JP2008250099A

JP2008250099A - 露光方法および露光装置

Info

Publication number: JP2008250099A
Application number: JP2007092847A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sugawara; 弘之菅原; Masakazu Kishi; 雅一岸
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】ポジ型、ネガ型のいずれの感光性材料であってもミラーを形成することができる露光方法および露光装置を提供すること。
【解決手段】整形したレーザ光４を臨界角が４５度よりも小さく、底面が平面あるいは曲率の大きい円弧状であるプリズム１８の底面１８ｂに対して４５度で入射させると共に底面１８ｂにマスク５の像を結像レンズ１７により結像させ、プリズム１８の底面１８ｂに生じる近接場光４ｃにより加工対象物である光電気混載基板１４を露光する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光配線と電気配線を混載する配線基板（以下、「光電気混載配線基板」という。）上に形成された光導波路の端部に対向して配置される光反射用の面（以下、「ミラー」という。）を形成するのに好適な露光方法および露光装置に関する。

ＬＳＩ技術の進歩によりマイクロプロセッサの高性能化やメモリチップの大容量化が急速に達成されている。従来、機器内のボード間、あるいはボード内のチップ間など比較的短距離間の情報伝達は、電気信号により行われてきた。今後、集積回路の性能を更に向上させるためには、信号の高速化や信号配線の高密度化が必要となるが、電気信号配線においては、それら高速化および高密度化が困難であると共に、配線のＣＲ（Ｃ：配線の静電容量、Ｒ：配線の抵抗）時定数による信号遅延が問題となってしまう。また、電気信号の高速化や電気信号配線の高密度化は、ＥＭＩ（Electromagnetic Interference）ノイズの原因となるため、その対策も不可欠となる。

そこで、これらの課題を解決するものとして、光配線が注目されている。光配線は、機器間、機器内のボード間、あるいはボード内のチップ間など種々の箇所に適用可能であると考えられている。中でもチップ間のような短距離間の信号の伝送には、チップが搭載された基板上に光導波路を形成し、これを光の伝送路とする光・電気混載配線基板にすることが有効である。

光導波路を用いた光・電気混載配線基板を、例えばマルチチップモジュール（Multi Chip Module ；ＭＣＭ）のＬＳＩ間を結ぶ伝送路に適用する際には、光信号出力側の発光素子として端面発光型の半導体レーザ（ＬＤ；Laser Diode ）や発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）を使用することが考えられる。この場合、光導波路の端面に発光端面が対向するように基板上にＬＤあるいはＬＥＤを配置して、光信号を光導波路へ入射させればよい。ところが、省電力化を図る場合や、二次的アレイ状に配列する場合に好適なＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）のような面発光型のＬＤを発光面が光導波路の端面に対向するようにして基板上に配置する（実装する）ことは困難である。また、主表面によって光を受ける（面受光型）のフォトディテクタ（受光素子。例えば、フォトダイオード）を、受光面が光導波路の端面に対向するようにして基板上に配置する（実装する）ことは困難である。

そこで、光導波路を基板表面と平行に配置し、光導波路の両端部にミラーを設け、垂直方向から入射する光を光導波路に導くと共に、光導波路を伝搬してきた光を垂直方向に出射させるように構成し、面発光型の発光素子（または面受光型の受光素子）を、発光面（または受光面）が下向きになるようにして配置することが提案されている。

ところで、光導波路の材料として従来から検討されている石英系ガラスが電気プリント配線板プロセスとの整合性が必ずしも相性が良くないことや高コストであることから、光感光性樹脂等を用いたポリマー導波路が注目されている。ポリマー導波路へミラーを構成する方法として、別途製作した光ピンを光導波路内に埋め込む方法（特許文献１）やグレーマスクを用いて露光描画により光導波路へミラーを製作する方法（特許文献２）等が提案されている。
特開２００４−３１８０８１号公報（第１１頁，図１）特開２０００−２９８２２１号公報（第１０頁，図３）

しかし、特許文献１の技術を採用する場合、光ピンの寸法は１００μｍ程度になる。このような光ピンを製作することは容易であるが、光導波路内に実装する際の把持方法、位置決めおよび調整方法等に解決すべき課題がある。

