JP3293136B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、加工品質が高く微細加工も可能で量産性に
優れたレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

背景技術 レーザ加工装置としては、CO₂レーザを使った金属板
の切断・穴あけ加工や、YAGレーザによる金属薄板の精
密加工が広く知られている。とくに、小型でメンテナン
ス性が良く、直径数10μｍの集光スポットが容易に得ら
れるという理由から、YAGレーザは各種の精密加工に適
している。さらに、YAGレーザでは第２高調波（波長532
nm）が得られるので、アブレーション効果を利用した微
細な薄膜加工へも応用できる。レーザアブレーションと
は、高分子材料にエキシマレーザやYAG高調波などの短
波長・短パルスレーザを照射した時に、瞬時に分解・気
化・飛散が起こり、局所的に材料が除去される現象のこ
とである。事実、半導体製造用マスクの欠陥修正、薄膜
センサの検出部のパターンニング、液晶パネルの電極パ
ターンニング等に、ＱスイッチYAGレーザが利用され始
めた。Ｑスイッチを用いる理由は、パルス幅が短くピー
クパワーが大きいビームを利用することにより、被加工
部材への熱的損傷がない高品質な加工が実現できるから
である。なお、アブレーション加工については、“短波
長・短パルスレーザによる除去加工に関する研究”（精
密工学会誌、Vol.3,473−478（1993））に詳しい。

薄膜加工における最近の大きなニーズのひとつに、液
晶パネルの透明電極のパターンニングがあり、加工品質
かつ加工能力に優れた加工技術に対する期待が高まって
いる。液晶パネルの電極のパターンニングは、一般に
は、透光性導電膜が被着した基板をレーザビームに対し
て移動させながら、導電膜を所定の間隔で切断すること
により行う。この時の加工品質すなわち導電膜の電気特
性は、ＱスイッチYAGレーザの特性（主にピークパワ
ー）から決まる。そして、レーザの特性はＱスイッチ周
波数に左右される。すなわち、Ｑスイッチ周波数を低く
すると、パルス幅が狭くなり、ピークパワーは大きくな
る。逆に、Ｑスイッチ周波数を高くすると、パルス幅が
広がり、ピークパワーは小さくなる。

加工品質の観点からは、Ｑスイッチ周波数を低くし
て、ビームのピーク強度を高めることが望ましい。こう
すると、アブレーション効果を介して、瞬間的に加工部
位を除去することができ、加工部近傍や膜基板へ熱的損
傷を与えることがない。このような加工方法が、特開昭
60−261142、特開平２−259727に開示されている。しか
し、これらの加工方法には、生産性の点に問題がある。
なぜならば、Ｑスイッチ周波数を下げることは、そのぶ
んだけ、ステージの送り速度を遅らせることにつなが
り、その結果として、加工速度が著しく低下するからで
ある。

他方、加工速度の観点からは、Ｑスイッチ周波数を高
くして、ステージをすばやく移動させることが望まし
い。しかし、Ｑスイッチ周波数を高くすると、ピークパ
ワーが低下し、パルス幅が広がる。このために、液晶パ
ネルの電極をパターンニングする時に、電極基板である
ガラスに熱的損傷を与え、微小なクラックやくぼみを発
生させる。このクラックやくぼみは、液晶パネルの表示
品質を損ねる要因となる。また、ガラスに微小量含まれ
ているアルカリ金属イオンがクラック及びくぼみから液
晶中に溶出し、このことが液晶パネルの表示不良の原因
となる。

本発明の目的は上記の問題を解決し、加工品質に優れ
かつ加工能力の高いレーザ加工装置およびその加工方法
を提供することにある。

発明の開示 本発明のレーザ加工装置は、複数のパルスレーザ発振
器を発振サイクルの位相をずらして順次駆動すること
と、前記複数のレーザ発振器からのビームの品質を同じ
にすることと、前記複数のレーザ発振器からのビームを
楕円偏光にすることにより、 （１）実効的な発振周波数を低下させることなく、個々
の発振器の発振周波数を下げることが可能になり、 （２）この結果、所要のピークパワーとパルス幅を得
て、被加工物に熱的損傷を与えずに高品質の加工を行う
ことができ、 （３）ビームを楕円偏光にすることにより、被加工物が
有する異方性や被加工物上の付着物に左右されることな
く、所要の加工品質の恒常的に維持することができる。

さらに、位相変調作用を有する回折素子を使い、前記
レーザ発振器からのビームを複数本に分岐することによ
り、被加工物表面の複数部位を同時に加工することで、
加工能力を大きく向上させることができる。すなわち、
ビーム分岐数をＮとすると、１本のビームで加工した時
の加工能力のＮ倍の加工能力を達成できる。

本発明のレーザ加工方法により、上記の加工装置を使
い、基板上に被着された透光性導電膜に複数のビームを
選択的に照射し、前記基板あるいは前記複数のビームを
移動することにより、前記透光性導電膜に複数の開溝を
同時に形成することができる。分岐後の複数ビームが等
強度になるように設計された表面凹凸型２値位相格子を
ビーム分岐手段に用いることにより、加工形状ならびに
加工品質が均一な開溝を形成できる。

図面の簡単な説明 第１図は、実施例１のレーザ加工装置の構成を示す図
である。

第２図は、２台のレーザ発振機が交互に駆動されるこ
とを説明する図である。

第３図は、加工溝の形状を示す平面図である。

第４図は、加工されたITO膜の平面図である。

第５図は、Ｑスイッチ周波数とビーム特性の関係を示
す図である。

（ａ）Ｑスイッチ周波数が10KHz （ｂ）Ｑスイッチ周波数が30KHz 第６図は、集光スポット径と加工径の関係を説明する
図である。

第７図は、ITO膜及びガラス基板の断面図である。

第８図は、１次元位相格子の外観を示す図である。

第９図は、実施例２のレーザ加工装置の構成を示す図
である。

第10図は、加工溝の形成を示す平面図である。

第11図は、空間フィルタの振幅透過率分布を示す図で
ある。

第12図は、集光スポットの形状を示す断面図である。

（ａ）空間フィルタあり （ｂ）空間フィルタなし 第13図は、実施例３のレーザ加工装置の構成を示す図
である。

第14図は、加工溝の形状を示す平面図である。

第15図は、アナモルフィック集光レンズを説明する図
である。

（ａ）アナモルフィック集光レンズの作用 （ｂ）光強度分布 第16図は、実施例４のレーザ加工装置の構成を示す図
である。

第17図は、加工溝の形状を示す平面図である。

第18図は、２次元位相格子の平面図である。

第19図は、加工速度比が向上することを説明する図で
ある。

第20図は、実施例５のレーザ加工装置の構成を示す図
である。

第21図は、加工溝の形状を示す平面図である。

第22図は、偏光分離素子の構成を示す断面図である。

第23図は、実施例６のレーザ加工装置の構成を示す図
である。

第24図は、加工溝の形状を示す平面図である。

第25図は、偏向分離素子の構成を示す図である。

（ａ）は偏光分離素子の平面図。

（ｂ）は偏光分離素子の断面図。

第26図は、実施例７のレーザ加工装置の構成を示す図
である。

第27図は、加工溝の形状を示す平面図である。

第28図は、スリット状の光強度分布をつくる方法を説
明する図である。

（ａ）ビームのＳ偏向成分がつくる光強度分布。

（ｂ）ビームのＰ偏向成分がつくる光強度分布。

（ｃ）（ａ）と（ｂ）のコヒーレント和 第29図は、実施例８のレーザ加工装置の構成を示す図
である。

第30図は、加工溝の形状を示す平面図である。

第31図は、スリット状の光強度分布をつくる方法を説
明する図である。

（ａ）ビームのＳ偏向成分がつくる光強度分布。

（ｂ）ビームのＰ偏向成分がつくる光強度分布。

（ｃ）（ａ）と（ｂ）のコヒーレント和 第32図は、実施例９のレーザ加工装置の構成を示す図
である。

第33図は、レーザ出力と時間の関係を説明する図であ
る。

第34図は、加工溝の形状を示す平面図である。

第35図は、液晶パネルの実装方法を説明する図であ
る。

（ａ）TABテープをパネルの片側だけに実装する場合 （ｂ）TABテープをパネルの両側に千鳥状に実装する場
合 （ｃ）TABテープを中間領域を介して実装する場合 第36図は、ストライプ電極とTABテープを接続する中
間領域の平面図である。

