JP2007216263A - レーザ加工装置及びその加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象物に所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製し、ナノ構造物の加工形状の評価を短時間で行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】加工対象物１０２を載置して回転させる回転機構１０１と、加工対象物１０２の半径方向に直線移動可能な移動機構とを有し、レーザ光により加工対象物１０２の表面に形成されたビームスポットが軌跡を描きながら移動する。このビームスポットのレーザ光の光強度分布を調整することにより、加工対象物１０２に作製される超微細パターンを意図する形状になるよう調整する。調整におけるパラメータ値を設定するために、作製された超微細パターンの評価を超微細パターンからの反射光を評価することにより行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、この加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工装置及びその加工方法に関し、より詳細には、半導体集積回路の製造及び光学部品の超微細加工に用いられる半導体レーザを用いて、加工対象物にビームスポットの径以下のナノ単位の大きさの超微細パターンを作製するレーザ加工装置及びその加工方法に関する。

従来から、集積回路の製造などに用いられるフォトマスクやレチクルを製造するレーザ描画装置として、直交する２つのスライダを駆動してＸＹテーブル上に載置された被処理部材をＸ方向及びＹ方向に移動させながら、光学系を介してレーザ光を被処理部材上に集光し、この被処理部材上にビームスポットを形成してパターンを描画するＸＹテーブル式レーザ描画装置がよく知られている。

しかしながら、このような従来のＸＹテーブル式レーザ描画装置でパターンを描画した場合、ピクセル数が多くなるとＸＹ方向のスライダの移動回数や加減速回数が増加して描画時間が長くなるという問題があった。また、パターン内部を塗りつぶす場合は、反復運動が多くなり、高速で描画する場合は、かなりリニアモータに負荷が掛かると同時にＸＹテーブルの加減速時の反作用により自らが振動要因となり、位置精度や速度精度が低下するという問題があった。さらに、複数のフォトマスクの製作が必要となることや、露光工程においてもフォトマスクの枚数分の位置合わせや露光が必要になり、製作時間が長くなるとともにコストが大幅にアップするという問題があった。

そのため、このような問題点を解決するために、回転体と光学系を組み合わせてピクセル数が多い場合でもパターンを加工する描画時間を短縮でき、高精度な加工が可能なレーザ描画装置が提案されている。この回転体としてディスク型回転体を用いたレーザ描画装置としては、例えば、特許文献１に提案されており、また、回転体としてドラム型回転体を用いたレーザ描画装置としては、例えば、特許文献２に提案されている。

この特許文献１に記載されているレーザ描画装置は、ターンテーブルにフォトレジストが塗布された円盤状の基板を載せて回転させながら、ビームスポットを径方向に移動させることにより高速の描画を行う装置である。この装置においては、描画パターンを構成する各ピクセルに対して露光量（レーザパワー）を変化させるとともに、トラックピッチをビームスポット半径と同等にすることにより深い方向に微細な階調のパターンを高精度に加工することができるようになっている。また、このレーザ描画装置は、ターンテーブルの回転数と光変調の制御信号を同期させることで回転数によらず、所定の２次元のパターンを記録することができるようになっている。

また、特許文献２に記載されているドラム型回転体を用いたレーザ描画装置は、回転ドラム上に可撓性の長尺状のワークを巻きつけ、この回転ドラムの外周に隣接してその中心軸方向に延びるガイド機構を設け、このガイド機構に沿って移動可能にレーザアレイを含む移動機構を設けたものである。このレーザ描画装置においては、長尺状のワークを回転させながらレーザアレイを移動させ、ワークに形成されている銅膜をレーザアレイの個々のレーザ光源から照射されるレーザ光により除去することで高速の描画を高精度に行うことができる。そして、これらディスク型回転体を用いたレーザ描画装置やドラム型回転体を用いたレーザ描画装置は、それぞれの利点を勘案しながら用途に応じて利用されている。

特開２００１−１３３９８７号公報 特開２００１−２０８９９３号公報

しかしながら、この特許文献１や特許文献２に記載のレーザ描画装置は、フォトレジストが塗布された石英原盤上や銅膜が形成されたワーク上にレーザ光を集光し、光学系を移動させながら領域内に所定のパターンを描画しているものであるため、個々のパターンの径をビームスポット径以下の大きさにすることができず超微細パターンを描画することは不可能であった。

つまり、特許文献１や特許文献２に記載のレーザ描画装置は、レーザ照射光量を変化させてもレーザスポットの径が個々のパターンの径に相当してしまうため、個々のパターンの加工深さを変化させることはできても、個々のパターンの径を変化させることはできなかった。

