对工件进行光学处理的准分子激光束辐照装置的制作方法

专利名称：对工件进行光学处理的准分子激光束辐照装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种准分子激光束辐照装置，用来通过一种具有待形成在工件上的图形掩模，对一工件(例如一多层印刷板)进行光学加工、作业或处理(例如刻蚀)，从而形成眼孔(例如所谓的通路孔、通孔)之类的眼孔。更具体地说，本发明涉及一种准分子激光束辐照装置，采用该装置，可以用具有均匀强度分布的准分子激光束以一种稳定状态对工件进行处理。
为了能够更好地理解本发明的基本原理，首先参照

图14和图16较为详细地描述具有上述类型的现有光学处理或加工设备中所采用的已知准分子激光束辐照装置，其中，图14是典型的已知光学处理装置的示意透视图。该装置的更详细描述，可参见《日本激光处理工程师第28次大会论文集(Collection of Theses in 28th Conven-tion of Laser Processing Engineer of Japan)》第51—58页(1992年7月)。
参见图14，该图中所描述的光学处理装置包括一由一个准分子激光振荡器1组成的光源系统，用来产生一个截面为矩形的准分子激光束L0沿准分子激光束L0光通路在激光振荡器1输出口下游的位置处有三个反射镜3a、3b和3c，它们组成一个光束通路调节系统，用来调整准分子激光振荡器11辐射的准分子激光束L0的射束方向和射束旋转角。
另外，沿准分子激光束L0光路在上述光束通路调节系统之后的位置处有一个射束整形光学系统，它由两组柱面凹透镜和柱面凸透镜4a，4b；4c，4d组成，用来将截面呈矩形的准分子激光束L0转换或整形成一片状或平面准分子激光束L1，其凸透镜4a和4c分别与凹透镜4b和4d相对而立。这些透镜固定安装在一固定支承物5上。离开射束整形光学系统(4a，4b；4c，4d)的准分子激光束L1由位于准分子激光束L1光通路上的入射角调节镜7反射。
准分子激光束L1由入射角调节镜7投射到图形掩模8上，该图形掩模8由一块使准分子激光束L1能够透过的透光基板或衬底8a组成。透光衬底8a的上方有一个用来反射准分子激光束L1的反射层8b，该反射层8b中有使准分子激光束L1能够通过的通孔或眼8c。不用说，这些通孔或眼8c组成了一个待成像或转移到某一工件上去的图形，这些将在下文中作更详细的描述。
与图形掩模8相联系有一个掩模移动机构8，用来沿与光轴正交的方向(即沿X和Y方向)移动图形掩模8，从而使准分子激光束L1沿相应方向扫描图形掩模8的顶面。
在图形掩模8的上方并与该掩模相对，设置一个用作反射装置的高反射率反射镜10，用来使在反射层8b处反射的准分子激光束L1的方向分别改变到朝图形掩模8的方向，这也将在原文中描述。
另外，成像透镜11设置在图形掩模8的下方，它的位置位于离开图形掩模8的准分子激光束L2的光路上。用通过成像透镜11的准分子激光束L2照射或辐照要进行光学处理(或光学加工)的工件12，成像透镜11的作用是将图形掩模8中形成的上述图形转移到工件12上，形成一倒像。
成像透镜11的下方有一个工件装载平台13，用来装载和定位工件12。另外，工件装载平台13支承在一工件移动机构14上，该工件移动机构14可以分别沿与成像透镜11的光轴正交的方向(即沿X方向和Y方向)移动。随后，把工件移动机构14安装在振动隔离共用底座15上。
一控制单元16高精度地控制掩模移动机构9和工件移动机构14二者的操作，该控制单元16可以由一台微机组成，并且它也负责控制准分子激光振荡器1。此外，在工件12的上方还设置了一个处理监测器系统17，用来监测工件12中形成的图形位置及几何参数。
下面参照图15A和15B进行描述，其中，图15A是示意并放大显示包含掩模8、成像透镜11及相应部件的光学系统的侧视图，图15B是沿Y方向看时，工件12上准分子激光束12的强度分布图。此时，假定在图形掩模8与高反射率反射镜10之间经历了多次反射的准分子激光束L1沿Y轴方向发生平移。
参见图15A，图形掩模8的透光基板或衬底8a是由一种合成石英材料形成的，并且使离开透镜系统(4a—4d)，并在入射角调节镜7处反射的准分子激光束L1通过通光孔或通光眼8c。用通过掩模8和成像透镜11的准分子激光束L2进行辐照的结果，使得在工件12中形成图形与图形掩模8上的孔8c对应的孔(如通路孔18)。通过气相淀积工艺将反射层8b淀积到透光衬底上，以一种预定图形将空心孔8c转移到工件12上。另外，反射层8b是一种具有高反射率(例如反射率不低于99％)的薄膜(如铝膜、多层介质膜等)。如上所述，反射层8b上有大量的贯穿孔8c，其直径，例如，具有20μm的数量级。
成像透镜11是一种高性能透镜，在一大视场角的范围内其像差被消除到尽可能小，用来将图形掩模8中形成的图形(即空心孔8c)高精度地成像到工件12上去。
附带说明的是，图16A是沿Y轴方向看时，示意并放大描述处理光学系统及相关部件的侧视图，图16B是沿X轴方向看时工件12上的准分子激光束12的强度分布图。
接着，参照图14至16，描述上述结构的准分子激光束辐照装置的运行。
首先参照图15A，一部分准分子激光束L1的光线从上面倾斜地投射到图形掩模8的一测面上(图中在右侧)，并通过由空心孔8c，形成作光学处理或刻蚀的准分子激光束L2。
投射到图形掩模8上的另一部分准分子激光束L1的光线由反射层8b反射到反射率反射镜10上该高反射率反射镜10，将入射光线再反射回图形掩模8上。
从图15A中可以看到，由高反射率反射镜10反射到图形掩模8上的一部分准分子激光束在Y方向(即在图15A中自右至左)逐步偏移，这是由于图形掩模8和反射镜10之间的反射以及准分子激光束L1相对于垂直方向的入射角θ小于90°而造成的。更具体地说，准分子激光束L1在高反射率反射镜10上的反射以后第二次再投射到图形掩模8上的位置与该准分子激光束L1第一次投射到图形掩模8上的位置相比，沿Y方向上发生了偏移(即在图15A中向左侧偏移)。尽管有一部分准分子激光束L1被允许藉通过空心孔8c的图形而穿过图形掩模8，准分子激光束L1的这种反射和偏移要一直重复进行到该准分子激光束离开由图形掩模8和高反射率反射镜10之间限定的腔体。
由于准分子激光束L1在图形掩模8和高反射率反射镜10之间的重复或多次反射，以及沿Y方向的移位，使得图形掩模8的图形孔8c通过成像透镜11而转移到了工件12上。这样，自然就要求将准分子激光束L1的强度大体保持在一预定的恒定水平上，防止其衰减。当然，通过图形掩模8的图形孔8c而透射的准分子激光束L2通过成像透镜11而会聚到工件12上。其结果是，在工件12中形成如通路孔18之类的眼或孔，其图形与在图形掩模8中形成的孔8c之图形的倒像对应。
实际应用中，自然会注意到，当准分子激光束L1在图形掩模8和高反射率镜面10之间的反射而沿Y方向从高反射率反射镜10的一端移动到另一端时，准分子激光光束L1的强度会逐渐下降的可能性(如图15B所示)。其结果是，因为成像到工件12上的图形掩模8的图形为倒像，而使与Y轴的反方向(即负(-)Y轴方向)位置相关的反射和位移过程中，投射到工件12上的准分子激光束的强度逐渐减小。
另一方面，当沿X轴方向看时，投射到高反射率反射镜10的中心部分处的准分子激光束L1沿向两端的方向，在图形掩模8和高反射率镜面10之间连续反射，结果使沿X轴方向的准分子激光束12的强度分布取图16B中的轮廓线。
至于成像透镜，应当指出的是，成像透镜11由一个高性能的透镜系统来实现，其像差如前所述在像平面的主要区域内被消除得尽可能小，从而高精度地将图形掩模8的图形转移或成像到工件12上。因此，如果工件是一个多层印刷板，其尺寸通常在100mm×100mm的数量级，在用一个单一步骤对该区域进行光学处理时，必须采用极其昂贵的透镜系统作为成像透镜。
这样，在上述已知光学处理装置中，对大面积的工件12进行的光学处理是通过采用掩模移动机构9以及工件移动机构14来同步地移动图形掩模8以及工件12，从而沿相应方向用位置固定的准分子激光束有效扫描工件12来实现的。
举例来说，当成像透镜11的放大倍数是“1/2”时，沿X轴以速度V用准分子激光束L1扫描图形掩模8，而沿相反方向(即负(-)X方向)同时以速度V/2扫描将图形掩模8的孔图形的倒像要复制到它上面的工件12。在完成X方向的扫描以后，沿Y方向步进地移动工件12，重复上述扫描操作。通过以这种方式进行的扫描操作，使工件12的整个表面得到光学处理。
