JP2005088072A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工用レーザの結像位置を安定かつ正確に制御できるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ８を被加工物２上で結像するレンズ１と、少なくとも2つのレーザを備え、このうちの加工用レーザ８の結像位置を前記被加工物２に対し一定の位置に制御して被加工物２の加工を行うレーザ加工装置において、レンズ１と被加工物2の距離を一定に制御するときの周波数帯域が各レーザで異なり、これらのレーザを同時に制御してレンズ１と被加工物２の距離を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を被加工物上に結像して、その被加工物にアブレーション、潜像形成、結晶構造変化、磁性構造変化、物質硬化、物質溶解等の加工を行うレーザ加工装置に係り、特に被加工物に対してレーザ光の結像位置を一定の距離に保持する機構を備えたレーザ加工装置に関するものである・

レーザ加工装置は、被加工物とレーザ結像位置との距離を制御するために、加工用とは異なった波長の光を用いる制御方式がある。この制御方式のうち露光を前提とする加工装置では、装置と被加工物の距離制御用に、非接触で露光用の光とは別で露光には寄与しない波長の光を用いる。特に光ディスクマスタリングにおける原盤露光装置の場合、従来は露光用に波長３５０ｎｍ付近の紫外光レーザ（以下、この加工用レーザを露光レーザという）と、距離制御用に赤色あるいは赤外光レーザ（以下、単に赤色レーザという）が用いられている．
結像位置の制御はスキュー方式（赤色レーザを対物レンズの中心からずらして入射させ、被加工物と対物レンズの距離を反射光の光軸に対して垂直な変位としてとらえる方式）、または非点収差方式（被加工物からの反射光に非点収差を与え、被加工物と対物レンズの距離を反映している反射光最小錯乱円の光軸方向の移動を光軸に対して垂直なビーム形状の変化としてとらえる方式）が採用される場合が多い。

どちらの方式も赤色レーザを対物レンズに平行に入射させて用いている。従来の対物レンズは色消しレンズで、露光用レーザと赤色レーザの２つの波長に対して同じ焦点距離を持つため、前述の距離制御方式で、露光用レーザと赤色レーザは共に被加工物（この場合レジストを塗布した原盤）の同じ場所に結像する。被加工物から反射した赤色レーザはスキュ方式、非点収差方式のどちらの場合にも、光軸と垂直方向のビーム位置またはビーム形状をディテクタ（検出器）で検出する。

電流によって被加工物の方向に近づいたり遠ざかったりできるアクチュエータに対物レンズがマウントされており、前記反射光による検出器の出力に応じて電流の極性と大きさを調整し、検出器上の反射光が所定の位置に来るようにフィードバックを行う。これにより対物レンズと被加工物の距離を所定の値に保っている。

なお、この種の技術に関しては、例えば下記特許文献１に記載されたような提案がなされている。

特開２００３−４５０９４号公報

より微細な構造をつくるための手段として、一般に露光用レーザの短波長化が行われる。ところが３００ｎmよりも波長が短くなると、集光レンズの材質が限られてくるため、色消しレンズの作製が困難となる。そのため、色消しでないレンズを使いこなす必要がでてくる。

露光用レーザと赤色レーザを従来どおり平行光で色消しでない対物レンズに入射させると、通常は屈折率の小さい赤色レーザの方がレンズから遠いところに結像する。そのため露光用レーザを被加工物上に結像すると、赤色レーザは被加工物上に結像されておらず、幾何光学的にある面積を持って被加工物上に照射される。被加工物が完全に平らで傾きが無ければ問題ないが、被加工物に歪み、あるいは傾きが生じると、反射光の方向がずれてしまう。被加工物とレンズの距離を反射光の光軸と垂直な位置または垂直方向のビーム形状で検出する方式では、これは誤差となり、制御すべき距離にずれを生じる。その結果、露光用レーザの結像点が被加工物上から離れ、いわゆるピンボケの状態となる。

これを回避するには、赤色レーザの結像位置を露光用レーザの結像位置に近づける必要がある。そのためには赤色レーザを収束ビームにして、色消しでない対物レンズに入射させればよい。

