JP2007152420A - Method of removing film on substrate - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、基板上に形成された膜をレーザアブレーションにより除去する方法に関する。 The present invention relates to a method for removing a film formed on a substrate by laser ablation.
これまで、1つ以上の金属、誘電体材料及び半導体材料からなる2層構造をしている材料をレーザ誘起破壊(LIB:Laser Induced Breakdown)させ、LIBがほぼ1層に影響し、他の層には影響しない方法が知られていた(例えば、特許文献1参照。)。 Up to now, a laser-induced breakdown (LIB: Laser Induced Breakdown) has been performed on a material having a two-layer structure made of one or more metals, a dielectric material, and a semiconductor material. There has been known a method that does not affect (see, for example, Patent Document 1).
この方法を基板上に形成された膜の除去に応用しようとすると、除去する幅を稼ぐために、集光点をトレパニングさせる(本明細書では、集光点を円形に動かすことを”トレパニングさせる”と記載する)ことが望ましい。 When this method is applied to the removal of a film formed on a substrate, the focal point is trepanned to increase the width of removal (in this specification, moving the focal point to a circle is “trepanned”). ")" Is desirable.
集光点をトレパニングさせる方法としては、例えば図10に示すような方法が知られている(例えば、特許文献2参照。)。レーザビーム71が二つの平行面をもつ平行ブロック72と、二つのウエッジ板73によって主軸に対して傾けられ、前記主軸の回りに回転するダブプリズム(Dove−Prism)74の傾斜した入射面に入射する。ダブプリズム74から出射された傾けられたレーザビーム71は、集光レンズ75に入射し、主軸100を中心とする円76の縁部に集光される。ダブプリズム74の回転によりこの集光点が円76を描き(トレパニングして)、円76が刳りぬかれる。
上述した従来のLIBがほぼ1層に影響し、他の層には影響しない方法は、どうすればほぼ1層に影響し、他の層には影響しないようにできるかを開示していない。そこで、例えば、ポリイミド基板上の厚さ4.5μmの銅に超短光パルスレーザを集光照射して、銅をアブレーションさせて除去すると、ポリイミド基板の表面も除去されてしまう。すなわち、従来は、基板上の膜を基板を傷つけることなく除去することができなかった。 The above-described conventional LIB affects approximately one layer and does not affect other layers, but does not disclose how it can affect approximately one layer and not affect other layers. Therefore, for example, when the copper of 4.5 μm thickness on the polyimide substrate is focused and irradiated with an ultrashort optical pulse laser to remove the copper by ablation, the surface of the polyimide substrate is also removed. That is, conventionally, the film on the substrate could not be removed without damaging the substrate.
一方、上述した従来のトレパニング法では、平行ブロック、二つのウエッジ板、ダブプリズムといったレーザビームが通過する媒質の長さが長いバルクガラス光学部品を多用しているため、媒質の波長分散によりレーザパルスの時間幅(パルス幅)が広がったり、色収差により集光スポット径が拡大したりするなどの問題があった。 On the other hand, in the conventional trepanning method described above, a bulk glass optical component having a long length of a medium through which a laser beam passes, such as a parallel block, two wedge plates, and a dove prism, is frequently used. There is a problem that the time width (pulse width) is widened or the diameter of the focused spot is increased due to chromatic aberration.
本発明は、上記の従来のアブレーション加工法の問題に鑑みてなされたものであり、基板上の膜のみを基板を損傷させることなく選択的に除去する方法を提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the above problems of the conventional ablation processing method, and an object thereof is to provide a method for selectively removing only a film on a substrate without damaging the substrate.
また、本発明は、上記のトレパニング法の問題に鑑みてなされたものであり、波長分散によるパルス幅の広がりや色収差による集光スポット径の拡大のない方法でトレパニングすることで、除去する幅を拡大できる除去方法を提供することを別の課題としている。 In addition, the present invention has been made in view of the above-mentioned problem of trepanning, and the width to be removed is reduced by trepanning using a method that does not cause a pulse width broadening due to wavelength dispersion or a condensing spot diameter due to chromatic aberration. Another challenge is to provide a removal method that can be expanded.
課題を解決するためになされた請求項1に係る発明は、超短光パルスレーザを集光させる集光手段を有し、該集光手段の集光点を基板上の膜の該基板と該膜の界面から第1所定距離だけ該膜側に離した位置に設定する集光点設定ステップと、前記膜に前記超短光パルスレーザを集光照射してレーザアブレーションにより該膜を除去する除去ステップと、を有することを特徴とする基板上膜の除去方法である。
The invention according to
図1Aに示すように、集光手段である集光レンズ3の集光点(ビームウエスト)が膜2の表面2aに位置すると、集光点前後のビーム径の増加が緩やかであるため、膜2の厚み方向(Z方向)にアブレーション加工が進み、基板1も加工されてしまう。請求項1の発明では、集光点が基板1と膜2の界面2bから第1所定距離(D)だけ膜2側に焦点外しした位置であるので(図1B参照)、膜2の表面2aでの集光径が大きく、且つ表面2aから厚み方向(z方向)に離れるにつれ急激にビーム径が増加する。その結果、表面2aでアブレーションが起きても表面2aから厚み方向に僅かに離れるだけでフルーエンスが急激に下がりアブレーションが起きにくくなり、基板1が加工されることがない。また、膜2の表面2aでの集光径が大きいので、トレパニングしなくても膜を広く除去することができる。ここで、第1所定距離とは、界面でのフルーエンスが基板のアブレーション閾値以下になる距離で、換言すれば、レーリーレンジ(後述の(7)、(7)’式参照)より大きな距離である。第1所定距離は、基板及び膜の材質や膜厚によって、最適値が変わるので、実験的に決める必要がある(後述の実施例1参照)。
As shown in FIG. 1A, when the condensing point (beam waist) of the
また、請求項2に係る発明は、請求項1に記載の基板上膜の除去方法であって、前記集光点設定ステップは最初前記集光点を前記界面から第2所定距離(D’)だけ前記膜側に離した位置に設定し、以後順次、前記集光点を前記第2所定距離より前記界面に近い位置に設定して前記除去ステップを前記基板が現れるまで繰り返すことを特徴としている。
The invention according to
集光点設定ステップが最初集光点を界面から所定距離だけ膜側に離した位置に設定し、以後順次、集光点を所定距離より界面に近い位置に設定して除去ステップを繰り返すので、膜厚が大きくても基板を損傷することなく膜のみ確実に選択除去することができる。ここで、第2所定距離とは、界面でのフルーエンスが基板のアブレーション閾値以下になる距離で、レーリーレンジより大きな距離である。第2所定距離は、第1所定距離より大である。 Since the condensing point setting step first sets the condensing point at a position separated from the interface by a predetermined distance toward the film side, and then sequentially repeats the removal step by setting the condensing point at a position closer to the interface than the predetermined distance. Even if the film thickness is large, only the film can be reliably removed without damaging the substrate. Here, the second predetermined distance is a distance at which the fluence at the interface is not more than the ablation threshold of the substrate, and is a distance larger than the Rayleigh range. The second predetermined distance is greater than the first predetermined distance.
