JP5021258B2

JP5021258B2 - レーザによる溝加工方法

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Publication number: JP5021258B2
Application number: JP2006244581A
Authority: JP
Inventors: 直晃福田; 和良國塩; 茂昭中山
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: JP2008062285A

Description

本発明は、被加工物にシングルモードのレーザビームを照射して溝を形成する溝加工方法に関するものである。

レーザビームを使用した薄膜除去は、半導体薄膜等への様々な製品に利用されている。このレーザビームを用いた薄膜除去の用途の一つとして溝加工がある。この溝加工は、基板表面の所定部分に溝を形成し、この形成した溝部に金属等を蒸着させて電子回路等を形成するものである。

前記のような溝加工では、図５に示したような、奥部から開口面に向けて拡がる、断面が台形状の溝１を形成することが望まれている。その理由は、奥部と開口面が同寸法の、図６に示したような、断面が矩形状の溝２では、溝部にごみが付着した場合に除去し難く、また蒸着時に、矢印で示した溝部の隅の蒸着が不十分となって、導電不良等の原因となるからである。なお、図５、図６中の３は溝加工が施された被加工物である基板を示す。

このような断面が台形状の溝を加工する方法として、従来は、図７に示したように、マスク４ａと絞り４ｂを用いてレーザビーム５を矩形状に加工し、この矩形状に加工したレーザビーム５の強度変化と加工位置を、図７（ａ）〜（ｃ）の順に微小にずらす（反復運動）ことを繰り返すことで行っていた（例えば非特許文献１）。
"New techniques for laser micromachining MEMS devices"in ‘High Power Laser Ablation' SPIE Vol.4760、p281〜288、2002

ところで、非特許文献１で開示された方法では、エネルギ強度分布が均一な、矩形状の照射面形状を有するレーザビーム（いわゆるマルチモードのレーザビーム）が採用されるが、このマルチモードのレーザビームは、発散し易く集光し難いという性質があるため、結像レンズにより倍率を増大させた場合、大きな焦点深度が得られない。

従って、例えば薄膜を有する大型基板に連続して台形状の溝を加工する場合、レーザビームの照射部と大型基板との間に少しの位置ずれがあっても、溝加工の精度に誤差が発生し、加工精度が著しく低下するという問題があった。この場合、例えばオートフォーカス装置などを設置して常に焦点が合った状態にする必要があり、装置が大型化するのと共にコスト面でも不利になる。

また、非特許文献１で開示されたような方法によって台形状の溝を形成する方法では、レーザビームの強度変化と加工位置を微小にずらす（反復運動）ことを繰り返す必要があるので、加工効率が悪いという問題もある。

なお、マルチモードのレーザビームに代えて、エネルギ強度分布が均一でなく、中央が強いシングルモードのレーザビームを使用すれば、焦点深度は大きくなる。しかしながら、本来、シングルモードのレーザビームは、照射面が円形状であるため、基板上に溝を形成する場合には、図８にハッチングで示すように、多くの重なり部分ができる。この重なり部分は、他の部分よりも余分に加工されるので、溝底部に凹凸が発生し、加工精度が悪くなる。また、重なり部分があるために、加工速度が低下して加工効率が悪くなる。

本発明が解決しようとする問題点は、非特許文献１で開示されたようなマルチモードレーザをマスクなどにより、ビーム成形を行うレーザ加工方法や、シングルモードレーザによるレーザ加工方法では、溝加工における加工精度及び加工効率が低下するという点である。

本発明のレーザによる溝加工方法は、
効率良く溝を形成するために、
レーザビームを照射して被加工物に溝を形成するに際し、
品質（Ｍ２）が１．０〜２．０の範囲内のレーザビームを、下記の関係式により求められた縦横比に基づいてビーム成形して使用することを最も主要な特徴としている。
Ｃ＝Ｗmax｛Ｆq×（１−Ｍ²）^1/2｝／Ｖ
但し、Ｃ：縦横比
Ｆq：レーザビーム周波数（Hz）
Ｖ：レーザビームの送り速度（mm／sec）
Ｗmax：溝加工幅（mm）
Ｍ：Ｗmaxに対する加工最小幅

本発明において、品質（Ｍ２）が１．０〜２．０の範囲内のレーザビームを使用するのは、発明者らの実験結果に基づくものである。
すなわち、品質（Ｍ２）が１．０〜２．０のシングルモードのレーザビームでは、大きな焦点深度（例えば０．５mm以上）が得られるからである。一方、２．０を超えると、従来技術である分割や回折による加工と同程度まで焦点深度が小さくなり、前記効果が得られなくなるからである。なお、品質（Ｍ２）は、レンズ等を用いてレーザビームをどこまで細く狭めることができるのかを示すもので、１．０が基準と成る理論値である。

