(57)【要約】【課題】空間光変調素子へ照射するレーザ光のエネルギーを高めることなく、加工対象に対する微細加工を可能とするレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】本発明にかかるレーザ加工装置１００は、可視領域あるいは近赤外領域のレーザ光を出射するレーザ光源４１と、レーザ光源４１から出射されたレーザ光を加工パターンに対応させて空間変調する空間光変調素子４３と、空間光変調素子４３によって空間変調されたレーザ光の波長を紫外領域の波長に波長変換する波長変換素子４５と、波長変換素子４５によって波長変換されたレーザ光を対象物に投影する結像レンズ４８、対物レンズ３１と、波長変換素子４５と結像レンズ４８との間に設けられ、波長変換素子４５によって波長変換されたレーザ光を結像レンズ４８、対物レンズ３１の光軸に偏向させる回折光学素子４７とを備える。【選択図】図１
2013066899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を使用して対象物の加工を行うレーザ加工装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
規則的に配列された複数のミラーを有し、前記複数のミラーによって、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を加工パターンに対応させて空間変調する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子によって空間変調されたレーザ光の波長を他の波長に波長変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子によって波長変換されたレーザ光を前記対象物に投影する投影光学系と、
前記波長変換素子と前記投影光学系との間に設けられ、前記波長変換素子によって波長変換されたレーザ光を前記投影光学系の光軸に偏向させる回折光学素子と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記空間光変調素子の前段に設けられ、前記光源から出射されたレーザ光の分布を均一化する均一光学素子をさらに備えた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】
前記回折光学素子のピッチは、前記空間光変調素子のピッチ以下であ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】
前記回折光学素子は、二次元の回折光学素子、二次元に配列する複数のミラーを有する回折光学素子または透過型回折光学素子であ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】
前記波長変換素子は、非線形光学素子であ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】
前記光源は、ナノ秒パルスレーザ光源であ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】
前記空間光変調素子と前記波長変換素子との間に設けられ、前記空間光変調素子によって空間変調されたレーザ光の光束の大きさを縮小して前記波長変換素子に出力する縮小光学系と、
前記波長変換素子と前記回折光学素子との間に設けられ、前記波長変換素子によって波長変換されたレーザ光の光束の大きさを、前記縮小光学系によって縮小される前の光束の大きさに拡大する拡大する拡大光学系と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記波長変換素子と、前記回折光学素子との間に設けられ、前記他の波長のレーザ光のみを通過させる干渉フィルタをさらに備えた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９】
前記空間光変調素子と前記回折光学素子との間の光軸傾斜に由来する加工パターンの歪みを解消するように前記空間光変調素子の空間変調パターンを設定する設定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１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、レーザ光を使用して対象物の加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶ディスプレイやＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）や有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイや表面電動型電子放出素子ディスプレイなどのＦＰＤ（Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）基板、半導体ウェハ、プリント基板など、各種基板の製造では、その歩留りを向上するために、各パターニングプロセス後、欠陥検査装置によって、電極および配線の短絡、接続不良、断線、パターン不良および基板表面に付着したパーティクルやレジストといった異物等である欠陥が存在するか否かが検査される。そして、欠陥検査装置によって欠陥が存在することが確認された場合、レーザ加工装置によるレーザ光を用いた加工処理によって欠陥が修正される。
