JP6615903B2

JP6615903B2 - レーザ照射装置

Info

Publication number: JP6615903B2
Application number: JP2017551407A
Authority: JP
Inventors: 良崇橋本; 政利藤田; 明宏川尻; 謙磁塚田; 雅登鈴木; 克明牧原
Original assignee: 株式会社Ｆｕｊｉ
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2035-11-16
Also published as: JPWO2017085763A1; WO2017085763A1

Description

本発明は、レーザ照射装置に関し、より詳しくは、基材に塗布された導電性粒子含有塗膜にレーザスポットを照射することにより焼成するレーザ照射装置に関する。

従来より、基板上に塗布された導電ペーストにレーザを照射することにより焼成するレーザ照射装置が提案されている（例えば、特許文献１）。この装置は、導電ペーストの線幅に応じてスポット径を変化させると共にスポット径の変化に合わせてレーザ光源の出力（パワー）を変化させることにより、スポット径に拘わらず単位面積当りのエネルギ（パワー密度）が等しくなるようレーザを照射する。
特許文献１：特開昭６３−２０９１９４号公報

上述したレーザ照射装置は、スポット径を決定した上で、パワーを変化させる。この場合、パワー設定の分解能（パワー分解能）によっては、どのようにパワー設定を変化させても、焼成に必要なパワー密度の範囲内とならない場合が生じる。

本発明は、パワー設定の分解能に拘わらず焼成に必要なパワー密度を実現するためのパワー設定を可能とすることを主目的とする。

本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のレーザ照射装置は、
基材に塗布された導電性粒子含有塗膜にレーザスポットを照射することにより焼成するレーザ照射装置であって、
所定のパワー分解能でパワー設定を変更可能なレーザ光源を有するヘッドと、
前記基材が裁置されるステージと、
前記ステージと前記ヘッドとを相対移動させてレーザスポット径を調整可能な移動装置と、
前記導電性粒子含有塗膜の焼成に必要とされるパワー密度範囲を取得し、前記所定のパワー分解能をレーザスポットの面積で除したパワー密度分解能が前記取得したパワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように前記移動装置を制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。

この本発明のレーザ照射装置は、所定のパワー分解能でパワー設定を変更可能なレーザ光源を有するヘッドと、基材が裁置されるステージと、ステージとヘッドとを相対移動させてレーザスポット径を調整可能な移動装置とを備える。また、レーザ照射装置は、導電性粒子含有塗膜の焼成に必要とされるパワー密度範囲を取得し、所定のパワー分解能をレーザスポットの面積で除したパワー密度分解能が取得したパワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように移動装置を制御する。これにより、パワー設定の分解能に拘わらず導電化に必要なパワー密度を実現するためのパワー設定が可能となる。この結果、パワー密度範囲内でレーザースポットを照射することにより、導電性粒子含有塗膜の焼成を適切に行うことができる。

こうした本発明のレーザ照射装置において、前記制御装置は、パワー安定性を含めた前記パワー密度分解能が前記パワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように前記移動装置を制御するものとすることもできる。こうすれば、パワー安定性も考慮するから、導電性粒子含有塗膜の焼成をより適切に行うことができる。

また、本発明のレーザ照射装置において、前記制御装置は、前記パワー密度分解能が前記パワー密度範囲の上下限幅に収まるようなレーザスポット径を設定し、前記設定したレーザスポット径に基づいてデフォーカス距離を算出し、該算出したデフォーカス距離となるように前記移動装置を制御し、前記デフォーカス距離は、ω（ｚ）を焦点から距離ｚでのスポット半径とし、ω₀を焦点でのスポット半径とし、λを波長としたときに、次式（１）により算出される距離ｚであるものとすることもできる。

配線基材製造装置１０の構成の概略を示す構成図である。本発明の一実施形態としてのレーザ照射装置５０の構成の概略を示す構成図である。制御装置７０の電気的な接続関係を示す説明図である。配線層形成処理の一例を示すフローチャートである。配線層形成の様子を示す説明図である。焼成処理の一例を示すフローチャートである。デフォーカス距離設定処理の一例を示すフローチャートである。レーザスポット直径２ω（ｚ）とデフォーカス距離ｚとの関係を示す説明図である。

