(57)【要約】  光学素子構造体と集束ビームとを用いて、レーザ・パターンを形成する。ある実施形態では、光学素子構造体は単一の基板上に集積化して形成できる。ある実施形態では、多数の光学部品は、所望のパターンを呈するために、光路で組み合わせることができる。少なくとも一つの実施形態では、投影マスクを用いて、投影マスクの制御された動きと対象物の制御された動きとレーザビームの制御された動きとを組み合わせて、レーザ出力に対する対象物の露光を制御する。ある実施形態では、投影マスクを用いて対象物の露光を制御し、投影マスクは、レーザ出力を吸収、散乱、反射、又は減衰できる。ある実施形態では、投影マスクは、投影マスクの領域の全体を透過したレーザビームの光パワーと偏光を変える光学的素子を含むことができる。
2013515612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の少なくとも一部にレーザ・エネルギーを伝送するレーザ利用システムであって、
入力ビームを出射するレーザ光源と、
前記入力ビームを入射して可動レーザビームを生成するビーム位置決め器と、
前記レーザ光源と前記対象物の間に設けられた光学素子構造体であって、前記光学素子構造体が、前記可動ビームを入射して前記対象物の選択部分を制御自在に照射し、前記光学素子構造体の一部が、前記対象物の上に又は前記対象物の内部に照射パターンを描画し、前記光学素子構造体の一部はレーザ・エネルギーが前記対象物を実質的に損傷せず、且つ、前記対象物に対する前記ビームの加速及び／又は減速中に前記対象物を過剰に露光しないように構成されている、前記光学素子構造体と、
少なくとも前記ビーム位置決め器に結合した制御装置
とを備えることを特徴とするレーザ利用システム。
【請求項２】
前記レーザ利用システムが、前記対象物の材料の物性を改質することを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項３】
前記ビーム位置決め器が、溶発、融解、亀裂、酸化、屈折率変更の中の一つ又は複数により、前記対象物の材料の物性を改質するように、可動レーザビームの焦点の位置と速度の少なくとも一つを制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項４】
前記ビーム位置決め器と前記光学素子構造体の間に設けられた集束素子を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項５】
前記光学素子構造体が、前記対象物の予め定められた領域に対応して、光遮蔽、光透過、光減衰、偏光を制御する素子を一つ又は複数を含み、前記光遮蔽、光透過、光減衰及び偏光の作用は、前記対象物の予め定められた領域内だけで行われることを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項６】
前記レーザ利用システムが、前記対象物を探査し、前記対象物の物理的、電気的、光学的、化学的な特性の中の一つ又は複数を測定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項７】
前記レーザ光源の出力を制御する変調器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項８】
請求項１のレーザ利用システムを動作させることを含むことにより、対象物を改質又は探査することを特徴とする方法。
【請求項９】
生産物であって、
該生産物の一部の上に、又は該生産物の内部に空間パターンを備え、
該空間パターンが、請求項５の方法を用いて形成されることを特徴とする生産物。
【請求項１０】
対象物の少なくとも一部にレーザ・エネルギーを伝送するレーザ利用システムであって、
入力ビームを出射するレーザ光源と、
前記入力ビームを入射して可動レーザビームを生成するビーム位置決め器と、
前記レーザ光源と前記対象物の間に設けられた光学素子構造体であって、前記光学素子構造体が、前記可動ビームを入射して前記対象物の選択部分を制御自在に照射し、前記光学素子構造体の一部が、前記対象物の上に又は前記対象物の内部に照射パターンを描画し、前記光学素子構造体の一部が、レーザ・エネルギーが前記対象物を実質的に損傷せず、且つ、前記対象物に対する前記ビームの加速及び／又は減速中に前記対象物を過剰に露光しないように構成されている、前記光学素子構造体と、
前記レーザ光源から、集光された出力ビームを出射するように、前記ビーム位置決め器と前記投影マスクとの間の光路に設けられた集光光学部品と、
前記光学素子構造体を位置決めする第１の移動装置と、
前記対象物を位置決めする第２の移動装置と、
前記ビーム位置決め器、前記第２の移動装置、前記第１の移動装置、前記レーザ光源の中の一つ又は複数に結合された制御装置であって、前記レーザ光源からの前記集光された出力ビームを用いて前記対象物上にレーザ露光により、予め定められたパターンを描画し、前記対象物上の前記パターンが、前記ビーム位置決め器の変位、前記対象物の動き、前記光学素子構造体の動き、前記光学素子構造体上の又は内部のパターンとから決まる、前記制御装置
とを備えることを特徴とする前記レーザ利用システム。
【請求項１１】
前記システムが、前記レーザ光源と前記対象物の間に設けられた光学系を備え、前記光学系は、前記レーザ光源と前記光学素子構造体に共通する光路内に、一つ又は複数の光学部品を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項１２】
