特許 7348647 レーザ照射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-12

(45)【発行日】2023-09-21

(54)【発明の名称】レーザ照射装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20230913BHJP

   B23K 26/066 20140101ALI20230913BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20230913BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20230913BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20230913BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 104Z

B23K26/066

B23K26/073

B23K26/082

G02B26/08 E

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019230844

(22)【出願日】2019-12-20

(65)【公開番号】P2021099419

(43)【公開日】2021-07-01

【審査請求日】2022-11-28

(73)【特許権者】

【識別番号】500171707

【氏名又は名称】株式会社ブイ・テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】100170070

【弁理士】

【氏名又は名称】坂田 ゆかり

(72)【発明者】

【氏名】下浦 厚志

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 良和

【審査官】鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第４１７６９２５（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０５－２３７６７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２６７３４５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／０８ － ２６／１０

Ｂ２３Ｋ ２６／０６６

Ｂ２３Ｋ ２６／０７３

Ｂ２３Ｋ ２６／０８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光の一部を通過させるスリットが形成されたマスクと、
前記スリットを通過したレーザ光が通過するスキャン光学系と、
前記スキャン光学系を通過したスリット像を縮小して加工面に投影する縮小光学系と、
を備え、
前記スキャン光学系は、前記スリットを通過したレーザ光を平行光にする第１光学部材と、前記第１光学部材を通過したレーザ光を反射するスキャンミラーであって、回動可能に設けられたスキャンミラーと、前記スキャンミラーで反射されたレーザ光を中間像面に結像させる第２光学部材と、を有し、
前記縮小光学系は、前記中間像面に結像した前記スリット像を縮小する第３光学部材と、前記第３光学部材の焦点位置に開口位置がくるように設けられた対物レンズと、を有する
ことを特徴とするレーザ照射装置。

【請求項2】

前記第２光学部材は、ｆθレンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。

【請求項3】

前記第２光学部材は、テレセントリック型のｆθレンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ照射装置。

【請求項4】

前記スキャンミラーは、第１ミラー及び第２ミラーを有し、
前記第１ミラーの反射面である第１反射面と、前記第２ミラーの反射面である第２反射面とは、異なる方向を向いており、
前記第１反射面の回動中心と、前記第２反射面の回動中心とは、ねじれの位置にある
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ照射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、相互に平行な２つの辺を有する貫通孔を有するマスクでレーザビームの断面を整形し、反射ミラーでビームを反射し、ガルバノスキャナでビームを２次元方向に走査し、ｆθレンズで貫通孔の像を加工対象物の表面上に結像させて、加工対象物の一部を除去する加工を行うレーザ加工装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－９８１２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、引用文献１に記載の発明では、矩形の像（ビームスポット）を加工対象物上に結像させるが、ビームスポットの大きさを小さくすることは考慮されていない。すなわち、引用文献１に記載の発明では、任意の形状の微小な像を結像させることはできない。

【0005】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、レーザ光を走査しつつ、精緻な像を結像させることができるレーザ照射装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ照射装置は、例えば、レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射されたレーザ光の一部を通過させるスリットが形成されたマスクと、前記スリットを通過したレーザ光が通過するスキャン光学系と、前記スキャン光学系を通過したスリット像を縮小して加工面に投影する縮小光学系と、を備え、前記スキャン光学系は、前記スリットを通過したレーザ光を平行光にする第１光学部材と、前記第１光学部材を通過したレーザ光を反射するスキャンミラーであって、回動可能に設けられたスキャンミラーと、前記スキャンミラーで反射されたレーザ光を中間像面に結像させる第２光学部材と、を有し、前記縮小光学系は、前記中間像面に結像した前記スリット像を縮小する第３光学部材と、前記第３光学部材の焦点位置に開口位置がくるように設けられた対物レンズと、を有することを特徴とする。

【0007】

本発明に係るレーザ照射装置によれば、レーザ光の強度分布を均一化してスリットで成形し、スリットを通過したレーザ光を第１光学部材で平行光にし、第２光学部材でレーザ光を中間像面に結像させるとともに、スキャンミラーにより中間像面上でレーザ光を走査する。また、縮小光学系は、中間像面に結像したスリット像を縮小して加工対象物の加工面に結像させる。このような構成とすることで、レーザ光を走査しつつ、精緻な像を結像させることができる。

