JP2009291805A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタルマイクロミラーデバイスに代表される微小ミラーアレイ等の空間変調素子を用い、レーザビームの照射によって液晶基板等のガラス基板上に形成された配線パターンのパターン形成上の欠陥の修正等を行うレーザ加工装置において、カバーガラス下の空間変調素子でレーザビームを反射させ、かつ前記空間変調素子の損傷を極力押さえた上で、ガラス基板の表面上の高分子材料の膜だけを取り除くことのできるレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】レーザ光源から出射されたレーザビームを所望の形状で被加工物に照射するために配列された複数の微小可動素子を用いて空間変調する空間変調手段と、前記空間変調手段によって前記所望の形状に空間変調されたレーザビームの波長を他の波長に波長変換する非線形光学手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間変調素子を用いて、基板上に形成された配線パターンの欠陥を、レーザビームの照射によって修正すること等に用いられるレーザ加工装置に関する。

従来、液晶基板等のガラス基板上に形成された配線パターンのパターン形成上の欠陥を、レーザビームの照射によって修正するレーザ加工装置がある。このようなレーザ加工装置は、レーザビームを集光して欠陥箇所に照射し、異物や不要部分の金属薄膜等を蒸発させることにより欠陥を修正している。

レーザビームを照射する欠陥箇所の形状は様々であるので、例えば出力されたレーザビームを可変矩形開口に入射し、可変矩形開口をナイフエッジ状の絞り手段の移動により開閉して、レーザビームの断面形状を所望の大きさの矩形に整形して欠陥箇所に照射する方法が一般的である。また、空間変調素子としてデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を利用し、デジタルマイクロミラーデバイスを構成する微小ミラー片の角度を切り替えることによって、レーザビームの照射と遮蔽を切り替え、レーザビームの断面形状を任意の形状に整形する方法も知られている。

他方、レーザ加工装置が用いるレーザビームとしては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波である第１高調波（波長１０６４±２０ｎｍ）、第２高調波（波長５３２±１０ｎｍ）、第３高調波（波長３５５±７ｎｍ）または第４高調波（波長２６６±５ｎｍ）の短波長レーザビームを用いることができる。特に、第４高調波を用いたレーザ加工が注目を集めている。その理由は、ＴＦＴ基板等のガラス基板が薄膜化することに伴い、ガラス基板の表面上の高分子材料の膜だけを取り除くことが目標となっており、高分子材料は紫外領域のレーザビームの吸収が高いため第４高調波の照射により高分子材料のみを除去でき、下地へのダメージを軽減することができるからである。

なお、第２乃至第４高調波は、第１高調波の周波数を逓倍して出力することができる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２８５１８７号公報

しかしながら、ＤＭＤを囲っているカバーガラスは、第４高調波のような紫外光を透過し難いという難点がある。また、カバーガラスを外して直接第４高調波をＤＭＤに当てると、紫外光によりＤＭＤを構成する微小ミラー片に損傷を与えてしまう恐れがあるという問題点が生ずる。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、空間変調素子でレーザビームを反射させた際、前記空間変調素子の損傷を極力押さえるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、下記のような構成を採用した。
すなわち、本発明の一態様によれば、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光源から出射されたレーザビームを所望の形状で被加工物に照射するために配列された複数の微小可動素子を用いて空間変調する空間変調手段と、前記空間変調手段によって前記所望の形状に空間変調されたレーザビームの波長を他の波長に波長変換する非線形光学手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザ光源から出射されるレーザビームが、近赤外領域または可視領域のレーザビームであり、前記非線形光学手段が、近赤外領域または可視領域のレーザビームを紫外領域のレーザビームへ波長変換することが望ましい。

本発明によれば、空間変調素子での反射の後に、レーザビームの波長を紫外波長に波長変換するので、空間変調素子の損傷を押さえることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。すべての図面において、実施の形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。
図１は、本発明を適用したレーザ加工装置の構成を示す図である。
ここで、レーザ加工装置は、基板上の欠陥を修正する装置を例に説明する。

図１において、本発明を適用したレーザ加工装置は、レーザビームを発振するレーザ光源１と顕微鏡７とが光ファイバ３で接続され構成されている。レーザ光源１と光ファイバ３との間に、発振されたレーザビームを光ファイバ３の入射口に集光させるカップリングユニット２が接続されている。レーザ光源１としては、基本波長が１０６４ｎｍであるＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられている。また、それらを制御する主制御ＰＣ５０がそれぞれつながっている。顕微鏡７内にはレーザ光学系４５と観察光学系４４が対物レンズ１８を通る共通光路で結合されており、赤外光、可視光を透過し紫外領域の光を反射するダイクロイックミラー１４によって観察光学系４４とレーザ光学系４５とに分離されている。対物レンズ１８は、レボルバに複数の観察用対物レンズ、複数の加工用対物レンズを備える構成としてもよく、共通光路中で観察用対物レンズと加工用対物レンズとを切替えることもできる。

