JPH08504132A - 材料処理のためのフレネルゾーンプレートの使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 機械加工し、材料処理を行う装置は、エキシマーレーザと、加工片に平行に位置させたフレネルゾーンプレート列（ＦＺＰ）とを包含し、ＦＺＰと加工片の間の距離がＦＺＰの焦点距離である。加工片上に形成しようとしている各孔に対して、対応するフレネルゾーンをＦＺＰにパターン化する。各フレネルゾーンは所望の孔位置に直接位置合わせしてパターン化するか、あるいは、高密度パターンにおいては、孔からオフセンタに設置し、フレネルゾーンの、所望の偏光方向と反対の側でより細かい円弧を形成することによって偏光を達成する。ビーム・スキャナを設け、レーザ光線によってＦＺＰのより均一な照射を行う。走査が強度の不均一性を排除する。整合機構はヘリウム・ネオン・レーザを使用し、そこから光線が加工片上の表面浮き彫り格子に投射される。表面浮き彫り格子からの反射光線が濾波されて干渉縞を生じさせる。この干渉縞が、整合したときに、フレネルゾーンプレート上の透過型回折格子を通して投射される最高の光強度を与える。

Description

【発明の詳細な説明】 材料処理のためのフレネルゾーンプレートの使用 発明の背景 プリント回路板や集積回路パッケージへのビア（viasを形成を含む多くの用途 において任意の輪郭の非常に小さい孔は重要である。ビアを形成する伝統的な機 械手段、たとえば、ドリルやポンチは、０．００４インチ（０．１０ｍｍ）もの 小さいビアを形成することができる。この限度より小さい孔では、リトグラフ技 術または光学技術を使用しなければならない。 微細加工のための光学技術の１つは顕微鏡により加工片に合焦させたレーザに よる直接的な切削である。ビアは加工片を載せたステージにより一度に１つづつ 穿孔し、形成しようとしている次のビアに移行し、すべてのビアを形成するまで この作業を繰り返す。この技術は基板の表面を覆うパターン化した金属マスクを 使用することがあり、それによって、レーザが金属にある開口部のみを通して材 料を切削する。切削後、金属を設計上の必要に応じてパターン化したり、取り外 したりすることができる。この方法の処理品質は、１つの加工片を完成するのに 比較的長い時間をとるという点で限られる。 リトグラフ技術はフォトレジトでビアのパターンを決定し、次いで加工片に反 応性イオン・エッチングを施す。次いで加工片にパターン化されたビアを残して フォトレジストを除去する。この反応性イオン・エッチングは非常に高価な機器 部品を使用し、パターン化、エッチング、フォトレジスト剥離のためにいくつか の付加的なプロセス段階を必要とする。 変調されたゾーンプレート、ホログラフ式光学素子および２進位相格子を用い てレーザ加工を行い得ることは公知である。これらの回折光学素子はマスク式技 術よりも効率が良く、理論的には、入射光の１００％を所望の像へ送ることがで きる。しかしながら、これら回折光学技術は、その多くが周期的なスポット列し か発生できないという点で限界があり、合焦用に屈折レンズを必要とすることが 多い。この屈折レンズは効率を低下させ、光学収差や像のゆがみを生じさせる可 能性がある。 回折光学技術やレーザの効率を保ち、しかも、特殊な用途のために創作する可 能 性のある任意のパターンの生成を可能とする機械加工および材料処理用の装置お よび方法を得ることができると望ましい。本発明はこのような装置および方法に 向けたものである。 発明の概要 本発明の利点は、機械加工および材料処理のための任意のパターンを形成する のに回折光学技術を使用する装置を提供することにある。 本発明の別の利点は、均一なパワーのほぼ平行な光線を用いて視野内の多数領 域を同時に処理でき、しかも、加工片を取り付けたステージをステップ移動ある いは走査する必要がないということにある。 本発明の別の利点は、光線の正しい位置を確保するのに回折光学素子と加工片 とを非常に精密に整合させることができるということにある。 