(57)【要約】本レーザ加工方法は、（ａ）レーザ光源（１）からレーザビームを出射させる工程と、（ｂ）前記レーザ光源（１）から出射したレーザビームを、樹脂層（２２）と該樹脂層（２２）の表面上に形成された金属酸化物からなる透明導電層（２３）とを有する加工対象物（５）の表面に照射して、該透明導電層（２３）を除去し、底面に該樹脂層（２２）が露出した凹部を形成する工程とを含む。
2005025800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）レーザ光源からレーザビームを出射させる工程と、
（ｂ）前記レーザ光源から出射したレーザビームを、樹脂層と該樹脂層の表面上に形成された金属酸化物からなる透明導電層とを有する加工対象物の表面の第１の領域に照射して、該透明導電層を除去し、底面に該樹脂層が露出した第１の凹部を形成する工程と
を含むレーザ加工方法。
【請求項２】
前記工程（ｂ）の後、さらに、
前記第１の領域とは間隔を隔てた前記加工対象物の表面の第２の領域に、前記レーザ光源から出射したレーザビームを照射して、前記透明導電層を除去し、底面に前記樹脂層が露出した第２の凹部を形成する工程
を含む請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記レーザ光源は、２４０ｎｍ〜３４０ｎｍの波長を有し、１ｎｓ〜６０ｎｓのパルス幅を有するパルスレーザビームを出射する請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記加工対象物の表面に照射されるパルスレーザビームの被照射面におけるパルスエネルギ密度は０．１Ｊ／ｃｍ２〜０．４Ｊ／ｃｍ２である請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記工程（ｂ）が、前記透明導電層の表面におけるビーム断面が一方向に長い形状になるように、前記レーザ光源から出射したレーザビームの断面を整形する工程を含む請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
加工対象物を保持する保持機構と、
２４０ｎｍ〜３４０ｎｍの波長を有し、１ｎｓ〜６０ｎｓのパルス幅を有するパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記保持機構に保持された加工対象物の表面において、ビーム断面が一方向に長い形状になるように、前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームの断面を整形するビーム断面整形器と、
前記ビーム断面整形器で断面を整形されたレーザビームのパルスの入射位置が、前記保持機構に保持された加工対象物の表面上を移動するように、外部からの制御信号に基づいて、入射位置と加工対象物との相対位置を変化させる移動機構と、
前記保持機構に保持された加工対象物の表面上の、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームのあるパルスが照射する領域と、他のパルスが照射する領域とが間隔を隔てるよう、ビーム照射領域を加工対象物表面上で移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、レーザ加工方法及び加工装置に関し、特に、金属酸化物からなる透明導電層の加工を行うことができるレーザ加工方法及び加工装置に関する。
【背景技術】  ガラス基材の表面上に樹脂層からなるカラーフィルタが形成され、さらにカラーフィルタの表面上にＩＴＯ等の金属酸化物からなる透明導電層が形成された基板が、例えば液晶表示装置に用いられている。
樹脂層表面上の所定の領域の透明導電層を残し、不要な透明導電層を除去することにより、液晶に電圧を印加するための透明電極が形成される。例えば単純マトリックス構造の液晶表示装置の作製においては、樹脂層の表面上に縞状に透明導電層を残すことにより透明電極が形成される。このような基板の透明導電層のパタニングは、主として、フォトリソグラフィと湿式エッチングとを用いて行われてきた。
フォトリソグラフィでは、レジスト塗布の工程や、マスク作製の工程が必要となる。このため加工時間を短縮させることが容易ではない。また、湿式エッチングでは化学薬品が用いられ、廃液が発生する。このため加工に伴う環境負荷を低減させることが容易ではない。
本発明の一目的は、樹脂層の表面上に形成された金属酸化物からなる透明導電層の加工を、良好に行うことができる新規なレーザ加工方法及び加工装置を提供することである。
【発明の開示】
本発明の一観点によると、（ａ）レーザ光源からレーザビームを出射させる工程と、（ｂ）前記レーザ光源から出射したレーザビームを、樹脂層と該樹脂層の表面上に形成された金属酸化物からなる透明導電層とを有する加工対象物の表面の第１の領域に照射して、該透明導電層を除去し、底面に該樹脂層が露出した第１の凹部を形成する工程とを含むレーザ加工方法が提供される。
樹脂層の表面上に金属酸化物からなる透明導電層が形成された加工対象物に対し、樹脂層が損傷することを抑制しつつ透明導電層を除去して、加工対象物表面に凹部を形成するための、新規な加工方法が提供される。従来広く用いられていたフォトリソグラフィや湿式エッチング等の工程が不要となり、加工時間の短縮化や加工に伴う環境負荷の低減化を図ることができる。
