JP2005021964A - レーザーアブレーション加工方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細穴開口または微細線幅の、高アスペクト比の穴、溝または切断の加工ができるレーザーアブレーション加工方法および装置を提供する。
【解決手段】 被加工物１３が載置されるＸ−Ｙテーブル２は、減圧チャンバ１１内に置かれる。減圧チャンバ１１の外に、パルス発振するレーザー光源１４が配置されており、レーザー光源１４より出射されたレーザー光ビームは、減圧チャンバ１１の窓を通して減圧チャンバ１１内に導入され、拡大・コリメート光学系１５により平行化された後、アクシコンレンズ１６によりベッセルビーム化され、被加工物１３上に照射される。所望により、被加工物１３のレーザービーム照射部位にガスボンベ１７中のガスをアシストガスとしてノズル１８を介して吹きつける。また、所望により、減圧チャンバ１１内の空気（ガス）を排気する。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザービームを用いたアブレーション加工方法とその装置に係り、特に高アスペクト比の微細穴または微細線幅での加工を行うレーザーアブレーション加工方法およびその装置に関するものである。

古くより、穴あけ加工は、ドリルなどの機械的加工によって行われてきた。しかしながら機械的加工では、径が１００μｍを下回るような微細な穴径の加工は困難である。近年、製品や部品の小型化、高集積化に伴い、微細な径の貫通穴やブラインド穴（非貫通穴）、微細な幅の溝加工や、微細な幅の切断加工が要求されている。これらの要求を満足する加工手法として、レーザー光パルスを用いたアブレーション加工がある。これは、パルス幅約１００ｎｓ以下のレーザー光パルスを凸レンズ等で微小スポットに集光して、尖頭値で約１００ＭＷ／ｃｍ^２程度以上にパワー密度を高め、これを照射した被加工物表面部分をアブレーション（蒸散）させて除去する加工方法である。凸レンズ等の集光によりできる微小スポットのサイズ（直径）は、レーザー光の波長や凸レンズの焦点距離等により異なる。レーザー光の波長をλ、凸レンズの焦点距離をｆ、レーザー光がトップハットの強度分布を持っており、そのビーム直径がａであるとき、理想的集光状態でのスポットの直径φｃは近似的に次の（１）式で表される。
φｃ＝２．４４ λ ｆ ／ ａ （１）
また、理想的集光状態でのスポットの焦点深度ｚｆは近似的に（２）式で表される。
ｚｆ＝２ λ ｆ^２ ／ ａ^２ （２）
例えば、ビーム直径約４ｍｍ、波長５３２ｎｍのレーザー光を焦点距離約６０ｍｍの凸レンズを用いて集光すれば、スポット直径は約２０μｍとなる。しかしながらこのスポットの焦点深度は高々約２５０μｍでしかないため、加工に際して被加工物と集光のための凸レンズの位置を精密に調節する必要がある。

微小スポットに集光された尖頭値パワー密度の高いレーザー光パルスの照射によるアブレーションによって被加工物表面は除去され、浅い穴が形成される。レーザー光パルスが、繰返し生成され、照射される場合（レーザー光パルス列照射）は、浅い穴の開口を通して、次のレーザー光パルスが穴の内部に入り、さらに穴の内部の被加工物表面がアブレーションによって除去される。連続して照射されるレーザー光パルスによって、穴の深さが順次深くなるのではなく、ある一定深さに達すると、照射するレーザー光パルスを増やしても、それ以上穴は深くならなくなる。従って、穴の径φを微細に保ったまま穴の深さｄを深くすること、即ち、アスペクト比ｄ／φの大きな穴あけ加工をすることは困難であった。

この問題を解決するものとして、ある一定数のレーザー光パルスの照射毎に、被加工物を載せたステージを上昇させることにより、レーザー光の集光スポット（焦点）を被加工物内部に順次深く挿入し、加工穴の深さの飽和を避け、アスペクト比の高い穴を加工する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、穴あけ加工の進行に合わせて、レーザー光を集光するレンズの位置を被加工物側に順次移動させることにより、レーザー光の集光スポット（焦点）を被加工物内部に順次深く挿入し、加工穴の深さの飽和を避け、アスペクト比の高い穴を加工する手法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

