CN112384323B - 激光加工装置、激光加工方法以及成膜掩模的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具备：激光光学系统(1)，其生成线光束(Lb)；荫罩(2)，其配置在上述激光光学系统(1)的光行进方向下游侧，与在掩模用构件(9)上激光加工的多个开口图案对应地设置有多个开口窗；投影透镜(3)，其将上述荫罩(2)的像投影到上述掩模用构件(9)上；移动机构(4)，其使向上述荫罩(2)上照射的上述线光束(Lb)相对于上述荫罩(2)和上述投影透镜(3)相对地在与上述线光束(Lb)的长轴交叉的方向上移动；以及工作台(5)，其载置并保持上述掩模用构件(9)。

Description

激光加工装置、激光加工方法以及成膜掩模的制造方法
技术领域
本发明涉及激光加工装置，尤其涉及旨在缩短激光加工工序的节拍时间(tacttime)的激光加工装置、激光加工方法以及成膜掩模(mask)的制造方法。
背景技术
现有的激光加工装置是对与在被加工物上激光加工的多个加工痕对应地设置有多个开口窗的荫罩(shadow mask)照射激光，由穿过开口窗的激光束在被加工物上激光加工出上述加工痕(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2017/154233号
发明内容
发明要解决的问题
但是，在这种现有的激光加工装置中，是反复进行一边对荫罩照射多次发射的激光一边在被加工物的规定区域内激光加工出加工痕，当该加工结束时使载置被加工物的工作台(stage)移动规定距离而在被加工物的别的区域内与上述同样地激光加工出加工痕这一动作，即是所谓的步进重复方式，因此，既确保上述工作台的移动精度又对工作台进行加速减速控制来使其移动所需要的时间远远长于激光加工时间，难以缩短激光加工工序的节拍时间。所以，存在加工产品的制造成本变高这一问题。
因此，本发明为了应对这种问题，其目的在于，提供一种旨在缩短激光加工工序的节拍时间的激光加工装置、激光加工方法以及成膜掩模的制造方法。
用于解决问题的方案
为了达成上述目的，本发明的激光加工装置具备：激光光学系统，其生成线光束；荫罩，其配置在上述激光光学系统的光行进方向下游侧，与在被加工物上激光加工的多个加工痕对应地设置有多个开口窗；投影透镜，其将上述荫罩的像投影到上述被加工物上；移动机构，其使向上述荫罩上照射的上述线光束相对于上述荫罩和上述投影透镜相对地在与上述线光束的长轴交叉的方向上移动；以及工作台，其载置并保持上述被加工物。
另外，本发明的激光加工方法是对与在被加工物上激光加工的多个加工痕对应地设置有多个开口窗的荫罩上照射线光束，由穿过上述开口窗的激光束在上述被加工物上激光加工出上述加工痕的激光加工方法，在上述激光加工方法中，使向上述荫罩上照射的上述线光束在激光加工过程中相对于上述荫罩、以及将该荫罩的像投影到上述被加工物上的投影透镜相对地在与上述线光束的长轴交叉的方向上移动。
而且，本发明的成膜掩模的制造方法是对与在掩模用构件上激光加工的多个开口图案对应地设置有多个开口窗的荫罩上照射线光束，由穿过上述开口窗的激光束在上述掩模用构件上激光加工出上述开口图案的成膜掩模的制造方法，其中，上述掩模用构件是将树脂膜、以及设置有多个贯通孔的包括磁性金属材料的金属片层叠而成的，在上述成膜掩模的制造方法中，使向上述荫罩上照射的上述线光束在激光加工过程中相对于上述荫罩、以及将该荫罩的像投影到上述掩模用构件上的投影透镜相对地在与上述线光束的长轴交叉的方向上移动。
发明效果
