JP2023180325A

JP2023180325A - レーザ加工装置、及び、レーザ加工方法

Info

Publication number: JP2023180325A
Application number: JP2022093521A
Authority: JP
Inventors: 生芳高松; Ikuyoshi Takamatsu
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2023-12-21

Abstract

【課題】高速かつ高品質に基板を切断する。【解決手段】レーザ加工装置１００は、テーブル３と、レーザ光発生部１と、ガルバノスキャナ５と、を備える。テーブル３は、基板ＳＵを載置する。レーザ光発生部１は、レーザ光Ｌを発生する。ガルバノスキャナ５は、テーブル３に載置された基板ＳＵの加工線に沿って、レーザ光発生部１から発生したレーザ光Ｌを走査する。テーブル３の水平方向に対する傾斜角度は、ガルバノスキャナ５により走査されたレーザ光Ｌの水平方向に対する入射角度に従って、テーブル３の中心Ｃから端部に向けて大きくなる。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光により基板を切断するレーザ加工装置、及び、レーザ光により基板を切断するレーザ加工方法に関する。

基板上の加工線に沿ってレーザ光を走査することで、基板を加工線に沿って切断する装置及び方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この装置では、ガルバノスキャナを用いて、レーザ光を基板上で走査させている。

特開２０１３－２２６５９１号公報

ガルバノスキャナを用いてレーザ光を走査する装置においては、基板上におけるレーザ光の照射位置により、レーザ光の基板平面に対する入射角度が垂直からずれる。レーザ光の入射角度が基板平面に対して垂直からずれると、基板の切断面が基板平面に対して垂直にならず、加工品質が低下することがある。従って、高品質な加工を実現するには、レーザ光を基板平面に対して垂直に入射する必要がある。

レーザ光を基板平面に対して垂直に入射する方法としては、ガルバノスキャナを通過したレーザ光を、ｆθレンズなどのテレセントリックレンズに入射させてから基板に照射する方法がある。この方法では、基板平面に対して垂直なレーザ光を照射できる範囲が制限され、基板の広い範囲で高品質な加工を実現できない。

また、レーザ光を基板平面に対して垂直に入射する他の方法として、基板を載置したテーブルをレーザ光に対して移動させる方法も考えられる。この方法では、テーブルを移動させる速度に制限があるため、高速な加工を実現できない。

本発明の目的は、ガルバノスキャナにより基板の所定の位置にレーザ光を導いて基板を切断するレーザ加工装置において、高速かつ高品質に基板を切断することにある。

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係るレーザ加工装置は、基板をレーザ光で切断する装置である。レーザ加工装置は、テーブルと、レーザ光発生部と、ガルバノスキャナと、を備える。テーブルは、基板を載置する。レーザ光発生部は、レーザ光を発生する。ガルバノスキャナは、テーブルに載置された基板の加工線に沿って、レーザ光発生部から発生したレーザ光を走査する。このレーザ加工装置において、テーブルの水平方向に対する傾斜角度は、ガルバノスキャナにより走査されたレーザ光の水平方向に対する入射角度に従って、テーブルの中心から端部に向けて大きくなる。

上記のレーザ加工装置においては、テーブルの水平方向に対する傾斜角度を、ガルバノスキャナにより走査されたレーザ光の水平方向に対する入射角度に従って、テーブルの中心から端部に向けて大きくしている。これにより、テーブルに載置された基板の広い範囲においてレーザ光を基板平面に対して垂直に近い角度で入射できる。この結果、基板の広い範囲で高品質な切断加工が可能となる。また、テーブルをレーザ光に対して移動させる必要がないので、テーブルの移動による加工速度の制限がなくなり、高速な切断加工を実現できる。

ガルバノスキャナは、３Ｄガルバノスキャナであってもよい。これにより、レーザ光を高さ方向にも走査できるので、基板の広い範囲において、レーザ光の焦点を基板の最適な位置に配置できる。

