(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性を有する加工対象物内部にレーザ光を集光するレーザ加工装置であって、
レーザ光を生成する光源と、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する光整形部と、
前記光整形部からのレーザ光を前記加工対象物内部における加工位置に集光する集光レンズと、
前記光整形部を制御する制御部と、
を備え、
前記光整形部は、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の強度変換レンズ、又は、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズ、及び、当該強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を補正する位相補正レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の位相補正レンズ、
を有し、
前記制御部は、前記加工位置を変更する場合に、前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズを切り換える、
レーザ加工装置。
【請求項２】
前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズは、レーザ光の収差を補正するための補正波面であって、前記加工対象物内部の複数の加工位置にそれぞれ対応する複数の当該補正波面のうちの異なる１つをそれぞれ生成し、
前記制御部は、前記複数の加工位置を変更する場合に、当該変更する加工位置に対応する補正波面を生成するレンズを前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズから選択して切り換える、
請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
レーザ光を生成する光源と、前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する光整形部と、前記光整形部からのレーザ光を前記加工対象物内部における加工位置に集光する集光レンズとを備えるレーザ加工装置であって、前記光整形部は、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の強度変換レンズ、又は、
前記光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズ、及び、当該強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を補正する位相補正レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の位相補正レンズ、
を有する当該レーザ加工装置のレーザ加工方法において、
前記加工対象物内部における加工位置を設定又は変更し、
前記加工位置の設定又は変更に応じて、前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズを切り換え、
前記光源からのレーザ光を前記加工対象物における加工位置へ照射する、
レーザ加工方法。
【請求項４】
前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズは、レーザ光の収差を補正するための補正波面であって、前記加工対象物内部の複数の加工位置にそれぞれ対応する複数の当該補正波面のうちの異なる１つをそれぞれ生成しており、
前記複数の加工位置の設定又は変更に応じて、当該設定又は変更する加工位置に対応する補正波面を生成するレンズを前記複数の強度変換レンズ又は前記複数の位相補正レンズから選択して切り換える、
請求項３に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物内部の加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーザ光は、ガウシアン分布のように、中央近傍が最も強く、周辺へ向けて次第に弱くなる強度分布を有することが多い。しかしながら、レーザ加工などにおいては、空間的に均一な強度分布を有するレーザ光が望まれている。この点に関し、特許文献１には、ホモジナイザを用いてレーザ光の強度分布を均一にすることが開示されている。この特許文献１に開示のレーザ加工装置は、ウェハの内部を加工（改質）するものであり、幅広い厚みのウェハを加工する際の加工時間を短縮するために、レーザ光を厚み方向に斜め線状に集光している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７２６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、加工対象物内部にレーザ光を集光する場合、収差（波面歪）が発生し、集光領域が伸張する。特許文献１に開示のレーザ加工装置では、加工対象物内部で発生する収差を考慮していないため、加工痕が加工深さ方向に伸張してしまい、予期しない割れが生じる虞がある。また、裏面近傍まで加工痕を形成する場合には、裏面まで突き抜けてしまう虞がある。
