば、レンズの前方主平面におけるビームのフーリエ変換は、レンズの後方焦点面において提供される。したがって、位相／振幅変調器１１０は、入力加工ビーム１１６の位相特性および／または振幅特性を操作し、出力焦点面において任意に整形された空間強度プロファイルを生成する。当業者は、本開示から、空間強度プロファイルの形状は光学系の回折制約に依拠する（例えば、ビーム直径、焦点距離、およびその他の制約に関連する）ことを理解するであろう。

１実施形態において、制御システム１１４は、出力ビーム１１８の特定の空間強度プロファイルを生成するため、所定の入力信号セットを位相／振幅変調器１１０へ提供する。例えば、既知の入力ビーム１１６特性（例えば、位相と振幅の分散）と所望の出力ビーム１１８特性が与えられると、制御システム１１４は位相／振幅変調器１１０の特性を事前計算する（所与の光学系の回折制約の下で実行可能な手段が存在すると仮定する）。１実施形態において、例えば繰り返しＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムを用いて、変調を事前計算することができる。位相／振幅変調器１１０の特性は、例えば特定の空間強度プロファイルに対応する事前に実施されたテストまたは経験に基づくことができる。

１実施形態において、制御システム１１４は、複数の異なる所望出力ビーム１１８特性について、入力信号または位相／振幅変調器１１０の特性を事前計算する。したがって、位相／振幅変調器１１０は、加工中にその特性をスイッチし、制御システム１１４の指示に応じて様々な出力ビームを提供することができる。上述のように、位相／振幅変調器１１０は、被加工物１２０の特定の形状または部位に応じて、その特性をスイッチすることができる（例えば、溝の線形部分から曲がった部分への変化、または低密度領域から高密度領域への変化）。

図２は、被加工物の異なる部分を異なる空間強度プロファイルでレーザ加工する方法２００の１実施形態に基づくフローチャートである。図１と図２を参照すると、方法２００は、入力レーザビーム１１６を生成するステップ２１０、入力レーザビーム１１６の位相および／または振幅を変調して第１空間強度プロファイルを取得するステップ２１２、を有する。方法２００はまた、被加工物１２０の第１部分を、第１空間強度プロファイルを有する出力レーザビーム１１８で加工するステップ２１４を有する。制御システム１１４は、例えば被加工物１２０の第１部分を第１空間強度プロファイルに関連付けるようにプログラムすることができる。１実施形態において、被加工物１２０の第１部分は、第１空間強度プロファイルに関連付けられる形状（例えば、線形溝、曲がった溝、または特定密度を有する材質）または構造（例えば、可溶性リンク）に関連付けることができる。

方法２００はまた、入力レーザビーム１１６の位相および／または振幅を変調し、第２空間強度プロファイルを取得するステップ２１６を有する。方法２００はさらに、被加工物１２０の第２部分を、第２空間強度プロファイルを有する出力レーザビームで加工するステップ２１８を有する。第１空間強度プロファイルを用いる場合と同様に、制御システム１１４は、被加工物１２０の第２部分を第２空間強度プロファイルに関連付け、および／または形状もしくは構造の種類を第２空間強度プロファイルに関連付けるようにプログラムすることができる。

方法３００は、入力加工ビーム１１６の位相および／または振幅を変調する補償光学素子を用いて、第１空間強度プロファイルと第２空間強度プロファイルの間の高速スイッチング時間を提供する。例えば、マイクロミラーアレイを用いて、振幅変調を実施することができる。しかし、振幅のみで変調すると、光学効率とスポットサイズが限定される可能性がある。したがって、実施形態によっては、位相変調を振幅変調と組み合わせる（または代わりに用いる）。上述のように、１実施形態において、スイッチング時間は約１００μｓから約５ｍｓの間の範囲内にある。当業者は、本開示から、約１００μｓよりも短く約５ｍｓよりも長い、その他多くのスイッチング時間を用いることができることを理解するであろう。例えば１実施形態において、電気光学空間光変調器を用いる場合、スイッチング時間は約１０μｓである。

