特許 7393087 アブレーション加工用の加工装置および加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-28

(45)【発行日】2023-12-06

(54)【発明の名称】アブレーション加工用の加工装置および加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/36 20140101AFI20231129BHJP

   B23K 26/066 20140101ALI20231129BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20231129BHJP

   B23K 26/042 20140101ALI20231129BHJP

   H05K 3/00 20060101ALI20231129BHJP

【ＦＩ】

B23K26/36

B23K26/066

B23K26/073

B23K26/042

H05K3/00 N

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019174995

(22)【出願日】2019-09-26

(65)【公開番号】P2021049560

(43)【公開日】2021-04-01

【審査請求日】2022-08-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000128496

【氏名又は名称】株式会社オーク製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100156199

【弁理士】

【氏名又は名称】神崎 真

(74)【代理人】

【識別番号】100090169

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 孝

(74)【代理人】

【識別番号】100124497

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 洋樹

(72)【発明者】

【氏名】松永 真一

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 仁

(72)【発明者】

【氏名】山賀 勝

(72)【発明者】

【氏名】中本 裕見

(72)【発明者】

【氏名】船山 昌彦

(72)【発明者】

【氏名】中澤 朗

【審査官】山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０１３１２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／００３４２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１５－５３４９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０３１９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／００１７９０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０００－０４２７７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２９２４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－００７０４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０

Ｈ０３Ｋ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー光源から出たレーザー光をライン状に整形するラインビーム形成光学系と、
前記ラインビーム形成光学系を内包し、ライン状の光を、装置本体に配置されたマスクへ導く光学系を内包するラインビーム形成部と、
前記装置本体に設置され、前記マスクを透過した光を前記装置本体に配置された基板に投影する投影光学系と、
前記ラインビーム形成部を前記装置本体に対して相対移動させ、ライン状の光を走査させる走査機構とを備え、
前記走査機構が、走査方向に沿って前記ラインビーム形成部と向かい合うことを特徴とするアブレーション加工用の加工装置。

【請求項2】

レーザー光源から出たレーザー光をライン状に整形するラインビーム形成光学系と、
前記ラインビーム形成光学系を内包し、ライン状の光を、装置本体に配置されたマスクへ導く光学系を内包するラインビーム形成部と、
前記装置本体に設置され、前記マスクを透過した光を前記装置本体に配置された基板に投影する投影光学系と、
前記ラインビーム形成部を前記装置本体に対して相対移動させ、ライン状の光を走査させる走査機構とを備え、
前記ラインビーム形成部が、前記ラインビーム形成光学系の光軸が走査方向に平行となるように、前記装置本体に配置され、
前記走査機構が、前記ラインビーム形成光学系の光軸位置を維持させながら前記ラインビーム形成部を相対移動させることを特徴とするアブレーション加工用の加工装置。

【請求項3】

前記走査機構が、前記ラインビーム形成部より下方であって、前記マスクを支持するマスクステージの上方スペース外に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の加工装置。

【請求項4】

前記走査機構が、走査方向に沿って前記ラインビーム形成部と向かい合うことを特徴とする請求項２または３に記載の加工装置。

【請求項5】

レーザー光源から出たレーザー光をライン状に整形するラインビーム形成光学系と、
前記ラインビーム形成光学系を内包し、ライン状の光を、装置本体に配置されたマスクへ導く光学系を内包するラインビーム形成部と、
前記装置本体に設置され、前記マスクを透過した光を前記装置本体に配置された基板に投影する投影光学系と、
前記ラインビーム形成部を前記装置本体に対して相対移動させ、ライン状の光を走査させる走査機構とを備え、
前記マスクと前記ラインビーム形成光学系との間の光路上に配置され、前記ライン状の光の幅を変更可能なシャッタ機構をさらに備えることを特徴とするアブレーション加工用の加工装置。

【請求項6】

レーザー光源から出たレーザー光をライン状に整形するラインビーム形成光学系と、
前記ラインビーム形成光学系を内包し、ライン状の光を、装置本体に配置されたマスクへ導く光学系を内包するラインビーム形成部と、
前記装置本体に設置され、前記マスクを透過した光を前記装置本体に配置された基板に投影する投影光学系と、
前記ラインビーム形成部を前記装置本体に対して相対移動させ、ライン状の光を走査させる走査機構とを備え、
前記マスクに対するアライメントカメラが、前記ラインビーム形成部のケーシングに設置されていることを特徴とするアブレーション加工用の加工装置。

