WO2007138884A1

WO2007138884A1 - レーザパルス発生装置及び方法並びにレーザ加工装置及び方法

Info

Publication number: WO2007138884A1
Application number: PCT/JP2007/060202
Authority: WO
Inventors: Tetsumi Sumiyoshi; Susumu Tsujikawa; Tetsuo Ando
Original assignee: Cyber Laser Inc.
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2007-12-06
Also published as: CN101461105A; JPWO2007138884A1; TW200810301A; KR20090018165A

Abstract

固体レーザのパルス出力を安定化して加工対象物に照射し微細加工を行う安定化レーザ加工装置を提供する。レーザ共振器内に設置したＱスイッチ素子６とレーザ媒体５と予め光励起する励起レーザ発振器４６、レーザ媒体内の上準位の励起密度を発振目的波長以外レーザ波長で所定期間照射し上準位密度低減の脱励起を行うレーザ発振器４１を備え、レーザ共振器内で脱励起後にＱスイッチ素子６をレーザ発振遮断（閉）状態にして上準位の光励起を行いレーザ媒体のエネルギー蓄積を所定期間行い、次いでＱスイッチ６をレーザ発振可能（開）状態に切り換えてＱスイッチパルスを発振出力させることによりＱスイッチパルス発振間隔に関係なくパルス毎に均等なＱスイッチパルス出力を加工対象物に導き精密加工するレーザ加工装置。

Description

明細書

レーザパルス発生装置及び方法並びにレーザ加工装置及び方法技術分野

[0001] 本発明は、半導体ゥエーハ上の半導体デバイスの回路構成部品などの加工に適するレーザ発振装置を用いた加工装置に関し、パルス繰り返し周波数を変化しても安定な高出力 Qスィッチパルスを得る装置及び方法を得る。さらに、任意の照射タイミングでも常に安定化した出力を得ることが可能な微細加工装置及び方法を実現する。

背景技術

[0002] 電子工業において微細化した回路部品の調整、修正、加工など当業者には周知の如ぐ固体レーザ力得られる Qスィッチパルス出力を照射し、除去、マーキング、トリミング、スクライビングなどの製造工程に用いている。このレーザカ卩ェ方法においては、レーザのパルス毎の出力エネルギー、波形を繰り返し周波数の変化に対しても常に所定の出力が得られることが望ましい。例えば、半導体メモリの冗長回路の切り替えのための不良救済のための回路フューズ切断などは不等間隔の切断点を高速で走査しながら集光レーザビームを回路のフューズに照射しフューズ部を切断する。これには切断点に向けて高速な発振指令に従って安定なパルス波形、エネルギ一の照射により高集積度のメモリーセルを高精度処理することが求められる。これらの加工対象物に対するレーザパルスの照射の時間間隔が不均一である場合が多く、レーザ発振器カゝら放出されるパルスエネルギー、パルス幅、ピーク出力を均等化するための工夫がされてきている。これらに対する従来技術では図 1に示すようなパルスレーザ発振装置と音響光学素子 (AOM)の組合せによるパルスの安定ィ匕方法が提案されている。

[0003] 図 1は AOMをパルス毎に作動させるパルス安定化方法であり、 Qスィッチパルスの発振の後に生じている低出カノルスを AOMにより除去する方法を用いる。これは高価な AOM装置を用いる欠点がある。以下説明する。半導体レーザなどの励起用の光源 1から放出されたレーザ光は固体レーザ媒体 5のレーザ発振励起用集光部 10 に向けて放出される。この間にレンズなどの集光光学系 3と固体レーザ共振器を構成するレーザ波長に対しては高反射で励起光波長に対しては透過性となる高反射鏡 4 が介在する。レーザ共振器の他方の出力鏡 7がレーザ媒体 5の高反射鏡 4と反対側に設置される、レーザ媒体 5と出力鏡 7の間には音響光学的なスィッチ素子力なる Qスィッチ素子 6が設置される。レーザ装置の制御部 11から動作制御信号が励起光源駆動部 8、 Qスィッチ駆動部 9、それとレーザ共振器の外部に設置された AOM29 を制御する AOM駆動部 12に信号が発せられる。 AOMは超音波トランスジユーサに RFパワーを印加してブラッグ回折セルを生成し、通過ビームを回折させる。従って駆動部 12からセルに RFを印加すると RF印加時点で回折によりビームの一部は分離される。 AOMの回折セルに RFパワー音波を伝播して回折格子を通過したレーザパルスはビーム拡大器 15によりコリメートされ、反射鏡 16に進み、反射されて加工対象物 20に向き、レンズ 18で集光されてカ卩ェ対象物 20の表面に集光照射され、加工が行われる。加工対象物 20は駆動テーブル 23により精密位置決め駆動が行われる。駆動は周知の技術で駆動部 21により制御部 11から制御信号を制御信号線 26を経由して行われる。

このような構成でレーザ発振は図 2に示すような手順で行われる。半導体レーザからの励起用レーザビーム 2は予め発せられレーザ媒体は予め励起状態に置かれる。ここにパルストリガが（a)の tl、 t3、 t5、…時点で発せられると Qスィッチ素子 6に駆動部 9から RF1のパワーが印加されレーザ発振器の高反射鏡 4と出力鏡 7の間でのレ一ザ発振の往復光路の損失を増加し、発振を抑制する状態を形成する。この状態は時間 tl t2、 t3— 4、 t5— 6、…の間持続し、この間にレーザ媒体 5に励起工ネルギーを蓄積する、この蓄積量は励起光の強度及び tl t2、 t3— 4、 t5— 6、…の時間に大よそ比例する。時刻 t2、 t4、 t6で Qスィッチ 6への RFパワー供給を駆動部 9 で遮断する。これによりレーザ共振器内に急激に Qスィッチパルスが発生し、出力鏡 7を透過して (c)の出力ビーム 30MIRが得られる。弓 Iき続、てレーザ媒体が励起状態に置かれているのでレーザ媒体にレーザ発振利得が回復し、 Qスィッチ素子 6に R Fパワーが印加されない状態にあるので連続的な低出力の発振部分が図 2の（c)の 13 SIRで示すように持続発振する。従ってレーザ出力ビーム 30IRには Qスィッチパルス部分 30MIRと連続的出力部分 13SIRが含まれる。

