(57)【要約】      （修正有）【課題】基板上の薄膜材料のスクライブ加工に好適なレーザパルスを用いる方法及び装置を提供する。【解決手段】光パルスを生成するように動作可能なレーザを用意するステップを含む。光パルスは、第１のパワーレベルを光パルスの第１の部分の期間中有し、第１のパワーレベル未満の第２のパワーレベルを光パルスの第２の部分の期間中有する時間プロファイルを特徴とする。この方法はまた、光パルスをＣｄＴｅ太陽電池構造に当てるように誘導するステップを含む。ＣｄＴｅ太陽電池構造は、基板、基板に隣接する透過スペクトル制御層、透過スペクトル制御層に隣接するバリア層、及びバリア層に隣接する導電層を含む。この方法はまた、導電層の除去加工を開始するステップと、絶縁層を除去する前に除去加工を終了するステップとを含む。【選択図】図１４
2012213802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の層と、前記第１の層と接触する第２の層とを含む薄膜構造の少なくとも一部分を除去する方法であって、
第１のピークパワーレベルを第１の部分の期間中有し、それに続く第２のピークパワーレベルを第２の部分の期間中有する時間パルス形状を特徴とするレーザパルスを供給するステップと、
前記レーザパルスを前記薄膜構造に当てるように誘導するステップと、
前記第１の層における除去加工を前記第１の部分の期間中に開始するステップと、
前記除去加工を前記第２の部分の期間中維持するステップと、
前記第２の部分の終わりに前記除去加工を終了させるステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記薄膜構造が、絶縁膜の上に重なる導電膜を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記導電膜が透明導電酸化物を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記透明導電酸化物がＳｎＯ２：Ｆを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記絶縁膜が、酸化物ベース又は窒化物ベースの誘電体の少なくとも１つを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記酸化物ベース又は窒化物ベースの誘電体がＳｉＯ２を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の部分のピークパワーが前記第２の部分のピークパワーの少なくとも２倍である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の部分のピークパワーが前記第２の部分のピークパワーの少なくとも２０倍である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の部分と前記第２の部分の期間中の立下がり時間が、時間パルス形状の持続期間の５％未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記立下がり時間が２％未満である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記除去加工を前記第２の部分の期間中維持するステップが、前記第１の層の温度をほぼ一定の温度に前記第２の部分の期間中維持するサブステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ＣｄＴｅ太陽電池構造をレーザスクライブする方法であって、
第１のパワーレベルを光パルスの第１の部分の期間中有し、前記第１のパワーレベル未満の第２のパワーレベルを前記光パルスの第２の部分の期間中有する時間プロファイルを特徴とする、前記光パルスを生成するように動作可能なレーザを用意するステップと、
前記光パルスを前記ＣｄＴｅ太陽電池構造に当てるように誘導するステップであり、前記ＣｄＴｅ太陽電池構造が、基板、前記基板に隣接する透過スペクトル制御層、前記透過スペクトル制御層に隣接するバリア層、及び前記バリア層に隣接する導電層を備えるステップと、
前記導電層の除去加工を開始するステップと、
前記絶縁層を除去する前に前記除去加工を終了するステップと
を含む、方法。
【請求項１３】
前記時間プロファイルが、約１ｎｓ〜６００ｎｓの間のパルス長を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板がソーダ石灰ガラスを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記透過スペクトル制御層がＳｎＯ２の少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記バリア層が、ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記導電層が透明導電酸化物を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記導電酸化物がＳｎＯ２：Ｆ、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、又はＣｄＳｎＯｘのうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記導電層に対する前記除去加工を開始するステップが、前記導電層の温度を一定の温度に、前記第２の部分の期間中維持するサブステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記光パルスが、非ガウス形空間プロファイルを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本出願は、２０１０年９月２４日出願の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｔｏ  Ｓｃｒｉｂｅ  ａ  Ｌｉｎｅ  ｉｎ  ａ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｂｕｒｓｔ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ  Ｐｕｌｓｅ  Ｓｈａｐｅ」という名称の米国特許出願第１２／８８９，４３５号の一部継続出願であり、同出願は、２００９年９月２４日出願の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｔｏ  Ｓｃｒｉｂｅ  ａ  Ｌｉｎｅ  ｉｎ  ａ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｂｕｒｓｔ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ  Ｐｕｌｓｅ  Ｓｈａｐｅ」という名称の米国特許仮出願第６１／２４５，５８２号の優先権を主張する。上記出願の開示の全体が、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]本発明は一般に、材料のレーザ加工に関する。より具体的には、本発明は、レーザ加工用途においてより好適な加工品質、及びより高いスループットが得られるよう特別に成形された一連のレーザパルスを用いる方法及び装置に関する。本発明はまた、基板上の薄膜材料のスクライブにも関する。しかし、本発明は適用範囲がより広く、他の用途及び材料に適用することもできる。
【０００３】
