CN101354481B

CN101354481B - 激光照射装置及使用其的激光加工系统

Info

Publication number: CN101354481B
Application number: CN2008101340880A
Authority: CN
Inventors: 有贺润子; 中村达哉; 高桥浩一
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: JP5137488B2; TW200912375A; JP2009028742A; CN101354481A; KR20090012106A

Abstract

本发明的激光照射装置及使用该激光照射装置的激光加工系统具有：激光光源；反射镜，其使从激光光源射出的激光由被活动支撑着的偏转面进行偏转；反射镜移动机构，其将偏转面配置成为使其可以相对于激光的光轴P₁偏斜，而且可以在光轴P₁方向上移动；空间调制元件，其对由反射镜偏转的激光进行空间调制，并形成朝向被照射面的开启光；以及投影光学系统，其将由空间调制元件形成的开启光投影于被加工面上。

Description

激光照射装置及使用其的激光加工系统

技术领域

本发明涉及激光照射装置及使用该激光照射装置的激光加工系统。

背景技术

以往，已经公知通过向被加工物的所期望区域照射激光来进行加工的激光加工装置(激光照射装置)。例如，在制造液晶显示器等时，作为修整玻璃基板上的布线图案、曝光时使用的光掩膜上存在的不需要的残留物等缺陷部的装置，已经公知有激光修整装置。

例如，在专利文献1(日本特开平8-174242号公报)中记载的激光加工装置，具有：激光源；载置被加工物的加工台；和微小反射镜阵列(Micromirror Arrays，微型反射镜阵列)，通过开启/关闭(ON/OFF)控制切换微小反射镜阵列的多个反射镜片的角度，在被加工物上形成任意的图案形状。

但是，如在专利文献2(日本特开2006-350123号公报)中记载的那样，在这种激光加工装置中，存在以下的问题：即当在固定激光相对于微小反射镜阵列的入射角度的状态下变更波长时，产生降低激光的利用效率的现象。

即，在使用微型反射镜阵列的激光加工装置中，将微型反射镜阵列的像通过显微镜缩小投影于被加工物上。微型反射镜阵列是以相等间隔排列小型反射镜的结构，所以由此处反射的激光被划分为多个衍射光。但是，一般显微镜的后侧数值孔径比较小，所以不能使被划分为多个的衍射光全部入射。

例如，图8是能够切换YAG激光器的第2高次谐波(波长λ₂＝532nm)和第3高次谐波(波长λ₃＝354.7nm)的激光加工装置中的衍射光的角度分布示例。即，将在微型反射镜阵列上反射的衍射光的角度分布(α、β)绘制在以入射的显微镜的光轴502为中心的角度平面501上。

在波长λ₃时，如图中的×记号所示，在光轴502附近具有一个衍射级(order of diffraction)504。相当于激光的照射区域的小型反射镜倾斜以便向光轴502的方向反射激光，所以接近光轴502的衍射级504成为唯一具有较大强度的衍射光。该衍射级504在显微镜的后侧角孔径503的范围内，所以能够高强度地向被加工物照射激光。

另一方面，在将波长切换为λ₂时，如图中的圆圈记号所示，在光轴502附近没有衍射级，在隔开相同角度的位置处存在4个衍射级505。因此，激光的强度分散于这些多个衍射级505，而且不会入射进显微镜的后侧角孔径503。虽然可以通过改变相对显微镜的入射角度使一个衍射级入射，但既便如此也不能改善激光的利用效率。

在专利文献2记载的激光加工装置(激光照射装置)中，针对这种问题，使调制光投影光学系统的光轴与多个波长光产生的衍射光的大致相同的方向大致一致。具体地讲，根据激光的多个波长和微型反射镜的排列间距，调整微型反射镜阵列的倾斜角，由此设定正反射光的反射方向使其成为与各个衍射光所相同的方向，使调制光投影光学系统的光轴与该反射方向一致。

但是，在上述以往的激光照射装置中存在以下问题。

在专利文献2记载的技术中，由于调整微型反射镜的倾斜角，所以由于多个波长光，而不能使用具有通用性的微型反射镜阵列，存在需要使用高价微型反射镜阵列的问题。

发明内容

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种激光照射装置及使用其的激光加工系统，即使激光的波长和微小反射镜阵列的倾斜角变化，也能够获得良好的光利用效率。

为了解决上述问题，本发明的激光照射装置构成为具有：激光光源；光路偏转部，其使从该激光光源射出的激光由被活动支撑着的偏转面进行偏转；偏转面移动机构，其将该光路偏转部的偏转面配置成为使其可以相对于所述激光的光轴偏斜，而且可以在所述光轴方向上移动；空间调制元件，其具有对由所述光路偏转部偏转后的激光进行空间调制，并形成朝向被照射面的开启光的多个微小反射镜；以及投影光学系统，其将由该空间调制元件形成的开启光投影于所述被照射面上。

根据本发明，可以通过偏转面移动机构改变光路偏转部的偏转面相对于激光光轴的倾斜度、在光轴方向上的位置。因此，对于从激光光源射出并由偏转面偏转后的激光，可以改变其相对于空间调制元件的入射角和入射位置。其结果，例如在切换了激光光源的波长的情况下、以及空间调制元件变化使得开启状态的微小反射镜的倾斜角变化的情况下，可以根据这些波长和倾斜角设定适合各种情况的入射角、入射位置。

