(57)【要約】　　　（修正有）【課題】光結晶の製造に適したレベルでビームと被加工物との位置合わせをする方法および被加工物に穴を開ける装置を提供する。【解決手段】レーザーを用いて被加工物１５５に穴を開ける装置および方法である。レーザービーム１０７は、光システムによって受けられ、光路に沿って方向付けられる。システムは、レーザービームを、サブビーム１３７を作成する可動マスク開口部を通して方向付け、サブビームは、被加工物に投影されるときには、レンズシステム１３８，１４２によってサイズが縮小されている。マスク１３３を移動させることによって、複数の形状が被加工物に形成される。【選択図】　図１
2004050287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に複数の形状を形成する方法であって、
レーザービームを光路に沿って受ける工程と、
該レーザービームをマスクを通して方向付けて、サブビームを形成する工程と、
該サブビームを、レンズシステムを通して該被加工物に投影して、該被加工物上において、第１の位置で、該マスクの縮小したサイズのイメージを作成する工程と、
該複数の形状のうちの第１の形状を、該第１の位置に、該サブビームを用いて形成する工程と、
該マスクの該縮小したサイズのイメージを、該被加工物上において、第２の位置に移動させる工程と、
該複数の形状のうちの第２の形状を、該第２の位置に形成する工程と
を包含する方法。
【請求項２】
前記レーザービームを、前記マスクを通して方向付ける前に均質化する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の形状を、投影システムで観察する工程と、
前記第１の位置の形状と前記第２の位置の形状との間のオフセットを決定する工程と
をさらに包含する方法であって、
前記マスクを移動させる工程が、前記サブビームを、該第１の位置の該第１の形状から、前記被加工物の該第２の位置に移動させる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザービームの波長を低減する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ビームを減衰させる工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
好ましくは、前記レーザーの波長の光に対して低減した波長を有する前記ビームを反射する工程をさらに包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザービームを、前記マスクを通して方向付ける前に、均質化する工程をさらに包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記レーザービームを円偏光させる工程をさらに包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
レーザーを用いて被加工物に穴を開けるレーザードリルシステムであって、
レーザービームを作成し、該レーザービームを光路に沿って方向付ける工程と、
少なくとも１つの開口部を有するマスクであって、該マスクおよび該開口部は該光路内に位置し、該レーザービームの波面の断面は該開口部のサイズより面積が大きく、該レーザービームを、該マスクおよび該開口部に入射させて、サブビームを作成させる、マスクと、
該サブビームの縮小したサイズのイメージを、該被加工物上に形成するレンズと、
該マスクを移動させて、該被加工物上の該サブビームの位置を変化させる並進段と
を備える、レーザードリルシステム。
【請求項１０】
前記レンズが顕微鏡対物レンズである、請求項９に記載のレーザードリルシステム。
【請求項１１】
前記レーザービームがある波長を有し、前記システムが、該レーザービームの該波長を低減するため、高調波を生成する非線形光媒体を、前記光路内にさらに備える、請求項９に記載のレーザードリルシステム。
【請求項１２】
前記高調波を生成する非線形光媒体は、周波数二倍器である、請求項１１に記載のレーザードリルシステム。
【請求項１３】
前記光路内において、前記周波数二倍器と前記被加工物との間に、好ましくは前記レーザーの波長の光に対して低減された波長のビームを反射させる、少なくとも１つの周波数選択ミラーをさらに備える、請求項１２に記載のレーザードリルシステム。
【請求項１４】
前記レーザービームの前記光路に沿った伝播を制御するシャッターと、該シャッターが該レーザービームを伝播させる場合に、該レーザービームを減衰させる減衰器とをさらに備える、請求項９に記載のレーザードリルシステム。
【請求項１５】
前記光路内に、前記レーザービームをマスクに当てる前に均質化するスキャンミラーをさらに備える、請求項９に記載のレーザードリルシステム。
【請求項１６】
前記マスクは、少なくとも２つの平行なサブビームを作成する、少なくとも２つの開口部を有する、請求項９に記載のレーザードリルシステム。
【請求項１７】
前記被加工物を観察する投影システムをさらに備える、請求項９に記載のレーザードリルシステム。
【請求項１８】
円偏光されたレーザービームを生成する円偏光子をさらに備える、請求項９に記載のレーザードリルシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密レーザー微細機械加工に関する。より具体的には、本発明は、ドリルレーザービームの精密な位置合わせを達成するため、かつ、高精度、かつ正確に、ミクロン以下の形状を有する製品を製造するためのレーザー微細機械加工を行う方法およびシステムに関する。ある実施形態は、光デバイス、例えば、光結晶を製造するために用いられ得る。
【０００２】
【従来の技術】
