(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
0003667709.tif 000002
【図２】
0003667709.tif 000003
【図３】
0003667709.tif 000004
【図４】
0003667709.tif 000005
【図５】
0003667709.tif 000006