JPWO2004020140A1 - レーザ加工方法及び加工装置 - Google Patents
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Abstract
貫通孔を有するマスク（５）でレーザビームの断面を整形し、該マスクの貫通孔が加工対象物（１２）の表面上に結像するように、該貫通孔を通過したレーザビームをレンズ（６）で集光して、該加工対象物の表面上に入射させる。レーザビームの入射位置が前記加工対象物の表面上を移動するように、前記レンズを通過したレーザビームを操作するとともに、レーザビームの走査中も前記貫通孔を前記加工対象物の表面上に結像させることにより該加工対象物を加工する。これにより、良質のレーザ加工を、時間効率よく行うことができる。
Description
１．技術分野
本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
２．背景技術
図９は、溝を形成する従来のレーザ加工装置を示す概略図である。
レーザ光源５１から、たとえば周波数１ｋＨｚでパルスレーザビームが出射する。レーザビームは、ホモジナイザ５２でビーム断面のパルスエネルギ密度を均一（トップフラット）にされた後、たとえば円形の貫通孔を有するマスク５３で断面形状を円形に整形される。反射ミラー５４で反射され、集光レンズ５５を経て、基板５６に入射する。基板５６は、たとえばガラス基材の上にＩＴＯ膜が形成された基板である。レーザビームは、基板５６のＩＴＯ膜に入射する。ＩＴＯ膜表面におけるレーザビームのビームスポットは、たとえば直径が０．２ｍｍの円形である。基板５６は、ＸＹステージ５７上に載置されている。ＸＹステージ５７は、基板５６を２次元平面内で移動させることによって、基板５６上の表面内においてパルスレーザビームの入射位置を移動させることができる。
まず、基板５６に、５０％の重複率でパルスレーザビームが照射されるようにＸＹステージ５７を動かし、基板５６のＩＴＯ膜に溝を形成する。ここで重複率とは、円の直径に対するパルスレーザビーム１ショット当たりの、円の半径方向への移動距離の割合を意味する。
図１０Ａは、５０％の重複率で照射されたレーザビームによって連続的な穴を開けられ、ＩＴＯ膜に溝が形成された基板５６の概略的な平面図である。溝の開口を太線で示した。ＩＴＯ膜に入射するレーザビームのビームスポットに依存する形状の穴が連続的に穿たれた結果、溝が形成されている。このため、溝の長さ方向に沿う開口の縁は、円形ビームスポットの外周の一部による凹凸を有する。また、照射されるレーザビームの周波数が１ｋＨｚ、基板５６のＩＴＯ膜上におけるレーザビームのビームスポットが直径０．２ｍｍの円形である場合、加工速度は１００ｍｍ／ｓとなる。主に、ＸＹステージ５７の動作速度に律速され、加工速度をこれ以上速くするのは、加工形状の均一性を考えると採用できない。
ＩＴＯ膜に形成される溝の開口の縁を直線状に近づけるために、重複率を大きくする方法が用いられる。たとえば、基板５６のＩＴＯ膜上に、９０％の重複率でパルスレーザビームが照射されるようにＸＹステージ５７を動かし、溝を形成する。
図１０Ｂは、９０％の重複率で照射されたレーザビームによって連続的な穴を開けられ、ＩＴＯ膜に溝が形成された基板５６の概略的な平面図である。図１０Ａと同様に、溝の開口を太線で示した。溝の長さ方向に沿う開口の縁は、直線状に近づく。しかし、９０％の重複率でレーザビームを照射しているため、加工速度は重複率５０％の場合の５分の１、すなわち２０ｍｍ／ｓである。開口の形状を改善することはできるが、加工の時間効率は悪化する。
図１１は、図１０ＡのＰＱ線に沿って切断した、基板５６の概略的な断面図である。ガラス基材の上に形成されているＩＴＯ膜に、溝が形成されている。溝の側面は、基板５６の表面に対して傾いている。溝は、より切り立った側面形状を有することが望ましい。
本発明の目的は、時間効率よく、良質の加工を行うことのできるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することである。
３．発明の開示
本発明の一観点によれば、貫通孔を有するマスクでレーザビームの断面を整形し、該マスクの貫通孔が加工対象物の表面上に結像するように、該貫通孔を通過したレーザビームをレンズで集光して、該加工対象物の表面上に入射させる工程と、レーザビームの入射位置が前記加工対象物の表面上を移動するように、前記レンズを通過したレーザビームを走査するとともに、レーザビームの走査中も前記貫通孔を前記加工対象物の表面上に結像させることにより該加工対象物を加工する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
加工対象物表面に、マスクの貫通孔が常に結像するように、レーザビームを走査することにより、高い時間効率で、品質のよい加工を行うことができる。レーザビームの走査に起因する焦点ぼけによる加工品質の低下を防止することができる。
また、本発明の他の観点によれば、レンズで集光されたレーザビームを、加工対象物の表面に入射させる工程と、レーザビームの入射位置が、前記加工対象物の表面上を移動するように、該レーザビームを走査して、該加工対象物を加工する工程であって、前記レンズから前記加工対象物の表面までの該レーザビームの光路長が変化しないように、該レーザビームを走査する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
レンズから加工対象物表面の加工位置までの光路長を一定に保ちながら、レーザビームを走査することにより、たとえば常に加工対象物表面上に焦点を合わせ、高い時間効率で、高品質のレーザ加工を行うことができる。
更に、本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持台と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの断面を整形する貫通孔を有するマスクと、前記マスクで断面を整形されたレーザビームを、該マスクの貫通孔が、前記保持台に保持された加工対象物の表面に、結像するように集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光されたレーザビームを、外部からの制御を受けて、前記加工対象物の表面上で、少なくとも１次元方向に走査するビーム走査器と、外部からの制御を受けて、前記マスクと前記集光レンズとを移動させる移動機構と、前記ビーム走査器による走査と、前記移動機構による前記マスクと前記集光レンズの移動とを同期させる制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
このレーザ加工装置を用いれば、ビームの走査に同期させてマスクと集光レンズとを変位させることにより、高い時間効率で、高品質のレーザ加工を行うことができる。
本発明の他の観点によれば、（ｅ）レーザビームをレンズで集光して、加工対象物の表面に入射させる工程と、（ｆ）前記加工対象物へのレーザビームの入射位置が移動したとき、前記加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度の、入射位置の移動に起因する変動を抑制するように前記レンズを移動させながら、レーザビームの入射位置を前記加工対象物の表面内で移動させる工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を均一化させるようにレンズを移動させることにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームをレンズで集光して、加工対象物の表面に入射させる工程と、前記加工対象物へのレーザビームの入射位置が移動したとき、前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が入射位置の移動に起因して変動することを抑制するように前記レンズを移動させながら、レーザビームの入射位置を前記加工対象物の表面内で移動させる工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのビームスポットの面積を均一化させるようにレンズを移動させることにより、基板上のパルスエネルギ密度またはパワー密度の均一化が図られ、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、外部からの制御信号を受け、前記レンズを移動させる移動機構と、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することが抑制されるよう、前記レンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を均一化させるようにレンズを移動させることにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、外部からの制御信号を受け、前記レンズを移動させる移動機構と、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が変動することを抑制するよう、前記レンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのビームスポットの面積を均一化させるようにレンズを移動させることにより、基板上のパルスエネルギ密度またはパワー密度の均一化が図られ、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、（ｇ）レーザビームをレンズで集光して、加工対象物の表面に入射させる工程と、（ｈ）前記加工対象物へのレーザビームの入射位置が移動したとき、前記加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度の、入射位置の移動に起因する変動を抑制するように、レーザビームのパワーをバリアブルアッテネータを用いて調節しながら、レーザビームの入射位置を前記加工対象物の表面内で移動させる工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を、バリアブルアッテネータを用いて均一化することにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、外部からの制御信号を受け、レーザビームのパワーを可変な減衰率で減衰させるバリアブルアッテネータと、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することを抑制するよう、レーザビームのパワーを調節するように、前記バリアブルアッテネータを制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を、バリアブルアッテネータを用いて均一化することにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを収束または発散させる第１のレンズと、前記第１のレンズを通過したレーザビームが入射し、入射するレーザビームを集光させる第２のレンズと、前記第２のレンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、外部からの制御信号を受け、前記第１のレンズを移動させる移動機構と、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することが抑制されるよう、前記第１のレンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置とを有し、前記第２のレンズに入射するレーザビームに対する該第２のレンズの開口数をＮＡ１、前記第２のレンズを通過したレーザビームに対する該第２のレンズの開口数をＮＡ２としたとき、ＮＡ１／ＮＡ２が２以上であるレーザ加工装置が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を均一化させるように第１のレンズを移動させることにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。さらに、第１のレンズの移動距離を短くすることにより、加工の高速化、高精度化を図ることができる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、貫通孔を有し、該貫通孔に前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射し、外部からの制御信号を受け、貫通孔を通過したレーザビームの断面の一方向の長さを変えることができるビーム断面整形器と、前記ビーム断面整形器から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、前記ビーム断面整形器が加工対象物の表面におけるビームスポットの形状の変動を抑制するように、前記ビーム断面整形器を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
被加工位置が移動したときに、ビームスポット形状が変動することを抑制するので、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、前記ビーム走査器を出射したレーザビームが加工対象物に入射するまでの光路中に配置され、貫通孔を有し、該貫通孔を通過したレーザビームを加工対象物に入射させる近接マスクとを有するレーザ加工装置が提供される。
レーザビームの進行方向を振るビーム走査器を用いて、近接マスクを用いるレーザ加工を行うことにより、高精度の加工を高速に行うことができる。
本発明の他の観点によれば、レーザ光源から出射したレーザビームの拡がり角を調整する工程と、前記所定の拡がり角を有するように調整されたレーザビームの進行方向を振りながら、加工対象物の表面と平行に該表面から所定の距離だけ離れた位置に配置され、貫通孔を有する近接マスクに、該レーザビームを照射し、該貫通孔を通過したレーザビームを該加工対象物の表面に入射させて、該貫通孔の形状を該加工対象物の表面に転写する工程と、前記所定の拡がり角と前記所定の距離の少なくとも一方を、該貫通孔の形状が該加工対象物の表面に転写される精度と、レーザビームの拡がり角と、前記近接マスクと前記加工対象物の表面との間の距離とに関して予め求められた関係に基づいて設定する工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
レーザビームの進行方向を振るビーム走査器を用いて、近接マスクを用いるレーザ加工を行うことにより、高精度の加工を高速に行うことができる。さらに、予め求められた、転写精度とレーザビームの拡がり角と近接ギャップとが満たさなければならない数値的関係に基づいて、所望の転写精度で加工を行おうとするとき、近接ギャップと拡がり角とを簡便に選定することができる。
本発明の他の観点によれば、連続波のレーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射し、外部から与えられる契機信号に基づき、入射したレーザビームをある進行方向に出射させるか出射させないかを切換えることができる光学系と、矩形の貫通孔を有し、前記光学系をある進行方向に出射したレーザビームが該貫通孔に入射し、レーザビームの断面を整形するマスクと、前記マスクから出射したレーザビームを集光し、前記マスクの矩形の貫通孔を前記保持機構に保持された加工対象物の表面に結像させるレンズと、外部から与えられる制御信号に基づき、前記保持機構を移動させて、前記レンズを出射したレーザビームが加工対象物に入射する位置を、加工対象物の表面内で移動させることができる移動機構と、外部から与えられる制御信号に基づき、前記マスクを、該マスクの貫通孔を通過するレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させるマスク回転機構と、前記光学系が所定のタイミングでレーザビームをある進行方向に出射させるように前記光学系を制御し、前記移動機構がレーザビームの加工対象物への入射位置を第１の方向に移動させるように前記移動機構を制御し、前記移動機構が加工対象物表面上のレーザビームの入射位置を該第１の方向に移動させる前に、前記マスク回転機構が、前記マスクを回転させ前記矩形の貫通孔の加工対象物表面における像のある辺を該第１の方向と平行にするように、前記マスク回転機構を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
加工対象物の表面に、連続波レーザビームを照射して線状のパタン（ライン）を形成できるとともに、連続波レーザビームからパルスレーザビームを切り出して照射して、点状の離散的なパタン（ドット）を容易に形成できる。加工対象物表面で、レーザビームの矩形のビームスポットのある辺に平行に、レーザビームの照射位置を移動させることにより、ライン、ドットとも、外形を矩形に形成することができる。
本発明の他の観点によれば、（ｉ）レーザ光源から出射した連続波のレーザビームを、入射したレーザビームをある進行方向に出射させるか出射させないかを切換えることができる光学系に入射させる工程と、（ｊ）前記光学系からある進行方向に出射したレーザビームを、矩形の貫通孔を有するマスクに入射させて断面を整形し、レンズで集光して、加工対象物の表面に前記貫通孔の像を結ばせる工程と、（ｋ）前記貫通孔の像を、前記加工対象物の表面上で、該像のある辺に平行な方向に移動させる工程とを含み、加工対象物表面に点状の離散的なパタンを形成するときは、前記工程（ｉ）において、前記光学系からある進行方向にレーザビームが間欠的に出射するようにし、加工対象物表面に線状のパタンを形成するときは、前記工程（ｉ）において、前記光学系からある進行方向にレーザビームが連続的に出射するようにするレーザ加工方法が提供される。
加工対象物の表面に、連続波レーザビームを照射して線状のパタン（ライン）を形成できるとともに、連続波レーザビームからパルスレーザビームを切り出して照射して、点状の離散的なパタン（ドット）を容易に形成できる。加工対象物表面で、レーザビームの矩形のビームスポットのある辺に平行に、レーザビームの照射位置を移動させることにより、ライン、ドットとも、外形を矩形に形成することができる。
本発明の他の観点によれば、加工対象物を保持する保持機構と、パルスレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、連続波レーザビームを出射する第２のレーザ光源と、前記保持機構に保持された加工対象物の表面に、前記第１のレーザ光源から出射したパルスレーザビームと前記第２のレーザ光源から出射した連続波レーザビームとを、連続波レーザビームのビームスポットの内部にパルスレーザビームのビームスポットが含まれるようにして照射する光学系と、前記保持機構に保持された加工対象物の表面上でパルスレーザビーム及び連続波レーザビームのビームスポットを移動させる移動機構とを有するレーザ加工装置が提供される。
加工対象物の表面上のある被加工領域に、まず連続波レーザビームが照射され予熱が与えられてから、パルスレーザビームが照射される加工が行える。当該被加工領域の表層を選択的に加工することが容易となる。
本発明の他の観点によれば、（ｎ）第１のレーザ光源からパルスレーザビームを出射させ、第２のレーザ光源から連続波レーザビームを出射させる工程と、（ｏ）下地層と下地層の表面上に形成され下地層の材質よりもレーザ照射により加工されにくい材質で形成された表層とを有する加工対象物の表面に画定された被加工点に、前記第２のレーザ光源から出射した連続波レーザビームを照射して予熱を与えた後、該被加工点に前記第１のレーザ光源から出射したパルスレーザビームを照射して、前記加工対象物の表層に穴を形成する工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
加工対象物の表面上のある被加工領域に、まず連続波レーザビームが照射され予熱が与えられてから、パルスレーザビームが照射されて加工が行われることにより、当該被加工領域の表層を選択的に加工することが容易となる。
本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
２．背景技術
図９は、溝を形成する従来のレーザ加工装置を示す概略図である。
レーザ光源５１から、たとえば周波数１ｋＨｚでパルスレーザビームが出射する。レーザビームは、ホモジナイザ５２でビーム断面のパルスエネルギ密度を均一（トップフラット）にされた後、たとえば円形の貫通孔を有するマスク５３で断面形状を円形に整形される。反射ミラー５４で反射され、集光レンズ５５を経て、基板５６に入射する。基板５６は、たとえばガラス基材の上にＩＴＯ膜が形成された基板である。レーザビームは、基板５６のＩＴＯ膜に入射する。ＩＴＯ膜表面におけるレーザビームのビームスポットは、たとえば直径が０．２ｍｍの円形である。基板５６は、ＸＹステージ５７上に載置されている。ＸＹステージ５７は、基板５６を２次元平面内で移動させることによって、基板５６上の表面内においてパルスレーザビームの入射位置を移動させることができる。
まず、基板５６に、５０％の重複率でパルスレーザビームが照射されるようにＸＹステージ５７を動かし、基板５６のＩＴＯ膜に溝を形成する。ここで重複率とは、円の直径に対するパルスレーザビーム１ショット当たりの、円の半径方向への移動距離の割合を意味する。
図１０Ａは、５０％の重複率で照射されたレーザビームによって連続的な穴を開けられ、ＩＴＯ膜に溝が形成された基板５６の概略的な平面図である。溝の開口を太線で示した。ＩＴＯ膜に入射するレーザビームのビームスポットに依存する形状の穴が連続的に穿たれた結果、溝が形成されている。このため、溝の長さ方向に沿う開口の縁は、円形ビームスポットの外周の一部による凹凸を有する。また、照射されるレーザビームの周波数が１ｋＨｚ、基板５６のＩＴＯ膜上におけるレーザビームのビームスポットが直径０．２ｍｍの円形である場合、加工速度は１００ｍｍ／ｓとなる。主に、ＸＹステージ５７の動作速度に律速され、加工速度をこれ以上速くするのは、加工形状の均一性を考えると採用できない。
ＩＴＯ膜に形成される溝の開口の縁を直線状に近づけるために、重複率を大きくする方法が用いられる。たとえば、基板５６のＩＴＯ膜上に、９０％の重複率でパルスレーザビームが照射されるようにＸＹステージ５７を動かし、溝を形成する。
図１０Ｂは、９０％の重複率で照射されたレーザビームによって連続的な穴を開けられ、ＩＴＯ膜に溝が形成された基板５６の概略的な平面図である。図１０Ａと同様に、溝の開口を太線で示した。溝の長さ方向に沿う開口の縁は、直線状に近づく。しかし、９０％の重複率でレーザビームを照射しているため、加工速度は重複率５０％の場合の５分の１、すなわち２０ｍｍ／ｓである。開口の形状を改善することはできるが、加工の時間効率は悪化する。
図１１は、図１０ＡのＰＱ線に沿って切断した、基板５６の概略的な断面図である。ガラス基材の上に形成されているＩＴＯ膜に、溝が形成されている。溝の側面は、基板５６の表面に対して傾いている。溝は、より切り立った側面形状を有することが望ましい。
本発明の目的は、時間効率よく、良質の加工を行うことのできるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することである。
３．発明の開示
本発明の一観点によれば、貫通孔を有するマスクでレーザビームの断面を整形し、該マスクの貫通孔が加工対象物の表面上に結像するように、該貫通孔を通過したレーザビームをレンズで集光して、該加工対象物の表面上に入射させる工程と、レーザビームの入射位置が前記加工対象物の表面上を移動するように、前記レンズを通過したレーザビームを走査するとともに、レーザビームの走査中も前記貫通孔を前記加工対象物の表面上に結像させることにより該加工対象物を加工する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
加工対象物表面に、マスクの貫通孔が常に結像するように、レーザビームを走査することにより、高い時間効率で、品質のよい加工を行うことができる。レーザビームの走査に起因する焦点ぼけによる加工品質の低下を防止することができる。
また、本発明の他の観点によれば、レンズで集光されたレーザビームを、加工対象物の表面に入射させる工程と、レーザビームの入射位置が、前記加工対象物の表面上を移動するように、該レーザビームを走査して、該加工対象物を加工する工程であって、前記レンズから前記加工対象物の表面までの該レーザビームの光路長が変化しないように、該レーザビームを走査する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
レンズから加工対象物表面の加工位置までの光路長を一定に保ちながら、レーザビームを走査することにより、たとえば常に加工対象物表面上に焦点を合わせ、高い時間効率で、高品質のレーザ加工を行うことができる。
更に、本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持台と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの断面を整形する貫通孔を有するマスクと、前記マスクで断面を整形されたレーザビームを、該マスクの貫通孔が、前記保持台に保持された加工対象物の表面に、結像するように集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光されたレーザビームを、外部からの制御を受けて、前記加工対象物の表面上で、少なくとも１次元方向に走査するビーム走査器と、外部からの制御を受けて、前記マスクと前記集光レンズとを移動させる移動機構と、前記ビーム走査器による走査と、前記移動機構による前記マスクと前記集光レンズの移動とを同期させる制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
このレーザ加工装置を用いれば、ビームの走査に同期させてマスクと集光レンズとを変位させることにより、高い時間効率で、高品質のレーザ加工を行うことができる。
