KR20050119132A

KR20050119132A - 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법

Info

Publication number: KR20050119132A
Application number: KR1020057017661A
Authority: KR
Inventors: 타카시 니레
Original assignee: 페톤 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2005-12-20
Also published as: WO2004093174A1; TW200424031A; JP2004311906A; TWI238093B

Abstract

에너지의 이용효율이나 처리 정밀도를 높이고, 좁은 피치의 복수의 미세 개소의 동시 처리를 가능하게 한 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법이다. 레이저 가공장치는 복수의 빔(20)을 형성함과 함께, 각 빔 마다 초점(22)을 형성하는 광학소자(마이크로 렌즈 어레이(16), 마이크로 렌즈(27))와, 이 광학소자로 형성된 상기 빔의 각 초점을 가공면(28) 측에 전사하여 결상시키는 광학계(축소 전사 광학계(18))를 갖춘 구성으로 한 것이다. 레이저 가공방법은, 이러한 가공장치에서 발생시킨 레이저 에너지를 사용하여 가공면(가공물(26))에 대하여 천공, 에칭, 도핑, 아닐 등 가공·개질·막 만들기 등의 각종 레이저 가공을 행한다.

Description

레이저 가공장치 및 레이저 가공방법{LASER PROCESSING APPARATUS AND LASER PROCESSING METHOD}

본 발명은, 레이저 에너지를 사용하여 가공물에 대하여 천공(구멍 뚫음), 에칭, 도핑, 아닐 등, 가공·개질(改質)·막 만들기 등의 각종 작업을 레이저로 가공하는 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 관한 것이다.

천공, 에칭, 도핑, 아닐 등 각종 가공, 개질, 막 만들기 등의 가공에 레이저 에너지를 이용하고 있으며, 이 레이저 가공 관련 기술에 관한 것으로서, 예를 들면 일본 특허공개 소63-220991 호 공보, 특허공개 2001-62578 호 공보, 특허공개 평4-356392 호 공보, 특허공개 2001-269789 호 공보 등이 존재한다.

천공 가공에 대하여, 특허공개 소63-220991 호 공보에는 마스크 투영을 사용하는 공법이 개시되어 있다. 이 경우, 가공부에는 레이저광을 투과, 비가공부에는 레이저광을 차단하는 마스크를 사용함으로써 임의 형상으로 가공한다. 또, 특허공개 2001-62578 호 공보에는 회절형 광학부품과 fsinθ 렌즈의 조합에 대하여 개시되어 있고, 이 경우, 레이저광을 회절시켜 다수의 빔을 발생하는 회절형 광학부품과 회절형 광학부품에서 나온 다수의 갈라진 빔을 집광하는 fsinθ 렌즈로 구성된 장치가 개시되어 있다.

마이크로 렌즈 어레이 집광에 대하여, 특허공개 평4-356392 호 공보에는 마스크의 광 운반부에 원형의 프레넬 렌즈 을 평면 내에 나열하고, 레이저광을 집광함으로써, 프린트 기판의 동시 다수 개소의 가공에 대하여 개시되어 있다. 이것은 에너지 효율이 뛰어나다. 또, 특허공개 2001-269789 호 공보에는 불안정 공진기를 갖춘 레이저를 사용하고, 빔 퍼짐 각을 적게 함으로써, 빔 집광 지름을 작게 할 수 있게 한 것이 개시되어 있다.

또, 레이저 아닐에 의한 비정질 실리콘의 결정화에 관한 것이 있는데, 현재 비정질 실리콘의 결정화 기술에는 유리기판 상에 막이 만들어진 비정실 실리콘 박막에 고출력 엑시머 레이저로부터의 레이저를 라인 빔으로 형성하여, 그 라인 빔에 수직방향으로 라인 빔을 주사하면서 조사하고, 유리기판 상의 비정질 실리콘 전체를 순차적으로 용융 재결정화시켜서 다결정 실리콘 막을 얻는 방법이 있다. 이 가공방법은 현재 이미 실용화되어 주로 휴대장치용 고성능 박막 트랜지스터(TFT :Thin Film Transistor) 액정 디스플레이 제조기술로서 이용되고 있고, 그 공지문헌으로 예를 들면, 도시바(東芝) 리뷰 vol.55, No.2(2000) 서부철타(西部徹他)「저온 p-SiTFT」가 있다.

그런데, 마스크 투영에 의한 가동(특허공개 소63-220991 호 공보)에 의하면 차광되는 비가공 부분의 에너지가 쓸모없게 되기 때문에 에너지 효율이 나쁘고, 가공부분의 에너지를 높이면 소비 에너지가 굉장히 커진다. 또, 장치가 대형이 되기 때문에 이 장치를 생산에 이용할 경우에는 생산비용이 높아지는 경향이 있다.

회절형 광학부품과 fsinθ 렌즈를 조합시키는 기술(특허공개 2001-62578 호 공보)에서는 회절형 격자에 의해 입사 빔을 회절시키고, fsinθ 렌즈에 의해 집광하기 때문에, 구멍 수가 증가함에 따라 보다 고차원의 회절광을 사용할 필요가 있다. 회절 차수가 올라가면 올라갈수록 회절 효율이 떨어지기 때문에, 가공면 내에서 빔 강도분포가 불균일하게 되고, 다수의 구멍의 동시가공이나 다수의 구멍 가공 지름의 제어가 곤란하다.

또, 마이크로 렌즈 어레이 집광(특허공개 평4-356392 호 공보, 특허공개 2001-269789 호 공보)으로는 미세 지름의 가공을 실시할 경우에 다음과 같은 부적합한 면이 있다.

첫째로, 빔 퍼짐 각의 영향이 크다. 일반적으로 고출력의 자외선 레이저로서 사용되는 에너지 레이저 등은 빔 퍼짐 각이 크다. 빔 퍼짐 각이 크면 초점 흐려짐이 커진다. 일반의 구면 렌즈에는,

초점 흐려짐 = 빔 퍼짐 각 × 초점거리

의 관계가 있다. 이 때문에 빔 퍼짐 각이 클 경우에는 미세 지름으로의 집광·가공이 곤란해진다. 그리고 불안정 공진기를 갖춘 레이저를 사용하고, 빔 퍼짐 각을 작게 하는 방법이 있다. 그러나 불안정 공진기는 광학계가 복잡하고, 펄스 에너지가 작다.