【０００３】
このレーザ加工装置は、微小ミラーがマトリクス状に配置するＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）などの空間光変調素子を配置し、このＤＭＤで形成したパターンを加工対象にレーザ照射することで、加工対象に任意のパターン形状を高速に加工する。
【０００４】
ところで、レーザ加工装置が用いるレーザ光として、たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波である第１高周波（波長１０６４ｎｍ±２０ｎｍ）、第２高周波（波長４３２ｎｍ±１０ｎｍ）、第３高周波（波長３５５ｎｍ±７０ｎｍ）、第４高周波（波長２６６±５ｎｍ）の短波長レーザ光が採用される。このうち、第２高周波、第３高周波および第４高周波は、第１高周波の周波数を逓倍することによって出力される。
【０００５】
近年、ＴＦＴ基板等のガラス基板の薄膜化にともない、レーザ加工装置の処理として、ガラス基板の表面上でフォトレジスト（Ｐｈｏｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔ）として使用されるの高分子材料膜のみを取り除く処理が多くなっている。この高分子材料膜は、紫外領域のレーザ光の吸収が高いため、第４高周波レーザ光の照射によって高分子材料膜を選択的に取り除くことができるとともに、高分子材料膜の下層の損傷を軽減することができる。このため、近年においては、第４高周波レーザ光を用いるレーザ加工装置が注目されている。
【０００６】
しかしながら、レーザ光として第４高周波のレーザ光を採用する場合、この波長に対応した紫外光専用のＤＭＤを使用する必要があるため、レーザ加工装置が非常に高価になる。さらに、第１高周波の近赤外光、第２高周波の可視光をＤＭＤに照射する場合と比較して、より波長の短い第４高周波の紫外光をＤＭＤに照射する場合、ＤＭＤの劣化が早くなるため、ＤＭＤの交換周期も短く、レーザ加工装置を使用する上で維持コストが非常に高くなってしまう。
【０００７】
そこで、近赤外光または可視光専用のＤＭＤを用いて近赤外領域または可視領域のレーザ光を空間変調した後に、非線形光学素子を用いて紫外領域の波長に変換したレーザ光を加工対象に照射して高分子材料膜の加工処理を行うレーザ加工装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２９１８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、加工対象の加工面上で微細加工を行うためには、次数が異なる複数の回折光を加工光学系に入射させる必要がある。そして、非線形光学素子は、高効率で波長変換を行なうための入射角が著しく制限されているのに対し、ＤＭＤから出射された回折光の回折角は、次数ごとに特定の角度で広く分布している。このため、ＤＭＤから出射された回折光のうち非線形光学素子において波長変換が行われる回折光の本数は制限される。すなわち、ＤＭＤで発生した回折光のうち、非線形光学素子の光軸に沿って入射できる入射条件を満たす特定のｎ次回折光は波長変換されるものの、非線形光学素子の入射条件を満たさない（ｎ＋１）次回折光、（ｎ−１）次回折光は、非線形光学素子において波長変換されない。したがって、特許文献１記載のレーザ加工装置においては、特定のｎ次回折光しか加工光学系に入射できないため、加工面上で微細なパターンが再現できず、所望の加工パターンで加工対象を加工することができないという問題があった。
【００１０】
この問題を解決するため、ＤＭＤへ照射するレーザ光のＮＡ（開口数）を大きくし、ＤＭＤから出射する各回折光に、ＮＡに応じた入射角度の広がりを持たせて、非線形光学素子の入射条件を満たさない（ｎ＋１）次回折光、（ｎ−１）次回折光にも、ｎ次回折光の方向と一致する成分が含まれるようにすることで、（ｎ＋１）次回折光、（ｎ−１）次回折光の波長変換を実現する方法が考えられる。しかしながら、（ｎ＋１）次回折光、（ｎ−１）次回折光のｎ次回折光の方向と一致する成分は微量であるため、波長変換効率が悪く、加工エネルギーが大幅に低下してしまう。これを補うために、ＤＭＤへのレーザ光の照射エネルギーを高めると、レーザ光の高エネルギー化によってＤＭＤが損傷してしまうおそれもある。