JP2004114066A

JP2004114066A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2004114066A
Application number: JP2002278255A
Authority: JP
Inventors: Masami Suzuki; 鈴木　正美; Kazuo Suzuki; 鈴木　和雄; Kimihiko Watanabe; 渡辺　公彦
Original assignee: Takano Co Ltd
Current assignee: Takano Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】大型ディスプレイ用のガラス基板にレーザ直接描画またはレーザ直接加工によりアライメントマークなどを加工するために、高い位置決め精度のレーザ加工装置用ステージ機構を実現する。
【解決手段】加工対象であるガラス基板Ｂと重なる位置に必要な箇所にのみ事前に位置参照用マークＱを書込んだ位置参照用ガラス基板Ａを配置する。加工ヘッド７内部に設けたＣＣＤカメラ１２によりガラス基板Ｂを透過してガラス基板Ａの位置参照マークＱを検出し、これをＸ軸ステージおよびＹ軸ステージにフィードバックして必要な場所で精密な位置決め行ない、レーザビーム５の照射により位置検出マークＰと重なる位置Ｐにアライメントマークを加工する。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はレーザー加工装置に係り、特に液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ用の大型ガラス基板に高精度のレーザマーキングを行なう装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大型の液晶ディスプレイやプラズマディスプレイの生産においては巾１ｍを越す大型のガラス基板が用いられることが多く、これに色表示のためのカラーフィルタや画像表示のための電極構造を薄膜で積層形成させる構造となっている。
これらの工程に先立ち、ガラス基板材料の所定の場所に位置姿勢を検出調整するためのアライメントマークの書込みが必要である。
【０００３】
従来アライメントマークを書き込む方法としてマスク露光方式が用いられてきた。これは高精度のマスクを用いて基板に塗布したフォトレジストを露光し，その後ガラス基板の化学エッチングを組み合わせる方式である。
【０００４】
基板ガラスに吸収されるＵＶレーザ光を走査して直接アライメントマークを書き込むレーザ光直接加工方式については，加工位置の位置決めを行なう場合の精度が問題になり，精度を確保する為に各種方法が用いられる。
【０００５】
ステージ精度を確保する手法の一つとして補正を行なう方法がある。本発明に関連した公知例として、特開平０５−０２３８７７がある。ＹＡＧレーザを用いてステージによる走査機構でレーザ直接加工を行なうものである。高精度ステージで一旦位置決めした後，ＣＣＤカメラを用いて加工した穴位置を観測し、これにより加工時の位置補正を行なう例について述べたものである。
【０００６】
またステージ精度を確保する為，レーザ測長器を用いて位置管理を行なう場合もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来精度の観点からアライメントマークの作成はマスク露光方式が用いられてきた。しかし基板の大型化に伴い露光用マスクも大きくなり，その製作が限界にきている，かつ露光後に現像と化学処理の工程が必要で，大型基板の採用に伴い設備が大型になるという問題点があった。
【０００８】
またレーザ直接加工方式は露光方式に比べて工程が単純で設備も小さく，また大型基板対応が可能であるという利点があるが，従来のステージ技術で１ｍ以上の長さで数μｍの精度の位置決め精度を確保しようとすると装置が極めて高価になるという問題点があった。
【０００９】
本発明は上記の従来技術の問題点を解消するためになされたもので，安価で高精度の大型ディスプレイ用ガラス基板上のアライメントマークのレーザ直接加工装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ加工装置においては，ガラス板などの光学的に透明な被加工物とこれに照射するレーザビームとを平面上で任意の位置に相対的に位置決めしつつ当該被加工物を加工するレーザ加工装置であって、前記レーザビームと被加工物を相対的に位置決めするためのステージ機構と、前記レーザビームと被加工物との相対位置を検出するための位置検出手段を有し、当該位置検出手段は、前記被加工物の一方の面に平行に設置した位置参照マーク表示手段と、当該被加工物のもう一方の面側から被加工物を光学的に透過して前記位置参照マークを検出する位置参照マーク読取手段とによって構成し、当該位置参照マーク読取手段によって検出した位置検出情報を上記位置決め手段にフィードバックしてレーザビームの相対位置を補正しながら加工を行なうものである。
