JP2001287070A - マスク上へのビームのスキャニングによるレーザビームホモジナイゼーション - Google Patents
マスク上へのビームのスキャニングによるレーザビームホモジナイゼーションInfo
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Abstract
のパルスを使用する用途において、レーザビームをホモ
ジナイズする方法および装置を得ること。 【解決手段】 マスクのイメージがワークピースの表面
上に投影される複数のパルス穿孔配置で使用するための
パルスレーザビームをホモジナイズするための装置であ
って、マスクへパルスレーザビームを反射するように構
成されたミラーと、パルスレーザビームの中心軸がマス
ク上のパターンをトレースするようにミラーを動かし、
長期間にわたりワークピースの表面上に投影されたマス
クのイメージが、レーザ光ビームが投影される全領域で
ほぼ等しい強度を示すように構成された、スキャニング
装置と、を備える、装置。
Description
関し、特に複数のレーザパルスを用いて材料に穿孔する
ための投影イメージングシステムに使用するマスク上に
レーザ照射をホモジナイズする装置に関する。
クパターンのイメージをレーザビーム照射によりワーク
ピース上に投影している。このようなシステムの一つ
が、「HIGH−SPEED DRILLING SY
STEM FOR MICRO−VIA PATTER
N FORMATION AND RESULTING
STRUCTURE」と題されたJainらの米国特許
第6,040,552号に示される。このシステムで
は、レーザビームは穴の開いた領域および不透明な領域
を備える平坦なマスクを照射する。穴の開いた領域のパ
ターン(このことからマスクと呼ばれる)は、ワークピ
ース表面上へレンズシステムにより結像される。次い
で、マスクの穴の開いた領域により規定されるパターン
をワークピース中に穿孔する。結像レンズの線形倍率が
Mである場合、ワークピースのパターンは長さ寸法にお
いてM倍拡大される。
を有し、これはそのビーム径で特徴付けられる。ほとん
どのレーザについて、横方向のレーザ光は均一な強度を
有していない。典型的には、レーザビームの強度は、二
次元ガウス分布としてモデル化され得、これはビームの
中心で最高の強度を有し、ビームの端部の方向へ徐々に
強度が低下する。投影イメージングで穿孔するレーザに
関し、穿孔されたホールが均一となるようにワークピー
スの均一なレーザ強度分布が求められる。マスクの均一
な照射を確実にするために、マスクはレーザビームより
もずっと小さくされるか、上記の参照特許にあるよう
に、マスクの照射前にビームをより均一な横方向の強度
分布へ変換するかのいずれかである。レーザビームを変
換するプロセスは、ビームホモジナイゼーションまたは
ビーム整形として公知である。上記の参照特許で使用さ
れるような典型的なビームホモジナイゼーションシステ
ムは、レーザビームの光分布を変える光学系を使用す
る。
ジング配置で穿孔するために複数のパルスを使用する用
途において、レーザビームをホモジナイズする方法およ
び装置を具現化する。
ージがワークピースの表面上に投影される複数のパルス
穿孔配置で使用するためのパルスレーザビームをホモジ
ナイズするための装置であって、上記装置が以下、上記
マスクへ上記パルスレーザビームを反射するように構成
されたミラーと、上記パルスレーザビームの中心軸が上
記マスク上のパターンをトレースするように上記ミラー
を動かし、長期間にわたり上記ワークピースの上記表面
上に投影された上記マスクの上記イメージが、上記レー
ザ光ビームが投影される全領域でほぼ等しい強度を示す
ように構成された、スキャニング装置と、を備える、装
置であり、これにより上記課題が解決される。
であって、ここで、上記マスクが複数のアパーチャを備
え、レーザ光パルスの上記ビームが中心部および周辺部
を有し、上記スキャニング装置が、上記ワークピース上
の上記パターンをトレースし、複数のレーザパルス間隔
