(57)【要約】【課題】レーザ光の利用効率を容易に改善すると共に、加工波長を変更しても加工の均一度を維持することが可能なレーザ照射ユニット及びレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工システム１００は、レーザ光源５０からのレーザ光を、可動支持された偏向面３３ａによって偏向する反射ミラー３３と、偏向面３３ａを、レーザ光の光軸Ｐ１に対して傾動可能かつ光軸Ｐ１の方向に移動可能に配置するミラー移動機構３４と、レーザ光が照射される基板１１の被照射面１１ａに向かうオン光６２を形成するための空間変調素子６と、空間変調素子６を傾動可能にする空間変調素子傾動機構３６と、空間変調素子６へ向けてレーザ光を出射する投影光学系４の焦点位置を可変させるレンズ移動機構３８と、空間変調素子６によって形成されたオン光６２を被照射面１１ａ上に投影する投影光学系８と、を備える。【選択図】図１
2014083562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からのレーザ光を、可動支持された偏向面によって偏向する光路偏向部と、
前記偏向面を、前記レーザ光の光軸に対して傾動可能かつ前記光軸の方向に移動可能に配置する偏向面移動機構と、
前記光路偏向部で偏向されたレーザ光を空間変調して、前記レーザ光が照射される被照射物の被照射面に向かうオン光を形成するための複数の微小ミラーを有する空間変調素子と、
前記空間変調素子を傾動可能にする空間変調素子傾動機構と、
前記空間変調素子へ向けて前記レーザ光を出射する投影光学系の焦点位置を可変させるレンズ移動機構と、
前記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、
を備えることを特徴とするレーザ照射ユニット。
【請求項２】
前記偏向面移動機構による前記偏向面の傾動角度及び移動量を制御する偏向面移動機構制御部と、
前記空間変調素子傾動機構による前記空間変調素子の傾動角度を制御する空間変調素子傾動機構制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射ユニット。
【請求項３】
前記偏向面移動機構制御部と前記空間変調素子傾動機構制御部は、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によるいずれかの次数の回折光と、前記オン光を形成する微小ミラーの反射光の出射方向が、前記投影光学系の開口角の範囲に入るように、前記偏向面の傾動角度及び移動量と、前記空間変調素子の傾動角度とが制御されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ照射ユニット。
【請求項４】
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、
前記偏向面移動機構制御部と前記空間変調素子傾動機構制御部は、前記レーザ光源から出射される波長に応じて、前記偏向面の傾動角度及び移動量と前記空間変調素子の傾動角度を変化させることを特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ照射ユニット。
【請求項５】
前記偏向面移動機構は、前記偏向面を傾動させる傾動部と、前記偏向面を並進移動させる並進移動部とを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のレーザ照射ユニット。
【請求項６】
エネルギ計測器の出力値と前記偏光面移動位置、および前記空間変調素子傾動角度を関連付け、前記空間変調素子からの回折光強度が最大になる条件を求め、前記偏光面移動機構と、前記空間変調素子傾動機構を調整することを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射ユニット。
【請求項７】
前記レーザ光源と、請求項１から６のいずれか１つに記載のレーザ照射ユニットとを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射ユニット及びレーザ加工装置に関し、特に、空間変調素子を備えるレーザ照射ユニット及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ光を被加工物の所望領域に照射することにより被加工物の加工を行うレーザ加工装置が知られている。このレーザ加工装置としては、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レーザリペア装置が知られている。
【０００３】
このようなレーザ加工装置に用いられるレーザ照射装置では、レーザ光の照射領域の大きさは可変の矩形開口などで規定されていたが、近年、マイクロミラーアレイなどの空間変調素子を用いたレーザ照射装置が知られている。マイクロミラーアレイのような複数の能動光学要素が規則的に配列された能動光学素子を用いてレーザ照射を行う場合、マイクロミラーアレイにより反射されたレーザ光は複数の回折光に分かれる。
【０００４】
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のすべてを被加工物の所望領域に入射させることができない。また、レーザ加工装置が互いに波長の異なる複数のレーザ光を用いる場合、波長によって回折光の回折方向が異なる。そのため、単にある波長のレーザ光に対するマイクロミラーによる所定の回折方向に顕微鏡の光軸を設定しただけでは、レーザ光の利用効率を低下させる現象が発生する。そこで、特開２０１０−２７４２７２号公報には、変調光照射光学系に対する、レーザ光源及び空間変調素子の少なくともいずれか一方の傾きを回動機構によって可変とすることにより、空間変調素子の変調光の回折方向を変調光照射光学系に一致させることができるレーザ加工装置が提案されている。
【０００５】
