CN112894127A - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种激光加工装置(1)，其具有：焦距可变光学系统(10)，其根据输入的驱动信号(Cf)使对焦位置(Pf)周期性地变化；位置检测用光源(41)，其经由焦距可变光学系统(10)向工件(W)照射检测光；光检测器(44)，其接收在工件(W)被反射的检测光(Lm)并输出光检测信号(Int)；信号处理部(62)，其基于输入的光检测信号(Int)，输出与检测光在工件(W)的表面对焦的对焦正时同步的同步脉冲信号(Sync)；激光振荡器(311)，其基于输入的同步脉冲信号(Sync)使脉冲激光(Lp)振荡，经由焦距可变光学系统(10)向工件(W)照射脉冲激光(Lp)。

Description

激光加工装置

技术领域

本发明涉及使用了焦距可变光学系统的激光加工装置。

背景技术

以往，在FPD(Flat Panel Display，平板显示器)和IC(Integrated Circuit，集成电路)晶圆等制造领域中，已知有以修正微细电路的缺陷为目的，一边进行工件的观察，一边对该工件进行激光加工的激光加工装置(例如参照文献1：日本特开2012-55910号公报)。在这样的激光加工装置中，在观察光学系统和激光加工光学系统之间共享物镜等光学系统，激光振荡器经由配置在激光加工光学系统中的激光加工用的掩模对配置在观察光学系统的视野中的工件照射激光。

另外，以往已知有使用对焦位置周期性地变动的焦距可变光学系统的图像检测技术(例如参照文献2:日本特开2018-84821号公报)。在该图像检测技术中，通过使相对于对象物的对焦位置周期性地改变的同时进行拍摄，获得聚焦扫描图像。该图像是聚焦状态和散焦状态混合后的混合图像，通过对该混合图像进行反褶积处理，生成EDOF图像(ExtendedDepth Of Focus图像、扩展焦点深度图像)。在该EDOF图像中，由于获得了通常的焦深的数倍～几十倍的有效的焦深，所以能够降低因工件的倾斜和阶梯差等而必须进行再聚焦动作的频度。

本发明的发明人正在研究将上述焦距可变光学系统应用于文献1等记载的激光加工装置中。

但是，在激光加工光学系统中组装有焦距可变光学系统的情况下，激光加工光学系统相对于工件的对焦位置发生变动。由此，难以使激光准确地聚光在工件表面的期望部位，激光加工的精度下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在使用焦距可变光学系统的同时高精度地进行激光加工的激光加工装置。

本发明的激光加工装置具有：焦距可变光学系统，其根据输入的驱动信号使对焦位置周期性地变化；光源，其经由所述焦距可变光学系统向工件照射检测光；光检测器，其接收在所述工件被反射的所述检测光并输出光检测信号；信号处理部，其基于输入的所述光检测信号，输出与所述检测光在所述工件的表面对焦的对焦正时同步的同步脉冲信号；激光振荡器，其基于输入的所述同步脉冲信号使脉冲激光振荡，经由所述焦距可变光学系统向所述工件照射所述脉冲激光。

优选的是，本发明的激光加工装置还包括激光加工用掩模，所述激光加工用掩模配置在所述焦距可变光学系统与所述激光振荡器之间与所述焦距可变光学系统的所述对焦位置形成共轭关系的位置，且形成有所述脉冲激光通过的开口部。

优选的是，在本发明的激光加工装置中，所述光检测器配置为在所述焦距可变光学系统的对焦位置与所述工件表面一致时，所述光检测信号成为峰值，所述信号处理部将所述光检测信号的所述峰值作为所述对焦正时检测，输出与该对焦正时同步的所述同步脉冲信号。

优选的是，本发明的激光加工装置还包括通过所述焦距可变光学系统对所述工件进行拍摄的拍摄元件，所述焦距可变光学系统具有：液体谐振式透镜，其折射率根据输入的所述驱动信号周期性地变化；物镜，其配置在与所述液体谐振式透镜相同的光轴上；多个中继透镜，其以使所述物镜的出射光瞳与所述液体谐振式透镜的主点位置共轭的方式配置。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的激光加工装置的示意图；

