JPH05185260A

JPH05185260A - レーザ光を用いた有機高分子材料の除去加工方法及びその装置

Info

Publication number: JPH05185260A
Application number: JP4003272A
Authority: JP
Inventors: Haruhisa Sakamoto; 治久坂本; Shigenobu Maruyama; 重信丸山; Mikio Hongo; 幹雄本郷; Takeoki Miyauchi; 建興宮内; Katsuro Mizukoshi; 克郎水越
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-01-10
Filing date: 1992-01-10
Publication date: 1993-07-27
Anticipated expiration: 2015-07-04
Also published as: JP3059285B2

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ光による有機高分子材料の除去加工に
おいて、照射部周辺部における付着物の発生を抑止する
こと。【構成】レーザ発振器１からのレーザ光８は、部分反
射ミラー２により、加工用レーザ光８ａ、補助レーザ光
８ｂに分割される。加工用レーザ光８ａはスリット３、
対物レンズ４等により構成される加工光学系を経て試料
５に照射され、試料５のレーザ照射部が分解除去され
る。この際、試料５の加工部近傍の空間に分解生成物９
を噴出する。ここで、部分反射ミラー２により分割され
た補助レーザ光８ｂを、反射ミラー６などからなる光学
系により、試料５の表面に接触しないように、分解生成
物９に照射する。分解生成物９を透過したレーザ光８ｂ
は吸収器７で吸収される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光を用いた有機高
分子材料の除去加工方法及びその装置に係り、特に、レ
ーザ光による有機高分子材料の除去時に発生する照射部
周辺部の付着物の抑制が可能な除去加工方法及びそれに
用いる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光による有機高分子材料の除去加
工方法としては、例えば「エキシマレーザによるポリイ
ミドの分解除去加工」（第１５５回レーザ学会研究会資
料；１９８９年，４５〜５０頁）に記載された技術が知
られている。この技術は、紫外レーザ光の光子エネルギ
ーが、有機化合物の結合エネルギーを上回ることを利用
した除去加工法であり、上記した公知資料に記載された
技術では、紫外光であるＡｒＦエキシマレーザ光をポリ
イミド試料の除去したい部分に照射することにより、局
所的に光化学反応を生じさせ分解除去することにより、
熱的加工の困難な有機高分子材料を低損傷で微細に除去
加工できるようにしている。なお、他の公知例として特
開平１−２７３６８７号公報がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した
「エキシマレーザによるポリイミドの分解除去加工」に
記載されたレーザ光による分解除去技術を用いた場合、
レーザ照射部周辺部には付着物が発生する。しかしなが
ら、従来技術においては照射部周辺部の付着物の抑制に
ついては何等の配慮もなされていないため、半導体装置
製造あるいは電子部品製造などに適用する場合には、付
着物による基板の汚染、絶縁性の低下、多層積層時の接
着性の低下、変質層の形成などを引き起こし、製造歩留
まりの低下の原因となる。

【０００４】本発明の第１の目的は、付着物の発生の無
いレーザ光による有機高分子材料の除去加工方法を提示
することである。また、本発明の第２の目的は、その除
去加工方法を実現するための加工装置を実現することで
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的は、基本
的には、レーザ光による有機高分子材料の除去時に、試
料の照射部近傍の空間に噴出する分解生成物に紫外レー
ザ光を照射することにより達成される。上記第２の目的
は、基本的には、試料のレーザ照射部近傍の空間に存在
する分解生成物に紫外レーザ光を照射する機能を持った
光学系及びレーザ光源を具備することにより達成でき
る。