上述のように、位相／振幅変調器１１０は、本発明の実施形態に基づくビーム整形を実装することができる補償光学素子を備える。上記補償光学素子は、比較的高価でかつ工業品質の構成部品がないため、レーザ加工用途においては広範には用いられていない。しかし最近では、コストが許容可能なレベルにまで下がっているので、上記構成部品を選択することが広まっている。さらに、高反射性誘電体コーティングへ適用するため、高いパワーレベルに耐え得る補償光学素子が入手できるようになってきている。

例えば液晶ベースの補償光学素子は、位相／振幅変調器１１０として用いることができる。液晶変調器（図示せず）は、２層の電極間に配置されたネマチックまたは強誘電体の液晶素子アレイを備えることができる。１層の電極は、マイクロパターンで電極アレイを形成することができる。電極に異なる電圧を印加することにより、液晶分子の方向がこれに応じて変化する。したがって、各液晶素子における屈折率または吸収を調整し、入力レーザビーム１１６の波面を変調することができる。

その他の種類の補償光学素子は、可変鏡である。図３は、１実施形態に基づく位相／振幅変調器１１０として用いることができる可変鏡３００の側断面図を示す概略図である。可変鏡３００は、シリコンウエハミラーフレーム３１２上に反射コーティング３１０を備える。反射コーティング３１０とミラーフレーム３１２は、ミラー膜３１４と導電コーティング３１６の上に配置されている。ミラー膜３１４は、例えばシリコン窒化物の薄層（例えば、約１μｍオーダー）を備える。ミラー膜３１４と導電コーティング３１６は、スペーサ３２０によってシリコンウエハパッドアレイ基板３１８から分離されている。導電材質（例えば金）を備えるアクチュエータパッドアレイ３２２は、シリコンウエハパッドアレイ基板３１８上に形成されている。動作中は、制御電圧がアクチュエータパッドアレイ３２２に印加され、ミラー膜３１４を静電的に変形させる。したがって、図１に示す制御システム１１４は、アクチュエータパッドアレイ３２２へ制御信号を提供し、ミラー面を最適化することができる。

当業者は、本開示から、上述の特定の液晶変調器と可変鏡３００は説明のためのみのものであり、その他の構成または補償光学素子を用いることができることを理解するであろう。例えば可変鏡は、個別の平坦ミラーセグメント、マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ）、または２以上の異なる材質層で作られたバイモルフ可変鏡によって形成された、セグメント化された可変鏡を備えることができる。

液晶変調器とは異なり、可変鏡は一般に、そのままでは任意形状を提供するようにプログラムすることができないデバイスである。可変鏡技術のなかには、「開ループ」モードにおいて用いるために較正し、任意形状（特定の精度範囲内で）を生成することができるものもある。例えば、カリフォルニア州バークレイのＩｒｉｓ ＡＯおよびその他の製造業者は、良好に較正することができる可変鏡を提供している。上記のような可変鏡を用いると、入力ビーム特性を検知し、鏡からのフィードバックを必要とせずに可変鏡へ開ループで指示することができる。開ループビーム整形制御は、入力ビーム１１６と可変鏡の特性をあらかじめ知っておくことによって実現することができるが、この特性は必ずしも常に適切に得ることができるわけではない。場合によっては、入力ビーム１１６および／または可変鏡の特性は、公称仕様から逸脱している可能性がある。そのような実施形態においては、位相／振幅変調器１１０の入力制御信号を修正することによって、出力ビーム１１８の所望の特性を得る。この場合、加工システム内に他のデバイスを設け、入力ビームおよび／または出力ビームの特性を監視することができる。

上記のような監視装置は、波面センサ（例えば、Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ方式波面センサ、ピラミッド波面センサ、その他の波面センサ）、点回折干渉計、平坦鏡干渉計、その他の計測デバイスなどの１以上の計測装置を備えることができる。これに代えて、出力ビーム１１８の特性は、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）カメラ、熱電対列アレイ、フォトダイオードアレイ、ナイフエッジ検出器、スリット検出器、その他の直接検出デバイスなどの素子を用いて直接評価することができる。

