JP3916734B2

JP3916734B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP3916734B2
Application number: JP25204597A
Authority: JP
Inventors: 裕瀧澤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: JPH1190666A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザを利用したレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光はコヒーレンス性がよいため、ビーム形状の制御がしやすいことや、単一波長域での発光が可能なこと、レーザ媒体を選択することで赤外領域から紫外領域にわたってエネルギー密度の大きい発光を得られることなどから、近年、機械加工や半導体加工等の分野を問わず、広く使われるようになっている。例えば、半導体加工においては、レーザ加工装置はアニール装置や、表面改質装置や、露光装置等として使用される。
【０００３】
最近では、紫外領域での高効率発光や、赤外領域での大出力レーザとして、エキシマレーザ等のガスレーザなどが、レーザ媒体を構成する上で簡便なことで広く用いられている。例えばエキシマレーザでは、反応容器中に充填されたガスを高圧グロー放電させることで稀ガスとハロゲンガスの準安定化合物であるエキシマ等の励起種を形成することにより、ポンピングを行っている。
【０００４】
大きなレーザ出力を得るには、反応容器中に励起状態にある分子をより多く生成する必要がある。そのためには、反応容器を大きくするか、または、容器内のガス圧力を上げるか等の方法で大きな出力を得ることができる。しかし、実際のレーザ加工機で大面積の加工を行うためには、レーザ光源の発振強度が不十分であるため、被加工物をステージに固定し、ステージの移動と同期してレーザを発振させることで、大面積のレーザ加工を行うことが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、反応容器を大きくした場合、レーザ作用をする空間が大きくなってしまうために、共振によるコヒーレンス性が悪くなる上に、レーザの特性の経時変化を生じるという問題があった。また、ガス圧を上げる場合にも、放電に伴う温度上昇や電極表面の履歴などによって、レーザ出力やビーム形状が経時変化してしまうという問題があった。例えば、パルスレーザであるエキシマレーザの場合、各パルス毎のビーム強度と波形形状の安定性が問題になることは一般的に認識されている。
【０００６】
このため、ステージ上に載った被加工物を移動させながらレーザ照射を行うと、ビーム強度や波形形状の変動によって加工の程度が変化してしまうために、レーザによる加工が均一に行えないという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、レーザの出力の不安定性による加工への影響を回避し、均一な加工を行うことができるようにしたレーザ加工装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザ加工装置は、被加工物を支持するためのステージと、被加工物を加工するためのレーザ光源と、該レーザ光源から出射するレーザ光の強度を検出する検出手段と、該検出手段の出力に基づいて該ステージを制御するための制御手段とを備えている。好ましくは、レーザ光源はエキシマレーザからなる。
【０００９】
上記構成においては、レーザ光源から出射するレーザ光の強度を検出手段を通じてモニタし、発振光の強度分布が変化して実効的な強度が低下あるいは上昇することを検知できる。そこで、例えばレーザ光源から出射するレーザ光の強度が低下した場合には、ステージの移動を抑えてその位置で再度レーザ照射を行い、加工の程度が低下するのを補償する。こうして、レーザにより均一な加工を行うことができる。
【００１０】
上記構成とともに下記の構成を採用することができる。
【００１１】
該レーザ光源を第１のレーザ光源とし、さらに第２のレーザ光源を備え、該第１のレーザ光源は該第２のレーザ光源により励起される。これにより、第１のレーザ光源をより適切に制御することができる。
【００１２】
該第２のレーザ光源から該第１のレーザ光源へ入射するレーザ光の光路と、該第１のレーザ光源から出射するレーザ光の光路とが概略平行になるように配置され、該レーザ光が光路からずれた場合に該第１のレーザ光源の発振出力を弱めるための第２の制御手段を有する。これにより、第１のレーザ光源はビーム形状や出力方向が整ったレーザ光を出射することができる。
【００１３】
本発明の第２の制御手段は、該第２のレーザ光源から該第１のレーザ光源に入射するレーザ光の非平行成分の強度を制御信号とし、非平行成分の強度により該第１のレーザ光源の出力を弱める手段を有することを特徴とする。これにより、第１のレーザ光源を容易に且つ確実に制御することができる。
【００１４】
