JP6670946B2

JP6670946B2 - レーザ照射装置

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Publication number: JP6670946B2
Application number: JP2018548490A
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
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Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2020-03-25
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Description

本明細書は、レーザ照射装置を開示する。

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直径を変化させると共にスポット直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、スポット直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。

特開昭６３−２０９１９４号公報

この種のレーザ照射装置では、スループット（単位時間当たりの処理能力）が大きいほど生産性は向上するが、消費電力が大きくなりすぎて電力コストが高額になることがあった。一方、消費電力が小さいほど電力コストは低減するが、スループットが低くなり生産性が低下することがあった。こうしたことから、スループットと消費電力の両方が適切なバランスとなるようにレーザ照射条件を設定することが好ましいが、この点については今まで考慮されていなかった。

本開示のレーザ照射装置は、上述した課題を解決するためになされたものであり、スループットと消費電力の両方が適切なバランスとなるようなレーザ照射条件を設定できるようにすることを主目的とする。

本開示のレーザ照射装置は、
基材の被処理部にレーザを照射するレーザ照射装置であって、
レーザ光源を有するヘッドと、
前記基材が載置されるステージと、
前記ステージと前記ヘッドとを垂直方向に相対移動させて前記基材の前記被処理部に照射されるレーザスポット直径を調整可能な垂直方向移動装置と、
調整可能な複数のレーザスポット直径の各々に応じて、前記基材の前記被処理部の全体にわたってレーザを照射する際のスループット及び消費電力を求め、前記スループットと前記消費電力とを対応づけて表示装置に表示する制御装置と、
を備えたものである。

本開示のレーザ照射装置では、垂直方向移動装置は、ステージとヘッドとを垂直方向に相対移動させて基材の被処理部に照射されるレーザスポット直径を調整する。また、制御装置は、調整可能な複数のレーザスポット直径の各々に応じて、基材の被処理部の全体にわたってレーザを照射する際のスループット及び消費電力を求める。そして、制御装置は、複数のレーザスポット直径の各々に応じて導出されたスループットと消費電力とを対応づけて表示装置に表示する。これにより、オペレータは、表示装置に表示されたスループットと消費電力との対応関係の中から、バランスがよいものを選出することができる。その結果、スループットと消費電力の両方が適切なバランスとなるようなレーザ照射条件を設定することができる。

なお、被処理部は、焼成処理が必要な部分であってもよいし、表面処理が必要な部分であってもよいし、熱硬化処理又は光硬化処理が必要な部分であってもよい。スループットと消費電力とを対応づけて表示装置に表示する際、数値を表示してもよいし、グラフを表示してもよい。

配線基材製造装置１０の構成の概略を示す構成図。レーザ照射装置５０の構成の概略を示す構成図。制御装置７０の電気的な接続関係を示す説明図。配線層形成の様子を示す説明図。配線層形成の様子を示す説明図。焼成処理の一例を示すフローチャート。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。レーザ照射条件設定処理の一例を示すフローチャート。レーザスポット６０と導電パターン６２との関係を示す説明図。レーザスポット６０と導電パターン６２との関係を示す説明図。レーザスポット６０と導電パターン６２との関係を示す説明図。ディスプレイ８０に表示されるスループットと消費電力との対応関係を示す説明図。

本開示のレーザ照射装置の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。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、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中の前後方向が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（Ｘ軸方向の長さ）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。本実施形態では、導電性粒子含有インクが塗布されたパターンを導電パターンと称する。

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、ここでは、パワーＰの最大値が３００［Ｗ］，パワー分解能Ｒ_pが３［Ｗ］（フルスケールの１％），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。本実施形態では、導電パターンがレーザ照射によって導電化されたものを配線と称する。

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５２ａ（図２参照）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５４ａ（図２参照）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、スポット直径２ω（ｚ）（ω（ｚ）はスポット半径）を変化させることができる。スポット直径２ω（ｚ）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，ディスプレイ８０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及び図５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、樹脂基材が載置されたステージ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４参照）。また、レーザ焼成は、レーザ光源５８からレーザ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載置されたステージ１２をＹ軸方向へ移動させることにより行われる（図５参照）。

レーザ焼成について更に詳細に説明する。図６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て導電パターンが形成された後に実行される。