随后，在完成图形掩模8和工件12沿X轴方向的扫描移位以后，沿Y轴方向使图形掩模8和工件12步进地进给一增量，随后连续重复上述扫描移位。这样，就用准分子激光束辐照或照射了工件12的整个表面。
然而要指出的是，强度分布不均匀(即不恒定)的图形如图15B所示，被成像到了工件12上。
从上文的描述中可以理解的是，在采用上述进行光学处理的已知准分子激光束辐射装置的情况下，移动图形掩模8以及工件12，用来沿与Y轴方向正交的X轴方向用准分子激光束L2扫描后者，其中，准分子激光束L1由于在图形掩模8和高反射率反射镜10之间经历了多次反射而移位。因此，无法使得在图形掩模8和高反射率反射镜10之间经历多次反射的准分子激光束L1的强度分布始终保持在基本恒定或均匀的状态下。这样，就有可能产生这种情况，即无法在工件12上使激光束辐射的强度分布保持均匀。在这种情况下，尽管取决于工件的材料、采用的光学系统所能达到的加工或工作精度以及其他因素，工件12的处理加工状况变得不均匀，从而产生严重的问题。
再有，在现有的准分子激光束辐射装置中，工件12的厚度和材料改变，以及扫描操作时移动图形掩模8以及工件12的速度的改变都阻碍了工件12的均匀加工的实现。
鉴于现有技术的上述状况，本发明的一个目的在于提供一种对工件进行光学处理的准分子激光束辐照装置，该装置即使在准分子激光束同时发生移位和反射的方向上，经历多次反射的准分子激光束的强度分布不均匀时，也能对工件均匀地进行加工处理。
本发明的另一个目的在于提供一种准分子激光束辐照装置，该装置能够均匀地对一工件进行加工处理，而不论进行扫描操作而相互同步移动的掩模以及工件的扫描移动速度是如何变化的。
鉴于上述随本说明书逐步展开而变得清晰起来的上述目的和其他目的，按照本发明的总的方面，提供一种用准分子激光束对工件进行处理的准分子激光束辐照装置，它包括一准分子激光振荡器，用来辐射一准分子激光束；一具有透光部分和反射层的图形掩模，透光部分用来使自准分子激光振荡器辐射的准分子激光束能够通过，并形成一个要在工件中形成的图形，反光层用来反射准分子激光束；一置于与图形掩模反射层相对位置上的高反射率反射镜，用来将从反射层反射的准分子激光束反射到图形掩模上，从而使准分子激光束在反射镜和图形掩模之间经历多次反射，而发生位移；一成像透镜，用来将通过图形掩模透射的准分子激光束图形成像到被辐照的工件上；一工件移动机构，用来沿与成像透镜的光轴正交的方向移动工件；一掩模移动动机构，用来沿与成像透镜的光轴正交的方向移动图形掩模；以及一用来控制准分子激光振荡器、工件移动机构以及掩模移动机构的控制单元。控制单元控制工件移动机构和掩模移动机构，从而沿同一坐标轴使图形掩模和工件相互同步移动，使得在同步扫描位移期间，沿扫描移动方向用准分子激光束扫描工件，扫描移动方向与准分子激光束在图形掩模和高反射率镜面之间经历多次反射时发生位移的方向重合。
准分子激光振荡器和高反射率反射镜可以被固定。高反射率反射镜和图形掩模大体相互平行。准分子激光束以一预定的倾斜角投射到图形掩模上，而不受高反射率镜面的影响。图形掩模和工件可以在同步扫描位移期间沿同一坐标轴互相相反的方向移动。
由于该结构中掩模和工件的同步扫描位移的方向与准分子激光束的反射平移方向重合，所以如上所述，恰当和合适的加工或工作能量可以转移到工件上，从而即使在无法始终确保经历了多次反射的准分子激光束的强度分布均匀的时候，也能高精度地与高可靠性地形成所要的图形。
在实施本发明的一种较佳模式中，控制单元被设计成能够控制工件移动机构和掩模移动机构，从而用准分子激光束进行扫描时图形掩模和工件同步位移的距离比将图形成像到工件上时图掩模的有效图形区域的边长要长。
如上所述，通过选择扫描操作时掩模和工件发生位移的距离，使其大于沿扫描移动方向的掩模上有效图形区域发生位移的距离，可以使该有效图形区上准分子激光束的强度分布进一步均匀化，从而可以使花费在工件上的加工或工作能量更为恰当。
在实施本发明的另一种较佳方式中，控制单元可以被设计成，在选择的位置下，图形掩模和工件分别开始同步扫描位移，从而在同步扫描位移期间，至少在对应于用准分子激光束照射的工件区域上的距离范围内，以一个稳定的速度来使图形掩模和工件发生位移。
在该结构中，这样来确定掩模和工件的扫描位移起始点，使得掩模和工件的同步扫描移动速度的区域与用准分子激光束照射的区域重合，从而防止该有效图形区域与扫描移动速度在开始扫描位移时可能发生改变的区域重叠在一起，如上所述，这样可以确保用准分子激光束进行的照射在扫描移动速度稳定的区域内的进行。这样，工件有效图形区域上准分子激光束的强度分布可以进一步均匀，从而用提高了的精度和可靠性来完成工件的加工处理。
在实施本发明的另一种较佳模式中，准分子激光束辐照装置还可以包括一个速度测定单元，用来测定同步扫描位移期间图形掩模和工件移动的速度。于是，控制单元可以被设计成，当速度测定单元检测到在同步扫描位移期间图形掩模和工件发生位移的扫描移动速度在用准分子激光束照射的区域内变化时，控制单元控制准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而当扫描移动速度低于某一预定速度时，使该频率降低到某一预定频率之下。并且控制单元控制振荡重复频率，从而当扫描移动速度高于预定速度时使该频率增大到预定频率以上。
由于这一结构，当掩模和工件的同步扫描速度在用准分子激光束辐照的工件范围内变化时，当扫描移动速度低于某一预定速度时，准分子激光振荡器的振荡重复频率减小到一预定频率以下，而当扫描移动速度高于该预定速度时，振荡重复频率增加到该预定频率以上(即如上所述考虑到扫描移动速度变化来控制振荡重复频率)，而在工件上的有效图形区域上使准分子激光束的强度分布更加均匀化，从而以最佳工作能量使工件得到处理。
在实施本发明的另一较佳模式中，准分子激光束辐照装置还可以包括一个用来测定工件厚度的厚度偏差传感器。这样，控制单元可以被设计成当该厚度偏差传感器在同步扫描位移期间检测到工件厚度发生变化时，控制单元控制准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而当工件厚度大于某一预定厚度时，使其增加到某一预定频率以上，并且控制单元控制该振荡重复频率，从而当工件厚度小于预定厚度时，将该频率减小到该预定频率以下。
可以这样选择预定频率和预定厚度，使得在同步扫描位移期间，当工件以一给定速度移动时，可以用具有预定频率的准分子激光束均匀稳定地处理具有预定厚度的工件。
采用这种结构，当工件厚度大于某一预定厚度时，准分子激光振荡器的振荡重复频率被提高到某一预定频率之上，而当工件厚度小于该预定厚度时，振荡重复频率被减小到预定频率之下，从而如上所述，不管工件的厚度偏差如何，均可以将最佳工作能量有效均匀地施加到待处理的工件区域上。
在实施本发明的进一步较佳实施例中，可以这样设计控制单元，使得当厚度偏差传感器检测到工件厚度在同步位移期间发生变化时，控制单元控制同步扫描位移期间图形掩模和工件的扫描移动速度，从而当工件厚度大于一预定厚度时使其减小到某一预定速度以下，并且控制单元控制图形掩模和工件的扫描移动速度，从而当工件厚度小于预定厚度时，使其减小到预定速度之下。
通过在工件厚度大于某一预定厚度时使工件的扫描移动速度降低到某一预定速度以下，并且当工件厚度小于预定厚度时使工件的扫描移动速度增加到该预定速度以上，从而如上所述，可以不管工件的厚度变化与否，均可以将最佳处理能量有效均匀地施加到待处理的工件区域上。
在实施本发明的又一种较佳模式中，准分子激光束辐照装置还可以包括一个工件可加工性判定装置，用来判定工件材料是难于还是易于加工。于是可以这样设计控制单元，使得当由工件可加工性判定装置检测到在同步扫描位移期间，在受准分子激光束的辐照区域内工件材料发生改变时，该控制装置控制准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而当工件材料易于加工时，将频率降低到某一预定频率以下，并且控制单元控制该振荡重复频率，从而当工件材料难于加工时，将频率增加到该预定频率以上。
加工困难和加工方便可以按照某一刻蚀速度来事先确定，在该刻蚀速度下，通过准分子激光束的单个脉冲辐照来刻蚀工件材料。有关工件材料的加工困难和加工容易方面的信息要对于用准分子激光束进行照射的工件一个区域内的每一区域存储在存储器内，这些区域就材料来说各不相同。该存储器和工件可加工性判定装置可以组合在控制单元内。
