JP2000317669A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一括露光によるレーザ加工装置において、フ
ォトマスクの耐久性を向上させる。 【解決手段】 レーザ加工装置の投影光学系に用いるフ
ォトマスク１０は、石英またはガラスの基板１と、その
片面に設けられたアルミニウム薄膜パターン２と、これ
を保護する誘電体膜のオーバーコート３を有し、前記光
学系においてレーザ光の入射側がフォトマスク１０の基
板側になるように配設される。基板１がアルミニウム薄
膜パターン２の保護膜として働き、オーバーコート３が
レーザ光の入射側である場合のようにクラック等を生じ
るおそれがないため、フォトマスク１０の耐久時間が長
くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高エネルギーのレ
ーザ光を用いて樹脂材料、鉱物材料、セラミック材料、
ガラス材料等の被加工物を微細加工するレーザ加工装置
に関し、特に、インク滴を飛翔させて記録媒体上に付着
させるインクジェット記録ヘッドのインク吐出口やイン
ク流路をレーザ光によって微細加工するのに好適である
レーザ加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、樹脂材料、鉱物材料、セラミック
材料、ガラス材料等の被加工物を微細加工するレーザ加
工装置には、大別して２つのタイプがあり、そのうちの
１つは、レーザ発振器から略平行に出射するレーザ光を
レンズによって集光し、ミラー等の偏向器によって光走
査を行なって被加工物に微細な溝加工等を施すもの、も
う１つは、レーザ光の光路にフォトマスクを挿入し、該
フォトマスクのパターン像を投影レンズによって被加工
物に結像させて所定パターンの溝や開口を一括加工する
ものである。

【０００３】前者の光走査を行なう方法は、発振光の平
行放射性が良好なレーザ光を用いないと、発散角のため
に微小な点に集光させることができず、精度の荒い加工
になってしまう。ところが、発振出力の大きいエネルギ
ー加工向きのレーザの場合は、その大半がパルス発振レ
ーザであり、短時間に誘導放射を行なうために、空間的
コヒーレンスが低くて発散角が大きいのが一般的である
から、光走査によって所定パターンの溝や開口を加工す
るのには不向きである。すなわち、高出力のレーザを用
いて加工スピードを上げようとすると荒い加工しか望め
ず、精密な微細加工を望むと加工時間が長くなってしま
う傾向がある。

【０００４】後者の一括露光による加工は、光源からフ
ォトマスクに到る照明光学系と、フォトマスクのパター
ン像を被加工物に結像させる投影光学系が複雑であると
いう不利な点があるが、上記光学系のレンズの性能しだ
いで微細な加工が可能であり、しかも２次元のパターン
を一括投影するものであるから、特に決まったパターン
を加工する場合には、加工時間が短時間ですむという利
点がある。

【０００５】ところが一括投影による方法は、フォトマ
スクにレーザ光を照射するため、エネルギーの高い加工
になるほどフォトマスクがダメージを受けて寿命が短く
なってしまうという問題がある。

【０００６】従来から高エネルギーの光による加工に
は、金属をエッチングまたは電鋳法によってパターニン
グしたフォトマスクを用いるのが一般的であるが、エッ
チングや電鋳法ではインクジェット記録ヘッドのインク
吐出口やインク流路等の微細なパターンや中空（ドーナ
ッツ型等）のパターンの製作が技術的に難しい。そこ
で、このような微細加工には、リソグラフィー用のフォ
トマスクと同様に、ガラスまたは石英の基板にクロム薄
膜を成膜し、エッチングによってパターニングしたクロ
ム薄膜フォトマスクが用いられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術によれば、ガラスまたは石英の基板上にクロム薄
膜のパターンを設けたクロム薄膜フォトマスクは、基板
に成膜したクロム薄膜をエレクトロンビームエッチング
によって微細にパターニングするものであり、パターニ
ングの精度が高いという点で非常に有利であるが、高エ
ネルギーのレーザ光に対するクロム薄膜の耐力が不充分
でダメージを受けやすく、耐久性の点で問題がある。

【０００８】すなわち、クロム薄膜は光反射率が比較的
低く、特に紫外域においては反射率が約６０％と著しく
低下するため、光のエネルギーを吸収して徐々に融解気
化し、ついには膜が消失してしまう。

