JPH1190666A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ加工装置に関し、レーザの出力の不安
定性による加工への影響を回避し、均一な加工を行うこ
とができるようにすることを目的とする。 【解決手段】 被加工物１８を支持するためのステージ
２０と、被加工物を加工するためのレーザ光源１４と、
該レーザ光源の発振光の強度を検出する検出手段２６
と、該検出手段の出力に基づいて該ステージを制御する
ための制御手段３０とを備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザを利用したレ
ーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光はコヒーレンス性がよいため、
ビーム形状の制御がしやすいことや、単一波長域での発
光が可能なこと、レーザ媒体を選択することで赤外領域
から紫外領域にわたってエネルギー密度の大きい発光を
得られることなどから、近年、機械加工や半導体加工等
の分野を問わず、広く使われるようになっている。例え
ば、半導体加工においては、レーザ加工装置はアニール
装置や、表面改質装置や、露光装置等として使用され
る。

【０００３】最近では、紫外領域での高効率発光や、赤
外領域での大出力レーザとして、エキシマレーザ等のガ
スレーザなどが、レーザ媒体を構成する上で簡便なこと
で広く用いられている。例えばエキシマレーザでは、反
応容器中に充填されたガスを高圧グロー放電させること
で稀ガスとハロゲンガスの準安定化合物であるエキシマ
等の励起種を形成することにより、ポンピングを行って
いる。

【０００４】大きなレーザ出力を得るには、反応容器中
に励起状態にある分子をより多く生成する必要がある。
そのためには、反応容器を大きくするか、または、容器
内のガス圧力を上げるか等の方法で大きな出力を得るこ
とができる。しかし、実際のレーザ加工機で大面積の加
工を行うためには、レーザ光源の発振強度が不十分であ
るため、被加工物をステージに固定し、ステージの移動
と同期してレーザを発振させることで、大面積のレーザ
加工を行うことが多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、反応容器を
大きくした場合、レーザ作用をする空間が大きくなって
しまうために、共振によるコヒーレンス性が悪くなる上
に、レーザの特性の経時変化を生じるという問題があっ
た。また、ガス圧を上げる場合にも、放電に伴う温度上
昇や電極表面の履歴などによって、レーザ出力やビーム
形状が経時変化してしまうという問題があった。例え
ば、パルスレーザであるエキシマレーザの場合、各パル
ス毎のビーム強度と波形形状の安定性が問題になること
は一般的に認識されている。

【０００６】このため、ステージ上に載った被加工物を
移動させながらレーザ照射を行うと、ビーム強度や波形
形状の変動によって加工の程度が変化してしまうため
に、レーザによる加工が均一に行えないという問題があ
った。本発明の目的は、レーザの出力の不安定性による
加工への影響を回避し、均一な加工を行うことができる
ようにしたレーザ加工装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によるレーザ加工
装置は、被加工物を支持するためのステージと、被加工
物を加工するためのレーザ光源と、該レーザ光源から出
射するレーザ光の強度を検出する検出手段と、該検出手
段の出力に基づいて該ステージを制御するための制御手
段とを備えたことを特徴とするものである。好ましく
は、レーザ光源はエキシマレーザからなる。

【０００８】上記構成においては、レーザ光源から出射
するレーザ光の強度を検出手段を通じてモニタし、発振
光の強度分布が変化しりして実効的な強度が低下あるい
は上昇することを検知できる。そこで、例えばレーザ光
源から出射するレーザ光の強度が低下した場合には、ス
テージの移動を抑えてその位置で再度レーザ照射を行
い、加工の程度が低下するのを補償する。こうして、レ
ーザにより均一な加工を行うことができる。

【０００９】上記構成とともに下記の構成を採用するこ
とができる。該レーザ光源を第１のレーザ光源とし、さ
らに第２のレーザ光源を備え、該第１のレーザ光源は該
第２のレーザ光源により励起される。これにより、第１
のレーザ光源をより適切に制御することができる。該第
２のレーザ光源から該第１のレーザ光源へ入射するレー
ザ光の光路と、該第１のレーザ光源から出射するレーザ
光の光路とが概略平行になるように配置され、該レーザ
光が光路からずれた場合に該第１のレーザ光源の発振出
力を弱めるための第２の制御手段を有する。これによ
り、第１のレーザ光源はビーム形状や出力方向が整った
レーザ光を出射することができる。

