JPH06269969A

JPH06269969A - 配線基板のレ−ザ加工装置と方法および配線基板

Info

Publication number: JPH06269969A
Application number: JP5057175A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Tanaka; 秀明田中; Takao Terabayashi; 隆夫寺林; Hidemi Sato; 秀己佐藤; Kyoko Amamiya; 恭子雨宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1994-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】多層回路基板にテーパ角の広いすり鉢状のバ
イアホールを形成して配線の信頼性を向上する。【構成】絞り１２を通過したレーザ光１１の強度をハ
ーフミラー１４の角度を変えることにより制御してマス
ク１３に照射し、マスク１３のパタ−ンを試料１９面に
結像しバイアホールを加工する。また、ハーフミラー１
４の角度を関数発生器１５２により制御して試料面上に
照射するレーザ光強度を連続的に制御する。

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材
料の加工方法とその装置に係り、とくに電子回路基板の
バイアホ−ルの深さ方向形状を制御することのできる加
工方法とその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子回路の高集積化に伴い多層配線基板
の層間の導通をとるためのバイアホール寸法の微細化が
進行している。このバイアホールには層間導体をめっき
により形成するために大きなテーパ角を設けることが望
まれ、また、上記テーパ角は配線密度に応じて寸法を変
えることが要求されている。このため、従来はエッチン
グや再熱処理等によりバイアホールのテーパを形成する
ようにしていた。

【０００３】例えば、総合電子出版社刊行の「フォトエ
ッチングと微細加工」にはウェットエッチングやドライ
エッチング等により上記バイアホールの加工方法が記載
されている。また、特願平３−１２９０７８号には、基
板上に塗布した有機材料を熱処理により半硬化してレー
ザによりバイアホールを形成し、次いで完全硬化熱処理
（ポストベーク）を行ってバイアホールのテーパを大き
くする方法が開示されている。

【０００４】また、特開平３−２４１７４１号公報に
は、レーザ出力を変化させ、試料の反応生成物デテクタ
により十分なエッチング速度が得られる温度条件を見出
して、その条件にレーザ出力を固定して加工する方法が
開示されている。また、特開平４−３７４９４号公報に
は、ＣＯ₂レーザの出力をパルス化して試料に複数回
（３回）照射することによりバイアホールの断面形状を
すり鉢状にすることが開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ウェットエッ
チング法ではエッチング液の温度によりバイアホールの
形状が敏感に変化するので厳密な温度制御が必要であ
り、さらに、例えばポリイミド層間絶縁膜のエッチング
液のようにヒドラジン等を含む強アルカリ性の有毒なエ
ッチング液はプロセス的に好ましくないという問題があ
った。また、ドライエッチング法ではガス圧やエッチン
グガスの入射角条件等を制御する必要上、真空引き等の
準備時間やエッチング時間及等が長く、また加工部に残
渣が残り易い等の問題があった。

【０００６】また、特願平３−１２９０７８号公報に開
示の方法は膜厚の薄い場合には効果的であるものの、膜
厚の厚い場合には液状にした有機材料をスピンコーティ
ング等により基板に重ね塗るするため、塗布毎に半硬化
処理を行う必要があり、各層毎の溶媒を同程度に蒸発す
ることが難かしいという問題があった。すなわちポスト
ベークによりテーパを所望の形状に制御することが困難
であった。本発明の目的は、上記の問題を解消して任意
のテーパ角のバイアホールを形成する方法とその装置を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、レーザ光のエネルギ密度を変化させて加工部の深さ
方向の形状を制御するようにする。このため、上記レー
ザ光の光軸に対する角度を変化することのできるハーフ
ミラーにより上記レーザ光のエネルギ密度を制御するよ
うにする。さらに、上記ハーフミラーの角度を所定の関
数に従って制御するようにする。

【０００８】また、上記レーザ光の縮小倍率を変えて上
記レーザ光のエネルギ密度を制御するようにする。この
ため、試料ステージを上記レーザ光の光軸方向に移動し
て上記レーザ光の縮小倍率を変化するようにする。ま
た、上記レーザ光をビーム分割プリズムにより分割して
光軸方向に移動可能な集光レンズにより集光して光軸方
向に移動可能な試料台に照射して上記レーザ光のエネル
ギ密度分布を制御するようにする。

