JP4404085B2 - レーザ加工装置、レーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）等の多層薄膜上の樹脂膜又は金属薄膜をパターン加工する技術に係わり、特に、加工対象物の表面にレーザ光を照射して、アブレーション、熱溶融あるいはそれらの複合作用によるレーザ加工時に発生する加工飛散物（デブリ：debris）を除去・回収するためのレーザ加工装置とレーザ加工ヘッド、及びレーザ加工方法に関するものである。

近年、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）の高精細化、低コスト化の競争は、より激しくなってきており、製造現場でもさらに高品質、高生産性が要求されている。

ＦＰＤを構成する表示パネルは、従来、フォトリソグラフィー法によって製造されていた。しかし、フォトリソグラフィー方法は、装置の大型化、現像液などの薬液使用による環境保全、さらには同じパターン加工であってもレジストや現像液が異なるため、フォトリソグラフィー工程が２回必要となるなど、種々の問題点があった。そこで、フォトリソグラフィー法に代わって、余分なフォトリソグラフィー工程を省略し製造工程を簡略化するために、レーザ光を用いて加工対象膜を直接加工する技術が普及している。

前述したレーザによる直接加工においては、一例としてエキシマレーザのような短波長レーザを用いている。エキシマレーザ（excited dimmer laser）は、化学結合を切断できる高いフォトンエネルギーを有している。加工対象物に短波長の短パルスレーザを照射することで、アブレーション（ablation）と呼ばれる光化学分解、光熱分解過程を生じさせ、熱的な影響を抑えつつ加工対象物を除去、微細加工することができる。このようなアブレーションによるレーザ加工技術が注目を集めている。エネルギー密度を調整したエキシマレーザ光を照射することにより、プラスチック（高分子材料）、金属、セラミックス等、種々の物質をアブレーション加工することができる。

レーザによるアブレーション加工では、レーザ光の照射を受けた加工対象物の表面より飛散物が加工領域周辺に付着する。これを一般にデブリ（debris）と呼んでいる。加工領域周辺にデブリの付着が発生すると、所望の加工品質、加工精度を得られないこともある。そこで、このデブリを低減する方法が研究、開発されている。

例えば、加工領域近傍の表面に空気等の流体を噴出する流体送出装置を設け、流体噴出口の反対側に流体を吸引する吸引ダクトを設置して加工飛散物やデブリを加工領域から吹き去り、同時にこれを吸引して除去する手法（以下、手法１と言う。）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、加工飛散物の発生量を低減するために、加工対象物へのレーザ光の照射とともにレーザ光照射領域周辺にアシストガスを吹き付けることが有効であることが知られている。レーザ加工ヘッドに内側ノズルと、その外周面を取り囲むように外側ノズルを配置して、内側ノズルから加工領域に向けてアシストガスを噴出し、噴出したアシストガスを外側ノズルで吸引してデブリを排出する手法（以下、手法２と言う。）が提案されている（特許文献２参照）。また、加工飛散物の発生そのものを制御する方法としては、所定の雰囲気ガスによって加工飛散物を分解、あるいは再付着を防止する方法が知られている。さらに、真空度１０[Ｐａ]（１０^−２Ｔｏｒｒ）程度の減圧下でレーザ加工を行うことにより、加工対象物上に堆積するデブリの付着量を大幅に減少できることが知られている。

また、図８に示すように、例えば基板１０８ａに加工対象膜１０８ｂが積層されている加工対象物１０７の直上に開口部１２０を設け、マスク又は可変アパーチャ１０４と開口部１２０とで囲まれた領域を閉空間部として減圧する排気手段を備え、加工対象物１０７にレーザ光１０２を照射して生じた加工飛散物を排気するとともにデブリ１２１が開口部１２０に堆積して、加工対象物１０７に堆積しない手法（以下、手法３と言う。）が提案されている（特許文献３参照）。

特開平１０−９９９７８号公報 特開平９−１９２８７０号公報 特開２００４−２３０４５８号公報

しかしながら、手法１のように加工領域近傍の表面でデブリを吹き去って吸引・排出しようとしてもデブリが飛散してしまい、たとえ吸引力を上げてもデブリを完全に除去、回収することは困難であった。

また、手法２のように内側ノズルから加工領域にアシストガスを吹き付けても、デブリは拡散して加工領域周辺に再付着してしまい、外側ノズルの吸引力を強くしても十分に除去することはできなかった。

また、手法３のように開口部を設けて閉空間部内を減圧したとしても、デブリが必ずしも開口部に堆積するわけではなく、加工領域の中心部のデブリが加工対象物表面に再付着してしまうという問題があった。

加工対象膜が金属薄膜の場合、レーザ光の波長、エネルギー強度、パルス幅、照射パルス数、加工対象物の物性、膜厚、膜構成により適正条件が大きく変わる。レーザ光照射によって加熱アブレーションと熱的な反応により加工対象物を除去、微細加工することができる。また、パルス幅が短いほど熱的影響を少なくすることができる。しかし、上記手法２のように、アシストガスを吹き付けてデブリを拡散することはできるが、加工部周辺のドロス（熱影響による加工生成物）やデブリの再付着により、電極として用いられる薄膜の場合は短絡など品質の影響が問題となる。

