(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ピコ秒以下のパルス放射時間で空間的時間的なエネルギー密度の大きい光パルスを連続放射するレーザ発振器からのレーザ光を、無機材料からなる被加工物に照射することによって、光アブレーション加工するレーザエッチング方法であって、
前記レーザ発振器から放射されたレーザ光を、所定のパターン、所定エネルギー密度にて、前記無機材料からなる被加工物に照射して前記被加工物をレーザエッチングするに際し、前記被加工物への照射をパルスレーザ発振周波数よりも長い時間のインターバルによる間欠照射によってエッチング位置周辺に加工副産物が付着しないようにする手段を用いて加工することを特徴とするレーザエッチング方法。
【請求項２】
前記無機材料が、共有結合結晶であることを特徴とする請求項１に記載のレーザエッチング方法。
【請求項３】
前記無機材料が、シリコンアモルファス、シリコン結晶またはシリコン化合物であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザエッチング方法。
【請求項４】
前記レーザ発振器が、光伝播の空間圧縮装置を有しているレーザ発振器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザエッチング方法。
【請求項５】
前記光伝播の空間圧縮装置が、チャーピングパルス生成手段と、光波長分散特性を利用した縦モード同期手段によって構成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザエッチング方法。
【請求項６】
１ピコ秒以下のパルス放射時間で空間的時間的なエネルギー密度の大きい光パルスを連続放射するレーザ発振器を有し、該レーザ発振器からのレーザ光を、所定のパターン、所定エネルギー密度にて、前記無機材料からなる被加工物に照射することによって、光アブレーション加工するレーザエッチング装置であって、
前記無機材料からなる被加工物に照射して前記被加工物をレーザエッチングするために、前記レーザ発振器からのレーザ光をシャッター開閉制御によって間欠照射するメカニカルシャッターを備え、前記被加工物への照射をパルスレーザ発振周波数よりも長い時間のインターバルによる間欠照射によってエッチング位置周辺に加工副産物が付着しないようにする手段を有することを特徴とするレーザエッチング装置。
【請求項７】
前記レーザ発振器が、光伝播の空間圧縮装置を有しているレーザ発振器であることを特徴とする請求項６に記載のレーザエッチング装置。
【請求項８】
前記光伝播の空間圧縮装置が、チャーピングパルス生成手段と、光波長分散特性を利用した縦モード同期手段によって構成されていることを特徴とする請求項７に記載のレーザエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いて被加工物を加工するレーザエッチング方法及びレーザエッチング装置に関し、特に、無機材料からなる被加工物のレーザエッチングにおいて、エッチング位置周辺に加工副産物が付着しないように加工することができ、さらにはマイクロマシン、またはＩＣおよびダイオードデバイス等の材料を微細加工することができるレーザエッチング方法及びレーザエッチング装置の実現を目指すものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ加工によって構造体を微細加工形成する場合、エキシマレーザまたはＹＡＧレーザの高調波を用いるのが一般的である。
ところが、これらの加工方法においては、レーザ光のエネルギー密度は発振パルスにおいて最大でも１００メガワットのレベルでしかないため、無機材料からなる被加工物においては加工が困難であり、主に有機樹脂材料からなる被加工物に対する昇華アブレーション加工しか出来なかった。このため、これらの無機材料からなる被加工物に微細加工を施す場合には、リソグラフィープロセスを用いて、各個々の異材質材料に対してそれぞれ、レジストコート、レジストパターニング露光、レジスト現像、レジストパターンを利用したエッチング、レジストアッシング、等の一連のプロセスを踏むことによって、構造体の加工をしているが、このような加工方法に寄る場合には、加工工程が複雑となることからコスト的な問題点が生じ、また工程タクトタイムに対して生産設備投資が膨大になるといった問題点がある。
【０００３】
このような点を改善するため、本出願人は、特願平１１−３１６７６０号等において、無機材料からなる被加工物に構造を微細加工形成する場合、１ピコ秒以下のパルス放射時間でレーザ光を出力するレーザ発振器から発振されたレーザ光の時間的エネルギー密度が飛躍的に高い特徴と、レーザの照射時間が非常に短いためレーザ光が熱エネルギーとして変換されず格子結合切断エネルギーに直接変換される特性とを利用して、昇華アブレーション加工するレーザ加工方法を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記昇華アブレーション加工するレーザ加工方法では、無機材料からなる被加工物にアブレーション昇華を引き起こしてエッチング加工することは可能であるが、加工材料によっては、昇華され気化した原子または分子粒子が瞬時に再結合を起こしてしまい、エッチング位置または、すぐ周辺に液化して付着し、それが固化して固まってしまうことによって、エッチング位置周辺がきれいに保てない、またさらに、加工副産物の付着によって、エッチングを妨げてしまうという、別の問題を生じさせてしまう。
