JPH0688149B2

JPH0688149B2 - 光加工方法

Info

Publication number: JPH0688149B2
Application number: JP62049342A
Authority: JP
Inventors: 久人篠原
Original assignee: 株式会社半導体エネルギ−研究所
Priority date: 1987-03-04
Filing date: 1987-03-04
Publication date: 1994-11-09
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: JPS63215390A

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』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1.06μ
ｍ）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、被加工物の熱伝導
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（1.06μ
ｍ）しかない。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レーザ光に大して
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0.5〜1W（光径50μｍ、焦点距離40mm、パル
ス周波数3KHz、パルス巾60n秒の場合）の強い光エネル
ギを走査スピードが30〜60cm/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、マイクロクラックを発生させ、
損傷させてしまった。

『発明が解決しようとする問題』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
択的に形成され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）によりエッチング
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
トではなく、20〜200μｍの巾（例えば150μｍ），長さ
10〜60cm例えば30cm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400nm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.
06μｍ）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方向にそって筒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』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、かつ開溝巾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
加工物のエッチング、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い必要ななく、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図は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248nm,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16mm×20mmを有し、効率３％であ
るため、350mJを有する。さらにこのビームをビームエ
キスパンダ（２）にて長面積化または大面積化した。即
ち、16mm×300mmに拡大した（第２図（21））。この装
置に5.6×10^-2mJ/mm²をエネルギ密度で得た。

次に2mm×300mm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2mm×300mm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
工面での開溝巾が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
物の開溝巾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（11）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巾が5.0eV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10H
z、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（SnO₂）を用いた。

この被膜に加工を行うと、１回のみの線状のパルス光の
照射で開溝（５つのCTF）が完全に白濁化され微粉末に
なった。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）を複数個形成したものである。かく
の如く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15
mm移動し、次のパルス（６）を加える。更に15mm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２』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の方法によりパターニン
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（28）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回とし加える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0.85〜1.5J/cm²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15
mm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工程より２工程（光照射、洗
浄）となり、かつ作業時間を５分〜10分とするとができ
て、多数の直線状開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

【特許請求の範囲】

【請求項１】エキシマレーザビームをビームエキスパン
ダにて面積を広げた後、スリットを通し、さらにその後
シリンドリカルレンズを通すことにより、スリット状ビ
ームに形成し、このスリット状ビームを被加工物に照射
することにより被加工物に開溝を形成することを特徴と
する光加工方法。