図４は、１実施形態に基づく、フィードバックを備えるレーザ加工システム４００のブロック図である。レーザ加工システム４００は、入力加工ビーム１１６を受け取る位相／振幅変調器１１０、対物レンズ１１２を介して出力ビーム１１８の一部を被加工物１２０へ向けさせるビーム分離器４１０、を備える。ビーム分離器４１０はまた、一連のレンズ４１２と４１４を介して、出力ビーム１１８の一部を制御システム１１４に接続された波面センサ４１６へ向けさせる。制御システム１１４は、波面センサ４１６によって測定された出力ビーム１１８の特性を、所望のまたは所定の特性セットと比較するように構成されている。制御システム１１４は、被加工物１２０を加工する出力ビーム１１８の特性を最適化するために用いる目標関数値を生成する。以下に説明するように、実施形態によっては、目標関数値はエラー信号の形態をとる。レンズ４１２と４１４は、変調された出力ビーム１１８の分離部分を波面センサ４１６の開口部のサイズにスケーリングし、ビームを対物レンズの主平面に合致させる。レンズ４１２と４１４を用いてビーム直径をスケーリングすることにより、制御システム１１４が出力ビーム１１８の特性を最適化する際に考慮に入れる波面スケーリングが生じる。同様に制御システム１１４は、以下に説明するレンズ４２０と４２２が提供する、入力ビームの波面スケーリングを考慮に入れる。

上記に加えて、または他実施形態において、入力ビーム１１６は監視することができる。例えば、実施形態によっては、システム４００は、他の一連のレンズ４２０と４２２を介して入力ビーム１１６の一部を制御システム１１４に接続された他の波面センサ４２４に向けさせる、他のビーム分離器４１８を備える。制御システム１１４は、波面センサ４２４が測定した入力ビーム１１６の特性を、所望のまたは所定の入力ビーム特性セットと比較するように構成することができる。制御システム１１４は次に、少なくとも部分的にその比較結果（これは、例えば上述の目標関数値と結合することができる）に基づいて、位相／振幅変調器１１０を制御し、出力ビーム１１８の特性を最適化することができる。

制御システム１１４は、入力ビーム１１６および／または出力ビーム１１８の特性を評価し、フィードバックループ内で位相／振幅変調器１１０の特性を修正することによって、出力ビーム１１８の所望の特性を、光学系と入力ビーム１１６の特性によって生じる制約内に最適化する。レーザ加工システム４００は、可能であれば（例えば、位相／振幅変調器の能力または回折もしくは光源面積（ｅｔｅｎｄｕｅ）によって生じる物理制約によって制約されていなければ）入力ビーム１１６の特性変化を動的に補正する。これは、容易に修正することができないハード光学ＤＯＥ素子を用いる際の利点となる。入力ビーム特性が所望の出力ビーム特性を実現することを妨げている場合でも、最善の（ただし準最適）出力ビーム１１８は加工用途で用いるのに適している場合もある。

制御システム１１４が出力ビーム１１８のプロファイルを最適化するために用いることができるアルゴリズムは、所望の出力ビーム１１８の特性を定量化する目標関数を間接手法ベースで最大化するステップを含む。例えば制御システム１１４は、複数の最適化手法（例えば、遺伝的アルゴリズム、局所凸最適法、またはその他公知の複数の手法）を用いることができる。他実施形態において、制御システム１１４は、入力ビーム１１６の特性を明示的に考慮に入れて位相／振幅変調器１１０の特性をこれに基づき修正する、直接手法を用いることができる。例えば制御システム１１４は、フーリエ変換アルゴリズムを直接適用して、所与の入力ビーム１１６を再整形し、所望の出力ビーム１１８を生成して、入力ビームの位相と振幅の歪みに対処することができる。他実施形態において、上述のように、繰り返しＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムを用いて変調を事前計算することができる。

