JPH0857678A

JPH0857678A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH0857678A
Application number: JP6198605A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Amako; 淳尼子; Tomio Sonehara; 富雄曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-08-23
Filing date: 1994-08-23
Publication date: 1996-03-05

Abstract

(57)【要約】【目的】加工残りや加工損傷を与えることなく、基板上
に形成した薄膜を精密に加工できるレーザ加工装置を提
供することを目的とする。【構成】本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器と、
偶関数でありかつ２値の周期的な位相分布を有する位相
マスクとを備え、前記位相マスクの位相分布の対称中心
と前記レーザ発振器から出射されるビームの中心を合致
させる手段あるいは段階を有し、前記ビームに対して前
記位相マスクを作用させることにより、前記ビームの強
度分布に変形を与えた後に前記ビームを被加工物へ照射
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ビーム強度分布の頭部
を平坦にする位相マスクを備えたレーザ加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＹＡＧレーザは小型でメンテナンス性が
良く、数10μｍの集光スポットが容易に得られるので、
穴あけ、切断をはじめ各種の精密加工に幅広く使われて
いる。さらに、波長532nmの第２高調波が利用できるの
で、微細な薄膜加工へも応用できる。例えば、半導体薄
膜素子の欠陥修正、薄膜センサのパターンニング、液晶
パネルの電極パターンニング等に利用され始めた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、加工対象であ
る薄膜の厚さあるいは膜質は様々であり、同じ加工条件
（Ｑスイッチ周波数、レーザ出力、ビーム径）のもとで
は、一定の加工品質を確保することが困難であった。す
なわち、加工できなかったり、薄膜基板への熱的損傷が
発生することがあった。これらの加工不良は、主に、加
工に用いるビームの強度分布がガウシアンであることに
起因している。

【０００４】半導体薄膜素子の欠陥修正を例にあげて、
上記の問題点について詳しく説明する。説明上ここで
は、膜が残っている状態を欠陥と呼び、この残っている
膜を除去する過程を修正と呼ぶことにする。一般に、ひ
とつの素子の中には、膜厚が薄い部分と厚い部分とが混
在している。膜厚が薄い部分に合わせてレーザ出力を弱
めれば、膜厚が薄い部分４０１では下地４０２へ損傷を
与えることなく膜だけを除き、所定の修正を完了するこ
とができる（図４（ａ））。しかし、膜厚が厚い部分４
０３ではエネルギーが不足し加工痕が下地４０４に達し
ないので修正が完了しない（図４（ｂ））。一方、膜厚
が厚い部分に合わせてレーザ出力を強めると、膜厚が厚
い部分では適量のエネルギーが供給されるので、下地５
０４へ損傷を与えることなく修正を完了することができ
る（図５（ｂ））。しかし、膜厚が薄い部分５０１で
は、ガウシアン分布の頂点の近傍でエネルギーが過剰に
なり、下地５０２へ損傷を与えてしまう（図５
（ａ））。

【０００５】一定の加工条件のもとで、加工不良を発生
させることなく所定の加工を完了するには、断面が矩形
に近い強度分布を有するビーム（矩形ビームと称する）
が適している。本発明の目的は、矩形ビームを実現する
簡便な手段と、この手段を用いたレーザ加工装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１のレーザ加
工装置は、レーザ発振器と、偶関数かつ２値の周期的な
位相分布を有する位相マスクとを備え、前記位相マスク
の位相分布の対称中心と前記レーザ発振器から出射され
るビームの中心を合致させる手段を有し、前記ビームに
対して前記位相マスクを作用させることにより、前記ビ
ームの強度分布に変形を与えた後に前記ビームを被加工
物に照射することを特徴とする。

【０００７】本発明の第２のレーザ加工装置は、前記第
１のレーザ加工装置において、位相マスクは、０次を含
み隣接する少なくとも３つの回折次数の間にはほぼゼロ
に等しい位相差を与え、前記少なくとも３つの回折次数
とこれらのすぐ外側の回折次数との間にはほぼπの位相
差を与えることを特徴とする。

【０００８】

【実施例】図１に、本発明のレーザ加工装置の構成を示
す。レーザ発振機器１０１はＱスイッチＹＡＧレーザで
あり、直線偏光かつＴＥＭ₀₀モードのビームを出射す
る。このビームの強度分布はガウシアンである。レーザ
発振器から出射されたビームは、エクスパンダコリメー
タ１０３で拡大された後に、位相マスク１０４へ入射す
る。位相マスク１０４は、入射ビームのガウシアン強度
分布を、矩形状の強度分布へ変換する作用を有する。位
相マスク１０４を透過したビームは、集光レンズ１０６
を介して、可動ステージ１０８の上に保持された被加工
物１０７の表面に集光スポット１０９を形成する。可動
ステージ１０８で被加工物１０７を移動することによ
り、所定の部位を加工することができる。図中、１０２
は光路折り曲げミラーである。１０５は精密ｘ−ｙステ
ージであり、位相マスク１０４の位相分布の対称中心と
ビームの中心を合致させるために使う。

