JP2013223837A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＥ（ＰｒｉｎｔｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）により基材に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜を、好適に乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させるための装置を提供する。
【解決手段】基材６に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜７に向けてレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射手段３と、前記パターンまたは薄膜７の状態を光学的に検出する検出手段４と、前記検出手段４を介して検出される前記パターンまたは薄膜７の状態に応じて前記レーザ光照射手段３から当該パターンまたは薄膜７に向けて照射されるレーザ光Ｌの出力を制御する制御手段５とを具備するレーザ装置１を構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜にレーザ光を照射して当該パターンまたは薄膜を乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させるためのレーザ装置に関する。

近時、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ素子、フレキシブルディスプレイや有機薄膜トランジスタ等の製造に際して、ガラス基板や可撓性フィルム等の基材に配線パターンまたは薄膜を印刷しまたは塗布して形成する、ＰＥ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）という分野が勃興しつつある（例えば、下記特許文献を参照）
ＰＥでは、導電性の金属微粒子を混交したインクまたはペーストを用い、このインクまたはペーストを基材にインクジェット印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、スクリーン印刷、ダイコーティングまたはスプレーコーティング等することで、所望のパターンまたは薄膜を形成する。インクまたはペーストの特性は、熱硬化型、溶媒揮発型、浸透乾燥型、光硬化型等、様々である。

従来、基材に印刷または塗布したパターンまたは薄膜を定着させるためには、印刷または塗布工程後の基材を遠赤外線加熱（ＩＲ）炉や熱風循環炉、リフロー炉等に搬入して加熱するようにしていた。しかしながら、そのための炉は基材全体を収容し得る大形のものでなくてはならず、その炉長も長く、広大なスペースを占拠する上、加熱のためのエネルギ消費も莫大であった。

また、基材全体を炉に搬入して加熱することが憚られるケースも想定される。基材に既に実装されたデバイス（ＩＣチップその他の半導体デバイス、抵抗、キャパシタ等）に悪影響を及ぼす懸念があったり、基材それ自体が熱に弱かったりする場合がこれに該当する。

特開２０１０−１７９６５１号公報 特開２０１０−０６１９５９号公報

本発明は、基材に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜を乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させて定着させるために適した装置を提供しようとするものである。

本発明では、基材に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜にレーザ光を照射して当該パターンまたは薄膜を乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させるためのものであって、前記パターンまたは薄膜に向けてレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、前記パターンまたは薄膜の状態を光学的に検出する検出手段と、前記検出手段を介して検出される前記パターンまたは薄膜の状態に応じて前記レーザ光照射手段から当該パターンまたは薄膜に向けて照射されるレーザ光の出力を制御する制御手段とを具備するレーザ装置を構成した。

前記検出手段の例としては、前記パターンまたは薄膜を撮影するカメラセンサを備えてなるものが挙げられる。

前記基材が透明性または透光性を有するものである場合、レーザ装置を、前記カメラセンサが前記パターンまたは薄膜を撮影する側とは反対側から照明光を照射する照明手段をさらに具備するものとすることも好ましい。

前記検出手段の他の例としては、前記パターンまたは薄膜の厚みを検出するレーザ変位計またはレーザ顕微鏡を備えてなるものが挙げられる。

前記検出手段が、レーザ光が照射される対象の部位における前記パターンの厚み及び線幅を検出し、前記制御手段が、前記部位における前記パターンの厚み及び線幅に応じてレーザ光の出力を制御するものとしてもよい。

本発明によれば、基材に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜を乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させて定着させるために適した装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係るレーザ装置を示す斜視図。 同レーザ装置の要部側面図。 同レーザ装置の要部側面図。 同レーザ装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。 本発明の変形例の一におけるレーザ光照射手段であるガルバノスキャナを示す斜視図。 同変形例における検出手段の態様を示す図。 本発明の変形例の一におけるレーザ装置を示す斜視図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態のレーザ装置１は、加工対象物（被加工物、ワーク）の基材６を支持する支持体２と、当該基材６に印刷または塗布されているパターンまたは薄膜７に対してレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射手段３と、前記パターンまたは薄膜７の状態を光学的に検出する検出手段４と、検出手段４を介して検出される前記パターンまたは薄膜７の状態に応じて当該パターンまたは薄膜７に向けて照射されるレーザ光Ｌの出力を制御する制御手段５とを具備する。