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、空間光変調素子へ照射するレーザ光のエネルギーを高めることなく、加工対象に対する微細加工を可能とする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】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ加工装置は、レーザ光を使用して対象物の加工を行うレーザ加工装置であって、複数波長のレーザ光を出射する光源と、規則的に配列された複数のミラーを有し、前記複数のミラーによって、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を加工パターンに対応させて空間変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子によって空間変調されたレーザ光の波長を他の波長に波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子によって波長変換されたレーザ光を前記対象物に投影する投影光学系と、前記波長変換素子と前記投影光学系との間に設けられ、前記波長変換素子によって波長変換されたレーザ光の進行方向を前記投影光学系の光軸に偏向させる回折光学素子と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかるレーザ加工装置は、波長変換素子によって波長変換されたレーザ光の進行方向を投影光学系の光軸に偏向させる回折光学素子を備えることによって、空間光変調素子へ照射するレーザ光のエネルギーを大幅に高めずとも、波長変換後のレーザ光として、次数が異なる複数の回折光を加工用の投影光学系に供給できるため、加工対象に対する微細加工を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示すレーザ照射部を説明するための図である。
【図３】図３は、従来技術にかかるレーザ加工装置のレーザ照射部の構成を説明する図である。
【図４】図４は、図３に示す非線形光学素子において波長変換が行われる回折光を説明する図である。
【図５】図５は、非線形光学素子への回折光強度の入射角度依存の一例を示す図である。
【図６】図６は、従来のレーザ加工装置においては、ＤＭＤへ照射するレーザ光のＮＡを大きくした場合における非線形光学素子への回折光強度の入射角度依存の一例を示す図である。
【図７】図７は、図１に示すレーザ加工装置の要部の他の構成を説明する図である。
【図８】図８は、図２に示すレーザ加工装置のレーザ照射部の他の構成を説明する図である。
【図９】図９は、レーザ加工装置のレーザ照射部の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明にかかる実施の形態として、たとえば、ガラス基板、半導体ウェハなどの基板のパターン不良や欠陥を修正するレーザ加工装置を例として説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。
【００１６】
（実施の形態１）
実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、図１に示すレーザ加工装置のレーザ照射部の構成を説明する図である。
【００１７】
図１および図２に示すように、実施の形態にかかるレーザ加工装置１００は、加工対象の基板１を載置するとともに図面に鉛直な平面上で基板１を移動させるステージ２と、ステージ２上に載置された基板１を上方から観察する顕微鏡部３と、基板１に照射する欠陥修復加工用のレーザ光の光束断面形状（以下、レーザ断面形状という）を所望の形状に整形するレーザ照射部４と、各種プログラムおよびパラメータを実行してレーザ加工装置１００の各構成要素を制御する制御部５と、レーザ加工装置１００に対する各種操作や設定を指示する指示情報が入力される入力部６と、外部装置との間で通信を行う通信部７と、顕微鏡部３で取得された画像や各種情報を表示する表示部８ａを有する出力部８と、各種プログラムおよび配線、電極の各種標本パターン画像を記憶する記憶部９とを備える。加工対象である基板１は、たとえばＦＰＤ用のガラス基板、半導体基板、プリント基板などである。レーザ加工装置１００は、加工情報にしたがって加工対象の欠陥等を撮像し、撮像した欠陥画像と所定の標本パターン画像とのマッチングによって、欠陥の抽出と、電極パターンまたは配線パターンをレーザ加工領域から除外するためにレーザ光の非照射領域を設定するマスク設定とを行ってから、レーザ光を照射することで基板上の欠陥を加工する。欠陥には、電極および配線の短絡、接続不良、断線、パターン不良および基板表面に付着したパーティクルやレジスト等の異物が含まれる。
【００１８】
ステージ２の載置面には、複数の穴が設けられている。これらの穴に不図示のポンプから気体が供給されることによって基板１を浮上させた状態とすることができ、この状態において、不図示の搬送機構によって基板１がステージ２上で移動可能に保持される。ここで、基板１を観察、レーザ加工を行う際は、基板１の浮上を停止してステージ２上に載置される状態にする。または、搬送機構による基板１の保持を解除しこの複数の穴を、不図示のバキュームポンプに連結し、この複数の穴からの吸気によって、ステージ２上に載置された基板１をステージ２に対して吸着して固定することも可能である。また、上記のような、ステージ２上で基板１を保持する保持手段として、上記以外にも支持ピンやクランプ機構など、機械的な手段を用いる構成としてもよい。尚、上記のような基板１を浮上させる浮上搬送型のステージ２に代えて、複数のローラーで基板を移動可能に保持するローラー搬送型のステージとしてもよい。