【００１１】
また，加工用レーザビームとしてガラスなどの透明な被加工物に対して吸収されやすい波長２６６ｎｍの紫外線レーザを用いる物である。
【００１２】
また位置決め手段は位置決めの基準となるベース部材と、これに対して相対的に位置可変のステージ部材とからなる少なくとも一自由度の位置決めステージまたはロボットであり、前記位置検出手段の位置参照マーク表示手段を前記ベース部材に、位置参照マーク読取手段を前記ステージ部材に夫々設置してベース部材とステージ部材との相対的な位置を検出するようにし、位置参照マーク表示部材には前記ステージ部材がベース部材に対して動きうる全域でなく前記被加工物を加工するのに必要な限定した領域のみに位置参照マークを表示するものである。
【００１３】
位置参照マーク検出手段として固体撮像素子を用いた観察用カメラ・レンズなどの光学的検出手段を設けるとともに、上記レーザビームを整形・導光するための導光光学系を設け、被加工物に向けて照射する射出口にて両者の光軸が一致するようにするものである。
【００１４】
位置参照マーク表示部材に被加工物と同じかまたは線膨張係数の等しい材料を用いるものである。
【００１５】
【作用】
多くの場合、アライメントマークは大面積のガラス基板上の最も離れた対角点近傍に２個または３箇所程度書き込まれ、相互の間隔や配置の精度は間隔が１ｍを越す場合でも絶対誤差で１０〜２０μｍ以下を要求される。これは精度で表すと例えば１ｍの間隔で要求誤差１０μｍ以下の場合０．０１ｍｍ／１０００ｍｍ　＝　０．００００１であり、機械的な位置決めを高精度で達成するのは極めて困難な領域である。
レーザ加工機はレーザビームの位置決めのため例えばＸ−Ｙステージを用いており、ステージの位置決めは高精度に目盛加工されたガラスのリニアスケールを光学的に検出しながら行うのが一般的である。この方法ではＸ−Ｙの２次元平面上で一辺１ｍを越す大きな領域ををカバーできる高精度なリニアスケールを製作する必要があり、広い領域の離れたわずか何ヶ所かにアライメントマークを書込むためにだけ高価なリニアスケールを製作することが価格的に得策ではなかった。
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明ではステージの位置検出方法を改善した。特に加工の対象がガラス基板という光学的に透明な材料であることに着目し、加工対象であるガラス基板Ｂの例えば下側にあらかじめ位置検出マークを書込んだ別のガラス基板Ａを配置し、加工対象であるガラス基板Ｂのもう一方の面側から加工対象であるガラス基板Ｂを透かしてこれをＣＣＤカメラなどで読取る。そして読取った位置検出マークを画像処理によって位置情報に変換し、これによってＸ−Ｙステージの制御を行なうことにした。
【００１７】
このようにしてガラス基板Ｂをレーザビームの照射点に位置決めした後にレーザビームを照射し目的の加工を行なう。この方法の利点は位置検出マークと実際の加工部位とがレーザビームの射出側の真上からみて完全に重なった状態で加工できるので位置ずれがほとんど発生しないことである。
【００１８】
これを実現するにあたり、位置検出マークを読取るためのＣＣＤカメラやこれに取付ける拡大レンズを含む検出光学系の光軸を射出されるレーザビームの光軸と一致させておくことが望ましい。レーザビームを射出する導光光学系と位置検出マークを読取る検出光学系を一体構造のフレームに固定して設けておけば、フレーム構造自身の倒れや位置ずれなどの機械的誤差要因のほとんどを相殺することができるためである。
【００１９】
上記のようにしてある箇所の位置検出マークと丁度一致した場所に第一のアライメントマークを書込んだ後、つぎにガラス基板Ｂ上の離れた箇所に移動して同じ動作を行なう必要がある。このとき先に述べた位置検出用のもうひとつのガラス基板Ａには次に加工すべき位置にもあらかじめ位置検出マークが書込んであり、第一と第二の位置検出マークは例えば１．５ｍの間隔があったとしても絶対的に１０μｍ以下の高い精度で配置されている。
【００２０】