通过当工件材料易于加工时将准分子激光振荡器的振荡重复频率降低到一预定频率以下，而当工件材料难于加工时将振荡重复频率增加到预定频率以上，那么如上所述，可以不管工件材料变化与否，将最佳工作能量有效均匀地施加到要处理的工件区域内。
在实施本发明的又一种较佳实施例中，准分子激光束辐照装置还可以包括一个工件可加工性判定装置，用来判定加工材料是难于加工还是易于加工。可以这样设计，控制单元使得当由该工件可加工性判定装置检测出在同步扫描位移期间在受准分子激光束的照射区域内工件材料发生变化时，由控制装置控制同步扫描位移期间图形掩模和工件的扫描移动速度，从而当工件材料易于加工时将速度增加到一预定速度以上，并且控制单元控制图形掩模和工件的扫描移动速度，从而当工件材料难于加工时，将速度降低到预定速度以下。
通过当工件材料相对易于加工时将掩模和工件的扫描移动速度增加到预定速度以上而当工件材料相对较难加工时将扫描移动速度降低到该预定速度以下，可以不管工件材料变化与否而将最佳加工能量有效均匀地施加到工件要处理的范围内。
在实施本发明的一种较佳实施例中，掩模移动机构和工件移动机构可以包括一个在控制单元的控制下，沿与成像透镜光轴以及同步扫描位移期间移动图形掩模和工件的方向两者正交的方向来步进移动图形掩模和工件的步进馈送装置，从而沿该正交方向重复用该准分子激光束照射该工件。沿正交方向的步进位移被选择成小于投射的准分子激光束在图形掩模和高反射率反射镜之间沿正交方向发生位移的反射位移距离。
如上所述，通过将沿正交方向的步进馈送增量设定成小于准分子激光束的反射移位距离的长度，可以使准分子激光束的强度分布在有效图形区域上沿步进馈送方向均匀化，从而可以将最佳工作能量作用在工件上。
在实施本发明的另一种较佳模式中，控制单元可以被设计成控制图形掩模和工件的扫描移动速度，从而准分子激光束在介于接连的脉冲之间的时间间隔内沿扫描移动方向移动的图形掩模和工件的脉冲间扫描位移(inter—pulse scanning displacement)变得小于准分子激光束在图形掩模和高反射率反射镜间经历多次反射而发生位移的反射平移距离。
采用这种结构来控制掩模和工件的扫描移动速度，从而同步扫描位移期间掩模和工件的脉冲间扫描位移变得小于准分子激光束的反射平移距离，如上所述，可以在有效图形区域上使准分子激光束的强度分布均匀化，从而可以进一步使施加到工件上的最佳工作能量均匀化。
在实施本发明的另一种较佳模式中，可以这样设计控制单元使之能够控制准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而准分子激光束在介于接连的脉冲之间的时间隔内沿扫描移动方向移动的图形掩模和工件的脉冲间扫描位移变得小于准分子激光束在图形掩模和高反射率反射镜间经历多次反射而发生位移的反射位移距离。
通过控制准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而在同步扫描位移期间掩模和工件的脉冲间扫描位移变得小于准分子激光束的反射平移距离，如上所述，可以进一步在工件的有效图形区域上使准分子激光束的强度分布均匀化，从而用最佳工作能量进行加工。
在实施本发明的又一种最佳实施例中，如果在要照射的工件某一区域上有一个不必照射的区域，则可以这样设计控制单元，使之能够在同步扫描位移期间对不必照射的区域停止准分子激光振荡器的工作。
有关不需照射区域的信息可以存储在与控制单元相关的存储器内。
如上所述，当工件的照射区域上存在这种不需照射区域时，通过在同步扫描位移期间停止或中断准分子激光振荡器对不需照射区域的工作，可以消除辐照能量因而也是激光驱动功率的无用消耗，从而可以延长准分子激光束辐照装置的使用寿命。
在实施本发明的又一种较佳模式中，准分子激光束辐照装置还可以包括一个阻挡片，在控制单元的控制下，可以有选择地将该阻挡片插入到准分子激光束的光路中。控制单元在图形掩模和工件的同步扫描位移期间，将阻挡片插入到光路中，从而当要照射的工件上存在不需照射区域时，用来阻挡准分子激光束辐照工件的不需照射区域。
如上所述，如果工件的照射区域中存在不需照射区域，则通过将阻挡片插入到同步扫描位移期的光路中，来阻挡准分子激光束辐照工件的不需照射区域，从而可以避免辐照能量因而也是激光驱动功率的无用损耗，使准分子激光束辐照装置的使用寿命得到延长。
在结合附图阅读了下文中仅作为举例的较佳实施例说明以后，将更容易理解本发明的上述以及其他目的、特征以及附带优点。
下文的描述将参照附图进行，其中图1是按照本发明第一种实施例的准分子激光束辐照装置总体结构示意透视图；图2A是沿X轴方向看时，准分子激光束辐照装置的图形掩模、成像透镜以及工件结构的示意与放大的侧视图；图2B描述的是沿与X轴方向正交的Y轴方向看时，投射到工件顶面上的准分子激光束的强度分布；图3A是沿Y轴方向看时，图形掩模、成像透镜以及工件结构的示意与放大的侧视图；图3B示出提沿X轴方向看时，辐照工件的准分子激光束的强度分布；图4A是图1所示准分子激光束辐照装置中含有的图形掩模和高反射率反射镜的多次反射结构侧视图；图4B是图形掩模的顶视图；图4C描述的是沿扫描移动方向作为图形掩模上位置函数的扫描移动速度的控制；图5是按照本发明另一种实施例的准分子激光束辐照装置的透视图；图6A示意描述的是准分子激光束在图形掩模和高反射率反射镜之间经历多次反射从而沿Y方向发生位移时的情况；图6B是图形掩模的顶视图6C描述的是沿Y轴方向同步扫描位移期间图形掩模的扫描移动速度的变化；图6D描述的是在同步扫描位移期间，随扫描移动速度变化而对准分子激光振荡器的振荡重复频率的控制；图7是按照本发明又一种实施例的准分子激光束辐照装置的透视图；图8A是沿X轴方向看时，图7中所示准分子激光束辐照装置中图形掩模、高反射率反射镜和工件的多次反射结构；图8B是示意描绘在通过图形掩模以后用由一成像透镜投射的准分子激光束进行辐照的工件某一区域的顶视图；图8C描述的是沿扫描移动方向看时工件厚度的变化；图8D描述的是随工件厚度变化，对扫描移动速度或激光振荡频率的控制；图9A是示意描绘一准分子激光束在工件上的位置的顶视图；图9B是沿扫描移动方向看时，一准分子激光束的刻蚀速度的变化；图9C描述的是随准分子激光束的刻蚀速度变化，对振荡重复频率或扫描移动速度的控制；图10A是沿X方向看时，含有图形掩模和高反射率反射镜的多次反射结构；图10B是示意描绘沿X轴方向看时，图形掩模的步进馈送的顶视图；图11A是准分子激光束在图形掩模和高反射率反镜镜面之间沿X轴方向经历多次反射连同成像透镜和一工件的侧视图；图11B描述的是沿X轴方向看时，准分子激光束的强度分布；图12A是本发明又一种实施例中，沿X轴方向看时的多次反射结构侧视图12B是示意描绘准分子激光束在图形掩模上位置的顶视图；图13A是本发明另一种实施例中，沿X轴方向看时，多次反射部分、成像透镜以及工件的结构侧视立面图；图13B是准分子激光束投射到工件上位置的顶视图；图14示出一例典型的已知光学处理装置；图15A是示意并放大描绘一个光学处理系统的侧视图，它包含了图形掩模、高反射率反射镜、成像透镜和要在已知装置中进行处理的工件；图15B描述的是在已知的准分子激光束辐照装置中沿Y方向看时的工件上准分子激光束的强度分布；图16A是示意并放大描绘沿Y轴方向看时，已知准分子激光束辐照装置中光学处理系统和相关部分的侧视图；以及图16B描述的是沿X轴方向的工件上准分子激光束的强度分布。
下面参照附图详细描述本发明目前被认为是最佳或典型的实施例。下文的描述中，相同的标记字符表示从几个视图中看是相同或相应的部件。同样在下文的描述中，术语“左”、“右”、“顶”、“底”、“X轴方向”、“Y轴方向”等仅为描述方便而采用的术语，并非限定性术语。实施例1现在，参照图1描述本发明第一种实施例的准分子激光束辐照装置，图1中仅示意描述了准分子激光束辐照装置的总体结构透视图。图中，标记字符L0、L1和L2、1至15以及17表示与先前结合图14所示的相同或等价的部件或组件。因此，不必对这些元件作重复描述。
参照图1，控制单元16A用来控制准分子激光振荡器1以及为高精度对工件进行处理需要用高精度进行驱动的掩模移动机构9和工件移动机构14。不用说，控制单元16A与前面结合图14进行描述的计算机控制单元16相对应。
更具体地说，为了使图形掩模8和工件相互同步移动，控制单元16A控制扫描移动方向(也称为同步移动方向)，使之与准分子激光束当进行多次反射而发生移位的方向(也称为反射平移方向)一致。为了描述的方便，假定上述扫描移动方向或同步移动方向和Y轴方向一致，而前述现有技术装置的步进馈送方向和与Y轴方向正交的X轴方向一致。
