(57)【要約】本発明は、既存の優れた加工精度を有するフェムト秒及びピコ秒などの超高速レーザー超微細工程技術における短所であった工程の速度を画期的に増加させる技術に関し、本発明による物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法は、超高速レーザーパルス及び超高速レーザー以外の一つ以上の補助レーザーのパルスを同期化して、処理対象物質を可逆的に変化させることを特徴とする。なお、本発明による物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工装置は、超高速レーザー発振器と、時間によってレーザービームのパルスを変化させる同期化電子装置を備えた補助レーザー発振器と、前記超高速レーザー発振器から発生した超高速レーザービームと時間によって同期化された補助レーザービームの焦点を空間的に同期化させて集束する集束光学システムとを備えている。本発明は、ナノ秒レーザーなどの既存の商用化されたレーザーを超高速レーザーと時間・空間上で同期化することにより、工程対象物質の内部温度などの物理的な状態を局所的、過渡的に変化することにより、相対的に少ない量の超高速レーザーエネルギーを利用して、従来の超高速レーザー微細加工技術が有している加工速度の限界を克服し、その工程速度を画期的に増加させることができて、超高速レーザー工程上、物質の表面に発生する数十〜数百ナノメートルの超微細構造体が、同期化されたナノ秒レーザーなどにより画期的に減少することにより、表面の粗度を画期的に改善することができるようになる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高速レーザーパルス及び超高速レーザー以外の一つ以上の補助レーザーのパルスを同期化して、処理対象物質を可逆的に変化させることを特徴とする、物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法。
【請求項２】
超高速レーザーは、ピコ秒以下のレーザーパルスを発振させることを特徴とする、請求項１に記載の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法。
【請求項３】
補助レーザービームのパルスは、時間によって変化するように制御されることを特徴とする、請求項２に記載の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法。
【請求項４】
前記同期化は、補助レーザーのビームの波長を、超高速レーザービームのパルスと補助レーザービームの固有パルスとの間で相対的な時間上の位置を制御する時間上の同期化であることを特徴とする、請求項３に記載の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法。
【請求項５】
前記同期化は、前記時間上の同期化と同時に、超高速レーザービームと補助レーザービームの焦点を空間上で一致させる空間的同期化であることを特徴とする、請求項４に記載の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法。
【請求項６】
前記補助レーザービームのパルスの幅は、超高速レーザーパルスより長いことを特徴とする、請求項４に記載の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法。
【請求項７】
前記物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法は、カッティング、ドリリング、スクライビング、ダイシングから選択されるいずれか一つの半導体製造工程に利用されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法。
【請求項８】
超高速レーザー発振器と、
時間によってレーザービームのパルスを変化させる同期化電子装置を備えた補助レーザー発振器と、
前記超高速レーザー発振器から発生した超高速レーザービームの焦点と時間によって同期化された補助レーザービームの焦点とを空間的に同期化させて集束する集束光学システムと、を備えていることを特徴とする、物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工装置。
【請求項９】
前記集束光学システムは、集束される超高速レーザービームの内部に補助レーザービームが集束されるようにすることを特徴とする、請求項８に記載の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工装置。
【請求項１０】
前記集束光学システムは、集束される超高速レーザービームの外部に補助レーザービームが集束されるようにすることを特徴とする、請求項８に記載の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工装置。
【請求項１１】
