JP6945244B2

JP6945244B2 - レーザ処理装置

Info

Publication number: JP6945244B2
Application number: JP2019128835A
Authority: JP
Inventors: 和延豆野; 鈴木　正美; 正美鈴木; 修西尾; 哲徳岡
Original assignee: Kataoka Corp
Current assignee: Kataoka Corp
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: JP2021013939A

Description

本発明は、被処理物上の目標位置に向けてレーザ光を照射して行う処理を実施するレーザ処理装置に関する。

レーザ処理装置の一種として、液晶ディスプレイモジュール、プラズマディスプレイモジュール、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイモジュール、無機ＥＬディスプレイモジュール、マイクロＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−ＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）ディスプレイモジュール、透明導電膜基板またはカラーフィルタ等に生ずる不良（または、欠陥）箇所にレーザ光を照射するレーザリペア装置を挙げることができる（例えば、下記特許文献を参照）。

レーザリペア装置にあっては、被処理物上の不良箇所を目標位置として、当該目標位置に正確にレーザ光の焦点を合わせることが要求される。レーザ光の焦点が目標位置から僅かでもずれると、不良箇所を適切に修正できないばかりか、不良箇所に隣接する正常な素子または回路を損傷させることにもなりかねない。

被処理物に対してレーザ光の焦点を操作するためには、レーザ光を被処理物に集光する対物レンズを有した照射ユニットを、ねじ送り機構やその他の調節機構を介して、レーザ光軸と平行または略平行なＺ軸方向に移動させる。

その上で、照射ユニットから被処理物までの離間距離を精密に計測可能な変位計（例えば、下記非特許文献を参照）を照射ユニットに付設し、当該変位計により計測される離間距離が対物レンズの焦点距離と合致するように、照射ユニットの位置をＺ軸方向に沿って調節するフィードバック制御を実行することが考えられる。このようなものであれば、レーザ光を照射する処理の最中に振動その他の外乱がレーザ処理装置に加わったとしても、被処理物上の目標位置にレーザ光の焦点を合わせ続けることができる。

特開２００５−２７４７０９号公報

"レーザ変位計｜キーエンス（登録商標）"、［ｏｎｌｉｎｅ］、令和１年、［令和１年６月２６日検索］、インターネット＜https://www.keyence.co.jp/products/measure/laser-positioning/＞

近時では、被処理物である液晶ディスプレイ等の大形化が顕著となっている。

大形の被処理物は、部分的にまたは全体的に撓み変形することがどうしても避けられない。さらに、被処理物における、照射ユニットの対物レンズが指向する位置、即ち対物レンズを通じて出射するレーザ光が被処理物に当たる位置と、変位計が照射ユニットとの間の距離を計測している位置とは、一致していない（オフセットしている）。従って、変位計により計測して得た離間距離が、対物レンズから被処理物上の目標位置までの距離と確実に一致することは保証されていない。しかも、被処理物の撓み変形の度合い如何により、両者の乖離は増減する。

本発明は、大形の被処理物を扱うレーザ処理装置において、照射ユニットから被処理物に照射されるレーザ光の焦点を正確に被処理物上の目標位置に合わせることを所期の目的としている。

並びに、本発明では、被処理物上の目標位置に向けてレーザ光を照射して行う処理を実施するレーザ処理装置であって、レーザ光を被処理物上の目標位置に向けて集光するための対物レンズを有する照射ユニットと、前記照射ユニットの少なくとも対物レンズを被処理物に対して相対的にレーザ光軸と平行または略平行な方向に移動させることができるＺ軸調節機構と、前記照射ユニットから被処理物までの距離を計測する変位計とを具備し、前記照射ユニットを、前記変位計に依拠せずに、前記対物レンズを通じて被処理物に照射されるレーザ光の焦点が被処理物上の目標位置に合うように位置付けた状態で、前記変位計により照射ユニットから被処理物までの距離を計測し、その距離を目標距離に設定した上、前記変位計が現在計測している距離と前記目標距離との偏差を縮小するべく前記Ｚ軸調節機構により前記照射ユニットの対物レンズの位置を調節するフィードバック制御を実行しながら、レーザ光を被処理物に照射し、前記照射ユニットの少なくとも対物レンズを被処理物に対して相対的にレーザ光軸と直交または略直交する二次元方向に移動させることができるＸＹステージを具備し、前記ＸＹステージにより前記照射ユニットを前記対物レンズを通じて被処理物に照射されるレーザ光の照射位置が被処理物上の目標位置に合うように位置付け、かつ前記Ｚ軸調節機構により照射ユニットをレーザ光の焦点が被処理物上の目標位置に合うように位置付けた状態で、前記変位計により照射ユニットから被処理物までの距離を計測し、その距離を前記目標距離に設定するレーザ処理装置を構成した。当該ＸＹステージの機能により、対物レンズから出射するレーザ光の照射位置を被処理物上の目標位置に正しく合わせることができる。

