(57)【要約】【課題】基板上に厚さ数μｍ以下の薄膜が構成された基板に対してパターニングを行う際、熱ダメージが少なく品質の高い基板を提供することが可能な薄膜パターニング加工方法を提供すること。【解決手段】基板上に形成された厚さ数μｍからなる圧電素子膜に対し、前記圧電素子膜側から発振波長が５００ｎｍ近傍でパルス幅がピコ秒以下のレーザを単位面積当り２０ＧＷ／ｃｍ２以上で照射を行い前記圧電素子膜に微細加工を施すことで解決できる。このとき、回折光学素子を用いてレーザビームを分割し、かつ、同時マルチパターニング加工を行ってもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された厚さ数μｍからなる圧電素子膜に対し、前記圧電素子膜側から発振波長が５００ｎｍ近傍でパルス幅がピコ秒以下のレーザを単位面積当り２０ＧＷ／ｃｍ２以上で照射を行い前記圧電素子膜に微細加工を施すこと
を特徴とする薄膜パターニング加工方法。
【請求項２】
基板上に形成された厚さ１μｍ以下の金属薄膜に対し、前記圧電素子膜側から発振波長が５００ｎｍ近傍でパルス幅がピコ秒以下のレーザを単位面積当り２０ＧＷ／ｃｍ２以上で照射を行い前記圧電素子膜に微細加工を施すこと
を特徴とする薄膜パターニング加工方法。
【請求項３】
回折光学素子を用いてレーザビームを分割し、かつ、同時マルチパターニング加工を行うことを特徴とする請求項１または２記載の薄膜パターニング加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザによる薄膜パターニング加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ発振器については、すでに１９６０年代から発振パルス幅がマイクロ秒、ナノ秒の光パルスが、また、発振波長は赤外、可視、紫外の光パルスがさまざまの分野で利用されてきた。近年では、更にピコ秒、フェムト秒の領域で半導体レーザを用いてレーザ媒質に励起させ発振する製品として市販され、また、波長変換技術も大出力での変換にも対応できる程の産業的に安定した非線形光学素子も入手できるようになりレーザの専門家以外にも様々な応用分野に対し利用しやすいものとなっている。
【０００３】
一方、エキシマレーザは紫外光を大面積に照射でき短波長であるため集光性がよく、また、加工材料の吸収が長波長に比べ大きく、発振パルス幅もおおよそ２０ｎｓであるため、マスク結像の光学系と共にリソグラフィーなどの微細加工に適用されている。
【０００４】
また、近年、レーザ発振器に高調波変換装置がついたレーザ発振器が数多く市販され基本波、２倍波、３倍波のレーザ発振器が入手可能になっている。これらのレーザ発振器は半導体レーザにより励起された固体レーザが多く、ＹＡＧ，ＹＬＦ，ＹＶＯ４などのレーザ媒体での発振が多い。これらのレーザ媒体では数ナノ秒から数１００ナノ秒のパルス幅で発振している。このようなレーザ発振器を用いて、薄膜材料のパターニングが行われている。
【０００５】
従来、圧電体の加工方法としては、例えば、特許文献１に記載された発明のように、エキシマレーザ発振器とレーザビームを走査する光学系を備えた加工システムにより圧電体の加工を行っている。エキシマレーザを使った加工システムは例えば半導体露光に見られるようにマスクを利用し加工を行う場合が多い。マスク結像の場合はマスクによる透過率は減少しレーザエネルギは減少する。
【０００６】
図６にその構成を示し、図７に圧電体の分光特性を示す。従来の技術では、圧電素子は４００ｎｍ以下の紫外光に対して、長波長に比べ吸収が良くアブレーションを起こして加工される。また、特許文献２に記載された発明のように、金属薄膜を加工する場合のパターンニング方法として２２０ｍＪ／ｃｍ２以下のフルーエンスで加工物のアブレーションにより加工する方法がとられている。
【０００７】
これら２つの従来技術では、加工物の吸収は効率良く行われるために波長４００ｎｍ以下のレーザ光を用い、エネルギを適切な値に設定することにより加工を行ってきた。また、加工システムとしてはマスクなどを使うことにより、レーザビームを多ビームに分割しパターニングを可能にした。
【０００８】
しかしながら、図５に紫外レーザ（波長３５１ｎｍ、パルス幅６０ｎｓ）で厚み３μｍの圧電素子（ＰＺＴ）を加工した時の加工形状を示す。図５（ａ）及び（ｂ）は反射、透過写真である。
【０００９】
図５（ａ）ではエッジ部形状は滑らかで一見、加工されているかにみえる。図５（ｂ）では加工が完全に行われず、未加工片が残っている。また、下層（基板ＭｇＯ）へのダメージが観察される。フルーエンスは約１００００ｍＪ／ｃｍ２である。エネルギを下げると加工されず、逆に上げると下層へのダメージが生じる。同様に、図４に厚さ１μｍ以下の透明電極（ＩＴＯ）を加工した時の加工形状を示す。同図からは照射跡が残りＩＴＯ膜が完全に取りきれていないことがわかる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−３２８４９５号公報
【特許文献２】
特開平８−２２２３７１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、厚み５μｍの圧電素子加工においては、レーザ波長を紫外光にして吸収をよくしても、ナノ秒オーダのパルス幅を有するレーザ光では下層の熱的ダメージが発生するという課題があり、薄膜で積層された圧電素子にパターニングする場合には、熱ダメージの影響を最小限にする必要がある。また、厚み１μｍ以下の透明電極の加工においても、ナノ秒オーダのレーザ光では紫外光で吸収をよくしても、エネルギを増加させ加工すると基板へのダメージがあり、完全に除去出来ない部分も残っている。
【００１２】
また、微細加工をする場合、しばしばレーザエネルギを下げ、加工幅を小さくする場合があり、エネルギをさげると完全にＩＴＯ膜が除去できないというトレードオフが生じる。これらの材料のパターニング加工を行うレーザ加工システムにはマスクを使用する場合、レーザエネルギの損失が大きく効率のよいシステムとは言えない。
