(57)【要約】紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、パルスレーザ光を透過する転写パターンが形成された転写マスクと、パルスレーザ光が転写パターンを透過することによって形成され転写パターンに応じた形状の転写像を転写する転写光学系とを備えたレーザ加工システムを用いて、紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法は、以下のステップを備える：Ａ．パルスレーザ光の光軸方向において、転写光学系によって転写される転写像の転写位置と、透明材料との相対的な位置決めを行う位置決めステップであって、転写位置が、光軸方向において透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ透明材料の内部に進入した位置となるように位置決めを行う位置決めステップ；Ｂ．パルス幅が１〜１００ｎｓの範囲であって、かつ、転写位置でのビームの直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下のパルスレーザ光を透明材料に照射する照射ステップ。
2019069397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、前記パルスレーザ光を透過する転写パターンが形成された転写マスクと、前記パルスレーザ光が前記転写パターンを透過することによって形成され前記転写パターンに応じた形状の転写像を転写する転写光学系とを備えたレーザ加工システムを用いて、前記紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法は、以下のステップを備える：
Ａ．前記パルスレーザ光の光軸方向において、前記転写光学系によって転写される前記転写像の転写位置と、前記透明材料との相対的な位置決めを行う位置決めステップであって、前記転写位置が、前記光軸方向において前記透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ前記透明材料の内部に進入した位置となるように前記位置決めを行う位置決めステップ；及び
Ｂ．パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲であって、かつ、前記転写位置でのビームの直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下の前記パルスレーザ光を前記透明材料に照射する照射ステップ。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工方法であって、
前記透明材料は、合成石英ガラスであって、前記パルスレーザ光の波長は１５７．６ｎｍ〜２４８．７ｎｍである。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光は、ＡｒＦレーザ光である。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ加工方法であって、
前記深さΔＺｓｆの範囲は、０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下である。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光の前記転写位置におけるフルーエンスは、３Ｊ／ｃｍ2以上１５Ｊ／ｃｍ2以下である。
【請求項６】
請求項３に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光の照射パルス数は、３，０００パルス以上である。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ加工方法であって、
前記照射パルス数は、３５，０００パルス以下である。
【請求項８】
紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、前記パルスレーザ光を集光する集光光学系とを備えたレーザ加工システムを用いて、前記紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法は、以下のステップを備える：
Ａ．前記パルスレーザ光の光軸方向において、前記パルスレーザ光のビームウエスト位置と、前記透明材料との相対的な位置決めを行う位置決めステップであって、前記ビームウエスト位置が、前記光軸方向において前記透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ前記透明材料の内部に進入した位置となるように前記位置決めを行う位置決めステップ；及び
Ｂ．パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲であって、かつ、前記ビームウエスト位置でのビームの直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下の前記パルスレーザ光を前記透明材料に照射する照射ステップ。
【請求項９】
請求項８に記載のレーザ加工方法であって、
前記透明材料は、合成石英ガラスであって、前記パルスレーザ光の波長は１５７ｎｍ〜２４８ｎｍである。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光は、ＡｒＦレーザ光である。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザ加工方法であって、
前記深さΔＺｓｆの範囲は、０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下である。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光の前記ビームウエスト置におけるフルーエンスは、３Ｊ／ｃｍ2以上１５Ｊ／ｃｍ2以下である。
【請求項１３】
請求項１０に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光の照射パルス数は、３，０００パルス以上である。
【請求項１４】
請求項１３に記載のレーザ加工方法であって、
前記照射パルス数は、３５，０００パルス以下である。
【請求項１５】
紫外線に対して透明な透明材料に対して前記紫外線のパルスレーザ光を照射してレーザ加工を施すレーザ加工システムは、以下を備える：
Ａ．パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲の前記パルスレーザ光を出力するレーザ装置；
Ｂ．前記レーザ装置から出力される前記パルスレーザ光を透過する転写パターンが形成された転写マスク；
Ｃ．前記パルスレーザ光が前記転写パターンを透過することによって形成され前記転写パターンに応じた形状の転写像を前記透明材料に転写する転写光学系；
Ｄ．前記パルスレーザ光の光軸方向において、前記転写光学系によって転写される前記転写像の転写位置と、前記透明材料との相対的な位置決めを行う位置決め機構；及び
Ｅ．前記転写位置が、前記光軸方向において前記透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ前記透明材料の内部に進入した位置となるように、前記位置決め機構を制御して前記位置決めを行う位置決め制御部，
ここで、前記転写位置での前記パルスレーザ光のビームの直径は１０μｍ以上１５０μｍ以下である。
【請求項１６】
請求項１５に記載のレーザ加工システムであって、
前記透明材料は、合成石英ガラスであって、前記パルスレーザ光の波長は１５７ｎｍ〜２４８ｎｍである。
【請求項１７】
請求項１６に記載のレーザ加工システムであって、
前記パルスレーザ光は、ＡｒＦレーザ光である。
【請求項１８】
請求項１７に記載のレーザ加工システムあって、
前記深さΔＺｓｆの範囲は、０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下である。
【請求項１９】
請求項１８に記載のレーザ加工システムであって、
前記パルスレーザ光の前記転写位置におけるフルーエンスは、３Ｊ／ｃｍ2以上１５Ｊ／ｃｍ2以下である。
【請求項２０】
請求項１８に記載のレーザ加工システムであって、
前記パルスレーザ光の照射パルス数は、３，０００パルス以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ加工方法及びレーザ加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。半導体露光装置を以下、単に「露光装置」という。このため露光用光源から出力される光の短波長化が進められている。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用のガスレーザ装置としては、中心波長約２４８．４ｎｍの紫外線を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置ならびに、中心波長約１９３．４ｎｍの紫外線を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。【０００３】
現在の露光技術としては、露光装置側の投影レンズとウエハ間の間隙を液体で満たして、当該間隙の屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけの波長を短波長化する液浸露光が実用化されている。ＡｒＦエキシマレーザ装置を露光用光源として用いて液浸露光が行われた場合は、ウエハには水中における波長１３４ｎｍの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光という。ＡｒＦ液浸露光はＡｒＦ液浸リソグラフィーとも呼ばれる。【０００４】
ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ装置の自然発振におけるスペクトル線幅は約３５０〜４００ｐｍと広いため、露光装置側の投影レンズによってウエハ上に縮小投影されるレーザ光（紫外線光）の色収差が発生して解像力が低下する。そこで色収差が無視できる程度となるまでガスレーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。スペクトル線幅はスペクトル幅とも呼ばれる。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には狭帯域化素子を有する狭帯域化部（Line  Narrow  Module）が設けられ、この狭帯域化部によりスペクトル幅の狭帯域化が実現されている。なお、狭帯域化素子はエタロンやグレーティング等であってもよい。このようにスペクトル幅が狭帯域化されたレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。【０００５】
