(57)【要約】【課題】様々な電子デバイス、光学デバイス等でしばしば用いられている平行な２本線パターンを高精度に形成するパターン形成方法提供することを目的とする。【解決手段】基板上に薄膜を形成し、薄膜の物性を変化させるような第１のエネルギー値１３と、前記第１のエネルギー値１３より大きく前記薄膜を取り除くような第２のエネルギー値１４とを有した凸型のエネルギーの強度分布１２を持った１本の収束エネルギービームを前記薄膜に照射し、前記薄膜の物性を変化させることにより、２本の互いに平行なパターンを同時に形成することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に薄膜を形成し、前記薄膜の物性を変化させるような第１のエネルギー値と、前記第１のエネルギー値より大きく前記薄膜を取り除くような第２のエネルギー値とを有した凸型のエネルギー分布を持った１本の収束エネルギービームを前記薄膜に照射し、前記薄膜の物性を変化させることにより、２本の互いに平行なパターンを同時に形成することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
前記薄膜はコロイド分散液を基板上に塗布して形成されることを特徴とする請求項１のパターン形成方法。
【請求項３】
前記コロイド分散液は金属微粒子を含むことを特徴とする請求項２記載のパターン形成方法。
【請求項４】
前記コロイド分散液は酸化物微粒子を含むことを特徴とする請求項２記載のパターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上への電気的および／または光学的機能を備えた材料のパターン形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウェハー上に真空プロセスとフォトリソグラフィ等の微細加工技術を用いて集積回路を形成する従来型の固体／ガス材料ベースの機能素子作製方法に対して、溶液化した有機材料や溶媒中にコロイド状に分散された無機材料等の液体材料と、印刷技術とを組み合わせた全く新しい材料／プロセスに基づくいわゆる印刷エレクトロニクスを用いた機能素子が数多く提案されてきている。そして、現在、印刷エレクトロニクスにおける印刷方式は、インクジェット方式を中心として、スクリーン印刷方式やグラビア印刷方式、そしてレーザ描画方式などの検討が行われている。
【０００３】
レーザ描画方式は予め基板上に塗布して形成した材料の薄膜の一部にレーザ照射を行うことでその部分の材料の少なくとも一部を分解、乾燥、重合、結晶化させるなどして未照射部分との間に物性の差異を生じさせその結果パターン形成を行うものであって、商業印刷分野における版下の作製などにおいて実用化されている技術である。
【０００４】
一方でパターンとして形成される材料として、近年のナノテクノロジーの進展により様々な材料の提案が行われてきている。これらは例えば直径数ｎｍの銀の超微粒子を保護剤で被覆し適当な溶媒中に分散させたコロイド状液体材料を代表的なものとして挙げることができ、上市品を試薬メーカー等から購入可能である。この材料は銀インクなどと称され、あたかも従来の印刷用インクのように基板上に塗布を行うことができ、塗布後に熱処理を行うことで銀の超微粒子を被覆していた保護剤が分解除去され銀の皮膜が形成されるといったものである。銀のほかにも金や銅、白金、パラジウム等の貴金属を中心とした金属類、透明導電体として知られているインジウム錫酸化物や絶縁体や光導波路材料としての酸化ケイ素や酸化チタン、さらには半導体材料としてのシリコン微粒子を分散した半導体インクなどが盛んに検討されている。
【０００５】
これら機能性インクともいうべき液体材料群をレーザ描画法と組み合わせて使用することで、基板上に例えば銀インクを塗布して所望のパターンにレーザ照射を行えば導電パターンを形成することができ、また例えば酸化ケイ素のインクを塗布してパターン形成を行えば絶縁膜や光導波路を形成することができる。このようにして形成されるパターンはセンサやトランジスタ、コンデンサなどの電子素子用の電極や、あるいは光制御用の光学素子として利用される。機能性インクとレーザ描画を用いたパターン形成については例えば特許文献１や２に詳細が開示されているものである。
