(57)【要約】（課題）１００Ｈｚを超える繰り返し周波数にて発振するレーザパルスを用いたスキャン加工やステップアンドリピート加工において、隣り合うパルスのいずれにも干渉することなく、そのパルス間タイムウインドー内にてシャッター動作を開始し、終了させ、且つ、シャッター素子の損傷による寿命の到来を遅らせることを可能にする高速のシャッター動作方法及び装置を提供する。（解決手段）パルス間タイムウインドーをＴ、シャッター素子の出し入れ位置におけるシャッター素子のレーザ光を横切る距離をＤ、出し入れ用駆動源の推力をＦ、シャッター素子の質量をＭとしたとき、各パラメータが関係式（２ＤＭ／Ｆ）１／２＜Ｔを満たし、且つシャッター素子に照射されるエネルギー密度は素子の損傷閾値未満であり、さらに出し入れ用駆動源の動作開始時刻とパルスレーザの発振時刻は被加工物の載置された加工ステージの位置に同期する。（選択図）図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返し周波数が１００［Ｈｚ］を超え１／Ｔ［Ｈｚ］にて発振するレーザ光を用いたレーザ加工装置において、加工ステージ上に載置された被加工物に向けて伝搬するレーザ光の光軸にシャッター素子を出し入れし、その伝搬方向を変え又は遮断することにより、被加工物に照射されるレーザパルスをパルス単位でオン、オフ又はゲーティングするパルスレーザシャッターの動作方法であって、
前記加工ステージの位置に応じたエンコーダー信号に基づき、任意の数のレーザパルスを発振させるための外部トリガー信号を発生する工程と、
当該外部トリガー信号に基づき発振するレーザ光の横モード分布形状を成形光学系により成形する工程と、
前記シャッター素子を出し入れするための駆動源に対し、その動作開始のタイミングを前記外部トリガー信号に同期して決定し送信する工程とを含み、
前記シャッター素子の出し入れの位置においてシャッター素子により横切られる前記成形されたレーザ光の幅以上にわたるシャッター素子の移動距離をＤ［ｍ］、前記駆動源の推力をＦ［Ｎ］、当該駆動源に前記シャッター素子を固定するための固定用冶具とシャッター素子の合計質量をＭ［ｋｇ］としたとき、当該Ｄ、Ｆ、Ｍ及びＴが関係式（２ＤＭ／Ｆ）１／２＜Ｔを満たし、且つ、
前記出し入れの位置において、前記シャッター素子の受光するレーザパルスのパルスエネルギー密度が、当該シャッター素子の損傷閾値未満であるパルスレーザシャッターの動作方法。
【請求項２】
前記駆動源がボイスコイルモーターである請求項１に記載のパルスレーザシャッターの動作方法。
【請求項３】
前記シャッター素子がレーザ光の波長に対し透明な部材からなる素子である請求項１又は請求項２に記載のパルスレーザシャッターの動作方法。
【請求項４】
前記シャッター素子がレーザ光の波長に対しこれを反射する部材からなる素子である請求項１又は請求項２に記載のパルスレーザシャッターの動作方法。
【請求項５】
パルスレーザ光を用いたレーザ加工装置において、加工ステージ上に載置された被加工物に向けて伝搬するレーザパルスを、パルス単位でオン、オフ又はゲーティングするパルスレーザシャッターであって、
レーザ光の横モード分布形状を成形する成形光学系と、
レーザ光の伝搬方向を変え又は遮断するシャッター素子と、
当該シャッター素子を光路に出し入れするための駆動源と、
少なくとも、パルスレーザ光源と前記加工ステージと前記駆動源の動作を制御する信号の送受信を行うタイミングコントローラとを有し、
当該タイミングコントローラは、前記加工ステージの位置に応じたエンコーダー信号に基づき、当該加工ステージと前記パルスレーザ光源と前記駆動源とに信号を送信する、パルスレーザシャッター。
【請求項６】
前記駆動源がボイスコイルモーターである請求項５に記載のパルスレーザシャッター。
【請求項７】
前記シャッター素子がレーザ光の波長に対し透明な部材からなる素子である請求項５又は請求項６に記載のパルスレーザシャッター。
【請求項８】
前記シャッター素子がレーザ光の波長に対しこれを反射する部材からなる素子である請求項５又は請求項６に記載のパルスレーザシャッター。
【請求項９】
前記パルスレーザ光源がエキシマレーザである請求項５又は請求項６に記載のパルスレーザシャッター。
