JPS63215390A - 光加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、太陽電池、ディスプレイ装置等に用いられる
薄膜のフォトレジストを用いることなく線状の紫外光に
よる直接描画を行う選択加工法に関する。

「従来技術ｊ 薄膜のフォトレジストを用いることのない光加工に関し
、レーザ加工技術として、ＹＡＧレーザ光（波長１．０
６μｍ）法が主として用いられている。

この波長によるレーザ加工方法においては、スポット状
のビームを被加工物に照射するとともに、このビームを
加工方向に走査し、点の連続の鎖状に開溝を形成せんと
するものである。そのため、このビームの走査スピード
と、加工に必要なエネルギ密度とは、液加ニー物の熱伝
導度、昇華性に加えて、きわめて微妙に相互作用する。

そのため、工業化に際しての生産性を向上させつつ、最
適品質を保証するマージンが少ないという欠点を有する
。更に、そのレーザ光の光学的エネルギが１．２３ｅＶ
（１，０６μｍ）Ｌ、かない。他方、ガラス基板または
半導体上に形成されている被加工物、例えば透光性導電
膜（以下ＣＴＦという）は３〜４ｅＶの光学的エネルギ
バンド巾を有する。このため、酸化スズ、酸化インジュ
ーム（ＩＴＯを含む）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等のＣＴＦ
はＹＡＧ　レーザ光に対して十分な光吸収性を有してい
ない。また、ＹＡＧレーザのＱスイッチ発振を用いるレ
ーザ加工方式においては、パルス光は平均０．５〜ＩＷ
（光径５０μｍ、焦点距離４０ａ＋ｍ、パルス周波数３
ＫＨｚ、パルス中６０ｎ秒の場合）の強い光エネルギを
走査スピードが３０〜６０ｃｎ＋／分で加えて加工しな
ければならない。その結果、このレーザ光によりＣＴＦ
の加工は行い得るが、同時にその下側に設けられた基板
、例えばガラス基板に対して、マイクロクランクを発生
させ、損傷させてしまった。

ｒ発明の解決しようとする問題ｊ このＹＡＧレーザを用いた加工方式では、スポット状の
ビームを繰り返し走査しつつ加えるため、下地基板に発
生する微小クラックは、レーザ光のビームの外形と類似
の形状を有し、「鱗」状に作られてしまった。

また、ＹＡＧレーザのＱスイッチ発振を用いる方式はそ
のレーザビームの尖頭値の出力が長期間使用においてバ
ラツキやすく、使用の度にモニターでのチェックを必要
とした。

更に、１０〜５０μｍ巾の微細パターンを多数同一平面
に選択的に形成させることがまったく不可能であった。

また、照射後、加工部のＣＴＦ材料が十分に絶縁物化し
ていないため、酸溶液（弗化水素系溶液）によりエツチ
ングを行い完全に絶縁化する必要があった。

また、薄膜太陽電池等、複数の材料の異なる薄膜を積層
した物の加工をＹＡＧレーザーにて行う場合、積層して
いる各層毎に加工の選択性を必要とするが、ＹＡＧレー
ザを使用した場合は、この選択性のマージンが非常に少
なく目的とする被加工物の下層にまでダメージを与える
ことになり特に太陽電池等ではＹＡＧレーザを使用する
ことによって素子の特性が悪化するという問題が発生し
た。

「問題を解決するための手段」 本発明は、上記の問題を解決するものであり、その照射
光として、４００ｎｍ以下（エネルギ的には３．１ｅＶ
以上）の波長のパルスレーザを照射し、２０〜５０μφ
のビームスポットではなり、２０〜２００μｍの巾（例
えば１５０　μｍ）、長さ１０〜６０ｃ＋＋例えば３０
ｃｍの線状のパターンに同一箇所に１つまたは数回のパ
ルスを照射し、線状のパターンに加工する。

