(57)【要約】【課題】被加工物からの反射光の有無など、加工中の外乱があっても、レーザ光の波形の変化を防止し、安定した加工を行うことができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】非線形光学結晶３を用いてレーザ光を発振するレーザ発振器１と、非線形光学結晶３の温度を調整する温度測定素子５、ヒータ４および温調器６とを備え、レーザ光を被加工物９に照射して被加工物９の加工を行うレーザ加工装置において、レーザ光の波形を測定する部分透過ミラー７、集光レンズ１１、フォトディテクタ１２、および、ＡＤ変換装置１３と、測定したレーザ光の基準となる基準波形とレーザ光の被加工物９に加工中のレーザ光のモニタ波形とを比較しモニタ波形が基準波形に近似するよう温調器６を制御する制御装置１４とを備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶を用いてレーザ光を発振させ、上記レーザ光を被加工物に照射して上記被加工物の加工を行うレーザ加工方法において、上記レーザ光の基準となる基準波形を取得し、上記レーザ光の被加工物に加工中のモニタ波形をモニタし、上記モニタ波形と上記基準波形とを比較し、上記モニタ波形が上記基準波形に近似するよう上記非線形光学結晶の温度を制御して上記被加工物の加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
上記モニタ波形と上記基準波形との比較は、上記モニタ波形と上記基準波形とのそれぞれのピーク出力またはパルス幅の少なくとも一方を比較し、上記非線形光学結晶の温度を制御は、上記モニタ波形のピーク出力またはパルス幅の少なくとも一方が上記基準波形のピーク出力またはパルス幅の少なくとも一方に近似するよう行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
上記モニタ波形と上記基準波形とを比較し、上記モニタ波形が上記基準波形に近似していると上記非線形光学結晶の温度を所定温度に保つように制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
非線形光学結晶を用いてレーザ光を発振するレーザ発振手段と、上記非線形光学結晶の温度を調整する温度調整手段とを備え、上記レーザ光を被加工物に照射して上記被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、上記レーザ光の波形を測定する測定手段と、上記測定手段にて測定した上記レーザ光の基準となる基準波形と上記レーザ光の被加工物に加工中の上記レーザ光のモニタ波形とを比較し上記モニタ波形が上記基準波形に近似するよう上記温度調整手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
上記制御手段は、上記モニタ波形および上記基準波形のそれぞれのピーク出力またはパルス幅の少なくとも一方を比較し上記モニタ波形のピーク出力またはパルス幅の少なくとも一方が上記基準波形のピーク出力またはパルス幅の少なくとも一方に近似するよう上記温度調整手段を制御することを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
上記制御手段は、上記モニタ波形と上記基準波形とを比較して上記モニタ波形が上記基準波形に近似していると上記非線形光学結晶の温度を所定温度に保つように上記温度調整手段を制御することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非線形光学結晶を用いて波長変換するレーザ発振器を使用したレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関し、特にレーザ光の波形の変化を防止し安定した加工を行うことができるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の非線形光学結晶を用いて波長変換するパルスレーザ発振器を搭載したレーザ加工装置では、波長変換効率が最大となるような温度、すなわち、レーザ出力が最大となるように、非線形光学結晶の温度をヒータ等で一定となるように制御することで、レーザ出力の安定性を確保している。しかし、レーザ光が発生した直後や加工部からの反射光が生じた直後には、非線形光学結晶自身にレーザ光の一部が吸収され、過渡的に結晶温度が変化するため、温度を一定に保つことが困難となり、レーザ出力が変動するという問題があった。これを解決するために、非線形光学結晶に２つの温調器を取り付け、結晶温度をそれぞれ異なる温度で維持し、レーザ光による結晶内部の過渡的な温度変化が生じてもレーザ出力の変動が生じないようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−４２３７１号公報（３頁４４〜４８行、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーザ加工装置は、レーザ光が発生した直後や被加工物からの反射光の有無などの影響で、非線形光学結晶内部の温度が変化してもレーザ出力は一定に保たれるが、レーザ光のパルス波形が変化し、熱処理などの加工部の最高到達温度や冷却速度が加工結果に大きく影響をおよぼして加工が不均一になるという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、被加工物からの反射光の有無など、加工中の外乱があっても、レーザ光の波形の変化を防止し、安定した加工を行うことができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置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】
【０００６】
