(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法において、
前記被加工対象物上に単位加工領域を設定する第１段階と、
レーザービームが、前記単位加工領域の１つの境界から開始して１番目のスキャンパス（ｓｃａｎ  ｐａｔｈ）に沿って移動しながら前記単位加工領域の別の境界に到達するまで、前記単位加工領域内に含まれる前記被加工対象物に対する加工が行われる第２段階と、
前記レーザービームを次のステップに方向転換し、ステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させて２番目のスキャンパスへ移動させる第３段階と、
前記第２段階および前記第３段階を繰り返し行ってｎ番目のスキャンパスに沿って前記レーザービームの移動が完了すると、単位加工領域全体に対する加工が行われる第４段階と、を含んでなり、
各スキャンパスに対応して加工深さを設定し、
前記加工深さの設定は、
前記スキャンパスを移動するレーザービームのオーバーラップ率（ｏｖｅｒｌａｐ  ｒａｔｅ）［オーバーラップ率＝（レーザービームの大きさ−スキャンピッチ）／レーザービームの大きさ×１００、スキャンピッチ＝ｖ／ｆ、ｖ：駆動部の動作による被加工対象物とレーザービームの相対速度、ｆ：被加工対象物に印加されるレーザーソースのパルス振動数］によって決定されることを特徴とするレーザーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項２】
レーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法において、
前記被加工対象物上に単位加工領域を設定する第１段階と、
レーザービームが、前記単位加工領域の１つの境界から開始して１番目のスキャンパス（ｓｃａｎ  ｐａｔｈ）に沿って移動しながら前記単位加工領域の別の境界に到達するまで、前記単位加工領域内に含まれる前記被加工対象物に対する加工が行われる第２段階と、
前記レーザービームを次のステップに方向転換し、ステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させて２番目のスキャンパスへ移動させる第３段階と、
前記第２段階および前記第３段階を繰り返し行ってｎ番目のスキャンパスに沿って前記レーザービームの移動が完了すると、単位加工領域全体に対する加工が行われる第４段階と、を含んでなり、
各スキャンパスに対応して加工深さを設定し、
前記加工深さの設定は、
前記スキャンパスの重畳回数によって決定されることを特徴とするレーザーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項３】
レーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法において、
前記被加工対象物上に単位加工領域を設定する第１段階と、
レーザービームが、前記単位加工領域の１つの境界から開始して１番目のスキャンパス（ｓｃａｎ  ｐａｔｈ）に沿って移動しながら前記単位加工領域の別の境界に到達するまで、前記単位加工領域内に含まれる前記被加工対象物に対する加工が行われる第２段階と、
前記レーザービームを次のステップに方向転換し、ステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させて２番目のスキャンパスへ移動させる第３段階と、
前記第２段階および前記第３段階を繰り返し行ってｎ番目のスキャンパスに沿って前記レーザービームの移動が完了すると、単位加工領域全体に対する加工が行われる第４段階と、を含んでなり、
各スキャンパスに対応して加工深さを設定し、
前記加工深さの設定は、
前記スキャンパスを移動するレーザービームのオーバーラップ率（ｏｖｅｒｌａｐ  ｒａｔｅ）［オーバーラップ率＝（レーザービームの大きさ−スキャンピッチ）／レーザービームの大きさ×１００、スキャンピッチ＝ｖ／ｆ、ｖ：駆動部の動作による被加工対象物とレーザービームの相対速度、ｆ：被加工対象物に印加されるレーザーソースのパルス振動数］；
前記スキャンパスの重畳回数；および
前記スキャンパス別にエネルギー強度を設定することまたは／および１つのスキャンパス内でもレーザーソースのパルス別にエネルギー強度を設定すること；
これら２つ以上の組み合わせによって決定されることを特徴とするレーザーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項４】
レーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法において、
前記被加工対象物上に単位加工領域を設定する第１段階と、
レーザービームが、前記単位加工領域の１つの境界から開始して１番目のスキャンパス（ｓｃａｎ  ｐａｔｈ）に沿って移動しながら前記単位加工領域の別の境界に到達するまで、前記単位加工領域内に含まれる前記被加工対象物に対する加工が行われる第２段階と、
前記レーザービームを次のステップに方向転換し、ステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させて２番目のスキャンパスへ移動させる第３段階と、
前記第２段階および前記第３段階を繰り返し行ってｎ番目のスキャンパスに沿って前記レーザービームの移動が完了すると、単位加工領域全体に対する加工が行われる第４段階と、を含んでなり、
前記１からｎ番目のスキャンパスと、前記スキャンパスに対して垂直な１からｍ番目のスキャンパスを設定して、３次元構造物を形成することを特徴とするレーザーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項５】
前記スキャンパスに沿ってエネルギー累積分布を順次的な強度に設定してテーパー形状の３次元構造物を形成することを特徴とする請求項４に記載のレーザーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項６】
レーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法において、