制御装置７０のＣＰＵ７１は、焼成処理を開始すると、まず、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）。デフォーカス距離ｚを設定するにあたり、予め設定されたスポット直径２ω（ｚ）を読み込む。スポット直径２ω（ｚ）は、オペレータによって入力されたレーザ照射条件に基づいて設定されるが、この点は後述する。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、焦点からのデフォーカス距離ｚとスポット半径ω（ｚ）は、式（１）の関係を満たす。波長λや焦点でのスポット半径ω₀は上述したようにレーザ照射装置５０の仕様によって決まる定数である。そのため、スポット半径ω（ｚ）が決まれば、式（１）より焦点からのデフォーカス距離ｚが算出される。

続いて、ＣＰＵ７１は、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）。続いて、ＣＰＵ７１は、レーザ光源５８のパワーＰを設定する（Ｓ１３０）。ここでは、レーザスポットのパワー密度Ｆが要求パワー密度範囲Ｄ_p±α内となるように、パワーＰを設定する。パワー密度ＦはパワーＰをレーザスポット面積πω²（ｚ）で除した値である（Ｆ＝Ｐ／πω²（ｚ））。要求パワー密度範囲Ｄ_p±αは、基材（樹脂）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Ｆ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る。また、パワー密度Ｆが、要求パワー密度の上限値Ｄ_p＋αを上回ると、下地の基材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Ｆ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り、式（２）はこの条件を数式化したものである。そのため、ＣＰＵ７１は、パワーＰを式（２）を満たすように設定する。パワーＰは、最終的には、パワーＰを設定する際の最小単位（ひと目盛り分）に相当するパワー分解能Ｒ_pを考慮して設定される。

続いて、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で設定したパワーＰでレーザが照射されるようレーザ光源５８を駆動制御し（Ｓ１５０）、予め設定された走査速度Ｖでレーザが導電パターンの全域にわたって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。なお、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に設定される。

次に、レーザ照射条件設定処理について説明する。図８は、レーザ照射条件設定処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、焼成処理の前に実行される。

制御装置７０のＣＰＵ７１は、レーザ照射条件設定処理を開始すると、まず、各種データの入力を行う（Ｓ２１０）。各種データとは、例えば、要求パワー密度範囲Ｄ_p±αや走査速度Ｖ，波長λ，パワーＰの最大値，パワー分解能Ｒ_pなどである。要求パワー密度範囲Ｄ_p±αについては、既に説明したとおりである。ここでは、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。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］となり、上下限幅２αは、３０［Ｗ／ｍｍ²］となる。走査速度Ｖは、ここでは、１００［ｍｍ／ｓ］が入力されたものとする。波長λとパワーＰの最大値とパワー分解能Ｒ_pは、上述した通り、それぞれ１０６２［ｎｍ］，３００［Ｗ］，３［Ｗ］が入力されたものとする。

次に、ＣＰＵ７１は、スポット直径２ω（ｚ）の設定可能範囲を求める（Ｓ２２０）。具体的には、スポット直径２ω（ｚ）の下限値と上限値とを算出する。まず、下限値の算出について説明する。式（３）に示すように、パワー密度分解能Ｒ_Fは、パワー分解能Ｒ_Pをレーザスポット面積で除した値である。このパワー密度分解能Ｒ_Fが要求パワー密度範囲の上下限幅２α以内（つまり式（４）を満たす）であれば、導電性粒子含有インクを焼成可能なパワー密度に必ず設定することができる。式（３）と式（４）からスポット直径２ω（ｚ）は０．３５７［ｍｍ］以上となる。そのため、ＣＰＵ７１は、スポット直径２ω（ｚ）の下限値を０．３５７［ｍｍ］とする。
Ｒ_F＝Ｒ_P／πω²（ｚ） …（３）
Ｒ_F≦２α＝３０ …（４）

スポット直径２ω（ｚ）が０．３５７［ｍｍ］のとき、パワー密度Ｆを要求パワー密度範囲の上限値１６５［Ｗ／ｍｍ²］とするためのパワーＰは、式（５）により算出すると１６．５［Ｗ］となる。このパワーＰをパワー分解能Ｒ_P（＝３［Ｗ］）で割って余りを切り捨てると、パワー設定は５［％］つまり１５［Ｗ］となる。このときのパワー密度Ｆを式（５）により求めると、１５０［Ｗ／ｍｍ²］となり、要求パワー密度範囲内に入る。
Ｐ＝πω²（ｚ）・Ｆ …（５）