課題を解決するためになされた請求項3に係る発明は、超短光パルスレーザを集光させる集光手段を有し、該集光手段の集光点を基板上の膜の表面からレーリーレンジだけ離れた位置からレーリーレンジだけ前記膜内に入った位置の範囲内に設定する集光点設定ステップと、前記集光点のフルーエンスを前記膜のアブレーション閾値に略等しくするフルーエンス制御ステップと、を有することを特徴とする基板上膜の除去方法である。
The invention according to
図1Cに示すように、レーリーレンジをzr、集光手段である集光レンズ3の焦点距離をfとすると、請求項3の発明では、集光点を膜2の表面2aから上にzr上がった位置から下にzr下がった位置までの範囲内に設定する。また、集光点のフルーエンスを膜2のアブレーション閾値に略等しくする。例えば、膜2の膜厚が小さい場合は、表面2aが図1Cの点線、すなわち、集光レンズ3から膜2の表面2aまでの距離を(f+zr)になるように集光点を設定することにより、最初のレーザパルスで膜がアブレーション加工され膜が除去されるが、次のレーザパルスが基板3をアタックしてもビーム径が増大しておりフルーエンスが低下してアブレーションを起こすことができない。ここで、膜のアブレーション閾値に略等しくする集光点のフルーエンスは、膜厚や集光点の設定位置、等で変化するので、一義的に決まらないが、膜のアブレーション閾値の10%以上、膜のアブレーション閾値以下が好ましい。フルーエンスは、ビーム集光領域の平均値であり、これが膜のアブレーション閾値より大きいと、中心付近のフルーエンスはさらに大きくなり、基板の損傷を防ぐことが難しくなるからである。
As shown in FIG. 1C, if the Rayleigh range is z r and the focal length of the
また、請求項4に係る発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の基板上膜の除去方法であって、さらに、前記集光手段に入射する前記超短光パルスレーザを歳差運動状ビームに偏向回転させる偏向回転ステップを有することを特徴としている。
The invention according to claim 4 is the method for removing a film on a substrate according to any one of
超短光パルスレーザを回転ウエッジ板で偏向回転させることで歳差運動状ビームにすることができるので、波長分散によるパルス幅の広がりや、色収差による集光スポット径の増大を防止してトレパニング加工することができる。 By deflecting and rotating an ultrashort pulse laser with a rotating wedge plate, a precessing beam can be formed, so that it is possible to prevent widening of the pulse width due to wavelength dispersion and increase of the focused spot diameter due to chromatic aberration, so that trepanning processing can be performed. can do.
また、請求項5に係る発明は、請求項4に記載の基板上膜の除去方法であって、前記集光手段は集光レンズであり、さらに、前記歳差運動状ビームの節を前記集光レンズの入射瞳に伝達する伝達ステップを有することを特徴としている。
The invention according to
集光レンズにテレセントリックレンズ(レンズの入射瞳がテレセントリックな位置にあるレンズ)を使用して、歳差運動状ビームをレンズの回折限界まで集光することができる。 A telecentric lens (a lens in which the entrance pupil of the lens is in a telecentric position) can be used as the condensing lens, and the precessing beam can be condensed to the diffraction limit of the lens.
また、請求項6に係る発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の基板上膜の除去方法であって、前記集光レンズのNAが0.4以上であることを特徴としている。
The invention according to
NA(開口数)は、図1Aに示すように、幾何光学での集光点p(レンズ3から焦点距離f離れた点)に向かう光線のうち最大の開き角をもつ光線の光軸(z軸)とのなす角を(γ/2)とすると、NA=sin(γ/2)であるので、NAが大きいほどビーム径はz軸方向距離と共に急激に変化する。したがって、NAが0.4以上になると、アブレーション閾値以上のフルーエンスをもつビーム径のz軸方向の範囲が狭くなり、より一層膜のみ選択的に除去することができる。
As shown in FIG. 1A, NA (numerical aperture) is the optical axis (z) of the light beam having the maximum opening angle among the light beams going to the condensing point p (point away from the
また、請求項7に係る発明は、請求項1〜6のいずれか1項に記載の基板上膜の除去方法であって、前記膜を前記基板のアブレーション閾値より小さい閾値の材料とすることを特徴としている。
The invention according to
集光点のフルーエンスを膜のアブレーション閾値に略等しくすることで、さらに有効に基板の損傷を防止することができる。 By making the fluence of the condensing point substantially equal to the ablation threshold value of the film, damage to the substrate can be more effectively prevented.
