JP2019130555A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象物への貫通穴の形成を従来よりも高精度に制御する。【解決手段】加工対象物にレーザビームを照射して穴空け加工を行うレーザ加工装置が、レーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザビームを加工対象物の表面に垂直に入射して収束させるｆθレンズと、ｆθレンズからのレーザビームの入射位置を加工対象物の表面に沿って移動させるレーザビーム走査手段と、レーザ光源とｆθレンズとの間のレーザビームの光路上でレーザビームを透過させるとともにレーザビームによる加工対象物の穴空け加工に伴って加工対象物から発生するプラズマ光を側方に反射させるビームスプリッタと、ビームスプリッタで反射したプラズマ光を受光する光センサと、プラズマ光のスペクトル変化に応じた光センサの出力変化に基づきレーザビームの制御を行うレーザビーム制御手段と、を具えている。【選択図】図１

Description

本発明は、プリント配線板のビルドアップ層となる加工対象物にレーザビームを照射して穴空け加工を行うレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

近年のプリント配線板の技術分野では、電子回路の高密度化の要求に応じるために、コア基板上や支持板上に複数層のビルドアップ層を積層することで多層プリント配線板を形成することが提案されている。

ビルドアップ層は通常、層間絶縁層と導体層とが積層されて形成されており、多層プリント配線板では層間絶縁層に貫通穴が形成され、その貫通穴内に設けられたバイアホール導体が、コア基板の導体層とビルドアップ層の導体層との間やビルドアップ層同士の導体層の間を電気的に接続している。

このようなバイアホール導体用の貫通穴は極めて小径かつ多数であり、その形成には、従来はドリルが用いられていたが、近年では電子回路のさらなる高密度化の要求に応じるために、例えば特許文献１に記載されたようなレーザ加工装置によるレーザビームの照射が用いられるようになっている。

この従来のレーザ加工装置は、シリコン基板上にボンディングパッドを積層した半導体ウエハのシリコン基板のみにバイアホール導体用の貫通穴を多数形成するためのもので、その半導体ウエハからなる加工対象物をＸ−Ｙテーブルで水平に支持するとともに水平方向（装置のｘ軸およびｙ軸方向）に移動させることで、垂直方向（装置のｚ軸方向）に照射するレーザビームを相対的に加工対象物の面内で移動させて、そのレーザビームで加工対象物の穴空け加工範囲全体を走査する。

また、この従来のレーザ加工装置は、入力された超音波の周波数に応じた角度にレーザビームを高速でかつ所定平面内で偏向させるＡＯＤ（音響光学偏向器）を、その所定平面が垂直かつｘ軸方向と平行になるようにレーザビームの光路上に配置することで、レーザビームを加工対象物のｘ軸方向移動と同期させて移動させるとともに、ｆθレンズをＡＯＤと加工対象物との間のレーザビームの光路上に配置することで、ＡＯＤで偏向させたレーザビームを加工対象物に垂直に入射させかつその加工対象物の位置で収束させて、加工対象物の同じ加工位置にパルス状のレーザビームを複数回照射できるようにしている。

さらに、この従来のレーザ加工装置は、中央に開口を持つ反射鏡をｆθレンズと加工対象物との間のレーザビームの光路上にその光路に対して斜めに配置し、その反射鏡の開口を通したレーザビームによる加工対象物の穴空け加工に伴って加工対象物から発生するプラズマ光を、反射鏡の開口周辺部分で側方に反射させて光センサで受光し、レーザビームの照射パルス数があらかじめ求めた最小パルス数に達した時に、加工対象物の溶融がシリコン基板のシリコンからボンディングパッドの銅に達したことをプラズマ光のスペクトル波長の変化に基づく光センサの出力信号の変化が示している場合はレーザビームの照射を止め、その最小パルス数に達した時に加工対象物の溶融がシリコンから銅に達したことを光センサの出力変化が示していない場合はさらに、あらかじめ求めた最大パルス数までレーザビームを照射することで、シリコン基板に貫通穴を空ける際にその穴がボンディングパッドも貫通してしまうのを防止するようにしている。

