JP4322045B2

JP4322045B2 - Micro bump manufacturing method

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Publication number: JP4322045B2
Application number: JP2003134403A
Authority: JP
Inventors: 芳樹中田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: JP2004339538A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェムト秒レーザー光やピコ秒レーザー光のような超短パルスレーザー光等を複数の光束に分離し、この光束を干渉させて周期構造の微小なバンプを作製する微小バンプ作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ハードディスク表面のレーザーテクスチャリングや操作プローブ顕微鏡の探針等において、微小なバンプ（突起構造）を作製することが実用化されている。そして最近では、ナノワイヤやナノ微粒子、ナノチューブを使って、電子銃と電界放出ディスプレーの実用化が検討されている。この実用化の鍵はピクセルごとに必要な微小なバンプ、言い換えれば周期構造をもつナノサイズクラスのバンプを希望通りの形態に作製できるか否かに係っているといえる。
【０００３】
そこで、まず従来のハードディスク表面におけるレーザーテクスチャリングについて説明する（特許文献１参照）。特許文献１によれば、ＹＡＧレーザー等のパルスレーザー発振器からのガウス分布状の光強度分布をもったビームをビーム変換器で光強度分布が中心部に比しその略円環部の方が強い円環状ビームに変換し、その円環状ビームをミラーで変向して集光レンズを通って回転且つ並進する基板の内周側円環帯領域の表面に集光するものである。
【０００４】
集光スポット照射の断面は光強度分布が円環状になるため、マランゴニ対流により、溶融部分のうち中心部に比しその周辺の略円環部の方が温度が高く、表面張力が小さいので、中心部に溶融材が集まり、小径の単峰状バンプが確実に形成される。すなわち、以前のレーザーテクスチャリングでは直径１０μｍ（＝×１０^−６ｍ）以上のものしか形成されなかったが、この技術によれば３μm〜６μmが可能になる。しかしこの技術でも、ナノサイズ（１０^−９ｍ〜１０⁻ ⁷ｍ）のバンプを得ることはできない。また、この技術は多ショットの加工と試料の移動が必要で、周期構造のバンプを形成する方法としては実用面で問題があるものであった。
【０００５】
ナノワイヤーやナノ微粒子の作製法としては、アーク放電法やレーザーブレーション法、ＣＶＤ法があるが、作製プロセスの複雑さや作製時間が長いこと、形状コントロール、アセンブルが困難であることなどバンプをつくるには問題が多い。中でも、フェムト秒レーザー光やピコ秒レーザー光のような超短パルスレーザー光（１０^−１５秒〜１０^−１２秒）を１点に集光させ、この超短パルスレーザー光と加工用基材との相互作用によってアブレーションを行うレーザーアブレーション法は、照射エネルギー密度（以下、フルエンス）は大きいが、１本のビームでアブレーションするため、実用上使用可能な周期構造のバンプをつくるためには多ショットの加工と試料の移動が必要で、従来のレーザーテクスチャリングと同じ問題があった。
【０００６】
周期構造を得るため、ナノ秒クラスの複数光束の干渉を用いたレーザー装置は提案されているが、超短パルスレーザー光は可干渉性をもつか否かの実証が遅れ、未解決の課題がきわめて多い。このような干渉を用いたフェムト秒レーザー加工装置の提案の１つとして、フェムト秒レーザー光をビームスプリッタにより２光束に分割し、光学遅延回路を用いた光学系を用いて物質表面に集光、干渉させ、ホログラムを作製する技術が開示された（特許文献２参照）。これは、パルス幅が９００〜１０フェムト秒（１０^−１５秒）、ピーク出力が１ＧＷ以上で、フーリエ限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーからのパルスをビームスプリッタによって二つに分割し、二つのビームを光学遅延回路（平面ミラー）を介して時間的に制御し、且つ微小回転する平面ミラーと凹面ミラーを用いて空間的に制御し、ホログラムを記録する基材表面または基材内部に、エネルギー密度１００ＧＷ／ｃｍ²以上で集光するものである。このほか、本発明者もフェムト秒レーザー光を回析格子により複数の光束に分割し、集光、干渉させるフェムト秒レーザー加工装置を提案した（非特許文献１参照）。
【０００７】
しかし、これらのフェムト秒レーザー加工装置を使って、周期構造の微小なバンプをどのようにすればナノワイヤ等を介さずに直接作製できるのか、どのようにすればバンプ形状をコントロールできるのか、という基本的な点は未解決である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−３２８６６７号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３６００２号公報
【非特許文献１】
中田，外２名，「回折光学素子とフェムト秒レーザーを用いた微細周期構造の作製」，第４９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集，応用物理学会，２００２年３月，p.1120
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来のレーザーテクスチャリングはパルス幅がナノ秒のビーム１本で行われており、加工速度が遅く、直径がナノサイズのバンプを作製するのは困難であった。その理由として、従来のナノ秒レーザーなどの光源では、加工を行う時間内に熱伝導によって被加工物の温度が広い範囲へ拡散してしまうことが考えられる。そして、周期構造のバンプを作製するため、ビーム１本で加工するのでは時間がかかりすぎ、実用面からも問題のあるものであった。
【００１０】
また、特許文献２のフェムト秒レーザー加工装置は周期構造の加工を念頭に置いたものであり、これだけではバンプを作製するのは困難である。周期構造のバンプを作製するまったく新しい作製方法への期待が高まっている。また、ビームスプリッタを使った特許文献２のフェムト秒レーザーは、１ショットの加工範囲は３０μｍが限界であり、光学的遅延の調整や軸合わせ等が必要になるものであった。広い加工範囲と取り扱いの容易なレーザー加工装置が望まれる。
【００１２】
そこで本発明は、周期構造をもつナノサイズクラスの微小なバンプを容易に加工することができる微小バンプ作製方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上説明した従来の課題を解決するために本発明の微小バンプ作製方法は、フェムト秒からピコ秒領域の超短パルスレーザー光を発振し、出射する超短パルスレーザー光を複数の光束に分離し、分離した光束を干渉させた状態で基板上の薄膜に集光し、この干渉によってバンプ形成閾値以上のフルエンスであってかつ薄膜のバンプ頂点部分に破れが生じるバンプ限界閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、該干渉域の薄膜を基板と薄膜の熱膨張差により基板から剥離させて周期構造のバンプを作製することを特徴とする。
【００１７】
これにより、周期構造をもつナノサイズクラスの微小なバンプを容易に加工することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の発明は、フェムト秒からピコ秒領域の超短パルスレーザー光を発振し、出射する超短パルスレーザー光を複数の光束に分離し、分離した光束を干渉させた状態で基板上の薄膜に集光し、この干渉によってバンプ形成閾値以上のフルエンスであってかつ薄膜のバンプ頂点部分に破れが生じるバンプ限界閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、該干渉域の薄膜を基板と薄膜の熱膨張差により基板から剥離させて周期構造のバンプを作製する微小バンプ作製方法であり、レーザー光を干渉させることによりレーザー光のフルエンスを高めることができ、これをバンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値より小さいフルエンスとして薄膜を熱膨張差により基板から剥離させることができ、レーザー光が干渉したスポットの薄膜が膨張したナノサイズクラスのバンプを形成することができる。干渉によるスポットの周期性によってバンプをナノサイズクラスの周期構造にすることができる。このとき、超短パルス化によって熱拡散の影響が抑えられ、基板に照射された高エネルギーが熱伝導で均一化する前にエネルギー注入過程が終了するため、ナノサイズクラスの周期性と直径をもった高温部分が多数配列された温度分布を形成することができる。バンプ形成閾値以上で熱膨張差によってせん断力で薄膜が剥がれて膨張し、冷却による固化によって釣鐘状のバンプを形成することができる。そして、バンプ限界閾値より小さいため、バンプに破れを生じ破壊されて開口になることはない。
【００２２】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、干渉域の薄膜を基板と薄膜の熱膨張差と共に、薄膜または基板の一部の蒸発したガスの圧力により基板から剥離させる微小バンプ作製方法であり、熱膨張差と共に、バンプ形成閾値以上で蒸発したガス圧によって薄膜が剥がれて膨張し、釣鐘状のバンプを形成することができる。バンプ限界閾値より小さいため、バンプが破壊されて開口になることはない。
【００２３】
本発明の第３の発明は、第１または２の発明において、干渉によって前記バンプ限界閾値以上で開口形成閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、バンプ頂点部分に２段目の突起を形成する微小バンプ作製方法であり、２段目の突起を備えたバンプを生成することができる。
【００３７】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における微小バンプ作製方法と、そのレーザー加工装置及び作製用基板について説明する。あわせて微細メッシュ作製方法についても説明する。図１（ａ）は薄膜の熱膨張を用いてナノサイズクラスのバンプを形成する説明図、図１（ｂ）はガスの膨張を用いてナノサイズクラスのバンプを形成する説明図、図２（ａ）は本発明の実施の形態１におけるレーザー加工装置の構成図、図２（ｂ）は反射型回折格子を使用した場合の要部拡大図である。
【００３８】
