(57)【要約】紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法は、以下のステップを備える：Ａ．転写像の転写位置と、転写位置が、光軸方向において透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ透明材料の内部に進入した位置となるように位置決めを行う位置決めステップ；Ｂ．照射条件取得ステップ；Ｃ．照射条件に基づいて、透明材料の表面におけるパルスレーザ光の最大フルーエンスが所定の範囲内か否かを判定する判定ステップ；及びＤ．最大フルーエンスが所定の範囲内と判定された場合にパルスレーザ光の照射を許容する制御ステップ，ここで、目標フルーエンスは、パルスレーザ光の光軸と直交する方向のビームの断面であって、転写位置におけるビームの断面内における平均的なフルーエンスであり、最大フルーエンスは、透明材料の表面におけるビームの断面を複数の小領域に分割し、分割された小領域毎のフルーエンスの中の最大値である。
2019146021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、前記パルスレーザ光を透過する転写パターンが形成された転写マスクと、前記パルスレーザ光が前記転写パターンを透過することによって形成され前記転写パターンに応じた形状の転写像を転写する転写光学系とを備えたレーザ加工システムを用いて、前記紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法は、以下のステップを備える：
Ａ．前記パルスレーザ光の光軸方向において、前記転写光学系によって転写される前記転写像の転写位置と、前記透明材料との相対的な位置決めを行う位置決めステップであって、前記転写位置が、前記光軸方向において前記透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ前記透明材料の内部に進入した位置となるように前記位置決めを行う位置決めステップ；
Ｂ．前記転写位置における前記パルスレーザ光の目標フルーエンス及び前記深さΔＺｓｆを含む照射条件を取得する照射条件取得ステップ；
Ｃ．前記照射条件に基づいて、前記透明材料の表面における前記パルスレーザ光の最大フルーエンスが前記所定の範囲内か否かを判定する判定ステップ；及び
Ｄ．前記最大フルーエンスが前記所定の範囲内と判定された場合に前記パルスレーザ光の照射を許容する制御ステップ，
ここで、前記目標フルーエンスは、前記パルスレーザ光の光軸と直交する方向のビームの断面であって、前記転写位置における前記ビームの断面内における平均的なフルーエンスであり、前記最大フルーエンスは、前記透明材料の表面における前記ビームの断面を複数の小領域に分割し、分割された前記小領域毎のフルーエンスの中の最大値である。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工方法であって、さらに以下のステップを備える：
Ｅ．前記判定ステップにおいて、前記最大フルーエンスが前記所定の範囲外と判定された場合に警告する警告ステップ。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光は、パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲であって、かつ、前記転写位置でのビームの直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下である。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザ加工方法であって、
前記透明材料は、合成石英ガラスであって、前記パルスレーザ光の波長は１５７．６ｎｍ〜２４８．７ｎｍである。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光は、ＡｒＦレーザ光である。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ加工方法であって、
前記深さΔＺｓｆの範囲は、０ｍｍ以上４ｍｍ以下である。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ加工方法であって、
前記最大フルーエンスは、１０Ｊ／ｃｍ2以上４０Ｊ／ｃｍ2以下である。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光の前記転写位置における目標フルーエンスは、５Ｊ／ｃｍ2以上３０Ｊ／ｃｍ2以下である。
【請求項９】
請求項５に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光の照射パルス数は、５，０００パルス以上である。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザ加工方法であって、
前記照射パルス数は、２０，０００パルス以下である。
【請求項１１】
紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、前記パルスレーザ光を集光する集光光学系とを備えたレーザ加工システムを用いて、前記紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法は、以下のステップを備える：
Ａ．前記パルスレーザ光の光軸方向において、前記パルスレーザ光のビームウエスト位置と、前記透明材料との相対的な位置決めを行う位置決めステップであって、前記ビームウエスト位置が、前記光軸方向において前記透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆｗだけ前記透明材料の内部に進入した位置となるように前記位置決めを行う位置決めステップ；
Ｂ．前記ビームウエスト位置における前記パルスレーザ光の目標フルーエンス及び前記深さΔＺｓｆを含む照射条件を取得する照射条件取得ステップ；
Ｃ．前記照射条件に基づいて、前記透明材料の表面における前記パルスレーザ光の最大フルーエンスが前記所定の範囲内か否かを判定する判定ステップ；及び
Ｄ．前記最大フルーエンスが前記所定の範囲内と判定された場合に前記パルスレーザ光の照射を許容する制御ステップ，
ここで、前記目標フルーエンスは、前記パルスレーザ光の光軸と直交する方向のビームの断面であって、前記ビームウエスト位置における前記ビームの断面内における平均的なフルーエンスであり、前記最大フルーエンスは、前記透明材料の表面における前記ビームの断面を複数の小領域に分割し、分割された前記小領域毎のフルーエンスの中の最大値である。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザ加工方法であって、さらに以下のステップを備える：
Ｅ．前記判定ステップにおいて、前記最大フルーエンスが前記所定の範囲外と判定された場合に警告する警告ステップ。
【請求項１３】
請求項１１に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光は、パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲であって、かつ、前記ビームウエスト位置でのビームの直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下である。
【請求項１４】
請求項１１に記載のレーザ加工方法であって、
前記透明材料は、合成石英ガラスであって、前記パルスレーザ光の波長は１５７．６ｎｍ〜２４８．７ｎｍである。
【請求項１５】
請求項１４に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光は、ＡｒＦレーザ光である。
【請求項１６】
請求項１５に記載のレーザ加工方法であって、
前記深さΔＺｓｆの範囲は、０ｍｍ以上４ｍｍ以下である。
【請求項１７】
請求項１６に記載のレーザ加工方法であって、
前記最大フルーエンスは、１０Ｊ／ｃｍ2以上４０Ｊ／ｃｍ2以下である。
【請求項１８】
請求項１７に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光の前記ビームウエスト位置における目標フルーエンスは、５Ｊ／ｃｍ2以上３０Ｊ／ｃｍ2以下である。
【請求項１９】
請求項１８に記載のレーザ加工方法であって、
前記パルスレーザ光の照射パルス数は、５，０００パルス以上である。
【請求項２０】
紫外線に対して透明な透明材料に対して前記紫外線のパルスレーザ光を照射してレーザ加工を施すレーザ加工システムは、以下を備える：
Ａ．パルスレーザ光を出力するレーザ装置；
Ｂ．前記レーザ装置から出力される前記パルスレーザ光を透過する転写パターンが形成された転写マスク；
Ｃ．前記パルスレーザ光が前記転写パターンを透過することによって形成され前記転写パターンに応じた形状の転写像を前記透明材料に転写する転写光学系；
Ｄ．前記パルスレーザ光の光軸方向において、前記転写光学系によって転写される前記転写像の転写位置と、前記透明材料との相対的な位置決めを行う位置決め機構であって、前記転写位置が、前記光軸方向において前記透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ前記透明材料の内部に進入した位置となるように前記位置決めを行う位置決め機構；
Ｅ．前記転写位置における前記パルスレーザ光の目標フルーエンス及び前記深さΔＺｓｆを含む照射条件を取得する照射条件取得部；
Ｆ．前記照射条件に基づいて、前記透明材料の表面における前記パルスレーザ光の最大フルーエンスが前記所定の範囲内か否かを判定する判定部；及び
Ｇ．前記最大フルーエンスが前記所定の範囲内と判定された場合に前記パルスレーザ光の照射を許容する制御部，
ここで、前記目標フルーエンスは、前記パルスレーザ光の光軸と直交する方向のビームの断面であって、前記転写位置における前記ビームの断面内における平均的なフルーエンスであり、前記最大フルーエンスは、前記透明材料の表面における前記ビームの断面を複数の小領域に分割し、分割された前記小領域毎のフルーエンスの中の最大値である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ加工方法及びレーザ加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。半導体露光装置を以下、単に「露光装置」という。このため露光用光源から出力される光の短波長化が進められている。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用のガスレーザ装置としては、中心波長約２４８．４ｎｍの紫外線を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置ならびに、中心波長約１９３．４ｎｍの紫外線を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。【０００３】
現在の露光技術としては、露光装置側の投影レンズとウエハ間の間隙を液体で満たして、当該間隙の屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけの波長を短波長化する液浸露光が実用化されている。ＡｒＦエキシマレーザ装置を露光用光源として用いて液浸露光が行われた場合は、ウエハには水中における波長１３４ｎｍの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光という。ＡｒＦ液浸露光はＡｒＦ液浸リソグラフィーとも呼ばれる。【０００４】
ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ装置の自然発振におけるスペクトル線幅は約３５０〜４００ｐｍと広いため、露光装置側の投影レンズによってウエハ上に縮小投影されるレーザ光（紫外線光）の色収差が発生して解像力が低下する。そこで色収差が無視できる程度となるまでガスレーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。スペクトル線幅はスペクトル幅とも呼ばれる。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には狭帯域化素子を有する狭帯域化部（Line  Narrow  Module）が設けられ、この狭帯域化部によりスペクトル幅の狭帯域化が実現されている。なお、狭帯域化素子はエタロンやグレーティング等であってもよい。このようにスペクトル幅が狭帯域化されたレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。【０００５】
また、エキシマレーザ光はパルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓであって、中心波長はそれぞれ、２４８．４ｎｍと１９３．４ｎｍと短い。こうした特性を利用して、エキシマレーザ光は、露光用途以外に、高分子材料やガラス材料等の直接加工に用いられることがある。高分子材料は、結合エネルギよりも高いフォトンエネルギをもつエキシマレーザ光によって、高分子材料の結合を切断できる。そのため、非加熱加工が可能となり、加工形状が綺麗になることが知られている。また、ガラスやセラミックス等はエキシマレーザ光に対する吸収率が高いので、可視及び赤外線レーザ光では加工することが難しい材料の加工もできることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００８／１２６７４２号公報
【特許文献２】米国公開２０１５／００３４６１３号公報
【特許文献３】特開平４−１１１８００号公報
【特許文献４】特開２００５−０６６６８７号公報
【特許文献５】特開２００３−１１９０４４号公報
【概要】
【０００７】
本開示の１つの観点に係るレーザ加工方法は、紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、パルスレーザ光を透過する転写パターンが形成された転写マスクと、パルスレーザ光が転写パターンを透過することによって形成され転写パターンに応じた形状の転写像を転写する転写光学系とを備えたレーザ加工システムを用いて、紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法は、以下のステップを備える：
Ａ．パルスレーザ光の光軸方向において、転写光学系によって転写される転写像の転写位置と、透明材料との相対的な位置決めを行う位置決めステップであって、転写位置が、光軸方向において透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ透明材料の内部に進入した位置となるように位置決めを行う位置決めステップ；
Ｂ．転写位置におけるパルスレーザ光の目標フルーエンス及び深さΔＺｓｆを含む照射条件を取得する照射条件取得ステップ；
Ｃ．照射条件に基づいて、透明材料の表面におけるパルスレーザ光の最大フルーエンスが所定の範囲内か否かを判定する判定ステップ；及び
Ｄ．最大フルーエンスが所定の範囲内と判定された場合にパルスレーザ光の照射を許容する制御ステップ，
ここで、目標フルーエンスは、パルスレーザ光の光軸と直交する方向のビームの断面であって、転写位置におけるビームの断面内における平均的なフルーエンスであり、最大フルーエンスは、透明材料の表面におけるビームの断面を複数の小領域に分割し、分割された小領域毎のフルーエンスの中の最大値である。
【０００８】