前記被加工対象物上に単位加工領域を設定する第１段階と、
レーザービームが、前記単位加工領域の１つの境界から開始して１番目のスキャンパス（ｓｃａｎ  ｐａｔｈ）に沿って移動しながら前記単位加工領域の別の境界に到達するまで、前記単位加工領域内に含まれる前記被加工対象物に対する加工が行われる第２段階と、
前記レーザービームを次のステップに方向転換し、ステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させて２番目のスキャンパスへ移動させる第３段階と、
前記第２段階および前記第３段階を繰り返し行ってｎ番目のスキャンパスに沿って前記レーザービームの移動が完了すると、単位加工領域全体に対する加工が行われる第４段階と、を含んでなり、
前記単位加工領域に含まれている前記被加工対象物の領域上に複数のエネルギー領域を設定して、エネルギー領域別にエネルギー累積分布を順次的な強度に設定して加工深さを設定することを特徴とするレーザーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項７】
前記エネルギー領域別にエネルギー累積分布を設定することは、
前記スキャンパスの重畳回数、または
前記スキャンパスを移動するレーザーソースのパルス別に異なるエネルギー強度の設定によって行われることを特徴とする請求項６に記載のレーザーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項８】
前記エネルギー領域別にエネルギー累積分布を設定することは、
前記スキャンパスの重畳回数を順次設定するか、或いは、前記スキャンパスを移動するレーザーソースのパルス別にエネルギー強度を順次設定して、テーパー形状の３次元構造物を形成することを特徴とする請求項６に記載のレーザーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項９】
ｎ−１番目のスキャンパスからｎ番目のスキャンパスへの方向転換時のステップピッチは、ｎ−１番目のスキャンパスのレーザービームの大きさと同じか或いはそれより小さい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ーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項１０】
ｎ−１番目のスキャンパスとｎ番目のスキャンパスとは、同じ方向または反対方向にレーザービームが移動す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ーを用いた３次元パターニング方法。
【請求項１１】
レーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法において、
前記被加工対象物上に単位加工領域を設定する第１段階と、
レーザービームが、前記単位加工領域の１つの境界から開始して１番目のスキャンパス（ｓｃａｎ  ｐａｔｈ）に沿って移動しながら前記単位加工領域の別の境界に到達するまで、前記単位加工領域内に含まれる前記被加工対象物に対する加工が行われる第２段階と、
前記レーザービームを次のステップに方向転換し、ステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させて２番目のスキャンパスへ移動させる第３段階と、
前記第２段階および前記第３段階を繰り返し行ってｎ番目のスキャンパスに沿って前記レーザービームの移動が完了すると、単位加工領域全体に対する加工が行われる第４段階と、を含んでなり、
ｎ−１番目のスキャンピッチとｎ番目のスキャンピッチは、３次元構造物の形状に応じて異なるように設定される（スキャンピッチ＝ｖ／ｆ、ｖ：駆動部の動作による被加工対象物とレーザービームの相対速度、ｆ：被加工対象物上に印加されるレーザーソースのパルス振動数）ことを特徴とするレーザーを用いた３次元パターニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーを用いて被加工対象物に、３次元構造物からなるパターンを形成するためのものであって、被加工対象物上に単位加工領域を設定し、その単位加工領域上に、レーザービームが移動するスキャンパスを特定のステップピッチ間隔で設定して各単位加工領域の加工を行うことで、被加工対象物への熱エネルギーの累積を防止する、レーザーを用いた３次元パターニング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーは、半導体素子の直接製造時に例えば薄膜蒸着やアニーリング工程などに活用されるか、或いは半導体素子の製造工程に必要なツールまたは装置の加工などに活用される。
【０００３】
本発明では、有機ＥＬや有機半導体素子などの製造の際に真空蒸着工程で使用されるメタルシャドーマスクを、レーザーを用いて製造する。
このようなメタルシャドーマスクは、多数の円形ホール、または、テーパー形状の３次元ホール構造を有するものであって、基板に前記マスクを整列させ、所望のパターンの発光層を基板上の特定の領域に蒸着して有機ＥＬなどの半導体素子を製造するものである。
【０００４】
従来のレーザーを用いたマスク加工方法に関する技術としては、韓国特許登録第１０−１２６７２２０号公報の「レーザーを用いたマスク製造方法」がある。
この従来技術は、マスクホールの形状に対応して設けられた第１閉曲線に沿ってレーザービームを移送させながら基板にレーザービームを照射する第１照射段階と、前記第１閉曲線の内部に配置され前記第１閉曲線よりも内部面積が小さい第２閉曲線に沿ってレーザービームを移送させながら基板にレーザービームを照射する第２照射段階とから構成され、レーザーを用いてマスクを製造する。
【０００５】
また、基板上でマスクホールが形成された位置に、第１エネルギーを有するレーザービームを照射する第１照射段階と、前記第１エネルギーよりも小さい第２エネルギーを有するレーザービームを、前記第１照射段階でレーザービームが照射された同一の位置に照射する第２照射段階とを含んでなる。
