JP2005007440A

JP2005007440A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置

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Publication number: JP2005007440A
Application number: JP2003175158A
Authority: JP
Inventors: Keiji Iso; 圭二礒; Shiro Yokota; 史郎横田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】下地の金属層への損傷を抑えながら、スミアを残さずに除去できるレーザ加工方法、レーザ加工装置を提供する。
【解決手段】ＸＹテーブル２には、金属層上の絶縁層にビアホールが形成された被加工基板１が保持される。第１のレーザ光源３１は、被加工基板１のビアホールへ複数ショットのパルスレーザ光を照射する。コントローラ４は、それら複数ショットのパルスレーザ光のうち、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度が、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくなるように、第１のレーザ光源３１へトリガパルス信号Ｓを送出する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属層上に積層された絶縁層にビアホールを形成するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板等の多層基板は、金属層と絶縁層とが交互に積層された構造を有する。金属層は、銅層等を選択的にエッチングした配線パターンを含む。絶縁層は、エポキシ層等の樹脂層中にガラス繊維等を混入したコア層も含む。多層基板の製造において、絶縁層の裏面に形成された金属層と電気的に接続される金属層を、その絶縁層の表面に形成する工程がある。この工程では、まず絶縁層に、その裏面側の金属層に達するビアホールと呼ばれる穴を形成する。そして、そのビアホールの内部及び絶縁層の表面に金属層を形成する。
【０００３】
ビアホールの形成には、例えばレーザ光が用いられる。しかし、特にレーザ光を用いると、ビアホールの底面に残渣（スミア）が残ることがある。スミアが残った場合、金属層どうしの電気的な接続の信頼性が低下する。そこで、デスミアと呼ばれる後処理において、スミアの除去が行なわれる。特許文献１に、パルスレーザ光を用いてスミアを除去する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１９７９８７号公報（第１−３頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、１ショットのパルスレーザ光でスミアを除去しようとする場合、そのパルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度が大きすぎると、スミアは除去できても下地の金属層に損傷を与えてしまったり、あるいはビアホールの側壁等が溶出して新たなスミアを残してしまうことが考えられる。逆に、そのパルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度が小さすぎると、下地の金属層に損傷を与えなくてもスミアが残ってしまうことが考えられる。
【０００６】
本発明の目的は、下地層への損傷を抑えながら、スミアを残さずに除去する技術を提供することにある。本発明の他の目的は、複数ショットのパルスレーザ光を用いながら、効率的にスミアを除去する技術を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、（ａ）金属層上に積層された絶縁層に、該絶縁層を貫通するビアホールを形成する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で形成されたビアホールへ、複数ショットのパルスレーザ光を、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度が、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくなるように照射する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によれば、金属層上に積層された絶縁層に形成されたビアホールへ、複数ショットのパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光照射手段と、前記パルスレーザ光照射手段によって前記ビアホールへ複数ショットのパルスレーザ光が照射されるときに、それら複数ショットのパルスレーザ光のうち、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度が、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくなるように、当該レーザ照射手段を制御する制御手段とを有するレーザ加工装置が提供される。