本開示の１つの観点に係るレーザ加工方法は、紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、パルスレーザ光を集光する集光光学系とを備えたレーザ加工システムを用いて、紫外線に対して透明な透明材料に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法は、以下のステップを備える：
Ａ．パルスレーザ光の光軸方向において、パルスレーザ光のビームウエスト位置と、透明材料との相対的な位置決めを行う位置決めステップであって、ビームウエスト位置が、光軸方向において透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆｗだけ透明材料の内部に進入した位置となるように位置決めを行う位置決めステップ；
Ｂ．ビームウエスト位置におけるパルスレーザ光の目標フルーエンス及び深さΔＺｓｆを含む照射条件を取得する照射条件取得ステップ；
Ｃ．照射条件に基づいて、透明材料の表面におけるパルスレーザ光の最大フルーエンスが所定の範囲内か否かを判定する判定ステップ；及び
Ｄ．最大フルーエンスが所定の範囲内と判定された場合にパルスレーザ光の照射を許容する制御ステップ，
ここで、目標フルーエンスは、パルスレーザ光の光軸と直交する方向のビームの断面であって、ビームウエスト位置におけるビームの断面内における平均的なフルーエンスであり、最大フルーエンスは、透明材料の表面におけるビームの断面を複数の小領域に分割し、分割された小領域毎のフルーエンスの中の最大値である。
【０００９】
本開示の１つの観点に係るレーザ加工システムは、  紫外線に対して透明な透明材料に対して紫外線のパルスレーザ光を照射してレーザ加工を施すレーザ加工システムは、以下を備える：
Ａ．パルスレーザ光を出力するレーザ装置；
Ｂ．レーザ装置から出力されるパルスレーザ光を透過する転写パターンが形成された転写マスク；
Ｃ．パルスレーザ光が転写パターンを透過することによって形成され転写パターンに応じた形状の転写像を透明材料に転写する転写光学系；
Ｄ．パルスレーザ光の光軸方向において、転写光学系によって転写される転写像の転写位置と、透明材料との相対的な位置決めを行う位置決め機構であって、転写位置が、光軸方向において透明材料の表面から所定の深さΔＺｓｆだけ透明材料の内部に進入した位置となるように位置決めを行う位置決め機構；
Ｅ．転写位置におけるパルスレーザ光の目標フルーエンス及び深さΔＺｓｆを含む照射条件を取得する照射条件取得部；
Ｆ．照射条件に基づいて、透明材料の表面におけるパルスレーザ光の最大フルーエンスが所定の範囲内か否かを判定する判定部；及び
Ｇ．最大フルーエンスが所定の範囲内と判定された場合にパルスレーザ光の照射を許容する制御部，
ここで、目標フルーエンスは、パルスレーザ光の光軸と直交する方向のビームの断面であって、転写位置におけるビームの断面内における平均的なフルーエンスであり、最大フルーエンスは、透明材料の表面におけるビームの断面を複数の小領域に分割し、分割された小領域毎のフルーエンスの中の最大値である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
【図１】図１は、比較例のレーザ加工システムの構成を概略的に示す。
【図２】図２は、転写位置ＦＰの説明図である。図２Ａは、転写位置ＦＰを被加工物の表面に設定した例であり、図２Ｂは、転写位置ＦＰを被加工物の表面から内部に進入した位置に設定した例である。
【図３】図３は、比較例のレーザ加工手順を示すフローチャートである。
【図４】図４は、比較例のレーザ加工の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第１実施形態におけるレーザ加工を施した場合の被加工物の状態遷移を示す説明図である。図５Ａは、パルスレーザ光の転写位置を、被加工物の表面から深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置に合わせてパルスレーザ光を照射した状態を示す。図５Ｂは、パルスレーザ照射直後の被加工物の加工状態を示す。図５Ｃは、パルスレーザ光が自己収束している状態を示す。図５Ｄは、パルスレーザ光の照射による被加工物の加工状態を示す。
【図６】図６は、表面付近に穴Ｈに生じるクラックＣＲの説明図である。
【図７】図７は、クラックＣＲを撮影した写真である。
【図８】図８は、トップハット型のビームプロファイルの説明図である。
【図９】図９は、ガウシアン分布のビームプロファイルの説明図である。
【図１０】図１０は、最大フルーエンスを求める基礎となる小領域のフルーエンスの説明図である。
【図１１】図１１は、転写光学系を使用したパルスレーザ光の光束の集束と発散の態様を示す説明図である。
【図１２】図１２は、転写位置ＦＰを被加工物４１の内部にした場合のパルスレーザ光の光束の態様を示す説明図である。
【図１３】図１３は、転写位置ＦＰからの各距離ＺＬにおけるビームの断面ＳＰの形状と光強度分布を示す計測データである。図１３Ａは、距離ＺＬが最も大きな位置の計測データである。図１３Ｅは距離ＺＬが「０」の転写位置ＦＰにおける計測データである。図１３Ｃ及び図１３Ｄは、図１３Ａと図１３Ｅの間の各距離ＺＬにおける計測データである。
【図１４】図１４は、距離ＺＬと光強度比Ｒの相関関係データを示すグラフである。
【図１５】図１５は、転写位置ＦＰでの目標フルーエンスＦｔと加工深さΔＺｄの関係を示す第１のグラフである。
【図１６】図１６は、図１５とは別の条件の第２のグラフである。
【図１７】図１７は、図１５及び図１６のグラフに含まれる条件で加工した場合のクラックＣＲの発生状況を示す写真である。
【図１８】図１８は、図１６とは別の条件の第３のグラフである。
【図１９】図１９は、図１８とは別の条件の第４のグラフである。
【図２０】図２０は、図１９及び図１８のグラフに含まれる条件で加工した場合のクラックＣＲの発生状況を示す写真である。
【図２１】図２１は、図１５から図２０に示す実験結果をまとめた表である。
【図２２】図２２は、第１実施形態のレーザ加工システムの構成を概略的に示す。
【図２３】図２３は、第１実施形態のレーザ加工手順を示すフローチャートである。
【図２４】図２４は、第１実施形態の最大フルーエンスの評価手順を示すフローチャートである。
【図２５】図２５は、照射パルス数Ｎと加工深さΔＺｄの関係を示すグラフである。
【図２６】図２６は、第２実施形態のレーザ加工システムの構成を概略的に示す。
【図２７】図２７は、集光光学系を使用した場合のパルスレーザ光の態様を示す説明図である。
【図２８】図２８は、ビームウエスト位置及び被加工物の表面におけるビームプロファイルの説明図である。
【図２９】図２９は、第２実施形態の距離ＺＬｗと光強度比Ｒとの相関関係データを示すグラフである。
【図３０】図３０は、第２実施形態のレーザ加工手順を示すフローチャートである。
【図３１】図３１は、第２実施形態の最大フルーエンスの評価手順を示すフローチャートである。
【図３２】図３２は、レーザ加工の処理手順を示すフローチャートである。
【図３３】図３３は、第３実施形態のレーザ加工システムの構成の概略を示す。
【図３４】図３４は、相関関係データの取得手順を示すフローチャートである。
【図３５】図３５は、最大光強度と平均光強度の計算手順を示すフローチャートである。
【図３６】図３６は、最大光強度の計算手順を示すフローチャートである。
【図３７】図３７は、レーザ加工装置の第１の変形例を示す。
【図３８】図３８は、レーザ加工装置の第２の変形例を示す。
【図３９】図３９は、レーザ装置の第１の変形例を示す。
【図４０】図４０は、レーザ装置の第２の変形例を示す。
【実施形態】
【００１１】
＜内容＞
１．概要
２．比較例に係るレーザ加工システム及びレーザ加工方法
２．１  構成
２．１．１  全体構成
２．１．２  転写位置の深さΔＺｓｆ
２．２  動作
２．２．１  高アスペクト比の穴加工の推定メカニズム
２．３  課題
３．クラックが生じる原因の分析
４．第１実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
４．１  構成
４．２  動作
４．３  作用
４．４  好ましい加工条件
４．４．１  パルスレーザ光のパルス幅
４．４．２  ビームの直径Ｄｉの範囲
４．４．３  被加工物４１が合成石英ガラスの場合の好ましい条件
４．４．３．１  パルスレーザ光の波長
４．４．３．２  深さΔＺｓｆの範囲
４．４．３．３  目標フルーエンスＦｔの範囲
４．４．３．４  最大フルーエンスＦｓｆｐの許容範囲
４．４．３．５  照射パルス数Ｎの範囲
４．５  その他
５．第２実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
５．１  構成
５．１  構成
５．２  動作
５．３  作用
５．４  その他
６．第３実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
６．１  構成
６．２  動作
６．３  作用
６．４  その他
７．レーザ加工装置の変形例
７．１  変形例７−１
７．２  変形例７−２
８．レーザ装置の変形例
８．１  変形例８−１
８．２  変形例８−２
【００１２】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１３】
１．概要
本開示は、被加工物にレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工システム及びレーザ加工方法に関する。
【００１４】
２．比較例に係るレーザ加工システム及びレーザ加工方法
２．１  構成
２．１．１  全体構成
図１は、比較例に係るレーザ加工システムの構成を概略的に示す。レーザ加工システム２は、レーザ装置３と、レーザ加工装置４とを備えている。レーザ装置３とレーザ加工装置４は光路管５によって接続されている。
【００１５】
レーザ装置３は、マスターオシレータ１０と、モニタモジュール１１と、シャッタ１２と、レーザ制御部１３とを含んでいる。レーザ装置３は、レーザ媒質として、アルゴン（Ａｒ）及びフッ素（Ｆ）を含むＡｒＦレーザガスを使用する、ＡｒＦエキシマレーザ装置である。レーザ装置３は、中心波長が約１９３．４ｎｍのＡｒＦレーザ光である紫外線のパルスレーザ光を出力する。
【００１６】
マスターオシレータ１０は、レーザチャンバ２１と、一対の電極２２ａ及び２２ｂと、充電器２３と、パルスパワーモジュール（ＰＰＭ）２４とを含んでいる。図１においては、レーザ光の進行方向に略垂直な方向からみたレーザチャンバ２１の内部構成が示されている。
【００１７】
レーザチャンバ２１は、ＡｒＦレーザガスが封入されるチャンバである。一対の電極２２ａ及び２２ｂは、レーザ媒質を放電により励起するための電極として、レーザチャンバ２１内に配置されている。
【００１８】
レーザチャンバ２１には開口が形成され、この開口を電気絶縁部２８が塞いでいる。電極２２ａは電気絶縁部２８に支持され、電極２２ｂはリターンプレート２１ｄに支持されている。このリターンプレート２１ｄは図示しない配線でレーザチャンバ２１の内面と接続されている。電気絶縁部２８には、導電部が埋め込まれている。導電部は、パルスパワーモジュール２４から供給される高電圧を電極２２ａに印加する。
【００１９】
充電器２３は、パルスパワーモジュール２４の中の図示しない充電コンデンサに所定の電圧で充電する直流電源装置である。パルスパワーモジュール２４は、レーザ制御部１３によって制御されるスイッチ２４ａを含んでいる。スイッチ２４ａがＯＦＦからＯＮになると、パルスパワーモジュール２４は、充電器２３に保持されていた電気エネルギからパルス状の高電圧を生成し、この高電圧を一対の電極２２ａ及び２２ｂ間に印加する。
【００２０】
一対の電極２２ａ及び２２ｂ間に高電圧が印加されると、一対の電極２２ａ及び２２ｂ間の絶縁が破壊され、放電が起こる。この放電のエネルギにより、レーザチャンバ２１内のレーザ媒質が励起されて高エネルギ準位に移行する。励起されたレーザ媒質が、その後低エネルギ準位に移行するとき、そのエネルギ準位差に応じた光を放出する。
【００２１】
レーザチャンバ２１の両端には、ウインドウ２１ａ及び２１ｂが設けられている。レーザチャンバ２１内で発生した光は、ウインドウ２１ａ及び２１ｂを介してレーザチャンバ２１の外部に出射する。
【００２２】
マスターオシレータ１０は、さらに、リアミラー２６と、出力結合ミラー２７とを含んでいる。リアミラー２６には高反射膜がコートされており、出力結合ミラー２７には部分反射膜がコートされている。リアミラー２６は、レーザチャンバ２１のウインドウ２１ａから出射された光を高い反射率で反射してレーザチャンバ２１に戻す。出力結合ミラー２７は、レーザチャンバ２１のウインドウ２１ｂから出力される光のうちの一部を透過させて出力し、他の一部を反射させてレーザチャンバ２１内に戻す。
【００２３】
従って、リアミラー２６と出力結合ミラー２７とで、光共振器が構成される。レーザチャンバ２１は、光共振器の光路上に配置される。レーザチャンバ２１から出射した光は、リアミラー２６と出力結合ミラー２７との間で往復し、電極２２ａと電極２２ｂとの間のレーザゲイン空間を通過する度に増幅される。増幅された光の一部が、出力結合ミラー２７を介して、パルスレーザ光として出力される。
【００２４】
モニタモジュール１１は、マスターオシレータ１０を出射したパルスレーザ光の光路上に配置されている。モニタモジュール１１は、例えば、ビームスプリッタ１１ａと、光センサ１１ｂとを含んでいる。
【００２５】
ビームスプリッタ１１ａは、マスターオシレータ１０から出射したパルスレーザ光を高い透過率でシャッタ１２に向けて透過させるとともに、パルスレーザ光の一部を光センサ１１ｂの受光面に向けて反射する。光センサ１１ｂは、受光面に入射したパルスレーザ光のパルスエネルギを検出し、検出されたパルスエネルギのデータをレーザ制御部１３に出力する。
【００２６】
レーザ制御部１３は、レーザ加工制御部３２との間で各種信号を送受信する。例えば、レーザ制御部１３は、レーザ加工制御部３２から、発光トリガＴｒ、目標パルスエネルギＥｔのデータ等を受信する。また、レーザ制御部１３は、充電器２３に対して充電電圧の設定信号を送信し、かつ、パルスパワーモジュール２４に対してスイッチ２４ａのＯＮ又はＯＦＦの指令信号を送信する。
【００２７】
レーザ制御部１３は、モニタモジュール１１からパルスエネルギのデータを受信し、受信したパルスエネルギのデータを参照して充電器２３の充電電圧を制御する。充電器２３の充電電圧を制御することにより、パルスレーザ光のパルスエネルギが制御される。
【００２８】
シャッタ１２は、モニタモジュール１１のビームスプリッタ１１ａを透過したパルスレーザ光の光路に配置される。レーザ制御部１３は、レーザ発振の開始後、モニタモジュール１１から受信するパルスエネルギと目標パルスエネルギＥｔとの差が許容範囲内となるまでの間は、シャッタ１２を閉じるように制御する。レーザ制御部１３は、モニタモジュール１１から受信するパルスエネルギと目標パルスエネルギＥｔとの差が許容範囲内となったら、シャッタ１２を開くように制御する。レーザ制御部１３は、シャッタ１２の開閉信号と同期して、パルスレーザ光の発光トリガＴｒの受け付けが可能となったことを表す信号を、レーザ加工装置４のレーザ加工制御部３２に送信する。
【００２９】
レーザ加工装置４は、レーザ加工制御部３２と、テーブル３３と、ＸＹＺステージ３４と、光学システム３６と、筐体３７と、フレーム３８とを含んでいる。筐体３７内には光学システム３６が配置される。フレーム３８には、筐体３７とＸＹＺステージ３４が固定される。
【００３０】