続いて、スポット直径２ω（ｚ）の上限値の算出について説明する。導電パターンをレーザ焼成可能な最大のスポット直径２ω（ｚ）は、式（５）に、パワー密度Ｆとして下限値である１３５［Ｗ／ｍｍ²］、パワーＰとして最大値である３００［Ｗ］を代入して解くことにより、１．６８［ｍｍ］と算出される。そのため、ＣＰＵ７１は、スポット直径２ω（ｚ）の上限値を１．６８［ｍｍ］とする。以上のことから、スポット直径２ω（ｚ）の設定可能範囲は０．３５７［ｍｍ］以上１．６８［ｍｍ］以下と設定される。

次に、ＣＰＵ７１は、スポット直径２ω（ｚ）に応じてスループット及び消費電力を算出する（ステップＳ２３０）。

スループットは、単位時間当たりの焼成処理能力であり、スポット直径２ω（ｚ）の関数であってスポット直径２ω（ｚ）が大きいほど大きくなるパラメータである。ここでは、スループットはスポット直径２ω（ｚ）に正比例するものとする。スループットはスポット直径２ω（ｚ）が設定可能範囲の上限値のときに最大となるため、そのときの値を１００［％］として各スポット直径２ω（ｚ）のスループットを数値化するものとする。例えば、スポット直径２ω（ｚ）が設定可能範囲の下限値のときのスループットは最小の２１％（＝（０．３５７／１．６８）×１００）となる。

消費電力Ｅは、式（６）のようにパワーＰ［Ｗ］と照射時間Ｔ［ｓｅｃ］との積で表される。照射時間Ｔは、図９〜図１１に示す導電パターン６２の長手方向長さＬ［ｍｍ］とレーザスポット６０の有効スポット直径２ω_e（ｚ）と走査速度V［ｍｍ／ｓ］と走査回数ｎ［回］から、式（７）より求めることができる。ここで、有効スポット直径２ω_e（ｚ）はスポット直径２ω（ｚ）と有効スポット直径比との積で表される。有効スポット直径比はスポット直径２ω（ｚ）の中でどれだけの割合が焼成できる有効なスポット直径かを表す比率である。また、走査回数ｎは、導電パターン６２の短手方向長さｗ［ｍｍ］を有効スポット直径２ω_e（ｚ）で除した値の小数点以下を切り上げた整数である。
Ｅ＝ＰＴ …（６）
Ｔ＝｛（Ｌ−２ω_e（ｚ））／Ｖ｝×ｎ …（７）

ここで、導電パターン６２の長手方向長さＬ及び短手方向長さｗをそれぞれ５［ｍｍ］，０．６［ｍｍ］とし、有効スポット径比を０．５（５０％）とする。また、上述したように、パワーＰの最大値は３００［Ｗ］、走査速度Ｖは１００［ｍｍ／ｓ］、パワー密度Ｆの下限値は１３５［Ｗ／ｍｍ²］、上限値は１６５［Ｗ／ｍｍ²］、スポット直径２ω（ｚ）の下限値は０．３５７［ｍｍ］、上限値は１．６８［ｍｍ］とする。

スポット直径２ω（ｚ）が２倍になると、走査回数ｎが半分になるため照射時間Ｔが半分になるが、パワー密度Ｆを同一にするためにはパワーＰを４倍にする必要があるため、消費電力Ｅは２倍になる。よって、消費電力Ｅを小さくするためには、スポット直径２ω（ｚ）をできるだけ小さくした方がよい。つまり、スポット直径２ω（ｚ）を上述した下限値０．３５７［ｍｍ］に設定するのが好ましい。このときの消費電力ＥをＥ１とする。消費電力Ｅ１は、図９を参照し、以下のようにして算出される。有効スポット直径２ω_e（ｚ）は０．１７８［ｍｍ］、走査回数ｎは４［回］となるため、式（７）より照射時間Ｔは０．１９３［ｓｅｃ］となる。また、パワー密度Ｆを要求パワー密度範囲の下限値である１３５［Ｗ／ｍｍ²］とすると、式（５）より、パワーＰは１３．５［Ｗ］となる。パワー分解能Ｒ_pは３［ｗ］のため、パワー設定は５［％］となる。このとき、パワーＰは１５［Ｗ］となる。すると、式（６）から消費電力Ｅ１は２．９［Ｊ］となる。

