JP2003517931A - サブストレートを加工する装置および当該装置を用いてサブストレートを加工する方法 - Google Patents

サブストレートを加工する装置および当該装置を用いてサブストレートを加工する方法

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Abstract

(57)【要約】 レーザービーム（２）をサブストレート（７）上に集束し、サブストレートを加工する場合、最小面積に依存する焦点深度（８）は、例えばビームエクスパンダー（３）、偏向ユニット（５）および光学結像素子（６）等の光学ユニットによって設定される。サブストレートが厚い場合、とりわけ細いホールを形成するのは困難である。本発明では第２のレーザービーム（１２）が生成され、これは第２のビームエクスパンダー（１３）によって拡大され、偏向ユニット（５）および光学的結像装置によってサブストレート（７）上に集束される。第２の焦点深度（１５）の位置および長さは第２のビームエクスパンダー（１３）の倍率の選択またはデアジャストによって変えられる。２つのレーザービームを連続して用いることで、細いホールを厚いサブストレートにも形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、独立請求項の上位概念に記載されたサブストレートを加工する装置
、並びに請求項７の上位概念に記載された該装置を用いてサブストレートを加工
する方法に関する。
【０００２】 レーザービームを用いてサブストレートを加工する場合、例えば金属化された
サブストレート表面を構造化する場合や多層サブストレートにコンタクトホール
を形成する場合に、通常はＮｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｃ
Ｏ２レーザー、アルゴンレーザー等の標準的なレーザーが用いられる。このよう
なレーザーの出力ビームは、ビームエクスパンダー、偏向ユニットおよび光学的
結像装置（主として、１５０ｎｍから５０ｎｍの焦点距離を有するｆシータレン
ズ）を介して、加工すべきサブストレート上で結像される。
【０００３】 サブストレートを加工する際にできる限り大きなエネルギー密度と高い解像度
を得るため、レーザーのエネルギーはここでできるだけ狭い面積、いわゆる最小
のスポット幅（"スポットサイズ"）に集束される。このスポット幅は、レーザー
ビームがビームエクスパンダーから平行光線束として光学的結像装置に入射する
ことで、光学的結像装置の焦点面にあらわれる。焦点面の前後でレーザーのスポ
ット幅はより広くなるので、その個所ではより低いエネルギー密度しか得られな
い。加工にかろうじて足りるとみなされる２つのスポット幅の焦点面の前後の位
置の間隔を、以下で焦点深度と称する。焦点深度は公知のように、レーザー光の
波長の関数、ビーム拡大の関数およびｆシータレンズの焦点距離の関数として生
じる。主な使用ケースで、波長が１０６４ｎｍの場合に焦点深度は１ｍｍから５
ｍｍの間で変化し、波長が２６６ｎｍの場合は０，１ｍｍから１ｍｍの間で変化
する。
【０００４】 焦点深度のオーダの厚さを有するサブストレートを貫通させる場合には次のよ
うな問題が生じる。すなわち焦点深度領域の縁部でスポット幅が広がることによ
って、ホールが円柱形状ではなく強度の円錐形状になってしまうという問題が生
じる。ホールの円錐度合いを調整することはできない。なぜなら、それは使用さ
れるレーザーシステムによって規定されるからである。
【０００５】 有効な焦点深度領域を変える種々の方法が公知である。第１の方法では比較的
長い波長が用いられるが、その際にはサブストレートの材料に依存して部分的に
破壊的な、すなわち不所望な熱的影響が生じてしまう。第２の方法では、光学的
結像装置の前で比較的小規模なビーム拡大が行われる。この比較的小規模なビー
ム拡大によってより深い焦点深度が得られるが、スポット幅もより広がってしま
う。このようなより広いスポット幅は、非常に微細な構造化ないしは穿孔には充
分とはいえない。第３の方法では、焦点深度の領域を維持するために、構造化過
程ないしは加工過程のあいだはサブストレートのレーザービームの方向へのシフ
トが留められる。しかしこれに必要な機械的な予防措置は、できるだけ大きな処
理能力（例えば１秒間に１００個以上のホールを形成する）を得るのには時間的
なネックとなる。
【０００６】 それ故に本発明の課題は融通性が高くて低コストの、種々異なるサブストレー
トにホールを形成するための装置並びにその装置を用いた方法を提供することで
ある。
【０００７】 前記の課題は、冒頭に記載された形式の装置に独立請求項に記載された特徴部
