JP2005037648A - Laser patterning method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザパターニング方法に関するものである。 The present invention relates to a laser patterning method.
従来技術におけるピーク出力の高いレーザ発振器については、その発振パルスの幅が小さくすることで得られる。既に1960年代からナノ秒、1990年代からはチタンサファイアレーザでのフェムト秒や過飽和吸収鏡を用いたピコ秒のパルス幅を持つレーザが開発・市販され、様々な分野で利用されてきた。 The laser oscillator having a high peak output in the prior art can be obtained by reducing the width of the oscillation pulse. Lasers with pulse widths of nanoseconds from the 1960s and femtoseconds with titanium sapphire lasers and supersaturated absorption mirrors have been developed and marketed since the 1990s, and have been used in various fields.
近年では、更にピコ秒、フェムト秒の領域で半導体レーザを用いてレーザ媒質に励起させ発振する製品として市販され、レーザの専門家以外にも利用しやすいものとなっている。このような短パルスな高ピーク出力を持つレーザは、加工物への熱的損傷が少なく特に薄膜加工や樹脂加工の微細加工に適しているとされている。従来にもナノ秒レーザを使った微細加工やエキシマレーザの紫外光を使ったアブレーション加工があったが、これらのレーザのパルス幅が大きいため熱的損傷は否めない。したがって、短パルス高ピーク出力のレーザによる微細加工は加工面が良好であることが特徴となる。しかし、ビームの集光径は理想的にはその回折限界までしか集光できない。 In recent years, it has been marketed as a product that is excited and oscillated by a laser medium using a semiconductor laser in the picosecond and femtosecond region, and is easy to use for non-laser experts. Such a laser having a short pulse and a high peak output is considered to be suitable for fine processing such as thin film processing and resin processing with little thermal damage to a workpiece. Conventionally, there have been fine processing using a nanosecond laser and ablation processing using ultraviolet light from an excimer laser, but thermal damage cannot be denied due to the large pulse width of these lasers. Therefore, micromachining with a laser with a short pulse and high peak output is characterized by a good machined surface. However, the focused diameter of the beam can ideally be focused only up to its diffraction limit.
一般にレーザ光が理想的にTEM00であり、その回折限界までレーザ光を集光した場合、その集光径dは、 In general, when the laser beam is ideally TEM00, and the laser beam is condensed to the diffraction limit, the condensing diameter d is
で示される。ここでλはレーザ波長、fは集光レンズ焦点距離、wは集光レンズでのビーム径である。式(1)から小さい集光径を得るには、短波長レーザで、λを小さくするかNAの大きな焦点距離の小さいレンズで大きなビームを使うことが考えられる。しかしながら、やみくもに大きなビームを使うと集光レンズの収差により最小集光径が得られない場合があり、また、焦点深度はNAの2乗に比例し小さくなるので比加工材との距離を調節しながら加工する方式が必要となる。 Indicated by Where λ is the laser wavelength, f is the focal length of the condenser lens, and w is the beam diameter at the condenser lens. In order to obtain a small condensing diameter from the formula (1), it is conceivable to use a large beam with a short wavelength laser with a small λ or a lens with a large NA and a small focal length. However, if a large beam is used indiscriminately, the minimum condensing diameter may not be obtained due to the aberration of the condensing lens, and the depth of focus decreases in proportion to the square of NA, so the distance from the specific work material is adjusted. However, a processing method is required.
式(1)はレーザの集光径だけを表した式で実際に加工物に照射した場合、レーザのエネルギだけでなく材料の波長による吸収特性、形状、表面状態によりその大きさは異なる。 Expression (1) is an expression representing only the laser condensing diameter, and when the workpiece is actually irradiated, the size differs depending not only on the energy of the laser but also on the absorption characteristics, shape, and surface state of the material depending on the wavelength.
