JP5775811B2 - Laser processing apparatus and laser processing method - Google Patents

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Description

本発明は、加工対象物内部の加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。   The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method for processing inside a workpiece.

一般に、レーザ光は、ガウシアン分布のように、中央近傍が最も強く、周辺へ向けて次第に弱くなる強度分布を有することが多い。しかしながら、レーザ加工などにおいては、空間的に均一な強度分布を有するレーザ光が望まれている。この点に関し、特許文献1には、ホモジナイザを用いてレーザ光の強度分布を均一にすることが開示されている。この特許文献1に開示のレーザ加工装置は、ウェハの内部を加工(改質)するものであり、幅広い厚みのウェハを加工する際の加工時間を短縮するために、レーザ光を厚み方向に斜め線状に集光している。   In general, laser light often has an intensity distribution that is strongest near the center and gradually weakens toward the periphery, such as a Gaussian distribution. However, in laser processing or the like, a laser beam having a spatially uniform intensity distribution is desired. In this regard, Patent Document 1 discloses that the intensity distribution of laser light is made uniform using a homogenizer. The laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1 processes (modifies) the inside of a wafer, and in order to shorten the processing time when processing a wafer having a wide thickness, the laser beam is inclined in the thickness direction. Condensed linearly.

特開2009−172633号公報JP 2009-172633 A

ところで、加工対象物内部にレーザ光を集光する場合、収差(波面歪)が発生し、集光領域が伸張する。特許文献1に開示のレーザ加工装置では、加工対象物内部で発生する収差を考慮していないため、加工痕が加工深さ方向に伸張してしまい、予期しない割れが生じる虞がある。また、裏面近傍まで加工痕を形成する場合には、裏面まで突き抜けてしまう虞がある。   By the way, when condensing a laser beam inside the object to be processed, aberration (wavefront distortion) occurs, and the condensing region is expanded. Since the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1 does not consider the aberration generated inside the processing target, the processing trace extends in the processing depth direction, and there is a possibility that an unexpected crack may occur. Moreover, when forming a process trace to the back surface vicinity, there exists a possibility of penetrating to the back surface.

更に、加工対象物内部で発生する収差は、加工対象物内部の深さ方向の位置によって異なるものである。   Furthermore, the aberration generated inside the processing object varies depending on the position in the depth direction inside the processing object.

そこで、本発明は、加工対象物内部の深さ方向の異なる位置を加工する場合にも、適切に収差補正を行うこと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を目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser processing method capable of appropriately performing aberration correction even when processing different positions in the depth direction inside a processing target.

本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、レーザ光の強度分布を均一にするための強度変換レンズによって生じる波面変化を利用することにより、加工対象物内部で発生する収差を補正することが可能であることを見出した。また、本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、強度変換レンズと位相補正レンズとから構成されるホモジナイザにおける位相補正レンズに波面変化を持たせることにより、加工対象物内部で発生する収差を補正することが可能であることを見出した。   As a result of intensive studies, the inventors of the present application can correct aberrations occurring inside the workpiece by using the wavefront change caused by the intensity conversion lens for making the intensity distribution of the laser light uniform. I found it possible. In addition, as a result of intensive studies, the inventors of the present application have found that the aberration generated inside the object to be processed is obtained by giving the phase correction lens a wavefront change in the homogenizer composed of the intensity conversion lens and the phase correction lens. It was found that it is possible to correct.

そこで、本発明のレーザ加工装置は、光透過性を有する加工対象物内部にレーザ光を集光するレーザ加工装置であって、(a)レーザ光を生成する光源と、(b)光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する光整形部と、(c)光整形部からのレーザ光を加工対象物内部における加工位置に集光する集光レンズと、(d)光整形部を制御する制御部とを備える。そして、光整形部は、(b1)光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の強度変換レンズ、又は、(b2)光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズ、及び、強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を補正する位相補正レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の位相補正レンズを有し、制御部は、(d1)加工位置を変更する場合に、複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズを切り換える。   Therefore, the laser processing apparatus of the present invention is a laser processing apparatus that condenses laser light inside a workpiece having optical transparency, and includes (a) a light source that generates laser light, and (b) a light source from the light source. A light shaping unit that converts the intensity distribution of the laser light into a desired intensity distribution, (c) a condensing lens that condenses the laser light from the light shaping unit at a processing position inside the object to be processed; And a control unit for controlling the light shaping unit. The light shaping unit (b1) is an intensity conversion lens that converts the intensity distribution of the laser light from the light source into a desired intensity distribution, and a plurality of intensity conversion lenses that generate different wavefronts, or (B2) An intensity conversion lens that converts the intensity distribution of the laser light from the light source into a desired intensity distribution, and a phase correction lens that corrects the phase of the emitted laser light from the intensity conversion lens, which are different from each other. The control unit has a plurality of phase correction lenses for generating a wavefront, and (d1) switches a plurality of intensity conversion lenses or a plurality of phase correction lenses when changing the processing position.

また、本発明のレーザ加工方法は、(a)レーザ光を生成する光源と、(b)光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する光整形部と、(c)光整形部からのレーザ光を加工対象物内部における加工位置に集光する集光レンズとを備えるレーザ加工装置のレーザ加工方法である。ここで、光整形部は、(b1)光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の強度変換レンズ、又は、(b2)光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズ、及び、当該強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を補正する位相補正レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の位相補正レンズを有する。このレーザ加工方法は、(e1)加工対象物内部における加工位置を設定又は変更し、(e2)加工位置の設定又は変更に応じて、複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズを切り換え、(e3)光源からのレーザ光を加工対象物における加工位置へ照射する。   The laser processing method of the present invention includes (a) a light source that generates laser light, (b) a light shaping unit that converts the intensity distribution of the laser light from the light source and shapes the laser light into a desired intensity distribution, and (c) ) A laser processing method of a laser processing apparatus including a condensing lens that condenses laser light from a light shaping unit at a processing position inside a processing target. Here, the light shaping unit (b1) is an intensity conversion lens that converts the intensity distribution of the laser light from the light source and shapes the laser light into a desired intensity distribution, and a plurality of intensity conversion lenses that generate different wavefronts, or (B2) an intensity conversion lens that converts the intensity distribution of the laser light from the light source and shapes it into a desired intensity distribution, and a phase correction lens that corrects the phase of the emitted laser light from the intensity conversion lens, A plurality of phase correction lenses each generating a different wavefront. In this laser processing method, (e1) a processing position within the processing object is set or changed, and (e2) a plurality of intensity conversion lenses or a plurality of phase correction lenses are switched in accordance with the setting or change of the processing position. e3) The laser beam from the light source is irradiated to the processing position on the processing object.

このレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、例えば、光整形部が複数の強度変換レンズを有する場合、複数の強度変換レンズはそれぞれ異なる補正波面を生成し、制御部が加工位置の変更に応じて複数の強度変換レンズを切り換えるので、加工位置(加工深さ)を変更しても、適切な収差補正を行うことが可能となる。また、例えば、光整形部が強度変換レンズと複数の位相補正レンズとを有する場合、複数の位相補正レンズはそれぞれ異なる補正波面を生成し、制御部が加工位置の変更に応じて複数の位相補正レンズを切り換えるので、加工位置(加工深さ)を変更しても、適切な収差補正を行うことが可能となる。   According to this laser processing apparatus and laser processing method, for example, when the light shaping unit has a plurality of intensity conversion lenses, the plurality of intensity conversion lenses generate different correction wavefronts, and the control unit responds to the change of the processing position. Therefore, even if the processing position (processing depth) is changed, appropriate aberration correction can be performed. In addition, for example, when the light shaping unit includes an intensity conversion lens and a plurality of phase correction lenses, the plurality of phase correction lenses generate different correction wavefronts, and the control unit performs a plurality of phase corrections according to changes in the processing position. Since the lenses are switched, appropriate aberration correction can be performed even if the processing position (processing depth) is changed.