例えば、多層膜上の金属薄膜は、その照射面がレーザ光を吸収して熱を発生し、溶融・蒸発してエッチングが進む。その際の溶融温度は樹脂と比較して高いため、樹脂層が下層にある場合は、樹脂膜が熱の影響を受けて溶融・気化が起こり、金属薄膜のエッチングに影響を与える。例えば、金属薄膜の下層にある樹脂膜が盛り上がったり、金属薄膜を突き破ったりしてしまう。このように、下層の樹脂層に影響を与えずに金属薄膜だけをエッチングしようとすると、加熱溶融・蒸発させる温度を下げてそのデブリを回収する機構の開発が必要とされる。

また、加工対象膜が樹脂膜（高分子材料）の場合、光化学分解や光熱分解によるアブレーションによって熱損傷のない加工が可能である。レーザ光の照射エネルギーとパルス数を変えることでエッチング深さをコントロールすることができ、また再現性を得られることから三次元加工への応用等が期待されている。しかし上記のアブレーション時に発生するデブリの堆積は所望の表面微細構造を得られず品質に大きく影響する。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、レーザ加工により発生する加工飛散物を効率よく除去、回収し、加工対象物に付着するデブリを削減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を利用して加工対象物に形成された多層膜上の樹脂膜又は金属薄膜のパターン加工を行うレーザ加工装置において、前記加工対象物に照射されるレーザ光を透過する透過窓と、当該レーザ加工ヘッド内の雰囲気を外部へ排出する排気孔と、前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する第１通気孔と、前記第１通気孔と対向する位置に設けられ前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する第２通気孔と、前記透過窓を透過したレーザ光を通す開口部と、前記第１通気孔、前記開口部、前記第２通気孔を連通し、前記レーザ光照射領域近傍に前記第１通気孔から前記第２通気孔への流れと前記第１通気孔から前記排気孔への流れの気流を生成する通気部とが形成され、さらに遮蔽板本体の開口部周辺に斜面が形成されて前記開口部の端部に向かって落ち込んだ略すり鉢状の断面形状を有する遮蔽板と、を有するレーザ加工ヘッドを備え、
前記レーザ加工ヘッドの底部が前記加工対象物と１００μｍ以下の距離に近接かつ対向して設けられ、前記加工対象物のレーザ光照射領域より発生する加工飛散物を、前記遮蔽板の前記第２の通気孔および前記排気孔から排気するとともに、前記開口部の前記気流風下側周辺の斜面に付着させることを特徴とする。

上記の構成によれば、簡単な構成によりレーザ照射領域近傍を減圧雰囲気下にすることができるとともに、加工飛散物を遮蔽板でトラップできるので、レーザ加工により発生する加工飛散物を効率よく除去、回収できる。

また、本発明のレーザ加工ヘッドは、レーザ光を利用して加工対象物に形成された多層膜上の樹脂膜又は金属薄膜のパターン加工を行うためのレーザ加工ヘッドであって、前記加工対象物に照射されるレーザ光を透過する透過窓と、当該レーザ加工ヘッド内の雰囲気を外部へ排出する排気孔と、前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する第１通気孔と、前記第１通気孔と対向する位置に設けられ前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する第２通気孔と、前記透過窓を透過したレーザ光を通す開口部と、前記第１通気孔、前記開口部、前記第２通気孔を連通し、前記レーザ光照射領域近傍に前記第１通気孔から前記第２通気孔への流れと前記第１通気孔から前記排気孔への流れの気流を生成する通気部とが形成され、さらに遮蔽板本体の開口部周辺に斜面が形成されて前記開口部の端部に向かって落ち込んだ略すり鉢状の断面形状を有する遮蔽板と、を有し、
当該レーザ加工ヘッドの底部が前記加工対象物と１００μｍ以下の距離に近接かつ対向して設けられ、前記加工対象物のレーザ光照射領域より発生する加工飛散物を、前記遮蔽板の前記第２の通気孔および前記排気孔から排気するとともに、前記開口部の前記気流風下側周辺の斜面に付着させることを特徴とする。

上記の構成によれば、簡単な構成によりレーザ照射領域近傍を減圧雰囲気下にすることができるとともに、加工飛散物を遮蔽板でトラップできるので、レーザ加工により発生する加工飛散物を効率よく除去、回収できる。

また、本発明のレーザ加工方法は、入射されたレーザ光を透過する透過窓、レーザ加工ヘッド内の雰囲気を外部へ排出する排気孔と、加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する第１通気孔と、前記第１通気孔と対向する位置に設けられ前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する第２通気孔と、前記透過窓を透過したレーザ光を通す開口部と、前記第１通気孔、前記開口部、前記第２通気孔を連通し、前記レーザ光照射領域近傍に前記第１通気孔から前記第２通気孔への流れと前記第１通気孔から前記排気孔への流れの気流を生成する通気部とが形成され、さらに遮蔽板本体の開口部周辺に斜面が形成されて前記開口部の端部に向かって落ち込んだ略すり鉢状の断面形状を有する遮蔽板が設けられたレーザ加工ヘッドを用いて、前記レーザ加工ヘッドの底部を前記加工対象物と１００μｍ以下の距離に近接かつ対向して設け、前記加工対象物に形成された多層膜上の樹脂膜又は金属薄膜のパターン加工を行うレーザ加工方法において、
前記第１通気孔より前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する工程と、前記加工対象物に第１のレーザ光を照射する工程と、前記加工対象物を載置するステージを前記導入された気体の流れと反対方向に所定量距離移動させる工程と、前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を前記遮蔽板の所定位置に設けられた第２通気孔より排出する工程と、前記レーザ加工ヘッド内の雰囲気を前記遮蔽板の開口部より取り込み前記排気孔より排気する工程と、前記第１通気孔及び前記排気孔より排気中に、前記加工対象物に対し前記第２のレーザ光による第１照射領域と一部重なるように、かつ、前記第１のレーザ光によって堆積した加工飛散物が照射されるように第２のレーザ光を照射する工程と、を有する。