また、エキシマレーザ光はパルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓであって、中心波長はそれぞれ、２４８．４ｎｍと１９３．４ｎｍと短い。こうした特性を利用して、エキシマレーザ光は、露光用途以外に、高分子材料やガラス材料等の直接加工に用いられることがある。高分子材料は、結合エネルギよりも高いフォトンエネルギをもつエキシマレーザ光によって、高分子材料の結合を切断できる。そのため、非加熱加工が可能となり、加工形状が綺麗になることが知られている。また、ガラスやセラミックス等はエキシマレーザ光に対する吸収率が高いので、可視及び赤外線レーザ光では加工することが難しい材料の加工もできることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２８４７９２号公報
【特許文献２】特開平１１−２２４８３９号公報
【特許文献３】特許３７９９０６０号公報
【特許文献４】特開平３−１５７９１７号公報
【特許文献５】特開２０００−０３１５７４号公報
【概要】
【０００７】
本開示の１つの観点に係るレーザ加工方法は、紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、パルスレーザ光を透過する転写パターンが形成された転写マスクと、パルスレーザ光が転写パターンを透過することによって形成され転写パターンに応じた形状の転写像を転写する転写光学系とを備えたレーザ加工システムを用いて、紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法であって、以下のステップを備える：
Ａ．パルスレーザ光の光軸方向において、転写光学系によって転写される転写像の転写位置と、透明材料との相対的な位置決めを行う位置決めステップであって、転写位置が、光軸方向において透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ透明材料の内部に進入した位置となるように位置決めを行う位置決めステップ；及び
Ｂ．パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲であって、かつ、転写位置でのビームの直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下のパルスレーザ光を透明材料に照射する照射ステップ。
【０００８】
本開示の１つの観点に係るレーザ加工方法は、紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、パルスレーザ光を集光する集光光学系とを備えたレーザ加工システムを用いて、紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法であって、以下のステップを備える：
Ａ．パルスレーザ光の光軸方向において、パルスレーザ光のビームウエスト位置と、透明材料との相対的な位置決めを行う位置決めステップであって、ビームウエスト位置が、光軸方向において透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ透明材料の内部に進入した位置となるように位置決めを行う位置決めステップ；及び
Ｂ．パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲であって、かつ、ビームウエスト位置でのビームの直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下のパルスレーザ光を透明材料に照射する照射ステップ。
【０００９】
本開示の１つの観点に係るレーザ加工システムは、  紫外線に対して透明な透明材料に対して紫外線のパルスレーザ光を照射してレーザ加工を施すレーザ加工システムであって、以下を備える：
Ａ．パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲のパルスレーザ光を出力するレーザ装置；
Ｂ．レーザ装置から出力されるパルスレーザ光を透過する転写パターンが形成された転写マスク；
Ｃ．パルスレーザ光が転写パターンを透過することによって形成され転写パターンに応じた形状の転写像を透明材料に転写する転写光学系；
Ｄ．パルスレーザ光の光軸方向において、転写光学系によって転写される転写像の転写位置と、透明材料との相対的な位置決めを行う位置決め機構；及び
Ｅ．転写位置が、光軸方向において透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ透明材料の内部に進入した位置となるように、位置決め機構を制御して位置決めを行う位置決め制御部；
ここで、転写位置でのパルスレーザ光のビームの直径は１０μｍ以上１５０μｍ以下である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
【図１】図１は、比較例のレーザ加工システムの構成を概略的に示す。
【図２】図２は、比較例のレーザ加工手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、比較例のレーザ加工の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図４は、比較例におけるレーザ加工の加工状態を示す説明図である。図４Ａは、パルスレーザ光の転写位置を被加工物の表面に合わせてパルスレーザ光を照射した状態を示す。図４Ｂは、パルスレーザ光の照射による被加工物の加工状態を示す。
【図５】図５は、第１実施形態のレーザ加工システムの構成を概略的に示す。
【図６】図６は、第１実施形態のレーザ加工手順を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第１実施形態のレーザ加工の加工結果を示す写真である。
【図８】図８は、第１実施形態におけるレーザ加工を施した場合の被加工物の状態遷移を示す説明図である。図８Ａは、パルスレーザ光の転写位置を、被加工物の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置に合わせてパルスレーザ光を照射した状態を示す。図８Ｂは、パルスレーザ照射直後の被加工物の加工状態を示す。図８Ｃは、パルスレーザ光が自己収束している状態を示す。図８Ｄは、パルスレーザ光の照射による被加工物の加工状態を示す。
【図９】図９は、第１実施形態において、実験により得られた、フルーエンスと加工深さΔＺｄとの関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、フルーエンスが不足した場合の加工結果の写真である。
【図１１】図１１は、第１実施形態において、実験により得られた、照射時間と加工深さΔＺｄとの関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、第１実施形態において、実験により得られた、転写位置の深さΔＺｓｆと加工深さΔＺｄとの関係を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、第２実施形態のレーザ加工システムの構成を概略的に示す。
【図１４】図１４は、第２実施形態のレーザ加工手順を示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、第２実施形態のレーザ加工の処理手順を示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、第２実施形態のレーザ加工装置の変形例を示す。
【図１７】図１７は、レーザ装置の変形例１を示す。
【図１８】図１８は、レーザ装置の変形例２を示す。
【実施形態】
【００１１】
＜内容＞
１．概要
２．比較例に係るレーザ加工システム及びレーザ加工方法
２．１  構成
２．２  動作
２．３  課題
３．第１実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
３．１  構成
３．２  動作
３．３  作用
３．４  好ましい加工条件
４．第２実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
４．１  構成
４．２  動作
４．３  作用
４．４  レーザ加工装置の変形例
５．レーザ装置の変形例
５．１  変形例１
５．２  変形例２
【００１２】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１３】
１．概要
本開示は、被加工物にレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工システム及びレーザ加工方法に関する。
【００１４】
２．比較例に係るレーザ加工システム及びレーザ加工方法
２．１  構成
図１は、比較例に係るレーザ加工システムの構成を概略的に示す。レーザ加工システム２は、レーザ装置３と、レーザ加工装置４とを備えている。レーザ装置３とレーザ加工装置４は光路管５によって接続されている。
【００１５】
レーザ装置３は、マスターオシレータ１０と、モニタモジュール１１と、シャッタ１２と、レーザ制御部１３とを含んでいる。レーザ装置３は、レーザ媒質として、アルゴン（Ａｒ）及びフッ素（Ｆ）を含むＡｒＦレーザガスを使用する、ＡｒＦエキシマレーザ装置である。レーザ装置３は、中心波長が約１９３．４ｎｍのＡｒＦレーザ光である紫外線のパルスレーザ光を出力する。
【００１６】
マスターオシレータ１０は、レーザチャンバ２１と、一対の電極２２ａ及び２２ｂと、充電器２３と、パルスパワーモジュール（ＰＰＭ）２４とを含んでいる。図１においては、レーザ光の進行方向に略垂直な方向からみたレーザチャンバ２１の内部構成が示されている。
【００１７】
レーザチャンバ２１は、ＡｒＦレーザガスが封入されるチャンバである。一対の電極２２ａ及び２２ｂは、レーザ媒質を放電により励起するための電極として、レーザチャンバ２１内に配置されている。
【００１８】
レーザチャンバ２１には開口が形成され、この開口を電気絶縁部２８が塞いでいる。電極２２ａは電気絶縁部２８に支持され、電極２２ｂはリターンプレート２１ｄに支持されている。このリターンプレート２１ｄは図示しない配線でレーザチャンバ２１の内面と接続されている。電気絶縁部２８には、導電部が埋め込まれている。導電部は、パルスパワーモジュール２４から供給される高電圧を電極２２ａに印加する。
【００１９】
充電器２３は、パルスパワーモジュール２４の中の図示しない充電コンデンサに所定の電圧で充電する直流電源装置である。パルスパワーモジュール２４は、レーザ制御部１３によって制御されるスイッチ２４ａを含んでいる。スイッチ２４ａがＯＦＦからＯＮになると、パルスパワーモジュール２４は、充電器２３に保持されていた電気エネルギからパルス状の高電圧を生成し、この高電圧を一対の電極２２ａ及び２２ｂ間に印加する。