【0008】

ここで、前記第２光学部材は、ｆθレンズであってもよい。これにより、第３光学部材と対物レンズとの距離を常に一定にすることができる。

【0009】

ここで、前記第２光学部材は、テレセントリック型のｆθレンズであってもよい。これにより、レーザ光が対物レンズに全て入射するため、レーザ光を広範囲に走査してもエネルギーの損失が発生しない。

【0010】

ここで、前記スキャンミラーは、第１ミラー及び第２ミラーを有し、前記第１ミラーの反射面である第１反射面と、前記第２ミラーの反射面である第２反射面とは、異なる方向を向いており、前記第１反射面の回動中心と、前記第２反射面の回動中心とは、ねじれの位置にあってもよい。これにより、簡単な構成でレーザ光を二次元走査することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、レーザ光を走査しつつ、精緻な像を結像させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明のレーザ照射装置１の概略を示す図である。

【図2】レーザ照射装置１の光路図である。

【図3】スキャンミラー１６でレーザ光を振った場合の光路を模式的に示す図であり、（Ａ）は（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すすべての光線を重ねた状態を示し、（Ｂ）はスキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が鈍角である場合を示し、（Ｃ）は主光線が光軸上にある（スキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が直角である）場合を示し、（Ｄ）はスキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が鋭角である場合を示す。

【図4】加工対象物１００の概略を模式的に示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。

【図5】従来のレーザ照射装置１１０の概略を示す図である。

【図6】レーザ照射装置１１０において、スキャンミラー１６でレーザ光を振った場合の光路を模式的に示す図であり、（Ａ）は（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すすべての光線を重ねた状態を示し、（Ｂ）はスキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が鋭角である場合を示し、（Ｃ）は主光線が光軸上にある（スキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が直角である）場合を示し、（Ｄ）はスキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が鈍角である場合を示す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明のレーザ照射装置は、ｘｙ方向にレーザ光を走査して加工対象物に加工を行うものである。

【0014】

図１は、本発明のレーザ照射装置１の概略を示す図である。レーザ照射装置１は、主として、光源１０と、ホモジナイザ１１と、マスク１２と、スキャン光学系１３と、縮小光学系１４と、を有し、加工対象物１００にレーザ光を照射する。

【0015】

ここで、加工対象物１００について説明する。図４は、加工対象物１００の概略を模式的に示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。加工対象物１００は、サファイア基板１０１上にＬＥＤチップ１０２が形成されたものである。レーザ照射装置１は、サファイア基板１０１とＬＥＤチップ１０２との界面にレーザを照射して、ＬＥＤチップ１０２をサファイア基板１０１から剥離する。ＬＥＤチップ１０２の大きさは、幅ｄ１が略３０～７０μｍ、高さｄ２が略１０～３０μｍである。

【0016】

ＬＥＤチップ１０２を外して基板（図示省略）に実装することで表示装置を製造するため、所望のＬＥＤチップ１０２のみをサファイア基板１０１から剥離しなければならない。例えば、サファイア基板１０１にＬＥＤチップ１０２のＲＧＢが順に並んでいるときに、まず基板にＲの画素のみを実装し、次にＧの画素を実装し、最後にＢの画素を実装することで表示装置を製造する場合がある。このような場合には、３個おきにＬＥＤチップ１０２をサファイア基板１０１から剥離しなければならない。

【0017】

図４では、まずＬＥＤチップ１０２ａにレーザ光Ｌを照射し、次に３個離れた位置に配置されたＬＥＤチップ１０２ｂにレーザ光Ｌを照射する例を示している。

【0018】

所望のＬＥＤチップ１０２のみ剥離するため、レーザ照射装置１が照射するレーザ光Ｌは、ＬＥＤチップ１０２の形状に略一致している必要がある。また、隣接するＬＥＤチップ１０２にレーザ光Ｌを照射しないようにするため、数１０μｍオーダーの精度でレーザ光Ｌを照射する必要がある。さらに、生産効率を高くするため、レーザ光の照射位置を素早く変更する必要がある。

【0019】

図１の説明に戻る。光源１０は、例えば固体レーザ発振器であり、パルス状のレーザ光を出射する。

【0020】

ホモジナイザ１１は、光源１０から照射されたレーザ光の強度分布を均一化する光学系である。光源１０から照射される光は、一般的に不均一な強度分布を有する（例えば、ガウシアンビーム）ため、ホモジナイザ１１によりレーザ光の強度分布を均一にし、ＬＥＤチップ１０２に均一な強度のレーザ光を照射し、１個のＬＥＤチップ１０２を確実にサファイア基板１０１から剥離する。