[0003]Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどのパルスレーザ源が、刻印、彫刻、微細機械加工、切削、及びスクライブなどの用途でレーザによる材料加工を行うために使用されてきた。レーザが一般に使用されるこのような加工の１つは、厚い基板上の材料の薄膜にラインをスクライブすることである。薄膜は、非常に大まかな言い方で、数個の分子の厚さしかない材料の層と定義される。実際には、薄膜は通常、厚さが２５ｎｍ〜２ミクロンの間である。基板は、上に薄膜が堆積される材料であり、通常では薄膜よりもかなり厚い。薄膜を使用する多くの例が、電子デバイス、電子光学デバイス、光学デバイス、及び防食などの分野にある。例えば、光電池又は太陽電池は、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、２セレン化銅インジウム、２セレン化銅インジウムガリウム、又はモリブデンの薄膜と、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電酸化物（ＴＣＯ）材料の薄膜、及びアルミニウム又はモリブデンなど他の材料の酸化物の薄膜を使用して作られる電極とを有することがある。これら及びその他の材料の薄膜はまた、フラットパネルディスプレイ及びデジタルディスプレイにも使用される。
【０００４】
[0004]厚い基板上の薄膜材料にラインをスクライブするということは、基板に至るまで全ての薄膜材料を除去すること、及びこれをラインに沿って行うことを意味する。比較的太いラインではナイフを使用することができるが、そうすると縁部が粗くなり、薄膜材料の除去が不完全になることが多い。電子デバイスで必要とされるラインの幅は非常に細いことがある。レーザは、非常に細いラインを刻み薄膜材料をきれいに切除するのに使用できるので、薄膜材料にラインをスクライブする用途に使用される。
【０００５】
[0005]ＴＣＯをスクライブする場合、監視される１つのパラメータは、スクライブされるラインをまたいで得られる抵抗率である。抵抗率は、スクライブ加工で除去されるＴＣＯ材料の量の影響を受け、したがって目標は、刻まれる溝の中の全てのＴＣＯ材料を除去することである。１つの問題は、切削加工で発生する残留物及び破片の量であることがある。切除されたＴＣＯ材料が、溝がスクライブされているときに溝全体にわたって落下し、それによって抵抗率が低下することがある。この落下がすぐには起きなくても、破片が存在することで、後でいつか破片が払われて溝に入った場合に抵抗率が低下することになりうる。この製造工程の目標は、残留物及び破片の量を最小限にすることである。この理由のために、レーザスクライブが、ビームがガラス基板を通過する「第２面」加工になるように行われることが多く、こうすることは、表面にくっつく残留物及び破片の量を低減する助けにはなるが、残留物及び破片がいくらか残る。抵抗率の典型的な許容値は２００メガオームであるが、理想的な値は用途によって決まる。
【０００６】
[0006]レーザスクライブ加工の品質に影響を及ぼす別の問題は、ガラス基板中、又はスクライブされる溝のＴＣＯ材料の壁に微小亀裂が発生することである。時間が経つにつれて、微小亀裂が広がり大きくなることがあり、その結果、機械的な傷がスクライブされた溝に、又は溝を横断して現れる可能性がある。このようなことが起きることは、それが標準的な「初期故障」試験段階後のある時点でのデバイス不良につながる可能性があり、またそれゆえに抑制することが困難であるので、回避されるべきである。レーザパルスによる薄膜又は基板のいかなる物理的劣化も最小限にしなければならない。微小亀裂並びに残留物及び破片が存在すれば、高倍率の光学顕微鏡を使用して観察することができる。
【０００７】
[0007]用途及び加工されるべき材料に応じて、パルスエネルギー、パルス幅、パルス繰返し率、ピークパワー又はピークエネルギー、及びパルス形状を含む様々なレーザパルスの特性を、特定の用途で適宜に選択できることは有利なことがある。様々な材料の加工応用を最適化するようにパルスエネルギー及びパルスパワーを慎重に制御する多くの例が存在する。
【０００８】
[0008]１パルス当たり０．５ｍＪより大きいパルスエネルギーを特徴とする多くの既存の高出力パルスレーザは、光パルスを発生するのにＱスイッチング及びモードロッキングなどの技法に依拠する。しかし、このようなレーザは、空洞形状、ミラー反射率などによって特性があらかじめ決まる光パルスを生成する。このようなレーザを使用すると、当面の用途に最適なパルス形状を得ることは一般に困難であり、したがって多くの場合でレーザ加工には、困難なことがいくつかある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
[0009]したがって、薄膜スクライブ加工の品質及び歩留まりを改善する、材料の薄膜をスクライブするためのシステム及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
[0010]本発明は、図１Ａに概略的に示されている、有益な形の時間パルス形状を有する個々のパルスからなるレーザパルスのバーストを使用して、基板上の材料の薄膜層にラインをスクライブする、又は刻む方法を開示し、このパルス形状を、レーザから放出される従来の時間パルス形状（レーザパルス時間パルス形状とも称する）の代わりに使用することには、薄膜スクライブ加工の品質及び歩留まりを改善する様々な利点がある。一実施形態では、有益な形のパルスは、いす形状（ｃｈａｉｒ  ｓｈａｐｅ）パワー時間プロファイルとして大まかに描写することができ、図１Ｂに概略的に示されるように、初期のパワースパイク部の後にかなり長いが低パワーの平坦部が続く。集束レーザビームスポットの複数のパルスが、スポットの一部を重ねて薄膜材料の全体にわたって走査されるスクライブ加工では、有益な形のパルスのこの大まかな形状が、以前に使用された従来の時間パルス形状の代わりに使用される場合、スクライブ加工の顕著な改善が実現される。より具体的には、複数のパルスのバースト中の各パルスのパルス長（ＦＷＨＭ  半値全幅）は、１ｎｓ〜２００ｎｓの間であり、スパイク部のパルス長ＦＷＨＭは、０．３ｎｓを超えるが全パルスのパルス長の３０％未満である。スパイク部のピークパワーは、全パルスの平均ピークパワーの１．５倍〜１０倍の間である。
【００１１】
[0011]別の実施形態では、スクライブ加工は、図２Ａに概略的に示されたレーザパルスのバーストを使用し、各パルスは有益な形のパルス形状を有し、このパルス形状は、図２Ｂに概略的に示されるように、急に立ち上がる立上がり区間を有する単純な方形上部パルス形状として描写することができる。集束レーザビームスポットの複数のパルスが、スポットの一部を重ねて薄膜材料の全体にわたって走査されるスクライブ加工では、この方形上部形状の有益な形のパルスが、以前に使用された従来の時間パルス形状の代わりに使用される場合、スクライブ加工の顕著な改善が実現される。より具体的には、方形パルスのパルス長（ＦＷＨＭ  半値全幅）は、１ｎｓ〜２００ｎｓの間である。
【００１２】
[0012]薄膜スクライブ加工において有益なパルス形状を使用することには、いくつかの利点がある。例えば、太陽電池パネルで一般に使用される材料であるガラス基板上の酸化亜鉛薄膜のレーザスクライブでは、方形時間パルス形状を使用すると、従来のレーザ時間パルス形状が使用される結果基板中に顕著な微小亀裂が生じる状況と比較して、ガラス基板中に微小亀裂が発生しなくなる。同じ材料に対し、スパイク部／平坦部を有するいす形状のレーザパルス形状を使用すると、従来のレーザ時間パルス形状が使用される結果ガラス基板中及びＺｎＯ材料のスクライブされた縁部上に顕著な微小亀裂が生じる状況と比較して、ガラス基板でもＺｎＯ材料のスクライブされた縁部でも微小亀裂が発生しなくなる。加えて、スパイク部／平坦部を有するいす形状のレーザパルス形状を使用するとまた、スクライブされたラインにおけるＺｎＯの残留物及び破片の発生が顕著に減少することになる。有益なパルス形状を使用すると、それによって生成されたデバイスの品質の顕著な改善が実現し、また、次の製造段階に進むことが許容可能なデバイスの数が増加するので、歩留まりの顕著な改善も実現する。
【００１３】
