JP5103054B2 - レーザによる加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、可視光や近赤外光に対する透明体を超短パルスにより効率的且つ高品質に加工する方法と装置を提供する。超短パルス発振のレーザ光の１部のエネルギーをＵＶ（紫外）波長に波長変換して、そのＵＶ波長のレーザ光を元の基本波のレーザ光より時間的に先行して加工対象物に照射する。同一場所にＵＶレーザ光と長波長のレーザ光の２波長による合計エネルギーによる照射で加工対象物である透明体の加工効率を向上させ、且つ元の基本波のレーザ光の透過をＵＶレーザ光の先行した照射の作用により低減することにより、加工品質の高い透明体加工方法と加工装置を提供する。

電子工業において、ＣＰＵやＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどの半導体デバイスの微細化が年々進展し、それにつれて内部の回路の高集積化が図られている。これらのデバイスの構造はシリコンウェハなどの半導体基板上にｌｏｗ−ｋ膜と呼ばれる、一部金属配線を含んだ低誘電率絶縁膜の構造からなる要素が多い。半導体デバイス製造工程では、絶縁膜の一部のみを、周囲への熱損傷や機械的損傷の無い条件で除去加工することが必要であり、このためにナノ秒レーザなどが現在その目的のために用いられている。

ナノ秒レーザなど、パルス幅がフェムト秒領域より長いレーザを用いる従来のレーザ加工とは対照的に、超短パルスレーザを用いた加工では熱的加工変質層の発生が低減できることや、その波長にとって透明な材料であっても多光子吸収に代表される非線形な光吸収によって加工可能であることは周知技術である。しかし、超短パルスの発生は近赤外線の波長域に広帯域のスペクトルでレーザ利得の得られるレーザ媒体が用いられるので、発振効率の高い超短パルスは近赤外から中赤外の波長域にある。

半導体基板上に形成したｌｏｗ−ｋ膜などの絶縁膜のデバイス構成要素を中赤外域の波長の超短パルスレーザ光を用いてｌｏｗ−ｋ膜組成だけを選択的に除去加工しようとする場合、絶縁膜を表面からレーザ加工を施す際に、多光子吸収で吸収されない一部のレーザ光が透過してしまい、半導体基板まで到達してしまう。半導体基板材料は絶縁膜よりも遥かにレーザ加工閾値の低いので、基板材料において、デラミネーション（層間剥離）やチッピング（欠け）などの機械的損傷が発生する。このため透明体を加工する場合は、レーザ光の波長域を透明体に対して吸収率の大きなレーザ波長であるＵＶ超短パルスレーザ光を用いることが考えられている。ＵＶ超短パルスレーザ光は、固体レーザを発振させて近赤外域レーザ光を発生させ、その出力レーザ光から非線形光学結晶を用いて高調波に変換することで発生する。しかし、高調波への変換効率が低いためにＵＶ超短パルスレーザ光を用いると、レーザエネルギーの利用効率が極度に低下する。

従来、加工表面に水銀ランプなどの紫外線を照射しながら近赤外線レーザ光を照射することで表面から加工を進行させる提案がされている。しかし、水銀ランプ光などでは照射面積が大きく、加工対象の不要な部分にもＵＶ光を照射するので、微細な機能デバイスの加工方法としては不適当であるとともに、水銀ランプなどの従来のＵＶ光源からの加工物表面に照射されるパワー密度は小さく、実際に効果を観察することは実質的に困難であった。

米国再発行特許第３７５８５号明細書

本発明で解決しようとする問題点は、超短パルスレーザ光を用いて半導体基板等の上の透明体を表面から高精度で加工を実施する際に、透明体を透過する光量を低減すると同時に、加工効率を高能率に向上する加工方法と加工装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明はレーザによる加工方法であって、第１の波長を有する超短パルスである第１のレーザを発生させるステップ、前記第１レーザのエネルギーの一部を第１の波長の高調波である第２の波長を有する超短パルスである第２のレーザに変換するステップ、第１のレーザを第２のレーザに対して時間遅延を与えるステップ、第１のレーザ及び第２のレーザを同軸上で集光するステップ、及び、集光された第１及び第２のレーザを加工対象物に照射するステップからなることを特徴とする。
また、前記時間遅延が１００ｐｓ以内であることを特徴とする。
また、第１の波長が５００ｎｍを超える波長であって、第２の波長が５００ｎｍ以下の波長であることを特徴とする。
また、前記加工対象物が少なくとも第１の波長に対して透明であることを特徴とする。
また、前記加工対象物が基板と基板表面上の少なくとも一部に形成された少なくとも第１の波長に対して透明である透明層とからなる物体の前記透明層部分であることを特徴とする。
また、前記透明層が絶縁体であることを特徴とする。
さらに、前記基板が半導体基板であることを特徴とする。

