JP3667709B2 - レーザ加工方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工方法に関し、特に下地部材の表面上に金属層が密着した加工対象物に穴を形成するレーザ加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5を参照して、従来のレーザ加工方法について説明する。
【0003】
図5(A)に示すように、樹脂層100の内部に銅配線パターン102が埋め込まれている。また、樹脂層100の表面上に銅層101が密着している。銅配線パターン102の上方の銅層101にパルスレーザビーム103aを入射させ、銅層101を貫通する穴104を形成する。このとき、穴104の底面に露出した樹脂層100の表層部も除去される。
【0004】
図5(B)に示すように、パルスエネルギを低下させたパルスレーザビーム103bを、銅層101に形成された穴104の底面に入射させ、銅配線パターン102まで達する穴105を形成する。パルスエネルギは、例えば、パルスの繰り返し周波数を高めることにより低下させることができる。パルスエネルギが銅層加工のための閾値よりも低い場合には、銅配線パターン102には穴が形成されないため、銅配線パターン102はレーザビームによってダメージを受けない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
半導体チップの高密度実装等の要請により、銅層101に形成される穴104の小径化が要望されている。穴104を小さくするために、銅層101の表面におけるレーザビーム103aのスポットサイズを小さくしなければならない。レーザビーム103aのスポットサイズを小さくするためには、開口数(NA)の大きな対物レンズを用いてレーザビームを収束させることが必要である。
【0006】
開口数の大きな対物レンズを使用すると、レーザビーム103aの外周近傍を伝搬する光線と、銅層101の法線とのなす角が大きくなる。樹脂層100に穴を形成する際には、レーザビームのパルスエネルギを小さくするが、レーザビームを収束させる光学系は、銅層101加工時のものと同一である。このため、樹脂層100を加工するレーザビーム103bも、銅層101加工用のレーザビーム103aと同様に、樹脂層100の表面の法線から大きく傾いた光線を含む。
【0007】
このため、樹脂層100に形成された穴105の側面が、レーザビーム103bの側面に沿った円錐面状になり、テーパ率が小さくなる。ここで、テーパ率は、(穴の底面における直径)/(穴の開口面における直径)と定義される。すなわち、円柱状の穴のテーパ率は100%であり、穴の側面が斜めになるに従ってテーパ率が小さくなる。テーパ率が小さくなると、穴の底面に露出する銅配線パターン102の面積が小さくなり、良好な電気的接触を得ることが困難になる。
【0008】
本発明の目的は、テーパ率の大きな穴を形成することが可能なレーザ加工方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、第1の材料からなる下地部材の表面に金属層が密着した加工対象物の該金属層の表面に、対物レンズによって集光されたレーザビームを入射させ、該金属層に穴を形成し、前記下地部材の一部を露出させる工程と、前記対物レンズの入射側の表面におけるレーザビームのビーム径を小さくする工程と、ビーム径の小さくされたレーザビームを前記対物レンズで集光し、集光されたレーザビームを前記加工対象物の金属層に形成された穴の底面及び穴の周辺部に入射させ、該金属層に形成された穴の底面に露出している前記下地部材に穴を形成する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【0010】
レーザビームのビーム径を小さくすると、下地部材に入射するレーザビームの最外周を伝搬する光線と、下地部材の表面の法線とのなす角度が小さくなる。このため、側面が急峻な穴を形成することができる。金属層の加工時には、レーザビームのビーム径を大きくすることにより、ビームスポットを小さくして小径の穴を形成することができる。
【0011】
