KR20140052840A - 레이저 조사 유닛 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

레이저 조사 유닛 및 레이저 가공 장치 Download PDF

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다츠야 나카무라
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올림푸스 가부시키가이샤
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Abstract

레이저 가공 시스템(100)은 레이저 광원(50)으로부터의 레이저광을, 가동 지지된 편향면(33a)에 의해 편향시키는 반사 미러(33)와, 편향면(33a)을 레이저광의 광축 P1에 대하여 틸팅 가능하고 또한 광축 P1의 방향으로 이동 가능하게 배치하는 미러 이동 기구(34)와, 레이저광이 조사되는 기판(11)의 피조사면(11a)를 향하는 온 광(62)을 형성하기 위한 공간 변조 소자(6)와, 공간 변조 소자(6)를 틸팅 가능하게 하는 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)와, 공간 변조 소자(6)를 향하여 레이저광을 출사하는 투영 광학계(4)의 초점 위치를 가변시키는 렌즈 이동 기구(38)와, 공간 변조 소자(6)에 의해 형성된 온 광(62)을 피조사면(11a) 상에 투영하는 투영 광학계(8)를 구비한다.

Description

레이저 조사 유닛 및 레이저 가공 장치{LASER IRRADIATION UNIT AND LASER MANUFACTURING DEVICE}
본 발명은 레이저 조사 유닛 및 레이저 가공 장치에 관한 것이며, 특히, 공간 변조 소자를 구비한 레이저 조사 유닛 및 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
종래부터 레이저광을 피가공물의 원하는 영역에 조사함으로써 피가공물의 가공을 행하는 레이저 가공 장치가 알려져 있다. 이 레이저 가공 장치로서는, 예를 들어 액정 디스플레이 등의 제조에 있어서, 유리 기판 상의 배선 패턴이나, 노광에 사용하는 포토마스크에 존재하는 불필요한 잔류물 등의 결함부를 수정하는 레이저 리페어(repair) 장치가 알려져 있다.
이러한 레이저 가공 장치에 사용되는 레이저 조사 장치에서는, 레이저광의 조사 영역의 크기는 가변의 직사각형 개구 등으로 규정되어 있었지만, 최근 들어, 마이크로미러 어레이 등의 공간 변조 소자를 사용한 레이저 조사 장치가 알려져 있다. 마이크로미러 어레이와 같은 복수의 능동 광학 요소가 규칙적으로 배열된 능동 광학 소자를 사용하여 레이저 조사를 행하는 경우, 마이크로미러 어레이에 의해 반사된 레이저광은 복수의 회절광으로 나뉘어진다.
그러나, 일반적으로 현미경의 후방측 개구 수는 적으므로, 복수로 나뉘어진 회절광 전부를 피가공물의 원하는 영역에 입사시킬 수 없다. 또한, 레이저 가공 장치가 서로 파장이 다른 복수의 레이저광을 사용하는 경우, 파장에 따라 회절광의 회절 방향이 다르다. 그 때문에, 단순히 어느 파장의 레이저광에 대한 마이크로미러에 의한 소정의 회절 방향으로 현미경의 광축을 설정한 것만으로는, 레이저광의 이용 효율을 저하시키는 현상이 발생한다. 따라서, 일본 특허 공개 제2010-274272호 공보에는, 변조광 조사 광학계에 대한, 레이저 광원 및 공간 변조 소자 중 적어도 어느 한쪽의 기울기를 회전 기구에 의해 가변으로 함으로써, 공간 변조 소자의 변조광의 회절 방향을 변조광 조사 광학계에 일치시킬 수 있는 레이저 가공 장치가 제안되어 있다.
이 제안된 장치의 기본 구성에 있어서는, 광원과 가공면에 결상시키는 결상 렌즈 사이에 미소 미러 어레이인 디지털 마이크로미러 디바이스(이하, DMD라고 함)가 설치되어 있고, DMD 상의 각 미소 미러의 각도의 온·오프 상태를 제어함으로써, 피가공물의 가공면에 임의의 패턴 형상으로 피가공물의 가공을 할 수 있다. 이 기본 구성을 갖는 장치에서는, DMD에 입사시키는 레이저 광선의 입사 각도를 조정하는 구성을 추가함으로써, DMD로부터 출사되는 회절광의 이용 효율을 향상시키고, 또한 DMD로부터 출사되는 회절광과 변조광 조사 광학계의 광축을 일치시키는 기구를 추가함으로써, 레이저의 이용 효율을 높이는 것이 가능하게 된다.
예를 들어 가공 파장으로서, 서로 다른 파장의 2종류의 레이저광을 사용했을 경우, 레이저광의 이용 효율을 높이기 위해서는 파장에 따라, DMD에의 레이저 입사 각도와, DMD로부터 출사되는 레이저광의 출사 각도를 최적화해야 한다.
또한, 레이저 광원으로부터의 레이저광의 도광 광학 소자로서 광 파이버를 사용하고 있는 경우, 광 파이버의 설치 형상을 미묘하게 조정함으로써 DMD에 조사하는 레이저광의 균일화, 나아가서는 피가공물의 가공면에 있어서의 균일 가공을 실현하고 있다.
일본 특허 공개 제2010-274272호 공보
그러나, 상기 제안된 장치의 경우, 파장에 따라 DMD에의 레이저의 입사 각도 조정을 행할 때, 광 파이버가 접속된 렌즈계를 포함하는 레이저 조사부도 움직이기 때문에, 레이저 조사부에 접속되어 있는 광 파이버의 설치 형상이 변화하게 된다. 그 결과, 피가공물의 가공면에 조사되는 레이저광의 균일도가 변화하여, 파장에 따라 레이저의 입사 각도 조정을 행하면 피가공물의 가공면에 있어서의 균일 가공을 할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 레이저광의 이용 효율을 용이하게 개선함과 함께, 가공 파장을 변경하더라도 가공의 균일도를 유지하는 것이 가능한 레이저 조사 유닛 및 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태의 레이저 조사 유닛은, 레이저 광원으로부터의 레이저광을, 가동 지지된 편향면에 의해 편향시키는 광로 편향부와, 상기 편향면을, 상기 레이저광의 광축에 대하여 틸팅 가능하고 또한 상기 광축의 방향으로 이동 가능하게 배치하는 편향면 이동 기구와, 상기 광로 편향부에서 편향된 레이저광을 공간 변조하고, 상기 레이저광이 조사되는 피조사물의 피조사면을 향하는 온 광을 형성하기 위한 복수의 미소 미러를 갖는 공간 변조 소자와, 상기 공간 변조 소자를 틸팅 가능하게 하는 공간 변조 소자 틸팅 기구와, 상기 공간 변조 소자를 향하여 상기 레이저광을 출사하는 투영 광학계의 초점 위치를 가변시키는 렌즈 이동 기구와, 상기 공간 변조 소자에 의해 형성된 온 광을 상기 피조사면 상에 투영하는 투영 광학계를 구비한다.
본 발명의 일 형태의 레이저 가공 장치는, 상기 레이저 광원과, 본 발명의 레이저 조사 유닛을 갖는다.
도 1은 실시 형태에 따른 레이저 조사 장치 및 그것을 사용한 레이저 가공 시스템의 개략 구성을 도시하는 모식적인 구성도이다.
