JP2022105940A - レーザ加工装置、及びレーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板に形成された画素をレーザ光で加工する際にかかる生産効率を向上させる。【解決手段】レーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路を第1の光路と、前記第1の光路とは異なる第2の光路に分岐させる第1分岐素子と、前記第1の光路上に配置された第1レーザ光学系と、前記第2の光路上に配置された第2レーザ光学系と、前記第1レーザ光学系から出射される第1レーザ光で加工される第1被加工物が載置される第1ステージと、前記第2レーザ光学系から出射される第2レーザ光で加工される第2被加工物が載置される第2ステージと、前記第1被加工物に対する前記第1レーザ光の照射位置及び前記第2被加工物に対する前記第2レーザ光の照射位置を制御するために、前記第1ステージ及び前記第2ステージの位置を制御するステージ制御部と、を有する。【選択図】図1
Description
本発明は、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関する。
近年、1個のLEDのサイズが1mm未満(ミクロンオーダ)の微小なマイクロLEDを画素とした表示装置の開発が進んでいる。当該表示装置は、サファイア基板上に発光半導体層を含む半導体積層体を形成した後に、サファイア基板と半導体積層体との境界において分離した後、分離された半導体積層体を別の支持基板に接合することで形成される。
特許文献1には、ステージに載置されたサファイア基板の一方の面に形成されたマイクロLEDを含む積層体に対して、サファイア基板の他方の面からパルス発振によるレーザ光を照射し、各々のマイクロLEDをサファイア基板から分離させるレーザリフトオフによる加工方法が記載されている。
マイクロLED表示装置を製造する際に、マイクロLEDが形成されたサファイア基板や、マイクロLEDがトランスファーされる基板(キャリア基板、回路基板等)のサイズが大きい場合、レーザ光を照射しなければならないエリアも大きくなるため、ステージを移動させる必要がある。このとき、レーザ発振の周波数に対して、ステージの移動時間の方が長い場合には、ステージの移動が完了するのを待ってレーザ光を出射しなければならないため、表示装置の生産効率が低下してしまう。また、ステージを移動させる度に、アライメント動作が必要な場合も、表示装置の生産効率が低下してしまう。
上記問題に鑑み、本発明の一実施形態では、基板に形成された画素をレーザ光で加工する際にかかる生産効率を向上させることを目的の一つとする。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ発振器と、レーザ光の光路上に配置され、レーザ光の光路を第1の光路と、第1の光路とは異なる第2の光路に分岐させる第1分岐素子と、第1の光路上に配置された第1レーザ光学系と、第2の光路上に配置された第2レーザ光学系と、第1レーザ光学系から出射される第1レーザ光で加工される第1被加工物が載置される第1ステージと、第2レーザ光学系から出射される第2レーザ光で加工される第2被加工物が載置される第2ステージと、第1被加工物に対する第1レーザ光の照射位置及び第2被加工物に対する第2レーザ光の照射位置を制御するために、第1ステージ及び第2ステージの位置を制御するステージ制御部と、を有し、第1分岐素子により、第1の光路と第2の光路とが交互に切り替えられ、ステージ制御部は、第1の光路が選択されているとき第2ステージの位置を制御し、第2の光路が選択されているとき第1ステージの位置を制御する。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法は、第1レーザ発振器からレーザ光を出射し、第1レーザ発振器の光路上に配置された第1分岐素子により分岐された第1の光路及び第1の光路とは異なる第2の光路のうち、第1の光路が選択されているとき、第1レーザ光学系から射出される第1レーザ光を第1被加工物の照射位置に照射し、第2の光路が選択されているとき、第2レーザ光学系から射出される第2レーザ光を第2加工物の照射位置に照射し、第1の光路と第2の光路とは交互に切り替えられる。
以下、本発明の実施の形態を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
<第1実施形態>
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100の構成、及びその駆動方法について、図1~図6を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100の構成、及びその駆動方法について、図1~図6を参照して説明する。
<製造装置の概略構成>
図1は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100の概略構成を説明するブロック図である。レーザ加工装置100は、制御部101、レーザ発振器103、分岐素子105、レーザ光学系107_1、107_2、及びステージ制御部108_1、108_2を有する。また、レーザ加工装置100は、この他に、レーザ制御部102、ミラー104、ミラー106_1、106_2、ステージ109_1、109_2を有する。以降の説明において、レーザ光学系107_1、107_2、ステージ制御部108_1、108_2、ステージ109_1、109_2について、それぞれを区別しない場合には、レーザ光学系107、ステージ制御部108、ステージ109と記載する。なお、ミラー106やレーザ光学系107の構成要素ついても同様である。
図1は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100の概略構成を説明するブロック図である。レーザ加工装置100は、制御部101、レーザ発振器103、分岐素子105、レーザ光学系107_1、107_2、及びステージ制御部108_1、108_2を有する。また、レーザ加工装置100は、この他に、レーザ制御部102、ミラー104、ミラー106_1、106_2、ステージ109_1、109_2を有する。以降の説明において、レーザ光学系107_1、107_2、ステージ制御部108_1、108_2、ステージ109_1、109_2について、それぞれを区別しない場合には、レーザ光学系107、ステージ制御部108、ステージ109と記載する。なお、ミラー106やレーザ光学系107の構成要素ついても同様である。
制御部101は、レーザ制御部102、レーザ光学系107、分岐素子105、及びステージ制御部108と接続されて、レーザ制御部102、レーザ光学系107、分岐素子105、及びステージ制御部108の各々の動作を制御する。