【請求項7】

レーザー光源から出たレーザー光をライン状に整形するラインビーム形成光学系と、
前記ラインビーム形成光学系を内包し、ライン状の光を、装置本体に配置されたマスクへ導く光学系を内包するラインビーム形成部と、
前記装置本体に設置され、前記マスクを透過した光を前記装置本体に配置された基板に投影する投影光学系と、
前記ラインビーム形成部を前記装置本体に対して相対移動させ、ライン状の光を走査させる走査機構とを備え、
前記レーザー光源から前記ラインビーム形成光学系に入射する光の光軸方向を検出する検出部と、
前記レーザー光源から前記ラインビーム形成光学系に入射する光の光軸を調整可能な補正光学系と、
前記検出部からの出力に基づいて、光軸方向のずれを補償するように前記補正光学系を駆動する駆動機構とをさらに備えることを特徴とするアブレーション加工用の加工装置。

【請求項8】

前記補正光学系が、前記レーザー光源と前記ラインビーム形成光学系との間の光路上に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の加工装置。

【請求項9】

２つの補正光学系が、前記レーザー光源と前記ラインビーム形成光学系との間の光路を、装置本体の上下方向に沿って折り返すことを特徴とする請求項８に記載の加工装置。

【請求項10】

ラインビーム形成部に内包されるラインビーム形成光学系によって、レーザー光源から発振された光をライン状に整形し、
前記ラインビーム形成部に内包される光学系によって、ライン状の光を、アブレーション加工装置の装置本体に配置されたアブレーション加工用マスクへ導き、
前記装置本体に設置された投影光学系によって、前記マスクを透過した光を、前記装置本体に配置された基板に投影し、
走査機構によって、前記ラインビーム形成光学系を内包するラインビーム形成部を前記装置本体に対して相対移動させ、ライン状の光を走査させるアブレーション加工装置の加工方法であって、
前記ラインビーム形成光学系の光軸が走査方向に平行となるように、前記ラインビーム形成部を、前記装置本体に配置し、
前記走査機構によって、前記ラインビーム形成光学系の光軸位置を維持させながら前記ラインビーム形成部を相対移動させることを特徴とするアブレーション加工装置の加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光などの高エネルギー密度の光を用いて基板などをアブレーション加工し、パターンを形成するのに用いられる加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電子機器などの小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板などに対して高精度なパターン形成が要求される。例えば、積層型基板には、μｍのオーダーの微細なビア（ＶＩＡ）や溝（トレンチ）などの形成が必要となる。

【0003】

微細加工を行う方法として、アブレーション加工が知られている。そこでは、エキシマレーザーなどの高エネルギー密度のレーザーをマスクに照射し、基板などに投影させる。マスクパターンに合わせて材料表面が瞬間的に除去されることによって、基板などにビアや配線用の溝などを形成することができる（例えば、特許文献１、２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００８－１４７２４２号公報

【文献】特開２００１－７９６７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

アブレーション現象を生じさせるためには、基板表面に対してエネルギー密度（フルーエンシー）を高める必要がある。しかしながら、投影光学系の光学素子に劣化（クラック発生や透過率または反射率の低下など）が生じやすいため、高エネルギー密度の光の使用が制限される。

【0006】

したがって、十分な高密度エネルギーを利用できる加工装置を提供することが求められる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様であるアブレーション加工用の加工装置は、レーザーから発振された光をライン状に整形し、装置本体に配置されたアブレーション加工用のマスクへ導くラインビーム形成光学系と、装置本体に設置され、マスクを透過した光を装置本体に配置された基板に投影する投影光学系と、ラインビーム形成光学系を内包するラインビーム形成部を装置本体に対して移動させ、ライン状の光を走査させる走査機構とを備える。

【0008】

ラインビーム形成部は、ラインビーム形成光学系の光軸が走査方向と平行となるように、装置本体に配置することが可能である。例えば、ラインビーム形成部は、ラインビーム形成光学系を内包するケース、ハウジングを備え、装置本体が架台などの支持部材によってマスクより上方に支持することが可能である。ラインビーム形成部が走査方向に沿って装置本体に対し相対移動することにより、ライン状の光をマスク、投影光学系そして基板に対し走査させることができる。レーザーは、加工装置内、加工装置外部いずれに装備してもよい。

【0009】

走査機構の配置としては、ラインビーム形成部より下方であって、マスクを支持するマスクステージの上方スペース外、すなわち上方スペースに入り込まない場所に配置することが可能である。例えば、走査機構は、走査方向に沿ってラインビーム形成部と向かい合うように配置することが可能である。

