专利名称：激光加工装置及其加工方法
技术领域：
本发明涉及向由热反应型基材构成的加工对象物照射激光并在该加工对象物的表面形成预定的超细微图案的激光加工装置及其加工方法，更详细地说，涉及使用半导体集成电路的制造和光学部件的超细微加工中用的半导体激光器在加工对象物上制作射束点直径以下的纳米单位大小的超细微图案的激光加工装置及其加工方法。
背景技术：
迄今，作为制造集成电路的制造等中用的光掩模和中间掩模的激光描绘装置，XY台式激光描绘装置已是众所周知。其中，驱动正交的两个滑动器以使装载在XY台上的被处理物在X方向和Y方向上移动，同时通过光学系统将激光聚集到被处理物上，在该被处理物上形成射束点来描绘图案。
但是，在用这种现有的XY台式激光描绘装置描绘图案时，存在下述问题当像点数量多时，XY方向的滑动器移动次数和加减速次数增加，由此描绘时间变长。此外，在全面涂抹图案内部的情况下，反复运动多。在高速描绘的情况下，在线性电机上加载了很大负荷的同时由于XY台的加减速时的反作用，而成为其自身振动的主要原因，存在位置精度和速度精度降低的问题。此外，需要制作多个光掩模、在曝光工序中还需要按照光掩模的数量进行位置调配和曝光，存在制作时间长同时成本大幅上升的问题。
因此，为了解决这种问题，提出了一种激光描绘装置，其中，将旋转体和光学系统组合，即使在像点多的情况下也可以缩短加工图案的描绘时间、可以进行高精度的加工。例如，在特开2001-133987号公报中提出了使用盘形旋转体作为该旋转体的激光描绘装置，此外，例如，在特开2001-208993号公报中提出了使用鼓形旋转体作为旋转体的激光描绘装置。
特开2001-133987号公报中记载的激光描绘装置是一种将涂布有光致抗蚀剂的圆盘形基板装载在转台上并使其旋转，同时通过使射束点径向移动来进行高速描绘的装置。在该装置中，使对于构成描绘图案的各像点的曝光量(激光功率)变化，同时通过使轨迹间距等于像点半径，就可以在纵深方向上高精度地加工细微的反差图案。此外，该激光描绘装置通过使转台的转数和光调制的控制信号同步，不根据转数就可以记录预定的二维图案。
此外，特开2001-208993号公报中记载的使用鼓形旋转体的激光描绘装置是一种如下的装置，其中，在旋转鼓上缠绕有挠性的长尺状工件，邻接该旋转鼓的外周设有在鼓的中心轴方向上延伸的引导机构，沿着该引导机构可移动地设有包括激光阵列的移动机构。在该激光描绘装置中，使长尺状工件旋转同时使激光阵列移动，可以通过由激光阵列的各激光光源照射的激光去除形成于工件上的铜膜来高精度地进行高速描绘。而且，这些使用盘形旋转体的激光描绘装置和使用鼓形旋转体的激光描绘装置考虑各自的优点同时根据用途来使用。
但是，特开2001-133987号公报和特开2001-208993号公报中记载的激光描绘装置由于是一种将激光聚集到涂布有光致抗蚀剂的石英母盘上和形成有铜膜的工件上、并使光学系统移动同时在区域内描绘预定图案的装置，因此不可能将各图案做成直径小于像点直径，不可能描绘超细微图案。
即，特开2001-133987号公报和特开2001-208993号公报中记载的激光描绘装置由于即使使激光照射光量变化，激光点的直径也只能与各图案的直径相当，因此即使可以使各图案的加工深度变化，也不能使各图案的直径变化。
此外，在上述的特开2001-133987号公报和特开2001-208993号公报中记载的激光描绘装置中，在执行为了设定描绘时的最适合条件的目的的条件时，在改变条件进行若干描绘以后，除了用显微镜等观察加工图案的形状以外没有其他方法，存在的问题是，在达到设定最适合条件之前花费太多时间。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的是提供一种激光加工装置及其加工方法，可以制作小于射束点直径的超细微图案，同时可以将制作的超细微图案的大小调整为射束点直径以下的任意大小，而且，可以用较短时间对制作的超细微图案的形状进行评价。
本发明是为了实现这种目的而提出的，在向由热反应型基材构成的加工对象物照射激光以在该加工对象物的表面形成预定的超细微图案的激光加工装置中，其特征在于，包括旋转装置，使所述加工对象物旋转；移动装置，使朝向通过旋转装置而旋转的所述加工对象物的旋转面照射的所述激光在所述加工对象物的所述激光照射位置中的旋转方向和大致垂直于所述激光的照射方向的方向上可相对地直线移动；照射装置，向所述加工对象物射出激光；光学装置，包括物镜，将来自照射装置的所述激光聚集到所述加工对象物的表面以形成射束点；光检测装置，检测来自照射到所述加工对象物的所述射束点的表面的反射光；激光驱动装置，能够直接调制所述激光的光强度；调整装置，调整由所述光学装置聚集的所述射束点的光强度分布。通过由调整装置调整了光强度分布的射束点在所述加工对象物上制作具有所述射束点直径以下的预定的超细微图案的纳米构造物。