[0005] レーザ共振器の外部のビーム光路に AOM29が設置されているので、この AOM29 に RFパワー RFDを駆動部 12から印加タイミングを図 2 (d)のように Qスィッチパルス 30MIRの終了後で連続的発振部分 13SIRの発振とタイミングを合わせて入れる。連続的発振部分 13SIRは AOM29で回折されるので、 Qスィッチパルス 30MIRと分離して図 1に示されるように別な方向のビーム 13SIRとして得る。連続的レーザ発振部分 14はこれを示す。 Qスィッチパルス部分 30MIRと分離して連続的なレーザ部分 1 3SIRは加工対象物 20に向けないようにする。従って加工対象物 20には Qスィッチパルス 30MIRだけが照射され、加工に寄与する。

[0006] このような従来構成では、発振器の外部に AOM29を設置し、パルス発振と同期させて動作タイミングを制御する必要がある。 AOM29による損失があり、パワーの損失がある、 AOM29を用いることは装置のコスト増加を招くこと、設置場所が必要であることなどの欠点がある。さらに、 AOM29はレーザビーム波長が変化すると、設置角度、光学端面の反射防止膜の変更の必要性発生などの設置条件を再度最適化する必要がある。

[0007] さらに、繰り返しパルス発振出力において、第 1番目のパルスが後続のパルス出力と異なる現象を回避するため、 Nd： YAGレーザ媒体を励起する光源の励起強度を Q スィッチパルス発振の直前に低下する技術が米国特許第 4337442号明細書に開示されている。パルス出力を一定にするために、このように連続的励起を継続し Qスイッチパルス発振の前に所定期間発振動作を停止するため Qスィッチで発振を遮断し、 Qスィッチパルスのためのエネルギーを蓄積した後に Qスィッチパルスを発振させる方法、予め Qスィッチパルス発振の前に励起光源からの励起強度を低下させる方法などレーザ発振の上準位レベルの分布数を調整する方法が開示されている。

[0008] 特許文献 1：米国特許第 4337442号明細書

特許文献 2 :米国特許第 5018152号明細書

特許文献 3 :米国特許第 5291505号明細書

特許文献 4:米国特許第 5339323号明細書

特許文献 5 :米国特許第 5812569号明細書特許文献 6：米国特許第 5982790号明細書

特許文献 7 :米国特許第 6038241号明細書

特許文献 8 :米国特許第 6418154号明細書

特許文献 9：米国特許第 6009110号明細書

特許文献 10：米国特許第 6683893号明細書

特許文献 11 :米国特許第 6931035号明細書

特許文献 12 :米国特許第 6172325号明細書

特許文献 13 :米国特許第 5719372号明細書

特許文献 14:米国特許第 4412330号明細書

特許文献 15 :特表 2002— 518834号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] 本願発明で解決しょうとする課題は、繰り返し Qスィッチパルスの出力の均等化である。すなわち、パルス繰り返しの時間間隔が変化してもそれに依存しない安定ィ匕した Qスィッチパルスレーザ発振出力を得ることができるレーザパルス発生装置及び方法を提供することであり、さらにそれを用いたレーザ加工装置及び方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0010] 本発明は、前記課題を解決するために、レーザ媒体とレーザ共振器と前記レーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子と前記レーザ媒体の脱励起源と、前記脱励起源を第一の所定時間動作させレーザ媒体から蓄積エネルギーを放出させる手段と第二の所定時間前記 Qスィッチ素子にレーザ発振抑制信号を印加することにより前記レーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積させる手段と、 Qスィッチレーザパルス発振出力を得るため前記 Qスィッチ素子へのレーザ発振抑制信号停止手段とを備えたことを特徴とする。

[0011] また、前記レーザ媒体の励起源を備え、前記蓄積エネルギーを放出させる手段にはさらに前記励起源の励起強度を低減または励起を停止もしくは遮断する手段を備えたことを特徴とする。また、前記エネルギーを蓄積させる手段にはさらに前記レーザ発振抑制信号のレベルを十分な発振抑止能を有しないレベルに設定する手段を備えことを特徴とする。また、前記蓄積エネルギーを放出する手段にはさらに第一の所定時間をゼロ以上に設定する手段を備えたことを特徴とする。

[0012] 次に、レーザ媒体とレーザ共振器と前記レーザ共振器の Q値を制御することによりレ一ザ発振抑制をする Qスィッチ素子と、

十分な発振抑止能を有しないレベルのレーザ発振抑制信号を所定時間前記 Qスイツチ素子に印加することにより前記レーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積させる手段と、

Qスィッチレーザパルス発振出力を得るため前記 Qスィッチ素子へのレーザ発振抑制信号を停止する手段とを備えたことを特徴とする。

[0013] 次に、レーザ媒体とレーザ共振器と前記レーザ共振器の Q値を制御することによりレ一ザ発振抑制をする Qスィッチ素子と、前記レーザ媒体に変調した励起信号を与える手段と、

レーザ発振抑制信号を印カロして所定時間前記 Qスィッチ素子に印加することにより前記レーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積させる手段と、 Qスィッチレーザパルス発振出力を得るため前記 Qスィッチ素子へのレーザ発振抑制信号を停止する手段とを備えたことを特徴とする。

[0014] 次に、レーザ媒体とレーザ共振器と前記レーザ共振器の Q値を制御することによりレ一ザ発振抑制をする Qスィッチ素子と、前記 Qスィッチ素子にレーザ発振抑制信号を印カロし前記レーザ媒体にエネルギーを蓄積させる手段、前回パルス力の発生間隔に応じた損失がある状態で Qスィッチレーザパルス発振出力を得るため前回のパルスカの発生間隔に依存してレーザ発振抑制信号を変調する手段を備えたことを特徴とする。

[0015] さらに、本発明は Qスィッチレーザパルスの光路に非線形光学素子をさらに備えたことを特徴とする。また、これらのレーザパルス発生装置からのパルス出力を加工対象物に照射するレーザ加工装置であり、さらに、加工対象物が半導体基板上でのリンク配線、コンデンサ、抵抗、インダクタなどの電子デバイスであることまたは液晶表示装置、エレクトロルミネセンス表示装置、プラズマ表示装置等表示装置であることを特徴とする。

