JP4292906B2

JP4292906B2 - レーザパターニング方法

Info

Publication number: JP4292906B2
Application number: JP2003273979A
Authority: JP
Inventors: 昌樹近藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: JP2005037648A

Description

本発明は、レーザパターニング方法に関するものである。

従来技術におけるピーク出力の高いレーザ発振器については、その発振パルスの幅が小さくすることで得られる。既に１９６０年代からナノ秒、１９９０年代からはチタンサファイアレーザでのフェムト秒や過飽和吸収鏡を用いたピコ秒のパルス幅を持つレーザが開発・市販され、様々な分野で利用されてきた。

近年では、更にピコ秒、フェムト秒の領域で半導体レーザを用いてレーザ媒質に励起させ発振する製品として市販され、レーザの専門家以外にも利用しやすいものとなっている。このような短パルスな高ピーク出力を持つレーザは、加工物への熱的損傷が少なく特に薄膜加工や樹脂加工の微細加工に適しているとされている。従来にもナノ秒レーザを使った微細加工やエキシマレーザの紫外光を使ったアブレーション加工があったが、これらのレーザのパルス幅が大きいため熱的損傷は否めない。したがって、短パルス高ピーク出力のレーザによる微細加工は加工面が良好であることが特徴となる。しかし、ビームの集光径は理想的にはその回折限界までしか集光できない。

一般にレーザ光が理想的にＴＥＭ００であり、その回折限界までレーザ光を集光した場合、その集光径ｄは、

で示される。ここでλはレーザ波長、ｆは集光レンズ焦点距離、ｗは集光レンズでのビーム径である。式（１）から小さい集光径を得るには、短波長レーザで、λを小さくするかＮＡの大きな焦点距離の小さいレンズで大きなビームを使うことが考えられる。しかしながら、やみくもに大きなビームを使うと集光レンズの収差により最小集光径が得られない場合があり、また、焦点深度はＮＡの２乗に比例し小さくなるので比加工材との距離を調節しながら加工する方式が必要となる。

式（１）はレーザの集光径だけを表した式で実際に加工物に照射した場合、レーザのエネルギだけでなく材料の波長による吸収特性、形状、表面状態によりその大きさは異なる。

図５に従来の加工システムを示す。（例えば非特許文献１参照）。ナノ秒以下のパルス幅を持つレーザ発振器１０１（以下「短パルスレーザ発振器」と称す）はフェムト秒またはピコ秒のパルス幅を持つレーザ発振器である。短パルスレーザ発振器１０１から発した光はアッテネータ１１１でその出力はコントロールされる。アッテネータ１１１は１／２波長板１０２と偏光板１０３により偏光面を回転させ一定の偏光方向だけの光を通過させることにより出力をコントロールする。出力されたレーザ光をモニターして１／２波長板１０２の回転角を調整することにより出力をフィードバックすることもできる。このように出力を制御し、また、制御された光は一方向の偏光を有する光となる。更にこの光はビームエクスパンダー１０４により平行化拡大される。市販品では拡大率は２倍から８倍までできる。その後レーザ光はアパーチャ１０７を通過する。アパーチャの径は可変である。通常アパーチャは迷光やレーザ光そのものにその形状を成形する時に用いられる。

また、ＨｅＮｅレーザ等での光軸調整時にアパーチャを基準としてその中心にレーザ光は通過するように調整をするのに必要である。アパーチャ１０７を通過したレーザ光は集光レンズ１０８により集光されステージ１０９上に装填された基板１１０を加工する。図５及び式（１）から集光径ｄを小さくするには、波長λを小さくする。ＮＡを１に近づける。このことは、ビームエクスパンダー１０４の倍率を上げる（すなわちｗを大きくする）、集光レンズ１０８の焦点距離ｆを小さくすることになる。

しかし、例えばＮＡ＝１のレンズがあったとしても、最小径は波長１．２２倍にしか集光できない。仮に可視光を発するレーザ光で波長８００ｎｍでは９７６ｎｍのビーム径しか得られない。しかし、このような高ＮＡの集光系では焦点深度は小さくなり焦点距離の調整のためにオートフォーカス機能などを設置することが必要になる。露光装置に見られるように集光レンズとウェハ位置調整のためフォーカス方向の調整、あおりなどの調整が必要となっている。