前記一つ又は複数の光学部品が、ミラー、光減衰フィルタ、空間光変調器、波長板の中の一つ又は複数を備えることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ利用システム。
【請求項１３】
前記システムが、前記レーザ光源と前記対象物の間に設けられた光学系を備え、前記光学系は、前記レーザ光源と前記光学素子構造体に共通する光路内に、一つ又は複数の光学部品を備えることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ利用システム。
【請求項１４】
前記一つ又は複数の光学部品が、ミラー、光減衰フィルタ、空間光変調器、波長板の中の一つ又は複数を備えることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ利用システム
【請求項１５】
前記ビーム位置決め器が、電気機械式スキャナ、回折式スキャナ、圧電式位置決め器、電気光学式偏向器の中の一つ又は複数を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項１６】
前記ビーム位置決め器が、電気機械式スキャナ、回折式スキャナ、圧電式位置決め器、電気光学式偏向器の中の一つ又は複数を備えることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ利用システム。
【請求項１７】
前記光学素子構造体が、単一の基板上に集積化されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項１８】
前記光学素子構造体が、単一の基板上に集積化されていることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ利用システム。
【請求項１９】
前記光学素子構造体が、前記対象物の前記選択部分を制御自在に照射する、多数の光学部品を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ利用システム。
【請求項２０】
前記光学素子構造体が、前記対象物の前記選択部分を制御自在に照射する、多数の光学部品を備えることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ利用システム。
【請求項２１】
対象物の少なくとも一部にレーザ・エネルギーを伝送するレーザ利用システムであって、
入力ビームを出射するレーザ光源と、
前記入力ビームを入射して可動レーザビームを生成するビーム位置決め器と、
前記レーザ光源と前記対象物の間に設けられた投影マスクであって、前記投影マスクが、前記可動レーザビームを入射して前記対象物の選択部分を制御自在に照射し、前記投影マスクの一部が、前記対象物の上に又は前記対象物の内部に照射パターンを描画し、前記投影マスクの一部が、レーザ・エネルギーが前記対象物を実質的に損傷せず、且つ、前記対象物に対する前記ビームの加速及び／又は減速中に前記対象物を過剰に露光しないように構成されている、前記光学素子構造体と、
前記レーザ光源から、集光された出力ビームを出射するように、前記ビーム位置決め器と前記投影マスクとの間の光路に設けられた集光光学部品と、
前記投影マスクを位置決めするマスク移動装置と、
前記対象物を位置決めする対象物移動装置と、
前記ビーム位置決め器、前記対象物移動装置、前記マスク移動装置、前記レーザ光源の中の一つ又は複数に結合された制御装置であって、前記レーザ光源からの前記集光された出力ビームを用いて前記対象物上にレーザ露光により、予め定められたパターンを描画し、前記対象物上の前記パターンは、前記ビーム位置決め器の変位、前記対象物の動き、前記投影マスクの動き、前記投影マスクの上の又は前記投影マスクの内部のパターンから決まる、前記制御装置
とを備えることを特徴とするレーザ利用システム。
【請求項２２】
前記投影マスクが、単一の基板上に集積化されていることを特徴とする請求項２１に記載のレーザ利用システム。
【請求項２３】
前記投影マスクが、前記対象物の前記選択部分を制御自在に照射する、多数の光学部品を備えることを特徴とする請求項２１に記載のレーザ利用システム。
【請求項２４】
前記投影マスクの一部が、前記対象物の上に、又は前記対象物の内部に照射パターンを描画する、屈折部、反射部、又は回折部として構成されていることを特徴とする請求項２１に記載のレーザ利用システム。
【請求項２５】
前記投影マスクが、空間光変調器を備えることを特徴とする請求項２１に記載のレーザ利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物、例えば、加工対象物（ワークピース）の材料を改質又は露光するために用いるレーザ利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高いレーザ処理速度は、ガルバノメトリック（検流計式）走査システムのような、高速位置決めシステムから得てきた。例えば、数ｍ／ｓまでのビーム走査速度を得ることができる。しかし、一部のレーザでは、例えば、オン・オフ変調のように、レーザを高速制御することが難しいときには不可能になる。したがって、機械加工や改質又は露光できる最小加工寸法は比較的大きくなる。
【０００３】
加工寸法  ＝  並進速度×２×（切替時間の間隔）
ここでは、オン・オフの切替時間は等しいと想定している。また、走査が多数の方向（例えば、双方向）で行われる場合、走査線は、オン／オフ制御機構の動作時間の結果としてジグザグに並ぶことになる（一列でない）。例えば、オン／オフ動作時間が１ミリ秒で、並進速度が１m／ｓの場合、走査線分の始点と終点は、オン動作時間がオフ動作時間と同じと再び想定すると、２ｍｍだけジグザグに並ぶことになる。
