JP7394299B2 - オートフォーカス光学系及び加工光学装置 - Google Patents

Description

本発明はオートフォーカス光学系及び加工光学装置に係り、被加工物の内部に光を集光させる加工光学装置（例えば、レーザー加工装置等）に用いられるオートフォーカス光学系及び加工光学装置に関する。

従来、シリコン等の被加工物の内部に集光点を合わせてレーザー光を切断予定ラインに沿って照射し、加工ラインに沿って被加工物内部に切断の起点となるレーザー加工領域を形成するレーザー加工装置（レーザーダイシング装置ともいう。）が知られている。レーザー加工領域が形成された被加工物は、その後、エキスパンドやブレーキングといった割断プロセスによって分割予定ラインで割断されて個々のチップに分断される（例えば、特許文献１参照）。

レーザー加工装置では、被加工物の内部に形成するレーザー加工領域を被加工物の表面から一定の深さに形成するため、オートフォーカス（ＡＦ）光学系を用いて被加工物の表面の高さ位置（厚み方向位置）を検出しレーザー光の集光点の被加工物の表面からの深さを高精度に制御する必要がある。

特開２００９－２６９０７４号公報

上記のようなＡＦ光学系では、加工用レーザー光の集光点の被加工物の表面からの深さ（以下、加工深さという。）を変更すると、フォーカス誤差信号（以下、ＡＦ信号という。）の出力特性（以下、ＡＦ特性という。）が変化する。ＡＦ特性が変化すると、オートフォーカスの安定性及び応答性に影響する。

図１１は、ＡＦ特性と加工深さとの関係を示すグラフである。図１１の横軸はデフォーカス距離（変位）であり、縦軸はＡＦ信号の出力である。

図１１には、加工深さを変更した場合のＡＦ特性カーブが３つ示されている。図１１に示すＡＦ特性カーブでは、Ｃ１からＣ３の順に加工深さが浅くなっている。図１１の符号Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、それぞれＡＦ特性カーブＣ１、Ｃ２及びＣ３においてＡＦ信号が検出可能な範囲（以下、フォーカス引き込み範囲という。）を示している。

図１１に示すように、加工深さが浅いほど、フォーカス引き込み範囲が狭くなる（Ｒ３＞Ｒ２＞Ｒ１）。一方、加工深さが深いほど、フォーカス引き込み範囲におけるＡＦ特性カーブＣ１、Ｃ２及びＣ３の変化の割合（傾き）が小さく、フォーカス感度が低くなる。

上記のように、加工深さに応じて、ＡＦ特性が変化し、フォーカス引き込み範囲及びフォーカス感度が変動する。このため、従来のレーザー加工装置では、フォーカス引き込み範囲及びフォーカス感度のバランスを考慮して、例えば、光源の大きさ、各レンズの焦点距離、及び位置等のパラメータを設定する必要があった。

しかしながら、これらのパラメータは、加工光学装置の出荷前に設定されるものであり、一度設定したら変更は困難である。そして、これらのパラメータでは、加工深さの変更によるＡＦ特性の変化を抑制することはできなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、レーザー光の集光点の被加工物の被測定面からの深さの変更に伴うＡＦ信号の出力特性の変化を抑制することが可能なオートフォーカス光学系及び加工光学装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るオートフォーカス光学系は、被加工物の内部に加工用レーザー光を対物レンズを介して集光させる加工光学装置に用いられるオートフォーカス光学系であって、オートフォーカス光学系は、対物レンズと被加工物との距離を所定の関係に保つために用いられる光学系であり、加工用レーザー光とは異なるＡＦ用レーザー光を対物レンズを介して被加工物の被測定面に集光させるためのフォーカス機構を備え、フォーカス機構は、加工用レーザー光の集光位置とＡＦ用レーザー光の集光位置との相対間隔を対物レンズの光軸方向に調整可能であり、相対間隔の変化によらず、対物レンズのレンズ瞳位置におけるＡＦ用レーザー光の光束径が略一定である。

本発明の第２の態様に係るオートフォーカス光学系は、第１の態様において、フォーカス機構は、ＡＦ用レーザー光の光路に沿って移動可能な第１レンズ群と、第１レンズ群よりも対物レンズに近い側に配置された第２レンズ群であって、第２レンズ群の後側焦点位置が対物レンズのレンズ瞳位置と共役な位置に配置された第２レンズ群と、第１レンズ群を移動させることにより、ＡＦ用レーザー光の集光点の位置を調整する駆動部とを備える。

本発明の第３の態様に係るオートフォーカス光学系は、第１の態様において、フォーカス機構は、対物レンズのレンズ瞳位置と共役な位置に配置された焦点距離可変レンズと、焦点距離可変レンズの焦点距離を変化させることにより、ＡＦ用レーザー光の集光点の位置を調整する制御部とを備える。

本発明の第４の態様に係る加工光学装置は、第１から第３の態様のいずれかに係るオートフォーカス光学系と、オートフォーカス光学系から導光された光を被加工物の被測定面に集光させる対物レンズと、対物レンズを低倍率の対物レンズに変更する場合に、対物レンズとオートフォーカス光学系との間に挿入されるビームエキスパンダとを備える。

