JP4503328B2 - 照射距離自動調整方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、照射距離自動調整方法及びその装置に関するものであり、詳しくはレーザ発振装置からのパルス・レーザを集束させる対物レンズとステージに載せた被照射物との間の照射距離自動調整方法及びその装置に関するものである。

従来、例えば薄膜トランジスタの結晶化シリコンの製造に際し、ガラス基板上に薄いａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）膜を形成した被照射物にレーザ光を照射して、ａ−Ｓｉ膜を結晶化して薄いｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）膜としている。このａ−Ｓｉ膜にレーザ光を照射する方法の一つとして、均一な強度のレーザ光をレチクル（マスク）にあてて、それを光学機器の対物レンズで被照射物のａ−Ｓｉ膜に投影し結像して、照射する方法が知られている。

これは、エキシマレーザを発生させるレーザ発振装置で生じさせたレーザ光を光学機器に導き、反射ミラーによつて適当に方向変換させると共に、整形して強度を均一化させた後、レチクル及び対物レンズを通すことにより方形のラインビーム（パルス・レーザ）に整形し、被照射物に照射して転写している。被照射物は、レーザアニール装置の真空雰囲気又は窒素雰囲気の処理室内に設置されている。

このような被照射物を相対移動させながらレーザを照射する場合において、対物レンズでレチクルの像を忠実に被照射物に結像させる方法として、特許文献１に記載されように、パルス・レーザの光軸から離れた位置に距離センサーを設置する方法が知られている。これは、被照射物に結像する像の大きさを変化させない方法であり、レチクルと対物レンズとの距離は一定にしておき、被照射物の位置を変えることにより、対物レンズからの被照射物までの距離を適切にして、被照射物へ結像させるものである。

すなわち、図６に示すようにレーザ発振装置１と、被照射物５を載せるステージ１０と、ステージ１０をレーザ発振装置１に対してＸ軸方向に相対移動させる移動装置２０とを備え、レチクル２１及び対物レンズ３を順次に通して対物レンズ３によつて集束させたレーザ発振装置１からのパルス・レーザ４を、ステージ１０に載せた被照射物５に所定間隔毎に照射させる照射距離自動調節方法において、
レーザ発振装置１、レチクル２１及び対物レンズ３に対してステージ１０を相対的に昇降移動させる昇降駆動装置３０と、
パルス・レーザ４の前記被照射物５への照射位置からステージ１０の進行方向後側に所定距離Ｌ１を隔てて基台２２側となるレーザ発振装置１側に設けられ、前記被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈを次々に測定し、検出値ｈｎを出力する距離センサー１３１と、ステージ１０に載せた被照射物５と対物レンズ３との間の適正な距離に対応する基本制御値Ｈを出力する基本制御値設定手段３２とを有し、
基本制御値Ｈと検出値ｈｎとの差値Δｎを次々に求めると共に、前に求めた差値Δｎ−１とその次に求めた差値Δｎとの差からなる制御差値δを求め、この制御差値δを、前記所定距離Ｌ１をステージ１０が移動するのに要する時間だけ遅延させて出力させるようにし、
制御差値δに応じて昇降駆動装置３０を駆動することにより、レチクル２１と対物レンズ３との間隔を一定に維持したままで、対物レンズ３とステージ１０に載せた被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離を制御することを特徴とする照射距離自動調節方法である。

しかして、被照射物を相対移動させながらレーザを照射する場合において、パルス・レーザの光軸から離した位置に距離センサーを設置して、レチクルと対物レンズとの間隔は一定に保持しながら、被照射物の位置を相対的に変えることにより、対物レンズから被照射物の照射面までの距離を適正かつ一定となるように調節・補正し、対物レンズによつてレチクルの像を良好に被照射物に結像させることができる。これにより、パルス・レーザを被照射物に比較的正確に照射させて高品質の製品を得ることが可能になる。
特開２００３−２８２４７７号公報

距離センサー１３１は、レーザ発振装置１側に設けられ、移動装置２０による所定距離Ｌ１だけパルス・レーザ４の照射位置から隔たる位置の被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈを次々に測定し、検出値ｈｎを出力するが、図７に示す平面視で、パルス・レーザ４の照射位置となるスキャン軸線ｘと同一スキャン軸線ｘ上に配設され、パルス・レーザ４の被照射物５へのスキャン軸線ｘとスキャン軸線ｘを異ならせて離隔していない。従つて、距離センサー１３１は、パルス・レーザ４の照射が現に行われている１つのスキャン軸線ｘ上での距離ｈを測定する。

このため、往復でパルス・レーザ４を照射する往復スキャン方式を採用し、被照射物５（又は被照射物５の照射範囲）の全面つまり全てのスキャン軸線ｘ上の前記距離ｈを測定するためには、パルス・レーザ４の照射位置の前後にそれぞれ距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）を設けなければならず、距離センサー１３１の個数が２個になるのみならず、２つの距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）を設置するスペースを確保する必要を生ずる。具体的には、パルス・レーザ４の被照射物５への照射位置、つまりレチクル２１及び対物レンズ３の光軸からステージ１０の進行方向の前後両側に対称に距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）を設けることになり、構造が複雑化する。

加えて、往路及び復路でそれぞれ専用の距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）を用いるとき、往路と復路とで使用する距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）の切換えが必要になるのみならず、被照射物５における同一の位置において、往路用・復路用それぞれの距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）で距離ｈを計測した際、同一の値が得られるように２つの距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）による測定値を較正する必要があり、煩雑化する。