本发明的激光加工系统构成为具有：本发明的激光照射装置；摄像光学系统，其与所述激光照射装置的所述投影光学系统同轴配置，以便进行配置在所述激光照射装置的被照射面上的被加工物的摄像；摄像部，其配置在该摄像光学系统的像位置；图像处理部，其对由该摄像部拍摄的图像进行图像处理，并提取所述被加工物的缺陷，与由该图像处理部提取的缺陷的形状相对应地，该激光加工系统对所述激光照射装置的所述空间调制元件进行调制驱动，向所述被加工物照射所述空间调制后的激光，来进行所述被加工物的加工。

根据本发明，由于使用本发明的激光照射装置，所以具有与本发明的激光照射装置相同的作用效果。

根据本发明的激光照射装置和使用其的激光加工系统，可以通过偏转面移动机构改变激光相对于空间调制元件和微小反射镜的入射角和入射位置，所以在激光的波长和微小反射镜阵列的倾斜角变化时，也能够获得良好的光利用效率。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的激光照射装置和使用其的激光加工系统的简要结构的、包括光轴在内的剖面示意图。

图2A、2B、2C是说明本发明的实施方式的激光照射装置的空间调制元件的衍射现象的示意剖面图。

图3是表示本发明的实施方式的激光加工系统的控制装置的简要结构的功能方框图。

图4是说明本发明的实施方式的激光照射装置的偏转面移动机构的作用的示意图。

图5是表示本发明的实施方式的第1变形例的激光照射装置的偏转面移动机构的结构的示意图。

图6是表示本发明的实施方式的第2变形例的激光照射装置的光路偏转部和偏转面移动机构的结构的立体示意图。

图7是表示本发明的实施方式的第3变形例的激光照射装置的光路偏转部和偏转面移动机构的结构的示意图。

图8是用于说明可以切换波长的激光加工装置的衍射光的角度分布一例的角度分布图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。在所有附图中，即使实施方式不同，也对相同或相当的部件标注相同标号，并省略相同的说明。

[第1实施方式]

对本发明的第1实施方式的激光照射装置和使用其的激光加工系统进行说明。

图1是表示本发明的实施方式的激光照射装置和使用其的激光加工系统的简要结构的、包括光轴在内的剖面示意图。图2A、2B、2C是说明本发明的实施方式的激光照射装置的空间调制元件的衍射现象的示意剖面图。图3是表示本发明的实施方式的激光加工系统的控制装置的简要结构的功能方框图。

为了便于参照方向，图中的XYZ坐标系在各个附图中设置成为相同的位置关系，垂直方向表示为Z轴，水平面表示为XY平面，从Y轴负方向朝向Y轴正方向的方向与正面观察时的方向一致(这对于以后的其他附图也相同)。

图中表示光束的线用于示意描画向试样的某一点照射激光的情况。

本实施方式的激光加工系统100是向被加工物照射激光并进行修整加工的装置。例如，在LCD(液晶显示器)的玻璃基板和半导体晶片基板等、通过光刻处理步骤在基板上形成有电路图案等的被加工物上，检测到例如布线部分的短路、光致抗蚀剂的溢出等缺陷部的情况下，可以把本实施方式的激光加工系统100适用于去除缺陷部等的修整加工。

激光加工系统100的简要结构如图1所示，包括激光光源50、加工头20、加工头移动机构31、载置台21、控制装置22、显示部30和用户界面32。作为被加工物的基板11在加工时被水平载置在载置台21上，并使被加工面11a(被照射面)朝向上侧(Z轴正方向侧)，该载置台21设置在加工头20的下方。

激光光源50是修整加工用的光源。在本实施方式中，作为激光光源的结构，采用由激光振荡器1、耦合透镜2、光纤3和投影透镜4组成的结构。其中，本实施方式的投影透镜4配置在加工头20的内部。

激光振荡器1用于激励波长、输出已设定的激光，以便去除基板11上的缺陷。例如，可以采用能够脉冲振荡的YAG激光器等作为激光振荡器1。激光振荡器1构成为根据修整对象切换多个振荡波长。

激光振荡器1与控制装置22电连接，根据来自控制装置22的控制信号控制其振荡。

耦合透镜2是使从激光振荡器1射出的激光在光纤3处光耦合的光学元件。

光纤3用于在其内部传输通过耦合透镜2光耦合在光纤端面3a上的激光，将其导入加工头20内，并将其作为激光60从光纤端面3b射出。激光60在光纤3的内部传输后被射出，所以在激光振荡器1的激光为高斯分布时，也能够形成光量分布均匀的扩散光。

投影透镜4是被设定了投影倍率的透镜或透镜组，用于使光纤端面3b的像可以照射到后面叙述的空间调制元件6的调制区域中。投影透镜4被固定在加工头20的框体20a上。在本实施方式中，作为一例说明投影透镜4的光轴P₁被配置成为与Z轴大致平行的示例，但是配置位置不限于此。

图1是示意图，所以在投影光学系统中只描画了轴上的光束。激光振荡器1沿Z方向配置，但是激光振荡器1的配置位置及状态不限于此，也可以通过适当排列光纤3来设定成为合适的配置位置及状态。并且，还可以装配用于稳定光纤的模态的扰模器(Mode Scrambler)。

激光的均匀化装置也可以使用其他光学元件来取代这种光纤3。例如，可以使用复眼透镜(fly-eye lens)、衍射元件、非球面透镜、和采用了万花筒式杆(カレイド型ロツド)的部件等各种结构的均化器等。

