JP2007260694A - レーザ加工装置、レーザ光学系、レーザ加工方法及びアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ光の干渉パターンによる強度分布の不均一性を緩和させる。
【解決手段】パルスレーザ発振器1と、レーザ光束を制限するスリット40と、このスリットを均一に照明する照明光学系30と位相シフト部20と、スリット40を通過した光を被加工対象物6に縮小投影する結像レンズ5と、を有する構成とする。位相シフト部20で光束を分割して位相をシフトさせ、スリット40上で重ね合わせて均一化した光束の干渉を抑えて干渉パターンのない均一な加工を行うことができる。
【選択図】図1
【解決手段】パルスレーザ発振器1と、レーザ光束を制限するスリット40と、このスリットを均一に照明する照明光学系30と位相シフト部20と、スリット40を通過した光を被加工対象物6に縮小投影する結像レンズ5と、を有する構成とする。位相シフト部20で光束を分割して位相をシフトさせ、スリット40上で重ね合わせて均一化した光束の干渉を抑えて干渉パターンのない均一な加工を行うことができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、短パルスレーザによる被加工対象物の加工や改質を目的とするレーザ加工装置に適用して好適なレーザ加工装置、レーザ光学系、レーザ加工方法及びアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法に関する。
従来のレーザ加工装置において、任意の加工範囲または形状を得る方法としては、被加工対象物と共役の位置に配置されたスリットをレーザで照明し、加工レンズで任意の倍率に結像させる方法がある。しかし、この方法においてはスリット上での照明が不均一な場合はその輝度分布のムラが加工結果に反映されやすい。このため、レーザをプリズムあるいは、フライアイなどのホモジナイザ光学系により光束を分割して再び重ね合わせることで均一に照明する対策が行なわれることが一般的である。また、この均一に照明する光学系の構成は、簡素であることが好ましい。
レーザ光を簡素に均一化する方法としては、プリズムを用いた方法や、より複雑な構成となるが、フライアイのホモジナイザを用いて均一な照明を得る方法も提案されている(例えば特許文献1。)。
レーザ光を簡素に均一化する方法としては、プリズムを用いた方法や、より複雑な構成となるが、フライアイのホモジナイザを用いて均一な照明を得る方法も提案されている(例えば特許文献1。)。
しかしながら、上記特許文献1において開示されているように、フライアイのホモジナイザを用いてレーザの均一な照明光学系を構成した場合は、分割されたレーザ光束相互の干渉が生じてしまう。
このため、例えばレーザ加工装置において、干渉パターンによる不均一な強度分布によって、被加工対象物に対して均一な加工がなされず、不均一な加工結果となるという問題がある。したがって、例えば金属膜や誘電体の薄膜などの薄膜全般への除去加工、いわゆるリペアを行う際に、良好な除去加工結果を得ることが困難となっている。
このため、例えばレーザ加工装置において、干渉パターンによる不均一な強度分布によって、被加工対象物に対して均一な加工がなされず、不均一な加工結果となるという問題がある。したがって、例えば金属膜や誘電体の薄膜などの薄膜全般への除去加工、いわゆるリペアを行う際に、良好な除去加工結果を得ることが困難となっている。
特に、レーザ発振器として、より精密な加工特性を得るために、熱拡散の影響が小さく非熱加工が可能となる短パルスレーザを用いた場合には、多光束干渉による周期パターンが容易に転写されるため、均一な加工結果を得ることが極めて困難になる。
例えば有機EL(Electro Luminescence)素子を用いた表示装置などにおいては、その信号配線や電位供給配線等が形成されたアクティブマトリクス基板の微細で且つ密度の高い配線構造の加工などを、このような短パルスレーザの非熱過程を利用して行うことが望ましく、均一な加工結果が得られないことは問題となる。
さらに、短パルスレーザで、1パルスのエネルギーが数μJから200μJ程度のレーザ発振器を用いる場合では、光量の損失のあるスリットを用いた加工で、実用的な加工エネルギー密度を得るには、高倍率に縮小する必要がある。しかしながら、スリットへの照明光学系の開口数が大きいとエネルギーの損失なく高倍率で縮小することが困難となり、加工に必要なエネルギー密度が達成されない恐れがある。
例えば有機EL(Electro Luminescence)素子を用いた表示装置などにおいては、その信号配線や電位供給配線等が形成されたアクティブマトリクス基板の微細で且つ密度の高い配線構造の加工などを、このような短パルスレーザの非熱過程を利用して行うことが望ましく、均一な加工結果が得られないことは問題となる。
さらに、短パルスレーザで、1パルスのエネルギーが数μJから200μJ程度のレーザ発振器を用いる場合では、光量の損失のあるスリットを用いた加工で、実用的な加工エネルギー密度を得るには、高倍率に縮小する必要がある。しかしながら、スリットへの照明光学系の開口数が大きいとエネルギーの損失なく高倍率で縮小することが困難となり、加工に必要なエネルギー密度が達成されない恐れがある。
上述の問題に鑑みて、本発明は、レーザ光を被照射体に照射するにあたって、レーザ光の干渉パターンによる強度分布の不均一性を緩和させることを目的とする。また、本発明は、アクティブマトリクス基板の欠陥部をより精度良く修正することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明によるレーザ加工装置は、パルスレーザ発振器と、レーザ光束を制限するスリットと、このスリットを均一に照明する照明光学系と位相シフト部と、スリットを通過した光を被加工対象物に縮小投影する結像レンズと、を有する構成とする。
また、本発明のレーザ加工装置において、パルスレーザ発振器の1パルスの継続時間は、半値幅で200ps(ピコ秒)以下とすることが望ましい。
さらに、本発明のレーザ加工装置において、パルスレーザ発振器の1パルスの継続時間は、半値幅で1ps(ピコ秒)以上とすることが望ましい。
また、本発明のレーザ加工装置において、パルスレーザ発振器の1パルスの継続時間は、半値幅で200ps(ピコ秒)以下とすることが望ましい。