図5に従来の加工システムを示す。(例えば非特許文献1参照)。ナノ秒以下のパルス幅を持つレーザ発振器101(以下「短パルスレーザ発振器」と称す)はフェムト秒またはピコ秒のパルス幅を持つレーザ発振器である。短パルスレーザ発振器101から発した光はアッテネータ111でその出力はコントロールされる。アッテネータ111は1/2波長板102と偏光板103により偏光面を回転させ一定の偏光方向だけの光を通過させることにより出力をコントロールする。出力されたレーザ光をモニターして1/2波長板102の回転角を調整することにより出力をフィードバックすることもできる。このように出力を制御し、また、制御された光は一方向の偏光を有する光となる。更にこの光はビームエクスパンダー104により平行化拡大される。市販品では拡大率は2倍から8倍までできる。その後レーザ光はアパーチャ107を通過する。アパーチャの径は可変である。通常アパーチャは迷光やレーザ光そのものにその形状を成形する時に用いられる。
FIG. 5 shows a conventional processing system. (For example, refer nonpatent literature 1). A laser oscillator 101 (hereinafter referred to as “short pulse laser oscillator”) having a pulse width of nanoseconds or less is a laser oscillator having a femtosecond or picosecond pulse width. The output of the light emitted from the short pulse laser oscillator 101 is controlled by the attenuator 111. The attenuator 111 controls the output by rotating the plane of polarization by the half-
また、HeNeレーザ等での光軸調整時にアパーチャを基準としてその中心にレーザ光は通過するように調整をするのに必要である。アパーチャ107を通過したレーザ光は集光レンズ108により集光されステージ109上に装填された基板110を加工する。図5及び式(1)から集光径dを小さくするには、波長λを小さくする。NAを1に近づける。このことは、ビームエクスパンダー104の倍率を上げる(すなわちwを大きくする)、集光レンズ108の焦点距離fを小さくすることになる。
Further, it is necessary to adjust the optical axis with a HeNe laser or the like so that the laser beam passes through the center with respect to the aperture. The laser light that has passed through the
しかし、例えばNA=1のレンズがあったとしても、最小径は波長1.22倍にしか集光できない。仮に可視光を発するレーザ光で波長800nmでは976nmのビーム径しか得られない。しかし、このような高NAの集光系では焦点深度は小さくなり焦点距離の調整のためにオートフォーカス機能などを設置することが必要になる。露光装置に見られるように集光レンズとウェハ位置調整のためフォーカス方向の調整、あおりなどの調整が必要となっている。 However, even if there is a lens with NA = 1, for example, the minimum diameter can be condensed only at a wavelength of 1.22 times. If the laser beam emits visible light and the wavelength is 800 nm, only a beam diameter of 976 nm can be obtained. However, in such a high NA condensing system, the depth of focus becomes small, and it is necessary to install an autofocus function or the like for adjusting the focal length. As seen in the exposure apparatus, it is necessary to adjust the focus direction, tilt, etc. to adjust the position of the condenser lens and the wafer.
なお、リソグラフィではレーザの波長を200nm以下を用い、NA=0.65として微細パターンの形成を行っている。
しかしながら前述する構成では、回折限界以下の集光径が得られないことから微細溝加工を行う場合には、結局、高NAの光学系を使用するか、短波長のレーザを用いるかである。高NAの光学系を用いた微細加工方法では、焦点深度が小さくなるためフォーカス調整が必要なり設備コスト高になる。また、短波長のレーザを用いることで微細化を計ることは最近では稀はないが、可視、赤外領域対応のレーザにくらべ紫外用レーザはコスト高でありメンテナンスも必要である。 However, in the above-described configuration, since a condensing diameter less than the diffraction limit cannot be obtained, when fine groove processing is performed, either an optical system with a high NA or a short wavelength laser is used. In a fine processing method using an optical system with a high NA, since the depth of focus is small, focus adjustment is necessary, and the equipment cost is high. Although it is not rare to use a short-wavelength laser for miniaturization, an ultraviolet laser is more expensive than a laser for the visible and infrared regions, and requires maintenance.