なお、リソグラフィではレーザの波長を２００ｎｍ以下を用い、ＮＡ＝０．６５として微細パターンの形成を行っている。
池田正幸他著「レーザプロセス技術ハンドブック」朝倉書店，１９９２年４月発行，Ｐ４７９，図３，２，４６

しかしながら前述する構成では、回折限界以下の集光径が得られないことから微細溝加工を行う場合には、結局、高ＮＡの光学系を使用するか、短波長のレーザを用いるかである。高ＮＡの光学系を用いた微細加工方法では、焦点深度が小さくなるためフォーカス調整が必要なり設備コスト高になる。また、短波長のレーザを用いることで微細化を計ることは最近では稀はないが、可視、赤外領域対応のレーザにくらべ紫外用レーザはコスト高でありメンテナンスも必要である。

光学部品についても可視、赤外用光学部品の方がはるかに一般的で耐久性も紫外用に比べると高く、コストも安い。波長、高ＮＡに対応する装置は結局コスト高となる。

一方、微細加工のパターン加工ではビーム分割による同時加工を行い直接描画しパターンを形成する方法やリソグラフィによる一括パターン形成する方法がある。ビーム分割した場合でも上述した回折限界以下の集光径を得るには短波長のレーザと高ＮＡの光学系により同様なコスト高になり、またリソグラフィの場合には高価な設備とパターン形成のためにマスクが必要で製作日数、コストが更にかかるという問題点を有する。

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、微細溝を形成することが可能なレーザパターニング方法を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明ではピーク出力が２．２ＭＷ以上のレーザ光をビームエクスパンダーにより拡大するとともに平行光線化し、前記拡大平行光線化されたレーザ光を集光レンズにより集光し、さらに、前記集光されたレーザ光の焦点位置近傍に設置した非線形光学材料部の終端にて前記集光されたレーザ光を回折限界以下に集光し、前記回折限界以下に集光されたレーザ光と基板上の薄膜材料とを相対的に移動させて加工を行うことを特徴とする。

この方式によれば非線形光学材料内であって集光位置近傍の高エネルギ領域では、非線形光学材料の非線形効果によりビームは自己集束を起こし、回折と自己集束がつりあうことによる自己束縛でビームは一定の微小径で非線形光学材料内を伝播し、非線形材料の終端またはその付近にて微小径で被加工物を加工する。本発明の第２の請求項にあるように、非線形光学材料を石英とし、２．２ＭＷ以上のピーク出力にとり、石英は非線形光学効果を起こす。これにより、微小径により被加工物を加工する。

一方、パターン形成をする場合は、１光束を被加工物と相対的移動により加工する場合と、多光束に分割し相対的移動によりパターン形成する場合がある。後者の場合、拡大平行光線化されたレーザ光を複数本に分割し、前記集光レンズの代わりにエフシータレンズを用いることにより前記複数本に分割されたレーザ光をそれぞれ集光させることを特徴とする。

また、拡大平行光線化されたレーザ光を複数本に分割し、前記複数本に分割されたレーザ光を集光レンズで再度集光し、前記再度集光されたレーザ光を非線形光学材料内で干渉させることを特徴とする。

これはいわゆる干渉露光方式によるパターニングである。これによれば、干渉縞を形成しこの縞と被加工物との相対移動によりパターニングする方式となる。

以上のことから、本発明によれば、集光位置近傍の高エネルギ領域では、非線形効果によりビームは自己集束を起こし、また、回折と自己集束が釣り合うことによる自己束縛でビームは、一定の微小径で非線形光学材料を伝播するため、非線形材料の終端またはその付近にて微小径で薄膜材料を加工することができる。

図１は本発明第一の実施形態に係る構成を示す図である。以下、図１を参照しながら本実施形態の動作仕様を説明する。２．２ＭＷ以上のピーク出力を有するレーザ発振器１から照射されたレーザ光は、２つのミラー２ａ、２ｂによって、所望の角度に折り曲げられ、ビームを平行拡大するビームエクスパンダー３に入射される。その後、折り曲げミラー４によりビームは曲げられ、集光レンズ５に入射される。焦点近傍に置かれた非線形光学材料は、レーザの高エネルギ密度のため非線形効果を生じる。一般に物質の屈折率ｎは、

となる。ここでＩは入射した光のエネルギ密度（ｃｍ²／ＭＷ）、ｎ０は初期屈折率、ｎ２は非線形係数である。ｎ２*ＩはＩが閾値（石英の場合２．２ＭＷ）を超えると非線形性を示す。