图2A是沿X轴方向看时，图形掩模8、成像透镜11和工件12的结构侧视图。图中，标号18表示在准分子激光器L2的辐照下，工件12中形成的通路孔之类的孔。从图中可以看到，准分子激光束L1的反射平移方向和图形掩模8及工件12的同步相对移动方向被选择成与Y轴方向重合。
图2B描述的是沿Y轴方向看时，投射到工件12顶面上的准分子激光束L2的强度分布。
图3A是沿Y轴方向看时，图形掩模、成像透镜11以及工件12的结构侧视图，图3B是沿X轴方向看时，照射工件的准分子激光束L2的强度分布。
现在参照图1至3，描述本发明当前实施例的准分子激光束辐照装置的运行。
参照图2A，从上部倾斜地投射到图形掩模顶面的一部分准分子激光束L1通过图形掩模8的通光孔8C和透光板8a，从而按照图形掩模8的空心孔8C形成的图形，形成对工件12进行加工或处理的准分子激光束L2，而另一部分准分子激光束L1在图形掩模8的反射层和高反射率反射镜10之间经历重复多次反射。
更具体地说，准分子激光束L1在图形掩模8的反射层和高反射率反射镜10之间反射的位置沿Y方向(即从图2A中看为左侧)逐渐平移。另外，通过图形掩模8的通光孔8C并具有与图形掩模8的图形对应的预定图形的准分子激光束投射到工件12上，从而在激光能量的刻蚀作用下，在工件12中形成通路孔18之类的孔。
然而，实际上，只要图形掩模8和高反射率反射镜10保持不动，当准分子激光束L1沿Y轴方向(即沿反射平移方向)从高反射率反射镜10的入射一侧到另一侧在图形掩模8的反射层8b和高反射率反射镜10之间进行重复反射时，准分子激光束L1的射束强度会逐渐降低。换言之，工件12上准分子激光束L2的强度分布是这样的，当图形掩模8和高反射率反射镜10固定不动时，投射到工件上的准分子激光束12的强度沿负(-)Y轴方向逐渐减弱，在图2B中由标有“扫描前的强度分布”的虚线表示。
因此，本发明中，图形掩模8沿Y轴方向移动，而随着图形掩模8的位移，尽管高反射镜面10不动工件12沿与图形掩模8相反的方向(即沿负(-)Y轴方向)移动，从而用准分子激光束L2扫描工件12。这样，具有图2B中虚线所示强度分布特征的准分子激光束L2就沿Y轴方向连续覆盖了工件12，从而如图中标有“扫描后”(见图2B)的实线所示的那样，在工件12的顶面上实现了大体均匀的准分子激光束的强度分布。因此，如上所述，为实施准分子激光束L2外观扫描的图形掩模8和工件12的移动在后文中称为扫描位移，其方向称为扫描移动方向。
这样，即使当准分子激光束L2的强度分布如图2B中用虚线表示的那样在扫描操作之前沿Y轴方向是非均匀的，上述图形掩模8和工件12的同步扫描位移也会使准分子激光束L2沿Y轴方向在工件12上重叠在一起，结果如图2B中实线所示的那样，准分子激光束L2的强度分布(更严格地说是累积的强度)将是均匀的。
相反，即使当图形掩模8和工件12处于固定状态下(即，即使当图形掩模8和工件12沿X轴方向不移动时)，与Y轴方向的强度分布相比，准分子激光束L2沿X轴方向的强度分布也是均匀的。这样，不论图形掩模8沿X轴方向的步进馈送以及工件沿X轴相反方向(即沿负(-)X轴方向)的步进馈送情况如何，可以大体保持工件12上准分子激光束L2的强度分布的均匀。实施例2在按照上述本发明第一种实施例的准分子激光束辐照装置中，没有考虑在用准分子激光束12扫描工件12时，同步扫描位移中图形掩模8的起始位置和停止位置。然而应该指出的是，当图形掩模8的同步扫描位移的整个行程或距离比图形掩模8上有效图形区域(即形成孔或眼图形的区域)的长度长时，辐照工件12的准分子激光束L2的强度分布会更加均匀。
在本发明的第二种实施例中，考虑到了将图形掩模8的同步扫描位移的距离或行程设定成比图形掩模8的有效图形区的长度长。下面参照图4，描述本发明当前实施例的准分子激光束辐照装置。附带说明一下，准分子激光束辐照装置本身的结构大体与参照图1所描述的结构相同。
按照本发明当前实施例的原理，与工件12同步移动的图形掩模8的整个距离这样受控制单元16A的控制，从而沿扫描移动方向看时大于图形掩模8的有效图形区域的长度。另外，这样确定扫描操作时图形掩模8和工件12的起始位置，它是这样一个区域，在该区域中，同步扫描位移期间图形掩模8的移动速度是稳定的(该区域在后文中也称为稳定扫描速度区)，该区域包括了工件12上实际要用准分子激光束L2进行辐照或照射的区域。工件12的这一区域也被称作为照射区。
图4A是沿X轴方向看时，包含图形掩模8和高反射率反射镜10的多次反射结构侧视图，该图还示意描绘了准分子激光束L1沿Y轴方向经历多次反射时的情况。从图4A中可以看出，照射图形掩模8的准分子激光束L1的外观具有宽度ΔW，或者反射平移距离ΔW(即，准分子激光束L1沿Y轴方向在图形掩模8和高反射率反射镜10之间经历多次反射而沿Y轴方向的平移长度或距离)。另外，图4B是图形掩模8的顶视图，而图4C描绘的是沿扫描移动方向沿负(-)Y轴方向)作为图形掩模8的位置函数的扫描移动速度V的变化。
图4中，标记字符L1a和L1b表示用准分子激光束L1照射的图形掩模8的区域(见图4B)，标记字符a和b分别表示受照射在L1a和L1b的中心位置(见图4C)，标记字符Wab表示沿Y轴方向进行扫描操作时，准分子激光束L1的相对位移距离，标记字符8d代表图形掩模8上的一个有效图形区域，W代表有效图形区域8d的宽度(沿Y轴方向的长度)，RS代表扫描移动速度V处于稳定状态的稳定速度区域，RV代表扫描移动速度V可变的速度可变区域，以及ΔWa和ΔWb分别代表对于有效图形区域宽度W的速度稳定区域RS的边际宽度。
现在假定如图4B中用实线矩形所示的那样，经历多次反射的准分子激光束L1位于位置L1a处。(沿Y轴方向中心位置为a)。此时，控制单元16A(参看图1)沿负(-)Y轴方向使图形掩模移动，从而准分子激光束L1从实线位置L1a沿Y轴方向朝着虚线位置L1b移动，实施外表扫描操作，从而沿Y轴方向从位置L1a至位置L1b，准分子激光束在外表上扫描图形掩模8。
这样，位移扫描距离Wab(即从中心位置a至位置b的距离)被选择为大于图形掩模8中形成的成像图形的区域的长度W，该区域即沿同步移动方向(Y轴方向)看时进行扫描操作的有效图形区域8d。
所以，从图4B和4C可以看出，在同步扫描位移期间，从位置a至位置b由准分子激光束L1覆盖的有效图形区域8d位于速度稳定区域RS内，这又意味着，辐照有效图形区域8d的准分子激光束L1的强度分布(累积强度值)是均匀的。
顺便指出，当图形掩模8沿负(-)Y轴方向移动，从而使准分子激光束L1的中心点从a至b经历多次反射而发生位移来对外表实施扫描操作时，扫描移动速度V的变化方式如图4C中所示。这样，应当可以理解的是，如果扫描移动速度V的速度可变区域与有效图形区域8d重叠，那么扫描移动速度V就在有效图形区域8d内变化，结果，照射有效图形区域8d的准分子激光束L1的强度分布(累积强度值)会变成不均匀。
由于上述原因，扫描位移开始点a和扫描位移停止点b被设定成，工件12可以在图形掩模8的扫描移动速度V处于稳定状态的速度稳定区域RS内进行处理。这样，可以使投射到图形区域8d上的准分子激光束L1的强度分布(累积强度值)更加均匀，从而均匀地对工件进行处理。
附带说明一下，准分子激光束L1的反射平移距离(外观宽度)与速度稳定区域RS的宽度ΔWa和ΔWb可以被选择成满足下述条件ΔWa＞ΔW/2ΔWb＞ΔW/2。
从上述表达式可以清楚地看到，每一个边际(允许)宽度ΔWa和ΔWb必须被设置成大于准分子激光束L1的反射平移距离(或外观宽度)的一半，从而可以成功地在有效图形区域8d内扫描有效图形区域8d。另外，还应当再次指出的是，准分子激光束L1的外观宽度ΔW与准分子激光束L1在图形掩模8和高反射率镜10之间经历多次反射期间发生平移的距离对应。
当然，正如前文中指出的那样，是由控制单元16A来确定与图形掩模8同步移动的工件12的扫描位移起始停止位置的。实施例3
在本发明第二种实施例的准分子激光束辐照装置中，图形掩模8和工件12的同步扫描位移期间的扫描移动速度V在有效图形区域8d内保持恒定。然而，当同步扫描移动速度改变时，要求控制准分子激光振荡器1的振荡重复频率，使其作为扫描移动速度变化的函数，从而使得用准分子激光束L2扫描其外表照射工件12的准分子激光束L2的强度分布均匀化。