上記したレーザ加工装置における複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズは、レーザ光の収差を補正するための補正波面であって、加工対象物内部の複数の加工位置にそれぞれ対応する複数の当該補正波面のうちの異なる1つをそれぞれ生成することが好ましい。この場合、上記したレーザ加工装置では、制御部は、(d1)複数の加工位置を変更する場合に、変更する加工位置に対応する補正波面を生成するレンズを複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズから選択して切り換えることが好ましい。一方、上記したレーザ加工方法では、(e2)複数の加工位置の設定又は変更に応じて、設定又は変更する加工位置に対応する補正波面を生成するレンズを複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズから選択して切り換えることが好ましい。   The plurality of intensity conversion lenses or the plurality of phase correction lenses in the laser processing apparatus described above are correction wavefronts for correcting the aberration of the laser light, and each of the plurality of the corresponding lenses respectively corresponding to the plurality of processing positions inside the processing object. Preferably, each different one of the correction wavefronts is generated. In this case, in the laser processing apparatus described above, when the control unit changes (d1) a plurality of processing positions, the control unit converts a lens that generates a correction wavefront corresponding to the processing position to be changed to a plurality of intensity conversion lenses or a plurality of phases. It is preferable to select and switch from the correction lens. On the other hand, in the above laser processing method, (e2) a lens that generates a correction wavefront corresponding to a processing position to be set or changed according to setting or changing of a plurality of processing positions is replaced with a plurality of intensity conversion lenses or a plurality of phase corrections. It is preferable to select and switch from the lens.

本発明によれば、加工対象物内部の深さ方向の異なる位置を加工する場合にも、適切に収差補正を行うことが可能である。   According to the present invention, it is possible to appropriately correct aberrations even when processing positions in the depth direction inside the processing object that are different in depth direction.

ホモジナイザの一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of a homogenizer. ホモジナイザにおける入射レーザ光の強度分布の一例、及び、出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of intensity distribution of the incident laser beam in a homogenizer, and an example of desired intensity distribution of an emitted laser beam. 強度変換レンズの形状の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the shape of an intensity | strength conversion lens. 位相補正レンズの形状の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the shape of a phase correction lens. 強度変換レンズへの入射レーザ光の空間モード(強度分布)の一例の計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of an example of the spatial mode (intensity distribution) of the incident laser beam to an intensity | strength conversion lens. 強度変換レンズからの出射レーザ光が685mm伝搬した後の空間モード(強度分布)の一例の計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of an example of the spatial mode (intensity distribution) after the emitted laser beam from an intensity | strength conversion lens propagated 685 mm. 測定系の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a measurement system. 図7に示す測定系において、集光レンズが搭載される位置での波面の一例を計測した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured an example of the wave front in the position where a condensing lens is mounted in the measurement system shown in FIG. 加工対象物内部の加工位置(深さ)にレーザ光を集光させる場合に生じる球面収差を補正するための補正波面の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the correction | amendment wavefront for correct | amending the spherical aberration which arises when condensing a laser beam to the process position (depth) inside a process target object. 位相補正レンズの形状の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the shape of a phase correction lens. 図10に示す位相補正レンズによって生じる波面を示す図である。It is a figure which shows the wave front produced by the phase correction lens shown in FIG. 本発明の第1の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。It is a lineblock diagram showing the laser processing device concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the laser processing method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図7に示す測定系において、強度変換レンズを用いない状態での集光レンズの集光点を観測した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having observed the condensing point of the condensing lens in the state which does not use an intensity | strength conversion lens in the measurement system shown in FIG. 図7に示す測定系において、強度変換レンズを用いた状態での集光レンズの集光点を観測した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having observed the condensing point of the condensing lens in the state using an intensity | strength conversion lens in the measurement system shown in FIG. 図7に示す測定系において、強度変換レンズを用いない状態での集光レンズの集光点より10μm手前でのビームプロファイルを計測した結果を示す図である。In the measurement system shown in FIG. 7, it is a figure which shows the result of having measured the beam profile before 10 micrometers from the condensing point of the condensing lens in the state which does not use an intensity | strength conversion lens. 図7に示す測定系において、強度変換レンズを用いた状態での集光レンズの集光点より10μm手前でのビームプロファイルを計測した結果を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a result of measuring a beam profile 10 μm before the condensing point of the condensing lens in the state where the intensity conversion lens is used in the measurement system illustrated in FIG. 7. 本発明の第2の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the laser processing apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the laser processing method which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the laser processing apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the laser processing apparatus which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the laser processing apparatus which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 第1の実施形態の変形例に係るレーザ加工装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the laser processing apparatus which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第2の実施形態の変形例に係るレーザ加工装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the laser processing apparatus which concerns on the modification of 2nd Embodiment. 第3の実施形態の変形例に係るレーザ加工装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the laser processing apparatus which concerns on the modification of 3rd Embodiment.

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.

本発明の実施形態を説明する前に、ホモジナイザ、及び、ホモジナイザの非球面の形状設計の一手法について説明する。図1は、ホモジナイザの一例を示す構成図である。このホモジナイザ10Xは、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、一対の非球面レンズ11X,12Xを備える。入射側の非球面レンズ11Xは、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形する強度変換レンズとして機能し、出射側の非球面レンズ12Xは、整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正する位相補正レンズとして機能する。このホモジナイザ10Xでは、一対の非球面レンズ11X,12Xの非球面の形状設計により、入射レーザ光Oiの強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光Ooを生成することが可能となる。   Before describing the embodiment of the present invention, a homogenizer and a method for designing the shape of the aspherical surface of the homogenizer will be described. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a homogenizer. The homogenizer 10X is for shaping the intensity distribution of laser light into an arbitrary shape, and includes a pair of aspheric lenses 11X and 12X. The aspheric lens 11X on the incident side functions as an intensity conversion lens that shapes the intensity distribution of the laser light into an arbitrary shape, and the aspheric lens 12X on the emission side aligns the phase of the shaped laser light and corrects it to a plane wave. Functions as a phase correction lens. In the homogenizer 10X, it is possible to generate the outgoing laser light Oo in which the intensity distribution of the incident laser light Oi is shaped into a desired intensity distribution by the aspheric shape design of the pair of aspheric lenses 11X and 12X.

以下では、ホモジナイザ10Xにおける一対の非球面レンズ11X,12Xの非球面の形状設計の一例を例示する。例えば、所望の強度分布を、レーザ加工装置等において望まれる空間的に均一な強度分布、すなわち、均一強度分布に設定することとする(図2のOo)。ここで、所望の強度分布は、出射レーザ光Ooのエネルギー(所望の強度分布の面積)が入射レーザ光Oiのエネルギー(強度分布の面積)と等しくなるように設定される必要がある。よって、例えば、均一強度分布の設定は以下のように行えばよい。   Hereinafter, an example of the aspherical shape design of the pair of aspherical lenses 11X and 12X in the homogenizer 10X will be exemplified. For example, a desired intensity distribution is set to a spatially uniform intensity distribution desired in a laser processing apparatus or the like, that is, a uniform intensity distribution (Oo in FIG. 2). Here, the desired intensity distribution needs to be set so that the energy (area of the desired intensity distribution) of the emitted laser beam Oo is equal to the energy (area of the intensity distribution) of the incident laser beam Oi. Therefore, for example, the uniform intensity distribution may be set as follows.

入射レーザ光Oiの強度分布は、図2に示すように、同心円状のガウシアン分布(波長532nm)である。ガウシアン分布は下記(1)式により表されるので、入射レーザ光Oiの半径rの範囲内のエネルギーは下記(2)式となる。


この場合、ガウシアン分布は半径0mmを中心として回転対称となるため、1次元解析により非球面形状を設計することになる。
The intensity distribution of the incident laser beam Oi is a concentric Gaussian distribution (wavelength 532 nm) as shown in FIG. Since the Gaussian distribution is expressed by the following equation (1), the energy within the radius r 1 of the incident laser light Oi is expressed by the following equation (2).


In this case, since the Gaussian distribution is rotationally symmetric about a radius of 0 mm, an aspheric shape is designed by one-dimensional analysis.

