(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある回転軸まわりに軸対称で当該回転軸からの距離に応じ増減する位相分布を所定波長のレーザー光に付与する輪帯位相素子と、
ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し、前記所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子と
を備え、前記輪帯位相素子と前記透過光学素子の配置は、前記レーザー光が前記回転軸と前記円錐軸とに沿って進み前記突出面を通過するようになっており、
前記輪帯位相素子は、前記透過光学素子とともに使用されるとき、前記セントラルローブの周りのサイドローブに分配されることとなる光を前記セントラルローブに集める作用を発揮するものであり、
前記レーザー光からビーム軸方向に延びたセントラルローブを持つレーザービームを形成する
レーザービーム整形装置。
【請求項２】
ある回転軸まわりに軸対称で当該回転軸からの距離に応じ増減する位相分布を所定波長のレーザー光に付与する輪帯位相素子と、
ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し、前記所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子と
を備え、前記輪帯位相素子と前記透過光学素子の配置は、前記レーザー光が前記回転軸と前記円錐軸とに沿って進み前記突出面を通過するようになっており、
前記輪帯位相素子は、前記回転軸上に中心を持つ少なくとも一つの円により仕切られる複数の輪帯領域を持ち、
前記位相分布は、各輪帯領域に対応する前記所定波長のレーザー光の各部分の位相が、前記輪帯領域それぞれの範囲で一様で、前記複数の輪帯領域にわたり交番して変化するものである、
レーザービーム整形装置。
【請求項３】
ある回転軸まわりに軸対称で当該回転軸からの距離に応じ増減する位相分布を所定波長のレーザー光に付与する輪帯位相素子と、
ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し、前記所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子と
を備え、前記輪帯位相素子と前記透過光学素子の配置は、前記レーザー光が前記回転軸と前記円錐軸とに沿って進み前記突出面を通過するようになっており、
前記輪帯位相素子は、前記回転軸上に中心を持つ少なくとも一つの円により仕切られる複数の輪帯領域を持ち、
前記位相分布は、隣り合う前記輪帯領域が前記所定波長のレーザー光に半波長分の位相差をもたらすようにして前記複数の輪帯領域ごとに交番して変化するものである、
レーザービーム整形装置。
【請求項４】
ある回転軸まわりに軸対称で当該回転軸からの距離に応じ増減する位相分布を所定波長のレーザー光に付与する輪帯位相素子と、
ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し、前記所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子と
を備え、前記輪帯位相素子と前記透過光学素子の配置は、前記レーザー光が前記回転軸と前記円錐軸とに沿って進み前記突出面を通過するようになっており、
前記透過光学素子は前記突出面に対向する表面が平面になっており、
前記輪帯位相素子と前記透過光学素子の前記配置は、前記輪帯位相素子を通過し前記位相分布が付与された前記レーザー光が、前記平面の側から入射して前記突出面から出射するように前記透過光学素子を通過するようにされているものであり、
前記輪帯位相素子は、前記回転軸上に中心を持つ少なくとも一つの円により仕切られる複数の輪帯領域を持ち、厚みを各輪帯領域で変化させた光透過性物質の二値位相板（ＢＰＰ）であり、
前記ＢＰＰにて前記複数の輪帯領域を仕切る前記少なくとも一つの円の径は、前記透過光学素子の前記突出面を通過した前記レーザー光が、サイドローブが抑制されつつビーム軸方向に延びたセントラルローブを持つビームである整形ベッセルビームを形成するように決定されているものである
レーザービーム整形装置。
【請求項５】
前記透過光学素子の前記突出面の表面形状が、前記略円錐側面の頂点付近において、前記略円錐側面の周縁から規定される円錐側面に比べ丸みを帯びており、
前記ＢＰＰにて前記複数の輪帯領域を仕切る前記少なくとも一つの円の径は、前記丸みを反映した前記透過光学素子に適合させて、前記透過光学素子の前記突出面を通過した前記レーザー光が、サイドローブが抑制されつつビーム軸方向に延びたセントラルローブを持つビームである整形ベッセルビームを形成するよう決定されているものである
請求項４に記載のレーザービーム整形装置。
【請求項６】
ビーム軸方向に沿って前記セントラルローブの延びる長さが、前記輪帯位相素子を除去して前記透過光学素子を通過させた前記レーザー光にて得られるビームのセントラルローブがビーム軸方向に沿って延びる長さよりも短くなっている
請求項４に記載のレーザービーム整形装置。
【請求項７】
前記所定波長が加工対象物の内部に到達可能な波長であり、
前記所定波長のレーザー光のパルスを放射するための光源と、
該光源からの前記レーザー光のパルスが入射される請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のレーザービーム整形装置と、
前記レーザー光のパルスから前記レーザービーム整形装置により形成される前記セントラルローブを、前記加工対象物の前記内部に位置づけられる除去ターゲットパスの一部または全部に重なるよう位置合わせするための位置合わせ装置と
を備える除去加工装置。
【請求項８】
前記光源は、前記加工対象物をなす材質が強い吸収を示さない波長を持つレーザー光源であり、該材質により多光子吸収が生じうる程度の短いパルス幅に設定可能なものである、
請求項７に記載の除去加工装置。
【請求項９】
前記除去ターゲットパスが前記加工対象物のいずれかの表面で終端しており、
前記波長の光を受けると前記加工対象物のエッチングを助ける作用をもつ補助液が前記表面にて前記加工対象物に接触しており、
前記位置合わせ装置は、前記パルスが前記加工対象物の内部を通り、前記セントラルローブが前記表面にて前記補助液に到達するように位置合わせするものであり、
これにより、前記補助液が前記パルスを受けて前記加工対象物のエッチングを助けるように作用する、
請求項７に記載の除去加工装置。
【請求項１０】
前記加工対象物がシリコン単結晶基板であり、
前記波長が１．１２μｍより長いものである、
請求項７に記載の除去加工装置。
【請求項１１】
ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子とともに使用される輪帯位相素子であって、
前記輪帯位相素子は、前記円錐軸に沿って前記突出面を通過する前記所定波長のレーザー光に対し、該レーザー光の光軸に略一致する回転軸まわりに軸対称であり、当該回転軸からの距離に応じ増減する位相分布を付与するものであり、
前記輪帯位相素子は、前記回転軸上に中心を持つ少なくとも一つの円により仕切られる複数の輪帯領域を持ち、厚みを各輪帯領域で変化させた光透過性物質の二値位相板（ＢＰＰ）であり、
前記ＢＰＰにて前記複数の輪帯領域を仕切る前記少なくとも一つの円の径は、前記透過光学素子の前記突出面を通過した前記レーザー光が、サイドローブが抑制されつつビーム軸方向に延びたセントラルローブを持つビームである整形ベッセルビームを形成するように決定されているものである、
輪帯位相素子。
【請求項１２】
前記透過光学素子の前記突出面の表面形状が、前記略円錐側面の頂点付近において、前記略円錐側面の周縁から規定される円錐側面に比べ丸みを帯びており、
前記ＢＰＰにて前記複数の輪帯領域を仕切る前記少なくとも一つの円の径は、前記丸みを反映した前記透過光学素子に適合させて、前記透過光学素子の前記突出面を通過した前記レーザー光が、サイドローブが抑制されつつビーム軸方向に延びたセントラルローブを持つビームである整形ベッセルビームを形成するよう決定されているものである、
請求項１１に記載の輪帯位相素子。
【請求項１３】
所定波長のレーザー光からビーム軸方向に延びたセントラルローブを持つレーザービームを形成するレーザービーム整形装置のための輪帯位相素子であって、
作用させた前記レーザー光に対し軸対称の位相分布を付与するようになっており、
ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子とともに使用されるとき、前記セントラルローブの周りのサイドローブに分配されることとなる光を前記セントラルローブに集める作用を発揮する、
輪帯位相素子。
【請求項１４】
前記輪帯位相素子は、前記回転軸を含む中心領域と、該中心領域を囲む中間領域と、該中間領域を囲む周縁領域とを前記レーザー光が作用する領域に有しており、
前記中心領域および前記周縁領域の双方の範囲において前記レーザー光に対し位置に応じ変化する位相を与え、前記中間領域で前記レーザー光に対し位置に応じ変化しない位相を与える
請求項１３に記載の輪帯位相素子。
【請求項１５】
所定波長のレーザー光からビーム軸方向に延びたセントラルローブを持つレーザービームを形成するレーザービーム整形装置のための輪帯位相素子であって、
作用させた前記レーザー光に対し軸対称の位相分布を付与するようになっており、
ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子とともに使用され、
少なくとも一つの円により仕切られる複数の輪帯領域を持ち、
前記位相分布は、各輪帯領域に対応する前記所定波長のレーザー光の各部分の位相が、前記輪帯領域それぞれの範囲で一様で、前記複数の輪帯領域にわたり交番して変化するものである、
輪帯位相素子。
【請求項１６】
所定波長のレーザー光からビーム軸方向に延びたセントラルローブを持つレーザービームを形成するレーザービーム整形装置のための輪帯位相素子であって、
作用させた前記レーザー光に対し軸対称の位相分布を付与するようになっており、
ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子とともに使用され、
少なくとも一つの円により仕切られる複数の輪帯領域を持ち、
前記位相分布は、隣り合う前記輪帯領域が前記所定波長のレーザー光に半波長分の位相差をもたらすようにして前記複数の輪帯領域ごとに交番して変化するものである、
輪帯位相素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザービーム整形装置、除去加工装置、および輪帯位相素子に関する。さらに詳細には本発明は、光軸方向に延びるピークを持ちサイドローブが抑制されたレーザービームを形成するためのレーザービーム整形装置、それを利用する除去加工装置、およびそれらに用いる輪帯位相素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、半導体集積回路の技術分野において高集積化・高密度化のための微細化が進展している。例えば集積回路の形成された複数のチップまたはダイの薄片を互いに重なるように相互接続する技術が開発されている。シリコン単結晶基板（以下「シリコン基板」という）を厚み方向に貫通する電気的導通路はＴＳＶ（Through Silicon Via）とも呼ばれている。ＴＳＶを形成するために提案されている手法の一つがレーザーによる除去加工を利用するものである。その手法においては、貫通孔を形成するためにベッセルビームと呼ばれるレーザービームが採用され、ベッセルビームのレーザーパルスによる微細加工が試みられている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。ベッセルビームは、円錐面の波面を円錐の軸に向かって収束させることにより形成され、円錐面の波面を実現するために例えばアキシコン（ＡＸＩＣＯＮ）と呼ばれる円錐プリズム状の透過型光学素子が採用される。
【０００３】
ベッセルビームのように光軸方向に延びたピークを持つレーザーのビームは、微細加工に留まらず広汎な用途も期待される。例えば、金属、半導体、セラミクス、絶縁体（ガラス）等固体材料の穴あけや切断は、サイズにかかわらずレーザーによる物質の除去を伴う除去加工の一例である。また、バイオイメージング用の顕微鏡や光ピンセット（微粒子等のトラッピングやマニピュレーション）では、光軸方向に延びたピークが形成できれば性能を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−２２６９２２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７００５２号公報
【特許文献３】特開  平  ６−  ８２７２０号公報（特許第３５５３９８６号）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M.K. Bhuyan et. al., "High aspect ratio nanochannel machining using single shot femtosecond Bessel beams," Appl. Phys. Lett. 97, 081102 (2010)
【非特許文献２】J. Jia et. al., "Superresolution laser beam shaping," Appl Opt 43, 2112-2117 (2004)
【非特許文献３】X. Wang et. al., "Resolution improvement of femtosecond laser induced two-photon polymerization based on phase filtering," Opt. Eng. 50(5), 054302 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のベッセルビームによるＴＳＶ技術を検討する過程において、本願の発明者は、サイドローブによる悪影響に着目した。例えば半導体集積回路におけるダイ間の相互接続のためには、貫通孔の内径と、貫通孔の全長すなわち加工される板状の半導体基材の厚みとの間の比率（アスペクト比）が高いことが望ましい。加えて貫通孔を並べるピッチを狭めることができれば、半導体基材を大きく変更せず多数の相互接続を高い密度にて作製することができる。半導体集積回路における微細化によるダイサイズの縮小を補完する技術として、アスペクト比を高めたりピッチを狭めたりする性能指標を追求することについての強い要請がある。
【０００７】
ところが、数μｍ〜５０μｍ程度の内径をもつ微細な穴を形成するべくレーザービームをベッセルビームに整形したとしても、ベッセルビームでは、強度が強いセントラルローブのまわりに、それよりも弱いものの無視しがたい強度のサイドローブが随伴する。そのサイドローブのために、セントラルローブのビームにより形成される貫通孔の開口周辺には、典型的には複数の同心円状の表面の欠損によるダメージも生じる。このような表面のダメージが一旦形成されると、その近隣に続けて貫通孔を形成しようとしても、表面の欠損によるレーザーの散乱が生じ、照射されるレーザーの波面が乱れベッセルビームが正しく形成されず、貫通孔の形状精度を悪化させる。例えば貫通孔が途中の位置で狭まったり途切れたりすれば、その貫通孔によるＴＳＶの電気的接続の信頼性は確保しえない。それを防ぐためにレーザーパワーを増しても、サイドローブによるダメージも増大する以上、上記課題は解決されない。貫通孔形成の再現性を高め、かつ狭いピッチにて複数の貫通孔を形成する工程を確実に行ない、ひいては高密度の相互接続の信頼性を高めるためには、サイドローブを抑制することが肝要といえる。
【０００８】
さらに、微細加工以外の用途においても事情は類似している。ごく一般的な結像光学系によるガウシアンビームに代えてベッセルビームを採用する用途のためには、光軸方向へ延びつつ十分な集光性を示すセントラルローブのみを活用するのが通常なためである。殆どの用途において、サイドローブはセントラルローブによる集光領域が得られる利点を大きく減殺する要因となり、抑制されるべき対象である。サイドローブを十分に抑制しつつ、光軸方向へ延びるセントラルローブの集光領域を実現できるなら、ベッセルビームの持つ弱点を克服することができるのである。
【０００９】
類似の観点に基づいて、ベッセルビームにてサイドローブを抑制しようとする試みが例えば特許文献２および特許文献３に開示されている。これらは、いずれも二重のベッセルビームを形成してサイドローブが打ち消し合うように重ね合わせたり（特許文献２、要約）、二つの径の異なる光振幅分布を持つベッセルビームを重ね合わせて干渉させたりするものである（特許文献３、請求項１）。これらに開示される手法において次の二種類の光学素子の少なくともいずれかが採用される。第１は、異なる傾斜の円錐面をもつような透過型光学素子である。この第１の光学素子の例は、特許文献２における多重ビーム生成手段９、３５、回折光学素子１８、および特許文献３における二重円錐プリズム５、５′である。第２は、それら素子または他の集光性のある素子（例えば特許文献２：レンズ６５、対物レンズ７８；特許文献３：レンズ２、６５、対物レンズ７８）に対し入射するレーザービームの透過を制限して強度分布を与える素子である。この第２の光学素子の例は、特許文献２におけるビーム制限手段８、１９、３４、マスク６４、アパーチャ７５、特許文献３における二重リング開口１である。しかし、これらの開示におけるサイドローブの抑制効果は限定的である。例えば特許文献２および特許文献３では、サイドローブは、セントラルローブのピーク値を１００％として、それぞれ１．２％程度および６％程度までに低減されている（特許文献２について図２６；特許文献３について段落００２２）。なお、なんらの工夫をもしていないベッセルビームでは、サイドローブの強度は、セントラルローブの１６％程度に達する（特許文献２について段落０００２；特許文献３について段落０００４）。
【００１０】
上記第１の例に示した異なる傾斜の円錐面を持つ透過型光学素子は、構造が複雑となることから、そのような素子を必須とすること自体が実用性にとって足枷となる。また、上記第２の例とした入射するレーザービームの透過を制限して強度分布を与える素子は、レーザーの強度を弱めることから、とりわけ加工などのレーザーの強い出力を必要とする用途では制約となる。
【００１１】
本発明は上述した問題のいずれかを解決することを課題とする。本発明は、従来のベッセルビームを形成するために現実の円錐プリズム（アキシコン）を採用しつつサイドローブを有効に抑制するための実用性の高いレーザービーム整形手法を提供することにより、レーザービーム整形装置および除去加工装置の高度化に貢献するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する具体的手段を探るため、本願の発明者は略円錐側面の形状に作製された透過型光学素子つまり円錐プリズムを利用し、輪帯位相素子を追加することによりサイドローブの抑制が可能か検討した。輪帯位相素子では、レーザーの出力は吸収も反射もされずに効率よく利用することができるためである。そして、特別な特性を示す輪帯位相素子を採用することにより、サイドローブのエネルギーをセントラルローブに分配するという原理、または、セントラルローブの軸方向の範囲（ＤＯＦ、Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  Ｆｉｅｌｄ、被写界深度）を必要な範囲に限定することによりビーム整形を行えることを確認した。具体的には、特別な特性を示す輪帯位相素子と一般的なアキシコンレンズのみという簡単な装置構成を採用し効率よくサイドローブが抑制できること、特に、そのような装置構成がサイドローブを０．６％以下にまで低減できる可能性を計算にて見出し、また、その性能を実験的にて確認することにより、本発明を完成させた。
【００１３】