【０００９】また、上記レーザ光を間歇的に照射して上
記レーザ光のエネルギ密度分布をさらに制御するように
する。また、上記レーザ光を加工パタ−ンを備えたマス
クに照射してその出射光を上記配線基板面に結像するよ
うにする。また、レ−ザ光を配線基板表面に設けた加工
パタ−ンを有するマスクに直接照射するようにする。ま
た、上記の加工方法により配線基板に形成するバイアホ
ールのテーパ角を２５度以上とする。

【００１０】

【作用】上記レーザ光のエネルギ密度制御により配線基
板の加工部の深さ方向の形状が制御される。上記ハーフ
ミラーは上記レーザ光の光軸に対する角度に応じて透過
レーザ光強度を変化させ、また、上記ハーフミラーの角
度を所定の関数に従って制御することにより加工部の深
さ方向の形状が制御される。

【００１１】また、試料ステージをレーザ光の光軸方向
に移動することによりレーザ光の縮小倍率が変わってレ
ーザ光のエネルギ密度が変化する。また、上記ビーム分
割プリズムにより分割したレーザ光を光軸方向に移動可
能な集光レンズにより集光して重ね合わせることにより
レーザ光のエネルギ密度分布が変化する。

【００１２】また、上記レーザ光を間歇的に照射するこ
とにより照射レーザ光のエネルギ時間率が変化する。ま
た、上記マスクの加工パタ−ンを通過したレーザ光によ
り配線基板が加工される。また、上記配線基板表面に設
けた加工パタ−ンはレ−ザ光を透過して配線基板を加工
する。また、上記バイアホールのテーパ角を２５度以上
とすることによりバイアホール部に配線層が強固に形成
される。

【００１３】

【実施例】図１は本発明によるバイアホール形成装置の
基本的構成の斜視図である。図１では試料１９に照射す
るレーザ光１１のエネルギ密度を制御して試料１９のバ
イアホ−ルのテーパ角を制御する。レーザ発振器１０か
らのレーザ光１１の強度分布の均一な部分を絞り１２に
より取り出し、ハーフミラー１４を介してマスク１３に
照射し、集光レンズ１８によりマスク１３の像を試料１
９上に縮小投影する。

【００１４】ハーフミラー１４のレーザ光１１の透過率
はハーフミラー１４をモータ１５により回転させてレー
ザ光１１の入射角を変化させて制御する。このため、合
成石英上に誘電体膜を多層蒸着したハーフミラー１４を
用い、誘電体多層膜の各層において成立するスネルの法
則やフレネルの公式によりレーザ光１１の入射方向によ
り透過率が変化するようにする。

【００１５】また、上記ハーフミラー１４の回転角と透
過率の関係に基づいて関数発生器１５２が所要の照射エ
ネルギ密度に対応するハーフミラー１４の回転角を発生
するようにする。また、ハーフミラー１４により反射さ
れたレーザ光成分を光センサ１８により検出してその強
度をパワーメータあるいはジュールメータ１７で求め、
ハーフミラー１４の角度を制御することもできる。

【００１６】〔実施例１〕図２はレーザ照射により有
機材料の試料１９上に加工したバイアホールのテーパ角
とレーザ光のエネルギ密度との関係を示す特性図であ
る。レーザには波長２４８ｎｍのエキシマレーザを用
い、マスクパターンをポリイミドシートの試料面上に投
影して試料上に５０μｍ径、５０μｍ深さのバイアホー
ルを加工した。

【００１７】図２よりバイアホールのテーパ角はレーザ
光のエネルギ密度に逆比例して一義的に定まるので、レ
ーザ光のエネルギ密度を途中で変化させるとテーパ角を
途中でかえられることがわかる。

【００１８】図３は上記エネルギ密度とバイアホール径
の増加量と関係図である。これより、照射エネルギ密度
＝０．１９Ｊ／ｃｍ²にてバイアホール径の増加量は２
μｍとなり、エネルギ密度が０．５８Ｊ／ｃｍ²に増え
るとバイアホール径の増加量が１０μｍに増えることが
わかる。これは強いエネルギ密度ではその周辺部のエネ
ルギ密度も相対的に増加してバイアホール径を増加させ
るためと推定される。

【００１９】したがって、レーザ光のエネルギ密度を減
少させながら加工するとそのテーパ角を連続的に変化さ
せてすり鉢状のバイアホ−ルを形成することができる。
図４はこのようにしてポリイミドシートの試料面に加工
した複数のバイアホールの断面図であり、各バイアホー
ルの形状は５０μｍ径で、深さ５０μｍである。

