(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】P2023061087
(43)【公開日】2023-05-01
(54)【発明の名称】光学系及びレーザ加工装置
(51)【国際特許分類】
G02B 17/08 20060101AFI20230424BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20230424BHJP
B23K 26/53 20140101ALI20230424BHJP
【ＦＩ】
G02B17/08
B23K26/064 Z
B23K26/53
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021170863
(22)【出願日】2021-10-19
(71)【出願人】
【識別番号】000151494
【氏名又は名称】株式会社東京精密
(74)【代理人】
【識別番号】100083116
【弁理士】
【氏名又は名称】松浦 憲三
(74)【代理人】
【識別番号】100170069
【弁理士】
【氏名又は名称】大原 一樹
(74)【代理人】
【識別番号】100128635
【弁理士】
【氏名又は名称】松村 潔
(74)【代理人】
【識別番号】100140992
【弁理士】
【氏名又は名称】松浦 憲政
(72)【発明者】
【氏名】百村 和司
【テーマコード（参考）】
2H087
4E168
【Ｆターム（参考）】
2H087KA26
2H087PA02
2H087PB02
2H087TA01
2H087TA02
4E168AE01
4E168CB07
4E168DA02
4E168DA24
4E168DA32
4E168DA45
4E168EA11
4E168EA12
4E168HA01
4E168JA12
4E168JA14
4E168JA15
4E168KA13
(57)【要約】
【課題】 レーザ加工装置の光学系を小型化し、レーザ加工の安定性を高めることが可能な光学系及びレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 被加工物の加工に用いられる加工レンズ（２６）に対して光を中継する光学系（３０、３０Ａ及び３０Ｂ）であって、空間光変調器（２４）と、空間光変調器と加工レンズとの間に配置された第２レンズ（Ｌ２）とを備え、第２レンズの焦点距離をｆ２、空間光変調器から加工レンズの加工レンズ瞳への投影倍率をＭとした場合に、第２レンズから加工レンズ瞳までの距離Ｄが、Ｄ＝ｆ２－Ｍｆ２、空間光変調器から第２レンズまでの距離Ｄ１が、Ｄ１＝ｆ２－ｆ２／Ｍであり、空間光変調器が加工レンズの加工レンズ瞳と共役関係となる。
【選択図】 図６
【解決手段】 被加工物の加工に用いられる加工レンズ（２６）に対して光を中継する光学系（３０、３０Ａ及び３０Ｂ）であって、空間光変調器（２４）と、空間光変調器と加工レンズとの間に配置された第２レンズ（Ｌ２）とを備え、第２レンズの焦点距離をｆ２、空間光変調器から加工レンズの加工レンズ瞳への投影倍率をＭとした場合に、第２レンズから加工レンズ瞳までの距離Ｄが、Ｄ＝ｆ２－Ｍｆ２、空間光変調器から第２レンズまでの距離Ｄ１が、Ｄ１＝ｆ２－ｆ２／Ｍであり、空間光変調器が加工レンズの加工レンズ瞳と共役関係となる。
【選択図】 図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被加工物の加工に用いられる加工レンズに対して光を中継する光学系であって、
空間光変調器と、
前記空間光変調器と前記加工レンズとの間に配置された第２レンズとを備え、
前記第２レンズの焦点距離をｆ２、前記空間光変調器から前記加工レンズの加工レンズ瞳への投影倍率をＭとした場合に、
前記第２レンズから前記加工レンズ瞳までの距離Ｄが、Ｄ＝ｆ２－Ｍｆ２、
前記空間光変調器から前記第２レンズまでの距離Ｄ１が、Ｄ１＝ｆ２－ｆ２／Ｍであり、前記空間光変調器が前記加工レンズの加工レンズ瞳と共役関係となる、光学系。
空間光変調器と、
前記空間光変調器と前記加工レンズとの間に配置された第２レンズとを備え、
前記第２レンズの焦点距離をｆ２、前記空間光変調器から前記加工レンズの加工レンズ瞳への投影倍率をＭとした場合に、
前記第２レンズから前記加工レンズ瞳までの距離Ｄが、Ｄ＝ｆ２－Ｍｆ２、
前記空間光変調器から前記第２レンズまでの距離Ｄ１が、Ｄ１＝ｆ２－ｆ２／Ｍであり、前記空間光変調器が前記加工レンズの加工レンズ瞳と共役関係となる、光学系。
【請求項2】
前記空間光変調器より上流に配置された第１レンズを備え、
前記第１レンズと前記第２レンズとがアフォーカル光学系を構成する、請求項１に記載の光学系。
前記第１レンズと前記第２レンズとがアフォーカル光学系を構成する、請求項１に記載の光学系。
【請求項3】
前記空間光変調器に入射する光が通過し、かつ、前記空間光変調器に入射した後前記空間光変調器により反射された反射光が通過するように配置された第１レンズを備え、
前記第１レンズと前記第２レンズとがアフォーカル光学系を構成する、請求項１に記載の光学系。
前記第１レンズと前記第２レンズとがアフォーカル光学系を構成する、請求項１に記載の光学系。
【請求項4】
前記空間光変調器が集光作用を有しており、前記空間光変調器の焦点距離ｆ１が、ｆ１＝－ｆ２／Ｍである、請求項１に記載の光学系。