【0010】

加工装置は、マスクとラインビーム形成光学系との間の光路上に配置され、ライン状の光の幅を変更可能なシャッタ機構を設けることが可能である。また、マスクに対するアライメントカメラを、ラインビーム形成部のケーシングに設置することも可能である。

【0011】

加工装置は、レーザーからラインビーム形成光学系に入射する光の光軸方向を検出する検出部と、レーザーからラインビーム形成光学系に入射する光の光軸を調整可能な補正光学系と、検出部からの出力に基づいて、光軸方向のずれを補償するように補正光学系を駆動する駆動機構とを備えることも可能である。例えば、補正光学系は、レーザーとラインビーム形成光学系との間の光路上に設けられ、レーザーとラインビーム形成光学系との間の光路を、装置本体の上下方向に沿って折り返すことができる。

【0012】

本発明の他の態様であるアブレーション加工装置による加工方法は、ラインビーム形成光学系によって、レーザーから発振された光をライン状に整形し、アブレーション加工装置の装置本体に配置されたアブレーション加工用のマスクへ導き、装置本体に設置された投影光学系によって、マスクを透過した光を装置本体に配置された基板に投影し、走査機構によって、ラインビーム形成光学系を内包するラインビーム形成部を装置本体に対して相対移動させ、ライン状の光を走査させる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、高エネルギー密度の光を用いてアブレーション加工を行う際に、投影光学系の一点に光が当たり続けることがなく、素子の劣化が起こりにくい加工装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態である加工装置の側面側から見た概略的構成図である。

【図2】加工装置の概略的ブロック図である。

【図3】加工装置の変形例を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

【0016】

図１は、本実施形態である加工装置の側面側から見た概略的構成図である。図２は、加工装置の概略的ブロック図である。なお、図１では、加工装置の一部構成要素を図示している。

【0017】

加工装置１００は、アブレーション加工によって基板（ワークピース）Ｗにパターンを形成することが可能な加工装置であり、レーザー１０、ラインビーム形成部２０、投影光学系３０、マスクステージ４０、加工ステージ５０とを備える。ラインビーム形成部２０、投影光学系３０、マスクステージ４０、加工ステージ５０は、装置本体１５に装備され、マスクＭ、基板Ｗは、それぞれマスクステージ４０、加工ステージ５０に設置される（図２参照）。基板Ｗは、ここではプリント基板などの樹脂基板によって構成される。

【0018】

レーザー１０は、高エネルギー密度のレーザー光をレーザー光源１０Ｓから発振する。ここでは、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー光をパルス照射するエキシマレーザーが適用されている。レーザー光源１０Ｓから放射されたレーザー光は、補正光学系７０によって、ラインビーム形成部２０へ導かれる。

【0019】

詳述すると、レーザー光源１０Ｓから放射されたレーザー光は、下方に配置された補正光学系７０Ａで反射し、同じ高さに配置されたもう一方の補正光学系７０Ｂへ水平方向に沿って進行する。補正光学系７０Ｂで反射したレーザー光は、上方に進行し、ミラー２９Ａを介してラインビーム形成部２０へ入射する。

【0020】

補正光学系７０は、ラインビーム形成部２０に入射するレーザー光の光軸調整を行うことが可能である。駆動機構９０は、補正光学系７０を駆動して補正光学系７０の位置（姿勢）を調整する。ラインビーム形成部２０の光入射口付近およびレーザー光源１０Ｓ付近には、レーザー光の光軸方向を検出する検出部（フォトセンサ）９５が設けられている。なお、検出部９５には、ＣＣＤカメラやラインセンサ等を用いることも可能である。

【0021】

ラインビーム形成部２０は、シリンドリカルレンズなどを含むラインビーム形成光学系２５を有し、走査方向に沿って入射するレーザー光のビーム光束をライン状のビームに整形する。ライン状の光は、ミラー２９Ｂを介してマスクＭへ導かれる。例えば、レーザー光は、長手方向が３００ｍｍ、幅方向が１００μｍ以下の光に整形される。