本発明の他の観点によると、第1の材料からなる下地部材の表面に金属層が密着した加工対象物の該金属層の表面に、第1の収束光線束を入射させ、該金属層に穴を形成し、前記下地部材の一部を露出させる工程と、前記加工対象物の表面のうち前記穴を含む領域に、第2の収束光線束を入射させ、前記穴の底面に露出した前記下地部材に穴を形成する工程とを有し、前記加工対象物の、前記第1の収束光線束の入射位置における法線と、前記第2の収束光線束を構成する光線とのなす最大角度が、該法線と前記第1の収束光線束を構成する光線とのなす最大角度よりも小さいレーザ加工方法が提供される。
【0012】
第2の収束光線束を構成する光線と加工対象物の表面の法線とのなす最大角度を小さくすることにより、側面が急峻な穴を形成することができる。金属層の加工時には、第1の収束光線束を構成する光線と加工対象物の表面の法線とのなす角度を大きくすることにより、ビームスポットを小さくして小径の穴を形成することができる。
【0013】
本発明のさらに他の観点によると、下地部材の表面に金属層が密着した加工対象物を準備する工程と、貫通孔を透過させてレーザビームのビーム断面を整形する工程と、前記貫通孔を加工対象物の表面に結像させるズーミング機能を持った結像光学系を通して、前記レーザビームを加工対象物の表面に入射させ、該加工対象物の金属層に穴を形成し、該穴の底面に前記下地部材の一部を露出させる工程と、前記加工対象物の表面上における前記貫通孔の像が大きくなるように前記結像光学系の結像倍率を変え、前記貫通孔を透過したレーザビームを前記加工対象物に入射させて、前記金属層に形成された穴の底面に露出している樹脂部材に穴を形成する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【0014】
貫通孔の像を大きくすることにより、下地部材に形成される穴の側面を急峻にすることができる。
【0015】
本発明のさらに他の観点によると、下地部材の表面に金属層が密着した加工対象物を準備する工程と、貫通孔を透過させてレーザビームのビーム断面を整形する工程と、少なくとも2つのレンズを含み前記貫通孔を加工対象物の表面に結像させる結像光学系を通して、前記レーザビームを加工対象物の表面に入射させ、該加工対象物の金属層に穴を形成し、該穴の底面に前記下地部材の一部を露出させる工程と、前記結像光学系を構成するレンズの少なくとも1つを、該結像光学系の光軸方向に移動させて、前記貫通孔を通過した1次回折光が該結像光学系でけられ、前記加工対象物上に前記貫通孔の像が結ばれない状態にし、該貫通孔を透過したレーザビームを該加工対象物に入射させ、前記金属層に形成された穴の底面に露出している前記下地部材に穴を形成する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。
【0016】
貫通孔の像が結ばれない状態でレーザビームを照射することにより、側面の急峻な穴を形成することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の第1の実施例によるレーザ加工方法で用いられるレーザ加工装置の概略図を示す。
【0018】
レーザ光源1がパルスレーザビームを出射する。レーザ光源1は、Nd:YAGレーザ発振器から出射される基本波の第3高調波(波長355nm)を出射する。なお、レーザ光源1として、その他Nd:YLF等の固体レーザ発振器と、第3高調波を発生させる波長変換素子とを用いることもできる。また、炭酸ガスレーザ発振器の基本波(波長約10μm)を用いることも可能である。
【0019】
レーザ光源1から出射されたレーザビームがビームエキスパンダ2に入射する。ビームエキスパンダ2は、凹レンズ2Aと凸レンズ2Bとを含んで構成され、レーザビームのビーム径を拡大する。ビーム径を拡大されたレーザビームが、折り返しミラー4で反射し、ガルバノスキャナ5に入射する。ガルバノスキャナ5は、レーザビームを2次元方向に走査する。
【0020】
走査されたレーザビームが、対物レンズ6に入射する。対物レンズ6は、例えばfθレンズで構成され、XYステージ7に保持された加工対象物10の表面にレーザビームを集光する。
【0021】
