JP5137488B2 - レーザ照射装置およびそれを用いたレーザ加工システム - Google Patents

レーザ照射装置およびそれを用いたレーザ加工システム Download PDF

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Description

本発明は、レーザ照射装置およびそれを用いたレーザ加工システムに関する。
従来、レーザ光を被加工物の所望領域に照射することにより加工を行うレーザ加工装置(レーザ照射装置)が知られている。例えば、液晶ディスプレイなどの製造において、ガラス基板上の配線パターンや、露光に用いるフォトマスクに存在する不要な残留物などの欠陥部を修正する手段として、レーザリペア装置が知られている。
例えば、特許文献1には、レーザ源と、被加工物を載置する加工テーブルと、微小ミラーアレイ(マイクロミラーアレイ)とを備え、微小ミラーアレイの複数のミラー片の角度を、ON/OFF制御することで切り換えて、被加工物に任意のパターン形状を形成するレーザ加工装置が記載されている。
ところが、特許文献2に記載されているように、このようなレーザ加工装置では、微小ミラーアレイに対するレーザ光の入射角を固定した状態で、波長を変更するとレーザ光の利用効率を低下させる現象が発生するという問題がある。
すなわち、マイクロミラーアレイを用いたレーザ加工装置では、マイクロミラーアレイの像を顕微鏡で被加工物上に縮小投影する。マイクロミラーアレイは小型ミラーを等間隔に配列した構造なので、そこから反射されたレーザ光は複数の回折光に分かれる。しかし、一般に顕微鏡の後側開口数は小さいので、複数に分かれた回折光をすべて入射することができない。
例えば、図8は、YAGレーザの第2高調波(波長λ=532nm)と第3高調波(波長λ=354.7nm)を切り換えられるレーザ加工装置における回折光の角度分布の例である。すなわち、マイクロミラーアレイを反射した回折光の角度分布(α,β)を入射する顕微鏡の光軸502を中心とした角度平面501にプロットしたものである。
波長λでは、図示×印で示すように、光軸502の近くに1つの回折次数504がある。レーザ光の照射領域に相当する小型ミラーは、光軸502の方向へレーザ光を反射するように傾いているので、光軸502に近い回折次数504が唯一、大きな強度を持つ回折光になる。この回折次数504は、顕微鏡の後側角開口503の範囲内にあるので、レーザ光の強度を効率よく被加工物に照射することができる。
一方、波長をλに切り換えると、図示丸印で示すように、光軸502の近くに回折次数が無く、同じような角度だけ離れた位置に4つの回折次数505が存在している。そのため、これら複数の回折次数505にレーザの強度が分散し、かつ顕微鏡の後側角開口503に入射しなくなる。顕微鏡に対する入射角度を変えて、1つの回折次数を入射させることはできるが、それでもレーザ光の利用効率は改善されない。
特許文献2では、このような問題に対して、変調光投影光学系の光軸を、複数の波長光による回折光が略共通する方向に略一致させるようにしたレーザ加工装置(レーザ照射装置)が記載されている。具体的には、レーザ光の複数の波長、およびマイクロミラーの配列ピッチに応じて、マイクロミラーアレイの傾斜角を調整することにより、正反射光の反射方向が、各回折光に共通する方向となるように設定し、変調光投影光学系の光軸をその反射方向に合わせている。
特開平8−174242号公報 特開2006−350123号公報
しかしながら、上記のような従来のレーザ照射装置には、以下のような問題があった。
特許文献2に記載の技術では、マイクロミラーの傾斜角を調整しているため、複数の波長光によっては、汎用性のあるマイクロミラーアレイを使用できなくなり、高価なマイクロミラーアレイを用いる必要があるという問題がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、レーザ光の波長や微小ミラーアレイの傾斜角が変わっても良好な光利用効率が得られるレーザ照射装置およびそれを用いたレーザ加工システムを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明のレーザ照射装置は加工形状情報に応じてレーザ光を被加工物に照射するレーザ照射装置であって、レーザ光源と、該レーザ光源から出射されるレーザ光を、可動支持された偏向面によって偏向する光路偏向部と、前記光路偏向部で偏向されたレーザ光を空間変調して、被照射面に向かうオン光を形成する複数の微小ミラーを有する空間変調素子と、該空間変調素子によって形成されたオン光を前記被照射面上に投影する投影光学系と、前記レーザ光源の出射側光軸に対して前記光路偏向部の偏向面の傾きを変える第1の偏向面移動手段と前記レーザ光源の出射側光軸に沿う方向に前記偏向面を移動させる第2の偏向面移動手段とを有する偏向面移動機構と、前記空間変調素子で空間変調されたオン光が前記投影光学系の開口角の範囲に入るように前記偏向面移動機構を制御する偏向面移動機構制御部を備え、前記第1の偏向面移動手段は、前記光路偏向部の偏向面を前記出射側光軸に対して傾動させる傾動部からなり、前記第2の偏向面移動手段は、前記偏向面を前記出射側光軸方向に沿って並進移動させる並進移動部からなる構成とする。
また、本発明のレーザ加工システムは、本発明のレーザ照射装置と、該レーザ照射装 置の被照射面に配置された被加工物の撮像行うため、前記レーザ照射装置の前記投影光 学系と同軸に配置された撮像光学系と、該撮像光学系の像位置に配置された撮像部と、 該撮像部により撮像された画像を画像処理して前記被加工物の欠陥を抽出する画像処 理部とを有し、該画像処理部によって抽出された欠陥の形状に対応して、前記レーザ照 射装置の前記空間変調素子を変調駆動して、前記被加工物に前記空間変調されたレーザ 光を照射して、前記被加工物の加工を行う構成とする