光デバイスおよび微小光デバイスは、超小型電子技術によって従来提供されてきた技術をさらに進歩させる刺激的な可能性を持っている。光デバイスは、大容量のデータを光ファイバに沿って伝達し、その最終的な宛先に経路設定することを可能にする周波数選択フィルタとして用いられ得る。ファイバ内を伝達する光が、周波数選択光結晶に入射すると、所望の波長の光が、光結晶を通して伝達され、宛先に経路設定されるが、他の周波数の光は全て反射される。現在、光結晶は、一般的に、層状のＧａＡｓおよびＡｌＧａＡＳ、あるいは、層状のＳｉおよびＳｉＯ２から製造されている。微小光デバイスは、経済性に優れた光デバイスの製造方法が開発されれば、超小型電子デバイスに代わるものとして、期待されている。光回路が幅広く実現されていない理由の一つとして、屈折率の規格を満たす光デバイスを作成することに関する製造上の問題がある。
【０００３】
レーザーは、被加工物に、穴を開けるか、または、機械加工するために用いられ得る。被加工物には、ガラスまたはシリコン、あるいは、他の誘電材料が含まれ、材料内で導波路または微小光構造が形成される。光結晶における光の作用は、従来の結晶における電気の作用と類似性から、より良く理解され得る。結晶は、原子または分子の周期的な配置によって特徴付けられる。原子または分子の格子は、結晶のエネルギーバンド構造において、電子が伝播することができないギャップを引き起こし得る。光結晶は、材料の屈折率が不連続的である格子である。一例として、導波路における穴の格子がある。導波路材料の誘電率と穴の材料の誘電率とが充分に異なる場合、光は、界面によって、実質的に閉じ込められる。界面における光の散乱は、原子または分子の格子によって生成される電子に対する効果と同じ効果を多く光子に対して生成し得る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光結晶製造は、記述した格子構造において、光結晶を構成する穴を、精密に位置合わせする。直接書き込みなどの現在の微小機械加工方法は、光結晶に必要なミクロン以下の正確性及び精度で、形状を開ける方法を提供しない。これは、有効な光構造を生成するために所望される正確さで、レーザービームを正確に位置合わせすること、または、所望の格子配置に位置付けられた複数の穴を生成することが困難であるからである。穴（単数または複数の穴）を生成する現行の方法は、光結晶を取り付ける、可動被加工物保持器を用いる。ある１つの位置にレーザービームを維持し、被加工物を取り付けた被加工物保持器を移動させることによって、レーザービームが、結晶上の所望の位置（単数または複数）に位置合わせされる。問題は、保持器が、光結晶の製造に適したレベルの正確さで移動することができないことである。空間的配置誤差に加え、光構造は、形状サイズがビームの波長のサイズ以下に縮小するにつれて、レーザービームのイメージがぼやけるという問題点を有する。必要とされているのは、規格内の光結晶を大量生産する方法であり、これには、形状サイズがビームの波長のサイズ以下である光結晶に、穴を開けるレーザードリルシステムにおいて、ビームおよび被加工物の位置合わせをする方法が含まれる。
【０００５】
本発明は、レーザーを用いて被加工物に穴を開ける装置にて光結晶の製造に適したレベルでビームと被加工物との位置合わせをする方法およびレーザーを用いて被加工物に穴を開ける装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザーを用いて被加工物に穴を開ける装置および方法として実現される。レーザービームは、光システムによって受けられ、光路に沿って方向付けられる。システムは、レーザービームを、サブビームを作成する可動マスク開口部を通して方向付け、サブビームは、被加工物に投影されるときには、レンズシステムによってサイズが縮小されている。マスクを移動させることによって、複数の形状が被加工物に形成される。
【０００７】
本発明は、被加工物に複数の形状を形成する方法であって、レーザービームを光路に沿って受ける工程と、該レーザービームをマスクを通して方向付けて、サブビームを形成する工程と、該サブビームを、レンズシステムを通して該被加工物に投影して、該被加工物上において、第１の位置で、該マスクの縮小したサイズのイメージを作成する工程と、該複数の形状のうちの第１の形状を、該第１の位置に、該サブビームを用いて形成する工程と、該マスクの該縮小したサイズのイメージを、該被加工物上において、第２の位置に移動させる工程と、該複数の形状のうちの第２の形状を、該第２の位置に形成する工程とを包含し、これにより上記目的が達成される。
【０００８】
前記レーザービームを、前記マスクを通して方向付ける前に均質化する工程をさらに包含する。
【０００９】
前記第１の形状を、投影システムで観察する工程と、前記第１の位置の形状と前記第２の位置の形状との間のオフセットを決定する工程とをさらに包含する方法であって、前記マスクを移動させる工程が、前記サブビームを、該第１の位置の該第１の形状から、前記被加工物の該第２の位置に移動させる。
【００１０】
前記レーザービームの波長を低減する工程をさらに包含する。
【００１１】
前記ビームを減衰させる工程をさらに包含する。
【００１２】
好ましくは、前記レーザーの波長の光に対して低減した波長を有する前記ビームを反射する工程をさらに包含する。
【００１３】
前記レーザービームを、前記マスクを通して方向付ける前に、均質化する工程をさらに包含する。
【００１４】
前記レーザービームを円偏光させる工程をさらに包含する。
【００１５】
本発明は、レーザーを用いて被加工物に穴を開けるレーザードリルシステムであって、レーザービームを作成し、該レーザービームを光路に沿って方向付ける工程と、少なくとも１つの開口部を有するマスクであって、該マスクおよび該開口部は該光路内に位置し、該レーザービームの波面の断面は該開口部のサイズより面積が大きく、該レーザービームを、該マスクおよび該開口部に入射させて、サブビームを作成させる、マスクと、該サブビームの縮小したサイズのイメージを、該被加工物上に形成するレンズと、該マスクを移動させて、該被加工物上の該サブビームの位置を変化させる並進段とを備え、これにより上記目的が達成される。
【００１６】
前記レンズが顕微鏡対物レンズである。
【００１７】
前記レーザービームがある波長を有し、前記システムが、該レーザービームの該波長を低減するため、高調波を生成する非線形光媒体を、前記光路内にさらに備える。
【００１８】
前記高調波を生成する非線形光媒体は、周波数二倍器である。
【００１９】