第37図は、液晶パネルの電極パターンの平面図であ
る。

（ａ）本発明の加工装置及び加工方法により加工した電
極パターン （ｂ）従来の加工方法により加工した電極パターン （符号の説明） 1101a レーザ発振機 1101b レーザ発振機 1102a Ｑスイッチドライバ 1102b Ｑスイッチドライバ 1103 コントローラ 1104a レーザビーム 1104b レーザビーム 1105a エクスパンダコリメータ 1105b エクスパンダコリメータ 1106 光路折り曲げミラー 1107 偏光合成素子 1108 波長板 1109 １次元位相格子 1110 集光レンズ 1111 ITO膜基板 1112 精密ステージ 1113 集光スポット 1201 加工溝 1202 ITO膜 1301 加工溝 1302 ITO膜 1401 ITO膜 1402 SiO₂緩衝膜 1403 ガラス基板 2101 空間フィルタ 2201 加工溝 2202 ITO膜 3101 アナモルフィック集光レンズ 3201 加工溝 3202 ITO膜 3301 非球面アナモルフィック集光レンズ 3302 レーザビーム 3303 楕円形状の集光スポットの並び 4101 ２次元位相格子 4201 加工溝 4202 ITO膜 5101 偏光分離素子 5201 加工溝 5202 ITO 5301 くさび 5302 くさび 6101 波長板 6102 偏光分離素子 6103 光路折り曲げミラー 6104 偏向分離素子 6201 加工溝 6202 ITO膜 6301 位相格子 6302 格子ベクトル 6303 基板法線 6304 ウェッジ 6035 ウェッジ法線 7101 偏光分離素子 7102 １次元位相格子 7201 加工溝 7202 ITO膜 8101 波長板 8102 偏光分離素子 8103 光路折り曲げミラー 8104 偏向分離素子 8201 加工溝 8202 ITO膜膜 9101 レーザ発振器 9102 Ｑスイッチドライバ 9103 レーザビーム 9104 エクスパンダコリメータ 9105 光路折り曲げミラー 9106 波長板 9107 位相格子 9108 集光レンズ 9109 ITO膜基板 9110 精密ステージ 9111 集光スポット 10101 画素電極 10102 TABテープ 10201 画素電極 10202 TABテープ 10301 画素電極 10302 TABテープ 10303 中間領域 10401 加工溝 10402 ITO膜 11101 上側電極ギャップ 11102 下側電極ギャップ 11201 上側電極ギャップ 11202 下側電極ギャップ 発明を実施するための最良の形態 ここでは、単純マトリクス駆動方式の液晶パネルに使
用されるストライプ電極を加工する事例の中で、本発明
の構成及び特徴について詳しく説明する。

（実施例１） 本発明のレーザ加工装置の構成を図１に示す。レーザ
発振機器1101a、1101bはＱスイッチYAGレーザであり、
直線偏光のTEM₀₀モードを出射する。レーザ発振器のＱ
スイッチ周波数は、Ｑスイッチドライバ1102a、1102bに
より制御される。1103はＱスイッチコントローラであ
り、Ｑスイッチドライバが与える駆動信号の位相を制御
する。発振器内のブリュースター素子の設置形態を工夫
して、あるいは、発振器の外に波長板を配置して、発振
器から出射される２本のビーム1104a、1104bが互いに直
交する直線偏光となるようにする。エクスパンダコリメ
ータ1105a及び1105bにより、それぞれのビームを拡大
し、さらに、偏光合成素子1107を用いて、２本のビーム
の光路を共通にする。そして、波長板1108によりビーム
の偏光を楕円偏光にした後に、ビームを位相格子1109へ
入射させる。位相格子1109は、１本の入射ビームを32本
の回折ビームに分岐する作用を有する。位相格子1109か
ら出射された32本のビームは、集光レンズ1110を介し
て、精密ステージ1112の上に保持された透光性導電膜
（ITO膜）基板1111の表面に、32個の集光スポット1113
を等しい間隔で形成する。そして、精密ステージ1112を
移動することにより、直線状あるいは曲線状にITO膜を
切断する。図中、1106は光路折り曲げミラーである。

２本のビーム1104aと1104bを、それぞれ、倍率可変な
エクスパンダコリメータ1105aと1105bに通すことによ
り、発振器の個体差に起因するビーム品質（広がり角、
ビーム径）を等しくする。こうすることにより、後で詳
しく述べるように、均一な溝幅で電極膜を切断すること
ができる。また、波長板を用いてビームを楕円偏光にす
ることにより、ITO膜が有する異方性、不均一性や、ITO
膜上の付着物に左右されることなく、均一な幅と深さで
ITO膜を切断できるので、所要の加工品質を恒常的に維
持することが可能となる。

本実施例の構成に用いる位相格子は、１次元の表面凹
凸型位相格子である。断面形状はほぼ矩形であり、学問
的には、２値位相格子として分類されものである。本実
施例の位相格子の位相分布（１周期分）を図８に模式的
に示す。図中、白部分の位相値がπrad、斜線部分の位
相値が0radである。

位相格子の主要な設計事項は、１周期の長さ、全
体の大きさ、１周期内の位相分布の３つである。１周
期の長さはITO膜上に形成する開溝の間隔から決まり、
全体の大きさは入射ビーム径から決まる。そして、１周
期内の位相分布は、所要のビーム分岐数及び所要のビー
ム強度の均一性から決まる。

回折理論から、位相格子の周期は次式で与えられる。

ｐ＝ｍλf/Δx;m＝１（ビーム分岐数が奇数の時） ‥‥（１） m＝２（ビームの分岐数が偶数の時） ただし、λはレーザ波長（532nm）、ｆは集光レンズ
の焦点距離、Δｘは開溝の間隔である。例えば、分岐数
を偶数として、ｆ＝100mm、Δｘ＝200μｍとすると、ｐ
＝532μｍとなる。

位相格子の全体の大きさＤは、波動光学の理論から、
次式のように決まる。

Ｄ＞ｄ＝2f・tan［sin^-1（２λ／πｗ）］‥‥（２） ただし、ｄは入射ビーム径（l/e²）、ｗは所要の集光
スポット径（l/e²）である。例えば、ｆ＝100mm、ｗ＝1
0μｍとすると、Ｄ＞ｄ＝4mmとなる。

位相格子の位相分布の計算には、シミュレーテッドア
ニーリング法（Science 220,671−680（1983）、以後、
SA法と略す）を用いた。これまでにも、SA法を用いて位
相格子を設計した事例がいくつか報告されている（App
l.Opt.32,2512−2518（1993）、Appl.Opt.31,3320−333
6（1992）、Appl.Opt.31,27−37（1992）、）。しか
し、SA法の運用に必要なルールの構築には経験が必要で
あり、このルールの出来不出来が、“良い解”が得られ
るかどうかを大きく左右する。“良い解”とは位相格子
に要求される光学性能を満足する解のことであり、前記
の光学性能は位相格子の使用目的から決まる。

SA法を用いて位相格子を設計するには、少なくとも、
評価関数の定義と重みの設定、温度スケジューリン
グ、平衡状態の判定について、運用のルールを定めな
ければならない。なお、評価関数とは位相格子の性能に
関する推定値と目標値の差に対応する量であり、この関
数値が最も小さくなる時の解が最適解である。

本実施例で用いる位相格子に要求される光学性能を以
下にあげる。

（１）光利用効率が80％以上であること。

（２）分岐後のビーム強度均一性が0.90以上であるこ
と。

ここで、光利用効率とは、所要の回折次数のビームに
供給し得る光エネルギーの割合を意味する。ビーム強度
均一性とは、分岐された複数の回折ビームにおける強度
の最小と最大の比を意味する。上記（１）と（２）の条
件は、後で述べるように、レーザ発振器出力と、加工閾
値と、要求される加工均一性から決まる。