도 2는 실시 형태에 따른 레이저 조사 장치의 공간 변조 소자에 있어서의 회절 현상을 설명하기 위한 미소 미러의 모식적인 단면도이다.
도 3은 실시 형태에 따른 레이저 조사 장치의 공간 변조 소자에 있어서의 회절 현상을 설명하기 위한 미소 미러의 모식적인 단면도이다.
도 4는 실시 형태에 따른 레이저 가공 시스템의 제어 유닛의 개략 구성을 도시하는 기능 블록도이다.
도 5는 실시 형태에 따른 레이저 조사 장치의 편향면 이동 기구의 작용에 대하여 설명하는 모식 설명도이다.
도 6은 실시 형태에 따른, 예를 들어 가공 파장 λ1의 레이저광의 경우에 있어서의, 미러 틸팅부(34a)와 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 실시 형태에 따른, 예를 들어 가공 파장 λ1과는 파장이 다른 가공 파장 λ2의 레이저광의 경우에 있어서의, 미러 틸팅부(34a)와 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실시 형태의 변형예에 따른 레이저 가공 시스템의 제어 유닛의 개략 구성을 도시하는 기능 블록도이다.
도 9는 본 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 조사 장치에 의한 최적 조건 도출 알고리즘의 예를 도시하는 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
(구성)
도 1은 본 실시 형태에 따른 레이저 조사 장치 및 그것을 사용한 레이저 가공 시스템의 개략 구성을 나타내는 모식적인 구성도이다. 도 2 및 도 3은 본 실시 형태에 따른 레이저 조사 장치의 공간 변조 소자에 있어서의 회절 현상을 설명하기 위한 미소 미러의 모식적인 단면도이다. 도 4는 본 실시 형태에 따른 레이저 가공 시스템의 제어 유닛의 개략 구성을 도시하는 기능 블록도이다.
또한, 도면 중의 XYZ 좌표계는, 방향 참조의 편의를 위하여 각 도면 공통의 위치 관계로 형성한 것으로, 연직 방향이 Z축, 수평면이 XY 평면이며, Y축 부방향으로부터 Y축 정방향을 향하는 방향이, 정면에서 본 방향에 일치되어 있다.
또한, 도면 중의 광속(光束)을 나타내는 선은, 레이저광을 조사하는 피가공물인 시료의 어느 한 점에 레이저광을 조사하는 경우를 모식적으로 그린 것이다.
본 실시 형태의 레이저 가공 시스템(100)은 피가공물에 레이저광을 조사하여 리페어 가공을 행하는 장치이다. 예를 들어 LCD(액정 디스플레이)의 유리 기판이나 반도체 웨이퍼 기판 등, 포토리소그래피 처리 공정에서 기판 상에 회로 패턴 등이 형성된 피가공물에 있어서, 예를 들어 배선 부분의 쇼트, 포토레지스트의 비어져 나옴 등의 결함부가 검출되었을 경우에 결함부를 제거한다는 등의 리페어 가공에 적절하게 사용할 수 있는 것이다.
레이저 가공 장치인 레이저 가공 시스템(100)의 개략 구성은, 도 1에 도시한 바와 같이, 레이저 광원(50), 가공 헤드(20), 가공 헤드 이동 기구(31), 적재대(21), 제어 유닛(22), 표시부(30) 및 사용자 인터페이스(32)를 포함하고, 피가공물인 기판(11)은 가공 시에는, 가공 헤드(20)의 하방에 설치된 적재대(21) 상에 피가공면(11a)인 피조사면을 상측(즉 Z축 정방향측)으로 향하게, 수평하게 적재된다.
레이저 광원(50)은 리페어 가공용 광원이다. 본 실시 형태에서는, 레이저 발진기(1), 결합 렌즈(2), 광 파이버(이하, 파이버라고 함)(3) 및 투영 렌즈(4)를 포함하여 구성되어 있다.
레이저 발진기(1)는 기판(11) 상의 결함을 제거할 수 있도록, 파장, 출력이 설정된 레이저광을 발진하는 것으로, 예를 들어 펄스 발진 가능한 YAG 레이저 등이다. 가공 파장인 발진 파장은, 리페어 대상에 따라 복수의 발진 파장을 전환할 수 있도록 되어 있다. 즉, 레이저 광원(50)은 복수의 파장의 레이저광을 선택적으로 출사 가능하다.
레이저 발진기(1)는 제어 유닛(22)에 전기적으로 접속되고, 제어 유닛(22)으로부터의 제어 신호에 따라 발진이 제어되도록 되어 있다.
결합 렌즈(2)는 레이저 발진기(1)로부터 출사되는 레이저광을 파이버(3)에 광결합하기 위한 광학 소자이다.
파이버(3)는 결합 렌즈(2)에 의해, 파이버 단부면(3a)에 광결합된 레이저광을 내부에서 전반시켜 가공 헤드(20) 내로 유도하고, 레이저광(60)으로서, 파이버 단부면(3b)으로부터 출사하는 것이다. 레이저광(60)은 파이버(3)의 내부를 전반하고 난 후 출사되므로, 레이저 발진기(1)의 레이저광이 가우스 분포이더라도, 광량 분포가 균일화된 확산광으로 되어 있다. 또한, 결합 렌즈(2)는 결합 렌즈 이동 기구(90)에 의해 광축 방향으로 위치 제어 가능하게 되어 있다.
투영 렌즈(4)는 여기서는, 2개의 렌즈(4a, 4b)를 갖고, 파이버 단부면(3b)의 상(像)을, 후술하는 공간 변조 소자(6)의 변조 영역에 조사할 수 있도록 투영 배율이 설정된 렌즈 또는 렌즈군이며, 가공 헤드(20)의 하우징(20a)에 고정되어 있다. 여기서, 투영 렌즈(4)를 구성하는 렌즈군 중 파이버(3)에 가까운 측의 렌즈(4a)는 렌즈 이동 기구(38)에 접속되어 있고, 광축 방향으로 위치 조정 가능하게 되어 있다. 즉, 렌즈 이동 기구(38)는 공간 변조 소자(6)를 향하여 레이저광을 출사하는 투영 광학계(4)의 초점 위치를 가변시키기 위한 기구이다.
또한, 도 1은 모식도이기 때문에, 투영 광학계에서는 축 상의 광속(光束)만을 그리고 있다. 또한, 레이저 발진기(1)를 Z 방향을 따라 배치하고 있지만, 레이저 발진기(1)의 배치 위치 및 자세는, 이에 한정되는 것은 아니며, 파이버(3)를 적절히 배회시키는 것에 의해 적절한 배치 위치 및 자세로 설정할 수 있다. 파이버(3)에는, 레이저광의 출력 모드를 안정시키기 위하여, 즉 출사되는 레이저광의 균일화를 도모하기 위하여, 파이버(3)의 형상을 자유롭게 조정하여 고정할 수 있는 파이버 고정 부재(9)가 설치되어 있다.
가공 헤드(20)는 적당한 구동 수단을 구비하는 가공 헤드 이동 기구(31)에 의해, 적재대(21)에 대하여 XZ 축 방향으로 상대 이동 가능하게 보유 지지된 하우징(20a) 내에, 반사 미러(33)(광로 편향부), 미러 이동 기구(34)(편향면 이동 기구), 공간 변조 소자(6), 투영 광학계(8), 관찰용 광원(16), 관찰용 결상 렌즈(12), 촬상 소자(13) 등의 광학 소자, 디바이스 등을 보유 지지하여 이루어진다.