[0013]ほとんどのレーザは、平均パワー又はパルスエネルギー、又は繰返し周波数を最大にするように設計され、出力パルスの形状はほとんど考慮されない。自走レーザ、Ｑスイッチレーザ、又はモードロックレーザの図３に示される従来の時間パルス形状は、立上がり端、丸みのある上部、及び徐々に低下する立下がり端を有する。このパルス形状は主として、レーザ利得媒体、レーザ励起手段、及び空洞設計によって決まる。しかし、一部のレーザシステムの出力パルス形状は制御することが可能である。ダイオードレーザなどのパルスレーザ源は、パルス電子駆動信号を供給することによって簡単にパルス出力させることができる。こうして生成される光レーザパルスのパルス形状は、ダイオードレーザへの電子駆動信号の形状を選ぶことによってあらかじめ決定することができる。このようなパルスレーザ源からの成形された信号は、次に、ファイバレーザ増幅器などのレーザ増幅器で増幅することができる。本発明の一実施形態では、この設計の発振増幅器レーザシステムは、薄膜材料をスクライブするのに適した有益な形の時間パルス形状を有する一連のレーザパルスを生成するために提供される。
【００１４】
[0014]別の実施形態では、より高性能のレーザシステムが、有益な形の時間パルス形状を有する一連のレーザパルスを生成するために提供される。２００８年９月１２日出願の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ａ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｓｈａｐｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ」という名称の米国特許出願第１２／２１０，０２８号には、可同調パルスレーザ源の諸例が記載されている。パルスレーザ源は、シード信号を発生するように構成されたシード源と、シード源に結合された第１のポート、第２のポート及び第３のポートを有する光サーキュレータとを含む。パルスレーザ源はまた、成形された電気波形を生成するように構成された変調器ドライバと、変調器ドライバに結合され、成形された電気波形を受け取るように構成された振幅変調器とを含む。パルスレーザ源は、光サーキュレータの第２のポートに結合された第１の側面、及び第２の側面を特徴とする。パルスレーザ源は、入力端及び反射端を特徴とする第１の光増幅器をさらに含む。入力端は、振幅変調器の第２の側面に結合される。さらに、パルスレーザ源は、光サーキュレータの第３のポートに結合された第２の光増幅器を含む。２００８年９月２７日発行の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｗｉｔｈ  Ｓｈａｐｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ」という名称の米国特許第７，４２８，２５３号にもまた、可同調パルスレーザ源の諸例が記載されている。
【００１５】
[0015]さらに別の実施形態では、別のレーザ設計が、有益な形の時間パルス形状を有する一連のレーザパルスを生成するために提供される。米国特許仮出願第６１／１８６，３１７号には、安定なパルスレーザ源の諸例が記載されている。このパルスレーザ源は、安定化光放射を発生するように構成された安定化光源と、安定化光源に結合された第１のポート、第２のポート及び第３のポートを有する光サーキュレータとを含む。パルスレーザ源はまた、所望の形状の信号パルスを生成するように構成された信号源を含み、この信号源は、光サーキュレータの第２のポートに結合されている。パルスレーザ源は、光サーキュレータの第３のポートに結合された光増幅器をさらに含む。米国特許出願第１２／２１０，０２８号、米国特許第７，４２８，２５３号及び米国特許仮出願第６１／１８６，３１７号に記載の内容は参照することにより本明細書に援用する。
【００１６】
[0016]有益な形の時間パルス形状を要望通り得るために使用できるいくつかの設計がある。本発明の別の実施形態では、基板上の薄膜材料の１つ又は複数の層にラインをスクライブする、又は刻むための材料加工システムが開示される。このシステムは、有益な形の１つ又は複数の時間パルス形状を供給して、以下の利益の１つ以上が得られるように薄膜材料を最適に処理する。（１）基板中に微小亀裂が形成することを低減又は除外する、（２）薄膜切除領域の縁部に沿って微小亀裂が形成することを低減又は除外する、（３）破片形成を低減する、（４）表面領域残留物を低減する。レーザばかりでなく、材料加工システムは、薄膜材料全体にわたってレーザビームを集束し、投影し、まっすぐに走査してスクライブ加工を実施する手段と、走査されるレーザスポットの重なりを調整する手段と、加工を制御するコンピュータとを含む。関連する実施形態では、材料加工システムはまた、高調波発生の作用を利用してレーザの波長を変える手段を含む。
【００１７】
[0017]従来の技法と比べて多くの利益が本発明を用いて得られる。例えば、本発明による一実施形態では、薄膜材料のレーザスクライブに適した高出力パルスレーザが提示され、このレーザは、同様の動作特性を有するレーザと比較して安価であるコンパクトな構成を利用する。さらに、本発明による一実施形態では、薄膜材料のレーザスクライブに適したパルスレーザが得られ、その結果、薄膜材料の前記スクライブに対してレーザパルスプロファイルを最適にするように光パルスを成形できるようになる。この実施形態に応じて、多くの利益が、例えば加工される物品の品質及び歩留まりの改善を含めて存在する。これら及びその他の利益を本明細書全体にわたって、またより具体的に以下で説明した。本発明の様々な追加の目的、特徴、及び利点は、詳細な説明及び以下の添付図面を参照して、より完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】基板上の薄膜材料にラインをスクライブするのに適した、いすパルス形式の有益な形のパルス形状を有するパルスのバーストを示す、一実施形態の概略図である。この図では、時間が水平軸上であり、パワーが垂直軸に沿っている。
【図１Ｂ】スパイク部／平坦部を有するいす形状のパルス形状の一実施形態を示す図である。
【図１Ｃ】垂下部があるスパイク部／平坦部を有するいす形パルスの実施形態を示す図である。
【図１Ｄ】いす形パルス形状の別の実施形態を示す図である。
【図１Ｅ】いす形パルス形状のさらなる実施形態を示す図である。
【図２Ａ】基板上の薄膜材料にラインをスクライブするのに適した、方形パルス形式の有益な形のパルス形状を有するパルスのバーストを示す、一実施形態の概略図である。
【図２Ｂ】時間が水平軸上にありパワーが垂直軸に沿っている、上部が平坦な方形パルスを示す図である。
【図２Ｃ】時間が水平軸上にありパワーが垂直軸に沿っている、垂下部がある方形パルスを示す図である。
【図３】基板上の薄膜材料をスクライブするために使用される従来のレーザパルスの時間パルス形状を示す概略図である。この図では、時間が水平軸上でありパワーが垂直軸に沿っている。
【図４】各パルスの加工領域が、前のパルスによって加工される領域と部分的に重なるように、また次のパルスによって加工される領域とも部分的に重なるように複数のレーザパルスを使用する、薄膜材料におけるレーザスクライブ加工の基板を通した上面図を示す概略図である。この特定の図では、スポット重なりは約３０％であるが、この加工のために選択されるスポット重なりの値は、１０％〜９５％の間で変動しうる。
【図５Ａ】基板３６上に堆積され、薄膜に溝３５がスクライブされている単一の薄膜材料３７の断面側面を示す概略図である。また、基板の微小亀裂４０、スクライブされた薄膜の縁部の微小亀裂３９、及び表面に付着しうる切除薄膜材料からの残留物及び破片３８も示されている。このような微小亀裂並びに残留物及び破片は、レーザで薄膜材料をスクライブするときに従来のレーザパルス形状を使用することの結果であることが多い。
【図５Ｂ】図５Ａに示された構造であるが、本発明の別の実施形態を使用して得られた、基板中に微小亀裂がなく、スクライブされた膜の縁部の微小亀裂が減少していない構造の断面側面を示す概略図である。
【図５Ｃ】図５Ａに示された構造であるが、本発明の別の実施形態を使用して得られた、微小亀裂が基板にもスクライブされた薄膜の縁部にもなく、また残留物及び破片の量も減少していない構造の断面側面を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態による有益なパルス形状のレーザパルスの出力バーストを供給する、同調可能パルス特性を有するパルスレーザの簡略化概略図である。