此外，所述调整装置包括聚焦偏移电压施加装置，将与激光的焦点偏移所述加工对象物表面的量相当的信号加载到为至少是自动聚焦功能驱动所述物镜而输出的信号上。
此外，包括评价装置，在所述纳米构造物上照射激光，根据由基于所述光检测装置输出的反射光的信号而生成的再生信号来评价所述超细微图案的形状。
此外，所述评价装置根据所述再生信号，检测来自所述超细微图案的反射光的光量、或反射光的光量比、或反射光的偏振特性，来评价所述超细微图案的形状。
此外，包括参数值设定装置，根据所述评价装置的评价结果来设定调整所述光强度分布的所述调整装置的调整参数值。
此外，在向由热反应型基材构成的加工对象物照射激光以在该加工对象物的表面形成预定的超细微图案的激光加工方法中，包括旋转步骤，通过旋转装置使所述加工对象物旋转；移动步骤，使朝向通过旋转装置而旋转的所述加工对象物的旋转面照射的所述激光在所述加工对象物的所述激光照射位置中的旋转方向和大致垂直于所述激光照射方向的方向上可相对地直线移动；照射步骤，通过照射装置向所述加工对象物射出激光；形成射束点的步骤，通过包括物镜的光学装置将来自该照射装置的所述激光聚集到所述加工对象物的表面，以形成射束点；光检测步骤，通过光检测装置检测来自照射到所述加工对象物的所述射束点的表面的反射光；激光驱动步骤，通过激光驱动装置直接调制所述激光的光强度；调整步骤，通过调整装置调整由所述光学装置聚集的所述射束点的光强度分布。通过由所述调整装置调整了光强度分布的射束点在所述加工对象物上制作具有所述射束点直径以下的预定的超细微图案的纳米构造物。
此外，所述调整步骤包括聚焦偏移电压施加步骤，将与激光的焦点偏离所述加工对象物表面的量相当的信号加载到为至少是自动聚焦功能驱动所述物镜而输出的信号上。
此外，包括评价步骤，在所述纳米构造物上照射激光，根据由基于所述光检测装置输出的反射光的信号而生成的再生信号来评价所述超细微图案的形状。
此外，所述评价步骤根据所述再生信号，检测来自所述超细微图案的反射光的光量、或反射光的光量比、或反射光的偏振特性来评价所述超细微图案的形状。
此外，包括参数值设定步骤，根据所述评价步骤的评价结果来设定调整所述光强度分布的所述调整装置的调整参数值。
根据本发明，由于具有对聚集到由热反应型基材构成的加工对象物的射束点的光强度分布进行调整的调整装置，因此，通过该调整装置对射束点的光强度分布进行调整可以将加工对象物上制作的超细微图案的大小做成射束点的直径以下，同时可以将超细微图案的大小做成射束点直径以下的任意大小。
此外，由于具有在所述纳米构造物上照射激光，根据由基于所述光检测装置输出的反射光的信号而生成的再生信号来评价所述超细微图案的形状的评价装置，因此可以在短时间内进行超细微图案形状的评价。
图1为用于说明本发明的激光加工装置的构成图；图2为图1所示的光加工头的构成图；图3A所示的是在没有超析像光学元件的情况下由物镜所形成的射束点径向的光强度分布的图；图3B所示的是在有超析像光学元件的情况下由物镜所形成的射束点径向的光强度分布的图；图4A所示的是在没有超析像光学元件的情况下，对于热反应型材料的加工对象物的射束点直径以下尺寸的图案的加工状态图；图4B所示的是在有超析像光学元件的情况下，对于热反应型材料的加工对象物的射束点直径以下尺寸的图案的加工状态图；图5所示的是对于自由曲面的自动聚焦机构的图；图6为用于说明不根据转台旋转机构的转数对加工对象物制作相同超细微图案的图；图7A所示的是使用旋转机构的光加工装置的例子，为转台型(盘旋转型)的图；图7B所示的是使用旋转机构的光加工装置的例子，为鼓旋转型的图；图8所示的是在反射光中偏振方向为加工对象物的切线方向的光的光量比与超细微图案的各图案(pit凹坑)的直径之间的关系的图；图9所示的是与超细微图案半径方向的凹坑宽度相对的偏振方向的不同的两个偏振光的信号电平比(光量比)的差的图；图10所示的是激光光强度与制作的超细微图案的各图案(凹坑)的面积之间的关系和与基于反射光的光量的信号电平之间的关系的图。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。
图1为用于说明本发明的激光加工装置的构成图，图2为图1所示的光加工头103的构成图。该激光加工装置是一种将激光照射到由热反应型基材构成的加工对象物102上，以在该加工对象物102的表面形成预定的超细微图案的装置。