ステージ２上に保持される基板１は、後述する移動制御部５２の制御のもと、ステージ移動部３８によって、後述する対物レンズ３１の光軸に直交した平面内で自在に移動され、対物レンズ３１に対する基板１の当該平面上での位置を変化させる。尚、ステージ２上の基板１を移動させる構成に代えて、レーザ加工装置１００を当該平面状に移動させて対物レンズ３１と基板１との相対位置を移動させる構成としてもよい。
【００１９】
顕微鏡部３は、対物レンズ３１、レボルバ３２、焦準機構３３、撮像部３４、結像部３５、照明系３６、ハーフミラー３７ａおよびハーフミラー３７ｂを有し、基板１の一部を拡大した画像を取得する撮像部として機能する。
【００２０】
対物レンズ３１は、ステージ２に載置された基板１の上部に位置するようにレボルバ３２により保持される。対物レンズ３１は、レボルバ３２に対して着脱自在に取り付けられており、レボルバ３２の回転またはスライド動作に応じてステージ２上に配置される。対物レンズ３１と、後述するレーザ光用の結像レンズ４８とは、両側テレセントリックとなるように配置される。
【００２１】
レボルバ３２は、焦準機構３３によって昇降移動することが可能である。焦準機構３３は、レボルバ３２を昇降させることによって、対物レンズ３１の基板１に対する焦点合わせを行い、焦点位置の最適化を行う。
【００２２】
撮像部３４は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を含む。結像部３５は、結像レンズ３５ａとミラー３５ｂとによって構成される。結像部３５は、対物レンズ３１と協働して、基板１の観察像を結像させる。
【００２３】
照明系３６から出力された照明光は、レンズ３６ａで集光されてからハーフミラー３７ａで反射された後、観察光学系の基板１に対する観察光軸と同軸の光として対物レンズ３１を介して基板１を照明する。撮像部３４の視野領域内は、照明系３６からの照明光によって上方から略均一に照明される。照明系３６、レンズ３６ａおよびハーフミラー３７ａは、照明光学系として機能する。なお、図２では、図１に示すレーザ加工装置のうちハーフミラー３７ａ，３７ｂ等の図示を省略している。
【００２４】
照明された基板１の像は、基板１の加工面と垂直である光軸に沿って配置された対物レンズ３１、ハーフミラー３７ｂ、ミラー３５ｂおよび結像レンズ３５ａを含む観察光学系によって、撮像部３４の受光面に、たとえば数倍〜数十倍に拡大されて結像される。撮像部３４で取得された画像データは、制御部５に出力され、各種画像処理が施された後、表示部８ａに出力される。
【００２５】
レーザ照射部４は、可視領域あるいは近赤外領域の平行レーザ光を出射するレーザ光源４１と、レーザ光の分布を均一化する均一光学素子４２と、レーザ光源４１からのレーザ光のレーザ断面形状を所望の加工パターン形状に対応させて空間変調する空間光変調素子４３と、後述する制御部５のパターン形状設定部５４の制御のもと空調光変調素子４３を駆動させてレーザ照射部４が出力する欠陥修復用のレーザ光の光束断面形状（レーザ光の光軸と垂直な断面の形状）を調整する空間光変調素子駆動部４４と、空間光変調素子４３によって空間変調されたレーザ光の波長を他の波長に波長変換する波長変換素子４５と、前述した他の波長のレーザ光のみを通過させる干渉フィルタ４６と、波長変換素子４５と結像レンズ４８との間に設けられ、空間光変調素子４３から出力されたレーザ光を後述する結像レンズ４８の光軸に偏向させる回折光学素子４７と、入射したレーザ光を結像して基板１の加工面に投影する結像レンズ４８と、を有する。レーザ照射部４は、顕微鏡部３の撮像部３４が取得した画像に基づいて、基板１に欠陥修復加工用に空間変調したレーザ光を照射する。
【００２６】
レーザ光源４１は、可視領域あるいは近赤外領域のレーザ光を出射する。レーザ光源４１は、たとえばＹＡＧレーザによって構成され、第２高周波である波長５３２ｎｍのレーザ光を出射するピコ秒パルスレーザ光源である。レーザ光源４１は、制御部５に電気的に接続され、制御部５からの制御信号に応じてレーザ光のオン・オフ、光出力、発振パルス幅などが制御される。
【００２７】
均一光学素子４２は、空間光変調素子４３の前段に設けられてレーザ光源４１から出射されたレーザ光の分布を均一化して平行光化し、余分なエネルギーの空間光変調素子４３への照射を防止する。なお、レーザ光源４１は、レーザ光源４１から出射された平行レーザ光が均一光学素子４２によって分布が平坦化された後に空間光変調素子４３に面照射するように配置される。なお、レーザ光源内でレーザ光の分布を均一化させる機能を有したレーザ光源を用いる場合には、均一光学素子４２は不要である。
【００２８】