前記光路内において、前記周波数二倍器と前記被加工物との間に、好ましくは前記レーザーの波長の光に対して低減された波長のビームを反射させる、少なくとも１つの周波数選択ミラーをさらに備える。
【００２０】
前記レーザービームの前記光路に沿った伝播を制御するシャッターと、該シャッターが該レーザービームを伝播させる場合に、該レーザービームを減衰させる減衰器とをさらに備える。
【００２１】
前記光路内に、前記レーザービームをマスクに当てる前に均質化するスキャンミラーをさらに備える。
【００２２】
前記マスクは、少なくとも２つの平行なサブビームを作成する、少なくとも２つの開口部を有する。
【００２３】
前記被加工物を観察する投影システムをさらに備える。
【００２４】
円偏光されたレーザービームを生成する円偏光子をさらに備える。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、米国仮特許出願第６０／３７５，７４１号の優先権を主張する。米国仮特許出願第６０／３７５，７４１号は、２００２年４月２６日に出願され、その内容は、全文を通じて、本明細書中で参考として援用される。
【００２６】
添付の図面を参照しながら、好適な実施形態についての以下の詳細な説明を考慮することにより、本発明がより良く理解される。慣習に従って、図面の様々な特徴が縮尺通りでないことを強調しておく。反対に、様々な特徴の寸法は、明瞭化のため、任意に拡大または縮小される。図面には、以下に説明する図が含まれる。
【００２７】
本発明は、形状サイズが、製造プロセスにおいて用いられるレーザービームの波長以下の光結晶を大量生産する方法を提供する。また、本発明は、レーザードリルシステム内のビーム安定性を向上させる方法を提供する。さらに、本発明は、レーザードリルシステムにおいて、ビームを被加工物と位置合わせして、光結晶に穴を開けることを可能にする方法を提供する。本発明は、非常に緻密なパターンのミクロン以下の形状を作成するために用いられ得る。
【００２８】
また、本発明は、形状サイズが、ドリルレーザービームの波長以下であるレーザードリルシステムで、形状を開ける方法を提供する。さらに、本発明は、複数開口部マスクによって作成されたサブビームによる並行処理によって、レーザードリルシステムのスループットを向上させる方法を提供する。
【００２９】
図１は、本発明の例示的な実施形態のブロック図である。図１には、超高速レーザー１０５からのレーザービームの光をレーザー機械加工用の被加工物１５５上に位置付けるレーザードリルシステム５０が示されている。光とは、レーザーによって生成され得る任意のエネルギーを意味する。システム５０は、レーザービーム１０７を生成するレーザー１０５を含む。
【００３０】
例示的な実施形態において、超高速レーザー１０５は、Ｔｉ：サファイヤ結晶を有する、従来のフェムト秒レーザー、例えば、Ｃｌａｒｋ−ＭＸＲ２０００であり得る。他の実施形態において、レーザー１０５は、ピコ秒レーザーであり得る。本明細書中、用語「超高速レーザー」には、フェムト秒およびピコ秒レーザーの両方が含まれる。波面にわたるエネルギーがガウス分布を示しているので、超高速レーザーは、レーザー波面によって生成されるスポットサイズよりもサイズが小さい形状を生成することができる。Ｌｉらによる、Ｊａｐ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４０（２００１）の３４７６〜３４７７頁に記載されている例において、３８７ｎｍの波長のレーザービームが用いられて、約１６０ｎｍのサイズの形状が開けられる。本発明の例示的な実施形態においては、レーザービーム１０７のパルス幅は１５０ｆｓであり、波長は７７５ｎｍであり、パルス繰り返し数は３３０Ｈｚであり、パルスエネルギーは８８０ミクロジュールであり得る。別の実施形態においては、レーザービーム１０７の波長は、３８７ｎｍであってもよい。これらの実施形態の全てにおいて、被加工物は、波面の中央部分の上のみ、溶解閾値より大きい流束量にさらされる。他の実施形態においては、レーザービームの、所望の適合タスクに適したパルス幅、波長、パルス繰り返し数、およびパルスエネルギーは異なり得る。
【００３１】
レーザービーム１０７がレーザー１０５を出ると、光路にそって伝達し、レーザービーム１０７を拡大するレンズ１３１に入射する。別の実施形態において、レーザービーム１０７は、レーザー１０５を出るときにすでにマスク１３３の穴より大きく、拡大レンズ１３１が用いられないこともある。さらに別の実施形態において、レンズ１３１は、ビーム１０７の焦点を開口部１３５の位置を越えて合わせ、開口部１３５によってマスキングされる場合に浪費されるエネルギーをより少なくする従来のレンズであり得る。従って、拡大レンズは、図１に示す実施形態の任意の特徴である。拡大レーザービーム１０７は、レンズ１３１を出て、マスク１３３に入射するまで伝播する。ある例示的な実施形態において、マスク１３３は、単一開口部を有し得る。他の実施形態において、マスク１３３は、複数の開口部を有していてもよい。拡大レンズ１３１が用いられるか否かに関わらず、マスク１３３に入射するレーザービームは、好ましくは、マスク１３３の開口部のサイズより大きい面積を有する波面断面を有する。マスク１３３は、並進段１５７上に取り付けられる。並進段１５７は、Ｘ方向への一方向段であってもよいし、ＸおよびＹ方向への二方向段であってもよい。例示的な実施形態において、Ｘ方向は、紙の面に対して向かう方向または出て来る方向であり、Ｙ方向は、紙の上方向または下方向である。マスク１３３は、レーザービーム１０７の一部をマスキングして、サブビーム１３７を作成する。
【００３２】