加工头20构成为在框体20a内保持着反射镜33(光路偏转部)、反射镜移动机构34(偏转面移动机构)、空间调制元件6、投影光学系统8、观察用光源16、观察用成像透镜12、摄像元件13等的光学元件、器件等的结构，其中，该框体20a通过具有适当的驱动单元的加工头移动机构31保持为可以沿XYZ轴方向相对于载置台21相对移动。

在本实施方式中，说明有关相对移动的示例，即，通过加工头移动机构31使加工头20在与被加工面11a平行的X轴方向和与被加工面11a正交的方向(Z轴方向)移动，通过载置台21使基板11在Y轴方向移动。但是，相对移动不限于此，例如也可以采用加工头20在Z轴方向移动、载置台21在XY方向移动，或载置台21被固定、加工头20在XYZ轴方向移动等的适当组合的相对移动。

加工头移动机构31例如适合采用滚珠丝杠、线性电动机等。并且，在对焦等微小量的移动中也可以组合压电元件等使用。

反射镜33使从激光光源50的投影透镜4射出的激光60的光轴P₁被偏转面33a反射为朝向空间调制元件6的光轴P₂，激光61被偏转为沿光轴P₂前进。反射镜33被反射镜移动机构34可动支撑着。

反射镜移动机构34包括使反射镜33相对光轴P₁偏斜的反射镜偏斜部34a、和使反射镜33在沿着光轴P₁的方向并行移动的反射镜并行移动部34b。反射镜偏斜部34a和反射镜并行移动部34b分别与控制装置22电连接，可以根据来自控制装置22的控制信号来控制反射镜33的偏斜的方向、偏斜角度和并行移动量。

由此，可以变更光轴P₂的方向以及光轴P₂在空间调制元件6上的位置。

空间调制元件6用于对在偏转面33a被偏转的激光61进行空间调制，由作为微小反射镜阵列的DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜器件)构成。即，如图2A所示，空间调制元件6使以转动轴R为中心可以相对于基准面M倾斜角度±φ的多个微小反射镜6a，例如在两边为W×H的矩形状调制区域内把各边延伸的方向作为排列方向而二维排列。

微小反射镜6a的倾斜角度φ的大小根据器件结构等不同而不同，例如可以从约10°～约16°的角度范围中选择。基准面M可以配置为合适的朝向，但在本实施方式中，作为一例，说明使微小反射镜6a朝向Z轴方向负方向侧与XY平面平行配置的情况。

空间调制元件6的各个微小反射镜6a借助根据来自控制装置22的控制信号而产生的静电电场，在开启状态下，例如从基准面M旋转+φ(图示逆时针方向)，在关闭状态下，从基准面M旋转-φ(图示顺时针方向)。以下，把由开启状态的微小反射镜6a反射的光称为开启光，把由关闭状态的微小反射镜6a反射的光称为关闭光。在本实施方式中，开启光62(参照图1)的光轴P₃被设定成为与Z轴方向大致平行。

各个微小反射镜6a的位置可以利用长度为W的边的列序号m、长度为H的边的行序号n(m、n为0以上的整数)表示为(m、n)，并可以根据微小反射镜6a的排列间距换算为基准面M上的位置坐标。

投影光学系统8是构成成像光学系统的光学元件组，该成像光学系统把基于通过空间调制元件6进行空间调制后朝向一定方向反射的开启光62的像，以倍率β成像于基板11的被加工面11a上。在投影光学系统8的空间调制元件6侧配置有成像透镜8A，在基板11侧配置有物镜8B。

在本实施方式中，倍率不同的多个物镜8B由转换器机构保持着并可以切换。因此，通过使转换器机构旋转并切换物镜8B，可以变更投影光学系统8的倍率β。以下只要没有特别说明，物镜8B指被选择用来构成投影光学系统8的透镜。

在本实施方式中，成像透镜8A的光轴P₄与X轴方向平行配置，物镜8B的光轴P₅与Z轴方向平行配置。

因此，在空间调制元件6和成像透镜8A之间设有反射镜7，该反射镜7用于反射开启光62并使其沿着光轴P₄入射。并且，在成像透镜8A和物镜8B之间设有半透半反镜9，该半透半反镜9用于反射透过成像透镜8A的光并使其沿着光轴P₅入射。

投影光学系统8的投影倍率β可以根据被加工面11a上的必要加工精度适当设定。例如，整个调制区域的W×H大小的图像在被加工面11a上为W’×H’的倍率。

另外，成像透镜8A的数值孔径(NA)设为使作为关闭光63反射的光不入射的大小。

观察用光源16是产生用于照明被加工面11a上的可加工区域内部的观察用光80的光源，被设置在半透半反镜9与物镜8B之间的光路的侧方。

在半透半反镜9与物镜8B之间的光路上与观察用光源16相向的位置处设有半透半反镜14，该半透半反镜14用于使在半透半反镜9反射的开启光62透射，并使观察用光80朝向物镜8B反射。并且，在观察用光源16与半透半反镜14之间设有将观察用光80会聚为适当直径的照明光束的会聚透镜15。

作为观察用光源16，例如可以采用产生可见光的氙气灯和LED等适当的光源。

观察用成像透镜12(摄像光学系统)配置在半透半反镜9的上方侧，并与物镜8B的光轴P₅同轴。观察用成像透镜12是用于使从被观察用光80照明的被加工面11a反射并通过物镜8B会聚的光成像于摄像元件13(摄像部)的摄像面上的光学元件。