둘째로, 좁은 피치 가공이 곤란하다. 구면 렌즈의 집광에는 다음과 같은 관계가 있다.

초점 지름 = 정수 × 파장 / 개구 수

개구 수 = 렌즈 반경 / 초점거리

이와 같은 관계에서 미세 지름을 가공하기 위해서는 렌즈의 개구 수(= 렌즈 반경/ 초점거리)가 큰 것이 필요하다. 그 때문에 렌즈 반경을 크게 취할 필요가 있다. 또, 에너지 효율을 올리기 위해서는 에너지의 집광률을 올리는 것이 바람직하고, 렌즈 반경은 큰 것이 바람직하다. 한편, 가공점의 피치는 렌즈의 피치에 대응하기 때문에 가공점의 피치는 렌즈 지름보다 커진다. 그 때문에, 렌즈 반경을 크게 하면 좁은 피치 가공이 곤란해진다.

셋째로, 가공의 영향에 의한 성능 열화가 발생한다. 미세 지름을 가공하기 위해서는 렌즈의 개구 수(= 렌즈 반경/초점거리)가 큰 것이 필요하다. 그 때문에, 초점거리를 작게 할 필요가 있다. 또, 초점 흐려짐(= 빔 퍼짐 각 × 초점거리)을 작게 하는 관점에서도 초점거리를 짧게 할 필요가 있다.

또, 특허공개 평4-356392 호 및 특허공개 2001-269789 호에 개시된 구성으로는, 초점거리가 가공거리(렌즈와 가공물과의 거리)와 거의 같고, 가공거리가 작으면 가공시, 가공물로부터의 오염물 부착이나 열의 영향을 받아서 가공 불량이나 렌즈의 성능 열화, 파손을 일으킬 우려가 있다.

또, TFT의 결정립계에 의한 성능 한계에 대하여, 종래의 저온 P형 실리콘의 형성에서는 폭 수백㎛, 길이 수백mm의 라인 빔을 주사하여 용융 재결정화시키기 때문에 무수한 결정핵이 발생하고, 거기에 형성된 트랜지스터의 채널 내에 수 개에서 수 십개의 결정립계가 존재한다. 이 때문에, 트랜지스터의 중요한 특성값인 문턱 전압값·전류값의 산포나 OFF 전류값의 증대 등의 문제가 있고, 메모리나 마이크로 처리장치(MPU)와 같은 고도의 집적회로의 제조에는 부적합하다.

또, 고소비 에너지에 대하여, 액정의 화소 스위칭용 박막 트랜지스터를 위한 결정화를 예를 들면, 액정의 RGB 화소의 피치의 세로 가로 사이즈가 예를 들면 120(㎛), 40(㎛)이고, TFT의 사이즈의 예를 들면, 10 × 10(㎛)로 하여 단순하게 면적비로 계산하면,

1 - {(10 × 10) / (120 × 40)} = 47 / 48

가 된다. 이 결과로부터 명확하게 알 수 있듯이 약 98%의 부분은 불필요하고, 후의 에칭 공정으로 제거된다. 이 때문에, 거의 폐기될 부분에 굉장히 큰 에너지가 소비되고, 낭비가 된다.

또, 기판으로의 열 부하에 관하여, 본래 불필요한 에너지가 박막에 공급되어 있기 때문에, 그 기판에 필요 이상으로 열 부하를 주고 있다. 이 때문에, 플라스틱과 같은 열 가소성 기판에 작성하는 TFT에 대하여 저해 요인이 되고 있다.

도 1은 본 발명의 제 1의 실시형태에 따른 레이저 가공장치를 나타내는 도면이다.

도 2는 마이크로 렌즈 어레이 및 축소 전사 광학계 가공을 나타내는 도면이다.

도 3은 축소 전사 광학계의 일례를 나타내는 도면이다.

도 4는 축소 전사 광학계로 형성되는 초점의 형태를 나타내고, (A)는 가상 가공면 측의 초점을 나타내는 도면이고, (B)는 가공면 측의 초점을 나타내는 도면이다.

도 5는 마이크로 렌즈의 집광 형태를 나타내고, (A)는 표준적인 집광 상태를 나타내는 도면, (B)는 초점위치가 조정된 상태의 집광 형태를 나타내는 도면이다.

도 6은 제 1의 실시형태에 따른 레이저 가공장치의 변형 예를 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 제 2의 실시형태에 따른 레이저 가공장치를 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 제 3의 실시형태에 따른 레이저 가공방법에 의한 레이저 씨딩(seeding) 열처리를 나타내는 도면이다.

도 9는 제 3의 실시형태에 따른 레이저 가공방법에 의한 레이저 씨딩 열처리를 나타내는 도면이다.

도 10은 본 발명의 제 4의 실시형태에 따른 레이저 가공방법에 의한 자리를 파는 천공 공정을 나타내는 도면이다.

도 11은 제 4의 실시형태에 따른 레이저 가공방법에 의한 자리를 파는 천공 공정을 나타내는 도면이다.

발명의 개시

본 발명의 제 1의 목적은, 에너지 이용 효율을 높인 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법을 제공하는 것에 있다.

또, 본 발명의 제 2의 목적은, 가공 정밀도를 높인 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법을 제공하는 것에 있다.

또, 본 발명의 제 3의 목적은, 좁은 피치의 복수의 미세 개소의 동시 가공을 가능하게 한 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법을 제공하는 것에 있다.

상기 제 1, 제 2 또는 제 3의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 레이저 가공장치는 복수의 빔(20, 70, 74, 86, 92)을 형성함과 동시에, 각 빔마다 초점(22)을 형성하는 광학소자(마이크로 렌즈 어레이(16), 마이크로 렌즈(27))와, 이 광학소자로 형성된 상기 빔의 각 초점을 피처리면(28) 측에 전사하여 결상시키는 광학계(축소 전사 광학계(18))로 구성한 것이다. 광학소자는 굴절형 소자 또는 회절형 소자 어느 것이나 좋다. 피처리면이란 레이저가 조사되는 가공물의 면으로, 가공 등의 공정이 진행되는 경우에 레이저 에너지를 받는 수광면(受光面)이다. 이 피처리면과 빔의 초점은 일치해도 괜찮지만 일치할 필요는 없다.