テーブル３３は、被加工物４１を支持する。被加工物４１は、パルスレーザ光が照射されてレーザ加工が行われる加工対象である。被加工物４１は、紫外線のパルスレーザ光に対して透明な透明材料であり、例えば、合成石英ガラスである。レーザ加工は、例えば、被加工物４１に穴を空ける穴加工である。ＸＹＺステージ３４は、テーブル３３を支持している。ＸＹＺステージ３４は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動可能であり、テーブル３３の位置を調整することにより、被加工物４１の位置を調整可能である。ＸＹＺステージ３４は、レーザ加工制御部３２の制御の下、光学システム３６から出射するパルスレーザ光が、所望の加工位置に照射されるように被加工物４１の位置を調整する。
【００３１】
レーザ加工システム２は、例えば、被加工物４１の１つの位置又は複数の位置に穴加工を施す。レーザ加工制御部３２には、複数の加工位置に応じた位置データが順次セットされる。各加工位置の位置データは、例えば、ＸＹＺステージ３４の原点位置を基準とした、各加工位置のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれの位置を規定した座標データである。レーザ加工制御部３２は、こうした座標データに基づいてＸＹＺステージ３４の移動量を制御して、ＸＹＺステージ３４上の被加工物４１を位置決めする。
【００３２】
光学システム３６は、例えば、高反射ミラー３６ａ〜３６ｃと、転写マスク４７と、転写レンズ４８とを備えており、被加工物４１の表面に、加工形状に対応する像を転写する。高反射ミラー３６ａ〜３６ｃ、転写マスク４７及び転写レンズ４８は、それぞれが図示しないホルダに固定されており、筐体３７内において所定の位置に配置されている。
【００３３】
高反射ミラー３６ａ〜３６ｃは、紫外領域のパルスレーザ光を高い反射率で反射する。高反射ミラー３６ａは、レーザ装置３から入力されたパルスレーザ光を高反射ミラー３６ｂに向けて反射し、高反射ミラー３６ｂは、パルスレーザ光を、高反射ミラー３６ｃに向けて反射する。高反射ミラー３６ｃは、パルスレーザ光を転写レンズ４８に向けて反射する。高反射ミラー３６ａ〜３６ｃは、例えば、合成石英やフッ化カルシウムで形成された透明基板の表面に、パルスレーザ光を高反射する反射膜がコートされている。
【００３４】
転写マスク４７は、高反射ミラー３６ｂ及び３６ｃの間の光路上に配置されている。転写マスク４７は、高反射ミラー３６ｂで反射されたパルスレーザ光の一部を透過させることで、被加工物４１に対する加工形状に対応するパルスレーザ光の像を形成する。転写マスク４７は、例えば、パルスレーザ光を遮光する遮光性を有する遮光板に、光を透過する透過孔で構成される転写パターンが形成されたものである。ここで、転写マスク４７の転写パターンの形状に応じて形成される、パルスレーザ光の像を転写像と呼ぶ。
【００３５】
本例においては、転写マスク４７の転写パターンは、円形のピンホールである。こうした転写マスク４７を用いて、本例のレーザ加工装置４は、被加工物４１に対して、断面が円形の穴を形成する穴加工を施す。また、転写マスク４７は、ピンホールの大きさを変更することが可能な可変機構を備えており、被加工物４１への加工寸法に応じて、ピンホールの大きさを調節することができる。レーザ加工制御部３２は、転写マスク４７の可変機構を制御してピンホールの大きさを調節する。
【００３６】
転写レンズ４８は、入射したパルスレーザ光を集光して、ウインドウ４２を介して、集光したパルスレーザ光を被加工物４１に向けて出射する。転写レンズ４８は、転写マスク４７を透過することにより生成されたパルスレーザ光のピンホール形状の転写像を、転写レンズ４８の焦点距離に応じた位置に結像させる転写光学系を構成する。ここで、転写レンズ４８の作用によって、転写像が結像する結像位置を転写位置と呼ぶ。
【００３７】
この転写位置のＺ軸方向の位置は、予め取得される照射条件に基づいて、パルスレーザ光が入射する入射側の表面を基準とした所定の位置に設定される。転写位置のＺ軸方向の位置決めは、パルスレーザ光の光軸方向の位置決めに相当する。この転写位置の位置決めについては、後述する。また、以下、単に、被加工物４１の表面という場合は、被加工物４１の入射側の表面を意味する。ここで、Ｚ軸方向は、転写レンズ４８を出射して被加工物４１に入射するパルスレーザ光の光軸方向と平行である。
【００３８】
転写レンズ４８は、複数枚のレンズの組み合わせによって構成される。転写レンズ４８は、転写マスク４７に設けられるピンホールの実際の寸法よりも小さな寸法のピンホール形状の転写像を、転写位置に結像させる縮小光学系である。転写レンズ４８で構成される転写光学系の倍率Ｍは、たとえば、Ｍ＝１／１０〜１／５である。また、本例では、転写レンズ４８を組合せレンズの例で示したが、転写レンズ４８の光軸上近傍に１つの小さな円形の転写像を結像させる場合は、転写レンズ４８を単レンズで構成してもよい。
【００３９】
ウインドウ４２は、転写レンズ４８と被加工物４１との間の光路上に配置されており、筐体３７に形成された開口にＯリング（図示せず）によってシールされた状態で固定される。
【００４０】
アッテネータ５２は、筐体３７内において、高反射ミラー３６ａと高反射ミラー３６ｂの間の光路上に配置されている。アッテネータ５２は、例えば、２枚の部分反射ミラー５２ａ及び５２ｂと、これらの部分反射ミラーの回転ステージ５２ｃ及び５２ｄとを含んでいる。２枚の部分反射ミラー５２ａ及び５２ｂは、パルスレーザ光の入射角度によって、透過率が変化する光学素子である。部分反射ミラー５２ａ及び部分反射ミラー５２ｂは、パルスレーザ光の入射角度が互いに一致し、且つ所望の透過率となるように、回転ステージ５２ｃ及び回転ステージ５２ｄによって傾斜角度が調整される。
【００４１】
これにより、パルスレーザ光は、所望のパルスエネルギに減光されてアッテネータ５２を通過する。アッテネータ５２は、レーザ加工制御部３２の制御信号に基づいて透過率Ｔが制御される。レーザ加工制御部３２は、目標パルスエネルギＥｔを通じてレーザ装置３が出力するパルスレーザ光のフルーエンスを制御することに加えて、アッテネータ５２の透過率Ｔを制御して、パルスレーザ光のフルーエンスを制御する。目標パルスエネルギＥｔを変化させればフルーエンスを変化させることができるが、レーザ装置３のマスターオシレータ１０では、パルスエネルギを大きく変化させることは難しい。アッテネータ５２を使用することで、マスターオシレータ１０の出力が一定でも、フルーエンスを変化させることができる。
【００４２】
筐体３７の内部には、レーザ加工システム２の稼働中、不活性ガスである窒素（Ｎ2）ガスが常時流れている。筐体３７には、窒素ガスを筐体３７に吸入する吸入ポート３７ａと、筐体３７から窒素ガスを外部に排出する排出ポート３７ｂが設けられている。吸入ポート３７ａ及び排出ポート３７ｂには、図示しない吸気管や排出管を接続できるようになっている。吸入ポート３７ａ及び排出ポート３７ｂは、吸気管や排出管を接続した状態では、筐体３７内に外気が混入するのを抑制するようにＯリング（図示せず）によってシールされている。吸入ポート３７ａには、窒素ガス供給源４３が接続される。また、レーザ装置３内の光路は、シールされ不活性ガスである窒素ガスでパージされている。
【００４３】
光路管５内も窒素ガスが流れており、光路管５も、レーザ加工装置４の接続部分と、レーザ装置３との接続部分とにおいてＯリングでシールされている。
【００４４】
２．１．２  転写位置の深さΔＺｓｆ
図２に示すように、レーザ加工制御部３２は、パルスレーザ光ＰＬの転写位置ＦＰと被加工物４１とのＺ軸方向における相対的な位置決めを、被加工物４１の表面４１ａを基準として行う。具体的には、レーザ加工制御部３２は、転写位置ＦＰが、光軸方向において被加工物４１の表面４１ａから所定の深さΔＺｓｆだけ被加工物４１の内部に進入した位置となるように位置決めを行う。深さΔＺｓｆは、照射条件として入力される。レーザ加工制御部３２は、深さΔＺｓｆの値に応じて、ＸＹＺステージ３４を制御して、転写位置ＦＰと被加工物４１とのＺ軸方向における位置決めを行う。
【００４５】
図２Ａに示すように、深さΔＺｓｆの値が０ｍｍの場合は、転写位置ＦＰが表面４１ａの位置に設定される。この場合、Ｚ軸方向において、転写位置ＦＰと被加工物４１の表面４１ａは一致する。図２Ｂに示すように、ΔＺｓｆの値が、例えば１ｍｍなど、０よりも大きい場合は、その値に応じて、転写位置ＦＰが表面４１ａから深さΔＺｓｆだけ内部に進入した位置に設定される。レーザ加工制御部３２は、位置決め機構であるＸＹＺステージ３４を制御することにより、パルスレーザ光の光軸方向において、転写位置ＦＰと被加工物４１との相対的な位置決めを行う位置決め制御部に相当する。
【００４６】
２．２  動作
図３及び図４を参照しながら、レーザ加工システム２の動作を説明する。図３に示すように、レーザ加工を行う場合には、被加工物４１がＸＹＺステージ３４のテーブル３３にセットされる（Ｓ１１００）。レーザ加工制御部３２は、初期の加工位置の位置データをＸＹＺステージ３４にセットする（Ｓ１２００）。
【００４７】
レーザ加工制御部３２は、ＸＹＺステージ３４を制御して、被加工物４１のＸＹ平面の位置を調整する（Ｓ１３００）。Ｓ１３００において、レーザ加工制御部３２は、位置データに含まれるＸＹ平面内の座標データに基づいてＸＹＺステージ３４の移動量を制御することにより、被加工物４１のＸＹ平面内の位置を調整する。これにより、被加工物４１のＸＹ平面内の位置が位置決めされる。
【００４８】
レーザ加工制御部３２は、パルスレーザ光ＰＬの照射条件を取得する（Ｓ１４００）。照射条件のデータは、例えば、操作パネルなどからオペレータの操作によってマニュアルで入力され、レーザ加工制御部３２内のメモリや外部のデータストレージに格納される。レーザ加工制御部３２は、メモリやデータストレージから照射条件のデータを読み出すことによって、照射条件を取得する。照射条件には、転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔ、転写位置ＦＰの深さΔＺｓｆ、照射するパルスレーザ光の照射パルス数Ｎ、及びパルスレーザ光の繰り返し周波数ｆが含まれる。なお、照射条件のうち、深さΔＺｓｆは、Ｓ１２００においてセットされる位置データに含まれている。
【００４９】
次に、レーザ加工制御部３２は、パルスレーザ光ＰＬの転写像の転写位置ＦＰが、照射条件の深さΔＺｓｆになるように、ＸＹＺステージ３４を制御して、被加工物４１のＺ軸方向の位置を調整する（Ｓ１５００）。
【００５０】
本例において、転写位置ＦＰは、転写マスク４７と転写レンズ４８間の距離と、転写レンズ４８の焦点距離等に応じて決まる。そのため、Ｓ１５００において、レーザ加工制御部３２は、ＸＹＺステージ３４の移動量を制御することにより、パルスレーザ光ＰＬの転写像の転写位置ＦＰと被加工物４１の表面４１ａとのＺ軸方向の相対的な位置決めを行う。上述したとおり、Ｚ軸方向は、被加工物４１に入射するパルスレーザ光の光軸方向と平行であるので、Ｚ軸方向の位置決めは、パルスレーザ光の光軸方向の位置決めに相当する。
【００５１】
被加工物４１の位置決めが終了すると、レーザ加工が行われる（Ｓ１６００）。初期の加工位置に対するレーザ加工が終了した場合は、レーザ加工制御部３２は、次の加工位置がある場合（Ｓ１７００でＮ）には、次の加工位置の位置データをＸＹＺステージ３４にセットする（Ｓ１８００）。そして、レーザ加工制御部３２は、被加工物４１の次の加工位置への移動と照射条件の取得を行う（Ｓ１３００からＳ１５００）。次の加工位置において、被加工物４１に対してレーザ加工が行われる（Ｓ１６００）。次の加工位置が無い場合は、レーザ加工が終了する（Ｓ１７００でＹ）。こうした手順が、すべての加工位置に対するレーザ加工が終了するまで繰り返される。
【００５２】
本例においては、加工位置毎に、ＸＹ平面の位置とＺ軸方向の位置の両方の調整を行っている。また、加工位置毎に照射条件を取得している。しかし、複数の加工位置間で、Ｚ軸方向の位置が同じで、かつ、照射条件も同じ場合は、次のようにしてもよい。
【００５３】
すなわち、初期の加工位置において、照射条件を取得するステップＳ１４００及びＺ軸方向の位置を調整するステップＳ１５００を実施した後は、それ以降の加工位置についてはステップＳ１４００及びＳ１５００を省略してもよい。この場合には、例えば、初期の加工位置の位置データをセットするステップＳ１２００の後、まず、照射条件を取得するステップＳ１４００とＺ軸方向の位置を調整するステップＳ１５００を実施する。その後に、ステップＳ１３００を実施して、初期の加工位置に関するＸＹ平面の位置を調整して、ステップＳＳ１６００を実施する。そして、次の加工位置についてステップＳ１８００を実施した後は、ステップＳ１３００のみを実施し、ステップＳ１４００及びＳ１５００を省略して、ステップＳ１６００を実施する。
【００５４】
図３におけるＳ１６００のレーザ加工は、図４に示すフローチャートに従って行われる。レーザ加工制御部３２は、レーザ装置３のレーザ制御部１３に対して、目標パルスエネルギＥｔを送信する。これにより、レーザ制御部１３において、目標パルスエネルギＥｔが設定される（Ｓ１６０１）。
【００５５】
レーザ制御部１３は、レーザ加工制御部３２から目標パルスエネルギＥｔを受信すると、シャッタ１２を閉じて、充電器２３を作動させる。そして、レーザ制御部１３は、図示しない内部トリガによってパルスパワーモジュール２４のスイッチ２４ａをＯＮする。これにより、マスターオシレータ１０はレーザ発振する。
【００５６】
モニタモジュール１１は、マスターオシレータ１０から出力されるパルスレーザ光をサンプルして、パルスエネルギの実測値であるパルスエネルギＥを計測する。レーザ制御部１３は、パルスエネルギＥと目標パルスエネルギＥｔとの差ΔＥが０に近づくように、充電器２３の充電電圧を制御する。具体的には、レーザ制御部１３は、差ΔＥが許容範囲になるように充電電圧を制御する。
【００５７】
レーザ制御部１３は、差ΔＥが許容範囲となったか否かを監視する（Ｓ１６０２）。レーザ制御部１３は、差ΔＥが許容範囲となった場合（Ｓ１６０２でＹ）、レーザ加工制御部３２に対して、発光トリガＴｒの受信準備が完了したことを知らせる受信準備完了信号を送信し、かつ、シャッタ１２を開ける。これにより、レーザ装置３は、発光トリガＴｒの受信準備完了状態となる（Ｓ１６０３）。
【００５８】
レーザ加工制御部３２は、受信準備完了信号を受信した場合、パルスレーザ光の転写像の転写位置ＦＰにおけるフルーエンスが、照射条件で規定された目標フルーエンスＦｔとなるようにアッテネータ５２の透過率Ｔを設定する（Ｓ１６０４）。
【００５９】
光学システム３６の光損失が無い場合、転写位置ＦＰにおけるフルーエンスＦは下記式（１）から求められる。
Ｆ＝（Ｅｔ／Ｔｓｌ）・Ｔ／｛π（Ｄｉ／２）2｝・・・・・（１）
ここで、Ｔ：アッテネータの透過率、Ｅｔ：レーザ装置から出力されるパルスレーザ光のパルスエネルギ、Ｔｓｌ：転写マスク４７におけるパルスレーザ光の透過率、Ｄｉ：転写像の直径である。Ｄｉは、言い換えると、パルスレーザ光の光軸方向と直交するビームの断面であって、転写位置におけるビームの断面の直径である。
【００６０】
アッテネータの透過率Ｔは、光学システム３６の光損失が無い場合、上記式（１）から下記式（２）で求められる。
Ｔ＝π（Ｄｉ／２）2・Ｆ／（Ｅｔ・Ｔｓｌ）・・・・・（２）
なお、上記式（２）は、高反射ミラー３６ａ〜３６ｃ、転写レンズ４８、ウインドウ４２の透過率が１００％であるというように、光学システム３６の光損失が無いと仮定した場合の式である。光学システム３６の光損失を考慮するために、光学システム３６の透過率ＴＳ０を用いて下記式（３）のように計算してもよい。