【０００６】

【作用】レーザ除去加工時に、照射部近傍の空間に噴出
した分解生成物に紫外レーザ光を照射すると、分解生成
物は紫外レーザ光を吸収し更に小さな分子に分解する。
このような小さな分子は、雰囲気中の気体分子、例え
ば、酸素、窒素、水素などと反応することにより、二酸
化炭素、水蒸気、あるいはその他の安定な気体分子に変
化する。その結果、分解生成物はすべて気相中に拡散
し、試料表面に付着物が堆積することが無くなる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図１〜図１０によ
って説明する。まず、本発明の第１実施例によるレーザ
加工装置（レーザ光を用いた有機高分子材料の除去加工
装置）の構成を図１により説明する。レーザ発振器１か
らのレーザ光８は、部分反射ミラー２により、加工用レ
ーザ光８ａ、補助レーザ光８ｂに分割される。ここで、
レーザ光の波長は、有機高分子の結合エネルギーを上回
る光子エネルギーを持ったものを選択する必要があり、
波長３６０ｎｍ以下の紫外光レーザが適している。紫外
光レーザとしては、具体的には、エキシマレーザ、ＹＡ
Ｇレーザの第３高調波以上の高調波、Ａｒレーザの第２
高調波などが挙げられる。加工用レーザ光８ａはスリッ
ト３を経て、対物レンズ４により試料５の表面に縮小投
影される。分割されたレーザ光８ａ、８ｂのそれぞれの
照射強度については、レーザ発振器１から出力されたレ
ーザ光８の強度と、部分反射ミラー２の反射率を選択す
ることにより制御することができる。図１には、加工光
学系として結像光学系をなすものを示したが、この他
に、レーザ光をスポットに集光して照射する集光光学系
からなる構成をとることもできる。この加工用レーザ光
８ａの照射により、試料５のレーザ照射部は分解除去さ
れ、試料５の照射部近傍の空間に分解生成物９を噴出す
る。一方、補助レーザ光８ｂは、反射ミラー６からなる
光学系により、試料５の表面に接触しないように調整さ
れて、分解生成物９に照射される。補助レーザ光８ｂが
試料５に照射されると、補助レーザ光８ｂの照射条件に
よっては、試料５が分解除去されてしまうので、補助レ
ーザ光８ｂが試料５に照射されないように調整する必要
がある。分解生成物９を透過した補助レーザ光８ｂは吸
収器７で吸収される。図１に示したレーザ加工装置の構
成は、基本的なものであり、必要に応じて、ビーム整形
器や減衰器、フィルタ等の光学装置を組み込んだ構成と
することが可能である。

【０００８】加工用レーザ光８ａによる試料５の除去加
工について以下に説明する。試料５において、加工用レ
ーザ光８ａを照射された部分は、加工用レーザ光８ａの
一部を吸収する。紫外レーザ光を吸収した有機高分子
は、光化学反応により分解し、分解生成物９となって照
射部近傍の空間に噴出し、試料５から除去される。この
時噴出した分解生成物９は、有機化合物、無機化合物及
び気体分子からなっている。付着物に対する処理を行わ
ない場合、分解生成物９の一部は気相中に安定な気体分
子として拡散するが、他の一部は付着物として試料表面
に再付着する。

【０００９】次に、分解生成物９に補助レーザ光８ｂを
照射することにより付着物の発生が抑止される原理を説
明する。図２は、紫外レーザ光の垂直照射による有機高
分子材料の除去時における、照射レーザエネルギーに対
する付着物の堆積量の関係を示している。図２による
と、照射レーザエネルギーがある程度（試料材質がポリ
イミドの場合、加工しきい値の２０倍程度）以上に大き
くなると、付着物の堆積がほとんど発生しない。除去が
開始されると、試料の照射部近傍の空間は分解生成物が
噴出した状態となり、その後照射されるレーザ光は、そ
の一部がこの分解生成物により吸収される。この時、紫
外光であるレーザ光を吸収した分解生成物は、まず小さ
な分子に分解する反応を起こし、更に雰囲気中の気体分
子との反応を促進され二酸化炭素や水蒸気あるいはその
他の安定な気体分子となって気相中に拡散することとな
る。したがって、分解生成物にある程度以上の強度のレ
ーザ光を照射すると、大気雰囲気中であっても、分解生
成物は小さな分子に分解し雰囲気中の気体分子と完全に
反応して、安定な気体分子となって気相中に拡散するこ
ととなる。垂直照射時に照射レーザエネルギーが十分に
大きい場合、試料表面の付着物が減少するのはこのため
である。しかしながら、強度の大きなレーザ光による有
機高分子材料の除去加工は、除去深さが大きくなるため
その制御が困難であること、照射部に熱的な損傷が発生
することなど問題点が多く、とくに微細加工などに適用
することは困難である。一方、必要十分な強度の加工用
レーザ光８ａにより試料５を除去加工するとともに、十
分な強さ（例えばポリイミド材料に対しては、加工しき
い値の２０倍程度）の補助レーザ光８ｂを分解生成物９
に照射すると、分解生成物９は、補助レーザ光８ｂによ
り、次々と分解され、小さな分子となったのちに雰囲気
中の気体分子と完全に反応を起こし、安定な気体分子と
なって気相中に拡散する。このため、試料５の表面に付
着物が堆積しなくなる。

【００１０】次に、本発明の第２実施例〜第９実施例に
よる補助レーザ光８ｂの照射手法や制御手法について順
次説明する。補助レーザ光８ｂは、分解生成物９に照射
して光化学反応による分解を引き起こす光源であるの
で、噴出する分解生成物９に補助レーザ光８ｂがより多
く吸収されるようにする必要がある。