この提案の装置の基本構成においては、光源と加工面に結像させる結像レンズとの間に微小ミラーアレイであるデジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤという）が設置されており、ＤＭＤ上の各微小ミラーの角度のオン・オフ状態を制御することにより、被加工物の加工面に任意のパターン形状で被加工物の加工をすることができる。この基本構成を有する装置では、ＤＭＤに入射させるレーザ光線の入射角度を調整する構成を追加することにより、ＤＭＤから出射される回折光の利用効率を向上させ、さらにＤＭＤから出射する回折光と変調光照射光学系の光軸を一致させる機構を追加することにより、レーザの利用効率を高めることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７４２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば加工波長として、互いに異なる波長の２種類のレーザ光を用いた場合、レーザ光の利用効率を高めるには波長に応じて、ＤＭＤへのレーザ入射角度と、ＤＭＤから出射されるレーザ光の出射角度を最適化しなければならない。
【０００８】
また、レーザ光源からのレーザ光の導光光学素子として光ファイバを用いている場合、光ファイバの設置形状を微妙に調整することでＤＭＤへ照射するレーザ光の均一化、ひいては被加工物の加工面における均一加工を実現している。
【０００９】
しかし、上記提案の装置の場合、波長に応じてＤＭＤへのレーザの入射角度調整を行うときに、光ファイバが接続されたレンズ系を含むレーザ照射部も動くため、レーザ照射部に接続されている光ファイバの設置形状が変化してしまう。その結果、被加工物の加工面へ照射されるレーザ光の均一度が変化し、波長に応じてレーザの入射角度調整を行うと被加工物の加工面における均一加工が出来ないという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ光の利用効率を容易に改善すると共に、加工波長を変更しても加工の均一度を維持することが可能なレーザ照射ユニット及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様のレーザ照射ユニットは、レーザ光源からのレーザ光を、可動支持された偏向面によって偏向する光路偏向部と、前記偏向面を、前記レーザ光の光軸に対して傾動可能かつ前記光軸の方向に移動可能に配置する偏向面移動機構と、前記光路偏向部で偏向されたレーザ光を空間変調して、前記レーザ光が照射される被照射物の被照射面に向かうオン光を形成するための複数の微小ミラーを有する空間変調素子と、前記空間変調素子を傾動可能にする空間変調素子傾動機構と、前記空間変調素子へ向けて前記レーザ光を出射する投影光学系の焦点位置を可変させるレンズ移動機構と、前記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、を備える。
【００１２】
本発明の一態様のレーザ加工装置は、前記レーザ光源と、本発明のレーザ照射ユニットとを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザ光の利用効率を容易に改善すると共に、加工波長を変更しても加工の均一度を維持することが可能なレーザ照射ユニット及びレーザ加工装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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模式な構成図である。
【図２】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ための微小ミラーの模式的な断面図である。
【図３】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ための微小ミラーの模式的な断面図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】実施形態に係る、例えば加工波長λ１のレーザ光の場合における、ミラー傾動部３４ａと空間変調素子傾動機構３６の状態を説明するための図である。
【図７】実施形態に係る、例えば加工波長λ１とは波長の異なる加工波長λ２のレーザ光の場合における、ミラー傾動部３４ａと空間変調素子傾動機構３６の状態を説明するための図である。
【図８】実施形態の変形例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。
【図９】本実施形態の変形例に係るレーザ照射装置による最適条件導出アルゴリズムの例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。  
（構成）
図１は、本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模式な構成図である。図２及び図３は、本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ための微小ミラーの模式的な断面図である。図４は、本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。
【００１６】
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。
【００１７】
また、図中の光束を示す線は、レーザ光を照射する被加工物である試料のある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。
【００１８】
レーザ加工装置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ーフェース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である被照射面を上側（すなわち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、光ファイバ（以下、ファイバという）３、および投影レンズ４を含んで構成されている。
【００１９】
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レーザなどである。加工波長である発振波長は、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。すなわち、レーザ光源５０は、複数の波長のレーザ光を選択的に出射可能である。
【００２０】