一方、出射レーザ光Ooの所望の強度分布は、図2に示すように、均一強度分布(次数N)に設定する。均一強度分布は下記(3)式により表されるので、下記(4)式のように出射レーザ光Ooの半径rの範囲内のエネルギーが入射レーザ光Oiのエネルギーに等しくなるように、出射レーザ光Ooの強度均一部の値Eが設定されることとなる。


なお、本手法に基づけば、整形後の出射レーザ光の所望の強度分布も規定の関数のみならず、任意の強度分布とすることも可能である。
On the other hand, the desired intensity distribution of the emitted laser beam Oo is set to a uniform intensity distribution (order N) as shown in FIG. Since the uniform intensity distribution is expressed by the following equation (3), the emission is made so that the energy within the radius r 2 of the emission laser beam Oo is equal to the energy of the incident laser beam Oi as in the following equation (4). The value E 0 of the uniform intensity portion of the laser beam Oo is set.


Note that, based on this method, the desired intensity distribution of the shaped outgoing laser light can be not only a specified function but also an arbitrary intensity distribution.

その後、図1に示すように、強度変換レンズ11Xにおける入射レーザ光Oiの強度分布が位相補正レンズ12Xにおいて所望の強度分布を有する出射レーザ光Ooとなるように、すなわち、入射レーザ光Oiにおける中央付近の強い強度の光が周辺部に拡散され、周辺部の弱い強度の光が収束されるように、強度変換レンズ11Xの非球面11aから位相補正レンズ12Xの非球面12aへの光路であって、非球面レンズの半径方向の任意の座標における光路P1〜P8を求める。   Thereafter, as shown in FIG. 1, the intensity distribution of the incident laser light Oi in the intensity conversion lens 11X becomes the outgoing laser light Oo having a desired intensity distribution in the phase correction lens 12X, that is, the center in the incident laser light Oi. An optical path from the aspherical surface 11a of the intensity conversion lens 11X to the aspherical surface 12a of the phase correction lens 12X so that light having a strong intensity in the vicinity is diffused to the peripheral part and light having a low intensity in the peripheral part is converged. The optical paths P1 to P8 at arbitrary coordinates in the radial direction of the aspherical lens are obtained.

その後、求めた光路P1〜P8に基づいて、強度変換レンズ11Xの非球面11aの形状を求める。具体的には、光路P1〜P8が得られるように、強度変換レンズ11Xの中心を基準として半径r方向の各座標における非球面11aの高低差を求める。すると、図3に示すように、強度変換レンズ11Xの非球面11aの形状が求まる。 Thereafter, the shape of the aspherical surface 11a of the intensity conversion lens 11X is obtained based on the obtained optical paths P1 to P8. Specifically, as the optical path P1~P8 is obtained, determine the difference in height of the aspheric surface 11a at each coordinate in the radial r 1 direction with respect to the center of the intensity conversion lens 11X. Then, as shown in FIG. 3, the shape of the aspherical surface 11a of the intensity conversion lens 11X is obtained.

一方、位相補正レンズ12Xの非球面12aの形状は、光路P1〜P8におけるレーザ光の位相を揃え、平面波となるように求める。具体的には、位相補正レンズ12Xの中心を基準として半径r方向の各座標における非球面12aの高低差を求める。すると、図4に示すように、位相補正レンズ12Xの非球面12aの形状が求まる。 On the other hand, the shape of the aspherical surface 12a of the phase correction lens 12X is obtained so that the phases of the laser beams in the optical paths P1 to P8 are aligned and become a plane wave. Specifically, determining the difference in height of the aspheric surface 12a at each coordinate in the radial r 2 direction center of the phase correction lens 12X as a reference. Then, as shown in FIG. 4, the shape of the aspherical surface 12a of the phase correction lens 12X is obtained.

なお、図3及び図4は、非球面レンズ11X,12Xの材料としてMgF(n=1.38)を使用し、非球面11aの中心位置(座標r=0の位置)と非球面12aの中心位置(座標r=0の位置)との間隔をL=685mmとして設計したときの一例である。 3 and 4, MgF 2 (n = 1.38) is used as the material of the aspherical lenses 11X and 12X, and the center position of the aspherical surface 11a (the position of the coordinate r 1 = 0) and the aspherical surface 12a This is an example when the distance from the center position (position of coordinate r 2 = 0) is designed as L = 685 mm.

ここで、ホモジナイザ10Xにおける強度変換レンズ11Xへの入射レーザ光の空間モード(強度分布)、及び、強度変換レンズ11Xからの出射レーザ光の685mm伝播後の空間モード(強度分布)を、結像レンズ系を介してビームプロファイラによって計測した。これらの計測結果を図5及び図6に示す。これより、強度変換レンズ11Xによれば、レンズ間隔設計値であるL=685mm伝播後に、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布にほぼ設計通りに整形できることが確認された。   Here, the spatial mode (intensity distribution) of the laser beam incident on the intensity conversion lens 11X in the homogenizer 10X and the spatial mode (intensity distribution) after the 685 mm propagation of the laser beam emitted from the intensity conversion lens 11X are defined as an imaging lens. It was measured by a beam profiler through the system. These measurement results are shown in FIGS. Thus, according to the intensity conversion lens 11X, it was confirmed that the intensity distribution of the laser beam can be shaped into a spatially uniform intensity distribution almost as designed after propagation of L = 685 mm which is a lens interval design value.

次に、ホモジナイザ10Xにおける強度変換レンズ11Xによって生じる波面歪を、図7に示す測定系にて計測した。この測定系では、レーザ光源20からのレーザ光をエキスパンダ30によって拡大して強度変換レンズ11Xに入射した。強度変換レンズ11Xからの出射レーザ光は反射鏡21,22及び結像光学系40を介して集光レンズ50に入射した。エキスパンダ30には、一対の凹レンズ31と凸レンズ32とから構成されるものを用い、レーザ光源20からのレーザ光を拡大して、ビーム径を強度変換レンズ11Xの径に適合させた。また、結像光学系40には、一対のレンズ41,42から構成されるものを用い、位相補正レンズが配置される位置での波面を集光レンズ50の瞳面に結像させると共に、ビーム径を集光レンズ50の瞳径に適合させた。これは、位相補正レンズが配置されない場合に、また、強度変換レンズの設計位置に位相補正レンズを配置する場合でも、実際には伝播距離に応じて強度分布や波面が歪んでしまうことを回避するためである。   Next, the wavefront distortion caused by the intensity conversion lens 11X in the homogenizer 10X was measured with the measurement system shown in FIG. In this measurement system, the laser light from the laser light source 20 is enlarged by the expander 30 and is incident on the intensity conversion lens 11X. The laser beam emitted from the intensity conversion lens 11X is incident on the condenser lens 50 via the reflecting mirrors 21 and 22 and the imaging optical system 40. The expander 30 is composed of a pair of concave lens 31 and convex lens 32, and the laser light from the laser light source 20 is enlarged to adapt the beam diameter to the diameter of the intensity conversion lens 11X. The imaging optical system 40 includes a pair of lenses 41 and 42, which forms an image of the wavefront at the position where the phase correction lens is disposed on the pupil plane of the condenser lens 50, and the beam. The diameter was adapted to the pupil diameter of the condenser lens 50. This avoids the fact that the intensity distribution and the wavefront are actually distorted according to the propagation distance even when the phase correction lens is not arranged and even when the phase correction lens is arranged at the design position of the intensity conversion lens. Because.

この測定系において、集光レンズ50が搭載される位置での波面を波面センサーによって計測した。この計測結果を図8に示す。図8によれば、強度変換レンズ11Xは、入射レーザ光の強度分布を整形するものであるが、同時に入射レーザ光の波面(換言すれば、入射レーザ光の位相)も変化させることとなる。   In this measurement system, the wavefront at the position where the condenser lens 50 is mounted was measured by a wavefront sensor. The measurement results are shown in FIG. According to FIG. 8, the intensity conversion lens 11X shapes the intensity distribution of the incident laser light, but at the same time, changes the wavefront of the incident laser light (in other words, the phase of the incident laser light).