【請求項１０】
前記パルスレーザ光源がエキシマレーザである請求項７に記載のパルスレーザシャッター。
【請求項１１】
前記パルスレーザ光源がエキシマレーザである請求項８に記載のパルスレーザシャッター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工に用いられるパルスレーザ光をパルス単位にてオン、オフ又はゲーティングするシャッターの動作方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスレーザ光を用いたレーザ加工装置において、移動する加工ステージ上に載置された被加工物に対し、加工ステージを停止することなく１ショットずつ加工する、いわゆるスキャン加工を行う場合がある。この場合、各レーザパルスの持つパルスエネルギーは、一定且つ安定している必要がある。【０００３】
これは、被加工物に所定の数のレーザパルスを照射し、１ショットあたりのエッチングレートに基づいて加工深さを精度よく制御する必要のあるステップアンドリピート加工を行う場合においても同様である。【０００４】
いずれの加工においても、光源のパルスレーザ装置は、加工ステージの位置に応じて出力されるエンコーダー信号に基づき生成された、外部トリガー発振用の信号を受信して発振するのが一般的である。そして、そのレーザパルスのオン、オフ又はゲーティングは、この外部トリガー信号のオン若しくはオフによるか、又は、一旦発振させたレーザパルス列に対し外部に設けた機械的シャッターを開閉することにより、被加工物へのレーザパルスの照射を制御するのが一般的である。【０００５】
しかし、外部トリガー信号のオン若しくはオフによる制御の場合、発振直後の数パルスから数十パルスのパルスエネルギー、又は発振直後の一定時間内のパルスのパルスエネルギーは不安定であることが知られているため、この不安定なパルスエネルギーを加工に用いることのないよう機械的シャッター動作によりこれを排除することが必要である。【０００６】
加えて、特にパルスレーザが高繰り返し周波数にて発振しているレーザパルスを機械的シャッターによりオン、オフ又はゲーティングする場合、時間的に隣り合うレーザパルス間の時間内（パルス間タイムウインドー内）にそのレーザパルスの横モード分布（ビームサイズ）をカバーする領域を一気に高速移動するシャッター動作が必要である。【０００７】
具体的には、例えば２００Ｈｚで発振するエキシマレーザの場合、パルス間タイムウインドーは約５ｍｓであり、その矩形ビームの短軸方向の長さ（幅）は約５ｍｍである。よって、隣り合うレーザパルスのいずれにも干渉せずにオン、オフできるシャッターの開閉動作に必要な速度は１０００ｍｍ／ｓ以上となる。しかし、短時間に異なるタイミングでシャッター開閉を繰り返す必要のあるステップアンドリピート加工の場合はもとより、スキャン加工のような単純な繰り返し動作の場合であっても、シャッター装置の大型化を伴わずにこれを実現することは容易ではない。【０００８】
これを解決するために、例えば、集光レンズ等を用いて前記５ｍｍの幅を１ｍｍ以下に集光し、シャッター用部材が横切るべき距離を短くすることが考えられるが、シャッター用部材へのダメージを考慮すると、その挿入位置を集光点に近づけることができない。そこで、シャッター用部材の動作を可能な限り高速化する必要がある。【０００９】
特許文献１には、主に連続波レーザ用に開発されたシャッターユニットが開示されている。この機構を、例えば前述の２００Ｈｚの繰り返し周波数にて発振するエキシマレーザ、すなわち、パルス間タイムウインドーが５ｍｓ程度のパルスレーザに応用した場合、反射ミラー等の回転駆動における応答速度がこれと同等の５ｍｓ程度のこの機構では十分ではない。また、仮に応答速度が上がったとしても、前記ビームウエストにおいて繰り返しシャッター動作する反射ミラーへの損傷が懸念される。【００１０】