本発明によれば、レーザー光の集光点の被加工物の被測定面からの深さの変更に伴うＡＦ信号の出力特性の変化を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザー加工装置を示すブロック図である。 図２は、ＡＦ装置を示すブロック図である。 図３は、従来のオートフォーカス光学系を示す図である。 図４は、対物レンズ及びオートフォーカス光学系とＡＦ用レーザー光の関係を示す図である。 図５は、対物レンズ及び検出光学系の結像レンズとＡＦ用レーザー光の関係を示す図である。 図６は、本発明の一実施形態に係るオートフォーカス光学系により得られるＡＦ特性を示すグラフである。 図７は、比較例のＡＦ特性を示すグラフである。 図８は、対物レンズの倍率ごとのＡＦ特性の例を示すグラフである。 図９は、変形例１に係るオートフォーカス光学系を示す図である。 図１０は、変形例２に係るオートフォーカス光学系を示す図である。 図１１は、ＡＦ特性と加工深さとの関係を示すグラフである。

以下、添付図面に従って本発明に係るオートフォーカス光学系及び加工光学装置の実施の形態について説明する。

［レーザー加工装置］
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザー加工装置を示すブロック図である。

図１に示すように、レーザー加工装置１０は、被加工物Ｗ（例えば、半導体ウェーハ）を移動させるステージ１２と、被加工物Ｗにレーザー光を照射するレーザー照射装置２０と、レーザー加工装置１０の各部を制御する制御部５０とを備える。

ステージ１２は、ＸＹＺθ方向に移動可能に構成され、被加工物Ｗを吸着保持する。被加工物Ｗは、デバイスが形成された表面に粘着材を有するバックグラインドテープ（以下、ＢＧテープ）が貼付され、裏面が図中上向きになるようにステージ１２に載置される。以下、被加工物Ｗの対物レンズ２４側の面を被測定面という。なお、被測定面は、被加工物Ｗの対物レンズ２４側の面とは反対側の面（裏面）でもよい。被加工物Ｗは、一方の面に粘着材を有するダイシングシートを貼付し、このダイシングシートを介してフレームと一体化された状態でステージ１２に載置されるようにしてもよい。

レーザー照射装置２０は、被加工物Ｗに対向する位置に配置されており、被加工物Ｗの内部にレーザー加工領域を形成するための加工用レーザー光Ｌ１を被加工物Ｗに対して照射する。

制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、入出力回路部等からなり、レーザー加工装置１０の各部の動作や加工に必要なデータの記憶等を行う。

レーザー加工装置１０はこの他に、図示しないウェーハ搬送手段、操作盤、テレビモニタ、及び表示灯等から構成されている。

操作盤には、レーザー加工装置１０の各部の動作を操作するスイッチ類や表示装置が取り付けられている。テレビモニタは、図示しないＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラで撮像したウェーハ画像の表示、又はプログラム内容や各種メッセージ等を表示する。表示灯は、レーザー加工装置１０の加工中、加工終了、非常停止等の稼働状況を表示する。

次に、レーザー照射装置２０の詳細構成について説明する。図１に示すように、レーザー照射装置２０は、レーザー光源（第１レーザー光源）２１と、ダイクロイックミラー２３と、対物レンズ（集光レンズ）２４と、第１アクチュエータ２５と、ＡＦ装置３０とを備える。

レーザー光源２１は、被加工物Ｗの内部にレーザー加工領域を形成するための加工用レーザー光Ｌ１を出射する。例えば、レーザー光源２１は、パルス幅が１μｓ以下であって、集光点におけるピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上となるレーザー光を出射する。

加工用レーザー光Ｌ１の第１光路上には、レーザー光源２１側から順に、ダイクロイックミラー２３と、対物レンズ２４とが配置される。ダイクロイックミラー２３は、加工用レーザー光Ｌ１を透過し、かつ後述するＡＦ装置３０から出射されるＡＦ用レーザー光Ｌ２を反射する。なお、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の第２光路は、ダイクロイックミラー２３により加工用レーザー光Ｌ１の第１光路と一部光路を共有するように屈曲され、その共有光路上に対物レンズ２４が配置される。

レーザー光源２１から出射された加工用レーザー光Ｌ１は、ダイクロイックミラー２３を通過した後、対物レンズ２４により被加工物Ｗの内部に集光される。加工用レーザー光Ｌ１の集光点のＺ方向位置（ウェーハ厚み方向位置）は、第１アクチュエータ２５によって対物レンズ２４をＺ方向に微小移動させることにより調節される。

第１アクチュエータ２５は、対物レンズ２４と被加工物Ｗの被測定面との距離を所定の関係に保つ（距離が一定となる）ように、制御部５０によって駆動が制御される。

［ＡＦ装置］
次に、ＡＦ装置３０について、図２を参照して説明する。図２は、ＡＦ装置を示すブロック図である。なお、図２では、簡単のため、ダイクロイックミラー２３等の光学素子の図示を省略する。

図２に示すように、ＡＦ装置３０は、ＡＦ用光源（第２レーザー光源）３２と、ナイフエッジ３４と、ハーフミラー３６と、オートフォーカス光学系３８と、結像レンズ４０と、ディテクタ４２と、ＡＦ信号処理部４４と、第２アクチュエータ４６とを備える。

