(57)【要約】【課題】ビーム品質が劣化したレーザ光源の使用による加工のムラや、安価なレーザ光源の使用による加工の縁のだれを防止可能なレーザ加工装置を提供する。【解決手段】スリット１５の像を第３レンズ１６および第４レンズ１７を介して縮小させてワーク１８に結ぶレーザ加工装置１０において、レーザ光源１１からのレーザ光をフーリエ変換する第１レンズ１２、位相や振幅を変調する透過型位相振幅変調器１３（又は反射型位相振幅変調器２３）および逆フーリエ変換する第２レンズ１４を介してスリット１５に入射する。【選択図】図１   
2005144524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、該レーザ光源から出射された光を整形するスリットと、該スリットで整形された光をフーリエ変換する第３レンズと、該第３レンズでフーリエ変換された光を逆フーリエ変換する第４レンズとを含み、前記スリットの前記第４レンズが結んだ像でワークを加工するレーザ加工装置において、
前記レーザ光源および前記スリット間に、前記レーザ光源の出射光をフーリエ変換する第１レンズと、該第１レンズでフーリエ変換された光の位相や振幅を変調する位相振幅変調器と、該位相振幅変調器で位相や振幅が変調された光を逆フーリエ変換する第２レンズとを備え、該第２レンズで逆フーリエ変換された光が前記スリットに入射することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記位相振幅変調器は、前記スリットの代わりに光を略半分遮断する円形開口を設置し、前記第３レンズでフーリエ変換された光を波面計測器で観測した場合に、該波面計測器でベッセル関数分布が観測されるように変調する位相や振幅が調整されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記位相振幅変調器は、変調領域が光軸を中心とする同心円で輪帯状の領域に分けられ、位相が交互に零とπラジアンにそれぞれ変調されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記位相振幅変調器は、位相が光軸を中心に擂鉢状に変調されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記位相振幅変調器は、請求項２における変調および請求項３における変調を積算した関数で変調されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記位相振幅変調器は、請求項２における変調および請求項４における変調を積算した関数で変調されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記位相振幅変調器および前記スリットは、コントローラに接続され、該コントローラは、前記スリットの開口の形状に応じて、前記位相振幅変調器で変調する位相や振幅を変えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
レーザ光源およびワーク間に前記レーザ光源からの光が入射するスリット、該スリットからの出射光をフーリエ変換する第３レンズおよび逆フーリエ変換する第４レンズを含み、前記第３レンズの焦点距離が前記第４レンズの焦点距離より大きいレーザ加工装置において、
前記レーザ光源および前記スリット間に配置され、それぞれレーザ光をフーリエ変換および逆フーリエ変換する第１レンズおよび第２レンズと、該第１および第２レンズ間に配置されレーザ光の位相や振幅を変調する位相振幅変調器とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