【０００６】
しかし、上述の従来技術は、各マスクホールに応じて、前記第１閉曲線に沿った加工と第２閉曲線に沿った加工を繰り返し行わなければならず、加工深さを単にレーザーの出力エネルギーの強度調節のみで調節するので、精密なパターンの加工が難しい点で、問題がある。
【０００７】
次に、図１を参照して上述の従来技術を詳細に説明する。１つの３次元構造物（マスクホール）を加工するためには、それぞれの閉曲線に対してレーザービームの相対移動方向は、閉曲線の数が３つである場合に、（＋）Ｘ方向の移動（方向転換１）→（−）Ｙ方向の移動（方向転換２）→（−）Ｘ方向の移動（方向転換４）→（＋）Ｙ方向の移動（方向転換３）を含めて合計４回の方向転換が要求される。前記方向転換は閉曲線の数に比例して増加する。
【０００８】
一般に、ＵＨＤ級解像度のＡＭＯＬＥＤの微細メタルシャドーマスク（ＦＭＭ）を製作する場合、３次元構造物数は約８百万個であって、これに比例して数千万〜数億回のレーザービームの移動方向転換が必要であるので、総移動距離が非常に大きくなって生産性低下の原因となっている。
【０００９】
また、１つの単位３次元構造物に対する加工が完了した後、隣接して配列された次の単位３次元構造物の加工が行われるので、微細な局部領域（単位３次元構造物）に対するレーザー加工が休止時間なしに連続的に行われる。その結果、微細局部領域にレーザービームによる熱エネルギーが累積し、加工表面および底面にバリが生じる。このため、精密パターンの加工が難しいという短所がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、その目的は、被加工対象物上に単位加工領域を設定し、その単位加工領域上に、レーザービームが移動するスキャンパスを特定のステップピッチ間隔で設定して、各単位加工領域の加工を行い、被加工対象物への熱エネルギーの累積を防止する、レーザーを用いた３次元パターニング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、レーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法において、前記被加工対象物上に単位加工領域を設定する第１段階と、レーザービームが、前記単位加工領域の１つの境界から開始して１番目のスキャンパス（ｓｃａｎ  ｐａｔｈ）に沿って移動しながら前記単位加工領域の別の境界に到達するまで、前記単位加工領域内に含まれる前記被加工対象物に対する加工が行われる第２段階と、前記レーザービームを次のステップに方向転換し、ステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させて２番目のスキャンパスへ移動させる第３段階と、前記第２段階および前記第３段階を繰り返し行ってｎ番目のスキャンパスに沿ってレーザービームの移動が完了すると、単位加工領域全体に対する加工が行われる第４段階と、を含むことを特徴とする、レーザーを用いた３次元パターニング方法を技術的要旨とする。
【００１２】
また、前記レーザーを用いた３次元パターニング方法は、各スキャンパスに対応して加工深さを設定することが好ましい。
【００１３】
ここで、前記加工深さの設定は、前記スキャンパスを移動するレーザービームのオーバーラップ率（ｏｖｅｒｌａｐ  ｒａｔｅ）［オーバーラップ率＝（レーザービームの大きさ−スキャンピッチ）／レーザービームの大きさ×１００、スキャンピッチ＝ｖ／ｆ、ｖ：駆動部の動作による被加工対象物とレーザービームの相対速度、ｆ：被加工対象物に印加されるレーザーソースのパルス振動数］、前記スキャンパスの重畳回数、および、前記スキャンパス別に異なるエネルギー強度の設定または／および１つのスキャンパス内におけるレーザーソースのパルス別のエネルギー強度の設定、の群から選択される２つ以上の組み合わせによって決定されることが好ましい。
【００１４】
一方、前記１からｎ番目のスキャンパスと、前記スキャンパスに対して垂直な１からｍ番目のスキャンパスとを設定して、３次元構造物を形成することが好ましい。
【００１５】
また、前記スキャンパスに沿ってエネルギー累積分布を順次的な強度に設定してテーパー形状の３次元構造物を形成することが好ましい。
【００１６】
また、前記単位加工領域に含まれている前記被加工対象物の領域上に複数のエネルギー
領域を設定して、エネルギー領域別にエネルギー累積分布を順次的な強度に設定して加工
深さを設定することが好ましい。
【００１７】
具体的には、前記エネルギー領域別のエネルギー累積分布設定は、前記スキャンパスの重畳回数、または、前記スキャンパスを移動するレーザーソースのパルス別のエネルギー強度の設定によって行われる。また、前記エネルギー領域別のエネルギー累積分布設定は、前記スキャンパスの重畳回数を順次設定するか、或いは、前記スキャンパスを移動するレーザーソースのパルス別のエネルギー強度を順次設定して、テーパー形状の３次元構造物を形成することが好ましい。
【００１８】
また、ｎ−１番目のスキャンパスからｎ番目のスキャンパスへの方向転換時のステップピッチは、ｎ−１番目のスキャンパスのレーザービームの大きさと同じか或いはそれより小さいことが好ましい。
【００１９】
また、ｎ−１番目のスキャンパスとｎ番目のスキャンパスは、同じ方向または反対方向にレーザービームが移動することが好ましい。
【００２０】
また、ｎ−１番目のスキャンピッチとｎ番目のスキャンピッチは、３次元構造物の形状に応じて異なるように設定されること（スキャンピッチ＝ｖ／ｆ、ｖ：駆動部の動作による被加工対象物とレーザービームの相対速度、ｆ：被加工対象物上に印加されるレーザーソースのパルス振動数）が好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、レーザーを用いて被加工対象物に、３次元構造物からなるパターンを形成するためのものであって、被加工対象物上に単位加工領域を設定し、その単位加工領域上に、レーザービームが移動するスキャンパスを特定のステップピッチ間隔で設定して、スキャンパス別に加工が行われるようにすることにより、結果として各単位加工領域全体に対する加工が行われるようにするものであるが、次の効果がある。