或る実施例においては、回路板にビアまたは孔を穿つ装置はエキシマーレーザ と回路板に対して平行に位置したフレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）とを包含し 、ＦＺＰと回路板の距離がＦＺＰの焦点距離となっている。回路板に形成しよう としている各ビア毎に、対応するＦＺＰをＦＺＰ列にパターン化する。各ＦＺＰ は所望ビア位置に直接中心合わせするようにパターン化してもよいし、高密度パ ターンの場合には、ビアから中心を外して設置し、ＦＺＰの、所望の偏光方向と 反対の側により微細な円弧を形成することによって偏光を行ってもよい。 ビーム・スキャナを設けてレーザ光線によってＦＺＰをより均一に照射するよ うにする。スキャニングは強度の非均一性をなくす。 整合機構にはヘリウム・ネオン・レーザを用い、このレーザ光線を加工片上の 表面浮き彫り格子に投影する。表面浮き彫り格子からの反射光を濾波して干渉縞 を生成し、これらの干渉縞は、整合時に、フレネルゾーンプレート上の透過型回 折格子を通して投影された光強度を最大にする。 ＦＺＰはパターン化して、所望の孔形状のフーリエ変換のパターンを生成する ことによって任意の輪郭の孔を得ることができる。 図面の簡単な説明 本発明の好ましい実施例についての、添付図面に関連した以下の説明を考察す ることによって本発明の理解が容易になろう。添付図面において、同様な参照符 号は 同様な部分を示すものであり、 第１図は好ましい実施例による材料処理装置の概略図であり； 第２図はフレネルゾーンプレート列を示し； 第３図は光線傾斜を行うフレネルゾーンプレート構造を示し； 第４図は整合装置の斜視図であり； 第５図はの動きを説明する斜視図である。 好ましい実施例の詳細な説明 第１図に示す好ましい実施例において、材料処理装置は光線３を放射する処理 用レーザ２と、ビーム・スキャナ４と、空間フィルタ５と、ビーム拡大器／コリ メータ光学列６と、フレネルゾーンプレート列８と、整合サブシステム１０とを 包含する。回路板１２として示している加工片はステージ１４上に取り付けてあ る。 処理用レーザ２はエキシマーレーザであり、これは他の市販のレーザの放射す るよりもかなり大きい紫外光の単一のパルス輝度を与える。好ましいエキシマー レーザは２４８ｎｍで放射するＫｒＦであり、これは２０ナノ秒パルスの場合に ４００ｍＪ／パルスのパワーを発する。この特別なレーザは、プリント回路板に 用いられるポリイミドおよびセラミック・パッケージングで用いられるアルミナ （Ａｌ₂Ｏ₃）を切削できるために選んだ。 ビーム・スキャナ４は、レーザ光線の品質が回路板の直径仕様に対してレーザ を合焦させるための要件に合わせられているために設けてある。光線の品質を変 えると、レーザ強度の均一性を低下させるスペックルパターンが生じる。レーザ の均一性はビアの直径に影響するので重要なパラメータである。ポリイミドはそ れ以下では切削量が少なくなるエネルギー閾値を有し、レーザ光線の輪郭はさら に強度の大きいパルスならば、それだけ切削閾値が広くなるという効果を持つ。 これはビーム輪郭の尾部で強度が高くなるからである。その結果、孔の直径が大 きくなり、回路板１２を横切る孔直径分布が不均一となり、おそらくは指定公差 を超えることになる。 ビーム・スキャナ１４は狭い領域を横切ってレーザ光線を連続的に走査させて 走査中にすべての部位で重なり合わせることによってレーザ光線の不均一な強度 を軽減する。第５図に示すビーム・スキャナ４は、２つのステージ４１、４２と 、反射 鏡４３、４４とからなる。ステージ４１は±ｘ方向において連続的に揺動し、そ の上に反射鏡４３が４５゜の角度で取り付けてある。±ｘ方向におけるステージ ４１の動きはレーザ光線を目標面のところで±ｘ方向に移動させ、±ｚ方向にお けるステージ４２の動きはレーザ光線を目標面のところで±ｚ方向に移動させる 。ステージ４１、４２の動きを適当にプログラミングすることによって、目標面 のところで任意所望の走査パターンを得ることができる。ステージ４１、４２は 狭いピッチ、ヨー仕様を持ち、動きがレーザ光線の傾きを誘導することはない。 空間フィルタ５は入力レーザ光線の空間濾波を行えるように設けたピンホール である。