【００１１】まず、噴出する分解生成物９の分布状態に
合わせて、補助レーザ光８ｂのビーム形状を制御する手
法を、図３に示した本発明の第２実施例及び図４に示し
た本発明の第３実施例によって説明する。図３に示した
第２実施例では、全反射ミラー６で反射した補助レーザ
光８ｂを、補助レーザ光集束レンズ１０により、分解生
成物９の中で、あるいは、分解生成物９の近傍で集光さ
せることができるようにしている。これにより、分解生
成物９の分布が試料５の照射部近傍のごく小さな領域に
限られた場合などに、補助レーザ光８ｂを効率良く照射
することが可能となる。この際、分解生成物９の分布領
域の大きさに応じて焦点位置を変化させることにより、
常に最適な照射寸法で補助レーザ光８ｂを照射すること
ができる。また、焦点近傍での補助レーザ光８ｂのエネ
ルギー密度を高くすることが可能となり、分解生成物９
の分解及び雰囲気中の気体分子との反応を高効率に進め
ることが出来る。

【００１２】図４に示した第３実施例では、全反射ミラ
ー６で反射した補助レーザ光８ｂを、コリメータ１１に
より、分解生成物９の分布領域の大きさに応じた寸法に
絞ることができるようにしている。また、図示していな
いが、シリンドリカルレンズとの組合せにより、補助レ
ーザ光８ｂのビーム形状をシート状に圧縮することによ
っても同様な効果がある。すなわち、試料５が大きい場
合、図３の手法では補助レーザ光８ｂの焦点の前方で、
補助レーザ光８ｂが試料５の除去部ではない部分に照射
されてしまう可能性がある。しかし、本第３実施例の照
射手法を用いれば、平行光で補助レーザ光８ｂを照射す
るので試料５の大きさに依存せずに、最適寸法の補助レ
ーザ光８ｂを照射することができる。また、コリメータ
１１の替わりに拡大倍率（縮小倍率）の可変なビームエ
キスパンダを用いることにより、分解生成物９の分布領
域の大きさに応じた補助レーザ光８ｂを照射することも
可能となる。

【００１３】続いて、補助レーザ光８ｂが分解生成物９
の中を透過する際の光路長を延長することによって、分
解生成物９による補助レーザ光８ｂの吸収量を増加させ
る手法を、図５に示した本発明の第４実施例、図６に示
した本発明の第５実施例、及び図７に示した本発明の第
６実施例によって説明する。図５に示した第４実施例に
おいては、補助レーザ光８ｂを、傾斜して対向配置した
一対の全反射ミラー６の一方に対して斜めに入射し、対
をなす全反射ミラー６で多重反射させて分解生成物９の
中を透過させた後に、吸収器７によって吸収させるよう
にしている。このように、分解生成物９の近傍で補助レ
ーザ光８ｂを多重反射させることにより、分解生成物９
の中を透過する補助レーザ光８ｂの光路長を延長するこ
とができる。また、全反射ミラー６の傾き及び補助レー
ザ光８ｂの入射角度を適当に設定することにより、補助
レーザ光８ｂの分解生成物９の近傍での反射回数及び透
過位置を容易に制御することができる。したがって、補
助レーザ光８ｂが試料５に照射されないようにする必要
がある場合には、上側から透過するように設定すること
ができるので、試料５に補助レーザ光８ｂが照射される
ことによる試料５の損傷の発生を確実に防ぐことができ
る。

【００１４】図６に示した第５実施例では、前記加工用
レーザ光８ａは紙面に垂直に照射され、レーザ加工部１
２の位置に縮小投影されている。そして、本第５実施例
においては、試料５の上部に一対の全反射ミラー６を対
向して平行に配置し、試料５の表面と平行な補助レーザ
光８ｂを一方の全反射ミラー６に入射させて、レーザ加
工部１２の上、すなわち分解生成物９の中で、補助レー
ザ光８ｂを対をなす全反射ミラー６で多重反射させるこ
とにより、分解生成物９を透過する補助レーザ光８ｂの
光路長を延長するようにしている。なお、分解生成物９
の中を透過して全反射ミラー６の外に出た補助レーザ光
８ｂは、吸収器７に導かれ吸収される。本第５実施例で
は、補助レーザ光８ｂは、試料５の表面と平行に照射さ
れるため試料５に照射されることが無く、よって補助レ
ーザ光８ｂによる試料５の損傷が発生することがない。