実際の計算では、（１）と（２）の条件を評価関数の
中に取り入れて、（１）と（２）の条件を満足する解の
中から、さらに、位相格子の作製誤差を考慮して、以下
の（３）と（４）の条件を満足する解を選択した。

（３）位相格子の最小線幅ができるだけ太いこと。

（４）位相格子の性能が作製誤差に大きく左右されない
こと。

上記（３）と（４）の条件は、位相格子の作製に使用
するフォトマスク描画装置、露光・現像装置、及びエッ
チング装置の各装置のパターン転写能力から決まる。

以上のことからも理解できるように、SA法により求め
た位相格子の位相分布データには、設計者の創造性が反
映されていると言える。この状況は、レンズ設計におけ
るレンズデータの立場とよく似ている。このような観点
から、本出願においては、発明の実施に際して用いた位
相格子の位相分布データを全て開示することにした。

以下、表１、表２、表３においては、位相値が0radか
らπrad（この逆でもよい）に変化する位置の座標を１
周期分について示した。表４、表５、表６においては、
１周期を256または128の区間に等分割して、各区間の位
相値を０と１で示した。０が0rad、１がπradに対応す
る（この逆でもよい）。

表１から表６に示したデータを使い、以下の工程にし
たがって、高品質な石英基板へ表面凹凸型位相格子を形
成した。

（１）フォトマスクデータ作成 （２）フォトマスク作製 （３）レジスト露光及び現像 （４）反応性イオンエッチング及びレジスト除去 作製した回折格子は、どれも、光利用効率80％以上、
ビーム強度均一性0.90以上であり、所要の光学性能を満
足した。さらに、偏光依存性は存在しなかった。偏光依
存性がないということは入射光の偏光状態に関係なく、
所要の光利用効率及びビーム強度均一性が得られるとい
うことであり、楕円偏光ビームを用いる薄膜加工には欠
かせない性質である。

以上のようにして作製した位相格子を図１のレーザ加
工装置へ搭載し、ガラス基板上のITO膜を間隔200μｍ、
幅10μｍで切断することにより、液晶パネルのストライ
プ電極を形成した。図７に、ITO膜及びガラス基板の断
面を示す。ガラス基板1403の材質はソーダガラスであ
り、このガラス基板上に、SiO₂の緩衝膜1402を介して、
ITO膜1401を1500Åだけ堆積させてある。

ビーム分岐に用いた位相格子は、先に示した位相格子
１のデータから作製したものである。10μｍの幅の開溝
を200μｍの間隔でITO膜上に形成するために、集光レン
ズの焦点距離を100mm、位相格子の１周期の長さを532μ
ｍと定め、集光レンズの収差を考慮して、ビーム径を12
mm、位相格子の大きさを15mmと定めた。この時の位相格
子における最小線幅は6.4μｍであり、先に述べた作製
工程にしたがい、設計寸法に忠実に、位相格子の凹凸構
造を石英基板へ形成できることを確認している。

使用したレーザ発振器はQuantronix社製のランプ励起
型ＱスイッチYAGレーザであり、発振波長532nm、定格平
均出力8Wである。加工条件とガラス基板への損傷につい
て調べるために、位相格子を使用せずに、Ｑスイッチ周
波数を変えて１本の開溝を加工する実験を繰り返した。
その結果、Ｑスイッチ周波数を10KHz以下に設定すれ
ば、ITO膜及び下地のガラス基板にダメージを与えるこ
となく、開溝を形成できることが判明した。また、加工
できるかどうかは、Ｑスイッチ周波数に依らずに、ピー
クパワーの大小から決まることが判明した。

図５（ａ）（ｂ）に、それぞれ、Ｑスイッチ周波数が
10KHzと30KHzの時のレーザ出力と時間の関係を示した。
加工時のピークパワーを150Wとすると、Ｑスイッチ周波
数が10KHzの時のパルス幅とパルスエネルギーは、それ
ぞれ、150nsec、23μＪである。他方、Ｑスイッチ周波
数が30KHzの時のパルス幅とパルスエネルギーは、それ
ぞれ、300nsec、45μＪである。これらのレーザ発振条
件でガラス基板上のITO膜を加工すると、Ｑスイッチ周
波数が10KHzの条件では損傷は生じなかったが、30KHzの
条件では溝周縁部ならびにガラス基板表面に微細な損傷
が発生した。30KHzの時に損傷が発生した理由は、パル
ス幅が広がり、過剰のエネルギーが投入されたからであ
る。すなわち、ピークパワーが加工閾値に達している場
合でも、Ｑスイッチ周波数から決まるパルス幅が許容値
以上に広がっていると、加工時の損傷が避けられないの
である。このような場合には、損傷を避けることを目的
として、パルスエネルギーを小さくすることは効果がな
い。なぜならば、ピークパワーが加工閾値を超えなくな
り、加工できなくなるからである。

以上の結果をふまえ、ビームの分岐数及び加工速度に
配慮して、２台のレーザ発振器のＱスイッチ周波数を10
KHz、定格平均出力を8Kに定めた。この時のパルス幅は1
50nsec、ピークパワーは定格出力時の5.3KWである。そ
して、Ｑスイッチコントローラ1103から制御信号を送
り、それぞれのＱスイッチドライバを50μsecづつ位相
をずらして駆動することにした。図２は、本実施例にお
けるレーザ出力と時間の関係を示す図である。２台の発
振器を位相をずらして交互に駆動することにより、個々
の発振器は10KHzで発振しながら、実効的には、20KHzで
駆動した時と同じ加工速度が得られることになる。

厚み1500ÅのITO膜に１本の開溝を形成するには、110
W以上ののピークパワーを要する。そこで、先に述べた
位相格子1109を使い、ピークパワー5.3KWのビームを32
本のビームに分岐することにした。そして、集光レンズ
で32本のビームを光学的にフーリエ変換して、ITO膜の
表面に間隔が200μｍの32個の集光スポットを照射し
た。この時の集光スポット径は18μｍであり、ITO膜上
に形成された加工痕の径は10μｍである。こうして、１
発のパルスにより、直径10μｍの加工痕を32個同時に形
成することができた。集光スポット径と加工径の関係を
図６に示した。ITO膜が有する閾値特性のために、集光
スポット径よりも小さい加工痕が得られる点に注目され
たい。

次のパルスが発振するまでの50μsecの間欠時間に、
精密ステージを使い、加工痕の直径の半分に相当する５
μｍに等しい距離だけ基板を移動させる。こうして２台
の発振器からのパルスビームで、交互に、直径10μｍの
加工痕を32個同時に形成することを続けると、図３に示
すように、間隔200μｍ、幅10μｍの溝を間欠部分なく
加工することができた。この間のステージの移動速度は
毎秒100mmであり、常に一定である。加工速度を、（加
工速度）＝（ビーム分岐数）×（ステージ移動速度）と
定義すると、同時に32本の溝を加工することにより、毎
秒3200mmの加工速度を達成したことになる。図４に、以
上のようにして得た電極パターンを示した。

32個の集光スポットの並びの方向をステージ移動方向
に対して傾けることにより、スポットの間隔すなわち加
工溝の間隔を調節することができる。スポットの並び方
向を傾けるには、回転ステージを使い、位相格子をその
面内で回転させればよい。この時の回転角度をθとする
と、加工溝の間隔Δｘ′は次式で与えられる。

Δｘ′＝ｍλfCOS（θ）/p;m＝１（ビーム分岐数が奇数の時） ‥‥（３） ｍ＝２（ビームの分岐数が偶数の時） このような調節機構を備えることにより、液晶パネル
の仕様に合わせて、高精度に電極パターニングを行うこ
とが可能になり、さらに、電極間隔が異なる液晶パネル
の試作へも容易に対応できる。したがって、商品開発の
リードタイムを大幅に短縮できることになる。