본 실시 형태에서는, 가공 헤드(20)의 적재대(21)에 대한 상대 이동은, 가공 헤드 이동 기구(31)에 의해 가공 헤드(20)를 피가공면(11a)에 평행한 X축 방향 및 피가공면(11a)에 직교하는 방향(Z축 방향)으로 이동시키고, 적재대(21)에 의해, 기판(11)을 Y축 방향으로 이동시키는 경우의 예로 설명하지만, 예를 들어 가공 헤드(20)가 Z축 방향으로 이동하고 적재대(21)가 XY 방향으로 이동하거나, 적재대(21)가 고정되고 가공 헤드(20)가 XYZ 축방향으로 이동하거나, 하는 바와 같이 적당한 조합의 상대 이동을 채용할 수 있다.
또한, 가공 헤드 이동 기구(31)는 예를 들어 볼 나사, 리니어 모터 등이 적절히 사용된다. 또한, 포커싱 등 미소량의 이동에는 압전 소자 등을 조합해도 된다.
반사 미러(33)는 레이저 광원(50)의 투영 렌즈(4)로부터 출사되는 광축 P1의 레이저광(60)을 편향면(33a)에 의해 반사하여, 공간 변조 소자(6)를 향하는 광축 P2의 레이저광(61)으로 편향하는 것이며, 미러 이동 기구(34)에 의해 가동 지지되어 있다. 즉, 반사 미러(33)는 레이저 광원(50)으로부터의 레이저광을, 가동 지지된 편향면(33a)에 의해 편향시키는 광로 편향부를 구성한다.
미러 이동 기구(34)는 반사 미러(33)를 광축 P1에 대하여 틸팅시키는 미러 틸팅부(34a)와, 반사 미러(33)를 광축 P1을 따르는 방향으로 병진 이동시키는 미러 병진 이동부(34b)를 포함하여 이루어지며, 각각, 제어 유닛(22)에 전기적으로 접속되고, 제어 유닛(22)으로부터의 제어 신호에 의해, 반사 미러(33)의 틸팅 방향, 틸팅 각도 및 병진 이동량을 제어할 수 있도록 되어 있다. 즉, 미러 이동 기구(34)는 반사 미러(33)의 편향면(33a)을 레이저광의 광축 P1에 대하여 틸팅 가능하고 또한 광축 P1의 방향으로 이동 가능하게 배치하는 편향면 이동 기구를 구성한다.
이와 같은 구성에 의해, 광축 P2의 방향 및 광축 P2의 공간 변조 소자(6) 상에서의 위치를 변경할 수 있도록 되어 있다.
공간 변조 소자(6)는 편향면(33a)에서 편향된 레이저광(61)을 공간 변조하는 것으로, 미소 미러 어레이인 DMD(Digital Micromirror Device)를 포함하여 이루어진다. 즉, 공간 변조 소자(6)는 도 2에 도시한 바와 같이, 기준면 M에 대하여 회전축 R를 중심으로 하여, 각도 ±φ만큼 경사질 수 있는 복수의 미소 미러(6a)가 예를 들어 2변이 W×H인 직사각형의 변조 영역 내에, 각 변이 연장되는 방향을 배열 방향으로 하여 2차원적으로 배열되어 있다.
미소 미러(6a)의 경사각 φ의 크기는, 디바이스의 구조 등에 따라서도 상이하지만, 예를 들어 약 10° 내지 약 16°와 같은 각도 범위 내에서 선택되고 있다. 또한, 기준면 M은, 적절한 방향으로 배치할 수 있지만, 본 실시 형태에서는, 일례로서, 미소 미러(6a)를 Z축 방향의 부방향(도시된 반시계 방향)측을 향하여, XY 평면에 평행하게 배치한 경우의 예로 설명한다.
공간 변조 소자(6)의 각 미소 미러(6a)는 제어 유닛(22)으로부터의 제어 신호에 따라 발생하는 정전 전계에 의해, 온 상태에서는, 예를 들어 기준면 M으로부터 +φ(도시된 반시계 방향) 회전되고, 오프 상태에서는, 기준면 M으로부터 -Φ(도시된 시계 방향) 회전된다. 이하에서는, 온 상태의 미소 미러(6a)에 의해 반사된 광을 온 광, 오프 상태의 미소 미러(6a)에 의해 반사된 광을 오프 광이라고 칭한다. 본 실시 형태에서는, 온 광(62)(도 1 참조)의 광축 P3은, Z축 방향에 대략 평행해지도록 설정하고 있다. 즉, 공간 변조 소자(6)는 반사 미러(33)에서 편향된 레이저광을 공간 변조하여, 레이저광이 조사되는 피조사물인 기판(11)의 피조사면인 피가공면(11a)을 향하는 온 광(62)을 형성하기 위한 복수의 미소 미러를 갖는 공간 변조 소자이다.
각 미소 미러(6a)의 위치는, 길이 W의 변의 열 번호 m, 길이 H의 변의 행 번호 n(m, n은 0 이상의 정수)에 의해, (m, n)으로 나타낼 수 있으며, 미소 미러(6a)의 배열 피치로부터, 기준면 M 상의 위치 좌표로 환산할 수 있다.
또한 공간 변조 소자(6)는 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)에 접속되어 있고, 광축 P3에 대하여 공간 변조 소자(6)를 틸팅 가능하게 구성되어 있다. 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)는 후술하는 바와 같이 공간 변조 소자(6)를 틸팅시키기 위한 기구이다.
투영 광학계(8)는 공간 변조 소자(6)에서 공간 변조되어, 일정 방향을 향하여 반사된 온 광(62)에 의한 상(像)을, 기판(11)의 피가공면(11a) 상에 배율 β로 결상하는 결상 광학계를 구성하는 광학 소자군이며, 공간 변조 소자(6)측에 결상 렌즈(8A)가, 기판(11)측에 대물 렌즈(8B)가, 각각 배치되어 있다. 즉, 투영 광학계(8)는 공간 변조 소자(6)에 의해 형성된 온 광(62)을 피조사면인 피가공면(11a) 상에 투영한다.
본 실시 형태에서는, 대물 렌즈(8B)는, 배율이 다른 복수 개가 리볼버 기구에 의해 전환 가능하게 보유 지지되어 있다. 그로 인해, 리볼버 기구를 회전시켜 대물 렌즈(8B)를 전환함으로써, 투영 광학계(8)의 배율 β를 변경할 수 있도록 되어 있다. 이하에서는, 특별히 언급하지 않는 한, 대물 렌즈(8B)는, 투영 광학계(8)를 구성하기 위하여 선택된 렌즈를 가리키는 것으로 한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 결상 렌즈(8A)의 광축 P4는, X축 방향에 평행하게 배치되고, 대물 렌즈(8B)의 광축 P5는, Z축 방향에 평행하게 배치되어 있다.