本発明の他の観点によれば、（ｅ）レーザビームをレンズで集光して、加工対象物の表面に入射させる工程と、（ｆ）前記加工対象物へのレーザビームの入射位置が移動したとき、前記加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度の、入射位置の移動に起因する変動を抑制するように前記レンズを移動させながら、レーザビームの入射位置を前記加工対象物の表面内で移動させる工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を均一化させるようにレンズを移動させることにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームをレンズで集光して、加工対象物の表面に入射させる工程と、前記加工対象物へのレーザビームの入射位置が移動したとき、前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が入射位置の移動に起因して変動することを抑制するように前記レンズを移動させながら、レーザビームの入射位置を前記加工対象物の表面内で移動させる工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのビームスポットの面積を均一化させるようにレンズを移動させることにより、基板上のパルスエネルギ密度またはパワー密度の均一化が図られ、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、外部からの制御信号を受け、前記レンズを移動させる移動機構と、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することが抑制されるよう、前記レンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を均一化させるようにレンズを移動させることにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、外部からの制御信号を受け、前記レンズを移動させる移動機構と、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が変動することを抑制するよう、前記レンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのビームスポットの面積を均一化させるようにレンズを移動させることにより、基板上のパルスエネルギ密度またはパワー密度の均一化が図られ、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、（ｇ）レーザビームをレンズで集光して、加工対象物の表面に入射させる工程と、（ｈ）前記加工対象物へのレーザビームの入射位置が移動したとき、前記加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度の、入射位置の移動に起因する変動を抑制するように、レーザビームのパワーをバリアブルアッテネータを用いて調節しながら、レーザビームの入射位置を前記加工対象物の表面内で移動させる工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を、バリアブルアッテネータを用いて均一化することにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、外部からの制御信号を受け、レーザビームのパワーを可変な減衰率で減衰させるバリアブルアッテネータと、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することを抑制するよう、レーザビームのパワーを調節するように、前記バリアブルアッテネータを制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を、バリアブルアッテネータを用いて均一化することにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを収束または発散させる第１のレンズと、前記第１のレンズを通過したレーザビームが入射し、入射するレーザビームを集光させる第２のレンズと、前記第２のレンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、外部からの制御信号を受け、前記第１のレンズを移動させる移動機構と、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することが抑制されるよう、前記第１のレンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置とを有し、前記第２のレンズに入射するレーザビームに対する該第２のレンズの開口数をＮＡ１、前記第２のレンズを通過したレーザビームに対する該第２のレンズの開口数をＮＡ２としたとき、ＮＡ１／ＮＡ２が２以上であるレーザ加工装置が提供される。
被加工面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度を均一化させるように第１のレンズを移動させることにより、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。さらに、第１のレンズの移動距離を短くすることにより、加工の高速化、高精度化を図ることができる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、貫通孔を有し、該貫通孔に前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射し、外部からの制御信号を受け、貫通孔を通過したレーザビームの断面の一方向の長さを変えることができるビーム断面整形器と、前記ビーム断面整形器から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、前記ビーム断面整形器が加工対象物の表面におけるビームスポットの形状の変動を抑制するように、前記ビーム断面整形器を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
被加工位置が移動したときに、ビームスポット形状が変動することを抑制するので、被加工面の広い領域に対して一定の加工性が保たれる。
本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、前記ビーム走査器を出射したレーザビームが加工対象物に入射するまでの光路中に配置され、貫通孔を有し、該貫通孔を通過したレーザビームを加工対象物に入射させる近接マスクとを有するレーザ加工装置が提供される。
レーザビームの進行方向を振るビーム走査器を用いて、近接マスクを用いるレーザ加工を行うことにより、高精度の加工を高速に行うことができる。
本発明の他の観点によれば、レーザ光源から出射したレーザビームの拡がり角を調整する工程と、前記所定の拡がり角を有するように調整されたレーザビームの進行方向を振りながら、加工対象物の表面と平行に該表面から所定の距離だけ離れた位置に配置され、貫通孔を有する近接マスクに、該レーザビームを照射し、該貫通孔を通過したレーザビームを該加工対象物の表面に入射させて、該貫通孔の形状を該加工対象物の表面に転写する工程と、前記所定の拡がり角と前記所定の距離の少なくとも一方を、該貫通孔の形状が該加工対象物の表面に転写される精度と、レーザビームの拡がり角と、前記近接マスクと前記加工対象物の表面との間の距離とに関して予め求められた関係に基づいて設定する工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
レーザビームの進行方向を振るビーム走査器を用いて、近接マスクを用いるレーザ加工を行うことにより、高精度の加工を高速に行うことができる。さらに、予め求められた、転写精度とレーザビームの拡がり角と近接ギャップとが満たさなければならない数値的関係に基づいて、所望の転写精度で加工を行おうとするとき、近接ギャップと拡がり角とを簡便に選定することができる。
本発明の他の観点によれば、連続波のレーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持機構と、前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射し、外部から与えられる契機信号に基づき、入射したレーザビームをある進行方向に出射させるか出射させないかを切換えることができる光学系と、矩形の貫通孔を有し、前記光学系をある進行方向に出射したレーザビームが該貫通孔に入射し、レーザビームの断面を整形するマスクと、前記マスクから出射したレーザビームを集光し、前記マスクの矩形の貫通孔を前記保持機構に保持された加工対象物の表面に結像させるレンズと、外部から与えられる制御信号に基づき、前記保持機構を移動させて、前記レンズを出射したレーザビームが加工対象物に入射する位置を、加工対象物の表面内で移動させることができる移動機構と、外部から与えられる制御信号に基づき、前記マスクを、該マスクの貫通孔を通過するレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させるマスク回転機構と、前記光学系が所定のタイミングでレーザビームをある進行方向に出射させるように前記光学系を制御し、前記移動機構がレーザビームの加工対象物への入射位置を第１の方向に移動させるように前記移動機構を制御し、前記移動機構が加工対象物表面上のレーザビームの入射位置を該第１の方向に移動させる前に、前記マスク回転機構が、前記マスクを回転させ前記矩形の貫通孔の加工対象物表面における像のある辺を該第１の方向と平行にするように、前記マスク回転機構を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
加工対象物の表面に、連続波レーザビームを照射して線状のパタン（ライン）を形成できるとともに、連続波レーザビームからパルスレーザビームを切り出して照射して、点状の離散的なパタン（ドット）を容易に形成できる。加工対象物表面で、レーザビームの矩形のビームスポットのある辺に平行に、レーザビームの照射位置を移動させることにより、ライン、ドットとも、外形を矩形に形成することができる。
本発明の他の観点によれば、（ｉ）レーザ光源から出射した連続波のレーザビームを、入射したレーザビームをある進行方向に出射させるか出射させないかを切換えることができる光学系に入射させる工程と、（ｊ）前記光学系からある進行方向に出射したレーザビームを、矩形の貫通孔を有するマスクに入射させて断面を整形し、レンズで集光して、加工対象物の表面に前記貫通孔の像を結ばせる工程と、（ｋ）前記貫通孔の像を、前記加工対象物の表面上で、該像のある辺に平行な方向に移動させる工程とを含み、加工対象物表面に点状の離散的なパタンを形成するときは、前記工程（ｉ）において、前記光学系からある進行方向にレーザビームが間欠的に出射するようにし、加工対象物表面に線状のパタンを形成するときは、前記工程（ｉ）において、前記光学系からある進行方向にレーザビームが連続的に出射するようにするレーザ加工方法が提供される。
加工対象物の表面に、連続波レーザビームを照射して線状のパタン（ライン）を形成できるとともに、連続波レーザビームからパルスレーザビームを切り出して照射して、点状の離散的なパタン（ドット）を容易に形成できる。加工対象物表面で、レーザビームの矩形のビームスポットのある辺に平行に、レーザビームの照射位置を移動させることにより、ライン、ドットとも、外形を矩形に形成することができる。
本発明の他の観点によれば、加工対象物を保持する保持機構と、パルスレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、連続波レーザビームを出射する第２のレーザ光源と、前記保持機構に保持された加工対象物の表面に、前記第１のレーザ光源から出射したパルスレーザビームと前記第２のレーザ光源から出射した連続波レーザビームとを、連続波レーザビームのビームスポットの内部にパルスレーザビームのビームスポットが含まれるようにして照射する光学系と、前記保持機構に保持された加工対象物の表面上でパルスレーザビーム及び連続波レーザビームのビームスポットを移動させる移動機構とを有するレーザ加工装置が提供される。
加工対象物の表面上のある被加工領域に、まず連続波レーザビームが照射され予熱が与えられてから、パルスレーザビームが照射される加工が行える。当該被加工領域の表層を選択的に加工することが容易となる。
本発明の他の観点によれば、（ｎ）第１のレーザ光源からパルスレーザビームを出射させ、第２のレーザ光源から連続波レーザビームを出射させる工程と、（ｏ）下地層と下地層の表面上に形成され下地層の材質よりもレーザ照射により加工されにくい材質で形成された表層とを有する加工対象物の表面に画定された被加工点に、前記第２のレーザ光源から出射した連続波レーザビームを照射して予熱を与えた後、該被加工点に前記第１のレーザ光源から出射したパルスレーザビームを照射して、前記加工対象物の表層に穴を形成する工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
加工対象物の表面上のある被加工領域に、まず連続波レーザビームが照射され予熱が与えられてから、パルスレーザビームが照射されて加工が行われることにより、当該被加工領域の表層を選択的に加工することが容易となる。
図１は、本発明の第１の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
図２は、第１の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置における、レーザビームの光路を示す概略図である。
図３Ａ及び図３Ｂは、レーザビームの照射により加工された基板の概略を示す平面図である。
図４Ａは、マスクの貫通孔の一例であり、図４Ｂは、図４Ａに示した貫通孔が、基板上に結像されたとき、基板に開けられる穴を示した概略図である。
図５Ａは、レーザ光源から出射されたパルスレーザビームの断面における、１パルス当たりのエネルギ密度を示す概略的なグラフであり、図５Ｂは、円錐光学系によりパルスエネルギ密度分布を変換されたパルスレーザビームの断面における、１パルス当たりのエネルギ密度を示す概略的なグラフであり、図５Ｃは、図５Ｂに示すパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームによって加工された穴の概略的な断面図である。
図６は、第１の実施例の変形例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
図７は、光路調節機構を示す概略図である。
図８Ａ及び図８Ｂは、搬送機構を示す概略図である。
図９は、従来のレーザスクライビング装置の概略図である。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、従来のレーザスクライビング装置で加工された基板の概略的な平面図である。
図１１は、従来のレーザスクライビング装置で加工された基板の概略的な断面図である。
図１２Ａは、第２の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図であり、図１２Ｂは、第２の実施例の変形例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
図１３は、第２の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置における、レーザビームの光路を示す概略図である。
図１４は、第２の実施例の変形例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置における、レーザビームの光路を示す概略図である。
図１５Ａは、第３の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図であり、図１５Ｂは、１次集光レンズの他の構成例を示す概略図である。
図１６は、２次集光レンズの構成例を示す概略図である。
図１７は、第４の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
図１８Ａは、アパーチャ傾斜機構で回転されたアパーチャの、アパーチャ傾斜機構の回転軸方向から見た概略図であり、図１８Ｂは、アパーチャ傾斜機構で回転されたアパーチャの、レーザビームの光軸方向から見た概略図であり、図１８Ｃは、アパーチャ傾斜機構とアパーチャ回転機構により回転されたアパーチャの、レーザビームの光軸方向から見た概略図である。
図１９は、第５の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
図２０は、近接マスクを用いたレーザ加工方法における転写精度に関するシミュレーションの結果を示す、貫通孔の像が投影された基板の平面図である。
図２１は、ある転写の精度で加工が行われるときに、レーザビームの拡がり角と近接ギャップとが満たす関係を概略的に示すグラフである。
図２２Ａは、第６の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図であり、図２２Ｂは、基板の概略的な断面図である。
図２３は、第６の実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う場合の、契機信号及びレーザビームのタイミングチャートの一例である。
図２４Ａは、ラインを形成した基板の概略的な平面図であり、図２４Ｂは、ドットを形成した基板の概略的な平面図である。
図２５は、マスクを保持したマスク回転機構を示す概略図である。
図２６は、マスク回転機構を用いてラインを形成した基板の概略的な平面図である。
図２７Ａは、第７の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図であり、図２７Ｂは、基板の概略的な断面図である。
図２８Ａ、図２８Ｂ及び図２８Ｃは、被加工点とビームスポットの位置関係を説明するための、基板の平面図である。
図２９は、マスク回転機構を用いずにラインを形成した基板の概略的な平面図である。
５．発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明の第１の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
レーザ光源１、たとえば波長変換ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器から、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）が、パルスエネルギ１ｍＪ／パルス、パルス幅５０ｎｓで出射する。レーザビームは、パルスエネルギを調節するバリアブルアッテネータ２、ビーム径を拡大し、平行光として出射するエキスパンダ３を経て、円錐光学系４に入射する。円錐光学系４は、一対の円錐レンズ４ａ、４ｂを含んで構成される。一対の円錐レンズ４ａ、４ｂは、たとえば同型で、底面同士が対向するように配置されている。レーザビームは、円錐レンズ４ａに、直円錐の軸方向から、ビーム断面の中心が直円錐部分の頂点に重なるように入射し、円錐レンズ４ｂから出射する。円錐光学系４は、入射するレーザビームのビームプロファイルを、ビーム断面の中央部で強度が弱く、周辺部で強くなるように、変換する。これについては、後に詳述する。なお、円錐光学系４については、レーザビームの出射する側の円錐レンズ４ｂのかわりに、凸レンズを用いることもできる。
円錐光学系４から出射したレーザビームは、たとえば矩形の貫通孔を有するマスク５、マスク５の矩形の貫通孔を基板１２上に結像させる対物レンズ６を通過する。マスク５及び対物レンズ６は、それぞれボイスコイル機構９及び１０（ピエゾ駆動機構等の駆動機構に置き換えることもできる。）により、レーザビームの進行方向と平行な方向に、移動することができる。ボイスコイル機構９及び１０による移動は、コントローラ１１から送信される信号によって行われる。なお、基板１２は、保持台８上に据えられている。
対物レンズ６により集光されたレーザビームは、ガルバノスキャナ７に入射する。ガルバノスキャナ７は、Ｘ用スキャナ７ａ及びＹ用スキャナ７ｂを含んで構成され、レーザビームを２次元方向に高速で走査する。Ｘ用スキャナ７ａ、Ｙ用スキャナ７ｂは、ともに揺動可能な反射鏡を含んで構成される。保持台８に保持される基板１２上に、互いに直交するＸ方向とＹ方向とを画定するとき、Ｘ用スキャナ７ａ、Ｙ用スキャナ７ｂは、それぞれ、対物レンズ６で集光されたレーザビームの入射点が、基板１２の表面上を、Ｘ方向、Ｙ方向に移動するようにレーザビームを走査する。ガルバノスキャナ７は、Ｘ用スキャナ７ａ、Ｙ用スキャナ７ｂを組み合わせて、レーザビームを２次元方向に走査することができる。
加工対象物である基板１２は、たとえばガラス基材の上にＩＴＯ膜が形成された基板であり、レーザビームは基板１２のＩＴＯ膜に、加工エネルギ約ＩＪ／ｃｍ２で入射する。
図２は、マスク５、対物レンズ６、ガルバノスキャナ７を経て、基板１２上を走査するレーザビームの光路を示す概略図である。
レーザビームが基板１２上の入射位置Ｍに入射しているとき、Ｍにはマスク５の貫通孔が結像されている。また、マスク５から対物レンズ６までの光路長をａ、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長をｂ、対物レンズ６の焦点距離をｆとすると、マスクの貫通孔が基板１２上に結像するためには、関係式
（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ ・・・（１）
を満たさなくてはならない。
ガルバノスキャナ７の動作により、レーザビームの入射位置が、基板１２上の入射位置ＭからＮに変化する。入射位置Ｍへの入射角と入射位置Ｎへの入射角が異なり、マスク５及び対物レンズ６が固定されたままであるとすれば、対物レンズ６から入射位置Ｍまでの光路長と、対物レンズ６から入射位置Ｎまでの光路長とは異なる（これらの差をΔｂとする。）ため、マスク５の貫通孔はＮに結像しない。
図１に示すレーザ加工装置において、コントローラ１１は、ガルバノスキャナ７の動作に同期させて、マスク５、対物レンズ６を移動させる信号を、それぞれボイスコイル機構９、１０に送る。この信号は、たとえば、マスク５から対物レンズ６までの光路長ａ、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂを、ともに一定に保つように、マスク５及び対物レンズ６を移動させる信号である。ボイスコイル機構９及び１０は、コントローラ１１からの信号を受けて、それぞれマスク５及び対物レンズ６を、レーザビームの進行方向と平行な方向に移動させる。
図２に示すように、入射位置がＭからＮに変化するとき、マスク５及び対物レンズ６がボイスコイル機構９及び１０により移動される距離は、Δｂである。マスク５と対物レンズ６とは、同じ方向に同じ距離Δｂだけ変位される。こうすることによって、上記（１）式は満たされ、入射位置Ｎにマスク５の貫通孔が結像される。
入射位置ＭとＮの２点においてだけでなく、レーザビームの走査中、常に、たとえば、マスク５から対物レンズ６までの光路長ａと、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂとを一定に保てば、基板１２の表面上には、常にマスク５の貫通孔が結像されることになる。マスク５及び対物レンズ６は、ガルバノスキャナ７によるレーザビームの走査に同期して、光路長ａと光路長ｂとが常に一定となるように移動される。この場合、マスク５の貫通孔の結像倍率（縮小率）は常に一定となる。
たとえば、対物レンズ６の焦点距離ｆが８３３ｍｍであり、マスク５から対物レンズ６までの光路長ａを５０００ｍｍ、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂを１０００ｍｍの一定値に保つ場合、マスク５の貫通孔の結像倍率（縮小率）は１／５である。
図３Ａは、表面上にマスク５の矩形状の貫通孔を結像させるように、パルスレーザビームを１ショット照射し、結像位置に穴を形成した基板１２の概略的な平面図である。基板１２上には、貫通孔が結像された矩形状のビームスポットが形成され、その位置のＩＴＯ膜に穴が開く。
図３Ｂは、マスク５の矩形状の貫通孔を一定の結像倍率（縮小率）で結像させながら、ビームの入射位置を移動し、４ショットのパルスレーザビームを照射することによって、照射位置に溝を形成した基板１２の平面図である。ガルバノスキャナ７により、パルスレーザビームを、矩形状に結像されたビームスポットの長辺方向に走査する。また、５０％の重複率でビームを照射し、各ショットで開けた穴を連続させて、溝を形成する。
一定の大きさの矩形状のビームスポットを形成し、一対の平行な辺（図３Ｂにおいては長辺）に平行な方向に、レーザビームを走査することによって、一定幅の溝を形成することができる。本実施例のように、パルスレーザビームを用いる場合は、ビームスポットの平行な一対の辺（図３Ｂにおいては長辺）の一部が、前回のショットのビームスポットの平行な一対の辺の一部に重なるように、レーザビームを走査する。溝の開口の縁は、矩形状のビームスポットの直線部によって形成されるため、凹凸を有しない直線状になる。
制御の容易性の点等から、基板１２上において、ビームスポットの平行な一対の辺の方向が、Ｘ方向またはＹ方向と平行になるように、ビームスポットを形成するのが望ましい。
なお、基板１２上に結像させるマスク５の貫通孔は、矩形でなくてもよい。ビームスポットを平行な一対の辺を有する形状に形成し、その平行な一対の辺と平行な方向に、レーザビームを走査すれば、開口の縁に凹凸を有しない、一定幅の溝を加工することができる。