本実施例の加工装置ならびに加工方法によれば、ITO
膜を10μｍ以下の切断幅でパターニングすることができ
る。このことにより、液晶パネルの表示品質を支配する
主要因であるところの開口率ならびにコントラスト比が
大きく向上する。他方、従来のフォトリソグラフィによ
る電極加工で得られる電極ギャップは30μｍであり、液
晶パネルの開口率ならびにコントラスト比を低下させる
大きな原因となっていた。

本実施例では、ランプ励起型ＱスイッチYAGレーザを
用いたが、半導体レーザ励起型ＱスイッチYAGレーザを
用いてもよい。また、YAGレーザの代わりにYLFレーザを
使用した場合でも、同等の効果が得られる。さらに、固
体レーザに限らずに、パルス発振が可能な気体レーザを
用いることもできる。また、加工に適したＱスイッチ周
波数はレーザ発振器の特性に依存し、本実施例において
引用した10KHzに限るものではない。使用するレーザ発
振器の特性ならびに被加工物の特性に合わせて、最適な
Ｑスイッチ周波数を決定しなければならない。

上記の実施例では、間隔200μｍ、幅10μｍの溝加工
について発明の効果を説明したが、これらの条件が異な
る溝加工についても、位相格子の周期を変えることに
より、あるいは、集光レンズの焦点距離を変えること
により、容易に対応することができる。ビーム分岐数
も、32本に限るものではなく、レーザ加工装置の仕様に
合わせて決定すればよい。例えば、表２あるいは表４の
データを使い、16分岐用の位相格子を作製して用いるこ
ともできる。被加工物の物性、使用するレーザ発振
器の出力及び台数を考慮し、加工能力の観点から最適な
分岐数を定め、所要の位相格子を設計、製作することに
より、多くの加工用途へ容易に対応することができる。

（実施例２） 本実施例のレーザ加工装置の構成を図９に示す。実施
例１に対する構成上の違いは、空間フィルタを光路上に
配置した点にある。空間フィルタでビーム波面に変調を
加えることにより、集光スポットの形状を制御する。

空間フィルタを使用する目的は、開溝の幅を狭くし
て、液晶パネルの表示品質をさらに高めることにある。
開溝の幅を狭くするには、他に、集光レンズの焦点距
離を短くする、あるいは、集光レンズへの入射ビーム
径を太くする、という方法もある。しかし、の方法に
は、最小線幅が著しく細い（２μｍ以下）位相格子が必
要になり、所要の性能を満足する位相格子を作製するこ
とが難しいという欠点がある。また、についても、大
口径かつ無収差の集光レンズの設計ならびに作製が困難
になり、レンズコストが大きく膨らむことにつながる。

本実施例では、空間フィルタとして、図11に示す振幅
透過率分布を有する振幅フィルタを用いた。振幅フィル
タとは、このフィルタを透過するビームの位相を変化さ
せず振幅のみを変調する素子である。この振幅フィルタ
2101を位相格子1109の直前に配置して、ビーム波面に振
幅変調を加えた。振幅フィルタを使用した時と使用しな
い時の集光スポットの形状を、それぞれ、図12（ａ）、
（ｂ）に示す。ビームの外側の強度を相対的に高めるこ
とにより、図12（ａ）に示すように、集光後のスポット
径を細くすることができた。

振幅フィルタを使用した時に得られた開溝の平面図を
図10に示す。溝の幅はおよそ６μｍであり、実施例１と
比べて、より一層、液晶パネルの開口率とコントラスト
比を高めることができた。

なお、上記の振幅フィルタの他にも、透過率分布が異
なるいくつもの振幅フィルタを用意しておき、要求に合
わせて交換して使用することにより、加工溝の幅を太く
したり細くしたりすることができる。また、蒸着等の手
段により所要の透過率分布を位相格子基板の裏面（格子
が形成されていない面）に形成した場合でも、同様の効
果が得られる。

（実施例３） 本実施例のレーザ加工装置の構成を図13に示す。実施
例１に対する構成上の違いは、非点収差を有する集光レ
ンズを備えている点にある。非点収差を有する集光レン
ズを使い、ステージ移動方向に長い楕円状の集光スポッ
トを発生させる。

集光レンズ3101はアナモルフィックであり、直交する
２方向（ｘ、ｙ）における波面変換作用が異なる。例え
ば、ｘ方向には位相格子の透過波面をフーリエ変換する
作用を有し、ｙ方向には透過波面の強度分布を制御する
作用を有する。このようなアナモルフィック集光レンズ
は、非球面レンズにより、あるいは、球面レンズと
円筒レンズの組み合わせにより実現できる。アナモルフ
ィック集光レンズにより、ステージ移動方向に長い楕円
状の集光スポットを得て、ステージ移動速度を速めるこ
とにより、加工速度を向上させることができる。

図15に、非球面アナモルフィック集光レンズを用いて
集光スポットを発生させた時の様子を示す。図15（ａ）
で、1109は位相格子、3301は非球面アナモルフィック集
光レンズ、3302はレーザビーム、3303は32個の集光スポ
ットの並びである。位相格子はｘ方向にだけ周期構造を
有する１次元格子であり、実施例１で使用した位相格子
と同じものである。非球面アナモルフィック集光レンズ
は、ｘ方向には波面のフーリエ変換作用を有し、ｙ方向
には波面の強度分布をガウス分布から矩形分布へ変換す
る作用を有する。図15（ｂ）に、得られた集光スポット
のｙ軸方向の光強度分布を示す。集光スポットの幅は18
μｍ、長さは28μｍである。ただし、ピーク強度のl/e²
以上を与える部分の幅であり、長さである。この集光ス
ポットをITO膜上へ照射することにより、幅10μｍ、長
さ20μｍにわたり、ITO膜を除去することができた。

本実施例では、アナモルフィック集光レンズで32本の
回折ビームを光学的にフーリエ変換して、ITO膜の表面
に幅10μｍ、長さ20μｍの32個の加工痕を200μｍの間
隔で形成した。そして、50μsecのパルス間欠時間に、
加工痕の長さの半分に相当する10μｍに等しい距離だけ
ステージを移動させた。こうして２台の発振器からのパ
ルスビームで、交互に、幅10μｍで長さ20μｍの加工痕
を32個同時に形成することを続けると、図14に示すよう
に、間隔200μｍ、幅10μｍの溝を間欠部分なく加工す
ることができた。この間のステージの移動速度は毎秒20
0mmであり、毎秒640mmの加工速度を達成したことにな
る。

なお、個々の加工痕が分離しない程度までステージ移
動量を大きくすることは可能であり、こうすることによ
り加工速度を最大限大きくできる。

（実施例４） 本発明のレーザ加工装置の構成を図16に示す。実施例
１に対する構成上の相違は、１次元格子の代わりに２次
元位相格子を用いる点にある。２次元位相格子4101を使
うことにより、２列以上のスポット並びを同時に発生さ
せることができる。

２次元格子の位相分布を決定するには、２つの１次元
格子を直交させて重ねればよい。１次元格子の位相値は
０またはπであるから、以下の規則にしたがい、２次元
格子の位相分布も０またはπとなる。

０＋０＝０、０＋π＝π、π＋π＝２π（＝０） ‥‥（４） 本実施例では、実施例１において示した位相格子１と
位相格子３のデータを用いて、32×２個の集光スポット
を同時に発生させ得る２次元格子を設計、作製した。位
相格子の位相分布の平面図を図18に示した。

１列目と２列目の集光スポットの間隔を（2k＋１）Δ
ｙ、パルス間欠時間におけるステージ移動量を２Δｙと
する。集光スポット間隔とステージ移動量との関係を詳
細に調べると、加工を始めた初期の部分に円形の加工部
分がつながらない箇所が生じる。これを考慮すると、１
列で加工した時の加工速度に対する加工速度比βは次式
で与えられる。

β＝２｛１−k/n｝（ｋは自然数） ‥‥（５） ただし、Δｙは集光スポット径を考慮して決める量、
ｎは照射したレーザパルスの数である。１列目と２列目
の集光スポットの間には位相差があるので、この位相差
に起因する集光スポット形状の変化が加工に悪影響を与
えない程度に、集光スポットの間隔（2k＋１）Δｙを広
げる必要がある。