【００２０】図４（ａ）はエネルギ密度を１．７Ｊ／ｃ
ｍ²一定にして加工した場合であり、テーパ角は１８度
程度である（図２参照）。なお、上記テーパ角は同図
（ｃ）に示すように、バイアホールの頂部と底部の直径
をｄ₁、ｄ₂、深さをｈとして、tan~¹｛(ｄ₁−ｄ₂）／２
ｈ｝より算出した。図４（ｂ）はエネルギ密度を０．３
Ｊ／ｃｍ²に減らして一定とした場合であり、テーパ角
は約２１度に増加している。図４（ｃ）はエネルギ密度
を途中で下げた場合である。１．７Ｊ／ｃｍ²のエネル
ギ密度で加工し始め、深さが２５μｍに達した時点でエ
ネルギ密度を０．３Ｊ／ｃｍ²に減少した結果、テーパ
角は約２５度に増加することができた。。

【００２１】図５はレーザ光のエネルギ密度に対するポ
リイミドシートの加工能率の特性図である。これより、
テーパ角や加工深さに対応するレーザショット数の関係
を算出することができ、加工途中でエネルギ密度を変
え、また、その照射ショット数を変えることにより、従
来一義的であったテーパ角を制御し、２５度以上のテー
パ角をもつバイアホールを加工することができる。例え
ば図６（ａ）に示すように、エネルギ密度を深さ方向に
対して直線的に絞ったり、あるいは図６（ｂ）のように
指数関数的に絞ることができる。なお、この制御は例え
ば関数発生器１５２により行う。

【００２２】〔実施例２〕実施例１ではマスクのパタ
ーンを試料面上に結像してバイアホ−ルを加工したが、
本実施例では、試料面に予めレーザ耐性の大きい材料の
マスクパターンを形成してレーザ光を直接試料面に照射
するようにする。この方法はコンフォーマルマスク法と
呼ばれている。このコンフォーマルマスク法ではバイア
ホ−ルの開口寸法がマスクの開口寸法により決まるの
で、テーパ角のみをレーザのエネルギ密度を例えば図６
（ａ）、または（ｂ）のように制御する。

【００２３】図７は上記テーパ角を制御するための光学
系の構成図である。絞り１２によりレーザ光１１の強度
分布が均一な部分を取り出し、これを集光レンズ７１、
７３で構成された光学系により縮小して試料１９上に照
射する。集光レンズ７１を固定した鏡筒７２と集光レン
ズ７３を固定した鏡筒７４を光軸方向に移動できるよう
にし、また、試料ステージ７５も光軸方向に移動できる
ようにしてレーザ光１１の縮小倍率を調整してレーザ光
１１を任意のエネルギ密度で試料１９上に照射する。

【００２４】〔実施例３〕図８は上記コンフォーマル
マスク法に用いる他の光学系の構成図である。本実施例
ではレーザ光のエネルギ密度分布そのものを制御するよ
うにする。図８において、ビーム分割プリズム８１によ
りレーザ光１１を分割し、分割されたレーザ光の重ね合
わせて強度分布を均一化し、同時にこの重ね合わせ方に
よりレーザ光の強度分布を制御する。すなわち、レーザ
光１１をビーム分割プリズム８１により分割し、再合成
点８２の像を集光レンズ１８を用いて試料１９上に結像
する。

【００２５】また、屈折角の異なる複数のビ−ム分割プ
リズムを用い、集光レンズ１８と試料ステージ７５をそ
れぞれ独立に光軸方向に移動して分割された各レーザ光
の集光角度を変えてエネルギ密度分布を変えるようにす
ることもできる。また、分割された各ビームを焦点距離
の異なるレンズで集光してそれぞれの集光角を変えるよ
うにしても同様の効果を得ることができる。

【００２６】〔実施例４〕図９は本発明と従来のバイ
アホールにおける配線層の断面図である。バイアホール
の開口径と深さは共に５０μｍである。同図（ａ）は従
来の方法によりポリイミド膜１９にバイアホールを加工
した場合でありテーパ角は２０度である。同図（ｂ）は
上記本発明の方法により加工した場合であり、波長２４
８ｎｍのエキシマレーザ光をエネルギ密度０．５〜１．
０Ｊ／ｃｍ²程度にて照射して配線層へのダメージを防
止し、２５度以上のテーパ角を得ている。

【００２７】これらのバイアホール部にスパッタ法等に
より厚み２μｍ程度の配線層９１を蒸着し下地導体層９
２と接続する。配線層９１のイオン種がポリイミド膜１
９に垂直に入射された場合、図９（ａ）ではバイアホー
ルの側面の勾配が急であるため配線層９１の厚みは肩の
部分の厚み２μｍに対して０．７μｍと薄くなり、導通
不良等が発生しやすくなる。