摄像元件13用于对在摄像面上成像的图像进行光电转换，例如利用CCD等构成。光电转换后的图像信号通过摄像元件13被发送给与摄像元件13电连接的控制装置22。

控制装置22用于控制激光加工系统100的动作，如图3所示，由图像取入部40、数据存储部43、空间调制元件驱动部41、装置控制部42、移动机构控制部35和图像处理部44构成。

控制装置22的装置结构在本实施方式中是由利用CPU、存储器、输入输出部和外部存储装置等构成的计算机与适当硬件的组合构成。数据存储部43使用该计算机的存储器和外部存储装置实现。其他结构通过由CPU执行对应各个控制功能、处理功能生成的程序来实现。

图像取入部40用于取入通过摄像元件13获取的图像信号，而获得被加工面11a的二维图像。所取入的二维图像被发送给由监视器等构成的显示部30进行显示，并且作为图像数据150发送给由图像存储器构成的数据存储部43进行存储。

空间调制元件驱动部41根据由图像处理部44生成的加工数据，控制空间调制元件6的各个微小反射镜6a的开启/关闭状态。

装置控制部42例如根据来自具有操作面板、键盘、鼠标等的适当的操作输入单元的用户界面32的操作输入，控制激光加工系统100的动作。装置控制部42与图像取入部40、空间调制元件驱动部41、加工头移动机构31、激光振荡器1、观察用光源16、移动机构控制部35电连接，可以控制各部分的动作和动作定时。

移动机构控制部35根据来自用户界面32的操作输入和装置控制部42的控制信号，控制反射镜移动机构34的反射镜偏斜部34a、反射镜并行移动部34b的动作。

图像处理部44用于调出存储在数据存储部43中的图像数据150并实施适当的图像处理，在本实施方式中，具有缺陷提取部45和加工数据生成部46。

缺陷提取部45对图像数据150进行缺陷提取处理，把加工形状信息作为缺陷图像数据151发送给加工数据生成部46。

该缺陷提取处理也可以采用公知的任意缺陷提取算法。例如，可以计算所获取的图像数据与预先存储的正常被加工面11a的图案图像数据的亮度之差，从利用某个阈值将该差值数据二值化而得到的数据中提取缺陷。

加工数据生成部46与从缺陷提取部45发送的加工形状信息相对应地，生成控制空间调制元件6的各个微小反射镜6a的开启/关闭(ON/OFF)的加工数据152(调制数据)，以便能够向被加工面11a照射开启光62。

在以上说明的激光加工系统100中，激光光源50、反射镜33、反射镜移动机构34、空间调制元件6、投影光学系统8、和除图像处理部44之外的控制装置22，构成向被加工面11a上照射通过空间调制元件6空间调制后的激光的激光照射装置200。这种激光照射装置200也可以被用作独立于激光加工系统100之外的装置。该情况时，可以用作接受与加工形状相对应的图像数据并进行激光加工的激光加工装置，或者作为其他用途的例如采用激光的图像投影装置等。

下面，说明激光加工系统100的动作。

在激光加工系统100中，为了进行激光加工，如图1所示，首先在载置台21上载置作为被加工物的基板11。

然后，通过加工头移动机构31使加工头20移动，设定为最初的加工位置，获取被加工面11a的可加工区域的图像。即，使观察用光源16亮灯，使其产生观察用光80。观察用光80通过半透半反镜14反射一部分，该反射光在物镜8B会聚而对被加工面11a的可加工区域进行照明。

在被加工面11a反射的反射光在物镜8B上会聚，一部分透射过半透半反镜14。并且，该透过半透半反镜14的一部分的光再通过半透半反镜9透射一部分，并被引导到观察用成像透镜12。入射观察用成像透镜12的光成像于摄像元件13的摄像面上。

摄像元件13对所成像的被加工面11a的图像进行光电转换，并发送给图像取入部40。

在图像取入部40中，根据需要对所发送的图像信号实施去除噪声、亮度校正等处理，然后显示在显示部30上。并且，根据装置控制部42的控制信号，把适当定时的图像信号转换为图像数据150存储在数据存储部43中。这样，获取被加工面11a的可加工区域的图像。

然后，在图像处理部44中，使缺陷提取部45读出存储在数据存储部43中的图像数据150进行缺陷提取。并且，判定所提取的缺陷的类型和大小等，在判定为是应该修整加工的缺陷时，作为缺陷图像数据151发送给加工数据生成部46。

被加工面11a的可加工区域和空间调制元件6的调制区域通过投影光学系统8成为共轭关系，由于投影光学系统8的投影倍率是β，所以通过把可加工区域上的位置坐标设为1/β倍，使其与空间调制元件6的调制区域上的位置相对应。

这样，在加工数据生成部46中，根据缺陷图像数据151生成加工数据152，以便确定应该控制为开启状态的、用于在利用缺陷图像数据151表示的被加工面11a上的各个位置照射开启光62的微小反射镜6a，并驱动空间调制元件6使这些微小反射镜6a处于开启状态，使其他微小反射镜6a处于关闭状态。例如，对应各个微小反射镜6a的位置(m、n)，生成与开启状态为1、关闭状态为0的数值对应的作为表数据的加工数据152。