【請求項5】
前記加工レンズと、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学系とを備えるレーザ加工装置であって、
前記空間光変調器は、前記被加工物の内部に集光点を合わせて照射され、前記被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するためのレーザ光を変調し、
前記光学系は、前記空間光変調器によって変調された前記レーザ光を前記加工レンズに中継する、レーザ加工装置。
前記空間光変調器は、前記被加工物の内部に集光点を合わせて照射され、前記被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するためのレーザ光を変調し、
前記光学系は、前記空間光変調器によって変調された前記レーザ光を前記加工レンズに中継する、レーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は光学系及びレーザ加工装置に係り、特に被加工物にレーザ光を集光させてレーザ加工を行う光学系及びレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、被加工物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、被加工物の切断予定ラインに沿って、被加工物の内部に切断の起点となる切断起点領域を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【0003】
特許文献１に記載のレーザ加工装置では、４Ｆレンズユニットの一対のレンズが、反射型空間光変調器の反射面と集光レンズユニットの入射瞳面とが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１７－１３１９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記のようなレーザ加工装置には、集光レンズユニットのような加工光学系に加えて、観察光学系及びＡＦ（Automatic Focus）光学系等の光学系（以下、付帯光学系という。）が設けられる。上記のような付帯光学系は、４Ｆ光学系と加工光学系との間に設ける必要がある。
【0006】
図１０は、レーザ加工装置の光学系の例を示す図である。図１０において、一対のレンズＬ１及びＬ２は、アフォーカル光学系（４Ｆ光学系）を構成している。一対のレンズＬ１及びＬ２のうち、加工レンズ瞳２６ａから遠い側のレンズを第１レンズＬ１、近い側のレンズを第２レンズＬ２とし、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２の焦点距離をｆ１及びｆ２とする。
【0007】
図１０に示すように、４Ｆ光学系を用いた光学系では、付帯光学系を設けるためのスペースを確保するため、４Ｆ光学系の構成する一対のレンズのうち、加工レンズ瞳２６ａに近い側の第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２を長くする必要がある。
【0008】
以下、レーザ加工装置の光学系のサイズについて説明する。空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａへの倍率Ｍは、空間光変調器２４と加工レンズ瞳２６ａの大きさによってほぼその範囲が決められる。空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａへの倍率Ｍは下記の式（１）により表される。
【0009】
【数1】
【0010】
図１０に示すように、加工レンズ瞳２６ａは第２レンズＬ２の後側焦点位置に配置されており、空間光変調器２４は第１レンズＬ１の前側焦点位置に配置されている。すなわち、空間光変調器２４と加工レンズ瞳２６ａとは共役関係にある。したがって、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌは下記の式（２）により表される。
【0011】
Ｌ＝２×（ｆ１＋ｆ２） …（２）
式（１）に示すように、倍率Ｍが決まると第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１が定まる。そして、第２レンズＬ２と加工レンズ瞳２６ａとの間に付帯光学系を設けるために、第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２を長くすると、式（１）から必然的に第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１が大きくなる。このため、式（２）で示されるように、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌが長くなり、レーザ加工装置の光学系が大型化する。