【特許文献１】特開２００６−３８９９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２５３６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、レーザ描画法はフォトリソグラフィなどに比較すると非常に簡易な方法で自由度高くパターン形成を行うことができるが、形成するパターンを微細化するに従って描画精度の問題が生じてくる。特にこの問題は電子デバイスや光学デバイスにおいて多々使用される２本の互いに平行なパターンの描画精度において顕著である。
【０００７】
２本線の平行パターンは例えばセンサの対向電極、トランジスタのドレイン／ソース電極、コンデンサの電極、光カプラの導波路など非常に多くのデバイスにおいて利用されるパターンであって、かつ２本線の平行パターンの平行の精度がデバイスの特性を決定付ける場合がほとんどである。これらのパターン形成に従来のレーザ描画を応用する際、２本の平行な線はそれぞれ別々に描画されるためにその位置精度はビーム制御、または基板をステージに乗せて移動させる場合にはそのステージの制御精度に依存することになる。これは例えば基板の機械的な送り精度やビームのスキャンを行っている場合はその機械的な精度に依存するということである。これはフォトリソグラフィのようにパターン同士の相対位置関係が固定されたマスクを用いて複数のパターンを一度に形成する方式と異なり、レーザ描画方式が原理的に機械的な誤差要因を含むことを避け得ないことを意味する。
【０００８】
本発明は、レーザ描画方式において一見本質的と思われる平行パターン描画精度の問題を解決するためになされたものであり、ガウシアン形状に代表される山形形状の収束エネルギービームを用いることで互いに平行な２本の線状パターンを高精度に同時形成するパターン形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、本発明は、基板上に薄膜を形成し、薄膜の物性を変化させるような第１のエネルギー値と、第１のエネルギー値より大きく薄膜を取り除くような第２のエネルギーとを有した凸型のエネルギー分布を持った１本の収束エネルギービームを薄膜に照射し、薄膜の物性を変化させることにより、２本の互いに平行なパターンを同時に形成することを特徴とするパターン形成方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電子デバイスや光学デバイスで多く用いられる２本の平行線からなるパターンを非常に高精度に形成することができ、形成されるパターンを用いて作製されるデバイスの特性も優れたものになるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の請求項１記載のパターン形成方法によれば、基板上に薄膜を形成し、薄膜の物性を変化させるような第１のエネルギー値と、第１のエネルギー値より大きく薄膜を取り除くような第２のエネルギーとを有した凸型のエネルギー分布を持った１本の収束エネルギービームを薄膜に照射し、薄膜の物性を変化させることにより、２本の互いに平行なパターンを同時に形成することにより、電子デバイスや光学デバイスで多く用いられる２本の平行線からなるパターンを非常に高精度に形成することができ、形成されるパターンを用いて作製されるデバイスの特性も優れたものになるという効果を奏する。
【００１２】
本発明の請求項２記載の発明によれば、薄膜はコロイド分散液を基板上に塗布して形成されることにより、第１、第２のエネルギー値によって容易にする２本の平行線を基板上に作製することができる。
【００１３】
本発明の請求項３記載のコロイド分散液は金属微粒子を含むことにより、基板上にエネルギービームを照射することによって容易に金属膜を形成することができる。
【００１４】
本発明の請求項４記載の発明によれば、コロイド分散液は酸化物微粒子を含むことにより、基板上にエネルギービームを照射することによって容易に金属酸化膜を形成することができる。
【００１５】
以下に図面を参照して、本発明に係るパターン形成方法の好適な実施の形態を詳細に説明すると共に、概パターン形成方法を用いて形成されたパターンを含む電子デバイスおよび／または光学デバイスについても説明を加える。