一方、例えば、NA=0.8、焦点距離f=1.8mmの集光レンズを用いてSiC(屈折率2.6)内部の深さ94μmの位置に波長532nmのレーザ光を集光させる場合に生じる球面収差を補正するために必要とされる補正波面であって、集光レンズ入射前における補正波面を図9に示す。   On the other hand, for example, a laser beam having a wavelength of 532 nm is condensed at a depth of 94 μm inside SiC (refractive index 2.6) using a condenser lens with NA = 0.8 and focal length f = 1.8 mm. FIG. 9 shows a correction wavefront that is necessary for correcting the spherical aberration generated in FIG.

図8及び図9によれば、両者の波面は類似している。このように、本願発明者らは、強度変換レンズ11Xによって生じる波面変化を利用することにより、加工対象物内部で発生する収差を補正することが可能であることを見出した。   According to FIGS. 8 and 9, the wave fronts of both are similar. Thus, the inventors of the present application have found that it is possible to correct the aberration generated inside the object to be processed by using the wavefront change caused by the intensity conversion lens 11X.

また、本願発明者らは、強度変換レンズ11Xを固定とし、強度変換レンズ11Xによって整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正するための位相補正レンズ12Xによって生じる波面変化を利用することにより、加工対象物内部で発生する収差を補正することが可能であることを見出した。例えば、図10に示すように、位相制御レンズの形状を変形すると、図11に示す波面が得られる。この波面は、SiC(屈折率2.6)内部の深さ200μmの位置で生じる球面収差を補正するための補正波面に相当する。
[第1の実施形態]
Further, the inventors of the present application use the wavefront change generated by the phase correction lens 12X for fixing the intensity conversion lens 11X and aligning the phase of the laser light shaped by the intensity conversion lens 11X to correct the plane wave. The inventors have found that it is possible to correct aberrations occurring inside the workpiece. For example, as shown in FIG. 10, when the shape of the phase control lens is deformed, the wavefront shown in FIG. 11 is obtained. This wavefront corresponds to a correction wavefront for correcting spherical aberration occurring at a depth of 200 μm inside SiC (refractive index 2.6).
[First Embodiment]

図12は、本発明の第1の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第1の実施形態のレーザ加工装置1は、レーザ光源20と、エキスパンダ30と、複数の強度変換レンズ11と、レンズホルダ15と、集光レンズ50と、駆動ユニット51と、ステージ52と、表面観察ユニット60と、ダイクロイックミラー61と、オートフォーカスユニット70と、ダイクロイックミラー71と、制御部80とを備える。なお、第1の実施形態では、複数の強度変換レンズ11が特許請求の範囲に記載の光整形部に相当する。   FIG. 12 is a configuration diagram showing the laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention. The laser processing apparatus 1 according to the first embodiment includes a laser light source 20, an expander 30, a plurality of intensity conversion lenses 11, a lens holder 15, a condenser lens 50, a drive unit 51, and a stage 52. , A surface observation unit 60, a dichroic mirror 61, an autofocus unit 70, a dichroic mirror 71, and a control unit 80. In the first embodiment, the plurality of intensity conversion lenses 11 correspond to the light shaping unit described in the claims.

レーザ光源20は、例えば、波長532nmのガウシアン分布形状のレーザ光を生成し、エキスパンダ30へ向けて出力する。エキスパンダ30は、例えば、一対の凹レンズ31と凸レンズ32とから構成され、レーザ光源20からのレーザ光を拡大して複数の強度変換レンズ11のうちの何れかへ向けて出力する。   For example, the laser light source 20 generates laser light having a Gaussian distribution shape with a wavelength of 532 nm and outputs the laser light to the expander 30. The expander 30 is composed of, for example, a pair of concave lens 31 and convex lens 32, expands the laser light from the laser light source 20, and outputs it to any one of the plurality of intensity conversion lenses 11.

複数の強度変換レンズ11は、加工対象物内部にレーザ光を集光する場合に生じる球面収差を補正するために必要な補正波面であって、それぞれ異なる補正波面を生成する。複数の強度変換レンズ11により生成される補正波面は、加工対象物内部の複数の異なる加工位置(深さ)にそれぞれ対応している。複数の強度変換レンズ11は、レンズホルダ15に搭載されている。   The plurality of intensity conversion lenses 11 generate correction wavefronts that are correction wavefronts necessary for correcting spherical aberration that occurs when the laser beam is focused inside the workpiece. The correction wavefronts generated by the plurality of intensity conversion lenses 11 respectively correspond to a plurality of different processing positions (depths) inside the processing target. The plurality of intensity conversion lenses 11 are mounted on the lens holder 15.

レンズホルダ15は、円盤状をなしており、その周辺部に複数の強度変換レンズ11が配列されている。レンズホルダ15は、回転することによって、複数の強度変換レンズ11を選択的にレーザ光に対応させる。   The lens holder 15 has a disk shape, and a plurality of intensity conversion lenses 11 are arranged on the periphery thereof. The lens holder 15 rotates to selectively correspond the plurality of intensity conversion lenses 11 to the laser light.

集光レンズ50は、強度変換レンズ11からのレーザ光を、ステージ52上に配置される加工対象物100内部の所定の加工位置(深さ)へ集光する。集光レンズ50は、駆動ユニット51によって可動可能になっている。また、加工対象物100も、ステージ52によって可動可能になっている。駆動ユニット51及びステージ52の可動は制御部80によって制御される。   The condensing lens 50 condenses the laser light from the intensity conversion lens 11 to a predetermined processing position (depth) inside the processing object 100 arranged on the stage 52. The condenser lens 50 is movable by the drive unit 51. The workpiece 100 is also movable by the stage 52. The movement of the drive unit 51 and the stage 52 is controlled by the control unit 80.

本実施形態では、強度変換レンズ11と集光レンズ50との間には、表面観察ユニット60及びオートフォーカスユニット70のためのダイクロイックミラー61,71が順次に配置されている。表面観察ユニット60は、ダイクロイックミラー61を介して、加工対象物の表面を観察するものである。また、オートフォーカスユニット70は、ダイクロイックミラー71を介して、加工対象物の表面までの距離を検出するものである。   In the present embodiment, dichroic mirrors 61 and 71 for the surface observation unit 60 and the autofocus unit 70 are sequentially disposed between the intensity conversion lens 11 and the condenser lens 50. The surface observation unit 60 observes the surface of the object to be processed via the dichroic mirror 61. The autofocus unit 70 detects the distance to the surface of the workpiece via the dichroic mirror 71.

制御部80は、レーザ光源20におけるレーザ光の出力/出力停止を制御する。また、制御部80は、加工対象物100内部の加工位置を切り換える場合に、駆動ユニット51及びステージ52のうちの少なくとも何れかを可動させ、集光レンズ50及び加工対象物100のうちの少なくとも何れかを移動する。例えば、制御部80は、オートフォーカスユニット70を用いて、集光レンズ50と加工対象物100との相対位置を制御することによって、加工対象物100内部の加工位置を切り換える。   The control unit 80 controls the laser light source 20 to output / stop the laser light. The control unit 80 moves at least one of the drive unit 51 and the stage 52 when switching the processing position inside the processing object 100, and at least any of the condenser lens 50 and the processing object 100. To move. For example, the control unit 80 switches the processing position inside the processing object 100 by controlling the relative position between the condenser lens 50 and the processing object 100 using the autofocus unit 70.

また、制御部80は、加工対象物100内部の加工位置を切り換える場合に、レンズホルダ15を回転させ、その加工位置における収差を補正可能な強度変換レンズ11に切り換える。例えば、制御部80は、複数の加工位置と、複数の加工位置それぞれで発生する収差を補正可能な補正波面を生成する複数の強度変換レンズ11とを予め関連付けた情報を記憶している。そして、制御部80は、この情報に基づいて、切り換える加工位置に対応する強度変換レンズ11を複数の強度変換レンズの中から選択して切り換える。   Further, when switching the processing position inside the processing object 100, the control unit 80 rotates the lens holder 15 and switches to the intensity conversion lens 11 capable of correcting the aberration at the processing position. For example, the control unit 80 stores information in which a plurality of processing positions and a plurality of intensity conversion lenses 11 that generate correction wavefronts that can correct aberrations generated at the plurality of processing positions are associated in advance. Based on this information, the control unit 80 selects and switches the intensity conversion lens 11 corresponding to the processing position to be switched from a plurality of intensity conversion lenses.

