JP3916734B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【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 (2)
- 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。
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