被加工物がレーザー光に対して透明である場合には、別種の手法が開示されている。例えば非特許文献１には、石英ガラスに波長７９０ｎｍのフェムト秒レーザー光パルス（パルス幅１００〜２００ｆｓ）を繰返し照射することによる、数μｍ径で深さ１ｍｍを越える穴あけが報告されている。
さらに、特許文献３、４には、レーザー光パルスの集光スポットを、レーザー光が入射する面とは反対側の被加工物表面（裏側）に位置させて裏側表面をアブレーションさせ、順次集光スポット（焦点）を被加工物内部に引き入れて、アスペクト比の高い穴を加工する手法が開示されている。
特開平５−２０８２８８号公報 特開２００２−３０７１８０号公報 特開２００１−２１２６８０号公報 特開２００３−２０２５８号公報 Ｖａｒｅｌ et al．、 Applied Physics A誌、６５巻、pp．３６７−３７３、１９９７年

従来、微細穴開口または微細線幅で、穴あけ加工、溝または切断の加工を、レーザー光パルスを用いたアブレーション加工によって実施する際には、被加工物と集光のためのレンズの位置を精密に調節する必要があった。
非特許文献１に報告されている手法や、特許文献３、４に開示されている手法は、いずれも被加工物が照射されるレーザー光に対して透明であるものに限定されている。
また、特許文献１、２に開示された手法では、被加工物を載せるステージの駆動機構や、集光用のレンズの移動機構が必要であり、手法及び装置が、複雑であり高価になる。
本発明の目的は、被加工物がレーザー光に対して透明であるか不透明であるかを問わず、被加工物と集光のための精密な位置合わせが不要で、複雑な装置を必要としない、微細穴開口または微細線幅の、高アスペクト比の穴、溝または切断の加工をする方法および装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、レーザービームを被加工物表面に照射することにより、被加工物表面を除去して穴あけ、溝形成または切断を行うレーザーアブレーション加工方法において、前記被加工物に照射されるレーザービームがベッセルビームであることを特徴とするレーザーアブレーション加工方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、被加工物表面にレーザービームを照射することにより、被加工物表面を除去して穴あけ、溝形成または切断を行うレーザーアブレーション加工装置であって、レーザー光源と、レーザービームをベッセルビームに変換する変換光学手段と、被加工物が載置されるテーブルと、を備えるレーザーアブレーション加工装置、が提供される。

本発明によれば、被加工物がレーザー光に対して透明であるか不透明であるかを問わず、被加工物と集光のための精密な位置合わせが不要で、複雑な装置を必要としない、微細穴開口または微細線幅の、高アスペクト比の穴、溝または切断の加工をする方法および装置が提供される。その理由を以下に説明する。
本発明の特徴は、被加工物にレーザー光パルスとしてベッセルビームを照射していることにある。ベッセルビームに関しては、特願２００２−３３９５２０に詳しく記載されている。ベッセルビームの中心スポット直径φｂは、ビームと光軸（レーザー光の伝播軸）との交差角をθbとして、近似的に（３）式で表される（図１参照）。
φｂ＝２．４０５ λ ／（π ｓｉｎθｂ） （３）
通常の凸レンズ集光の場合の集光スポット直径は、（１）式においてｔａｎθｃ＝ａ／（２ ｆ）と置く事で、（４）式に書き換えることができる。
φｃ＝１．２２ λ ／ ｔａｎθｃ （４）
ここで角度θｃは、凸レンズで屈折して焦点に向かうレーザー光の光束の一番外側の光線が、光軸（伝播軸）と交差する角である（図２参照）。

波長λ＝５３２ｎｍのレーザー光を用いた場合の、同じスポット直径を得るのに必要な、交差角を計算し、図３に示す。いずれのスポット直径の場合も、通常の凸レンズ集光の場合よりも、ベッセルビームの方が交差角は小さい。
凸レンズで集光したスポットにより穴あけを行う場合の様子を図２に示す。被加工物１の表面に凸レンズにより集光されたレーザー光２を照射すると、アブレーションにより穴があけられる。この穴の内部を、次のレーザー光パルスが反射を繰り返しながら進むが、レーザー光束最外側光と伝播軸3とのなす角：交差角θｃが大きいため、単位距離進むのに多くの反射が必要になる。また、穴側面に対する反射角θｒが小さく、フレネル反射で理解されているように、反射の度毎に多くのエネルギーを失う。従って、凸レンズで集光したスポットの場合には、穴底に達するエネルギーは小さいものでしかない。
ベッセルビームにより穴あけを行う場合の様子を図１に示す。被加工物１の表面にベッセルビームであるレーザー光２を照射すると、アブレーションにより穴があけられ、この穴の内部を、次のレーザー光パルスが反射を繰り返しながら進むが、この場合、交差角θbが小さく、単位距離進むのに要する反射の回数が少ない。また、穴側面に対する反射角θｒが大きく、フレネル反射で理解されているように、反射の度毎に失うエネルギーは小さい。従って、ベッセルビームのスポットの場合には、開口を通過したレーザー光のエネルギーの多くが穴底にまで達する。従って、交差角が小さいベッセルビームを用いた方が、より深い穴底にまで高いエネルギーを保ったままレーザー光が届くため、深い穴を加工することが可能になる。

