JP6533644B2 - ビーム整形マスク、レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物にレーザ加工される孔の形状に相似形の開口を有するビーム整形マスクに関し、特にレーザ加工後の孔の縁部にバリが発生するのを防止しようとするビーム整形マスク、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に係るものである。

従来、この種のビーム整形マスクは、投影結像レーザ・アブレーション・システムに使用されるものであって、可撓性フィルムに形成されるアパーチャに相似形のパターンを有しており、該パターンを上記フィルム上に結像することにより、フィルムがレーザアブレートされてフィルム上に上記アパーチャの孔が形成されるようになっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開表２００５−５１７８１０号公報

しかし、このような従来のビーム整形マスクにおいて、上記パターンは、フィルムに形成されるアパーチャに相似形の開口であり、開口内の光透過率が全体に亘って一定であったため、パターン（開口）を透過したレーザ光によりフィルムを貫通して加工されるアパーチャの縁部には、レーザ光の面内強度分布のばらつきに起因して切残し（以下「バリ」という）が発生することがあった。したがって、フィルムに微細な上記アパーチャの貫通孔を精度よく形成することができなかった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、レーザ加工後の孔の縁部にバリが発生するのを防止しようとするビーム整形マスク、レーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるビーム整形マスクは、被加工物にレーザ加工される孔の形状に相似形の開口を有するビーム整形マスクであって、前記開口は、該開口内の光透過率が中央部から周縁部に向かって漸減すると共に、周縁部においても、レーザ光の複数ショットにより前記被加工物を貫通させてレーザ加工できる少なくとも最低限のレーザ強度が確保し得る光透過率を有するように形成されたものである。

また、本発明によるレーザ加工装置は、ビーム整形マスクに形成された開口を被加工物上に縮小投影して、該被加工物に孔をレーザ加工するレーザ加工装置であって、前記ビーム整形マスクは、前記開口を、該開口内の光透過率が中央部から周縁部に向かって漸減すると共に、周縁部においても、レーザ光の複数ショットにより前記被加工物を貫通させてレーザ加工できる少なくとも最低限のレーザ強度が確保し得る光透過率を有するように形成したものである。

さらに、本発明によるレーザ加工方法は、ビーム整形マスクに形成された開口を被加工物上に縮小投影して、該被加工物に孔をレーザ加工するレーザ加工方法であって、前記開口内の光透過率が中央部から周縁部に向かって漸減すると共に、周縁部においても、レーザ光の複数ショットにより前記被加工物を貫通させてレーザ加工できる少なくとも最低限のレーザ強度が確保し得る光透過率を有するように前記ビーム整形マスクに形成された前記開口を複数ショットのレーザ光を透過させ、前記開口を透過した前記複数ショットのレーザ光を前記被加工物に照射して前記被加工物に前記孔を加工するものである。

本発明によれば、レーザ加工後の孔の縁部にバリが発生するのを防止することができる。したがって、被加工物に微細な孔を精度よく形成することができる。

本発明によるビーム整形マスクの一実施形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＯ−Ｏ線断面矢視図である。 本発明によるビーム整形マスクの開口内の光透過率を説明する図であり、（ａ）は開口内の中心線に沿った光透過率特性の一例を示すグラフ、（ｂ）はハーフトーンを示す説明図、（ｃ）は（ｂ）のハーフトーンの形成例を示す説明図である。 本発明によるレーザ加工装置の一実施形態の概略構成を示す説明図である。 従来技術のビーム整形マスクを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は開口内の中心線に沿った光透過率特性の一例を示すグラフである。 従来技術のビーム整形マスクを使用したレーザ加工例を示す説明図であり、（ａ）はレーザ照射開始時を示し、（ｂ）はレーザ加工途中段階を示し、（ｃ）はレーザ加工後の状態を示す。 本発明によるビーム整形マスクを使用したレーザ加工例を断面で示す説明図である。 本発明によるビーム整形マスクを使用したレーザ加工例を平面で示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるビーム整形マスクの一実施形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＯ−Ｏ線断面矢視図である。また、図２は本発明によるビーム整形マスクの開口内の光透過率を説明する図であり、（ａ）は開口内の中心線に沿った光透過率特性の一例を示すグラフ、（ｂ）はハーフトーンを示す説明図、（ｃ）は（ｂ）のハーフトーンの形成例を示す説明図である。このビーム整形マスク１は、被加工物にレーザ加工される孔の形状に相似形の開口を有するもので、透明基板２と、遮光膜３と、開口４と、を備えて構成されている。