【００１３】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、基板上に厚さ数μｍ以下の薄膜が構成された基板に対してパターニングを行う際、熱ダメージが少なく品質の高い基板を提供することが可能な薄膜パターニング加工方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
これらの課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された薄膜パターニング加工方法は、基板上に形成された厚さ数μｍからなる圧電素子膜に対し、前記圧電素子膜側から発振波長が５００ｎｍ近傍でパルス幅がピコ秒以下のレーザを単位面積当り２０ＧＷ／ｃｍ２以上で照射を行い前記圧電素子膜に微細加工を施すことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載された薄膜パターニング加工方法は、基板上に形成された厚さ１μｍ以下の金属薄膜に対し、前記圧電素子膜側から発振波長が５００ｎｍ近傍でパルス幅がピコ秒以下のレーザを単位面積当り２０ＧＷ／ｃｍ２以上で照射を行い前記圧電素子膜に微細加工を施すことを特徴とする。
【００１６】
更に、本発明の請求項３に記載された薄膜パターニング加工方法は、請求項１又は２の薄膜パターニング加工方法において、回折光学素子を用いてレーザビームを分割し、かつ、同時マルチパターニング加工を行うことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態により加工した圧電素子の観察図を示す。図１において図１（ａ）は反射を示し、図１（ｂ）透過を示す写真である。
【００１８】
第１の実施形態の薄膜パターニング加工は、パルス幅１６ｐｓ，波長５２６，５ｎｍで加工を行ったが、図１（ｃ）のように、パルス幅１６ｐｓ，波長１０５３ｎｍで加工したピコ秒レーザでパルスエネルギは図１（ａ）及び（ｂ）から完全に圧電素子が加工でき、下層へのダメージがないことがわかる。このとき、単位面積当り２０ＧＷ／ｃｍ２以上になるようにレーザ照射を行った。
【００１９】
また、波長を１０５３ｎｍにした場合では、下層へのダメージはないが、表面の加工形状が図１（ａ）に比べ悪いことが分かる。また、５００ｎｍ以下の波長でも、図１（ａ）及び（ｂ）と同等な効果は得られるが、波長変換等の技術により短波長を行うことで、発振器、波長変換システムを含めた効率は低下する。
【００２０】
一般に第２高調波の変換効率は最大５０％、第３高調波も同じく最大５０％の変換効率となり、基本波に約１μｍのレーザを使用する場合、第３高調波で紫外光を得る場合２５％の効率となり所定の出力をえるには大掛かりなシステムになる。
【００２１】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態により加工した透明電極（ＩＴＯ）の観察図を示す。図２（ａ）は、パルス幅１６ｐｓ、波長５２６．５ｎｍのレーザ光にて、単位面積当り２０ＧＷ／ｃｍ２以上になるようにレーザ照射加工したときの形状を示し、同図から完全に加工でき、下層へのダメージがないことがわかる。また、図２（ｂ）は、パルス幅１６ｐｓ、波長１０５３ｎｍで加工したが、図２（ａ）に比べ、エッジ部の形状は悪いことがわかる。このとき、５００ｎｍ以下の波長のレーザ光でも加工は可能であるが、第１の実施形態と同様に加工システムが大掛かりになるという欠点を生じることになる。
【００２２】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態を示す。同図において、１はピコ秒のパルス幅を持つレーザ源であり、２はレーザ源１のレーザ光の波長を変換し、波長約５００ｎｍ近傍のレーザ光にする波長変換ユニットであり、３はレーザ光を走査するガルバノミラーである。また、４は１本のビームを多ビームに分割する回折光学素子であり、５は回折光学素子４により分岐された光を加工点に集光させる集光レンズである。更に、６は被加工物、７は被加工物６を載置する加工テーブルである。
【００２３】
このような構成で、ピコ秒で波長５００ｎｍのレーザ光が、ガルバノミラー３により被加工物６の所定の位置に走査され、回折光学素子４を通過することにより多ビームに分割され、所望のパターンにパターニングすることができる。このとき、回折光学素子４の透過率は、約８０％以上となるので効率はマスク使用より改善できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、薄膜パターニング加工方法は、基板上に形成された厚さ数μｍからなる圧電素子膜に対し、前記圧電素子膜側から発振波長が５００ｎｍ近傍でパルス幅がピコ秒以下のレーザを単位面積当り２０ＧＷ／ｃｍ２以上で照射を行い前記圧電素子膜に微細加工を施すために、基板への熱的ダメージが少なく、厚さ数μｍの圧電素子が加工幅１０μｍ以下で行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加工した圧電素子の様子を示す図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る加工した透明電極（ＩＴＯ）の様子を示す図
【図３】本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置を示す図
【図４】従来の透明電極（ＩＴＯ）を加工した際の加工形状を示す図
【図５】従来の圧電素子（ＰＺＴ）を加工した際の加工形状を示す図
【図６】従来の圧電体の加工装置を示す図
【図７】従来の圧電体の分光特性を示す図
【符号の説明】
１  レーザ源
２  波長変換ユニット
３  ガルバノミラー
４  回折光学素子
５  集光レンズ
６  被加工物
７  加工テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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