JP2016147266A - 放電補助式レーザ孔加工装置および放電補助式レーザ孔加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工後の被加工対象にクラックが生じ難い上、長焦点距離のレンズを使用することが可能な、放電補助式レーザ孔加工装置を提供する。【解決手段】 レーザ光照射によって絶縁基板に貫通孔を形成し、第１および第２の電極間での放電現象により、前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工装置であって、当該放電補助式レーザ孔加工装置は、レーザ光を放射するレーザ光源と、前記レーザ光からトップフラットビームを形成するホモジナイザと、縮小投影系と、を備え、前記縮小投影系は、前記ホモジナイザによって形成されたトップフラットビームを生成する像面、および該像面に生成された像を、絶縁基板に転写する転写レンズを有することを特徴とする放電補助式レーザ孔加工装置。【選択図】図６

Description

本発明は、放電補助式レーザ孔加工装置および放電補助式レーザ孔加工方法に関する。

従来より、レーザ光源からのレーザ光を、レーザ光学系を介して絶縁基板に照射することにより、絶縁基板に貫通孔を形成するレーザ照射貫通孔形成技術が知られている（例えば特許文献１）。

米国特許第５４９３０９６号明細書

前述のように、レーザ照射貫通孔形成技術では、レーザ光照射で絶縁材料を加熱し、絶縁基板に貫通孔を形成できる。

ここで、レーザ照射貫通孔形成技術において、レーザ光を絶縁基板に集光させる際には、集光レンズが使用される。集光レンズにより、絶縁基板上に狭小スポット径のレーザ光を照射することが可能となり、微細な貫通孔を加工することが可能となる。

通常、この集光レンズには、比較的焦点距離の短いものが使用される。これは、焦点距離の長い集光レンズを使用した場合、絶縁基板に集光されるレーザ光のスポット径を所望のサイズまで狭小化することが難しくなるためである。

しかしながら、このような焦点距離の短い集光レンズを使用した場合、集光レンズと絶縁基板との間の距離が比較的接近することになる。このため、このような装置系では、絶縁基板の加工の際に生じたデブリ（加工屑）が集光レンズに付着するという問題が生じ得る。

また、従来のレーザ照射貫通孔形成技術で形成された貫通孔は、通常、レーザ光の入射側の開口の近傍に、「ネッキング」と呼ばれる狭窄部を有する。このような貫通孔内の狭窄部では、該狭窄部と隣接する位置に比べて、貫通孔の延伸軸に対して垂直な断面の開口寸法が小さくなっている。

このようなネッキングは、貫通孔を有する絶縁基板を、例えば、貫通電極付きインターポーザ等として使用する場合などに問題となるおそれがある。

さらに、レーザ照射貫通孔形成技術では、絶縁基板に対する貫通孔の加工の際にクラックが生じる場合がある。

このような問題のため、加工後の絶縁基板にクラックが生じ難く、貫通孔に「ネッキング」が生じ難く、集光レンズにデブリが付着され難い技術が要望されている。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、本発明では、加工後の絶縁基板にクラックが生じ難く、貫通孔に「ネッキング」が生じ難い上、長焦点距離のレンズを使用することが可能な、放電補助式レーザ孔加工装置の提供を目的とする。

本発明では、レーザ光照射によって絶縁基板に貫通孔を形成し、第１および第２の電極間での放電現象により、前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工装置であって、
当該放電補助式レーザ孔加工装置は、
レーザ光を放射するレーザ光源と、
前記レーザ光からトップフラットビームを形成するホモジナイザと、
縮小投影系と、
を備え、
前記縮小投影系は、前記ホモジナイザによって形成されたトップフラットビームを生成する像面、および該像面に生成された像を、絶縁基板に転写する転写レンズを有することを特徴とする放電補助式レーザ孔加工装置が提供される。

ここで、本発明による放電補助式レーザ孔加工装置において、前記レーザ光源から放射されるレーザ光は、ガウシアンビームであってもよい。

また、本発明による放電補助式レーザ孔加工装置において、前記像面から前記転写レンズまでの距離をａとし、前記転写レンズから前記絶縁基板までの距離をｂとしたとき、前記縮小投影系の縮小倍率Ｐ＝ｂ／ａは、１／１００〜１の範囲であってもよい。

また、本発明による放電補助式レーザ孔加工装置において、前記像面には、マスクが配置されてもよい。

また、本発明による放電補助式レーザ孔加工装置において、前記転写レンズの焦点距離ｆは、１００ｍｍ以上であってもよい。

さらに、本発明では、
レーザ光照射によって絶縁基板に貫通孔を形成し、第１および第２の電極間での放電現象により、前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工方法であって、下記工程（１）〜（３）を含むことを特徴とする放電補助式レーザ孔加工方法が提供される：
工程（１）絶縁基板を準備する工程；
工程（２）トップフラットビームであるレーザ光を前記絶縁基板に照射して、貫通孔を形成する工程；
工程（３）前記貫通孔に放電を発生させ、前記貫通孔の形状を整える工程。