【００２８】これに対し、図９（ｂ）ではテーパ角が２
５度を広がっているためバイアホール側面部の配線層の
厚みは０．９μｍに増加するので、上記導通不良発生の
危険性が格段に改善される。なお、上記各実施例におい
ては配線基板のバイアホ−ル形成について説明したが、
本発明の装置及び方法は配線基板の他に有機絶縁材一般
の加工に適用して同用の効果を得ることができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明により、配線基板に任意のテーパ
角のバイアホールをレ−ザビ−ム照射により形成するこ
とができ、これによりバイアホール部に形成する配線層
の信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるバイアホール加工装置の斜視図で
ある。

【図２】レ−ザ光のエネルギ密度に対するバイアホール
のテーパ角特性図である。

【図３】レ−ザ光のエネルギ密度に対するバイアホール
径増加量特性図である。

【図４】本発明により加工したバイアホールの断面図で
ある。

【図５】レ−ザ光のエネルギ密度に対するポリイミドの
バイアホールの加工能率特性である。

【図６】本発明に用いるレーザ光のエネルギ密度の制御
特性例である。

【図７】本発明によるレーザビ−ムの縮小率可変光学系
の断面図である。

【図８】本発明によるレーザビームのエネルギ強度分布
可変光学系の断面図である。

【図９】本発明による配線層を備えたバイアホールを従
来のものと比較する断面図である。

【符号の説明】

１０…レーザ発振器、１１…レーザ光、１２…絞り、１
３…マスク、１４…ハーフミラー、１５…モータ、１５
１…モータの駆動装置、１５２…関数発生器、１６…光
センサ、１７…ジュールメータ、１８、７１、７３…集
光レンズ、１９…試料、７２、７４…鏡筒、７５…試料
ステージ、８１…ビーム分割プリズム、８２…ビームの
再合成点、９１…配線層、９２…下地導体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者雨宮恭子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】レーザ光を配線基板に照射して基板材料
を除去、加工する配線基板のレ−ザ加工装置において、
上記レーザ光のエネルギ密度を変化する制御手段を備
え、加工部の深さ方向の形状を制御するようにしたこと
を特徴とする配線基板のレ−ザ加工装置。
【請求項２】請求項１において、上記レーザ光のエネ
ルギ密度制御手段を、上記レーザ光の光軸に対する角度
を変化することのできるハーフミラーとしたことを特徴
とする配線基板のレ−ザ加工装置。
【請求項３】請求項２において、上記ハーフミラーの
角度を制御する関数発生装置を備えたことを特徴とする
配線基板のレ−ザ加工装置。
【請求項４】請求項１において、上記レーザ光のエネ
ルギ密度制御手段を、上記レーザ光の縮小倍率を変化す
るものとしたことを特徴とする配線基板のレ−ザ加工装
置。
【請求項５】請求項４において、上記レーザ光の縮小
倍率を変化する手段を、上記レーザ光の光軸方向に移動
する試料ステージとしたことを特徴とする配線基板のレ
−ザ加工装置。
【請求項６】請求項１において、上記レーザ光のエネ
ルギ密度分布を変化する手段を、上記レーザ光を分割す
るビーム分割プリズムと、光軸方向に移動可能な集光レ
ンズと、光軸方向に移動可能な試料台とにより構成する
ようにしたことを特徴とする配線基板のレ−ザ加工装
置。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかにおいて、
上記レーザ光を間歇的に照射する手段を備えたことを特
徴とする配線基板のレ−ザ加工装置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかにおいて、
上記配線基板の加工パタ−ンを備えたマスクとこのマス
クの出射光を上記配線基板面に結像する手段とを備えた
ことを特徴とする配線基板のレ−ザ加工装置。
【請求項９】配線基板のレ−ザ加工方法において、請
求項１ないし６に記載のいずれかのレーザ加工装置のレ
−ザ光を、上記配線基板の表面に設けた加工パタ−ンを
有するマスクに照射するようにしたことを特徴とする配
線基板のレ−ザ加工方法。
【請求項１０】請求項１ないし８に記載のいずれかの
レーザ加工装置によりバイアホールを加工したことを特
徴とする配線基板。
【請求項１１】請求項１０において、上記バイアホー
ルのテーパ角を２５度以上としたこと特徴とする配線基
板。