一方、本発明は、レーザ加工装置であって、第１の波長を有する超短パルスである第１のレーザを発生させるレーザ発生手段、前記第１レーザのエネルギーの一部を第１の波長の高調波である第２の波長を有する超短パルスである第２のレーザに変換する波長変換手段、第１のレーザを第２のレーザに対して時間遅延を与える遅延発生手段、及び第１のレーザ及び第２のレーザを同軸上で集光する集光手段
からなることを特徴とする。
また、前記遅延発生手段による前記時間遅延が１００ｐｓ以内であることを特徴とする。
また、第１の波長が５００ｎｍを超える波長であって、第２の波長が５００ｎｍ以下の波長であることを特徴とする。
さらに、前記遅延発生手段が、第１のレーザに対して第２のレーザよりも長い光路長を付与することによることを特徴とする。

第１のパルスレーザ光の一部を高調波に変換して第２のパルスレーザ光を発生させ、かつ第１のパルスレーザ光に時間遅延を与えて、２つのレーザ光を同軸上で集光して加工物体に照射することにより、照射エネルギーに対する除去加工量の割合で求めた加工能率を増大させることができる。
また、加工対象物が第１のパルスレーザ光に透明であることから、第１のレーザ光が加工対象物を透過する光量を低減させることができ、特に透明である加工対象物が基板上に形成された場合、該基板に与えるダメージを軽減することができる。

以下図１を用いて本発明を詳細に説明する。図１において、多波長パルスレーザを発生する構成例を示す。レーザ増幅媒体としてＴｉドープのサファイヤ（中心波長７８０ｎｍ）など、近赤外域の波長７００から９８０ｎｍの波長域のモードロックレーザ、又はエルビウムもしくはイッテルビウムドープのファイバレーザのモードロック出力から非線形光学結晶を用いて発振周波数を逓倍し、これをＴｉサファイヤの増幅媒体で増幅し、超短パルスの近赤外線レーザを発振するレーザ発振部１をレーザ源として用いる。超短パルスとは、パルス幅１００ｐｓ以内であるものとする。

レーザ発振部１からの近赤外線レーザ出力ビーム２を波長板（例えは、２分の１波長板）３を用いて偏光面の方向を回転する、これを非線形光学結晶からなる波長変換部５において、基本波の波長の２分の１又は３分の１、又は４分の１のＵＶ（紫外線）レーザ光を発生させる。この変換技術は周知の波長変換技術を用いることでＵＶレーザ光を発生できるからここでは詳細は省略する。非線形光学結晶の結晶軸方向と変換前のレーザ光の直線偏光面の相対的な関係は高調波発生の変換効率に影響するので、波長板３は変換効率の調整のために設置してある。近赤外線レーザ出力ビーム２は波長変換部５内を通過すると、波長変換されないで通過した基本波成分の第１のレーザ光８とＵＶ光に変換された第２のレーザ光９とになる。両者の割合は変換効率によって決められ、適度な比率で混合した２波長レーザ光６が同軸配置で得られる。

この２波長レーザ光６は波長分割フィルタ７によって、第２のレーザ光９と第１のレーザ光８の成分に分岐される。第２のレーザ光９は波長分割フィルタ７によって反射されて波長合成フィルタ１７に向けられる、一方、近赤外の第１のレーザ光８はフィルタ７を通過して全反射ミラー１１,１２を有する光路迂回ユニット１９を経由し、波長合成フィルタ１７に向けられる。光路迂回ユニット１９により、第１のレーザ光８は、第２のレーザ光９よりも長い光路を走行するので、光路差走行時間に応じた遅延時間が付与される。光路差を与えるという簡単な構成で時間遅延を実現でき、また光路差を変化することにより、遅延時間を変化することができる。第１のレーザ光８と第２のレーザ光９とは波長合成フィルタ１７によって合成され、照射用レーザ光１８として同軸上に再度配置される。

波長変換部５の出力の時点では２波長レーザ光６の近赤外である第１のレーザパルスとＵＶである第２のレーザパルスとは時間的に十分重畳していたが、照射用レーザ光１８においては、第２のレーザ光９のパルスの方は先に全反射ミラー１５に主パルス部分が到達し、第１のレーザ光８のパルスは遅れて全反射ミラー１５に到達する。２波長のレーザ光は空間的に重なって集光レンズ１６に入射する。そして加工物体２０の表面または内部に生じる集光点１３に照射されて、ＵＶの第２のレーザ光９と近赤外の第１のレーザ光８と加工物体２０との相互作用によって、効率的な微細加工が精密に実施される。