该激光加工装置包括装载加工对象物并使其旋转的转台旋转机构101、和由螺纹电动机115组成的移动机构，螺纹电动机115使朝向加工对象物102的旋转面配置的光加工头103在加工对象物102的半径方向上可相对地直线移动，激光在加工对象物102的旋转面上描绘轨迹同时移动。
此外，光加工头103由光学系统构成，该光学系统包括第一半导体激光器201、第二半导体激光器215、第一光电二极管(PD1)214、第二光电二极管(PD2)206、第三光电二极管(PD3)225、第四光电二极管(PD4)220、超析像光学元件207和物镜210。
第一半导体激光器201为向加工对象物102射出用于制作超细微图案的激光的装置。第二半导体激光器215为向加工对象物102射出用于评价超细微图案的激光的装置。物镜210使来自第一半导体激光器201的激光通过第一准直透镜202、第一失真棱镜203和二向色镜221等光学系统聚集到加工对象物102的表面，以形成射束点，使来自第二半导体激光器215的激光通过第二准直透镜、第二失真棱镜217和分束器218等光学系统聚集到加工对象物102的表面以形成射束点。第一光电二极管(PD1)214和第三光电二极管(PD3)225检测来自加工对象物102的反射光。
超析像光学元件207是使形成于加工对象物102表面的射束点的直径变小的元件，具体地说，是将激光的截面形成环带状的元件或相位环带元件等。作为将激光的截面形成环带状的元件，例如可以是环形的遮光板或相向的两个旋转三棱镜(アキシコン)等。相位环带元件是一种使光透过的板在半径方向上形成阶梯状的光学元件，以使相位在透过的激光的截面的半径方向上变化。
半导体激光器驱动装置包括记录信号生成电路110、激光功率设定电路111、激光驱动电路112和时钟信号产生电路119，可以根据转台旋转机构101的转数对第一半导体激光器201的光强度的脉冲变化进行调制。此外，该半导体激光器驱动装置可以通过调整在激光功率设定电路111中由计算机装置116设定的、从第一半导体激光器201以脉冲方式射出的强激光时的激光强度值来调整射束点的光强度分布。
另外，激光功率设定电路111按照以下方式控制激光驱动电路112的电路，即，随时输入与第二光电二极管(PD2)206输出的激光的光强度相当的信号，以将第一半导体激光器201射出的激光的强度变为设定的强度。
此外，包括物镜210的光学系统同时设有对加工对象物102的垂直振动进行补偿的振动补偿机构，该振动补偿机构具有使物镜210仅在焦点方向的单方向上可以移动的单轴致动器103a、和利用来自加工对象物102的反射光的自动聚焦功能，该自动聚焦功能包括聚焦误差信号产生电路105、自动聚焦电路106和驱动电路107。
另外，输入到聚焦误差产生电路105的信号是通过信号放大电路104将与第一光电二极管(PD1)214和第三光电二极管(PD3)225输出的反射光的光强度相当的信号放大后的信号。该信号放大电路104根据计算机装置116的指令选择并输入第一光电二极管(PD1)214和第三光电二极管(PD3)225输出的信号之一，并以设定的放大率进行放大。
此外，在自动聚焦电路106和驱动电路107之间具有通过加法器121将直流成分的电压加载到自动聚焦电路106输出的信号上的聚焦偏移电压施加电路120。在该聚焦偏移电压施加电路120中设定的直流成分的电压(偏置电压)可以从输入装置118通过计算机装置116设定为任意的值。
通过将直流成分的电压(偏移电压)施加到自动聚焦电路106输出的信号上，可以使大致位于加工对象物102表面的激光的焦点位置在垂直方向上移动，可以使形成于加工对象物102表面的射束点的光强度分布改变。也就是说，通过改变从输入装置118输入的值来调整聚焦偏移电压施加电路102设定的偏移电压，可以调整形成于加工对象物102表面的射束点的光强度分布。
通过如此构成的激光加工装置，在加工对象物102的加工区域内形成预定的超细微图案时，当加工对象物102为热反应型材料(作为一个例子，如氧化铂膜)时，由于在激光照射的部分中通过热反应使预定的光强度以上的部分熔化来形成凹坑，因此通过调整形成于加工对象物102表面的射束点的光强度分布可以调整凹坑的形状。
此外，为实现评价超细微图案的功能，具有旋转起偏器224，设置在光加工头103内的第三光电二极管(PD3)225的近前；旋转电动机103b，安装在光加工头103上以使旋转起偏器224旋转；旋转起偏器控制电路122，将相当于旋转位置的信号提供给旋转电动机103b以对旋转起偏器224的旋转位置进行控制；再生信号生成电路108，从信号放大电路104输出的信号生成再生信号并输出；信号电平测量电路109，测量该再生信号生成电路108输出的信号的电平并将该值变为数字信号输出到计算机装置116。