また、特許文献２の技術を採用する場合、感光性材料がポジ型かネガ型かによって製作できる形状に制限があった。

本発明の目的は、上記した課題を解決し、ポジ型、ネガ型のいずれの感光性材料であってもミラーを形成することができる露光方法および露光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の手段は、レーザ光の外形をマスクにより整形し、結像レンズにより加工対象物上に集光させて前記加工対象物上に前記マスクの像を結像させるようにした露光方法において、前記整形したレーザ光を底面が平面あるいは曲率の大きい円弧状であるプリズムの底面に対して臨界角以上で入射させると共に前記底面に前記マスクの像を結像させ、前記プリズムの底面で生じる近接場光により加工対象物を露光することを特徴とする。

この場合、前記プリズムの底面と前記加工対象物との間にマッチング液を配置することができる。

また、本発明の第２の手段は、レーザ光の外形をマスクにより整形し、結像レンズにより加工対象物上に集光させて前記加工対象物上に前記マスクの像を結像させるようにした露光装置において、底面が平面あるいは曲率の大きい円弧状であるプリズムを設け、前記プリズムの底面に対して臨界角以上で入射させた前記レーザ光により前記底面に前記マスクの像を結像させ、前記プリズムの底面で生じる近接場光により加工対象物を露光することを特徴とする。

本発明によれば、ポジ型、ネガ型のいずれの感光性材料であっても、ミラーを形成することができる。

始めに、本発明の原理を説明する。
図１は、本発明の原理を説明する図であり、（ａ）は全体を示す図、（ｂ）は（ａ）におけるプリズムの底面近傍の拡大図である。

プリズム１８は屈折率の高い材質（例えば、石英）で形成されている。側面の角度は水平面に対してθ_１であり、底面は平坦または図示のように曲率の大きい円弧面である。また、プリズム１８の臨界角は４５度よりも小さい。

同図（ａ）に示すように、空気中から図中左側の側面に垂直に入射した光は、プリズム１８の内部を直進し、底面で全反射され、図中右側の側面から出射する。この時、底面と空気の境界に着目すると、光が空気側へ波長程度しみ出している。この光を近接場光４ｃ(エバネッセント波とも言う)という。

この状態で、電気基板１４ａ上に透明なネガ型の感光性樹脂である下部クラッド層１４ｂと透明なネガ型の感光性樹脂であるコア層１４ｃが積層された光電気混載基板１４（以下、電気基板１４ａ、下部クラッド層１４ｂおよびコア層１４ｃを合わせて「光電気混載基板」１４という。）をプリズム１８の底面に近づける。この場合、光電気混載基板１４と底面１８ｂとの隙間（距離）ｄがレーザ光４の波長程度以下に近づくと、同図（ｂ）に示すように、近接場光４ｃが光電気混載基板１４の内部に進入するようになる。すなわち、プリズム１８に入射した光の一部はプリズム１８の底面で反射されず、光電気混載基板１４の内部に進入してコア層１４ｃを露光する。

ここで、プリズム１８の屈折率をｎ_１、空気の屈折率をｎ_２、コア層１４ｃの屈折率をｎ_３とする。プリズム１８の底面に角度θ_１で入射した光は屈折により角度θ_２で空気層に出射し、角度θ_２でコア層１４ｃに入射した光は屈折により角度θ_３でコア層１４ｃを直進する。したがって、角度θ_３が４５°になるように角度θ_１を定めれば、コア層１４ｃを４５°で露光することができる。そして、図示の場合、角度θ_１はスネルの法則から式１で表される。

θ_１＝ａｒｃｓｉｎ{（ｎ_３／ｎ_１）・ｓｉｎ４５°）} ・・・（式１）
次に、隙間ｄと反射率Ｒの関係について説明する。

図２は、隙間ｄと反射率Ｒの関係を示す図である。同図に示すように、隙間ｄが波長λ以下になると、反射率が低下してコア層１４ｃに進入する光の割合が増加する。

すなわち、通常、レーザ光４をコア層１４ｃに対して４５度に照射しても、屈折によりコア層１４ｃを４５°の角度で露光することはできないが、プリズム１８を介して近接場光４ｃを用いることで４５°の斜め露光が可能となる。

以下、本発明の実施例１について説明する。図３は本実施例１に係る露光装置の構成図である。

レーザ露光装置１は、レーザ制御部２、画像処理部２４、隙間演算部２５、露光時間演算部２６および位置決め制御部２７を備えている。

ベッド１０上にはＸＹステージ１１、回転ステージ１２、Ｚステージ１３が設けられており、Ｚステージ１３上には光電気混載基板１４が搭載されている。各ステージは位置決め制御部２７の指令により光電気混載基板１４を所定の位置に位置決めする。