空間光変調素子４３は、たとえば微小デバイスの１つである微小ミラーが２次元アレイ状に配列された構成を備え、複数のミラーによってレーザ光源４１から出射されたレーザ光を加工形状に対応させて空間変調する。レーザ光源４１から出力されるレーザ光の光軸は、図２に示すように、空間光変調素子４３の基準面の法線に一致する。空間光変調素子４３は、基準面に対してたとえば２４．０°の角度でレーザ光を出力するように光学的に配置されている。各微小ミラーの反射角は、パターン形状制御部５４の制御のもと、空間光変調素子駆動部４４の駆動処理によって、少なくともオン角度とオフ角度とに切り替え可能である。オン角度とは、この状態にある微小ミラーで反射されたレーザ光が、空間光変調素子４３の後段に位置する波長変換素子４５に投射される角度であり、オフ角度とは、この状態にある微小ミラーで反射されたレーザ光が不必要な光として光路外に設けられる不図示の遮光部材や吸収部材などのレーザダンパーに照射される角度である。したがって、２次元アレイ状に配列された微小ミラーそれぞれの反射角をオン角度とオフ角度とに切り替えることで、基板１に投射されるレーザ光の断面形状を制御することが可能である。
【００２９】
これによって、レーザ光源４１からのレーザ光の断面形状を加工パターンの形状に調整して基板１に照射することが可能となる。この加工パターンは、正常な配線パターン以外にレーザ光を照射する加工パターンであり、たとえばパターン除去不良などの欠陥を修復する場合には、ショット領域中の正常な配線等の領域に対応する微小ミラーをオフ角度とし、それ以外の領域に対応する微小ミラーをオン角度としたパターンとなる。空間光変調素子４３には、例えばＤＭＤを用いればよい。空間光変調素子４３は、制御部５の制御のもと空間光変調素子駆動部４４によって駆動されることによって、レーザ照射部４が出力する欠陥修復用のレーザ光の光束断面形状（レーザ光の光軸と垂直な断面の形状）を調整する。なお、加工パターンの設定は、上記のように正常な配線パターンに応じて設定する以外に、欠陥形状に合わせて設定するようにしても構わない。この場合、レーザ光の断面形状を欠陥形状に合わせて、欠陥領域に対応する微小ミラーをオン角度とし、欠陥領域以外の領域に対応する微小ミラーをオフ角度とすればよい。
【００３０】
波長変換素子４５は、空間光変調素子４３から出力されるレーザ光の光軸に沿って配置され、入力されたレーザ光の波長を可視領域から紫外領域に変換する。具体的には、波長変換素子４５は、入射した第２高周波の波長５３２ｎｍのレーザ光の一部を、第４高周波である波長２６６ｎｍのレーザ光に変換する。波長変換素子４５は、β−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）や、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）等の紫外光変換用の非線形光学結晶（ＮＬＯ：Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ)で形成された非線形光学素子である。
【００３１】
干渉フィルタ４６は、波長変換素子４５と、後述する回折光学素子４７との間に設けられ、波長変換素子４５が変換した紫外光のみを通過させる。波長変換素子４５を通過するレーザ光は、変換前の５３２ｎｍの波長のレーザ光と、変換後の２６６ｎｍの波長のレーザ光とが混合した状態であるため、干渉フィルタ４７を通過することによって、加工に必要となる２６６ｎｍの波長のレーザ光のみが結像レンズ４８に出力される。
【００３２】
回折光学素子４７は、たとえば、２次元回折格子である。回折光学素子４７は、空間光変調素子４３の基準面と、格子面とが平行となるように配置される。回折光学素子４７は、波長変換素子４５によって波長変換されるとともに干渉フィルタ４６を通過した紫外領域のレーザ光を結像レンズ４８の光軸に偏向させる。回折光学素子４７は、レーザ光用の結像レンズ４８の焦点位置に対応して配置される。回折光学素子４７を構成する２次回折格子の各格子面は、たとえば、空間光変調素子４３を構成するＤＭＤのミラー傾斜角度、ミラーピッチと同等に設計され、格子面全面が、ＤＭＤの微小ミラーのオン角度と平行となるように傾斜している。なお、回折光学素子４７へ入射するレーザ光の入射角度および回折光学素子４７のピッチは、回折効率が高くなるように適宜設定される。また、回折光学素子４７のピッチは、図２のように複数の次数の回折光を出力できるように、空間光変調素子４３のピッチ以下に設定されていればよい。
【００３３】
空間光変調素子４３から照射されて回折光学素子４７によって偏向されたレーザ光は、結像レンズ４８において平行光となり、ハーフミラー３７ｂおよびハーフミラー３７ａを経由し、対物レンズ３１の瞳面に取り込まれ、基板１の加工面に投射される。この結果、基板１の加工対象である欠陥が加工される。結像レンズ４８および対物レンズ３１は、空間光変調素子４３に空間変調された変調光を加工対象物である基板１の加工面に投影する投影光学系として機能する。回折光学素子４７は、この結像レンズ３８の光軸に、空間光変調素子４３から出力されたレーザ光の進行方向を偏向させる。対物レンズ３１は、結像レンズ４８から出力されたレーザ光を所定のエネルギー密度まで高めて基板１に投影して基板１の欠陥を加工する機能を有する。
【００３４】