さらに、本発明のレーザ加工装置において、パルスレーザ発振器の1パルスの継続時間は、半値幅で1ps(ピコ秒)以上とすることが望ましい。
また、本発明によるレーザ光学系は、パルスレーザ発振器と、レーザ光束を制限するスリットと、スリットを均一に照明するホモジナイザ光学系と位相シフト部と、を有する構成とする。
更に、本発明によるレーザ加工方法は、パルスレーザ光を、位相シフト部により光束を分割して位相シフトさせ、照明光学系によりスリットに均一に照明し、スリットを通過した光束を結像レンズによって被加工対象物に照射して、レーザ加工を行う。
また、本発明によるアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法は、基板上に、複数の走査配線と、複数の信号配線と、複数の電位供給配線が絶縁膜を介して互いに交差するように設けられ、各配線の交差部近傍にスイッチング素子がそれぞれ設けられたアクティブマトリクス基板の信号配線同士、電位供給配線同士、信号配線と電位供給配線同士の短絡部を、レーザ照射により除去するアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法であって、パルスレーザ光を、位相シフト部により光束を分割して位相シフトさせ、照明光学系によりスリットに均一に照明し、このスリットを通過した光束を結像レンズによってアクティブマトリクス基板の短絡部に照射して、レーザ照射による除去を行う。
更に、本発明によるレーザ加工方法は、パルスレーザ光を、位相シフト部により光束を分割して位相シフトさせ、照明光学系によりスリットに均一に照明し、スリットを通過した光束を結像レンズによって被加工対象物に照射して、レーザ加工を行う。
また、本発明によるアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法は、基板上に、複数の走査配線と、複数の信号配線と、複数の電位供給配線が絶縁膜を介して互いに交差するように設けられ、各配線の交差部近傍にスイッチング素子がそれぞれ設けられたアクティブマトリクス基板の信号配線同士、電位供給配線同士、信号配線と電位供給配線同士の短絡部を、レーザ照射により除去するアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法であって、パルスレーザ光を、位相シフト部により光束を分割して位相シフトさせ、照明光学系によりスリットに均一に照明し、このスリットを通過した光束を結像レンズによってアクティブマトリクス基板の短絡部に照射して、レーザ照射による除去を行う。
上述したように、本発明のレーザ加工装置、レーザ光学系及びレーザ加工方法においては、パルスレーザ発振器と、レーザ光束を制限するスリットと、スリットを均一に照明する照明光学系と位相シフト部とを有するものであり、パルスレーザ光を、位相シフト部により光束を分割して位相シフトさせ、照明光学系によりスリットに均一に照明し、スリットを通過させることによって、レーザ光の干渉パターンが生じることを抑制して、より均一にレーザ光を被照射体、例えばレーザ加工対象物に照射させることが可能となる。
また、本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法によれば、上述したように、より均一にレーザ光をアクティブマトリクス基板の短絡部に照射することが可能となるので、精度良く欠陥の修正を行うことが可能となる。
また、本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法によれば、上述したように、より均一にレーザ光をアクティブマトリクス基板の短絡部に照射することが可能となるので、精度良く欠陥の修正を行うことが可能となる。
また、本発明のレーザ加工装置において、パルスレーザ発振器として1パルスの継続時間が半値幅で200ps以下のいわゆる短パルスレーザ発振器を用いることにより、熱拡散の影響が小さい非熱加工を行うことができて、例えば被加工対象物のより微小な領域の加工を可能とすると共に、従来このような非熱加工において問題となっていた、多光束干渉により周期パターンが転写されて不均一な加工結果となってしまうことを確実に抑制することができる。
さらに、本発明のレーザ加工装置において、パルスレーザ発振器として1パルスの継続時間を半値幅で1ps以上とするパルスレーザ発振器を用いることにより、ある程度の適切な熱拡散長を保持し、確実に均一な加工特性を達成することができる。
さらに、本発明のレーザ加工装置において、パルスレーザ発振器として1パルスの継続時間を半値幅で1ps以上とするパルスレーザ発振器を用いることにより、ある程度の適切な熱拡散長を保持し、確実に均一な加工特性を達成することができる。
本発明のレーザ加工装置、レーザ光学系、レーザ加工方法によれば、レーザ光を被照射体に照射するにあたって、レーザ光の干渉パターンによる強度分布の不均一性を緩和させることができる。
また、本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法によれば、精度良く短絡部の除去を行うことができる。
また、本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法によれば、精度良く短絡部の除去を行うことができる。
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図1は、本発明のレーザ光学系を有するレーザ加工装置の一実施形態例の概略構成図である。このレーザ加工装置10は、パルスレーザ発振器1、分割されたレーザ光束の位相を制御する位相シフト部20、レーザ強度分布を均一にする照明光学系30、加工範囲を制限するスリット40より成るレーザ光学系11と、結像レンズ5とより構成される。このような構成とすることによって、スリット40の像をレーザ光の被照射体、すなわち被加工対象物6に縮小投影し、加工又は改質するものである。
図1は、本発明のレーザ光学系を有するレーザ加工装置の一実施形態例の概略構成図である。このレーザ加工装置10は、パルスレーザ発振器1、分割されたレーザ光束の位相を制御する位相シフト部20、レーザ強度分布を均一にする照明光学系30、加工範囲を制限するスリット40より成るレーザ光学系11と、結像レンズ5とより構成される。このような構成とすることによって、スリット40の像をレーザ光の被照射体、すなわち被加工対象物6に縮小投影し、加工又は改質するものである。