加工対象物は、ガラス基板や可撓性フィルム等の基材６の少なくとも一方の面に、ＰＥによって所望の回路パターンまたは薄膜（トランジスタ構造等を含むことがある）７が既に印刷または塗布されたものである。このパターンまたは薄膜７は、インクまたはペーストを基材６にインクジェット印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、スクリーン印刷、ダイコーティングまたはスプレーコーティング等することで形成される。因みに、レーザ装置１に搬入される基材６は、印刷または塗布工程の後、インクまたはペーストをある程度乾燥させる予乾燥工程を経ていることがある。

ＰＥに使用されるインクまたはペーストは、導電性であることもあれば、絶縁性であることもある。導電性のインクまたはペーストであれば、銀、金、銅、白金、アルミニウム、パラジウム、ロジウム、カーボン（カーボンブラック、カーボンナノチューブ等）等の導電性微粒子が樹脂組成物（バインダ）に配合されたものであることが通例である。樹脂組成物には、熱硬化性樹脂、光（紫外線、電子線等）硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、熱可塑性樹脂と架橋性樹脂との混合等が採用される。インクまたはペーストには、分散剤（界面活性剤等）やその他の溶媒も含まれ得る。

インクまたはペーストの特性は、熱硬化型、溶媒揮発型、浸透乾燥型、光硬化型等、様々である。レーザ光Ｌの波長やパルス幅等は、インクまたはペーストの特性に合わせて、当該インクまたはペーストによって形成されたパターンまたは薄膜７を基材６に定着させるために適したものを選択する。インクまたはペーストが熱硬化型、溶媒揮発型、浸透乾燥型等である場合には、当該インクまたはペーストに吸収されやすく、これを加熱するのに適した波長を選択する。光硬化型である場合には、光硬化を惹起し得る波長を選択する必要がある。

レーザ光照射手段３は、レーザ発振器が発振するレーザを伝搬させる光学系と、光学系を介して供給されるレーザを基材６に形成されたパターンまたは薄膜７に向けて出射させる加工ノズルとを組み合わせてなる。光学系は、光ファイバ、ミラー、レンズ等の任意の光学要素を用いて構成することができる。加工ノズルは、支持体２に支持させた基材６に対して、Ｘ方向（幅方向）及び／またはＹ方向（奥行方向）に沿って相対的に移動可能であることが好ましい。さすれば、基材６の任意の部位にレーザ光Ｌを照射することが可能となるからである。その際、加工ノズルをリニアモータ台車等に搭載して運動させるようにしてもよいし、逆に、基材６を支持する支持体２にＸＹステージ等を配設して基材６を運動させるようにしてもよい。

図１及び図２に示すように、レーザ光Ｌは、基材６に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜７の側から、直接に照射する。あるいは、図３に示すように、基材６におけるパターンまたは薄膜７が印刷または塗布された側とは反対側から、基材６を透過させて間接に照射する。

検出手段４は、典型的にはパターンまたは薄膜７を撮影するＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のカメラセンサを備えてなる。カメラセンサは、カラー画像を撮影する（即ち、Ｒ、Ｇ、Ｂ等の複数チャネルを備える）ものであってもよく、モノクロ（グレースケール）画像を撮影する（単数のチャネルを備える）ものであってもよい。

また、カメラセンサは、基材６の加工対象領域全域を一挙に撮影できるものであってもよいし、基材６の加工対象領域の一部のみを撮影できるものであってもよい。後者の場合、カメラセンサを複数設置し、各カメラセンサがそれぞれ加工対象領域の一部分を撮影して、全カメラセンサによって加工対象領域全体の撮影画像を得るようにする。あるいは、加工ノズルと同様に、カメラセンサを支持体２に支持させた基材６に対してＸ方向及び／またはＹ方向に沿って相対的に移動可能とし、撮影対象となる部分を任意に変更し得るようにする。加工ノズルがカメラセンサに追従して運動するものとしてもよい。

図１及び図２に示すように、撮影は、基材６に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜７の側から行ってもよいし、図３に示すように、基材６におけるパターンまたは薄膜７が印刷または塗布された側とは反対側から行ってもよい。

さらに、図２または図３に示しているように、本実施形態のレーザ装置１は、カメラセンサが前記パターンまたは薄膜７を撮影する側とは反対側から照明光Ｉを照射する照明手段８をさらに具備している。照明光Ｉは、可視光とは限られず、赤外線等の不可視光であることがある。周知の通り、ＣＣＤやＣＭＯＳ等は赤外域に感度を有していることから、赤外線を照明光Ｉとすることは不可能ではない。