[0016] 一方、本発明は、レーザ媒体とレーザ共振器とレーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子とレーザ媒体の脱励起源とを設けるステツプと、脱励起源を第一の所定時間動作させレーザ媒体力蓄積エネルギーを放出するステップと、第二の所定時間 Qスィッチ素子にレーザ発振抑制信号を印加することによりレーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積するステップと、 Qスィッチ素子へのレ一ザ発振抑制信号を停止することにより Qスィッチレーザパルス発振出力を得るステップとを有することを特徴とする。

[0017] また、前記蓄積エネルギーを放出するステップにおいてはさらにレーザ媒体への励起強度を低減するまたは励起を停止もしくは遮断することを特徴とする。また、前記レ一ザ媒体に所定のエネルギーを蓄積するステップにおいてはレーザ発振抑制信号のレベルを十分な発振抑止能を有しないレベルとすることを特徴とする。また、前記蓄積エネルギーを放出するステップにおいて第一の所定時間がゼロ以上であることを特徴とする。

[0018] 次に、レーザ媒体とレーザ共振器とレーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子とを設けるステップと、所定時間 Qスィッチ素子に十分な発振抑止能を有しない信号レベルのレーザ発振抑制信号を印加することによりレ一ザ媒体に所定のエネルギーを蓄積するステップと、 Qスィッチ素子へのレーザ発振抑制信号を停止することにより Qスィッチレーザパルス発振出力を得るステップとを有することを特徴とする。

[0019] 次に、レーザ媒体とレーザ共振器とレーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子とを設けるステップと、レーザ媒体に変調した励起信号を与えるステップと、 Qスィッチ素子に所定時間レーザ発振抑制信号を印加することによりレーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積するステップと、 Qスィッチ素子へのレ一ザ発振抑制信号を停止することにより Qスィッチレーザパルス発振出力を得るステップとを有することを特徴とする。

[0020] 次に、レーザ媒体とレーザ共振器とレーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子を設けるステップと、 Qスィッチ素子にレーザ発振抑制信号を印加しレーザ媒体にエネルギーを蓄積するステップと、前回のパルス力の発生間隔に依存してレーザ発振抑制信号を変調することにより前回パルスからの発生間隔に応じた損失がレーザ共振器にある状態で Qスィッチレーザパルス発振出力を得るステップとを有することを特徴とする。

[0021] さらに、本発明は Qスィッチレーザパルスを高調波に変換して出力するステップをさらに有することを特徴とする。また、これらのレーザパルス発生方法で発生したレーザパルスをカ卩ェ対象物に照射するステップを有するレーザカ卩ェ方法であり、さらに、加ェ対象物が半導体基板上でのリンク配線、コンデンサ、抵抗、インダクタなどの電子デバイスであることまたは液晶表示装置、エレクトロルミネセンス表示装置、プラズマ表示装置等表示装置であることを特徴とする。

発明の効果

[0022] 本発明のレーザパルス発生装置及び方法によると、パルス繰り返しの時間間隔が変化してもそれに依存しない安定した Qスィッチパルスを得ることができる。また、本発明のレーザパルスカ卩ェ装置及び方法によれば、加工物体に任意のタイミングで均一レーザパルスを照射できる。レーザパルスによる物体カ卩ェにおいては、ビームを照射する際に加工位置が不等間隔で基板上に分布する場合があり、このような場合にも本願発明によれば、加工位置に応じて不均等な任意タイミングであるが、均一なレーザパルスの照射が可能となる。

[0023] また本願発明によれば従来必要とした AOMなどの外部におけるビームの連続発振出力と Qスィッチパルス発振出力部の選別用分岐素子がなくても安定な Qスィッチレ一ザパルスによる加工が実現できる。レーザ発振媒体からの基本波から高調波成分を得る場合、脱励起光成分や高調波素子で変換された波長以外の波長の光が Qスイッチパルス又は高調波成分に混入することを防止できる。レーザ媒体に導波路を採用したコア周囲に多孔を設けたホーリ ·ファイバを用、ることで、レーザ媒体内に形成される温度分布によるレーザ媒体内の温度変化による屈折率変動による影響を低減してレーザ発振モードの安定性向上も図ることができる。

図面の簡単な説明

[0024] [図 1]この発明に関する従来例のレーザビーム照射による加工方法を行う装置の説明図。

[図 2]図 1の従来の装置構成の動作説明図

[図 3]実施例 1及び 2の装置構成図。

[図 4]実施例 1の装置の動作説明図。

[図 5]本発明の原理説明用のレーザ媒体のイオンエネルギーレベル図であり、 Nd:Y

AG結晶内の Ndイオンエネルギー準位を示す。

[図 6]実施例 2の動作説明図

[図 7]実施例 3及び 4の装置構成図

[図 8]実施例 3の動作説明図

[図 9]実施例 4の動作説明図

[図 10]第 2高調波の共振器の構成についての異なる例

符号の説明

1:励起用半導体レーザ光源

2:励起用レーザビーム

3:集光光学系

4:レーザ共振器用高反射鏡

4，：エンドミラー

5：固体レーザ用レーザ媒体

6 :Qスィッチ素子

_7:レーザ共振器用出力鏡

7'：出力鏡

8:励起光源駆動部

9 :Qスィッチ駆動部

10：レーザ発振励起用集光部

11:レーザ装置制御部

12:AOM駆動部

14:連続的レーザ発振部分

15:ビーム拡大器 16:：反射鏡

18: ：加工用集光レンズ

19: ： Qスィッチパルスレーザ発振部分

20: ：加工対象物

21: ：駆動テーブル駆動部

26, 27, 40:制御信号線

23: ：駆動テープノレ

29: ：音響光学素子 (AOM)