【０００５】
更に、加工対象物内部で発生する収差は、加工対象物内部の深さ方向の位置によって異なるものである。
【０００６】
そこで、本発明は、加工対象物内部の深さ方向の異なる位置を加工する場合にも、適切に収差補正を行うことが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工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】
【０００７】
本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、レーザ光の強度分布を均一にするための強度変換レンズによって生じる波面変化を利用することにより、加工対象物内部で発生する収差を補正することが可能であることを見出した。また、本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、強度変換レンズと位相補正レンズとから構成されるホモジナイザにおける位相補正レンズに波面変化を持たせることにより、加工対象物内部で発生する収差を補正することが可能であることを見出した。
【０００８】
そこで、本発明のレーザ加工装置は、光透過性を有する加工対象物内部にレーザ光を集光するレーザ加工装置であって、（ａ）レーザ光を生成する光源と、（ｂ）光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する光整形部と、（ｃ）光整形部からのレーザ光を加工対象物内部における加工位置に集光する集光レンズと、（ｄ）光整形部を制御する制御部とを備える。そして、光整形部は、（ｂ１）光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の強度変換レンズ、又は、（ｂ２）光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズ、及び、強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を補正する位相補正レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の位相補正レンズを有し、制御部は、（ｄ１）加工位置を変更する場合に、複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズを切り換える。
【０００９】
また、本発明のレーザ加工方法は、（ａ）レーザ光を生成する光源と、（ｂ）光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する光整形部と、（ｃ）光整形部からのレーザ光を加工対象物内部における加工位置に集光する集光レンズとを備えるレーザ加工装置のレーザ加工方法である。ここで、光整形部は、（ｂ１）光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の強度変換レンズ、又は、（ｂ２）光源からのレーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズ、及び、当該強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を補正する位相補正レンズであって、それぞれ異なる波面を生成する複数の位相補正レンズを有する。このレーザ加工方法は、（ｅ１）加工対象物内部における加工位置を設定又は変更し、（ｅ２）加工位置の設定又は変更に応じて、複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズを切り換え、（ｅ３）光源からのレーザ光を加工対象物における加工位置へ照射する。
【００１０】
このレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、例えば、光整形部が複数の強度変換レンズを有する場合、複数の強度変換レンズはそれぞれ異なる補正波面を生成し、制御部が加工位置の変更に応じて複数の強度変換レンズを切り換えるので、加工位置（加工深さ）を変更しても、適切な収差補正を行うことが可能となる。また、例えば、光整形部が強度変換レンズと複数の位相補正レンズとを有する場合、複数の位相補正レンズはそれぞれ異なる補正波面を生成し、制御部が加工位置の変更に応じて複数の位相補正レンズを切り換えるので、加工位置（加工深さ）を変更しても、適切な収差補正を行うことが可能となる。
【００１１】
