JP2006150406A - 位置検出装置及び方法、並びに、レーザ加工装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 観測対象物を移動させなくとも、観測対象物の表面上の所望の位置を観測することが可能な位置検出装置を提供する。
【解決手段】 位置検出装置は、観測範囲内の対象物２を観測する観測装置２１と、観測対象物の表面の一部の領域が前記観測装置で観測されるように、該観測対象物の表面で反射または散乱された光を該観測装置まで導き、該観測装置の観測範囲を該観測対象物の表面内で移動させることができる走査光学系１５とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位置検出装置及び方法に関し、特に、観測対象物の表面を観測する位置検出装置及び方法に関する。本発明は、また、レーザ加工装置及び方法に関し、特に、ステージに拘束された加工対象物にレーザビームを入射するレーザ加工装置及び方法に関する。

ステージに位置が拘束された加工対象物に、ガルバノスキャナで伝搬方向を振ったレーザビームを入射させる加工が広く行われている。加工対象物に、アライメントマークが形成されており、アライメントマークに対する相対位置が決まった被加工点が画定されている。

アライメントマークのステージ上における位置に基づいて、被加工点のステージ上における位置が求められる。被加工点のステージ上における位置に基づいて、ガルバノスキャナでレーザビームの伝搬方向を振り、被加工点にレーザビームを入射させる。

例えば、特許文献１に開示されたレーザ加工装置は、加工対象物を拘束するステージ、ガルバノスキャナ、ガルバノスキャナの筐体に固定されたカメラを有する。加工対象物に形成されたアライメントマークをカメラで検出することにより、アライメントマークのステージ上の位置が求められる。

特開２００３−２６６１９１号公報

カメラの視野は限られている。特許文献１が開示するようなレーザ加工装置では、カメラでアライメントマークを検出するために、加工対象物を拘束するステージを移動させて、アライメントマークをカメラの視野内に配置する。

本発明の一目的は、観測対象物を移動させなくとも、観測対象物の表面上の所望の位置を観測することが可能な位置検出装置及び方法を提供することである。
本発明の他の目的は、ステージに拘束された加工対象物に形成されたアライメントマークのステージ上の位置を、ステージを移動させなくとも求めることができ、加工対象物に画定された被加工点にレーザビームを入射できるレーザ加工装置及び方法を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、観測範囲内の対象物を観測する観測装置と、観測対象物の表面の一部の領域が前記観測装置で観測されるように、該観測対象物の表面で反射または散乱された光を該観測装置まで導き、該観測装置の観測範囲を該観測対象物の表面内で移動させることができる走査光学系とを有する位置検出装置が提供される。

本発明の第２の観点によれば、観測装置が、観測範囲内の対象物を観測し、走査光学系が、観測対象物の表面の一部の領域が前記観測装置で観測されるように、該観測対象物の表面で反射または散乱された光を該観測装置まで導くとともに、該観測装置の観測範囲を該観測対象物の表面内で移動させることができ、前記観測対象物上に、アライメントマークが形成されており、（ａ）前記観測装置の観測範囲を、前記観測対象物の表面内で、前記走査光学系により移動させ、該観測対象物上のアライメントマークを該観測範囲内に配置する工程と、（ｂ）前記観測装置で、該観測対象物上のアライメントマークを検出する工程とを有する位置検出方法が提供される。

本発明の第３の観点によれば、アライメントマークが形成された加工対象物の位置を拘束するステージと、レーザビームを出射するレーザ光源と、観測範囲内の対象物を観測する観測装置と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの伝搬方向を振って、前記ステージに拘束された加工対象物に入射するレーザビームの入射位置を移動させることができるとともに、前記加工対象物の表面の一部の領域が前記観測装置で観測されるように、該加工対象物の表面で反射または散乱された光を該観測装置まで導き、該観測装置の観測範囲を該加工対象物の表面内で移動させることができる走査光学系と、前記加工対象物上のアライメントマークが前記観測装置の観測範囲内に配置されるように前記走査光学系を制御し、前記ステージに固定されたステージ座標系における前記観測範囲の位置を示す座標、及び前記観測範囲に固定された観測座標系におけるアライメントマークの座標に基づいて、該アライメントマークのステージ座標系における座標を算出し、該アライメントマークのステージ座標系における座標に基づいて、該加工対象物上のレーザビームを入射すべき被加工点のステージ座標系における座標を算出し、該被加工点のステージ座標系における座標に基づいて、該被加工点にレーザビームが入射するように、前記走査光学系を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。