【００１０】該第２の制御手段は、該第２のレーザ光源
から該第１のレーザ光源に入射するレーザ光の非平行成
分を遮蔽するように設置された遮蔽板である。これによ
り、第２の制御手段を簡単に構成することができる。該
第２の制御手段は、該第２のレーザ光源から該第１のレ
ーザ光源に入射するレーザ光の非平行成分の強度を制御
信号とし、非平行成分の強度により該第１のレーザ光源
の出力を弱める手段を有する。これにより、第１のレー
ザ光源を容易に且つ確実に制御することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の原理図である。レ
ーザ加工装置１０は、レーザ媒体１２を含むレーザ光源
１４と、ハーフミラー１６と、被加工物１８を支持して
被加工物１８を移動させるステージ２０とを備える。ハ
ーフミラー１６は、レーザ光源１４から出射するレーザ
光２２の進路を変えて、被加工物１８に導く働きをする
とともに、一部の光２４を透過させてセンサ２６に照射
する働きもする。センサ２６はレーザ光源１４から出射
するレーザ光２２の強度を検出することができる。ステ
ージ２０はステージ駆動装置２８により駆動される。ス
テージ駆動装置２８は制御装置３０を含む。センサ２６
の出力は制御装置３０へ送られ、制御装置３０はセンサ
２６の出力に基づいてステージ２０をフィードバック制
御する。

【００１２】レーザ加工装置１０は、通常は、ステージ
１８を動作させながらレーザ光２２を被加工物１８に対
して走査しながら加工を行う。この場合、ステージ２０
の移動速度が機械的な遊び、摩擦などにより厳密に一定
ではないため、ステージ２０の移動量を制御量としてレ
ーザに対して、連続発振レーザの場合はレーザ照射エネ
ルギー強度を変調させたり、パルスレーザの場合はトリ
ガを与える等の手法を取っている。

【００１３】しかし、レーザ自身の経時変化等の不安定
性があると、レーザ出力の変化がそのまま、被加工物１
８の加工状態の変化となってあらわれてしまう。そこ
で、本発明においては、レーザ光源１４から出射される
レーザ光２２の強度をセンサ２６を通じてモニタし、レ
ーザ光２２の強度分布が変化しりして実効的な強度が落
ちたことを検知し、その場合にはステージ２０の移動を
抑え（速度を落とし、あるいは停止し）てその位置で再
度レーザ照射を行い、加工の程度が低下するのを補償す
る。このため、レーザ強度が弱くなるなどの変化を示し
た場合にも、被加工物１８に入射されるレーザ光２２の
強度を実質的に一定に保つ働きをするため、大面積の被
加工物１８に対しても、一定の品質でレーザ加工を行う
ことが可能となっている。

【００１４】図２は本発明の第１実施例を示す図であ
る。図１の原理図に示したのと同様に、レーザ加工装置
１０は、レーザ媒体１２を含むレーザ光源１４と、ハー
フミラー１６と、被加工物１８を支持して被加工物１８
を移動させるステージ２０と、センサ２６と、制御装置
３０とを含む。さらに、図２においては、レーザ加工装
置１０は、レーザ媒体３２を含む第２のレーザ光源３４
を含む。前に述べたレーザ光源１４を第１のレーザ光源
と言う。

【００１５】第１のレーザ光源１４は第２のレーザ光源
３４により励起されるようになっている。すなわち、第
２のレーザ光源３４から出射するレーザ光３６はハーフ
ミラー３８及びミラー４０を経て遅延回路４２へ向けら
れ、遅延回路４２を通過した後、ミラー４４を経て第１
のレーザ光源１４のレーザ媒体１２に導かれる。従っ
て、第１のレーザ光源１４のレーザ媒体１２は第２のレ
ーザ光源３４から出射されるレーザ光３６によって励起
され、さらに増幅される。第１のレーザ光源１４から出
射されるレーザ光２２は第１のレーザ光源１４からステ
ージ２０上の被加工物１８を照射する。