式（５）の関係を図19に示した。液晶パネルの画素部
を縦断するために要するステージ移動距離（レーザパル
ス照射数ｎとステージ移動量２Δｙの積に等しい）と比
べると、集光スポット並びの間隔（2k＋１）Δｙは無視
し得るくらいに短いので、加工速度比βは実効的に２に
等しくなる。すなわち、１次元格子の場合の２倍の加工
速度が得られることになる。

本実施例では、ステージ移動方向のスポット間隔を15
μｍに定め、50μsecのパルス間欠時間に、10μｍだけ
ステージを移動させた（ｋ＝1,Δｙ＝５μｍに相当す
る）。こうして２台の発振器からのパルスビームで、交
互に、直径10μｍの加工痕を32×２個同時に形成するこ
とを続けると、図17に示すように、間隔200μｍ、幅10
μｍの溝を間欠部分なく加工することができた。この間
のステージの移動速度は毎秒200mmであり、毎秒6400mm
の加工速度を達成したことになる。図17の左端において
加工されていない部分が残っているが、ステージ移動速
度と２列のスポット間隔との関係で生じるものであり、
無視し得る程度のものである。

さらに、ステージ移動方向のビーム分岐数を増やし、
集光スポットの並びの数をｍ、それぞれの間隔を（mk＋
１）Δｙとすると、加工速度比βは次式で与えられる。

β＝ｍ｛１−（ｍ−１）k/n｝（ｋは自然数） ‥‥（６） すなわち、集光スポットを１列だけ並べて加工する時
と比べて、加工速度比βはｍ倍となり、加工速度を大き
く向上させることができる。

（実施例５） 本発明のレーザ加工装置の構成を図20に示す。実施例
１に対する構成上の相違は、１次元格子と偏光分離素子
を組み合わせることにより、複数列のスポット並びを同
時に発生させる点にある。

レーザ発振機1101a、1101bはＱスイッチYAGレーザで
あり、直線偏光のTEM₀₀モードを出射する。発振器の内
のブリュースター素子の姿勢を違えて、あるいは、発振
器の外に波長板を配置して、発振器から出射される２本
のビーム1104a、1104bが互いに直交する直線偏光となる
ようにする。２本のビーム1104aと1104bは、それぞれ、
エクスパンダコリメータ1105aと1105bで拡大される。偏
光合成素子1107を通過した後に、ビームは共通の光路を
進み、偏光分離素子5101へ入射する。

偏光分離素子5101の進相軸（あるいは遅相軸）の方位
を、ビームの偏光方位に対して45゜になるように定め
る。ビームの直交する２つの偏光成分は、所定の角度だ
け分離された後に、波長板1108により楕円偏光になり、
位相格子1109へ入射する。位相格子1109は、実施例１で
使用した位相格子と同じものであり、１本のビームを32
本のビームに分岐する作用を有する。この後で、集光レ
ンズ110を介して、ステージ移動方向に所定の間隔だけ
離して、32個の集光スポットの並びを２列、ITO膜上に
形成する。１列目と２列目の集光スポットの間には位相
差があるので、この位相差に起因する集光スポット形状
の変化が加工に悪影響を与えない程度に、集光スポット
の間隔を広げる必要がある。こうして、２次元格子の場
合と同じく（実施例４）、加工速度比を２倍に向上させ
ることができる。

本実施例に用いた偏光分離素子の構成を図22に示す。
この素子は、屈折率が異なる２つのくさび（5301、530
2）が張り合わされて成る。一方のくさびの屈折率をn
₁e、n₁o、もう片方の屈折率をn₂e、n₂oとおいて、n₁e＝
n₁o、n₂e≠n₂o＝n₁eなる関係を満足するように、くさび
材料を選ぶ。ただし、添字のｅ、ｏは異常光線、常光線
を表す。このようにすると、Ｓ偏光成分から得た32本の
回折ビームは直進し、Ｐ偏光成分から得た32本の回折ビ
ームは所定の角度だけ偏向される。なお、屈折率の組み
合わせを違えることにより、２本のビームをともに互い
に反対方向へ所定の角度だけ偏向させることもできる。

１列目と２列目のスポット並びの間隔（2k＋１）Δｙ
と、偏光分離素子が与える分離角度θ、の間には次の関
係がある。

（2k＋１）Δｙ＝ｆ・θ ‥‥（７） 式（７）から、分離角度θは、 θ＝（2k＋１）Δy/f ‥‥（８） となる。例えば、ｆ＝100mm、（2k＋１）Δｙ＝15μ
ｍ、とすると、θ＝0.15radとなる。

偏光分離素子のくさびの角度をφ、偏向に要する屈折
率差をΔｎとすると、 φ・Δｎ≒θ ‥‥（９） であるから、φ＝150mradとするとΔｎ≒0.001となる。
Δｎとしては、十分に実現できる値である。

本実施例では、ステージ移動方向のスポット間隔を15
μｍに定め、50μsecのパルス間欠時間に、10μｍだけ
ステージを移動させた。こうして２台の発振器からのパ
ルスビームで、交互に、直径10μｍの加工痕を32×２個
同時に形成することを続けると、図17に示すように、間
隔200μｍ、幅10μｍの溝を間欠部分なく加工すること
ができた。この間のステージの移動速度は毎秒200mmで
あり、毎秒6400mmの加工速度を達成したことになる。

なお、本実施例では、１枚の偏光分離素子を使い、32
×２個の集光スポットを同時に発生させたが、複数の偏
光分離素子を波長板を挟んで重ねることにより、32個の
集光スポットの並びを２列以上同時に発生させることも
できる。

（実施例６） 本発明のレーザ加工装置の構成を図23に示す。実施例
１に対する構成上の相違は、１次元格子と偏向分離素子
を組み合わせることにより、集光スポットの並びを２列
同時に発生させる点にある。

レーザ発振機1101a、1101bはＱスイッチYAGレーザで
あり、直線偏光のTEM₀₀モードを出射する。レーザ発振
器内のブリュースター偏光素子の姿勢を違えて、あるい
は、波長板を用いて、レーザ発振器から出射される２本
のビーム1104a、1104bが互いに直交する直線偏光となる
ようにする。２本のビームはエクスパンダコリメータ11
05aと1105bで拡大される。偏光合成素子1107により合成
され、先のふたつのビームは共通の光路を進む。波長板
6101を用いて、ビームの偏光方位を、偏光分離素子6102
の進相軸（あるいは遅相軸）の方位に対して45゜に定め
る。こうすることにより、偏光分離素子6102へ入射した
ビームは、等しく振幅分割される。分割されたそれぞれ
の成分は、波長板1108により楕円偏光になり、偏向分離
素子6104へ入射する。

偏向分離素子6104の構造を図25に示した。偏向分離素
子6104の表面には位相格子が形成されていて、裏面には
ウエッジが形成されている。位相格子6301は２つの領域
（図中のＡ、Ｂ）を有し、領域Ａは偏向分離素子により
分割された半分の振幅成分を、領域Ｂは残りの半分の振
幅成分を受ける。領域Ａ、Ｂに形成した位相格子はどち
らも、実施例１に示した位相データ１から作製した位相
格子であり、等しく振幅分割された２つの成分のそれぞ
れを32本のビームに分岐する作用を有する。ウエッジ63
04のウエッジ法線6305は、位相格子の格子ベクトル6302
と基板法線6303がつくる平面内にある。

偏向分離素子6104の裏面に形成されたウッジ6304によ
り、位相格子を透過した２つの振幅成分の間には所定の
角度が与えられる。この結果、半分の振幅成分から得た
32本のビームと残りの半分の振幅成分から得た32本のビ
ームは、それぞれ、集光レンズ1110を介して、ステージ
移動方向に所定の間隔だけ離れた位置に、32個の集光ス
ポットの並びをITO膜上に形成する。