旋转起偏器224是一种按照只有一个偏振方向的光通过的起偏器绕反射光的光轴旋转的方式构成的元件。通过使该旋转起偏器224旋转以检测各旋转角度通过的光的光量，可以测量入射的反射光的偏振特性。
相当于旋转起偏器224旋转角度的信号从计算机装置116输入到旋转起偏器控制电路122，旋转起偏器控制电路122根据输入的旋转角度算出旋转电动机103b的旋转位置，并将相当于算出的旋转位置的信号提供给旋转电动机103b。
因为信号放大电路104将分割成至少四部分的第三光电二极管(PD3)的各分割部分输出的信号分别放大并输出，所以再生信号生成电路108是一种以下的电路，即，全部输入该分别被放大的信号，生成信号的总和以作为再生信号并将其输出到信号电平测量电路109。
信号电平测量电路109是一种以下的电路，即，输入的再生信号通过低通滤波器，信号电平变为基本恒定的信号以后，以预定的间隔将信号的峰值变为数字信号并存入，对存入的多个峰值进行平均，将该平均值的数字信号提供给计算机装置116。
接下来，根据图1和图2对本发明的激光加工装置的动作进行说明。首先，从输入装置118输入激光光强度和聚焦偏移电压的值。所输入的值通过计算机装置116分别设定到激光功率设定电路111和聚焦偏移电压施加电路120中。该值被认为是最适合在加工对象物102上制作预定的超细微图案的值，但是该值可以通过后述的超细微图案的评价进行适当变更。接着，将加工对象物102置于转台旋转机构101上，使转台旋转机构101旋转。该转台旋转机构101可通过主轴电动机控制电路113控制转数。
该主轴电动机控制电路113从位于转台旋转机构101的主轴电动机内的编码器101a输入频率相当于转数的脉冲信号，控制转台旋转机构101的旋转，使算出的转数达到主轴电动机控制电路113内设定的转数。主轴电动机控制电路113内的转数的设定通过从输入装置118输入转数而利用计算机装置116进行。
接着，从输入装置118输入最初照射激光的半径位置。由此，螺纹电动机115动作，转台旋转机构101在径向上移动而在输入的半径位置停止。转台旋转机构101连接到由螺纹电动机115组成的移动机构，通过螺纹电动机115的旋转而在径向上移动。
接着，从输入装置118输入激光加工结束的半径位置。该值存储在计算机装置116内，计算机装置116根据来自随时输入的螺纹电动机115的编码器115a的脉冲信号随时算出激光照射的半径位置，当激光照射的半径位置成为存储的激光加工结束的半径位置时，停止激光照射，螺纹电动机115的驱动和自动聚焦功能停止。
另外，不限于上述方式，如果从计算机装置116输入到记录信号生成电路110的记录信号是有限的，则由于来自记录信号生成电路110的信号输出消失的时间是激光照射停止的时间，所以根据激光照射停止也可以停止螺纹电动机115的驱动和自动聚焦功能。
接着，从输入装置118输入超细微图案的各图案(凹坑)中的加工对象物102的径向的间隔。如后所述，该值用于通过计算机装置116将螺纹电动机115的转数设定到螺纹电动机控制电路114内。
接着，从输入装置118指示激光照射开始。由此，除了信号电平测量电路以外的所有电路动作，螺纹电动机115以超细微图案的各图案(凹坑)中的加工对象物102的径向间隔成为预先设定的间隔的转数旋转，当从加工对象物102观察时，激光照射位置在旋转同时在径向上移动，从而在加工对象物102的表面制作超细微图案。
在由螺纹电动机115产生的向加工对象物102的半径方向移动中，螺纹电动机115通过螺纹电动机控制电路114控制旋转位置和转数。螺纹电动机控制电路114从位于螺纹电动机115内的编码器115a输入频率相当于转数的脉冲信号，并使螺纹电动机115旋转直至算出的半径位置达到从输入装置118输入的半径位置。而且，螺纹电动机控制电路114控制螺纹电动机115的转数，使得根据该脉冲信号算出的转数达到螺纹电动机控制电路114内设定的转数。
螺纹电动机控制电路114内的转数根据从输入装置118输入的转台旋转机构101的转数和同样从输入装置118输入的超细微图案的各图案(凹坑)的径向间隔由计算机装置116计算并设定。另外，螺纹电动机控制电路114在从输入装置118输入的半径位置被输入时进行旋转位置的控制，在转台旋转机构101的旋转和激光照射开始以后进行转数的控制。
从第一半导体激光器201射出的激光通过准直透镜202向平行光束变换。另外，通过第一失真棱镜203进行整形，将激光的截面形状变为圆形。通过该第一失真棱镜203的光束通过PBS(polarizationbeam splitter偏振光分束器)204偏振分离，这样大体上变为向加工对象物102行进的光束。