集光点が基板と膜の界面から第1所定距離だけ膜側に焦点外しした位置であるので、膜の表面での集光径が大きく、且つ表面から厚み方向に離れるにつれ急激にビーム径が増加する。その結果、表面でアブレーションが起きても表面から厚み方向に僅かに離れるだけでフルーエンスが急激に下がりアブレーションが起きにくくなり、基板が加工されることがない。 Since the condensing point is a position defocused from the interface between the substrate and the film to the film side by a first predetermined distance, the condensing diameter on the surface of the film is large, and the beam diameter suddenly increases as the distance from the surface in the thickness direction increases. To increase. As a result, even if ablation occurs on the surface, the fluence decreases abruptly only by being slightly away from the surface in the thickness direction, making it difficult for ablation to occur, and the substrate is not processed.
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施形態1)
図2は、超短光パルスレーザを用いた実施形態1の基板上膜除去装置の概略構成図である。10は超短光パルスレーザを発生するレーザ発生器、3は集光手段である集光レンズ、2は膜、1は基板、20は3軸(xyz)移動ステージである。
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the substrate film removal apparatus according to the first embodiment using an ultrashort optical pulse laser.
超短光パルスレーザを発生するレーザ発生器10としては、例えば、モードロックTi:サファイアレーザを用いることができるが、モードロックファイバレーザベースのFCPA(Fiber Charpe Pulse Amplification)レーザを用いることが好ましい。なぜなら、膜材料が金属材料の場合、金属材料のアブレーション閾値が0.5J/cm2以下であるので、1パルスエネルギが1mJもあるモードロックTi:サファイアレーザでは、減衰器で大幅に減衰させる必要があるが、FCPAレーザの1パルスエネルギは10μJ程度であるので、ほとんど減衰させる必要がないからである。ここで、超短光パルスレーザのパルス幅は、レーザ誘起破壊が起こる10ps以下である。下限値は特に限定されないが、10fs程度である。なお、パルス幅は、好ましくは、3psより小さい方が良く、さらに好ましくは1ps以下が良い。基板が高分子材料で膜が金属材料の場合、パルス幅が大きいと、基板より膜のアブレーション閾値が高くなり、基板の損傷を抑えることが難しくなるからである。
For example, a mode-locked Ti: sapphire laser can be used as the
集光レンズ3としては、収差補正された顕微鏡対物レンズを用いるとよい。NAは上記した理由から大きい方が望ましい。
As the
基板1は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメタクリル酸メチル、等の高分子材料等、特に限定されない。基板が高分子材料からなる場合、そのアブレーション閾値は、0.5〜1J/cm2である。
The
膜2は、銅、アルミ、チタン、錫、ステンレス、等の金属材料等、特に限定されないが、基板1が高分子材からなる場合はアルミが望ましい。アルミのアブレーション閾値は0.07〜0.09J/cm2であり、高分子材からなる基板のアブレーション閾値より小さいので、基板を損傷することなく膜のみを選択的に除去することが容易になる。
The
以下、各ステップについて説明する。 Hereinafter, each step will be described.
<集光点設定ステップ>
まず、集光レンズ3の集光点pを膜2の表面2aから上方D−tの位置に調節する(D:第1所定距離)。この調節は、集光点pを膜2の表面2aに合わせた後、移動ステージ20のz軸ステージ21をD−tだけ下げることで行うことができる。ここで、tは、膜2の厚さである。なお、集光点pを膜2の表面2aに一致させるやり方は、例えば、レーザ発生器10と集光レンズ3の間にミラーを挿入し、そのミラーを介して集光レンズ3を対物レンズとする顕微鏡を構成して、膜2の表面2aが鮮明に見えるようにz軸ステージを上下させて行われる。
<Condensing point setting step>
First, the condensing point p of the condensing
集光点pを膜2の表面2aから上方D−tの位置に設定する場合、Dを実験的に決めてもよいが、以下のようにすると、条件出しの実験量を減らすことができる。
When the condensing point p is set at a position Dt above the
レーザビームは、通常ガウスビームと近似することができる。ガウスビームを焦点距離fの集光レンズで集光したときのビームウエストのビーム径を2w0、集光レンズに入射するレーザビームの径をd、強度が1/e2となる直径が張るビーム広がり全角をγ、とすると、シングルモード場合、
2w0=(4λ/π)(f/d)=(4λ/πγ) (1)
と表される。ここで、λは波長である。また、図1Bに示されるようなビームウエスト近傍でのビーム径の変化は、
(2w)2=(2w0)2+γ2z2 (2)
となる。ここで2wは、ビームウエストからビーム軸(z軸)に沿って距離±zにおける直径である。
The laser beam can be approximated with a normal Gaussian beam. When the Gaussian beam is collected by a condenser lens having a focal length f, the beam diameter of the beam waist is 2w 0 , the diameter of the laser beam incident on the condenser lens is d, and the diameter is 1 / e 2. If the full spread angle is γ,
2w 0 = (4λ / π) (f / d) = (4λ / πγ) (1)
It is expressed. Here, λ is a wavelength. In addition, the change in the beam diameter in the vicinity of the beam waist as shown in FIG.
(2w) 2 = (2w 0 ) 2 + γ 2 z 2 (2)
It becomes. Here, 2w is a diameter at a distance ± z along the beam axis (z axis) from the beam waist.