光学部品についても可視、赤外用光学部品の方がはるかに一般的で耐久性も紫外用に比べると高く、コストも安い。波長、高NAに対応する装置は結局コスト高となる。 As for optical parts, visible and infrared optical parts are far more common, and durability is higher than that for ultraviolet parts, and costs are low. An apparatus corresponding to a wavelength and a high NA eventually becomes expensive.
一方、微細加工のパターン加工ではビーム分割による同時加工を行い直接描画しパターンを形成する方法やリソグラフィによる一括パターン形成する方法がある。ビーム分割した場合でも上述した回折限界以下の集光径を得るには短波長のレーザと高NAの光学系により同様なコスト高になり、またリソグラフィの場合には高価な設備とパターン形成のためにマスクが必要で製作日数、コストが更にかかるという問題点を有する。 On the other hand, there are two methods for fine pattern processing: a method of forming a pattern by performing simultaneous processing by beam splitting and directly drawing, and a method of forming a collective pattern by lithography. Even in the case of beam splitting, a short wavelength laser and a high NA optical system are required to obtain a condensing diameter less than the above-mentioned diffraction limit, and in the case of lithography, expensive equipment and pattern formation are required. In addition, a mask is required, and the production days and costs are further increased.
本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、微細溝を形成することが可能なレーザパターニング方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a laser patterning method capable of forming a fine groove.
この課題を解決するために、本発明ではピーク出力が2.2MW以上のレーザ光により基板上の薄膜材料に微細溝を形成する方法であって、前記レーザ光を拡大し平行光線化にするビームエクスパンダーと拡大平行化されたレーザ光を集光する集光レンズと、前記集光レンズにより集光されたレーザ光の焦点位置近傍に設置した非線形光学材料を用い、前記非線形光学材料に密着もしくは隙間を有して基板を設置し、前記2.2MW以上のレーザ光により前記非線形光学材料の非線形効果を生じさせ、回折限界以下のビーム集光径で前記薄膜材料と相対的移動により微細な溝加工を行うことを特徴とする。 In order to solve this problem, the present invention is a method for forming a fine groove in a thin film material on a substrate with a laser beam having a peak output of 2.2 MW or more, and a beam that expands the laser beam into a parallel beam Using an expander and a condensing lens for condensing the laser beam expanded and collimated, and a non-linear optical material installed near the focal position of the laser light condensed by the condensing lens, A substrate is provided with a gap, the nonlinear optical material is caused to have a nonlinear effect by the laser light of 2.2 MW or more, and a fine groove is formed by relative movement with the thin film material with a beam condensing diameter less than the diffraction limit. It is characterized by processing.
この方式によれば非線形光学材料内であって集光位置近傍の高エネルギ領域では、非線形光学材料の非線形効果によりビームは自己集束を起こし、回折と自己集束がつりあうことによる自己束縛でビームは一定の微小径で非線形光学材料内を伝播し、非線形材料の終端またはその付近にて微小径で薄膜材料を加工する。本発明の第2の請求項にあるように、非線形光学材料を石英とし、2.2MW以上のピーク出力にとり、石英は非線形光学効果を起こす。これにより、微小径により薄膜材料加工する。 According to this method, the beam is self-focused due to the nonlinear effect of the nonlinear optical material in the high-energy region in the nonlinear optical material and in the vicinity of the focusing position, and the beam is constant due to self-constraint due to the balance between diffraction and self-focusing. The thin film material is processed with a small diameter at or near the end of the nonlinear material. As described in the second claim of the present invention, the nonlinear optical material is quartz, and the quartz causes a nonlinear optical effect when the peak output is 2.2 MW or more. Thereby, the thin film material is processed with a minute diameter.