【発明の概要】
【０００４】
少なくとも一つの実施形態では、レーザ光源と対象物との間に設けられた光学素子構造体（構造化された光学素子）が、対象物の選択部分を制御自在に照射する。光学素子構造体の少なくとも一部は、対象物の上に又は内部に照射パターンを描画するように構成されている。光学素子構造体は、照射の不均一なパターンを表現することができる。
【０００５】
ある実施形態においては、光学素子構造体は対象物の露光を制御するために用いる投影マスクを含むことができて、投影マスクは、レーザ出力を吸収、散乱、反射又は減衰できる。様々な実施形態においては、レーザ・システムは、対象物の材料の物性を改質できる。様々な実施形態においては、レーザ・システムは、対象物の物理的な特性を探査するために使用できる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に対応するレーザ材料の改質システムの図を模式的に示す図である。
【図２】検流計式ミラー走査システムを有するレーザ・システムの一例を示す図である。
【図３】検流計式ミラー・システムを用いて、ポリカーボネートに書き込まれたラスター走査線パターンを示す顕微鏡画像である。シリコンの矩形基板を用いて、走査レーザビームに対するポリカーボネート試料の露光を制御する投影マスクを形成した。
【図４】ポリカーボネート内における図３の投影マスクとパターン位置を模式的に示す図である。
【図５】様々な実施形態で使用できるパターン例として、ディスプレイ・ダイアルを模式的に示す図である。
【図６】様々な実施形態で使用できるパターン例として、曲線からなる数字『１００』を、模式的に示す図である。
【図７】様々な実施形態で使用できるパターン例として、偏心したラスター走査曲線で満ちている円を、模式的に示す図である。
【図８】様々な実施形態で使用できるパターン例として、多光子顕微鏡ラスター走査パターンを、模式的に示す図である。
【図９】様々な実施形態で使用できるパターン例として、投影マスク付きの多光子顕微鏡ラスター走査パターンを、模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
様々な実施形態が、高い並進速度のレーザ描画パターンを提供する。少なくとも一つの実施形態において、光学素子構造体、例えば、望ましいパターンの投影マスクが作られる。光学素子構造体は、対象物上でレーザ加工や改質又は露光が望まれる領域にレーザ光を透過して、対象物上でのレーザ加工や改質をする一方、露光が望まれない領域に対するレーザ光の照射をブロックしたり、散乱させたり又は大幅に減衰させたりする。光学素子構造体は、ビームを透過、反射、屈折、回折、或いは変調して、対象物の少なくとも一部の上に又は内部に望ましい照射パターンを形成するように構成できる。光学素子構造体は、静的に保持できるし、又はコンピュータ制御のもとで動的に位置決めもできる。様々な実施形態では、照射のパターンは、対象物の上部又は内部において照射領域内で変動し、周期的、非周期的、及び／又は、他の予め定めた空間的及び／又は時空間的なパターンを備えることができる。
【０００８】
図１は、実施形態に対応するレーザ材料の改質システムの図を模式的に示す。本例で、光学素子構造体は、投影マスクとして図示され、光透過用に構成している。マスクは単一の基板上に集積化して形成できる。レーザ利用システムのある実施形態では、システムの光学素子構造体は、望ましい照射パターンを送るために、光路において組み合わされた多数の光学部品と共に構成できる。レーザビームは、レーザ光源から放出される。レーザ光源からのレーザビームの光パワーは、減衰器を用いて望ましいレベルに減少できる。ある実施形態では、レーザビームの偏光も制御される。レーザビームの焦点は、ビーム偏向器で並進移動される。本例で、可動レーザビームは、集束素子で焦点を定めるか、或いは対象物への悪影響を避けるために投影マスクでブロックするか、又は対象物と相互に作用して望ましい形状や改質又は露光パターンを形成するように投影マスクによって透過される。対象物上に生じたパターンは、投影マスク上のパターンと、マスク移動装置による投影マスクの動きと、対象物移動装置による対象物の動きとから形成できる。本例において、制御装置は、レーザ光源からの出力と、減衰器からのパワー出力と、ビーム偏向器の動きによるレーザビームの方向と、マスク移動装置による投影マスクの動きと、及び対象物移動装置による対象物の動きとを制御する。
【０００９】
レーザ・パワーは、減衰器で制御して、対象物の上に又は内部に形成した改質のサイズと深さとタイプとを変えるように変更できる。集束素子に対する対象物の（レーザビームの光路に沿う）軸位置は、対象物で集束レーザビームの流束量（フルエンス）が、投影マスクの透過後に望ましい溶発（アブレーション）又は材料の改質を十分に行えるように決定される。
【００１０】
集束素子に対する投影マスクの軸位置は、レーザビームによる投影マスクの透過部分の溶発（アブレーション）又は材料の改質を回避するように設定される。リソグラフィー・プロセスで用いる従来のマスク露光では、レーザビームのサイズは、マスクの形状より遙かに大きい。レーザビームは、マスク領域の全体又はその大部分をしばしばカバーする。レーザ露光の高速並進移動も高速制御も用いていない。実施例から及び従来のアプローチと比べると、様々な実施形態が高速走査動作を提供するが、レーザ出力を制御するための高速変調を必要としない。
【００１１】