ここで、本発明による放電補助式レーザ孔加工方法において、前記絶縁基板に貫通孔を形成するために必要な最小レーザ光強度を絶縁基板の加工閾値としたとき、前記トップフラットビームのトップ部の強度は、前記加工閾値と略同一であってもよい。

また、本発明による放電補助式レーザ孔加工方法では、前記工程（２）において、前記レーザ光は、転写レンズにより前記絶縁基板に照射され、
前記絶縁基板と前記レンズの間のワーキングディスタンスは、５０ｍｍ以上であってもよい。

本発明では、加工後の絶縁基板にクラックが生じ難く、貫通孔に「ネッキング」が生じ難い上、長焦点距離のレンズを使用することが可能な、放電補助式レーザ孔加工装置を提供できる。

従来のレーザ照射貫通孔形成装置の構成を概略的に示した図である。 ガウシアンビームの形状を説明するための図である。 トップフラットビームの形状を説明するための図である。 ガウシアンビームとトップフラットビームの特徴の差異を説明するための図である。 縮小投影系の一構成例を概略的に示した図である。 本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工装置の一構成例を概略的に示した図である。 熱応力評価試験に使用した測定装置の一例を概略的に示した図である。 熱応力評価試験（実験１）において得られたリタデーションの測定結果である。 熱応力評価試験（実験２）において得られたリタデーションの測定結果である。 熱応力評価試験（実験３）において得られたリタデーションの測定結果である。 熱応力評価試験（実験４）において得られたリタデーションの測定結果である。

以下、図面を参照して、本発明について説明する。

（従来のレーザ照射貫通孔形成装置について）
本発明についてより良く理解するため、まず、図１を参照して、一般的なレーザ照射貫通孔形成加工装置の構成について説明する。

図１には、従来のレーザ照射貫通孔形成装置の構成の一例を概略的に示す。

図１に示すように、従来のレーザ照射貫通孔形成装置１は、レーザ光源１０と、集光レンズ１５とを有する。

レーザ光源１０は、集光レンズ１５に向かってレーザ光１３ａを照射する役割を有する。集光レンズ１５は、レーザ光源１０から照射されたレーザ光１３ａを、絶縁基板９０の貫通孔形成位置８３に収束させる役割を有する。

このようなレーザ照射貫通孔形成装置１を用いて、絶縁基板９０に貫通孔を形成する際には、レーザ光源１０から集光レンズ１５に向かって、レーザ光１３ａが照射される。レーザ光１３ａは、集光レンズ１５により収束され、収束レーザ光１３ｂとなる。この収束レーザ光１３ｂは、絶縁基板９０の貫通孔形成位置８３に照射される。

これにより、絶縁基板９０の貫通孔形成位８３の温度が局部的に上昇し、絶縁基板９０に貫通孔８５が形成される。

次に、ステージ（図示されていない）を水平方向に移動させ、絶縁基板９０を所定の場所に配置する。その後、同様の工程により、第２の貫通孔が形成される。

このような工程を繰り返すことにより、絶縁基板９０に複数の貫通孔を形成できる。

しかしながら、図１に示した従来のレーザ照射貫通孔形成装置を使用して貫通孔８５を形成した場合、しばしば、加工後の絶縁基板９０にネッキングと呼ばれる狭窄部が生じる。このような貫通孔内の狭窄部では、該狭窄部と隣接する位置に比べて、貫通孔の延伸軸に対して垂直な断面の開口寸法が小さくなっている。このため、このようなネッキングは、貫通孔を有する絶縁基板を、例えば、貫通電極付きインターポーザ等として使用する場合などに問題となるおそれがある。

また、従来のレーザ照射貫通孔形成装置を使用した場合、絶縁基板に対する貫通孔の加工の際にクラックが生じる場合がある。そのようなクラックは、貫通孔を起点として、または貫通孔の近傍に生じることが観測されている。従って、クラックは、貫通孔の加工の際に、絶縁基板に投入されるエネルギーによって、絶縁基板に対して熱応力が発生し、これにより生じるものと考えられる。

さらに、一般に、従来のレーザ照射貫通孔形成装置１では、集光レンズ１５として、比較的焦点距離の短いレンズが使用される。これは、これは、焦点距離の長い集光レンズを使用した場合、絶縁基板に集光される収束レーザ光のスポット径を所望のサイズまで狭小化することが難しくなるためである。

しかしながら、焦点距離の短い集光レンズ１５を使用した場合、集光レンズ１５と絶縁基板９０との間の距離が比較的接近することになる。このため、そのようなレーザ照射貫通孔形成装置１では、絶縁基板９０の加工の際に生じたデブリ（加工屑）が集光レンズ１５に付着するという問題が生じ得る。また、焦点距離の短い集光レンズの場合、その焦点深度が浅くなるため、加工の際の装置精度に対する要求が高くなるという問題も生じ得る。

