JPH08512147A - レーザエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザビームを使用して電極材料のパターン化されたフイルムを基板に取り付ける方法であって、そのために少なくとも補助材料の層と前記電極材料の上にある層とを基板の表面に設けることにより積層が作られ、前記補助材料は前記レーザビームの助けによる加熱に際して分解でき、それに続いて、所望のパターンに従って、前記積層が補助材料を少なくともそれの分解温度まで加熱するようにレーザビームを局部的に照射され、その結果として局部的に上にある電極材料が分離を生じる。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザエッチング方法 本発明は、レーザビームが使用される電極材料のパターン化されたフイルムを 基板に取り付ける方法に関するものである。 本発明は、かくして電極材料のパターン化されたフイルムを取り付けられる基 板にも関係している。 本発明は更に、そのような基板を具えている表示装置に関するものである。 多くの近代的装置は導電材料の複雑にパターン化されたフイルムを設けられた 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の正確にパ ターン化されたフイルムを取り付けられ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エッチング技術を用いてしばしば設けられ、そのために一様 なフイルムが所定の基板上に最初に設けられ、それから所望のパターンに従って エッチングし去られる。そのような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（レーザー誘発される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段落に説明されたようなパターン化された基板被覆と一緒に、冒頭部分に 記載された方法は、Appl．Phys．Lett．59(6)，pp 647-649(1991)に掲載されたL unney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 ドープされた酸化錫（430nm厚さ）と酸化インジウム錫（150nm厚さ）とのフイル ムが別のガラス基板上に直接堆積されて、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し去られる。使用されるレーザビ ームは酸化フイルムの沸騰点（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気化し基板表面から分離される。 しかしながら、この既知の方法は多くの付随する欠点を有し、それらのうちの 幾つかを次のように要約できる。すなわち (1) 電極フイルムはそんなに高い温度（2000℃のオーダー）まで加熱されねばな らないので、比較的高いレーザ勢力が必要であり、典型的な値は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合焦 され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、制限されるビーム直径は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ある。電極材料の大きい範囲のエッチングは それ故に合焦され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) 基板のエッチングされた範囲への凝縮された電極材料蒸気の再堆積が普通で 且つ重大な問題である。気化された材料が冷却する機会を得て且つ基板へそれ自 身を再付着する前に、気化された材料を除去することをねらう手段は、複雑で、 高価であり、且つ完全には有効でない。例えば、基板の付近以外へ気化された材 料を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。そのような再堆積された材料はそれ故に補足的なエッチング 工程で除去されねばならず、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尖鋭なパ ターン規定を与えるけれども、種々のパターン縁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 限界を生じる。 比較的低いレーザ勢力の満足な使用を許容するレーザエッチング方法を提供す ることが本発明の目的である。そのような方法がエッチング残骸の再堆積の付随 する危険を、比較的少ししか受けないことが本発明の別の目的である。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規定の達成をねらって いる。 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前記電極材料の上に ある層とを基板の表面に設けることにより積層が作られ、その補助材料は前記レ ーザビームの助けにより加熱に際して分解でき、それに続いて、所望のパターン に従って、少なくとも補助材料の分解温度まで補助材料を加熱するように前記積 層がレーザビームを局所的に照射され、その結果として局部的に上にある電極材 料が分離されることを特徴とする、冒頭部分に記載されたような方法で達成され る。 ここで使用されるような「分解」なる語は、例えば、全部が短い時間尺度にお ける比較的多量のエネルギーの開放となり、且つ全部が突然の熱励起（レーザビ ーム）により誘起され得る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、その他のような過程に帰するように広く解釈されね ばならない。 補助材料のそのような分解は前記の積層を選択されたレーザビームにより照射 することにより招かれる。基板と電極材料との選択に依存して、且つ使用される レーザの勢力に依存して、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 材料が使用され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され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。 