【００１６】第１のレーザ光源１４から出射されるレー
ザ光の一部の光２４はレーザ光源１４から出射するレー
ザ光２２の強度を検出するセンサ２６に入射し、センサ
２６の出力は制御装置３０へ送られる。センサ２６の出
力は、ステージの制御信号の一つとなっている。第２の
レーザ光源３４から出射されるレーザ光の一部のレーザ
光４６はハーフミラー３８によってセンサ４８に導かれ
る。センサ４８の出力は第１のレーザ光源１４の制御回
路５０へ入力され、制御信号の一つとなっている。

【００１７】図３を用いて図２の実施例の作用を説明す
る。図中、横軸は時間を示し、縦軸はレーザのエネルギ
ーを模式的に示している。アニール装置での加工を行う
場合、例えば、エキシマレーザによるアモルファスシリ
コンの結晶化を行う場合を例として説明する。アモルフ
ァスシリコンを結晶化するためには、ある程度以上の尖
頭出力が必要である。一方、過剰なエネルギーが与えら
れるとシリコンが蒸発してしまい、不良となる。

【００１８】図３（Ａ）は理想的な加工状態を示す。こ
の場合、パルスレーザ出力は、設定された上限Ａと下限
Ｂの範囲内にあり、問題なく加工を進めることができ
る。しかし、実際には、図３（Ｂ）に示すように、パル
スレーザ出力は、エネルギー変動があるため、エネルギ
ーの上限Ａあるいは下限Ｂを越えてしまうことがある。
このような場合、被加工物１８を一定の速度で移動させ
ながら加工を行うと、被加工物１８の加工状態にレーザ
発振光のエネルギー変動の履歴がそのまま残ってしま
う。例えば、ａのパルスレーザ出力では十分な加工が行
われず、ｂのパルスレーザ出力では過剰な加工が行わ
れ、あるいはシリコンが蒸発してしまうことがある。

【００１９】そこで、図３（Ｃ）に示すように、センサ
２６の出力が、第１のレーザ光源１４の出力のエネルギ
ー不足をセンサで検知すると、ステージ２０の走査を止
めて再照射を行うため、ｃで示すようなエネルギー不足
の加工不良を生じない。また、第２のレーザ光源３４に
より第１のレーザ光源１４の励起を行う構成になってい
るので、センサ４８でレーザ光３６が過剰出力あるいは
不足出力であることを検知すると、遅延回路４２による
遅延時間内に、第１のレーザ光源１４の制御回路５０が
第１のレーザ光源１４の発振を停止し、励起光のエネル
ギー過剰、不足の双方に対して、レーザの打ち直しを行
い、不良を生じることはない。

【００２０】図４は本発明の第２実施例を示す図であ
る。図４は前の実施例と同様な第１のレーザ光源１４及
び第２のレーザ光源３４を含む。第１のレーザ光源１４
の出力はセンサ（図示せず）でモニタされる。大出力レ
ーザの中でもガスレーザは発振するレーザ光の出力方向
がずれやすく、特にエキシマレーザでは、ビームのエネ
ルギー分布が変化することが知られている。これはレー
ザ媒体中のポンピングがコロナ放電によって行われるた
めにチャンバ内の励起種等の分布にむらがあるためであ
る。