Ｔ＝π（Ｄｉ／２）2・Ｆ／（Ｅｔ・Ｔｓｌ・ＴＳ０）・・・・・（３）
【００６１】
レーザ加工制御部３２は、アッテネータ５２の透過率Ｔを設定した後、所定の繰り返し周波数ｆと所定の照射パルス数Ｎで規定される発光トリガＴｒを、レーザ制御部１３に送信する。その結果、発光トリガＴｒに同期して、モニタモジュール１１のビームスプリッタ１１ａを透過したパルスレーザ光はレーザ装置３から出力されて、レーザ加工装置４に入射する。
【００６２】
レーザ加工装置４に入射したパルスレーザ光は、高反射ミラー３６ａを径由してアッテネータ５２において減光される。アッテネータ５２を透過したパルスレーザ光は、高反射ミラー３６ｂで反射して、転写マスク４７に照射される。
【００６３】
転写マスク４７に照射されたパルスレーザ光のうち、ピンホールを透過したパルスレーザ光が高反射ミラー３６ｃで反射して転写レンズ４８に入射する。転写マスク４７のピンホールを透過したパルスレーザ光は転写レンズ４８に入射する。転写レンズ４８によって、転写マスク４７のピンホールの縮小された転写像がウインドウ４２を介して被加工物４１の表面に対して深さΔＺｓｆの位置に転写される。転写レンズ４８を透過したパルスレーザ光は、この転写像の領域の被加工物４１の表面及び内部を照射する。こうしたパルスレーザ光のレーザ照射が、レーザ加工に必要な繰り返し周波数ｆ及び照射パルス数Ｎで規定される発光トリガＴｒに従って行われる（Ｓ１６０５）。このレーザ照射により、被加工物４１に対してピンホール形状の穴を形成するレーザ加工が施される。
【００６４】
２．２．１  高アスペクト比の穴加工の推定メカニズム
このような被加工物４１に穴を形成するレーザ加工により、高アスペクト比の穴が形成されることがわかっている。高アスペクト比の穴とは、穴の直径に対して、穴の深さである加工深さが深い細長い穴を意味する。具体的には、高アスペクト比の穴とは、例えば、穴の直径が約１０μｍから約１５０μｍに対して、加工深さが約１．０ｍｍ（１０００μｍ）以上ある穴である。ここでは、高アスペクト比を、１０００μｍ／１００μｍ＝１０以上と定義する。
【００６５】
図５は、比較例のレーザ加工システム２及びレーザ加工方法を用いて、被加工物４１に対してレーザ加工を施した場合の被加工物４１の状態遷移を示す説明図である。図５においては、深さΔＺｓｆは例えば１ｍｍであり、図５Ａに示すように、パルスレーザ光ＰＬの転写像の転写位置ＦＰが、被加工物４１の表面４１ａの内部に１ｍｍ進入した位置となるように位置決めされる例である。この状態でレーザ照射が行われて、ウインドウ４２を透過したパルスレーザ光ＰＬは、被加工物４１に照射される。
【００６６】
パルスレーザ光ＰＬは、中心波長が約１９３．４ｎｍのＡｒＦレーザであり、被加工物４１はＡｒＦレーザに対して透明な合成石英ガラスであるため、図５Ａに示すように、照射直後において、パルスレーザ光ＰＬは被加工物４１を透過する。パルスレーザ光ＰＬの照射が継続されると、図５Ｂに示すように、被加工物４１の表面付近に欠陥ＤＦが生じ、パルスレーザ光ＰＬの吸収が開始される。
【００６７】
パルスレーザ光の照射が継続されると、パルスレーザ光ＰＬの吸収を開始する被加工物４１の表面４１ａ付近では、パルスレーザ光の吸収率が増加して、図５Ｂに示すように、アブレーション加工が開始される。アブレーション加工が開始された後も、パルスレーザ光の一部は吸収されずに、被加工物４１内部を透過する。このパルスレーザ光の透過光は、アブレーション加工が開始された後、ある時点から、図５Ｃに示すように、被加工物４１の内部において発散することなく、自己収束して、Ｚ軸方向と平行な深さ方向に進行する。そして、自己収束したパルスレーザ光は、深さ方向にアブレーション加工を進行させる。これにより、図５Ｄに示すように、穴Ｈの直径が約１０μｍから約１５０μｍに対して、加工深さΔＺｄが１．５ｍｍ以上の高アスペクト比の穴Ｈの加工が施される。
【００６８】
このような高アスペクト比の穴Ｈが形成されるという加工結果から考えると、図５Ｃに示したとおり、被加工物４１の内部においてパルスレーザ光が何らかの理由で自己収束していると考えられる。自己収束の理由としては、図５Ｃに示すとおり、被加工物４１の内部においてパルスレーザ光が透過する光路に改質が生じて、深さ方向に細長く延びる改質層ＲＦが生成されることが原因と考えられる。
【００６９】
１つの仮説としては、この改質層ＲＦは、パルスレーザ光の透過により他の部分と比較して屈折率が増大しており、それによって自己収束が生じていることが考えられる。もう１つの仮説としては、あたかも光ファイバ内を伝播する光のように、改質層ＲＦと未改質部分との境界となる穴Ｈの内壁面においてパルスレーザ光がフレネル反射を繰り返して深さ方向に進行することによって自己収束が生じていることが考えられる。
【００７０】
こうした自己収束の理由はともかく、上述した加工条件で、被加工物４１にレーザ加工を行ったところ、高アスペクト比の穴加工を精度よく行うことが確認できている。
【００７１】
２．３  課題
上述した比較例に係るレーザ加工システム２においては、高アスペクト比の穴加工は可能であるものの、図６に示すように、穴Ｈの表面４１ａ付近に穴Ｈの径方向に小枝のように延びるクラックＣＲが生じる場合があるという問題がある。図７は、穴Ｈの実際の加工状態を撮影した写真であり、クラックＣＲが生じたところに丸枠が付されている。
【００７２】
３．クラックが生じる原因の分析
発明者らは実験を行って、クラックＣＲが生じる原因を分析した。実験結果を考察したところ、クラックＣＲの原因は、被加工物４１の表面４１ａにおけるパルスレーザ光の後述する最大フルーエンスＦｓｆｐが関係しているという結論に至っている。
【００７３】
図８及び図９は、パルスレーザ光ＰＬのビームの断面ＳＰにおける径方向の光強度の分布であるビームプロファイルの例を示す。図８は、径方向の光強度の分布がほぼ均一なトップハット型のビームプロファイルの例である。図９は、径方向の光強度の分布が、中心で最大となり、その周辺で大きく落ち込むガウシアン分布のビームプロファイルの例である。ビームプロファイルは、図１０に示すように、パルスレーザ光ＰＬの光軸の位置にビームプロファイラ８１のイメージセンサ８１ａを挿入して、イメージセンサ８１ａによってビームの断面ＳＰ内における光強度Ｉを検出することによって測定される。
【００７４】
図１０に示すように、イメージセンサ８１ａは、複数の画素ＰＸが二次元に配列された受光面を有しており、受光するパルスレーザ光ＰＬの光強度Ｉを表す電気信号を画素ＰＸ毎に出力する。イメージセンサ８１ａとしては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）イメージセンサが使用される。こうした画素ＰＸ毎に出力される光強度Ｉを、ビームの断面ＳＰの径方向に沿ってプロットしたものが、図８及び図９に示すビームプロファイルである。
【００７５】
断面ＳＰの面積は、より正確には、ビームの総断面ＳＰ０において、閾値Ｉｔｈ以上の光強度Ｉが検出される部分の面積である。閾値Ｉｔｈは、各画素ＰＸから出力される光強度Ｉの中の最大値に対して１／ｅ2となる値である。
【００７６】
目標フルーエンスＦｔ（Ｊ／ｃｍ2）は、転写位置ＦＰにおけるビームの断面ＳＰ内における平均的なフルーエンスである。つまり、目標フルーエンスＦｔは、転写位置ＦＰにおけるビームの断面ＳＰの全域における平均光強度Ｉａｖｓに基づいて算出される値に相当する。
【００７７】
これに対して、最大フルーエンスＦｓｆｐとは、被加工物４１の表面４１ａにおけるパルスレーザ光のビームの断面ＳＰを複数の小領域に分割し、分割された小領域毎に求めたフルーエンスの中の最大値である。つまり、最大フルーエンスＦｓｆｐは、表面４１ａにおけるビームの断面ＳＰ内の複数の小領域のそれぞれの光強度Ｉの中の最大値を基準にして求めた値である。
【００７８】
各小領域は、本例では、イメージセンサ８１ａの１つの画素ＰＸの領域である。この場合、最大フルーエンスＦｓｆｐは、画素ＰＸ毎に検出される光強度Ｉの中の最大値に基づいて算出される。転写位置ＦＰにおける断面ＳＰの直径Ｄｉは、１０μｍ〜１５０μｍである。画素ＰＸの大きさは、イメージセンサ８１ａの分解能に依存する。画素ＰＸの大きさは、例えば、約４μｍ四方である。直径Ｄｉが１０μｍ〜１５０μｍの範囲の場合は、このイメージセンサ８１ａの分解能としては、４μｍ以上５０μｍ以下の分解能であることが好ましい。
【００７９】
また、必要な分解能が確保できる場合は、例えば隣接する４つの画素ＰＸを合計した領域など、複数の画素ＰＸを合計した領域を１つの小領域として、その小領域毎に検出される光強度Ｉの中の最大値に基づいて最大フルーエンスＦｓｆｐを算出してもよい。
【００８０】
一方、イメージセンサ８１ａの１つの画素ＰＸの大きさが約４μｍ四方よりも大きい場合など、イメージセンサ８１ａの分解能が相対的に低い場合は、ビームプロファイルの計測に際して、パルスレーザ光のビームを拡大した転写像を、イメージセンサ８１ａに結像させてもよい。こうすれば、イメージセンサ８１ａの分解能が相対的に低い場合でも、パルスレーザ光ＰＬのビームプロファイルの分解能を上げることができる。この場合のビームプロファイルの分解能についても、上述した４μｍ以上５０μｍ以下の分解能であることが好ましい。
【００８１】
図８に示すようなトップハット型のビームプロファイルの場合、断面ＳＰ内における光強度Ｉは、断面ＳＰの中心で最大光強度Ｉｍａｘを示すものの、断面ＳＰの全域に渡ってほぼ同じ値である。そのため、断面ＳＰ内の平均光強度Ｉａｖｓと、最大光強度Ｉｍａｘは、ほぼ同じ値となる。
【００８２】
これに対して、図９に示すようなガウシアン分布のビームプロファイルの場合、断面ＳＰ内における光強度Ｉは、断面ＳＰの中心で最大光強度Ｉｍａｘを示し、トップハット型に比べて、その周辺で大きく落ち込む。そのため、断面ＳＰ内の平均光強度Ｉａｖｓは、最大光強度Ｉｍａｘに対して小さくなり、平均光強度Ｉａｖｓと最大光強度Ｉｍａｘの差は大きい。
【００８３】
ここで、基準位置における平均光強度Ｉａｖｓに対する最大光強度Ｉｍａｘの比を、下記式（４）に示すように光強度比Ｒとして定義する。
Ｒ＝Ｉｍａｘ／Ｉａｖｓ・・・（４）
図８に示すようなトップハット型のビームプロファイルの場合は、光強度比Ｒは、例えば約１となる。一方、図９に示すようなガウシアン分布のビームプロファイルの場合は、光強度比Ｒは、例えば約２以上の値となる。
【００８４】
ここで、基準位置は、本例においては転写位置ＦＰであり、平均光強度Ｉａｖｓは転写位置ＦＰにおける断面ＳＰ内の平均光強度Ｉａｖｓである。これに対して、最大光強度Ｉｍａｘは、パルスレーザ光ＰＬの光軸方向の各位置のビームプロファイルにおいて示される最大光強度Ｉｍａｘである。すなわち、本例においては、図１３及び図１４を用いて後に示すように、光強度比Ｒは、転写位置ＦＰにおける平均光強度Ｉａｖｓを基準として、光軸方向の各位置における最大光強度Ｉｍａｘが、基準となる平均光強度Ｉａｖｓに対してどの程度の大きさかを示す値である。
【００８５】
また、図１１及び図１２に示すように、パルスレーザ光のビームの断面ＳＰの面積は、Ｚ軸方向の位置によって変化する。図２や図５においては簡略化して示したが、転写レンズ４８を用いた場合のパルスレーザ光ＰＬの光束は、正確には、図１１及び図１２に示すようになる。すなわち、ウインドウ４２から出射したパルスレーザ光ＰＬの光束は、集光点ＣＰにおいていったん集光して、その後、発散して、転写位置ＦＰにおいて転写像を結ぶ。ビームの断面ＳＰの面積は、転写位置ＦＰから集光点ＣＰに向かって小さくなる。
【００８６】
図１１は、深さΔＺｓｆが０ｍｍで、転写位置ＦＰと被加工物４１の表面４１ａが一致している例である。図１１の場合は、転写位置ＦＰにおける光強度比Ｒが約１の場合は、転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔと、表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐはほぼ一致する。
【００８７】
これに対して、図１２は、深さΔＺｓｆが例えば１ｍｍで、転写位置ＦＰが、表面４１ａから内部に進入している例である。図１２の場合は、転写位置ＦＰにおける光強度比Ｒが約１でも、転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔと、表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐは一致しない。というのも、パルスレーザ光ＰＬの光軸方向においてビームの断面ＳＰのビームプロファイルが変化する。そのため、最大光強度Ｉｍａｘについても、基準位置となる転写位置ＦＰの最大光強度Ｉｍａｘと、表面４１ａの最大光強度Ｉｍａｘとでは一致せず、光強度比Ｒが変化するためである。
【００８８】
図１３は、パルスレーザ光ＰＬの光軸方向の各位置におけるビームの断面ＳＰの形状と光強度分布を計測したデータである。距離ＺＬは、転写位置ＦＰを基準とした光軸方向（Ｚ軸方向）の距離であり、転写位置ＦＰからウインドウ４２及び転写レンズ４８に向かう方向をプラスとしている。
【００８９】
図１３において、図１３Ｅは、ＺＬ＝０の転写位置ＦＰにおけるビームの断面ＳＰの形状と光強度分布を示し、図１３Ｄ、図１３Ｃ、図１３Ｂ、図１３Ａの順に、ウインドウ４２に近づいた位置のビームの断面ＳＰの形状と光強度分布を示している。図１３Ｄは距離ＺＬ＝０．５ｍｍの断面ＳＰを示し、図１３Ｃは距離ＺＬ＝０．９ｍｍの断面ＳＰを示し、図１３Ｂは距離ＺＬ＝１．１ｍｍの断面ＳＰを示し、図１３Ａは距離ＺＬ＝１．５ｍｍの断面ＳＰを示す。図１３Ｄから図１３Ａは、転写位置ＦＰと集光点ＣＰの間に存在する断面ＳＰである。
【００９０】
光強度分布は、断面ＳＰ内の濃淡の変化で示されており、濃淡の差が大きいほど光強度Ｉの差が大きい。図１３からは、各距離ＺＬにおける断面ＳＰ内の中央部分と周辺の濃度差が、図１３Ｅから図１３Ａに向かうほど大きくなっている様子がわかる。
【００９１】
図１３Ｅに示す転写位置ＦＰにおいては、ビームの断面ＳＰの形状は、転写マスク４７のピンホールの形状に応じた円形になっており、断面ＳＰ内の光強度分布はほぼフラットなトップハット型をしている。図１３Ｅから図１３Ａに示すように、転写位置ＦＰからの距離ＺＬが大きくなるほど、断面ＳＰの形状は楕円に近づき、また、断面ＳＰの径方向のビームプロファイルも、中心と周辺の差が大きいガウシアン分布に近づいている。このようにパルスレーザ光ＰＬの光軸方向において断面ＳＰのビームプロファイルが変化する。その結果、具体的には、図１４に示すように、距離ＺＬに応じて光強度比Ｒも変化する。
【００９２】
図１４は、図１３に示す計測データから生成された、距離ＺＬと光強度比Ｒとの相関関係データである。上述したとおり、光強度比Ｒは、図１３Ｅに示す、基準位置である転写位置ＦＰの平均光強度Ｉａｖｓに対する、図１３Ｅから図１３Ａに示すような各位置における最大光強度Ｉｍａｘの大きさを示す値である。
【００９３】
転写位置ＦＰにおいては、断面ＳＰのビームプロファイルはトップハット型であるため、図１４のグラフに示すように、光強度比Ｒは約１である。そして、距離ＺＬが０から１．５ｍｍまで、すなわち、転写位置ＦＰから集光点ＣＰに向かう間は、距離ＺＬが大きくなるほど、光強度比Ｒが大きくなり、距離ＺＬ＝０．５ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．５ｍｍにおいては、それぞれ光強度比Ｒ＝１．５、２、２．５となっている。これは、距離ＺＬが大きくなるほど、断面ＳＰのビームプロファイルがガウシアン分布のような形状に近づいており、その結果、各距離ＺＬにおける最大光強度Ｉｍａｘが、転写位置ＦＰの平均光強度Ｉａｖｓに対して大きくなっていることを示している。