一方、有効スポット直径２ω_e（ｚ）のうち導電パターン６２から外れている部分が少ないほど、消費電力が小さくなる。そのため、有効スポット径ω_e（ｚ）は、下限値である０．１７８［ｍｍ］以上で、且つ、導電パターン６２の短手方向の長さＷの１／ｎ倍となる有効スポット直径２ω_e（ｚ）のうち、最小の有効スポット直径２ω_e（ｚ）となるように設定するのが好ましい。このときの消費電力ＥをＥ２とする。消費電力Ｅ２は、図１０を参照し、以下のようにして算出される。導電パターン６２の短手方向長さｗ（＝０．６［ｍｍ］）の１／ｎ倍の値は、ｎ＝１のとき０．６［ｍｍ］、ｎ＝２のとき０．３［ｍｍ］、ｎ＝３のとき０．２［ｍｍ］、ｎ＝４のとき０．１５［ｍｍ］となる。ｎが４以上になると、有効スポット直径２ω_e（ｚ）が下限値である０．１７８［ｍｍ］未満になる。そのため、有効スポット直径２ω_e（ｚ）が０．２［ｍｍ］のとき最小の有効スポット直径２ω_e（ｚ）となり、走査回数ｎは３回となる。照射時間Ｔは式（７）から０．１４５［ｓｅｃ］となる。パワー密度Ｆを要求パワー密度範囲の下限値である１３５［Ｗ／ｍｍ²］とすると、式（５）からパワーＰは１７［Ｗ］となる。パワー分解能Ｒ_pは１［％］（＝３［ｗ］）のため、パワー設定を６［％］にする。このとき、パワーＰは１８［Ｗ］となる。すると、式（６）から消費電力Ｅ２は２．６［Ｊ］となる。

消費電力Ｅ１，Ｅ２のうち小さい方が最小の消費電力となる。その最小の消費電力となった方のスポット直径２ω（ｚ）が消費電力の最も有利なスポット直径２ω（ｚ）となる。上述した例では、消費電力Ｅ２の方が小さいため、消費電力Ｅ２のスポット直径２ω（ｚ）である０．４［ｍｍ］を、消費電力が最小のときのスポット直径２ω（ｚ）とする。

上述したようにスポット直径２ω（ｚ）が１．６８［ｍｍ］のときスループットが最大の１００［％］となる。このとき、図１１に示すように走査回数は１［回］である。また、消費電力は式（５）〜（７）を用いて算出すると１２．５［Ｊ］となり、最小の消費電力である２．６［Ｊ］を基準値（＝１）とすると、４．８［倍］となる。一方、スポット直径２ω（ｚ）が０．４［ｍｍ］のとき消費電力が最小の２．６［Ｊ］となる。このときのスループットは２４［％］となる。つまり、スループットと消費電力との対応関係は、スループットが最大の場合にはスループットが１００［％］、消費電力が基準値の４．８［倍］となり、消費電力が最小の場合にはスループットが２４［％］、消費電力が基準値となる。また、スループットが最大よりも小さく消費電力が最小よりも大きい場合の対応関係は、スポット直径２ω（ｚ）の設定可能範囲内から１つ以上のスポット直径２ω（ｚ）を選出して算出する。例えば、スポット直径２ω（ｚ）として０．７［ｍｍ］、１．０［ｍｍ］、１．２［ｍｍ］が選出されたとすると、各スポット直径２ω（ｚ）におけるスループットと消費電力との対応関係は表１に示すようになる。

さて、図８に戻り、ＣＰＵ７１は、各スポット直径２ω（ｚ）に応じてスループット及び消費電力を算出した後、スループットと消費電力との対応関係をディスプレイ８０に表示する（Ｓ２４０）。その一例を図１２に示す。図１２には条件１〜５のそれぞれにつきスループットと消費電力との対応関係をディスプレイ８０に表示した様子を示す。条件１〜５はそれぞれスポット直径２ωが０．４［ｍｍ］、０．７［ｍｍ］、１．０［ｍｍ］、１．２［ｍｍ］、１．６８［ｍｍ］のときの対応関係である。ディスプレイ８０には、オペレータが条件１〜５のいずれかにカーソルを合わせてその条件を選択設定できるように表示される。