通过该PBS204偏振分离的一部分光通过第一凸透镜205聚集，由第二光电二极管(PD2)206进行光检测。使用与第二光电二极管(PD2)206输出的检测光的光量相当的信号，激光功率设定电路111和激光驱动电路112进行自动功率控制，将从半导体激光器201输出的强激光时的光强度维持恒定。
通过PBS204的光束通过超析像光学元件207。通过使该光束经过超析像光学元件207，可以通过物镜(OL)210使形成于加工对象物102表面的射束点的直径变小。
图3A、图3B是表示由物镜210形成的射束点的径向的光强度分布的图。图3A表示没有超析像光学元件207的情况，图3B表示有超析像光学元件207的情况。由此可知，在有超析像光学元件207的情况下，射束点的径向的光强度分布狭窄(也就是，直径变小)。因此，通过使光束经过超析像光学元件207可以进行更微小的加工。
此外，图4A、图4B是表示对于热反应型的加工对象物的射束点直径以下尺寸的图案的加工状态的图，图4A表示没有超析像光学元件207的情况，图4B表示有超析像光学元件207的情况。该图4A、图4B虽然表示的是制作点(dot)图案的实施例，但是从图中可知，与图4A所示不使用超析像光学元件207的情况相比，图4B所示使用超析像光学元件207的情况不仅可以使点图案微小，而且可以均匀地制作。
经过超析像光学元件207的光束通过1/4波长板208变换为圆偏振光，通过提升镜209和物镜(OL)210向加工对象物102照射。来自该加工对象物102的反射光通过物镜(OL)210、再通过1/4波长板208变换为与通过超析像光学元件207的光束偏振方向相差90度的直线偏振光，通过超析像光学元件207由PBS204向反射镜211的方向反射。
由该反射镜211反射的光束通过第二凸透镜212和柱面透镜213由第一光电二极管(PD1)214进行光检测。与该检测的光的光量相当的信号从第一光电二极管(PD1)214输出到信号放大电路104，通过该信号放大电路104、焦点误差信号生成电路105、自动聚焦电路106和驱动电路107的动作来驱动控制单轴致动器103a，通过物镜(OL)210聚集在加工对象物102表面的激光按照其焦点位置追随加工对象物102表面的方式进行控制。另外，用于进行焦点控制的反射光检测机构并不局限于使用第二凸透镜212和柱面透镜213的非点收差法，也可以采用刀口法等多种方法。
通过附带自动聚焦功能，如图5所示，即使加工对象物102不是平面也可以加工，可以对至今难以加工的自由曲面进行直接加工。
在自动聚焦电路106输出的信号中由聚焦偏移电压施加电路120通过加法器121施加有直流成分的电压(偏移电压)。如上所述，通过使该偏移电压变化，激光能够在加工对象物102表面附近使被聚焦控制的位置在垂直方向上变化，可以使形成于加工对象物102的射束点的光强度分布变化。
从第一半导体激光器201射出基于激光驱动电路112输出的信号波形的激光。激光驱动电路112输出的信号是一种使由记录信号生成电路110输出的高电平和低电平的脉冲信号以及激光功率设定电路111输出的高电平中相当于激光光强度的信号所生成的信号波形的信号与时钟信号发生电路119输出的时钟信号同步的信号。
而且，激光驱动电路112从检测了编码器101a输出的指引信号(每一转所产生的信号)时起开始信号输出。由于后述的记录信号生成电路110输出的信号成为每一转分开的信号，因此激光驱动电路112分别在每一转从检测了编码器101a输出的指引信号时起开始信号输出。
记录信号生成电路110是一种将由计算机装置116设定的任意的记录信号变换成与加工对象物102的射束点行进方向中的超细微图案的制作部分相当的高电平脉冲信号和与非制作部分相当的低电平脉冲信号的电路。而且，该记录信号生成电路110将该脉冲信号分成每一转的分量，并将其提供给激光驱动电路112。
时钟信号发生电路119是一种生成并输出将编码器101a输出的脉冲信号的预定个数作为一个脉冲的信号的电路。也就是说，时钟信号发生电路119是一种对转台旋转机构101的每一预定旋转角度输出高电平和低电平交替的脉冲信号的电路。
由此，第一半导体激光器201射出的激光变为与转台旋转机构101的旋转同步的脉冲波形，从而可以不根据转台旋转机构101的转数在加工对象物102上制作相同的超细微图案。
此外，由于从分别的每一转时编码器101a输出的指引信号产生起开始超细微图案的制作，因此如图6所示，可以高精度地使分别的每一转时最先的图案(凹坑)的位置对准。
当变为激光加工结束的半径位置，或者记录信号生成电路110输出的信号停止时，计算机装置116停止激光驱动电路112、记录信号生成电路110、激光功率设定电路111、螺纹电动机控制电路115、自动聚焦电路106和聚焦偏移电压施加电路120的动作。由此，激光照射停止，向加工对象物102的半径方向的移动停止。