式（１）に示すように、倍率Ｍが決まると第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１が定まる。そして、第２レンズＬ２と加工レンズ瞳２６ａとの間に付帯光学系を設けるために、第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２を長くすると、式（１）から必然的に第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１が大きくなる。このため、式（２）で示されるように、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌが長くなり、レーザ加工装置の光学系が大型化する。
【0012】
第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２と倍率Ｍをパラメータとして距離Ｌを表すと、下記の式（３）が得られる。
【0013】
【数2】
【0014】
なお、Ｄは、第２レンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離であり、図１０に示す例では、第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２と等しい。
【0015】
ここで、ｆ２＝２００ｍｍ、Ｍ＝－２／３とすると、式（１）からｆ１＝３００ｍｍとなり、式（３）からＬ＝１０００ｍｍとなる。
【0016】
また、ｆ２＝３００ｍｍ、Ｍ＝－２／３とすると、式（３）からＬ＝１５００ｍｍとなり、レーザ加工装置の光学系の全長は極めて大きくなる。
【0017】
上記のように、レーザ加工装置の光学系の全長が大きくなると、光学素子の角度誤差などの影響を受けやすくなり、レーザ加工の安定性を損なう場合がある。さらに、レーザ加工装置の熱膨張による影響を受けやすくなり、レーザ加工の安定性を損なう場合がある。
【0018】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、レーザ加工装置の光学系を小型化し、レーザ加工の安定性を高めることが可能な光学系及びレーザ加工装置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】
【0019】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、被加工物の加工に用いられる加工レンズに対して光を中継する光学系であって、空間光変調器と、空間光変調器と加工レンズとの間に配置された第２レンズとを備え、第２レンズの焦点距離をｆ２、空間光変調器から加工レンズの加工レンズ瞳への投影倍率をＭとした場合に、第２レンズから加工レンズ瞳までの距離Ｄが、Ｄ＝ｆ２－Ｍｆ２、空間光変調器から第２レンズまでの距離Ｄ１が、Ｄ１＝ｆ２－ｆ２／Ｍであり、空間光変調器が加工レンズの加工レンズ瞳と共役関係となる。
【0020】
本発明の第２の態様に係る光学系は、第１の態様において、空間光変調器より上流に配置された第１レンズを備え、第１レンズと第２レンズとがアフォーカル光学系を構成する。
【0021】
本発明の第３の態様に係る光学系は、第１の態様において、空間光変調器に入射する光が通過し、かつ、空間光変調器に入射した後空間光変調器により反射された反射光が通過するように配置された第１レンズを備え、第１レンズと第２レンズとがアフォーカル光学系を構成する。
【0022】
本発明の第４の態様に係る光学系は、第１の態様において、空間光変調器が集光作用を有しており、空間光変調器の焦点距離ｆ１が、ｆ１＝－ｆ２／Ｍである。
【0023】
本発明の第５の態様は、加工レンズと、第１から第４の態様のいずれかの光学系とを備えるレーザ加工装置であって、空間光変調器は、被加工物の内部に集光点を合わせて照射され、被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するためのレーザ光を変調し、光学系は、空間光変調器によって変調されたレーザ光を加工レンズに中継する。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、空間光変調器から加工レンズ瞳までの距離を短縮することができ、レーザ加工の安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、添付図面に従って本発明に係る光学系及びレーザ加工装置の実施の形態について説明する。
【0027】
【0028】
図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、ステージ１２と、加工装置本体（光学系ユニット）２０と、加工レンズ２６と、制御装置５０とを備えている。なお、本実施形態では、加工装置本体２０と制御装置５０とが別々に構成される場合を例示したが、この構成に限らず、加工装置本体２０は制御装置５０の一部又は全部を含んでいてもよい。
【0029】
ステージ１２は、被加工物を吸着保持するものである。ステージ１２は、ステージ駆動機構２８（図２参照）によりＸ方向及びθ方向に移動可能に構成される。ステージ駆動機構２８としては、例えば、ボールねじ機構、リニアモータ機構等の種々の機構にて構成することができる。ステージ駆動機構２８の動作は、制御装置５０（図２の移動制御部５４）により制御される。
【0030】
なお、図１においては、ＸＹＺの３方向は互いに直交し、このうちＸ方向およびＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。また、θ方向は、鉛直方向軸（Ｚ軸）を回転軸とする回転方向である。