続いて、ＣＰＵ７１は、いずれかの対応関係がオペレータによって選択設定されたか否かを判定し（Ｓ２５０）、選択設定されていなければ再びＳ２５０に戻る。一方、選択設定されたならば、ＣＰＵ７１は、選択設定された対応関係に基づいてスポット直径２ω（ｚ）を決定し（Ｓ２６０）、レーザ照射条件設定処理を終了する。例えば、条件４が選択設定されたならば、ＣＰＵ７１はスポット直径２ω（ｚ）を１．２［ｍｍ］に設定する。

ここで、本実施形態のレーザ照射装置５０の主要な要素と本開示のレーザ照射装置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照射装置５０のレーザヘッド５６が本開示のレーザ照射装置の「ヘッド」に相当し、ステージ１２が「ステージ」に相当し、Ｚ軸スライダ５４及びＺ軸アクチュエータ５５が「垂直方向移動装置」に相当し、制御装置７０が「制御装置」に相当し、ディスプレイ８０が「表示装置」に相当する。また、図８の条件５のスループットと消費電力との対応関係が「第１の対応関係」に相当し、条件１のスループットと消費電力との対応関係が「第２の対応関係」に相当し、条件２〜４のスループットと消費電力との対応関係が「第３の対応関係」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、調整可能な複数のスポット直径２ω（ｚ）の各々に応じて、導体パターンの全体にレーザを照射することにより導体パターンの全体を焼成する際のスループット及び消費電力を導出する。そして、複数のレーザスポット直径２ω（ｚ）の各々に応じて導出されたスループットと消費電力とを対応づけてディスプレイ８０に表示する。これにより、オペレータは、ディスプレイ８０に表示されたスループットと消費電力との対応関係の中から、バランスがよいものを選出することができる。その結果、スループットと消費電力の両方が適切なバランスとなるようなレーザ照射条件を設定することができる。

また、オペレータはディスプレイ８０の画面上でバランスのよいスループットと消費電力との対応関係を選択することができる。特に、スループットと消費電力との対応関係として、スループットが最大の場合の対応関係（条件５）と、消費電力が最小の場合の対応関係（条件１）と、スループットが最大よりも小さく消費電力が最小よりも大きい場合の対応関係（条件２〜４）とが表示される。そのため、オペレータはディスプレイ８０の画面上に表示されたこれらの対応関係の中からバランスがよいものを選出することができる。

更に、設定可能範囲内（下限値から上限値までの範囲内）のスポット直径２ω（ｚ）であれば、パワー設定の分解能に拘わらず導電パターンの焼成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。そのため、パワー密度範囲内でレーザを照射することにより、導電パターンの焼成を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、ディスプレイ８０に条件１〜５のスループットと消費電力との対応関係をテーブルで表示したが、特にこれに限定されるものではなく、例えばグラフで表示してもよい。

上述した実施形態では、ステージ１２をＹ軸方向に移動させながらレーザを照射する場合を例示したが、特にこれに限定するものではなく、例えばガルバノスキャナやポリゴンミラーなどを用いてレーザを照射するようにしてもよい。

上述した実施形態では、基材の被処理部にレーザ照射する一例として、導電パターンにレーザ照射して焼成する場合を例示したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、基材の表面にレーザ照射して表面処理を行うようにしてもよいし、未硬化樹脂にレーザ照射してその樹脂を硬化させてもよい。

上述した実施形態では、レーザヘッド５６を搭載したＺ軸スライダ５４をＺ軸方向に移動させることによりスポット直径２ω（ｚ）を調整するようにしたが、これに代えて又は加えて、昇降機構付きの作業用ステージをステージ１２の上面に設けてもよい。この場合、作業用ステージ上で樹脂層や配線層を形成するようにし、作業用ステージをレーザヘッド５６に対してＺ軸方向に移動させることによりスポット直径２ω（ｚ）を調整してもよい。

本開示のレーザ照射装置は、以下のように構成してもよい。

本開示のレーザ照射装置において、前記制御装置は、前記表示装置に表示された前記スループットと前記消費電力との対応関係の中からオペレータが任意の対応関係を選択設定可能な画面を前記表示装置に表示してもよい。こうすれば、オペレータは表示装置の画面上でバランスのよいスループットと消費電力との対応関係を選択設定することができる。