まず、図１（ａ）（ｂ）に基づいて、実施の形態１における微小バンプ作製方法によってナノサイズクラスの周期構造のバンプが作製できる原理を説明する。図１（ａ）（ｂ）において、１はナノサイズクラスの周期構造をもつバンプを形成する作製用基板、１ａは作製用基板１に形成されたバンプ、１ｂはバンプ１ａを作製したい基板、１ｃは基板１ｂ上に形成された薄膜である。
【００３９】
図１（ａ）に示すように、レーザー発振して得られたフェムト秒レーザー光またはピコ秒レーザー光（以下、超短パルスレーザー光）を回折によって複数に分離し、これを干渉させて作製用基板１に照射すると、短パルス化によって熱拡散の影響が抑えられ、作製用基板１に注入された高エネルギーが熱伝導で均一化する前にエネルギー注入過程が終了する。これによって、ナノサイズの周期性と直径をもつ温度分布を形成することが可能になる。
【００４０】
このとき、照射するレーザー光が、バンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値より小さなフルエンス（照射エネルギー密度）のとき、局所的な温度上昇が一定の閾値を越え、様々な形状のバンプを形成することが可能になる。さらにバンプ限界閾値以上のフルエンスのレーザー光を照射すると、バンプが破れ開口が形成され始める。しかし、開口形成閾値になるまでは微小球や２段目のバンプが形成されたり、また一度開いた開口部が閉じたりして、多くの場合完全な開口とは評価できない開口が形成される。条件によっては、付帯物は形成されるが開口しない場合もある。付帯物のない開口として許容できる穴を形成するには、開口形成閾値以上のフルエンスのレーザー光を照射する必要がある。要するに、バンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値より小さいフルエンスのレーザー光を照射したときにバンプを形成でき、このバンプ限界閾値以上のフルエンスを照射すると２段目のバンプを形成したり完全とはいえない開口が形成されたりする状態になり、さらにフルエンスが開口形成閾値以上になると穴を形成することができる。このバンプ形成閾値、バンプ限界閾値、開口形成閾値は、以下説明するように作製用基板１ごとに材料や基板構造等で決定される。バンプ形成閾値は５０ｎｍの金膜を蒸着した石英基板の場合、７３mJ/cm²程度であり、バンプ限界閾値は９１mJ/cm²程度、開口形成閾値は１１４mJ/cm²程度である。これらの閾値は薄膜材料や構造、レーザーパルスの時間形状等により変化する。なお、実施の形態１においては超短パルスレーザー光を使用しているが、薄膜１ｃの材料やコーティング構造の選択、レーザー光を干渉させる光束の数や交差角度、波長を選択することにより、超短パルスレーザー光の場合よりバンプサイズは大きいが、ナノ秒レーザー光でも熱拡散の影響を抑えた温度分布を形成することも可能である。
【００４１】
実施の形態１の作製用基板１は、基板１ｂ上に薄膜１ｃが形成されているため、この温度分布が加わると境界面で剥離を起こし、これに薄膜１ｃの熱膨張や、薄膜１ｃあるいは基板１ｂの材料の蒸発による薄膜１ｃの押し上げを利用することにより、効率的にバンプを成長させることができる。薄膜材料としては金属類が優れ、基板材料としては石英やガラス等が、易剥離面を形成して変形が容易であるとともに気化の点でも好適である。また、膜厚は目的とするバンプのサイズより薄いことが望ましい。干渉させるレーザー光の本数とフルエンス、その交差角度、時間的遅延の差に応じて、干渉域（干渉スポット）が生成され、この干渉域に応じた加工ができる。このように干渉域をコントロールすることで、バンプ１ａの形状や並び、間隔などの配置をコントロールすることができる。
【００４２】
ところで、従来の技術で説明したナノ秒レーザー光を用いたテクスチャリングの場合、直径が数μｍ程度、高さが数十ｎｍ程度の構造が形成され、このとき直径が高さより２桁程度大きくなる。すなわち、これは直径が百倍程度広く、アスペクト比（＝バンプ高さ／バンプ直径）が非常に小さな（＝０．０１のオーダ）丘陵状の構造が得られ、バンプとは評価できないものであった。これに対して、本発明は、作製用基板１は基板１ｂ上に薄膜１ｃが形成されているため、バンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値より小さなフルエンスのレーザー光を照射すると、極短時間の発生熱と熱拡散のバランスで以下説明するメカニズムにより、直径が数十〜数百nm、高さも同程度の数十〜数百nmのバンプが形成され、アスペクト比の大きなバンプ（アスペクト比＝０．１〜５）が作製可能であり、バンプ形状がコントロールできる。さらに、バンプ限界閾値以上のフルエンスを選択することにより、薄膜１ｃの破れや表面張力や融合などの流体的な挙動によって、後述する図５（ｃ）（ｄ）に示すように突起構造の頂点部分に２段目となる突起を作製することもできる。開口形成閾値以上のフルエンスを選択すれば開口を形成することができる。さらに、作製用基板１の移送（スキャン）を組み合わせれば、より密な構造や、異なる大きさのバンプや開口を組み合わせた構造も作製できる。
【００４３】
このバンプを形成するメカニズムには２つのメカニズムが存在すると推定できる。第１のメカニズムは、図1（ａ）に示すように、薄膜１ｃと基板１ｂの間の熱膨張に差があることによるものである。熱膨張力の差が薄膜１ｃと基板１ｂの間をせん断力で分離し、薄膜１ｃの方が熱膨張で膨れることで釣鐘状に湾曲し、冷却で固化してバンプが作製されるものである。熱膨張の差は、熱膨張率の差やレーザー光の吸収，反射率の差、熱放射度の差などを変化させることで得られる。
【００４４】
また、第２のメカニズムは、図１（ｂ）に示すように、薄膜１ｃあるいは基板１ｂの一部が蒸発し、その圧力によって薄膜１ｃを押し上げることによるものである。これらのうち、どちらか一方または両方の発生条件が満たされたときに高いアスペクト比のバンプが形成される。なお、この第２のメカニズムが起こるときは高温のため第１のメカニズムが同時に発生するが、第１，第２のメカニズムのどちらかを主体としてレーザー加工装置に最も適した作製用基板１にすることができる。
【００４５】
この第１，第２のメカニズムを生じさせる方法について説明する。いずれも薄膜１ｃが湾曲する必要があるから、薄膜１ｃは超短パルスレーザーの波長においてレーザー光を吸収し、それによる温度上昇で軟化する材料である必要がある。なお、温度上昇に対してあまり依存しない場合でも、湾曲可能な柔軟な材料であればよい。金属膜等が好適である。さらに薄膜１ｃと基板１ｂが剥離し易い易剥離構造である必要があるが、これは基板１ｂと薄膜１ｃの材料の組み合わせによる易剥離構造だけでなく、基板１ｂと薄膜１ｃの表面が十分な平滑度の平面で構成された易剥離構造であればよい。薄膜１ｃと基板１ｂの間に熱膨張の差は、材料の熱膨張率の差やレーザー光の吸収，反射率の差、熱放射度の差などを変化させることで得られ、これらの１以上を組み合わせて総合的に薄膜１ｃの熱膨張が基板１ｂより大きくする必要がある。また、薄膜１ｃあるいは基板１ｂの一部を蒸発させ、薄膜１ｃと基板１ｂの境界部分で圧力を発生させ薄膜１ｃを押し上げることができる。
【００４６】
このようにして形成されるバンプの形状は、基本的にレーザー光のフルエンスによって決定される。フルエンスがバンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値よりかなり小さな場合、上記第１，第２のメカニズムによって薄膜１ｃが盛り上がり、バンプが形成される。バンプ限界閾値より低いがフルエンスを大きくすると、バンプ１つ当りの面積が大きくなり、それに伴いバンプの高さも高くなる。バンプ限界閾値以上にフルエンスが高くなると、温度上昇により薄膜が液体である時間が長くなり、流体的挙動が支配的になる。そのため液体の張力の影響が大きくなり、ちょうど液体表面に物質を落としたときのように、バンプの上に微小突起があるような複雑な形状が形成される。あるいは、バンプの頂点が破れ、そこから圧力が逃げることで内圧が低下し、それによって穴が閉じる際に頂点部分が融合することでバンプの上に微小突起が形成される。さらに開口形成閾値以上にフルエンスを大きくすると薄膜１ｃに開口だけが開くようになる。
【００４７】
ところで、基板１ｂを透明基板にすると、薄膜１ｃの背面側、すなわち透明な基板１ｂの側からレーザー光を入射することができる。透明基板の上に形成された薄膜１ｃを加工する場合に、薄膜１ｃと基板１ｂの間の部分に背面側からレーザー光を照射することで薄膜１ｃにバンプを形成したり、加工したり、剥離することも可能である。微小な開口が形成された薄膜１ｃの場合、これを用いることで薄膜１ｃを分離して取り出して微細メッシュにすることができる。このとき使用するレーザーはバンプまたは開口作製に用いるレーザー加工装置のフェムト秒レーザー部を使うのでも、または以下説明するフェムト秒レーザー励起用の固体レーザーを用いるのでも、さらに別のレーザーを設けるのでもよい。また、機械的剥離を用いてもよい。
【００４８】
続いて、実施の形態１のレーザー加工装置について説明する。図２（ａ）において、２はフェムト秒レーザー光またはピコ秒レーザー光を生成するフェムト秒レーザー部、３は減光フィルターやスリットなどを用いてエネルギーおよびビーム形状の調整を行うビーム調整部、３ａはレーザー光の出射開口に設けられ減光フィルターやスリットを操作してレーザー光を出射するときだけ開くビーム調整駆動部である。実施の形態１のフェムト秒レーザー部２は、グリーン固体レーザー励起で自己モード同期発振を行うチタンサファイアレーザーであり、ＹＡＧレーザー励起チタンサファイア再生増幅器を備えている。実施の形態１のレーザー加工装置は全固体高パワー超短パルスレーザーであり、波長は約８００ｎｍ、パルス幅は約９０フェムト秒（ｆｓ）、１ショットのエネルギーは最大５ｍＪ、レーザーの繰り返し周波数は１０Ｈｚを実現できる。超短パルスレーザー光がフェムト秒レーザー光またはピコ秒レーザー光であるため、バンプ形成閾値とバンプ限界閾値、開口形成閾値を含む広い範囲のフルエンスを出力でき、バンプや開口を作製するのに好適である。
【００４９】
４はレーザー光を受光して複数の光束に回折するビーム分割部、４ａはビーム分割部４のレーザー分離機能素子としての透過型回折格子、４ｂはビーム分割駆動部である。ビーム分割駆動部４ｂは透過型回折格子４ａを交換するとき使用するが、手作業で交換する場合などでは不要である。ビーム分割部４としては、透過型回折格子４ａのほかに、反射型回折格子、ビームスプリッター、空間位相変調器、ホログラム等が好適である。このビーム分割部４により、分割する光束の数を任意に設定し、透過型回折格子４ａ等のレーザー分離機能素子の交換のため手作業もしくはビーム分割駆動部４ｂを制御することで、光束が回折される角度、各光束のエネルギー分配率を変化させることもできる。また、任意のビーム形状を作り出すホログラムを利用することもできる。この場合、ビーム形状に応じたバンプが作製される。また、コンピューター制御の空間位相変調器を用いることで、ビームの数や形状等をリアルタイムで変えながら加工することもできる。