本発明のレーザ照射装置およびそれを用いたレーザ加工システムによれば、偏向面移動機構によって、空間変調素子および微小ミラーに対するレーザ光の入射角および入射位置を変化させることができるので、レーザ光の波長や微小ミラーアレイの傾斜角が変わっても良好な光利用効率を得ることができるという効果を奏する。
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施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。
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係るレーザ照射装置およびそれを用いたレーザ加工システムについて説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るレーザ照射装置およびそれを用いたレーザ加工システムの概略構成を示す光軸を含む断面における模式説明図である。図2(a)、(b)、(c)は、本発明の実施形態に係るレーザ照射装置の空間変調素子における回折現象を説明する模式的な断面図である。図3は、本発明の実施形態に係るレーザ加工システムの制御ユニットの概略構成を示す機能ブロック図である。
なお、図中のXYZ座標系は、方向参照の便宜のために各図共通の位置関係に設けたもので、鉛直方向がZ軸、水平面がXY平面であり、Y軸負方向からY軸正方向に向かう方向が、正面視の方向に一致されている(以下、他の図でも同様)。
また、図中の光束を示す線は、試料のある1点にレーザ光を照射する場合を模式的に描いたものである。
本実施形態のレーザ加工システム100は、被加工物にレーザ光を照射してリペア加工を行う装置である。例えばLCD(液晶ディスプレイ)のガラス基板や半導体ウエハ基板など、フォトリソグラフィ処理工程で基板上に回路パターンなどが形成された被加工物において、例えば配線部分のショート、フォトレジストのはみ出し等の欠陥部が検出された場合に欠陥部を除去するといったリペア加工に好適に用いることができるものである。
レーザ加工システム100の概略構成は、図1に示すように、レーザ光源50、加工ヘッド20、加工ヘッド移動機構31、載置台21、制御ユニット22、表示部30、およびユーザインタフェース32からなり、被加工物である基板11は、加工時には、加工ヘッド20の下方に設置された載置台21上に被加工面11a(被照射面)を上側(Z軸正方向側)に向けて水平に載置される。
レーザ光源50は、リペア加工用の光源である。本実施形態では、レーザ発振器1、結合レンズ2、ファイバ3、および投影レンズ4からなる構成を採用している。ただし、本実施形態の投影レンズ4は、加工ヘッド20の内部に配置されている。
レーザ発振器1は、基板11上の欠陥を除去できるように、波長、出力が設定されたレーザ光を発振するもので、例えば、パルス発振可能なYAGレーザなどを好適に採用することができる。発振波長は、リペア対象に応じて複数の発振波長を切り換えられるようになっている。
レーザ発振器1は、制御ユニット22に電気的に接続され、制御ユニット22からの制御信号に応じて発振が制御されるようになっている。
結合レンズ2は、レーザ発振器1から出射されるレーザ光をファイバ3に光結合するための光学素子である。
ファイバ3は、結合レンズ2により、ファイバ端面3aに光結合されたレーザ光を内部で伝搬させて加工ヘッド20内に導き、レーザ光60として、ファイバ端面3bから出射するものである。レーザ光60は、ファイバ3の内部を伝搬してから出射されるので、レーザ発振器1のレーザ光がガウシアン分布であっても、光量分布が均一化された拡散光となっている。
投影レンズ4は、ファイバ端面3bの像を、後述する空間変調素子6の変調領域に照射できるように投影倍率が設定されたレンズまたはレンズ群であり、加工ヘッド20の筐体20aに固定されている。本実施形態では、一例として投影レンズ4の光軸Pは、Z軸に略平行に配置されている例で説明するが、配置位置はこれに限定されない。
なお、図1は模式図のため、投影光学系では軸上の光束のみを描いている。また、レーザ発振器1をZ方向に沿って配置しているが、レーザ発振器1の配置位置・姿勢は、これに限定されるものではなく、ファイバ3を適宜配回すことにより適宜の配置位置・姿勢に設定することができる。また、ファイバのモードを安定させるためのモードスクランブラを組み込んでもよい。
また、レーザ光の均一化手段は、このようにファイバ3を用いることなく、他の光学素子、例えば、フライアイレンズ、回折素子、非球面レンズや、カレイド型ロッドを用いたものなどの種々の構成のホモジナイザなどを用いた構成としてもよい。
加工ヘッド20は、適宜の駆動手段を備える加工ヘッド移動機構31によって、載置台21に対してXYZ軸方向に相対移動可能に保持された筐体20a内に、反射ミラー33(光路偏向部)、ミラー移動機構34(偏向面移動機構)、空間変調素子6、投影光学系8、観察用光源16、観察用結像レンズ12、撮像素子13などの光学素子、デバイスなどを保持してなる。
本実施形態では、相対移動は、加工ヘッド移動機構31によって加工ヘッド20を被加工面11aに平行なX軸方向および被加工面11aに直交する方向(Z軸方向)に移動し、載置台21によって、基板11をY軸方向に移動する場合の例で説明するが、例えば、加工ヘッド20がZ軸方向に移動して載置台21がXY方向に移動したり、載置台21が固定され加工ヘッド20がXYZ軸方向に移動したり、というように適宜の組合せの相対移動を採用することができる。
なお、加工ヘッド移動機構31は、例えば、ボールねじ、リニアモータなどが適宜用いられる。また、焦点合わせなど微小量の移動には圧電素子などを組み合わせてもよい。
反射ミラー33は、レーザ光源50の投影レンズ4から出射されるレーザ光60の光軸Pを偏向面33aによって、空間変調素子6に向かう光軸Pとして反射し、レーザ光61として、光軸Pに沿って進むように偏向するものであり、ミラー移動機構34によって可動支持されている。