レーザ制御部102は、制御部101からの制御信号を受信することにより、レーザ出力値を設置して、レーザ発振器103に電源を供給する。
レーザ発振器103は、レーザ発振によるパルスのレーザ光10を出射するものである。レーザ発振器103は、例えば、エキシマレーザ又はUV固体レーザを用いることができるが、本発明の一実施形態では、特に限定されない。レーザ発振器103は、レーザ光10を照射する対象物や目的に対して適宜選択できる。例えば、マイクロLEDをレーザリフトオフする場合には、固体UV(Ultra Violet:紫外線)領域のYAGレーザ発振器により、第4高調波(FHG:Fourth-Harmonic Generation)である波長266nmのピコ秒パルスレーザを使用することが好ましい。また、マイクロLEDをリフトオフする場合には、エキシマレーザを用いたUV波長を用いることが好ましい。マイクロLEDを回路基板等に接合する場合には、半導体レーザとして900nm~1200nmのIRレーザを用いることが好ましい。
ミラー104は、レーザ光10の光路上に配置され、レーザ光10の光路を変更するものである。ミラー104は、レーザ発振器103から出射されたレーザ光10を反射させて、分岐素子105に向かうように光路を変更する。
分岐素子105は、レーザ光10の光路を第1の光路と、第1の光路とは異なる第2の光路とに分岐させる機能を有する。図1では、第1の光路は、第1の方向D1に沿っており、第2の光路は、第2の方向D2に沿っている。また、分岐素子105として、例えば、ビームスプリッタを用いる。図1に示す実線のレーザ光10は、分岐素子105により分岐された第1の光路について示しており、点線のレーザ光10は、分岐素子105により分岐された第2の光路について示している。
また、レーザ加工装置100は、図1に図示しないが、分岐素子105によって分岐された第1の光路のレーザ光10及び第2の光路のレーザ光10のいずれかを選択するシャッターを有していてもよい。シャッターは、分岐素子105とレーザ光学系107_1との間、及び分岐素子105とレーザ光学系107_2との間に設けられていてもよい。また、シャッターは、分岐素子105とレーザ光学系107の間において、分岐素子105とミラー106_1、106_2との間に設けられていても良いし、ミラー106_1、106_2とレーザ光学系107_1、107_2との間に設けられていても良い。または、シャッターは、レーザ光学系107_1及びレーザ光学系107_2の内部にそれぞれ設けられていてもよい。シャッターが開状態の場合はレーザ光10が通過し、シャッターが閉状態の場合はレーザ光10が遮断される。例えば、分岐素子105とレーザ光学系107_1との間に設けられたシャッターが開状態であり、分岐素子105とレーザ光学系107_2との間に設けられたシャッターが閉状態の場合は、第1の光路のレーザ光10が選択された状態となる。したがって、シャッターは、分岐素子105によって分岐された第1の光路のレーザ光10及び第2の光路のレーザ光10のいずれかを選択することができれば、配置される位置については特に限定されない。
また、本発明の一実施形態において、分岐素子105に代えて切替素子を用いてもよい。切替素子は、レーザ光10の光路を第1の光路と第2の光路とを切り替える機能を有する。切替素子として、例えば、ミラーを用いる。なお、分岐素子105に代えて切替素子を用いる場合にも、上述したシャッターは用いてもよいし、用いなくてもよい。
ステージ制御部108_1は、制御部101及びステージ109_1と接続され、ステージ制御部108_2は、制御部101及びステージ109_2と接続される。ステージ制御部108_1は、制御部101から出力される制御信号に応じて、被加工物200_1の搬送や位置決めをするステージ109_1の移動を制御する。同様に、ステージ制御部108_2は、制御部101から出力される制御信号に応じて、被加工物200_2の搬送や位置決めをするステージ109_2の移動を制御する。図1においては、ステージ109_1、109_2のそれぞれは、2つのステージ制御部108_1、108_2によって制御される例について示すが、1つのステージ制御部108によって、2つのステージ109_1、109_2を制御してもよい。ステージ109_1、109_2は、例えば、ステージの面内方向の位置決め制御を可能とするXYθステージである。
ミラー106は、レーザ光10の第1の光路もしくは第2の光路を、レーザ光学系107に向かうようにさらに光路を変更させる。ミラー106_1は、分岐素子105から射出されたレーザ光10の第1の光路を、第3の方向D3に偏向する。また、ミラー106_2は、分岐素子105から射出された第2の光路を、第3の方向D3に偏向する。なお、ミラー104、106は、分岐素子105が配置される位置に応じて、配置を変更しても良いし、適宜省略してもよい。
レーザ光学系107_1は、レーザ光10を、ステージ109_1に載置された被加工物200_1に照射する。同様に、レーザ光学系107_2は、レーザ光10を、ステージ109_2に載置された被加工物200_2に照射する。なお、レーザ光学系107_1、107_2の構成については、図2を参照して詳細に説明する。
図2は、レーザ光学系107_1、107_2の構成を説明する斜視図である。レーザ光学系107_1、107_2の近傍には、ミラー106_1、106_2が設けられている。レーザ光学系107_1は、ガルバノスキャナ170_1及び集光レンズ175_1の少なくとも一方を有する。同様に、レーザ光学系107_2は、ガルバノスキャナ170_2及び集光レンズ175_2の少なくとも一方を有する。図2は、レーザ光学系107_1がガルバノスキャナ170_1及び集光レンズ175_1の双方を有しており、レーザ光学系107_2がガルバノスキャナ170_2及び集光レンズ175_2の双方を有する構成を示している。