図４（ａ）に、波長５３２ｎｍ、ビーム直径（１／ｅ^２）４ｍｍの強度分布がガウシアンであるレーザー光束を、アクシコンレンズや回折型光学素子等の集光手段を用いて生成した、交差角θｂが約１．１７°であるベッセルビームの、伝播軸上の光強度分布を示す。この場合のスポット直径は約２０μｍである。
また、伝播軸上光強度は、集光手段からの伝播距離が約５０ｍｍで最大値を持ち、最大強度の８０％の値を維持している伝播距離区間（焦点深度、伝播距離約３０ｍｍから約７５ｍｍまで）は長さ４５ｍｍに及んでおり、少なくともこの区間内において、図４（ｂ）に示されるビーム断面内の光強度分布が維持されている。通常の凸レンズ集光において、集光スポット径が約２０μｍの場合の焦点深度が約２５０μｍであるのに比べ、ベッセルビームは遥かに深い焦点深度を有しており、加工時に被加工物と集光のためのレンズの位置を精密に調節する必要がなくなる。
以下に実施の形態、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内での種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図５は、本発明のレーザーアブレーション加工装置の概略の構成を示す断面図である。必須の構成要件ではないが、被加工物１３が載置されるＸ−Ｙテーブル２は、減圧チャンバ１１内に置かれる。減圧チャンバ１１の外に、パルス発振するレーザー光源１４が配置されており、レーザー光源１４より出射されたレーザー光ビームは、減圧チャンバ１１の窓を通して減圧チャンバ１１内に導入され、拡大・コリメート光学系１５により平行化された後、アクシコンレンズ１６によりベッセルビーム化され、被加工物１３上に照射される。レーザー光源１４と拡大・コリメート光学系１５との間あるいは拡大・コリメート光学系１５とアクシコンレンズ１６との間に、レーザー光ビームの強度を調整する光減衰器を配置してもよい。また、レーザー光源１４から出射される光ビームのビーム径が十分に大きくその平行度が高い場合には拡大・コリメート光学系１５を省略してもよい。あるいは、拡大・コリメート光学系１５、アクシコンレンズ１６及び光減衰器は、減圧チャンバ１１の外側に置かれてもよい。
レーザー光源１４から出射される光のパルス幅は、好ましくは１００ｎｓ以下であり、一層好ましくは３０ｎｓ以下である。レーザー光源１４には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ルビーレーザーやＴｉ：サファイアレーザーなどの固体レーザーあるいはその第二高調波出力などが用いられる。拡大・コリメート光学系１５にはケプラータイプやガリレオタイプのビームエキスパンダーなどが用いられ、これによりレーザー光源１４より出射された光ビームはビーム径が広げられ平行ビーム化される。この平行光ビームは、円錐形レンズであるアクシコンレンズ１６によりベッセルビーム化されるが、アクシコンレンズ１６に代え同様の機能を有する回折型光学素子を用いてもよい。被加工物１３は、Ｘ−Ｙテーブル２により水平面内を移動される。例えば被加工物１３に溝加工を加えるとき、Ｘ-Ｙテーブル２は制御装置(図示なし)により制御される。Ｘ−Ｙテーブル２に上下方向移動の機能を持たせることができる。

所望により、被加工物１３のレーザービーム照射部位にガスボンベ１７中のガスをアシストガスとしてノズル１８を介して吹きつける。アシストガスとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ_２、Ｎ_２ガス等が用いられる。また、所望により、減圧チャンバ１１内の空気（ガス）をポンプ（図示なし）により排気する。穴あけ、溝及び切断加工において、被加工物表面の照射部位を含む領域にアシストガスを吹き付けながら、レーザー光パルスを照射することは、加工速度が速くなるとともに表面平滑度が向上するので効果的である。また、穴あけ、溝及び切断加工において、被加工物表面の照射部位を含む領域を減圧しながら、レーザー光パルスを照射することは、除去物の穴や溝からの排出を促進するので、加工速度向上、加工面平滑性向上に効果がある。