にわたり上記マスクの各アパーチャが、上記レーザビー
ムの上記中心部および上記周辺部に曝される、装置であ
る。
であって、ここで、上記ミラーが平坦な反射面を有し、
上記スキャニング装置が軸の周りに回転するシャフトを
有するモータを備え、上記ミラーは、上記ミラーの上記
平坦な反射面が上記モータシャフトの上記回転軸に垂直
な面に対して一定角度になるようにモータの上記シャフ
ト上に設置される、装置である。
であって、さらに、上記ミラーへ上記レーザ光パルスを
反射するように構成された追加ミラーであって、上記ミ
ラーおよび上記追加ミラーのそれぞれが平坦な反射面を
有する、追加ミラーを備え、上記スキャニング装置が、
上記ミラーおよび上記追加ミラーへそれぞれ接続された
第1および第2の検流計スキャニングアクチュエータを
備え、上記第1および第2の検流計スキャニングアクチ
ュエータのそれぞれが、それらのミラーの上記面に平行
な面内の回転軸の周りで各ミラーを回転させる、装置で
ある。
スの表面上に投影される複数のパルス穿孔配置で使用さ
れるパルスレーザビームをホモジナイズするための方法
であって、上記方法が以下、ミラーを使用して上記マス
クへ上記パルスレーザビームを反射する工程と、上記パ
ルスレーザビームの中心軸が上記マスク上のパターンを
トレースするように上記ミラーを作動させ、長期間にわ
たり上記ワークピースの上記表面上に投影された上記マ
スクの上記イメージが、上記レーザ光ビームが投影され
る全領域でほぼ等しい強度を示す工程と、を包含する、
方法であり、これにより上記課題が解決される。
であって、ここで、上記マスクが複数のアパーチャを備
え、レーザ光パルスの上記ビームが中心部および周辺部
を有し、上記ミラーを作動させる上記工程が、上記パル
スレーザビームを上記ワークピース上の上記パターンに
続かせ、複数のレーザパルス間隔にわたり上記マスクの
各アパーチャが、上記レーザビームの上記中心部および
上記周辺部に曝される、方法である。
であって、ここで、上記ミラーが平坦な反射面を有し、
上記作動させる工程が、上記ミラーの上記反射面が軸に
垂直な面に対して一定角度になるように上記軸の周りに
上記ミラーを回転させる工程を包含する、方法である。
であって、ここで、上記マスクへ上記パルスレーザビー
ムを反射する上記工程が、第1の平坦なミラーから第2
の平坦なミラーへ上記パルスレーザビームを反射し、そ
して上記パルスレーザビームを上記第2の平坦なミラー
から上記マスクへ反射する工程を包含し、上記ミラーを
作動させる上記工程が、上記第1のミラーの面に平行な
第1の軸の周りで回転するように上記第1のミラーを作
動させる工程、および上記第2のミラーの面に平行な第
2の軸の周りで回転するように上記第2のミラーを作動
させる工程を包含する、方法である。
パルス穿孔」は、マスクのイメージが複数のレーザパル
スの発射中ワークピース表面上で比較的静止状態のまま
であることを意味する。本発明によれば、機械式デバイ
スがマスクにわたってビームをスキャンし、マスク上の
ビームサイズよりも大きな領域のマスクを照射する。任
意の不均一なビーム照射は、複数のパルス穿孔プロセス
の間、平均化される。
ルスのビームは中心部および周辺部を有し、ビームホモ
ジナイズ装置は、複数のレーザパルス間隔にわたり各ア
パーチャがレーザビームの中心部および周辺部に曝され
るように、ワークピース上のパターンにおいてレーザ光
パルスのビームを動かす。
ナイズ装置は、レーザ光パルスのビームをマスク上へ反
射するミラーである。このミラーは、軸の周りで回転す
るモータのシャフトに設置される平坦な反射面を有し、
そしてこのミラーは、ミラーの平面が回転軸と垂直な平
面に対して一定角度を有するようにモータシャフトに対
して設置される。
ナイズ装置は、2個の検流計ミラー(galvo mi
rror)を備える。第1の検流計ミラーはレーザビー
ムを第2の検流計ミラーへ反射するように構成され、第
2の検流計ミラーはレーザビームをマスクへ反射するよ
うに構成される。第1の検流ミラーおよび第2の検流ミ