特開２０１３−０４３１９８号公報

ところで、上記従来のレーザ加工装置では、加工対象物から発生するプラズマ光をレーザビームの光軸上でなく反射鏡の開口周辺部分で取り出しているので十分な光量のプラズマ光を得ることは困難である。また、ｆθレンズと加工対象物との間のスペースに反射鏡を配置するのは、そのスペースが狭いため困難であり、しかも溶融する加工対象物から飛散する異物で反射鏡が汚れ易い。それゆえ、プラズマ光を捉えるセンサの出力に基づきレーザビームの照射を適切な加工段階で止めて貫通穴の穴空け加工の不具合を確実に防止するのは困難である。

本発明のレーザ加工装置は、プリント配線板のビルドアップ層となる、層間絶縁層と導体層とが積層された加工対象物にレーザビームを照射して穴空け加工を行う装置であって、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームを加工対象物の表面に垂直に入射してその加工対象物の位置で収束させるｆθレンズと、
前記ｆθレンズから前記加工対象物の表面に入射するレーザビームの入射位置をその加工対象物の表面に沿って移動させるレーザビーム走査手段と、
前記レーザ光源と前記ｆθレンズとの間の前記レーザビームの光路上に位置して前記レーザビームを透過させるとともにそのレーザビームによる加工対象物の穴空け加工に伴って加工対象物から発生するプラズマ光を側方に反射させるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射したプラズマ光を受光する光センサと、
前記プラズマ光のスペクトル変化に応じた前記光センサの出力変化に基づき前記レーザビームの出射停止および／または加工対象物の次の穴位置への入射位置変更を行うレーザビーム制御手段と、
を具えている。

また本発明のレーザ加工方法は、プリント配線板のビルドアップ層となる、層間絶縁層と導体層とが積層された加工対象物にレーザビームを照射して穴空け加工を行う方法であって、
レーザ光源からレーザビームを出射することと、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームをｆθレンズにより加工対象物の表面に垂直に入射してその加工対象物の位置で収束させることと、
前記ｆθレンズから前記加工対象物の表面に入射するレーザビームの入射位置をレーザビーム走査手段によりその加工対象物の表面に沿って移動させることと、
前記レーザ光源と前記ｆθレンズとの間の前記レーザビームの光路上に配置されたビームスプリッタにより前記レーザビームを透過させるとともにそのレーザビームによる加工対象物の穴空け加工に伴って加工対象物から発生するプラズマ光を側方に反射させることと、
前記ビームスプリッタで反射したプラズマ光を光センサにより受光して、前記プラズマ光のスペクトル変化に応じた前記光センサの出力変化に基づきレーザビーム制御手段により前記レーザビームの出射停止および／または加工対象物の次の穴位置への入射位置変更を行うことと、
を含んでいる。

本発明の実施形態によれば、レーザ光源から出射されたレーザビームが、ｆθレンズによって加工対象物に垂直に入射されてその加工対象物の位置で収束し、加工対象物を穴空け加工する。

そしてその穴空け加工の際、レーザ光源とｆθレンズとの間のレーザビームの光路上に配置されたビームスプリッタが、レーザビームを透過させるとともにそのレーザビームによる加工対象物の穴空け加工に伴って加工対象物から発生するプラズマ光を側方に反射させ、光センサが、そのビームスプリッタで反射したプラズマ光を受光してプラズマ光のスペクトル変化に応じたレベルの信号を出力し、その光センサの出力変化に基づきレーザビーム制御手段が、レーザビームの出射停止および／または加工対象物の次の穴位置への入射位置変更を行う。

これにより、レーザ光源とｆθレンズとの間の十分なスペースにビームスプリッタを配置でき、レーザビームの光路上のプラズマ光をそのビームスプリッタで反射させて光センサで受光でき、しかも溶融する加工対象物から飛散する異物でビームスプリッタが汚れることがないので、十分な光量のプラズマ光を光センサで受光でき、レーザビーム制御手段でプラズマ光のスペクトル変化に応じたレーザビームの出射停止および／または加工対象物の次の穴位置への入射位置変更を高精度に行うことができ、層間絶縁層に対する貫通穴の形成を確実に行うとともにその後の導体層に対する貫通穴の形成を確実に防止することができる。