根据本发明第三种实施例的原理，设想依扫描移动速度V的变化来控制准分子激光振荡器1的振荡重复频率。下面参照图5和图6，描述本发明第三种实施例的准分子激光束辐照装置，其中，图5是本发明当前实施例准分子激光束辐照装置的透视图，图中，标记字符L0、L1和L2、1至15以及17代表与本发明第一和第二种实施例中具有相同标记字符的相同或等价元件。
掩模移动机构9和工件移动机构14的高精度驱动构成控制装置并对应于图1中所示控制单元16A的控制单元16B的控制。速度测定单元19用来测定图形掩模8和工件12的扫描移动速度V。在此应当再次指出的是，图形掩模8和工件12相互沿Y轴相反的方向相向同步移动。因此，在下文的描述中，只考虑图形掩模8的扫描移动速度V，可以理解，下文的描述同样也适用于工件12的扫描移动速度。由速度测定单元19测定的扫描移动速度V被输入到控制单元16B内，该控制单元，依扫描移动速度V控制准分子激光振荡器1的振荡重复频率f。
图5中所示的控制单元被设计成或者受程序控制成，在扫描位移期间，当图形掩模8的扫描移动速度V同步地随工件12的被处理图形区域(即，用准分子激光束12进行处理的工件12的区域)而变化或改变时，并且该区域对应于前述图形掩模8的有效图形区域8d(见图4B)，则当扫描移动速度V低于某一预定速度V0时，准分子激光振荡器的振荡重复频率f降低到某一预定频率f0以下，而当扫描移动速度V高于预定速度V0时，振荡重复频率f增加到预定频率f0以上。
图6A是从X轴方向看时，准分子激光束L1的多次反射结构侧视图，它示意地描述了准分子激光束L1沿Y轴方向移动时在图形掩模8和高反射率反射镜10之间的多次反射。图6B是图形掩模8的顶视图，其中标记字符8d、L1a和L1b的含义与第二种实施例的标记字符含义相同(见图4)。图6c只是举例描述在同步扫描位移期间沿Y轴方向的图形掩模8的扫描移动速度V的变化。另外，图6D只是举例描述同步扫描位移期间准分子激光振荡器1的振荡重复频率f的变化。
现在参照图5和图6描述本发明当前实施例的准分子激光束辐照装置的运行。
假定经历多次反射的准分子激光束L1位于图6B中用实线矩形表示的位置L1a处。此时，为使准分子激光束沿Y轴方向的强度分布均匀，控制单元16B使图形掩模8沿负(-)Y轴方向移动，从而准分子激光束L1的中心点从位置a朝位置b移动，实施对外表的扫描操作。
因此，假定同步扫描位移期间扫描移动速度V的变化方式如图6C中所示。这样，当扫描移动速度V较低时，通过图形掩模8的有效图形区域8d以后投射到工件12上的准分子激光束L2的强度(累积强度值)提高，而当扫描移动速度V较高时，此强度变低(这里，假定振荡重复频率f被设定在一预定恒定频率f0)，这将对工件12加工的敏感性产生不利的影响。
在这种情况下，控制单元16B借助于速度测定单元19，监测图形掩模8在同步扫描位移期间的扫描移动速度V，并根据由图6D中描述的以这种方式测定或检测的扫描移动速度V控制准分子激光振荡器1的振荡重复频率f0，更具体地说，当扫描移动速度V高于预定速度V0时，振荡重复频率f被设定成高于预定频率f0，而当扫描移动速度V低于该预定速度V0时，振荡重复频率f被设定成低于该预定频率f0。
这样，就可以使投射到工件12上的准分子激光束12的强度分布(累积强度值)均匀化。因此，准分子激光振荡器1的扫描移动速度V和振荡重复频率f之间关系可以由下式给出。
f＝f0＋K1·ΔVΔV＝V－V0式中，K1代表具有正(+)值的比例常数，ΔV代表扫描移动速度V和预定速度V0之间的偏差或差值。
用作扫描移动速度V和振荡重复频率f的参照或标准的预定频率f0和预定速度V0分别与工件可以在正常状态下稳定处理的振荡重复频率f和扫描移动速度V对应。换言之，通过将扫描移动速度V设定成V0，将振荡重复频率设定成f0，可以稳定地对工件12进行处理。
正如从图6D中可以看出的那样，在本发明当前实施例的准分子激光束辐照装置中，通过增高或者降低依赖于扫描移动速度V的振荡重复频率f，可以使准分子激光束的强度分布大致保持恒定。所以，可以使照射图形掩模8的有效图形区域8d的准分子激光束L2的强度分布(累积强度值)均匀化，这就意味着可以均匀地对工件12进行处理。实施例4在前述实施例的准分子激光束辐照装置中，没有考虑工件12的厚度、材料以及其他因素的变化。然而，当存在这种(或这些)变化时，最好通过增大或减小随厚度、材料和/或其他因素而变化的振荡重复频率f或扫描移动速度V，来使投射到工件上的准分子激光束L2的有效强度分布均匀化。
在本发明的第四种实施例中，考虑到了随工件12的厚度和材料而变化的准分子激光振荡器1的振荡重复频率f或扫描移动速度V的控制。下面参照图7和图9，描述本发明第四种实施例的准分子激光束辐照装置，其中，图7是本发明当前实施例的准分子激光束辐照装置的透视图，图中，标记字符L0、L1和L2、1至15和1 7代表与本发明前述实施例中用相同标记字符表示的部件或组件相同或等价。
以高精度驱动的掩模移动机构9和工件移动机构14受组成控制装置并对应于图1中控制单元16A的控制单元16C的控制。厚度偏差传感器20用来测定工件12的厚度偏差。由厚度偏差传感器20测定的厚度被输入到控制单元16C内。
图7中所示的控制单元16C被设计或程序控制成，当工件12的厚度d大于某一预定厚度d0时，将准分子激光振荡器1的振荡重复频率f增高到某一预定频率f0上，而光厚度d小于该预定厚度d0时，将该振荡重复频率f降低到该预定频率f0以下。
也可以将图7中所示控制单元16C设计成或程序控制成，当工件12的厚度d大于预定厚度d0时，将工件12(以及图形掩模8)的扫描移动速度V减小到预定速度V0以下，而当厚度d小于预定厚度d0时，将工件12(以及图形掩模8)的扫描移动速度V增大到预定速度V0以上。为了便于描述，考虑工件12的扫描移动速度V，可以理解的是，工件12的扫描移动速度V对应于图形掩模8的扫描移动速度，尽管从严格意义上说来它们并非相同。
图8A是从X轴方向看时，图形掩模8和高反射率反射镜10的多次反射结构以及成像透镜11和工件12的侧视图，图8B示意地描述了准分子激光束L2在通过图形掩模8以后，由成像透镜11投射到工件12上的受照射区域。
图8B描述了通过将图形掩模8的有效图形区域8d成像到工件12上而形成的受辐照区域(有效处理区)12a；在工件12的同步扫描位移之前，由准分子激光束L2照射到工件12上的区域L2a以及在工件12的同步位移以后由准分子激光束L2照射到工件12上的位置L2b。
图8C描述的是沿扫描移动方向(即沿Y轴方向)看时，工件12的厚度d的变化，其中，标记字符d0表示用作参照或标准厚度的预定厚度，标记字符a和b分别表示准分子激光束L2在同步扫描位移起点和终点处的中心位置。
图8D描述的是受工件12的厚度d的变化控制的振荡重复频率f或扫描移动速度V，其中，标记字符f0代表用作比较标准的预定频率。另外，标记字符V0代表一个与图形掩模8的扫描移动速度V进行比较的标准。
现在，假定通过图形掩模8和成像透镜11投射并经历多次反射的准分子激光束L1的中心点位于Y轴上的位置a(见图4C和4D)。从这一点开始，工件12沿Y轴方向与图形掩模8的扫描位移同步移动，从而准分子激光束在外表面上从位置a移动到位置b，进行扫描操作，从而如前述所述的那样，尽管存在多次反射，均使准分子激光束沿Y轴方向具有均匀的强度分布(累积强度值)。
这样，在工件12上投射了图形掩模8的有效图形区域8d的受幅照区12a(见图6B)上，当工件12厚度d以图8C中所描述的方式变化时，要求依工件12的厚度d相应改变准分子激光束L2的辐照量，从而均匀有效地处理工件12。
举例来说，当工件12的厚度d大于预定厚度d0时，必须使准分子激光束L2的辐照量增大，而当厚度d小于预定厚度d0时，必须减少准分子激光束L2的辐照量。
至此，控制单元16C借助于偏差传感器20监测工件12的厚度d的变化。也可以有依赖地测定工件12的厚度。同步扫描位移期间准分子激光振荡器1的振荡重复频率f或扫描移动速度是以图8D中描述的方式，由控制单元16C依工件12的厚度d来控制其变化的。
因此，让我们假定振荡重复频率f是由控制单元16C依工件12的厚度d来控制的。这样，下述关系适用于厚度d和准分子激光振荡器1的振荡重复频率f。
f＝f0＋K2·ΔdΔd＝d－d0，式中，K2代表一具有正(+)值的比例常数，Δd代表工件12的厚度d和预定厚度d0之间的偏差或差值。预定频率f0和预定厚度d0分别代表对具有预定均匀厚度的工件12稳定地进行处理所需要的振荡重复频率f和厚度d的标准值，其中，标准值或参照值d0和预定频率f0被选择成，当工件12在同步扫描位移期间以一恒定速度移动时，能够通过采用具有预定频率f0的准分子激光束照射工件12来稳定地处理工件12。