【００２０】
一対の電極２２ａ及び２２ｂ間に高電圧が印加されると、一対の電極２２ａ及び２２ｂ間の絶縁が破壊され、放電が起こる。この放電のエネルギにより、レーザチャンバ２１内のレーザ媒質が励起されて高エネルギ準位に移行する。励起されたレーザ媒質が、その後低エネルギ準位に移行するとき、そのエネルギ準位差に応じた光を放出する。
【００２１】
レーザチャンバ２１の両端には、ウインドウ２１ａ及び２１ｂが設けられている。レーザチャンバ２１内で発生した光は、ウインドウ２１ａ及び２１ｂを介してレーザチャンバ２１の外部に出射する。
【００２２】
マスターオシレータ１０は、さらに、リアミラー２６と、出力結合ミラー２７とを含んでいる。リアミラー２６には高反射膜がコートされており、出力結合ミラー２７には部分反射膜がコートされている。リアミラー２６は、レーザチャンバ２１のウインドウ２１ａから出射された光を高い反射率で反射してレーザチャンバ２１に戻す。出力結合ミラー２７は、レーザチャンバ２１のウインドウ２１ｂから出力される光のうちの一部を透過させて出力し、他の一部を反射させてレーザチャンバ２１内に戻す。
【００２３】
従って、リアミラー２６と出力結合ミラー２７とで、光共振器が構成される。レーザチャンバ２１は、光共振器の光路上に配置される。レーザチャンバ２１から出射した光は、リアミラー２６と出力結合ミラー２７との間で往復し、電極２２ａと電極２２ｂとの間のレーザゲイン空間を通過する度に増幅される。増幅された光の一部が、出力結合ミラー２７を介して、パルスレーザ光として出力される。
【００２４】
モニタモジュール１１は、マスターオシレータ１０を出射したパルスレーザ光の光路上に配置されている。モニタモジュール１１は、例えば、ビームスプリッタ１１ａと、光センサ１１ｂとを含んでいる。
【００２５】
ビームスプリッタ１１ａは、マスターオシレータ１０から出射したパルスレーザ光を高い透過率でシャッタ１２に向けて透過させるとともに、パルスレーザ光の一部を光センサ１１ｂの受光面に向けて反射する。光センサ１１ｂは、受光面に入射したパルスレーザ光のパルスエネルギを検出し、検出されたパルスエネルギのデータをレーザ制御部１３に出力する。
【００２６】
レーザ制御部１３は、レーザ加工制御部３２との間で各種信号を送受信する。例えば、レーザ制御部１３は、レーザ加工制御部３２から、発光トリガＴｒ、目標パルスエネルギＥｔのデータ等を受信する。また、レーザ制御部１３は、充電器２３に対して充電電圧の設定信号を送信し、かつ、パルスパワーモジュール２４に対してスイッチ２４ａのＯＮ又はＯＦＦの指令信号を送信する。
【００２７】
レーザ制御部１３は、モニタモジュール１１からパルスエネルギのデータを受信し、受信したパルスエネルギのデータを参照して充電器２３の充電電圧を制御する。充電器２３の充電電圧を制御することにより、パルスレーザ光のパルスエネルギが制御される。
【００２８】
シャッタ１２は、モニタモジュール１１のビームスプリッタ１１ａを透過したパルスレーザ光の光路に配置される。レーザ制御部１３は、レーザ発振の開始後、モニタモジュール１１から受信するパルスエネルギと目標パルスエネルギＥｔとの差が許容範囲内となるまでの間は、シャッタ１２を閉じるように制御する。レーザ制御部１３は、モニタモジュール１１から受信するパルスエネルギと目標パルスエネルギＥｔとの差が許容範囲内となったら、シャッタ１２を開くように制御する。レーザ制御部１３は、シャッタ１２の開閉信号と同期して、パルスレーザ光の発光トリガＴｒの受け付けが可能となったことを表す信号を、レーザ加工装置４のレーザ加工制御部３２に送信する。
【００２９】
レーザ加工装置４は、レーザ加工制御部３２と、テーブル３３と、ＸＹＺステージ３４と、光学システム３６と、筐体３７と、フレーム３８とを含んでいる。筐体３７内には光学システム３６が配置される。フレーム３８には、筐体３７とＸＹＺステージ３４が固定される。
【００３０】
テーブル３３は、被加工物４１を支持する。被加工物４１は、パルスレーザ光が照射されてレーザ加工が行われる加工対象である。被加工物４１は、紫外線のパルスレーザ光に対して透明な透明材料であり、例えば、合成石英ガラスである。レーザ加工は、例えば、被加工物４１に穴を空ける穴加工である。ＸＹＺステージ３４は、テーブル３３を支持している。ＸＹＺステージ３４は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動可能であり、テーブル３３の位置を調整することにより、被加工物４１の位置を調整可能である。ＸＹＺステージ３４は、レーザ加工制御部３２の制御の下、光学システム３６から出射するパルスレーザ光が、所望の加工位置に照射されるように被加工物４１の位置を調整する。
【００３１】
レーザ加工システム２は、例えば、被加工物４１の１つの位置又は複数の位置に穴加工を施す。レーザ加工制御部３２には、複数の加工位置に応じた位置データが順次セットされる。各加工位置の位置データは、例えば、ＸＹＺステージ３４の原点位置を基準とした、各加工位置のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれの位置を規定した座標データである。レーザ加工制御部３２は、こうした座標データに基づいてＸＹＺステージ３４の移動量を制御して、ＸＹＺステージ３４上の被加工物４１を位置決めする。
【００３２】
光学システム３６は、例えば、高反射ミラー３６ａ〜３６ｃと、ビームホモジナイザ４６と、転写マスク４７と、転写レンズ４８とを備えており、被加工物４１の表面に、加工形状に対応する像を転写する。高反射ミラー３６ａ〜３６ｃ、ビームホモジナイザ４６、転写マスク４７及び転写レンズ４８は、それぞれが図示しないホルダに固定されており、筐体３７内において所定の位置に配置されている。
【００３３】
高反射ミラー３６ａ〜３６ｃは、紫外領域のパルスレーザ光を高い反射率で反射する。高反射ミラー３６ａは、レーザ装置３から入力されたパルスレーザ光を高反射ミラー３６ｂに向けて反射し、高反射ミラー３６ｂは、パルスレーザ光を、高反射ミラー３６ｃに向けて反射する。高反射ミラー３６ｃは、パルスレーザ光を転写レンズ４８に向けて反射する。高反射ミラー３６ａ〜３６ｃは、例えば、合成石英やフッ化カルシウムで形成された透明基板の表面に、パルスレーザ光を高反射する反射膜がコートされている。
【００３４】
ビームホモジナイザ４６及び転写マスク４７は、高反射ミラー３６ｂ及び３６ｃの間の光路上に配置されている。ビームホモジナイザ４６は、フライアイレンズ４６ａとコンデンサレンズ４６ｂとを備えている。ビームホモジナイザ４６は、高反射ミラー３６ｂで反射したパルスレーザ光の光強度分布を均一化して、転写マスク４７をケーラ照明するように配置される。
【００３５】
転写マスク４７は、ビームホモジナイザ４６から出射するパルスレーザ光の一部を透過させることで、被加工物４１に対する加工形状に対応するパルスレーザ光の像を形成する。転写マスク４７は、例えば、パルスレーザ光を遮光する遮光性を有する遮光板に、例えば光を透過する透過孔で構成される転写パターンが形成されたものである。ここで、転写マスク４７の転写パターンの形状に応じて形成される、パルスレーザ光の像を転写像と呼ぶ。
【００３６】
本例においては、転写マスク４７の転写パターンは、円形のピンホールである。こうした転写マスク４７を用いて、本例のレーザ加工装置４は、被加工物４１に対して、断面が円形の穴を形成する穴加工を施す。また、転写マスク４７は、ピンホールの大きさを変更することが可能な可変機構を備えており、被加工物４１への加工寸法に応じて、ピンホールの大きさを調節することができる。レーザ加工制御部３２は、転写マスク４７の可変機構を制御してピンホールの大きさを調節する。
【００３７】
転写レンズ４８は、入射したパルスレーザ光を集光して、ウインドウ４２を介して、集光したパルスレーザ光を被加工物４１に向けて出射する。転写レンズ４８は、転写マスク４７を透過することにより生成されたパルスレーザ光のピンホール形状の転写像を、転写レンズ４８の焦点距離に応じた位置に結像させる転写光学系を構成する。ここで、転写レンズ４８の作用によって、転写像が結像する結像位置を転写位置と呼ぶ。
【００３８】
この転写位置は、Ｚ軸方向において、パルスレーザ光が入射する入射側の表面と一致する位置に設定される。以下、単に、被加工物４１の表面という場合は、被加工物４１の入射側の表面を意味する。ここで、Ｚ軸方向は、転写レンズ４８を出射して被加工物４１に入射するパルスレーザ光の光軸方向と平行である。
【００３９】
転写レンズ４８は、複数枚のレンズの組み合わせによって構成される。転写レンズ４８は、転写マスク４７に設けられるピンホールの実際の寸法よりも小さな寸法のピンホール形状の転写像を、転写位置に結像させる縮小光学系である。転写レンズ４８で構成される転写光学系の倍率Ｍは、たとえば、Ｍ＝１／１０〜１／５である。また、本例では、転写レンズ４８を組合せレンズの例で示したが、転写レンズ４８の光軸上近傍に１つの小さな円形の転写像を結像させる場合は、転写レンズ４８を単レンズで構成してもよい。
【００４０】
ウインドウ４２は、転写レンズ４８と被加工物４１との間の光路上に配置されており、筐体３７に形成された開口にＯリング（図示せず）によってシールされた状態で固定される。
【００４１】
アッテネータ５２は、筐体３７内において、高反射ミラー３６ａと高反射ミラー３６ｂの間の光路上に配置されている。アッテネータ５２は、例えば、２枚の部分反射ミラー５２ａ及び５２ｂと、これらの部分反射ミラーの回転ステージ５２ｃ及び５２ｄとを含んでいる。２枚の部分反射ミラー５２ａ及び５２ｂは、パルスレーザ光の入射角度によって、透過率が変化する光学素子である。部分反射ミラー５２ａ及び部分反射ミラー５２ｂは、パルスレーザ光の入射角度が互いに一致し、且つ所望の透過率となるように、回転ステージ５２ｃ及び回転ステージ５２ｄによって傾斜角度が調整される。
【００４２】
これにより、パルスレーザ光は、所望のパルスエネルギに減光されてアッテネータ５２を通過する。アッテネータ５２は、レーザ加工制御部３２の制御信号に基づいて透過率Ｔが制御される。レーザ加工制御部３２は、目標パルスエネルギＥｔを通じてレーザ装置３が出力するパルスレーザ光のフルーエンスを制御することに加えて、アッテネータ５２の透過率Ｔを制御して、パルスレーザ光のフルーエンスを制御する。目標パルスエネルギＥｔを変化させればフルーエンスを変化させることができるが、レーザ装置３のマスターオシレータ１０では、パルスエネルギを大きく変化させることは難しい。アッテネータ５２を使用することで、マスターオシレータ１０の出力が一定でも、フルーエンスを変化させることができる。
【００４３】