【０００９】
本発明では、ビアホールへ複数ショットのパルスレーザ光を、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度が、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくなるように照射するから、その最初の１ショット目のパルスレーザ光によってスミアの大部分を除去できる。これにより、その後に照射するパルスレーザ光のショット数を少なくできる。従って、スミアを効率的に除去できる。
【００１０】
最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度は、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも小さいから、ビアホールへ過剰にパルスレーザ光を照射してしまうのを防止できる。即ち、ビアホールへ過不足なくパルスレーザ光を照射できる。これにより、金属層への損傷を抑えながら、スミアを残さずに除去できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図４は、実施例によるレーザ加工方法の対象となる被加工基板１の断面図である。コア層１０の表面の一部に、銅配線パターン１２が形成されている。さらに、コア層１０上には、銅配線パターン１２を覆うように、絶縁層１１が積層されている。なお、銅配線パターン１２の表面１２ａには、アンカー処理が施されている。アンカー処理とは、絶縁層１１との密着性を上げるために、銅配線パターン１２の表面１２ａに微細な凹凸を形成する処理をいう。
【００１２】
図１は、実施例によるレーザ加工方法を説明するための被加工基板１の断面図である。まず図１（Ａ）に示すように、被加工基板１に、絶縁層１１を貫通するビアホール１３を形成する。ビアホール１３の開口径は、例えば７５μｍである。
【００１３】
ビアホール１３の形成には、ＣＯ_２パルスレーザ光を用いる。この場合、１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度は２０Ｊ／ｃｍ^２とすることができる。絶縁層１１の厚さが４０〜６０μｍの場合、２〜３ショット程度で一つのビアホール１３を形成できる。なお、ＣＯ_２レーザ発振器は、エキシマレーザ発振器等の他のレーザ発振器に比べると、装置価格及びランニングコストが安価であるという利点がある。
【００１４】
また、ビアホール１３の形成には、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器から出射されたパルスレーザ光の第３高調波を用いることもできる。この場合、１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度は０．８〜１Ｊ／ｃｍ^２とすることができる。絶縁層１１の厚さが４０〜６０μｍの場合、５０〜８０ショット程度で一つのビアホール１３を形成できる。
【００１５】
図１（Ａ）に示すように、ビアホール１３の形成を行なうと、その底面にスミア１４が残る。特に、ＣＯ_２パルスレーザ光を用いてビアホール１３を形成した場合には、高い加工効率が得られる反面、スミア１４の量が多くなりやすい。ＣＯ_２パルスレーザ光を用いて、厚さ４０〜６０μｍのポリイミドよりなる絶縁層１１にビアホール１３を形成すると、その底面に例えば２〜４μｍの厚さで膜状にスミア１４が残る。
【００１６】
次いで、スミア１４を除去するために、ビアホール１３へ複数ショットのパルスレーザ光を、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度が、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくなるように照射する。パルスレーザ光としては、ＵＶパルスレーザ光を用いる。ＵＶパルスレーザ光としては、固体レーザの高調波を用いる。詳細には、ＵＶパルスレーザ光としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器から出射されたパルスレーザ光の第３高調波を用いる。
【００１７】
なお、パルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度は、スミア１４を除去するのに充分な大きさとする。また、パルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度は、銅配線パターン１２を溶融させるしきい値（３Ｊ／ｃｍ^２程度）未満とする。
【００１８】
一つの具体例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波であるＵＶパルスレーザ光を、ビアホール１３へ４ショット照射する。最初の１ショット目の照射面におけるエネルギ密度は１．５Ｊ／ｃｍ^２とする。２ショット目〜４ショット目のパルスレーザ光の照射面におけるエネルギ密度は、それよりも小さな０．８Ｊ／ｃｍ^２とする。この具体例の場合、スミア１４の平均エッチレートは、１μｍ／ショット程度である。
【００１９】