上記透明基板２は、特に、シート状の被加工物である樹脂製のフィルムをアブレートすることができる波長が４００ｎｍ以下のレーザ光を高い透過率で透過するもので、例えば石英基板である。又は、透明なガラス基板であってよい。

上記透明基板２の一面を覆って、遮光膜３が設けられている。この遮光膜３は、レーザ光の透過を遮断するもので、例えばクロム（Ｃｒ）等から成る厚みが１００ｎｍ程度の金属膜であり、スパッタリング、蒸着等の公知の成膜技術を利用して透明基板２上に成膜される。

上記遮光膜３には、開口４が設けられている。この開口４は、フィルムに照射されるレーザ光の光軸に交差する横断面形状を整形するためのもので、遮光膜３に形成されたレーザ光が通過する孔であり、フィルムにレーザ加工される開口パターンの孔の形状と相似形を有して、図１（ａ）に示すように、縦横に並べて複数個が設けられている。

詳細には、開口４は、図２（ａ）に示すように、該開口４内の光透過率が中央部から周縁部に向かって漸減すると共に、周縁部においても、レーザ光の複数ショットにより上記フィルムを貫通させてレーザ加工（アブレート）できる少なくとも最低限のレーザ強度を確保し得る、例えば６０％程度の光透過率を有するように形成されている。上記光透過率の漸減の仕方は、線形的であっても非線形的であってもよい。

開口４内の光透過率が上述のように中央部から周縁部に向かって漸減する特性を有するようにするためには、図２（ｂ）に示すような開口４内をハーフトーンにするとよい。そのためには、同図（ｃ）に示すように、開口４内に上記遮光膜３と同じ金属膜からなる複数の遮光ドット５を、中央部から周縁部に向かってその大きさが大きくなるように又は配置密度が高くなるように形成するとよい。なお、遮光ドット５のサイズは、結像レンズ９と対物レンズ１０からなる光学系の分解能よりも小さいサイズとするのがよい。又は、開口４内の光透過率を中央部から周縁部に向かって漸減させるためには、複数の遮光線を中央部から周縁部に向かってその幅が大きくなるように形成してもよく又は配置密度が高くなるように形成してもよい。遮光膜３に上記のような開口４を形成するためには、遮光膜３を覆ってフォトレジストを塗布し、フォトマスクを使用して上記フォトレジストを露光及び現像してレジストマスクを形成した後、表面に露出した上記遮光膜３の部分をウェットエッチングや、ドライエッチング等の公知のエッチング技術を利用して除去することにより形成することができる。

フィルムの開口パターンが複数ショットのレーザ照射により形成される場合には、１ショットのレーザ加工時においても、フィルムに投影される上記開口４の周縁部のレーザ強度は、最低でもフィルムをアブレートし得るだけの値であることが必要である。これにより、フィルムの上記投影された開口４に対応する部分がレーザ光の複数ショットで完全にアブレートされて除去され、フィルムに上記開口パターンが形成される。この場合、フィルムには、開口パターンの孔がその中央部から周縁部に向かって徐々に広がって形成されるため、開口パターンの周縁部にバリが発生するおそれがない。