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。
【００２１】
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。なお、結合レンズ２は結合レンズ移動機構９０によって光軸方向に位置制御可能となっている。
【００２２】
投影レンズ４は、ここでは、２つのレンズ４ａ、４ｂを有し、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。ここで、投影レンズ４を構成するレンズ群のうちファイバ３に近い側のレンズ４ａはレンズ移動機構３８に接続されており、光軸方向に位置調整可能となっている。すなわち、レンズ移動機構３８は、空間変調素子６へ向けてレーザ光を出射する投影光学系４の焦点位置を可変させるための機構である。
【００２３】
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の配置位置及び姿勢は、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切な配置位置及び姿勢に設定することができる。ファイバ３には、レーザ光の出力モードを安定させるために、すなわち出射されるレーザ光の均一化を図るために、ファイバ３の形状を自由に調整して固定できるファイバ固定部材９が取り付けられている。
【００２４】
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ＸＺ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。
【００２５】
本実施形態では、加工ヘッド２０の載置台２１に対する相対移動は、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。
【００２６】
反射ミラー３３は、レーザ光源５０の投影レンズ４から出射される光軸Ｐ１のレーザ光６０を偏向面３３ａによって反射して、空間変調素子６に向かう光軸Ｐ２のレーザ光６１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。すなわち、反射ミラー３３は、レーザ光源５０からのレーザ光を、可動支持された偏向面３３ａによって偏向する光路偏向部を構成する。
【００２７】
ミラー移動機構３４は、反射ミラー３３を光軸Ｐ１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Ｐ１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。すなわち、ミラー移動機構３４は、反射ミラー３３の偏向面３３ａを、レーザ光の光軸Ｐ１に対して傾動可能かつ光軸Ｐ１の方向に移動可能に配置する偏向面移動機構を構成する。  
このような構成により、光軸Ｐ２の方向、及び光軸Ｐ２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。
【００２８】
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。
【００２９】
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度〜約１６度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軸方向の負方向（図示反時計回り）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。
【００３０】
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Ｐ３は、Ｚ軸方向に略平行となるように設定している。すなわち、空間変調素子６は、反射ミラー３３で偏向されたレーザ光を空間変調して、レーザ光が照射される被照射物である基板１１の被照射面である被加工面１１ａに向かうオン光６２を形成するための複数の微小ミラーを有する空間変調素子である。
【００３１】
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。  
なお空間変調素子６は、空間変調素子傾動機構３６に接続されており、光軸Ｐ３に対して空間変調素子６を傾動可能に構成されている。空間変調素子傾動機構３６は、後述するように空間変調素子６を傾動させるための機構である。
【００３２】
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。すなわち、投影光学系８は、空間変調素子６によって形成されたオン光６２を被照射面である被加工面１１ａ上に投影する。
【００３３】
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。
【００３４】
また、本実施形態では、結像レンズ８Ａの光軸Ｐ４は、Ｘ軸方向に平行に配置され、対物レンズ８Ｂの光軸Ｐ５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Ｐ４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Ｐ５に沿って入射させる半透鏡９が設けられている。
【００３５】
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、図１において点線で示すオフ光６３として反射された光が、入射しない大きさとされる。
【００３６】
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。
【００３７】
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。  
撮像光学系を構成する観察用結像レンズ１２は、半透鏡９の上方側に、対物レンズ８Ｂの光軸Ｐ５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、撮像部である撮像素子１３の撮像面上に結像するための光学素子である。
【００３８】
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。
【００３９】