上記構成によれば、レーザ照射領域近傍に一方向の気流を作りレーザ光照射することにより加工飛散物を所望の領域にまとめ、かつ第１照射領域と第２照射領域が重なるようにレーザ光を照射することにより、加工対象物の加工面に残った加工飛散物を除去、回収することができる。

本発明のレーザ加工装置、レーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法によれば、レーザ加工により発生する加工飛散物を効率よく除去、回収し、加工対象物に付着するデブリを削減することができる。

以下、本発明を実施するための第１の実施形態の例について、図１〜図７を参照して説明する。本発明に用いるレーザ加工装置は、レーザ光源と、レーザ光源から出射されるレーザ光を加工対象物の加工面に所定パターンで光学的に投影する光学系とを有し、加工面をアブレーション加工するレーザ加工装置である。

図１は、本発明が適用されるレーザ加工装置の概略構成の一例を示す図である。図１に示すレーザ加工装置１５は、レーザ光源１と、ビーム整形器３と、マスク又は可変アパーチャ４と、投影レンズ５と、ステージ６と、減圧チャンバー１１（レーザ加工ヘッド）と、ラフィングポンプ等の排気手段１２と、気体導入手段１３を有しており、レーザ光源１からレーザビームを出射し、加工対象物７の加工面をアブレーション加工する。

レーザ光源１には、例えば、エキシマレーザを用いる。エキシマレーザには、レーザ媒質の異なる複数の種類が存在し、レーザ媒質としては、波長の長いほうからＸｅＦ（３５１ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）、Ｆ_２（１５７ｎｍ）がある。

エキシマレーザが熱エネルギーを利用した加工を行うＹＡＧレーザ（基本波：１．０６μｍ）、及びＣＯ_２レーザ（１０．６μｍ）、と大きく異なる点は、発振波長が紫外線の領域にあることである。エキシマレーザは本質的にパルス発振であり、短パルス（数ｎｓ〜数十ｎｓ以下）である。また、エキシマレーザは、アブレーションと呼ばれる、光化学分解、光熱分解過程により、短波長の短パルスレーザを用いることで、熱的な影響を受けにくい加工を行うため、加工面のエッジの仕上がりが非常にシャープとなる。これに対して、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザでは熱的影響が大きく、加工周辺部が熱の影響で丸くなり、端面とならない。

さらに、エキシマレーザは、レーザ光源１から出射直後のビーム断面が約１０×１０ｍｍの寸法を有し、このレーザビームをビーム整形器３にて、加工目的に応じて縮小化、長面積化、あるいは大面積化することができる。大面積化することにより比較的広い面積を一括して加工できる。したがって、大面積の領域を同時に加工するのにエキシマレーザは適している。また縮小化した場合、高精細な微細加工を行うことができる。ステップ・アンド・リピートにてパターニングすることで比較的広い面積の加工も可能である。

ビーム整形器３は、レーザ光源１からのレーザビームを整形、ビーム強度の均一化を行い出力する。

マスク又は可変アパーチャ４は、ビーム整形器３で整形されたレーザビームを通過又は透過させる所定パターンを有している。このマスク又は可変アパーチャ４は、例えば金属材料で形成された穴明きマスク、透明なガラス材料や金属薄膜で形成されたフォトマスク、誘電体材料で形成された誘電体マスク等が用いられる。

投影レンズ５は、マスク又は可変アパーチャ４のパターンを通過したレーザビームを所定倍率でステージ６上の加工対象物７の加工面に投影する。

ステージ６は、投影レンズ５から投影されるレーザビームが加工対象物７の加工面に合焦するように配置されている。このステージ６は、レーザビームが加工対象物７の加工面上を走査可能なように、レーザビームの光路２（光軸）に垂直な平面に沿って移動位置決めが可能なＸ−Ｙステージ或いは３軸ステージ等から構成される。

上記構成のレーザ加工装置１５では、レーザ光源１にエキシマレーザを用いることにより、加工対象物７の加工面に所定パターンのレーザビームを照射し、アブレーション加工する。加工対象物７の加工面は、アブレーション加工により、加工面を形成する材料に応じた加工飛散物（デブリ）が発生する。このデブリが加工面に付着すると、加工品質、加工精度等に影響を及ぼすことがあるので、本発明により付着を防ぐ。

図１に示すように、レーザ光がステージ６上の加工対象物７に照射される直前のレーザ光路２上に、例えばＫｒＦレーザの場合は石英、ＡｒＦレーザの場合はフッ化カルシウムで作られた減圧チャンバー１１（レーザ加工ヘッド）を設けている。この減圧チャンバー１１は、エキシマレーザが透過する上部透過窓９を備える略円筒状の、アルミニウム又はステンレスなどからなるチャンバーである。減圧チャンバー１１は、底部１０に局所排気機能を備え、排気手段１２により減圧チャンバー１１内部の気体が外部に排出され、気体導入手段１３により減圧チャンバー１１内部に気体が導入されるよう構成されている。

本実施形態のレーザ加工装置１５は、減圧チャンバー１１の底部１０を、例えば樹脂膜又は金属薄膜等の加工対象膜が成膜された加工対象物７に極近接して配置する。そして、加工対象膜のレーザ光照射面近傍の雰囲気を排気孔より排気する。このようにすることにより、簡単な構成で加工対象膜のレーザ光照射面を減圧雰囲気にでき、レーザ光照射時の加工対象膜、例えば金属薄膜の下層の例えば樹脂層より離脱する際の昇華圧が高くなる。その結果、加工に要する照射エネルギーを低減できるとともに、レーザ光照射によって樹脂層より離脱し除去されたデブリを排気孔を通して除去、回収することができる。この樹脂層より離脱したデブリの除去は、加工領域近傍の表面に設けられる空気等の流体を噴出する流体送出装置（気体導入手段）によって行われる。