図４Ａは、マスク５の貫通孔の一例を示す図である。マスク５の貫通孔は、平行な一対の辺を有する形状に形成されている。この一対の辺同士を接続する他の一対の辺は、内側に向かって湾曲している。このような貫通孔を有するマスクを用いて、レーザビームの断面を整形すると、基板１２上に、平行な一対の辺を有する形状のビームスポットを形成することができる。
図４Ｂは、図４Ａに示した貫通孔が、基板１２上に結像されたとき、基板１２に開けられる穴を示した概略図である。この穴と同形状の穴を、平行な一対の辺に平行な方向に、連続して形成することにより、開口の縁に凹凸を有しない、一定幅の溝を加工することができる。さらに、溝の縁近傍に入射するレーザビームの累積エネルギ密度が、溝の中央に入射するレーザビームの累積エネルギ密度よりも大きいため、溝の側面をより垂直に近づけることができる。
なお、図３Ｂに示すような、一方向に延在する溝のみをレーザ加工する場合、１つの揺動反射鏡を有する１次元ガルバノスキャナやポリゴンスキャナを用いてもよい。このとき、スキャナの走査方向と、ビームスポットの平行な一対の辺の方向とを一致させればよい。
図５Ａ〜５Ｃを参照して、円錐光学系４について説明する。前述の通り、円錐光学系４は、入射するレーザビームのビームプロファイルを、ビーム断面の中央部で弱く、周辺部で強くなるように、変換する。
図５Ａは、レーザ光源１から出射されたパルスレーザビームの断面における、１パルス当たりのエネルギ密度を示す概略的なグラフである。パルスレーザビームは、一般に、断面の中央部分でパルスエネルギ密度が高く、周辺に向かうにつれてパルスエネルギ密度が低くなる。円錐光学系４は、２つの円錐レンズ４ａ、４ｂにより、入射したレーザビームの中央部と周辺部を反転して出射する。したがって、円錐光学系４から出射されるレーザビームのビームプロファイルは、ビーム断面の中央部で弱く、周辺部で強い分布をもつ。
図５Ｂは、円錐光学系４から出射し、マスク５で整形した後のパルスレーザビームの断面における、１パルス当たりのエネルギ密度を示す概略的なグラフである。ビームは、中央部で弱く、周辺部で強いパルスエネルギ密度の分布を有している。
図５Ｃは、図３ＢのＣ５−Ｃ５線に沿って切断した基板１２の概略的な断面図である。図５Ｂに示すビームプロファイルをもつレーザビームが、対物レンズ６で集光され、基板１２に入射することで、基板１２のＩＴＯ膜には、側面の傾斜角を９０°に近づけることができる。したがって、図３Ｂに示す溝は、開口の縁が直線状に形成されることに加えて、切り立った側壁を有する溝である。
なお、ガルバノスキャナ７の動作に同期させて、パルスレーザビームのパルスエネルギを調節し、より良質の加工を行うことができる。基板１２に入射するレーザビームの入射角が大きくなると、入射位置におけるビームスポットの面積は大きくなる。したがって、ガルバノスキャナ７で走査されるレーザビームのパルスエネルギを一定の値に固定した場合、入射角が大きくなるにつれ、入射位置におけるレーザビームのパルスエネルギ密度は小さくなり、加工性に変化が生じる。一定の加工性を保つために、入射位置におけるレーザビームのパルスエネルギ密度を一定に保つことが必要な場合もある。
バリアブルアッテネータ２は、ガルバノスキャナ７の動作に同期して、レーザ光源１から出射されるレーザビームのパルスエネルギを変化させる。コントローラ１１から送信される同期信号に基いて、レーザビームが大きい入射角で基板１２に入射するときは、パルスエネルギの減衰率を小さくして、バリアブルアッテネータ２から出射するビームのパルスエネルギを増加させる。こうすることによって、ビームの走査中も、レーザビームの入射位置におけるパルスエネルギ密度を一定に保つことができる。
また、一定に保たなくても、レーザビームの基板１２への入射角が変動するとき、入射位置におけるパルスエネルギ密度の変動を小さくするように、バリアブルアッテネータ２によるパルスエネルギの減衰率を変動させれば、加工の質を向上させることができる。
なお、基板１２上にレーザビームを入射させ、走査するとき、ガルバノスキャナ７の動作に同期させて、マスク５の貫通孔の結像倍率（縮小率）を変化させながら、レーザビームの入射位置におけるパルスエネルギ密度を一定に保つこともできる。
Δ２＝ｆ２×Δ１／（ｂ−ｆ−Δ１）／（ｂ−ｆ）・・・（２）
［（ａ＋Δ２）／（ｂ−Δ２）］２＝（ａ／ｂ）２／ｃｏｓθ・・・（３）
の両式の関係を満たすように、基板１２へのレーザビームの入射角θ（基板１２の法線と入射光のなす角）に応じて、Δ１とΔ２とを定め、マスク５から対物レンズ６までの光路長がａ＋Δ２、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長がｂ−Δ１となるように、マスク５及び対物レンズ６を、入射角θに対応させて移動させればよい。ここで、ａ、ｂは、それぞれ、θが０のときの、マスク５から対物レンズ６までの光路長、及び、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長である。また、ｆは、対物レンズ６の焦点距離である。なお、式（２）及び（３）を厳密に満たしていなくても、入射角が変動するとき、ビームスポットの面積の変動を小さくするように結像倍率を変化させることで、レーザ加工の質を改善することができる。入射角が大きくなると、結像倍率（縮小率）を小さくすればよい。
図６は、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂを変化させる光路調整機構２０を備えた、第１の実施例の変形例によるレーザ加工装置の概略図である。図１に示したレーザ加工装置からボイスコイル機構９及び１０が除かれ、光路調整機構２０が加入されている。他の構成は、図１に示したレーザ加工装置の構成と等しい。図６に示すレーザ加工装置においては、マスク５から対物レンズ６までの光路長ａは一定である。光路調整機構２０により、たとえば、ガルバノスキャナ７の動作に同期して、レーザビームの走査中、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂを、常に一定に保つことができる。そうすることによって、マスク５の貫通孔を、基板１２上に、常に一定の結像倍率（縮小率）で結像させ、図３Ｂに示したような溝を加工することができる。
図７は、光路調整機構２０の概略図である。光路調整機構２０は、たとえば２１ａ〜２１ｄの４枚の反射ミラーを含んで構成される。４枚の反射ミラーは、各々、入射するレーザビームの進行方向をたとえば９０°変化させ、光路調整機構２０は、入射したレーザビームの進行方向と平行な方向にレーザビームを出射する。反射ミラー２１ａと２１ｂとの２枚が、移動部２２を形成する。移動部２２は、図中矢印の方向へ移動することができる。対物レンズ６から基板１２に至る光路長ｂは、移動部２２を変位させることで調節される。レーザビームの基板１２〜の入射角が大きくなると、移動部２２は、図７において上向きに移動し、光路調整機構２０内でのレーザビームの光路長を短くすることで、光路長ｂを一定に保つ。移動部２２の移動は、コントローラ１１からの信号を受けてなされる。コントローラ１１は、ガルバノスキャナ７の動作と移動部２２の移動とを同期させることにより、図６に示した対物レンズ６から基板１２までの光路長ｂを一定に保つ。
図６に示すレーザ加工装置においては、光路調整機構２０を、光路長ｂを調整するために加入したが、更に、光路ａを調整するために、マスク５と対物レンズ６との間に挿入することもできる。２つの光路調整機構２０を用いることによって、レーザビームの走査中も、光路長ａ及び光路長ｂを、たとえば関係式（１）を満たすように調整することができる。
また、行う加工によっては、光路長ａまたは光路長ｂを調整するのに、マスク５、対物レンズ６のうち、どちらか一方のみを移動させてもよい。たとえば、対物レンズ６を固定し、関係式（１）を満たすように、マスク５のみを移動させることもできる。
加工対象物として、ガラス基材の上にＩＴＯ膜が形成された基板を考えたが、シリコン基板上にポリイミド膜が形成された基板を用い、ポリイミド膜部分を加工してもよい。これらは、太陽電池基板や液晶基板として用いられる。また、ポリイミド膜の上にＩＴＯ膜が形成されたタッチパネル、更に、半導体膜等を加工することもできる。また、フィルム状の加工対象物を加工することもできる。
図８Ａは、フィルム３０を搬送する搬送機構３１の概略図である。フィルム３０が、搬送機構３１により搬送される。バキュームチャック３２は、搬送されてきたフィルム３０上の所定の加工位置を固定し、加工面を画定する。ガルバノスキャナ７で走査されたレーザビームが、バキュームチャック３２で固定されたフィルム３０上に入射することによって、所定の加工位置の加工が行われる。所定位置の加工が終わると、搬送機構３１がフィルム３０を搬送し、別の加工位置がバキュームチャック３２で固定され、加工が行われる。
従来は、バキュームチャック３２で固定されたフィルム３０をＸＹステージで移動し、固定光学系を用いてビームを照射することにより、加工を行っていた。
本実施例においては、ガルバノスキャナ７でビームを走査し、加工位置にビームを入射させることによって加工を行うため、加工速度を速くすることができる。
図８Ｂは、ロータリエンコーダ３３を備えた搬送機構３１の概略図である。ロータリエンコーダ３３は、搬送機構３１で搬送されるフィルム３０の速さを検出する。検出結果は、コントローラ１１に送られ、コントローラ１１は、フィルム３０の搬送速度から、フィルム３０の搬送量を求める。フィルム３０の搬送速度、搬送量、及びフィルム３０上に画定されている所定の加工位置のデータより作成される制御信号が、コントローラ１１からガルバノスキャナ７に送信される。ガルバノスキャナ７は、制御信号を受けてレーザビームを走査し、フィルム３０上の所定の加工位置にビームを照射して加工を行う。
ＸＹステージを必要とせず、また、フィルム３０を搬送しながら加工ができるため、加工速度を速くすることができる。
図１に示したレーザ加工装置から、円錐光学系４、マスク５及びボイスコイル機構９を除いたレーザ加工装置を用いることにより、焦点加工を行うことも可能である。レーザビームは、対物レンズ６により、基板１２上に焦点を結ぶように集束される。ガルバノスキャナ７の動作により、レーザビームが基板１２上を走査し、基板１２上におけるビームの入射位置が変化すると、対物レンズ６は、ボイスコイル機構１０により、対物レンズ６から基板１２に至るレーザビームの光路長ｂが一定に保たれるように、対物レンズを通過するビームの進行方向と平行な方向に、移動される。この移動により、レーザビームは、基板１２上に、常に焦点を結ぶ。このため、良質の加工を実現できる。
本実施例においては、パルスレーザビームを用いたが、行う加工により、連続波のレーザビームを用いてもよい。また、レーザ光源として、波長変換ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器を使用し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を出射したが、固体レーザの基本波〜５倍高調波を用いることができる。また、ＣＯ２レーザ等を使用することも可能である。
また、本実施例においては、高速走査光学系としてガルバノスキャナを用いたが、ポリゴンミラーを用いた高速走査光学系を使用してもよい。ＸＹステージで加工対象物を移動させることによって、レーザビームの入射位置を変えるのでなく、高速走査光学系を用いてビームを走査し、レーザビームの入射位置を変えるため、加工速度を向上させることができる。
さて、上述した焦点加工方法では、レーザビームが常に、基板表面に焦点を結ぶようにした。次に、レーザビームの焦点と基板表面との位置関係を、基板表面へのレーザビームの入射位置に応じて調節することにより良質の加工を行う方法について説明する。
図１２Ａに示す、第２の実施例によるレーザ加工装置は、図１に示したレーザ加工装置から、円錐光学系４、マスク５及びボイスコイル機構９が除かれており、さらに、バリアブルアッテネータ２が除かれ、エキスパンダ３と対物レンズ６との間に、円形の貫通孔を有し、ビーム径を調節するアパーチャ５ａが配置されている。アパーチャ５ａの貫通孔を、基板１２の表面に結像させることは、必要ではない。
ボイスコイル機構１０を用いて、対物レンズ６を通過するレーザビームの進行方向と平行に、対物レンズ６を移動させ、レーザビームの焦点を基板１２の表面に近づけたり離したりすることにより、基板表面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度を調節する。
コントローラ１１から送信される制御信号により、ガルバノスキャナ７は、レーザビームを所望のタイミングで所望の進行方向へ振る。コントローラ１１から送信される制御信号により、ボイスコイル機構１０をガルバノスキャナ７と同期して動作させることで、レーザビームの入射位置に応じて、基板１２に所望のパルスエネルギ密度でレーザを照射することができる。
図１３を参照して、図１２Ａのレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の一例を説明する。図１３の上側は、対物レンズ６、ガルバノスキャナ７を経て、基板１２上を走査するパルスレーザビームの光路を概略的に示す。
レーザビームＬ１ｂが、基板表面に垂直に、かつ入射位置Ｍ１に入射する。レーザビームＬ１ａ、Ｌ１ｃが、それぞれ、入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃに入射角α１で入射する。入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃを両端とする線分の中点に、入射位置Ｍ１が位置する。
図１３の下側は、ガルバノスキャナ７側から見下ろした基板表面を示す。ビームスポット９１ａ、９１ｂ、９１ｃはそれぞれ、レーザビームＬ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃの基板表面上の（つまり、入射位置Ｎ１ａ、Ｍ１、Ｎ１ｃでの）ビームスポットを示す。
レーザビームＬ１ａの光路からレーザビームＬ１ｃの光路の方へレーザビームの進行方向を振りながら、パルスレーザビームの照射を繰り返し、図１０Ａ、１０Ｂに示したのと同様に、各レーザ照射位置に形成した穴が連続するようにして、基板表面に溝１０１を形成する。
まず、溝１０１の始点を形成するレーザビームＬ１ａが照射されるとき、対物レンズ６の位置は、レーザビームＬ１ａが入射位置Ｎ１ａで焦点を結ぶように設定する。なお、ビームスポットの大きさが最小になる点を、レーザビームの焦点と呼ぶ。
そして、溝１０１の終点を形成するレーザビームＬ１ｃが照射されるとき、対物レンズ６の位置は、レーザビームＬ１ｃが入射位置Ｎ１ｃで焦点を結ぶように設定する。対物レンズ６から入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃまでの光路長はほぼ等しいので、対物レンズ６の位置は、溝加工の開始時と終了時とで同一と考えてよい。なお、レーザビームＬ１ａとＬ１ｃとは入射角が等しく、ビームスポット９１ａと９１ｃとは等しい面積と考えてよい。
ここではまず、対物レンズ６をこの位置に固定したままレーザビームを走査して溝を形成すると、どのような問題が生じるのか説明する。
レーザビームＬ１ａが入射位置Ｎ１ａで焦点を結ぶ（または、レーザビームＬ１ｃが入射位置Ｎ１ｃで焦点を結ぶ）ような位置に対物レンズ６を固定したときに、ガルバノスキャナ７により進行方向を振られたレーザビームの焦点の軌跡が描く仮想的な面を、集光面８１ａとする。集光面８１ａ上の点Ｒは、レーザビームＬ１ｂの焦点位置を示す。
入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃ以外の溝１０１上の入射位置では、レーザビームは焦点に集束していく途中で基板に入射する。入射位置から焦点までの距離が長くなるほど、入射位置でのビーム径は焦点でのビーム径よりも大きくなる。入射位置と焦点との距離は、溝の中央に照射されるレーザビームＬ１ｂに対して最大となる。
レーザビームのパルスエネルギ密度は、通常、ビーム断面の外周近傍よりも中心で高い。ビーム径が大きくなると、ビーム断面内の各位置におけるパルスエネルギ密度は低下する。したがって、ビーム径は大きくなっても、基板を加工できる閾値以上のパルスエネルギ密度となる領域はビーム断面の中心付近に限られる。
溝１０１の端である入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃの近傍には、ビーム径は小さいが、ビーム断面の外周近傍までパルスエネルギ密度が加工閾値以上となるレーザビームが、高いパルスエネルギ密度で照射されて、幅の太い溝が形成される。一方、溝の中央である入射位置Ｍ１の近傍には、ビーム径は大きいが、ビーム断面の中心の狭い領域のみパルスエネルギ密度が加工閾値以上となるレーザビームが、低いパルスエネルギ密度で照射されて、幅の細い溝が形成されてしまう。このように、溝の幅が場所により変動してしまう。
なお、レーザビームＬ１ｂの入射位置Ｍ１から集光面８１ａ上の点Ｒまでの距離は、入射角α１が大きくなるほど長くなる。よって、入射角α１が大きくなるほど、入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃに照射されるレーザのビーム径と、入射位置Ｍ１に照射されるレーザのビーム径との差は大きくなる。つまり、溝の端と中央との幅の差が顕著になってしまう。入射角α１は、溝の端を形成するレーザビームの入射角であるので、例えば、大型の基板に長い溝を形成しようとするとき等に大きくなる。
次に、対物レンズ６の位置を動かして焦点位置を調節しながらレーザビームを走査して、溝を形成する方法について説明する。レーザビームの焦点位置を調節すると、基板に照射されるレーザビームのビーム径が調節されて、基板表面におけるパルスエネルギ密度が調節される。
入射位置Ｍ１に入射するレーザビームＬ１ｂの焦点をどこに合わせたらよいか考えてみる。焦点を、集光面８１ａ上の点Ｒよりも入射位置Ｍ１に近い位置に設定することで、ビーム径を小さくし、入射位置Ｍ１のパルスエネルギ密度を増加させるように補正できる。ただし、焦点を入射位置Ｍ１まで近づけると、入射位置Ｍ１におけるパルスエネルギ密度が、入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃにおけるパルスエネルギ密度よりも高くなってしまう。
レーザビームＬ１ｂは基板表面に垂直に入射するので、入射位置Ｍ１で焦点を結ぶとしたときのビームスポットは円形となる。一方、レーザビームＬ１ａ、Ｌ１ｃは基板表面に入射角α１で斜めから入射しているため、ビームスポット９１ａ、９１ｃは楕円形に広がった形状となる。つまり、レーザビームＬ１ｂが入射位置Ｍ１で焦点を結ぶとしたときのビームスポット９１ｂにおけるパルスエネルギ密度は、ビームスポット９１ａ、９１ｃにおけるパルスエネルギ密度よりも高くなる。
そこで、レーザビームＬ１ｂの焦点を、入射位置Ｍ１よりやや深い（入射位置Ｍ１から基板の内部に向かって遠い）位置に合わせ、ビームスポット９１ｂの面積が、入射位置Ｎ１ａのビームスポット９１ａ、９１ｃの面積と等しくなるようにする。このようにすれば、入射位置Ｎ１ａあるいはＮ１ｃとＭ１とに等しいパルスエネルギ密度でレーザを照射して加工が行える。
溝１０１上の他の入射位置でも、ビームスポットの面積が一定に保たれるようにして、パルスエネルギ密度を揃え、加工を行えばよい。溝１０１上を、ビームスポットの面積を変化させない条件で走査したときの焦点の軌跡が、集光面８１ｂである。レーザビームＬ１ｂの焦点位置が、集光面８１ｂ上の点Ｑである。
焦点を集光面８１ｂ上に沿って移動させるとき、対物レンズ６の位置をどのように調節するか説明する。まず、レーザビームＬ１ａが照射されるとき、入射位置Ｎ１ａで焦点を結ぶような位置に対物レンズ６が設定される。この位置を基準位置と呼ぶ。
レーザビームを入射位置Ｎ１ａからＭ１に向かって走査するとき、対物レンズ６を基準位置から徐々にレーザ光源の方に移動させていくことで、焦点を集光面８１ａよりも基板表面に近い集光面８１ｂに沿って移動させ、ビームスポットの面積が大きくなり、パルスエネルギ密度が低下することを抑制する。対物レンズの基準位置からの移動距離は、入射位置Ｎ１ａに入射するレーザビームＬ１ａについてはゼロとし、レーザが入射位置Ｍ１に向かうにつれ増大させ、入射位置Ｍ１に入射するレーザビームＬ１ｂについて最大とする。
引き続き、レーザビームを入射位置Ｍ１からＮ１ｃに向かって走査するときは、対物レンズ６を徐々に基準位置に近づけていけばよい。対物レンズの基準位置からの移動距離は、レーザが入射位置ＮＴｃに向かうにつれ減少させ、入射位置Ｎ１ｃに入射するレーザビームＬ１ｃについてはゼロとする。
このように、各入射位置に照射されるレーザビームの焦点が、集光面８１ｂ上に沿って移動するように対物レンズ６の位置を調節しながら、レーザを走査することにより、場所により幅が変動することを抑制して溝１０１を形成できる。
対物レンズの移動のさせ方についてまとめる。対物レンズの位置を動かさずに走査を続けると、基板表面のパルスエネルギ密度が低下してしまう場合には、レーザビームの焦点が入射位置に近づくように対物レンズを移動させて、パルスエネルギ密度の低下を抑制するようにする。対物レンズの位置を動かさずに走査を続けると、基板表面のパルスエネルギ密度が上昇してしまう場合には、反対に、レーザビームの焦点位置が入射位置から遠ざかるように対物レンズを移動させて、パルスエネルギ密度の上昇を抑制するようにすればよい。
加工の一例として、溝の両端の入射位置において、基板表面に焦点を合わせる方法を説明したが、別の入射位置に焦点を合わせてもよい。各入射位置のビームスポットをほぼ一定の面積に保つようにすれば、パルスエネルギ密度を揃えて加工ができるので、どの入射位置に対しても一定の加工性を保つことができる。
なお、照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度を、各入射位置で厳密に一定に保たなくても、入射位置が変化するときに、入射位置におけるパルスエネルギ密度が変動することを抑制するようにすれば、加工を良好に行うことができる。
溝加工（スクライビング加工）を例に説明したが、穴開け加工等を行ってもよい。ガルバノスキャナを１次元方向に走査する例を説明したが、２次元方向に走査し、基板全面に亘るような加工を行ってもよい。パルスレーザビームを用いる加工を例に説明したが、レーザビームは連続波であってもよい。連続波レーザビームで加工を行う場合は、被加工面でのパワー密度が、入射位置ごとに変動することを抑制するようにする。
基板に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度は、対物レンズ６を移動させる代わりに、バリアブルアッテネータを用いて調節することもできる。
図１２Ｂに示す、第２の実施例の変形例によるレーザ加工装置には、図１２Ａに示したレーザ加工装置にバリアブルアッテネータ２が追加されている。バリアブルアッテネータ２は、コントローラ１１から送信される制御信号に基づき、ガルバノスキャナ７の動作に同期して、基板１２に照射されるパルスレーザビームのパワーを、所望の減衰率で減衰させることができる。
図１４を参照して、バリアブルアッテネータを用いたレーザ加工方法の一例を説明する。図１４は、図１２Ｂに示すレーザ加工装置において、対物レンズ６、ガルバノスキャナ７を経て、基板１２上を走査するパルスレーザビームの光路を概略的に示す。
レーザビームＬ２ｂが、基板表面に垂直に、かつ入射位置Ｍ２に入射する。レーザビームＬ２ａ、Ｌ２ｃが、それぞれ、入射位置Ｎ２ａ、Ｎ２ｃに入射角α２で入射する。入射位置Ｎ２ａ、Ｎ２ｃを両端とする線分の中点に、入射位置Ｍ２が位置する。
対物レンズ６は、レーザビームＬ２ｂが入射位置Ｍ２で焦点を結ぶような位置に固定されている。ガルバノスキャナ７により進行方向を振られたレーザビームの焦点の軌跡が描く仮想的な面を、集光面８２とする。
図１３を参照して説明したのと同様に、レーザビームＬ２ａの光路からレーザビームＬ２ｃの光路の方へレーザビームの進行方向を振りながら、パルスレーザビームの照射を繰り返して、基板表面に溝を形成する。
レーザビームの入射位置が入射位置Ｍ２から離れるにしたがい、レーザビームが焦点を結んでから基板に入射するまでの距離が長くなる。焦点を通過した後のレーザビームは発散光線束となるので、焦点から入射位置までの距離が長くなるほど、基板表面のビームスポットは大きくなる。
また、入射位置が入射位置Ｍ２から離れるにしたがい、レーザビームの基板への入射角は大きくなる。同一のビーム径を持つレーザビームが照射された場合でも、入射角が大きくなるほど、基板表面のビームスポットは大きくなる。
図１３を参照して説明したように、大きなビームスポット内のパルスエネルギ密度は、ビーム断面の全体に亘って低下し、基板を加工できる閾値以上となるのはビーム断面の中心付近に限られる。このため、大きなビームスポットの照射により形成される溝の幅は細くなる。
どの入射位置に対しても一定のパルスエネルギでレーザを照射して溝を形成すると、溝の中央付近は幅が太く形成され、溝の端は幅が細く形成されてしまう。
そこで、どの入射位置においても基板表面でのパルスエネルギ密度が一定となるように、入射位置に応じて、バリアブルアッテネータ２によりパワーを調節する。パワーの減衰量は、溝の端が加工されるときは最小とし、溝の中心に向かうにつれ増大させ、溝の中心である入射位置Ｍ２が照射されるときに最大とする。このようにして、幅が場所により変動することを抑制して、溝を形成できる。
なお、基板に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度の均一化を図るために、ボイスコイル機構１０で対物レンズ６を動かして焦点位置を移動させることと、バリアブルアッテネータ２でパルスレーザビームのパワーを減衰させることとを組み合わせて用いてもよい。
なお、レーザビームは連続波であってもよい。連続波レーザビームで加工を行う場合は、被加工面でのパワー密度が、入射位置ごとに変動することを抑制するように、バリアブルアッテネータで連続波レーザビームのパワーを調節する。