【０００９】本発明は上記従来の技術の有する未解決の
課題に鑑みてなされたものであり、フォトマスクのパタ
ーンを投影することで、インクジェット記録ヘッドのイ
ンク吐出口やインク流路等を微細加工するためのレーザ
加工装置であって、フォトマスクのパターンの精度が充
分であり、しかも、高エネルギーのレーザ光に対するフ
ォトマスクの耐久時間が長くて長時間安定した加工を行
なうことができるレーザ加工装置を提供することを目的
とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明のレーザ加工装置は、光源から発生されたレ
ーザ光をフォトマスクを経て被加工物に照射する投影光
学系を備えており、前記フォトマスクが、基板と、その
片面に設けられたアルミニウム薄膜パターンを有し、か
つ、前記基板側の表面が前記レーザ光の入射側になるよ
うに配設されていることを特徴とする。

【００１１】フォトマスクが、基板と、その片面に設け
られたアルミニウム薄膜パターンと、該アルミニウム薄
膜パターンを覆うオーバーコートを有するとよい。

【００１２】

【作用】アルミニウム薄膜は、クロム薄膜より特に紫外
域における反射率が高く、しかもクロム薄膜をエレクト
ロンビームエッチングした高精度のフォトマスクをマス
ター原盤とするケミカルエッチングによって高精度のパ
ターニングが可能である。従って、アルミニウム薄膜を
パターニングして得られるアルミニウム薄膜パターンを
有するフォトマスクは、インクジェット記録ヘッドのイ
ンク吐出口やインク流路等の高精度の微細加工に好適で
あり、しかも高エネルギーのレーザ光に対する吸収が小
さくて長時間安定したレーザ加工を行なうことができ
る。

【００１３】アルミニウム薄膜パターンの表面をオーバ
ーコートによって保護しても、オーバーコートの側から
レーザ光が入射する構成であれば、オーバーコートにク
ラック等が生じてアルミニウム薄膜パターンが酸化腐蝕
するため、投影光学系においてフォトマスクの基板側が
レーザ光の入射側になるように配設する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図面に基
づいて説明する。

【００１５】図１は一実施の形態によるレーザ加工装置
の投影光学系を示す模式図であり、図２は図１のフォト
マスク１０を説明する図である。フォトマスク１０は、
ガラス（光学ガラス）または石英の基板１と、その片面
に特に紫外域の光に対して反射率の高いアルミニウム薄
膜を成膜して、エッチングによって開口２ａをパターニ
ングしたアルミニウム薄膜パターン２と、該アルミニウ
ム薄膜パターン２を覆う誘電体膜のオーバーコート３を
有する。

【００１６】アルミニウム薄膜パターン２を構成するア
ルミニウム薄膜は、波長２４８ｎｍの光に対する反射率
が約９０％であり、紫外線レーザ等の光の吸収が小さ
い。また、アルミニウム薄膜パターン２の表面にはアル
ミニウムの酸化防止用のオーバーコート３が設けられて
いる。アルミニウム薄膜は上記のように紫外線レーザ等
の光の吸収が小さいものの、アルミニウム薄膜パターン
２を覆うオーバーコート側からフォトマスク１０にレー
ザ光を照射すると、アルミニウム薄膜パターン２を構成
するアルミニウム薄膜とオーバーコート３を構成する誘
電体膜の熱膨張率の差によってオーバーコート３にクラ
ックが生じ、このクラック部分からアルミニウム薄膜が
酸化腐蝕する。アルミニウムが酸化腐蝕して酸化アルミ
に変質すると、反射率が大幅に低下して、レーザ光の吸
収が大きくなり、クロム薄膜のパターンと同様にダメー
ジを受けて短命化する。

【００１７】そこで、図１に示す投影光学系においてフ
ォトマスク１０の基板側の表面がレーザ光Ｌの入射側に
なるようにフォトマスク１０を配設（搭載）する。この
ようにフォトマスク１０の基板側すなわち、アルミニウ
ム薄膜パターン２を有する側と反対側からレーザ光Ｌが
入射するように構成すれば、石英またはガラスの基板１
がアルミニウム薄膜パターン２の保護層として作用す
る。石英またはガラスの基板１は、オーバーコート３の
ようにクラックが発生することなく、レーザ光Ｌによる
ダメージを回避できる。