すなわち、本発明のある態様においては、ある回転軸まわりに軸対称で当該回転軸からの距離に応じ増減する位相分布を所定波長のレーザー光に付与する輪帯位相素子と、ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し、前記所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子とを備え、前記輪帯位相素子と前記透過光学素子の配置は、前記レーザー光が前記回転軸と前記円錐軸とに沿って進み前記突出面を通過するようになっているレーザービーム整形装置が提供される。
【００１４】
また、本発明では除去加工装置の態様も提供される。すなわち本発明の別の態様においては、前記所定波長が加工対象物の内部に到達可能な波長であり、前記所定波長のレーザー光のパルスを放射するための光源と、該光源からの前記レーザー光のパルスが入射され、整形ベッセルビームを形成するレーザービーム整形装置と、前記レーザー光のパルスから前記レーザービーム整形装置により形成される前記セントラルローブを、前記加工対象物の前記内部に位置づけられる除去ターゲットパスの一部または全部に重なるよう位置合わせするための位置合わせ装置とを備える除去加工装置が提供される。
【００１５】
さらに本発明では輪帯位相素子の態様も提供される。すなわち、本発明のさらに別の態様では、ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子とともに使用される輪帯位相素子であって、前記円錐軸に沿って前記突出面を通過する前記所定波長のレーザー光に対し、該レーザー光の光軸に略一致する回転軸まわりに軸対称であり、当該回転軸からの距離に応じ増減する位相分布を付与するようにされている輪帯位相素子が提供される。また、所定波長のレーザー光からビーム軸方向に延びたセントラルローブを持つレーザービームを形成するレーザービーム整形装置のための輪帯位相素子であって、作用させた前記レーザー光に対し軸対称の位相分布を付与するようになっており、ある円錐軸を持つ略円錐側面の形状にされた突出面を少なくとも表面の一部に有し所定波長において周囲より高い屈折率を示す材質の透過光学素子とともに使用されることにより、前記セントラルローブの周りのサイドローブに分配されることとなる光が抑制される、輪帯位相素子が提供される。
【００１６】
本発明の上記各態様において、輪帯位相素子とは、ある回転軸まわりに軸対称な位相分布を所定波長のレーザー光に付与する任意の素子をさす。例えば、媒体の存在しない空間（例えば密度ゆらぎのない空気中または真空中）を所定波長のレーザー光が通過するとする。周囲よりも高い屈折率の透過媒体基板をもつ素子であって、その素子に対し固定される回転軸を想定し、当該回転軸からの距離応じて異なる厚みをもつように加工されている基板は、上記輪帯位相素子の一例となる。なぜなら、屈折率媒体の厚みの違いは、基板の法線方向に通過する所定波長のレーザー光に対し、それ自体の屈折率と周囲の屈折率との差と厚みの差に応じた光路差を与え、それが当該回転軸まわりに軸対称になるからである。厚みを加工した透明媒体基板によるもののほか、例えば、一様な厚みの透明媒体基板にパターニングした光透過性の薄膜を形成したものも、透過するレーザー光に対する輪帯位相素子として採用することができる。また、輪帯位相素子は透過型のものに限定されず、例えば、パターニングされた高さを持つレリーフ状の反射膜とすることもできる。
【００１７】
本発明の上記各態様において、透過光学素子は、略円錐側面の形状にされた突出面を有している。この略円錐側面とは、幾何学的な定義通りの円錐の側面のみならず、円錐側面を目指して作製されたものの定義通りの形状からの逸脱が含まれる形状も指している。実施形態において後述するように、現実の円錐プリズム（アキシコン）は、理想的な円錐側面を必ずしも有していない。そのような場合であっても、本発明のレーザービーム整形装置を実用に付す際に何ら障害とはならず、対応した輪帯位相素子が実現可能であることには留意されるべきである。
【００１８】
本発明の除去加工装置の態様においては、上述したレーザービーム整形装置により発生させるレーザービームが利用される。レーザービームは、従来のベッセルビームとは異なり、ベッセルビームのビームプロファイルを目的に合せてあつらえた（ｔａｉｌｏｒ−ｍａｄｅ）ものといえ、整形ベッセルビーム（ｔａｉｌｏｒｅｄ  Ｂｅｓｓｅｌ  ｂｅａｍ）とも呼ぶ。この整形ベッセルビームは材質を除去する事により何らかの形状を作り出す任意の加工である除去加工に適する性質を持つ。ここで、本願にて言及される除去加工には、貫通孔等の穴開けの他、切断、溝加工といった、レーザーにより材料の微小部分が除去される種々の加工を含む。このため、これらの加工を伴う顕微鏡装置や、その他微細加工装置も本発明の除去加工装置に含まれている。その加工対象物も特段制限されず、その典型的な一つが、半導体材料の基材、特にシリコン基板である。このシリコン基板には、いわゆるシリコンウエハーやＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハーを含む。除去加工の時点にて加工対象物には、何らかの回路素子や配線、保護膜といった必要な他の材質や構造が作製されている場合がある。
【００１９】
レーザー加工として一般的に利用されるレーザーは、加工対象物が除去されない時点でみるとその内部に殆ど到達できない。これは、一般にレーザー加工が熱加工であり、その熱を生じさせるために加工対象物によるエネルギー吸収が必要なためである。これに対し、本発明の除去加工装置では、レーザーの波長が加工対象物の内部に到達可能な波長を持つように設定されることが好ましい。そのような波長は一般に加工対象物に対し十分に高い透過率を示す波長となる。例えば、加工対象物となる半導体基材がシリコン基板であれば、シリコン単結晶の吸収端（バンド端１．１３μｍ）とほぼ同じ（例えば１．１２μｍ）やそれよりも長波長で吸収が弱い波長のレーザーを採用することが好ましい。レーザーは、典型的にはパルス動作のものが用いられ、単一パルス（シングルショット）または繰り返しのパルス（マルチショット）とされて照射される。本出願の文脈における光源はレーザー光を直接放射する光源と、当該光源および必要に応じた何からの処理を光源からの光を対象に行なう要素の組合せと、の双方を含む。この要素の典型は、ビームの時間プロファイルを圧縮するパルス幅整形を行うものである。加えて本出願全般において、例えば赤外域といった可視光とはいえない電磁波放射に対しても、慣例に従い「光」、「光源」、「発光」、「レーザー」等と光学分野の表現を用いる。
【００２０】
このような構成の除去加工装置により半導体基材の材質が除去される理由について、本願の発明者は、個別の光子ではなく複数の光子が吸収に関与する多光子吸収が生じるためと推測している。輪帯位相素子と透過型光学素子との組合せによって空間的に集光され、加えてパルス整形により時間的に圧縮されることにより、多光子吸収などの非線形吸収を生じさせることができれば、加工対象物の厚みを通して集光させつつ、そのセントラルローブ付近では加工に必要なエネルギー転移を生じさせることが可能になる。この点については詳細な説明の欄にて後述する。
【００２１】
除去ターゲットパスとは、加工対象物となる物体の少なくとも一部を除去する位置を代表して特定するための、加工対象物の内部に位置づけられる経路の範囲である。除去ターゲットパスの典型例は、板状の加工対象物に対しその両面を繋ぐ貫通孔を形成する場合、貫通孔が形成されるべき位置に想定される厚み方向に延び両面を繋ぐ線分である。また、深さ方向に厚みの途中の位置まで開けられた非貫通の穴を形成する場合は、厚み方向の線分である除去ターゲットパスもその途中の位置またはその近傍にて終端する。
【００２２】
位置合わせ装置を使用することにより、整形ベッセルビームのセントラルローブのピーク範囲がその除去ターゲットパスの一部または全部に重なるよう位置合わせされる。位置合わせ装置は、当該ピーク範囲に対し加工対象物の相対位置を位置合わせするための任意の手段となる。典型的な位置合わせ装置は機械装置により実現され、例えばコンピューター制御された可動ステージに加工対象物を載置して移動および停止させたり、光学系を移動および停止させたりするものである。それ以外にも、光学的手段により位置合せを行なうこともできる。なお、セントラルローブを利用する加工は、加工対象物の位置合わせの自由度が高い。ガウシアンビームを集光して加工を行う通常のレーザー加工では、ビーム軸方向のピーク範囲が集光径の高々数倍ときわめて短いため、常に集光点に加工箇所を位置合わせしつつ加工を行う必要がある。これに対し、セントラルローブのピーク範囲は加工対象物の厚さより十分長いため、加工対象物をピーク範囲内のいずれかの位置に位置合わせすればよく、また、加工中に再度の位置合わせを行う必要もない場合が多い。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のレーザービーム整形装置の態様においては、輪帯位相素子と透過光学素子を組合せただけの簡易な構造により、ベッセルビームに付随するサイドローブを抑制した整形ベッセルビームを実現することができる。また、本発明の除去加工装置の態様においては、整形ベッセルビームの利点を活かしつつ、例えば高いアスペクト比の貫通孔を形成したり、狭いピッチにて貫通孔を並べた配列を形成することが可能となる。そしてこれらの装置に用いる輪帯位相素子は、透過光学素子と組み合わせることにより、整形ベッセルビームを実現することに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来のベッセルビームを示す説明図である。
【図２】従来のベッセルビームを利用して形成された貫通孔の周囲の基板表面の様子を示す光学顕微鏡写真である。
【図３】本発明の実施形態のビーム整形装置の構成を示す説明図である。
【図４】従来のベッセルビームと本発明の実施形態の整形ベッセルビームのビームプロファイルを計算結果に基づいて説明する説明図である。
【図５】本発明の実施形態の一例である光透過性物質により作製するＢＰＰの概略構成を示す構成図である。
【図６】従来のベッセルビーム、および本発明の実施形態において、輪帯位相素子の例であるＢＰＰ１、ＢＰＰ２のそれぞれに対して得られる横方向および縦方向のビームプロファイルについての計算値である。
【図７】本発明の実施形態において採用したＳＡアルゴリズムによるパラメータ（Ｍ、｛ｒｍ｝）の最適化プロセスを示すフローチャートである。
