JP2892483B2

JP2892483B2 - レーザー微細加工装置

Info

Publication number: JP2892483B2
Application number: JP2280040A
Authority: JP
Inventors: 智憲大家
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1999-05-17
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JPH04158998A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はレーザー微細加工装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第２図に従来のレーザー微細加工装置のブロック図を
示す。このレーザー微細加工装置は、大きくブロックに
分けると、レーザー加工を行なう光源であるレーザー発
振器10と、レーザー光を加工部位に導光するレーザー光
学系20と、被加工物の加工状態を観察するための観察光
学系30と、被加工物の加工位置を移動するための移動テ
ーブル部40と、装置全体の動作をコントロールする制御
系50から構成されている。

レーザー発振器10はレーザーヘッド11、レーザー電源
12および冷却器13を有し、被加工物41に対して光アブレ
ーション効果によって加工できるだけのエネルギーをも
ったレーザー光を発生する。ここで、光アブレーション
効果は光子エネルギーの高い紫外光によって発生するの
で、レーザー発振器10としては、YAGレーザー（この場
合は高調波を用いる）やエキシマレーザーが用いられる
ことが多い。

レーザー光学系20は、レーザー発振器10からのレーザ
ー光を被加工物41の目的とする位置に照射するために、
レンズやミラーを組み合わせた光学系である。レーザー
発振器10からでたレーザー光は、ミラーで構成された光
軸調整機構21で光軸を調整された後に、ビームエキスパ
ンダ22に入る。ビームエキスパンダ22はもとのレーザー
光のビーム径を広げる働きを持ち、加工領域を広げると
同時に加工領域に於けるレーザー光の強度分布を均一化
する。エキシマレーザーのようにレーザー発振器10から
のビーム径が５×20mm程度と大きいレーザー光では、強
度分布の均一度を向上させるためにインテグレータレン
ズを使用することもできる。ビームエキスパンダ22を通
過したレーザー光は、結合ミラー23を介して長方形スリ
ット24に導かれる。長方形スリット24は被加工物41上で
加工領域を決定するために使用されており、調整ダイヤ
ル25によってスリット24の大きさを変化させることがで
きる。スリット24は多くの場合、金属製でナイフエッジ
構造を持っており、レーザー光が通過する空間をナイフ
エッジで遮断することによって加工領域を決定してい
る。したがって、加工領域の形状は四角形に限られる。
スリット24を通過したレーザー光は、別の結合ミラー26
を通過し対物レンズ27に入射する。対物レンズ27はレー
ザー光を被加工物41上に導光し、四角形の形状で被加工
物41を加工する。それと同時に、観察光学系30の対物レ
ンズとして作用する。

観察光学系30は被加工物41の表面を観察するための光
学系である。被加工物41の照明用として、落射照明31と
透過照明32がある。落射照明31からの光は、２枚目の結
合ミラー26と対物レンズ27を通して、被加工物41の表面
に照射される。これに対して、透過照明32は被加工物41
の裏面から照射し、被加工物41を透過した光が観測され
る。被加工物41の状態は接眼レンズ33を通して目視確認
できる。同時に、TVカメラ34を通してモニタで観察でき
るようになっている。これら２つの照明系とは独立にパ
イロット光照明光学系35がある。これからの光は、レー
ザー光照射領域を指示するために、長方形スリット24と
結合ミラー23を介してレーザー光と同軸上に入射され
る。これによって、長方形スリット24の大きさを調整ダ
イヤル25で変更しても、加工領域が被加工物41上に明る
く照らし出されて観察光学系30で確認することができ
る。

移動テーブル部40は被加工物41を固定すると同時に、
加工位置を決定するために被加工物41を平面上で移動さ
せる機能を持つ。微細加工においては、移動分解能とし
て１μｍ以下が要求される。