さて、例えば、表面にＩＴＯ膜が形成されたガラス基材の加工において、基板サイズは大型化する趨勢にある。基板が大型になり、被加工領域が広くなると、図１３を参照して説明したような、レーザビームの入射位置に応じて対物レンズ６を動かして行う加工において、対物レンズ６の移動量が大きくなる場合が生じる。制御の容易性の観点からは、対物レンズ６の移動量は小さくできることが好ましい。
次に、図１５Ａを参照して、対物レンズ６の移動を短い距離に抑えたままで、レーザビームの焦点位置の移動距離を長くできる、第３の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図１５Ａに示すレーザ加工装置においては、図１２Ａに示したレーザ加工装置の対物レンズ６とガルバノスキャナ７との間に、２次集光レンズ７１が追加されている。なお、図１５Ａの説明においては対物レンズ６を、１次集光レンズ６と呼ぶ。
アパーチャ５ａから出射したレーザビームが、１次集光レンズ６に入射する。１次集光レンズ６は、レーザビームを仮想的な１次集光面８３上に集光する。１次集光面８３を通過したレーザビームは発散光線束となり２次集光レンズ７１に入射する。２次集光レンズ７１により集束されたレーザビームが、ガルバノスキャナ７に進行方向を振られ、基板１２に入射する。
次に、１次集光レンズ６の移動量について説明する。１次集光面８３を２次集光レンズ７１に近づけると、２次集光レンズ７１で集束されたレーザビームの焦点位置は、レーザビームが進行する向きに移動する。１次集光面８３の移動距離をｄ１、レーザビームの焦点の移動距離をｄ２とする。また、２次集光レンズ７１に入射するレーザビームに対する２次集光レンズ７１の開口数をＮＡ１、２次集光レンズ７１を通過した集束ビームに対する２次集光レンズ７１の開口数をＮＡ２とする。倍率Ｐを、
Ｐ＝ＮＡ１／ＮＡ２
と定義すると、
ｄ２＝ｄ１×Ｐ２
が成立する。
上式からわかるように、倍率Ｐを大きくすれば、１次集光面８３の移動距離ｄ１を短くしても、焦点の移動距離ｄ２を長くすることができる。例えば、倍率Ｐが２である場合、１次集光面８３を２ｍｍ２次集光レンズに近づけることにより、レーザビームの焦点を８ｍｍレーザビームの進行方向に移動させることができる。
１次集光面８３の移動は、１次集光レンズ６を光軸方向に移動させることにより行われる。１次集光レンズ６に入射するレーザビームが平行光線束であるとき、１次集光レンズ６の移動距離と１次集光面８３の移動距離とは等しい。１次集光レンズ６を移動させる距離が約２ｍｍ以下であれば、ピエゾ駆動機構を用いた直動機構を利用することができる。ボイスコイル機構１０の代わりにピエゾ駆動機構を用いた直動機構を利用することにより、１次集光レンズ６を、高速にかつ高精度に移動させることができる。
図１６に、２次集光レンズ７１の一構成例を示す。２次集光レンズ７１が複数枚のレンズで構成されている。物点Ｓｏと像点Ｓｉが共役の関係にある。この物点Ｓｏは、図１５Ａに示した１次集光面８３上のビームスポットの位置に相当する。この結像光学系を無限遠共役の光学系と考える。２次集光レンズ７１を、前側レンズ群７１ａと後側レンズ群７１ｂとに分餉する。物点Ｓｏから出射した光線束は、前側レンズ群７１ａで平行光線束にされる。この平行光線束が、後側レンズ群７１ｂにより像点Ｓｉに焦点を結ぶ。なお、２次集光レンズ７１が物理的に分割できない場合もあるが、ここでは、仮想的に分割されると考える。
前側レンズ群７１ａの前焦点距離をＦｆ、後側レンズ群７１ｂの後焦点距離をＦｒとする。このとき、上述の式で定義した倍率Ｐは、
Ｐ＝Ｆｒ／Ｆｆ
と表される。
図１５Ａに示したレーザ加工装置では、１次集光レンズ６を凸レンズで構成したが、図１５Ｂに示すように、凹レンズ６ａで構成してもよい。このとき、１次集光面８３ａは虚像となり、凹レンズ６ａよりもレーザ光源側に現れる。
このように、倍率Ｐを大きくすることにより、１次集光レンズ６の移動距離を短く抑えたままで、基板に照射されるレーザビームの焦点位置を大きく変化させることができる。有為な効果を奏するためには、倍率Ｐを２以上にすることが好ましく、４以上にすることがより好ましい。
さて、図１３に示したビームスポット９１ａ、９１ｃは、基板に斜めから入射するレーザビームのビームスポットであるため、楕円形となった。一方、ビームスポット９１ｂは、基板に垂直に入射するレーザのビームスポットであるため、円形となった。このように、レーザビームの入射位置により入射角が異なって、基板上のビームスポット形状が異なることが起こる。
加工される穴の開口は、ビームスポットが楕円形であれば楕円形となり、円形であれば円形となる。しかし、どの入射位置でも、穴の開口が同一の形状（例えば円形）となるようにしたい場合もある。
次に図１７を参照して、ビームスポットの形状を入射位置に応じて補正することができる、第４の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図１７に示すレーザ加工装置においては、図１２Ａに示したレーザ加工装置に、アパーチャ５ａをレーザビームの光軸に垂直な軸の回りに回転させるアパーチャ傾斜機構６０ａと、アパーチャ５ａをレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させるアパーチャ回転機構６１ａとが追加されている。
なお、アパーチャ回転機構６１ａは、後に図２２Ａを参照して説明するレーザ加工装置が有するマスク回転機構が、マスクを回転させるのと同様な機構で、アパーチャ５ａをレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させる。
アパーチャ傾斜機構６０ａ、アパーチャ回転機構６１ａはそれぞれ、コントローラ１１から送信される制御信号に基づき、ガルバノスキャナ７の動作に同期して、アパーチャ５ａの、レーザビームの光軸に垂直な軸の回りの傾斜角度とレーザビームの光軸に平行な軸の回りの回転角度とを変化させる。
レーザビームが基板表面に斜めに入射するときの、光軸に垂直なビーム断面形状と基板表面上のビーム断面形状とを比較する。基板表面上のビーム断面形状は、光軸に垂直なビーム断面形状が、基板表面と入射面との交線方向に引き伸ばされた形状となる。例えば、円形断面のレーザビームが、基板表面に斜めから入射すれば、基板表面におけるビーム断面は、基板表面と入射面との交線方向に長い楕円形になる。なお、入射角が大きい程、基板表面のビームスポットは交線方向に長い形状となる。
したがって、光軸に垂直な断面が、適当な長軸と短軸の比の楕円に整形されたレーザビームを、その楕円の長軸方向が入射面に垂直になるようにして、基板表面に斜めに入射させ、基板表面のビームスポットを円形にすることができるであろう。
図１８Ａは、アパーチャ傾斜機構６０ａにより、レーザビームの光軸に垂直な軸の回りに回転されたアパーチャ５ａを、アパーチャ傾斜機構６０ａの回転軸の方向に沿って見た図を概略的に示す。図の左方から入射したレーザビーム１ｂが、アパーチャ５ａで断面を整形されて図の右方へ出射する。
図１８Ｂに示すように、アパーチャ傾斜機構６０ａに回転されたアパーチャ５ａの円形の貫通孔６２ａは、レーザビームの光軸に沿った視線で見ると、楕円形に見える。すなわち、レーザビームの断面は楕円形に整形される。
なお、アパーチャ５ａの円形の貫通孔の異なる２本の直径が張る面が、レーザビームの光軸と直交しているとき、レーザビームの断面は円形に整形される。アパーチャ５ａを傾斜させていき、円形の貫通孔の回転中心軸とレーザビームの光軸とがなす角が大きくなるにつれ、整形後のビーム断面の楕円形の短軸は短くなる。このように、アパーチャ傾斜機構６０ａは、整形後のビーム断面の縦横比を変えることができる。
図１８Ｃに示すように、さらに、アパーチャ回転機構６１ａを用いて、アパーチャ５ａをレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させる。
レーザビームのビームスポットが最小になる位置（レーザビームの焦点と呼ぶ）におけるビーム断面形状は、楕円状になる。焦点におけるビーム断面の長軸方向が、アパーチャ５ａの貫通孔の位置におけるビーム断面の短軸方向に対応する。
したがって、貫通孔の位置におけるビーム断面の楕円の長軸方向が、この交線方向と一致するように、アパーチャ回転機構６１ａでアパーチャ５ａを回転させる。このようにして、基板上のビームスポットの形状を、どの入射位置についても円形に保つことができる。
なお、アパーチャの貫通孔を基板表面に結像させることを要しない集光法による加工について説明したが、貫通孔の像を基板表面に結像させるマスク投影法による加工を行う場合でも、基板上のビームスポットの形状を補正することができる。マスク投影法の場合には、基板表面上に形成される貫通孔の像の長軸方向が、マスクの貫通孔の位置におけるビーム断面の長軸方向に対応する。
円形の貫通孔を有するマスクを、レーザビームの光軸に垂直な軸の回りに傾斜させることは同様である。ただし、さらにマスクをレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させるときは、貫通孔を出射したときのビーム断面の楕円形の短軸方向が、入射面と基板表面との交線方向と一致するようにして回転させる。
貫通孔の形状が円の場合を説明したが、他の形状の貫通孔によって整形されたレーザビームのビームスポット形状を補正することもできる。
次に、図１９を参照して、近接マスクを用いるレーザ加工方法を行う、第５の実施例によるレーザ加工装置について説明する。図１９に示すレーザ加工装置においては、図１２Ａに示したレーザ加工装置に、近接マスク６３が追加されている。
近接マスク６３は、近接マスク保持機構６４に保持され、基板１２の表面と平行に、基板１２の直上に配置されている。近接マスク６３に、基板表面に加工したい形状と同一の形状を有する貫通孔が形成されている。近接マスク６３と基板１２の表面との距離（近接ギャップ）ｄｇは、近接マスク保持機構６４により調節することができる。
エキスパンダ３が、レーザ光源１を出射したレーザビームのビーム径を拡大し、平行光のレーザビームを出射する。エキスパンダ３を出射したレーザビームは、拡がり角βを有する。エキスパンダ３により、レーザビームのビーム径が例えば１０倍に拡大されるとき、拡がり角は１０分の１に低減される。エキスパンダ３により、レーザビームの拡がり角を調整することができる。
ガルバノスキャナ７で近接マスク６３上を走査しながら、レーザビームの照射を行う。近接マスク６３の貫通孔では、レーザビームが通過して基板１２に入射し、基板１２が加工される。貫通孔以外の部分では、レーザビームが通過せず、基板１２が加工されない。このように、近接マスク６３が有する貫通孔の形状を転写するようにして、基板表面を加工することができる。
このとき、レーザビームの入射位置が変わっても、基板表面でのパルスエネルギ密度が変動することが抑制されるように、レーザビームの基板への入射位置に応じて対物レンズ６の位置を移動させながら、レーザ照射を行うことができる。なお、レーザ光源１は連続波レーザビームを出射するものであってもよい。その場合には、基板表面でのパワー密度の変動が抑制されるようにする。
さて、高精度の加工を行うためには、近接マスク６３の有する貫通孔の形状が基板へ正確に転写される必要がある。転写の精度は、近接ギャップｄｇ及び近接マスク６３に照射されるレーザビームの拡がり角に依存する。近接マスクに照射されるレーザビームの拡がり角は、エキスパンダを通過したときのレーザビームの拡がり角βに等しいと考えてよい。
図２０に、Ｔ字状の貫通孔を有する近接マスクについて、転写の精度が、近接ギャップとレーザビームの拡がり角に依存してどのように変化するかをシミュレーションした結果を示す。近接ギャップとレーザビームの拡がり角を様々に変えた場合のＴ字状の貫通孔の像９７を、並べて示す。各図は、右側に配置されているほどレーザビームの拡がり角が小さく、下側に配置されているほど近接ギャップが小さい。
像９７の縁が明確であるほど、転写の精度が高い。図からわかるように、同一の拡がり角のとき、近接ギャップが大きくなるほど転写の精度は劣化する。また同一の近接ギャップのとき、拡がり角が大きくなるほど転写の精度が劣化する。近接ギャップ、拡がり角はともに、小さくするほど転写の精度を高めることができる。
図２１に、ある転写の精度を確保しようとしたとき、近接ギャップとレーザビームの拡がり角とが満たさなければならない関係のグラフを概略的に示す。ある転写の精度を確保しようとしたとき、近接ギャップが大きくなれば、拡がり角を小さくしなければならず、また、拡がり角が大きくなれば、近接ギャップを小さくしなければならない。
様々な転写精度に対して、図２１に示したような、近接ギャップとレーザビームの拡がり角とが満たさなければならない関係を予め求めておけば、所望の転写精度で加工を行おうとするとき、近接ギャップと拡がり角とを簡便に選定することができる。
近接マスクを用いるレーザ加工方法には、近接ギャップと拡がり角とを小さく設定して、高い転写精度で加工が行える利点がある。また、基板の被加工位置の直上に近接マスクの貫通孔を配置して加工を行うことにより、高い位置決め精度を得ることができる。被加工位置以外は、近接マスクが基板表面を覆っているので、加工時に基板が削られて発生する飛散物が、基板表面に付着しづらいという利点もある。
なお、近接マスクの貫通孔を通過させたレーザビームを基板に照射する加工を行うとき、レーザビームの基板への入射位置の移動を、ガルバノスキャナでレーザビームの進行方向を振って行うことにより、基板を載置したＸＹステージを動かして入射位置の移動を行う場合よりも、加工の高速化を図ることができる。
次に、図２２Ａを参照して、連続波のレーザビームを発振するレーザ光源を有する、第６の実施例によるレーザ加工装置について説明する。連続波のレーザビームを発振するレーザ光源１として、例えば、赤外線領域の波長のレーザビームを発振する半導体レーザを用いることができる。
レーザ光源１から出射されたレーザビームｌｂ０が、振り分け光学系６５に入射する。振り分け光学系６５は、レーザビームｌｂ０を、ある時間帯においては、ある光軸に沿って進行するレーザビームｌｂ１に、他の時間帯においては、他の光軸に沿って進行するレーザビームｌｂ２に振り分ける。
振り分け光学系６５は、例えば、半波長板６５ａ、ポッケルス効果を示す電気光学素子６５ｂ、偏光板６５ｃを含んで構成される。半波長板６５ａは、レーザ光源１から出射されたレーザビームｌｂ０を、偏光板６５ｃに対してＰ波となるような直線偏光にする。このＰ波が電気光学素子６５ｂに入射する。
電気光学素子６５ｂは、コントローラ１１から送出される契機信号ｓｉｇに基づいて、レーザビームの偏光軸を旋回させる。電気光学素子６５ｂが電圧無印加状態にされている時、入射したＰ波がそのまま出射される。電気光学素子６５ｂが電圧印加状態にされている時、電気光学素子６５ｂは、Ｐ波の偏光面を９０度旋回させる。これにより、電気光学素子６５ｂから出射するレーザビームは、偏光板６５ｃに対してＳ波となる。
偏光板６５ｃは、Ｐ波をそのまま透過させ、Ｓ波を反射する。偏光板６５ｃで反射したＳ波であるレーザビームｌｂ１は、レーザビームｌｂ１の終端となるビームダンパ６６に入射する。偏光板６５ｃを透過したＰ波であるレーザビームｌｂ２は、エキスパンダ３に入射する。
エキスパンダ３によりビーム径を拡大され、平行光とされたレーザビームｌｂ２は、矩形の貫通孔を有するマスク５に入射する。ここでは、マスク投影法による加工を例に説明する。つまり、マスク５の貫通孔の像を基板１２の表面に結像させて加工を行う。
マスク回転機構６１が、マスク５をレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させるのに用いられる。マスク回転機構６１は、たとえばゴニオメータを含んで構成され、コントローラ１１が送出する制御信号に基づき、所望のタイミングで、所望の角度だけマスクを回転させる。マスク回転機構６１について詳しくは後述する。ボイスコイル機構９が、マスク５の位置をレーザビームの進行方向と平行に移動させる。
マスク５を出射したレーザビームｌｂ２は、対物レンズ６により集束される。ボイスコイル機構１０が、対物レンズ６の位置をレーザビームの進行方向と平行に移動させる。対物レンズ６を出射したレーザビームは、ガルバノスキャナ７を通過した後、基板１２の表面に入射する。
図２２Ｂを参照して、加工対象物である基板１２について説明する。下地層１１０の表面上に転写層１１１が存在している。この転写層１１１は、熱が加えられると下地層１１０の表面に接着される性質を有する。
例えば、転写層１１１の一部１１１ａをレーザ照射により加熱して下地層１１０に接着する。転写層１１１のうち加熱されなかった部分１１１ｂを除去すると、下地層１１０の表面上には加熱された部分１１１ａのみが残る。これは例えば、熱転写式の印刷を行う際、インクリボンの加熱された部分のインクが紙に転写されることに似ている。
図２２Ａに戻って説明を続ける。ＸＹステージ８ａが、基板１２の保持台として用いられる。ＸＹステージ８ａは、基板１２を、基板１２の表面に平行な２次元面内で移動させることができる。コントローラ１１によりＸＹステージ８ａを制御し、基板１２を所望のタイミングで所望の位置に移動させる。
ここで説明するレーザ加工方法の例では、ガルバノスキャナ７のＸ用スキャナ７ａとＹ用スキャナ７ｂとが、ガルバノスキャナ７を出射したレーザビームが基板１２に垂直に入射するような位置に固定されている。基板１２をＸＹステージ８ａで動かすことにより、レーザビームの基板１２への入射位置を移動させる。
ボイスコイル機構９、１０を用いて、マスク５から対物レンズ６までの光路長及び対物レンズ６から基板１２のレーザビームの入射位置までの光路長が、マスク５の貫通孔の像が基板１２の表面に所望の結像倍率（縮小率）で結像するように設定される。
図２３を参照して、振り分け光学系の制御方法について説明する。図２３は、契機信号ｓｉｇ、レーザビームｌｂ０、ｌｂ１、ｌｂ２のタイミングチャートの一例を示す。時刻ｔ０で、レーザビームｌｂ０の出射が開始される。
時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、契機信号ｓｉｇがコントローラから送出されない。この間は、電気光学素子に電圧が印加されず、振り分け光学系からは常にレーザビームｌｂ２が出射する。レーザビームｌｂ１は、出射されない。この間のレーザビームｌｂ２は、連続波となる。
時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、コントローラが周期的に送出する契機信号ｓｉｇに同期して、振り分け光学系の電気光学素子に電圧が印加される。
契機信号ｓｉｇが送出されている間は電気光学素子が電圧印加状態となり、レーザビームｌｂ０はレーザビームｌｂ１に振り分けられる。一方、契機信号ｓｉｇが送出されていない間は電気光学素子が電圧無印加状態となり、レーザビームｌｂ０はレーザビームｌｂ２に振り分けられる。時刻ｔ１から時刻ｔ２までのレーザビームｌｂ２は、周期的に発振と停止とが繰り返されるレーザビームとなる。
この間欠的に出射されるレーザビームｌｂ２において、パルス幅ｗ１、及び、周期ｗ２は、契機信号ｓｉｇを調節することにより、任意の長さに設定できる。例えば、パルス幅ｗ１は１０μｓ〜数１０μｓとし、周期ｗ２は数１００μｓとする。
このように、振り分け光学系に契機信号を入力しないときには、連続的に出射するレーザビームｌｂ２が得られ、振り分け光学系に間欠的に契機信号を入力したときには、間欠的に出射するパルスレーザビームｌｂ２が得られる。
さて、連続的に出射されるレーザビームｌｂ２は、連続的に基板に照射できるため、例えば、ラインを形成する加工（下地層上に転写層をライン状に残す加工）に好適である。一方、間欠的に出射されるレーザビームｌｂ２は、間欠的に基板に照射できるため、例えば、ドットを形成する加工（下地層上に転写層をドット状に残す加工）に好適である。
図２４Ａを参照して、ライン加工の方法について説明する。基板１２へのレーザ照射を開始して、加工を開始する。加工の開始時に、まず、ライン１０３の一端の全幅上の領域が、矩形のビームスポット９３により照射される。その後、レーザを連続的に照射しながら、ビームスポットがライン１０３の他の一端に向かうように、ＸＹステージを一方向に移動させる。ＸＹステージの移動方向は、矩形のビームスポット９３のある辺と平行である。なお、基板上のビームスポットの移動の向きを矢印で示す。
ビームスポットが、ライン１０３の他の一端まで達したら、基板へのレーザ照射を止めて加工を終了する。このようにして、基板表面のライン状の領域がレーザ照射で加熱されることにより、下地層の表面にライン状に転写層が残ったライン１０３が形成される。
形成されたライン１０３の外形は、長さ方向の辺がビームスポット９３のある辺に平行で、幅方向の辺がビームスポット９３のある辺に直交する辺に平行な矩形となる。ライン１０３の幅は、ビームスポット９３のある辺に直交する辺の長さに等しい。
図２４Ｂを参照して、ドット加工の方法について説明する。ドット加工においては、基板１２に間欠的にレーザビームを照射しながら、ＸＹステージを一方向に移動させる。ＸＹステージの移動方向は、矩形のビームスポット９４ａのある辺（辺ｐと呼ぶ）と平行である。
まず、１パルス目のレーザ照射の開始時に、ドット１０４ａの一端の全幅上の領域が、矩形のビームスポット９４ａにより照射される。ＸＹステージは移動しているため、この１パルス目のレーザ照射が終了するまで、ビームスポットが基板上で移動する。ビームスポットの移動の向きを矢印で示す。
このようにして、基板表面のドット状の領域がレーザ照射で加熱され、下地層の表面にドット状に転写層が残ったドット１０４ａが形成される。
以後同様にして、２、３、４、５パルス目のレーザ照射によりそれぞれ、ドット１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅが形成される。なお、２、３、４、５パルス目の照射開始時にビームスポット９４ｂ、９４ｃ、９４ｄ、９４ｅがそれぞれ照射する基板表面の領域は、ビームスポット９４ａが照射する基板表面の領域を、ＸＹステージの移動方向と平行に移動させた領域に一致する。各ドットは、ＸＹステージの移動方向と平行な直線上に並ぶ。
各ドットの外形は、ビームスポット９４ａの辺ｐに平行な辺と、ビームスポット９４ａの辺ｐに直交する辺（辺ｑと呼ぶ）に平行な辺を持つ矩形となる。
各ドットのＸＹステージの移動方向に直交する辺の長さは、辺ｑの長さに等しく、例えば辺ｑの長さが２０μｍの場合は２０μｍとなる。
各ドットのＸＹステージの移動方向に平行な辺の長さは、ビームスポットの辺ｐの長さ、ＸＹステージの移動の速さ、パルスの照射時間（パルス幅）に依存する。
例えば、ビームスポットの辺ｐの長さが１２μｍ、ＸＹステージの移動の速さが８００ｍｍ／ｓ、パルス幅が１０μｓであるとする。パルス幅１０μｓの間に、ＸＹステージが移動する距離（つまり、基板が移動する距離）は８μｍであるので、ドットのＸＹステージの移動方向に平行な辺の長さは、ビームスポットの辺ｐの長さ１２μｍに移動距離８μｍを加えた２０μｍとなる。
隣接するドット間のピッチｄは、パルスの１周期の間に、ＸＹステージが移動する距離に一致する。例えば、パルスの周期が３７５μｓであり、ＸＹステージの移動の速さが８００ｍｍ／ｓである場合、ピッチｄは３００μｍとなる。
以上をまとめると、ビームスポットのサイズを辺ｐの長さ１２μｍ、辺ｑの長さ２０μｍに設定し、レーザビームをパルス幅１０μｓ、周期３７５μｓで発振させ、ＸＹステージを８００ｍｍ／ｓで移動させた場合、２０μｍ角のドットを３００μｍピッチで形成することができる。
さて、基板上にそれぞれ異なる方向を有する複数のラインを加工したい場合もある。しかし、基板上のビームスポットの方向を一定にしたまま異なる方向のラインを形成すると、ラインの方向に依存してラインの幅が変わること等の問題が生じる。
図２９を参照して、このような状況の一例を説明する。図２４Ａを参照して説明した方法により、まず、ライン１０９ａを形成する。次いで、ビームスポットの方向を変えずに、ライン１０９ａと異なる方向を有するライン１０９ｂを形成する。レーザ照射の開始時に、ビームスポット９９が、ライン１０９ｂの一端に照射される。ライン１０９ｂの長さ方向にＸＹステージを移動させながら、ビームスポットをライン１０９ｂの他の一端まで移動させて、ライン１０９ｂを形成する。
図に示すように、ライン１０９ａの幅は、ビームスポット９９の長辺の長さに等しいが、ライン１０９ｂの幅は、こめ長辺の長さと等しくなるとは限らない。また、ライン１０９ｂの端の辺を、ラインの長さ方向に直交するように形成できない。図２２Ａに示したマスク回転機構６１を用いることにより、このような問題を回避することができる。
図２５は、矩形の貫通孔６２を有するマスク５を保持したマスク回転機構６１を示す概略図である。矩形の貫通孔６２の２本の対角線が張る面は、レーザビームの光軸に対して垂直である。マスク回転機構６１は、貫通孔６２の矩形の対角線の交点を回転中心として、レーザビームの光軸に平行な軸の回りに、マスク５を回転する。
マスク５の回転に対応して、基板１２の表面内で貫通孔６２の像が回転する。基板上の貫通孔６２の矩形の像の辺を、基板表面内の任意の方向と平行にすることができる。
次に説明するように、加工するライン等の方向を変えるため、基板上のレーザビームの入射位置の移動方向を変える前に、マスク回転機構６１によりマスク５を回転させることができる。
図２６を参照して、マスク回転機構を用いたラインの加工方法について説明する。図２４Ａを参照して説明した方法により、ライン１０３ａを形成する。ビームスポット９３ａの長辺の長さが、ライン１０３ａの幅に等しく、ビームスポット９３ａの短辺の方向が、ライン１０３ａの長さ方向と平行であるとする。
ライン１０３ａと異なる方向を有するライン１０３ｂの加工を開始する前に、マスク回転機構によりマスクを回転させ、ビームスポット９３ｂの短辺が、ライン１０３ｂの長さ方向と平行となるようにする。そして、ライン１０３ｂの一端の全幅上にビームスポットが照射されるように、ＸＹステージにより基板を移動させる。