【００５０】
なお、反射型回折格子を図２（ｂ）に示す。４ｃはビーム分割部４として設けられた反射型回折格子、２０はミラーである。レーザー光がミラー２０に入射され、反射されたレーザー光は反射型回折格子４ｃで回折され、複数の光束に分かれて凸レンズ６に導かれる。この反射型回折格子４ｃとミラー２０を用いたレーザー加工装置は、フェムト秒レーザー部２を直線状に配置する必要がないため、横長の構成とならない。
【００５１】
５はビーム分割部４によって複数に分けられた光束を互いに干渉させるためのビーム干渉部、５ａは干渉制御部、６，７はビーム干渉部５を構成する１組の凸レンズである。ビーム干渉部５によって作製用基板１の表面で干渉させる。凸レンズ６の焦点距離はＦ１、凸レンズ７の焦点距離をＦ２、ビーム分割部４から凸レンズ６までの距離をＬ１、凸レンズ６，７間の距離をＬ２、凸レンズ７から作製用基板１までの距離Ｌ３とする。凸レンズ６，７は透過型回折格子４ａによって回折された光束を再度小さな角度θで交差させて、これを干渉させる。ビームを効率よく干渉させるためには、Ｌ１≒Ｆ１、Ｌ２≒Ｆ１＋Ｆ２、Ｌ３≒Ｆ２となるように配置するのがよい。
【００５２】
干渉する複数の光束の交差する角度θは干渉縞（干渉域）の周期に影響し、これが大きくなると周期構造のピッチが狭くなり、小さくなるとピッチが広くなる。交差角度θは透過型回折格子による回折角とレンズの倍率で決定され、光束の数はビーム分割部４、実施の形態１では透過型回折格子４ａの種類と途中に設けるダンプ部１０（後述）によって決定される。また、作製用基板１の表面でのレーザー光の平均フルエンス（干渉による強弱を平均したもの）はビーム調整部３の減光フィルターの透過率をＴ、２枚のレンズの倍率をＭ（Ｍ＝Ｆ２／Ｆ１）としたとき、全体でＴ／Ｍ^２倍にコントロールされる。交差角度θ、干渉域の数、フルエンスによって、干渉域の形状が決定され、この干渉域の形状と熱の拡散の程度によって周期構造をもつバンプが決定される。
【００５３】
ところで、図２（ａ）で示すビーム干渉部５に２枚の凸レンズ６，７を用いる場合、1枚目のレンズ６の焦点部分でレーザー光のエネルギー密度の上昇によるプラズマ化、いわゆるエアブレークダウンが起きる場合がある。これによるビーム品質の劣化が問題になる場合は、凸レンズ６の焦点周りを減圧する減圧部（図示しない）または不活性ガスを流すためのエアポンプを含んだ流動部（図示しない）を設け、焦点位置の減圧やエアブレークダウンしにくいガスを流すことで対応できる。
【００５４】
８は光束が互いに交差し干渉する干渉領域と回折光学素子との間に設けられた円柱レンズ（本発明の干渉域整形光学素子）である。必要に応じて設けられる。円柱レンズ８は光束を特定の方向に絞ったり拡大させたりする。ここでは円柱レンズ８は半月状に盛り上がった、あるいはへこんだレンズで、凸レンズ６，７によるレーザー光の干渉領域を扁平に整形するとともにエネルギー密度を集中あるいは弱くし、作製用基板１の薄膜１ｃと干渉領域との相互作用によってバンプ加工する。また、円柱レンズにより一方向のみのビーム角度が変化するので、その結果バンプ形状や間隔が変化する。円柱レンズ８に代えて、フレネルレンズ、回折レンズ、凸や凹面鏡等を設けるのでもよい。
【００５５】
９はＸＹＺθステージ、９ａは駆動モータである。ＸＹＺθステージ９は、ステージ（図示しない）の上に作製用基板１が装着され、駆動モータ９ａによってＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向、θ方向の４方向にそれぞれ独立に制御される。１０はビーム分割部４を構成する回折格子で回折した光束のうち中央を透過する０次の回折光を遮断するダンプ部である。ダンプ部１０はダンプしないでもよいし、他の次数光をダンプすることで異なる形状を作製することができる。なお、図示はしないが、作製用基板１の被加工部分の周囲を真空引き等により減圧する第２減圧部を設けるのもよい。この減圧によってアブレーションされた粒子の再付着を防止することができる。
【００５６】
次に、１１は実施の形態１のレーザー加工装置の制御を行うシステム制御部、１１ａはシステム制御部１１を構成する中央制御装置（ＣＰＵ）にロードする制御プログラムや周期構造を加工するための設定データ、例えばＸＹＺθステージ９の移動速度等を格納するメモリ部、１１ｂはレーザーの繰り返し周波数、ショット数等を設定データを入力する入力部、１１ｃは入力部１１ｂから入力するとき入力内容を表示したりレーザー加工時の運転状態、加工状態を表示する表示部、１１ｄは計時手段、１１ｅはショット数をカウントするカウンタ、１１ｆは干渉領域の位置を検出し駆動モータ９ａを駆動させるためのＣＣＤ等の位置検出センサ、１１ｇはモニタ用カメラである。位置検出センサ１１ｆからの検出データを画像処理してＸＹＺθステージ９の位置が干渉領域の最適位置に制御される。
【００５７】
１１ｈはシステム制御部１１に設けられ基板１ｂと作製するバンプまたは開口の形態（形状と配置）に応じてレーザー光のフルエンスと光束の数、さらにはダンプの位置を選択し、各駆動部を制御する形状配列管理手段である。形状配列管理手段１１ｈは作製用基板１に応じた作製管理と制御を行う機能実現手段として、データと共にメモリ部１１ａに格納され、ＣＰＵに読み出されて構成される。作製するバンプまたは開口の作製条件は入力部１１ｂから入力される。但し、作製用基板１に対応した薄膜材料と基板材料の組み合せ、多層の場合の構造情報、バンプ形成閾値，バンプ限界閾値，開口形成閾値は、作製用基板１ごとに作製データとしてメモリ部１１ａに予め記憶しておけばよく、作製条件、例えばバンプの配列情報やアスペクト比、直径を入力部１１ｂから入力すれば、形状配列管理手段１１ｈがフルエンスと光束の数、ダンプの位置、レーザーの繰り返し周波数、ショット回数等をメモリ部１１ａから作製データを読出して選定し、これに従ってフェムト秒レーザー部２、ビーム調整駆動部３ａ、場合によりビーム分割駆動部４ｂ，干渉制御部５ａを動作させる。また、開口を形成する場合は、同様に開口の配列情報や開口径を入力する。この形状配列管理手段１１ｈによって自動化が可能になる。形状配列管理手段１１ｈが、ビーム分割部４の透過型回折格子とビーム干渉部５ではフルエンスと光束の数を実現できないと判断したときは、透過型回折格子４ａやビーム干渉部５の凸レンズ６，７の交換等を指示する。
続いて、このように構成された実施の形態１のレーザー加工装置の動作について説明する。システム制御部１１の電源スイッチ（図示しない）をＯＮすることにより、システム制御部１１はメモリ部１１ａから制御プログラムをロードし、表示部１１ｃに入力画面を表示させ、制御のための作製条件を入力できるようにする。入力部１１ｂから作製用基板１を特定し、バンプまたは開口の形状等を入力すると、形状配列管理手段１１ｈはメモリ部１１ａからこれらと関係付けられている関連データ、例えば作製用基板１ごとの構造情報を読み出し、併せて演算結果を表示部１１ｃに表示する。透過型回折格子４ａやビーム干渉部５の凸レンズ６，７の交換を指示すべきときは、この旨を表示する。
【００５８】
表示内容を確認した後、システム制御部１１のスタートボタン（図示しない）を押すことにより、励起用のグリーン固体レーザーを動作させる。フェムト秒レーザー部２のチタンサファイアレーザーが発振し、システム制御部１１からの動作命令でシャッタが開かれ、増幅後のフェムト秒レーザー光は、１ショット目が出射される。繰り返し周波数１０Ｈｚで出射させるため、システム制御部１１はレーザー光を出射する少なくとも１パルス（９０ｆｓ）前にシャッタを開放する。これは、発振開始から計時手段１１ｄによってタイミングを計って実行する。この後レーザー光は透過型回折格子４ａで回折されて複数、例えば４本の光束に分割される。システム制御部１１は最初の１ショットを出射した後、レーザー光の出射が終わった後にシャッタを閉止する。またシステム制御部１１は最初の１ショットの加工が終わると、二度目のショットを行うべく、フェムト秒レーザー部２を発振させる。
【００５９】
図３は４光束による干渉と加工状態の説明図である。分割された光束Ｉ〜ＩＶはビーム干渉部５を構成する凸レンズ６を透過し、０次の回折光はダンプ部１０で遮断され、凸レンズ７で再び集光される。４光束が凸レンズ７の焦点近くで干渉する。対向する４本，８本等の光束が集光されると、光束同士が干渉し、光強度の高いスポットが多数分布した干渉域（温度分布）が形成される。なお、４本の光束のうち１本をダンプして３本にしたときは、楕円状のスポットが分布する。これらの詳細については後述する。また、ビーム分割部４において、２本の光束に分離して干渉させる場合は、光強度の高いラインが一列に並んだ干渉縞を形成する。
【００６０】
システム制御部１１は最初の１ショットの加工が終わると、カウンタ１１ｅでカウントし、Ｘ方向及び／またはＹ方向の駆動モータ９ａに起動をかけ、作製用基板１の所定の方向への所定量の移送を行う。なお、発停を繰返すことも、連続で移送させることもできる。計時手段１１ｄの計時により、二度目のショットを行う前にシャッタを開放し、フェムト秒レーザー部２から二度目のショットを出射する。このレーザー光は透過型回折格子４ａで回折され、凸レンズ６，７を透過して干渉領域を形成する。二度目のショットで二回目のバンプまたは開口等が複数個並んで同時に加工される。
【００６１】
以下、以上の繰り返しを続け、カウンタ１１ｅのカウント数が入力された所定の回数に達したら、システム制御部１１はフェムト秒レーザー部２の励起用グリーン固体を停止させ、ＸＹＺスθテージ９の移送動作を停止する。このとき、１ショットで加工されたバンプまたは開口等が、所定ピッチで複数並んで形成された加工物が完成する。バンプまたは開口は干渉のスポットのピッチ分だけ離れて配置され、設定カウント回数だけ加工領域が並んだものとなる。
【００６２】
続いて、実施の形態１の透過型回折格子４ａによる干渉領域と、ビームスプリッタによる干渉領域との違いについて説明する。図４（ａ）は回折格子による干渉領域を示す概念図、図４（ｂ）はビームスプリッタによる干渉領域を示す概念図である。
【００６３】
図４（ｂ）に示すように、ビームスプリッタで分離された光束は、各光束の光軸に対してその波面が垂直であり、角度θで交差するとき２つの波面同士は平行とはならない。このときの干渉領域Ｂの幅Ｗは、各波面の波連長さａと光束の交差する角度θにより、ｗ＝ａ／ｓｉｎ（θ／２）となる。この領域以外の部分では干渉することなくそのまま通過する。波連長さａはパルス幅τ、光速ｃを使うとａ＝τ・ｃであるから、干渉領域Ｂの幅ｗは非常に小さな値となり、通常は数百μｍとなる。例えばτ＝１００ｆｓ、θ＝１０°とした場合、ｗ＝３４４μｍである。
