特開 2022-115589 レーザ加工装置及びレーザ加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022115589

(43)【公開日】2022-08-09

(54)【発明の名称】レーザ加工装置及びレーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/53 20140101AFI20220802BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20220802BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20220802BHJP

   H01L 21/301 20060101ALI20220802BHJP

【ＦＩ】

B23K26/53

B23K26/064 A

B23K26/00 P

H01L21/78 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】17

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021012241

(22)【出願日】2021-01-28

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100156395

【弁理士】

【氏名又は名称】荒井 寿王

(72)【発明者】

【氏名】荻原 孝文

(72)【発明者】

【氏名】奥間 惇治

【テーマコード（参考）】

4E168

5F063

【Ｆターム（参考）】

4E168AE01

4E168CA02

4E168CA06

4E168EA11

4E168JA12

5F063AA21

5F063DD32

(57)【要約】

【課題】レーザ光のコリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断する。
【解決手段】レーザ加工装置１は、対象物１１にレーザ光Ｌを照射することにより、対象物１１の内部に改質領域１２を形成する。レーザ加工装置１は、支持部２と、レーザ光源３と、空間光変調器５と、集光部６と、スポット観察用カメラ８と、制御部１０と、を備える。制御部１０は、空間光変調器５で変調したレーザ光Ｌのコリメート状態を監視する監視モードを実行する。監視モードでは、コリメート状態に応じてスポット観察用カメラ８の撮像結果を規則的に変化させる変調パターンである監視用パターンを、空間光変調器５の表示部５１に表示させると共に、当該空間光変調器５で変調したレーザ光Ｌについてのスポット観察用カメラ８による撮像結果に関する情報を出力する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物にレーザ光を照射することにより、前記対象物の内部に改質領域を形成するレーザ加工装置であって、
前記対象物を支持する支持部と、
前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源で出射した前記レーザ光が入射する表示部を有し、前記表示部に表示させた変調パターンに応じて前記レーザ光を変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器で変調した前記レーザ光を、前記支持部に支持された前記対象物に集光する集光部と、
前記空間光変調器で変調した前記レーザ光をレンズを介して受光する撮像部と、
前記空間光変調器で変調した前記レーザ光のコリメート状態を監視する監視モードを実行する監視モード実行部と、を備え、
前記監視モードでは、
前記コリメート状態に応じて前記撮像部の撮像結果を規則的に変化させる変調パターンである監視用パターンを、前記空間光変調器の前記表示部に表示させると共に、当該空間光変調器で変調した前記レーザ光についての前記撮像部による撮像結果に関する情報を出力する、レーザ加工装置。

【請求項2】

前記監視用パターンは、前記コリメート状態に応じて、前記撮像部で撮像された前記レーザ光のビーム形状の楕円率が変化する変調パターンである、請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記監視用パターンは、前記コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合に、前記撮像部で撮像された前記レーザ光のビーム形状が楕円形状となり、且つ、前記コリメート状態が平行な状態の場合に、前記撮像部で撮像された前記レーザ光のビーム形状が真円形状又は当該楕円形状よりも真円に近い形状となる変調パターンである、請求項２に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記監視用パターンは、前記レーザ光に非点収差を付与する変調パターンである非点収差パターンである、請求項２又は３に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記監視用パターンは、シリンドリカルレンズの作用を実現するように生成された変調パターンであるシリンドリカルレンズパターンである、請求項２又は３に記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記監視モードでは、前記撮像部の撮像結果に関する情報の出力として、前記撮像部で撮像された前記レーザ光のビーム形状の楕円率に関する情報を出力する、請求項２～５の何れか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項7】

前記楕円率に関する情報は、前記レーザ光の光軸に直交する第１方向における前記ビーム形状の幅と、前記レーザ光の光軸及び前記第１方向に直交する第２方向における前記ビーム形状の幅と、を含む、請求項６に記載のレーザ加工装置。

【請求項8】

前記監視用パターンは、前記コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれるほど前記楕円率が１から離れていくように変化する変調パターンであり、
前記監視モードでは、
前記撮像部で撮像された前記レーザ光のビーム形状の楕円率が規定範囲内か否かを判定し、
前記楕円率が前記規定範囲外と判定された場合、前記撮像部の撮像結果に関する情報の出力として、注意喚起の報知を出力する、請求項２～７の何れか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項9】

前記監視用パターンは、前記コリメート状態に応じて、前記撮像部で撮像された前記レーザ光の強度についての所定方向におけるラインプロファイルのピーク数が変化する変調パターンである、請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項10】

前記監視用パターンは、前記レーザ光を、集光点の位置が前記所定方向及び前記レーザ光の光軸方向に互いに離れた少なくとも２つの分岐レーザ光へ分岐させる変調パターンであるデフォーカスパターンである、請求項９に記載のレーザ加工装置。

【請求項11】

前記監視モード実行部は、
ユーザからの入力を受け付ける入力受付部を有しており、
前記入力受付部を介して前記監視モードを開始させる入力がユーザからなされた場合に、前記監視モードを開始する、請求項１～１０の何れか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項12】

前記監視モード実行部は、前記撮像部の撮像結果に関する情報を表示する情報表示部を有し、
前記監視モードでは、前記撮像部の撮像結果に関する情報の出力として、前記撮像部で撮像した前記レーザ光のビーム形状に関する画像を前記情報表示部に表示する、請求項１～１１の何れか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項13】

前記レーザ光の光路における前記レーザ光源と前記空間光変調器との間に配置され、前記コリメート状態を調整するコリメート状態調整部を備え、
前記監視モードでは、前記撮像部の撮像結果に応じて、前記コリメート状態が平行な状態となるように前記コリメート状態調整部を調整するためのガイドを報知する、請求項１～１２の何れか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項14】

前記撮像部は、前記レーザ光の光路における前記空間光変調器と前記集光部との間から分岐した前記レーザ光の一部を、前記レンズを介して受光する、請求項１～１３の何れか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項15】

前記撮像部は、前記対象物で反射された前記レーザ光を、前記集光部及び前記レンズを介して受光する、請求項１～１３の何れか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項16】

対象物にレーザ光を照射することにより、前記対象物の内部に改質領域を形成するレーザ加工装置であって、
前記対象物を支持する支持部と、
前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源で出射した前記レーザ光が入射する表示部を有し、前記表示部に表示させた監視用パターンに応じて前記レーザ光を変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器で変調した前記レーザ光を、前記支持部に支持された前記対象物に集光する集光部と、
前記空間光変調器で変調した前記レーザ光をレンズを介して受光する撮像部と、
前記撮像部の撮像結果に関する情報を表示する情報表示部と、を備え、
前記監視用パターンは、前記レーザ光のコリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合に、前記撮像部で撮像された前記レーザ光のビーム形状が楕円形状となり、且つ、前記コリメート状態が平行な状態の場合に、前記撮像部で撮像された前記レーザ光のビーム形状が真円形状又は当該楕円形状よりも真円に近い形状となる変調パターンであり、
前記情報表示部は、前記撮像部で撮像された前記レーザ光のビーム形状の楕円率に関する情報を表示する、レーザ加工装置。