これに対して、本発明では、レーザ光照射によって絶縁基板に貫通孔を形成し、第１および第２の電極間での放電現象により、前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工装置であって、
当該放電補助式レーザ孔加工装置は、
レーザ光を放射するレーザ光源と、
前記レーザ光からトップフラットビームを形成するホモジナイザと、
縮小投影系と、
を備え、
前記縮小投影系は、前記ホモジナイザによって形成されたトップフラットビームを生成する像面、および該像面に生成された像を、絶縁基板に転写する転写レンズを有することを特徴とする放電補助式レーザ孔加工装置が提供される。

ここで、本願において、「放電補助式レーザ孔加工技術」とは、以降に示すような、絶縁基板に対するレーザ光照射によって絶縁基板の照射領域に貫通孔を形成し、その後電極間放電現象により、前記貫通孔の形状を調整する技術の総称を意味する。なお、孔形状の調整とは、レーザ光照射によって絶縁基板に貫通孔を形成した際に生じる狭窄部を低減することを意味する。

本発明による放電補助式レーザ孔加工装置では、このような「放電補助式レーザ孔加工技術」を利用するため、貫通孔に従来のような大きな狭窄部が生じ難いという効果が得られる。

また、本発明では、放電補助式レーザ孔加工装置は、ホモジナイザを備える。ホモジナイザは、レーザ光から放射されたガウシアンビーム形状のレーザ光を「トップフラットビーム」に変換できる。

ここで、図２および図３を参照して、ガウシアンビームとトップフラットビームの違いについて説明する。

図２には、一般的なレーザ光におけるガウシアンビームの断面強度分布の一例を示す。また、図３には、本発明において利用されるトップフラットビームの断面強度分布の一例を示す。

図２に示すように、ガウシアンビームＢ_Ｇは、実質的にガウス分布に従った断面強度分布を有する。ガウシアンビームＢ_Ｇにおいて、ビーム強度が最大となる位置ｄ_Ｃは、ガウシアンビームＢ_Ｇの中心となる。ビーム強度の最大値をｈとする。

ここで、ガウシアンビームＢ_Ｇのビーム径ｄは、以下のように定義される。底面（強度ゼロの位置）からの高さがｈ／ｅ^２の位置に水平線Ｌ_１を引く。ここでｅは、自然対数の底である。水平線Ｌ_１は、ガウシアンビームＢ_Ｇと、２つの交点Ｃ_１およびＣ_２で交わる。２つの交点Ｃ_１、Ｃ_２の間の距離がガウシアンビームＢ_Ｇのビーム径ｄと定義される。

一方、図３に示すように、トップフラットビームＢ_Ｆの断面強度分布は、実質的に平坦なトップ部Ｂ_Ｔと、その他の部分（裾野部Ｂ_Ｓ）とで構成される。

典型的には、ビーム強度の最大値をｈとしたとき、トップ部Ｂ_Ｔにおけるビーム強度は、実質的にｈとなる。ただし、トップ部Ｂ_Ｔは、必ずしも水平（すなわち、ビーム強度が一定）である必要はない。

トップフラットビームＢ_Ｆのビーム径ｄは、上述のガウシアンビームと同様、以下のように定義される。底面（強度ゼロの位置）からの高さがｈ／ｅ^２の位置に水平線Ｌ_２を引く。ここでｅは、自然対数の底である。水平線Ｌ_２は、トップフラットビームＢ_Ｆと、２つの交点Ｃ_３およびＣ_４で交わる。２つの交点Ｃ_３、Ｃ_４の間の距離がトップフラットビームＢ_Ｆのビーム径ｄと定義される。

ここで、本願において、トップフラットビームＢ_Ｆは、以下の特徴を満たす。トップフラットビームＢ_Ｆにおいて、トップ部Ｂ_Ｔにおけるビーム強度は、±５％以内の範囲で変動してもよい。また、トップ部Ｂ_Ｔにおいて、ビーム強度が±５％以内の範囲で変動している領域幅を実効ビーム径ｄeとすると、ビーム径ｄに対する実効ビーム径ｄeの比は、ｄ_e：ｄ＝１：１〜１：１．５の範囲となる。

換言すれば、トップ部Ｂ_Ｔにおけるビーム強度の変化幅が±５％以内であり、かつｄ_e：ｄ＝１：１〜１：１．５を満たすビームが、トップフラットビームであると言える。

ここで、図４を参照して、ガウシアンビームＢ_ＧとトップフラットビームＢ_Ｆの差異について検討する。

絶縁基板に貫通孔を形成する際に必要な最小レーザ光強度を、加工閾値強度ａで表す。また、図４に示すように、最大強度ｈｇのガウシアンビームＢ_Ｇにおいて、底面（強度ゼロの位置）からの高さがａの位置に水平線Ｌ_３を引き、水平線Ｌ_３がガウシアンビームＢ_Ｇと交わる点をＣ_５およびＣ_６とする。

この場合、ガウシアンビームＢ_Ｇにより、絶縁基板に直径がｄｗの貫通孔を形成するためには、点Ｃ_５および点Ｃ_６間の距離がｄｗ以上となるビーム形状が必要となる。

一方、トップフラットビームＢ_Ｆの場合は、トップ部Ｂ_Ｔにおけるビーム強度がａ以上であり、実効ビーム径がｄｗ以上のビームであれば、絶縁基板に直径がｄｗの貫通孔を形成できる。