この発明は、非線形光学結晶を用いてレーザ光を発振させ、レーザ光を被加工物に照射して被加工物の加工を行うレーザ加工方法において、レーザ光の基準となる基準波形を取得し、レーザ光の被加工物に加工中のモニタ波形をモニタし、モニタ波形と基準波形とを比較し、モニタ波形が基準波形に近似するよう非線形光学結晶の温度を制御して被加工物の加工を行うものである。
【０００７】
また、この発明は、非線形光学結晶を用いてレーザ光を発振するレーザ発振手段と、非線形光学結晶の温度を調整する温度調整手段とを備え、レーザ光を被加工物に照射して被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、レーザ光の波形を測定する測定手段と、測定手段にて測定したレーザ光の基準となる基準波形とレーザ光の被加工物に加工中のレーザ光のモニタ波形とを比較しモニタ波形が基準波形に近似するよう温度調整手段を制御する制御手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明のレーザ加工方法は、非線形光学結晶を用いてレーザ光を発振させ、レーザ光を被加工物に照射して被加工物の加工を行うレーザ加工方法において、レーザ光の基準となる基準波形を取得し、レーザ光の被加工物に加工中のモニタ波形をモニタし、モニタ波形と基準波形とを比較し、モニタ波形が基準波形に近似するよう非線形光学結晶の温度を制御して被加工物の加工を行うので、被加工物からの反射光に有無など、加工中の外乱があっても、レーザ光の波形の変化を防止し、安定した加工を行うことができる。
【０００９】
また、この発明のレーザ加工装置は、非線形光学結晶を用いてレーザ光を発振するレーザ発振手段と、非線形光学結晶の温度を調整する温度調整手段とを備え、レーザ光を被加工物に照射して被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、レーザ光の波形を測定する測定手段と、測定手段にて測定したレーザ光の基準となる基準波形とレーザ光の被加工物に加工中のレーザ光のモニタ波形とを比較しモニタ波形が基準波形に近似するよう温度調整手段を制御する制御手段とを備えたので、被加工物からの反射光に有無など、加工中の外乱があっても、レーザ光の波形の変化を防止し、安定した加工を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１のレーザ加工装置の構成を示す図、図２は非線形光学結晶の温度変化に対する、平均出力、および、パルス幅、および、ピーク出力の関係をそれぞれ示す図、図３はこの発明の実施の形態１によるレーザ光の照射方法を示す図、図４はこの発明の実施の形態１によるレーザ加工方法におけるパルス波形の変化を示す図、図５は図１に示したレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。図において、レーザ加工装置は赤外レーザ光２を発振するレーザ発振手段としてのレーザ発振器１と、赤外レーザ光２を波長変換するための非線形光学結晶３と、非線形光学結晶３の温度を測定する温度測定素子５と、非線形光学結晶３を加熱するヒータ４と、温度測定素子５にて測定される非線形光学結晶３の温度に基づいてヒータ４のＯＮ、ＯＦＦにより非線形光学結晶３の温度を調整する温調器６とを備える。
【００１１】
さらに、非線形光学結晶３によって波長変換された可視または紫外の照射用レーザ光１５の一部を透過して大部分を反射させる部分透過ミラー７と、照射用レーザ光１５を集光して被加工物９に照射させる照射側集光レンズ８と、被加工物９を動かすためのＸＹステージ１０と、部分透過ミラー７を透過した測定用レーザ光１６のパルス波形をモニタするフォトディテクタ１２と、測定用レーザ光１６をフォトディテクタ１２に入射させる測定側集光レンズ１１と、フォトディテクタ１２の出力信号をアナログ−デジタル変化するＡＤ変換装置１３と、ＡＤ変換装置１３の出力からレーザ光のパルス波形のピーク出力、パルス幅を算出し、算出結果の変化をもとに温調器６を制御する制御手段としての制御装置１４とを備える。レーザ発振器１から出射された赤外レーザ光２は非線形光学結晶３を透過することにより、レーザ光としての照射用レーザ光１５に波長変換される。そして、温度測定素子５、ヒータ４、および、温調器６にて温度調整手段が構成され、部分透過ミラー７、測定側集光レンズ１１、フォトディテクタ１２、および、ＡＤ変換装置１３にて測定手段が構成されることとなる。
【００１２】
次に上記のように構成された実施の形態１のレーザ加工装置のレーザ加工方法について説明する。まず、被加工物９のレーザ加工を行う前に、図中に示していないシャッター等で照射用レーザ光１５を遮断して、レーザ光の発振のみを行い、被加工物９にレーザ光を照射しない際に、赤外レーザ光２から可視または紫外のレーザ光への変換効率が最も高くなる所定温度を決定する。そして、この所定温度となるように温調器６は、温度測定素子５にて非線形光学結晶３の温度を測定しながら、ヒータ４を調整する。この非線形光学結晶３の温度を変化させた場合、図２に示すように、照射用レーザ光１５の平均出力、および、ピーク出力、および、パルス幅は変化する。図２から明らかなように、平均出力は比較的広い温度範囲でほぼ一定となるのに対し、パルス幅、および、ピーク出力は一定となる温度範囲はほとんど存在せず、非線形光学結晶３の温度がわずかでも変化すれば変化が発生する。
【００１３】
具体的なレーザ加工方法として、照射用レーザ光１５として例えば波長５３７ｎｍのＮｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波を用い、被加工物９として例えばリンやボロンなどの不純物元素をイオン注入した大きさが５インチ程度のシリコンのウエハ１９を用い、図１に示したレーザ加工装置を用いて不純物元素の活性化熱処理を行った。ウエハ１９上の照射用レーザ光１５の照射は、例えば図３に示すようにウエハ１９全体に照射用レーザ光１５が照射されるよう照射用レーザ光１５をスキャンして行う。このとき、ウエハ１９に照射用レーザ光１５が照射されている間、ウエハ１９から反射光が非線形光学結晶３まで戻ってくる。