基板は、フレキシブルな基板であってもよい。これにより、中心からずれた部分が傾斜したテーブルに密着した状態で基板を載置できる。

本発明の他の見地に係るレーザ加工方法は、基板をレーザ光で切断する方法である。レーザ加工方法は、以下のステップを備える。
◎基板をテーブルに載置するステップ。
◎レーザ光を発生するステップ。
◎ガルバノスキャナにより、テーブルに載置された基板の加工線に沿って、レーザ光を走査するステップ。

上記のレーザ加工方法において、テーブルの水平方向に対する傾斜角度は、ガルバノスキャナにより走査されたレーザ光の水平方向に対する入射角度に従って、テーブルの中心から端部に向けて大きくなる。

上記のレーザ加工方法においては、テーブルの水平方向に対する傾斜角度を、ガルバノスキャナにより走査されたレーザ光の水平方向に対する入射角度に従って、テーブルの中心から端部に向けて大きくしている。これにより、テーブルに載置された基板の広い範囲においてレーザ光を基板平面に対して垂直に近い角度で入射できる。この結果、基板の広い範囲で高品質な切断加工が可能となる。また、テーブルをレーザ光に対して移動させる必要がないので、テーブルの移動による加工速度の制限がなくなり、高速な切断加工を実現できる。

レーザ光による高速かつ高品質な基板の切断加工を実現できる。

レーザ加工装置の上面図。レーザ加工装置の側面図。テーブルの中心からずれた位置においてレーザ光が基板に対して垂直に入射している状態の一例を示す図。基板の切断動作を示すフローチャート。基板の主面に対して垂直でない角度でレーザ光を入射した場合の基板の切断状態の一例を示す図。基板の主面に対して垂直にレーザ光を入射した場合の基板の切断状態の一例を示す図。

１．第１実施形態
（１）レーザ加工装置の構成
図１及び図２を用いて、レーザ加工装置１００の構成を説明する。図１は、レーザ加工装置の上面図である。図２は、レーザ加工装置の側面図である。以下の説明において、図１の左右方向をＸ方向と、上下方向をＹ方向と、図２の上下方向をＺ方向と定義する。

レーザ加工装置１００は、基板ＳＵに設定された加工線に沿ってレーザ光Ｌを走査することにより、基板ＳＵを加工線に沿って切断する装置である。レーザ加工装置１００における加工対象である基板ＳＵは、例えば、樹脂製の基板などのフレキシブルな基板である。より詳細には、基板ＳＵは、例えば、有機ＥＬ素子が表面に形成された樹脂製の基板である。レーザ加工装置１００は、レーザ光発生部１と、テーブル３と、ガルバノスキャナ５と、制御部７と、を備える。

レーザ光発生部１は、制御部７による制御により、基板ＳＵに照射するレーザ光Ｌを発生させるレーザ発振器である。レーザ光発生部１は、例えば、紫外光領域の波長を有するパルスレーザ光を出射するレーザ発振器である。なお、上記のレーザ光Ｌの波長は一例であり、レーザ光Ｌの波長は基板ＳＵの種類（材料）に応じて適宜変更できる。

テーブル３は、基板ＳＵを載置するための部材である。図２に示すように、テーブル３の中心Ｃは、ガルバノスキャナ５を通過したレーザ光ＬがＸ－Ｙ平面に対して垂直に入射する位置に配置される。また、テーブル３のＸ－Ｙ平面（水平方向）に対する傾斜角度は、ガルバノスキャナ５により走査されたレーザ光Ｌの水平方向に対する入射角度に従って、テーブル３の中心Ｃから端部に向けて大きくなっている。詳細には、テーブル３は、例えば、中心Ｃを底にした略半円球形状を有している。この略半円球の中心は、第２ガルバノミラー５ｂに位置する。基板ＳＵは、略半円球のテーブル３の内壁側に載置される。

