特開 2023-153432 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】P2023153432

(43)【公開日】2023-10-18

(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 26/064 20140101AFI20231011BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20231011BHJP

【ＦＩ】

B23K26/064 A

B23K26/00 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020147177

(22)【出願日】2020-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】500171707

【氏名又は名称】株式会社ブイ・テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】100170070

【弁理士】

【氏名又は名称】坂田 ゆかり

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 行男

(72)【発明者】

【氏名】新井 敏成

(72)【発明者】

【氏名】竹下 琢郎

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168CA02

4E168CA06

4E168CA07

4E168CB22

4E168DA26

4E168DA38

4E168DA45

4E168DA60

4E168EA11

(57)【要約】

【課題】光の強度分布を均一化する光学系を用いることなく、強度分布を均一にすることができる。
【解決手段】レーザ光を出射する光源と、複数の画素がマトリクス状に配置された反射型液晶素子と、光源と反射型液晶素子との間の光路中及び反射型液晶素子と加工対象物との間の光路中に配置された偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタと反射型液晶素子との間の光路中に設けられており、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板と、反射型液晶素子で反射されたレーザ光を前記加工対象物に結像させる結像光学系と、を備え、レーザ光を加工対象物に照射して加工対象物を加工する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を加工対象物に照射して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置において、
レーザ光を出射する光源と、
複数の画素がマトリクス状に配置された反射型液晶素子と、
前記光源と前記反射型液晶素子との間の光路中及び前記反射型液晶素子と前記加工対象物との間の光路中に配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記反射型液晶素子との間の光路中に設けられており、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板と、
前記反射型液晶素子で反射されたレーザ光を前記加工対象物に結像させる結像光学系と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

レーザ光の強度プロファイルを測定する測定部と、
前記反射型液晶素子を制御する制御部であって、前記測定部の測定結果に基づいて、レーザ光で加工を行う加工領域に照射されるレーザ光の強度分布が均一になるように、前記画素毎に印加する電圧を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記測定部は、前記光源と前記偏光ビームスプリッタとを結ぶ直線上であって、前記偏光ビームスプリッタの後方に設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられており、前記光源から出射されたレーザ光の一部を前記測定部に向けて反射する反射部を備えた
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記加工領域の周囲に、前記加工領域に照射されるレーザ光より強度の弱いレーザ光が照射される第１照射領域を配置し、前記加工領域及び前記第１照射領域に同時にレーザ光を照射するように、前記反射型液晶素子を制御する
ことを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記加工領域及び前記第１照射領域の少なくとも一方と重なる第２照射領域であって、前記加工領域に照射されるレーザ光より強度が弱く、前記第１照射領域に照射されるレーザ光より強度が強いレーザ光が照射される第２照射領域を配置し、前記加工領域、前記第１照射領域及び前記第２照射領域に同時にレーザ光を照射するように、前記反射型液晶素子を制御する
ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。

【請求項7】

前記加工領域は、２つの線が交わってできた角を有し、
前記第２照射領域は、前記角に重ねて配置される
ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。

【請求項8】

前記加工領域は、２つの線が交わってできた角を有し、
前記第２照射領域は、前記角に隣接するように前記第１照射領域に重ねて配置される
ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。

【請求項9】

前記第２照射領域は、前記加工領域の対角線を挟んで前記角毎に複数設けられる
ことを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。

【請求項10】

光源から出射したレーザ光を、偏光ビームスプリッタで反射させ、１／４波長板を通過させ、反射型液晶素子で反射させ、前記１／４波長板及び前記偏光ビームスプリッタを順に通過させて加工対象物に照射することで前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、
前記加工対象物の位置に測定部を設け、前記光源からレーザ光を出射して前記測定部でレーザ光の強度プロファイルを測定し、
前記光源からレーザ光を出射し、かつ、前記強度プロファイルに基づいて前記反射型液晶素子の各画素に印加する電圧を制御して、前記加工対象物のうちのレーザ光で加工を行う加工領域に強度分布が均一のレーザ光を照射する
ことを特徴とするレーザ加工方法。

【請求項11】

光源から出射したレーザ光を、偏光ビームスプリッタで反射させ、１／４波長板を通過させ、反射型液晶素子で反射させ、前記１／４波長板及び前記偏光ビームスプリッタを順に通過させて加工対象物に照射することで前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、
前記光源からレーザ光を出射し、前記偏光ビームスプリッタを通過した光又は前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられた反射部により反射された光が入射する測定部でレーザ光の強度プロファイルを測定しつつ、前記強度プロファイルに基づいて前記反射型液晶素子の各画素に印加する電圧を制御して、前記加工対象物のうちのレーザ光で加工を行う加工領域に強度分布が均一のレーザ光を照射する
ことを特徴とするレーザ加工方法。

【請求項12】

前記加工領域にレーザ光を照射するのと同時に、前記加工領域の周囲の第１照射領域に前記加工領域に照射されるレーザ光より強度の弱いレーザ光を照射するように、前記反射型液晶素子を制御する
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のレーザ加工方法。

【請求項13】

前記加工領域及び前記第１照射領域にレーザ光を照射するのと同時に、前記加工領域及び前記第１照射領域の少なくとも一方と重なる第２照射領域に前記加工領域に照射されるレーザ光より強度が弱く、前記第１照射領域に照射されるレーザ光より強度が強いレーザ光を照射するように、前記反射型液晶素子を制御する
ことを特徴とする請求項１２に記載のレーザ加工方法。