이러한 구성으로 하면 광학소자로 원하는 패턴으로 레이저 빔을 집광시키기 때문에 에너지 이용 효율이 높고, 마스크 투영방식과 비교하여 에너지 손실이 줄어듦과 동시에 초점 흐려짐이 없고, 마이크로 어레이 집광방식과 비교하여 집광 정밀도가 높고, 또, 광학계로 초점의 피치를 고정밀도로 조정할 수 있으므로 좁은 피치로 천공가공이 가능하게 되는 등 가공 정밀도가 높아진다. 빔의 초점 수 등에 따라 복수 개소의 천공, 에칭, 도핑, 아닐 등 가공·개질·막 만들기 등의 각종 레이저가공을 행할 수 있다.

상기 제 1, 제 2 또는 제 3의 목적을 달성하기 위해서는 상기 피처리면을 가지는 피처리물(가공물(26)), 상기 광학소자 또는 상기 광학계를 각 광축 방향으로 이동시킴으로써 상기 빔의 상기 피처리면에 대한 조사면적을 변경시키는 구성으로 해도 좋다. 이러한 구성으로 하면 소망의 조사면적으로 빔을 조정할 수 있고, 가공범위가 고정밀도로 제어된다.

상기 제 1, 제 2 또는 제 3의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 레이저 가공방법은 복수의 빔을 형성함과 동시에 각 빔 마다 초점을 형성하는 공정과 상기 빔의 각 초점을 가공면측에 전사하여 결상시키고, 상기 피처리면에 빔 조사에 의해 레이저 가공을 행하는 공정으로 이루어지는 것이다.

이러한 처리에 의하면 이미 서술한 바와 같이 원하는 패턴에 레이저 빔을 집광시킴으로써 에너지 이용 효율이 높고, 마스크 투영방식과 비교하여 에너지 손실을 줄이고, 초점 흐려짐이 없고 마이크로 렌즈 어레이 집광방식과 비교하여 집광 정밀도가 높고, 또, 광학계로 초점의 피치를 고정밀도로 조정할 수 있으므로, 좁은 피치로 천공가공이 가능해지는 등 높은 가공 정밀도를 얻을 수 있다. 이 결과 빔의 초점 수 등에 따라서 복수 개소의 천공, 에칭, 도핑, 아닐 등 가공·개질·막 만들기 등의 각종 레이저 가공을 행할 수 있다.

상기 제 1, 제 2 또는 제 3의 목적을 달성하기 위해서는 상기 레이저 가공은 상기 가공면에 따라서 복수회의 빔 조사를 행함과 동시에, 상기 빔의 상기 가공면에 대한 조사 면적을 동일 또는 다르게 하도록 해도 좋다. 즉, 빔 조사를 1회로 완료시켜도 괜찮지만, 본 발명에서는 복수회의 빔 조사에 의해 레이저 가공하는 것이 가능하고, 이 경우, 조사 면적을 동일하게 하면 동일 영역에 대한 다중 가공이 되고, 조사 면적을 다르게 하면 조사 회수에 따른 가공부분과 조사 회수가 적은 가공부분을 선택적으로 형성할 수 있다. 이러한 가공에 의해 지름이 다른 천공이나 개질 등 다양한 레이저 가공이 가능해진다.

상기 제 1, 제 2 또는 제 3의 목적을 달성하기 위해서는 상기 가공면을 가지는 가공물, 광학소자 또는 광학계를 각 광축방향으로 이동시킴으로써, 상기 빔의 상기 가공면에 대한 조사 면적을 변경시켜도 좋다. 이러한 가공에 의하면 원하는 조사 면적으로 빔이 조정되고, 가공범위의 제어가 가능하다.

상기 제 1, 제 2 또는 제 3의 목적을 달성하기 위해서는 상기 레이저 가공은 상기 가공면에 대한 천공, 표면 개질 또는 열 처리를 포함하고, 상기 가공면에 상기 빔의 초점 수에 따른 가공을 동시에 행하도록 해도 좋다. 즉, 본 발명에 따른 레이저 가공방법은 레이저 빔이나 에너지의 크기에 따른 각종 가공에 적용되는 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음의 효과 및 내지 이점이 있다.

a. 레이저 에너지의 이용 효율을 높인 천공, 에칭, 도핑, 아닐 등, 가공·개질·막 만들기 등의 각종 레이저 가공을 실현할 수 있다.

b. 천공 등의 레이저 가공의 정밀도를 높이고, 가공장치 측의 열화를 방지할 수 있다.

본 발명에 관해서 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

(제 1의 실시형태)

본 발명의 제 1 실시형태에 따른 레이저 가공장치를 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은, 레이저 가공장치의 개요를 나타내고 있다. 이 레이저 가공장치(2)에 있어서, 레이저 장치(4)는 레이저광(6)을 발생하는 발생원으로, 예를 들면 안정 공진기를 갖춘 엑시머 레이저 장치로 구성되어 있다. 레이저 장치(4)는 빔 퍼짐 각의 영향을 줄이기 위해서, 불안정 공진기, 주입 동기형(同期型)을 사용해도 좋고, 예를 들면 에너지 제어 가능한 것이 사용된다. 발생시킨 레이저광(6)은 감쇠기(8)를 거쳐서 제 1의 광학계로서의 확대 광학계(10)로 공급된다. 감쇠기(8)는 에너지를 감쇠시키는 수단으로서의 빔 강도 조정용 필터로, 감쇠기(8)는 예를 들면 여러 단계의 투과율과 아울러 갖추고, 그 투과율의 자동 전환기구를 갖춘 것이 사용된다.

