JP3633622B2 - レーザエッチング方法 - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は、レーザビームがを利用して、電極材料のパターン化したフイルムを基板に設ける方法に関するものである。
本発明は、このようにして電極材料のパターン化されたフイルムを設けた基板にも関するものである。
本発明は更に、こうした基板を具えている表示装置に関するものである。
（従来技術）
多くの近代的装置は導電材料の複雑にパターン化したフイルムを設けた基板を組み込んでいる。例えば、液晶表示、エレクトロルミネセンス表示及びソーラーパネルのような装置は、電極回路網として働く透明な導電材料を正確にパターン化したフイルムを設けた透明な基板を一般に使用している。そのようなフイルムは往々にしてエッチング技術を用いて設けられ、そのために一様なフイルムを所定の基板上に最初に設けて、それから所望のパターンに従ってエッチング除去する。こうしたエッチング処理の性質は（例えば、酸混合液を使用する）化学的な、（例えばレーザー放射線を用いる）物理的な、あるいは（レーザー誘起の化学的エッチングによるような）双方の組み合わせであってもよい。
第２段落に説明したようなパターン化した基板被覆と共に、冒頭部分に記載した方法は、Appl.Phys.Lett.59（６）,pp647−649（1991）に記載のLunney他による論文に論じられている。この開示された方法では、導電性の弗素ドーピングした酸化錫（厚さ430nm）と酸化インジウム錫（厚さ150nm）とのフイルムを別のガラス基板上に直接堆積させて、それからエキシマレーザ（波長248nm、パルス長23ns）を用いて選択的にエッチング除去する。使用するレーザビームは酸化フイルムの沸点（2000℃のオーダー）より上の温度までその酸化フイルムを迅速に（部分的に）加熱するために用いられ、それに基づく結果としてフイルムが部分的に蒸発して基板表面から除去される。
しかしながら、この既知の方法は多くの付随する欠点を伴い、それらのうちの幾つかは次のように要約できる。すなわち
（１）電極フイルムをこれほど高い温度（2000℃のオーダー）まで加熱しなければならないので、比較的高いレーザ流束量が必要であり、通常の値は１〜3Jcm^-2のオーダーである。実際には、これが非常に強力なレーザの使用かまたは鋭く集束したビームを有する比較的低出力レーザかのいずれかを必要とする。比較的一般的な後者の例では、ビーム径の制約により、レーザビームの単一路内で照射され得る各フイルム部分の幅に上限が生じる。このため電極材料の大きい範囲のエッチングは、集束したレーザによる時間を消費する走査手順を必要とする。
（２）凝縮した電極材料蒸気が、基板のエッチング範囲に再堆積することが、通常且つ重大な問題である。気化した材料が冷却される機会を得て基板に再付着する前に、気化した材料を除去する目的の方策は、複雑で、高価であり、且つ完全には有効でない。例えば、気化した材料を基板の付近以外へ迅速に吹き飛ばすための超音速ガス流の適用でさえも電極材料の再堆積を充分に防止できない。このため、そのような再堆積した材料は補足的なエッチング工程で除去しなければならず、それは時間消費のみならず基板表面への損傷をも生じ得る。
（３）既知のレーザエッチング処理は一般に化学的エッチング処理よりも細かいパターン精度を提供するけれども、種々のパターンの端及び壁の相当な残留粗さがそれでもやはりある。これが既知の方法により達成できる繊細な分解能レベルに規定限界を生じさせる。
本発明の目的は、比較的低いレーザ流束量の満足な使用を可能にするレーザエッチング方法を提供することにある。本発明の他の目的は、そのような方法が、エッチング残骸の再堆積に伴う危険を比較的少ししか受けないようにすることにある。更にその上、本発明はそのような方法により比較的高いエッチング精度の達成を目的とする。
（発明の開示）
これらの及びその他の目的は、少なくとも補助材料の層とその上にある前記電極材料の層とを基板の表面に設けることにより積層を作製し、この補助材料は前記レーザビームでの加熱によって分解可能であり、その後に前記積層を、所望のパターンに従って局所的にレーザビームで照射して、前記補助材料が少なくともその分解温度まで加熱されるようにして、その結果として、前記上にある電極材料を局所的に除去することを特徴とする、冒頭部分に記載した方法によって達成される。
ここで用いている「分解」という用語は、例えば爆発性物質の化学的分解、高蒸気圧を有する物質の急速な沸騰又は昇華、高温燃焼ガスの高速放射、化学的又は物理的反応で発生した生成ガスの急速な温度膨張、等のような、短い時間尺度における比較的多量のエネルギー放出を生じることのすべて、及び突発的な熱励起（レーザビーム）により誘発可能なことのすべてを称するように広義に解釈すべきものである。