上記したレーザ加工装置における複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズは、レーザ光の収差を補正するための補正波面であって、加工対象物内部の複数の加工位置にそれぞれ対応する複数の当該補正波面のうちの異なる１つをそれぞれ生成することが好ましい。この場合、上記したレーザ加工装置では、制御部は、（ｄ１）複数の加工位置を変更する場合に、変更する加工位置に対応する補正波面を生成するレンズを複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズから選択して切り換えることが好ましい。一方、上記したレーザ加工方法では、（ｅ２）複数の加工位置の設定又は変更に応じて、設定又は変更する加工位置に対応する補正波面を生成するレンズを複数の強度変換レンズ又は複数の位相補正レンズから選択して切り換えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、加工対象物内部の深さ方向の異なる位置を加工する場合にも、適切に収差補正を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ホモジナイザの一例を示す構成図である。
【図２】ホモジナイザにおける入射レーザ光の強度分布の一例、及び、出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。
【図３】強度変換レンズの形状の一例を示す図である。
【図４】位相補正レンズの形状の一例を示す図である。
【図５】強度変換レンズへの入射レーザ光の空間モード（強度分布）の一例の計測結果を示す図である。
【図６】強度変換レンズからの出射レーザ光が６８５ｍｍ伝搬した後の空間モード（強度分布）の一例の計測結果を示す図である。
【図７】測定系の一例を示す図である。
【図８】図７に示す測定系において、集光レンズが搭載される位置での波面の一例を計測した結果を示す図である。
【図９】加工対象物内部の加工位置（深さ）にレーザ光を集光させる場合に生じる球面収差を補正するための補正波面の一例を示す図である。
【図１０】位相補正レンズの形状の変形例を示す図である。
【図１１】図１０に示す位相補正レンズによって生じる波面を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図１４】図７に示す測定系において、強度変換レンズを用いない状態での集光レンズの集光点を観測した結果を示す図である。
【図１５】図７に示す測定系において、強度変換レンズを用いた状態での集光レンズの集光点を観測した結果を示す図である。
【図１６】図７に示す測定系において、強度変換レンズを用いない状態での集光レンズの集光点より１０μｍ手前でのビームプロファイルを計測した結果を示す図である。
【図１７】図７に示す測定系において、強度変換レンズを用いた状態での集光レンズの集光点より１０μｍ手前でのビームプロファイルを計測した結果を示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。
【図１９】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図２０】本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。
【図２１】本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。
【図２２】本発明の第５の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。
【図２３】第１の実施形態の変形例に係るレーザ加工装置を示す構成図である。
【図２４】第２の実施形態の変形例に係るレーザ加工装置を示す構成図である。
【図２５】第３の実施形態の変形例に係るレーザ加工装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１５】
本発明の実施形態を説明する前に、ホモジナイザ、及び、ホモジナイザの非球面の形状設計の一手法について説明する。図１は、ホモジナイザの一例を示す構成図である。このホモジナイザ１０Ｘは、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、一対の非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘを備える。入射側の非球面レンズ１１Ｘは、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形する強度変換レンズとして機能し、出射側の非球面レンズ１２Ｘは、整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正する位相補正レンズとして機能する。このホモジナイザ１０Ｘでは、一対の非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘの非球面の形状設計により、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。
【００１６】