制御系50はレーザー発振器10と移動テーブル部40を制
御する。レーザー発振器10の発振・停止や出力の調整を
行なうと同時に、レーザー発振器10の動作状態・異常を
検出してシステムの停止を行なう。観察光学系30によっ
てユーザーが希望する加工位置が決定され、制御系50は
予め入力されたパターンに従って、Ｘ−Ｙテーブル42の
移動とレーザーの照射を繰り返す。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したような従来のレーザー微細加工装置において
は、被加工物41の加工領域を決定するために、長方形の
アパーチャ（スリット24）を使用している。このため
に、曲線を含んでいるような複雑な形状を微細加工する
ことができない欠点があった。

また、長方形スリット24の大きさと、Ｘ−Ｙテーブル
42の移動と、レーザー発振器10の発振・停止との組合せ
によって、加工スポットで連続的に線状の加工を行なっ
たり、ある程度のパターン的な加工は可能であるが、Ｘ
−Ｙテーブル42を移動させて加工する場合の加工精度
は、Ｘ−Ｙテーブル42の精度に大きく依存することにな
る。加工精度の要求が５μｍ程度の加工の場合は、この
ような長方形スリット24とステージ移動の組合せで対応
が可能だが、５μｍ以下の精度を要求される加工におい
ては、次のような問題点が発生する。すなわち、高精度
の繰り返し位置決め精度を持つＸ−Ｙテーブル42は、き
わめて高価で、テーブル位置のフィードバック機構を持
ったテーブルが必要になってくる。また、装置の振動が
問題になり、装置全体を除振台の上に設置したとして
も、Ｘ−Ｙテーブル42の移動にともなう振動が発生し、
加工精度が悪くなる欠点があった。

また、金属製の長方形スリット24は、ナイフエッジ構
造であるために先端を非常に薄くする必要がある。その
ために、レーザー光によってダメージを受けてナイフエ
ッジ部分が欠けてしまったり、曲がってしまう欠点があ
る。また、このダメージを避けるためにナイフエッジ部
分を厚くすると、加工精度が悪くなる。

さらに、光アブレーション効果を利用した加工におい
ては、被加工物41のレーザー照射領域すなわち加工領域
は、レーザーの照射によって一瞬のうちに飛散する。従
来の装置では、被加工物41は大気中に置かれて、大気中
で加工されていた。そのために、大気中で加工した場合
に飛散物の多くは、大気中のガス分子と衝突して散乱さ
れ、加工領域やその周辺に堆積する。そこで、この堆積
物を加工終了後に洗浄する必要があった。また、飛散物
の一部分は、対物レンズ27に到達して、レンズを汚して
しまう欠点があった。

本発明はかかる従来技術の欠点を解決することを課題
とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はレーザ光による光アブレーション効果を利用
して、被加工物の微細加工をするレーザ微細加工装置に
おいて、レーザ光源から前記被加工物に至る光路中に、
所定のパターンでレーザ光を透過、遮断するように形成
されたマスクと、前記マスクを通過したレーザ光を前記
被加工物に縮小投影する光学系と、前記被加工物を真空
もしくは減圧雰囲気下に置いて不活性ガスを加工部位に
噴射する手段とを備えることを特徴とする。

第２の発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を
部分的に透過させたのち被加工物上に縮小投影すること
により前記被加工物の微細加工をするレーザ微細加工装
置において、前記被加工物を観察する観察光学系を備え
ることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、被加工物が配置
される環境を真空もしくは減圧雰囲気にする手段を更に
備えたことを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記環境下にガ
スを供給する手段を更に備えることを特徴とする第５の発明は、第４の発明において、前記ガスは不活
性ガスであることを特徴とする。

第６の発明は、第２の発明において、レーザ光を縮小
投影する反射型の対物レンズを備え、前記対物レンズに
はレーザ光と同軸で可視光が入力可能とされていること
を特徴とする。

第７の発明は、第６の発明において、対物レンズの反
射面はアルミニウムでコーティングされていることを特
徴とする。

第８の発明は、第６の発明において、対物レンズの反
射面は誘電体多層膜でコーティングされていることを特
徴とする。

第９の発明は、第６の発明において、前記可視光は前
記レーザ光による加工位置を示すパイロット光であるこ
とを特徴とする。

第10の発明は、第２の発明において、被加工物と前記
観察光学系との間の光路内に配置されたハーフミラーを
備え、前記ハーフミラーは前記レーザ光を前記被加工物
に導き、前記被加工物からの光を前記観察光学系に導く
ように配置されていることを特徴とする。