【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】

特許文献１には、多階調の露光パターンを発生させるＤＭＤと、第一のレンズと開口しぼりと第二のレンズからなるテレセントリック光学系で構成され、ＤＭＤを照明する照明光学系と、テレセントリック光学系によりＤＭＤとシャインフルーフの条件を満足するようテレセントリック光学系の光軸に対して所定の角度斜めに傾けて設置された平面光源と、露光パターンを感光材に結像する投影光学系とからなり、照明光学系の光軸がＤＭＤに垂直な投影光学系の光軸に対してＤＭＤの各マイクロミラーの傾動角の２倍の角度だけ傾いて設定された露光光学系と、ＤＭＤの各マイクロミラー毎に感光材の露光位置で露光光学系の光強度の面内分布を測定するモニタ光学系と、モニタ光学系で測定した露光光学系の光強度の面内分布を均一にする補正テーブルＮ（ｘ，ｙ）、モニタ光学系の照明ムラを均一にする補正テーブルＭ（ｘ，ｙ）を記憶した記憶手段と、感光材を除去して得られる設計値の深さと光量の関係を表す感度曲線、および感光材の露光パターンのテーブルＧ（ｘ，ｙ）を入力し、テーブルＧ（ｘ，ｙ）を感度曲線を参照して感度補正露光パターンのテーブルＲ（ｘ，ｙ）に変換すると共に、ＤＭＤの各マイクロミラー毎に対応した照明ムラを均一にし感光材の直線性を補正した制御値のテーブルＳ（ｘ，ｙ）＝Ｒ（ｘ，ｙ）×Ｎ（ｘ，ｙ）×Ｍ（ｘ，ｙ）を求める制御値算出手段と、制御値算出手段で求めた制御値によりＤＭＤの各マイクロミラー毎を制御する空間光変調器制御手段と、を備えた露光装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第３７９９６１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、引用文献１に記載の発明では、ＤＭＤを用いるため、ロッドインテグレータ等により照度分布が均一化された平面光源を用いない場合には、加工対象物に照射される光の強度が均一化されず、加工精度が低下するおそれがある。また、引用文献１に記載の発明では、ＤＭＤに変えて反射型液晶パネルを用いてもよいことが開示されているが、やはり、照度分布が均一化された平面光源を用いない場合には、加工対象物に照射される光の強度が均一化されない。

【0005】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、露光パターン生成部を照明する光の強度分布を均一化する照明光学系を用いることなく、強度分布を均一にすることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工装置は、例えば、レーザ光を加工対象物に照射して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置において、レーザ光を出射する光源と、複数の画素がマトリクス状に配置された反射型液晶素子と、前記光源と前記反射型液晶素子との間の光路中及び前記反射型液晶素子と前記加工対象物との間の光路中に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタと前記反射型液晶素子との間の光路中に設けられており、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板と、前記反射型液晶素子で反射されたレーザ光を前記加工対象物に結像させる結像光学系と、を備えたことを特徴とする。これにより、露光パターン生成部を照明する光の強度分布を均一化する照明光学系を用いることなく、強度分布を均一にすることができる。なお、露光パターン生成部とは、反射型液晶素子、ＤＭＤ、マスク、スリット等を含む概念であり、本発明では露光パターン生成部として反射型液晶素子を用いる。

【0007】

レーザ光の強度プロファイルを測定する測定部と、前記反射型液晶素子を制御する制御部であって、前記測定部の測定結果に基づいて、レーザ光で加工を行う加工領域に照射されるレーザ光の強度分布が均一になるように、前記画素毎に印加する電圧を制御する制御部と、を備えてもよい。これにより、光源から出射される光の強度プロファイルが経時的に変化しても、定期的にプロファイラで強度プロファイルを測定し、測定結果に基づいて反射型液晶素子を制御することができる。

【0008】

前記測定部は、前記光源と前記偏光ビームスプリッタとを結ぶ直線上であって、前記偏光ビームスプリッタの後方に設けられていてもよい。これにより、強度プロファイルを常時測定し、レーザ光の面強度を常時補正することができる。

【0009】

前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられており、前記光源から出射されたレーザ光の一部を前記測定部に向けて反射する反射部を備えてもよい。これにより、偏光の影響を受けずにレーザ光の強度プロファイルを常時測定し、レーザ光の面強度を常時補正することができる。

【0010】

前記制御部は、前記加工領域の周囲に、前記加工領域に照射されるレーザ光より強度の弱いレーザ光が照射される第１照射領域を配置し、前記加工領域及び前記第１照射領域に同時にレーザ光を照射するように、前記反射型液晶素子を制御してもよい。これにより、周囲とメイン加工部の温度差を小さくして加工領域から外側に逃げていく熱を抑え、微細加工、特に線等の狭い領域の加工を行うことができる。

【0011】

前記制御部は、前記加工領域及び前記第１照射領域の少なくとも一方と重なる第２照射領域であって、前記加工領域に照射されるレーザ光より強度が弱く、前記第１照射領域に照射されるレーザ光より強度が強いレーザ光が照射される第２照射領域を配置し、前記加工領域、前記第１照射領域及び前記第２照射領域に同時にレーザ光を照射するように、前記反射型液晶素子を制御してもよい。これにより、温度勾配を細かく制御し、微細加工、特に線等の狭い領域の加工を行うことができる。