本レーザ処理装置が設置され運用される工場等の現場では、周囲を台車やフォークリフトが走行する等して床面に振動が発生することがある。そのため、被処理物、前記照射ユニット、前記Ｚ軸調節機構及び前記変位計を支持する架台と床面との間に、周波数が所定値よりも高い振動が床面から架台に伝わることを抑制する防振（または、制振）部材を介在させて設けることが望ましい。

本レーザ処理装置は、特に、液晶ディスプレイモジュール、プラズマディスプレイモジュール、有機ＥＬディスプレイモジュール、無機ＥＬディスプレイモジュール、マイクロＬＥＤディスプレイモジュール、透明導電膜基板またはカラーフィルタ等に生ずる不良箇所にレーザ光を照射するレーザリペア装置として好適に用いることができる。

本発明によれば、大形の被処理物を扱うレーザ処理装置において、照射ユニットから被処理物に照射されるレーザ光の焦点を正確に被処理物上の目標位置に合わせることができる。

本発明の一実施形態のレーザ処理装置の全体概要を示す図。同実施形態のレーザ処理装置の照射ユニットの光学系、第一のＸＹステージ及び変位計を模式的に示す図。同実施形態のレーザ処理装置の制御コントローラの構成を示す図。同実施形態のレーザ処理装置の制御コントローラがプログラムに従い実施する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態のレーザ処理装置１は、液晶ディスプレイモジュール、プラズマディスプレイモジュール、有機ＥＬディスプレイモジュール、無機ＥＬディスプレイモジュール、マイクロＬＥＤディスプレイモジュール、透明導電膜基板またはカラーフィルタ等０に生ずる不良箇所にレーザ光Ｌを照射してこれを修正するレーザリペア装置である。

図１に、本レーザ処理装置１の全体概要を示す。本レーザ処理装置１は、レーザ光Ｌを被処理物０上の目標位置即ち液晶ディスプレイモジュール等の不良箇所に向けて照射する照射ユニット２と、照射ユニット２をレーザ光Ｌの光軸と直交または略直交するＸ軸及びＹ軸の二次元方向に移動させるＸＹステージ３、７と、照射ユニット２をレーザ光Ｌの光軸と平行または略平行なＺ軸方向に移動させるＺ軸調節機構３、６と、照射ユニット２から被処理物０までの距離を計測する変位計４とを主たる構成要素とする。

架台９は、照射ユニット２、ＸＹステージ３、７、Ｚ軸調節機構３、６及び変位計４、並びに被処理物０を支持する。架台９は、防振部材９１を介して床面に接地している。防振部材９１は、例えば、防振（制振）ゴムやエアスプリング等のパッシブサスペンションであり、周波数が所定値（例えば、５Ｈｚ）よりも高い振動が床面から架台９に伝わることを抑制する働きをする。

被処理物０は、クランプ、吸着その他適宜の手段により架台９に対して固定する。被処理物０にレーザ光Ｌを照射する処理の最中、被処理物０は不動である。

本レーザ処理装置１におけるＸＹステージ３、７は、第一のＸＹステージ３及び第二のＸＹステージ７の二つを組み合わせたものである。第二のＸＹステージ７は、架台９上に設立しており、照射ユニット２、第一のＸＹステージ３、Ｚ軸調節機構３、６及び変位計４を支持し、これらをＸ軸方向及びＹ軸方向の二次元方向に移動させることができる。第二のＸＹステージ７は、例えば、架台９の両側部に架設したＹ軸方向に延伸する一対のＹ軸レール７１と、各Ｙ軸レール７１に沿って走行する一対のＹ軸リニアモータ台車７２と、両側部をそれぞれＹ軸リニアモータ台車７２に支持させたＸ軸方向に沿って延伸するＸ軸レール７３と、Ｘ軸レール７３に沿って走行するＸ軸リニアモータ台車７４とを要素とする。そして、Ｘ軸リニアモータ台車７４が、照射ユニット２、Ｚ軸調節機構３、６及び変位計４を支持する。照射ユニット２及び変位計４は、被処理物０の直上からＺ軸方向に沿って被処理物０に臨む。総じて、第二のＸＹステージ７は、照射ユニット２、Ｚ軸調節機構３、６及び変位計４を、架台９及び被処理物０に対して相対的にＸ軸方向及びＹ軸方向に変位させる。