特許文献２には、アパーチャを配した円筒形のシャッターユニット２台を同期して回転させることで、所定の数のレーザパルス列を高速にてオン／オフするバーストモードの制御技術が開示されている。しかし、オンからオフまでの加工時間が長く、且つオン／オフの切り替え時に高速にてシャッター動作する必要のある大型の被加工物に対するスキャン加工や、任意のタイミング且つ短時間にこれを繰り返す必要のあるステップアンドリピート加工に対しては、この回転体によるシャッター動作は適切な構成とはいえない。なお、回転体の代わりに直線ステージを用いることにも言及されてはいるが、詳細な実施方法についての記載はなく、またシャッターユニットへの損傷に対する懸念は払拭されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−２６４５０１号報
【特許文献２】特開２０１５−７６５３７号報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、パルス間タイムウインドーがｍｓ台の繰り返し周波数にて発振している（パルス）レーザ光を用いたスキャン加工やステップアンドリピート加工において、上記の背景技術が抱える問題に鑑みてなされたものであり、任意の隣り合うレーザパルスのいずれにも干渉することなく、そのパルス間タイムウインドー内にシャッター動作を開始し、終了させ、且つ、シャッター素子の損耗に対する延命化が可能な高速のシャッター動作方法及びその装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、繰り返し周波数が１００［Ｈｚ］を超え１／Ｔ［Ｈｚ］にて発振するレーザ光を用いたレーザ加工装置において、加工ステージ上に載置された被加工物に向けて伝搬するレーザ光の光軸にシャッター素子を出し入れし、その伝搬方向を変え又は遮断することにより、被加工物に照射されるレーザパルスをパルス単位でオン、オフ又はゲーティングするパルスレーザシャッターの動作方法であって、前記加工ステージの位置に応じたエンコーダー信号に基づき、任意の数のレーザパルスを発振させるための外部トリガー信号を発生する工程と、当該外部トリガー信号に基づき発振するレーザ光の横モード分布形状を成形光学系により成形する工程と、前記シャッター素子を出し入れするための駆動源に対し、その動作開始のタイミングを前記外部トリガー信号に同期して決定し、送信する工程とを含み、前記シャッター素子の出し入れの位置においてシャッター素子により横切られる前記成形されたレーザ光の幅以上にわたるシャッター素子の移動距離をＤ［ｍ］、前記駆動源の推力をＦ［Ｎ］、当該駆動源に前記シャッター素子を固定するための固定用冶具とシャッター素子の合計質量をＭ［ｋｇ］としたとき、当該Ｄ、Ｆ、Ｍ及びＴが関係式（２ＤＭ／Ｆ）１／２＜Ｔを満たし、且つ、前記出し入れの位置において、前記シャッター素子の受光するレーザパルスのパルスエネルギー密度が、当該シャッター素子の損傷閾値未満であるパルスレーザシャッターの動作方法である。【００１４】
本発明において、「パルス単位でオン、オフする」とは、時間的に隣り合うレーザパルスのいずれにも干渉することなく、すなわちレーザパルスの横モード分布の一部又は全部がシャッター素子の移動（シャッターの開閉）により遮られることなく、当該レーザパルスの通過状態（開）と、伝搬方向の変更を含む遮断状態（閉）の切り替えを行うことをいう。また、「ゲーティング」とは、オンとオフの組み合わせにより一定時間又は一定数のレーザパルスのみ、その伝搬方向を変え、又は遮断することで、その間のレーザパルスが被加工物に照射されないようにすることをいう。【００１５】
「レーザ光の光軸にシャッター素子を出し入れする」とは、図１に示すように、シャッター素子１が例えばボイスコイルモーター（図示省略）の移動に応じてレーザ光の横モード分布内に図示する両矢印方向に挿入されたり、抜去されたりする意味である。そして、その挿入（抜去）方向は、シャッター素子１がレーザ光の横モード分布内に侵入してからその全てを遮る（受光する）までに要する時間を最短にする、光軸に対して垂直の方向が望ましい。【００１６】
「損傷閾値未満である」とは、ピークパワー密度を考慮することはもとより、単一パルスの照射による損傷閾値のみならず、本発明の応用である高繰り返し周波数にて発振するレーザパルスを連続して照射するレーザ加工装置において期待される、損傷なき累積ショット数を実現する損傷閾値も考慮して判断する基準をいう。【００１７】