前記超高速レーザー発振器と前記集束光学システムとの間には、ステップモーターを使用して半波長板を角度調節することにより、偏光ビーム分割器を通過した各ポートの光パワーを一定にする偏光調節器がさらに備えられていることを特徴とする、請求項９または１０に記載の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既存の優れた加工精度を有する超高速レーザー超微細工程技術における短所であった工程の速度を画期的に増加させる、物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子及び素子産業の発展により、微細工程に対する需要は、ますます増えている。特に、基板の大型化、薄膜化、高集積化と、機械的強度の増加、構成物質の高性能化、コーティング層の多層化によって、これに対する工程上及び工程後のパッケージングにおける微細加工技術の需要は、ますます増加している。今まで、これに対する工程技術は、略１００ミクロン程度の工程分解能を要求しているため、ダイヤモンドソーイング法が最も一般に使用されてきた。しかしながら、上記の工程技術は、機械的−熱的などの物理的な損傷により、それ以上の商用化は難しいと判断される。特に、高価のダイヤモンド鋸目の磨耗による単価上昇のような経済的な負担などを克服するための新しい技術開発が切実である。このような従来の技術的問題を克服するために、高出力ＵＶレーザーなどが本分野で紹介されているが、衝撃波（Shockwave）などによる機械的な損傷と対象物質の光化学的な損傷により、その適用に限界があると判断される。しかしながら、次世代半導体及びディスプレイ素子などの製造工程で必ず必要とされるカッティング、ドリリング、スクライビング、ダイシングのような多様な加工工程においては、対象物質の光学的−電気的な特性の変化を誘発せずに、工程精度を数十マイクロメートルに、さらに向上する必要がある。
【０００３】
超高速レーザー技術は、既存の比較的長いレーザーパルスを応用する各種工程技術に比べ、熱的−機械的損傷が最小化できるため、特に超微細工程技術に優れ、応用性を有していると知られている。
【０００４】
なお、電子ビーム及びプラズマなどの高エネルギー粒子（High energy particle）に基づく微細加工技術は、素子を構成している素材の熱的損傷から自由ではなく、加工素材の種類によって加工が全く不可能な場合が多いため、これに対する対応技術を開発するための努力の一環として、超短パルス（Ultrashort pulse）レーザー加工技術に対する開発努力が活発に進行されている。
【０００５】
従来、超高速レーザー工程技術は、このような固有の長所にも拘らず、十分なレーザー出力を利用して工程速度を増加できるような適切な増幅技術がなかっただけではなく、十分な尖頭出力を有するレーザーパルスがあっても、工程間に避けられない、空気中で高次非線形効果によるレーザービーム特性の変形などに内在する問題点により、工程速度を増加できる方案がなかった。一方、以上の限界を克服する新しい技術の先決条件は、熱的及び機械的損傷から自由な超高速レーザー工程の特性を変わりなく維持しなければならないということである。現在、超高速レーザーに基づく超微細工程及び加工技術は、加工速度の側面で非常に脆弱性を示しているため、これに対する新しい工程技術の開発が、今後の関連技術の産業的な適用において非常に切実である。その限界を克服するためには、既存の比較的長いパルスレーザー工程で一般に採択される補償光学（adaptive optics）を採用する技術が必要である。本来の超高速レーザーパルス幅及びビーム特性が完全に変わるため、適用が不可能であるからである。特に、補償光学を適用する場合、パルス幅の増加により、既存の比較的長いパルス幅レーザー工程で問題を引き起こす熱的変形が工程品質を低下させる可能性があるため、使用が不可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような問題点を解決するために、本発明の目的は、超高速レーバーに基づく超微細工程及び加工技術が加工速度の側面で非常に脆弱性を示す問題点を改善する、物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法及び加工装置を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、超高速レーザー工程上の物質の工程表面に発生する数十〜数百ナノメートルの超微細構造体により、たとえ１ミクロンサイズの工程が可能であるが、これを微細光学素子などに応用する時に発生する表面の粗さを画期的に改善できる、物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法及び加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記のような目的を達成するための本発明による物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法は、超高速レーザーパルス及び超高速レーザー以外の一つ以上の補助レーザーのパルスを同期化して、処理対象物質を可逆的に変化させることを特徴とする。
【０００９】
なお、本発明の超高速レーザーは、ピコ秒以下のレーザーパルスを発振させることを特徴とする。
【００１０】
なお、本発明の補助レーザービームのパルスは、時間によって変化するように制御されることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の前記同期化は、補助レーザーのビームの波長を、超高速レーザービームのパルスと補助レーザービームの固有パルスとの間で相対的な時間上の位置を制御する時間上の同期化であることを特徴とする。