Ｙ軸レール７１とＹ軸リニアモータ台車７２との組にはリニアエンコーダを付設し、当該リニアエンコーダによりＹ軸リニアモータ台車７２のＹ軸方向の位置座標を検出する。Ｘ軸レール７３とＸ軸リニアモータ台車７４との組にもリニアエンコーダを付設し、当該リニアエンコーダによりＸ軸リニアモータ台車７４の現在のＸ軸方向の位置座標を検出する。つまるところ、両リニアエンコーダを介して、照射ユニット２を支持しているＸ軸リニアモータ台車７４の現在のＸＹ位置座標を検出する。

本レーザ処理装置１におけるＺ軸調節機構３、６は、第一のＺ軸調節機構３及び第二のＺ軸調節機構６の二つを組み合わせたものである。第二のＺ軸調節機構６は、照射ユニット２、第一のＸＹステージ３及び変位計４を一体化している筐体５と、上記Ｘ軸リニアモータ台車７４との間に介在し、筐体５をＸ軸リニアモータ台車７４に対して相対的にＺ軸方向に移動させることができる。Ｘ軸リニアモータ台車７４のＺ軸方向に沿った高さ位置は、不変である。第二のＺ軸調節機構６は、例えば、ボールねじを含む既知のねじ送り機構であり、Ｘ軸リニアモータ台車７４と筐体５とのうち一方にねじ軸を軸承させるとともに、他方に当該ねじ軸に螺合するナットを固定し、ねじ軸をサーボモータやステッピングモータ等により回転駆動することで、ナットをねじ軸に沿って進退させ、筐体５のＺ軸方向の上下動を惹起する。第二のＺ軸調節機構６は、照射ユニット２及び変位計４を、架台９及び被処理物０に対して相対的にＺ軸方向に変位させる。

Ｘ軸リニアモータ台車７４と筐体５との組にはリニアエンコーダを付設し、当該リニアエンコーダにより筐体５の現在のＺ軸方向の位置座標を検出する。

図２に、筐体５内に収容している照射ユニット２の構成を示す。照射ユニット２は、被処理物０上の目標位置及びその周辺領域を観測するための光学系と、被処理物０上の目標位置に対してレーザ光Ｌを照射するための光学系とを含む。前者の光学系は、少なくとも、落射照明光源２１、ビームスプリッタ（または、ハーフミラー）２２、ダイクロイックミラー２３、対物レンズ２４、結像レンズ２５１及びカメラセンサ２５を含む。落射照明光源２１から供給される落射光は、ビームスプリッタ２２により反射され、被処理物０に相対する対物レンズ２４の光軸の方向に向けられる。その落射光は、ダイクロイックミラー２３を透過した後、対物レンズ２４を通過して被処理物０上の目標位置及びその周辺領域を照明する。被加工物に当たり跳ね返った光束は、対物レンズ２４に入射し、ダイクロイックミラー２３及びビームスプリッタ２２を透過して結像レンズ２５１に入射し、カメラセンサ２５であるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｇ−ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の固体撮像素子に結像する。このようにして、カメラセンサ２５により、被処理物０上の目標位置及びその周辺領域を撮影して画像を得ることがきる。

対物レンズ２４は、互いに倍率の異なる複数のものが存在している。これら対物レンズ２４は電動レボルバ２４１に取り付けてあり、レボルバ２４１を回転させることにより何れか一つの対物レンズ２４を選択して光軸上に配置することができる。即ち、適用する対物レンズ２４の倍率を変更することが可能となっている。

後者の光学系は、少なくとも、レーザ光Ｌの光源である発振器２６、アッテネータ２７、偏光板２８、ビームエキスパンダ２９、可変スリット２０、ダイクロイックミラー２３及び対物レンズ２４を含む。ダイクロイックミラー２３及び対物レンズ２４は、前者の光学系のそれと共通である。レーザ発振器２６から供給されるレーザ光Ｌは、アッテネータ２７により減衰され、偏光板２８により偏光され、ビームエキスパンダ２９及び可変スリット２０により整形される。可変スリット２０は、これを通過するレーザビームの形状を変化させることができる。さらに、レーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー２３により反射され、被処理物０に相対する対物レンズ２４の光軸の方向に向けられる。そのレーザ光Ｌは、対物レンズ２４を通過して被処理物０上の目標位置に集光される。このようにして、レーザ光Ｌを被処理物０上の目標位置に照射することができる。

但し、前者の光学系、後者の光学系ともに、図２に表していない他の光学要素、例えば光ファイバやミラー、プリズム、レンズ、シャッタ等を含むことを妨げない。

変位計４は、照射ユニット２の対物レンズ２４から被処理物０上の目標位置までのＺ軸方向に沿った離間距離を計測するためのものである。変位計４は、例えば、被処理物０に向けてレーザ光Ｒを照射し、被処理物０に当たって跳ね返るレーザ光Ｒを受光することを通じて、当該変位計４から被処理物０までの距離を精密に計測する既知のレーザ変位計である。変位計４は、筐体５内に収容するか筐体５外に付設する。既に述べた第二のＺ軸調節機構６の機能により、変位計４は筐体５、照射ユニット２及び第一のＸＹステージ３と一体となってＺ軸方向に上下動する。