また、上述した特許文献１や特許文献２に記載のレーザ描画装置では、描画をする際の最適条件を設定するための条件出しを行うには、条件を変化させていくつかの描画を行った後、顕微鏡等で加工パターンの形状を観察する以外に方法がなく、最適条件を設定するまでに多大な時間がかかるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ビームスポットの径以下の超微細パターンを作製できるとともに、作製する超微細パターンの大きさをビームスポットの径以下の任意の大きさに調整することができ、さらには作製した超微細パターンの形状の評価を短時間で行なえるようにしたレーザ加工装置及びその加工方法を提供することである。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工装置において、前記加工対象物を回転させる回転手段と、該回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動可能な移動手段と、前記加工対象物に向けて前記レーザ光を出射する照射手段と、該照射手段からの前記レーザ光を前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する対物レンズを含む光学手段と、前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を検出する光検出手段と、前記レーザ光の光強度を直接変調することのできるレーザ駆動手段と、前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を調整する調整手段とを備え、該調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記調整手段は、少なくともオートフォーカス機能が前記対物レンズを駆動するために出力する信号に、前記加工対象物の表面からレーザ光の焦点をずらす量に相当する信号を印加するフォーカスオフセット電圧印加手段を備えていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記ナノ構造物にレーザ光を照射し、前記光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて前記超微細パターンの形状を評価する評価手段を備えていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記評価手段が、前記再生信号に基づいて、前記超微細パターンからの反射光の光量又は反射光の光量比又は反射光の偏光特性を検出して前記超微細パターンの形状を評価することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の発明において、前記評価手段による評価結果に基づき、前記光強度分布を調整する前記調整手段の調整パラメータの値を設定するパラメータ値設定手段を備えていることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工方法において、前記加工対象物を回転手段により回転させる回転ステップと、前記回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動させる移動ステップと、前記加工対象物に向けて照射手段により前記レーザ光を出射する照射ステップと、前記照射手段からの前記レーザ光を、対物レンズを含む光学手段により前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する形成ステップと、前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を光検出手段により検出する光検出ステップと、前記レーザ光の光強度をレーザ駆動手段により直接変調するレーザ駆動ステップと、前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を、調整手段により調整する調整ステップとを有し、前記調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記調整ステップは、少なくともオートフォーカス機能が前記対物レンズを駆動するために出力する信号に、前記加工対象物の表面からレーザ光の焦点をずらす量に相当する信号を印加するフォーカスオフセット電圧印加ステップを有することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の発明において、前記ナノ構造物にレーザ光を照射し、前記光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて前記超微細パターンの形状を評価する評価ステップを有することを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記評価ステップが、前記再生信号に基づいて、前記超微細パターンからの反射光の光量又は反射光の光量比又は反射光の偏光特性を検出して前記超微細パターンの形状を評価することを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の発明において、前記評価ステップによる評価結果に基づき、前記光強度分布を調整する前記調整手段の調整パラメータの値を設定するパラメータ値設定ステップを有することを特徴とする。

本発明によれば、熱反応型基材からなる加工対象物に集光されたビームスポットの光強度分布を調整する調整手段を備えたので、この調整手段によりビームスポットの光強度分布を調整することにより、加工対象物上に作製される超微細パターンの大きさをビームスポットの径以下にすることができるとともに、超微細パターンの大きさをビームスポットの径以下の任意の大きさにすることができる。

また、ナノ構造物にレーザ光を照射し、光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて超微細パターンの形状を評価する評価手段を備えているので、超微細パターンの形状の評価を短時間で行なうことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明のレーザ加工装置を説明するための構成図で、図２は、図１に示されている光加工ヘッド１０３の構成図である。このレーザ加工装置は、熱反応型基材からなる加工対象物１０２にレーザ光を照射し、この加工対象物１０２の表面に所定の超微細パターンを形成するものである。

このレーザ加工装置は、加工対象物１０２を載置して回転させるターンテーブル回転機構１０１と、加工対象物１０２の回転面に向けて配置される光加工ヘッド１０３を、加工対象物１０２の半径方向に相対的に直線移動可能なスレッドモータ１１５からなる移動機構とを有し、レーザ光が加工対象物１０２の回転面で軌跡を描きながら移動するように構成されている。

また、光加工ヘッド１０３は、第１の半導体レーザ２０１と、第２の半導体レーザ２１５と、第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４と、第２のフォトダイオ−ド（ＰＤ２）２０６と、第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５と、第４のフォトダイオード（ＰＤ４）２２０と、超解像光学素子２０７と、対物レンズ２１０とを含む光学系で構成されている。

第１の半導体レーザ２０１は、加工対象物１０２に向けて超微細パターン作製用のレーザ光を出射するものである。第２の半導体レーザ２１５は、加工対象物１０２に向けて超微細パターン評価用のレーザ光を出射するものである。対物レンズ２１０は、この第１の半導体レーザ２０１からのレーザ光を、第１のコリメートレンズ２０２と第１のアナモルフィックプリズム２０３とダイクロイックミラー２２１などの光学系を介して加工対象物１０２の表面に集光してビームスポットを形成するものであり、かつ第２の半導体レーザ２１５からのレーザ光を、第２のコリメートレンズと第２のアナモルフィックプリズム２１７とビームスプリッタ２１８などの光学系を介して加工対象物１０２の表面に集光してビームスポットを形成するものである。第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４及び第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５は、加工対象物１０２からの反射光を検出するものである。

超解像光学素子２０７は、加工対象物１０２の表面に形成されるビームスポットの径を小さくするための素子で、具体的にはレーザ光の断面を輪帯状にする素子や位相輪帯素子などがある。レーザ光の断面を輪帯状にする素子としては、例えば、ドーナツ状の遮光板や対向させた２つのアキシコンなどがある。位相輪帯素子は、光が透過する板を半径方向に階段状にした光学素子で、透過したレーザ光の断面の半径方向に位相を変化させるものである。

半導体レーザ駆動装置は、記録信号生成回路１１０とレーザパワー設定回路１１１とレーザ駆動回路１１２とクロック信号発生回路１１９を備えており、第１の半導体レーザ２０１の光強度のパルス状の変化をターンテーブル回転機構１０１の回転数に応じて変調することができるものである。また、この半導体レーザ駆動装置は、レーザパワー設定回路１１１にコンピュータ装置１１６を介して設定される第１の半導体レーザ２０１からパルス状に出射されるレーザ光のハイレベル時のレーザ光強度値を調整することにより、ビームスポットの光強度分布を調整することができるものである。