Ｘ−Ｙステージの位置決めはステージ本体が持っている別のリニアスケールに従って行なわれる。このようにしてレーザビームの射出口が第二の位置検出マークのある箇所の近傍まで移動すると位置検出用のＣＣＤカメラの視野内に第二の位置検出マークが入り、これを参照としたさらに精密な位置決めが可能となる。第二の位置検出マークによってレーザビームの射出位置を位置決めした後にガラス基板Ｂにレーザビームを照射して第二のアライメントマークを書込む。
【００２１】
このようにして書込まれた第一と第二のアライメントマークは夫々位置決めの基準となった第一と第二の位置検出マークと重なり合った位置にあるので相互の間隔精度も同じ程度の１０μｍ以下が得られている。
【００２２】
このようにして大きなストロークであっても２点間のマーク間隔または３点以上のマーク配置は高い精度で確保することが可能である。特に位置検出用に加工対象であるガラス基板Ｂと同じ材質または同じ線膨張係数を有するガラス基板Ａを用いることで温度の変化にともなう位置のずれを実質的に相殺することができる。
【００２３】
ここで、ガラス基板の加工に注目すると、ＹＡＧ４倍波レーザの波長２６６ｎｍはガラスに対する吸収効率が高く、一方位置検出に用いるＣＣＤ素子の感度波長である可視光線の波長はガラスに対する透過率が高いので上記のような使い方には非常に好都合である。
【００２４】
位置参照用のガラス基板Ａにあらかじめ書込む位置検出マークはレーザビームの射出口が加工対象であるガラス基板Ｂ上のすべての位置に移動できるようになっていたとしても、実際にアライメントマークの加工のためにレーザビームを射出する位置近傍にのみ書込まれていれば良く、可動範囲全部をカバーできるように目盛られている必要がない。従ってこれを製作することは２次元平面全域をカバーするような大ストロークのリニアスケールを製作することに比べ、きわめて容易である。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例につき図１、図２に従って説明する。
図１は本発明の一実施例の全体構成図である。加工対象であるガラス基板Ｂはラインに沿ってローラガイド１によって送られ、所定の位置に静止する。ガラス基板Ｂを挟んで両側に２個のＸ軸ステージ２と２’が配置されＸ軸ステージのスライダ２−１と２’−１上にガラス基板ＢをまたぐようにＹ軸ステージ３のガイドレール３−１の両端がが固定してある。
【００２６】
Ｘ軸ステージ２、２’とＹ軸ステージ３は、リニアモータによる位置決めステージであり、内部に設けられたリニアスケールの位置信号をフィードバックして夫々方向Ｘまたは方向Ｙにスライダ２−１、２’−１および３−１の位置決めが可能である。ふたつのＸ軸ステージ２と２’は常に同じ方向に同時に同じ距離だけ夫々のスライダ２−１と２’−１を移動するように制御される。
【００２７】
Ｘ軸ステージ２’のスライダ２’−１上にはＹＡＧレーザ発振器４から射出された波長２６６ｎｍのレーザビーム５を４５度の角度で折り返す第一の折返しミラー６が取付けてあり、Ｘ軸ステージ２と２’のスライダ２−１と２’−１がどの位置にあってもレーザビーム５を必ずＹ軸ステージ３の移動する方向Ｙに平行に反射するようになっている。
【００２８】
Ｙ軸ステージ３のスライダ３−１には第一の折返しミラー６によって反射されたレーザ発振器４からのレーザビーム５を再度４５度の角度で折返し、同じくスライダ３−１上に固定された加工ヘッド７の内部に導くように第二の折返しミラー９が設けられている。このような構成により、加工ヘッド７はガラス基板Ｂの上面で方向Ｘおよび方向Ｙのいずれの位置にでも簡易的に位置決め可能になっている。
【００２９】
図２は図１の構造を方向８の側面から見た断面模式図である。図１にも示したガラス基板Ｂの下側に、これと平行にガラス基板Ａが配置されている。ガラス基板Ａもガラス基板Ｂと同じくローラガイド１により所定の位置に位置決めされており、両者は上下に一定の間隔をおいて重なり合うように配置される。
【００３０】
図３に加工ヘッド７の内部構造を示す。第二の折返しミラー９にて折り返されたレーザビーム５は加工ヘッド７の内部へ導かれ、精密２軸ステージ１０に保持される集光レンズ１１の中心を通る。精密２軸ステージ１０の中心部はレーザビーム５が通過するための穴が設けてある。
【００３１】