【００２２】
１）熱エネルギー累積防止効果
本発明の方法によれば、１つの３次元構造物が複数のスキャンパスを含んでいるので、１つの３次元構造物に対する加工がすべて完了するためには、それに含まれたすべてのスキャンパスに対する加工が行われる必要がある。そのため、１つの３次元構造物に対する加工は休止時間をもって間欠的に行われることになる。休止時間をもつことにより、被加工対象物への熱エネルギーの累積を防止することができ、被加工対象物を保護し且つ微細３次元構造物を形成することができるという効果がある。
【００２３】
２）ステッチ除去効果
単位加工領域を設定するにあたり、前記単位加工領域内に３次元構造物（３次元構造物パターン）の全体領域が含まれるように設定することにより、加工領域を複数回にわたって分割することなく全体加工が完了する。よって、従来のスキャナ装置を用いて全体加工物を複数の分割領域に分けて加工することによるステッチ発生問題を解消することができるという効果がある。
【００２４】
３）大面積生産効果
本発明は、単位加工領域を大面積の被加工対象物の大きさと同様に設定して、ステッチ現象のない大面積加工が可能であるという効果がある。
【００２５】
４）生産性の効果
本発明は、加工中に発生する方向転換の回数を著しく減らすことができ（スキャンパスを移動しながら加工→次のステップへの方向転換および移動）、比較的単純な加工手順を繰り返し行うことにより生産性を向上させることができるという効果がある。
【００２６】
５）バリ抑制効果
本発明に使用されるレーザーは、数十フェムト秒〜数百ピコ秒の超短パルスレーザーであるので被加工対象物の表面におけるバリを抑制することができ、微細３次元構造物のパターニングが可能であるという効果がある。
【００２７】
６）テーパー形状実現の容易性効果
特に、前記スキャンパスに対して加工深さを設定して３次元構造物の形成を容易にし、特定のスキャンパスまたはエネルギー領域別のエネルギー総累積分布の制御によってテーパー形状の３次元構造物の形成を容易にするという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来技術に係るレーザーを用いた加工方法を示す模式図である。
【図２】本発明に係るレーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法を示す模式図である。
【図３】本発明に係るレーザービームのオーバーラップ率により加工深さを制御する方法を示す模式図である。
【図４】本発明に係るスキャンパスの重畳回数により加工深さを制御する方法を示す模式図である。
【図５】本発明に係る各スキャンパスに沿って相対位置移動するレーザーソースのパルス別に異なるエネルギーの設定により加工深さを制御する方法を示す模式図である。
【図６】本発明に係る加工深さの制御によるテーパー形状の３次元構造物を実現する方法の模式図である（スキャンパスに沿ったエネルギー累積分布の設定）。
【図７】本発明に係る加工深さの制御によるテーパー形状の３次元構造物を実現する方法の模式図である（スキャンパスの重畳回数によってエネルギー領域に対するエネルギー累積分布を制御する場合）。
【図８】本発明に係る加工深さの制御によるテーパー形状の３次元構造物を実現する方法の模式図である（スキャンパス別に異なるパルスエネルギー強度の設定によってエネルギー累積分布を制御する場合）。
【図９】本発明に係るレーザーを用いた３次元パターニング装置の模式図である。
【図１０】本発明に係るレーザーを用いた３次元パターニング装置の光学部におけるビーム分岐手段の実施例を示す図である。
【図１１】本発明に係るレーザーを用いた３次元パターニング装置の光学部におけるビーム分岐手段の実施例を示す図である。
【図１２】本発明に係るレーザーを用いた３次元パターニング装置において、ビーム分岐手段による光学部と駆動部の組み合わせ使用により被加工対象物に加工される領域を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、レーザーを用いて被加工対象物に、３次元構造物からなるパターンを形成するためのものであって、前記被加工対象物上に単位加工領域を設定し、その単位加工領域上に、レーザービームが移動するスキャンパスを特定のステップピッチ間隔で設定して各単位加工領域の加工を行うことで、被加工対象物への熱エネルギーの累積を防止する。
【００３０】
また、本発明に使用されるレーザーは、数十フェムト秒〜数百ピコ秒の超短パルスレーザーであるため、被加工対象物の表面におけるバリを抑制することができ、微細３次元構造物のパターニングを可能にする。
【００３１】
特に、前記スキャンパスに対して加工深さを設定して３次元構造物の形成を容易にし、特定のスキャンパスまたはエネルギー領域別のエネルギー総累積分布の制御によってテーパー形状の３次元構造物の形成を容易にする。
【００３２】
以下、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。図２は本発明に係るレーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法を示す模式図、図３は本発明に係るレーザービームのオーバーラップ率により加工深さを制御する方法を示す模式図、図４は本発明に係るスキャンパスの重畳回数により加工深さを制御する方法を示す模式図、図５は本発明に係る各スキャンパスに沿って相対位置移動するレーザーソースのパルス別に異なるエネルギーの設定により加工深さを制御する方法を示す模式図、図６は本発明に係る加工深さの制御によるテーパー形状の３次元構造物を実現する方法の模式図（スキャンパスに沿ったエネルギー累積分布の設定）、図７は本発明に係る加工深さの制御によるテーパー形状の３次元構造物を実現する方法の模式図（スキャンパスの重畳回数によってエネルギー領域に対するエネルギー累積分布を制御する場合）、図８は本発明に係る加工深さの制御によるテーパー形状の３次元構造物を実現する方法の模式図（スキャンパス別に異なるパルスエネルギー強度の設定によってエネルギー累積分布を制御する場合）である。