更に、距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）によつて被照射物５（又は被照射物５の照射範囲）の端部から計測するときには、距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）による測定位置からレーザ照射位置（４）までの距離だけ余分に被照射物５を相対移動させなければならず、無駄な照射処理時間を多大に要していた。すなわち、図６において、距離センサー１３１は被照射物５の左端部の距離ｈから測定を開始するから、パルス・レーザ４は、被照射物５の左端から距離Ｌ１だけ離れた位置から照射が始まる。このため、２つの距離センサー１３１（Ｓ１，Ｓ２）を備え、往復でパルス・レーザ４を射する往復スキャン方式を採用したとき、往路及び復路の各先端部となる被照射物５から外れた箇所（図８に斜線を付して示す部分Ｄ１，Ｄ２）への余分な照射処理を伴うことになり、無駄な照射処理時間が多くなる。

本発明は、このような従来の技術的課題を解決するためになされたものであり、パルス・レーザ４の被照射物５のスキャン軸線ｘ上への照射位置からステージ１０の進行方向後側に前記スキャン軸線を異ならせて離隔し、照射範囲におけるレーザの走査方向にほぼ直角の方向に距離センサーを１つだけ設けることにより、レーザ照射処理時間が短く距離センサーの設置スペースが小さい照射距離自動調整方法を提供することをその目的としている。

本発明の構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、レーザ発振装置１と、被照射物５を載せるステージ１０と、ステージ１０をレーザ発振装置１に対して直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に相対移動させる移動装置２０とを備え、
ステージ１０をＸ軸方向の往路を移動させた後にＹ軸方向にスキャン間隔ｙに応じて変位させてＸ軸方向の復路を移動させる動作を連続的に行いながら、レチクル２１及び対物レンズ３を順次に通して対物レンズ３によつて集束させたレーザ発振装置１からのパルス・レーザ４をステージ１０に載せた被照射物５のスキャン軸線ｘ上に所定間隔毎に照射させる照射距離自動調整方法において、
レーザ発振装置１、レチクル２１及び対物レンズ３に対してステージ１０を相対的に昇降移動させる昇降駆動装置３０と、
レーザ発振装置１側に設けられ、パルス・レーザ４の前記被照射物５のスキャン軸線ｘ上への照射位置からステージ１０の進行方向後側となるＹ軸方向に前記スキャン軸線ｘを異ならせて離隔し、前記移動装置２０による所定距離Ｌに対応する距離だけパルス・レーザ４の照射位置から隔たる位置の前記被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈを次々に測定し、検出値ｈｎを出力する単一の距離センサー３１と、
ステージ１０に載せた被照射物５と対物レンズ３との間の適正な距離に対応する基本制御値Ｈを出力する基本制御値設定手段３２とを有し、
基本制御値Ｈと検出値ｈｎとの差値Δｎを次々に求めると共に、前に求めた差値Δｎ−１とその次に求めた差値Δｎとの差からなる制御差値δを求め、この制御差値δを、前記所定距離Ｌをステージ１０が移動するのに要する時間に応じて遅延させて出力させるようにし、
制御差値δに応じて昇降駆動装置３０を駆動することにより、レチクル２１と対物レンズ３との間隔を一定に維持したままで、対物レンズ３とステージ１０に載せた被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離を制御することを特徴とする照射距離自動調整方法である。
請求項２の発明は、レーザ発振装置１と、被照射物５を載せるステージ１０と、ステージ１０をレーザ発振装置１に対して直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に相対移動させる移動装置２０とを備え、ステージ１０をＸ軸方向の往路を移動させた後にＹ軸方向にスキャン間隔ｙに応じて変位させてＸ軸方向の復路を移動させる動作を連続的に行いながら、レチクル２１及び対物レンズ３を順次に通して対物レンズ３によつて集束させたレーザ発振装置１からのパルス・レーザ４をステージ１０に載せた被照射物５のスキャン軸線ｘ上に所定間隔毎に照射させる照射距離自動調整装置において、
レーザ発振装置１、レチクル２１及び対物レンズ３に対してステージ１０を相対的に昇降移動させる昇降駆動装置３０と、
レーザ発振装置１側に設けられ、パルス・レーザ４の前記被照射物５のスキャン軸線ｘ上への照射位置からステージ１０の進行方向後側となるＹ軸方向に前記スキャン軸線ｘを異ならせて離隔し、前記移動装置２０による所定距離Ｌに対応する距離だけパルス・レーザ４の照射位置から隔たる位置の前記被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈを次々に測定し、検出値ｈｎを出力する単一の距離センサー３１と、
ステージ１０に載せた被照射物５と対物レンズ３との間の適正な距離に対応する基本制御値Ｈを出力する基本制御値設定手段３２と、
基本制御値Ｈと検出値ｈｎとの差値Δｎを次々に求める第１演算手段３３と、
前に求めた差値Δｎ−１を記憶する記憶手段３５と、
前に求めた差値Δｎ−１とその次に求めた差値Δｎとの差からなる制御差値δを求める第２演算手段３６と、
この制御差値δを前記所定距離Ｌをステージ１０が移動するのに要する時間に応じて遅延させて出力させるための遅延手段３４とを有し、
制御差値δに応じて昇降駆動装置３０を駆動し、レチクル２１と対物レンズ３との間隔を一定に維持したままで、対物レンズ３とステージ１０に載せた被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離を制御することを特徴とする照射距離自動調整装置である。
請求項３の発明は、遅延手段３４が、第１のＦＩＦＯメモリー４５によつて構成され、検出値ｈｎを前記所定距離Ｌをステージ１０が移動するのに要する時間に応じて遅延させて出力させ、制御差値δの出力を遅延させることを特徴とする請求項２の照射距離自動調整装置である。
請求項４の発明は、記憶手段３５が、第２のＦＩＦＯメモリー４６によつて構成されることを特徴とする請求項２又は３の照射距離自動調整装置である。