이 때문에, 공간 변조 소자(6)와, 결상 렌즈(8A) 사이에는, 온 광(62)을 반사하여, 광축 P4를 따라 입사시키는 미러(7)가 설치되어 있다. 그리고, 결상 렌즈(8A)와 대물 렌즈(8B) 사이에는, 결상 렌즈(8A)를 투과한 광을 반사하여, 광축 P5를 따라 입사시키는 반투명 거울(9)이 설치되어 있다.
투영 광학계(8)의 투영 배율 β는 피가공면(11a) 상에서의 필요한 가공 정밀도에 따라 적절히 설정할 수 있다. 예를 들어, 변조 영역 전체의 W×H의 크기의 화상이, 피가공면(11a) 상에서, W'×H'로 되는 배율로 한다.
또한, 결상 렌즈(8A)의 NA는, 도 1에 있어서 점선으로 나타내는 오프 광(63)으로서 반사된 광이, 입사하지 않는 크기로 된다.
관찰용 광원(16)은 피가공면(11a) 상의 가공 가능 영역 내를 조명하기 위한 관찰용 광(80)을 발생시키는 광원이며, 반투명 거울(9)과 대물 렌즈(8B) 사이의 광로의 측방에 설치되어 있다.
반투명 거울(9)과 대물 렌즈(8B) 사이의 광로 상에 있어서 관찰용 광원(16)에 대향하는 위치에는, 반투명 거울(9)에서 반사된 온 광(62)을 투과하고, 관찰용 광(80)을 대물 렌즈(8B)를 향하여 반사하는 반투명 거울(14)이 설치되어 있다. 그리고, 관찰용 광원(16)과 반투명 거울(14) 사이에는, 관찰용 광(80)을 적절한 직경의 조명 광속으로 집광하는 집광 렌즈(15)가 설치되어 있다.
관찰용 광원(16)으로서는, 예를 들어 가시광을 발생시키는 크세논 램프나 LED 등 적당한 광원을 채용할 수 있다.
촬상 광학계를 구성하는 관찰용 결상 렌즈(12)는 반투명 거울(9)의 상방측에, 대물 렌즈(8B)의 광축 P5와 동축으로 배치되며, 관찰용 광(80)에 의해 조명된 피가공면(11a)으로부터 반사되고, 대물 렌즈(8B)에 의해 집광된 광을, 촬상부인 촬상 소자(13)의 촬상면 상에 결상하기 위한 광학 소자이다.
촬상 소자(13)는 촬상면 상에 결상된 화상을 광전 변환하는 것으로, 예를 들어 CCD 등을 포함하여 이루어진다. 촬상 소자(13)에서 광전 변환된 화상 신호는, 촬상 소자(13)에 전기적으로 접속된 제어 유닛(22)에 송출된다.
이상과 같이, 레이저 광원(50)으로부터의 레이저광을, 기판(11)을 향하여 조사하기 위하여, 반사 미러(33), 미러 이동 기구(34), 공간 변조 소자(6), 공간 변조 소자 틸팅 기구(36), 렌즈 이동 기구(38) 및 투영 광학계(8)는 레이저 조사 유닛(200)을 구성한다.
이어서, 제어 유닛(22)은 레이저 가공 시스템(100)의 동작을 제어하기 위한 것으로, 도 4에 도시한 바와 같이, 이동 기구 제어부(35), 공간 변조 소자 틸팅 제어부(37), 렌즈 위치 제어부(39), 화상 도입부(40), 공간 변조 소자 구동부(41), 장치 제어부(42), 데이터 기억부(43), 화상 처리부(44) 및 결합 렌즈 이동 기구 제어부(91)를 포함한다.
제어 유닛(22)의 장치 구성은, 본 실시 형태에서는, CPU, 메모리, 입출력부, 외부 기억 장치 등으로 구성된 컴퓨터와 적당한 하드웨어의 조합을 포함하여 이루어진다. 데이터 기억부(43)는 이 컴퓨터의 메모리나 외부 기억 장치를 사용하여 실현하고 있다. 또한, 다른 구성은, 각각의 제어 기능, 처리 기능에 대응하여 작성된 프로그램을 CPU에서 실행함으로써 실현하고 있다.
화상 도입부(40)는 촬상 소자(13)에서 취득된 화상 신호를 도입하여 피가공면(11a)의 2차원 화상을 얻는 것이다. 도입된 2차원 화상은, 모니터 등을 포함하는 표시부(30)에 송출되어 표시됨과 함께, 화상 데이터(150)로서, 화상 메모리를 포함하는 데이터 기억부(43)에 송출되어 기억되도록 되어 있다.
공간 변조 소자 구동부(41)는 화상 처리부(44)에서 생성된 가공 데이터에 기초하여, 공간 변조 소자(6)의 각 미소 미러(6a)의 온/오프 상태를 제어하는 것이다.
장치 제어부(42)는 예를 들어 조작 패널, 키보드, 마우스 등의 적당한 조작 입력 수단을 구비하는 사용자 인터페이스(32)로부터의 조작 입력에 기초하여, 레이저 가공 시스템(100)의 동작을 제어하는 것이며, 화상 도입부(40), 공간 변조 소자 구동부(41), 가공 헤드 이동 기구(31), 레이저 발진기(1), 관찰용 광원(16), 이동 기구 제어부(35), 공간 변조 소자 틸팅 기구 제어부(37), 렌즈 이동 기구 제어부(39) 및 결합 렌즈 이동 기구 제어부(91)에 전기적으로 접속되어, 각각의 동작이나 동작 타이밍을 제어할 수 있도록 되어 있다.
미러 이동 기구 제어부(35)는 사용자 인터페이스(32)로부터의 조작 입력이나, 장치 제어부(42)의 제어 신호에 기초하여, 미러 이동 기구(34)의 미러 틸팅부(34a), 미러 병진 이동부(34b)의 동작을 제어하는 것이다. 즉, 미러 이동 기구 제어부(35)는 편향면 이동 기구(1)인 미러 이동 기구(34)에 의한 편향면(33a)의 틸팅 각도 및 이동량을 제어하는 편향면 이동 기구 제어부를 구성한다.
공간 변조 소자 틸팅 기구 제어부(37)는 사용자 인터페이스(32)로부터의 조작 입력이나, 장치 제어부(42)의 제어 신호에 기초하여, 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)의 동작을 제어하는 것이다. 즉, 공간 변조 소자 틸팅 기구 제어부(37)는 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)에 의한 공간 변조 소자(6)의 틸팅 각도를 제어한다.
렌즈 이동 기구 제어부(39)는 사용자 인터페이스(32)로부터의 조작 입력이나, 장치 제어부(42)의 제어 신호에 기초하여, 렌즈 이동 기구(38)의 동작을 제어하는 것이다.
또한, 결합 렌즈 이동 기구 제어부(91)는 사용자 인터페이스(32)로부터의 조작 입력이나, 장치 제어부(42)의 제어 신호에 기초하여 결상 렌즈 이동 기구(90)의 동작을 제어하는 것이다.
화상 처리부(44)는 데이터 기억부(43)에 기억된 화상 데이터(150)를 판독하여 적당한 화상 처리를 실시하는 것이며, 본 실시 형태에서는, 결함 추출부(45)와 가공 데이터 생성부(46)를 구비한다.
결함 추출부(45)는 화상 데이터(150)에 대하여 결함 추출 처리를 행하고, 가공 형상 정보를 결함 화상 데이터(151)로서, 가공 데이터 생성부(46)에 송출하는 것이다.