【0012】

前記加工領域は、２つの線が交わってできた角を有し、前記第２照射領域は、前記角に重ねて配置されてもよい。これにより、熱が逃げやすい加工領域の角近傍の温度が他に比べて低くならないように温度勾配を制御することができる。

【0013】

前記加工領域は、２つの線が交わってできた角を有し、前記第２照射領域は、前記角に隣接するように前記第１照射領域に重ねて配置されてもよい。これにより、熱が逃げやすい加工領域の角近傍の温度が他に比べて低くならないように温度勾配を制御することができる。

【0014】

前記第２照射領域は、前記加工領域の対角線を挟んで前記角毎に複数設けられてもよい。これにより、より細かい温度制御が可能になる。

【0015】

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、例えば、光源から出射したレーザ光を、偏光ビームスプリッタで反射させ、１／４波長板を通過させ、反射型液晶素子で反射させ、前記１／４波長板及び前記偏光ビームスプリッタを順に通過させて加工対象物に照射することで前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物の位置に測定部を設け、前記光源からレーザ光を出射して前記測定部でレーザ光の強度プロファイルを測定し、前記光源からレーザ光を出射し、かつ、前記強度プロファイルに基づいて前記反射型液晶素子の各画素に印加する電圧を制御して、前記加工対象物のうちのレーザ光で加工を行う加工領域に強度分布が均一のレーザ光を照射することを特徴とする。これにより、露光パターン生成部を照明する光の強度分布を均一化する照明光学系を用いることなく、強度分布を均一にすることができる。

【0016】

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、例えば、光源から出射したレーザ光を、偏光ビームスプリッタで反射させ、１／４波長板を通過させ、反射型液晶素子で反射させ、前記１／４波長板及び前記偏光ビームスプリッタを順に通過させて加工対象物に照射することで前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、前記光源からレーザ光を出射し、前記偏光ビームスプリッタを通過した光又は前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられた反射部により反射された光が入射する測定部でレーザ光の強度プロファイルを測定しつつ、前記強度プロファイルに基づいて前記反射型液晶素子の各画素に印加する電圧を制御して、前記加工対象物のうちのレーザ光で加工を行う加工領域に強度分布が均一のレーザ光を照射することを特徴とする。これにより、露光パターン生成部を照明する光の強度分布を均一化する照明光学系を用いることなく、強度分布を均一にすることができる。また、プロファイラで常時強度プロファイルを測定し、その結果に基づいて連続的に反射型液晶素子を制御し、レーザ光の面強度を常時補正することができる

【0017】

前記加工領域にレーザ光を照射するのと同時に、前記加工領域の周囲の第１照射領域に前記加工領域に照射されるレーザ光より強度の弱いレーザ光を照射するように、前記反射型液晶素子を制御してもよい。これにより、周囲とメイン加工部の温度差を小さくして加工領域から外側に逃げていく熱を抑え、微細加工、特に線等の狭い領域の加工を行うことができる。

【0018】

前記加工領域及び前記第１照射領域にレーザ光を照射するのと同時に、前記加工領域及び前記第１照射領域の少なくとも一方と重なる第２照射領域に前記加工領域に照射されるレーザ光より強度が弱く、前記第１照射領域に照射されるレーザ光より強度が強いレーザ光を照射するように、前記反射型液晶素子を制御してもよい。これにより、温度勾配を細かく制御し、微細加工、特に線等の狭い領域の加工を行うことができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、光の強度分布を均一化する照明光学系を用いることなく、強度分布を均一にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】レーザ加工装置１の構成を模式的に示す図である。

【図2】レーザ加工装置１の電気的な構成を示すブロック図である。

【図3】レーザ加工装置１による加工処理の流れを示すフローチャートである。

【図4】照射領域Ａ及び加工領域Ｂの一例を示す図である。

【図5】照射領域Ａ、加工領域Ｂ及び第１照射領域Ｃの一例を示す図である。

【図6】照射領域Ａ、加工領域Ｂ、第１照射領域Ｃ及び第２照射領域Ｄの一例を示す図である。

【図7】照射領域Ａ、加工領域Ｂ、第１照射領域Ｃ及び第２照射領域Ｄの一例を示す図である。

【図8】照射領域Ａ、加工領域Ｂ、第１照射領域Ｃ及び第２照射領域Ｄの一例を示す図である。

【図9】レーザ加工装置２の構成を模式的に示す図である。

【図10】レーザ加工装置２による加工処理の流れを示すフローチャートである。

【図11】レーザ加工装置３の構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を加工対象物に照射して加工対象物を加工する装置である。

【0022】

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明のレーザ加工装置１の構成を模式的に示す図である。レーザ加工装置１は、主として、光源部１０と、光学系２０と、観察部３０と、プロファイラ４１と、を有し、加工対象物Ｗにレーザ光を照射する。図１では、レーザ光の経路を二点鎖線で示している。