【００６４】
これに対し実施の形態１のように透過型回折格子４ａで分離した場合、図４（ａ）に示すように実施の形態１の回折格子３で回折された光束は２つの波面同士が平行な関係を保って交差する。このため干渉領域Ａの幅ｗは大きくなり、ビーム径全体で干渉が得られるようになる。ｗはビームを分割する前のビーム径と同じになり、干渉領域Ａの幅はビームスプリッタの干渉領域Ｂの幅と比較し１０倍以上の値となる。従って、透過型回折格子４ａを使えば加工面積を１０倍以上に拡大することが容易であり、ビームスプリッタを使う場合より同時に加工できるバンプや開口の数が加工面積分多くなる。多数のバンプや開口を作製したいとき、また、光束数を増したいに透過型回折格子４ａで分離するのが有効となる。なお、ホログラムを使用する場合は、ホログラムでビーム形状を作り出し、直接ビーム形状に応じたバンプまたは開口が作製される。
【００６５】
このように実施の形態１の微小バンプ作製方法と、微細メッシュ作製方法、そのレーザー加工装置及び作製用基板によれば、超短パルス秒レーザー光を干渉させることにより超短パルス幅レーザー光のエネルギー密度を上げフルエンスを高めることができる。これをバンプ形成閾値以上にコントロールし、干渉したスポットの薄膜を膨張させ、所望のナノサイズ、ナノサイズクラスのバンプ作製することができる。開口形成閾値以上のフルエンスを加えることによりナノサイズ、ナノサイズクラスの開口を作製することができる。干渉によるスポットの周期性によってバンプまたはメッシュをナノサイズ、ナノサイズクラスの周期構造にすることができる。ナノサイズ、ナノサイズクラスのバンプまたはメッシュを作製することが自動的に行える。
【００６６】
（実施の形態２）
実施の形態２のレーザー加工装置は、図示はしないが、実施の形態１のフェトム秒レーザー部に加えて、第２レーザー部を備えたものである。この場合、第２レーザー部によって通常のレーザーアブレーション加工、熱加工、感光等を行う。例えば、メッシュのように加工した薄膜１ｃを取り出す場合など、被加工部分にさらに加工することが必要な場合がある。このような場合は、第２レーザー部による加工や、機械加工を併用するのが好適である。第２レーザー部を使って、切除、切除部分の湾曲などの加工を行うこともできる。第２レーザー部はフェトム秒レーザー部（第１レーザー部）や増幅部、あるいはそれらの励起用レーザーの部分を使うのでも、他のレーザーを別途設置するのでもよい。
【００６７】
実施の形態２のレーザー加工装置は、第２レーザー部を備えることにより、バンプ作製と併せて他の加工を複合的に行うことができる。
【００６８】
【実施例】
（実施例１）
実施例１のレーザー加工装置は、実施の形態１で説明した全固体高エネルギー超短パルスレーザーであり、グリーン固体レーザー励起で自己モード同期発振を行うフェムト秒チタンサファイアレーザーと、ＹＡＧレーザー励起チタンサファイア再生増幅器を組み合わせたシステムである。波長は約８００ｎｍ、パルス幅は約９０フェムト秒（ｆｓ）、これを透過型回折格子で分割した。１次光の光束数は４本、１ショットのエネルギーは最大５ｍＪ、０次光を遮断した場合２．３ｍＪ、レーザーの繰り返し周波数は１０Ｈｚである。
【００６９】
実施例１は、図３に示すように、１次光からなる４光束であり、図２に示すように０次光はダンプ部１０によりダンプしている。凸レンズ６，７の倍率はＭ≒０．１６である。４光束の示す交差角度θは、透過型回折格子４ａの後で互いに対向する２つの一次光の光束同士でいずれも約６度である。室温、大気中においてシングルショットで加工を行った。作製用基板１は、図３の金の薄膜１ｃを石英の透明基板１ｂ上に蒸着したものを用いた。金の膜厚は５０ｎｍである。
【００７０】
実施例１の加工した結果を図５に示す。図５はフルエンスの変化と加工形状を示す電子顕微鏡写真である。実施例１のバンプ形成閾値のフルエンスは約７３mJ/cm²であった。図５（ａ）はフルエンスが約７６mJ/cm²のときのバンプであり、干渉スポットに応じてバンプが整然と並んで形成されているのが分かる。直径５００ｎｍ、高さ７５ｎｍ程度のナノサイズのバンプで、アスペクト比（高さ／直径）は０．１５程度である。図５（ｂ）はフルエンスが９１mJ/cm²のときのバンプであり、（ａ）と同様、干渉スポットに応じてバンプが整然と形成されている。直径８２５ｎｍ、高さ３００ｎｍ程度のナノサイズのバンプで、アスペクト比は０．３６程度である。図５（ａ）（ｂ）から分かるように、フルエンスが大きいほどバンプの直径と高さが大きくなり、アスペクト比も向上する。
【００７１】
さらに図５（ｃ）はフルエンスが９９mJ/cm²のときのバンプであり、直径９９０ｎｍ、高さ４００ｎｍ程度のナノサイズのバンプの頂点部分に微小球が形成された。図５（ｄ）はフルエンスが１１０mJ/cm²のときのバンプであり、さらにフルエンスが大きく、直径８００ｎｍ、高さ１００ｎｍ程度の漏斗を伏せた形状の縁にバンプが立った複雑な形状が形成された。さらに図５（ｅ）はフルエンスが１１４mJ/cm²のときのバンプであり、薄膜が開口され、直径８００ｎｍ程度の多数の開口が形成された。
【００７２】
（参考例）
参考例は、膜厚５０ｎｍの金の薄膜１ｃに多数開口したメッシュで、これは図５（ｄ）に示す実施例１の作製用基板１から薄膜１ｃを取り出したものある。図６は図５（ｄ）の薄膜を剥がした状態を示す顕微鏡写真の説明図である。直径８００ｎｍ程度の多数の開口が１．７μｍのピッチで配列されている。なお、参考例のメッシュは、図５（ｄ）に示す作製用基板１の薄膜１ｃをエアブロウで剥離した。上述したように薄膜１ｃの背面、すなわち透明基板側からレーザー光を照射して薄膜１ｃを剥離することも、機械加工で剥離することもできる。
【００７３】
図示はしないが、実施例１の図５（ａ）（ｂ）の周期構造のバンプも同様に剥離することができる。剥離する方法は、エアブロウや機械的なもの、透明基板側からレーザー光を照射することによって剥離するのもよい。
【００７４】
（実施例２）
実施例２は、膜厚５０ｎｍの金の薄膜１ｃを透明基板上に蒸着した作製用基板１に、図３に示す４本の光束のうち１本をダンプして３本とし、合計０．２３mJのエネルギーでバンプを形成したものである。図７は３光束にして加工を行った状態の電子顕微鏡写真による説明図である。電子顕微鏡を用いて真上から観察している。図７に示すように、長径６００ｎｍ、短径２４０ｎｍの楕円形のバンプが形成されている。各バンプ間のピッチは１．７μｍである。
【００７５】
（実施例３）
図８は９光束で行う干渉の説明図、図９は９光束にして加工を行った状態の電子顕微鏡写真による説明図である。実施例３は、膜厚２０ｎｍの金の薄膜１ｃを透明基板上に蒸着した作製用基板に、図８に示すように９本の光束Ｉ〜ＩＸを集光し、合計で０．４７mJのエネルギーの光束で開口を形成したものである。図９に示すように、９光束の場合、開口の形状と間隔がバラバラで複雑になっている。しかし、ビームの光束数を何本に増やしても、その干渉縞に応じた加工ができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の微小バンプ作製方法によれば、周期構造をもつナノサイズクラスのバンプを容易に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）薄膜の熱膨張を用いてナノサイズクラスのバンプを形成する説明図
（ｂ）ガスの膨張を用いてナノサイズクラスのバンプを形成する説明
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１におけるレーザー加工装置の構成図
（ｂ）反射型回折格子を使用した場合の要部拡大図
【図３】４光束による干渉と加工状態の説明図
【図４】（ａ）回折格子による干渉領域を示す概念図
（ｂ）ビームスプリッタによる干渉領域を示す概念図
【図５】フルエンスの変化と加工形状を示す電子顕微鏡写真による説明図
【図６】図５（ｄ）の薄膜を剥がした状態を示す顕微鏡写真の説明図
【図７】３光束にして加工を行った状態の電子顕微鏡写真による説明図
【図８】９光束で行う干渉の説明図
【図９】９光束にして加工を行った状態の電子顕微鏡写真による説明図
【符号の説明】
１作製用基板
１ａバンプ
１ｂ基板
１ｃ薄膜
２フェムト秒レーザー部
３ビーム調整部
３ａビーム調整駆動部
４ビーム分割部
４ａ透過型回折格子
４ｂビーム分割駆動部
４ｃ反射型回折格子
５ビーム干渉部
５ａ干渉制御部
６，７凸レンズで
８円柱レンズ
９ＸＹＺθステージ
９ａ駆動モータ
１０ダンプ部
１１システム制御部
１１ａメモリ部
１１ｂ入力部
１１ｃ表示部
１１ｄ計時手段
１１ｅカウンタ
１１ｆ位置検出センサ
１１ｇモニタ用カメラ
１１ｈ形状配列管理手段
２０ミラー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a method for producing a fine bump, in which ultrashort pulse laser light such as femtosecond laser light or picosecond laser light is separated into a plurality of light beams, and this light beam is interfered to produce minute bumps having a periodic structure.InRelated.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it has been put into practical use to produce minute bumps (protrusion structures) in laser texturing of a hard disk surface, a probe of an operation probe microscope, and the like. Recently, the practical application of electron guns and field emission displays using nanowires, nanoparticles, and nanotubes has been studied. The key to this practical application can be said to be whether or not a minute bump necessary for each pixel, in other words, a nano-size class bump having a periodic structure can be produced in a desired form.