本発明の第４の観点によれば、ステージに拘束され、レーザビームを入射して加工すべき加工対象物に、アライメントマークが形成されており、（ａ）レーザビームの伝搬方向を振って、前記加工対象物に入射するレーザビームの入射位置を移動させることができるとともに、該加工対象物の表面の一部の領域が、観測範囲内の対象物を観測する観測装置により観測されるように、該加工対象物の表面で反射または散乱された光を該観測装置まで導き、該観測装置の観測範囲を該加工対象物の表面内で移動させることができる走査光学系を制御して、前記加工対象物上のアライメントマークを前記観測装置の観測範囲内に配置する工程と、（ｂ）前記観測範囲に固定された観測座標系における前記アライメントマークの座標を検出する工程と、（ｃ）前記ステージに固定されたステージ座標系における前記観測範囲の位置、及び前記観測座標系における前記アライメントマークの座標に基づいて、該アライメントマークのステージ座標系における座標を算出する工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）で算出されたアライメントマークのステージ座標系における座標に基づいて、前記加工対象物上のレーザビームを入射すべき被加工点のステージ座標系における座標を算出する工程と、（ｅ）前記工程（ｄ）で算出された被加工点のステージ座標系における座標に基づいて、該被加工点にレーザビームが入射するように、前記走査光学系を制御し、該走査光学系から出射したレーザビームを該被加工点に入射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

第１及び第２の観点による発明において、走査光学系が、観測装置の観測範囲を移動させる。これにより、観測対象物を移動させなくとも、観測対象物の表面上の所望の位置を観測することが可能となる。

第３及び第４の観点による発明において、走査光学系が、観測装置の観測範囲を移動させる。これにより、ステージを移動させなくとも、観測装置でアライメントマークを観測でき、アライメントマークのステージ座標系における座標を求めることができる。アライメントマークのステージ座標系における座標に基づいて、被加工点のステージ座標系における座標が算出される。算出された被加工点のステージ座標系における座標に基づいて、走査光学系が制御される。これにより、被加工点にレーザビームを入射できる。

図１（Ａ）は、本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。繰出しローラ１に、加工対象物２が巻かれている。加工対象物２は、例えば、ポリイミドフィルム等からなる基材に、金属薄膜、アモルファスシリコン薄膜、透明導電性薄膜等を積層したシートであり、これを加工してシート基板を作製する。

巻取りローラ８が回転することにより、巻取りローラ８に加工対象物２が巻取られ、繰出しローラ１から加工対象物２が繰出される。繰出しローラ１から繰出された加工対象物２は、ステージ３の保持面３ａの上方を、保持面３ａと平行に移動する。加工対象物２の幅は、例えば１ｍである。繰出しローラ１から、所望の長さだけ加工対象物２を繰出すことにより、加工対象物２の加工すべき所望の部分を、ステージ３の保持面３ａの上方に配置することができる。

ステージ昇降機構４が、ステージ３を、保持面３ａに直交する方向（上下方向）に移動させる。加工対象物２の所望の部分が、保持面３ａの上方に配置された状態で、ステージ３を、保持面３ａが加工対象物２に接触するまで上昇させることにより、保持面３ａ上に加工対象物２を配置することができる。

ステージ３に対して固定され、保持面３ａに平行なＸ軸及びＹ軸を有するＸＹ直交座標系を考える。Ｘ軸を、加工対象物２の送り方向、つまり加工対象物２の長さ方向と平行とし、Ｙ軸を、加工対象物の幅方向と平行とする。このＸＹ直交座標系を、以下、「ステージ座標系」と呼ぶ。図１（Ａ）には、ステージ３をＹ軸に平行な視線で見た概略正面図を示す。

図１（Ｂ）に、ステージ３をＸ軸に平行な視線で見た概略側面図を示す。加工対象物２の幅方向に関する両端部それぞれの上方に、押し付け部材５ａ及び５ｂが配置されている。移動機構６ａ及び６ｂが、それぞれ、押し付け部材５ａ及び５ｂを移動可能に保持する。

図１（Ａ）に戻って説明を続ける。レーザ光源１０が、紫外領域の波長を有するパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１０として、例えば、ＫｒＦレーザ、ＸｅＣｌレーザ等を用いることができる。

レーザ光源１０から出射したレーザビームが、レンズ１１の光軸に沿って伝搬してレンズ１１に入射し、レンズ１１により収束される。レンズ１１を透過したレーザビームが、紫外領域の波長を有する光を透過させ、可視領域の波長を有する光を反射するダイクロイックミラー１３に入射する。ダイクロイックミラー１３を透過したレーザビームが、折り返しミラー１４で反射され、走査光学系１５に入射する。走査光学系１５は、例えば、ガルバノスキャナである。

走査光学系１５は、Ｘ用反射鏡１５ｘ、Ｘ用反射鏡１５ｘを揺動させるＸ用揺動機構１５ｘａ、Ｙ用反射鏡１５ｙ、及び、Ｙ用反射鏡１５ｙを揺動させるＹ用揺動機構１５ｙａを含んで構成される。走査光学系１５に入射したレーザビームが、Ｘ用反射鏡１５ｘ及びＹ用反射鏡１５ｙで反射された後、保持面３ａ上に配置された加工対象物２に入射する。