一方、パターン形成をする場合は、1光束を薄膜材料と相対的移動により加工する場合と、多光束に分割し相対的移動によりパターン形成する場合がある。後者の場合、拡大平行化されたレーザ光を複数本に分割するビーム分割手段を備え、前記集光レンズの代わりにエフシータレンズを用いることにより複数本の光束を分割したままそれぞれの光束を集光させ非線形光学材料により回折限界以下のビーム径をもつ複数本の光束で相対移動させることを特徴とする。 On the other hand, when forming a pattern, there are a case where one light beam is processed by relative movement with a thin film material and a case where a pattern is formed by dividing into multiple light beams and relative movement. In the latter case, a beam splitting means for splitting the expanded and collimated laser beam into a plurality of beams is provided, and an F-theta lens is used in place of the condensing lens to collect each beam while splitting the plurality of beams. The light beam is relatively moved by a plurality of light beams having a beam diameter less than a diffraction limit by a nonlinear optical material.
また、複数本に分割された光束を集光レンズで集光させ干渉を生じさせ、その干渉による光強度を利用し、光軸または前記薄膜材料が形成されたガラス基板を相対的に移動することを特徴とする。 Further, the light beam divided into a plurality of beams is condensed by a condensing lens to cause interference, and by using the light intensity due to the interference, the optical axis or the glass substrate on which the thin film material is formed is relatively moved. It is characterized by.
これはいわゆる干渉露光方式によるのパターニングである。これによれば、干渉縞を形成しこの縞と薄膜材料との相対移動によりパターニングする方式となる。 This is patterning by a so-called interference exposure method. According to this, an interference fringe is formed and patterning is performed by relative movement between the fringe and the thin film material.
以上のことから、本発明によれば、集光位置近傍の高エネルギ領域では、非線形効果によりビームは自己集束を起こし、また、回折と自己集束が釣り合うことによる自己束縛でビームは、一定の微小径で非線形光学材料を伝播するため、非線形材料の終端またはその付近にて微小径で薄膜材料を加工することができる。 From the above, according to the present invention, in the high energy region in the vicinity of the condensing position, the beam is self-focused due to the nonlinear effect, and the beam is fixed by a self-constraint due to the balance between diffraction and self-focusing. Since the nonlinear optical material is propagated with a small diameter, the thin film material can be processed with a minute diameter at or near the end of the nonlinear material.
図1は本発明第一の実施形態に係る構成を示す図である。以下、図1を参照しながら本実施形態の動作仕様を説明する。2.2MW以上のピーク出力を有するレーザ発振器1から照射されたレーザ光は、2つのミラー2a、2bによって、所望の角度に折り曲げられ、ビームを平行拡大するビームエクスパンダー3に入射される。その後、折り曲げミラー4によりビームは曲げられ、集光レンズ5に入射される。焦点近傍に置かれた非線形光学材料は、レーザの高エネルギ密度のため非線形効果を生じる。一般に物質の屈折率nは、
FIG. 1 is a diagram showing a configuration according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the operation specifications of the present embodiment will be described with reference to FIG. Laser light emitted from the laser oscillator 1 having a peak output of 2.2 MW or more is bent at a desired angle by two
となる。ここでIは入射した光のエネルギ密度(cm2/MW)、n0は初期屈折率、n2は非線形係数である。n2*IはIが閾値(石英の場合2.2MW)を超えると非線形性を示す。 It becomes. Here, I is the energy density (cm 2 / MW) of incident light, n0 is the initial refractive index, and n2 is a nonlinear coefficient. n2 * I exhibits nonlinearity when I exceeds a threshold value (2.2 MW for quartz).