このレーザ加工装置10には、図示しないが、例えばレーザの光量を調整するアッテネータ、加工時間を制御するシャッター、スリット像を被加工対象物6に正確に照射するための位置決め用観察光学系と照明、被加工対象物上のスリット像を移動させる手段としてのガルバノミラーもしくは、圧電素子駆動のミラーホルダーまたは精密駆動ステージ等を付加させてもよい。
パルスレーザ発振器1より発振する短パルスレーザの1パルスの継続時間は、半値幅で200ps以下とすることが望ましい。このような継続時間をもつ短パルスレーザでは、非熱加工の良好な加工特性を保つことができる。
また、1パルスの継続時間を1ps以上とすることによって、このような非熱加工の良好な加工特性を保ちつつ、適切な熱拡散長を持つため、本実施形態例に適用することで、適切な周波数と照射パルス総数の選択により、均一な加工特性を達成することができる。本実施形態例では、例えば1パルスの継続時間が3psで波長390nmの短パルスレーザを発振する短パルスレーザ発振器を用いることができる。
また、1パルスの継続時間を1ps以上とすることによって、このような非熱加工の良好な加工特性を保ちつつ、適切な熱拡散長を持つため、本実施形態例に適用することで、適切な周波数と照射パルス総数の選択により、均一な加工特性を達成することができる。本実施形態例では、例えば1パルスの継続時間が3psで波長390nmの短パルスレーザを発振する短パルスレーザ発振器を用いることができる。
次に、本発明のレーザ光学系を有するレーザ加工装置によって、レーザ光を均一にし、またレーザ光の干渉パターンによる強度分布の不均一性を緩和させる作用について説明する。
本発明のレーザ加工装置においては、パルスレーザ発振器1より発振したレーザ光束は、その強度分布を均一にする照明光学系30により、強度分布を均一に調整されたのち、加工範囲を制限するスリット40を照明する。
本発明のレーザ加工装置においては、パルスレーザ発振器1より発振したレーザ光束は、その強度分布を均一にする照明光学系30により、強度分布を均一に調整されたのち、加工範囲を制限するスリット40を照明する。
ところで、上述したようにパルスレーザ発振器としてパルス幅の短い、いわゆる短パルスレーザを使うことは、熱拡散を抑えたコントラストの高い良好な加工特性を得ることが可能となり、好適である。一方、レーザ発振器の出射ビームの強度分布は、一般にガウシアン分布の強度分布を有することが多く、そのままでは上述したようなスリットなどを均一に照明することが困難であることから、均一に照明する照明光学系いわゆるホモジナイザを組み合わせる。
図2は、その原理を詳細に説明する説明図である。パルスレーザ発振器1より発振したガウシアン強度分布を持つレーザ光束Lf1は、照明光学系30により中心から光束L11と光束L12とに分割されたのち、任意の位置に配置された、加工範囲を制限するスリット40上において、光束L11と光束L12が重なり合う。光束L11と光束L12は互いに対称な強度分布をしているため、照明光学系30とスリット40の配置を調整することで重なり合う位置を好適にすることができ、もとのレーザ光束Lf1と比べて均一な強度分布の光束Lf2を形成することができる。
特に、加工範囲を制限するスリット40の間隔及び形状を可変又は交換可能とすることで任意の所望の加工形状とサイズを得ることが可能となる。
特に、加工範囲を制限するスリット40の間隔及び形状を可変又は交換可能とすることで任意の所望の加工形状とサイズを得ることが可能となる。
図3は、均一にする照明光学系30の一実施形態例の概略斜視図である。入射面あるいは出射面のいずれかの面に、図示の例においては4面からなる任意の角度の傾斜面311〜314を有するプリズム31を用いることができる。
この形状のプリズム31を用いる場合は、製作が容易でかつ、光学調整を比較的簡便に行うことができるという利点を有する。更にこの場合、分割された光束が重なり合う角度を小さくすることが可能となるので、スリット40への照明光束の開口数NAを小さくすることが可能となる。
このプリズム31の材料は、例えば合成石英を用いることができ、また向かい合う傾斜面311及び312、傾斜面313及び314の成す頂角の角度は例えば179度として構成される。このような構成とする場合は、直径6mmのレーザ光束が入射した場合の分割された光束が重なり合う位置はプリズム31の出射面より361mmの位置となる。
この形状のプリズム31を用いる場合は、製作が容易でかつ、光学調整を比較的簡便に行うことができるという利点を有する。更にこの場合、分割された光束が重なり合う角度を小さくすることが可能となるので、スリット40への照明光束の開口数NAを小さくすることが可能となる。
このプリズム31の材料は、例えば合成石英を用いることができ、また向かい合う傾斜面311及び312、傾斜面313及び314の成す頂角の角度は例えば179度として構成される。このような構成とする場合は、直径6mmのレーザ光束が入射した場合の分割された光束が重なり合う位置はプリズム31の出射面より361mmの位置となる。
このような構成のプリズム31を照明光学系30として用いた場合の光束が均一化される様子を図4A〜Dに模式的に示す。図4A及びBはプリズム31の概略斜視図及び概略側面図、図4Cはプリズム31の出射面側からみた概略平面図、図4Dはスリット上で光束の重なる様子を示す説明図であり、それぞれ図3と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図4Cに示すように、プリズム31上の光束Bは、傾斜面311〜314により中心から4つのほぼ扇状の光束に分割される。破線40aはスリットの開口範囲を示す。そして分割された扇状の光束は図4Dに示すようにスリット40上で光束B1、B2、B3及びB4で示すように重なり合う。したがって、図4Cにおけるプリズム31上の一点鎖線a1及びa2で示す断面においてそれぞれLf11及びLf12で示すようにほぼガウシアン分布であった強度分布が、強度の強い部分と弱い部分を重ね合わせることで、スリット40上では、図4D中一点鎖線a1´及びa2´で示すように対応する断面において、Lf21及びLf22で示すように、強度分布が平均化されてほぼ均一となる。