【請求項17】

対象物にレーザ光を照射することにより、前記対象物の内部に改質領域を形成するレーザ加工方法であって、
空間光変調器で変調した前記レーザ光のコリメート状態を監視する監視ステップを備え、
前記監視ステップは、
前記コリメート状態に応じて、前記空間光変調器で変調した前記レーザ光をレンズを介して受光する撮像部の撮像結果を規則的に変化させる変調パターンである監視用パターンを、前記空間光変調器の表示部に表示する第１ステップと、
レーザ光源から前記レーザ光を出射し、出射した前記レーザ光を前記空間光変調器の前記表示部に入射させ、前記表示部に表示させた前記監視用パターンに応じて前記レーザ光を変調すると共に、変調した前記レーザ光をレンズを介して前記撮像部で受光する第２ステップと、
変調した前記レーザ光についての前記撮像部による撮像結果に関する情報を出力する第３ステップと、を有する、レーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

対象物にレーザ光を照射することにより、対象物の内部に改質領域を形成するレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザ加工装置は、対象物を支持する支持部と、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源で出射したレーザ光を変調する空間光変調器と、空間光変調器で変調したレーザ光を支持部に支持された対象物に集光する集光部と、を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－０５１０１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したようなレーザ加工装置では、例えば対象物の内部に改質領域を精度よく形成するために、空間光変調器で変調したレーザ光のコリメート状態を最適化することが重要である。この点、上述したようなレーザ加工装置では、例えばレーザ光の光路上に配置されたレンズ等の光学部材を光路に沿って動かしてみないと、当該コリメート状態が最適なものかどうか判断することは難しい。

【0005】

そこで、本発明は、レーザ光のコリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係るレーザ加工装置は、対象物にレーザ光を照射することにより、対象物の内部に改質領域を形成するレーザ加工装置であって、対象物を支持する支持部と、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源で出射したレーザ光が入射する表示部を有し、表示部に表示させた変調パターンに応じてレーザ光を変調する空間光変調器と、空間光変調器で変調したレーザ光を、支持部に支持された対象物に集光する集光部と、空間光変調器で変調したレーザ光をレンズを介して受光する撮像部と、空間光変調器で変調したレーザ光のコリメート状態を監視する監視モードを実行する監視モード実行部と、を備え、監視モードでは、コリメート状態に応じて撮像部の撮像結果を規則的に変化させる変調パターンである監視用パターンを、空間光変調器の表示部に表示させると共に、当該空間光変調器で変調したレーザ光についての撮像部の撮像結果に関する情報を出力する。

【0007】

このレーザ加工装置では、監視モードが実行されると、監視用パターンが空間光変調器の表示部に表示されてレーザ光が変調され、そのレーザ光がレンズを介して撮像部で受光され、撮像部の撮像結果に関する情報が出力される。撮像部の撮像結果は、監視用パターンによってレーザ光のコリメート状態（以下、単に「コリメート状態」ともいう）に応じて規則的に変化することから、出力された当該撮像結果に関する情報に基づくことで、レーザ光の光路上に配置されたレンズ等を動かすことなく、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。すなわち、レーザ光のコリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断することが可能となる。

【0008】

本発明に係るレーザ加工装置では、監視用パターンは、コリメート状態に応じて、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状の楕円率が変化する変調パターンであってもよい。この場合、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状の楕円率に基づくことで、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0009】

本発明に係るレーザ加工装置では、監視用パターンは、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合に、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状が楕円形状となり、且つ、コリメート状態が平行な状態の場合に、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状が真円形状又は当該楕円形状よりも真円に近い形状となる変調パターンであってもよい。この場合、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状が楕円形状であるか、真円形状又は当該楕円形状よりも真円に近い形状であるかに基づくことで、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0010】

本発明に係るレーザ加工装置では、監視用パターンは、レーザ光に非点収差を付与する変調パターンである非点収差パターンであってもよい。これにより、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合に、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状が楕円形状となり、且つ、コリメート状態が平行な状態の場合に、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状が真円形状又は当該楕円形状よりも真円に近い形状となることを、具体的に実現できる。

【0011】

本発明に係るレーザ加工装置では、監視用パターンは、シリンドリカルレンズの作用を実現するように生成された変調パターンであるシリンドリカルレンズパターンであってもよい。これにより、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合に、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状が楕円形状となり、且つ、コリメート状態が平行な状態の場合に、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状が真円形状又は当該楕円形状よりも真円に近い形状となることを、具体的に実現できる。

【0012】

本発明に係るレーザ加工装置において、監視モードでは、撮像部の撮像結果に関する情報の出力として、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状の楕円率に関する情報を出力してもよい。この場合、出力された楕円率に関する情報から、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0013】

本発明に係るレーザ加工装置では、楕円率に関する情報は、レーザ光の光軸に直交する第１方向におけるビーム形状の幅と、レーザ光の光軸及び第１方向に直交する第２方向におけるビーム形状の幅と、を含んでいてもよい。この場合、第１方向及び第２方向におけるビーム形状の幅から、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0014】

本発明に係るレーザ加工装置では、監視用パターンは、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれるほど楕円率が１から離れていくように変化する変調パターンであり、監視モードでは、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状の楕円率が規定範囲内か否かを判定し、楕円率が規定範囲外と判定された場合、撮像部の撮像結果に関する情報の出力として、注意喚起の報知を出力してもよい。これにより、例えばコリメート状態が発散側又は収束側に一定以上ずれるような装置異常が発生した場合に、ユーザへ注意喚起することができる。

【0015】

本発明に係るレーザ加工装置では、監視用パターンは、コリメート状態に応じて、撮像部で撮像されたレーザ光の強度についての所定方向におけるラインプロファイルのピーク数が変化する変調パターンであってもよい。この場合、撮像部で撮像されたレーザ光の強度についての所定方向におけるラインプロファイルのピーク数（以下、「ラインプロファイルピーク数」ともいう）に基づくことで、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0016】

本発明に係るレーザ加工装置では、監視用パターンは、レーザ光を、集光点の位置が所定方向及びレーザ光の光軸方向に互いに離れた少なくとも２つの分岐レーザ光へ分岐させる変調パターンであるデフォーカスパターンであってもよい。これにより、コリメート状態に応じてラインプロファイルピーク数が変化することを、具体的に実現できる。

【0017】

本発明に係るレーザ加工装置では、監視モード実行部は、ユーザからの入力を受け付ける入力受付部を有しており、入力受付部を介して監視モードを開始させる入力がユーザからなされた場合に、監視モードを開始してもよい。これにより、ユーザの望むタイミングで監視モードを実行することができる。

【0018】

本発明に係るレーザ加工装置では、監視モード実行部は、撮像部の撮像結果に関する情報を表示する情報表示部を有し、監視モードでは、撮像部の撮像結果に関する情報の出力として、撮像部で撮像したレーザ光のビーム形状に関する画像を情報表示部に表示してもよい。これにより、情報表示部に表示したビーム形状に関する画像から、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0019】

本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光の光路におけるレーザ光源と空間光変調器との間に配置され、コリメート状態を調整するコリメート状態調整部を備え、監視モードでは、撮像部の撮像結果に応じて、コリメート状態が平行な状態となるようにコリメート状態調整部を調整するためのガイドを報知してもよい。これにより、容易にコリメート状態を平行な状態へ調整することができる。

【0020】

本発明に係るレーザ加工装置では、撮像部は、レーザ光の光路における空間光変調器と集光部との間から分岐したレーザ光の一部を、レンズを介して受光してもよい。この場合、空間光変調器と集光部との間から分岐したレーザ光の一部を、監視モードに利用することができる。