図１は、配線基材製造装置１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、本発明の一実施形態としてのレーザ照射装置５０の構成の概略を示す構成図であり、図３は、制御装置７０の電気的な接続関係を示す説明図である。なお、図１中の前（手前）後（奥）方向がＸ軸方向であり、左右方向がＹ軸方向であり、上下方向がＺ軸方向である。

配線基材製造装置１０は、図１に示すように、ステージ１２と、搬送装置２０と、樹脂層形成ユニット３０と、配線層形成ユニット４０と、制御装置７０(図３参照）とを備える。樹脂層形成ユニット３０と配線層形成ユニット４０は、ステージ１２の搬送方向（Ｙ軸方向）に沿って並べて設置されている。

ステージ１２は、樹脂層形成ユニット３０と配線層形成ユニット４０とがそれぞれ作業を行う際の作業台である。

搬送装置２０は、図１に示すように、Ｙ軸方向に延びる一対のＹ軸ガイドレール２２と、タイミングベルトを駆動するベルト駆動装置２４（図３参照）とを備え、タイミングベルトを介して伝達される動力によってステージ１２をＹ軸ガイドレール２２に沿って往復動させる。

樹脂層形成ユニット３０は、ステージ１２が樹脂層形成ユニット３０の作業エリア内に搬送されているときに、ステージ１２上に樹脂層を形成するものである。この樹脂層形成ユニット３０は、図１に示すように、ＵＶ硬化性の樹脂インクを吐出可能なインクヘッド３２と、インクヘッド３２から吐出された樹脂インクにＵＶ光を照射可能なＵＶ光照射装置３４とを備える。

インクヘッド３２は、例えば、ステージ１２上の印刷領域の幅を全てカバーするように複数のノズルが配列されたラインヘッドである。このインクヘッド３２は、搬送装置２０によりステージ１２をＹ軸方向に搬送しながらノズルから樹脂インクを吐出することにより、矩形形状の樹脂層を塗布（印刷）する。

ＵＶ光照射装置３４は、Ｘ軸方向にライン状のＵＶ光を照射可能に構成されている。このＵＶ光照射装置３４は、ステージ１２をＹ軸方向に搬送しながらステージ１２に塗布された矩形形状の樹脂層にライン状（Ｘ軸方向）のＵＶ光を照射していくことにより、塗布された樹脂層を順次硬化させる。ＵＶ光照射装置３４は、例えば、水銀ランプやメタルハライドランプ等を用いることができる。

樹脂層形成ユニット３０は、こうしてインクヘッド３２による樹脂層の塗布とＵＶ光照射装置３４による樹脂層の硬化とを複数回に亘って繰り返すことで、樹脂層を積層していき、所定厚さの樹脂基材を作製する。

配線層形成ユニット４０は、ステージ１２が配線層形成ユニット４０の作業エリア内に搬送されているときに、ステージ１２上に形成された樹脂基材に配線層を形成するものである。この配線層形成ユニット４０は、金属ナノ粒子等の導電性粒子が分散剤に分散された導電性粒子含有インクを吐出可能なインクヘッド４２と、インクヘッド４２から吐出された導電性粒子含有インクにレーザビームを照射する本実施形態のレーザ照射装置５０とを備える。

インクヘッド４２は、例えば、印刷領域の幅を全てカバーするように複数のノズルが配列されたラインヘッドである。このインクヘッド４２は、搬送装置２０によりステージ１２をＹ軸方向に搬送しながら対応するノズルから導電性粒子含有インクを吐出することで、基材上に導電性粒子含有インクを塗布（印刷）する。