このように、傾斜面を有するプリズム31を用いることで、被加工対象物6に対して平均化された均一な強度分布の照明を行なうことができる。
特にこの例においては、照明光学系30が簡素な構成である4面プリズムであるため、光学的な調整を容易とし、かつ製造コストを抑えた構成とすることができるという利点を有する。
図4Cに示すように、プリズム31上の光束Bは、傾斜面311〜314により中心から4つのほぼ扇状の光束に分割される。破線40aはスリットの開口範囲を示す。そして分割された扇状の光束は図4Dに示すようにスリット40上で光束B1、B2、B3及びB4で示すように重なり合う。したがって、図4Cにおけるプリズム31上の一点鎖線a1及びa2で示す断面においてそれぞれLf11及びLf12で示すようにほぼガウシアン分布であった強度分布が、強度の強い部分と弱い部分を重ね合わせることで、スリット40上では、図4D中一点鎖線a1´及びa2´で示すように対応する断面において、Lf21及びLf22で示すように、強度分布が平均化されてほぼ均一となる。
このように、傾斜面を有するプリズム31を用いることで、被加工対象物6に対して平均化された均一な強度分布の照明を行なうことができる。
特にこの例においては、照明光学系30が簡素な構成である4面プリズムであるため、光学的な調整を容易とし、かつ製造コストを抑えた構成とすることができるという利点を有する。
また、上述した4面プリズムに替えて、一組の2面プリズムを、各傾斜面の衝合する分割線を互いに直交する配置として、照明光学系30として用いてもよい。
図5に、この照明光学系30の一実施形態例の概略斜視図を示す。この場合、一対の傾斜面321及び322、323及び324をそれぞれ有するプリズム32A及びプリズム32Bより構成され、各傾斜面321及び322、323及び324の衝合する分割線を、互いに直交するように配置する。
このように複数のプリズムを用いる構成とする場合、プリズム32A及びプリズム32Bの各傾斜面の成す傾斜角をそれぞれ異なる値に設定すると、分割された光束が重なり合う位置を独立させることが可能である。例えば、楕円形状の出射光束を有するガウシアン強度分布レーザ光束にも適用させることができる。
これにより、図3における4面の傾斜面を有するプリズム31を用いる場合と同様に、均一な強度分布の照明が可能となる。
またこのように、プリズムを2枚構成とすること場合は、各プリズムの製造がより容易となり、コストの低減化を図ることができる。更に、上述したように直交する軸のビーム形状が非対称のビームにも対応が可能となるなど、設計自由度が増すという利点を有する。
図5に、この照明光学系30の一実施形態例の概略斜視図を示す。この場合、一対の傾斜面321及び322、323及び324をそれぞれ有するプリズム32A及びプリズム32Bより構成され、各傾斜面321及び322、323及び324の衝合する分割線を、互いに直交するように配置する。
このように複数のプリズムを用いる構成とする場合、プリズム32A及びプリズム32Bの各傾斜面の成す傾斜角をそれぞれ異なる値に設定すると、分割された光束が重なり合う位置を独立させることが可能である。例えば、楕円形状の出射光束を有するガウシアン強度分布レーザ光束にも適用させることができる。
これにより、図3における4面の傾斜面を有するプリズム31を用いる場合と同様に、均一な強度分布の照明が可能となる。
またこのように、プリズムを2枚構成とすること場合は、各プリズムの製造がより容易となり、コストの低減化を図ることができる。更に、上述したように直交する軸のビーム形状が非対称のビームにも対応が可能となるなど、設計自由度が増すという利点を有する。
その他の照明光学系30としては、例えばフライアイレンズとコンデンサレンズを用いることによって、同様に均一な強度分布の照明が可能となる。
図6は、この場合の照明光学系の一実施形態例の概略構成図である。この例においては、2×2行列の球面フライアイレンズ33及びコンデンサレンズ34とより照明光学系30を構成した例を示す。球面フライアイレンズは均一にする効果を高めるために大きい次数からなる行列配置から構成されるものが使われることが多い。しかしながら、本実施形態例においては、2×2行列の最低次数から成るフライアイレンズ33を用いることにより、構成要素が少なく、フライアイレンズ33の焦点距離のばらつきを抑えて、しかも小型の構成とすることが可能となる。
このように、フライアイレンズ及びコンデンスレンズを組み合わせた照明光学系を用いる場合においても、上述の図3及び図5において説明した実施形態例と同様に、均一な強度分布の照明が可能となる。
なお、このようなフライアイレンズを用いる場合は、非球面形状を有するレンズアレイやミラー、或いは比較的製造が容易な球面レンズアレイなどを用いることができる。
図6は、この場合の照明光学系の一実施形態例の概略構成図である。この例においては、2×2行列の球面フライアイレンズ33及びコンデンサレンズ34とより照明光学系30を構成した例を示す。球面フライアイレンズは均一にする効果を高めるために大きい次数からなる行列配置から構成されるものが使われることが多い。しかしながら、本実施形態例においては、2×2行列の最低次数から成るフライアイレンズ33を用いることにより、構成要素が少なく、フライアイレンズ33の焦点距離のばらつきを抑えて、しかも小型の構成とすることが可能となる。
このように、フライアイレンズ及びコンデンスレンズを組み合わせた照明光学系を用いる場合においても、上述の図3及び図5において説明した実施形態例と同様に、均一な強度分布の照明が可能となる。
なお、このようなフライアイレンズを用いる場合は、非球面形状を有するレンズアレイやミラー、或いは比較的製造が容易な球面レンズアレイなどを用いることができる。
また、その他の照明光学系としては、図7に示すように、9面に分割された入射面を有するプリズム81を用いてもよい。図7に示す例においては、光軸近傍の光束の入射する面811を平面状とし、周囲の面812〜819を傾斜面としてプリズム81を構成した例を示す。このような構成とする場合、図8に示すように、略ガウシアン分布を有する光束Lf3のうち、プリズム81の斜面で分割された光束L31〜33は、スリット40上で一点鎖線L31、実線L32、破線L33で示すように重ね合わされる。これにより、強度分布が平均化されてほぼ均一となる。