ミラー移動機構34は、反射ミラー33を光軸Pに対して傾動させるミラー傾動部34aと、反射ミラー33を光軸Pに沿う方向に並進移動するミラー並進移動部34bとからなり、それぞれ、制御ユニット22に電気的に接続され、制御ユニット22からの制御信号によって、反射ミラー33の傾動の方向、傾動角度、および並進移動量を制御できるようになっている。
これにより、光軸Pの方向および光軸Pの空間変調素子6上での位置を変更できるようになっている。
空間変調素子6は、偏向面33aで偏向されたレーザ光61を空間変調するもので、微小ミラーアレイであるDMD(Digital Micromirror Device)からなる。すなわち、空間変調素子6は、図2(a)に示すように、基準面Mに対して、回動軸Rを中心として、角度±φだけ傾斜できる複数の微小ミラー6aが、例えば、二辺がW×Hの矩形状の変調領域内に、各辺の延びる方向を配列方向として2次元的に配列されている。
微小ミラー6aの傾斜角φの大きさは、デバイスの構造などによっても異なるが、例えば、約10°〜約16°のような角度範囲のうちから選択されている。また、基準面Mは、適宜の向きに配置することができるが、本実施形態では、一例として、微小ミラー6aをZ軸方向負方向側に向けて、XY平面に平行に配置した場合の例で説明する。
空間変調素子6の各微小ミラー6aは、制御ユニット22からの制御信号に応じて発生する静電電界によって、オン状態では、例えば、基準面Mから+φ(図示反時計回り)回転され、オフ状態では、基準面Mから−φ(図示時計回り)回転される。以下では、オン状態の微小ミラー6aによって反射された光をオン光、オフ状態の微小ミラー6aによって反射された光をオフ光と称する。本実施形態では、オン光62(図1参照)の光軸Pは、Z軸方向に略平行となるように設定している。
各微小ミラー6aの位置は、長さWの辺の列番号m、長さHの辺の行番号n(m、nは、0以上の整数)によって、(m,n)で表すことができ、微小ミラー6aの配列ピッチから、基準面M上の位置座標に換算することができる。
投影光学系8は、空間変調素子6で空間変調され、一定方向に向けて反射されたオン光62による像を、基板11の被加工面11a上に倍率βで結像する結像光学系を構成する光学素子群であり、空間変調素子6側に結像レンズ8Aが、基板11側に対物レンズ8Bがそれぞれ配置されている。
本実施形態では、対物レンズ8Bは、倍率が異なる複数個がレボルバ機構によって切り替え可能に保持されている。そのため、レボルバ機構を回転させて対物レンズ8Bを切り替えることで、投影光学系8の倍率βを変更できるようになっている。以下では、特に断らない限り、対物レンズ8Bは、投影光学系8を構成するために選択されたレンズを指すものとする。
また本実施形態では、結像レンズ8Aの光軸Pは、X軸方向に平行に配置され、対物レンズ8Bの光軸Pは、Z軸方向に平行に配置されている。
このため、空間変調素子6と、結像レンズ8Aとの間には、オン光62を反射して、光軸Pに沿って入射させるミラー7が設けられている。そして、結像レンズ8Aと対物レンズ8Bとの間には、結像レンズ8Aを透過した光を反射して、光軸Pに沿って入射させる半透鏡9が設けられている。
投影光学系8の投影倍率βは、被加工面11a上での必要な加工精度に応じて適宜設定することができる。例えば、変調領域全体のW×Hの大きさの画像が、被加工面11a上で、W’×H’となるような倍率とする。
なお、結像レンズ8AのNAは、オフ光63として反射された光が、入射しない大きさとされる。
観察用光源16は、被加工面11a上の加工可能領域内を照明するための観察用光80を発生する光源であり、半透鏡9と対物レンズ8Bとの間の光路の側方に設けられている。
半透鏡9と対物レンズ8Bとの間の光路上において観察用光源16に対向する位置には、半透鏡9で反射されたオン光62を透過し、観察用光80を対物レンズ8Bに向けて反射する半透鏡14が設けられている。そして、観察用光源16と半透鏡14との間には、観察用光80を適宜径の照明光束に集光する集光レンズ15が設けられている。
観察用光源16としては、例えば、可視光を発生するキセノンランプやLEDなど適宜の光源を採用することができる。
観察用結像レンズ12(撮像光学系)は、半透鏡9の上方側に、対物レンズ8Bの光軸Pと同軸に配置され、観察用光80によって照明された被加工面11aから反射され、対物レンズ8Bによって集光された光を撮像素子13(撮像部)の撮像面上に結像するための光学素子である。
撮像素子13は、撮像面上に結像された画像を光電変換するもので、例えば、CCDなどからなる。撮像素子13で光電変換された画像信号は、撮像素子13に電気的に接続された制御ユニット22に送出される。
制御ユニット22は、レーザ加工システム100の動作を制御するためのもので、図3に示すように、画像取込部40、データ記憶部43、空間変調素子駆動部41、装置制御部42、移動機構制御部35、および画像処理部44からなる。
制御ユニット22の装置構成は、本実施形態では、CPU、メモリ、入出力部、外部記憶装置などで構成されたコンピュータと適宜のハードウェアとの組合せからなる。データ記憶部43は、このコンピュータのメモリや外部記憶装置を用いて実現している。また、他の構成は、それぞれの制御機能、処理機能に対応して作成されたプログラムをCPUで実行することにより実現している。
画像取込部40は、撮像素子13で取得された画像信号を取り込んで被加工面11aの2次元画像を得るものである。取り込まれた2次元画像は、モニタなどからなる表示部30に送出されて表示されるとともに、画像データ150として、画像メモリからなるデータ記憶部43に送出されて記憶されるようになっている。
空間変調素子駆動部41は、画像処理部44で生成された加工データに基づいて、空間変調素子6の各微小ミラー6aのオン/オフ状態を制御するものである。