第11の発明は、第10の発明において、前記被加工物か
らの光を与えるように、前記被加工物の表面を照明する
落射照明光学系を更に備えることを特徴とする。

第12の発明は、第10の発明において、前記被加工物か
らの光を与えるように、前記被加工物を裏面側から照明
する透過照明光学系を更に備えることを特徴とする。

〔作用〕

上記発明によれば、所定のパターンが形成されたマス
クを透過したレーザー光は、被加工物に縮小投影される
ので、レーザー光の照射された部分で光アブレーション
効果による微細な加工がされる。このとき、被加工物が
減圧雰囲気下に置かれ、ここに不活性ガスが噴射される
ときは、加工部位および近傍を常に清浄な状態に保ち得
る。また、観察光学系や反射型の対物レンズ、或いはハ
ーフミラーを具備することにより、本装置は微細加工に
適することとなる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

第１図に本発明の実施例に係るレーザー微細加工装置
を示す。レーザー光源としてはエキシマレーザー発振器
61を使用している。レーザー光は光軸調整用の２枚のミ
ラー62,63で反射されて、ビームエキスパンダ64に入射
される。ビームエキスパンダ64は凹レンス64aと凸レン
ズ64bで構成されており、レーザービーム径を拡大する
と同時に、マスク66面でのレーザー光強度分布を均一化
する機能を持っている。ビームエキスパンダ64を出たレ
ーザー光は、結合ミラー65で反射されてマスク66に入射
される。結合ミラー65はエキシマレーザー光に対しては
高反射率を持っているが、可視光に対しては透明はミラ
ーであり、誘電体多層膜ミラーを使用できる。結合ミラ
ー65の裏側のパイロット照明部67からは、パイロット光
をレーザー光と同軸に照射する。これによって、被加工
物41表面に加工位置と加工形状が照らし出される。

マスク66としては、石英基板にCr（クロム）を蒸着し
てパターン作成したマスクが使用できる。石英基板はエ
キシマレーザー光を透過するが、Cr蒸着部分はエキシマ
レーザー光を透過しないので、Cr蒸着していない部分が
被加工物41上に縮小投影されて、光アブレーション効果
によって加工される。マスク66はＸ−Ｙ−Ｚの三軸で移
動可能なマスクホルダ68に固定されており、Ｘ−Ｙ軸は
被加工物41の加工平面に対するマスク66の位置を微調整
するために使用される。一方、Ｚ軸はレーザー光の光軸
方向に移動するように設計されており、観察光学系のピ
ント位置と、紫外光であるエキシマレーザー光でつくら
れるマスク66の縮小投影像のピント位置が一致するよう
に調整される。この時、必要であれば、マスクホルダ68
とマスク66は、従来から使用されている長方形スリット
や円形アパーチャと交換できる構造になっている。

マスク66を透過したレーザー光は、結合ミラー71によ
って反射され対物レンズ72に導かれる。結合ミラー71は
レーザー光を反射する一方で、可視光は透過するように
設計されており、ここにも誘電体多層膜ミラーが使用さ
れる。結合ミラー71の裏側からは、被加工物41の表面を
照明するための落射照明装置73からの光が、レーザー光
と同軸方向に入射される。