なお、レーザパワー設定回路１１１は、第２のフォトダイオード（PD２）２０６が出力するレーザ光の光強度に相当する信号を随時入力し、第１の半導体レーザ２０１が出射するレーザ光の強度が設定された強度になるようにレーザ駆動回路１１２を制御する回路である。

また、対物レンズ２１０を含む光学系は、加工対象物１０２の垂直振動を補償する振動補償機構を併設している、この振動補償機構は、対物レンズ２１０を焦点方向の１方向のみに可動する１軸アクチュエータ１０３ａと、加工対象物１０２からの反射光を利用したオートフォーカス機能とを備え、このオートフォーカス機能は、フォーカスエラー信号発生回路１０５とオートフォーカス回路１０６とドライブ回路１０７とを備えている。

なお、フォーカスエラー信号生成回路１０５に入力する信号は、第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４及び第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５が出力する反射光の光強度に相当する信号を信号増幅回路１０４で増幅した信号である。この信号増幅回路１０４は、コンピュータ装置１１６の指令に基づいて第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４及び第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５が出力する信号の１つを選択して入力するとともに設定された増幅率で増幅する回路である。

また、オートフォーカス回路１０６とドライブ回路１０７の間には加算器１２１を介してオートフォーカス回路１０６が出力する信号に直流成分の電圧を印加するフォーカスオフセット電圧印加回路１２０がある。このフォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定される直流成分の電圧（オフセット電圧）は、入力装置１１８からコンピュータ装置１１６を介して任意の値に設定できる。

オートフォーカス回路１０６が出力する信号に直流成分の電圧（オフセット電圧）を印加することで、加工対象物１０２のほぼ表面にあるレーザ光の焦点位置を垂直方向に移動させ、加工対象物１０２の表面に形成されたビームスポットの光強度分布を変化させることができる。すなわち、フォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定されるオフセット電圧を入力装置１１８から入力する値を変えて調整することにより、加工対象物１０２の表面に形成されるビームスポットの光強度分布を調整することができる。

このように構成されたレーザ加工装置により、加工対象物１０２の加工領域内に所定の超微細パターンを形成する際、加工対象物１０２が熱反応型材料（一例として酸化白金膜）の場合は、レーザ光が照射された部分で所定の光強度以上の部分が熱反応により溶解して凹形状のピットが形成されるため、加工対象物１０２の表面に形成されるビームスポットの光強度分布を調整することで、ピットの形状を調整することができる。

また、超微細パターンを評価する機能として、光加工ヘッド１０３内の第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５の手前に設けた回転偏光子２２４と、光加工ヘッド１０３に取り付けられ回転偏光子２２４を回転させる回転モータ１０３ｂと、この回転モータ１０３ｂに回転位置に相当する信号を供給し、回転偏光子２２４の回転位置を制御する回転偏光子制御回路１２２と、信号増幅回路１０４が出力する信号から再生信号を生成して出力する再生信号生成回路１０８と、この再生信号生成回路１０８が出力する信号のレベルを測定し、その値をデジタル信号にしてコンピュータ装置１１６に出力する信号レベル測定回路１０９とがある。

回転偏光子２２４は、１つの偏光方向の光のみを通過させる偏光子が反射光の光軸回りに回転するようになっている素子である。この回転偏光子２２４を回転させて各々の回転角度で通過した光の光量を検出することで、入射した反射光の偏光特性を測定できる。

回転偏光子制御回路１２２には、コンピュータ装置１１６から回転偏光子２２４の回転角度に相当する信号が入力し、回転偏光子制御回路１２２は入力した回転角度から回転モータ１０３ｂの回転位置を算出して、算出した回転位置に相当する信号を回転モータ１０３ｂに供給している。

再生信号生成回路１０８は、信号増幅回路１０４が少なくとも４つに分割されている第３のフォトダイオード（ＰＤ３）のそれぞれの分割部分が出力する信号をそれぞれ増幅して出力しているので、このそれぞれ増幅された信号をすべて入力して、信号の総計を再生信号として生成して信号レベル測定回路１０９に出力する回路である。

信号レベル測定回路１０９は、入力した再生信号をローパスフィルタに通して信号レベルがほぼ一定の信号にした後、所定の間隔で信号の波高値をデジタル信号にして取り込み、取り込んだ複数の波高値を平均し、この平均値のデジタル信号をコンピュータ装置１１６に供給する回路である。

次に、図１及び図２に基づいて、本発明のレーザ加工装置の動作について説明する。まず、入力装置１１８からレーザ光強度とフォーカスオフセット電圧の値を入力する。入力した値は、コンピュータ装置１１６を介してレーザパワー設定回路１１１とフォーカスオフセット電圧印加回路１２０にそれぞれ設定される。この値は、加工対象物１０２に所定の超微細パターンを作製するのに最適な値と思われる値であるが、この値は、後述する超微細パターンの評価により適宜変更される。次に、ターンテーブル回転機構１０１に加工対象物１０２をセットし、ターンテーブル回転機構１０１を回転する。このターンテーブル回転機構１０１は、スピンドルモータ制御回路１１３により回転数が制御される。