ガルバノスキャナ170_1は、Xスキャンミラー171_1と、Xスキャンミラー171_1を制御するX軸モータ172_1と、Yスキャンミラー173_1と、Yスキャンミラー173_1を制御するY軸モータ174_1を有する。同様に、ガルバノスキャナ170_2は、Xスキャンミラー171_2と、Xスキャンミラー171_2を制御するX軸モータ172_2と、Yスキャンミラー173_2と、Yスキャンミラー173_2を制御するY軸モータ174_2を有する。X軸モータ172_1、172_2及びY軸モータ174_1、174_2は、制御部101によって制御される。Xスキャンミラー171_1、172_2をX方向に走査することで、レーザ光10をX方向に走査させることができる。Yスキャンミラー173_1、174_2をY方向に走査させることで、レーザ光10をY方向に走査させることができる。Xスキャンミラー171_1、171_2及びYスキャンミラー173_1、173_2を走査させることで、被加工物200_1、200_2の照射エリア全体にレーザ光10を照射させることができる。ここで、照射エリアとは、ステージ109が固定された状態で、レーザ光学系107が被加工物200に対して、レーザ光10を照射することができる範囲をいう。照射エリアは、例えば、100mm2の範囲であるが、照射エリアの範囲はこれに限るものではない。したがって、被加工物200の面積が大きい場合には、被加工物200に照射エリアが複数存在し得る。さらには、ガルバノスキャナ170と被加工物200との間に、マスクを設け、マスクにて照射領域を定めるものであっても良い。
集光レンズ175_1、175_2は、例えば、fθレンズである。集光レンズ175_1は、Yスキャンミラー173を反射したレーザ光10を集光し、ステージ109_1上に配置された被加工物200_1の表面にレーザ光10を照射する。同様に、集光レンズ175_2は、Yスキャンミラー173_2を反射したレーザ光10を集光し、ステージ109_2上に配置された被加工物200_2の表面にレーザ光10を照射する。
<被加工物>
次に、本実施形態における被加工物200の一例について、図3A及び図3Bを参照して説明する。
次に、本実施形態における被加工物200の一例について、図3A及び図3Bを参照して説明する。
図3Aは、本実施形態における被加工物200の一例を示す平面図である。被加工物200は、サファイア基板201の一方の面に形成された複数のマイクロLED211を含む。ここで、サファイア基板201は、円盤形状であり、直径は、2~8インチのいずれであってもよい。なお、円盤形状については、一部がカットされた形状が含まれていてもよい。サファイア基板201の厚みは、例えば、0.2mmである。また、マイクロLED211のサイズは、例えば、縦、横、及び高さがそれぞれ3μm~300μmである。一例として、20μm(横)×20μm(縦)で、高さが10μmである。他の一例として、5μm(横)×5μm(縦)で高さが3μmである。
図3Bは、図3Aに示す被加工物200をA1-A2線に沿って切断した断面図である。被加工物200は、サファイア基板201とマイクロLED211との間に境界部212を有する。境界部212は、レーザリフトオフをする際の剥離層である。サファイア基板201の他方の面側から境界部212に、レーザ光の焦点位置を合わせて、レーザアブレーションにより、境界部212においてマイクロLED211をサファイア基板201から分離することができる。以降の説明において、サファイア基板201は、マイクロLED211が形成された一方の面はステージ109側、他方の面はレーザ光学系107側となるように配置される。
<製造装置の動作>
次に、上記の通り構成されたレーザ加工装置100の動作について、図1、図4~図6を参照して説明する。図4は、図1に示すレーザ光10の光路として第1の光路が選択されている場合を示す図であり、図5は、図1に示すレーザ光10の光路として第2の光路が選択されている場合を示す図である。また、図6は、レーザ加工装置100の動作を説明するタイミングチャートである。
次に、上記の通り構成されたレーザ加工装置100の動作について、図1、図4~図6を参照して説明する。図4は、図1に示すレーザ光10の光路として第1の光路が選択されている場合を示す図であり、図5は、図1に示すレーザ光10の光路として第2の光路が選択されている場合を示す図である。また、図6は、レーザ加工装置100の動作を説明するタイミングチャートである。
ここでは、被加工物200_1、200_2は、サファイア基板201にマイクロLED211が形成されたものである。サファイア基板201にレーザ光10を照射することで、サファイア基板201からマイクロLED211を分離する方法について説明する。また、サファイア基板201_1、201_2はそれぞれ、複数の照射エリアを有している。
時間T0において、図1に示すように構成されたレーザ加工装置100のステージ109_1に被加工物200_1がセッティングされる。被加工物200_1はサファイア基板201_1の他方の面、つまりマイクロLED211が形成されていない面が上面となるようにステージ109_1上に配置される。同様に、ステージ109_2に被加工物200_2がセッティングされる。被加工物200_2はサファイア基板201_2の他方の面、つまりマイクロLED211が形成されていない面が上面となるようにステージ109_2上に配置される。
時間T1において、制御部101から受信した制御信号により、レーザ光学系107_1において、Z方向に集光レンズ175_1の集光位置を被加工物200_1の境界部212に合わせる。制御部101からの制御信号に応じて、ステージ制御部108_1はステージ109_1をX方向及びY方向に移動させて、照射エリア210_1の位置決めをする。次に、制御部101からの制御信号に応じて、ガルバノスキャナ170_1はX軸モータ172_1及びY軸モータ174_1を制御して、Xスキャンミラー171_1及びYスキャンミラー173_1を制御する。これにより、被加工物200_1に最初にレーザ光10が照射される位置が決定される。照射エリア210_1は、最初にレーザ光10が照射される位置を基準とした所定の領域である。
時間T2において、ステージ109_1及びレーザ光学系107_1の位置決めが完了すると、レーザ発振器103からレーザ光10が出射される。出射されたレーザ光10は、ミラー104によって反射されて、分岐素子105によって第1の光路及び第2の光路に分岐される。ここで、第2の光路のレーザ光10は閉状態のシャッターにより遮断される。第1の光路のレーザ光10は、開状態のシャッターを通過して、ミラー106_1によって反射される。そして、図4に示すように、ミラー106_1によって反射されたレーザ光10は、レーザ光学系107_1に入射する。レーザ光学系107_1は、レーザ光10をXスキャンミラー171_1、Yスキャンミラー173_1によって偏向して、集光レンズ175_1によって被加工物200_1で集光する。
被加工物200_1において、サファイア基板201とマイクロLED211との間の境界部212に、レーザ光10が照射されると、境界部212でマイクロLED211をサファイア基板201から分離することができる。