[0003]
First, laser texturing on a conventional hard disk surface will be described (see Patent Document 1). According to Patent Literature 1, a beam having a Gaussian light intensity distribution from a pulse laser oscillator such as a YAG laser is stronger than the central part of the light intensity distribution compared to the central part by a beam converter. This is converted into an annular beam, and the annular beam is redirected by a mirror and condensed on the surface of the inner annular zone region of the substrate that rotates and translates through the condenser lens.
[0004]
Because the light intensity distribution is circular in the cross-section of the focused spot irradiation, the Marangoni convection has a higher temperature and a lower surface tension than the central portion of the melted portion. The molten material gathers in the center, and a small-diameter single-peak bump is reliably formed. That is, in the previous laser texturing, the diameter is 10 μm (= × 10^-6m) Only those above were formed, but according to this technique, 3 μm to 6 μm is possible. However, even with this technology, nano-size (10^-9m-10⁻ ⁷The bump of m) cannot be obtained. In addition, this technique requires multi-shot processing and sample movement, and has a problem in practical use as a method of forming bumps having a periodic structure.
[0005]
There are arc discharge method, laser ablation method, and CVD method as methods for producing nanowires and nanoparticles, but bumps are created due to the complexity of the production process, long production time, shape control, and difficulty in assembly. There are many problems. Among them, ultrashort pulse laser light (10% such as femtosecond laser light and picosecond laser light)^-15Seconds to 10^-12In the laser ablation method in which the ablation is performed by the interaction between the ultrashort pulse laser beam and the substrate for processing, the irradiation energy density (hereinafter referred to as fluence) is large, but one beam is focused. Therefore, in order to produce a bump having a periodic structure that can be used practically, it is necessary to process multiple shots and move the sample, which has the same problem as conventional laser texturing.
[0006]
In order to obtain a periodic structure, a laser device that uses interference of multiple light beams in the nanosecond class has been proposed, but the demonstration of whether ultrashort pulse laser light has coherence is delayed, and there are unsolved problems. Very many. As one of the proposals of the femtosecond laser processing apparatus using such interference, the femtosecond laser beam is divided into two light beams by a beam splitter, and condensed on the surface of the material using an optical system using an optical delay circuit. A technique for producing a hologram by causing interference is disclosed (see Patent Document 2). This is because the pulse width is 900 to 10 femtoseconds (10^-15Second), a femtosecond laser with a peak output of 1 GW or more and a Fourier limit or an approximation thereof, and the pulse from the laser is split into two by a beam splitter, and the two beams are separated by an optical delay circuit (plane mirror) The time density is controlled by using a plane mirror and a concave mirror that are rotated slightly, and the energy density is 100 GW / cm on the surface of the substrate on which the hologram is recorded or inside the substrate.²The light is condensed as described above. In addition, the present inventor has also proposed a femtosecond laser processing apparatus that divides femtosecond laser light into a plurality of light beams by a diffraction grating, and collects and interferes (see Non-Patent Document 1).
[0007]
  However, with these femtosecond laser processing equipment, the basics are how to make fine periodic bumps directly without using nanowires and how to control the bump shape Point is unresolved.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 11-328667 A
[Patent Document 2]
JP 2001-236002 A
[Non-Patent Document 1]
Nakata and 2 others, “Fabrication of fine periodic structures using diffractive optical elements and femtosecond lasers”, Proceedings of the 49th Joint Conference on Applied Physics, Japan Society of Applied Physics, March 2002, p.1120
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional laser texturing is performed with a single beam having a pulse width of nanosecond, the processing speed is slow, and it is difficult to produce a bump having a nano-size diameter. The reason for this is that in a conventional light source such as a nanosecond laser, the temperature of the workpiece is diffused over a wide range due to heat conduction within the processing time. In order to produce a bump having a periodic structure, it takes too much time to process with one beam, which is problematic from a practical viewpoint.
[0010]
Further, the femtosecond laser processing apparatus of Patent Document 2 is intended for processing of a periodic structure, and it is difficult to produce bumps only with this. There is a growing expectation for a completely new fabrication method for fabricating periodic structure bumps. Further, the femtosecond laser of Patent Document 2 using a beam splitter has a limit of 30 μm in the processing range of one shot, and it is necessary to adjust the optical delay, align the axis, and the like. A laser processing apparatus with a wide processing range and easy handling is desired.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for producing a micro-bump that can easily process a nano-size class micro bump having a periodic structure.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the conventional problems described above, the method for producing a microbump of the present invention is as follows.Ultra-short pulse from femtosecond to picosecond rangeOscillate and emit laser lightUltra short pulseThe laser beam is separated into a plurality of light fluxes, condensed on the thin film on the substrate in a state of interference of the separated light fluxes, and this interference exceeds the bump formation threshold.The fluence is less than the threshold of the bump limit where the top of the bump of the thin film is brokenAn interference zone, and a thin film of the interference zonePeel from substrate due to thermal expansion difference between substrate and thin filmAnd producing a bump having a periodic structure.
[0017]
Thereby, nano-sized class minute bumps having a periodic structure can be easily processed.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The first invention of the present invention is:Ultra-short pulse from femtosecond to picosecond rangeOscillate and emit laser lightUltra short pulseThe laser beam is separated into a plurality of light fluxes, condensed on the thin film on the substrate in a state of interference of the separated light fluxes, and this interference exceeds the bump formation threshold.The fluence is less than the threshold of the bump limit where the top of the bump of the thin film is brokenAn interference zone, and a thin film of the interference zonePeel from substrate due to thermal expansion difference between substrate and thin filmThis is a micro-bump fabrication method that produces a bump with a periodic structure, and the fluence of the laser beam can be increased by interfering with the laser beam, which exceeds the bump formation threshold.With a fluence smaller than the bump limit threshold, the thin film can be peeled off from the substrate due to the difference in thermal expansion.The bumps of the nano-size class in which the thin film of the spot where the laser beam interferes can be formed. A bump can be made into a nano-sized class periodic structure by the periodicity of the spot by interference.At this time, the effect of thermal diffusion is suppressed by the ultrashort pulse, and the energy injection process is completed before the high energy irradiated on the substrate is made uniform by heat conduction, so it has periodicity and diameter of nano size class. In addition, a temperature distribution in which a large number of high temperature portions are arranged can be formed. The thin film is peeled and expanded by a shearing force due to the difference in thermal expansion above the bump formation threshold, and a bell-shaped bump can be formed by solidification by cooling. And since it is smaller than the bump limit threshold, the bump is broken and is not broken to become an opening.
[0022]
  First of the present invention2The invention of the1'sIn the invention,The thin film in the interference zone is peeled off from the substrate by the vapor pressure of the thin film or a part of the substrate together with the thermal expansion difference between the substrate and the thin film.It is a micro bump manufacturing method,Along with thermal expansion difference,The thin film peels off and expands by the gas pressure evaporated above the bump formation threshold, and a bell-shaped bump can be formed. Since it is smaller than the bump limit threshold, the bump is not broken and becomes an opening.
[0023]
  First of the present invention3The invention of the1 or 2In the invention,By interference, a fluence interference area that is greater than the bump limit threshold value and smaller than the opening formation threshold value is formed, and a second step protrusion is formed at the bump apex portion.It is a micro bump manufacturing method,Bumps with second-stage protrusions can be generated.
[0037]
  (Embodiment 1)
  Hereinafter, a method for producing a microbump according to Embodiment 1 of the present invention and,The laser processing apparatus and manufacturing substrate will be described.In addition, a method for producing a fine mesh will be described.FIG. 1A is an explanatory diagram for forming a nano-size class bump using thermal expansion of a thin film, FIG. 1B is an explanatory diagram for forming a nano-size class bump using gas expansion, and FIG. a) is a block diagram of the laser processing apparatus in Embodiment 1 of this invention, FIG.2 (b) is a principal part enlarged view at the time of using a reflection type diffraction grating.
[0038]
First, based on FIGS. 1A and 1B, the principle by which nano-sized class periodic structure bumps can be manufactured by the micro bump manufacturing method in the first embodiment will be described. 1A and 1B, reference numeral 1 denotes a substrate for forming bumps having a periodic structure of the nano-size class, 1a denotes a bump formed on the substrate for preparation 1, and 1b denotes a substrate on which the bump 1a is to be manufactured.1cIs a thin film formed on the substrate 1b.
[0039]
As shown in FIG. 1 (a), a femtosecond laser beam or a picosecond laser beam (hereinafter referred to as an ultrashort pulse laser beam) obtained by laser oscillation is separated into a plurality of pieces by diffraction, and these are made to interfere with each other for production. When the substrate 1 is irradiated, the influence of thermal diffusion is suppressed by shortening the pulse, and the energy injection process is completed before the high energy injected into the manufacturing substrate 1 is made uniform by heat conduction. This makes it possible to form a temperature distribution with nano-sized periodicity and diameter.