例えば、合成石英からなるシャッター素子の場合、パルスレーザの仕様を波長２４８ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ、繰り返し周波数２００Ｈｚと、それぞれ固定した場合であっても、その損傷閾値は、次表１及び図２に示すとおり期待する損傷なき累積ショット数によって様々である。従って、レーザ加工に必要なパルスエネルギーや加工のデューティーサイクルに照らし、期待される累積ショット数を損傷の発生なくシャッター素子が受光しうる損傷閾値を考慮のうえ、シャッター位置における最適なパルスエネルギー密度を設定することになる。なお、図２における損傷の基準としては、透過率が概ね１／２に減少した時点とする。【００１８】
【表１】
2019044954.tif 000003
【００１９】
なお、例えば、レーザ光の横モード分布がガウシアン分布のＮｄ：ＹＡＧレーザの場合、損傷閾値を考慮して光ファイバーやレンズを用いてこれを拡大し、シャッター素子により横切られるレーザ光の幅（例えば短軸方向の長さ）を成形する。他方、Ｎｄ：ＹＡＧレーザと比較して大きな矩形の横モード分布を持つエキシマレーザの場合、レンズ等を用いてこれを縮小しその短軸長さを成形する。【００２０】
シャッター素子には、プリズムのように屈折を利用して伝搬方向を変えるものや、ミラーのように反射を利用して遮断するものを含み、これらに限定されない。【００２１】
第２の発明は、第１の発明において、駆動源にボイスコイルモーターを用いるパルスレーザシャッターの動作方法である。【００２２】
ボイスコイルモーターには、ストロークは短くてもその推力が数十Ｎであるものを選択するとよい。駆動させるシャッター素子の質量を抑えることで、高加速度の動作を実現することができる。例えば、本発明の実施例において用いたボイスコイルモーターには、ピーク推力が３８Ｎのものを用いた。【００２３】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、シャッター素子がレーザ光の波長に対し透明な部材からなる素子であるパルスレーザシャッターの動作方法である。【００２４】
その部材としてはプリズム等の光学素子のように、レーザ光の波長に対し高い透過性を有するものを選択するとよい。また、その被照射面にレーザ光の反射を防止する誘電体多層膜を施すことで高い透過性を得ることもできる。しかし、損傷閾値の低い環境での使用には適さない。【００２５】
第４の発明は、第１又は第２の発明において、シャッター素子がレーザ光の波長に対しこれを反射する部材からなる素子であるパルスレーザシャッターの動作方法である。その部材としては、光学ミラーのほかレーザ光の被照射面に反射膜を施した光学プリズムなどを用いることができる。【００２６】
第５の発明は、パルスレーザ光を用いたレーザ加工装置において、加工ステージ上に載置された被加工物に向けて伝搬するレーザパルスを、パルス単位でオン、オフ又はゲーティングするパルスレーザシャッターであって、レーザ光の横モード分布形状を成形する成形光学系と、レーザ光の伝搬方向を変え、又は遮断するシャッター素子と、当該シャッター素子を光路に出し入れするための駆動源と、少なくとも、パルスレーザ光源と前記加工ステージと前記駆動源の動作を制御する信号の送受信を行うタイミングコントローラとを有し、当該タイミングコントローラは、前記加工ステージの位置に応じたエンコーダー信号に基づき、当該加工ステージと前記パルスレーザ光源と前記駆動源とに信号を送信するパルスレーザシャッターである。【００２７】
第６の発明は、第５の発明において、駆動源がボイスコイルモーターであるパルスレーザシャッターである。【００２８】
第７の発明は、第５又は第６の発明において、シャッター素子がレーザ光の波長に対し透明な部材からなる素子であるパルスレーザシャッターである。【００２９】
第８の発明は、第５又は第６の発明において、シャッター素子がレーザ光の波長に対しこれを反射する部材からなる素子であるパルスレーザシャッターである。【００３０】