Ｘ用反射鏡１５ｘが揺動することにより、加工対象物２上のレーザビームの入射位置が、Ｘ軸方向に移動し、Ｙ用反射鏡１５ｙが揺動することにより、加工対象物２上のレーザビームの入射位置が、Ｙ軸方向に移動する。このようにして、走査光学系１５は、レーザビームの伝搬方向を２次元方向に振ることができる。被加工面上でステージ座標系における所望の座標にレーザビームが入射するように、制御装置１００が、Ｘ用揺動機構１５ｘａ及びＹ用揺動機構１５ｙａを制御する。

レンズ１１で収束されたレーザビームが、レンズ１１からレンズ１１の焦点距離だけ伝搬した位置において、焦点を結ぶ（レーザビームの伝搬方向に垂直なビーム断面の大きさが最小になる）。

レンズ移動機構１２が、レンズ１１を、その光軸と平行な方向に移動させる。制御装置１００が、レンズ移動機構１２を制御する。レンズ１１を静止させた状態で、走査光学系１５によりレーザビームの伝搬方向を振れば、レンズ１１から加工対象物２上の入射位置までのレーザビームの光路長が変化する。

レンズ移動機構１２は、走査光学系１５がレーザビームの伝搬方向を振っても、レンズ１１から加工対象物２の表面のレーザビームの入射位置までの光路長が変化せず、この光路長がレンズ１１の焦点距離と一致するように、レンズ１１を移動させる。これにより、走査光学系１５がレーザビームの伝搬方向を振っても、レーザビームが加工対象物２の表面で焦点を結ぶ状態が維持される。

照明用光源２０が、可視領域の波長を有する光を含む照明光を出射し、保持面３ａ上に拘束された加工対象物２を照らす。加工対象物２の表面で反射または散乱された照明光の一部が、走査光学系１５のＹ用反射鏡１５ｙ及びＸ用反射鏡１５ｘで反射され、折り返しミラー１４で反射されて、ダイクロイックミラー１３に入射する。

ダイクロイックミラー１３へ入射する光のうち、可視領域の波長を有する成分が、ダイクロイックミラー１３で反射されて、例えばＣＣＤ撮像素子を含んで構成されるカメラ２１の対物レンズ２１ａに入射する。対物レンズ２１ａを透過した光が、対物レンズ２１ａに対する相対位置が固定された受像面２１ｂに入射する。受像面２１ｂ上の画像に対応する画像情報が、カメラ２１から制御装置１００に送信される。走査光学系１５のＸ用反射鏡１５ｘ及びＹ用反射鏡１５ｙの少なくとも一方を揺動させることにより、カメラ２１で観測される範囲（観測範囲）が、加工対象物２の表面内で移動する。

対物レンズ２１ａの光軸上を、対物レンズ２１ａからダイクロイックミラー１３に向かって伝搬し、可視光の波長を有する仮想的な光線について考える。この光線は、ダイクロイックミラー１３、折り返しミラー１４、Ｘ用反射鏡１５ｘ、及びｙ用反射鏡１５ｙで反射された後に、加工対象物２の表面に入射する。この仮想的な光線の、対物レンズ２１ａから加工対象物２の表面に至る経路を、以下、「観測装置の光軸」と呼ぶ。なお、観測装置の光軸のうち対物レンズ２１ａからダイクロイックミラー１３までの部分は、対物レンズ２１ａの光軸と一致する。

カメラ２１の観測範囲に固定された座標系を考え、以下、この座標系を「観測座標系」と呼ぶ。観測座標系の原点として、観測装置の光軸と、加工対象物２の表面とが交差する位置を選ぶことができる。この位置は、受像面２１ｂ内で、対物レンズ２１ａの光軸と受像面２１ｂとが交差する位置に対応する。ステージ座標系における観測範囲の位置を、観測座標系の原点のＸＹ座標により定めることができる。

ダイクロイックミラー１３から折り返しミラー１４までの光学系において、レンズ１１の光軸と、観測装置の光軸とが一致するように、レンズ１１、カメラ２１、及びダイクロイックミラー１３が配置されている。これにより、ダイクロイックミラー１３から加工対象物２までの光学系において、レーザ光源１０から出射したレーザビームが、観測装置の光軸に沿って伝搬するので、観測座標系の原点は、レーザビームが加工対象物２に入射する位置と一致する。観測座標系の原点のＸＹ座標は、走査光学系１５の制御情報から求められる。

カメラ移動機構２２が、カメラ２１を、対物レンズ２１ａの光軸に平行な方向に移動させる。これにより、対物レンズ２１ａ及び受像面２１ｂが、対物レンズ２１ａの光軸に平行な方向に移動する。制御装置１００が、カメラ移動機構２２を制御する。

カメラ２１を静止させた状態で、走査光学系１５によりカメラ２１の観測範囲を移動させれば、対物レンズ２１ａから加工対象物２の表面までの物体距離が変化する。よって、ある位置に観測範囲が配置されているときに、加工対象物２の表面上の物点が受像面２１ｂ上に結像していても、カメラ２１を静止させた状態で観測範囲を移動させれば、受像面２１ｂ上の結像状態が維持されない。