かくの如く、本発明に示される４００ｒｖ以下の波長の
パルス光（パルス巾５０ｎ秒以下）を線状に照射するこ
とにより、ＣＴＦでの光エネルギの吸収効率をＹＡＧ　
レーザ（１，０６μｌ１１）の１００倍以上に高め、結
果として加工速度を１０倍以上に速くしたものである。

さらに初期の光として、円状でかつ光強度がガウス分布
を持つＹＡＧレーザではなく、本発明はエキシマレーザ
光を用いる。このため、初期の光の照射面は矩形を有し
、またその強さも照射面内で概略均一である。このため
光の巾を広げるいわゆるビームエキスパンダ等の光学系
にて長方形に大面積化する。その後、その一方のＸまた
はＹ方向にそって部上の棒状レンズ即ちシリンドリカル
レンズにてスリット状にレーザ光を集光する。しかしこ
の集光された光の巾を５０μｍ以下にするにはこのシリ
ンドリカルレンズ（棒状集光レンズ）の球面収差が無視
できなくなる。このため、集光さ′れた光の周辺部にガ
ウス分布に従った強度の弱くなる領域が発生し集光され
た光の線の端部のきれが明確でなくなる。よって１０〜
３０μｍ例えば２０μｍの巾の線状の開溝を作ることは
さらに不可能になる。このため、本発明においてはシリ
ンドリカルレンズにレーザ光を入射する前にスリットを
通し、シリンドリカルレンズの球面収差が無視できる巾
に入射光をしぼった後シリンドリカルレンズにて集光し
、１０〜３０μｍ巾でかつ端部のきれの明確なレーザビ
ームを照射できるようにした。

さらに、このような巾の狭いレーザ光を用いて加工を行
う際に被加工面に対して、このレーザ光を複数回照射す
ることにより被加工面の下地層にダメージを全く与えな
い選択加工を行うことを特徴とするものであります。

「作用ｊ １回または数回のパルス光を同じ個所に照射することに
より、線状の開溝を１０〜６０ｃｍ例えば３０ｃｍの長
さにわたって加工し、かつ開溝中を球面収差の無視でき
る光学系を用い１０〜３０μｍの極細の形状に作り得る
。またＹＡＧレーザ光のＱスイッチ方式ではなく、パル
ス光のレーザ光を用いるため尖端値の強さを精密に制御
し得る。

結果として下地基板であるガラス基板に対し、損傷を与
えることなくして被加工物例えばＣＴＦのみのスリット
状開溝の選択除去が可能となり、同時にマスクと被加工
物との間を真空、クリーンエアまたは窒素を注入するこ
とにより、被加工物のレーザ光照射により生じる飛翔物
を下方向に積極的に落下せしめ、防ぐことができる。

また開溝を形成した後の被加工部に残る粉状の残差物は
、アルコール、アセトン等の洗浄液による超音波洗浄で
十分除去が可能であり、いわゆるレジストコート、被加
工物のエツチング、レジスト除去等の多くの工程がまっ
たく不要となり、かつ公害材料の使用も不要となった。

加えて、スリットはレーザ光を集光する前に光学系に組
み込まれているため、レーザ光によるスリットの損傷が
ほとんどない。また、スリットの間隔に対する機械的加
工精度はそれほどきびしσ為必要はなく、シリンドリカ
ルレンズにて集光されることによりビームの形状が決定
されるものである。

「実施例１」 第１図にエキシマレーザを用いた本発明のレーザ加工の
系統図を記す。エキシマレーザ（１）（波長２４８　ｎ
ｍ、Ｅｇ−５，０ｅＶ）を用いた。すると、第２図（Ａ
）のように、初期の光ビーム（２０）は１６＋ｎｍ　Ｘ
　２０ｍｍを有し、効率３χであるため、３５０　ｍＪ
を有する。さらにこのビームをビームエキスパンダ（２
）にて長面積比または大面積化した。即ち、１６ＩＩＩ
ＩＩ＋×３００ｎＩＩＩ＋に拡大した（第２図（２１）
）　、この装置に５．６　Ｘｌ０−”ｍＪ／ｍｔａ”を
エネルギ密度で得た。