【0023】

光源部１０は、主として、光源１１と、光アイソレータ１２と、拡大光学系１３と、を有する。光源１１は、レーザ光を出射するものであり、例えば半導体レーザである。光源１１は、パルス幅がナノ秒台のナノ秒レーザである。また、光源１１から出射されるレーザ光は、特定の電界方向及び磁界方向に振動している直線偏光である。光源部１０は、図示しない光学系を含み、光源１１から出射する光を偏光ビームスプリッタ２５（後に詳述）の偏光分離面に対してＳ偏光にしている。

【0024】

なお、光源１１は、一般的にアッテネータ（図示せず）を有するが、本実施の形態では反射型液晶素子２１により光の強度分布を均一化する（後に詳述）ため、アッテネータは必須ではない。

【0025】

光源１１から出射されたレーザ光は、拡大光学系１３で拡大される。拡大光学系１３は、例えばビームエキスパンダであり、レーザ光のビーム径を拡大する。光源１１と拡大光学系１３との間には、戻り光による光源１１の損傷を防ぐ光アイソレータ１２が設けられている。ただし、光アイソレータ１２は必須ではない。

【0026】

光学系２０は、主として、反射型液晶素子２１と、フィールドレンズ２２と、チューブレンズ２３と、１／４波長板２４と、偏光ビームスプリッタ２５と、対物レンズ２６と、を有する。なお、フィールドレンズ２２は必須ではない。

【0027】

偏光ビームスプリッタ２５は、光源１１と反射型液晶素子２１との間の光路中及び反射型液晶素子２１と加工対象物Ｗとの間の光路中に配置されている。フィールドレンズ２２、チューブレンズ２３、及び１／４波長板２４は、偏光ビームスプリッタ２５と反射型液晶素子２１との間の光路中に設けられている。対物レンズ２６は、偏光ビームスプリッタ２５と加工対象物Ｗとの間の光路中に設けられている。

【0028】

光源１１から出射され、拡大光学系１３で拡大されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ２５に入射する。偏光ビームスプリッタ２５は、例えば、誘電体多層膜をコートした直角プリズムを２つ貼り合わせたものであり、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射させる。光源１１から出射され、偏光ビームスプリッタ２５に入射するレーザ光はＳ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ２５で反射する。

【0029】

偏光ビームスプリッタ２５で反射された光は、１／４波長板２４に入射する。１／４波長板２４は、位相差をλ／４（９０°）与えることで直線偏光を円偏光に変換する部材である。Ｓ偏光は、１／４波長板２４を通過することで円偏光に変換され、チューブレンズ２３を介して反射型液晶素子２１に入射する。

【0030】

反射型液晶素子２１は、例えばＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）パネルであり、複数の画素がマトリクス状に配置されている。反射型液晶素子２１は、画素電極が二次元配列されたシリコン基板と透明基板との間に液晶が挟みこまれており、画素毎に印加する電圧を制御する、すなわち画素毎に位相変調をすることが可能である。

【0031】

反射型液晶素子２１で反射された円偏光は、フィールドレンズ２２及びチューブレンズ２３を通過し、１／４波長板２４で円偏光から直線偏光もしくは楕円偏光に変更され、偏光ビームスプリッタ２５に入射する。

【0032】

反射型液晶素子２１で位相変調されない場合には、反射型液晶素子２１で反射された光は、１／４波長板２４を通過することで全てＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２５を全て透過する。

【0033】

反射型液晶素子２１の画素の液晶分子が電圧に応じて起き上がり位相変調された場合には、楕円偏光である反射光が１／４波長板２４を通過することで、偏光ビームスプリッタ２５に入射する光のうちのＰ偏光の割合、すなわち偏光ビームスプリッタ２５を透過する光の強度が電圧に応じて変化する。

【0034】

チューブレンズ２３及び対物レンズ２６は、反射型液晶素子２１で反射されたレーザ光を加工対象物Ｗに結像させる結像光学系である。チューブレンズ２３及び対物レンズ２６は公知であるため、説明を省略する。

【0035】

なお、図１に示す例では、チューブレンズ２３が１／４波長板２４とフィールドレンズ２２との間に設けられており、偏光ビームスプリッタ２５を通過した光が１／４波長板２４を通過した後でチューブレンズ２３を通過して反射型液晶素子２１に入射するが、チューブレンズ２３の配置はこれに限られない。例えば、チューブレンズ２３を偏光ビームスプリッタ２５と１／４波長板２４との間に設け、偏光ビームスプリッタ２５を通過した光がチューブレンズ２３を通過した後で１／４波長板２４を通過して反射型液晶素子２１に入射してもよい。

【0036】

加工対象物Ｗは、図示しないステージに載置されている。このステージには、加工対象物Ｗに変えて、プロファイラ４１も載置される。プロファイラ４１は、例えばＣＣＤ等の２次元光センサであり、レーザ光のビーム径や空間的な強度分布である強度プロファイルを測定する。

【0037】

観察部３０は、加工後の加工対象物Ｗの表面を観察するものであり、主として、撮像部３１と、照明３２と、ビームスプリッタ３３、３４と、チューブレンズ３５と、を有する。

【0038】

撮像部３１は、例えばカメラであり、レンズ及び撮像素子を有する。ビームスプリッタ３３、３４及びチューブレンズ３５は、撮像部３１と加工対象物Ｗとの間の光路中に設けられている。