【0031】
本実施形態では、被加工物として、シリコンウェーハ等の半導体ウェーハ（以下、ウェーハという。）Ｗが適用される。ウェーハＷは、格子状に配列された切断予定ラインによって複数の領域に区画され、この区画された各領域に半導体チップを構成する各種デバイスが形成されている。なお、本実施形態においては、被加工物としてウェーハＷを適用した場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ガラス基板、圧電セラミック基板、ガラス基板なども適用することができる。
【0032】
ウェーハＷは、デバイスが形成された表面（デバイス面）に粘着材を有するバックグラインドテープ（ＢＧテープ）が貼付され、裏面が上向きとなるようにステージ１２に載置される。ウェーハＷの厚さは、特に制限はないが、一例で７００μｍ以上、又は７００μｍ～８００μｍである。
【0033】
なお、ウェーハＷは、一方の面に粘着材を有するダイシングテープが貼付され、このダイシングテープを介してフレームと一体化された状態でステージ１２に載置されるようにしてもよい。
【0034】
加工装置本体２０は、筐体２１と、レーザ光源２２と、空間光変調器２４と、リレー光学系３０と、ビームエキスパンダ３２と、λ／２波長板３４とを備えている。
【0035】
筐体２１の内部には、レーザ光源２２、空間光変調器２４、リレー光学系３０、ビームエキスパンダ３２、及びλ／２波長板３４が配置される。なお、レーザ光源２２は、筐体２１の外部（例えば、筐体２１の天面や側面など）に配置されていてもよい。また、筐体２１の底面には、加工レンズ２６が着脱自在に取り付けられる。
【0036】
加工装置本体２０は、本体駆動機構２９（図２参照）によりＹ方向及びＺ方向に移動可能に構成される。本体駆動機構２９としては、例えば、ボールねじ機構、リニアモータ機構等の種々の機構にて構成することができる。本体駆動機構２９の動作は、制御装置５０（図２の移動制御部５４）により制御される。これにより、ウェーハＷにおける加工位置（レーザ加工領域を形成する位置）に応じて、加工装置本体２０をＹ方向に移動させることができると共に、加工装置本体２０をＺ方向に移動させることができる。そのため、加工レンズ２６により集光されるレーザ光ＬＢの集光点の位置を変化させて、レーザ加工領域をウェーハＷの所望の位置に形成することができる。
【0037】
レーザ光源（ＩＲ（InfraRed）レーザ光源）２２は、ウェーハＷの内部にレーザ加工領域を形成するための加工用のレーザ光ＬＢを出射（照射）する。レーザ光源２２によるレーザ光ＬＢの出射動作は、制御装置５０（図２のレーザ制御部５６）により制御される。レーザ光ＬＢの条件としては、例えば、光源が半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ、波長が１．１μｍ、レーザ光ＬＢスポット断面積が３．１４×１０－８ｃｍ２、発振形態がＱスイッチパルス、繰り返し周波数が８０ｋＨｚ～２００ｋＨｚ、パルス幅が１８０ｎｓ～３７０ｎｓ、出力が８Ｗである。
【0038】
レーザ光源２２から出射されたレーザ光ＬＢは、全反射ミラー３６により反射されてビームエキスパンダ３２に到達する。ビームエキスパンダ３２は、レーザ光源２２から出射されたレーザ光ＬＢを空間光変調器２４のために適切なビーム径に拡大する。
【0039】
ビームエキスパンダ３２により調整されたレーザ光ＬＢは、全反射ミラー３８により反射されてλ／２波長板３４を経て空間光変調器２４に到達する。λ／２波長板３４は、空間光変調器２４へのレーザ光ＬＢ入射偏光面を調整する。
【0040】
空間光変調器２４は、２次元的に配列された複数の画素（微小変調素子）からなる光変調面を備えており、光変調面に入射した光の位相を画素毎に変調する位相変調型の空間光変調器である。空間光変調器２４としては、例えば、反射型液晶（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）が用いられる。空間光変調器２４は、後述する空間光変調器制御部５８により設定された所定の変調パターンに基づき、光変調面に入射した光の位相を画素毎に変調して、変調後の光を所定の方向に向けて出射する。
【0041】
空間光変調器２４の動作、及び空間光変調器２４で呈示される変調パターンは、制御装置５０（図２の空間光変調器制御部５８）によって制御される。変調パターンは、空間光変調器２４の光変調面を構成する複数の画素のそれぞれに対応する制御値（位相変化量）が２次元的に分布するパターン（２次元情報）であってもよいし、変調領域内（光変調面）の変調をある関数で表したときの係数情報のようなものであってもよい。
【0042】
空間光変調器２４は、加工レンズ２６のレンズ瞳（射出瞳）２６ａと光学的に共役な位置に配置されている。
【0043】
光学系（リレー光学系）３０は、空間光変調器２４によって変調されたレーザ光ＬＢを加工レンズ２６に中継するための光学系であり、λ／２波長板３４と加工レンズ２６との間のレーザ光ＬＢの光路に設けられており、空間光変調器２４を含んでいる。リレー光学系３０は、少なくとも１つのレンズＬ２を含んでいる。リレー光学系３０は、両側テレセントリックな光学系を構成しており、空間光変調器２４で変調されたレーザ光ＬＢを加工レンズ２６に投影する。