以下では、ホモジナイザ１０Ｘにおける一対の非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘの非球面の形状設計の一例を例示する。例えば、所望の強度分布を、レーザ加工装置等において望まれる空間的に均一な強度分布、すなわち、均一強度分布に設定することとする（図２のＯｏ）。ここで、所望の強度分布は、出射レーザ光Ｏｏのエネルギー（所望の強度分布の面積）が入射レーザ光Ｏｉのエネルギー（強度分布の面積）と等しくなるように設定される必要がある。よって、例えば、均一強度分布の設定は以下のように行えばよい。
【００１７】
入射レーザ光Ｏｉの強度分布は、図２に示すように、同心円状のガウシアン分布（波長５３２ｎｍ）である。ガウシアン分布は下記（１）式により表されるので、入射レーザ光Ｏｉの半径ｒ１の範囲内のエネルギーは下記（２）式となる。
【数１】
0005775811.tif 000002
【数２】
0005775811.tif 000003
この場合、ガウシアン分布は半径０ｍｍを中心として回転対称となるため、１次元解析により非球面形状を設計することになる。
【００１８】
一方、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布は、図２に示すように、均一強度分布（次数Ｎ）に設定する。均一強度分布は下記（３）式により表されるので、下記（４）式のように出射レーザ光Ｏｏの半径ｒ２の範囲内のエネルギーが入射レーザ光Ｏｉのエネルギーに等しくなるように、出射レーザ光Ｏｏの強度均一部の値Ｅ０が設定されることとなる。
【数３】
0005775811.tif 000004
【数４】
0005775811.tif 000005
なお、本手法に基づけば、整形後の出射レーザ光の所望の強度分布も規定の関数のみならず、任意の強度分布とすることも可能である。
【００１９】
その後、図１に示すように、強度変換レンズ１１Ｘにおける入射レーザ光Ｏｉの強度分布が位相補正レンズ１２Ｘにおいて所望の強度分布を有する出射レーザ光Ｏｏとなるように、すなわち、入射レーザ光Ｏｉにおける中央付近の強い強度の光が周辺部に拡散され、周辺部の弱い強度の光が収束されるように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａから位相補正レンズ１２Ｘの非球面１２ａへの光路であって、非球面レンズの半径方向の任意の座標における光路Ｐ１〜Ｐ８を求める。
【００２０】
その後、求めた光路Ｐ１〜Ｐ８に基づいて、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状を求める。具体的には、光路Ｐ１〜Ｐ８が得られるように、強度変換レンズ１１Ｘの中心を基準として半径ｒ１方向の各座標における非球面１１ａの高低差を求める。すると、図３に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まる。
【００２１】
一方、位相補正レンズ１２Ｘの非球面１２ａの形状は、光路Ｐ１〜Ｐ８におけるレーザ光の位相を揃え、平面波となるように求める。具体的には、位相補正レンズ１２Ｘの中心を基準として半径ｒ２方向の各座標における非球面１２ａの高低差を求める。すると、図４に示すように、位相補正レンズ１２Ｘの非球面１２ａの形状が求まる。
【００２２】
なお、図３及び図４は、非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘの材料としてＭｇＦ２（ｎ＝１．３８）を使用し、非球面１１ａの中心位置（座標ｒ１＝０の位置）と非球面１２ａの中心位置（座標ｒ２＝０の位置）との間隔をＬ＝６８５ｍｍとして設計したときの一例である。
【００２３】
ここで、ホモジナイザ１０Ｘにおける強度変換レンズ１１Ｘへの入射レーザ光の空間モード（強度分布）、及び、強度変換レンズ１１Ｘからの出射レーザ光の６８５ｍｍ伝播後の空間モード（強度分布）を、結像レンズ系を介してビームプロファイラによって計測した。これらの計測結果を図５及び図６に示す。これより、強度変換レンズ１１Ｘによれば、レンズ間隔設計値であるＬ＝６８５ｍｍ伝播後に、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布にほぼ設計通りに整形できることが確認された。
【００２４】
次に、ホモジナイザ１０Ｘにおける強度変換レンズ１１Ｘによって生じる波面歪を、図７に示す測定系にて計測した。この測定系では、レーザ光源２０からのレーザ光をエキスパンダ３０によって拡大して強度変換レンズ１１Ｘに入射した。強度変換レンズ１１Ｘからの出射レーザ光は反射鏡２１，２２及び結像光学系４０を介して集光レンズ５０に入射した。エキスパンダ３０には、一対の凹レンズ３１と凸レンズ３２とから構成されるものを用い、レーザ光源２０からのレーザ光を拡大して、ビーム径を強度変換レンズ１１Ｘの径に適合させた。また、結像光学系４０には、一対のレンズ４１，４２から構成されるものを用い、位相補正レンズが配置される位置での波面を集光レンズ５０の瞳面に結像させると共に、ビーム径を集光レンズ５０の瞳径に適合させた。これは、位相補正レンズが配置されない場合に、また、強度変換レンズの設計位置に位相補正レンズを配置する場合でも、実際には伝播距離に応じて強度分布や波面が歪んでしまうことを回避するためである。
【００２５】