電極材料が本発明において下にある面から分離される機構は、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れるよりもむしろ、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代わりに強烈に分離 される。選択され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非常 に大幅に低くてもよいので、本発明の方法は、補助材料の比熱容量が電極材料の 比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勢力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。分離された電極材料 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、エッチングされた電極 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普通の（亞音速）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 より得られる地形学的且つ幾何学的エッチング規定は実際に非常に尖鋭であり、 且つ上述した現在技術水準による方法により典型的に得ることができるエッチン グ規定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レーザ勢力を要するので、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 の予め選択された経路に沿って合焦されたレーザスポットを走らせることにより 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 囲に対しては非常に時間消費的である。もっと非常に速い代わりの方法は、全積 層（の大きい範囲）上へ予めパターン化された型板を通して、広げられたレーザ ビームを投影し且つ合焦し、それにより、分解されな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広げることは焦 点面内に分与されるレーザ勢力を低減するが、この低減はそもそも本発明の方法 により必要にされる本質的な低レーザ勢力により補償される。そのような広投影 過程の場合におけるエッチング規定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されたパターンの尖鋭度はそれでもやはり高度に 満足できることを実験が示した。 本発明による方法の特に有利な実施例は、有機重合体（ポリマー）が補助材料 として選択されることを特徴としている。多くの有機重合体は比較的低温（250 ℃のオーダー）で分解し、それにより本発明の方法における対応して低いレーザ 勢力の使用を許容する。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の横方向伝達が、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 最も普通な基板材料上に容易に堆積される。有機重合体の別の利点はそれらの低 導電率であり、それが有機重合体が上にあるパターン化された電極層の計画され た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優先的な実施例は、選択され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している。ポリアクリル酸エ ステルは200〜250℃の範囲における温度で、強い付随ガス放射を有する化学的分 解を一般に受ける。それに加えて、この群の化合物は比較的安価で且つ広く入手 できる。 本発明の方法において満足な使用に適した典型的な電極材料は、金属と酸化金 属との双方を含んでいる。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へ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（酸化金属を堆積する場合）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堆積 のような技術を用いて容易に堆積され得る。それに加えて、光学的に透明な酸化 金属は液晶表示(LCD)装置のような電子光学装置での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酸化金属 は、酸化インジウム、酸化錫、及びそれらの混合物を含んでいる。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（低レーザ勢力）において「縁溶融」及び他の 熱変形が大幅に制限されるので、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）とが、これらの材料が本発明の方法を用いて エッチングされ得る高い規定に対してある程度まで信頼できる。その上、これら の材料は比較的低い電気抵抗と、高い光学的透明性と、良好な接着特性と、変色 に対する高い抵抗とを有し、且つ電気的接点へ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。 本発明の方法と共に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んでいる。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、それらは漏洩熱エネルギーにより容易に損傷され ない。もう一度、それらの光学的透明度がそれらを表示装置に用いるのに適する ようにする。 種々の種類のレーザが本発明の方法での応用に適することが見出された。選択 された波長と出力と一緒に、用いられる特定のレーザは、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 の選択によってなかんずく決定される。