【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態によるパターン形成を行うための光学要素の配置を示す概念図である。図１において、１は収束エネルギー源であり、本実施の形態においては波長５３２ｎｍ、最大出力１０００ｍｗの緑色レーザ光源である。本発明を実施可能な収束エネルギービームとしては、前述した可視光レーザのほかに赤外線や紫外線レーザ、電子線、イオンビームなどを用いることができる。２はビームエキスパンダ、３は集光レンズである。４は基板であって、本実施の形態においては厚さ１．１ｍｍの一般的な耐熱ガラスを使用している。５は基板４上に塗布された後溶媒を乾燥させ固体化した材料からなる薄膜であって、厚さはおおよそ１０μｍである。使用している材料は銀の微粒子を保護剤で被覆した後に有機溶媒等に分散させたいわゆる銀インクであって、前述した入手先より入手可能なものである。６は収束エネルギー源１としてのレーザ装置から射出され、ビームエキスパンダ２でそのビーム幅を拡大された後に集光レンズ３で基板上に集光されるビームである。そして７は集光の結果形成されるビームの焦点。８は形成されたパターンである。
【００１７】
ここで、実施の形態の説明においては実施可能な例として具体的な光源や光学要素を示しているが、本発明を実施するために本質的に必要となるのは焦点７において後述するガウシアン形状に代表される山形のエネルギー分布を示すビームのみであることを付記しておく。
【００１８】
またここで銀インクとそれを用いて形成される薄膜について詳細な説明を行う。銀インクは一般に直径数ナノメートルの銀の微粒子と有機化合物や水などの溶媒そして、銀の微粒子を安定して溶媒中に分散維持するための保護剤から構成され、いわゆるコロイド状態となっている。本来は溶解性の無い銀粒子をコロイド状態にし、長時間にわたって安定に保つためには保護剤の選定が重要であって、一般にトリオクチルフォスフィン（ＴＯＰ）やトリオクチルフォスフィンオキサイド（ＴＯＰＯ）に代表されるような界面活性剤類似の物質が用いられる。これらの保護剤はいずれも高沸点性の物質であり、溶媒が除去されて薄膜が乾燥状態になった後も銀微粒子の表面に付着したまま薄膜内に残留する。従って、乾燥によって得られる薄膜は銀の微粒子が保護剤の中に分散されたような嵩高い膜となっている。この薄膜に熱処理等の後処理を行うことによって保護剤が除去され、銀の微粒子が焼結されるが、その際薄膜は保護剤がなくなる分その膜厚を減じる。本実施の形態で用いている銀インクを含め、コロイド状液体材料は、材料構成成分の半分以上を溶媒が占め、さらに残りの半分程度を保護剤が占めているのが一般的である。従って、塗布直後の溶媒を含む状態から乾燥状態に至る際にその膜厚は半分から１／１０程度に減少し、その後熱処理等によって金属銀の焼結を行った後には乾燥膜のさらに数分の一の膜厚に減じるものである。また、このような焼結作用によってパターン化される部位の物性は大きく変化するが、本実施の形態においては変化する物性は導電率、硬度、密度、基板への付着強度、表面粗さ、光の透過率、光の反射率、溶解度などである。これは銀粒子を含むコロイド材料の乾燥薄膜と金属銀薄膜の物性の違いに相当する。
【００１９】
本実施の形態では材料としてパターン形成後に導電性を持った銀の膜となるインクを用いたが、もちろん本発明に係るパターン形成方法を用いてパターン化可能なものは銀インクに制限されるものではなく、金や白金、銅、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、等の金属およびそれらの合金や混合物、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）やＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）やＳｎＯ2（酸化錫）等の化合物系導電体材料、ＳｉＯ2（二酸化珪素）やＳｉＮ（窒化珪素）やＴｉＯ2（チタン酸化物）やＡｌ2Ｏ3（アルミナ）等のセラミックス系絶縁体材料、ＳｉやＧａＮ（窒化ガリウム）やＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）を始めとする半導体材料等々、前述したコロイド様の状態を実現可能なものはほとんど全てについて本発明を用いることが可能である。
【００２０】
ところで、本発明を実施するに当たり本質的ではないために図１に図示していない補助的な要素として、架台、各光学要素の保持調整機構、基板４上の材料５と焦点７との相対的な位置関係を変化させるための相対位置変更機構、収束エネルギー源１としてのレーザを駆動し出力を最適値に維持する電源、さらにはこれらの各要素を一貫して動作させるための制御機構とその制御を予め記述した制御プログラムなどを挙げることができる。ここで、例えば相対位置変更機構とは、材料５と焦点７との相対位置関係を変更することができるような機構であって、二つのリニアステージを互いに直交に保持したいわゆるＸＹステージのことである。基板４をこのＸＹステージ上に固定し、基板４上の材料５と共に適切な方向に移動をさせることにより、任意のパターンを形成することができる。またこのときやはり図示しない電源が収束エネルギー源としてのレーザを入り切り制御することも好ましい。さらに、別の相対位置変更機構として、収束エネルギー源１やビームエキスパンダ２等を含む光源側をロボットアームなどを用いて可動に保持し、これを材料５に対して相対的に移動させるようなものや、レンズ３のみを可動に保持して、レンズ３を適切に移動させることによって焦点７の位置を材料５に対して移動させるといったものを用いても本発明を実現することができる。
