JP2006289442A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 パルス幅が10ピコ秒未満の、第1及び第2のパルスレーザ光L1及びL2を、それぞれ、被加工部材13の蒸散を可能とする第1のレーザエネルギーと、被加工部材13の変形例えば膨張を可能とする第2のレーザエネルギーとによって、被加工部材13に照射する。
【選択図】 図3
Description
このような加工に用いられる手法としては、例えば、酸などのエッチング液によるウエットエッチングや、エッチングガスによるドライエッチングが挙げられる。
ウエットエッチングは、歴史的に見ても確立された一つの方法であり、また、ドライエッチングは、微細なパターニングに適した方法として、共に広く用いられている。
また、ドライエッチングは、微細なパターニングを実現することはできるものの、基本的な工程はウエットエッチングにおけるのと同様で、手順が煩雑であり、また、ウエットエッチングにおけるよりもエッチング装置が高価であり、更に雰囲気ガスの制御などを考慮する必要が生じ、手間もかかる。
しかし、レーザ光のパルス幅が例えばナノ秒(ns)オーダーである場合には、部材を構成する材料の熱溶融と、これに伴う熱拡散によって、レーザ光が直接照射されていない周辺部でも溶融や変形が生じ、更に溶融した材料が飛散して周囲に再付着するなどの問題があった。
そこで、パルスレーザ光照射におけるパルス幅をより短く選定し、例えばフェムト秒(fs)オーダー等、10ピコ秒(ps)未満の短パルス幅によるパルスレーザ光を照射することによって、被加工部材に対する選択的除去ならびに整形を行う加工方法の提案がなされている。
第1のパルスレーザ光の照射によって、被加工部材の被照射部を構成する部材材料を蒸散させ、例えば部材表面に再付着する粉塵の主たる付着部に対して第2のパルスレーザ光照射を行うことにより、付着部を構成する部材材料の変形や膨張が促進される。
この構成により、本発明装置においては、第1及び第2のパルスレーザ光の照射に際して、空間的な相互関係のみならず、時間的な相互関係を選定することが可能となる。
まず、本発明に係るレーザ加工装置の第1の実施の形態を、図1〜図3を参照して説明する。
本実施形態において、ステージ12は、パルスレーザ光の光軸に略直交する2次元方向に移動調整可能とされ、これにより、光源6からのパルスレーザ光を被加工部材13に走査照射することが可能となる。
レンズ7としては所謂コリメータレンズを用いることができ、ミラー8は立ち上げまたは走査用ガルバノメーターミラーによることができる。また、フォーカス調整用光学素子9は、一対のレンズ9a及び9bによる構成とすることができる。
この構成による場合、光源6(図示せず)からのレーザ光L0を第1のシリンドリカルレンズ16aによって整形し、対物レンズ11を介して回折格子17に入射させ、0次及び±1次の回折光を作り出した後、±1次光と十分に分離した0次光を第2のシリンドリカルレンズ16bで再度整形して、被照射部材13上に、第1のパルスレーザ光による略円形状の集光スポットS1と、第2のパルスレーザ光による細長形状の集光スポットS2a及びS2bを形成することができる。
この構成による場合、光源6(図示せず)からのレーザ光L0をビーム分割用マスク18によって3分割した後、各レーザ光を、例えば中央の集光レンズ19と、第1及び第2のシリンドリカルレンズ20a及び20とによって整形し、対物レンズ11を介して、被照射部材13上に、第1のパルスレーザ光による略円形状の集光スポットS1と、第2のパルスレーザ光による細長形状の集光スポットS2a及びS2bを形成することができる。
次に、本発明に係るレーザ加工方法の実施の形態を、上述したレーザ加工装置を用いる場合を例として、図1を参照して説明する。
この照射中、或いは照射の前後にかけて、本実施形態においては、被加工部材13の被照射部の合焦位置近傍に、気体吹付手段14及び気体吸引手段15によって気流を発生させる。これにより、第2のパルスレーザ光による変形例えば膨張によって浮上ないし飛散される、部材表面に付着していた粉塵(図示せず)を、効率よく部材表面から引き離すことが可能となり、部材表面の清浄化が図られる。
すなわち、図4に示すように、第1の方向軸(図中x軸)に関するスキャンと、第2の方向軸(図中y軸)に関するフィードつまりスライドとを組み合わせることにより、最初のスキャンをS11の位置から行い、続いて再スキャンをS12,S13,・・・の位置からを繰り返し開始して行うことにより、第1のパルスレーザ光の走査照射を2次元的に行うことや、所望の範囲における粉塵の浮上ないし飛散が可能となる。なお、図中、第2のパルスレーザ光のスポットは図示を省略している。
すなわち、集光性能から一意的に決まるビーム径φすなわちエアリーディスクサイズ(Airy Disc Size;1.22×λ/NA,λは波長)と、パルスの繰り返し周波数との兼ね合いで、各パルスがほぼ隣接するよう走査速度を決めることにより、所定の除去長さに対し、ほぼ隙間なくパルス照射させることが望ましい。
これは、各集光スポットの中央部分の、直径に対しておよそ0.6r以下の範囲内でしか多光子吸収プロセスによる部材材料の蒸散が進行しないためであり、各集光スポットを、直径に対して20%以上、特に望ましくは30%以上重複させることが望ましい。
これは、再スキャンにおいては、既にレーザ光照射によって除去がなされた箇所を照射範囲に含むことや、再スキャンにおける被照射部が、既に除去がなされた箇所に隣接していることによって、より低いレーザエネルギー又はより少ないパルス数で、目的とする深さの除去など、所望の加工を行うことができるためである。