レーザビーム５は集光レンズ１１にて集光されつつ第三の折返しミラー１４によって４５度の角度に反射され、ガラス基板Ｂに垂直に照射される。集光レンズ１０は丁度レーザビーム５がガラス基板Ｂの表面で焦点を結ぶように焦点距離を決めたものである。ここで第一の折返しミラー６と第二の折返しミラー９は、ともにレーザビーム５の波長２６６ｎｍに対して高い反射率を得るように誘電体多層コートがほどこされている。一方　第三の折返しミラー１４はレーザビーム５の２６６ｎｍの波長に対して高い反射率を持つとともに可視光である波長６７０ｎｍ近辺の光を透過するように先の２個の折り返しミラーとは別の誘電体多層コートがほどこされたものを使用している。したがって第三の折り返しミラー１４の背面からガラス基板ＡおよびＢに向けて配置したＣＣＤカメラ１２により第三の折り返しミラー１４とガラス基板Ｂを透過してガラス基板Ａの表面を観察することができる。
【００３２】
ＣＣＤカメラ１２には丁度ガラス基板Ａの表面にピントを合わせて観察できるように拡大レンズ１５が取付けてあり、ガラス基板Ａの表面にあらかじめ書込んである位置参照マークＱを検出することができる。拡大レンズ１５にはガラス基板Ａを観察する際の参照光を照射する目的で同軸落射式の照明１３を備えており、照明１３から照射される波長６７０ｎｍの赤色光が第三の折り返しミラー１４を透過して一部がガラス基板Ｂにより反射され、残りはガラス基板上の位置参照マークＱを照らし出すようになっている。
【００３３】
ここでガラス基板Ａはレーザビーム５を加工対象であるガラス基板Ｂに照射すべき位置Ｐに位置決めするための参照用に用いられる。すなわちＣＣＤカメラ１２によって照明１３により照らし出された位置参照マークＱを検出し、画像処理により位置参照マークＱの位置情報を得る。これを先のＸ軸ステージ２および２’とＹ軸ステージ３のコントローラにフィードバックすることで加工ヘッド７を方向Ｘおよび方向Ｙについて位置補正する。このようにして加工ヘッド７はＣＣＤカメラ１２の丁度中心に位置参照マークＱのイメージを検出する位置まで位置修正され、そこで保持される。
【００３４】
図４は加工ヘッド７の断面を示した模式図である。加工ヘッド７の内部の配置は、レーザビーム５の光軸１６とＣＣＤカメラ１２および拡大レンズ１５の成す光軸１７とが第三の折り返しミラー１４を経てレーザビーム５の射出口１８以降のパスで一致するように調整してあり、ＣＣＤカメラ１２の位置情報に基づく加工ヘッド７の位置修正が完了した後にレーザビーム５が照射される。
【００３５】
この時精密２軸ステージ１０を方向ｘまたはｙに任意に動かすと、レーザビーム５の光軸１６はＣＣＤカメラ１２の光軸１７から外れて移動し、ガラス基板Ｂの表面に沿って動く。このようにすれば例えば液晶ディスプレイのアライメントマークとして使用される十文字のマークを加工することができる。精密２軸ステージ１０の各軸の原点位置はＣＣＤカメラ１２の光軸１７の位置と一致しているのでガラス基板Ｂの表面にはＣＣＤカメラ１２から見て丁度ガラス基板Ａ表面の位置参照マークＱと重なったガラス基板Ａ表面の点Ｐで交差するような十文字のアライメントマークが描かれることになる。
【００３６】
以上の手順を繰り返してあらかじめ位置参照用のガラス基板Ａに書込まれている位置参照マークの位置と正確に一致する任意の場所にアライメントマークを書込むことができ、書込まれたアライメントマークの位置精度はガラス基板Ａに事前に書込まれる置参照マークの位置が正確でありさえすれば、その位置精度を再現する配置となる。
【００３７】
ここで一つの点でアライメントマークを書き終った後に次の場所に移動する際にはＸ軸ステージ２および２’とＹ軸ステージ３に通常設けてあるリニアスケールまたはリニアエンコーダなどの位置検出機能を用いる。このような粗い精度の位置決めを行なっても、次の加工点付近に近づいたところでＣＣＤカメラ１２の視野範囲内に次の位置参照マークを捕らえることができるので、この位置参照マークにより精密な位置補正を行なうことが可能となる。
【００３８】
本実施例では特にガラス基板のアライメントマーク加工に注目した例を述べた。ガラス基板に吸収されやすいＹＡＧ４倍高調波である波長２６６ｎｍ紫外線レーザを加工用に用いたとともに位置参照マークの検出用にガラス基板に対する透過性の高い６７０ｎｍの赤色可視光を用いることで２枚のガラス基板を重ねた状態でも位置決めと加工の両方を行なうことができ好都合である。しかしその他の場合、ガラスのように透明でない材料を加工する場合でも、本発明を応用した装置構成で近い効果を得ることは可能である。
【００３９】
本実施例で述べたガラス基板Ａに相当する位置参照用の部材に同じように位置参照マークを書き込んでおき、これを被加工物の上方に配置する。そしてレーザビームの射出方向とは正反対の上向きにＣＣＤカメラを向けて位置参照マークを読取ることが可能である。このようにするとガラス基板を重ねた方法と比較して精度は低下するものの加工対象を選ばないという利点がある。