そのため図2に示すように、図2(a)では、例えばレーザピーク出力が2.2MW以下の場合で、非線形光学材料をレーザ光は焦点付近では一旦集光するが(ビーム径は回折限界以上)再び拡大する。しかし、ピーク出力が2.2MW以上の場合は、図2(b)に示すように、高ピーク出力のためビームを式(2)に従って回折限界以下に集光されていく。 Therefore, as shown in FIG. 2, in FIG. 2A, for example, when the laser peak output is 2.2 MW or less, the nonlinear optical material is once condensed near the focal point (the beam diameter is greater than the diffraction limit). ) Expand again. However, when the peak output is 2.2 MW or more, as shown in FIG. 2 (b), the beam is condensed below the diffraction limit according to the equation (2) for high peak output.
ここで光の回折(図2(b)の破線)により広がろうとする働きと非線形効果による集光する働き(自己集束)が釣り合うと光は、回折限界以下のビーム径でその直径を維持したまま非線形光学材料内を伝播する。この高ピーク出力のレーザ光により、非線形光学材料6の終端に設置された薄膜材料7が加工できる。薄膜材料は、基板8に形成されている。
Here, when the action of spreading by the diffraction of light (broken line in FIG. 2B) and the action of focusing by the non-linear effect (self-focusing) are balanced, the light maintained its diameter at a beam diameter below the diffraction limit. Propagates through the nonlinear optical material. The
この場合薄膜材料7、基板8をステージ上に装填し、光軸と基板8とを相対移動させることで薄膜材料のパターン形成が可能になる。
In this case, the
本発明の第2の発明の実施形態として非線形光学材料6に石英を用いることで2.2MWのピーク出力で薄膜材料8が加工できる。
By using quartz as the nonlinear
図3に本発明の第3の発明の実施形態を示す。2.2MWのピーク出力を持つレーザ発振器1から照射されたレーザ光は、2つのミラー2a、2bにより折り曲げられ、ビームを平行拡大するビームエクスパンダー3に入射する。その後、折り曲げミラー4によりビームは曲げられビームスプリッタ9に入射し、複数本のビームに分割される。それぞれのビーム(光束)はエフシータレンズ10により入射した位置から垂直に集光、伝播しそれぞれが非線形光学材料6に入射する。
FIG. 3 shows an embodiment of the third invention of the present invention. The laser light emitted from the laser oscillator 1 having a peak output of 2.2 MW is bent by the two
この場合、それぞれのビームのピーク出力は非線形効果を起こす2.2MW以上必要で、分割した場合の分割数に比例したレーザ出力が必要である。それぞれのビームは回折限界以下で薄膜材料8を加工する。図中11はビームと薄膜材料との相対移動させる2軸のあおり機能をもつ駆動手段で折り返しミラー4のあおりを行うことでビームを移動させることができる。
In this case, the peak output of each beam needs to be 2.2 MW or more that causes a non-linear effect, and a laser output proportional to the number of divisions in the case of division is necessary. Each beam processes the
図4に本発明の第4の発明の実施の形態を示す。2.2MWのピーク出力を持つレーザ発振器1から照射されたレーザ光は2つのミラー2a、2bにより折り曲げられ、ビームを平行拡大するビームエクスパンダー3に入射する。その後、折り曲げミラー4によりビームは曲げられビームスプリッタ9に入射し、複数本のビームに分割される。それぞれのビーム(光束)は集光レンズ10により平行光線化され再度集光する。その際生じる干渉が非線形光学材料6内で生じる。
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention. The laser light emitted from the laser oscillator 1 having a peak output of 2.2 MW is bent by the two
この場合、それぞれの干渉ビームのピーク出力は非線形効果を起こす2.2MW以上必要で、分割した場合の分割数に比例したレーザ出力が必要である。それぞれのビームは回折限界以下で薄膜材料8を加工する。
In this case, the peak output of each interference beam is required to be 2.2 MW or more that causes a nonlinear effect, and a laser output proportional to the number of divisions when divided is required. Each beam processes the
1 レーザ発振器
2a ミラー
2b ミラー
3 ビームエクスパンダー
4 折り曲げミラー
5 集光レンズ
6 非線形光学材料
7 薄膜材料
8 基板
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