請求項１，２によれば、パルス・レーザ４の照射位置に対して単一の距離センサー３１を設けるのみで、往復でパルス・レーザ４を照射する往復スキャン方式を採用し、被照射物５の全面つまり全てのスキャン軸線ｘ上の距離ｈを測定することができる。これにより、距離センサー３１の個数が減少し、使用する複数の距離センサー３１の切換え及び測定値同士の較正が不要になり、構造が著しく簡素化する。加えて、距離センサー３１が１つで済むので、その設置空間ひいてはステージ１０を収容する処理室の容積を削減することができる。

更に、被照射物５から外れた箇所への余分な距離センサー３１による計測及びパルス・レーザ４の照射を削減することが可能であり、計測・照射処理時間を短縮することができる。

図１〜図５は、本発明に係る照射距離自動調節装置の１実施の形態を示す。図２，図４中において符号１０はステージであり、図２に示すように基板からなる被照射物５をステージ１０上に載せた状態で、移動装置２０によりステージ１０をレーザ発振装置１からのパルス・レーザ４に対して直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に相対移動させる。

レーザ発振装置１は、図４（イ）に示すように基台２２に固設され、パルス・レーザからなるエキシマレーザを発生させ、発生させたレーザ光Ａ１をレチクル２１及び対物レンズ３を含む光学機器９に導き、反射ミラー７で方向転換させ、長軸ホモジナイザー２ａ及び短軸ホモジナイザー２ｂを通して整形して強度を均一化させた後、再度、反射ミラー８で方向転換させ、レチクル２１及び対物レンズ３を通すことにより、方形のラインビームからなるパルス・レーザ４に整形し、ステージ１０上に載せた被照射物５に投影・結像するように、照射している。レチクル２１及び対物レンズ３は、光軸を一致させて所定間隔に固定して配置され、この光軸（Ｚ軸方向）が被照射物５の照射面と直交している。被照射物５は、レーザアニール装置の真空雰囲気又は窒素雰囲気の処理室内に設置されている。

被照射物５は、図４に示すようにガラス基板６上に薄いａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）膜５ａを形成したもので、このａ−Ｓｉ膜５ａにパルス・レーザ４を照射することで、ａ−Ｓｉ膜５ａを結晶化して薄いｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）膜５ｂとしている。

ステージ１０は、Ｘ軸方向のスキャン軸線ｘからなる往路又は復路に沿つて移動させながらパルス・レーザ４を照射させさせた後、ステージ１０をスキャン軸線ｘと直交するＹ軸方向にスキャン間隔ｙだけ変位させ、被照射物５に復路又は往路の全幅に渡つてパルス・レーザ４を照射させる往復スキャン方式を行う。この動作の連続により、被照射物５の全面（照射範囲）にパルス・レーザ４を照射させ、全面が所定の照射回数（１〜２０回）に達した被照射物５を交換し、次々に被照射物５にパルス・レーザ４を照射させる。従つて、Ｘ軸方向は、一連のショットからなるパルス・レーザ４の照射部位を通る水平なスキャン軸線ｘの方向と一致し、また、パルス・レーザ４のＹ軸方向の幅であるスキャン軸線ｘの幅は、パルス・レーザ４のＹ軸方向への変位量であるスキャン間隔ｙ又はそれ以上の大きさを有し、パルス・レーザ４同士がＹ軸方向で重なり合うようになつている。

移動装置２０は、具体的には図３に示すＸ軸サーボ５５を有している。すなわち、サーボモータ４０を備え、サーボモータ４０の正逆の回転により、図外のボールねじ機構を介してステージ１０を所定間隔毎に間欠的又は連続的にＸ軸方向に往路移動させる。

移動装置２０のサーボモータ４０は、図３に示す駆動信号Ｒ４に基づいて、サーボ制御装置６０によつて駆動され、駆動信号Ｒ４から移動信号Ｚｎを減算して零になつたときに停止し、ステージ１０及び被照射物５も停止する。その後、図外のＹ軸サーボにより、ステージ１０をスキャン間隔ｙで間欠的にＹ軸方向の１側に移動させる。

続いて、サーボモータ４０が逆回転駆動され、駆動信号Ｒ４から移動信号Ｚｎを減算して零になつたときに再度停止し、復路移動するステージ１０及び被照射物５も停止する。その後、図外のＹ軸サーボにより、ステージ１０をスキャン間隔ｙで間欠的にＹ軸方向の１側に移動させる。

この繰り返しにより、ステージ１０上の被照射物５がレーザ発振装置１からのパルス・レーザ４に対してＸ軸方向に相対往復移動する。

移動信号Ｚｎは、サーボモータ４０の回転数（回転角度）をロータリエンコーダ４１によつて検出し、その検出パルスが第１のカウンター４２によつて計数され、ステージ１０の移動長さが所定値となる毎にパルス信号として得られる。従つて、移動信号Ｚｎは、１つのパルス毎にステージ１０の所定の移動長さに対応している。