その後、レーザ光学系107_1は、照射エリア210_1内をX方向及びY方向にレーザ光10を移動させながら照射する。照射エリア210_1内に、マイクロLED211が、例えば、横20個、縦20個などと縦横に複数個配置されている場合には、これら全てのマイクロLED211に対してレーザ光10を照射して、マイクロLED211を分離する。これにより、照射エリア210_1内に配置された複数のマイクロLED211をサファイア基板201から分離することができる。照射エリア210_1内における全てのマイクロLED211をサファイア基板201から分離させることが完了すると、制御部101はレーザ光学系107_1からのレーザ光の照射を停止させる。
時間T2において、レーザ光学系107_1が、照射エリア210_1内に配置された複数のマイクロLED211をサファイア基板201から分離させている間に、制御部101は、レーザ光学系107_2及びステージ109_2の位置決めを行う。
制御部101から受信した制御信号により、レーザ光学系107_2において、レーザ光学系107_1と同様に、Z方向に集光レンズ175_2の集光位置を被加工物200_2の境界部212に合わせる。制御部101からの制御信号に応じて、ステージ制御部108_2はステージ109_2をX方向及びY方向に移動させて、照射エリア220_1の位置決めをする。次に、制御部101からの制御信号に応じて、ガルバノスキャナ170_2はX軸モータ172_2及びY軸モータ174_2を制御して、Xスキャンミラー171_2及びYスキャンミラー173_2を制御する。これにより、被加工物200_2に最初にレーザ光10が照射される位置が決定される。照射エリア220_1は、最初にレーザ光10が照射される位置を基準とした所定の領域である。
時間T3において、レーザ光10の光路を、第1の光路から第2の光路に切り替える。ここで、第1の光路のレーザ光10は、閉状態のシャッターにより遮断される。第2の光路のレーザ光10は、ミラーに106_2に向かって直進し、さらにミラー106_2によって反射される。そして、図5に示すように、ミラー106_2によって反射されたレーザ光10は、レーザ光学系107_2に入射する。レーザ光学系107_2は、レーザ光10をXスキャンミラー171_2、Yスキャンミラー173_2によって偏向して、集光レンズ175_2によって被加工物200_2で集光する。
なお、時間T2において、レーザ光学系107_1が、照射エリア210内に配置された複数のマイクロLED211をサファイア基板201から分離させている間に、レーザ光学系107_2及びステージ109_2の位置決めが完了している場合には、直ちに、レーザ光10の光路を選択することができるため好ましい。これに対し、レーザ光学系107_1が、照射エリア210内に配置された複数のマイクロLED211をサファイア基板201から分離させている間に、レーザ光学系107_2及びステージ109_2の位置決めが完了していない場合には、レーザ発振器103からレーザ光10の出射を一時的に停止してもよい。この場合、レーザ光学系107_2及びステージ109_2の位置決めが完了したら、レーザ光10の光路を第1の光路から第2の光路に切り替えて、再度、レーザ発振器からレーザ光を出射すればよい。
レーザ光学系107_2は、照射エリア220_1内をX方向及びY方向にレーザ光10を移動させながら照射する。照射エリア220_1内に、マイクロLED211が縦横に複数個配置されている場合には、これら全てのマイクロLED211に対して、レーザ光10を照射して、マイクロLED211を分離する。これにより、照射エリア220_1内に配置された複数のマイクロLED211の全てをサファイア基板201から分離することができる。照射エリア220_1内における全てのマイクロLED211をサファイア基板201から分離させることが完了すると、制御部101はレーザ光学系107_2からのレーザ光の照射を停止させる。
時間T3において、レーザ光学系107_2が、照射エリア220_1内に配置された複数のLED211をサファイア基板201から分離させている間に、制御部101は、照射エリア210_1に隣接する照射エリア210_2に対してレーザ光学系107_1及びステージ109_1の位置決めを行う。図5において、照射エリア210_2は、照射エリア210_1に対して、X方向に隣接する照射エリアである場合について示すが、Y方向に隣接する照射エリアであってもよい。
図6において、時間T4及び時間T6における動作については、時間T2の記載を参照すればよく、時間T5における動作については、時間T3の記載を参照すればよい。レーザ加工装置100は、時間T4以降、被加工物200_1が有する複数の照射エリア210の全て及び被加工物200_2が有する複数の照射エリア220の全てに対してレーザ光10を照射して、サファイア基板に形成された全てのマイクロLED211が分離されるまで、上記の動作を繰り返す。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100によれば、複数のレーザ光学系107_1、107_2を有するため、一方のレーザ光学系に対応する被加工物200にレーザ光を照射している間に、他方のレーザ光学系に対応する被加工物200が配置される位置にステージ109を移動させることができる。その後、一方のレーザ光学系107に対応する被加工物200の照射エリア内へのレーザ光10の照射が完了したら、レーザ光10が進行する方向を変更して、他方のレーザ光学系107に対応する被加工物200の照射エリア内へのレーザ光10の照射を開始する。他方のレーザ光学系107に対応する被加工物200にレーザ光10を照射している間に、一方のレーザ光学系107に対応する被加工物200の照射エリアにステージ109を移動させることができる。これにより、大面積の基板に形成された画素をレーザ光で加工する際にかかる生産効率を向上させることができる。
以上説明した通り、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100は、2つの被加工物200_1、200_2の照射エリア210_1、220_1、210_2というように、交互にレーザを照射することができるため、タクトタイムを減少させることができる。また、複数の被加工物200_1、200_2に対してほぼ同時に処理を行うことが可能である。また、一つのレーザ発振器103に対して、複数の被加工物200_1、200_2を処理することができる。これにより、レーザ発振器103を増やす場合と比較して、大幅に装置コストを減少させることができる。
本実施形態では、1つのレーザ発振器103に対して、2つのレーザ光学系107_1、107_2及びステージ109_1、109_2を用いる場合について説明したが、本発明の一実施形態はこれに限定されない。1つのレーザ発振器103に対して、3つ以上のレーザ光学系107及び3つ以上のステージ109を用いてもよい。3つのレーザ光学系を用いる場合には、例えば、分岐素子105により分岐されたレーザ光に対してさらに分岐素子を用いて、レーザ光を2つに分割させる。そして、分割されたレーザ光のそれぞれを、2つのレーザ光学系107に入射させる。このとき、上述の2つのレーザ光学系107は、同じ動作をすることが好ましい。また、上述の2つのレーザ光学系107は、第2状態の分岐素子105を反射したレーザ光10が入射されるレーザ光学系107と交互に動作させることが好ましい。