ガルバノスキャナ５によりレーザ光ＬをＸ方向とＹ方向に走査した場合、当該レーザ光Ｌの焦点Ｆが描く軌跡は、第２ガルバノミラー５ｂの配置位置を中心とした半円球形状かそれに近い形状となる。テーブル３が、このレーザ光Ｌの焦点Ｆの軌跡に対応する形状、すなわち、第２ガルバノミラー５ｂに中心を有する略半円球形状を有することで、図３に示すように、テーブル３に載置された基板ＳＵのいずれの位置においても、第２ガルバノミラー５ｂにて反射されたレーザ光Ｌは、基板ＳＵに対してほぼ垂直に入射する。図３は、テーブルの中心からずれた位置においてレーザ光が基板に対して垂直に入射している状態の一例を示す図である。この結果、後述するように、基板ＳＵの切断面が基板ＳＵの主面に対して垂直となった高品質の切断を実現できる。

なお、テーブル３の形状は、第２ガルバノミラー５ｂを反射したレーザ光Ｌが基板ＳＵに対して垂直から若干ずれた角度（例えば、垂直から１～２°程度ずれた角度）で入射する形状とすることが好ましい。すなわち、テーブル３の形状は、真半円球から若干ずれた形状を有していることが好ましい。

本発明の発明者は、レーザ光Ｌを基板ＳＵ（特に、樹脂製の基板ＳＵ）に対して垂直に入射しても、基板ＳＵの切断面が基板ＳＵの主面に対して垂直にならないことを見いだした。このため、テーブル３の形状を、レーザ光Ｌが基板ＳＵに対して垂直から若干ずれた角度で入射する形状（すなわち、略半円球形状）とすることにより、基板ＳＵの切断面を基板ＳＵの主面に対してより垂直に近づけることができる。

テーブル３の形状は、基板ＳＵの切断箇所においてレーザ光Ｌが基板ＳＵに対してほぼ垂直に入射する形状を有していればよく、基板ＳＵの切断箇所などに応じて、略半円球形状以外の任意の形状とできる。例えば、テーブル３を、基板ＳＵの加工部分周辺（例えば、加工線から所定の距離だけ内側の部分と外側端材部）を傾斜させ、その他の部分をフラットとする（すなわち、傾斜させない）こともできる。これにより、テーブル３において生じる凹凸を必要最低限とし、テーブル３の段差を小さくできる。

テーブル３には複数の細孔（図示せず）が設けられている。基板ＳＵはフレキシブルな基板であるので、テーブル３に基板ＳＵを載置後にこの細孔を介して基板ＳＵを吸引することで、略半円球形状のテーブル３に密着させた状態で基板ＳＵを載置できる。

ガルバノスキャナ５は、テーブル３に載置された基板ＳＵの加工線に沿って、レーザ光発生部１から発生したレーザ光Ｌを走査する。ガルバノスキャナ５は、レーザ光ＬをＸ方向とＹ方向とに走査するとともに、レーザ光Ｌの焦点のＺ方向の位置も調整可能な３Ｄガルバノスキャナである。詳細には、ガルバノスキャナ５は、第１ガルバノミラー５ａと、第２ガルバノミラー５ｂと、レンズ５ｃと、を有する。

第１ガルバノミラー５ａは、レーザ光発生部１から発生したレーザ光Ｌを、第２ガルバノミラー５ｂに向けて反射させる。第１ガルバノミラー５ａは、第１モータ５１ａによりＺ軸周りに回転可能となっている。第１モータ５１ａは、制御部７に接続され、制御部７により制御される。すなわち、第１ガルバノミラー５ａのＺ方向からみた回転角度は、制御部７により制御可能である。

第１ガルバノミラー５ａの回転角度を変化させて、レーザ光Ｌの第１ガルバノミラー５ａへの入射角を変化させ、これにより第２ガルバノミラー５ｂにおけるレーザ光ＬのＸ方向における入射位置が変化させることで、レーザ光Ｌの焦点ＦをＸ方向に沿って走査できる。すなわち、制御部７により第１ガルバノミラー５ａの回転角度を制御することで、レーザ光Ｌの焦点ＦをＸ方向に沿って走査できる。