図２は、検流計式ミラー・スキャナで操作すると共にテレセントリックＦθレンズを用いて集光した、レーザビームをもつ実施形態に対応する略図を示す。ガルボ位置Ａにおいて、集束ビームは、投影マスクでブロックされるので、対象物に当たらない。ガルボ位置Ｂにおいて、集束ビームは、投影マスクを透過して、対象物に当たるので、望ましい材料の溶発（アブレーション）又は材料の改質を行う。
【００１２】
直線を用いて、望ましいラスター走査画像を形成するために、並進移動アクチュエータ用のコントロール・コードを自動的に書き込む、「イメージ・ツゥ・Ｇコード（Image to G-Code）」のような市販のソフトウェア（http://www.imagetogcode.com/）が入手できる。このツールの最新版を用いても、非直線で満ちた画像を形成できない。しかし、投影マスク露光方法は、非直線のラスター走査線からなるパターンを機械的に加工することができる。
【００１３】
少なくとも一つの実施形態において、集束光学系は、非テレセントリックＦθレンズを含んでいる。投影マスクは、レーザビームが中心位置からずれると、対象物上の投影マスク画像のスケーリング（拡大・縮小）と歪みとを補償するように設計できる。
【００１４】
様々な実施形態において、投影マスクからのレーザビームの回析と散乱と反射とを用いて、対象物上に望ましいパターンを形成する。更なる光学的変換機能を、レーザビームが素子を透過するときに、レーザビームの光パワーを減少させる、又はその偏光を変更するために、光学素子構造体に集積化することができる。ある実施形態において、これらのプロセス機能を、ビーム光路の他の場所よりもマスク内に組み込むと、対象物の特定の領域に限定してプロセスが実施できるので、アクチュエータのコントロール・ソフトウェアで正確にタイミング設定して制御する必要がなくなるという長所を奏することができる。これらのレーザ露光領域を、波長板又は減衰フィルタを回転するために用いられる機械的なアクチュエータの応答時間の制限により、従来の方法では実現が難しい、非常に小さい領域に定義できる。
【００１５】
投影マスクの内部で光学的減衰を用いて、一定の領域の対象物に生成する材料改質のタイプを変更するために、光パワーを減少してもよい。この材料改質とは、例えば、投影マスクの光学的減衰と対象物上の特定位置の露光時間の両方に基づいて、溶発（アブレーション）から亀裂や融解や屈折率変更にいたる範囲の処理を意味する。材料改質の位置は、ビーム偏向器とマスク移動装置の動きと対象物移動装置の動きとから決定できる。レーザの偏光は材料改質の特質に影響することは、当業者には周知のことである。
【００１６】
光学素子構造体は多くの異なる方式で製造できる。前述のように、マスクを単一基板上に集積化して形成できる。或いは、多数の材料を組み合わせて、光学素子構造体を形成すると、対象物の異なる領域に対応してレーザ処理条件を調整することができる。光学素子構造体は、リソグラフィー、薄膜堆積、パルスレーザ堆積及び／又は関連する堆積技術を含めて、任意の適切な露光方法を用いて製造できる。
【００１７】
実施例として、発明者らは、光学素子構造体を用いて、試料を製造した。研磨したステンレス鋼板の表面仕上げは、超短レーザパルスとＸ、Ｙ、Ｚ位置決め装置とを用いて行った。望ましいパターンが形成される領域には、光学素子構造体の光学的に不透明な領域を用いて、超短レーザパルスをブロックして表面処置をしないようにしたので、強い反射率を呈した。一方、光学素子構造体の光学的に透明な領域を透過した超短レーザパルスで表面処理した領域は、対象物からの強い反射率を呈しないので、高いコントラストのパターンを形成できた。光学素子構造体の更なる実施例と代表的な応用例を次に述べる。
【００１８】
（実施例１）
実施例として、図３は、ポリカーボネートに書き込まれたラスター走査線パターンを示す顕微鏡画像である。パターンは、図１と同様の配置構成の検流計式ミラー・システムを用いて、ポリカーボネートの試料に書き込まれた。シリコンの矩形基板を用いて、走査レーザビームに対するポリカーボネート試料の露光を制御する投影マスクを形成した。
【００１９】
光学的に不透明なシリコンの小さい矩形基板を投影マスクとして用いた。焦点距離が１００ｍｍのテレセントリックＦθレンズを備えた検流計式ミラー・スキャナを用いて、レーザ光を集光した。図３は、矩形の投影マスクの角部に近いポリカーボネートの表面下の線の光学的な顕微鏡画像を示す（レーザは、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ、波長が１０４５ｎｍ、パルス幅が５００ｆｓで動作している）。並進速度は５５０ｍｍ／ｓだった。
【００２０】
図４は、ポリカーボネート内における図３の投影マスクとパターン位置を模式的に示し、投影マスクの位置とレーザ描画ラスター走査線とを示す。鋭さに明確な劣化が見受けられない急峻な角部が図示されている。線間のスペースは１５０μｍである。同じ並進速度をもつシャッタ機構を用いて類似の直線エッジを形成するために、シャッタ応答時間は、マイクロ秒の単位になる必要があると思われる。このような速度は、電気機械式シャッタには早すぎる。例えば、光学的な口径が６ｍｍのユニブリッツ(Ｕｎｉｂｌｉｔｚ)(www.uniblitz.com）のＬＳ６電気機械式シャッタは、７００μｓで開き、４００Ｈｚで変調する。様々な電子光学的及び音響光学変調器は、マイクロ秒のスイッチ時間を提供できるが、比較的高価であり、高精度の位置合わせと駆動電子部品を必要とし、少なからぬ光学的エネルギーを吸収するので、使用可能なレーザ・パワーが減少し、なおかつ、オン／オフの制御とビーム及び／又は対象物の動きとを同期させる高精度の制御ソフトウェアを必要とする。より優れたオン／オフ制御の柔軟性が必要となる応用例に対して、光学的変調器が代用できる。変更する必要がない、より単純なパターンに対して、投影マスク方法は、望ましい機能性を低コストで提供できる。