31: ：非線形光学素子

32: ：波長フィルタ

34: ：ビーム吸収体

41: ：脱励起用レーザ発振器

42, 43:コリメートレンズ

44: ：偏光ビーム重畳器

45: ：合成ビーム

46: ：励起用半導体レーザ発振器

50: ：レーザ装置制御部

発明を実施するための最良の形態

[0026] 以下、図 3〜図 10を参照して、本発明の好ましい実施例について説明する。

実施例 1

[0027] 以下図 3, 4を用いて本発明の実施例 1を詳細に説明する。図の中の説明番号につき従来技術の説明の図 1に使用した番号と同一機能の部分は同一の番号を用いている。ここで出力鏡 7'は基本波に対しては高反射率、第 2高調波に対しては高透過率の特性を有する出力鏡とする。レーザ励起光源である半導体レーザ発振器 46からの励起用レーザビームをコリメートレンズ 43経由で平行ビームにして偏光ビーム重畳器 44に導く。一方、レーザ上準位励起密度低減用の脱励起用レーザ発振器 41は、レーザ媒体にレーザ発振目的波長外のレーザ波長を照射する脱励起源となる。脱励起用レーザ発振器 41からのレーザビームをコリメートレンズ 42で平行ビームにし、偏光ビーム重畳器 44に導ぐこれら 2本のビームを重畳又は時間をずらして同軸上に配置した合成したビーム 45を同軸上に進行し、集光光学系 3でレーザ媒体 5にレ一ザ共振器の基本波長に対する高反射鏡 4を通過させてレーザ媒体 5に集光照射する。レーザ共振器の出力鏡 7'と Qスィッチ素子 6の間には非線形光学素子 31を設置する。この構成でレーザ共振器鏡 4と出力鏡 7'の間の Qスィッチ素子 6に RFパヮ一のオンとオフのタイミングを制御部 50からの指令で図 4 (b)に示すように制御する。

[0028] 図 3の例では励起用の半導体レーザ発振器 46の光は空間上で伝送しているが励起用発振器の光をファイバーで伝送することもでき、その場合には脱励起用光源ビームをそのファイバーに結合して同軸で伝送する。

[0029] 脱励起用レーザ発振器 41,励起用半導体レーザ発振器 46の発振波長は、レーザ媒体が Nd+³イオン添カ卩の Nd:YAG、 Nd:YV04、 Nd: YLFなどの場合は励起用波長としては図 5に示すような周知の Ndのエネルギー準位図力も 808nm近傍の波長を用い、脱励起用には波長 0. 9 m、 1. 1 /ζ πι、 1. 3 m近傍のレーザ光が有効である。このことはレーザ媒体に用いられる Nd:YAG結晶の通常使用される波長のレーザ遷移の上準位の⁴ F を起点とするその他の遷移波長には 946nm、 1123nm、

3/2

1319nmがあるからである。これらの構成において、各素子と制御部の動作タイミング例を説明する。

[0030] 加工対象物 20の加工位置を設定するため制御部 50からの信号で駆動テーブル 23 が駆動部 21で駆動される。この駆動テーブルの制御位置はエンコーダ付の閉ループ位置制御システム（図示なし)でもよ!/、。この段階で図 4の時刻 tlに先んじて超音波印加の Qスィッチ素子 6、励起用半導体レーザ発振器 46を駆動するため図 4 (b) の RF1の印加タイミングを制御しての RFの印加、（c)の励起パワー（PL)を始動させる。 Qスィッチ素子 6は Qスィッチ駆動部 9から RFパワーを Qスィッチ素子 6の超音波トランスジユーサに印加し、レーザ共振器を損失の大きなレーザ発振遮断状態にしておく。一方、レーザ媒体 5には励起用レーザ出力を印加し、レーザ発振をする前にレ一ザ媒体内の熱的な温度分布がある平衡状態に形成されるようにするため制御部 5 0から制御信号線 27経由で励起用半導体レーザ発振器 46に発振指令を送る。

[0031] 加工対象物 20の加工位置が対応する集光レンズ 18の集光点に到達する時間 t3を予測して制御部 50からレーザ発振動作プロセス開始の指令信号を発する。先ず、それまで励起されていた上準位の反転分布密度を低減するための脱励起波長近傍のレーザ光を印加するため、制御部 50から脱励起用レーザ発振器 41に発振指令を制御信号線 40経由で送る。発振指令は、図 4 (a)に示したトリガ信号によって出され、トリガ信号の下降エッジによって (d)に示すように時刻 tl、 t5、 t9において脱励起用レ一ザ発振が開始される。脱励起レーザ光はコリメータレンズ 42でコリメートされて平行になり偏光ビーム重畳器 44に入り、通過して集光レンズ 3でレーザ媒体 5に照射される。そのレーザ媒体 5には予め励起用半導体レーザ発振器 46からコリメートレンズ 43 で平行にされて、偏光ビーム重畳器 44で同軸にされた励起レーザビームで励起されて結晶の温度上昇が発生し、上準位へ励起エネルギーが図 4 (e)破線レベルで示すように蓄積されている。そこに脱励起用のレーザ波長が同じ結晶空間に照射されるので上準位力レーザ発振の基本波長と異なる波長で下位準位へ遷移し光放出される。この光はレーザ共振器と十分な発振条件になる条件が満足されないほどの損失が大き!/、からレーザ発振には至らなヽ。それまで蓄積された上準位のエネルギー準位の密度を図 4 (e) UL- 1で示すように低減できる。