【０００９】本実施例の位相マスクは、対称中心ならび
に周期性を有する凹凸構造である。凹凸は２値であり、
位相値の0とπに対応する。図２（ａ）に示すように、
位相マスク２０２の対称中心２０３をガウシアンビーム
２０１の中心と合致させて配置する。位相マスク２０２
を透過した回折波面を集光レンズにより光学変換する
と、図２（ｂ）に実線で示すような複素振幅分布が得ら
れる。この複素振幅分布には、（１）０次を含み隣接す
る３つの回折次数にエネルギーが集中している、（２）
０次を含み隣接する３つの回折次数の振幅はほぼ等し
い、（３）０次を含み隣接する３つの回折次数の間では
位相差がほぼゼロに等しく、前記少なくとも３つの回折
次数とこれらのすぐ外側の回折次数との間にはほぼπの
位相差がある、（４）０次を含み隣接する３つの回折次
数の振幅（図中のＳ）と、これらの外側の回折次数の振
幅（図中のＮ）の比（ＳＮ比と称する）が大きい、とい
う特徴があり、これらの特徴があるために、図中に破線
で示した矩形状の強度分布が得られるのである。このよ
うな複素振幅分布を与える位相マスクを備えている点が
本発明の大きな特徴である。

【００１０】位相マスクの位相分布の計算には、シミュ
レーテッドアニーリング法（以下、ＳＡ法、Appl. Opt.
29, 1203-1208(1990)）を用いた。最適解が得られるか
どうかは、計算に用いる拘束条件の与え方に大きく左右
される。さらに、位相マスクの性能は、作製過程で発生
する種々の誤差により低下するのが常である。これらの
点に配慮し、本実施例では、以下の４つの拘束条件を満
足する解を探した。

【００１１】（１）０次を含み隣接する３つの回折次数
に関する光利用効率が50％以上であること。

【００１２】（２）０次を含み隣接する３つの回折次数
の間の振幅の均一性（最小と最大の比）が0.95以上であ
ること。

【００１３】（３）０次を含み隣接する３つの回折次数
の間では位相差がゼロであり、前記少なくとも３つの回
折次数とこれらのすぐ外側の回折次数との間にはπの位
相差があること。

【００１４】（４）０次を含み隣接する３つの回折次数
の振幅とこれらの外側の回折次数の振幅の比すなわちＳ
Ｎ比が4以上であること。

【００１５】（５）位相分布の最小線幅が実現できる程
度に太いこと。

【００１６】実際の計算では、位相分布が２値（0、
π）の実偶関数であるという制限を与え、さらに（１）
と（２）の条件を評価関数の中に反映させた。そして、
（１）と（２）の条件を満足する解の中から、さらに
（３）と（４）と（５）の条件を満足するものを選択し
た。（１）、（２）、（３）、（４）の条件は光利用効
率及び加工品質に対する要求から決まり、（５）の条件
は位相マスクの作製方法ならびに作製手段から決まる。

【００１７】計算して求めた位相マスクの位相分布を表
１から表８に示す。表中の数字は、位相分布の1周期を
1.0とした時の、位相値が変化する点の座標である。位
相値は0とπの２値であり、交互に並んでいる。また、
表１から表８の位相分布の断面を、図３の（ａ)から
（ｈ）に模式的に示した。図中、斜線部分の位相値がπ
である。これらの位相分布は実偶関数であり、光軸と一
致させた対称中心の回りに対称である。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】

【表４】

【００２２】

【表５】

【００２３】

【表６】

【００２４】

【表７】

【００２５】

【表８】

【００２６】表１から表８のデータを使い、マスク露光
と反応性イオンエッチングにより、石英基板に位相マス
クを作製した。位相マスクの大きさは、位相分布の1.0
〜3.0周期分が入射ビーム径（１／ｅ²）の中におさまる
ように定めた。位相マスクの性能は、光利用効率58％以
上、均一性0.95以上、ＳＮ比4.5以上である。