第一のＸＹステージ３は、筐体５内に収容しており、照射ユニット２の少なくとも対物レンズ２４及びレボルバ２４１を支持し、これをＸ軸方向及びＹ軸方向の二次元方向に移動させることができる。第一のＸＹステージ３は、例えば、対物レンズ２４及びレボルバ２４１を支持するステージを、ピエゾモータ（超音波モータ）によりＸ軸方向及びＹ軸方向に精密に移動させ得る既知のピエゾステージである。第一のＸＹステージ３は、照射ユニット２の対物レンズ２４を、筐体５に対して相対的に、さらには架台９及び被処理物０に対して相対的に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に変位させる。

第一のＺ軸調節機構３もまた、筐体５内に収容しており、照射ユニット２の少なくとも対物レンズ２４及びレボルバ２４１を支持し、これをＺ軸方向に移動させることができる。第一のＺ軸調節機構３は、例えば、対物レンズ２４及びレボルバ２４１を支持するステージを、ピエゾモータによりＺ軸方向に精密に移動させ得る既知のピエゾステージである。第一のＺ軸調節機構３は、照射ユニット２の対物レンズ２４を、筐体５に対して相対的に、さらには架台９及び被処理物０に対して相対的に、Ｚ軸方向に変位させる。

なお、本実施形態では、第一のＸＹステージ３及び第一のＺ軸調節機構３の両機能を、単一のピエゾモータＸＹＺステージにより実現している。このピエゾＸＹＺステージ３は、対物レンズ２４及びレボルバ２４１を支持するステージを、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の三次元方向に移動させることが可能である。

照射ユニット２の対物レンズ２４以外の要素や変位計４は、必ずしもピエゾＸＹＺステージ３に搭載しない。ピエゾＸＹＺステージ３の積載量を削減し、ピエゾＸＹＺステージ３による対物レンズ２４の位置制御の精度及び応答性を可及的に高めることがその意図である。尤も、照射ユニット２の対物レンズ２４以外の要素の少なくとも一部をピエゾＸＹＺステージ３に搭載して対物レンズ２４とともに移動させることを排除するものではなく、変位計４をピエゾＸＹＺステージ３に搭載して対物レンズ２４とともに移動させることを排除するものでもない。

第一のＸＹステージ及び第一のＺ軸調節機構たるピエゾＸＹＺステージ３には光学リニアエンコーダを付設し、当該リニアエンコーダによりステージのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の位置座標を検出する。

本実施形態で想定している被処理物０のＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った幅寸法は、１ｍを超えている。そのような大形の被処理物０の略全域に対してレーザ光Ｌを照射する処理を実行可能とするべく、第二のＸＹステージ７のストローク即ち二次元方向への可動範囲は、１ｍ以上ある。即ち、Ｙ軸リニアモータ台車７２のＹ軸方向の可動範囲が１ｍ以上あり、かつＸ軸リニアモータ台車７４のＸ軸方向の可動範囲もまた１ｍ以上ある。

翻って、第一のＸＹステージ３のストローク即ちＸ軸方向及びＹ軸方向への可動範囲は、第二のＸＹステージ７のそれよりも遙かに小さく、対物レンズ２４を支持するステージのＸ軸方向及びＹ軸方向の可動範囲はそれぞれ１００μｍ以下、せいぜい４０μｍないし５０μｍ程度である。その代わりに、第一のＸＹステージ３は、第二のＸＹステージ７よりも最小変位量がずっと細かい。第一のＸＹステージ３は、対物レンズ２４のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を、第二のＸＹステージ７に比してより微細にかつ精密に調節することができる。加えて、第一のＸＹステージ３に付随する光学リニアエンコーダによる位置座標の検出の解像度は、第二のＸＹステージ７に付随するリニアエンコーダによる位置座標の検出の解像度よりも高い。

また、第一のＺ軸調節機構３のストローク即ちＺ軸方向への可動範囲は、第二のＺ軸調節機構６のそれよりも遙かに小さく、対物レンズ２４を支持するステージのＺ軸方向の可動範囲は１０μｍないし３０μｍ程度である。その代わりに、第一のＺ軸調節機構３は、第二のＺ軸調節機構６よりも最小変位量がずっと細かい。第一のＺ軸調節機構３は、対物レンズ２４のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を、第二のＺ軸調節機構６に比してより微細にかつ精密に調節することができる。加えて、第一のＺ軸調節機構３に付随する光学リニアエンコーダによる位置座標の検出の解像度は、第二のＺ軸調節機構６に付随するリニアエンコーダによる位置座標の検出の解像度よりも高い。