図５は、１実施形態に基づく、フィードバックを用いるレーザ加工方法５００のフロー図である。図４と図５を参照すると、方法５００は、入力レーザビーム１１６を生成するステップ５１０、入力レーザビームの位相および／または振幅を変調して被加工物１２０を加工するための出力レーザビーム１１８を得るステップ５１２、を有する。方法５００はまた、入力ビーム１１６と出力ビーム１１８の少なくともいずれかの１以上の特性を監視するステップ５１４を有する。方法５００はさらに、出力ビーム１１８が所望の空間強度プロファイルを有するように、監視した特性に基づき入力ビーム１１６の変調を調整するステップ５１６を有する。

上述のように、実施形態によっては、レーザ加工システムは、ビームモードを分離し、高品質モード（例えばＴＥＭ_００）とその他のモード（ＴＥＭ_００ではない）を個別に操作し、被加工物を加工するための出力ビームへビームモードを再結合することによって、理想的ではない高Ｍ^２ビームを用いて動作することができる。高次ビーム成分は発光面積（ｅｔｅｎｄｕｅ）が大きいため高解像度の出力ビームを生成することができないので、そのような実施形態は、例えば出力ビーム解像度要件が厳しくない場合に適用することができる。

図６は、１実施形態に基づく、高品質ビームと低品質ビームを個別に修正するように構成されたレーザ加工システム６００のブロック図である。システム６００は、入力加工ビーム１１６を空間フィルタ分離器６１２へ集束させる入力レンズ６１０を備える。空間フィルタ分離器６１２は、低次ビームモード６１４を残存する高次ビームモード６１６から空間的に分離する。低次ビームモード６１４は、レンズ６１８によって再コリメートされ、第１位相／振幅変調器１１０（ａ）に提供される。高次ビーム変調器６１６は、他のレンズ６２０によって再コリメートされ、第２位相／振幅変調器１１０（ｂ）に提供される。

図７は、１実施形態に基づく、図６に示すレーザ加工システム６００の空間フィルタリングを示す概略図である。この例において、入力ビーム１１６は完全な平面波ではないと仮定する。したがって、回折によって、入力レンズ６１０は入力ビーム１１６を単一点に集束させない。むしろ、図７に示すように、入力レンズ６１０は、空間フィルタ分離器６１２の位置に対応して、焦点面（ＸＹ平面として示す）内の明るい領域と暗い領域の回折パターン７１０を生成する。この例において、回折パターン７１０は、一連の光の共心リング７１４（４つ図示している）に囲まれた中心光点７１２を有する。当業者は、本開示から、その他の回折パターンも可能であることを理解するであろう。

空間フィルタ分離器６１２は、所望の光が通過して弟１位相／振幅変調器１１０（ａ）に向かう開口または「ピンホール」を有する傾斜ミラーを備えることができる。この例では、ＴＥＭ_００モードに対応する中心光点７１２は、空間フィルタ分離器６１２のピンホールを通過して弟１位相／振幅変調器１１０（ａ）に到達し、弟１位相／振幅変調器１１０は非ＴＥＭ_００モードを弟２位相／振幅変調器１１０（ｂ）へ反射する。図６に示す特定の空間フィルタ分離器６１２の代替物は、図９を用いて以下で説明する。当業者は本開示から、他の種類の空間フィルタを用いることができることを理解するであろう。

レーザ加工システム６００は、弟１位相／振幅変調器１１０（ｂ）と第２位相／振幅変調器１１０（ｂ）を個別に制御して、ＴＥＭ_００モードと非ＴＥＭ_００モードの位相および／または振幅を個別に調整する、制御システム１１４を備える。半波長板６２２は、偏光ビーム分離器６２４が変調されたビームを再結合して出力ビーム１１８を形成することができるように、変調されたビーム（例えば、図７に示す例における高品質の低Ｍ^２モードビーム）のうち１つの偏光を回転させる。対物レンズ１１２は、出力ビーム１１８を被加工物１２０へ集束させる。