【００１２】
なお、本発明の前記同期化は、前記時間上の同期化と同時に、超高速レーザービームと補助レーザービームの焦点を空間上で一致させる空間的同期化であることを特徴とする。
【００１３】
なお、本発明の前記補助レーザービームのパルスの幅は、超高速レーザーパルスより長いことを特徴とする。
【００１４】
なお、本発明の前記物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工方法は、カッティング、ドリリング、スクライビング、ダイシングから選択されるいずれか一つの半導体製造工程に利用されることを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明の物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工装置は、超高速レーザー発振器と、時間によってレーザービームのパルスを変化させる同期化電子装置を備えた補助レーザー発振器と、前記超高速レーザー発振器から発生した超高速レーザービームと時間によって同期化された（synchronized with time）補助レーザービームの焦点を空間的に同期化させて集束する集束光学システムとを備えていることを特徴とする。
【００１６】
なお、本発明の前記集束光学システムは、集束される超高速レーザービームの内部に補助レーザービームが集束されるようにすることを特徴とする。
【００１７】
なお、本発明の前記集束光学システムは、集束される超高速レーザービームの外部に補助レーザービームが集束されるようにすることを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明は、前記超高速レーザー発振器と集束光学システムとの間には、ステップモーターを使用して半波長板を角度調節することにより、偏光ビーム分割器を通過した各ポートの光パワー（optical power ）を一定にする偏光調節器がさらに備えられたことを特徴とする。
【００１９】
本発明は、ナノ秒レーザーなどの既存の商用化されたレーザーを超高速レーザーと時間・空間上で同期化することにより、工程対象物質の内部温度などの物理的な状態を局所的、過渡的に変化させることにより、相対的に少ない量の超高速レーザーエネルギーを利用して、物理的な状態の変化を過渡的に、可逆的に誘発することにより、その工程速度を画期的に増加させることができる最初の超高速レーザー工程技術である。さらに詳細には、波長が適切に構成されたナノ秒レーザーなどの既存のレーザーを対象工程物質に照射することにより、物質の内部の温度あるいは自由電子などのキャリア(carrier)の密度を過渡的に増加させる。この際生じるレーザーのエネルギーは、物質の状態を可逆的に変化させる程度に維持されるようにすることにより、実質的に物質の状態変化を起こさないようにする。このような状態変化は、同時に同じ地点に照射される超高速レーザーによる工程及び加工が、同じエネルギー状態でも画期的に増加されるようにする。この際に引き起こされるレーザーの波長及びパルスの幅を最適化することにより、物質内部の温度などの物理的な変化の深さによる分布を、超高速レーザーのパルスの透過深さ及び工程速度を考慮し、３次元的に最適化されるように考案する。以上の考案された概念を実現するために、本発明では、互いに異なるレーザーのパルスを時間的且つ空間的に同期化することにより具現した。
【００２０】
なお、本発明は、超高速レーザー工程上、物質の工程表面に発生する数十〜数百ナノメートルの超微細構造体が、同期化されたナノ秒レーザーなどにより画期的に減少することにより、表面の粗さを画期的に改善することができるようになる。
【００２１】
以下、実施例を通じて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、ナノ秒−超高速レーザーハイブリッド(hybrid)工程技術の方法の例示図及びその装置写真と、異なる三つの時間間隔(−１００ｎｓ、０ｎｓ、＋１００ｎｓ)のパルス熱模様を示したグラフであり、図２は、ナノ秒及び超高速レーザーのハイブリッド(hybrid)工程における加工対象物の温度及びキャリア密度の変化と光誘発反応の程度を示した図であり、図３ａは、シリコンスクライビング(scribing)工程におけるナノ秒レーザーとフェムト秒レーザーのパルス間隔を示したグラフであり、図３ｂは、工程のシリコン表面の原子顕微鏡写真であり、図３ｃは、工程の断面のプロファイルを示したグラフであり、図３ｄは、異なる二つのレーザー間隔変化による工程断面積の変化量を示したグラフである。
【００２３】
本発明による物質状態変移の誘発を通じてのレーザー加工装置は、図１のように、フェムト秒レーザー発振器１と、時間によってレーザービームのパルスを変化させる同期化電子装置３を備えた補助レーザー発振器２と、前記フェムト秒レーザー発振器１から発生したフェムト秒レーザービームと時間によって同期化された補助レーザービームの焦点を空間的に同期化させて集束する集束光学システム４とを含んでいる。
【００２４】
ここで超高速レーザー発振器１は、フェムト秒レーザー発振器またはピコ秒レーザー発振器などを使用することができて、補助レーザー発振器２は、ナノ秒レーザー発振器などを使用することができる。前記補助レーザービームのパルスの幅は、超高速レーザーパルスより長いことが好ましい。