【００３３】
図示の如く、本発明に係るレーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法において、前記被加工対象物上に単位加工領域を設定する第１段階と、レーザービームが前記単位加工領域の１つの境界から開始して１番目のスキャンパス（ｓｃａｎ  ｐａｔｈ）に沿って移動しながら前記単位加工領域の別の境界に到達するまで、前記単位加工領域内に含まれている３次元構造物に対する加工が行われる第２段階と、前記第２段階の加工後、前記レーザービームを２番目のスキャンパスに移動させるために、前記レーザービームを次のステップに方向転換し、ステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させる第３段階と、前記第２段階および前記第３段階を繰り返し行ってｎ番目のスキャンパスに沿ってレーザービームの移動が完了すると、単位加工領域全体に対する加工が行われる第４段階と、を含んでなる。
【００３４】
本発明における被加工対象物は、一般に、有機ＥＬや有機半導体素子などの製造の際に真空蒸着工程で使用されるメタルシャドーマスクであるが、レーザーで加工することが可能ないずれの対象物でも構わない。特に、半導体素子のパッケージングにおいて、プリント基板に形成されるビアホール、または、半導体基板上の特定の領域に３次元のパターンを形成しようとする場合など、多様に活用できる。
【００３５】
また、本発明における３次元構造物は、被加工対象物の表面に陰刻で加工されるものを意味し、被加工対象物上に単一の３次元構造物が形成されてもよく、同種または異種の３次元構造物が複数形成されてもよい。このような３次元構造物は特定のパターンをなしながら形成されてもよく、本発明では、これを３次元構造物パターンと呼び、便宜上、３次元構造物と記述することもある。
【００３６】
また、本発明における単位加工領域は、本発明に係るパターニング装置の１回のセッティングで被加工対象物上に３次元構造物または３次元構造物パターンを形成することが可能な領域を意味するか、或いは実験者が被加工対象物上の特定の領域を任意に指定して単位加工領域として設定することもできる。このような単位加工領域は、１つまたはそれ以上の３次元構造物を含むこともでき、加工速度を考慮して前記単位加工領域の大きさを大きく設定することが好ましい。
【００３７】
このような単位加工領域は単数または複数形成されてもよく、すべての単位加工領域の加工が完了すると、被加工対象物への３次元構造物パターンの形成が完了するのである。
【００３８】
図２に示すように、本発明に係るレーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う方法では、まず、前記被加工対象物上に単位加工領域を設定する（第１段階）。
【００３９】
前記単位加工領域は、３次元構造物を単数または複数含むことができ、前記被加工対象物上における仮想の領域に設定される。
【００４０】
具体的には、単位加工領域の長さは、レーザービームが１つのスキャンパスに沿って方向転換することなく移動することが可能な長さのことをいい、その幅は、後述する方向転換されたステップピッチだけ形成されるのが一般的である。
【００４１】
このような前記単位加工領域を設定するにあたり、単位加工領域内に３次元構造物（３次元構造物パターン）の全体領域が含まれるように設定することにより、加工領域を複数回に分けることなく全体加工が完了するので、従来のスキャナ装置を用いて全体加工物を複数の分割領域に分けて加工することによるステッチ発生問題を解消することができるのである。
【００４２】
また、前記単位加工領域を大面積の被加工対象物の大きさと同一に設定してステッチ現象のない大面積の被加工対象物の加工が可能になる。
【００４３】
その後、レーザービームが、前記単位加工領域の１つの境界から開始して１番目のスキャンパス（ｓｃａｎ  ｐａｔｈ）に沿って移動しながら前記単位加工領域の別の境界に到達するまで、前記単位加工領域内に含まれている３次元構造物に対する加工が行われるのである（第２段階）。
【００４４】
つまり、被加工対象物上に設定された単位加工領域の１つの境界から別の境界まで１番目のスキャンパスを設定し、この経路に沿ってレーザービームが移動しながら、単位加工領域内に含まれる３次元構造物（または３次元構造物パターン）の部分または全体に対する加工が行われるのである。
【００４５】
そして、１番目のスキャンパスに沿ってレーザービームが移動しながら単位加工領域の別の境界にレーザービームが到達すると、前記レーザービームを次のステップに方向転換させ、ステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させて２番目のスキャンパスへ移動させる（第３段階）。
【００４６】
すなわち、単位加工領域の別の境界にレーザービームが到達するとレーザーの照射を止め、レーザービームの方向を転換し、設定されたステップピッチ（ｓｔｅｐ  ｐｉｔｃｈ）だけ移動させた後、２番目のスキャンパスを設定する。この際、レーザーが再び照射される。
【００４７】
前記ステップピッチは、隣接するスキャンパス間の距離を意味するものであって、例えば、１番目のスキャンパスと２番目のスキャンパスとの間の距離であって、１番目のスキャンパスを移動するレーザービームの中心から２番目のスキャンパスを移動するレーザービームの中心までの距離を意味する。
【００４８】
ここで、１番目のスキャンパスと２番目のスキャンパスとは、同じ方向に設定されてもよく、図２に示すように反対方向に設定されてもよい。すなわち、レーザービームの移動方向が逆に設定されてもよい。つまり、ｎ−１番目のスキャンパスとｎ番目のスキャンパスとは互いに同じ方向または反対方向にレーザービームが移動するように設定することができ、これに限定されず、複数回のスキャンパスは特定の方向、その反対方向、或いはこれらの組み合わせに設定することができる。
【００４９】