【００９４】
そのため、図１１に示すように、転写位置ＦＰを表面４１ａに設定した場合においては、ビームプロファイルが例えば図８に示すようなトップハット型であるならば、転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔと表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐは略一致する。しかしながら、図１２に示すように、転写位置ＦＰを表面４１ａから内部に進入した位置に設定した場合には、図１４に示した距離ＺＬと光強度比Ｒの関係から、表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐは、転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔよりも大きな値を示すことになる。
【００９５】
ここで、被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐは、光強度比Ｒと転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔから、以下の式によって求めることができる。
Ｆｓｆｐ＝Ｒ・Ｆｔ・・・・（５）
【００９６】
例えば、距離ＺＬ＝１．０ｍｍにおいては光強度比Ｒ＝２である。これは、距離ＺＬ＝１．０ｍｍの位置における最大光強度Ｉｍａｘは、転写位置ＦＰにおける平均光強度Ｉａｖｓの２倍であることを意味する。そのため、転写位置ＦＰにおける平均光強度Ｉａｖｓを基準とする目標フルーエンスＦｔに対して、距離ＺＬ＝１．０ｍｍにおける最大フルーエンスＦｓｆｐは、目標フルーエンスＦｔの２倍となる。
【００９７】
このような最大フルーエンスＦｓｆｐと目標フルーエンスＦｔとの関係と、以下に示す図１５から図２０の実験結果を考察した結果、この被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐがクラックＣＲと関係しているという結論に至っている。
【００９８】
図１５は、転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔと加工深さΔＺｄとの関係を示すグラフである。横軸が目標フルーエンスＦｔであり、縦軸が加工深さΔＺｄである。図１５の照射条件は、転写位置ＦＰにおけるビームの断面ＳＰの直径Ｄｉ＝５５μｍ、繰り返し周波数ｆ＝１ｋＨｚ、照射パルス数Ｎ＝５０００パルス、照射時間５ｓｅｃである。そして、図１５の例は、深さΔＺｆｓ＝０であり、図１１に示すように、転写位置ＦＰと表面４１ａは一致している。
【００９９】
図１５の例では、目標フルーエンスＦｔを５Ｊ／ｃｍ2から３０Ｊ／ｃｍ2まで変化させている。図１５のグラフから明らかなように、目標フルーエンスＦｔが１０Ｊ／ｃｍ2から３０Ｊ／ｃｍ2の範囲では、加工深さΔＺｄが１ｍｍ以上の高アスペクト比の穴加工ができている。この目標フルーエンスＦｔの範囲では、クラックＣＲは発生していない。
【０１００】
図１６は、図１５に示したのと同じ深さΔＺｆｓ＝０のグラフに加えて、深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍのグラフを加えたものである。深さΔＺｆｓ＝０のグラフはプロット点を菱形で示し、深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍのグラフはプロット点を四角形で示している。他の照射条件は図１５と同一である。
【０１０１】
図１６に示すように、深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍにおいても、目標フルーエンスＦｔが１０Ｊ／ｃｍ2から３０Ｊ／ｃｍ2の範囲では、加工深さΔＺｄが１ｍｍ以上の高アスペクト比の穴加工ができている。しかし、深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍの場合は、目標フルーエンスＦｔが２５Ｊ／ｃｍ2まではクラックＣＲは発生しなかったが、丸枠で示す３０Ｊ／ｃｍ2においては、クラックＣＲが発生している。
【０１０２】
図１７は、目標フルーエンスＦｔを３０Ｊ／ｃｍ2に設定した場合において、深さΔＺｆｓ＝０ｍｍに設定して穴加工した場合と、深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍに設定して穴加工した場合のそれぞれの穴Ｈの状態を示す写真である。図１７に示すとおり、深さΔＺｆｓ＝０ｍｍの場合は、クラックＣＲは発生していないが、深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍの場合は、クラックＣＲが発生している様子がわかる。
【０１０３】
深さΔＺｆｓ＝０ｍｍの場合、距離ＺＬ＝０ｍｍなので、図１４のグラフより、光強度比Ｒは約１である。したがって、転写位置ＦＰの目標フルーエンスＦｔが３０Ｊ／ｃｍ2の場合は、最大フルーエンスＦｓｆｐも約３０Ｊ／ｃｍ2で変わらない。これに対して、深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍの場合、距離ＺＬ＝０．５ｍｍなので、図１４のグラフより、光強度比Ｒは約１．５である。そのため、転写位置ＦＰの目標フルーエンスＦｔが３０Ｊ／ｃｍ2でも、最大フルーエンスＦｓｆｐは約４５Ｊ／ｃｍ2となる。
【０１０４】
図１８及び図１９も、図１６と同様な実験結果のグラフを示す。図１８及び図１９においても、図１６と同様に、図１５のグラフと比較できるように、図１５のグラフも挿入されている。
【０１０５】
図１８は、深さΔＺｆｓを１ｍｍに設定した場合の例であり、図１８において、深さΔＺｆｓ＝１ｍｍのグラフは、プロット点を三角で示している。図１８において、プロット点が菱形のグラフは、深さΔｚｆｓ＝０ｍｍの図１５と同じグラフである。図１９は、深さΔＺｆｓを１．５ｍｍにした場合の例であり、図１９において、深さΔＺｆｓ＝１．５ｍｍのグラフは、プロット点を＊印で示している。図１９においても、プロット点が菱形のグラフは、深さΔｚｆｓ＝０ｍｍの図１５と同じグラフである。図１８及び図１９において、深さΔＺｆｓ以外の照射条件は、図１５の例と同様である。
【０１０６】
図１８及び図１９に示すように、深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍにおいても、目標フルーエンスＦｔが１０Ｊ／ｃｍ2から３０Ｊ／ｃｍ2の範囲では、加工深さΔＺｄが１ｍｍ以上の高アスペクト比の穴加工ができている。
【０１０７】
しかし、図１８及び図１９においては、丸枠で示すように、目標フルーエンスＦｔが２０Ｊ／ｃｍ2から３０Ｊ／ｃｍ2の範囲で、クラックＣＲが発生している。
【０１０８】
深さΔＺｆｓ＝１ｍｍの場合、距離ＺＬ＝１ｍｍなので、図１４のグラフより、光強度比Ｒは約２である。したがって、転写位置ＦＰの目標フルーエンスＦｔが２０Ｊ／ｃｍ2の場合は、最大フルーエンスＦｓｆｐは約４０Ｊ／ｃｍ2となる。同様に、目標フルーエンスＦｔが３０Ｊ／ｃｍ2の場合は、最大フルーエンスＦｓｆｐは約６０Ｊ／ｃｍ2となる。
【０１０９】
また、深さΔＺｆｓ＝１．５ｍｍの場合、距離ＺＬ＝１．５なので、図１４のグラフより、光強度比Ｒは約２．５である。そのため、転写位置ＦＰの目標フルーエンスＦｔが２０Ｊ／ｃｍ2でも、最大フルーエンスＦｓｆｐは約５０Ｊ／ｃｍ2となる。同様に、目標フルーエンスＦｔが３０Ｊ／ｃｍ2の場合は、最大フルーエンスＦｓｆｐは約７５Ｊ／ｃｍ2となる。
【０１１０】
図２０は、目標フルーエンスＦｔを２０Ｊ／ｃｍ2に設定した場合において、図１８の深さΔＺｆｓ＝１ｍｍに設定して穴加工した場合と、図１９の深さΔＺｆｓ＝１．５ｍｍに設定して穴加工した場合のそれぞれの穴Ｈの状態を示す写真である。図２０に示すとおり、深さΔＺｆｓ＝１ｍｍの場合も１．５ｍｍの場合も、どちらもクラックＣＲが発生している様子がわかる。
【０１１１】
図２１に、図１５から図１９の実験結果をまとめた表を示す。図２１において、条件１−１から条件１−３のデータは、図１５のグラフに示される実験結果に対応するデータである。すなわち、条件１−１から条件１−３のデータは、深さΔＺｆｓ＝０に設定し、かつ、目標フルーエンスＦｔをそれぞれ１０Ｊ／ｃｍ2、２０Ｊ／ｃｍ2、３０Ｊ／ｃｍ2に設定して穴加工した場合の実験結果である。
【０１１２】
同様に、図２１において、条件２−１から条件２−３のデータは、図１６のグラフに示す実験結果に対応するデータである。すなわち、条件２−１から条件２−３のデータは、深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍに設定し、かつ、目標フルーエンスＦｔをそれぞれ１０Ｊ／ｃｍ2、２０Ｊ／ｃｍ2、３０Ｊ／ｃｍ2に設定して穴加工した場合の実験結果である。
【０１１３】
同様に、図２１において、条件３−１から条件３−３のデータは、図１８のグラフに示す実験結果に対応するデータである。すなわち、条件３−１から条件３−３のデータは、深さΔＺｆｓ＝１ｍｍに設定し、かつ、目標フルーエンスＦｔをそれぞれ１０Ｊ／ｃｍ2、２０Ｊ／ｃｍ2、３０Ｊ／ｃｍ2に設定して穴加工した場合の実験結果である。
【０１１４】
同様に、図２１において、条件４−１から条件４−３のデータは、図１９のグラフに示す実験結果に対応するデータである。すなわち、条件４−１から条件４−３のデータは、深さΔＺｆｓ＝１．５ｍｍに設定し、かつ、目標フルーエンスＦｔをそれぞれ１０Ｊ／ｃｍ2、２０Ｊ／ｃｍ2、３０Ｊ／ｃｍ2に設定して穴加工した場合の実験結果である。
【０１１５】
図２１において、条件２−３、３−２、３−３、４−２、４−３のように、セルをグレイアウトさせた条件に示されるように、表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐが４０Ｊ／ｃｍ2以上の場合に、クラックＣＲが発生していることがわかる。発明者らは、こうした実験結果から、最大フルーエンスＦｓｆｐが、クラックＣＲの原因と考えられることを見いだしている。
【０１１６】
４．第１実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
４．１  構成
図２２は、第１実施形態に係るレーザ加工システム２Ａの構成を概略的に示す。第１実施形態のレーザ加工システム２Ａは、図１を参照しながら説明した比較例のレーザ加工システム２のレーザ加工装置４に代えて、レーザ加工装置４Ａを備えている。第１実施形態の以下の説明においては、比較例のレーザ加工システム２との相違点を中心に説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１７】
第１実施形態のレーザ加工装置４Ａは、比較例のレーザ加工装置４と異なり、レーザ加工制御部３２の代わりにレーザ加工制御部３２Ａを備えている。レーザ加工装置４Ａのその他の構成については、比較例のレーザ加工装置４と同様である。
【０１１８】
レーザ加工制御部３２Ａにおいて、比較例のレーザ加工制御部３２と異なる点は、レーザ加工に先立って、照射条件として設定される、転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔに基づいて、被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐが所定の範囲内か否かを判定する処理が追加されている点である。その他の点については、レーザ加工制御部３２Ａと同様である。
【０１１９】
４．２  動作
図２３及び図２４を参照しながら、レーザ加工システム２Ａの動作を説明する。第１実施形態の図２３のフローチャートと、比較例における図３のフローチャートと異なる点は、ステップＳ１４００とステップＳ１５００の間に、ステップＳ１４１０とＳ１４２０が追加されている点である。また、Ｓ１９００が追加されている点が異なる。その他の点は同様である。
【０１２０】
第１実施形態のレーザ加工制御部３２Ａは、比較例と同様にＳ１１００からＳ１４００の処理を実行する。この後、Ｓ１４１０及びＳ１４２０の処理を実行する。Ｓ１４１０は、被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐを評価する処理である。Ｓ１４２０は、Ｓ１４１０の評価結果に基づいて、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内か否かを判定する処理である。許容範囲のデータは、例えばレーザ加工制御部３２Ａ内のメモリや外部ストレージなどに予め格納される。レーザ加工制御部３２Ａは、Ｓ１４２０において、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内と判定した場合（Ｓ１４２０でＹ）は、Ｓ１５００に進む。以降の処理は、比較例と同様である。
【０１２１】
このように、レーザ加工制御部３２Ａは、透明材料である被加工物４１の表面４１ａにおけるパルスレーザ光ＰＬの最大フルーエンスＦｓｆｐが所定の許容範囲内か否かを判定する判定部として機能する。さらに、レーザ加工制御部３２Ａは、最大フルーエンスＦｓｆｐが所定の許容範囲と判定された場合に、パルスレーザ光ＰＬの照射を許容する制御部として機能する。
【０１２２】
一方、レーザ加工制御部３２Ａは、Ｓ１４２０において、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲外と判定した場合（Ｓ１４２０でＮ）は、Ｓ１９００に進み、警告を行う。警告の内容は、設定した照射条件ではクラックＣＲが発生する可能性があるため、レーザ加工ができないことを通知する内容である。レーザ加工制御部３２Ａは、警告処理において、図示しないディスプレイを制御してこうした内容のメッセージをユーザに対して通知する。または、スピーカを制御して音声でメッセージを通知してもよい。さらに、レーザ加工システム２Ａのディスプレイやスピーカに代えてまたはそれらに加えて、工場内を管理する工場管理システムに対して警告のメッセージを通知してもよい。
【０１２３】
図２４は、Ｓ１４１０における最大フルーエンスＦｓｆｐを評価する処理手順を示すフローチャートである。レーザ加工制御部３２Ａは、照射条件のデータから深さΔＺｓｆの値を読み出して、メモリ内において、読み出したΔＺｓｆを距離ＺＬとしてセットする（Ｓ１４１１）。レーザ加工制御部３２Ａは、Ｓ１４１２において、図１４に示す距離ＺＬと光強度比Ｒとの相関関係データから、照射条件に対応する光強度比Ｒを読み出す。具体的には、Ｓ１４１１において深さΔＺｓｆの値がセットされた距離ＺＬに対応する光強度比Ｒを読み出す（Ｓ１４１２）。
【０１２４】
なお、図１４に示す相関関係データは、レーザ加工制御部３２Ａのメモリや外部ストレージに予め格納されている。相関関係データは、テーブル形式で記録されていてもよいし、関数の形式で記録されていてもよい。
【０１２５】
レーザ加工制御部３２Ａは、読み出した光強度比Ｒに基づいて、転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔから、被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐを、上述した式（５）に基づいて計算する（Ｓ１４１３）。
【０１２６】