ガルバノスキャナ5でレーザビームを走査することにより、加工対象物10の表面内のある領域内の任意の点にレーザビームを入射させることができる。レーザビームの走査に、XYステージ7の動作を組み合わせることにより、加工対象物10の表面内の任意の点にレーザビームを入射させることができる。
【0022】
ビームエキスパンダ2を通過した後のレーザビームが平行光線束になるとき、対物レンズ6により収束されたレーザビームのスポットサイズが加工対象物10の表面において最小になる。
【0023】
図2(A)に、この状態のレーザビームの伝搬の様子を示す。対物レンズ6にビーム径r1のレーザビームが入射する。対物レンズ6は、加工対象物10の表面においてスポットサイズが最小になるようにレーザビームを収束させる。このとき、収束されたレーザビームの最外周を伝搬する光線と、加工対象物10の表面の法線とのなす角度(本明細書において、この角度を最大入射角と呼ぶこととする。)をθ1とする。
【0024】
図1に示す移動機構3が、凸レンズ2Bを、ビームエキスパンダ2の光軸方向に移動させることができる。移動機構3として、例えばボイスコイルを用いた駆動機構、圧電素子を用いた駆動機構、圧電素子とストローク拡大機構とを組み合わせた駆動機構等を使用することができる。凸レンズ2Bを凹レンズ2Aに近づけると、凸レンズ2Bを通過した後のレーザビームのビーム径が小さくなり、やや発散する光線束が得られる。
【0025】
図2(B)に、この状態のレーザビームの伝搬の様子を示す。対物レンズ6の入射側の表面におけるレーザビームのビーム径r2が、図2(A)の状態のときのビーム径r1よりも小さくなる。また、対物レンズ6で収束されたレーザビームのスポットサイズは、加工対象物10の表面よりも対物レンズ6から遠い位置で最小になる。ビーム径が細くなること、及びスポットサイズ最小位置が対物レンズ6から遠ざかることにより、最大入射角θ2が、図2(A)に示した状態における最大入射角θ1よりも小さくなる。
【0026】
次に、図3を参照して、本発明の第1の実施例によるレーザ加工方法について説明する。
【0027】
図3(A)に示すように、エポキシ樹脂等からなる樹脂基板20の表面上に銅箔21が密着したプリント基板10を準備する。樹脂基板20の内部には、銅配線パターン22が埋め込まれている。
【0028】
図1に示した移動機構3を動作させて、レーザビームのスポットサイズが銅箔21の表面において最小になるように光学系を調整する。なお、実際には、銅箔21の表面が、対物レンズ6の焦点深度内に配置されればよい。
【0029】
図3(A)に示すように、銅配線パターン22の上方の点にレーザビームを入射させる。レーザビームのエネルギにより銅箔21が除去され、穴25が形成される。なお、穴25の底面に露出した樹脂層20の表層部も除去され、窪みが形成される。例えば、銅箔21の表面におけるパルスエネルギ密度を約20J/cm2以上にすると、銅箔21に穴を形成することができる。
【0030】
図1に示したレーザ光源1から出射されるパルスレーザビームのパルスエネルギを低下させるとともに、凸レンズ2Bを凹レンズ2Aに近づける。
【0031】
図3(B)に示したように、レーザビームの最大入射角θ2が、図3(A)の状態における最大入射角θ1よりも小さくなるとともに、銅箔21の表面におけるスポットサイズが、銅箔21に形成された穴25よりも大きくなる。このレーザビームの照射によって、穴25の底面に露出している樹脂層20が除去され、銅配線パターン22の表面まで達する穴26が形成される。例えば、樹脂層20の表面におけるパルスエネルギ密度を約2J/cm2程度まで低下させても、樹脂層20に穴を形成することができる。
【0032】
パルスエネルギ密度が約2J/cm2程度の低密度である場合には、銅箔21には穴が形成されない。従って、銅箔21に形成された穴25の周囲の銅箔21にレーザビームの外周近傍部分が照射されるが、この部分の銅箔21は除去されずそのまま残る。
【0033】
図3(B)に示した樹脂加工時には、レーザビームの最大入射角θ2が、図3(A)に示した銅箔加工時の最大入射角θ1よりも小さい。このため、樹脂層20に形成される穴26の側面の傾斜が急峻になる。すなわち、穴26のテーパ率を大きくすることができる。