【００２１】
さて、このような構成を一例として、１本のガウシアン形状に代表されるエネルギ分布を持ったビームを用いて同時に２本の互いに平行なパターンを形成することが可能になるというのが本発明の要諦であるが、何故そのようなことが可能になるのかを以下に説明する。
【００２２】
まず、図２および図３を用いて焦点７において集光されたビーム６のエネルギー分布を説明し、焦点７が材料５に対してその相対位置を変化させない場合に観察される現象を説明する。そして次に図４を用いて焦点７が材料５に対して相対位置を変化させる際に２本の互いに平行なパターンが形成されることを説明する。
【００２３】
まず、図２はビームのエネルギー分布を説明するための概念図である。図２上方に記載した同心円状の図形は焦点７におけるビームをその入射方向から見た概念図であり、図２下方に記載したグラフは図２上方のビーム概念図のＡ−Ａ’断面でのエネルギー分布を位置を横軸としてグラフ化したものである。このとき、ビーム概念図に示した焦点７の中心１０とグラフの中心軸は互いにその位置が一致するように記載されている。図２において、１０はすでに説明した焦点７の中心点であって後述するガウシアン形状に従うビームにおいてはそのエネルギー強度がもっとも大きくなる点である。１１は実質的なビームの広がり範囲を示す線である。１２はエネルギーの強度分布を示すグラフであって、図の上方ほどエネルギー値が大きくなる。１３はパターン形成を説明するための第１のエネルギー値、そして１４は同様に第２のエネルギー値である。これらはそれぞれ（ｂ）のグラフと（ａ）のビーム概念図に互いに対応する線として示されている。そして、１５は実際にパターンが形成される範囲であって、図１（ａ）に示すように塗りつぶされたドーナツ形状の領域がこれに相当する。そして１６はギャップ領域である。
【００２４】
さて、図２に示したようないわゆるガウシアン形状のエネルギー分布を呈する収束エネルギービームは一般に知られており、ほとんどのレーザ、収束電子線、収束粒子線などが該当する。本実施の形態で用いた収束エネルギービームは波長５３２ｎｍのレーザである。このレーザはＮｄ：ＹＡＧレーザの出力である１０６４ｎｍの光を非線形光学結晶を通して２倍高調波としたものであって、そのビームのエネルギー分布は典型的なガウシアン形状となっている。図２のグラフにおいてはビームのＡ−Ａ’断面のみを取り出してグラフ化したものとなっているが、本実施の形態のビームは中心１０を頂点としてあらゆる放射方向に等方的である。収束エネルギービームの中にはこのような等方的でない出力を持ったエネルギー源もある。その例として例えば半導体レーザを挙げる事ができる。半導体レーザの出力は非等方的であって、図２のビーム概念図に相当する図示を行った場合、そのエネルギー分布は楕円形状となる。しかしながら、このような非等方的なビーム形状であったとしても、例えばアナボリックプリズムなどの光学要素を用いた適切なビーム整形処理を行うことによって、実質的に本発明を実施可能なガウシアン形状のビームとすることができる。さらに、詳細は後述するが、本発明の効果を得るためにはビーム形状は厳密にガウシアン形状に従う必要はない。実質的に上に凸の形状であって中央部分から放射方向になだらか、かつ同心円状にエネルギーが低下するような分布を持っていれば実質的に本発明を実施可能である。
【００２５】
さて、以下に、焦点７と材料５の相対位置が変化しない状態で観察される現象を説明する。図２に示したビームが図１のような構成で材料５に照射されるとき、ビーム６によってエネルギーを与えられた材料５では銀微粒子を取り巻いている保護剤の熱分解、ガス化等による除去、そして銀微粒子の焼結等の現象が同時に進行していき、結果として基板上に金属化した銀のパターンが形成されるが、これらの現象は詳細に観察すると焦点７におけるビームのエネルギーに応じて、すなわち焦点７におけるビーム内の位置によって異なったものになる。以下詳細に説明を行う。