図２は減圧チャンバー１１の概略断面図、図３は減圧チャンバー１１の下面図をそれぞれ示すものである。減圧チャンバー１１は中心部に透過孔１４が形成された略円筒形状をしており、例えば基板８ｂ上に樹脂膜又は金属薄膜等の加工対象膜８ｂを含む多層膜が成膜された加工対象物７の表面と所定距離に配置される。多層膜を構成する加工対象膜８ｂは例えば樹脂層（図示略）などの上に成膜されている。勿論この例に限るものではない。

減圧チャンバー１１は上側部分と下側部分から構成されており、上側部分には透過孔１４と連通する排気孔１６が形成されて配管１６ａを通じて排気手段１２と接続している。減圧チャンバー１１の下側部分は、透過孔１４と連通し互いに対向するように通気孔１７，１８が設けられている。また減圧チャンバー１１の底部１０の略中心には上部透過窓９を透過したレーザ光が通過する開口部２０が設けられ、またその外周部周辺の同心円周上に気体噴出溝１９（図３参照）が設けられている。通気孔１７は配管１７ａを通じて排気手段１２と接続し、通気孔１８は配管１８ａを通じて気体導入手段１３と接続している。通気孔１７，１８は内部を流れる気体が加工対象物７のレーザ光照射領域近傍に導入、及びレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排気できるよう、底部１０に対して所定の角度をもって開口部２０近傍の空間と接続している。本例では、減圧チャンバー１１の通気孔１７，１８及び開口部２０が設けられた下側部分を、気体導入排気部１１ａと称する。

減圧チャンバー１１に外付けした排気手段１２によって、減圧チャンバー１１内部を真空引きし（本例では最大１０^−２Ｔｏｒｒ程度）、排気孔１６及び通気孔１７を通して加工対象物７表面周辺の雰囲気の排気を行う。開口部２０の径は最大加工ビームサイズと略同等もしくは若干大きい程度である。例えば、最大加工ビームサイズ＋１ｍｍ以下とする。

この減圧チャンバー１１の底部１０と加工対象物７の照射面（加工対象膜表面）との距離は、浮上用気体導入手段（図示略）より供給される気体を環状の気体噴出溝１９から噴出することによって１００μｍ以下に保たれている。これにより、排気孔１６，１７を通して排気する際のコンダクタンスは小さくなっているため、減圧チャンバー１１の底部１０と加工対象物７との空間の真空度は１気圧より小さくなる。この減圧下でレーザ光照射され、除去された加工対象膜８ｂは、１気圧でレーザ光照射された場合よりも、その下層の例えば樹脂層（図示略）などの界面から離脱する際の昇華圧が高まるので、レーザ光の照射エネルギー密度を小さくすることができる。さらに、除去された加工対象膜８ｂは排気孔１６と通気孔１７を通り、回収される。

なお、図示されていないが排気手段１２と排気孔にフィルタを設けてデブリを回収している。また、排気手段１２において排気する配管を切り替えて、排気孔１６と通気孔１７から個々に排気することも可能である。また、排気手段を２つ設けて排気孔１６と通気孔１７から個々に排気することも可能である。

このように、局所排気機能を設けた簡単な構成でレーザ光照射面を減圧雰囲気とし、この減圧雰囲気でレーザ光照射することで、生産性を損なうことなく、加工エネルギーの低減、並びにデブリの除去及び回収を図ることができる。

図４Ａ，Ｂは、本発明によるレーザ加工を実施した際のデブリの飛散例を示したものであり、Ａは加工領域近傍の上面図、Ｂは加工領域近傍の側面図である。

本例では図３に示すように、レーザ加工の際、配管１８ａを通じて通気孔１８から減圧チャンバー１１（レーザ加工ヘッド）へ気体を導入し、ほほ同時に配管１６ａ，１７ａを通じて排気孔１６及び通気孔１７から排気を行う。これにより加工対象物７のレーザ光照射領域近傍には図３に示すような気流が生じる。このとき加工対象物７の所定の加工領域にレーザ光を照射すると、発生した加工飛散物のうち排気孔１６及び通気孔１７から排気しきれなかった加工飛散物２６が気流に流されて照射領域２２周辺の一方（図５の例では照射領域２２の左側）に偏り、堆積する（図４Ａ参照）。

そこで、前述したように減圧チャンバー１１の開口部２０の径、及び減圧チャンバー１１の底部１０と加工対象物７の照射面との距離Ｌを適切に調節（設定）する。これにより、加工飛散物２６が加工領域周辺に堆積してデブリとなる面積を小さくできるとともに、例え加工領域周辺に飛散した場合でも開口部２０周辺の斜面１１ｂに堆積するので、加工対象物７への堆積量を抑制することができる。

このように、レーザ光を用いたアブレーション加工により発生する加工飛散物２６（デブリ）の飛散範囲を開口部２０で規制するとともに、加工飛散物２６を開口部２０の周辺に堆積させることで、加工飛散物２６が加工対象物７表面へ再付着することを防ぐことができる。