【００２１】
（実施例２）
ディスプレイ・ダイアルは、例えば、米国特許７，３５７，０９５号明細書に開示されているように、機械加工プロセスを用いてクリアなプラスチックの表面に機械処理できる。その開示の内容は、それらの全体を引例して、本明細書の一部として包含されている。本発明の図５に図示するように（‘０９５の図５から入手）、ダイアルは、例えば、複数の発光ダイオード６６のように、一連の複数の光源を用いてダイアルの内側エッジが照らされている。
【００２２】
プラスチックの表面にダイアルを機械的に加工するよりも、むしろ、パターンのレーザ描画を行ったほうがよい。少なくとも一つの実施形態では、パターンは、超短パルスレーザを用いて、プラスチックの表面上に及び／又は表面の下方に描画される。レーザ描画パターンは、照射源がパターンの製造に用いるラスター走査線の方向に対してほぼ垂直のときに均一に見える。照射源がほぼ円形状に配置されたパターンの中心の近くにあるときに、パターンの形成に用いるラスター走査線は、直線よりもむしろ弧になる。湾曲したラスター走査線を高速で形成する一つの方法は、市販のガルバノメトリック（検流計式）作動ミラー走査システムを用いることである。図６は、共通の中心をもつ湾曲したラスター走査線で描画した数字『１００』（ディスプレイ・ダイアルの数字と類似）を模式的に示す。
【００２３】
別の実施形態では、円形に配置されたパターンが多数のくさび形状部（Ｖ字型部）に分割され、そこでは、各くさび形状部が一つの光源で主として照らされている。一つのくさび形状部が、図５に示す６個の光源６６の各々に対して存在し、そこでは、くさび形状部は、そのＶ字の頂点が円形パターンの中心にあり、直線状の縁が外側の円の縁に向かって外側に広がるように概略形成されている。各くさび形状部のパターンは、直線状のラスター走査線からなり、そこでは、ラスター走査線は特定のくさび形状部に中心がある光源からのビームに対してほぼ垂直である。各くさび形状部のパターンは、一連の複数の直線（図示せず）をもつ光学素子構造体で形作られている。これは、高速走査速度を、明確に確定された境界をもつくさび形状部の領域内でパターン形成のために用いることを可能にする。光学素子構造体は、対象とするくさび形状部の外側の領域のレーザ加工を妨げるので、一回に一つだけくさび形状部を処理することができる。
【００２４】
（実施例３）
別の実施例を説明すると、円は同心円のリングで充満され、そこでは、円を満たすリングの中心は円の中心に位置していない（図７）。これは、単なる３次元形状でなく、異なる視覚効果を円に与える。弧の具体的な終点を定めるように作動システムをプログラム設定できるが、より単純な解決方法は、望ましい形状、本例では円形の光学素子構造体を使用することである。レーザビームは、レーザをオン・オフ状態に高速制御する必要性なく、又は電気機械的なシャッタ・コマンドを必要とせずに、光学素子構造体で定めた領域内に望ましいパターンを形成するために、走査ガルバノメトリック（検流計式）ミラーの一式を用いて、望ましい円形のパターンの内部で、高速に並進移動できる。他の不規則な形状とパターンも可能であるが、ラスター走査線の通路をプログラム設定すると更に複雑になる。他の形状をもつ複雑なラスター走査線のパターンの多くの実施例も作ることができる。
【００２５】
（実施例４）
多光子顕微鏡（ＭＰＭ）では、ラスター走査パターンを用いて、撮像すべき望ましい視界をカバーする。各ラスター走査線の始点と終点で、レーザビーム進行の加速と減速の段階中に照射するレーザ光によって、レーザビームが方向を反転する際に対象物が過剰に露光される。図８は、ラスター走査パターンの一例を模式的に示す。レーザ光は、点線の場合にオフし、実線の場合にオンしている。
【００２６】
音響光学変調器（ＡＯＭ）は、レーザ露光を高速にオン／オフするために、しばしば用いられるが、ＭＰＭに対して問題になることが知られている。何故ならば、加熱と複屈折の作用がビームを不安定にするからである。ビームがＡＯＭを透過する際に分散することも、パルスが過剰に広がって歪むことになる。例えば、『生物共焦点顕微鏡ハンドブック(Handbook of biological confocal microscopy)』第３版の第９０３頁を参照。光学素子構造体を用いると、動作が安定するので、ＭＰＭには特に有益である。光学素子構造体は、分析する領域の全体にレーザ光を送るように（矩形のサーキュレータ又は任意の他の形状に）設計できる。したがって、ビームが減速／加速して走査方向を反転するときに、レーザ光が試料を過剰に露光して、レーザ光が試料を損ねることを回避できる。光学素子構造体を用いると、精密制御同期回路を備える高速で高価なＡＯＭ又は他のスイッチング装置が不要になる。
【００２７】
実現例の一つとして、ＡＯＭを光学素子構造体を備えるシステムで使用してもよい。ＡＯＭの熱負荷の変動は、したがって、より大きなＡＯＭの口径を選ぶと低減できる。より大きなＡＯＭの口径は、より大きなレーザビームの使用を可能にするので、熱負荷を低減するが、ＡＯＭの速度を制限することになる。ＡＯＭの低速動作に関しては、光学素子構造体がパターンの形状をより正確に形成するので、ＡＯＭの高速化の要求を低減させることができる。
【００２８】
（実施例５）