ラーはそれぞれ、それらのミラーの平面に平行な平面内
の回転軸の周りで回転する。
て読むと、以下の詳細な説明から最も良く理解される。
常識的に、図面の種々の特徴は一定尺度比ではないこと
を強調する。反対に、種々の特徴の寸法は、明確化のた
めに任意に拡大または減少される。
1に示される。レーザ110から発射されたレーザビー
ムは、最初に機械式シャッター112を通過する。この
シャッターは、例えばワークピースが動かされている場
合に、レーザ110のスイッチを切らずにビームをオフ
にすることを可能にする。このシャッターにより提供さ
れるレーザビームは、4分の1波長板113を通過す
る。この4分の1波長板113は、レーザビームの偏光
を線偏光から円偏光に変える。これは、丸いホールを穿
孔するために望ましいと本発明者らにより判断された。
次いで、円偏光されたビームは、後述されるビームスキ
ャナー114から反射される。次いで、この反射された
ビームは、レンズ118を通過してマスク120上のレ
ーザ流束量を増大させる。レンズ118は、ビームスキ
ャナー114とマスク120との間にある代わりに、4
分の1波長板113とビームスキャナー114との間に
設置され得ることが考えられる。
は、レンズ122および126を含む2個のレンズシス
テムで現実化される。マスクはレンズ122の焦点面に
ほぼ設置される。そしてワークピースはレンズ126の
焦点面に設置される。例示の装置において、半鍍銀回転
ミラー(half−silvered turning
mirror)124がレンズ122と126との間
に設置される。
率が2個のレンズの焦点距離の比(M=f2/f1)で与
えられる。このイメージング配置は、2個の結像レンズ
間のビームを平行化し、そのために2個のレンズの分離
にはセンシティブではない。ワークピース130は、X
YZ平行移動ステージ128に設置される。例示のステ
ージ128はコンピュータにより制御され、そのコンピ
ュータはさらに、ワークピース130が動かされるとき
にビームをワークピース130に投影しないようにシャ
ッター112を制御し、同調させる。XYZ平行移動ス
テージ128をXY平行移動ステージの代わりに使用し
て、レンズ126の焦点面でアブレートされるワークピ
ースの表面を設置するために、このワークピースの位置
を調節することができる。従って、加工プロセスの間、
平行移動ステージ128はZ方向に進み、ワークピース
130の表面、あるいは部分的にアブレートされたホー
ルの下表面をレンズ126の焦点面またはその近傍に設
置することができる。
CDカメラ結像レンズ138およびCCDカメラ140
を含む顕微鏡イメージングセットアップが、リアルタイ
ムで穿孔プロセスをモニタすることを可能にする。光フ
ァイバーが接続したランプ132および視準レンズ13
4は、回転ミラー136および対物レンズ126を通っ
てサンプルを照射する。
長のレーザが使用される場合、レーザパルスエネルギー
は約800μJであり、ビームのパルス幅は約150フ
ェムト秒であり、パルス繰返し周波数は約1kHzであ
り、0.8ワットの平均出力を達成する。各ホールを形
成するために使用するパルスの数は、数十から数千の範
囲である。
マスク120に対するレンズ118の位置を変えること
で変更することができ、ゆえにマスク上のレーザビーム
の流束量を変える。
ホールを穿孔するために、レーザビームは、アパーチャ
ホールを有するマスク領域の部分にわたって均一である
ことが重要である。本発明の例示の実施態様では、これ
は2つのステップで達成される。第1に、マスク120
上のレーザビームの径は、アパーチャホールのパターン
の径より幾分か大きい。第2に、複数のパルスが適用さ
れる間、ビームスキャナー114が作動してマスク上の
ビームをスキャンすることによりワークピース上のレー
ザ流束量をホモジナイズする。
マスク120の正面図である。この例示のマスク120
は、穴の開いたアパーチャ210のパターンを有する平
坦で不透明な金属箔から作製される。このレーザビーム
はアパーチャ210を通過するが、そうでない場合はマ