前記位相振幅変調器は、透過型位相振幅変調器であり、前記レーザ光源および前記ワークが実質的に同一光軸上に配置されることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記位相振幅変調器は、反射型位相振幅変調器であり、前記第１レンズおよび前記第２レンズ間で光軸が変更されることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ加工装置に関して、特に誘電体基板に金属薄膜が形成されたワーク、例えばレチクルやフォトマスク、液晶等の誤配線をアブレーションにより修正する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘリウムネオンレーザ、炭酸ガスレーザ、アルゴンレーザおよびＹＡＧレーザ等のパワーに大きいレーザ光は、誘電体基板、金属その他のワークの切断、溶接、熱処理、穴あけ等の加工を行うためにレーザ加工装置が広く採用されている。斯かる目的に使用される従来の一般的なレーザ加工装置は、種々の特許文献等に開示されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平１０−３２３７８７号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】特開２００３−１１２２８０号公報（第７頁、第６図）
【０００３】
図４は、従来の一般的なレーザ加工装置の例を示す。このレーザ加工装置１００は、発振器１０１、レンズ１０２、光ファイバ１０３、レンズ１０４、スリット１０５およびレンズ１０６、１０７により構成される。このレーザ加工装置１００により、ワーク１０８の加工を行う。
【０００４】
ここで、発振器１０１を出射した光は、レンズ１０２で光ファイバ１０３に結合される。光ファイバ１０３を導波した光は、レンズ１０４を経てスリット１０５に入射する（又は照明する）。スリット１０５の像は、焦点距離がαのレンズ１０６および焦点距離がβのレンズ１０７でβ／αに縮小されてワーク１０８に結ばれる。ワーク１０８は、例えば誘電体基板に金属薄膜が形成されており、レーザ光の照射された部分で吸収されて急激に温度が上昇し金属を気化する。そのため、誘電体が剥き出しになり、誤配線を修正できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の如き従来のレーザ加工装置１００において、発振器１０１からレンズ１０４までをレーザ光源と呼べば、このレーザ光源は、安定性が求められる発振器１０１を固定しながら、その一方、レンズ１０４を駆動させることで、自由にレーザ光を配給できる。そのため、極めて機動性が高く、近年頓に大型化が進行する、例えば液晶の分野でレーザ加工装置の光源として珍重されている。しかし、光ファイバ１０３を導波した光は、ビーム品質が劣化しており、加工にムラが生じるという課題があった。
【０００６】
また、レーザ光の照射されない部分に熱が逃げるため、加工の縁がだれるという課題があった。熱の逃げの影響は、光のパワーを増加させると共に光の照射時間を減少させる対策で抑制されてきたが、高価なレーザ光源が要求された。
【０００７】
本発明は、従来のレーザ加工装置の上述の如き課題に鑑みなされたものであり、ビーム品質が劣化したレーザ光源を使用しても、加工にムラが生ぜず、また、安価なレーザ光源を使用しても加工の縁がだれない、レーザ加工装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の課題を解決するため、本発明によるレーザ加工装置は、次のような特徴的な構成を採用している。
【０００９】
（１）レーザ光源と、該レーザ光源から出射された光を整形するスリットと、該スリットで整形された光をフーリエ変換する第３レンズと、該第３レンズでフーリエ変換された光を逆フーリエ変換する第４レンズとを含み、前記スリットの前記第４レンズが結んだ像でワークを加工するレーザ加工装置において、
前記レーザ光源および前記スリット間に、前記レーザ光源の出射光をフーリエ変換する第１レンズと、該第１レンズでフーリエ変換された光の位相や振幅を変調する位相振幅変調器と、該位相振幅変調器で位相や振幅が変調された光を逆フーリエ変換する第２レンズとを備え、該第２レンズで逆フーリエ変換された光が前記スリットに入射するレーザ加工装置。
【００１０】
（２）前記位相振幅変調器は、前記スリットの代わりに光を略半分遮断する円形開口を設置し、前記第３レンズでフーリエ変換された光を波面計測器で観測した場合に、該波面計測器でベッセル関数分布が観測されるように変調する位相や振幅が調整されている上記（１）に記載のレーザ加工装置。
【００１１】