第２ガルバノミラー５ｂは、第１ガルバノミラー５ａにて反射されたレーザ光Ｌを、テーブル３（基板ＳＵ）に向けて反射させる。第２ガルバノミラー５ｂは、第２モータ５１ｂによりＸ軸周りに回転可能となっている。第２モータ５１ｂは、制御部７に接続され、制御部７により制御される。すなわち、第２ガルバノミラー５ｂのＸ方向からみた回転角度は、制御部７により制御可能である。

第２ガルバノミラー５ｂの回転角度を変化させてレーザ光Ｌの第２ガルバノミラー５ｂへの入射角を変化させることで、レーザ光Ｌの焦点ＦをＹ方向に沿って走査できる。すなわち、制御部７により第２ガルバノミラー５ｂの回転角度を制御することで、レーザ光Ｌの焦点ＦをＹ方向に沿って走査できる。

レンズ５ｃは、レーザ光発生部１と第１ガルバノミラー５ａとの間のレーザ光Ｌの光路上に配置され、Ｘ方向に移動可能となっている。レンズ５ｃは、制御部７に接続され、制御部７により制御される。すなわち、レンズ５ｃのＸ方向の移動は、制御部７により制御可能である。レンズ５ｃのＸ方向における位置を変化させることにより、レーザ光Ｌの焦点ＦのＺ方向（すなわち、高さ方向）の位置を変化させることができる。

このように、レーザ光Ｌの焦点Ｆの位置をＺ方向にも走査可能であることにより、基板ＳＵの広い範囲において、レーザ光Ｌの焦点Ｆを基板ＳＵの最適な位置に配置できる。

制御部７は、ＣＰＵ、記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＳＳＤ、ハードディスクなど）、各種インタフェースを有するコンピュータシステムであって、記憶装置に保存されたプログラムを実行することによって、レーザ加工装置１００に関する各種制御を行う。制御部７は、レーザ光発生部１とガルバノスキャナ５を制御して、レーザ光Ｌの照射強度、及び、レーザ光Ｌの焦点Ｆの基板ＳＵにおける照射位置を調整する。

（２）基板の切断動作
以下、図４を用いて、上記の構成を有するレーザ加工装置１００による基板ＳＵの切断動作を説明する。図４は、基板の切断動作を示すフローチャートである。まず、必要に応じてレーザ加工装置１００の各構成要素を調整する。その後、テーブル３に基板ＳＵを載置する（ステップＳ１）。詳細には、基板ＳＵをテーブル３に載置し、テーブル３に設けられた細孔を介して基板ＳＵを吸引する。これにより、基板ＳＵがテーブル３に密着し、テーブル３の形状に対応するよう変形する。

テーブル３に基板ＳＵを載置後、制御部７によりレーザ光発生部１を制御して、予め設定した強度に調整されたレーザ光Ｌを出力する（ステップＳ２）。その後、制御部７により、ガルバノスキャナ５の第１ガルバノミラー５ａ及び第２ガルバノミラー５ｂの回転角度と、レンズ５ｃのＸ方向の位置を調整して、レーザ光Ｌの焦点Ｆを基板ＳＵの表面に位置させつつ、テーブル３に載置された基板ＳＵの加工線に沿ってレーザ光Ｌを走査する（ステップＳ３）。

レーザ光Ｌの焦点Ｆを基板ＳＵの表面に位置させつつ、テーブル３に載置された基板ＳＵの加工線に沿ってレーザ光Ｌを走査することで、基板ＳＵは加工線に沿って切断される。

レーザ加工装置１００においては、テーブル３のＸ－Ｙ平面（水平方向）に対する傾斜角度を、ガルバノスキャナ５により走査されたレーザ光Ｌの水平方向に対する入射角度に従って、テーブル３の中心Ｃから端部に向けて大きくしている。すなわち、テーブル３を略半円球形状としている。これにより、図３に示すように、テーブル３に載置された基板ＳＵのいずれの位置においても、レーザ光Ｌが基板ＳＵに対して垂直に近い角度で入射される。すなわち、テーブル３に載置された基板ＳＵの広い範囲において、レーザ光Ｌを基板ＳＵの主面に対して垂直に近い角度で入射できる。この結果、基板ＳＵの広い範囲で、基板ＳＵの切断面が主面に対して垂直に近い高品質な切断が可能となる。