従って、両者を同じビーム径ｄで比較すると、トップフラットビームＢ_Ｆの場合、ガウシアンビームＢ_Ｇに比べて、最大ビーム強度を有意に抑制できる。また、トップフラットビームＢ_Ｆでは、ガウシアンビームＢ_Ｇに比べて、波形で囲まれた部分の面積、すなわち、ビームの総出力を有意に小さくできるという特徴が得られる。

前述のように、従来のレーザ照射貫通孔形成装置では、絶縁基板に対する貫通孔の加工の際にクラックが生じる場合がある。また、このクラックの発生は、レーザ光照射の際に、絶縁基板に投入されるエネルギーや最大ビーム強度によって生じる熱応力に起因しているものと考えられる。

これに対して、本発明による放電補助式レーザ孔加工装置では、絶縁基板に、トップフラットビーム形状の光ビームが照射される。この場合、前述のように、ガウシアンビーム形状の光ビームが絶縁基板に照射される場合に比べて、エネルギー投与量や最大ビーム強度が有意に抑制される。このため、本発明による放電補助式レーザ孔加工装置では、絶縁基板に光ビームを照射した際に、絶縁基板に発生する熱応力を有意に低減できる。さらに、前述のように、ガウシアンビーム形状の光ビームが絶縁基板に照射される場合に比べて、照射ビーム径が小さくできる。

このため、本発明による放電補助式レーザ孔加工装置では、絶縁基板に光ビームを照射した際に、絶縁基板の水平方向における熱の拡散を有意に抑制できる。また、これにより、熱影響を受ける領域の大きさも有意に抑制できる。

従って、本発明による放電補助式レーザ孔加工装置では、絶縁基板におけるクラックの発生を有意に抑制できる。

また、本発明では、放電補助式レーザ孔加工装置は、縮小投影系を備えるという特徴を有する。縮小投影系により、ホモジナイザで形成されたトップフラットビームの像（スポット）を、所望の縮小倍率で、被加工対象に転写することが可能となる。

図面を参照して、この特徴をさらに詳しく説明する。図５には、縮小投影系の構成を概略的に示す。

図５に示すように、縮小投影系１７０は、像面１７２および転写レンズ１７５を有する。

像面１７２は、前述のような特徴を有するトップフラットビーム１１９ａが生成される仮想の平面である。一方、転写レンズ１７５は、像面１７２で生成されたトップフラットビーム１１９ａを、被加工対象１９０の方に転写する役割を有する。

ここで、像面１７２と転写レンズ１７５の間の距離をａとし、転写レンズ１７５と被加工対象１９０の間の距離をｂとしたとき、縮小投影系１７０の縮小倍率Ｐは、Ｐ＝ｂ／ａで表される。従って、像面１７２におけるトップフラットビーム１１９ａのビーム径をｄ_０としたとき、被加工対象１９０上に結像される像（スポット）のビーム径ｄは、

ｄ＝ｄ_０・ｂ／ａ （１）式

で表される。

なお、転写レンズ１７５の焦点距離をｆとすると、

１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ （２）式

となる。

（１）式から明らかなように、縮小投影系１７０では、（２）式、すなわち転写レンズ１７５の焦点距離ｆの制約はあるものの、距離ａおよびｂを調整することにより、縮小投影系１７０の縮小倍率Ｐを任意に変化させることができ、さらには被加工対象１９０上に転写される像（スポット）のビーム径ｄを、所望の値に設定できる。

さらに、縮小投影系１７０では、被加工対象１９０上に転写される像（スポット）のビーム径ｄは、距離ａおよびｂ、ならびに転写レンズ１７５の焦点距離ｆによって制御される。換言すれば、距離ａおよびｂを適正な値に調整すれば、焦点距離ｆの異なる転写レンズ１７５を使用しても、同等のビーム径ｄの像（スポット）を被加工対象１９０上に転写できる。

表１には、一例として、縮小投影系１７０において、各焦点距離ｆの転写レンズ１７５を使用して、被加工対象上にスポット径が１００μｍの像を形成する場合に必要となる、距離ａおよび距離ｂの組み合わせを試算した結果を示す（例１〜例３）。

試算では、光源からのレーザ光のビーム径を３ｍｍとし、このレーザ光が縮小投影系１７０の像面１７２において、２ｍｍに絞られるものと仮定した。

また、表１には、比較のため、縮小投影系１７０を有しない従来のレーザ照射貫通孔形成装置１における、集光レンズ１５の焦点距離ｆと、被加工対象上に形成されるスポット径の関係を同時に示した（例４〜例６）。

この表１において、例４〜例６から、従来のような縮小投影系１７０を有しないレーザ照射貫通孔形成装置１では、使用される集光レンズの焦点距離ｆによってスポット径が一義的に定まるため、スポット径を変化させることは難しいことがわかる。

一方、縮小投影系１７０を使用した例１〜例３の場合、焦点距離ｆの異なる転写レンズ１７５を使用しても、距離ａおよび距離ｂの制御により、被加工対象１９０の表面に、同等のスポット径（１００μｍ）の像を照射可能であることがわかる。

