(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒オーダーのパルス幅を持つレーザ光を出射するレーザ光源と、
上記レーザ光源からフェムト秒レーザ光が入射されるパワー制御手段と、
上記パワー制御手段を介して入射されるフェムト秒レーザ光を集光して被加工物に照射する集光手段と、
上記被加工物に照射されたフェムト秒レーザ光の上記被加工物による反射光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記被加工物を焦点位置に固定するように、上記被加工物が載置された移動台を制御する第１の帰還制御手段と、
上記被加工物に照射されたフェムト秒レーザ光の上記被加工物でアブレーションにより発したプラズマ光強度を検出し、その検出出力に基づいて、最低レーザ光強度となる位置に上記被加工物を固定するように、上記移動台に載置された上記被加工物を上記集光手段の光軸方向に微少移動させる微少移動台を制御するとともに、上記パワー制御手段を制御する第２の帰還制御手段と
を備えることを特徴とする微細加工装置。
【請求項２】
上記パワー制御手段は、上記レーザ光源から出射されたフェムト秒レーザ光が入射される１／２波長板と偏光子からなり、上記１／２波長板による旋光角を可変することにより、出射するフェムト秒レーザ光のパワーを制御することを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
【請求項３】
上記パワー制御手段は、上記レーザ光源から出射されたフェムト秒レーザ光が入射されるポッケルスセルと、
上記ポッケルスセルを駆動するポッケルスセル駆動制御手段とからなり、
上記ポッケルスセルの駆動タイミングを可変することにより、上記ポッケルスセルを介して出射するフェムト秒レーザ光のパワーを制御することを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
【請求項４】
上記パワー制御手段を介して上記フェムト秒レーザ光が入射される偏光調整手段をさらに備え、上記偏光調整手段を介して上記フェムト秒レーザ光を上記集光手段に入射させることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
【請求項５】
上記偏光調整手段は、１／４波長板であることを特徴とする
請求項４記載の微細加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば集積回路の作成時に用いるフォトマスク等、また、ダイヤモンド、石英、サファイヤ等の硬い材料を微細加工するのに用いて好適な微細加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、例えば集積回路を製造するときには、回路パターンに成形されたフォトマスクを用いて、例えばガラス等の基板上に金属や有機物等からなる薄膜を形成し、集積回路に形成する回路パターンに従った形状の薄膜を形成する。このとき、例えばフォトリソグラフィー技術等を用いて、基板上に所望の回路パターンを形成する。基板上に形成された回路パターンは、近年における集積回路の高密度化に伴って更に高密度化が進んでおり、金属により形成されているときに線状部分の間隔がナノメートルオーダーの間隔で形成されていることが多い。
【０００３】
また、半導体、有機物、金属等を加工する微細加工装置は、ＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet）レーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ等のナノ秒のパルス幅をもつパルス光を発生させるレーザ装置を備えることが多い。この微細加工装置により被加工物の加工を行うときには、上記レーザ装置から被加工物にパルス光を照射することで、被加工物の表面において光吸収に伴う加熱効果を発生させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の微細加工装置では、レーザ光を連続して照射すると、レーザ光のスポットの大きさが小さくても、光吸収に伴う加熱効果による加工を行うため、熱が発生することで熱損傷が発生する。