このスピンドルモータ制御回路１１３は、ターンテーブル回転機構１０１のスピンドルモータ内にあるエンコーダ１０１ａから、回転数に相当する周波数のパルス信号を入力し、算出した回転数がスピンドルモータ制御回路１１３内に設定された回転数になるようターンテーブル回転機構１０１の回転数を制御する。スピンドルモータ制御回路１１３内の回転数の設定は、入力装置１１８から回転数を入力することでコンピュータ装置１１６を介して行われる。

次に、最初にレーザ光を照射する半径位置を入力装置１１８から入力する。これによりスレッドモータ１１５が作動し、ターンテーブル回転機構１０１は径方向に移動して入力された半径位置で停止する。ターンテーブル回転機構１０１は、スレッドモータ１１５よりなる移動機構に接続されており、スレッドモータ１１５の回転により径方向に移動するようになっている。

次に、レーザ加工を終了する半径位置を入力装置１１８から入力する。この値は、コンピュータ装置１１６内に記憶され、コンピュータ装置１１６は、随時入力しているスレッドモータ１１５のエンコーダ１１５ａからのパルス信号からレーザ照射の半径位置を随時算出しているので、レーザ照射の半径位置が記憶されているレーザ加工を終了する半径位置になったとき、レーザ光照射を停止し、スレッドモータ１１５の駆動およびオートフォーカス機能を停止する。

なお、これによらず、コンピュータ装置１１６から記録信号生成回路１１０に入力する記録信号が有限のものであれば、記録信号生成回路１１０からの信号出力がなくなるときが、レーザ光照射が停止するときであるので、レーザ光照射が停止したことによりスレッドモータ１１５の駆動およびオートフォーカス機能を停止してもよい。

次に、超微細パターンの個々のパターン（ピット）における加工対象物１０２の径方向の間隔を入力装置１１８から入力する。この値は、後述するように、コンピュータ装置１１６によりスレッドモータ制御回路１１４内にスレッドモータ１１５の回転数を設定するのに使用される。

次に、レーザ光の照射開始を入力装置１１８から指示する。これにより信号レベル測定回路１０９を除くすべての回路が作動し、スレッドモータ１１５は、超微細パターンの個々のパターン（ピット）における加工対象物１０２の径方向の間隔が予め設定されている間隔になるような回転数で回転し、レーザ光の照射位置は、加工対象物１０２から見ると回転しながら径方向に移動して加工対象物１０２の表面に超微細パターンを作製していく。

スレッドモータ１１５による加工対象物１０２の半径方向への移動において、スレッドモータ１１５は、スレッドモータ制御回路１１４により回転位置および回転数が制御される。スレッドモータ制御回路１１４は、スレッドモータ１１５内にあるエンコーダ１１５ａから、回転数に相当する周波数のパルス信号を入力し、算出した半径位置が入力装置１１８から入力された半径位置になるまでスレッドモータ１１５を回転させる。およびスレッドモータ制御回路１１４は、同パルス信号から算出した回転数がスレッドモータ制御回路１１４内に設定された回転数になるよう、スレッドモータ１１５の回転数を制御する。

スレッドモータ制御回路１１４内の回転数は、入力装置１１８から入力されたターンテーブル回転機構１０１の回転数と同じく入力装置１１８から入力された超微細パターンの個々のパターン（ピット）の径方向の間隔からコンピュータ装置１１６にて計算され設定される。なお、スレッドモータ制御回路１１４は、入力装置１１８から半径位置が入力されたときは回転位置の制御を行い、ターンテーブル回転機構１０１の回転とレーザ光照射が開始された後は、回転数の制御を行う。

第１の半導体レーザ２０１から出射したレーザ光は、コリメートレンズ２０２により平行光束へ変換される。さらに、第１のアナモルフィックプリズム２０３によりレーザ光の断面形状を真円にする整形がされる。この第１のアナモルフィックプリズム２０３を通った光束は、ＰＢＳ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ；偏光ビームスプリッタ）２０４により偏光分離され、そのほとんどが加工対象物１０２へ行く光束となる。

このＰＢＳ２０４により偏光分離された一部の光は、第１の凸レンズ２０５を介して集光され、第２のフォトダイオ−ド（ＰＤ２）２０６によって光検出される。この第２のフォトダイオード（ＰＤ２）２０６が出力する検出した光の光量に相当する信号を用いて、レーザパワー設定回路１１１とレーザ駆動回路１１２は、半導体レーザ２０１から出射するレーザ光のハイレベル時の光強度を一定とするオートパワーコントロールを行う。

ＰＢＳ２０４を通った光束は、超解像光学素子２０７を通過する。この超解像光学素子２０７を通過させることで、対物レンズ（ＯＬ）２１０により加工対象物１０２の表面に形成されるビームスポットの径を小さくすることができる。

図３（ａ），（ｂ）は、対物レンズ２１０により形成されるビームスポットの径方向の光強度分布を示す図である。図３（ａ）は超解像光学素子２０７がない場合を示し、図３（ｂ）は超解像光学素子２０７がある場合を示している。これを見て分かるように、超解像光学素子２０７がある場合は、ビームスポットの径方向の光強度分布が狭まっている（すなわち、径が小さくなっている）。したがって、レーザ光を、超解像光学素子２０７を通過させることで更に微小な加工を行うことができる。

また、図４（ａ），（ｂ）は、熱反応型材料の加工対象物に対するビームスポットの径以下のサイズのパターンの加工状態を示す図で、図４（ａ）は超解像光学素子２０７がない場合を示し、図４（ｂ）は超解像光学素子２０７がある場合を示している。この図４（ａ），（ｂ）は、ドットパターンを作製した実施例を示すものであるが、図４（ａ）に示すように、超解像光学素子２０７を用いない場合と比べて、図４（ｂ）に示したように超解像光学素子２０７を用いた場合の方が、ドットパターンを微小にできるのみならず、均一に作製できることがわかる。