（３）前記位相振幅変調器は、変調領域が光軸を中心とする同心円で輪帯状の領域に分けられ、位相が交互に零とπラジアンにそれぞれ変調されている上記（１）に記載のレーザ加工装置。
【００１２】
（４）前記位相振幅変調器は、位相が光軸を中心に擂鉢状に変調されている上記（１）に記載のレーザ加工装置。
【００１３】
（５）前記位相振幅変調器は、上記（２）における変調および上記（３）における変調を積算した関数で変調されている上記（１）に記載のレーザ加工装置。
【００１４】
（６）前記位相振幅変調器は、上記（２）における変調および請求項４における変調を積算した関数で変調されている上記（１）に記載のレーザ加工装置。
【００１５】
（７）前記位相振幅変調器および前記スリットは、コントローラに接続され、該コントローラは、前記スリットの開口の形状に応じて、前記位相振幅変調器で変調する位相や振幅を変える上記（１）に記載のレーザ加工装置。
【００１６】
（８）レーザ光源およびワーク間に前記レーザ光源からの光が入射するスリット、該スリットからの出射光をフーリエ変換する第３レンズおよび逆フーリエ変換する第４レンズを含み、前記第３レンズの焦点距離が前記第４レンズの焦点距離より大きいレーザ加工装置において、
前記レーザ光源および前記スリット間に配置され、それぞれレーザ光をフーリエ変換および逆フーリエ変換する第１レンズおよび第２レンズと、該第１および第２レンズ間に配置されレーザ光の位相や振幅を変調する位相振幅変調器とを備えるレーザ加工装置。
【００１７】
（９）前記位相振幅変調器は、透過型位相振幅変調器であり、前記レーザ光源および前記ワークが実質的に同一光軸上に配置される上記（８）に記載のレーザ加工装置。
【００１８】
（１０）前記位相振幅変調器は、反射型位相振幅変調器であり、前記第１レンズおよび前記第２レンズ間で光軸が変更される上記（８）に記載のレーザ加工装置。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のレーザ加工装置によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。即ち、ビーム品質が劣化したレーザ光源を使用しても、加工むらが解消又は大幅に軽減可能である。更にまた、本発明のレーザ加工装置によると、安価なレーザ光源を使用しても、加工の縁がだれないので、良好な加工が可能である。従って、微細加工等を必要とする液晶表示パネルや半導体集積回路（ＩＣ）等の製造に特に有効である。
【実施例１】
【００２０】
以下、本発明によるレーザ加工装置の好適実施例の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
先ず、図1は、本発明によるレーザ加工装置の第１実施例の構成図である。このレーザ加工装置１０は、レーザ光源１１およびワーク１８間に順次配置された第１レンズ１２、透過型位相振幅変調器１３、第２レンズ１４、スリット１５、第３レンズ１６および第４レンズ１７により構成される。
【００２２】
図１に示すレーザ加工装置１０において、レーザ光源１１を出射した光は、焦点距離がｆ１の第１レンズ１２でフーリエ変換され、透過型位相振幅変調器１３で位相や振幅が変調され、焦点距離がｆ２の第２レンズ１４で逆フーリエ変換され、スリット１５を照明する。このスリット１５は、レーザ光を整形する精密機構部品であるため、ビームスポットが小さいと整形できないが、ワーク１８は、小さなビームスポットで加工したい。このため、焦点距離ｆ３の第３レンズ１６および焦点距離ｆ４の第４レンズ１７で構成する像転送光学系にてｆ３／ｆ４に縮小したスリット１５の像をワーク１８に結ぶ。尚、レーザ光源１１は、従来の技術で説明したように光ファイバを含んだものでも、単純に発振器とビームエキスパンダのみで構成されるものでもよい。
【００２３】
透過型位相振幅変調器１３およびスリット１５は、フーリエ変換の関係にある。即ち、レーザ光源１１を出射した光を関数ｇ（ｚ）で表し、透過型位相振幅変調器１３における変調を関数Ｈ（ω）、スリット１５の開口を関数ｊ（ｚ）、ワーク１８における光を関数ｋ（ｚ）で表すと、次の（式１）の関係が成立する。
ｋ（ｚ×ｆ３／ｆ４）＝Ｆ−１[Ｆ[ｇ（ｚ）]×Ｈ（ω）] ×ｊ（ｚ）・・・（式１）
ここで、Ｆ[]はフーリエ変換を表し、Ｆ−１[]は、逆フーリエ変換を表す。従って、レーザ光源１１を出射した光がいかに歪んでいても、