【００１８】レーザ光に対する反射率の高いアルミニウ
ム薄膜パターンを用いるとともに、フォトマスクの基板
側からレーザ光を入射させることで、レーザ光によるフ
ォトマスクのダメージを大幅に低減して耐久性を向上さ
せることができる。

【００１９】なお、アルミニウム薄膜のパターニングに
はケミカルエッチングを採用する。クロム薄膜をエレク
トロンビームエッチングした場合に比べて精度が劣る傾
向があるものの、近年ではアルミニウムのケミカルエッ
チングの技術の発達が著しく、クロム薄膜をエレクトロ
ンビームエッチングした高精度のフォトマスクをマスタ
ー原盤とした転写複製によってアルミニウム薄膜をパタ
ーニングすれば、クロム薄膜のパターンとほぼ同等な高
精度のパターンを得ることができる。このように、アル
ミニウム薄膜パターンは、極めて高精度のものを比較的
安価に製作できるという利点を有し、インクジェット記
録ヘッドのインク吐出口やインク流路等の高精度の微細
加工に好適である。

【００２０】高精度でしかも耐久性にすぐれたフォトマ
スクを用いることで、レーザ加工装置の耐久性の向上と
高性能化に貢献できる。

【００２１】次に図１の装置の光学的構成を説明する。

【００２２】エキシマレーザまたはＹＡＧレーザ等の光
源である紫外線レーザ１１から発振された光束（レーザ
光）Ｌをフライズアイ等のオプティカルインテグレータ
１２に導き入射レーザ光束を複数に分解し、分解した光
束をフィールドレンズ１３によって、フォトマスク１０
上で重ね合わせることで、レーザ光の照明強度を略均一
に補正しフォトマスク１０を照射する。

【００２３】フィールドレンズ１３はオプティカルイン
テグレータ１２によって複数の点に集束された点像Ａを
投影レンズ１４の絞り１４ａの位置に投影して均一な照
明を得るケーラー照明系を形成している。

【００２４】投影レンズ１４はフォトマスク１０のアル
ミニウム薄膜パターン２を被加工物であるワークＷの表
面に投影し、アルミニウム薄膜パターン２の開口２ａの
形状に従って溝加工や穴加工が行なわれる。

【００２５】フォトマスク１０は前述のように、石英ま
たはガラスの基板１上にアルミニウム薄膜を蒸着によっ
て堆積し、レジスト塗布、パターン現像、選択的レジス
ト除去、アルミニウムのケミカルエッチング、レジスト
除去の工程を経て開口２ａを形成したのち、アルミニウ
ムの酸化防止のためにオーバーコート（誘電体膜）３を
蒸着したもので、図２の矢印で示した方向、すなわちフ
ォトマスク１０の基板側の表面がレーザ光の入射側であ
る。

【００２６】図３は、アルミニウム薄膜とクロム薄膜の
反射率を示すグラフである。光源にクリプトンフッ素の
エキシマレーザを用いる場合、レーザ光の波長２４８ｎ
ｍでアルミニウム薄膜の反射率は約９０％、クロム薄膜
の反射率は約６０％である。すなわち、クロム薄膜は約
４０％のレーザ光を吸収するのに対してアルミニウム薄
膜は約１０％でクロム薄膜の１／４しか吸収されない。

【００２７】このように膜に与えられるエネルギーが１
／４になることで、破壊耐久性が最低４倍に伸びると予
想されるが、オーバーコートにクラック等が発生してア
ルミニウムが空気にさらされると、酸化して酸化アルミ
ニウムになり、反射率が極端に減少してしまうという特
性がある。

【００２８】そこで、アルミニウム薄膜を用いたフォト
マスクをオーバーコートである誘電体膜側からレーザ光
を照射した場合と、基板側からレーザ光を照射した場合
について実験してみたところ、誘電体膜（オーバーコー
ト）側から照射した場合は、レーザ光のエネルギー密度
によって破壊時間が変化するが、まず、誘電体膜とアル
ミニウム薄膜の熱膨張の差から誘電体膜にクラックが発
生し、発生したクラックから空気が侵入してアルミニウ
ムが酸化腐蝕する。アルミニウムが酸化すると急激に膜
の昇華侵食が加速されて、膜破壊が進行してしまい、結
果的にクロム薄膜のフォトマスクの耐久時間よりも短い
時間しかもたないことが判明した。