根据本发明，规定区域的激光加工处理时间与依赖于工作台的步进移动时间的现有技术不同，取决于线光束的移动速度，线光束的移动速度大致由激光的振荡频率决定，因此，能够进行充分利用了激光的振荡频率的激光加工。因此，能够缩短激光加工工序的节拍时间，能够降低加工产品的成本。另外，由于一边使线光束移动一边对被加工物进行激光加工，因此，线光束的移动方向的强度分布被平均化而变得均匀，能够形成没有过与不足的均匀的加工痕。
附图说明
图1是示出本发明的激光加工装置的一个实施方式的概略构成的主视图。
图2是示出作为被加工物的掩模用构件的图，(a)为截面图，(b)为示出作为加工痕的开口图案的主要部分放大截面图。
图3是示出线光束与荫罩的关系的俯视图。
图4是示出移动机构的一个构成例的说明图。
图5是示出控制装置的一个构成例的框图。
图6是针对在相同条件下的激光加工的处理时间，将本发明的激光加工方法与现有方法进行比较的表。
具体实施方式
以下，基于附图来详细地说明本发明的实施方式。图1是示出本发明的激光加工装置的一个实施方式的概略构成的主视图。该激光加工装置是旨在经由荫罩向被加工物照射激光束来形成加工痕的加工装置，构成为具备激光光学系统1、荫罩2、投影透镜3、移动机构4、工作台5以及控制装置6。
在此，对如下情况进行说明：如图2的(a)所示，被加工物例如是将聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等树脂膜7、以及设置有多个贯通孔10的包括磁性金属材料的金属片8层叠而成的掩模用构件9，如图2的(b)所示，上述加工痕是在树脂膜7的位于上述贯通孔10内的部分所形成的开口图案11。此外，在图2的(a)中，附图标记12是对掩模用构件9进行支撑的框架。
也可以代替树脂膜7而使用厚度与该树脂膜7大致相等(约3μm～约10μm)的金属箔片。在这种情况下，为了在金属箔片形成开口图案11，要使用与后述的紫外线不同的红外线的激光。
上述激光光学系统1生成线光束Lb的激光L，并构成为从光行进方向上游侧起具备激光源13、前级光学系统14以及后级光学系统15。
上述激光源13放射具有能对上述树脂膜7进行烧蚀的紫外区域的波长的激光L，例如是准分子激光器或YAG激光器等。此外，所使用的激光器和激光L的波长根据被加工物的材料适当选择。另外，上述前级光学系统14构成为具备将从激光源13放射的激光L的直径扩大的扩束器(beam expander)、使扩大后的激光L变为平行光的准直透镜(collimatorlens)、对激光强度进行调整的衰减器(attenuator)、对激光L的光路进行开闭的光闸(shutter)等，并且具有光束轮廓检查、功率监控、光束位置校正等功能。而且，上述后级光学系统15构成为具备使激光L的横截面内的强度分布均匀化的均化器(homogenizer)、将直径被扩大后的激光L转换为线光束Lb的例如柱面透镜(cylindrical lens)等。此外，在图1中，附图标记16是平面反射镜。
在上述激光光学系统1的光行进方向下游侧配设有荫罩2。如图3所示，该荫罩2是与在掩模用构件9上激光加工的多个开口图案11对应地设置多个开口窗17，使线光束Lb分支为多个激光束B并向掩模用构件9照射的荫罩，例如是通过蚀刻等在被覆于透明玻璃的表面的铬等不透明膜形成多个开口窗17而成的。或者，也可以是设置有贯通金属片的多个开口窗17的荫罩。详细地说，本发明的荫罩2是比现有的荫罩大的荫罩，以覆盖比现有的荫罩所覆盖的掩模用构件9上的加工区域更广的区域。
在上述荫罩2的光行进方向下游侧设置有投影透镜3。该投影透镜3将荫罩2的像投影到掩模用构件9上，在本实施方式中，是将荫罩2的开口窗17的像缩小至1/5并投影到金属片8的贯通孔10内的树脂膜7上。