例えば、ダイヤモンドの表面加工を従来の微細加工装置で行った場合には、加熱効果により加工部周辺が黒く炭化する。したがって、このような微細加工装置では例えばナノメートルオーダーの間隔で形成されている回路パターンの修理やダイヤモンドの表面加工を行うことができないことになる。したがって、従来の微細加工装置は、約１μｍ以下の微細加工を行うことが困難であった。また、ダイヤモンドは、放熱性の高い回路基板として注目されているが、従来の加工方法では炭化するために実際のデバイスとしての利用は困難であると考えられていた。
【０００５】
そこで、本発明は、上述したような実情に鑑みて提案されたものであり、ナノメートルオーダーの微細加工を正確に行うことができる微細加工装置を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、ダイヤモンドの表面に極めて炭化の少ない状態で微細加工を行うことができる用にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る微細加工装置は、フェムト秒オーダーのパルス幅を持つレーザ光を出射するレーザ光源と、上記レーザ光源からフェムト秒レーザ光が入射されるパワー制御手段と、上記パワー制御手段を介して入射されるフェムト秒レーザ光を集光して被加工物に照射する集光手段と、上記被加工物に照射されたフェムト秒レーザ光の上記被加工物による反射光強度を検出し、その検出出力に基づいて、上記被加工物を焦点位置に固定するように、上記被加工物が載置された移動台を制御する第１の帰還制御手段と、上記被加工物に照射されたフェムト秒レーザ光の上記被加工物でアブレーションにより発したプラズマ光強度を検出し、その検出出力に基づいて、最低レーザ光強度となる位置に上記被加工物を固定するように、上記移動台に載置された上記被加工物を上記集光手段の光軸方向に微少移動させる微少移動台を制御するとともに、上記パワー制御手段を制御する第２の帰還制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００８】
本発明に係る微細加工装置は、例えば図１に示すように構成される。
【０００９】
この微細加工装置１００は、加工台１０に載置された被加工物１１０をレーザ光により微細加工処理を施すものであって、フェムト秒オーダーのパルス幅を有するレーザ光を出射するレーザ光源２０、上記レーザ光源２０からフェムト秒レーザ光が入射されるパワー制御部３０、上記パワー制御部３０を介して上記フェムト秒レーザ光が入射される偏光調整部４０、上記偏光調整部４０を介して入射されるフェムト秒レーザ光を集光して被加工物１１０に照射する集光部５０、上記パワー制御部３０によるフェムト秒レーザ光のパワー制御及び上記集光部５０により集光されるフェムト秒レーザ光の焦点位置に被加工物１１０を位置させるための制御を行うための制御部６０などからなる。
【００１０】
この微細加工装置１００により微細加工が施される被加工物１１０は、例えば半導体、有機物、無機物又は金属等をガラス材等の基板上に成膜されている。この被加工物１１０は、例えば基板上に集積回路等の回路パターンがナノメートルオーダーの精度で上記半導体、有機物、無機物又は金属等として形成されている。そして、微細加工装置１００は、このような被加工物１１０にたいしてレーザ光を照射して微細加工処理を施すことにより形成された薄膜の形状の修正を行う。ダイヤモンドにおいては、表面を炭化させずに微細加工を行う。
【００１１】
上記加工台１０は、載置された被加工物１１０を上記集光部５０の光軸（Ｚ）方向及びあおり（Ｚx，Ｚy）方向に移動させる移動台１１と、上記移動台１１に載置された上記被加工物１１０を上記集光部５０の光軸（Ｚ）方向に微少移動させる微少移動台１３とからなる。上記移動台１１を駆動するステージコントローラ１２は、上記制御部６０の第１の制御用コンピュータ６１により制御されるようになっている。また、上記微少移動台１３は、ピエゾコントローラ１４によって駆動されるピエゾステージであって、上記ピエゾコントローラ１４が上記制御部６０の第２の制御用コンピュータ６２により制御されるようになっている。