この測定系において、集光レンズ５０が搭載される位置での波面を波面センサーによって計測した。この計測結果を図８に示す。図８によれば、強度変換レンズ１１Ｘは、入射レーザ光の強度分布を整形するものであるが、同時に入射レーザ光の波面（換言すれば、入射レーザ光の位相）も変化させることとなる。
【００２６】
一方、例えば、ＮＡ＝０．８、焦点距離ｆ＝１．８ｍｍの集光レンズを用いてＳｉＣ（屈折率２．６）内部の深さ９４μｍの位置に波長５３２ｎｍのレーザ光を集光させる場合に生じる球面収差を補正するために必要とされる補正波面であって、集光レンズ入射前における補正波面を図９に示す。
【００２７】
図８及び図９によれば、両者の波面は類似している。このように、本願発明者らは、強度変換レンズ１１Ｘによって生じる波面変化を利用することにより、加工対象物内部で発生する収差を補正することが可能であることを見出した。
【００２８】
また、本願発明者らは、強度変換レンズ１１Ｘを固定とし、強度変換レンズ１１Ｘによって整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正するための位相補正レンズ１２Ｘによって生じる波面変化を利用することにより、加工対象物内部で発生する収差を補正することが可能であることを見出した。例えば、図１０に示すように、位相制御レンズの形状を変形すると、図１１に示す波面が得られる。この波面は、ＳｉＣ（屈折率２．６）内部の深さ２００μｍの位置で生じる球面収差を補正するための補正波面に相当する。
［第１の実施形態］
【００２９】
図１２は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第１の実施形態のレーザ加工装置１は、レーザ光源２０と、エキスパンダ３０と、複数の強度変換レンズ１１と、レンズホルダ１５と、集光レンズ５０と、駆動ユニット５１と、ステージ５２と、表面観察ユニット６０と、ダイクロイックミラー６１と、オートフォーカスユニット７０と、ダイクロイックミラー７１と、制御部８０とを備える。なお、第１の実施形態では、複数の強度変換レンズ１１が特許請求の範囲に記載の光整形部に相当する。
【００３０】
レーザ光源２０は、例えば、波長５３２ｎｍのガウシアン分布形状のレーザ光を生成し、エキスパンダ３０へ向けて出力する。エキスパンダ３０は、例えば、一対の凹レンズ３１と凸レンズ３２とから構成され、レーザ光源２０からのレーザ光を拡大して複数の強度変換レンズ１１のうちの何れかへ向けて出力する。
【００３１】
複数の強度変換レンズ１１は、加工対象物内部にレーザ光を集光する場合に生じる球面収差を補正するために必要な補正波面であって、それぞれ異なる補正波面を生成する。複数の強度変換レンズ１１により生成される補正波面は、加工対象物内部の複数の異なる加工位置（深さ）にそれぞれ対応している。複数の強度変換レンズ１１は、レンズホルダ１５に搭載されている。
【００３２】
レンズホルダ１５は、円盤状をなしており、その周辺部に複数の強度変換レンズ１１が配列されている。レンズホルダ１５は、回転することによって、複数の強度変換レンズ１１を選択的にレーザ光に対応させる。
【００３３】
集光レンズ５０は、強度変換レンズ１１からのレーザ光を、ステージ５２上に配置される加工対象物１００内部の所定の加工位置（深さ）へ集光する。集光レンズ５０は、駆動ユニット５１によって可動可能になっている。また、加工対象物１００も、ステージ５２によって可動可能になっている。駆動ユニット５１及びステージ５２の可動は制御部８０によって制御される。
【００３４】
本実施形態では、強度変換レンズ１１と集光レンズ５０との間には、表面観察ユニット６０及びオートフォーカスユニット７０のためのダイクロイックミラー６１，７１が順次に配置されている。表面観察ユニット６０は、ダイクロイックミラー６１を介して、加工対象物の表面を観察するものである。また、オートフォーカスユニット７０は、ダイクロイックミラー７１を介して、加工対象物の表面までの距離を検出するものである。
【００３５】
制御部８０は、レーザ光源２０におけるレーザ光の出力／出力停止を制御する。また、制御部８０は、加工対象物１００内部の加工位置を切り換える場合に、駆動ユニット５１及びステージ５２のうちの少なくとも何れかを可動させ、集光レンズ５０及び加工対象物１００のうちの少なくとも何れかを移動する。例えば、制御部８０は、オートフォーカスユニット７０を用いて、集光レンズ５０と加工対象物１００との相対位置を制御することによって、加工対象物１００内部の加工位置を切り換える。
【００３６】
また、制御部８０は、加工対象物１００内部の加工位置を切り換える場合に、レンズホルダ１５を回転させ、その加工位置における収差を補正可能な強度変換レンズ１１に切り換える。例えば、制御部８０は、複数の加工位置と、複数の加工位置それぞれで発生する収差を補正可能な補正波面を生成する複数の強度変換レンズ１１とを予め関連付けた情報を記憶している。そして、制御部８０は、この情報に基づいて、切り換える加工位置に対応する強度変換レンズ１１を複数の強度変換レンズの中から選択して切り換える。
【００３７】