超解像光学素子２０７を通過した光束は、１／４波長板２０８を通過して円偏光へ変換され、立ち上げミラー２０９及び対物レンズ（ＯＬ）２１０を介して加工対象物１０２へ照射される。この加工対象物１０２からの反射光は、対物レンズ（ＯＬ）２１０を介して１／４波長板２０８を通過して超解像光学素子２０７を通過した光束とは偏光方向が９０度異なる直線偏光へ変換され、超解像光学素子２０７を通過し、ＰＢＳ２０４によって反射ミラー２１１の方向へと反射される。

この反射ミラー２１１にて反射された光束は、第２の凸レンズ２１２とシリンドリカルレンズ２１３を介して第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４にて光検出される。この検出した光の光量に相当する信号が第１のフォトダイオード（ＰＤ１）２１４から信号増幅回路１０４に出力し、この信号増幅回路１０４とフォーカスエラー信号生成回路１０５とオートフォーカス回路１０６と、ドライブ回路１０７の作動により１軸アクチュエータ１０３ａが駆動制御されて、対物レンズ（ＯＬ）２１０により加工対象物１０２の表面に集光したレーザ光は、その焦点位置が加工対象物１０２の表面に追従するよう制御される。なお、このフォーカス制御を行なうための反射光検出機構は、第２の凸レンズ２１２とシリンドリカルレンズ２１３を用いた非点収差法に限定されるものではなく、ナイフエッジ法など多くの方法が採用できる。

オートフォーカス機能が付いていることにより、図５に示すように、加工対象物が平面でなくても加工することができ、今まで加工が難しかった自由曲面に対する直接加工が可能となる。

オートフォーカス回路１０６が出力する信号にはフォーカスオフセット電圧印加回路１２０により加算器１２１を介して直流成分の電圧（オフセット電圧）が印加される。上述したように、このオフセット電圧を変化させることで、レーザ光が加工対象物１０２の表面付近でフォーカス制御される位置を垂直方向に変化させ、加工対象物１０２に形成されたビームスポットの光強度分布を変化させることができる。

第１の半導体レーザ２０１からは、レーザ駆動回路１１２が出力する信号波形に基づくレーザ光が出射される。レーザ駆動回路１１２が出力する信号は、記録信号生成回路１１０が出力するハイレベルとローレベルのパルス信号とレーザパワー設定回路１１１が出力するハイレベルにおけるレーザ光強度に相当する信号とから生成される信号波形の信号を、クロック信号発生回路１１９が出力するクロック信号に同期させた信号である。

そして、レーザ駆動回路１１２は、エンコーダ１０１ａが出力するインデックス信号（１回転ごとに発生する信号）を検出したときから、信号の出力を開始する。後述する記録信号生成回路１１０が出力する信号は、１回転ごとに分けられている信号になっているため、レーザ駆動回路１１２は、それぞれの１回転ごとに、エンコーダ１０１ａが出力するインデックス信号を検出したときから信号の出力を開始する。

記録信号生成回路１１０は、コンピュータ装置１１６で設定された任意の記録信号を加工対象物１０２のビームスポットの進行方向における超微細パターンの作製部分と作製外部分に相当するハイレベルとローレベルのパルス信号に変換する回路である。そして、この記録信号生成回路１１０は、このパルス信号を１回転分ごとに分けてレーザ駆動回路１１２に供給する。

クロック信号発生回路１１９は、エンコーダ１０１aが出力するパルス信号の所定個数分を１パルスにした信号を生成して出力する回路である。すなわち、クロック信号発生回路１１９は、ターンテーブル回転機構１０１の所定回転角度ごとにハイレベルとローレベルが繰り返すパルス信号を出力する回路である。

これにより第１の半導体レーザ２０１が出射するレーザ光は、ターンテーブル回転機構１０１の回転に同期したパルス波形になり、ターンテーブル回転機構１０１の回転数によらず加工対象物１０２に同一の超微細パターンを作製することができる。

また、それぞれの１回転ごとにエンコーダ１０１ａが出力するインデックス信号が発生してから超微細パターンの作製が開始されるので、図６に示すように、それぞれの１回転ごとに先頭のパターン（ピット）の位置を高い精度で合わせることができる。

レーザ加工を終了する半径位置になるか、記録信号生成回路１１０が出力する信号が停止すると、コンピュータ装置１１６は、レーザ駆動回路１１２と記録信号生成回路１１０とレーザパワー設定回路１１１とスレッドモーター制御回路１１５とオートフォーカス回路１０６およびフォーカスオフセット電圧印加回路１２０の作動を停止する。これによりレーザ光照射は停止し、加工対象物１０２の半径方向への移動は停止する。

次に、作製された超微細パターンの評価を行い、意図したレーザ加工が行われているか確認を行う。まず、入力装置１１８から評価を行う半径位置を入力する。これにより上述したように、スレッドモータが駆動し、ターンテーブル回転機構１０１はレーザ照射が行われる半径位置に移動する。そして入力装置１１８から評価のためのレーザ照射を指示する。これによりコンピュータ装置１１６は、レーザ駆動回路１２３とレーザパワー設定回路１２４の作動を開始し、第２の半導体レーザ２１５からレーザ光が出射される。