集光点pを膜2の表面2aから上方D−tの位置に設定する際、上記(1)、(2)式を使って集光点pがD−tの位置にある時の表面でのフルーエンスを膜2のアブレーション閾値以上にすることで、実験量を減らすことができる。
When the condensing point p is set at the position Dt above the
<除去ステップ>
次に、レーザ発生器10から所定の1パルスエネルギをもつ超短光パルスレーザを発生させることで、レーザが照射された領域がアブレーション加工され、図3に示すように直径2a、深さδの穴が掘られる。この状態で、例えば、x軸ステージをプラス方向に移動することで、x軸に平行な幅2a、深さδの溝を掘ることができる。さらに、この状態でx軸ステージをマイナス方向に移動することで往復加工され、δより深い溝を掘ることができる。膜2の厚さtがδ以下であれば、基板1に達する穴があく。この状態でx軸ステージをx0だけ移動させれば、膜2が幅2a、長さx0に渡って、除去される。
<Removal step>
Next, by generating an ultrashort optical pulse laser having a predetermined one-pulse energy from the
上記の所定の1パルスエネルギをE、膜2のアブレーション閾値をAthとすると、損失がない場合、
E/(πa2)≧Ath (3)
の関係がある。レーザ発生器10と膜2の間の光学要素での損失がρの場合、
E(1−ρ)/(πa2)≧Ath (3)’
の関係がある。
When the predetermined one pulse energy is E and the ablation threshold of the
E / (πa 2 ) ≧ Ath (3)
There is a relationship. If the loss in the optical element between the
E (1-ρ) / (πa 2 ) ≧ Ath (3) ′
There is a relationship.
膜2の厚さtが大きい場合は、上記ステップを繰り返す。すなわち、集光点設定ステップで、集光点pと膜2の表面2aとの間隔をD’−t−δ、D’−t−2δ、・・・D’−t−nδと順次設定して、その都度除去ステップを繰り返す(D’:第2所定距離)。繰り返す回数は膜2の厚さtにより異なる。少なくとも、基板1が現れるまで繰り返す。なお、往復回数によりδは変化するので、上記のように一定のステップで集光点pと表面2aとの間隔を減少させる代わりに、減少させるδの値を変えても良い。
If the thickness t of the
通常レーザビームの強度分布はガウス分布をしており、このようなガウスビームを例えば、NAが0.8の集光レンズで集光すると、アブレーション加工された部位の断面形状が図3に示すようにレンズのNAにならったV字形状もしくはU字形状となる。基板1が絶縁材で膜2が導電性材の場合、この形状では基板に近い部分の膜の除去幅が狭くなり、除去領域を挟んでの膜の絶縁が不確かなものになってしまう可能性がある。レーザ発生器10と集光レンズ3の間にフラットトップビームシェイパーを挿入することで、ガウスビームをフラットトップ型に補正し、前記断面形状を矩形に近い形状にすることができる。その結果、より確実な絶縁が可能になる。フラットトップビームシェイパーには、ニューポート社のビームシェイパーや、ガウスビームをフラットトップ型に補正するように設計された非球面レンズなどを使用することができる。
Normally, the intensity distribution of a laser beam has a Gaussian distribution. When such a Gaussian beam is focused by, for example, a condensing lens having an NA of 0.8, the cross-sectional shape of the ablated portion is as shown in FIG. V-shaped or U-shaped following the lens NA. In the case where the
(実施形態2)
図4は、実施形態2の基板上膜除去装置の概略構成図である。本実施形態の除去装置は、図2の実施形態1の除去装置で集光レンズ3に入射する超短光パルスレーザを歳差運動状ビームに偏向回転させる偏向回転手段4を付加し、3軸移動ステージ20を省略した以外は、図2と基本的に同じである。実施形態1と同じ構成要素には同じ符号を付し説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the substrate film removal apparatus according to the second embodiment. The removal apparatus of this embodiment is provided with a deflection rotation means 4 for deflecting and rotating an ultrashort optical pulse laser incident on the
偏向回転手段4は、光軸O.Aの回りに回転する回転体42と、回転体42に取り付けられ、回転体42と共に回転するウエッジ板41とからなる。
The deflection rotation means 4 has an optical axis O.D. A rotating
次に、偏向回転手段4でトレパニングするメカニズムについて説明する。入射面411と出射面412のなす角度がαの実線で示すウエッジ板41に光軸O.A方向からパルスレーザLが入射すると、スネルの法則により光軸O.Aとθをなす方向に偏向され、実線で示すレーザLaを出射する。θとαの間には次式の関係がある。
θ=sin-1[nsinα]−α (4)
ここで、nはウエッジ板41の屈折率である。
Next, a mechanism for trepanning by the deflection rotating means 4 will be described. An optical axis O.D. is formed on the
θ = sin −1 [nsin α] −α (4)
Here, n is the refractive index of the
光軸O.AとθをなすレーザLaが集光レンズ3に入射すると、実線で示すようにレンズ3から焦点距離f離れた位置にある膜2の表面における光軸O.Aからrの位置に集光され、集光点pとなる。rとθには次式の関係がある。
r=ftanθ (5)
レーザLが点線で示す180°回転したウエッジ板41に入射すると、光軸O.Aと−θをなす方向に偏向され、点線で示すレーザLbを出射する。
Optical axis O.D. When a laser La that forms A and θ enters the
r = ftanθ (5)
When the laser L enters the
光軸O.Aと−θをなすレーザLbが集光レンズ3に入射すると、やはり、点線で示すように膜2の表面における光軸O.Aからrの位置に集光され、集光点pとなる。
Optical axis O.D. When the laser Lb that forms A with -θ is incident on the
図4Bは、図4Aの膜2をz軸(光軸O.A)方向から見た図であるが、ウエッジ板41が矢印11方向に回転すると、ウエッジ板41に入射するレーザビームLは、偏向回転して歳差運動状ビームLa、Lbとなり、集光点pも矢印12方向に順次移動し、半径rのトレパニング円8を描く。
4B is a view of the
(4)式と(5)式からトレパニング円8の大きさ(半径r)は、集光レンズ3の焦点距離f、ウエッジ板41のウエッジ角αで制御できることがわかる。
It can be seen from the equations (4) and (5) that the size (radius r) of the
以下、各ステップについて説明する。 Hereinafter, each step will be described.