图2是表示上述实施方式的激光加工装置的框图；

图3是用于说明上述实施方式的激光加工装置的动作的图表。

具体实施方式

参照附图对本发明的一实施方式进行说明。

如图1所示，激光加工装置1包括用于观察工件W的观察光学系统2、用于对工件W的表面进行激光加工的激光加工光学系统3、用于检测激光加工的正时的正时检测光学系统4，各光学系统共享具有液体谐振式透镜12的焦距可变光学系统10。工件W的表面与通过焦距可变光学系统10的光轴A交叉配置。

另外，激光加工装置1还具有控制液体谐振式透镜12的动作的透镜控制部5、控制部6(参照图2)。

(焦距可变光学系统)

首先，对焦距可变光学系统10进行说明。

如图1所示，焦距可变光学系统10具有物镜11、液体谐振式透镜12和中继透镜13、14，这些透镜配置在光轴A上。

物镜11由现有的凸透镜或透镜组构成。

液体谐振式透镜12具有填充有硅酮等液体的圆筒形的壳体和由压电材料形成的圆筒状的振动部件。该振动部件在浸渍于壳体内的液体的状态下，经由信号线与外部的透镜控制部5连接，根据从该透镜控制部5输入的驱动信号Cf进行振动。驱动信号Cf例如是正弦波状的交流信号，当驱动信号Cf的频率被调整为谐振频率时，在液体谐振式透镜12内部的液体中产生驻波，液体谐振式透镜12的折射率周期性地变化。

工件W上的焦距可变光学系统10的对焦位置Pf以物镜11的焦距为基础，与液体谐振式透镜12的折射率的变化一同周期性地变化。

中继透镜13、14被配置成使物镜11的出射光瞳与液体谐振式透镜12的主点位置共轭，在中继透镜13、14之间的中间像位置配置光圈(省略图示)。由于中继透镜13、14在保持远心光学系统的同时进行物镜11的出射光瞳的中继，所以即使对焦位置Pf发生变动，入射到后述的拍摄元件上的像的倍率也是恒定的。

(拍摄光学系统)

接下来，对观察光学系统2进行说明。

观察光学系统2除了上述的焦距可变光学系统10以外，还具有观察照明用光源21、导光件22、照明光学系统23、分束器24～26、成像透镜27和照相机28。

观察照明用光源21由LED等发光元件构成，射出作为连续光的照明光Li。

导光件22由光纤等构成，将从观察照明用光源21射出的照明光Li传输到照明光学系统23。

照明光学系统23具有集光透镜(collector lens)231和聚光透镜(condenserlens)232等，适当地调整从导光件22传输来的照明光Li。

分束器24配置在光轴A上的物镜11的像侧，通过反射由照明光学系统23调整的照明光Li，将该照明光Li导向物镜11。照明光Li经由物镜11照射到工件W上。

分束器25配置在光轴A上的液体谐振式透镜12的像侧。分束器25通过对在工件W的表面上被反射并通过焦距可变光学系统10的反射光Lr进行反射，而将该反射光Lr导向分束器26。

需要说明的是，分束器24、25透射沿着焦距可变光学系统10的光轴A的光。

分束器26对由分束器25反射后的反射光Lr进行反射，并导向成像透镜27。需要说明的是，分束器26具有波长选择性，一方面反射来自照明光Li的反射光Lr，另一方面，透射后述的检测光Lm。

成像透镜27与焦距可变光学系统10的中继透镜14一起构成无穷远校正光学系统，成像透镜27将经由分束器25、26的反射光Lr成像于后述的拍摄元件281。

照相机28具有诸如CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器等拍摄元件281，并且将由拍摄元件281拍摄的图像Im以规定的信号形式输出到图像处理部63。这里，将照相机28的帧速率设定得比输入到液体谐振式透镜12的驱动信号Cf的周期低。因此，由于对焦位置Pf的变化周期与照相机28的帧速率的关系，图像Im成为聚焦状态和散焦状态混合后的混合图像。

(激光加工光学系统)

接下来，对激光加工光学系统3进行说明。

激光加工光学系统3除了上述焦距可变光学系统10之外，还具有激光头31和激光用成像透镜32。

激光头31具有激光振荡器311和激光加工用掩模312。

激光振荡器311使适于工件W的加工目的的波长的脉冲激光Lp振荡。另外，激光振荡器311利用后述的同步脉冲信号Sync，对使脉冲激光Lp振荡的正时进行控制。

激光加工用掩模312具有例如圆形等规定形状的开口部312A，将来自激光振荡器311的脉冲激光Lp的直径大小限定为期望的尺寸。

激光用成像透镜32配置在光轴A上的焦距可变光学系统10与激光头31之间，并且与焦距可变光学系统10的中继透镜14一起构成无穷远校正光学系统。

在此，激光加工用掩模312配置在激光用成像透镜32的后侧焦点上。也就是说，激光加工用掩模312配置在光轴A上与焦距可变光学系统10的对焦位置Pf形成共轭关系的位置。