如图1所示，移动机构4设置为能使向上述荫罩2上照射的线光束Lb在与该线光束Lb的长轴(X轴)交叉的方向(Y轴方向)上移动。该移动机构4使激光加工过程中的线光束Lb的移动以等速(恒定速度)进行，并且包括使激光光学系统1的后级光学系统15移动的例如空气滑块、线性导轨、滚珠丝杠等。此外，虽然也可以使包含荫罩2的后述的投影透镜3相对于线光束Lb进行移动，但是，在此说明使线光束Lb移动的情况。
图4是示出上述移动机构4的一个构成例的说明图。该移动机构4是插入于后级光学系统15的输出侧的光路中的镜结构的机构，构成为具备：固定型反射镜19，其具有以90°的角度相互交叉的两个外侧反射面18；可动型反射镜21，其具有以90°的角度相互交叉的两个内侧反射面20，这两个内侧反射面20相对于上述固定型反射镜19的两个外侧反射面18维持平行状态，在将上述外侧反射面18和上述内侧反射面20的各交点连结的方向上分离和靠近；以及可动型平面反射镜22，其使由上述固定型反射镜19反射后的输出光的光路弯折例如90°。
并且，通过使上述可动型平面反射镜22沿着入射光的光轴移动，从而线光束Lb在荫罩2上移动。在这种情况下，通过与可动型平面反射镜22的移动同步地使可动型反射镜21移动，能够维持后级光学系统15的光路长度。具体地说，若要在图4中使可动型平面反射镜22从左向右移动距离D，则使可动型反射镜21进行移动将可动型反射镜21与固定型反射镜19的间隔拉大D/2即可。
另外，上述移动机构4也可以是将电流镜(galvano mirror)或多角镜(polygonmirror)与fθ透镜组合而成的机构。由此，能够通过电流镜或多面镜使线光束Lb左右摆动，并且能够通过fθ透镜使在荫罩2上移动的线光束Lb的速度成为等速。
与上述投影透镜3相对地设置有工作台5。该工作台5载置并保持掩模用构件9，且构成为能在与投影透镜3的光轴正交的二维平面内移动。
控制装置6设置为与上述的激光源13、前级光学系统14、移动机构4以及工作台5电连接。该控制装置6进行控制，以适当地驱动各构成要素，如图5所示，其具备激光源控制器23、前级光学系统控制器24、移动机构控制器25、工作台控制器26、存储器27、运算部28以及中央控制部29。
在此，上述激光源控制器23控制激光源13的点亮及熄灭、振荡频率等。另外，前级光学系统控制器24控制前级光学系统14的衰减器使得能对激光L的强度进行调整，并且控制光闸的开闭。而且，移动机构控制器25控制移动机构4来控制荫罩2上的线光束Lb的移动速度。另外，工作台控制器26控制以工作台5的载置面的中心的法线为轴的工作台5的转动角度、工作台5的移动方向、移动速度以及移动量。而且，存储器27存储激光源13的振荡频率及激光加工的发射次数、线光束Lb的移动速度、工作台5的移动速度以及移动量等。而且，运算部28将从存储器27读出的线光束Lb的移动速度与实际的线光束Lb的移动速度进行比较来控制移动机构控制器25以适当地驱动移动机构4，并且从存储器27读出工作台5的移动速度和移动量，将其与实际的工作台5的移动速度和移动量进行比较来控制工作台控制器26以适当地驱动工作台5。并且，中央控制部29统一控制各构成要素。
接着，说明使用了这样构成的激光加工装置的激光加工方法。特别是，在此，与现有方式进行比较来说明在图6所示的相同加工条件下进行的成膜掩模的制造方法。
首先，如图1和图2的(a)所示，使掩模用构件9的树脂膜7在与平坦的玻璃基板30紧贴的状态下载置到工作台5上。
接着，通过省略图示的拍摄相机对相对于掩模用构件9的Y轴方向的中心线而设置于左右的对准标记进行拍摄，基于该拍摄图像，通过工作台控制器26调整工作台5的转动角度，以使掩模用构件9的上述中心线与工作台5的移动方向(Y轴方向)一致。
接下来，使工作台5沿X轴及Y轴方向移动来使激光束B的照射位置对准掩模用构件9的激光加工开始位置。并且，通过省略图示的自动对焦装置，使包含投影透镜3的光学系统沿Z轴方向移动来进行自动调整以使激光束B聚光到树脂膜7上。由此，激光加工的准备结束。