また、本実施形態では、レーザ加工装置100を、サファイア基板201に形成されたマイクロLED211をレーザ光によって分離する工程に適用する場合について説明したが、本発明の一実施形態はこれに限定されない。例えば、マイクロLED表示装置の製造工程において、トランジスタが形成された回路基板に、マイクロLEDを接合する工程に適用してもよい。具体的には、レーザ加工装置100を、トランジスタが形成された回路基板に、分離されたマイクロLEDを搭載して、マイクロLEDの端子とトランジスタの端子とを、レーザ光により接合する工程に適用してもよい。
<第2実施形態>
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100Aの構成、及びその駆動方法について、図7~図10を参照して説明する。以降の説明において、レーザ加工装置100と同一部分又は同様な機能を有する部分には、同様な符号を付し、繰り返しの説明は省略する。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100Aの構成、及びその駆動方法について、図7~図10を参照して説明する。以降の説明において、レーザ加工装置100と同一部分又は同様な機能を有する部分には、同様な符号を付し、繰り返しの説明は省略する。
<製造装置の概略構成>
図7は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100Aの概略構成を説明するブロック図である。レーザ加工装置100Aは、制御部101、レーザ発振器103_1、103_2、分岐素子105_1、105_2、レーザ光学系107_1~107_4、及びステージ制御部108_1~108_4を有する。また、レーザ加工装置100Aは、この他に、レーザ制御部102_1、102_2、ミラー104_1、104_2、ミラー106_1~106_4、ステージ109_1~109_4を有する。なお、レーザ加工装置100Aの構成要素について、レーザ発振器103_1、分岐素子105_1、レーザ制御部102_1、ミラー104_1、ミラー106_1、106_2については、第1実施形態において説明したレーザ発振器103、分岐素子105、レーザ制御部102、ミラー104、ミラー106と同様である。
図7は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100Aの概略構成を説明するブロック図である。レーザ加工装置100Aは、制御部101、レーザ発振器103_1、103_2、分岐素子105_1、105_2、レーザ光学系107_1~107_4、及びステージ制御部108_1~108_4を有する。また、レーザ加工装置100Aは、この他に、レーザ制御部102_1、102_2、ミラー104_1、104_2、ミラー106_1~106_4、ステージ109_1~109_4を有する。なお、レーザ加工装置100Aの構成要素について、レーザ発振器103_1、分岐素子105_1、レーザ制御部102_1、ミラー104_1、ミラー106_1、106_2については、第1実施形態において説明したレーザ発振器103、分岐素子105、レーザ制御部102、ミラー104、ミラー106と同様である。
レーザ制御部102_2は、制御部101からの制御信号を受信することにより、レーザ出力値を設置して、レーザ発振器103_2に電源を供給する。
レーザ発振器103_2は、レーザ発振によるパルスのレーザ光20を出射するものである。レーザ発振器103_2は、例えば、エキシマレーザ又はUV固体レーザを用いることができるが、本発明の一実施形態では、特に限定されない。レーザ発振器103_2は、レーザ光20を照射する対象物や目的に対して適宜選択できる。例えば、マイクロLEDをレーザリフトオフする場合には、例えば、固体UV(Ultra Violet:紫外線)領域のYAGレーザ発振器により、第4高調波(FHG:Fourth-Harmonic Generation)である波長266nmのピコ秒パルスレーザを使用することが好ましい。また、マイクロLEDをリフトオフする場合には、エキシマレーザを用いたUV波長を用いることが好ましい。マイクロLEDを回路基板等に接合する場合には、半導体レーザとして900nm~1200nmのIRレーザを用いることが好ましい。本実施形態では、被加工物200_1~200_4に対して、レーザリフトオフするため、レーザ発振器103_1、103_2として、同じレーザ光源を用いることが好ましい。
ミラー104_2は、レーザ光10の光路上に配置され、レーザ光20の光路を変更するものである。ミラー104_2は、レーザ発振器103_2から出射されたレーザ光20を反射させて、分岐素子105_2に向かうように光路を変更する。
分岐素子105_2は、レーザ光20の光路を第3の光路と、第3の光路とは異なる第4の光路とに分岐させる機能を有する。図7では、第3の光路は、第2の方向D2に沿っており、第4の光路は、第1の方向D1に沿っている。また、分岐素子105_2として、例えば、ビームスプリッタを用いる。図7に示す実線のレーザ光20は、分岐素子105_2により分岐された第3の光路について示しており、点線のレーザ光20は、分岐素子105_2により分岐された第4の光路について示している。
また、レーザ加工装置100Aは、図7に図示しないが、分岐素子105_2によって分岐された第3の光路のレーザ光20及び第4の光路のレーザ光20のいずれかを選択するシャッターを有していてもよい。シャッターは、分岐素子105_2とレーザ光学系107_3との間、及び分岐素子105_2とレーザ光学系107_4との間に設けられていてもよい。また、シャッターは、分岐素子105_2とレーザ光学系107_4の間において、分岐素子105_2とミラー106_3及び106_4との間に設けられていても良いし、ミラー106_3及びミラー104_4とレーザ光学系107_3及び107_4との間に設けられていても良い。または、シャッターは、レーザ光学系107_3及びレーザ光学系107_4の内部にそれぞれ設けられていてもよい。シャッターが開状態の場合はレーザ光20が通過し、シャッターが閉状態の場合はレーザ光20が遮断される。例えば、分岐素子105_2とレーザ光学系107_3との間に設けられたシャッターが開状態であり、分岐素子105_2とレーザ光学系107_4との間に設けられたシャッターが閉状態の場合は、第3の光路のレーザ光20が選択された状態となる。シャッターは、分岐素子105_2によって分岐された第3の光路のレーザ光20及び第4の光路のレーザ光20のいずれかを選択することができれば、配置される位置については特に限定されない。