后文中对激光加工光学系统3中的脉冲激光Lp的行为进行说明。

(正时检测光学系统)

接下来，对正时检测光学系统4进行说明。

正时检测光学系统4是用于检测激光振荡器311使脉冲激光Lp振荡的正时的光学系统，除了上述的焦距可变光学系统10以外，还具有位置检测用光源41、导光部42、准直透镜43和光检测器44。

位置检测光源41例如是激光光源等，射出作为连续光的检测光Lm。

导光部42具有光纤分路器421和光纤422～424。光纤分路器421具有供光纤422～424的各自的一端部接合的光路，构成为将从光纤422入射的光导向光纤423，将从光纤423入射的光导向光纤424。

光纤422的另一端部与位置检测用光源41连接。因此，从位置检测用光源41射出的检测光Lm在导光部42中传输，从光纤423的另一端部的端面423e射出。也就是说，光纤423的端面423e作为检测光Lm的点光源发挥作用。

另外，光纤424的另一端部与光检测器44连接。因此，入射到光纤423的端面423e上的检测光Lm在导光部42中传输并入射到光检测器44。

这里，光纤423的端面423e配置在准直透镜43的后侧焦点上。即，光纤423的端面423e配置在光轴A上与焦距可变光学系统10的对焦位置Pf形成共轭关系的位置。

准直透镜43使从光纤423的端面423e射出的检测光Lm平行化。由准直透镜43平行化后的检测光Lm经分束器26透射并被分束器25反射，由此而经由焦距可变光学系统10照射到工件W上。

另外，准直透镜43对在工件W的表面被反射并通过焦距可变光学系统10的检测光Lm进行聚光。

光检测器44例如是光电倍增管或光电二极管等，与光纤424的另一端部连接。光检测器44接收经由光纤424入射的检测光Lm，输出与受光强度对应的光检测信号Int。

在上述的正时检测光学系统4中，如上所述，焦距可变光学系统10的对焦位置Pf周期性地变化。因此，仅当对焦位置Pf与工件W的表面一致时，在该表面被反射的检测光Lm在准直透镜43的后侧焦点形成光点，并入射到光纤423的端面423e。

因此，在对焦位置Pf与工件W的表面一致时，入射到光检测器44的检测光Lm变得最大。即，在对焦位置Pf与工件W的表面一致时，光检测器44输出的光检测信号Int显示峰值。

(控制部)

图2所示的控制部6例如由具有CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)和存储器的计算机等构成。控制部6通过执行规定的软件来实现预期的功能，具有对透镜控制部5进行设定的透镜设定部61、对输入的各种信号进行处理的信号处理部62、和图像处理部63。

透镜设定部61对透镜控制部5进行驱动信号Cf的频率、振幅、最大驱动电压的设定等。

需要说明的是，液体谐振式透镜12的谐振频率根据周围温度的变化等而发生变化。因此，透镜设定部61通过反馈控制使驱动信号Cf的频率实时变化，实现液体谐振式透镜12的稳定动作。

信号处理部62向激光振荡器311输出同步脉冲信号Sync。另外，信号处理部62基于输入的光检测信号Int切换同步脉冲信号Sync的高低。

图像处理单元63通过对从照相机28输入的图像Im实施反褶积处理来生成EDOF图像。需要说明的是，反褶积处理是对相对于图像Im从对焦位置Pf的可变范围推测的失焦分量进行逆运算处理的处理，生成几乎聚焦于对焦位置Pf的所有可变范围的EDOF图像。

(激光加工动作)

接着，说明本实施方式的激光加工动作。

如图3所示，在液体谐振式透镜12的动作中，焦距可变光学系统10的对焦位置Pf与驱动信号Cf同步地周期性变化。需要说明的是，图3示例了光轴A上的对焦位置Pf的变化范围中的工件W的表面位置(工件位置Pw)。