【図８】従来のベッセルビーム、および本発明の実施形態において、輪帯位相素子の例であるＢＰＰ１、ＢＰＰ２のそれぞれに対して、実験により得られる横方向および縦方向のビームプロファイルである。
【図９】実験により得られた横方向および縦方向のビームプロファイルであり、従来のベッセルビーム（図９Ａ）、および本発明の実施形態の輪帯位相素子の例であるＢＰＰ１（図９Ｂ）、ＢＰＰ２（図９Ｃ）を採用したものである。
【図１０】実験により得られたピーク付近におけるビーム断面の強度分布、そのイメージ、および強度プロファイルであり、従来のベッセルビーム（図１０Ａ）、および本発明の実施形態の輪帯位相素子の例であるＢＰＰ１（図１０Ｂ）、ＢＰＰ２（図１０Ｃ）のものである。
【図１１】本発明の実施形態の除去加工装置の構造を示す構成図である
【図１２】本発明の実施形態にて、５０μｍ厚のＳｉ基板を対象に別々のプロファイルをもつレーザービームにより貫通孔を形成し、そのＴＳＶサンプルをＳＥＭ観察象である。
【図１３】本発明の実施形態にて、１００μｍ厚のＳｉ基板に対して５０μｍ間隔のＴＳＶアレイを形成したサンプルの断面（図１３Ａ）および表面（図１３Ｂ、１３Ｃ）を観察したＳＥＭ観察象である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係るレーザービーム整形装置および除去加工装置の実施形態を図面を参照して説明する。当該説明に際し特に言及がない限り共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。
【００２６】
１．ベッセルビームの改良
１−１．従来のベッセルビーム
本実施形態の説明に先立ち、従来のベッセルビームについて説明する。図１は従来のベッセルビームを示す説明図であり、図１Ａは紙面上の下方から上方に向かって紙面に平行に進行する平面波のビームＢからベッセルビームＢＢを得る様子を示し、図１Ｂはビーム軸と直交する平面におけるビームプロファイルを示す模式図である。ベッセルビームＢＢは軸対称のビームである。そのビーム軸にｚ軸が一致するｘｙｚ直交座標系（図１Ａ）を参照し説明すれば、ベッセルビームＢＢはｘｙ面に平行な面、すなわちｚ軸を法線として持つ平面においてｚ軸の近傍に強い光強度を持つ。三次元的にはこのピークはｚ軸に沿うように延びたピーク範囲をなす。ピーク範囲は例えば図１Ａに示したｚ＝０〜Ｌの全部またはそのうちの一部となり、具体的なピーク範囲はレーザー光のビームＢの範囲やベッセルビームＢＢを形成する光学系である透過光学素子２００により決定される。透過光学素子２００の典型例は円錐プリズム（アキシコン）である。セントラルローブのピーク範囲は幅が狭くｚ軸方向に延びており、図１Ａは、ピーク範囲ＰＫの円筒の軸上切断面を点線によって示している。ｘｙ面に平行な面におけるビームプロファイルは図１Ｂに示すとおりとなる。このプロファイルはｚ軸上の位置には大きく依存しない。従来のベッセルビームＢＢは、光強度をもつピーク範囲はｚ軸上で比較的延びており、ｚ軸から外れると急速に弱くなるビームプロファイルを持ち、ｚ軸からの距離に応じて光強度が振動を示す。この振動は、ピーク範囲ＰＫの円筒に同軸の多重管状のような分布をとる。この多重管状の成分のうち中心軸を含まないものは、セントラルローブに対比させてサイドローブと呼ばれる。従来のベッセルビームでのサイドローブは、ｚ軸から離れて最初に出現するものが最大の強度をもち、セントラルローブのピーク値を１００％とした場合に１６％前後（約１／６程度）の値に達する。
【００２７】
図２は、従来のベッセルビームを利用して形成したシリコンウエハー（厚み５００μｍ）に形成した貫通孔の一例を示す光学顕微鏡写真である。ウエハー表面を観察したところ、セントラルローブによる貫通孔の周囲に、入射面側（図２Ａ）および光の出射面側（図２Ｂ）のいずれでもサイドローブの影響による多重リング状の表面ダメージが観察された。
【００２８】
１−２．ビーム整形装置の構成および原理
次に本実施形態の構成を説明する。図３は本実施形態のビーム整形装置１０の構成を示す説明図である。ビーム整形装置１０は、ベッセルビームの形成のために使用される透過光学素子２００に加え、特別な特性を示す輪帯位相素子１００を使用する。レーザー光源２は、例えばチタンサファイアレーザーのようなパルスレーザーから、光増幅され、さらに光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）４により長波長化されて増幅されるものとしてもよい。そして適宜調整のための光学系（例えばビームエキスパンダー６）を経て、アパーチャ８によるビーム径の制限を経た後、平行光やガウシアンビームとなるように調整される。さらにそのレーザー光は、輪帯位相素子１００に入射される。輪帯位相素子１００は、軸対称な位相分布をレーザー光に付与する作用をもつ。輪帯位相素子１００は、レーザー光に対する作用は位相の付加のみに関与するため、輪帯位相素子１００では表面反射等の軽微なものも除き吸収や反射による強度分布が付加されることはない。輪帯位相素子１００にて付加される軸対称な位相分布とは、輪帯位相素子１００により付加される位相分布がその軸対称性の対象の軸（回転軸）からみて方位依存性の無い位相差が付加されることを特定している。典型的な配置では、輪帯位相素子１００の対称の軸（回転軸）は、レーザーの光軸に一致するよう向けられる。輪帯位相素子１００により位相分布が付加されたレーザー光は、次いで透過光学素子２００に入射する。透過光学素子２００は、典型的には一方の面は平面で、他方の面は、その平面に対し垂直に向く軸を円錐軸とする略円錐側面の突出面を有している。この突出面は、円錐軸を延長した先において、収束する向きに光を屈折させる。従来のベッセルビームのためには、輪帯位相素子１００を採用せずに透過光学素子２００の屈折による収束の作用のみによってセントラルローブを実現しており、図１に示したようなサイドローブを伴っていた。本実施形態では、透過光学素子２００による収束作用と、輪帯位相素子１００により与える軸対称な位相分布によるレーザーの位相制御作用とを組み合わせる。本実施形態のこれら素子の典型的な配置では、輪帯位相素子１００にて与えられる軸対称な位相分布の回転軸だけでなく、透過光学素子２００の円錐軸もレーザーの進む向き（光軸）と一致している。
【００２９】
図４は、従来のベッセルビーム（図４Ａ、４Ｂ）と整形ベッセルビーム（図４Ｃ、４Ｄ）のビームプロファイルを計算結果に基づいて説明する説明図である。各図は、双方のビームに共通して採用される透過光学素子２００を通過した後の位置において、光軸（Ｚ軸）を含む平面での強度分布を濃度で示す図（図４Ａ、４Ｃ）と、ｚ軸からの距離ｒでの円筒座標において強度分布を鳥瞰グラフとして示す図（図４Ｂ、４Ｄ）である。従来のベッセルビームを生成するビーム成形装置は図３のものとは異なり、輪帯位相素子１００を持たない。従来のベッセルビームは、ｚ軸方向に延びたセントラルローブと同軸で多重管状に形成される多数のサイドローブとをもち、その様子が図４Ａ、４Ｂに明瞭に示されている。これに対し、輪帯位相素子１００を採用した整形ベッセルビームでは、サイドローブは全体に弱まり、特に、光軸に沿って延びて分布するセントラルローブが最大値となるＺ＝Ｚ０付近ではサイドローブは殆ど消失している。この結果は、整形ベッセルビームでは、従来のベッセルビームに近いセントラルローブの性質を大きく犠牲にすることなく、サイドローブの抑制が実現していることを示している。重要なことは、そのために必要な追加の工夫が、適切に設計され作製された輪帯位相素子１００のみを追加することで足りる、という点である。このことは、本実施形態の手法の有用性を示すものといえる。
【００３０】
１−３．輪帯位相素子
１−３−１．設計
次に、図３、４に示した輪帯位相素子１００の具体的な設計思想やその構造について説明する。本実施形態の輪帯位相素子１００の典型例は、ＢＰＰ（Ｂｉｎａｒｙ  Ｐｈａｓｅ  Ｐｌａｔｅ，二値位相板）である。輪帯位相素子１００のうち、特に本願発明者が注目したのは、軸対称の位相分布の回転軸上に中心を持つ少なくとも一つの円により仕切られる複数の輪帯領域を持っているＢＰＰである。そのＢＰＰの典型は、各輪帯領域で厚みを変化させた光透過性物質の二値位相板である。
【００３１】
ここで、ＢＰＰの用途の一つとして超解像技術が知られている（例えば、非特許文献２、非特許文献３）。非特許文献２では、超解像により、エアリー限界できまるスポットサイズよりも小さい回折スポットが実現できることに加え、種々のビーム整形に超解像が適用できることが開示されている。非特許文献３に示される超解像技術は、結像系の焦点に向かう光のうち、回折限界のために焦点に広がりを与えてボケを生じさせる成分をサイドローブに分配する（広げる）という原理を採用するものである。とりわけ非特許文献３では、ＢＰＰが採用されており、結像光学系の焦点位置における集光幅をより狭めるために、焦点に広がりをもたらさない成分（中心に到達できる成分）には変更を加えず、焦点に広がりをもたらす成分のみを、焦点近傍からむしろ遠いサイドローブへ意図的に分配することが開示されている。
【００３２】
これに対し、本発明者は、ベッセルビームにおいて、セントラルローブのビーム径自体の増減を目指すのではなく、輪帯位相素子によって、サイドローブの形成のために使われる光の成分をセントラルローブに移す（集める）手法を提案する。本実施形態の輪帯位相素子の構成は、その目的に合せて最適化されて設計される。
【００３３】