レーザビームの照射を開始し、図２４Ａを参照して説明したのと同様な工程により、ライン１０３ｂの長さ方向にＸＹステージを移動させながら、ライン１０３ｂを形成する。ライン１０３ｂの幅は、ビームスポット９３ｂの長辺の長さに等しくなる。また、ライン１０３ｂの幅方向の辺と長さ方向の辺とは直交する。
このようにして、それぞれ異なる方向を有する複数のラインを、同一の幅となるように形成することができる。なお、異なる方向を有する複数のドットを、大きさ、形状を変えずに形成するために、マスク回転機構を用いることもできる。
周期的な契機信号により振り分け光学系を制御し、レーザビームをパルス化する例を説明したが、契機信号は周期的でなくてもよい。例えば、等しくないピッチで複数のドットを形成したい場合に、周期的ではない契機信号を用いることができる。また、レーザビームのパルス幅は一定でなくともよい。形成するドットのサイズ等に応じて適宜設定すればよい。
基板上のビームスポットの形状や大きさを変えることで、ラインの幅やドットの大きさ等を調節することができる。マスクの交換により、ビームスポットの形状や大きさを変えることができる。また、結像倍率（縮小率）を変えることにより、ビームスポットの大きさを変えることもできる。
基板表面にライン状あるいはドット状に転写層が残る加工を例に説明したが、レーザ照射により基板表面がライン状あるいはドット状に掘られるような加工であってもよい。
マスクの貫通孔の形状は矩形に限らず、形成したいドットやラインの形状に応じて適宜選択すればよい。
基板上のレーザビームの入射位置を、ＸＹステージにより移動させる例を説明したが、入射位置は、ガルバノスキャナでレーザビームの進行方向を振ることで移動させることもできる。
次に、図２７Ａを参照して、２台のレーザ光源を有し、１台のレーザ光源はパルスレーザビームを、もう１台のレーザ光源は連続波レーザビームを出射する、第７の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
レーザ光源１ａは、例えば、波長変換ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器であり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）のパルスレーザビームを出射する。パルス幅は、例えば１０ｎｓである。レーザ光源１ａが出射したパルスレーザビームは、半波長板６９ａに入射し、偏光板６７に対してＰ波となるような直線偏光にされる。
レーザ光源１ｂは、例えば、半導体レーザ発振器であり、波長８０８ｎｍの連続波レーザビームを出射する。レーザ光源１ｂが出射した連続波レーザビームは、半波長板６９ｂに入射し、偏光板６７に対してＳ波となるような直線偏光にされる。
半波長板６９ａを出射したパルスレーザビームは、ビーム径を拡大して平行光とするエキスパンダ３ａと、例えば矩形の貫通孔を有するマスク５とを通過し、偏光板６７の表側の面に入射角４５°で入射する。
半波長板６９ｂを出射した連続波レーザビームは、ビーム径を拡大して平行光とするエキスパンダ３ｂを通過し、折り返しミラー６８で反射され、偏光板６７の裏側の面に入射角４５°で入射する。
偏光板６７は、Ｐ波であるパルスレーザビームを透過させ、Ｓ波である連続波レーザビームを反射する。偏光板６７により、レーザ光源１ａから出射したパルスレーザビームと、レーザ光源１ｂから出射した連続波レーザビームとが同一の光軸上に重畳される。
偏光板６７を通過したパルスレーザビームと、偏光板６７に反射された連続波レーザビームとは、対物レンズ６で集束され、ガルバノスキャナ７を通過し、基板１２に入射する。
基板１２の保持台として用いられるＸＹステージ８ａが、基板１２を、基板１２の表面に平行な２次元面内で移動させることができる。コントローラ１１によりＸＹステージ８ａを制御し、基板１２を所望のタイミングで所望の位置に移動させる。
ここで説明するレーザ加工方法の例では、ガルバノスキャナ７のＸ用スキャナ７ａとＹ用スキャナ７ｂとが、ガルバノスキャナ７を出射したレーザビームが基板１２に垂直に入射するような位置に固定されている。 基板１２をＸＹステージ８ａで動かすことにより、レーザビームの基板１２への入射位置を移動させる。
ボイスコイル機構９、１０がそれぞれ、マスク５、対物レンズ６の位置を、レーザ光源１ａから出射されるパルスレーザビームの進行方向に平行に移動させる。マスク５の貫通孔の像は、マスク５および対物レンズ６の位置を調節して、基板１２の表面に所望の結像倍率（縮小率）で結像させる。
図２７Ｂを参照して、加工対象物である基板１２について説明する。下地層１２０の表面上に、表層１２１が形成されている。下地層１２０は例えば、液晶表示装置のカラーフィルタであり、厚さ１μｍの、ポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂等からなる樹脂層である。表層１２１は例えば、厚さ０．５μｍのＩＴＯ膜である。
レーザ照射により表層１２１のみを除去する場合、下地層１２０が表層１２１よりも加工されやすいため、表層１２１のみを加工することは難しい。例えば、基板にレーザを照射したとき、表層１２１が直接的に加工されないうちに、下地層１２０に伝わった熱の影響で下地層１２０が爆発的に飛散し、それに伴い表層１２１が吹き飛ばされてしまうことが起こる。
本発明者は、基板に予熱を与えた後にレーザ照射を行うことで、表層１２１のみを加工することが容易になることを見出した。図２７Ａに示したレーザ加工装置において、レーザ光源１ｂから出射した連統波レーザビームにより基板１２を予熱し、レーザ光源１ａから出射したパルスレーザビームにより穴等の加工を行う。
次に図２８Ａ〜２８Ｃを参照し、基板上の被加工点に、連続波レーザで予熱を与えた後に、パルスレーザを照射して、穴を形成する方法の一例を説明する。
図２８Ａに示すように、連続波レーザビーム（円形のビームスポット９５で示す）が照射されている基板１２の表面に、被加工点１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃが画定されている。被加工点１０５ａ〜１０５ｃを結ぶ直線上に、ビームスポット９５の中心が位置する。この直線と平行にＸＹステージを動かし、被加工点１０５ａ〜１０５ｃをビームスポット９５の方に移動させる。
図２８Ｂに示すように、被加工点１０５ａがビームスポット９５の縁に到達すると、被加工点１０５ａに、連続波レーザが照射されて予熱の供給が開始される。
図２８Ｃに示すように、被加工点１０５ａがビームスポット９５の中心に到達したとき、ビームスポット９５の中心に、１ショットのパルスレーザの照射を行う。パルスレーザのビームスポットを、ビームスポット９６で示す。
被加工点１０５ａは、ビームスポット９５の縁から中心まで移動する間に予熱されている。予熱された被加工点１０５ａにパルスレーザを照射することにより、下地層が加工されることを抑制して基板の表層に穴を形成できる。
基板１２を引き続き移動させ、被加工点１０５ａと同様に、被加工点１０５ｂ、１０５ｃにも穴を形成する。
予熱に用いる連続波レーザビームの照射条件は、例えば、ビームスポットを直径２０ｍｍの円形状とし、基板表面でのパワー密度を０．１Ｗ／ｃｍ２とする。加工に用いるパルスレーザビームの照射条件は、例えば、ビームスポットを２０μｍ角の正方形とし、基板表面でのパルスエネルギ密度を０．１〜０．４Ｊ／ｃｍ２とする。
なお、被加工点が予熱される時間は、被加工点が連続波レーザのビームスポットの半径の長さ分移動する時間にほぼ等しい。この時間は、例えば、ビームスポットの半径を１０ｍｍとし、ＸＹステージの移動速さを８００ｍｍ／ｓとすると、約０．１３秒となる。パルスレーザを、連続波レーザビームのビームスポットの中心に照射することで、ＸＹステージの移動方向をさまざまに変えても、予熱時間を揃えて加工を行うことが容易になる。
連続波レーザの照射により基板表面に与えた予熱は、下地層まで伝わるので、与える予熱が多すぎると下地層が加工されてしまう。したがって、予熱は、下地層の温度が、下地層が加工されないような温度以下に留まるように供給する必要がある。例えば、下地層の温度が、下地層の素材の融点以下に留まるようにすることが必要である。
ＩＴＯ膜は、可視光に対して透明であるが、例えば波長８０８ｎｍの近赤外線に対する吸収係数はゼロではない。したがって、この波長の光をＩＴＯ膜の予熱に用いることができる。ＩＴＯの吸収係数がより大きな波長（例えば１０６４ｎｍ近傍の波長）の光を用いれば、予熱の効率向上が期待される。
パルスレーザビームと連続波レーザビームとを同一の光軸上に重畳させて基板に照射する例を説明したが、両レーザビームは同一の光軸上になくともよい。連続波レーザビームのビームスポットの内部に、パルスレーザビームのビームスポットが含まれるようにして、両レーザビームを基板に照射すれば、被加工点が連続波レーザビームのビームスポットの縁に達してから、パルスレーザのビームスポットの位置に到達するまで、被加工点に予熱を供給することができる。
ただし、予熱を与えるためには、被加工点が、連続波レーザビームのビームスポットの内部を通った後に、パルスレーザビームの照射位置に到達するようにする必要がある。したがって、パルスレーザビームの照射位置は、被加工点が連続波レーザビームのビームスポットの外周に接触した時点の被加工点の位置と一致しないようにする必要がある。
穴を形成する例を説明したが、複数の穴を連続するように形成して、溝を形成してもよい。
基板上のレーザビームの入射位置を、ＸＹステージにより移動させる例を説明したが、入射位置は、ガルバノスキャナでレーザビームの進行方向を振ることで移動させることもできる。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
図２は、第１の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置における、レーザビームの光路を示す概略図である。
図３Ａ及び図３Ｂは、レーザビームの照射により加工された基板の概略を示す平面図である。
図４Ａは、マスクの貫通孔の一例であり、図４Ｂは、図４Ａに示した貫通孔が、基板上に結像されたとき、基板に開けられる穴を示した概略図である。
図５Ａは、レーザ光源から出射されたパルスレーザビームの断面における、１パルス当たりのエネルギ密度を示す概略的なグラフであり、図５Ｂは、円錐光学系によりパルスエネルギ密度分布を変換されたパルスレーザビームの断面における、１パルス当たりのエネルギ密度を示す概略的なグラフであり、図５Ｃは、図５Ｂに示すパルスエネルギ密度分布を有するパルスレーザビームによって加工された穴の概略的な断面図である。
図６は、第１の実施例の変形例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
図７は、光路調節機構を示す概略図である。
図８Ａ及び図８Ｂは、搬送機構を示す概略図である。
図９は、従来のレーザスクライビング装置の概略図である。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、従来のレーザスクライビング装置で加工された基板の概略的な平面図である。
図１１は、従来のレーザスクライビング装置で加工された基板の概略的な断面図である。
図１２Ａは、第２の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図であり、図１２Ｂは、第２の実施例の変形例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
図１３は、第２の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置における、レーザビームの光路を示す概略図である。
図１４は、第２の実施例の変形例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置における、レーザビームの光路を示す概略図である。
図１５Ａは、第３の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図であり、図１５Ｂは、１次集光レンズの他の構成例を示す概略図である。
図１６は、２次集光レンズの構成例を示す概略図である。
図１７は、第４の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
図１８Ａは、アパーチャ傾斜機構で回転されたアパーチャの、アパーチャ傾斜機構の回転軸方向から見た概略図であり、図１８Ｂは、アパーチャ傾斜機構で回転されたアパーチャの、レーザビームの光軸方向から見た概略図であり、図１８Ｃは、アパーチャ傾斜機構とアパーチャ回転機構により回転されたアパーチャの、レーザビームの光軸方向から見た概略図である。
図１９は、第５の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
図２０は、近接マスクを用いたレーザ加工方法における転写精度に関するシミュレーションの結果を示す、貫通孔の像が投影された基板の平面図である。
図２１は、ある転写の精度で加工が行われるときに、レーザビームの拡がり角と近接ギャップとが満たす関係を概略的に示すグラフである。
図２２Ａは、第６の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図であり、図２２Ｂは、基板の概略的な断面図である。
図２３は、第６の実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行う場合の、契機信号及びレーザビームのタイミングチャートの一例である。
図２４Ａは、ラインを形成した基板の概略的な平面図であり、図２４Ｂは、ドットを形成した基板の概略的な平面図である。
図２５は、マスクを保持したマスク回転機構を示す概略図である。
図２６は、マスク回転機構を用いてラインを形成した基板の概略的な平面図である。
図２７Ａは、第７の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図であり、図２７Ｂは、基板の概略的な断面図である。
図２８Ａ、図２８Ｂ及び図２８Ｃは、被加工点とビームスポットの位置関係を説明するための、基板の平面図である。
図２９は、マスク回転機構を用いずにラインを形成した基板の概略的な平面図である。
５．発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明の第１の実施例によるレーザ加工方法を行うレーザ加工装置の概略図である。
レーザ光源１、たとえば波長変換ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器から、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）が、パルスエネルギ１ｍＪ／パルス、パルス幅５０ｎｓで出射する。レーザビームは、パルスエネルギを調節するバリアブルアッテネータ２、ビーム径を拡大し、平行光として出射するエキスパンダ３を経て、円錐光学系４に入射する。円錐光学系４は、一対の円錐レンズ４ａ、４ｂを含んで構成される。一対の円錐レンズ４ａ、４ｂは、たとえば同型で、底面同士が対向するように配置されている。レーザビームは、円錐レンズ４ａに、直円錐の軸方向から、ビーム断面の中心が直円錐部分の頂点に重なるように入射し、円錐レンズ４ｂから出射する。円錐光学系４は、入射するレーザビームのビームプロファイルを、ビーム断面の中央部で強度が弱く、周辺部で強くなるように、変換する。これについては、後に詳述する。なお、円錐光学系４については、レーザビームの出射する側の円錐レンズ４ｂのかわりに、凸レンズを用いることもできる。
円錐光学系４から出射したレーザビームは、たとえば矩形の貫通孔を有するマスク５、マスク５の矩形の貫通孔を基板１２上に結像させる対物レンズ６を通過する。マスク５及び対物レンズ６は、それぞれボイスコイル機構９及び１０（ピエゾ駆動機構等の駆動機構に置き換えることもできる。）により、レーザビームの進行方向と平行な方向に、移動することができる。ボイスコイル機構９及び１０による移動は、コントローラ１１から送信される信号によって行われる。なお、基板１２は、保持台８上に据えられている。
対物レンズ６により集光されたレーザビームは、ガルバノスキャナ７に入射する。ガルバノスキャナ７は、Ｘ用スキャナ７ａ及びＹ用スキャナ７ｂを含んで構成され、レーザビームを２次元方向に高速で走査する。Ｘ用スキャナ７ａ、Ｙ用スキャナ７ｂは、ともに揺動可能な反射鏡を含んで構成される。保持台８に保持される基板１２上に、互いに直交するＸ方向とＹ方向とを画定するとき、Ｘ用スキャナ７ａ、Ｙ用スキャナ７ｂは、それぞれ、対物レンズ６で集光されたレーザビームの入射点が、基板１２の表面上を、Ｘ方向、Ｙ方向に移動するようにレーザビームを走査する。ガルバノスキャナ７は、Ｘ用スキャナ７ａ、Ｙ用スキャナ７ｂを組み合わせて、レーザビームを２次元方向に走査することができる。
加工対象物である基板１２は、たとえばガラス基材の上にＩＴＯ膜が形成された基板であり、レーザビームは基板１２のＩＴＯ膜に、加工エネルギ約ＩＪ／ｃｍ２で入射する。
図２は、マスク５、対物レンズ６、ガルバノスキャナ７を経て、基板１２上を走査するレーザビームの光路を示す概略図である。
レーザビームが基板１２上の入射位置Ｍに入射しているとき、Ｍにはマスク５の貫通孔が結像されている。また、マスク５から対物レンズ６までの光路長をａ、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長をｂ、対物レンズ６の焦点距離をｆとすると、マスクの貫通孔が基板１２上に結像するためには、関係式
（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ ・・・（１）
を満たさなくてはならない。
ガルバノスキャナ７の動作により、レーザビームの入射位置が、基板１２上の入射位置ＭからＮに変化する。入射位置Ｍへの入射角と入射位置Ｎへの入射角が異なり、マスク５及び対物レンズ６が固定されたままであるとすれば、対物レンズ６から入射位置Ｍまでの光路長と、対物レンズ６から入射位置Ｎまでの光路長とは異なる（これらの差をΔｂとする。）ため、マスク５の貫通孔はＮに結像しない。
図１に示すレーザ加工装置において、コントローラ１１は、ガルバノスキャナ７の動作に同期させて、マスク５、対物レンズ６を移動させる信号を、それぞれボイスコイル機構９、１０に送る。この信号は、たとえば、マスク５から対物レンズ６までの光路長ａ、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂを、ともに一定に保つように、マスク５及び対物レンズ６を移動させる信号である。ボイスコイル機構９及び１０は、コントローラ１１からの信号を受けて、それぞれマスク５及び対物レンズ６を、レーザビームの進行方向と平行な方向に移動させる。
図２に示すように、入射位置がＭからＮに変化するとき、マスク５及び対物レンズ６がボイスコイル機構９及び１０により移動される距離は、Δｂである。マスク５と対物レンズ６とは、同じ方向に同じ距離Δｂだけ変位される。こうすることによって、上記（１）式は満たされ、入射位置Ｎにマスク５の貫通孔が結像される。
入射位置ＭとＮの２点においてだけでなく、レーザビームの走査中、常に、たとえば、マスク５から対物レンズ６までの光路長ａと、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂとを一定に保てば、基板１２の表面上には、常にマスク５の貫通孔が結像されることになる。マスク５及び対物レンズ６は、ガルバノスキャナ７によるレーザビームの走査に同期して、光路長ａと光路長ｂとが常に一定となるように移動される。この場合、マスク５の貫通孔の結像倍率（縮小率）は常に一定となる。
たとえば、対物レンズ６の焦点距離ｆが８３３ｍｍであり、マスク５から対物レンズ６までの光路長ａを５０００ｍｍ、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂを１０００ｍｍの一定値に保つ場合、マスク５の貫通孔の結像倍率（縮小率）は１／５である。
図３Ａは、表面上にマスク５の矩形状の貫通孔を結像させるように、パルスレーザビームを１ショット照射し、結像位置に穴を形成した基板１２の概略的な平面図である。基板１２上には、貫通孔が結像された矩形状のビームスポットが形成され、その位置のＩＴＯ膜に穴が開く。
図３Ｂは、マスク５の矩形状の貫通孔を一定の結像倍率（縮小率）で結像させながら、ビームの入射位置を移動し、４ショットのパルスレーザビームを照射することによって、照射位置に溝を形成した基板１２の平面図である。ガルバノスキャナ７により、パルスレーザビームを、矩形状に結像されたビームスポットの長辺方向に走査する。また、５０％の重複率でビームを照射し、各ショットで開けた穴を連続させて、溝を形成する。
一定の大きさの矩形状のビームスポットを形成し、一対の平行な辺（図３Ｂにおいては長辺）に平行な方向に、レーザビームを走査することによって、一定幅の溝を形成することができる。本実施例のように、パルスレーザビームを用いる場合は、ビームスポットの平行な一対の辺（図３Ｂにおいては長辺）の一部が、前回のショットのビームスポットの平行な一対の辺の一部に重なるように、レーザビームを走査する。溝の開口の縁は、矩形状のビームスポットの直線部によって形成されるため、凹凸を有しない直線状になる。
制御の容易性の点等から、基板１２上において、ビームスポットの平行な一対の辺の方向が、Ｘ方向またはＹ方向と平行になるように、ビームスポットを形成するのが望ましい。
なお、基板１２上に結像させるマスク５の貫通孔は、矩形でなくてもよい。ビームスポットを平行な一対の辺を有する形状に形成し、その平行な一対の辺と平行な方向に、レーザビームを走査すれば、開口の縁に凹凸を有しない、一定幅の溝を加工することができる。
図４Ａは、マスク５の貫通孔の一例を示す図である。マスク５の貫通孔は、平行な一対の辺を有する形状に形成されている。この一対の辺同士を接続する他の一対の辺は、内側に向かって湾曲している。このような貫通孔を有するマスクを用いて、レーザビームの断面を整形すると、基板１２上に、平行な一対の辺を有する形状のビームスポットを形成することができる。
図４Ｂは、図４Ａに示した貫通孔が、基板１２上に結像されたとき、基板１２に開けられる穴を示した概略図である。この穴と同形状の穴を、平行な一対の辺に平行な方向に、連続して形成することにより、開口の縁に凹凸を有しない、一定幅の溝を加工することができる。さらに、溝の縁近傍に入射するレーザビームの累積エネルギ密度が、溝の中央に入射するレーザビームの累積エネルギ密度よりも大きいため、溝の側面をより垂直に近づけることができる。
なお、図３Ｂに示すような、一方向に延在する溝のみをレーザ加工する場合、１つの揺動反射鏡を有する１次元ガルバノスキャナやポリゴンスキャナを用いてもよい。このとき、スキャナの走査方向と、ビームスポットの平行な一対の辺の方向とを一致させればよい。
図５Ａ〜５Ｃを参照して、円錐光学系４について説明する。前述の通り、円錐光学系４は、入射するレーザビームのビームプロファイルを、ビーム断面の中央部で弱く、周辺部で強くなるように、変換する。
図５Ａは、レーザ光源１から出射されたパルスレーザビームの断面における、１パルス当たりのエネルギ密度を示す概略的なグラフである。パルスレーザビームは、一般に、断面の中央部分でパルスエネルギ密度が高く、周辺に向かうにつれてパルスエネルギ密度が低くなる。円錐光学系４は、２つの円錐レンズ４ａ、４ｂにより、入射したレーザビームの中央部と周辺部を反転して出射する。したがって、円錐光学系４から出射されるレーザビームのビームプロファイルは、ビーム断面の中央部で弱く、周辺部で強い分布をもつ。
図５Ｂは、円錐光学系４から出射し、マスク５で整形した後のパルスレーザビームの断面における、１パルス当たりのエネルギ密度を示す概略的なグラフである。ビームは、中央部で弱く、周辺部で強いパルスエネルギ密度の分布を有している。
図５Ｃは、図３ＢのＣ５−Ｃ５線に沿って切断した基板１２の概略的な断面図である。図５Ｂに示すビームプロファイルをもつレーザビームが、対物レンズ６で集光され、基板１２に入射することで、基板１２のＩＴＯ膜には、側面の傾斜角を９０°に近づけることができる。したがって、図３Ｂに示す溝は、開口の縁が直線状に形成されることに加えて、切り立った側壁を有する溝である。
なお、ガルバノスキャナ７の動作に同期させて、パルスレーザビームのパルスエネルギを調節し、より良質の加工を行うことができる。基板１２に入射するレーザビームの入射角が大きくなると、入射位置におけるビームスポットの面積は大きくなる。したがって、ガルバノスキャナ７で走査されるレーザビームのパルスエネルギを一定の値に固定した場合、入射角が大きくなるにつれ、入射位置におけるレーザビームのパルスエネルギ密度は小さくなり、加工性に変化が生じる。一定の加工性を保つために、入射位置におけるレーザビームのパルスエネルギ密度を一定に保つことが必要な場合もある。
バリアブルアッテネータ２は、ガルバノスキャナ７の動作に同期して、レーザ光源１から出射されるレーザビームのパルスエネルギを変化させる。コントローラ１１から送信される同期信号に基いて、レーザビームが大きい入射角で基板１２に入射するときは、パルスエネルギの減衰率を小さくして、バリアブルアッテネータ２から出射するビームのパルスエネルギを増加させる。こうすることによって、ビームの走査中も、レーザビームの入射位置におけるパルスエネルギ密度を一定に保つことができる。
また、一定に保たなくても、レーザビームの基板１２への入射角が変動するとき、入射位置におけるパルスエネルギ密度の変動を小さくするように、バリアブルアッテネータ２によるパルスエネルギの減衰率を変動させれば、加工の質を向上させることができる。
なお、基板１２上にレーザビームを入射させ、走査するとき、ガルバノスキャナ７の動作に同期させて、マスク５の貫通孔の結像倍率（縮小率）を変化させながら、レーザビームの入射位置におけるパルスエネルギ密度を一定に保つこともできる。
Δ２＝ｆ２×Δ１／（ｂ−ｆ−Δ１）／（ｂ−ｆ）・・・（２）
［（ａ＋Δ２）／（ｂ−Δ２）］２＝（ａ／ｂ）２／ｃｏｓθ・・・（３）