レーザ光学系４５は、微小ミラー片を２次元的に並べたＤＭＤに代表される空間変調素子６と、光ファイバ３から出射したレーザビームを空間変調素子６に投影するための投影ユニット４と、空間変調素子６に所定の角度からレーザビームを入射させるためのレーザ反射ミラー５とを有している。ここで、空間変調素子６は、カバーガラスを備えたものとするが、不要であれば省略してもよい。そして、空間変調素子６は、投影ユニット４によりレーザ光を全面に照射する。さらに、レーザ光学系４５は、空間変調素子６のレーザビームの射出側に、レーザビームの波長を変換する非線形光学素子８（波長変換素子）と第４高調波の単一波長付近のみを透過する波長選択手段としての干渉フィルタ９を有している。波長変換素子としては、ＫＴＰ（KTiOPO₄結晶：チタン酸リン酸カリウム結晶）、ＢＢＯ（β-BaB₂O₄結晶：ベータバリウムボライト結晶）の組み合わせや、強誘電体結晶である、ニオブ酸リチウム単結晶などが採用できる。なお、ダイクロイックミラー１４が干渉フィルタ９の透過する波長と同じ波長を反射するならば省略することもできる。さらに、レーザ光学系４５は、レーザ反射ミラー１０と、レーザビームを被加工物であるガラス基板１９上に結像させるためのレンズ１１とを有し、ダイクロイックミラー１４で観察光学系４４と光軸を同一にしている。

他方、観察光学系４４は、顕微鏡７に搭載されているＣＣＤカメラ１２へ結像するための結像レンズ１３と、レーザ光学系４５を共有して使用される対物レンズ１８とを備えている。また、照明光学系として、観察用の照明光源１５および照明光源１５から射出された照明光をガラス基板１９上に対物レンズ１８により結像させるため、照明光源１５からの光のコリメートを行う結像レンズ１６を備えている。

対物レンズ１８は、観察光学系４４、レーザ光学系４５の双方に共通する光路上に位置し、観察とレーザ加工、すなわちレーザリペアを同時にできるようになっている。また、顕微鏡７は、加工対象となるガラス基板１９を保持し、光軸に対し直交する面内で移動するステージ２０を有し、主制御ＰＣ５０のステージ制御部２５の指示により制御される。また、ステージ２０上には被加工物であるガラス基板１９が搭載されている。

主制御ＰＣ５０は、レーザ制御部２２、画像処理部２３、空間変調素子制御部２４、ステージ制御部２５を備える。また、主制御ＰＣ５０は、ネットワーク４６に接続され、各種情報が伝達されるようになっている。

レーザ制御部２２は、主制御ＰＣ５０の不図示の制御部でのアルゴリズムに従って、レーザ光の発振を制御する。
画像処理部２３は、ＣＣＤカメラ１２で撮像した欠陥部を含む画像と欠陥のない良品の同じ座標での画像を比較して、欠陥を抽出し、欠陥部分すなわちレーザ光を照射し修正を行う部分を、空間変調素子制御部２４に伝える。

空間変調素子制御部２４は、伝えられた修正すべき部分をＯＮとするようＤＭＤに指示する。
なお、主制御ＰＣ５０には、動作状況、欠陥等の確認を行うためにディスプレイ２１が接続されている。

また、レーザ光による欠陥の修正を行う際に設定される各種パラメータを入力するためのキーボード、マウス等も接続されている。
以下に、本レーザ加工装置の動作について説明する。

まず前提として、他の装置により、欠陥部座標情報が伝達され、その座標情報により、ガラス基板を載せたステージが移動し、観察光学系４４の視野内に欠陥がある状態におかれているものとする。また、ＣＣＤカメラ１２で撮像された欠陥を含む情報が伝達され、画像処理されて、欠陥が抽出され、ＤＭＤ（空間変調素子６）の微小ミラーをＯＮとする位置が指示できる状態であるものとする。