また、この場合においても図9A及びBに示すように、それぞれ入射面を3面に分割したプリズム82A及び82Bを、その分割線をほぼ直交するように配置して組み合わせたプリズム82を用いてもよい。
この場合においても、図8において説明した例と同様に、スリット40で重ね合わされた光束の強度分布を均一化することができる。またこの場合、各プリズムの製造がより容易となり、コストの低減化を図ることができる。更に、上述したように直交する軸のビーム形状が非対称のビームにも対応が可能となるなど、設計自由度が増すという利点を有する。
この場合においても、図8において説明した例と同様に、スリット40で重ね合わされた光束の強度分布を均一化することができる。またこの場合、各プリズムの製造がより容易となり、コストの低減化を図ることができる。更に、上述したように直交する軸のビーム形状が非対称のビームにも対応が可能となるなど、設計自由度が増すという利点を有する。
上述したように、このような各実施形態例において説明した照明光学系を用いる場合、コヒーレンス(可干渉)性の良いレーザを分割して重ね合わせることから、干渉による強度分布の強弱が周期的に発生する場合があり、被加工対象物を均一に加工することが困難になる。この干渉はレーザを用いた精密加工には問題となる。
特に、均一照明のために上述したように例えば4分割にした光束を重ね合わせるので、4光束干渉条件を満たし易いため、加工範囲全体に強度の均一な微細な周期パターンが形成される場合がある。
特に、均一照明のために上述したように例えば4分割にした光束を重ね合わせるので、4光束干渉条件を満たし易いため、加工範囲全体に強度の均一な微細な周期パターンが形成される場合がある。
そこで本発明においては、図10に示すように、光束を分割して位相をシフトさせる位相シフト部を用いるものである。この例においては、ガウシアン分布をもつ短パルスレーザの光束Dを、位相シフト部20を通過させる。この位相シフト部20は、中心から例えば90度間隔で4分割する4枚の任意の位相シフト作用をもつ光学ガラス等の平行平面基板より成る位相シフト板211〜214で構成される。この位相シフト部20を通過させることにより、光束Dを4つの位相の異なる光束D1〜D4に変換して、互いの干渉する条件を制御する。例えば各位相シフト板211〜214の光路長差が使用する波長の1/2となるように設定される。そしてこのように位相がずれた光束を、上述のいずれかの照明光学系30、例えばプリズム31を通過させ、スリット40上で重ねあわせる。
スリット40上で重なり合う光束は、位相シフト板211〜214の位相制御により微細周期パターンのコントラストが変化する。これにより干渉パターンが微細化され、適切なレーザ周波数と照射パルス総数の条件を選択すれば、干渉縞のコントラストが弱まり干渉による強弱のパターンが殆ど現れない。これにより被加工対象物への照明強度分布ムラが補正され、かつ干渉パターンのコントラストが緩和されて均一な加工結果が得られ、スリットへのレーザ光の均一照明が可能となる。
このように、位相シフト部の位相制御によって干渉パターンを微細化して干渉縞のコントラストを確実に弱めるために、上述したようにパルスレーザ発振器のパルスの継続時間を1ps以上とすることが望ましい。1ps未満である場合は熱拡散が少なくコントラストの抑制が十分図れず、均一化が不十分と成る恐れがある。
スリット40上で重なり合う光束は、位相シフト板211〜214の位相制御により微細周期パターンのコントラストが変化する。これにより干渉パターンが微細化され、適切なレーザ周波数と照射パルス総数の条件を選択すれば、干渉縞のコントラストが弱まり干渉による強弱のパターンが殆ど現れない。これにより被加工対象物への照明強度分布ムラが補正され、かつ干渉パターンのコントラストが緩和されて均一な加工結果が得られ、スリットへのレーザ光の均一照明が可能となる。
このように、位相シフト部の位相制御によって干渉パターンを微細化して干渉縞のコントラストを確実に弱めるために、上述したようにパルスレーザ発振器のパルスの継続時間を1ps以上とすることが望ましい。1ps未満である場合は熱拡散が少なくコントラストの抑制が十分図れず、均一化が不十分と成る恐れがある。
上述の位相シフト部は、厚さを制御した、異なる任意の厚さをもった4枚の光学ガラスあるいは光学結晶、例えば合成石英からなる平行平面基板より構成される例であるが、その他位相シフト部として、任意の同じ厚さをもった4枚の光学ガラスあるいは光学結晶の表面に、位相差を任意に制御した薄膜のコーティングされた平行平面基板より構成してもよい。
また、図示の例においては位相シフト部20を4分割した例を示すが、2分割、3分割、6分割などとすることも可能であるなど、光束に対して部分的に位相をシフトする構成であればよい。
また、図示の例においては位相シフト部20を4分割した例を示すが、2分割、3分割、6分割などとすることも可能であるなど、光束に対して部分的に位相をシフトする構成であればよい。
次に、スリットを用いることによるエネルギー損失について説明する。本発明においては、上述したように加工範囲を制限するスリットを設けるものであり、このスリットによりビーム形状は整形されるが、このためにレーザの全エネルギーを加工エネルギーに利用できなくなる。
この解決方法として、スリットを高倍率に縮小投影することで、加工エネルギー密度をあげることが可能となる。しかしながら、照明光学系のスリットへの開口数が大きいとエネルギーを損失することなく高倍率で縮小することが困難となり、加工に必要なエネルギー密度が達成されない場合も想定される。
この解決方法として、スリットを高倍率に縮小投影することで、加工エネルギー密度をあげることが可能となる。しかしながら、照明光学系のスリットへの開口数が大きいとエネルギーを損失することなく高倍率で縮小することが困難となり、加工に必要なエネルギー密度が達成されない場合も想定される。
本発明では、上述した図3、図5、図6、図7及び図9において説明したいずれかの照明光学系、すなわち簡素な構成のプリズムまたはフライアイを用いることにより、分割された光束が重なり合う角度を小さくする光学系を構成することが容易であり、これにより小さい開口数でスリットを均一に照明することが可能となる。したがって、エネルギーを損失することなくスリットの縮小倍率を高倍率にすることが可能となる。