【0021】

マスク１２は、ホモジナイザ１１を通過したレーザ光の一部を通過させるスリット１２ａが形成された略板状の部材である。スリット１２ａの形状は、加工対象物１００に照射するレーザ光の形状、ここではＬＥＤチップ１０２の形状と相似である。縮小光学系１４にて縮小するため、スリット１２ａの大きさは、加工対象物１００に照射するレーザ光の形状より大きく、本実施の形態では略２０倍である。

【0022】

スキャン光学系１３は、スリット１２ａを通過したレーザ光が通過するものであり、スリット１２ａで形成された照射パターンを中間像面２０に結像させる。スキャン光学系１３は、主として、第１レンズ１５と、スキャンミラー１６と、第２レンズ１７とを有する。

【0023】

第１レンズ１５は、例えばチューブレンズであり、スリット１２ａを通過したレーザ光を平行光にする。

【0024】

スキャンミラー１６は、第１レンズ１５を通過したレーザ光を反射するものであり、第１ミラー１６ａ及び第２ミラー１６ｂを有する。第１ミラー１６ａ及び第２ミラー１６ｂは、それぞれ、レーザ光が反射する反射面１６ｃ、１６ｄを有する。反射面１６ｃと反射面１６ｄとは、異なる方向を向いている。

【0025】

第１ミラー１６ａ及び第２ミラー１６ｂは、それぞれ、反射面１６ｃ、１６ｄの向きが変えられるように回動可能に設けられている。反射面１６ｃの回動中心１６ｅは、第１ミラー１６ａの短辺に沿った線であり、第１ミラー１６ａの長手方向の略中央に配置されている。また、反射面１６ｄの回動中心１６ｆは、第２ミラー１６ｂの短辺に沿った線であり、第２ミラー１６ｂの長手方向の略中央に配置されている。回動中心１６ｅと、回動中心１６ｆの回動中心とは、ねじれの位置にある。

【0026】

第１ミラー１６ａを回動中心１６ｅを中心に回動させることで、反射面１６ｃで反射したレーザ光は、第２ミラー１６ｂ上で線に沿って移動し、第２ミラー１６ｂが固定されている場合には、反射面１６ｄで反射したレーザ光は、第２レンズ１７上（すなわち、中間像面２０上）で線に沿って移動する。また、第２ミラー１６ｂを回動中心１６ｆを中心に回動させることで、反射面１６ｄのある一点に入射したレーザ光は、第２レンズ１７上（すなわち、中間像面２０上）で線に沿って移動する。そして、第１ミラー１６ａを回動させたときのレーザ光の走査方向と、第２ミラー１６ｂを回動させたときのレーザ光の走査方向とは略直交する。これにより、スキャンミラー１６は、スリット１２ａで形成された照射パターンを中間像面２０上で二次元走査することができる。また、スキャンミラー１６を２枚構成とすることで、簡単な構成でレーザ光を二次元走査することができる。

【0027】

第２レンズ１７は、スキャンミラー１６で反射されたレーザ光を、中間像面２０に結像させるレンズである。本実施の形態では、スキャンミラー１６で反射されたレーザ光が角度θで入射したときに、像高Ｙと入射角度との間に比例関係（Ｙ＝ｆ・θ）が成立するｆθレンズを第２レンズ１７として用いる。特に、本実施の形態では、出力光線が光軸と平行な点に結像するテレセントリック型のｆθレンズを第２レンズ１７として用いる。第２レンズ１７を通過したレーザ光は、中間像面２０で結像し、縮小光学系１４に入射する。

【0028】

図２は、レーザ照射装置１の光路図である。図２では、主光線、上光線、下光線を図示している。図２の実線は、主光線が光軸上にある場合であり、図２の点線は、主光線が光軸上からずれた（スキャンミラー１６でレーザ光が振れた）場合である。

【0029】

スリット１２ａを通過した光は、広がりながら第１レンズ１５に入射し、第１レンズ１５でレーザ光が平行光に変換され、スキャンミラー１６でレーザ光が反射される。スキャンミラー１６において光軸の向きが変えられない（レーザ光が振られない）場合には、図２の実線で示すように、主光線の向きは変わらず、光軸上にある。それに対し、スキャンミラー１６において光軸の向きが変えられた（レーザ光が振られた）場合には、図２の点線で示すように、主光線の向きが変わり、レーザ光が第２レンズ１７に斜めに入射する。