第９乃至第１１のいずれかの発明は、第５乃至第８の発明のいずれかにおいて、パルスレーザ光源をエキシマレーザとするパルスレーザシャッターである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、１００Ｈｚを超える高繰り返し周波数にて発振するレーザパルスを用いたステップアンドリピート加工やスキャン加工において、隣り合うレーザパルスのいずれにも干渉することなく、そのパルス間タイムウインドー内にてレーザパルスのオン（又はオフ）を開始し、終了させるシャッター動作を長寿命にて実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】リレーレンズにより集光されたレーザ光に対するシャッター素子の出し入れの様子を示す。
【図２】損傷閾値と累積ショット数の関係を示す。
【図３】被加工物に対するスキャン加工の様子を示す。
【図４】レーザシャッター装置を搭載したレーザ加工装置を示す。
【図５】プリズムからなるシャッター素子の形状を示す。
【図６Ａ】ボイスコイルモーターにシャッター素子を固定用冶具で取り付けた様子を示す。
【図６Ｂ】シャッター素子と固定用冶具の各部品の実写真を示す。
【図７】平凸シリンドリカルレンズの組み合わせによるテレスコープ内に挿入されたシャッター素子を示す。
【図８Ａ】シャッター素子がレーザ光に挿入、抜去される様子（側面）を示す。
【図８Ｂ】シャッター素子がレーザ光に挿入、抜去される様子（別側面）を示す。
【図９】トリガータイミングチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明に係るパルスレーザシャッター及びその動作方法の一態様を詳細に説明する。
【実施例】
【００３４】
本発明の実施例として、Ｘ、Ｙ、Ｚ及びθ軸駆動の加工ステージ上に載置された被加工物７を０．１ｍｍピッチでＹ軸方向に１ショットスキャン加工する際に用いるレーザシャッターを説明する。その基本的なシャッターの動作は、レーザ光をオフ（閉）状態からオン（開）状態へ切り替えるための開閉動作である。なお、後述のとおり、レーザ光のオンからオフへは、レーザ装置への外部トリガー信号をオフにすることにより行うのが一般的であり、本実施例においてもこの方法を用いた。【００３５】
はじめに、本実施例における加工の様子を図３に示す。被加工物７のサイズは３００×３００ｍｍであり、加工箇所の総数は０．１ｍｍピッチにて、２，０００×２，０００＝４，０００，０００箇所である。また図中に示す「Ｙ」はＹ軸加工ステージ６にて、「Ｘ」はＸ軸加工ステージにより移動する方向である。【００３６】
図４に、本発明の実施に係るレーザ加工装置全体の概略構成を示す。本実施例においては、パルスレーザ光源として発振波長が２４８ｎｍのエキシマレーザ４を用いた。そして、前述の０．１ｍｍピッチの加工を２０ｍｍ／ｓの等速運動により加工する際の繰り返し周波数（１／Ｔ）は２００Ｈｚである。一般的なエキシマレーザのパルス幅である約２５ｎｓを無視すると、パルス間タイムウインドーＴは５ｍｓとなる。【００３７】
また、このレーザ光の横モード分布形状は、出射直後において短軸５ｍｍ×長軸２４ｍｍであり、ビーム拡がり角は１×３ｍｒａｄである。パルスレーザ光源としては、このほかＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザやＣＯ２レーザ等を用いることもできるが、被加工物７の材質、特にレーザ光の波長に対する吸収特性に応じて、適切な組み合わせとなるパルスレーザ光源を選択する必要がある。【００３８】
次に、本実施例において使用したシャッター素子１は、２４８ｎｍに対する透過率が９０％以上の図５に示す合成石英からなる直角プリズムであり、各辺の長さはａ＝１０ｍｍ、ｂ＝１０ｍｍ、ｃ＝３０ｍｍである。このシャッター素子の被照射面１２にレーザパルスを入射させ、屈折させ、その伝搬方向を変えることにより、被加工物７へ照射されるレーザパルスのオン、オフ又はゲーティングを実現する。なお、被照射面１２を含むいずれの面においても、何らコーティングを施していない。レーザ照射による損傷が懸念されるためである。【００３９】
さらに、このシャッター素子１は、その駆動源として選定したボイスコイルモーター２に固定用冶具１３を用いて固定した。その様子を図６Ａに示す。また、シャッター素子１と固定用冶具１３の実写真を図６Ｂに示す。なお、これらの合計の質量（Ｍ）は、１０ｇである。【００４０】