[0040]
  At this time, when the irradiating laser light has a fluence (irradiation energy density) that is not less than the bump formation threshold and smaller than the bump limit threshold, the local temperature rise exceeds a certain threshold, and bumps of various shapes can be formed. It becomes possible. Further, when a laser beam having a fluence exceeding the bump limit threshold is irradiated, the bump is broken and an opening is formed. However, until the opening formation threshold value is reached, microspheres and second-stage bumps are formed, and once the opening is closed, an opening that cannot be evaluated as a complete opening is formed in many cases. Depending on conditions,An accessory may be formed but may not open. In order to form a hole that is acceptable as an opening without an accessory, it is necessary to irradiate a laser beam having a fluence that is equal to or higher than the opening formation threshold.In short, bumps can be formed when irradiated with a laser beam having a fluence that is greater than the bump formation threshold and less than the bump limit threshold. If a fluence that is greater than the bump limit threshold is irradiated, a second bump is not formed or cannot be said to be complete. An opening can be formed, and a hole can be formed when the fluence exceeds the opening formation threshold. thisThe bump formation threshold value, the bump limit threshold value, and the opening formation threshold value are determined by the material, the substrate structure, and the like for each manufacturing substrate 1 as described below. The bump formation threshold is 73 mJ / cm for a quartz substrate on which a 50 nm gold film is deposited.²The bump limit threshold is 91 mJ / cm.²The opening formation threshold is 114 mJ / cm²Degree. These threshold values vary depending on the thin film material and structure, the time shape of the laser pulse, and the like. In the first embodiment, an ultrashort pulse laser beam is used. However, by selecting the material and coating structure of the thin film 1c, and selecting the number of light beams that interfere with the laser beam, the crossing angle, and the wavelength, Although the bump size is larger than in the case of short pulse laser light, it is also possible to form a temperature distribution that suppresses the influence of thermal diffusion even with nanosecond laser light.
[0041]
Since the thin film 1c is formed on the substrate 1b in the manufacturing substrate 1 according to the first embodiment, when this temperature distribution is applied, peeling occurs at the boundary surface, which causes thermal expansion of the thin film 1c, the thin film 1c, or the substrate. By utilizing the push-up of the thin film 1c by evaporation of the material 1b, bumps can be efficiently grown. As the thin film material, metals are excellent, and as the substrate material, quartz, glass or the like is suitable in terms of vaporization as well as forming an easily peelable surface and being easily deformed. The film thickness is preferably thinner than the target bump size. An interference area (interference spot) is generated in accordance with the number and fluence of laser beams to be interfered, the crossing angle, and the time delay difference, and processing according to the interference area can be performed. By controlling the interference area in this way, it is possible to control the shape, alignment, spacing, and the like of the bumps 1a.
[0042]
By the way, in the case of texturing using nanosecond laser light described in the prior art, a structure having a diameter of about several μm and a height of about several tens of nm is formed, and at this time, the diameter is about two orders of magnitude larger than the height. . That is, a hill-like structure having a diameter about 100 times wider and a very small aspect ratio (= bump height / bump diameter) (= order of 0.01) was obtained and could not be evaluated as a bump. . In contrast, in the present invention, since the thin film 1c is formed on the substrate 1b in the manufacturing substrate 1, when a laser beam having a fluence that is greater than the bump formation threshold value and smaller than the bump limit threshold value is irradiated, an extremely short time is generated. A bump having a diameter of several tens to several hundreds of nanometers and a height of about several tens to several hundreds of nanometers is formed by a mechanism described below with a balance between heat and thermal diffusion, and a bump having a large aspect ratio (aspect ratio = 0.0). 1-5) can be produced, and the bump shape can be controlled. Further, by selecting a fluence that is equal to or greater than the bump limit threshold, the apex portion of the protrusion structure as shown in FIGS. 5C and 5D described later due to fluid behavior such as tearing of the thin film 1c, surface tension, and fusion. It is also possible to produce a second-stage protrusion. If a fluence that is equal to or greater than the opening formation threshold is selected, the opening can be formed. Furthermore, by combining transfer (scanning) of the production substrate 1, a denser structure or a structure in which bumps and openings of different sizes are combined can be produced.
[0043]
It can be presumed that there are two mechanisms for forming the bump. The first mechanism is due to the difference in thermal expansion between the thin film 1c and the substrate 1b as shown in FIG. The difference in thermal expansion force separates the thin film 1c and the substrate 1b by a shearing force, the thin film 1c is expanded by thermal expansion, curves in a bell shape, and is solidified by cooling to produce a bump. . The difference in thermal expansion can be obtained by changing the difference in thermal expansion coefficient, the absorption of laser light, the difference in reflectance, the difference in thermal radiance, and the like.
[0044]
Further, as shown in FIG. 1B, the second mechanism is due to evaporation of a part of the thin film 1c or the substrate 1b and pushing up the thin film 1c by the pressure. Among these, a bump having a high aspect ratio is formed when one or both of the generation conditions are satisfied. When this second mechanism occurs, the first mechanism isat the same timeAlthough it occurs, the production substrate 1 that is most suitable for the laser processing apparatus can be obtained by mainly using either the first or second mechanism.
[0045]
A method for generating the first and second mechanisms will be described. In any case, since the thin film 1c needs to be curved, the thin film 1c needs to be made of a material that absorbs laser light at the wavelength of the ultrashort pulse laser and softens when the temperature rises. In addition, even if it is not so dependent on the temperature rise, any flexible material that can be bent may be used. A metal film or the like is preferable. Furthermore, it is necessary that the thin film 1c and the substrate 1b have an easy-peeling structure that is easy to peel off. However, this is not only an easy-peeling structure based on a combination of the materials of the substrate 1b and the thin film 1c, Any easy peeling structure constituted by a plane of a degree may be used. The difference in thermal expansion between the thin film 1c and the substrate 1b is obtained by changing the difference in the thermal expansion coefficient of the material, the absorption of laser light, the difference in reflectance, the difference in thermal radiance, and the like. In combination, the thermal expansion of the thin film 1c needs to be larger than that of the substrate 1b. Moreover, a part of the thin film 1c or the substrate 1b can be evaporated, pressure can be generated at the boundary between the thin film 1c and the substrate 1b, and the thin film 1c can be pushed up.
[0046]
The shape of the bump formed in this way is basically determined by the fluence of the laser beam. If the fluence is greater than or equal to the bump formation threshold and considerably smaller than the bump limit threshold, the thin film 1c is raised by the first and second mechanisms, and a bump is formed. If it is lower than the bump limit threshold but the fluence is increased, the area per bump increases, and the height of the bump increases accordingly. When the fluence becomes higher than the bump limit threshold, the time during which the thin film is liquid becomes longer due to the temperature rise, and the fluid behavior becomes dominant. Therefore, the influence of the tension of the liquid becomes large, and a complicated shape with minute protrusions on the bumps is formed just like when a substance is dropped on the liquid surface. Alternatively, the apexes of the bumps are broken, and the internal pressure is reduced by the pressure escaping from the bumps. As a result, when the holes are closed, the apexes are fused to form minute protrusions on the bumps. Further, when the fluence is increased beyond the opening formation threshold, only the opening is opened in the thin film 1c.
[0047]
When the substrate 1b is a transparent substrate, laser light can be incident from the back side of the thin film 1c, that is, the transparent substrate 1b side. When processing the thin film 1c formed on the transparent substrate, the thin film 1c is irradiated with laser light from the back side to the portion between the thin film 1c and the substrate 1b.Forming bumps on theIt can be processed or peeled off. In the case of the thin film 1c in which minute openings are formed, by using this, the thin film 1c can be separated and taken out into a fine mesh. The laser used at this time may be a femtosecond laser part of a laser processing apparatus used for bump or opening fabrication, or a solid laser for femtosecond laser excitation described below, or another laser may be provided. Good. Alternatively, mechanical peeling may be used.
[0048]
Then, the laser processing apparatus of Embodiment 1 is demonstrated. In FIG. 2A, 2 is a femtosecond laser unit that generates femtosecond laser light or picosecond laser light, 3 is a beam adjustment unit that adjusts energy and beam shape using a neutral density filter, a slit, and the like, 3a Is a beam adjustment driving unit that is provided at the laser light emission opening and opens only when the light-reducing filter or slit is operated to emit the laser light. The femtosecond laser unit 2 of the first embodiment is a titanium sapphire laser that performs self-mode-locked oscillation with green solid laser excitation, and includes a YAG laser-excited titanium sapphire regenerative amplifier. The laser processing apparatus of the first embodiment is an all-solid high-power ultrashort pulse laser, the wavelength is about 800 nm, the pulse width is about 90 femtoseconds (fs), the energy of one shot is 5 mJ at maximum, and the laser repetition frequency is 10 Hz. Can be realized. Since the ultra-short pulse laser light is femtosecond laser light or picosecond laser light, it can output a wide range of fluences including bump formation threshold, bump limit threshold, and opening formation threshold, which is suitable for producing bumps and openings. is there.
[0049]
4 is a beam splitting unit that receives laser light and diffracts it into a plurality of light beams, 4a is a transmissive diffraction grating as a laser separation function element of the beam splitting unit 4, and 4b is a beam splitting drive unit. The beam splitting drive unit 4b is used when exchanging the transmission diffraction grating 4a, but is not necessary when exchanging manually. As the beam splitting unit 4, in addition to the transmission type diffraction grating 4a, a reflection type diffraction grating, a beam splitter, a spatial phase modulator, a hologram and the like are suitable. The beam splitting unit 4 arbitrarily sets the number of split beams and controls the beam splitting drive unit 4b manually or for exchanging a laser separation function element such as a transmissive diffraction grating 4a. It is also possible to change the angle and the energy distribution rate of each light beam. Also, a hologram that creates an arbitrary beam shape can be used. In this case, bumps corresponding to the beam shape are produced. Further, by using a computer-controlled spatial phase modulator, it is possible to perform processing while changing the number and shape of beams in real time.
[0050]
A reflective diffraction grating is shown in FIG. 4c is a reflection type diffraction grating provided as the beam splitting unit 4, and 20 is a mirror. The laser light is incident on the mirror 20, and the reflected laser light is diffracted by the reflective diffraction grating 4 c, divided into a plurality of light beams, and guided to the convex lens 6. The laser processing apparatus using the reflection type diffraction grating 4c and the mirror 20 does not require the femtosecond laser unit 2 to be arranged in a straight line, and thus does not have a horizontally long configuration.