サブビーム１３７は、マスク１３３を出た後、「接眼レンズ」１３８および顕微鏡対物レンズ１４２に入射する。「接眼レンズ」１３８および顕微鏡対物は、サブビーム１３７における、マスク１３３の縮小サイズイメージ１４５の焦点を被加工物１５５上に合わせる。例示的な実施形態において、２つのレンズ１３８および１４２の組合せは、被加工物１５５上で、例えば、１／３０の縮小を引き起こし得る。従って、被加工物１５５上のマスク１３３のイメージ１４５のサイズは、マスク１３３でのイメージのサイズの３０分の１である。この１／３０縮小は、イメージ１４５が、マスク１３３が移動した距離の３０分の１の距離を移動したことを意味する。従って、ある実施例において、開口部１３３が１ｍｍ移動すると、イメージ１４５は、被加工物１５５の表面に沿って、３３ミクロン（１ｍｍ／３０＝３３ミクロン）移動する。この縮小の利点は、開口部１３３を移動させる際に並進段１５７によって引き起こされるあらゆる並進誤差が、イメージ１４５が被加工物１５５に入射するときには、３０分の１に低減されることである。他の実施形態において、異なる縮小度合いのレンズの焦点距離は、異なっていてもよい。被加工物１５５は、並進段１５９に取り付けられる。並進段１５９は、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向のいずれの方向にも移動できるＸＹＺ並進段であり得る。コンピュータ１５１は、並進段１５７および１５９の両方の動きを制御する。また、コンピュータ１５１は、必要に応じて、オンにしたりオフにすることによって、レーザー１０５を制御する。
【００３３】
コンピュータ１５１の制御のもと、超高速レーザー１０５がオンにされ、レーザービーム１０７、サブビーム１３７、およびイメージ１４５の作成が行われる。イメージ１４５は、サブビーム１３７を通じて、被加工物を溶解して、穴を開ける。穴が開けられた後、コンピュータ１５１は、レーザーをオフにする。被加工物１５５に他の穴を開ける必要がある場合、コンピュータ１５１は、並進段１５７に、マスク１３３を移動させる。並進段が、Ｘ方向段であるか、または、ＸＹ方向段であるかに依存して、コンピュータ１５１は、マスク１３３をＸ方向および／またはＹ方向に移動させる。その後、コンピュータ１５１は、レーザー１０５を再度オンにする。マスク１３３の新たな位置への移動は、イメージ１４５を、サブビーム１３７を通じて、新たな位置１３７’に移動させ、さらに、イメージ１４５を、被加工物１５５上の新たな位置１４５’に移動させる。マスク１３３のイメージ１４５’は、サブビーム１３７’を通じて、第２の穴を開けることによって、被加工物１５５を溶解する。その後、コンピュータ１５１は、レーザー１０５をオフにする。この手順は、パターンの穴が全て開けられるまで続けられる。
【００３４】
本発明の例示的な実施形態において、並進段１５９は、被加工物が機械加工されている間、被加工物を移動させない。代わりに、並進段１５９は、被加工物を、機械加工動作が開始する前に、ビーム１３７および１３７’に対して位置付けるように用いられる。
【００３５】
図２は、ドリルシステム２００の第２の実施形態のブロック図である。システム１００は、波長が７７５ｎｍのレーザービーム１０７を生成するレーザー１０５を含む。他の実施形態において、レーザービーム１０７の波長は、３８７ｎｍであってもよい。このような他の実施形態において、システムの他の特徴は、それに従って調節され得る。レーザービーム１０７は、第１のミラー１０８に入射するまで、光路に沿って伝達する。第１のミラー１０８は、少なくともレーザービーム１０７の波長において、反射率が高い従来のレーザーミラーである。この例示的な実施形態において、第１のミラー１０８は、７７５ｎｍの波長の光をより良好に反射する。第１のミラー１０８は、ビーム１０７を光路に沿って再び方向付けし、ビーム１０７は、光路において、被加工物１５５を選択的に照射するように開いたり、閉じたりするシャッター１１０に入射する。シャッター１１０は、レーザービーム１０７の伝播を制御するために用いられる、従来のレーザーシャッターである。例示的な実施形態において、シャッターは、コンピュータ１５１によって提供されるシャッター制御信号ＳＣによって制御される電気シャッターであってもよい。他の実施形態において、シャッターは、レーザービーム１０７の光路に沿った伝播を開始および停止するタイミング電子回路（図示せず）によって制御されてもよい。さらに別の実施形態において、シャッター１１０は、手動制御を用いるオペレータによって操作されてもよい。
【００３６】
レーザービーム１０７は、シャッター１１０を出て、減衰器１１５まで光路に沿って伝播する。減衰器１１５は、溶解パラメータを精密に制御するため、レーザービームのエネルギーをフィルタリングする。減衰器１１５は、高出力、高精度、かつ可変減衰器である。例示的な実施形態において、減衰器１１５は、２つの交差偏向子１１５ｂおよび１１５ｃの間の二分の１波長板１１５ａである。例示的な実施形態において、２分の１波長板１１５ａは、減衰を所望のレベルにするため、コンピュータ１５１によって提供される減衰器制御信号ＡＣに応答して、回転する。
【００３７】
レーザービーム１０７は、減衰器１１５を出て、第２のミラー１１７に入射するまで、光路に沿って伝播する。第２のミラー１１７は、ビームを、高調波を生成する非線形光媒体１２０に再び方向付けする。この実施形態においては、非線形光媒体１２０は、周波数二倍器であり得る。第２のミラーは、少なくとも７７５ｎｍの波長の光で、より良好に反射する従来のレーザーミラーである。例示的な周波数二倍器１２０は、レーザービームの波長を半分にする。例示的な実施形態において、周波数二倍器１２０は、７７５ｎｍのビームを受けて、３８７．５ｎｍの波長のビームに変換するベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶である。別の実施形態において、高調波を生成する別の非線形光媒体、例えば、周波数三倍器、または周波数四倍器が、用いられてもよい。周波数二倍器１２０を用いて、より短い波長のビームを提供することによって、レーザードリルシステム１００が、より長い波長のビームを用いて開けられる穴よりも、小さい穴を開けることが可能になる。さらに、より短い波長のビーム中の光子の増加したエネルギーによって、非加工物が、より容易に溶解される。
【００３８】