이 결함 추출 처리는, 주지의 어떠한 결함 추출 알고리즘을 사용해도 된다. 예를 들어, 취득된 화상 데이터와, 미리 기억된 정상적인 피가공면(11a)의 패턴 화상 데이터의 휘도의 차분을 취하고, 그 차분 데이터를 어느 경계값으로 2치화한 데이터로부터 결함을 추출할 수 있다.
가공 데이터 생성부(46)는 결함 추출부(45)로부터 송출된 가공 형상 정보에 대응하여, 피가공면(11a)에 온 광(62)을 조사할 수 있도록, 공간 변조 소자(6)의 각 미소 미러(6a)의 온/오프를 제어하는 가공 데이터(152)(변조 데이터)를 생성하는 것이다.
(작용)
이어서, 레이저 가공 시스템(100)의 동작에 대하여 설명한다.
도 5는 본 실시 형태에 따른 레이저 조사 장치의 편향면 이동 기구의 작용에 대하여 설명하는 모식 설명도이다. 결함에 따라 사용되는 가공 파장은, 사용자 인터페이스(32)에 있어서, 유저에 의해 미리 지정된다.
우선, 레이저 가공 시스템(100)에서, 레이저 가공을 행하기 위해서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 우선, 적재대(21) 상에 피가공물로서, 기판(11)이 적재된다.
이어서, 가공 헤드 이동 기구(31)에 의해, 가공 헤드(20)를 이동시켜, 최초의 가공 위치에 설정하고, 피가공면(11a)의 가공 가능 영역의 화상을 취득한다. 즉, 관찰용 광원(16)을 점등하여, 관찰용 광(80)을 발생시킨다. 관찰용 광(80)은 반투명 거울(14)에서 일부가 반사되고, 이 반사광이 대물 렌즈(8B)에서 집광되어 피가공면(11a) 상의 가공 가능 영역을 조명한다.
피가공면(11a)에서 반사된 반사광은, 대물 렌즈(8B)에서 집광되고, 일부가, 반투명 거울(14)을 투과한다. 그리고, 반투명 거울(9)에 의해, 또한 일부가 투과되어, 관찰용 결상 렌즈(12)로 유도된다. 관찰용 결상 렌즈(12)에 입사된 광은, 촬상 소자(13)의 촬상면에 결상된다.
촬상 소자(13)는 결상된 피가공면(11a)의 화상을 광전 변환하여, 화상 도입부(40)에 송출한다.
화상 도입부(40)에서는, 송출된 화상 신호를, 필요에 따라, 노이즈 제거, 휘도 보정 등의 처리를 실시하여 표시부(30)에 표시한다. 또한, 장치 제어부(42)의 제어 신호에 따라, 적절한 타이밍에 있어서의 화상 신호를, 화상 데이터(150)로 변환시켜, 데이터 기억부(43)에 기억한다. 이와 같이 하여, 피가공면(11a)의 가공 가능 영역의 화상이 취득된다.
이어서, 화상 처리부(44)에서는, 데이터 기억부(43)에 기억된 화상 데이터(150)를 결함 추출부(45)에 판독하여 결함 추출을 행한다. 그리고, 추출된 결함의 종류나 크기 등을 판정하여, 리페어 가공해야 할 결함이라고 판단되었을 경우에, 결함 화상 데이터(151)로서 가공 데이터 생성부(46)에 송출한다.
또한, 피가공면(11a)의 가공 가능 영역과 공간 변조 소자(6)의 변조 영역은, 투영 광학계(8)에 의해, 공액의 관계로 되어 있으며, 투영 광학계(8)의 투영 배율이 β이기 때문에, 가공 가능 영역 상의 위치 좌표를 1/β배 함으로써, 공간 변조 소자(6)의 변조 영역 상의 위치에 대응시킬 수 있다.
이와 같이 하여, 가공 데이터 생성부(46)에서는, 결함 화상 데이터(151)로부터, 결함 화상 데이터(151)로 표현되는 피가공면(11a) 상의 각 위치에, 온 광(62)을 조사하기 위하여 온 상태에서 제어해야 할 미소 미러(6a)를 결정하며, 그들 미소 미러(6a)를 온 상태로 하고, 다른 미소 미러(6a)를 오프 상태로 하도록 공간 변조 소자(6)를 구동하는 가공 데이터(152)를 생성한다. 예를 들어, 각 미소 미러(6a)의 위치(m, n)에 대응하여, 온 상태가 1, 오프 상태가 0의 수치가 대응하는 표 데이터로서, 가공 데이터(152)가 생성된다.
생성된 가공 데이터(152)는 공간 변조 소자 구동부(41)에 송출한다.
공간 변조 소자 구동부(41)는 장치 제어부(42)의 제어 신호와 송출된 가공 데이터(152)에 기초하여, 공간 변조 소자(6)의 각 미소 미러(6a)의 경사각을 제어한다.
이어서, 장치 제어부(42)는 레이저 발진기(1)에 대하여 레이저광을 발진시키는 제어 신호를 송출하고, 기판(11)에 따라 미리 선택된 조사 조건에 기초하여, 레이저 발진기(1)로부터 레이저광을 발진시킨다. 레이저광의 조사 조건으로서는, 예를 들어 파장, 광출력, 발진 펄스 폭 등을 들 수 있다.
발진된 레이저광은, 결합 렌즈(2)에서 파이버(3)의 파이버 단부면(3a)에 광결합되고, 파이버 단부면(3b)으로부터, 광 강도 분포가 대략 균일화된 발산광인 레이저광(60)으로서 출사된다. 또한, 결합 렌즈(2)가 예를 들어 단체(團體) 렌즈이며, 색수차가 보정되지 않는 것이면, 결합 렌즈(2)의 광축 위치는 파장마다 결합 렌즈 이동 기구(90)에 의해 최적의 위치로 이동된다.
레이저광(60)은 투영 렌즈(4)에 의해, 광축 P1을 따라 나아가, 반사 미러(33)의 편향면(33a)에서 반사된다. 그리고, 레이저광(61)으로서 광축 P2를 따라 나아가, 공간 변조 소자(6) 상에 투영되고, 공간 변조 소자(6) 상의 각 미소 미러(6a)에서 반사된다.
여기서, 편향면(33a)의 광축 P1에 대한 기울기(이하, 간단히 편향면(33a)의 기울기라고 칭함)와 광축 P1 방향의 위치(이하, 간단히 편향면(33a)의 광축 방향 위치라고 칭함)가 반사 미러(33)의 반사광인 레이저광(61)이 공간 변조 소자(6)의 온 상태의 미소 미러(6a)에서 반사되었을 시, 회절 효율이 최대로 되도록, 미러 이동 기구(34)를 구동해 둔다.
이 편향면(33a)의 기울기 및 광축 방향 위치는, 사용저 인터페이스(32)의 조작 입력 및 장치 제어부(42)에 의해 수집된 레이저 발진기(1)의 파장 정보 등에 기초하여, 제어 유닛(22)의 이동 기구 제어부(35)에 의해, 미리 결정되고 설정된다.
경사각이 오프 상태로 된 미소 미러(6a)에서 반사되는 오프 광(63)은 결상 렌즈(8A)의 NA의 범위 외로 반사된다.
