(57)【要約】【課題】微細加工を実現する良好なビーム品質となる光によって加工対象物１００を加工することができるレーザー加工装置を提供する。【解決手段】光源と、前記光源から発せられたレーザー光Ｌを加工対象物１００の表面の加工対象位置に集光する集光レンズ１２とを有し、集光されたレーザー光Ｌによって加工対象物１００を加工するレーザー加工装置において、加工対象物１００を加工するレーザー光の光軸に直交する断面の短軸径に対する長軸径の割合が、集束位置近傍で相対的に小さくなるようなレーザー光に整形する整形光学系３０を設けた。これにより、微細加工を実現する良好なビーム品質となる光によって加工対象物１００を加工することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から発せられた光を加工対象物の表面の加工対象位置に集光する集光手段とを有し、集光された光によって前記加工対象物を加工する光加工装置において、
前記加工対象物を加工する光の光軸に直交する断面の短軸径に対する長軸径の割合が、集束位置近傍で相対的に小さくなるような光に整形する整形手段を有することを特徴とする光加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光加工装置であって、
前記整形手段が、前記加工対象物を加工する光の光軸に垂直な面内で、第一の軸における焦点位置と、前記第一の軸に直交する第二の軸における焦点位置とを異ならせる回転非対称な光学素子を具備するものであることを特徴とする光加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光加工装置であって、
前記光源から前記加工対象物までの光路中に一軸方向のみで固定された反射部材を有し、
前記反射部材を有することを特徴とする光加工装置。
【請求項４】
光源と、前記光源から発せられた光を加工対象物の表面の加工対象位置に集光する集光手段と、前記光源から発せられた後、前記加工対象物の表面に到達する前の光における光軸と直交する方向の断面形状を整形する整形手段とを有し、整形後の光によって前記加工対象物を加工する光加工装置において、
光の光軸に直交する仮想平面に沿った所定方向の位置の違いに応じて焦点位置を異ならせる光学系と、前記光学系における前記所定方向の複数位置の焦点位置のそれぞれを変化させる焦点位置変化手段とを前記整形手段に設けたことを特徴とする光加工装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光加工装置において、
前記光学系を複数の光学素子で構成し、且つ前記複数の光学素子の光軸方向の距離を変化させることで前記所定方向の複数位置の焦点位置のそれぞれを変化させるように、前記焦点位置変化手段を構成したことを特徴とする光加工装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光加工装置において、
前記複数の光学素子のそれぞれとして、シリンダーレンズを用いたことを特徴とする光加工装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光加工装置において、
複数の前記シリンダーレンズのうち、少なくとも一つについて、周縁部の一箇所だけをレンズ中央に向けて押圧する押圧手段を設けたことを特徴とする光加工装置。
【請求項８】
請求項４乃至７の何れか一項に記載の光加工装置であって、
前記断面形状の光軸を中心とする短軸径と、これに直交する長軸径との比を１：１．５以下にするように、前記断面形状が前記整形手段によって整形されることを特徴とする光加工装置。
【請求項９】
請求項４乃至８の何れか一項に記載の光加工装置であって、
周縁部に複数の光反射面を具備する回転可能な走査ミラーを有し、回転中の前記走査ミラーにおけるそれぞれの光反射面で光を順次反射させながら偏向せしめることで、前記加工対象物の表面上で加工用の光を走査することを特徴とする光加工装置。
【請求項１０】
光源から発せられた光を加工対象物の表面の加工対象位置に集光する工程を具備し、集光された光によって前記加工対象物を加工して光加工物を得る光加工物の生産方法において、
前記加工対象物を加工する光の短軸径に対する長軸径の割合が、集束位置近傍で相対的に小さくなるような光に整形する整形工程を設けたことを特徴とする光加工物の生産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光加工装置、及び光加工物の生産方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザービームを走査することにより加工対象物を加工するレーザー加工装置のような光加工装置が知られている。また、このような光加工装置において、種々の光学部品を用いて光を整形することが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載のレーザー照射装置は、レーザー発振器と、集光レンズと、回折光学素子とを有している。回折光学素子は、レーザー発振器から発せられた後、加工対象物たる半導体膜に到達する前のレーザー光の断面形状たるスポット形状を整形するものである。特許文献１に記載のレーザー照射装置では、回折光学素子によってレーザー光のスポット形状を線形に整形することで、一度にレーザーアニールできる面積を大きくすることができるとされている。
また、特許文献２には、レーザー光を集光照射したときに形成される焦点像の形状を四面体型にするために、シリンドリカルレンズを含む非点収差光学系を用いるレーザー加工装置が記載されている。
また、特許文献３には、発散変調システムを用い、ビームをモニターしてビームの発散や形状を補正する加工システムが記載されている。
【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、加工面付近における加工ビームのスポット形状の変形は、加工結果に直接反映してしまうため、重要な課題であるにもかかわらず、特許文献１、２、３の何れに記載の発明においても、加工に好適な装置を提供することができなかった。特に、加工面付近における加工ビームのスポット形状の中でも、楕円率が加工品質を決める重要なファクターになることを本発明者は見出した。楕円率が比較的悪く真円に近いスポット形状が微細加工を実現し得る良好なビーム品質となるが、何れの特許文献に記載の発明も、そのようなビーム品質を実現するようには構成されていないため、微細加工を実現し得る良好なビーム品質を実現できていなかった。