本発明の他の観点によると、２４０ｎｍ〜３４０ｎｍの波長を有し、１ｎｓ〜６０ｎｓのパルス幅を有するパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、前記保持機構に保持された加工対象物の表面において、ビーム断面が一方向に長い形状になるように、前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームの断面を整形するビーム断面整形器と、前記ビーム断面整形器で断面を整形されたレーザビームのパルスの入射位置が、前記保持機構に保持された加工対象物の表面上を移動するように、外部からの制御信号に基づいて、入射位置と加工対象物との相対位置を変化させる移動機構と、前記保持機構に保持された加工対象物の表面上の、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームのあるパルスが照射する領域と、他のパルスが照射する領域とが間隔を隔てるよう、ビーム照射領域を加工対象物表面上で移動させるように、前記移動機構を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
レーザ加工装置は、樹脂層と金属酸化物からなる透明導電層とが積層された加工対象物の加工に用いることができる。このような加工対象物の表面に、適切な条件で、レーザビームのあるパルスを照射して、透明導電層を除去することにより、樹脂層が損傷することを抑制しつつ、加工対象物の表面に第１の溝を形成することができる。さらに、加工対象物の表面の、あるパルスが照射された領域とは間隔を隔てた領域に、他のパルスを照射して、第２の溝を形成できる。このようにして、加工対象物の表面に、複数の溝からなるパタンを形成することができる。相異なるパルスに照射される領域同士が、間隔を隔てるようにすることで、形成された溝の底部にさらにパルスが照射されて、溝の底部をなす樹脂層が損傷することを防止できる。
【図面の簡単な説明】  図１Ａは、加工対象物の断面図であり、図１Ｂは、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。
図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ｂのレーザ加工装置に使用されているホモジナイザの断面図である。
図３は、実施例によるレーザ加工方法を説明するための、加工対象物の平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  まず図１Ａを参照して、本発明を用いて加工できる加工対象物の一例について説明する。例えば厚さ０．７ｍｍのガラス基材２１の表面上に、例えば厚さ１μｍのポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂等からなる樹脂層２２が形成されている。樹脂層２２の表面上に、例えば厚さ０．５μｍのＩＴＯ、ＳｎＯ２等の金属酸化物からなる透明導電層２３が形成されている。このようにガラス基材２１と樹脂層２２と透明導電層２３とが積層されて、加工対象物５が形成されている。加工対象物５は、例えば液晶表示装置の構成部品となる。液晶表示装置においては、樹脂層２２は、例えばカラーフィルタとして作用する。透明導電層２３は、液晶層に電界を発生させるための透明電極を形成するために用いられる。
さて、樹脂層２２を損傷させないように透明導電層２３のみを除去して、底面に樹脂層２２が露出した穴や溝等の凹部を形成する加工をしたい要望がある。加工対象物５は、透明導電層２３よりも光吸収率の高い樹脂層２２の上に、透明導電層２３が積層された構造を有する。よって、光を照射すれば、光は透明導電層２３を透過して、樹脂層２２に吸収される。このことから、このような加工をレーザを用いて実施することは、困難であることが予想される。しかし、以下に説明するように、本発明者らは、レーザを用いてこのような加工を良好に行うことができる条件を見出した。
本発明者らは、加工対象物５に、ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）、２倍高調波（波長５３２ｎｍ）、３倍高調波（波長３５５ｎｍ）、４倍高調波（波長２６６ｎｍ）、５倍高調波（波長２１３ｎｍ）のパルスレーザを照射する実験を行った。その結果ＹＡＧレーザの基本波、２倍高調波、３倍高調波、５倍高調波では、このような加工をすることはできなかったが、４倍高調波では、このような加工をし得た。
この結果に基づいて、樹脂層２２に損傷を与えないように透明導電層２３を除去する加工を行うには、ＹＡＧレーザの５倍高調波である波長２１３ｎｍから３倍高調波である波長３５５ｎｍまでの間に含まれる、２４０ｎｍ〜３４０ｎｍ程度の波長を有するレーザを照射することが好適であろうとの知見を見出した。
さらに、他の条件について検討したところ、１ｎｓ〜６０ｎｓ程度のパルス幅のレーザを、１ショット照射することにより、樹脂層２２に損傷を与えないように透明導電層２３を加工し得るとの知見を見出した。また、加工対象物５の表面におけるパルスエネルギ密度は、０．１Ｊ／ｃｍ２〜０．４Ｊ／ｃｍ２程度が好ましいことがわかった。なお、この実験で加工対象物５に照射したＹＡＧレーザのビームスポットの大きさは、直径約１００μｍであった。
図１Ｂは、本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１が、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源１として、例えば、波長２４８ｎｍで、パルス幅数ｎｓ〜６０ｎｓのパルスレーザビームを出射するＫｒＦエキシマレーザや、波長３０８ｎｍで、パルス幅２０ｎｓ〜５０ｎｓのパルスレーザビームを出射するＸｅＣｌエキシマレーザを用いることができる。１パルス当たりのエネルギは、例えば１５Ｊである。制御装置７が、所望のタイミングでレーザビームのパルスを出射させるように、レーザ光源１を制御する。
レーザ光源１を出射したレーザビームは、ビーム径を拡大し、平行光にするエキスパンダ２を通過し、ホモジナイザ３に入射する。
図２を参照して、図１Ｂに示すホモジナイザ３の構成及び作用について説明する。ホモジナイザ３に入射する光線束の光軸に平行なｚ軸を有するｘｙｚ直交座標系を考える。図２Ａは、ｙｚ面に平行な断面図、図２Ｂは、ｘｚ面に平行な断面図を示す。