本実施形態のレーザ照射装置５０は、図１および図２に示すように、Ｘ軸方向に移動可能なＸ軸スライダ５２と、Ｚ軸方向に移動可能なＺ軸スライダ５４と、Ｚ軸スライダ５４に取り付けられたレーザヘッド５６とを備える。

レーザヘッド５６には、レーザ光線を光学系５９を介してＺ軸方向にスポット状に照射するレーザ光源（レーザ発振器）５８が内蔵されている。なお、レーザ光源５８としては、例えば、最大パワーＰ_maxが３００［Ｗ］，パワー分解能Ｒ_pが３［Ｗ］（フルスケールの１％），パワー安定性βが±２［％］，波長λが１０６２［ｎｍ］，焦点でのスポット直径２ω₀が２２［μｍ］（ω₀はスポット半径）の仕様のものを用いるものとした。基材上に塗布された導電性粒子含有インクは、レーザ光源５８によって照射されたレーザスポットによって導電性粒子の周囲の分散剤が加熱されて分解されることで、導電化する。

Ｘ軸スライダ５２は、台座５１に設けられたＸ軸ガイドレールに沿って移動し、Ｚ軸スライダ５４は、Ｘ軸スライダ５２に設けられたＺ軸ガイドレールに沿って移動する。また、Ｘ軸スライダ５２は、Ｘ軸アクチュエータ５３（図３参照）により駆動され、Ｚ軸スライダ５４は、Ｚ軸アクチュエータ５５（図３参照）により駆動される。これにより、Ｚ軸スライダ５４に取り付けられたレーザヘッド５６は、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動できるようになっている。上述したように、ステージ１２は、Ｙ軸ガイドレール２２に沿ってＹ軸方向に移動可能である。したがって、レーザ光源５８は、レーザヘッド５６のＸ軸方向およびＺ軸方向の移動とステージ１２のＹ軸方向の移動とによって、ステージ１２（基材）上の任意の位置（Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置）に、任意の高さ（Ｚ軸方向の位置）からレーザスポットを照射できるようになっている。

また、レーザ照射装置５０は、図２に示すように、レーザヘッド５６をＺ軸方向に移動させてレーザヘッド５６（レーザ光源５８）とステージ１２との距離を変更することにより、レーザ照射高さを変化させて、レーザスポット径を変化させることができる。レーザスポット径は、レーザヘッド５６のＺ軸方向位置が光学系５９の焦点が合う位置にあるときが最も小さくなり、そこから上下に離れるほど大きくなる。

配線層形成ユニット４０は、こうしてインクヘッド４２による導電性粒子含有インクの塗布とレーザ照射装置５０による導電性粒子含有インクの導電化（焼成）とを複数回に亘って繰り返すことで、配線層を積層していき、樹脂基材上に配線を形成する。

制御装置７０は、図３に示すように、ＣＰＵ７１とＲＯＭ７２とＨＤＤ７３とＲＡＭ７４と入出力インタフェース７５とを備える。これらは、バス７６を介して電気的に接続されている。制御装置７０には、ステージ１２やレーザヘッド５６（レーザ光源５８）の各位置を検知する位置検知センサなどからの各種検知信号が入出力インターフェース７５を介して入力されている。また、制御装置７０からは、ベルト駆動装置２４やインクヘッド３２，ＵＶ光照射装置３４，インクヘッド４２，レーザ光源５８，Ｘ軸アクチュエータ５３，Ｚ軸アクチュエータ５５などへの各種制御信号が入出力インタフェース７５を介して出力されている。

次に、こうして構成された実施例の配線基材製造装置１０の動作、特に樹脂層形成ユニット３０により形成された樹脂層（樹脂基材）上に配線層を形成する際の動作について説明する。