の両式の関係を満たすように、基板１２へのレーザビームの入射角θ（基板１２の法線と入射光のなす角）に応じて、Δ１とΔ２とを定め、マスク５から対物レンズ６までの光路長がａ＋Δ２、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長がｂ−Δ１となるように、マスク５及び対物レンズ６を、入射角θに対応させて移動させればよい。ここで、ａ、ｂは、それぞれ、θが０のときの、マスク５から対物レンズ６までの光路長、及び、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長である。また、ｆは、対物レンズ６の焦点距離である。なお、式（２）及び（３）を厳密に満たしていなくても、入射角が変動するとき、ビームスポットの面積の変動を小さくするように結像倍率を変化させることで、レーザ加工の質を改善することができる。入射角が大きくなると、結像倍率（縮小率）を小さくすればよい。
図６は、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂを変化させる光路調整機構２０を備えた、第１の実施例の変形例によるレーザ加工装置の概略図である。図１に示したレーザ加工装置からボイスコイル機構９及び１０が除かれ、光路調整機構２０が加入されている。他の構成は、図１に示したレーザ加工装置の構成と等しい。図６に示すレーザ加工装置においては、マスク５から対物レンズ６までの光路長ａは一定である。光路調整機構２０により、たとえば、ガルバノスキャナ７の動作に同期して、レーザビームの走査中、対物レンズ６から基板１２上の入射位置までの光路長ｂを、常に一定に保つことができる。そうすることによって、マスク５の貫通孔を、基板１２上に、常に一定の結像倍率（縮小率）で結像させ、図３Ｂに示したような溝を加工することができる。
図７は、光路調整機構２０の概略図である。光路調整機構２０は、たとえば２１ａ〜２１ｄの４枚の反射ミラーを含んで構成される。４枚の反射ミラーは、各々、入射するレーザビームの進行方向をたとえば９０°変化させ、光路調整機構２０は、入射したレーザビームの進行方向と平行な方向にレーザビームを出射する。反射ミラー２１ａと２１ｂとの２枚が、移動部２２を形成する。移動部２２は、図中矢印の方向へ移動することができる。対物レンズ６から基板１２に至る光路長ｂは、移動部２２を変位させることで調節される。レーザビームの基板１２〜の入射角が大きくなると、移動部２２は、図７において上向きに移動し、光路調整機構２０内でのレーザビームの光路長を短くすることで、光路長ｂを一定に保つ。移動部２２の移動は、コントローラ１１からの信号を受けてなされる。コントローラ１１は、ガルバノスキャナ７の動作と移動部２２の移動とを同期させることにより、図６に示した対物レンズ６から基板１２までの光路長ｂを一定に保つ。
図６に示すレーザ加工装置においては、光路調整機構２０を、光路長ｂを調整するために加入したが、更に、光路ａを調整するために、マスク５と対物レンズ６との間に挿入することもできる。２つの光路調整機構２０を用いることによって、レーザビームの走査中も、光路長ａ及び光路長ｂを、たとえば関係式（１）を満たすように調整することができる。
また、行う加工によっては、光路長ａまたは光路長ｂを調整するのに、マスク５、対物レンズ６のうち、どちらか一方のみを移動させてもよい。たとえば、対物レンズ６を固定し、関係式（１）を満たすように、マスク５のみを移動させることもできる。
加工対象物として、ガラス基材の上にＩＴＯ膜が形成された基板を考えたが、シリコン基板上にポリイミド膜が形成された基板を用い、ポリイミド膜部分を加工してもよい。これらは、太陽電池基板や液晶基板として用いられる。また、ポリイミド膜の上にＩＴＯ膜が形成されたタッチパネル、更に、半導体膜等を加工することもできる。また、フィルム状の加工対象物を加工することもできる。
図８Ａは、フィルム３０を搬送する搬送機構３１の概略図である。フィルム３０が、搬送機構３１により搬送される。バキュームチャック３２は、搬送されてきたフィルム３０上の所定の加工位置を固定し、加工面を画定する。ガルバノスキャナ７で走査されたレーザビームが、バキュームチャック３２で固定されたフィルム３０上に入射することによって、所定の加工位置の加工が行われる。所定位置の加工が終わると、搬送機構３１がフィルム３０を搬送し、別の加工位置がバキュームチャック３２で固定され、加工が行われる。
従来は、バキュームチャック３２で固定されたフィルム３０をＸＹステージで移動し、固定光学系を用いてビームを照射することにより、加工を行っていた。
本実施例においては、ガルバノスキャナ７でビームを走査し、加工位置にビームを入射させることによって加工を行うため、加工速度を速くすることができる。
図８Ｂは、ロータリエンコーダ３３を備えた搬送機構３１の概略図である。ロータリエンコーダ３３は、搬送機構３１で搬送されるフィルム３０の速さを検出する。検出結果は、コントローラ１１に送られ、コントローラ１１は、フィルム３０の搬送速度から、フィルム３０の搬送量を求める。フィルム３０の搬送速度、搬送量、及びフィルム３０上に画定されている所定の加工位置のデータより作成される制御信号が、コントローラ１１からガルバノスキャナ７に送信される。ガルバノスキャナ７は、制御信号を受けてレーザビームを走査し、フィルム３０上の所定の加工位置にビームを照射して加工を行う。
ＸＹステージを必要とせず、また、フィルム３０を搬送しながら加工ができるため、加工速度を速くすることができる。
図１に示したレーザ加工装置から、円錐光学系４、マスク５及びボイスコイル機構９を除いたレーザ加工装置を用いることにより、焦点加工を行うことも可能である。レーザビームは、対物レンズ６により、基板１２上に焦点を結ぶように集束される。ガルバノスキャナ７の動作により、レーザビームが基板１２上を走査し、基板１２上におけるビームの入射位置が変化すると、対物レンズ６は、ボイスコイル機構１０により、対物レンズ６から基板１２に至るレーザビームの光路長ｂが一定に保たれるように、対物レンズを通過するビームの進行方向と平行な方向に、移動される。この移動により、レーザビームは、基板１２上に、常に焦点を結ぶ。このため、良質の加工を実現できる。
本実施例においては、パルスレーザビームを用いたが、行う加工により、連続波のレーザビームを用いてもよい。また、レーザ光源として、波長変換ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器を使用し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を出射したが、固体レーザの基本波〜５倍高調波を用いることができる。また、ＣＯ２レーザ等を使用することも可能である。
また、本実施例においては、高速走査光学系としてガルバノスキャナを用いたが、ポリゴンミラーを用いた高速走査光学系を使用してもよい。ＸＹステージで加工対象物を移動させることによって、レーザビームの入射位置を変えるのでなく、高速走査光学系を用いてビームを走査し、レーザビームの入射位置を変えるため、加工速度を向上させることができる。
さて、上述した焦点加工方法では、レーザビームが常に、基板表面に焦点を結ぶようにした。次に、レーザビームの焦点と基板表面との位置関係を、基板表面へのレーザビームの入射位置に応じて調節することにより良質の加工を行う方法について説明する。
図１２Ａに示す、第２の実施例によるレーザ加工装置は、図１に示したレーザ加工装置から、円錐光学系４、マスク５及びボイスコイル機構９が除かれており、さらに、バリアブルアッテネータ２が除かれ、エキスパンダ３と対物レンズ６との間に、円形の貫通孔を有し、ビーム径を調節するアパーチャ５ａが配置されている。アパーチャ５ａの貫通孔を、基板１２の表面に結像させることは、必要ではない。
ボイスコイル機構１０を用いて、対物レンズ６を通過するレーザビームの進行方向と平行に、対物レンズ６を移動させ、レーザビームの焦点を基板１２の表面に近づけたり離したりすることにより、基板表面に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度を調節する。
コントローラ１１から送信される制御信号により、ガルバノスキャナ７は、レーザビームを所望のタイミングで所望の進行方向へ振る。コントローラ１１から送信される制御信号により、ボイスコイル機構１０をガルバノスキャナ７と同期して動作させることで、レーザビームの入射位置に応じて、基板１２に所望のパルスエネルギ密度でレーザを照射することができる。
図１３を参照して、図１２Ａのレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法の一例を説明する。図１３の上側は、対物レンズ６、ガルバノスキャナ７を経て、基板１２上を走査するパルスレーザビームの光路を概略的に示す。
レーザビームＬ１ｂが、基板表面に垂直に、かつ入射位置Ｍ１に入射する。レーザビームＬ１ａ、Ｌ１ｃが、それぞれ、入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃに入射角α１で入射する。入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃを両端とする線分の中点に、入射位置Ｍ１が位置する。
図１３の下側は、ガルバノスキャナ７側から見下ろした基板表面を示す。ビームスポット９１ａ、９１ｂ、９１ｃはそれぞれ、レーザビームＬ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃの基板表面上の（つまり、入射位置Ｎ１ａ、Ｍ１、Ｎ１ｃでの）ビームスポットを示す。
レーザビームＬ１ａの光路からレーザビームＬ１ｃの光路の方へレーザビームの進行方向を振りながら、パルスレーザビームの照射を繰り返し、図１０Ａ、１０Ｂに示したのと同様に、各レーザ照射位置に形成した穴が連続するようにして、基板表面に溝１０１を形成する。
まず、溝１０１の始点を形成するレーザビームＬ１ａが照射されるとき、対物レンズ６の位置は、レーザビームＬ１ａが入射位置Ｎ１ａで焦点を結ぶように設定する。なお、ビームスポットの大きさが最小になる点を、レーザビームの焦点と呼ぶ。
そして、溝１０１の終点を形成するレーザビームＬ１ｃが照射されるとき、対物レンズ６の位置は、レーザビームＬ１ｃが入射位置Ｎ１ｃで焦点を結ぶように設定する。対物レンズ６から入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃまでの光路長はほぼ等しいので、対物レンズ６の位置は、溝加工の開始時と終了時とで同一と考えてよい。なお、レーザビームＬ１ａとＬ１ｃとは入射角が等しく、ビームスポット９１ａと９１ｃとは等しい面積と考えてよい。
ここではまず、対物レンズ６をこの位置に固定したままレーザビームを走査して溝を形成すると、どのような問題が生じるのか説明する。
レーザビームＬ１ａが入射位置Ｎ１ａで焦点を結ぶ（または、レーザビームＬ１ｃが入射位置Ｎ１ｃで焦点を結ぶ）ような位置に対物レンズ６を固定したときに、ガルバノスキャナ７により進行方向を振られたレーザビームの焦点の軌跡が描く仮想的な面を、集光面８１ａとする。集光面８１ａ上の点Ｒは、レーザビームＬ１ｂの焦点位置を示す。
入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃ以外の溝１０１上の入射位置では、レーザビームは焦点に集束していく途中で基板に入射する。入射位置から焦点までの距離が長くなるほど、入射位置でのビーム径は焦点でのビーム径よりも大きくなる。入射位置と焦点との距離は、溝の中央に照射されるレーザビームＬ１ｂに対して最大となる。
レーザビームのパルスエネルギ密度は、通常、ビーム断面の外周近傍よりも中心で高い。ビーム径が大きくなると、ビーム断面内の各位置におけるパルスエネルギ密度は低下する。したがって、ビーム径は大きくなっても、基板を加工できる閾値以上のパルスエネルギ密度となる領域はビーム断面の中心付近に限られる。
溝１０１の端である入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃの近傍には、ビーム径は小さいが、ビーム断面の外周近傍までパルスエネルギ密度が加工閾値以上となるレーザビームが、高いパルスエネルギ密度で照射されて、幅の太い溝が形成される。一方、溝の中央である入射位置Ｍ１の近傍には、ビーム径は大きいが、ビーム断面の中心の狭い領域のみパルスエネルギ密度が加工閾値以上となるレーザビームが、低いパルスエネルギ密度で照射されて、幅の細い溝が形成されてしまう。このように、溝の幅が場所により変動してしまう。
なお、レーザビームＬ１ｂの入射位置Ｍ１から集光面８１ａ上の点Ｒまでの距離は、入射角α１が大きくなるほど長くなる。よって、入射角α１が大きくなるほど、入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃに照射されるレーザのビーム径と、入射位置Ｍ１に照射されるレーザのビーム径との差は大きくなる。つまり、溝の端と中央との幅の差が顕著になってしまう。入射角α１は、溝の端を形成するレーザビームの入射角であるので、例えば、大型の基板に長い溝を形成しようとするとき等に大きくなる。
次に、対物レンズ６の位置を動かして焦点位置を調節しながらレーザビームを走査して、溝を形成する方法について説明する。レーザビームの焦点位置を調節すると、基板に照射されるレーザビームのビーム径が調節されて、基板表面におけるパルスエネルギ密度が調節される。
入射位置Ｍ１に入射するレーザビームＬ１ｂの焦点をどこに合わせたらよいか考えてみる。焦点を、集光面８１ａ上の点Ｒよりも入射位置Ｍ１に近い位置に設定することで、ビーム径を小さくし、入射位置Ｍ１のパルスエネルギ密度を増加させるように補正できる。ただし、焦点を入射位置Ｍ１まで近づけると、入射位置Ｍ１におけるパルスエネルギ密度が、入射位置Ｎ１ａ、Ｎ１ｃにおけるパルスエネルギ密度よりも高くなってしまう。
レーザビームＬ１ｂは基板表面に垂直に入射するので、入射位置Ｍ１で焦点を結ぶとしたときのビームスポットは円形となる。一方、レーザビームＬ１ａ、Ｌ１ｃは基板表面に入射角α１で斜めから入射しているため、ビームスポット９１ａ、９１ｃは楕円形に広がった形状となる。つまり、レーザビームＬ１ｂが入射位置Ｍ１で焦点を結ぶとしたときのビームスポット９１ｂにおけるパルスエネルギ密度は、ビームスポット９１ａ、９１ｃにおけるパルスエネルギ密度よりも高くなる。
そこで、レーザビームＬ１ｂの焦点を、入射位置Ｍ１よりやや深い（入射位置Ｍ１から基板の内部に向かって遠い）位置に合わせ、ビームスポット９１ｂの面積が、入射位置Ｎ１ａのビームスポット９１ａ、９１ｃの面積と等しくなるようにする。このようにすれば、入射位置Ｎ１ａあるいはＮ１ｃとＭ１とに等しいパルスエネルギ密度でレーザを照射して加工が行える。
溝１０１上の他の入射位置でも、ビームスポットの面積が一定に保たれるようにして、パルスエネルギ密度を揃え、加工を行えばよい。溝１０１上を、ビームスポットの面積を変化させない条件で走査したときの焦点の軌跡が、集光面８１ｂである。レーザビームＬ１ｂの焦点位置が、集光面８１ｂ上の点Ｑである。
焦点を集光面８１ｂ上に沿って移動させるとき、対物レンズ６の位置をどのように調節するか説明する。まず、レーザビームＬ１ａが照射されるとき、入射位置Ｎ１ａで焦点を結ぶような位置に対物レンズ６が設定される。この位置を基準位置と呼ぶ。
レーザビームを入射位置Ｎ１ａからＭ１に向かって走査するとき、対物レンズ６を基準位置から徐々にレーザ光源の方に移動させていくことで、焦点を集光面８１ａよりも基板表面に近い集光面８１ｂに沿って移動させ、ビームスポットの面積が大きくなり、パルスエネルギ密度が低下することを抑制する。対物レンズの基準位置からの移動距離は、入射位置Ｎ１ａに入射するレーザビームＬ１ａについてはゼロとし、レーザが入射位置Ｍ１に向かうにつれ増大させ、入射位置Ｍ１に入射するレーザビームＬ１ｂについて最大とする。
引き続き、レーザビームを入射位置Ｍ１からＮ１ｃに向かって走査するときは、対物レンズ６を徐々に基準位置に近づけていけばよい。対物レンズの基準位置からの移動距離は、レーザが入射位置ＮＴｃに向かうにつれ減少させ、入射位置Ｎ１ｃに入射するレーザビームＬ１ｃについてはゼロとする。
このように、各入射位置に照射されるレーザビームの焦点が、集光面８１ｂ上に沿って移動するように対物レンズ６の位置を調節しながら、レーザを走査することにより、場所により幅が変動することを抑制して溝１０１を形成できる。
対物レンズの移動のさせ方についてまとめる。対物レンズの位置を動かさずに走査を続けると、基板表面のパルスエネルギ密度が低下してしまう場合には、レーザビームの焦点が入射位置に近づくように対物レンズを移動させて、パルスエネルギ密度の低下を抑制するようにする。対物レンズの位置を動かさずに走査を続けると、基板表面のパルスエネルギ密度が上昇してしまう場合には、反対に、レーザビームの焦点位置が入射位置から遠ざかるように対物レンズを移動させて、パルスエネルギ密度の上昇を抑制するようにすればよい。
加工の一例として、溝の両端の入射位置において、基板表面に焦点を合わせる方法を説明したが、別の入射位置に焦点を合わせてもよい。各入射位置のビームスポットをほぼ一定の面積に保つようにすれば、パルスエネルギ密度を揃えて加工ができるので、どの入射位置に対しても一定の加工性を保つことができる。
なお、照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度を、各入射位置で厳密に一定に保たなくても、入射位置が変化するときに、入射位置におけるパルスエネルギ密度が変動することを抑制するようにすれば、加工を良好に行うことができる。
溝加工（スクライビング加工）を例に説明したが、穴開け加工等を行ってもよい。ガルバノスキャナを１次元方向に走査する例を説明したが、２次元方向に走査し、基板全面に亘るような加工を行ってもよい。パルスレーザビームを用いる加工を例に説明したが、レーザビームは連続波であってもよい。連続波レーザビームで加工を行う場合は、被加工面でのパワー密度が、入射位置ごとに変動することを抑制するようにする。
基板に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度は、対物レンズ６を移動させる代わりに、バリアブルアッテネータを用いて調節することもできる。
図１２Ｂに示す、第２の実施例の変形例によるレーザ加工装置には、図１２Ａに示したレーザ加工装置にバリアブルアッテネータ２が追加されている。バリアブルアッテネータ２は、コントローラ１１から送信される制御信号に基づき、ガルバノスキャナ７の動作に同期して、基板１２に照射されるパルスレーザビームのパワーを、所望の減衰率で減衰させることができる。
図１４を参照して、バリアブルアッテネータを用いたレーザ加工方法の一例を説明する。図１４は、図１２Ｂに示すレーザ加工装置において、対物レンズ６、ガルバノスキャナ７を経て、基板１２上を走査するパルスレーザビームの光路を概略的に示す。
レーザビームＬ２ｂが、基板表面に垂直に、かつ入射位置Ｍ２に入射する。レーザビームＬ２ａ、Ｌ２ｃが、それぞれ、入射位置Ｎ２ａ、Ｎ２ｃに入射角α２で入射する。入射位置Ｎ２ａ、Ｎ２ｃを両端とする線分の中点に、入射位置Ｍ２が位置する。
対物レンズ６は、レーザビームＬ２ｂが入射位置Ｍ２で焦点を結ぶような位置に固定されている。ガルバノスキャナ７により進行方向を振られたレーザビームの焦点の軌跡が描く仮想的な面を、集光面８２とする。
図１３を参照して説明したのと同様に、レーザビームＬ２ａの光路からレーザビームＬ２ｃの光路の方へレーザビームの進行方向を振りながら、パルスレーザビームの照射を繰り返して、基板表面に溝を形成する。
レーザビームの入射位置が入射位置Ｍ２から離れるにしたがい、レーザビームが焦点を結んでから基板に入射するまでの距離が長くなる。焦点を通過した後のレーザビームは発散光線束となるので、焦点から入射位置までの距離が長くなるほど、基板表面のビームスポットは大きくなる。
また、入射位置が入射位置Ｍ２から離れるにしたがい、レーザビームの基板への入射角は大きくなる。同一のビーム径を持つレーザビームが照射された場合でも、入射角が大きくなるほど、基板表面のビームスポットは大きくなる。
図１３を参照して説明したように、大きなビームスポット内のパルスエネルギ密度は、ビーム断面の全体に亘って低下し、基板を加工できる閾値以上となるのはビーム断面の中心付近に限られる。このため、大きなビームスポットの照射により形成される溝の幅は細くなる。
どの入射位置に対しても一定のパルスエネルギでレーザを照射して溝を形成すると、溝の中央付近は幅が太く形成され、溝の端は幅が細く形成されてしまう。
そこで、どの入射位置においても基板表面でのパルスエネルギ密度が一定となるように、入射位置に応じて、バリアブルアッテネータ２によりパワーを調節する。パワーの減衰量は、溝の端が加工されるときは最小とし、溝の中心に向かうにつれ増大させ、溝の中心である入射位置Ｍ２が照射されるときに最大とする。このようにして、幅が場所により変動することを抑制して、溝を形成できる。
なお、基板に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度の均一化を図るために、ボイスコイル機構１０で対物レンズ６を動かして焦点位置を移動させることと、バリアブルアッテネータ２でパルスレーザビームのパワーを減衰させることとを組み合わせて用いてもよい。
なお、レーザビームは連続波であってもよい。連続波レーザビームで加工を行う場合は、被加工面でのパワー密度が、入射位置ごとに変動することを抑制するように、バリアブルアッテネータで連続波レーザビームのパワーを調節する。
さて、例えば、表面にＩＴＯ膜が形成されたガラス基材の加工において、基板サイズは大型化する趨勢にある。基板が大型になり、被加工領域が広くなると、図１３を参照して説明したような、レーザビームの入射位置に応じて対物レンズ６を動かして行う加工において、対物レンズ６の移動量が大きくなる場合が生じる。制御の容易性の観点からは、対物レンズ６の移動量は小さくできることが好ましい。
次に、図１５Ａを参照して、対物レンズ６の移動を短い距離に抑えたままで、レーザビームの焦点位置の移動距離を長くできる、第３の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図１５Ａに示すレーザ加工装置においては、図１２Ａに示したレーザ加工装置の対物レンズ６とガルバノスキャナ７との間に、２次集光レンズ７１が追加されている。なお、図１５Ａの説明においては対物レンズ６を、１次集光レンズ６と呼ぶ。
アパーチャ５ａから出射したレーザビームが、１次集光レンズ６に入射する。１次集光レンズ６は、レーザビームを仮想的な１次集光面８３上に集光する。１次集光面８３を通過したレーザビームは発散光線束となり２次集光レンズ７１に入射する。２次集光レンズ７１により集束されたレーザビームが、ガルバノスキャナ７に進行方向を振られ、基板１２に入射する。
次に、１次集光レンズ６の移動量について説明する。１次集光面８３を２次集光レンズ７１に近づけると、２次集光レンズ７１で集束されたレーザビームの焦点位置は、レーザビームが進行する向きに移動する。１次集光面８３の移動距離をｄ１、レーザビームの焦点の移動距離をｄ２とする。また、２次集光レンズ７１に入射するレーザビームに対する２次集光レンズ７１の開口数をＮＡ１、２次集光レンズ７１を通過した集束ビームに対する２次集光レンズ７１の開口数をＮＡ２とする。倍率Ｐを、
Ｐ＝ＮＡ１／ＮＡ２
と定義すると、
ｄ２＝ｄ１×Ｐ２
が成立する。
上式からわかるように、倍率Ｐを大きくすれば、１次集光面８３の移動距離ｄ１を短くしても、焦点の移動距離ｄ２を長くすることができる。例えば、倍率Ｐが２である場合、１次集光面８３を２ｍｍ２次集光レンズに近づけることにより、レーザビームの焦点を８ｍｍレーザビームの進行方向に移動させることができる。
１次集光面８３の移動は、１次集光レンズ６を光軸方向に移動させることにより行われる。１次集光レンズ６に入射するレーザビームが平行光線束であるとき、１次集光レンズ６の移動距離と１次集光面８３の移動距離とは等しい。１次集光レンズ６を移動させる距離が約２ｍｍ以下であれば、ピエゾ駆動機構を用いた直動機構を利用することができる。ボイスコイル機構１０の代わりにピエゾ駆動機構を用いた直動機構を利用することにより、１次集光レンズ６を、高速にかつ高精度に移動させることができる。
図１６に、２次集光レンズ７１の一構成例を示す。２次集光レンズ７１が複数枚のレンズで構成されている。物点Ｓｏと像点Ｓｉが共役の関係にある。この物点Ｓｏは、図１５Ａに示した１次集光面８３上のビームスポットの位置に相当する。この結像光学系を無限遠共役の光学系と考える。２次集光レンズ７１を、前側レンズ群７１ａと後側レンズ群７１ｂとに分餉する。物点Ｓｏから出射した光線束は、前側レンズ群７１ａで平行光線束にされる。この平行光線束が、後側レンズ群７１ｂにより像点Ｓｉに焦点を結ぶ。なお、２次集光レンズ７１が物理的に分割できない場合もあるが、ここでは、仮想的に分割されると考える。
前側レンズ群７１ａの前焦点距離をＦｆ、後側レンズ群７１ｂの後焦点距離をＦｒとする。このとき、上述の式で定義した倍率Ｐは、
Ｐ＝Ｆｒ／Ｆｆ
と表される。
図１５Ａに示したレーザ加工装置では、１次集光レンズ６を凸レンズで構成したが、図１５Ｂに示すように、凹レンズ６ａで構成してもよい。このとき、１次集光面８３ａは虚像となり、凹レンズ６ａよりもレーザ光源側に現れる。
このように、倍率Ｐを大きくすることにより、１次集光レンズ６の移動距離を短く抑えたままで、基板に照射されるレーザビームの焦点位置を大きく変化させることができる。有為な効果を奏するためには、倍率Ｐを２以上にすることが好ましく、４以上にすることがより好ましい。
さて、図１３に示したビームスポット９１ａ、９１ｃは、基板に斜めから入射するレーザビームのビームスポットであるため、楕円形となった。一方、ビームスポット９１ｂは、基板に垂直に入射するレーザのビームスポットであるため、円形となった。このように、レーザビームの入射位置により入射角が異なって、基板上のビームスポット形状が異なることが起こる。