次に、上記構成のレーザ加工装置により行われるレーザ加工方法について、図５を参照しながら説明する。この図５は、加工対象物７のパターン加工方向に気体を導入して第１ショットのレーザビーム（第１のレーザ光）で除去できなかった加工飛散物（デブリ）に第２ショットのレーザビーム（第２のレーザ光）を重ねて照射する加工方法について示したものである。

まず、排気孔１６及び通気孔１７の排気流量と、通気孔１８の気体導入流量を調整して減圧チャンバー１１の内圧を所定の減圧下に制御した後、気体噴出孔１９より浮上用気体を噴出し、減圧チャンバー１１の底面１０と加工対象物７の加工面との距離を一定の距離に維持する。

そして、レーザ加工領域近傍に対し図５の右から左の方向に気流ができるように気体を導入し、１回目のレーザ光を照射する。このとき略同時に排気を行う。レーザ光が照射された加工対象物７の第１照射領域２３の左側にデブリ２７が堆積する。次に、加工対象物７が載置されているステージ６をパターン加工方向、つまり本例では導入された気流と反対向きに移動させる。そして、上述同様、加工対象物７のレーザ光照射領域近傍に気体を導入するとともに当該雰囲気を排出しつつ、加工対象物７に対し第１ショットのレーザビームによる第１照射領域２３と第２ショットのレーザビームによる第２照射領域２４が一部、例えば例えば約５０％重なるようにレーザビームを照射する。

第１ショットのレーザビームにより発生し再付着したデブリ２７は、オーバーラップ照射することにより、排気孔１６及び通気孔１７から除去、回収することができる。このとき、第２照射領域２４の気流方向つまり左側にデブリ２８が新たに発生する。

同様にして加工対象物７を載置したステージ６を気流と反対側（パターン加工方向）に移動させ、レーザビームを照射する工程を繰り返し、第ｎショットまでレーザビームを照射すると、第ｎ照射領域における気流風下側にデブリ２９が加工領域に堆積するとともに、第１〜第（ｎ−１）ショットまでの第１〜第（ｎ−１）照射領域に再付着するデブリを除去、回収することができる。

なお、本例では加工ビームの重ね合わせ量は例えば約５０％のオーバーラップ量とするが、重ね合わせ量はこれに限るものではない。また、本例において、気体導入手段１３から送出される気体として、例えば酸素（Ｏ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、等が用いられる。

次に、上述した本発明の第１の実施形態の変形例について説明する。
実際の加工対象物７は、フラットディスプレイなどのアレイ基板（多層膜基板）などであるから、図６に示すように、パターン加工方向の転換、つまりレーザ照射順路を複数回変更する必要がある。この場合、通気孔１７に、加工対象物７のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排気する機能に加え、レーザ光照射領域近傍に気体を導入する機能を付加する。また通気孔１８に、加工対象物７のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する機能に加え、加工対象物７のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排気する機能を付加する。それにより、加工対象物７のパターン加工方向に応じて、通気孔１７と通気孔１８間における気体の導入及び排気の方向を切り替えられるようにする。一例として、通気孔１７及び通気孔１８を排気手段１２及び気体導入手段１３と各々接続するとともにその接続経路の途中に電磁弁等の開閉手段を設置し、開閉手段の開閉を制御することにより気体の導入及び排気を切り替えるなどの構成がある。

すなわち、図６において右から左へレーザ加工を行うときは、図３に示すような右から左（配管１８ａから配管１７ａ）へ流れる気流方向とし、レーザ加工の向きを切り替えて左から右へレーザ加工を行うときは、図３において図中左から右（配管１７ａから配管１８ａ）へ流れる気流を作るようにする。

このように、気体導入排気部１１ａに形成した通気孔１７，１８を流れる流体の気流方向の切り替えをパターン加工方向に応じて制御することにより、パターン加工方向の転換に対応することができる。

また、上述した本発明の第１の実施形態の他の変形例について説明する。
この実施形態では、減圧チャンバー１１（レーザ加工ヘッド）下側の通気孔１７，１８が形成された気体導入排気部１１ａに、レーザ光の光路と略平行な回転軸を持つ回転機構を設ける。そして、加工対象物７のパターン加工方向に応じて気体導入排気部１１ａを回転させ、加工対象物７のレーザ光照射領域近傍に対する通気孔１７，１８を流れる気体の導入及び排気の方向を切り替えるようにする。これにより、パターン加工方向の転換（図６参照）に対応できる構成とする。このような構成とすることにより、容易にかつ自動で気流方向を切り替えることができる。

例えば、図３を参照して説明すると、パターン加工方向が１８０度転換する場合、減圧チャンバー１１を１８０度回転させて、気流方向を左から右へと反転させる。また図３の下から上へパターン加工が必要となる場合には、減圧チャンバー１１を９０度右回転させ、上から下への気流方向に変更する。

なお、上述の説明において、気体導入排気部１１ａを回転、すなわち減圧チャンバー１１の一部のみを回転させていたが、減圧チャンバー１１の一部だけではなく全体が回転する機構としてもよいことは勿論である。

さらに、上述した本発明の第１の実施形態のさらに他の変形例について説明する。
図７は、本実施形態に係る減圧チャンバー１１の下面図を示すものである。図７の例は、図３に示す吸気（気体導入）と排気の組合せをさらに９０度方向に配置することでＸ方向、Ｙ方向の２方向におけるパターニングでの切り替え時間を短縮することを可能としたものである。