확대 광학계(10)는 레이저광(6)을 가는 빔에서 넓은 빔으로 확대시키는 수단으로, 유효하게 에너지를 사용할 수 있도록 가공 내지 처리영역 사이즈에 따라 빔 사이즈를 변형시킨다. 이 경우, 빔의 확대에 의해 빔 퍼짐 각이 작아지고, 초점 흐려짐이 작아질 수 있으므로, 크게 확대해 놓는 것이 좋다. 이 경우, 강도분포를 바꾸는 강도분포 광학수단 등을 갖추어도 좋다. 또, 레이저 장치(4)로 넓은 빔을 얻을 수 있는 경우에는 이 확대 광학계(10)는 불필요하다. 이 확대 광학계(10)를 통과한 레이저광(6)은 반사경(12)에 의해서 원하는 방향으로 인도된다. 반사경(12)은 레이저광(6)의 방향을 바꾸는 수단이고, 광축 조정용으로 2개 이상의 반사경을 갖춰도 좋다. 이 실시형태에서는 반사경(12)에 의해 확대 광학계(10)의 광축과 직교하는 방향으로 반사시킨 레이저광(6)은 스테이지(14)의 윗면 방향으로 인도된다.

스테이지(14)의 상방에는 제 2의 광학계로서 마이크로 렌즈 어레이(16), 제 3의 광학계로서 축소 전사 광학계(18)가 설치되어 있다. 마이크로 렌즈 어레이(16)는, 확대 광학계(10)로 얻어진 넓은 빔으로부터 복수의 빔(20)을 형성하고, 각 빔(20) 마다 초점(22)을 결상시키는 광학수단으로, 상하 이동기구(24)에 의해 그 광축에 대하여 상하방향의 위치 조정이 가능하다. 이 실시형태에서는 하나의 마이크로 렌즈 어레이(16)를 개시하고 있는데, 에너지 집광도가 크게 다른 2개 이상의 마이크로 렌즈 어레이를 설치하거나, 복수의 마이크로 렌즈 어레이를 바꿔 사용해도 좋다. 그리고, 축소 전사 광학계(18)는 마이크로 렌즈 어레이(16) 측으로 형성된 초점(22)을 스테이지(14)의 피처리물인 가공물(26)의 가공면(28) 측으로 전사하여 초점(30)을 결상시키는 수단이다.

축소 전사 광학계(18)의 하면측에는 보호용 부재로서 석영판(32)이 설치되고, 이 석영판(32)는 피처리시에 비산하는 오염물이 광학계에 부착하여 성능을 열화시키지 않도록 설치되어 있다. 이 석영판(32)은, 오염시에는 간편하게 교환 가능하게 하고, 보호용 부재로서는 투과특성이 좋고, 레이저에 견딜 수 있는 재질이면 좋고, 석영판(32)에 한정되는 것은 아니다. 이 석영판(32)의 설치에 의해 축소 전사 광학계(18)의 광학계가 가공물(26) 측으로부터 비산하는 오염물으로부터 보호된다.

또, 스테이지(14)의 상면측에는 축소 전사 광학계(18)의 하면측의 가공 공간부(34)를 사이에 두고 가스 공급 기구(36)와 배기기구(38)가 설치되어 있다. 가스 공급 기구(36)는 팬 등으로 구성되고, 질소, 헬륨 등의 불활성 가스나 공기 등의 가스 G의 분사 수단이고, 가공시에 비산하는 오염물이 광학계에 부착하지 않도록 가스 G를 흘려 보낸다. 이 가스 공급 기구(36)와 반대측에 설치된 배기기구(38)는 가공 공간부(34)에 공급된 가스 G를 흡인하여 외부로 배기하는 수단이고, 가공 공간부(34) 등을 청정화한다.

그리고, 스테이지(14)는 가공 등의 공정 위치 변경용의 XY 스테이지로, 수평 이동기구(40)에 의해 화살표 L, R 방향으로 이동 가능하고, 상하 이동기구(42)에 의해 화살표 U, D 방향으로 이동 가능하다. 이 수평방향 또는 상하방향의 이동에 의해 가공물(26)의 가공면(28)의 수평위치 및 상하위치가 조정된다. 즉, 3차원 방향으로 위치 조정이 가능하다. 광학 조정용의 높이 조정 및 각도 조정기구를 갖춰도 좋다. 또, 스테이지(14)에는 가공물(26) 등의 피처리물을 단단히 쥘 수 있는 기구를 갖추고 있고, 예를 들면 흡착 스테이지로 구성되고, 구성재료는 처리시에 관통한 빔에 손상되지 않는 재질을 사용한다.

다음으로, 이 레이저 처리장치(2)의 마이크로 렌즈 어레이(16) 및 축소 전사광학계(18)를 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 마이크로 렌즈 어레이(16) 및 축소 전사 광학계(18)의 개요를 나타내고 있다. 마이크로 렌즈 어레이(16)는 이미 기술한 바와 같이 확대 광학계(10)에 의해서 넓은 빔으로 변경되어 있는 레이저광(6)으로부터 복수의 빔(20)을 각각의 초점(22)이 가상 피처리면(25)에 존재하도록 형성하는 것으로, 형성되는 빔(20)의 수에 따른 복수의 미세한 광학소자인 마이크로 렌즈(27)로 구성되어 있다.

이 마이크로 렌즈 어레이(16)는 다수의 미세 광학소자를 갖춘 것으로, 굴절형 렌즈, 프레넬 렌즈, 바이너리 옵틱스 등으로 구성되어 있다. 이 경우, 일반적인 구면 렌즈와 집광이 동등하다고는 할 수 없다. 임의의 강도 분포로 형성 가능한 것도 포함한다. 예를 들면, 빔 강도 분포가 하나의 볼록형(a)의 중심에 볼록형(a) 보다도 면적이 작고 높이가 높은 볼록형(b)을 중첩시킨 회절형 렌즈를 사용함으로써, 후술의 깊은 소지름 구멍과 얕은 대지름 구멍의 동시 가공을 가능하게 할 수 있다. 그리고, 이 마이크로 렌즈 어레이(16)는 굴절형 소자 또는 회절형 소자 중 어느 형태라도 좋다. 이 마이크로 렌즈 어레이(16)는 굴절형 소자나 회절형 소자로 구성되지만, 이 마이크로 렌즈 어레이(16)를 대신하여 홀로그램 등의 회절형 소자를 사용해도 좋다. 도시하지 않았지만, 광학계 조정이 가능하도록 마이크로 렌즈(27)의 높이, 렌즈의 광축과 초점간의 각도, 각도 조정용 기구를 갖춰도 좋다.