カメラ移動機構２２は、走査光学系１５が観測範囲を移動させても、受像面２１ｂ内のある位置（例えば原点）における結像状態が維持されるように、カメラ２１を移動させる。なお、観測装置の光軸が、加工対象物２の表面と斜めに交差する場合であっても、加工対象物２の表面上の物点を受像面２１ｂに結像させられるように、対物レンズ２１ａの焦点深度が設定されている。

加工対象物２の、保持面３ａ上に配置された部分に、複数のアライメントマークが形成されている。各アライメントマークが配置されると想定される位置のステージ座標系における座標（これを、以下、想定座標と呼ぶ）が、制御装置１００に記憶されている。

しかし、実際にアライメントマークが配置される位置は、想定座標からずれる場合がある。例えば加工対象物２の変形により、アライメントマークの位置が想定座標からずれる。あるアライメントマークの位置の想定座標からのずれが微小であるとき、観測座標系の原点が、このアライメントマークの想定座標と一致するように、走査光学系１５を制御することにより、カメラ２１の観測範囲の内部に、このアライメントマークを配置できる。観測範囲内に配置されたアライメントマークが、カメラ２１の受像面２１ｂ上に結像する。

制御装置１００により、カメラ２１から送られた画像情報に基づいて、各アライメントマークの観測座標系における座標を検出することができる。制御装置１００は、さらに、各アライメントマークが観測されたときの観測範囲のステージ座標系における位置、及び観測座標系における各アライメントマークの検出された座標から、各アライメントマークのステージ座標系における座標を算出することができる。

次に、上述のレーザ加工装置を用いて加工対象物２を加工するレーザ加工方法について説明する。加工対象物２の所望の部分が、保持面３ａの上方に配置されるまで、繰出しローラ１から加工対象物２を繰出す。加工対象物２の所望の部分が、保持面３ａの上方に配置されたら、加工対象物２の繰出しを止める。加工対象物２の繰出しを止めた後、ステージ昇降機構４により、保持面３ａが加工対象物２に接するまで、ステージ３を上昇させる。保持面３ａと加工対象物２とが接したら、ステージ３の上昇を停止させる。

ステージ３の上昇が停止したら、押し付け部材５ａ及び５ｂを下方に移動させて、両押し付け部材により加工対象物２の幅方向の両端部を上から押さえる。さらに、両押し付け部材により、上記両端部を加工対象物２の幅方向について互いに反対側に引っ張る。このように加工対象物２を引っ張ることにより、加工対象物２を、保持面３ａに密着させることができる。上記両端部が互いに反対向きに引っ張られた状態で、真空吸着機構により、加工対象物２が保持面３に吸着される。このようにして、加工対象物２の加工すべき所望の部分の位置が、ステージ３に拘束される。加工対象物２の保持面３ａ上に配置された部分の長さ（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば１ｍである。

次に、加工対象物２上のアライメントマークを検出する。検出すべきあるアライメントマークが、カメラ２１の観測範囲内に配置されるように、走査光学系１５を制御する。観測範囲の原点が、受像面２１ｂ上に結像するような位置に、カメラ２１を配置する。観測範囲内に配置されたアライメントマークが、受像面２１ｂに結像し、画像情報が生成される。画像情報に基づいて、観測座標系におけるこのアライメントマークの座標が求められる。この座標に基づいて、ステージ座標系におけるこのアライメントマークの座標が算出される。他のアライメントマークに対して、このような工程が繰り返される。

観測装置の光軸と、加工対象物２の表面の法線とのなす角が、単調に増加または単調に減少する順に、アライメントマークが観測される。上記なす角が、単調に増加する順でアライメントマークが観測されるとき、カメラ２１は、ダイクロイックミラー１３に近づくように、一方向に移動する。上記なす角が、単調に減少する順でアライメントマークが観測されるとき、カメラ２１は、ダイクロイックミラー１３から遠ざかるように、一方向に移動する。

加工対象物２に、レーザビームを入射して加工すべき被加工点が画定されている。被加工点の各々の、アライメントマークに対する相対位置が定められている。制御装置１００が、ステージ座標系におけるアライメントマークの座標と、アライメントマークに対する被加工点の相対位置関係とに基づいて、ステージ座標系における被加工点の座標を算出する。制御装置１００は、さらに、ステージ座標系における被加工点の座標に基づいて、レーザ光源１０から出射したレーザビームが被加工点に入射するように、走査光学系１５を制御する。

加工対象物２が、上述したような、ポリイミドフィルムからなる基材に金属薄膜等が積層されたシートであるとき、レーザビーム入射により、金属薄膜等に、被加工面上のビームスポットに対応した開口形状の穴が形成される。互いに隣り合う穴の開口が部分的に重なるように多数の穴を形成することにより、金属薄膜等に溝を形成することもできる。