경사각이 온 상태로 된 미소 미러(6a)에서 반사된 온 광(62)은 광축 P3을 따라 나아가, 미러(7)에서 반사되어 광축 P4를 따라 나아가고, 결상 렌즈(8A)에 입사되고, 집광되어, 반투명 거울(9)에 도달하며, 반투명 거울(9)에서 반사된다.
반투명 거울(9)에서 반사된 온 광(62)은 광축 P5를 따라 나아가, 대물 렌즈(8B)에 의해 피가공면(11a) 상에 결상된다.
이와 같이 하여, 가공 데이터(152)에 기초하는 온 광(62)에 의한 변조 영역의 화상이, 피가공면(11a) 상에 투영된다. 그 결과, 온 광(62)이 피가공면(11a)의 결함에 조사되어, 결함이 제거된다.
이상으로 1회의 레이저 가공을 종료한다.
이 가공 후, 촬상 소자(13)에 의해 다시 피가공면(11a)의 화상을 취득하고, 필요에 따라, 상기를 반복하여, 미제거부가 있으면 다시 레이저 가공하거나, 또는, 가공 가능 영역을 이동시켜 다른 부분의 레이저 가공을 하거나 한다.
이어서, 본 실시 형태에 있어서, 온 광(62)을 투영 광학계(8)에 효율적으로 입사시켜 피가공면(11a)에 투영시키기 위한 편향면(33a)의 기울기의 조건에 대하여 설명한다.
공간 변조 소자(6)는 미소 미러(6a)가 규칙적으로 배열되어 있기 때문에, 온 광(62)의 광 강도 분포는, 미소 미러(6a)에 의한 회절 현상에 의해 결정된다.
예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 레이저광(61)이 공간 변조 소자(6)의 기준면 M에 대하여 입사각 θ0=2·φ으로 입사되면, 기준면 M에 대하여 도시된 반시계 방향으로 각도 φ만큼 경사진 온 상태의 복수의 미소 미러(6a)의 반사광인 온 광(62)은 프라운호퍼 회절(70)과 회절(71)이 발생하고, 온 광(62)의 광 강도 분포는, 이들 회절광을 컨볼루션하여 얻어진다.
프라운호퍼 회절(70)은 미소 미러(6a)의 개구에 의해 결정되고, 미소 미러(6a)의 정반사 방향(본 예에서는 Z축 부방향)으로 피크를 갖는 종형의 광 강도 분포를 구비한다.
한편, 회절(71)은 미소 미러(6a)의 배열 피치와 레이저광(61)의 파장으로부터 결정되는 이산적인 분포로 된다. 즉, 0차 회절광 d0이, 레이저광(61)의 기준면 M에 대한 정반사광(본 예에서는 Z축 부방향에 대하여 도시된 시계 방향으로 각도 θ0 회전한 방향)에 발생하고, 미소 미러(6a)의 배열 피치와 레이저광(61)의 파장에 의해 일의적으로 결정되는 다른 회절각의 방향으로, N차 회절광 dN(단, N=1, 2, …)이 발생한다.
이때, 회절(71) 중 어느 한쪽 차수의 회절광의 방향과, 프라운호퍼 회절(70)의 피크 강도의 방향이 대략 일치한 상태에서, 투영 광학계(8)에 입사시킬 수 있으면, 컨볼루션된 광 강도 분포가 커지기 때문에, 회절 효율이 향상된다. 따라서, 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 도 2의 경우와 같이, 투영 광학계(8)의 광축 방향에 대하여 프라운호퍼 회절(70)의 피크 강도의 방향이 일치하더라도, 회절(71)의 3차 회절광 d3, 4차 회절광 d4가, 각각 각도 θ3, θ4(단, θ4≤θ3)만큼 경사져 있고, 또한 양쪽의 회절광이 투영 광학계의 개구각의 범위 외인 경우, 충분한 레이저광이 가공면에 도달할 수 없어, 레이저 가공은 불가능하다.
이러한 문제를 개선하기 위해서는 이하에 설명하는 것과 같은 처리가 행해진다.
프라운호퍼 회절(70)의 피크 강도 방향은, 입사각 θ0 및 미소 미러(6a)의 경사각 φ으로 결정되고, 회절(71)의 회절각은, 미소 미러(6a)의 배열 피치와 레이저광(61)의 파장으로 결정되므로, 이들 정보에 기초하여, 이동 기구 제어부(35)는 프라운호퍼 회절(70)의 피크 강도가 최대로 되는 위치로 미리 설정된다.
예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, 입사광(61)의 입사 각도를 최적으로 하여, 프라운호퍼 회절(70)의 피크 강도의 방향과 3차 회절광 d3의 방향을 일치시킬 수 있으면, 3차 회절광 d3의 회절 강도는 최대화된다. 단 이때, 투영 광학계(8)의 광축이 공간 변조 소자면의 법선 방향과 일치하고 있으면 3차 회절광 d3은 투영 광학계의 개구각의 범위 외로 되어, 레이저광은 가공면까지 전달되지 않는다. 그 때문에, 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)를 미러 이동 기구(34)와 연동시키면서 구동하여, 투영 광학계(8)의 광축과 일치하도록 보정을 한다.
즉, 편향면 이동 기구 제어부(35)와 공간 변조 소자 틸팅 기구 제어부(37)는 공간 변조 소자(6)에 있어서의 복수의 미소 미러(6a)의 배열 피치에 의한 어느 한쪽 차수의 회절광과, 온 광(62)을 형성하는 미소 미러(6a)의 반사광의 출사 방향이, 투영 광학계(8)의 개구각의 범위에 들어가도록, 편향면(33a)의 틸팅 각도 및 이동량과, 공간 변조 소자(6)의 틸팅 각도가 제어된다.
이러한 편향면(33a)의 틸팅은, 레이저 발진기(1)의 발진 파장을 변경할 시, 그 파장에 따라 행해진다. 즉, 편향면 이동 기구 제어부(35)와 공간 변조 소자 틸팅 기구 제어부(37)는 레이저 광원(50)으로부터 출사되는 레이저광의 파장에 따라, 편향면(33a)의 틸팅 각도 및 이동량과 공간 변조 소자(6)의 틸팅 각도를 변화시킨다.
도 6 및 도 7은 다른 파장의 레이저광이 출사되는 경우에 있어서의, 미러 틸팅부(34a)와 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 예를 들어 가공 파장 λ1의 레이저광의 경우에 있어서의, 미러 틸팅부(34a)와 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 예를 들어 가공 파장 λ1과는 파장이 다른 가공 파장 λ2의 레이저광의 경우에 있어서의, 미러 틸팅부(34a)와 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
가공 파장 λ1이 예를 들어 355㎚인 경우, 반사 미러(33)와 공간 변조 소자(6)는 도 6에 도시한 바와 같은 위치 및 각도 관계에 있다고 한다. 가공 파장이 355㎚인 가공 파장 λ1로부터 예를 들어 532㎚의 가공 파장 λ2로 변경되면, 도 7에 도시한 바와 같이, 반사 미러(33)의 편향면(33a)이 도 6에 도시하는 상태로부터 각도 α를 갖도록 반사 미러(33)는 미러 틸팅부(34a)에 의해 틸팅되고, 또한 공간 변조 소자(6)가 도 6에 도시하는 상태로부터 각도 β를 갖도록 공간 변조 소자(6)는 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)에 의해 틸팅된다.