所定時間 tl t2の期間に脱励起を行い、その後励起レーザだけでレーザ媒体を t2 —t3の間に励起し上準位に反転分布を発生ための励起を行う（UL— 2)。その後、図 4 (b)に示すように、 Qスィッチ素子 6への駆動用 RFパワーを t3— 14間に遮断し、透過（開）状態にし、 Qスィッチパルス 33Gを発振させる。ここで上準位の励起密度はレーザ発振に伴い低減する（UL— 3)。このときの Qスィッチノルス出力 33Gは時間 t 2— 3の間にレーザ媒体 5に蓄積されたエネルギーに対応してパルスエネルギー（f) QOの 33Gが放出される。 Qスィッチパルスの発振の後に時刻 t4から再び Qスィッチを遮断（閉）状態にするため Qスィッチ素子 6に RFパワーを印加する。この過程の時刻 t3— 4の間に発振して放出される Qスィッチパルスで、第 1の加工対象点が加工される。次いで第 2の加工対象物点も同様に、位置と走査速度から求まる Qスィッチパルス発振のタイミングを求め、それに基づく時間関係で、脱励起 DPL1を時間 t5— t6の間継続し、その後、所定の時間 t6—t7の間レーザ励起を行い、その後、時間 t7 — 18間に RFを遮断して Qスィッチパルス 33Gを発振させる。この場合、 Qスィッチパルスの間隔である時間 t3— 7、 t7— ti lの時間が変化する場合、即ち時間 t4 t5、 t8— 9の間の時間が異なつても、脱励起プロセス (d)の DPL 1を Qスィッチ繰り返し動作のパルス発振サイクル間に導入したので、 tl、 t5、 t9以前力夫々蓄積された上準位エネルギーは脱励起レーザによって減少する。 (f) QOに示す Qスィッチパルス出力 33Gの出力エネルギーは、脱励起後の励起エネルギーで設定されるのでパルス繰り返し周波数には関係ない出力均等化が図れる。したがってこれらの均等化されたパルス出力を用いることでレーザ照射タイミングに無関係でカ卩ェ対象物の加ェを精密に行えるようになった。第 3番目以降の Qスィッチパルス動作は同様なプロセスの繰り返しである。

[0033] 上記の図の実施例で励起用のレーザ出力 PLを図 4 (c)に示すように一定な強度で動作させる例を示したが、この出力を脱励起中は発振停止、又は低出力状態になるように励起用レーザ出力 PLを変調して脱励起速度を促進してもよ、。

[0034] 上記の説明では非線形光学素子 31については、加工用波長に基本波の波長を用いる場合は不要である、しかし、第 2高調波を用いる場合には周知の非線形光学素子を基本波のビームに対して位相整合条件を満足するように設置する。これにより Q スィッチパルスは第 2高調波に変換されて出力鏡 7'から放射される。この場合必要に応じて第 2高調波出力に混入する Qスィッチパルスの基本波成分や脱励起波長成分により刺激されて放出される ASE成分（ASE = Amplified Spontaneous Emissionの略で、増幅された自然放出光の意味)を波長フィルタ 32により除去し、ビーム吸収体 34 に混入成分 33IRを導き、第 2高調波成分 33Gだけをビーム拡大器 15でコリメートして反射鏡 16で反射した後に集光レンズ 18で微細なスポットに形成して加工対象物に照射し、加工を施すことができる。

[0035] 非線形光学素子 31に非線形作用をさせるためには入力光が偏光されている必要がある。共振器内に偏光を伴う要素が有る場合、例えばレーザ媒体と Nd:YVOや Nd: YLFとした場合は、偏光手段を特にいれなくても、偏光発振が可能であるので、単に非線形光学素子 31をいれればよい。しかしながら、レーザ媒体が偏光を伴う要素がない場合は別途光路にボラライザ等の偏光手段を入れる必要がある。ここに示した偏光手段の必要性は本願発明で非線形光学素子を入れた場合、すべてに共通である。

[0036] この基本波長の第 2高調波成分を非線形光学素子で波長変換し加工に利用する場合には連続発振成分が基本波に混入してもよい、波長変換される第 2高調波成分の大部分は高い変換効率が得られる Qスィッチ素子の成分だけが第 2高調波成分として出力されるからである。連続波成分が波長変換されないで高調波と同軸上に放出されても波長フィルタ 32で高調波以外を削除可能である。したがって完全に連続成分を削除できる。

[0037] 非線形光学素子 31を通過することで Qスィッチ素子 6の基本波成分に対する共振器内の発振抑制能の負担が大幅に緩和できる。それは、従来から、基本波を用いる場合は Qスィッチ素子の駆動パワーを連続出力成分が出力されないように Qスィッチ素子の抑制能増大のため Qスィッチ素子駆動の RFパワーを大きくし連続発振を抑制する力、又は連続成分を出力した後に、従来技術で説明したように AOMで削除しなければならないからである。前者の場合は、 Qスィッチ駆動部 9の RF回路の最大パワーを大きくするために発熱による信頼性低下、高繰り返し RF変調素子への負荷の増大に伴う最高繰り返し率への制限、 Qスィッチトランスジユーサの消費電力増大によるトランスジユーサの回折媒体との接合部の剥離や超音波振動用トランスジユーサの割れの発生など不利な現象が多数発生することの不利な点がある。後者の場合は Qスイッチパルス成分と連続発振成分とを分離する高い回折効率を有する AOM設置のためには AOMのトランスジユーサに高い RFパワー駆動が必要となり Qスィッチ素子 6における RF駆動器に関する設計的制約が欠点として生じる。

実施例 2

[0038] 実施例 2は基本波発振にぉ、て連続出力成分が Qスィッチパルスと交互に発生する例である。図 3の構成を用いる。図 6には本実施例による動作を説明する。予め励起用半導体レーザ発振器 46の出力を発生し、レーザ媒体 5を励起しておぐその間 Q スィッチ素子 6の RFパワーを繰り返しパルスの速度で必要なエネルギーの蓄積レべルまで抑制できる程度まで低い回折能を有するまで RFパワーを低減するように (b) の RF1を比較的低いレベルに設定する。したがって、励起エネルギーの蓄積が進行するとレーザが Qスィッチ素子 6の抑制に打ち勝って連続的発振を始めて (f) QOに示すように連続的低出力 LPを出力する。次に脱励起 DPL1を (d) DPLの tl— 2の間発生して脱励起して、蓄積されたエネルギーを ASEとして放出させ上準位のエネルギーを (e) UL— Nの UL— 1で示すようにて消費する (UL— 1)。この間、励起用半導体レーザは (c) PLの tl—t2間のように発振停止力遮断する。なお、脱励起用レーザの発振指令は、実施例 1と同様、図 6 (a)に示したトリガ信号によって出される。