加工対象物２の、保持面３ａ上に拘束された部分に画定された被加工点へのレーザビーム入射が終了したら、加工対象物２の保持面３ａへの吸着を解除し、押し付け部材５ａ及び５ｂを上方へ退避させ、ステージ３を下方へ移動させる。加工対象物２の次に加工すべき部分が保持面３ａの上方に配置されるまで、繰出しローラ１から加工対象物２を繰出す。加工対象物２の次に加工すべき部分を保持面３上に拘束し、アライメントマークの位置を検出し、被加工点へのレーザ入射を行う。このような工程を繰り返すことにより、繰出しローラ１に巻かれた加工対象物２の全体を加工することができる。

なお、加工対象物２の加工された部分は、巻取りローラ８に巻取られる前に、洗浄装置７を通過して、レーザ加工に伴い被加工面上に付着した汚れが洗浄される。
上述した実施例のレーザ加工装置は、カメラ２１の観測範囲を、走査光学系１５が移動させる。これにより、加工対象物２を移動させなくとも、カメラ２１で、加工対象物２の表面上の所望の位置を観測でき、加工対象物２の表面の所定位置に形成されたアライメントマークを検出できる。

観測範囲に固定された観測座標系におけるアライメントマークの座標と、ステージ座標系における観測範囲の位置を示す座標とに基づいて、ステージ座標系におけるアライメントマークの座標を算出することができる。ステージ座標系におけるアライメントマークの座標に基づき、ステージ座標系における被加工点の座標が算出される。ステージ座標系における被加工点の座標に基づいて、走査光学系を制御することにより、被加工点にレーザビームを入射することができる。

なお、従来のレーザ加工装置では、カメラが、走査光学系を介さずにアライメントマークを観測し、観測結果に基づいて、ステージに固定された座標系におけるアライメントマークの座標が算出される。アライメントマークの座標に基づいて、ステージに固定された座標系における被加工点の座標が算出される。被加工点の算出された座標にレーザビームが入射するように、走査光学系を介して、レーザビームが照射される。しかし、走査光学系は、光学的歪み（ピンクッション歪み）を有する。このため、被加工点にレーザビームを入射させようとしても、この歪みによって、レーザビームの入射位置が被加工点からずれる。

実施例のレーザ加工装置では、カメラ２１が、走査光学系１５を介してアライメントマークを観測する。これにより、アライメントマークのステージ座標系における座標が、走査光学系１５の光学的歪みの影響を取り込んだ状態で求められる。走査光学系１５の光学的歪みの影響が取り込まれたアライメントマークの座標に基づいて、ステージ座標系における被加工点の座標が求められる。このため、走査光学系１５により被加工点にレーザビームの入射位置を合わせる位置合わせにおいて、走査光学系１５の光学的歪みの影響による位置ずれの発生が抑制される。

実施例のレーザ加工装置を用いれば、走査光学系１５が観測範囲を移動させても、カメラ移動機構２２がカメラ２１を移動させることにより、加工対象物２の表面上の物点が、受像面２１ｂ上に結像する状態を維持できる。これにより、加工対象物２上の各アライメントマークを、受像面２１ｂ上に結像させられる。

実施例のレーザ加工装置を用いれば、走査光学系１５が加工対象物２の表面上のレーザビームの入射位置を移動させても、レンズ移動機構１２がレンズ１１を移動させることにより、レーザビームが加工対象物２の表面で焦点を結ぶ状態を維持できる。これにより、レーザビームの焦点の位置で加工が行える。

なお、走査光学系１５がレーザビームの伝搬方向を振ることに起因して、レンズ１１から被加工面上のレーザビームの入射位置までの光路長が変化することを抑制するように、レンズ１１を移動させれば、レンズ１１を移動させない場合に比べて、レーザビームの焦点位置を被加工面に近づけられる。

上述のレーザ加工方法において、観測装置の光軸と、加工対象物２の表面の法線とのなす角が、単調に増加または単調に減少する順に、アライメントマークが観測される。このようにアライメントマークが観測されるとき、カメラ２１が、一方向に移動する。このようにカメラ２１を移動させると、全アライメントマークを観測するためにカメラ２１を移動させる距離を、最も短くできる。このため、複数のアライメントマークの観測を、時間的に効率良く行うことができる。

次に、ステージ座標系におけるアライメントマークの位置検出の精度を高めることができる方法について説明する。まず、図２を参照して、ステージ座標系におけるアライメントマークの位置検出の精度を低下させる要因について説明する。

図２は、加工対象物２の断面図である。観測装置の光軸Ａと、加工対象物２の表面とが斜めに交差している。観測装置の光軸Ａと加工対象物２の表面とが交差する位置が、観測座標系の原点Ｏ_ｏｂｓである。加工対象物２の表面上で、観測座標系の原点Ｏ_ｏｂｓから距離ΔＸだけ離れた位置に、アライメントマークＭが配置されている。観測座標系の原点_ｏｂｓからアライメントマークＭまでの距離の、カメラ２１で観測される値がΔＵである。観測装置の光軸Ａと、加工対象物２の表面とが斜めに交差しているとき、ΔＸとΔＵとが一致しない。これに起因して、アライメントマークＭの、カメラ２１での観測に基づいて検出される位置と、実際の位置とがずれる。