図５は、本実施形態の輪帯位相素子１００の一例である光透過性物質により作製するＢＰＰの概略構成を示す構成図であり、その平面図（図５Ａ）および中央を通る位置における断面図（図５Ｂ）である。輪帯位相素子１００は、典型的にはガラスなどの、使用する波長の光にとって透過性を示す物質により作製される。平面視中央を中心にして同心円（半径ｒ１、・・・ｒＭ、Ｍは１以上の、整数）により仕切られる平面領域を輪帯領域または単に輪帯と呼ぶ。各輪帯Ａ１〜Ａ６は、中央の輪帯Ａ１は円形、その周囲の輪帯Ａ２〜Ａ５はドーナツ型、最外部の輪帯Ａ６は輪帯位相素子１００の基板の平面形状から円を抜いた形状である。ただし、最外部の輪帯Ａ６は、レーザービームが照射されない範囲（例えばアパーチャ８の開口より外の範囲）にて光学的特性を発揮するものではない。各輪帯Ａ１〜Ａ６は、それぞれに隣接する輪帯とは異なる位相を光に与えるように構成される。例えば輪帯位相素子１００が光透過性物質で作製されている場合に、典型的には相互にπだけずれた位相差を持つように、隣合った輪帯の厚みの差が調整される。このような位相を与えるために、光透過性物質では、典型的にはそれ自体の厚みが調整される。出力ビームを必要なパターンに最適に適合させるＢＰＰを設定するためには、一般には、輪帯領域の数、各輪帯を仕切る円のの径、および溝の深さを調整する。ここでは、０とπの二値の位相分布を与えるＢＰＰを設計するために、位相差を決める段差の深さはπ分の位相シフトを生じさせるものに固定することとし、最適化は輪帯領域の数Ｍおよび各輪帯の仕切りとなる円の半径｛ｒｍ｝とする。
【００３４】
理想的ベッセルビームは、アキシコンが平面波により照明されるときに形成される。数学的には、理想的ベッセルビームの複素振幅は、強度分布がＩ（ｒ，ｚ）＝Ｊ０２（ｋｔｒ）と与えられ、
【数１】
0006303088.tif 000002
式（１）
のようにモデル化することができる。式（１）の表現において、ｒおよびｚは半径方向および縦方向の座標値であり、ｋは波数ベクトル、ｋｔ＝ｋｓｉｎαおよびｋｚ＝ｋｃｏｓαにおいて、αは光軸に対する相対的な光線角度である。
【００３５】
無限のエネルギーを含む理想的ベッセルビームは、境界を持たず、不変量となり、伝播において完全に回折が除去されているものと理解されるものの、現実にはそのようなものは存在し得ない。多くの実用的な用途において、ガウシアンビームをアキシコンにより集光させて、ガウシアン・ベッセルビームを生成するように近似が行われる。本願にて従来のベッセルビームと記すものは、理想的（理論的）ベッセルビームと区別しているものの、アキシコンの作用のみにより生成される現実のビームである。理想的なアキシコン、つまり円錐の頂部が理想通りに尖っているものであれば、フレネルの回折積分を解くという解析的な手法によって、生成された従来のベッセルビームの強度分布を求めることができる。
【００３６】
本出願では、ＢＰＰの設計に正確を期すため、頂部付近が丸みを帯びているアキシコンの形状モデルを採用し、具体的にはアキシコンの表面を二葉の回転する双曲面と仮定する。図６は、本実施形態の透過光学素子２００の一例であるアキシコンについて、現実のアキシコンの形状を説明する説明図である。透過光学素子２００は、ベースアングルβに応じた円錐側面を持つように作製されているのが理想的である。しかし、現実のアキシコンは何らかの製造工程の制約から、幾何学的な円錐側面の形状通りには作成されず、頂部付近は、円錐側面の周縁のベースアングルから決まる円錐側面よりも丸みを帯びてしまう。実測した例では、ベースアングルβが２０°のアキシコンで、その双曲面の頂点と理想的なアキシコンの頂点との間の距離τは２１μｍであると決定された。精密なビーム整形を行う場合にこのような形状の設計からの逸脱に対応できなければ、高度な設計が必ずしも実用につながらないといえるが、本実施形態にて提案する輪帯位相素子１００によるサイドローブの抑制ではこのような逸脱は問題とならない。シミュレーションでは、位相のみを扱う限りにおいてアパーチャ８（図３）と輪帯位相素子１００のためのＢＰＰとの双方における回折を考慮しない計算とする。さらに、フィルター（アパーチャおよびＢＰＰ）およびアキシコンを通り越したビームの伝播をシミュレートするために、ハンケル変換に基づく数値的な手法が採用される。こうして、丸みを帯びたアキシコンのすぐ後ろの光電場（ｚ＝０）は、
【数２】
0006303088.tif 000003
式（２）
のように表現される。ここで、Ｅｉｎ＝ｅｘｐ（−ｒ２／ｗｉｎ２）は、ｗｉｎをビームウエスト、ｎおよびｎ０をアキシコンおよび外部の媒体の屈折率として、入射するガウシアンビームの場である。最大厚みｄ、ｚ＝０が理想的なアキシコンの頂点に合わされた薄いアキシコンが考慮されていることに留意すべきである。Ｔ（ｒ）がＢＰＰの透過関数であり、次のように記載することができる：
【数３】
0006303088.tif 000004
式（３）。
ここで、ｒｍは、ｍ番目の輪帯領域の外周円の半径であり、Ｍは輪帯領域の総数であり、ｃｉｒｃ（・）は、次のように定義される円関数である：
【数４】
0006303088.tif 000005
式（４）。
式（３）にて定義されるＢＰＰの透過関数Ｔ（ｒ）はｒとｒｍのみで決まることから、ｚ軸を回転軸とする軸対称な関数といえる。式（３）のＴ（ｒ）の定義は、光に加わる位相の基準からの位相差である位相量が０とπのみとして簡易にＢＰＰを表現するためのものである。式（３）のＴ（ｒ）を含むすべての説明は、任意の位相量を持つ輪帯に対しても同様に成立することには留意すべきである。なお、任意の位相量を持つ輪帯に対するＴ（ｒ）の定義は、より一般的な位相量φｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を各輪帯に対して与え、式（３）における和記号（Σ）直後の位相因子（ｐｈａｓｅｒ）である（−１）ｍ＋１をｅｘｐ（ｉφｍ）（ただし、ｉは虚数単位）と書き換えたものである。
【００３７】
円柱座標系でのＥ（ｒ、０）のハンケル変換を実行することにより、ｚ＝０における場の空間周波数スペクトラムは、
【数５】
0006303088.tif 000006
式（５）
となる。ここで、Ｒは、アキシコンの瞳サイズ（半径）である。次いで角度スペクトル法を適用することにより、距離ｚだけ空間領域中にてスペクトルを伝播させて次を得る。
【数６】
0006303088.tif 000007
式（６）、
ここで、ｋｚ＝ｋ（１−ξ２）１／２は進行方向への波数ベクトルである。こうして、丸みを帯びたアキシコンを通過後に距離ｚを伝播する場はＳ（ξ、ｚ）の逆ハンケル変換により、
【数７】
0006303088.tif 000008
式（７）
のようにして得られる。数値シミュレーションにおいて計算速度を高めるために放物線サンプリングが式（５）〜（７）に採用されることは特筆すべきである。ＢＰＰの最適構造を得るために適切なコスト関数が決定され、その最小化が実行されなくてはならない。本願においてのコスト関数は、ある軸方向範囲［ｚｍａｘ−ｌ，ｚｍａｘ＋ｌ］にわたるＳＬＲ（ｓｉｄｅ−ｌｏｂｅ  ｒａｔｉｏ、サイドローブ比）すなわち最大のサイドローブのピークの、セントラルローブのピークに対する比を求め，その平均が用いられ、具体的には次のように表現される。
【数８】
0006303088.tif 000009
式（８）、
ここでＩ０（ｚ）＝｜Ｅ（０，ｚ）｜２はビームの軸上の強度（同時にセントラルローブのピークの強度）、Ｉ１（ｚ）は最も明るいサイドローブの強度、２ｌ（エル）は、セントラルローブのビーム軸方向の集光範囲を規定しており、次に説明する最適化アルゴリズムにおける探索ウインドウの長さである。
【００３８】
最適化手続において計算途中における収束速度と最適化の効果を良好なバランスをとるため、そして多変量の最適化において最適なフィッティングとするために、最適化するべきパラメータを（Ｍ、｛ｒｍ｝）としてシミュレーテッドアニーリング（ＳＡ）アルゴリズムを採用した。
【００３９】
以上の手法に基づき、実際のＢＰＰを使用してのサイドローブの抑制の有効性を確認する計算を実行し、本実施形態による成果を漸次的に調査した。具体的には、ＤＯＦおよびＳＬＲが異なる整形ベッセルビームを形成できるよう、輪帯領域の外周円の半径の集合を二つ選んだ。つまり、［ｚｍａｘ−１００，ｚｍａｘ＋１００］μｍに対応させて、ＢＰＰを用いる第１例として、｛ｒ１ｍ｝＝｛７８．７，１３０．５，２２５．６，１８２３．６，１８７２．４｝とした。この具体的設計のＢＰＰを採用する条件やその条件で作製された輪帯位相素子１００であるＢＰＰそれ自体を、以下ＢＰＰ１と呼ぶ。同様に、［ｚｍａｘ−５０，ｚｍａｘ＋５０］μｍに対応させて、第２例として｛ｒ２ｍ｝＝｛１４５．５，１８５．０，２００．０，１６９５．８，１９１９．５｝とした。この条件やそのＢＰＰ自体もＢＰＰ２と呼ぶ。
【００４０】
ここで、上述のＳＡアルゴリズムによるパラメータ（Ｍ、｛ｒｍ｝）の最適化プロセスを図７に基づいて説明する。初期化ステップＳ１２では、最適化の初期条件となるＭおよびｒｍを代入する。輪帯位相素子１００として上記ＢＰＰ１、ＢＰＰ２の構成を導いた計算例では、Ｍを初期値では７とし、輪帯領域の外周円の半径の集合である｛ｒｍ｝（ｍ＝１〜７）には、ビームの径に応じて決まる素子サイズを示す範囲から適宜の数値を与える。計算例では［０、２］（ｍｍ）の範囲）において、ランダムな数値列を昇順に並べてそのまま採用した。次いで、拘束パラメータ算出ステップＳ１４にて、｛ｒｍ｝から、輪帯幅の集合｛ｒｍ−ｒｍ−１｝を求める。輪帯幅判定ステップＳ１６にて、｜ｒｍ−ｒｍ−１｜の値が輪帯幅下限値と比較して、輪帯幅が狭くなりすぎた場合（Ｓ１６、分岐Ｙ）には、Ｍを減じる輪帯削減ステップＳ１８を実行し、再び拘束パラメータ算出ステップＳ１４に進む。輪帯幅下限値は、作製プロセスによる限界値を考慮して決められ、計算例では１μｍとした。輪帯幅が狭くなりすぎない場合（Ｓ１６、分岐Ｎ）、上述した式（２）〜式（７）に応じて光電場算出ステップＳ２０を実行する。そして、式（８）にしたがって評価関数であるＳＬＲの平均が算出され、判定基準値（例えば、０．６％）と比較するサイドローブ判定ステップＳ２２が実行される。ＳＬＲの平均が判定基準値にまで低下していない場合には、輪帯領域の外周円の半径の集合である｛ｒｍ｝の各値にランダムな数値Δｒを加えて増加または減少させる更新ステップＳ２４で再び拘束パラメータ算出ステップＳ１４から始まる一連の計算を繰り返す。ＳＬＲの平均が判定基準値を下回れば、出力ステップＳ２６にて、その時点でのパラメータ（Ｍ、｛ｒｍ｝）を最適化済みの結果として出力する。なお、ＳＡアルゴリズムに従う処理は、更新ステップＳ２４で更新に用いられるランダムな数値の決定の際に実行される。上記ＢＰＰ１、ＢＰＰ２の算出では、式（８）のｌの値に応じて異なる外周円の半径の集合が得られている。ＢＰＰ１、ＢＰＰ２の両者でＭは５に減少した。