制御システム１１４は、個々の変調器１１０（ａ）、１１０（ｂ）を調整し、結合された出力ビームを最適化する。一般に、高次（非ＴＥＭ_００、非ガウシアン）ビームは、最適化した後でも比較的大きい集束点を形成する。これは、スポットサイズが所望の整形スポットサイズの範囲内である限りは許容できる。低次ビーム（ＴＥＭ_００ガウシアン）を操作して、高解像度を得るためにビームプロファイルの残部を「埋める」ことができる。低次ビームモードと高次ビームモードを双方用いることにより、出力ビーム１１８の総合的な品質と解像度は、高次ビームモードを破棄することによって出力ビームのパワーを減少させることなく、増加する。

図６には示していないが、１以上のセンサは、第１位相／振幅変調器１１０（ａ）および／または第２位相／振幅変調器１１０（ｂ）を調整するため、制御システム１１４へフィードバックを提供することができる。例えば、被加工物１２０上のレーザスポットは分析のためＣＣＤカメラで撮像され、または出力ビーム１１８の一部は分析のためＣＣＤカメラへ向けられる。制御システム１１４は、第１位相／振幅変調器１１０（ａ）と第２位相／振幅変調器１１０（ｂ）のいずれか少なくとも１つを調整するために用いられる目標関数値を得るため、カメラが検出した出力ビームのプロファイルを、所望のまたは目標とする参照ビームのプロファイルと比較することができる。

１実施形態において、制御システム１１４が取得する目標関数値は、エラー信号Ｅ_{ｓｉｇｎａｌ}の形態である。目標とする参照ビーム（目標ビームプロファイルＩ_{ｔａｒｇｅｔ}）の空間強度プロファイルは、以下のように表すことができる。

ａとｂは方向ｘとｙにおけるビーム幅、ｍとｎはビーム側部の勾配を特定する整数、ｘ_０とｙ_０はビーム中心の座標である。エラー信号Ｅ_{ｓｉｇｎａｌ}について、目標参照ビームとカメラが取得するビームの間のＲＭＳ誤差は、以下のように表すことができる。

Ｉ_{ｃａｍｅｒａ}は、ｃａｍｅｒａが測定する空間強度プロファイルである。

制御システム１１４は、エラー信号Ｅ_{ｓｉｇｎａｌ}を用いて、第１位相／振幅変調器１１０（ａ）と第２位相／振幅変調器１１０（ｂ）のうち少なくとも１つの入力（例えば、調整可能ミラーの電極アレイに印加される電圧）を調整する。

図８は、１実施形態に基づく、高品質ビームモードと低品質ビームモードを個別に修正するレーザ加工方法８００を示すフロー図である。図６と図８を参照すると、方法８００は、入力レーザビーム１１６を生成するステップ８１０、入力レーザビーム１１６を空間フィルタリングして低次横モードを有する第１ビーム成分６１６と１以上の高次横モードを有する第２ビーム成分６１６を生成するステップ、を有する。

方法８００はさらに、第１変調パラメータセットに基づき、第１ビーム成分６１４の位相および／または振幅を変調するステップ８１４を有する。第１変調パラメータセットは、例えば所望の空間強度プロファイルおよび／または解像度に基づき選択することができる。方法８００はまた、第２変調パラメータセットに基づき、第２ビーム成分６１６の位相および／または振幅を変調するステップ８１６を有する。第２変調パラメータセットは、例えば所望の空間強度プロファイルに基づき選択することができる。実施形態によっては、第２変調パラメータセットは、第１変調パラメータセットとは異なる。

方法８００はまた、変調された第１ビームを変調された第２ビームと結合し、所望の解像度と空間強度プロファイルを有し、実質的に対物レンズ１１２の焦点面に位置する、出力レーザビーム１１８を得るステップ８１８を有する。方法８００はさらに、被加工物１２０を出力レーザビーム１１８で加工するステップ８２０を有する。