このように、縮小投影系１７０では、絶縁基板１９０におけるスポット径を比較的大きな自由度で変化させることができ、従って、焦点距離ｆの長い転写レンズ１７５を使用できる。

従って、このような縮小投影系１７０を備える本発明では、比較的焦点距離ｆの長い転写レンズ１７５であっても、適正に使用できる。また、使用される転写レンズ１７５の焦点距離ｆを長できるため、転写レンズ１７５と被加工対象１９０の間の距離（すなわち距離ｂ）を、長く設定することが可能となる。

従って、本発明では、従来のような、被加工対象の加工の際に生じたデブリ（加工屑）によって、集光レンズが汚染されるという問題を有意に抑制できる。

以上の特徴により、本発明では、加工後の絶縁基板にクラックが生じ難く、貫通孔に「ネッキング」が生じ難い放電補助式レーザ孔加工装置を提供できる。また、放電補助式レーザ孔加工装置において、長焦点距離の転写レンズが使用可能となる。

なお、表１では、焦点距離ｆが２５ｍｍ、５０ｍｍ、および１００ｍｍの３種類の転写レンズ１７５を想定したが、その他の焦点距離ｆを有する転写レンズ１７５を使用してもよいことは明らかである。例えば、転写レンズ１７５の焦点距離ｆは、１００ｍｍ以上であってもよい。

また、縮小投影系１７０において、縮小倍率Ｐ（＝ｂ／ａ）は、特に限られない。縮小倍率Ｐは、例えば、１／１００〜１の範囲であってもよい。

（本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工装置について）
次に、図６を参照して、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工装置について説明する。

図６には、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工装置の概略的な構成を示す。

図６に示すように、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工装置２００は、レーザ光源２１０と、ホモジナイザ２１４と、直流高圧電源２２５と、第１の電極２４０と、第２の電極２４５と、縮小投影系２７０とを備える。

なお、放電補助式レーザ孔加工装置２００は、「放電補助式レーザ孔加工技術」により、被加工対象となる絶縁基板２９０に貫通孔を形成できる装置である。ここで、絶縁基板２９０は、ガラス基板であってもよい。

レーザ光源２１０は、レーザ光２１３ａを放射する。レーザ光源２１０には、例えば、１Ｗ〜１００Ｗの出力を有する波長９．３μｍ、９．４μｍ、９．６μｍ、または１０．６μｍの二酸化炭素レーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、または紫外線レーザなどを使用できる。レーザ光２１３ａは、例えば、ガウシアンビームであってもよい。

レーザ光源２１０と絶縁基板２９０の間には、ホモジナイザ２１４が配置される。ホモジナイザ２１４は、レーザ光源２１０から放射されたレーザ光２１３ａを、トップフラットビーム２１３ｂに変換する役割を有する。

ホモジナイザ２１４と絶縁基板２９０の間には、縮小投影系２７０が配置される。

縮小投影系２７０は、像面２７２と、転写レンズ２７５とを有する。像面２７２は、よりホモジナイザ２１４に近い側に配置され、転写レンズ２７５は、より絶縁基板２９０に近い側に配置される。

像面２７２には、ホモジナイザ２１４によって形成されたトップフラットビーム２１３ｂが生成される。また、転写レンズ２７５は、像面２７２に生成されたトップフラットビーム２１３ｂの像を、絶縁基板２９０の照射位置２８３上に転写する役割を有する。

なお、図６の例では、像面２７２には、開口２７４を有するマスク２７３が配置されている。しかしながら、このマスク２７３は、必須の構成ではなく、省略されてもよい。ただし、像面２７２にマスク２７３を配置した場合、トップフラットビーム２１３ｂがマスク２７３の開口２７４を通過した際に、トップフラットビーム２１３ｂの「裾野」の一部がカットオフされる。このため、この場合、転写レンズ２７５を介して、よりシャープな像を、絶縁基板２９０の照射位置２８３上に転写することが可能になる。

このような構成の放電補助式レーザ孔加工装置２００を使用して、絶縁基板２９０に貫通孔を形成する際には、まず、絶縁基板２９０が、第１の電極２４０と第２の電極２４５の間に配置される。さらに、ステージ（図示されていない）を水平方向に移動させることにより、絶縁基板２９０が第１の電極２４０に対して所定の位置に配置される。

次に、レーザ光源２１０から、ホモジナイザ２１４に向かって、レーザ光２１３ａが照射される。レーザ光２１３ａは、ホモジナイザ２１４によって、トップフラットビーム２１３ｂに変換される。

次に、このトップフラットビーム２１３ｂは、縮小投影系２７０に入射される。すなわち、トップフラットビーム２１３ｂは、まず像面２７２において生成される。さらに、この生成されたトップフラットビーム２１３ｂは、転写レンズ２７５に入射される。転写レンズ２７５に入射されたトップフラットビーム２１３ｂは、転写レンズ２７５によって転写ビーム２１３ｃとなり、この転写ビーム２１３ｃは、絶縁基板２９０の照射位置２８３に転写され、ここに転写像を形成する。これにより、照射位置２８３の温度が上昇し、同位置に貫通孔２８５が形成される。