次に、本発明のビーム整形マスク１を備えたレーザ加工装置の実施形態について説明する。図３は本発明によるレーザ加工装置の一実施形態の概略構成を示す説明図である。
上記レーザ加工装置は、ＸＹステージ６と、該ＸＹステージ６の上方に、レーザ光Ｌの進行方向の上流から下流に向かってレーザ光源７と、カップリング光学ユニット８と、ビーム整形マスク１と、結像レンズ９と、対物レンズ１０とをこの順に備えている。また、対物レンズ１０から結像レンズ９に向かう光路がハーフミラー１１で分岐された光路上には、撮像カメラ１２が配置され、対物レンズ１０から結像レンズ９に向かう光路が、４００ｎｍ以下の波長のレーザ光Ｌを透過し、可視光を反射するダイクロイックミラー１３で分岐された光路上には、照明光源１４が配置されている。

ここで、ＸＹステージ６は、上面に可視光を透過する樹脂製のフィルム１５を載置してＸＹ平面に平行な面内をＸ，Ｙ方向に移動するもので、図示省略の制御装置によって制御されて、予め入力して記憶された移動量だけステップ移動するようになっている。

上記レーザ光源７は、波長が４００ｎｍ以下のレーザ光Ｌを発生する、例えばＫｒＦ２４８ｎｍのエキシマレーザや、１０６４ｎｍの第３高調波や第４高調波のレーザ光Ｌを放射するＹＡＧレーザである。レーザ光Ｌは、赤外線や可視光線であってもよいが、フィルム１５をアブレートするには紫外線が好ましい。

また、上記カップリング光学ユニット８は、レーザ光源７から放射されたレーザビームを拡張するビームエキスパンダと、レーザ光Ｌの輝度分布を均一にして後述のビーム整形マスク１に照射するフォトインテグレータ及びコンデンサレンズを含むものである。

上記ビーム整形マスク１は、フィルム１５に照射されるレーザ光Ｌを、レーザ加工される開口パターンに相似形の断面形状を有する複数本のレーザ光Ｌに整形して射出するもので、図１（ａ）に示すように、フィルム１５に形成される開口パターンに対して予め定められた所定の拡大倍率Ｍで形成された複数の開口４を、予め定められた単位領域内に位置する複数の開口パターンの配列ピッチのＭ倍のピッチで配置して備えたもので、透明な石英基板に被着させたクロム（Ｃｒ）等の遮光膜３に上記開口４を形成したものである。

詳細には、上記ビーム整形マスク１は、前述したように開口パターンに相似形の開口４を有し、該開口４内の光透過率を、図２（ａ）に示すように中央部から周縁部に向かって漸減させると共に、周縁部においてもフィルム１５をレーザ加工できる少なくとも最低限のレーザ強度を確保し得る、例えば６０％程度の光透過率が得られるように構成されている。

上記結像レンズ９は、後述の対物レンズ１０と協働してビーム整形マスク１に形成された複数の開口４をフィルム１５上に予め定められた倍率Ｍで縮小投影するもので集光レンズである。

また、上記対物レンズ１０は、上記結像レンズ９と協働してビーム整形マスク１に形成された複数の開口４をフィルム１５上に予め定められた倍率Ｍで縮小投影すると共に、例えばフィルム１５の裏面側に配置され、レーザ光Ｌの照射の位置決め基準となる基準パターンを設けた透明な基準基板１６の上記基準パターンの像を取り込んで後述の撮像カメラ１２により撮影可能とするものである。そして、対物レンズ１０の結像位置とビーム整形マスク１とは共役の関係を成している。

上記撮像カメラ１２は、基準基板１６に設けられた上記基準パターンを撮影するものであり、例えば２次元画像を撮影するＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等である。そして、対物レンズ１０の結像位置と撮像カメラ１２の撮像面とは共役の関係を成している。

上記照明光源１４は、可視光を放射する例えばハロゲンランプ等であり、撮像カメラ１２の撮像領域を照明して撮像カメラ１２による撮影を可能にさせるものである。

なお、図３において、符号１７は対物レンズ１０と協働して基準基板１６の基準パターンの像やレーザ加工により形成される開口パターン２０の像等を撮像カメラ１２の撮像面に結像させる結像レンズであり、符号１８はリレーレンズ、符号１９は全反射ミラーである。