Ｘ軸サーボ５５により図４（イ）上で左から右へ移動するステージ１０の具体的な速度は１００〜８００ｍｍ／ｓｅｃ程度である。間欠的に照射されるパルス・レーザ４は、例えば毎秒５０〜１，０００回発光し、１ショットの発光している時間は２ｎｓｅｃ〜１０μｓｅｃ程度である。このように、ステージ１０の移動速度に比較してパルス・レーザ４が発光している時間は非常に短いため、ステージ１０を連続移動させながらでも、Ｘ軸サーボ５５に設けられてＸ軸方向の位置を示す第１カウンター４２の値によつて、パルス・レーザ４を等間隔に照射することができる。すなわち、サーボモータ４０によるステージ１０の駆動は、一々照射する場所で一旦停止させて照射させる間欠的照射をしなくても事実上問題なく照射ができる。

この移動信号Ｚｎは、第２のカウンター４３によつてカウントされ、計数値１／Ｎ１になる毎に、ステージ１０の所定間隔の移動毎として、パルス・レーザ４を発振させる信号Ｉを出力し、この信号Ｉによつてレーザ発振装置１を駆動させ、パルス・レーザ４を照射させる。従つて、ステージ１０上の被照射物５に対し、所定の間隔の距離・位置に次々にパルス・レーザ４が照射される。

そして、図１に示すように、昇降駆動装置３０、距離センサー３１、基本制御値設定手段３２、第１演算手段３３、遅延手段３４、記憶手段３５及び第２演算手段３６を設ける。

昇降駆動装置３０は、レーザ発振装置１、レチクル２１及び対物レンズ３に対してステージ１０を相対的に昇降移動させる機能を有し、図２に示す正逆に回転駆動されるサーボモータ５３により、ボール・スクリュ機構３７を介して第１傾斜ブロック３８を水平方向に進退駆動させる。これにより、第１傾斜ブロック３８に傾斜面で係合する第２傾斜ブロック３９が昇降するので、第２傾斜ブロック３９と一体のステージ１０がＺ軸方向に昇降する。第１傾斜ブロック３８は、基台２２側に水平方向の摺動自在に支持され、ステージ１０は、基台２２側に上下方向の摺動自在に支持されている。

距離センサー３１は、パルス・レーザ４の被照射物５への照射位置に対し、平面視でスキャン軸線ｘと直交する方向に位置し、図２に示すようにパルス・レーザ４のステージ１０に載せた被照射物５への照射位置から、ステージ１０の進行方向後側に所定距離Ｌを隔てて、基台２２側となるレーザ発振装置１側に設けられ、被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との間のＺ軸方向の距離ｈを測定する。この所定距離Ｌは、移動装置２０によりステージ１０が移動する距離であり、具体的には図５に示すように２つのスキャン軸線ｘ及び２つのスキャン間隔ｙの長さに対応する距離である。この所定距離Ｌをパルス・レーザ４の発光（１ショット）で進むステージ１０の移動距離の整数倍に正確に合致させれば、距離センサー３１による測定位置にパルス・レーザ４を照射させることが可能になるが、整数倍に正確に合致させることは必須ではない。また、平面視で距離センサー３１とパルス・レーザ４の被照射物５への照射位置との間のＹ軸方向の距離をスキャン軸線ｘの間隔（スキャン間隔ｙ）の整数倍に正確に合致させれば、距離センサー３１による測定位置にパルス・レーザ４を照射させることが可能になるが、整数倍に正確に合致させることは必須ではない。

距離センサー３１によつて測定される距離ｈは、レチクル２１及び対物レンズ３を通過後、被照射物５に照射されるパルス・レーザ４の光軸と平行に位置している。この距離センサー３１により、被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈが所定間隔で次々に測定され、検出値ｈｎが次々に出力される。しかして、距離センサー３１は、レーザ発振装置１側に設けられ、パルス・レーザ４の被照射物５のスキャン軸線ｘ上への照射位置からステージ１０の進行方向後側にスキャン軸線ｘを異ならせて離隔し、移動装置２０による所定距離Ｌに対応する距離だけパルス・レーザ４の照射位置から隔たる位置の被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈを次々に測定し、検出値ｈｎを出力する。

基本制御値設定手段３２、遅延手段３４、第１演算手段３３、記憶手段３５及び第２演算手段３６は、マイクロコンピュータによつて構成される。基本制御値設定手段３２は、被照射物５の表面が凹凸のない平坦であるときに、均一厚さのステージ１０に載せた被照射物５と対物レンズ３との間の適正な距離に対応する基本制御値Ｈを出力する。つまり、基本制御値Ｈは、レチクル２１が被照射物５上に正しく結像しているときのステージ１０に載せた被照射物５の初期状態の位置設定値であり、一度設定すれば変更する必要はない。この被照射物５のパルス・レーザ４の照射面と対物レンズ３との間の適正な距離は、距離センサー３１によつて計測される適正な距離ｈと対応している。

遅延手段３４は、距離センサー３１の検出値ｈｎを、前記所定距離Ｌをステージ１０が移動するのに要する所定時間に応じて遅延させて出力し、前記所定距離Ｌをステージ１０が移動したときに被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈを適正にする。但し、遅延手段３４は、最終的に後記する制御差値δを所定時間に応じて遅延させて昇降駆動装置３０に出力するように設ければよい。従つて、遅延手段３４は、第２演算手段３６と昇降駆動装置３０との間に配置することも可能である。

第１演算手段３３は、基本制御値設定手段３２によつて設定される基本制御値Ｈと距離センサー３１の検出値ｈｎとの差値Δｎを、Ｈ−ｈｎ＝Δｎによつて求め、差値Δｎを出力する。