以上が色消しでないレンズに対し、被加工物の歪や傾きによって原理的に起こるピンボケを解消する従来技術である（前記特許文献１参照）がある。

しかしこの従来技術によると赤色レーザの光学系を支える構造物の歪等で対物レンズが初めの位置からずれると、前述のように赤色レーザが収束ピームで対物レンズに入射しているため距離の影響を受け、露光用レーザのピンボケを生じてしまう。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、加工用レーザの結像位置を安定かつ正確に制御できるレーザ加工装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、レーザを被加工物上で結像するレンズと、少なくとも2つのレーザを備え、このうちの加工用レーザの結像位置を前記被加工物に対し一定の位置に制御して被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、
前記レンズと被加工物の距離を一定に制御するときの周波数帯域が各レーザで異なり、これらのレーザを同時に制御して前記レンズと被加工物の距離を制御することを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記加工用レーザを低周波帯域の制御に使用し、加工用レーザ以外のレーザを高周波帯域の制御に使用し、所定の位置からのずれを示す前記低周波帯域と高周波帯域の誤差信号を重ね合わせることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第２の手段において、前記加工用レーザを用いた所定の位置からの低周波帯域のずれが、加工用レーザの光軸を加振して加工するときにも加振の影響を受けないで検知できるように構成されていることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記加工用レーザを用いた所定の位置からの低周波帯域のずれを、加工用レーザの被加工物からの反射光の光路を一部遮断し、複数分割されたフォトデイテクタ上に結像して検出することを特徴とするものである。

本発明は前述のように、レーザを被加工物上で結像するレンズと、少なくとも2つのレーザを備え、このうちの加工用レーザの結像位置を前記被加工物に対し一定の位置に制御して被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、前記レンズと被加工物の距離を一定に制御するときの周波数帯域が各レーザで異なり、これらのレーザを同時に制御して前記レンズと被加工物の距離を制御することを特徴とするものである。

このように構成することにより、加工用レーザの結像位置を安定かつ正確に制御できるレーザ加工装置を提供することことができる。

次に本発明の実施形態を図と共に説明する。図1は第１実施形態に係り、2つのレーザ装置で、露光用レーザの結像位置を制御（オートフォーカス）する光ディスク用原盤露光装置の概略構成図である。

色消しでない対物レンズ1は、露光対象物（被加工物）であるレジストを塗布した原盤2との距離を調節できるように、アクチュエー夕3にマウントされている。

赤色レ一ザ5は凸レンズ6で集光ピーム7とされ、波長選択性のミラー4を透過した後、対物レンズ1の光軸からずらして入射している。ここで凸レンズ6の光軸方向の位置は、露光用レーザ8が平行光で対物レンズ1に入射して原般2の表面で結像する時に、赤色レーザも原盤2の表面で結像するように、予め調整されている。

赤色レーザの原盤２での反射光は再び対物レンズ1を通過し、拡散光9となる。この拡散光9を凸レンズなどの収束光学系１０で集光ビーム１１として２分割ディテクタ１２に入射する。

対物レンズ1と原盤2の距離が変化した場合、集光ビーム１１が２分割ディテクタ１２の上を移動することになり、その位置情報は誤差信号１３としてハイパスフィルタ１４を通して、対物レンズ位置制御回路１５に入力される。なお2分割ディテクタ１２の位置は、赤色レーザが原盤2の表面で結像した時に2分割ディテクタ１２の出力が０、すなわち誤差信号が０になるように調整されている。

またハイパスフィルタ１４は、後述する露光用レーザ側のローパスフィルタ１６がカットする周波数帯域を透過する、すなわち両者が干渉しないように設定されている。

次に露光用レーザの光学系について説明する。

対物レンズ１に平行光で入射した露光用レ―ザ8は原盤2の表面で反射し、結像位置検出光学系１７に入射する。この結像位置検出光学系１７に入射するビームの光強度は一般に微弱なため、誤差信号１８のS／N（信号とノイズの比）は非常に小さい。通常ノイズの比率は高周波に大きいため、誤差信号１８はローパスフィルタ１６によりノイズ成分がカットされた誤差信号１９になって、前記誤差信号１３と加算回路２６で適当な重み付けをした上で加算され、対物レンズ１のアクチュエータ駆動用のフイードバック回路１５に新たな誤差信号２７として入力される。このフイードバック回路１５はアクチュエータ３を駆動し、露光用レーザ８が原盤２の表面に結像するようにフイードバックを行う。

このように２つのレーザを用いてオートフオーカス光学系が構成された原盤露光装置の場合、赤色レーザの光学系から得られる誤差信号１３には原盤２が回転する際に検出される高周波成分の信号が含まれるため、この信号を原盤２とレーザ結像位置との距離制御用（オートフォーカス）に使用できる。しかし赤色レーザは収束光で対物レンズ１に入射しているため、赤色レーザの光学系を支える構造物が周囲の環境温度等で歪が生じた場合、その影響を受け易く、正しいオートフォーカス信号にならず、露光用レーザ８の結像点が原盤２の表面からずれてピンボケになる可能性がある。