【0021】

本発明に係るレーザ加工装置では、撮像部は、対象物で反射されたレーザ光を、集光部及びレンズを介して受光してもよい。この場合、対象物で反射されたレーザ光を、監視モードに利用することができる。

【0022】

本発明に係るレーザ加工装置は、対象物にレーザ光を照射することにより、対象物の内部に改質領域を形成するレーザ加工装置であって、対象物を支持する支持部と、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源で出射したレーザ光が入射する表示部を有し、表示部に表示させた監視用パターンに応じてレーザ光を変調する空間光変調器と、空間光変調器で変調したレーザ光を、支持部に支持された対象物に集光する集光部と、空間光変調器で変調したレーザ光をレンズを介して受光する撮像部と、撮像部の撮像結果に関する情報を表示する情報表示部と、を備え、監視用パターンは、レーザ光のコリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合に、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状が楕円形状となり、且つ、コリメート状態が平行な状態の場合に、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状が真円形状又は当該楕円形状よりも真円に近い形状となる変調パターンであり、情報表示部は、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状の楕円率に関する情報を表示する。

【0023】

このレーザ加工装置では、監視モードが実行されると、監視用パターンが空間光変調器の表示部に表示されてレーザ光が変調され、そのレーザ光がレンズを介して撮像部で受光され、撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状の楕円率に関する情報が情報表示部に表示される。撮像部で撮像されたレーザ光のビーム形状の楕円率は、監視用パターンによってコリメート状態に応じて規則的に変化することから、表示された当該楕円率に関する情報に基づくことで、レーザ光の光路上に配置されたレンズ等を動かすことなく、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。すなわち、レーザ光のコリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断することが可能となる。

【0024】

本発明に係るレーザ加工方法は、対象物にレーザ光を照射することにより、対象物の内部に改質領域を形成するレーザ加工方法であって、空間光変調器で変調したレーザ光のコリメート状態を監視する監視ステップを備え、監視ステップは、コリメート状態に応じて、空間光変調器で変調したレーザ光をレンズを介して受光する撮像部の撮像結果を規則的に変化させる変調パターンである監視用パターンを、空間光変調器の表示部に表示する第１ステップと、レーザ光源からレーザ光を出射し、出射したレーザ光を空間光変調器の表示部に入射させ、表示部に表示させた監視用パターンに応じてレーザ光を変調すると共に、変調したレーザ光をレンズを介して撮像部で受光する第２ステップと、変調したレーザ光についての撮像部による撮像結果に関する情報を出力する第３ステップと、を有する。

【0025】

このレーザ加工方法では、監視ステップにおいて、監視用パターンが空間光変調器の表示部に表示されてレーザ光が変調され、そのレーザ光がレンズを介して撮像部で受光され、撮像部の撮像結果に関する情報が出力される。撮像部の撮像結果は、監視用パターンによってコリメート状態に応じて規則的に変化することから、出力された当該撮像結果に関する情報に基づくことで、レーザ光の光路上に配置されたレンズ等を動かすことなく、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。すなわち、レーザ光のコリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断することが可能となる。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、レーザ光のコリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１は、実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。

【図2】図２は、図１のビームエキスパンダを示す構成図である。

【図3】図３は、非点収差パターンの例を示す図である。

【図4】図４は、図１のＧＵＩの表示画面の例を示す図である。

【図5】図５は、実施形態に係るレーザ加工方法を示すフローチャートである。

【図6】図６は、コリメート状態と撮像結果情報との関係を説明する図である。

【図7】図７は、変形例に係るレーザ加工装置を示す構成図である。

【図8】図８は、変形例に係るレーザ加工方法を示すフローチャートである。

【図9】図９は、コリメート状態と撮像結果情報との関係を説明する図である。

【図10】図１０は、デフォーカスパターンにより分岐された分岐レーザ光の集光点を説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

【0029】

図１に示されるように、レーザ加工装置１は、支持部２と、レーザ光源３と、ビームエキスパンダ４と、空間光変調器５と、集光部６と、プロファイル取得用カメラ７と、スポット観察用カメラ８と、観察カメラ９と、制御部１０と、を備える。レーザ加工装置１は、対象物１１にレーザ光Ｌを照射することで対象物１１に改質領域１２を形成する装置である。以下の説明では、互いに直交する３方向を、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向という。本実施形態では、Ｘ方向は第１水平方向であり、Ｙ方向は第１水平方向に垂直な第２水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。

【0030】

対象物１１は、円板状に形成されたウェハである。対象物１１は、半導体基板上に機能素子層が積層されることで構成されている。半導体基板は、例えば、シリコン基板である。機能素子層は、半導体基板上にマトリックス状に配列された複数の機能素子を含む。各機能素子は、例えば、フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、メモリ等の回路素子等である。対象物１１には、ライン１５が設定されている。ライン１５は、改質領域１２の形成を予定するラインである。例えばライン１５は、対象物１１の厚さ方向から見た場合に複数の機能素子のそれぞれの間を通るように格子状に延在する格子ラインを含んでいてもよい。各ライン１５は、レーザ加工装置１によって対象物１１に設定された仮想的なラインである。なお、各ライン１５は、対象物１１に実際に引かれたラインであってもよい。

【0031】

支持部２は、例えば対象物１１に貼り付けられたフィルム（図示省略）を吸着することで、対象物１１のレーザ光入射面としての表面１１ａがＺ方向と直交するように対象物１１を支持する。支持部２は、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの方向に沿って移動可能である。支持部２は、Ｚ方向に沿った回転軸を中心に回転可能である。レーザ光源３は、例えばパルス発振方式によって、レーザ光Ｌを出射する。レーザ光Ｌは、対象物１１に対して透過性を有している。レーザ光源３で出射されたレーザ光Ｌは、ビームエキスパンダ４に入射する。

【0032】

ビームエキスパンダ４は、レーザ光Ｌの径を調整しつつ、レーザ光Ｌをコリメート（平行化）する。図２に示されるように、ビームエキスパンダ４は、レーザ光Ｌの光軸に沿って配置された複数のレンズ４１～４３を有する。ビームエキスパンダ４は、複数のレンズ４１～４３の少なくとも何れかがレーザ光Ｌの光軸に沿って移動可能に構成されている。図示する例では、レンズ４１がレーザ光Ｌの光軸に沿って移動可能である。ビームエキスパンダ４は、レンズ４１を光軸方向に沿って移動させることで、レーザ光Ｌのコリメート状態を調整する。ビームエキスパンダ４は、コリメート状態調整部を構成する。ビームエキスパンダ４を通過したレーザ光Ｌは、ミラーＭ１，Ｍ２を介して空間光変調器５に入射する。レーザ光Ｌのコリメート状態は、レーザ光Ｌが拡散する状態、レーザ光が収束する状態、及び、レーザ光Ｌが拡散及び収束していない平行な状態を含む。コリメート状態が平行な状態のレーザ光Ｌは、コリメート光とも称される。

【0033】

図１に戻り、空間光変調器５は、レーザ加工ヘッドＨ内に配置されている。空間光変調器５は、レーザ光源３から出射されたレーザ光Ｌを変調する。空間光変調器５は、反射型液晶（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）である。空間光変調器５は、レーザ光Ｌが入射する液晶層としての表示部５１を有し、表示部５１に表示させた変調パターンに応じてレーザ光Ｌを変調する。空間光変調器５は、レーザ光Ｌを反射しつつ変調する。