図１３は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。まず、集光点を加工対象物１００の表面に設定し、この位置を加工原点とする（ステップＳ０１）。次に、加工対象物１００内部における加工位置（深さ）を設定する（ステップＳ０２）。
【００３８】
次に、設定した加工位置における球面収差を補正することが可能な強度変換レンズを選択し、切り換える（ステップＳ０３）。次に、設定した加工位置にレーザ光が集光するように、ステージ５２を移動する。次に、レーザ光を照射し、加工を開始する。すると、レーザ光が設定された加工位置に集光することとなる（ステップＳ０４）。
【００３９】
次に、加工終了時に、レーザ光照射を停止する（ステップＳ０５）。他に加工位置がある場合にはステップＳ０２に戻り、ない場合にはこの加工対象物１００の加工を終了する（ステップＳ０６）。
【００４０】
尚、設定した加工位置（深さ）にレーザ光を集光するためには、集光レンズと加工対象物との相対位置を変化させれば良いので、ステージ５２による加工対象物１００の移動の代わりに駆動ユニット５１により集光レンズ５０を移動させても良いし、両者を移動させても良い。なお、集光レンズ５０を移動させる場合において、集光レンズ５０の入射瞳と強度変換レンズ１１とが結像関係にあるときには、強度変換レンズ１１から集光レンズ５０までの集光光学系の単位で移動する必要がある。
【００４１】
このように、第１の実施形態のレーザ加工装置１及びレーザ加工方法によれば、それぞれ異なる補正波面を生成する複数の強度変換レンズ１１を備え、制御部８０が加工位置の変更に応じて複数の強度変換レンズ１１を切り換えるので、加工位置（加工深さ）を変更しても、適切な収差補正を行うことが可能となる。換言すれば、第１の実施形態のレーザ加工装置１及びレーザ加工方法によれば、任意の加工位置（深さ）での収差補正が可能となる。
【００４２】
ところで、第１の実施形態のように複数の強度変換レンズを備える代わりに、空間光変調器（以下、ＳＬＭという。）を用いて、ＳＬＭにおける補正波面を変更する手法も考えられる。しかしながら、ＳＬＭを用いる場合、レーザ光を拡大し、レーザ光の中心部のみを切り出して用いることが予想され、レーザ光の利用効率が悪いことが予想される。一方、第１の実施形態によれば、強度変換レンズ自体に収差補正機能を持たせているので、集光レンズの瞳領域に入射されるレーザ光を全て利用でき、レーザ光の利用効率を向上することが可能となる。
【００４３】
また、第１の実施形態のレーザ加工装置１及びレーザ加工方法によれば、強度変換レンズ１１によって、加工対象物の表面を破壊することなく、内部のみを効率よく加工することが可能となる。この検証結果を以下に示す。
【００４４】
図１４は、図７に示す測定系において、強度変換レンズ１１Ｘを用いない状態での集光レンズ５０の集光点を観測した結果を示す図であり、図１５は、図７に示す測定系において、強度変換レンズ１１Ｘを用いた状態での集光レンズ５０の集光点を観測した結果を示す図である。図１４及び図１５によれば、強度変換レンズ１１Ｘを用いることによって、集光レンズ５０の実効的なＮＡが増加し、スポット径が小さくなっている。これより、加工対象物内部の加工位置を効率よく加工できることとなる。
【００４５】
一方、図１６は、図７に示す測定系において、強度変換レンズ１１Ｘを用いない状態での集光レンズ５０の集光点より１０μｍ手前（集光レンズ側）でのビームプロファイルを計測した結果を示す図であり、図１７は、図７に示す測定系において、強度変換レンズ１１Ｘを用いた状態での集光レンズ５０の集光点より１０μｍ手前でのビームプロファイルを計測した結果を示す図である。図１６及び図１７によれば、強度変換レンズ１１Ｘを用いることによって、集光レンズ５０の集光点より１０μｍ手前でのビーム面積が増加し、単位面積あたりの光強度が低減している。これより、加工対象物の表面破壊を回避することとなる。
［第２の実施形態］
【００４６】
図１８は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第２の実施形態のレーザ加工装置２は、レーザ加工装置１において、複数の強度変換レンズ１１に代えて１つの強度変換レンズ１１を備え、更に、複数の位相補正レンズ１２を備える構成で第１の実施形態と異なる。また、第２の実施形態のレーザ加工装置２は、制御部８０に代えて制御部８０Ａを備える構成で第１の実施形態と異なる。レーザ加工装置２のその他の構成は、レーザ加工装置１と同様である。なお、第２の実施形態では、強度変換レンズ１１と複数の位相補正レンズ１２とが特許請求の範囲に記載の光整形部に相当する。
【００４７】
複数の位相補正レンズ１２は、加工対象物内部にレーザ光を集光する場合に生じる球面収差を補正するために必要な補正波面であって、それぞれ異なる補正波面を生成する。複数の位相補正レンズ１２の補正波面は、加工対象物内部の複数の異なる加工位置（深さ）にそれぞれ対応している。複数の位相補正レンズ１２は、レンズホルダ１５に搭載されている。
【００４８】
レンズホルダ１５は、円盤状をなしており、その周辺部に複数の位相補正レンズ１２が配列されている。レンズホルダ１５は、回転することによって、複数の位相補正レンズ１２を選択的にレーザ光に対応させる。