また、１番目のスキャンパスから２番目のスキャンパスへの方向転換時のステップピッチは、１番目のスキャンパスのレーザービームの大きさと同じか或いはそれより小さく形成され、均一なパターンの加工が行われるようにする。すなわち、ｎ−１番目のスキャンパスからｎ番目のスキャンパスへの方向転換時のステップピッチは、ｎ−１番目のスキャンパスのレーザービームの大きさと同じか或いはそれより小さいことを特徴とする。
【００５０】
また、ｎ−１番目のスキャンピッチとｎ番目のスキャンピッチとは、３次元構造物の形態に応じて異なるように設定されてもよい。ここで、前記スキャンピッチはｖ／ｆ（ｖ：駆動部の動作による被加工対象物とレーザービームの相対速度、ｆ：被加工対象物上に印加されるレーザーソースのパルス振動数）であり、被加工対象物とパルスレーザービームの相対速度およびパルス振動数を考慮して決定される、連続するパルスレーザービーム間の間隔を意味する。
【００５１】
このようなステップピッチは、後述するレーザービームのオーバーラップ率（ｏｖｅｒｌａｐ  ｒａｔｅ）を設定する基準となり、前記スキャンピッチの間隔が狭いほど、レーザービームのオーバーラップ率が増加する。これは３次元構造物の加工深さの設定に影響を及ぼす。
【００５２】
その後、前記第１段階および前記第２段階を繰り返し行うことで、ｎ番目のスキャンパスに沿ってレーザービームの移動が完了すると、単位加工領域全体に対する加工が行われる（第４段階）。
【００５３】
図２に示すように、設定された１番目のスキャンパスに沿ってレーザービームが移動しながら、１番目のスキャンパス上に形成された３次元構造物に対する加工が行われる。そして、レーザービームが単位加工領域上の別の境界に到達すると、次のステップへの方向転換の後、ステップピッチだけ移動して２番目のスキャンパスに沿ってレーザービームが移動して最初の単位加工領域上の境界に到達する。再びこれを繰り返し行い、ｎ番目のスキャンパスを設定し、これに沿ってレーザービームの移動が完了して単位加工領域のいずれかの境界に到達すると、単位加工領域に含まれている３次元構造物または３次元構造物パターンに対する加工が完了するのである。
【００５４】
これにより、加工中に発生するレーザービームの方向転換の回数を著しく減らすことができ（スキャンパスを移動しながら加工→次のステップへの方向転換および移動）、比較的単純な加工手順を繰り返し行うことで加工が行われるので、生産性を向上させることができる。
【００５５】
このように本発明は、レーザーを用いて被加工対象物に３次元構造物からなるパターンを形成するためのものであって、前記被加工対象物上に単位加工領域を設定し、その単位加工領域上にレーザービームが移動するスキャンパスを特定のステップピッチ間隔で設定して各単位加工領域の加工を行い、被加工対象物への熱エネルギーの累積を防止することにより、被加工対象物を保護し且つ微細パターンの形成を可能にする。
【００５６】
また、加工領域内に含まれる１つの３次元構造物が複数のスキャンパスを含んでいるので、１つの３次元構造物に対する加工がすべて完了するためには、それに含まれたすべてのスキャンパスに対する加工が行われる必要がある。そのため、１つの３次元構造物に対する加工が休止時間をもって間欠的に行われることになる。休止時間をもつことにより、被加工対象物への熱エネルギーの累積を防止することができ、被加工対象物を保護し且つ微細３次元構造物を形成することができる。
【００５７】
一方、前記スキャンパスに沿ってレーザービームが移動するときに、各スキャンパスに対応して加工深さを設定することができる。すなわち、１番目のスキャンパスの加工深さをいずれかの値に設定し、２番目のスキャンパスの加工深さは別の値に設定することができ、ｎ番目のスキャンパスの加工深さをそれぞれ異なるように、或いは最も中央に存在するスキャンパスに対称的に設定することもできる。これは３次元構造物の形態に応じて多様に設定でき、このような加工深さの設定はレーザービームのエネルギー累積分布を制御することにより実現できる。
【００５８】
加工深さを設定する第１の方法は、前記スキャンパスを移動するレーザービームのオーバーラップ率（ｏｖｅｒｌａｐ  ｒａｔｅ）［オーバーラップ率＝（レーザービームの大きさ−スキャンピッチ）／レーザービームの大きさ×１００、スキャンピッチ＝ｖ／ｆ、ｖ：駆動部の動作による被加工対象物とレーザービームの相対速度、ｆ：被加工対象物上に印加されるレーザーソースのパルス振動数］により制御する方法である。
【００５９】
前記レーザービームのオーバーラップ率に応じた加工深さの設定方法には、レーザーソース部のパルス振動数の値を固定したままスキャンパス別に異なるビームの相対速度を設定する方法と、ビームの相対速度値を固定したままスキャンパス別に異なるパルス振動数の値を設定する方法がある。
【００６０】
すなわち、前記レーザービームのオーバーラップ率は、レーザービームの大きさに応じたスキャンピッチの制御によって設定でき、スキャンピッチ＝ｖ／ｆにおいて、ビームの相対速度およびパルス振動数値を調節して、各スキャンパス別にレーザービームのオーバーラップ程度を制御することにより、加工深さを設定するようにするものであって、３次元構造物の加工深さが深いほどレーザービームのオーバーラップ率は大きくなるように設定する。
【００６１】
図３はこのようなレーザービームのオーバーラップ程度により加工深さを制御する方法を示す模式図であって、各スキャン経路別にレーザービームのオーバーラップ率を制御して深みのある３次元構造物を形成するのである。
【００６２】
加工深さを設定する第２の方法は、前記スキャンパスの重畳回数により制御する方法である。すなわち、同じスキャンパス上でレーザービームを幾回移動させるかによってエネルギー累積分布を制御することができ、３次元構造物の加工深さを設定することができるものである。
【００６３】
具体的には、各スキャンパスに対してレーザービームの相対速度とパルス振動数の値をすべて固定したまま（すなわち、スキャンピッチは一定）、単位加工領域内の特定のスキャンパスに選択的にスキャンパスの重畳回数を設定するのである。
【００６４】
図４はスキャンパスの重畳回数により加工深さを制御する方法を示す模式図であって、各スキャンパス別にレーザービームの重畳回数を制御して深みのある３次元構造物を形成するものである。