【0034】

空間光変調器５は、表示部５１の画素ごとにレーザ光Ｌの位相を変化させることができる。つまり、表示部５１に表示させた変調パターンに応じた位相変調を、レーザ光Ｌに付与することができる。換言すると、変調を付与するホログラムパターンとしての変調パターンを、空間光変調器５の表示部５１に表示させる。変調パターンに入射し透過するレーザ光Ｌは、その波面が調整され、レーザ光Ｌを構成する各光線において進行方向に直交する方向の成分の位相にずれが生じる。したがって、空間光変調器５に表示させる変調パターンを適宜設定することにより、レーザ光Ｌが変調（例えば、レーザ光Ｌの強度、振幅、位相、偏光等が変調）可能となる。

【0035】

空間光変調器５は、制御部１０により表示部５１の表示が制御される。空間光変調器５は、後述するように、監視モード（監視ステップ）において監視用パターンを変調パターンとして表示部５１に表示させることで、レーザ光Ｌのコリメート状態に応じてスポット観察用カメラ８の撮像結果を規則的に変化させる。

【0036】

集光部６は、空間光変調器５によって変調されたレーザ光Ｌを、支持部２に支持された対象物１１に集光する。本実施形態では、空間光変調器５によって反射されたレーザ光ＬがダイクロイックミラーＭ３によってＺ方向に沿って下方へ反射され、集光部６に入射する。集光部６は、そのように入射したレーザ光Ｌを対象物１１に集光する。集光部６は、複数の対物レンズを含むレンズユニットがレーザ加工ヘッドＨの底壁に取り付けられることで構成されている。

【0037】

プロファイル取得用カメラ７は、ダイクロイックミラーＭ３を透過し且つダイクロイックミラーＭ４で反射したレーザ光Ｌを受光する。換言すると、プロファイル取得用カメラ７は、レーザ光Ｌの光路における空間光変調器５と集光部６との間から分岐したレーザ光の一部を受光する。プロファイル取得用カメラ７では、その撮像面に集光部６の入射瞳面でのレーザ光Ｌの像が転像（結像）される。集光部６の入射瞳面でのレーザ光Ｌの像は、空間光変調器５で変調されたレーザ光Ｌの像である。したがって、プロファイル取得用カメラ７による撮像結果を監視することで、空間光変調器５の動作状態を把握することができる。

【0038】

プロファイル取得用カメラ７は、レーザ加工ヘッドＨ内に配置されている。プロファイル取得用カメラ７は、制御部１０に接続されている。プロファイル取得用カメラ７は、撮像した画像を制御部１０に出力する。プロファイル取得用カメラ７としては、特に限定されず、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが用いられる。

【0039】

スポット観察用カメラ８は、ダイクロイックミラーＭ４を透過し且つミラーＭ５で反射したレーザ光Ｌを、レンズ８１を介して受光する。換言すると、スポット観察用カメラ８は、レーザ光Ｌの光路における空間光変調器５と集光部６との間から分岐したレーザ光Ｌの一部を、レンズ８１により集光させて受光する。つまり、スポット観察用カメラ８は、空間光変調器５で変調されたレーザ光Ｌの集光像を撮像可能である。集光像は、レンズ８１で集光したレーザ光Ｌの像（スポット像）である。スポット観察用カメラ８は、空間光変調器５で変調されたレーザ光Ｌの集光点を撮像可能である。

【0040】

レンズ８１は、入射したレーザ光Ｌをスポット観察用カメラ８の撮像面上に集光する。レーザ光Ｌの光軸方向においてレンズ８１とスポット観察用カメラ８の撮像面との間の距離は、レンズ８１の焦点距離ｆに予め調整されている。スポット観察用カメラ８は、例えばレンズ８１の設計値（ｆ値）に基づいて、コリメート光としてのレーザ光Ｌがレンズ８１に入射したときに当該レーザ光Ｌの集光点が最も絞れる位置に固定されている。

【0041】

スポット観察用カメラ８は、レーザ加工ヘッドＨ内に配置されている。スポット観察用カメラ８は、制御部１０に接続されている。スポット観察用カメラ８は、撮像した画像を制御部１０に出力する。スポット観察用カメラ８としては、特に限定されず、例えばＣＭＯＳイメージセンサが用いられる。

【0042】

観察カメラ９は、可視光源９１から出射した可視光Ｖによる対象物１１の像を撮像する。具体的には、可視光源９１から出射した可視光Ｖは、ダイクロイックミラーＭ６で反射され、ダイクロイックミラーＭ３を透過した後、集光部６を介して対象物１１に照射される。当該可視光Ｖは、対象物１１のレーザ光入射面である表面１１ａで反射され、集光部６及びダイクロイックミラーＭ３，Ｍ６を透過し、レンズ９２を介して観察カメラ９で受光される。可視光Ｖの光路上には、可視光Ｖに目盛り線を付与するレチクル（不図示）が設けられている。

【0043】

観察カメラ９は、レーザ加工ヘッドＨ内に配置されている。観察カメラ９は、制御部１０に接続されている。観察カメラ９は、撮像した可視画像を制御部１０に出力する。観察カメラ９としては、特に限定されず、例えばＣＭＯＳイメージセンサが用いられる。

【0044】

制御部１０は、レーザ加工装置１の各部の動作を制御する。制御部１０は、プロセッサ、メモリ、ストレージ及び通信デバイス等を含むコンピュータ装置として構成されている。制御部１０では、プロセッサが、メモリ等に読み込まれたソフトウェア（プログラム）を実行し、メモリ及びストレージにおけるデータの読み出し及び書き込み、並びに、通信デバイスによる通信を制御する。制御部１０には、各種データを記憶される。制御部１０は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）２０を有する。

【0045】

ＧＵＩ２０は、インターフェース部である。ＧＵＩ２０は、例えばタッチパネル、キーボード、マウス、マイク、スピーカ、タブレット型端末及びモニタ等の少なくとも何れかを含む。ＧＵＩ２０は、例えばタッチ入力、キーボード入力、マウス操作及び音声入力等の少なくとも何れかにより、ユーザからの各種データの入力を受付け可能である。ＧＵＩ２０は、その表示画面上に各種の情報を表示可能である。ＧＵＩ２０は、スポット観察用カメラ８の撮像結果に関する情報を、表示画面に表示する。ＧＵＩ２０は、入力受付部及び情報表示部を構成する。

【0046】

本実施形態において、制御部１０は、空間光変調器５で変調したレーザ光Ｌのコリメート状態（以下、単に「コリメート状態」ともいう）を監視する監視モードを実行する。制御部１０は、ＧＵＩ２０を介して監視モードを開始させる入力がユーザからなされた場合に、監視モードを開始する。制御部１０は、監視モード実行部を構成する。

【0047】

監視モードでは、空間光変調器５の表示部５１に監視用パターンを表示させる。監視用パターンは、コリメート状態に応じてスポット観察用カメラ８の撮像結果を規則的に変化させる変調パターンである。監視用パターンは、コリメート状態によってスポット観察用カメラ８で撮像された画像上の強度分布が変化して、コリメート状態を反映した数値化が可能な位相分布を有する。