【0039】

照明３２からの光は、ビームスプリッタ３４でビームスプリッタ３３に向けて反射され、ビームスプリッタ３３で加工対象物Ｗに向けて反射され、加工対象物Ｗに照射される。加工対象物Ｗで反射された光は、ビームスプリッタ３３でビームスプリッタ３４に向けて反射され、ビームスプリッタ３４を通過し、チューブレンズ３５で撮像部３１に集光される。

【0040】

ビームスプリッタ３３は、偏光ビームスプリッタ２５と加工対象物Ｗとの間の光路を覆う位置（観察位置）と、光路から退避した位置（退避位置）との間で移動可能に設けられている。図１では、ビームスプリッタ３３は観察位置に配置されている。ビームスプリッタ３３は、撮像部３１で加工対象物Ｗを撮像するときには観察位置に配置され、加工対象物Ｗを加工するときには退避位置に配置される。

【0041】

図２は、レーザ加工装置１の電気的な構成を示すブロック図である。レーザ加工装置１は、主として、制御部１０１、記憶部１０２、入力部１０３、出力部１０４、通信部１０５を含んで構成される。

【0042】

制御部１０１は、演算装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプログラム制御デバイスであり、記憶部１０２に格納されたプログラムにしたがって動作し、各部の制御を行う。

【0043】

また、制御部１０１は、光源１１、反射型液晶素子２１、撮像部３１、照明３２、ビームスプリッタ３３、プロファイラ４１等と接続されている。

【0044】

制御部１０１は、主な機能部として、反射型液晶素子２１を制御する液晶制御部１０１ａと、プロファイラ４１を制御して測定されたレーザ光の強度プロファイルを取得するプロファイル取得部１０１ｂと、観察部３０を制御する観察制御部１０１ｃと、を有する。制御部１０１の各機能部が行う処理については、後に詳述する。

【0045】

記憶部１０２は、不揮発性メモリ、揮発性メモリ等であり、制御部１０１によって実行されるプログラム等を保持するとともに、制御部１０１のワークメモリとして動作する。入力部１０３は、キーボードやマウス等の入力デバイスを含む。出力部１０４は、ディスプレイ等である。通信部１０５は、ネットワークや記憶媒体を介して他の機器（例えば、検査装置）からデータを取得して制御部１０１に送信すると共に、ネットワーク等を介して制御部１０１が生成したデータを他の機器に送信する。

【0046】

図２に示すレーザ加工装置１の構成は、本実施形態の特徴を説明するにあたって主要構成を説明したのであって、例えば一般的な情報処理装置が備える構成を排除するものではない。レーザ加工装置１の構成要素は、処理内容に応じてさらに多くの構成要素に分類されてもよいし、１つの構成要素が複数の構成要素の処理を実行してもよい。

【0047】

次に、レーザ加工装置１による加工処理について説明する。この加工処理は、主として制御部１０１によって行われる。図３は、加工処理の流れを示すフローチャートである。

【0048】

まず、レーザ光を加工対象物Ｗに照射する処理に先立ち、ステージにプロファイラ４１を載置して光源１１からレーザ光を出射し、プロファイラ４１にレーザ光を照射する。プロファイル取得部１０１ｂは、プロファイラ４１から出力された信号を取得し、レーザ光の強度プロファイルを測定する（ステップＳ１０）。ここで測定される強度プロファイルは、光源１１から出射されるレーザ光の特性だけでなく、チューブレンズ２３、１／４波長板２４、偏光ビームスプリッタ２５等の光学系の特性の影響を加味した強度プロファイルである。

【0049】

次に、ステージに加工対象物Ｗを載置して光源１１からレーザ光を出射し、かつ、液晶制御部１０１ａにより反射型液晶素子２１を制御して、加工対象物Ｗにレーザ光を照射する（ステップＳ１２）。

【0050】

ここで、液晶制御部１０１ａが行う処理について詳細に説明する。図４は、照射領域Ａ及び加工領域Ｂの一例を示す図である。照射領域Ａは、加工対象物Ｗのうちの、反射型液晶素子２１で反射されたレーザ光が照射され得る領域である。反射型液晶素子２１のすべての領域で光が反射された場合には、照射領域Ａ全体にレーザ光が照射される。

【0051】

加工領域Ｂは、加工対象物Ｗのうちのレーザ光で加工を行う領域であり、照射領域Ａに含まれる。液晶制御部１０１ａは、加工領域Ｂにのみレーザ光が照射されるように、反射型液晶素子２１の各画素に印加する電圧を制御する。加工領域Ｂに照射される光の強度は、加工対象物Ｗを加工可能な加工閾値を上回る強度の光である。

【0052】

また、液晶制御部１０１ａは、プロファイル取得部１０１ｂにより取得された強度プロファイルに基づいて、加工領域Ｂに照射されるレーザ光の強度分布が均一になるように、反射型液晶素子２１の各画素に印加する電圧を制御する。すなわち、液晶制御部１０１ａは、レーザ光が弱い部分については１／４波長板２４で直線または楕円偏光に変換された後の光（偏光ビームスプリッタ２５に入射する光）のうちのＰ偏光の割合が高くなるように、レーザ光が強い部分については１／４波長板２４で直線または楕円偏光に変換された後の光のうちのＰ偏光の割合が低くなるように、各画素の印加電圧を調整して、偏光ビームスプリッタ２５を通過するＰ偏光の量を画素によらず一定にする。これにより、加工領域Ｂに照射されるレーザ光の強度分布が均一になる。

