(57)【要約】      （修正有）【課題】超短パルスレーザビームを効率的に対象物に作用させて従来に無い精密微細加工を高速に可能にするレーザ加工装置ならびにレーザ加工方法を提供する。【解決手段】フェムト秒レーザ発振器１５から発振された超短パルスレーザ光を加工物３１の加工点３０に導光し集光させる光学系を備えた加工ヘッドと前記加工点の近傍に照射するための紫外線光源２２とを有して加工を行うレーザ加工装置により紫外線光を照射する物体の価電子帯電子をより高いレベルに励起する紫外線電子励起吸収過程と超短パルスレーザ光を物体に照射する多光子の吸収過程とを同期的に生起したエネルギー吸収過程を含んだ方法を用いて高精度、高速な微細レーザ加工を提供する。【選択図】図７
2005305470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から発振された超短パルスレーザ光を加工物の加工点に導光し集光させる光学系を備えた加工ヘッドと、前記加工点の近傍に照射するための紫外線光源とを有するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記超短パルスレーザ光レーザ発振器はモードロック発振固体レーザである請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記超短パルスレーザ光はチャープパルス増幅とパルス圧縮のモードロックパルス出力光である請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記紫外線光源がレーザ発振器から放出された紫外線レーザまたは非コヒーレント光紫外線である請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記加工物は半導体、セラミックス、ガラス、透明結晶のいずれかである請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記超短パルスレーザ光と紫外線光の照射タイミングにおいて、少なくとも紫外線光照射による加工物表面における影響が現れている期間に超短パルスレーザを照射する請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記超短パルスレーザ光を導光する光学素子は、集光点において超短パルスのパルス幅が導光路の波長分散を補償してパルス幅の拡大を小さく保つような光学素子を用いた請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
紫外線光を照射する物体の価電子帯電子をより高いレベルに励起する紫外線電子励起吸収過程と、超短パルスレーザ光を物体に照射する多光子の吸収過程とを同期的に生起したエネルギー吸収過程を含むレーザ加工方法。
【請求項９】
前記紫外線電子励起吸収過程の励起レベルは、伝導帯または禁止帯のトラップである請求項８に記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記多光子の吸収過程の多光子を吸収するレベルの電子は、伝導帯または禁止帯のトラップレベルへ紫外線照射により励起された電子である請求項８または９に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超短パルスレーザ加工装置および超短パルスレーザ加工方法に関する。更に詳しくは、超短パルス発振出力光と紫外線を用いて加工能力、加工能率を向上する装置並びに方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光線を集光して加工対象物に照射し、照射点を蒸発除去し、半導体や金属、セラミックス、樹脂、ガラスなどに穴あけ、切断、トリミングなどの除去加工を施すことが行われている。レーザ光の波長は紫外線領域から赤外線領域まで各種のレーザから発振されたビームが使用されている。加工物に対して使用するレーザ光線の吸収率が大きい材料に対して有効な加工が行われ、光吸収率の低い加工対象材料に対しては表面に吸収性の塗布を施し、照射レーザ光線の吸収を大きくし、照射レーザエネルギーによる吸収増大を図り加工能率の向上を図ることが周知である。これらの表面処理を施す加工法は表面処理工程を設ける必要があり、さらに材料を異物で汚染する欠点がある。