なお、該第２の制御手段が、該第２のレーザ光源から該第１のレーザ光源に入射するレーザ光の非平行成分を遮蔽するように設置された遮蔽板である場合、第２の制御手段を簡単に構成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の参考例に係る原理図である。レーザ加工装置１０は、レーザ媒体１２を含むレーザ光源１４と、ハーフミラー１６と、被加工物１８を支持して被加工物１８を移動させるステージ２０とを備える。ハーフミラー１６は、レーザ光源１４から出射するレーザ光２２の進路を変えて、被加工物１８に導く働きをするとともに、一部の光２４を透過させてセンサ２６に照射する働きもする。センサ２６はレーザ光源１４から出射するレーザ光２２の強度を検出することができる。ステージ２０はステージ駆動装置２８により駆動される。ステージ駆動装置２８は制御装置３０を含む。センサ２６の出力は制御装置３０へ送られ、制御装置３０はセンサ２６の出力に基づいてステージ２０をフィードバック制御する。
【００１６】
レーザ加工装置１０は、通常は、ステージ１８を動作させながらレーザ光２２を被加工物１８に対して走査しながら加工を行う。この場合、ステージ２０の移動速度が機械的な遊び、摩擦などにより厳密に一定ではないため、ステージ２０の移動量を制御量としてレーザに対して、連続発振レーザの場合はレーザ照射エネルギー強度を変調させたり、パルスレーザの場合はトリガを与える等の手法を取っている。
【００１７】
しかし、レーザ自身の経時変化等の不安定性があると、レーザ出力の変化がそのまま、被加工物１８の加工状態の変化となってあらわれてしまう。そこで、本発明においては、レーザ光源１４から出射されるレーザ光２２の強度をセンサ２６を通じてモニタし、レーザ光２２の強度分布が変化して実効的な強度が落ちたことを検知し、その場合にはステージ２０の移動を抑え（速度を落とし、あるいは停止し）てその位置で再度レーザ照射を行い、加工の程度が低下するのを補償する。このため、レーザ強度が弱くなるなどの変化を示した場合にも、被加工物１８に入射されるレーザ光２２の強度を実質的に一定に保つ働きをするため、大面積の被加工物１８に対しても、一定の品質でレーザ加工を行うことが可能となっている。
【００１８】
図２は本発明の基本構成を示す図である。図１の原理図に示したのと同様に、レーザ加工装置１０は、レーザ媒体１２を含むレーザ光源１４と、ハーフミラー１６と、被加工物１８を支持して被加工物１８を移動させるステージ２０と、センサ２６と、制御装置３０とを含む。さらに、図２においては、レーザ加工装置１０は、レーザ媒体３２を含む第２のレーザ光源３４を含む。前に述べたレーザ光源１４を第１のレーザ光源と言う。
【００１９】
第１のレーザ光源１４は第２のレーザ光源３４により励起されるようになっている。すなわち、第２のレーザ光源３４から出射するレーザ光３６はハーフミラー３８及びミラー４０を経て遅延回路４２へ向けられ、遅延回路４２を通過した後、ミラー４４を経て第１のレーザ光源１４のレーザ媒体１２に導かれる。従って、第１のレーザ光源１４のレーザ媒体１２は第２のレーザ光源３４から出射されるレーザ光３６によって励起され、さらに増幅される。第１のレーザ光源１４から出射されるレーザ光２２は第１のレーザ光源１４からステージ２０上の被加工物１８を照射する。
【００２０】
第１のレーザ光源１４から出射されるレーザ光の一部の光２４はレーザ光源１４から出射するレーザ光２２の強度を検出するセンサ２６に入射し、センサ２６の出力は制御装置３０へ送られる。センサ２６の出力は、ステージの制御信号の一つとなっている。第２のレーザ光源３４から出射されるレーザ光の一部のレーザ光４６はハーフミラー３８によってセンサ４８に導かれる。センサ４８の出力は第１のレーザ光源１４の制御回路５０へ入力され、制御信号の一つとなっている。
【００２１】
図３を用いて図２の構成の作用を説明する。図中、横軸は時間を示し、縦軸はレーザのエネルギーを模式的に示している。アニール装置での加工を行う場合、例えば、エキシマレーザによるアモルファスシリコンの結晶化を行う場合を例として説明する。アモルファスシリコンを結晶化するためには、ある程度以上の尖頭出力が必要である。一方、過剰なエネルギーが与えられるとシリコンが蒸発してしまい、不良となる。
【００２２】
図３（Ａ）は理想的な加工状態を示す。この場合、パルスレーザ出力は、設定された上限Ａと下限Ｂの範囲内にあり、問題なく加工を進めることができる。
【００２３】
しかし、実際には、図３（Ｂ）に示すように、パルスレーザ出力は、エネルギー変動があるため、エネルギーの上限Ａあるいは下限Ｂを越えてしまうことがある。このような場合、被加工物１８を一定の速度で移動させながら加工を行うと、被加工物１８の加工状態にレーザ発振光のエネルギー変動の履歴がそのまま残ってしまう。例えば、ａのパルスレーザ出力では十分な加工が行われず、ｂのパルスレーザ出力では過剰な加工が行われ、あるいはシリコンが蒸発してしまうことがある。
【００２４】
そこで、図３（Ｃ）に示すように、センサ２６の出力が、第１のレーザ光源１４の出力のエネルギー不足をセンサで検知すると、ステージ２０の走査を止めて再照射を行うため、ｃで示すようなエネルギー不足の加工不良を生じない。また、第２のレーザ光源３４により第１のレーザ光源１４の励起を行う構成になっているので、センサ４８でレーザ光３６が過剰出力あるいは不足出力であることを検知すると、遅延回路４２による遅延時間内に、第１のレーザ光源１４の制御回路５０が第１のレーザ光源１４の発振を停止し、励起光のエネルギー過剰、不足の双方に対して、レーザの打ち直しを行い、不良を生じることはない。