制御部５は、顕微鏡部３の各構成要素の動作処理を制御する顕微鏡制御部５１、ステージ２の移動処理を制御するステージ移動制御部５２、レーザ照射部４のレーザ光源４１の出力を制御するレーザ加工制御部５３およびパターン形状設定部５４を有する。
【００３５】
空間光変調素子４３から回折光学素子４７に至る光軸は、結像レンズ４８および対物レンズ３１の光軸に対して２４°傾斜しているため、空間光変調素子４３で設定したパターンは、回折光学素子４７上では歪んでしまう。パターン形状設定部５４は、この空間光変調素子４３と回折光学素子４７との間の光軸傾斜に由来する加工パターンの歪みを解消するように空間光変調素子４３の空間変調パターンを設定し、設定条件にしたがって空間光変調素子駆動部４４を駆動させる。このように、パターン形状設定部５４は、空間光変調素子４３に設定されるパターンを、回折光学素子４７に投影されるパターン歪みを考慮して補正している。
【００３６】
入力部６は、キーボード、マウス等を用いて構成されており、使用者からの各種設定パラメータ等の入力指示を、表示部８ａに表示されるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）と連携して取得する。通信部７は、図示しない通信インターフェース等を有し、所定の形式にしたがった情報を、ネットワークを介して外部装置との間で通信する。出力部８は、液晶ディスプレイ等を用いて構成された表示部８ａを有し、観察画像、設定情報等を表示出力を行うとともに、スピーカ等を有し、音声出力を行う。記憶部９は、ハードディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび携帯型記憶媒体等を用いて構成されており、レーザ加工装置１００の各種動作を制御するための制御プログラムや制御条件を予め記憶する。また、記憶部９は、基板１の工程・品種に応じた、電極（または配線）パターンの標本パターン画像を記憶する。
【００３７】
ここで、従来のレーザ加工装置について説明する。図３は、従来技術にかかるレーザ加工装置のレーザ照射部の構成を説明する図である。図３に示すように、従来のレーザ加工装置においては、レーザ照射部は、レーザ光源１４１から出射された可視領域あるいは近赤外領域のレーザ光を、ＤＭＤである空間光変調素子１４３において任意の形状に空間変調した後に、非線形光学素子である波長変換素子１４５を用いて近赤外領域あるいは可視領域から紫外領域に波長変換する。その後、結像レンズ１４８および対物レンズ１３１を用いて、基板１の加工面上に空間光変調素子１４３で設定されたパターンを結像させて加工を行なう。レーザ光源１４１から出射されたレーザ光は、空間光変調素子１４３に２４°の入射角度で入射し、空間光変調素子１４３の基準面の法線に沿って空間変調後のレーザ光が出力される。
【００３８】
ところで、加工対象の加工面上で微細加工を行うためには、次数の異なる複数の回折光を加工光学系に入射させる必要がある。そして、非線形光学素子は、高効率で波長変換が行われるための入射角が著しく制限されているのに対し、ＤＭＤから出射された回折光の回折角は、図４に示すように、次数ごとに特定の角度で広く分布している。このため、ＤＭＤから出射された回折光のうち非線形光学素子において波長変換が行われる回折光の本数は、制限されてしまう。非線形光学素子における波長変換条件を満たす回折光の次数をｎとすると、ＤＭＤで発生した回折光のうち、波長変換素子１４５の光軸に沿って入射したｎ次回折光Ｌａｎは、紫外光Ｌｕｎに波長変換されるものの、波長変換素子１４５の入射条件を満たさないｎ次回折光以外の（ｎ＋１）次回折光およびＬａｎ＋１、（ｎ−１）次回折光Ｌａｎ−１は、非線形光学素子において波長変換されない。
【００３９】
具体的に、図５を参照して説明する。図５は、非線形光学素子への回折光強度の入射角度依存の一例を示す図である。図５の縦軸は、各回折光の強度である。図５の横軸は、非線形光学素子への回折光強度の入射角度であり、ＤＭＤの基準面の法線付近に現れる最も回折効率の高い−１８次回折光のＤＭＤ基準面からの入射角度を０°としたときの、−１７次回折光および−１９次回折光の入射角度を示す。
【００４０】
非線形光学素子は、入射光の波長を５３２ｎｍの波長から２６６ｎｍの波長に変換する。この非線形光学素子においては、たとえば図５の入射角度範囲Ｄｐに示すように、実用的な波長変換効率が得られる入射角の幅が０．０３４°である。そして、微小ミラーの傾斜角度が１２°、ミラーピッチが１０．８μｍのＤＭＤに３画素ピッチ（３０．３２μｍ）の白パターンおよび黒パターンを設定し、波長５４２ｎｍの可視レーザ光を平行光の状態で２４°の角度で入射させた場合、ＤＭＤからの回折光の出射角度は、−１８次回折光のＤＭＤ基準面から非線形光学素子への入射角度を０°としたとき、−１７次回折光のＤＭＤ基準面からの出射角度は、−１８次回折光と比較して−０．９４１°傾いており、−１９次回折光のＤＭＤ基準面からの出射角度は、−１８次回折光と比較して０．９４１°傾いている。
【００４１】