記憶手段３５は、第１演算手段３３から次々に出力される差値Δｎの内、前回求めた差値Δｎ−１を次々に記憶する。第２演算手段３６は、記憶手段３５に記憶させた前に求めた差値Δｎ−１と、次に求めた差値Δｎとの差からなる制御差値δを、Δｎ−（Δｎ−１）＝δによつて演算する。

そして、制御差値δに応じて昇降駆動装置３０を駆動し、レチクル２１と対物レンズ３との間の距離を一定に維持したままで、ステージ１０に載せた被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈ、ひいては対物レンズ３とステージ１０に載せた被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離を適正となるように制御する。

照射距離自動調節装置の具体的な構成について図３を参照して説明する。照射距離自動調節装置は、第１のＦＩＦＯ（First In First Out）メモリー４５及び第２のＦＩＦＯメモリー４６を用いた信号処理部５７、ステージ１０を上下方向に駆動するＺ軸サーボ５６及び距離センサー３１を有する。ＦＩＦＯメモリー４５，４６は、フィールド画像メモリーともいわれ、データを格納し、取り出して使用する場合に、格納した順番に先のデータから取り出せるメモリーである。

ＦＩＦＯメモリー４５，４６を用いた信号処理部５７では、予め、前記移動信号Ｚｎが第３カウンター４４によつて計数され、計数値１／Ｎ２になる毎にパルス信号Ｊを出力し、パルス信号Ｊが出力されたときに、信号処理部５７が動作し、ＦＩＦＯメモリー４５，４６を用いた計算などを行う。従つて、パルス信号Ｊは、駆動信号Ｒ４に基づいて発生する。

ここで、移動装置２０によつてステージ１０をＸ軸方向に移動させれば、移動信号Ｚｎのパルスが発生し、１パルス（Ｐ）当たりのステージ１０の移動距離は、０．０１〜１０μｍ／Ｐ程度である。例えば、移動信号Ｚｎが１μｍ／Ｐの場合で説明を続ける。第２のカウンター４３は移動信号Ｚｎのパルスを計数してＮ１カウント毎にパルス信号Ｉを一つレーザ発振装置１へ出力してパルス・レーザ４を発光させる。具体例としてＮ１は１，０００で１ｍｍおきにパルス・レーザ４を照射させる。一方、第３のカウンター４４はＮ２カウント毎にパルス信号Ｊを出力し、パルス信号Ｊが出力されたときに、信号処理部５７の計算などを行う。

一般的に、第１のＦＩＦＯメモリー４５の段数（図３の第１のＦＩＦＯメモリー４５ではｎ段）をＭとし、図２の距離Ｌｍｍ（２x ＋ｙ）から、Ｌ／Ｍｍｍ毎に距離センサー３１の検出値ｈｎを第１のＦＩＦＯメモリー４５から取り出して計算させれば、距離センサー３１の検出値ｈｎを前記所定距離Ｌをステージ１０が移動するのに要する時間に応じて遅延させて計算させることができる。従つて、第３カウンター４４のカウント数Ｎ２の値を、Ｌ／Ｍ／１μｍに設定すれば、ステージ１０の移動に合わせて昇降駆動装置３０の駆動を行うことができる。Ｎ２の値をＮ１の値に一致させて同一にすれば、パルス・レーザ４の発光に合わせて、距離センサー３１の検出値ｈｎに基づく昇降駆動装置３０の駆動を行うことができる。但し、パルス・レーザ４の発光（１ショット）に合わせて、昇降駆動装置３０の駆動を行うことは、必須ではない。

第１のＦＩＦＯメモリー４５は、距離センサー３１の検出値ｈｎが所定時間経過毎（Ｎ２カウント毎）に入力され、これが順次にＭ１，Ｍ２，Ｍ３・・・Ｍｎへと移動し、検出値ｈｎが所定時間に応じて遅延してＭｎから出力させる。従つて、第１のＦＩＦＯメモリー４５は、距離センサー３１の検出値ｈｎを前記所定距離Ｌをステージ１０が移動するのに要する時間に応じて遅延させて出力させる遅延手段３４として機能する。但し、この距離センサー３１の検出値ｈｎは、後に制御差値δに変化するので、制御差値δを前記所定距離Ｌをステージ１０が移動するのに要する時間に応じて遅延させて出力させても作用は同様である。

第１のＦＩＦＯメモリー４５から取り出された検出値ｈｎは、図３に示す第１演算手段３３に至り、基本制御値設定手段３２から出力される基本制御値Ｈと検出値ｈｎとの差値Δｎを、Ｈ−ｈｎ＝Δｎとして次々に求める。

第２のＦＩＦＯメモリー４６は、第１演算手段３３から出力される差値Δｎを次々に格納・記憶する。そして、次のパルス信号Ｊが出力されたときに、第１のＦＩＦＯメモリー４５から今回出力された距離センサー３１の検出値ｈｎと基本制御値Ｈとの差値Δｎが求められ、この差値Δｎが、第２のＦＩＦＯメモリー４６に格納・記憶されると共に、第２のＦＩＦＯメモリー４６を迂回し、図３に示す第２演算手段３６に至る。

第２演算手段３６では、第２のＦＩＦＯメモリー４６から取り出された前回の差値Δｎ−１と今回の差値Δｎとの差からなる制御差値δが、Δｎ−（Δｎ−１）＝δとして次々に求められる。従つて、第２のＦＩＦＯメモリー４６は、前に求めた差値Δｎ−１を記憶する記憶手段３５として機能する。