接着，通过控制装置6的激光源控制器23使激光源13被点亮，并且通过前级光学系统控制器24使前级光学系统14的光闸打开，而开始激光加工。在这种情况下，从激光源13放射例如以300Hz进行振荡的波长为308nm的激光L。从激光源13放射的激光L由前级光学系统14将其光束直径扩大，变为平行光而向后级光学系统15入射。此外，事先通过前级光学系统控制器24对衰减器进行了调整，以使激光L的能量密度例如成为400mJ/cm2。
入射到后级光学系统15的激光L在由构成该后级光学系统15的均化器将其激光强度均匀化之后，由例如柱面透镜转换为1条线光束Lb而向后级的荫罩2照射。
同时，通过控制装置6的移动机构控制器25进行控制来驱动移动机构4，使上述后级光学系统15以恒定速度沿Y轴方向移动。由此，线光束Lb会在荫罩2上沿Y轴方向以等速移动。
在这种情况下，穿过荫罩2并向掩模用构件9照射的多个激光束B的移动速度是如下决定的：使得掩模用构件9的规定区域、例如与激光束B的Y轴方向的宽度相等的3mm宽的区域通过60次发射(300Hz)的激光照射而被加工。因此，在本发明的实施例中，激光束B的移动速度在掩模用构件9上为15mm/sec。在本发明的实施例中，由于投影透镜3的倍率为1/5，因此，线光束Lb在荫罩2上的移动速度为75mm/sec。
穿过荫罩2的多个激光束B被投影透镜3缩小至1/5，并向掩模用构件9的3mm宽的区域照射。由此，位于掩模用构件9的金属片8的贯通孔10内的树脂膜7被上述多个激光束B烧蚀，形成多个开口图案11。
此时，由于一边使线光束Lb以上述75mm/sec的速度在荫罩2上移动160mm的距离一边对掩模用构件9进行激光加工，因此，在掩模用构件9上，通过1步的加工处理，Y轴方向的29mm的区域宽度被进行激光加工，形成多个开口图案11。
当如上述这样一边使线光束Lb移动一边对掩模用构件9的规定区域进行了激光加工后，会通过前级光学系统控制器24驱动光闸使其关闭，通过工作台控制器26使工作台5沿规定方向步进移动规定距离。并且，与上述同样地对掩模用构件9的新的区域进行激光加工，形成接下来的多个开口图案11。在这种情况下，可以使线光束Lb在暂时以高速返回到移动开始位置之后与上述同样地移动，也可以使线光束Lb从移动结束位置朝向移动开始位置沿相反方向以75mm/sec的速度移动。
这样，根据本发明，由于是一边使线光束Lb以例如75mm/sec的速度移动160mm的距离一边对掩模用构件9进行激光加工，因此，1步的激光加工处理所需要的线光束Lb的移动时间为2.13sec。另外，如图6所示，如果将线光束Lb的移动开始和停止时的加减速时间(总计)设为1.0sec，将控制装置6与激光源13之间的通信时间设为0.5sec，则1步的激光加工的处理时间为3.63sec。
另一方面，根据现有方式，由于激光加工是在线光束Lb和工作台5停止的状态下进行的，因此，1步的激光加工是通过300Hz的激光L以60次发射而对Y轴方向上的宽度为3mm的区域来进行。因此，3mm宽的加工区域的激光加工时间为0.2sec。另外，如果与本发明同样地将控制装置6与激光源13之间的通信时间设为0.5sec，则1步的激光加工的处理时间为0.7sec。
在现有方式中，每当3mm宽的加工区域的激光加工结束时，就会使工作台5步进移动以对下一个3mm宽的加工区域进行激光加工，因此，为了与本发明同样地对Y轴方向上的宽度为29mm的区域进行激光加工，会通过10次处理步骤、工作台5的9次步进移动来实施激光加工。由于工作台5的步进移动时间为1.70sec，因此，通过现有方式对与本发明相同的29mm(Y)宽的区域进行激光加工所需要的处理时间总计为22.3sec，远远长于本发明的处理时间3.63sec。