【図７】本発明の一実施形態による有益なパルス形状のレーザパルスの出力バーストを供給する、同調可能パルス特性を有するパルスレーザの簡略化概略図である。
【図８】本発明の別の実施形態による有益なパルス形状のレーザパルスの出力バーストを供給する、同調可能パルス特性を有するパルスレーザの簡略化概略図である。
【図９】本発明の一実施形態による、基板上の薄膜にラインをスクライブするのに適したレーザ加工システムの簡略化概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態による有益なパルス形状を有するパルスのバーストを使用して薄膜材料にラインをスクライブする方法を示す流れ図である。
【図１１】本発明の一実施形態による加工に適した多層積層薄膜構造の簡略化概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態によるレーザパルス形状及びエッチング深さを時間との関係で表す簡略化グラフである。
【図１３】本発明の一実施形態によるエッチングピット形態の変化を時間との関係で示す一連の光学像である。
【図１４】レーザパルスのレーザピークパワーと相互関連しているターゲット領域温度を時間との関係で表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
[0040]太陽電池、フラットパネルディスプレイ、及びデジタルディスプレイの製造工程では、ガラス基板上に堆積された透明導電酸化物（ＴＣＯ）材料の薄膜が、ＴＣＯ材料にラインをスクライブすることによってセグメント化されなければならず、それによって、ラインの一方の側のＴＣＯセグメントとラインのもう一方の側ＴＣＯセグメントとの間を電気的に分離するようにセグメント化される。パルスレーザを使用してラインをスクライブするのは、多くのレーザパルスのバーストを使用する多パルス加工であり、各パルスが薄膜上のスポットに集束され、このスポットは、各スポットと前のスポット及び次のスポットとの間にいくらかの重なりがあるようにして、スクライブされるべき所望のラインに沿って走査される。スクライブされるラインの幅は主として、集束されるレーザスポットのサイズによって決まる。ガラス基板上のＺｎＯ薄膜にスクライブされるラインの幅は、１０ミクロン〜１００ミクロンの範囲であるが、もっと細いラインを実現することもできる。ＴＣＯ材料を適切に除去して基板上にきれいなラインを残すために、ある特定のスポット重なりの量が用いられる。したがって、スクライブ加工は本質的に、単パルス加工ではなく多パルス加工である。パルスからパルスまでの重なりの量を用いてスクライブ加工を制御することができる。例えば、薄膜が厚ければ厚いほど、より多くの重なりが用いられることがある。一例では、パルス重なりは３０％であるが、この値は、加工される材料の特性に応じて、１０％しかない低い値から９５％もの高い値まで変わりうる。
【００２０】
[0041]図４に、薄膜のレーザスクライブの概略図が示されている。スクライブ加工は一般に、レーザビームがまず基板を通過して薄膜にアクセスする第２面加工であるが、薄膜を直接スクライブするために、レーザが基板を通過せずに使用されることもまたありうる。薄膜のレーザスクライブは、少なくとも１０パルスを含むレーザパルスのバーストが必要な多パルス加工である。各パルスは、薄膜材料のところでスポットに集束又は投影される。バースト中の第１のパルス３１は、第１のスポットが、スクライブされるべきラインの開始位置にあるように誘導される。バースト中の後続の各パルスは、前のスポットに隣接するスポットに誘導されるが、１０％〜９５％の間の値ＯＬ％で一部が重なる。図４に示されるスポット重なりの値は約３０％である。すなわち、複数のパルスのバースト中の各パルスは、スクライブされるべきラインに沿った位置に誘導され、最後のパルス３２は、この最後のパルスによるスポットが、スクライブされるべきラインの末端にあるように誘導される。Ｎがバースト中のパルスの数、ｄが薄膜にある集束スポットの直径、ＯＬ％がパーセント単位の重なり値とすれば、スクライブされるラインの長さＬは次式で与えられる。
Ｌ＝ｄＮ−ｄ（Ｎ−ｌ）（ＯＬ％）／ｌ００
【００２１】
[0042]スクライブされるラインの幅は、集束スポットサイズ、スポット重なり、及び薄膜との相互作用の関数であるが、理想的には、スクライブされるラインの幅は、集束スポットの直径とおおよそ同じになる。スポット重なりの選択は、加工を最適化するために変更される加工パラメータである。薄い材料では、１０％などの非常に小さいスポット重なりを使用できることが多く、このスポット重なりでは、例えば１ｍ／秒までの速いスクライブ速度が得られる。より厚い材料では、薄膜材料がきれいに除去されるように、より大きい重なりが通常選択される。
【００２２】
[0043]図５Ａは、基板３６上に堆積され、薄膜に溝３５がスクライブされている単一の薄膜材料３７の側面を示す概略図である。基板の微小亀裂４０、切削された薄膜の縁部の微小亀裂３９、及び表面に付着しうる切除薄膜材料からの残留物及び破片３８もまた示されている。このような微小亀裂並びに残留物及び破片は、レーザで薄膜材料をスクライブするときに従来の、図３に概略的に示されたものなどのレーザパルス形状を使用した結果であることが多い。本発明の目的は、微小亀裂並びに残留物及び破片形成を低減又は無くすことによって薄膜スクライブの品質を改善する方法及び装置を提供することである。
【００２３】
[0044]図１Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、本発明の諸実施形態による様々の有益なパルス形状を有するパルスのバースト１１及び２１を示し、これらのパルスにより、同じ加工をするのに図３に示された従来のパルス形状のレーザパルスのバーストを使用して得られる低い品質と比較して、ガラス基板上の薄膜にラインをスクライブする品質が改善された。各バーストは少なくとも１０パルスを含む。特に図２Ａは、本発明の一実施形態によるパルスのバーストを示す。図２Ｂは、本発明の一実施形態による有益なパルス形状を示し、パルス長ＦＷＨＭがＴ１、前縁立上がり時間（１０％〜９０％）がＲＴ１、後縁立下がり時間（９０％〜１０％）がＦＴ１である。平坦上部のピークパワーはＨ１である。図５Ａに示されるように、ガラス基板及びＺｎＯスクライブの縁部の顕著な微小亀裂が見られた、従来のパルス形状を有するパルスのバーストを使用してスクライブされたラインと比較して、図２Ｂの方形パルス形状のパルスのバーストを使用してスクライブされたラインでは、図５Ｂに概略的に示されるように、ガラス基板に微小亀裂が見られず、ＺｎＯがスクライブされた領域の縁部に微小亀裂の減少が見られる。本発明の一実施形態では、厚さ６ｍｍのガラス基板上の厚さ４５０ｎｍのＺｎＯ膜に、波長１０６４ｎｍのレーザからの図２Ｂのパルス形状を有するパルスのバーストを、１３５マイクロジュールのパルスエネルギー、５０ミクロンのスポットサイズ、５０ｎｓのパルス長、１ｎｓのＲＴ１及びＦＴ１の値、１秒当たり３６，０００パルスの繰返し率、及び様々な値のスポット重なり（１０％、２５％及び５０％の重なりを含む）で使用してスクライブされた幅５４ミクロンのラインに、基板の微小亀裂が見られない。加えて、除去される材料の幅が、従来のパルス形状の４４ミクロンから、同じパルスエネルギーを用いて方形パルス形状の５４ミクロンに増加するので、スクライブ加工の効率は向上する。方形パルス形状に変更することにより、スクライブされるラインの幅が明確に増加し、またガラス基板に微小亀裂を形成することが効果的に防止される。しかし、本発明による一実施形態の具体的な諸パラメータは、これらの値に限定されない。一実施形態では、方形パルスのパルス長Ｔ１は１ｎｓ〜２００ｎｓの間である。方形パルスの立上がり時間ＲＴ１は０．３ｎｓを超えるが、パルス長Ｔ１の１０％未満である。立下がり時間ＦＴ１は、パルス長Ｔ１の３０％未満である。同様の改善がまた、図２に示されたいくらかの垂下部が方形パルス形状にあっても、Ｈ１−Ｈ２がＨ１の５０％未満であるような垂下である限り、得られる。
【００２４】