【００４０】
また、レーザ加工装置以外の用途、例えば検査装置などの位置決めに本発明と同様の構成の位置決め装置を応用することも容易である。
【００４１】
また本発明のほかの実施例として，ＹＡＧレーザの４次高調波である３５５ｎｍのレーザ光を使う事もできる。
【００４２】
本実施例によれば安価な汎用のステージを使った高精度なガラス基板用アライメントマーク加工用レーザ加工機を得ることができる。また多種多用のガラス基板に対応するように１個の位置参照用ガラス基板Ａに多数の位置参照マークを書きこんでおけば位置参照用ガラス基板を交換することなく多品種に対応することが可能である。加えて集光レンズ１１を位置決めする精密ステージ１０の制御ソフトを変更するだけでハードウェアの変更無しにさまざまな加工パターンに対応可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明により、低価格でかつ高精度な大型ディスプレイ用ガラス基板のアライメントマーク加工用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】
【図１】本発明の１実施例であり、レーザ加工装置の上面模式図である。
【図２】同じく図１に示した装置の側面模式図である。
【図３】図１に示したレーザ加工装置の加工ヘッドの内部構成を示している。
【図４】図３の加工ヘッドの内部の光学配置を説明する断面模式図である。
【記号の説明】
１：ローラガイド
２、２’：Ｘ軸ステージ
２−１、２’−１：Ｘ軸ステージのスライダ
２−２、２’−２：Ｘ軸ステージのガイドレール
３：Ｙ軸ステージ
３−１：Ｙ軸ステージのスライダ
３−２：Ｙ軸ステージのガイドレール
４：レーザ発振器
５：レーザビーム
６：第一の折り返しミラー
７：加工ヘッド
８：側面図（図２）の視点方向
９：第二の折り返しミラー
１０：精密２軸ステージ
１１：集光レンズ
１２：ＣＣＤカメラ
１３：照明
１４：第三の折り返しミラー
１５：拡大レンズ
１６：レーザビームの光軸
１７：ＣＣＤカメラの光軸
１８：レーザビームの射出口
Ａ：参照用ガラス基板
Ｂ：加工対象ガラス基板
Ｐ：アライメントマーク加工点
Ｑ：位置参照マーク
Ｘ、Ｙ、ｘ、ｙ：移動方向

Claims

ガラス板などの光学的に透明な被加工物とこれに照射するレーザビームとを平面上で任意の位置に相対的に位置決めしつつ当該被加工物を加工するレーザ加工装置であって、前記レーザビームと被加工物を相対的に位置決めするためのステージ機構と、前記レーザビームと被加工物との相対位置を検出するための位置検出手段を有し、当該位置検出手段は、前記被加工物の一方の面に平行に設置した位置参照マーク表示手段と、当該被加工物のもう一方の面側から被加工物を光学的に透過して前記位置参照マークを検出する位置参照マーク読取手段とによって構成し、当該位置参照マーク読取手段によって検出した位置検出情報を上記位置決め手段にフィードバックしてレーザビームの相対位置を補正しながら加工を行なうことを特徴としたレーザ加工装置。
上記レーザビームに上記ガラスなどの透明な被加工物に対して吸収されやすい波長２６６ｎｍの紫外線レーザを用いたことを特徴とする特許請求項１に記載のレーザ加工装置。
上記位置決め手段は位置決めの基準となるベース部材と、これに対して相対的に位置可変のステージ部材とからなる少なくとも一自由度の位置決めステージまたはロボットであり、上記位置検出手段の位置参照マーク表示手段を前記ベース部材に、位置参照マーク読取手段を前記ステージ部材に夫々設置してベース部材とステージ部材との相対的な位置を検出するようにし、位置参照マーク表示部材には前記ステージ部材がベース部材に対して動きうる全域でなく前記被加工物を加工するのに必要な限定した領域のみに位置参照マークを表示したことを特徴とする特許請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
上記ステージ部材に、請求項３に記載の位置参照マーク検出手段として固体撮像素子を用いた観察用カメラ・レンズなどの光学的検出手段を設けるとともに、上記レーザビームを整形・導光するための導光光学系を設け、被加工物に向けて照射する射出口にて両者の光軸が一致するようにしたことを特徴とする特許請求項３に記載のレーザ加工装置。
上記位置参照マーク表示部材に前記被加工物と同じかまたは線膨張係数の等しい材料を用いたことを特徴とする特許請求項３または４に記載のレーザ加工装置。