装置制御部42は、例えば、操作パネル、キーボード、マウスなどの適宜の操作入力手段を備えるユーザインタフェース32からの操作入力に基づいて、レーザ加工システム100の動作を制御するものであり、画像取込部40、空間変調素子駆動部41、加工ヘッド移動機構31、レーザ発振器1、観察用光源16、移動機構制御部35に電気的に接続され、それぞれの動作や動作タイミングを制御できるようになっている。
移動機構制御部35は、ユーザインタフェース32からの操作入力や、装置制御部42の制御信号に基づいて、ミラー移動機構34のミラー傾動部34a、ミラー並進移動部34bの動作を制御するものである。
画像処理部44は、データ記憶部43に記憶された画像データ150を呼び出して適宜の画像処理を施すものであり、本実施形態では、欠陥抽出部45と加工データ生成部46とを備える。
欠陥抽出部45は、画像データ150に対して欠陥抽出処理を行い、加工形状情報を欠陥画像データ151として、加工データ生成部46に送出するものである。
この欠陥抽出処理は、周知のいかなる欠陥抽出アルゴリズムを用いてもよい。例えば、取得された画像データと、あらかじめ記憶された正常な被加工面11aのパターン画像データとの輝度の差分をとり、その差分データをあるしきい値で2値化したデータから欠陥を抽出することができる。
加工データ生成部46は、欠陥抽出部45から送出された加工形状情報に対応して、被加工面11aにオン光62を照射できるように、空間変調素子6の各微小ミラー6aのオン/オフを制御する加工データ152(変調データ)を生成するものである。
なお、以上に説明したレーザ加工システム100のうち、レーザ光源50、反射ミラー33、ミラー移動機構34、空間変調素子6、投影光学系8、および画像処理部44を除く制御ユニット22からなる構成は、被加工面11a上に空間変調素子6で空間変調されたレーザ光を照射するレーザ照射装置200を構成している。このようなレーザ照射装置200は、レーザ加工システム100から独立した装置として用いてもよく、その場合、加工形状に対応する画像データを受け取ってレーザ加工を行うレーザ加工装置として用いたり、他の用途として、例えば、レーザ光による画像投影装置などとしても用いたりすることができる。
次に、レーザ加工システム100の動作について説明する。
図4は、本発明の実施形態に係るレーザ照射装置の偏向面移動機構の作用について説明する模式説明図である。
レーザ加工システム100で、レーザ加工を行うには、図1に示すように、まず、載置台21上に被加工物として、基板11を載置する。
次に、加工ヘッド移動機構31によって、加工ヘッド20を移動して、最初の加工位置に設定し、被加工面11aの加工可能領域の画像を取得する。すなわち、観察用光源16を点灯し、観察用光80を発生させる。観察用光80は、半透鏡14で一部が反射され、この反射光が対物レンズ8Bで集光されて被加工面11a上の加工可能領域を照明する。
被加工面11aで反射された反射光は、対物レンズ8Bで集光され、一部が、半透鏡14を透過する。そして、半透鏡9により、さらに一部が透過されて、観察用結像レンズ12に導かれる。観察用結像レンズ12に入射した光は、撮像素子13の撮像面に結像される。
撮像素子13は、結像された被加工面11aの画像を光電変換し、画像取込部40に送出する。
画像取込部40では、送出された画像信号を、必要に応じて、ノイズ除去、輝度補正などの処理を施して表示部30に表示する。また、装置制御部42の制御信号に応じて、適宜のタイミングにおける画像信号を、画像データ150に変換し、データ記憶部43に記憶する。このようにして、被加工面11aの加工可能領域の画像が取得される。
次に、画像処理部44では、データ記憶部43に記憶された画像データ150を欠陥抽出部45に読み出して欠陥抽出を行う。そして、抽出された欠陥の種類や大きさなどを判定し、リペア加工すべき欠陥と判断された場合に、欠陥画像データ151として加工データ生成部46に送出する。
また、被加工面11aの加工可能領域と空間変調素子6の変調領域とは、投影光学系8によって、共役の関係とされており、投影光学系8の投影倍率がβであるため、加工可能領域上の位置座標を1/β倍することで、空間変調素子6の変調領域上の位置に対応させることができる。
このようにして、加工データ生成部46では、欠陥画像データ151から、欠陥画像データ151で表される被加工面11a上の各位置に、オン光62を照射するためオン状態に制御すべき微小ミラー6aを決定し、それらの微小ミラー6aをオン状態とし、他の微小ミラー6aをオフ状態とするように空間変調素子6を駆動する加工データ152を生成する。例えば、各微小ミラー6aの位置(m,n)に対応して、オン状態が1、オフ状態が0の数値が対応する表データとして、加工データ152が生成される。
生成された加工データ152は、空間変調素子駆動部41に送出する。
空間変調素子駆動部41は、装置制御部42の制御信号と送出された加工データ152とに基づいて、空間変調素子6の各微小ミラー6aの傾斜角を制御する。
次に、装置制御部42は、レーザ発振器1に対して、レーザ光を発振させる制御信号を送出し、基板11に応じて予め選択された照射条件に基づいて、レーザ発振器1からレーザ光を発振させる。レーザ光の照射条件としては、例えば、波長、光出力、発振パルス幅などが挙げられる。
発振されたレーザ光は、結合レンズ2でファイバ3のファイバ端面3aに光結合され、ファイバ端面3bから、光強度分布が略均一化された発散光であるレーザ光60として出射される。
レーザ光60は、投影レンズ4によって、光軸Pに沿って進み、反射ミラー33の偏向面33aで反射される。そして、レーザ光61として光軸Pに沿って進んで、空間変調素子6上に投影され、空間変調素子6上の各微小ミラー6aで反射される。
ここで、偏向面33aの光軸Pに対する傾き(以下、単に偏向面33aの傾きと称する)と光軸P方向の位置(以下、単に偏向面33aの光軸方向位置と称する)は、反射ミラー33の反射光であるレーザ光61が空間変調素子6のオン状態の微小ミラー6aで反射されたときに、投影光学系8に対して効率的に入射できるようにミラー移動機構34を駆動しておく。