レーザ加工制御部３２Ａは、Ｓ１４１４において、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内と判定した場合は、評価結果としてフラグＦＲＧに「０」を記録する（Ｓ１４１５）。レーザ加工制御部３２Ａは、Ｓ１４１４において、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲外と判定した場合は、評価結果としてフラグＦＲＧに「１」を記録する（Ｓ１４１６）。この後、レーザ加工制御部３２Ａは、図２３に示すメインルーチンに戻り、Ｓ１４２０を実行する。
【０１２７】
４．３  作用
以上のように、第１実施形態のレーザ加工システム２Ａは、パルスレーザ光ＰＬを照射して高アスペクト比の穴加工を施すレーザ加工において、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内と判定された場合にパルスレーザ光の照射を許容する。そのため、クラックＣＲの発生を抑制することができる。
【０１２８】
また、レーザ加工システム２Ａは、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲外と判定された場合には、警告を行う。そのため、ユーザは照射条件が不適正であることを確実に把握することができる。また、レーザ加工システム２Ａは、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲外と判定された場合には、レーザ加工を禁止する。そのため、クラックＣＲの発生を未然に防止することができる。
【０１２９】
なお、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲外と判定された場合には、レーザ加工制御部３２Ａが、クラックＣＲの発生のおそれが無い適正な照射条件に自動的に変更して、レーザ加工を行うようにしてもよい。
【０１３０】
４．４  好ましい加工条件
４．４．１  パルスレーザ光のパルス幅
紫外線のパルスレーザ光を使用する場合は、パルス幅が半値全幅で、１ｎｓ〜１００ｎｓのナノ秒オーダのパルスレーザ光を使用することが望まれる。というのも、パルス幅はレーザ装置３の性能によって決まるが、現時点においては、紫外線のパルスレーザ光として、パルス幅がピコ秒オーダで高いパルスエネルギのパルスレーザ光を出力できるレーザ装置３を製造することが難しいためである。本例のように、ナノ秒オーダの紫外線のパルスレーザ光を使用することで、現時点において容易に入手可能なレーザ装置３を使用することができる。
【０１３１】
好ましいパルス幅としては、半値全幅で１ｎｓ〜１００ｎｓであり、さらに好ましくは、１０ｎｓ〜２０ｎｓである。レーザ装置３としては、こうしたパルス幅のパルスレーザ光を出力するレーザ装置３を使用することが好ましい。
【０１３２】
こうしたナノ秒オーダの紫外線のパルスレーザ光を使用して、合成石英ガラスなどの紫外線に対して透明な透明材料である被加工物４１に対して、高アスペクト比の穴加工を施す場合の好ましい加工条件は、以下のとおりである。
【０１３３】
４．４．２  ビームの直径Ｄｉの範囲
パルスレーザ光ＰＬの転写位置ＦＰでのビームの直径Ｄｉの範囲は１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。というのも、紫外線のパルスレーザ光ＰＬを使用する場合において、図５に示すような現象は、直径Ｄｉの範囲は１０μｍ以上１５０μｍ以下である場合に発生する。こうした現象が、高アスペクト比の穴加工を実現するための前提条件であるためである。
【０１３４】
４．４．３  被加工物４１が合成石英ガラスの場合の好ましい条件
４．４．３．１  パルスレーザ光の波長
合成石英ガラスに対して穴加工を施す場合には、パルスレーザ光の中心波長は１５７．６ｎｍ〜２４８．７ｎｍであることが好ましい。特に、パルスレーザ光としては、中心波長が約１９３．４ｎｍのＡｒＦレーザ光であることが好ましい。
【０１３５】
４．４．３．２  深さΔＺｓｆの範囲
また、深さΔＺｓｆの範囲は、０ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましい。一定の値までは、深さΔＺｓｆを深くするほど、加工深さΔＺｄが大きくなることが実験結果より明らかになっている。しかし、深さΔＺｓｆが約４ｍｍを超えると、加工深さΔＺｄが１ｍｍを大きく割り込み、高アスペクト比の穴加工ができなくなる。これは、転写位置ＦＰが深くなりすぎると、被加工物４１の表面４１ａ付近のフルーエンスが不足して、表面付近のアブレーション加工が進まず、その結果、深さ方向にもアブレーション加工が進行しなくなるためと考えられる。
【０１３６】
４．４．３．３  目標フルーエンスＦｔの範囲
目標フルーエンスＦｔは、５Ｊ／ｃｍ2以上３０Ｊ／ｃｍ2以下であることが好ましい。目標フルーエンスＦｔが５Ｊ／ｃｍ2未満では、図５に示したような高アスペクト比の穴加工ができないことがわかっている。すなわち、目標フルーエンスＦｔの好ましい範囲の下限値は５Ｊ／ｃｍ2である。また、図１６から図２１で示したように、転写位置ＦＰの深さΔＺｆｓ＝０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲においては、目標フルーエンスＦｔが３０Ｊ／ｃｍ2を超えると、クラックＣＲの発生が懸念される。そのため、目標フルーエンスＦｔの好ましい範囲の上限値は３０Ｊ／ｃｍ2である。
【０１３７】
４．４．３．４  最大フルーエンスＦｓｆｐの許容範囲
最大フルーエンスＦｓｆｐの許容範囲としては、図１５から図２１に示した実験結果から、１０Ｊ／ｃｍ2以上４０Ｊ／ｃｍ2以下であることが好ましい。許容範囲において、下限の１０Ｊ／ｃｍ2という値は、高アスペクト比の穴加工に必要な目標フルーエンスＦｔの下限値の５Ｊ／ｃｍ2が根拠である。
【０１３８】
図１４のグラフに示すように、距離ＺＬの値によっては光強度比Ｒの最大値は２以上になる。そのため、目標フルーエンスＦｔの下限値である５Ｊ／ｃｍ2に、光強度比Ｒの最大値を少なく見積もった値として「２」を乗じると、１０Ｊ／ｃｍ2となる。すなわち、高アスペクト比の穴加工を実現するには目標フルーエンスＦｔとして５Ｊ／ｃｍ2は最低限必要であり、光強度比を２以上とすると、最大フルーエンスＦｓｆｐは１０Ｊ／ｃｍ2以上になる。これが最大フルーエンスＦｓｆｐの下限値を１０Ｊ／ｃｍ2とした根拠である。
【０１３９】
一方、図２１に示したとおり、最大フルーエンスＦｓｆｐが４０Ｊ／ｃｍ2を超えると、クラックＣＲが発生する。そのため、許容範囲の上限値の４０Ｊ／ｃｍ2であることが好ましい。
【０１４０】
４．４．３．５  照射パルス数Ｎの範囲
図２５は、照射パルス数Ｎと加工深さΔＺｄの関係を示すグラフである。図２５に示す６つのグラフは、すべて、転写位置ＦＰの深さΔＺｄｓｆ＝０．５ｍｍの場合のグラフである。各グラフの相違点は、目標フルーエンスＦｔ及び最大フルーエンスＦｓｆｐの値である。図２５は、照射パルス数Ｎを５，０００パルスから３０，０００パルスまで変化させた場合に、加工深さΔＺｄがどのように変化するかを示している。また、各グラフにおいて共通するその他の照射条件としては、照射時間が５ｓｅｃから３０ｓｅｃであること、ビームの断面ＳＰの直径Ｄｉが５５μｍであること、繰り返し周波数ｆ＝１ｋＨｚであることである。
【０１４１】
図２５において、プロット点が菱形のグラフは、目標フルーエンスＦｔ＝５．１Ｊ／ｃｍ2で、最大フルーエンスＦｓｆｐ＝７．５Ｊ／ｃｍ2の場合のグラフである。プロット点が四角形のグラフは、目標フルーエンスＦｔ＝１０．１Ｊ／ｃｍ2で、最大フルーエンスＦｓｆｐ＝１５Ｊ／ｃｍ2の場合のグラフである。プロット点が三角形のグラフは、目標フルーエンスＦｔ＝１５．２Ｊ／ｃｍ2で、最大フルーエンスＦｓｆｐ＝２２．５Ｊ／ｃｍ2の場合のグラフである。
【０１４２】
プロット点が×印のグラフは、目標フルーエンスＦｔ＝２０．２Ｊ／ｃｍ2で、最大フルーエンスＦｓｆｐ＝３０Ｊ／ｃｍ2の場合のグラフである。プロット点が＊印のグラフは、目標フルーエンスＦｔ＝２５．３Ｊ／ｃｍ2で、最大フルーエンスＦｓｆｐ＝３７．５Ｊ／ｃｍ2の場合のグラフである。プロット点が丸印のグラフは、目標フルーエンスＦｔ＝３０．３Ｊ／ｃｍ2で、最大フルーエンスＦｓｆｐ＝４５Ｊ／ｃｍ2の場合のグラフである。
【０１４３】
図２５に示すように、照射パルス数Ｎが５，０００パルスから２０，０００パルスまでの領域においては、目標フルーエンスＦｔを約５Ｊ／ｃｍ2から約２５Ｊ／ｃｍ2まで増加させると、加工深さΔＺｄが約１ｍｍ（１，０００μｍ）から約５ｍｍ（５，０００μｍ）まで増加している。また、加工深さΔＺｄは、照射パルス数Ｎが２０，０００パルスで飽和しており、照射パルス数Ｎをそれ以上に多くしても増加しない。
【０１４４】
また、照射パルス数Ｎが５，０００パルスから２０，０００パルスの領域では、加工深さΔＺｄが最大で５ｍｍ（５，０００μｍ）の穴加工が可能である。加工深さΔＺｄの最大値である５ｍｍ（５，０００μｍ）の場合のアスペクト比は、ビームの断面ＳＰの直径Ｄｉが５５μｍであるため、５，０００μｍ／５５μｍ＝約９０となる。照射パルス数Ｎが５，０００パルスから２０，０００パルスの領域では、最大で約９０の高アスペクト比の穴加工が可能となる。以上より、照射パルス数Ｎは５，０００パルスから２０，０００パルスの範囲が好ましい。
【０１４５】
４．５  その他
また、本例では、ＸＹＺステージ３４を制御して被加工物４１を移動させることにより、パルスレーザ光ＰＬの転写位置ＦＰと被加工物４１との相対的な位置決めを行っている。このように被加工物４１を移動する代わりに、転写マスク４７をパルスレーザ光の光軸方向に移動させることによって相対的な位置決めを行ってもよい。すなわち、転写マスク４７をパルスレーザ光ＰＬの光軸方向に移動させることは、転写レンズ４８が転写する転写像の物体側の位置を、転写レンズ４８に対して変化させることに他ならないので、転写像の転写位置も光軸方向に変化する。これにより、パルスレーザ光ＰＬの転写位置ＦＰと被加工物４１との相対的な位置決めが可能となる。なお、この場合、転写レンズ４８に対して転写マスク４７を光軸方向に移動させると、転写像の大きさも変化する。このような、転写マスク４７の移動に起因する転写像の直径の変化が抑制されるように、転写マスク４７のピンホールの直径を変化させてもよい。
【０１４６】
また、本例のように、転写光学系を用いてピンホール形状の転写像を被加工物４１に転写する場合には、後述する第２実施形態のようにパルスレーザ光を単に集光して被加工物４１に照射する場合と比較して、ビームの直径の変化が抑制されるというメリットがある。レーザ装置３が出力するパルスレーザ光のビームは、レーザ装置３の光共振器などの状態でモードが変化してビームの直径が変化する。これに対して、転写光学系を用いる場合は、パルスレーザ光のビームをそのまま被加工物４１に照射するのではなく、転写マスク４７でパルスレーザ光のピンホール形状の転写像を形成して、形成した転写像を被加工物４１に転写する。そのため、パルスレーザ光のモード変化に起因するビームの直径の変化が抑制される。
【０１４７】
また、本例では、レーザ装置３として、レーザ媒質としてＡｒＦレーザガスを使用し、中心波長約１９３．４ｎｍのパルスレーザ光を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置を例に説明したが、他のレーザ装置でもよい。レーザ装置３としては、レーザ媒質としてＫｒＦレーザガスを使用し、中心波長が約２４８．４ｎｍのパルスレーザ光を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置を使用してもよい。被加工物４１として合成石英ガラスを使用する場合には、パルスレーザ光の中心波長の範囲は、Ｆ2レーザの中心波長である約１５７．６ｎｍからＫｒＦレーザの中心波長である２４８．４ｍｎの範囲であることが好ましい。
【０１４８】
被加工物４１として合成石英ガラスを例にしたが、合成石英ガラスに限定されるものではなく、被加工物４１としては、紫外線のパルスレーザ光に対して透明な透明材料であればよい。たとえば、紫外線のパルスレーザ光に対して透明な透明材料としては、ＭｇＦ2結晶、ＣａＦ2結晶、サファイヤ、水晶等がある。
【０１４９】
５．第２実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
５．１  構成
図２６は、第２実施形態のレーザ加工システム２Ｂを示す。図２６に示すように、第２実施形態のレーザ加工システム２Ｂは、レーザ装置３と、レーザ加工装置４Ｂとを備えている。レーザ装置３は、第１実施形態と同様である。レーザ加工装置４Ｂは、第１実施形態のレーザ加工装置４Ａの光学システム３６に変えて、光学システム６１を備えている。光学システム６１は、第１実施形態の光学システム３６のように転写マスク４７や転写レンズ４８を備えておらず、レーザ装置３が出力するガウシアン分布を持つパルスレーザ光のビームをそのまま集光して被加工物４１に照射する集光光学系を備えた光学システムである。
【０１５０】
レーザ加工制御部３２Ｂは、第１実施形態のレーザ加工制御部３２Ａのようにパルスレーザ光の転写位置と被加工物４１との相対的な位置決めを行う代わりに、パルスレーザ光ＰＬのビームウエスト位置ＢＷと被加工物４１との相対的な位置決めを行う。第２実施形態における深さΔＺｓｆｗは、転写位置ＦＰの深さΔＺｓｆではなく、ビームウエスト位置の深さである。また、第２実施形態における目標フルーエンスＦｔｗは、転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔではなく、ビームウエスト位置ＢＷにおける目標フルーエンスである。また、レーザ加工制御部３２Ｂは、被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内か否かを、ビームウエスト位置ＢＷにおける目標フルーエンスＦｔｗに基づいて判定する。
【０１５１】
レーザ加工システム２Ｂのそれ以外の構成は、第１実施形態のレーザ加工システム２Ａと同様であるので、以下、相違点を中心に説明する。
【０１５２】
光学システム６１は、高反射ミラー３６ａから３６ｃと、アッテネータ５２と、集光レンズ６２とを備えている。高反射ミラー３６ａから３６ｃ及びアッテネータ５２は、第１実施形態の光学システム３６と同様である。高反射ミラー３６ｃは、パルスレーザ光を集光レンズ６２に向けて反射する。
【０１５３】
集光レンズ６２は、入射したパルスレーザ光を、ウインドウ４２を介して被加工物４１に集光するように配置される。
【０１５４】
また、第２実施形態のレーザ加工システム２Ｂも、第１実施形態のレーザ加工システム２Ａと同様に、被加工物４１に対して、加工直径が１０μｍ以上１５０μｍ以下の高アスペクト比の穴を加工する。そのため、レーザ加工システム２Ｂも、ビームウエスト位置ＢＷにおけるビームの直径Ｄｗが１０μｍ以上１５０μｍ以下のパルスレーザ光を被加工物４１に照射する。ビームウエスト位置におけるパルスレーザ光ＰＬのビームの直径Ｄｗは、図９で示した直径Ｄｉと同様に、ビームプロファイルにおいて最大光強度Ｉｍａｘに対して１／ｅ2の値になる位置の幅である１／ｅ2全幅である。
【０１５５】
レーザ加工システム２Ｂの場合は、レーザ加工システム２Ａと異なり、ガウシアン分布のパルスレーザ光ＰＬを、転写像に変換することなく被加工物４１に照射する。そのため、パルスレーザ光ＰＬのビームの直径は、レーザ装置３の仕様によって決まる。
【０１５６】
光学システム３６の光損失が無い場合、ビームウエスト位置ＢＷにおけるフルーエンスＦｗは下記式（６）から求められる。
Ｆｗ＝Ｅｔ・Ｔ／｛π（Ｄｗ／２）2｝・・・・・（６）
ここで、Ｔ：アッテネータの透過率、Ｅｔ：レーザ装置から出力されるパルスレーザ光のパルスエネルギ、Ｄｗ：ビームウエスト位置ＢＷにおけるビームの断面ＳＰの直径である。