補助材料のそのような分解は前記の積層を選択したレーザビームにより照射することにより生じる。基板及び電極材料の選択に依存して、且つ使用されるレーザの流束量に依存して、前記の積層のそのような照射は基板を介してか又は電極材料の層を介してかのいずれかで生じ得る。レーザと補助材料との間の全部の材料が、使用するレーザ波長に対して透明である場合には、補助材料は放射レーザエネルギーにより直接加熱される。しかしながらレーザと補助材料との間の材料のうちの少なくとも一つが、使用するレーザ波長に対して不透明である場合には、補助材料は伝導される熱エネルギーにより間接的に加熱される。
本発明において、電極材料が下にある面から除去されるメカニズムは、かくして上述の現在技術水準で使用される既知の機構と基本的に異なっている。既知の方法におけるような、基板面から直接に気化させるよりもむしろ、その下にある材料のレーザ誘発分解の結果として、電極材料が下にある補助材料から強力に除去される。選択した補助材料が分解する温度は所定の電極材料の沸点よりもずっと低くてもよいので、本発明の方法は、補助材料の熱容量が電極材料の熱容量より小さいか又はほぼ同じオーダーである場合には、既知の方法の場合に必要であるよりも非常に大幅に低いレーザ流束量により十分満足に且つ有利に実行され得る。
本発明の方法の多くの評価試験において、下にある補助層から除去された電極材料が非常に細かく粉砕されることが繰り返し観察された。除去された電極材料の粒子は実際には（煙の粒子と類似して）エッチングされた表面上の雰囲気に浮遊したままである傾向にあるほど小さかった。その結果、エッチングした電極材料の再堆積は観察されず、且つ浮遊した粉砕された材料は通常の（亜音速）ガス流を用いて基板の付近の外へ容易に吹き飛ばされ得る。
補助材料の分解に伴われる相当なエネルギーにもかかわらず、本発明の方法により得られるトポロジー的且つ幾何学的エッチング精度は実際に非常に繊細であり、且つ上述した現在技術水準による方法により通常得ることができるエッチング精度に対して大幅な改善を現すことは、本発明の方法の驚くべき局面である。
本発明の方法は比較的低いレーザ流束量を要するので、比較的大きいパターンの急速なエッチングに特に適している。もちろんそのようなパターンは前記の積層上の予め選択した経路に沿って集束したレーザスポットを走査することにより簡単にエッチングされ得るが、しかしそのような過程は比較的大きいフイルム範囲に対しては非常な時間を消費する。ずっと速い代わりの方法は、予めパターン化した型板を通して、拡幅したレーザビームを全積層（の大きい範囲）上に投射して集束させ、これにより、分解しなれければならない補助材料の全部の領域を同時に加熱する。この方法で所定のレーザビームを拡幅することは焦平面内に分与されるレーザ流束量を低減するが、この低減は、本発明の方法が必要とするレーザ流束量が本質的に低いことによって補償される。そのような広投影過程の場合におけるエッチング精度の質に悪く影響する回折効果が予期されるけれども、この方法でエッチングしたパターンの尖鋭度はそれでもやはり十分満足できることが実験により示された。
本発明による方法の特に有利な好適例は、有機重合体（ポリマー）を補助材料として選択することを特徴とする。多くの有機重合体は比較的低温（250℃のオーダー）で分解し、従って本発明の方法における低いレーザ流束量の使用を可能にする。その上、有機重合体は一般に比較的低い熱伝導率を有するので、補助層内の熱エネルギーの不所望な横方向伝達がこれにより妨げられる。それに加えて、一般に有機重合体はスピンコーティングのような技術により、ごく普通の基板材料上に容易に堆積する。有機重合体の別の利点はその低導電率であり、これが、上にあるパターン化した電極層の所望の電気的特性を妨害しないことを保証する。
本発明による方法の好適例は、選択した補助材料がポリアクリル酸エステル（ポリアクリラート）であることを特徴とする。ポリアクリル酸エステルは一般に、200〜250℃の範囲の温度で、強いガス放射を伴って化学的に分解される。これに加えて、この群の化合物は比較的安価で且つ広く入手できる。
本発明の方法の満足な使用に適した典型的な電極材料は、金属と金属酸化物との双方を含む。これらの材料の満足な熱伝導度は、分解を促進することが必要である補助材料の下にある層を通る放射されたレーザエネルギーの効率のよい伝達を促進する。その上、これらの材料のフイルムは、例えば、（金属を堆積する場合）真空において、あるいは（金属酸化物を堆積する場合）酸素環境においてのいずれかで管理される、スパッタ堆積、真空メッキ及びレーザ融蝕（アブレーション）堆積のような技術を用いて容易に堆積され得る。これに加えて、光学的に透明な金属酸化物は液晶表示（LCD）装置のような電子光学装置における電極応用に適している。