本発明の一実施形態のレーザ加工装置の構成を示す説明図である。 図１に示される実施形態のレーザ加工装置による、本発明の一実施形態のレーザ加工方法を示す説明図である。 図１に示される実施形態のレーザ加工装置による加工対象物の穴空け加工中の光センサの出力変化を示す説明図である。

以下、図面を参照して本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態のレーザ加工装置の構成を示す説明図である。この実施形態のレーザ加工装置は、プリント配線板のビルドアップ層を形成するための、例えば樹脂製の層間絶縁層Ｌ１と例えば銅製の導体層Ｌ２とが積層された加工対象物Ｗに、層間絶縁層Ｌ１側からＵＶ（紫外線）レーザのレーザビームＢを照射して、バイアホール導体を設けるための多数の微細な貫通穴Ｈをその層間絶縁層Ｌ１のみに対して穴空け加工するものである。

上記の穴空け加工のためにこの実施形態のレーザ加工装置は、ＵＶレーザのレーザビームＢを出射するレーザ光源としての、例えばＵＶ−ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）を出力する既知のレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出射されたレーザビームＢの光路上に互いに直列に位置して、各々入力された超音波の周波数に応じた角度に高速でかつ互いに直角な平面内でそのレーザビームＢをブラッグ回折現象により偏向させる、光偏向素子とも呼ばれる既知の二個の音響光学偏向器（ＡＯＤ）２，３と、互いに直角に位置する所定軸線周りに反射鏡を回動させて、二個のうちのレーザ発振器１から遠い側のＡＯＤ３から出射されたレーザビームＢを順次に偏向させる既知の二つのガルバノミラー４，５と、図１ではガルバノミラー４，５の下方に位置して、平板状の加工対象物Ｗを例えば層間絶縁層側を上向きにして負圧によって吸着支持するとともに、その支持した加工対象物Ｗを水平面内で互いに直角な二方向に移動させる図示しない既知の移動テーブルと、を具えている。

この実施形態のレーザ加工装置はまた、上記二つのうちのＡＯＤ３から遠い側のガルバノミラー５から出射されたレーザビームＢを上記移動テーブル上の加工対象物Ｗに垂直に入射させかつその加工対象物Ｗの位置で収束させる既知のｆθレンズ６と、二個のうちのレーザ発振器１から遠い側のＡＯＤ３と二つのうちのＡＯＤ３に近い側のガルバノミラー４との間のレーザビームＢの光路上に配置された例えばキューブ型の既知のダイクロイックビームスプリッタ（ＢＳ）７と、を具えている。

このダイクロイックＢＳ７は、レーザ発振器１から出射してＡＯＤ２，３で偏向された波長３５５ｎｍのＵＶレーザのレーザビームＢを上方から下方へ透過させる一方で、そのレーザビームＢのエネルギにより加工対象物Ｗから発生してｆθレンズ６および二枚のガルバノミラー４，５を経たプラズマ光のうち導体層を形成する銅の例えば波長２３０〜３２６ｎｍのプラズマ光Ｐを選択的に反射させて側方（図では右方）へ取り出し、層間絶縁層を形成する樹脂やガラス等の他の材料の例えば波長３３６〜１２００ｎｍのプラズマ光は下方から上方へ透過させる特性を有している。

この実施形態のレーザ加工装置はさらに、ダイクロイックＢＳ７が側方に取り出した銅のプラズマ光Ｐを、銅のプラズマ光固有の波長である例えば３２６ｎｍ付近の光を通すバンドパスフィルタを介して光電子増倍管（ＰＭＴ）で受光し、そのＰＭＴで銅のプラズマ光Ｐの受光量に応じたレベルの電気信号に変換して出力する光センサとしての既知の光センサユニット８と、ＡＯＤ２，３にそれぞれ超音波を入力するとともにそれらの超音波の周波数を別個に変化させてＡＯＤ２，３のそれぞれによるレーザビームＢの偏向角を変更する既知のＡＯＤ制御部９と、を具えている。

