JP2008254064A - レーザ照射装置及びビーム位置測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ベンディングミラーごとの姿勢調整機構を必要とせず、容易に、レーザビームとマスクとの位置関係を測定することが可能なレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】 マスクを通過したレーザビームの経路上に、該マスクの透過領域を像面上に結像させる結像光学系(13)が配置される。ステージ(14)が、像面の位置に被照射物を保持する。撮像装置(15)が、被照射物上に形成されたレーザビームの照射痕の画像を取得する。制御装置が、以下の工程を実行する。まず、マスクでビーム断面を整形する状態にして、被照射物上に形成した第１のレーザ照射痕の画像から、像面内におけるビームスポットの位置を算出する。マスクでビームが遮られない状態にして、被照射物上に形成した第２のレーザ照射痕の画像から、像面内におけるビームスポットの位置を算出する。２つのビームスポットの位置の相対位置関係に基づいて、２つのビームスポットが近づく向きに、マスクを、レーザビームの進行方向と直交する方向に変位させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ照射装置及びビーム位置測定方法に関し、特にマスクでビーム断面を整形し、マスク位置のビーム断面を被照射物上に結像させるレーザ照射装置、及びマスク位置におけるビーム断面の中心の位置を測定する方法に関する。

レーザビームで穴あけ加工を行う方法として、結像光学系を用いる方法と、焦点光学系を用いる方法とが知られている。焦点光学法では、平行ビームを集光レンズで収束させ、集光レンズを透過したレーザビームのビームウェストの位置に加工対象物を配置して加工が行われる。レーザ光源から出射されるレーザビームの進行方向がぶれると、加工対象物上のビームスポットの位置が変動してしまう。

これに対し、結像光学法では、レーザビームの断面をマスクで整形し、マスクの配置された位置におけるビーム断面を加工対象物上に結像させることにより加工が行われる。レーザビームの入射位置は、マスクの透過領域の位置に依存するため、レーザ光源から出射されるレーザビームの進行方向がぶれても、加工対象物上のビームスポットの位置は変動しない。このため、加工の位置精度を高めることができる。

一般に、レーザビームのビーム断面内の光強度分布はガウス分布で近似される。すなわち、ビーム断面の中心で光強度が最も高く、中心から離れるに従って光強度が低下する。マスクが配置された位置において、ビーム断面の中心と、マスクの透過領域の中心とが一致する理想的な場合には、加工対象物上における光強度は、ビームスポットの中心で最も高くなる。ところが、マスクの配置された位置において、ビーム断面の中心とマスクの透過領域の中心とがずれると、加工対象物上において、光強度が最大になる点が、ビームスポットの中心からずれてしまう。このため、形成される穴の形状が理想的な形状からずれたり、加工残りが生じたりしてしまう
このため、レーザビームとマスクとの位置関係が理想的な状態になるように光軸調整を行う必要がある。下記の特許文献１及び２に、折り返しミラー（ベンディングミラー）の姿勢を調整することにより、光軸調整を行う方法が開示されている。

特開平４−３０５３８９号公報 特開平８−１０３８８１号公報

ベンディングミラーは、通常、ビーム経路の複数個所に配置されている。このため、ベンディングミラーの姿勢を調整するために、ベンディングミラーごとに姿勢調整機構が必要である。