本発明の方法における電極材料としての応用に適している特に有利な金属酸化物は、酸化インジウム、酸化錫、及びそれらの混合物を含む。この範疇に属する特定材料は酸化インジウム錫（ITO）、In₂O₃/SnO₂である。本発明の方法に関連する比較的低いエッチング温度（低レーザ流束量）では、「端部溶融」及び他の熱変形が大幅に限定されるので、これらの材料の比較的高い融点（1000℃のオーダー）と沸点（2000℃のオーダー）とは、本発明の方法を用いてこれらの材料を高精度でエッチング可能であることの、一部の要因に過ぎない。その上、これらの材料は比較的低い電気抵抗と、高い光学的透明度と、良好な接着特性と、変色に対する高い耐性とを有し、且つ電気接点に容易にはんだ付けでき、それにより特に表示装置における、電極応用の広い範囲にそれらを適するようにする。
本発明の方法で用いるのに適する典型的な基板材料は、ソーダ石灰ガラスと、硼珪酸ガラス及び石英を含む。これらの材料は比較的高い融点（1000℃のオーダー）を有するので、それらは迷走熱エネルギーにより容易に損傷されない。ここでも、これらの材料の光学的透明度により、これらの材料は表示装置に適している。
種々のレーザが本発明の方法の応用に適することが見出された。選択した波長及び出力と共に、使用する特定のレーザは、電極、補助及び基板材料、種々の層の厚さ、所望の電極パターンの大きさ、及び必要なエッチング速度の選択によって決まる。通常適切なレーザは、193、248及び308nmの各波長を有するArF、KrFおよびXeClエキシマレーザを含む。
ここまでに説明した積層においては、本発明の方法の好結果の実施を妨げることなく、すでに論じた以外の材料の付加的な層を使用することももちろん可能である。そのような付加的な層が多くの装置向けの機能を満たし得て、且つ例えば、カラーフィルタ層、スペーサ層、補強層、保護層、その他を含んでもよい。それらは、例えば、
（１）補助材料から離れた基板の側に、
（２）基板と補助材料との間に、
（３）補助材料と電極材料との間に、
（４）基板から離れた電極材料の側に、
置いてもよい。電極層を介して補助層を加熱する場合には、上記の（３）及び（４）の場合における付加的な層は、できれば使用するレーザ波長に対してほぼ透明であるべきで、且つなるべく補助材料の分解温度より充分上の融点を有するべきである。これに反して、基板を介して補助層を加熱する場合には、上記の（１）及び（２）の場合について同じ考え方が当てはまる。
もちろん、いままでに既に説明した本発明の方法の構成する処理工程に加えて、種々の補足的処理工程を設定することも可能である。そのような補足的処理工程は、例えば、基板上に補助材料を設ける前、補助材料を設けてから電極材料を設けるまでの間、あるいはレーザビームによって積層を照射する前、照射する間、及び照射後に生じ得るものであり、且つ例えば、清掃、研磨又はマーク過程、加熱処理あるいは種々の化学的処理を含んでもよい。
本発明による方法は、単一基板に積層した多数のパターン化した電極フイルムを順次設けるために用いることもできる。これまでに記載したように単一のパターン化したフイルムを設けた後に続いて、そのフイルムを電気絶縁材料の被覆層によって被覆して、この被覆層が、次に設けるべきパターン化したフイルム用の基板として働く。このような被覆層は、当業者に周知の標準技術を用いて堆積し、更に処理することができる。
なお、これまでに説明した基板と種々の層の厚さは、本発明の方法の良好な実施のために一様である必要はない。装置の要求及び仕様に依存して、基板と種々の層とは、例えば、斜角を付け、中空にし、又はさもなければ輪郭を付けてもよい。その際に使用するレーザ流束量は、発生するあらゆる厚さ変動に対する許容値を勘案すべく選択することができる。例えば、その流束量を連続的に調整して、パターン内の全位置において、前記補助材料の所定の固定値の厚さで分解が生じるようにしてもよく、あるいはその流束量を、（累積的な）層厚さが最大である点で満足なエッチングを可能にするのに充分な値に固定して維持してもよい。
層が平らで且つ一様な厚さである場合でさえも、所望すれば、補助材料の深さ全体を通して分解されないが、（電極層を介しての照射の場合に）補助材料の上にある電極材料にじかに隣接する限られた厚さの層のみが分解されるように流束量を選択することができる。その際に、補助材料の非エッチング部分である、分解されていない表層部が、基板とパターン化した電極層との間に残る。
本発明とそれに伴う利点とを、図面を参照した好適実施例によって更に説明する。これらの図面は一定寸法比で描いたものではない。
（発明を実施するための最良の形態）
実施例１
図１は本発明による方法を用いて電極のパターン化したフイルムを設けるべき基板１を示しており、この方法の種々の段階を、図２〜６に表わす。種々の図中の同じ部分は同じ参照符号により示されている。