このピンホールはレーザ光線の大きく発散した成分を拒絶する。 フレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）というのは、任意の配置で容易に大量生産 できる光合焦構造である。従って、ＦＺＰはレーザ光線を用いて孔パターンをエ ッチングする有効な手段となる。標準のリトグラフ技術を用いて多数のＦＺＰで 一枚の基板をプリントできる。ＦＺＰの作動原理は光の回折である。回折の原理 は、光波が小さい孔（この小さいというのは光波に匹敵する寸法を意味する）を 通過した後には真直ぐな経路をたどれなくなり、外向きに広がって孔の後のスペ ースをいっぱいにしてしまうということにある。したがって、２つ以上の孔を持 つスクリーンを通過した光線は重なり合い、統合することになる。光は波である から、その振幅に山と谷を有する。光線が統合すると、１つの光線の山が別の波 の谷によって相殺され、その部位を暗くする可能性がある。これは弱め合う干渉 と呼ばれる。同様に、他の部位では、光線が結合して２つの山あるいは２つの谷 が合わさることがある。この場合、これらの部位で光の振幅が大きくなり、これ は強め合う干渉と呼ばれる。正しい孔パターンを有するスクリーンを用いて光を 合焦させることができる。焦点での光はできるだけ振幅の高いものでなければな らない。したがって、強め合う干渉を与える光を焦点に送れる孔のみをスクリー ンに開けなければならない。或る孔が強め合う干渉を与えるか、弱め合う干渉を 与えるかどうかはその孔の焦点からの距離による。もし焦点から或る所与の距離 のところにある特定の孔を選んだ場合、波長のプラス、マイナス４分の１と同じ 距離以内のところにある他のすべての孔は弱め合う光を与えることになる。さら に、整数個の波長プラス、マイナスのその距離の４分の１波長以内のすべての孔 も弱め合う光を与えることになる。スクリーン上のすべての弱め合う孔位置が透 明で、すべての弱め合う位置のすべてが不 透明である場合に生じるパターンは一連の同心リングとなり、リングの間隔はパ ターンの中心から離れるにつれて狭くなる。リングのこのパターンがＦＺＰであ る。 焦点での光の全振幅は普通ＦＺＰの不透明リングによって阻止される光を用い ることによって大きくなり得る。弱め合う光はその位相を半波長だけ変えること によって強め合う光に転換できる。したがって、ＦＺＰの不透明リングの代わり に半波長分だけ光を遅らせる或る厚さの透明材料を用いることによって、これら の領域も焦点に強め合う光を送ることができ、それによって、全光振幅を二倍に することができる。焦点で光によってエッチングされる材料は光振幅に反応せず 、振幅の二乗の光の強度に反応する。こうして、振幅が二倍になると、４の因数 だけエッチングの潜在能力が高まる。 フレネルゾーンプレートを製作する手順は電子ビームリトグラフを用いてマス クを製作することから始まる。電子ビームリトグラフはクロム製マスクプレート 上のフォトレジストにパターンを直接「書き込む」ので、単一のマスク上に多数 のゾーンをパターン化する付加的な作業は比較的少なくて済む。各ゾーンの位置 は加工片の選定部位を同時に処理するのに望ましいビーム投射パターンによって 決まる。ＦＺＰ列の外周は１ｃｍ幅のオーダーのくっきりとした未パターン化領 域７を持ち、整合手段を設けることができる。露光したクロムのエッチングの後 （未露光レジストの下）、マスクは所望ＦＺＰ列のパターンを持つことになる。 このようなパターンで部分的に重なり合っているＦＺＰを有する一例が第２図に 示してある。ゾーンを部分的に重なり合わせる作業では、必要に応じて、加工片 の選定領域の比較的精密で任意の位置決めを可能とする。また、加工片上のＦＺ Ｐおよび選定領域は円形に限らないということにも注目されたい。所望形状のフ ーリエ変換としてのＦＺＰをパターン化することによって、実質的に任意の形状 （四角形、多角形、非対称形などを含む）のビアまたは孔を穿孔できる。 マスクを使用する場合、マスクを通して光を投射してレジストを露光すること によって石英プレート上のフォトレジストをパターン化する。