図13は、本発明の第1の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。まず、集光点を加工対象物100の表面に設定し、この位置を加工原点とする(ステップS01)。次に、加工対象物100内部における加工位置(深さ)を設定する(ステップS02)。   FIG. 13 is a flowchart showing the procedure of the laser processing method according to the first embodiment of the present invention. First, a condensing point is set on the surface of the workpiece 100, and this position is set as the processing origin (step S01). Next, a processing position (depth) inside the processing object 100 is set (step S02).

次に、設定した加工位置における球面収差を補正することが可能な強度変換レンズを選択し、切り換える(ステップS03)。次に、設定した加工位置にレーザ光が集光するように、ステージ52を移動する。次に、レーザ光を照射し、加工を開始する。すると、レーザ光が設定された加工位置に集光することとなる(ステップS04)。   Next, an intensity conversion lens capable of correcting spherical aberration at the set processing position is selected and switched (step S03). Next, the stage 52 is moved so that the laser beam is focused on the set processing position. Next, the laser beam is irradiated to start processing. Then, the laser beam is condensed at the set processing position (step S04).

次に、加工終了時に、レーザ光照射を停止する(ステップS05)。他に加工位置がある場合にはステップS02に戻り、ない場合にはこの加工対象物100の加工を終了する(ステップS06)。   Next, at the end of processing, laser beam irradiation is stopped (step S05). If there is another machining position, the process returns to step S02, and if not, the machining of the workpiece 100 is terminated (step S06).

尚、設定した加工位置(深さ)にレーザ光を集光するためには、集光レンズと加工対象物との相対位置を変化させれば良いので、ステージ52による加工対象物100の移動の代わりに駆動ユニット51により集光レンズ50を移動させても良いし、両者を移動させても良い。なお、集光レンズ50を移動させる場合において、集光レンズ50の入射瞳と強度変換レンズ11とが結像関係にあるときには、強度変換レンズ11から集光レンズ50までの集光光学系の単位で移動する必要がある。   In order to focus the laser beam at the set processing position (depth), the relative position between the condenser lens and the processing target may be changed. Instead, the condensing lens 50 may be moved by the drive unit 51, or both may be moved. In the case where the condenser lens 50 is moved, when the entrance pupil of the condenser lens 50 and the intensity conversion lens 11 are in an imaging relationship, the unit of the condenser optical system from the intensity conversion lens 11 to the condenser lens 50 is used. Need to move in.

このように、第1の実施形態のレーザ加工装置1及びレーザ加工方法によれば、それぞれ異なる補正波面を生成する複数の強度変換レンズ11を備え、制御部80が加工位置の変更に応じて複数の強度変換レンズ11を切り換えるので、加工位置(加工深さ)を変更しても、適切な収差補正を行うことが可能となる。換言すれば、第1の実施形態のレーザ加工装置1及びレーザ加工方法によれば、任意の加工位置(深さ)での収差補正が可能となる。   As described above, according to the laser processing apparatus 1 and the laser processing method of the first embodiment, the plurality of intensity conversion lenses 11 that generate different correction wavefronts are provided, and the control unit 80 has a plurality of units according to the change of the processing position. Since the intensity conversion lens 11 is switched, appropriate aberration correction can be performed even if the processing position (processing depth) is changed. In other words, according to the laser processing apparatus 1 and the laser processing method of the first embodiment, it is possible to correct aberrations at an arbitrary processing position (depth).

ところで、第1の実施形態のように複数の強度変換レンズを備える代わりに、空間光変調器(以下、SLMという。)を用いて、SLMにおける補正波面を変更する手法も考えられる。しかしながら、SLMを用いる場合、レーザ光を拡大し、レーザ光の中心部のみを切り出して用いることが予想され、レーザ光の利用効率が悪いことが予想される。一方、第1の実施形態によれば、強度変換レンズ自体に収差補正機能を持たせているので、集光レンズの瞳領域に入射されるレーザ光を全て利用でき、レーザ光の利用効率を向上することが可能となる。   Incidentally, instead of providing a plurality of intensity conversion lenses as in the first embodiment, a method of changing the correction wavefront in the SLM using a spatial light modulator (hereinafter referred to as SLM) is also conceivable. However, when the SLM is used, it is expected that the laser beam is enlarged and only the center portion of the laser beam is cut out and used, and the utilization efficiency of the laser beam is expected to be poor. On the other hand, according to the first embodiment, since the intensity conversion lens itself has an aberration correction function, it is possible to use all the laser light incident on the pupil region of the condenser lens and improve the use efficiency of the laser light. It becomes possible to do.

また、第1の実施形態のレーザ加工装置1及びレーザ加工方法によれば、強度変換レンズ11によって、加工対象物の表面を破壊することなく、内部のみを効率よく加工することが可能となる。この検証結果を以下に示す。   In addition, according to the laser processing apparatus 1 and the laser processing method of the first embodiment, the intensity conversion lens 11 can efficiently process only the inside without destroying the surface of the processing object. The verification results are shown below.

図14は、図7に示す測定系において、強度変換レンズ11Xを用いない状態での集光レンズ50の集光点を観測した結果を示す図であり、図15は、図7に示す測定系において、強度変換レンズ11Xを用いた状態での集光レンズ50の集光点を観測した結果を示す図である。図14及び図15によれば、強度変換レンズ11Xを用いることによって、集光レンズ50の実効的なNAが増加し、スポット径が小さくなっている。これより、加工対象物内部の加工位置を効率よく加工できることとなる。   FIG. 14 is a diagram illustrating a result of observing a condensing point of the condensing lens 50 in a state where the intensity conversion lens 11X is not used in the measurement system illustrated in FIG. 7, and FIG. 15 is a diagram illustrating the measurement system illustrated in FIG. FIG. 5 is a diagram showing a result of observing a condensing point of the condensing lens 50 in a state where the intensity conversion lens 11X is used. According to FIGS. 14 and 15, by using the intensity conversion lens 11X, the effective NA of the condenser lens 50 is increased and the spot diameter is reduced. Thus, the processing position inside the processing object can be processed efficiently.

一方、図16は、図7に示す測定系において、強度変換レンズ11Xを用いない状態での集光レンズ50の集光点より10μm手前(集光レンズ側)でのビームプロファイルを計測した結果を示す図であり、図17は、図7に示す測定系において、強度変換レンズ11Xを用いた状態での集光レンズ50の集光点より10μm手前でのビームプロファイルを計測した結果を示す図である。図16及び図17によれば、強度変換レンズ11Xを用いることによって、集光レンズ50の集光点より10μm手前でのビーム面積が増加し、単位面積あたりの光強度が低減している。これより、加工対象物の表面破壊を回避することとなる。
[第2の実施形態]
On the other hand, FIG. 16 shows the measurement result of the beam profile 10 μm before (the condensing lens side) from the condensing point of the condensing lens 50 in the state where the intensity conversion lens 11X is not used in the measurement system shown in FIG. FIG. 17 is a diagram showing a result of measuring the beam profile 10 μm before the condensing point of the condensing lens 50 in the state where the intensity conversion lens 11X is used in the measurement system shown in FIG. is there. According to FIGS. 16 and 17, by using the intensity conversion lens 11 </ b> X, the beam area 10 μm before the condensing point of the condensing lens 50 is increased, and the light intensity per unit area is reduced. This avoids surface destruction of the workpiece.
[Second Embodiment]

図18は、本発明の第2の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第2の実施形態のレーザ加工装置2は、レーザ加工装置1において、複数の強度変換レンズ11に代えて1つの強度変換レンズ11を備え、更に、複数の位相補正レンズ12を備える構成で第1の実施形態と異なる。また、第2の実施形態のレーザ加工装置2は、制御部80に代えて制御部80Aを備える構成で第1の実施形態と異なる。レーザ加工装置2のその他の構成は、レーザ加工装置1と同様である。なお、第2の実施形態では、強度変換レンズ11と複数の位相補正レンズ12とが特許請求の範囲に記載の光整形部に相当する。   FIG. 18 is a block diagram showing a laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention. The laser processing apparatus 2 according to the second embodiment includes a single intensity conversion lens 11 instead of the plurality of intensity conversion lenses 11 in the laser processing apparatus 1, and further includes a plurality of phase correction lenses 12. Different from the first embodiment. Further, the laser processing apparatus 2 of the second embodiment is different from the first embodiment in a configuration including a control unit 80A instead of the control unit 80. Other configurations of the laser processing apparatus 2 are the same as those of the laser processing apparatus 1. In the second embodiment, the intensity conversion lens 11 and the plurality of phase correction lenses 12 correspond to the light shaping unit described in the claims.