【0053】

図３の説明に戻る。制御部１０１は、加工対象物Ｗへのレーザ照射が全て終了したかを判定する（ステップＳ１４）。加工対象物Ｗへのレーザ照射が全て終了していない場合（ステップＳ１４でＮＯ）には、制御部１０１は、処理をステップＳ１２に戻す。

【0054】

加工対象物Ｗへのレーザ照射が全て終了した場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）には、観察制御部１０１ｃは、ビームスプリッタ３３を観察位置に移動させ、照明３２から光を照射して、撮像部３１で加工対象物Ｗを撮像することで、加工対象物Ｗを観察する（ステップＳ１６）。そして、制御部１０１は、加工処理を終了する。

【0055】

本実施の形態によれば、反射型液晶素子２１に印加する電圧を画素毎に制御し、偏光ビームスプリッタ２５を通過するＰ偏光の量を画素によらず一定にすることで、光の強度分布を均一化する照明光学系を用いることなく、強度分布を均一にすることができる。

【0056】

なお、本実施の形態では、光源部１０が光源１１と、光アイソレータ１２と、拡大光学系１３とを有したが、光源部１０の構成はこれに限られない。拡大光学系１３の代わりに、光源１１の出射光を均一な照度の照明光とする照明光学系を設けてもよい。照明光学系は、例えば、ロッドレンズやクリティカル照明レンズ群を有する。この照明光学系によりレーザ光がトップハットビームに整形され、レーザ光のエネルギーを効率よく使用することができる。

【0057】

また、本実施の形態では、プロファイラ４１としてＣＣＤを用いたが、プロファイラ４１の形態はこれに限られず、例えばパワーメータを用いることもできる。この場合には、光源１１から出射された光の一部を反射型液晶素子２１で反射させ、反射する部分を変えながらパワーメータで光強度を測定すればよい。

【0058】

また、本実施の形態では、プロファイラ４１で強度プロファイルを測定してから、その測定結果に基づいて反射型液晶素子２１を制御したが、予め光源１１から出射される光の強度プロファイルが分かっている場合にはプロファイラ４１は不要である。液晶制御部１０１ａは、予め取得しておいた強度プロファイルに基づいて反射型液晶素子２１を制御すればよい。ただし、光源１１から出射される光の強度プロファイルが経時的に変化する可能性があるため、定期的にプロファイラ４１で強度プロファイルを測定し、測定結果に基づいて反射型液晶素子２１を制御することが望ましい。

【0059】

＜第１の実施の形態の変形例１＞
本発明の第１の実施の形態では、液晶制御部１０１ａは、加工領域Ｂにのみレーザ光が照射されるように、反射型液晶素子２１の各画素に印加する電圧を制御したが、レーザ光の照射領域はこれに限られない。

【0060】

本変形例は、加工領域Ｂの周囲に第１照射領域Ｃを設ける形態である。図５は、照射領域Ａ、加工領域Ｂ及び第１照射領域Ｃの一例を示す図である。

【0061】

第１照射領域Ｃは、加工領域Ｂの周囲に配置されており、加工領域Ｂに照射されるレーザ光より強度の弱いレーザ光が照射される領域である。第１照射領域Ｃに照射される光の強度は、加工対象物Ｗを加工可能な加工閾値を下回る。液晶制御部１０１ａは、加工領域Ｂの周囲に第１照射領域Ｃが形成されるように、反射型液晶素子２１を制御する。

【0062】

ナノ秒レーザである光源１１を用いる熱加工においては、加工領域Ｂと加工領域Ｂ以外との間に温度差が生じ、その温度勾配が大きいため、加工のための熱が加工領域Ｂから外側へ逃げてしまう。その結果、加工領域Ｂの中心近傍と周辺近傍では加工状況に差が生じるおそれがある。

【0063】

そのため、加工領域Ｂの外側に第１照射領域Ｃを配置し、加工領域Ｂと第１照射領域Ｃとにレーザ光を同時照射することで、周囲とメイン加工部の温度差を小さくし、温度勾配を小さくする。その結果、加工領域Ｂから外側に逃げていく熱を抑えることにより、微細加工、特に線等の狭い領域の加工を行うことができる。

【0064】

ナノ秒レーザを用いて熱加工を行う場合には、１回の照射で加工を行わなければならない。しかしながら、従来のＤＭＤを用いる装置では、加工領域Ｂと第１照射領域Ｃとに異なる強度のレーザ光を同時照射することはできない。それに対し、本実施の形態のように画素毎に階調制御が可能な反射型液晶素子２１を用いることで、異なる強度のレーザ光を同時に照射することが可能になる。

【0065】

＜第１の実施の形態の変形例２＞
本変形例は、加工領域Ｂ及び第１照射領域Ｃと重なる第２照射領域Ｄを設ける形態である。図６は、照射領域Ａ、加工領域Ｂ、第１照射領域Ｃ及び第２照射領域Ｄの一例を示す図である。