なお、アライメントマークＭが、観測座標系の原点Ｏ_ｏｂｓの近くに配置されているほど、ΔＸとΔＵとの差が小さくなる。アライメントマークＭが、観測座標系の原点Ｏ_ｏｂｓに配置されていれば、ΔＸとΔＵとの差がなくなる。

以上の説明を踏まえ、アライメントマークのステージ座標系での座標を、より正確に求めることができる方法について説明する。まず、走査光学系を制御して、観測範囲の内部に、観測するアライメントマークを配置し、このアライメントマークの観測座標系における座標を検出して、このアライメントマークのステージ座標系における座標を算出する。

次に、このアライメントマークの算出されたステージ座標系における座標に、観測座標系の原点が一致するように、観測範囲を移動させる。これにより、観測座標系の原点が、このアライメントマークに近づく。言い換えると、このアライメントマークの像が、カメラの受像面上において、対物レンズの光軸と受像面とが交差する位置に近づく。

観測座標系の原点を、このアライメントマークに近づけた後（このアライメントマークの像を、対物レンズの光軸と受像面とが交差する位置に近づけた後）、このアライメントマークの観測座標系における座標の２回目の検出を行う。

次に、このアライメントマークの２回目に検出された観測座標系における座標と、このアライメントマークを２回目に観測したときに観測範囲が配置されていた位置のステージ座標系における座標とに基づいて、このアライメントマークのステージ座標系における座標を算出する。このアライメントマークの２回目に算出されたステージ座標系における座標は、１回目に算出されたそれよりも正確である。なお、このような工程を、必要な精度が得られるまで繰り返しても構わない。

なお、上記実施例の変形例として、以下のような構成のレーザ加工装置を作製することも可能である。実施例のレーザ加工装置において、走査光学系１５がレーザビームの伝搬方向を振ると、レーザビームが加工対象物２の表面に入射する入射角が変化する。ビーム径が一定のレーザビームについて、走査光学系１５で伝搬方向を振って、加工対象物２に入射させる場合について考える。レーザビームの被加工面への入射角が変化すると、被加工面上のビームスポットの面積が変化する。これに伴い、ビームスポット内のパルスエネルギ密度（または、パワー密度）が変化する。入射角が大きい程、被加工面上のビームスポットの面積が広くなる。ビームスポット内のパルスエネルギ密度（または、パワー密度）が一定となるように（または、被加工面上のビームスポットの面積が一定となるように）、レーザ加工を行いたい場合もある。

実施例のレーザ加工装置において、レーザビームがレンズ１１で収束される。レンズ１１から出射したレーザビームの伝搬方向に垂直なビーム断面の面積が、伝搬方向の位置に関して変化する。変形例によるレーザ加工装置は、被加工面に入射するレーザビームの入射角が大きくなる程、レーザビームの入射位置におけるレーザビームの伝搬方向に垂直な断面の面積が狭くなるように、レンズ移動機構１２でレンズ１１を移動させる。このようにすれば、走査光学系がレーザビームの伝搬方向を振ることに伴って、被加工面上のビームスポット内のパルスエネルギ密度（または、パワー密度）が変化すること（または、被加工面上のビームスポットの面積が変化すること）を抑制できる。

次に、図３を参照して、第２の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、第１の実施例によるレーザ加工装置との違いを説明する。第１の実施例によるレーザ加工装置では、カメラ移動機構２２が、カメラ２１を移動させたが、第２の実施例によるレーザ加工装置では、対物レンズ移動機構２３が、対物レンズ２１ａをその光軸に平行な方向に移動させる。対物レンズ移動機構２３は、走査光学系１５が観測範囲を移動させても、加工対象物２の表面上の物点が受像面２１ｂ上に結像する状態が維持されるように、対物レンズ２１ａを移動させる。制御装置１００が、対物レンズ移動機構２３を制御する。

なお、走査光学系１５が観測範囲を移動させても、加工対象物２の表面上の物点が受像面２１ｂ上に結像する状態が維持されるように、対物レンズ２１ａに対して受像面２１ｂを、対物レンズ２１ａの光軸に平行な方向に移動させるような構成としてもよい。

第２の実施例によるレーザ加工装置では、また、レーザ光源１０からレンズ１１までのレーザビームの経路上に、レーザビームの断面形状を整形する貫通孔を含むマスク１６が配置されている。レンズ１１を、レーザビームの伝搬方向に関して適切な位置に配置することにより、マスク１６の貫通孔を加工対象物２の表面に結像させることができる。これにより、例えば、マスク１６の貫通孔の形状と相似な開口形状を持つ穴を、被加工面に形成できる。