一方、露光用レーザ８の光路は露光用レーザ８が平行光で対物レンズ１に入射しているため、対物レンズ１の光軸方向の位置が変わっても影響を受けないのと、露光用レーザ８から得られる誤差信号１８は、本来目的とする結像点を原盤２の表面に一致させる露光用レーザ自体からの信号である。そのため露光用レーザ８のみでオートフオーカスの機能が可能であれば好都合である。しかし露光用レーザ８の原盤２での反射光は前記のように反射光量が小さいのと、深紫外光に対するディテクタ１２の感度が低いため、誤差信号１８の高周波成分はノイズに埋もれて使用できない。そのためローパスフィルタ１６で低周波成分のみを誤差信号として使用すると、前述の赤色レーザの光学系を支える構造物の歪が原因で生じるような低周波の現象を露光用レ−ザ側で補正することができる。

このようにして赤色レーザによる誤差信号１３の高周波成分と、露光用レーザ８による誤差信号１８の低周波成分を加算回路２６で加え合わせると、制御に必要なすべての周波数帯域を正しく得ることができ、従来技術（特許文献１参照）のように赤色レーザの光学系を支える構造物の歪等で対物レンズが初めの位置からずれても、露光用レーザ８の誤差信号１８が補正をかけるため、露光レーザ８の結像点を原盤2に対して長時間、安安かつ正確に保つことができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。本実施形態は、前記第１実施形態におけるの結像位置検出光学系１７を具体的に示したものである。

露光用レーザ８の原盤２からの反射光は、スプリッタ２０で反射され、ナイフエッジ２１でビーム径を半分にされた後、凸レンズ２２で２分割ディテクタ２３に集光される。２分割ディテクタ２３の位置は、露光用レーザ８が原盤２の表面で結像する際に誤差信号１８が最小になるように調整されている。

一般に露光装置には原盤表面の露光用レーザ８の結像状態を撮像素子でモニタする機能を有しており、結像点が原盤２からずれるとモニタ像もピンボケになるため、露光用レーザ８の誤差信号１８に、このモニタリングを利用できる可能性がある。しかし原盤露光装置の使用方法の１つに原盤２上の露光軌跡を正弦波等にする目的で露光用レーザ８の光軸に対して振る（ウォーブル）場合がある。この時、ウォーブルの周波数は一般に高帯域であり、前述のモニタリング用撮像素子では追従できない帯域である。

本実施形態は、露光用レーザ８の結像点のずれを、ナイフエッジ２１と凸レンズ２２と2分割ディテクタ２３で検知している。この方式は、前述のウォ−ブルの場合も、ナイフエッジ２１と２分割ディテクタ２３の設置方向を考慮することで、露光用レーザ８の結像点のずれを検知できる。すなわち図２において、露光用レーザ８を紙面に対して垂直方向にウォーブルする場合、ナイフエッジ２１と２分割ディテクタ２３を図のように設置すると、結像点のずれは２分割ディテクタ２３上の結像点の矢印方向であり、ウォーブル方向（破線の矢印）と無関係に検知ることが可能である。また高帯域のウォーブルにも問題なく検知できる。

なお本実施形態の他の部分については前記第１実施形態と同じであり、それらの説明は省略する。

図３は本発明の第３実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図で、前記第２実施形態の露光用レーザ８の光学系にスイッチ回路２５を追加したものである。

原盤露光装置の場合、露光手順として原盤２を露光装置上にセットした後、図３のオートフオーカス光学系が設置されたヘッド部をセットし、オートフオーカスをかけた後、露光レーザ８のシャッタを開いて露光する。本発明の場合、前記ヘッド部をセットした後、露光レーザでオートフオーカスをかけると、原盤２のオートフォーカスをかけた個所が露光してしまうため、露光レーザ８でのオートフォーカスはあくまで露光と同時に行うことが望ましい。

本実施形態は最初のオートフォーカスは赤色レーザで行い、露光と同時に露光レーザ８でのオートフオーカス機能がでることを目的にしたものである。

図3で露光レーザ側の２分割ディテクタ２３の誤差信号１８（以下、差信号という）は、ローパスフィルタ１６で高周波成分を取り除いた後、スイッチ回路２５に入力される。２分割デイテクタ２３のもう一方の和信号２４はスイッチ回路２５の制御用端子に入力され、和信号２４の電圧が予め定められた閾値を超えたとき、スイッチ回路２５のスイッチが繋がるようにしておく。

このような構成にしておくと、前述した従来の原盤露光装置の手順、すなわちヘッド部をセットし、赤色レーザでオートフオーカスをかけた後、露光を開始すると同時に露光レーザ側でのオートフオーカス機能が働き、一連の操作を自動的に行うことができる。