因此，在对具有相同面积的掩模用构件9进行激光加工的处理时间上，本发明远远短于现有方式，本发明能够缩短用于制造成膜掩模的节拍时间。
特别是，在本发明中，荫罩2的尺寸越大，1次的处理面积越大，就越能够进一步缩短处理时间，越能够进一步缩短节拍时间。
此外，虽然在以上的说明中对成膜掩模的制造装置和成膜掩模的制造方法进行了说明，但本发明不限于此，也能够应用于对半导体基板的非晶硅进行激光退火的装置、曝光装置、或在印刷电路基板形成导孔(via)的装置等其它激光加工装置以及激光加工方法。作为被加工物的印刷电路基板包含柔性印刷电路基板和刚性基板等，作为加工痕的导孔包含通孔导孔、盲导孔、埋导孔以及微导孔等。
附图标记说明
1…激光光学系统
2…荫罩
3…投影透镜
4…移动机构
5…工作台
7…树脂膜
8…金属片
9…掩模用构件(被加工物)
10…贯通孔
11…开口图案(加工痕)
17…开口窗
Lb…线光束
B…激光束。

Claims (17)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具备：
激光光学系统，其生成线光束并输出该线光束；
荫罩，其配置在上述激光光学系统的光行进方向下游侧，与在被加工物上激光加工的多个加工痕对应地设置有多个开口窗；
投影透镜，其将上述荫罩的像投影到上述被加工物上；
移动机构，其插入于上述激光光学系统的输出侧的光路中，使从上述激光光学系统输出并向上述荫罩上照射的上述线光束相对于上述荫罩和上述投影透镜相对地在与上述线光束的长轴交叉的方向上移动；以及
工作台，其载置并保持上述被加工物，
上述移动机构构成为具备：
可动型平面反射镜，其使入射的上述线光束朝向上述荫罩反射，上述可动型平面反射镜通过沿着入射到该可动型平面反射镜的上述线光束的光轴移动而使上述线光束在与上述长轴交叉的方向上移动；以及
可动型反射镜，其通过与上述可动型平面反射镜的移动同步地移动，维持上述光路中的相对于上述可动型平面反射镜在光行进方向上游侧的光路长度。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
上述线光束的相对移动速度是恒定的。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，
上述工作台构成为能在与上述投影透镜的光轴正交的二维平面内移动。
4.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，
上述被加工物是将树脂膜和设置有多个贯通孔的金属片层叠而成的掩模用构件，
上述加工痕是在上述树脂膜的位于上述贯通孔内的部分形成的开口图案。
5.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，
上述被加工物是将树脂膜和设置有多个贯通孔的金属片层叠而成的掩模用构件，
上述加工痕是在上述树脂膜的位于上述贯通孔内的部分形成的开口图案。
6.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，
上述被加工物是印刷电路基板，
上述加工痕是在上述印刷电路基板形成的导孔。
7.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，
上述被加工物是印刷电路基板，
上述加工痕是在上述印刷电路基板形成的导孔。
8.一种激光加工方法，是对与在被加工物上激光加工的多个加工痕对应地设置有多个开口窗的荫罩上照射从激光光学系统输出的线光束，由穿过上述开口窗的激光束在上述被加工物上激光加工出上述加工痕的激光加工方法，