本レーザ処理装置１の制御を司る制御コントローラ８は、例えば、汎用的なパーソナルコンピュータやワークステーション等を主体として構成する。図３に示すように、制御コントローラ８は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）８１、メインメモリ８２、補助記憶デバイス８３、ビデオコーデック８４、ディスプレイ８５、通信インタフェース８６、操作入力デバイス８７等のハードウェア資源を備え、これらが連携動作するものである。

補助記憶デバイス８３は、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、光学ディスクドライブ等である。ビデオコーデック８４は、ＣＰＵ８３より受けた描画指示をもとに表示させるべき画面を生成しその画面信号をディスプレイ８５に向けて送出するＧＰＵ（ＧｒａｐｈｉｃｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、画面や画像のデータを一時的に格納しておくビデオメモリ等を要素とする。ビデオコーデック８４は、ハードウェアでなくソフトウェアとして実装することも可能である。通信インタフェース８６は、当該制御コントローラ８が外部の装置と情報通信を行うためのデバイスである。操作入力デバイス８７は、オペレータが手指で操作するキーボード、押下ボタン、ジョイスティック（操縦桿）、マウスやタッチパネル（ディスプレイ８５に重ね合わされたものであることがある）といったポインティングデバイス、その他である。

制御コントローラ８において、ＣＰＵ８１により実行されるべきプログラムは補助記憶デバイス８３に格納されており、プログラムの実行の際には補助記憶デバイス８３からメインメモリ８２に読み込まれ、ＣＰＵ８１によって解読される。制御コントローラ８は、プログラムに従い上記ハードウェア資源を作動させて、本レーザ処理装置１の制御を遂行する。

図４に、制御コントローラ８が本レーザ処理装置１によるレーザ処理の際に行う処理の手順例を示している。まず、制御コントローラ８は、レーザ処理装置１の照射ユニット２から被処理物０上の目標位置に向けてレーザ光Ｌを照射する準備として、第二のＸＹステージ７に制御信号を与え、対物レンズ２４の光軸即ち対物レンズ２４を通じて被処理物０に照射されるレーザ光Ｌの照射位置が被処理物０上の目標位置に一致しまたはその付近にあるように、第二のＸＹステージ７を駆動して照射ユニット２を含む筐体５をＸ軸方向及び／またはＹ軸方向に移動させる（ステップＳ１）。制御コントローラ８は予め、被処理物０上の目標位置のＸＹＺ座標を、メインメモリ８２若しくは補助記憶デバイス８３に記憶保持している。目標位置のＸＹＺ座標は、例えば、被処理物０たる液晶ディスプレイパネル等を撮影した画像を解析し、当該被処理物０に存在する不良箇所を検出する等によって取得する。

次いで、制御コントローラ８は、第一のＸＹステージ３に制御信号を与え、対物レンズ２４を通じて被処理物０に照射されるレーザ光Ｌの照射位置が被処理物０上の目標位置に精密に合うように、第一のＸＹステージ３を駆動して照射ユニット２の対物レンズ２４のＸ軸方向及び／またはＹ軸方向の位置を微調節する（ステップＳ２）。このとき、照射ユニット２が有するカメラセンサ２５を介して、被処理物０における対物レンズ２４の光軸と交わる位置及びその周辺領域を撮影し、得られた画像を解析して目標位置たる被処理物０の不良箇所を検出して、光軸をその不良箇所に正確に位置合わせするべく、第一のＸＹステージ３による変位量を微細に修正することができる。但し、カメラセンサ２５による被処理物０の撮像は、対物レンズ２４の焦点を被処理物０に合わせた後に行うことが望ましい。

上記ステップＳ２と相前後して、制御コントローラ８は、Ｚ軸調節機構３、６に制御信号を与え、対物レンズ２４の焦点、そして当該対物レンズ２４を通じて被処理物０に照射されるレーザ光Ｌの焦点が被処理物０上の目標位置に精密に合うように、Ｚ軸調節機構３、６を駆動して照射ユニット２を含む筐体５及び／または対物レンズ２４のＺ軸方向の位置を微調節する（ステップＳ３）。当該ステップＳ３では、変位計４の機能を用いない。ステップＳ３では、例えば、照射ユニット２が有するカメラセンサ２５を介して、被処理物０における対物レンズ２４の光軸と交わる位置及びその周辺領域を反復的に撮影し、得られた画像を解析してそのコントラスト（明暗差）を逐次求めるとともに、撮影画像のコントラストが最大または最大に近くなる高さ位置まで筐体５及び／または対物レンズ２４を上下動させる。