또한, 편향면(33a)의 기울기를 반사 미러(33)의 틸팅만으로 변경하면, 레이저광(61)의 공간 변조 소자(6)에 대한 입사 위치가 어긋나게 된다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 미러 이동 기구(34)가 미러 틸팅부(34a)와 미러 병진 이동부(34b)를 구비하여, 반사 미러(33)의 병진 이동을 조합함으로써, 레이저광(61)을 투영 광학계(8)의 광축 상에 정확하게 입사시킬 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이, 편향면(33a)이 광축 P1과의 교점 Q가 틸팅 중심으로 되도록 미러 틸팅부(34a)에 보유 지지되어 있는 경우, 공간 변조 소자(6)에의 입사각이 각도 θ0으로 되는 반사 미러(33A)의 상태로부터 각도 (△θ/2)만큼 회전하여, 반사 미러(33B)의 위치로 틸팅하면, 레이저 광원(50)으로부터의 레이저광(61)의 공간 변조 소자(6)의 기준면 M에 대한 입사각은, 각도 (θ+△θ)로 되지만, 공간 변조 소자(6)까지의 거리에 따라서는, 반사광이 공간 변조 소자(6)로부터 벗어나거나, 투영 광학계(8)의 유효 범위부터 벗어나거나 하는 경우가 있다.
이때, 미러 병진 이동부(34b)에 의해, 반사 미러(33B)를 광축 P1의 방향으로, 예를 들어 거리 L만큼 병진 이동시켜 반사 미러(33C)의 위치로 이동시킴으로써 반사 미러(33C)에서의 반사광을, 반사 미러(33A)에서의 반사광과 정확하게 동일한 위치에 입사시킬 수 있다.
또한, 미러 이동 기구(34)를 조정하면, 투영 렌즈(4)로부터 공간 변조 소자(6)까지의 거리도 변화하기 때문에, 파이버(3)의 단부면상(像)의 초점 위치가 공간 변조 소자(6)로부터 어긋나게 된다.
초점 어긋남에 의해 파이버(3)의 단부면상의 흐려짐이 발생하면, 가공면 상에서의 에너지 밀도의 저하가 발생하게 된다. 이를 보정하기 위하여, 투영 렌즈(4)를 구성하는 렌즈 중 렌즈(4a)를 렌즈 이동 기구(38)에 의해 구동하여 파이버 단부면상이 공간 변조 소자면 상에서 포커싱되도록, 투영 렌즈(4)의 초점 위치 조정을 행한다.
또한, 여기서는, 투영 렌즈(4)의 초점 위치 조정은, 렌즈(4a)를 렌즈 이동 기구(38)에 의해 구동함으로써 행해지고 있지만, 렌즈(4b)를 렌즈 이동 기구(38)에 의해 구동함으로써 행하도록 해도 된다.
가공면의 균일도에 대해서는, 파이버(3)의 선단측의 형상을 파이버 고정 부품(9)에 의해 조정함으로써 얻어진다. 종래예에 있어서는, 공간 변조 소자(6)에의 입사각을 변경하면 파이버 형상도 바뀌기 때문에, 파이버 형상의 미묘한 조정에 의해 균일도를 조정하더라도 분포가 흐트러지게 되지만, 당 장치에 있어서는, 미러 이동 기구(34)에 의해 입사각을 조정하기 때문에, 파이버의 형상이 변화하지 않으며, 따라서 레이저 발진기(1)의 파장을 전환하더라도 가공의 균일도를 유지하는 것이 가능하게 된다.
이러한 레이저 가공 시스템(100)에 의하면, 레이저 광원(50)으로부터의 레이저광(60)을 미러 이동 기구(34)에 의해 광축 P1에 대하여 틸팅 가능하고 또한 광축 P1 방향으로 이동 가능한 편향면(33a)에 의해 편향함으로써, 공간 변조 소자(6)의 기준면 M 및 온 상태의 미소 미러(6a)에 대한 입사각을 변화시키고, 입사 위치를 바꾸지 않도록 한 레이저광(61)을 공간 변조 소자(6)에 대하여 조사할 수 있다. 또한 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)에 의해, 미소 미러(6a)의 개구에 의한 프라운호퍼 회절(70)의 방향과 미소 미러(6a)의 배열 피치에 의한 회절(71)의 회절 방향을 투영 광학계(8)의 개구각 범위로 맞출 수 있다. 그 결과, 투영 광학계(8)를 통하여, 피가공면(11a)에 대하여 광 이용 효율이 양호한 레이저 조사를 행할 수 있고, 또한 상기 기구에 의한 최적화 위치를 조정할 때, 파이버 형상의 변화가 없기 때문에, 파이버의 균일도를 유지할 수 있다.
이어서, 상술한 실시 형태의 변형예에 대하여 설명한다. 또한, 본 변형예에 있어서, 상술한 실시 형태의 레이저 조사 장치와 동일한 구성 요소에 대해서는, 동일 부호를 사용하여 설명을 생략한다.
도 8은 상술한 실시 형태의 변형예에 따른 레이저 가공 시스템의 제어 유닛의 개략 구성을 도시하는 기능 블록도이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 장치 제어부(42)에는 데이터 처리부(92)가 접속되고, 동시에 투영 광학계(8)로부터 출력되는 레이저광의 에너지를 측정하는 에너지 계측기(93)가 접속되어 있다.
예를 들어, 각 가공 파장에 따른 공간 변조 소자(6) 및 반사 미러(33)의 틸팅 각도, 또한 반사 미러(33)의 병진 이동 거리를, 연산에 의해 구하고, 그 구한 각도 등에 따라 이동 기구 제어부(35) 및 공간 변조 소자 틸팅 기구 제어부(37)를 동작시키도록 설정하는 경우에, 공간 변조 소자(6)의 제조 오차 등에 따라, 공간 변조 소자(6)의 미소 미러의 경사 각도를 아직 알지 못하는 경우가 있다.
따라서, 본 변형예에서는, 이러한 경우에, 미러 이동 기구(34), 공간 변조 소자 틸팅 기구(36), 렌즈 이동 기구(38)를 연동시켜 각 각도 및 각 위치를 변경시키면서, 에너지 계측기(93)로부터의 출력을 복수 계측하고, 그 계측하여 얻어진 데이터에 기초하여 미러 이동 기구(34) 등의 최적의 각도 등을 데이터 처리부(92)가 결정할 수 있도록, 레이저 가공 시스템은 구성되어 있다.
이어서, 도 9를 사용하여, 본 변형예의 레이저 가공 시스템의 동작에 대하여 설명한다. 도 9는 본 실시 형태의 변형예에 따른 레이저 조사 장치에 의한 최적 조건 도출 알고리즘의 예를 도시하는 흐름도이다.
예를 들어, 공간 변조 소자(6)의 미소 미러의 경사 각도를 알지 못하는 경우, 최적의 조정 조건이 구해지지 않기 때문에, 실제로 에너지 계측기(93)의 출력값이 모니터되고, 조정된다. 이 경우, 도 9에 도시하는 흐름에 따라 최적 조건을 구하는 처리가 실행된다.