第２の実施例によるレーザ加工装置では、走査光学系１５でレーザビームの伝搬方向を振っても、マスク１６の貫通孔が加工対象物２の表面に結像する状態が維持されるように、レンズ移動機構１２が、レンズ１１を移動させる。

なお、以上の実施例で説明したレーザ加工装置では、ダイクロイックミラーが、レーザ光源から出射したレーザビームを透過させ、カメラに入射する光線を反射させたが、ダイクロイックミラーの特性を適当に選択し、ダイクロイックミラーが、レーザ光源から出射したレーザビームを反射し、カメラに入射する光線を透過させるような構成としてもよい。

なお、以上の実施例で説明したレーザ加工装置では、レーザ光源が紫外領域の波長を有するレーザビームを出射し、カメラが、可視領域の波長を有する光を観測したが、加工対象物の加工に用いるレーザビームの波長、及び加工対象物の表面の観測に用いる光の波長は、必要に応じて上記実施例のものと異ならせることができる。レーザ光源としては、紫外波長域のＫｒＦレーザやＸｅＣｌレーザの他に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、赤外波長域のＣＯ２ガスレーザ等を用いることもできる。なお、加工に用いるレーザビーム及び観測に用いる光の波長に応じて、適切な特性を持つダイクロイックミラーを選択することができる。

なお、以上の実施例で説明したレーザ加工装置では、レーザ光源が、パルスレーザビームを出射したが、必要に応じ、レーザ光源として、連続波レーザビームを出射するものを用いてもよい。

なお、以上の実施例で説明したレーザ加工装置では、加工対象物の表面上の物点を受像面に結像させるために、カメラを対物レンズの光軸に平行な方向に移動させるカメラ移動機構を用いたが、観測範囲を移動させても、加工対象物の表面上の物点が受像面に結像する状態が維持される程度に、カメラの対物レンズの焦点深度が深ければ、カメラ移動機構を省略した構成のレーザ加工装置を作製することも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１（Ａ）は、本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図であり、図１（Ｂ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置が有するステージの概略側面図である。 ステージ座標系におけるアライメントマークの位置検出の精度を低下させる要因について説明するための加工対象物の断面図である。 第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。

符号の説明

１ 繰出しローラ
２ 加工対象物
３ ステージ
３ａ 保持面
４ ステージ昇降機構
５ａ、５ｂ 押し付け部材
６ａ、６ｂ （押し付け部材の）移動機構
７ 洗浄装置
８ 巻取りローラ
１０ レーザ光源
１１ レンズ
１２ レンズ移動機構
１３ ダイクロイックミラー
１４ 折り返しミラー
１５ 走査光学系
１５ｘ Ｘ用反射鏡
１５ｙ Ｙ用反射鏡
１５ｘａ Ｘ用揺動機構
１５ｙａ Ｙ用揺動機構
２０ 照明用光源
２１ カメラ
２１ａ 対物レンズ
２１ｂ 受像面
２２ カメラ移動機構
１００ 制御装置

Claims (11)