波長が低減したレーザービーム１０７は、周波数二倍器１２０を出て、第３のミラー１２１に入射するまで、光路に沿って伝播する。例示的な実施形態において、第３のミラー１２１は、特定の波長の光を反射する高調波ミラーである。例示的な実施形態において、第３のミラー１２１は、好ましくは、３８７．５ｎｍの波長の光を反射し、より長い波長（例えば、７７５ｎｍ）の光がミラーを通過することを可能にする。第３のミラー１２１は、レーザービーム１０７を、第４のミラー１２２に入射するまで、光路に沿って再び方向付けする。次に、第４のミラー１２２がビームを再び方向付けし、４分の１波長板１２５に入射させる。例示的な実施形態において、第４のミラー１２２も、好ましくは３８７．５ｎｍの波長の光を反射する高調波ミラーであってもよい。４分の１波長板１２５は、レーザービームの偏光を、線形から円に変化させ、そのことにより、被加工物１５５の最終的な溶解の形が向上する。４分の１波長版１２５からの円偏光された光は、ＰＺＴスキャンミラー１３０に提供される。
【００３９】
他の実施形態において、第２のミラー１１７、周波数二倍器１２０、第３のミラー１２１、および４分の１波長盤１２５は、削除されてもよい。このような他の実施形態において、レーザービームの波長は、周波数二倍器１２０によって短くされることはなく、光は、減衰器１１５からＰＺＴスキャンミラー１３０まで送信される。
【００４０】
上述したように、レーザービームの波面の強度は、ビームの中心部分における強度がより高く、ビームの端に向かうにつれて強度がより弱くなる状態の二次元ガウス分布としてモデリングされ得る。投射投影によるレーザードリルに関して、開けられた穴が均一になるように、被加工物における均一なレーザー強度分布が所望される。マスクの均一な照射を確実にする方法の一つとして、マスクを照射する前に、より均一な横断強度分布になるようにビームを並進させることがある。レーザービームを並進させる処理は、ビーム均質化またはビーム成形として公知である。
【００４１】
例示的な実施形態において、ＰＺＴスキャンミラー１３０が、ビーム均質化を行う。ＰＺＴスキャンミラー１３０は、レーザービーム１０７を誘導するために、必要に応じて、開口部１３５内を移動する。例示的な実施形態において、ＰＺＴスキャンミラー１３０は、少なくとも３８７．５ｎｍの波長の光を良好に反射するＰｉｅｚｏ　Ｊｅｎａのような従来のＰＺＴスキャンミラーである。ＰＺＴスキャンミラーは、マスクにわたって、例えば、円形パターンで、レーザービーム１０７の中心部分をスキャンすることによってビームを均質化して、被加工物におけるレーザービーム１０７の流束量を、開口部１３５がいずれの位置にある場合でも一定に維持する。他の実施形態において、周波数二倍器１２０が削除される場合、ＰＺＴスキャンミラー１３０は、少なくとも７７５ｎｍの波長の光を良好に反射するように選択され得る。例示的なレーザービーム均質化システムは、ＬＡＳＥＲ　ＢＥＡＭ　ＨＯＭＯＧＥＮＩＺＡＴＩＯＮ　ＢＹ　ＳＣＡＮＮＩＮＧ　Ａ　ＢＥＡＭ　ＯＮＴＯ　Ａ　ＭＡＳＫという名称の米国特許出願第０９／５４１，０１９号に記載されている。
【００４２】
ＰＺＴスキャンミラー１３０は、レーザービーム１０７を、レンズ１３１に入射するまで再び方向付けする。レンズ１３１は、レーザービーム１０７の焦点を、開口部１３５においてはビームの焦点がぼやけるように、開口部１３５を越えて合わせる。上述したように、このレンズは、ビームをマスク１３５上で拡大することもできる。レーザービーム１０７は、レンズ１３１を出て、開口部１３５に入射するまで伝播する。マスク１３５は、並進段１５７に取り付けられている。例示的な実施形態において、並進段１５７は、Ｂｕｒｌｙ　Ｉｎｃｈ　Ｗｏｒｍであり得る。別の実施形態において、並進段１５７は、一方向のみ（すなわち、Ｘ方向またはＹ方向のいずれか）に動いてもよいし、両方の方向に動いてもよい。
【００４３】
例示的な並進段１５７は、コンピュータ１５１によって提供されるマスク制御信号ＭＣによって制御される。マスク制御信号ＭＣは、また、マスクまたは被加工物が移動している間に、ビームが被加工物１５５上に投影されないように、シャッター１１０も制御する。他の実施形態において、並進段１５７は、手動で制御されてもよい。並進段１５７は、粗動調節可能段および精密調節可能段を有する調節可能な並進段である。並進段１５７は、光路における開口部１３５の配置を調節する。例示的な実施形態において、レーザービーム１０７の幅は、約４ｍｍであり、約１０ミクロンの幅の開口部１３５に入射する。
【００４４】
開口部１３５は、レーザー１０７の一部をマスキングし、サブビーム１３７を作成する。サブビーム１３７は、レンズ１３８および１４２によって、サイズが縮小され、被加工物１５５を溶解するために用いられる。従って、開口部１３５は、レーザービームの新たな開始位置として機能する。以下に説明するように、開口部１３５、並進段１５７、ならびにレンズ１３８および１４２の組合せは、揺れを最小にし、レーザービームの焦点を被加工物１５５上で合わせる際に、より正確に、安定した状態でねらうことを可能にする。サブビーム１３７が、ある位置で、被加工物１５５を溶解した後、シャッター１１０が閉じられ、並進段１５７が開口部１３５を異なる位置へと移動させ、シャッター１１０が開けられ、サブビーム１３７は、新たな位置で、被加工物１５５を溶解する。
【００４５】
サブビーム１３７は、レンズ１３８に入射するまで、光路に沿って伝播する。例示的な実施形態において、レンズ１３８は、サブビーム１３７の焦点を被加工物１５５に向かって合わせるための焦点距離がより長いレーザーシステムにおいて用いられる、従来のレンズである。サブビーム１３７は、第６のミラーに伝播する。例示的な実施形態において、第６のミラーは、好ましくは、３８７．５ｎｍの波長の光を反射し、３８７．５ｎｍ未満の範囲および３８７．５ｎｍより高い範囲の光をレーザードリルシステム１００の外に通過させる高調波ミラーである。他の実施形態において、第６のミラー１２４は、少なくとも３８７．５ｎｍの光を反射する従来のレーザーミラーであってもよい。
【００４６】
第６のミラー１２４は、光路に沿って、サブビーム１３７を再び方向付けする。光路において、サブビーム１３７は、少なくとも３８７．５ｎｍの波長の光を良好に反射する第８のミラー１２７に入射する。第８のミラー１２７は、サブビーム１３７を、１００Ｘレンズ１４２に入射するまで、光路に沿って再び方向付けする。１００Ｘレンズ１４２は、例示的な実施形態において、焦点距離がより短いレーザーシステムにおいて用いられる従来の拡大レンズである。例示的な実施形態における１００Ｘレンズ１４２は、Ｍｉｔｕｔｕｙｏ製である。