【００１２】
上記フェムト秒レーザ光源２０は、フェムト秒のパルス幅を持った赤外域の波長のレーザ光を生成し、このフェムト秒レーザ光を出射する。このフェムト秒レーザ光源２０から出射されたフェムト秒レーザ光は、２つの反射鏡２１，２２とアパーチャ板２３を備える光学系２４を介してパワー制御部３０に入射される。
【００１３】
また、上記パワー制御部３０は、上記フェムト秒レーザ光が入射される１／２波長板３１と偏光子３２からなり、上記１／２波長板３１による旋光角を可変することにより、上記フェムト秒レーザ光の直線偏光の偏光を上記１／２波長板３１により任意に回し、上記偏光子３２で偏光の射影成分を切り出すことで、出射するフェムト秒レーザ光のパワーを制御する。このパワー制御部３０は、上記ピエゾコントローラ１４とともに上記制御部６０の第２の制御用コンピュータ６２により制御されるようになっている。
【００１４】
なお、この微細加工装置１００では、光軸から僅かにあおりを付けることで、光学素子（波長板や偏光素子など）からの戻り光を上記光学系２４のアパーチャ板２３でカットして、上記フェムト秒レーザ光源２０のダメージを避けるようにしている。
【００１５】
ここで、上記パワー制御部３０は、連続ＮＤフィルタを用いて光強度を制御することもできる。この場合、ハイパワーフェムト秒レーザ光が照射されることによる高価な連続ＮＤフィルタの消耗を避けることはできない。
【００１６】
また、上記パワー制御部３０は、図２に示すように、ポッケルスセルコントローラ３３から遅延パルス発生器３４を介して駆動パルスが供給されるポッケルスセルドライバ３５により、フェムト秒レーザ光源２０内のポッケルスセル３６制御する構成とすることもできる。すなわち、キャビティ中のパルス光の光強度変化は図３に示すようになるので、上記第２の制御用コンピュータ６２により上記遅延パルス発生器３４を制御し、上記ポッケルスセル３６の駆動タイミングを可変して、上記ポッケルスセル３６に入射されたフェムト秒レーザ光から上記ポッケルスセル３６により選択的にパルス光を抜き出すことにより、上記ポッケルスセルを介して出射するフェムト秒レーザ光のパワーを制御することができる。
【００１７】
また、上記偏光調整部４０は、１／４波長板４１からなる。この偏光調整部４０では、フェムト秒レーザ光を集光して被加工物１１０に照射する集光部５０に入射するフェムト秒レーザ光の偏光を調整する。結晶異方性を持つ物質では、物質が受ける光の影響は偏光角に大きく依存するので、被加工物１１０の材質や加工形状に合わせて、被加工物１１０に照射するフェムト秒レーザ光の偏光を円偏光、楕円偏光や直線偏光に１／４波長板４１を用いて調整することによって、微細加工を精度よく行うことができる。
【００１８】
また、上記集光部５０は、上記偏光調整部４０を介して入射されるフェムト秒レーザ光を集光して対物レンズ５１からなる。
【００１９】
さらに、上記制御部６０は、上記被加工物１１０に照射されたフェムト秒レーザ光の上記被加工物１１０による反射光を分離するビームスプリッタ６３、このビームスプリッタ６３により分離された上記反射光が入射される望遠光学系６４、この望遠光学系６４から出射されるビームスプリッタ６５Ａ，６５Ｂを介して入射される第１乃至第３の光検出器６７Ａ，６７Ｂ，６７Ｃ等を備え、上記第１及び第２の光検出器６７Ａ，６７Ｂの各検出出力が第１の制御用コンピュータ６１に入力され、上記第３の光検出器６７Ｃの検出出力が第２の制御用コンピュータ６２に入力されるようになっている。
【００２０】
ここで、アブレーションやホワイトジェネレーションで現れるレーザ波長以外の光は制御の妨げになるので、上記第１及び第２の光検出器６７Ａ，６７Ｂは、上記レーザ波長だけを透かす第１及び第２のフィルタ６６Ａ，６６Ｂを介して上記被加工物１１０による反射光強度を検出する。上記第３の光検出器６７Ｃでは、アブレーションにより発するプラズマ光を検出するため、加工に用いるレーザ波長の光を第３のフィルタ６６Ｃによりカットする。また、上記第２の光検出器６７Ｂは、４チャンネルのフォトディテクタであって、移動台のあおり（Ｚx，Ｚy）方向の動きがそれぞれ４チャンネルのフォトディテクタの上下、左右に対応するように配置されている。
