JPH112763A - レーザー加工機用照明光学系 - Google Patents

レーザー加工機用照明光学系

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JPH112763A
JPH112763A JP9169668A JP16966897A JPH112763A JP H112763 A JPH112763 A JP H112763A JP 9169668 A JP9169668 A JP 9169668A JP 16966897 A JP16966897 A JP 16966897A JP H112763 A JPH112763 A JP H112763A
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JP
Japan
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optical system
lens
laser beam
laser
light source
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Withdrawn
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JP9169668A
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English (en)
Inventor
Soichi Nakamura
荘一 中村
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Nikon Corp
Nikon Engineering Co Ltd
Original Assignee
Nikon Corp
Nikon Engineering Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nikon Corp, Nikon Engineering Co Ltd filed Critical Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ加工機用の照明光学系において、光源
からのレーザ光を効率よく使用でき、所定領域を均一に
照明することが出来る。 【解決手段】 レーザ光を発振する固体レーザ光源LS
と、光源から射出されたレーザー光の光束の径を変換す
るビームエキスパンダ光学系1と、複数のレンズ素子か
らなるオプティカルインテグレータ光学系2と、コンデ
ンサーレンズ系3と、入射側の開口数をNA’としたと
きに、0.003<NA’<0.05を満足する顕微鏡
対物レンズ5とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光源からのレーザ
ービームを顕微鏡等の対物レンズを用いて試料に照射す
るレーザー加工装置、特に半導体集積回路の誤配線の切
断等を行う半導体リペア装置の照明光学系に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、光源からのレーザー光をスポット
状あるいは所定範囲にわたって試料面上に照射し、レー
ザー光の強度を利用して試料の一部を蒸散等させること
で直接加工を行うレーザー加工機が使用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】かかるレーザー加工
機、特に半導体用リペア装置では例えば半導体基板など
の試料上に光源からのレーザー光を集光させるために顕
微鏡用の対物レンズなどが使用されている。また、所望
の加工を行うために対物レンズを交換すること、または
試料を交換する際の便宜などを考慮すると、対物レンズ
と試料面との距離、すなわち作動距離WD(Worki
ng Distance)が長い顕微鏡用対物レンズで
あることが望ましい。かかる長作動距離対物レンズのう
ち、結像倍率が大きいものはレーザー光源側(すなわち
入射側)の開口数NA’が非常に小さくなる。このた
め、開口数NA’の小さい光束を対物レンズに入射させ
なければ、光源からのレーザー光のパワーを有効に使用
することができず問題である。特に、レーザー光として
Nd:YAGレーザーの3倍高調波、4倍高調波などを
使用する場合には、高調波のパワーが弱いので、光源か
らのレーザー光を全て対物レンズに入射させることが重
要である。
【0004】従来、照明光学系の光路中に設けた光彩絞
りにより、光源からのレーザー光の開口数NA’を調節
する方法が知られている。この方法は、光彩絞りでレー
ザー光の光束を絞ることで、対物レンズに入射する光の
開口数NA’を調節するものである。しかし、開口数の
小さな光束を対物レンズに入射させる場合には、それだ
け多く光束を遮光しなければならず光量を大幅にロスす
ることとなり問題である。すなわち、レーザー光のパワ
ーにより試料に対して直接的な加工を行うので、遮光な
どすることなく効率的に光源から射出されたレーザー光
を利用することが重要となる。
【0005】また、所定の領域にわたって面状に加工を
行う場合は、所定面積において均一な照射強度が得られ
ることも必要となる。従来レーザービームを均一化する
方法としては特公昭59−72751号公報に開示され
たものが知られている。これは、発振器から射出された
レーザービームをエキスパンダーで拡げた後セグメント
プリズムやフライアイレンズで細分化し、それらを同じ
場所に重畳し、均一化する方法である。これと似たもの
にゼグメントミラーでビームを細分化して反射させた後
に、同一場所に重畳する方法もある。また、レーザービ
ームをレンズで集光し、これをカライドスコープに入射
させる方法も知られている。この方法はカライドスコー
プの中での多重反射の損失はあるものの、均一な強度分
布を持った出力が得られる利点がある。
【0006】また、このほかにも、平坦な透明板の端面
を光学的な平面に仕上げてそこに集束ビームを入れると
出口では強度分布が均一化された線状のパターンが得ら
れるので、出射パターンをレンズで加工物に投写して、
均一パターンを得る方法も知られている。