図４は、配線層形成の様子を示す説明図である。図示するように、配線層の形成は、上述したように、導電性粒子含有インクの吐出（印刷）とレーザ照射（焼成）とを繰り返すことにより行われる。印刷は、樹脂基材が裁置されたステージ１２をＹ軸ガイドレール２２に沿ってＹ軸方向に移動させながら、配線パターンに合わせてインクヘッド４２の対応するノズルから導電性粒子含有インクを吐出することにより行われる（図４（ａ）参照）。また、レーザ焼成は、レーザ光源５８からレーザスポットを下方に向けて照射させた状態で、配線パターンに合わせてレーザ光源５８を搭載するレーザヘッド５６をＸ軸方向へ移動させると共に樹脂基材が裁置されたステージ１２をＹ軸方向へ移動させることにより行われる（図４（ｂ）参照）。

レーザ焼成について更に詳細に説明する。図５は、焼成処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、インクヘッド４２により基材上に導電性粒子含有インクが塗布された後に実行される。

焼成処理が実行されると、制御装置７０のＣＰＵ７１は、まず、要求パワー密度範囲Ｄ_p±αや走査速度Ｖ，波長λ，最大パワーＰ_max，パワー分解能Ｒ_pなどの必要なデータの入力を行う（Ｓ１００）。ここで、要求パワー密度範囲Ｄ_p±αは、基材上に塗布された導電性粒子含有インクの焼成に必要とされるパワー密度の上限値Ｄ_p＋αと下限値Ｄ_p−αとを示すものであり、基材の熱伝導率や基材に塗布された導電性粒子含有インクの厚み、導電性粒子含有インクに含まれる分散剤の分解温度などによって定められる。レーザ光源５８から照射されたレーザスポットのパワー密度が要求パワー密度の下限値Ｄ_p−αを下回ると、導電性粒子含有インクの焼成は不十分となり、要求パワー密度の上限値Ｄ_p＋αを上回ると、下地の基材（樹脂）が過剰に加熱されて基材にダメージを与えるおそれがある。したがって、レーザ焼成を行う場合、パワー密度を要求パワー密度範囲Ｄ_p±α内に収めることが必要である。例えば、要求パワー密度範囲Ｄ_p±αとして１５０±１５［Ｗ／ｍｍ²］が入力されたものとする。なお、この場合、要求パワー密度範囲の上限値Ｄ_p＋αは、１６５［Ｗ／ｍｍ²］となり、下限値Ｄ_p−αは、１３５［Ｗ／ｍｍ²］となる。また、要求パワー密度範囲の上下限幅２αは、３０［Ｗ／ｍｍ²］となる。また、走査速度Ｖは、例えば、要求パワー密度範囲の上下限幅２αをできる限り広くとれるような速度とされ、例えば、１００［ｍｍ／ｓ］が入力されたものとする。波長λと最大パワーＰ_maxとパワー分解能Ｒ_pは、上述したように、レーザ照射装置５０の仕様に基づくパラメータであり、例えば、それぞれ１０６２［ｎｍ］，３００［Ｗ］，が３［Ｗ］が入力されたものとする。

ここで、例えば、レーザ照射高さが固定され、スポット直径２ω（ｚ）が２００［μｍ］の場合を考える。この場合、レーザ光源５８が上述した仕様（パワー分解能が３［Ｗ］（フルスケールの１％））であると、出力パワーＰが３［Ｗ］（フルスケールの１％）のときには、パワー密度が９５［Ｗ／ｍｍ²］となり、出力パワーＰが６［Ｗ］（フルスケールの２％）のときには、パワー密度が１９１［Ｗ／ｍｍ²］となる。このため、パワー分解能３［Ｗ］のレーザ光源５８では、出力パワーＰをどのように変更しても、要求パワー密度範囲１５０±１５［Ｗ／ｍｍ²］を満たすパワー密度を実現することができない。本実施形態のレーザ照射装置５０は、レーザ照射高さを可変とすることで、パワー密度を要求パワー密度範囲内に収めることのできるレーザスポット径（デフォーカス距離）および出力パワーＰの設定を可能とするものである。

ＣＰＵ７１は、必要なデータを入力すると、光学系５９の焦点からの距離であるデフォーカス距離ｚを設定する（Ｓ１１０）。ここで、デフォーカス距離ｚの設定は、図６に例示するデフォーカス距離設定処理を実行することにより設定される。以下、デフォーカス距離設定処理について説明する。