[0051]
Reference numeral 5 denotes a beam interference unit for causing the beams divided by the beam splitting unit 4 to interfere with each other, 5a denotes an interference control unit, and 6 and 7 denote a set of convex lenses constituting the beam interference unit 5. The beam interference unit 5 causes interference on the surface of the production substrate 1. The focal length of the convex lens 6 is F1, the focal length of the convex lens 7 is F2, the distance from the beam splitter 4 to the convex lens 6 is L1, the distance between the convex lenses 6 and 7 is L2, and the distance L3 from the convex lens 7 to the production substrate 1 And The convex lenses 6 and 7 make the light beams diffracted by the transmissive diffraction grating 4a intersect again at a small angle θ to interfere with each other. In order to make the beams interfere efficiently, L1≈F1, L2≈F1 + F2, L3≈F2It is good to arrange so that.
[0052]
have a finger in the piepluralThe angle θ at which the light beams intersect influences the period of the interference fringes (interference area). When this becomes larger, the pitch of the periodic structure becomes narrower, and when it becomes smaller, the pitch becomes wider. The crossing angle θ is determined by the diffraction angle of the transmissive diffraction grating and the magnification of the lens.The number of luminous fluxes is the beam splitting unit 4 in the first embodiment.It is determined by the type of the transmissive diffraction grating 4a and the dump unit 10 (described later) provided in the middle. Further, the average fluence of laser light on the surface of the production substrate 1 (average of the intensity due to interference) is the transmittance of the neutral density filter of the beam adjusting unit 3, T, and the magnification of the two lenses M (M = F2 / F1), T / M overall²Controlled twice. The shape of the interference zone is determined by the intersection angle θ, the number of interference zones, and the fluence, and a bump having a periodic structure is determined by the shape of the interference zone and the degree of heat diffusion.
[0053]
By the way, when the two convex lenses 6 and 7 are used in the beam interference section 5 shown in FIG. 2A, the so-called air breakdown is generated by increasing the energy density of the laser light at the focal portion of the first lens 6. May occur. When beam quality deterioration due to this becomes a problem, a depressurization unit (not shown) for reducing the pressure around the focal point of the convex lens 6 or a flow unit (not shown) including an air pump for flowing an inert gas is provided. This can be done by flowing gas that is difficult to reduce pressure and air breakdown.
[0054]
Reference numeral 8 denotes a cylindrical lens (interference area shaping optical element of the present invention) provided between an interference area where light beams intersect and interfere with each other and a diffractive optical element. Provided as needed. The cylindrical lens 8 narrows or enlarges the light beam in a specific direction. Here, the cylindrical lens 8 is a lens that is raised or dented in a half-moon shape, the interference region of the laser light by the convex lenses 6 and 7 is shaped flat, and the energy density is concentrated or weakened. Bump is processed by interaction with the interference area. Further, since the beam angle in only one direction is changed by the cylindrical lens, the bump shape and the interval are changed as a result. Instead of the cylindrical lens 8, a Fresnel lens, a diffractive lens, a convex or concave mirror, or the like may be provided.
[0055]
Reference numeral 9 denotes an XYZθ stage, and 9a denotes a drive motor. The production substrate 1 is mounted on a stage (not shown), and the XYZθ stage 9 is independently controlled by the drive motor 9a in four directions of the X direction, the Y direction, the Z direction, and the θ direction. Reference numeral 10 denotes a dump unit that blocks 0th-order diffracted light transmitted through the center of the light beam diffracted by the diffraction grating constituting the beam splitting unit 4. The dump unit 10 may not be dumped, and different shapes can be produced by dumping other orders of light. Although not shown, a second decompression unit that decompresses the periphery of the part to be processed of the manufacturing substrate 1 by vacuuming or the like may be provided. This reduced pressure can prevent reattachment of the ablated particles.
[0056]
Next, 11 is a system control unit that controls the laser processing apparatus of the first embodiment, and 11a is a setting for processing a control program and a periodic structure that are loaded into a central control unit (CPU) that constitutes the system control unit 11. A memory unit for storing data, for example, the moving speed of the XYZθ stage 9, 11 b is an input unit for inputting setting data such as a laser repetition frequency and the number of shots, and 11 c is for displaying input contents when inputting from the input unit 11 b Display section for displaying the operating state and processing state at the time of laser processing, 11d is a timing means, 11e is a counter for counting the number of shots, 11f is a position of a CCD or the like for detecting the position of the interference region and driving the drive motor 9a A detection sensor 11g is a monitor camera. The detection data from the position detection sensor 11f is subjected to image processing, and the position of the XYZθ stage 9 is controlled to the optimum position in the interference area.
[0057]
11h is provided in the system control unit 11 to select the fluence of the laser beam, the number of light beams, and the position of the dump according to the form (shape and arrangement) of the substrate 1b and the bump or opening to be manufactured, and control each drive unit Shape array management means. The shape array management means 11h is stored in the memory unit 11a together with data and read out by the CPU as function realizing means for performing production management and control corresponding to the production substrate 1. The production conditions of the bump or opening to be produced are input from the input unit 11b. However, the combination of the thin film material and the substrate material corresponding to the production substrate 1, the structure information in the case of multiple layers, the bump formation threshold, the bump limit threshold, and the opening formation threshold are stored in the memory unit 11 a as production data for each production substrate 1. If the manufacturing conditions, such as bump arrangement information, aspect ratio, and diameter, are input from the input unit 11b, the shape arrangement management unit 11h has the fluence and the number of light beams, the position of the dump, and the repetition frequency of the laser. The number of shots and the like are selected by reading the production data from the memory unit 11a, and the femtosecond laser unit 2, the beam adjustment driving unit 3a, and in some cases the beam division driving unit 4b and the interference control unit 5a are operated accordingly. In addition, when forming an opening, the arrangement information of the opening and the opening diameter are similarly input. This shape array management means 11h can be automated. When the shape array managing unit 11h determines that the transmissive diffraction grating and the beam interference unit 5 of the beam splitting unit 4 cannot realize the fluence and the number of light beams, the transmission type diffraction grating 4a and the convex lens 6 of the beam interference unit 5 7 is exchanged.
Next, the operation of the laser processing apparatus according to the first embodiment configured as described above will be described. By turning on a power switch (not shown) of the system control unit 11, the system control unit 11 loads a control program from the memory unit 11a, displays an input screen on the display unit 11c, and inputs manufacturing conditions for control. It can be so. When the manufacturing substrate 1 is specified from the input unit 11b and the shape of the bump or opening is input, the shape array management unit 11h receives related data related to these from the memory unit 11a, for example, the structure of each manufacturing substrate 1 The information is read and the calculation result is displayed on the display unit 11c. When it is instructed to exchange the transmissive diffraction grating 4a or the convex lenses 6 and 7 of the beam interference unit 5, this is displayed.
[0058]
After confirming the display content, a green solid laser for excitation is operated by pressing a start button (not shown) of the system control unit 11. The titanium sapphire laser of the femtosecond laser unit 2 oscillates, the shutter is opened by an operation command from the system control unit 11, and the first shot of the amplified femtosecond laser light is emitted. In order to emit at a repetition frequency of 10 Hz, the system control unit 11 opens the shutter at least one pulse (90 fs) before emitting the laser beam. This is executed by measuring the timing by the clock means 11d from the start of oscillation. Thereafter, the laser light is diffracted by the transmissive diffraction grating 4a and divided into a plurality of, for example, four light beams. After emitting the first shot, the system control unit 11 closes the shutter after the emission of the laser light is finished. Further, when the processing of the first shot is completed, the system control unit 11 oscillates the femtosecond laser unit 2 so as to perform the second shot.
[0059]
FIG. 3 is an explanatory diagram of interference and processing state due to four light beams. The divided light beams I to IV are transmitted through the convex lens 6 constituting the beam interference unit 5, and the 0th-order diffracted light is blocked by the dump unit 10 and is condensed again by the convex lens 7. Four light beams interfere near the focal point of the convex lens 7. When four or eight opposing light beams are collected, the light beams interfere with each other.,An interference region (temperature distribution) in which a number of spots with high light intensity are distributed is formed. In addition, when one of the four light beams is dumped into three, elliptical spots are distributed. Details of these will be described later. Further, when the beam splitting unit 4 separates and interferes with two light beams, an interference fringe in which lines having high light intensity are arranged in a line is formed.
[0060]
When the processing of the first shot is completed, the system control unit 11 counts with the counter 11e, activates the drive motor 9a in the X direction and / or the Y direction, and applies a predetermined amount of the manufacturing substrate 1 in a predetermined direction. Transport. The start / stop can be repeated or continuously transferred. A second shot is performed by the time measuring means 11d.in frontThen, the shutter is opened, and a second shot is emitted from the femtosecond laser unit 2. This laser light is diffracted by the transmissive diffraction grating 4a and passes through the convex lenses 6 and 7 to form an interference region. In the second shot, a plurality of bumps or openings for the second time are arranged and processed simultaneously.
[0061]
Thereafter, the above repetition is continued, and when the count number of the counter 11e reaches a predetermined number of times, the system control unit 11 stops the excitation green solid of the femtosecond laser unit 2 and transfers the XYZ stage 9 Stop operation. At this time, a processed product in which a plurality of bumps or openings processed by one shot are formed at a predetermined pitch is completed. The bumps or openings are arranged apart from each other by the pitch of the interference spots, and the processing areas are arranged for the set count times.
[0062]
Next, the difference between the interference region due to the transmissive diffraction grating 4a of Embodiment 1 and the interference region due to the beam splitter will be described. FIG. 4A is a conceptual diagram showing an interference region by a diffraction grating, and FIG. 4B is a conceptual diagram showing an interference region by a beam splitter.
[0063]
As shown in FIG. 4B, the light beams separated by the beam splitter have their wave fronts perpendicular to the optical axis of each light beam, and the two wave fronts do not become parallel when they intersect at an angle θ. The width W of the interference region B at this time is w = a / sin (θ / 2), depending on the wave length a of each wavefront and the angle θ at which the light beams intersect. It passes as it is without interference in the part other than this region. Since the wave length a is a = τ · c when the pulse width τ and the speed of light c are used, the width w of the interference region B is a very small value, usually several hundred μm. For example, when τ = 100 fs and θ = 10 °, w = 344 μm.