【０１５７】
アッテネータの透過率Ｔは、光学システム３６の光損失が無い場合、上記式（６）から下記式（７）で求められる。
Ｔ＝π（Ｄｗ／２）2・Ｆｗ／Ｅｔ・・・・・（７）
【０１５８】
図２７に示すように、第２実施形態のパルスレーザ光ＰＬの光束は、集光レンズ６２を出射した後、ビームウエスト位置ＢＷで最も絞られて、その後、発散する。ビームの断面ＳＰの直径はビームウエスト位置ＢＷが最小となる。集光レンズ６２を用いた第２実施形態では、転写レンズ４８を用いた第１実施形態のように、集光レンズ６２と被加工物４１の間に集光点ＣＰ（図１２参照）は存在しない。
【０１５９】
そのため、図２７に示すように、ビームウエスト位置ＢＷを表面４１ａから内部に進入させた場合でも、表面４１ａにおけるビームの断面ＳＰの直径及び面積は、ビームウエスト位置ＢＷにおけるビームの断面ＳＰの直径及び面積よりも大きい。
【０１６０】
また、図２８に示すように、ビームウエスト位置ＢＷにおけるビームプロファイルと、表面４１ａにおけるビームプロファイルを比較すると、どちらもガウシアン分布である。また、ビームウエスト位置ＢＷにおける最大光強度Ｉｍａｘ１の方が、表面４１ａにおける最大光強度Ｉｍａｘ２よりも大きい。
【０１６１】
集光光学系を使用した場合のパルスレーザ光ＰＬはこうした特性を持つ。そのため、第２実施形態において、第１実施形態の距離ＺＬに相当する値を、ビームウエスト位置ＢＷから表面４１ａまでの距離ＺＬｗとすると、光強度比Ｒｗと距離ＺＬｗの関係は、図２９に示すような関係となる。
【０１６２】
ここで、光強度比Ｒｗは、第２実施形態のようにパルスレーザ光ＰＬを集光レンズ４２によって集光して被加工物４１に照射する場合の光強度比であって、ビームウエスト位置ＢＷにおけるビームプロファイルがガウシアン分布に近い場合の光強度比である。光強度比Ｒｗは以下の式（８）から求めることができる。
Ｒｗ＝Ｉｍａｘ／Ｉａｖｗ・・・・（８）
ここで、Ｉａｖｗは、ビームウエスト位置ＢＷにおける平均光強度であり、平均光強度Ｉｍａｘは、ビームウエスト位置ＢＷから距離ＺＬｗにある各位置における最大光強度Ｉｍａｘである。
【０１６３】
また、被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐは、光強度比Ｒｗと転写位置ＦＰにおける目標フルーエンスＦｔから、下記式（９）によって求めることができる。
Ｆｓｆｐ＝Ｒｗ・Ｆｔｗ・・・・（９）
【０１６４】
図２９において、距離ＺＬｗ＝０、すなわち、ビームウエスト位置ＢＷが表面４１ａと一致している場合における光強度比Ｒｗが最大となり、距離ＺＬｗが大きくなるほど、光強度比Ｒｗは小さくなる。
【０１６５】
第２実施形態において、レーザ加工制御部３２Ｂは、こうした図２９に示す距離ＺＬｗと光強度比Ｒｗとの相関関係のデータとを用いて、被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内か否かを判定する。
【０１６６】
５．２  動作
図３０から図３２を参照しながら、レーザ加工システム２Ｂの動作を説明する。第２実施形態の図３０のフローチャートと、第１実施形態の図２３のフローチャートと異なる点は、ステップＳ１４００がステップＳ１４００Ｂに変更されている点と、ステップＳ１４１０がＳ１４１０Ｂに変更されている点と、Ｓ１５００及びＳ１６００がそれぞれＳ１５００Ｂ及びＳ１６００Ｂに変更されている点である。その他の点は同様である。レーザ加工制御部３２Ｂは、Ｓ１１００からＳ１３００を実行した後、Ｓ１４００Ｂを実行する。
【０１６７】
Ｓ１４００Ｂにおいて、レーザ加工制御部３２Ｂは、パルスレーザ光の照射条件を取得する。Ｓ１４００Ｂにおいては、照射条件には、ビームウエスト位置ＢＷにおける目標フルーエンスＦｔｗ、ビームウエスト位置ＢＷの深さΔＺｆｓｗ、照射パルス数Ｎ及び繰り返し周波数ｆが含まれている。
【０１６８】
Ｓ１４１０Ｂは、被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐを評価する処理である。Ｓ１４２０は、Ｓ１４１０Ｂの評価結果に基づいて、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内か否かを判定する処理である。レーザ加工制御部３２Ｂは、Ｓ１４２０において、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内と判定した場合（Ｓ１４２０でＹ）は、Ｓ１５００Ｂに進む。その後、レーザ加工制御部３２Ｂは、Ｓ１６００Ｂの処理を実行する。メインフローチャートにおける以降の処理は、第１実施形態と同様である。
【０１６９】
図３２は、Ｓ１４１０Ｂにおける最大フルーエンスＦｓｆｐを評価する処理手順を示すフローチャートである。図３２において、第１実施形態の図２４との相違点は、Ｓ１４１１からＳ１４１３が、Ｓ１４１１ＢからＳ１４１３Ｂに変更されている点である。Ｓ１４１１Ｂにおいて、レーザ加工制御部３２Ｂは、照射条件のデータから深さΔＺｓｆｗの値を読み出して、読み出したΔＺｓｆｗを距離ＺＬｗとしてセットする。レーザ加工制御部３２Ａは、Ｓ１４１２Ｂにおいて、図２９に示す距離ＺＬｗと光強度比Ｒｗとの相関関係データから、照射条件に対応する光強度比Ｒｗを読み出す。具体的には、Ｓ１４１１Ｂにおいて深さΔＺｓｆｗの値がセットされた距離ＺＬｗに対応する光強度比Ｒｗを読み出す（Ｓ１４１２Ｂ）。
【０１７０】
レーザ加工制御部３２Ｂは、読み出した光強度比Ｒｗに基づいて、ビームウエスト位置ＢＷにおける目標フルーエンスＦｔｗから、被加工物４１の表面４１ａにおける最大フルーエンスＦｓｆｐを、上述した式（９）に基づいて計算する（Ｓ１４１３Ｂ）。図３１のサブルーチンにおいて、以降の処理は、第１実施形態と同様である。
【０１７１】
図３２は、Ｓ１６００Ｂのレーザ加工の処理手順を示す。図３２において、比較例の図４との相違点は、Ｓ１６０４がＳ１６０４Ｂに変更されている点である。Ｓ１６０４Ｂにおいて、レーザ加工制御部３２Ｂは、パルスレーザ光ＰＬのビームウエスト位置ＢＷにおけるフルーエンスＦｗが、照射条件の目標フルーエンスＦｔｗとなるようにアッテネータ５２の透過率Ｔを設定する。その他の処理は、図４と同様である。
【０１７２】
５．３  作用
第２実施形態のレーザ加工システム２Ｂは、第１実施形態と同様に、最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内と判定された場合にパルスレーザ光の照射を許容する。そのため、クラックＣＲの発生を抑制することができる。また、集光光学系を使用する第２実施形態は、転写レンズ４８を使用する第１実施形態と比べて、パルスレーザ光ＰＬの利用効率が高い。そのため、第２実施形態においては、同じ材料に対して同じサイズの穴加工を施す場合には、第１実施形態と比較して、レーザ装置３から出力するパルスレーザ光ＰＬのパルスエネルギを低くすることができる。第２実施形態において、その他の作用効果及び好ましい加工条件についても、第１実施形態と同様である。
【０１７３】
５．４  その他
レーザ装置３の共振器は、ファブリペロ型の共振器であって、不安定共振器であってもよい。不安定共振器とは、出力結合ミラー２７の部分反射面が凸面で形成され、リアミラー２６の高反射面が凹面で形成される共振器である。このような不安定共振器を採用することによって、パルスレーザ光ＰＬのビームウエスト位置ＢＷの直径Ｄｗを小さくすることが可能となり、ビームウエスト位置ＢＷにおけるフルーエンスを高くすることができる。
【０１７４】
６．第３実施形態のレーザ加工システム及びレーザ加工方法
６．１  構成
図３３は、第３実施形態のレーザ加工システム２Ｃを示す。図３３に示すように、第３実施形態のレーザ加工システム２Ｃは、レーザ装置３と、レーザ加工装置４Ｃとを備えている。レーザ装置３は、第１実施形態と同様である。レーザ加工装置４Ｃは、第１実施形態のレーザ加工装置４Ａの構成に加えて、ビームプロファイラ８１を備えている。
【０１７５】
また、レーザ加工装置４Ｃは、レーザ加工装置４Ａのレーザ加工制御部３２Ａに代えて、レーザ加工制御部３２Ｃを備えている。レーザ加工制御部３２Ｃは、レーザ加工制御部３２Ａの機能に加えて、ビームプロファイラ８１を制御して、図１４に示す距離ＺＬと光強度比Ｒの相関関係を示すデータを取得する機能を備えている。第３実施形態において、それ以外の点は第１実施形態と同様である。以下、相違点を中心に説明する。
【０１７６】
図３３に示すように、ビームプロファイラ８１は、テーブル３３の端部に設けられている。ビームプロファイラ８１は、イメージセンサ８１ａ、ブラケット８１ｂ、１軸ステージ８１ｃを備えている。ブラケット８１ｂの一端にはイメージセンサ８１ａが取り付けられており、他端が１軸ステージ８１ｃに取り付けられている。
【０１７７】
１軸ステージ８１ｃは、イメージセンサ８１ａをＹ軸方向に移動する。具体的には、１軸ステージ８１ｃは、イメージセンサ８１ａを、転写レンズ４８から出射するパルスレーザ光ＰＬの光軸の位置に挿入する挿入位置と、挿入位置から退避する退避位置との間で移動する。退避位置は、テーブル３３上の被加工物４１に対してレーザ加工を施すのに支障が無い位置である。イメージセンサ８１ａのＺ軸方向の位置は、ＸＹＺステージ３４によって調節が可能である。また、図示は省略するが、ビームプロファイラ８１には、図示しないＮＤフィルタが設けられている。ＮＤフィルタは、イメージセンサ８１ａの受光面に入射するパルスレーザ光を減光する。
【０１７８】
６．２  動作
第３実施形態のレーザ加工手順は、第１実施形態における図２３及び図２４とほぼ同様である。相違点は、図２３のフローチャートにおけるＳ１１００の前に、図３４に示すＳ１０００の処理が追加される点である。
【０１７９】
図３４に示すＳ１０００は、距離ＺＬと光強度比Ｒとの相関関係データの取得処理である。図３４のフローチャートに示すように、Ｓ１０１０において、レーザ加工制御部３２Ｃは、１軸ステージ８１ｃを制御して、パルスレーザ光ＰＬの光軸位置にビームプロファイラ８１のイメージセンサ８１ａを挿入する。
【０１８０】
レーザ加工制御部３２Ｃは、Ｓ１０１５において、ＸＹＺステージ３４を制御して、イメージセンサ８１ａのＺ軸方向の位置をパルスレーザ光の転写位置ＦＰに合わせる。この位置は、距離ＺＬとイメージセンサ８１ａの受光面とが一致する位置である。そのため、レーザ加工制御部３２Ｃは、メモリ上の距離ＺＬの値を初期値「０」にセットする。
【０１８１】
さらに、レーザ加工制御部３２Ｃは、典型的な条件でレーザ発振させる制御信号をレーザ制御部１３に送信することによって、レーザ装置３をレーザ発振させる（Ｓ１０２０）。ここで、典型的な条件とは、例えば、レーザ装置３の定格値である。具体的な値としては、例えば、目標パルスエネルギＥｔは４０ｍＪ〜２００ｍＪの範囲、繰返し周波数ｆは１０Ｈｚ〜６ｋＨｚの範囲である。仮にこの時点でレーザ加工の際の加工条件が判明している場合は、加工条件として規定される目標パルスエネルギＥｔと繰り返し周波数ｆを設定して、レーザ発振させてもよい。
【０１８２】
Ｓ１０３０において、レーザ加工制御部３２Ｃは、レーザ装置３からパルスレーザ光ＰＬを出力させて、これをイメージセンサ８１ａで受光して、ビームプロファイルを測定する。測定したビームプロファイルに基づいてパルスレーザ光の最大光強度Ｉｍａｘと平均光強度Ｉａｖｓを計算する。そして、レーザ加工制御部３２Ｃは、上記式（４）に従って、光強度比Ｒ＝Ｉｍａｘ／Ｉａｖｓを計算する（Ｓ１０４０）。レーザ加工制御部３２Ｃは、距離ＺＬの値に関係付けて、計算で求めた光強度比Ｒの値をメモリに記録する（Ｓ１０４５）。
【０１８３】
光強度比Ｒの記録が終了すると、レーザ加工制御部３２Ｃは、イメージセンサ８１ａのＺ軸方向の位置をΔｄｓだけ上方に移動する（Ｓ１０５０）。レーザ加工制御部３２Ｃは、これに伴って、メモリ上の距離ＺＬの値に、Δｄｓを加算する。Ｚ軸方向におけるイメージセンサ８１ａの移動間隔である。すなわち、レーザ加工制御部３２Ｃは、Δｄｓ間隔で光強度比Ｒを計測する。ここで、Δｄｓの値は、例えば１００μｍである。
【０１８４】
レーザ加工制御部３２Ｃは、Ｓ１０５５において、距離ＺＬが上限値Ｚｍａｘを超えたか否かを判定する。上限値Ｚｍａｘの値は、例えば１．５ｍｍである。距離ＺＬが上限値Ｚｍａｘ以下の場合（Ｓ１０５５でＮ）は、レーザ加工制御部３２Ｃは、Ｓ１０７０に進む。Ｓ１０７０は、Ｓ１０５０において設定された距離ＺＬにおけるビームプロファイルを測定して、最大光強度Ｉｍａｘを計算する処理である。
【０１８５】
レーザ加工制御部３２Ｃは、Ｓ１０７０の処理を終了した後、上述のＳ１０４０からＳ１０５０の処理を繰り返す。これにより、Δｄｓ間隔で光強度比Ｒのデータが記録される。一方、距離ＺＬが上限値Ｚｍａｘを超えた場合（Ｓ１０５５でＹ）は、レーザ加工制御部３２Ｃは、計測を終了し、レーザ発振を停止する（Ｓ１０６０）。そして、レーザ加工制御部３２Ｃは、ビームプロファイラ８１のイメージセンサ８１ａを退避位置に移動する（Ｓ１０６５）。レーザ加工制御部３２Ｃは、記録したΔｄｓ間隔の光強度比Ｒのデータに基づいて、図１４に示すような距離ＺＬと光強度比Ｒの相関関係データを生成する。
【０１８６】
レーザ加工制御部３２Ｃは、生成した相関関係データをメモリや外部ストレージに格納する。相関関係データは、テーブル形式で記録してもよいし、Δｄｓ毎に記録した複数の光強度比Ｒのデータから近似式を求めて、関数の形式で記録してもよい。また、Δｄｓ毎に記録した光強度比Ｒに基づいて、データを補間してもよい。このように相関関係データを取得した後、レーザ加工制御部３２Ｃは、図２３のＳ１１００に進む。以降の処理は第１実施形態と同様である。
【０１８７】
図３５のフローチャートは、Ｓ１０３０の最大光強度Ｉｍａｘと平均光強度Ｉａｖｓの計算の処理手順を示す。Ｓ１０３０の処理については、図８から図１０において概略的に説明した内容と同様である。Ｓ１０３０においては、転写位置ＦＰにおける平均光強度Ｉａｖｓと、転写位置ＦＰにおける最大光強度Ｉｍａｘを計算する。
【０１８８】
まず、レーザ加工制御部３２Ｃは、イメージセンサ８１ａによるビームプロファイルの測定を行う（Ｓ１０３１）。次に、イメージセンサ８１の各画素ＰＸの光強度Ｉの中から、最大値である最大光強度Ｉｍａｘを求める（Ｓ１０３２）。次に、レーザ加工制御部３２Ｃは、最大光強度Ｉｍａｘに対して１／ｅ2の値を示す光強度である閾値Ｉｔｈを、下記式（１０）に従って計算する（Ｓ１０３３）。
Ｉｔｈ＝Ｉｍａｘ／ｅ2・・・・・（１０）
【０１８９】
最後に、レーザ加工制御部３２Ｃは、閾値Ｉｔｈ以上の値の画素ＰＸの光強度Ｉの平均値である平均光強度Ｉａｖｓを計算する（Ｓ１０３４）。
【０１９０】
図３６のフローチャートは、Ｓ１０７０の最大光強度Ｉｍａｘの計算の処理手順を示す。Ｓ１０７０の処理においては、図３５に示すＳ１０３０の処理と異なり、平均光強度は計算せず、転写位置ＦＰから移動した後の距離ＺＬの位置における最大光強度Ｉｍａｘを計算する。
【０１９１】
そのため、Ｓ１０７０の処理は、図３５の前半のステップと同様であり、後半の平均光強度を計算するステップはない。すわなち、Ｓ１０７１において、まず、レーザ加工制御部３２Ｃは、イメージセンサによるビームプロファイルの測定を行う。次に、イメージセンサ８１の各画素ＰＸの光強度Ｉの中から、最大値である最大光強度Ｉｍａｘを求める（Ｓ１０７２）。
【０１９２】
６．３  作用
第３実施形態においては、レーザ加工の前に、ビームプロファイラ８１を使用して、距離ＺＬと光強度比Ｒとの相関関係データを実測する。そのため、例えば光学システム３６の特性等、レーザ加工システム２Ｃの個体差を反映した相関関係データを取得することができる。そのため、最大フルーエンスＦｓｆｐの算出精度が向上する。