【0048】

監視用パターンは、コリメート状態に応じて、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状（集光像の形状）の楕円率が変化する変調パターンである。監視用パターンは、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合に、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状が楕円形状となり、且つ、コリメート状態が平行な状態の場合に、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状が真円形状となる変調パターンである。楕円形状は、完全な楕円の形状だけでなく、扁平円形状、トラック形状、長円形状を含み、要は、長手方向（長軸方向）を有する長尺な形状を含む。真円形状は、完全な真円の形状だけでなく、ほぼ真円の形状を含む。

【0049】

ここでは、監視用パターンとして、図３に示される非点収差パターンＨＳを表示部５１に表示させている。非点収差パターンＨＳは、レーザ光Ｌに非点収差を付与する変調パターンである。非点収差パターンＨＳは、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれるほど、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状の楕円率が１から離れていくように変化する変調パターンである。なお、監視用パターンは、例えばレーザ光Ｌの波長等に基づいて予め導出され、制御部１０に記憶されていてもよい。監視用パターンは、レーザ加工装置１に生じる個体差を補正するための個体差補正パターン等の補正パターンを含んでいてもよい。

【0050】

監視モードでは、空間光変調器５で変調したレーザ光Ｌについてのスポット観察用カメラ８の撮像結果に関する撮像結果情報を出力する。監視モードでは、撮像結果情報の出力として、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌの集光点におけるビーム形状の楕円率に関する情報を、ＧＵＩ２０に表示する。楕円率に関する情報は、楕円率と、第一軸方向のスポット幅と、第二軸方向のスポット幅と、を含む。

【0051】

第一軸方向のスポット幅は、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌの集光点におけるビーム形状についての、レーザ光Ｌの光軸に直交する第一軸方向（第１方向）の幅である。第二軸方向のスポット幅は、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌの集光点におけるビーム形状についての、レーザ光Ｌの光軸及び第一軸方向に直交する第二軸方向（第２方向）の幅である。スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌの集光点におけるビーム形状の楕円率（以下、単に「楕円率」ともいう）は、第一軸方向のスポット幅を第二軸方向のスポット幅で除算した値である。楕円率に関する情報は、特に限定されず、楕円率に関すれば他の情報を含んでいてもよい。

【0052】

監視モードでは、撮像結果情報の出力として、スポット観察用カメラ８で撮像したレーザ光Ｌの集光点におけるビーム形状に関する画像（以下、「集光像画像」ともいう）を、ＧＵＩ２０に表示する。集光像画像は、レーザ光Ｌの集光像の形状を含む。集光像画像は、レーザ光Ｌの集光像における強度分布を含んでいてもよい。

【0053】

監視モードでは、楕円率が規定範囲内か否かを判定する。規定範囲は、予め定められて制御部１０に記憶されている。例えば規定範囲は、１．０±０．３の範囲である。監視モードでは、撮像結果情報の出力として、楕円率が規定範囲内か否かの判定結果をＧＵＩ２０に表示する。監視モードでは、楕円率が規定範囲外と判定された場合、ＧＵＩ２０からアラームを出力すると共に、警告をＧＵＩ２０に表示して注意喚起を報知する。
報知は限定されない。

【0054】

監視モードでは、スポット観察用カメラ８の撮像結果に応じて、コリメート状態が平行な状態（最適な状態）となるようにビームエキスパンダ４を調整するための調整ガイドを、ＧＵＩ２０に表示して報知する。報知する調整ガイドは、例えば、ビームエキスパンダ４のレンズ４１の移動方向（レーザ光Ｌの光路における上流側方向か下流側方向か）、及び、その移動量を含む。レンズ４１の移動方向及び移動量に関する情報は、レーザ光Ｌの集光点におけるビーム形状の楕円率と関連付けられて制御部１０に予め記憶されていてもよい。

【0055】

図４は、ＧＵＩ２０の表示画面の例を示す図である。図４に示されるように、ＧＵＩ２０の表示画面には、監視モードを開始させる実行ボタンＲ１が表示されている。実行ボタンＲ１をタッチすることで監視モードの実行が開始される。ＧＵＩ２０の表示画面には、撮像結果情報として、集光像１６を含む集光像画像Ｒ２、第一軸方向のスポット幅Ｒ３、第二軸方向のスポット幅Ｒ４、楕円率Ｒ５、及び、楕円率が規定範囲内か否かの判定結果Ｒ６が表示されている。また、ＧＵＩ２０の表示画面には、コリメート状態を平行な状態にする調整ガイドＲ７が表示されている。なお、集光像画像Ｒ２の左右方向が第一軸方向に対応し、集光像画像Ｒ２の上下方向が第二軸方向に対応する。楕円率が規定範囲外の場合には、判定結果Ｒ６に警告が表示される。

【0056】

上述したようなレーザ加工装置１は、対象物１１にレーザ光Ｌを照射することにより、対象物１１の内部に改質領域１２を形成するレーザ加工方法を実施する。一例として、対象物１１を切断するためのライン１５に沿って、対象物１１の内部に改質領域１２を形成する場合におけるレーザ加工装置１の動作を説明する。

【0057】

まず、レーザ加工装置１は、対象物１１に設定されたライン１５がＸ方向に平行となるように支持部２を回転させる。レーザ加工装置１は、観察カメラ９によって撮像された可視画像（例えば、対象物１１のレーザ光入射面の像）に基づいて、レーザ光Ｌの集光点がレーザ光入射面上に位置するように、Ｚ方向に沿ってレーザ加工ヘッドＨ（すなわち、集光部６）を移動させる（ハイトセット）。レーザ加工装置１は、その位置を基準として、レーザ光Ｌの集光点がレーザ光入射面から所定深さに位置するように、Ｚ方向に沿ってレーザ加工ヘッドＨを移動させる。

【0058】

続いて、レーザ加工装置１は、レーザ光源３からレーザ光Ｌを出射させると共に、レーザ光Ｌの集光点がライン１５に沿って相対的に移動するように、Ｘ方向に沿って支持部２を移動させる。これにより、ライン１５に沿って且つ対象物１１のレーザ光入射面から一定深さに、改質領域１２が形成される。パルス発振方式によってレーザ光源３からレーザ光Ｌが出射されると、複数の改質スポット１２ｓがＸ方向に沿って並ぶように形成される。１つの改質スポット１２ｓは、１パルスのレーザ光Ｌの照射によって形成される。改質領域１２は、複数の改質スポット１２ｓの集合である。隣り合う改質スポット１２ｓは、レーザ光Ｌのパルスピッチ（対象物１１に対する集光点の相対的な移動速度をレーザ光Ｌの繰り返し周波数で除した値）によって、互いに繋がる場合も、互いに離れる場合もある。

【0059】

次に、実施形態に係るレーザ加工方法に関して、図４のＧＵＩ２０の表示画面及び図５のフローチャートを参照しつつ説明する。

【0060】

例えばレーザ加工装置１において、空間光変調器５で変調したレーザ光Ｌのコリメート状態が最適化されているか否かを監視する場合、ＧＵＩ２０の表示画面上の実行ボタンＲ１をタッチし、次の監視モード（監視ステップ）を実行する。

【0061】

すなわち、監視用パターンとして、非点収差パターンＨＳ（図３参照）を空間光変調器５の表示部５１に表示させる（ステップＳ１）。続いて、レーザ光Ｌを照射する（ステップＳ２）。上記ステップＳ２では、レーザ光源３からレーザ光Ｌを出射し、レーザ光Ｌを空間光変調器５の表示部５１に入射させ、表示部５１に表示させた非点収差パターンＨＳに応じてレーザ光Ｌを変調する。変調したレーザ光Ｌを集光部６により対象物１１に集光する。