複数の位相補正レンズ12は、加工対象物内部にレーザ光を集光する場合に生じる球面収差を補正するために必要な補正波面であって、それぞれ異なる補正波面を生成する。複数の位相補正レンズ12の補正波面は、加工対象物内部の複数の異なる加工位置(深さ)にそれぞれ対応している。複数の位相補正レンズ12は、レンズホルダ15に搭載されている。   The plurality of phase correction lenses 12 generate correction wavefronts that are correction wavefronts necessary for correcting spherical aberration that occurs when the laser beam is focused inside the object to be processed. The correction wavefronts of the plurality of phase correction lenses 12 respectively correspond to a plurality of different processing positions (depths) inside the processing object. The plurality of phase correction lenses 12 are mounted on the lens holder 15.

レンズホルダ15は、円盤状をなしており、その周辺部に複数の位相補正レンズ12が配列されている。レンズホルダ15は、回転することによって、複数の位相補正レンズ12を選択的にレーザ光に対応させる。   The lens holder 15 has a disk shape, and a plurality of phase correction lenses 12 are arranged on the periphery thereof. The lens holder 15 rotates to selectively cause the plurality of phase correction lenses 12 to correspond to the laser light.

制御部80Aは、制御部80と同様に、レーザ光源20におけるレーザ光の出力/出力停止を制御する。また、制御部80Aは、制御部80と同様に、加工対象物100内部の加工位置を切り換える場合に、駆動ユニット51及びステージ52のうちの少なくとも何れかを可動させ、集光レンズ50及び加工対象物100のうちの少なくとも何れかを移動する。   Similarly to the control unit 80, the control unit 80A controls the laser light source 20 to output / stop the laser light. Similarly to the control unit 80, the control unit 80A moves at least one of the drive unit 51 and the stage 52 to switch the condenser lens 50 and the processing target when switching the processing position inside the processing target 100. Move at least one of the objects 100.

また、制御部80Aは、加工対象物100内部の加工位置を切り換える場合に、レンズホルダ15を回転させ、その加工位置における収差を補正可能な位相補正レンズ12に切り換える。例えば、制御部80Aは、複数の加工位置と、複数の加工位置それぞれで発生する収差を補正可能な補正波面を生成する複数の位相補正レンズ12とを予め関連付けた情報を記憶している。そして、制御部80Aは、この情報に基づいて、切り換える加工位置に対応する位相補正レンズ12を複数の位相補正レンズの中から選択して切り換える。   Further, when the processing position within the processing object 100 is switched, the control unit 80A rotates the lens holder 15 and switches to the phase correction lens 12 capable of correcting the aberration at the processing position. For example, the control unit 80A stores information in which a plurality of processing positions and a plurality of phase correction lenses 12 that generate correction wavefronts that can correct aberrations generated at the plurality of processing positions are associated in advance. Based on this information, the control unit 80A selects and switches the phase correction lens 12 corresponding to the processing position to be switched from among the plurality of phase correction lenses.

図19は、本発明の第2の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。まず、第1の実施形態と同様に、集光点を加工対象物100の表面に設定し、この位置を加工原点とする(ステップS01)。次に、加工対象物100内部における加工位置(深さ)を設定する(ステップS02)。   FIG. 19 is a flowchart showing a procedure of a laser processing method according to the second embodiment of the present invention. First, similarly to the first embodiment, a condensing point is set on the surface of the processing object 100, and this position is set as a processing origin (step S01). Next, a processing position (depth) inside the processing object 100 is set (step S02).

次に、第2の実施形態では、設定した加工位置(深さ)における球面収差を補正することが可能な位相補正レンズを選択し、切り換える(ステップS13)。次に、第1の実施形態と同様に、設定した加工位置(深さ)にレーザ光が集光するように、ステージ52を移動する。次に、レーザ光を照射し、加工を開始する。すると、レーザ光が設定された加工位置に集光することとなる(ステップS04)。   Next, in the second embodiment, a phase correction lens capable of correcting spherical aberration at the set processing position (depth) is selected and switched (step S13). Next, as in the first embodiment, the stage 52 is moved so that the laser beam is focused at the set processing position (depth). Next, the laser beam is irradiated to start processing. Then, the laser beam is condensed at the set processing position (step S04).

次に、加工終了時に、レーザ光照射を停止する(ステップS05)。他に加工位置がある場合にはステップS02に戻り、ない場合にはこの加工対象物100の加工を終了する(ステップS06)。   Next, at the end of processing, laser beam irradiation is stopped (step S05). If there is another machining position, the process returns to step S02, and if not, the machining of the workpiece 100 is terminated (step S06).

このように、第2の実施形態のレーザ加工装置2及びレーザ加工方法によれば、それぞれ異なる補正波面を生成する複数の位相補正レンズ12を備え、制御部80Aが加工位置の変更に応じて複数の位相補正レンズ12を切り換えるので、加工位置(加工深さ)を変更しても、適切な収差補正を行うことが可能となる。換言すれば、第2の実施形態のレーザ加工装置2及びレーザ加工方法でも、任意の加工位置(深さ)での収差補正が可能となる。   As described above, according to the laser processing apparatus 2 and the laser processing method of the second embodiment, the plurality of phase correction lenses 12 that generate different correction wavefronts are provided, and the control unit 80 </ b> A changes in accordance with the change of the processing position. Therefore, even when the processing position (processing depth) is changed, appropriate aberration correction can be performed. In other words, even with the laser processing apparatus 2 and the laser processing method of the second embodiment, aberration correction at an arbitrary processing position (depth) is possible.

また、第2の実施形態でも、位相補正レンズ自体に収差補正機能を持たせているので、集光レンズの瞳領域に入射されるレーザ光を全て利用でき、レーザ光の利用効率を向上することが可能となる。また、第2の実施形態のレーザ加工装置2及びレーザ加工方法でも、強度変換レンズ11によって、加工対象物の表面を破壊することなく、内部のみを効率よく加工することが可能となる。
[第3の実施形態]
Also in the second embodiment, since the phase correction lens itself has an aberration correction function, it is possible to use all of the laser light incident on the pupil region of the condenser lens and improve the efficiency of using the laser light. Is possible. In the laser processing apparatus 2 and the laser processing method of the second embodiment, the intensity conversion lens 11 can efficiently process only the inside without destroying the surface of the object to be processed.
[Third Embodiment]

図20は、本発明の第3の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第3の実施形態のレーザ加工装置3は、レーザ加工装置2において、更に、反射鏡21,22及び結像光学系40を備える構成で第2の実施形態と異なる。レーザ加工装置3のその他の構成は、レーザ加工装置2と同様である。   FIG. 20 is a configuration diagram showing a laser processing apparatus according to the third embodiment of the present invention. The laser processing apparatus 3 according to the third embodiment is different from the second embodiment in that the laser processing apparatus 2 further includes reflecting mirrors 21 and 22 and an imaging optical system 40. Other configurations of the laser processing apparatus 3 are the same as those of the laser processing apparatus 2.

反射鏡21,22は、位相補正レンズ12からのレーザ光の進行方向を90°変更する。具体的には、反射鏡21,22がレーザ光の進行方向をそれぞれ135°ずつ変更し、その結果、位相補正レンズ12からのレーザ光の進行方向が90°変更され、結像光学系40へ向けられる。   The reflecting mirrors 21 and 22 change the traveling direction of the laser light from the phase correction lens 12 by 90 °. Specifically, the reflecting mirrors 21 and 22 change the traveling direction of the laser light by 135 °, respectively. As a result, the traveling direction of the laser light from the phase correction lens 12 is changed by 90 °, and the imaging optical system 40 is changed. Directed.