本発明は、微細加工を実現できる良好なビーム品質となる光を発する光加工装置、及び光加工物の生産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】
【０００５】
上述した課題を解決するために、本発明は、光源と、前記光源から発せられた光を加工対象物の表面の加工対象位置に集光する集光手段とを有し、集光された光によって前記加工対象物を加工する光加工装置において、前記加工対象物を加工する光の光軸に直交する断面の短軸径に対する長軸径の割合が、集束位置近傍で相対的に小さくなるような光に整形する整形手段を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、微細加工を実現する良好なビーム品質となる光によって加工対象物を加工することができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係るレーザー加工装置を示す概略構成図。
【図２】加工対象物の加工面高さの変化範囲を説明するための模式図。
【図３】同変化範囲の上限位置における光のスポット形状を示す模式図。
【図４】同変化範囲の下限位置における光のスポット形状を示す模式図。
【図５】同レーザー加工装置の整形光学系におけるレンズ構成を示す構成図。
【図６】同距離調整機構を示す横断面図。
【図７】同レーザー加工装置の八つの折り返しミラーにおける一つを、保持部材たるホルダーとともに示す斜視図。
【図８】同レーザー加工装置における折り返しミラーの一つを示す側面図。
【図９】同折り返しミラーの鏡面における水平面からの誤差分布の一例を示す図。
【図１０】ツェルニケ多項式での０度アスティグマ成分の形状を示す模式図。
【図１１】集光レンズを取り外した状態で、加工対象物の表面上における透過波面を測定した結果を示す図。
【図１２】変形形態に係るレーザー加工装置の整形光学系のレンズ構成を、集光レンズとともに示す構成図。
【図１３】ｘ方向の焦点位置からのずれ量［ｍｍ］とスポット径との関係を示すｘ方向深度曲線グラフ。
【図１４】ｙ方向の焦点位置からのずれ量［ｍｍ］とスポット径との関係を示すｙ方向深度曲線グラフ。
【図１５】レーザー光のスポット形状を整形しない場合におけるスポット径とｚ方向の基準位置（焦点位置）からのずれ量［ｍｍ］との関係を示すグラフ。
【図１６】非整形の実験によって得られた楕円率とｚ方向の基準位置からのずれ量［ｍｍ］との関係を示すグラフ。
【図１７】同レーザー加工装置において、レーザー光のスポット形状を整形光学系で整形した場合におけるスポット径とｚ方向の基準位置からのずれ量［ｍｍ］との関係を示すグラフ。
【図１８】同レーザー加工装置において、レーザー光のスポット形状を整形光学系で整形した場合におけるスポット形状の楕円率とｚ方向の基準位置からのずれ量［ｍｍ］との関係を示すグラフ。
【図１９】実施例に係るレーザー加工装置を示す概略構成図。
【図２０】同レーザー加工装置における走査光学系の内部の要部構成を加工対象物とともに示す斜視図。
【図２１】同レーザー加工装置の光駆動制御装置６０の回路構成を示すブロック図。
【図２２】同レーザー加工装置の走査光学系における各工程のタイミングを説明するためのタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明を適用した光加工装置として、レーザー加工装置の一実施形態について説明する。なお、光加工装置には、ＩＴＯパターニング装置、レーザーマーキング装置、３Ｄプリンティング装置などが含まれる。即ち、光加工装置には、切断や穴あけといった除去加工を行う装置のほか、光を照射して加熱により溶解凝固させる積層造形法のような加工を行う装置も含まれるものとする。
【０００９】
まず、実施形態に係るレーザー加工装置の基本的な構成について説明する。図１は、実施形態に係るレーザー加工装置を示す概略構成図である。同図において、ｘ方向は、日常生活における高さ方向（鉛直方向）を示している。また、ｘ方向、ｙ方向は、水平面における互いに直交する方向を示している。
【００１０】
レーザー加工装置は、レーザー光を発振するレーザー発振器１、第一から第八までの８つの折り返しミラー（２〜９）、ｘ偏向ミラー１０、ｙ偏向ミラー１１、集光手段たる集光レンズ１２、ｘ−ｙテーブル１３などを有している。また、ビームエキスパンダー２０、整形光学系３０なども有している。
【００１１】
レーザー発振器１から発せられたレーザー光Ｌは、第一折り返しミラー２の表面で反射した後、ビームエキスパンダー２０に進入して適切なビーム径に広げられる。その後、整形光学系３０に進入して断面形状たるスポット形状が整形された後、三次元走査に必要な第二から第八までの折り返しミラー（３〜９）の表面で順次反射する。次いで、ｘ偏向ミラー１０の表面で反射してｘ方向に偏向せしめられた後、ｙ偏向ミラー１１の表面で反射してｙ方向に偏向せしめられる。そして、集光レンズ１２を通過することで、加工対象物１００の表面の加工位置に集光せしめられる。
【００１２】
加工対象物１００は、ｘ方向、ｙ方向のそれぞれに個別に移動可能なｘ−ｙテーブル１３の表面に固定されている。ｘ−ｙテーブル１３がｘ方向やｙ方向に移動することで、加工対象物１００に対する加工位置をｘ方向、ｙ方向に変化させる。それらの移動や、レーザー発振器１からのレーザー光の照射は、パーソナルコンピューターによって制御される。
【００１３】
加工対象物１００の加工位置に集光したレーザー光は、加工位置にある物質を燃焼等によって破壊、消去する。これにより、加工対象物１００が加工される。
【００１４】
なお、図１の例では、整形光学系３０をビームエキスパンダー２０と第二折り返しミラー３との間に介在させているが、レーザー発振器１と加工対象物１００との間であれば、他の位置に配設してもよい。
【００１５】