図７において、減圧チャンバー１１（レーザ加工ヘッド）は、加工対象物７のレーザ光照射領域近傍に気体を導入又はレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する、互いに対向してかつそれぞれ配管１７ａ（通気孔１７）及び配管１８ａ（通気孔１８）と９０度の位置に配管３１ａ，３２ａ、つまり第３及び第４の通気孔を形成する。そして、加工対象物７のパターン加工方向に応じて、通気孔１７及び通気孔１８からなる通気孔対、あるいは第３及び第４の通気孔（配管３１ａ，３２ａ）からなる通気孔対のいずれを使用するか選択し切り替えられる構成とする。

本実施の形態によれば、通気孔が９０度ごとに設けられているため、パターンニング時に加工方向を切り替える際、回転移動の必要がなく切り替え時間を短縮することができる。また、回転移動が必要ないので、図３の例と比較すると、機械精度に起因する誤差が発生せず、精度のよいパターン加工が実施可能である。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、レーザ光による、アブレーションもしくは熱溶融によるレーザ加工時に、熱的な影響を少なくしてレーザ加工により発生する加工飛散物を効率よく除去、回収し、加工面へのデブリの付着量を削減することができる。

この結果、精密なレーザ加工が実現でき、しかもデブリの付着を防止することができるという優れた効果が得られ、レーザ加工の応用が広がり、微細パターンを高精度でありながら低コストで形成することが可能となる。

次に、本発明を実施するための第２の実施形態の例について、図８〜図１１を参照して説明する。

多層膜上の金属薄膜のレーザアブレーションは、基本的にレーザ光照射による照射面の熱溶融による蒸発によって起きている。減圧雰囲気により照射エネルギーを低減し、適正エネルギー条件とショット数を制御することにより、レーザアブレーションによる加工部周辺への熱影響を抑えることができる。しかし、レーザ光照射によって発生したデブリはプルームと呼ばれる風船状の塊となり、初速度数十ｍ/ｓｅｃで上昇すると同時にｃｏｓρの法則に従い広がっていく。そのため減圧チャンバー１１に流体を送出、排気するだけでは完全にデブリを回収することが困難であり、図７に示す減圧チャンバー１１の上部透過窓９にデブリが付着してしまい、所望のレーザ加工品質を得られなくなってしまうことがある。そこで、溶融・蒸散時の初速流体だけでは回収困難なデブリについては、遮蔽板を用いてデブリをトラップすることにより、上部透過窓９へのデブリ付着が抑えられる構成を提案する。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る減圧チャンバーの概略断面図である。図８において、図２と対応する部分に同一符号を付し、詳細な説明を省略する。図８に示す減圧チャンバーは、図２に示すものと比較して相違点が２点ある。第１の相違点は、中央部分に開口が形成された遮蔽板が設置されている点であり、この遮蔽板は減圧チャンバー１１の上部透過窓９と開口部２０の間に配置される。図８の例では、２つの遮蔽板４２及び遮蔽板４３を組み合わせて構成されている。また、第２の相違点は、減圧チャンバー１１の円筒面のレーザ光光軸を挟んで排気孔１６と反対側に導入孔４１が形成されている点である。導入孔４１は、遮蔽板４１の通気部４４に気体を導入するためのものである。

図９は遮断板４２の概観を示す図であり、Ａは上面図、ＢはＸ−Ｘ線断面図である。図１０は遮断板４３の外観を示す図であり、Ａは上面図、ＢはＹ−Ｙ線断面図である。図９Ａ，Ｂに示すように、遮蔽板４２は高さが低く開口が形成された有底の筒状、あるいは、両底面に開口を有する高さの低い円柱である。遮蔽板４２の一方は完全に開口しており、他方は底面に所定の大きさの開口４２ａが形成されている。遮蔽板４２は、底面と反対側の開口端から開口４２ａに向かって落ち込んでいくような、略すり鉢状の形状をしている。

遮蔽板４２ａの底面に形成された開口４２ａの大きさは、遮断板４２を通過するレーザ光のビームサイズ（対角寸法）と同等か若干大きい程度が望ましい。本例では、ビームサイズに対して、例えば＋０．５ｍｍ〜１ｍｍの大きさとする。これにより、加工対象物７のレーザ光照射領域にて発生し上部透過窓９に向かって上昇してくる加工飛散物２１のうち、遮蔽板４２，４３の開口４２ａ，４３ａを通る加工飛散物の量を最小限に抑えることができる。

図１０Ａ，Ｂに示すように、遮蔽板４３は、遮蔽板４２の上下を逆さにしたものであり、開口４３ａを有し遮蔽板４２と同形状である。

図８に示すように、遮蔽板４２と遮蔽板４３の各々の開口４２ａ，４３ａが形成された底面が所定間隔離れた状態で組み合わされて配置される。遮蔽板４２と遮蔽板４３の双方の底面を対向させた状態で設置することで、遮蔽板４２と遮蔽板４３の間に、通気部４４となる空間が形成される。

遮蔽板４２及び遮蔽板４３からなる遮蔽板は、減圧チャンバー１１内部の、排気孔１６及び導入孔４１と同じ高さに設置される。それにより、遮蔽板４２及び遮蔽板４３により形成された通気部４４と導入孔４１及び排気孔１６が連通する。導入孔４１から遮蔽板の通気部４４への気体の導入は、気体導入排気部１１ａの通気孔１７又は通気孔１８による気体導入のタイミングに合わせて実行する。

そして、加工対象物７のレーザ光照射領域より発生する加工飛散物２１を、減圧チャンバー１１の底部に設けられた開口部２０と連通する通気孔１７から排気するのに合わせて、排気孔１６から減圧チャンバー１１内の雰囲気を外部へ排気する。このとき、通気孔１７より排気しきれなかった加工飛散物２１は、遮蔽板４２の下面でトラップされ、開口４２ａの周辺部に付着する。