【0030】

第２レンズ１７に斜めに入射したレーザ光の主光線の向きは、斜めに入射しなかったレーザ光の主光線の向きと略平行になる。すなわち、第２レンズ１７は、スキャンミラー１６によりレーザ光の角度が変化したとしても、中間像面２０上の主光線の角度を平行にする。また、第２レンズ１７と縮小光学系１４との間はテレセントリックであるため、第２レンズ１７におけるレーザ光の主光線の振れ（第２レンズ１７の中心と、レーザ光の主光線との位置ずれ）と、中間像面２０におけるレーザ光の主光線の振れ（中間像面２０の中心と、レーザ光の主光線との位置ずれ）とは略一致する。

【0031】

図１の説明に戻る。縮小光学系１４は、スキャン光学系を通過した光を縮小するものであり、主として、第３レンズ１８と、対物レンズ１９とを有する。本実施の形態では、縮小光学系１４は、中間像面２０の照射パターンを略１／２０倍に縮小して、加工対象物１００の加工面に投影する。

【0032】

第３レンズ１８は、第２レンズ１７を通過し、中間像面２０で結像したスリット像が入射するレンズであり、例えばチューブレンズである。中間像面２０と第３レンズ１８との距離は、第３レンズ１８の焦点距離と略一致する。第３レンズ１８は、中間像面２０の照射パターンを略１／２０倍に縮小して、対物レンズ１９に入射させる。

【0033】

対物レンズ１９は、第３レンズ１８で縮小された中間像面２０の照射パターンを加工対象物１００の加工面に結像させる。対物レンズ１９は、第３レンズ１８の焦点位置に対物レンズ１９の開口位置がくるように設けられている。本実施の形態では、第２レンズ１７がｆθレンズであり、第２レンズ１７と第３レンズ１８との間がテレセントリックであるため、第３レンズ１８と対物レンズ１９との距離が常に一定である。

【0034】

図２に示すように、主光線の交差点を対物レンズ１９の瞳位置とすることで、エネルギーの損失を無くすことができる。

【0035】

図３は、スキャンミラー１６でレーザ光を振った場合の光路を模式的に示す図であり、（Ａ）は（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すすべての光線を重ねた状態を示し、（Ｂ）はスキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が鈍角である場合を示し、（Ｃ）は主光線が光軸上にある（スキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が直角である）場合を示し、（Ｄ）はスキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が鋭角である場合を示す。

【0036】

主光線が光軸上にある場合も主光線が光軸上に無い場合も、主光線、上光線及び下光線は、対物レンズ１９上の同じ位置に入射する。したがって、対物レンズ１９の開口部においてエネルギーロスは発生しない。

【0037】

本実施の形態によれば、スキャン光学系１３でスリット像を中間像面２０に結像し、それを縮小光学系１４で縮小するため、レーザ光を走査しつつ、精緻な像を結像させることができる。

【0038】

また、本実施の形態によれば、テレセントリック型のｆθレンズでスリット像を中間像面２０に結像し、それを縮小光学系１４で縮小するため、スキャンミラー１６により中間像面２０上でレーザ光を振っても、レーザ光が対物レンズ１９の瞳上の同じ位置に入射する。したがって、レーザエネルギーの損失を無くすことができる。

【0039】

図５は、従来のレーザ照射装置１１０の概略を示す図である。レーザ照射装置１１０は、主として、光源１０と、ホモジナイザ１１と、マスク１２と、結像レンズ２１と、スキャンミラー１６と、対物レンズ２２（ここでは、ｆθレンズ）とを有する。

【0040】

レーザ照射装置１１０では、スキャンミラー１６を中心にしてスキャン時のレーザ光の光線の角度が変わるため、対物レンズ２２の開口部においてレーザ光の一部が対物レンズ２２の開口部から外れるおそれがある。

【0041】

図６は、レーザ照射装置１１０において、スキャンミラー１６でレーザ光を振った場合の光路を模式的に示す図であり、（Ａ）は（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すすべての光線を重ねた状態を示し、（Ｂ）はスキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が鋭角である場合を示し、（Ｃ）は主光線が光軸上にある（スキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が直角である）場合を示し、（Ｄ）はスキャンミラー１６における反射前後の主光線のなす角度が鈍角である場合を示す。

【0042】

主光線が光軸上にある場合は、図６（Ｃ）に示すように、対物レンズ２２に全ての光線が入射するためエネルギー損失は発生しないが、主光線が光軸上にない場合は、図６（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、一部の光線が対物レンズ１９から外れてしまう。