[0045]同様の改善が、異なる値のスポットサイズ及びスクライブ速度を用いて得られる。例えば、幅２５ミクロンのラインをスクライブしたときに同様の品質の改善が、パルスエネルギーが４２マイクロジュールの、１秒当たり７２，０００パルスで動作し２５ミクロンのスポットサイズに集束されるレーザを、様々な値のスポット重なりで（１０％、２５％及び５０％重なりを含む）使用して認められた。同じく、ＺｎＯスクライブの同様の品質の改善が、パルスエネルギーが７マイクロジュールの、１秒当たり２６０，０００パルスで動作し１０ミクロンのスポットに集束され、スポット重なりが様々な値の（１０％、２５％及び５０％重なりを含む）レーザを使用して認められた。全ての場合で、本明細書に記載の上部が方形のパルスを使用することで、上記のスクライブ品質の改善がもたらされた。
【００２５】
[0046]非常に薄い膜では、小さい重なりを用いて各集束スポットにある材料を除去することができるが、材料の厚さが増すときには、パルスエネルギーを増大するのではなく、スポット重なりを増加させることがより適切なことがある。少ないスポット重なりでは、スポットが重なるスクライブラインの縁部の変調が、スポット重なりが多い場合のスクライブラインの縁部よりも多くなりうる。しかし、各スポット重なりの縁部のこの鋭い先端は、薄膜縁部に見られる微小亀裂と同じではない。したがって、一実施形態では、スポット重なりを増加させることによって、どちらのパルス形状でも微小亀裂に影響を及ぼすことなく、スポットが重なる鋭い縁部が低減される。
【００２６】
[0047]本発明の別の実施形態では、図１Ａに概略的に示されたレーザパルスのバーストが、薄膜材料をエッチングするために使用される。パルスの各バーストは、少なくとも１０パルスを含む。一実施形態では、パルスのバースト中の各バーストは、図１Ｂにスパイク部／平坦部を有するいす形のパルス形状として描写され概略的に示された有益なパルス形状を有する。図１Ｂでは、パルス形状が、ピークパワーＨ３、立上がり時間ＲＴ３、及び幅ＦＷＨＭ  Ｔ３を有する初期スパイク部と、ピークパワーＨ４及び立下がり時間ＦＴ４を有する水平の平坦部との２つの領域からなる。１０％ピークパワーにおけるパルス全長はＴ４である。図５Ａに示されるように、ガラス基板及びＺｎＯスクライブの縁部の顕著な微小亀裂が見える、図３の従来のパルス形状を有するパルスのバーストを使用してＺｎＯ薄膜にスクライブされたラインと比較して、図１Ｂのいすパルス形状を有するパルスのバーストを使用してスクライブされたラインでは、図５Ｃに示されるようにガラス基板に微小亀裂が見られず、ＺｎＯがスクライブされた領域の縁部に微小亀裂が見られない。加えて、方形パルス形状について前に説明したものと同様にスクライブラインが幅広くなるので、スクライブ加工の効率が向上する。図１Ｂのいすパルス形状では、スクライブ加工の際に発生するＺｎＯの残留物及び破片もまた、図３の従来のパルス形状が使用されるときに観察されるものと比較して著しく低減する。厚さ６ｍｍのガラス基板上の厚さ４５０ｎｍの薄膜ＺｎＯ層に、本発明の一実施形態による、図１Ｂのパルス形状を有するレーザパルスのバーストを使用して幅５４ミクロンのラインをスクライブするための具体的なパラメータは、レーザ波長１０６４ｎｍ、パルスエネルギー１３５マイクロジュール、繰返し率１秒当たり３６，０００パルス、スポットサイズ５０ミクロン、パルス長Ｔ４が５０ｎｓ、立上がり時間がＲＴ３が１ｎｓ、立下がり時間ＦＴ３が１ｎｓ、スパイクパルス長Ｔ３が１０ｎｓ、パワー比Ｈ３／Ｈ４が３：１、及びスポット重なりが様々な値（１０％、２５％及び５０％重なりを含む）である。１ｍ／秒より速いスクライブ速度が実現可能である。しかし、本発明による一実施形態の具体的な諸パラメータは、これらの値に限定されない。一実施形態では、パルス長Ｔ４は１ｎｓ〜２００ｎｓの間であり、スパイク部のパルス長Ｔ３は０．３ｎｓを超え、Ｔ４の３０％未満である。立上がり時間ＲＴ３は０．１ｎｓを超え、Ｔ３の３０％未満であり、比率Ｈ３／Ｈ４は１．５より大きいが１０未満である。スポット重なりは１０％〜９５％の間である。
【００２７】
[0048]同様の改善が、異なる値のスポットサイズ及びスクライブ速度を用いて実現される。例えば、同様のＺｎＯスクライブ品質の改善が、パルスエネルギーが３４マイクロジュールであり、１秒当たり７２，０００パルスで動作し、２５ミクロンのスポットサイズに集束され、スポット重なりが様々な値（１０％、２５％及び５０％重なりを含む）をとるレーザを使用して認められた。同じく、ＺｎＯスクライブの同様の品質の改善が、パルスエネルギーが４マイクロジュールであり、１秒当たり２６０，０００パルスで動作し、１０ミクロンのスポットに集束され、スポット重なりが様々な値（１０％、２５％及び５０％を含む）をとるレーザを使用して認められた。全ての場合で、本明細書に記載のいす形パルスを使用することで、上記のスクライブ品質の改善がもたらされた。
【００２８】
[0049]図１に示されるように、薄膜スクライブ加工の品質に何らかの利益が得られる他の様々ないすパルス形状がある。例えば、図１Ｃに示されるような垂下部があるスパイク部／平坦部の形にしたパルスでは、Ｈ６−Ｈ７がＨ６の５０％未満である限り、顕著な利益が得られることが予想される。また、図１Ｄに示される、平坦部の中間にスパイク部があるパルス形状、あるいは図１Ｅに示される、平坦部から時間Ｔ１２だけずれているスパイク部があるパルス形状を使用することも可能である。一実施形態では、ガラス基板上のＺｎＯ薄膜にラインをスクライブする場合に、５ｎｓ未満の値Ｔ１２が使用される。本出願に記載の諸実施形態は、ＺｎＯ薄膜中のラインのスクライブを最適化し、それによって、従来のパルス形状を有するレーザを使用して実現可能な基板全体にわたる加工の品質及び歩留まりを改善するための、レーザパルスのバースト中の有益なパルス形状をつくる全ての可能性を必ずしも包含しない。当業者には、多くの変形形態、修正形態、及び代替形態が認識されよう。
【００２９】
[0050]本発明の諸実施形態の適用は、ＺｎＯ薄膜又はＴＣＯ薄膜に限定されない。本発明で開示される諸実施形態による有益なパルス形状を使用することは、多くの材料の薄膜をスクライブする際に利益になる。また、本出願の有益なパルス形状を使用することは、スクライブされるべき薄膜材料に適宜に１０６４ｎｍ以外の波長を使用することから利益を得る。レーザ波長の選択は、一部には切除されるべき材料の吸収によって決まる。１０６４ｎｍばかりでなく、１０３２ｎｍ、１，３ミクロン、１．５ミクロン、２ミクロン他を含む他の多くの波長のレーザが利用可能である。加えて、高調波発生などの非線形処理を使用して他の波長を必要に応じて得ることが可能であり、この場合、１０６４ｎｍで動作するレーザが、５３２ｎｍ（緑）、３５４ｎｍ（近紫外線）、２６６ｎｍ（紫外線）などに変更された波長を有することができる。場合によって、緑又は紫外線などのより短い波長において吸収が大きければ、本明細書に記載の非常に薄い膜のスクライブは、高調波波長を使用することによって利益を得ることができる。
【００３０】
[0051]薄膜材料の基板はガラスに限定されない。他の一般的な基板材料はポリマー又はプラスチックである。基板の第２面上の膜をスクライブする場合には、レーザビームが基板を通過しなければならず、レーザ波長の選択は、基板が実質的に透過性になる波長に限定される。しかし、本発明に関して開示された諸実施形態による有益なパルス形状を使用することは、薄膜の第２面のスクライブに限定されない。有益なパルス形状を適用することは、基板を通過せずに直接薄膜をスクライブする場合にも等しく利益になる。
【００３１】
[0052]図６を参照すると、本出願で開示された種類の有益なパルス形状を発生できるレーザシステムが示されている。このレーザシステムは、電子ドライバ５３から電力を供給される発振器５１、及び増幅器５２を含む。ダイオードレーザなどのパルスレーザ源は、パルス電子ドライブ信号を供給することによって簡単にパルス動作させることができる。発生されるパルスのバースト５６中の各光レーザパルスのパルス形状は、電子ドライバ５３から発振器５１へ送出される電子ドライブ信号５５の形状を選択することによってあらかじめ決めることができる。このようなパルスレーザ発振器からの成形された信号は次に、ダイオード励起固体ロッドレーザ又はファイバレーザ増幅器などのレーザ増幅器で、出力パルスのバースト５７中の各パルスのパルス形状が、発振器で与えられるパルス形状から実質的に変化しないで維持されるように増幅される。