接下来，对制作的超细微图案进行评价，对是否进行了所希望的激光加工加以确认。首先，从输入装置118输入进行评价的半径位置。由此如上所述，螺纹电动机被驱动，转台旋转机构101移动到激光进行照射的半径位置。而且由输入装置118指示照射用于评价的激光。由此，计算机装置116使激光驱动电路123和激光功率设定电路124的动作开始，从第二半导体激光器215射出激光。
接着，信号放大电路104将为放大而选择的信号切换成来自第三光电二极管(PD3)225的信号，开始信号电平测量电路109的动作以将再生信号的信号电平值输入到计算机装置116。而且，开始螺纹电动机控制电路114的动作，通过螺纹电动机115以与激光加工时相等的速度在半径方向上移动加工对象物102，开始自动聚焦电路106的动作，与激光加工时同样地按照在加工对象物102的表面上追随激光焦点位置的方式进行聚焦控制。
从第二半导体激光器215射出的激光的光强度通过第四凸透镜219使用由第四光电二极管(PD4)220检测的光的强度以自动功率控制方式进行控制，以使其成为激光功率设定电路124中设定的激光强度，但是该激光的激光强度是恒定的，同时不能对加工对象物102进行激光加工。此外，从第二半导体激光器215射出的激光由于通过二向色镜221反射使光轴与激光加工时的激光一致，从而使波长不同于从第一半导体激光器201射出的激光。
在此状态下，由输入装置118对旋转起偏器224的旋转进行指示。由此，计算机装置116使旋转起偏器控制电路122动作，将与旋转角度相当的信号以预定的时间间隔送到旋转起偏器控制电路122。由于旋转起偏器控制电路122使旋转电动机103b旋转以形成所指示的旋转角度，因此旋转起偏器224以预定的时间间隔改变旋转角度，从信号电平测量电路109输入到计算机装置116的再生信号的信号电平值根据旋转起偏器224的转角而变化。
输入到计算机装置116的再生信号的信号电平值是与反射光的光量相当的值。在计算机装置116中对应于旋转起偏器224的每一旋转角度预先存储有将加工对象物102变为反射镜或反射率大的物体时的再生信号的信号电平值，将输入的再生信号的信号电平值除以该存储的信号电平值得到的信号电平比是与反射光的光量比相同的值。而且，通过旋转起偏器224的光由于是偏振方向为单方向的光，因此旋转起偏器224的每一旋转角度的再生信号的信号电平值相当于反射光的各偏振方向中的偏振光的大小(即，各偏振方向的矢量值)。
计算机装置116将输入的信号电平值、信号电平比(反射光的光量比)对应于旋转起偏器224的每一旋转角度显示在显示装置117上。通过该显示的值并根据预先由实验获得的数据来对超细微图案的各图案(凹坑)的大小和图案的加工对象物102半径方向的凹坑的宽度进行评价。
图8为表示在反射光中偏振方向为加工对象物的切线方向的光的光量比与超细微图案的各图案(凹坑)的直径之间的关系的图。从图8可知，当图案(凹坑)的直径变大时光量比变小，从而可以根据显示在显示装置117上的、旋转起偏器224的一个旋转角度中(即，反射光的一个偏振方向中)的光量比来确定图案(凹坑)的直径。
此外，图9为表示对于超细微图案的半径方向的凹坑宽度的偏振方向的不同的两个偏振光的信号电平比(光量比)的差的图。从图9可知，当凹坑的宽度变大时两个偏振方向的光的光量比之差变大，如果根据显示在显示装置117上的旋转起偏器224的两个旋转角度中(即，反射光的两个偏振方向中)的各光量比算出差，则可以确定加工对象物102的半径方向的凹坑的宽度。
如此进行超细微图案的各图案(凹坑)的评价，对是否进行了希望的激光加工进行确认的结果，在较之所希望的激光加工的尺寸存在偏差的情况下，将激光功率设定电路112和聚焦偏移电压施加电路120中设定的激光强度值和偏置电压值变更成认为所希望的激光加工可以进行的值，回到最初再次进行激光加工。此外，如果有必要，可以对主轴电动机控制电路113中设定的转数、相当于时钟信号发生电路119中设定的时钟信号一个脉冲的编码器的脉冲数、记录信号生成电路110中设定的高电平信号和低电平信号的占空比等进行变更。
此时，激光功率设定电路112和聚焦偏移电压施加电路120中设定的值如果是通过实验获得的数据则可以根据该数据进行假定。
图10为表示激光光强度与制作的超细微图案的各图案(凹坑)的面积之间的关系和与基于反射光的光量的信号电平之间的关系的图。从图10可知，如果进行激光加工时的激光强度变大，则超细微图案评价中获得的信号电平急剧变小直至某激光强度，而超过此激光强度后变缓，且在某电平处变成恒定。超细微图案的各图案(凹坑)的面积为与此相反的关系。因此，由于从该数据可知用于将超细微图案的各图案(凹坑)变为预期大小的激光强度，因此如果使用超细微图案的评价结果和该数据，则可以假定用于形成预期大小凹坑的激光强度。