このように、本発明によるレーザ光学系、レーザ加工装置を用いるレーザ加工方法では、ガウシアン分布の強度分布をもつパルスレーザ光の光束中心に、このレーザ光束を例えば4分割する位相シフト部を配置して通過させて例えば4つの位相の異なる光束に分割し、この分割されたレーザ光束が加工範囲を制限するスリット上で重なるように照明光学系により均一に照明し、スリットにより任意のサイズと形状に整形された光束にして、結像レンズにより被加工対象物に縮小投影するものである。
これによれば、任意の加工範囲を均一な強度分布とエネルギー密度で照射することが可能であり、良好な加工結果を得ることが可能となる。
これによれば、任意の加工範囲を均一な強度分布とエネルギー密度で照射することが可能であり、良好な加工結果を得ることが可能となる。
上述のレーザ加工装置によりレーザ加工を行う場合の4光束干渉をシミュレーションした結果を以下に示す。
図11は、図10において説明した位相シフト部20を設けない場合の4光束干渉のシミュレーション例である。
図12は、図10において説明した位相シフト部を設ける場合において、位相シフト板211と位相シフト板212との位相差、及び位相シフト板213と位相シフト板214との位相差がそれぞれ1/2波長となる4光束干渉のシミュレーション例である。
図13は、位相シフト板211と位相シフト板212との位相差、位相シフト板213と位相シフト板214との位相差がそれぞれ1波長となる4光束干渉のシミュレーション例である。ここで、図13において示す例に対して図12に示す例の強度ピークの密度は2倍で格子間隔は1/√2となる。
図11は、図10において説明した位相シフト部20を設けない場合の4光束干渉のシミュレーション例である。
図12は、図10において説明した位相シフト部を設ける場合において、位相シフト板211と位相シフト板212との位相差、及び位相シフト板213と位相シフト板214との位相差がそれぞれ1/2波長となる4光束干渉のシミュレーション例である。
図13は、位相シフト板211と位相シフト板212との位相差、位相シフト板213と位相シフト板214との位相差がそれぞれ1波長となる4光束干渉のシミュレーション例である。ここで、図13において示す例に対して図12に示す例の強度ピークの密度は2倍で格子間隔は1/√2となる。
多光束干渉の原理については、例えば、「多光束レーザー干渉によるフォトニック結晶の作製」(松雄繁樹等著、月刊「O plus E」Vol.25, No.2, 2003年2月、(株)新技術コミュニケーションズ、pp.158-163)にて詳細な記述があるが、本発明とは逆に多光束干渉を利用して周期構造の加工を行っている。
本発明においては、光束を分割して上述したように適切な位相差を与えるものであり、レーザ周波数と繰り返しパルス総数を選択することによって、干渉縞の強弱コントラストが弱まり均一な加工を可能とするものである。
本発明においては、光束を分割して上述したように適切な位相差を与えるものであり、レーザ周波数と繰り返しパルス総数を選択することによって、干渉縞の強弱コントラストが弱まり均一な加工を可能とするものである。
このような多光束干渉の原理を用いて、例えば図1に示す本発明のレーザ加工装置において、加工範囲を制限するスリット40を均一に照明して、被加工対象物6は加工されるが、上述したように、スリット40によりレーザの全エネルギーが加工エネルギーに利用できなくなるので、スリット40を高倍率で縮小投影することで、加工エネルギー密度をあげることが可能となる。照明光学系30のスリット40への開口数が大きいとエネルギーを損失することなく高倍率で縮小することが困難となり、加工に必要なエネルギー密度が達成されない場合も想定される。
これに対し、照明光学系としてプリズム31を選択することにより、小さい開口数でスリットを照明することが可能となり、スリット40の縮小倍率を結像レンズ5により高倍率にすることが可能となる。本実施形態例では、50倍で投影しており、被加工対象物6上のエネルギー密度を2500倍に上げることができた。
これに対し、照明光学系としてプリズム31を選択することにより、小さい開口数でスリットを照明することが可能となり、スリット40の縮小倍率を結像レンズ5により高倍率にすることが可能となる。本実施形態例では、50倍で投影しており、被加工対象物6上のエネルギー密度を2500倍に上げることができた。
図14及び図15は、比較例及び本実施形態例によるガラス基板上の金属薄膜に対する加工結果の観察写真図である。各例ともに、図1に示す光学系を用いた場合であり、図14に示す比較例においては、位相シフト部20を除いた光学系の構成とした。正方形の加工形状は15μm×15μmの範囲である。この場合の加工条件では、熱拡散長は0.3μm程度と計算される。
図14から明らかなように、位相シフト部を用いない場合は、微細周期パターンが4光束干渉により形成されて、均一な強度分布で加工が達成できていないことが分かる。
これに対し、本実施形態例においては、図15から明らかなように、均等な強度分布で被加工対象物が加工されていることが分かる。
図14から明らかなように、位相シフト部を用いない場合は、微細周期パターンが4光束干渉により形成されて、均一な強度分布で加工が達成できていないことが分かる。
これに対し、本実施形態例においては、図15から明らかなように、均等な強度分布で被加工対象物が加工されていることが分かる。
なお、上述の実施形態例においては、被加工対象物としてガラス基板上の金属薄膜に適用した場合を示すが、その他フラットパネルディスプレイ、例えば有機ELディスプレイのアクティブマトリクス基板上に形成された配線構造の薄膜など、更に高分子材料、誘電体材料や半導体化合物、或いは光学ガラスまたは結晶などの光学部品のいずれかに対してレーザ加工を同様に行うことができる。
また上述の例においては、レーザ加工装置におけるスリット40の縮小倍率を50倍とした例を示すが、結像レンズにより被加工対象物に投影する縮小倍率は、2倍から200倍の範囲とすることができる。この縮小倍率は、任意の固定倍率とするか、或いは可変倍率機構を用いることも可能である。