この手法により、２つの変調器１１０（ａ）と１１０（ｂ）は、２つのビーム６１４と６１６を個別に操作し、各ビーム６１４と６１６の性能を、完全にまたは僅かな損失のみで（例えば、非ＴＥＭ_００モードを破棄することによってパワーを低減させることなしに）用いることができる。しかしその他の手法は、単一の変調器を用いて、分離されていないビームの位相特性および／または振幅特性を操作し、上述の最適化手法を用いて出力ビーム特性を最適化する。高品質ビーム成分と低品質ビーム成分の特性、および出力ビーム要件によっては、この手法で十分である。

図９は、１実施形態に基づく、線形偏光された加工ビーム１１６を高品質成分と低品質成分へ分離するための空間フィルタ９００のブロック図である。図９に示す空間フィルタ９００は、図６に示すシステム６００内の空間フィルタ分離器６１２（およびレンズ６１０、６１８、６２０のうち１以上）を置き換える。空間フィルタ９００は、高偏光感度ビーム分離器９１０、ファラデー回転子９１２、第１レンズ９１４、開口９１８を有するミラー９１６、第２レンズ９１８を備える。

高偏光感度ビーム分離器９１０は、線形偏光された加工ビーム１１６を通過させてファラデー回転子９１２へ向けさせるように構成されている。ファラデー回転子９１２は、線形偏光された加工ビーム１１６の偏光を回転（例えば４５度）させる。第１レンズ９１４は、回転したビームをミラー９１６の開口９１８へ集束させる。回転したビームの低次ビームモード６１４は、開口９１８を通過して第２レンズ９２０へ向かう。第２レンズ９２０は、低次ビームモード６１４を再コリメートし、上述の第１位相／振幅変調器１１０（ａ）へ向けて通過させる。

ミラー９１６は、第１レンズ９１４から受け取った、回転したビームの高次ビームモード６１６を第１レンズ９１４とファラデー回転子９１２へ反射する。ファラデー回転子９１２は、高偏光感度ビーム分離器９１０がこれらビームを上述の第２位相／振幅変調器１１０（ｂ）へ向けて反射するように、高次ビームモード６１６の偏光をさらに回転させる。

本開示の実施形態により、高速かつ柔軟に囲うレーザビームの強度プロファイルを修正し、特定用途および／または用途のサブセット向けの最適ビームプロファイルを決定および実装することができる。これにより、レーザ加工システムの変化に対するビーム整形サブシステムの感度を低減することができる。この変化には、製造公差、熱ドリフト、構成要素の性能変化、およびその他のシステム変化の原因を含む。実施形態のなかには、低品質レーザビーム（高いＭ^２値）を操作して許容可能な整形ビームプロファイルを提供するものもある。本開示の実施形態はまた同時に、ビーム位置合わせ、焦点面調整、加工ビーム波面補正、その他利点などの追加機能を提供する。

当業者は、本発明の原理から逸脱することなく、上述の実施形態の詳細部分に多くの変更を加えることができることを理解するであろう。例えば、１実施形態において、図４に示す位相／振幅変調器１１０の補正出力は、回折光学素子（ＤＯＥ）に向けることができる。回折光学素子は、出力ビーム１１８を所望の特性（例えば、ピーク強度変化、空間カットオフ帯域、最大サイドローブ振幅、およびその他の特性）で整形する。位相／振幅変調器１１０は、ＤＯＥが意図した通り動作するように入力ビーム１１６の逸脱を調整することができる。当業者は、本開示から、実施形態に対するその他の変形例を理解するであろう。したがって本発明の範囲は、特許請求の範囲のみから定められる。

Claims (20)