<集光点設定ステップ>
集光レンズ3の集光点pを膜2の表面近傍に調節する。ここで表面近傍とは、レーリーレンジをzrとしたとき、幾何光学における集光点p(波動光学におけるビームウエスト位置z=0)が膜2の表面から上にzr上がった位置から下にzr下がった位置までの範囲である。すなわち、図1Cに示すように、膜2の表面2aが±zrの範囲内(集光レンズ3から膜2の表面2aまでの距離をf±zrの範囲内)にすることである。レーリーレンジzrは、ビームウエストz=0でのビーム径が√2倍以内の距離であり、これより外側ではレーザビームの広がり角γの漸近線(点線で示す直線)のように距離と共にビーム径が大きくなる。
<Condensing point setting step>
The condensing point p of the condensing
膜2の膜厚が薄い場合は、表面2aが図1Cの点線、すなわち、集光レンズ3から膜2の表面2aまでの距離を(f+zr)になるように集光点を設定するとよい。最初のレーザパルスで膜がアブレーション加工され膜が除去されるが、次のレーザパルスが基板3をアタックしてもビーム径が増大しておりフルーエンスが低下してアブレーションを起こすことができない。
When the
膜2の膜厚が大きく、厚さが2zr前後の場合は、表面2aが図1Cの実線、すなわち、集光レンズ3から膜2の表面までの距離を(f−zr)になるように、集光点を設定するとよい。表面から2zr下がってもビーム径が余り増大せず、膜2を順次除去することができる。そして、2zrよりさらに下がると、ビーム径が距離と共に漸近線のように増大するので、フルーエンスが低下してアブレーションを起こすことができなくなる。その結果、基板1が加工されることがない。
When the thickness of the
ガウスビームを集光レンズで集光したときのビームウエストのビーム径を2w0とすると、
zr=πw0 2/λ (6)
と表される。(1)、(6)式から
zr=(4λ/π)(f/d)2 =(4λ/π)(1/γ2) (6)’
である。例えば、集光レンズ3に50倍の顕微鏡対物レンズを使用すると、f=3mmであるので、λ=1.5μm、d=2mmとすると、zr=4.3μmとなる。
If the beam diameter of the beam waist when the Gaussian beam is collected by the condenser lens is 2w 0 ,
z r = πw 0 2 / λ (6)
It is expressed. From the expressions (1) and (6), z r = (4λ / π) (f / d) 2 = (4λ / π) (1 / γ 2 ) (6) ′
It is. For example, when a 50 × microscope objective lens is used as the
<フルーエンス制御ステップ>
集光点pのフルーエンスが膜2のアブレーション閾値に略等しくなるように、レーザ発生器10から発生される1パルスエネルギEを調節する。すなわち、レーザ発生器10と膜2の間の光学要素での損失がρの場合、
0.1×Ath≦E(1−ρ)/(πw0 2)≦Ath (7)
を満たすようにする。
<Fluence control step>
The one-pulse energy E generated from the
0.1 × Ath ≦ E (1-ρ) / (πw 0 2 ) ≦ Ath (7)
To satisfy.
<偏向回転ステップ>
フルーエンス制御ステップで(7)式を満たすように制御されたレーザパルスLを回転ウエッジ板41に入射させ、歳差運動状ビームLa、Lbを出射させる。すると、集光レンズ3による膜2の表面2aでの集光ビーム断面領域がアブレーション加工され、半径rのドーナツ状溝が形成される。
<Deflection rotation step>
The laser pulse L controlled so as to satisfy the expression (7) in the fluence control step is incident on the
この状態で、図示しない3軸移動ステージで例えば、x軸方向にx0移動させると、幅2r長さx0の溝を加工することができる。 In this state, a three-axis moving stage (not shown) for example, when to x 0 moves in the x-axis direction, it is possible to process the groove width 2r length x 0.
本実施形態のように所謂トレパニング加工する場合は、断面が矩形に近い幅広(2r)の加工ができるので、実施形態1のようにフラットトップビームジェネレータなどを用いる必要がない。 When so-called trepanning processing is performed as in the present embodiment, the processing can be performed with a wide (2r) cross section close to a rectangle, so that it is not necessary to use a flat top beam generator or the like as in the first embodiment.
(実施例1)
図2に示す実施形態1の基板上膜除去装置で厚さ25μmのポリイミド基板1の上に形成された厚さt=4.5μmの銅膜2を除去した。
Example 1
The
レーザ発生器1には、以下の特性を持つFCPAレーザ発生器を用いた。
中心波長:1.56μm
パルスエネルギ:1μJ/パルス
パルス幅:0.9ps
繰り返し周波数:194kHz
ビーム強度分布:ガウシアン
ビーム径:2mm
As the
Center wavelength: 1.56 μm
Pulse energy: 1μJ / pulse Pulse width: 0.9ps
Repetition frequency: 194 kHz
Beam intensity distribution: Gaussian Beam diameter: 2 mm
本実施例のように、高分子材料であるポリイミド基板上の金属材料膜を除去する場合は、レーザの中心波長が500〜2000nmであることが好ましい。500nmより短くなると、光子エネルギが高くなり、高分子材料のアブレーション閾値が下がる。その結果、基板の損傷をなくすことが難しくなる。 When the metal material film on the polyimide substrate, which is a polymer material, is removed as in this embodiment, the center wavelength of the laser is preferably 500 to 2000 nm. When shorter than 500 nm, the photon energy increases and the ablation threshold of the polymer material decreases. As a result, it becomes difficult to eliminate damage to the substrate.