【００６５】
加工深さを設定する第３の方法は、前記スキャンパス別に異なるエネルギー強度の設定、または、１つのスキャンパス内におけるレーザーソースのパルス別のエネルギー強度の設定、或いはこれらの組み合わせによって決定できる。すなわち、同じスキャンパス上でレーザービームのエネルギーの強度を調節することによりエネルギー累積分布を制御することで、３次元構造物の加工深さを設定することができるものである。
【００６６】
具体的には、各スキャンパスに対してレーザービームの相対速度とパルス振動数の値をすべて固定したまま（すなわち、スキャンピッチは一定）は、各スキャンパスに沿って相対位置移動する途中でレーザーソースのパルス別に異なるエネルギー強度を設定するか、或いは各スキャン経路別に異なるエネルギー強度を設定する。
【００６７】
図５は各スキャンパスに沿って相対位置移動するレーザーソースのパルス別に異なるエネルギー強度を設定することにより加工深さを制御する方法を示す模式図であって、各スキャンパスに沿ってレーザービームのエネルギー強度を制御して深みのある３次元構造物を形成するものである。
【００６８】
前記加工深さを設定する方法において、前記スキャンパスを移動するレーザービームのオーバーラップ率の設定、前記スキャンパスの重畳回数の設定、および、前記スキャンパスを移動するレーザービームのエネルギー強度の制御、のうちいずれか１つまたは２つ以上を組み合わせて用いることができる。
【００６９】
一方、前記１〜ｎ番目のスキャンパス（第１方向）と、前記スキャンパスに対して垂直な１〜ｍ番目のスキャンパス（第２方向）を設定して、３次元構造物を形成することができる。
【００７０】
前記のような３次元構造を形成する方法を用いて、前記スキャンパスに沿ってエネルギー累積分布を順次的な強度に設定することで、テーパー形状の３次元構造物を形成することができる。すなわち、２つの方向にスキャンパスを直交するように設定し、スキャンパスに沿ってエネルギー累積分布を順次的な強度に設定すれば、テーパー形状の３次元構造物が形成できる。
【００７１】
具体的には、図６に示すように、第１方向の１番目、第１方向のｎ番目、第２方向の１番目、および、第２方向のｍ番目のスキャンパスの加工深さを同一に設定し、そのような方式で残りのすべてのスキャンパスに対する加工深さを設定する。
【００７２】
例えば、第１方向の１番目（＝第１方向のｎ番目＝第２方向の１番目＝第２方向のｍ番目）のスキャンパスの加工深さよりも、第１方向の２番目（＝第１方向のｎ−１番目＝第２方向の２番目＝第２方向のｍ−１番目）のスキャンパスの加工深さを同等またはそれよりさらに大きい値に設定する。残りのスキャンパスに対しても加工深さは同様の方式で設定する。
【００７３】
また、テーパー形状の３次元構造物を形成する別の方法として、前記単位加工領域に含まれている３次元構造物領域上に多数のエネルギー領域を設定して、エネルギー領域別にエネルギー累積分布を順次的な強度に設定することでテーパー形状の３次加工深さを設定することもできる。
【００７４】
具体的には、第２エネルギー領域に割り当てられるエネルギー累積分布は、第１エネルギー領域に割り当てられるエネルギー累積分布と同じか或いはそれより大きい値に設定する。残りのエネルギー領域に対するエネルギー蓄積の割り当ても同様の方式で設定し、順次的な値に設定する。
【００７５】
このようなエネルギー領域別のエネルギー累積分布設定は、前記スキャンパスの重畳回数、または、前記スキャンパスを移動するレーザービームのエネルギー強度の変化によって行われる。
【００７６】
図７はスキャンパスの重畳回数によってエネルギー領域に対するエネルギー累積分布が制御される場合を示すものであって、固定値のレーザービームの相対速度、パルス振動数、および、パルスエネルギー値が設定された状態で、第１エネルギー領域と第２エネルギー領域の差集合領域に対するスキャンパスの特定の重畳回数を設定するのである。
【００７７】
第２エネルギー領域と第３エネルギー領域との差集合領域に対して前記重畳回数と同じか或いはそれより大きい重畳回数に設定し、残りのすべてのエネルギー領域に対して上述のようなエネルギー累積分布を制御することで、テーパー形状の３次元構造物を形成するのである。
【００７８】
図８は前記スキャンパスを移動するレーザーソースのパルス別に異なるエネルギー強度を設定することによって各エネルギー領域に対してエネルギー累積分布が制御される場合を示すものであって、各エネルギー領域に対してパルスエネルギーの強度レベルを同一の値に設定する。つまり、１番目のスキャンパスとｎ番目のスキャンパスに対して同じ波形のパルスエネルギー強度を設定するのである。
【００７９】
図８に示すように、２番目（＝ｎ−１番目）のスキャンパスのパルスエネルギーの波形は、１番目（＝ｎ番目）のスキャンパスのパルスエネルギーの波形と比較して、各エネルギー領域に対応したパルスエネルギーの強度に設定される。
【００８０】
ここで、前記スキャンパスの重畳回数を順次設定し、或いは前記スキャンパスを移動するレーザーソースのパルス別にエネルギー強度を順次設定して、エネルギー領域別にエネルギー累積分布を順次的な強度に設定することができる。
【００８１】
このように、本発明は、前記スキャンパスに対して加工深さを設定することで３次元構造物の形成を容易にし、特定のスキャンパスまたはエネルギー領域別のエネルギー総累積分布の制御によってテーパー形状の３次元構造物の形成を容易にする。
【００８２】
以下、上述のレーザーを用いた３次元パターニング方法を実現させるためのレーザーを用いた３次元パターニング装置について説明する。図９は本発明に係るレーザーを用いた３次元パターニング装置の模式図、図１０および図１１は本発明に係るレーザーを用いた３次元パターニング装置の光学部におけるビーム分岐手段の実施例を示す図、図１２は本発明に係るレーザーを用いた３次元パターニング装置において、ビーム分岐手段による光学部と駆動部の組み合わせ使用により被加工対象物に加工される領域を示す模式図である。
【００８３】