所生成的加工数据152发送给空间调制元件驱动部41。

空间调制元件驱动部41根据装置控制部42的控制信号和所发送的加工数据152，控制空间调制元件6的各个微小反射镜6a的倾斜角。

然后，装置控制部42向激光振荡器1发送使激光激励的控制信号，根据对应于基板11而预先选择的照射条件，使从激光振荡器1激励激光。作为激光的照射条件，例如可以列举波长、光输出、振荡脉冲宽度等。

所激励的激光通过耦合透镜2光耦合在光纤3的光纤端面3a上，从光纤端面3b射出光强度分布大致均匀的发散光即激光60。

激光60通过投影透镜4沿光轴P₁前进并在反射镜33的偏转面33a反射。并且，作为激光61沿光轴P₂前进并投影于空间调制元件6上，通过空间调制元件6上的各个微小反射镜6a反射。

在此，关于偏转面33a相对光轴P₁的倾斜度(以下简称为偏转面33a的倾斜度)与光轴P₁方向的位置(以下简称为偏转面33a的光轴方向位置)，在反射镜33的反射光即激光61通过空间调制元件6的开启状态的微小反射镜6a反射时，驱动反射镜移动机构34使得激光61可以有效入射投影光学系统8。

该偏转面33a的倾斜度和光轴方向位置，根据用户界面32的操作输入和通过装置控制部42收集的激光振荡器1的波长信息等，通过控制装置22的移动机构控制部35计算得到。

通过倾斜角被设为关闭状态的微小反射镜6a反射的关闭光63，在成像透镜8A的数值孔径范围之外反射。

通过倾斜角被设为开启状态的微小反射镜6a反射的开启光62，沿光轴P₃前进并在反射镜7反射，然后沿光轴P₄前进并入射到成像透镜8A会聚，然后到达半透半反镜9并在半透半反镜9反射。

在半透半反镜9反射的开启光62沿光轴P₅前进，并通过物镜8B成像于被加工面11a上。

这样，基于加工数据152的开启光62的调制区域的图像投影于被加工面11a上。其结果，开启光62照射被加工面11a的缺陷，缺陷被去除。

以上结束一次激光加工。

在该加工后，通过摄像元件13再次获取被加工面11a的图像，根据需要重复上述处理，如果存在未去除部，则再次进行激光加工，或者移动可加工区域进行其他部分的激光加工。

下面，在本实施方式中，说明用于使开启光62有效入射投影光学系统8并投影于被加工面11a上的偏转面33a的倾斜度条件。

在空间调制元件6中，微小反射镜6a有规律地排列，所以开启光62的光强度分布由微小反射镜6a导致的衍射现象确定。

例如图2A所示，当激光61以入射角θ₀＝2·φ入射到空间调制元件6的基准面M时，在相对基准面M向图示逆时针方向倾斜角度φ的开启状态的多个微小反射镜6a的反射光即开启光62中，产生夫琅和费衍射70和衍射71。开启光62的光强度分布通过使这些衍射光进行卷积运算而得到。

夫琅和费衍射70根据微小反射镜6a的孔径确定，在微小反射镜6a的正反射方向(在本示例中为Z轴负方向)具备具有峰值的吊钟形光强度分布。

另一方面，衍射71为由微小反射镜6a的排列间距和激光61的波长确定的离散分布。即，0级衍射光d₀产生于相对激光61的基准面M的正反射光中(在本示例中为相对Z轴负方向沿图示顺时针方向旋转角度θ₀的方向)，在由微小反射镜6a的排列间距和激光61的波长唯一确定的不同衍射角度的方向上产生N级衍射光d_N(其中，N＝1、2、...)。

此时，只要能够在衍射71的任一级的衍射光的方向与夫琅和费衍射70的峰值强度的方向大致一致的状态下入射投影光学系统8，由于卷积计算后的光强度分布增大，所以衍射效率提高。因此，可以提高光利用效率。

例如，在图2A所示情况下，夫琅和费衍射70的峰值强度的方向与投影光学系统8的光轴方向一致，在衍射71的3级衍射光d₃、4级衍射光d₄分别倾斜角度θ₃、θ₄(其中，θ₄≤θ₃)的情况下，通过使至少任一衍射光包含于投影光学系统8的孔径角范围内，可以提高衍射效率，实现良好的光利用效率。

夫琅和费衍射70的峰值强度方向根据入射角θ₀和微小反射镜6a的倾斜角φ确定，衍射71的衍射角根据微小反射镜6a的排列间距和激光61的波长确定，所以通过从装置控制部42获取这些信息，移动机构控制部35可以判定夫琅和费衍射70的峰值强度的方向和任一衍射光的方向是否进入投影光学系统8的孔径角范围内。

在哪个衍射光的方向也没有进入投影光学系统8的孔径角范围内时，移动机构控制部35使偏转面33a偏斜，使夫琅和费衍射70的峰值强度的方向和任一衍射光的方向至少进入投影光学系统8的孔径角范围内，如果可能，则使其与投影光学系统8的光轴一致。

例如图2B中的虚线所示，通过反射镜移动机构34改变偏转面33a的倾斜度进行变更，使得激光61A以入射角(θ₀+Δθ)入射基准面M。根据该入射角的变化，各个衍射光的衍射方向变化。因此，通过适当设定Δθ，例如可以实现使4级衍射光D₄的衍射方向与投影光学系统8的光轴方向一致的动作。

此时，由于相对微小反射镜6a的正反射方向也在变化，所以夫琅和费衍射70的峰值强度方向变化，因此实际上设定使各个衍射方向均进入投影光学系统8的孔径角范围内的Δθ的值。