【0062】

続いて、変調したレーザ光Ｌをレンズ８１を介してスポット観察用カメラ８で受光し、レーザ光Ｌの集光点を撮像する（ステップＳ３）。続いて、制御部１０により、スポット観察用カメラ８で撮像した撮像結果に基づいて、レーザ光Ｌの集光点におけるビーム形状の第一軸方向のスポット幅と第二軸方向のスポット幅とを取得し、当該ビーム形状の楕円率を取得する（ステップＳ４）。上記ステップＳ４における楕円率の取得は、例えばスポット観察用カメラ８で撮像した集光像画像Ｒ２から公知の画像解析手法を用いて実施することができる。

【0063】

続いて、制御部１０により、取得した楕円率が規定範囲内か否かを判定する（ステップＳ５）。上記ステップＳ５でＹｅｓの場合、コリメート状態が平行な状態であって最適化されているとして、制御部１０により、コリメート状態を合格と判定すると共に、ＧＵＩ２０の表示画面にスポット観察用カメラ８の撮像結果を表示する（ステップＳ６）。上記ステップＳ６では、集光像画像Ｒ２、第一軸方向のスポット幅Ｒ３、第二軸方向のスポット幅Ｒ４、楕円率Ｒ５、及び、合格の判定結果Ｒ６をＧＵＩ２０に表示する。なお、上記ステップＳ６では、ＧＵＩ２０には調整ガイドＲ７は表示されない。上記ステップＳ６の後、監視モードを終了する。

【0064】

一方、ステップＳ５でＮｏの場合、楕円率が規定範囲外であり、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた状態であって最適化されていないとして、制御部１０により、コリメート状態を不合格と判定すると共に、ＧＵＩ２０の表示画面にスポット観察用カメラ８の撮像結果及び警告を表示する（ステップＳ７）。上記ステップＳ７では、集光像画像Ｒ２、第一軸方向のスポット幅Ｒ３、第二軸方向のスポット幅Ｒ４、楕円率Ｒ５、及び、警告を含む不合格の判定結果Ｒ６をＧＵＩ２０に表示する。また、上記ステップＳ７では、ＧＵＩ２０に、コリメート状態を平行な状態にするための調整ガイドＲ７を表示する。上記ステップＳ７の後、監視モードを終了する。

【0065】

上記ステップＳ７の後、ユーザは、例えばＧＵＩ２０の調整ガイドＲ７に従ってビームエキスパンダ４のレンズ４１を移動させて、コリメート状態の再調整を実施する（ステップＳ８）。そして、ＧＵＩ２０の表示画面上の実行ボタンＲ１を再びタッチし、上述した監視モードを再び実行する。なお、上記ステップＳ１は、第１ステップを構成する。上記ステップＳ２，Ｓ３は、第２ステップを構成する。上記ステップＳ４～Ｓ７は、第３ステップを構成する。

【0066】

以上、レーザ加工装置１では、監視モードが実行されると、監視用パターンが空間光変調器５の表示部５１に表示されてレーザ光Ｌが変調され、そのレーザ光Ｌがレンズ８１を介してスポット観察用カメラ８で受光され、スポット観察用カメラ８の撮像結果情報が出力される。スポット観察用カメラ８の撮像結果は、監視用パターンによってコリメート状態に応じて規則的に変化することから、当該撮像結果情報に基づくことで、レーザ光Ｌの光路上に配置されたレンズ４１等を動かすことなく、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。すなわち、レーザ光Ｌのコリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断することが可能となる。また、絶対数値管理による監視が可能となる。コリメート状態の判断にあたり、原理的に、集光像画像Ｒ２の輝度値に依存しなくなる。

【0067】

レーザ加工装置１では、監視用パターンは、コリメート状態に応じて、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状の楕円率が変化する変調パターンである。この場合、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状の楕円率に基づくことで、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0068】

レーザ加工装置１では、監視用パターンは、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合に、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状が楕円形状となり、且つ、コリメート状態が平行な状態の場合に、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状が真円形状となる変調パターンである。この場合、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状が楕円形状であるか真円形状であるかに基づくことで、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0069】

レーザ加工装置１では、監視用パターンは、レーザ光Ｌに非点収差を付与する変調パターンである非点収差パターンである。これにより、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合にスポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状が楕円形状となり、且つ、コリメート状態が平行な状態の場合にスポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状が真円形状となることを、具体的に実現できる。

【0070】

レーザ加工装置１において、監視モードでは、スポット観察用カメラ８の撮像結果に関する情報の出力として、楕円率に関する情報を出力する。この場合、出力された楕円率に関する情報から、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0071】

レーザ加工装置１では、楕円率に関する情報は、第一軸方向のスポット幅と第二軸方向のスポット幅とを含む。この場合、第一軸方向及び第二軸方向におけるスポット幅から、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0072】

レーザ加工装置１では、監視用パターンは、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれるほど、楕円率が１から離れていくように変化する変調パターンである。監視モードでは、楕円率が規定範囲内か否かを判定し、楕円率が規定範囲外と判定された場合、スポット観察用カメラ８の撮像結果に関する情報の出力として、注意喚起の報知を出力する。これにより、例えばコリメート状態が発散側又は収束側に一定以上ずれるような装置異常が発生した場合に、ユーザへ注意喚起することができる。なお、楕円率１が狙い値となる場合には、スペック化しやすい利点がある。

【0073】

レーザ加工装置１では、ＧＵＩ２０によりユーザからの入力を受付け可能であり、ＧＵＩ２０を介して監視モードを開始させる入力がユーザからなされた場合に、監視モードを開始する。これにより、ユーザの望むタイミングで監視モードを実行することができる。

【0074】

レーザ加工装置１では、スポット観察用カメラ８の撮像結果に関する情報をＧＵＩ２０に表示可能である。監視モードでは、スポット観察用カメラ８の撮像結果に関する情報の出力として、スポット観察用カメラ８で撮像したレーザ光Ｌのビーム形状に関する画像である集光像画像Ｒ２をＧＵＩ２０に表示する。これにより、ＧＵＩ２０に表示した集光像画像Ｒ２から、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。

【0075】

レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌの光路におけるレーザ光源３と空間光変調器５との間に配置されたビームエキスパンダ４を備える。監視モードでは、スポット観察用カメラ８の撮像結果に応じて、コリメート状態が平行な状態となるようにビームエキスパンダ４を調整するためのガイドである調整ガイドＲ７を、ＧＵＩ２０に表示して報知する。これにより、容易にコリメート状態を平行な状態へ調整することができる。

【0076】

レーザ加工装置１では、スポット観察用カメラ８は、レーザ光Ｌの光路における空間光変調器５と集光部６との間から分岐したレーザ光Ｌの一部を、レンズ８１を介して受光する。この場合、空間光変調器５と集光部６との間から分岐したレーザ光Ｌの一部を、監視モードに利用することができる。