ＡＦ用光源３２は、例えばＬＤ（Laser Diode）光源やＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源等からなり、加工用レーザー光Ｌ１とは異なる波長であって被加工物Ｗの被測定面で反射可能な波長を有するＡＦ用レーザー光Ｌ２を出射する。

ＡＦ用光源３２から出射されたＡＦ用レーザー光Ｌ２は、ナイフエッジ３４によってその一部が遮光される。そして、ナイフエッジ３４によって遮光されることなく進行した光は、オートフォーカス光学系３８を介して対物レンズ２４に導光され、被加工物Ｗに導かれる。すなわち、ＡＦ用レーザー光Ｌ２は、ダイクロイックミラー２３により反射されて加工用レーザー光Ｌ１との共有光路に沿って進行し、対物レンズ２４により集光されて被加工物Ｗに照射される（図１参照）。

被加工物Ｗの被測定面で反射されたＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光は、対物レンズ２４に戻って共有光路に沿って進行し、ダイクロイックミラー２３により反射される。このダイクロイックミラー２３により反射されたＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光は、オートフォーカス光学系３８を通過してハーフミラー３６によって反射される。そして、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光は、結像レンズ４０により集光され、ディテクタ４２上に照射され、ディテクタ４２の受光面に集光像を形成する。

ディテクタ４２は、２分割された受光素子（光電変換素子）を有する２分割フォトダイオードからなり、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光の集光像を分割して受光し、それぞれの光量に応じた出力信号（電気信号）をＡＦ信号処理部４４に出力する。

ＡＦ信号処理部４４は、ディテクタ４２の各受光素子から出力された出力信号に基づいて、被加工物Ｗの被測定面の基準位置からのＺ方向の変位（被加工物Ｗの被測定面とＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点とのデフォーカス距離）を示すフォーカス誤差信号（ＡＦ信号）を生成して制御部５０に出力する。

（オートフォーカス光学系）
ＡＦ装置３０のオートフォーカス光学系３８は、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の第２光路上であって、加工用レーザー光Ｌ１の第１光路との共有光路とは独立した位置に配置される。本実施形態では、オートフォーカス光学系３８は、ダイクロイックミラー２３とハーフミラー３６との間に配置される。

図２に示すように、オートフォーカス光学系３８は、第１レンズ群３８Ａと第２レンズ群３８Ｂとを備える。ここで、第１レンズ群３８Ａ及び第２レンズ群３８Ｂ並びに第２アクチュエータ４６は、本発明のフォーカス機構として機能する。

第１レンズ群（移動群）３８Ａは、第２アクチュエータ４６により第２の光路方向に移動可能に配置されている。第１レンズ群３８Ａは、１又は複数のレンズからなり、負のパワーを有している。なお、後述するように、第１レンズ群３８Ａは、正のパワーを有するものであってもよい。

第２レンズ群（固定群）３８Ｂは、第２レンズ群３８Ｂの後側焦点位置と対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａとが光学的に共役となる位置に固定されている。第２レンズ群３８Ｂは、１又は複数のレンズからなり、正のパワーを有している。

第２アクチュエータ４６により、第１レンズ群３８Ａが第２光路に沿って移動すると、加工用レーザー光Ｌ１の集光点のＺ方向位置が固定された状態で、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点のＺ方向位置が変化する。すなわち、第１レンズ群３８Ａの移動に伴い、加工用レーザー光Ｌ１の集光位置とＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光位置との相対間隔が対物レンズ２４の光軸方向に変化する。

ＡＦ信号処理部４４は、ディテクタ４２の各受光素子から出力された出力信号に基づいて、ナイフエッジ法によりＡＦ信号を生成する。制御部５０は、加工深さに応じて第２アクチュエータ４６を制御して第１レンズ群３８Ａの位置を所定の位置とする。制御部５０は、ＡＦ信号処理部４４から出力されるＡＦ信号に基づいて、第１アクチュエータ２５を制御し、加工用レーザー光Ｌ１の集光点の位置を調整する。

なお、ＡＦ信号の算出及びＡＦ信号に基づく制御については、特開２０１５－１８６８２５号公報に記載の方法を適用可能である。

［ＡＦ特性の変化の抑制］
次に、ＡＦ特性の変化を抑制するための条件について説明する。

本願の発明者は、レーザー加工装置のオートフォーカス光学系においてＡＦ特性が変化する原因について、下記のような考察を行った。すなわち、従来のオートフォーカス光学系では、加工深さが深い場合には（図３（ａ））、ＡＦ用レーザー光を対物レンズ２４に近い点にフォーカスさせるために、加工深さが浅い場合（図３（ｂ））と比較して、対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａにおける光束径が小さくなる。このため、対物レンズ２４を介してディテクタ側に戻るＡＦ用レーザー光の光束径が小さくなり、対物レンズ２４の実質的な開口数ＮＡ（Numerical Aperture）が小さくなる。この結果、加工深さが浅い場合に、ＡＦ信号の変化が緩やかになり、フォーカス感度が低くなる。