加工物体２０は、好ましくは少なくとも第１のレーザ光に対して透明である物体とする。または、図１に示されたように基板２２とその表面上の少なくとも一部に形成された、少なくとも第１のレーザ光に対して透明である透明体１４とからなる物体とする。ここで、透明とは、かならずしも１００％光を透過するという意味とは限らず、ある程度透過できる場合も含まれるものとする。透明体１４は例えばガラスなどの絶縁体であり、また、基板２２は例えばシリコン等の半導体基板である。透明体１４の表面または内部に集光点１３を定めてレーザ光を照射する。

近赤外の長波長のレーザ光のみを前述の構造の加工物体２０に照射した場合、透明体１４の表面３１において、加工閾値のパワー密度を超える場合は表面において加工が行われる。一方透明体１４の内部に集光点が形成され、その集光点での電場が十分強い場合は、透明体内部で絶縁破壊を発生し、密度変化や欠陥を形成する。いずれの場合も近赤外レーザ光のみを透明体に集光した場合、多光子吸収などの非線形吸収作用で全てのレーザパワーは吸収されないため、残った一部のレーザパワーはさらに基板２２の内部に透過する。
一方、ＵＶレーザ光を近赤外レーザ光とあわせて照射した場合、多くの透明体において、内部にはレーザ光は侵入しないで表面近傍で吸収される。

時間的な遅延を設けてＵＶと近赤外とを重畳させたレーザ光を照射すると、単一波長だけのレーザ照射に比べて、加工精度が向上し、加工除去量が増加する。これはＵＶレーザ光によって透明体表面に自由電子プラズマが発生し、続いて照射される近赤外レーザ光が逆制動放射により吸収されるためである。このとき近赤外レーザ光は多光子吸収に加えて逆制動放射によって吸収されるため、近赤外レーザ光のみを照射した場合と比べて、エネルギー吸収量は増大し、その結果として除去加工効率（除去加工体積／照射エネルギー）が増加する。除去加工効率が増大する時間遅延は、電子―格子緩和時間で決まっており概ね１００ｐｓ以下である。

近赤外の第１のレーザ光のパワーとＵＶの第２のレーザ光のパワーの割合を変化させることにより、所望の加工部の特性が最適化できる。このパワーの割合を変化させる場合は偏光板３を回転させて非線形光学結晶ユニットの変換効率を制御して２つの波長のエネルギー比率を制御できる。

チタンサファイア結晶をレーザ媒体として、近赤外領域である波長７８０ｎｍのパルス幅１００ｐｓ以下の第１のレーザ光を発生させ、さらに、非線形結晶ＢＢＯを用いて周波数を３倍に逓倍したＵＶ領域にある波長２６０ｎｍの第２のレーザ光を生成した。第１レーザ光に迂回光路を通すことにより、第２レーザ光照射よりも時間遅延を与えた。さらに、レンズにより集光して、ソーダライムガラスに照射させた。第１のレーザパルスは１５μＪ、第２のレーザパルスは１０μＪとした。
第１のレーザ光の発生手段のレーザ媒体は、チタンサファイア結晶（中心波長７８０ｎｍ）のほか、エルビウム添加ファイバー、イッテルビウム添加ファイバー、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶などを用いることができる。

図２は、透明体の除去加工体積の遅延時間依存性を示す。この図で横軸は、第２のレーザ光（波長２６０ｎｍ）に対する第１のレーザ光（波長７８０ｎｍ）の照射時間遅延である。縦軸はレーザ光１パルス当たりの除去加工体積である。ただし、２６０ｎｍ＋７８０ｎｍとしたものが本実施例の除去加工体積である。２６０ｎｍとしたものは、第２のレーザ光（波長２６０ｎｍ）を単独で照射した場合であり、７８０ｎｍとしたものは、第１のレーザ光（波長７８０ｎｍ）を単独で照射した場合の除去加工体積である。時間遅延を与えると、レーザ光の１パルス当たりの除去加工体積が増大した。即ち、約１ｐｓ以上遅延させるとパルスエネルギー当たりの除去加工体積が同時照射に対する除去体積の３倍以上に増大した。すなわち、各レーザ光を個別に透明体に照射した場合より３倍以上の高い加工効率が得られた。また、最大の除去加工効率を得るためには、最適な遅延時間が存在することを示している。