ステップＳ３にて変位計４を用いない理由は、図２に示しているように、被処理物０にレーザ処理を施すために対物レンズ２４を通じて照射するレーザ光Ｌの照射位置と、変位計４から被処理物０までの離間距離を計測するために照射するレーザ光Ｒの照射位置とが、互いに一致せずオフセットしていることによる。対物レンズ２４は、その倍率が大きく、対物レンズ２４自体の寸法も大きい。対物レンズ２４との干渉を避けるべく、変位計４を対物レンズ２４から離して配置せざるを得ず、変位計４の光軸を対物レンズ２４の光軸に合致させることがどうしても難しい。大形の被処理物０は、全体的にまたは部分的に撓み変形することがある。その撓み変形の度合いが恒常的に一定ではないことをも併せて考慮すれば、変位計４により計測した離間距離を、直ちに対物レンズ２４から被処理物０上の目標位置までの距離と見なすことはできない。つまり、変位計４が離間距離を計測している位置は、対物レンズ２４から出射するレーザ光Ｌが当たる位置とは異なっており、被照射物の撓みにより両位置のＺ軸方向に沿った高さが同一でない可能性があり、しかも両位置の高さの差が予め自明でない。それ故に、ステップＳ３では、変位計４を用いず、コントラストＡＦ（ＡｕｔｏＦｏｒｃｕｓ）法等によりレーザ光Ｌの焦点を被処理物０上の照射位置に合わせるのである。

上記ステップＳ１ないしＳ３を経て、照射ユニット２の対物レンズ２４が、被処理物０上の目標位置にレーザ光Ｌを照射する処理に必要な基本位置に到達する。以降、制御コントローラ８は、対物レンズ２４をこの基本位置に維持するフィードバック制御（ステップＳ４及びＳ５）を開始する。位置フィードバック制御を実行するのは、外乱によりレーザ光Ｌの光軸または焦点が被処理物０上の目標位置からずれた状態でレーザ光Ｌを被処理物０に照射してしまうことを防止するためである。典型的な外乱は、本レーザ処理装置１を設置している工場等の床面から架台９、被加工物０、ＸＹステージ７、Ｚ軸調節機構６及び照射ユニット２に伝わる振動である。ある程度以上周波数の高い（５Ｈｚを超える）振動は、床面と架台９との間に介在する防振部材９１により遮断または十分に減衰される。だが、周波数の低い（５Ｈｚに満たない、２Ｈｚないし３Ｈｚ程度の）振動は、必ずしも防振部材９１によって遮断されず、床面から架台９、被加工物０、ＸＹステージ７、Ｚ軸調節機構６及び照射ユニット２に伝わり得る。

Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置フィードバック制御ステップＳ４にて、制御コントローラ８は、照射ユニット２を基本位置に位置付けて以後、照射ユニット２が有するカメラセンサ２５を介して、被処理物０における対物レンズ２４の光軸と交わる位置及びその周辺領域を反復的に撮影し、得られた画像を解析して、現在の照射ユニット２の位置が基本位置、即ちレーザ光Ｌの照射位置が目標位置に合っているときの位置からＸ軸方向及びＹ軸方向にどれだけずれたのか、その偏差を逐次求める。そして、第一のＸＹステージ３に制御信号を与え、その偏差を縮小する方向に第一のＸＹステージ３を駆動して、以て対物レンズ２４の位置を基本位置に向けて修正する。これにより、対物レンズ２４の光軸、換言すればレーザ光Ｌの照射位置を、被処理物０上の目標位置またはその近傍に保ち続けることができる。

Ｚ軸方向の位置フィードバック制御ステップＳ５にて、制御コントローラ８は、照射ユニット２を基本位置に位置付けたときに、変位計４を介して被処理物０までの離間距離を計測し、その距離をフィードバック制御の目標距離に設定する。その上で、以後、変位計４を介して被処理物０までの離間距離を反復的に計測し、計測した現在の離間距離と目標距離との偏差を逐次求める。この偏差は、現在の照射ユニット２の位置が基本位置、即ちレーザ光Ｌの焦点が目標位置に合っているときの位置からＺ軸方向にどれだけずれたのかを示唆する。そして、第一のＺ軸調節機構３に制御信号を与え、その偏差を縮小する方向に第一のＺ軸調節機構３を駆動して、以て対物レンズ２４の位置を基本位置に向けて修正する。これにより、レーザ光Ｌの焦点を、被処理物０上の目標位置またはその近傍に保ち続けることができる。

位置フィードバック制御より、床面から架台９、被加工物０、ＸＹステージ７、Ｚ軸調節機構６及び照射ユニット２に伝わる低周波の振動に起因して生じる偏差を、速やかに修正することが可能である。第一のＸＹステージ及び第一のＺ軸調節機構たるピエゾモータステージ３は、低周波振動に起因して生じる偏差を修正するのに十分な応答速度を有している。