分の構成を設け、冒頭に記載された様式の方法に請求項７に記載された特徴部分
の構成を設けることで、本発明に相応して解決される。
【０００８】 本発明に相応する解決によって、種々異なるサブストレートの加工に用いられ
る少なくとも２つの異なる焦点深度領域が保証される。
【０００９】 請求項２に記載の有利な実施例では、２つのレーザー源が同じ構造を有してお
り、これによって２つのレーザービームが同じ波長を有し、偏向ユニットおよび
光学的結像装置は共通の波長に合わせて構成される。
【００１０】 請求項３に記載されたように、ビームエクスパンダーの倍率が異なることで２
つの異なる焦点深度領域が得られる。これらは例えば異なる円錐形状のホールを
設けるために用いられる。
【００１１】 請求項４およびそれに対応する請求項７に記載された、本発明の装置の有利な
構成では第２のビームエクスパンダーがデアジャストされている。これによって
第２のレーザービームの最小スポットの位置は第１のレーザービームの最小スポ
ットの位置とずれる。このため、ビームの発散は焦点深度領域外で影響を及ぼさ
ないので、細いホールを厚いサブストレート内に設けることができる。
【００１２】 請求項５では、第２のビームエクスパンダーの可変的なデアジャストによって
、装置を異なる厚さのサブストレートに有利に合わせることができる。
【００１３】 請求項８では、異なる波長を用いることで、とりわけ多層サブストレートをそ
れぞれの層に適した波長で加工することができる。
【００１４】 請求項９に相応する、本発明の方法の付加的な変形はパルス状のレーザービー
ムを用いることで実現される。ここで２つのレーザーのパルス繰り返し率ないし
パルスエネルギーは異なって調整される。
【００１５】 本発明を図面に基づき、以下でより詳細に説明する。
【００１６】 図１は本発明による装置の側面図であり、図２は第１のレーザービームによっ
て穿孔された窪みを有するサブストレートの横断面図であり、図３は図２から始
まり、第１のレーザービームでさらに穿孔された窪み、また第２のレーザービー
ムでさらに穿孔された窪みを有するサブストレートの横断面図である。図４のａ
には第１のレーザービームの照射経路が、図４のｂには異なってデアジャストさ
れた第２のビームエクスパンダーによる第２のレーザービームの照射経路が、図
４のｃには別の拡大係数を有する第２のビームエクスパンダーによる第２のレー
ザービームの照射経路が示されている。
【００１７】 図１には本発明による装置の側面図が示されている。ここで第１のレーザー源
１（例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーやＮｄ：ＹＶＯ４レーザー等の固体レーザー、
またはＣＯ２レーザーやアルゴンレーザー等のガラスレーザー、またはその他の
適切なレーザー）は、第１のレーザービーム２を生成する。この第１のレーザー
ビーム２は、第１のビームエクスパンダー３によって拡大される。図４のａには
第１のレーザービーム２の照射経路にある第１のビームエクスパンダー３がより
詳細に示されている。この図でビームエクスパンダーは第１のレンズ２４および
第２のレンズ２５を有しており、基本的にケプラー式望遠鏡のように構成されて
いる。すなわち焦点（ｆ１は第１のレンズの焦点距離であり、ｆ２は第２のレン
ズの焦点距離である）が一致調整する。ここで平行な光ビームの細い光線束２６
が、まずはより短い焦点距離ｆ１を有する第１のレンズ２４を通って入射し、引
き続きより長い焦点距離ｆ２を有する第２のレンズ２５を通って入射する場合、
光線束２７はその後、より大きな直径を有する。これはビームエクスパンダー３
の拡大係数によって定められる。
【００１８】 引き続き、第１のレーザービーム２は部分透過型ミラー４を通って偏向ユニッ
ト５に達する。偏向ユニット５は、第１のレーザービーム２を光学的結像装置６
である集束光学系を通して、加工されるべきサブストレート７上に集束する。こ
こでホール２０は通常、レーザービーム２のらせん運動または円運動によってサ
ブストレート７の表面に形成される。集束部によって、第１のレーザービーム２
はサブストレートの平面において最小スポット幅９にまで集束される。ここでこ
のような最小スポット幅９の垂直方向での位置１０は、光学的結像装置６の焦点
距離ｆ３によって定められる。光学的結像装置６として、ここではいわゆるｆシ
ータレンズが用いられる。このレンズにおいてサブストレート平面での偏向は、
レーザービーム２が偏向ユニット５によって偏向された角度に比例する。光線束
の直径、レーザービーム２の使用された波長、並びに光学的結像装置６の焦点距
離に依存して、図１および図４のａに図示されている第１の焦点深度領域８が生