【0044】
このリレー光学系３０は、両側テレセントリックな縮小光学系であり、その投影倍率Ｍ（以下、単に倍率ともいう。）の絶対値は１より小さくなっており、一例でＭ＝－２／３である。
【0045】
加工レンズ２６は、レーザ光ＬＢをウェーハＷの内部に集光させる対物レンズ（集光光学系）である。この加工レンズ２６の開口数（ＮＡ）は、例えば０．６５である。
【0046】
【0047】
また、図示を省略したが、加工装置本体２０には、ウェーハＷとのアライメントを行うためのアライメント光学系、観察光学系及びウェーハＷと加工レンズ２６との間の距離（ワーキングディスタンス）を一定に保つためのＡＦ光学系等が備えられている。
【0048】
（制御装置）
図２は、制御装置５０を示すブロック図である。制御装置５０は、例えばパーソナルコンピュータ又はマイクロコンピュータなどの汎用のコンピュータによって実現される。
図２は、制御装置５０を示すブロック図である。制御装置５０は、例えばパーソナルコンピュータ又はマイクロコンピュータなどの汎用のコンピュータによって実現される。
【0049】
制御装置５０は、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ストレージデバイス６０及び入出力インターフェース等を備えている。
【0050】
制御装置５０では、ストレージデバイス６０に記憶されている制御プログラム等の各種プログラムがＲＡＭに展開され、ＲＡＭに展開されたプログラムがプロセッサによって実行されることにより、図２に示した制御装置５０内の各部の機能が実現され、入出力インターフェースを介して各種の演算処理や制御処理が実行される。
【0051】
図２に示すように、制御装置５０は、制御部５２、移動制御部５４、レーザ制御部５６及び空間光変調器制御部５８として機能する。
【0052】
制御部５２は、制御装置５０を構成する各部（移動制御部５４、レーザ制御部５６、空間光変調器制御部５８、及びストレージデバイス６０を含む）を統括的に制御する。
【0053】
移動制御部５４は、ステージ１２と加工装置本体２０との相対移動を制御するものである。移動制御部５４は、ステージ１２のＸ方向及びθ方向の移動を制御する制御信号をステージ駆動機構２８に出力すると共に、加工装置本体２０のＹ方向及びＺ方向の移動を制御する制御信号を本体駆動機構２９に出力する。
【0054】
レーザ制御部５６は、レーザ光ＬＢの出射を制御するものである。レーザ制御部５６は、レーザ光ＬＢの波長、パルス幅、強度、出射タイミング、及び繰り返し周波数などを制御する制御信号をレーザ光源２２に出力する。
【0055】
空間光変調器制御部５８は、空間光変調器２４の動作を制御する制御信号を空間光変調器２４に出力する。すなわち、空間光変調器制御部５８は、所定の変調パターンを空間光変調器２４に呈示させる制御を行う。空間光変調器制御部５８は、空間光変調器２４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ＬＢ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。また、空間光変調器制御部５８は、ウェーハＷの内部におけるレーザ光ＬＢの集光点を合わせる位置で発生するレーザ光ＬＢの収差が所定の収差以下となるように、レーザ光ＬＢを変調するための変調パターンを空間光変調器２４に設定するようにしてもよい。
【0056】
ストレージデバイス６０は、制御装置５０の制御プログラム等を含む各種のデータを格納する装置であり、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はＳＳＤ（Solid State Drive）を含んでいる。
【0057】
【0058】
図３は、ウェーハＷの内部に入射されたレーザ光ＬＢが集光点にレーザ加工領域Ｐを形成した状態を示している。図４は、パルス状のレーザ光ＬＢの下でウェーハＷが水平方向に移動され、不連続なレーザ加工領域Ｐ、Ｐ、・・・が並んで形成された状態を表している。この状態でウェーハＷはレーザ加工領域Ｐを起点として自然に割断するか、或いは僅かな外力を加えることによってレーザ加工領域Ｐを起点として割断される。この場合、ウェーハＷは表面や裏面にはチッピングが発生せずに容易にチップに分割される。
【0059】
図５は、ウェーハ内部にレーザ加工領域を多層状に形成した状態を説明する概念図である。
【0060】
ウェーハＷの厚さが厚い場合で、レーザ加工領域Ｐの層が１層では割断できないときには、図５に示すように、レーザ光ＬＢの集光点をウェーハＷの厚さ方向に変化させて、レーザ光ＬＢをウェーハＷに対して複数回走査することにより、レーザ加工領域Ｐを多層状に形成することができる。このようにして多層状に形成されたレーザ加工領域Ｐをきっかけとして、ウェーハＷは、自然に割断するか、或いは僅かな外力を加えることにより割断される。
【0061】
【0062】
【0063】
図６に示すように、リレー光学系３０では、加工レンズ瞳２６ａから遠い上流側から順に、空間光変調器２４及びレンズ（以下、第２レンズという。）Ｌ２が配置されている。
【0064】
以下、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａへの倍率をＭとし、第２レンズＬ２の焦点距離をｆ２とする。