ベッセルビームの特徴は、パワー密度が高くかつ１００μｍ程度以下の中心ピーク直径が容易に得られ、さらにその中心ピーク直径が比較的長い伝播距離に渡って維持されることにある。これよりも大きい集光スポット直径は、通常の凸レンズ集光でも容易に得られるし、図３からも分かるように大きなスポット直径におけるベッセルビームと凸レンズ集光の伝播軸との交差角は、依然としてベッセルビームの方が小さいものの、両者ともに十分小さい値となっており、従来の手法で十分な加工の実施が可能である。本発明の特徴が特に発揮される穴の短直径、あるいは、溝幅または切断幅は、１００μｍ以下である。穴あけ加工は多くの場合真円度の高い円形穴あけであるが、楕円や異形穴形状の場合もある。
穴あけ加工における短直径とは、穴形状に内接する最大面積の円または楕円の、円の場合には直径、楕円の場合には短軸（最短直径）とする。照射するレーザー光の集光により高められたパワー密度の値に依存するが、一般的には穴の短直径と同程度の深さまでは従来技術により容易に穴あけ加工を実施できる。本発明の特徴が特に発揮される、穴の短直径φと穴の深さｄの比ｄ／φ、あるいは、溝の幅または切断幅ｗと溝深さまたは切断厚さｔの比ｔ／ｗ、すなわちアスペクト比は２以上である。穴あけ加工の場合、照射するレーザー光パルスのパルス数及びパルスあたりのエネルギーを適宜選択することで、穴の深さを調節することができ、貫通穴だけでなく、所望の深さのブラインド穴を加工することが可能である。
溝及び切断加工の場合、照射するレーザー光パルスのパルスあたりのエネルギー及び照射位置の移動速度を適宜選択することで、溝の深さを調節することができ、切断だけでなく、所望の深さの溝を加工することが可能である。

繰返し周波数１０Ｈｚのパルス発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波出力である、パルス幅約１０ｎｓ、波長５３２ｎｍ、ビーム断面内の光強度分布がニアガウシアンで、ビーム直径（１／ｅ^２）が約７ｍｍの概ね平行光束であるレーザー光パルス列を、光源に用いた。
合成石英ガラス製アクシコンレンズ（円錐形状、底円半径３０ｍｍ、半頂角６８°）の光学軸とレーザー光パルス列光束の軸を概ね一致させて、レーザー光パルス列光束をアクシコンレンズの底面に概ね垂直に入射させ、交差角θｂ約１１．２°、中心ピーク直径約２μｍ、焦点深度がアクシコンレンズ円錐底面からの距離約１７ｍｍから約２４．５ｍｍにわたるベッセルビームを生成した。X-Yテーブルに厚さ約２０μｍのＳＵＳ３０４の箔を固定し、ＳＵＳ３０４箔の表面をアクシコンレンズの円錐底面からの距離約２０ｍｍに設置した。ＳＵＳ３０４箔の表面に概ね垂直にベッセルビームが入射するように調整し、１０Ｈｚの繰返しでベッセルビームであるレーザー光パルスを、１パルスあたり１．２５ｍＪのエネルギーで、約５０パルス照射した。
穴の短直径は約４μｍで、穴はＳＵＳ３０４箔の裏面に達する貫通穴であり、アスペクト比ｄ／φは約５である。レーザー顕微鏡による貫通穴の断面形状測定結果を、図６に示す。但し、レーザー顕微鏡では微細穴の中の形状評価ができないので、斜線を引いてある。

実施例１と同じ光源を用い、アクシコンレンズの半頂角を８７°に代えて、交差角θｂ約１．３８°、中心ピーク直径約１７μｍ、焦点深度がアクシコンレンズ底面からの距離約４２ｍｍから約１１０ｍｍにわたるベッセルビームを生成した。
X-Yテーブルに厚さ約３００μｍのＳＵＳ３０４板を固定し、ＳＵＳ３０４板の表面をアクシコンレンズの円錐底面からの距離約７４ｍｍに、ＳＵＳ３０４板の表面に概ね垂直にベッセルビームが入射するように調整・設置した。１０Ｈｚの繰返しでベッセルビームであるレーザー光パルスを、１パルスあたり１１ｍＪのエネルギーで、約１２０００パルス照射した。穴の開口の短直径は約２０μｍで、穴はＳＵＳ３０４板の裏面に達する貫通穴であり、アスペクト比ｄ／φは約１５である。