另一方面，如果扫描移动速度V是由控制单元16C控制的，则下式给出的关系仍然有效V＝V0－K3·Δd式中，K3代表一比例常数。这样，扫描移动速度V受与厚度d的偏差Δd成反比关系的控制。
预定速度V0和预定厚度d0代表允许工件12受到稳定处理的各标准值，因而它们被选择成，当具有预定均匀厚度d0的工件受具有预定恒定振荡重复频率的准分子激光束L2的辐照时，可以在同步扫描位移期间，通过以标准速度V0移动工件12来稳定而均匀地处理工件12。
通过依赖于工件12的厚度d可变地控制振荡重复频率f或扫描移动速度V，即使当工件12的厚度d如图8C和8D中所示的那样可变时，也可以通过准分子激光束L2的辐照来均匀地实施对工件12的处理。
下面参见图9，描述依赖于工件12的材料，对振荡重复频率f或扫描移动速度V的控制。
这样，控制单元16C根据偏差传感器20测定的厚度d，用计算确定准分子激光束L2的单个脉冲的刻蚀速度e，从而根据与预定蚀刻速度e0的偏差Δe来确定工件12的材料是易于加工还是难于加工。
另一种方式是，当工件12的材料相对较易加工时，可以在控制单元16C的控制下，将工件12的扫描移动速度V增大到预定速度V0以上，而当工件12的材料相对较难加工时，将扫描移动速度V减小到预定速度V0以下。
图9A是示意地描述准分子激光束L2的位置以及工件12上受辐照区的顶视图，图9B描述的是沿工件12的扫描移动方向(y轴方向)看时，刻蚀速度e的变化，图9c描述的是依赖于刻蚀速度e，对振荡重复频率f和扫描移动速度V的控制。图中，标记字符e0代表与刻蚀速度e比较的参照速度或标准速度。
正如图9B中示意地描述的那样，当工件12的材料在受辐照区域12a内变化时，控制单元16c首先根据偏差传感器20测定的厚度d，用计算确定相应于或者可比作工件12的材料的刻蚀速度。附带说明一下，可以根据用准分子激光束L2的单个脉冲照射工件12而形成的通路孔(见图3)的深度，来确定刻蚀速度e。
根据这样确定的刻蚀速度e，控制单元16C通过图9C中举例描述的方式，可变地控制扫描位移期间的准分子激光振荡器1的振荡重复频率f或工件12的移动速度V。
更具体地说，当刻蚀速度e低于预定刻蚀速度e0时，表示工件12由相对较难加工的材料制成，则控制单元16C将振荡重复频率f增高到预定频率f0以上，或者减小扫描移动速度V。
另一方面，当确定的刻蚀速度e高于预定刻蚀速度e0时，意味着工件12的材料相对较易加工，则控制单元16C将振荡重复频率f降低到预定频率f0以下，或者将扫描移动速度V增大到预定速度V0以上。
在振荡重复频率受控制单元16C的控制的情形下，下述表达式给出的关系适用于表示工件12的材料是易于还是难于加工的刻蚀速度e与准分子激光振荡器1的振荡重复频率f。
f＝f0＋K4·ΔeΔe＝e－e0式中，K4代表具有正(+)值的比例常数，Δe代表表工件12的刻蚀速度e与预定刻蚀速度e0之间的偏差或差值。
预定频率f0和预定刻蚀速度e0分别代表稳定地而均匀地对工件12进行处理所需的振荡重复频率f和刻蚀速度e的标准值，其中，标准值或参照值e0以及预定频率f0被选择成，当工件12在同步扫描位移期间以一恒定速度移动时，可以通过以具有预定频率f0的准分子激光束L2照射工件12来稳定地对工件12进行处理。
另一方面，如果扫描移动速度V是由控制单元16C控制的，则下述表达式给出的关系适用于同步扫描位移期间的刻蚀速度e和扫描移动速度V。
V＝V0－K5·Δe式中K5代表一比例常数。
预定速度V0和预定刻蚀速度e0代表使工件12能被稳定而均匀地处理的各标准值，因而它们被选择成，当对应于预定刻蚀速度e0的材料的工件12受具有预定恒定振荡重复频率的准分子激光束L2辐照时，可以在同步扫描位移期间通过以标准速度V0移动工件12来稳定而均匀地处理工件12。
通过以图9C中所示的方式，依赖于刻蚀速度e控制振荡重复频率f或扫描移动的速度V，从而即使当工件12的材料在受照射区12a上变化时，也能在工件12的受照射区域12a上实现有效均匀处理的准分子激光束的辐照强度。实施例5在本发明的前述实施例的准分子激光束辐照装置中，没有考虑沿X轴方向图形掩模8和工件12的步进馈送增量Δs的影响。然而，最好沿y轴方向将步进馈送增量Δs设置成小于图形掩模8上准分子激光束L1的宽度ΔWx，从而当沿y轴方向以步进方式馈送图形掩模8和工件12时，可以使准分子激光束的强度分布均匀化。
本发明的第五种实施中，考虑了在沿y轴方向通过将步进馈送增量Δs设定成小于准分子激光束L1的宽度ΔWx，来使准分子激光束的强度分布均匀化。下面参照图10和11来描述本实施例的准分子激光束辐照装置。附带指出，本实施例的准分子激光束辐照装置可以用大体与图1中所示装置相同的结构来实施。
现在所考虑的本发明的准分子激光束辐照装置的基本原理是，当沿y轴方向步进馈送图形掩模8和工件12以用准分子激光束L2沿y轴方向重复进行辐照时，图形掩模8和工件12的移动沿与实现前述扫描操作而移动图形掩模8和工件12的扫描移动方向(y轴方向)正交的方向，以及与成像透镜11的光轴的正交方向(y轴方向)其中，沿y轴方向的步进馈送增量Δs被设定成沿y轴方向看时小于准分子激光束L1的宽度ΔWx。
图10A是从y轴方向看时，用于准分子激光束L1的图形掩模8和高反射率反射镜10的多次反射结构的侧视图，而图10B示意地描述的是用准分子激光束L2照射的位置以及图形掩模8的有效图形区域。
参见图10B，在图形掩模8上经受多次反射并投射到位置L1a上的准分子激光束L1有一个位于y轴上位置a处的中心点。图中，图形掩模8上沿y轴方向的准分子激光器L1的宽度用ΔWx表示，图形掩模8沿y轴方向的步进馈送增量用Δs表示，而步进馈送以后准分子激光束L1的中心点或位置用c表示。
图11A是准分子激光束L1经受多次反射的图形掩模8和高反射率反射镜10以及成像透镜11和工件12的结构沿y轴方向看时的侧视图，图11B是沿y轴方向看时工件12的强度分布图。
下面参照图1以及图10和11描述按照本发明当前实施例的准分子激光束辐照装置的操作。
在图形掩模8和工件12的同步扫描操作中，为使准分子激光束的强度分布沿y轴方向均匀化，控制单元16A使图形掩模8沿负(-)y轴方向移动，从而准分子激光束L1的中心点从位置a移动到位置b(参见图10)，实施外表扫描操作。
随后，沿y轴方向馈送图形掩模8一个增量Δs。从而步进平移准分子激光束L1，使其从位置b平移至位置c。接着，沿y轴方向进行图形掩模8的同步扫描位移。用这种方式，沿y轴方向顺序重复用准分子激光束L2沿y轴方向对工件12的辐照。
沿y轴方向的步进馈送增量Δs被设定成沿y轴方向看时小于准分子激光束L1的宽度ΔWx，从而满足下述条件Δs＜ΔWx/2另外，经受多次反射的准分子激光束L1沿y轴方向的宽度ΔWx是由图11A中所示的那样确定的。更具体地说，准分子激光束L1投射到高反射率反射镜10的中心点，并在高反射率反射镜10的两端经受重复反射。这样，准分子激光束L1沿y轴方向的强度分布如图11B中实线或虚线所示的那样。从图中可以看出，准分子激光束L1的强度分布沿y轴方向也或多或少有些变化。
如图11B中由虚线平移到实线所示的那样，准分子激光束沿步进馈送方向的强度分布非均匀性可以通过将步进馈送增量Δs设定成小于准分子激光束L1的宽度ΔWx而抑制到最小。通过这种方式，可以将由于y轴方向准分子激光束的强度分布的非均匀性所产生的工件12的处理中的非均匀性降到最小。实施例6在本发明前述实施例的准分子激光束辐照装置中，没有考虑沿y轴方向图形掩模8和工件12的脉冲间扫描位移Δy(即，沿y轴方向准分子激光束L0、L1或L2在相继的脉冲时间间隔内图形掩模8和工件12的扫描位移的增量)。然而，为使准分子激光束L1的强度分布(累积强度值)均匀化，最好将准分子激光束的脉冲间扫描位移Δy设置成小于准分子激光束L1的反射平移距离(外观宽度)(即反射时沿y轴方向平移准分子激光束L1的长度或距离)。
本发明的第六种实施例中还考虑了通过将准分子激光束L0、L1或L2的脉冲间扫描位移Δy设置成小于准分子激光束L1的反射平移距离Δw来使准分子激光束的强度分布进一步均匀化。
图12A是本发明第六种实施例沿y轴方向看时的多次反射结构侧视图，图12B示意地描述了图形掩模8上准分子激光束L1的位置，其中的脉冲间扫描位移用Δy表示。附带指出，实施本发明第六实施例的准分子激光束辐照装置与图1中所示的结构大体相同。