そして、本願の発明者は、（Ａ）対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４ＡにおけるＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径（図４のｈ_３）と、（Ｂ）ディテクタ４２側に戻るＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径（図５のｈ_ＴＬ）とを一定に保つことで、加工深さの変更に伴うＡＦ特性の変化を抑制可能であることを確認した。以下に、（Ａ）対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４ＡにおけるＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径（図４のｈ_３）、及び（Ｂ）ディテクタ４２側に戻るＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径（図５のｈ_ＴＬ）と、ＡＦ用レーザー光Ｌ２との関係について説明する。

（対物レンズのレンズ瞳位置におけるＡＦ用レーザー光の光束径）
まず、対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４ＡにおけるＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径とＡＦ用レーザー光Ｌ２との関係について説明する。

図４は、対物レンズ及びオートフォーカス光学系とＡＦ用レーザー光の関係を示す図である。なお、図４では、簡単のため、対物レンズ２４、第１レンズ群３８Ａ及び第２レンズ群３８Ｂ以外の光学素子の図示を省略する。

本実施形態では、（１）対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４ＡにおけるＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径を一定に保ち、かつ、（２）ＡＦ用レーザー光Ｌ２の収束位置（集光点）の深さを任意に変更可能とする。

第１レンズ群３８Ａに対する入射光の高さをｈ_１、第２レンズ群３８Ｂに対する入射光の高さをｈ_２、第１レンズ群３８Ａのパワーをφ_１、第２レンズ群３８Ｂのパワーをφ_２、第１レンズ群３８Ａと第２レンズ群３８Ｂの基準面の間の距離をｄ_１、第２レンズ群３８Ｂの基準面と対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａとの間の距離ｄ_２とする。ｈ_１＝１として、近軸追跡を行うと、下記の式（１）が得られる。

ｈ_３＝ｄ_２｛－（１－ｄ_１φ_１）φ_２－φ_１｝－ｄ_１φ_１＋１ …（１）
ｄ_１によらず、ｈ_３が一定であるためには、式（１）においてｄ_１の項がゼロになればよい。式（１）におけるｄ_１の項は、ｄ_１ｄ_２φ_１φ_２－ｄ_１φ_１＝ｄ_１φ_１（ｄ_２φ_２－１）である。よって、ｄ_１によらず、ｈ_３が一定となる条件は、下記の式（２）により表される。

ｄ_２φ_２－１＝０ …（２）
第２レンズ群３８Ｂの焦点距離をｆ_２として式（２）を変形すると、下記の式（３）が得られる。

ｄ_２＝ｆ_２ …（３）
式（３）から、ｄ_１によらず、ｈ_３が一定となる条件は、第２レンズ群３８Ｂの後側焦点位置と対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａとが一致することであることがわかる。

第１レンズ群３８Ａの焦点距離をｆ_１とすると、下記の式（４）が得られる。

ｈ_３＝ｈ_１（φ_１／φ_２）＝ｈ_１（ｆ_２／ｆ_１） …（４）
式（４）から、第１レンズ群３８Ａのパワーは、正負のいずれでもよい（凸レンズ系及び凹レンズ系のいずれでもよい）ことがわかる。

次に、第２レンズ群３８Ｂに着目すると、Ｎｅｗｔｏｎの式から、下記の式（５）が得られる。

ｘ_１ｘ_２＝－ｆ_２ ^２ …（５）
ここで、ｘ_２は、第２レンズ群３８Ｂの焦点位置から像点Ｐ２までの距離である。第２レンズ群３８Ｂの焦点位置は対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａと共役となる位置に置かれる。また、ｘ_１は、第１レンズ群３８Ａによって投影される光源位置Ｐ１と第２レンズ群３８Ｂの前側焦点位置の距離であり、Ｐ１の移動量と第１レンズ群３８Ａの移動量は等しい。

式（５）から、第２レンズ群３８Ｂの焦点距離ｆ_２が大きくなるほど、第１レンズ群３８Ａの移動量は大きくなる。

第１レンズ群３８Ａの移動量ｄｇ_１は加工深さをＤ_ｐ，被加工物Ｗの屈折率をＮ_ｐ，対物レンズ２４の焦点距離をＦ_ｏｂｊとすると、Ｎｅｗｔｏｎの式から、次の式（６）が得られる。式（６）から、第１レンズ群３８Ａの移動量ｄｇ_１の概略の値を求めることができる。

ｄｇ_１＝（ｆ_２ ^２／ｆ_ｏｂｊ ^２）（Ｄ_ｐ／Ｎ_ｐ） …（６）
制御部５０は、式（６）から加工深さＤ_ｐに応じた第１レンズ群３８Ａの移動量ｄｇ_１を算出し、移動量ｄｇ_１に応じて第１レンズ群３８Ａを第２の光路に沿って移動させる。なお、実際の第１レンズ群３８Ａの移動量ｄｇ_１は、式（６）により算出した値を含む範囲内の値としてもよい（実施例４参照）。