さらに遮蔽板４２でトラップしきれなかった加工飛散物は、遮断板４２及び遮断板４３の各々の開口４２及び開口４３から通気部４４へ取り込まれる。取り込まれた加工飛散物は、導入孔４１から導入される気体によって、例えば図９Ａに示すように通気部４４内で排気孔１６に向かう方向へと流される。このように流された加工飛散物が通気部４４から排気孔１６より排気される。

以上説明した第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態よる作用効果に加え、さらに、遮蔽板を用いることで多層薄膜上の加工対象膜（樹脂膜又は金属薄膜）をパターン加工する際のデブリをトラップしてレーザ光の透過窓へのデブリ付着を抑えることができる。

この結果、さらに精密なレーザ加工が実現でき、しかもデブリの付着を防止することができるという優れた効果が得られ、レーザ加工の応用が広がり、微細パターンを高精度でありながら低コストで形成することが可能となる。また、このレーザ加工方法により、デブリやパターン加工エッジ部の熱影響を削減して平坦化し、パターン加工部の残渣を無くして歩留りの向上と消費電力の低減を実現でき、高品質のディスプレイパネルの製造が可能となる。

次に、上述した本発明の第２の実施形態の他の変形例について、図１１を参照して説明する。
図１１は、本発明の第２の実施形態の他の変形例である遮蔽板４３を示す図であり、Ａは上面図、ＢはＺ−Ｚ線断面図、Ｃは側面図である。本例の遮蔽板４３は、図９及び図１０に示す二つの遮蔽板４２，４３を各々の底面を対向させた状態で所定間隔離して組み合わせた形状である。加えて、遮蔽板４３内部に形成する通気部４６を、開口４５ａを貫く直線状としている。これにより、遮蔽部４３を減圧チャンバー１１内に設置したとき、導入孔４１と排気孔１６が通気部４６によって直線に連通する。したがって、本例は図９の例とは異なり、遮蔽板４５の開口４５ａから取り込まれた加工飛散物が、通気部４６を通って直線的に排気孔１６へ流されるので、加工飛散物の除去及び回収の効率が向上する。

なお、上述した各実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、材料の種類や数値限定など技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る減圧チャンバーの概略断面図である。 本発明の第１実施形態に係る減圧チャンバー下面図（１）である。 本発明の第１実施形態に係るデブリの飛散例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工方法の説明に供する図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工順路の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る減圧チャンバー下面図（２）である。 本発明の第２の実施形態に係る減圧チャンバーの概略断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る遮断板（１）を示す図であり、Ａは上面図、ＢはＸ−Ｘ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る遮断板（２）を示す図であり、Ａは上面図、ＢはＹ−Ｙ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る遮断板（３）を示す図であり、Ａは上面図、ＢはＺ−Ｚ線断面図、Ｃは側面図である。 従来のレーザ加工装置における開口部近傍の断面図である。

符号の説明

１…レーザ光源、６…ステージ、７…加工対象物、９…上部透過窓、１０…底部、１１…減圧チャンバー（レーザ加工ヘッド）、１２…排気手段、１３…気体導入手段、１４…透過孔、１５…レーザ加工装置、１６…排気孔、１６ａ，１７ａ，１８ａ，３１ａ，３２ａ…配管、１７…通気孔、１８…通気孔、２０…開口部、２１…加工飛散物（デブリ）、２２…照射領域、２３…第１照射領域、２４…第２照射領域、２５…第ｎ照射領域、２６，２７，２８…加工飛散物（デブリ）、４１…導入孔、４２，４３，４５…遮断板、４２ａ，４３ａ，４５ａ…開口、４４，４６…通気部

Claims (13)