筐体３７の内部には、レーザ加工システム２の稼働中、不活性ガスである窒素（Ｎ2）ガスが常時流れている。筐体３７には、窒素ガスを筐体３７に吸入する吸入ポート３７ａと、筐体３７から窒素ガスを外部に排出する排出ポート３７ｂが設けられている。吸入ポート３７ａ及び排出ポート３７ｂには、図示しない吸気管や排出管を接続できるようになっている。吸入ポート３７ａ及び排出ポート３７ｂは、吸気管や排出管を接続した状態では、筐体３７内に外気が混入するのを抑制するようにＯリング（図示せず）によってシールされている。吸入ポート３７ａには、窒素ガス供給源４３が接続される。
【００４４】
光路管５内も窒素ガスが流れており、光路管５も、レーザ加工装置４の接続部分と、レーザ装置３との接続部分とにおいてＯリングでシールされている。
【００４５】
２．２  動作
図２及び図３を参照しながら、レーザ加工システム２の動作を説明する。図２に示すように、レーザ加工を行う場合には、被加工物４１がＸＹＺステージ３４のテーブル３３にセットされる（Ｓ１００）。レーザ加工制御部３２は、初期の加工位置の位置データをＸＹＺステージ３４にセットする（Ｓ１１０）。
【００４６】
レーザ加工制御部３２は、ＸＹＺステージ３４を制御して、被加工物４１のＸＹ平面の位置を調整する（Ｓ１２０）。Ｓ１２０において、レーザ加工制御部３２は、位置データに含まれるＸＹ平面内の座標データに基づいてＸＹＺステージ３４の移動量を制御することにより、被加工物４１のＸＹ平面内の位置を調整する。これにより、被加工物４１のＸＹ平面内の位置が位置決めされる。
【００４７】
次に、レーザ加工制御部３２は、パルスレーザ光の転写像の転写位置が、被加工物４１の表面と一致するように、ＸＹＺステージ３４を制御して、被加工物４１のＺ軸方向の位置を調整する（Ｓ１３０）。具体的には、位置データにおいて、被加工物４１のＺ軸方向の位置は、パルスレーザ光の転写像の転写位置が、被加工物４１の表面と一致するように規定されている。転写像の転写位置は、転写マスク４７と転写レンズ４８間の距離と、転写レンズ４８の焦点距離等に応じて決まる。
【００４８】
Ｓ１３０において、レーザ加工制御部３２は、位置データに基づいてＸＹＺステージ３４の移動量を制御することにより、被加工物４１のＺ軸方向の位置を調整する。これにより、Ｚ軸方向において、転写位置と被加工物４１の表面とが一致するように、転写位置と被加工物４１との相対的な位置決めが行われる。上述したとおり、Ｚ軸方向は、被加工物４１に入射するパルスレーザ光の光軸方向と平行であるので、Ｚ軸方向の位置決めは、パルスレーザ光の光軸方向の位置決めに相当する。
【００４９】
被加工物４１の位置決めが終了すると、レーザ加工が行われる（Ｓ１４０）。初期の加工位置に対するレーザ加工が終了した場合は、レーザ加工制御部３２は、次の加工位置がある場合（Ｓ１５０でＮ）には、次の加工位置の位置データをＸＹＺステージ３４にセットする（Ｓ１６０）。そして、ＸＹＺステージ３４で、被加工物４１を次の加工位置に移動する（Ｓ１２０及びＳ１３０）。次の加工位置において、被加工物４１に対してレーザ加工が行われる（Ｓ１４０）。次の加工位置が無い場合は、レーザ加工が終了する（Ｓ１５０でＹ）。こうした手順が、すべての加工位置に対するレーザ加工が終了するまで繰り返される。
【００５０】
本例においては、加工位置毎に、ＸＹ平面の位置とＺ軸方向の位置の両方の調整を行っている。しかし、複数の加工位置間でＺ軸方向の位置が同じ場合は、初期の加工位置においてＺ軸方向の位置を調整するステップＳ１３０を実施した後は、それ以降の加工位置についてはステップＳ１３０を省略してもよい。この場合には、例えば、初期の加工位置の位置データをセットするステップＳ１１０の後、まずＺ軸方向の位置を調整するステップＳ１３０を実施する。その後に、ステップＳ１２０を実施して、初期の加工位置に関するＸＹ平面の位置を調整して、ステップＳ１４０を実施する。そして、次の加工位置についてステップＳ１６０を実施した後は、ステップＳ１２０のみを実施し、ステップＳ１３０を省略して、ステップＳ１４０を実施する。
【００５１】
レーザ加工は、図３に示すフローチャートに従って行われる。レーザ加工制御部３２は、転写像の転写位置である被加工物４１の表面におけるパルスレーザ光が、レーザ加工に必要な所望のフルーエンスＦｔとなるようにパルスエネルギを制御する。具体的には、レーザ加工制御部３２は、目標パルスエネルギＥｔとアッテネータ５２の透過率Ｔの制御を通じて被加工物４１に入射するパルスエネルギを制御する。また、レーザ加工制御部３２は、レーザ装置３のレーザ制御部１３に対して、目標パルスエネルギＥｔを送信する。これにより、レーザ制御部１３において、目標パルスエネルギＥｔが設定される（Ｓ１４１）。
【００５２】
ここで、フルーエンスＦｔとは、レーザ加工に必要なフルーエンスであり、パルスレーザ光の転写像の転写位置における、パルスレーザ光のエネルギ密度である。光学システム３６の光損失が無視できる場合は、フルーエンスＦｔは、下記式（１）で定義される。
Ｆｔ＝Ｍ-2（Ｔ・Ｅｔ）／ＳIL［ｍＪ／ｃｍ2］・・・・・・（１）
ここで、Ｍ：転写光学系の倍率、Ｔ：アッテネータの透過率、Ｅｔ：レーザ加工に必要なパルスエネルギ、ＳIL：転写マスク４７にケーラ照明されるパルスレーザ光のレーザビームの面積である。
【００５３】
転写マスク４７に照射されたパルスレーザ光のうち、転写パターンであるピンホールを通過する光のみが被加工物４１に照射されて、フルーエンスＦｔに寄与する。そのため、アッテネータ５２を透過したパルスレーザ光のパルスエネルギであるＴ・ＥｔをＳILで割って、転写パターンを通過するパルスレーザ光の単位面積当たりのエネルギ密度が算出される。また、本例のように転写光学系が縮小光学系である場合は、倍率Ｍの値が小さいほど、すなわち、像を縮小するほど、エネルギ密度であるフルーエンスは増加する。
【００５４】
レーザ制御部１３は、レーザ加工制御部３２から目標パルスエネルギＥｔを受信すると、シャッタ１２を閉じて、充電器２３を作動させる。そして、レーザ制御部１３は、図示しない内部トリガによってパルスパワーモジュール２４のスイッチ２４ａをＯＮする。これにより、マスターオシレータ１０はレーザ発振する。
【００５５】
モニタモジュール１１は、マスターオシレータ１０から出力されるパルスレーザ光をサンプルして、パルスエネルギの実測値であるパルスエネルギＥを計測する。レーザ制御部１３は、パルスエネルギＥと目標パルスエネルギＥｔとの差ΔＥが０に近づくように、充電器２３の充電電圧を制御する。具体的には、レーザ制御部１３は、差ΔＥが許容範囲になるように充電電圧を制御する（Ｓ１４２）。
【００５６】
レーザ制御部１３は、差ΔＥが許容範囲となったか否かを監視する（Ｓ１４２）。レーザ制御部１３は、差ΔＥが許容範囲となった場合（Ｓ１４２でＹ）、レーザ加工制御部３２に対して、発光トリガＴｒの受信準備が完了したことを知らせる受信準備完了信号を送信し、かつ、シャッタ１２を開ける。これにより、レーザ装置３は、発光トリガＴｒの受信準備完了状態となる（Ｓ１４３）。
【００５７】
レーザ加工制御部３２は、受信準備完了信号を受信した場合、パルスレーザ光の転写像の転写位置におけるフルーエンスがレーザ加工に必要なフルーエンスＦｔとなるようにアッテネータ５２の透過率Ｔを設定する（Ｓ１４４）。本例において、被加工物４１のＺ軸方向の位置決めにより（図２のＳ１３０参照）、転写位置は、被加工物４１の表面の位置と一致しているので、転写位置におけるフルーエンスは、被加工物４１の表面におけるパルスレーザ光のフルーエンスと一致する。そのため、こうしたアッテネータ５２の透過率Ｔの設定により、被加工物４１の表面の位置におけるパルスレーザ光のフルーエンスが、レーザ加工に必要なフルーエンスＦｔに調節される。
【００５８】
アッテネータ５２の透過率Ｔは、光学システム３６の光損失が無い場合、上記式（１）から下記式（２）が求められる。
Ｔ＝（Ｆｔ／Ｅｔ）ＳIL・Ｍ2・・・・・（２）
上述のとおり、Ｆｔ：レーザ加工に必要なフルーエンス、Ｅｔ：レーザ加工に必要な目標パルスエネルギ、ＳIL：転写マスク４７にケーラ照明されるパルスレーザ光のレーザビームの面積である。
【００５９】
レーザ加工制御部３２は、アッテネータ５２の透過率Ｔを設定した後、所定の繰り返し周波数ｆと所定のパルス数Ｎで規定される発光トリガＴｒを、レーザ制御部１３に送信する（Ｓ１４５）。その結果、発光トリガＴｒに同期して、モニタモジュール１１のビームスプリッタ１１ａを透過したパルスレーザ光はレーザ装置３から出力されて、レーザ加工装置４に入射する。
【００６０】
レーザ加工装置４に入射したパルスレーザ光は、高反射ミラー３６ａを径由してアッテネータ５２において減光される。アッテネータ５２を透過したパルスレーザ光は、高反射ミラー３６ｂで反射して、ビームホモジナイザ４６に入射する。パルスレーザ光は、ビームホモジナイザ４６において光強度が空間的に均一化されて、転写マスク４７をケーラ照明する。
【００６１】
転写マスク４７に照射されたパルスレーザ光のうち、ピンホールを透過したパルスレーザ光が高反射ミラー３６ｃで反射して転写レンズ４８に入射する。転写マスク４７のピンホールを透過したパルスレーザ光は転写レンズ４８に入射する。転写レンズ４８によって、転写マスク４７のピンホールの縮小された転写像がウインドウ４２を介して被加工物４１の表面に転写される。転写レンズ４８を透過したパルスレーザ光は、この転写像の領域の被加工物４１の表面を照射する。こうしたパルスレーザ光のレーザ照射が、レーザ加工に必要な繰り返し周波数ｆ及びパルス数Ｎで規定される発光トリガＴｒに従って行われる（Ｓ１４５）。このレーザ照射により、被加工物４１に対してピンホール形状の穴を形成するレーザ加工が施される。
【００６２】
２．３  課題
このような被加工物４１に穴を形成するレーザ加工において、高アスペクト比の穴を形成したいという要望がある。高アスペクト比の穴とは、穴の直径に対して、穴の深さである加工深さが深い細長い穴を意味する。具体的には、高アスペクト比の穴とは、穴の直径が約１０μｍから約１５０μｍに対して、加工深さが約１．５ｍｍ（１５００μｍ）以上ある穴である。ここでは、高アスペクト比を、１５００μｍ／１５０μｍ＝１０以上と定義する。
【００６３】
上述した図１から図３に示す比較例に係るレーザ加工システム２においては、こうした高アスペクト比の穴加工の精度が低いという課題があった。比較例に係るレーザ加工システム２では、図４Ａに示すように、被加工物４１は、被加工物４１の表面と、パルスレーザ光ＰＬの転写像の転写位置ＦＰとが一致する状態で位置決めされる。この状態でレーザ照射が行われて、ウインドウ４２を透過したパルスレーザ光ＰＬが、被加工物４１に照射される。
【００６４】