以上のように、レーザ光源５０からのレーザ光を、基板１１へ向けて照射するために、反射ミラー３３、ミラー移動機構３４、空間変調素子６、空間変調素子傾動機構３６、レンズ移動機構３８、及び投影光学系８は、レーザ照射ユニット２００を構成する。
【００４０】
次に、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４に示すように、移動機構制御部３５、空間変調素子傾動制御部３７、レンズ位置制御部３９、画像取込部４０、空間変調素子駆動部４１、装置制御部４２、データ記憶部４３、画像処理部４４、および結合レンズ移動機構制御部９１を含む。
【００４１】
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。
【００４２】
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ーフェース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、空間変調素子傾動機構制御部３７、レンズ移動機構制御部３９及び結合レンズ移動機構制御部９１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。
【００４３】
ミラー移動機構制御部３５は、ユーザインターフェース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。すなわち、ミラー移動機構制御部３５は、偏向面移動機構であるミラー移動機構３４による偏向面３３ａの傾動角度及び移動量を制御する偏向面移動機構制御部を構成する。
【００４４】
空間変調素子傾動機構制御部３７は、ユーザインターフェース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、空間変調素子傾動機構３６の動作を制御するものである。すなわち、空間変調素子傾動機構制御部３７は、空間変調素子傾動機構３６による空間変調素子６の傾動角を制御する。
【００４５】
レンズ移動機構制御部３９は、ユーザインターフェース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、レンズ移動機構３８の動作を制御するものである。  
また、結合レンズ移動機構制御部９１はユーザインターフェース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結像レンズ移動機構９０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を読み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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
（作用）
次に、レーザ加工システム１００の動作について説明する。
【００４８】
図５は、本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。欠陥に応じて使用される加工波長は、ユーザインターフェース３２において、ユーザにより予め指定される。  
まず、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が載置される。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。なお、結合レンズ２が例えば単レンズであり、色収差が補正されないのであれば、結合レンズ２の光軸位置は波長ごとに結合レンズ移動機構９０によって最適な位置に移動される。
【００５８】
レーザ光６０は、投影レンズ４によって、光軸Ｐ１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Ｐ２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。
【００５９】
ここで、偏向面３３ａの光軸Ｐ１に対する傾き（以下、単に偏向面３３ａの傾きと称する）と光軸Ｐ１方向の位置（以下、単に偏向面３３ａの光軸方向位置と称する）が、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、回折効率が最大になるように、ミラー移動機構３４を駆動しておく。
【００６０】
この偏向面３３ａの傾きおよび光軸方向位置は、ユーザインターフェース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、予め決定されて設定される。
【００６１】
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Ｐ３に沿って進み、ミラー７で反射されて光軸Ｐ４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。
【００６２】
半透鏡９で反射されたオン光６２は、光軸Ｐ５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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
例えば、図２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θ０＝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。
【００６６】
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ｄ０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θ０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ｄＮ（ただし、Ｎ＝１，２，…）が発生する。
【００６７】
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。
【００６８】
例えば、図２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ても、回折７１の３次回折光ｄ３、４次回折光ｄ４が、それぞれ角度θ３、θ４（ただし、θ４≦θ３）だけ傾斜しており、かつ両方の回折光が投影光学系の開口角の範囲外である場合、十分なレーザ光が加工面に到達することが出来ず、レーザ加工は出来ない。