光检测信号Int在对焦位置Pf与工件位置Pw一致的正时(对焦正时T)显示峰值，在驱动信号Cf的每个周期显示两次峰值。

同步脉冲信号Sync在光检测信号Int为阈值Vt以上的期间为高电平，在光检测信号Int小于阈值Vt的期间为低电平。

激光振荡器311在输入的光检测信号Int从低电平切换到高电平的正时，使脉冲激光Lp振荡。这里，一次的脉冲激光Lp的输出期间被设定为相对于对焦位置Pf的变化周期充分短，以脉冲激光Lp的输出期间与对焦正时T重合的方式设定光检测信号Int的阈值Vt。因此，激光振荡器311能够配合对焦正时T射出脉冲激光Lp。

再次参考图1，配合对焦正时T从激光振荡器311射出的脉冲激光Lp通过激光加工用掩模312的开口部312A，并经由激光用成像透镜32和焦距可变光学系统10照射到工件W上。

在此，激光加工用掩模312被配置在与焦距可变光学系统10的对焦位置Pf形成共轭关系的位置。

因此，通过激光加工用掩模312的脉冲激光Lp的形状在对焦正时T的焦距可变光学系统10的对焦位置Pf、即工件W的表面上成像。

〔效果〕

如上所述，本实施方式的激光加工装置1具有：焦距可变光学系统10，其根据输入的驱动信号Cf而使对焦位置Pf周期性地变化；位置检测用光源41，其经由焦距可变光学系统10向工件W照射检测光Lm；光检测器44，其接收在工件W上被反射的检测光Lm并输出光检测信号Int；信号处理部62，其基于输入的光检测信号Int，输出与检测光Lm在工件W的表面对焦的对焦正时T同步的同步脉冲信号Sync；激光振荡器311，其基于输入的同步脉冲信号Sync使脉冲激光Lp振荡，经由焦距可变光学系统10向工件W照射脉冲激光Lp。

在这样的结构中，从位置检测用光源41射出的检测光Lm通过经过焦距可变光学系统10，而在使光轴方向的对焦位置Pf变化的同时照射到工件W上。由于在工件W上被反射的检测光Lm在受到对焦位置Pf的变化的影响的同时被光检测器44接收，所以从光检测器44输入的光检测信号Int中包含对焦位置Pf的变化的影响。信号处理部62基于这样的光检测信号Int，能够检测检测光Lm的对焦位置Pf与工件W的表面一致的正时(对焦正时T)，输出与该对焦正时T同步的同步脉冲信号Sync。另外，激光振荡器311基于从信号处理部62输入的同步脉冲信号Sync使脉冲激光Lp振荡，由此能够配合对焦正时T射出该脉冲激光Lp。

因此，在本实施方式的激光加工装置1中，由于经由焦距可变光学系统10向工件W照射的脉冲激光Lp在工件W的表面对焦，所以能够将脉冲激光Lp准确地聚光在工件W表面的期望部位。由此，能够在利用焦距可变光学系统10的同时进行高精度的激光加工。

另外，本实施方式的激光加工装置1具备形成有脉冲激光Lp通过的开口部312A的激光加工用掩模312。由于该激光加工用掩模312被配置在焦距可变光学系统10和激光振荡器311之间与焦距可变光学系统10的对焦位置Pf形成共轭关系的位置，所以开口部312A的形状在工件W的表面良好地成像，按照开口部312A的形状的区域被激光加工。

另外，在本实施方式的激光加工装置1中，光检测器44配置为在焦距可变光学系统10的对焦位置Pf与工件W的表面一致时，光检测信号Int成为峰值，信号处理部62将光检测信号Int的峰值作为对焦正时T检测，输出与该对焦正时T同步的同步脉冲信号Sync。即，在本实施方式的激光加工装置1中，通过共焦法检测对焦正时T。因此，与使用其他的焦点检测方法检测对焦正时T的情况相比，难以受到工件W表面的倾斜或粗糙度等表面性状的影响，能够提高对焦正时T的检测精度。

另外，本实施方式的激光加工装置1还具备通过焦距可变光学系统10对工件W进行拍摄的拍摄元件281，焦距可变光学系统10具有根据输入的驱动信号Cf使折射率周期性地变化的液体谐振式透镜12、配置在与液体谐振式透镜12相同的光轴上的物镜11、和使物镜11的出射光瞳与液体谐振式透镜12的主点位置共轭而配置的多个中继透镜13、14。在这样的结构中，能够一边进行工件W的图像观察，一边对该工件W进行激光加工。在本实施方式中，作为工件W的图像，能够生成EDOF图像，因此在进行工件W的图像观察时能够降低再聚焦动作的频度。