次に、このように構成されたレーザ加工装置を使用して行うレーザ加工方法について説明する。ここでは、フィルム１５に開口パターンを形成する場合について説明する。
先ず、ＸＹステージ６上に基準基板１６を、基準パターンを形成した面１６ａをＸＹステージ６側として載置し固定すると共に、基準基板１６の基準パターンを形成した面１６ａとは反対側の面１６ｂにフィルム１５を密着させる。

次いで、ＸＹステージ６を移動させて対物レンズ１０がフィルム１５のレーザ加工開始位置に位置付けられる。詳細には、撮像カメラ１２により、レーザ加工開始位置の単位領域の例えば中心位置に対応して上記基準基板１６に設けられた基準パターンをフィルム１５を透かして撮影し、該基準パターンを撮像中心に位置付ける。なお、この撮像中心は、対物レンズ１０の光軸に合致している。

続いて、レーザ加工装置のレーザ光学ユニットを対物レンズ１０の光軸に沿って予め定められた距離だけＺ軸方向に上昇させ、対物レンズ１０の結像位置をフィルム１５と上記基準基板１６との界面に位置付ける。

引き続いて、レーザ光源７が起動されてパルス発振し、複数ショットのレーザ光Ｌが放射される。放射されたレーザ光Ｌは、カップリング光学ユニット８により拡張され、強度分布が均一にされたレーザ光Ｌとなってビーム整形マスク１に照射する。

ビーム整形マスク１に照射したレーザ光Ｌは、該ビーム整形マスク１の複数の開口４を透過することにより光軸に交差する横断面形状が開口パターンの形状と相似形に整形されて、複数のレーザ光Ｌとなってビーム整形マスク１を射出する。そして、対物レンズ１０により、フィルム１５上に集光される。

この場合、図４（ａ）に示すような、開口４内の光透過率が同図（ｂ）に示すように全体に亘って略一定である従来技術のビーム整形マスク１では、整形されたレーザ光Ｌの面内強度分布は、許容範囲内のばらつきを有して全体的に略均一となる。したがって、このようなレーザ光Ｌによりフィルム１５を加工すると、図５（ａ）に示すレーザ照射開始時から同図（ｂ）に示すレーザ加工途中段階では、全体に亘って略一定の深さで開口パターン２０の穴２１が形成さる。しかし、開口パターン２０の穴２１がフィルム１５を貫通する直前においては、レーザ光Ｌの面内強度分布のばらつきに起因して、開口パターン２０の穴２１が貫通する部分と貫通しない部分が生じる。したがって、同図（ｃ）に示すように、開口パターン２０のレーザ光照射側とは反対側の縁部にバリ２２が生じることがあった。

一方、本発明においては、図２（ａ）に示すように、上記開口４内の光透過率が中央部から周縁部に向かって漸減すると共に、周縁部においても、レーザ光Ｌの複数ショットによりフィルム１５を貫通させてアブレートし得るレーザ強度が確保できるように最低でも６０％程度の光透過率が得られるようにしているので、図６（ａ）及び図７（ａ）に示すように、フィルム１５には、レーザ強度の強い中央部から穴２１が加工され、複数ショットのレーザ光Ｌの照射により、穴２１が図６（ｂ）〜（ｄ）及び図７（ｂ）〜（ｄ）に示すように徐々に深さを増すと共に大きくなり、図６（ｅ）及び図７（ｅ）に示すように、最終的にフィルム１５を周縁部まで貫通させて開口パターン２０が形成される。

このように、本発明によれば、フィルム１５には、開口パターン２０の穴２１がその中央部から周縁部に向かって徐々に広がって形成されるため、開口パターン２０の周縁部にバリ２２が発生するおそれがない。

このようにしてレーザ加工開始位置の単位領域に複数の開口パターン２０が形成されると、ＸＹステージ６がＸ又はＹ軸方向に予め定められた距離だけステップ移動し、２番目の単位領域、３番目の単位領域…と、各単位領域に順繰りに複数の開口パターン２０がレーザ加工される。こうして、フィルム１５の予め定められた所定位置に複数の開口パターン２０が形成される。