从本发明当前实施例的准分子激光束辐照装置和原理可以看出，这样来控制同步扫描位移期间图形掩模8和工件12的脉冲间扫描位移Δy，从而在控制单元16A的控制下，通过改变图形掩模8和工件12的扫描移动速度V，使Δy小于准分子激光束L1的反射平移距离Δw。
为了描述简化起见，在下面的描述中将只考虑图形掩模8的脉冲间扫描位移Δy和扫描移动速度V，应该理解，下面的描述也同样适用于工件12。
另外，控制单元16A被构造得这样来改变准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而同步扫描位移期间图形掩模8和工件12的脉冲间扫描位移Δy小于准分子激光束L1的反射平移距离Δw。
在图形掩模8和工件12的同步扫描位移期间，即使在准分子激光束L1的相继的脉冲之间的时间间隔内(即在以脉冲方式截取准分子激光束L1的辐照的时间间隔内)，用于扫描操作的图形掩模8也发生移动。准分子激光束L1在相继脉冲(换言之，即脉冲断开期间)内，之间的时间间隔图形掩模8移动的距离用Δy来表示，并称之为脉冲间扫描位移。控制单元16A控制图形掩模8的扫描移动速度V，从而使脉冲间扫描位移Δy小于准分子激光束L1的反射平移距离Δw。
再有，控制单元16A这样来控制准分子激光振荡器1的振荡重复频率f，从而使图形掩模8的脉冲间扫描位移Δy小于准分子激光束L1的反射平移距离Δw。
当然，也可以将控制单元16A这样编程来控制扫描移动速度V或振荡重复频率f，从而使前述条件(即脉冲间扫描位移Δy小于反射平移距离Δy)得到满足。
因而，用下述表达式，可以根据振荡重复频率f和扫描移动速度V来确定准分子激光束L1的图形掩模8的脉冲间扫描位移ΔyΔy＝V/f0另一方面，准分子激光束L1的脉冲间扫描位移Δy和反射平移距离Δw之间的关系可以由下述式给出Δy＜K6·Δw式中，K6代表一比例常数，其选择使得满足条件1＞K6＞0。
从上式可以看出，当扫描移动速度V变小时，脉冲间扫描位移Δy变小。另外，脉冲扫描位移Δy随振荡重复频率f的降低而变小。
在由发明人进行的一项实验中，当将K6设定成0.2时，对于准分子激光束L1和L2的强度分布来说，处理的均匀性的偏差可以控制在±10％的数量级。若要使强度分布的均匀性偏差在±2％的数量级，可以将比例系数K6选择为0.05左右。
以这种方式，通过降低脉冲间扫描位移Δy，可以进一步使准分子激光束L2的强度分布(累积强度值)均匀化，从而相应提高工件12的加工均匀性。实施例7在前述实施例中，没有考虑工件12辐照区域上的不需辐照区的存在(见图9)。然而，在同步扫描位移期间，最好避免不需辐照区(即不必照射的区域)受准分子激光束L2的辐照。
本发明的第七种实施例给出一种使不需辐照区免受准分子激光束L2照射的结构。
图13A是沿y轴方向看时，多次反射部分、成像透镜11以及工件12的结构侧视图，图13B是准分子激光束L2投射到工件12上的位置顶视图。受照射区域12a中的不需辐照区(或用另一种方式说，非加工区)用标记字符12b表示，不需照射区12b的两端位置分别用m和n表示。附带说明的是，实施本发明当前实施例的准分子激光束辐照装置可以与图1中所示的结构相同。
在本发明当前实施例的准分子激光束辐照装置中，控制单元16A被设计成，在同步扫描位移期间，如果工件12的受照射区域12a上有不需辐照区，则停止准分子激光振荡器对不需辐照区12b的操作。
也可以提供一个在控制单元16A的控制下，有选择地插入到准分子激光束L0、L1或L2的光路中去的阻挡板(未示出)。这样，就假定在进行同步扫描位移的受照射区域12a内的不需照射区12b上，将阻挡板插到了(例如)准分子激光束L2的光路中，从而避免了准分子激光束L2照射工件12。
参见图13A和13B，当工件12沿y轴方向与图形掩模8同步移动进行扫描操作时，用准分子激光束L2照射12的位置从位置12a(图13B中用实线表示)移到了位置L2b(图13B中用虚线表示)。
这样，在对应于构成不需辐照区12b位置m和n之间距离的时间间隔内，停止准分子激光振荡器1的运行，或者将阻挡板插入到准分子激光束L0、L1或L2的光路内。
因此，就避免了用准分子激光束L2辐照不需辐照区12b，从而可以有选择地用准分子激光束L2来照射必须处理的受照射区12a中的那些区域。因此，可以避免对工件12的无用辐照和处理，从而可以避免准分子激光束辐照装置的不必要操作，使其使用寿命相应延长。当然，也可以确保准分子激光束辐照装置处理性能的高可靠性。
附带说明的是，构成不需辐照区12b的位置m和n可以事先作为测得的数据存储在控制单元16A中的存储器内。
尽管在前述各种实施例的描述中，仅结合图形掩模8或工件12描述了同步扫描位移和步进馈送操作，但并未说明图形掩模8和工件12都可以受同步位移控制，并因此出现同步的扫描位移和同时的步进馈送操作。
从前述的详细描述中可以清楚理解到本发明的许多特征和优点，因此后文的权利要求试图将系统的这些特征和优点包含在本发明的精神和范围之内。另外，因为本领域的技术人员可以作出许多种改进和组合，因此本发明并非仅限于已描述的特定结构和操作。
例如，可以有选择并恰当地将各实施例组合在一起，用以提高准分子激光束的强度分布均匀性，并确保准分子激光束辐照装置以及光学处理处理的更高操作可靠性。另外，尽管在第三和第四种实施例的描述中，振荡重复频率f或扫描移动速度V是受控制的，但是，应该理解的是，可以以某种恰当的组合方式来使二者都受控制，达到大体相同的目的。
因此，所有恰当的组合和等价物均落在本发明的精神和范围内。
权利要求
1.一种用准分子激光束对工件进行处理的准分子激光束辐照装置，其特征在于，它包含一准分子激光振荡器，用来辐射一准分子激光束；一具有透光部分和反射层的图形掩模，所述透光部分用来使所述准分子激光振荡器辐射的所述准分子激光束能够从中通过，所述反射层用来反射所述准分子激光束，所述透光部分形成一在所述工件上待形成的图形；处于所述图形掩模的所述反射层相对位置上的反射装置，用来将从所述反射层反射的准分子激光束反射到所述图形掩模上，从而所述准分子激光束在反射装置和所述图形掩模之间经受多次反射，并发生位移；一成像光学系统，用来将透过所述图形掩模的准分子激光束图形成像到它所辐照的所述工件上；一工件移动机构，用来沿与所述成像光学系统的光轴正交的方向移动所述工件；一掩模移动机构，用来沿与所述成像光学系统的光轴正交的方向移动所述图形掩模；以及一控制装置，用来控制所述准分子激光振荡器；所述工件移动机构和所述掩模移动机构；其中，所述控制装置控制所述工件移动机构和所述掩模移动机构，从而所述图形掩模和所述工件沿同一轴相互同步位移，用所述准分子激光束在一同步扫描位移期间沿一扫描移动方向扫描所述工件，所述扫描移动方向与所述准分子激光束在所述图形掩模和所述反射装置之间经受多次反射时发生平移的方向重合。
2.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述准分子激光振荡器和所述反射装置位置固定，所述反射装置和所述图形掩模的位置大体相互平行；以及所述准分子激光束以一预定的倾斜角投射到所述图形掩模上，而不受所述反射装置的干扰；其中，所述图形掩模和所述工件在所述同步移动位移期间沿同一轴相互作相向移动。
3.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述控制装置控制所述工件移动机构和所述掩模移动机构，从而用所述准分子激光束进行扫描的所述图形掩模和所述工件同步位移的距离比所述图形掩模有效图形区域的长度长，在所述图形掩模中形成要成像到所述工件上去的图形。
4.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述控制装置对开始所述同步扫描位移的所述图形掩模和所述工件的位置分别作出选择，从而至少在与所述准分子激光束照射的工件的某一区域对应的距离上，在所述同步扫描位移期间使所述图形掩模和所述工件以一稳定速度发生位移。
5.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，它还包含速度测定装置，用来在所述同步扫描位移期间检测所述图形掩模和所述工件移动的速度；其中，所述控制装置被设计成，当所述速度测定装置检测到在所述同步扫描位移期间所述图形掩模和所述工件发生位移的扫描移动速度在用所述准分子激光束照射的区域发生变化时，所述控制装置控制所述准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而当所述扫描移动速度小于某一预定速度时，使所述振荡重复频率降低到一预定频率以下，而所述控制装置控制所述振荡重复频率，从而当所述扫描移动速度大于所述预定速度时，所述振荡重复频率增高到所述预定频率以上。