【００４１】
図８は、横方向および縦方向のビームプロファイルについて、ビーム伝播方向について（図８Ａ、８Ｃ、８Ｅ）、およびビーム直交方向について（図８Ｂ、８Ｄ、８Ｆ）、シミュレーション計算に基づくビームプロファイルを示すグラフであり、従来のベッセルビーム（図８Ａ、８Ｂ）、および輪帯位相素子の典型的な二つの例であるＢＰＰ１（図８Ｃ、８Ｄ）、ＢＰＰ２（図８Ｅ、８Ｆ）のそれぞれを採用して得られるものである。ビーム直交方向については、セントラルローブのピーク位置のもの（Ｍａｘ）と、ビーム伝播方向に渡る平均によるもの（Ｍｅａｎ）を示している。その際のビームウエスト（直径）、ＤＯＦ、ＳＬＲは、表１のように得られた。
【表１】
0006303088.tif 000010
なお、２ｗｏはセントラルローブのビームウエストであり、ＦＷＨＭで決定した直径である。ｚＤＯＦは、ＤＯＦであり光軸向きにＦＷＨＭで測定する。ＳＬＲｍは、ｚ＝ｚｍａｘでのサイドローブ比であり、ＳＬＲバーは、最適化される軸方向範囲［ｚｍａｘ−ｌ，ｚｍａｘ＋ｌ］にわたる平均値の強度から算出されるサイドローブ比である。
【００４２】
また、上記性質が得られることは、例えばシリコンウエハーを加工するためのＴＳＶ形成の観点からみた場合、高アスペクト比のＴＳＶの作製にも潜在的にはＢＰＰが適用できることを意味している。吸収の目安となる量（吸収の断面積）がレーザー強度に非線形に依存する多光子吸収を採用した場合、例えばシリコンウエハーを加工するために波長１．５μｍのｆｓ（フェムト秒）レーザーを使用するＴＳＶ加工のためサイドローブダメージを最小化しようとすると、抑制されたＳＬＲがより一層効果的に働くこととなる。
【００４３】
１−３−２．輪帯位相素子の作用
本実施形態にて実現された整形ベッセルビームでは、従来のベッセルビームと比べ、セントラルローブがビーム軸方向に伸びる長さが短くなっている。すなわち、従来のベッセルビームが約１２ｍｍ程度のＤＯＦを持つのに対し、ＢＰＰ１、ＢＰＰ２を採用する場合には、それぞれ、約５３０μｍ、約２８０μｍとなった（表１）。この点は、一般にベッセルビームにおけるサイドローブの役割と関係している。ベッセルビームでは、ビーム軸方向に延びたセントラルローブを実現するために、アキシコンで半径の異なる位置からの光を互いに同じ頂角を持つ円錐面に沿って進行させ、ビーム軸上の異なる位置に収束させる。このため、ビーム軸に直交するある平面でサイドローブを形成する光は、その平面とは違う位置でビーム軸を切断する別の平面でみるとセントラルローブに寄与している。したがって、ある平面にてサイドローブを抑制すると、ビーム軸上の別の位置のセントラルローブを形成する光が不足してしまう。このことは、サイドローブを抑制するためにはＤＯＦをビーム軸方向のある範囲に限定することが必要となることを意味している。ただし、加工など、目的とする限られたＤＯＦの範囲で光の強度を高めて使用する用途では、過剰にＤＯＦが大きくてもエネルギーが分散して強度が確保できないだけである。目的とする範囲のＤＯＦに対応するサイドローブが弱まることは、そこに分配されてきたエネルギー、つまり目的範囲外のＤＯＦのセントラルローブを形成していたエネルギーを弱めているだけであるから、無駄であったものが減少したこと以外に殆ど影響はない。むしろ、従来のベッセルビームではサイドローブとなり目的範囲外のＤＯＦのセントラルローブを形成していた光は、輪帯位相素子１００の作用によって結局目的のＤＯＦ内のセントラルローブに寄与している。つまり、本実施形態にて適切に設計された輪帯位相素子１００は、サイドローブに分配されていた光を目的範囲のセントラルローブに集める作用をもたらし、より効率的な加工を実現するといえる。なお、輪帯位相素子の作用については、実験結果を説明した後に再度説明する。
【００４４】
１−３−３．実際のＢＰＰによる実験
設計された輪帯位相素子１００のためのＢＰＰをフォトリソグラフィー法により作製した。作製に当たり、ＢＰＰはＢＫ７ガラス基板（１．５ｍｍ厚、１６ｍｍ×１６ｍｍ）により作製された。フォトレジストがガラス基板にスピンコートされ、設計された形状にしたがってパターニングされ、πラジアンつまり半波長分の位相遅れを与えるようにガラスがエッチングされた。使用する波長１．５μｍにおけるＢＫ７の屈折率（１．５０１）に応じて透過光に対しπ分の位相遅れを与える段差は、計算において１．５０μｍであった。これに対し、輪帯位相素子１００における仕上りの段差は、実測で１．６０μｍ（ＢＰＰ１）および１．６５μｍ（ＢＰＰ２）であった。輪帯位相素子１００は透明であり、各輪帯が回転軸からの順に交番して０およびほぼπラジアンだけ位相がシフトするように作成された。
【００４５】
１−４．整形ベッセルビームの性能
整形ベッセルビームについて、実験によりサイドローブの抑制性能を評価した。図９は、実験により得られた横方向および縦方向のビームプロファイルであり、従来のベッセルビーム（図９Ａ）、および輪帯位相素子１００の例であるＢＰＰ１（図９Ｂ）、ＢＰＰ２（図９Ｃ）を採用したものである。また、図１０は、同様に実験により得られたピーク付近におけるビーム断面の強度分布（上段）、そのイメージ（中段）、および強度プロファイル（下段）であり、従来のベッセルビーム（図１０Ａ）、および輪帯位相素子１００の例であるＢＰＰ１（図１０Ｂ）、ＢＰＰ２（図１０Ｃ）のものである。これらの測定には、図３において、透過光学素子２００の出射側に対向する位置に光透過性のスクリーンを配置し、スクリーンを挟んで透過光学素子２００に対向する位置に配置した顕微鏡用対物レンズとその結像位置においたＣＣＤカメラにより、レーザー光のスクリーン上の各位置でのスクリーン透過光量を測定したものであり、セントラルローブがピークとなる光軸方向の位置のものである。なお、測定系への影響を避けるべくレーザー強度は加工等に使用するものよりも弱めた。
【００４６】
図９Ａは、従来のベッセルビームの軸上プロファイル（図中白抜き曲線）およびＸＺ面での典型的ビームプロファイル（濃度画像）である。光軸に沿って半値全幅にて見積もられるＤＯＦは１２ｍｍであり、ビーム進行方向に強度変調が観察された。これらの値は、丸みを帯びたアキシコンを考慮した計算とよく一致した。次に、輪帯位相素子１００の例であるＢＰＰ１およびＢＰＰ２を透過光学素子２００の前に配置して整形ベッセルビームについて測定を行った。ＢＰＰ１については、ｚｍａｘ＝３．８ｍｍ、ｚＤＯＦ＝６００μｍとなるビームが生成されたことが確認された。これは、理論に基づき設計されたパラメータに合致するものであった。ＢＰＰ２については、ｚｍａｘ＝２．３５ｍｍ、ｚＤＯＦ＝４２０μｍであり、計算からのずれが認められた。このずれの原因について、本発明者は、入射ビームのいくらか低い品質が原因となっていること、ＢＰＰの作製解像度に制限がある点も原因となっている、と考えている。
【００４７】
さらに、ｚ＝ｚｍａｘの位置におけるパターンを、従来のベッセルビーム、ＢＰＰ１、ＢＰＰ２による整形ベッセルビームについて調査した。その理由は、ビームプロファイルは、ＴＳＶの加工において重要なためである。図１０に示すように、ベッセルビームのサイドローブは、輪帯位相素子１００の例であるＢＰＰを採用することにより有効に抑制されること、そして、ＢＰＰ２がより望ましい結果をもたらすことが確認された。これらは計算とよく整合しているものである。
【００４８】
以上に示したように、本実施形態のビーム整形装置１０では、アキシコンなどの透過光学素子２００に輪帯位相素子１００を追加する簡易な構成で、十分にサイドローブを抑制できる。このように簡易な手段でサイドローブが抑制された整形ベッセルビームが実現されれば光軸方向に延びたセントラルローブを利用するレーザーの任意の用途が実用的なものとなる。また、輪帯位相素子１００を追加するのみでレーザーを殆ど吸収せずにサイドローブを抑制できる性質は、レーザーの強度を利用する用途においてとりわけ有用である。
【００４９】
１−５．サイドローブの光のセントラルローブへの集結
アキシコンの中心近くを通る光はアキシコンに近いビーム軸上の位置で、また、アキシコンの周縁付近を通る光は、遠いビーム軸上の位置でそれぞれ集光する。輪帯位相素子１００の作用の詳細を、特に実際に設計したＢＰＰ１、ＢＰＰ２の数値も考慮して説明する。再び図５を参照すると、輪帯位相素子１００は、各輪帯Ａ１〜Ａ６により、回転軸回りに軸対称の位相分布をレーザー光に付与する。この各輪帯Ａ１〜Ａ６、より一般には、複数の輪帯領域を含む範囲のうち、レーザー光に作用する部分（例えばアパーチャ８により遮蔽されなかったレーザーが到達する部分）は、回転軸を含む中心領域１０２と、その中心領域１０２を囲む中間領域１０４と、中間領域１０４を囲む周縁領域１０６という互いに重なりを持たない領域に大別される。
【００５０】
図５には中心領域１０４、中間領域１０６、および周縁領域１０６を各輪帯Ａ１〜Ａ６に対応させている。図５Ａおよび５Ｂにおいては、中心領域１０２は輪帯Ａ１〜Ａ３を含み、周縁領域１０６は輪帯Ａ５、Ａ６を含む。中間領域１０４は、輪帯Ａ４の全部またはそのうちの内径および外径付近を除いたリング状の部分、のいずれかである。図５Ａおよび５Ｂに示すように、中心領域１０２および周縁領域１０６では、それぞれ輪帯Ａ１から輪帯Ａ４に至る厚みの変動、および、輪帯Ａ４から輪帯Ａ６に至る厚みの変動により、レーザー光に対し位置に応じ一定でない変化する位相が付与される。これに対し、中間領域１０４では輪帯Ａ４の一定の厚みによりレーザー光に対し位置が変わっても一定の変化しない位相が付与される。
【００５１】