Ｆ[ｇ（ｚ）]×Ｈ（ω）＝ステップ関数
なる関係を満たすような変調を透過型位相振幅変調器１３が実現できれば、歪みは完全に除去可能である。実際には、スリット１５の代わりに、光を略半分遮断する円形開口を設置し、第３レンズ１６でフーリエ変換された光が波面計測器でベッセル関数に観測されるように、透過型位相振幅変調器１３を調整することで、この状態は実現できる。
【００２４】
ワーク１８における光の空間強度分布は、空間方向に強度の変化が少ない領域が主に低い空間周波数成分で構成され、空間方向に強度の変化が多い領域が主に高い空間周波数成分で構成される。それゆえに、中程度の空間周波数成分を除去すれば、加工の縁がだれなくなる。
【００２５】
透過型位相振幅変調器１３の変調領域を、光軸を中心とする同心円で輪帯状の領域に分け、透過型位相振幅変調器１３における光の空間強度分布をガウス関数で近似すれば、最大強度の１／ｅ２の近傍の領域の透過率を抑制することで、加工の縁のだれを防止できる。しかし、透過率の抑制は、そのまま光利用率の低下を意味するので好ましくない。透過率を抑制する代わりに、位相を交互に零とπラジアンに変調すれば、光利用率の低下を招くことなく、加工の縁のだれを防止可能である。但し、単純に内側および外側のみに領域を分けると、ワーク１８における光の空間強度分布は、内側の領域の光が形成する振幅と外側の領域の光が形成する振幅でプラスマイナスが反転するため、必ず相殺により零の暗線を生じる。この暗線は、加工に好ましくない結果を生じる。
【００２６】
変調領域を、光軸を中心とする同心円で輪帯状の領域に分ける際には、可能な限り多数の領域に分けることが望ましい。空間周波数の制御と光の空間強度分布の関係は、文献「波動光学（久保田広著）岩波書店」の第２８９〜２９５頁や、論文「Beam profile shaping for laser radars that use detector arrays
(Wilfrid B. Veldkamp etc.) p. 345 / 15 January 1982/ Vol.21, No.2 / APPLIED
OPTICS」に詳しく記載されているので、斯かる公知文献を参照されたい。
【００２７】
同様に、透過型位相振幅変調器１３は、位相が光軸を中心に擂鉢状に変調されていると、光利用率の低下を招くことなく、加工の縁のだれを防止可能である。しかし、変調領域を分ける場合に比較して、分割線による雑音が載りにくいという特徴を有する。透過型位相振幅変調器１３において、光の歪補正のための変調と光の整形のための変調は、両者を司る関数を積算した関数で透過型位相振幅変調器１３を変調することで両立可能である。
【実施例２】
【００２８】
次に、本発明によるレーザ加工装置の第２実施例を、図２を参照して説明する。尚、図１を参照して上述した第１実施例の構成要素に対応する構成要素には、説明の便宜上、同様の参照符号を使用することとする。
【００２９】
本発明の第２実施によるレーザ加工装置２０は、レーザ光源１１およびワーク１８間に配置された、第１レンズ１２、第２レンズ１４、スリット１５、第３レンズ１６および第４レンズ１７を有する点で上述した第１実施例のレーザ加工装置１０と同様である。しかし、第１レンズ１２および第２レンズ１４間に偏光ビームスプリッタ２１が配置され、光路を直角に変更する。更に、偏光ビームスプリッタ２１でスプリットされたビームに対してファラデーローテータ２２および反射型位相振幅変調器２３が設けられている。また、第２レンズ１４およびスリット１５間に増幅器２４が配置されている。
【００３０】
このレーザ加工装置２０において、第１レンズ１２でフーリエ変換された光は、反射型位相振幅変調器２３で位相や振幅が変調される。しかし、反射型位相振幅変調器２３は、第１実施例の透過型位相振幅変調器１３と異なり、入射光が反射光と同じ光路を逆向きに進むため、光を分離しなければない。ファラデーローテータ２２は、往路で偏光を４５°回転させ、復路で偏光を同じ回転方向に４５°回転させる。従って、第１レンズ１２を通過した光は、偏光が紙面に平行な場合、偏光ビームスプリッタ２１が紙面に平行な偏光を透過させるため、偏光ビームスプリッタ２１を透過して、反射型位相振幅変調器２３に入射する。ファラデーローテータ２２を往復した光は、偏光が９０°回転するため、反射型位相振幅変調器２３で反射された光は、偏光ビームスプリッタ２１で反射され、第２レンズ１４を通過していく。