次に２１１１×３００１ａｌｌの間隔を有するスリット
（３）にレーザビームを透過させて２１１１１Ｉ×３０
０ＬＬＩＬ１のレーザビーム（２２）を得る。（第２図
（Ｃ））更に、合成石英製のシリンドリカルレンズ（４
）にて加工面での開溝中が２０μｍとなるべく集光した
。（第２図（Ｄ））この時使用するスリットの巾は特に
決まっていないが、シリンドリカルレンズの球面収差が
影響しない程度にレーザビームをしぼる必要がある。ま
た、被加工物の開溝中はシリンドリカルレンズの性能に
より任意に選択可能である。

第３図に示すように、長さ３０ｃｍ、巾２０μのスリッ
ト状のビーム（２３）を基板（１０）上の被加工物（１
１）に線状に照射し、加工を行い、開溝（５）を形成し
た。

本実施例の場合、被加工面として、ガラス上の透明導電
膜（Ｅｇ　＝３．５ｅＶ）を有する基板（１０）に対し
て、エキシマレーザ（ＱｕｅＳｔｅｃ　Ｉｎｃ、製）を
用いた。

パルス光はＫｒＦエキシマレーザによる２４８ｎｍの光
とした。なぜなら、その光の光学的エネルギバンド中が
５　、　ＯｅＶであるため、被加工物が十分光を吸収し
、透明導電膜のみを選択的に加工し得るからである。

パルス巾２０ｎ秒、繰り返し周波数１〜１００Ｈｚ、例
えばｌＯＨ２、また、被加工物はガラス基板上のＣＴＦ
（透光性導電膜）である酸化スズ（Ｓｎｕｇ）を用いた
。

この被膜に加工を行うと、１回のみの線状の六ルス光の
照射で開溝（５つのＣＴＦ）が完全に白濁化され微粉末
になづた。これをアセトン水溶液にての超音波洗浄（周
波数２９ＫＨｚ）を約１〜１０分行いこのＣＴＦを除去
した。下地のソーダガラスはまったく損傷を受けていな
かった。

第２図は第１図におけるレーザビーム光の形状を示した
ものである。即ち、レーザ光より照射された状態は第２
図（Ａ）の矩形（２０）となる。これがビームエキスパ
ンダにて長さ方向に拡大（２１）され第２図（Ｂ）を得
る。さらにスリットによりレーザビームの短辺がより狭
められる（２２）、その後シリンドリカルレンズにより
さらに短辺が集光され、第２図（Ｄ）に示すビーム形状
（２３）となる。

第３図は、基板上にスリット状のパルス光を照射し開溝
（５，６，７・・・ｎ）を複数個形成したちのである。

かくの如（１回のパルスを照射するのみで１本の開溝を
形成する。その後、Ｙテーブル（第１図（２５））を例
えば１５ｍｍ移動し、次のパルス（６）を加える。更に
１５＋ｎｏ＋移動し、次のパルス（７）を加える。かく
してｎ回のパルスを加えることにより、大面積に複数の
開溝をｎ分割することにより成就した。

「実施例２ｊ 本実施例においては用いるレーザ光及び光学系は実施例
１と同様のものを用いたが被加工物としては集積化構造
を持つ薄膜太陽電池を用いた。第４図に示すような断面
構造を持つ薄膜太陽電池の第３番目のレーザースクライ
ブ加工に本発明の方法を用いた。即ち第４図に示すよう
に硝子基板（２６）上に実施例１の方法によりバターニ
ングされた透明電極（２７）を設け、さらにその全面を
公知のプラズマＣＶＤ法によりＰＩＮ型アモルファスシ
リコン半導体（２８）を形成した後公知のＹＡＧレーザ
を用いたレーザースクライブ法により第２のＬＳ加工（
３１）を行う。この時ＹＡＧレーザを用いたレーザー加
工法は被加工物であるアモルファスシリコン半導体（２
８）の下地の透明電極（２７）まで加工てしまうが素子
の特性に影響を与えることは少なかった。