図１は電極材料のパターン化されたフイルムを設けるべき滑らかな、清潔な表面1aを有する透明な硼珪酸ガラス基板１の一部を表わしている。
図２においては、表面1aが約150nmの厚さを有する、透明なポリアクリル酸エステル補助材料の層３でスピンコートされている。
図３においては、酸化インジウム錫（ITO）電極材料のほぼ一様なフイルム５が補助層３上に蒸着されている。このフイルム５の層は約135nmの厚さである。図４は集束したレーザビーム７によって、（少なくとも）補助層３を、フイルム５の電極層を介して局所照射することを表わす。当てるレーザは、193nmの波長と約20nsのパルス長を有するアルゴン弗素（ArF）エキシマレーザである。使用する流束量は0.2〜0.3Jcm^-2の範囲内にある。
レーザビーム７は補助層３の限定された領域９を、この補助層を構成するポリアクリル酸エステル材料の分解温度（約250℃）以上の温度まで急速に加熱する。その結果、加熱された限定領域９内のポリアクリル酸エステルが分解して、図５に表わすように、すぐ上にある領域11内の電極材料の機械的分離と強力な除去が生じるように充分な量のガスと蒸気とを放出する。
この分解過程は、領域11から除去される電極材料が細かく粉砕されるほどのエネルギである。残骸粒子13はそれらが基板上の雰囲気に浮遊したままになる傾向にあるほど細かく、且つそれ故に容易に吹き飛ばされ得る。その結果、表面1aの新しく露出した領域上のエッチングした電極材料の不所望の再堆積が無い。
図６はいままでに説明したような単一レーザパルスの露光の結果を示している。補助及び電極材料は加熱した領域から完全に除去されてしまって、鋭く規定された端部17を有する坑15を残す。
フイルム５の層の表面上の予め決められた通路に沿ってレーザビーム７を移動することにより、層3,5から溝部がエッチング除去される。その時電極層のフイルム５のエッチングされない範囲は、鋭く規定された電極、接続トラック、画素、その他として後に残る。
実施例２
図７は本発明の方法に従って製造され且つ表示装置における応用に適した半組立部品２の一部の斜視図を表わしている。
ソーダ石灰ガラス基板４が、透明なポリアクリル酸エステル補助材料６の400nm層と弗素ドーピングした酸化錫電極材料８の350nmフイルムとで順に被覆されている。電極層８を通して指向させた、波長248nmと0.3Jcm^-2のレーザ流束量を有するパルス化したクリプトン弗素（KrF）エキシマレーザを用いて、良好に規定された区域10が所望のパターンに従って、層6,8からエッチングされて、電極材料の絶縁部分12が後に残る。
使用するレーザ流束量は補助材料６の層の深さ全体を通してのエッチングを行うのに充分である。しかしながら、ポリアクリル酸エステル補助材料６の層は電気絶縁体であるから、基板４とエッチングした電極層８との間の除去されていないポリアクリル酸エステル部分は電気的短絡を生じない。
多数存在する電極部分12は、例えば液晶表示装置における画素の機能に役立ち得る。
実施例３（本発明によらない）
いままで説明してきた既知の現在技術水準の試験においては、補助材料の介在する層の存在無しに、ソーダ石灰ガラス基板を弗素ドープされた酸化錫の350nmフイルムで直接被覆していた。その後現在技術水準から既知の方法を用いて酸化層をエッチングして、このためにパルス化したKrFレーザ（波長248nm）を、所定のパターンに従って酸化電極層を局部的に蒸発させるために使用している。
酸化層の深さ全体を通しての完全な除去は2.4Jcm^-2のレーザ流束量を必要としていた。これはこれまでに実施例２において充分満足に使用しているレーザ流束量の８倍である。
実施例４
図８〜10は本発明による液晶表示装置の種々の態様を模型的に示している。これらの図面における同一部分は同一参照符号で示してある。
図８は本発明の方法を用いて電極材料のパターン化した層を設けたガラス基板31の斜視図である。このパターン化した層は４個の独立した、光学的に透明な電極33a、33b、33c及び33dの形を取り、それらはそれぞれの電気的接点35a、35b、35c及び35dが作製され得る、基板31の端と各電極とを接続する小さい突起部を除いて、形がほぼ四角形である。４個の電極の各々はポリアクリル酸エステル下層37と被覆するITO層39から構成される。
図９においては、図８に表わすような２個の基板を液晶表示装置91内に組み込んで、この液晶表示装置はここでは図８における線Ｘ〜X'に沿った断面図で示す。電極33a、33b、33c及び33d及び基板31が取り囲む表面は、ここでは、酸化珪素又は窒化珪素のような、光学的に透明な電気的絶縁材料の層51によって被覆されている。
