JP2017221969A - レーザリフトオフ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化が可能で、メンテナンスの煩雑さを解消することができ、複数の固体レーザを用いること無く、所望の出力パワーの紫外光をワークに照射する。【解決手段】レーザリフトオフ装置１は、単一の固体レーザ２０を備えるレーザ光源部２と、レーザ光源部２から出射されるレーザ光を複数のビームに分割するビーム分割光学系３と、ビーム分割光学系３によって分割された各ビームが入射し、ビームの出力パワーを増幅する光増幅部４と、光増幅部４から出射したビームの波長変換を行う非線形波長変換部５と、非線形波長変換部５から出射したビームを線状にビーム成形してワークに照射するビーム成形部６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザリフトオフ装置に関するものである。

回路基板などの製造方法において、支持基板上の表面に形成された材料層を、支持基板の裏面側からレーザ光を照射することより剥離するレーザリフトオフ技術が知られている。レーザリフトオフは、基板と材料層との界面に材料層のみが吸収する波長の高強度レーザパルスを基板側から照射することで、界面の材料層を分解温度以上に昇温させ、材料層を基板から剥離するものである。

レーザリフトオフ装置は、パルスレーザを発生するレーザ光源と、レーザ光を所定の形状に成形するレーザ光学系、ワークを支持して搬送するワーク搬送機構などを備えている。レーザ光源としては、紫外光を出射する光源として、出力パワーが所望の値に制御されたＫｒＦエキシマレーザが一般に用いられている（下記特許文献１参照）。

特開２０１３−２０２６７１号公報

従来のレーザリフトオフ装置は、ＫｒＦエキシマレーザなどのガスレーザを光源として用いることで高強度の紫外光レーザパルスを出力しているが、装置の大型化とメンテナンスの煩雑さが大きな問題になっている。

これに対して、安価な固体レーザを用い、非線形波長変換によって紫外光を得ることが、各種のレーザ関連技術で行われており、固体レーザを用いて、出力光を非線形波長変換した紫外光を所定の形状に成形してワークに照射するレーザリフトオフ装置が検討されている。しかしながら、このようなレーザリフトオフ装置は、非線形波長変換の変換効率で出力パワーが減少することから、所望の出力パワーを得るためには、固体レーザを複数個配列して同時照射することが必要になり、これを実現するためには、起動時に複数の固体レーザを同期して発振させる難しい制御が必要になる。

本発明は、このような事情に対処するために提案されたものであり、装置の小型化が可能で、メンテナンスの煩雑さを解消することができ、複数の固体レーザを用いること無く、所望の出力パワーの紫外光をワークに照射することができるレーザリフトオフ装置を得ることを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明によるレーザリフトオフ装置は、以下の構成を具備するものである。
単一の固体レーザを備えるレーザ光源部と、前記レーザ光源部から出射されるレーザ光を複数のビームに分割するビーム分割光学系と、前記ビーム分割光学系によって分割された各ビームが入射し、前記ビームの出力パワーを増幅する光増幅部と、前記光増幅部から出射したビームの波長変換を行う非線形波長変換部と、前記非線形波長変換部から出射したビームを線状にビーム成形してワークに照射するビーム成形部とを備えることを特徴とするレーザリフトオフ装置。

このような特徴を有するレーザリフトオフ装置は、レーザ光源部は単一の固体レーザを備えるので、複数の固体レーザを同期発振させる煩雑さを解消することができる。また、分割されたビームは、光増幅部で出力パワーの増幅がなされ、その後、非線形波長変換部で波長変換がなされるので、波長変換時の出力パワーの減少を補い所望の出力パワーを有する紫外光を得ることができる。これにより、本発明のレーザリフトオフ装置は、装置の小型化が可能で、メンテナンスの煩雑さを解消することができ、複数の固体レーザを用いること無く、所望の出力パワーの紫外光をワークに照射することができる。

本発明の実施形態に係るレーザリフトオフ装置の全体構成を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザリフトオフ装置の駆動部の構成例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザリフトオフ装置の動作状態を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザリフトオフ装置の他の構成例を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１に示すように、レーザリフトオフ装置１は、レーザ光源部２と、ビーム分割光学系３と、光増幅部４と、非線形波長変換部５と、ビーム成形部６とを備えている。レーザ光源部２は、単一の固体レーザ２０を備えている。固体レーザ２０としては、ＹＡＧレーザ、ファイバレーザなどを用いることができる。ＹＡＧレーザの発振波長は、例えば１０６４ｎｍ（赤外光）であり、ファイバレーザの発振波長は、Ｙｂドープ光ファイバを用いる場合、９１５ｎｍ励起光で、１０３０〜１０７０ｎｍ（赤外光）である。