近年、短パルスレーザー光を用いた微細加工を実現するレーザー加工装置の開発が進んでいる。実施形態に係るレーザー加工装置も、短波パルスレーザー光によって微細な加工を行うものである。一般に、レーザー加工装置は、装置の小型化を図りつつ、加工対象物にレーザー光Ｌを正確に導くなどの理由により、平面ミラーからなる折り返しミラーを複数設けることになる。実施形態に係るレーザー加工装置も、上述したように、八つの折り返しミラー（２〜９）を設けている。かかる構成では、光ビームの光進行方向における集束位置と、そこから僅かにずれた位置とで、光ビームのスポット形状が大きく変化してしまうことがある。
【００１６】
例えば、図２に示されるように、レーザー光Ｌが図中矢印のようにＺ方向に進行しながら、Ｚ方向における所定の集束位置で集束するとする。また、加工対象物の加工面が図示のようにＺ方向における上限位置から下限位置までの範囲にあるとする。このような状況において、例えば、上限位置ではスポット形状が図３に示されるような楕円形状になる一方で、下限位置ではスポット形状が図４に示されるような楕円形状になることがある。図３におけるスポット形状は、ｘ−ｙ平面（水平面）におけるｘ方向に楕円の長軸（直径が最大になる位置を通る軸）を沿わせつつ、ｙ方向に楕円の短軸（直径が最小になる位置を通る軸）を沿わせる楕円形状になっている。これに対し、図４におけるスポット形状は、図３のスポット形状とは対称的に、ｙ方向に長軸を沿わせつつ、ｘ方向に短軸を沿わせる楕円形状になっている。
【００１７】
このようなスポット形状の変化は、加工精度に大きく影響する。特に、ピコ秒からフェムト秒の極短パルスレーザーによるパターニング加工やマーキングなどの微細加工において、その影響が大きくなる。図２〜図４のように、上限位置と下限位置とでスポット形状が大きく変化してしまうのは、収束位置におけるスポット形状の真円度がそれほど高くないからである。収束位置におけるスポット形状が真円に近ければ、上限位置と下限位置とでスポット形状がそれほど変化しないことがわかった。よって、短パルスレーザー加工のいては、収束位置におけるスポット形状をできるだけ真円に近づけるように、整形光学系３０によってスポット形状を整形することが望ましい。
【００１８】
また、折り返しミラーの平面性の長期的な経時変化などがあると、それに伴って収束位置におけるスポット形状も長期的な経時変化をきたすことが考えられる。よって、整形光学系３０としては、整形の度合いを長期的に調整し得るものを用いることが望ましい。
【００１９】
次に、実施形態に係るレーザー加工装置の特徴的な構成について説明する。図５は、実施形態に係るレーザー加工装置の整形光学系３０におけるレンズ構成を示す構成図である。同図において、点線はレーザー光Ｌの波面を示している。整形光学系３０は、第一レンズ３１と、これよりもレーザー光Ｌの進行方向の下流側に配設された第二レンズ３２とを有している。レーザー光Ｌは、第一レンズ３１と第二レンズ３２とを連続的に透過する。第一レンズ３１に進入する前のレーザー光Ｌの波面は、図示のように、光軸に対して垂直に延びる平面になっている。これに対し、第二レンズ３２を透過した後のレーザー光Ｌの波面（透過波面）は、図示のように、光軸に対して垂直な方向から湾曲している。
【００２０】
第一レンズ３１、第二レンズ３２は何れもシリンダーレンズである。シリンダーレンズは、光軸に垂直な平面における互いに直交する二つの仮想軸（例えばｘ軸、ｙ軸）のうち、一方だけにレンズとして作用する曲率をもつレンズである。同図に示される整形光学系３０では、第一レンズ３１が、シリンダー凸レンズからなり、ｘ方向にシリンダー面を沿わせるように配設されている。また、第二レンズ３２が、シリンダー凹レンズからなり、ｘ方向にシリンダー面を沿わせるように配設されている。このように、シリンダー凸レンズとシリンダー凹レンズとを配設した方式を、以下、凹凸シリンダーレンズ方式という。
【００２１】
第一レンズ３１の焦点距離をｆ１、第二レンズ３２の焦点距離をｆ２、第一レンズ３１と第二レンズ３２との間隔（距離）をｄで表すと、二つのレンズによる合成焦点距離ｆは、次の数１の数式で求められる。
【数１】
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【００２２】
その数式からわかるように、間隔ｄを短くするにつれて、合成焦点距離ｆを長くすることができる。例えば、ｆ１＝５０［ｍｍ］、ｆ２＝−５０［ｍｍ］、ｄ＝０．２５［ｍｍ］という条件で、ｆ＝１００００［ｍｍ］という非常に長い合成焦点距離ｆを実現することも可能である。換言すると、透過波面に僅かな量のシリンダー波面を重畳させることができる。更に、集光レンズ１２のデフォーカス効果を組み合わせると、透過波面の０度アスティグマ成分をつくることも可能である。
【００２３】
また、間隔ｄを調整することで、レーザー光のスポット形状の長軸径ＡＬ（図３、図４参照）に対する短軸径ＡＳ（図３、図４参照）の割合を、集束位置近傍で相対的に小さくするようにスポット形状を整形することが可能である。つまり、このレーザー加工装置は、レーザー光Ｌの光軸に直交する断面であるスポット形状の短軸径に対する長軸径の割合を、集束位置近傍（焦点位置近傍）で相対的に小さくなるようにレーザー光を整形することが可能である。
【００２４】
凹凸シリンダーレンズ方式など、二枚のシリンダーレンズを組み合わせたレンズ構成とする整形光学系３０では、二枚のシリンダーレンズを近距離で配設する構成であるので、整形光学系３０を小型なものにすることが可能である。更には、光軸調整が容易であるという利点もある。
【００２５】
図６は、整形光学系３０の距離調整機構を示す横断面図である。同図において、一点鎖線は、第二レンズ３２の中心軸線を示している。この中心軸線の延在方向は、光軸方向と同じである。整形光学系３０の距離調整機構は、第二レンズ３２を保持するレンズホルダー４１、このレンズホルダー４１を光軸方向にスライド移動可能に支持する支持体４２、四つの雄ネジ４３、四つの板バネ４４等から構成されている。なお、同図では、第二レンズ３２の中心軸線を基準にした１８０［°］の点対称の位置に、板バネ４４及び雄ネジ４３の組み合わせが配設されており、組み合わせが二つしか示されていない。しかし、実際には、中心軸線を基準にして９０［°］ずつ位相ずれした位置のそれぞれに前記組み合わせが配設されているので、組み合わせの数は合計で四つである。
【００２６】