図８の基板と全く同じであり、且つ本発明の同じ方法を用いて製造した電極43a、43b、43c及び43dと、それぞれの端部接点45a、45b、45c及び45dとを有する第２の基板41が、同様に光学的に透明な酸化珪素又は窒化珪素の層61で同様に被覆されている。
基板31、41は互いには正確に重なり、これにより、対応する電極どうしが、液晶材料の層71を間にはさんで互いに直接対向している。そして、ポラロイド（人造偏光板）材料の層81を、結果としてできる積層の一方側上に設ける。
図10はポラロイド層81を通して見た図９の液晶表示装置の平面図である。適正な電圧を接点35bと45bとの間に印加して、これにより電極33bと43bが重なっている面の間に介在する液晶材料を通して電界が生成される。この電界の結果として、この介在する液晶材料の偏光状態が、ポラロイド層81を通して見た場合に部分的に不透明になるように見え、すなわち、色が暗くなる（図10において影を付けた四角領域）ように変化する。接点35bと45bとの間の電圧を再び除去した場合には、この暗くなった領域が元の色を回復する。
同様に、他の電気的接点対（35a,45a）、（35c,45c）及び（35d,45d）の間に適正な電圧を印加することによって、ポラロイド材料層81を通して見れば、制御された局所的な不透明が、それぞれ電極対（33a,43a）、（33c,43c）及び（33d,43d）の重なった領域において生じる。このようにして液晶表示装置91を、パターン化された情報を表示するために用いることができる。
ここまでに記載した液晶表示装置91の最も通常の実施例は、数字の「８」の形に配設した２組の７個の電極を具えている。こうした７個のセグメント表示は、例えば、類似の方法で数字０〜９を表示するのに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による方法を用いて電極材料のパターン化したフイルムを設けるべき基板の一部の断面図である。
図２は、本発明の方法による第１処理工程の実施後の、図１に示す基板を表わす図である。
図３は、本発明の方法による第２処理工程の実施後の、図１に示す基板を表わす図である。
図４は、本発明の方法による種々のエッチング段階中の、図３の積層を示錫である。
図５は、本発明の方法による種々のエッチング段階中の、図３の積層を示錫である。
図６は、本発明の方法による種々のエッチング段階中の、図３の積層を示錫である。
図７は、本発明による方法を用いて電極材料のパターン化したフイルムを設けた基板の一部の斜視図である。
図８は、本発明の方法を用いてパターン化した電極層を設けた基板を具えた液晶表示装置の種々の態様を示す図である。
図９は、本発明の方法を用いてパターン化した電極層を設けた基板を具えた液晶表示装置の種々の態様を示す図である。
図10は、本発明の方法を用いてパターン化あいた電極層を設けた基板を具えた液晶表示装置の種々の態様を示す図である。

Claims (8)

1. レーザビームを利用して、電極材料のパターン化したフイルムを基板に設ける方法において、少なくとも補助材料の層と、その上にある前記電極材料の層とを基板の表面に設けることによって積層を作製し、前記補助材料は前記レーザビームでの加熱によって分解可能であり、その後に前記積層を、所望のパターンに従って前記レーザビームで局所的に照射して、前記補助材料が、少なくともその分解温度まで加熱されるようにして、その結果として、前記上にある電極材料を局所的に除去することを特徴とする電極材料のパターン化したフイルムを基板に設ける方法。
2. 前記補助材料として有機重合体を選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記選択する有機重合体がポリアクリラートであることを特徴とする請求項に２記載の方法。
4. 前記電極材料として金属酸化物を選択することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の方法。
5. 前記金属を、In、Sn、及びこれらの混合物から成る群から選択することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記基板の材料を、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、及び石英から成る群から選択することを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の方法。
7. 請求項１から６までのいずれかに記載の方法を用いて、電極材料のパターン化したフイルムを設けた基板。
8. 請求項７に記載の基板を具えている液晶表示装置。

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