基材６が透明性または透光性を有するものである、つまりは不透明でないならば、カメラセンサとは反対側から照明手段８によって照明することで、基材６に印刷または塗布されているパターンまたは薄膜７を透かし見ることができる。

検出手段４によって検出する、前記パターンまたは薄膜７の状態とは、以下の何れか少なくとも一つまたは全部である。
・印刷または塗布されたパターンまたは薄膜７の各部の厚み
・印刷または塗布されたパターン７、特に配線パターン７の線幅
・印刷または塗布されたパターンまたは薄膜７の乾燥の度合い、換言すれば、当該パターンまたは薄膜７に残存している溶媒、揮発性物質等の量
・印刷または塗布されたパターンまたは薄膜７に既に一度以上レーザ光Ｌ等を照射している場合には、その焼結、焼成、固化、硬化の度合い
なお、図１に配線パターン７の線幅Ｗを、図２にパターンまたは薄膜７の厚みＴを、それぞれ例示している。

制御手段５は、加工ノズルからパターンまたは薄膜７の各部位に向けて照射されるレーザ光Ｌの出力、即ちパワー強度及び／または照射時間を制御する。制御手段５は、既知のマイクロコンピュータシステムやパーソナルコンピュータ、ワークステーション等の如く、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ（フラッシュメモリであることがある）、Ｉ／Ｏインタフェースを備えたものであり、ＣＰＵによって実行されるべきプログラムがＲＯＭに格納され、プログラムの実行の際にＲＯＭからＲＡＭに読み込まれ、ＣＰＵにより解読される。そして、当該プログラムに従い、レーザ光Ｌの出力制御、加工ノズルやカメラを搬送する台車の制御、基材６を支持するＸＹステージの制御等を司る。また、ＲＡＭは、ＣＰＵによるプログラムの実行に必要となるデータを一時記憶する。

図４に、制御手段５がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。制御手段５は、カメラセンサを制御（カメラセンサを基材６に対し相対的に移動させることがある）して基材６の加工対象領域の一部または全域を撮影し、撮影画像を得る（ステップＳ１）。

そして、撮影画像データを解析し、基材６における撮影対象となった部位に印刷または塗布されている配線パターン７の部分を検出して、その線幅の大きさを得る（ステップＳ２）。

また、ステップＳ２と相前後して、撮影画像データを解析し、撮影対象となった部位に印刷または塗布されているパターンまたは薄膜７の厚みの大きさを得る（ステップＳ３）。ステップＳ３では、画像データの各画素の画素値に基づき、当該画素の色調や濃度から、当該画素に対応した部分の厚みを得る。画素値（色調または濃度）と厚みとの関係を規定するマップ（または、テーブル）データまたは関数式は予め実験的に求められ、ＲＡＭまたはＲＯＭに格納してある。なお、ステップＳ３で知得する厚みは、膜厚の絶対値であるとは限られず、相対的に厚いか薄いかを示す相対値であることがある。

さらにまた、ステップＳ２、Ｓ３と相前後して、撮影画像データを解析し、撮影対象となった部位に印刷または塗布されているパターンまたは薄膜７の乾燥、焼結、焼成、固化または硬化の度合いの指標値を得る（ステップＳ４）。ステップＳ４では、画像データの各画素の画素値に基づき、当該画素の色調や濃度から、当該画素に対応した部分の乾燥、焼結等の度合いを知得する。画素値（色調または濃度）と指標値との関係を規定するマップデータまたは関数式は予め実験的に求められ、ＲＡＭまたはＲＯＭに格納してある。因みに、焼結や焼成等の度合いは、パターンまたは薄膜７の体積抵抗値やシート抵抗を計測することによって、あるいは、分析機器を使用した結晶子径サイズ（結晶成長度合い）を測定することによって、確認することが可能である。