【００２７】作製した位相マスクを図１の装置へ搭載
し、半導体薄膜素子の欠陥修正を試してみた。修正結果
を図６に示す。膜厚に左右されずに、レーザ出力一定の
条件のもとで所定の修正を完了することができた。本実
施例の加工技術によれば、集光スポットの強度分布が矩
形に近いので、強度の局所的な勾配に起因する、加工残
りや加工損傷などの加工不良が発生しない。

【００２８】なお、本実施例では同心円状の位相分布を
有する位相マスクを用いたが、１次元の位相分布を有す
る位相マスクを用いることもできる。また、反射型マス
クを用いた場合でも、透過型マスクを用いた場合と同等
の効果が得られる。ビーム径、位相マスクの周期の長
さ、あるいは集光レンズの焦点距離を変えることによ
り、集光スポットの幅及び形状を容易に変えることもで
きる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、加工に用いる集光スポ
ットの強度分布を矩形にすることにより、強度の局所的
な勾配に起因する加工不良を防止することができる。

【００３０】本発明は、半導体薄膜素子の欠陥修正の他
にも、いろいろなレーザ精密加工へ応用できる。例え
ば、液晶パネルに使用されるＩＴＯ電極のパターニング
へも応用できる。ＩＴＯ基板を載せたステージを集光ス
ポットに対して移動させることによりＩＴＯ膜を切断す
る。集光スポットの強度分布が矩形状であるために、切
断溝の切り口に乱れや***が生じない。したがって、配
向処理の際に欠陥が出ないので、表示不良の要因である
液晶分子の配向不良を排除することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工装置の構成図。

【図２】矩形ビームを得るための原理説明図。（ａ）
は、位相マスクとガウシアンビームとの位置関係図。
（ｂ）は、回折光から矩形強度分布が得られる原理説明
図。

【図３】本発明の位相マスクの位相分布の断面図。
（ａ）は、表１の場合の位相マスクの位相分布の断面
図。（ｂ）は、表２の場合の位相マスクの位相分布の断
面図。（ｃ）は、表３の場合の位相マスクの位相分布の
断面図。（ｄ）は、表４の場合の位相マスクの位相分布
の断面図。（ｅ）は、表５の場合の位相マスクの位相分
布の断面図。（ｆ）は、表６の場合の位相マスクの位相
分布の断面図。（ｇ）は、表７の場合の位相マスクの位
相分布の断面図。（ｈ）は、表８の場合の位相マスクの
位相分布の断面図。

【図４】薄膜の膜厚が薄い部分にレーザ出力をあわせた
場合における、薄膜上の修正部分の形状を示す断面図。
（ａ）は、膜厚の薄い部分における薄膜上の修正部分の
形状を示す断面図。（ｂ）は、膜厚の厚い部分における
薄膜上の修正部分の形状を示す断面図。

【図５】薄膜の膜厚が厚い部分にレーザ出力をあわせた
場合における、薄膜上の修正部分の形状を示す断面図。
（ａ）は、膜厚の薄い部分における薄膜上の修正部分の
形状を示す断面図。（ｂ）は、膜厚の厚い部分における
薄膜上の修正部分の形状を示す断面図。

【図６】本発明において、集光スポットが矩形強度分布
の場合における、薄膜上の修正部分の形状を示す断面
図。（ａ）は、膜厚の薄い部分における薄膜上の修正部
分の形状を示す断面図。（ｂ）は、膜厚の厚い部分にお
ける薄膜上の修正部分の形状を示す断面図。

【符号の説明】

１０１レーザ発振機１０２光路折り曲げミラー１０３エクスパンダコリメータ１０４位相マスク１０５位相マスクの位置合わせ手段１０６集光レンズ１０７被加工物１０８可動ステージ１０９集光スポット２０１ガウシアンビーム２０２位相マスク２０３対称中心４０１被膜４０２下地４０３被膜４０４下地５０１被膜５０２下地５０３被膜５０４下地６０１被膜６０２下地６０３被膜６０４下地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器と、偶関数かつ２値の周期的
な位相分布を有する位相マスクとを備え、前記位相マスクの位相分布の対称中心と前記レーザ発振
器から出射されるビームの中心を合致させる手段を有
し、前記ビームに対して前記位相マスクを作用させることに
より、前記ビームの強度分布に変形を与えた後に前記ビ
ームを被加工物に照射することを特徴とするレーザ加工
装置。
【請求項２】前記位相マスクは、０次を含み隣接する少
なくとも３つの回折次数の間にはほぼゼロに等しい位相
差を与え、前記少なくとも３つの回折次数とこれらのす
ぐ外側の回折次数との間にはほぼπの位相差を与えるこ
とを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。