【0043】

例えば、倍率２０倍、Ｎ／Ａが０．３６、実視野がφ１．２ｍｍ、開口径がφ７．７ｍｍの対物レンズを用いるとする。スキャン位置を±０．６ｍｍとすると、対物レンズ２２への主光線の入射角は±３．４３°となる。スキャンミラー１６の位置が対物レンズ２２の開口部から５０ｍｍ離れているとすると、対物レンズ２２の開口部における主光線の位置ずれは±３ｍｍになる。

【0044】

つまり、対物レンズの開口径φ７．７ｍｍに対し、主光線が±３ｍｍもずれてしまう。したがって、図６（Ｂ）、（Ｄ）に示すようにレーザ光が振られた場合には、レーザ光の一部が対物レンズに入射せず、エネルギーの損失が発生してしまう。

【0045】

それに対し、本実施の形態では、スキャンミラー１６でレーザ光を振っても、レーザ光が対物レンズ１９の瞳上の同じ位置に入射するため、エネルギーの損失が発生しない。

【0046】

また、本実施の形態では、ホモジナイザ１１でレーザ光の強度分布を均一化し、スリット１２ａでビームを整形しているため、ＬＥＤチップ１０２全体に均一な強度のレーザ光を照射することができる。

【0047】

なお、本実施の形態では、第２レンズ１７がｆθレンズであり、第２レンズ１７と第３レンズ１８との間がテレセントリックであったが、第２レンズ１７はｆθレンズに限られない。ただし、第２レンズ１７と第３レンズ１８との間がテレセントリックにならないレンズを第２レンズ１７として用いる場合には、第３レンズ１８の焦点距離の変化に応じて第３レンズ１８と対物レンズ１９との距離を動かす必要がある。

【0048】

また、本実施の形態では、スキャンミラー１６が２枚のミラー（第１ミラー１６ａ及び第２ミラー１６ｂ）を有したが、スキャンミラー１６の構成はこれに限られない。例えば、スキャンミラーが有するミラーは１枚でもよい。その１枚のミラーが、１方向に回動可能である場合には１次元の走査が可能であり、２方向に回動可能である場合には２次元の走査が可能である。ただし、１枚のミラーでレーザ光を二次元走査しようとすると構成が複雑になるため、２枚のミラーで２次元走査することが望ましい。

【0049】

また、本実施の形態では、光源１０から出射されたレーザ光の強度分布がホモジナイザ１１で均一化され、ホモジナイザ１１を通過したレーザ光の一部がスリット１２ａを通過したが、ホモジナイザ１１は必須ではない。例えば、光源１０から出射されたレーザ光（ガウシアンビーム）のうちの強度の強い部分のみを使用する（スリット１２ａを通過させる）場合も、ある程度均一な照射が可能となる。ただし、エネルギー損失の発生を減らすためには、ホモジナイザ１１で強度分布が均一化されたレーザ光を用いることが望ましい。

【0050】

以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

【0051】

例えば、本発明のレーザ照射装置は、ｘｙ方向にレーザ光を走査して加工対象物に加工を行う様々な装置、例えば、レーザアニール装置に用いることができる。すなわち、本発明は、スキャンミラーを用いて素早くレーザ光を２次元方向に走査することが要求される様々な装置に適用することができる。

【0052】

また、本発明において、「略」とは、厳密に同一である場合のみでなく、同一性を失わない程度の誤差や変形を含む概念である。例えば、略平行とは、厳密に平行の場合には限られない。また、例えば、略矩形形状とは、厳密に矩形形状の場合には限られない。また、例えば、単に平行、直交、同一等と表現する場合において、厳密に平行、直交、同一等の場合のみでなく、略平行、略直交、略同一等の場合を含むものとする。

【符号の説明】

【0053】

１ ：レーザ照射装置
１０ ：光源
１１ ：ホモジナイザ
１２ ：マスク
１２ａ ：スリット
１３ ：スキャン光学系
１４ ：縮小光学系
１５ ：第１レンズ
１６ ：スキャンミラー
１６ａ ：第１ミラー
１６ｂ ：第２ミラー
１６ｃ、１６ｄ：反射面
１６ｅ、１６ｆ：回動中心
１７ ：第２レンズ
１８ ：第３レンズ
１９ ：対物レンズ
２０ ：中間像面
２１ ：結像レンズ
２２ ：対物レンズ
１００ ：加工対象物
１０１ ：サファイア基板
１０２、１０２ａ、１０２ｂ：ＬＥＤチップ
１１０ ：レーザ照射装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】