ステップＳ２、Ｓ３及びＳ４は、必ず全てを実施するとは限られない。必要に応じて、一部を省略してもよい。

その上で、制御手段５は、ステップＳ２で得た線幅、Ｓ３で得た厚み、Ｓ４で得た乾燥、焼結等の度合いに応じて、レーザ光Ｌの出力を決定する（ステップＳ５）。例えば、基材６の加工対象領域におけるある部分の位置座標を（ｘ，ｙ）とおき、当該位置座標における線幅をＷ（ｘ，ｙ）、厚みをＴ（ｘ，ｙ）、乾燥、焼結等の指標値をＥ（ｘ，ｙ）とおくと、位置（ｘ，ｙ）に照射するレーザ光Ｌのパワー強度または同位置（ｘ，ｙ）にレーザ光Ｌを照射し続ける時間Ｐについて、
Ｐ（ｘ，ｙ）＝Ｆ₁｛Ｗ（ｘ，ｙ）｝×Ｆ₂｛Ｔ（ｘ，ｙ）｝×Ｆ₃｛Ｅ（ｘ，ｙ）｝×Ｆ₄
の形で算定することができる。Ｆ₁は、線幅Ｗが大きいほど大きくする。Ｆ₂は、厚みＴが大きいほど大きくする。Ｆ₃は、乾燥、焼結等の度合いＥが強いほど小さくする。ステップＳ２、Ｓ３またはＳ４の何れかを実施しない場合には、実施しないステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４に対応する値Ｆ₁、Ｆ₂またはＦ₃を１とする。また、Ｆ_４は、基材６の種類（ガラス、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＮ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＩ（ＰｏｌｙＩｍｉｄｅ）等の樹脂フィルム、金属等）に応じた係数である。基材６が何であるかによって、同じインクまたはペーストであっても、そして同じインクまたはペーストの量であっても、その乾燥、焼結等に必要となるエネルギの大きさが異なるからである（おそらくは、レーザ照射を受けたインクまたはペーストが発熱したときの熱拡散が基材６の種類によって異なるためではないかと推測される）。

しかして、制御手段５は、位置座標（ｘ，ｙ）に照射されるレーザ光Ｌの出力をＰ（ｘ，ｙ）に合致させるよう、レーザ光照射手段３を制御する（ステップＳ６）。レーザ光Ｌのパワー強度を制御するためには、レーザ発振器に付随するコントローラまたはレーザ強度スタビライザに指令する制御値（電流値等）を調節したり、レーザ発振器と加工ノズルとの間に介在する光学系に設けたアッテネータ（減衰器）に指令する制御値（レーザの透過率（反射率）を変えることのできる特殊膜の付いたガラス板の光軸に対する交差角度、または、偏光ビームスプリッタの直前にある１／２波長板の光軸回りの回転角度等）を調節したりする。レーザ光Ｌの照射時間を制御するためには、加工ノズルに内蔵されている、レーザ光Ｌの出射をＯＮ／ＯＦＦするためのシャッタ、ミラー等に与えるＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮ時間の長さを調節する。

本実施形態によれば、基材６に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜７にレーザ光Ｌを照射して当該パターンまたは薄膜７を乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させるためのものであって、前記パターンまたは薄膜７に向けてレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射手段３と、前記パターンまたは薄膜７の状態を光学的に検出する検出手段４と、前記検出手段４を介して検出される前記パターンまたは薄膜７の状態に応じて前記レーザ光照射手段３から当該パターンまたは薄膜７に向けて照射されるレーザ光Ｌの出力を制御する制御手段５とを具備するレーザ装置１を構成したため、基材６上に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜７の各部の状態に応じて適切な出力のレーザ光Ｌを各部に照射することができる。従って、ＰＥにより形成されるパターンまたは薄膜７を好適に乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させて基材６に定着せしめることが可能となる。

前記検出手段４として前記パターンまたは薄膜７を撮影するカメラセンサを備えているため、その調達が容易で低コストである。

前記カメラセンサが前記パターンまたは薄膜７を撮影する側とは反対側から照明光Ｉを照射する照明手段８をさらに具備するため、前記基材６が透明性または透光性を有するものである場合、前記パターンまたは薄膜７を透かし見ることができ、カメラセンサを介してパターンまたは薄膜７の厚みを適確に把握することが可能となる。

前記検出手段４が、レーザ光Ｌが照射される対象の部位における前記パターン７の厚み及び線幅を検出し、前記制御手段５が、前記部位における前記パターン７の厚み及び線幅に応じてレーザ光Ｌの出力を制御するため、回路パターン７の各部のインクまたはペーストの量（熱容量、溶媒量等）に応じて当該部位に照射すべきレーザ光Ｌのパワー強度または照射時間を最適化することが可能である。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、パターンまたは薄膜７に向けてレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射手段３として、ガルバノスキャナ３１、３２を採用することもできる。