而且，再次进行激光加工以后，如上所述，照射用于评价的激光进行再次超细微图案的评价，对是否进行意图的激光加工进行确认。反复执行这些操作，由此，激光加工时，可以使激光功率设定电路112和聚焦偏移电压施加电路120中设定的激光强度和偏置电压值成为最适合的值，可以进行所希望的激光加工。
如此，如果反复进行如下动作，即，使用本发明的激光加工装置对加工对象物102进行加工，接着进行评价，则能够以意图的形状制作具有射束点直径以下尺寸的超细微图案的构造物。
另外，当本发明实施时，并不局限于上述实施方式，在不脱离本发明目的的范围内可以有各种变形实施例。
在上述实施方式中，对于如图7A所示的具有转台(盘旋转型)旋转机构的激光加工装置适用本发明，而对于如图7B所示的具有鼓旋转型的旋转机构的激光加工装置也可以适用本发明。
在盘旋转型的情况下，搭载在旋转机构上的热反应型的基材为平面圆板，在鼓旋转型的情况下，为缠绕在鼓上的长尺基材。这些情况可以根据超细微图案的利用形式分开使用。
此外，在上述实施方式中，为了在加工对象物102的半径方向上移动射束点，将转台旋转机构101安装到由螺纹电动机组成的移动机构上，通过该移动机构在半径方向上移动加工对象物102，但是只要可以在加工对象物102的半径方向上移动射束点，就不局限于此。也可以将由螺纹电动机115组成的移动机构安装到光加工头103上，使光加工头103在加工对象物102的半径方向上移动。据此也可以获得与上述实施方式相同的效果。
此外，在上述实施方式中，在光加工头103内设有对加工对象物102进行激光加工时使用的部分和对激光加工加工对象物102而制作的超细微图案进行评价时使用的部分，通过二向色镜221使两种情况下照射的激光光轴一致，以共同使用物镜(OL)210。但是只要可以对加工对象物102进行激光加工、对激光加工加工对象物102而制作的超细微图案进行评价，就不局限于此。也可以具有以下结构，即，在光加工头103上分别设置激光加工和评价用的物镜，以使激光加工用的部分和评价用的部分完全独立，也可以分别设置激光加工和评价用的激光头。据此也可以获得与上述实施方式相同的效果。
此外，在上述实施方式中，作为用于调整形成于加工对象物102表面的射束点的光强度分布的装置，列举了激光强度调整和聚焦偏移电压调整的两个具体的例子，但是只要可以调整射束点的光强度分布，就不局限于此。例如，在使用两个面对面的轴棱镜作为超析像光学元件207的情况下，如果通过使该轴棱镜的间隔变化来使激光的断面的轮带部分的内径变化，则可以使形成于加工对象物102表面的射束点的直径，即光强度分布变化。此外，形成在光加工头103内预备多个可改变开口数(NA)的物镜而可选择任一个物镜的结构也可以使射束点的直径，即光强度分布变化。如果将这些结构增加到上述实施方式中，则可以进一步增加射束点的光强度分布的调整装置，从而可以设定更适合的射束点的光强度分布。
此外，在上述实施方式中，作为制作于加工对象物上的超细微图案的评价值，具体列举了信号电平值、信号电平比(反射光的光量比)、旋转起偏器224每一旋转角度的信号电平比(即，发射光的偏振特性)，但是只要能够适当地评价超细微图案，就不局限于此。例如，也可以预备其他结构的光加工头以检测反射光各偏振方向中的相位，将偏振方向中的相位差作为评价值，也可以使发射光与参照光产生干涉以检测干涉条纹，算出反射光的波面收差，将该波面收差作为评价值。如果将这些结构增加到上述实施方式中，则可以更加适当地进行超细微图案的评价。
权利要求
1.激光加工装置，所述装置向由热反应型基材构成的加工对象物(102)照射激光，以在所述加工对象物的表面形成预定的超细微图案，其特征在于，所述激光加工装置包括旋转装置(101)，使所述加工对象物旋转；移动装置(115)，使朝向通过所述旋转装置而旋转的所述加工对象物的旋转面照射的所述激光在所述加工对象物的所述激光照射位置中的旋转方向和大致垂直于所述激光的照射方向的方向上能够相对地直线移动；照射装置(201)，向所述加工对象物射出激光；光学装置(202、203、204、205、207、208、209、210、221)，包括物镜，将来自所述照射装置的所述激光聚集到所述加工对象物的表面以形成射束点；光检测装置(214)，检测来自照射到所述加工对象物的所述射束点的表面的反射光；激光驱动装置(112)，能够直接调制所述激光的光强度；调整装置(104、105、106、120)，调整通过所述光学装置聚集的所述射束点的光强度分布，通过由所述调整装置所调整的光强度分布的射束点在所述加工对象物上制作具有所述射束点直径以下的预定的超细微图案的纳米构造物。