この偏向面33aの傾きおよび光軸方向位置は、ユーザインタフェース32の操作入力および装置制御部42によって収集されたレーザ発振器1の波長情報などに基づいて、制御ユニット22の移動機構制御部35によって演算される。
傾斜角がオフ状態とされた微小ミラー6aで反射されるオフ光63は、結像レンズ8AのNAの範囲外に反射される。
傾斜角がオン状態とされた微小ミラー6aで反射されたオン光62は、光軸Pに沿って進み、ミラー7で反射されて光軸Pに沿って進み、結像レンズ8Aに入射し、集光されて、半透鏡9に到達し、半透鏡9で反射される。
半透鏡9で反射されたオン光62は、光軸Pに沿って進み、対物レンズ8Bによって被加工面11a上に結像される。
このようにして、加工データ152に基づくオン光62よる変調領域の画像が、被加工面11a上に投影される。その結果、オン光62が、被加工面11aの欠陥に照射され、欠陥が除去される。
以上で1回のレーザ加工を終了する。
この加工後、撮像素子13により再度被加工面11aの画像を取得し、必要に応じて、上記を繰り返して、未除去部があれば再度レーザ加工したり、あるいは、加工可能領域を移動して他の部分のレーザ加工をしたりする。
次に、本実施形態において、オン光62を投影光学系8に効率的に入射し被加工面11aに投影させるための偏向面33aの傾きの条件について説明する。
空間変調素子6は、微小ミラー6aが規則的に配列されているため、オン光62の光強度分布は、微小ミラー6aによる回折現象によって決定される。
例えば、図2(a)に示すように、レーザ光61が、空間変調素子6の基準面Mに対して入射角θ=2・φで入射すると、基準面Mに対して図示反時計回りに角度φだけ傾斜したオン状態の複数の微小ミラー6aの反射光であるオン光62は、フラウンホーファー回折70と回折71とが発生し、オン光62の光強度分布は、これらの回折光をコンボルーションして得られる。
フラウンホーファー回折70は、微小ミラー6aの開口によって決まり、微小ミラー6aの正反射方向(本例ではZ軸負方向)にピークを有する釣り鐘型の光強度分布を備える。
一方、回折71は、微小ミラー6aの配列ピッチとレーザ光61の波長から決まる離散的な分布となる。すなわち、0次回折光dが、レーザ光61の基準面Mに対する正反射光(本例ではZ軸負方向に対して図示時計回りに角度θ回転した方向)に発生し、微小ミラー6aの配列ピッチとレーザ光61の波長によって一義的に決まる異なる回折角の方向に、N次回折光d(ただし、N=1,2,…)が発生する。
このとき、回折71のいずれかの次数の回折光の方向と、フラウンホーファー回折70のピーク強度の方向とが略一致した状態で、投影光学系8に入射させることができれば、コンボルーションされた光強度分布が大きくなるため、回折効率が向上する。したがって、光利用効率を向上することができる。
例えば、図2(a)の場合のように、投影光学系8の光軸方向に対して、フラウンホーファー回折70のピーク強度の方向が一致し、回折71の3次回折光d、4次回折光dが、それぞれ角度θ、θ(ただし、θ≦θ)だけ傾斜している場合、少なくともいずれかの回折光が、投影光学系8の開口角の範囲に含まれるようにすることで、回折効率が向上し、良好な光利用効率を実現できる。
フラウンホーファー回折70のピーク強度方向は、入射角θおよび微小ミラー6aの傾斜角φから決定され、回折71の回折角は、微小ミラー6aの配列ピッチとレーザ光61の波長とから決定されるので、これらの情報を装置制御部42から取得することで、移動機構制御部35は、フラウンホーファー回折70のピーク強度の方向といずれかの回折光の方向とが投影光学系8の開口角の範囲内に入るか否かを判定することができる。
もし、いずれの回折光の方向も、投影光学系8の開口角範囲内に入らない場合、移動機構制御部35は、偏向面33aを傾動させて、フラウンホーファー回折70のピーク強度の方向といずれかの回折光の方向とが、少なくとも投影光学系8の開口角範囲に入るようにし、可能であれば投影光学系8の光軸と一致するようにする。
例えば、図2(b)に破線で示すように、ミラー移動機構34によって偏向面33aの傾きを変えて、基準面Mに対して、レーザ光61Aが入射角(θ+Δθ)で入射するように変更する。この入射角の変化に応じて、各回折光の回折方向が変化する。したがってΔθを適宜設定することで、例えば、4次回折光Dの回折方向を投影光学系8の光軸方向に一致させるといった動作が可能となる。
このとき、微小ミラー6aに対する正反射方向も変化するので、フラウンホーファー回折70のピーク強度方向も変化するから、実際には、それぞれの回折方向が、ともに投影光学系8の開口角の範囲に入るようにΔθの値を設定する。
このような偏向面33aの移動は、レーザ発振器1の発振波長を変更するとき、その波長に応じて行うことが好ましい。
例えば、図2(c)に示すように、空間変調素子6により短波長のレーザ光61Bが入射すると、フラウンホーファー回折70は図2(a)の場合と変わらないが、回折71は、波長の変化に応じて、基準面Mの正反射方向に0次回折光eが発生し、図2(a)の高次回折光と異なる回折方向に、N次回折光e(ただし、N=1,2,…)が発生する。そして、投影光学系8の光軸方向に最も近い回折方向を有する回折光は、例えば、投影光学系8の光軸と角度θをなす6次回折光eとなって、図2(a)とは、光利用効率が異なってくる。
そこで、この角度θに対応して、偏向面33aを移動することにより、レーザ発振器1の発振波長が変更されても、良好な回折効率が得られる。
偏向面33aの傾きの角度設定について、数値例を挙げて説明する。
表1に数値例1を示す。数値例1は、微小ミラー6aに配列ピッチが19.05μm、微小ミラー6aのオン状態の傾斜角φが、φ=15.3degの場合において、レーザ光61の波長を266nm、355nm、532nmとした場合の設定例である。ここで、それぞれの波長は、YAGレーザの第2高調波、第3高調波、第4高調波に対応している。