じる。スポットは、光学的結像装置６の焦点面の領域外に拡大し、形成されたホ
ールの直径はより拡大されるか、または最小スポット幅９での微細な構造化はも
はや望めない。
【００１９】 そこで本発明では、第２のレーザービーム１２を生成する第２のレーザー源１
１が設けられ、この第２のレーザービームが第２のビームエクスパンダー１３を
介して拡大され、鏡１４および部分透過型ミラー４を介して第１のレーザービー
ム２の照射経路に入力結合される。さらに偏向ユニット５および光学的結像装置
６を経由してサブストレート上に同じように集束される。部分透過型ミラー４は
ここで、第１のレーザービーム２は透過し、第２のレーザービーム１２は反射す
るように構成される。
【００２０】 図４のｂに示されているように、ここで第２のビームエクスパンダーは、第２
のレーザービーム１２の焦点深度領域１５が、第１のレーザービームの焦点深度
領域８とは別の位置１７であらわれるように選択される。ほぼ同じ構造を有する
レーザー源１、１１で、焦点深度領域の位置は例えば次のことによって変えられ
る。すなわち第２のビームエクスパンダー１３が僅かにデアジャストされ（２つ
のレンズ２４、２５の距離が相互に変えられ）、その結果このビームエクスパン
ダー１３から放射される光線束２８が平行なビームではなく、僅かに発散、また
は収束しているビームを含むことで変えられる。光学的結像装置６はその後、こ
のような僅かに発散、または収束している光線束２８を焦点面の後ろ、または前
の平面に結像する。２つのレンズ（２４、２５）のデアジャスト（不一致調整）
を可変的に行えば、焦点深度領域（８，１５）は相応に変化し、所望の加工プロ
セスに最適に合わせられる。
【００２１】 図４のＣに図示されているように、第２のビームエクスパンダー１３の拡大係
数を変えることによって、異なる焦点深度領域を同じように得ることができる。
より大きな拡大係数によって、放射する光線束２９のビーム断面はより大きくな
る。すなわち最小スポット幅１６はより狭くなり、焦点深度領域１５はより小さ
くなる。このようにして第１のビームエクスパンダー３および、異なる拡大係数
を有する第２のビームエクスパンダー１３によって、例えば異なる円錐形状の壁
面を有するホールが形成される。とりわけスルーホールを得るために、ホールに
金属コーティングを施す場合には、コーティングの乗りがよくなるように、予め
定められた円錐度合いが望ましい。
【００２２】 図２および図３には、サブストレートにホールを形成するプロセスの２つのス
テップが横断面図で示されている。ここでは、第１のレーザービーム２によって
、窪み２０および２２がサブストレート７内に、第１のレーザービーム２の焦点
深度領域が終わるまで穿孔されている。第２のステップでは、第２の焦点深度領
域を有する第２のレーザービーム１２によって、右側のホール２３が細くさらに
穿孔されている。それに対して左側のホール２１は第１のレーザービーム２によ
ってさらに穿孔され、焦点深度領域が既に終わっているのでより幅が広くされて
いる。
【００２３】 異なる波長ないしは、２つのレーザー源１、１１の異なるパルス繰り返し率ま
たはパルス幅を用いることで、多層サブストレートを構造化するためのパラメー
タは、それぞれの層の材料特性により適合する。
【００２４】 このように本発明の装置および方法によって、より細いホールを厚いサブスト
レートに形成することができる。厚いサブストレート内の深い構造化もより容易
に実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による装置の側面図
【図２】 第１のレーザービームによって穿孔された窪みを有するサブストレートの横断
面図
【図３】 図２から始まり、第１のレーザービームでさらに穿孔された窪み、また第２の
レーザービームでさらに穿孔された窪みを有するサブストレートの横断面図
【図４】 ａは第１のレーザービームの照射経路、ｂはデアジャストされた第２のビーム
エクスパンダーによる第２のレーザービームの照射経路、ｃは別の拡大係数を有
する第２のビームエクスパンダーによる第２のレーザービームの照射経路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エディー レーランツ ベルギー国 ブリュージュ カレル デ ストウテラーン 139アー (72)発明者 アレックス シュライナー アメリカ合衆国 ジョージア シュガー ヒル ワイルダーネス ポイント 6024 (72)発明者 ウド ヴィガーマン フランス国 マリーエンタール リュ デ ュ ロートバッハ 24 Ｆターム(参考） 4E068 AA05 AF01 CA03 CA05 CA07 CA11 CD02 DA11