実施例１と同じ光源、アクシコンレンズ、厚さ約２０μｍのＳＵＳ３０４箔を用いた。X-YテーブルにＳＵＳ３０４箔を固定し、ＳＵＳ３０４箔の表面をアクシコンレンズの円錐底面からの距離約２０ｍｍに、ＳＵＳ３０４箔の表面に概ね垂直にベッセルビームが入射するように調整・設置した。X-Yテーブルを毎分約６０μｍの速度で直線的に、レーザー光パルスの入射方向とは垂直な方向に、５分間移動させる間、１０Ｈｚの繰返しでベッセルビームであるレーザー光パルスを、１パルスあたり１．２５ｍＪのエネルギーで繰返し照射し続けた。ＳＵＳ箔は、幅約４μｍ、長さ約３００μｍにわたり、裏面まで切断されており、アスペクト比ｔ／ｗは約５であった。

本発明による微細穴あけ加工における、穴内部のレーザー光パルスの伝播の状態を示す断面図。 通常の凸レンズで集光したスポットによる微細穴あけ加工における、穴内部のレーザー光パルスの伝播の状態を示す断面図。 目的のスポット直径を得るのに必要な交差角を示す図表。 波長５３２ｎｍ、ビーム直径（１／ｅ^２）４ｍｍのガウシアンビームから生成された交差角θｂ約１．１７°のベッセルビームの、伝播軸上の光強度分布（ａ）と、ビーム断面内の光強度分布（ｂ）を示すグラフ。 本発明のレーザーアブレーション加工装置の一実施の形態を示す概念図。 厚さ２０μｍのＳＵＳ３０４箔の貫通穴のレーザー顕微鏡を用いた断面形状計測結果を示すグラフ。

符号の説明

１ 被加工物
２ レーザー光
３ 伝播軸
θｂ、θｃ 交差角
θｒ 反射角
１１ 減圧チャンバ
１２ Ｘ−Ｙテーブル
１３ 被加工物
１４ レーザー光源
１５ 拡大・コリメート光学系
１６ アクシコンレンズ
１７ ガスボンベ
１８ ノズル

Claims (17)

1. レーザービームを被加工物表面に照射することにより、被加工物表面を除去して穴あけ、溝形成または切断を行うレーザーアブレーション加工方法において、前記被加工物に照射されるレーザービームがベッセルビームであることを特徴とするレーザーアブレーション加工方法。
2. レーザー光源がパルス発振を行うレーザーであって、前記被加工物にレーザー光パルスまたはパルス列を照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザーアブレーション加工方法。
3. 前記レーザー光源が１００ｎｓ以下のパルス幅でパルス発振を行うレーザーであることを特徴とする請求項２に記載のレーザーアブレーション加工方法。
4. 前記被加工物にあけられる穴の短直径φ、あるいは、形成される溝の幅または切断幅ｗ、が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工方法。
5. 前記被加工物表面にあけられる穴の短直径φと穴の深さｄの比ｄ／φ、あるいは、形成される溝の幅または切断幅ｗと溝深さまたは切断厚さｔの比ｔ／ｗ、が２以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工方法。
6. 前記被加工物上のレーザービームの照射部位を含む領域にアシストガスを吹き付けながら加工を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工方法。
7. 前記アシストガスが、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ_２、Ｎ_２ガスの中のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載のレーザーアブレーション加工方法。
8. 前記被加工物上のレーザービームの照射部位を含む領域を減圧しながら加工を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工方法。
9. 被加工物表面にレーザービームを照射することにより、被加工物表面を除去して穴あけ、溝形成または切断を行うレーザーアブレーション加工装置であって、レーザー光源と、レーザービームをベッセルビームに変換する変換光学手段と、被加工物が載置されるテーブルと、を備えるレーザーアブレーション加工装置。
10. 前記変換光学手段が、アクシコンレンズまたは回折型光学素子であることを特徴とする請求項９に記載のレーザーアブレーション加工装置。
11. 前記レーザー光源と前記変換光学手段との間に、ビームを拡大し平行化する拡大・コリメート光学手段が配置されることを特徴とする請求項９または１０に記載のレーザーアブレーション加工装置。
12. 前記拡大・コリメート光学手段がビームエキスパンダーであることを特徴とする請求項１１に記載のレーザーアブレーション加工装置。
13. 前記レーザー光源と前記変換光学手段との間に、レーザービームの強度を調整する光減衰器が配置されることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。
14. 前記テーブルは、ＸＹ方向若しくはＸＹＺ方向に移動が可能であることを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。
15. 前記被加工物上のレーザービームの照射部位を含む領域にアシストガスを吹き付けるノズルを備えることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。
16. 前記テーブルが、ポンプにより排気が可能な減圧チャンバ内に配置されていることを特徴とする請求項９から１５のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。
17. 前記レーザー光源が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー若しくはその第二高調波出力を用いるものであることを特徴とする請求項９から１６のいずれかに記載のレーザーアブレーション加工装置。

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