1. 選択的に整形された空間強度プロファイルを有するレーザビームを用いて被加工物を加工する方法であって、
   前記被加工物の第１部分を加工特性の第１セットと関連付け、前記被加工物の第２部分を加工特性の第２セットと関連付けるステップ、
   第１空間強度プロファイルを前記特性の第１セットと関連付け、第２空間強度プロファイルを前記特性の第２セットと関連付けるステップであって、前記第１および第２空間強度プロファイルは対物レンズの焦点面に実質的に入射する出力レーザビームの形状にそれぞれ対応しているステップ、
   入力レーザビームの位相と振幅のうち少なくとも１つを変調して、前記第１空間強度プロファイルを有する出力レーザビームを生成するステップであって、前記変調は１以上の補償光学素子によって実施されるステップ、
   前記第１空間強度プロファイルを有する前記出力レーザビームを用いて前記被加工物の前記第１部分を加工するステップ、
   所定のスイッチング時間の範囲内で、前記１以上の補償光学素子を用いて前記入力レーザビームの変調を調整することによって、前記出力レーザビームの前記第１空間強度プロファイルから前記出力レーザビームの前記第２空間強度プロファイルへ動的にスイッチするステップ、
   前記第２空間強度プロファイルを有する前記出力レーザビームを用いて前記被加工物の前記第２部分を加工するステップ、
   を有し、
   前記変調は、それぞれ個別に、第１変調特性セットを用いて低次横モードを有する第１ビーム成分を変調するとともに、第２変調特性セットを用いて高次横モードを有する第２ビーム成分を変調して、パワー損失が減少した高解像度を有する前記第１空間強度プロファイルを生成する
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第１空間強度プロファイルと前記第２空間強度プロファイルの間の前記スイッチング時間は、約１０μｓから約５ｍｓの間の範囲内にある
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記入力レーザビームと前記出力レーザビームのうち少なくとも１つの属性を測定するステップ、
   前記第１空間強度プロファイルの所定の属性と前記測定した属性の間の目標関数値を決定するステップ、
   前記目標関数値に基づき前記入力レーザビームの前記変調を調整して前記第１空間強度プロファイルを最適化するステップ、
   をさらに有することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記１以上の補償光学素子は、可変鏡、液晶変調器、電気光学空間光変調器を含むグループから選択されている
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記入力レーザビームを、前記低次横モードを有する前記第１ビーム成分と、前記第１ビーム成分と比較して高次の前記高次横モードを有する前記第２ビーム成分とへ空間フィルタリングするステップをさらに有する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記方法はさらに、
   前記変調された第１ビーム成分と前記変調された第２ビーム成分を再結合して、前記パワー損失が減少した高解像度を有する第１空間強度プロファイルを生成するステップ、
   を有することを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 選択的に整形された空間強度プロファイルを用いるレーザ加工システムであって、
   入力レーザビームを生成するレーザ源、
   前記入力レーザビームを、低次横モードを有する第１ビーム成分と、前記第１ビーム成分と比較して高次の横モードを有する第２ビーム成分とへ空間的に分離する空間フィルタ、
   前記第１ビーム成分の位相と振幅のうち少なくとも１つを変調する第１補償光学素子、
   前記第２ビーム成分の位相と振幅のうち少なくとも１つを変調する第２補償光学素子、
   前記変調された第１ビーム成分と前記変調された第２ビーム成分を、被加工物を加工するための出力レーザビームへ再結合する光学素子、
   を備えることを特徴とするシステム。
8. 実質的に対物レンズの焦点面に位置する前記出力レーザビームの第１空間強度プロファイルを調整するため前記第１補償光学素子の変調と前記第２補償光学素子の変調を制御する制御システムをさらに備える
   ことを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. 前記制御システムはさらに、
   前記被加工物の第１部分を加工するとき前記出力レーザビームの前記第１空間強度プロファイルを選択し、
   前記第１変調光学素子と前記第２補償光学素子の前記変調を変更して、前記第１空間強度プロファイルから、前記被加工物の第２部分を加工するとき実質的に前記対物レンズの焦点面に位置する第２空間強度プロファイルへスイッチする