また、レーザ加工装置１００では、テーブル３を上記の形状とすることで、ｆθレンズなどのテレセントリックレンズを配置したり、テーブルをレーザ光Ｌに対して移動させたりすることなく、レーザ光Ｌを基板ＳＵの主面に対して垂直に近く角度で入射できる。このように、レーザ加工装置１００においては、基板ＳＵの切断実行時にテーブル３を移動させる必要がないので、テーブルの移動による加工速度の制限がなくなる。この結果、高速な切断加工が可能となる。

（３）実施例
以下、レーザ光Ｌが基板ＳＵに対して垂直でない角度で入射された場合の加工状態と、レーザ光Ｌが基板ＳＵに対して垂直な角度で入射された場合の加工状態と、を比較した実施例を説明する。この実施例では、基板ＳＵとして、ポリイミド（ＰＩ）の層が２つのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の層に挟まれた構造を有する基板ＳＵを用いた。基板ＳＵの厚みを０．１８ｍｍとした。

基板ＳＵに照射するレーザ光Ｌとして、波長が３５５ｎｍ、出力が６Ｗであるピコ秒ＵＶレーザ光を用いた。本実施例では、このレーザ光Ｌを、１０００ｋＨｚの周波数で繰り返して基板ＳＵに照射した。

レーザ光Ｌを、例えば、基板ＳＵの主面に対して８０°の入射角度で入射した場合の基板ＳＵの切断状態を図５に示す。図５は、基板の主面に対して垂直でない角度でレーザ光を入射した場合の基板の切断状態の一例を示す図である。図５に示すように、レーザ光Ｌを基板ＳＵの主面に対して垂直でない角度で入射した場合には、基板ＳＵの切断面が、基板ＳＵの主面に対して垂直にならず、テーパー形状となる。すなわち、テーブル３をＸ－Ｙ平面に対して傾斜させず、テーブル３の中心Ｃからずれた位置でレーザ光Ｌが基板ＳＵに対して垂直に入射されない場合には、当該位置における基板ＳＵの切断面が、基板ＳＵの主面に対して垂直にならない。

その一方、レーザ光Ｌを基板ＳＵの主面に対して垂直に入射した場合には、図６に示すように、基板ＳＵの切断面が、基板ＳＵの主面に対して垂直に近い状態となっている。図６に示すように、レーザ光Ｌを基板ＳＵに垂直に照射した場合、基板ＳＵに形成された加工痕がテーパー形状となるため、基板ＳＵの切断面の主面に対する角度が垂直（９０°）からわずかにずれる。このずれを最小にするために、レーザ光Ｌを、基板ＳＵに対して垂直からわずかにずれた角度にて照射することが好ましい。これに対応するために、テーブル３の形状は、真半円球から少しずれた略半円球形状とすることが好ましい。図６は、基板の主面に対して垂直にレーザ光を入射した場合の基板の切断状態の一例を示す図である。

２．実施形態の特徴
上記第１実施形態は、下記のように記載することもできる。
（１）レーザ加工装置（例えば、レーザ加工装置１００）は、テーブル（例えば、テーブル３）と、レーザ光発生部（例えば、レーザ光発生部１）と、ガルバノスキャナ（例えば、ガルバノスキャナ５）と、を備える。テーブルは、基板（例えば、基板ＳＵ）を載置する。レーザ光発生部は、レーザ光（例えば、レーザ光Ｌ）を発生する。ガルバノスキャナは、テーブルに載置された基板の加工線に沿って、レーザ光発生部から発生したレーザ光を走査する。

このレーザ加工装置において、テーブルの水平方向（例えば、Ｘ－Ｙ平面）に対する傾斜角度は、ガルバノスキャナにより走査されたレーザ光の水平方向に対する入射角度に従って、テーブルの中心（例えば、中心Ｃ）から端部に向けて大きくなる。