他の具体例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波であるＵＶパルスレーザ光を、ビアホール１３へ５ショット照射する。最初及び２ショット目のパルスレーザ光の照射面におけるエネルギ密度は１．５Ｊ／ｃｍ^２とする。３ショット目〜５ショット目のパルスレーザ光の照射面におけるエネルギ密度は０．８Ｊ／ｃｍ^２とする。
【００２０】
さらに他の具体例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波であるＵＶパルスレーザ光を、ビアホール１３へ５ショット照射する。最初の１ショット目〜３ショット目のパルスレーザ光の照射面におけるエネルギ密度は２Ｊ／ｃｍ^２とする。４ショット目〜５ショット目のパルスレーザ光の照射面におけるエネルギ密度は０．４Ｊ／ｃｍ^２とする。
【００２１】
以上により、図１（Ｂ）に示すように、ビアホール１３の底面からスミア１４を除去できる。次いで、図１（Ｃ）に示すように、スミア１４の除去されたビアホール１３の底面及び内壁並びに樹脂層１１の表面に、金属層１５を形成する。これにより、樹脂層１１の表面に、内層の銅配線パターン１２と電気的に接続された金属層１５を形成できる。
【００２２】
以上説明したレーザ加工方法によれば、次のような効果が得られる。スミア１４を除去する際には、ビアホール１３へ複数ショットのパルスレーザ光を、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度が、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくなるように照射するから、その最初の１ショット目のパルスレーザ光によってスミア１４の大部分を除去できる。これにより、その後に照射するパルスレーザ光のショット数を少なくできる。従って、スミア１４を効率的に除去できる。
【００２３】
最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度は、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも小さくするから、ビアホール１３へ過剰にパルスレーザ光を照射してしまうのを防止できる。即ち、ビアホール１３へ過不足なくパルスレーザ光を照射できる。これにより、銅配線パターン１２の損傷を抑えながら、スミア１４を残さずに除去できる。
【００２４】
アンカー処理された銅の光吸収率は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波の波長域において１０％であるのに対し、その第３高調波の波長域においては７５％に向上する。しかも、スミア１４の除去において、２ショット目以降のパルスレーザ光をビアホール１３に照射するときには、既に前に照射されたパルスレーザ光により銅配線パターン１２の温度が上昇している。そこで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波を用いる本実施例では、少なくとも最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度を、最初の１ショット目の照射面におけるエネルギ密度よりも小さな値とすることにより、銅配線パターン１２の損傷を抑えることができる。
【００２５】
なお、スミア１４を除去する工程では、照射するパルスレーザ光のスポット径を、ビアホール１３の開口径よりも大きくするのが好ましい。詳細には、各パルスレーザ光のスポット径は、ビアホール１３の開口径７５μｍよりも大きな１００μｍとする。パルスレーザ光のビームスポットが、ビアホール１３の開口を内包する。これにより、ビアホール１３の底面のみならず、ビアホール１３の開口の周辺部等におけるカーボンその他の残渣も除去できる。但し、この場合は、パルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度は、絶縁層１１をアブレーションさせるしきい値未満とする。
【００２６】
図２は、実施例によるレーザ加工装置を示す。このレーザ加工装置は、第１のレーザ光源３１と第２のレーザ光源３６と有する。
【００２７】
第１のレーザ光源３１は、トリガパルス信号Ｓに同期して、紫外域の波長を有するパルスレーザ光を出射する。第１のレーザ光源３１は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器等の固体レーザと、非線形光学結晶等の高調波発生器とを含む。第１のレーザ光源３１から出射されるパルスレーザ光は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波（波長λ＝３５５ｎｍ）である。第１のレーザ光源３１から出射するパルスレーザ光がスミアの除去に用いられる。
【００２８】
一方、第２のレーザ光源３６は、赤外域の波長を有するパルスレーザ光を出射する。第２のレーザ光源３６は、ＣＯ_２レーザ発振器を用いて構成されている。第２のレーザ光源３６から出射するパルスレーザ光がビアホールの形成に用いられる。赤外域の波長を有するパルスレーザ光を用いると、紫外域の波長を有するレーザ光を用いる場合に比べて、ビアホールを効率的に形成できる。
【００２９】