【００１５】図７に示した第６実施例でも、加工用レー
ザ光８ａは紙面に垂直に照射され、レーザ加工部１２の
位置に縮小投影されている。本第６実施例においては、
図７に示すように、補助レーザ光８ｂを、ビームスプリ
ッタ１３により２方向に分割し、それぞれの補助レーザ
光８ｂがレーザ加工部１２の上で、すなわち分解生成物
９の中で交叉するように２つの全反射ミラー６によって
反射角を調整し、更に２つの凹面ミラー１４によってそ
れぞれ反射させて全反射ミラー６に折り返すようにして
いる。この第６実施例では、全反射ミラー６及び凹面ミ
ラー１４により補助レーザ光８ｂを１往復させることに
よって、分解生成物９を透過する部分の光路長を延長さ
せている。ここで、加工用レーザ光８ａによる試料５の
分解除去時に噴出する分解生成物は３次元的に存在して
いるので、本第６実施例のように２方向から補助レーザ
光８ｂを照射することにより平面的な異方性が無くな
り、試料５の表面で一様に付着物の堆積を抑止ができる
効果が期待できる。なお、本第６実施例でも、補助レー
ザ光８ｂは試料５の表面と平行に照射されるため、試料
５に照射されることが無く損傷が発生しないようになっ
ている。また、凹面ミラー１４を反射して全反射ミラー
６に戻る補助レーザ光８ｂは一度集光されるため、全反
射ミラー６を反射した後更に拡散し、ビームスプリッタ
１３を反射して戻っていくレーザ光８ｂによる光学系な
どへの悪影響も無いようになっている。

【００１６】図３から図７までにその構成を示した５つ
の補助レーザ光８ｂの照射手法は、組み合わせて用いる
ことが可能であり、組み合わせることにより効果を増す
ことができる。

【００１７】次に、本発明による補助レーザ光の波長及
び照射時期の制御方法について述べる。加工用レーザ光
８ａと補助レーザ光８ｂとはそれぞれ目的を異にするも
のであるので、補助レーザ光８ｂを加工用レーザ光８ａ
と異なるように調整制御した方が効率などの点で優れて
いる場合がある。例えば、波長を短くすることにより反
応の効率を向上させることができる場合や、加工用レー
ザ光８ａと補助レーザ光８ｂの照射の時期がずれていた
方が良い場合などである。

【００１８】図８は本発明の第７実施例に係り、本第７
実施例では補助レーザ光８ｂの波長の制御手段（波長変
換素子１５）が設けられている。すなわち図７に示すよ
うに、レーザ光８から部分反射ミラー２により加工用レ
ーザ光８ａと補助レーザ光８ｂに分割した後、補助レー
ザ光８ｂを波長変換素子１５により高調波に変換し、全
反射ミラー６などを介して分解生成物９に照射するよう
にしている。一般にレーザ光の波長が短くなるにつれ、
光化学反応の効率は向上するが、光学部品など周辺装置
についての制限が大きくなる傾向がある。本第７実施例
においては、加工用レーザ光８ａについては取扱いや制
御の容易な長い波長を用い、比較的単純な光学系を用い
る補助レーザ光８ｂについては光化学反応の効率の良い
短い波長を用いることで、試料５の除去の精度と分解生
成物９の安定な気体分子への反応の効率を向上させるこ
とができる。

【００１９】図９は本発明の第８実施例に係り、本第８
実施例では補助レーザ光８ｂの照射時期を制御するよう
になっている。本第８実施例では図９に示すように、レ
ーザ光８から部分反射ミラー２により加工用レーザ光８
ａと補助レーザ光８ｂに分割した後、補助レーザ光８ｂ
を対向する２枚の全反射ミラー６の間で１回または複数
回往復させた後、全反射ミラー６などを介して分解生成
物９に照射するようにしている。この場合、補助レーザ
光８ｂを往復させる２枚の全反射ミラー６の間隔を制御
することにより、加工用レーザ光８ａと補助レーザ光８
ｂの間の時間遅れを設定することができる。分解生成物
９は、加工用レーザ光８ａの照射開始後、試料５の分解
除去が始まった後に試料５の照射部近傍の空間に噴出し
始め、加工用レーザ光８ａの照射が終了した後もしばら
く加工部近傍に滞留する。補助レーザ光８ｂの照射は、
分解生成物９により吸収される必要があるので、分解生
成物９の噴出及び滞留に同期して照射することが必要で
ある。本第８実施例では、分解生成物９の噴出・滞留に
同期して適当な時期に補助レーザ光８ｂを照射すること
が可能となり、分解生成物９の安定な気体分子への反応
の効率の向上が可能となる。