【0065】
図６に示すように、第２レンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離ＤがＤ＝ｆ２－Ｍｆ２となるように、第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２を定める。また、加工レンズ瞳２６ａと空間光変調器２４が共役関係となるように、空間光変調器２４を第２レンズＬ２の上流側Ｄ１＝ｆ１＋ｆ２＝ｆ２－ｆ２／Ｍの距離に配置する。
【0066】
そして、本実施形態に係る空間光変調器２４には、その焦点距離ｆ１がｆ１＝－ｆ２／Ｍとなるようにパワーを持たせている。空間光変調器２４において、焦点距離ｆ１＝－ｆ２／Ｍとなるようにパワーを持たせるためのパターンをパターン１とする。
【0067】
本実施形態では、空間光変調器２４による波面操作はパターン１に所定の変調パターンを加算することによって実現する。すなわち、本実施形態では、空間光変調器２４にパワーをもたせる機能と空間光変調器２４の変調機能を兼用させる。
【0068】
以下、本実施形態に係るリレー光学系３０のサイズについて説明する。図６に示すように、第２レンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｄは、Ｄ＝ｆ２－Ｍｆ２である。これを変形すると、下記の式（４）が得られる。
【0069】
【数3】
【0070】
空間光変調器２４の焦点距離ｆ１＝－ｆ２／Ｍに式（４）を代入すると、下記の式（５）が得られる。
【0071】
【数4】
【0072】
したがって、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌは、下記の式（６）により表される。
【0073】
【数5】
【0074】
式（６）において、第２レンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｄ＝２００ｍｍ、倍率Ｍ＝－２／３とすると、Ｌ＝５００ｍｍとなり、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌが図１０に示した例の１／２となる。
【0075】
本実施形態によれば、空間光変調器２４にパワーを持たせることにより、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌを短縮することができる。これにより、レーザ加工装置の光学系を小型化し、レーザ加工の安定性を高めることができる。
【0076】
さらに、本実施形態によれば、空間光変調器２４と加工レンズの間には４Ｆ光学系は存在せず、第２レンズＬ２があるのみとなるので、コンパクトかつ簡素な光学系を実現することができる。
【0077】
（数値例）
図６から、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌを第２のレンズＬ２の焦点距離ｆ２を用いて表すと、下記の式（７）が得られる。
図６から、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌを第２のレンズＬ２の焦点距離ｆ２を用いて表すと、下記の式（７）が得られる。
【0078】
【数6】
【0079】
式（７）において、Ｍ＝－２／３、ｆ２＝２００ｍｍとすると、Ｌ＝８３３．３３ｍｍとなる。そして、第２レンズＬ２と加工レンズ瞳２６ａとの間の距離Ｄは、Ｄ＝ｆ２・（１－Ｍ）＝３３３ｍｍとなる。
【0080】
一方、図１０に示した光学系では、第２レンズＬ２と加工レンズ瞳２６ａとの間の距離Ｄ＝ｆ２であるので、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌは、下記の式（８）により表される。
【0081】
【数7】
【0082】
第１の実施形態では、第２のレンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｄは、式（９）により表される。
【0083】
Ｄ＝ｆ２・（１－Ｍ） …（９）
図１０に示した４Ｆ光学系では、第２のレンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｄは、Ｄ＝ｆ２であったが、第１の実施形態のようにＤ＝ｆ２・（１－Ｍ）とするためには、式（８）でｆ２の代わりに式（９）を代入する。これにより、式（１０）が得られる。
図１０に示した４Ｆ光学系では、第２のレンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｄは、Ｄ＝ｆ２であったが、第１の実施形態のようにＤ＝ｆ２・（１－Ｍ）とするためには、式（８）でｆ２の代わりに式（９）を代入する。これにより、式（１０）が得られる。
【0084】
【数8】
【0085】
ここで、Ｌ’は、図１０に示した４Ｆ光学系において、第２のレンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｄ＝ｆ２・（１－Ｍ）を実現するために必要な空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離である。
【0086】