加工される穴の開口は、ビームスポットが楕円形であれば楕円形となり、円形であれば円形となる。しかし、どの入射位置でも、穴の開口が同一の形状（例えば円形）となるようにしたい場合もある。
次に図１７を参照して、ビームスポットの形状を入射位置に応じて補正することができる、第４の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図１７に示すレーザ加工装置においては、図１２Ａに示したレーザ加工装置に、アパーチャ５ａをレーザビームの光軸に垂直な軸の回りに回転させるアパーチャ傾斜機構６０ａと、アパーチャ５ａをレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させるアパーチャ回転機構６１ａとが追加されている。
なお、アパーチャ回転機構６１ａは、後に図２２Ａを参照して説明するレーザ加工装置が有するマスク回転機構が、マスクを回転させるのと同様な機構で、アパーチャ５ａをレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させる。
アパーチャ傾斜機構６０ａ、アパーチャ回転機構６１ａはそれぞれ、コントローラ１１から送信される制御信号に基づき、ガルバノスキャナ７の動作に同期して、アパーチャ５ａの、レーザビームの光軸に垂直な軸の回りの傾斜角度とレーザビームの光軸に平行な軸の回りの回転角度とを変化させる。
レーザビームが基板表面に斜めに入射するときの、光軸に垂直なビーム断面形状と基板表面上のビーム断面形状とを比較する。基板表面上のビーム断面形状は、光軸に垂直なビーム断面形状が、基板表面と入射面との交線方向に引き伸ばされた形状となる。例えば、円形断面のレーザビームが、基板表面に斜めから入射すれば、基板表面におけるビーム断面は、基板表面と入射面との交線方向に長い楕円形になる。なお、入射角が大きい程、基板表面のビームスポットは交線方向に長い形状となる。
したがって、光軸に垂直な断面が、適当な長軸と短軸の比の楕円に整形されたレーザビームを、その楕円の長軸方向が入射面に垂直になるようにして、基板表面に斜めに入射させ、基板表面のビームスポットを円形にすることができるであろう。
図１８Ａは、アパーチャ傾斜機構６０ａにより、レーザビームの光軸に垂直な軸の回りに回転されたアパーチャ５ａを、アパーチャ傾斜機構６０ａの回転軸の方向に沿って見た図を概略的に示す。図の左方から入射したレーザビーム１ｂが、アパーチャ５ａで断面を整形されて図の右方へ出射する。
図１８Ｂに示すように、アパーチャ傾斜機構６０ａに回転されたアパーチャ５ａの円形の貫通孔６２ａは、レーザビームの光軸に沿った視線で見ると、楕円形に見える。すなわち、レーザビームの断面は楕円形に整形される。
なお、アパーチャ５ａの円形の貫通孔の異なる２本の直径が張る面が、レーザビームの光軸と直交しているとき、レーザビームの断面は円形に整形される。アパーチャ５ａを傾斜させていき、円形の貫通孔の回転中心軸とレーザビームの光軸とがなす角が大きくなるにつれ、整形後のビーム断面の楕円形の短軸は短くなる。このように、アパーチャ傾斜機構６０ａは、整形後のビーム断面の縦横比を変えることができる。
図１８Ｃに示すように、さらに、アパーチャ回転機構６１ａを用いて、アパーチャ５ａをレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させる。
レーザビームのビームスポットが最小になる位置（レーザビームの焦点と呼ぶ）におけるビーム断面形状は、楕円状になる。焦点におけるビーム断面の長軸方向が、アパーチャ５ａの貫通孔の位置におけるビーム断面の短軸方向に対応する。
したがって、貫通孔の位置におけるビーム断面の楕円の長軸方向が、この交線方向と一致するように、アパーチャ回転機構６１ａでアパーチャ５ａを回転させる。このようにして、基板上のビームスポットの形状を、どの入射位置についても円形に保つことができる。
なお、アパーチャの貫通孔を基板表面に結像させることを要しない集光法による加工について説明したが、貫通孔の像を基板表面に結像させるマスク投影法による加工を行う場合でも、基板上のビームスポットの形状を補正することができる。マスク投影法の場合には、基板表面上に形成される貫通孔の像の長軸方向が、マスクの貫通孔の位置におけるビーム断面の長軸方向に対応する。
円形の貫通孔を有するマスクを、レーザビームの光軸に垂直な軸の回りに傾斜させることは同様である。ただし、さらにマスクをレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させるときは、貫通孔を出射したときのビーム断面の楕円形の短軸方向が、入射面と基板表面との交線方向と一致するようにして回転させる。
貫通孔の形状が円の場合を説明したが、他の形状の貫通孔によって整形されたレーザビームのビームスポット形状を補正することもできる。
次に、図１９を参照して、近接マスクを用いるレーザ加工方法を行う、第５の実施例によるレーザ加工装置について説明する。図１９に示すレーザ加工装置においては、図１２Ａに示したレーザ加工装置に、近接マスク６３が追加されている。
近接マスク６３は、近接マスク保持機構６４に保持され、基板１２の表面と平行に、基板１２の直上に配置されている。近接マスク６３に、基板表面に加工したい形状と同一の形状を有する貫通孔が形成されている。近接マスク６３と基板１２の表面との距離（近接ギャップ）ｄｇは、近接マスク保持機構６４により調節することができる。
エキスパンダ３が、レーザ光源１を出射したレーザビームのビーム径を拡大し、平行光のレーザビームを出射する。エキスパンダ３を出射したレーザビームは、拡がり角βを有する。エキスパンダ３により、レーザビームのビーム径が例えば１０倍に拡大されるとき、拡がり角は１０分の１に低減される。エキスパンダ３により、レーザビームの拡がり角を調整することができる。
ガルバノスキャナ７で近接マスク６３上を走査しながら、レーザビームの照射を行う。近接マスク６３の貫通孔では、レーザビームが通過して基板１２に入射し、基板１２が加工される。貫通孔以外の部分では、レーザビームが通過せず、基板１２が加工されない。このように、近接マスク６３が有する貫通孔の形状を転写するようにして、基板表面を加工することができる。
このとき、レーザビームの入射位置が変わっても、基板表面でのパルスエネルギ密度が変動することが抑制されるように、レーザビームの基板への入射位置に応じて対物レンズ６の位置を移動させながら、レーザ照射を行うことができる。なお、レーザ光源１は連続波レーザビームを出射するものであってもよい。その場合には、基板表面でのパワー密度の変動が抑制されるようにする。
さて、高精度の加工を行うためには、近接マスク６３の有する貫通孔の形状が基板へ正確に転写される必要がある。転写の精度は、近接ギャップｄｇ及び近接マスク６３に照射されるレーザビームの拡がり角に依存する。近接マスクに照射されるレーザビームの拡がり角は、エキスパンダを通過したときのレーザビームの拡がり角βに等しいと考えてよい。
図２０に、Ｔ字状の貫通孔を有する近接マスクについて、転写の精度が、近接ギャップとレーザビームの拡がり角に依存してどのように変化するかをシミュレーションした結果を示す。近接ギャップとレーザビームの拡がり角を様々に変えた場合のＴ字状の貫通孔の像９７を、並べて示す。各図は、右側に配置されているほどレーザビームの拡がり角が小さく、下側に配置されているほど近接ギャップが小さい。
像９７の縁が明確であるほど、転写の精度が高い。図からわかるように、同一の拡がり角のとき、近接ギャップが大きくなるほど転写の精度は劣化する。また同一の近接ギャップのとき、拡がり角が大きくなるほど転写の精度が劣化する。近接ギャップ、拡がり角はともに、小さくするほど転写の精度を高めることができる。
図２１に、ある転写の精度を確保しようとしたとき、近接ギャップとレーザビームの拡がり角とが満たさなければならない関係のグラフを概略的に示す。ある転写の精度を確保しようとしたとき、近接ギャップが大きくなれば、拡がり角を小さくしなければならず、また、拡がり角が大きくなれば、近接ギャップを小さくしなければならない。
様々な転写精度に対して、図２１に示したような、近接ギャップとレーザビームの拡がり角とが満たさなければならない関係を予め求めておけば、所望の転写精度で加工を行おうとするとき、近接ギャップと拡がり角とを簡便に選定することができる。
近接マスクを用いるレーザ加工方法には、近接ギャップと拡がり角とを小さく設定して、高い転写精度で加工が行える利点がある。また、基板の被加工位置の直上に近接マスクの貫通孔を配置して加工を行うことにより、高い位置決め精度を得ることができる。被加工位置以外は、近接マスクが基板表面を覆っているので、加工時に基板が削られて発生する飛散物が、基板表面に付着しづらいという利点もある。
なお、近接マスクの貫通孔を通過させたレーザビームを基板に照射する加工を行うとき、レーザビームの基板への入射位置の移動を、ガルバノスキャナでレーザビームの進行方向を振って行うことにより、基板を載置したＸＹステージを動かして入射位置の移動を行う場合よりも、加工の高速化を図ることができる。
次に、図２２Ａを参照して、連続波のレーザビームを発振するレーザ光源を有する、第６の実施例によるレーザ加工装置について説明する。連続波のレーザビームを発振するレーザ光源１として、例えば、赤外線領域の波長のレーザビームを発振する半導体レーザを用いることができる。
レーザ光源１から出射されたレーザビームｌｂ０が、振り分け光学系６５に入射する。振り分け光学系６５は、レーザビームｌｂ０を、ある時間帯においては、ある光軸に沿って進行するレーザビームｌｂ１に、他の時間帯においては、他の光軸に沿って進行するレーザビームｌｂ２に振り分ける。
振り分け光学系６５は、例えば、半波長板６５ａ、ポッケルス効果を示す電気光学素子６５ｂ、偏光板６５ｃを含んで構成される。半波長板６５ａは、レーザ光源１から出射されたレーザビームｌｂ０を、偏光板６５ｃに対してＰ波となるような直線偏光にする。このＰ波が電気光学素子６５ｂに入射する。
電気光学素子６５ｂは、コントローラ１１から送出される契機信号ｓｉｇに基づいて、レーザビームの偏光軸を旋回させる。電気光学素子６５ｂが電圧無印加状態にされている時、入射したＰ波がそのまま出射される。電気光学素子６５ｂが電圧印加状態にされている時、電気光学素子６５ｂは、Ｐ波の偏光面を９０度旋回させる。これにより、電気光学素子６５ｂから出射するレーザビームは、偏光板６５ｃに対してＳ波となる。
偏光板６５ｃは、Ｐ波をそのまま透過させ、Ｓ波を反射する。偏光板６５ｃで反射したＳ波であるレーザビームｌｂ１は、レーザビームｌｂ１の終端となるビームダンパ６６に入射する。偏光板６５ｃを透過したＰ波であるレーザビームｌｂ２は、エキスパンダ３に入射する。
エキスパンダ３によりビーム径を拡大され、平行光とされたレーザビームｌｂ２は、矩形の貫通孔を有するマスク５に入射する。ここでは、マスク投影法による加工を例に説明する。つまり、マスク５の貫通孔の像を基板１２の表面に結像させて加工を行う。
マスク回転機構６１が、マスク５をレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させるのに用いられる。マスク回転機構６１は、たとえばゴニオメータを含んで構成され、コントローラ１１が送出する制御信号に基づき、所望のタイミングで、所望の角度だけマスクを回転させる。マスク回転機構６１について詳しくは後述する。ボイスコイル機構９が、マスク５の位置をレーザビームの進行方向と平行に移動させる。
マスク５を出射したレーザビームｌｂ２は、対物レンズ６により集束される。ボイスコイル機構１０が、対物レンズ６の位置をレーザビームの進行方向と平行に移動させる。対物レンズ６を出射したレーザビームは、ガルバノスキャナ７を通過した後、基板１２の表面に入射する。
図２２Ｂを参照して、加工対象物である基板１２について説明する。下地層１１０の表面上に転写層１１１が存在している。この転写層１１１は、熱が加えられると下地層１１０の表面に接着される性質を有する。
例えば、転写層１１１の一部１１１ａをレーザ照射により加熱して下地層１１０に接着する。転写層１１１のうち加熱されなかった部分１１１ｂを除去すると、下地層１１０の表面上には加熱された部分１１１ａのみが残る。これは例えば、熱転写式の印刷を行う際、インクリボンの加熱された部分のインクが紙に転写されることに似ている。
図２２Ａに戻って説明を続ける。ＸＹステージ８ａが、基板１２の保持台として用いられる。ＸＹステージ８ａは、基板１２を、基板１２の表面に平行な２次元面内で移動させることができる。コントローラ１１によりＸＹステージ８ａを制御し、基板１２を所望のタイミングで所望の位置に移動させる。
ここで説明するレーザ加工方法の例では、ガルバノスキャナ７のＸ用スキャナ７ａとＹ用スキャナ７ｂとが、ガルバノスキャナ７を出射したレーザビームが基板１２に垂直に入射するような位置に固定されている。基板１２をＸＹステージ８ａで動かすことにより、レーザビームの基板１２への入射位置を移動させる。
ボイスコイル機構９、１０を用いて、マスク５から対物レンズ６までの光路長及び対物レンズ６から基板１２のレーザビームの入射位置までの光路長が、マスク５の貫通孔の像が基板１２の表面に所望の結像倍率（縮小率）で結像するように設定される。
図２３を参照して、振り分け光学系の制御方法について説明する。図２３は、契機信号ｓｉｇ、レーザビームｌｂ０、ｌｂ１、ｌｂ２のタイミングチャートの一例を示す。時刻ｔ０で、レーザビームｌｂ０の出射が開始される。
時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、契機信号ｓｉｇがコントローラから送出されない。この間は、電気光学素子に電圧が印加されず、振り分け光学系からは常にレーザビームｌｂ２が出射する。レーザビームｌｂ１は、出射されない。この間のレーザビームｌｂ２は、連続波となる。
時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、コントローラが周期的に送出する契機信号ｓｉｇに同期して、振り分け光学系の電気光学素子に電圧が印加される。
契機信号ｓｉｇが送出されている間は電気光学素子が電圧印加状態となり、レーザビームｌｂ０はレーザビームｌｂ１に振り分けられる。一方、契機信号ｓｉｇが送出されていない間は電気光学素子が電圧無印加状態となり、レーザビームｌｂ０はレーザビームｌｂ２に振り分けられる。時刻ｔ１から時刻ｔ２までのレーザビームｌｂ２は、周期的に発振と停止とが繰り返されるレーザビームとなる。
この間欠的に出射されるレーザビームｌｂ２において、パルス幅ｗ１、及び、周期ｗ２は、契機信号ｓｉｇを調節することにより、任意の長さに設定できる。例えば、パルス幅ｗ１は１０μｓ〜数１０μｓとし、周期ｗ２は数１００μｓとする。
このように、振り分け光学系に契機信号を入力しないときには、連続的に出射するレーザビームｌｂ２が得られ、振り分け光学系に間欠的に契機信号を入力したときには、間欠的に出射するパルスレーザビームｌｂ２が得られる。
さて、連続的に出射されるレーザビームｌｂ２は、連続的に基板に照射できるため、例えば、ラインを形成する加工（下地層上に転写層をライン状に残す加工）に好適である。一方、間欠的に出射されるレーザビームｌｂ２は、間欠的に基板に照射できるため、例えば、ドットを形成する加工（下地層上に転写層をドット状に残す加工）に好適である。
図２４Ａを参照して、ライン加工の方法について説明する。基板１２へのレーザ照射を開始して、加工を開始する。加工の開始時に、まず、ライン１０３の一端の全幅上の領域が、矩形のビームスポット９３により照射される。その後、レーザを連続的に照射しながら、ビームスポットがライン１０３の他の一端に向かうように、ＸＹステージを一方向に移動させる。ＸＹステージの移動方向は、矩形のビームスポット９３のある辺と平行である。なお、基板上のビームスポットの移動の向きを矢印で示す。
ビームスポットが、ライン１０３の他の一端まで達したら、基板へのレーザ照射を止めて加工を終了する。このようにして、基板表面のライン状の領域がレーザ照射で加熱されることにより、下地層の表面にライン状に転写層が残ったライン１０３が形成される。
形成されたライン１０３の外形は、長さ方向の辺がビームスポット９３のある辺に平行で、幅方向の辺がビームスポット９３のある辺に直交する辺に平行な矩形となる。ライン１０３の幅は、ビームスポット９３のある辺に直交する辺の長さに等しい。
図２４Ｂを参照して、ドット加工の方法について説明する。ドット加工においては、基板１２に間欠的にレーザビームを照射しながら、ＸＹステージを一方向に移動させる。ＸＹステージの移動方向は、矩形のビームスポット９４ａのある辺（辺ｐと呼ぶ）と平行である。
まず、１パルス目のレーザ照射の開始時に、ドット１０４ａの一端の全幅上の領域が、矩形のビームスポット９４ａにより照射される。ＸＹステージは移動しているため、この１パルス目のレーザ照射が終了するまで、ビームスポットが基板上で移動する。ビームスポットの移動の向きを矢印で示す。
このようにして、基板表面のドット状の領域がレーザ照射で加熱され、下地層の表面にドット状に転写層が残ったドット１０４ａが形成される。
以後同様にして、２、３、４、５パルス目のレーザ照射によりそれぞれ、ドット１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅが形成される。なお、２、３、４、５パルス目の照射開始時にビームスポット９４ｂ、９４ｃ、９４ｄ、９４ｅがそれぞれ照射する基板表面の領域は、ビームスポット９４ａが照射する基板表面の領域を、ＸＹステージの移動方向と平行に移動させた領域に一致する。各ドットは、ＸＹステージの移動方向と平行な直線上に並ぶ。
各ドットの外形は、ビームスポット９４ａの辺ｐに平行な辺と、ビームスポット９４ａの辺ｐに直交する辺（辺ｑと呼ぶ）に平行な辺を持つ矩形となる。
各ドットのＸＹステージの移動方向に直交する辺の長さは、辺ｑの長さに等しく、例えば辺ｑの長さが２０μｍの場合は２０μｍとなる。
各ドットのＸＹステージの移動方向に平行な辺の長さは、ビームスポットの辺ｐの長さ、ＸＹステージの移動の速さ、パルスの照射時間（パルス幅）に依存する。
例えば、ビームスポットの辺ｐの長さが１２μｍ、ＸＹステージの移動の速さが８００ｍｍ／ｓ、パルス幅が１０μｓであるとする。パルス幅１０μｓの間に、ＸＹステージが移動する距離（つまり、基板が移動する距離）は８μｍであるので、ドットのＸＹステージの移動方向に平行な辺の長さは、ビームスポットの辺ｐの長さ１２μｍに移動距離８μｍを加えた２０μｍとなる。
隣接するドット間のピッチｄは、パルスの１周期の間に、ＸＹステージが移動する距離に一致する。例えば、パルスの周期が３７５μｓであり、ＸＹステージの移動の速さが８００ｍｍ／ｓである場合、ピッチｄは３００μｍとなる。
以上をまとめると、ビームスポットのサイズを辺ｐの長さ１２μｍ、辺ｑの長さ２０μｍに設定し、レーザビームをパルス幅１０μｓ、周期３７５μｓで発振させ、ＸＹステージを８００ｍｍ／ｓで移動させた場合、２０μｍ角のドットを３００μｍピッチで形成することができる。
さて、基板上にそれぞれ異なる方向を有する複数のラインを加工したい場合もある。しかし、基板上のビームスポットの方向を一定にしたまま異なる方向のラインを形成すると、ラインの方向に依存してラインの幅が変わること等の問題が生じる。
図２９を参照して、このような状況の一例を説明する。図２４Ａを参照して説明した方法により、まず、ライン１０９ａを形成する。次いで、ビームスポットの方向を変えずに、ライン１０９ａと異なる方向を有するライン１０９ｂを形成する。レーザ照射の開始時に、ビームスポット９９が、ライン１０９ｂの一端に照射される。ライン１０９ｂの長さ方向にＸＹステージを移動させながら、ビームスポットをライン１０９ｂの他の一端まで移動させて、ライン１０９ｂを形成する。
図に示すように、ライン１０９ａの幅は、ビームスポット９９の長辺の長さに等しいが、ライン１０９ｂの幅は、こめ長辺の長さと等しくなるとは限らない。また、ライン１０９ｂの端の辺を、ラインの長さ方向に直交するように形成できない。図２２Ａに示したマスク回転機構６１を用いることにより、このような問題を回避することができる。
図２５は、矩形の貫通孔６２を有するマスク５を保持したマスク回転機構６１を示す概略図である。矩形の貫通孔６２の２本の対角線が張る面は、レーザビームの光軸に対して垂直である。マスク回転機構６１は、貫通孔６２の矩形の対角線の交点を回転中心として、レーザビームの光軸に平行な軸の回りに、マスク５を回転する。
マスク５の回転に対応して、基板１２の表面内で貫通孔６２の像が回転する。基板上の貫通孔６２の矩形の像の辺を、基板表面内の任意の方向と平行にすることができる。
次に説明するように、加工するライン等の方向を変えるため、基板上のレーザビームの入射位置の移動方向を変える前に、マスク回転機構６１によりマスク５を回転させることができる。
図２６を参照して、マスク回転機構を用いたラインの加工方法について説明する。図２４Ａを参照して説明した方法により、ライン１０３ａを形成する。ビームスポット９３ａの長辺の長さが、ライン１０３ａの幅に等しく、ビームスポット９３ａの短辺の方向が、ライン１０３ａの長さ方向と平行であるとする。
ライン１０３ａと異なる方向を有するライン１０３ｂの加工を開始する前に、マスク回転機構によりマスクを回転させ、ビームスポット９３ｂの短辺が、ライン１０３ｂの長さ方向と平行となるようにする。そして、ライン１０３ｂの一端の全幅上にビームスポットが照射されるように、ＸＹステージにより基板を移動させる。
レーザビームの照射を開始し、図２４Ａを参照して説明したのと同様な工程により、ライン１０３ｂの長さ方向にＸＹステージを移動させながら、ライン１０３ｂを形成する。ライン１０３ｂの幅は、ビームスポット９３ｂの長辺の長さに等しくなる。また、ライン１０３ｂの幅方向の辺と長さ方向の辺とは直交する。
このようにして、それぞれ異なる方向を有する複数のラインを、同一の幅となるように形成することができる。なお、異なる方向を有する複数のドットを、大きさ、形状を変えずに形成するために、マスク回転機構を用いることもできる。
周期的な契機信号により振り分け光学系を制御し、レーザビームをパルス化する例を説明したが、契機信号は周期的でなくてもよい。例えば、等しくないピッチで複数のドットを形成したい場合に、周期的ではない契機信号を用いることができる。また、レーザビームのパルス幅は一定でなくともよい。形成するドットのサイズ等に応じて適宜設定すればよい。
基板上のビームスポットの形状や大きさを変えることで、ラインの幅やドットの大きさ等を調節することができる。マスクの交換により、ビームスポットの形状や大きさを変えることができる。また、結像倍率（縮小率）を変えることにより、ビームスポットの大きさを変えることもできる。
基板表面にライン状あるいはドット状に転写層が残る加工を例に説明したが、レーザ照射により基板表面がライン状あるいはドット状に掘られるような加工であってもよい。
マスクの貫通孔の形状は矩形に限らず、形成したいドットやラインの形状に応じて適宜選択すればよい。
基板上のレーザビームの入射位置を、ＸＹステージにより移動させる例を説明したが、入射位置は、ガルバノスキャナでレーザビームの進行方向を振ることで移動させることもできる。
次に、図２７Ａを参照して、２台のレーザ光源を有し、１台のレーザ光源はパルスレーザビームを、もう１台のレーザ光源は連続波レーザビームを出射する、第７の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
レーザ光源１ａは、例えば、波長変換ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器であり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）のパルスレーザビームを出射する。パルス幅は、例えば１０ｎｓである。レーザ光源１ａが出射したパルスレーザビームは、半波長板６９ａに入射し、偏光板６７に対してＰ波となるような直線偏光にされる。
レーザ光源１ｂは、例えば、半導体レーザ発振器であり、波長８０８ｎｍの連続波レーザビームを出射する。レーザ光源１ｂが出射した連続波レーザビームは、半波長板６９ｂに入射し、偏光板６７に対してＳ波となるような直線偏光にされる。
半波長板６９ａを出射したパルスレーザビームは、ビーム径を拡大して平行光とするエキスパンダ３ａと、例えば矩形の貫通孔を有するマスク５とを通過し、偏光板６７の表側の面に入射角４５°で入射する。
半波長板６９ｂを出射した連続波レーザビームは、ビーム径を拡大して平行光とするエキスパンダ３ｂを通過し、折り返しミラー６８で反射され、偏光板６７の裏側の面に入射角４５°で入射する。
偏光板６７は、Ｐ波であるパルスレーザビームを透過させ、Ｓ波である連続波レーザビームを反射する。偏光板６７により、レーザ光源１ａから出射したパルスレーザビームと、レーザ光源１ｂから出射した連続波レーザビームとが同一の光軸上に重畳される。
偏光板６７を通過したパルスレーザビームと、偏光板６７に反射された連続波レーザビームとは、対物レンズ６で集束され、ガルバノスキャナ７を通過し、基板１２に入射する。
基板１２の保持台として用いられるＸＹステージ８ａが、基板１２を、基板１２の表面に平行な２次元面内で移動させることができる。コントローラ１１によりＸＹステージ８ａを制御し、基板１２を所望のタイミングで所望の位置に移動させる。
ここで説明するレーザ加工方法の例では、ガルバノスキャナ７のＸ用スキャナ７ａとＹ用スキャナ７ｂとが、ガルバノスキャナ７を出射したレーザビームが基板１２に垂直に入射するような位置に固定されている。 基板１２をＸＹステージ８ａで動かすことにより、レーザビームの基板１２への入射位置を移動させる。
ボイスコイル機構９、１０がそれぞれ、マスク５、対物レンズ６の位置を、レーザ光源１ａから出射されるパルスレーザビームの進行方向に平行に移動させる。マスク５の貫通孔の像は、マスク５および対物レンズ６の位置を調節して、基板１２の表面に所望の結像倍率（縮小率）で結像させる。