表1には、それぞれの波長に対する、1次回折光の回折角(deg)、投影光学系8の光軸Pに最も近い回折光の回折次数、空間変調素子6の基準面Mに対する入射角θの設定値、フラウンホーファー回折の強度分布と回折光のコンボルーションから算出した回折効率(%)、投影光学系8の光軸Pに対する角度(deg)をそれぞれ示した。
Figure 0005137488
表1から分かるように、空間変調素子6への入射角を、各波長に応じて、それぞれ30.8deg、30.9deg、30.7degに設定することで、回折効率を57%以上にすることができた。このとき、光軸Pに最も近い回折光の回折次数は、それぞれ26、19、13であり、光軸Pに対する角度は、0.08deg、0.70deg、0.17degなので、最大値0.7degに対応して、投影光学系8のNAを0.012以上とすることで、各波長の回折光を投影光学系8の開口角の範囲に入射させることができる。
次に表2に数値例2を示す。数値例2は、微小ミラー6aに配列ピッチが24μm、微小ミラー6aのオン状態の傾斜角φが、φ=14.0degの場合において、レーザ光61の波長を330nm、440nm、660nmとした場合の設定例である。ここで、それぞれの波長は、Nd:YAGレーザの第2高調波、第3高調波、第4高調波に対応している。
表2には、表1と同様の、回折角(deg)、回折次数、入射角θの設定値、回折効率(%)、光軸Pに対する角度(deg)をそれぞれ示した。
Figure 0005137488
表2から分かるように、空間変調素子6への入射角を、各波長に応じて、それぞれ28.0deg、27.9deg、27.8degに設定することで、回折効率を83%以上にすることができた。このとき、光軸Pに最も近い回折光の回折次数は、それぞれ24、18、12であり、光軸Pに対する角度は、0.15deg、0.07deg、0.017degなので、最大値0.15degに対応して、投影光学系8のNAを0.003以上とすることで、各波長の回折光を投影光学系8の開口角の範囲に入射させることができる。
このような偏向面33aの傾動は、例えば、空間変調素子6を交換する場合など、空間変調素子6の製造バラツキによって、微小ミラー6aのオン状態の傾斜角が変化する場合の調整にも適用することができる。この場合の調整について、表3に示す数値例3で説明する。
数値例3は、微小ミラー6aに配列ピッチが17.9μm、レーザ光61の波長が355nmの場合において、微小ミラー6aのオン状態の傾斜角φが、φ=15.0deg、14.97nmに変化した例である。微小ミラー6aの傾斜角は、参照光を所定角度で入射させて反射光の到達位置を測定することで実験的に求めることができる。
表3には、表1と同様の、回折角(deg)、回折次数、入射角θの設定値、回折効率(%)、光軸Pに対する角度(deg)を、オン状態の微小ミラー6aの傾斜角φとともに示した。
Figure 0005137488
表3の数値例3−a、3−bは、入射角θ=30degで一定の場合でも、傾斜角φが、0.03deg変化するだけで、回折効率が7%変化することを示している。
そして、数値例3−cは、偏向面33aを0.5deg傾動することで、回折効率を回復し、φ=14.97degの空間変調素子6でも、φ=15degの空間変調素子6と同じ回折効率80%が得られることを示している。
なお、偏向面33aの傾きを反射ミラー33の傾動のみで変更すると、レーザ光61の空間変調素子6に対する入射位置がずれてしまう。本実施形態では、ミラー移動機構34が、ミラー傾動部34aとミラー並進移動部34bとを備えるため、反射ミラー33の並進移動を組み合わせることで、レーザ光61を投影光学系8の光軸上に正確に入射させることができる。
例えば、図4に示すように、偏向面33aが、光軸Pとの交点Qが傾動中心となるようにミラー傾動部34aに保持されている場合、空間変調素子6への入射角が角度θとなる反射ミラー33Aの状態から角度(Δθ/2)だけ回転して、反射ミラー33Bの位置に傾動すると、レーザ光源50からのレーザ光61の空間変調素子6の基準面Mに対する入射角は、角度(θ+Δθ)になるが、空間変調素子6までの距離によっては、反射光が空間変調素子6から外れたり、投影光学系8の有効範囲から外れたりする場合がある。
このとき、ミラー並進移動部34bによって、反射ミラー33Bを光軸Pの方向に、例えば距離Lだけ並進移動して反射ミラー33Cの位置に移動することで、反射ミラー33Cでの反射光を、反射ミラー33Aでの反射光と正確に同じ位置に入射させることができる。
このようなレーザ加工システム100によれば、レーザ光源50からのレーザ光60を、ミラー移動機構34によって光軸Pに対して傾動可能かつ光軸P方向に移動可能な偏向面33aによって偏向することにより、空間変調素子6の基準面Mおよびオン状態の微小ミラー6aに対する入射角を変化させ、入射位置を変えないようにしたレーザ光61を、空間変調素子6に対して照射することができる。そのため、微小ミラー6aのオン状態の傾斜角を変えることなく、微小ミラー6aの開口によるフラウンホーファー回折70と微小ミラー6aの配列ピッチによる回折71の回折方向を投影光学系8の開口角範囲に合わせることができる。その結果、投影光学系8を通して、被加工面11aに対して、光利用効率が良好なレーザ照射を行うことができる。
このため、レーザ発振器1の発振波長に応じて、レーザ光61の空間変調素子6に対する入射角を変えることで、レーザ光61の波長変化による光利用効率の変化を抑制することができる。
また、空間変調素子6の製造バラツキなどによる微小ミラー6aのオン状態の傾斜角のバラツキがあっても、各空間変調素子6に傾斜角に応じて、レーザ光61の入射角を調整し、光利用効率が良好になるように調整することができる。
次に、本実施形態の第1変形例について説明する。
図5は、本発明の実施形態の第1変形例に係るレーザ照射装置の偏向面移動機構の構成を示す模式説明図である。
本変形例は、上記実施形態のミラー移動機構34に代えて、図5に示すミラー移動機構36(偏向面移動機構)を備える。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