プレート９にはベントミラー１５、ビームスプリッタ１６、結像レンズ１７、プリズム１８、光検出器１９、２０およびレンズ２２を装着したカメラ２１が取り付けられている。ビームスプリッタ１６は入射光の９９％を透過させ、残りをモニタ光４ａとして反射させる。プリズム１８は図１で説明したものと同じである。プリズム１８の上方に配置されたカメラ２１は光電気混載基板１４に形成された図示を省略するアライメントマークの画像を取得するためのものである。カメラ２１で取得された画像は、画像処理部２４により加工位置の補正値を算出するのに使用される。カメラモニタ２３は、カメラ２１の取得画像と画像処理部２４の演算結果を表示する。

次に、レーザ光の光路について説明する。

レーザ制御部２からの指令に基づいて、レーザ発振器３から出射されたレーザ光４はマスク５により外形を整形され、ベントミラー６、１５を介してビームスプリッタ１６へ入射する。ビームスプリッタ１６で反射されたモニタ光４ａは光検出器１９に入射し、電気信号に変換される。一方、ビームスプリッタ１６を透過したレーザ光４は、結像レンズ１７により、プリズム１８の底面でマスク５の開口形状に縮小投影される。プリズム１８の底面で反射された反射光４ｂは光検出器２０に入射し、電気信号に変換される。

光検出器１９、２０で変換された電気信号は隙間演算部２５および露光時間演算部２６へ送られて所定の情報を算出するのに使われる。

次に、本発明に係る光電気混載基板の製造プロセスを、ネガ型の感光性樹脂を用いる場合について説明する。

図４は、光導波路をネガ型の感光性樹脂を用いた場合の製造プロセスの一例を示す図である。なお、電気基板１４ａ上には、透明なネガ型の感光性樹脂である下部クラッド層１４ｂとコア層１４ｃとが積層されている。また、電気基板１４ａの表面には図示を省略するアライメントマークが配置されている。

同図（ａ）に示すように、予め定められた位置（ミラーを形成しようとする位置）にプリズム１８を位置決めしてレーザ光４により斜め露光部３２ａを露光した後、同図（ｂ）に示すように、光電気混載基板１４を回転ステージにより回転させて対向する所定の位置にプリズム１８を位置決めし、レーザ光４により斜め露光部３２ｂを露光する。次に、同図（ｃ）に示すように、コア層１４ｃの上面にレジストマスク３３を形成し、同図（ｄ）に示すように、ＵＶ光によりレジストマスク３３で被覆されていない部分を露光する。

そして、光電気混載基板１４を現像すると、同図（ｅ）に示すように、斜線で示した露光部以外のネガ型の感光性樹脂は現像により除去され、ミラー３４ａ、３４ｂおよび光導波路３５が形成される。次に、同図（ｆ）に示すように、ミラー３４ａ、３４ｂ以外をレジストマスク３７で被覆して、例えばＡｕ等を蒸着した後、レジストマスク３７を除去する。すると、同図（ｇ）に示すように、ミラー３４ａ、３４ｂだけにＡｕ膜３６ａ、３６ｂが形成されるので、ミラー３４ａ、３４ｂの反射率が向上する。次に、同図（ｈ）に示すように、上部クラッド層１４ｄ（なお、上部クラッド層１４ｄは発光素子の発振波長に対して透明な材料である。）を形成した後、同図（ｉ）に示すように、光発光素子３８、光受光素子３９をそれぞれミラー３６ａ、３６ｂ上に搭載する。光発光素子３８から発振された通信光４０はミラー３６ａで９０°に反射され、光導波路３５を伝播しミラー３６ｂで９０°に反射され、光受光素子３９に導かれる。このようにして、基板内の光通信が可能な光電気混載基板が完成する。

なお、上記において、入射光の強度を一定にする場合、隙間ｄの大きさを制御することにより、コア層１４ｃの露光量を制御することができる。すなわち、光検出器２０の測定値から反射率を算出し、その結果を基にプリズム１８と光電気混載基板１４の隙間ｄを制御することで光電気混載基板１４へ照射する露光量を制御することができる。

ところで、プリズム１８と光電気混載基板１４の空気ギャップが光電気混載基板１４の表面粗さや塵埃等により光の波長オーダで維持することが困難な場合が生じる。

そこで、図５に示すように、プリズム１８と光電気混載基板１４との間、すなわち、隙間ｄにマッチング液（光学分野で使用する標準屈折液。例えば、マッチングオイル）３１を配置するとよい。マッチングオイル３１の表面張力や濡れ性を選択すれば、マッチング液３１は極少量でよく、オイルバス等を用いる構成に比べて基板の搬出搬入や後の洗浄に関するプロセスを軽減できるので、トータルスループットが向上できる。