这种偏转面33a的移动，优选在变更激光振荡器1的振荡波长时根据其波长进行。

例如图2C所示，在通过空间调制元件6入射短波长的激光61B时，夫琅和费衍射70与图2A所示情况相同，但衍射71根据波长的变化，在基准面M的正反射方向产生0级衍射光e₀，在与图2A的高级数衍射光不同的衍射方向产生N级衍射光e_N(其中，N＝1、2、...)。于是，具有最接近投影光学系统8的光轴方向的衍射方向的衍射光，例如成为与投影光学系统8的光轴形成夹角θ₆的6级衍射光e₆，光利用效率与图2A不同。

因此，通过与该夹角θ₆相对应地移动偏转面33a，即使激光振荡器1的振荡波长变更时，也能够获得良好的衍射效率。

关于偏转面33a的倾斜度的角度设定，列举数值示例进行说明。

表1表示数值示例1。数值示例1是在微小反射镜6a的排列间距为19.05μm、微小反射镜6a的开启状态的倾斜角φ为φ＝15.3deg时，把激光61的波长设为266nm、355nm、532nm时的设定示例。在此，各个波长对应于YAG激光器的第二高次谐波、第三高次谐波和第四高次谐波。

表1分别表示相对各个波长的、1次衍射光的衍射角(deg)、最接近投影光学系统8的光轴P₃的衍射光的衍射级、相对空间调制元件6的基准面M的入射角θ₀的设定值、根据夫琅和费衍射的强度分布和衍射光的卷积计算的衍射效率(％)、相对投影光学系统8的光轴P₃的角度(deg)。

表1

根据表1可知，通过根据各个波长把相对空间调制元件6的入射角分别设为30.8deg、30.9deg、30.7deg，从而可以把衍射效率设为57％以上。此时，最接近光轴P₃的衍射光的衍射级分别是26、19、13，相对光轴P₃的角度是0.08deg、0.70deg、0.17deg，所以通过与最大值0.7deg相对应地把投影光学系统8的数值孔径设为0.012以上，可以使各个波长的衍射光入射到投影光学系统8的孔径角范围内。

下面，表2表示数值示例2。数值示例2表示微小反射镜6a的排列间距为24μm、微小反射镜6a的开启状态的倾斜角φ为φ＝14.0deg时，把激光61的波长设为330nm、440nm、660nm时的设定示例。在此，各个波长对应于Nd:YAG激光器的第二高次谐波、第三高次谐波和第四高次谐波。

在表2中，分别表示与表1相同的衍射角(deg)、衍射级、入射角θ₀的设定值、衍射效率(％)和相对光轴P₃的角度(deg)。

表2

根据表2可知，通过根据各个波长把相对空间调制元件6的入射角分别设为28.0deg、27.9deg、27.8deg，可以把衍射效率设为83％以上。此时，最接近光轴P₃的衍射光的衍射级分别是24、18、12，相对光轴P₃的角度是0.15deg、0.07deg、0.017deg，所以通过与最大值0.15deg相对应地把投影光学系统8的数值孔径设为0.003以上，可以使各个波长的衍射光入射到投影光学系统8的孔径角范围内。

这种偏转面33a的偏斜例如在更换空间调制元件6时等时适用，并且也可以适用于调整微小反射镜6a的开启状态的倾斜角因空间调制元件6的制造偏差而变化的情况。关于该情况的调整，利用表3所示的数值示例3说明。

数值示例3是在微小反射镜6的排列间距为17.9μm、激光61的波长为355nm时，微小反射镜6a的开启状态的倾斜角φ变为φ＝15.0deg，14.97nm的示例。微小反射镜6a的倾斜角可以通过使以预定角度入射参照光并测定反射光的到达位置来实验求出。

在表3中，表示与表1相同的衍射角(deg)、衍射级、入射角θ₀的设定值、衍射效率(％)、相对光轴P₃的角度(deg)、以及开启状态的微小反射镜6a的倾斜角φ。

表3

表3的数值示例3-a、3-b表示在入射角恒定为θ₀＝30deg的情况下，倾斜角φ仅变化0.03deg，衍射效率变化7％。

数值示例3-c表示通过使偏转面33a偏斜0.5deg，使衍射效率恢复，在φ＝14.97deg的空间调制元件6中，也能够获得与φ＝15deg的空间调制元件6相同的衍射效率80％。

另外，在只通过反射镜33的偏斜来变更偏转面33a的倾斜度时，将导致激光61相对空间调制元件6的入射位置偏离。在本实施方式中，反射镜移动机构34具有反射镜偏斜部34a和反射镜并行移动部34b，通过结合反射镜33的并行移动，可以使激光61准确入射投影光学系统8的光轴上。

例如图4所示，偏转面33a在被反射镜偏斜部34a保持并使与光轴P₁的交点Q成为偏斜中心时，从相对空间调制元件6的入射角为角度θ₀的反射镜33A的状态旋转角度(Δθ/2)，并向反射镜33B的位置偏斜时，来自激光光源50的激光61相对空间调制元件6的基准面M的入射角为角度(θ+Δθ)，但取决于距空间调制元件6的距离，有时反射光偏离空间调制元件6，或偏离出投影光学系统8的有效范围。