【００４７】
レンズ１３８およびレンズ１４２の組合せは、この実施形態において、第１の実施形態における「接眼」レンズ１３８および顕微鏡対物レンズ１４２と同じ機能を提供する。例示的な実施形態において、１００Ｘレンズ１４２は、焦点距離が２ｍｍであり、作動距離が１ｃｍである。例示的な実施形態は、レンズ１４２として、作動距離が１ｃｍのＵｌｔｒａ　Ｌｏｎｇ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｌｅｎｓ（ＵＬＷＤ）を用い得る。あるいは、従来の２ｍｍレンズが、被加工物から溶解された材料をいずれも除去する、エアナイフとともに用いられてもよい。
【００４８】
レンズ１３８（焦点距離ｆ１＝６０ｎｍ）および１００Ｘレンズ１４２（焦点距離ｆ２＝２ｍｍ）の組合せは、サブビーム１３７の被加工物１５５上での１／３０（ｆ１／ｆ２）の縮小を引き起こす。従って、被加工物上のマスク１３５のイメージのサイズは、マスク１３５でのイメージのサイズの１／３０である。この１／３０縮小は、サブビーム１３７の縮小したサイズは、開口部１３５が移動した距離の３０分の１の距離移動する。従って、ある実施例において、開口部１３５が１ｍｍ移動する場合、サブビーム１３７は、被加工物１５５に沿って、３３ミクロン（１ｍｍ／３３ミクロン）移動する。この縮小の他の利点は、開口部１３５の移動において並進段１５７によって引き起こされる並進誤差はいずれも、サブビーム１３７が被加工物１５５に入射するときには、３０分の１に低減されていることである。
【００４９】
例示的な実施形態において、サブビーム１３７の縮小したサイズのイメージを、被加工物１５５の目標領域と位置合わせするために投影システム１４３が用いられる。投影システム１４３は、サブビーム１３７の縮小したサイズのイメージが、正しい位置で、被加工物１５５に入射することを確実にするために用いられ得る。例示的な実施形態において、投影システム１４３は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）アレイ、あるいは他のデジタルまたはアナログカメラを含んでもよい。投影システム１４３は、システムオペレータが、サブビーム１３７の縮小したサイズのイメージが、被加工物１５５に入射すべき場所を決定することを可能にする表示機構（図示せず）を含む。あるいは、投影システムによって提供されるイメージデータは、コンピュータ１５１によって受け取られ、所望の制御機能を実現するために処理される。
【００５０】
投影システム１４３は、光源１４４およびレーザードリルシステム１００の他の部分とともに用いられる。例示的な実施形態において、光源１４４は、良好に焦点を合わせた光のスポットを生成することができる従来の白熱光源である。例示的なシステムにおいて、光源１４４からの光およびレーザー１０５からの光は、レーザードリルシステム１００を通じて、同時に送信されない。光源１４４がアクティブにされる前に、レーザー光１０７がシステムを通じて送信されることを防ぐため、シャッター１１０が閉じられる。
【００５１】
例示的な実施形態において、光源１４４は、直径２ｃｍの光のスポットを生成するファイバ誘導光源である。光源１４４によって生成される光のスポットは、光路に沿って伝達し、第７のミラー１２６および第６のミラー１２４を通り、第８のミラー１２７に入射する。上述したように、第６のミラー１２４は、高調波ミラーであり、その背面に当てられた白熱光を通す。第７のミラー１２６は、光源１４４からの白熱光の一部を一方で通過させ、反対側で入射する白熱光を部分的に反射する部分反射ミラーである。例示的な実施形態において、第７のミラー１２６は、薄膜ペリクルであってもよい。他の実施形態において、第７のミラー１２６は、低反射ピックオフミラーであってもよい。両方の実施形態において、第７のミラー１２６は、光源１４４からの光の数パーセントを反射し、殆どの光は、第７のミラー１２６を通過する。
【００５２】
第８のミラー１２７は、光源１４４からの光を、１００Ｘレンズ１４２を通過するように、光路に沿って再び方向付けし、光は、被加工物１５５上に入射する。被加工物１５５は、白熱光の一部を反射し、光路に沿って、１００Ｘレンズ１４２を通過するように戻し、反射した光は、第８のミラー１２７に入射する。第８のミラー１２７は、反射された白熱光を、第６のミラー１２４を通じて再び方向付けし、その後、白熱光は、第７のミラー１２６に入射する。第７のミラー１２６は、白熱光を再び方向付けして、投影システム１４３に入射させる。投影システム１４３は、被加工物１５５の表面のイメージを、リアルタイムで作成する。投影システム１４３によって作成されたイメージは、コンピュータに１５１に転送される。例示的な実施形態において、コンピュータ１５１は、投影システム１４３によって生成される被加工物のイメージを表示するために用いられ得るモニタ（図示せず）を含むパーソナルコンピュータなどの従来のコンピュータ手段である。
【００５３】
例示的な実施形態において、投影システム１４３は、１つ以上の試験穴を用いて、レーザードリルシステムの位置合わせをし、試験穴と光結晶の導波路に沿った目標の位置との間のオフセットを測定するために用いられる。用語「オフセット」は、レーザードリルシステム１００における、練習用の穴（単数または複数）と実際の目標位置との間の距離を意味する。オペレータまたはコンピュータ１５１のいずれかは、投影システム１４３を通して見たイメージから得られるオフセット測定値に基づいて、被加工物１５５に穴を開けるように、ＸＹ並進段１５７を通じて、開口部１３５の移動を方向付ける。支持物、すなわち、並進段１５９は、溶解の間、被加工物１５５を支持して、レンズ１３８およびレンズ１４２によって作成されたサブビーム１３７の焦点面において、被加工物１５５の位置を調節および維持する。並進段１５９は、ＸＹＺ並進段である。並進段１５９は、例示的な実施形態において、コンピュータ１５１によって制御され得る。別の実施形態においては、手動で制御されてもよい。並進段１５９は、試験穴を開けるときと、実際の光構造体に穴を開けるときとの間に、被加工物の位置を変化させるためにも用いられ得る。