式（１０）において、Ｍ＝－２／３、ｆ２＝２００ｍｍとすると、Ｌ’＝１６６６．７ｍｍとなる。
【0087】
上記のように、第１の実施形態によれば、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａまでの距離を１／２にすることができる。
【0088】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【0089】
【0090】
図７に示すように、本実施形態に係るリレー光学系３０Ａでは、加工レンズ瞳２６ａから遠い上流側から順に、第１レンズＬ１、空間光変調器２４及び第２レンズＬ２が配置されている。
【0091】
本実施形態では、上流側の第１レンズＬ１に空間光変調器２４の集光レンズ作用を持たせている。
【0092】
図７に示すように、第１レンズＬ１から第２レンズＬ２までの距離はｆ１＋ｆ２であり、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は４Ｆ光学系（アフォーカル光学系）を構成する。そして、加工レンズ瞳２６ａは、第２レンズＬ２の後側焦点位置Ｆ２よりも下流側に－Ｍｆ２だけ遠ざけて配置される。
【0093】
この場合、図７に示すように、加工レンズ瞳２６ａと共役な位置Ｐ０は、４Ｆ光学系の中、すなわち、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間となる。空間光変調器２４は加工レンズ瞳２６ａと共役な位置Ｐ０に配置される。
【0094】
具体的には、加工レンズ瞳２６ａと共役な位置Ｐ０は、第１レンズＬ１の後側焦点位置（第２レンズＬ２の前側焦点位置）Ｆ１から上流側にｆ２／Ｍの位置となる。
【0095】
なお、本実施形態では、空間光変調器２４にパワーを持たせる必要はないので、変調パターンは通常の４Ｆ光学系と同じものを用いることができる。
【0096】
図７の第１レンズＬ１、空間光変調器２４及び第２レンズＬ２の位置関係から、下記の式（１１）が得られる。
【0097】
【数9】
【0098】
本実施形態では、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａへの倍率Ｍを確保するためには第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１を長くする必要がある。また、空間光変調器２４にはレーザ光ＬＢは光変調面に対して斜めに入射する。このため、第２の実施形態では、第１レンズＬ１が空間光変調器２４からの反射光を遮らないように、空間光変調器２４とＬ１の距離ｄをある程度長くする必要がある。したがって、第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１を決める際には、空間光変調器２４から加工レンズ瞳２６ａへの倍率Ｍと、第１レンズＬ１と空間光変調器２４との間の必要な間隔（距離ｄ）とを勘案することになる。
【0099】
第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１と第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２が定まると、第１レンズＬ１に入射するレーザ光ＬＢに必要な入射ビーム径が決まる。したがって、リレー光学系３０Ａの上流側のアフォーカル光学系又はビームエキスパンダ３２で必要なビーム径を作ることができる。
【0100】
以下、本実施形態に係るリレー光学系３０のサイズについて説明する。図７に示すように、本実施形態では、第１レンズＬ１から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌは、下記の式（１２）により表される。
【0101】
Ｌ＝ｆ１＋２・ｆ２－Ｍ・ｆ２ …（１２）
式（１２）において、Ｄ＝２００ｍｍ、ｆ１＝２３０ｍｍ、ｆ２＝１２０ｍｍ、第１レンズＬ１と空間光変調器２４との間の距離ｄ＝５０ｍｍとすると、Ｌ＝５５０ｍｍとなる。
式（１２）において、Ｄ＝２００ｍｍ、ｆ１＝２３０ｍｍ、ｆ２＝１２０ｍｍ、第１レンズＬ１と空間光変調器２４との間の距離ｄ＝５０ｍｍとすると、Ｌ＝５５０ｍｍとなる。
【0102】
本実施形態によれば、第１レンズＬ１に集光作用を持たせることにより、第１レンズＬ１から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌを短縮することができる。これにより、レーザ加工装置の光学系を小型化し、レーザ加工の安定性を高めることができる。また、第１レンズＬ１に集光作用を持たせることで、空間光変調器２４の負担を低減することができる。
【0103】
さらに、本実施形態によれば、空間光変調器２４と加工レンズの間には４Ｆ光学系は存在せず、第２レンズＬ２があるのみとなるので、コンパクトかつ簡素な光学系を実現することができる。
【0104】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第１及び第２の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第１及び第２の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【0105】