【００３２】
[0053]発振器レーザは、半導体レーザ、ファイバレーザ、ダイオードレーザ、又は分布フィードバックダイオードレーザで構成することができる。特定の一実施形態では、パルス信号源は半導体ダイオードレーザであり、１０６４ｎｍの波長で動作し、１ワットのピークパルス出力、５００ｋＨｚ（キロヘルツ）まで可変の繰返し率、パルス立上がり時間がナノ秒以下の１００ナノ秒のパルス幅である。代替実施形態では、パルス信号源のピーク光出力は、１ワットより低くすることも高くすることもできる。例えば、出力は５００ｍＷ、１ワット、２ワット、３ワット、４ワット、５ワット又はそれ以上とすることができる。またパルス幅は、１００ナノ秒より小さくすることも大きくすることもできる。例えば、パルス幅は１ｎｓ（ナノ秒）、２ｎｓ、１０ｎｓ、２０ｎｓ、５０ｎｓ、２００ｎｓ、５００ｎｓ又はそれ以上とすることができる。代替実施形態では、光パルスはより複雑にすることができ、図４の方形パルス、又は図５のいす形パルスなどの有益な形のパルスを含むことができる。発振器レーザは電子ドライバによって、発振器レーザ出力パルスの形状が、電子ドライバから供給される電流パルスの形状によく似るように駆動される。
【００３３】
[0054]発振器５１からの出力は、例えばファイバレーザ増幅器又はダイオード励起固体ロッドレーザ増幅器で構成されるレーザ増幅器モジュール５２で増幅される。本発明の一実施形態では、増幅器は光増幅器であり、希土類ドープファイバループに光カプラを介して結合されるポンプを含む。一般に、半導体励起レーザがポンプとして使用されるが、光増幅器の励起は、当業者には明らかなように、他の手段によって実現することもできる。特定の一実施形態では、光増幅器は、５メートルの長さの希土類ドープファイバを含み、このファイバは、約４．８ミクロンのコア直径を有し、イッテルビウムで約６×１０２４イオン／ｍ３の濃度にドープされている。増幅器はまた、ＦＢＧ安定化半導体レーザダイオードであるポンプを含み、これは９７６ｎｍの波長で動作し、５００ｍＷの出力パワーを有する。別の特定の実施形態では、光増幅器１６０は、２メートルの長さの希土類ドープファイバを含み、このファイバは、約１０ミクロンのコア直径を有し、イッテルビウムで約１×１０２６イオン／ｍ３の濃度にドープされている。増幅器はまた、半導体レーザダイオードであるポンプを含むこともでき、このポンプは５Ｗの出力パワーを有する。
【００３４】
[0055]イッテルビウムドープファイバ増幅器及び１０６４ｎｍの波長のレーザの例を示したが、ダイオードレーザ、固体レーザ、及び１０６４ｎｍ又は他の波長で動作するドープファイバを本発明の他の実施形態に使用することもできる。これらには、例えば、波長領域１５５０ｎｍのエルビウムドープファイバ、波長領域２〜３ミクロンのツリウムドープファイバが含まれる。代替実施形態では、複数の光増幅器が、特定の用途で適宜に光サーキュレータ１２０の下流に利用される。
【００３５】
[0056]図７を参照すると、本発明の一実施形態における、有益なパルス形状のパルスのバーストを発生するパルスレーザ源が提示されている。このパルスレーザ源は、シード信号を発生するように構成されたシード源１１０と、シード源に結合された第１のポート１１４、第２のポート１２２及び第３のポート１１６を有する光サーキュレータ１２０とを含む。パルスレーザ源はまた、光サーキュレータの第２のポート１２２に結合された第１の側面１３２、及び第２の側面１３４を特徴とする振幅変調器１３０を含む。パルスレーザ源は、入力端１３６及び反射端１４６を特徴とする第１の光増幅器１５０をさらに含む。入力端は、振幅変調器の第２の側面１３４に結合される。さらに、パルスレーザ源は、光サーキュレータの第３のポート１１６に結合された第２の光増幅器１６０を含む。図７では、光サーキュレータの第３のポートに結合された１つの光増幅器１６０を使用することが示されているが、本発明のいくつかの実施形態ではこれを使用する必要がない。代替実施形態では、複数の光増幅器が、特定の用途で適宜に光サーキュレータ１２０の下流で利用される。本発明の諸実施形態についての付加的な説明は、２００８年９月１２日出願の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ａ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｓｈａｐｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ」という名称の、本出願の譲渡人に譲渡された米国特許出願第１２／２１０，０２８号に見出すことができ、同出願は、２００８年９月２７日発行の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｗｉｔｈ  Ｓｈａｐｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ」という名称の米国特許第７，４２８，２５３号の一部継続出願である。上記出願はそれぞれ、その全体が、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【００３６】
[0057]図８を参照すると、本発明の別の実施形態における、有益なパルス形状のパルスのバーストを発生するパルスレーザ源が提示されている。このパルスレーザ源は、安定化光放射２１６を発生するように構成された安定化光源２１０と、安定化光源に結合された第１のポート２１４、第２のポート２１６及び第３のポート２１８を有する光サーキュレータ２２０とを含む。パルスレーザ源はまた、所望の形状の信号パルスを生成するように構成された信号源２３０を含み、この信号源は、光サーキュレータの第２のポート２１６に結合されている。パルスレーザ源は、光サーキュレータの第３のポート２１８に結合された光増幅器２６０をさらに含む。本発明の諸実施形態についての付加的な説明は、本出願の譲渡人に譲渡された米国特許仮出願第６１／１８６，３１７号に見出すことができる。上記仮出願は、その全体が、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【００３７】
[0058]本発明の特定の一実施形態により、図９は、有益なパルス形状のパルスのバーストを発生するレーザを使用して、薄膜材料加工品３０４にラインをスクライブできる例示的なレーザ加工システムを示す。このシステムは、レーザ源３００、波長変換器３０１、光学系３０２、コントローラ３０５、及び加工品ホルダ３０３の上部に配置されている加工品３０４を含む。レーザ源３００は、波長、パルス長、パルス形状、及びパルス繰返し率などの、ある一定の特性を有するレーザパルスを供給する。波長はコントローラによって選択することができる。波長はまた、波長変換器を介して調整することもできる。パルス長及びパルス形状は、有益なパルス形状を有するパルスのバーストを使用して薄膜材料加工品にラインをスクライブするために、本発明の諸実施形態によって調整することができる。
【００３８】