そのため図２に示すように、図２（ａ）では、例えばレーザピーク出力が２．２ＭＷ以下の場合で、非線形光学材料をレーザ光は焦点付近では一旦集光するが（ビーム径は回折限界以上）再び拡大する。しかし、ピーク出力が２．２ＭＷ以上の場合は、図２（ｂ）に示すように、高ピーク出力のためビームを式（２）に従って回折限界以下に集光されていく。

ここで光の回折（図２（ｂ）の破線）により広がろうとする働きと非線形効果による集光する働き（自己集束）が釣り合うと光は、回折限界以下のビーム径でその直径を維持したまま非線形光学材料内を伝播する。この高ピーク出力のレーザ光により、非線形光学材料６の終端に設置された薄膜材料７が加工できる。薄膜材料は、基板８に形成されている。

この場合薄膜材料７、基板８をステージ上に装填し、光軸と基板８とを相対移動させることで薄膜材料のパターン形成が可能になる。

本発明の第２の発明の実施形態として非線形光学材料６に石英を用いることで２．２ＭＷのピーク出力で薄膜材料８が加工できる。

図３に本発明の第３の発明の実施形態を示す。２．２ＭＷのピーク出力を持つレーザ発振器１から照射されたレーザ光は、２つのミラー２ａ、２ｂにより折り曲げられ、ビームを平行拡大するビームエクスパンダー３に入射する。その後、折り曲げミラー４によりビームは曲げられビームスプリッタ９に入射し、複数本のビームに分割される。それぞれのビーム（光束）はエフシータレンズ１０により入射した位置から垂直に集光、伝播しそれぞれが非線形光学材料６に入射する。

この場合、それぞれのビームのピーク出力は非線形効果を起こす２．２ＭＷ以上必要で、分割した場合の分割数に比例したレーザ出力が必要である。それぞれのビームは回折限界以下で薄膜材料８を加工する。図中１１はビームと薄膜材料との相対移動させる２軸のあおり機能をもつ駆動手段で折り返しミラー４のあおりを行うことでビームを移動させることができる。

図４に本発明の第４の発明の実施の形態を示す。２．２ＭＷのピーク出力を持つレーザ発振器１から照射されたレーザ光は２つのミラー２ａ、２ｂにより折り曲げられ、ビームを平行拡大するビームエクスパンダー３に入射する。その後、折り曲げミラー４によりビームは曲げられビームスプリッタ９に入射し、複数本のビームに分割される。それぞれのビーム（光束）は集光レンズ１０により平行光線化され再度集光する。その際生じる干渉が非線形光学材料６内で生じる。

この場合、それぞれの干渉ビームのピーク出力は非線形効果を起こす２．２ＭＷ以上必要で、分割した場合の分割数に比例したレーザ出力が必要である。それぞれのビームは回折限界以下で薄膜材料８を加工する。

本発明の第１の実施形態を示す概略図本発明の第１の実施形態に係る基本原理を示す図本発明の第３の実施形態を示す概略図本発明の第４の実施形態を示す概略図従来のレーザパターニング方法を示す図

符号の説明

１レーザ発振器
２ａミラー
２ｂミラー
３ビームエクスパンダー
４折り曲げミラー
５集光レンズ
６非線形光学材料
７薄膜材料
８基板

Claims

ピーク出力が２．２ＭＷ以上のレーザ光をビームエクスパンダーにより拡大するとともに平行光線化し、前記拡大平行光線化されたレーザ光を集光レンズにより集光し、さらに、前記集光されたレーザ光の焦点位置近傍に設置した非線形光学材料部の終端にて前記集光されたレーザ光を回折限界以下に集光し、前記回折限界以下に集光されたレーザ光と基板上の薄膜材料とを相対的に移動させて加工を行うことを特徴とするレーザパターニング方法。
前記非線形光学材料は石英であることを特徴とする請求項１に記載のレーザパターニング方法。
前記拡大平行光線化されたレーザ光を複数本に分割し、前記集光レンズの代わりにエフシータレンズを用いることにより前記複数本に分割されたレーザ光をそれぞれ集光させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザパターニング方法。
前記拡大平行光線化されたレーザ光を複数本に分割し、前記複数本に分割されたレーザ光を集光レンズで再度集光し、前記再度集光されたレーザ光を非線形光学材料内で干渉させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザパターニング方法。