第１のレーザ光源３１又は第２のレーザ光源３６から出射されたパルスレーザ光は、いずれもダイクロイックミラー３７に入射する。ダイクロイックミラー３７は、第１のレーザ光源３１から出射されたパルスレーザ光を透過させ、第２のレーザ光源３６から出射されたパルスレーザ光を全反射する。これにより、ダイクロイックミラー３７を透過するパルスレーザ光と、ダイクロイックミラー３７で全反射されるパルスレーザ光とが同一の光路上を進む。その光路上には、コリメータ３２、開口３３ａを有するマスク３３、ガルバノスキャナ３４、及びｆθレンズ３５がこの順に配置されている。
【００３０】
コリメータ３２は、入射したパルスレーザ光をコリメートする。マスク３３は、コリメートされたパルスレーザ光のビーム径を制限する。ガルバノスキャナ３４は、ビーム径の制限されたパルスレーザ光を２次元平面内で走査する。ｆθレンズ３５は、走査されたパルスレーザ光を被加工基板１へ集束する。被加工基板１は、ＸＹテーブル２に保持されている。
【００３１】
第１のレーザ光源３１又は第２のレーザ光源３６から出射されたパルスレーザ光は、マスク投影法により、被加工基板１に照射される。即ち、パルスレーザ光Ｌの照射面には、マスク３３の開口３３ａが結像される。
【００３２】
コントローラ４が、第１のレーザ光源３１へトリガパルス信号Ｓを送出する。またコントローラ４は、ガルバノドライバ４１を介してガルバノスキャナ３４によるパルスレーザ光の走査を制御する。またコントローラ４は、ステージドライバ４２を介してＸＹテーブル２による被加工基板１の保持位置を制御する。
【００３３】
図３は、第１のレーザ光源３１の出力特性を示す。横軸は、パルスの繰り返し周波数ｆを［ｋＨｚ］の単位で表す。縦軸は、パルスレーザ光の１パルス周期内における平均パワーＰを表す。平均パワーＰがパルス周波数ｆに依存して変化する。従って、第１のレーザ光源３１から出射されるパルスレーザ光の平均パワーＰは、そのパルス周波数ｆを制御することにより、間接的に制御できる。パルス周波数ｆは、トリガパルス信号Ｓの周波数に同調する。従って、トリガパルス信号Ｓの周波数（＝ｆ）に基づいて、第１のレーザ光源３１から出射されるパルスレーザ光の平均パワーＰを制御できる。
【００３４】
パルスレーザ光の１パルスあたりのエネルギは、Ｐ／ｆで与えられる。パルスレーザ光の照射面におけるビームスポットの面積はほぼ一定とみなせる。従って、第１のレーザ光源３１から出射されるパルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度は、トリガパルス信号Ｓの周波数（＝ｆ）に基づいて制御できる。即ち、コントローラ４では、トリガパルス信号Ｓの周波数（＝ｆ）を変更するだけで、第１の光源３１から出射されたパルスレーザ光がビアホール１３へ複数ショット照射される際に、それら複数ショットのパルスレーザ光のうち、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度を、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくする制御を容易に行える。
【００３５】
以下、具体的に説明する。図３に示すように、パルス周波数ｆがほぼ５ｋＨｚのときに平均パワーＰが最大値を示す。パルス周波数ｆが５ｋＨｚ以上の範囲では、ｆが小さい程、平均パワーＰが大きくなる。即ち、この範囲では、ｆが小さい程、パルスレーザ光の１ショットあたりの照射面におけるエネルギ密度が大きくなる。そこで、この範囲では、最初の１ショットのパルスレーザ光を照射する時のトリガパルス信号Ｓの周波数を、最後の１ショットのパルスレーザ光を照射する時よりも小さくする。これにより、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度を、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくできる。
【００３６】
より具体的には、最初の１ショットのパルスレーザ光を照射する時には、コントローラ４がトリガパルス信号Ｓの周波数を３０ｋＨｚとすることにより、パルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度を１．５Ｊ／ｃｍ^２に設定できる。または、トリガパルス信号Ｓの周波数を２０ｋＨｚとすることにより、パルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度を２Ｊ／ｃｍ^２に設定できる。
【００３７】
一方、最後の１ショットのパルスレーザ光を照射する時には、コントローラ４がトリガパルス信号Ｓの周波数を７０ｋＨｚとすることにより、パルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度を０．４Ｊ／ｃｍ^２に設定できる。または、トリガパルス信号Ｓの周波数を５０ｋＨｚとすることにより、パルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度を０．８Ｊ／ｃｍ^２に設定できる。なお、最初の１ショットと最後の１ショットの間では、トリガパルス信号Ｓの周波数を段階的に変化させることもできる。
【００３８】
なお、ＵＶパルスレーザ光を発振するものとしては、気体レーザであるエキシマレーザ等もあるが、本実施例のようにＵＶパルスレーザ光として固体レーザの２次以上の高調波を用いることにより、その照射面におけるエネルギ密度を、パルス周波数に基づいてより容易に調整できる。