또, 축소 전사 광학계(18)는 마이크로 렌즈 어레이(16) 측으로 형성된 초점(22)을 스테이지(14)의 피처리물인 가공물(26)의 가공면(28) 측으로 전사하여 초점(30)으로서 결상시킨다. 즉, 마이크로 렌즈(27)의 초점면을 축소 전사하여 상의 면을 형성한다. 기본적으로는, 이 상의 면을 가공물의 표면 상에 형성하여 작업을 행하지만, 상의 면을 가공물에 수직방향으로 이동시킨 면에 형성하여 작업을 행해도 좋다. 가공물의 표면에 수직으로 입사하는 광학계로 함으로써, 완전한 원형의 수직한 구멍가공 등이 가능해 진다. 축소 전사 광학계(18)와 가공물(26)의 가공면(28)과의 가공거리가 길어지도록 설계하고, 수차(收差)를 보정한 설계로 한다. 가공면(28) 상의 초점 피치 P₂는 가상 가공면(25) 상의 초점 피치 P₁ 보다 좁혀져 있다. 이렇게 해서 초점 밀도를 높일 수 있다. 초점 피치 P₂는 가공 등의 가공면(28)에서의 가공점 피치가 된다.

이 축소 전사 광학계(18)는, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이 볼록렌즈(44, 46, 48), 오목렌즈(50) 및 볼록렌즈(52, 54, 56)으로 구성되어 있지만, 가상 가공물(25)에 형성되는 빔(20) 및 초점(22)을 피처리면(28) 측에 전사하여 초점(30)으로서 결상시킴과 동시에, 그 초점 간격을 좁히는 광학적 공정에는 각종의 광학계가 사용되고, 도 3에 나타낸 광학계에 한정되는 것은 아니다.

이 축소 전사 광학계(18)의 피치 제어에 대하여, 가상 가공면(25) 상의 초점(22), 가공면(28)의 초점(30)을 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4의 (A)는 가상 가공면(25)에 형성된 초점(22), 도 4의 (B)는 가공면(28)에 형성된 초점(30)을 나타내고 있다.

도 4의 (A)에 나타내는 바와 같이 마이크로 렌즈 어레이(16)에 의해 가상 가공면(25)에 복수의 초점(22)이 형성되면, 이 초점(22)에 있어서 P₂는 초점(22) 간의 피치이고, 이 경우 중심점간 거리이다. d₁은 초점(22)의 이상 초점 지름, u₁은 초점 흐려짐이다. 또, 도 4의 (B)에 나타내는 바와 같이 축소 전사 광학계(18)를 지나 피처리면(28)에 형성된 초점(30)에 있어서, P₂는 초점(30)간의 피치(처리점 피치)이고, 중심점간 거리이다. d₂는 초점(30)의 이상초점 지름, u₂는 초점 흐려짐이다. 여기서, 축소 전사 광학계(18)의 축소율을 M으로 하면,

d₂ = M × d₁ ···(1)

u₂ = M × u₁ ···(2)

P₂ = M × P₁ ···(3)

이 성립된다.

또, 마이크로 렌즈 어레이(16) 및 축소 전사 광학계(18)에 의한 초점(22), (30)의 면적 제어에 대하여, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5의 (A) 및 (B)는 마이크로 렌즈 어레이(16)에 의해서 형성되는 초점의 변화를 나타내고 있다.

마이크로 렌즈(27)의 초점거리 f를 가상 가공면(25)에서 조금 옮기고, 가상 피처리면(25)에서 초점(22)의 지름 d₁을 예를 들면, 도 5의 (B)에 나타내는 초점(220)(지름 d₁')과 같이 크게 하면, 가공면(28) 측의 초점(30)의 지름 d₂을 크게 할 수 있다. 이와는 반대로, 가상 가공면(25)으로 초점(22)의 지름 d₁을 작게 하면, 가공면(28) 측의 초점(30)의 지름 d₂을 작게 할 수 있다. 여기서, f를 마이크로 렌즈(27)의 초점거리, D를 마이크로 렌즈(27)의 개구 지름으로 하면 마이크로 렌즈(27)와 가상 가공면(25)과의 거리 W.D.1은,

W.D.1 = (D - d₁) × (d / D) ···(4)

가 된다. 이와 같은 제어에 의해, 용이하게 가공면(28)의 가공점 지름이 제어된다.

다음으로, 이 레이저 가공장치(2)에 의한 공정을 설명한다.

레이저 장치(4)는 에너지를 일정하게 제어하여 레이저광(6)을 발진시킨다. 안정한 발진이 가능한 에너지로 제어하고, 가공면(28)에서의 빔 강도가 클 경우는 적절한 빔 강도가 되도록 감쇠기(8)를 조정한다. 빔 강도와 빔의 적산(積算) 조사시간의 적절한 조건에 의해, 가공물(26)의 가공면(28)에 대하여 가공 등의 작업을 행한다. 조건을 조정함으로써 예를 들면, 관통구멍 외에 구멍의 깊이를 조절할 수 있는 가공이 가능하다.

축소 전사 광학계(18) 측의 가상 가공면(25)에 마이크로 렌즈(27)의 초점위치를 합치면, 가공면(28)에서 빔 웨이스트가 위치하도록 집광하고, 그 근방에서 빔 지름의 변화가 완만하게 되기 때문에 가공거리의 정밀도가 떨어지고, 가공점 지름의 제어를 용이하게 행할 수 있다. 그리고, 마이크로 렌즈(27)의 초점위치를 가상 가공면(25)으로부터 조금 옮기고, 가상 가공면(25)에서의 빔 지름을 크게 함으로써 가공점 지름을 크게 하는 것이 가능하다. 이 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이 축소 전사 광학계(18)를 상하 이동기구(58)에 의해 화살표U, D로 나타내는 위쪽 또는 아래쪽으로 이동시켜서 가공점 지름을 조정하도록 해도 좋다.