露光後、湿潤化学 法（ＨＦ）あるいは反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を用いて石英をエッチ ングする。ウェットエッチングはプレート上の線間の小さい間隔が重要でない場 合にのみ使用できる。これはウェットエッチングの等方性により、レジストのア ンダカット を生じさせ、寸法の制御が難しくなるからである。ＲＩＥすなわち異方性エッチ ングが好ましく、くっきりした垂直段部を持って線間の狭い間隔を達成するのに 必要である。 ＦＺＰの設計は次の通りである。ゾーンのリングを分離しているｋ番目の円の 長であり、ｆはフレネルゾーンの焦点距離である。 半径Ｒのフレネルゾーンにおける明暗のリングの総数は、Ｋ＝Ｒ²／λｆである 。最も狭いリングの幅（製作に必要な解像度を決定する）は、 である。任意のエッチング技術によって達成できる石英のエッチング深さは、Ｌ ＝λ／［４（ｎ−１）］であり、ここで、ｎは石英の屈折率であり、約１．５５ である。この深さまで精密にエッチングすると、合焦スポットのところに最高の 光学パワーを与えることになる。 本システムの好ましい実施例では、ＦＺＰ列８は回路板１２に平行に５０ミリ メートル離れて位置している。したがって、ＦＺＰの焦点距離は５０ｍｍである 。この回路板１２に穿孔した孔は直径１２．５ミクロンである。孔は加工片上に ランダムに位置しており、７５ミクロンの中心距離ほども接近している。５０ｍ ｍの距離から１２．５ミクロンの孔をエッチングするには、第３ａ図でわかるよ うに孔上に位置合せしたゾーンを用いてＦＺＰは直径１ｍｍでなければならない 。７５ミクロン以内に孔を接近させ得るようにするには、ＦＺＰはその背後で位 置合せされない孔を作り出す可能性があり、第３ｂ、３ｃ図におけるように片側 に偏ることになる。大きな直径のゾーンプレートの場合、そのパターンの任意の 選ばれた１ｍｍ平方の領域がパターンの中心の背後の焦点に光を送る。したがっ て、下に位置合せされない孔を製作するように設計されたＦＺＰは大きなＦＺＰ の外側部分から選ばれた１ｍｍ平方領域となる。孔がＦＺＰの中心から逸れれば 逸れるだけ、第３ｃ図に示すように、ＦＺＰの偏光方向と反対側の円弧が細かく なる。したがって、最大の 偏光は製作プロセスの最低解像度によって制限を受けることになる。円弧のピッ チＬはＬ＝λ／２ｓｉｎθの関係に従って決まる。ここで、θは偏光角である。 もし０．５ミクロンもの細かい機能を作り得る場合には、孔を対応するＦＺＰ素 子の中心から４．５ｍｍまでのところに孔を置くとよい。これらの仕様は７５ミ クロンの格子上に孔を対角線に沿って書き込むことができる。 整合サブシステム１０が第４図に示してある。基準レーザ２０、たとえば、ヘ リウム・ネオン・レーザ（６３２．８ｎｍ）が可視スペクトルの範囲内で光を発 する。整合光線２２がＦＺＰ８の外周に取り付けた反射プリズム２４に向かって 投射される。この反射プリズムは、光線２２をＦＺＰの透明な領域７を通して表 面浮き彫り格子１４がパターン化されている回路板１２上の或る位置に向かって 送る。プリズム２４からは、光線２２は小さな角度で格子１４に向かって投射さ れることに注目されたい。これは反射光線がプリズム２４に直接戻るのではなく て異なった位置を通り得るようにするために必要である。光線２２が格子１５に 入射すると、光線はいくつかの回折配列に分割され、これらの回折配列が反射光 を濾波するブロッキング・フィルタを通してＦＺＰ列に向かって戻され、−１、 ＋１を除いてすべての回折配列を除去する。第４ｂ図に示すように、可視光線２ ２は屈折プリズム２４を通り、この屈折プリズムが光線２２を或る角度でフレネ ルゾーンプレート列８から出射させる。光線２２は加工片１２上の表面浮き彫り 格子１４に入射する。格子１４は光線を多数の回折配列２３に分断する。回折配 列２３は反射格子レンズ２９によって反射、合焦させられる。光線２３は二次オ フ鏡面１６を反射し、この面が＋１、−１回折光線を反射するが、０次および他 のすべての光線は止めるようにパターン化される。＋１、−１光線は８の頂面に ある反射バンプ１７に出会う。バンプ１７の目的は、光線２２を小さい角度で走 査させ、＋１、−１光線をバンプ１７に向かって、および、そこから離れるよう に移動させることにある。