【０００３】
一方、使用するレーザ光線の波長に対する光吸収率の小さな反射率の高い物体や透明物体に対しては、その物体に対して吸収率の高い波長、例えば、紫外線レーザ光線を照射し、それと同時に別の波長のレーザ光線を同時に照射することで加工性能を向上する試みがなされている。特開２００３−９４１９１、特開２００１−３４７３８８、特開平５−１０４２７６などには赤外線領域の波長１０６４ｎｍ、可視光領域の波長５３２ｎｍ、および紫外線領域の波長３５５ｎｍ、２６６nmなどの複数の波長のレーザ光を同時もしくは若干時間をずらして照射し、熱的な作用と共に紫外線による化学的な作用による加工も可能である。
【０００４】
これにより、レーザ加工装置は波長１０６４ｎｍの単一波長のレーザ加工装置では加工が難しかったガラス、セラミックス等の加工に有効である。また、特開２００２−１５６４や特開２００２−３１６２８２には、溶接用のレーザ光線の照射点近傍に複数波長のレーザ光線を照射して溶接点や周囲に発生するクラックの発生防止技術が紹介されている。
【０００５】
このように、紫外線レーザと他の波長のレーザの作用を併用する加工方法は従来から試みられている。これらの技術による加工法は加工変質層の発生が避けられず、材料によってはクラックなどの発生が生じる欠点がある。紫外レーザ光だけを用いるアブレーション加工の機構は図１に示すような機構に基づくと考えられている。すなわち、価電子帯４のレベルにある電子５を、紫外線領域のDUVあるいはVUVの大きな光子エネルギー（短波長紫外線７）で、一気に真空レベル１まで上げることにより、原子間の電子結合を切断し、加工する。
【０００６】
一方、超短パルス発振装置から発生された１０フェムト秒から１０ピコ秒の超短パルスレーザによるレーザ誘起絶縁破壊によるレーザ加工法が、例えば、米国特許第ＲＥ３７５８５号に述べられている。同文献には、アブレーションの閾値がパルス幅の平方根の値に比例しないところより超短パルスのビームを照射することで透明体なども加工処理する技術が述べられている。この加工法の機構は図２に示すような多光子吸収によるアブレーション加工と考えられている。この過程では、バンドギャップ３ないしは価電子帯から真空レベルまでのエネルギー差よりも、小さなエネルギーの量子を持った複数光子８−１、８−２、８−３、８−４等による多光子吸収過程により、価電子帯のレベルにある電子５を一気に真空レベル１まで上げることにより、原子間の電子結合を切断し、加工する。
【０００７】
この際、多光子吸収の起こる確率は、１光子吸収に比べはるかに小さいため、光子エネルギー密度（光子の数密度）を指数関数的に増加させなければならない。原理的には、２光子吸収よりも３光子吸収など、関与光子数が増えるにしたがって多光子吸収の発生確率は指数関数的に減少する。したがって、光子吸収過程の増加にともない加工に要する光子エネルギー密度、したがって、レーザ出力パワーのピーク値がますます大きな値が必要となる。このため、超短パルスのレーザ発振出力エネルギーが十分超短パルスで発振して高出力を確保しなければならないから、大掛かりな装置構成が必要となり、価格的にも高いものとなる。したがって、加工コストが高くなり実用面からは工業的に利用することが困難な加工方法である。
【特許文献１】特開２００３−９４１９１号公報
【特許文献２】特開２００１−３４７３８８号公報
【特許文献３】特開平５−１０４２７６号公報
【特許文献４】特開２００２−１５６４号公報
【特許文献５】特開２００２−３１６２８２号公報
【特許文献６】米国再発行特許第３７５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
解決しようとする課題は、超短パルスレーザ照射によるレーザ加工能力を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、レーザ発振器から発振された超短パルスレーザ光を加工物の加工点に導光し集光させる光学系を備えた加工ヘッドと、前記加工点の近傍に照射するための紫外線光源とを有するレーザ加工装置、並びに、紫外線光を照射する物体の価電子帯電子をより高いレベルに励起する紫外線電子励起吸収過程と、超短パルスレーザ光を物体に照射する多光子の吸収過程とを同期的に生起したエネルギー吸収過程を含んだ方法を用いて高精度、高速な微細レーザ加工方法を提供する。