【００２１】
この制御部６０における第１の制御用コンピュータ６１は、上記集光部５０の光軸（Ｚ）方向と直交するＸＹ平面上を被加工物１１０を移動させて、上記集光部５０により集光されたフェムト秒レーザ光が被加工物１１０の加工面上の加工位置に照射されるように、上記移動台１１を駆動するステージコントローラ１２を制御する。
【００２２】
そして、上記第１の制御用コンピュータ６１は、上記第１の光検出器６７Ａの検出出力に基づいて、上記集光部５０の光軸（Ｚ）方向に被加工物１１０を移動させて、上記第１の光検出器６７Ａで検出される光強度が最大になるように、上記移動台１１を駆動するステージコントローラ１２を制御する。このようにして、上記被加工物１１０を常に焦点位置に位置させる第１の帰還制御を行う。
【００２３】
すなわち、上記第１の制御用コンピュータ６１は、図４に示すように、上記被加工物１１０に照射されたフェムト秒レーザ光の上記被加工物１１０による反射光のアブレーション光強度を上記第１及び第２の光検出器６７Ａ，６７Ｂにより検出し、その検出出力に基づいて、上記被加工物１１０を焦点位置に固定するように、上記被加工物１１０が載置された移動台１１を駆動するステージコントローラ１２を制御する第１の帰還制御系を構成している。
【００２４】
また、上記第１の制御用コンピュータ６１は、上記第２の光検出器６７Ｂの４チャンネル検出出力に基づいて、上記被加工物１１０をあおり（Ｚx，Ｚy）方向に移動させて、上記第２の光検出器６７Ｂで検出される４チャンネルの光強度が互いに等しくなるように、上記移動台１１を駆動するステージコントローラ１２を制御する。
【００２５】
さらに、この制御部６０における第２の制御用コンピュータ６２は、上記被加工物１１０に照射するフェムト秒レーザ光を最低レーザ光強度に保持するための制御を次のようにして行う。
【００２６】
すなわち、上記第２の制御用コンピュータ６１は、上記パワー制御部２０の１／２波長板２１を制御して、アブレーションが起こらない十分に低いレーザ強度にする。
【００２７】
次に、上記第２の制御用コンピュータ６２は、上記微少移動台１３を駆動するピエゾコントローラ１４を制御して、ナノメートルの精度で焦点距離を制御し、上記被加工物１１０を焦点距離よりも遠い場所に位置させる。
【００２８】
そして、上記第２の制御用コンピュータ６１は、そこから少しずつレーザ強度を上げては上記被加工物１１０を焦点距離よりも遠い場所から近い位置に移動させる制御を繰り返し行い、アブレーションにより発するプラズマ光が最初に第３の光検出器６７Ｃにより測定された位置とレーザ光強度が正確に求められた焦点距離と最低レーザ光強度となる。
【００２９】
上記第２の制御用コンピュータ６２は、このようにして得られた最低レーザ光強度と焦点距離を維持するように、上記ピエゾコントローラ１４を制御するとともに、上記パワー制御部２０を制御する。
【００３０】
すなわち、この制御部６０における第２の制御用コンピュータ６２は、図５に示すように、上記被加工物１１０に照射されたフェムト秒レーザ光により上記被加工物１１０でアブレーションにより発したプラズマ光を上記第３の光検出器６７Ｃにより検出し、その検出出力に基づいて、最低レーザ光強度となる位置に上記被加工物１１０を固定するように、上記移動台１１に載置された上記被加工物１１０を上記集光部５０の光軸（Ｚ）方向に微少移動させる微少移動台６２を駆動するピエゾコントローラ１４を制御するとともに、上記パワー制御部２０を制御する第２の帰還制御系を構成している。
【００３１】
この微細加工装置１００では、上記集光部５０により集光されるフェムト秒レーザ光の焦点位置に被加工物１１０を極めて正確に位置させて、最低レーザ光強度のフェムト秒レーザ光を上記被加工物１１０に照射して、微細加工処理を施すことができる。
【００３２】