上述激光加工方法的特征在于，
使用插入于上述激光光学系统的输出侧的光路中的移动机构，使向上述荫罩上照射的上述线光束在激光加工过程中相对于上述荫罩、以及将该荫罩的像投影到上述被加工物上的投影透镜相对地在与上述线光束的长轴交叉的方向上移动，
上述移动机构具有：可动型平面反射镜，其使入射的上述线光束朝向上述荫罩反射，上述可动型平面反射镜通过沿着入射到该可动型平面反射镜的上述线光束的光轴移动而使上述线光束在与上述长轴交叉的方向上移动；以及可动型反射镜，其通过与上述可动型平面反射镜的移动同步地移动，维持上述光路中的相对于上述可动型平面反射镜在光行进方向上游侧的光路长度，
使用上述移动机构，在维持上述光路中的相对于上述可动型平面反射镜在光行进方向上游侧的光路长度的同时使上述线光束移动。
9.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，
上述线光束的相对移动速度是恒定的。
10.根据权利要求8或9所述的激光加工方法，其特征在于，
当完成上述线光束在上述荫罩上的移动时，使上述被加工物移动而在该被加工物上的别的区域内一边使上述线光束相对于上述荫罩和上述投影透镜进行相对移动一边激光加工出上述加工痕。
11.根据权利要求8或9所述的激光加工方法，其特征在于，
上述被加工物是将树脂膜和设置有多个贯通孔的金属片层叠而成的掩模用构件，
上述加工痕是在上述树脂膜的位于上述贯通孔内的部分形成的开口图案。
12.根据权利要求10所述的激光加工方法，其特征在于，
上述被加工物是将树脂膜和设置有多个贯通孔的金属片层叠而成的掩模用构件，
上述加工痕是在上述树脂膜的位于上述贯通孔内的部分形成的开口图案。
13.根据权利要求8或9所述的激光加工方法，其特征在于，
上述被加工物是印刷电路基板，
上述加工痕是在上述印刷电路基板形成的导孔。
14.根据权利要求10所述的激光加工方法，其特征在于，
上述被加工物是印刷电路基板，
上述加工痕是在上述印刷电路基板形成的导孔。
15.一种成膜掩模的制造方法，是对与在掩模用构件上激光加工的多个开口图案对应地设置有多个开口窗的荫罩上照射从激光光学系统输出的线光束，由穿过上述开口窗的激光束在上述掩模用构件上激光加工出上述开口图案的成膜掩模的制造方法，其中，上述掩模用构件是将树脂膜、以及设置有多个贯通孔的包括磁性金属材料的金属片层叠而成的，
上述成膜掩模的制造方法的特征在于，
使用插入于上述激光光学系统的输出侧的光路中的移动机构，使向上述荫罩上照射的上述线光束在激光加工过程中相对于上述荫罩、以及将该荫罩的像投影到上述掩模用构件上的投影透镜相对地在与上述线光束的长轴交叉的方向上移动，
上述移动机构具有：可动型平面反射镜，其使入射的上述线光束朝向上述荫罩反射，上述可动型平面反射镜通过沿着入射到该可动型平面反射镜的上述线光束的光轴移动而使上述线光束在与上述长轴交叉的方向上移动；以及可动型反射镜，其通过与上述可动型平面反射镜的移动同步地移动，维持上述光路中的相对于上述可动型平面反射镜在光行进方向上游侧的光路长度，
使用上述移动机构，在维持上述光路中的相对于上述可动型平面反射镜在光行进方向上游侧的光路长度的同时使上述线光束移动。
16.根据权利要求15所述的成膜掩模的制造方法，其特征在于，
上述线光束的相对移动速度是恒定的。
17.根据权利要求15或16所述的成膜掩模的制造方法，其特征在于，
当完成上述线光束在上述荫罩上的移动时，使上述掩模用构件移动而在该掩模用构件上的别的区域内一边使上述线光束相对于上述荫罩和上述投影透镜进行相对移动一边激光加工出上述开口图案。
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