【００３９】
また、エキシマレーザでは、１パルスあたりのエネルギがスミア１４を除去するには大きすぎる。これに対して、一般に固体レーザの２次以上の高調波は、エキシマレーザよりも、パルスレーザ光Ｌの１パルスあたりのエネルギが小さいから、スミア１４を除去するにあたり、銅配線パターン１２への損傷を抑えることができる。
【００４０】
また、走査手段としてのガルバノスキャナ３４及びｆθレンズ３５を備える場合には、パルスレーザ光のパルス周波数が、ガルバノスキャナ３４の応答よりも高いことが望まれる。固体レーザの２次以上の高調波を用いる場合には、エキシマレーザを用いる場合よりも、パルスレーザ光Ｌのパルス周波数を高くできる。
【００４１】
以上、実施例に沿って説明したが、本発明はこれに限られない。ビアホールの形成及びデスミアの双方にＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波を用いてもよい。その場合には、図２に示されるレーザ加工装置に、第２のレーザ光源３６及びダイクロイックミラー３７を設けなくてよい。また、ビアホールの形成及びデスミアの双方にＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波であるパルスレーザ光を用いる場合には、ビアホールの形成用に設定するショット数分のパルスレーザ光の１パルスあたりの照射面におけるエネルギ密度が、デスミア用に照射するパルスレーザ光の少なくとも最初の１ショット目の照射面におけるエネルギ密度より小さくなるようにするのが好ましい。これにより、例えばビアホールの形成用に予め設定したショット数未満のショット数で樹脂層が貫通して下地の金属層が露出した場合にも、金属層が露出した後、予め設定したショット数に達するまでの間に照射されるパルスレーザ光によってその金属層がダメージをうけてしまうことを防止できる。
【００４２】
また、パルスレーザ光の照射面におけるエネルギ密度の調節は、そのパルス周波数によらずにバリアブルアッテネータ等を用いて行なうこともできる。本発明は、機械加工や露光等の方法により形成されたビアホールのクリーニングにも適用できる。この他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、下地層への損傷を抑えながら、スミアを残さずに除去できる。複数ショットのパルスレーザ光を用いながら、スミアを効率的に除去できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例によるレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例によるレーザ加工方法を説明するための被加工基板の断面図である。
【図３】被加工基板の断面図である。
【図４】Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波の出力特性を例示したグラフである。
【符号の説明】
４コントローラ（制御手段）
１１樹脂層（絶縁層）
１２銅配線パターン（金属層）
１３ビアホール
１４スミア
３１第１のレーザ光源（パルスレーザ光照射手段）
３６第２のレーザ光源（赤外域レーザ光照射手段）

Claims

（ａ）金属層上に積層された絶縁層に、該絶縁層を貫通するビアホールを形成する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で形成されたビアホールへ、複数ショットのパルスレーザ光を、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度が、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくなるように照射する工程と
を有するレーザ加工方法。
前記工程（ｂ）で用いるパルスレーザ光が、固体レーザの２次以上の高次の高調波である請求項１記載のレーザ加工方法。
前記工程（ａ）では、赤外域の波長を有するレーザ光を用いて、前記ビアホールを形成する請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
前記工程（ｂ）では、前記工程（ａ）で形成されたビアホールの開口サイズよりも大きなスポットサイズになる条件で、前記パルスレーザ光を照射する請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
金属層上に積層された絶縁層に形成されたビアホールへ、複数ショットのパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光照射手段と、
前記パルスレーザ光照射手段によって前記ビアホールへ複数ショットのパルスレーザ光が照射されるときに、それら複数ショットのパルスレーザ光のうち、最初の１ショットの照射面におけるエネルギ密度が、最後の１ショットの照射面におけるエネルギ密度よりも大きくなるように、当該レーザ照射手段を制御する制御手段と
を有するレーザ加工装置。
さらに、前記ビアホールを形成するために前記絶縁層に赤外域の波長を有するレーザ光を照射する赤外域レーザ光照射手段を備える請求項５記載のレーザ加工装置。