複数の開口パターン２０の形成は、前述したように、レーザ加工開始位置の単位領域の例えば中心位置に対応して上記基準基板１６に設けられた基準パターンを撮像カメラ１２で撮影し、上記基準パターンの位置を確認した後、該基準パターンの位置を基準にしてＸＹステージ６をＸ，Ｙ方向にステップ移動しながら行われる。その際、ＸＹステージ６の機械精度に基づいて予め定められた所定距離だけステップ移動しながら各単位領域に複数の開口パターン２０を形成してもよく、又は各単位領域の中心位置に対応して基準基板１６に設けられた基準パターンを撮像カメラ１２で撮影し、該基準パターンに撮像カメラ１２の例えば撮像中心（対物レンズ１０の光軸に一致）を位置決めした後、複数の開口パターン２０をレーザ加工してもよい。さらには、ＸＹステージ６を予め定められた所定距離だけステップ移動しながら、ビーム整形マスク１に設けられた１つの開口４を通過させた１本のレーザ光Ｌをフィルム１５に照射し、複数の開口パターン２０を形成してもよい。

なお、上記実施形態においては、ＸＹステージ６をＸＹの二次元方向に移動する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、対物レンズ１０を含むレーザ光学ユニット側を移動してもよく、又はステージ及びレーザ光学ユニットの両方を相対的に移動してもよい。

また、上記実施形態においては、被加工物が樹脂製のフィルム１５である場合について説明したが、本発明はこれに限られず、被加工物は、少なくとも一つの上記開口パターン２０を内包する大きさの貫通孔を設けたメタルマスクと、樹脂製フィルム１５とを積層させた積層体の前記フィルム１５であってもよい。又は、被加工物は、シート状の金属箔であってもよい。

１…ビーム整形マスク
４…開口
１５…フィルム（被加工物）
２０…開口パターン（被加工物の孔）
Ｌ…レーザ光

Claims (7)

1. 被加工物にレーザ加工される孔の形状に相似形の開口を有するビーム整形マスクであって、
   前記開口は、該開口内の光透過率が中央部から周縁部に向かって漸減すると共に、周縁部においても、レーザ光の複数ショットにより前記被加工物を貫通させてレーザ加工できる少なくとも最低限のレーザ強度が確保し得る光透過率を有するように形成されたことを特徴とするビーム整形マスク。
2. 前記開口は、縦横に並べて複数個が設けられていることを特徴とする請求項１記載のビーム整形マスク。
3. 前記被加工物は、樹脂製のフィルムであることを特徴とする請求項１又は２記載のビーム整形マスク。
4. ビーム整形マスクに形成された開口を被加工物上に縮小投影して、該被加工物に孔をレーザ加工するレーザ加工装置であって、
   前記ビーム整形マスクは、前記開口を、該開口内の光透過率が中央部から周縁部に向かって漸減すると共に、周縁部においても、レーザ光の複数ショットにより前記被加工物を貫通させてレーザ加工できる少なくとも最低限のレーザ強度が確保し得る光透過率を有するように形成したものであることを特徴とするレーザ加工装置。
5. 前記被加工物は、樹脂製のフィルムであることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
6. ビーム整形マスクに形成された開口を被加工物上に縮小投影して、該被加工物に孔をレーザ加工するレーザ加工方法であって、
   前記開口内の光透過率が中央部から周縁部に向かって漸減すると共に、周縁部においても、レーザ光の複数ショットにより前記被加工物を貫通させてレーザ加工できる少なくとも最低限のレーザ強度が確保し得る光透過率を有するように前記ビーム整形マスクに形成された前記開口を複数ショットの前記レーザ光を透過させ、
   前記開口を透過した前記複数ショットのレーザ光を前記被加工物に照射して前記被加工物に前記孔を加工する、
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
7. 前記被加工物は、樹脂製のフィルムであることを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。