本開示のレーザ照射装置において、前記制御装置は、前記スループットと前記消費電力との対応関係として、少なくとも、前記スループットが最大の場合の前記対応関係である第１の対応関係と、前記消費電力が最小の場合の前記対応関係である第２の対応関係と、前記スループットが最大よりも小さく前記消費電力が最小よりも大きい場合の前記対応関係である第３の対応関係とを前記表示装置に表示してもよい。こうすれば、オペレータは表示装置の画面上に表示された第１〜第３の対応関係の中からバランスがよいものを選出することができる。なお、第３の対応関係は、１組だけ表示されてもよいし、複数組表示されてもよい。

本開示のレーザ照射装置において、前記レーザ光源は、所定のパワー分解能でパワー設定を変更可能であり、前記制御装置は、前記被処理部の処理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パワー密度範囲の上下限幅に一致するレーザスポット直径をスポット直径下限値として導出し、前記パワー密度範囲の下限値であるパワー密度下限値とレーザスポット面積との積がレーザパワーの上限値になるときのレーザスポット直径をスポット直径上限値として導出し、前記スポット直径下限値から前記スポット直径上限値までの範囲内で、前記垂直方向移動装置によって調整可能な複数のレーザスポット直径を選出してもよい。スポット直径下限値からスポット直径上限値までの範囲内のレーザスポット直径であれば、パワー設定の分解能に拘わらず被処理部の処理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。そのため、パワー密度範囲内でレーザを照射することにより、被処理部の処理を適切に行うことができる。

本開示のレーザ照射装置において、前記スループットは、レーザスポット直径の関数であってレーザスポット直径が大きいほど大きくなるパラメータであり、前記消費電力は、前記被処理部の全体にわたってレーザを照射するのに要する照射時間と前記被処理部にレーザを照射する際のレーザパワーとの積であってもよい。

本発明は、基材の被処理部にレーザを照射する技術に利用可能である。

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、５２ａＸ軸ガイドレール、５３Ｘ軸アクチュエータ、５４Ｚ軸スライダ、５４ａＺ軸ガイドレール、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、６０レーザスポット、６２導電パターン、７０制御装置、７１ＣＰＵ、７２ＲＯＭ、７３ＨＤＤ、７４ＲＡＭ、７５入出力インタフェース、７６バス、８０ディスプレイ。

Claims

基材の被処理部にレーザを照射するレーザ照射装置であって、
レーザ光源を有するヘッドと、
前記基材が載置されるステージと、
前記ステージと前記ヘッドとを垂直方向に相対移動させて前記基材の前記被処理部に照射されるレーザスポット直径を調整可能な垂直方向移動装置と、
調整可能な複数のレーザスポット直径の各々に応じて、前記基材の前記被処理部の全体にわたってレーザを照射する際のスループット及び消費電力を求め、前記スループットと前記消費電力とを対応づけて表示装置に表示する制御装置と、
を備え、
前記レーザ光源は、所定のパワー分解能でパワー設定を変更可能であり、
前記制御装置は、前記被処理部の処理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パワー密度範囲の上下限幅に一致するレーザスポット直径をスポット直径下限値として導出し、前記パワー密度範囲の下限値であるパワー密度下限値とレーザスポット面積との積がレーザパワーの上限値になるときのレーザスポット直径をスポット直径上限値として導出し、前記スポット直径下限値から前記スポット直径上限値までの範囲内で、前記垂直方向移動装置によって調整可能な複数のレーザスポット直径を選出する、
レーザ照射装置。
前記制御装置は、前記表示装置に表示された前記スループットと前記消費電力との対応関係の中からオペレータが任意の対応関係を選択設定可能な画面を前記表示装置に表示する、
請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記制御装置は、前記スループットと前記消費電力との対応関係として、少なくとも、前記スループットが最大の場合の前記対応関係である第１の対応関係と、前記消費電力が最小の場合の前記対応関係である第２の対応関係と、前記スループットが最大よりも小さく前記消費電力が最小よりも大きい場合の前記対応関係である第３の対応関係とを前記表示装置に表示する、
請求項１又は２に記載のレーザ照射装置。
前記スループットは、レーザスポット直径の関数であってレーザスポット直径が大きいほど大きくなるパラメータであり、
前記消費電力は、前記被処理部の全体にわたってレーザを照射するのに要する照射時間と前記被処理部にレーザを照射する際のレーザパワーとの積である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。