第二レンズ３２を保持しているレンズホルダー４１は、中心軸線を基準にして９０［°］ずつ位相ずれした位置のそれぞれにおいて、板バネ４４によって図中矢印Ａ方向に付勢されている。この矢印Ａ方向は、第一レンズ３１から離れる方向である。一方、レンズホルダー４１は、中心軸線を基準にして９０［°］ずつ位相ずれした位置のそれぞれにおいて、雄ネジ４３によって図中矢印Ａ方向とは正反対の矢印Ｂ方向に付勢されている。雄ネジ４３は支持体４２に切られた雌ネジに螺号しており、雄ネジ４３．先端部は雌ネジを貫いてレンズホルダー４１に突き当たっている。雄ネジ４３が工具によって締め付けられてネジ先端の支持体４２からの突出量が増加すると、それに応じて板バネ４４の圧縮量が増加し、その増加分だけレンズホルダー４１が第二レンズ３２とともに図中右側から左側に向けて移動する。逆に、雄ネジ４３の締め付けが工具によって緩められてネジ先端の支持体４２からの突出量が減少すると、それに応じて板バネ４４の圧縮量が減少し、その減少分だけレンズホルダー４１が第二レンズ３２とともに図中左側から右側に向けて移動する。それらの移動を９０［°］ずつ位相ずれした位置のそれぞれで行うことで、第二レンズ３２の光軸方向における位置を任意に調整することが可能になっている。
【００２７】
距離調整機構によって第二レンズ３２の位置が調整されると、それに応じて、第一レンズ３１と第二レンズ３２との間隔ｄも調整されることになる。つまり、同図に示される距離調整機構は、第一レンズ３１と第二レンズ３２との距離を調整する距離調整手段として機能している。
【００２８】
また、実施形態に係るレーザー加工装置においては、第一レンズ３１と第二レンズ３２との組み合わせが、光の光軸に直交する仮想平面に沿った所定方向（実施形態ではｘ方向）の位置の違いに応じて焦点位置を異ならせる光学系として機能している。また、距離調整機構が、前記光学系の第一レンズ３１と第二レンズ３２との光軸方向の距離を変化させることで前記所定方向における複数位置の焦点位置のそれぞれを変化させる焦点位置変化手段として機能している。距離調整機構が焦点位置変化手段として機能する理由については後述する。
【００２９】
レーザー加工装置によるレーザー加工精度を高めるためには、レーザー光Ｌの透過波面を精度良く設計値に近づける必要がある。ところが、多くの折り返しミラーを用いる構成では、折り返しミラーの数が増えるほど、透過波面精度を低下させる。そして、その低下が、集束位置におけるスポット形状を真円から遠ざける要因になってしまう。
【００３０】
透過波面精度を向上させる方法の一つとして、折り返しミラーの平面精度を高めることが挙げられる。しかしながら、折り返しミラーの数が多いと、全ての折り返しミラーからなるミラー光学系全体で十分な精度を得ることが困難になってしまう。例えば、１０個の折り返しミラーからなるミラー光学系において、透過波面精度をλ／１０以下にするには、個々の折り返しミラーにおけるそれぞれの面精度をλ／２０にするだけでは不十分である。少なくとも面精度をλ／５０にする必要があり、他の光学系（例えば集光レンズ１２）の収差を考慮すると、λ／１００という面精度が必要になることが十分に考えられる。このような面精度は、湿度や重力の影響で容易に変化してしまう値であるので、現実的ではない。
【００３１】
透過波面精度を向上させる他の方法として、折り返しミラーを周縁部から中央に向けて押圧することで、折り返しミラーを変形させて平面誤差の絶対値を減少させることが考えられる。但し、折り返しミラーを周縁部から中央に向けて押圧する方法として、周縁部を多点で押さえる方法を採用すると、次のような不具合を引き起こすことがわかった。即ち、個々の折り返しミラーにおける平面誤差の絶対値を減少させるものの、平面誤差の分布を複雑なものにして、ミラー間での誤差同士を相殺することが困難になることから、平面誤差を積算によって全体として大きくしてしまう。
【００３２】
また、折り返しミラーを周縁部から中央に向けて押圧する方法として、周縁部の面全体を中央に向けて押圧する方法を採用すると、次のような不具合を引き起こすことがわかった。即ち、周縁部の面全体を均一な力で押圧することは極めて困難であり、ミクロレベルでみると多点で押圧している構成と変わりないので、多点で押圧する場合と同様の不具合を引き起こしてしまう。
【００３３】
一方、本発明者は実験により、折り返しミラーを周縁部の一点だけにおいて中央に向けて押圧する方法を採用すると、レーザー光Ｌの透過波面精度を向上させ得ることを実験によって見出した。これは、折り返しミラーの平面精度がそれほど高くなくても、平面誤差形状に規則性があれば、波面収差の補正によって透過波面精度を高め得ることを意味している。
【００３４】
図７は、実施形態に係るレーザー加工装置の八つの折り返しミラーにおける一つを、保持部材たるホルダーとともに示す斜視図である。同図では、折り返しミラーにＭｔという符号を付しているが、このＭｔは、図１における第一折り返しミラー２から第八折り返しミラー９までの何れか一つであることを意味している。
【００３５】
同図において、折り返しミラーＭｔは、その平面を所定の方向に向ける姿勢でホルダーＨＬによって保持されている。このホルダーには、雌ネジが切られていて、その雌ネジには雄ネジＮが螺号している。この雄ネジＮが工具によって締め付けられると、図８に示されるように、その先端を折り返しミラーＭｔの周縁部における一点に突き当てた状態で、その一点をミラー中央に向けて（図中矢印方向）押圧する。この押圧により、同図の点線で示されるように、折り返しミラーＭｔを雄ネジＮの押圧量に応じた撓み量で意図的に撓ませる。この状態は、折り返しミラーＭｔを一軸方向で固定した状態となっている。
【００３６】
このように撓ませた状態の折り返しミラーＭｔの鏡面における水平面からの誤差分布の一例を図９に示す。この例では、誤差の最大値と最小値との差であるｐ−ｖ値が０．４１８［μｍ］であった。レーザー光Ｌとして、波長＝５３２［ｎｍ］のものを使用する場合、そのｐ−ｖ値は、０．７９λに相当することから波長に着目すると非常に大きいものになるが、誤差分布の形状（変形形状）がシンプルな形状である。このため、図１０に示されるツェルニケ多項式での０度アスティグマ成分の形状とほぼ一致することがわかった。これは、一点押圧によって意図的に撓ませた折り返しミラーＭｔの鏡面での多重反射により、レーザー光Ｌに対して規則性のある波面収差を重畳するからである。