【0022】

ラインビーム形成部２０は、ラインビーム形成光学系２５をそのケーシング２０Ｋに収容し、マスクステージ４０より上方に位置するように、架台２７によって保持される。また、ラインビーム形成部２０は、ラインビーム形成光学系２５の光軸が走査方向と平行となるように設置されている。架台２７を支持する走査機構６０は、マスクステージ４０と略同じ高さに位置し、走査方向Ｘに沿って隣り合う位置に配置されている。走査機構６０は、ここではマスクステージ４０と同じ支持台１５Ｓに設置されている。走査機構６０は、ラインビーム形成部２０を走査方向（Ｘ方向）に沿って往復移動させることが可能であり、ラインビーム形成部２０の移動に伴い、走査方向（Ｘ方向）に垂直なライン状の光が、マスクＭおよび投影光学系３０に対して相対移動し、マスクステージ４０、加工ステージ５０にそれぞれ固定されたマスクＭ、基板Ｗがスキャニングされる。

【0023】

マスクステージ４０は、マスクＭを保持するとともに、Ｘ―Ｙ方向への移動および回転によってマスクＭを位置決めすることができる。ラインビーム形成部２０のケーシング２０Ｋの表面（ここでは側面）には、マスクＭに設けられたアライメントマークを撮像するアライメントカメラ９１が設置されている（図３では図示せず）。

【0024】

マスクステージ４０の上方には、シャッタ機構９３が設けられている。シャッタ機構９３は、ラインビーム形成部２０とマスクＭとの間に配置され、ライン状の光Ｍの幅（Ｙ方向長さ）を調整することで、マスクＭの露光領域サイズを変更可能である。

【0025】

投影光学系３０は、マスクＭの表面と基板Ｗの表面に焦点をもつ投影光学系であり、マスクＭを透過した光を基板Ｗに投影する。ここでは、投影光学系３０は縮小投影光学系として構成される（例えば倍率１／４）。

【0026】

加工ステージ５０は、基板Ｗを真空吸着などによって固定するとともに、Ｘ―Ｙ方向への移動および回転によってマスクＭに対して基板Ｗを位置決めすることができる。また、基板Ｗ全体に渡ってアブレーション加工できるように、走査方向（ここではＸ方向）に沿ってステップ移動可能である。加工ステージ５０の傍には、基板Ｗに設けられたアライメントマークを撮像するアライメントカメラ（図示せず）が設置されている。

【0027】

マスクＭは、ＫｒＦエキシマレーザー光を透過する基材（例えば石英ガラス）に対し、ＫｒＦエキシマレーザー光を遮断する遮光膜（例えばＡｌ膜）を形成することによって、マスクパターンが描画されている。マスクＭには、基板Ｗに繰り返し現れるパターンを描画してもよく、あるいは、基板Ｗ全体に渡るパターンを描画することも可能である。

【0028】

上述したように、ここでの基板Ｗは樹脂基板であり、エポキシ樹脂などの基材に銅配線層を形成し、その上に絶縁層が形成されている。エキシマレーザー１０から高エネルギー密度のエキシマレーザー光を照射することによって、基板Ｗに対してアブレーションが生じ、マスクパターンに応じたパターン（以下、加工パターンという）が形成される。

【0029】

加工パターンとしては、貫通ビア、非貫通ビア、あるいは配線パターン用の溝（トレンチ）などが形成可能である。アブレーション加工によって加工パターンが基板Ｗに形成された後、銅などの導体が充填される。

【0030】

図２に示すコントローラ８０は、加工装置１００の動作を制御する。アブレーション加工を行うための入力操作がオペレータによって行われると、レーザー１０を駆動し、走査機構６０を駆動制御してライン状の光をＸ方向に走査させ、駆動機構９０を駆動して光軸調整を行う。また、コントローラ８０は、マスクステージ４０、加工ステージ５０の移動を制御するとともに、検出部９５からの出力信号に基づいて光軸ずれ調整を行い、さらに、アライメントカメラ９１によるアライメント処理、シャッタ機構９３の開閉制御などを行う。

【0031】

マスクＭには、基板Ｗに形成すべき加工パターンに対応するマスクパターンが形成され、マスクパターンを通った光が基板Ｗに投影される。マスクパターンの周囲には、マスクパターンの領域を規定する遮光部が形成されている。

【0032】

アブレーション加工は、ラインビーム形成部２０を移動させながら行われる。このとき、ラインビーム形成光学系２５の走査方向に沿った光軸の位置がずれずに維持されるように、ラインビーム形成部２０が移動する。その一方で、組み立て誤差などにより、レーザー１０からラインビーム形成部２０へ入射する光の光軸がずれる場合がある。また、基板Ｗが、多面取り基板の場合、加工ステージ５０をステップ＆リピートさせるため、加工ステージ５０の移動の影響によってラインビーム形成部２０が振動する。そのため、補正光学系７０が、光軸ずれを補償するように駆動される。