パルスレーザ光ＰＬは、中心波長１９３．４ｎｍの紫外線であるＡｒＦレーザ光であり、被加工物４１はＡｒＦレーザ光に対して透明な合成石英ガラスであるため、照射直後において、パルスレーザ光ＰＬは被加工物４１を透過する。パルスレーザ光ＰＬの照射が継続されると、被加工物４１の表面付近に欠陥が生じ、パルスレーザ光ＰＬの吸収が開始される。被加工物４１において、パルスレーザ光ＰＬの吸収が開始された部分では、図４Ｂに示すように、アブレーション加工が開始される。
【００６５】
比較例に係るレーザ加工システム２では、図４Ａに示すように、パルスレーザ光ＰＬの転写像の転写位置ＦＰと被加工物４１の表面とが一致するため、被加工物４１の表面においてはフルーエンスＦｔが最大となる。そのため、図４Ｂに示すように、フルーエンスＦｔが高い被加工物４１の表面付近においてはアブレーション加工が進む。
【００６６】
しかしながら、フルーエンスＦｔが１５Ｊ／ｃｍ2以下の領域においては、転写位置で集光したパルスレーザ光は転写位置を通過すると発散するため、フルーエンスＦｔも被加工物４１の表面から深くなるほど減少する。そのため、比較例のレーザ加工システム２の加工方法では、Ｚ軸方向と平行な深さ方向の穴Ｈの加工深さはせいぜい１ｍｍ程度にとどまっていた。また、１ｍｍ以上の加工深さが確保できた場合でも、加工精度が不十分であった。具体的には、穴Ｈの深い部分における加工直径が表面近くの加工直径と比較して著しく小さく、穴Ｈの深い部分における加工直径が要求される加工直径を満たさない先細形状の穴となってしまうなどである。このように、紫外線のパルスレーザ光を用いて、紫外線に対して透明な被加工物４１に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法においては、高アスペクト比の穴加工を精度よく行うことができないという課題があった。
【００６７】
３．第１実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
３．１  構成
図５は、第１実施形態に係るレーザ加工システム２Ａの構成を概略的に示す。第１実施形態のレーザ加工システム２Ａは、図１を参照しながら説明した比較例のレーザ加工システム２のレーザ加工装置４に代えて、レーザ加工装置４Ａを備えている。第１実施形態の以下の説明においては、比較例のレーザ加工システム２との相違点を中心に説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
第１実施形態のレーザ加工装置４Ａは、比較例のレーザ加工装置４と異なり、レーザ加工制御部３２の代わりにレーザ加工制御部３２Ａを備えている。レーザ加工装置４Ａのその他の構成については、比較例のレーザ加工装置４と同様である。
【００６９】
レーザ加工制御部３２Ａにおいて、比較例のレーザ加工制御部３２と異なる点は、Ｚ軸方向におけるパルスレーザ光の転写位置と被加工物４１との位置決め制御である。レーザ加工制御部３２Ａは、被加工物４１のＺ軸方向の位置について、パルスレーザ光の転写位置ＦＰと被加工物４１の表面が一致する位置ではなく、パルスレーザ光の転写位置ＦＰを被加工物４１の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置に合わせる。その他の点については、レーザ加工制御部３２Ａと同様である。
【００７０】
上述したとおり、Ｚ軸方向の位置決めは、パルスレーザ光の光軸方向の位置決めに相当する。したがって、レーザ加工制御部３２Ａは、位置決め機構であるＸＹＺステージ３４を制御することにより、パルスレーザ光の光軸方向において、転写位置と被加工物４１との相対的な位置決めを行う位置決め制御部に相当する。
【００７１】
レーザ加工システム２Ａは、被加工物４１に対して、加工直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下の高アスペクト比の穴を加工する。そのため、レーザ加工装置４Ａは、転写位置におけるビームの直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下のパルスレーザ光を被加工物４１に対して照射する。転写位置におけるパルスレーザ光のビームの直径は、転写位置においては転写像の直径と一致する。レーザ加工装置４Ａにおいては、転写像の直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下となるように、転写マスク４７の転写パターンの大きさや、転写レンズ４８の倍率Ｍが設定されている。
【００７２】
３．２  動作
図６を参照しながら、レーザ加工システム２Ａの動作を説明する。第１実施形態の図６のフローチャートと、比較例における図２のフローチャートと異なる点は、ステップＳ１３０がステップＳ１３０Ａに変更されている点であり、その他の点は同様である。レーザ加工制御部３２Ａは、比較例と同様にＳ１００からＳ１２０の処理を実行した後、Ｓ１３０Ａを実行する。
【００７３】
Ｓ１３０Ａにおいて、レーザ加工制御部３２Ａは、パルスレーザ光の転写像の転写位置が、被加工物４１の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置となるように、ＸＹＺステージ３４を制御して、被加工物４１のＺ軸方向の位置を調整する（Ｓ１３０Ａ）。具体的には、位置データにおいて、被加工物４１のＺ軸方向の位置は、パルスレーザ光の転写像の転写位置が、被加工物４１の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置となるように規定されている。上述したとおり、転写像の転写位置は、転写マスク４７と転写レンズ４８間の距離と、転写レンズ４８の焦点距離等に応じて決まる。
【００７４】
Ｓ１３０Ａにおいて、レーザ加工制御部３２Ａは、位置データに基づいてＸＹＺステージ３４の移動量を制御することにより、被加工物４１のＺ軸方向の位置を調整する。これにより、Ｚ軸方向と平行なパルスレーザ光の光軸方向において、転写像の転写位置が被加工物４１の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置となるように、転写位置と被加工物４１との相対的な位置決めが行われる。
【００７５】
被加工物４１の位置決めが終了すると、レーザ加工が行われる（Ｓ１４０）。Ｓ１４０からＳ１６０までの処理は、図２に示した比較例のレーザ加工システム２の処理と同様である。また、Ｓ１４０の処理内容についても、図３に示した比較例の処理と同様である。
【００７６】
本例においても、比較例で補足したとおり、複数の加工位置間でＺ軸方向の位置が同じ場合は、初期の加工位置においてＺ軸方向の位置を調整するステップＳ１３０Ａを実施した後は、それ以降の加工位置についてはステップＳ１３０Ａを省略してもよい。この場合には、例えば、初期の加工位置の位置データをセットするステップＳ１１０の後、まずＺ軸方向の位置を調整するステップＳ１３０Ａを実施する。その後に、ステップＳ１２０を実施して、初期の加工位置に関するＸＹ平面の位置を調整して、ステップＳ１４０を実施する。そして、次の加工位置についてステップＳ１６０を実施した後は、ステップＳ１２０のみを実施し、ステップＳ１３０Ａを省略して、ステップＳ１４０を実施する。
【００７７】
３．３  作用
図７は、第１実施形態のレーザ加工システム２Ａを用いて、上述のレーザ加工方法の手順で、被加工物４１に対してレーザ加工を施した場合の加工結果を示す写真である。被加工物４１は可視光に対しても透明な合成石英ガラスであるため、図７の写真は、被加工物４１の穴Ｈの加工完了後の状態をＹ軸方向から撮影したものである。図７の写真から、Ｚ軸方向に細長い高アスペクト比の穴Ｈが形成されていることがわかる。
【００７８】
図７に示す加工結果を得るための穴Ｈの加工条件は、次のとおりである。まず、被加工物４１は、約６ｍｍ厚の合成石英ガラスである。パルスレーザ光は、上述のとおり、中心波長が約１９３．４ｎｍの紫外線であるＡｒＦレーザ光である。繰り返し周波数ｆは１ｋＨｚ、パルスレーザ光の照射時間は５ｓｅｃであり、照射パルス数は、１ｋＨｚ×５ｓｅｃ＝５，０００パルスである。転写位置におけるピンホール形状の転写像の直径は１００μｍ、被加工物４１の表面からの転写位置の深さΔＺｓｆは１ｍｍ、フルーエンスＦｔは１１．７Ｊ／ｃｍ2である。こうした加工条件で、加工深さΔＺｄが約１．７ｍｍで、被加工物４１の表面、中間位置、最深部のそれぞれの直径が、１１０μｍ、５３μｍ、４５μｍの高アスペクト比の穴加工が実現できた。
【００７９】
また、同様の加工条件で、照射パルス時間を１０秒〜１５秒に増やした場合、すなわち、照射パルス数を１０，０００〜１５，０００に増やした場合、後述する図１１のグラフにも示すとおり、上記とほぼ同様の直径で、加工深さが３ｍｍ〜４ｍｍの高アスペクト比の穴加工が可能であることを実験により確認している。
【００８０】
図８は、第１実施形態のレーザ加工システム２Ａ及びレーザ加工方法を用いて、被加工物４１に対してレーザ加工を施した場合の被加工物４１の状態遷移を示す説明図である。第１実施形態に係るレーザ加工システム２Ａでは、図８Ａに示すように、パルスレーザ光ＰＬの転写像の転写位置ＦＰが、被加工物４１の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置となるように位置決めされる。この状態でレーザ照射が行われて、ウインドウ４２を透過したパルスレーザ光ＰＬは、被加工物４１に照射される。
【００８１】
パルスレーザ光ＰＬは、中心波長が約１９３．４ｎｍのＡｒＦレーザであり、被加工物４１はＡｒＦレーザに対して透明な合成石英ガラスであるため、図８Ａに示すように、照射直後において、パルスレーザ光ＰＬは被加工物４１を透過する。パルスレーザ光ＰＬの照射が継続されると、図８Ｂに示すように、被加工物４１の表面付近に欠陥ＤＦが生じ、パルスレーザ光ＰＬの吸収が開始される。
【００８２】
パルスレーザ光の照射が継続されると、パルスレーザ光ＰＬの吸収を開始する被加工物４１の表面付近では、パルスレーザ光の吸収率が増加して、図８Ｃに示すように、アブレーション加工が開始される。アブレーション加工が開始された後も、パルスレーザ光の一部は吸収されずに、被加工物４１内部を透過する。このパルスレーザ光の透過光は、アブレーション加工が開始された後、ある時点から、図８Ｃに示すように、被加工物４１の内部において発散することなく、自己収束して、Ｚ軸方向と平行な深さ方向に進行する。そして、自己収束したパルスレーザ光は、深さ方向にアブレーション加工を進行させる。これにより、図８Ｄに示すように、穴Ｈの直径が約１０μｍから約１５０μｍに対して、加工深さΔＺｄが１．５ｍｍ以上の高アスペクト比の穴Ｈの加工が施される。
【００８３】
このような高アスペクト比の穴Ｈが形成されるという加工結果から考えると、図８Ｃに示したとおり、被加工物４１の内部においてパルスレーザ光が何らかの理由で自己収束していると考えられる。自己収束の理由としては、図８Ｃに示すとおり、被加工物４１の内部においてパルスレーザ光が透過する光路に改質が生じて、深さ方向に細長く延びる改質層ＲＦが生成されることが原因と考えられる。