この実施形態のレーザ加工装置はさらに、レーザ発振器１、ガルバノミラー４，５、移動テーブルおよびＡＯＤ制御部９の作動制御を行う加工制御部１０を具えており、ここで、ＡＯＤ２，３とガルバノミラー４，５と移動テーブルとは、ｆθレンズ６から加工対象物Ｗの表面に入射するレーザビームＢの入射位置をその加工対象物Ｗの表面に沿って移動させるのでレーザビーム走査手段として機能し、加工制御部１０は、例えば予め与えられたプログラムに基づき作動する通常のパーソナルコンピュータを含んで構成され、光センサユニット８の出力信号を入力してその出力信号レベルに基づき後述の如くレーザビームＢを制御するのでレーザビーム制御手段として機能する。

図２は、上記実施形態のレーザ加工装置による上記実施形態のレーザ加工方法を示す説明図であり、この実施形態のレーザ加工方法では、上記移動テーブル上に、プリント配線板のビルドアップ層を形成するための、例えば樹脂製の層間絶縁層Ｌ１と例えば銅製の導体層Ｌ２とが積層されてなる平板状の加工対象物Ｗをその層間絶縁層Ｌ１側を上向きにして載置した後、加工制御部１０が、移動テーブルを作動させて、その加工対象物Ｗを吸着支持するとともに水平面内で互いに直角な二方向に移動させ、相対的に、ｆθレンズ６からのレーザビームＢの当初の入射位置を加工対象物Ｗの最初の穴空け加工位置に位置決めする。次いで加工制御部１０は、レーザ発振器１、ガルバノミラー４，５およびＡＯＤ制御部９を作動させ、レーザ発振器１で出射したＵＶレーザのパルス状のレーザビームＢをＡＯＤ２，３で偏向させた後にガルバノミラー４，５でさらに偏向させてｆθレンズ６に通し、上記当初の入射位置である加工対象物Ｗの最初の穴空け加工位置に入射する。

このパルス状のレーザビームＢの最初の穴空け加工位置への繰返し入射により加熱された加工対象物Ｗの樹脂製の層間絶縁層Ｌ１は、溶融もしくは熱分解して穴が開き、その穴の深さが層間絶縁層Ｌ１の厚みに達して貫通穴Ｈとなった後は、図２に示すように、その層間絶縁層Ｌ１の貫通穴Ｈの開口直径（穴底径）が次第に拡大しながら、次に加工対象物Ｗの銅製の導体層Ｌ２の、層間絶縁層Ｌ１側に向く表面が溶融してそこに穴が空き始める。

光センサユニット８は、この銅製の導体層Ｌ２の表面の溶融により発生する銅のプラズマ光Ｐを選択的に受光して電気信号を出力し、加工制御部１０は、光センサユニット８の出力信号を入力してその出力信号レベルに基づき、銅のプラズマ光Ｐの受光量から加工対象物Ｗにおける銅製の導体層Ｌ２の穴空け加工量を継続的に演算する。そして加工制御部１０は、導体層Ｌ２の穴空け加工量が所定以上になったら、その導体層Ｌ２の上側に穴空け加工した層間絶縁層Ｌ１の貫通穴Ｈの開口直径（穴底径）が所定以上になるとともに導体層Ｌ２の穴空け加工量は貫通穴にならない微小量に留まっていると判断してＡＯＤ制御部９に、例えばＡＯＤ２，３の何れかによるレーザビームＢの偏向を停止させることで、ＡＯＤ３からガルバノミラー４，５へのレーザビームＢの出射を停止させる。