【００２９】一方、基板側からフォトマスクにレーザ光
を照射した場合は、オーバーコート側から照射した場合
に比べて約１０倍ほど破壊耐久時間が長く、その破壊過
程は、最終的にピンホールが発生して、発生したピンホ
ールから侵食が広がっていくといった過程で破壊が起き
ることが判った。

【００３０】図４は、膜の破壊に到るまでの時間とレー
ザ光のエネルギー密度依存性を調べた実験結果を示す。
条件は、波長２４８ｎｍのパルスレーザでフォトマスク
を照射し、レーザ光のエネルギー密度に対して、破壊に
到るまでの耐久時間をパルス数で指数関数的に減少する
ところを表わしたものである。アルミニウム薄膜フォト
マスクの基板側からレーザ光を照射した場合をグラフ
Ａ、オーバーコート側からレーザ光を照射した場合をグ
ラフＢ、クロム薄膜フォトマスクを用いた場合をグラフ
Ｃで示す。アルミニウム薄膜フォトマスクに基板側から
照射した場合（グラフＡ）の耐久時間は、オーバーコー
ト側から照射したグラフＢの場合の約１０倍であること
が判る。また、アルミニウム薄膜フォトマスクにオーバ
ーコート側から照射すると、グラフＣのクロム薄膜フォ
トマスクの場合に比べても耐久性が約１／２と低くなる
ことが判明した。これは、オーバーコートである誘電体
膜にクラックが生じてアルミニウムが酸化されると、加
速的に破壊が進行するためであると推測される。なお、
クロム薄膜フォトマスクの場合は、レーザ光の照射方向
が基板側、クロム薄膜側のいずれでも、破壊に到る耐久
時間はほとんど変わらない。

【００３１】すなわち、アルミニウム薄膜フォトマスク
を、基板側からレーザ光が照射されるように搭載するこ
とで、従来のクロム薄膜フォトマスクに比べて破壊に到
る耐久時間が約５倍に向上する。

【００３２】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。

【００３３】フォトマスクのパターンを投影すること
で、インクジェット記録ヘッドのインク吐出口やインク
流路等を微細加工するレーザ加工装置において、高エネ
ルギーのレーザ光に対するフォトマスクの長寿命化と精
度向上を促進し、装置の耐久性の向上と高性能化に大き
く貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施の形態によるレーザ加工装置の投影光学
系を説明する図である。

【図２】図１のフォトマスクを示すもので、（ａ）はそ
の立面図、（ｂ）は一部破断平面図である。

【図３】アルミニウム薄膜の反射率とクロム薄膜の反射
率を比較するグラフである。

【図４】アルミニウム薄膜フォトマスクの基板側からレ
ーザ光を照射した場合と、アルミニウム薄膜フォトマス
クのオーバーコート側からレーザ光を照射した場合と、
クロム薄膜フォトマスクを用いた場合の耐久時間を測定
した実験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 基板 ２ アルミニウム薄膜パターン ３ オーバーコート １０ フォトマスク １１ 紫外線レーザ １２ オプティカルインテグレータ １３ フィールドレンズ １４ 投影レンズ １４ａ 絞り

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から発生されたレーザ光をフォトマ
   スクを経て被加工物に照射する投影光学系を備えてお
   り、前記フォトマスクが、基板と、その片面に設けられ
   たアルミニウム薄膜パターンを有し、かつ、前記基板側
   の表面が前記レーザ光の入射側になるように配設されて
   いることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 フォトマスクが、基板と、その片面に設
   けられたアルミニウム薄膜パターンと、該アルミニウム
   薄膜パターンを覆うオーバーコートを有することを特徴
   とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 光源が、エキシマレーザまたはＹＡＧレ
   ーザであることを特徴とする請求項１または２記載のレ
   ーザ加工装置。
4. 【請求項４】 レーザ光によってインクジェット記録ヘ
   ッドの微細加工を行なうことを特徴とする請求項１ない
   し３いずれか１項記載のレーザ加工装置。