【００８４】
１つの仮説としては、この改質層ＲＦは、パルスレーザ光の透過により他の部分と比較して屈折率が増大しており、それによって自己収束が生じていることが考えられる。もう１つの仮説としては、あたかも光ファイバ内を伝播する光のように、改質層ＲＦと未改質部分との境界となる穴Ｈの内壁面においてパルスレーザ光がフレネル反射を繰り返して深さ方向に進行することによって自己収束が生じていることが考えられる。
【００８５】
こうした自己収束の理由はともかく、上述した加工条件で、被加工物４１にレーザ加工を行ったところ、高アスペクト比の穴加工を精度よく行うことが確認できた。
【００８６】
３．４  好ましい加工条件
紫外線のパルスレーザ光を使用する場合は、パルス幅が半値全幅で、１ｎｓ〜１００ｎｓのナノ秒オーダのパルスレーザ光を使用することが望まれる。というのも、パルス幅はレーザ装置３の性能によって決まるが、現時点においては、紫外線のパルスレーザ光として、パルス幅がピコ秒オーダで高いパルスエネルギのパルスレーザ光を出力できるレーザ装置３を製造することが難しいためである。本例のように、ナノ秒オーダの紫外線のパルスレーザ光を使用することで、現時点において容易に入手可能なレーザ装置３を使用することができる。
【００８７】
好ましいパルス幅としては、半値全幅で１ｎｓ〜１００ｎｓであり、さらに好ましくは、１０ｎｓ〜２０ｎｓである。レーザ装置３としては、こうしたパルス幅のパルスレーザ光を出力するレーザ装置３を使用することが好ましい。
【００８８】
こうしたナノ秒オーダの紫外線のパルスレーザ光を使用して、合成石英ガラスなどの紫外線に対して透明な透明材料である被加工物４１に対して、高アスペクト比の穴を形成するレーザ加工を施す場合に適した加工条件は、以下のとおりである。
【００８９】
図９に示すグラフは、転写位置におけるフルーエンスＦｔと、加工深さΔＺｄとの関係を示すグラフである。プロット点が菱形で、かつ、実線で示されている曲線は、転写位置の深さΔＺｓｆが１ｍｍの場合のグラフであり、プロット点が四角形で、かつ、破線で示されている曲線は、転写位置の深さΔＺｓｆが２ｍｍの場合のグラフである。どちらのグラフも、フルーエンスＦｔを上げるほど加工深さΔＺｄが増加している。
【００９０】
また、図９のグラフにおいては、フルーエンスＦｔが３Ｊ／ｃｍ2未満のデータは示されていないが、転写位置のフルーエンスＦｔが３Ｊ／ｃｍ2未満であると加工深さΔＺｄが浅く、高アスペクト比の穴加工ができにくいことを確認している。これは、フルーエンスＦｔが３Ｊ／ｃｍ2に満たないと、エネルギが小さすぎてアブレーション加工が生じにくく、加工が不完全になってしまうためと考えられる。
【００９１】
図１０は、フルーエンスＦｔを２Ｊ／ｃｍ2に設定して、被加工物４１に対してレーザ加工を施した加工結果を示す写真である。図７と同様に撮影方向はＹ軸方向である。加工条件は、フルーエンスＦｔを除いて、図７の加工結果と同じ加工条件である。図１０において、横方向に延びる白い破線は、被加工物４１の表面の位置を示す。図１０に示すように、フルーエンスＦｔが２Ｊ／ｃｍ2では、被加工物４１の表面において僅かに穴が形成されるが、深さ方向に加工が進んでおらず、穴加工が不完全な様子が確認できる。
【００９２】
図１１に示すグラフは、照射時間と、加工深さΔＺｄとの関係を示すグラフである。プロット点が菱形で、かつ、実線で示されている曲線は、フルーエンスＦｔが９．３Ｊ／ｃｍ2で、かつ、転写位置の深さΔＺｓｆが１ｍｍの場合のグラフである。プロット点が四角形で、かつ、破線で示されている曲線は、フルーエンスＦｔが４．７Ｊ／ｃｍ2で、かつ、転写位置の深さΔＺｓｆが２ｍｍの場合のグラフである。
【００９３】
繰り返し周波数ｆはどちらのグラフも１ｋＨｚである。図１１の横軸の照射時間は単位が秒（ｓｅｃ）であるので、繰り返し周波数ｆ×照射時間（秒）＝照射パルス数となり、例えば、照射時間が５秒の場合は、照射パルス数は５，０００である。
【００９４】
図１１において、加工深さΔＺｄが飽和する飽和点について実線と破線のグラフを比較すると、フルーエンスＦｔが相対的に低い破線のグラフの飽和点が約１０ｓｅｃであるのに対して、フルーエンスＦｔが相対的に高い実線のグラフの飽和点は約３０ｓｅｃである。図１１のグラフからは、フルーエンスＦｔが高い方が、照射時間に対して飽和が遅くなり、加工深さΔＺｄを深くすることが確認できる。
【００９５】
また、図１１において、照射時間が約３秒、すなわち、繰り返し周波数ｆが１ｋＨｚであることを前提とすると、照射パルス数が約３，０００までは、実線及び破線のどちらのグラフも重なっている。そのため、この範囲では、加工深さΔＺｄは、フルーエンスＦｔに依存していないことがわかる。このことから、照射パルス数が約３，０００までの範囲では、パルスレーザ光の自己収束が開始されていないと考えられる。そのため、照射パルス数は３，０００パルス以上あることが好ましい。照射パルス数の上限としては、加工深さΔＺｄの飽和点に到達する照射パルス数である３５，０００であることが好ましい。なお、図１１では、繰返し周波数ｆが１ｋＨｚでの結果を示しているが、繰返し周波数ｆが１００Ｈｚの場合においても、照射パルス数で比較すると加工深さΔＺｄが飽和する飽和点は略同じとなる。そのため、照射パルス数と加工深さΔＺｄの関係に対しては、繰返し周波数ｆの依存は少ない。
【００９６】
図１２は、転写位置の深さΔＺｓｆと加工深さΔＺｄの関係を示すグラフである。図１１において、プロット点が菱形で、かつ、実線で示されている曲線は、図１１に示す実線のグラフと同様に、フルーエンスＦｔが９．３Ｊ／ｃｍ2の場合のグラフであり、プロット点が四角形で、かつ、破線で示されている曲線は、図１１に示す破線のグラフと同様に、フルーエンスＦｔが４．７Ｊ／ｃｍ2の場合のグラフである。どちらのグラフも、繰り返し周波数ｆは１ｋＨｚで、照射時間は１０秒である。
【００９７】
図１２において、フルーエンスＦｔが相対的に低い破線のグラフでは、転写位置の深さΔＺｓｆが約２．５ｍｍまでは、転写位置の深さΔＺｓｆが深いほど、加工深さΔＺｄも増加している。これは、約２．５ｍｍまでは、フルーエンスＦｔが最大となる転写位置が被加工物４１の表面から深くなるため、被加工物４１の深い部分におけるパルスレーザ光のエネルギが大きくなり深さ方向に加工が進むためと考えられる。
【００９８】
一方、約２．５ｍｍを超えると、転写位置の深さΔＺｓｆが深くなっても、加工深さΔＺｄは単調に低下する傾向になり、深さΔＺｓｆが４ｍｍを超えると、加工深さΔＺｄが１ｍｍを大きく割り込む。これは、深さΔＺｓｆが約２．５ｍｍを超えると、被加工物４１の表面付近のフルーエンスＦｔが不足して、表面付近のアブレーション加工が進まず、その結果、深さ方向にもアブレーション加工が進行しなくなるためと考えられる。
【００９９】
また、図１２において、フルーエンスＦｔが相対的に高い実線のグラフでは、転写位置の深さΔＺｓｆが約０．５ｍｍから約３．５ｍｍの間では、加工深さΔＺｄが２ｍｍ以上となっている。この範囲においては、フルーエンスＦｔが最大となる転写位置が被加工物４１の表面から深くなるため、被加工物４１の深い部分におけるパルスレーザ光のエネルギが大きくなり深さ方向にアブレーション加工が進むためと考えられる。
【０１００】
一方、転写位置の深さΔＺｓｆが約３．５ｍｍを超えると、転写位置の深さΔＺｓｆが単調に低下する傾向になり、深さΔＺｓｆが４ｍｍを超えると、加工深さΔＺｄが１ｍｍに近づく。
【０１０１】
また、転写位置の深さΔＺｓｆが０ｍｍから約０．５ｍｍ近辺までの範囲では、加工深さΔＺｄについては、２ｍｍ以上の深さが確保できている。しかし、この範囲では、加工深さΔＺｄが確保できても、表面付近の加工直径に対して深い部分の加工直径が著しく細い先細形状の穴になってしまう場合が多く、加工精度が悪い。以上より、転写位置の深さΔＺｓｆの好ましい範囲としては、０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。
【０１０２】
また、図１２の実線と破線のグラフのそれぞれの加工深さΔＺｄのピーク値を比較すると、フルーエンスＦｔが相対的に低い破線のグラフの方が、転写位置の深さΔＺｓｆが深いところにピーク値がある。換言すれば、フルーエンスＦｔが相対的に高い実線のグラフでは、フルーエンスＦｔが相対的に低い破線のグラフと比較して、加工深さΔＺｄがピーク値を示す転写位置の深さΔＺｓｆが被加工物４１の表面付近にシフトしている。
【０１０３】
また、図９において示したように被加工物４１に対するレーザ加工に必要なフルーエンスＦｔの下限値は３Ｊ／ｃｍ2である。こうした図９及び図１２に示す実験結果を考慮すると、転写位置の深さΔＺｓｆの範囲として０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲が特に好ましいのは、フルーエンスＦｔが３Ｊ／ｃｍ2から１５Ｊ／ｃｍ2までの範囲においてであると考えられる。
【０１０４】
３．５  その他
本例のように、ビームホモジナイザ４６を用いると、パルスレーザ光の光強度が空間的に均一化されて転写マスク４７に照射される。そのため、転写マスク４７においてパルスレーザ光が照射される範囲内であれば、転写マスク４７内のどの位置に転写パターンが形成されていても、転写パターンによって形成されるパルスレーザ光の転写像のフルーエンスは安定する。
【０１０５】
また、転写マスク４７としては、例えば複数のピンホールが形成されたものなど、複数の転写パターンが形成されたものを使用してもよい。このような転写マスク４７を使用すれば複数の穴を同時に加工することが可能となる。この場合の転写レンズ４８としては、少なくとも加工側がテレセントリックな転写光学系を使用することが好ましい。というのも、テレセントリックな光学系であれば、複数の転写パターンを透過するそれぞれのパルスレーザ光の光軸が平行になるため、被加工物４１に照射されるそれぞれのパルスレーザ光が被加工物４１の表面に対して垂直に入射する。その結果、被加工物４１の表面に対して中心軸が略垂直な複数の穴を形成することができる。
【０１０６】
また、本例では、ＸＹＺステージ３４を制御して被加工物４１を移動させることにより、パルスレーザ光の転写位置と被加工物４１との相対的な位置決めを行っている。このように被加工物４１を移動する代わりに、転写マスク４７をパルスレーザ光の光軸方向に移動させることによって相対的な位置決めを行ってもよい。すなわち、転写マスク４７をパルスレーザ光の光軸方向に移動させることは、転写レンズ４８が転写する転写像の物体側の位置を、転写レンズ４８に対して変化させることに他ならないので、転写像の転写位置も光軸方向に変化する。これにより、パルスレーザ光の転写位置と被加工物４１との相対的な位置決めが可能となる。なお、この場合、転写レンズ４８に対して転写マスク４７を光軸方向に移動させると、転写像の大きさも変化する。このような、転写マスク４７の移動に起因する転写像の直径の変化が抑制されるように、転写マスク４７のピンホールの直径を変化させてもよい。
