JP7278868B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ライン状のレーザ光をマスクに対して走査して、マスクを通過した光にて基板を加工するレーザ加工装置に関し、特に、振動によって光学的な位置関係がずれることを防止するようにしたものである。

樹脂、シリコン等の非金属材料である被加工物（ワークピース、例えばプリント基板の樹脂層）を、マスクを透過したライン状のレーザ光が走査することによって、被加工物をマスクのパターンの形状（例えばビア）にアブレーション加工（ablation：融解、蒸発による除去加工）することが知られている（例えば特許文献１参照）。なお、ライン状のレーザ光とは、光軸に直交する平面における光束の断面形状がライン状であるレーザ光を意味する。プリント配線板の一種であるパッケージ基板では、ビア（ＶＩＡ）を用いて配線の層間接続を行う。なお、ビア径は数十μｍ～数μｍである。ビア径が小さく精密な加工を要する場合、エキシマレーザ（ＫｒＦレーザ、波長２４８ｎｍ）を用いたアブレーションによる加工がなされる。

特許文献１のレーザ加工装置では、レーザ光の照射位置が固定とされ、マスクが移動される。また、マスクの移動方向と平行な方向に移動自在のテーブル１３上にプリント基板１が固定されている。加工時には、固定のレーザビームに対してマスク１１とプリント基板１が逆方向に移動され、マスク１１に形成された導体パターンをプリント基板１に縮小転写させるようになされている。

また、特許文献２に記載のレーザ加工装置は、コンタクトマスク１４－２に対してこれと同幅以上の長さ方向のサイズを持つ線状ビームを一軸方向にスキャンすることによってプリント配線基板２０の加工領域に対するスキャンを行なうようにされている。例えば反射ミラー１３をＬ軸方向に可動とすることで実現している。ｘ－ｙステージ機構３０によってプリント配線基板２０の加工領域の移動がなされる。

特開２００１－０７９６７８号公報 特開２００８－１４７２４２号公報

特許文献１の構成は、レーザ照射位置を固定としているが、マスクの移動、テーブル１３の動きによって振動が発生する。特許文献２の場合では、反射ミラー１３のスキャン機構、ｘ－ｙステージ機構３０などで発生する振動が発生する。しかしながら、特許文献１及び２のいずれも、振動に対しての対策を行っていないので、加工の精度が低下するおそれがあった。すなわち、スキャン機構や加工ステージの移動に伴って、振動の発生や、装置重心の変化が生じる。それにより、照明光学系と、マスクと、投影光学系と、基板とが、それぞれ別々の移動量で振動することで、マスクパターンの投影位置に誤差を生じる。そのため、振動が収束するのを待って加工を開始する必要があるが、その時間の分生産性が低下する。特に、制振機構がパッシブ除振装置の場合は、振動の収束に時間がかかる。アクティブ制振装置を使用する場合は振動が軽減されるが、装置が高価になる。

したがって、本発明の目的は、揺動による加工の精度の低下、あるいは生産性の低下を防止するようにしたレーザ加工装置を提供することにある。

本発明は、ライン状の加工用レーザ光をマスクに照射すると共に、走査機構によってマスクを走査する照明光学系と、
マスクを介された加工用レーザ光を被加工物に照射する投影光学系と、
被加工物が載置されると共に、ｘ－ｙ方向に被加工物を移動させる被加工物載置テーブルと、
一体で変位するように、照明光学系、マスクの支持部、投影光学系及び前
記被加工物載置テーブルが固定される支持体と、
支持体の振動を抑制する制振装置とを備え、
照明光学系がライン状の加工用レーザ光を出射し、走査機構が加工用レーザ光をライン方向と直交する方向に直線的に変位させるようにしたレーザ加工装置である。

少なくとも一つの実施形態によれば、本発明は、レーザ加工装置が揺動（振動）した場合でも、精度を保つことができ、揺動状態にあってもレーザ加工を実施できるので、生産性を向上することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書に記載されたいずれかの効果又はそれらと異質な効果であっても良い。

図１は、本発明を適用できるレーザ加工装置の概略的構成を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態の正面図である。 図３は、本発明の一実施形態の斜視図である。 図４は、本発明の一実施形態におけるビーム位置補正部の説明に使用する略線図である。 図５は、本発明の一実施形態に使用する反射ミラーの説明に使用する拡大斜視図である。 図６は、本発明の一実施形態に使用する基板の一例の拡大平面図である。

以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。

図１は本発明が適用可能な加工装置例えばレーザ加工装置の一例の概略構成図である。レーザ加工装置は、レーザ光源１１を有する。レーザ光源１１は、例えば波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光をパルス照射するエキシマレーザ光源である。レーザ光がライン状レーザ走査機構１２に供給される。