【0034】
図4に、本発明の第2の実施例によるレーザ加工方法で用いられるレーザ加工装置の概略図を示す。
【0035】
レーザ光源1から出射されたパルスレーザビームがフィールドレンズ30で平行光線束にされ、マスク31に入射する。マスク31に貫通孔が形成されており、この貫通孔を通過したレーザビームがリレーレンズ32に入射する。マスク31は、レーザビームのビーム断面を整形する。リレーレンズ32を通過した後の光学系は、図1に示した第1の実施例のレーザ加工方法で用いられるレーザ加工装置の光学系と同一である。
【0036】
リレーレンズ32は、移動機構33によりそのその光軸方向に移動可能に支持されている。リレーレンズ32が、基準位置に配置されているとき、リレーレンズ32及び対物レンズ6は、マスク31の貫通孔を加工対象物10の表面上に結像させる。すなわち、リレーレンズ32及び対物レンズ6が結像光学系を構成する。リレーレンズ32を基準位置からずらすと、加工対象物10の表面上の像がぼける。また、マスク31の貫通孔を通過した1次回折光がリレーレンズ32に入射しない位置までリレーレンズ32をマスク31から遠ざけると、加工対象物10の表面上にマスク31の貫通孔の像が形成されなくなる。
【0037】
第2の実施例によるレーザ加工方法で加工される加工対象物は、図3(A)及び(B)に示した第1の実施例の加工対象物と同様のプリント基板である。まず、マスク31の貫通孔を銅箔21の表面上に結像させた状態で銅箔21に穴25を形成する。
【0038】
銅箔21を貫通する穴25が形成されると、レーザビームのパルスエネルギを低下させるとともに、リレーレンズ32をマスク31から遠ざける。これにより、銅箔21の表面の像がぼけるとともに、レーザビームの最大入射角が小さくなる。
【0039】
このため、第1の実施例の場合と同様に、樹脂層20に形成される穴26のテーパ率を高めることができる。なお、樹脂層20の加工時に、マスク31の貫通孔を通過した1次回折光がリレーレンズ32に入射しないようになるまでリレーレンズ32をマスク31から遠ざけ、加工対象物10の表面にマスク31の貫通孔の像が形成されないようにしてもよい。
【0040】
上記第2の実施例では、樹脂層20の加工時に、マスク31の貫通孔の像を結ばせないような光学系としたが、リレーレンズ32及び対物レンズ6を含む光学系にズーミング機能を持たせてもよい。銅箔21を加工するときには、マスク31の貫通孔の像を小さくして、小さな穴を形成する。樹脂層20を加工するときには、マスク21の貫通孔の像を大きくして、最大入射角を小さくする。これにより、テーパ率の大きな穴を形成することができる。
【0041】
上記実施例では、図3(A)に示したように、樹脂層20及びその上に形成された銅層21に穴を形成する場合を示したが、樹脂からなる下地部材の表面上に、銅以外の金属からなる層が形成されている加工対象物に穴を形成する場合にも、同様の効果が得られるであろう。また、金属層の下地部材は、樹脂に限らず、レーザビームによって金属よりも除去されやすい材料で形成されたものであってもよい。例えば、グリーンシートのように、焼結前のセラミックで形成された部材であってもよい。
【0042】
下地部材に穴を形成するときに、金属層の表面におけるパルスエネルギ密度を、金属層に穴を形成するために必要な閾値よりも低くすることが好ましい。このようにパルスエネルギ密度を低くすると、金属層に形成された穴よりも広い領域にレーザビームが照射されても、金属層に形成された穴とほぼ同一の大きさの穴を下地部材に形成することができる。
【0043】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、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。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、開口数が大きくなる条件でレーザビームを収束させてビームスポットを小さくし、金属層に小さな穴を形成することができる。その後、最大入射角が小さくなる条件でレーザビームを加工対象物に照射することにより、金属層の下地部材に、テーパ率の大きな穴を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例によるレーザ加工方法で使用されるレーザ加工装置の概略図である。