式（５）の近軸結像公式から、所定のｘ_２を得るための第１レンズ群３８Ａの移動量ｄｇ_１はｆ_２ ^２に比例することがわかる。そして、式（５）及び式（６）から、第１レンズ群３８Ａの移動量ｄｇ_１を適当な範囲に収めるためには、第２レンズ群３８Ｂの焦点距離ｆ_２を適当な値とすることが必要となる。

（ディテクタ側に戻るＡＦ用レーザー光の光束径）
次に、ディテクタ４２側に戻るＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径とＡＦ用レーザー光Ｌ２との関係について説明する。

図５は、対物レンズ及び検出光学系の結像レンズとＡＦ用レーザー光の関係を示す図である。なお、図５では、簡単のため、対物レンズ２４、検出光学系の結像レンズ４０以外の光学素子の図示を省略する。

まず、オートフォーカス光学系３８を省略して単純化した光学系について考える。図５に示すように、検出光学系の結像レンズ４０に対する入射光の高さをｈ_ＴＬ、結像レンズ４０の焦点距離をｆ_ＴＬ、対物レンズ２４と被加工物Ｗとの間の距離の変化量がδ_０のときの結像レンズ４０の結像位置（集光点）の変化量をΔとする。ディテクタ４２の受光面上での光束の広がりがＡＦ信号に比例すると考えられるため、下記の式（７）が得られる。

ＡＦ＝ｋΔ（ｈ_ＴＬ／ｆ_ＴＬ） …（７）
ここで、ｋは比例定数である。式（７）から、結像レンズ４０に入射する光束径が大きいほどＡＦ信号の出力が大きくなる。また、式（７）から、結像レンズ４０の焦点距離ｆ_ＴＬが小さいほどＡＦ信号の出力が大きくなる。加工深さによらず、一定のＡＦ信号を得るためにはディテクタ光路ＴＬに入射する光束径を一定にする必要がある。

対物レンズ２４と結像レンズ４０の縦倍率を考慮すると、下記の式（８）が得られる。なお、縦倍率をα、横倍率をβとする。

Δ＝δ_０α＝δ_０β^２＝δ_０（ｆ_ＴＬ／ｆ_ｏｂｊ）^２ …（８）
式（８）を式（７）に代入すると、下記の式（９）が得られる。

ＡＦ＝ｋδ_０β^２（ｈ_ＴＬ／ｆ_ＴＬ）
＝ｋδ_０（ｆ_ＴＬ／ｆ_ｏｂｊ）^２（ｈ_ＴＬ／ｆ_ＴＬ）
＝ｋδ_０（ｆ_ＴＬ／ｆ_ｏｂｊ ^２）ｈ_ＴＬ …（９）
式（９）から、ＡＦ信号は、ｆ_ＴＬに比例し、１／ｆ_ｏｂｊ ^２に比例し、ｈ_ＴＬに比例することがわかる（ＡＦ∝ｆ_ＴＬ、ＡＦ∝（１／ｆ_ｏｂｊ ^２）、ＡＦ∝ｈ_ＴＬ）。

次に、オートフォーカス光学系３８を含めた光学系について考える。この場合、式（９）において、対物レンズ２４の焦点距離ｆ_ｏｂｊに代えて、対物レンズ２４とオートフォーカス光学系３８の合成焦点距離（実効焦点距離）ｆ´_ｏｂｊを用いればよい。

オートフォーカス光学系３８を含めた光学系の場合の対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａにおける入射光の高さをｈ_ｐとすると、下記の式（１０）が得られる。

ｆ´_ｏｂｊ＝ｆ_ｏｂｊ（ｈ_ＴＬ／ｈ_ｐ） …（１０）
式（９）及び式（１０）から、下記の式（１１）が得られる。

ＡＦ＝ｋδ_０（ｆ_ＴＬ／ｆ´_ｏｂｊ ^２）ｈ_ＴＬ
＝ｋδ_０（ｆ_ＴＬ／ｆ_ｏｂｊ ^２）（ｈ_ｐ ^２／ｈ_ＴＬ） …（１１）
式（１１）から、対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａにおける入射光の高さｈ_ｐが変化すると、ＡＦ特性が変化することがわかる。このことは、従来のＡＦ光学系において、加工深さが深くなったときに、対物レンズに対する光束径が小さくなり（入射光の高さが低くなり）、フォーカス感度が低下することと対応している。

一方、式（１１）から、結像レンズ４０に対する入射光の高さｈ_ＴＬが小さくなると、ＡＦ信号が増大、すなわち、フォーカス引き込み範囲が狭くなることがわかる。

式（１１）から、異なる対物レンズ２４を用いた場合にＡＦ特性の変化を抑制するためには、対物レンズ２４の焦点距離ｆ_ｏｂｊの変化量に応じてｆ_ＴＬ，ｈ_ｐ，ｈ_ＴＬ等のパラメータを変更し、式（１１）のＡＦの値が概略揃うようにすればいいことがわかる。