【００３７】
実施形態に係るレーザー加工装置では、八つの折り返しミラー（２〜９）のそれぞれを、図７、図８に示されるような一点押圧によって意図的に撓ませるようになっている。実施形態に係るレーザー加工装置と同様の構成を備える試験機において、集光レンズ１２を取り外した状態で、加工対象物の表面上における透過波面を測定した結果を図１１に示す。この結果は、シャックハルトマン型の波面センサーによって透過波面測定したものである。図示のように、加工対象物の表面上における透過波面を、シリンダー波面形状（０度アスティグマ）の成分と極めて近似した形状にし得ることがわかる。
【００３８】
従って、実施形態に係るレーザー加工装置では、八つの折り返しミラーのそれぞれで一点押圧によって意図的に発生させた波面収差を積算させ、積算波面収差を整形光学系３０によって整形することで、優れた透過波面精度を実現することができる。この結果、加工対象物の表面近傍において、光軸方向の位置の違いによるスポット形状の変形量を非常に小さなものにして、加工対象物を高精度に加工することができる。
【００３９】
また、このレーザー加工装置では、整形光学系３０の第一レンズ３１と第二レンズ３２との間隔ｄを上述した距離調整機構によって調整することで、第一レンズ３１や第二レンズ３２を交換することなく、整形光学系３０による整形度合いを調整することができる。なお、距離ｄの調整によって整形度合いを調整することができる理由については、後述する変形形態において説明する。
【００４０】
次に、実施形態に係るレーザー加工装置の一部の構成を他の構成に変形した変形形態について説明する。なお、以下に特筆しない限り、変形形態に係るレーザー加工装置の構成は、実施形態と同様である。
【００４１】
上述したように、実施形態に係るレーザー加工装置の整形光学系３０は、凹凸シリンダー方式を採用していた。これに対し、変形形態に係るレーザー加工装置は、凸凸シリンダーレンズ方式を採用している。
【００４２】
図１２は、変形形態に係るレーザー加工装置の整形光学系３０のレンズ構成を、集光レンズ１２とともに示す構成図である。この整形光学系３０では、第一レンズ３１及び第二レンズ３２のそれぞれが、凸シリンダーレンズからなる。第一レンズ３１はシリンダー面を光進行方向の上流側に向けているのに対し、第二レンズ３２はシリンダー面を下流側に向けている。第一レンズ３１、第二レンズ３２のそれぞれの焦点位置を互いに重ねるように間隔ｄを調整した場合には、互いのレンズの倍率がちょうど相殺されて合計倍率が１倍となり、透過波面は透過前と同じフラットなものになる。以下、このときの間隔ｄを、基準間隔という。
【００４３】
間隔ｄを基準間隔からずらすと、加工対象物の表面上で、互いに独立したシリンダー波面をｘ方向の異なる位置に当てるようになる。それらシリンダー面のうち、一方の焦点位置については、間隔ｄに応じて変化させることが可能である。よって、距離調整機構は、ｘ方向の複数位置の焦点位置のそれぞれを変化させる焦点位置変化手段として機能するのである。
【００４４】
一方の光成分のｘ方向における焦点距離を調整することによる効果と、集光レンズ１２のデフォーカス効果とを相乗させると、透過波面の０度アスティグマ成分を生成することも可能である。
【００４５】
本発明者は、次のような条件で実験を行った。
・第一レンズ３１の条件
焦点距離：５０［ｍｍ］。
レンズ種類：平凸シリンダーレンズ。
レンズ硝材：合成石英。
・第二レンズ３２の条件
焦点距離：５０［ｍｍ］。
レンズ種類：平凸シリンダーレンズ。
レンズ硝材：合成石英。
・集光レンズ１２の条件
焦点距離：１００［ｍｍ］。
レンズ種類：軸対象レンズ。
レンズの硝材：合成石英。
【００４６】
この条件において、シミュレーションソフトで光線追跡シミュレーションを行って、間隔ｄと、焦点位置Ｓと、二つのシリンダー波面の焦点ずれ量△とを計算した。この結果を、次の表１に示す。
【表１】
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【００４７】
表１に示されるように、概ね、間隔ｄが１００［μｍ］短くなると、焦点位置が０．５［ｍｍ］遠くなる関係にある。これにより、ｘ方向における焦点距離と、ｙ方向の焦点距離との差を調整することができる。なお、シリンダーレンズとして、全体が一体成形されたものに代えて、アクロマートレンズなど張り合わせ成形されたものを用いてもよい。また、非球面形状にすれば収差を補正する機能を向上させることができる。
【００４８】
本発明者は、図６のレンズ構成において、間隔ｄの調整によって焦点ずれ量△を−０．４、−０．２、０、＋０．２［ｍｍ］の四段階で変化させた場合におけるｘ−ｙ平面上での焦点位置からのずれ量［ｍｍ］とスポット径との関係を調べる実験を行った。図１３は、この実験におけるｘ方向の焦点位置からのずれ量［ｍｍ］とスポット径との関係を示すｘ方向深度曲線グラフである。また、図１４は、この実験におけるｙ方向の焦点位置からのずれ量［ｍｍ］とスポット径との関係を示すｙ方向深度曲線グラフである。
【００４９】
図１４に示されるように、ｙ方向については、四つのｙ方向深度曲線が互いにほぼ重なった状態になる。これは、一方の光成分については、焦点ずれ量△［ｍｍ］やｙ方向の位置が変化しても、ｘ−ｙ平面のｙ方向における焦点位置（スポット径が最小になる位置）がほとんど変わらないことを意味している。
【００５０】
一方、図１３に示されるように、ｘ方向については、四つのｘ方向深度曲線が互いに殆ど重なることなく、独立した位置に描かれている。これは、もう一方の光成分については、焦点ずれ量△［ｍｍ］やｘ方向の位置が変化すると、ｘ−ｙ平面のｘ方向における焦点位置が大きく変化させることを意味している。よって、間隔ｄの調整により、波面収差を補正してスポット形状を真円に地下透けることが可能である。間隔ｄを０．２［ｍｍ］変化させる毎に、ｘ方向だけビームウエスト位置が１［ｍｍ］ずつずれているが、これは、上述したシミュレーションの結果と一致していた。
【００５１】
図６のレンズ構成を用いて、ｘ方向における焦点位置と、ｙ方向における焦点位置との距離（ｘ−ｙビームウエスト位置ずれ量）を０．８［ｍｍ］以下にすることで、整形後のスポット形状の楕円率を１．５以下に抑えることができた。楕円率は、長軸径ＡＬを短軸径ＡＳで除算した結果（ＡＬ／ＡＳ）である。ｘ−ｙビームウエスト位置ずれ量＝０．８［ｍｍ］は、間隔ｄに換算すると０．１６［ｍｍ］であり、間隔ｄを僅かに変化させることで、十分な整形効果が得られることが立証された。