【００２０】図８及び図９に構成を示す補助レーザ光の
制御手法は組み合わせて用いることが可能であり、さら
に図３から図７に構成を示した補助レーザ光の照射手法
と組み合わせることもできる。

【００２１】図１０は本発明の第９実施例によるレーザ
加工装置の構成を示している。本第９実施例と前記図１
に示す第１実施例との相違は、加工用レーザ光３８ａと
補助レーザ光３８ｂが異なったレーザ発振器３１及び３
２から発振されていることである。レーザ発振器３１か
らの加工用レーザ光３８ａは、全反射ミラー３６、スリ
ット３３、対物レンズ３４などにより構成される加工光
学系により、試料３５に照射される。なお、図１０に
は、加工光学系として結像光学系をなすものを示した
が、この他に、レーザ光をスポットに集光して照射する
集光光学系からなる構成をとることもできる。一方、補
助レーザ光３８ｂは、制御装置４０により加工用レーザ
光３８ａの発振に応じた適当な時期にレーザ発振器３２
で発振出力されて、全反射ミラー３６，３６を介して分
解生成物３９の中に入射され、透過光は吸収器３７によ
って吸収される。斯様な構成にすることにより、加工用
レーザ光３８ａ及び補助レーザ光３８ｂにそれぞれ最適
なレーザ発振源（最適な強度と波長）を選択することが
できる。また、それぞれのレーザ光の制御を独立に行う
ことができるので、加工条件に応じた照射条件の調整が
容易にできる利点がある。なお、この第９実施例に対し
ても、図３から図９に示した補助レーザ光３８ｂの照射
手法や制御手法を組み合わせることが可能であり、加工
条件に応じて組み合わせて用いると、より効果的であ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、レーザ光
による有機高分子材料除去における付着物の発生を、大
気中でも効率良く防止できる。これにより、付着物の発
生に起因する種々の悪影響が排除でき、以って製造歩留
まりが向上するという顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるレーザ加工装置（レ
ーザ光を用いた有機高分子材料の除去加工装置）の構成
を示す説明図である。

【図２】レーザ光による有機高分子材料の除去加工にお
ける照射レーザエネルギーと付着物堆積量の関係を示す
説明図である。

【図３】本発明の第２実施例による要部構成を示す説明
図である。

【図４】本発明の第３実施例による要部構成を示す説明
図である。

【図５】本発明の第４実施例による要部構成を示す説明
図である。

【図６】本発明の第５実施例による要部構成を示す説明
図である。

【図７】本発明の第６実施例による要部構成を示す説明
図である。

【図８】本発明の第７実施例による要部構成を示す説明
図である。

【図９】本発明の第８実施例による要部構成を示す説明
図である。

【図１０】本発明の第９実施例によるレーザ加工装置の
構成を示す説明図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２部分反射ミラー３スリット４対物レンズ５試料６全反射ミラー７吸収器８レーザ光８ａ加工用レーザ光８ｂ補助レーザ光９分解生成物１０補助レーザ光集束レンズ１１コリメータ１２レーザ加工部１３ビームスプリッタ１４凹面ミラー１５波長変換素子３１，３２レーザ発振器３３スリット３４対物レンズ３５試料３６全反射ミラー３７吸収器３８ａ加工用レーザ光３８ｂ補助レーザ光３９分解生成物４０制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮内建興神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者水越克郎神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有機高分子材料を含む試料にレーザ光を
照射することにより除去を行う除去加工方法において、
加工部近傍の空間に噴出する分解生成物にレーザ光を照
射することにより、加工部周辺部の付着物の発生を抑止
することを特徴としたレーザ光を用いた有機高分子材料
の除去加工方法。
【請求項２】有機高分子材料を分解除去するためのレ
ーザ光を照射する手段と、加工部近傍の空間に噴出する
分解生成物にレーザ光を照射する手段とを具備したこと
を特徴とするレーザ光を用いた有機高分子材料の除去加
工装置。
【請求項３】請求項２記載において、加工部近傍の空
間に噴出する分解生成物の分布状態に応じて照射するレ
ーザ光の断面形状および強度を調整する手段を具備した
ことを特徴とするレーザ光を用いた有機高分子材料の除
去加工装置。
【請求項４】請求項２記載において、加工部近傍の空
間に噴出する分解生成物中におけるレーザ光の透過光路
長を延長するための手段を具備したことを特徴とするレ
ーザ光を用いた有機高分子材料の除去加工装置。
【請求項５】請求項２記載において、加工部近傍の空
間における分解生成物の発生状態に応じてレーザ光の発
振特性を制御する手段を具備したことを特徴とするレー
ザ光を用いた有機高分子材料の除去加工装置。