図２７Ｂを参照して、加工対象物である基板１２について説明する。下地層１２０の表面上に、表層１２１が形成されている。下地層１２０は例えば、液晶表示装置のカラーフィルタであり、厚さ１μｍの、ポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂等からなる樹脂層である。表層１２１は例えば、厚さ０．５μｍのＩＴＯ膜である。
レーザ照射により表層１２１のみを除去する場合、下地層１２０が表層１２１よりも加工されやすいため、表層１２１のみを加工することは難しい。例えば、基板にレーザを照射したとき、表層１２１が直接的に加工されないうちに、下地層１２０に伝わった熱の影響で下地層１２０が爆発的に飛散し、それに伴い表層１２１が吹き飛ばされてしまうことが起こる。
本発明者は、基板に予熱を与えた後にレーザ照射を行うことで、表層１２１のみを加工することが容易になることを見出した。図２７Ａに示したレーザ加工装置において、レーザ光源１ｂから出射した連統波レーザビームにより基板１２を予熱し、レーザ光源１ａから出射したパルスレーザビームにより穴等の加工を行う。
次に図２８Ａ〜２８Ｃを参照し、基板上の被加工点に、連続波レーザで予熱を与えた後に、パルスレーザを照射して、穴を形成する方法の一例を説明する。
図２８Ａに示すように、連続波レーザビーム（円形のビームスポット９５で示す）が照射されている基板１２の表面に、被加工点１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃが画定されている。被加工点１０５ａ〜１０５ｃを結ぶ直線上に、ビームスポット９５の中心が位置する。この直線と平行にＸＹステージを動かし、被加工点１０５ａ〜１０５ｃをビームスポット９５の方に移動させる。
図２８Ｂに示すように、被加工点１０５ａがビームスポット９５の縁に到達すると、被加工点１０５ａに、連続波レーザが照射されて予熱の供給が開始される。
図２８Ｃに示すように、被加工点１０５ａがビームスポット９５の中心に到達したとき、ビームスポット９５の中心に、１ショットのパルスレーザの照射を行う。パルスレーザのビームスポットを、ビームスポット９６で示す。
被加工点１０５ａは、ビームスポット９５の縁から中心まで移動する間に予熱されている。予熱された被加工点１０５ａにパルスレーザを照射することにより、下地層が加工されることを抑制して基板の表層に穴を形成できる。
基板１２を引き続き移動させ、被加工点１０５ａと同様に、被加工点１０５ｂ、１０５ｃにも穴を形成する。
予熱に用いる連続波レーザビームの照射条件は、例えば、ビームスポットを直径２０ｍｍの円形状とし、基板表面でのパワー密度を０．１Ｗ／ｃｍ２とする。加工に用いるパルスレーザビームの照射条件は、例えば、ビームスポットを２０μｍ角の正方形とし、基板表面でのパルスエネルギ密度を０．１〜０．４Ｊ／ｃｍ２とする。
なお、被加工点が予熱される時間は、被加工点が連続波レーザのビームスポットの半径の長さ分移動する時間にほぼ等しい。この時間は、例えば、ビームスポットの半径を１０ｍｍとし、ＸＹステージの移動速さを８００ｍｍ／ｓとすると、約０．１３秒となる。パルスレーザを、連続波レーザビームのビームスポットの中心に照射することで、ＸＹステージの移動方向をさまざまに変えても、予熱時間を揃えて加工を行うことが容易になる。
連続波レーザの照射により基板表面に与えた予熱は、下地層まで伝わるので、与える予熱が多すぎると下地層が加工されてしまう。したがって、予熱は、下地層の温度が、下地層が加工されないような温度以下に留まるように供給する必要がある。例えば、下地層の温度が、下地層の素材の融点以下に留まるようにすることが必要である。
ＩＴＯ膜は、可視光に対して透明であるが、例えば波長８０８ｎｍの近赤外線に対する吸収係数はゼロではない。したがって、この波長の光をＩＴＯ膜の予熱に用いることができる。ＩＴＯの吸収係数がより大きな波長（例えば１０６４ｎｍ近傍の波長）の光を用いれば、予熱の効率向上が期待される。
パルスレーザビームと連続波レーザビームとを同一の光軸上に重畳させて基板に照射する例を説明したが、両レーザビームは同一の光軸上になくともよい。連続波レーザビームのビームスポットの内部に、パルスレーザビームのビームスポットが含まれるようにして、両レーザビームを基板に照射すれば、被加工点が連続波レーザビームのビームスポットの縁に達してから、パルスレーザのビームスポットの位置に到達するまで、被加工点に予熱を供給することができる。
ただし、予熱を与えるためには、被加工点が、連続波レーザビームのビームスポットの内部を通った後に、パルスレーザビームの照射位置に到達するようにする必要がある。したがって、パルスレーザビームの照射位置は、被加工点が連続波レーザビームのビームスポットの外周に接触した時点の被加工点の位置と一致しないようにする必要がある。
穴を形成する例を説明したが、複数の穴を連続するように形成して、溝を形成してもよい。
基板上のレーザビームの入射位置を、ＸＹステージにより移動させる例を説明したが、入射位置は、ガルバノスキャナでレーザビームの進行方向を振ることで移動させることもできる。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
Claims (41)
- （ａ）貫通孔を有するマスクでレーザビームの断面を整形し、該マスクの貫通孔が加工対象物の表面上に結像するように、該貫通孔を通過したレーザビームをレンズで集光して、該加工対象物の表面上に入射させる工程と、
（ｂ）レーザビームの入射位置が前記加工対象物の表面上を移動するように、前記レンズを通過したレーザビームを走査するとともに、レーザビームの走査中も前記貫通孔を前記加工対象物の表面上に結像させることにより該加工対象物を加工する工程と
を有するレーザ加工方法。 - 前記工程（ａ）において、前記マスクと前記レンズとの間の光路長、及び前記レンズから前記加工対象物の表面までの光路長を一定に維持した状態で、前記レーザビームを走査する請求項１に記載のレーザ加工方法。
- 前記工程（ｂ）が、前記レンズを、該レンズを通過するレーザビームの進行方向に平行な方向に変位させ、前記マスクを、該マスクを通過するレーザビームの進行方向に平行な方向に変位させる工程を含む請求項１に記載のレーザ加工方法。
- 前記工程（ａ）において、前記貫通孔を通過したレーザビームを、前記加工対象物の表面上におけるビームスポットが平行な一対の辺を有する形状となるように前記加工対象物表面上に入射させ、前記工程（ｂ）において、前記ビームスポットが前記一対の辺に平行な方向に移動するように、前記レーザビームを走査する請求項１に記載のレーザ加工方法。
- 前記加工対象物表面上に入射するレーザビームの前記加工対象物表面上における強度分布は、ビームスポットの周辺部における強度が、中央部における強度より大きな分布である請求項１に記載のレーザ加工方法。
- 前記加工対象物表面上に入射するレーザビームがパルスレーザビームであり、前記工程（ｂ）が、前記加工対象物表面上への入射角が大きくなると、前記レーザビームのパルスエネルギが大きくなるように、パルスエネルギを変化させる工程を含む請求項１に記載のレーザ加工方法。
- 前記工程（ｂ）において、前記加工対象物表面上を走査するレーザビームの、前記加工対象物表面への入射角が変動したとき、前記加工対象物表面におけるレーザビームのビームスポットの面積の変動が小さくなるように前記マスク及び前記レンズを変位させる請求項１に記載のレーザ加工方法。
- （ｃ）レンズで集光されたレーザビームを、加工対象物の表面に入射させる工程と、
（ｄ）レーザビームの入射位置が、前記加工対象物の表面上を移動するように、該レーザビームを走査して、該加工対象物を加工する工程であって、前記レンズから前記加工対象物の表面までの該レーザビームの光路長が変化しないように、該レーザビームを走査する工程と
を有するレーザ加工方法。 - 前記工程（ｄ）が、前記レンズから前記加工対象物の表面までの該レーザビームの光路長が変化しないように、前記レンズを、該レンズを通過するレーザビームの進行方向に変位させる工程を含む請求項８に記載のレーザ加工方法。
- 前記レンズに入射するレーザビームがコリメートされたビームであり、前記レンズから前記加工対象物の表面までのレーザビームの光路長が、前記レンズの焦点距離に等しい請求項８に記載のレーザ加工方法。
- レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持台と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームの断面を整形する貫通孔を有するマスクと、
前記マスクで断面を整形されたレーザビームを、該マスクの貫通孔が、前記保持台に保持された加工対象物の表面に、結像するように集光する集光レンズと、
前記集光レンズで集光されたレーザビームを、外部からの制御を受けて、前記加工対象物の表面上で、少なくとも１次元方向に走査するビーム走査器と、
外部からの制御を受けて、前記マスクと前記集光レンズとを移動させる移動機構と、
前記ビーム走査器による走査と、前記移動機構による前記マスクと前記集光レンズの移動とを同期させる制御装置と
を有するレーザ加工装置。 - 前記移動機構は、前記マスクと前記集光レンズとの間の光路長を一定に保ちつつ、前記ビーム走査器で走査されるレーザビームの、前記集光レンズから前記加工面に至る光路長が変化しないように、前記集光レンズを、該集光レンズを通過するレーザビームの進行方向に移動させ、前記マスクを、該マスクを通過するレーザビームの進行方向に移動させる請求項１１に記載のレーザ加工装置。
- 前記移動機構は、前記加工対象物の表面上を走査するレーザビームの、前記加工面への入射角が変動したとき、該加工対象物の表面上における前記貫通孔の像の面積の変動を小さくするように、前記マスクと前記集光レンズとを移動させる移動機構である請求項１１に記載のレーザ加工装置。
- 更に、前記レーザ光源から出射されるレーザビームのパルスエネルギを調整するバリアブルアッテネータであって、レーザビームが前記加工対象物表面に大きな入射角で入射するときには、パルスエネルギの減衰率を小さくするバリアブルアッテネータを有する請求項１１に記載のレーザ加工装置。
- 更に、前記レーザ光源がパルスレーザビームを出射するとき、前記パルスレーザビームのビーム断面におけるパルスエネルギ密度を、中央部よりも周辺部で大きくするパルスエネルギ密度変換装置を有する請求項１１に記載のレーザ加工装置。
- 前記マスクの貫通孔が平行な一対の辺を有する形状である請求項１１に記載のレーザ加工装置。
- 前記保持台に保持された加工対象物の表面上に、互いに直交するＸ方向とＹ方向とを画定するとき、前記ビーム走査器は、前記集光レンズで集光されたレーザビームを、前記加工対象物の表面上において、Ｘ方向に走査するＸ方向走査器とＹ方向に走査するＹ方向走査器とを含み、前記集光レンズは、前記加工対象物の表面上における前記貫通孔の像の平行な一対の辺を、Ｘ方向と平行に結像させる請求項１６に記載のレーザ加工装置。
- （ｅ）レーザビームをレンズで集光して、加工対象物の表面に入射させる工程と、
（ｆ）前記加工対象物へのレーザビームの入射位置が移動したとき、前記加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度の、入射位置の移動に起因する変動を抑制するように前記レンズを移動させながら、レーザビームの入射位置を前記加工対象物の表面内で移動させる工程と
を含むレーザ加工方法。 - 前記工程（ｆ）において、前記加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が増加することを抑制するときは、レーザビームの焦点位置が入射位置から遠ざかるように前記レンズを移動させ、前記加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が減少することを抑制するときは、レーザビームの焦点位置が入射位置に近づくように前記レンズを移動させる請求項１８に記載のレーザ加工方法。
- レーザビームをレンズで集光して、加工対象物の表面に入射させる工程と、
前記加工対象物へのレーザビームの入射位置が移動したとき、前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が入射位置の移動に起因して変動することを抑制するように前記レンズを移動させながら、レーザビームの入射位置を前記加工対象物の表面内で移動させる工程と
を含むレーザ加工方法。 - レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持機構と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、
前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、
外部からの制御信号を受け、前記レンズを移動させる移動機構と、
前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することが抑制されるよう、前記レンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。 - 前記制御装置は、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が増加することを抑制するときは、レーザビームの焦点位置が入射位置から遠ざかるよう前記レンズを移動させるように前記移動機構を制御し、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が減少することを抑制するときは、レーザビームの焦点位置が入射位置に近づくよう前記レンズを移動させるように前記移動機構を制御する請求項２１に記載のレーザ加工装置。
- レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持機構と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、
前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、
外部からの制御信号を受け、前記レンズを移動させる移動機構と、
前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が変動することを抑制するよう、前記レンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。 - （ｇ）レーザビームをレンズで集光して、加工対象物の表面に入射させる工程と、
（ｈ）前記加工対象物へのレーザビームの入射位置が移動したとき、前記加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度の、入射位置の移動に起因する変動を抑制するように、レーザビームのパワーをバリアブルアッテネータを用いて調節しながら、レーザビームの入射位置を前記加工対象物の表面内で移動させる工程と
を含むレーザ加工方法。 - レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持機構と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、
前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、
外部からの制御信号を受け、レーザビームのパワーを可変な減衰率で減衰させるバリアブルアッテネータと、
前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することを抑制するよう、レーザビームのパワーを調節するように、前記バリアブルアッテネータを制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。 - レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持機構と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームを収束または発散させる第１のレンズと、
前記第１のレンズを通過したレーザビームが入射し、入射するレーザビームを集光させる第２のレンズと、
前記第２のレンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、
外部からの制御信号を受け、前記第１のレンズを移動させる移動機構と、
前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することが抑制されるよう、前記第１のレンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置と
を有し、
前記第２のレンズに入射するレーザビームに対する該第２のレンズの開口数をＮＡ１、前記第２のレンズを通過したレーザビームに対する該第２のレンズの開口数をＮＡ２としたとき、ＮＡ１／ＮＡ２が２以上であるレーザ加工装置。 - レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持機構と、
貫通孔を有し、該貫通孔に前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射し、外部からの制御信号を受け、貫通孔を通過したレーザビームの断面の一方向の長さを変えることができるビーム断面整形器と、
前記ビーム断面整形器から出射したレーザビームを集光するレンズと、
前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、
前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、前記ビーム断面整形器が加工対象物の表面におけるビームスポットの形状の変動を抑制するように、前記ビーム断面整形器を制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。 - 前記ビーム断面整形器が、レーザビームの断面を一方向に長い形状に整形するとき、前記貫通孔を、レーザビームの進行方向に垂直な面から傾斜させる請求項２７に記載のレーザ加工装置。
- 前記ビーム断面整形器が、前記貫通孔をレーザビームの進行方向に平行な軸の回りに回転させることができる請求項２８に記載のレーザ加工装置。
- レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持機構と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームを集光するレンズと、
前記レンズから出射したレーザビームの進行方向を振り、レーザビームを前記保持機構に保持された加工対象物の表面に入射させ、レーザビームの入射位置を加工対象物の表面内で移動させるビーム走査器と、
前記ビーム走査器を出射したレーザビームが加工対象物に入射するまでの光路中に配置され、貫通孔を有し、該貫通孔を通過したレーザビームを加工対象物に入射させる近接マスクと
を有するレーザ加工装置。 - さらに、
外部からの制御信号を受け、前記レンズを移動させる移動機構と、
前記ビーム走査器が加工対象物の表面でレーザビームの入射位置を移動させるとき、加工対象物の表面におけるレーザビームのパルスエネルギ密度またはパワー密度が変化することが抑制されるよう、前記レンズの位置を移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置とを有する請求項３０に記載のレーザ加工装置。 - レーザ光源から出射したレーザビームの拡がり角を調整する工程と、
前記所定の拡がり角を有するように調整されたレーザビームの進行方向を振りながら、加工対象物の表面と平行に該表面から所定の距離だけ離れた位置に配置され、貫通孔を有する近接マスクに、該レーザビームを照射し、該貫通孔を通過したレーザビームを該加工対象物の表面に入射させて、該貫通孔の形状を該加工対象物の表面に転写する工程と、
前記所定の拡がり角と前記所定の距離の少なくとも一方を、該貫通孔の形状が該加工対象物の表面に転写される精度と、レーザビームの拡がり角と、前記近接マスクと前記加工対象物の表面との間の距離とに関して予め求められた関係に基づいて設定する工程と
を含むレーザ加工方法。 - 連続波のレーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持機構と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射し、外部から与えられる契機信号に基づき、入射したレーザビームを第１の方向に出射させる状態と第１の方向に出射させない状態とを切換えることができる光学系と、
矩形の貫通孔を有し、前記光学系を前記第１の方向に出射したレーザビームが該貫通孔に入射し、レーザビームの断面を整形するマスクと、
前記マスクから出射したレーザビームを集光し、前記マスクの矩形の貫通孔を前記保持機構に保持された加工対象物の表面に結像させるレンズと、
外部から与えられる制御信号に基づき、前記保持機構を移動させて、前記レンズを出射したレーザビームが加工対象物に入射する位置を、加工対象物の表面内で移動させることができる移動機構と、
外部から与えられる制御信号に基づき、前記マスクを、該マスクの貫通孔を通過するレーザビームの光軸に平行な軸の回りに回転させるマスク回転機構と、
前記光学系に前記契機信号を送出し、前記移動機構がレーザビームの加工対象物への入射位置を第２の方向に移動させるように前記移動機構を制御し、前記移動機構が加工対象物表面上のレーザビームの入射位置を該第２の方向に移動させる前に、前記マスク回転機構が、前記マスクを回転させ前記矩形の貫通孔の加工対象物表面における像のある辺を該第２の方向と平行にするように、前記マスク回転機構を制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。 - （ｉ）入射したレーザビームを第１の方向に出射させる状態と第１の方向に出射させない状態とを切換えることができる光学系に、レーザ光源から出射した連続波のレーザビームを入射させる工程と、
（ｊ）前記光学系から前記第１の方向に出射したレーザビームを、矩形の貫通孔を有するマスクに入射させて断面を整形し、レンズで集光して、加工対象物の表面に前記貫通孔の像を結ばせる工程と、
（ｋ）前記貫通孔の像を、前記加工対象物の表面上で、該像のある辺に平行な方向に移動させる工程と
を含み、
加工対象物表面に点状の離散的なパタンを形成するときは、前記工程（ｉ）において、前記光学系から前記第１の方向にレーザビームが間欠的に出射するようにし、
加工対象物表面に線状のパタンを形成するときは、前記工程（ｉ）において、前記光学系から前記第１の方向にレーザビームが連続的に出射するようにするレーザ加工方法。 - さらに、前記工程（ｋ）の後に、
（ｌ）前記貫通孔の像が、前記加工対象物の表面上で回転するように、前記マスクをレーザビームの進行方向に平行な軸の回りに回転させる工程と、
（ｍ）前記工程（ｌ）において加工対象物表面上で回転された前記貫通孔の像を、回転された前記貫通孔の像のある辺に平行な方向に移動させる工程と
を含む請求項３４に記載のレーザ加工方法。 - 加工対象物を保持する保持機構と、
パルスレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
連続波レーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
前記保持機構に保持された加工対象物の表面に、前記第１のレーザ光源から出射したパルスレーザビームと前記第２のレーザ光源から出射した連続波レーザビームとを、連続波レーザビームのビームスポットの内部にパルスレーザビームのビームスポットが含まれるようにして照射する光学系と、
前記保持機構に保持された加工対象物の表面上でパルスレーザビーム及び連続波レーザビームのビームスポットを移動させる移動機構と
を有するレーザ加工装置。 - 前記光学系が、前記第１のレーザ光源から出射したパルスレーザビームまたは前記第２のレーザ光源から出射した連続波レーザビームの少なくとも一方の光軸を変化させ、パルスレーザビームと連続波レーザビームとが同一の光軸に沿って進行するようにして、前記保持機構に保持された加工対象物の表面にレーザビームを照射する請求項３６に記載のレーザ加工装置。
- （ｎ）第１のレーザ光源からパルスレーザビームを出射させ、第２のレーザ光源から連続波レーザビームを出射させる工程と、
（ｏ）下地層と下地層の表面上に形成され下地層の材質よりもレーザ照射により加工されにくい材質で形成された表層とを有する加工対象物の表面に画定された被加工点に、前記第２のレーザ光源から出射した連続波レーザビームを照射して予熱を与えた後、該被加工点に前記第１のレーザ光源から出射したパルスレーザビームを照射して、前記加工対象物の表層に穴を形成する工程と
を含むレーザ加工方法。 - 前記工程（ｏ）において、前記第２のレーザ光源から出射した連続波レーザビームは、前記下地層の温度が前記下地層の融点以下に留まるように前記加工対象物に予熱を与える請求項３８に記載のレーザ加工方法。
- 前記工程（ｏ）において、連続波レーザビームのビームスポットの内部に、パルスレーザビームのビームスポットが含まれるようにし、前記加工対象物の表面内で、連続波レーザビームのビームスポットの外部から、パルスレーザビームの照射位置に向けて、前記ある被加工点を移動させていき、前記ある被加工点を、連続波レーザビームのビームスポットの内部を通った後に、パルスレーザビームの照射位置に到達させる請求項３８に記載のレーザ加工方法。
- 前記工程（ｏ）において、前記加工対象物の表面における連続波レーザビームのビームスポットを円形とし、パルスレーザビームのビームスポットを該円形の中心に位置させる請求項４０に記載のレーザ加工方法。
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