【0066】

第２照射領域Ｄは、加工領域Ｂ及び第１照射領域Ｃと重なる位置に配置されており、加工領域Ｂに照射されるレーザ光より強度が弱く、第１照射領域Ｃに照射されるレーザ光より強度が強いレーザ光が照射される領域である。第２照射領域Ｄに照射される光の強度は、加工対象物Ｗを加工可能な加工閾値を下回る。液晶制御部１０１ａは、加工領域Ｂの周囲に第１照射領域Ｃが形成され、かつ、加工領域Ｂ及び第１照射領域Ｃと重なる位置に第２照射領域Ｄが形成されるように、反射型液晶素子２１を制御する。

【0067】

加工領域Ｂが２つの線が交わってできた角を有する場合には、第２照射領域Ｄは、加工領域Ｂの角に重ねて配置される。図６に示すように、加工領域Ｂが矩形形状である場合には、第２照射領域Ｄは、加工領域Ｂの４つの角に重ねて配置される。角の部分は最も熱が逃げやすいため、加工領域Ｂの角に重ねて第２照射領域Ｄを配置することで、加工領域Ｂの角近傍の温度が他に比べて低くならないように温度勾配を制御することができる。その結果、微細加工、特に線等の狭い領域の加工を行うことができる。

【0068】

なお、第２照射領域Ｄの形状及び大きさはこれに限られない。例えば、第２照射領域Ｄは円形状でもよい。また、加工領域Ｂが２つの線が交わってできた角を有しない場合には、温度を下げたくない位置の近傍に第２照射領域Ｄを配置すればよい。その結果、温度勾配を精密に制御することが可能となり、微細加工の精度が向上する。

【0069】

＜第１の実施の形態の変形例３＞
本変形例は、第１照射領域Ｃと重なる（加工領域Ｂとは重ならない）第２照射領域Ｄを設ける形態である。図７は、照射領域Ａ、加工領域Ｂ、第１照射領域Ｃ及び第２照射領域Ｄの一例を示す図である。

【0070】

液晶制御部１０１ａは、加工領域Ｂの周囲に第１照射領域Ｃが形成され、かつ、第１照射領域Ｃと重なる位置に第２照射領域Ｄが形成されるように、反射型液晶素子２１を制御する。第２照射領域Ｄは、加工領域Ｂの角に隣接するように第１照射領域Ｃに重ねて配置される。特に、本変形例では、第２照射領域Ｄは、加工領域Ｂの各角に１つずつ設けられており、加工領域Ｂの対角線ｄ上に配置されている。

【0071】

加工領域Ｂの角に隣接して第２照射領域Ｄを配置することで、熱が逃げやすい加工領域Ｂの角近傍の温度が他に比べて低くならないように温度勾配を制御することができる。その結果、微細加工、特に線等の狭い領域の加工を行うことができる。

【0072】

＜第１の実施の形態の変形例４＞
本変形例は、変形例３と同様に、第１照射領域Ｃと重なる（加工領域Ｂとは重ならない）第２照射領域Ｄを設ける形態であるが、第２照射領域Ｄの位置及び数が異なる。図８は、照射領域Ａ、加工領域Ｂ、第１照射領域Ｃ及び第２照射領域Ｄの一例を示す図である。

【0073】

液晶制御部１０１ａは、加工領域Ｂの周囲に第１照射領域Ｃが形成され、かつ、第１照射領域Ｃと重なる位置に第２照射領域Ｄが形成されるように、反射型液晶素子２１を制御する。第２照射領域Ｄは、加工領域Ｂの角に隣接するように第１照射領域Ｃに重ねて配置される。特に、本変形例では、第２照射領域Ｄは、加工領域Ｂの各角に複数（ここでは、２つずつ）設けられており、加工領域Ｂの対角線ｄを挟んで配置されている。この場合にも、熱が逃げやすい加工領域Ｂの４隅近傍の温度が他に比べて低くならないように温度勾配を制御することができる。特に、第２照射領域Ｄの数を増やすことで、より精密な温度制御が可能となる。

【0074】

なお、第２照射領域Ｄの数は図示した形態に限られず、例えば加工領域Ｂの各角に３こずつ設けられていてもよい。この場合、第２照射領域Ｄは、対角線ｄ上に１つ、対角線ｄを挟んで２つ配置されていてもよい。

【0075】

＜第２の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態は、プロファイラ４１をステージに載置したが、プロファイラ４１の設置位置はこれに限られない。

【0076】

本発明の第２の実施の形態は、プロファイラ４１を偏光ビームスプリッタ２５より後方に設ける形態である。以下、第２の実施の形態にかかるレーザ加工装置２について説明する。なお、第１の実施の形態に係るレーザ加工装置１と同一の部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。

【0077】

図９は、本発明のレーザ加工装置２の構成を模式的に示す図である。レーザ加工装置１は、主として、光源部１０と、光学系２０と、観察部３０と、プロファイラ４１と、を有し、加工対象物Ｗにレーザ光を照射する。

【0078】

レーザ加工装置２では、光源１１と偏光ビームスプリッタ２５とを結ぶ光路の延長線上であって、偏光ビームスプリッタ２５の後方（偏光ビームスプリッタ２５からみて光源１１の反対側）にプロファイラ４１が設けられている。言い換えれば、光源１１とプロファイラ４１との間に偏光ビームスプリッタ２５が設けられている。