本実施例では、スポット間隔を15μｍに定め、50μse
cのパルス間欠時間に、10μｍだけステージを移動させ
た。この結果、図24に示すように、幅10μｍの溝を間欠
部分なく加工することができた。この間のステージの移
動速度は毎秒200mmであり、毎秒6400mmの加工速度を達
成したことになる。こうして、２次元格子の場合と同じ
く、加工速度比を２倍に向上させることができた。

（実施例７） 本発明のレーザ加工装置の構成を図26に示す。実施例
１に対する構成上の相違は、複数の開溝を同時に形成す
る代わりに、ステージ移動方向に長い棒状の集光強度分
布をつくり、ステージをより速く移動させることで、加
工速度を高める点にある。

レーザ発振機1101a、1101bはＱスイッチYAGレーザで
あり、直線偏光のTEM₀₀モードを出射する。発振器の内
のブリュースター素子の姿勢を違えて、あるいは、発振
器の外に波長板を配置して、それぞれの発振器から出射
される２本のビーム1104a、1104bが互いに直交する直線
偏光となるようにする。２本のビーム1104aと1104bは、
それぞれ、エクスパンダコリメータ1105aと1105bで拡大
される。この後で、ビームは、偏光合成素子1107により
合成され、共通の光路を進み、偏光分離素子7101へ入射
する。本実施例で用いた偏光分離素子の構造は、基本的
には、先に図22に示したものと同じである。なお、図26
の構成には、ビームを楕円偏光するための波長は使用し
ない。

各々のビームの直交するふたつの偏光成分は、所定の
角度だけ分離された後に、位相格子7102へ入射する。位
相格子7102は、実施例１に示した位相格子６のデータか
ら作製した位相格子であり、１本のビームを５本のビー
ムに分岐する作用を有する。そして、一方の偏光成分か
ら得た５本の回折ビームと、もう一方の偏光成分から得
た５本の回折ビームに集光レンズ1110を作用させること
により、ITO膜の表面に、スポット間隔の半分だけ互い
にずれたスポット列を、ステージ移動方向と平行な同一
直線上に形成する。

図28に、集光スポットが照射されるITO膜の表面にお
ける光強度分布を示す。図28（ａ）は、一方の偏光成分
がつくる光強度分布、図28（ｂ）は、もう一方の偏光成
分がつくる光強度分布である。それぞれの光強度分布は
互いに、スポット間隔の半分だけ位置がずれている。こ
れらの光強度分布をコヒーレントに足し合わせると（振
幅と位相を配慮して足し合わせる）、図28（ｃ）のよう
になる。すなわち、幅がスポット径にほぼ等しく、長さ
がスポット径のおよそ5.5倍の光強度分布をつくること
ができる。図28（ａ）（ｂ）に示した光強度分布は、偏
光方向が互いに直交するので、干渉することがない。し
たがって、隣接する集光スポット間の位相差の影響を受
けることがないので、ほぼ均一な光強度分布が得られ
る。

均一な幅と深さの溝を形成するには、ITO膜上での光
強度分布を均一にする必要がある。ITO膜上での光強度
分布の均一性は、位相格子とビームの相対的な大きさか
ら決まる。本実施例では、位相格子へ入射するビーム径
を格子周期の長さのほぼ２倍に等しくし、エクスパンダ
コリメータを用いてビーム径を調節することにより、ス
ポットの並びの複素振幅分布の形状を最適化した。ビー
ム径を12mm（l/e²）とすると、位相格子の周期ｐは、ｐ
＝6.5mmとなる。

集光スポットのずらし量Δｓと偏光分離素子が与える
分離角度θの間には、つぎの関係がある。

Δｓ＝ｆ・θ ‥‥（10） これから、スポット径の半分だけスポットの並びをス
テージ移動方向へずらすには、Δｓ＝w/2から、ｗ＝10
μｍ、ｆ＝100mmとすると、θ＝50μradとなる。

偏光分離素子のくさびの角度をφ、偏向に要する屈折
率差を Δｎとすると、 φ・Δｎ≒θ ‥‥（11） であるから、φ＝50mradとするとΔｎ≒0.001となる。
Δｎとしては、十分に実現できる値である。

本実施例では、ピークパワー5.3KWのビーム１本を偏
光分離素子で２本に分岐して、それぞれの偏光成分か
ら、位相格子7102により５本の回折ビームを得た。そし
て、集光レンズ1110により、合計10本の回折ビームを光
学的にフーリエ変換し、ITO膜の表面に、幅18μｍで長
さ99μｍの集光強度分布を形成した。この集光強度分布
により、幅10μｍ、長さ91μｍにわたり、ITO膜を除去
することができた。

本実施例では、50μsecのパルス間欠的時間にステー
ジを45μｍだけ移動させた。こうして、図27に示すよう
に、幅10μｍの溝を間欠部分なく、ITO膜の表面に加工
することができた。この時の加工速度は、ステージの移
動速度に等しく、毎秒900mmである。

本実施例では５分岐用の位相格子を用いたが、ステー
ジ制御系からの要求に合わせて、分岐数を増減すること
は可能である。

加工物の閾値特性、使用するレーザ発振器の出力及
び台数、ステージ制御系への負荷を考慮してビーム径
と位相格子の大きさを決めることにより、集光スポット
の並びの複素振幅分布を最適化して均一な加工溝を得る
ことができる。

（実施例８） 本実施例のレーザ加工装置の構成を図29に示す。実施
例１に対する構成上の相違は、複数の開溝を同時に形成
する代わりに、ステージ移動方向に長い棒状の集光強度
分布をつくり、ステージ移動速度を速くすることにより
加工速度を高める点にある。

レーザ発振機1101a、1101bはＱスイッチYAGレーザで
あり、直線偏光のTEM₀₀モードを出射する。レーザ発振
器内のブリュースター偏光素子の姿勢を違えて、あるい
は、発振器の外に波長板を配置して、それぞれの発振器
から出射されるビームが互いに直交する直線偏光となる
ようにする。２本のビーム1104aと1104bは、エクスパン
ダコリメータ1105aと1105bで拡大される。この後で、偏
光合成素子1107により合成され、先のふたつのビームは
共通の光路を進む。波長板8101を用いて、ビームの偏光
方位を、偏光分離素子8102の進相軸（あるいは遅相軸）
の方位に対して45゜に定める。こうすることにより、偏
光分離素子8102へ入射したビームは、等しく振幅分割さ
れる。分割されたそれぞれの成分は、偏光分離素子8104
へ入射する。

本実施例で用いた偏向分離素子の構造は、基本的に
は、先に図25に示したものと同じである。位相格子が形
成されていて、裏面にはウエッジが形成されている。位
相格子は２つの領域を有し、一方の領域は偏光分離され
た半分の振幅成分を、もう一方の領域は残りの半分の振
幅成分を受ける。ふたつの領域に形成した位相格子はど
ちらも、実施例１に示した位相格子４のデータから作製
した位相格子である。

偏向分離素子8103の裏面に形成されたウエッジによ
り、位相格子を透過した２つの振幅成分の間には所定の
角度が与えられるので、半分の振幅成分から得た８本の
ビームと、残りの半分の振幅成分から得た８本のビーム
に集光レンズ1110を作用させることにより、ITO膜の表
面に、スポット間隔の半分だけ互いにずれたスポット列
を、ステージ移動方向と平行な同一直線上に形成する。

図31に、集光スポットが照射されるITO膜の表面にお
ける照射強度分布を示す。図31（ａ）は、一方の偏光成
分がつくる光強度分布、図31（ｂ）は、もう一方の偏光
成分がつくる光強度分布である。それぞれの光強度分布
は互いに、スポット間隔の半分だけ位置がずれている。
これらの照射強度分布を足し合わせると、図31（ｃ）の
ようになる。すなわち、幅がスポット径にほぼ等しく、
長さがスポット径のおよそ8.5倍の光強度分布をつくる
ことができる。図31（ａ）（ｂ）に示した光強度分布
は、偏光方向が互いに直交するので、干渉することがで
きない。したがって、隣接する集光スポット間の位相差
の影響を受けることがないので、ほぼ均一な光強度分布
が得られる。なお、図29の構成には、ビーム1113を楕円
偏光化するための波長板は使用しない。