【００５２】
図１５は、レーザー光Ｌのスポット形状を整形しない場合におけるスポット径とｚ方向の基準位置（焦点位置）からのずれ量［ｍｍ］との関係を示すグラフである。これは、波長＝５３２［ｎｍ］のレーザー光Ｌと、焦点距離＝１００［ｍｍ］の集光レンズ１２とを搭載した試験器による実験に基づいて作成されたものである。一般的な加工対象物１００の厚さ、形状、及びシステム誤差を加味して、ｚ方向の＋４［ｍｍ］〜＋４［ｍｍ］の範囲でビーム径を測定している。ｘ方向のスポット径と、ｙ方向のスポット径との最大差は２６．４［μｍ］程度であるが、ｚ方向の位置が僅かに１．５［ｍｍ］ほど前後しただけで、差が一気に最大差近くまで大きくなることがわかる。
【００５３】
図１６は、前述した実験（非整形）によって得られた楕円率とｚ方向の基準位置からのずれ量［ｍｍ］との関係を示すグラフである。ｚ方向の位置が僅かに１．５［ｍｍ］ほど前後すると、楕円率が最高の２．０になっている。つまり、僅かに１．５［ｍｍ］ほど前後しただけで、スポット形状が大きく変化して真円からほど遠い形になってしまうのである。
【００５４】
また、前述した実験（非整形）では、焦点位置（ずれ量＝０）におけるスポット径は３４［μｍ］と大きなものになることから、実質的な深度余裕は殆どないと言える。レーザー加工を行う上で、微細加工精度を良好に維持することは困難である。
【００５５】
図１７は、変形形態に係るレーザー加工装置において、レーザー光Ｌのスポット形状を整形光学系３０で整形した場合におけるスポット径とｚ方向の基準位置からのずれ量［ｍｍ］との関係を示すグラフである。前述した実験との実験条件の相違点は、スポット形状を整形する点だけである。図示のように、ｘ方向とｙ方向とで、スポット径を最小にする位置が重なっていることがわかる。また、深度余裕も２．４［ｍｍ］程度であり、先の実験と比べると大幅に拡張できている。加工対象物１００の加工面の位置がｚ方向に＋４［ｍｍ］から−４［ｍｍ］の範囲で変化したとしても、何れの位置においても、ほぼ最小のスポット径で加工対象物１００を加工することができる。なお、レーザー光Ｌの最小スポット径は、ｘ方向のスポット径とｙ方向のスポット径との相乗平均である。また、深度余裕は、最小スポット径の＋２０％（平均＋−１０％）までのデフォーカス範囲である。
【００５６】
図１８は、変形形態に係るレーザー加工装置において、レーザー光Ｌのスポット形状を整形光学系３０で整形した場合におけるスポット形状の楕円率とｚ方向の基準位置からのずれ量［ｍｍ］との関係を示すグラフである。加工面のｚ方向における位置が基準位置に対して＋４［ｍｍ］から＋４［ｍｍ］の範囲でずれたとしても、楕円率を１．１３以下に留めていることがわかる。
【００５７】
なお、凹凸シリンダーレンズ方式や凸凸シリンダーレンズ方式の整形光学系３０について説明したが、凹凹シリンダーレンズ方式を採用してもよい。何れの方式の整形光学系３０であっても、レーザー光Ｌの光軸に垂直な面内で、第一の軸（ｘ軸）における焦点位置と、その軸に直交する第二の軸（ｙ軸）における焦点位置とを異ならせる回転非対称な光学素子を具備することになる。
【００５８】
次に、実施形態や変形形態に係るレーザー加工装置に、より特徴的な構成を付加した実施例について説明する。なお、以下に特筆しない限り、実施例に係るレーザー加工装置の構成は、実施形態や変形形態と同様である。
【００５９】
図１９は、実施例に係るレーザー加工装置を示す概略構成図である。このレーザー加工装置は、レーザー発振器１、コリメートレンズ１４、アパーチャー１５、露光条件設定手段１６、ホストコンピューター１７、ｘ−ｙテーブル１３などを備えている。また、第一から第六までの六つの折り返しミラー（２〜７）、変形形態と同じ構成の整形光学系３０、走査光学系５０なども備えている。
【００６０】
ホストコンピューター１７は、ＣＡＤなどで作成された加工対象物の画像データを取得して、それに所定の処理を施す。その後、露光条件設定手段１６に出力する。露光条件設定手段１６は、予めユーザーによって入力された露光領域、走査速度、光出力強度などの露光パラメータと、ホストコンピューター１７から送られてきた画像データとに基づいて、変調信号を生成してレーザー発振器１に出力する。
【００６１】
レーザー発振器１は、変調信号に基づいてＬＥＤダイオードを点灯、消灯させることで、レーザー光Ｌの発振と停止とを繰り返す。レーザー発振器１から発振されたレーザー光Ｌは、コリメートレンズ１４を透過することで、平行光束に変換される。これにより、後段の光学系に対してレーザー光Ｌを効率よく伝搬させることが可能になる。レーザー加工装置全体の光学設計に鑑みて、平行よりも発散光あるいは収束光になるように、コリメートレンズ１４を設計してもよい。
【００６２】
コリメートレンズ１４を透過したレーザー光Ｌは、アパーチャー１５の貫通口を通過することで、横断面方向の光束周辺部がカットされる。これにより、レーザー光Ｌのスポット径が所望の大きさにカットされる。加工対象物１００の表面上でのスポット径は、画像品質と直結する重要なファクターであり、スポット径を所望の大きさで安定的に形成することが求められる。一般に、スポット径は、アパーチャー１５の貫通口のサイズが大きくなるにつれて小径化するという逆比例の関係にある。微細加工におけるスポット径は、数十μｍ〜１００μｍ程度であり、一般に、小径になるほど、高コストになるが加工品質が向上する。したがって、スポット径と加工品質の関係を把握することは、低コストかつ高速な加工を実現する上で非常に重要である。
【００６３】
アパーチャー１５の貫通口を通過したレーザー光は、第一折り返しミラー２の鏡面で折り返してから、整形光学系３０に進入する。そして、整形光学系３０でスポット形状が真円に近づくように整形されたレーザー光Ｌは、第二、第三、第四、第五、第六折り返しミラー（３〜７）の鏡面で順次折り返した後に、走査光学系５０に進入する。
【００６４】
図２０は走査光学系５０の内部の要部構成を加工対象物１００とともに示す斜視図である。レーザー光Ｌを走査する方法は、ベクトル走査方式とラスター走査方式とに大別されるが、この走査光学系５０ではラスター走査方式を採用している。ラスター走査方式に代えて、ベクトル走査方式を採用してもよい。