制御差値δは、Ｚ軸サーボ５６に入力する。Ｚ軸サーボ５６は、サーボモータ５３を備え、サーボモータ５３を正又は逆回転させ、図２に示すボールねじ機構３７を介してステージ１０を上下移動させる。

Ｚ軸サーボ５６のサーボモータ５３は、図３に示す制御差値δに基づいて、サーボ制御装置６１によつて制御されながら駆動され、駆動信号となる制御差値δから昇降移動信号Ｚｎ２を減算して零になつたときに停止し、ステージ１０及び被照射物５も停止する。昇降移動信号Ｚｎ２は、サーボモータ５３の回転数（回転角度）をロータリエンコーダ５１によつて検出し、その検出パルスが第４のカウンター５２によつて計数され、ステージ１０の昇降移動長さが所定値となる毎にパルス信号として得られる。従つて、昇降移動信号Ｚｎ２は、１つのパルス毎にステージ１０の所定の昇降移動長さに対応している。

次に、上記１実施の形態の作用について説明する。
当初、基本制御値設定手段３２に基本制御値Ｈが設定され、ステージ１０に載せた被照射物５と対物レンズ３との間の距離が、基本的厚さが同一の多数枚の被照射物５に対して適正な状態にしてある。従つて、距離センサー３１の高さ位置は、適正な距離ｈの状態にあり、図４（イ）上で被照射物５の左端部の距離ｈ、つまり図５上で往路照射開始位置Ｂ１から測定を開始する。このとき、パルス・レーザ４は、被照射物５から外れた処理開始位置Ｄにある。すなわち、平面視で、距離センサー３１が、パルス・レーザ４の被照射物５への最初の照射位置となる１つのスキャン軸線ｘ３の左端部つまり往路照射開始位置Ｂ１にあるとき、パルス・レーザ４は、スキャン軸線ｘ３からステージ１０の進行方向後側に２つのスキャン軸線を異ならせたスキャン軸線ｘ１上に移動に要する所定距離Ｌとして離隔している。

そして、１つのスキャン軸線ｘ３の距離ｈの測定が終了した後に図外のＹ軸サーボによつてステージ１０を１つのスキャン間隔ｙ１だけＹ軸方向の１側に変位させ、同様に復路照射開始位置Ｂ２を含む次のスキャン軸線ｘ４の右端部から距離ｈを次々に測定する。スキャン軸線ｘ４の左端部までの距離ｈを測定し終えたなら、１つのスキャン間隔ｙ１と同じスキャン間隔ｙ３だけＹ軸方向の１側に変位させ、同様に往路照射開始位置Ｂ３を含む次のスキャン軸線ｘ５の左端部から距離ｈの測定を開始する。

パルス・レーザ４のスキャン間隔ｙ２の変位と同時に、パルス・レーザ４が往路照射開始位置Ｂ１に至るので、以後、パルス・レーザ４の被照射物５への照射が継続される。被照射物５上の最後のスキャン軸線ｘｎ上へのパルス・レーザ４の所定回数の照射が終了することにより、被照射物５への処理が終了する。

すなわち、駆動信号Ｒ４に基づいて、移動装置２０が上述したようにサーボ制御装置６０によつて駆動され、ステージ１０に載せた被照射物５が図５上で左右への移動を行いながら、距離センサー３１により、被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈが所定間隔で次々に測定され、信号Ｉによつてレーザ発振装置１が駆動され、パルス・レーザ４が照射される。距離センサー３１は被照射物５の往路照射開始位置Ｂ１の距離ｈから測定を開始するから、パルス・レーザ４は、被照射物５のへの最初の照射位置となる１つのスキャン軸線ｘ３から距離Ｌだけ離れた位置つまりスキャン軸線ｘ１上の処理開始位置Ｄから照射が始まる。

一方、距離センサー３１により、被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈが所定間隔で次々に測定され、検出値ｈｎが次々に遅延手段３４を介して前記所定距離Ｌをステージ１０が移動するのに要する時間だけ遅延させて出力され、第１演算手段３３に入力されると共に、基本制御値設定手段３２からの基本制御値Ｈが第１演算手段３３に入力される。第１演算手段３３では、検出値ｈｎの発生毎に、基本制御値Ｈと検出値ｈｎとの差値Δｎを次々に求める。

この差値Δｎは、記憶手段３５に次々に記憶されると共に、第２演算手段３６にも入り、第２演算手段３６において、記憶手段３５から得られる前に求めた差値Δｎ−１とその次に求めた差値Δｎとの差からなる制御差値δ（Δｎ−（Δｎ−１）＝δ）が次々に演算される。

そして、次々に求められる制御差値δに基づいて、パルス・レーザ４の照射位置が往路照射開始位置Ｂ１を通過した後から昇降駆動装置３０が次々に駆動され、レーザ発振装置１、レチクル２１及び対物レンズ３に対してステージ１０を相対的に昇降移動させ、ステージ１０上の被照射物５の照射範囲の高さを適正にしながら、パルス・レーザ４が照射される。

例えば、被照射物５の照射面が凹部を形成し、差値Δｎがマイナスの値であるときは、昇降駆動装置３０により、レチクル２１及び対物レンズ３に対してステージ１０を相対的に上昇移動させ、パルス・レーザ４の照射時の被照射物５の照射面の高さ位置を基本制御値Ｈによる適正高さに合致させる。一方、被照射物５の照射面が凸部を形成し、差値Δｎがプラスの値であるときは、昇降駆動装置３０により、レチクル２１及び対物レンズ３に対してステージ１０を相対的に下降移動させ、パルス・レーザ４の照射時の被照射物５の照射面の高さ位置を基本制御値Ｈによる適正高さに合致させる。かくして、レチクル２１及び対物レンズ３に対して被照射物５の照射面の高さ位置が適正な状態で、パルス・レーザ４が照射され続けることになる。勿論、移動装置２０は、ステージ１０の昇降動作を支障しないようになつている。