均一な幅と深さの溝を形成するには、ITO膜上での光
強度分布を均一にする必要がある。ITO膜上での光強度
分布の均一性は、位相格子とビームの相対的な大きさか
ら決まる。本実施例では、位相格子へ入射するビーム径
を格子周期の長さと等しくし、エクスパンダコリメータ
を用いてビーム径を調節することにより、スポットの並
びの複素振幅分布の形状を最適化した。ビーム径を12mm
（l/e²）とすると、位相格子の周期ｐは、ｐ＝12mmとな
る。

集光スポットのずらし量Δｓと偏光分離素子が与える
分離角度θの間には、つぎの関係がある。

Δｓ＝ｆ・θ ‥‥（12） これから、スポット径の半分だけスポットの並びをス
テージ移動方向へずらすには、Δｓ＝w/2から、ｗ＝10
μｍ、ｆ＝100mmとすると、θ＝50μradとなる。

偏光分離素子のくさびの角度をφ、偏向に要する屈折
率を Δｎとすると、 φ・Δｎ≒θ ‥‥（13） であるから、φ＝50mradとするとΔｎ≒0.001となる。
Δｎとしては、十分に実現できる値である。

本実施例では、ピークパワー5.3KWのビーム１本を偏
向分離素子で２本に分岐して、それぞれの振幅成分か
ら、位相格子8104で８本の回折ビームを得た。そして、
集光レンズにより、合計16本の回折ビームを光学的にフ
ーリエ変換し、ITO膜の表面に、幅18μｍで長さ153μｍ
の集光強度分布を形成した。この集光強度分布により、
幅10μｍ、長さ145μｍにわたり、ITO膜を除去すること
ができた。

本実施例では、50μsecのパルス間欠時間にステージ
を70μｍだけ移動させた。こうして、図31に示すよう
に、幅10μｍの溝を間欠部分なく、ITO膜の表面に加工
することができた。この時の加工速度は、ステージの移
動速度に等しく、毎秒1400mmである。

本実施例では８分岐用の位相格子を用いたが、ステー
ジ制御系からの要求に合わせて、分岐数を増減すること
は可能である。被加工物の閾値特性、使用するレー
ザ発振器の出力及び台数、ステージ制御系への負荷を
考慮してビーム径と位相格子の大きさを決めることによ
り、集光スポットの並びの複素振幅分布を最適化して均
一な加工溝を得ることができる。

（実施例９） 本発明のレーザ加工装置の構成を図32に示す。実施例
１ないし８に対する構成上の相違は、レーザ発振器を１
台だけ備えている点にある。

レーザ発振機9101はＱスイッチYAGレーザであり、直
線偏光のTEM₀₀モードを出射する。レーザ発振器のＱス
イッチ周波数は、Ｑスイッチドライバ9102により制御さ
れる。エクスパンダコリメータ9104により、発振器から
出射されるビーム9103を拡大する。波長板9106によりビ
ームの偏光を楕円偏光にした後に、位相格子9107へ入射
させる。位相格子9107は、１本の入射ビームを32本の回
折ビームに分岐する作用を有する。位相格子9107から出
射された32本のビームは、集光レンズ9108を介して、精
密ステージ9110の上に保持されたITO膜9109の表面に、3
2個の集光スポット9111を所定の間隔で形成する。そし
て、精密ステージ9110を移動することにより、直線状あ
るいは曲線状にITO膜を切断する。図中、9105は光路折
り曲げミラーである。

波長板を用いてビームを楕円偏光にすることにより、
ITO膜が有する異方性、不均一性や、ITO膜上の付着物に
左右されることなく、均一な幅と深さでITO膜を切断で
きるので、所要の加工品質を恒常的に維持することが可
能となる。

使用したレーザ発振器はQuantronix社製のランプ励起
型ＱスイッチYAGレーザであり、発振波長532nm、定格平
均出力8Wである。加工条件とガラス基板への損傷につい
て調べるために、位相格子を使用せずに、Ｑスイッチ周
波数を変えて１本の開溝を加工する実験を繰り返した。
その結果、Ｑスイッチ周波数を10KHz以下に設定すれ
ば、ITO膜及び下地のガラス基板にダメージを与えるこ
となく、開溝を形成できることが判明した。また、加工
できるかどうかは、Ｑスイッチ周波数に依らずに、ピー
クパワーの大小から決まることが判明した。

図５（ａ）（ｂ）に、それぞれ、Ｑスイッチ周波数が
10KHzと30KHzの時のレーザ出力と時間の関係を示した。
加工時のピークパワーを150Wとすると、Ｑスイッチ周波
数が10KHzの時のパルス幅とパルスエネルギーは、それ
ぞれ、150nsec、23μＪである。他方、Ｑスイッチ周波
数が30KHzの時のパルス幅とパルスエネルギーは、それ
ぞれ、300nsec、45μＪである。これらのレーザ発振条
件でガラス基板上のITO膜を加工すると、Ｑスイッチ周
波数が10KHzの条件では損傷は生じなかったが、30KHzの
条件では溝周縁部ならびにガラス基板表面に微細な損傷
が発生した。30KHzの時に損傷が発生した理由は、パル
ス幅が広がり、過剰のエネルギーが投入されたからであ
る。すなわち、ピークパワーが加工閾値に達している場
合でも、Ｑスイッチ周波数から決まるパルス幅が許容値
以上に広がっていると、加工時の損傷が避けられないの
である。このような場合には、損傷を避けることを目的
に、パルスエネルギーを小さくすることは効果がない。
なぜならば、ピークパワーが加工閾値を超えなくなり、
加工できなくなるからである。

以上の結果をふまえ、ビームの分岐数及び加工速度に
配慮して、レーザ発振器のＱスイッチ周波数を10KHz、
定格平均出力を8Wに定めた。この時のパルス幅は150nse
c、ピークパワーは定格出力時の5.3KWである。図33は、
本実施例におけるレーザ出力と時間の関係を示す図であ
る。

厚み1500ÅのITO膜に１本の開溝を形成するには、110
W以上のピークパワーを要する。そこで、先に述べた位
相格子1109を使い、ピークパワー5.3KWのビームを32本
のビームに分岐することにした。そして、集光レンズ32
本のビームを光学的にフーリエ変換して、ITO膜の表面
に間隔が200μｍの32個の集光スポットを照射した。こ
の時の集光スポット径は18μｍであり、ITO膜上に形成
された加工痕の径は10μｍである。こうして、１発のパ
ルスにより、直径10μｍの加工痕を32個同時に形成する
ことができるのである。集光スポット径と加工径の関係
を図６に示した。ITO膜が有する閾値特性のために、集
光スポット径よりも小さい加工痕が得られる点に注目さ
れたい。

次のパルスが発振するまでの100μsecの間欠時間に、
精密ステージを使い、加工痕の直径の半分に相当する５
μｍに等しい距離だけ基板を移動させる。こうして２台
の発振器からのパルスビームで、交互に、直径10μｍの
加工痕を32個同時に形成することを続けると、図34に示
すように、間隔200μｍ、幅10μｍの溝を間欠部分なく
加工することができた。この間のステージの移動速度は
毎秒50mmであり、常に一定である。同時に32本の溝を加
工することにより、毎秒1600mmの加工速度を達成したこ
とになる。

32個の集光スポットの並び方向をステージ移動方向に
対して傾けることにより、スポットの間隔すなわち加工
溝の間隔を自由に調節することもできる。スポットの並
び方向を傾けるには、回転ステージを使い、位相格子を
その面内で回転させればよい。このような時節機構を備
えることにより、液晶パネルの仕様に合わせて、高精度
に電極パターニングを行うことが可能になり、さらに、
電極間隔が異なる液晶パネルの試作へも容易に対応でき
る。したがって、商品開発のリードタイムを大幅に短縮
できることになる。