[0059]レーザ源３００で発生された波長は、波長変換器３０１で、基本波の第２、第３、又は第４高調波などの高調波に変換することができる。システムによっては異なるレーザを使用するが、非線形水晶振動子のよく知られている高調波発生の作用を利用して、１つのレーザから異なる波長を得ることが可能である。例えば、１．０６μｍの波長を有する赤外線レーザから、非線形水晶振動子で３倍になる高調波を用いて、約３５３ｎｍの波長を有する紫外光を得ることができる。波長変換器は、検流計装着ミラーなどのビーム誘導デバイスを含むことができる。ミラーは、レーザ源からのレーザビームの経路を速く変化させて、バイパスすることができる。波長変換器３０２を使用してビームのスポットサイズを調整することができる。この光学系は、レーザビームを加工品上に集束させるレンズ及びミラーと、ビームを加工品上の様々な位置に誘導する構成要素とを含むことができる。具体的な一実施形態では、ビームを誘導する構成要素は、検流計に装着されたミラーとすることができる。コントローラを使用して光学系、及びビームを誘導する構成要素の動きを制御することができる。例えば、薄膜加工品３０４にラインをスクライブする場合、光学系３０２はコントローラによって制御して、各集束レーザスポットが前の集束レーザスポットに隣接する位置に、ただしいくらか重なって誘導されるように、ビームを加工品の表面に沿ってまっすぐに走査することができる。別の実施形態では、光学系は、レーザビームを加工品の表面に集束することができ、加工品ホルダはコントローラによって制御して、各集束レーザパルスが、レーザパルスのバースト中の前の集束レーザパルスに隣接する場所に、ただしスポットがいくらか重なって当たるように、加工品をまっすぐに移動させることができる。
【００３９】
[0060]図１０は、本発明の一実施形態による有益なパルス形状を有するパルスのバーストを使用して薄膜材料にパターンをスクライブする方法を示す流れ図である一実施形態では、パターンは直線とすることができ、別の実施形態では、パターンは曲線とすることができる。動作１００５で、有益なレーザパルス時間パルス形状が選択される。動作１０１０で、有益なレーザパルス時間パルス形状をそれぞれ有する一連のレーザパルスが供給される。動作１０１５で、第１のレーザパルスのスポットが薄膜材料の上に置かれる。動作１０２０で、後続パルスのそれぞれのレーザスポットが、各スポットが前のパルスのスポットと隣接するように、ただしスポット領域の一部を重ねて、直線又は曲線とすることができるパターンに沿って薄膜上に連続して置かれる。
【００４０】
[0061]本発明の諸実施形態は、産業用途を含む様々な用途に適した新規のレーザ微細機械加工工程を提示する。本明細書で説明するように、本発明の諸実施形態は、新しいレーザの設計が要求されることなしに、パルス持続期間、繰返し率、及び／又はパルスエネルギーの新しい組合せを作り出すレーザシステムを提示する。従来の一部のシステムでは、単一のレーザパルス中のエネルギーの時間的分布の微妙な違いはほとんど注目されなかった。本明細書で説明するファイバレーザ構成では、従来の制約を克服し、単一レーザプラットフォームを可能にし、この単一レーザプラットフォームを用いて広範囲の用途に対処することができる。以下で説明するように、本発明の諸実施形態は、各レーザパルスの時間的エネルギー分布を特定の用途の要件に応じて適時に調整することによって得られる利点を例示する。
【００４１】
[0062]いくつかの実施では、２５ワット、１０６４ｎｍパルスのプログラム可能ファイバレーザが利用される。従来のレーザと異なり、本明細書で説明するレーザシステムでは、パルス持続時間を広範囲のパルス幅にわたって変えることが可能である。一例として、パルス持続時間は、やはり可変であるレーザ繰返し率とは別個に、約２ナノ秒〜数百ナノ秒の所定の範囲にわたって変えることができる。一例として、レーザ繰返し率の変化は、単一パルスから５００ｋＨｚの繰返し率まで様々でありうる。いくつかの実施では、繰返し率は５００ｋＨｚを超える。パルス持続期間及び繰返し率の変化に加えて、各パルスは、瞬時レーザパワーの所定の（有益な、とも言う）時間プロファイルが得られるように任意にプログラムすることができる。これらの成形されたパルスを含むパルス列は、高い繰返し率での微細機械加工工程に適用することができる。
【００４２】
[0063]本発明の諸実施形態は、ＣｄＴｅ太陽電池スクライブ用途に適用可能である。当業者には明らかなように、ＣｄＴｅは、薄膜光起電力（ＰＶ）モジュールの材料系として利用される。ＣｄＴｅのレーザスクライブでは、Ｐ１ステップは通常、ソーダ石灰ガラス（ＳＬＧ）基板を露光することになる。そうすると、ガラスからのＮａ拡散がＣｄＴｅ膜の性能に悪影響を及ぼす。この問題を緩和するために、従来の工程ではＰ１スクライブをＣｄＴｅ堆積の後に実施し、次に、得られた溝がフォトレジストでバックフィルされる。このフォトレジストは、Ｎａ拡散バリアとして働き、上に重なる導電層の機械的支持体として働き、後に起こる電気的分路を防止する。このフォトレジスト塗布工程は、ＣｄＴｅモジュール製造ラインにおける資本設備のコストのうちの大きな割合を占める。
【００４３】
[0064]Ｎａ拡散の問題がなければ、Ｐ１スクライブは活性ＣｄＴｅ層の堆積の前に実施することができ、それによってフォトレジスト塗布ステップがなくなる。ＣｄＴｅ太陽電池に通常使用されるガラス基板は、建築業界向けに商業生産されているＴＥＣシリーズガラスである。これらのガラスの際だった特徴は、片側の多層透明導電酸化物コーティング（ＴＣＯ）であり、これは表面に高い導電性を与える。図１１は、本発明の一実施形態による加工に適した多層積層薄膜構造の簡略化概略図である。図１１に示された構造はＴＥＣ１５ガラスの多層積層であるが、他のガラス基板も本発明の諸実施形態で使用するのに適している。この構造は、厚さ約３ｍｍのＳＬＧ基板、厚さ約３０ｎｍの真性ＳｎＯ２層、厚さ約２０ｎｍのＳｉＯ２層、及び厚さ約３００ｎｍのＳｎＯ２：Ｆ層を含む。ＳｎＯ２：Ｆ層は、この構造に高い導電性を与える。本発明の諸実施形態は、他の薄膜積層構造、例えば、類似の構造を有するがより厚いＳｎＯ２：Ｆ層を含むＴＥＣ１０ガラスにも適用可能である。
【００４４】
[0065]図１１は、本発明の諸実施形態を使用する加工に適した特定の材料を示すが、本発明は、これらの特定の材料に限定されない。他の実施形態では、真性ＳｎＯ２として図示されている第１の層は、下にある基板（例えば、ソーダ石灰ガラス）に存在するナトリウム又は他の元素に対する拡散バリアになる１つ又は複数の層とすることができる。加えて、真性ＳｎＯ２として図示されている第１の層は、接着性を増進することもできる。ＳｉＯ２として図示されている第２の層は、フッ素又は他の適切なドーパントが第１の層又は下にある基板の中に拡散することを防ぐことができる。すなわち、第１の層でも第２の層でも、拡散バリア機能を実現することができる。いくつかの実施形態では、真性ＳｎＯ２として図示されている第１の層により、構造体を透過又は反射する光をカラーバランスさせる透過スペクトル制御機能が得られる。したがって、ＳｎＯ２以外の材料は、カラー制御を利用する実施で使用することができる。さらに、絶縁性にすることができる第２の層は、Ｐ１スクライブ後の太陽電池の様々な部分間を分離する。ＳｉＯ２が図１１に示されているが、本発明はこの特定の材料に限定されず、他の酸化物ベースの誘電体及び窒化物ベースの誘電体（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）など他の絶縁層を、電気的分離が望ましい用途に利用することができる。
【００４５】
[0066]従来のレーザスクライブによるＣｄＴｅ  Ｐ１加工では、図示の３つの層全てを除去し、それによってＣｄＴｅ膜がガラス基板からの有害なＮａにさらされる場合がある。本発明のいくつかの実施形態は、ＳｎＯ２：Ｆ層だけを除去してＳｉＯ２層で終わり、それによってガラス基板とＣｄＴｅ膜の間にバリアを保存する。結果として、本明細書で説明する方法は、上で論じたＮａ拡散の問題を低減し、又はなくする。
【００４６】
[0067]本発明者らは、１０６４ｎｍでの膜アブレーションが興味深いレーザ相互作用現象を引き起こすことを突き止めた。特に、本発明者らは、単一パルスアブレーションピットの深さが、実質的にパルス持続時間とだけ関係があることを突き止めた。つまり、パルスエネルギー及びピークパワーは、結果として得られるアブレーションピットの深さに対し相対的にほとんど影響を及ぼさない。さらに、本発明者らは、ほぼ平坦なアブレーションピットの底部を生成できることを突き止めた。本発明の諸実施形態を限定することなしに、本発明者らは、ＳｎＯ２：Ｆ層の化学的解離がアブレーション中に起きており、したがって、その反応速度が、ピット深さが増加する速さを規定すると考える。ＳｎＯ２を形成するエンタルピーに基づく計算では、単一の直径２５μｍのピット内に存在する量のＳｎＯ２の解離で、約４μＪのエネルギーが単一パルス相互作用の際に使われることが示される。この計算に熱容量、融解熱及び気化熱が含まれないことを考慮すると、この結果はなお、１５μＪレーザパルスに与えられている実際のエネルギーとよく似ている。さらに、この反応は吸熱性であり、そのため、熱源が除かれると（すなわち、レーザパルスが停止すると）反応が終わることになる。いくつかの実施形態では、反応は、熱源の除去とほぼ同時に終わる。