対物レンズ２４の開口数をＮＡ_ｏｂｊとすると、ＮＡ_ｏｂｊ＝（ｈ_ｐ／ｆ_ｏｂｊ）であるから、下記の式（１２）が得られる。

ＡＦ＝ｋδ_０（ｆ_ＴＬ／ｆ´_ｏｂｊ ^２）ｈ_ＴＬ
＝ｋδ_０（ｆ_ＴＬ／ｆ_ｏｂｊ ^２）（ｈ_ｐ ^２／ｈ_ＴＬ）
＝ｋδ_０ＮＡ_ｏｂｊ ^２（ｆ_ＴＬ／ｈ_ＴＬ） …（１２）
式（１２）から、対物レンズ２４の開口数ＮＡ_ｏｂｊが大きいほど、ＡＦ信号が増大することがわかる。

本実施形態によれば、第２レンズ群３８Ｂの後側焦点位置と対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａとを一致させることにより（式（３））、対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４ＡにおけるＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径を一定に保つことができる。また、対物レンズ２４の焦点距離ｆ_ｏｂｊの変化量に応じてｆ_ＴＬ，ｈ_ｐ，ｈ_ＴＬ等のパラメータが調整されているので、ディテクタ４２側に戻るＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径（図５のｈ_ＴＬ）を略一定に保ちつつ、ＡＦ信号の強度を確保することが可能になる。したがって、フォーカス引き込み範囲及びフォーカス感度の変化を抑制することができる。

図６は、本実施形態に係るオートフォーカス光学系により得られるＡＦ特性を示すグラフである。図７は、比較例のＡＦ特性を示すグラフである。図６及び図７の横軸はデフォーカス距離（変位）であり、縦軸はＡＦ信号の出力である。

図６に示すＡＦ特性カーブでは、Ｃ１１からＣ１５の順に加工深さが深くなっている。また、図７に示すＡＦ特性カーブでは、Ｃ２１からＣ２５の順に加工深さが深くなっている。加工深さは、Ｃ１１及びＣ２１が０、Ｃ１２及びＣ２２が２００μｍ、Ｃ１３及びＣ２４が４００μｍ、Ｃ１４及びＣ２４が６００μｍ、Ｃ１５及びＣ２５が８００μｍである。

図７に示す比較例では、加工深さが浅いほど、フォーカス引き込み範囲が狭くなっている。一方、加工深さが深いほど、フォーカス引き込み範囲におけるＡＦ特性カーブＣ２１からＣ２５の変化の割合（傾き）が小さく、フォーカス感度が低くなっている。

これに対して、図６に示す例は、ＡＦ特性カーブＣ１１からＣ１５において、フォーカス引き込み範囲及びフォーカス感度の変化が抑制されていることがわかる。

（対物レンズの特性の調整）
式（９）から、ＡＦ信号は、１／ｆ_ｏｂｊ ^２に比例するので、対物レンズ２４の倍率が高いほど（焦点距離ｆ_ｏｂｊが短いほど）、ＡＦ信号の出力が大きくなり、フォーカス引き込み範囲が狭くなる。

図８は、対物レンズの倍率ごとのＡＦ特性の例を示すグラフである。図８から、１００倍の対物レンズのＡＦ特性カーブＣ_１００Ｘの方が５０倍の対物レンズのＡＦ特性カーブＣ_５０ＸよりもＡＦ信号の絶対値が大きく、フォーカス引き込み範囲が狭い。そして、ＡＦ特性カーブＣ_５０Ｘの傾きは、ＡＦ特性カーブＣ_１００Ｘの傾きよりも小さく、フォーカス感度が低いことがわかる。

上記の式（１１）及び式（１２）から、対物レンズ２４の実質焦点距離を短くすることができれば、低倍率の対物レンズを用いた場合でも、ＡＦ信号の出力を増大させることができる。

ＡＦ特性カーブＣ_{５０ＸＢＥ}は、５０倍の対物レンズを用いた光学系において、ビームエキスパンダを導入した例を示している。図２に示す例において、オートフォーカス光学系３８と対物レンズ２４との間にビームエキスパンダを挿入して、対物レンズ２４に向かうＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径を拡大すると、オートフォーカス光学系３８と対物レンズ２４との間の距離を短くすることができる、実質的な焦点距離を短縮することできる。図８から、ビームエキスパンダを用いた場合のＡＦ特性カーブＣ_{５０ＸＢＥ}は、ＡＦ特性カーブＣ_１００Ｘに近づいていることがわかる。

上記のように、ビームエキスパンダを用いることにより、低倍率の対物レンズを用いた場合でも、ＡＦ信号の出力を増大させて、フォーカス感度を高めることが可能となる。

（光源の大きさとＡＦ特性の関係）
なお、ＡＦ用光源３２の大きさもＡＦ特性に影響を及ぼす。ＡＦ用光源３２が大きい場合には、ディテクタ４２に投影される光源像は、全体の包絡線で表される。そして、ＡＦ用光源３２の大きさに相当する部分は、合焦の前後であまり変化しない。その結果、ＡＦ用光源３２が大きい場合には、合焦位置付近でＡＦ特性カーブがなだらかに変化し、フォーカス引き込み範囲を広げる作用を持つ。

したがって、本実施形態においても、ＡＦ用光源３２とナイフエッジ３４との間に配置したピンホールのサイズを調整することで、フォーカス引き込み範囲を拡大又は縮小することが可能である。