スク120によりブロックされる。例示の実施態様で
は、アパーチャ210は10〜100μmの直径であ
り、100〜5000個のホールを有しており、1〜2
mm2かつ10〜15μm厚のマスクに形成される。レ
ンズシステム125および127で結像される場合、こ
のマスクは1〜10μmの直径を有するホールをワーク
ピース上に生成する。例示のマスクでは、アパーチャ2
10は六角形状に形成されて、円型のビームがマスク上
に投影される場合、ブロックされるレーザ光の量を最小
限にする。
スキャナー114の第1の例示の実施態様を示す。この
第1の例示のビームスキャナーは、モータ310のシャ
フト314に設置された回転ミラー316を備える。ミ
ラー316は、モータシャフト314に垂直な設置ピー
ス312に固定される。くさび318はミラー316を
設置ピース312から分離し、ミラーの反射面がモータ
シャフトと垂直にならないようにミラーを構成する。こ
のミラー316の構成により、図3Aおよび3Bに示さ
れる装置は、モータが回転するにつれてマスク120の
表面にわたる円形パターンにおいてレーザビームをスキ
ャンする。図3Aおよび3Bに示されるように、くさび
がモータの一側部にある場合ビームは左側に反射され、
モータの他側部にある場合ビームは右側に反射される。
従って、ミラーで反射されたレーザビームは「揺らい
だ」挙動を示す。
ザビームはマスク上で静止状態のままである。本発明で
は、マスクはレーザビームに匹敵するサイズであり、そ
のため照射はマスク全体(穴の開いた領域)にわたって
均一ではなく、そしてワークピースで穿孔するレーザは
均一ではない。スキャンデバイスが機能する場合、レー
ザビームは予定のようにマスクにわたって移動する。レ
ーザビームの予定のスキャンは、複数のパルス穿孔プロ
セスの間で平均化したレーザ強度が均一になるようにな
され得る。次いで、この影響はマスクの均一な照射と等
しくなる。それゆえ、ビームは複数のパルス穿孔操作の
間にわたってホモジナイズされる。
々の方法がある。一つの単純な実施態様は、図3Aおよ
び3Bに示されるように、モータ310に設置された回
転ミラー316である。ミラー表面は回転軸に対して傾
いている。ミラーが回転するにつれて、ミラーで反射し
て離れるビームも回転軸の周りで回転する。次いで、ス
キャンをマスク上の円形経路で行う。これは、図2に示
されるマスクパターンのようにマスクパターンが概ね円
形である場合に有用である。上記のように、例示のマス
クのパターン領域は約1.5mmのサイズである。スキ
ャンビームのホモジナイゼーションが実現されない場
合、マスクの端部の方のホールは低いレーザ強度のため
にあまり材料が除去されない。1〜1.5mmの直径を
有する円でミラーを上記のように回転させることにより
ビームがスキャンされる場合、均一に穿孔されたホール
が得られる。これらのホールを穿孔するために使用され
たパルスの数は、1kHzのレーザパルス繰返し周波数
で約2500である(穿孔に2.5秒かかる)。この例
示の実施態様では、ミラーは約4回転/秒の速度で回転
する。
れるスキャン方法を示すマスク120の簡略図である。
この図において、マスクアパーチャの外形が六角形40
0で示される。円410、414、418および422
は、ミラー316の種々の回転位置でのマスク上のレー
ザビームの位置を示す。レーザビームの中心412、4
16、420および424は、スキャナーにより生成し
たレーザの経路を示す円426に合致する。
イス114により、レーザビームがマスク上の円形経路
をトレースする。異なる経路をトレースする他のビーム
スキャナーが使用され得ることが考慮される。これらの
スキャナーは、例えばマスク中のアパーチャのパターン
が概ね円形でない場合に特に有用である。
に示される。このビームスキャナーは、2個の検流計ス
キャンミラーを備え、検流計ミラーとしても公知であ
る。検流計ミラーは、ミラー平面にある軸の周りで前後
に揺動する。ミラーがセットアップされると、(例え
ば、娯楽用のレーザショウにおいてのように)任意のパ