【００２１】そこで本実施例では、第２のレーザ光源３
４のレーザ媒体３２の励起したレーザ光３６が第１のレ
ーザ光源１４のレーザ媒体１２に対して、できるだけ平
行に入射されるように装置を配置した上で、第１のレー
ザ光源１４のレーザ媒体１２の入口に、レーザ光３６の
非平行成分を除去するための遮蔽板５２を設けてある。
従って、第１のレーザ光源１４のレーザ媒体１２の励起
を第２のレーザ光源３４の励起光で一部行っているた
め、第２のレーザ光源３４のレーザ光の出力方向が破線
で示すようにずれたとしても、第２のレーザ光源３４か
ら発振された励起レーザ光３６のうち、ビームの形状及
び出力方向が一定の成分のみが、第１のレーザ光源１４
のレーザ媒体１２に進入できる。このため、第１のレー
ザ光源１４のポンピング及び誘導放出は、ビーム形状が
一定で出力方向が一定なレーザ光で行われるため、第１
のレーザ光源１４の出力レーザ光２２はビーム形状や出
力方向が整った光として発振されるようになる。

【００２２】また、第２のレーザ光源３４の励起レーザ
光のビーム形状や出力方向に異常がある場合には、第１
のレーザ光源１４の出力は大きく低下するが、第１の実
施例で示したような構成をとれば、常に均一な発振レー
ザ光のみを加工に利用することが可能である。図５は本
発明のさらに他の実施例を示す図である。本実施例で
は、第２の実施例に加えて、第２のレーザ光源３４の出
力レーザ光３６を遮蔽板５２に設けられたセンサ５４に
よりレーザ光３６の非平行成分を検知する構成になって
いる。第２の実施例に比べて、非平行成分の出力を検知
し、非平行成分を生じた場合には、第１のレーザ光源３
４の出力を停止できるため、非平行成分による励起をさ
らに抑えることが可能となる。また、センサ５４の出力
をステージ移動制御装置３０のモニタ信号として利用し
ているので、これを前の実施例のセンサ２６からの信号
の代わりに使用することができる。従って、出力の大き
い、第１のレーザ光源１４の励起レーザ光２２を直接に
モニタする必要がない。

【００２３】以上説明した実施例では、エキシマレーザ
等のガスレーザを用いて説明したが、本発明はこれに限
るものではなく、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等を用い
てもよい。特に、第２のレーザとしては、ＹＡＧレーザ
等の高次高調波等の発振を利用することも可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ出力の不安定性を補償するようにステージを制御
することができるという効果を奏し、レーザ出力によら
ず均一な加工を行うことができ、レーザ加工装置の信頼
性向上に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す図である。

【図３】図２の実施例の作動を説明する図である。

【図４】本発明の第２実施例を示す図である。

【図５】本発明の第３実施例を示す図である。

【符号の説明】

１０…レーザ加工装置 １２…第１のレーザ光源 １６…ハーフミラー １８…被加工物 ２０…ステージ ２６…センサ ３０…制御装置 ３４…第２のレーザ光源 ３８…ハーフミラー ４０、４４…ミラー ４６…遅延回路 ４８…センサ ５０…制御回路 ５２…遮蔽板 ５４…センサ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物を支持するためのステージと、
   被加工物を加工するためのレーザ光源と、該レーザ光源
   から出射するレーザ光の強度を検出する検出手段と、該
   検出手段の出力に基づいて該ステージを制御するための
   制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 該レーザ光源を第１のレーザ光源とし、
   さらに第２のレーザ光源を備え、該第１のレーザ光源は
   該第２のレーザ光源により励起されることを特徴とする
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 該第２のレーザ光源から該第１のレーザ
   光源へ入射するレーザ光の光路と、該第１のレーザ光源
   から出射するレーザ光の光路とが概略平行になるように
   配置され、該第１のレーザ光源から出射するレーザ光が
   光路からずれた場合に該第１のレーザ光源の発振出力を
   弱めるための第２の制御手段を有することを特徴とする
   請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 該第２の制御手段は、該第２のレーザ光
   源から該第１のレーザ光源に入射するレーザ光の非平行
   成分を遮蔽するように設置された遮蔽板であることを特
   徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 【請求項５】 該第２の制御手段は、該第２のレーザ光
   源から該第１のレーザ光源に入射するレーザ光の非平行
   成分の強度を制御信号とし、非平行成分の強度により該
   第１のレーザ光源の出力を弱める手段を有することを特
   徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。