図２Ａに示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をｘ軸と平行にし、かつｙ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ１１Ａと１１Ｂが構成されている。シリンダアレイ１１Ａ及び１１Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｘｚ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面のことを意味する。シリンダアレイ１１Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ１１Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。
図２Ｂに示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をｙ軸と平行にし、かつｘ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ１２Ａと１２Ｂが構成されている。シリンダアレイ１２Ａ及び１２Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｙｚ面に平行である。シリンダアレイ１２Ａはシリンダアレイ１１Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ１２Ｂはシリンダアレイ１１Ａと１１Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ１１Ａと１１Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ１２Ａと１２Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。
シリンダアレイ１１Ｂの後方に、収束レンズ１５が配置されている。収束レンズ１５の光軸は、ｚ軸に平行である。
図２Ａを参照して、ｙｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｙｚ面内においては、シリンダアレイ１２Ａ及び１２Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。シリンダアレイ１２Ａの左方からｚ軸に平行な光軸を有する平行光線束１３がシリンダアレイ１２Ａに入射する。平行光線束１３は、例えば曲線１７ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
平行光線束１３がシリンダアレイ１２Ａを透過し、シリンダアレイ１１Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ１１Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図２Ａでは、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線１７ｙａ〜１７ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ１１Ａによって収束された光線束は、シリンダアレイ１１Ｂにより再度収束される。
シリンダアレイ１１Ｂにより収束した７つの収束光線束１４は、それぞれ収束レンズ１５の前方で結像する。この結像位置は、収束レンズ１５の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、収束レンズ１５を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面１６上において重なる。ホモジナイズ面１６を照射する７つの光線束のｙ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布１７ｙａ〜１７ｙｇをｙ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布１７ｙａと１７ｙｇ、１７ｙｂと１７ｙｆ、１７ｙｃと１７ｙｅは、それぞれｙ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線１８ｙで示すように均一な分布に近づく。
図２Ｂを参照して、ｘｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、シリンダアレイ１１Ａ及び１１Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。平行光線束１３がシリンダアレイ１２Ａに入射する。平行光線束１３は、例えば曲線１７ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
平行光線束１３がシリンダアレイ１２Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図２Ｂでは、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線１７ｘａ〜１７ｘｇで示す光強度分布を有する。
各光線束は、シリンダアレイ１２Ｂの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ１２Ｂに入射する。シリンダアレイ１２Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、収束レンズ１５に入射する。