에너지 집광도가 크게 다른 2개 이상의 마이크로 렌즈 어레이를 전환하여 사용할 경우에는 가공면(28)에서의 에너지가 크게 달라지기 때문에, 빔 강도를 조정한다. 이 빔 강도의 조정방법은 레이저 에너지 제어의 목표치로 조정하는 것이다. 다른 방법은 감쇠기(8)의 투과율 전환에 의해 조정하는 것이다. 빔 형성 광학계로 마이크로 렌즈(27)에 조사하는 빔을 확대 축소하여 빔 강도를 조정하는 방법도 있다.

이러한 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 의하면, 다음과 같은 특징 및 이점이 있다.

(1) 에너지 이용효율이 대폭적으로 개선된다. 마이크로 렌즈 어레이(16)를 사용하여 레이저광(6)을 원하는 패턴으로 집광하여 자르기 때문에 마스크 투영방법에 비해 에너지 이용효율이 대폭적으로 개선된다.

(2) 다수의 구멍을 동시에 가공하는 것이 가능하다. 즉, 마이크로 렌즈 어레이(16)를 사용하여 레이저광(6)을 원하는 패턴으로 집광하여 자르고, 그들 초점면으로 이루어지는 가상 가공면(25) 또는 초점면에서 수직방향으로 평행 이동한 가상 가공면(25)을 전사하여 상의 면을 형성하기 때문에, 회절형 광학부품과 fsinθ 렌즈의 조합방식과 같이 장소에 의한 분포를 발생시키지 않고, 다수의 구멍을 동시에 일괄 가공하는 것이 가능하다.

(3) 빔 퍼짐 각의 영향이 작다. 가상 가공면(25)을 축소 전사하는 것이 가능하고, 그 축소 전사에 의해 빔 퍼짐 각에 기인하는 가상 가공면(25)에서의 초점 흐려짐 양이 가공면(28)에서는 축소된다. 이 결과, 미세 지름으로의 집광 및 가공이 가능해진다. 빔 퍼짐 각의 영향이 감소하기 때문에 광학계가 복잡하고, 펄스 에너지도 작은 불안정 공진기 레이저를 반드시 사용할 필요는 없다.

(4) 좁은 피치 가공 등의 임의의 피치로의 가공이 가능하다. 가상 가공면(25)을 축소 전사하면, 가상 가공면(25)에서 형성되는 초점의 피치는 가공면(28)에서의 가공 피치보다 커서 끝난다. 또, 가상 가공면(25)의 초점 지름은, 가공면(28)에서의 초점 지름보다 크고, 종래기술의 마이크로 렌즈 어레이 집광방식보다 렌즈의 개구수(렌즈 반경 ÷ 초점거리)가 작아지기 때문에, 동일 초점거리의 경우 렌즈 지름을 작게 할 수 있다. 이점에서도 초점의 좁은 피치를 용이하게 얻을 수 있다. 이 결과, 가공물(26)의 가공면(28)에서의 좁은 피치 패턴 가공이 가능하다.

(5) 가공작업의 영향에 의한 레이저 가공장치의 성능의 열화가 방지된다. 축소 전사 광학계(18)와 가공면(28)의 가공거리가 길어지도록 축소 전사 광학계(18)를 설정함으로써, 가공물(26)로부터의 가공시의 오염물 부착이나 열 영향이 감소한다. 또, 오염물 부착 방지용 가스 공급 기구(36)가 갖춰져 있기 때문에, 그 영향이 보다 줄어든다. 이로 인해, 가공의 영향에 의한 성능의 열화가 방지된다.

더욱이, 축소 전사 광학계(18)와 가공물(26) 사이에 오염물 부착 방지용의 석영판(32)이 설치되어 있으므로, 오염물이 부착했을 때에는 석영판(32)을 교환함으로써 장치의 열화된 성능을 용이하게 개선할 수 있다. 투과특성이 좋고, 레이저광(6)에 견딜 수 있는 재질이면 석영판(32)을 대신하여 사용할 수 있다.

(제 2의 실시형태)

다음으로, 도 7은 본 발명의 제 2의 실시형태에 따른 레이저 가공장치의 개요를 나타내고 있다. 이 실시형태에 따른 레이저 가공장치(2)는 산화되기 쉬운 실리콘 등의 가공물(26)의 가공 중의 산화를 막기 위해, 질소나 아르곤 등의 불활성 기체 중에서 공정을 행하는 가스 치환용으로서 진공 챔버(60)를 갖추고 있다. 이 진공 챔버(60)의 진공상태를 깨뜨리는 일 없이, 진공 챔버(60)에는 광학창(64)을 통해서 레이저광(6)이 도입된다. 진공 챔버(60) 내에 기판 등의 가공물(26)을 보호 유지하기 위해서 스테이지(66)가 설치되어 있다. 그 외의 구성은 제 1의 실시형태와 같으므로 각 부분의 설명을 생략한다.

이와 같은 레이저 가공장치(2)에 의하면, 가공면(28)에서 집광 지름이 예를 들면, 1㎛가 되도록 한 마이크로 렌즈(27)와 축소 전사 광학계(18)를 갖춤으로써, 우선 가상 가공면(25)이 예를 들면, 비정질 실리콘 박막이 만들어져 있는 가공물(26)의 가공면(28)에 전사되어서 일치하도록 조정되고, 레이저가 조사된 영역이 비정질 실리콘의 융점을 약간 상회하는 온도가 되도록 설정된 에너지의 레이저광(6)을 1펄스 조사한다. 이로 인해, 레이저가 조사된 영역의 일부가 용융 결정화되고, 미세 결정립계를 형성할 수 있다.

이어서, 앞의 조사영역을 포함하는 앞 조사면적보다도 큰 면적의 조사영역에, 비정질 실리콘의 융점보다도 높고 결정 실리콘의 융점보다도 낮은 온도가 되도록 설정된 에너지의 레이저광(6)을 1펄스 조사한다. 이로 인해 조사영역 내의 먼저 형성된 미세 결정립계 이외의 부분이 용융하고, 그 미세 결정립계를 결정 성장핵으로서 결정성장이 일어나기 때문에 큰 단결정 실리콘이 형성된다.

이때, 앞의 조사영역을 포함하는 앞 조사면적보다도 큰 면적의 영역에 레이저광(6)을 조사하기 때문에, 마이크로 렌즈 어레이(16)를 상하 이동시키고, 마이크로 렌즈 어레이(16)의 초점면으로부터 조금 옮긴 면을 가공면(28)에 전사한다. 이 경우 축소 전사 광학계(18)를 이동하고, 또는 가공물(26)의 가공면(28)을 상하 이동시켜도 좋다.