図示の如く、本発明に係るレーザーを用いた３次元パターニング装置は、レーザーを用いて被加工対象物に３次元パターニングを行う装置において、パルスレーザービームを供給するソース部と、前記レーザービームのエネルギーを前記被加工対象物の表面上に特定の分布で形成させるための光学部と、３次元構造物パターンの形成のために前記被加工対象物の表面上でレーザービームの位置を３次元構造物の特定の位置に相対移動させる駆動部と、前記レーザービームと前記３次元構造物の相対的位置を制御し、特定の加工領域でレーザービームのパルスエネルギー強度、パルスのオン／オフの有無、レーザービームのオーバーラップを制御して総エネルギー累積分布を決定するエネルギー制御部とから大きく構成される。
【００８４】
前記ソース部は、加工のためのツールであって、レーザービーム、好ましくは数十フェムト秒〜数百ピコ秒のパルス幅を有するパルスレーザービームを供給することで、被加工対象物の表面におけるバリを抑制することができ、微細３次元構造物のパターニングが可能になる。
【００８５】
前記光学部は、前記レーザービームのエネルギーを前記被加工対象物の表面上に特定の分布で形成させるためのものであって、レーザービームスポットのエネルギー分布を均質化させるためのホモジナイザー光学系を含めて使用する。
【００８６】
ここで、前記ホモジナイザー光学系は、ＤＯＥ（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）またはＲＯＥ（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）を含むビームホモジナイザー光学系を含むことができ、クロムまたは誘電体材料で作られるイメージングマスクを含むこともでき、投影レンズまたはｆ−ｓｉｎθレンズを含むこともできる。
【００８７】
また、前記光学部は、分岐した多数のレーザービームによる同時加工プロセスを行うためのビーム分岐手段をさらに備えることができ、前記ビーム分岐手段としては、ＤＯＥまたはビームスプリット光学系を採用することができる。
【００８８】
図１０はビーム分岐手段の一実施例としてＤＯＥを示すもので、ホモジナイザー光学系、マスク、および、ｆ−ｓｉｎθレンズなどを用いて均質化されたレーザービームを分岐して同時加工プロセスを可能にする。すなわち、同時に多数のスキャンパスでの加工プロセスを可能にして生産性を向上させるものである。
【００８９】
図１１はビーム分岐手段の他の実施例としてビームスプリット光学系を示すものであって、レーザービームの透過、反射率により分岐した多数のビームを被加工対象物に照射させるものである。
【００９０】
前記駆動部は、３次元構造物（または３次元構造物パターン）の形成のために前記被加工対象物の表面上でレーザービームの位置を３次元構造物の特定の位置に相対移動させるものであって、被加工対象物またはレーザービームの位置を移動させることができるようにする。
【００９１】
ここで、前記駆動部は、１つ以上のガルバノミラーを含むスキャナを含めて停止された被加工対象物上にレーザービームの絶対位置を変更させることができるようにする。
【００９２】
また、前記駆動部は、１軸以上の直線運動をする被加工対象物ステージ移送装置またはロール・ツー・ロール（Ｒｏｌｌ−ｔｏ−Ｒｏｌｌ）移送装置で形成され、停止したビームに対して被加工対象物の絶対位置を変更させるか、或いはレーザービームの絶対位置変更と基板の位置変更の両方を連動して動作させることができるようにする。すなわち、前記ガルバノミラー、被加工対象物ステージ移送装置、および、ロール・ツー・ロール移送装置は、必要に応じて互いに組み合わせて使用することができる。
【００９３】
ここで、前記光学部は、分岐した多数のビームによる同時加工プロセスを行うためのビーム分岐手段と前記駆動部とを組み合わせて使用することができる。
【００９４】
図１２はビーム分岐手段による光学部と駆動部の組み合わせ使用により被加工対象物に加工される領域を示すものであって、一実施例として３つに分岐したビーム（分岐した１番目のビーム、分岐した２番目のビーム、分岐した３番目のビーム）によって同時に加工プロセスが行われるようにする。
【００９５】
このようなビーム分岐手段および駆動部の構成は、単位加工領域を被加工対象物の大きさと同程度の大面積に設定した場合でも簡単な方法で大面積加工が可能であってその生産性を向上させることができ、ステッチ現象のない大面積の微細３次元構造物の形成を可能にする。
【００９６】
前記エネルギー制御部は、前記レーザービームと前記３次元構造物の相対的な位置を制御し、特定の加工領域でレーザービームのパルスエネルギー強度、パルスのオン／オフの有無、レーザービームのオーバーラップを制御して総エネルギー蓄積分布を決定する。
【００９７】
このように、超短パルスレーザーと適切な光学系を用いて、被加工対象物の表面に任意に配置される３次元構造物（テーパー形状が含まれてもよい）をステージまたはスキャナの駆動により定められた位置で正確に加工されるようにするのである。
【００９８】
このようなパターニング装置の一部の構成要素を多数個構成して複数のヘッダを有する装置（マルチヘッダ）として構成して、生産性を向上させることができる。
【００９９】
具体的には、同じソース部に対して２つ以上の光学部を備えて、被加工対象物に照射されるレーザービームが２つ以上となるようにするか、或いは多数の駆動部を備えてレーザービームまたは被加工対象物の動きを制御するようにして、それぞれ異なる単位加工領域にレーザービームが照射されるようにすることで、レーザー加工が同時に行われるようにすることができる。
【０１００】
つまり、マルチヘッダシステムの場合、前記単位加工領域は、当該ヘッダの個数だけ分割されるようにして、同時に多数の単位加工領域の加工が行われるようにすることで、生産性をさらに向上させることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0006616841.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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