収束レンズ１５を透過した７つの光線束はそれぞれ収束光線束となり、ホモジナイズ面１６上において重なる。ホモジナイズ面１６を照射する７つの光線束のｘ軸方向の光強度分布は、図２Ａの場合と同様に実線１８ｘで示すように均一な分布に近づく。
このようにホモジナイザ３は、ホモジナイズ面１６上の光照射領域を、ｙ軸方向に長く、ｘ軸方向に短い直線状の形状にし、ホモジナイズ面１６上の光照射領域内の光強度分布を、ほぼ均一にする。
図１Ｂに戻って説明を続ける。ホモジナイザ３を出射したレーザビームは、折り返しミラー４で反射され、図１Ａに示したような加工対象物５に入射する。加工対象物５の表面が、ホモジナイズ面と一致するように、ホモジナイザ３と加工対象物５との相対位置が調節されている。１ショットのレーザ照射により、加工対象物５の表面の、例えば、長さ１１００ｍｍ、幅１ｍｍの線状の領域が、ほぼ均一に照射される。パルスエネルギ密度は、例えば０．４Ｊ／ｃｍ２である。
加工対象物５は、ＸＹステージ６上に保持されている。ＸＹステージ６が、加工対象物５を、加工対象物５の表面に平行な面内で移動させるために用いられる。制御装置７が、所望のタイミングで所望の位置に加工対象物５を位置させるように、ＸＹステージ６を制御する。
レーザ光源１とＸＹステージ６とは、制御装置７により、同期して動作するように制御され、加工対象物５が所望の位置に存在しているときに、レーザビームのパルスが出射される。
次に図３を参照して、上記のレーザ加工装置を用いて、加工対象物表面に直線状の溝を、一定の中心間隔Ｌで形成するレーザ加工方法について説明する。図３は、加工対象物５の平面図である。加工対象物５の表面に、レーザビームの１ショット目を照射する。ビーム断面がホモジナイザにより直線状に整形されているので、加工対象物表面上の直線状の領域である照射領域３１ａが、レーザに照射される。１ショット目の照射により、照射領域３１ａ内の透明導電層２３が除去され、底面に樹脂層２２が露出し、１本目の溝が形成される。
１本目の溝の形成が終了したら、ＸＹステージを、加工対象物５の表面と平行な面内で、ビーム断面の長尺方向と直交する方向に、長さＬだけ移動する。ここで長さＬは、加工対象物表面上のビーム断面の幅よりも長い。
次にレーザビームの２ショット目を照射する。加工対象物表面上の直線状の領域である照射領域３１ｂが、レーザに照射される。ビーム断面の幅よりも溝の中心間隔Ｌが長いので、照射領域３１ａと照射領域３１ｂとは、ある間隔を隔てて離れている。２ショット目の照射により、照射領域３１ｂ内の透明導電層２３が除去され、底面に樹脂層２２が露出し、２本目の溝が形成される。
以後同様に、ビーム断面の長尺方向と直交する方向に長さＬだけ加工対象物５を移動させては、レーザを１ショット照射することを繰り返して、直線状の溝を一定の中心間隔Ｌごとに形成する。
以上説明したように、図１Ａに示したような加工対象物５に、適切な条件でレーザビームを照射して透明導電層２３を除去することにより、加工対象物５の表面に、底面に樹脂層２２が露出した溝を、樹脂層２２が損傷することを抑制しつつ形成することができる。
相異なるパルスに照射される領域同士が、間隔を隔てるようにすることにより、形成された溝の底部にさらにパルスが照射されて、溝の底部をなす樹脂層が損傷することを防止できる。
ところで、パルスレーザビームの照射によって溝を形成する加工を行う場合、以下に説明するような方法が広く用いられている。加工対象物表面の１本の溝が形成されるべき領域を、長さ方向に複数の部分領域に分割し、部分領域ごとにパルスレーザビームを照射して凹部を形成し、各凹部を連続させることにより１本の溝全体を形成する。このように部分毎に溝を形成する方法を用いると、形成された溝の開口の縁の、長さ方向の直線性を高めることが難しい。
本実施例のレーザ加工方法においては、ビーム断面が長尺に整形されたパルスレーザビームを用いることにより、加工対象物表面の１本の溝全体に対応する領域を１ショットで照射して、溝を形成する。溝の開口の形状は、直線状に整形されたビーム断面の形状に対応する。ホモジナイザで整形されたビーム断面の長尺方向に平行な縁は、高い直線性を有している。このため、形成される溝の開口の縁の長さ方向の直線性を高めることができる。１ショットのみの照射で１本の溝を形成できるので、加工時間の短縮化も図られる。
なお、一定の中心間隔Ｌで溝を形成する例を説明したが、隣接する２本の溝の間隔を一定にしなくともよい。
ビーム断面を長尺に整形して溝を形成する例を説明したが、ビーム断面を他の形状に整形してもよい。ビーム断面の形状に対応した開口を持つ凹部を形成できる。
なお、図１Ｂに示したレーザ加工装置から、エキスパンダ２及びホモジナイザ３を省略し、レーザ光源１として、上述の実験に用いた高調波ＹＡＧレーザ等の高調波固体レーザを用い、加工対象物５に穴を形成する加工を行うこともできる。
加工対象物表面におけるレーザビームの照射領域を、ＸＹステージを動かして移動させる例を説明したが、レーザビームの照射領域は、ガルバノスキャナ等でレーザビームの進行方向を振って移動させることも可能である。
従来行われてきた透明導電層のパタニングでは、フォトリソグラフィに伴うレジスト塗布の工程や、マスク作製の工程が必要であった。また、湿式エッチングに伴う廃液が発生していた。本実施例によるレーザ加工方法によれば、透明導電層のパタニングにおいて、フォトリソグラフィも湿式エッチングも不要となる。このため、加工時間の短縮化や、加工に伴う環境負荷の低減化が図られる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
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【図３】
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【国際調査報告】
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