デフォーカス距離設定処理では、ＣＰＵ７１は、パワー密度分解能が要求パワー密度範囲の上下限幅２αに収まるようなスポット半径ω（ｚ）（直径２ω（ｚ））を次式（２）により設定する（Ｓ２００）。ここで、パワー密度分解能は、パワー分解能Ｒ_p［Ｗ］をレーザスポットの面積（πω²（ｚ））で除したものである。このパワー密度分解能を上下限幅２α以下とするためには、スポット半径ω（ｚ）が式（２）を満たせばよいことがわかる。いま、パワー分解能が３［Ｗ］であり、要求パワー密度範囲の上下限幅２αが３０［Ｗ／ｍｍ²］であるときを考えているから、パワー密度分解能を３０［Ｗ／ｍｍ²］以下とするために、式（２）を適用して、スポット半径ω（ｚ）を１７８．５［μｍ］（直径２ω（ｚ）は３５７［μｍ］）以上とすればよい。

ＣＰＵ７１は、スポット半径ω（ｚ）を設定すると、スポット半径ω（ｚ）を得るためのデフォーカス距離ｚを次式（３）により設定して（Ｓ２１０）、デフォーカス距離設定処理を終了する。レーザ光線の形状を図７に示すような双曲線とみなすと、焦点からの距離ｚとスポット半径ω（ｚ）は、式（３）の関係を満たす。波長λは１０６２［ｎｍ］であり、焦点でのスポット半径ω₀は１１［μｍ］（直径２ω₀は２２［μｍ］）であり、スポット半径ω（ｚ）は１７８．５［μｍ］であるから、スポット半径ω（ｚ）を得るためのデフォーカス距離ｚは、４．４５［ｍｍ］となる。以上、デフォーカス距離設定処理について説明した。

焼成処理に戻って、ＣＰＵ７１は、こうしてデフォーカス距離ｚを設定すると、設定したデフォーカス距離ｚが得られるようＺ軸アクチュエータ５５を駆動制御してレーザヘッド５６をＺ軸方向に移動させる（Ｓ１２０）。

そして、ＣＰＵ７１は、レーザ光源５８の出力パワーＰを設定する（Ｓ１３０）。ここで、本実施形態では、レーザスポットのパワー密度が要求パワー密度範囲Ｄ_p±α内となるように、即ち出力パワーＰが式（４）を満たすように行う。１７８．５［μｍ］のスポット半径ω（ｚ）（３５７［μｍ］のスポット直径２ω（ｚ））で配線を焼成する場合、パワー密度を要求パワー密度範囲の上限値Ｄ_p＋αとするために必要なパワーは１６．５［Ｗ］となり、パワー密度を要求パワー密度範囲の下限値Ｄ_p−αとするために必要なパワーは１３．５［Ｗ］となる。パワー分解能Ｒ_pは３［Ｗ］であるから、出力パワーＰは１５［Ｗ］（フルスケールの５％）に設定することができる。

次に、ＣＰＵ７１は、ベルト駆動装置２４とＸ軸アクチュエータ５３とを駆動制御してレーザスポットの照射開始位置にレーザヘッド５６を移動させる（Ｓ１４０）。そして、ＣＰＵ７１は、Ｓ１３０で設定した出力パワーＰでレーザスポットが照射されるようレーザ光源５８を駆動制御し（Ｓ１５０）、Ｓ１００で入力した走査速度Ｖでレーザスポットが走査されるようベルト駆動装置２４とＸ軸アクチュエータ５３とを駆動制御して（Ｓ１６０）、焼成処理を終了する。

ここで、本実施形態の主要な要素と発明の開示の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。即ち、本実施形態のレーザヘッド５６が本発明の「ヘッド」に相当し、Ｚ軸スライダ５４およびＺ軸アクチュエータ５５が「移動装置」に相当し、制御装置７０が「制御装置」に相当する。