［変形例１］
上記の実施形態では、オートフォーカス光学系３８を構成するレンズ群のうちの１つ（第１レンズ群３８Ａ）のみを移動させたが、オートフォーカス光学系３８を構成する複数のレンズ群を移動させるようにしてもよい。

図９は、変形例１に係るオートフォーカス光学系を示す図である。なお、以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図９に示すオートフォーカス光学系３８－１は、第１レンズ群３８Ａ－１と第２レンズ群３８Ｂ－１とを備えている。第１レンズ群３８Ａ－１及び第２レンズ群３８Ｂ－１は、いずれもＡＦ用レーザー光Ｌ２の光路方向に移動可能に配置されている。

図９に示す例でも、第１レンズ群３８Ａ－１及び第２レンズ群３８Ｂ－１の移動量及び移動方向を調整することにより、対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４ＡにおけるＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径を一定に保つことが可能になる。

なお、図９に示す例では、第１レンズ群３８Ａ－１は負のパワーを有しており、第２レンズ群３８Ｂ－１は正のパワーを有しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１レンズ群３８Ａ－１は正のパワーを有していてもよい。

また、オートフォーカス光学系３８－１を構成するレンズ群の数は２つに限定されない。２以上のレンズ群を有するオートフォーカス光学系３８－１であっても、２以上のレンズ群のうちの任意の数のレンズ群を移動群として移動させることにより、対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４ＡにおけるＡＦ用レーザー光Ｌ２の光束径を一定に保つことが可能になる。

［変形例２］
上記の実施形態及び変形例では、オートフォーカス光学系（３８及び３８－１）を構成するレンズ群の一部又は全部を移動群としたが、移動群を設けない態様も可能である。

図１０は、変形例２に係るオートフォーカス光学系を示す図である。なお、以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１０に示すオートフォーカス光学系６０は、焦点距離可変レンズ６２及びアフォーカル光学系６４を備える。ここで、焦点距離可変レンズ６２及びアフォーカル光学系６４並びに制御部５０は、本発明のフォーカス機構として機能する。

焦点距離可変レンズ６２は、例えば、ダイナモルフレンズであり、弾性変形可能で透明な材料（例えば、ガラス等）により形成された２枚の板部材と、円筒部材とを備える。２枚の板部材は、円板状であり、円筒部材の両端に平行に取り付けられる。２枚の板部材と円筒部材によって囲まれる空間には、透明な液体（例えば、純水等）が充填される。円筒部材には、複数の圧電素子が取り付けられる。制御部５０によりこの圧電素子に電流が印加されると、圧電素子の変形により円筒部材に力が作用し、円筒部材の両端に取り付けられた板部材が変形する。これにより、焦点距離可変レンズ６２のレンズ表面（界面）の形状が変化し、焦点距離が変わる。なお、焦点距離可変レンズ６２の種類については、上記の例に限定されない。

アフォーカル光学系６４は、第１レンズ群６４Ａと、第１レンズ群６４Ａよりも対物レンズ２４に近い側に配置された第２レンズ群６４Ｂとからなる４Ｆ光学系である。第１レンズ群６４Ａ及び第２レンズ群６４Ｂは、それぞれ１又は複数のレンズからなる。焦点距離可変レンズ６２は、アフォーカル光学系６４の第１レンズ群６４Ａの前側焦点位置からずれた位置に配置されており、対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａは、第２レンズ群６４Ｂの後側焦点位置からずれた位置に配置されている。なお、本実施形態では、対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａは、第２レンズ群６４Ｂの後側焦点位置からずれた位置に配置されているが、次に述べる共役関係が満たされていればこれに限定されない。

焦点距離可変レンズ６２は、アフォーカル光学系６４を介して、対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａと共役関係となっている。このため、焦点距離可変レンズ６２の焦点距離を変更した場合でも、図１０の（ａ）から（ｃ）に示すように、レンズ瞳位置２４Ａにおける光束径を一定に保つことが可能になる。

変形例２によれば、焦点距離可変レンズ６２を用いたことにより、オートフォーカス光学系６０を構成するレンズ群の中に移動群を設けることなく、加工深さの変更によるＡＦ特性の変化を抑制することが可能になる。

なお、上記の各実施形態では、オートフォーカス光学系（３８、３８－１及び６０）をレーザー加工装置１０に適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。被加工物Ｗの内部にレーザー光を集光させる装置であれば、レーザー加工装置１０以外の加工光学装置（例えば、亀裂検出装置等）に適用することも可能である。

［実施例］
次に、上記のオートフォーカス光学系（３８、３８－１及び６０）の具体的な実施例（パラメータ）について説明する。

（実施例１）
上記実施形態に係るオートフォーカス光学系３８において、第２レンズ群（固定群）の３８Ｂの後側焦点位置と対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａとの間の距離（以下、Δｄという。）が長くなると、加工深さの変更によるＡＦ特性カーブの変化が大きくなる。このため、距離Δｄは、一例で５０ｍｍ以下とすることが好ましく、ゼロであること（第２レンズ群の３８Ｂの後側焦点位置とレンズ瞳位置２４Ａとが概略一致すること）がより好ましい。