6.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，它包含与所述控制装置相关配置的厚度测定装置，用来测定所述工件的厚度；其中，所述控制装置被设计成，当所述厚度测定装置在所述同步扫描位移期间检测到所述工件厚度变化时，所述控制装置控制所述准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而当所述工件的厚度大于某一预定厚度时，所述振荡重复频率增高到某一预定频率以上，而所述控制装置控制所述振荡重复频率，从而当所述工件厚度小于所述预定厚度时，所述振荡重复频率降低到所述预定频率以下。
7.如权利要求6所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，如此选择所述预定频率和所述预定厚度，使得当所述工件在所述同步扫描位移期间以一给定速度移动时，可以用具有所述预定频率的所述准分子激光束均匀而稳定地处理具有所述预定厚度的所述工件。
8.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，它还包含与所述控制装置相关而配置的厚度测定装置，用来测定所述工件的厚度；其中，所述控制装置被设计成，当所述厚度测定装置在所述同步位移期间检测到所述工件的厚度变化时，所述控制装置控制所述同步扫描位移期间所述图形掩模和所述工件的扫描移动速度，从而当所述工件的所述厚度大于某一预定厚度时，所述扫描移动速度减小到某一预定速度以下，并且所述控制装置控制所述图形掩模和所述工件的所述扫描移动速度，从而当所述工件厚度小于所述预定厚度时，所述扫描移动速度增加到所述预定速度以上。
9.一种如权利要求8的所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，如此选择所述预定速度和所述预定厚度，从而当所述工件在所述同步扫描位移期间以所述预定速度移动时，可以用具有所述预定频率的所述准分子激光束均匀稳定地处理具有所述预定厚度的所述工件。
10.一种如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，它还包含工件加工性能判定装置，用来判定所述工件的材料是难于处理还是易于处理；其中，所述控制装置被设计成，当所述工件加工性能判定装置在所述同步扫描位移期间在用所述准分子激光束辐照的区域内检测到所述工件材料的变化时，所述控制装置控制所述准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而当所述工件材料易于加工时，所述振荡重复频率降低到所述预定频率以下，并且所述控制装置控制所述振荡重复频率，从而当所述工件材料难于加工时，所述振荡重复频率增高到所述预定频率以上。
11.如权利要求10所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述加工困难和所述加工容易是先前在所述准分子激光束的单个脉冲辐照下，根据所述工件被刻蚀的刻蚀速率来确定的，其中对于用所述准分子激光束辐照的所述工件某一区域范围内的每一区域，把涉及所述工件材料的加工困难和加工容易的信息存储在存储器内，所述区域就所述材料而言各不相同；以及所述存储器和所述工件加工性能判定装置是根据所述控制装置配置的。
12.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，它还包含工件加工性能判定装置，用来确定所述工件的材料是难于加工还是易于加工；其中，所述控制装置被设计成，在所述同步扫描位移期间在用所述准分子激光束辐照的区域内，当由所述工件加工性能判定装置检测到所述工件的材料变化时，所述控制装置控制所述同步扫描位移期间所述图形掩模和所述工件的扫描移动速度，从而当所述工件材料易于加工时，所述扫描移动速度增大到某一预定速率以上，并且所述控制装置所述图形掩模和所述工件的所述扫描移动速度，从而当所述工件材料难于加工时，所述扫描移动速度减小到所述预定速度以下。
13.一种如权利要求12所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述加工困难和所述加工容易是先前在所述准分子激光束的单个脉冲辐照下，根据所述工件被刻蚀的刻蚀速率来确定的，其中，对于所述准分子激光束辐照的所述工件某一区域范围内的每一区域，把涉及所述工件材料的加工困难和加工容易的信息存储在存储器内，所述区域就所述材料而言各不相同；以及所述存储器和所述工件加工性能判定装置是根据所述控制装置配置的。
14.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述掩模移动机构和所述工件移动机构包括步进馈送装置，用来与所述成像光学系统的光轴方向以及所述同步扫描位移期间所述图形掩模和所述工件移动的所述扫描移动方向二者正交的方向，在所述控制装置的控制下，以步进方式使所述图形掩模和所述工件位移，从而沿所述正交方向用所述准分子激光束对工件进行重复辐照；其中，沿所述正交方向的所述步进位移被选择成小于在所述图形掩模和所述反射装置之间经受多次反射、并沿所述正交方向发生位移的所述投射准分子激光束的反射平移距离。
15.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述控制装置被设计成能够控制所述图形掩模和所述工件的所述扫描移动速度，从而所述准分子激光束的相继脉冲间隔期间所述图形掩模和所述工件沿所述扫描移动方向移动的脉冲间扫描位移小于在所述图形掩模和所述反射装置之间经受多次反射并发生位移时的所述准分子激光束的反射平移距离。
16.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述控制装置被设计成能够控制所述准分子激光振荡器的振荡重复频率，从而在所述准分子激光束的相继脉冲间隔期间所述图形掩模和所述工件沿所述扫描移动方向移动的脉冲间扫描位移小于在所述图形掩模和所述反射装置之间经受多次反射并发生位移的所述准分子激光束的反射平移距离。
17.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述控制装置被设计成，如果在待辐照的工件某一区域内存在所述不需辐照区，则在所述同步扫描位移期间，所述控制装置能够停止所述准分子激光振荡器的在所述不需辐照区运行。
18.如权利要求17所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述有关不需辐照区的信息存储在与所述控制装置相关而配置的存储器内。
19.如权利要求1所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，它还包含一个能够在所述控制装置的控制下，被有选择地插入到所述准分子激光束某一光路中去的阻挡板；其中，所述控制装置在所述图形掩模和所述工件的所述同步扫描位移期间将所述阻挡板插入到所述光路中，从而当所述工件的待照射区内存在所述不需辐照区时，避免用所述准分子激光束辐照所述工件的不需辐照区。
20.如权利要求19所述的准分子激光束辐照装置，其特征在于，所述有关不需辐照区域的信息存储在与所述控制装置相关配置的一个存储器内。
全文摘要
一种即使在经受多次反射的准分子激光束的强度分度为不均匀时也能对工件进行光学处理的准分子激光束辐照装置。一图形掩模具有透光部分和反射层。与反射层相对，设置一个高反射率反射镜。该辐照装置还包括一个成像透镜、一个工件移动机构、一个掩模移动机构和一个控制单元。采用该装置可以按照图形掩模的图形，准确可靠地对工件进行均匀稳定的加工处理。
文档编号B23K26/08GK1122737SQ95115859
公开日1996年5月22日 申请日期1995年8月30日 优先权日1994年8月30日
发明者村上和之, 中谷元, 杉立厚志, 皆川忠郎, 八木俊庆, 伊藤宪子 申请人:三菱电机株式会社