【００２６】
まず、ビームの外側部分、すなわち図２の１１で示したビームの広がり範囲を示す線の近傍では、ビームの持つエネルギーの絶対値が小さく、従って材料５に対して与えられるエネルギーも小さいためにビームは材料５に対して実質的に何の変化も誘発しない。しかし、ビームの中心１０により近い側になると次第にエネルギーが大きくなるために材料５に与えられるエネルギー値が大きくなり、ついにある点でビームのエネルギーは微粒子の保護剤を分解するのに十分な値にまで大きくなる。このエネルギーを説明するのが図２の第１のエネルギー値１３である。第１のエネルギー値１３で与えられるエネルギー値が与えられる位置がパターンの辺の位置と一致する。そしてこれよりビームの中心１０に近い側では微粒子の焼結が行われ、パターンが形成される領域となる。そしてこのときさらに中心１０に近い部分ではより強大なエネルギーが与えられるためにまた違った現象が現れてくる。それが銀粒子の保護剤の爆発的な蒸発である。そのような現象が現れてくるエネルギーの値を示しているのが第２のエネルギー値１４である。第２のエネルギー値１４よりも強いエネルギーが与えられる領域、すなわち図２のビーム概念図における１４が示す円の内側では、与えられるエネルギーがあまりに強大であるため、保護剤が瞬間的に分解、次いでガス化し爆発的にその体積を増大する。その結果この領域の材料５は発生したガスによって周辺部に飛び散ってしまう。このようにして、第２のエネルギー値１４よりも強いエネルギーが与えられる領域の銀はなくなってしまうのではないかと考えられる。
【００２７】
これらの説明には推測も含まれているが、得られる実験結果としてビームの中心近傍の銀微粒子は除去され、基板上にはドーナツ形状にパターン化された金属銀が形成される。これが焦点７と材料５の相対位置を移動させない場合に観察される現象の詳細である。そして、こうして生成されるパターンの断面を説明するための図が図３である。図３において１７は形成された金属銀のパターンである。パターン１７が形成される領域は、図２のエネルギー分布において、銀粒子の保護剤を分解除去可能な第１のエネルギー値１３以上であって、かつギャップ領域１６を生じるような第２のエネルギー値１４以下の領域、すなわち図２のパターン形成範囲１５に一致する。そして、金属銀のパターンは保護剤の除去による体積減のため、周辺部よりも膜厚が薄くなっている。
【００２８】
本実施の形態において用いられたビーム６は実質的にガウシアン形状のエネルギー分布を持ったものであったが、すでに述べたようにこの分布の形状はこれに制限されるものではなく、中央部に前述したような周辺部と異なる爆発的な変化を引き起こすに足るエネルギー領域があり、その外側にパターンを形成するに適切なエネルギー領域があるような分布を持ったビームであってもよい。さらには、ビームのエネルギー分布をフィルタ等を用いて変化させたり、エネルギー源からの放射エネルギーの総量を変化させるなどすることで、パターン形成範囲１５とギャップ領域１６の構成比率は自由に変更することが可能である。このとき、ビームの広がり範囲でのエネルギー分布、即ちビームのプロファイルが相似な形状であれば、ギャップ領域１６の幅はビーム６のもつエネルギーの総量に比例する。この様子を説明したのが図４である。図４において、ビーム６の持つエネルギーの総量が小さく、第１のエネルギー値１３以下の場合はそもそもパターン形成そのものが生じない。エネルギー総量が次第に大きくなるとビーム６のエネルギー分布ピークが第１のエネルギー値１３を超え、パターン形成が開始される。しかしこのとき前記ピークは第２のエネルギー値１４には至っていないためギャップ領域１６が形成されることは無い。そしてさらにビーム６のエネルギー総量が大きくなり、ついに第２のエネルギー値１４を超えるとギャップ領域１６が形成される、そしてそれ以降ビーム６のエネルギー総量が増大すると共にギャップ領域１６の幅も増大していく。
【００２９】
さて、このようにして得られた銀によるパターンのみを基板上に残すためには、基板４上に塗布された材料５のうち、レーザによる処理が行われなかった部位を適切な方法で除去すればよい。例えば本実施の形態では、パターン形成を行った後の基板を銀インクの溶媒中に浸漬することで、乾燥状態であった材料５が再び溶媒に分散、除去することが可能である。このとき、パターン化された銀はすでに金属化しており、溶媒に溶解または分散されることは無い。
【００３０】
次にこの条件を保ったまま材料５と焦点７の相対位置関係を変化させた場合を図５を用いて説明する。なお、以降焦点７と材料５の相対位置関係を変化させる動作を、基板４上に特定のパターンを描く動作と捉え、描画と表現する。