【0077】

レーザ加工方法では、監視ステップにおいて、監視用パターンが空間光変調器５の表示部５１に表示されてレーザ光Ｌが変調され、そのレーザ光Ｌがレンズ８１を介してスポット観察用カメラ８で受光され、スポット観察用カメラ８の撮像結果情報が出力される。スポット観察用カメラ８の撮像結果は、監視用パターンによってコリメート状態に応じて規則的に変化することから、当該撮像結果情報に基づくことで、レーザ光Ｌの光路上に配置されたレンズ４１等を動かすことなく、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。すなわち、レーザ光Ｌのコリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断することが可能となる。

【0078】

図６は、コリメート状態と撮像結果情報との関係を説明する図である。図６の撮像結果情報は、監視用パターンとして非点収差パターンＨＳを用いた場合の情報である。図中のケース１は、コリメート状態が発散及び収束の何れか一方の状態であって、レンズ８１により集光したレーザ光Ｌの集光点の位置が、スポット観察用カメラ８の撮像面よりも－側（レーザ光Ｌの光路の上流側）にずれている場合の事例である。図中のケース２は、コリメート状態が平行な状態であって、レンズ８１により集光したレーザ光Ｌの集光点の位置がスポット観察用カメラ８の撮像面に合っている場合の事例である。図中のケース３は、コリメート状態が発散及び収束の何れか他方の状態であって、レンズ８１により集光したレーザ光Ｌの集光点の位置が、スポット観察用カメラ８の撮像面よりも＋側（レーザ光Ｌの光路の下流側）にずれている場合の事例である。

【0079】

図６に示されるように、ケース１では、第一軸方向のスポット幅が第二軸方向のスポット幅よりも小さく、楕円率が１．０よりも一定以上小さくなり、集光像画像Ｒ２におけるビーム形状は、第二軸方向に長尺の楕円形状である。ケース３では、第一軸方向のスポット幅が第二軸方向のスポット幅よりも大きく、楕円率が１．０よりも一定以上大きくなり、集光像画像Ｒ２におけるビーム形状は、第一軸方向に長尺の楕円形状である。これに対して、ケース２では、第一軸方向のスポット幅と第二軸方向のスポット幅とが同程度であり、楕円率が１．０に近くなり、集光像画像Ｒ２におけるビーム形状は、ケース１及びケース２に比べて真円形状に近い。したがって、非点収差パターンＨＳを用いて変調したレーザ光Ｌの集光像をスポット観察用カメラ８で撮像し、その撮像結果情報に基づくことで、コリメート状態がどのような状態であるか、ひいては、コリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断可能であることがわかる。

【0080】

［変形例］
以上、本発明の一態様は、上述した実施形態に限定されない。

【0081】

上記実施形態では、レーザ光Ｌをレンズを介して受光する撮像部として、観察カメラ９を用いてもよい。この場合、例えば図７に示されるように、観察カメラ９は、対象物１１のレーザ光入射面である表面１１ａで反射し且つ集光部６、ダイクロイックミラーＭ３，Ｍ６を透過したレーザ光Ｌを、レンズ９２を介して受光する。つまり、観察カメラ９は、空間光変調器５で変調されたレーザ光Ｌの集光像を撮像可能である。レンズ９２は、入射したレーザ光Ｌを観察カメラ９の撮像面上に集光する。レーザ光Ｌの光軸方向においてレンズ９２と観察カメラ９の撮像面との間の距離は、レンズ９２の焦点距離ｆに予め調整されている。

【0082】

このような変形例において、空間光変調器５で変調したレーザ光Ｌのコリメート状態が最適化されているか否かを監視する場合、図８に示されるように、まず、対象物１１を支持部２に載置する（ステップＳ１１）。ここでの対象物１１は、サンプルとしての対象物１１Ｔ（テスト用の対象物１１Ｔ）を用いることができる。続いて、ＧＵＩ２０の表示画面上の実行ボタンＲ１をタッチし、次の監視モード（監視ステップ）を実行する。

【0083】

すなわち、制御部１０により、可視光源９１から可視光Ｖを出射させ、それに応じて観察カメラ９によって撮像された可視画像上のレチクルのピントが合う位置へ、Ｚ方向に沿ってレーザ加工ヘッドＨ（すなわち、集光部６）を移動させる（ステップＳ１２）。監視用パターンとして、非点収差パターンＨＳ（図３参照）を空間光変調器５の表示部５１に表示させる（ステップＳ１３）。

【0084】

続いて、対象物１１にレーザ光Ｌを照射する（ステップＳ１４）。上記ステップＳ１４では、レーザ光源３からレーザ光Ｌを出射し、レーザ光Ｌを空間光変調器５の表示部５１に入射させ、表示部５１に表示させた非点収差パターンＨＳに応じてレーザ光Ｌを変調する。変調したレーザ光Ｌを集光部６により対象物１１に集光する。上記ステップＳ１４では、対象物１１が加工されない出力（つまり、改質領域１２が形成されない（加工閾値よりも小さい）出力）でレーザ光Ｌを対象物１１に照射する。続いて、対象物１１で反射したレーザ光Ｌの反射光を集光部６及びレンズ９２を介して観察カメラ９で受光し、レーザ光Ｌの集光点を撮像する（ステップＳ１５）。

【0085】

続いて、制御部１０により、観察カメラ９で撮像した撮像結果に基づいて、レーザ光Ｌの集光点におけるビーム形状の第一軸方向のスポット幅と第二軸方向のスポット幅とを取得し、当該ビーム形状の楕円率を取得する（ステップＳ１６）。制御部１０により、取得した楕円率が規定範囲内か否かを判定する（ステップＳ１７）。上記ステップＳ１７でＹｅｓの場合、コリメート状態が平行な状態であって最適化されているとして、制御部１０により、コリメート状態を合格と判定すると共に、ＧＵＩ２０の表示画面に観察カメラ９の撮像結果を表示する（ステップＳ１８）。上記ステップＳ１８の後、監視モードを終了する。一方、ステップＳ１７でＮｏの場合、楕円率が規定範囲外であり、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた状態であって最適化されていないとして、制御部１０により、コリメート状態を不合格と判定すると共に、ＧＵＩ２０の表示画面に観察カメラ９の撮像結果及び警告を表示する（ステップＳ１９）。上記ステップＳ１９の後、監視モードを終了する。

【0086】

上記ステップＳ１９の後、ユーザは、例えばＧＵＩ２０の調整ガイドＲ７に従ってビームエキスパンダ４のレンズ４１を移動させて、コリメート状態の再調整を実施する（ステップＳ２０）。そして、ＧＵＩ２０の表示画面上の実行ボタンＲ１を再びタッチし、上述した監視モードを再び実行する。なお、上記ステップＳ１３は、第１ステップを構成する。上記ステップＳ１４，Ｓ１５は、第２ステップを構成する。上記ステップＳ１６～Ｓ１９は、第３ステップを構成する。

【0087】

このような変形例においても、レーザ光Ｌのコリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断できる等の上記作用効果を奏する。また、このような変形例では、対象物１１で反射されたレーザ光Ｌを、監視モードに利用することができる。なお、撮像部は、スポット観察用カメラ８及び観察カメラ９に限定されず、その他の撮像部を用いてもよい。

【0088】

上記実施形態では、監視用パターンは、コリメート状態が平行な状態の場合に、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状が真円形状となる変調パターンとしたが、これに限定されない。監視用パターンは、コリメート状態が平行な状態の場合に、スポット観察用カメラ８で撮像されたレーザ光Ｌのビーム形状が、コリメート状態が発散側又は収束側にずれた場合の楕円形状よりも真円に近い形状となる変調パターンであればよい。