【００６９】
このような問題を改善するためには以下に述べるような処理が行われる。  
フラウンホーファー回折７０のピーク強度方向は、入射角θ０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、これらの情報に基づいて、移動機構制御部３５は、フラウンホーファー回折７０のピーク強度が最大になる位置に予め設定される。
【００７０】
例えば、図３に示すように、入射光６１の入射角度を最適にし、フラウンホーファー回折７０のピーク強度の方向と３次回折光ｄ３の方向を一致させることが出来れば、３次回折光ｄ３の回折強度は最大化される。ただしこの時、投影光学系８の光軸が空間変調素子面の法線方向と一致しているならば３次回折光ｄ３は投影光学系の開口角の範囲外となり、レーザ光は加工面まで伝達されない。そのため、空間変調素子傾動機構３６をミラー移動機構３４と連動させながら駆動し、投影光学系８の光軸と一致するよう補正をかける。
【００７１】
すなわち、偏向面移動機構制御部３５と空間変調素子傾動機構制御部３７は、空間変調素子６における複数の微小ミラー６ａの配列ピッチによるいずれかの次数の回折光と、オン光６２を形成する微小ミラー６ａの反射光の出射方向が、投影光学系８の開口角の範囲に入るように、偏向面３３ａの傾動角度及び移動量と、空間変調素子６の傾動角度とが制御される。
【００７２】
このような偏向面３３ａの傾動は、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われる。すなわち、偏向面移動機構制御部３５と空間変調素子傾動機構制御部３７は、レーザ光源５０から出射されるレーザ光の波長に応じて、偏向面３３ａの傾動角度及び移動量と空間変調素子６の傾動角度を変化させる。
【００７３】
図６及び図７は、異なる波長のレーザ光が出射される場合における、ミラー傾動部３４ａと空間変調素子傾動機構３６の状態を説明するための図である。  
図６は、例えば加工波長λ１のレーザ光の場合における、ミラー傾動部３４ａと空間変調素子傾動機構３６の状態を説明するための図である。図７は、例えば加工波長λ１とは波長の異なる加工波長λ２のレーザ光の場合における、ミラー傾動部３４ａと空間変調素子傾動機構３６の状態を説明するための図である。
【００７４】
加工波長λ１が例えば３５５ｎｍの場合、反射ミラー３３と空間変調素子６は、図６に示すような位置及び角度関係にあるとする。加工波長が３５５ｎｍの加工波長λ１から例えば５３２ｎｍの加工波長λ２に変更されると、図７に示すように、反射ミラー３３の偏向面３３ａが図６に示す状態から角度αを有するように反射ミラー３３はミラー傾動部３４ａにより傾動され、かつ空間変調素子６が図６に示す状態から角度βを有するように空間変調素子６は空間変調素子傾動機構３６により傾動される。
【００７５】
また、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。そのため、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、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。
【００７６】
例えば、図５に示すように、偏向面３３ａが、光軸Ｐ１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θ０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。
【００７７】
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Ｐ１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。
【００７８】
さらに、ミラー移動機構３４を調整すると、投影レンズ４から空間変調素子６までの距離も変化するため、ファイバ３の端面像の焦点位置が空間変調素子６からずれてしまう。焦点ずれによりファイバ３の端面像のボケが発生すると、加工面上でのエネルギ密度の低下が発生してしまう。これを補正するため、投影レンズ４を構成するレンズのうちレンズ４ａをレンズ移動機構３８により駆動しファイバ端面像が空間変調素子面上で合焦するように、投影レンズ４の焦点位置調整を行う。
【００７９】
なお、ここでは、投影レンズ４の焦点位置調整は、レンズ４ａをレンズ移動機構３８により駆動することにより行われているが、レンズ４ｂをレンズ移動機構３８により駆動することにより行うようにしてもよい。
【００８０】
加工面の均一度に関しては、ファイバ３の先端側の形状をファイバ固定部品９によって調整することで得られる。従来例においては、空間変調素子６への入射角を変更するとファイバ形状も変わるため、ファイバ形状の微妙な調整により均一度を調整しても分布が崩れてしまうが、当装置においては、ミラー移動機構３４により入射角を調整するため、ファイバの形状が変化することなく、したがってレーザ発振器１の波長を切替えても加工の均一度を維持することが可能となる。
【００８１】
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Ｐ１に対して傾動可能かつ光軸Ｐ１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。また空間変調素子傾動機構３６により、微小ミラー６ａの開口によるフラウンホーファー回折７０の方向と微小ミラー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、さらに上記の機構による最適化位置を調整する際、ファイバ形状の変化がないため、ファイバの均一度を保つことが出来る。
【００８２】
次に、上述した実施形態の変形例について説明する。なお、本変形例において、上述した実施形態のレーザ照射装置と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明を省略する。  