本発明の目的は、ベンディングミラーごとの姿勢調整機構を必要とせず、容易に、レーザビームとマスクとの位置関係を測定することが可能なレーザ照射装置、及びビーム位置測定方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザ光源から出射されたレーザビームの経路上に配置され、ビーム断面よりも小さな透過領域をレーザビームの経路内に配置してビーム断面を整形する整形状態と、ビーム断面内の全成分を透過させる全透過状態とを切り替えることができるとともに、レーザビームの進行方向と直交する方向に変位することができるマスクと、
前記マスクを通過したレーザビームの経路上に配置され、該マスクの透過領域を像面上に結像させる結像光学系と、
前記像面の位置に被照射物を保持するステージと、
前記ステージに保持された被照射物上に形成されたレーザビームの照射痕の画像を取得する撮像装置と、
制御装置と
を有し、該制御装置は、
前記マスクを整形状態にして、前記レーザ光源から第１のレーザビームを出射させて形成された被照射物上の第１の照射痕の画像から、該第１のレーザビームの、前記像面内におけるビームスポットの位置を算出する工程と、
前記マスクを全透過状態にして、前記レーザ光源から第２のレーザビームを出射させて形成された被照射物上の第２の照射痕の画像から、該第２のレーザビームの、前記像面内におけるビームスポットの位置を算出する工程と、
前記第１のレーザビームのビームスポットの位置と、第２のレーザビームのビームスポットの位置と相対位置関係に基づいて、前記マスクが整形状態のときのビームスポットの位置が、前記全透過状態のときのビームスポットの位置に近づく向きに、前記マスクを、レーザビームの進行方向と直交する方向に変位させる工程と
を実行するレーザ照射装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
（ａ）レーザ光源から出射されたレーザビームの断面をマスクで整形し、該マスクの位置のビーム断面を、像面上に配置された被照射物の表面上に、結像光学系を通して結像させ、該像面内におけるレーザビームのビームスポットの位置を測定する工程と、
（ｂ）前記レーザ光源から出射されたレーザビームを、マスクで断面形状を整形することなく、前記結像光学系を通して被照射物に入射させ、前記像面内におけるレーザビームのビームスポットの位置を測定する工程と、
（ｃ）前記工程ａで測定されたビームスポットの位置と、前記工程ｂで測定されたビームスポットの位置との相対位置関係を求める工程と、
（ｄ）前記工程ｃで求められた相対位置関係に基づいて、前記マスクの配置された位置におけるレーザビームのビーム断面と、該マスクの透過領域との相対位置関係を求める工程と
を有するビーム位置測定方法が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
レーザ光源から出射されたレーザビームの経路上に配置され、ビーム断面よりも小さな透過領域をレーザビームの経路内に配置してビーム断面を整形するとともに、レーザビームの進行方向と直交する方向に変位することができるマスクと、
被照射物を保持するステージと、
前記マスクを通過したレーザビームの経路上に配置され、該マスクの透過領域を前記ステージに保持された被照射物の表面上に結像させる結像光学系と、
前記マスクを通過したレーザビームのパワーを測定するパワーメータと、
レーザビームの進行方向と直交する方向に関する前記マスクの位置と、該マスクが当該位置に配置されているときに前記パワーメータで測定されたパワーとの関係に基づいて、該マスクの配置された位置におけるビーム断面の中心の位置を求める制御装置と
を有するレーザ照射装置が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
（ａ）レーザ光源から出射されたレーザビームの断面を整形するマスクを通過したレーザビームのパワーを、レーザビームの進行方向と直交する方向に該マスクを変位させながら複数の位置で測定する工程と、
（ｂ）前記マスクの位置と、測定されたパワーとの関係に基づいて、該マスクの配置された位置におけるビーム断面の中心の位置を求める工程と
を有するビーム位置測定方法が提供される。

ベンディングミラーの姿勢の調整を行うことなく、容易に、レーザビームのビーム断面とマスクとの相対位置関係を調整することができる。

図１Ａに、実施例によるレーザ照射装置の概略図を示す。レーザ光源１０が、平行光線束とされたレーザビームを出射する。レーザ光源１０は、例えばレーザ発振器、コリメートレンズ、ビームエキスパンダ等を含む。レーザ光源１０から出射されたレーザビームＬ０の進行方向をｚ軸とし、レーザ光源１０に対して位置が固定されたｘｙｚ直交座標系を定義する。図１Ａでは、レーザビームの経路上のベンディングミラーが配置されていない場合を示しているが、実際には複数のベンディングミラーが配置され、レーザビームの進行方向がベンディングミラーによって変化する。レーザビームがベンディングミラー等で折り返された場合には、ｘｙｚ直交座標系も、レーザビームと同じように折り返されるものとする。

レーザ光源１０から出射されたレーザビームの経路上に、マスク１１が配置されている。マスク１１は、移動機構１２により、レーザビームの経路上に支持されている。

図１Ｂに、マスク１１の正面図を示す。レーザビームを遮光する円盤に、大きさの異なる２つの円形の透過領域（例えば、貫通孔）１１Ａ及び１１Ｂが形成されている。円盤の中心から透過領域１１Ａの中心までの距離と、もう一方の透過領域１１Ｂの中心までの距離とは等しい。移動機構１２によってマスク１１を回転させることにより、小さな透過領域１１Ａがレーザビームの経路内に配置される整形状態と、大きな透過領域１１Ｂがレーザビームの経路内に配置される全透過状態と、透過領域が形成されていない領域でレーザビームが完全に遮光される遮光状態とを切り替えることができる。