特に、このような問題は、共有結合によって結晶またはアモルファス固体化している材料において顕著に発生する。その原因については現在のところ必ずしも明確ではないが、金属結合、イオン結合性結晶またはイオン結合性アモルファス材料に関しては、上記したような問題が顕著でないことから、結合エネルギーの高い共有結合材料においてより顕著に生じる問題であるものと予想される。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、無機材料からなる被加工物のレーザエッチングにおいて、エッチング位置周辺に加工副産物が付着しないように加工することができ、さらにはマイクロマシン、またはＩＣおよびダイオードデバイス等の材料を微細加工することができるレーザエッチング方法及びレーザエッチング装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、つぎの（１）〜（８）のように構成したレーザエッチング方法及びレーザエッチング装置を提供するものである。
（１）１ピコ秒以下のパルス放射時間で空間的時間的なエネルギー密度の大きい光パルスを連続放射するレーザ発振器からのレーザ光を、無機材料からなる被加工物に照射することによって、光アブレーション加工するレーザエッチング方法であって、前記レーザ発振器から放射されたレーザ光を、所定のパターン、所定エネルギー密度にて、前記無機材料からなる被加工物に照射して前記被加工物をレーザエッチングするに際し、前記被加工物への照射をパルスレーザ発振周波数よりも長い時間のインターバルによる間欠照射によってエッチング位置周辺に加工副産物が付着しないようにする手段を用いて加工することを特徴とするレーザエッチング方法。
（２）前記無機材料が、共有結合結晶であることを特徴とする上記（１）に記載のレーザエッチング方法。
（３）前記無機材料が、シリコンアモルファス、シリコン結晶またはシリコン化合物であることを特徴とする上記（１）または上記（２）に記載のレーザエッチング方法。
（４）前記レーザ発振器が、光伝播の空間圧縮装置を有しているレーザ発振器であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のレーザエッチング方法。
（５）前記光伝播の空間圧縮装置が、チャーピングパルス生成手段と、光波長分散特性を利用した縦モード同期手段によって構成されていることを特徴とする上記（４）に記載のレーザエッチング方法。
（６）１ピコ秒以下のパルス放射時間で空間的時間的なエネルギー密度の大きい光パルスを連続放射するレーザ発振器を有し、該レーザ発振器からのレーザ光を、所定のパターン、所定エネルギー密度にて、前記無機材料からなる被加工物に照射することによって、光アブレーション加工するレーザエッチング装置であって、
前記無機材料からなる被加工物に照射して前記被加工物をレーザエッチングするために、前記レーザ発振器からのレーザ光をシャッター開閉制御によって間欠照射するメカニカルシャッターを備え、前記被加工物への照射をパルスレーザ発振周波数よりも長い時間のインターバルによる間欠照射によってエッチング位置周辺に加工副産物が付着しないようにする手段を有することを特徴とするレーザエッチング装置。
（７）前記レーザ発振器が、光伝播の空間圧縮装置を有しているレーザ発振器であることを特徴とする上記（６）に記載のレーザエッチング装置。
（８）前記光伝播の空間圧縮装置が、チャーピングパルス生成手段と、光波長分散特性を利用した縦モード同期手段によって構成されていることを特徴とする上記（７）に記載のレーザエッチング装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、上記構成を適用することにより、無機材料からなる被加工物のレーザエッチングにおいて、エッチング位置周辺に加工副産物が付着しないように加工することができる。
また、その第１の実施形態として、例えば被加工物への照射をパルスレーザ発振周波数よりも長い時間のインターバルによる間欠照射によるエッチング休憩時間を設けることによって、エッチング位置周辺に加工副産物が付着しないように加工することができ、さらにはマイクロマシン、またはＩＣおよびダイオードデバイス等の材料を微細加工することが可能となる。
【０００８】
すなわち、アブレーションによって放出された原子または分子粒子は、エッチング位置の周辺にプラズマ雲を形成するため、連続的に加工を進行させると、前記プラズマ雲がアブレーションによって放出された原子または分子粒子の放出の妨げとなってしまう。このことによって、加工位置の周辺に昇華した材料が液化、固体化してエッチング位置周辺に固着してしまうこととなる。