ボイスコイルモーターの仕様は次表２、その制御用に用いたドライバ（アンプ）の仕様は次表３のとおりである。ここで、ピーク推力とは、本実施例のようなデューティーの低い状況において瞬時に動作させる場合の推力であり、連続動作における定格推力に比べて大きい。また、ボイスコイルモーターのピーク推力は、この制御用ドライバに依存する。本実施例において用いたボイスコイルモーターのピーク推力は３８Ｎである。【００４１】
【表２】
2019044954.tif 000004
【００４２】
【表３】
2019044954.tif 000005
【００４３】
本実施例における１ショットスキャン加工で必要とされるパルスエネルギーは、縮小投影光学系等による減衰前の段階において概ね１００ｍＪである。また、その位置はエキシマレーザ４の出射口から２ｍほど離れた位置であり、この位置におけるビーム形状は概ね短軸８ｍｍ×長軸２５ｍｍである。従って、この位置において前記シャッター素子１を出し入れする場合、その被照射面１２上のパルスエネルギー密度は、４５°入射を考慮すると約３５ｍＪ／ｃｍ２である。【００４４】
この程度のパルスエネルギー密度は、期待する損傷なき累積ショット数を１×１０９ショットとしても、その場合の前記直角プリズムの損傷閾値（５０ｍＪ／ｃｍ２）以下であり、且つ、Ｄを前記ビーム形状の短軸長さと同じ８ｍｍ、Ｆ＝３８Ｎ、Ｔ＝５ｍｓ、Ｍ＝１０ｇとすると、本発明の条件式である（２ＭＤ／Ｆ）１／２＜Ｔも満たす（２×０．０１×０．００８／３８）１／２≒０．００２１＜０．００５）。【００４５】
しかし、本実施例においては、タイムウインドー内にて空間的余裕をもってレーザ光を遮断状態（閉）から解放状態（開）にするために、ビーム形状の短軸方向を成形光学系により上述の８ｍｍから５ｍｍへさらに短くし、他方、シャッター素子１がこの５ｍｍを十分カバーし、横切って移動する距離Ｄをシャッター素子のサイズ（ａ又はｂ）と同一の１０ｍｍとした。ここで、条件式を改めて計算すると（２ＭＤ／Ｆ）１／２＝（２×０．０１×０．０１０／３８）１／２≒０．００２３＜０．００５となり、この場合であっても余裕のある実用的なパラメータの組み合わせを得ることができた。【００４６】
レーザ光の伝搬の様子は次のとおりである。エキシマレーザ４から出射した矩形の横モード分布を持つレーザ光４１を、焦点距離ｆ＝６００ｍｍの２枚の平凸レンズ３（合成石英製）によりリレーし、後段のテレスコープ光学系に伝搬する。図１（及び図８A）に示すように、シャッター素子１は、レーザ光が最初の平凸レンズ３の焦点位置から３００ｍｍ伝搬した後の位置をその出し入れの位置とした。この位置におけるビームサイズは、短軸方向が約５ｍｍ、長軸方向が約１５ｍｍ（いずれもＦＷＨＭ）である。【００４７】
その後、２枚目の平凸レンズを通過したレーザ光４１は、横モード分布において均一なエネルギー分布を得るために、その後段に位置するホモジナイザーへと伝搬される。なお、ホモジナイザー以後の光学系５については、一般の縮小結像光学系と同様であるためその詳細は省略し図４中に簡略化して図示した。【００４８】
なお、シャッター素子１の設置場所としては、この平凸レンズによるリレーレンズ構成内のほか、図７に示すとおり２枚の平凸シリンドリカルレンズの組み合わせによるテレスコープ内に設置することもできる。しかし、本実施例においては、前述のとおりシャッター素子の被照射面１２上に照射されるレーザ光４１のパルスエネルギー密度が３５ｍＪ／ｃｍ２と低く、図７のようにシリンドリカルレンズを用いて細長い矩形ビームを形成し、横切るべきレーザ光の短軸を短くしたうえで、パルスエネルギー密度を低く抑える構成とはしなかった。【００４９】
シャッター素子１のレーザ光４１に対する位置関係を図８Ａ及び図８Ｂに示す。いずれの図中においても、シャッター素子１の移動方向を両矢印にて示した。また、レーザ光４１内に挿入されているシャッター素子１を実線で示し、完全に抜去されたシャッター素子を点線で示した。さらに、前述のとおりレーザ光への挿入・抜去の位置は、平凸レンズ３により成形されたビームウエスト部４２の位置から概ね３００ｍｍ伝搬した後の位置である。【００５０】