結合ミラー71で折り返されたレーザー光、パイロット
照明光および落射照明光は、対物レンズ72を通して被加
工物41表面に照射される。この時、落射照明は結像しな
いが、レーザー光とパイロット照明光は、被加工物41表
面でマスクパターンの縮小投影像を結像する。エキシマ
レーザー光は紫外光であるが、パイロット照明光は可視
光であるため、対物レンズ72の焦点距離は紫外光に対し
ても可視光に対しても一致している必要がある。この為
に、対物レンズ72に色消しレンズを使用するか、色収差
の無い反射型の対物レンズを使用する必要がある。ここ
で、屈折型のレンズで色消しレンズを作成すると高価な
ものになり、またレーザー光の光強度を高くしようとす
ると、レンズに色中心が発生したり、さらには光破壊を
起こす危険性がある。一方、反射型レンズでは、原理的
に色収差を持っていない。反射面をアルミニウムコーテ
ィングすれば、エキシマレーザー光に対しても可視光に
対しても高反射率を持たせることが簡単にでき、さらに
誘電体多層膜コーティングをすれば、レーザー光に対す
る耐力も、微細加工用としては十分となる。

被加工物41は真空容器75内に設置されており、Ｘ−Ｙ
テーブル76で移動可能な構造になっている。真空容器75
にはガス配管77aが接続されており、ガス供給系77bから
不活性ガスの導入も可能になっている。ガス配管77aの
先端は非常に細くなっており、被加工物41のレーザー加
工領域にガスジェットとして供給される。真空容器75に
は石英の窓78が取り付けられており、対物レンズ72を通
過した光は石英の窓78を透過し、被加工物41に到達す
る。石英の窓78は、エキシマレーザー光に対する屈折率
と可視光に対する屈折率が異なっているので、マスク66
の位置を前述したマスクホルダ68のＺ軸調整機構を使用
して、観察光学系のピント位置とレーザー光によるマス
ク66のピント位置を一致させている。なお、真空容器75
には真空ポンプ79が付設されている。

真空容器75には被加工物41の裏面から透過照明光が導
入されており、透過光によって加工状態を観察すること
ができる。すなわち、透過照明系80はレンズ、フィル
タ、光ファイバなどを有して構成され、これによる照明
光が被加工物41を裏面から照明するようになっている。

観察光学系は接眼レンズ90と、TVカメラおよびTVモニ
タ91で構成されている。接眼レンズ90を使用して肉眼で
被加工物41を観察できるが、この観察倍率は200倍程度
で、被加工物41の広い範囲を観察できるようにしてあ
る。一方、TVモニタ91では1000倍以上の拡大倍率を持
ち、加工領域のミクロン程度の加工状況や加工位置の確
認に使用される。

なお、上記装置の全体動作は、マイクロコンピュータ
などからなるシステムコントローラ92によって制御され
ている。

次に、上記実施例に係るレーザー微細加工装置の作用
を説明する。

装置の操作手順として、最初に希望する加工パターン
を持ったマスク66を用意し、これをマスクホルダ68に挿
入する。次に、被加工物41は真空容器75内に固定される
が、必要であれば固定後に、真空ポンプ79による真空引
きやガス（例えば窒素ガス）充填の操作を行う。次に、
TVモニタ91によって加工位置を確認し、レーザー光照射
部分と被加工物41の希望加工位置が一致するように、シ
ステムコントローラ92によりＸ−Ｙテーブル76を移動さ
せる。その後、エキシマレーザー発振器61を作動させ、
レーザー光を被加工物41に照射することで、光アブレー
ション効果を生じさせることによって微細加工する。

ここで、上記の実施例装置では、従来使用されていた
長方形スリットに対して、マスク66を使用した事によっ
て加工精度が格段に向上した。具体的には、従来の長方
形スリットを使用して加工した場合には、スリットのナ
イフエッジ部分の精度やＸ−Ｙステージの精度、振動に
よって、５ミクロン以下の加工精度を得ることは困難で
あったが、マスク66を使用することによって２ミクロン
以下の精度が得られるようになった。

また、マスク66として石英基板にCrを蒸着したものを
使用しているので、マスクパターンの精度は１μｍ以下
の非常に高いものが得られる。このため、縮小投影後の
加工エッジ部分の加工精度も、金属製長方形スリットと
比較して向上する。

また、従来技術における長方形スリットでは、精度を
向上させるために薄くすると、レーザー光によるタメー
ジが発生したが、石英基板上に蒸着した金属膜であれ
ば、十分に薄い膜であっても耐力を向上させることがで
きる。さらに、曲線を含んでいるような複雑な図形でも
簡単に加工できるようになった。