次に、本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法の一実施形態例について説明する。
図16は、アクティブマトリクス基板を含む表示装置の一例の概略分解斜視構成図であり、図17は、アクティブマトリクス基板の一例のほぼ一画素分の概略斜視構成図である。
図16に示すように、アクティブマトリクス基板101は、ガラス等より成る基板111上に、画素毎に陽極173及び薄膜トランジスタ174が縦横に並置配列されて形成され、各画素の例えば列間に信号線181(Y0、Y1、Y2、Y3、・・・)及び電位供給線183(Y0i、Y1i、Y2i、Y3i・・・)、行間に走査線182(X0、X1、X2、X3、・・・)がそれぞれ形成される。このような配線180が形成されたアクティブマトリクス基板111の上部に有機EL層102が配置され、その上部に陰極103が配置されて有機ELディスプレイ型の表示装置100が構成される。
図16は、アクティブマトリクス基板を含む表示装置の一例の概略分解斜視構成図であり、図17は、アクティブマトリクス基板の一例のほぼ一画素分の概略斜視構成図である。
図16に示すように、アクティブマトリクス基板101は、ガラス等より成る基板111上に、画素毎に陽極173及び薄膜トランジスタ174が縦横に並置配列されて形成され、各画素の例えば列間に信号線181(Y0、Y1、Y2、Y3、・・・)及び電位供給線183(Y0i、Y1i、Y2i、Y3i・・・)、行間に走査線182(X0、X1、X2、X3、・・・)がそれぞれ形成される。このような配線180が形成されたアクティブマトリクス基板111の上部に有機EL層102が配置され、その上部に陰極103が配置されて有機ELディスプレイ型の表示装置100が構成される。
図17に示すように、このようなアクティブマトリクス基板101の製造過程において、配線間に欠陥、すなわちこの場合短絡部185が生じる場合がある。図17においては、陽極173及び薄膜トランジスタ174を囲んで配設される画素信号線181a(Y0)、走査線182a(X1)、画素電位供給線183b(Y1i)及び次画素走査線182b(X2)と、前画素電位供給線183a(Y0i)及び次画素信号線181b(Y1)を示し、前画素電位供給線183aと画素信号線181aとの間に短絡部185が存在する場合を示す。このように短絡部185が存在すると、パネル点灯時には、輝線・滅線等を引き起こす。特に配線密度の高い有機EL用のアクティブマトリクス基板では、配線間隔が5μm前後もしくは、5μmより狭いため、このような短絡が生じる確率が高く、歩留まり及び生産性を向上させるには、確実にこのような短絡部を除去し、欠陥を修正することが必要となる。
図18は、上述の本発明のレーザ光学系を利用した本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法の説明図である。この実施形態例においては、上述の図1に示す構成によるレーザ光学系11を用いるもので、レーザ光学系11から出射されるレーザ光Lは、ダイクロイックミラー12により反射されて結像レンズ5によりアクティブマトリクス基板101上の短絡部185に照射される。レーザ照射部186においてアブレーションによりこの短絡部185を除去することができる。一点鎖線c1はレーザ光学系の光軸、c2は結像レンズの光軸をそれぞれ示す。なお、ダイクロイックミラー12を透過した光軸c2の延長線上にアライメント観察系13を設け、また図示しないがレーザ光学系11及びダイクロイックミラー12、結像レンズ5等を含む光学系全体を移動するアクチュエータ等を設けることによって、レーザ照射部186の位置を微調整可能な構成とすることができる。このように位置調整しながら短絡部185にレーザ光を照射することにより、配線部に生じる欠陥、この場合短絡部185に対して精度良くレーザ光を照射し、これによりアクティブマトリクス基板の欠陥を確実に修正することが可能である。
本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法によれば、信号線同士及び/又は電位供給線同士及び/又は信号線と電位供給線との間の短絡部すなわち欠陥に対して、正確に必要な範囲のみにレーザ照射による加工を行い、短絡欠陥部周囲の配線の断線・損傷を引き起こすことなく、確実に短絡部のみを除去する欠陥修正を行うことが可能となる。
特に、レーザ光として1パルスの継続時間が半値幅で200psより短いパルスレーザを利用することにより、非熱加工による高コントラストの任意のサイズと形状のスリット投影像による除去すなわち欠陥修正を行うことが可能となる。
本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法によれば、信号線同士及び/又は電位供給線同士及び/又は信号線と電位供給線との間の短絡部すなわち欠陥に対して、正確に必要な範囲のみにレーザ照射による加工を行い、短絡欠陥部周囲の配線の断線・損傷を引き起こすことなく、確実に短絡部のみを除去する欠陥修正を行うことが可能となる。
特に、レーザ光として1パルスの継続時間が半値幅で200psより短いパルスレーザを利用することにより、非熱加工による高コントラストの任意のサイズと形状のスリット投影像による除去すなわち欠陥修正を行うことが可能となる。
以上説明したように、本発明のレーザ加工装置、レーザ光学系及びレーザ加工方法によれば、比較的光学部品要素の少ない構成とするにもかかわらず、レーザ光の干渉パターンによる強度分布の不均一性を緩和させつつ、高いエネルギー密度をもって、すなわちエネルギー効率が低下しないことから比較的低いエネルギーのパルスレーザをもって、良好にレーザ加工を行うことができる。
また上述したように、本発明のレーザ加工装置において、パルスレーザ発振器の1パルスの継続時間を、半値幅で200psより短くすることにより、非熱加工による高コントラストの任意のサイズと形状のスリット投影像による加工を行うことが可能となる。
また、パルスレーザ発振器の1パルスの継続時間を、半値幅で1psより長くすることにより、適切な熱拡散長をもたせ、周波数と照射パルス総数を適宜選択することにより、均一な加工特性を達成することができる。
さらに、本発明のレーザ加工装置において、位相シフト部を、短パルスレーザ発振器から出力される光束を分割して、分割された各光束に異なる位相シフト量を与える構造とすることによって、比較的簡易な光学系の構成をもって多光束干渉による加工結果の不均一化を抑制することが可能となる。