次に、ポジ型の感光性樹脂を用いる場合
図６は、光導波路をポジ型の感光性樹脂を用いた場合の製造プロセスの一例を示す図である。

ここで、ポジ型とネガ型の違いは露光された部分が現像時に残るのがネガ型で、逆に露光された部分が現像時に除去されるのがポジ型である。したがって、光電気混載基板の製造プロセスにおける違いは、同図（ｃ）に示すＵＶ光露光時のレジストマスク４１と同図（ｆ）に示すＡｕ蒸着時のレジストマスク４２の凹凸パターンが逆になっている点だけであり、その他の工程はネガ型感光性樹脂を用いる場合と同様であるので、重複する説明を省略する。

以上、説明したように本発明のミラー露光装置によれば、ネガ／ポジどちらの感光性樹脂でも光導波路用のミラーを製作することができる。

次に、実施例２について説明する。

図７は本発明の実施例２に係る第２の露光装置のレーザ光路を示す構成図であり、図３と同じものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

この第２の露光装置の場合、第１の露光装置の光学系の構成要素に加えて、偏光ビームスプリッタ４３、結像レンズ１７ｂ、ベントミラー１５ｂおよび１／２波長板３０が追加されている。また、プリズム１８は中心軸Ｏに関して左右対称である。そして、これらの構成要素は、同図においてプリズム１８に入射するレーザ光４の光軸を含む面内に配置されており、かつ、プリズム１８の中心に対して結像レンズ１７ｂは結像レンズ１７と対称の位置に、偏光ビームスプリッタ４３は中心が中心軸Ｏ上と一致するようにして配置されている。

次に、この実施例の動作を説明する。

レーザ光４は１／２波長板３０を介して偏光ビームスプリッタ４３に導かれる。偏光ビームスプリッタ４３はＰ偏光の光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる機能を有する。いま、レーザ光４の偏光面がＰ偏光すると、同図（ａ）に示すように、レーザ光４は偏光ビームスプリッタ４３を透過してベントミラー１５で反射され、レンズ１７を介してプリズム１８の底面に入射して全反射する。全反射したレーザ光４はレンズ１７ｂ、ベントミラー１５ｂを介して偏光ビームスプリッタ４３に入射するが、偏光面はＰ偏光のままなので、そのまま透過して光検出器２０へ入射する。このとき、光電気混載基板１４がプリズム１８を波長以下の隙間に制御することで左４５°の露光が可能となる。

次に、１／２波長板３０の回転角度を調整してレーザ光４の偏光面をＳ偏光に変換すると、同図（ｂ）に示すように、レーザ光４は偏光ビームスプリッタ４３で反射され、同図（ａ）とは逆廻りで光検出器２０へ入射する。したがって、光電気混載基板１４に対して右４５°の露光が可能となる。

この実施例によれば、回転ステージ１２を設けなくても、反射面の角度が９０°異なるミラーを光電気混載基板上に製作することができるので、回転ステージ１２を設ける場合に比べて加工スループットを向上させることができる。

本発明の原理を説明する図である。隙間ｄと反射率Ｒとの関係を示す図である。本発明に係る露光装置の構成図である。本発明に係る光電気混載基板の製造プロセスを示す図である。本発明の変形例である。本発明に係る光電気混載基板の製造プロセスを示す図である。本発明に係る他の露光装置の構成図である。

符号の説明

４レーザ光
４ｃ近接場光
５マスク
１４光電気混載基板
１７結像レンズ
１８プリズム

Claims

レーザ光の外形をマスクにより整形し、結像レンズにより加工対象物上に集光させて前記加工対象物上に前記マスクの像を結像させるようにした露光方法において、
前記整形したレーザ光を底面が平面あるいは曲率の大きい円弧状であるプリズムの底面に対して臨界角以上で入射させると共に前記底面に前記マスクの像を結像させ、前記プリズムの底面で生じる近接場光により加工対象物を露光することを特徴とする露光方法。
前記プリズムの底面と前記加工対象物との間にマッチング液を配置することを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
レーザ光の外形をマスクにより整形し、結像レンズにより加工対象物上に集光させて前記加工対象物上に前記マスクの像を結像させるようにした露光装置において、
底面が平面あるいは曲率の大きい円弧状であるプリズムを設け、
前記プリズムの底面に対して臨界角以上で入射させた前記レーザ光により前記底面に前記マスクの像を結像させ、前記プリズムの底面で生じる近接場光により加工対象物を露光することを特徴とする露光装置。