ビーム分割光学系３は、レーザ光源部２から出射されるレーザ光Ｌｓを複数のビームＬ１〜Ｌ６に分割する。レーザ光Ｌｓの分割には、ミラー３Ａとハーフミラー３Ｂを用いることができる。ここで、レーザ光源部２から出射されるレーザ光Ｌｓが、５０Ｈｚ、１．０Ｊ／ｐのパルスレーザ光である場合には、図示のように６分割されたビームＬ１〜Ｌ６は、出力パワーが均等に分割され、それぞれ０．１７Ｊ／ｐ、５０Ｈｚのパルスレーザ光になる。図示の例では、６分割しているが、分割数は特に限定されない。

光増幅部４は、ビーム分割光学系３によって分割された各ビームＬ１〜Ｌ６が入射し、ビームＬ１〜Ｌ６の出力パワーをそれぞれ増幅する光増幅器４０を備える。例えば、各ビームＬ１〜Ｌ６のパワーが０．１７Ｊ／ｐの場合には、光増幅部４によって、それぞれのビームが０．６Ｊ／ｐ程度に増幅されることが好ましい。光増幅器４０としては、例えば、ファイバレーザ増幅器を用いることができる。

非線形波長変換部５は、光増幅部４から出射したビームの波長変換を行う。この非線形波長変換部５は、赤外光のビームＬ１〜Ｌ６が紫外光に波長変換される非線形波長変換素子５０を備える。非線形波長変換素子５０としては、第２高調波生成素子、第３高調波生成素子、第４高調波生成素子などが、レーザ光源部２から出射されるレーザ光Ｌｓの波長とワークに照射するレーザ光Ｌｔの波長との関係で、適宜選択される。ここで、非線形波長変換部５を通過するビームは、変換効率に応じて出力パワーが低下することになる。この低下を見込んで、光増幅部４では、ビームＬ１〜Ｌ６の出力パワーを予め増幅しておく。

ビーム成形部６は、非線形波長変換部５から出射したビームを線状にビーム成形してワークＷに照射する。具体的には、ミラー６Ａ等の光路変換素子を用いて、所定間隔の並列ビームを形成し、各ビームをビームエキスパンダ６Ｂで拡径した後、シリンドリカルレンズ６Ｃで一方向に集光して、線状ビームＬｔを形成する。

図２は、レーザリフトオフ装置の駆動部の構成例を示している。駆動部７は、制御ユニット７Ａ、同期バルス発生器７Ｂ、発振器用電源７Ｃ、増幅器用電源７Ｄを備えている。制御ユニット７Ａは、同期パルス発生器７Ｂから同期パルスを出力させ、出力した同期パルスが発振器用電源７Ｃと増幅器用電源７Ｄに入力される。制御ユニット７Ａは、同期パルスに応じて、発振器用電源７Ｃと増幅器用電源７Ｄを動作制御する。なお、図２に示した例では、レーザ光源部２は、ＹＡＧレーザを備えており、非線形波長変換部５は、ＹＡＧレーザの発振波長１０６４ｎｍを、３５５ｎｍの波長に変換するための第２高調波生成素子５１と第３高調波生成素子５２を備えている。

図３に示すように、レーザリフトオフ装置１は、ワーク支持枠１０に装備され、ワークＷに対して線状にビーム成形されたレーザ光Ｌｔを照射する。ワーク支持枠１０は、ワークＷを支持して一定方向に移動（走査）するワーク移動機構（ワークステージ）１１を備えている。ワーク移動機構１１は、ワークＷを支持するステージ１１Ａを備え、ワークＷが載置されたステージ１１Ａを一方向（図示Ｘ方向）に移動させる。レーザリフトオフ装置１が出射する線状ビームのレーザ光Ｌｔは、図示Ｙ方向に延びる幅を有しており、その幅がワークＷのＹ方向の幅と同等の長さを有している。

レーザ光Ｌｔは、ワークＷの裏面から照射される。ワークＷは、例えばガラス基板であり、その上に剥離対象となる材料層（薄膜の回路基板など）が積層されている。ステージ１１ＡをＸ方向に移動させることで、線状ビームのレーザ光ＬｔがワークＷの全面に照射される。ここでは、レーザリフトオフ装置１をワーク支持枠１０に装備して、ワークＷが載置されたステージ１１Ａを移動させる構成例を示しているが、これに限らず、ワークＷを固定して、レーザリフトオフ装置１或いはレーザ光Ｌｔを移動（走査）することで、ワークＷの全面にレーザ光Ｌｔを照射するようにしてもよい。

このようなレーザリフトオフ装置１によると、大型でメンテナンスが煩雑なガスレーザを用いないので、装置のコンパクト化とメンテナンスの簡素化が可能になる。単一の固定レーザを用いるので、複数の固体レーザを用いる場合の起動時の同期発振が不要になり、簡易な起動が可能になる。