【００４９】
制御部８０Ａは、制御部８０と同様に、レーザ光源２０におけるレーザ光の出力／出力停止を制御する。また、制御部８０Ａは、制御部８０と同様に、加工対象物１００内部の加工位置を切り換える場合に、駆動ユニット５１及びステージ５２のうちの少なくとも何れかを可動させ、集光レンズ５０及び加工対象物１００のうちの少なくとも何れかを移動する。
【００５０】
また、制御部８０Ａは、加工対象物１００内部の加工位置を切り換える場合に、レンズホルダ１５を回転させ、その加工位置における収差を補正可能な位相補正レンズ１２に切り換える。例えば、制御部８０Ａは、複数の加工位置と、複数の加工位置それぞれで発生する収差を補正可能な補正波面を生成する複数の位相補正レンズ１２とを予め関連付けた情報を記憶している。そして、制御部８０Ａは、この情報に基づいて、切り換える加工位置に対応する位相補正レンズ１２を複数の位相補正レンズの中から選択して切り換える。
【００５１】
図１９は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。まず、第１の実施形態と同様に、集光点を加工対象物１００の表面に設定し、この位置を加工原点とする（ステップＳ０１）。次に、加工対象物１００内部における加工位置（深さ）を設定する（ステップＳ０２）。
【００５２】
次に、第２の実施形態では、設定した加工位置（深さ）における球面収差を補正することが可能な位相補正レンズを選択し、切り換える（ステップＳ１３）。次に、第１の実施形態と同様に、設定した加工位置（深さ）にレーザ光が集光するように、ステージ５２を移動する。次に、レーザ光を照射し、加工を開始する。すると、レーザ光が設定された加工位置に集光することとなる（ステップＳ０４）。
【００５３】
次に、加工終了時に、レーザ光照射を停止する（ステップＳ０５）。他に加工位置がある場合にはステップＳ０２に戻り、ない場合にはこの加工対象物１００の加工を終了する（ステップＳ０６）。
【００５４】
このように、第２の実施形態のレーザ加工装置２及びレーザ加工方法によれば、それぞれ異なる補正波面を生成する複数の位相補正レンズ１２を備え、制御部８０Ａが加工位置の変更に応じて複数の位相補正レンズ１２を切り換えるので、加工位置（加工深さ）を変更しても、適切な収差補正を行うことが可能となる。換言すれば、第２の実施形態のレーザ加工装置２及びレーザ加工方法でも、任意の加工位置（深さ）での収差補正が可能となる。
【００５５】
また、第２の実施形態でも、位相補正レンズ自体に収差補正機能を持たせているので、集光レンズの瞳領域に入射されるレーザ光を全て利用でき、レーザ光の利用効率を向上することが可能となる。また、第２の実施形態のレーザ加工装置２及びレーザ加工方法でも、強度変換レンズ１１によって、加工対象物の表面を破壊することなく、内部のみを効率よく加工することが可能となる。
［第３の実施形態］
【００５６】
図２０は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第３の実施形態のレーザ加工装置３は、レーザ加工装置２において、更に、反射鏡２１，２２及び結像光学系４０を備える構成で第２の実施形態と異なる。レーザ加工装置３のその他の構成は、レーザ加工装置２と同様である。
【００５７】
反射鏡２１，２２は、位相補正レンズ１２からのレーザ光の進行方向を９０°変更する。具体的には、反射鏡２１，２２がレーザ光の進行方向をそれぞれ１３５°ずつ変更し、その結果、位相補正レンズ１２からのレーザ光の進行方向が９０°変更され、結像光学系４０へ向けられる。
【００５８】
結像光学系４０は、一対のレンズ４１，４２を有し、入射側結像面におけるレーザ光を出射側結像面に結像する。結像光学系４０の入射側結像面は、位相補正レンズ１２の出射面に設定されており、出射側結像面は、集光レンズ５０の瞳面に設定されている。なお、結像光学系４０は、入射側結像面におけるレーザ光のビーム径を集光レンズ５０の瞳面の大きさに適合させる拡大光学系もしくは縮小光学系として機能することが好ましい。これにより、集光レンズ５０の瞳領域に入射されるレーザ光を全て利用でき、レーザ光の利用効率が比較的よくなる。
【００５９】
この第３の実施形態のレーザ加工装置３でも、第２の実施形態のレーザ加工装置２と同様の利点を得ることができる。
【００６０】
更に、第３の実施形態のレーザ加工装置３によれば、結像光学系４０によって、位相補正レンズ１２伝播後の波面を集光レンズ５０の瞳面に結像させることができるので、位相補正レンズ１２を集光レンズ５０の瞳面付近に配置できないような場合に好適である。
［第４の実施形態］
【００６１】
図２１は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第４の実施形態のレーザ加工装置４は、レーザ加工装置３において、反射鏡２２に代えてビームスプリッタ９１を備え、更に、ビームスプリッタ９２及び観測用光学系９０を備える構成で第３の実施形態と異なる。レーザ加工装置４のその他の構成は、レーザ加工装置３と同様である。