   ように構成されていることを特徴とする請求項８記載のシステム。
10. 前記第１空間強度プロファイルから前記第２空間強度プロファイルへ変更するスイッチング時間は、約１０μｓから約５ｍｓの間の範囲内にある
    ことを特徴とする請求項９記載のシステム。
11. 前記入力レーザビームと前記出力レーザビームのうち少なくとも１つの特性を測定するセンサをさらに備え、
    前記制御システムは、前記第１空間強度プロファイルの所定の属性と前記測定した属性の間の目標関数値を決定し、
    前記制御システムは、前記目標関数値に基づき前記第１補償光学素子と前記第２補償光学素子を調整する
    ことを特徴とする請求項８記載のシステム。
12. 前記センサは、波面センサ、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）カメラ、熱電対列アレイ、フォトダイオードアレイ、ナイフエッジ検出器、スリット検出器を含むグループから選択されている
    ことを特徴とする請求項１１記載のシステム。
13. 前記第１補償光学素子と前記第２補償光学素子のうち少なくとも１つは、可変鏡、液晶変調器、電気光学空間光変調器を含むグループから選択されている
    ことを特徴とする請求項７記載のシステム。
14. 前記低次横モードはＴＥＭ_００モードであることを特徴とする請求項７記載のシステム。
15. 選択的に整形された空間強度プロファイルを有するレーザビームを用いて被加工物を加工する方法であって、
    入力レーザビームを、低次横モードを有する第１ビーム成分と、前記第１ビーム成分と比較して高次の横モードを有する第２ビーム成分とへ空間フィルタリングするステップ、
    第１変調特性セットを用いて前記第１ビーム成分の位相と振幅のうち少なくとも１つを変調するステップ、
    前記第１変調特性セットとは異なる第２変調特性セットを用いて前記第２ビーム成分の位相と振幅のうち少なくとも１つを変調するステップ、
    前記変調された第１ビーム成分と前記変調された第２ビーム成分を、実質的に対物レンズの焦点面に位置する第１空間強度プロファイルを有する出力レーザビームへ再結合するステップ、
    前記被加工物の第１部分を前記出力レーザビームで加工するステップ、
    を有することを特徴とする方法。
16. 前記被加工物の前記第１部分は第１タイプの形状に関連付けられ、前記被加工物の第２部分は第２タイプの形状に関連付けられ、前記方法はさらに、
    前記第１ビーム成分と前記第２ビーム成分のうち少なくとも１つの前記変調を調整し、前記第１空間強度プロファイルから、前記第２タイプの形状に関連付けられた第２空間強度プロファイルへスイッチするステップ、
    前記被加工物の第２部分を、実質的に前記対物レンズの焦点面に位置する前記第２空間強度プロファイルを有する前記出力レーザビームで加工するステップ、
    を有することを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 約１０μｓから約５ｍｓの間の範囲内のスイッチング時間の間に前記第１空間強度プロファイルから前記第２空間強度プロファイルへスイッチングするステップをさらに有する ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記入力レーザビームと前記出力レーザビームのうち少なくとも１つの特性を測定するステップ、
    前記第１空間強度プロファイルの所定の特性と前記測定した特性の間の目標関数値を決定するステップ、
    前記目標関数値に基づき前記第１ビーム成分と前記第２ビーム成分のうち少なくとも１つの前記変調を調整して前記第１空間強度プロファイルを最適化するステップ、
    をさらに有することを特徴とする請求項１５記載の方法。
19. 前記第１ビーム成分と前記第２ビーム成分の少なくとも１つを変調するステップは、
    可変鏡、液晶変調器、電気光学空間光変調器を含むグループから選択された補償光学素子の変調パラメータを制御するステップを有する
    ことを特徴とする請求項１５記載の方法。
20. 入力レーザビームを生成するレーザ源、
    前記入力レーザビームの位相と振幅のうち少なくとも１つを変調する補償光学素子であって、前記変調によって前記入力レーザビームの１以上の特性を補正する補償光学素子、
    実質的に対物レンズの焦点面に位置する選択された空間強度プロファイルを有する出力レーザビームを生成するため、前記補正された入力レーザビームを整形する回折光学素子、
    を備え、
    前記変調は、それぞれ個別に、第１変調特性セットを用いて低次横モードを有する第１ビーム成分を変調するとともに、第２変調特性セットを用いて高次横モードを有する第２ビーム成分を変調する
    ことを特徴とするレーザ加工システム。

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