【００６５】
走査光学系５０に進入したレーザー光Ｌは、まず、シリンドリカルレンズ５１を透過した後、回転可能な走査ミラーとしてのポリゴンミラー５２の光反射面に到達する。このポリゴンミラー５２は、正六角形の断面形状をしており、正六角形の六辺のぞれぞれの位置に、光反射面を有している。回転するポリゴンミラー５２の位置に達したレーザー光Ｌは、それら六つの光反射面の何れか一つの表面上で反射する。この反射角は、反射の瞬間における光反射面の角度に応じたものになるが、その角度はポリゴンミラー５２の回転に伴って刻々と変化する。以下、この変化を反射角変化という。
【００６６】
ポリゴンミラー５２の光反射面に到達する直前のレーザー光Ｌにシリンドリカルレンズ５１を透過させることで、副走査方向にのみレンズ作用による集光を生じせしめて、レーザー光Ｌをポリゴン面に結像させる。なお、副走査方向は、図２０における加工対象物１００の表面に記載された矢印に直交する方向である。また、主走査方向は、その矢印に沿った方向である。
【００６７】
ポリゴンミラー５２の六つの光反射面の何れかで反射したレーザー光Ｌは、走査レンズ５３、長尺レンズ５４、防塵ガラス５５を順次透過した後、基本的には、加工対象物１００の加工面に到達する。但し、タイミング（ポリゴンミラー５２の光反射面での反射角度）によっては、加工対象物１００に向かわずに、同期ミラー５６の鏡面で反射した後に、同期検知センサー５７によって受光される。同期検知センサー５７は、同期ミラー５６からのレーザー光Ｌを受光すると、同期信号を出力する。
【００６８】
上述した走査レンズ５３は、ポリゴンミラー５２の光反射面の反射位置に応じて微妙に異なってくる反射後のレーザー光Ｌの速度を、レーザー光Ｌを加工対象物１００の表面上で等速に走査するように補正する。ポリゴンミラー５２の駆動源であるポリゴンモーターは、等角速度運動をしているため、走査レンズ５３がないと、像高Ｈ＝焦点距離ｆｔａｎθ（ポリゴンミラーの回転角度）という関係にしてしまう。即ち、加工対象物１００の中心から離れて像高が高くなるほど走査速度が速くなってしまう。ポリゴンミラー５２で反射した後のレーザー光Ｌの速度を補正してＨ＝ｆθの関係にすることで、主走査方向に対して、ポリゴンミラー５２の回転速度に比例した位置にレーザー光Ｌを集光することができる。
【００６９】
ポリゴンモーターは高速で回転することから、回転ムラや光反射面毎の加工精度にばらつきがあると、走査毎に走査開始点がずれてしまう。このため、加工対象物１００の有効走査領域外に同期ミラー５６を配設して同期信号を得て、これに基づいてレーザーダイオードの駆動タイミングを決定することで、主走査方向における光走査開始点を副走査方向で揃えることができる。後述する光源駆動制御装置は、同期信号を基準にして、レーザーダイオードの駆動タイミングを決定することで、主走査方向において位置ずれのない加工を行う。
【００７０】
レーザー光Ｌの加工対象物１００の表面上におけるスポットは、ポリゴンミラー５２の回転に伴って、主走査方向における走査開始点から走査終了点に向けて主走査方向に移動する。そして、走査終了点に到達すると、次の走査のために１ドット分だけ副走査方向にずれた走査開始点に戻る。このとき、上述した同期信号に基づいて、走査開始タイミングが測られる。
【００７１】
図２１は、光駆動制御装置６０の回路構成を示すブロック図である。また、図２２は、走査光学系５０における各工程のタイミングを説明するためのタイミングチャートである。光駆動制御装置６０は、光源変調データ生成回路６１、画素クロック生成回路６２、基準クロック生成回路６３、光源選択回路６４、露光タイミング信号生成回路６５、同期信号生成回路６６などを有している。
【００７２】
基準クロック生成回路６３は、光駆動制御装置６０全体の処理の基準となる高周波クロック信号を生成する。画素クロック生成回路６２は、主に位相同期回路からなり、同期信号ｓ１および基準クロック生成回路６３からの高周波クロック信号に基づいて、画素クロック信号を生成する。この画素クロック信号は高周波クロック信号と同一で、位相は同期信号ｓ１と一致している。このため、画素クロック信号に画像データを同期させることで、走査毎の露光位置を揃えることができる。
【００７３】
画素クロック信号は、光源駆動回路に送られるとともに光源変調データ生成回路６１に送られて、露光データｓ４のクロック信号として用いられる。光源変調データ生成回路６１では、ホストコンピューター１７から送られてくる信号に基づいて、最適な加工が行えるように、その信号を所定の出力信号に変換する。レーザー光Ｌの像面が走査終了点に達すると、光源選択回路６４は次の走査の開始を検知するのに用いられる光源（レーザーダイオード）を選択して、選択されたレーザーダイオードを指定するための信号を出力する。この光源選択回路６４の出力信号ｓ３は、駆動情報の１つとして光源駆動回路に送られる。また、露光タイミング信号生成回路６５から出力される信号ｓ２も、光源駆動回路に送られる。
【００７４】
以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
［態様Ａ］
態様Ａは、光源（例えばレーザーダイオード）と、前記光源から発せられた光を加工対象物（例えば加工対象物１００）の表面の加工対象位置に集光する集光手段（例えば集光レンズ１２）とを有し、集光された光によって前記加工対象物を加工する光加工装置（例えばレーザー加工装置）において、前記加工対象物を加工する光の光軸に直交する断面の短軸径に対する長軸径の割合が、集束位置近傍で相対的に小さくなるような光に整形する整形手段（例えば整形光学系３０）を有することを特徴とするものである。
【００７５】
態様Ａにおいては、微細加工を実現する良好なビーム品質となる光によって加工対象物を加工することができる。
【００７６】
［態様Ｂ］
態様Ｂは、態様Ａであって、前記整形手段が、前記加工対象物を加工する光の光軸に垂直な面内で、第一の軸における焦点位置と、前記第一の軸に直交する第二の軸における焦点位置とを異ならせる回転非対称な光学素子を具備するものであることを特徴とするものである。
【００７７】
［態様Ｃ］