さらに、移動機構１２は、マスク１１を、レーザビームの進行方向に垂直な２次元方向（ｘ軸方向とｙ軸方向）に変位させることができる。

小さな透過領域１１Ａは、マスク１１が配置された位置におけるビーム断面よりも小さい。このため、整形状態では、レーザビームのビーム断面が小さな透過領域１１Ａの大きさ及び形状に整形される。

大きな透過領域１１Ｂは、マスク１１が配置された位置におけるビーム断面よりも大きい。このため、全透過状態では、レーザビームがマスク１１に遮られることなく、ビーム断面内の全ての成分がマスク１１を透過する。

マスク１１を透過したレーザビームが、結像レンズ１３を経由して被照射物２０に入射する。被照射物２０は、ＸＹステージ１４に保持されている。結像レンズ１３は、マスク１１の配置された位置におけるビーム断面を、像面１８上に結像させる。被照射物２０は、その表面が像面１８と一致するように配置されている。結像倍率は、例えば１／１５である。このとき、小さな透過領域１１Ａの直径が１．５ｍｍである場合、整形状態のときの被照射物２０の表面におけるビームスポットの直径は０．１ｍｍになる。ＸＹステージ１４は、被照射物２０を、その表面に平行な２次元方向（ｘ軸方向及びｙ軸方向）に移動させることができる。

ＸＹステージ１４の可動部に、パワーメータ１６が取り付けられている。パワーメータ１６をレーザビームの入射位置に配置することにより、レーザビームのパワーを計測することができる。パワーメータ１６は、一定期間、例えば２０秒間の平均パワーを測定する。パワーメータ１６で測定されたパワーが、制御装置１７に入力される。

ＸＹステージ１４の前方に、レーザビームの伝搬を妨げないように、撮像装置１５が配置されている。撮像装置１５は、その視野内に配置された被照射物２０の表面の画像を取得し、画像情報を制御装置１７に送信する。制御装置１７は、レーザ光源１０、移動機構１２、及びＸＹステージ１４を制御する。

図２に、実施例によるビーム位置測定方法のフローチャートを示す。ステップＳＡ１において、被照射物２０をＸＹステージ１４に載置する。被照射物２０として、例えばレーザ照射によって、ビームスポットの形状及び光強度分布を反映した照射痕が形成される材料からなるフィルムや基板を用いることが好ましい。例えば、プラスチックフィルム、プラスチック板、及び感熱紙等を用いることができる。

ステップＳＡ２において、移動機構１２を制御して、マスク１１を、大きな透過領域１１Ｂがビーム経路内に配置された全透過状態とする。図３に、全透過状態にされたレーザ照射装置を示す。レーザ光源１０から出射されたレーザビームＬ０は、マスク１１で遮られることなく、被照射物２０まで到達する。レーザ光源１０からレーザビームを出射させて、被照射物２０の表面にレーザ照射痕を形成する。

ステップＳＡ３において、ＸＹステージ１４を制御して、ビーム照射痕を撮像装置１５の視野内に配置する。撮像装置１５がビーム照射痕を撮像し、画像情報を制御装置１７に送信する。制御装置１７は、画像解析を行い、視野内におけるビーム照射痕の中心位置を求める。ＸＹステージ１４の移動距離、移動方向、及び視野内におけるビーム照射痕の中心の位置から、像面１８内におけるビームスポットの中心の位置を求めることができる。求められる中心位置は、レーザ光源１０に対して位置が固定されたｘｙｚ直交座標系の（ｘ，ｙ）座標で表すことができる。

ステップＳＡ４において、移動機構１２を制御して、マスク１１を、小さな透過領域１１ＡがレーザビームＬ０の経路内に配置される整形状態に切り替える。図１Ａは、整形状態のレーザ照射装置を示している。

レーザ光源１からレーザビームを出射させて被照射物２０の表面にレーザ照射痕を形成する。なお、レーザ照射痕は、被照射物２０の表面内において、ステップＳＡ２で形成されたレーザ照射痕とは異なる位置に形成する。像面１８内におけるレーザ照射痕の位置は、マスク１１の小さな透過領域１１Ａの位置に依存する。