【0033】

このように本実施形態によれば、アブレーション加工を行う加工装置１００において、レーザー１０からの光を、ラインビーム形成光学系２５によって、走査方向Ｘに垂直な方向に沿ったライン状の光に整形し、マスクＭへ導くとともに、ラインビーム形成部２０を装置本体１５に対して移動させることによって、ライン状の光を走査させる。

【0034】

ライン状の光を走査させることで、基板表面に対してフルーエンシーを高め、アブレーション現象を生じさせることができる。また、投影光学系３０の一か所に高出力のレーザー光を照射し続けることがなく、透過率など光学特性が劣化する事態が生じるのを抑制することができる。その結果、十分な高フルーエンシーの光を利用することができる。

【0035】

さらに、ラインビーム形成部２０を装置ごと移動させることで、光学系のみを移動させたときに生じるライン状光の整形乱れが抑えられ、安定した高エネルギー密度の光をマスクに対し走査させることができる。そして、光走査を簡易な走査機構で実現可能となる。

【0036】

ラインビーム形成光学系２５の光軸は走査方向に平行であり、その光軸位置は、ラインビーム形成部２０の移動中維持される。これによって、マスクＭおよび基板Ｗに対して正確な位置にライン状の光を投影することが容易となる。また、ラインビーム形成部２０へ入射する光の進行方向を走査方向に合わせているため、光走査の乱れを抑えることができる。

【0037】

ラインビーム形成部２０を移動させる走査機構６０は、ラインビーム形成部２０より下方であって、装置本体１５においてマスクステージ４０と同じ高さに設置されている。走査機構６０がマスクステージ４０の上方に設置されないため、走査機構配置のためのスペースを上方に確保することが要求とされず、ラインビーム形成光学系２５とマスクＭとをできる限り近接配置することができ、アブレーション加工による高精度のパターン形成を可能にする。

【0038】

特に、走査機構６０が、走査方向Ｘに沿ってマスクステージ４０と隣り合うことにより、ラインビーム形成部２０を直上に配置することが可能となり、ラインビーム形成部２０の移動方向を安定してガイドすることができる。なお、何らかの部材、デバイスなどをラインビーム形成部２０と走査機構６０に配置してもよい。また、マスクステージ４０と同じ台に設置しなくてもよく、ラインビーム形成部２０より下方であって、マスクステージ４０の上方スペースＳＰ（図２参照）外に配置すればよい。

【0039】

また、補正光学系７０がラインビーム形成部２０の外部に設けられることによって、光軸調整を容易に行うことができる。特に、レーザー光を下方へ進行させて、その後上方へ進行させる光路、すなわち折り返しの光路を形成することにより、補正光学系７０を光路中に配置することが容易であり、装置本体１５とレーザー１０とを近接配置することが可能となる。

【0040】

さらに、シャッタ機構９３を設けることによって、様々な加工領域（チップ領域）に対してもパターン形成を可能にする。また、アライメントカメラ９１がラインビーム形成部２０のケーシング２０Ｋに設置することで、アライメントカメラ９１専用の移動機構を設ける必要がなく、ラインビーム形成部２０の移動と干渉せずにアライメントを行うことができる。

【0041】

図６は、上述した加工装置の変形例を示した図である。シャッタ機構９３’は、ラインビーム形成部２０内に設けられ、ミラー２９Ｂとマスクステージ４０との間の光路上に配置されている。アライメントカメラ９１’は、マスクステージ４０の隣り合う位置に設置される。

【0042】

シャッタ機構９３’がラインビーム形成部２０に設けられるため、走査機構６０の駆動範囲にシャッタ機構９３’が干渉することがなく、マスクステージ４０とラインビーム形成部２０の下方側との距離をより近接させることが可能となる。

【0043】

レーザー１０を加工装置１００の外部に設置する構成にしてもよい。ラインビーム形成部２０には、他の光学系（照明光学系など）を収容するように構成してもよい。また、上述した加工装置は、遮光パターンの形成されていないマスクに対しても有効である。

【符号の説明】

【0044】

１０ レーザー
１５ 装置本体
２０ ラインビーム形成部
２５ ラインビーム形成光学系
３０ 投影光学系
１００ 加工装置
Ｍ マスク
Ｗ 基板

【図1】

【図2】

【図3】