また、パルスレーザ発振器の1パルスの継続時間を、半値幅で1psより長くすることにより、適切な熱拡散長をもたせ、周波数と照射パルス総数を適宜選択することにより、均一な加工特性を達成することができる。
さらに、本発明のレーザ加工装置において、位相シフト部を、短パルスレーザ発振器から出力される光束を分割して、分割された各光束に異なる位相シフト量を与える構造とすることによって、比較的簡易な光学系の構成をもって多光束干渉による加工結果の不均一化を抑制することが可能となる。
また、本発明のレーザ加工装置において、その照明光学系として、入射面あるいは出射面のいずれかの面に傾斜面を有するプリズムを用いる場合は、光学的な調整を容易とし、かつ製造コストを抑えた構成とすることができるという利点を有する。
照明光学系として複数のプリズムを用いる場合は、複数のプリズムの各傾斜面の成す傾斜角をそれぞれ異なる値に設定することによって、分割された光束が重なり合う位置を独立させることが可能であり、楕円形状等の出射光束を有するガウシアン強度分布レーザ光束にも適用させることができる。
更に、スリットの間隔及び形状を可変とするか、又はスリットを交換可能とすることによって、各種形状の加工を1台の加工装置により行うことが可能となる。
また、本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法によれば、上述のレーザ光学系を利用することによって、精度良く微細なパターンの配線の欠陥の修正、例えば短絡部の除去を、周囲の配線パターンに影響を及ぼすことなく確実に行うことができる。
照明光学系として複数のプリズムを用いる場合は、複数のプリズムの各傾斜面の成す傾斜角をそれぞれ異なる値に設定することによって、分割された光束が重なり合う位置を独立させることが可能であり、楕円形状等の出射光束を有するガウシアン強度分布レーザ光束にも適用させることができる。
更に、スリットの間隔及び形状を可変とするか、又はスリットを交換可能とすることによって、各種形状の加工を1台の加工装置により行うことが可能となる。
また、本発明のアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法によれば、上述のレーザ光学系を利用することによって、精度良く微細なパターンの配線の欠陥の修正、例えば短絡部の除去を、周囲の配線パターンに影響を及ぼすことなく確実に行うことができる。
なお、本発明は、上述の実施形態例において説明した例に限定されるものではなく、例えばパルスレーザ発振器や結像レンズ光学系の構成などにおいて、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
1.パルスレーザ発振器、5.結像レンズ、6.被加工対象物、10.レーザ加工装置、11.レーザ光学系、20.位相シフト部、30.照明光学系、31.プリズム、32.プリズム、33.フライアイレンズ、34.コンデンスレンズ、40.スリット、81.プリズム、82.プリズム、100.表示装置、101.アクティブマトリクス基板、102.有機EL層、103.陰極、111.基板、173.陽極、174.薄膜トランジスタ、180.配線、181.信号線、182.走査線、183.電位供給線、185.短絡部、186.レーザ照射部
Claims (9)
- パルスレーザ発振器と、
レーザ光束を制限するスリットと、前記スリットを均一に照明する照明光学系と位相シフト部と、
前記スリットを通過した光を被加工対象物に縮小投影する結像レンズと、を有する
ことを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記パルスレーザ発振器の1パルスの継続時間は、半値幅で200ps以下である
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。 - 前記パルスレーザ発振器の1パルスの継続時間は、半値幅で1ps以上である
ことを特徴とする請求項2記載のレーザ加工装置。 - 前記位相シフト部は、前記パルスレーザ発振器から出力される光束を分割して、分割された各光束に異なる位相シフト量を与える構造とされた
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。 - 前記照明光学系は、入射面あるいは出射面のいずれかの面に傾斜面を有する単一又は複数のプリズムより構成される
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。 - 前記スリットの間隔及び形状が可変とされるか、又は前記スリットが交換可能とされた
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。 - パルスレーザ発振器と、
レーザ光束を制限するスリットと、
前記スリットを均一に照明する照明光学系と位相シフト部と、を有する
ことを特徴とするレーザ光学系。 - パルスレーザ光を、位相シフト部により光束を分割して位相シフトさせ、
照明光学系によりスリットに均一に照明し、
前記スリットを通過した光束を結像レンズによって被加工対象物に照射して、レーザ加工を行う
ことを特徴とするレーザ加工方法。 - 基板上に、複数の走査線と、複数の信号線と、複数の電位供給線より成る配線が絶縁膜を介して互いに交差するように設けられ、前記各配線の交差部近傍にスイッチング素子がそれぞれ設けられたアクティブマトリクス基板の前記信号線同士及び/又は前記電位供給線同士及び/又は前記信号線と前記電位供給線の間の短絡部を、レーザ照射により除去するアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法であって、
パルスレーザ光を、位相シフト部により光束を分割して位相シフトさせ、
照明光学系によりスリットに均一に照明し、
前記スリットを通過した光束を結像レンズによって前記アクティブマトリクス基板の前記短絡部に照射して、前記レーザ照射による除去を行う
ことを特徴とするアクティブマトリクス基板の欠陥修正方法。
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