[0039] t2— 3の間に励起用半導体レーザから励起光を再び照射してレーザ媒体 5を励起し、必要な励起レベルエネルギーを蓄積する（UL— 2)。その後 t3で Qスィッチ素子 6の RF印加を停止して Qスィッチパルス発振を起こさせ Qスィッチパルス 33Gを放出する（UL— 3)。次は Qスィッチ素子 6に RF1パワーを印加して励起用半導体レーザ発振器 46からレーザ媒体 5を光励起し、連続発振成分 LPが発振する。この後は必要なタイミング t5— 6で脱励起レーザ照射を行い、励起用半導体レーザで所定時間 (t6— 7)励起し、次いで Qスィッチパルスを発振することの繰り返しを行う。このサイクルの中で連続的な出力が発生しても、非線形光学素子 31における変換効率はパヮ一の 2乗に比例するので、連続出力の変換効率は、 Qスィッチパルスのそれに比較して圧倒的に低いから基本波のまま非線形光学素子 31を通過し、波長フィルタ 32で分離され、ビーム吸収体 34で熱になり削除できる。したがって、加工対象物には高調波成分の Qスィッチパルスからの変換成分だけが照射され加工が行われる。

[0040] 脱励起期間 tl—t2、 t5—t6、及び t9—tlOはゼロにすることも可能である。ゼロにした場合は、脱励起用レーザは省略することが可能であるので、図 3から脱励起用レーザ発信器 41、制御信号線 40、コリメートレンズ 42、偏光ビーム重畳器 44およびレーザ装置制御部 50における脱励起用レーザ発振器制御に関する機能はなくてもよい

[0041] Qスィッチ素子 6への RFパワー印加時に発振を完全には抑制できないレベルに設定して、上準位の反転分布数を抑制した状態図 6 (g) UL'— Nを用いた場合で、特に脱励起時間 tl—t2、 t5—t6、 t9—tlOを 0にした場合の動作を図 6 (g) (h) (i)に示す。この場合、低ピーク Qスィッチを低繰り返し力ゝら高繰り返し動作まで安定に任意間隔で得ることができる特徴を有する。このとき、上準位のエネルギーは図 6 (g)で示される。図 6 (f)に相当する発振出力の時間経過は図 6 (h)のようになる。 Qスィッチの抑制能による損失に打ち勝って連続漏れ成分 LP'が発振し、 Qスィッチパルス発振指令タイミング t3、 t7、 ti l 直前まで継続し、そこで RFパワーがオフされると、 RFパヮー印加で抑制されて、た残存利得により低ピーク Qスィッチパルス (h) Q ' 0の 33G が得られる。これを非線形光学素子で高調波に波長変換することで第 2高調波の Q スィッチ出力（i) QSHGの 33G，が得られる。この方法〖こよると、漏れ発振成分 LP，の発生が出来なくなるほど高い繰り返し率までは Qスィッチパルス 33G及び第 2高調波出力 33G'を一定な出力で得られるので、パルス繰り返し率に無関係、パルス間隔に無関係な安定な高調波 Qスィッチパルスが得られる。

実施例 3

実施例 3は脱励起用レーザ発振器をつ力うことなく非線形光学素子を用いる例である。図 7に構成を示す。図 1と同様なので説明は省略するが、図 7においては、非線形光学素子 31が付加されており、また、基本波に対しては高反射率、第 2高調波に対しては高透過率の特性を有する出力鏡 7'を用いる。このようにした場合動作を図 8 に示す。（a)は励起レーザパワーを示す。ここでは連続波ではなぐ変調されたものとする。（b)はトリガ信号である。トリガ信号の間隔 tl—t2, t2—t3、t3—t4は一定でなくてもよい。トリガ信号 (この場合は上昇エッジ）が入ることにより（c)に示すように、 Qスイッチ素子 6に発振抑制信号 RF1が印加される。これによりレーザ媒体にエネルギーが蓄積されるところ、 RF1印加時間を一定とするので、トリガ信号の間隔が一定でなくても、レーザ媒体に蓄積されるエネルギーは一定ィ匕される。 RF1印加終了により、 (d )に示すように、 Qスィッチパルス 33Gが発生される力蓄積エネルギ——定なので、エネルギーが一定化された Qスィッチパルスを得ることができる。このパルスは、そのまま、あるいは非線形光学素子 31により高調波変換されて (e)に示すように Qスイツチパルス 33G'となり、加工物体 20に照射される力照射される各パルスのエネルギ一は一定に保たれる。このように、本実施例では、トリガ信号に対応して、 RFが一定時間 Qスィッチ素子 6に印加されるため、レーザ媒体 5へのエネルギー蓄積時間が一定になるので、均一な Qスィッチパルスを得ることが出来るという効果がある。また、レ一ザ結晶内の発生熱量が一定となるので、ビーム特性を一定に保つことが可能となる。 [0043] 本実施例で、励起レーザパワーの変調方法によっては、 Qスィッチパルス 33Gの間に連続波が発生する場合がある。前述したように、非線形光学素子の非線形性により、もともとパワーが弱い連続波は高調波への変換効率が非常に低いので、非線形光学素子 31から出るのは基本波成分のみである。基本波は波長フィルタ 32で分離されるため、加工物体 20には照射されない。

実施例 4

[0044] 実施例 4は、共振器に損失の有る状態で Qスィッチパルスを発生させることにより、そのエネルギーを一定にするものである。図 7と同じ構成であり、このときの動作を図 9 に示す。図 9 (a)に示すように、励起レーザパワーは連続動作させる。また、図 9 (c) に示すように Qスィッチ素子 6にはレーザ媒体にエネルギーを蓄積させるため発振抑制用の RF信号を印加する。図 9 (b)に示すように、トリガの間隔 tl t2、 t2-t3, t3 — 4、 t4— 5は任意である。このような任意のタイミングで発生するトリガに対して、トリガパルスの入力（図 9の場合は下降エッジ）により、発振抑制用 RF信号の強度に一定時間変調 DRF1、 DRF2、 DRF3等を掛けるものとする。このときその変調量は前回トリガとの間隔（例えば DRF4及び DRF5に対してはそれぞれ 3— 4及び t4 t5 に)依存させ、かつトリガの間隔が長、ほど RF信号強度の減少量を小さくするように変調する。 Qスィッチ素子 6に入力する RF信号の強度が弱くなると (d)に示すように、共振器の Q値が上昇する。これによりレーザ媒体 5内に蓄積されたエネルギーが放出され、（e)に示すように Qスィッチパルス 30Gが発生する。ただし、パルス発生時に RF信号が常にゼロになる他の実施例と異なり、 RF信号が弱いがゼロでないときは、 Q値が十分上昇しない。このため、 RF信号が弱いがゼロでないときレーザ共振器内に有る程度損失のある状態で発振する。このとき、発生される Qスィッチパルスのエネルギ一は、レーザ媒体中の蓄積エネルギーと共振器内の Q値とで決定されるので、前者が大きいときは後者を小さく制御すれば、発生パルスのエネルギーを一定にすることができる。すなわち、前回のトリガ力もの間隔が長いときは、レーザ媒体 5内の蓄積エネルギーが大きいので、 RF信号の変調度を小さくして、共振器内の Q値を小さくさせ、損失を大きくしてパルスを発生させると、一定のエネルギーを有する Qスイツチパルスを発生させることが可能になる。 [0045] 一定のエネルギーの Qスィッチパルス発生をさせるためトリガの時間間隔に応じた RF 信号の変調量を示すテーブルを作成し、図 7におけるレーザ制御装置 50に備え付けておくことにより、上記の方法を実施することが可能である。トリガパルスの間隔から、テーブル参照により必要な変調量を読み取り、レーザ制御装置 50の制御にて Qスイッチ素子 6に所定の RF変調量を与えればょ、。