【００２５】
図４は本発明の参考例を示す図である。図４は前の構成と同様な第１のレーザ光源１４及び第２のレーザ光源３４を含む。第１のレーザ光源１４の出力はセンサ（図示せず）でモニタされる。大出力レーザの中でもガスレーザは発振するレーザ光の出力方向がずれやすく、特にエキシマレーザでは、ビームのエネルギー分布が変化することが知られている。これはレーザ媒体中のポンピングがコロナ放電によって行われるためにチャンバ内の励起種等の分布にむらがあるためである。
【００２６】
そこで本参考例では、第２のレーザ光源３４のレーザ媒体３２の励起したレーザ光３６が第１のレーザ光源１４のレーザ媒体１２に対して、できるだけ平行に入射されるように装置を配置した上で、第１のレーザ光源１４のレーザ媒体１２の入口に、レーザ光３６の非平行成分を除去するための遮蔽板５２を設けてある。従って、第１のレーザ光源１４のレーザ媒体１２の励起を第２のレーザ光源３４の励起光で一部行っているため、第２のレーザ光源３４のレーザ光の出力方向が破線で示すようにずれたとしても、第２のレーザ光源３４から発振された励起レーザ光３６のうち、ビームの形状及び出力方向が一定の成分のみが、第１のレーザ光源１４のレーザ媒体１２に進入できる。このため、第１のレーザ光源１４のポンピング及び誘導放出は、ビーム形状が一定で出力方向が一定なレーザ光で行われるため、第１のレーザ光源１４の出力レーザ光２２はビーム形状や出力方向が整った光として発振されるようになる。
【００２７】
また、第２のレーザ光源３４の励起レーザ光のビーム形状や出力方向に異常がある場合には、第１のレーザ光源１４の出力は大きく低下するが、前述したような構成をとれば、常に均一な発振レーザ光のみを加工に利用することが可能である。
【００２８】
図５は本発明の実施例を示す図である。本実施例では、上記参考例に加えて、第２のレーザ光源３４の出力レーザ光３６を遮蔽板５２に設けられたセンサ５４によりレーザ光３６の非平行成分を検知する構成になっている。上記参考例に比べて、非平行成分の出力を検知し、非平行成分を生じた場合には、第１のレーザ光源３４の出力を停止できるため、非平行成分による励起をさらに抑えることが可能となる。また、センサ５４の出力をステージ移動制御装置３０のモニタ信号として利用しているので、これを前の実施例のセンサ２６からの信号の代わりに使用することができる。従って、出力の大きい、第１のレーザ光源１４の励起レーザ光２２を直接にモニタする必要がない。
【００２９】
以上説明した実施例では、エキシマレーザ等のガスレーザを用いて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等を用いてもよい。特に、第２のレーザとしては、ＹＡＧレーザ等の高次高調波等の発振を利用することも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ出力によらず均一な加工を行うことができ、レーザ加工装置の信頼性向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例に係る原理図である。
【図２】本発明の基本構成を示す図である。
【図３】図２の構成の作動を説明する図である。
【図４】本発明の参考例を示す図である。
【図５】本発明の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０レーザ加工装置
１２第１のレーザ光源
１６ハーフミラー
１８被加工物
２０ステージ
２６センサ
３０制御装置
３４第２のレーザ光源
３８ハーフミラー
４０、４４ミラー
４６遅延回路
４８センサ
５０制御回路
５２遮蔽板
５４センサ

Claims

被加工物を支持するためのステージと、被加工物を加工するための第１のレーザ光源と、該レーザ光源から出射するレーザ光の強度を検出する検出手段と、該検出手段の出力に基づいて該ステージを制御するための制御手段とを備え、
該レーザ光源を第１のレーザ光源とし、さらに第２のレーザ光源を備え、該第１のレーザ光源は該第２のレーザ光源により励起され、
該第２のレーザ光源から該第１のレーザ光源へ入射するレーザ光の光路と、該第１のレーザ光源から出射するレーザ光の光路とが概略平行になるように配置され、該レーザ光が光路からずれた場合に該第１のレーザ光源の発振出力を弱めるための第２の制御手段を有し、
該第２の制御手段は、該第２のレーザ光源から該第１のレーザ光源に入射するレーザ光の非平行成分の強度を制御信号とし、非平行成分の強度により該第１のレーザ光源の出力を弱める手段を有していることを特徴とするレーザ加工装置。
被加工物を加工するための第１のレーザ光源と、
該第１のレーザ光源を励起する第２のレーザ光源と、
該第２のレーザ光源から該第１のレーザ光源へ入射するレーザ光の光路と、該第１のレーザ光源から出射するレーザ光の光路とが概略平行になるように配置され、該第２のレーザ光源から該第１のレーザ光源に入射するレーザ光の非平行成分の強度を制御信号とし、非平行成分の強度により該第１のレーザ光源の出力を弱める制御手段とを有することを特徴とするレーザ加工装置。