このようにして、被照射物５の照射範囲の高さの調整は、往路照射開始位置Ｂ１の通過後から開始され、被照射物５上の最後のスキャン軸線ｘｎ上へのパルス・レーザ４の照射が終了するまでの間、継続して行われる。これにより、被照射物５の照射範囲の高さの測定開始と同時にパルス・レーザ４の照射を開始し、被照射物５の照射範囲の全てのパルス・レーザ４の照射が終了するまでの間で、パルス・レーザ４の照射が被照射物５の照射範囲から外れる無駄な範囲は、２つのスキャン軸線ｘ１，ｘ２上における照射のみにすることが可能になる。このように、パルス・レーザ４の照射が被照射物５の照射範囲から外れる無駄の範囲が、被照射物５の片側（図５上で上側）のみとなることにより、狭小とさせ、被照射物５に対する短時間の能率的な処理を可能にすることができる。

次に、距離センサー３１の検出値ｈｎが図３に示すＦＩＦＯメモリー４５に入力される場合について説明する。このときは、距離センサー３１により、被照射物５のパルス・レーザ４の照射面との距離ｈが測定され、パルス信号Ｊが出力されたときに、検出値ｈｎが次々に信号処理部５７の第１のＦＩＦＯメモリー４５に入力されると共に、ＦＩＦＯメモリー４５，４６を用いた計算が行われる。すなわち、検出値ｈｎが遅延手段３３である第１のＦＩＦＯメモリー４５に次々に入力されながら、ステージ１０及び被照射物５が移動し、ｎ＋１回目の検出値ｈｎの入力と同時に第１のＦＩＦＯメモリー４５に１回目に入力された検出値ｈｎが出力される。この遅延した検出値ｈｎが演算手段３３に至り、基本制御値設定手段３２の基本制御値Ｈを得て、その差値Δｎが演算される。この差値Δｎは、記憶手段３５である第２のＦＩＦＯメモリー４６に記憶される。

続いて、次のパルス信号Ｊが出力されたときに、第１のＦＩＦＯメモリー４５から次の検出値ｈｎが出力されると共に、第２のＦＩＦＯメモリー４６に記憶された差値Δｎが前に求めた差値Δｎ−１として第２演算手段３６に入り、第２演算手段３６において、第２のＦＩＦＯメモリー４６から得られる前回の差値Δｎ−１と今回の差値Δｎとの差からなる制御差値δ（Δｎ−（Δｎ−１）＝δ）が演算される。

この制御差値δに基づいて、昇降駆動装置３０が駆動され、レーザ発振装置１、レチクル２１及び対物レンズ３に対してステージ１０を相対的に昇降移動させ、ステージ１０上の被照射物５の照射部分（往路照射開始位置Ｂ１を通過後）の高さを適正に制御しながら、パルス・レーザ４が照射される。

これにより、レチクル２１と対物レンズ３との間隔は一定に保持しながら、対物レンズ３から被照射物５までの距離を、被照射物５の位置を相対的に変えることにより調節・補正する。かくして、対物レンズ３によつてレチクル２１の像を忠実に被照射物５に結像させることができる。しかも、距離センサー３１をレチクル２１及び対物レンズ３の光軸から離して配置して、常に光軸上の対物レンズ３から被照射物５の結像面（照射面）までの距離を一定に制御することができる。

ところで、上記１実施の形態にあつては、移動装置２０により、ステージ１０をレーザ発振装置１からのパルス・レーザ４に対して水平なＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させたが、ステージ１０を移動させることに代えて、レーザ発振装置１、光学機器９、レチクル２１及び対物レンズ３を一体としてＸ軸方向及びＹ軸方向の反対方向に移動させることも可能である。また、昇降駆動装置３０により、レーザ発振装置１、光学機器９、レチクル２１及び対物レンズ３に対してステージ１０を昇降移動させることに代えて、レーザ発振装置１、光学機器９、レチクル２１及び対物レンズ３を一体として昇降移動させることも可能である。

本発明の１実施の形態に係る照射距離自動調節装置の構成要素を示す図。 同じく要部を示す側面図。 同じくステージを移動させるＸ軸サーボ、照射距離自動調節装置を作動させるＺ軸サーボ及びレーザ発振装置の駆動を関連させて得るための構造を示す図。 同じくレーザ発振装置からのパルス・レーザをステージ上の被照射物に照射する状態を示し、（イ）は正面図、（ロ）は右側面図。 同じく作用説明用の平面図。 従来の対物レンズと被照射物との光軸上での距離を計測する装置を示す正面図。 同じく作用説明図。 同じく作用説明図。

符号の説明

１：レーザ発振装置
３：対物レンズ
４：パルス・レーザ
５：被照射物
１０：ステージ
２０：移動装置
２１：レチクル
３０：昇降駆動装置
３１：距離センサー
３２：基本制御値設定手段
３３：第１演算手段
３４：遅延手段
３５：記憶手段
３６：第２演算手段
４５：第１のＦＩＦＯメモリー
４６：第２のＦＩＦＯメモリー
Ｈ：基本制御値
ｈ：距離
ｈｎ：検出値
Ｌ：所定距離
δ：制御差値
Δｎ：差値
Δｎ−１：前に求めた差値
ｘ：スキャン軸線
ｙ：スキャン間隔