次に、直流高圧電源２２５により、２つの電極２４０、２４５に高直流電圧が印加される。これにより、絶縁基板２９０の貫通孔２８５において放電が生じ、貫通孔２８５の形状が整えられる。

なお、直流高圧電源２２５による放電処理の前に、高周波高電圧電源（図示されていない）により、両電極２４０、２４５間に高周波電圧（ＨＦ電圧）を印加してもよい。

その後、同様の操作により、絶縁基板２９０に第２、第３の貫通孔が形成されてもよい。

このような放電補助式レーザ孔加工装置２００では、絶縁基板２９０の照射位置２８３には、ガウシアンビームのスポットではなく、トップフラットビーム２１３ｂの転写ビーム２１３ｃのスポットが照射される。このため、前述のように、照射位置２８３における熱応力の発生が有意に低減され、貫通孔２８５の加工の際に、絶縁基板２９０にクラックが発生することを有意に抑制できる。

また、放電補助式レーザ孔加工装置２００では、前述のように、比較的焦点距離ｆの長い転写レンズ２７５を使用することが可能になる。焦点距離ｆの長い転写レンズ２７５を使用した場合、貫通孔２８５の形成中に生じるデブリが転写レンズ２７５に付着する問題を有意に抑制できる。また、焦点距離ｆの長い転写レンズ２７５を使用した場合、ビームスポットの焦点深度が深くなる。このため、加工の際に要求される装置精度が緩和され、放電補助式レーザ孔加工装置２００の各種寸法（例えばステージの平坦度、および／または距離ａ、ｂなど）に多少のばらつきが生じても、同等の貫通孔を適正に形成できる。

さらに、放電補助式レーザ孔加工装置２００では、像面２７２と転写レンズ２７５の間の距離ａ、および転写レンズ２７５と絶縁基板２９０の間の距離ｂを調節することにより、絶縁基板２９０の照射位置２８３に転写される像の寸法を、比較的容易に変更することが可能となる。

さらに、放電補助式レーザ孔加工装置２００では、絶縁基板２９０の照射位置２８３にトップフラットビーム２１３ｂが照射されるため、ガウシアンビームを照射した場合に比べてシャープな開口面を有する貫通孔２８５を形成できる。例えば、絶縁基板２９０の表面において、貫通孔２８５の開口の周囲では、熱により影響を受けた領域が狭くなる。このような態様は、例えば、絶縁基板２９０に設けられる貫通孔同士の間のピッチをより狭くできる点で有意である。

（本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法）
次に、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法について、簡単に説明する。

本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法は、
工程（１）絶縁基板を準備する工程と、
工程（２）トップフラットビームであるレーザ光を前記絶縁基板に照射して、貫通孔を形成する工程と、
工程（３）前記貫通孔で放電を発生させ、前記貫通孔の形状を整える工程を有する。

ここで、絶縁基板に貫通孔を形成するために必要な最小レーザ光強度を絶縁基板の加工閾値としたとき、トップフラットビームのトップ部の強度は、前記加工閾値と略同一であってもよい。これにより、絶縁基板に発生する熱応力を有意に低減できる。

また、前記工程（２）において、レーザ光は、転写レンズにより絶縁基板に照射され、絶縁基板と転写レンズの間のワーキングディスタンス（作動距離）は、５０ｍｍ以上であってもよい。ワーキングディスタンスは、例えば１００ｍｍである。

前述のように、本発明の一実施例では、比較的焦点距離ｆの長い転写レンズであっても、適正に使用できる。

従って、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法では、絶縁基板と転写レンズの間のワーキングディスタンスを有意に長くできる。また、これにより、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工方法では、従来のような、被加工対象の加工の際に生じたデブリ（加工屑）によって、集光レンズが汚染されるという問題を有意に抑制できる。

以下、本発明の実施例について説明する。

（熱応力評価試験１）
以下の方法により、レーザ光源からガラス基板の表面にレーザ光を照射し、レーザ光の焦点位置に生じる熱応力について評価した。

（実験１）
図７には、測定装置の一例を概略的に示す。

図７に示すように、測定装置５００は、レーザ光５１３ａを放射するレーザ光源（図示されていない）と、非球面ホモジナイザ５１４と、縮小投影系５７０とを備える。縮小投影系５７０は、マスク板５７３と、転写レンズ５７５とを有する。

レーザ光５１３ａは、１０．６μｍの波長を有するガウシアンビーム（ビーム径約３ｍｍφ）である。

非球面ホモジナイザ５１４は、像面５７２に、ガウシアンビームのレーザ光５１３ａから形成されたトップフラットビームを生成する。

非球面ホモジナイザ５１４と像面５７２の間の距離は、４３．４ｍｍである。マスク板５７３は、単一の開口（直径０．６ｍｍφ）を有し、像面５７２に配置した。転写レンズ５７５（焦点距離ｆ＝５０ｍｍ）は、ガラス基板５９０の表面に、トップフラットビームの像を縮小転写し、照射位置５８３にビームスポットを形成できる。像面５７２と転写レンズ５７５の間の距離をａとし、転写レンズ５７５とガラス基板の照射位置５８３の間の距離をｂとしたとき、ｂ／ａ、すなわち縮小倍率Ｐは、１／１６とした。