【００５４】
レーザードリルシステム１００を操作する方法は、以下の工程を含む。まず、被加工物１５５に取り付けられたＸＹＺ並進段１５９が用いられて、被加工物１５５におけるレーザーサブビーム１３７の焦点位置が設定される。Ｚ方向における焦点距離は、被加工物にいくつかの試験穴を開け、その後、レーザービームがシャッター１１０によって遮蔽された状態で、投影システム１４３を通じて試験穴を観察することによって設定される。練習用領域は、被加工物１５５の最終製品には含まれない領域であり、位置合わせのためにのみ用いられる。オペレータが投影システム１４３を通じて、正確な測定値の良好なテスト穴を観察するとき、オペレータは、レーザーおよび被加工物が、適切な相対的焦点位置にあることを理解する。
【００５５】
第２に、練習用の穴が適切に開けられた後、オペレータまたはコンピュータ１５１は、投影システム１４３を用いて、被加工物１５５上のサブビーム１３７の実際の位置を決定する。第３に、並進段１５９は、Ｘおよび／またはＹ方向に調節されて、Ｚ方向の焦点距離を維持しながら、被加工物の位置を移動させる。第４に、サブビーム１３７の縮小したサイズのイメージと被加工物１５５上の目標領域との間の良好な位置合わせは、投影システム１４３を用いてオフセットを測定することによって達成され得る。従って、オフセットが決定された後、サブビーム１３７の縮小したサイズのイメージは、手動によって行うか、または、コンピュータ１５１によって指令して、並進段１５７を介して、開口物１３５を移動させることによって、被加工物１５５上の実際の目標領域と位置合わせされる。これは、被加工物を移動させるために並進段１５９を用いる代わりに行われる。この工程は、システムオペレータに、まず、被加工物１５５上の練習用の穴の位置を示す、投影システム１４３によって作成された、練習用の穴のリアルタイムイメージを見せることによって行われる。その後、システムオペレータは、（リアルタイムイメージにおいて示される）所望の方向および距離に従って、開口部１３５（および／または並進デバイス１５９）の位置を調節して、縮小したサイズのイメージを、被加工物１５５の目標領域上のサブビーム１３７の縮小したイメージの位置合わせを行う。システムによって開けられた穴を用いることによって、開けられたパターンは、任意の形をとり得る。パターンを形成する穴は、平行する行状に配置されてもよいし、平行する列状に配置されてもよいし、または、任意のフォーマットに配置されもよい。
【００５６】
第５の工程は、被加工物１５５の目標領域において、特定の形状に穴を開ける工程である。その後、被加工物１５５の所望のパターンが、さらなる形状を開けることを必要とする場合、開口部１３５は、オペレータまたはコンピュータ１５１によって移動されて、縮小したサイズのサブビーム１３７が、次の目標領域において、穴を開けることを繰り返す。開口部１３５の移動は、並進段１５７の移動によって制御される。被加工物状での形状の機械加工の間、マスク１３５のみが移動する。この方法は、パターンが完成し、特定の被加工物ジオメトリが被加工物１５５に穴を開けられた時に終了する。
【００５７】
例示的な実施形態において、レーザードリルシステムは、直径２００ｎｍ、ピッチ（２つの隣接する穴の中心の間の距離）４２０ｎｍの穴を形成し得る。別の実施形態において、穴の直径は、２００ｎｍ、ピッチは、４００ｎｍであり得る。
【００５８】
図３において、第３の実施形態を示し、同一の参照符号は同一の部材を指す。図３に、被加工物１５５において精密な穴を並行処理するシステムであるレーザードリルシステム２００を示す。図３に示すレーザードリルシステムの部材の多くは、図２に示すレーザードリルシステムの部材と同じであるが、複数開口部マスク２３６およびサブビーム２３７が異なる。以下に説明するように、被加工物１５５上のサブビーム２３７を縮小するレンズ１３８および２４２の焦点距離は、図２に示すレンズの焦点距離と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００５９】
複数開口部マスク２３６は、調節可能並進段１５７に固定される。複数開口部マスク２３６は、ビーム１０７のエネルギーの多くをマスキングし、複数のサブビーム２３７を作成する。複数開口部マスク２３６のパターンは、被加工物１５５を溶解するドリルパターンを提供するように設計される。光結晶を形成するため、導波路に沿って、４つの穴が開けられる例示的な実施形態において、複開口部マスク２３６のパターンは、レンズ１３８およびレンズ２４２によって行われるサイズ縮小に起因して、所望のパターンの３０倍の大きさの複数の穴のパターンを含み得る。他の例示的な実施形態において、レンズ２４２は、拡大が５０Ｘである。他の実施形態において、レンズ２４２は、２０Ｘのレンズと取り換えられる。複数開口部マスク２３６および５０Ｘレンズ２４２の組合せは、マスク上の正確なパターンを維持しながら、もとの複数穴マスクのサイズを、レンズ１３８の焦点距離を５０Ｘレンズ２４２の焦点距離で割ったもの（ｆ１／ｆ２）と等しい数で割ったサイズに縮小する。他の実施形態において、レンズ１３８の焦点距離は６０ｍｍであり、５０Ｘレンズ２４２の焦点距離は２ｍｍであり、縮小は、１／３０に等しい。レンズ１３８および２４２が、任意の縮小力および任意の焦点距離を有し得、組み合わせれば、所望の縮小を行うことが理解される。また、１／３０縮小は例に過ぎないことも理解される。他の縮小は、システムによって行われるタスクに依存して、用いられ得る。縮小が何であっても、マスク２３６の開口部パターンは、被加工物１５５に投影される。
【００６０】