次に、信号増幅回路１０４が、増幅のために選択する信号を第３のフォトダイオード（ＰＤ３）２２５からの信号に切り替え、信号レベル測定回路１０９の作動を開始してコンピュータ装置１１６に再生信号の信号レベル値を入力する。さらに、スレッドモータ制御回路１１４の作動を開始してスレッドモータ１１５により加工対象物１０２をレーザ加工時と同等の速度で半径方向に移動し、オートフォーカス回路１０６の作動を開始してレーザ加工時と同様に加工対象物１０２の表面にレーザ光焦点位置が追従するようフォーカス制御を行う。

第２の半導体レーザ２１５から出射されるレーザ光の強度は、レーザパワー設定回路１２４に設定されたレーザ強度になるように、第４の凸レンズ２１９を介して第４のフォトダイオード（ＰＤ４）２２０で検出された光の強度を用いてオートパワーコントロールで制御されるが、このレーザ光は、一定のレーザ光強度であるとともに加工対象物１０２にレーザ加工が行われないレーザ光強度である。また、第２の半導体レーザ２１５から出射されるレーザ光は、ダイクロイックミラー２２１で反射してレーザ加工時のレーザ光と光軸を一致させるため、第１の半導体レーザ２０１から出射するレーザ光と波長を異ならせている。

この状態で入力装置１１８から回転偏光子２２４の回転を指示する。これによりコンピュータ装置１１６は回転偏光子制御回路１２２を作動させ、この回転偏光子制御回路１２２に所定時間間隔で回転角度に相当する信号を送る。回転偏光子制御回路１２２は、指示された回転角度になるよう回転モータ１０３ｂを回転させるので、回転偏光子２２４は所定時間間隔で回転角度が変化し、信号レベル測定回路１０９からコンピュータ装置１１６に入力する再生信号の信号レベル値は、回転偏光子２２４の回転角度により値が変化する。

コンピュータ装置１１６に入力する再生信号の信号レベル値は、反射光の光量に相当する値である。コンピュータ装置１１６にはあらかじめ加工対象物１０２をミラーまたは反射率が大きい物体に変えたときの再生信号の信号レベル値が回転偏光子２２４の回転角度ごとに記憶されており、入力した再生信号の信号レベル値をこの記憶されている信号レベル値で除した信号レベル比は反射光の光量比と同じ値である。そして、回転偏光子２２４を通過する光は、偏光方向が１方向の光のみであるので、回転偏光子２２４の回転角度ごとの再生信号の信号レベル値は反射光のそれぞれの偏光方向における偏光の大きさ（すなわち、それぞれの偏光方向のベクトル値）に相当する。

コンピュータ装置１１６は、入力した信号レベル値、信号レベル比（反射光の光量比）を、回転偏光子２２４の回転角度ごとに表示装置１１７に表示する。この表示された値によりあらかじめ実験により得ているデータに基づいて超微細パターンの個々のパターン（ピット）の大きさやパターンの加工対象物１０２の半径方向のピットの幅を評価する。

図８は、反射光の内、偏光方向が加工対象物の接線方向である光の光量比と超微細パターンの個々のパターン（ピット）の直径との関係を示した図である。図８からわかるように、パターン（ピット）の直径が大きくなると光量比が小さくなっており、表示装置１１７に表示された、回転偏光子２２４の１つの回転角度における（すなわち、反射光の１つの偏光方向における）光量比から、パターン（ピット）の直径を特定することができる。

また、図９は、超微細パターンの半径方向のピットの幅に対する偏光方向の異なる２つの偏光の信号レベル比（光量比）の差を示した図である。この図９からわかるように、ピットの幅が大きくなると２つの偏光方向の光の光量比の差が大きくなっており、表示装置１１７に表示された回転偏光子２２４の２つの回転角度における（すなわち、反射光の２つの偏光方向における）それぞれの光量比から差を算出すれば、加工対象物１０２の半径方向のピットの幅を特定することができる。

このように超微細パターンの個々のパターン（ピット）の評価を行い、意図したレーザ加工が行われているかの確認をした結果、意図したレーザ加工の寸法よりずれがあった場合、レーザパワー設定回路１１２およびフォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定するレーザ強度値およびオフセット電圧値を意図したレーザ加工が行えると思われる値に変更し、最初に戻って再度レーザ加工を行う。また、必要であればスピンドルモータ制御回路１１３に設定する回転数やクロック信号発生回路１１９に設定するクロック信号１パルスに相当するエンコーダのパルス数や記録信号生成回路１１０に設定するハイレベル信号とローレベル信号のデューティ比を変更する。

このときレーザパワー設定回路１１２およびフォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定する値は、実験により得ているデータがあればそのデータに基づいて想定する。

図１０は、レーザ光強度と作製された超微細パターンの個々のパターン（ピット）の面積との関係および反射光の光量に基づく信号レベルとの関係を示した図である。この図１０からわかるように、レーザ加工を行う際のレーザ光強度を強くすると、超微細パターン評価において得られる信号レベルはあるレーザ光強度まで急激に小さくなるがそれ以上はゆっくりとなり、あるレベルで一定になっている。また、超微細パターンの個々のパターン（ピット）の面積はこれとは逆の関係になっている。したがって、このデータから超微細パターンの個々のパターン（ピット）を望む大きさにするためのレーザ光強度がわかるので、超微細パターンの評価の結果とこのデータを用いれば望む大きさのピットにするためのレーザ光強度を想定できる。