例えば、少なくとも前記第2のパルスレーザ光の照射を、被加工部材の材料に応じて、開口数が0.01以上1.0未満の光学系の開口数を選定して行うことによって、すなわち例えば被加工部材が比較的線膨張率(または熱膨張率)の小さな材料によって構成されていた場合には開口数を0.95以上に選定することによって、ドライプロセスでの粉塵すなわちダストの浮上ないし飛散が可能となる。
次に、本発明に係るレーザ加工装置の第2の実施の形態を、図5を参照して説明する。
図5に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置1は、少なくとも、光源系2と、光学系3と、照射系4とを有する。
この照射系4は、所謂顕微鏡光学系として構成される。また、ステージ44は、例えばコンピュータ(図示せず)による制御がなされ、少なくともパルスレーザ光の光軸に略直交する2次元面内において移動及び位置選定が可能とされる。
なお、パルス幅が10ピコ秒以上である場合には、多光子吸収プロセスが進行する材料が極めて少なくなってしまい、1光子吸収プロセスに基づく熱溶融及び熱拡散が進行してしまうことから、パルス幅については10ピコ秒未満、望ましくは1ピコ秒未満、特に望ましくは1〜500フェムト秒以下に選定することが好ましい。
すなわち、本実施形態に係るレーザ加工装置によっても、第1のパルスレーザ光の照射と第2のパルスレーザ光の照射とを、時間的または空間的に並行して行うことや、第1のパルスレーザ光と前記第2のパルスレーザ光とを共通の光源により形成すること、更に第1のパルスレーザ光と前記第2のパルスレーザ光とを、共通のレーザ光の分割によって形成することが可能とされる。
本発明に係るレーザ加工方法の実施例を、図6及び図7を参照して説明する。
図6Aに、厚さ500nmのAl(アルミニウム)膜に対して、気流の発生すなわちエアブローと第2のパルスレーザ光照射を行って粉塵の除去を行った結果の一例としての写真を示す。なお、図6Bは、それ以前の、第1のパルスレーザ光照射のみを行って加工溝の形成のみを行った段階での写真である。図6A及び図6Bにおいて、被照射部近傍から離れて全面に見られる黒点は、Al膜の微細な凹凸であり、被照射部近傍に堆積している粉塵(ダスト)とは異なるものである。
本実施例において、第1及び第2のパルスレーザ光の照射条件は、エネルギーがそれぞれ1.4J/cm2、0.75J/cm2、光学系のNAは共に0.65、繰り返し周波数=1kHz、走査速度は333μm/s、スキャン幅(図4中a)200μm、走査ピッチ(図4中b)0.5μm、スキャン数20回とした。
なお、図7Aに示すように、気流すなわちエアブローのみによって粉塵の除去を試みた場合には、図7Bに示すようなそれ以前の状態に比べて粉塵の低下は可能であるものの、十分な除去がなされていないことから、本発明に係るレーザ加工方法によって部材表面の清浄化が図られることが確認することができた。
上のおよその除去範囲としては、100μmまたは200μm×10μmとなった。
また、例えばステージ12は固定治具にかえることもできるし、本発明に係る加工方法を、予めナノ秒オーダーのパルス幅を有するレーザ光によって加工を行った部材に対して応用することができる。
また、本発明に係るレーザ加工方法は、少なくとも、第2のパルスレーザ光の照射を、減圧条件下で行うこともできるし、上述の気体吹付手段と気体吸引手段とは、いずれかのみとすることもでき、気体吸引手段を、減圧手段として兼ねることもできるなど、本発明は、種々の変更及び変形をなされうる。
Claims (10)
- パルス幅が10ピコ秒未満の第1及び第2のパルスレーザ光を、それぞれ、被加工部材の蒸散を可能とする第1のレーザエネルギーと、前記被加工部材の変形を可能とする第2のレーザエネルギーとによって、前記被加工部材に照射する
ことを特徴とするレーザ加工方法。 - 前記変形が、前記被加工部材の膨張である
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。 - 前記第1のパルスレーザ光の照射と、前記第2のパルスレーザ光の照射とを、並行して行う
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。 - 前記第1のパルスレーザ光と、前記第2のパルスレーザ光とを、共通の光源により形成する
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。 - 前記第1のパルスレーザ光と、前記第2のパルスレーザ光とを、共通のレーザ光の分割によって形成する
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。 - 少なくとも、前記第2のパルスレーザ光の照射を、被加工部材の被照射部に、気流を生じさせて行う
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。 - 少なくとも、前記第2のパルスレーザ光の照射を、減圧条件下で行う
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。 - 少なくとも、前記第2のパルスレーザ光の照射を、開口数が0.01以上1.0未満の光学系を用いて行う
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。 - 少なくとも前記第1のパルスレーザ光の照射を、走査させながら行う
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。 - パルス幅10ピコ秒未満の、第1のレーザエネルギーによる第1のパルスレーザ光と、前記第1のレーザエネルギーに比して小とされた、被加工部材を変形させる第2のレーザエネルギーによる第2のパルスレーザ光とを、被加工部材に同時に照射することが可能とされた構成を有する
ことを特徴とするレーザ加工装置。
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