此时，通过反射镜并行移动部34b使反射镜33B在光轴P₁的方向上例如仅并行移动距离L，使其移动到反射镜33C的位置处，由此可以使在反射镜33C处的反射光准确入射到与反射镜33A的反射光相同的位置处。

根据这种激光加工系统100，使来自激光光源50的激光60通过反射镜移动机构34可以相对光轴P₁偏斜，并通过可以在光轴P₁方向移动的偏转面33a偏转，由此可以向空间调制元件6照射使得相对空间调制元件6的基准面M和开启状态的微小反射镜6a的入射角改变、而不改变入射位置的激光61。因此，不需改变微小反射镜6a的开启状态的倾斜角，即可使基于微小反射镜6a的孔径的夫琅和费衍射70以及基于微小反射镜6a的排列间距的衍射71的衍射方向对准投影光学系统8的孔径角范围。结果，可以通过投影光学系统8向被加工面11a进行光利用效率良好的激光照射。

因此，通过根据激光振荡器1的振荡波长改变激光61相对空间调制元件6的入射角，可以抑制由激光61的波长变化引起的光利用效率的变化。

并且，即使存在因空间调制元件6的制造偏差等造成的微小反射镜6a的开启状态的倾斜角的偏差，也能够根据各个空间调制元件6的倾斜角来调整激光61的入射角，调整为良好的光利用效率。

下面，说明本实施方式的第1变形例。

本变形例具有图5所示的反射镜移动机构36(偏转面移动机构)而取代上述实施方式的反射镜移动机构34。以下，主要说明与上述实施方式的不同之处。

反射镜移动机构36由与反射镜移动机构34相同的反射镜偏斜部34a、反射镜并行移动部34b构成，并且安装成为使反射镜33能够以其端部的点q为中心偏斜。并且，反射镜移动机构36与控制装置22的移动机构控制部35电连接。

在该情况时，Z轴方向的并行移动量与上述实施方式相同，可以通过考虑偏转面33a上的光轴的反射位置与点q之间的距离确定，并且与上述实施方式相同，可以使偏转面33a偏斜和并行移动。

下面，说明本实施方式的第2变形例。

该变形例分别使用图6所示的反射镜单元37(光路偏转部)和反射镜移动机构38(偏转面移动机构)，取代上述实施方式的反射镜33和反射镜移动机构34。以下，主要说明与上述实施方式的不同之处。

反射镜单元37如图6所示，在与平行于XY平面的安装面37a相反侧的一面，在Y轴方向并列设有偏转面37A、37B、37C，该偏转面37A、37B、37C在ZX平面内的倾斜度和在Z轴方向上的高度不同。

反射镜移动机构38是单轴移动机构，由在未图示的框体上沿图示Y轴方向延伸安装的滑动导向器38b；和固定在反射镜单元37的安装面37a上，并被设置成为可以在滑动导向器38b上沿图示Y轴方向移动的滑动器38a构成。

反射镜移动机构38与控制装置22的移动机构控制部35电连接，可以根据移动机构控制部35的控制信号在Y轴方向阶梯状移动。

在本变形例中，例如预先根据激光光源50的3个波长λ_A、λ_B、λ_C，将偏转面37A、37B、37C相对Z轴的倾斜度、Z轴方向的位置设定为最佳的值。并且，每当通过装置控制部42切换激光振荡器1的振荡波长时，例如在从波长λ_A切换为波长λ_C时，使反射镜单元37沿Y轴方向移动，以便取代偏转面37A，由偏转面37C反射激光61。

这样，根据本变形例，在预先将偏转面的倾斜量限定为多个时，不必在每次切换时进行入射角的计算，即可迅速进行偏转面的设定。并且，由于不进行相对该偏转面的偏斜，所以能够简化偏转面移动机构的结构。

另外，在图6中，各个偏转面表示把与Y轴平行的一个轴作为中心来变更倾斜角的形状示例，但也可以是使各个偏转面适当沿Z轴方向移动的形状。

下面说明本实施方式的第3变形例。

本变形例分别使用图7所示的反射镜单元39(光路偏转部)和反射镜移动机构48(偏转面移动机构)，取代上述实施方式的反射镜33和反射镜移动机构34。以下，主要说明与上述实施方式的不同之处。

如图7所示，反射镜单元39在与平行于XY平面的安装面39a相反侧的一面，在X轴方向并列设有偏转面37A、37B、37C，该偏转面37A、37B、37C在ZX平面内的倾斜度和在Z轴方向上的高度不同。

反射镜移动机构48是单轴移动机构，包括在未图示的框体上沿图示X轴方向延伸安装的滑动导向器48b；和被设置成为可以在滑动导向器48b上沿X轴方向移动的滑动器48a，其在Z轴正方向侧具有固定反射镜单元39的各个偏转面的背面侧安装面39a的固定面48c。

反射镜移动机构48与控制装置22的移动机构控制部35电连接，可以根据移动机构控制部35的控制信号在Y轴方向阶梯状移动。另外，在图7中，表示各个偏转面在Z轴方向的配置高度随着朝向X轴正方向而呈阶梯状增大形成的形状示例，但也可以是使各个偏转面的配置高度适当沿Z轴方向移动的形状，例如可以形成为在ZX断面中呈锯齿状。

在本变形例中，相对于上述第2变形例，使偏转面的配置方向和偏转面的移动方向偏转，具有与上述第2变形例相同的作用效果。

另外，在上述说明中，说明了通过移动机构控制部控制偏转面移动机构的偏斜和并行移动的移动量的示例，但是偏转面移动机构也可以利用机械式载物台等构成，并可以通过手动进行偏斜和并行移动。