(제 3의 실시형태)

다음으로, 본 발명의 제 3의 실시형태에 따른 레이저 가공방법을 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다. 도 8 및 도 9는 제 2의 실시형태에 따른 레이저 가공장치(2)를 사용한 레이저 씨딩 열 처리방법을 나타내고 있다.

도 8의 (A)에 나타내는 바와 같이, 초기상태로서 비정질 실리콘막(68)에는 TFT 소자 형성영역 TD가 설정되어 있다. 이 TFT 소자 형성영역이 TD에, 도 8의 (B)에 나타내는 바와 같이 레이저 가공장치(2)를 사용하여 예를 들면, 1㎛ 정도의 미세 지름의 레이저 빔(70)을 TFT 소자 형성영역 TD의 중심부에 입사시키면, 그 중심부에는 미세영역(72)이 용융된다. 이 용융부는 결정화되고, 미세영역(72)은 레이저 가공에 의해 비정질 실리콘으로부터 단결정 또는 다결정 실리콘 등의 결정 실리콘으로 변화한다. 도 8의 (C)에 나타내는 바와 같이 레이저 빔(70)의 지름에 의해서 미세영역(72)의 직경이 결정된다. 레이저 가공장치(2)에 의하면, 레이저 빔(70)의 지름이 고정밀도로 조여있으므로, 그에 따라 정밀도가 높은 지름을 가지는 미세영역(72)이 형성되고, 또 복수의 미세영역(72)이 형성된다.

그리고, 도 9의 (A)에 나타내는 바와 같이 레이저 가공장치(2)로 예를 들면, 10㎛ 정도의 폭이 넓은 레이저 빔(74)을 조사한다. 이 레이저 빔(74)은 예를 들면, 미세영역(72)의 단결정 또는 다결정 실리콘을 중심으로 하고, TFT 소자 형성영역 TD를 포위하는 범위의 폭으로 설정된다. 이 경우, 레이저 빔(74)은 비정질 실리콘의 융점 이상, 결정 실리콘의 융점 이하의 빔 강도, 에너지 강도로 설정된다. 이 에너지 강도의 설정은 레이저 장치(4) 또는 감쇠기(8) 등에 의해 조정된다. 이 결과, 이러한 레이저 빔(74)의 조사에 의해 비정질 실리콘 부분이 선택적으로 용융되고, 결정 실리콘 부분을 중심으로 넓은 범위의 영역(75)에서 비정질 실리콘이 용융상태가 된다.

이러한 레이저 가공이 시행되면, 도 9의 (B)에 나타내는 바와 같이 미세영역(72)을 중심으로 하고, 즉 미세영역(72)의 결정 실리콘을 핵으로 하고, 비정질 실리콘의 용융부분에 결정성장이 일어난다. 화살표(76)는 결정성장 방향을 나타내고 있다. 이 도 9의 (B)에 있어서 미세영역(72)이 단결정 또는 다결정 실리콘 부분을, 영역(78)이 결정성장부분을, 영역(75)이 용융부분을, 영역(82)이 비정질 실리콘 부분을 나타내고 있다.

이상의 가공을 거쳐, 도 9의 (C)에 나타내는 바와 같이 TFT 소자 형성영역 TD 보다 넓은 영역(75)에 있어서, 큰 결정립계 지름을 가지는 단결정 또는 다결정 실리콘이 형성된다.

(1) 단결정 실리콘을 형성할 수 있고, 결정립계에 의한 성능 한계를 타파할 수 있다. 단결정 실리콘은 그 영역 내에 명확한 결정립계가 존재하지 않는 결정이고, 이상적으로는 그 영역 내(內)가 하나의 단결정으로 구성된 것이다. 그리고, 비정질 실리콘의 융점은 결정 실리콘보다도 약 300℃ 낮은 것을 이용하고, 우선 비정질 실리콘 박막 상의 1㎛ 이하의 미세영역에 비정질 실리콘의 융점보다도 조금 높은 온도가 되는 에너지의 레이저광(6)을 조사하고, 그 부분의 표면의 일부를 용융 재결정화시키고 결정핵을 형성한다. 다음으로, 비정질 실리콘의 융점보다도 높고, 결정 실리콘의 융점보다도 낮은 온도가 되도록 한 에너지의 레이저광(6)을 그 부분을 중심으로 한 10㎛ 정도의 영역에 조사하고, 먼저 형성된 결정핵으로부터 결정을 성장시킴으로써 10㎛ 정도의 단결정 실리콘을 형성한다.

(2) 저소비 에너지화를 꾀할 수 있다. 액정의 화소 스위칭용 TFT를 위한 결정화의 일례를 설명한다. 액정의 RGB 화소의 피치가 세로 가로 각각 120㎛, 40㎛로 TFT의 사이즈가 10㎛ × 10㎛로 하면, 단순하게 면적비로 계산하면 (10 ×10) / (120 × 40) = 1 / 48의 에너지로 결정화가 가능하다. 실제 제조공정에서 라인 빔에 의한 결정화에서는 결정핵의 다수 발생에 의한 결정성장의 불충분함을 해소하기 위해서 라인 폭의 95% 정도를 중복시켜 주사하고 있다. 이것은 같은 장소에서 20회 정도의 레이저를 조사하는 것에 대응한다. 본 발명의 레이저 가공장치(2)에 의하면 결정핵 성장과 결정성장의 2공정이기 때문에, 만일 1회째의 핵 성장을 위한 미세점으로의 레이저 조사 에너지를 2회째와 같은 에너지를 사용했다고 해도, 2 /(20 × 48) = 1 / 480의 레이저 에너지로 끝나게 된다.

(3) 기판 등, 가공물에 대한 열 부하를 경감할 수 있다. 실리콘 결정에 필요한 에너지가 굉장히 작게 끝난다는 것은, 기판으로의 열 부하를 크게 줄이는 것에 연결된다. 만일 종래기술과 본 발명에 따른 가공 생산량을 같게 하면, 단위 시간당의 기판으로의 열 부하는 1 / 480이 된다. 이로 인해, 기존의 고품질 유리를 사용하고 있는 결정화용의 기판을 플라스틱 등의 열 가소성 재료로 치환하는 것이 가능해지고, 경제적일 뿐 아니라 각종 유연한 전자기구로의 응용이 가능해진다.