【０１０７】
また、本例のように、転写光学系を用いてピンホール形状の転写像を被加工物４１に転写する場合には、後述する第２実施形態のようにパルスレーザ光を単に集光して被加工物４１に照射する場合と比較して、ビームの直径の変化が抑制されるというメリットがある。レーザ装置３が出力するパルスレーザ光のビームは、レーザ装置３の光共振器などの状態でモードが変化してビームの直径が変化する。これに対して、転写光学系を用いる場合は、パルスレーザ光のビームをそのまま被加工物４１に照射するのではなく、転写マスク４７でパルスレーザ光のピンホール形状の転写像を形成して、形成した転写像を被加工物４１に転写する。そのため、パルスレーザ光のモード変化に起因するビームの直径の変化が抑制される。
【０１０８】
また、本例では、レーザ装置３として、レーザ媒質としてＡｒＦレーザガスを使用し、中心波長約１９３．４ｎｍのパルスレーザ光を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置を例に説明したが、他のレーザ装置でもよい。レーザ装置３としては、レーザ媒質としてＫｒＦレーザガスを使用し、中心波長が約２４８．４ｎｍのパルスレーザ光を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置を使用してもよい。被加工物４１として合成石英ガラスを使用する場合には、パルスレーザ光の中心波長の範囲は、Ｆ2レーザの中心波長である約１５７．６ｎｍからＫｒＦレーザの中心波長である２４８．４ｍｎの範囲であることが好ましい。
【０１０９】
被加工物４１として合成石英ガラスを例にしたが、合成石英ガラスに限定されるものではなく、被加工物４１としては、紫外線のパルスレーザ光に対して透明な透明材料であればよい。たとえば、紫外線のパルスレーザ光に対して透明な透明材料としては、ＭｇＦ2結晶、ＣａＦ2結晶、サファイヤ等がある。
【０１１０】
４．第２実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
４．１  構成
図１３は、第２実施形態のレーザ加工システム２Ｂを示す。図１３に示すように、第２実施形態のレーザ加工システム２Ｂは、レーザ装置３と、レーザ加工装置４Ｂとを備えている。レーザ装置３は、第１実施形態と同様である。レーザ加工装置４Ｂは、第１実施形態のレーザ加工装置４Ａの光学システム３６に変えて、光学システム６１を備えている。光学システム６１は、第１実施形態の光学システム３６のように転写マスク４７や転写レンズ４８を備えておらず、レーザ装置３が出力するガウシアン分布を持つパルスレーザ光のビームをそのまま集光して被加工物４１に照射する集光光学系を備えた光学システムである。
【０１１１】
レーザ加工制御部３２Ｂは、第１実施形態のレーザ加工制御部３２Ａのようにパルスレーザ光の転写位置と被加工物４１との相対的な位置決めを行う代わりに、パルスレーザ光のビームウエスト位置と被加工物４１との相対的な位置決めを行う。レーザ加工システム２Ｂのそれ以外の構成は、第１実施形態のレーザ加工システム２Ａと同様であるので、以下、相違点を中心に説明する。
【０１１２】
光学システム６１は、高反射ミラー３６ａから３６ｃと、アッテネータ５２と、集光レンズ６２とを備えている。高反射ミラー３６ａから３６ｃ及びアッテネータ５２は、第１実施形態の光学システム３６と同様である。高反射ミラー３６ｃは、パルスレーザ光を集光レンズ６２に向けて反射する。
【０１１３】
集光レンズ６２は、入射したパルスレーザ光を、ウインドウ４２を介して被加工物４１に集光するように配置される。
【０１１４】
また、第２実施形態のレーザ加工システム２Ｂも、第１実施形態のレーザ加工システム２Ａと同様に、被加工物４１に対して、加工直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下の高アスペクト比の穴を加工する。そのため、レーザ加工システム２Ｂも、ビームウエスト位置におけるビームの直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下のパルスレーザ光を被加工物４１に照射する。ビームウエスト位置におけるパルスレーザ光のビームの直径は、パルスレーザ光のビームウエスト位置における、後述する集光径Ｄと一致する。
【０１１５】
レーザ加工システム２Ｂの場合は、レーザ加工システム２Ａと異なり、ガウシアン分布のパルスレーザ光を、転写像に変換することなく被加工物４１に照射する。そのため、パルスレーザ光のビームの直径は、レーザ装置３の仕様によって決まる。
【０１１６】
４．２  動作
図１４及び図１５を参照しながら、レーザ加工システム２Ｂの動作を説明する。第２実施形態の図１４のフローチャートと、第１実施形態の図６のフローチャートと異なる点は、ステップＳ１３０ＡがステップＳ１３０Ｂに変更されている点と、ステップＳ１４０がＳ１４０Ｂに変更されている点であり、その他の点は同様である。レーザ加工制御部３２Ｂは、Ｓ１００からＳ１２０を実行した後、Ｓ１３０Ｂを実行する。
【０１１７】
Ｓ１３０Ｂにおいて、レーザ加工制御部３２Ｂは、パルスレーザ光のビームウエスト位置が、被加工物４１の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置となるように、ＸＹＺステージ３４を制御して、被加工物４１のＺ軸方向の位置を調整する（Ｓ１３０Ｂ）。具体的には、位置データにおいて、被加工物４１のＺ軸方向の位置は、パルスレーザ光のビームウエスト位置が、被加工物４１の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置となるように規定されている。
【０１１８】
Ｓ１３０Ｂにおいて、レーザ加工制御部３２Ｂは、位置データに基づいてＸＹＺステージ３４の移動量を制御することにより、被加工物４１のＺ軸方向の位置を調整する。これにより、Ｚ軸方向と平行なパルスレーザ光の光軸方向において、ビームウエスト位置が被加工物４１の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置となるように、被加工物４１とビームウエスト位置との相対的な位置決めが行われる。
【０１１９】
被加工物４１の位置決めが終了すると、レーザ加工が行われる（Ｓ１４０Ｂ）。Ｓ１４０Ｂのレーザ加工後のＳ１５０からＳ１６０までの処理は、第１実施形態と同様に、図２に示した比較例に係るレーザ加工システム２の処理と同様である。
【０１２０】
図１５は、レーザ加工を行うＳ１４０Ｂのフローチャートである。Ｓ１４０Ｂの処理は、基本的には、図３の比較例に係るフローチャートと同様であるが、Ｓ１４４の代わりにＳ１４４Ｂの処理が実行される。第２実施形態においては、パルスレーザ光のビームウエスト位置と被加工物４１の相対的な位置決めを行う。そのため、Ｓ１４４Ｂにおけるアッテネータ５２の透過率Ｔは、パルスレーザ光のビームウエストにおけるフルーエンスがＦｔとなるように設定される。
【０１２１】
ここで、第２実施形態におけるフルーエンスＦｔとは、レーザ加工に必要なフルーエンスであり、パルスレーザ光のビームウエスト位置における、パルスレーザ光のエネルギ密度である。光学システム３６の光損失が無視できる場合は、フルーエンスＦｔは、下記式（３）で定義される。
Ｆｔ＝Ｅｔ・Ｔ／Ｓ［ｍＪ／ｃｍ2］・・・・・・（３）
ここで、Ｓは照射面積であり、パルスレーザ光のビームウエスト位置における集光直径をＤとすると、Ｓ＝π（Ｄ／２）2［ｃｍ2］となる。集光直径Ｄは、１／ｅ2全幅であり、１／ｅ2全幅は、光強度がピーク値に対して１／ｅ2の値となる位置における直径である。Ｔは、アッテネータ５２の透過率である。
したがって、第２実施形態のアッテネータ５２の透過率Ｔは、光学システム３６の光損失が無いとした場合、上記式（３）から、下記式（４）に基づいて求められる。
Ｔ＝π（Ｄ／２）2（Ｆｔ／Ｅｔ）・・・・・（４）
【０１２２】
第２実施形態において、パルスレーザ光の波長、パルス幅、フルーエンスＦｔの範囲、ΔＺｓｆの範囲、照射パルス数などの加工条件は、第１実施形態と同様である。
【０１２３】
４．３  作用
第２実施形態の場合も、ビームウエスト位置は、第１実施形態の転写位置と同様に、照射するパルスレーザ光のフルーエンスが最も高くなる位置である。そのため、ビームウエスト位置を、被加工物４１の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置とすることで、第１実施形態と同様に、高アスペクト比の穴加工を精度よく行うことが可能となる。
【０１２４】
４．４  レーザ加工装置の変形例
図１６に示すレーザ加工装置４Ｃは、図１３に示す第２実施形態のレーザ加工装置４Ｂの変形例である。レーザ加工装置４Ｃは、レーザ加工装置４Ｂの光学システム６１に代えて、光学システム７１を備えている。また、レーザ加工制御部３２Ｂに代えて、レーザ加工制御部３２Ｃを備えている。それ以外の構成は同様である。以下、相違点を中心に説明する。
【０１２５】
光学システム７１は、光学システム６１に波面調節器７２を追加したものである。波面調節器７２は、凹レンズ７２ａ、凸レンズ７２ｂ及び１軸ステージ７２ｃを備えている。１軸ステージ７２ｃは、凹レンズ７２ａを保持し、凹レンズ７２ａを光軸方向に移動して、凹レンズ７２ａと凸レンズ７２ｂとの間隔を調節する。凹レンズ７２ａ及び凸レンズ７２ｂは、高反射ミラー３６ｃと集光レンズ６２の間のパルスレーザ光の光路上に配置されている。高反射ミラー３６ｃで反射したパルスレーザ光は、凹レンズ７２ａ及び凸レンズ７２ｂを介して集光レンズ６２に入射する。
【０１２６】
凹レンズ７２ａと凸レンズ７２ｂの間隔を調節することにより、被加工物４１に照射されるパルスレーザ光のビームウエスト位置を変更することができる。
【０１２７】
レーザ加工制御部３２Ｃは、ＸＹＺステージ３４を制御して、被加工物４１のＸＹ平面の位置を調整する。一方、Ｚ軸方向における、パルスレーザ光のビームウエスト位置と被加工物４１との相対的な位置については、ＸＹＺステージ３４で被加工物４１を移動する代わりに、波面調節器７２の１軸ステージ７２ｃを制御してビームウエストのＺ軸方向の位置を調整する。具体的には、レーザ加工制御部３２Ｃは、１軸ステージ７２ｃを制御して、凹レンズ７２ａと凸レンズ７２ｂの間隔を調節することにより、パルスレーザ光の波面を変更することができる。このパルスレーザ光の波面を制御することによって、パルスレーザ光のビームウエスト位置が、被加工物４１の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置となるようにビームウエスト位置を調整する。