1. レーザ光を利用して加工対象物に形成された多層膜上の樹脂膜又は金属薄膜のパターン加工を行うレーザ加工装置において、
   前記加工対象物に照射されるレーザ光を透過する透過窓と、
   当該レーザ加工ヘッド内の雰囲気を外部へ排出する排気孔と、
   前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する第１通気孔と、
   前記第１通気孔と対向する位置に設けられ前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する第２通気孔と、
   前記透過窓を透過したレーザ光を通す開口部と、前記第１通気孔、前記開口部、前記第２通気孔を連通し、前記レーザ光照射領域近傍に前記第１通気孔から前記第２通気孔への流れと前記第１通気孔から前記排気孔への流れの気流を生成する通気部とが形成され、さらに遮蔽板本体の開口部周辺に斜面が形成されて前記開口部の端部に向かって落ち込んだ略すり鉢状の断面形状を有する遮蔽板と、
   を有するレーザ加工ヘッドを備え、
   前記レーザ加工ヘッドの底部が前記加工対象物と１００μｍ以下の距離に近接かつ対向して設けられ、前記加工対象物のレーザ光照射領域より発生する加工飛散物を、前記遮蔽板の前記第２の通気孔および前記排気孔から排気するとともに、前記開口部の前記気流風下側周辺の斜面に付着させる
   レーザ加工装置。
2. 前記遮蔽板に設けられた開口部は、通過する前記レーザ光の径と略同等である
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記加工対象物のレーザ光照射領域より発生する加工飛散物を、前記第２の通気孔が排気するのに合わせて、前記遮蔽板の開口部より取り込み前記通気部を通じて前記排気孔より排気する
   請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記加工対象物に第１のレーザ光を照射した後、前記加工対象物を載置するステージを前記レーザ加工ヘッドの前記第１通気孔から前記第２通気孔へ向かう気流と反対方向に所定距離移動させ、前記加工対象物に対し前記第１のレーザ光による第１照射領域と一部重なるように、かつ、前記第１のレーザ光によって堆積した加工飛散物が照射されるように第２のレーザ光を照射する
   請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記多層膜上に積層された金属薄膜の下層に樹脂膜が形成されている
   請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記遮蔽板の開口部の径、及び前記加工対象物の前記多層膜表面と前記遮蔽板の底部との距離を調節して、前記加工飛散物の前記加工対象物への堆積量を抑制する
   請求項４に記載のレーザ加工装置。
7. 前記第１通気孔は、前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する機能に加え、前記レーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する機能を有し、
   また前記第２通気孔は、前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する機能に加え、前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する機能を有し、
   前記加工対象物のパターン加工方向に応じて、前記第１通気孔と前記第２通気孔間における気体の導入及び排気の方向を切り替える
   請求項５または６に記載のレーザ加工装置。
8. さらに前記レーザ加工ヘッドは、前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入又は前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する、互いに対向してかつそれぞれ前記１通気孔及び第２通気孔と９０度の位置に設置された第３通気孔及び第４通気孔を備え、
   前記加工対象物のパターン加工方向に応じて、前記第１通気孔と前記第２通気孔からなる通気孔対、又は前記第３通気孔と前記第４通気孔からなる通気孔対のいずれかに所定方向の前記気流を発生させる
   請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記レーザ加工ヘッドの一部に、前記第１及び第２通気孔が形成され、かつ前記レーザ光の光路と略平行な回転軸を持つ回転機構を有し、
   前記加工対象物のパターン加工方向に応じて前記回転機構を回転させ、前記加工対象物の前記レーザ光照射領域近傍に対する前記第１通気孔と前記第２通気孔と間における気体の導入及び排気の方向を切り替える
   請求項８に記載のレーザ加工装置。
10. 前記透過窓と前記遮蔽板の間に配置され、前記透過窓を透過したレーザ光を通す第２の開口部を有する第２の遮蔽板、をさらに備える
    請求項７乃至９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
11. 前記第２の遮蔽板は、前記レーザ加工ヘッド内に気体を導入する導入孔と前記排気孔を略直線に連通し、かつ前記開口部と接続した第２の通気部が形成されている
    請求項１０に記載のレーザ加工装置。
12. レーザ光を利用して加工対象物に形成された多層膜上の樹脂膜又は金属薄膜のパターン加工を行うためのレーザ加工ヘッドであって、
    前記加工対象物に照射されるレーザ光を透過する透過窓と、
    当該レーザ加工ヘッド内の雰囲気を外部へ排出する排気孔と、
    前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する第１通気孔と、
    前記第１通気孔と対向する位置に設けられ前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する第２通気孔と、
    前記透過窓を透過したレーザ光を通す開口部と、前記第１通気孔、前記開口部、前記第２通気孔を連通し、前記レーザ光照射領域近傍に前記第１通気孔から前記第２通気孔への流れと前記第１通気孔から前記排気孔への流れの気流を生成する通気部とが形成され、さらに遮蔽板本体の開口部周辺に斜面が形成されて前記開口部の端部に向かって落ち込んだ略すり鉢状の断面形状を有する遮蔽板と、を有し、
    当該レーザ加工ヘッドの底部が前記加工対象物と１００μｍ以下の距離に近接かつ対向して設けられ、前記加工対象物のレーザ光照射領域より発生する加工飛散物を、前記遮蔽板の前記第２の通気孔および前記排気孔から排気するとともに、前記開口部の前記気流風下側周辺の斜面に付着させる
    レーザ加工ヘッド。
13. 入射されたレーザ光を透過する透過窓、レーザ加工ヘッド内の雰囲気を外部へ排出する排気孔と、加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する第１通気孔と、前記第１通気孔と対向する位置に設けられ前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を排出する第２通気孔と、前記透過窓を透過したレーザ光を通す開口部と、前記第１通気孔、前記開口部、前記第２通気孔を連通し、前記レーザ光照射領域近傍に前記第１通気孔から前記第２通気孔への流れと前記第１通気孔から前記排気孔への流れの気流を生成する通気部とが形成され、さらに遮蔽板本体の開口部周辺に斜面が形成されて前記開口部の端部に向かって落ち込んだ略すり鉢状の断面形状を有する遮蔽板が設けられたレーザ加工ヘッドを用いて、前記レーザ加工ヘッドの底部を前記加工対象物と１００μｍ以下の距離に近接かつ対向して設け、前記加工対象物に形成された多層膜上の樹脂膜又は金属薄膜のパターン加工を行うレーザ加工方法において、
    前記第１通気孔より前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍に気体を導入する工程と、
    前記加工対象物に第１のレーザ光を照射する工程と、
    前記加工対象物を載置するステージを前記導入された気体の流れと反対方向に所定量距離移動させる工程と、
    前記加工対象物のレーザ光照射領域近傍の雰囲気を前記遮蔽板の所定位置に設けられた第２通気孔より排出する工程と、
    前記レーザ加工ヘッド内の雰囲気を前記遮蔽板の開口部より取り込み前記排気孔より排気する工程と、
    前記第１通気孔及び前記排気孔より排気中に、前記加工対象物に対し前記第２のレーザ光による第１照射領域と一部重なるように、かつ、前記第１のレーザ光によって堆積した加工飛散物が照射されるように第２のレーザ光を照射する工程と、を有する
    レーザ加工方法。

Images