動作中、図３のレーザードリルシステム２００は、レーザービーム１０７が、第５のミラー２３２に入射するところまでは、図２のレーザードリルシステム２００と同一である。第５のミラー２２３は、スキャンミラーである必要はない。代わりに、従来のレーザーミラーであってもよい。いずれの場合においても、第５のミラー２２３は、レーザービーム１０７を、レンズ１３１に入射するまで、光路に沿って再び方向付けする。レンズ１３１は、レーザービーム１０７の焦点を複数開口部マスク２３６を越えて合わせて、領域が、マスクにおける複数開口部パターンの領域より大きい状態であることを確実にする。レーザービーム１０７は、ビームの一部をマスキングする複数マスク開口部２３６を通過する。ビーム１０７の複数開口部２３６によってマスキングされていない部分は、サブビーム２３７になる。サブビーム２３７は、光路に沿って伝播し、レンズ１３８に入射し、レンズ１３８を通過して、第６のミラー１２４に向かって伝播する。第６のミラー１２４は、サブビーム２３７を、第８のミラー１２７に入射するまで方向付けする。第８のミラー１２７は、サブビーム２３７を、レンズ２４２に入射するまで、光路に沿って再び方向付けする。レンズ２４２は、マスク２３６において現れたように、サブビーム２３７の縮小したイメージの焦点を被加工物１５５に合わせる。縮小したサイズのサブビーム２３７が、被加工物を溶解し、所望の形を形成する。
【００６１】
ミクロン以下の穴の非常に緻密な（すなわち、穴がミクロン未満の距離に位置している）パターンは、形状のサイズがレーザービームの波長に近づくにつれて、特に、形状のサイズがレーザー波長と等しいか、それより小さくなる場合、投影システム１４３の解像度の制約に起因して、上記の実施形態を用いて投影され得ない。被加工物上の形状のイメージは、形状がそこまで小さくなるとぼやける。ぼやける理由として、各レーザービームの波の特性が、ビームの焦点が限界に達する前にある特定の最小スポットサイズに合わせられることを可能にするということがある。回折限界と呼ばれる限界は、レーザービームの波長とほぼ等しい。
【００６２】
ぼやけることは、縮小したサイズのサブビーム２３７の被加工物１５５上での精密な位置合わせにおいて問題となり得る。従って、他の実施形態において、最終的な製品において非常に緻密なパターンが所望される場合、図３のレーザードリルシステム２００は、同じ複数開口部マスク２３６を１度より多く用いて、被加工物上に重なるイメージを形成する。この実施形態は、図４に示される。図４は、列４３５Ａ、４３５Ｃ、４３５Ｅ、４３５Ｇ、４３５Ｉ、および４３５Ｋの一連の穴を有する例示的なマスク４３５を示す。第１の組の穴がこれらの列になるように開けられた後、マスク２３６は動かされ、列４３５Ｂ、４３５Ｄ、４３５Ｆ、４３５Ｈ、４３５Ｊ、および４３５Ｌによって示される新たな位置へとＸ方向およびＹ方向に動かされた穴の列が得られる。その後、システムは、新たな穴の位置で、第２の組の穴を開ける。穴は、Ｘ方向にのみ、またはＹ方向にのみ動かされ得ることが理解される。図４は、例示的な実施形態として、丸い穴を示しているが、他の形の穴が、図４に示す実施形態によって、また、本発明の全ての実施形態によって、開けられてもよい。
【００６３】
最終的な製品において非常に緻密なパターンが必要とされるさらに他の実施形態において、それほど緻密でない複数開口部マスク２３６が、第２の開口部マスク２３６とともに用いられ得る。この実施形態において、穴は、まず、第１のマスクを用いて開けられ、その後、第２のマスクを用いて穴が開けられ得る。
【００６４】
レーザードリルシステム２００を動作させる方法は、以下の工程を含む。第１の工程において、練習用の組の形は、被加工物１５５の練習用領域に開けられる。練習用領域は、被加工物１５５の最終的な製品には含まれない領域であり、位置合わせのためにのみ用いられる。第２の工程において、練習用の組の形の被加工物における実際の位置は、投影システム１４３を用いて決定される。第３の工程は、縮小したサイズのサブビーム２３７を、マスク２３６を動かすことによって、被加工物１５５上の実際の目標領域と位置合わせすることである。この工程は、システムオペレータが、被加工物１５５上の練習用の組の形の位置を示す、投影システム１４３によって生成される、練習用の組の形のイメージを見るときに行われる。オペレータは、縮小したサイズのサブビーム２３７を被加工物１５５の目標領域と位置合わせするため、練習用の組の形のイメージにおいて見えるように、所望の距離および方向に従って、複数開口部マスク２３６の位置を調節する。第４の工程は、被加工物１５５の目標領域において、形を開ける工程である。レーザードリルシステム２００が、規格を満たすように、被加工物１５５の目標領域を溶解する、縮小したサイズのサブビーム２３７を生成する。その後、被加工物１５５における所望のパターンが、さらなる組の形を開けることを必要とする場合、マスク２３６が次の目標領域に動かされ、穴を開ける工程が繰り返される。
【００６５】
図３に示す実施形態を用いて、図４に示す例示的な穴は、直径が２００ｎｍ、ピッチが３６０ｎｍになり得る。
【００６６】
本発明は、例示的な実施形態について説明されてきたが、添付の特許請求の範囲内の変形例とともに、上述したように実施され得ることが考えられる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明は、レーザーを用いて被加工物に穴を開ける装置にて光結晶の製造に適したレベルでビームと被加工物との位置合わせをする方法およびレーザーを用いて被加工物に穴を開ける装置を提供することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の例示的な実施形態のブロック図である。
【図２】図２は、単一開口部マスクを用いる、本発明の第２の例示的な実施形態のブロック図である。
【図３】図３は、複数開口部マスクを用いる、本発明の第３の例示的な実施形態のブロック図である。
【図４】図４は、２つの異なる位置におけるイメージを示す、複数開口部マスクのイメージである。
【符号の説明】
５０　レーザードリルシステム
１０５　レーザー
１０７　レーザービーム
１３３　マスク
１４５　縮小サイズイメージ
１５１　コンピュータ
【図１】
2004050287.tif 000003
【図２】
2004050287.tif 000004
【図３】
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【図４】
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