なお、ガラス基板５９０には、厚さが１８０μｍの無アルカリガラス基板を使用した。

このような測定装置５００を用いて、ガラス基板５９０の照射位置５８３にトップフラットビームのレーザ光５１３ｃを照射した。また、照射位置５８３に生じる熱応力を、複屈折イメージングシステム（Ｃｒｉ社製Ａｂｒｉｏ）により測定した。

なお、ガラス基板５９０の照射位置５８３におけるトップフラットビームのスポット径は、５０μｍとした。また、照射位置５８３におけるビームスポットのパワーは、１０Ｗとし、照射時間は１４０ｍｓとした。

照射位置５８３におけるトップフラットビームのトップ部Ｂ_Ｔの強度の変動幅は、±４％以下であった（図３参照）。また、照射位置５８３におけるトップフラットビームの実効ビーム径ｄｅとビーム径ｄの比は、ｄｅ：ｄ＝１：１．２であった（図３参照）。

（実験２）
比較のため、測定装置５００において、非球面ホモジナイザ５１４および縮小投影系５７０を設置せず、単に、レーザ光源からのレーザ光５１３ａをガラス基板５９０の照射位置５８３に集光して、同様の測定を行った（以下、「実験２」と称する）。

この実験２では、レーザ光５１３ａ、すなわちガウシアンビームの形態のレーザ光が、ガラス基板５９０の照射位置５８３に照射される。

なお、レーザ光５１３ａは、ビームエクスパンダを用いて、ビーム径を３．５倍に拡大してから、集光レンズ（焦点距離ｆ＝２５．４ｍｍ）によって集光した。照射位置におけるビーム径は、前述の実験１の場合と同様、５０μｍとした。また、照射位置におけるビームスポットのパワー、および照射時間も、実験１の場合と同様とした。

従って、この実験２では、ガラス基板５９０の照射位置５８３に照射されるビームの形態のみが実験１と異なっている。

実験１および実験２において得られた応力の測定結果を、それぞれ、図８および図９に示す。

図８および図９において、横軸は、ビームスポットの照射位置５８３およびその近傍におけるガラス基板５９０の位置を示しており、縦軸はリタデーションを示している。リタデーションは、応力によりガラスが歪んで複屈折を発生した場合に観察される物理量であり、応力値に比例する量である。

ガラス基板５９０の照射位置５８３にガウシアンビームを照射した実験２では、図９に示すように、スポットの端部で、リタデーション値が急激に上昇しており、リタデーション値の最大値は、約１２０ｎｍに達することがわかる。

これに対して、ガラス基板５９０の照射位置５８３にトップフラットビームを照射した実験１では、図８に示すように、リタデーション値の最大値は、約１００ｎｍ程度であり、実験２に比べて、有意に低下していることがわかる。

この結果から、実験１では、レーザ光の照射によってガラス基板に生じる熱応力を、有意に抑制できることが確認された。

（熱応力評価試験２）
次に、前述の図６に示したような放電補助式レーザ孔加工装置を用いて、ガラス基板に貫通孔を形成し、その際に生じる熱応力を、リタデーション測定装置により評価した（実験３）。

実験３において、縮小投影系の装置構成およびレーザ光の照射条件は、実験１の場合と同様である。ただし、ガラス基板の照射位置におけるビームスポットのパワーは、５０Ｗとし、照射時間は８００μｓとした。また、ガラス基板の厚さは、３００μｍとした。

なお、本実験では、直流高圧電源２２５による放電処理は、実施しなかった。

比較のため、図１に示した従来のレーザ照射貫通孔形成装置を用いて同様の加工を行い、ガラス基板の照射位置に生じる熱応力を評価した（実験４）。

なお、実験４では、ガラス基板の照射位置に照射されるレーザ光は、ガウシアンビームである。また、ガラス基板の照射位置に照射されるビームの形態以外の条件は、実験３と同様とした。

実験３および実験４において得られた測定結果を、それぞれ、図１０および図１１に示す。

図１０および図１１において、横軸は、ビームスポットの照射位置およびその近傍におけるガラス基板の位置を示しており、縦軸はリタデーションを示している。

実験４では、図１１に示すように、スポットの端部で、リタデーション値が急激に上昇しており、リタデーション値の最大値は、約１１０ｎｍに達することがわかる。

これに対して、実験３では、図１０に示すように、リタデーション値の最大値は、約９０ｎｍ程度であり、実験４に比べて、有意に低下していることがわかる。

この結果から、縮小投影系を備える本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工装置を使用して、ガラス基板に貫通孔を形成した場合、従来のレーザ照射貫通孔形成装置による加工に比べて、熱応力の発生が有意に抑制されることが確認された。