固体レーザ２０の発振波長を波長変換して紫外光をワークに照射するに際して、均等出力パワーに分割した分割ビームを光増幅部４で増幅するので、増幅度合いを均一制御することで、強度ムラの無い線状ビームを得ることができる。また、ビーム成形部６の光学系を適宜選択することで、ワークＷの幅に応じて線状ビームの幅を適宜調整することができる。

このような本発明の実施形態によると、装置の小型化が可能で、メンテナンスの煩雑さを解消することができ、複数の固体レーザを用いること無く、所望の出力パワーの紫外光をワークに照射することができるレーザリフトオフ装置１を得ることができる。

図４は、レーザリフトオフ装置１の他の構成例を示している。この例では、レーザ光源部２（固体レーザ２０）から出射してビーム分割光学系３によって分割され光増幅部４（複数の光増幅器４０）にそれぞれ入射するまでのレーザ光の各光路長を同一距離としている。図４においては、各光路長が、Ｌ_in１＝Ｌ_in２＝Ｌ_in３＝Ｌ_in４＝Ｌ_in５＝Ｌ_in６となっている。

また、非線形波長変換部５（複数の非線形波長変換素子５０）からそれぞれ出射して、ビーム成形部６にて幅Ｌｙの線状ビームに成形されるレーザ光の各光路長を同一距離としている。すなわち、複数のビームエキスパンダ６Ｂと１つのシリンドリカルレンズ６Ｃを通過してワークに照射されるレーザ光の光路長が一致している場合には、非線形波長変換部５から出射してビームエキスパンダ６Ｂに入射するまでのレーザ光の光路長を同一距離にしている。

このように分割されるレーザ光の光路長を同一距離にすることで、レーザリフトオフ装置１の処理品質を向上させることができる。レーザリフトオフ装置１で使用するレーザ光源部２は、波長約３５５ｎｍ、パルス幅約１０ｎｓ程度の固体レーザが用いられる。単体のレーザ光源部２からレーザ光を分割してワークに照射すると、光速度で勘案して、分割されたレーザ光の各光路に１ｍの距離差が生じた場合には、約３ｍｓの時間差が発生し、パルス幅の３０％に相当する時間差が生じることになる。この時間差によりワークのリフトオフ条件に違いが生じる。また、レーザ光源部２から出射されるレーザ光は、一定の拡がり角度を有しているので、レーザ光源部２からの距離が異なると、同じ光学系でビーム成形されるビームの大きさも異なることになり、光増幅部４での光増幅率や被処理面での照射均一度に差異が生じて、リフトオフ条件に違いが生じることになる。前述したように分割されるレーザ光の光路長の同一距離にすることで、このようなリフトオフ条件の違いを無くすことができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：レーザリフトオフ装置，２：レーザ光源部，２０：固体レーザ，
３：ビーム分割光学系，３Ａ：ミラー，３Ｂ：ハーフミラー，
４：光増幅部，４０：光増幅器，
５：非線形波長変換部，５０：非線形波長変換素子，６：ビーム成形部，
６Ａ：ミラー，６Ｂ：ビームエキスパンダ，６Ｃ：シリンドリカルレンズ，
７：駆動部，７Ａ：制御ユニット，７Ｂ：同期バルス発生器，
７Ｃ：発振器用電源，７Ｄ：増幅器用電源，
１０：ワーク支持枠，１１：ワーク移動機構（ワークステージ），
１１Ａ：ステージ

Claims (4)

1. 単一の固体レーザを備えるレーザ光源部と、
   前記レーザ光源部から出射されるレーザ光を複数のビームに分割するビーム分割光学系と、
   前記ビーム分割光学系によって分割された各ビームが入射し、前記ビームの出力パワーを増幅する光増幅部と、
   前記光増幅部から出射したビームの波長変換を行う非線形波長変換部と、
   前記非線形波長変換部から出射したビームを線状にビーム成形してワークに照射するビーム成形部とを備えることを特徴とするレーザリフトオフ装置。
2. 前記固体レーザは、ＹＡＧレーザであり、前記非線形波長変換部は、第２高調波生成素子と第３高調波生成素子を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザリフトオフ装置。
3. 前記光増幅部は、ファイバレーザ増幅器を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザリフトオフ装置。
4. 前記レーザ光源部から出射して前記ビーム分割光学系によって分割され前記光増幅部にそれぞれ入射するまでのレーザ光の各光路長を同一距離とし、
   前記非線形波長変換部からそれぞれ出射して前記ビーム成形部にてビーム成形されるレーザ光の各光路長を同一距離とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザリフトオフ装置。

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