【００１４】
図４はフォトディテクタ１２によってモニタされたモニタ波形１８および基準波形１７の例である。ウエハ１９に照射用レーザ光１５を照射する前の基準波形１７はパルス幅Ｗ０、ピーク出力Ｐ０であるが、本発明のように温度調整を行わない場合、照射用レーザ光１５をウエハ１９に照射したところその反射光により非線形光学結晶３の温度が上昇し、モニタ波形１８の面積に相当する平均出力は変化しないものの、パルス幅はＷ１、ピーク出力はＰ１と基準波形１７から変化してしまう。この変化は反射光の発生する割合が大きいほど大きくなる。すなわち、図３において、ウエハ１９の端部を照射しているときには変化は小さいが、ウエハ１９中心部に行くにつれて変化が大きくなり、その後、また小さくなる。
【００１５】
よって、本発明では、ウエハ１９に照射用レーザ光１５を照射する前の基準となる基準波形１７を測定しておく。そして、照射用レーザ光１５の加工中のモニタ波形をフォトディテクタ１２で電気信号に変換し（図５のステップＳ１）、ＡＤ変換装置１３にてＡ／Ｄ変換を行う（図５のステップＳ２）。次に、制御装置１４にてモニタ波形のピーク出力とパルス幅とを算出する（図５のステップＳ３）。次に、基準波形とモニタ波形とのパルス幅およびピーク出力とを比較して近似しているか否かを判断する（図５のステップＳ４）。次に、近似していないすなわち、ピーク出力が上昇し、パルス幅が減少している場合には、予め定めておいた温度だけ非線形光学結晶の温度を下げて、ピーク出力の上昇、あるいは、パルス幅の減少を低減させ、モニタ波形を基準波形に近づける（図５のステップＳ５）。また、近似している場合には、非線形光学結晶の温度を所定温度に保つ（図５のステップＳ６）。そしてこのステップＳ１からステップＳ６までの動作を被加工物の加工処理が終了するまで繰り返し行う。
【００１６】
ここで非線形光学結晶３の温度を変化させる適正値は、被加工物や照射条件などにより異なるが、上記に示したレーザ加工方法の具体例の場合には、所定温度より０．２℃温度を下げて制御を行った。すると、本発明のレーザ加工方法を用いない活性化熱処理では、被加工物からの反射光によりレーザ光のモニタ波形が変化するため活性化状態に大きなバラツキが生じたが、本発明のレーザ加工方法を用いた場合、本発明のレーザ加工方法を用いなかったときと比べて、活性化状態のバラツキが１／１０程度にまで低減できた。
【００１７】
上記のように構成された実施の形態１におけるレーザ加工方法およびレーザ加工装置によれば、被加工物の加工中におけるレーザ光の反射光による波形の変化を防止することができるため、特に熱処理などの被加工物の最高到達温度や冷却速度が加工結果に大きく影響をおよぼす加工で波形が加工状態に大きな影響をおよぼす加工でも、反射光による加工バラツキを抑制可能であるため、安定した加工を行うことができる。また、その制御をモニタ波形と基準波形とのそれぞれのピーク出力およびパルス幅を比較することにより行っているため、波形のうち２点の比較のみにて行うことができるため、効率よく制御を行うことができる。また、モニタ波形と基準波形とが近似している場合は、予め設定されている効率よく加工可能な所定温度に設定するため効率よくレーザ加工を行うことが可能となる。
【００１８】
尚、上記実施の形態１においては、モニタ波形と基準波形との比較を、ピーク出力およびパルス幅の比較にて行っているが、モニタ波形と基準波形との全体を比較して行う方法や、さらに効率的に行うためにモニタ波形と基準波形との比較を、ピーク出力またはパルス幅の比較にて行ってもよいことは言うまでもなく、上記実施の形態と同様の効果を奏することが可能となる。また、上記実施の形態においては被加工物として反射光の発生しやすいウエハを例に説明したが、これに限られることはなく、例えば被加工物自体が反射光の発生しにくいものが使用されていたとしても被加工物を支持する治具などにて反射光が発生する場合がある。その場合も上記実施の形態１と同様にレーザ光のモニタ波形が変化する。よって、非線形光学結晶の温度を調整する必要があり、その場合は非線形光学結晶の温度を上げることにより対応することとなる。また、上記実施の形態１においては基準波形を被加工物の照射前に取得する例を示したが、これに限られることはなく、例えば被加工物に照射した直後のレーザ光の波形を基準波形として設定することも可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態１のレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図２】非線形光学結晶の温度変化に対する、平均出力、および、パルス幅、および、ピーク出力の関係をそれぞれ示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるレーザ光の照射方法を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるレーザ加工方法におけるパルス波形の変化を示す図である。
【図５】図１に示したレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００２０】
１  レーザ発振器、３  非線形光学結晶、４  ヒータ、５  温度測定素子、
６  温調器、９  被加工物、１１  測定側集光レンズ、１２  フォトディテクタ、
１３  ＡＤ変換装置、１４  制御装置、１５  照射用レーザ光、１６  測定用レーザ光、１９  ウエハ。
【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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