薄膜の厚みが１００ｎｍ未満から数μｍまでの範囲になる薄膜の機械加工の場合、パルスの一定の重畳は、再現性が高い一様な結果を得るために、プロセスの全体にわたって維持される。パルス繰り返し周波数が５０ｋＨｚ〜５ＭＨｚであるレーザの場合、高い並進速度が２０〜３０％のスポット重畳に対して用いられる。例えば、１００ｋＨｚの繰り返し周波数と２５μｍ直径スポットの２０％重畳の場合、ビームは、試料に対して２ｍ／ｓで移動する。これらの速度では、一定の重畳を維持しながらシャープなターン（反転パターン）を形成することは、レーザやビーム偏向器又は対象物並進移動の制御に限定される場合に難しい。動作駆動及び信号伝送遅延を、高精度に同期し、高精度に補償することは、達成可能な性能を制限することになる。光学素子構造体を用いると、このタイプの形状の形成工程を単純化することができる。
【００２９】
様々な実施形態において、光学素子構造体は、ラスター走査レーザ光に対して、所望の領域を露光するように設計できるが、それぞれの露光された線分の終点でレーザ光をブロックすることになる。この構成は、高速変調器を必要とせずに、加速と減速中における対象物の過剰な露光を回避することになる。両方向の走査が可能なので、所望の視界をカバーする時間が短縮される。この配置構成により、線分の終点における適正な配列を、駆動遅延時間を考慮した更に複雑なシステム制御をコード化しなくても、維持することができる。図９は、ラスター走査パターンを模式的に示しており、細い破線は（太い実線で形作られた）投影マスクでブロックされたラスター走査の一部であり、細い実線は投影マスクで送られるラスター走査の一部である。
【００３０】
数多くの実現例が可能である、例えば：
ビーム位置決め器は、任意の適切な電気機械式スキャナ、回析スキャナ、及び／又は電気光学式偏向器を含むことができる。ある実施形態では、線形検流計式ミラー、共鳴式スキャナ、振動スキャナ、音響光学式偏向器、回転プリズム、多角形及び／又は他のビーム移動素子の中の一つ又は複数を使用できる。高速の電気光学式又は音響光学式偏向器／変調器をある実施形態で使用できる。ある実施形態では、圧電式位置決め機構を使用できる。
【００３１】
光学素子構造体に結合したアクチュエータは、Ｘ、Ｙ、Ｚ及び／又は回転ステージを含むことができる。圧電式位置決め器も一部の実現例で使用できる。対象物に結合したアクチュエータは、Ｘ、Ｙ、Ｚ及び／又は回転ステージを含むことができる。圧電式位置決め器も一部の実現例で使用できる。少なくとも一つの実施形態では、光学系は、ビーム伝送／集束素子を含むことができる。光学系は、反射、屈折、及び／又は回折型の光学的素子の任意の適切な組み合わせを含むことができる。ある実施形態では、動的な集光機構を用いて、フィールド全体の焦点設定を制御することができる。
【００３２】
レーザ光源と対象物の間に設けられた光学素子構造体は、金属、誘電体、高分子化合物、及び／又は半導体材料から形成できる。光学素子構造体は、ビーム光路内で集光された又は焦点がぼかされた位置で又はその近くで位置決めするように形成できる。ある実施形態において、レーザ・システムの光学素子構造体は、光路に沿って配置され且つ互いに対応して制御自在に位置決めされた多数の光学部品を含むことができる。様々な実施形態において、光学素子構造体は、単一の基板に集積化できて、様々なビーム変換、例えば、入力ビームの減衰、回折、屈折及び／又は散乱を行うように構成できる。
【００３３】
ビームと対象物の間に設ける光学部品は、空間光変調器を含むことができるので、マスク・パターンの変更が可能になる。この構成は、各マーク形成毎に変更する必要のある識別番号の標識を設定する際に有用である。電気機械式シャッタは、対象とするパターンの部分が遅い並進速度を用いる又は正確なプロセス条件が要求されない、一部の実施形態に使用できる。
【００３４】
材料の物性を改質し且つ相互作用を行う技術は、探査、表面処理、ハンダ付け、溶接、切断、穴開け、マーク形成、トリミング、マクロ／ミクロ／ナノ構造の形成、マクロ／ミクロ／ナノ構造の加工、不純物添加、リンクの形成、屈折率の変更、多光子顕微鏡検査、合成物の修理又は製造、及び／又は微細加工を含むことができる。
【００３５】
レーザ光源は、準ＣＷ動作又はパルス動作し、且つＱスイッチ構成、モード同期構成及び／又は利得変調構成を含むことができる。ある実施形態では、ファイバ・レーザ及び／又はファイバ増幅器を使用できる。レーザのパルス幅は、約１００ｆｓ〜約５００ｎｓの範囲になる。パルスのエネルギーは、約１ｎＪ〜約１ｍＪまでの範囲になる。対象物のスポット・サイズ、又は対象物の内部のスポット・サイズは、約数μｍ〜約２５０μｍの範囲になる。パルス動作の場合、繰り返し周波数は、使用するレーザのタイプに基づいて、約１００Ｈｚ〜約１００ＧＨｚの範囲になる。様々な実施形態において、多数のレーザ光源及び／又はビームは、例えば、大きな光学素子構造体と共に使用できるので、並列処理も行うことができる。レーザ出力は、異なるエネルギー、ピーク・パワー、波長、偏光及び／又はパルス幅を有することができる。走査速度は、約５００Ｈｚ〜約５０ＫＨｚの有効範囲になる。
【００３６】
ｆｓ、ｐｓ、及び／又はｎｓ領域のレーザパルスを応用例の処理に使用できる。ｆｓパルスレーザの場合、光学素子構造体の一部で光を完全にブロックすることは要求されない。ｆｓパルスの場合、材料改質の閾値は、しばしば明確に決まるので、光学素子構造体は、集光した流束量（フルエンス）が処理閾値を下回るように、ビームを変調すればよい。減衰及び／又は焦点ぼかしは十分である。ある実施形態において、より長いパルスを用いるときに、数桁異なる大きさの減衰及び／又はパルスのブロッキングが好ましいことになる。