このように構成されたレーザ加工装置において、レーザ光源１は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波である５３２ｎｍのレーザビームを射出する。
レーザ制御部２２の指示により、レーザビームは、まず光ファイバ３に入射させるための集光レンズを有したカップリングユニット２に入り、カップリングユニット２で集光される。集光されたレーザビームは光ファイバ３に入射する。そして、光ファイバ３から射出した後、空間変調素子６へ投影するための投影レンズを有した投影ユニット４へ入射する。投影ユニット４を出たレーザ光は、レーザ反射ミラー５でレーザビームの方向を変えて空間変調素子６に入射する。空間変調素子６は、空間変調素子制御部２４からの指示により欠陥に対応するよう電気信号で各微小ミラー片のＯＮ／ＯＦＦをすることで２種類の角度で傾く仕組みになっている。微小ミラー片のＯＮの部位の微小ミラー片に入射したレーザビームのみが非線形光学素子８に偏向されるようになっている。

そして、空間変調素子６で欠陥の形状の光束に形成され非線形光学素子８に入射したレーザビームは、非線形光学素子８の作用により一部が、第４高調波である２６６ｎｍに変換される。非線形光学素子８を透過したレーザビームは、変換前の第２高調波である５３２ｎｍの波長の光と変換後の第４高調波である２６６ｎｍの波長の光が混合した状態である。この光が第４高調波である２６６ｎｍレーザビーム付近のみ透過すること干渉フィルタ９に入射する。干渉フィルタ９を透過したレーザビームが２６６ｎｍのほぼ単一波長のレーザビームとなる。

そして、レーザビームは、レンズ１１により、平行光束とされ、ダイクロイックミラー１４で対物レンズ１８方向へ反射する。
その後、観察用照明用のダイクロイックミラー１７を通過し、対物レンズ１８へ入射する。対物レンズ１８から射出したレーザビームは、レーザ光学系４５の結像倍率で縮小され、ガラス基板１９上の欠陥部分に照射され欠陥が修正される。

このような構成をとることにより、損傷がもっとも心配される光ファイバ３と空間変調素子６には可視領域のレーザビームを透過または反射させ、その後のレーザビームを非線形光学素子８と干渉フィルタ９を通過させることで紫外領域のレーザビームに変換してガラス基板１９上に照射する。

以上により、第４高調波である２６６ｎｍの波長の光で欠陥の修正を行う。ＤＭＤ（空間変調素子６）に入射したときの波長が５３２ｎｍであるので、カバーガラスを透過でき、光量の損失を少なくでき、かつＤＭＤ（空間変調素子６）の微小ミラー片へ紫外領域の光を当てることがないので、損傷を与え難いものとなっている。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ照射形状補正機能をさらに備えている。また、カップリングユニット２には可視照明を照射するガイド光用照明装置４３が搭載され、その照明光がレーザ光源１から射出されるレーザビームと合成されるようにビームスプリッタ４２を備えている。そして、この照明光は、レーザビームの光線用のガイド光照明になる。

空間変調素子６が備えるレーザ照射形状補正機能は、空間変調素子６を制御するコンピュータによって実現される。
図１の右側は、レーザ照射形状補正機能を実現するコンピュータ、すなわち、主制御ＰＣ５０の構成を示す図であり、図２は、各微小ミラー片を順次ＯＮする動作を説明するための図であり、図３は、ガラス基板１９上に照射されたガイド光を説明するための図である。

空間変調素子６を制御することによってレーザ照射形状補正機能を実現するコンピュータ（主制御ＰＣ５０）は、図１に示すように、各種の情報を表示するディスプレイ２１を有する汎用のパーソナルコンピュータ等であり、レーザ制御部２２、画像処理部２３、空間変調素子制御部２４およびステージ２０を制御するためのステージ制御部２５を備える。

レーザ照射形状補正機能は、次のような場合に実行される。すなわち、レーザ制御部２２がガイド光照明を照射した後、空間変調素子制御部２４が空間変調素子６で所望の形状になるよう各微小ミラー片をＯＮ／ＯＦＦさせると、照射されたガイド光照明は、レーザ光学系４５を通過し、対物レンズ１８下のガラス基板１９に照明される。そして、空間変調素子６で形成したガイド光照明の形状とガラス基板１９上に照明された形状とが一致しない場合、レーザ照射形状補正機能が実行される。

レーザ照射形状補正機能が実行されると、まず、図２に示すように、各微小ミラー片をエリア３１、３２、３３と順次ＯＮしていく。ＯＮにされたエリア３１、３２、３３のガイド光照明は、ガラス基板１９上に、例えば図３に示すガイド光照明エリア４１のように照明される。そして、その照明光をＣＣＤカメラ１２で取り込み、画像処理部２３がその照明位置、形状を認識する。この動作を繰り返し、空間変調素子６の全ての微小ミラー片を順次ＯＮさせていく。なお、エリア３１、３２、３３、・・・と繰り返しＯＮさせていくエリアは、ガラス基板１９上にガイド光照明が照明され、その照明光がＣＣＤカメラ１２で十分認識できる大きさとする。