【００１０】
本発明の好ましい１つの実施形態によれば、レーザ加工装置の前記超短パルスレーザ光レーザ発振器はモードロック発振固体レーザである。また、本発明の好ましい他の実施形態によれば、レーザ加工装置の前記超短パルスレーザ光はチャープパルス増幅とパルス圧縮のモードロックパルス出力光である。本発明にかかるレーザ加工装置においては、前記紫外線光源がレーザ発振器から放出された紫外線レーザまたは非コヒーレント光紫外線であってもよく、前記加工物は半導体、セラミックス、ガラス、透明結晶のいずれかであることができる。さらに、前記超短パルスレーザ光と紫外線光の照射タイミングにおいて、少なくとも紫外線光照射による加工物表面における影響が現れている期間に超短パルスレーザを照射するものであることが好ましく、前記超短パルスレーザ光を導光する光学素子は、集光点において超短パルスのパルス幅が導光路の波長分散を補償してパルス幅の拡大を小さく保つような光学素子であることが好ましい。
【００１１】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、レーザ加工方法において、前記紫外線電子励起吸収過程の励起レベルは、伝導帯または禁止帯のトラップである。また、前記多光子の吸収過程の多光子を吸収するレベルの電子は、伝導帯または禁止帯のトラップレベルへ紫外線照射により励起された電子であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の効果として、従来の加工方法に較べ、紫外線とフェムト秒の超短パルスを併用した加工は、熱の発生しないフェムト秒レーザの特長を生かし、さらに、難加工材料、たとえば、半導体ウエハや、超伝導材料、セラミックスなどを従来よりも加工能率を高めた加工が実現できる。従来のレーザ加工法の大部分は、熱作用による加工に頼るため、加工部分に熱歪を考慮して、大きな切り代が必要であったが本発明の加工方法では、熱変質層の発生が防止できることが挙げられる。
【００１３】
このことは、例えば、半導体ウエハからチップをダイシング工程により切り出す際に無駄な熱影響層の発生が無く、ダイシングの面積を最小限に抑えてもチップ上の半導体装置の性能を確保できることにつながる。このことによりコストの低減が可能になる。したがって、紫外線レーザとフェムト秒レーザを併用した加工方法は、半導体装置のチップサイズが小さくなるとき微細な加工を熱影響層なく実施できるので、半導体やMEMSなどの加工技術として不可欠となる。
【００１４】
紫外線レーザおよびフェムト秒レーザを併用する加工方法は、熱の発生の無いフェムト秒レーザの加工特長と加工性能の向上が図れ、難加工材料、たとえば、半導体ウエハや、超伝導材料、セラミックスなど従来技術では微細加工の適用が容易でない加工分野に高速加工を実現できる革新的な技術となる。以上の理由により、紫外線レーザとフェムト秒レーザを組み合わせた超精密レーザ加工機は次世代の技術を担う加工機として極めて重要になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の請求項１並びに請求項８に記載の発明の１つの好ましい実施形態によれば、レーザ発振器から発振された超短パルスレーザ光を加工物の加工点に導光し集光させる光学系を備えた加工ヘッドと前記加工点の近傍に照射するための紫外線光源とを有して加工を行うレーザ加工装置と紫外線光を照射する物体の価電子帯電子をより高いレベルに励起する紫外線電子励起吸収過程と、超短パルスレーザ光を物体に照射する多光子の吸収過程とを同期的に生成したエネルギー吸収過程を含んだ方法を用いて高精度、高速な微細レーザ加工を実現するものである。以下図３〜８を用いて説明する。
本発明の原理的な方法の例を図３〜６に、具体的な実施例の説明図を図７、８に示す。
【実施例１】
【００１６】