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１のレーザー源（１）と第１のビームエクスパンダー（３
    ）と偏向ユニット（５）と光学的結像装置（６）とを有しており、 前記第１のレーザー源は第１のレーザービーム（２）を生成し、 前記第１のビームエクスパンダーは前記第１のレーザービーム（２）の照射経
    路に配置されており、 前記偏向ユニットおよび前記光学的結像装置は第１のレーザービーム（２）の
    照射経路に相前後して配置され、前記第１のレーザービーム（２）をサブストレ
    ート（７）上に結像する形式の、サブストレート（７）を加工する装置において
    、 第２のレーザービーム（１２）を生成する第２のレーザー源（１１）が設けら
    れており、 前記第２のレーザービーム（１２）の照射経路に第２のビームエクスパンダー
    （１３）が配置されており、 前記第２のレーザービーム（１２）が、同じように前記偏向ユニット（５）お
    よび光学的結像装置（６）を介してサブストレート（７）上に結像されるように
    、偏向装置（４，１４）が前記第２のレーザービーム（１２）の照射経路に設け
    られており、 ここにおいて、前記第１のビームエクスパンダーおよび第２のビームエクスパ
    ンダー（３，１３）は、前記光学的結像装置（６）によって集束された後で、少
    なくとも、最小スポット幅（９，１６）の位置（１０，１７）が照射方向で相違
    するように、または２つのレーザービーム（２，１２）の最小スポット幅（９，
    １６）自体が相違するように、構成されていることを特徴とする、サブストレー
    トを加工する装置。
  2. 【請求項２】 前記第１のレーザー源および第２のレーザー源（１，１１）
    は同じ構造を有している、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記第２のビームエクスパンダー（１３）は、前記第１のビ
    ームエクスパンダー（３）とは異なる倍率を有しており、 これよって２つのレーザービーム（２，１２）の最小スポット幅（９，１６）
    が相違する、請求項１または２記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記第２のビームエクスパンダー（１３）がデアジャスト（
    不一致調整）され、 これによって前記第１のレーザービームと第２のレーザービーム（２，１２）
    の最小スポット幅（９，１６）の位置（１０，１７）が相互にずらされる、請求
    項１から３までのいずれか１項記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記第２のビームエクスパンダー（１３）が可変にデアジャ
    ストされ、 これによって前記第２のレーザービーム（１２）の最小スポット幅（１６）の
    位置（１７）を可変に変えることができる、請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記偏向装置は、偏向ミラー（１４）と部分透過型ミラー（
    ４）とから構成されている、請求項１から５までのいすれか１項記載の装置。
  7. 【請求項７】 最小スポット幅（９，１６）の位置（１０，１７）を、異な
    る深度でサブストレート（７）に存在するように選択し、 まずはじめに、第１のレーザービーム（２）の最小スポット幅（９）の位置（
    １０）あたりまで該第１のレーザービーム（２）によってホール（２２）をサブ
    ストレート（７）内に形成し、 引き続き、ホール（２２，２３）を第２のレーザービーム（１２）によってさ
    らに穿孔する、請求項４または５記載の装置を用いた、サブストレート（７）を
    加工する方法。
  8. 【請求項８】 ２つのレーザービーム（２，１２）に異なる波長を与える、
    請求項６または７記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記レーザービーム（２，１２）をパルス状にし、これに相
    違するパルスエネルギーおよび／または相違するパルス繰り返し率を調整する請
    求項６、７または８記載の方法。
JP2001541642A 1999-11-29 2000-11-21 サブストレートを加工する装置および当該装置を用いてサブストレートを加工する方法 Withdrawn JP2003517931A (ja)

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