该情况时，偏斜角度和并行移动量例如预先根据波长和微小反射镜的倾斜角条件算出，在移动时进行参照即可。或者，也可以监视被加工面的光量，并改变移动量，一面测定被加工面上的光量一面设定。

尤其在上述第2、第3变形例的结构中，偏转面移动机构在单轴方向步进移动并选择性地切换偏转面，所以不需要高精度的移动精度，适合于手动操作。

在上述说明中，说明了照射到空间调制元件6上的激光通过结合偏转面的偏斜和向光轴方向的并行移动，即使入射角变化时，入射位置也不变的情况下的示例，但也可以根据需要改变入射位置，并使加工头移动以抵消因入射位置变化造成的被加工面上的移动量。

该情况时，可以一面移动相对空间调制元件的照射位置一面进行激光照射，所以能够分散激光向微小反射镜的照射负荷，可以延长空间调制元件的寿命。

在上述说明中，说明了利用一个激光振荡器产生多个波长光的示例，但是激光光源也可以组合振荡波长不同的多个激光振荡器构成。

在上述说明中，说明了将激光加工用于半导体晶片基板等的修整加工的情况，但是被加工物不限于这些，例如也可以用于针对多层膜、涂覆膜、较薄的金属物体和有机物体、半导体等各种被加工物的激光加工。

Claims

1.一种激光照射装置，其根据加工形状信息利用空间调制元件向被加工物照射激光，其特征在于，该激光照射装置具有：

激光光源；

光路偏转部，其通过偏转面使从该激光光源射出的激光进行偏转，以便朝向所述空间调制元件；

偏转面移动机构，其具有反射镜偏斜部和反射镜并行移动部，该反射镜偏斜部改变所述光路偏转部的偏转面相对于所述激光光源的出射侧光轴的倾斜度，该反射镜并行移动部使所述偏转面在沿所述激光光源的出射侧光轴的方向上并行移动；

所述空间调制元件，其具有对由所述光路偏转部进行偏转后的激光进行空间调制并形成朝向被照射面的衍射光的多个微小反射镜；

投影光学系统，其将由所述空间调制元件形成的衍射光投影于所述被照射面上；以及

偏转面移动机构控制部，其控制所述反射镜偏斜部和所述反射镜并行移动部，以使由所述空间调制元件进行空间调制后的衍射光包括在所述投影光学系统的孔径角的范围内。

2.根据权利要求1所述的激光照射装置，其特征在于，所述偏转面移动机构控制部利用所述反射镜偏斜部改变所述偏转面的倾斜度，并且利用所述反射镜并行移动部使所述偏转面在光轴方向上并行移动，以使由所述空间调制元件进行调制后的衍射光的N级衍射光中的任意一级的衍射光包括在所述投影光学系统的孔径角的范围内。

3.根据权利要求2所述的激光照射装置，其特征在于，所述反射镜偏斜部改变所述偏转面的倾斜角度，以使从由所述空间调制元件中的所述多个微小反射镜的排列间距和所述激光的波长决定的N级衍射光中所选择的任意一级的衍射光的方向、与由所述空间调制元件的孔径决定的夫琅和费衍射的峰值强度的方向大致一致。

4.根据权利要求2所述的激光照射装置，其特征在于，所述反射镜并行移动部使所述偏转面沿着所述出射侧光轴方向进行移动，以使由所述反射镜偏斜部选择的任意一级的衍射光包括在所述投影光学系统的孔径角的范围内。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的激光照射装置，其特征在于，所述激光光源选择性地射出多个波长的激光，所述反射镜偏斜部根据从所述激光光源所射出的激光的波长，来改变所述偏转面的倾斜角度。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的激光照射装置，其特征在于，所述反射镜偏斜部将所述光路偏转部保持为能够以所述光路偏转部的偏转面和所述出射侧光轴的交点为中心进行旋转。

7.根据权利要求1或2所述的激光照射装置，其特征在于，

在所述光路偏转部中，各自高度不同并且具有各自互不相同的倾斜度的多个偏转面沿一定方向排列，

所述反射镜偏斜部和所述反射镜并行移动部使所述光路偏转部沿所述一定方向移动并选择性地配置所述多个偏转面中的任意一个，并使所述偏转面相对于所述出射侧光轴向光轴方向移动。

8.一种激光加工系统，其特征在于，该激光加工系统具有：

权利要求1～5中任一项所述的激光照射装置；

摄像光学系统，其与所述激光照射装置的所述投影光学系统同轴配置，以便对配置在该激光照射装置的被照射面上的被加工物进行摄像；

摄像部，其配置在该摄像光学系统的像位置；以及

图像处理部，其对由该摄像部拍摄的图像进行图像处理，提取所述被加工物的缺陷，

与通过该图像处理部提取的缺陷的形状相对应地，该激光加工系统对所述激光照射装置的所述空间调制元件进行调制驱动，向所述被加工物照射所述空间调制后的激光，来进行所述被加工物的加工。

9.一种激光加工系统，其特征在于，该激光加工系统具有：

权利要求6所述的激光照射装置；

摄像部，其配置在该摄像光学系统的像位置；以及

10.一种激光加工系统，其特征在于，该激光加工系统具有：

权利要求7所述的激光照射装置；

摄像部，其配置在该摄像光学系统的像位置；以及