【００６２】
観測用光学系９０は、カメラ９５と、レンズ９６と、光源９７とを有する。光源９７は、ビームスプリッタ９２，９１、結像光学系４０、ダイクロイックミラー６１，７１、及び、集光レンズ５０を介して、加工対象物１００に光を照射する。そして、カメラ９５は、レンズ９６、ビームスプリッタ９２，９１、結像光学系４０、ダイクロイックミラー６１，７１、及び、集光レンズ５０を介して、加工対象物１００を観測するためのものである。
【００６３】
この第４の実施形態のレーザ加工装置４でも、第３の実施形態のレーザ加工装置３と同様の利点を得ることができる。
【００６４】
また、第４の実施形態のレーザ加工装置４によれば、レーザ加工中に加工対象物１００を観測することが可能となる。
［第５の実施形態］
【００６５】
図２２は、本発明の第５の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。この第５の実施形態のレーザ加工装置５は、レーザ加工装置３において、エキスパンダ３０及び反射鏡２１，２２に代えてアッテネータ３０Ａ、反射鏡２３，２４，２５，２６，２７を備える形態で第３の実施形態と異なる。
【００６６】
より詳細には、反射鏡２３〜２７は、それぞれレーザ光の進行方向を９０°ずつ変更するものであり、その結果、レーザ光源２０からのレーザ光の進行方向が９０°変更される。反射鏡２３と反射鏡２４との間にはアッテネータ３０Ａが配置されており、反射鏡２４と反射鏡２５との間には強度変換レンズ１１が配置されており、反射鏡２５と反射鏡２６との間には複数の位相補正レンズ１２及びレンズホルダ１５が配置されており、反射鏡２６と反射鏡２７との間には結像光学系４０における一方のレンズ４１が配置されており、反射鏡２７とダイクロイックミラー６１との間には結像光学系４０における他方のレンズ４２が配置されている。
【００６７】
アッテネータ３０Ａは、λ／２波長板３１Ａと、偏光ビームスプリッタ３２Ａと、ダンパー３３Ａとを有し、所定の偏光面を有するレーザ光を強度変換レンズ１１へ出力するものである。レーザ加工装置５のその他の構成は、レーザ加工装置３と同様である。
【００６８】
この第５の実施形態のレーザ加工装置５でも、第３の実施形態のレーザ加工装置３と同様の利点を得ることができる。
【００６９】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、円盤状のレンズホルダ１５を回転することによって複数の強度変換レンズ１１又は複数の位相補正レンズ１２を切り換える形態を例示したが、複数の強度変換レンズ１１又は複数の位相補正レンズ１２を切り換える手法はこれに限定されない。例えば、図２３〜２５に例示するレーザ加工装置１Ａ〜３Ａのように、第１〜第３の実施形態のレーザ加工装置１〜３において、円盤状のレンズホルダ１５に代えて帯状のレンズホルダ１５Ａを備えてもよい。この場合、複数の強度変換レンズ１１又は複数の位相補正レンズ１２は帯状のレンズホルダ１５Ａに配列され、レンズホルダ１５Ａがスライドすることによって、複数の強度変換レンズ１１又は複数の位相補正レンズ１２が選択的に切り換えられる。
【００７０】
また、本実施形態では、複数の強度変換レンズ１１及び複数の位相補正レンズ１２のうちの一方のみを切り換える形態を例示したが、複数の強度変換レンズ１１及び複数の位相補正レンズ１２の両方を切り換えてもよい。これによれば、複数の強度変換レンズ１１の補正波面と複数の位相補正レンズ１２の補正波面との組み合わせにより、より精密な収差補正が可能となる。
【符号の説明】
【００７１】
１，２，３，４，５，１Ａ，２Ａ，３Ａ…レーザ加工装置、１０Ｘ…ホモジナイザ、１１，１１Ｘ…強度変換レンズ（非球面レンズ）、１２，１２Ｘ…位相補正レンズ（非球面レンズ）、１５，１５Ａ…レンズホルダ、２０…レーザ光源、２１〜２７…反射鏡、３０…エキスパンダ、３１…凹レンズ、３２…凸レンズ、３０Ａ…アッテネータ、３１Ａ…λ／２波長板、３２Ａ…偏光ビームスプリッタ、３３Ａ…ダンパー、４０…結像光学系、４１，４２…レンズ、５０…集光レンズ、５１…駆動ユニット、５２…ステージ、６０…表面観察ユニット、６１，７１…ダイクロイックミラー、７０…オートフォーカスユニット、８０，８０Ａ…制御部、９０…観測用光学系、９２，９１…ビームスプリッタ、９５…カメラ、９６…レンズ、９７…光源、１００…加工対象物。
【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１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図５】
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【図６】
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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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