[0046] なお、トリガの時間間隔に対応する Qスィッチ素子に与える RF変調量の設定値を変えることにより、本実施例に示したように一定のエネルギーとするのではなぐパルス毎に任意のエネルギーを与えるようにすることも可能である。

[0047] 本実施例では、 Qスィッチパルスのエネルギーを一定にできるほか、レーザを出力するときだけ Q値を上げるので、励起パワーを最大限に利用でき、エネルギー利用効率が高いという効果を有する。

[0048] 図 10には、第 2高調波（SHG)共振器の構成につき、図 3及び図 7に示したものとは異なる例を示す。この図においては、図 7の構成のように脱励起用レーザ発振器 41 力いものとなっているが、図 10の第 2高調波共振器の構成につき図 3のように脱励起用レーザ発振器 41がある構成にも適用可能なことは、うまでもな、。非線形光学素子 31を用いる点は図 3または図 7と共通である。さらに基本波と第 2高調波に対して全反射特性を有するエンドミラー 4'を有する。本構成では、基本波が非線形光学素子 31を往復することで変換効率が高まると!、う利点を有する。

[0049] 以上の実施例において、非線形光学素子によって基本波から変換される波長を第 2 高調波のほかに第 3高調波、第 4高調波または第 5高調波とすることが周知の波長変換技術を用いることで可能なことは明らかである。

[0050] 本発明は従来開示されている基本波波長における出力での連続発振出力と Qスイツチパルス発振の混入したレーザ発振方法と異なり、 Qスィッチパルスだけを基本波な

V、しは高調波変換された出力で発振することもでき、各 Qスィッチパルス出力をパルス繰り返し周期に無関係に均等化できる。したがって連続発振出力の除去装置は不要である構成も実現できる利点がある。また高調波に変換することで基本波に連続成分が混在していても変換効率の差異と波長フィルタ作用で Qスィッチノルスだけを用いることができる。基本波出力を用いる場合、高調波出力を用いる場合のいずれの場合でも、加工対象物を走査する場合の相対的な高速走査で Qスィッチによる短パルスだけが照射されることになるので、連続的成分による照射は起こらないから熱的な影響の発生も生じな、。高繰り返し動作域で動作する Qスィッチ駆動部の RF回路出力パワーの低減による回路の簡素化もできる。

[0051] さらにレーザ媒体に高反射鏡を通じて同軸で励起する構成を示したが、レーザ媒体の励起はこれ以外の周知の側面励起として、レーザダイオードスタツグ励起、ランプ励起などでもこの発明を変形して実施できる。

[0052] レーザ媒体を Nd添加の結晶で説明した力軸方向にコアの周囲に多数の孔を設けて中心部を導波路とした一種のレーザ活性物質を有する光導波路 (ホーリ ·ファイバ）を用いてレーザ媒体とすることでレーザ媒体内に形成される温度分布によるレーザ媒体内の温度変化による屈折率変動による影響を低減してレーザ発振モードの安定性をさらに向上できる。

[0053] 以上本発明の実施例をいくつか説明した。特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想力も逸脱することなぐこれらに変更を施すことができることは明らかである。産業上の利用可能性

[0054] 本発明の活用例として、半導体メモリのシリコンウェファの回路素子の切断、コンデンサ、抵抗、インダクタンスなどのトリミング、 LCD表示パネル修正力卩ェ、 PDP表示装置の修正加工、回路基板の機能トリミングその他半導体基板のレーザ精密加工に適用して、加工幅の微小化、加工除去物の減少などにより製品歩留まり向上により電子部品の製造コストの低減が可能になる。

Claims

請求の範囲

[1] レーザ媒体とレーザ共振器と前記レーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子と前記レーザ媒体の脱励起源と、

前記脱励起源を第一の所定時間動作させレーザ媒体力蓄積エネルギーを放出させる手段と

第二の所定時間前記 Qスィッチ素子にレーザ発振抑制信号を印加することにより前記レーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積させる手段と、

Qスィッチレーザーパルス発振出力を得るため前記 Qスィッチ素子へのレーザ発振抑制信号停止手段とを備えたレーザパルス発生装置。

[2] Qスィッチレーザパルスの光路に非線形光学素子を備えた、請求項 1のレーザパルス発生装置。

[3] 前記レーザ媒体の励起源を備え、

前記蓄積エネルギーを放出させる手段にはさらに前記励起源の励起強度を低減または励起を停止もしくは遮断する手段を備えた請求項 1のレーザパルス発生装置。

[4] 前記エネルギーを蓄積させる手段にはさらに前記レーザ発振抑制信号のレベルを十分な発振抑止能を有しないレベルに設定する手段を備えた請求項 1のレーザパルス発生装置。