典型的に適するレーザは、193，248及び 308nmのそれぞれ波長を有するArF，KrF及びXeClエキシマレーザを含んでいる。 ここまでに説明された積層においては、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、 置かれてもよい。補助層が電極層を介して加熱される場合には、上記の(3)及び( 4)の場合における付加的な層は、なるべく使用されるレーザ波長に対して実質的 に透明であるべきで、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、補助層が基板を介して加熱される場合には、これ らの同じ考察が上記の(1)及び(2)の場合に適合する。 もちろん、いままでにすでに説明され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、基板上へ補助材料の準備の前、補助材料と電極材料との準備 の間、又はレーザビームによる積層の照射の前、間及び後に生じ得て、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、単一基板に積層された多数のパターン化された電極フイ ルムを次々と設けるために用いられることもできる。これまでに記載されたよう に単一のパターン化されたフイルムの準備の後に、そのフイルムが電気的絶縁材 料の被覆層により続いて被覆され、それからその層が設けられるべき次のパター ン化されたフイルムのための基板として働く。そのような被覆層はこの技術にお いて周知の標準技術を用いて堆積され且つ更に処理され得る。 これまでに説明された基板と種々の層との厚さは、本発明の方法の好結果の実 施のために一様である必要はないことは注意されねばならない。装置の要求と仕 様書とに依存して、基板と種々の層とは、例えば、斜角を付けられ、うつろにさ れ、又はさもなければ輪郭を付けられてもよい。その時、使用されるレーザ勢力 は、発生するあらゆる厚さ変動に対する許容値を斟酌するように選ばれ得る。例 えば、その勢力はパターン内の全部の位置において補助材料の所定の一定の厚さ において分解を生じるように絶えず調節されてもよく、あるいはその勢力は（累 積的な）層厚さが最大である点で満足なエッチングを許容するのに充分な値に固 定されて維持されてもよい。 層が平らで且つ一様な厚さである場合でさえも、そのように望むならば、補助 材料がそれの全深さを通しては分解されないが、（電極層を介しての照射の場合 に）上にある電極材料にすぐ隣接する制限された厚さの層を通してのみ分解され るような方法で、その勢力が選ばれてもよい。その時エッチングされない補助材 料の分断されない部分が基板とパターン化された電極層との間に残る。 本発明とそれに付随する利点とを、模範的実施例と一様尺度でない添付の模型 的図面との助けにより、更に説明しよう。 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されたフイルムを設け られるべき基板の一部の断面図を表現している。 図２及び図３は、それぞれ本発明の方法による第１及び第２処理工程の実施後 の、図１に示された基板を描写している。 図４〜６は、本発明の方法による種々のエッチング局面の間の、図３に描写さ れた積層を示している。 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されたフイルムを設け られた基板の一部の斜視図を表現している。 図８〜10は本発明の方法を用いてパターン化された電極層を設けられた基板を 具えている液晶表示装置の種々の態様を示している。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されたフイルムを設けられ るべき基板１を示しており、この方法の種々の局面が続く図２〜６に描写されて いる。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られるべき滑らかな、清潔 な表面1aを有する透明な硼珪酸ガラス基板１の一部を描写している。 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)電極材料の本質的に一様なフイルム ５が補助層３上へ蒸着されている。このフイルム５の層は約135nm厚さである。 図４はフイルム５の電極層を介して、合焦されたレーザビーム７による（少な くとも）補助層３の局所集中された照射を描写している。加えられるレーザは、 193nmの波長と約20nsのパルス長さとを有する、アルゴン弗素(ArF)エキシマレー ザである。使用される勢力は領域0.2〜0.3Ｊcm^-2内にある。 レーザビーム７は補助層３の局限された領域９をそれの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、加熱された局限された領域９内のポリアクリル酸エステルが分解し、図５に 描写されているように、すぐ上にある領域11内の電極材料の機械的分離と力強い 排除とを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から排除される電極材料が細かく粉砕されるほど活動 的である。残骸粒子13はそれらが基板上の雰囲気に浮遊されたままにする傾向に 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 しく露出された領域上のエッチングされた電極材料の不所望の再堆積は無い。 図６はいままでに説明されたような単一レーザパルスへの露出の結果を示して いる。補助及び電極材料は加熱された領域から完全に除去されてしまって、鋭く 規定された縁17を有するきちんとした坑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、溝がかくして層３，５からエッチングし去られる。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現している。 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400n m層と弗素ドープされた酸化錫電極材料８の350nmフイルムとで次々に被覆されて いる。