【0007】しかし、上記のような従来知られているビ
ーム光均一化技術では、単にレーザービームの均一化だ
けを目指し、微細直接加工に用いる縮小用顕微鏡対物レ
ンズとのマッチングの問題、即ち縮小用顕微鏡対物レン
ズの瞳、開口数NA’を効率的にレーザー光がカバーす
るといった技術については何ら開示されていない。
【0008】さらに、最近はレーザービームの開発が進
歩し、使用波長が赤外光から紫外光域へと移行し、より
微細な加工と、紫外光に吸収帯を持つ素材への直接加工
も可能になってきている。
【0009】しかし、YAGレーザーの高調波、例えば
2倍、3倍、4倍の高調波になるとエネルギー的に十分
なものと言えないところがあり、レーザーを均一化して
なおかつエネルギーのロスなしに有効に利用することが
不可欠になってきている。
【0010】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
ので、効率良く、光量ムラのない均一な照明光により、
半導体基板をレーザー光などにより直接加工することが
可能な小型なレーザー加工機の照明光学系を提供するこ
とを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のレーザー加工用照明光学系は、レーザー光
を発振する固体レーザー光源と、前記光源から射出され
たレーザー光の光束の径を変換するビームエキスパンダ
光学系と、複数のレンズ素子からなるオプティカルイン
テグレータ光学系と、コンデンサーレンズ系と、入射側
の開口数をAとしたときに、0.003<A<0.05
を満足する顕微鏡対物レンズと、から構成されている。
【0012】かかる本発明の構成によれば、固体レーザ
ーなどのレーザー発振器の射出口より順に、例えば、ズ
ーム式もしくは倍率可変式のビームエキスパンダー光学
系を配してビーム系を拡げ、その後にフライアイまたは
同等の作用をする分布屈折率型のレンズアレイ、微小球
面レンズアレイ等を配置して拡がったレーザービームを
細分化し、個々の微小レンズの後側焦点と、後続のコン
デンサーレンズ系の前側焦点とをほぼ一致させている。
従って、コンデンサー系の後側焦点面上で細分割された
レーザービームを、各像高に渡って重畳することによっ
て均一な照明光を得ることが出来る。特に、分布屈折率
型のレンズアレイをしようした場合は全系を小型にでき
るという利点がある。
【0013】また、本発明のレーザー加工機用照明光学
系では、顕微鏡対物レンズは入射側の開口数をNA’と
したときに、次式 0.003<NA’<0.05 を満足することが望ましい。かかる式は顕微鏡対物レン
ズの入射側の開口数NA’の適切な範囲を定めている。
【0014】NA’が上式の下限値を下回ると、レーザ
ービームのスポット径を小さくできないので解像力が悪
化し好ましくない。逆に、NA’が上限値を上回ると、
作動距離WDを十分に確保する事が出来なくなってしま
い問題である。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図1は、本発明の照明光学系
を用いたレーザー加工機の構成を示す図である。LSは
光源、1はズームエキスパンダ、2は分布屈折率型のフ
ライアレイレンズ、3はコンデンサーレンズ、4はアパ
ーチャ、5は縮小用顕微鏡対物レンズ、6は試料であ
る。
【0016】光源LSから射出されたレーザー光のビー
ム径をφ、ビームエキスパンダー光学系の特定の位置で
の倍率をβ、フライアイレンズ2の微小レンズエレメン
トの径(形状が角柱の場合には内接円の径)をaとし、
微小レンズが縦横に同数n個ずつ配置されているとする
と、微小レンズ束の内接束径はn×aとなる。ここで、
光源LSとして、YAGレ−ザ−の高調波光を放射する
固体レーザー光源などを使用することができる。
【0017】この微小レンズ束の内接径の中にビームエ
キスパンダ光学系で拡げられた光束がおさまるために
は、 φ×β=n×a (1) の条件を満足することが望ましい。
【0018】また、縮小用顕微鏡対物レンズのアパーチ
ャ側の開口数をNA’、コンデンサレンズ3の焦点距離
をf2とすると、 f2/((n−1)×a)=1/(2NA’) (2) という関係が成立する。式(2)より顕微鏡対物レンズ
の開口数が決まればf2を求めることができる。さら
に、均一に照明すべきアパーチャ4の最大径を2yと
し、フライアイレンズ2を形成する個々の微小レンズの
焦点距離をf1とすれば前記の配置より、 f1=a/2sin{tan−1(y/f2)} (3) となる。すなわち、縮小用顕微鏡対物レンズの視野数2
yが決まれば、式(3)よりf1を求めることができ
る。
【0019】かかる照明光学系を有するレーザー加工機
にて、半導体リペアなどの直接加工を行う場合には、式
(1)、(2)及び(3)に従い光学系の諸元値を決定
すれば、光源からのレーザービームの出力のロスが無
く、最適な効率の照明光学系を得ることが出来る。
【0020】また、レーザー直接加工の行程において、
試料の加工形状の大きさ又は加工精度を変えたい場合が
ある。かかる場合には、顕微鏡対物レンズを選択的に交
換するか、またはアパーチャを交換すればよい。しか
し、縮小用顕微鏡対物レンズ等を交換すると、開口数N
A’も変化するので、レーザービームの使用効率にロス
を生じ効率よく出力エネルギーを使うことができなくな
るという問題が生ずる。
【0021】本発明では、式(2)よりコンデンサレン
ズの焦点距離f2を固定し、所望の開口数NA’のため
に必要なフライアイレンズの個数nを選択し、さらに式
(1)によってズームエキスパンダー光学系の倍率を選
択することができる。従って、顕微鏡対物レンズを交換
して開口数NA’が変化しても、最適なエキスパンダー
光学系の倍率βを選択し効率よくレーザーパワーを利用
することができる。
【0022】図2に本発明にかかる照明光学系のレンズ
構成図を示す。レーザービームの径を2.5mmφ、フ
ライアイレンズ2を形成する微小レンズの径を2.5m
m、微小レンズの個数を5×5=25個とすると、ビー
ムエキスパンダー光学系1の倍率βは式(1)より、 β=5×2.5/2.5=5 となる。縮小用顕微鏡対物レンズの開口数NA’=0.