【００４７】
[0068]図１２は、本発明の一実施形態によるレーザパルス形状及びエッチング深さを時間との関係で表す簡略化グラフである。図１２を参照すると、レーザパルス形状（時間プロファイル）が実線で示され、エッチング深さが菱形で示されている。このレーザパルス形状は「いすパルス」と呼ぶことができ、約４ｎｓ〜約２５ｎｓの時間がいすの座面を表す。エッチング深さとは、単一パルスアブレーション事象により得られるエッチングピットの深さである。時間との関係でのエッチング深さプロファイルの約３６０ｎｍにおける傾斜の変化は、ＳｎＯ２：Ｆ層とＳｉＯ２層の間の境界面で起きるエッチング速度変化に対応する。本明細書で論じるように、「テール持続期間」は初期の高いピークパワースパイク（図１２で２ｎｓの長さ）を含む。すなわち、「テール持続期間」という語は、パルスの開始からパルスの終止までの時間を含む。図１２に示されたレーザパルス形状は長さ２ｎｓの第１の部分、及び長さ２３ｎｓの第２の部分を含むが、こうであることが本発明で必要ということではない。他の実施形態では、第１の部分は約０．１ｎｓ〜約５ｎｓの範囲にあり、第２の部分は約５ｎｓ〜約５０ｎｓ、例えば約１０ｎｓ〜約２５ｎｓの範囲にある。
【００４８】
[0069]本発明の諸実施形態では、時間との関係でのエネルギー入力の制御を利用して、総エネルギー入力、よって下の層への熱の影響、を低減又は最小限にしながらアブレーションピットの深さを精密に制御する。図１２を参照すると、上で論じたパルス調整を利用してパルスが生成され、このパルスは、最初に所定の期間高いピークパワーから開始し、次に、ＳｎＯ２：Ｆ層が除去されるまでＳｎＯ２；Ｆ解離反応（及び／又は昇華及び蒸発）を維持するのに十分なだけのレベルまでパワーを低減する。一例として、レーザピークパルスパワーは、最初の２ｎｓでは解離反応を開始するために６ｋＷであり、次いで、後の２３ｎｓでは解離反応を維持し完了するために３００Ｗに低減される。他の実施形態では、パルスの最初の部分（例えば、最初の２ｎｓ）の期間中レーザピークパワーは、約５００Ｗ〜約２０ｋＷの範囲にあり、第２の部分の期間中レーザピークパワーは、約１００Ｗ〜約１ｋＷの範囲にある。いくつかの実施形態では、単一パルス加工が、薄膜構造の所定の領域を除去するために使用される。他の実施形態では、単一パルスバーストが、単一レーザ点火事象中に生成される複数のサブパルスを含めて、除去加工に使用される。これらの実施形態では、単一光パルス又はパルスバーストは、最上層を除去する一方で、下にある層のかなりの部分は除去しない。直線的な構造を形成するために、ビーム成形を用いて非ガウス形の所定の断面（例えば、シルクハットプロファイルを有する長方形ビーム、又は他の均質化された形状）を有するビームを形成することができる。次に、成形されたレーザビームは、隣接する一連の所定の領域に誘導することができ、これらの領域を縫い合わせるように一緒にして、所定の各領域を隣接して配置することによって直線的な構造が形成される（類似したものは、接している一連の床タイルである）。長方形のビーム断面は、他の形状と同様に、これらの実施形態で利用することができる。
【００４９】
[0070]上述のように、本発明の諸実施形態では、パルスの第２の部分の期間中、解離反応を維持する。本発明者らは、本発明の範囲を限定することなしに、解離反応の維持が、時間との関係で一定の温度プロファイルにすることによるものと考える。図１４は、レーザパルスのレーザピークパワーと相互関連しているターゲット領域温度を時間との関係で表すグラフである。図１４に示されるように、パルスの第２の部分の期間中に除去される領域の温度は、ほぼ一定である。レーザパルスの時間的形状を調整することによって、エネルギーの流入と流出を釣り合わせて一定の温度を維持することが可能である。他の実施形態では、解離反応がやはり維持される、ある範囲の温度が生成される。これらの実施形態では、温度は、図１４に示された一定値に対して例えば約５％だけ、又は約１０％だけ異なることがある。
【００５０】
[0071]いくつかの実施形態では、初期ピークパワーの９５％を超えるだけピークパワーを低減できる一方で、所望の反応がなお継続される。第２の部分の持続期間は、数十ナノメートルの精度まで制御可能な薄膜層の除去が行われるように制御される。
【００５１】
[0072]図１３は、本発明の一実施形態によるエッチングピット形態の変化を時間との関係で示す一連の光学像である。図１３を参照すると、エッチングピット形態は、パルステイルの持続期間が増加されるときに、光学顕微鏡を使用して追跡することができる。像（ａ）から（ｊ）は、光パルスの初めから２ｎｓ（すなわち、第１の部分の末端）（像（ａ））から、第２の部分の末端近くに生じる、パルスの初めから２２ｎｓ（像（ｊ））まで得られる。最初のいくつかの像（像（ａ）から（ｅ））は、エッチングピット深さが増すときのＳｎＯ２：Ｆ層の初期の除去を示す。約１２ｎｓ（像（ｆ））で、ＳｎＯ２：Ｆはほぼ除去され、約１８ｎｓ（像（ｉ））で、図１１に示された残りのＳｉＯ２及びＳｎＯ２層が貫通される。図１３に示されたリングは、顕微鏡像で観察される干渉に起因すると考えられる。
【００５２】
[0073]本発明の諸実施形態は、ＣｄＴｅ太陽電池用途に使用される薄膜層に関して例示してきたが、本発明はこれらの特定の層に限定されない。他の適切な構造には、アモルファスシリコン、可撓性電子構造、フラットパネルディスプレイ、薄膜を利用する他の構造、ＺｎＯベースの膜などが含まれる。単なる例として示すと、アモルファスシリコンを含む層を含む薄膜材料、テルル化カドミウム、２セレン化銅インジウム、２セレン化銅インジウムガリウム、酸化亜鉛、及びモリブデンが本発明の範囲内に含まれる。当業者には、多くの変形形態、修正形態及び代替形態が理解されよう。
【００５３】
[0074]本発明を、その特定の実施形態及び具体的な例に関して説明してきたが、他の実施形態が本発明の趣旨及び範囲内に入ることもあることを理解されたい。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を、その全範囲の等価物と共に参照して決定されるべきである。
【符号の説明】
【００５４】
１１  パルスのバースト
２１  パルスのバースト
３１  第１のパルス
３２  最後のパルス
３５  溝
３６  基板
３７  単一の薄膜材料
３８  残留物及び破片
３９  薄膜の縁部の微小亀裂
４０  基板の微小亀裂
５１  発振器
５２  増幅器
５３  電子ドライバ
５５  電子ドライブ信号
５６  発生されるパルスのバースト
５７  出力パルスのバースト
１１０  シード源
１１４  第１のポート
１１６  第３のポート
１２０  光サーキュレータ
１２２  第２のポート
１３０  振幅変調器
１３２  第１の側面
１３４  第２の側面
１３６  入力端
１４６  反射端
１５０  第１の光増幅器
１６０  第２の光増幅器
２１０  安定化光源
２１４  第１のポート
２１６  第２のポート
２１８  第３のポート
２２０  光サーキュレータ
２３０  信号源
３００  レーザ源
３０１  波長変換器
３０２  光学系
３０３  加工品ホルダ
３０４  加工品
３０５  コントローラ
Ｈ１  平坦上部のピークパワー
Ｈ３  ピークパワー
Ｈ４  ピークパワー
ＦＴ１  後縁立下がり時間
ＦＴ３  立下がり時間
Ｔ１  パルス長ＦＷＨＭ
Ｔ３  スパイクのパルス長
Ｔ４  パルス長
Ｔ１２  時間
ＲＴ１  前縁立上がり時間
ＲＴ３  立上がり時間
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図８】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
2012213802000001.pdf