도 1에 있어서 점선으로 나타내는 바와 같이, 우선 대물 렌즈(8b) 아래에 에너지 계측기(93)를 적재한다(S1). 또한, 레이저 가공 시스템에 있어서의 피가공물인 기판(11)을 반송하는 기판 반송로 외의 소정 위치에 에너지 계측기(93)를 설치하고, 갠트리(gantry)에 의해 가공 헤드(20)를 에너지 계측기(93)상에 이동시키도록 해도 된다.
사용하는 레이저 광원의 파장을 레이저 발진기(1)에 설정한다(S2).
미러 이동 기구(34)를 제어하여, 입사각 조정 범위 내의 최소값(예를 들어, 직사각형의 입사각 조정 범위의 1개의 코너의 위치)으로 되도록 레이저 입사각을 설정하고, 또한 그 레이저 입사각의 설정에 수반하여 변경되는 공간 변조 소자(6)에의 레이저광의 입사 위치의 이동을 보정하기 위하여, 미러 병진 기구에 의해 공간 변조 소자(6)에의 조명 위치를 설정한다(S3).
S3에 있어서 설정된 레이저 입사각 및 조명 위치로부터 투영 렌즈(4)의 초점 위치를 구하고, 파이버 단부면상(像)이 공간 변조 소자면 상에서 포커싱되도록, 렌즈 이동 기구(38)를 제어하여, 파이버(3)의 단부면상을 공간 변조 소자(6) 상에 포커싱시킨다(S4).
그리고, 레이저 샷을 개시하고(S5), 동시에 에너지 계측기(93)으로부터의 레이저 출력 데이터의 취득이 개시된다(S6).
공간 변조 소자 틸팅 기구(36)가 조정 범위 내에서, 소정의 방향으로 소정의 각도만큼 공간 변조 소자(6)를 틸팅시켰을 때의 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)의 틸팅 각도와 레이저 출력 에너지값을 한 쌍의 데이터로서 데이터 처리부(92) 내부의 메모리에 저장된다(S7).
레이저 샷이 정지된다(S8).
설정 가능한 모든 입사각 범위 내에 있어서, 예를 들어 1°마다 데이터 취득이 행해지기까지, S3 내지 S8의 처리가 반복된다(S9: "아니오").
설정 가능한 모든 입사각 범위 내에서의 데이터 취득이 완료되면(S9: "예"), 에너지 출력이 가장 높아지는 미러 이동 기구(34) 및 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)의 각 각도를, 메모리에 기억된 데이터 중에서 데이터 처리부(92)에 의해 구한다(S10).
상기 S10에서 구한 최적 조건으로 되도록, 장치 제어부(42)에 의해, 미러 이동 기구(34) 및 공간 변조 소자 틸팅 기구(36)의 각 각도와, 그 각 각도로부터 산출된 렌즈 이동 기구(38)의 위치 설정이 행해진다.
이와 같이 공간 변조 소자(6)의 미소 미러 기울기 각도를 알지 못하므로, 최적 조건이 구해지지 않는 경우에도 에너지 효율을 최대화할 수 있는 조정이 가능하게 된다. 도 9의 처리를, 가공 파장마다 행하여, 각 가공 파장에 관한 최적 조건을 구할 수 있다.
이상과 같이, 상술한 실시 형태 및 변형예에 의하면, 공간 변조 소자(6)에의 입사각, 조명 위치, 파이버 단부면의 초점 위치를 최적화함으로써 높은 에너지 효율이 얻어지는 한편, 파장 전환 시에 있어서 파이버 형상이 변화하지 않으므로, 파이버 단부면에 있어서의 균일도 분포를 유지할 수 있어, 결과적으로 높은 에너지 효율로 균일한 가공을 행하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상술한 변형예에 의해, 공간 변조 소자(6)의 사양을 알지 못하는 등의 경우에도, 최적 조건을 자동으로 설정하는 것이 가능하게 된다.
본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 바꾸지 않는 범위에서, 다양한 변경, 변형 등이 가능하다.

Claims (10)

  1. 레이저 조사 유닛으로서,
    레이저 광원으로부터의 레이저광을, 가동 지지된 편향면에 의해 편향시키는 광로 편향부와, 상기 편향면을, 상기 레이저광의 광축에 대하여 틸팅 가능하고 또한 상기 광축의 방향으로 이동 가능하게 배치하는 편향면 이동 기구와,
    상기 광로 편향부에서 편향된 레이저광을 공간 변조하고, 상기 레이저광이 조사되는 피조사물의 피조사면을 향하는 온 광을 형성하기 위한 복수의 미소 미러를 갖는 공간 변조 소자와,
    상기 공간 변조 소자를 틸팅 가능하게 하는 공간 변조 소자 틸팅 기구와,
    상기 공간 변조 소자를 향하여 상기 레이저광을 출사하는 투영 광학계의 초점 위치를 가변시키는 렌즈 이동 기구와,
    상기 공간 변조 소자에 의해 형성된 온 광을 상기 피조사면 상에 투영하는 투영 광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 편향면 이동 기구에 의한 상기 편향면의 틸팅 각도 및 이동량을 제어하는 편향면 이동 기구 제어부와,
    상기 공간 변조 소자 틸팅 기구에 의한 상기 공간 변조 소자의 틸팅 각도를 제어하는 공간 변조 소자 틸팅 기구 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편향면 이동 기구 제어부와 상기 공간 변조 소자 틸팅 기구 제어부는, 상기 공간 변조 소자에 있어서의 상기 복수의 미소 미러의 배열 피치에 의한 어느 한쪽 차수의 회절광과, 상기 온 광을 형성하는 미소 미러의 반사광의 출사 방향이, 상기 투영 광학계의 개구각의 범위에 들어가도록, 상기 편향면의 틸팅 각도 및 이동량과, 상기 공간 변조 소자의 틸팅 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 유닛.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 레이저 광원은, 복수의 파장의 레이저광을 선택적으로 출사하는 것이며,
    상기 편향면 이동 기구 제어부와 상기 공간 변조 소자 틸팅 기구 제어부는, 상기 레이저 광원으로부터 출사되는 파장에 따라, 상기 편향면의 틸팅 각도 및 이동량과 상기 공간 변조 소자의 틸팅 각도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 유닛.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향면 이동 기구는, 상기 편향면을 틸팅시키는 틸팅부와, 상기 편향면을 병진 이동시키는 병진 이동부를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    에너지 계측기의 출력값과 상기 편향면의 이동 위치 및 상기 공간 변조 소자의 틸팅 각도를 관련짓고, 상기 공간 변조 소자로부터의 회절광 강도가 최대가 되는 조건을 구하여, 상기 편향면 이동 기구와, 상기 공간 변조 소자 틸팅 기구를 조정하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 유닛.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광원으로부터의 상기 레이저광은, 광 파이버의 파이버 단부면으로부터 출사되는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 유닛.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피조사물은, 액정 디스플레이의 유리 기판 또는 반도체 웨이퍼 기판인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 유닛.
  9. 레이저 광원과, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 레이저 조사 유닛을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    화상 데이터로부터 추출되고 생성된 가공 형상 정보에 기초하여, 상기 공간 변조 소자의 상기 각 미소 미러의 온·오프를 제어하는 공간 변조 소자 구동부를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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