これに対して、上記構成によれば、被加工物への照射をパルスレーザ発振周波数よりも長い時間のインターバルによる間欠照射を行うことで、所定エッチングを行った後に、エッチング休憩時間を設けることができ、原子または分子粒子のプラズマ雲が飛散した後に、エッチングを再開する加工シーケンスを行うことによって、エッチング位置周辺に固着物を付着しずらくすることが可能となり、エッチング位置周辺に加工副産物が付着しないようにすることができる。
【０００９】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を図を用いて説明する。
まず、図１を用いて、本実施例の加工方法の概要を説明する。極短パルス放射時間（１ピコ秒以下）でレーザ光を放射する不図示のレーザ発振器から放射されたレーザ光１はメカニカルシャッター４−１を介して、時間的に切り取られたレーザパルス列光５−１に変調された後、フォトマスク６を照明しマスクパターン８を通過したレーザ光を投影レンズ７を介して結像投影する。この結像像は無機材料からなる被加工物２の表面にフォーカスされる。
この状態において、レーザ光１がパルス照射され、被加工物２が昇華アブレーションエッチング加工されるのであるが、本実施例では、図２に示すように、レーザの照射はメカニカルシャッター４−１のオープンクローズの制御によって、被加工物２に対するエッチングは間欠シーケンスで行われるように構成されている。
【００１０】
本実施例の加工方法においては、レーザ光の波長は７７５ｎｍ、レーザのパルス発振周波数は１ｋＨｚ、レーザの放射パルス時間は約１５０フェムト秒で、フォトマスク６と投影レンズ７を介してφ２０μｍの領域に１パルス当り約７μジュールの光エネルギーを集中させ、すなわち１パルス当り１５テラワット／ｃｍ2のエネルギー密度でレーザを照射する条件で、シリコン結晶を常温常圧大気中で、メカニカルシャッター４−１を介して、０．１秒ＯＮ（レーザパルス列照射状態で約１００パルスのレーザパルス光が照射される）０．５秒ＯＦＦ（レーザ非照射）の繰り返しを５回行ってレーザ照射総パルス数は約５００パルスにて間欠レーザ照射エッチング加工した。エッチングされた穴の深さは約３０μｍである。
本実施例で加工した場合には、図４に示されるように、加工穴の周辺には付着物が無くきれいなエッチングが行われる。
これに対して、レーザの照射条件は上述と同様でメカニカルシャッター４−１をＯＮ状態（非遮蔽状態）のまま０．５秒照射し、レーザ照射総パルス数は約５００パルスにてシリコン結晶を常温常圧大気中で連続エッチング加工した場合には、エッチングされた穴の深さは約３０μｍに達しているが、比較例の図３に示されるように、加工穴の周辺に、液化シリコンが付着して固化した状態となる。この固化したシリコンは簡単な流水洗浄では容易に取り除くことはできなかった。本実施例の加工方法によると、連続エッチング加工した場合に比して、付着物のないきわめてきれいな加工穴を形成することができる。
【００１１】
また、上述の実施例にて説明した「レーザの間欠照射による加工方法」に、「被加工物の加工位置において気体流を流した状態で加工する加工方法」、「被加工物を空気以外の雰囲気中に配した状態でレーザ光を照射して加工する加工方法」、「被加工物を２００℃以上に加熱した状態で加工する加工方法」及び「被加工物を１０Ｔｏｒｒ以下の気圧雰囲気中に配した状態で加工する加工方法」のそれぞれの方法を適切に組み合わせた形態によって、加工領域周辺への付着物の付着防止を実現するものであってもかまわないものである。
【００１２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、無機材料からなる被加工物のレーザエッチングにおいて、エッチング位置周辺に加工副産物が付着しないように加工することができ、さらにはマイクロマシン、またはＩＣおよびダイオードデバイス等の材料を微細加工することができるレーザエッチング方法及びレーザエッチング装置を実現することができる。
本発明の被加工物への照射をパルスレーザ発振周波数よりも長い時間のインターバルによる間欠照射する構成によれば、所定エッチングを行った後に、エッチング休憩時間を設けることができ、原子または分子粒子のプラズマ雲が飛散した後に、エッチングを再開する加工シーケンスを行うことが可能となり、従来の連続エッチング加工のようにエッチング位置周辺に加工副産物が付着することなく、きわめてきれいな加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例におけるレーザエッチング方法を説明する図。
【図２】  本発明の実施例におけるレーザ照射方法のシーケンスを示す図。
【図３】  比較例としての従来のレーザエッチング方法による加工状態を示す図。
【図４】  本発明の実施例のレーザエッチング方法による加工状態を示す図。
【符号の説明】
１：レーザ光束
２：被加工物
４−１：メカニカルシャッター
５−１：変調レーザ光束
６：フォトマスク
７：マスク投影レンズ
８：マスクパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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