結像光学系40は、一対のレンズ41,42を有し、入射側結像面におけるレーザ光を出射側結像面に結像する。結像光学系40の入射側結像面は、位相補正レンズ12の出射面に設定されており、出射側結像面は、集光レンズ50の瞳面に設定されている。なお、結像光学系40は、入射側結像面におけるレーザ光のビーム径を集光レンズ50の瞳面の大きさに適合させる拡大光学系もしくは縮小光学系として機能することが好ましい。これにより、集光レンズ50の瞳領域に入射されるレーザ光を全て利用でき、レーザ光の利用効率が比較的よくなる。   The imaging optical system 40 has a pair of lenses 41 and 42, and forms an image of the laser beam on the incident side imaging surface on the emission side imaging surface. The incident-side imaging plane of the imaging optical system 40 is set as the exit plane of the phase correction lens 12, and the exit-side imaging plane is set as the pupil plane of the condenser lens 50. The imaging optical system 40 preferably functions as an enlarging optical system or a reducing optical system that adapts the beam diameter of the laser light on the incident-side imaging surface to the size of the pupil plane of the condenser lens 50. Thereby, all the laser light incident on the pupil region of the condenser lens 50 can be used, and the utilization efficiency of the laser light is relatively improved.

この第3の実施形態のレーザ加工装置3でも、第2の実施形態のレーザ加工装置2と同様の利点を得ることができる。   The laser processing apparatus 3 of the third embodiment can obtain the same advantages as the laser processing apparatus 2 of the second embodiment.

更に、第3の実施形態のレーザ加工装置3によれば、結像光学系40によって、位相補正レンズ12伝播後の波面を集光レンズ50の瞳面に結像させることができるので、位相補正レンズ12を集光レンズ50の瞳面付近に配置できないような場合に好適である。
[第4の実施形態]
Furthermore, according to the laser processing apparatus 3 of the third embodiment, the wavefront after propagation of the phase correction lens 12 can be imaged on the pupil plane of the condenser lens 50 by the imaging optical system 40. This is suitable when the lens 12 cannot be disposed near the pupil plane of the condenser lens 50.
[Fourth Embodiment]

図21は、本発明の第4の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第4の実施形態のレーザ加工装置4は、レーザ加工装置3において、反射鏡22に代えてビームスプリッタ91を備え、更に、ビームスプリッタ92及び観測用光学系90を備える構成で第3の実施形態と異なる。レーザ加工装置4のその他の構成は、レーザ加工装置3と同様である。   FIG. 21 is a block diagram showing a laser processing apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. The laser processing apparatus 4 according to the fourth embodiment includes a beam splitter 91 instead of the reflecting mirror 22 in the laser processing apparatus 3, and further includes a beam splitter 92 and an observation optical system 90. Different from form. Other configurations of the laser processing apparatus 4 are the same as those of the laser processing apparatus 3.

観測用光学系90は、カメラ95と、レンズ96と、光源97とを有する。光源97は、ビームスプリッタ92,91、結像光学系40、ダイクロイックミラー61,71、及び、集光レンズ50を介して、加工対象物100に光を照射する。そして、カメラ95は、レンズ96、ビームスプリッタ92,91、結像光学系40、ダイクロイックミラー61,71、及び、集光レンズ50を介して、加工対象物100を観測するためのものである。   The observation optical system 90 includes a camera 95, a lens 96, and a light source 97. The light source 97 irradiates the workpiece 100 with light via the beam splitters 92 and 91, the imaging optical system 40, the dichroic mirrors 61 and 71, and the condenser lens 50. The camera 95 is for observing the workpiece 100 through the lens 96, the beam splitters 92 and 91, the imaging optical system 40, the dichroic mirrors 61 and 71, and the condenser lens 50.

この第4の実施形態のレーザ加工装置4でも、第3の実施形態のレーザ加工装置3と同様の利点を得ることができる。   The laser processing apparatus 4 of the fourth embodiment can obtain the same advantages as the laser processing apparatus 3 of the third embodiment.

また、第4の実施形態のレーザ加工装置4によれば、レーザ加工中に加工対象物100を観測することが可能となる。
[第5の実施形態]
Moreover, according to the laser processing apparatus 4 of 4th Embodiment, it becomes possible to observe the process target object 100 during laser processing.
[Fifth Embodiment]

図22は、本発明の第5の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第5の実施形態のレーザ加工装置5は、レーザ加工装置3において、エキスパンダ30及び反射鏡21,22に代えてアッテネータ30A、反射鏡23,24,25,26,27を備える形態で第3の実施形態と異なる。   FIG. 22 is a block diagram showing a laser processing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. The laser processing apparatus 5 of the fifth embodiment is the same as the laser processing apparatus 3 except that the expander 30 and the reflecting mirrors 21 and 22 are replaced with an attenuator 30A and reflecting mirrors 23, 24, 25, 26, and 27. Different from the third embodiment.

より詳細には、反射鏡23〜27は、それぞれレーザ光の進行方向を90°ずつ変更するものであり、その結果、レーザ光源20からのレーザ光の進行方向が90°変更される。反射鏡23と反射鏡24との間にはアッテネータ30Aが配置されており、反射鏡24と反射鏡25との間には強度変換レンズ11が配置されており、反射鏡25と反射鏡26との間には複数の位相補正レンズ12及びレンズホルダ15が配置されており、反射鏡26と反射鏡27との間には結像光学系40における一方のレンズ41が配置されており、反射鏡27とダイクロイックミラー61との間には結像光学系40における他方のレンズ42が配置されている。   More specifically, each of the reflecting mirrors 23 to 27 changes the traveling direction of the laser light by 90 °, and as a result, the traveling direction of the laser light from the laser light source 20 is changed by 90 °. An attenuator 30A is disposed between the reflecting mirror 23 and the reflecting mirror 24, and the intensity conversion lens 11 is disposed between the reflecting mirror 24 and the reflecting mirror 25. The reflecting mirror 25, the reflecting mirror 26, and A plurality of phase correction lenses 12 and a lens holder 15 are disposed between them, and one lens 41 in the imaging optical system 40 is disposed between the reflecting mirror 26 and the reflecting mirror 27. Between the lens 27 and the dichroic mirror 61, the other lens 42 in the imaging optical system 40 is disposed.

アッテネータ30Aは、λ/2波長板31Aと、偏光ビームスプリッタ32Aと、ダンパー33Aとを有し、所定の偏光面を有するレーザ光を強度変換レンズ11へ出力するものである。レーザ加工装置5のその他の構成は、レーザ加工装置3と同様である。   The attenuator 30A includes a λ / 2 wavelength plate 31A, a polarization beam splitter 32A, and a damper 33A, and outputs laser light having a predetermined polarization plane to the intensity conversion lens 11. Other configurations of the laser processing apparatus 5 are the same as those of the laser processing apparatus 3.

この第5の実施形態のレーザ加工装置5でも、第3の実施形態のレーザ加工装置3と同様の利点を得ることができる。   The laser processing apparatus 5 of the fifth embodiment can obtain the same advantages as the laser processing apparatus 3 of the third embodiment.

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、円盤状のレンズホルダ15を回転することによって複数の強度変換レンズ11又は複数の位相補正レンズ12を切り換える形態を例示したが、複数の強度変換レンズ11又は複数の位相補正レンズ12を切り換える手法はこれに限定されない。例えば、図23〜25に例示するレーザ加工装置1A〜3Aのように、第1〜第3の実施形態のレーザ加工装置1〜3において、円盤状のレンズホルダ15に代えて帯状のレンズホルダ15Aを備えてもよい。この場合、複数の強度変換レンズ11又は複数の位相補正レンズ12は帯状のレンズホルダ15Aに配列され、レンズホルダ15Aがスライドすることによって、複数の強度変換レンズ11又は複数の位相補正レンズ12が選択的に切り換えられる。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, in the present embodiment, the mode in which the plurality of intensity conversion lenses 11 or the plurality of phase correction lenses 12 are switched by rotating the disk-shaped lens holder 15 is illustrated. However, the plurality of intensity conversion lenses 11 or the plurality of phase correction lenses are switched. The method of switching the lens 12 is not limited to this. For example, as in laser processing apparatuses 1A to 3A illustrated in FIGS. 23 to 25, in the laser processing apparatuses 1 to 3 of the first to third embodiments, a belt-shaped lens holder 15A is used instead of the disk-shaped lens holder 15. May be provided. In this case, the plurality of intensity conversion lenses 11 or the plurality of phase correction lenses 12 are arranged in a band-shaped lens holder 15A, and the plurality of intensity conversion lenses 11 or the plurality of phase correction lenses 12 are selected by sliding the lens holder 15A. Can be switched automatically.