ターンでビームをスキャンすることができる。一対の検
流計ミラー510および520が本発明のこの例示の実
施態様で使用され、ビームホモジナイゼーションのため
にマスクにわたってレーザビームをスキャンする。
ラー510へ向けられるビームを生成する。ミラーはア
クチュエータ(示されず)を含むハウジング516を備
える。アクチュエータにより、ミラー512が軸514
の周りで回転する。軸514は、ミラー512の反射面
の平面にあり得るか、またはミラーの平面に平行な平面
にあり得るかのいずれかである。ミラー512は、垂直
方向にビームをスキャンする。検流計ミラー510は、
レーザビームを第2の検流計ミラー520の方へ向け
る。検流計ミラー520はさらに、ミラー522を軸5
24の周りで回転させるアクチュエータ(示されず)を
有するハウジング526を備える。検流計ミラー520
は、水平方向にレーザビームをスキャンする。検流計ミ
ラー520は、レーザビームをマスク120の方へ向
け、上記のようにマスク120では複数のビームに分割
される。
ーザビームの水平方向の偏向および垂直方向の偏向が独
立して制御され得るので、多くの種々のスキャンパター
ンを生成するために使用され得る。上記のように、ワー
クピース上のレーザの流束量をホモジナイズするために
種々のマスク形状について種々のスキャンパターンを使
用することが望ましくあり得る。
持続時間を有するレーザパルスを使用して、金属材料中
にμmサイズのホールのアレイを生成する。超短波長の
パルスの持続時間は、穿孔操作中ホールを取り囲む任意
の熱影響部を最小限にし、従って、任意に溶融を最小限
にする。この結果、金属中にクリーンで高品質のホール
ができる。図6は、本発明による例示の超短波長レーザ
およびビームホモジナイゼーションシステムを使用して
タングステン箔に穿孔したホールを示す顕微鏡写真であ
る。図6から分かり得るように、超短波長のパルスで穿
孔されたホールは、実質的に溶融した金属がなく、クリ
ーンで非常に規則正しいマイクロキャビティのホールの
アレイとなる。
モジナイズする。他のレーザビームホモジナイゼーショ
ン法は、複雑で、かつ困難であり得る。例えば、入射ビ
ームがシルク帽形(top−hat)のビームへ変換さ
れる回折光学素子を使用するレーザビーム整形は、実際
の入射ビームの振幅および位相分布に依存する。この結
果は、種々のレーザ間で異なり得る。本発明は、入射レ
ーザ位相分布の詳細については明るくない。
れてきたが、上記のように特許請求の範囲の範囲内であ
る改変が実施され得ることが意図される。
イメージをワークピースへ投影することにより、ワーク
ピースにホールを穿孔する用途において、レーザビーム
をホモジナイズする装置はマスクにわたってレーザビー
ムをスキャンし、マスクの各開口を通る実質的に均等な
レーザ流束量を達成する。任意の不均一なビーム照射
が、複数のパルス穿孔プロセスの間に平均化される。本
発明の一つの実施態様では、ミラーの反射面がモータの
回転軸に垂直な平面に対して一定角度であるようにモー
タに設置されたミラーを使用する。この実施態様は、マ
スク上の円形経路をトレースする。本発明の別の実施態
様では、2個の検流計ミラーを使用してレーザビームを
スキャンする。第1の検流計ミラーは、レーザビームを
第2の検流計ミラーへ反射するように構成され、第2の
検流計ミラーは、レーザビームをマスクへ反射するよう
に構成され、ここで、それぞれの第1および第2の検流
計ミラーは、それらのミラーの平面内の回転軸の周りで
回転する。直交する回転軸を有するように検流計ミラー
を設置することにより、この装置は、マスク全体にわた
る任意のパターンでレーザビームをトレースすることが
できる。
穿孔するために複数のパルスを使用する用途において、
レーザビームをホモジナイズする方法および装置が得ら
れた。
ブロック図
得る例示のマスクの正面図
置の第1の例示の実施態様のブロック図
置の第1の例示の実施態様のブロック図
の操作を説明するに有用な図2に示されるマスクの簡略
化した正面図
の第2の例示の実施態様のブロック図