なお本実施形態の他の部分については前記第１実施形態と同じであり、それらの説明は省略する。

図４は本発明の第４実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図で、図３の２分割ディテクを４分割ディテクタ２８にし、ウォーブル量を測定するものである．
４分割ディテクタ２８上を、実線の矢印方向（左右方向）に移動するビームスポットがオーフォーカス信号（低周波帯域）情報を与えるのもになり、４分割ディテクタ２８上を破線の矢印方向（上下方向）に移動するビームスポットがウォーブル変位量の情報を与えるものになる。

４分割ディテクタ２８の各受光面を図4のようにａ，ｂ，ｃ，ｄとすると、各受光面の出力は分岐回路２９に入る。この分岐回路２９では、各受光面の出力をオートフォーカス用の差信号と和信号及びウォーブル測定用の差信号に分岐処理する。すなわち、オートフォーカス信号用には、各受光面の出力を（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）の差信号としてローパスフィルター１６に入れる。また和信号は（ａ＋ｃ）＋（ｂ＋ｄ）としてスイッチ回路２５に入れ，図３の実施形態と同様の作用をさせる。

一方，ウォーブル変位量の測定は，（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）を差信号としてウォーブル量測定系３０に入り、ウォーブル量を測定する。

このようにすれば４分割ディテクタ２８は、オートフォーカス機能とウォーブル量測定の両方の機能に使用できる。実施形態２で述べたようにウォーブルの周波数は一般に高帯域であり，撮像素子は追加できないが、本実施形態の構成にすれば，露光中に破線の矢印方向にウォーブルする変位量を測定することができる。

なお本実施形態の他の部分については前記第３爽施形態と同じであり、それらの説明は省略する。

前記実施形態では、レーザ加工装置として光ディスクの原盤露光装置の場合について説したが明したが、本発明は他にレーザ加工装置としてレーザ光を対象物に結像し、その対象物にアブレーション、潜像形成、結晶構造変化、磁性構造変化、物質硬化、物質溶解等の加工を行う技術分野にも適用可能である。

本発明の第1実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本発明の第４実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。

符号の説明

１：色消しでない対物レンズ、２：原盤３：アクチュエータ、４：波長選択性のミラー、５：赤色の半導体レーザ、６：凸レンズ、７：集光ビーム、８：露光用レーザ、９：拡散光、１０：収束光学系、１１：集光ビーム、１２：分割ディテクタ、１３：誤差信号、１４：ハイパスフィルタ、１５：対物レンズ位置制御回路、１６：ロ−パスフィルタ、１７：結像位置検出光学系、１８：誤差信号（差信号）、１９：誤差信号、２０：スプリッタ、２１：ナイフエッジ、２２：凸レンズ、２３：２分割ディテクタ、２４：和信号、２５：スイッチ回路、２６：加算回路、２７：新たな誤差信号、２８：４割ディテクタ、２９：分岐回路，30：ウォーブル量測定系。

Claims (6)

1. レーザを被加工物上で結像するレンズと、少なくとも2つのレーザを備え、このうちの加工用レーザの結像位置を前記被加工物に対し一定の位置に制御して被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、
   前記レンズと被加工物の距離を一定に制御するときの周波数帯域が各レーザで異なり、これらのレーザを同時に制御して前記レンズと被加工物の距離を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１記載のレーザ加工装置において、前記加工用レーザを低周波帯域の制御に使用し、加工用レーザ以外のレーザを高周波帯域の制御に使用し、所定の位置からのずれを示す前記低周波帯域と高周波帯域の誤差信号を重ね合わせることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２記載のレーザ加工装置において、前記加工用レーザを用いた所定の位置からの低周波帯域のずれが、加工用レーザの光軸を加振して加工するときにも加振の影響を受けないで検知できるように構成されていることを特徴とするレ―ザ加工装置。
4. 請求項３記載のレーザ加工装置において、前記加工用レーザを用いた所定の位置からの低周波帯域のずれを、加工用レーザの被加工物からの反射光の光路を一部遮断し、複数分割されたフォトデイテクタ上に結像して検出することを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項4記載のレーザ加工装置において、前記加工用レーザ側の2分割デイテクタの和信号をスイッチ回路に入力することで、加工用レーザで低周波帯域のずれを検知する機能をスイッチングすることを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項４、５項の加工用レーザ側の2分割デイテクタを、4分割あるいはそれ以上に分割されたディテクタを用い、請求項3のレーザの光軸を加振した際の被加工物上での加工用レーザの結像点の移動量を検知することを特徴とするレーザ加工装置。
   
   

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