また、本発明では、上記の関係式により求められた縦横比に基づいてビーム成形して使用することで、どのような溝加工幅でも、被加工物におけるレーザビーム前後の照射面の重なり部分を常に最小に抑えることができ、加工精度が向上し、少ないレーザビームの照射により加工効率も向上させることができる。

以下、縦横比に関する上記の関係式について詳細に説明する。
レーザビームの送り速度（mm／sec）をＶ、レーザビームの周波数（Hz）をＦq、１パルス当たりの有効長さをＰ（図４参照）とした場合、これらには、
Ｖ＝Ｆq×Ｐ…(1)
の関係がある。

ここで、レーザビームの縦幅を２ｂ、横幅を２ａとした場合、楕円の方程式はｙ＝（ｂ／ａ）（ａ²−ｘ²）^1/2で表すことができる。

この楕円の方程式において、ｘが許容最小幅Ｗminになる場合を考える。
許容最小幅をＷmin＝２Ｍ・ａのように表現すると、これを上記楕円の式に代入して１パルス当たりの有効長さＰを求めると、ｙ＝（ｂ／ａ）｛ａ²−（Ｍ・ａ）²｝^1/2＝ｂ（１−Ｍ²）^1/2となって、
Ｐ＝２ｂ（１−Ｍ²）^1/2…(2)
となる。

上記(1)(2)式より縦幅２ｂを求めると、下記(3)式となる。
２ｂ＝Ｖ／｛Ｆq×（１−Ｍ²）^1/2｝…(3)
以上より、求めるレーザビームの縦横比Ｃ（＝２ａ／２ｂ）は、上記のようにＣ＝Ｗmax｛Ｆq×（１−Ｍ²）^1/2｝／Ｖで表すことができる。

つまり、上記の関係式によれば、要求される加工幅をＷmax（＝２ａ）mm、要求される加工最小幅をＭとすれば、最も効率の良いレーザビームの縦横比を算出することができる。

逆に、決められたレーザビームの縦横比があり、有効な周波数特性が決まっていれば、最も効率の良い加工速度を算出できる。また、決められたレーザビームの縦横比があり、有効な加工速度が決まっていれば、最も効率の良い周波数を算出できる。

また、上記のように所望の縦横比にレーザビームをビーム成形することにより、レーザビームの広がり角度（レーザビームの縦横方向全てにおける広がり角度）が変化することで、加工精度が著しく低下するため、ビーム成形を行う光学系後段におけるレーザビーム軸上から二つのビーム平行度確認装置に取り込んだレーザビームから得られるレーザビーム軸に対する広がり角度のバラツキを±０．５ミリrad以下に保持すべく制御することで、加工精度の低下を防止することができる。

本発明は、品質（Ｍ２）が１．０〜２．０の範囲内のレーザビームを上記の関係式により求められた縦横比に基づいてビーム成形して使用するので、照射面が円形状のレーザビームを使用した場合に比べて重なり部分を少なくできる（図４参照）。従って、少ないレーザビームの照射で、かつ焦点深度の大きな状態での溝加工が可能になり、精度良く、速い加工速度で溝を形成することができる（図３の加工例を参照）。

また、前記レーザビームの、前記ビーム成形を行う光学系後段におけるレーザビーム軸上から二つのビーム平行度確認装置に取り込んだレーザビームから得られるレーザビーム軸に対する広がり角度のバラツキが±０．５ミリrad以下に保持されていることで、レーザビームの縦横比を可変とすることによる、溝加工精度の低下を防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明のレーザによる溝加工方法を実施する装置の概略構成図と各位置でのレーザビームの照射面形状を示した図、図２は図１の装置を構成するビーム成形ユニットの例を示す図とビーム成形ユニットへの出入側でのレーザビームの画像、コリメート光の画像を示す図である。

図１において、１１はレーザビーム１２を出射するレーザ発振器であり、このレーザ発振器１１から出射された前記レーザビーム１２は、反射鏡１４、集光レンズ１５を経て被加工材である例えば基板３に照射され、基板３に溝加工を施す。

そして、本発明では、前記レーザ発振器１１は、品質（Ｍ２）が１．０〜２．０の範囲内の図１（ｂ）に示すような照射面が円形状の、シングルモードのレーザビーム１２を出射するものを使用する。

加えて、本発明では、前記レーザ発振器１１から出射された前記レーザビーム１２をビーム成形ユニット１３で、上記の関係式で求められた縦横比の、図１（ｃ）に示すような楕円形状の照射面となるように成形した後に基板３に照射する。

このビーム成形ユニット１３は、レーザ発振器１１から出射された前記レーザビーム１２を、上記の関係式で求められた縦横比の楕円形状の照射面となるように成形できるものであれば、その構成は問わないが、例えば図２のようなものが採用される。

図２は、シングルモードのレーザビーム１２を、一方向宛別々に成形できる、例えば２枚のシリンドリカルレンズ１３ａ，１３ｂを組み合わせて、所定の縦横比となるように一方向のレーザビーム１２の寸法を、例えば２〜８倍に増大、もしくは１／２〜１／８に減少させるものである。