ライン状レーザ走査機構１２は、レーザ光束を長方形状（ライン状、例えば１００×０．１ （mm））に整形する照明光学系と、ライン状レーザ光ＬＢがマスク１３を走査するための走査機構（直動機構）を有している。ライン状レーザ走査機構１２は、ｘ方向に変位するものである。

マスク１３には、被加工物（以下、基板Ｗと適宜称する）に対してアブレーションによって形成する加工パターンに対応したマスクパターンが形成されている。すなわち、ＫｒＦエキシマレーザを透過する基材（例えば石英ガラス）に、ＫｒＦエキシマレーザを遮断する遮光膜（例えばＣｒ膜）によるパターンが描画されている。加工パターンとしては、貫通ビア、非貫通ビア、配線パターン用の溝（トレンチ）などである。アブレーション加工によって加工パターンが形成された後に、銅などの導体が充填される。

マスク１３を通過したライン状レーザ光ＬＢが投影光学系１４に入射される。投影光学系１４から出射されたライン状レーザ光が基板Ｗの表面に照射される。投影光学系１４は、マスク面と基板Ｗの表面とに焦点面を有する。基板Ｗは、例えばエポキシ樹脂などの基板に銅配線層が形成され、その上に絶縁層が形成された樹脂基板である。

基板Ｗは、複数のパターン領域ＷＡが設けられており、被加工物載置用の載置テーブル１５上に固定されている。載置テーブル１５がｘ－ｙ方向に変位し、また、回転することによってパターン領域ＷＡをマスク１３に対してそれぞれ位置決めすることが可能とされている。また、基板Ｗの全体にわたって被加工領域を加工可能とするために、載置テーブル１５が走査方向例えばｘ方向に基板Ｗをステップ移動させるようになされている。

上述したレーザ加工装置においては、ライン状レーザ走査機構１２の走査動作時と、載置テーブル１５のｘ－ｙ方向の変位動作時において、レーザ加工装置に振動が発生する。この振動によって、ライン状レーザ光ＬＢがマスク１３あるいは基板Ｗ上を正しく走査しないことによるパターン形状誤差、あるいは照射エネルギー量のムラが発生する。本発明の実施形態では、かかる振動によるレーザ加工装置の振動を抑えるために制振装置を設けている。

図２及び図３を参照して本発明の一実施形態について説明する。レーザ加工装置が支持体を構成するベース部２１及び上部フレーム２２に対して取り付けられる。上部フレーム２２は、ベース部２１上に固定されている。ベース部２１及び上部フレーム２２は、剛性が高く、振動を減衰させる特性の材料からなる。ベース部２１と床面の間に、制振装置２３が設けられている。制振装置２３としては、例えばパッシブ型の制振装置が使用される。制振装置２３を起点として、ベース部２１及び上部フレーム２２が揺動可能とされている。

上部フレーム２２に対して、走査機構１６及び照明光学系１７からなるライン状レーザ走査機構と、マスク１３が載置されるマスクステージ１８（マスクの支持部）と、投影光学系１４が固定される。ベース部２１上に載置テーブル１５が固定される。すなわち、これらの走査機構１６、照明光学系１７、マスクステージ１８、投影光学系１４及び載置テーブル１５が所定の光学的関係（加工用レーザ光が照明光学系１７に対して正しく入射する関係）を満たすように位置決めされ、位置決め後、照明光学系１７の走査動作及び載置テーブル１５の変位動作による振動などによって、ベース部２１及び上部フレーム２２が揺動した場合に、一体で変位するようになされる。この揺動は、制振装置２３によって抑制されるが、完全に除去することができないので、ビーム位置補正部２７によって照明光学系１７に対する加工用レーザ光の入射位置及び入射角度が補正される。

レーザ光源１１は、ベース部２１及び上部フレーム２２とは、別個に設けられた筐体２４内に収納されている。レーザ光源１１は、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ（加工用レーザ光と称する）Ｌ１をパルス照射する。また、レーザ位置調整のためのガイド用レーザ光Ｌ２を発生するガイドビーム光源２５を有する。加工用レーザ光Ｌ１及びガイド用レーザ光Ｌ２は、所定の間隔で平行する光路を持つようになされる。

加工用レーザ光Ｌ１及びガイド用レーザ光Ｌ２がビーム位置補正部（ビームステアリング機構と称される）２７に入射される。ビーム位置補正部２７は、加工用レーザ光Ｌ１の位置決め（位置及び入射角）をリアルタイムで行なうための機構である。

図４は、ビーム位置補正部２７の一例を示す。レーザ光源１１の側に第１調整ミラー２８が設けられる。第１調整ミラー２８で反射された加工用レーザ光Ｌ１及びガイド用レーザ光Ｌ２がパイプ２９を通ってベース部２１又は上部フレーム２２に取り付けられている第２調整ミラー３０に入射される。第２調整ミラー３０で反射された加工用レーザ光Ｌ１がミラー３３で反射されて照明光学系１７に対して入射される。