[0064]
On the other hand, when separated by the transmissive diffraction grating 4a as in the first embodiment, the light beams diffracted by the diffraction grating 3 of the first embodiment are parallel to each other as shown in FIG. Intersecting with a relationship. For this reason, the width w of the interference region A is increased, and interference can be obtained over the entire beam diameter. w is the same as the beam diameter before splitting the beam, and the width of the interference area A is 10 times or more the width of the interference area B of the beam splitter. Therefore, if the transmission type diffraction grating 4a is used, it is easy to enlarge the processing area by a factor of 10 or more, and the number of bumps and openings that can be processed at the same time is increased by the processing area as compared with the case of using a beam splitter. When it is desired to produce a large number of bumps and openings, or to increase the number of light beams, it is effective to separate them by the transmission type diffraction grating 4a. In addition, when using a hologram, a beam shape is created with a hologram and the bump or opening according to a beam shape is produced directly.
[0065]
As described above, according to the micro bump manufacturing method, the fine mesh manufacturing method, the laser processing apparatus, and the manufacturing substrate of the first embodiment, the energy of the ultrashort pulse width laser beam is obtained by interfering with the ultrashort pulse second laser beam. Increases density and fluence. This can be controlled to be equal to or higher than the bump formation threshold, and the thin film of the interfered spot can be expanded to produce a desired nanosize or nanosize class bump. By adding a fluence that is equal to or greater than the opening formation threshold, nano-sized and nano-sized openings can be produced. A bump or mesh can be made into a nano-sized, nano-sized class periodic structure by the periodicity of the spot due to interference. Nano-size, nano-size class bumps or meshes can be created automatically.
[0066]
(Embodiment 2)
Although not shown, the laser processing apparatus according to the second embodiment includes a second laser unit in addition to the femtosecond laser unit according to the first embodiment. In this case, normal laser ablation processing, thermal processing, exposure, and the like are performed by the second laser unit. For example, when the thin film 1c processed like a mesh is taken out, it may be necessary to further process the processed part. In such a case, it is preferable to use machining by the second laser part or machining. Processing such as excision and bending of the excised part can also be performed using the second laser part. The second laser part may use a femtosecond laser part (first laser part), an amplifying part, or an excitation laser part thereof, or another laser may be separately installed.
[0067]
The laser processing apparatus according to the second embodiment includes the second laser unit, so that other processing can be performed in combination with bump fabrication.
[0068]
【Example】
Example 1
The laser processing apparatus of Example 1 is the all-solid-state high-energy ultrashort pulse laser described in Embodiment 1, and is excited by green solid-state laser.Self-mode oscillationIs a system that combines a femtosecond titanium sapphire laser and a YAG laser pumped titanium sapphire regenerative amplifier. The wavelength was about 800 nm, the pulse width was about 90 femtoseconds (fs), and this was divided by a transmission diffraction grating. The number of light beams of the primary light is four, the energy of one shot is 5 mJ at the maximum, 2.3 mJ when the zero-order light is cut off, and the repetition frequency of the laser is 10 Hz.
[0069]
In the first embodiment, as shown in FIG. 3, there are four light beams composed of primary light, and as shown in FIG. 2, zero-order light is dumped by the dump unit 10. The magnification of the convex lenses 6 and 7 is M≈0.16. The crossing angle θ indicated by the four light beams is about 6 degrees between the two light beams of the primary light that face each other after the transmissive diffraction grating 4a. Processing was performed with a single shot at room temperature in the air. As the production substrate 1, a gold thin film 1c shown in FIG. 3 deposited on a quartz transparent substrate 1b was used. The film thickness of gold is 50 nm.
[0070]
The processed result of Example 1 is shown in FIG. FIG. 5 is an electron micrograph showing the change in fluence and the processed shape. The bump formation threshold fluence of Example 1 is about 73 mJ / cm.²Met. Figure 5 (a) shows a fluence of about 76mJ / cm.²It can be seen that the bumps are arranged in order according to the interference spot. It is a nano-size bump having a diameter of 500 nm and a height of about 75 nm, and its aspect ratio (height / diameter) is about 0.15. Fig. 5 (b) shows a fluence of 91 mJ / cm.²As in (a), the bumps are formed in order according to the interference spots. It is a nano-sized bump having a diameter of 825 nm and a height of about 300 nm, and its aspect ratio is about 0.36. As can be seen from FIGS. 5 (a) and 5 (b), the larger the fluence, the larger the diameter and height of the bump and the better the aspect ratio.
[0071]
Fig. 5 (c) shows a fluence of 99mJ / cm.²The microspheres were formed at the apex of the nano-sized bump having a diameter of 990 nm and a height of about 400 nm. FIG. 5 (d) shows a fluence of 110 mJ / cm.²The bump had a large fluence, and a complicated shape with bumps standing on the edge of the shape where the funnel with a diameter of about 800 nm and a height of about 100 nm was faced was formed. Furthermore, Fig. 5 (e) shows a fluence of 114 mJ / cm.²The thin film was opened and a large number of openings having a diameter of about 800 nm were formed.
[0072]
  (Reference example)
  Reference exampleIs a mesh having a large number of openings in a gold thin film 1c having a thickness of 50 nm, which is obtained by extracting the thin film 1c from the production substrate 1 of Example 1 shown in FIG. FIG. 6 is an explanatory view of a micrograph showing a state in which the thin film of FIG. A large number of openings having a diameter of about 800 nm are arranged at a pitch of 1.7 μm. In addition,Reference exampleThe thin film 1c of the production substrate 1 shown in FIG. 5 (d) was peeled off by air blow. As described above, the thin film 1c can be peeled off by irradiation with laser light from the back surface of the thin film 1c, that is, the transparent substrate side, or can be peeled off by machining.
[0073]
Although not shown, the bumps having the periodic structure shown in FIGS. 5A and 5B according to the first embodiment can be similarly peeled off. The peeling method may be air blow, mechanical, or laser beam irradiation from the transparent substrate side.
[0074]
  (Example2)
  Example2Is made by dumping one of the four luminous fluxes shown in FIG. 3 into three on a production substrate 1 in which a thin gold film 1c having a thickness of 50 nm is deposited on a transparent substrate, with a total energy of 0.23 mJ. A bump is formed. FIG. 7 is an explanatory diagram based on an electron micrograph in a state where processing is performed with three light beams. It is observed from directly above using an electron microscope. As shown in FIG. 7, elliptical bumps having a major axis of 600 nm and a minor axis of 240 nm are formed. The pitch between each bump is 1.7 μm.
[0075]
  (Example3)
  FIG. 8 is an explanatory diagram of interference performed with nine light beams, and FIG. 9 is an explanatory diagram based on an electron micrograph showing a state of processing with nine light beams. In Example 3, nine luminous fluxes I to IX are condensed on a fabrication substrate obtained by depositing a 20 nm-thick gold thin film 1c on a transparent substrate as shown in FIG. 8, and the total energy is 0.47 mJ. An aperture is formed by the luminous flux. As shown in FIG. 9, in the case of nine light beams, the shape and interval of the openings are different and complicated. However, processing according to the interference fringes can be performed regardless of the number of beams.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the micro bump manufacturing method of the present invention, a nano-size class bump having a periodic structure can be easily processed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is an explanatory diagram for forming a nano-size class bump using thermal expansion of a thin film.
(B) Explanation of forming a nano-size class bump using gas expansion
2A is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. FIG.
(B) Enlarged view of relevant parts when a reflective diffraction grating is used.
FIG. 3 is an explanatory diagram of interference and processing state due to four light beams.
FIG. 4A is a conceptual diagram showing an interference region by a diffraction grating.
(B) Conceptual diagram showing an interference area by a beam splitter
FIG. 5 is an explanatory diagram based on an electron micrograph showing a change in fluence and a processing shape.
FIG. 6 is an explanatory view of a micrograph showing a state where the thin film of FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram based on an electron micrograph showing a state of processing with three luminous fluxes.
FIG. 8 is an explanatory diagram of interference performed with nine light beams.
FIG. 9 is an explanatory diagram based on an electron micrograph showing a state of processing with nine luminous fluxes.
[Explanation of symbols]
1. Substrate for manufacturing
1a Bump
1b substrate
1c thin film
2 Femtosecond laser part
3 Beam adjustment section
3a Beam adjustment drive
4 Beam splitter
4a Transmission type diffraction grating
4b Beam splitting drive unit
4c Reflective diffraction grating
5 Beam interference part
5a Interference controller
With 6,7 convex lens
8 Cylindrical lens
9 XYZθ stage
9a Drive motor
10 Dump unit
11 System controller
11a Memory part
11b Input section
11c Display unit
11d Timekeeping means
11e counter
11f Position detection sensor
11g Monitor camera
11h Shape array management means
20 mirror

Claims

フェムト秒からピコ秒領域の超短パルスレーザー光を発振し、出射する超短パルスレーザー光を複数の光束に分離し、分離した光束を干渉させた状態で基板上の薄膜に集光し、この干渉によってバンプ形成閾値以上のフルエンスであってかつ薄膜のバンプ頂点部分に破れが生じるバンプ限界閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、該干渉域の薄膜を前記基板と前記薄膜の熱膨張差により前記基板から剥離させて周期構造のバンプを作製することを特徴とする微小バンプ作製方法。Oscillates ultra-short pulse laser light in the femtosecond to picosecond region , separates the emitted ultra-short pulse laser light into a plurality of light beams, condenses the separated light beams on a thin film on the substrate, interference by forming an interference region of less fluence than bump limit threshold tear occurs in the bump apex portion of and the thin film a more fluence bump formation threshold, a thin film of the interference region by the thermal expansion difference between the thin film and the substrate A micro-bump manufacturing method, wherein a bump having a periodic structure is manufactured by peeling from the substrate .

前記干渉域の薄膜を前記基板と前記薄膜の熱膨張差と共に、前記薄膜または基板の一部の蒸発したガスの圧力により前記基板から剥離させることを特徴とする請求項１記載の微小バンプ作製方法。 A thin film of the interference region with the thermal expansion difference between the thin film and the substrate, micro bump manufacturing method according to claim 1, wherein the be peeled off from the substrate by the pressure of a portion of the evaporated gas of the thin film or substrate .

前記干渉によって前記バンプ限界閾値以上で開口形成閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、バンプ頂点部分に２段目の突起を形成することを特徴とする請求項１または２記載の微小バンプ作製方法。3. The micro bump manufacturing method according to claim 1, wherein a fluence interference region which is greater than the bump limit threshold and smaller than the opening formation threshold is formed by the interference, and a second-stage protrusion is formed at a bump apex portion. .