この位置におけるレーザ光４１の横モード分布は、前述のとおり短軸５ｍｍ×長軸１５ｍｍの矩形であり、シャッター素子１は、そのエッジ部１１がこの横モード分布の短軸方向に沿って光軸に対し垂直に抜去／挿入される。そして、本実施例においては、この矩形の横モード分布を、空間的余裕をもって遮断しているシャッター閉の状態（図８Bにおいて実線で描画）から、シャッター開の状態（図８Bにおいて点線で描画）への切り替えのために最短時間で移動すべき距離を１０ｍｍに設定した。なお、図中の一点鎖線は光軸を、二点鎖線は被照射面１２に対する法線を示し、レーザ光の入射角θは法線から４５°である。また、直角プリズム（シャッター素子１）の大きさやレーザ光４１のビーム拡がり角は誇張して描いてある。【００５１】
本実施例の場合、図８Ｂに示すように、レーザ光４１に対するシャッター閉から開への瞬時切り替え動作に要する時間、すなわちシャッター素子のエッジ部１１が最短で１０ｍｍ移動する時間は前述のとおり約２．３ｍｓである。なお、このとき、シャッター素子が停止するまでの減速（図中に灰色点線にてその様子を示す。）によりオーバーランする移動距離を考慮する必要はない。シャッターを閉にするときは、開にするときの逆の動作をさせる代わりに、レーザ装置４への外部トリガーをオフにするからである。【００５２】
他方、本実施例と異なり、レーザ光のオンとオフをいずれもシャッターの開閉動作により短時間に繰り返し行う必要がある場合は、シャッター素子が移動する際の加速と減速の時間を考慮する必要がある。シャッター素子のエッジ部１１が１０ｍｍ移動して停止する場合のシャッター動作時間は５ｍｍの加速移動と５ｍｍの減速移動（２×０．０１×０．００５／３８）１／２）×２により、概ね３．２ｍｓとなる。なお、この場合も本発明に係る条件式（＜５ｍｓ）を満たす。【００５３】
次に、より具体的なシャッターの動作タイミングを、レーザ加工装置を構成する各部に入出力する信号の送受信を用いて説明する。【００５４】
図２に示す１ショットスキャン加工において、Ｙ軸加工ステージ６として用いるのは、速度２０ｍｍ／ｓ、加速度４０ｍｍ／ｓ２のリニアエンコーダ付きＤＣサーボモータ駆動のステージである。スキャン加工時、この（Ｙ軸）リニアエンコーダからは、その位置情報（信号２）がタイミングコントローラとしてのステージモーションコントローラに出力される。この位置情報を受信したステージモーションコントローラは、任意の位置情報に基づき、エキシマレーザ４に対し外部トリガー発振用のＴＴＬ信号（信号３）を生成し出力する。【００５５】
本実施例においては、Ｙ軸加工ステージ６は２０ｍｍ／ｓの等速運動を安定して行っている２００ｍｍの距離にわたりピッチ０．１ｍｍ（図３）にて加工するための信号３をエキシマレーザ４に出力する。この信号３を受信したエキシマレーザ４は、結果として２００Ｈｚの繰り返し周波数でレーザを照射することとなる。【００５６】
前述のとおり、このときのパルス間タイムウインドーは、レーザのパルス幅（約２５ｎｓ）を無視するならば５ｍｓであり、シャッター素子１がそのエッジ部１１を所定の位置から１０ｍｍ移動しシャッターを閉から開にするために要する時間（２．３ｍｓ）と比較して十分長い時間といえる。よって、隣り合うレーザパルスにシャッター素子が干渉することなく、レーザパルス単位にてこれをオン、オフ又はゲーティングすることができる。【００５７】
全体を通してのレーザ加工装置を構成する各部の動作タイミングは次のとおりである。はじめに、被加工物７を載置したＹ軸加工ステージ６を、加工位置の手前にあたるスタンバイ位置（図９において「０ｍｍ」と表示。）まで移動する。次に、シャッター素子１をボイスコイルモーター２の駆動により、レーザ光４１の照射を被照射面１２の中央付近で受光する位置（図８Ａ及び８Ｂにおいて実線で示したシャッター閉の位置）まで移動、挿入し、レーザ光４１の照射を受けた際、シャッター素子１による屈折によりレーザ光４１が被加工物７に照射されないようにする。（シャッターを閉にする。）なお、この時点では、まだ外部トリガーの信号３はエキシマレーザ４に送信されておらず、レーザ光４１のシャッター素子１への照射はない。【００５８】