中心領域１０２および周縁領域１０６での変化する位相、および中間領域１０４での変化しない位相という付与される位相分布は、サイドローブに分配されることとなる光がセントラルローブに集まるという上述した作用と関連している。つまり、中間領域１０４を通過するレーザー光は波面が大きく乱されることなく伝播し、透過光学素子２００の屈折作用によって例えばｚ０（図４Ｃ）付近に向かって収束する。中間領域１０４を通過する光は、従来のベッセルビームがアキシコンにより形成される現象に従う。これに対し、中心領域１０２および周縁領域１０６を通過するレーザー光には一定ではなく変化する位相が付与されることから、弱め合う干渉が生じる。透過光学素子２００の屈折作用を受けると、中心領域１０２を通過した後のレーザー光はｚ０よりも近い位置（ｚ＜ｚ０）に光が到達するはずであるが、その位置に向かうレーザー光は弱め合う干渉のために弱まる。周縁領域１０６に対応する遠い位置（ｚ＞ｚ０）のレーザー光も同様に弱まる。輪帯位相素子１００にて弱め合う干渉の生じる位置とそれに対応するビーム軸上での位置関係から、輪帯位相素子１００を通過した光は、センターローブのビーム軸方向にて近い位置（ｚ＜ｚ０）および遠い位置（ｚ＞ｚ０）へは到達し得ない。ビーム軸方向ｚ０に対応する中間領域１０４のみがこのような作用を持たずにレーザーを伝播させるため、輪帯位相素子１００は、中間領域１０４を透過したレーザー光が伝播する円環状の範囲に通過した光を集める作用をもつ。こうして輪帯位相素子１００はｚ０前後そのビーム軸方向の圧縮作用を発揮する。このビーム軸方向の圧縮は、上述したようにｚ０の位置におけるサイドローブの光の抑制を伴っているため、サイドローブの抑制とも等価であり、サイドローブからセントラルローブへ光を集める作用の原因となっている。
【００５２】
上記定性的な説明は、上述のＳＡアルゴリズムによるパラメータ（Ｍ、｛ｒｍ｝）の最適化プロセス（図７）に基づいて多数の計算機実験から選別される設計においても同様に成り立っていることに留意されたい。例えば、ＢＰＰ１、ＢＰＰ２の具体的数値において中心領域１０２および周縁領域１０６に対応する領域で厚みが変化しており、それらの間の中間領域１０４にて厚みが一定となっている。中間領域１０４を半径ｒ３〜半径ｒ４の輪帯Ａ４領域とみた場合、計算対象のレーザーが透過する範囲（半径２ｍｍ）のうち輪帯Ａ４の幅はＢＰＰ１、ＢＰＰ２ともに約１．５ｍｍ程度を占めている。輪帯Ａ４のうち内径および外径の付近はさらに内側の輪帯Ａ３およびさらに外側の輪帯Ａ５にてレーザー光に付与される位相の影響により弱め合う干渉にも寄与するが、輪帯Ａ４の約１．５ｍｍの幅の中央部は弱め合う干渉とは無関係である。つまり、ＢＰＰ１、ＢＰＰ２はともに上述した定性的説明に従う作用を発揮するものといえる。なお、中心領域１０２、中間領域１０４、そして周縁領域１０６の具体的範囲や、中心領域１０２および周縁領域１０６においていくつの輪帯が含まれるべきかは、いずれも設計に依存する。これらの具体的設計は例えばレーザービームの径、ＤＯＦのサイズ等に応じて決定することができる。ただし、中間領域１０４では一定の変化しない位相を付与するのであるから、高々１つの輪帯にのみ対応する。また、中心領域１０２、中間領域１０４、そして周縁領域１０６と領域を区切ってサイドローブからセンターローブに光を集める動作を実施できる輪帯位相板は、二値位相板に限定されず、位相を付与する他の形式の位相板とすることもできる。
【００５３】
２．除去加工装置
２−１．全体構成
本発明では、整形ベッセルビームを利用する除去加工装置の実施形態も提供される。図１１は、除去加工装置１０００の構造を示す構成図である。以下、シリコン基板を加工対象物の半導体基材とする場合を説明する。除去加工装置１０００は図３に示したビーム整形装置１０を一部に含んでいる。ビーム整形装置１０に入射するレーザーは、加工のためにレーザー強度やパルス照射時間を調整する制御や実装のための追加光学系９（可変ＮＤフィルター９２、シャッター９４、ミラー９６）が追加される点以外は図３の構成と同様である。以下の説明において、輪帯位相素子１００は、比較のために除外されて従来のベッセルビームを生成して加工する場合があり、また、ＢＰＰ１とＢＰＰ２に入れ替えて、整形ベッセルビームの条件を変更する場合もある。光源２からはパルス状にされたシリコン基板の内部に到達可能な波長（例えば波長１．５μｍ）のレーザーが照射される。輪帯位相素子１００による位相分布の付加を経て透過光学素子２００によって収束されるビームは、整形ベッセルビームＴＢＢとなる。整形ベッセルビームＴＢＢの加工に適するピーク範囲は図９Ｂ、９Ｃに示したように、従来のベッセルビーム（図９Ａ）に比べて光軸方向の範囲が限定されるものの、それでも２００μｍ程度の長さを維持している。このため、例えば加工対象物Ｗがシリコンウエハーで薄板化されたものであれば、その厚み（例えば１００μｍ厚）を少なくともピーク範囲を実現することは困難ではない。
【００５４】
例えばシリコンウエハーである加工対象物Ｗは、位置合わせ装置３００となるステージに必要に応じ一時的に固定される。位置合わせ装置３００は整形ベッセルビームＴＢＢが加工対象物Ｗに入射することを妨げない。除去加工の様子は必要に応じ観察光学系４００を通じ画像化される。観察光学系４００は、通常の光学顕微鏡の光学系と同様であり、対物レンズ４２０を通じ加工対象物Ｗの紙面上の上方の面の画像をカメラ４３０によって取得する。貫通孔が形成された場合に観察光学系４００に除去加工のための波長の光がカメラ４３０に到達することを防ぐフィルター４１０も適宜配置される。カメラ４３０からの画像または映像は、必要に応じ処理、保存、または表示される。
【００５５】
整形ベッセルビームＴＢＢは、加工対象物Ｗ内部においても依然としてセントラルローブにエネルギーが集中しサイドローブが抑制された整形ベッセルビームとしての性質を維持し続ける。加工対象物Ｗに外部から入射する際に屈折しても、波面は、頂角が変化するものの円錐面であり、依然としてビーム軸に収束して進む。また、輪帯位相素子１００による位相変化も、同様に加工対象物Ｗに到達するレーザーに影響を与える。例えば屈折の影響により、セントラルローブの遠端位置が加工対象物の有無や加工対象物の厚みの影響をうける。この影響は屈折による波面の方向変化により説明され、波面の幾何学的な変化に伴う位置の変化にすぎない。本出願全般におけるセントラルローブとの表現は、図１に示したような整形ベッセルビームによるセントラルローブが空間（真空または空気）において形成される場合のみならず、その一部または全部が屈折率媒体中に位置する場合まで含め、実際にピークが得られる範囲を示すこととする。例えば位置合わせなどにより光と屈折率媒体の位置関係が変化した場合、発生させた整形ベッセルビームのセントラルローブが当該位置関係の変化に応じ変化する場合がある。
【００５６】
２−２．レーザー
本実施形態におけるレーザーの選択は除去加工の原理と密接に関連する。波長については典型的には、加工対象物が強い吸収を示さない長い波長に設定される。これを満たさず吸収が強いと、加工対象物の内部に光が到達せず、加工対象物の内部にて整形ベッセルビームは形成されない。加工対象物Ｗがシリコン基板である場合に好適なレーザーは、シリコン単結晶のバンドギャップ（１．１２ｅＶ）に対応する１．１３μｍより長い波長を持つものであり、例えば１．５μｍとされる。他の種類の半導体基材が加工対象物となる場合であっても、その加工対象物の吸収波長帯域を外れる長波長側にレーザーの波長が選ばれる。ただし加工対象物表面でのみ整形ベッセルビームを形成しようとする場合は、不透明なより短い波長のビームを用いることもできる。
【００５７】
除去加工の実用性を高める目的では、整形ベッセルビームによって強い光の範囲を位置的に制限することを含め、強い光強度を得ることが有用である。除去ターゲットパスのセントラルローブにある加工対象物の内部の材質により多光子吸収を生じさせるため、光電界を強めることが効果的となる。このため、レーザーパルスのパルス幅（パルス期間）を短くして光電界を強めることが好ましい。利用される光源のパルスレーザーは、パルス発振可能なレーザーやパルス励起されるレーザーを利用することができ、さらに必要に応じてビーム圧縮など任意の手法によって時間軸上でのパルスの圧縮も利用することができる。
【００５８】
光源がパルスレーザーであれば、上述した波長を適切に設定するためにも、光学結晶を利用することができる。上述した光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）４は、波長の調整が容易とパルス発振の要件とを両立させることに役立つ。一方、最初から所望の波長およびパルス幅のパルスを発振するレーザーを用意すれば、ＯＰＡ４は必要ではない。
【００５９】
２−３．加工原理
上述したように本実施形態では非線形吸収、特に多光子吸収が利用される。光電界が位置的・時間的に圧縮された強大なものとなっていれば、コヒーレントに重ね合わされて強大化した電界の作用により仮想準位を媒介した複数の遷移を同時に起こすことができる。このような仮想準位を媒介した遷移の確率は、レーザーのパルス幅が短くなればなるほど高くなるが、励起された電子が緩和して熱となって散逸する時間内程度であれば十分な遷移確率が得られるとともに、非熱的な良好なアブレーション加工を実行することができる。また、多光子吸収は、電界が強大になることにより確率が増すため、光がピーク位置（図１、ｚ軸）に到達するまでは多光子吸収の確率は小さい。つまり、多光子吸収が生じることは、ピーク位置までに通常の意味における吸収が生じることを意味してはいない。もし、従来のベッセルビームを採用すると、セントラルローブより小さな強度のサイドローブがビーム軸に同軸な円筒面の位置に極大値を持つように多数生成される。光電界が強大な場合には、サイドローブにおいても確率的に吸収が生じる可能性があるため、セントラルローブへのエネルギーが減殺される。
【００６０】
図１１に示すように加工対象物Ｗは位置合わせ装置３００に対し少なくとも一時的に固定されている。位置合わせ装置３００はピーク範囲に対し加工対象物Ｗの相対位置を調整するよう動作する。
【００６１】
２−４．補助液による改良
次に、補助液を利用する実施形態について説明する。図１１には、補助液を利用する実施形態のための構成である補助液容器５００および補助液ＡＬもあわせて記載している。補助液ＡＬは、加工対象物Ｗの入射側の第１面とは逆の第２面ＳＲに接している。加工対象物Ｗに設定される除去ターゲットパスは、第２面ＳＲに届きそこで終端している。位置合わせ装置３００は、透過光学素子２００からの整形ベッセルビームパルスが加工対象物Ｗの内部を通るセントラルローブが補助液に到達するように、位置合わせする。
【００６２】
補助液ＡＬは、加工対象物Ｗを通り第２面ＳＲを出射したレーザー光を受けると、加工対象物Ｗの第２面ＳＲ側からのエッチングを助ける作用をもつ。このような作用を持つ任意の液体が本実施形態の補助液として採用される。その一例は硝酸銀（ＡｇＮＯ３）水溶液である。