集光レンズ3には、倍率100倍の赤外顕微鏡用対物レンズを用いた。集光点での集光径は約3.6μm(計算値)である。したがって、集光点でのフルーエンスは、集光レンズ3の透過率を50%とすると、4.9J/cm2と見積もられる。銅のアブレーション閾値が0.47J/cm2であるので、このフルーエンスは、それより約1桁大きく、当然(3)’式を満たしている。
The
<集光点設定ステップ>
まず、集光レンズ3の集光点pを銅膜2の表面2aから上方D−tの位置に調節する。この調節は、集光点pを銅膜2の表面2aに合わせた後、移動ステージ20のz軸ステージ21をD−tだけ下げることで行うことができる。D−tの値は次のようにして決められた。
<Condensing point setting step>
First, the condensing point p of the condensing
(1)式からγ=0.55radである。D−tの位置でのフルーエンスが集光点でのフルーエンスの約1/10、すなわち銅のアブレーション閾値に略等しくする必要があることから、(3)式を使って、a=5.6μmと見積もられる。したがって、(2)式で2w=11.2μm、2w0=3.6μm、γ=0.55radとすることで、z=D−t=20μmとなる。 From equation (1), γ = 0.55 rad. Since it is necessary to make the fluence at the position of Dt approximately equal to 1/10 of the fluence at the condensing point, that is, approximately equal to the ablation threshold value of copper, using equation (3), a = 5.6 μm Estimated. Therefore, by setting 2w = 11.2 μm, 2w 0 = 3.6 μm, and γ = 0.55 rad in equation (2), z = D−t = 20 μm.
本実施例のレーリーレンジzrは、(6)’式からzr=1.6μmであるので、基板と膜の界面から集光点pまでの所定距離D(=20+4.5=24.5μm)は、レーリーレンジzrの約15倍大きい。 Since the Rayleigh range zr of this embodiment is zr = 1.6 μm from the equation (6) ′, the predetermined distance D (= 20 + 4.5 = 24.5 μm) from the interface between the substrate and the film to the condensing point p is , About 15 times larger than the Rayleigh range zr.
<除去ステップ>
D=24.5μmにして、銅膜2にレーザ発生器10からの超短光パルスを照射しながら、銅膜2のx軸方向の幅370μm全幅に渡って、x軸移動ステージ23を30mm/secの速度で1往復走査した(図5のL1)。なお、銅膜2が樹脂基板1から除去される程度をモニターするために、除去溝を挟んで抵抗値を測定しながら加工を行った。
<Removal step>
D = 24.5 μm, and irradiating the
次に、<集光点設定ステップ>に戻り、y軸ステージでy軸方向に50μm移動させ、z軸ステージ21で集光点pと銅膜2の表面2aとの間隔をD−t−δ=(20−1)=19μmにして<除去ステップ>を実施した(図5のL2)。
Next, returning to <Condensing Point Setting Step>, the y-axis stage is moved by 50 μm in the y-axis direction, and the z-
次に、<集光点設定ステップ>に戻り、y軸ステージでy軸方向に50μm移動させ、集光点pと銅膜2の表面2aとの間隔をD−t−2δ=(20−2)=18μmにして<除去ステップ>を実施した(図5のL3)。
Next, returning to <Condensing Point Setting Step>, the y-axis stage is moved by 50 μm in the y-axis direction, and the distance between the condensing point p and the
以後、順次同様の操作を抵抗値が急増するまで繰り返した。 Thereafter, the same operation was sequentially repeated until the resistance value increased rapidly.
図5は、銅膜2の表面写真で、x軸に平行な黒い線L1、L2、・・・L15が銅膜2の加工痕である。図6は、抵抗値の変化をモニターした結果で、横軸はD−t−nδである。L14までは、低抵抗であるが、L15で抵抗値が急増し、ポリイミド基板1の上の銅膜2が完全に除去されたことがわかる。
FIG. 5 is a surface photograph of the
図7は、図5におけるL15のA−A線断面観察結果を描画したものであるが、銅膜2の表面で幅16.9μm、底部で幅8μmの比較的幅の広いテーパ状溝であることがわかる。また、ポリイミド基板1の表面(銅膜2との界面)の損傷はほとんど見られなかった。
FIG. 7 is a drawing of a cross-sectional observation result of line AA of L15 in FIG. 5, which is a relatively wide tapered groove having a width of 16.9 μm on the surface of the
このL15に対応するD−t=6μm、すなわち、D=10.5μm(=6+4.5)が請求項1における第1所定距離である。集光点pを基板と膜の界面から10.5μm膜側に設定することにより、基板を損傷することなく膜を選択的に除去することができた。
Dt = 6 μm corresponding to L15, that is, D = 10.5 μm (= 6 + 4.5) is the first predetermined distance in
(実施例2)
本実施例は、実施例1の銅膜2をアルミ膜にし、D−tの位置すなわち、膜表面2aでのフルーエンスをアルミのアブレーション閾値(0.07J/cm2)より少し大きい0.08J/cm2に調節した以外は、実施例1と同じである。
(Example 2)
In this example, the
厚さ25μmのポリイミド基板に上の厚さ4.5μmのアルミ膜の選択除去を実施した結果、ポリイミド基板を全く損傷することなくアルミ膜を選択除去することができた。 As a result of selective removal of the 4.5 μm thick aluminum film on the 25 μm thick polyimide substrate, the aluminum film could be selectively removed without damaging the polyimide substrate at all.