【０１９３】
６．４  その他
本例において、イメージセンサ８１ａに入射するパルスレーザ光をＮＤフィルタで減光している。しかし、ＮＤフィルタを使用しても減光量が不足して、イメージセンサ８１ａの出力信号が飽和する場合は、アッテネータ５２の透過率Ｔを制御して、イメージセンサ８１ａに入射するパルスレーザ光のエネルギを低下させてもよい。ただし、相関関係データを取得している間は、アッテネータ５２の透過率Ｔは固定される。取得途中で透過率Ｔが変動すると、正確な相関関係データが取得できないためである。
【０１９４】
７  レーザ加工装置の変形例
７．１  変形例７−１
図３７に示すレーザ加工装置４Ｄは、図２６に示す第２実施形態のレーザ加工装置４Ｂの変形例である。レーザ加工装置４Ｄは、レーザ加工装置４Ｂの光学システム６１に代えて、光学システム７１を備えている。また、レーザ加工制御部３２Ｂに代えて、レーザ加工制御部３２Ｄを備えている。それ以外の構成は同様である。以下、相違点を中心に説明する。
【０１９５】
光学システム７１は、光学システム６１に波面調節器７２を追加したものである。波面調節器７２は、凹レンズ７２ａ、凸レンズ７２ｂ及び１軸ステージ７２ｃを備えている。１軸ステージ７２ｃは、凹レンズ７２ａを保持し、凹レンズ７２ａを光軸方向に移動して、凹レンズ７２ａと凸レンズ７２ｂとの間隔を調節する。凹レンズ７２ａ及び凸レンズ７２ｂは、高反射ミラー３６ｃと集光レンズ６２の間のパルスレーザ光の光路上に配置されている。高反射ミラー３６ｃで反射したパルスレーザ光は、凹レンズ７２ａ及び凸レンズ７２ｂを介して集光レンズ６２に入射する。
【０１９６】
凹レンズ７２ａと凸レンズ７２ｂの間隔を調節することにより、被加工物４１に照射されるパルスレーザ光のビームウエスト位置を変更することができる。
【０１９７】
レーザ加工制御部３２Ｄは、ＸＹＺステージ３４を制御して、被加工物４１のＸＹ平面の位置を調整する。一方、Ｚ軸方向における、パルスレーザ光のビームウエスト位置ＢＷと被加工物４１との相対的な位置については、ＸＹＺステージ３４で被加工物４１を移動する代わりに、波面調節器７２の１軸ステージ７２ｃを制御してビームウエストのＺ軸方向の位置を調整する。具体的には、レーザ加工制御部３２Ｄは、１軸ステージ７２ｃを制御して、凹レンズ７２ａと凸レンズ７２ｂの間隔を調節することにより、パルスレーザ光の波面を変更する。このパルスレーザ光の波面を制御することによって、パルスレーザ光のビームウエスト位置ＢＷが調整される。
【０１９８】
７．２  変形例７−２
図３８に示すレーザ加工システム２Ｅは、第１実施形態のレーザ加工システム２Ａのレーザ加工装置４Ａを、レーザ加工装置４Ｅに変更したものである。レーザ加工装置４Ｅは、ビームホモジナイザ４６を備えている。ビームホモジナイザ４６は、パルスレーザ光の光軸方向において、転写マスク４７の上流側に配置される。ビームホモジナイザ４６は、フライアイレンズ４６ａとコンデンサレンズ４６ｂとを備えている。ビームホモジナイザ４６は、高反射ミラー３６ｂで反射したパルスレーザ光の光強度分布を均一化して、転写マスク４７をケーラ照明するように配置される。レーザ加工装置４Ｅは、レーザ加工制御部３２Ａに代えて、レーザ加工制御部３２Ｅを備えている。その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【０１９９】
ビームホモジナイザ４６のフライアイレンズ４６ａは、複数の小レンズが二次元に配列された形態である。そのため、転写像が結像する転写位置ＦＰよりも上流側のビームの断面ＳＰのビームプロファイルにおいては、各小レンズに対応して複数のピークが生じる場合がある。この場合でも転写位置ＦＰにおいては、１つのトップハットは形状１つになる。
【０２００】
しかしながら、転写位置ＦＰを被加工物４１の表面４１ａから内部に進入させた場合には、複数のピークが生じるビームの断面ＳＰが、転写位置ＦＰよりも上流側の表面４１ａと近づく場合がある。この場合には、表面４１ａにおけるビームの断面ＳＰ内において、フルーエンスのピークが複数存在することになる。レーザ加工制御部３２Ｅは、表面４１ａにおけるフルーエンスのピークが複数存在する場合は、各ピークのうち最大値を示すピークを最大フルーエンスＦｓｆｐと判定する。そして、レーザ加工制御部３２Ｅは、この最大フルーエンスＦｓｆｐが許容範囲内にあるか否かを判定する。その他の処理は、第１実施形態と同様である。
【０２０１】
本例のように、ビームホモジナイザ４６を使用すると、転写マスク４７に光強度が均一化されたパルスレーザ光が照射されるので、転写位置ＦＰでの光強度分布が均一化される。
【０２０２】
なお、転写マスク４７としては、複数の穴が形成された転写マスクを用いてもよい。この場合は、被加工物４１に対して同時に複数の穴加工を施すことができる。
【０２０３】
８．レーザ装置の変形例
上記各実施形態において、レーザ装置は種々の変形が可能である。例えば、レーザ装置として、図３９や図４０に示すレーザ装置を使用してもよい。
【０２０４】
８．１  変形例１
図３９に示す変形例１のレーザ装置３Ｄは、第１実施形態のレーザ装置３に、増幅器８０を追加したものであり、それ以外はほぼ同様である。増幅器８０は、マスターオシレータ１０とモニタモジュール１１の間のパルスレーザ光の光路上に配置されている。増幅器８０は、マスターオシレータ１０から出力されたパルスレーザ光のエネルギを増幅する増幅器である。
【０２０５】
増幅器８０は、基本的な構成は、マスターオシレータ１０と同様であり、マスターオシレータ１０と同様に、レーザチャンバ２１、充電器２３、及びパルスパワーモジュール（ＰＰＭ）２４を備えている。
【０２０６】
レーザ制御部１３Ｄは、レーザ加工制御部３２Ａから受信した目標パルスエネルギＥｔのデータを受信すると、充電器２３の充電電圧を制御してパルスエネルギを制御する。
【０２０７】
レーザ制御部１３Ｄは、レーザ加工制御部３２Ａから発光トリガＴｒを受信すると、マスターオシレータ１０をレーザ発振させる。加えて、マスターオシレータ１０に同期して増幅器８０が作動するように制御する。レーザ制御部１３Ｄは、マスターオシレータ１０が出力するパルスレーザ光が、増幅器８０のレーザチャンバ２１内の放電空間に入射したときに放電が生じるように、増幅器８０のパルスパワーモジュール２４のスイッチ２４ａをオンする。その結果、増幅器８０に入射したパルスレーザ光は、増幅器８０において増幅される。
【０２０８】
増幅器８０で増幅されて出力されたパルスレーザ光は、モニタモジュール１１においてパルスエネルギが計測される。レーザ制御部１３Ｄは、計測されたパルスエネルギの実測値がそれぞれ目標パルスエネルギＥｔに近づくように、増幅器８０とマスターオシレータ１０のそれぞれの充電器２３の充電電圧を制御する。
【０２０９】
シャッタ１２が開くと、モニタモジュール１１のビームスプリッタ１１ａを透過したパルスレーザ光は、図２２に示したレーザ加工装置４Ａに入射する。
【０２１０】
レーザ装置３Ｄのように、増幅器８０を設けることで、パルスレーザ光のパルスエネルギを高くすることができる。
【０２１１】
８．２  変形例２
レーザ加工システムにおいて、図４０に示す変形例２のレーザ装置３Ｅを用いてもよい。レーザ装置３Ｅは、マスターオシレータ８３と、増幅器８４とを備えている。また、レーザ装置３Ｅは、モニタモジュール１１の代わりにモニタモジュール１１Ｅを備えている。
【０２１２】
モニタモジュール１１Ｅは、第１実施形態のモニタモジュール１１の構成に加えて、波長モニタ１１ｃとビームスプリッタ１１ｄが追加されている。
【０２１３】
モニタモジュール１１Ｅにおいて、ビームスプリッタ１１ｄは、ビームスプリッタ１１ａの反射光路上であって、光センサ１１ｂとの間に配置される。ビームスプリッタ１１ｄは、ビームスプリッタ１１ａが反射する反射光の一部を反射して、残りを透過する。ビームスプリッタ１１ｄを透過した透過光は、光センサ１１ｂに入射し、ビームスプリッタ１１ｄを反射した反射光は波長モニタ１１ｃに入射する。
【０２１４】
波長モニタ１１ｃは、周知のエタロン分光器である。エタロン分光器は、例えば、拡散板と、エアギャップエタロンと、集光レンズと、ラインセンサとで構成される。エタロン分光器は、拡散板、エアギャップエタロンによって入射するレーザ光の干渉縞を発生させ、発生した干渉縞を集光レンズでラインセンサの受光面に結像させる。そして、ラインセンサに結像した干渉縞を計測することによって、レーザ光の波長λを計測する。
【０２１５】
マスターオシレータ８３は、固体レーザ装置であり、シード光を出力する半導体レーザ８６と、シード光を増幅するチタンサファイヤ増幅器８７と、波長変換システム８８とを備えている。
【０２１６】
半導体レーザ８６は、シード光として、波長が７７３．６ｎｍで連続発振するレーザ光である、ＣＷ（Continuous Wave）レーザ光を出力する分布帰還型の半導体レーザである。半導体レーザ８６の温度設定を変更することによって、発振波長を変化させることができる。
【０２１７】
チタンサファイヤ増幅器８７は、チタンサファイヤ結晶（図示せず）と、ポンピング用パルスレーザ装置（図示せず）とを含む。チタンサファイヤ結晶は、シード光の光路上に配置される。ポンピング用パルスレーザ装置は、ＹＬＦレーザの第２高調波光を出力するレーザ装置である。
【０２１８】
波長変換システム８８は、第４高調波光を発生させる波長変換システムであって、ＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶と、ＫＢＢＦ（ＫＢｅ2ＢＯ3Ｆ2）結晶とを含んでいる。各結晶は、図示しない回転ステージ上に配置されており、各結晶に対するシード光の入射角度を変更できるように構成されている。
【０２１９】
増幅器８４は、図３９に示した増幅器８０と同様に、１対の電極２２ａ及び２２ｂ、レーザ媒質としてＡｒＦレーザガスを含むレーザチャンバ２１と、パルスパワーモジュール２４と、充電器２３とを含んでいる。また、増幅器８４は、凸面ミラー９１と、凹面ミラー９２とを備えている。
【０２２０】
凸面ミラー９１と凹面ミラー９２は、マスターオシレータ８３から出力されたパルスレーザ光が、凸面ミラー９１及び凹面ミラー９２で反射することにより、レーザチャンバ２１の放電空間内を３パスしてビームが拡大するように配置されている。
【０２２１】
レーザ制御部１３Ｅは、レーザ加工制御部３２Ａから目標波長λｔと目標パルスエネルギＥｔを受信すると、マスターオシレータ８３の固体レーザ制御部８９に目標波長λｔを送信する。また、レーザ制御部１３Ｅは、目標パルスエネルギとなるように、増幅器８４の充電器２３の充電電圧を設定する。
【０２２２】
固体レーザ制御部８９は、レーザ制御部１３Ｅから目標波長λｔを受信すると、波長変換システム８８から出力されるシード光の波長が、目標波長λｔとなるように、半導体レーザ８６の発振波長λａ１を変更する。ここで、発振波長λａ１は、目標波長λｔの４倍、すなわち、λａ１＝４λｔに設定される。目標波長λｔが１９３．４ｎｍであるので、λａ１は、１９３．４×４＝７７３．６ｎｍとなる。ここで、ＡｒＦレーザガスをレーザ媒質とする増幅器８４の増幅可能な波長範囲は、１９３．２ｎｍ〜１９３．６ｎｍであるので、必要に応じて、目標波長λｔをこの波長範囲で変更してもよい。
【０２２３】
波長変換システム８８において、ＬＢＯ結晶とＫＢＢＦ結晶の波長変換効率が最大となるように、固体レーザ制御部８９は、図示しない回転ステージを制御して、各結晶に対するレーザ光の入射角度を設定する。
【０２２４】
固体レーザ制御部８９は、レーザ制御部１３Ｅから発光トリガＴｒが入力されると、チタンサファイヤ増幅器８７のポンピング用パルスレーザ装置にトリガ信号を送信する。チタンサファイヤ増幅器８７において、ポンピング用パルスレーザ装置はトリガ信号に基づいて、入力されたシード光であるＣＷレーザ光をパルスレーザ光に変換して出力する。チタンサファイヤ増幅器８７から出力されたパルスレーザ光は、波長変換システム８８に入力される。波長変換システム８８は、λａ１のパルスレーザ光を第４高調波である目標波長λｔのパルスレーザ光に波長変換して出力する。
【０２２５】
また、レーザ制御部１３Ｅは、レーザ加工制御部３２Ａから発光トリガＴｒを受信すると、マスターオシレータ８３から出力されたパルスレーザ光が増幅器８４のレーザチャンバ２１の放電空間に入射した時に放電するように、パルスパワーモジュール２４のスイッチ２４ａをオンする。
【０２２６】
その結果、マスターオシレータ８３から増幅器８４に入射したパルスレーザ光は、レーザチャンバ２１において、凸面ミラー９１及び凹面ミラー９２の作用によって放電空間内を３パスして増幅される。また３パスすることによってパルスレーザ光のビームの直径が拡大される。
【０２２７】
増幅されたパルスレーザ光は、モニタモジュール１１Ｅによってサンプルされ、パルスエネルギと波長の実測値が計測される。レーザ制御部１３Ｅは、計測されたパルスエネルギと目標パルスエネルギＥｔとの差が０に近づくように、充電器２３の充電電圧を制御する。さらに、レーザ制御部１３Ｅは、計測された波長と目標波長λｔとの差が０に近づくように、半導体レーザの発振波長λａ１を制御する。モニタモジュール１１Ｅのビームスプリッタ１１ａを透過したパルスレーザ光は、シャッタ１２が開くと、レーザ加工装置に入射する。
【０２２８】
マスターオシレータ８３が固体レーザ装置の場合は、図２６に示すレーザ加工装置４Ｂまたは図３７に示すレーザ加工装置４Ｄの光源として適用するのが好ましい。出力されるパルスレーザ光のビームがシングル横モードのガウシアンビームに近いために、ビームウエスト位置におけるビームの直径を回折限界近くまで小さくすることができる。
【０２２９】
本例において、増幅器８４として、マルチパス増幅器の例を示したが、これに限定されることなく、例えば、ファブリペロ型の共振器や、リング型の共振器を備えた増幅器であってもよい。
【０２３０】
また、本例において、マスターオシレータ８３として固体レーザ装置を用い、固体レーザ装置と、レーザ媒質としてＡｒＦレーザガスを使用する増幅器８４とを組み合わせて、レーザ装置３Ｅを構成した。
【０２３１】
増幅器８４がＫｒＦレーザガスをレーザ媒質とする増幅器の場合は、増幅可能な波長範囲は２４８．１ｎｍ〜２４８．７ｎｍである。この場合のレーザ装置としては、マスターオシレータ８３が、上記増幅可能な波長範囲で波長を変化させることができる波長可変の固体レーザ装置を用いてもよいし、スペクトル線幅を狭帯域化する狭帯域化ＫｒＦエキシマレーザ装置であってもよい。さらに、増幅器８４がＦ2レーザガスをレーザ媒質とする増幅器の場合は、増幅可能な波長は１５７．６ｎｍである。この場合のレーザ装置は、例えば、マスターオシレータ８３がこの波長域で発振する固体レーザ装置が用いられる。以上のように、紫外線のパルスレーザ光を増幅する増幅器の観点から、紫外線のパルスレーザ光の波長は、１５７．６ｎｍ〜２４８．７ｎｍの範囲が好ましい。
【０２３２】
上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の各実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
【０２３３】
本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される修飾句「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【国際調査報告】
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