【００２５】
本発明では、超高速レーザー発振器１としてフェムト秒レーザー発振器を使用して、補助レーザー発振器２としてナノ秒レーザー発振器を使用しているものとして説明する。
【００２６】
フェムト秒レーザーとナノ秒レーザーの時間上の同期化は、加工時に過渡的な物質の物理的な状態変化を起こすように、フェムト秒パルスとナノ秒パルスとの間で相対的な時間上の位置を制御することを意味し、空間上の同期化は、フェムト秒レーザービームとナノ秒レーザービームの焦点を空間上で一致させることを意味する。このようなハイブリッド加工において、ハイブリッド効果を引き起こすためには、時間と空間上の同期が同時に必要である。使用したフェムト秒レーザーは、Ｔｉ：サファイヤ増幅器システム（Sapphire amplifier system）であって、１５０ｆｓのパルス幅、１ｋＨｚ反復率、８００ｎｍ波長を有する。ナノ秒レーザーは、２５０ｎｓのパルス幅、１ｋＨｚ反復率、５３２ｎｍ波長を有する。
【００２７】
特に、ナノ秒レーザーの安定化が、ハイブリッドレーザー工程システムの工程品質に決定的な役割をするようになる。本発明では、ナノ秒レーザーの追加キャビティ安定化（extra-cavity stabilization）システムを構成した。本構成は、偏光ビーム分割器(Polarization beam splitter)と半波長板(1/2  waveplate)とから構成されており、最終出力端における測定値をモニタリングしながら、予め指定された出力値に近接するように、波長板(waveplate)の角度をステップモーター(step motor)を利用して調節した。その結果、長期安定度（long-term stability）が約２％程度から、上記のアクティブ安定化システム(Active Stabilizing System)を経た後は０．５％未満に、非常に高い安定化効果が得られた。一方、ナノ秒とフェムト秒レーザの同期化は、遅延発生器(Delay generator)を使用して、フェムト秒レーザーとナノ秒レーザーに印加される電気信号の同期化と時間遅延(Time delay)の調節を通じて、フェムト秒パルスとナノ秒パルスの時間上の同期化(coupling)を制御することができる。このように構成された装置の写真を図１の(ｂ)に示した。図１の(Ｃ)には、上記の方法により制御されたフェムト秒パルスとナノ秒パルスの相対的な時間上の位置を示す。フェムト秒レーザーの増幅端に必要なグリーンレーザー(Green laser)のポッケルスセル（Pockels cells）に印加されるトリガーパルス(Triggering pulse)とナノ秒レーザーのトリガーパルスを同期化することにより、現在、約１００ｎｓから数十μｓまでの時間間隔を二つのレーザーのパルスに自由に与えることができ、これは、コンピューターで制御することにより、工程の速度を最適化しようとした。
【００２８】
図２には、フェムト秒レーザーとナノ秒レーザーの時間上の同期化(coupling)は、加工時に試片の局部的な温度変化を引き起こし、フェムト秒レーザー工程で必要なアブレーザー臨界エネルギーの著しい減少及びこれによる工程速度の増加に対する原理的な説明を示している。ナノ秒レーザーのエネルギーを増加することにより、工程対象物質の物理的な状態、即ち、温度の変化が誘発される。この際、印加エネルギーの量を調節することにより、ナノ秒レーザー単独ではいかなる非可逆的な変化も起こらないように、エネルギーを調節することができる。この際、同期化されたフェムト秒レーザーパルスを、同じ空間に引き起こすことにより、少ないエネルギーでも多い量の物質を非可逆的にアブレーション（ablation）させることができるようにする。このような技術的進歩は、フェムト秒レーザー工程で常に伴われる工程の速度を極大化することができて、さらに、このような工程臨界エネルギーの減少は、フェムト秒レーザーが空気中で集束された時に伴われる多様な高次非線形性及びこれによる工程品質の低下を画期的に低減できると期待される。また、このような工程速度の増加は、今後、フェムト秒レーザーの反復速度を増加させる技術の進歩の共に、付加効果(Additive effect)ではなく、多重効果(Multiplying effect)として作用できるような源泉技術の確保を意味する。さらに、ナノ秒レーザーの集束面における適切な空間上の変形及びｎｓレーザーのパルス幅を最適化することにより、今後、その工程速度の向上は画期的であると期待される。
【００２９】
また、図２では、前記集束光学システムにより集束されるフェムト秒レーザービームの内部にナノ秒レーザービームが集束されることを示している。その他にも、前記集束光学システムは、集束されるフェムト秒レーザービームの外部にナノ秒レーザービームが集束されるようにすることができる。これは、ドリリングの場合に適用すれば、非常に有用である。
【００３０】
図３ａでは、シリコン基板上に、ハイブリッド工程で使用されたパルス熱を示しており、本研究では、約８００ｎｓのパルス間の間隔が与えられるようにした。このように裁断されたレーザーパルスをシリコンウェハー上に工程して得られたウェハーの表面をＡＦＭで分析した。測定された工程断面に対するプロファイル(profile)を図３ｂに示している。ナノ秒とフェムト秒レーザー間の間隔が０になった時、その工程断面の変化が最も大きいことが分かる。図３ｃには、測定された断面積を、ナノ秒レーザーとフェムト秒レーザーのパルス間の間隔変化によって示した。断面積のみでは、約３倍以上の工程速度の変化を達成し、アブレーション体積を考慮すると、約５倍の工程速度の向上が達成されたと判断される。