【００３７】
以上のように、発明者らは、幾つかの実施形態の発明を説明してきた。少なくとも一つの実施形態は、対象物の少なくとも一部にレーザ・エネルギーを伝送するレーザ利用システムを含んでいる。システムは、入力ビームを出射するレーザ光源と、入力ビームを入射して可動レーザビームをつくるビーム位置決め器とを含んでいる。光学素子構造体は、レーザ光源と対象物の間に設けられて、可動ビームを入射して対象物の選択部分を制御自在に照射するように構成されている。光学素子構造体の一部は、対象物上で又は対象物の内部で照射パターンを描画するように構成されている。光学素子構造体の一部は、レーザ・エネルギーが対象物を実質的に損ねないように且つ対象物に対するビームの加速及び／又は減速中に対象物を過剰に露光しないように構成されている。システムは、少なくともビーム位置決め器に結合した制御装置も含んでいる。
【００３８】
ある実施形態では、レーザ・システムは、対象物の材料の物性を改質するように構成されている。ある実施形態では、ビーム位置決め器は、溶発（アブレーション）、融解、亀裂、酸化、屈折率変更の中の一つ又は複数を用いて、対象物の材料の物性を改質するように、可動レーザビームの焦点の位置と速度の中の少なくとも一つを制御するように構成されている。ある実施形態では、集束素子が、ビーム位置決め器と光学素子構造体の間に設けられている。
【００３９】
ある実施形態において、光学素子構造体は、対象物の予め定められた領域に対応して、光遮蔽、光透過、光減衰、偏光を制御する素子の中の一つ又は複数を含み、光遮蔽、光透過、光減衰及び偏光の作用は、対象物の予め定められた領域内だけで行われる。ある実施形態において、レーザ・システムは、対象物を探査して、対象物の物理的、電気的、光学的、化学的な特性の中の一つ又は複数を測定するように構成されている。一部の実施形態は、レーザ光源の出力を制御する変調器を含んでいる。
【００４０】
少なくとも一つの実施形態は、対象物を改質又は探査するようにレーザ利用システムを動作させるレーザ利用方法を含んでいる。少なくとも一つの実施形態は、生産物（製品）の一部の上に又は内部に形成した空間パターンを有する生産物（製品）を含んでいる。空間パターンは、前述の方法を用いて形成できる。
【００４１】
少なくとも一つの実施形態は、対象物の少なくとも一部にレーザ・エネルギーを伝送するレーザ利用システムを含んでいる。システムは、入力ビームを出射するレーザ光源と、入力ビームを入射して可動レーザビームを生成するビーム位置決め器とを含んでいる。光学素子構造体は、レーザ光源と対象物の間に設けられ、可動ビームを入射して対象物の選択部分を制御自在に照射するように構成されている。光学素子構造体の一部は、対象物の上に又は内部に照射パターンを描画するように構成されている。光学素子構造体の一部は、レーザ・エネルギーが対象物を実質的に損ねないように且つ対象物に対するビームの加速及び／又は減速中に対象物を過剰に露光しないように構成されている。集光光学部品は、レーザ光源から、集光された出力ビームを出射するように、ビーム位置決め器と投影マスクとの間の光路に設けられている。第１の移動装置は光学素子構造体を位置決めするために設けられ、第２の移動装置は対象物を位置決めするために設けられている。制御装置は、ビーム位置決め器と第２の移動装置と第１の移動装置とレーザ光源の中の一つ又は複数に結合しており、レーザ光源からの集光された出力ビームにより対象物上にレーザ露光により、予め定められたパターンを描画し、そこでは、対象物上のパターンは、ビーム位置決め器の変位と、対象物の動きと、光学素子構造体の動きと、光学素子構造体上の又は内部のパターンとから決まる。
【００４２】
ある実施形態において、システムは、光源と対象物の間に設けられた光学系を含み、光学系は、光源と光学素子構造体と共に共通する光路内に、一つ又は複数の光学部品を有している。ある実施形態において、一つ又は複数の光学部品は、ミラーと光減衰フィルタと空間光変調器と波長板の中の一つ又は複数を含むことができる。ある実施形態において、レーザ利用システムは、光源と対象物の間に設けられた光学系を含み、光学系は、光源と光学素子構造体と共に共通する光路内に、一つ又は複数の光学部品を有している。
【００４３】
ある実施形態において、一つ又は複数の光学部品は、ミラーと光減衰フィルタと空間光変調器と波長板の中の一つ又は複数を含んでいる。ある実施形態において、ビーム位置決め器は、電気機械式スキャナと、回折式スキャナと、圧電式位置決め器と、電気光学式偏向器の中の一つ又は複数を含んでいる。ある実施形態において、ビーム位置決め器は、電気機械式スキャナと、回折式スキャナと、圧電式位置決め器と、電気光学式偏向器の中の一つ又は複数を含んでいる。
【００４４】
ある実施形態において、光学素子構造体は、単一の基板上に集積化されている。ある実施形態において、光学素子構造体は、対象物の選択部分を制御自在に照射するように構成された多数の光学部品を含んでいる。ある実施形態において、光学素子構造体は、対象物の選択部分を制御自在に照射するように構成された多数の光学部品を含んでいる。
【００４５】