態様Ｃは、態様Ａ又はＢであって、前記光源から前記加工対象物までの光路中に一軸方向のみで固定された反射部材（例えばシリンダーレンズからなる折り返しミラー）を有し、前記反射部材を有することを特徴とするものである
【００７８】
［態様Ｄ］
態様Ｄは、光源（例えばレーザーダイオード）と、前記光源から発せられた光（例えばレーザー光Ｌ）を加工対象物（例えば加工対象物１００）の表面の加工対象位置に集光する集光手段（例えば集光レンズ１２）と、前記光源から発せられた後、前記加工対象物の表面に到達する前の光における光軸と直交する方向の断面形状を整形する整形手段（例えば整形光学系）とを有し、整形後の光によって前記加工対象物を加工する光加工装置（例えばレーザー加工装置）において、光の光軸に直交する仮想平面（例えば仮想のｘ−ｙ平面）に沿った所定方向（例えばｘ方向）の位置の違いに応じて焦点位置を異ならせる光学系（例えば第一レンズ３１及び第二レンズ３２）と、前記光学系における前記所定方向の複数位置の焦点位置のそれぞれを変化させる焦点位置変化手段（例えば距離調整機構）とを前記整形手段に設けたことを特徴とするものである。
【００７９】
態様Ｄにおいては、焦点位置変化手段によって焦点位置を変化させることで、光の断面形状の前記所定方向における大きさを変化させることが可能である。この変化により、例えば、光の線形断面の縦横比を設計通りに設定したり、光の楕円形断面を真円に近づけたりすることで、装置個体毎に異なる光学特性の光学素子を用いることなく、個々の装置個体のそれぞれで光の断面形状を精度良く整形することができる。
【００８０】
［態様Ｅ］
態様Ｅは、態様Ｄにおいて、前記光学系を複数の光学素子（例えば第一レンズ３１、第二レンズ３２）で構成し、且つ前記複数の光学素子の光軸方向の距離（例えば間隔ｄ）を変化させることで前記所定方向の複数位置の焦点位置のそれぞれを変化させるように、前記焦点位置変化手段を構成したことを特徴とするものである。かかる構成では、前記距離の調整によって光の断面形状の所定方向における大きさを調整することができる。
【００８１】
［態様Ｆ］
態様Ｆは、態様Ｅにおいて、前記複数の光学素子のそれぞれとして、シリンダーレンズを用いたことを特徴とするものである。かかる構成では、複数のシリンダーレンズの距離を調整することで、光の断面形状の整形度合いを調整することができる。また、従来のように整形手段として回折光学素子を用いる構成に比べて、光の断面形状をより真円に近づけることができる。
【００８２】
［態様Ｇ］
態様Ｇは、態様Ｆにおいて、複数の前記シリンダーレンズのうち、少なくとも一つについて、周縁部の一箇所だけをレンズ中央に向けて押圧する押圧手段を設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、光の透過波面の形状を精度良く整えて、光の整形精度を高めることができる。
【００８３】
［態様Ｈ］
態様Ｈは、態様Ｄ〜Ｇの何れかであって、前記断面形状の光軸を中心とする短軸径と、これに直交する長軸径との比を１：１．５以下にするように、前記断面形状が前記整形手段によって整形されることを特徴とするものである。かかる構成では、光の断面形状を真円に近づけることができる。
【００８４】
［態様Ｉ］
態様Ｉは、態様Ｄ〜Ｈの何れかであって、周縁部に複数の光反射面を具備する回転可能な走査ミラー（例えばポリゴンミラー５２）を有し、回転中の前記走査ミラーにおけるそれぞれの光反射面で光を順次反射させながら偏向せしめることで、前記加工対象物の表面上で加工用の光を走査することを特徴とするものである。かかる構成では、加工対象物を主走査方向に移動させることなく、加工対象物の表面上で光を主走査方向に走査することができる。
【００８５】
［態様Ｊ］
態様Ｊは、光源から発せられた光を加工対象物の表面の加工対象位置に集光する工程を具備し、集光された光によって前記加工対象物を加工して光加工物を得る光加工物の生産方法において、前記加工対象物を加工する光の短軸径に対する長軸径の割合が、集束位置近傍で相対的に小さくなるような光に整形する整形工程を設けたことを特徴とするものである。
【符号の説明】
【００８６】
Ｌ：レーザー光（光）
１：レーザー発振器（光発振手段）
１２：集光レンズ（集光手段）
３０：整形光学系（整形手段）
３１：第一レンズ（光学系や焦点位置変化手段の一部）
３２：第二レンズ（光学系や焦点位置変化手段の一部）
４１：レンズホルダー（光学系や焦点位置変化手段の一部）
４２：支持体（光学系や焦点位置変化手段の一部）
４３：雄ネジ（光学系や焦点位置変化手段の一部）
４４：板バネ（光学系や焦点位置変化手段の一部）
５２：ポリゴンミラー（走査ミラー）
１００：加工対象物
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８７】
【特許文献１】特開２００６−３３９６３０号公報
【特許文献２】特開２００８−３６６４１号公報
【特許文献３】特開２０１５−１７９２９３号公報
【図１】
2018144092.tif 000005
【図２】
2018144092.tif 000006
【図３】
2018144092.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018144092.tif 000011
【図８】
2018144092.tif 000012
【図９】
2018144092.tif 000013
【図１０】
2018144092.tif 000014
【図１１】
2018144092.tif 000015
【図１２】
2018144092.tif 000016
【図１３】
2018144092.tif 000017
【図１４】
2018144092.tif 000018
【図１５】
2018144092.tif 000019
【図１６】
2018144092.tif 000020
【図１７】
2018144092.tif 000021
【図１８】
2018144092.tif 000022
【図１９】
2018144092.tif 000023
【図２０】
2018144092.tif 000024
【図２１】
2018144092.tif 000025
【図２２】
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