次に、オペレータからの加工開始指示（信号１）を受け、Ｙ軸加工ステージ６が前記スタンバイ位置から加速度４０ｍｍ／ｓ２にて移動を開始し、５ｍｍ移動したところで２０ｍｍ／ｓの等速運動となる。Ｙ軸加工ステージ６の移動とともにその位置に応じたエンコーダーからの出力信号２を受けたステージモーションコントローラは、この５ｍｍ移動した時点でエキシマレーザに外部トリガーの信号３の送信を開始する。このとき、エキシマレーザ４は、外部トリガー発振モードで発振準備しており、この信号３を受信するとレーザ発振する。【００５９】
なお、一般的なエキシマレーザの場合、外部発振用のＴＴＬ信号（信号３）を受信してから実際のレーザパルスが発振されるまでの遅延時間は、約１μｓである。しかし、本実施例の場合、パルス間タイムウインドーの５ｍｓに比較して十分短く、レーザパルスのオン、オフ又はゲーティング動作には影響を及ぼさない。【００６０】
Ｙ軸加工ステージ６は、さらに５ｍｍの距離を２０ｍｍ／ｓの等速運動にて移動する。本実施例においては、この間に発振したエキシマレーザ４からのレーザパルス数である５０パルス分を、シャッター閉の位置（図８Ａ及び８Ｂにおける実線の位置）にあるシャッター素子１によりゲーティングする。（遮断する。）そして、次の５１パルス目からゲーティングを解除し（シャッターを開き）、このパルス以降を加工に用いる。【００６１】
これは、前述のとおり、安定した加工精度を得るために、Ｙ軸加工ステージ６が加速度運動から等速運動に変わると同時に発振を開始したレーザパルスのうち、パルスエネルギーの不安定なレーザパルスを含む発振直後の５０パルス分をゲーティングにより排除するものである。【００６２】
ステージモーションコントローラは、ボイスコイルモーター２の制御用アンプに対し、前記５０パルス目と５１パルス目の間のパルス間タイムウインドー（５ｍｓ）内において、シャッター素子１をゲーティング位置から抜去するための駆動信号４を送信する。【００６３】
なお、この駆動信号４の送信時刻の微調整は、５１パルス目以降のパルスエネルギーを実測することで行うことができる。例えば、５１パルス目のパルスエネルギーがその後のレーザパルス（５２パルス目）に比べて低い場合は、５１パルス目のレーザ光がシャッター素子１に干渉している（一部照射されている）ことが考えられるため、駆動信号４の送信時刻を例えば１ｍｓステップにて早める微調整を行う。また、５０パルス目のパルスエネルギーが計測された場合は、同じく駆動信号４の送信時刻を遅くする微調整を行う。なお、５０パルス目か５１パルス目かの区別は、エキシマレーザへの外部トリガーである信号３のパルス数のうち、加工に用いる予定のレーザパルス数（本実施例においては２，０００パルス）又はシャッター素子により伝搬方向が変えられたレーザパルス数（本実施例においては５０パルス）と、そのいずれかのパルスエネルギーを実測したショット数から容易に判断できる。【００６４】
Ｙ軸加工ステージ６が加工開始（シャッター開）から２００ｍｍ移動後、すなわち、被加工物７へのレーザパルスの照射数が２，０００ショットに達した時点で、エキシマレーザ４への外部発振トリガー（信号３）を停止する。その後、Ｘ軸及びＹ軸加工ステージが次の列のスキャン加工のためのスタンバイ位置に移動し、その移動の間、シャッター素子を再びゲーティング位置に移動する。以降、同様の動作を繰り返し、トータル２，０００×２，０００箇所の１ショットスキャン加工を行う。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
パルスレーザ光源を用いたレーザ加工装置全般に利用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１    シャッター素子
１１  エッジ部
１２  被照射面
１３  固定用冶具
２    ボイスコイルモーター（ＶＣＭ）
３    平凸レンズ
４    エキシマレーザ
４１  レーザ光
４２  ビームウエスト部
５    後段光学系（ホモジナイザー他）
６    Ｙ軸加工ステージ
７    被加工物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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