（２）上記（１）のレーザ加工装置において、ガルバノスキャナは、３Ｄガルバノスキャナであってもよい。これにより、レーザ光を高さ方向にも走査できるので、基板の広い範囲において、レーザ光の焦点を基板の最適な位置に配置できる。

（３）上記（１）～（２）のレーザ加工装置において、基板は、フレキシブルな基板であってもよい。これにより、中心からずれた部分が傾斜したテーブルに密着した状態で基板を載置できる。

（４）レーザ加工方法は、以下のステップを備える。
◎基板をテーブルに載置するステップ（例えば、ステップＳ１）。
◎レーザ光を発生するステップ（例えば、ステップＳ２）。
◎ガルバノスキャナにより、テーブルに載置された基板の加工線に沿って、レーザ光を走査するステップ（例えば、ステップＳ３）。

上記のレーザ加工方法においては、テーブルの水平方向に対する傾斜角度を、ガルバノスキャナにより走査されたレーザ光の水平方向に対する入射角度に従って、テーブルの中心から端部に向けて大きくしている。これにより、テーブルに載置された基板の広い範囲においてレーザ光を基板平面に対して垂直に入射できる。この結果、基板の広い範囲で高品質な切断加工が可能となる。また、テーブルをレーザ光に対して移動させる必要がないので、テーブルの移動による加工速度の制限がなくなり、高速な切断加工を実現できる。

３．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
（Ａ）レーザ光発生部１と第１ガルバノミラー５ａとの間の光路上には、必要に応じて、他のレンズ（例えば、ビームエキスパンダ）などの光学部材が配置されていてもよい。

（Ｂ）基板ＳＵは、上記のテーブル３の形状に合わせて変形できるか、又は、テーブル３と対応する形状を有していれば、フレキシブルな材質で構成されていなくてもよい。

（Ｃ）テーブル３の形状は、テーブル３の水平方向に対する傾斜角度がテーブル３の中心Ｃから端部に向けて大きくなっていれば、略半円球形状以外の形状とできる。例えば、テーブル３の形状を、複数の面の傾斜角度がテーブル３の中心Ｃから端部に向けて大きくなる多面体形状としてもよい。

本発明は、レーザ光を用いて基板を切断するレーザ加工装置に広く適用できる。

１００：レーザ加工装置
１：レーザ光発生部
３：テーブル
Ｃ：中心
５：ガルバノスキャナ
５ａ：第１ガルバノミラー
５１ａ：第１モータ
５ｂ：第２ガルバノミラー
５１ｂ：第２モータ
５ｃ：レンズ
７：制御部
Ｌ：レーザ光
Ｆ：焦点
ＳＵ：基板

Claims

基板をレーザ光で切断する装置であって、
前記基板を載置するテーブルと、
前記レーザ光を発生するレーザ光発生部と、
前記テーブルに載置された前記基板の加工線に沿って、前記レーザ光発生部から発生した前記レーザ光を走査するガルバノスキャナと、
を備え、
前記テーブルの水平方向に対する傾斜角度は、前記ガルバノスキャナにより走査された前記レーザ光の水平方向に対する入射角度に従って、前記テーブルの中心から端部に向けて大きくなる、
レーザ加工装置。
前記ガルバノスキャナは３Ｄガルバノスキャナである、請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記基板はフレキシブルな基板である、請求項１に記載のレーザ加工装置。
基板をレーザ光で切断する方法であって、
前記基板をテーブルに載置するステップと、
前記レーザ光を発生するステップと、
ガルバノスキャナにより、前記テーブルに載置された前記基板の加工線に沿って、前記レーザ光を走査するステップと、
を備え、
前記テーブルの水平方向に対する傾斜角度は、前記ガルバノスキャナにより走査された前記レーザ光の水平方向に対する入射角度に従って、前記テーブルの中心から端部に向けて大きくなる、
レーザ加工方法。