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述调整装置包括聚焦偏移电压施加装置(120)，将与激光的焦点从所述加工对象物表面偏移的量相当的信号加载到为至少是自动聚焦功能驱动所述物镜而输出的信号。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，还包括评价装置(215、220、225)，将激光照射到所述纳米构造物，根据由基于所述光检测装置输出的反射光的信号而生成的再生信号来评价所述超细微图案的形状。
4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，还包括参数值设定装置，根据所述评价装置的评价结果来设定调整所述光强度分布的所述调整装置的调整参数值。
5.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，所述评价装置根据所述再生信号，检测来自所述超细微图案的反射光的光量、或反射光的光量比、或反射光的偏振特性来评价所述超细微图案的形状。
6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，还包括参数值设定装置，根据所述评价装置的评价结果来设定调整所述光强度分布的所述调整装置的调整参数值。
7.激光加工方法，所述方法向由热反应型基材构成的加工对象物照射激光，在所述加工对象物的表面形成预定的超细微图案，其特征在于，包括旋转步骤，通过旋转装置使所述加工对象物旋转；移动步骤，使朝向通过所述旋转装置而旋转的所述加工对象物的旋转面照射的所述激光在所述加工对象物的所述激光照射位置中的旋转方向和大致垂直于所述激光的照射方向的方向上能够相对地直线移动；照射步骤，通过照射装置向所述加工对象物射出激光；射束点形成步骤，通过包括物镜的光学装置将来自所述照射装置的所述激光聚集到所述加工对象物的表面，以形成射束点；光检测步骤，通过光检测装置检测来自照射到所述加工对象物的所述射束点的表面的反射光；激光驱动步骤，通过激光驱动装置直接调制所述激光的光强度；调整步骤，通过调整装置调整由所述光学装置聚集的所述射束点的光强度分布，通过由所述调整装置所调整的光强度分布的射束点在所述加工对象物上制作具有所述射束点直径以下的预定的超细微图案的纳米构造物。
8.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，所述调整步骤包括聚焦偏移电压施加步骤，将与激光的焦点从所述加工对象物表面偏移的量相当的信号加载到为了至少是自动聚焦功能驱动所述物镜而输出的信号。
9.根据权利要求7或8所述的激光加工方法，其特征在于，还包括评价步骤，将激光照射到所述纳米构造物，根据由基于所述光检测装置输出的反射光的信号而生成的再生信号来评价所述超细微图案的形状。
10.根据权利要求9所述的激光加工方法，其特征在于，还包括参数值设定步骤，根据所述评价步骤的评价结果来设定调整所述光强度分布的所述调整装置的调整参数值。
11.根据权利要求9所述的激光加工方法，其特征在于，所述评价步骤根据所述再生信号，检测来自所述超细微图案的反射光的光量、或反射光的光量比、或反射光的偏振特性来评价所述超细微图案的形状。
12.根据权利要求11所述的激光加工方法，其特征在于，还包括参数值设定步骤，根据所述评价步骤的评价结果来设定调整所述光强度分布的所述调整装置的调整参数值。
全文摘要
本发明涉及激光加工装置及激光加工方法，在加工对象物上制作具有预定的超细微图案的纳米构造物，并可以在短时间内进行纳米构造物的加工形状的评价。所述装置具有装载加工对象物并使其旋转的旋转机构和在加工对象物的径向上可直线移动的移动机构，由激光形成于加工对象物表面上的射束点在描绘轨迹的同时进行移动。通过调整该射束点的激光的光强度分布使制作于加工对象物上的超细微图案成为想要的形状。为了设定调整时的参数值，通过评价来自超细微图案的反射光来对制作的超细微图案进行评价。
文档编号G03F1/68GK101025576SQ20071007952
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月16日
发明者栗原一真, 中野隆志, 山川侑三, 富永淳二, 南云收, 氏家雅彦, 池谷博文, 林孝之 申请人:独立行政法人产业技术综合研究所, 帕路斯科技株式会社