【００３１】
尚、ファラデーローテータ２２の代わりに半波長板を適用しても、往路光と復路光を分離する光学系を構築できるが、反射型位相振幅変調器２３として、例えば浜松ホトニクス製プログラマブル位相変調ユニット（ＰＰＭ）を採用したい場合、ＰＰＭは、光軸に対して直角に配向された液晶分子が、電界を印加すると光軸方向に傾くことを位相変調に利用しているため、半波長板を適用し、円偏光が反射型位相振幅変調器２３に入射すると都合が悪い。ＰＰＭは、液晶分子に対して４５°傾けた直線偏光で光を照射すると、液晶分子に印加されている電界に応じて偏光が楕円化するが、これを偏光板で直線化することで、振幅変調に利用できる。
【００３２】
反射型位相振幅変調器２３は、液晶と電極で容易に構成可能である。しかし、液晶は、耐光強度に課題がある。レーザ光源１１の出力を最小限に抑え、第２レンズ１４およびスリット１５間に設置した増幅器２４で所望のレベルの出力に調整することが望ましい。
【実施例３】
【００３３】
次に、本発明によるレーザ加工装置の第３実施例を、図３を参照して説明する。この実施例のレーザ加工装置３０においても、上述した第１実施例および第２実施例の構成要素に対応する構成要素には、説明の便宜上、同様の参照番号を使用することとする。
【００３４】
このレーザ加工装置３０は、レーザ光源１１およびワーク１８間に配置された第１レンズ１２、第２レンズ１４、スリット１５、第３レンズ１６および第４レンズ１７を有する点で第１実施例のレーザ加工装置１０と同様である。しかし、第１レンズ１２および第２レンズ１４間に反射型位相振幅変調器２３を配置して光路を変更している。また、第２実施例と同様に、第２レンズ１４およびスリット１５間に増幅器２４を設けている。更に、第３レンズ１６および第４レンズ１７間にダイクロミラー３１を設け、それからの光の一部を、カメラレンズ３２を介してＣＣＤ（Charge Coupled Device：電化結合素子）カメラ３３に入力し、コントローラ３４に対して制御信号を出力する。
【００３５】
本発明による第３実施例のレーザ加工装置３０は、上述した第２実施例のレーザ加工装置２０に対して、偏光ビームスプリッタ２１とファラデーローテータ２２が省略されている。これは、反射型位相振幅変調器２３が厳密に直角に光を入射しなくても機能することを活用し、角度を付けることで反射した光を分離しているためである。
【００３６】
また、逆に第２実施例のレーザ加工装置２０に対して、ダイクロミラー３１を第３レンズ１６および第４レンズ１７の間に設置している。これは、ワーク１８の反射光のうち、可視光を分離し、カメラレンズ３２でＣＣＤカメラ３３にワーク１８の画像を得る。これにより、ワーク１８の状態およびスリット１５の形状により異なる最も良好な加工の条件を、コントローラ３４を介して反射型位相振幅変調器２３に作用させるためである。
【００３７】
以上、本発明によるレーザ加工装置の好適実施例の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるレーザ加工装置の第１実施例の構成図である。
【図２】本発明によるレーザ加工装置の第２実施例の構成図である。
【図３】本発明によるレーザ加工装置の第３実施例の構成図である。
【図４】従来のレーザ加工装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０、２０、３０  レーザ加工装置
１１  レーザ光源
１２  第１レンズ
１３  透過型位相振幅変調器
１４  第２レンズ
１５  スリット
１６  第３レンズ
１７  第４レンズ
１８  ワーク
２１  偏光ビームスプリッタ
２２  ファラデーローテータ
２３  反射型位相振幅変調器
２４  増幅器
３１  ダイクロミラー
３２  カメラレンズ
３３  ＣＣＤカメラ
３４  コントローラ
【図１】
2005144524.tif 000003
【図２】
2005144524.tif 000004
【図３】
2005144524.tif 000005
【図４】
2005144524.tif 000006