また、本発明の一実施形態において、分岐素子105_2に代えて切替素子を用いてもよい。切替素子は、レーザ光20の光路を第3の光路と第4の光路とを切り替える機能を有する。切替素子として、例えば、ミラーを用いる。なお、分岐素子105_2に代えて切替素子を用いる場合には、上述したシャッターは用いなくてもよい。
ステージ制御部108_3は、制御部101及びステージ109_3と接続され、ステージ109_3は、制御部101及びステージ109_3と接続される。ステージ制御部108_3は、制御部101から出力される制御信号に応じて、被加工物200_3の搬送や位置決めをするステージ109_3の移動を制御する。同様に、ステージ制御部108_4は、制御部101から出力される制御信号に応じて、被加工物200_4の搬送や位置決めをするステージ109_4の移動を制御する。図7においては、ステージ109_1~109_4のそれぞれは、4つのステージ制御部108_1~108_4によって制御される例について示すが、1つのステージ制御部108によって、ステージ109_1~109_4を制御してもよい。ステージ109_3、109_4は、例えば、ステージの面内方向の位置決め制御を可能とするXYθステージである。
ミラー106_3は、レーザ光20の第3の光路をレーザ光学系107_3に向かうように、第3の方向D3に変更させる。また、ミラー106_4は、レーザ光20の第4の光路をレーザ光学系107_4に向かうように、第3の方向D3に変更させる。なお、ミラー104_2、106_3、106_4は、分岐素子105_2が配置される位置に応じて、配置を変更しても良いし、適宜省略してもよい。
レーザ光学系107_3は、レーザ光20を、ステージ109_3に載置された被加工物200_3に照射する。同様に、レーザ光学系107_4は、レーザ光20を、ステージ109_4に載置された被加工物200_4に照射する。なお、レーザ光学系107_3、107_4の構成については、図8に示す通りである。
図8は、レーザ光学系107_3、107_4の構成を説明する斜視図である。レーザ光学系107_3は、ガルバノスキャナ170_3及び集光レンズ175_3の少なくとも一方を有する。同様に、レーザ光学系107_4は、ガルバノスキャナ170_4及び集光レンズ175_4の少なくとも一方を有する。図8は、レーザ光学系107_3がガルバノスキャナ170_3及び集光レンズ175_3の双方を有しており、レーザ光学系107_4がガルバノスキャナ170_4及び集光レンズ175_4の双方を有する構成を示している。レーザ光学系107_3、107_4の構成については、図2に記載のレーザ光学系107_1、107_2の構成の説明を参照すればよい。
<製造装置の動作>
次に、上記の通り構成されたレーザ加工装置100の動作について、図7~図9を参照して説明する。図9は、レーザ加工装置100の動作を説明するタイミングチャートである。本実施形態では、制御部101が、ステージ109_1、109_3及びレーザ光学系107_1、107_3を同時に制御し、ステージ109_2、109_4及びレーザ光学系107_2、107_4を同時に制御する方法について説明する。なお、ステージ109_1、109_2、及びレーザ光学系107_1、107_2の動作については、図6に示すタイミングチャートと同様であるため、適宜説明を省略する。
次に、上記の通り構成されたレーザ加工装置100の動作について、図7~図9を参照して説明する。図9は、レーザ加工装置100の動作を説明するタイミングチャートである。本実施形態では、制御部101が、ステージ109_1、109_3及びレーザ光学系107_1、107_3を同時に制御し、ステージ109_2、109_4及びレーザ光学系107_2、107_4を同時に制御する方法について説明する。なお、ステージ109_1、109_2、及びレーザ光学系107_1、107_2の動作については、図6に示すタイミングチャートと同様であるため、適宜説明を省略する。
ここでは、被加工物200_3、200_4は、サファイア基板201にマイクロLED211が形成されたものである。サファイア基板201にレーザ光10を照射することで、サファイア基板201からマイクロLED211を分離する方法について説明する。また、サファイア基板201_3、201_4はそれぞれ、複数の照射エリアを有している。
時間T0において、図7に示すように構成されたレーザ加工装置100Aのステージ109_3に被加工物200_3がセッティングされる。被加工物200_3はサファイア基板201_3の他方の面、つまりマイクロLED211が形成されていない面が上面となるようにステージ109_3上に配置される。同様に、ステージ109_4に被加工物200_4がセッティングされる。被加工物200_4はサファイア基板201_4の他方の面、つまりマイクロLED211が形成されていない面が上面となるようにステージ109_4上に配置される。
時間T1において、制御部101から受信した制御信号により、レーザ光学系107_3において、Z方向に集光レンズ175_3の集光位置を被加工物200_3の境界部212に合わせる。制御部101からの制御信号に応じて、ステージ制御部108_3はステージ109_3をX方向及びY方向に移動させて、照射エリア230_1の位置決めをする。次に、制御部101からの制御信号に応じて、ガルバノスキャナ170_3はX軸モータ172_3及びY軸モータ174_3を制御して、Xスキャンミラー171_3及びYスキャンミラー173_3を制御する。これにより、被加工物200_3に最初にレーザ光20が照射される位置が決定される。照射エリア230_1は、最初にレーザ光20が照射される位置を基準とした所定の領域である。
時間T2において、ステージ109_3及びレーザ光学系107_3の位置決めが完了すると、レーザ発振器103_2からレーザ光20が出射される。出射されたレーザ光20は、ミラー104_2によって反射されて、分岐素子105_2によって第3の光路及び第4の光路に分岐される。ここで、第4の光路のレーザ光20は閉状態のシャッターにより遮断される。第3の光路のレーザ光20は、開状態のシャッターを通過して、ミラー106_3によって反射される。そして、ミラー106_3によって反射されたレーザ光20は、レーザ光学系107_3に入射する。レーザ光学系107_3は、レーザ光20をXスキャンミラー171_3、Yスキャンミラー173_3によって偏向して、集光レンズ175_3によって被加工物200_3で集光する。