第２調整ミラー３０で反射されたガイド用レーザ光Ｌ２がビームスプリッタ３１で二つの光路に分岐されてセンサ３２に入射される。センサ３２は、ベース部２１又は上部フレーム２２に取り付けられており、分岐された二つのガイド用レーザ光から位置を検出する位置センサー及び角度を検出する角度センサを有する。位置センサ、角度センサとして、例えばＰＳＤ（Position Sensitive Detector)が使用される。第１調整ミラー２８及び第２調整ミラー３０は、二つのアクチュエーターによってミラーの角度を２軸方向で調整することが可能とされている。このアクチュエーターがセンサ３２の検出信号によってフィードバック制御される。

すなわち、センサ３２（位置センサ、角度センサ）からの信号を処理する処理装置を備え、第１調整ミラー及び第２調整ミラーを駆動するアクチュエーターに対してフィードバックすることによって、レーザ加工装置のベース部２１及び上部フレーム２２の傾きにかかわらず、照明光学系１７に対して加工用レーザ光が常に正しい位置及び角度でもって入射するように加工用レーザ光が調整される。

第１調整ミラー２８及び第２調整ミラー３０に対しては、波長が例えば２４８ｎｍの加工用レーザ光Ｌ１及び波長が例えば４００ｎｍ～７００ｎｍのガイド用レーザ光Ｌ２の両方が入射する。波長が大きく異なる二つのレーザ光を反射するために、第１調整ミラー２８及び第２調整ミラー３０は、２種類の異なる反射膜が形成されたものである。

図５に示すように、第１調整ミラー２８及び第２調整ミラー３０は、それぞれ加工用レーザ光に対応する反射膜４１とガイド用レーザ光に対応する反射膜４２が境界Ｂで分離して形成されたものである。図５では、各領域に入射される、加工用レーザ光のスポット４３及びガイド用レーザ光のスポット４４が示されている。スポット４３及び４４が異なる反射膜の領域に入らないように、加工用レーザ光とガイド用レーザ光の間隔が設定されている。

第２調整ミラー３０で反射された加工用レーザ光Ｌ１が照明光学系１７に対して入射される。照明光学系１７は、レーザ光源の出射した光の強度分布を均一化するとともにライン状の加工用レーザ光に変形させる光学ユニットを有する。照明光学系１７は、光を一方向（Ｙ方向）に拡大させるレンズアレイ１７ｂ（第１光学要素）と、光を第１光学要素の拡大方向と直交する方向に縮小させライン状にする第２光学要素とを有する光学ユニット１７ａを備える。第１光学要素は、光の拡大する方向に複数のレンズが配列されたレンズアレイである。すなわち、光学ユニット１７ａは、拡大した光を平行光にするレンズ系（不図示）と、平行光をレンズアレイの拡大方向と直交する方向（マスク上で見てＸ方向）に縮小させるレンズ系１７ｃ（第２光学要素）とを有する。光学ユニット１７ａは、レーザ光のビーム光束をライン状ビームに整形し、ライン状レーザ光ＬＢをマスク１３へ導く。例えば長手方向が１００ｍｍ、縦方向が０．１ｍｍのライン状レーザ光ＬＢに整形される。

走査機構１６は、照明光学系１７の一部であって、光学ユニット１７ａを含む照明光学系の全体を移動させる。光学ユニット１７ａが走査方向（ｘ方向）に沿って架台上にスライドされ、光学ユニット１７ａを往復移動させるようになされている。光学ユニット１７ａの移動に伴ってライン状レーザ光ＬＢがマスク１３に対して移動し、マスクステージ１８及び載置テーブル１５にそれぞれ固定されているマスク１３及び基板Ｗが加工用レーザ光で走査される。

従来の変位する反射ミラーを使用する構成の場合、反射ミラーの移動に伴って加工用レーザ光の形状が変形する。その結果、加工範囲全体で均一な強度分布を得ることができず、場所によって加工結果にバラつきが生じる。このように、ライン状の加工用レーザ光を走査させる際に、ライン形状を精度よく（走査時に形状が変形しないように）走査できないという課題があった。本発明の一実施形態によれば、ライン状のレーザ光が走査に際して変形しないので、加工精度を向上させることができる。

マスク１３は、ＫｒＦエキシマレーザ光を透過する基材（例えば石英ガラス）に対してＫｒＦエキシマレーザ光を遮断する遮断膜（クロム膜、アルミニウム膜など）を形成することによって、マスクパターンが描画されている。マスク１３には、基板Ｗに繰り返し現れるパターンを描画してもよく、又は基板Ｗ全体にわたるパターンを描画するようにしてもよい。