図８は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置を示す図である。
【0106】
図８に示すように、本実施形態に係るリレー光学系３０Ｂでは、第１レンズＬ１が空間光変調器２４の光変調面に近接配置されている。すなわち、第１レンズＬ１は、レーザ光ＬＢが２回通過するように配置されている。
【0107】
【0108】
図９に示すように、本実施形態に係るリレー光学系３０Ｂでは、レーザ光ＬＢは、第１レンズＬ１を通過した後、空間光変調器２４で反射されて再び第１レンズＬ１を通過する。その後、レーザ光ＬＢは、第２レンズＬ２を通過して加工レンズ瞳２６ａに到達する。なお、図９では、レーザ光ＬＢが通過する第１レンズＬ１を順番に符号Ｌ１－１、Ｌ１－２で示している。
【0109】
図９に示すように、第１レンズＬ１－１から第２レンズＬ２までの距離はｆ１＋ｆ２であり、第１レンズＬ１－１及びＬ１－２と第２レンズＬ２は４Ｆ光学系（アフォーカル光学系）を構成する。そして、加工レンズ瞳２６ａは、第２レンズＬ２の後側焦点位置Ｆ２よりも下流側に－Ｍｆ２だけ遠ざけて配置される。
【0110】
また、空間光変調器２４は、加工レンズ瞳２６ａと共役な位置、すなわち、第１レンズＬ１の後側焦点位置（第２レンズＬ２の前側焦点位置）Ｆ１から上流側にｆ２／Ｍの位置に配置される。
【0111】
なお、本実施形態では、第２の実施形態と同様に、空間光変調器２４にパワーを持たせる必要はないので、変調パターンは通常の４Ｆ光学系と同じものを用いることができる。
【0112】
図９に示すように、本実施形態では、第１レンズＬ１から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌは、第２の実施形態と同様の式（１２）により表される。
【0113】
本実施形態によれば、第１レンズＬ１を空間光変調器２４に近接配置することにより、第１レンズＬ１から加工レンズ瞳２６ａまでの距離Ｌを短縮することができる。これにより、レーザ加工装置の光学系を小型化し、レーザ加工の安定性を高めることができる。
【0114】
さらに、本実施形態によれば、空間光変調器２４と加工レンズの間の第１レンズＬ１－２と第２レンズＬ２は４Ｆ光学系（アフォーカル光学系）を構成しないので、コンパクトかつ簡素な光学系を実現することができる。
【0115】
また、本実施形態では、空間光変調器２４からの反射光が第１レンズＬ１によって遮られないように、第１レンズＬ１と空間光変調器２４の距離を大きくする必要がない。このため、本実施形態によれば、光学素子のレイアウト上の自由度が高くなる。
【0116】
さらに、本実施形態によれば、第１レンズＬ１にはレーザ光ＬＢが２回通るので、第１レンズＬ１のレンズ屈折力を弱くすることができ、収差の発生を抑制することができる。
【0117】
なお、上記の実施形態において、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は１枚のレンズとして示しているが、本発明はこれに限定されない。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は、それぞれ１枚以上のレンズを組み合わせたレンズ群であってもよい。
【0118】
上記の通り、第１から第３の実施形態によれば、レーザ加工装置１０の光学系（３０、３０Ａ及び３０Ｂ）をコンパクトに構成することができる。さらに、必要に応じて、レーザ加工装置１０の全体を比較的小さくしながら、第２レンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離を長くすることができる。
【0119】
実際のレーザ加工装置では、第２レンズＬ２と加工レンズ瞳２６ａの間に、観察光学系、ＡＦ光学系、その他のモニタリングの為の光学系等が必要とされ、多くの光学素子が挿入される。このため、第２レンズＬ２から加工レンズ瞳２６ａまでの距離を長くする必要がある。
【0120】
ところが、第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２を大きくすると、それに伴って第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１が長くなり装置全体が大型化する。すなわち、図１０に示した４Ｆ光学系ではｆ２＝Ｄであることが必要であった。
【0121】
これに対して、上記の実施形態に係る光学系（３０、３０Ａ及び３０Ｂ）ではｆ２（１－Ｍ）＝Ｄであればよいので、第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２を短くすることができる。これにより、レーザ加工装置１０の光学系の小型化を実現することができる。
【符号の説明】
【0122】
１０…レーザ加工装置、１２…ステージ、２０…加工装置本体、２１…筐体、２２…レーザ光源、２４…空間光変調器、２６…加工レンズ、３０、３０Ａ、３０Ｂ…（リレー）光学系、Ｌ１…第１レンズ、Ｌ２…（第２）レンズ、３２…ビームエキスパンダ、３４…λ／２波長板、５０…制御装置、５２…制御部、５４…移動制御部、５６…レーザ制御部、５８…空間光変調器制御部、６０…ストレージデバイス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】