このとき、ビーム成形ユニット１３の後段からのレーザビーム１２の広がり角度を維持しながら、基板３に照射しなければならないので、これを補正する必要がある。

この補正は、例えばビーム成形ユニット１３の後段と、できるだけ基板３に近い位置のレーザビーム１２軸上にサンプリングミラー１６ａ，１６ｂを配置して、ビーム平行度確認装置（例えば、レーザプロファイラ）１７ａ，１７ｂに取り込み、レーザプロファイラ１７ａ，１７ｂに写し出したレーザビーム１２の断面形状が合致するように、シリンドリカルレンズ１３ｂの位置を制御し、双方の広がり角度のバラツキを±０．５ミリrad以下となるように調整する。

ここでのレーザビーム１２の広がり角度のバラツキが±０．５ミリrad以下とは、本発明の溝加工に必要な焦点深度が得られる長焦点の光学系（シリンドリカルレンズなど）において、最低限許容される数値である。この数値が±０．５ミリradよりも大きくなると、縦方向のレーザビームの焦点深度が横方向のレーザビームの焦点深度から外れる（またはその逆）ことで、加工精度が悪くなり、好ましくない。連続して安定した加工精度にて溝加工を行うには、広がり角度のバラツキを±０．３ミリrad以下にすることがより好ましい。

なお、図２中の１８は、レーザビーム１２の大きさを変化するために、シリンドリカルレンズ１３ａ，１３ｂ間に設けたズームレンズ群を示す。

従って、本発明方法によれば、連続して断面が台形状の溝加工を行なう場合であっても、図３に示したように、溝の輪郭は略直線状になって、溝底のえぐれもほとんどなく、しかも速い加工速度で、形成することができる。

本発明は、前記の例に限るものではなく、例えば広がり角度のバラツキを±０．３ミリrad以下にするためにシリンドリカルレンズ１３ｂを移動させるのは、手動であっても、自動であっても良いなど、各請求項に記載の技術的思想の範疇内において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

本発明は、薄膜除去だけでなく、被加工物に悪影響を与えるようなレーザ加工を行なうものであれば、微細加工等、どのようなレーザ加工にも適用が可能である。

（ａ）は本発明のレーザによる溝加工方法を実施する装置の概略構成図、（ｂ）はレーザ発振器から出射されたレーザビームの照射面形状を示した図、（ｃ）はビーム成形後のレーザビームの照射面形状を示した図、（ｄ）は基板への照射位置におけるレーザビームの照射面形状を示した図である。（ａ）は図１の装置を構成するビーム成形ユニットの例を示す図、（ｂ）はビーム成形ユニット後段のレーザプロファイラに写し出したレーザビームの断面形状を示す図、（ｃ）は基板に近い位置のレーザプロファイラに写し出したレーザビームの断面形状を示す図である。本発明方法によって加工した例を模式的に示した図である。照射面を楕円形状に成形したシングルモードのレーザビームで溝を形成する場合の説明図である。断面が台形状の溝を示す断面図である。断面が矩形状の溝を示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は非特許文献１に開示された断面が台形状の溝を加工する過程を、順を追って示した図である。シングルモードのレーザビームで溝を形成する場合の問題点を説明する図である。

符号の説明

１台形状の溝
３基板
１１レーザ発振器
１２レーザビーム
１３レーザ成形ユニット
１３ａ、１３ｂシリンドリカルレンズ
１４反射鏡
１５集光レンズ
１７ａ、１７ｂレーザプロファイラ

Claims

レーザビームを照射して被加工物に溝を形成するに際し、
品質（Ｍ２）が１．０〜２．０の範囲内のレーザビームを、下記の関係式により求められた縦横比に基づいてビーム成形して使用することを特徴とするレーザによる溝加工方法。
Ｃ＝Ｗmax｛Ｆq×（１−Ｍ²）^1/2｝／Ｖ
但し、Ｃ：縦横比
Ｆq：レーザビーム周波数（Hz）
Ｖ：レーザビームの送り速度（mm／sec）
Ｗmax：溝加工幅（mm）
Ｍ：Ｗmaxに対する加工最小幅
前記レーザビームの前記ビーム成形を行う光学系後段におけるレーザビーム軸上から二つのビーム平行度確認装置に取り込んだレーザビームから得られるレーザビーム軸に対する広がり角度のバラツキを±０．５ミリrad以下に保持することを特徴とする請求項１に記載のレーザによる溝加工方法。
前記ビーム成形を行う光学系後段、及び被加工物前段に、平行度検出手段を設け、前記平行度検出手段の結果に基づいて、前記光学系の位置制御を行うことによりレーザビームの広がり角度を一定に保持することを特徴とする請求項２に記載のレーザによる溝加工方法。