【0079】

光源１１から照射されるレーザ光はＳ偏光であるが、実際には軸が少し傾いている場合が多い。また、偏光ビームスプリッタ２５がＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射させる特性も１００％でない場合も多い。したがって、光源１１から出射されたレーザ光の大部分は偏光ビームスプリッタ２５で反射されるが、一部は偏光ビームスプリッタ２５を透過する。偏光ビームスプリッタ２５を透過したレーザ光は、プロファイラ４１に入射する。

【0080】

図１０は、レーザ加工装置２による加工処理の流れを示すフローチャートである。
ステージに加工対象物Ｗを載置して光源１１からレーザ光を出射し、加工対象物Ｗにレーザ光を照射しつつ、強度プロファイルを測定する（ステップＳ１１）。

【0081】

ステップＳ１１では、プロファイル取得部１０１ｂは、プロファイラ４１から出力された信号を取得し、レーザ光の強度プロファイルを測定する。また、ステップＳ１１では、液晶制御部１０１ａは、測定された強度プロファイルに基づいて反射型液晶素子２１を制御して、加工対象物Ｗにレーザ光を照射する。つまり、プロファイラ４１は連続して強度プロファイルを測定し、液晶制御部１０１ａは、強度プロファイルが測定される毎に連続して反射型液晶素子２１を制御する。

【0082】

制御部１０１は、加工対象物Ｗへのレーザ照射が全て終了したかを判定する（ステップＳ１４）。加工対象物Ｗへのレーザ照射が全て終了していない場合（ステップＳ１４でＮＯ）には、制御部１０１は、処理をステップＳ１１に戻す。

【0083】

加工対象物Ｗへのレーザ照射が全て終了した場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）には、観察制御部１０１ｃは、撮像部３１で加工対象物Ｗを撮像することで、加工対象物Ｗを観察する（ステップＳ１７）。そして、制御部１０１は、加工処理を終了する。

【0084】

本実施の形態によれば、プロファイラ４１で常時強度プロファイルを測定し、その結果に基づいて連続的に反射型液晶素子２１を制御し、レーザ光の面強度を常時補正することができる。

【0085】

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態は、プロファイラ４１を偏光ビームスプリッタ２５の前方に設ける形態である。以下、第３の実施の形態にかかるレーザ加工装置３について説明する。なお、第１、２の実施の形態に係るレーザ加工装置１、２と同一の部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。

【0086】

図１１は、本発明のレーザ加工装置３の構成を模式的に示す図である。レーザ加工装置１は、主として、光源部１０と、光学系２０と、観察部３０と、プロファイラ４１と、反射部４２とを有し、加工対象物Ｗにレーザ光を照射する。

【0087】

反射部４２は、光源部１０と偏光ビームスプリッタ２５との間に設けられている。本実施の形態では、反射部４２が拡大光学系１３と偏光ビームスプリッタ２５との間に設けられているが、光源１１と偏光ビームスプリッタ２５との間に反射部４２が設けられていればよく、例えば光アイソレータ１２と偏光ビームスプリッタ２５との間に反射部４２が設けられていてもよい。

【0088】

反射部４２は、光源１１から出射されたレーザ光の一部をプロファイラ４１に向けて反射する。プロファイラ４１は、連続して強度プロファイルを測定し、制御部１０１は前記強度プロファイルが測定される毎に反射型液晶素子２１を制御する。レーザ加工装置３による加工処理の流れは、レーザ加工装置２と同様であるため、説明を省略する。

【0089】

本実施の形態によれば、構成を追加することなく、加工対象物Ｗの加工と同時に強度プロファイルを測定することができる。また、プロファイラ４１で常時強度プロファイルを測定し、その結果に基づいて連続的に反射型液晶素子２１を制御し、レーザ光の面強度を常時補正することができる。特に、偏光ビームスプリッタ２５を透過する前のレーザ光の強度プロファイルを測定することで、偏光の影響を受けずにレーザ光の強度プロファイルを常時測定することができる。

【0090】

以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

【0091】

また、本発明において、「略」とは、厳密に同一である場合のみでなく、同一性を失わない程度の誤差や変形を含む概念である。例えば、略平行とは、厳密に平行の場合には限られない。また、例えば、略矩形形状とは、厳密に矩形形状の場合には限られない。また、例えば、単に平行、直交、同一等と表現する場合において、厳密に平行、直交、同一等の場合のみでなく、略平行、略直交、略同一等の場合を含むものとする。

【符号の説明】

【0092】

１、２、３：レーザ加工装置
１０ ：光源部
１１ ：光源
１２ ：光アイソレータ
１３ ：拡大光学系
２０ ：光学系
２１ ：反射型液晶素子
２２ ：フィールドレンズ
２３ ：チューブレンズ
２４ ：１／４波長板
２５ ：偏光ビームスプリッタ
２６ ：対物レンズ
３０、３０Ａ：観察部
３１ ：撮像部
３２ ：照明
３３、３４：ビームスプリッタ
３５ ：チューブレンズ
４１ ：プロファイラ
４２ ：反射部
１０１ ：制御部
１０１ａ ：液晶制御部
１０１ｂ ：プロファイル取得部
１０１ｃ ：観察制御部
１０２ ：記憶部
１０３ ：入力部
１０４ ：出力部
１０５ ：通信部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】