（実施例２）
上記実施形態に係るオートフォーカス光学系３８において、第２レンズ群３８Ｂと対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａとの間の距離（図４のｄ_２）が短すぎると、レンズの配置が困難になる。また、距離ｄ_２が長すぎると、第２レンズ群３８Ｂの径が大きくなる。そして、第２レンズ群３８Ｂの焦点距離ｆ_２が長くなるため、第１レンズ群３８Ａの移動量が大きくなる。このため、距離ｄ_２は、一例で５０～２５０ｍｍとすることが好ましい。

なお、変形例１に係るオートフォーカス光学系３８－１においても、対物レンズ２４に最も近いレンズ群とレンズ瞳位置２４Ａとの間の距離を一例で５０～２５０ｍｍとすることが好ましい。

（実施例３）
上記実施形態に係るオートフォーカス光学系３８において、第２レンズ群３８Ｂの焦点距離ｆ_２が長すぎると、第１レンズ群３８Ａの移動量が大きくなりすぎる。焦点距離ｆ_２が短すぎると、第２レンズ群３８Ｂを構成するレンズの焦点距離が短くなりすぎて、第２レンズ群３８Ｂの構成が困難になる。このため、第２レンズ群３８Ｂの焦点距離ｆ_２は、一例で１０～４０ｍｍとすることが好ましい。

（実施例４）
上記実施形態に係るオートフォーカス光学系３８において、第１レンズ群３８Ａの移動量ｄｇ_１、第２レンズ群３８Ｂの焦点距離ｆ_２及び加工深さＤ_ｐの関係（式（６））において、実際の移動量ｄｇ_１にはマージンをもたせることができる。具体的には、移動量ｄｇ_１は、一例で０．８（ｆ_２ ^２／ｆ_ｏｂｊ ^２）（Ｄ_ｐ／Ｎ_ｐ）＜ｄｇ_１＜１．２（ｆ_２ ^２／ｆ_ｏｂｊ ^２）（Ｄ_ｐ／Ｎ_ｐ）の範囲とすることができる。

（実施例５）
変形例２に係る焦点距離可変レンズ６２を含むオートフォーカス光学系６０では、焦点距離可変レンズ６２の共役点と対物レンズ２４のレンズ瞳位置２４Ａとの間の距離Ｄ_３が長すぎると、加工深さの変更によるＡＦ特性カーブの変化が大きくなる。このため、距離Ｄ_３は、一例で５０ｍｍ以下であることが好ましく、ゼロであること（焦点距離可変レンズ６２の共役点とレンズ瞳位置２４Ａが概略一致すること）がより好ましい。

１０…レーザー加工装置、１２…ステージ、２０…レーザー照射装置、２１…レーザー光源、２３…ダイクロイックミラー、２４…対物レンズ（集光レンズ）、２５…第１アクチュエータ、３０…ＡＦ装置、３２…ＡＦ用光源、３４…ナイフエッジ、３６…ハーフミラー、３８、３８－１…オートフォーカス光学系、４０…結像レンズ、４２…ディテクタ、４４…ＡＦ信号処理部、４６…第２アクチュエータ、５０…制御部、６０…オートフォーカス光学系、６２…焦点距離可変レンズ、６４…アフォーカル光学系

Claims (4)

1. 被加工物の内部に加工用レーザー光を対物レンズを介して集光させる加工光学装置に用いられるオートフォーカス光学系であって、
   前記オートフォーカス光学系は、前記対物レンズと前記被加工物との距離を所定の関係に保つために用いられる光学系であり、
   前記加工用レーザー光とは異なるＡＦ用レーザー光を前記対物レンズを介して前記被加工物の被測定面に集光させるためのフォーカス機構を備え、
   前記フォーカス機構は、前記加工用レーザー光の集光位置と前記ＡＦ用レーザー光の集光位置との相対間隔を前記対物レンズの光軸方向に調整可能であり、
   前記相対間隔の変化によらず、前記対物レンズのレンズ瞳位置における前記ＡＦ用レーザー光の光束径が略一定である、
   オートフォーカス光学系。
2. 前記フォーカス機構は、
   前記ＡＦ用レーザー光の光路に沿って移動可能な第１レンズ群と、
   前記第１レンズ群よりも前記対物レンズに近い側に配置された第２レンズ群であって、前記第２レンズ群の後側焦点位置が前記対物レンズのレンズ瞳位置と共役な位置に配置された第２レンズ群と、
   前記第１レンズ群を移動させることにより、前記ＡＦ用レーザー光の集光点の位置を調整する駆動部と、
   を備える請求項１記載のオートフォーカス光学系。
3. 前記フォーカス機構は、前記対物レンズのレンズ瞳位置と共役な位置に配置された焦点距離可変レンズと、
   前記焦点距離可変レンズの焦点距離を変化させることにより、前記ＡＦ用レーザー光の集光点の位置を調整する制御部と、
   を備える請求項１記載のオートフォーカス光学系。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のオートフォーカス光学系と、
   前記オートフォーカス光学系から導光された光を前記被加工物の被測定面に集光させる対物レンズと、
   前記対物レンズを低倍率の対物レンズに変更する場合に、前記対物レンズと前記オートフォーカス光学系との間に挿入されるビームエキスパンダと、
   を備える加工光学装置。

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