このようにすることで、ガラス基板１９上に照射された形状（顕微鏡画像）と空間変調素子６で形成された形状とが一致するように補正をかけることができる。なお、補正データは、コンピュータ上に保管され、この補正データに基づいてレーザ加工が運用される。

非線形光学素子８を通過する光線の振る舞いは、正確にはどのようになるのか不明であるが、レーザ照射形状補正機能を実行することにより、空間変調素子６での各微小ミラー片のＯＮ／ＯＦＦの位置を補正することができ、所望のレーザ照射形状でガラス基板１９に対してレーザ加工が可能になる。ただし、ガイド光照明は様々な波長の光が混在しているので、ガイド光照明を補正することはできない。よって、レーザ照射形状補正機能の実行時にはガイド光照明を照射せず、ガイド光照明を照射する際にはレーザ照射形状補正機能を非動作にすることが望ましい。

なお、レーザ光源１からのレーザ光を光ファイバ３を用いて顕微鏡７に伝達する例で説明したが、光ファイバ３を用いずミラーのみを用いるか、または途中何も介さず直接ＤＭＤ（空間変調素子６）にレーザ光を照射する構成とすることが望ましい。このような構成により可視領域の波長から加工用の紫外領域の波長へ変換する際、波長変換素子への入射時の偏向方向のバラツキが減り、空間変調素子６にカバーガラスがあっても効率のよい波長変換が可能となる。

以上、本発明の各実施の形態を、図面を参照しながら説明してきたが、本発明が適用されるレーザ加工装置は、その機能が実行されるのであれば、上述の各実施の形態等に限定されることなく、単体の装置であっても、複数の装置からなるシステムあるいは統合装置であっても、ＬＡＮ、ＷＡＮ等のネットワークを介して処理が行なわれるシステムであってもよいことは言うまでもない。

すなわち、本発明は、以上に述べた各実施の形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は形状を取ることができる。

本発明を適用したレーザ加工装置の構成を示す図である。 各微小ミラー片を順次ＯＮする動作を説明するための図である。 ガラス基板１９上に照射されたガイド光を説明するための図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ カップリングユニット
３ 光ファイバ
４ 投影ユニット
５ レーザ反射ミラー
６ 空間変調素子
７ 顕微鏡
８ 非線形光学素子
９ 干渉フィルタ
１０ レーザ反射ミラー
１１ レンズ
１２ ＣＣＤカメラ
１３ 結像レンズ
１４ ダイクロイックミラー
１５ 照明光源
１６ 結像レンズ
１７ ダイクロイックミラー
１８ 対物レンズ
１９ ガラス基板
２０ ステージ
２１ ディスプレイ
２２ レーザ制御部
２３ 画像処理部
２４ 空間変調素子制御部
２５ ステージ制御部
３１ エリア
３２ エリア
３３ エリア
４１ ガイド光照明エリア
４２ ビームスプリッタ
４３ ガイド光用照明装置
４４ 観察光学系
４５ レーザ光学系
４６ ネットワーク
５０ 主制御ＰＣ

Claims (6)

1. レーザ光源から出射されたレーザビームを所望の形状で被加工物に照射するために配列された複数の微小可動素子を用いて空間変調する空間変調手段と、
   前記空間変調手段によって前記所望の形状に空間変調されたレーザビームの波長を他の波長に波長変換する非線形光学手段と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記レーザ光源から出射されるレーザビームは、近赤外領域または可視領域のレーザビームであり、
   前記非線形光学手段は、近赤外領域または可視領域のレーザビームを紫外領域のレーザビームへ波長変換する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記非線形光学手段によって波長変換された後のレーザビームのみを透過する波長選択手段、
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記空間変調手段によって空間変調されたレーザビームの形状と、前記非線形光学手段によって波長変換されたレーザビームが照明光学系を介して前記被加工物に照射された際の形状とが異なる場合、同一形状となるように、前記空間変調手段によって空間変調されたレーザビームを補正する補正手段、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記被加工物を観察するための顕微鏡装置、
   を備え、
   前記空間変調手段は、前記顕微鏡内部の中間結像位置に配置され、
   前記非線形光学手段および前記波長選択手段は、前記顕微鏡装置内部であって、前記レーザビームを前記被加工物に結像されるための決像レンズと前記空間変調手段との間に配置される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記空間変調手段は、複数の微小可動素子が縦横方向に配列して構成され、各微小可動素子が所定の２種類の角度の何れかに傾くことによって、前記所望の形状のレーザビームを形成する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のレーザ加工装置。