波長248nmと0.3Ｊcm^-2のレーザ勢力とを有するパルス化されたクリプトン 弗素(KrF)エキシマレーザを用いて、電極層８を通して向けられた、よく規定さ 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 の絶縁された部分12が後に残る。 使用されるレーザ勢力は補助材料６の層の全深さを通してのエッチングを生じ るのに充分である。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とエッチングされた電極層８との間の分断されない 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） いままでに説明され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は弗素ドープされた酸化錫の350nm フイルムで直接被覆されていた。その後現在技術水準から既知の方法を用いて酸 化層がエッチングされ、そのためにパルス化されたKrFレーザ（波長248nm）が所 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された。 酸化層の全深さを通してのこの酸化層の完全な除去は2.4Ｊcm^-2のレーザ勢力 を必要とした。これはこれまでに実施例２において充分満足に使用されるレーザ 勢力の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。種 々の図面における同じ部分は同じ参照符号により示されている。 図８は本発明の方法を用いて電極材料のパターン化された層を取り付けられた ガラス基板31の斜視図である。このパターン化された層は４個の絶縁された、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が作られ得る、基板31の縁と各電極を接続する小さい 突起部を除いて、形が本質的に四角である。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とを具えている。 図９においては、図８に描写されたような２個の基板が液晶表示装置91内へ組 み込まれ、そ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 で示されている。電極33a，33b，33c及び33d及び基板31の取り囲んでいる表面は 、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により被覆されている。 図８の基板と一切同じであり、且つこの同じ発明の方法を用いて製造された、 電極43a，43b，43c及び43dとそれぞれの縁部接点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は液晶材料の介在する層71を横切って対応する電極が直接互いに対 向するよに相互の上に正確に位置決めされる。それから、ポラロイド（人造偏光 板）材料の層81が結果としてできる積層の一方側上に設けられる。 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。適当 な電圧が接点35bと45bとの間へ印加されて、かくして電極33bと43bとの重なって いる表面の間に介在する液晶材料を通して電界を創出する。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は 、それが部分的に不透明になるように見え、すなわち、それが色で暗くなる（図 10において影を付けられた四角領域）ように変化する。接点35bと45bとの間の電 圧が再び緩和された場合には、この暗くなった領域がそれの元の色を回復する。 同様に、他の電気的接点対(35a，45a)，(35c，45c)及び(35d，45d)の間へ適当 な電圧を印加することによって、制御された局所集中された不透明が、ポラロイ ド材料層81を通して見たように、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。この方法で、液晶表示装置91がパタ ーン化された情報を表示するために用いられ得る。 ここまでに記載された液晶表示装置91の最も普通の実施例は、数字の「８」の 形に配設された２組の７個の電極を具えている。そのような７個の切片表示が、 例えば、類似の方法で数字０〜９を描写するために用いられ得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザビームが使用される、電極材料のパターン化されたフイルムを基板に 取り付ける方法において、少なくとも補助材料の層と前記電極材料の上にある層 とを基板の表面に設けることにより積層が作られ、該補助材料は前記レーザビー ムの助けによる加熱に際して分解でき、それに続いて、所望のパターンに従って 、少なくとも補助材料の分解温度まで補助材料を加熱するように前記積層がレー ザビームを局所的に照射され、その結果として局部的に上にある電極材料が分離 されることを特徴とする電極材料のパターン化されたフイルムを基板に取り付け る方法。 ２．有機重合体が前記補助材料として選択されることを特徴とする請求項１記載 の電極材料のパターン化されたフイルムを基板に取り付ける方法。 ３．前記の選択された有機重合体がポリアクリル酸エステルであることを特徴と する請求項２記載の電極材料のパターン化されたフイルムを基板に取り付ける方 法。 ４．酸化金属が前記の電極材料として選択されることを特徴とする請求項１〜３ のいずれか１項記載の電極材料のパターン化されたフイルムを基板に取り付ける 方法。 ５．In，Sn及びそれらの混合物を具えている群から前記金属が選択されることを 特徴とする請求項４記載の電極材料のパターン化されたフイルムを基板に取り付 ける方法。 ６．ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス及び石英を具えている群から前記の基板材 料が選択されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の電極材料の パターン化されたフイルムを基板に取り付ける方法。 ７．請求項１〜６のいずれか１項による方法を用いて電極材料のパターン化され たフイルムを取り付けられた基板。 ８．請求項７に従った基板を具えている液晶表示装置。