少なくとも一つの実施形態は、対象物の少なくとも一部にレーザ・エネルギーを伝送するレーザ利用システムを含んでいる。システムは、入力ビームを出射するレーザ光源と入力ビームを入射して可動レーザビームを生成するビーム位置決め器とを含んでいる。投影マスクが、レーザ光源と対象物の間に設けられている。投影マスクは、可動ビームを入射して対象物の選択部分を制御自在に照射するように構成されている。投影マスクの一部は、対象物の上に又は内部に照射パターンを描画するように構成されている。投影マスクの一部は、レーザ・エネルギーが対象物を実質的に損ねないように且つ対象物に対するビームの加速及び／又は減速中に対象物を過剰に露光しないように構成されている。集光光学部品は、レーザ光源から、集光された出力ビームを出射するように、ビーム位置決め器と投影マスクとの間の光路に設けられている。マスク移動装置は投影マスクを位置決めするために含まれている。対象物移動装置は対象物を位置決めするために含まれている。制御装置は、ビーム位置決め器と対象物移動装置とマスク移動装置とレーザ光源の中の一つ又は複数に結合しており、レーザ光源からの集光された出力ビームにより対象物上にレーザ露光により、予め定められたパターンを描画し、そこでは、対象物上のパターンは、ビーム位置決め器の変位と対象物の動きと投影マスクの動きと投影マスクの上又は内部のパターンとから決まる。
【００４６】
ある実施形態において、投影マスクは、単一の基板上に集積化されている。る実施形態において、投影マスクは、対象物の選択部分を制御自在に照射するように構成された多数の光学部品を含んでいる。ある実施形態において、投影マスクの一部は、対象物の上に又は内部に照射パターンを描画するように構成されており、屈折、反射、又は回折する部分として構成されている。ある実施形態において、投影マスクは、空間光変調器を含んでいる。
【００４７】
ここで用いた「できる（can）」、「ということもありうる（could）」、「してもよい（might）」、「かもしれない（may）」、「例えば（e.g.）」等の条件付きの用語は、他に特記していなければ、又は用いる文脈内で他に了解されていなければ、ある実施形態がある特徴や構成要素及び／又はステップを含んでいることを、他の実施形態が含んでいなくても、開示するように全体的に意図されている。したがって、このような条件付きの用語は、特徴、構成要素及び／又はステップは一つ又は複数の実施形態に対して要求される任意のものであること、又は一つ又は複数の実施形態は、これらの特徴、構成要素及び／又はステップが任意の特定の実施形態に含まれている又は行われるべきかどうかにかかわらず、著者の入力又は誘導の有無にかかわらず、決定する論理を必ず含んでいることを意味するように全体的に意図していない。「備える（comprising）」、［含む（including）」、「有する（having）」などの用語は、同義語であり、制約のない状態で包括的に用いられ且つ更なる構成要素、特徴、行為、動作などの付加を除外しないものである。また、「又は（or）」等の用語は、包括的な感覚（その排他的な感覚でない）で用いられるので、例えば、構成要素のリストを結ぶように用いられると、“ｏｒ”という用語は、リストの構成要素の一つ、一部、又はすべてを意味することになる。また、「ア（a）」という不定冠詞は、「少なくとも一つ」として理解すべきであるが、「一つ及び一つだけ」に拘束すべきでないし、他に特記がなければ、多数の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性を含むことができる。
【００４８】
明細書中では、特定の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、実施例だけを用いて開示してきた。しかし、その開示の趣旨を制限することを意図していない。単一の特徴又は特徴のグループは、任意の特定の実施形態に必要でなく或いはそこに含まれることも要求されない。「一部の実施形態」や「一つの実施形態」などの開示の全体にわたる引用事項は、実施形態に関連して述べた特定の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性が少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、「一部の実施形態」や「一つの実施形態」などにおける語句の様態は、この開示の全体にわたって、同じ実施形態を必ずしもすべて引用するものでなく、同じ又は異なる実施形態の中の一つ又は複数を引用するものである。実際に、ここで述べた新規の方法とシステムは、様々な他の特徴でも具体的に実施できる。更に、ここで述べた実施形態の態様における様々な省略、追加、代用物、均等物、再配置構成、変更は、ここで述べた発明の趣旨から逸脱せずに実施できる。
【００４９】
開示の見解を要約するために、特定の実施形態のある目的と長所が、この開示で述べられている。すべてのこのような目的又は長所は、任意の特定の実施形態に基づいて必ずしも実現できるものでないことを理解すべきである。したがって、例えば、当業者は、実施形態は、ここで示唆又は提言した他の目的又は長所を必ずしも実現しなくても、ここ示唆した一つの長所又は長所のグループを実現又は最適化する形式で用意又は実施できることを認めると思われる。
【００５０】
前述の実施形態の説明は、実施例だけ用いて行ってきた。提供した開示事項から、当業者は、本発明とそれに付随する長所を理解するだけでなく、開示した構造と方法に対する明確な様々な変更と修正も了解すると思われる。したがって、付記した請求項とその均等物で定められる、発明の趣旨と範囲に属するすべてのこのような変更と修正を包含することも認めると思われる。
【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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【国際調査報告】
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