こうすると、相対位相が変調させられる。光線は面１ ６から一回以上離れるように反射し、透過型回折格子１８の平面で干渉パターン から反射する。加工片１２およびプレート８が正しく整合すると、検知器２４に 最大の信号を与える。バンプ１７によって生じた光線の位相変調は干渉パターン を前後に揺らし、検知器２４に変調信号を与えるように作用する。この変調信号 は高い精度およびノイズ不感受性を与える同期検出に適している。鏡面１６はＦ ＺＰ列８の下面に設置してもよいし、別の素子であっ てもよい。−１、＋１回折配列の伝達、組み合わせは干渉縞を生じさせ、これが ＦＺＰ列８の外周にパターン化するのが好ましい透過型回折格子１８を通る。透 過型回折格子１８は別個の素子であってもよい。透過型回折格子１８を通過した 光は検知器２４によって測定され、通過光の全量を決める。ＦＺＰ８または回路 板１２を装着したステージ１４の回転傾斜または側方移動あるいはこれら両方を 調節することによって、透過型回折格子１８を透過した光の最高強度が達成され 、これが整合を示す。 上記の整合作業は、好ましくは、２つ以上の位置で行う。そうすれば、レーザ ２０と反射プリズム２４の間のビームスプリッタ２５を２つの別個の光線２２、 ２２′を与えるように設置し、これらの光線を格子１５、１５′に入射させ、そ れぞれ、２つの位置で上記の整合作業を行えるようにすることによって容易にす ることができる。 整合サブシステム３０の別の実施例において、上記のような基準レーザ２０を 用いることによって、２つの縁のところに一組の整合マークをパターン化した十 字線を通して基準光線を送る。対応する組の整合マークを加工片上に設置し、フ レネルレンズを用いてそこに反射光を合焦させる。これらの整合マークは部分反 射性であり、十字線およびその上の整合マークを通して光線を戻すように反射す る。カメラは反射光線によって運ばれる像を見つめ、完全な重なり、したがって 、整合が達成されているかどうかを決定する。 本発明の材料処理方法および装置は、多くの部位を同時に処理できるので、利 用できるレーザパワーを効果的に用いながら高いシステム生産性を与えることが できる。標準のリトグラフ技術によってＦＺＰを製造する処理段階は使用者の要 求に応じてプレートのカスタム化のため任意にパターン化することができる。整 合サブシステムは位置決めを反復して、全フィールドステッピングをして生産性 を高めることを可能とする。 ここで、先に説明しなかったが、明瞭に本発明の範囲および精神内にある付加 的な実施例があることは明らかであろう。したがって、上記の説明および図面は ほんの例示を意図したものであり、本発明の範囲は添付の請求の範囲によっての み制限されるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スミス アドライ エイチ アメリカ合衆国 カリフォルニア 92122 サン ディエゴ 169番 ポート デ パルマス 4175 (72)発明者 ゲスト クラーク シー アメリカ合衆国 カリフォルニア 92126 サン ディエゴ アルカイド ドライブ 11524

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 加工片をその選定領域に等しい強度の複数の光線を同時に投射するこ とによって処理し、１つの光線が各選定領域に対応するようにした装置において 、 少なくとも１つの波面を有する入射処理光線を発生させる光源と、 複数の領域を有し、その外周に透明なストリップを有するフレネルゾ ーンプレート列であり、各領域が前記選定領域の１つに対応し、前記波面が前記 フレネルゾーンプレート列に入射して前記光線の１つを各前記領域から投射させ 、前記光線が前記選定領域の対応するものに合焦させられるフレネルゾーンプレ ート列と を包含し、 それによって、各光線がその対応する選定領域で処理を行い、前記加 工片の処理を同時に同等にかつ均一に達成することを特徴とする装置。 ２． 