被加工物200_3において、サファイア基板201とマイクロLED211との間の境界部212に、レーザ光20が照射されると、マイクロLED211をサファイア基板201から分離することができる。
その後、レーザ光学系107_3は、照射エリア230_1内をX方向及びY方向にレーザ光20を移動させながら照射する。照射エリア230_1内に、マイクロLED211が、縦横に複数個配置されている場合には、これら全てのマイクロLED211に対して、レーザ光20を照射して、マイクロLED211を分離する。これにより、照射エリア230_1内に配置された複数のマイクロLED211をサファイア基板201から分離することができる。照射エリア230_1内における全てのマイクロLED211をサファイア基板201から分離させることが完了すると、制御部101は、レーザ光学系107_3のレーザ光20からのレーザ光の照射を停止させる。
時間T2において、レーザ光学系107_3が、照射エリア230_1内に配置された複数のマイクロLED211をサファイア基板201から分離させている間に、制御部101は、レーザ光学系107_4及びステージ109_4の位置決めを行う。
制御部101から受信した制御信号により、レーザ光学系107_4において、レーザ光学系107_3と同様に、Z方向に集光レンズ175_2の集光位置を被加工物200_4の境界部212に合わせる。制御部101からの制御信号に応じて、ステージ制御部108_4はステージ109_4をX方向及びY方向に移動させて、照射エリア240_1の位置決めをする。次に、制御部101からの制御信号に応じて、ガルバノスキャナ170_4はX軸モータ172_4及びY軸モータ174_4を制御して、Xスキャンミラー171_4及びYスキャンミラー173_4を制御する。これにより、被加工物200_4に最初にレーザ光20が照射される位置が決定される。照射エリア240_1は、最初にレーザ光20が照射される位置を基準とした所定の領域である。
時間T3において、レーザ光20の光路を、第3の光路から第4の光路に切り替える。ここで、第3の光路のレーザ光20は、閉状態のシャッターにより遮断される。第4の光路のレーザ光20は、ミラー106_4に向かって直進し、さらにミラー106_4によって反射される。そのため、ミラー106_4によって反射されたレーザ光20は、レーザ光学系107_4に入射する。レーザ光学系107_4は、レーザ光20をXスキャンミラー171_4、Yスキャンミラー173_4によって偏向して、集光レンズ175_4によって被加工物200_4で集光する。
レーザ光学系107_4は、照射エリア240_1内をX方向及びY方向にレーザ光10を移動させながら照射する。照射エリア240_1内に、マイクロLED211が縦横に複数個配置されている場合には、これら全てのマイクロLED211に対して、レーザ光10を照射して、マイクロLED211を分離する。これにより、照射エリア240_1内に配置された複数のマイクロLED211の全てをサファイア基板201から分離することができる。照射エリア240_1内における全てのマイクロLED211をサファイア基板201から分離させることが完了すると、制御部101はレーザ光学系107_4からのレーザ光の照射を停止させる。
時間T3において、レーザ光学系107_4が、照射エリア240_1内に配置された複数のLED211をサファイア基板201から分離させている間に、制御部101は、照射エリア230_1に隣接する照射エリア230_2に対してレーザ光学系107_3及びステージ109_3の位置決めを行う。照射エリア230_2は、照射エリア230_1に対して、X方向に隣接する照射エリアである場合について示すが、Y方向に隣接する照射エリアであってもよい。
図9において、時間T4及び時間T6における動作については、時間T2の記載を参照すればよく、時間T5における動作については、時間T3の記載を参照すればよい。レーザ加工装置100Aは、時間T4以降、被加工物200_3が有する複数の照射エリア230の全て及び被加工物200_4が有する照射エリア240の全てに対してレーザ光20を照射して、サファイア基板に形成された全てのマイクロLED211が分離されるまで、上記の動作を繰り返す。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置100Aによれば、2つのレーザ発振器103_1、103_2を有し、それぞれのレーザ発振器103_1、103_2に対して、複数のレーザ光学系107を同期させることができる。これにより、レーザ加工装置100Aは、一度に処理することができる被加工物200の数を増加させることができるため、表示装置の生産効率が向上する。
なお、本実施形態では、ステージ109_1、109_3及びレーザ光学系107_1、107_3を同時に制御し、ステージ109_2、109_4及びレーザ光学系107_2、107_4を同時に制御する方法について説明したが、本発明の一実施形態はこれに限定されない。ステージ109_1、109_4及びレーザ光学系107_1、107_4を同時に制御し、ステージ109_2、109_3及びレーザ光学系107_2、107_3を同時に制御してもよい。
また、制御部101は、ステージ109_1とステージ109_2とを交互に制御し、ステージ109_3とステージ109_4とを交互に制御していればよく、レーザ光学系107_1、107_2とレーザ光学系107_3、107_4とを同期させて制御する必要はない。つまり、レーザ光学系107_1、107_2とレーザ光学系107_3、107_4とを、各々異なるタイミングで制御してもよい。
図10は、レーザ加工装置100Aの動作を説明するタイミングチャートである。図10に示すように、レーザ光10が第1の光路と第2の光路とに切り替えられるタイミングと、レーザ光20が第3の光路と第4の光路とに切り替えられるタイミングと、が異なっている。具体的には、レーザ光10が、時間t5において、第1の光路から第2の光路に切り替えられるのに対して、レーザ光20は、時間t6において第3の光路から第4の光路に切り替えられる。このように、レーザ光学系107_1、107_2とレーザ光学系107_3、107_4は、同期して動作しなくても良く、独立して動作してもよい。
本実施形態では、被加工物200_1~200_4に対し、レーザリフトオフをする場合したが、本発明の一実施形態はこれに限定されない。被加工物200_1、200_2には、レーザリフトオフをし、被加工物200_2、200_4に対して、レーザリフトオフ以外の処理をしてもよい。この場合には、被加工物200_1~200_4を処理する目的に応じて、レーザ発振器103_2の光源と、レーザ発振器103_1の光源とを異ならせてもよい。例えば、被加工物200_1、200_2に対し、マイクロLEDをリフトオフする場合には、レーザ発振器103_1、103_2として、エキシマレーザを用いればよい。また、被加工物200_3、200_4に対し、マイクロLEDを回路基板等に接合する場合には、半導体レーザを用いればよい。この場合に、レーザ光学系107_1~107_4及びステージ109_1~109_4を、図9に示すタイミングチャートで動作させてもよいし、図10に示すタイミングチャートで動作させてもよい。