本実施例の加工装置ならびに加工方法によれば、ITO
膜を10μｍ以下の切断幅でパターニングすることができ
る。このことにより、液晶パネルの表示品質を支配する
主要因であるところの開口率ならびにコントラスト比が
大きく向上する。他方、従来のフォトリソグラフィによ
る電極加工で得られる電極ギャップは30μｍであり、液
晶パネルの開口率ならびにコントラスト比を低下させる
大きな原因となっていた。

本実施例では、ランプ励起型ＱスイッチYAGレーザを
用いたが、半導体レーザ励起型ＱスイッチYAGレーザを
用いてもよい。また、YAGレーザの代わりにYLFレーザを
使用した場合でも、同等の効果が得られる。さらに、固
体レーザに限らずに、パルス発振が可能な気体レーザを
用いることもできる。また、加工に適したＱスイッチ周
波数はレーザ発振器の特性に依存し、本実施例において
引用した10KHzに限るものではない。使用するレーザ発
振器の特性ならびに被加工物の特性に合わせて、最適な
Ｑスイッチ周波数を決定しなければならない。

上記の実施例では、間隔200μｍ、幅10μｍの溝加工
について発明の効果を説明したが、これらの条件が異な
る溝加工についても、位相格子の周期を変えることに
より、あるいは、集光レンズの焦点距離を変えること
により、容易に対応することができる。ビーム分岐数
も、32本に限るものではなく、レーザ加工装置の仕様に
合わせて決定すればよい。例えば、表２あるいは表４の
データを使い、16分岐用の位相格子を作製して用いるこ
ともできる。被加工物の物性、使用するレーザ発振
器の出力及び台数を考慮し、加工能力の観点から最適な
分岐数を定め、所要の位相格子を設計、製作することに
より、多くの加工用途へ容易に対応することができる。

（実施例10） 実施例１ないし９の加工装置により加工されたITO膜
基板上に配向膜を形成し、この配向膜に対して所要の配
向処理（例えば、ラビング処理）を加える。配向処理を
終えた、電極パターンが直交する２枚のITO膜基板の間
に液晶を封入し、液晶パネルを組み立てる。組み上げた
液晶パネルに駆動回路を実装するには、図35に示すよう
に、３つの方法がある。なお、以下の説明で用いるTAB
なる語は、Tape Automated Bondingの略称であり、一般
には、駆動回路をテープ上に形成することを意味する。
ここでは、駆動回路が形成されたテープという意味で、
TABテープなる語を用いる。

（１）TABテープをパネルの片側だけに実装する方法 TABテープ10102における配線間隔は、液晶パネルの画
素電極10101の間隔に等しい。この実装方法によれば、
液晶パネルとTABテープをつなぐ中間領域（例えば、図3
6において開溝が傾斜している領域）が不要になり、液
晶パネルの上下の一方ならびに左右の一方だけにTABテ
ープを配置すれば足りるので、液晶パネルの収納スペー
スを大幅に節約できる。液晶パネルの収納スペースを節
約することにより、表示装置を小さくかつ軽くできる、
多彩なオプション機能を付加できる、といった効果が生
まれる（図35（ａ）参照） （２）TABテープをパネルの両側に千鳥状に実装する方
法 TABテープには熱収縮があるので、液晶パネルの一辺
の長さにわたり、TABテープの配線間隔の精度を確保す
ることが難しい場合がある。この点に、上記（１）の実
装方法の技術的困難さがある。そこで、適当な長さのTA
Bテープ10202を複数用意して、液晶パネルの上下及び左
右に千鳥状に配置することにより、TABテープの配線精
度を確保することができる。このような実装方法でも、
画素電極10201とTABテープ10202をつなぐ中間領域が不
要になるので、液晶パネルの収納スペースを節約する効
果は大きい。（図35（ｂ）参照） （３）TABテープを中間領域を介して実装する方法 例えばガルバノミラーを使い、ステージ移動方向と直
交する方向にビームをふることにより、図36に示すよう
な電極パターンを形成する。このような電極パターンを
中間領域10303として設けて、画素電極10301とTABテー
プ10302を接続する。この方法は、液晶パネルの収納ス
ペースを節約する効果は小さいが、従来の実装部品をそ
のまま使用できるので、上記（１）（２）の方法に比べ
て、実装コストを低く抑える効果は格段に大きい。（図
35（ｃ）参照） 実施例１ないし９の加工装置により加工された、単純
マトリクス駆動型液晶パネルのストライプ電極の平面図
を図37（ａ）に示した。電極ピッチは200μｍ、電極ギ
ャップは10μｍである。図中、11101は上側基板の電極
ギャップであり、11102は下側基板の電極ギャップであ
る。上側と下側の区別は、液晶パネルの前に立った視認
者から見た時に、手前が上側、奥が下側というふうに定
めた。

他方、従来のやり方にしたがい、フォトマスク露光に
よりパターニングされたストライプ電極の拡大図を図37
（ｂ）に示す。図中、11201は上側基板の電極ギャップ
であり、11202は下側基板の電極ギャップである。電極
ピッチは200μｍ、電極ギャップは30μｍである。

液晶パネルの表示品質を決定する主たる要因は、電極
開口率と、コントラスト比である。電極開口率とは、光
の透過率（あるいは反射率）を制御することが可能な有
効電極面積のことである。電極開口率を次式により定義
する。

α＝（Ｐ−ｇ）²/P²＝（１−g/P）^２ ‥‥（14） ただし、Ｐは電極ピッチ、ｇは電極ギャップである。
当然、α＜１である。

他方、コントラスト比とは、光の透過率（あるいは反
射率）の最大値と最小値の比のことであり、次式により
定義できる。

Ｃ＝χ・P²/［P²−（Ｐ−ｇ）^２］＝χ／（１−α） ‥‥（15） ただし、χは、主に、液晶の配向条件、液晶層の厚
さ、駆動条件から決まる変数である。式（14）と式（1
5）から、電極開口率とコントラスト比の間には、大き
な相関があることが理解できる。

式（14）と式（15）を使い、図37に示した２種類の液
晶パネルの電極開口率とコントラスト比を計算した。本
発明の液晶パネルについては、電極開口率0.90、コント
ラスト比20を得た。他方、従来の液晶パネルでは、電極
開口率0.72、コントラスト比3.6を得た。これらの計算
値に対して、実測値は、本発明の液晶パネルが、電極開
口率0.90、コントラスト比45であり、従来の液晶パネル
が、電極開口率0.70、コントラスト比30であった。

本発明のレーザ加工装置及び加工方法を用いて液晶パ
ネルの電極パターニングを行うことにより、電極ギャッ
プを従来の３分の１以下（10μｍ以下）狭め、電極開口
率を1.3倍に、コントラスト比を1.5倍にできた。この結
果、本発明の液晶パネルの視認性は、従来の液晶パネル
と比べて、格段に向上した。

産業上の利用可能性 以上のように、本発明のレーザ加工装置は、微細切断
加工や微細穴開け加工へ幅広く利用できる。本発明のレ
ーザ加工方法は、とくに、液晶パネルの電極パターニン
グに適している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平5−186442 (32)優先日 平成５年７月28日(1993．7．28) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平5−240090 (32)優先日 平成５年９月27日(1993．9．27) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平6−4244 (32)優先日 平成６年１月19日(1994．1．19) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 曽根原 富雄 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コーエプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−254392（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−266492（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−249693（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−89192（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−276288（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−207484（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−159183（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−105781（ＪＰ，Ａ) 特公 平１−51802（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 B23K 26/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出
   射されるビームを複数に分岐する位相格子と、分岐され
   た複数のビームを集光し被加工物に照射する集光レンズ
   と、を有するレーザ加工装置において、 前記位相格子が前記ビームの光路と交差する面内で回転
   する機構を備えてなることを特徴とするレーザ加工装
   置。
2. 【請求項２】レーザ発振器から出射されるビームを位相
   格子に入射させ、前記位相格子により前記ビームを複数
   に分岐し、分岐された複数のビームを集光レンズにより
   被加工物に照射して被加工物を加工するレーザ加工方法
   において、 前記位相格子を前記ビームの光路と交差する面内で回転
   させることを特徴とするレーザ加工方法。