また、対物レンズ２４を支持するピエゾモータステージ３の可動範囲は、１００μｍ以下と微小である。かつ、レーザ発振器２６から供給されて対物レンズ２４に入射するレーザ光Ｌは、コリメートされた平行光である。従って、照射ユニット２の対物レンズ２４以外の要素をピエゾモータステージ３に搭載していなくとも、ピエゾモータステージ３を介して対物レンズ２４をＸ軸方向やＹ軸方向に変位させたときに、被照射物０上のカメラセンサ２５が撮像する位置、及びレーザ光Ｌを照射する位置が同じ量だけ変位する。ピエゾモータステージ３を介して対物レンズ２４をＺ軸方向に変位させても問題はない。

しかして、制御コントローラ８は、位置フィードバック制御を実行しながら、レーザ光Ｌを被処理物０上の目標位置に照射する（ステップＳ６）。

本実施形態では、被処理物０上の目標位置に向けてレーザ光Ｌを照射して行う処理を実施するレーザ処理装置１であって、レーザ光Ｌを被処理物０上の目標位置に向けて集光するための対物レンズ２４を有する照射ユニット２と、前記照射ユニット２の少なくとも対物レンズ２４を被処理物０に対して相対的にレーザ光軸と直交または略直交する二次元方向に移動させることができる第一のＸＹステージ３と、前記照射ユニット２及び前記第一のＸＹステージ３を被処理物０に対して相対的にレーザ光軸と直交または略直交する二次元方向に移動させることができ、第一のＸＹステージ３に比して二次元方向への可動範囲がより大きい第二のＸＹステージ７とを具備するレーザ処理装置１を構成した。

本実施形態では、大形の被処理物０に対応して照射ユニット２を大きく移動させる役割を第二のＸＹステージ７に担わせ、照射ユニット２の特に対物レンズ２４の位置を細かく精密に調節する役割を第一のＸＹステージ３に担わせるようにした。より具体的には、前記第二のＸＹステージ７により前記照射ユニット２を前記対物レンズ２４を通じて被処理物０に照射されるレーザ光Ｌの照射位置が被処理物０上の目標位置またはその付近に位置付けた後、前記第一のＸＹステージ３により前記照射ユニット２の対物レンズ２４をレーザ光Ｌの照射位置が目標位置に合うように維持する制御を行いながら、レーザ光Ｌを被処理物０に照射する。本実施形態によれば、レーザ処理装置１の照射ユニット２から対物レンズ２４を通じて被処理物０に照射されるレーザ光Ｌの照射位置を正確に被処理物０上の目標位置に合わせることができる。

前記照射ユニット２が、前記対物レンズ２４を通じて被処理物０の局所を撮影するカメラセンサ２５を有し、前記カメラセンサ２５を介して撮影した画像を基に、現在の前記対物レンズ２４の位置と、レーザ光Ｌの照射位置が目標位置に合うときの対物レンズ２４の位置との偏差を検出し、その偏差を縮小するべく前記第一のＸＹステージ３により照射ユニット２の対物レンズ２４の位置を調節するものであるため、位置フィードバック制御の精度が高まり、外乱に対してレーザ光Ｌの照射位置の目標位置からのずれを最小限に抑制することができる。

被処理物０、前記照射ユニット２、前記ＸＹステージ３、７、前記Ｚ軸調節機構３、６及び前記変位計４を支持する架台９と、床面との間に、周波数が所定値よりも高い振動が床面から架台９に伝わることを抑制する防振部材９１を介設しており、影響が大きく修正しにくい外乱となる高周波の振動を適切に遮断または減衰させることができる。

並びに、本実施形態では、被処理物０上の目標位置に向けてレーザ光Ｌを照射して行う処理を実施するレーザ処理装置１であって、レーザ光Ｌを被処理物０上の目標位置に向けて集光するための対物レンズ２４を有する照射ユニット２と、前記照射ユニット２の少なくとも対物レンズ２４を被処理物０に対して相対的にレーザ光軸と平行または略平行な方向に移動させることができるＺ軸調節機構３、６と、前記照射ユニット２から被処理物０までの距離を計測する変位計４とを具備し、前記照射ユニット２を、前記変位計４に依拠せずに、前記対物レンズ２４を通じて被処理物０に照射されるレーザ光Ｌの焦点が被処理物０上の目標位置に合うように位置付けた状態で、前記変位計４により照射ユニット２から被処理物０までの距離を計測し、その距離を目標距離に設定した上、前記変位計４が現在計測している距離と前記目標距離との偏差を縮小するべく前記Ｚ軸調節機構３により前記照射ユニット２の対物レンズ２４の位置を調節するフィードバック制御を実行しながら、レーザ光Ｌを被処理物０に照射するレーザ処理装置１を構成した。