以上説明した本実施形態のレーザ照射装置５０は、パワー密度分解能が要求パワー密度範囲の上下限幅２αに収まるようなスポット径を設定し、スポット径とするためのデフォーカス距離ｚを設定し、設定したデフォーカス距離ｚとなるようレーザヘッド５６をＺ軸方向に移動させる。これにより、レーザ照射装置５０のパワー分解能に拘わらず、要求パワー密度範囲内で配線を焼成できるようなパワー設定が可能となる。この結果、配線の焼成をより適切に行うことができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、ＣＰＵ８１は、レーザヘッド５６をＺ軸方向に移動させることによりレーザスポット径を変化させたが、ステージ１２をＺ軸方向に移動させることによりレーザスポット径を変化させてもよい。

上述した実施形態では、ＣＰＵ８１は、パワー密度分解能が要求パワー密度範囲の上下限幅２αに収まるようなレーザスポット径（半径ω（ｚ））を設定し、設定したレーザスポット径を得るためのデフォーカス距離ｚを算出するものとした。これに対して、焼成処理のＳ１００で入力したパラメータに基づいてマップ等を用いて直接にデフォーカス距離を設定するものとしてもよい。

上述した実施形態では、パワー密度分解能が要求パワー密度範囲の上下限幅２αに収まるようなレーザスポット径ω（ｚ）を式（２）により算出したが、パワー密度分解能（Ｒ_p／πω₂（ｚ））にパワー安定性β［％］も考慮に入れるものとしてもよい。この場合、パワー密度分解能を［パワー密度分解能−（１＋β／１００）］で置き換え、デフォーカス距離設定処理のＳ２００にてスポット半径ω（ｚ）を算出する際の演算式として、式（２）に代えて次式（５）を用いるものとすればよい。

なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

本発明は、レーザ照射装置の製造産業などに利用可能である。

１０配線基材製造装置、１２ステージ、２０搬送装置、２２Ｙ軸ガイドレール、２４ベルト駆動装置、３０樹脂層形成ユニット、３２インクヘッド、３４ＵＶ光照射装置、４０配線層形成ユニット、４２インクヘッド、５０レーザ照射装置、５１台座、５２Ｘ軸スライダ、５３Ｘ軸アクチュエータ、５４Ｚ軸スライダ、５５Ｚ軸アクチュエータ、５６レーザヘッド、５８レーザ光源、５９光学系、７０制御装置、７１ＣＰＵ、７２ＲＯＭ、７３ＨＤＤ、７４ＲＡＭ、７５入出力インタフェース、７６バス。

Claims

基材に塗布された導電性粒子含有塗膜にレーザスポットを照射することにより焼成するレーザ照射装置であって、
所定のパワー分解能でパワー設定を変更可能なレーザ光源を有するヘッドと、
前記基材が裁置されるステージと、
前記ステージと前記ヘッドとを相対移動させてレーザスポット径を調整可能な移動装置と、
前記導電性粒子含有塗膜の焼成に必要とされるパワー密度範囲を取得し、前記所定のパワー分解能をレーザスポットの面積で除したパワー密度分解能が前記取得したパワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように前記移動装置を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項１記載のレーザ照射装置であって、
前記制御装置は、パワー安定性を含めた前記パワー密度分解能が前記パワー密度範囲の上下限幅に収まるレーザスポット径が得られるように前記移動装置を制御する
ことを特徴とするレーザ照射装置。
請求項１または２記載のレーザ照射装置であって、
前記制御装置は、前記パワー密度分解能が前記パワー密度範囲の上下限幅に収まるようなレーザスポット径を設定し、前記設定したレーザスポット径に基づいてデフォーカス距離を算出し、該算出したデフォーカス距離となるように前記移動装置を制御し、
前記デフォーカス距離は、ω（ｚ）を焦点から距離ｚでのスポット半径とし、ω₀を焦点でのスポット半径とし、λを波長としたときに、次式（１）により算出される距離ｚである
ことを特徴とするレーザ照射装置。