なお、実験３では、貫通孔の加工後に、転写レンズには、デブリはほとんど付着していなかった。これに対して、実験４では、貫通孔の加工後に、集光レンズに多少のデブリが付着していることがわかった。

この結果から、縮小投影系を備える本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工装置では、長焦点距離の転写レンズを使用することにより、デブリの付着を抑制できることが確認された。

さらに、図１に示した従来のレーザ照射貫通孔形成装置、および図６に示した本発明による放電補助式レーザ孔加工装置を用いて絶縁基板に貫通孔を形成し、クラック発生率を比較した（実験５）。双方共０．３ｍｍ厚の無アルカリガラスを用いて加工を行った。

クラック発生率評価にあたっては、それぞれ１０万孔の加工を行い、クラック数をカウントした。その結果、従来の、ガウシアンビームを有するレーザ照射貫通孔形成装置で加工した場合は、１０万孔のうち２００個にクラックが発生していた。

一方、本発明のトップフラットビームを有する放電補助式レーザ孔加工装置で加工した場合は、１０万孔のうち２０個にクラックが発生していた。この結果から、本発明の一実施例による放電補助式レーザ孔加工装置を使用して、ガラス基板に貫通孔を形成した場合、従来のレーザ照射貫通孔形成装置による加工に比べて、クラックの発生が有意に抑制されることが確認された。

本発明は、インターポーザ用絶縁基板の製造技術等に利用できる。

１ 従来のレーザ照射貫通孔形成装置
１０ レーザ光源
１３ａ レーザ光
１３ｂ 収束レーザ光
１５ 集光レンズ
８３ 貫通孔形成位置
８５ 貫通孔
９０ 絶縁基板
１１９ａ トップフラットビーム
１７０ 縮小投影系
１７２ 像面
１７５ 転写レンズ
１９０ 被加工対象
２００ 放電補助式レーザ孔加工装置
２１０ レーザ光源
２１３ａ レーザ光
２１３ｂ トップフラットビーム
２１３ｃ 転写ビーム
２１４ ホモジナイザ
２２５ 直流高圧電源
２４０ 第１の電極
２４５ 第２の電極
２７０ 縮小投影系
２７２ 像面
２７３ マスク
２７４ 開口
２７５ 転写レンズ
２８３ 照射位置
２８５ 貫通孔
２９０ 絶縁基板
５００ 測定装置
５１３ａ、５１３ｃ レーザ光
５１４ 非球面ホモジナイザ
５７０ 縮小投影系
５７２ 像面
５７３ マスク板
５７５ 転写レンズ
５８３ 照射位置
５９０ ガラス基板
Ｂ_Ｔ トップ部
Ｂ_Ｓ 裾野部
Ｂ_Ｆ トップフラットビーム
Ｂ_Ｇ ガウシアンビーム

Claims (8)

1. レーザ光照射によって絶縁基板に貫通孔を形成し、第１および第２の電極間での放電現象により、前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工装置であって、
   当該放電補助式レーザ孔加工装置は、
   レーザ光を放射するレーザ光源と、
   前記レーザ光からトップフラットビームを形成するホモジナイザと、
   縮小投影系と、
   を備え、
   前記縮小投影系は、前記ホモジナイザによって形成されたトップフラットビームを生成する像面、および該像面に生成された像を、絶縁基板に転写する転写レンズを有することを特徴とする放電補助式レーザ孔加工装置。
2. 前記レーザ光源から放射されるレーザ光は、ガウシアンビームである、請求項１に記載の放電補助式レーザ孔加工装置。
3. 前記像面から前記転写レンズまでの距離をａとし、前記転写レンズから前記絶縁基板までの距離をｂとしたとき、前記縮小投影系の縮小倍率Ｐ＝ｂ／ａは、１／１００〜１の範囲である、請求項１または２に記載の放電補助式レーザ孔加工装置。
4. 前記像面には、マスクが配置される、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の放電補助式レーザ孔加工装置。
5. 前記転写レンズの焦点距離ｆは、１００ｍｍ以上である、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の放電補助式レーザ孔加工装置。
6. レーザ光照射によって絶縁基板に貫通孔を形成し、第１および第２の電極間での放電現象により、前記貫通孔の形状を調整する、放電補助式レーザ孔加工方法であって、下記工程（１）〜（３）を含むことを特徴とする放電補助式レーザ孔加工方法：
   工程（１）絶縁基板を準備する工程；
   工程（２）トップフラットビームであるレーザ光を前記絶縁基板に照射して、貫通孔を形成する工程；
   工程（３）前記貫通孔に放電を発生させ、前記貫通孔の形状を整える工程。
7. 前記絶縁基板に貫通孔を形成するために必要な最小レーザ光強度を絶縁基板の加工閾値としたとき、前記トップフラットビームのトップ部の強度は、前記加工閾値と略同一である、請求項６に記載の放電補助式レーザ孔加工方法。
8. 前記工程（２）において、前記レーザ光は、転写レンズにより前記絶縁基板に照射され、
   前記絶縁基板と前記レンズの間のワーキングディスタンスは、５０ｍｍ以上である、請求項６または７に記載の放電補助式レーザ孔加工方法。

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