このとき、−１８次回折光の波長変換効率が最大となるように、−１８次回折光の非線形光学素子への入射角度を図５の入射角度範囲Ｄｐ内となるように最適化した場合、入射角度範囲Ｄｐ外の入射角度で入射する−１７次回折光および−１９次回折光は、非線形光学素子での変換効率が著しく低下するため、−１７次回折光および−１９次回折光の波長変換光の強度は、ほぼ０となる。この場合、−１８次回折光しか結像レンズ４８および対物レンズ３１に入射しないため、基板１の加工面上において微細パターンが再現できず、フラットなパターンで加工処理が行われてしまい、所望の加工パターンで加工対象を加工することができないという問題があった。
【００４２】
そこで、従来のレーザ加工装置においては、ＤＭＤへ照射するレーザ光のＮＡを大きくし、図６に示すように、ＤＭＤから出射する各回折光にＮＡに応じた入射角度の広がりを持たせて、非線形光学素子の入射条件を満たさない−１７次回折光、−１９次回折光にも、入射角度範囲Ｄｐ内に位置する成分が含まれるようにすることで、非線形光学素子による−１７次回折光、−１９次回折光の波長変換を実現する。なお、図６において、曲線Ｌｂ（−１７）は、ＮＡを大きくした場合の−１７次回折光の非線形光学素子への回折光強度の入射角度依存性を示し、曲線Ｌｂ（−１８）は、ＮＡを大きくした場合の−１８次回折光の非線形光学素子への回折光強度の入射角度依存性を示し、曲線Ｌｂ（−１９）は、ＮＡを大きくした場合の−１９次回折光の非線形光学素子への回折光強度の入射角度依存性を示す。
【００４３】
しかしながら、図６に示すように、レーザ光のＮＡを大きくした場合であっても、−１７次回折光、−１９次回折光の−１８次回折光の方向と一致する成分は、微量であるため、波長変換効率が悪く、加工エネルギーが大幅に低下してしまう。これを補うために、ＤＭＤへのレーザ光の照射エネルギーを高めると、レーザ光の高エネルギー化によってＤＭＤが損傷してしまうおそれもあった。
【００４４】
これに対し、本実施の形態１においては、波長変換素子４５によって波長変換され干渉フィルタ４６を通過した紫外領域のレーザ光は、回折光学素子４７に入射し、結像レンズ４８、対物レンズ３１の光軸と一致するように偏向される。この場合、回折光学素子４７上の各格子において回折が生じ、図２に示すように、次数が異なる複数の回折光が回折光学素子４７から出力され、次数が異なる複数の回折光が結像レンズ４８に到達することになる。すなわち、波長変換素子４５において波長変換素子４５の光軸に沿って入射した特定のｎ次回折光のみしか紫外光に波長変換されない場合であっても、波長変換後のレーザ光が回折光学素子４７の格子面を経由することによって、特定のｎ次回折光を含む複数の次数の回折光が複数生じ、結像レンズ４８、対物レンズ３１にそのまま入射する。具体的には、この回折光学素子４７の格子面を経由することによって、−１７次回折光や−１９次回折光が生じるため、−１８次回折光のみならず、−１７次回折光や−１９次回折光も結像レンズ４８、対物レンズ３１に入射する。したがって、実施の形態１によれば、複数の次数の回折光が加工光学系に入射するため、加工対象の加工面上で微細パターンを正しく再現でき、加工対象に対する微細加工を適切に実施することが可能になる。
【００４５】
また、実施の形態１においては、波長変換後のレーザ光が回折光学素子４７の格子面を経由することによって、特定のｎ次回折光を含む次数が異なる複数の回折光を発生することができるため、空間光変調素子４３に照射する可視領域あるいは近赤外領域のレーザ光の照射エネルギーを高める必要もなく、空間光変調素子４３の損傷も低減することができる。
【００４６】
もちろん、実施の形態１においては、可視領域あるいは近赤外領域のレーザ光を空間変調素子４３に照射しており、紫外光専用の空間光変調素子を用いる必要がないため、レーザ加工装置の製造コストを低減できる。また、実施の形態１においては、紫外領域のレーザ光を空間光変調素子４３に照射することがないため、紫外領域のレーザ光を照射する場合と比較して空間光変調素子４３の劣化も進みにくく、空間光変調素子４３の交換周期も紫外光専用の空間光変調素子を用いた場合よりも長くすることができる。
【００４７】
また、実施の形態１においては、均一光学素子４２によってレーザ光源４１から出射されたレーザ光の分布を均一化してから空間光変調素子４３へ入射するため、効率よくレーザ光を空間変調できるとともに、波長変換素子４５における波長変換効率も高めることができる。
【００４８】
また、実施の形態１においては、波長変換素子４５の後段に、紫外領域のレーザ光のみを通過させる干渉フィルタ４６を設け、紫外領域のレーザ光のみを回折光学素子４７に出力するようにしているため、加工に必要となる２６６ｎｍの波長のレーザ光のみが結像レンズ４８、対物レンズ３１に投影されることとなり、微細パターンの加工精度が高まるという効果も奏する。
【００４９】
なお、波長変換素子４５における波長変換効率は、入射光のパワー密度の二乗に比例するため、パワー密度が小さくなると変換効率も悪化する。このため、実施の形態１においては、レーザ光源４１として、ピコ秒パルスレーザ光源を用い、パワー密度を高めている。
【００５０】