【００３１】
図５において、２０は描画開始点、２１は描画終了点、２２は形成される銀によるパターン、そして２３はパターン間のギャップである。２４は図２および３におけるパターン形成範囲１５の外側が焦点７と材料５の相対位置が変更されるのに伴って描く軌跡、２５は図１および２で説明した焦点７が描く軌跡である。図５における材料５は基板４の一部に塗布されており、描画開始点２０および描画終了点２１には材料は塗布されていない。
【００３２】
以下に１本のガウシアン形状に代表されるエネルギー分布を持ったビームを用いて同時に２本の互いに平行なパターンを形成する過程を説明するが、ここで用いるエネルギービームはすでに説明した波長５３２ｎｍのレーザであって、図１から図３を説明する際に用いたものと同じである。また、材料５やその膜厚等パターン形成を行うための周辺条件は全てここまでに本実施の形態として説明してきたものと同じである。従って、焦点７と材料５の相対位置関係を変化させない場合に形成されるパターンは図３で説明したドーナツ状のものである。つまり、描画開始点２０から描画終了点２１に向かって描画が行われるとき、形成されるパターンは図３に説明した断面形状を持ったパターンを直線状に走引した形になるということである。このようにして図５に記載したような平行な２本のパターンが形成される。このとき最もエネルギーの高い部分を含む焦点７が通過した部分、すなわち図５の焦点が描く軌跡２５の周辺部分は、材料５が溶解して移動するか、アブレーションで除去されるか、いずれにしろ結果的にパターンが存在せず、実質的に基板面が露出したパターン間のギャップ２３となる。このようにして２本のパターンは１本のエネルギービームを用いて同時に形成されるためにその平行の精度においてビームや基板送りなどの機械的な誤差要因の影響を一切受けることが無い。
【００３３】
さて、この例では説明を簡素にするために敢えて直線状のパターンを選択し、かつ描画の始点と終点には材料５が存在しないという条件を用いたが、これは例えばセンサ電極においてよく用いられるような互いに電気的に絶縁された一組の並行電極の形成といったケースを想定したからであって、もちろんこれはこの条件に制限されるものではない。
【００３４】
例えば、焦点が描く軌跡２５が曲線であった場合には形成される２本のパターンも曲線となり、ギャップに隔てられた２本のパターンの間隔はあらゆる点で一定である。また、図５においては材料５の塗布範囲外に設定されている描画開始点２０を材料５上に配置することも可能である。これは例えば基板４の全面が材料５で覆われているようなものにパターン形成を行う場合が相当する。このとき、焦点７におけるエネルギー分布の状態をここまでに説明してきたものと同じにすれば、描画開始点２０と描画終了点２１のそれぞれの端部は焦点が描く軌跡２５から外れているためパターンがそのまま残される。これはすなわち互いに平行な２本のパターンがその両端で接続されているような形状となることであり、言い換えればパターン間のギャップ２３によって内部をくりぬかれた環状になることを意味する。
【００３５】
また、描画を行いながら焦点７のエネルギー分布を変化させることでさらに複雑な形状のパターン形成を行うことも可能である。
【００３６】
例えばここまでに説明したような条件を保って描画を行い、２本の平行なパターンを形成しつつ焦点７におけるエネルギーの総量を減少させた場合、２本の平行なパターンはエネルギー総量の減少に伴いあるところから１本のパターンに収斂する。これは単純にはエネルギー源としてのレーザ光の出力を低下させればよい。エネルギー総量の低下に伴い、図２に示したグラフのピークは低下していく。これはすなわち、焦点７において第２のエネルギー値１４を超えたエネルギーを持った範囲が少なくなっていくことを意味する。従って、ギャップの幅は徐々に狭まっていき、焦点７において第２のエネルギー値１４を超えたエネルギーを持った範囲がついに消失すると共にパターンは１本に収斂する。もちろんこの逆の過程をたどり１本のパターンを途中で２本に分岐させる、また再び収斂させる、さらには２本に分岐させた状態を維持しながらエネルギー総量を変化させギャップの間隔を変化させるといったような自由度の高いパターン形成も可能であることは言うまでも無い。
【００３７】
以上説明したように、本発明に係るパターン形成方法を用いれば、平行度のきわめて高い２本のパターンを自由度高く同時形成可能である。
【００３８】