そして、再度レーザ加工を行った後、上述のように評価用レーザ光を照射して再度超微細パターンの評価を行い意図したレーザ加工が行われているか確認を行う。これを繰り返すことにより、レーザ加工の際、レーザパワー設定回路１１２およびフォーカスオフセット電圧印加回路１２０に設定するレーザ光強度値およびオフセット電圧値を最適な値でき、意図したレーザ加工を行うことができる。

このように、本発明のレーザ加工装置を用いて加工対象物１０２を加工し、続いて評価を行なうことを繰り返せばビームスポットの径以下のサイズを有する超微細パターンの構造物を意図した形状で作製することができる。

なお、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限り種々の変更が可能である。

上記実施形態においては、図７（ａ）に示すような、ターンテーブル（ディスク回転型）回転機構を有したレーザ加工装置について本発明を適用したが、図７（ｂ）に示すような、ドラム回転型回転機構を有したレーザ加工装置についても適用することができる。

ディスク回転型の場合に、回転機構に搭載される熱反応型の基材は平面円板であり、ドラム回転型の場合には、ドラムに巻きつけられるような長尺基材である。これらは超微細パターンの利用形態によって使い分けられる。

また、上記実施形態においては、加工対象物１０２の半径方向にビームスポットを移動するのに、ターンテーブル回転機構１０１をスレッドモータ１１５よりなる移動機構に取り付け、この移動機構により加工対象物１０２を半径方向に移動するようにしたが、加工対象物１０２の半径方向にビームスポットを移動できればこれに限定されるものではない。光加工ヘッド１０３にスレッドモータ１１５よりなる移動機構を取り付け、光加工ヘッド１０３を加工対象物１０２の半径方向に移動するように構成してもよい。これによっても上記実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、光加工ヘッド１０３内に加工対象物１０２をレーザ加工する際に使用する部分と加工対象物１０２をレーザ加工して作製した超微細パターンを評価する際に使用する部分を設け、ダイクロイックミラー２２１により２つの場合の照射レーザ光の光軸を一致させて対物レンズ（ＯＬ）２１０を共通で使用するように構成したが、加工対象物１０２をレーザ加工し、加工対象物１０２をレーザ加工して作製した超微細パターンを評価することができればこれに限定されるものではない。光加工ヘッド１０３にレーザ加工用と評価用の対物レンズをそれぞれ設け、レーザ加工用の部分と評価用の部分をまったく独立させるように構成してもよいし、レーザ加工用と評価用の光ヘッドをそれぞれ設けるように構成してもよい。これによっても上記実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、加工対象物１０２の表面に形成されたビームスポットの光強度分布を調整するための手段として、レーザ光強度の調整とフォーカスオフセット電圧の調整の2つを具体的にあげたが、ビームスポットの光強度分布を調整することができればこれに限定されるものではない。例えば、超解像光学素子２０７として対向させた２つのアキシコンを使用した場合は、このアキシコンの間隔を変化させることでレーザ光の断面の輪帯部分の内径を変化させれば、加工対象物１０２の表面に形成されたビームスポットの径、すなわち、光強度分布を変化させることができる。また、光加工ヘッド１０３内に開口数（ＮＡ）を変えた対物レンズを複数用意し、いずれかを選択できるような構成にしてもビームスポットの径、すなわち、光強度分布を変化させることができる。これらを上記実施形態に加えればさらにビームスポットの光強度分布の調整手段が増え、より最適なビームスポットの光強度分布を設定することができる。

また、上記実施形態においては、加工対象物に作製した超微細パターンの評価値として、信号レベル値、信号レベル比（反射光の光量比）、回転偏光子２２４の回転角度ごとの信号レベル比（すなわち、反射光の偏光特性）を具体的にあげたが、超微細パターンを適切に評価できればこれに限定されるものではない。例えば、別の構成の光加工ヘッドを用意し、反射光のそれぞれの偏光方向における位相を検出できるようにして偏光方向における位相差を評価値にしてもよいし、反射光を参照光と干渉させて干渉縞を検出し、反射光の波面収差を算出してこの波面収差を評価値にしてもよい。これらを上記実施形態の評価値に加えればさらに超微細パターンの評価を適切に行うことができる。

本発明のレーザ加工装置を説明するための構成図である。 図２は、図１に示されている光加工ヘッドの構成図である。 対物レンズにより形成されるビームスポットの径方向の光強度分布を示す図で、（ａ）は超解像光学素子がない場合を示し、（ｂ）は超解像光学素子がある場合を示している。 熱反応型材料の加工対象物に対するビームスポットの径以下のサイズのパターンの加工状態を示す図で、（ａ）は超解像光学素子がない場合を示し、（ｂ）は超解像光学素子がある場合を示している。 自由曲面に対するオートフォーカス機構を示す図である。 ターンテーブル回転機構の回転数によらず加工対象物に同一の超微細パターンを作製することを説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は回転機構を用いた光加工装置の例を示す図で、（ａ）はターンテーブル型（ディスク回転型）、（ｂ）はドラム回転型を示している。 反射光の内、偏光方向が加工対象物の接線方向である光の光量比と超微細パターンの個々のパターン（ピット）の直径との関係を示した図である。 超微細パターンの半径方向のピットの幅に対する偏光方向の異なる２つの偏光の信号レベル比（光量比）の差を示した図である。 レーザ光強度と作製された超微細パターンの個々のパターン（ピット）の面積との関係および反射光の光量に基づく信号レベルとの関係を示した図である。