03とすると、式(2)より、 f2=(5−1)×2.5/(2×0.03)=16
6.7mm となる。さらに、照射すべきアパーチャの径を5mm
φ、即ちy=2.5mmとすると、式(3)より、 f1= 2.5/2sin{tan−1(2.5/16
6.7)}=83.3mm となる。
【0023】屈折率分布型のフライアイレンズ2を構成
する微小レンズを10mm厚の石英の平凸レンズで作成
するとすれば、その曲率半径R1は、 R1=(n−1)f1=39.6mm で与えられる。ここでf1は微小レンズの焦点距離であ
る。
【0024】同様に、コンデンサレンズ3も石英の平凸
レンズ形状とするならば、その曲率半径R3は、 R3=(n−1)f2=79.1mm となる。ここで、f2はコンデンサレンズの焦点距離で
ある。
【0025】また、代表的な長作動距離顕微鏡用対物レ
ンズの諸元値を以下の表1に掲げる。表において、射出
側の開口数NAとは試料側の光束の開口数をいい、入射
側の開口数NA’とは光源側の開口数を指している。
【0026】
【表1】 作動距離WD 倍率 射出側開口数NA 入射側開口数NA’ 20 5 0.13 0.026 20 10 0.21 0.021 15 20 0.35 0.0175 10 50 0.5 0.01 5 100 0.75 0.0075
【0027】
【発明の効果】以上のように本発明のレーザー加工機用
照明光学系では、出力の比較的小さい高調波を使用する
レーザー直接加工においても効率よくレーザー光を使用
することができ、効率よい加工ができる。また、縮小用
顕微鏡用対物レンズを交換して開口数NA’が変化して
も、使用する縮小用顕微鏡対物レンズの開口数NA’に
合わせて、最適な諸元値を有するフライアイレンズ、コ
ンデンサレンズ、ズームエキスパンダー光学系を使用す
ることができる。従って、光源からのレーザー光を絞る
ことなく有効にその出力を利用しつつレーザー加工を行
うことができる。
【0028】さらに、フライアイレンズに分布屈折率型
のレンズアレイを使用すれば小型なレーザー加工機用の
照明光学系を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の照明光学系を利用したレーザー加工機
の構成の概略を示す図である。
【図2】本発明の照明光学系のレンズ構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
LS レーザー光源 1 ズームエキスパンダ光学系 2 フライアイレンズ 3 コンデンサレンズ 4 アパーチャ 5 縮小用顕微鏡対物レンズ 6 試料

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザー光を発振する固体レーザー光源
    と、 前記光源から射出されたレーザー光の光束の径を変換す
    るビームエキスパンダ光学系と、 複数のレンズ素子からなるオプティカルインテグレータ
    光学系と、 コンデンサーレンズ系と、 入射側の開口数をNA’としたときに、0.003<N
    A’<0.05を満足する顕微鏡対物レンズと、からな
    るレーザー加工機用照明光学系。
  2. 【請求項2】 前記ビームエキスパンダ光学系はズーム
    レンズであることを特徴とする請求項1記載のレーザー
    加工機用照明光学系。
  3. 【請求項3】 前記オプティカルインテグレータ光学系
    は分布屈折率型のレンズアレイであることを特徴とする
    請求項1または2記載のレーザー加工機用照明光学系。
  4. 【請求項4】 前記固体レーザー光源は、YAGレ−ザ
    −の高調波光を放射することを特徴とする請求項1、2
    または3記載のレーザー加工機用照明光学系。
JP9169668A 1997-06-12 1997-06-12 レーザー加工機用照明光学系 Withdrawn JPH112763A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005283879A (ja) * 2004-03-29 2005-10-13 Nikon Corp 落射蛍光照明装置、及びこれを備えた顕微鏡
JP2007307597A (ja) * 2006-05-19 2007-11-29 Disco Abrasive Syst Ltd レーザー加工装置
JP2010514926A (ja) * 2006-12-26 2010-05-06 コーウィン ディーエスティー カンパニー リミテッド レーザーを用いた金属薄膜形成装置およびその方法
US8389894B2 (en) * 2005-06-01 2013-03-05 Phoeton Corp. Laser processing apparatus and laser processing method

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Effective date: 20040907