したがって、この微細加工装置１００によれば、上述のように基板上に形成された薄膜の形状を修正するとともに、集積回路の回路パターンがナノメートルオーダーで形成される集積回路の製造プロセスにおいて用いるフォトマスクの作成、修理等をも正確に行うことができる。具体的な加工例として、ダイヤモンド、石英、サファイヤ等の高硬度物質の表面に炭化や焼き付けを伴うことなく微細加工を行うことができた。
【００３３】
なお、この微細加工装置１００では、窒素ガスやＨｅガスなどの不活性ガスを被加工物１１０の加工面に吹き付けることことにより、アブレーションにより排出された物質（以下、デブリという）を除去するようになっている。これにより、質の良い加工面を得ることができる。
【００３４】
ここで、真空中で加工を実施することによりデブリというを除去し質の良い加工面を得ることができる。また、ＳＦ６ガス雰囲気中で加工を行い誘電破壊により活性化されたガスの化学的反応を利用して、デブリを除去し、更に、この化学反応によりアブレーション閾値を下げることで余分な光エネルギーによるデブリの発生を抑制することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る微細加工装置では、被加工物に照射されたフェムト秒レーザ光の上記被加工物による反射光強度の検出出力に基づいて、被加工物を焦点位置に固定するように、第１の帰還制御手段により、上記被加工物が載置された移動台を制御し、上記被加工物に照射されたフェムト秒レーザ光により上記被加工物でアブレーションにより発したプラズマ光強度の検出出力に基づいて、最低レーザ光強度となる位置に上記被加工物を固定するように、第２の帰還制御手段により、上記移動台に載置された上記被加工物を上記集光手段の光軸方向に微少移動させる微少移動台を制御するとともに、上記パワー制御手段を制御するので、集光手段により集光されるフェムト秒レーザ光の焦点位置に被加工物を極めて正確に位置させて、最低レーザ光強度のフェムト秒レーザ光を上記被加工物に照射することができ、ダイヤモンド、石英、サファイヤ等の高硬度物質の表面に炭化や焼き付けを伴うことなく微細加工を行うことができる。
【００３６】
また、本発明に係る微細加工装置では、上記パワー制御手段を介して上記フェムト秒レーザ光が入射される偏光調整手段をさらに備えることにより、被加工物の材質や加工形状に合わせて、被加工物に照射するフェムト秒レーザ光の偏光を円偏光、楕円偏光や直線偏光に調整することができ、微細加工を精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した微細加工装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】上記微細加工装置におけるパワー制御部の構成例を示すブロック図である。
【図３】キャビティ中のパルス光の光強度変化を模式的に示す図である。
【図４】上記微細加工装置における第１の帰還制御系の構成を示す模式的に示すブロック図である。
【図５】上記微細加工装置における第２の帰還制御系の構成を示す模式的に示すブロック図である。
【符号の説明】
１０  加工台、１１  移動台、１２  ステージコントローラ、１３  微少移動台、１４  ピエゾコントローラ、２０  レーザ光源、２１，２２  反射鏡、２３アパーチャ板、２４  光学系、３０  パワー制御部、３１  １／２波長板、３２  偏光子、３３  ポッケルスセルコントローラ、３４  遅延パルス発生器、３５  ポッケルスセルドライバ、３６  ポッケルスセル、４０  偏光調整部、４１１／４波長板、５０  集光部、５１  対物レンズ、６０  制御部、６１  第１の制御用コンピュータ、６２  第２の制御用コンピュータ、６３  ビームスプリッタ、６４  望遠光学系、６５Ａ，６５Ｂ  ビームスプリッタ、６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ  第１乃至３のフィルタ、６７Ａ，６７Ｂ，６７Ｃ  第１乃至第３の光検出器、１００  微細加工装置、１１０  被加工物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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