符号の説明

１０１ ターンテーブル回転機構
１０２ 加工対象物
１０３ 光加工ヘッド
１０３ａ １軸アクチュエータ
１０３ｂ 回転モータ
１０４ 信号増幅回路
１０５ フォーカスエラー信号発生回路
１０６ オートフォーカス回路
１０７ ドライブ回路
１０８ 再生信号生成回路
１０９ 信号レベル測定回路
１１０ 記録信号生成回路
１１１ レーザパワー設定回路
１１２ レーザ駆動回路
１１３ スピンドルモータ制御回路
１１４ スレッドモータ制御回路
１１５ スレッドモータ
１１６ コンピュータ装置
１１７ 表示装置
１１８ 入力装置
１１９ クロック信号発生回路
１２０ フォーカスオフセット電圧印加回路
１２１ 加算器
１２２ 回転偏光子制御回路
１２３ レーザ駆動回路
１２４ レーザパワー設定回路
２０１ 第１の半導体レーザ
２０２ 第１のコリメートレンズ
２０３ 第１のアナモルフィックプリズム
２０４ ＰＢＳ
２０５ 第１の凸レンズ
２０６ 第２のフォトダイオ−ド（ＰＤ２）
２０７ 超解像光学素子
２０８ １／４波長板
２０９ 立ち上げミラー
２１０ 対物レンズ
２１１ 反射ミラー
２１２ 第２の凸レンズ
２１３ シリンドリカルレンズ
２１４ 第１のフォトダイオード（ＰＤ１）
２１５ 第２の半導体レーザ
２１６ 第２のコリメートレンズ
２１７ 第２のアナモルフィックプリズム
２１８ ビームスプリッタ
２１９ 第４の凸レンズ
２２０ 第４のフォトダイオード（ＰＤ４）
２２１ ダイクロイックミラー
２２２ 第３の凸レンズ
２２３ シリンドリカルレンズ
２２４ 回転偏光子
２２５ 第３のフォトダイオード（ＰＤ３）

Claims (10)

1. 熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工装置において、
   前記加工対象物を回転させる回転手段と、
   該回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動可能な移動手段と、
   前記加工対象物に向けて前記レーザ光を出射する照射手段と、
   該照射手段からの前記レーザ光を前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する対物レンズを含む光学手段と、
   前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を検出する光検出手段と、
   前記レーザ光の光強度を直接変調することのできるレーザ駆動手段と、
   前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を調整する調整手段とを備え、
   該調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記調整手段は、少なくともオートフォーカス機能が前記対物レンズを駆動するために出力する信号に、前記加工対象物の表面からレーザ光の焦点をずらす量に相当する信号を印加するフォーカスオフセット電圧印加手段を備え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。
3. 前記ナノ構造物にレーザ光を照射し、前記光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて前記超微細パターンの形状を評価する評価手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記評価手段が、前記再生信号に基づいて、前記超微細パターンからの反射光の光量又は反射光の光量比又は反射光の偏光特性を検出して前記超微細パターンの形状を評価することを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記評価手段による評価結果に基づき、前記光強度分布を調整する前記調整手段の調整パラメータの値を設定するパラメータ値設定手段を備えていることを特徴とする請求項３又は４に記載のレーザ加工装置。
6. 熱反応型基材からなる加工対象物にレーザ光を照射し、該加工対象物の表面に所定の超微細パターンを形成するレーザ加工方法において、
   前記加工対象物を回転手段により回転させる回転ステップと、
   前記回転手段により回転される前記加工対象物の回転面に向けて照射される前記レーザ光を、前記加工対象物の前記レーザ光が照射される位置における回転方向と前記レーザ光の照射方向に対して略垂直な方向に相対的に直線移動させる移動ステップと、
   前記加工対象物に向けて照射手段により前記レーザ光を出射する照射ステップと、
   前記照射手段からの前記レーザ光を、対物レンズを含む光学手段により前記加工対象物の表面に集光してビームスポットを形成する形成ステップと、
   前記加工対象物に照射された前記ビームスポットの表面からの反射光を光検出手段により検出する光検出ステップと、
   前記レーザ光の光強度をレーザ駆動手段により直接変調するレーザ駆動ステップと、
   前記光学手段により集光された前記ビームスポットの光強度分布を、調整手段により調整する調整ステップとを有し、
   前記調整手段により調整された光強度分布のビームスポットにより、前記加工対象物に前記ビームスポットの径以下の所定の超微細パターンを有するナノ構造物を作製することを特徴とするレーザ加工方法。
7. 前記調整ステップは、少なくともオートフォーカス機能が前記対物レンズを駆動するために出力する信号に、前記加工対象物の表面からレーザ光の焦点をずらす量に相当する信号を印加するフォーカスオフセット電圧印加ステップを有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記ナノ構造物にレーザ光を照射し、前記光検出手段が出力する反射光に基づく信号から生成した再生信号に基づいて前記超微細パターンの形状を評価する評価ステップを有することを特徴とする請求項６又は７に記載のレーザ加工方法。
9. 前記評価ステップが、前記再生信号に基づいて、前記超微細パターンからの反射光の光量又は反射光の光量比又は反射光の偏光特性を検出して前記超微細パターンの形状を評価することを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工方法。
10. 前記評価ステップによる評価結果に基づき、前記光強度分布を調整する前記調整手段の調整パラメータの値を設定するパラメータ値設定ステップを有することを特徴とする請求項８又は９に記載のレーザ加工方法。
    
    

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