【００６３】
補助液ＡＬを利用すれば、アブレーションを生じさせるほどに強いピークが得られない場合にも、ピーク範囲に限定した除去加工が可能となる。例えば、加工対象物Ｗが厚い場合、加工対象物Ｗの内部に到達可能なレーザーの波長を適切に選択しても、低い確率にて生じる多光子吸収等のために特に出射側表面近くにおいて十分な強度のピークが得られないことがある。そのような場合も補助液により第２面ＳＲ側からエッチングが促進されれば加工が容易となる。この場合でも、整形ベッセルビームではサイドローブが抑制されているため、サイドローブの位置で意図しない加工が進行することを回避できる。
【００６４】
２−５．除去加工の実施例
次に本実施形態の除去加工についての実施例を説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。以下の説明においては、これまでに説明した図面も引き続き参照し、説明済みの要素の符号はそのまま用いる。
【００６５】
図９、１０に説明した従来のベッセルビームおよび整形ベッセルビームによりＴＳＶの加工性を確認した。加工対象物Ｗとしてシリコンウエハーを採用し、簡単のため、ビームに対しシリコンウエハーを固定した。パルスエネルギーは、各ビームで貫通孔を形成するための閾値よりも僅かに高く設定し、ショット数（パルス数）は、ＴＳＶのテーパー角を最小化するような値に最適化した。
【００６６】
従来のベッセルビームでは、最適化されたパルスエネルギーおよびショット数は、それぞれ、１９６μＪおよび５００ショット、と最適化された。パルスエネルギーが大きくなったのは、従来のベッセルビームではサイドローブの大きな比率のためであり、長いｚＤＯＦを生成することと等価であると考えている。ＢＰＰ１およびＢＰＰ２が採用されてＴＳＶ加工を行うケースでは、必要なパルスエネルギーは、それぞれ１３５μＪおよび４７μＪへと減少させることができ、最適化されたショット数は、両方のＢＰＰに対して８００ショットとなった。重要なことは、ＢＢＰを採用することによって、ベッセルビームのサイドローブが抑制されエネルギーがセントラルローブの形成により集中するためＴＳＶ形成のために必要なパルスエネルギーを大きく削減することができることである。従来のベッセルビームおよび整形ベッセルビームの双方において、ＴＳＶ加工の最中に、シリコンサンプルの前面表面について、ｚ＝ｚＭＡＸとした。
【００６７】
レーザーにて貫通孔を開けた後ＴＳＶサンプルをけがきナイフによりカットして、ＳＥＭ検査によって断面を確認した。図１２は、５０μｍ厚のＳｉ基板を対象に別々のプロファイルをもつレーザービームにより貫通孔を形成し、そのＴＳＶサンプルを切断した断面のＳＥＭ観察象である。従来のベッセルビームを採用することにより、ほぼテーパーのないＴＳＶが実現されたものの、３次までのサイドローブが、ＴＳＶのまわりに好ましからざるダメージを生成した。ＢＰＰ１を使用することにより、サイドローブ誘起ダメージは、有意に抑制されたが、１次サイドローブにより引き起こされたダメージは、２．２％もの相対的に高いＳＬＲのために検知された。これに対し、ＳＬＲを０．６％程度にまで軽減し、サイドローブのエネルギーをダメージの生じる閾値より小さくしたＢＰＰ２は、完全に明白なダメージを除去できた。
【００６８】
さらに、１００μｍ厚のＳｉ基板でのＴＳＶ形成を、上記３種類のｆｓレーザービームで試みたが、５０μｍ厚とは異なり１００μｍ厚のＳｉ基板でのＴＳＶがＢＰＰ２の整形ベッセルビームのみＴＳＶが形成できたことは、留意されるべきである。図１３は、１００μｍ厚Ｓｉ基板に対して５０μｍ間隔（配列ピッチ）のＴＳＶアレイを形成したサンプル（「ＴＳＶサンプル」と呼ぶ）の断面（図１３Ａ）、表面（入射側：図１３Ｂ、出射側：図１３Ｃ）を観察したＳＥＭ観察象である。図１３Ｂ、１３Ｃにおける挿入図の縮尺バーは５μｍ長である。１００μｍ厚のＳｉ基板でのプロセスのために最適化されたパルスエネルギーおよびショット数が１０４μＪおよび１２００ショットである。他の２種類のｆｓレーザーでは、入射パルスエネルギーおよびショット数を増大しても５０μｍ厚とは異なり１００μｍ厚Ｓｉ基板に穴を貫通させえなかった。ＢＰＰ２では、１００μｍ厚Ｓｉ基板に５０μｍ間隔のＴＳＶアレイが作製された。図１３Ａの断面から分かるように、サイドローブ誘起のダメージで検知可能なものは観察されず、本手法が１００μｍ厚といった厚いＳｉ基板に対し有効であることを証明するものとなった。図１３Ａにおいて、甚だしい微小片の付着がＳｉ基板の特に前面側（紙面上方）にて観察された。この微小片を除去するために、ＴＳＶサンプルを４７％ＨＦ、７０％ＨＮＯ３、および１００Ｈ２Ｏ（体積比５：３：１）中に１０分浸漬し（超音波なし）、その後イオン交換純水にて洗浄した。この手順の後、ＴＳＶサンプルは図１３Ｂ、１３Ｃに示すように前面および裏面ともに清浄な表面となった。
【００６９】
３．変形例
本発明は上述した各実施形態を変形した種々の実施形態により実施することができる。これを変形例として説明する。
【００７０】
３−１．変形例１：ＢＰＰ以外の輪帯位相素子
上述した説明は主にＢＰＰ（二値位相板）を例にして輪帯位相素子の有効性を示したが、本実施形態に採用可能な輪帯位相素子は、必ずしもＢＰＰであることを要さない。例えば３値またはそれ以上の値の位相分布を与えるものも有効である。さらに、位相が２π（１振動、または１波長）の整数倍について見分けが付かない性質から、例えば階段状に厚みが異なり２π以上の位相差を与える位相分布は、位相差として増減を与えることと同様に扱うことができる。
【００７１】
３−２．変形例２：アキシコンの向き
上述した説明では、透過光学素子２００の円錐側面をもつ突出面を出射側に固定して説明したが、輪帯位相素子１００の性質やレーザー強度とアキシコンの材質の耐久性などによっては、アキシコンの円錐側面をもつ突出面を入射側にすることもできる。
【００７２】
３−３．変形例３：密着・一体化
各実施形態では別々に準備された透過光学素子２００と輪帯位相素子１００とを互いに離して配置する使用例に基づいて説明したが、透過光学素子２００と輪帯位相素子１００はその機能を保ったまま互いに密着させて使用することができる。例えば、図３に示すようにレーザー光源２の側から輪帯位相素子１００、透過光学素子２００と配置する際には、輪帯位相素子１００はその距離をあらかじめ決定した上で設計・製造されるものの、輪帯位相素子１００と透過光学素子２００との距離は設計の時点では配置可能な任意の距離とされる。したがって、例えば、輪帯位相素子１００を透過光学素子２００に直接または何らかの光透過性の層を介して密着させることも本発明の実施形態の一つとなる。その場合、界面が減少することによる透過光量の増加や、アライメント要因の削減による実用性の向上が期待できる。さらに、透過光学素子２００と輪帯位相素子１００とを一体の光透過性部材に統合する構成も実用性が高い。透過光学素子２００の平面部に何らかの光透過性薄膜のパターニングを施したり、または、透過光学素子２００の材質そのものをエッチングするなどの方法により輪帯位相素子１００を統合することは実用性の観点で好ましい。例えば透過光学素子２００の円錐側面が、上述した丸みのような形状ばらつきが避けられない場合に、個別の透過光学素子２００の形状エラーを反映した輪帯位相素子１００が統合していれば、使用者は所期の性能が簡易に得られるビーム整形装置１０を一つの光学部材のみで得ることができる。同様に透過光学素子２００および輪帯位相素子１００に加え、例えばアパーチャ８が追加して統合されていることも好ましい。
【００７３】
３−４．変形例４：除去加工による切断
上述した説明の特に貫通孔に関する説明では、孤立した貫通孔またはそのアレイの加工を説明した。本実施形態の加工方法を使用すれば、線状に連続して例えばＳｉウエハーを切断することができる。細い線幅で切断できる本実施形態の除去加工方法は、例えばウエハーから多数の有効なチップを切り出す用途で有用である。また、回転薄膜砥石によるダイシングとは異なり直線ばかりか複雑な曲線や閉じた曲線の形状の切断ができる点でも本実施形態の除去加工は有用である。
【００７４】
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および構成例は発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた特許請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は光軸方向に延びたセントラルローブを持つレーザーを使用する任意の装置、または、そのようなレーザービームによる除去加工を行う任意の装置に使用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１０  ビーム整形装置
１００  輪帯位相素子
１０２中心領域
１０４  中間領域
１０６  周縁領域  ２００  透過光学素子
２  光源
４  光パラメトリック増幅器
６  ビームエキスパンダー
８  アパーチャ
９  追加光学系
９２  可変ＮＤフィルター
９４  シャッター
９６  ミラー
１０００  除去加工装置
３００  位置合わせ装置
４００  観察光学系
４１０  フィルター
４２０  対物レンズ
４３０  カメラ
５００  補助液容器
Ａ１〜Ａ６  輪帯
Ｗ  加工対象物
ＳＲ    第２面
ＡＬ    補助液
【図１】
0006303088.tif 000011
【図２】
0006303088.tif 000012
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0006303088.tif 000016
【図７】
0006303088.tif 000017
【図８】
0006303088.tif 000018
【図９】
0006303088.tif 000019
【図１０】
0006303088.tif 000020
【図１１】
0006303088.tif 000021
【図１２】
0006303088.tif 000022
【図１３】
0006303088.tif 000023