次に、本パターン形成方法を用いて形成されるパターンを構成の一部として含むような電子デバイスおよび／または光学デバイスの例を示す。
【００３９】
図６に示したデバイスは湿度・結露センサのセンサヘッドである。図６において３０は基板、３１は電極を測定系に接続するための端子、３２はパターン、３３は電極間のギャップ、３４は多孔質ガラス薄膜である。図６においては２本の平行な対向電極であるパターン３２が本発明に係わるパターン形成方法を用いて形成されている。本センサは多孔質ガラス内に吸着される水蒸気由来の水分量を端子３１間の電気抵抗を測定することにより検出し適切な換算過程を経て湿度に換算する。
【００４０】
次に、図７に示したデバイスは抵抗である。図７において、４０は基板、４１は端子、４２はパターン、４３はギャップ、４４は平行に同時形成された２本のパターン端部である。図７において、らせん形状を示した部分が本パターン形成法で形成されている。そして、パターン端部である４４では収束エネルギービームを材料上で暫時停止させた後に遮断することにより平行なパターンを端部で短絡させている。抵抗を形成するために利用できる材料は様々なものがあるが、すでに説明した銀インクを用いたとしても、螺旋の巻き数、線幅、材料膜厚をコントロールすることで幅広い範囲の抵抗値を得ることが可能である。これは本パターン形成方法を用いて作製することができる受動素子の一例である。このほかに、単純配線、コンデンサやアンテナ、フィルタ等の受動素子を形成することが可能である。
【００４１】
図８に示したデバイスは電界効果トランジスタである。図８において、５０は基板、５１はゲート電極、５２はドレイン電極、５３はソース電極、５４は絶縁層、５５は半導体層、５６はパターン、５７はギャップである。これらの層構成は基板を最下部としてその上方にまずゲート電極５１、絶縁層５４、半導体層５５、そして最上層としてパターン５６、ドレイン電極５２、ソース電極５３が形成されている。この中でパターン５６が本パターン形成方法を用いて形成されている。電界効果トランジスタについては詳細な説明を割愛するが、パターン５６とギャップ５７が電界効果トランジスタにおいて非常に重要な設計要素であるゲート長とゲート幅を決定している。これらのパラメータはトランジスタの動作特性を決定付けるものといってよく、パターン間の平行度、ギャップ間隔の精度が非常に重要である。このようなデバイスに対して本パターン形成方法を適用することはたいへん好ましいものである。図８に示した電界効果トランジスタは本発明に係わるところの能動デバイスの一例である。その他の能動デバイスの例としてダイオードや、発光体、光電変換素子などを挙げることができる。
【００４２】
図９に示したデバイスは回折格子である。図９において６０は基板、６１はパターン、６２はギャップである。このデバイスではパターンに導電性を必要としないので、パターンを形成する材料として銀インク以外に酸化シリコンや酸化チタンなどの酸化物材料をベースとしたコロイドを利用することができる。また、回折格子に必要となる特性は表面の形状のみであるので、ギャップ６２部分は強いて基板面が露出している必要は無く単にパターン部分に比較して膜厚が薄い凹部として構成されていてもよい。図９に示した回折格子は本発明に係るところの光制御素子の一例である。本パターン形成方法が適用可能なその他の光制御素子として、分波器、合波器、光スイッチ、偏光制御素子等を挙げることができる。
【００４３】
ここまで本パターン形成方法をその構成の一部に用いて作製することが可能なデバイスの例をそれぞれ単独に説明したが、これらはもちろん互いに組み合わせて使用されてもよいし、また本パターン形成方法を全く含まないデバイスと組み合わせて使用することも可能である。
【００４４】
以下、上述したパターン形成方法についての一例を示す。
【００４５】
ビームスポットは、収束エネルギービーム源としてレーザカンタム社製ＥＸＣＥＬシリーズの最大出力１．５Ｗの緑色レーザ（波長５３２ｎｍ）を用い、このビームを一旦シグマ光機社製のレーザビームエキスパンダーＬＢＥ３Ｈを用いて５ｍｍφ程度に拡大し、次いでやはりシグマ光機社製の可視アクロマティック集光レンズＡＴＬ−３０−４０ＰＹ２を用いて集光を行うことで形成し、基板として松浪ガラスより購入した４０ｍｍ角１．１ｍｍ厚のテンパックスガラスを用いた。そして、基板上にアルバックマテリアル社製の低温焼成型銀インクＬ−Ａｇシリーズをスピンコート法によって塗布し、溶媒を風乾除去した基板をシグマ光機社製の自動ステージＭＩＮＩ−２３Ｐ上に固定し、インク塗布面上にビームスポットを配置するように全体を構成した。