ステップＳＡ５において、ステップＳＡ３と同様の方法で、像面１８内におけるビームスポットの中心の位置を求める。

ステップＳＡ６において、全透過状態のときのビームスポットの中心と、整形状態のときのビームスポットの中心との相対位置関係、具体的には両者のずれ量及びずれの方向を求める。求められた相対位置関係から、結像レンズ１３の結像倍率を考慮して、マスク１１の配置された位置におけるレーザビームＬ０のビームスポットの中心と、小さな透過領域１１Ａの中心との相対位置関係、具体的には両者のずれ量及びずれの方向を算出する。

ステップＳＡ８において、小さな透過領域１１Ａの中心が、ビーム断面の中心と一致するように、小さな透過領域１１Ａ、すなわちマスク１１を、ｚ軸に垂直な方向に変位させる。これにより、レーザビームＬ０のビーム断面の中心と、マスク１１の小さな透過領域１１Ａの中心とを一致させることができる。

ステップＳＡ８の後に、ステップＳＡ４からＳＡ８までを再度実行してもよい。ステップＳＡ４からＳＡ８を繰り返すことにより、位置合わせ精度を高めることができる。

図４に、他の実施例によるビーム位置測定方法のフローチャートを示す。ステップＳＢ１において、ＸＹステージ１４を制御して、パワーメータ１６を、レーザビームの入射位置まで移動させる。

ステップＳＢ２において、移動機構１２を制御し、マスク１１の小さな透過領域１１Ａを、レーザビームＬ０の経路内に配置する。この状態でレーザビームを出射し、パワーメータ１６でレーザパワーを測定する。マスク１１を、ｚ軸に垂直な方向に変位させてレーザパワーを測定する工程を複数回繰り返し実行する。

図５Ａに、マスク１１のｙ軸方向の位置を固定してｘ軸方向に変位させたときのレーザパワーの変化を示し、図５Ｂに、マスク１１のｘ軸方向の位置を固定してｙ軸方向に変位させたときのレーザパワーの変化を示す。レーザビームのビーム断面内に関する光強度分布はガウス分布で近似される。このため、ビーム断面の中心と、透過領域１１Ａの中心とが一致するときに、透過したレーザビームのパワーが最大になり、両者の位置のずれ量が大きくなるに従って、パワーが低下する。このため、図５Ａに示すように、マスク１１をｘ方向に移動させると、レーザパワーが徐々に大きくなり、ｘ座標がｘｃのときに極大値をとり、その後徐々に低下する。ｙ軸方向に関しても同様であり、図５Ｂに示すように、マスク１１のｙ座標がｙｃのときに、レーザパワーが極大値をとる。

ステップＳＢ３において、レーザパワーが極大値を示すときのマスク１１のｘ座標ｘｃ及びｙ座標ｙｃを算出する。

ステップＳＢ４において、マスク１１を、ステップＳＢ３で算出された座標（ｘｃ，ｙｃ）に移動させる。これにより、レーザビームのビーム断面の中心と、マスク１１の透過領域１１Ａの中心とを一致させることができる。

図２に示した方法と図４に示した方法とを併用してもよい。例えば、図２に示した方法で、ビーム断面の中心の位置を求めておき、その後、図４に示した方法を適用してもよい。図２に示した方法でマスクの位置を調整した後は、透過領域１１Ａの中心が、ビーム断面の中心とほぼ一致していると考えられる。従って、図４に示したステップＳＢ２で、マスク１１を移動させる範囲を狭めることができる。

上記実施例では、ベンディングミラーの姿勢制御を行うことなく、レーザビームのビーム断面と、マスクの透過領域との中心の位置を一致させることができる。

また、上記実施例では、円盤に小さな透過領域１１Ａと大きな透過領域１１Ｂとが形成されたマスクを用いたが、その他の構造のマスクを用いることも可能である。例えば、遮光板に小さな透過領域のみが形成されたマスクを用いてもよい。この場合、マスクをレーザビームの経路外に退避させることにより全透過状態に設定することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（１Ａ）は、実施例によるレーザ照射装置の概略図であり、（１Ｂ）は、マスクの正面図である。 実施例によるビーム位置測定方法のフローチャートである。 実施例によるレーザ照射装置の全透過状態の概略図である。 他の実施例によるビーム位置測定方法のフローチャートである。 （５Ａ）及び（５Ｂ）は、それぞれマスクをｘ軸方向及びｙ軸方向へ移動させたときのレーザビームのパワーを変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ レーザ光源
１１ マスク
１１Ａ 小さな透過領域
１１Ｂ 大きな透過領域
１２ 移動機構
１３ 結像レンズ（結像光学系）
１４ ＸＹステージ
１５ 撮像装置
１７ 制御装置
１８ 像面
２０ 被照射物