そしてその後は、ＡＯＤ２，３による微小な偏向可能範囲内であればＡＯＤ２，３の作動により、またＡＯＤ２，３による微小な偏向可能範囲を超える位置へはガルバノミラー４，５の作動により、そしてガルバノミラー４，５による偏向可能範囲を超える位置へは移動テーブルの作動により、ｆθレンズ６からのレーザビームＢの入射位置を加工対象物Ｗの最初の穴空け加工位置から次の穴空け加工位置へ、そしてさらに他の穴空け加工位置へ次々に変更して、加工対象物Ｗのそれらの穴空け加工位置で最初の穴空け加工位置におけると同様にして層間絶縁層Ｌ１の貫通穴Ｈの穴空け加工を行う。

図３は、図１に示される実施形態のレーザ加工装置による加工対象物Ｗの穴空け加工の際の光センサユニット８の出力変化を示す説明図である。この出力変化は、加工制御部１０が、レーザ発振器１を作動させて例えば１ショット０．６μＪのパルス状のレーザビームＢを繰返し出射して、厚みが１０μｍの層間絶縁層Ｌ１と厚みが２．５μｍの導体層Ｌ２とが積層された加工対象物Ｗの層間絶縁層Ｌ１に入口径１０μｍの貫通穴の穴空け加工を行った際の、１１ショット目のまでのものであり、この穴空け加工では、それぞれショット数を変えて複数の穴を形成した後、各穴の縦断面を電子顕微鏡で拡大して調査している。

この調査の結果、図示しない７ショット目ではセンサ出力が約０．１Ｖとなるとともに層間絶縁層Ｌ１の穴底に導体層Ｌ２を露出させる僅かな開口が形成され、その後、ショット数に応じてセンサ出力が増大するとともに層間絶縁層Ｌ１の穴底径が拡大し、図３に示す１１ショット目ではセンサ出力が約０．４Ｖとなるとともに層間絶縁層Ｌ１の開口が入口径９．２μｍ、穴底径６．４μｍ（開口面積３５．８μｍ^２）となり、図示しない１４ショット目ではセンサ出力はさほど増大せず入口径１０．８μｍ、穴底径７．０μｍ（開口面積４０．４μｍ^２）となって、層間絶縁層Ｌ１に十分な穴底径の貫通穴Ｈが形成されるとともに、導体層Ｌ２の層間絶縁層Ｌ１側に向く表面に僅かな窪みが形成されていた。このことから、穴底径がビーム径に応じた一定の大きさになるまでは光センサユニット８のセンサ出力と貫通穴Ｈの穴底径とに正の相関があり、センサ出力に基づいて貫通穴Ｈの穴底径の拡大停止付近のショット数でレーザビームＢの出射を停止すればその後の導体層Ｌ２に対する貫通穴の形成を防止できるということが判明した。

従って、この実施形態のレーザ加工方法によれば、ＡＯＤ３とｆθレンズ６との間の十分なスペースにビームスプリッタ７を配置でき、レーザビームＢの光路上のプラズマ光Ｐをそのビームスプリッタ７で反射させて光センサユニット８で受光でき、しかも溶融する加工対象物Ｗから飛散する異物でビームスプリッタ７が汚れることがないので、十分な光量のプラズマ光Ｐを光センサユニット８で受光でき、加工制御部１０で銅のプラズマ光Ｐの受光量の増大に応じたレーザビームＢの出射停止および加工対象物Ｗの次の穴位置への照射位置変更を高精度に行うことができ、層間絶縁層Ｌ１に対する貫通穴Ｈの形成を確実に行うとともにその後に導体層Ｌ２に対する貫通穴の形成を確実に防止することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、請求の範囲の記載から逸脱しない範囲で種々の変更、修正が可能である。例えばビームスプリッタ７は、実施形態のレーザ加工装置ではＡＯＤ３とガルバノミラー４との間に配置しているが、他の位置、例えばガルバノミラー５とｆθレンズ６との間に配置しても良い。

また例えばビームスプリッタ７は、実施形態のレーザ加工装置ではキューブ型のダイクロイックビームスプリッタを用いているが、所定方向へ向かうレーザビームＢを透過させるとともにそのレーザビームＢの光路上で反対方向へ向かう銅のプラズマ光を側方に反射させるものであれば他の種類のものであっても良い。