また、回折光学素子４７の回折効率を向上させるため、図７のように、回折光学素子４７を傾斜させて、回折光学素子４７に入射するレーザ光の入射角を調整する角度調整機構４７Ａを設けてもよい。この場合、制御部５Ａにおけるレーザ加工制御部５３Ａが角度調整機構４７Ａを制御して、回折効率が所定の設定値を満たすように、回折光学素子４７に入射するレーザ光の入射角度を調整する。
【００５１】
また、実施の形態１においては、回折光学素子４７として、図２に示す空間光変調素子４３と同じ構成を有する微小ミラーアレイを用いてもよい。この場合、全微小ミラーをオン状態とすることによって、空間光変調素子４３から出力されたレーザ光を結像レンズ４８、対物レンズ３１の光軸に偏向させればよい。
【００５２】
また、実施の形態においては、図８に示すように、回折光学素子４７に代えて、透明材料にて形成される透過型回折光学素子４７Ｂを用いてもよい。透過型回折光学素子４７Ｂは、表面に複数の溝が所定ピッチで形成された構造を有し、裏面から入射したレーザ光を、表面において、結像レンズ４８、対物レンズ３１の光軸Ｌｄに偏向させる。図８に示すように、空間光変調素子４３から出力されたレーザ光が透過型回折光学素子４７Ｂの裏面に垂直に入射するように、波長変換素子４５、干渉フィルタ４６および透過型回折光学素子４７Ｂは、空間光変調素子４３と結像レンズ４８との間に配置される。このとき、空間光変調素子４３が入射光に対して角度βでレーザ光を出力するのに対応させて、透過型回折光学素子４７Ｂの裏面は、裏面に入射するレーザ光の光軸Ｌｃの直交面に対して角度βで傾斜するように配置される。
【００５３】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態２にかかるレーザ加工装置は、レーザ照射部を除き、実施の形態１と同様の構成を有する。図９は、レーザ加工装置のレーザ照射部の構成を説明する図である。
【００５４】
図９に示すように、実施の形態２におけるレーザ照射部２０４は、図２に示すレーザ光源４１に代えて、可視領域あるいは近赤外領域のレーザ光を出射するナノ秒パルスレーザ光源で構成されるレーザ光源２４１を有する。レーザ光源２４１は、たとえば、第２高周波である波長５３２ｎｍのレーザ光を出射する。
【００５５】
また、レーザ照射部２０４は、実施の形態１におけるレーザ照射部と比して、空間光変調素子４３と波長変換素子４５との間に設けられ、空間光変調素子４３によって空間変調されたレーザ光の光束の大きさ（光束の断面積）を縮小して波長変換素子４５に出力する縮小光学系４９をさらに備える。縮小光学系４９は、複数のレンズ４９ａ，４９ｂによって構成され、波長変換素子４５に入射するレーザ光のエネルギー密度を高める機能を有する。
【００５６】
さらに、レーザ照射部２０４は、実施の形態１におけるレーザ照射部と比して、波長変換素子４５と回折光学素子４７との間に設けられ、波長変換素子４５によって波長変換されたレーザ光の光束の大きさを、縮小光学系４９によって縮小される前の光束の大きさに拡大する拡大光学系５０をさらに備える。拡大光学系５０は、複数のレンズ５０ａ，５０ｂによって構成され、波長変換素子４５からの出力光を、空間光変調素子４３によって空間変調されたレーザ光のパターンサイズに対応するように復元するための機能を有する。
【００５７】
このように、実施の形態２においては、レーザ光源２４１として、ピコ秒パルスレーザ光源よりも低コストであるナノ秒パルスレーザ光源を採用するため、実施の形態１と比して、レーザ加工装置全体の製造コストをさらに低減することができる。また、実施の形態２においては、縮小光学系４９を設けてレーザ光の光束の大きさを縮小して、十分な波長変換効率を得られる程度まで波長変換素子４５への入射エネルギー密度を高めているため、レーザ光の紫外領域への波長変換も適切に実行することができるとともに、拡大光学系５０を設けて、波長変換後のレーザ光の光束の大きさを元の大きさに復元するため、加工対象に対する微細加工も適切に実施できる。
【符号の説明】
【００５８】
１  基板
２  ステージ
３  顕微鏡部
４，２０４  レーザ照射部
５，５Ａ  制御部
６  入力部
７  通信部
８  出力部
８ａ  表示部
９  記憶部
３１，１３１  対物レンズ
３２  レボルバ
３３  焦準機構
３４  撮像部
３５  結像部
３５ａ  結像レンズ
３５ｂ  ミラー
３６  照明系
３６ａ  レンズ
３７ａ，３７ｂ  ハーフミラー
４１，１４１，２４１  レーザ光源
４２  均一光学素子
４３，１４３  空間光変調素子
４４  空間光変調素子駆動部
４５，１４５  波長変換素子
４６  干渉フィルタ
４７  回折光学素子
４７Ａ  角度調整機構
４７Ｂ  透過型回折光学素子
４８，１４８  結像レンズ
４９  縮小光学系
５０  拡大光学系
５１  顕微鏡制御部
５２  ステージ移動制御部
５３，５３Ａ  レーザ加工制御部
５４  パターン形状設定部
１００  レーザ加工装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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