【００３１】
結果的に、上述のナノ秒レーザー誘発基板（substrate）の物理的な変化がフェムト秒レーザー工程に実質的に及ぼす影響に対する評価及び工程条件最適化技術の開発のための応用研究を、シリコンウェハーのスクライビングに本技術を適用することにより行った。特に、パッケージングなどの多様な工程におけるシリコンウェハーの薄膜化過程が加速化することにより、新しい次世代工程技術の要求が増大している。特に、このようなウェハーの薄膜化及び硬質化は、既存のダイヤモンドソーイング(diamond sawing)のような機械的な工程が有する機械的損傷の誘発と、ダイヤモンドの刃の磨耗などによる工程単価の上昇を招き上昇により直接的に適用し難くなり、新しい関連工程技術が切実に必要であるという点から、その意味が非常に大きいと判断される。
【００３２】
結論的に、本発明は、既存の優れた加工精度を有する超高速レーザー超微細工程技術における短所であった工程の速度側面の限界を克服する技術の開発に関する。フェムト秒レーザー増幅技術の技術的な限界及び集束過程における高次非線形効果により熱的及び機械的損傷から自由なフェムト秒レーザー工程の特性を変わりなく維持して、工程速度を向上するのに、その応用の問題点を有していた。本発明では、ナノ秒レーザーなどの既存の商用化されたレーザーを超高速レーザーと時間・空間上で同期化して、工程対象物質の内部温度などの物理的な状態を局所的、過渡的に変化することにより、相対的に少ない量の超高速レーザーエネルギーを利用して、その工程速度を画期的に増加させることができる最初の超高速レーザー工程技術である。さらに詳細には、波長が適切に構成されたナノ秒レーザーなどの既存のレーザーを対象工程物質に照射することにより、物質の内部の温度あるいは自由電子などのキャリアの密度を過渡的に増加させる。この際生じるレーザーのエネルギーは、物質の状態を可逆的に変化させる程度に維持されるようにすることにより、実質的に物質の状態変化を起こさないようにする。このような状態変化は、同時に同じ地点に照射される超高速レーザーによる工程及び加工が、同じエネルギー状態でも画期的に増加されるようにする。この際に引き起こされるレーザーの波長及びパルスの幅を最適化することにより、物質内部の温度などの物理的な変化の深さによる分布を、超高速レーザーのパルスの透過深さ及び工程速度を考慮し、３次元的に最適化されるように考案する。以上の考案された概念を実現するために、本発明では、お互い異なるレーザーのパルスを時間的且つ空間的に同期化することにより具現した。
【００３３】
（発明の効果）
上述のように、本発明は、ナノ秒レーザーなどの既存の商用化されたレーザーをフェムト秒レーザーと時間・空間上で同期化することにより、工程対象物質の内部温度などの物理的な状態を局所的、過渡的に変化させることにより、相対的に少ない量の超高速レーザーエネルギーを利用して、従来の超高速レーザー微細加工技術が有していた加工速度の限界を克服し、その工程速度を画期的に増加させることができる。したがって、本発明による超高速レーザー微細加工における加工速度の向上は、超高速レーザー微細加工の産業化に寄与する。特に、既存の機械的な工程技術を適用し難い次世代半導体及びディスプレイ工程で必ず必要なカッティング、ドリリング、スクライビング、ダイシングのような多様な加工工程が可能である。特に、産業の尖端化による工程物質の高品質化に伴われる事項として、対象物質の光学的−電気的な特性の変化は誘発することなく、工程精度を数十マイクロメートルにさらに向上できる唯一の工程技術であって、その意味が非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ナノ秒−超高速レーザーハイブリッド(hybrid)工程技術の方法の例示図及びその装置写真と、異なる三つの時間間隔(−１００ｎｓ、０ｎｓ、＋１００ｎｓ)のパルス熱模様を示したグラフである。
【図２】ナノ秒及び超高速レーザーのハイブリッド(hybrid)工程における加工対象物の温度及びキャリア密度の変化と光誘発反応の程度を示した図である。
【図３ａ】シリコンスクライビング(scribing)工程におけるナノ秒レーザーと超高速レーザーのパルス間隔を示したグラフである。
【図３ｂ】工程のシリコン表面の原子顕微鏡写真である。
【図３ｃ】工程の断面のプロファイルを示したグラフである。
【図３ｄ】異なる二つのレーザー間隔変化による工程断面積の変化量を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１    フェムト秒レーザー
２    ナノ秒レーザー
３    同期化電子装置
４    集束光学システム
【図３ａ】
2009528170.tif 000003
【図３ｃ】
2009528170.tif 000004
【図３ｄ】
2009528170.tif 000005
【図１】
2009528170.tif 000006
【図２】
2009528170.tif 000007
【図３ｂ】
2009528170.tif 000008
【国際調査報告】
2009528170.tif 000009
2009528170.tif 000010