【００４６】
このような構成を用い、幾つかの照射条件下で描画を行い、銀配線を形成した結果を（表１）に示す。なお、レーザ出力はビームエキスパンダを通過した後のビーム光路に光パワーメーターを挿入して計測した値である。また、線幅およびギャップ幅は電子顕微鏡を用いて計測を行った際のおおよその値である。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
（表１）に示すようにレーザ出力が３０ｍＷのとき、線は形成されず、これは、上述した第１のエネルギー値を満たしていないためであり、上記の条件では第１のエネルギー値はレーザによって線が形成される５０ｍＷとなる。また、同様に第２のエネルギー値はギャップ幅が形成される５００ｍＷとなる。
【００４９】
上記、条件で作製した描画パターンを図１０に示す。図１０は、所定のレーザ出力による描画パターン図であり、図１０（ａ）はレーザ出力が１００ｍＷの場合、図１０（ｂ）はレーザ出力が５００ｍＷの場合、図１０（ｃ）は、レーザ出力が１２００ｍＷの場合である。
【００５０】
レーザ出力が１００ｍＷの場合、図１０（ａ）に示す白い部分が銀の配線であり線が１本形成され、５００ｍＷの場合、図１０（ｂ）に示すように銀配線が２本形成され、その２本の間には、ギャップが形成されている。さらに、１２００ｍＷの場合、図１０（ｃ）に示すように銀配線が２本形成され、５００ｍＷのときより第２のエネルギー値をもつ範囲が広いため、ギャップ幅が大きく形成されている。
【００５１】
これにより、ある一定の条件下でレーザの出力を変化させることで、配線を１本形成したり、２本形成したりすることができ、さらに、２本形成する場合のギャップ幅を調整することができる。
【００５２】
なお、本実施例では、中心に第２のエネルギーを超える部分を持った凸型のエネルギー分布を用いて、２本の線を形成しているが、エネルギー分布の形状によって１本のレーザ光で、２本以上の線を引くことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のように、本発明に係るパターン形成方法は、ガウシアン形状に代表される山形のエネルギー分布を持つ１本の収束エネルギービームを用いて、非常に高精度に２本の互いに平行なパターンを同時に形成することができ、センサ、受動素子、能動素子、光制御素子等を作製するための手段として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】光学要素の配置を示す概念図
【図２】ビームのエネルギー分布を説明するための概念図
【図３】生成されるパターンの断面を説明するための図
【図４】ギャップ領域の幅とビームの持つエネルギーの総量の関係を示す概念図
【図５】材料と焦点の相対位置関係を変化させた場合の描画を説明するための図
【図６】湿度・結露センサのセンサヘッドを示す概念図
【図７】抵抗を説明するための概念図
【図８】電界効果トランジスタを説明するための概念図
【図９】回折格子を説明するための概念図
【図１０】描画パターン図
【符号の説明】
【００５５】
１    収束エネルギー源
２    ビームエキスパンダ
３    レンズ
４    基板
５    材料
６    ビーム
７    焦点
８    パターン
１０    中心
１１    ビームの広がり範囲
１２    エネルギーの強度分布
１３    第１のエネルギー値
１４    第２のエネルギー値
１５    パターン形成範囲
１６    ギャップ領域
１７    パターン
２０    描画開始点
２１    描画終了点
２２    パターン
２３    パターン間のギャップ
２４    パターン形成範囲の外側の軌跡
２５    焦点が描く軌跡
３０    基板
３１    端子
３２    パターン
３３    ギャップ
３４    多孔質ガラス薄膜
４０    基板
４１    端子
４２    パターン
４３    ギャップ
４４    パターン端部
５０    基板
５１    ゲート電極
５２    ドレイン電極
５３    ソース電極
５４    絶縁層
５５    半導体層
５６    パターン
５７    ギャップ
６０    基板
６１    パターン
６２    ギャップ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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