図３は、本発明による加工方法の第１の例における、第１段階の紫外線励起過程を、半導体に対する加工を例にとって示すものである。価電子帯４の電子５を紫外線領域にある光子吸収９による励起過程１０により電子を伝導帯に励起する。このことによりセラミックなどの絶縁物は伝導性を有する金属的な性質を有する状態になるが加工は進行しないで組織の軟化が起こる。この加工物の表面に同時的に超短パルスのレーザビームを照射することで図４に示す伝導帯２にある励起電子５が超短パルスによる多光子吸収過程で真空準位１まで励起され物質の結合が破壊されて加工が行われる。
【００１７】
この加工機構による加工点とその近傍は紫外線照射により組織が柔化し変質を受けるので超短パルスが照射されても衝撃によるクラック発生が防止される、さらに熱的加工によらないアブレーション加工であるため、加工点の周囲にはクラックなどの損傷の発生がなく精密な加工が行われる。
【００１８】
図４のように、紫外線光１０で多光子吸収１０−１、１０−２をアシストしてやれば、フェムト秒レーザの多光子吸収の光子数が紫外線で励起した分だけ少なくなり、それによりフェムト秒レーザのレーザ強度を下げることができる。逆に、同じ強度であれば、加工速度を上げることが可能となり、スループットをあげることができる。
【実施例２】
【００１９】
図５は、紫外線照射後に超短パルスを照射する場合である第２の実施例の説明図である。第１段階で紫外線照射を実施し、価電子帯から伝導帯に励起する。この方法では、一旦、紫外線照射により軟化させてから超短パルスのフェムト秒レーザ照射を実施する、紫外線照射後ある程度の時間、伝導帯に励起された電子が伝電導帯に滞留している間に超短パルスによる多光子吸収を実施させるため超短パルス照射を行う。そうすると、図４の実施方法と同様に超短パルスのフェムト秒レーザによる多光子吸収の多光子の数が少なくて済み、フェムト秒レーザ照射のパワー強度を下げることができ、スループットをあげることができる。
【実施例３】
【００２０】
図６に示した第３の実施例は、禁止帯にできたトラップ準位１２に励起９の後トラップされた電子が多光子吸収１３−１、１３−２により、真空準位まで超短パルスのフェムト秒レーザを吸収し、加工が行われる場合を示した。図５、６の場合と同様、材料は軟化する状態で加工が進行する可能性がある。
【実施例４】
【００２１】
図７に本発明を実施する装置の構成例を示す。超短パルスレーザであるフェムト秒レーザ１５から発振された水平方向のレーザビーム１６はコリメート光学系を構成するレンズ１７、１８により拡大された直径の平行ビーム２０に変換され、フェムト秒ミラー１９により反射され、垂直方向に偏向されダイクロイックミラー２７を通過して、集光レンズ２９に入射し、被加工物３１に照射される。紫外線レーザ発振器２２から水平方向に放出されたレーザビーム２３はコリメート光学系レンズ２４、２５により拡大された直径のビーム２６に変換されダイクロイックミラー２７で反射されて前記フェムト秒レーザビーム２１と同軸上に伝播するビーム２８となり集光レンズ２９で被加工物３１の集光点３０に照射される。
【００２２】
被加工物３１はｘ、ｙ、ｚ駆動ステージ３２に設置され加工点の設定などに用いられる。フェムト秒レーザビーム１６と紫外線レーザ２２は同期的に発振ビームを放出され、被加工物表面に達する時点では、同時にビームが到着するようなタイミングであるか、もしくは紫外線レーザビームの照射による励起状態の影響が存続している間にフェムト秒レーザが照射されるようなタイミングとなるように制御する。フェムト秒レーザの発振波長は特に限定しなくてもよいことは本発明の主旨が紫外線による被加工物表面が励起状態である電子状態から多光子吸収に伴う物質のアブレーションによる加工であることから明らかである。
【００２３】
紫外線レーザは、被加工物表面を励起して価電子帯に多数の電子を増加させるためであるから、レーザ光のようなコヒーレントな品質を有する光源である必要はなく、励起に十分なパワーを有する光源であればよい。この紫外線光源の波長は、絶縁体のバンドギャップに相当するエネルギーを有する波長より短いならばよい。コリメート光学系１７、１８、フェムト秒ミラー１９、ダイクロイックミラー２７は超短パルス１６の等価や反射に伴う波長分散に伴ってのパルス幅の広がりが集光点３０において起きないように波長分散特性を選定する必要がある。例えば、レンズやダイクロイックミラーの分散が正の分散を示すなら、フェムト秒反射ミラーの分散特性を負の分散特性に設定し、光路全体をゼロ分散に設計する。