[5] 前記蓄積エネルギーを放出する手段にはさらに第一の所定時間をゼロ以上に設定する手段を備えた請求項 4のレーザパルス発生装置。

[6] Qスィッチレーザパルスの光路に非線形光学素子を備えた、請求項 3、 4または 5のレ一ザパルス発生装置。

[7] レーザ媒体とレーザ共振器と前記レーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子と、

Qスィッチレーザパルス発振出力を得るため前記 Qスィッチ素子へのレーザ発振抑制信号を停止する手段とを備えたレーザパルス発生装置。

[8] Qスィッチレーザパルスの光路に非線形光学素子を備えた、請求項 7のレーザパルス発生装置。

[9] レーザ媒体とレーザ共振器と前記レーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子と、

前記レーザ媒体に変調した励起信号を与える手段と、

レーザ発振抑制信号を印カロして所定時間前記 Qスィッチ素子に印加することにより前記レーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積させる手段と、

[10] Qスィッチレーザパルスの光路に非線形光学素子を備えた、請求項 9のレーザパルス発生装置。

[11] レーザ媒体とレーザ共振器と前記レーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子と、

前記 Qスィッチ素子にレーザ発振抑制信号を印加し前記レーザ媒体にエネルギーを蓄積させる手段、

前回パルスからの発生間隔に応じた損失がある状態で Qスィッチレーザパルス発振出力を得るため前回のパルス力の発生間隔に依存してレーザ発振抑制信号を変調する手段を備えたレーザパルス発生装置。

[12] Qスィッチレーザパルスの光路に非線形光学素子を備えた、請求項 11のレーザパルス発生装置。

[13] 前記脱励起源がレーザであり、その脱励起光の波長が Nd+³イオンのレーザ発振基本波長以外の遷移をする波長 0. 9 /ζ πι、 1. 1 /ζ πι、 1. 3 mの近傍の波長の光である請求項 1ないし 12のレーザパルス発生装置。

[14] 前記レーザ媒体の励起源が半導体レーザであり、前記レーザ媒体が Nd:YAG、 Nd

： YV04、 Nd:YLFであり、前記脱励起源が半導体レーザであること特徴とする請求項 1ないし 12のレーザパルス発生装置。

[15] 前記レーザ媒体が光導波路を形成するコアの周辺に多数の孔を有するレーザ活性イオンの添加されたホーリ 'ファイバである請求項 1ないし 12のレーザパルス発生装置。

[16] レーザ発振の基本波が Nd+³イオン力もの誘導放出波長であり、前記非線形光学素子による高調波が第 2高調波、第 3高調波、第 4高調波または第 5高調波であることを特徴とする請求項 2、 6、 8、 10、または 12のレーザパルス発生装置。

[17] 請求項 1ないし 16のレーザパルス装置からのパルス出力をカ卩ェ対象物に照射するレ一ザ加工装置。

[18] 前記レーザ加工対象物が半導体基板上のリンク配線、コンデンサ、抵抗、インダクタなどの電子デバイスであることを特徴とする請求項 17記載のレーザ加工装置。

[19] 前記加工対象物が液晶表示装置、エレクトロルミネセンス表示装置、プラズマ表示装置等表示装置であることを特徴とする請求項 17項記載のレーザ加工装置。

[20] レーザ媒体とレーザ共振器とレーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子とレーザ媒体の脱励起源とを設けるステップと、

脱励起源を第一の所定時間動作させレーザ媒体力蓄積エネルギーを放出するステツプと

第二の所定時間 Qスィッチ素子にレーザ発振抑制信号を印加することによりレーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積するステップと、

Qスィッチ素子へのレーザ発振抑制信号を停止することにより Qスィッチレーザパルス発振出力を得るステップとを有するレーザパルス発生方法。

[21] Qスィッチレーザノルスを高調波に変換して出力するステップとをさらに有する、請求項 20のレーザパルス発生方法。

[22] 前記蓄積エネルギーを放出するステップにおいてはさらにレーザ媒体への励起強度を低減するまたは励起を停止もしくは遮断する、請求項 20または 21のレーザパルス発生方法。

[23] 前記レーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積するステップにお、てはレーザ発振抑制信号のレベルを十分な発振抑止能を有しないレベルとする請求項 20または 21のレーザパルス発生方法。

[24] 前記蓄積エネルギーを放出するステップにお、て第一の所定時間がゼロ以上である請求項 23のレーザパルス発生方法。

[25] レーザ媒体とレーザ共振器とレーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子とを設けるステップと、

所定時間 Qスィッチ素子に十分な発振抑止能を有しない信号レベルのレーザ発振抑制信号を印加することによりレーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積するステップと

[26] Qスィッチレーザノルスを高調波に変換して出力するステップとをさらに有する、請求項 25のレーザパルス発生方法。

[27] レーザ媒体とレーザ共振器とレーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子とを設けるステップと、

レーザ媒体に変調した励起信号を与えるステップと

Qスィッチ素子に所定時間レーザ発振抑制信号を印加することによりレーザ媒体に所定のエネルギーを蓄積するステップと、

[28] Qスィッチレーザノルスを高調波に変換して出力するステップとをさらに有する、請求項 27のレーザパルス発生方法。

[29] レーザ媒体とレーザ共振器とレーザ共振器の Q値を制御することによりレーザ発振抑制をする Qスィッチ素子を設けるステップと、

Qスィッチ素子にレーザ発振抑制信号を印力 tlしレーザ媒体にエネルギーを蓄積するステップと、

前回のパルス力の発生間隔に依存してレーザ発振抑制信号を変調することにより前回パルスからの発生間隔に応じた損失がレーザ共振器にある状態で Qスィッチレ一ザパルス発振出力を得るステップとを有するレーザパルス発生方法。

[30] Qスィッチレーザノルスを高調波に変換して出力するステップとをさらに有する、請求項 29のレーザパルス発生方法。

[31] 請求項 20なヽし 30のレーザパルス発生方法で発生したレーザパルスをカ卩ェ対象物に照射するステップを有するレーザ加工方法。

[32] レーザ加工対象物が半導体基板上のリンク配線、コンデンサ、抵抗、インダクタなどの電子デバイスであることを特徴とする請求項 31のレーザカ卩ェ方法。

[33] レーザ加工対象物が液晶表示装置、エレクトロルミネセンス表示装置、プラズマ表示装置等表示装置であることを特徴とする請求項 31のレーザ加工方法。