本発明の実施形態及び実施例として説明したレーザ加工装置を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。また、上述した各実施形態は、技術的矛盾の生じない範囲において、相互に組み合わせることが可能である。
また、上述した実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。
本発明の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に相当し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
10、20:レーザ光、100、100A:レーザ加工装置、101:制御部、102:レーザ制御部、103:レーザ発振器、104:ミラー、105:分岐素子、106:ミラー、107:レーザ光学系、108:ステージ制御部、109:ステージ、170:ガルバノスキャナ、171:Xスキャンミラー、172:X軸モータ、173:Yスキャンミラー、174:Y軸モータ、175:集光レンズ、200:被加工物、201:サファイア基板、210:照射エリア、211:マイクロLED、212:境界部、220:照射エリア、230:照射エリア、240:照射エリア
Claims (14)
- レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路を第1の光路と、前記第1の光路とは異なる第2の光路に分岐させる第1分岐素子と、
前記第1の光路上に配置された第1レーザ光学系と、
前記第2の光路上に配置された第2レーザ光学系と、
前記第1レーザ光学系から出射される第1レーザ光で加工される第1被加工物が載置される第1ステージと、
前記第2レーザ光学系から出射される第2レーザ光で加工される第2被加工物が載置される第2ステージと、
前記第1被加工物に対する前記第1レーザ光の照射位置及び前記第2被加工物に対する前記第2レーザ光の照射位置を制御するために、前記第1ステージ及び前記第2ステージの位置を制御するステージ制御部と、を有し、
前記第1分岐素子により、前記第1の光路と前記第2の光路とが交互に切り替えられ、
前記ステージ制御部は、前記第1の光路が選択されているとき前記第2ステージの位置を制御し、前記第2の光路が選択されているとき前記第1ステージの位置を制御する、
レーザ加工装置。 - 前記第1レーザ光学系は、第1ガルバノスキャナ及び第1集光レンズの少なくとも一方を有する、請求項1に記載のレーザ加工装置。
- 前記第2レーザ光学系は、第2ガルバノスキャナ及び第2集光レンズの少なくとも一方を有する、請求項1に記載のレーザ加工装置。
- 前記第1分岐素子は、ビームスプリッタである、請求項1に記載のレーザ加工装置。
- 前記第1分岐素子に替えて、第1切替素子を用い、
前記第1切替素子は、前記レーザ光の光路を前記第1の光路と、前記第2の光路とに切り替える、請求項1に記載のレーザ加工装置。 - レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路を第3の光路と、前記第3の光路とは異なる第4の光路に分岐させる第2分岐素子と、
前記第3の光路上に配置された第3レーザ光学系と、
前記第4の光路上に配置された第4レーザ光学系と、
前記第3レーザ光学系から出射される第3レーザ光で加工される第3被加工物が載置される第3ステージと、
前記第4レーザ光学系から出射される第4レーザ光で加工される第4被加工物が載置される第4ステージと、を有し、
前記ステージ制御部は、前記第3被加工物に対する前記第3レーザ光の照射位置及び前記第4被加工物に対する前記第4レーザ光の照射位置を制御するために、前記第3ステージ及び前記第4ステージの位置を制御し、
前記第2分岐素子により、前記第1の光路と前記第3の光路とが交互に切り替えられ、
前記ステージ制御部は、前記第3の光路が選択されているとき前記第4ステージの位置を制御し、前記第4の光路が選択されているとき前記第3ステージの位置を制御する、請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 前記第2分岐素子に替えて、第2切替素子を用い、
前記第2切替素子は、前記レーザ光の光路を前記第1の光路と、前記第2の光路とに切り替える、請求項6に記載のレーザ加工装置。 - 第1レーザ発振器からレーザ光を出射し、
前記第1レーザ発振器の光路上に配置された第1分岐素子により分岐された第1の光路及び前記第1の光路とは異なる第2の光路のうち、前記第1の光路が選択されているとき、第1レーザ光学系から射出される第1レーザ光を第1被加工物の照射位置に照射し、
前記第2の光路が選択されているとき、第2レーザ光学系から射出される第2レーザ光を第2加工物の照射位置に照射し、
前記第1の光路と前記第2の光路とは交互に切り替えられる、レーザ加工方法。 - 前記第1レーザ光学系は、第1ガルバノスキャナ及び第1集光レンズの少なくとも一方を有する、請求項8に記載のレーザ加工方法。
- 第2レーザ光学系は、第2ガルバノスキャナ及び第2集光レンズの少なくとも一方を有する、請求項8に記載のレーザ加工方法。
- 前記第1分岐素子は、ビームスプリッタである、請求項8に記載のレーザ加工方法。
- 前記第1分岐素子に替えて、第1切替素子を用い、
前記第1切替素子は、前記レーザ光の光路を前記第1の光路と、前記第2の光路とに切り替える、請求項8に記載のレーザ加工方法。 - 第2レーザ発振器からレーザ光を出射し、
前記第2レーザ発振器の光路上に配置された第2分岐素子により分岐された第3の光路及び前記第3の光路とは異なる第4の光路のうち、前記第3の光路が選択されているとき、第3レーザ光学系から射出される第3レーザ光を第3被加工物の照射位置に照射し、
前記第4の光路が選択されているとき、第4レーザ光学系から射出される第4レーザ光を第4加工物の照射位置に照射し、
前記第3の光路と前記第4の光路とは交互に切り替えられる、請求項8に記載のレーザ加工方法。 - 前記第2分岐素子に替えて、第2切替素子を用い、
前記第2切替素子は、前記レーザ光の光路を前記第3の光路と、前記第4の光路とに切り替える、請求項13に記載のレーザ加工方法。
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