此外，由于本实施方式的焦距可变光学系统10构成为物镜11的出射光瞳与液体谐振式透镜12的主点位置成共轭关系，所以即使焦距可变光学系统10的对焦位置Pf发生变动，入射到拍摄元件281的像的倍率也恒定。因此，视野没有变动，能够进行良好的观察。

另外，本实施方式的激光加工装置1使用焦距可变光学系统10的优点是：不仅能够降低观察光学系统2中再聚焦动作的频度，而且在工件W的表面存在阶梯差等情况下，在不调整工件W的位置的情况下，能够使脉冲激光Lp在工件W的表面对焦。

〔变形例〕

本发明不限于上述实施方式，在能够实现本发明目的的范围内的变形、改进等包含在本发明中。

在上述实施方式中，也可以采用代替导光部42而利用针孔的结构。具体地，通过利用用于构成点光源的针孔和配置于准直透镜43的后侧焦点的针孔，可以与上述实施方式相同地通过共焦法检测对焦正时T。

在上述实施方式中，当观察光学系统2中的视野的变动不成为问题时，省略焦距可变光学系统10的中继透镜13、14，准直透镜43、成像透镜27和激光用成像透镜32分别与物镜11一同构成无穷远校正光学系统。或者，也可以省略中继透镜13、14、准直透镜43、成像透镜27及激光用成像透镜32，物镜11和液体谐振式透镜12构成有限远校正光学系统。

在上述实施方式中，通过共焦法检测对焦正时T，但本发明不限于此。具体地，可以通过使用诸如双针孔法、散光法、刃边法等各种焦点检测方法来检测对焦正时T。

例如，在利用双针孔法的情况下，在与对焦位置Pf形成共轭关系的聚光位置的前后分别设置光检测器，根据从各光检测器输出的光检测信号进行运算，从而能够求出对焦正时T。信号处理部分62可以输出与这样求出的对焦正时T同步的同步脉冲信号Sync。

在上述实施方式中，观察光学系统2的照明光Li是连续光，但也可以是脉冲光。在这种情况下，与激光振荡器311同样，观察照明用光源21可以基于同步脉冲信号Sync射出脉冲光。因此，照明光Li能够在对焦正时T照射到工件W上，并且照相机28能够获取在工件W的表面上对焦的图像。

上述实施方式的激光加工装置1具备用于观察工件W的观察光学系统2，但本发明不限于此。也就是说，本发明可以应用于不具备观察光学系统2的激光加工装置。

在上述实施方式中，信号处理部62在控制部6内而构成，但也可以在透镜控制部5内而构成。另外，透镜控制部5和控制部6也可以构成为一体的控制装置。

在上述各实施方式中，驱动信号Cf为正弦波，使对焦位置Pf正弦波振动，但也可以是三角波、锯齿状波、矩形波等其他波形。

Claims (4)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具有：

焦距可变光学系统，其根据输入的驱动信号使对焦位置周期性地变化；

光源，其经由所述焦距可变光学系统向工件照射检测光；

光检测器，其接收在所述工件上被反射的所述检测光，并输出光检测信号；

信号处理部，其基于输入的所述光检测信号，输出与所述检测光在所述工件的表面对焦的对焦正时同步的同步脉冲信号；

激光振荡器，其基于输入的所述同步脉冲信号使脉冲激光振荡，经由所述焦距可变光学系统向所述工件照射所述脉冲激光。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

还具备激光加工用掩模，该激光加工用掩模配置在所述焦距可变光学系统与所述激光振荡器之间，与所述焦距可变光学系统的所述对焦位置形成共轭关系的位置上，且形成有所述脉冲激光通过的开口部。

3.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述光检测器被配置成在所述焦距可变光学系统的对焦位置与所述工件的表面一致时，所述光检测信号成为峰值，

所述信号处理部检测所述光检测信号的所述峰值作为所述对焦正时，输出与该对焦正时同步的所述同步脉冲信号。

4.如权利要求1至3中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，

还包括通过所述焦距可变光学系统对所述工件进行拍摄的拍摄元件，

所述焦距可变光学系统具有：

液体谐振式透镜，其折射率根据输入的所述驱动信号周期性地变化；

物镜，其配置在与所述液体谐振式透镜相同的光轴上；

多个中继透镜，其以使所述物镜的出射光瞳与所述液体谐振式透镜的主点位置共轭的方式配置。

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