また、本実施形態では、複数の強度変換レンズ11及び複数の位相補正レンズ12のうちの一方のみを切り換える形態を例示したが、複数の強度変換レンズ11及び複数の位相補正レンズ12の両方を切り換えてもよい。これによれば、複数の強度変換レンズ11の補正波面と複数の位相補正レンズ12の補正波面との組み合わせにより、より精密な収差補正が可能となる。   Further, in the present embodiment, an example in which only one of the plurality of intensity conversion lenses 11 and the plurality of phase correction lenses 12 is switched is illustrated, but both of the plurality of intensity conversion lenses 11 and the plurality of phase correction lenses 12 are switched. May be. According to this, it is possible to correct aberrations more precisely by combining the correction wavefronts of the plurality of intensity conversion lenses 11 and the correction wavefronts of the plurality of phase correction lenses 12.

1,2,3,4,5,1A,2A,3A…レーザ加工装置、10X…ホモジナイザ、11,11X…強度変換レンズ(非球面レンズ)、12,12X…位相補正レンズ(非球面レンズ)、15,15A…レンズホルダ、20…レーザ光源、21〜27…反射鏡、30…エキスパンダ、31…凹レンズ、32…凸レンズ、30A…アッテネータ、31A…λ/2波長板、32A…偏光ビームスプリッタ、33A…ダンパー、40…結像光学系、41,42…レンズ、50…集光レンズ、51…駆動ユニット、52…ステージ、60…表面観察ユニット、61,71…ダイクロイックミラー、70…オートフォーカスユニット、80,80A…制御部、90…観測用光学系、92,91…ビームスプリッタ、95…カメラ、96…レンズ、97…光源、100…加工対象物。   1, 2, 3, 4, 5, 1A, 2A, 3A ... laser processing apparatus, 10X ... homogenizer, 11, 11X ... intensity conversion lens (aspheric lens), 12, 12X ... phase correction lens (aspheric lens), DESCRIPTION OF SYMBOLS 15,15A ... Lens holder, 20 ... Laser light source, 21-27 ... Reflector, 30 ... Expander, 31 ... Concave lens, 32 ... Convex lens, 30A ... Attenuator, 31A ... λ / 2 wavelength plate, 32A ... Polarizing beam splitter, 33A ... damper, 40 ... imaging optical system, 41, 42 ... lens, 50 ... condensing lens, 51 ... drive unit, 52 ... stage, 60 ... surface observation unit, 61, 71 ... dichroic mirror, 70 ... autofocus unit 80, 80A ... control unit, 90 ... observation optical system, 92, 91 ... beam splitter, 95 ... camera, 96 ... lens, 97 ... Source, 100 ... workpiece.

Claims (4)

光透過性を有する加工対象物内部にレーザ光を集光するレーザ加工装置であって、
レーザ光を生成する光源と、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する光整形部と、
前記光整形部からのレーザ光を前記加工対象物内部における加工位置に集光する集光レンズと、
前記光整形部を制御する制御部と、
を備え、
前記光整形部は、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の強度変換レンズ、又は、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズ、及び、当該強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を補正する位相補正レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の位相補正レンズ、
を有し、
前記制御部は、前記加工位置を変更する場合に、前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズを切り換える、
レーザ加工装置。
A laser processing apparatus for condensing laser light inside a workpiece having light permeability,
A light source for generating laser light;
A light shaping unit that converts the intensity distribution of the laser light from the light source into a desired intensity distribution; and
A condensing lens for condensing the laser light from the light shaping unit at a processing position inside the processing object;
A control unit for controlling the light shaping unit;
With
The light shaping unit is
An intensity conversion lens that converts the intensity distribution of the laser light from the light source into a desired intensity distribution, and a plurality of intensity conversion lenses that generate different wavefronts, or
An intensity conversion lens that converts the intensity distribution of the laser light from the light source and shapes it into a desired intensity distribution, and a phase correction lens that corrects the phase of the emitted laser light from the intensity conversion lens, each having a different wavefront Multiple phase correction lenses, which produce
Have
The control unit switches the plurality of intensity conversion lenses or the plurality of phase correction lenses when changing the processing position,
Laser processing equipment.
前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズは、レーザ光の収差を補正するための補正波面であって、前記加工対象物内部の複数の加工位置にそれぞれ対応する複数の当該補正波面のうちの異なる1つをそれぞれ生成し、
前記制御部は、前記複数の加工位置を変更する場合に、当該変更する加工位置に対応する補正波面を生成するレンズを前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズから選択して切り換える、
請求項1に記載のレーザ加工装置。
The plurality of intensity conversion lenses or the plurality of phase correction lenses are correction wavefronts for correcting aberrations of laser light, and the plurality of correction wavefronts respectively corresponding to a plurality of processing positions inside the processing object. Create different ones of each,
The control unit, when changing the plurality of processing positions, select and switch a lens that generates a correction wavefront corresponding to the processing position to be changed from the plurality of intensity conversion lenses or the plurality of phase correction lenses,
The laser processing apparatus according to claim 1.
レーザ光を生成する光源と、前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する光整形部と、前記光整形部からのレーザ光を前記加工対象物内部における加工位置に集光する集光レンズとを備えるレーザ加工装置であって、前記光整形部は、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の強度変換レンズ、又は、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズ、及び、当該強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を補正する位相補正レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の位相補正レンズ、
を有する当該レーザ加工装置のレーザ加工方法において、
前記加工対象物内部における加工位置を設定又は変更し、
前記加工位置の設定又は変更に応じて、前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズを切り換え、
前記光源からのレーザ光を前記加工対象物における加工位置へ照射する、
レーザ加工方法。
A light source that generates laser light, a light shaping unit that converts the intensity distribution of the laser light from the light source and shapes the laser light into a desired intensity distribution, and a processing position of the laser light from the light shaping unit inside the workpiece A laser processing apparatus including a condensing lens that condenses the light shaping unit,
An intensity conversion lens that converts the intensity distribution of the laser light from the light source into a desired intensity distribution, and a plurality of intensity conversion lenses that generate different wavefronts, or
An intensity conversion lens that converts the intensity distribution of the laser light from the light source and shapes it into a desired intensity distribution, and a phase correction lens that corrects the phase of the emitted laser light from the intensity conversion lens, each having a different wavefront Multiple phase correction lenses, which produce
In the laser processing method of the laser processing apparatus having
Set or change the processing position within the processing object,
According to the setting or change of the processing position, the plurality of intensity conversion lenses or the plurality of phase correction lenses are switched,
Irradiating a laser beam from the light source to a processing position in the processing object;
Laser processing method.
前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズは、レーザ光の収差を補正するための補正波面であって、前記加工対象物内部の複数の加工位置にそれぞれ対応する複数の当該補正波面のうちの異なる1つをそれぞれ生成しており、
前記複数の加工位置の設定又は変更に応じて、当該設定又は変更する加工位置に対応する補正波面を生成するレンズを前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズから選択して切り換える、
請求項3に記載のレーザ加工方法。
The plurality of intensity conversion lenses or the plurality of phase correction lenses are correction wavefronts for correcting aberrations of laser light, and the plurality of correction wavefronts respectively corresponding to a plurality of processing positions inside the processing object. Each of which produces a different one,
According to the setting or changing of the plurality of processing positions, a lens that generates a correction wavefront corresponding to the processing position to be set or changed is selected and switched from the plurality of intensity conversion lenses or the plurality of phase correction lenses.
The laser processing method according to claim 3.
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