【0089】

上記実施形態では、監視用パターンとして図３の非点収差パターンＨＳを用いたが、監視用パターンは限定されない。例えば監視用パターンは、図３の非点収差パターンＨＳ以外の非点収差パターンであってもよい。また例えば監視用パターンは、シリンドリカルレンズの作用を実現するように生成された変調パターンであるシリンドリカルレンズパターンであってもよい。この場合でも、コリメート状態が平行な状態から発散側又は収束側にずれた場合にレーザ光Ｌのビーム形状が楕円形状となり、且つ、コリメート状態が平行な状態の場合にレーザ光Ｌのビーム形状が真円形状又は当該楕円形状よりも真円に近い形状となることを、具体的に実現できる。

【0090】

また例えば監視用パターンは、コリメート状態に応じて、撮像部で撮像されたレーザ光Ｌの強度についての所定方向におけるラインプロファイルのピーク数が変化する変調パターンであってもよい。この場合、撮像部で撮像されたレーザ光Ｌの強度についての所定方向におけるラインプロファイルのピーク数（以下、「ラインプロファイルピーク数」ともいう）に基づくことで、コリメート状態がどのような状態であるかを把握することができる。このような監視用パターンの例として、デフォーカスパターンが挙げられる。デフォーカスパターンは、レーザ光Ｌを、集光点の位置が所定方向及びレーザ光Ｌの光軸方向に互いに離れた少なくとも２つの分岐レーザ光へ分岐させる変調パターンである。デフォーカスパターンにより、コリメート状態に応じてラインプロファイルピーク数が変化することを、具体的に実現することができる。

【0091】

図９は、コリメート状態と撮像結果情報との関係を説明する図である。図１０は、デフォーカスパターンにより分岐された分岐レーザ光Ｌ１，Ｌ２の集光点を説明する模式図である。図９の撮像結果情報は、監視用パターンとして、上述したデフォーカスパターンを用いた場合の情報である。図９中のケース１～３は、図６中のケース１～３と同様な事例である。各ケース１～３において、ラインプロファイルは、集光像画像Ｒ２の左右方向のライン１７上におけるレーザ光Ｌの強度を示している。ラインプロファイルにおいて、縦軸がレーザ光Ｌの強度であり、横軸はライン１７上の位置である。

【0092】

図９に示されるように、ケース１のラインプロファイルでは、大きなピークが１つ存在する。これは、ケース１では、図１０の位置Ｃ１においての画像が集光像画像Ｒ２として撮像されることから、分岐レーザ光Ｌ１の集光により強度が高まる一方で、分岐レーザ光Ｌ２の強度への影響は少なく、結果として、分岐レーザ光Ｌ１によるピークが主に現れるためである。また図９に示されるように、ケース３のラインプロファイルでは、大きなピークが１つ存在する。これは、ケース３では、図１０の位置Ｃ２においての画像が集光像画像Ｒ２として撮像されることから、分岐レーザ光Ｌ２の集光により強度が高まる一方で、分岐レーザ光Ｌ１の強度への影響は少なく、結果として、分岐レーザ光Ｌ２によるピークが主に現れるためである。

【0093】

これに対して、図９に示されるように、ケース２のラインプロファイルでは、ピークが２つ（レーザ光Ｌの分岐数）存在し、各ピークの大きさも近い。これは、ケース３では、図１０の位置Ｃ３においての画像が集光像画像Ｒ２として撮像されることから、分岐レーザ光Ｌ１，Ｌ２のそれぞれの集光により強度が高まり、結果として、分岐レーザ光Ｌ１，Ｌ２のそれぞれによるピークが現れるためである。したがって、上述したデフォーカスパターンを用いて変調したレーザ光Ｌの集光像を撮像し、その撮像結果情報（特にラインプロファイルピーク数）に基づくことで、コリメート状態がどのような状態であるか、ひいては、コリメート状態が最適化されているかどうかを容易に判断可能であることがわかる。

【0094】

上記実施形態では、ＧＵＩ２０を介して監視モードを開始させる入力がユーザからなされた場合に監視モードを開始したが、監視モードの開始のタイミングはこれに限定されない。監視モードは、例えば、定期的、一定経過時間毎、一定稼働時間毎、予め定められた時刻、装置起動時、及び、装置終了時の少なくとも何れかのタイミングで開始してもよい。

【0095】

上記実施形態では、コリメート状態調整部としてビームエキスパンダ４が設けられているが、コリメート状態調整部はビームエキスパンダ４に限定されず、その他の調整機構であってもよい。ビームエキスパンダ４が有するレンズの枚数は、２枚であってもよいし、４枚以上であってもよい。

【0096】

上記実施形態では、入力受付部及び情報表示部としてＧＵＩ２０が設けられているが、これに限定されない。入力受付部と表示部とは、別構成であってもよい。入力受付部及び表示部としては、種々の公知装置を用いることができる。上記実施形態は、複数のレーザ加工ヘッドＨを備えていてもよい。上記実施形態では、空間光変調器５は反射型の空間光変調器に限定されず、透過型の空間光変調器を採用してもよい。

【0097】

上記実施形態では、対象物１１の種類、対象物１１の形状、対象物１１のサイズ、対象物１１が有する結晶方位の数及び方向、並びに、対象物１１の主面の面方位は特に限定されない。上記実施形態では、対象物１１は、結晶構造を有する結晶材料を含んで形成されていてもよいし、これに代えてもしくは加えて、非結晶構造（非晶質構造）を有する非結晶材料を含んで形成されていてもよい。結晶材料は、異方性結晶及び等方性結晶の何れであってもよい。例えば対象物１１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ＬｉＴａＯ_３、ダイアモンド、ＧａＯｘ、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ガリウム砒素、リン化インジウム、ガラス、及び無アルカリガラスの少なくとも何れかで形成された基板を含んでいてもよい。

【0098】

上記実施形態では、改質領域１２は、例えば対象物１１の内部に形成された結晶領域、再結晶領域、又は、ゲッタリング領域であってもよい。結晶領域は、対象物１１の加工前の構造を維持している領域である。再結晶領域は、一旦は蒸発、プラズマ化あるいは溶融した後、再凝固する際に単結晶あるいは多結晶として凝固した領域である。ゲッタリング領域は、重金属等の不純物を集めて捕獲するゲッタリング効果を発揮する領域であり、連続的に形成されていてもよいし、断続的に形成されていてもよい。上記実施形態は、トリミング、スライシング、及び、アブレーション等の加工へ適用されてもよい。

【0099】

上述した実施形態及び変形例における各構成には、上述した材料及び形状に限定されず、様々な材料及び形状を適用することができる。また、上述した実施形態又は変形例における各構成は、他の実施形態又は変形例における各構成に任意に適用することができる。

【符号の説明】

【0100】

１…レーザ加工装置、２…支持部、３…レーザ光源、４…ビームエキスパンダ（コリメート状態調整部）、５…空間光変調器、６…集光部、８…スポット観察用カメラ（撮像部）、９…観察カメラ（撮像部）、１０…制御部（監視モード実行部）、１１…対象物、１２…改質領域、２０…ＧＵＩ（入力受付部，情報表示部）、５１…表示部、８１…レンズ、９２…レンズ、ＨＳ…非点収差パターン（監視用パターン）、Ｌ…レーザ光。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】