これは、アルミ膜が除去され、0.08J/cm2のフルーエンスでレーザがポリイミド基板に照射されても、ポリイミドのアブレーション閾値が0.5J/cm2以上あるため、損傷されないものと考えられる。 This aluminum film is removed, the laser at fluence of 0.08 J / cm 2 is also irradiated to the polyimide substrate, due to the ablation threshold of the polyimide 0.5 J / cm 2 or more is considered to not be damaged.
(実施例3)
図8に示す基板上膜除去装置を使用して本実施例を実施した。本実施例で使用した基板上膜除去装置は、レーザビームLを発生するレーザ発生器10と、レーザビームLの強度を調節するアッテネータ45と、レーザビームLをON−OFF制御するシャッター46と、折り曲げミラー15と、レーザビームLを歳差運動状ビームLa、Lbにするモータ42に取り付けられたウエッジ板41と、歳差運動状ビームLa、Lbの節Nを伝達する第1リレーレンズ7a、第2リレーレンズ7bと、歳差運動状レーザビームLa、Lbを反射するダイクロイックミラー21と、ダイクロイックミラー21を反射した歳差運動状レーザビームLa、Lbを集光する集光レンズ3と、集光レンズ3で集光された歳差運動状レーザビームLa、Lbがz軸方向から入射される基板1の上に形成された膜2をx、y、z軸方向に移動させるための移動ステージ20と、制御用パソコン40と、を備える。
(Example 3)
This example was implemented using the substrate film removal apparatus shown in FIG. The apparatus for removing a film on a substrate used in the present embodiment includes a
基板上膜除去装置は、さらに、膜2を可視光線で照明して観察するための可視光線を発生する観察光源18と、観察光源18からの可視光線を90°曲げてダイクロイックミラー21に入射させるハーフミラーを備えたカップラー19と、集光レンズ3、ダイクロイックミラー21、及びカップラー19を介して膜2を撮像するCCDカメラ22を備える。
The on-substrate film removing apparatus further includes an
基板上膜除去装置は、さらに、折り曲げミラー15、回転ウエッジ板41、第1リレーレンズ7a、第2リレーレンズ7b、ダイクロイックミラー21、集光レンズ3を配置する光学ベンチ30と、光学ベンチ30をz軸方向に駆動する駆動部(図示せず)と、を備える。
The substrate film removal apparatus further includes an
レーザ発生器10を制御するコントローラ20、アッテネータ45、シャッター46、3軸移動ステージ20、CCDカメラ22、及び光学ベンチ30の駆動部は、制御用パソコン40に接続されており、レーザ発生器10から発生するレーザビームLとその強度の制御、シャッター46のON−OFF制御、CCDカメラ22の撮像データ処理、駆動部、3軸移動ステージ20の駆動制御が行われる。
The
レーザ発生器10は、FCPAレーザ発生器で、発生器10からは中心波長が1.045μm、最大平均出力が400mW、パルス幅が0.45ps、繰り返し周波数fが162.3kHz、ビーム径2mmのレーザビームLが出射される。
The
モータ42は、中空シャフトエアタービンで、回転数は最大200,000rpmまで可能である。
The
ウエッジ板41は、BK7製で、ウエッジ角度が0.5°である。
The
第1リレーレンズ7a、第2リレーレンズ7bは、いずれも焦点距離100mmの赤外アクロマートレンズを組み合わせたもので、1:1の実像を伝達することができる。すなわち、第1リレーレンズ7a及び第2リレーレンズ7bでウエッジ板41の上にある節Nが集光レンズ3の入射瞳31に伝達され、N’となる。
Each of the
集光レンズ3は、倍率50倍(f=3.6mm)の顕微鏡用赤外対物レンズで、入射瞳31が鏡筒内のテレセントリックな位置にあり、NA(開口数)は0.55である。
The condensing
基板1は、厚さ25μmのポリイミドであり、膜2は、厚さ4.5μmの銅膜である。
The
集光点pでのスポット径は(1)式から2w0=2.4μm、レーリーレンジは(6)’式からzr=4.3μmであり、トレパニング円の半径は、(4)、(5)式からr=15.7μmである。 The spot diameter at the condensing point p is 2w 0 = 2.4 μm from equation (1), the Rayleigh range is z r = 4.3 μm from equation (6) ′, and the radius of the trepanning circle is (4), ( 5) From the formula, r = 15.7 μm.
以下、各ステップについて説明する。 Hereinafter, each step will be described.