マスクステージ１８は、マスク１３を保持し、マスクの位置決めが可能なｘｙθステージを備える。マスク１３に設けられたアライメントマークを読み取りマスク１３の位置決めを行うためのカメラ（不図示）が備えられている。

マスク１３を通った加工用レーザ光が投影光学系１４に入射される。投影光学系１４は、マスク１３の表面と基板Ｗの表面に焦点を持つ投影光学系であり、マスク１３を透過した光を基板Ｗに投影する。ここでは、投影光学系１４は縮小投影光学系として構成される（例えば１／４倍）。

載置テーブル１５は、基板Ｗを真空吸着などによって固定すると共に、テーブル移動機構によってｘ－ｙ方向への移動及び回転によってマスク１３に対して基板Ｗを位置決めする。また、基板Ｗ全体にわたってアプレーション加工できるように、走査方向（ここではｘ方向）に沿ってステップ移動可能である。載置テーブル１５の傍には、基板Ｗに設けられているアライメントマークを撮像するアライメントカメラ（不図示）が設置されている。さらには、焦点調整用のｚ機構等を設けてもよい。

基板Ｗ（ワークピース）は、例えばプリント配線板用の有機基板であり、表面にレーザ加工をする被加工層が形成されている。被加工層は例えば、樹脂膜や金属箔であり、レーザ光によってビア形成等の加工処理が可能な材料によって形成されている。レーザ加工機によってビアや配線パターンを形成し、その後の工程で加工部分に銅などの導体を充填する。

図６は、基板Ｗの一例を拡大して示す。基板Ｗは、多面取り基板であって、基板Ｗには、マスク１３のパターンと対応するパターン領域ＷＡが（８×８）のマトリクス状に繰り返し設けられている。図６においてｘ方向が副ステップ方向で、ｙ方向が主ステップ方向とされている。あるパターン領域ＷＡが走査されると、次のパターン領域が走査される。なお、図示されている走査の方向（矢印）は、一例である。

なお、本発明の一実施形態においては、図示しないが搬送機構が設けられており、搬送機構によって、被加工物の載置テーブルへの載置や取出しが行なわれる。例えばスカラロボット等を用いることができる。また、加工装置とレーザ光源の筐体とを覆う図示しない空調チャンバーを備えている。

上述した本発明の一実施形態においては、装置全体を制御するための制御装置（不図示）が備えられている。制御装置は、レーザ光源１１の制御、駆動部各部の制御、マスク、基板Ｗのアライメント、生産情報の管理やレシピ管理、等を行う。

以上、本技術の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。また、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。

Ｗ・・・被加工物（基板）、１１・・・レーザ光源、１２・・・レーザ走査機構、
１３・・・マスク、１４・・・投影光学系、１５・・・載置テーブル、
１６・・・走査機構、１７・・・照明光学系、１８・・・マスクステージ、
２５・・・ガイドビーム光源、２７・・・ビーム位置補正部、３２・・・センサ

Claims (5)

1. ライン状の加工用レーザ光をマスクに照射すると共に、走査機構によって前記マスクを走査する照明光学系と、
   前記マスクを介された前記加工用レーザ光を被加工物に照射する投影光学系と、
   前記被加工物が載置されると共に、ｘ－ｙ方向に前記被加工物を移動させる被加工物載置テーブルと、
   一体で変位するように、前記照明光学系、前記マスクの支持部、前記投影光学系及び前
   記被加工物載置テーブルが固定される支持体と、
   前記支持体の振動を抑制する制振装置とを備え、
   前記照明光学系がライン状の前記加工用レーザ光を出射し、前記走査機構が前記加工用レーザ光をライン方向と直交する方向に直線的に変位させるようにしたレーザ加工装置。
2. 前記加工用レーザ光を発生するレーザ光源が前記支持体と別個に設けられ、
   ビーム位置補正部によって、前記加工用レーザ光の前記照明光学系に対する入射位置及び入射角度が所定のものに制御されるようにした請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記加工用レーザ光及び前記加工用レーザ光の位置調整のためのガイド用レーザ光を発生するレーザ光源が前記支持体と別個に設けられ、
   前記加工用レーザ光が前記照明光学系に対して入射され、
   前記加工用レーザ光及び前記ガイド用レーザ光がビーム位置補正部に供給され、
   前記ビーム位置補正部によって、前記加工用レーザ光の前記照明光学系に対する入射位置及び入射角度が所定のものに補正されるようにした請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記ビーム位置補正部は少なくとも１つの光学素子を備え、
   前記光学素子は、前記加工用レーザ光に対応した表面処理と前記ガイド用レーザ光に対応した表面処理とが１つの面内に施されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 被加工物載置テーブルが、前記ライン方向に間欠的に移動することで、前記被加工物の複数の領域に逐次加工を行なうことを特徴とする前記請求項１に記載のレーザ加工装置。
   

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