Claims (4)

1. レーザ発振装置（１）と、被照射物（５）を載せるステージ（１０）と、ステージ（１０）をレーザ発振装置（１）に対して直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に相対移動させる移動装置（２０）とを備え、
   ステージ（１０）をＸ軸方向の往路を移動させた後にＹ軸方向にスキャン間隔（ｙ）に応じて変位させてＸ軸方向の復路を移動させる動作を連続的に行いながら、レチクル（２１）及び対物レンズ（３）を順次に通して対物レンズ（３）によつて集束させたレーザ発振装置（１）からのパルス・レーザ（４）をステージ（１０）に載せた被照射物（５）のスキャン軸線（ｘ）上に所定間隔毎に照射させる照射距離自動調整方法において、
   レーザ発振装置（１）、レチクル（２１）及び対物レンズ（３）に対してステージ（１０）を相対的に昇降移動させる昇降駆動装置（３０）と、
   レーザ発振装置（１）側に設けられ、パルス・レーザ（４）の前記被照射物（５）のスキャン軸線（ｘ）上への照射位置からステージ（１０）の進行方向後側となるＹ軸方向に前記スキャン軸線（ｘ）を異ならせて離隔し、前記移動装置（２０）による所定距離（Ｌ）に対応する距離だけパルス・レーザ（４）の照射位置から隔たる位置の前記被照射物（５）のパルス・レーザ（４）の照射面との距離（ｈ）を次々に測定し、検出値（ｈｎ）を出力する単一の距離センサー（３１）と、
   ステージ（１０）に載せた被照射物（５）と対物レンズ（３）との間の適正な距離に対応する基本制御値（Ｈ）を出力する基本制御値設定手段（３２）とを有し、
   基本制御値（Ｈ）と検出値（ｈｎ）との差値（Δｎ）を次々に求めると共に、前に求めた差値（Δｎ−１）とその次に求めた差値（Δｎ）との差からなる制御差値（δ）を求め、この制御差値（δ）を、前記所定距離（Ｌ）をステージ（１０）が移動するのに要する時間に応じて遅延させて出力させるようにし、
   制御差値（δ）に応じて昇降駆動装置（３０）を駆動することにより、レチクル（２１）と対物レンズ（３）との間隔を一定に維持したままで、対物レンズ（３）とステージ（１０）に載せた被照射物（５）のパルス・レーザ（４）の照射面との距離を制御することを特徴とする照射距離自動調整方法。
2. レーザ発振装置（１）と、被照射物（５）を載せるステージ（１０）と、ステージ（１０）をレーザ発振装置（１）に対して直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に相対移動させる移動装置（２０）とを備え、ステージ（１０）をＸ軸方向の往路を移動させた後にＹ軸方向にスキャン間隔（ｙ）に応じて変位させてＸ軸方向の復路を移動させる動作を連続的に行いながら、レチクル（２１）及び対物レンズ（３）を順次に通して対物レンズ（３）によつて集束させたレーザ発振装置（１）からのパルス・レーザ（４）をステージ（１０）に載せた被照射物（５）のスキャン軸線（ｘ）上に所定間隔毎に照射させる照射距離自動調整装置において、
   レーザ発振装置（１）、レチクル（２１）及び対物レンズ（３）に対してステージ（１０）を相対的に昇降移動させる昇降駆動装置（３０）と、
   レーザ発振装置（１）側に設けられ、パルス・レーザ（４）の前記被照射物（５）のスキャン軸線（ｘ）上への照射位置からステージ（１０）の進行方向後側となるＹ軸方向に前記スキャン軸線（ｘ）を異ならせて離隔し、前記移動装置（２０）による所定距離（Ｌ）に対応する距離だけパルス・レーザ（４）の照射位置から隔たる位置の前記被照射物（５）のパルス・レーザ（４）の照射面との距離（ｈ）を次々に測定し、検出値（ｈｎ）を出力する単一の距離センサー（３１）と、
   ステージ（１０）に載せた被照射物（５）と対物レンズ（３）との間の適正な距離に対応する基本制御値（Ｈ）を出力する基本制御値設定手段（３２）と、
   基本制御値（Ｈ）と検出値（ｈｎ）との差値（Δｎ）を次々に求める第１演算手段（３３）と、
   前に求めた差値（Δｎ−１）を記憶する記憶手段（３５）と、
   前に求めた差値（Δｎ−１）とその次に求めた差値（Δｎ）との差からなる制御差値（δ）を求める第２演算手段（３６）と、
   この制御差値（δ）を前記所定距離（Ｌ）をステージ（１０）が移動するのに要する時間に応じて遅延させて出力させるための遅延手段（３４）とを有し、
   制御差値（δ）に応じて昇降駆動装置（３０）を駆動し、レチクル（２１）と対物レンズ（３）との間隔を一定に維持したままで、対物レンズ（３）とステージ（１０）に載せた被照射物（５）のパルス・レーザ（４）の照射面との距離を制御することを特徴とする照射距離自動調整装置。
3. 遅延手段（３４）が、第１のＦＩＦＯメモリー（４５）によつて構成され、検出値（ｈｎ）を前記所定距離（Ｌ）をステージ（１０）が移動するのに要する時間に応じて遅延させて出力させ、制御差値（δ）の出力を遅延させることを特徴とする請求項２の照射距離自動調整装置。
4. 記憶手段（３５）が、第２のＦＩＦＯメモリー（４６）によつて構成されることを特徴とする請求項２又は３の照射距離自動調整装置。

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