Claims (4)

1. レーザ光源から出射されたレーザビームの経路上に配置され、ビーム断面よりも小さな透過領域をレーザビームの経路内に配置してビーム断面を整形する整形状態と、ビーム断面内の全成分を透過させる全透過状態とを切り替えることができるとともに、レーザビームの進行方向と直交する方向に変位することができるマスクと、
   前記マスクを通過したレーザビームの経路上に配置され、該マスクの透過領域を像面上に結像させる結像光学系と、
   前記像面の位置に被照射物を保持するステージと、
   前記ステージに保持された被照射物上に形成されたレーザビームの照射痕の画像を取得する撮像装置と、
   制御装置と
   を有し、該制御装置は、
   前記マスクを整形状態にして、前記レーザ光源から第１のレーザビームを出射させて形成された被照射物上の第１の照射痕の画像から、該第１のレーザビームの、前記像面内におけるビームスポットの位置を算出する工程と、
   前記マスクを全透過状態にして、前記レーザ光源から第２のレーザビームを出射させて形成された被照射物上の第２の照射痕の画像から、該第２のレーザビームの、前記像面内におけるビームスポットの位置を算出する工程と、
   前記第１のレーザビームのビームスポットの位置と、第２のレーザビームのビームスポットの位置と相対位置関係に基づいて、前記マスクが整形状態のときのビームスポットの位置が、前記全透過状態のときのビームスポットの位置に近づく向きに、前記マスクを、レーザビームの進行方向と直交する方向に変位させる工程と
   を実行するレーザ照射装置。
2. （ａ）レーザ光源から出射されたレーザビームの断面をマスクで整形し、該マスクの位置のビーム断面を、像面上に配置された被照射物の表面上に、結像光学系を通して結像させ、該像面内におけるレーザビームのビームスポットの位置を測定する工程と、
   （ｂ）前記レーザ光源から出射されたレーザビームを、マスクで断面形状を整形することなく、前記結像光学系を通して被照射物に入射させ、前記像面内におけるレーザビームのビームスポットの位置を測定する工程と、
   （ｃ）前記工程ａで測定されたビームスポットの位置と、前記工程ｂで測定されたビームスポットの位置との相対位置関係を求める工程と、
   （ｄ）前記工程ｃで求められた相対位置関係に基づいて、前記マスクの配置された位置におけるレーザビームのビーム断面と、該マスクの透過領域との相対位置関係を求める工程と
   を有するビーム位置測定方法。
3. レーザ光源から出射されたレーザビームの経路上に配置され、ビーム断面よりも小さな透過領域をレーザビームの経路内に配置してビーム断面を整形するとともに、レーザビームの進行方向と直交する方向に変位することができるマスクと、
   被照射物を保持するステージと、
   前記マスクを通過したレーザビームの経路上に配置され、該マスクの透過領域を前記ステージに保持された被照射物の表面上に結像させる結像光学系と、
   前記マスクを通過したレーザビームのパワーを測定するパワーメータと、
   レーザビームの進行方向と直交する方向に関する前記マスクの位置と、該マスクが当該位置に配置されているときに前記パワーメータで測定されたパワーとの関係に基づいて、該マスクの配置された位置におけるビーム断面の中心の位置を求める制御装置と
   を有するレーザ照射装置。
4. （ａ）レーザ光源から出射されたレーザビームの断面を整形するマスクを通過したレーザビームのパワーを、レーザビームの進行方向と直交する方向に該マスクを変位させながら複数の位置で測定する工程と、
   （ｂ）前記マスクの位置と、測定されたパワーとの関係に基づいて、該マスクの配置された位置におけるビーム断面の中心の位置を求める工程と
   を有するビーム位置測定方法。

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