施態様で作製したマイクロキャビティアレイの顕微鏡写
真の図
Claims (8)
- 【請求項1】 マスクのイメージがワークピースの表面
上に投影される複数のパルス穿孔配置で使用するための
パルスレーザビームをホモジナイズするための装置であ
って、該装置が以下、 該マスクへ該パルスレーザビームを反射するように構成
されたミラーと、 該パルスレーザビームの中心軸が該マスク上のパターン
をトレースするように該ミラーを動かし、長期間にわた
り該ワークピースの該表面上に投影された該マスクの該
イメージが、該レーザ光ビームが投影される全領域でほ
ぼ等しい強度を示すように構成された、スキャニング装
置と、を備える、装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の装置であって、ここ
で、 前記マスクが複数のアパーチャを備え、レーザ光パルス
の前記ビームが中心部および周辺部を有し、 前記スキャニング装置が、前記ワークピース上の前記パ
ターンをトレースし、複数のレーザパルス間隔にわたり
該マスクの各アパーチャが、該レーザビームの該中心部
および該周辺部に曝される、装置。 - 【請求項3】 請求項1に記載の装置であって、ここ
で、 前記ミラーが平坦な反射面を有し、前記スキャニング装
置が軸の周りに回転するシャフトを有するモータを備
え、該ミラーは、該ミラーの該平坦な反射面が該モータ
シャフトの該回転軸に垂直な面に対して一定角度になる
ようにモータの該シャフト上に設置される、装置。 - 【請求項4】 請求項1に記載の装置であって、さら
に、 前記ミラーへ前記レーザ光パルスを反射するように構成
された追加ミラーであって、該ミラーおよび該追加ミラ
ーのそれぞれが平坦な反射面を有する、追加ミラーを備
え、 前記スキャニング装置が、該ミラーおよび該追加ミラー
へそれぞれ接続された第1および第2の検流計スキャニ
ングアクチュエータを備え、該第1および第2の検流計
スキャニングアクチュエータのそれぞれが、それらのミ
ラーの該面に平行な面内の回転軸の周りで各ミラーを回
転させる、装置。 - 【請求項5】 マスクのイメージがワークピースの表面
上に投影される複数のパルス穿孔配置で使用されるパル
スレーザビームをホモジナイズするための方法であっ
て、該方法が以下、 ミラーを使用して該マスクへ該パルスレーザビームを反
射する工程と、 該パルスレーザビームの中心軸が該マスク上のパターン
をトレースするように該ミラーを作動させ、長期間にわ
たり該ワークピースの該表面上に投影された該マスクの
該イメージが、該レーザ光ビームが投影される全領域で
ほぼ等しい強度を示す工程と、を包含する、方法。 - 【請求項6】 請求項5に記載の方法であって、ここ
で、 前記マスクが複数のアパーチャを備え、レーザ光パルス
の前記ビームが中心部および周辺部を有し、前記ミラー
を作動させる前記工程が、該パルスレーザビームを前記
ワークピース上の前記パターンに続かせ、複数のレーザ
パルス間隔にわたり該マスクの各アパーチャが、該レー
ザビームの該中心部および該周辺部に曝される、方法。 - 【請求項7】 請求項5に記載の方法であって、ここ
で、 前記ミラーが平坦な反射面を有し、前記作動させる工程
が、該ミラーの該反射面が軸に垂直な面に対して一定角
度になるように該軸の周りに該ミラーを回転させる工程
を包含する、方法。 - 【請求項8】 請求項5に記載の方法であって、ここ
で、 前記マスクへ前記パルスレーザビームを反射する前記工
程が、第1の平坦なミラーから第2の平坦なミラーへ該
パルスレーザビームを反射し、そして該パルスレーザビ
ームを該第2の平坦なミラーから該マスクへ反射する工
程を包含し、 該ミラーを作動させる前記工程が、該第1のミラーの面
に平行な第1の軸の周りで回転するように該第1のミラ
ーを作動させる工程、および該第2のミラーの面に平行
な第2の軸の周りで回転するように該第2のミラーを作
動させる工程を包含する、方法。
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