次に裏面電極（２９）としてアルミニウムを形成し第３
のＬＳ加工（３２）を実施例１と同様のレーザ光と光学
系を用い行った。

この際に加えるレーザ光を１パルスだけではなく複数回
好ましくは２〜５回照射して第３のＬＳ加工（３２）を
行った。このようにして形成した薄膜太陽電池の光電変
換効率を加えるレーザー光の照射回数に対してプロット
したグラフを第５図に示す。

同図より明らかなようにレーザー光照射を１回より多く
行うと光電変換効率が向上することが分かる。

さらに６回以上加えると再び効率が低下することも分か
る。

これらより明らかなように２回以上５回以下のレーザー
光照射時に効率の向上がみられる。

この場合レーザー光が１回照射の場合は裏面電極（２９
）が十分に絶縁化されず、もれ電流が多く発生している
ための効率の低下が予想され、また６回以上照射した場
合には下地であるアモルファスシリコン半導体（２８）
の表面が結晶化されるために同様に、もれ電流が発生し
効率が低下すことが予想される。またレーザー光照射回
数を２回とし加エルレーザー光のエネルギーを変化させ
た結果を第６図に示す。

同図より明らかなように、この場合は０．８５〜１．５
Ｊ／ｃ！ｉのエネルギー範囲で特性が最も良かった。

この範囲より、さらにエネルギー密度を上げることは実
用上むつかしく下げることは可能であるが、その場合は
レーザー光の照射回数をさらに増す必要があった。

実用的にはこの範囲が加工特性が良かった。

「効果」 本発明により薄膜太陽電池等のレーザー加工において下
地層との選択加工において加工マージンが増し、より容
易に加工できることになった。

本発明により多数の線状開溝を作製する場合、例えば１
５ｍｍ間隔にて２０μの巾を製造すると１０Ｈｚ／パル
スならば、０．８分で可能とな、った。その結果、従来
のマスクアライン方式でフォトレジストを用いてパター
ニングを行う場合に比べて、工程数が７エ程より２工程
（光照射、洗浄）となり、かつ作業時間を５分〜１０分
とすることができて、多数の直線状間溝を作る場合にき
わめて低コスト、高生産性を図ることができた。

本発明で開溝と開溝間の巾（加工せずに残す面積）が多
い場合を記した。しかし光照射を隣合わせて連結化する
ことにより、逆に例えば、残っている面積を２０μ、除
去する部分を４００μとすることも可能である。

また、本発明の光学系において、ビームエキスパンダと
被加工面との間に光学系をより高精度とするため、イン
テグレータ、コンデンサレンズおよび投影レンズを平行
に挿入してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光加工方法の概要を示す。 第２図はレーザー光のビーム形状を示す。 第３図は開溝の基板上での作製工程を示す。 第４図は被加工物の断面図を示す。 第５図、第６図は本発明の方法により形成された太陽電
池の特性を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、４００ｎｍ以下の波長を持つパルスレーザ光のビー
   ム形状を光学系にて長方形に変化した後に更に光学系に
   て、前記レーザ光を集光し被加工面に照射することによ
   り、前記加工面上に開溝を形成する光加工方法において
   前記加工面に対し、複数回レーザ光を照射し開溝を形成
   することを特徴とした光加工方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記レーザ光は前
   記加工面上で０．８５〜１．５Ｊ／ｃｍ＾２のビーム強
   度を有し、かつ２回以上５回以下の回数被加工面に照射
   されたことを特徴とする光加工方法。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記被加工面は非
   単結晶半導体よりなる光電変換装置の一部であることを
   特徴とする光加工方法。