より具体的には、前記照射ユニット２が、前記対物レンズ２４を通じて被処理物０の局所を撮影するカメラセンサ２５を有し、前記カメラセンサ２５を介して撮影した画像を基に、前記照射ユニット２を前記対物レンズ２４を通じて被処理物０に照射されるレーザ光Ｌの焦点が被処理物０上の目標位置に合うように位置付けた状態で、前記変位計４により照射ユニット２から被処理物０までの距離を計測し、その距離を前記目標距離に設定するものとする。本実施形態によれば、大形の被処理物０を扱うレーザ処理装置１において、照射ユニット２から被処理物０に照射されるレーザ光Ｌの焦点を正確に被処理物０上の目標位置に合わせることができる。

本実施形態のレーザ処理装置１は、前記照射ユニット２を被処理物０に対して相対的にレーザ光軸と直交または略直交する二次元方向に移動させることができるＸＹステージ３、７を具備しており、当該ＸＹステージ３、７の機能により、対物レンズ２４から出射するレーザ光Ｌの照射位置を被処理物０上の目標位置に正しく合わせることができる。本実施形態のレーザ処理装置１では、前記ＸＹステージ３、７により前記照射ユニット２を前記対物レンズ２４を通じて被処理物０に照射されるレーザ光Ｌの照射位置が被処理物０上の目標位置に合うように位置付け、かつ前記Ｚ軸調節機構３、６により照射ユニット２をレーザ光Ｌの焦点が被処理物０上の目標位置に合うように位置付けた状態で、前記変位計４により照射ユニット２から被処理物０までの距離を計測し、その距離を前記目標距離に設定するようにする。

本実施形態のレーザ処理装置１は、液晶ディスプレイモジュール、プラズマディスプレイモジュール、有機ＥＬディスプレイモジュール、無機ＥＬディスプレイモジュール、マイクロＬＥＤディスプレイモジュール、透明導電膜基板またはカラーフィルタ等に生ずる不良箇所にレーザ光Ｌを照射するレーザリペア装置として好適に用いる事ができる。

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、本発明に係るレーザ処理装置１の用途は、レーザリペア装置には限定されない。

その他、各部の具体的な構成や処理の手順等は、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、被処理物にレーザ光を照射して所望の処理を施すレーザ処理装置に適用できる。

１…レーザ処理装置
２…照射ユニット
２４…対物レンズ
２５…カメラ
３…第一のＸＹステージ兼第一のＺ軸調節機構（ピエゾＸＹＺステージ）
４…変位計
６…第二のＺ軸調節機構（ねじ送り機構）
７…第二のＸＹステージ
９…架台
９１…防振部材
０…被処理物
Ｌ…レーザ光

Claims

被処理物上の目標位置に向けてレーザ光を照射して行う処理を実施するレーザ処理装置であって、
レーザ光を被処理物上の目標位置に向けて集光するための対物レンズを有する照射ユニットと、
前記照射ユニットの少なくとも対物レンズを被処理物に対して相対的にレーザ光軸と平行または略平行な方向に移動させることができるＺ軸調節機構と、
前記照射ユニットから被処理物までの距離を計測する変位計とを具備し、
前記照射ユニットを、前記変位計に依拠せずに、前記対物レンズを通じて被処理物に照射されるレーザ光の焦点が被処理物上の目標位置に合うように位置付けた状態で、前記変位計により照射ユニットから被処理物までの距離を計測し、その距離を目標距離に設定した上、
前記変位計が現在計測している距離と前記目標距離との偏差を縮小するべく前記Ｚ軸調節機構により前記照射ユニットの対物レンズの位置を調節するフィードバック制御を実行しながら、レーザ光を被処理物に照射し、
前記照射ユニットの少なくとも対物レンズを被処理物に対して相対的にレーザ光軸と直交または略直交する二次元方向に移動させることができるＸＹステージを具備し、
前記ＸＹステージにより前記照射ユニットを前記対物レンズを通じて被処理物に照射されるレーザ光の照射位置が被処理物上の目標位置に合うように位置付け、かつ前記Ｚ軸調節機構により照射ユニットをレーザ光の焦点が被処理物上の目標位置に合うように位置付けた状態で、前記変位計により照射ユニットから被処理物までの距離を計測し、その距離を前記目標距離に設定するレーザ処理装置。
被処理物、前記照射ユニット、前記Ｚ軸調節機構及び前記変位計を支持する架台と床面との間に介在し、周波数が所定値よりも高い振動が床面から架台に伝わることを抑制する防振部材を具備する請求項１記載のレーザ処理装置。
液晶ディスプレイモジュール、プラズマディスプレイモジュール、有機ＥＬディスプレイモジュール、無機ＥＬディスプレイモジュール、マイクロＬＥＤディスプレイモジュール、透明導電膜基板またはカラーフィルタ等に生ずる不良箇所にレーザ光を照射するレーザリペア装置である請求項１または２記載のレーザ処理装置。