【実施例５】
【００２４】
図８は本発明の別な実施例を示す装置の構成例である。図７と同一機能の部品は同一番号を付した。この構成では紫外線光源２２を超短パルスのフェムト秒レーザビームと同軸でない配置で、斜め方向からの照射として構成である。紫外線ビーム２３はミラー４１で反射されて集光レンズ４２で被加工物の加工点３０に照準して照射する配置を用いる。紫外線ビームは加工点の表面を励起することで本発明の効果が得られるので、超短パルスビームと同軸で照射することは必ずしも必要はない。  
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の活用例として、超短パルスレーザと紫外線光の照射で熱影響の無い精密加工が高速で実現できるので、従来フェムト秒レーザだけの照射による加工では、低速であることで加工コストが高価すぎて実用にならなかった応用分野でも、本発明により高速化が図れるので、ナノテクノロジ、マイクロマシン、半導体、超伝導セラミックス、機能セラミック、結晶性材料、誘電体、その他硬脆材料などの精密微細加工に適用できるようになる。各種レーザ加工、レーザ医用、情報処理、計測、バイオ科学、理化学、ディスプレイなどの分野に適用でき、高信頼レーザシステムとして工業分野への実用化を促進する上での効用が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の紫外線によるアブレーション加工機構のエネルギー図。
【図２】従来の多光子吸収アブレーション加工（フェムト秒加工）過程の機構のエネルギー図。
【図３】紫外線照射によるセラミック等の軟化現象発生時のエネルギー図。
【図４】紫外線と超短パルスレーザ集光ビームの同時吸収による紫外線励起と多光子吸収の本発明のエネルギー図。
【図５】予め照射した紫外線による励起状態の加工物に超短パルスレーザ集光ビーム照射し、多光子吸収による加工を施す本発明のエネルギー図。
【図６】予め照射した紫外線による禁止帯レベルの不純物レベルにトラップされた励起状態の加工物に超短パルスレーザ集光ビーム照射し、多光子吸収による加工を施す本発明のエネルギー図。
【図７】超短パルスレーザビームと紫外線を被加工物に同軸配置で照射する本発明の加工装置。
【図８】超短パルスレーザビームと紫外線を被加工物に非同軸配置で照射する本発明の加工装置。
【符号の説明】
【００２７】
１  ・・・・・  真空準位
２  ・・・・・  伝導帯
３  ・・・・・  バンドギャップ
４  ・・・・・  価電子帯
５  ・・・・・  電子
６  ・・・・・  紫外線励起パス
８−１、８−２、８−３、８−４  ・・  多光子吸収によるアブレーション、
９  ・・・・・  光子（紫外線）
１０−１、１０−２  ・・・・・・・・  超短パルスによる伝導帯の真空準位への電子励起（多光子吸収）
１１−１、１１−２  ・・・・・・・・  超短パルスによる伝導帯の真空準位への電子励起
１２  ・・・・・  禁止帯レベルの不純物レベルにトラップされた電子
１３−１、１３−２  ・・・・・・・・  超短パルスによる伝導帯の真空準位への電子励起
１５  ・・・・・  超短パルス（フェムト秒）レーザ発振器
１６  ・・・・・  レーザービーム
１７、１８  ・・  コリメート光学系
１９  ・・・・・  フェムト秒ミラー
２２  ・・・・・  紫外線レーザ発振器
２４、２５  ・・  コリメート光学系、
２７  ・・・・・  ダイクロイックミラー
２９  ・・・・・  集光レンズ
３０  ・・・・・  集光点（加工点）
３１  ・・・・・  被加工物
３２  ・・・・・  ｘ、ｙ、ｚ軸駆動ステージ
【図１】
2005305470.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005305470.tif 000009
【図８】
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