図８は、上述した実施形態の変形例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。図８に示すように、装置制御部４２にはデータ処理部９２が接続され、同時に投影光学系８から出力されるレーザ光のエネルギを測定するエネルギ計測器９３が接続されている。
【００８３】
例えば、各加工波長に応じた空間変調素子６及び反射ミラー３３の傾動角度、さらに反射ミラー３３の並進移動距離を、演算により求め、その求めた角度などに応じて、移動機構制御部３５及び空間変調素子傾動機構制御部３７を動作させるように設定する場合に、空間変調素子６の製造誤差などにより、空間変調素子６の微小ミラーの傾斜角度が未知の場合がある。
【００８４】
そこで、本変形例では、このような場合に、ミラー移動機構３４、空間変調素子傾動機構３６、レンズ移動機構３８を連動させて各角度及び各位置を変更させながら、エネルギ計測器９３からの出力を複数計測し、その計測して得られたデータに基づいてミラー移動機構３４等の最適な角度などをデータ処理部９２が決定できるように、レーザ加工システムは構成されている。
【００８５】
次に、図９を用いて、本変形例のレーザ加工システムの動作について説明する。図９は、本実施形態の変形例に係るレーザ照射装置による最適条件導出アルゴリズムの例を示すフローチャートである。
【００８６】
例えば、空間変調素子６の微小ミラーの傾斜角度が未知の場合、最適な調整条件が求められないため、実際にエネルギ計測器９３の出力値がモニタされて、調整される。この場合、図９に示すフローに従って最適条件を求める処理が実行される。
【００８７】
図１において点線で示すように、まず対物レンズ８ｂの下にエネルギ計測器９３を載置する（Ｓ１）。なお、レーザ加工システムにおける被加工物である基板１１を搬送する基板搬送路外の所定位置にエネルギ計測器９３を設置し、ガントリにより加工ヘッド２０をエネルギ計測器９３上に移動させるようにしても良い。
【００８８】
使用するレーザ光源の波長をレーザ発振器１に設定する（Ｓ２）。  
ミラー移動機構３４を制御し、入射角調整範囲内の最小値（例えば、矩形の入射角調整範囲の１つの隅の位置）になるようにレーザ入射角を設定し、かつそのレーザ入射角の設定に伴い変更される空間変調素子６へのレーザ光の入射位置の移動を補正するために、ミラー並進機構により空間変調素子６への照明位置を設定する（Ｓ３）。  
Ｓ３において設定されたレーザ入射角及び照明位置から投影レンズ４の焦点位置を求め、ファイバ端面像が空間変調素子面上で合焦するように、レンズ移動機構３８を制御し、ファイバ３の端面像を空間変調素子６上に合焦させる（Ｓ４）。  
そして、レーザショットを開始し（Ｓ５）、同時にエネルギ計測器９３からのレーザ出力データの取得が開始される（Ｓ６）。
【００８９】
空間変調素子傾動機構３６が調整範囲内で、所定の方向に所定の角度だけ空間変調素子６を傾動させた時の空間変調素子傾動機構３６の傾動角度とレーザ出力エネルギ値を一対のデータとしてデータ処理部９２内部のメモリに格納される（Ｓ７）。  
レーザショットが停止される（Ｓ８）。  
設定可能な全ての入射角範囲内において、例えば１度ごとにデータ取得が行われるまで、Ｓ３〜Ｓ８の処理が繰り返される（Ｓ９：ＮＯ）。
【００９０】
設定可能な全ての入射角範囲内でのデータ取得が完了したら（Ｓ９：ＹＥＳ）、エネルギ出力が最も高くなるミラー移動機構３４及び空間変調素子傾動機構３６の各角度を、メモリに記憶されたデータの中から、データ処理部９２により求める（Ｓ１０）。
【００９１】
前記Ｓ１０で求めた最適条件となるよう、装置制御部４２により、ミラー移動機構３４及び空間変調素子傾動機構３６の各角度と、その各角度から算出されたレンズ移動機構３８の位置設定が行われる。
【００９２】
このように空間変調素子６の微小ミラー傾き角度が未知で、最適条件が求められない場合でもエネルギ効率を最大化できる調整が可能となる。図９の処理を、加工波長毎に行って、各加工波長についての最適条件を求めることができる。
【００９３】
以上のように、上述した実施形態及び変形例によれば、空間変調素子６への入射角、照明位置、ファイバ端面の焦点位置を最適化することで高いエネルギ効率が得られる一方、波長切り替え時においてファイバ形状が変化しないので、ファイバ端面における均一度分布を維持することができ、結果として高いエネルギ効率で均一な加工を行うことが可能となる。  
さらに、上述した変形例により、空間変調素子６の仕様が未知などの場合でも、最適条件を自動で設定する事が可能となる。
【００９４】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１  レーザ発振器、２  結合レンズ、３  光ファイバ、４  投影レンズ、５  、６  空間変調素子、６ａ  微小ミラー、７  、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、１２  観察用結像レンズ、１３  撮像素子、２０  加工ヘッド、２０ａ  筐体、２１  載置台、２２  制御ユニット、３０  表示部、３１  加工ヘッド移動機構、３２  ユーザインターフェース、３３  反射ミラー、３３ａ  偏向面、３４  ミラー移動機構、３４ａ  ミラー傾動部、３４ｂ  ミラー並進移動部、３５  移動機構制御部、３６  空間変調素子傾動機構、３８  レンズ移動機構、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、１００  レーザ加工システム、６２  オン光、６３  オフ光、７０  フラウンホーファー回折、７１  回折、９０  結合レンズ移動機構、９１  結合レンズ移動機構制御部、９２  データ処理部、９３  エネルギ計測器、１００  レーザ加工システム
【図１】
2014083562.tif 000003
【図２】
2014083562.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014083562.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2014083562.tif 000009
【図８】
2014083562.tif 000010
【図９】
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