図３は、第１レーザ光透過率の遅延時間依存性を示す。この図で横軸は、第２のレーザ光（波長２６０ｎｍ）に対する第１のレーザ光（波長７８０ｎｍ）の照射時間遅延である。また、縦軸は第１のレーザ光の透過光量であり、第１のレーザ光を単独で照射した場合に対する相対値である。時間遅延を与えると透過率が低下した。透過率が低下する時間遅延は、前述の除去加工効率が増大する時間遅延と同じであった。この第１のレーザ光の透過率の低下は、薄膜状の透明体を有する半導体デバイスなどを加工する際に重要であり、下地の半導体などの基板への損傷を低減する。すなわち本発明を用いることにより半導体をはじめとした各種デバイスの薄膜除去加工時に、加工効率を向上しつつ、下地の半導体などの基板への損傷を低減する高品質な加工を実現可能である。

本発明の活用例として、半導体デバイスに用いられているｌｏｗ−ｋ膜などの絶縁膜の除去加工、液晶などの表示デバイスに用いられる透明電極膜の加工、シリコンウエファの半導体メモリの冗長性回路の導電性リンクの回路素子の透明保護膜の除去加工、その他、多層構造電子素子の層内部の除去加工を表面から進行させる場合における微細、且つ熱影響の少ない加工に対して有効である。表面保護層として不活性層が回路素子の上部の表面に形成されたコンデンサ、抵抗、インダクタンスなどのトリミング、ＬＣＤ表示パネル修正加工、ＰＤＰ表示装置の修正加工、回路基板の機能トリミングその他半導体基板のレーザ精密加工に適用できる。高集積回路製造において、加工幅の微小化、加工除去物の減少などにより製品歩留まり向上により電子部品の製造コストの低減が可能になる。更に、石英、サファイヤなどの半導体デバイスの基板の孔加工等にも有効性が得られる。

この発明に関する多波長レーザ光照射を実施する方法と装置構成の説明図である。 多波長重畳照射における遅延時間を変化させた場合の除去加工量を示す。 多波長重畳照射における遅延時間を変化させた場合の第１のレーザ光の透過率を示す。

符号の説明

１：レーザ発振部
２：近赤外線レーザ出力ビーム
３：波長板
５：波長変換部
６：２波長レーザ光
７：波長分割フィルタ
８：近赤外レーザ光（第１のレーザ光）
９：ＵＶレーザ光（第２のレーザ光）
１１、１２、１５：全反射ミラー
１９：光路迂回ユニット
１３：集光点
１４：透明体
１６：集光レンズ
１７：波長合成フィルタ
１８：照射用レーザ光
２０：加工物体
２２：基板
３１：透明体表面

Claims (7)

1. 第１の波長を有する第１のレーザと第２の波長を有する第２のレーザとを照射することによって、加工対象物を加工する方法であって、
   第２の波長は第１の波長の高調波の関係にあり、
   該加工対象物は、基板と基板表面上の少なくとも一部に形成された少なくとも第１の波長に対して透明である透明層とからなる物体の前記透明層部分で有り、
   超短パルスである第１のレーザを発生させるステップ、
   前記第１レーザのエネルギーの一部を超短パルスである第２のレーザに変換するステップ、
   第１のレーザを第２のレーザに対して１ｐｓ以上１００ｐｓ以下の時間遅延を与えるステップ、
   第１のレーザ及び第２のレーザを同軸上で集光するステップ、及び
   集光された第１及び第２のレーザを加工対象物である前記透明層の表面または内部に集光点を合わせて照射するステップからなる、各レーザ光を個別に照射するより高い加工効率を有し、前記基板の損傷を軽減する、レーザによる加工方法。
2. 第１の波長が５００ｎｍを超える波長であって、第２の波長が５００ｎｍ以下の波長である請求項１に記載のレーザによる加工方法。
3. 前記透明層が絶縁体である、請求項１または２に記載のレーザによる加工方法。
4. 前記基板が半導体基板である請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザによる加工方法。
5. 基板と基板表面上の少なくとも一部に形成された少なくとも第１の波長に対して透明である透明層とからなる物体の前記透明層部分を加工するレーザ加工装置であって、
   第１の波長を有する超短パルスである第１のレーザを発生させるレーザ発生手段、
   前記第１レーザのエネルギーの一部を第１の波長の高調波である第２の波長を有する超短パルスである第２のレーザに変換する波長変換手段、
   第１のレーザを第２のレーザに対して１ｐｓ以上１００ｐｓ以下の時間遅延を与える遅延発生手段、第１のレーザ及び第２のレーザを同軸上で集光する集光手段、及び
   加工対象物である前記透明層の表面または内部に集光点を合わせる手段
   からなる、各レーザ光を個別に照射するより高い加工効率を有し、前記基板の損傷を軽減する、レーザ加工装置。
6. 第１の波長が５００ｎｍを超える波長であって、第２の波長が５００ｎｍ以下の波長である請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記遅延発生手段が、第１のレーザに対して第２のレーザよりも長い光路長を付与することによる請求項５または６に記載のレーザ加工装置。