(제 4의 실시형태)

다음으로, 본 발명의 제 4의 실시형태에 따른 레이저 가공방법을 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다. 도 10 및 도 11 은, 제 1 또는 제 2의 실시형태에 따른 레이저 가공장치(2)를 사용하여 얕게 파인 자리에 미세 구멍을 형성하는 방법을 나타내고 있다.

이 실시형태에서는, 도 10의 (A)에 나타내는 바와 같이 가공물로서 폴리이미드판(84)에 비교적 면적이 큰 레이저 빔(86)을 조사시킨다. 이 경우, 레이저 빔(86)은 폴리이미드판(84)의 에칭 영역(88)(조사영역 = R)에 조사된다. 이 레이저 에칭에 의해, 도 10의 (B)에 나타내는 바와 같이 구멍(90)이 형성된다. 그리고, 도 10의 (C)에 나타내는 바와 같이 구멍(90)의 깊이 h가 원하는 깊이가 되면 레이저 조사를 멈춘다.

이 시점에서, 도 11의 (A)에 나타내는 바와 같이 앞의 조사영역 R보다도 작은 영역 r에 레이저 빔(92)을 조사하여 레이저 에칭을 행한다. 도 11의 (B)에 나타내는 바와 같이 레이저 에칭에 의해 구멍(94)이 파진다. 구멍(94)을 관통하면 레이저 조사를 멈추고 공정을 종료하면, 도 11의 (C)에 나타내는 바와 같이 깊이 h, 직경 R의 지름이 큰 구멍(90)이 형성되고, 그 바닥부에 직경 r의 지름이 작은 구멍(94)이 형성되게 된다.

이와 같이 2단계의 레이저 가공에 의해 얕게 파인 자리(90)와 함께 미세 지름의 구멍(94)이 형성된다.

이와 같은 레이저 가공공정에 있어서, 실제 가공물의 표면에서의 레이저의 에너지 밀도가 중요한 변수의 하나이다. 이 에너지 밀도는 광원 레이저로부터의 출력 에너지와 주로 광학계에 의한 레이저에서 가공물까지의 광로의 구성에 의해 결정되고, 공정 중 에너지 밀도는 레이저의 출력과 광로 중에 놓이는 감쇠기(8)에 의해서 조정된다.

또, 이 2단계 공정의 경우, 예를 들면 얕게 파인 자리에 구멍을 뚫는 공정에서는 최초의 설정으로 큰 면적에, 다음으로 작은 면적에 레이저를 조사한다. 이때, 2단계째의 면적에 1단계째와 같은 레이저 출력과 감쇠기의 설정으로 빛을 집광하면, 에너지 밀도가 1단계째의 조건보다도 크게 돼버리지만, 에칭에 필요한 에너지 밀도는 거의 같기 때문에 레이저 장치(4) 및 감쇠기(8)에 의해 조정하여, 거의 같은 에너지 밀도가 되도록 가공을 행한다.

이 실시형태에 있어서 파인 자리(90) 및 구멍(94)의 형성은 도 7에 나타내는 레이저 가공장치(2)를 사용하여 진공 챔버(60)와 광학창(64)을 제외한 구성으로 이루어지는 가공장치로 실시할 수 있다.

(다른 실시형태)

본 발명의 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법은 다음과 같이 구성해도 좋다. 직접 패턴 에칭 공정에서는, 가공물(26)을 레이저광(6)에 의해 활성화되는 에칭 가스 중에 보호 유지하고, 거기서 레이저 빔을 조사함으로써, 레이저가 조사된 영역만 에칭을 행한다. 이로 인해 원하는 패턴을 1공정으로 선택 에칭을 할 수 있다.

또, 직접 패턴 막 만들기 공정에 이용할 수 있다. 예를 들면, 가공물(26)을 레이저광(6)에 의해 반응이 진행되고 고체물을 석출하는 반응성 가스 중에 보호 유지하고, 거기에 레이저를 조사함으로써 레이저가 조사된 영역만 막 만들기가 가능하다. 이로 인해 원하는 패턴을 1공정으로 막 만들기가 가능하다.

이상과 같이, 본 발명의 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 의하면 레이저 에너지의 이용효율을 높이는 천공, 에칭, 도핑, 아닐 등 가공 ·개질·막 만들기 등이 가능해지고, 천공 등의 각종 레이저 가공의 가공 정밀도를 높이고, 처리장치 측의 열화를 방지할 수 있고, 각종 레이저 가공작업을 할 수 있게 된다.

Claims

복수의 빔을 형성함과 동시에 각 빔 마다 초점을 형성하는 광학소자와,

이 광학소자로 형성된 상기 빔의 각 초점을 가공면측에 전사하여 결상시키는 광학계로 구성한 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가공면을 가지는 가공물, 상기 광학소자 또는 상기 광학계를 각 광축방향으로 이동시킴으로써, 상기 빔의 상기 가공면에 대한 조사면적을 변경시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
복수의 빔을 형성함과 동시에 각 빔 마다 초점을 형성하는 공정과,

상기 빔의 각 초점을 가공면측에 전사하여 결상시키고, 상기 가공면에 빔 조사에 의해 레이저 가공을 행하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
제 3 항에 있어서,

상기 레이저 가공은 상기 가공면에 대하여 복수회의 빔 조사를 행함과 동시에 상기 빔의 상기 가공면에 대한 조사면적을 동일 또는 다르게 한 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
제 3 항에 있어서,

상기 가공면을 가지는 가공물, 광학소자 또는 광학계를 각 광축 방향으로 이동시킴으로써, 상기 빔의 상기 가공면에 대한 조사면적을 변경시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
제 3, 4 또는 5 항에 있어서,

상기 레이저 가공은 상기 가공면에 대한 천공, 표면 개질 또는 열 처리를 포함하고, 상기 가공면에 상기 빔의 초점 수에 따른 가공을 동시에 행하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.