1. 観測範囲内の対象物を観測する観測装置と、
   観測対象物の表面の一部の領域が前記観測装置で観測されるように、該観測対象物の表面で反射または散乱された光を該観測装置まで導き、該観測装置の観測範囲を該観測対象物の表面内で移動させることができる走査光学系と
   を有する位置検出装置。
2. 前記観測装置が、対物レンズと受像面とを含み、さらに、前記対物レンズ及び受像面の少なくとも一方を、該対物レンズの光軸に平行な方向に移動させる観測装置移動機構を有する請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記観測対象物上にアライメントマークが形成されており、さらに、
   前記観測対象物の位置を拘束するステージと、
   前記観測対象物上のアライメントマークが前記観測装置の観測範囲内に配置されるように前記走査光学系を制御し、前記ステージに固定されたステージ座標系における前記観測範囲の位置を示す座標、及び前記観測範囲に固定された観測座標系におけるアライメントマークの座標に基づいて、該アライメントマークのステージ座標系における座標を算出する制御装置を有する請求項１または２に記載の位置検出装置。
4. 観測装置が、観測範囲内の対象物を観測し、走査光学系が、観測対象物の表面の一部の領域が前記観測装置で観測されるように、該観測対象物の表面で反射または散乱された光を該観測装置まで導くとともに、該観測装置の観測範囲を該観測対象物の表面内で移動させることができ、前記観測対象物上に、アライメントマークが形成されており、
   （ａ）前記観測装置の観測範囲を、前記観測対象物の表面内で、前記走査光学系により移動させ、該観測対象物上のアライメントマークを該観測範囲内に配置する工程と、
   （ｂ）前記観測装置で、該観測対象物上のアライメントマークを検出する工程と
   を有する位置検出方法。
5. 前記観測装置が、対物レンズと受像面とを含み、前記工程（ａ）において、観測範囲内にアライメントマークが配置されたとき、該観測範囲内の少なくとも１つの物点が、前記観測装置の受像面上に結像するような位置に、該観測装置の対物レンズ及び受像面が配置される請求項４に記載の位置検出方法。
6. 前記観測対象物の位置が、ステージに拘束されており、
   前記工程（ｂ）は、アライメントマークを検出した後に、前記観測範囲に固定された観測座標系における前記アライメントマークの座標を求める工程を含み、さらに、
   （ｃ）前記ステージに固定されたステージ座標系における前記観測範囲の位置を示す座標、及び前記観測座標系における前記アライメントマークの座標に基づいて、該アライメントマークのステージ座標系における座標を算出する工程を有する請求項４または５に記載の位置検出方法。
7. アライメントマークが形成された加工対象物の位置を拘束するステージと、
   レーザビームを出射するレーザ光源と、
   観測範囲内の対象物を観測する観測装置と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザビームの伝搬方向を振って、前記ステージに拘束された加工対象物に入射するレーザビームの入射位置を移動させることができるとともに、前記加工対象物の表面の一部の領域が前記観測装置で観測されるように、該加工対象物の表面で反射または散乱された光を該観測装置まで導き、該観測装置の観測範囲を該加工対象物の表面内で移動させることができる走査光学系と、
   前記加工対象物上のアライメントマークが前記観測装置の観測範囲内に配置されるように前記走査光学系を制御し、前記ステージに固定されたステージ座標系における前記観測範囲の位置を示す座標、及び前記観測範囲に固定された観測座標系におけるアライメントマークの座標に基づいて、該アライメントマークのステージ座標系における座標を算出し、該アライメントマークのステージ座標系における座標に基づいて、該加工対象物上のレーザビームを入射すべき被加工点のステージ座標系における座標を算出し、該被加工点のステージ座標系における座標に基づいて、該被加工点にレーザビームが入射するように、前記走査光学系を制御する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
8. さらに、第１の波長領域の光を透過させ、第２の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーを有し、
   前記レーザ光源は、前記第１の波長領域に含まれる波長のレーザビームを出射し、
   前記ダイクロイックミラーは、前記レーザ光源から出射して、前記走査光学系に入射するレーザビームの経路上に配置され、
   前記第２の波長領域に含まれる波長を有し、前記経路上を前記レーザビームと反対向きに伝搬して、前記走査光学系側から前記ダイクロイックミラーに入射する光が、該ダイクロイックミラーで反射されて、前記観測装置に入射するように、前記レーザ光源、観測装置、及びダイクロイックミラーが配置されている請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. さらに、第１の波長領域の光を反射し、第２の波長領域の光を透過させるダイクロイックミラーを有し、
   前記レーザ光源は、前記第１の波長領域に含まれる波長のレーザビームを出射し、
   前記ダイクロイックミラーは、前記レーザ光源から出射して、前記走査光学系に入射するレーザビームの経路上に配置され、
   前記第２の波長領域に含まれる波長を有し、前記経路上を前記レーザビームと反対向きに伝搬して、前記走査光学系側から前記ダイクロイックミラーに入射する光が、該ダイクロイックミラーを透過して、前記観測装置に入射するように、前記レーザ光源、観測装置、及びダイクロイックミラーが配置されている請求項７に記載のレーザ加工装置。
10. さらに、前記レーザ光源から出射して、前記走査光学系に入射するレーザビームの経路上に配置され、該レーザ光源から出射したレーザビームを収束させるレンズと、
    前記レンズの光軸と平行な方向に、該レンズを移動させるレンズ移動機構と
    を有する請求項７〜９のいずれに記載のレーザ加工装置。
11. ステージに拘束され、レーザビームを入射して加工すべき加工対象物に、アライメントマークが形成されており、
    （ａ）レーザビームの伝搬方向を振って、前記加工対象物に入射するレーザビームの入射位置を移動させることができるとともに、該加工対象物の表面の一部の領域が、観測範囲内の対象物を観測する観測装置により観測されるように、該加工対象物の表面で反射または散乱された光を該観測装置まで導き、該観測装置の観測範囲を該加工対象物の表面内で移動させることができる走査光学系を制御して、前記加工対象物上のアライメントマークを前記観測装置の観測範囲内に配置する工程と、
    （ｂ）前記観測範囲に固定された観測座標系における前記アライメントマークの座標を検出する工程と、
    （ｃ）前記ステージに固定されたステージ座標系における前記観測範囲の位置、及び前記観測座標系における前記アライメントマークの座標に基づいて、該アライメントマークのステージ座標系における座標を算出する工程と、
    （ｄ）前記工程（ｃ）で算出されたアライメントマークのステージ座標系における座標に基づいて、前記加工対象物上のレーザビームを入射すべき被加工点のステージ座標系における座標を算出する工程と、
    （ｅ）前記工程（ｄ）で算出された被加工点のステージ座標系における座標に基づいて、該被加工点にレーザビームが入射するように、前記走査光学系を制御し、該走査光学系から出射したレーザビームを該被加工点に入射させる工程と
    を有するレーザ加工方法。

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