<集光点設定ステップ>
先ず、アッテネータ45を制御してレーザビームLの平均パワーを0.5mWにし、シャッター46をONする。次に、CCDカメラ22で撮像した画像をパソコン40のモニターで観察しながら、集光スポットpが銅膜2の表面に位置するように光学ベンチ30の駆動部で光学ベンチ30をz軸方向(矢印32方向)に微動させる。
<Condensing point setting step>
First, the
<フルーエンス制御ステップ>
次に、シャッター46をOFFにして、アッテネータ45を制御して集光点pのフルーエンスが銅膜2のアブレーション閾値に略等しくなるようにする。
<Fluence control step>
Next, the
本実施例では予備実験の結果からレーザビームLの平均パワーを2.5mW、すなわちパルスエネルギを0.0156μJ/パルス(=2.5mW/162kHz)にする。このときの集光点pでのフルーエンスは、集光レンズ3の透過率が58%で、集光径が約2.4μmであるので、0.2J/cm2である。この値は銅のアブレーション閾値の約半分(約50%)で、(7)式を満たしているが、このようにした理由については後述する。
In this embodiment, the average power of the laser beam L is set to 2.5 mW, that is, the pulse energy is set to 0.0156 μJ / pulse (= 2.5 mW / 162 kHz) from the result of the preliminary experiment. The fluence at the condensing point p at this time is 0.2 J / cm 2 because the transmittance of the condensing
<偏向回転ステップ>
次に、中空シャフトエアタービン6を153,500rpmで回転させながらシャッター46をONして歳差運動状ビームLa、Lbを回転ウエッジ板42から出射させる。
<Deflection rotation step>
Next, the
<伝達ステップ>
リレーレンズ7a、7bで前記歳差運動状ビームLa、Lbの節Nを集光レンズ3の入射瞳に伝達する。
<Transmission step>
The nodes N of the precession beam La and Lb are transmitted to the entrance pupil of the
<除去ステップ>
銅膜2をx軸方向に30mm/secの速度で165μm1往復走査させる。
<Removal step>
The
次に、z軸ステージ21でポリイミド基板1/銅膜2を集光レンズ3に2μm近づけ<除去ステップ>を繰り返す。さらに、z軸ステージ21でポリイミド基板1/銅膜2を集光レンズ3に2μm近づけ<除去ステップ>を繰り返す。
Next, the
以上の方法でポリイミド基板上の銅膜を選択除去した結果を図9に示す。幅約30μm、長さ165μmに渡って銅膜2を完全に除去することができた。除去領域をレーザ顕微鏡で観察したところポリイミド基板1の銅膜2と接する表面が全く加工されていなかった。
The result of selectively removing the copper film on the polyimide substrate by the above method is shown in FIG. The
次に、集光点pでのフルーエンスを0.2J/cm2と銅のアブレーション閾値の約1/2にすることで上記のような良好な結果が得られ理由について考察する。 Next, the reason why the above good results can be obtained by setting the fluence at the condensing point p to 0.2 J / cm 2 and about ½ of the copper ablation threshold will be discussed.
まず、フルーエンスが銅のアブレーション閾値の約1/2でもアブレーション加工できるのは、ビーム強度がガウス分布で、強度が1/e2となるビーム径が2w0であることによる。集光点pでのフルーエンス0.2J/cm2は、2w0=2.4μm内の平均フルーエンスであり、当然集光点pの中心が最もフルーエンスが高く、周辺にいくほどフルーエンスが低くなる。その結果、中心付近のフルーエンスが銅のアブレーション閾値0.47J/cm2を上回り、アブレーション加工されるものと考えられる。 First, the reason why ablation processing can be performed even when the fluence is about 1/2 of the ablation threshold value of copper is that the beam intensity is a Gaussian distribution and the beam diameter at which the intensity becomes 1 / e 2 is 2w 0 . The fluence 0.2 J / cm 2 at the condensing point p is an average fluence within 2w 0 = 2.4 μm, and naturally, the center of the condensing point p has the highest fluence, and the fluence becomes lower toward the periphery. As a result, it is considered that the fluence near the center exceeds the ablation threshold value of 0.47 J / cm 2 for copper and is ablated.
また、zr=4.3μmであるため、集光点p(銅膜2の表面)でのフルーエンスを銅のアブレーション閾値0.47J/cm2にすると、集光点pから4.5μm下がったポリイミド基板1の表面でもフルーエンスが0.4J/cm2近くあり、ポリイミド基板1もアブレーション加工されてしまう。
Further, since z r = 4.3 μm, when the fluence at the condensing point p (the surface of the copper film 2) was set to a copper ablation threshold of 0.47 J / cm 2 , it decreased by 4.5 μm from the condensing point p. Even on the surface of the
以上の考察により、集光点pのフルーエンスを銅のアブレーション閾値の約1/2にして2μmずつ集光点pをポリイミド基板1に近づけながら往復除去加工することで、ポリイミド基板1を全く損傷させることなく、銅膜2のみ選択除去することができたものと結論される。
Based on the above consideration, the
本発明は、基板上の膜を膜のみ選択的に除去する方法であり、半導体集積回路やディスプレーパネル等のドライエッチング等に利用でき、産業上の利用可能性が極めて高いものである。 The present invention is a method for selectively removing only a film on a substrate, which can be used for dry etching of a semiconductor integrated circuit, a display panel, etc., and has very high industrial applicability.
1・・・・・・・・・・基板
2・・・・・・・・・・膜
2b ・・・・・・・・ 界面
3・・・・・・・・・・集光レンズ(集光手段)
p・・・・・・・・・・集光点
L・・・・・・・・・・超短光パルスレーザ
D・・・・・・・・・・第1所定距離
D’・・・・・・・・・第2所定距離
Zr ・・・・・・・・ レーリーレンジ
La、Lb・・・・・・歳差運動状ビーム
N、N’・・・・・・・歳差運動状ビームの節
1 ...
p: Focusing point L: Ultrashort pulse laser D: First predetermined distance D '... ······ Second predetermined distance Z r ··· Rayleigh range La, Lb ··· Precession beam N, N '······ Precession Shaped beam section
Claims (7)
前記膜に前記超短光パルスレーザを集光照射してレーザアブレーションにより該膜を除去する除去ステップと、
を有することを特徴とする基板上膜の除去方法。 A position having condensing means for condensing the ultra-short optical pulse laser, and the condensing point of the condensing means is separated from the interface between the substrate and the film on the substrate by a first predetermined distance toward the film side A focusing point setting step to be set to
A removal step of condensing and irradiating the ultrashort optical pulse laser on the film and removing the film by laser ablation;
A method for removing a film on a substrate, comprising:
前記集光点のフルーエンスを前記膜のアブレーション閾値に略等しくするフルーエンス制御ステップと、
を有することを特徴とする基板上膜の除去方法。 A condensing means for condensing the ultrashort optical pulse laser, and a position where the condensing point of the condensing means is within the Rayleigh range from a position away from the surface of the film on the substrate by the Rayleigh range. A focusing point setting step to be set within the range;
A fluence control step for making the fluence of the condensing point approximately equal to the ablation threshold of the film;
A method for removing a film on a substrate, comprising:
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