さらに、光センサユニット８は、実施形態のレーザ加工装置ではバンドパスフィルタを介して光電子増倍管（ＰＭＴ）で受光するものを用いているが、フォトダイオード等の半導体で光電変換するものを用いても良い。

そしてレーザビーム制御手段は、ＡＯＤとガルバノミラーとを互いにレーザビーム偏向方向が異なる１つずつに減らして構成しても良く、またＡＯＤとガルバノミラーと移動テーブルとの何れか１つまたは２つを省略して構成しても良い。

１ レーザ発振器
２，３ ＡＯＤ（音響光学偏向器）
４，５ ガルバノミラー
６ ｆθレンズ
７ ビームスプリッタ
８ 光センサユニット
９ ＡＯＤ制御部
１０ 加工制御部
Ｂ レーザビーム
Ｈ 貫通穴
Ｐ 銅のプラズマ光
Ｌ１ 層間絶縁層
Ｌ２ 導体層
Ｗ 加工対象物

Claims (6)

1. プリント配線板のビルドアップ層となる、層間絶縁層と導体層とが積層された加工対象物にレーザビームを照射して穴空け加工を行うレーザ加工装置であって、
   レーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザビームを加工対象物の表面に垂直に入射してその加工対象物の位置で収束させるｆθレンズと、
   前記ｆθレンズから前記加工対象物の表面に入射するレーザビームの入射位置をその加工対象物の表面に沿って移動させるレーザビーム走査手段と、
   前記レーザ光源と前記ｆθレンズとの間の前記レーザビームの光路上に位置して前記レーザビームを透過させるとともにそのレーザビームによる加工対象物の穴空け加工に伴って加工対象物から発生するプラズマ光を側方に反射させるビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタで反射したプラズマ光を受光する光センサと、
   前記プラズマ光のスペクトル変化に応じた前記光センサの出力変化に基づき前記レーザビームの出射停止および／または加工対象物の次の穴位置への入射位置変更を行うレーザビーム制御手段と、
   を具えている。
2. 前記レーザビーム走査手段は、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの光路上に位置して、入力された超音波の周波数に応じた角度に高速でそのレーザビームを偏向させるＡＯＤを有することを特徴とする、請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザビーム走査手段は、前記ＡＯＤから出射されたレーザビームを所定の軸線周りに回動する反射鏡で偏向させるガルバノミラーを有することを特徴とする、請求項１または２記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザビーム走査手段は、前記加工対象物を前記ｆθレンズに向けて支持して前記ｆθレンズに対し移動させる移動テーブルを有することを特徴とする、請求項１から３までの何れか１項記載のレーザ加工装置。
5. 前記レーザ光源は、ＵＶレーザを出射するものであることを特徴とする、請求項１から４までの何れか１項記載のレーザ加工装置。
6. プリント配線板のビルドアップ層となる、層間絶縁層と導体層とが積層された加工対象物にレーザビームを照射して穴空け加工を行うレーザ加工方法であって、
   レーザ光源からレーザビームを出射することと、
   前記レーザ光源から出射されたレーザビームをｆθレンズにより加工対象物の表面に垂直に入射してその加工対象物の位置で収束させることと、
   前記ｆθレンズから前記加工対象物の表面に入射するレーザビームの入射位置をレーザビーム走査手段によりその加工対象物の表面に沿って移動させることと、
   前記レーザ光源と前記ｆθレンズとの間の前記レーザビームの光路上に配置されたビームスプリッタにより前記レーザビームを透過させるとともにそのレーザビームによる加工対象物の穴空け加工に伴って加工対象物から発生するプラズマ光を側方に反射させることと、
   前記ビームスプリッタで反射したプラズマ光を光センサにより受光して、前記プラズマ光のスペクトル変化に応じた前記光センサの出力変化に基づきレーザビーム制御手段により前記レーザビームの出射停止および／または加工対象物の次の穴位置への入射位置変更を行うことと、
   を含んでいる。

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