ミラー移動機構36は、ミラー移動機構34と同様のミラー傾動部34a、ミラー並進移動部34bからなり、反射ミラー33をその端部の点qを中心に傾動できるよう取り付けたものである。また、ミラー移動機構36は、制御ユニット22の移動機構制御部35に電気的に接続されている。
この場合、Z軸方向の並進移動量は、偏向面33a上の光軸の反射位置と点qとの間の距離を考慮することで上記実施形態と同様に決定することができ、上記実施形態と同様に、偏向面33aを傾動および並進移動させることができる。
次に、本実施形態の第2変形例について説明する。
図6は、本発明の実施形態の第2変形例に係るレーザ照射装置の光路偏向部および偏向面移動機構の構成を示す模式的な斜視図である。
本変形例は、上記実施形態の反射ミラー33、ミラー移動機構34に代えて、それぞれ図6に示す反射ミラーブロック37(光路偏向部)、ミラー移動機構38(偏向面移動機構)を備える。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
反射ミラーブロック37は、図6に示すように、XY平面に平行な取付面37aと反対側の面に、ZX平面内の傾きと、Z軸方向の高さとが異なる偏向面37A、37B、37Cが、Y軸方向に並列して設けられたものである。
ミラー移動機構38は、不図示の筐体に図示Y軸方向に延ばして取り付けられスライドガイド38bと、反射ミラーブロック37の取付面37aに固定され、スライドガイド38b上を図示Y軸方向に移動可能に設けられたスライダ38aとからなる1軸移動機構である。
ミラー移動機構38は、制御ユニット22の移動機構制御部35に電気的に接続され、移動機構制御部35の制御信号によって、Y軸方向に、ステップ状に移動できるようになっている。
本変形例では、偏向面37A、37B、37CのZ軸に対する傾き、Z軸方向の位置を、例えば、レーザ光源50の3つの波長λ、λ、λに応じて、最適化された値に設定しておく。そして、装置制御部42によってレーザ発振器1の発振波長が切り替えられるごとに、例えば、波長λから波長λに切り替えられた場合には、偏向面37Aに代えて、偏向面37Cがレーザ光61を反射するように、反射ミラーブロック37をY軸方向に移動する。
このように、本変形例によれば、予め偏向面の傾き量が複数に限定されている場合に、切替時ごとに入射角の計算を行うことなく、迅速に偏向面の設定を行うことができる。また、ここの偏向面に対しては傾動を行わないので偏向面移動機構の構成を簡素化することができる。
なお、図6では、各偏向面は、Y軸に平行な一つの軸を中心として傾き角が変更されている形状の例を示したが、各偏向面を適宜Z軸方向に移動させた形状であってもよい。
次に、本実施形態の第3変形例について説明する。
図7は、本発明の実施形態の第3変形例に係るレーザ照射装置の光路偏向部および偏向面移動機構の構成を示す模式説明図である。
本変形例は、上記実施形態の反射ミラー33、ミラー移動機構34に代えて、それぞれ図7に示す反射ミラーブロック39(光路偏向部)、ミラー移動機構48(偏向面移動機構)を備える。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
反射ミラーブロック39は、図7に示すように、XY平面に平行な取付面39aと反対側の面に、ZX平面内の傾きと、Z軸方向の高さとが異なる偏向面37A、37B、37Cが、X軸方向に並列して設けられたものである。
ミラー移動機構48は、不図示の筐体に図示X軸方向に延ばして取り付けられスライドガイド48bと、反射ミラーブロック39の各偏向面の裏面側の取付面39aを固定する固定面48cをZ軸正方向側に備え、スライドガイド48b上をX軸方向に移動可能に設けられたスライダ48aとからなる1軸移動機構である。
ミラー移動機構48は、制御ユニット22の移動機構制御部35に電気的に接続され、移動機構制御部35の制御信号によって、Y軸方向に、ステップ状に移動できるようになっている。なお、図7では、各偏向面はZ軸方向の配置高さが、X軸正方向に向かってステップ状に増大して形成されている形状の例を示したが、各偏向面の配置高さは適宜Z軸方向に移動した形状としてもよく、例えば、ZX断面でノコギリ歯状となるように形成されていてもよい。
本変形例では、上記第2変形例に対して、偏向面の配置方向と偏向面の移動方向とを偏向したものであり、上記第2変形例と同様の作用効果を備える。
なお、上記の説明では、偏向面移動機構の傾動および並進移動の移動量が移動機構制御部によって制御される場合の例で説明したが、偏向面移動機構は、機械的なステージ等で構成して、手動によって、傾動および並進移動を行うことができるようにしてもよい。
この場合、傾動角度や並進移動量は、例えば波長や微小ミラーの傾斜角の条件に応じて予め算出しておき、移動時に参照できるようにしておけばよい。あるいは、被加工面における光量をモニタできるようにしておき、移動量を変えて、被加工面上の光量を測定しながら設定してもよい。
特に、上記第2、第3変形例の構成では、偏向面移動機構は、1軸方向にステップ状に移動して偏向面を選択的に切り替えるので、高精度の移動精度が必要ないため、手動操作に適している。
また、上記の説明では、空間変調素子6上に照射されるレーザ光は、偏向面の傾動と光軸方向への並進移動とを組み合わせることで、入射角が変わっても、入射位置が変わらないようにした場合の例で説明したが、必要に応じて入射位置を変え、入射位置変化による被加工面上の移動量は、加工ヘッドを移動させて相殺するようにしてもよい。
この場合、空間変調素子に対する照射位置を移動しながらレーザ照射を行うことができるので、微小ミラーに対するレーザ光の照射負荷を分散させることができ、空間変調素子の寿命を延ばすことができる。
また、上記の説明では、1つのレーザ発振器で複数の波長光を発生させる場合の例で説明したが、レーザ光源は、発振波長の異なる複数のレーザ発振器を組み合わせて構成してもよい。