請求の範囲第１項記載の装置において、さらに、前記入射処理光線を 前記フレネルゾーンプレート列に走査して前記入射処理光線の強度の不均一性を 補正するビーム・スキャナを包含することを特徴とする装置。 ３． 請求の範囲第１項記載の装置において、さらに、整合機構を包含し、 この整合機構が、 基準光線を可視スペクトルで放射するレーザと、 前記基準光線の経路内に配置してあって、前記基準光線を前記フレネ ルゾーンプレートをとおして前記加工片に向かって送る少なくとも１つの屈折プ リズムと、 この屈折プリズムに対応して前記加工片上に設けてあり、前記基準光 線を反射光線経路に沿って前記フレネルゾーンプレートに戻すように反射する整 合マークと、 前記反射光線経路内に配置してあり、前記反射光線を選択的に透過さ せる少なくとも１つの格子と、 前記少なくとも１つの格子を通して投射された前記反射光線を検出し て前記反射光線の強度を決定し、この光強度を整合のインジケータとする検知器 と を包含することを特徴とする装置。 ４． 請求の範囲第３項記載の装置において、前記反射プリズムが前記透明 なストリップ上に配置してあることを特徴とする装置。 ５． 請求の範囲第３項記載の装置において、前記少なくとも１つの格子が 前記透明なストリップ上に配置してあることを特徴とする装置。 ６． 請求の範囲第３項記載の装置において、前記少なくとも１つの格子が 、前記反射光線を選択的に透過させる前に前記透明なストリップ内で前記反射光 線を選択的に反射させる複数の反射型、透過型回折格子を包含することを特徴と する装置。 ７． 請求の範囲第１項記載の装置において、さらに、整合機構を包含し、 この整合機構が、 可視スペクトルで基準光線を発するレーザと、 パターン化した複数の第１の整合マークを有し、これらの整合マーク を通して前記反射光線が前記加工片上の第１整合マークに対応する複数の第２整 合マーク上に投射され、各第２整合マークが少なくとも部分的に反射性である十 字線と、 前記基準光線が前記第２整合マークから反射して前記十字線を通して 戻った後に前記基準光線を検知し、前記第１整合マークおよびそれに対応する第 ２整合マークを比較して整合状態を決定するカメラと を包含することを特徴とする装置。 ８． 請求の範囲第１項記載の装置において、前記フレネルゾーンプレート 列が複数の領域を持つようにパターン化された石英プレートからなり、各領域が 中心点まわりに複数の山、谷を包含し、各谷がλ／４（ｎ−１）の深さを有し、 ここで、λが前記光源の発する光の波長であり、ｎが前記石英プレートの屈折率 であることを特徴とする装置。 ９． 請求の範囲第１項記載の装置において、前記フレネルゾーンプレート 列が複数の領域を持つようにパターン化されたガラス・プレートからなり、各領 域が中心点まわりに複数の山、谷を有するパターンを包含し、各谷がλ／４（ｎ −１）の深さを有し、ここで、λが前記光源の発する光の波長であり、ｎが前記 ガラス・プレートの屈折率であることを特徴とする装置。 １０． 請求の範囲第８項または第９項記載の装置において、前記パターンが 前記選定領域で処理しようとしている形状のフーリエ変換を包含することを特徴 とする装置。 １１． 請求の範囲第２項記載の装置において、前記ビーム・スキャナが複数 のステージを包含し、そこに反射鏡が配置してあり、前記入射光線を反射し、そ れを目標平面に沿って走査させるようにしたことを特徴とする装置。 １２． 加工片に等しい強度の複数の光線を同時に合焦させることによって加 工片の複数の選定部位を処理する方法であり、 基準レーザから、前記加工片上方に位置させた透明プレート上の複数 の第１整合マークを通して基準光線を投射させる段階と、 前記複数の第１整合マークを前記加工片上の複数の第２整合マークと 整合させる段階と、 入射処理光線を複数のゾーンを配置したフレネルゾーンプレートを通 して投射し、１つのゾーンが前記加工片上の各選定部位に対応させ、それによっ て、等しい強さの複数の処理光線を生じさせ、１つの光線を前記各選定部位に対 応させる段階と を包含することを特徴とする方法。 １３． 請求の範囲第１２項記載の方法において、さらに、前記入射光線を走 査して光線の不均一性を排除する段階と包含することを特徴とする方法。