【０１２８】
５．レーザ装置の変形例
上記各実施形態において、レーザ装置は種々の変形が可能である。例えば、レーザ装置として、図１７や図１８に示すレーザ装置を使用してもよい。
【０１２９】
５．１  変形例１
図１７に示す変形例１のレーザ装置３Ｄは、第１実施形態のレーザ装置３に、増幅器８０を追加したものであり、それ以外はほぼ同様である。増幅器８０は、マスターオシレータ１０とモニタモジュール１１の間のパルスレーザ光の光路上に配置されている。増幅器８０は、マスターオシレータ１０から出力されたパルスレーザ光のエネルギを増幅する増幅器である。
【０１３０】
増幅器８０は、基本的な構成は、マスターオシレータ１０と同様であり、マスターオシレータ１０と同様に、レーザチャンバ２１、充電器２３、及びパルスパワーモジュール（ＰＰＭ）２４を備えている。
【０１３１】
レーザ制御部１３Ｄは、レーザ加工制御部３２Ａから受信した目標パルスエネルギＥｔのデータを受信すると、充電器２３の充電電圧を制御してパルスエネルギを制御する。
【０１３２】
レーザ制御部１３Ｄは、レーザ加工制御部３２Ａから発光トリガＴｒを受信すると、マスターオシレータ１０をレーザ発振させる。加えて、マスターオシレータ１０に同期して増幅器８０が作動するように制御する。レーザ制御部１３Ｄは、マスターオシレータ１０が出力するパルスレーザ光が、増幅器８０のレーザチャンバ２１内の放電空間に入射したときに放電が生じるように、増幅器８０のパルスパワーモジュール２４のスイッチ２４ａをオンする。その結果、増幅器８０に入射したパルスレーザ光は、増幅器８０において増幅発振する。
【０１３３】
増幅器８０で増幅されて出力されたパルスレーザ光は、モニタモジュール１１においてパルスエネルギが計測される。レーザ制御部１３Ｄは、計測されたパルスエネルギの実測値がそれぞれ目標パルスエネルギＥｔに近づくように、増幅器８０とマスターオシレータ１０のそれぞれの充電器２３の充電電圧を制御する。
【０１３４】
シャッタ１２が開くと、モニタモジュール１１のビームスプリッタ１１ａを透過したパルスレーザ光は、図５に示したレーザ加工装置４Ａに入射する。
【０１３５】
レーザ装置３Ｄのように、増幅器８０を設けることで、パルスレーザ光のパルスエネルギを高くすることができる。
【０１３６】
５．２  変形例２
レーザ加工システムにおいて、図１８に示す変形例２のレーザ装置３Ｅを用いてもよい。レーザ装置３Ｅは、マスターオシレータ８３と、増幅器８４とを備えている。また、レーザ装置３Ｅは、モニタモジュール１１の代わりにモニタモジュール１１Ｅを備えている。
【０１３７】
モニタモジュール１１Ｅは、第１実施形態のモニタモジュール１１の構成に加えて、波長モニタ１１ｃとビームスプリッタ１１ｄが追加されている。
【０１３８】
モニタモジュール１１Ｅにおいて、ビームスプリッタ１１ｄは、ビームスプリッタ１１ａの反射光路上であって、光センサ１１ｂとの間に配置される。ビームスプリッタ１１ｄは、ビームスプリッタ１１ａが反射する反射光の一部を反射して、残りを透過する。ビームスプリッタ１１ｄを透過した透過光は、光センサ１１ｂに入射し、ビームスプリッタ１１ｄを反射した反射光は波長モニタ１１ｃに入射する。
【０１３９】
波長モニタ１１ｃは、周知のエタロン分光器である。エタロン分光器は、例えば、拡散板と、エアギャップエタロンと、集光レンズと、ラインセンサとで構成される。エタロン分光器は、拡散板、エアギャップエタロンによって入射するレーザ光の干渉縞を発生させ、発生した干渉縞を集光レンズでラインセンサの受光面に結像させる。そして、ラインセンサに結像した干渉縞を計測することによって、レーザ光の波長λを計測する。
【０１４０】
マスターオシレータ８３は、固体レーザ装置であり、シード光を出力する半導体レーザ８６と、シード光を増幅するチタンサファイヤ増幅器８７と、波長変換システム８８とを備えている。
【０１４１】
半導体レーザ８６は、シード光として、波長が７７３．６ｎｍで連続発振するレーザ光である、ＣＷ（Continuous Wave）レーザ光を出力する分布帰還型の半導体レーザである。半導体レーザ８６の温度設定を変更することによって、発振波長を変化させることができる。
【０１４２】
チタンサファイヤ増幅器８７は、チタンサファイヤ結晶（図示せず）と、ポンピング用パルスレーザ装置（図示せず）とを含む。チタンサファイヤ結晶は、シード光の光路上に配置される。ポンピング用パルスレーザ装置は、ＹＬＦレーザの第２高調波光を出力するレーザ装置である。
【０１４３】
波長変換システム８８は、第４高調波光を発生させる波長変換システムであって、ＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶と、ＫＢＢＦ（ＫＢｅ2ＢＯ3Ｆ2）結晶とを含んでいる。各結晶は、図示しない回転ステージ上に配置されており、各結晶に対するシード光の入射角度を変更できるように構成されている。
【０１４４】
増幅器８４は、図１７に示した増幅器８０と同様に、１対の電極２２ａ及び２２ｂ、レーザ媒質としてＡｒＦレーザガスを含むレーザチャンバ２１と、パルスパワーモジュール２４と、充電器２３とを含んでいる。また、増幅器８４は、増幅器８０と異なり、出力結合ミラー８１及びリアミラー８２の代わりに、凸面ミラー９１と、凹面ミラー９２とを備えている。
【０１４５】
凸面ミラー９１と凹面ミラー９２は、マスターオシレータ８３から出力されたパルスレーザ光が、凸面ミラー９１及び凹面ミラー９２で反射することにより、レーザチャンバ２１の放電空間内を３パスしてビームが拡大するように配置されている。
【０１４６】
レーザ制御部１３Ｅは、レーザ加工制御部３２Ａから目標波長λｔと目標パルスエネルギＥｔを受信すると、マスターオシレータ８３の固体レーザ制御部８９に目標波長λｔを送信する。また、レーザ制御部１３Ｅは、目標パルスエネルギとなるように、増幅器８４の充電器２３の充電電圧を設定する。
【０１４７】
固体レーザ制御部８９は、レーザ制御部１３Ｅから目標波長λｔを受信すると、波長変換システム８８から出力されるシード光の波長が、目標波長λｔとなるように、半導体レーザ８６の発振波長λａ１を変更する。ここで、発振波長λａ１は、目標波長λｔの４倍、すなわち、λａ１＝４λｔに設定される。目標波長λｔが１９３．４ｎｍであるので、λａ１は、１９３．４×４＝７７３．６ｎｍとなる。ここで、ＡｒＦレーザガスをレーザ媒質とする増幅器８４の増幅可能な波長範囲は、１９３．２ｎｍ〜１９３．６ｎｍであるので、必要に応じて、目標波長λｔをこの波長範囲で変更してもよい。
【０１４８】
波長変換システム８８において、ＬＢＯ結晶とＫＢＢＦ結晶の波長変換効率が最大となるように、固体レーザ制御部８９は、図示しない回転ステージを制御して、各結晶に対するレーザ光の入射角度を設定する。
【０１４９】
固体レーザ制御部８９は、レーザ制御部１３Ｅから発光トリガＴｒが入力されると、チタンサファイヤ増幅器８７のポンピング用パルスレーザ装置にトリガ信号を送信する。チタンサファイヤ増幅器８７において、ポンピング用パルスレーザ装置はトリガ信号に基づいて、入力されたシード光であるＣＷレーザ光をパルスレーザ光に変換して出力する。チタンサファイヤ増幅器８７から出力されたパルスレーザ光は、波長変換システム８８に入力される。波長変換システム８８は、λａ１のパルスレーザ光を第４高調波である目標波長λｔのパルスレーザ光に波長変換して出力する。
【０１５０】
また、レーザ制御部１３Ｅは、レーザ加工制御部３２Ａから発光トリガＴｒを受信すると、マスターオシレータ８３から出力されたパルスレーザ光が増幅器８４のレーザチャンバ２１の放電空間に入射した時に放電するように、パルスパワーモジュール２４のスイッチ２４ａをオンする。
【０１５１】
その結果、マスターオシレータ８３から増幅器８４に入射したパルスレーザ光は、レーザチャンバ２１において、凸面ミラー９１及び凹面ミラー９２の作用によって放電空間内を３パスして増幅される。また３パスすることによってパルスレーザ光のビームの直径が拡大される。
【０１５２】
増幅されたパルスレーザ光は、モニタモジュール１１Ｅによってサンプルされ、パルスエネルギと波長の実測値が計測される。レーザ制御部１３Ｅは、計測されたパルスエネルギと目標パルスエネルギＥｔとの差が０に近づくように、充電器２３の充電電圧を制御する。さらに、レーザ制御部１３Ｅは、計測された波長と目標波長λｔとの差が０に近づくように、半導体レーザの発振波長λａ１を制御する。モニタモジュール１１Ｅのビームスプリッタ１１ａを透過したパルスレーザ光は、シャッタ１２が開くと、レーザ加工装置に入射する。
【０１５３】
マスターオシレータ８３が固体レーザ装置の場合は、図１３または図１６に示すレーザ加工装置４Ｂまたはレーザ加工装置４Ｃの光源として適用するのが好ましい。出力されるパルスレーザ光のビームがシングル横モードのガウシアンビームに近いために、ビームウエスト位置におけるビームの直径を回折限界近くまで小さくすることができる。
【０１５４】
本例において、増幅器８４として、マルチパス増幅器の例を示したが、これに限定されることなく、例えば、ファブリペロ型の共振器や、リング型の共振器を備えた増幅器であってもよい。
【０１５５】
また、本例において、マスターオシレータ８３として固体レーザ装置を用い、固体レーザ装置と、レーザ媒質としてＡｒＦレーザガスを使用する増幅器８４とを組み合わせて、レーザ装置３Ｅを構成した。
【０１５６】
増幅器８４がＫｒＦレーザガスをレーザ媒質とする増幅器の場合は、増幅可能な波長範囲は２４８．１ｎｍ〜２４８．７ｎｍである。この場合のレーザ装置としては、マスターオシレータ８３が、上記増幅可能な波長範囲で波長を変化させることができる波長可変の固体レーザ装置を用いてもよいし、スペクトル線幅を狭帯域化する狭帯域化ＫｒＦエキシマレーザ装置であってもよい。さらに、増幅器８４がＦ2レーザガスをレーザ媒質とする増幅器の場合は、増幅可能な波長は１５７．６ｎｍである。この場合のレーザ装置は、例えば、マスターオシレータ８３がこの波長域で発振する固体レーザ装置が用いられる。以上のように、紫外線のパルスレーザ光を増幅する増幅器の観点から、紫外線のパルスレーザ光の波長は、１５７．６ｎｍ〜２４８．７ｎｍの範囲が好ましい。
【０１５７】
上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の各実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
【０１５８】
本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される修飾句「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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