ガルバノスキャナ３１、３２は、レーザ発振器から発振されるレーザビームＬを走査する。図５に示すように、ガルバノスキャナ３１、３２は、レーザＬを反射するミラー３１２、３２２を、光軸操作機構たるサーボモータまたはステッピングモータ等３１１、３２１により回動させるものである。即ち、ミラー３１２、３２２の方向を変えることで、レーザ光Ｌの光軸を変位させることができる。図５に示す例では、レーザ光Ｌの光軸をＸ軸方向に変化させるＸ軸ガルバノスキャナ３１と、レーザ光Ｌの光軸をＹ軸方向に変化させるＹ軸ガルバノスキャナ３２とを両備しており、パターンまたは薄膜７が印刷または塗布されている基材６の表面におけるレーザ光Ｌの照射位置をＸ軸方向及びＹ軸方向の二次元に制御し得る。

ガルバノスキャナ３１、３２から出力されるレーザ光Ｌを集光する集光レンズ３３は、例えばＦθレンズとする。

ガルバノスキャナ３１、３２を用いたレーザ光照射手段３を備えるレーザ装置１において、検出手段４たるカメラセンサがパターンまたは薄膜７を撮影するにあたっては、図６に示すように、レーザ発振器とミラー３２２との間の光路上に、ハーフミラーに代表されるビームスプリッタ３４を含む光学モジュールを配置した上、基材６側から集光レンズ３３及びミラー３１２、３２２を介して導いた光束（レーザ光Ｌの照射位置の周辺領域からの反射光が含まれる）の一部をビームスプリッタ３４にて分離し、結像レンズ３５を通じてカメラセンサ４へと入射させて、光束を撮像するようにしてもよい。ビームスプリッタ３４とミラー３２２との間に介在する透過板３６は、ビームスプリッタ３４を透過するレーザ光Ｌの屈折による光軸の変位分を相殺する光路キャンセル用ウィンドウである。

ビームスプリッタ３４及びこれと対をなすウィンドウ３６は、レーザ加工時には光路上から取り除かれることがより好ましい。そのために、ビームスプリッタ３４及びウィンドウ３６をユニット化するとともに、このユニットを移動させる自動または手動の駆動装置を設けておき、パターンまたは薄膜７の撮影時にユニットをレーザ発振器とミラー３２２との間の光路上に挿入し、レーザ加工時にユニットを当該光路上から退避させる進退動作を実施することが好適である。

図７に示すように、検出手段４として、カメラセンサに替えて、またはカメラセンサとともに、基材６に印刷または塗布されているパターンまたは薄膜７の各部の厚みを検出するレーザ変位計またはレーザ顕微鏡を備えるようにしてもよい。

また、検出手段４は、必ずしも基材６の加工対象領域の全域について、パターンまたは薄膜７の状態を検出するとは限られない。加工対象領域の一部領域に限ってサンプリング的に状態を検出し、その検出した状態に基づき、加工対象領域の全域について照射すべきレーザ光Ｌの出力を決定し、レーザ光Ｌを制御しても構わない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、特にＰＥにより基材に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜を乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させるための装置として利用することができる。

１…レーザ装置
３…レーザ光照射手段
４…検出手段
５…制御手段
６…基材
７…パターンまたは薄膜
８…照明手段

Claims (5)

1. 基材に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜にレーザ光を照射して当該パターンまたは薄膜を乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させるためのものであって、
   前記パターンまたは薄膜に向けてレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
   前記パターンまたは薄膜の状態を光学的に検出する検出手段と、
   前記検出手段を介して検出される前記パターンまたは薄膜の状態に応じて前記レーザ光照射手段から当該パターンまたは薄膜に向けて照射されるレーザ光の出力を制御する制御手段と
   を具備するレーザ装置。
2. 前記検出手段として前記パターンまたは薄膜を撮影するカメラセンサを備えている請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記基材が透明性または透光性を有するものであり、
   前記カメラセンサが前記パターンまたは薄膜を撮影する側とは反対側から照明光を照射する照明手段をさらに具備する請求項２記載のレーザ装置。
4. 前記検出手段として前記パターンまたは薄膜の厚みを検出するレーザ変位計またはレーザ顕微鏡を備えている請求項１記載のレーザ装置。
5. 前記検出手段が、レーザ光が照射される対象の部位における前記パターンの厚み及び線幅を検出し、
   前記制御手段が、前記部位における前記パターンの厚み及び線幅に応じてレーザ光の出力を制御する請求項１、２、３または４記載のレーザ装置。

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