【図2】 図1に示したレーザ加工装置の凸レンズを移動させたときのレーザビームの伝搬の様子を示す図である。
【図3】 本発明の第1の実施例によるレーザ加工方法を説明するための加工対象物の断面図である。
【図4】 本発明の第2の実施例によるレーザ加工方法で使用されるレーザ加工装置の概略図である。
【図5】 従来のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の断面図である。
【符号の説明】
1 レーザ光源
2 ビームエキスパンダ
3、33 移動機構
4 折り返しミラー
5 ガルバノスキャナ
6 対物レンズ
7 XYステージ
10 加工対象物
20 樹脂層
21 銅層
22 銅配線パターン
25、26 穴
30 フィールドレンズ
31 マスク
32 リレーレンズ
100 樹脂層
101 銅層
102 銅配線パターン
103a、103b レーザビーム
104、105 穴
Claims (5)
- 第1の材料からなる下地部材の表面に金属層が密着した加工対象物の該金属層の表面に、対物レンズによって集光されたレーザビームを入射させ、該金属層に穴を形成し、前記下地部材の一部を露出させる工程と、
前記対物レンズの入射側の表面におけるレーザビームのビーム径を小さくする工程と、
ビーム径の小さくされたレーザビームを前記対物レンズで集光し、集光されたレーザビームを前記加工対象物の金属層に形成された穴の底面及び穴の周辺部に入射させ、該金属層に形成された穴の底面に露出している前記下地部材に穴を形成する工程と
を有するレーザ加工方法。 - 前記ビーム径を小さくする工程が、前記加工対象物に入射するレーザビームの経路内に配置されたレンズを、該レーザビームの進行方向に移動させる工程を含む請求項1に記載のレーザ加工方法。
- 第1の材料からなる下地部材の表面に金属層が密着した加工対象物の該金属層の表面に、第1の収束光線束を入射させ、該金属層に穴を形成し、前記下地部材の一部を露出させる工程と、
前記加工対象物の表面のうち前記穴を含む領域に、第2の収束光線束を入射させ、前記穴の底面に露出した前記下地部材に穴を形成する工程と
を有し、
前記加工対象物の、前記第1の収束光線束の入射位置における法線と、前記第2の収束光線束を構成する光線とのなす最大角度が、該法線と前記第1の収束光線束を構成する光線とのなす最大角度よりも小さいレーザ加工方法。 - 下地部材の表面に金属層が密着した加工対象物を準備する工程と、
貫通孔を透過させてレーザビームのビーム断面を整形する工程と、
前記貫通孔を加工対象物の表面に結像させるズーミング機能を持った結像光学系を通して、前記レーザビームを加工対象物の表面に入射させ、該加工対象物の金属層に穴を形成し、該穴の底面に前記下地部材の一部を露出させる工程と、
前記加工対象物の表面上における前記貫通孔の像が大きくなるように前記結像光学系の結像倍率を変え、前記貫通孔を透過したレーザビームを前記加工対象物に入射させて、前記金属層に形成された穴の底面に露出している樹脂部材に穴を形成する工程と
を有するレーザ加工方法。 - 下地部材の表面に金属層が密着した加工対象物を準備する工程と、
貫通孔を透過させてレーザビームのビーム断面を整形する工程と、
少なくとも2つのレンズを含み前記貫通孔を加工対象物の表面に結像させる結像光学系を通して、前記レーザビームを加工対象物の表面に入射させ、該加工対象物の金属層に穴を形成し、該穴の底面に前記下地部材の一部を露出させる工程と、
前記結像光学系を構成するレンズの少なくとも1つを、該結像光学系の光軸方向に移動させて、前記貫通孔を通過した1次回折光が該結像光学系でけられ、前記加工対象物上に前記貫通孔の像が結ばれない状態にし、該貫通孔を透過したレーザビームを該加工対象物に入射させ、前記金属層に形成された穴の底面に露出している前記下地部材に穴を形成する工程と
を有するレーザ加工方法。
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