また、被加工物41を石英製の窓78のついた真空容器75
内に保持してレーザー照射するので、被加工物41からの
飛散物が対物レンズ72に付着して汚すことがなくなる。
特に、真空容器75内でガスジェットを用いて加工してい
るので、飛散物が被加工物41の表面に堆積することがな
くなった。

上記実施例については、種々の変形が可能である。例
えば、マスク66あるいは窓78は石英に限らず、Al₂O₃、M
gF₂，CaF₂，LiF₂などを用いてもよい。また、パターン
材料としてはCrの他に、ニッケル（Ni）やCr₂O₃を用い
てもよい。さらに、マスク66を金属製で円形あるいは矩
形のアパーチャと交換可能にしてもよい。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明によれば、所定のパ
ターンが形成されたマスクを透過したレーザー光は、被
加工物に縮小投影されるので、レーザー光の照射された
部分で光アブレーション効果による微細な加工がされ
る。このとき、被加工物が減圧雰囲気下に置かれ、ここ
に不活性ガスが噴射されるときは、加工部位を常に清浄
な状態に保ち得る。このため、微細加工を高精度かつ歩
留りよく実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るレーザー微細加工装置の
構成を示す図、第２図は従来装置の構成を示す図であ
る。 41…被加工物、61…エキシマレーザー発振器、66…マス
ク、67…パイロット照明部、73…落射照明装置、75…真
空容器、80…透過照明系。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光による光アブレーション効果を利
用して、被加工物の微細加工をするレーザ微細加工装置
において、レーザ光源から前記被加工物に至る光路中に、所定のパ
ターンでレーザ光を透過、遮断するように形成されたマ
スクと、前記マスクを通過したレーザ光を前記被加工物
に縮小投影する光学系と、前記被加工物を真空もしくは
減圧雰囲気下に置いて不活性ガスを加工部位に噴射する
手段とを備えることを特徴とするレーザ微細加工装置。
【請求項２】レーザ光源から出射されたレーザ光を部分
的に透過させたのち被加工物上に縮小投影することによ
り前記被加工物の微細加工をするレーザ微細加工装置に
おいて、前記被加工物を観察する観察光学系を備えるこ
とを特徴とするレーザ微細加工装置。
【請求項３】前記被加工物が配置される環境を真空もし
くは減圧雰囲気にする手段を更に備えたことを特徴とす
る請求項２に記載のレーザ微細加工装置。
【請求項４】前記環境下にガスを供給する手段を更に備
えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ微細加工
装置。
【請求項５】前記ガスは不活性ガスであることを特徴と
する請求項４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】前記レーザ光を縮小投影する反射型の対物
レンズを備え、前記対物レンズにはレーザ光と同軸で可
視光が入力可能とされていることを特徴とする請求項２
に記載のレーザ微細加工装置。
【請求項７】前記対物レンズの反射面はアルミニウムで
コーティングされていることを特徴とする請求項６に記
載のレーザ微細加工装置。
【請求項８】前記対物レンズの反射面は誘電体多層膜で
コーティングされていることを特徴とする請求項６に記
載のレーザ微細加工装置。
【請求項９】前記可視光は前記レーザ光による加工位置
を示すパイロット光であることを特徴とする請求項６に
記載のレーザ微細加工装置。
【請求項１０】前記被加工物と前記観察光学系との間の
光路内に配置されたハーフミラーを備え、前記ハーフミ
ラーは前記レーザ光を前記被加工物に導き、前記被加工
物からの光を前記観察光学系に導くように配置されてい
ることを特徴とする請求項２に記載のレーザ微細加工装
置。
【請求項１１】前記被加工物からの光を与えるように、
前記被加工物の表面を照明する落射照明光学系を更に備
えることを特徴とする請求項10に記載のレーザ微細加工
装置。
【請求項１２】前記被加工物からの光を与えるように、
前記被加工物を裏面側から照明する透過照明光学系を更
に備えることを特徴とする請求項10に記載のレーザ微細
加工装置。