また、上記の説明では、レーザ加工が半導体ウエハ基板などのリペア加工の場合の例で説明したが、被加工物としては、これらに限定されるものではなく、例えば、多層膜や、コーティング膜、薄い金属物体や有機物体、半導体といった種々の被加工物に対するレーザ加工に用いることができる。
本発明の実施形態に係るレーザ照射装置およびそれを用いたレーザ加工システムの概略構成を示す光軸を含む断面における模式説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ照射装置の空間変調素子における回折現象を説明する模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工システムの制御ユニットの概略構成を示す機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係るレーザ照射装置の偏向面移動機構の作用について説明する模式説明図である。 本発明の実施形態の第1変形例に係るレーザ照射装置の偏向面移動機構の構成を示す模式説明図である。 本発明の実施形態の第2変形例に係るレーザ照射装置の光路偏向部および偏向面移動機構の構成を示す模式的な斜視図である。 本発明の実施形態の第3変形例に係るレーザ照射装置の光路偏向部および偏向面移動機構の構成を示す模式説明図である。 波長を切り替ることができるレーザ加工装置における回折光の角度分布の一例について説明するための角度分布図である。
符号の説明
6 空間変調素子
6a 微小ミラー
8 投影光学系
8A 結像レンズ
8B 対物レンズ
11 基板
11a 被加工面(被照射面)
12 観察用結像レンズ(撮像光学系)
13 撮像素子(撮像部)
20a 筐体
22 制御ユニット
33 反射ミラー(光路偏向部)
33a、37A、37B、37C、39A、39B、39C 偏向面
34、36、38、48 ミラー移動機構(偏向面移動機構)
35 移動機構制御部
37、39 反射ミラーブロック(光路偏向部)
44 画像処理部
45 欠陥抽出部
46 加工データ生成部
50 レーザ光源
60、61、61A、61B レーザ光
62 オン光
100 レーザ加工システム
、P、P、P、P 光軸

Claims (7)

  1. 加工形状情報に応じてレーザ光を被加工物に照射するレーザ照射装置であって、
    レーザ光源と、
    該レーザ光源から出射されるレーザ光を、可動支持された偏向面によって偏向する光路偏向部と、
    前記光路偏向部で偏向されたレーザ光を空間変調して、被照射面に向かうオン光を形成する複数の微小ミラーを有する空間変調素子と、
    該空間変調素子によって形成されたオン光を前記被照射面上に投影する投影光学系と、
    前記レーザ光源の出射側光軸に対して前記光路偏向部の偏向面の傾きを変える第1の偏向面移動手段と前記レーザ光源の出射側光軸に沿う方向に前記偏向面を移動させる第2の偏向面移動手段とを有する偏向面移動機構と、
    前記空間変調素子で空間変調されたオン光が前記投影光学系の開口角の範囲に入るように前記偏向面移動機構を制御する偏向面移動機構制御部を備え
    前記第1の偏向面移動手段は、前記光路偏向部の偏向面を前記出射側光軸に対して傾動させる傾動部からなり、
    前記第2の偏向面移動手段は、前記偏向面を前記出射側光軸方向に沿って並進移動させる並進移動部からなる
    ことを特徴とするレーザ照射装置。
  2. 前記偏向面移動機構制御部は、前記空間変調素子で変調されたオン光のN次回折光のうちいずれかの次数の回折光が前記投影光学系の開口角の範囲に入るように第1の偏向面移動手段により前記偏向面の傾きを変更させるとともに、前記第2の偏向面移動手段により前記偏向面を光軸方向により移動させることを特徴とする請求項1に記載のレーザ照射装置。
  3. 前記第1の偏向面移動手段は、前記空間変調素子における前記複数の微小ミラーの配列ピッチと前記レーザ光の波長により決まるN次回折光のうち選択されたいずれかの次数の回折光の方向が、前記空間変調素子の開口によって決まるフラウンホーファー回折のピーク強度の方向に略一致するように前記偏向面の傾斜角度を変更させることを特徴とする請求項2に記載のレーザ照射装置。
  4. 前記第2の前記偏向面移動手段は、前記第1の偏向面移動手段により選択されたいずれかの次数の回折光が前記投影光学系の開口角の範囲に入るように前記偏向面を前記出射測光軸方向に沿って移動させることを特徴とする請求項2に記載のレーザ照射装置。
  5. 前記レーザ光源は、複数の波長のレーザ光を選択的に出射するものであり、
    前記第1の偏向面移動手段は、前記レーザ光源から出射される波長に応じて、前記偏向面の傾斜角度を変化させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のレーザ照射装置。
  6. 前記傾動部は、前記光路偏向部の偏向面と前記出射測光軸との交点を中心に前記光路偏向部を回転可能に保持することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のレーザ照射装置。
  7. 請求項1〜のいずれかに記載のレーザ照射装置と、
    該レーザ照射装置の被照射面に配置された被加工物の撮像行うため、前記レーザ照射装置の前記投影光学系と同軸に配置された撮像光学系と、
    該撮像光学系の像位置に配置された撮像部と、
    該撮像部により撮像された画像を画像処理して前記被加工物の欠陥を抽出する画像処理部とを有し、
    該画像処理部によって抽出された欠陥の形状に対応して、前記レーザ照射装置の前記空間変調素子を変調駆動して、前記被加工物に前記空間変調されたレーザ光を照射して、前記被加工物の加工を行うことを特徴とするレーザ加工システム。
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