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フェムト秒レーザを用いた微細加工技術
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FSレーザ Mira900/RegA9000 (Coherent社製)
フェムト秒レーザ加工機
Mira900RegA9000
京都大学大学院工学研究科材料化学専攻 平尾研究室様と共同研究
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フェムト秒とは
フェムト秒
光の直進距離
1秒10-15秒 10-3秒10-6秒10-9秒10-12秒
30万km300km300m30cm0.3mm0.3umヒト細胞ウィルス
トランジスタ動作限界
時間
地球7.5周CDピット幅毛髪数本分 東京タワー
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フェムト秒とは
Qスイッチ■Qスイッチレーザ
Q switch signal
パルス出力
レーザ媒質CO2, YAG
■モードロックレーザ
レーザ媒質Ti:Sapphire
パルス出力
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フェムト秒パルスの特徴
1.熱伝導の影響が抑制出来るため、加工部位周辺の熱変性領域が小さい2.多光子プロセスによりワイドバンドギャップ材料の加工が出来る3.波長以下の解像度で加工が出来る
material material
Fsレーザ加工Fsレーザパルス
多光子吸収
Fsレーザパルス
高ピークパワー 微細加工難加工材料
(ガラス、金属等)
Conduction Band
Valence Band
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プリント配線盤技術ロードマップと最新技術動向(1)インターコネクションテクノロジーズ株式会社 宇都宮久修氏
フェムト秒レーザを用いた微細加工可能性の検討
■プリント配線版に対するVIA、貫通孔はCO2レーザ、YAGにより形成
孔径10~30umの微細化へ向けて
■孔径およそ50um(CO2レーザ)
プリント配線板ロードマップ
CO2レーザ加工例
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周期微細構造(LIPPS)
レーザ照射部表面構造
レーザ波長(800nm)に近い周期構造形成 周期構造/200nm
ポリイミドフィルム表面
偏光方向
LIPSS
偏光方向
ポリイミドフィルム表面
レーザを表面にビーム照射LIPSSは金属・半導体・絶縁体(セラミック・樹脂)表面に形成可能
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レーザ加工装置
モードロックTi:Shappireレーザ Mira900
Ti:Shappre再生増幅器 RegA9000
Polyimide Film (KaptonH : Toray-DuPont)
パルスエネルギー 1 uJ/pulse
繰り返し周波数 50~250 kHzパルス幅 70 fs ~2.2 psパルス数 1~1500 pulses
フィルム厚 50 um thickness
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加工径のパルス幅依存性
10um
140fs 280fs
560fs 1.1p 2.2p
10um10um10um
10um 10um
70fs
一定数以上のパルス照射により熱影響が現れる
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加工スポット-パルス数依存性
2.2ps
500 10001 50 100
560fs
70fs
500 10001 50 100
50kHz83kHz125kHz250kHz
50kHz83kHz125kHz250kHz
50kHz83kHz125kHz250kHz
1
2
5
10
20
50
60
70
80
90
100
200
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Ablated spot Number of shots
(a)
(b)
(c)
(d)
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加工径パルス数依存性
0 500 1000 15000
10
20
30
40
Number of Shots
DA[u
m]
250kHz125kHz
0 500 1000 15000
10
20
30
40
50
60
Number of Shots
DA[u
m]
70fs140fs280fs560fs2.2ps
Polyimide
DA
2.2ps
500 10001 50 100
560fs
70fs
500 10001 50 100
50kHz83kHz
125kHz250kHz
50kHz
83kHz125kHz
250kHz
50kHz
83kHz
125kHz250kHz
狭パルス幅では熱の発生を抑えることが出来、高速加工可能
径 : 8.9 ± 0.2 μm
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加工径-パルス幅依存性
0 1000 2000
10
20
30
40
Pulse width [fs]
DA
[um
]
(a) 250kHz(b) 125kHz(c) 83kHz(d) 50kHz(a)
(b)
(c), (d)
Total Irradiated Energy : 1 mJ/Spot
2.2ps
500 10001 50 100
560fs
70fs
500 10001 50 100
50kHz
83kHz
125kHz
250kHz
50kHz
83kHz
125kHz
250kHz
50kHz
83kHz
125kHz
250kHz
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加工部断面
(b)(a) 70fs 560fs
Focal point
Thermal flow
Laser processed zone
Laser pulse
50 um
10um10um
Nail-head structure
焦点付近に生じた熱の伝播とともに加工径が増加する
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加工部断面
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メカニズム
熱生成拡散
パルス幅増加
照射部に熱が蓄積
冷却
fs ps ns us ms
1パルス照射
e-pscattering
熱拡散
熱的現象
フェムト秒パルス-物質相互作用 タイムスケール
0 10 201
2
3
4
Time
Tem
pera
ture
Tem
pera
ture
Time
DecompositionTemperature
Rep.rate
Pulse Duration
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応 用
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Cu充填めっき
50 μm
光学顕微鏡写真
Through-hole径 上径:約9um下径:約5um
Cu分布
Concentration
High
Low
レーザ加工孔(径~10um)に対しCu充填めっき
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レーザ切断
1 ps
100 μm
1 ps
100 μm
70 fs
100 μm
(b)
(c) (d)
Toff = 5.6 ms
Toff = 5.6 ms Toff = 14 ms
(a)
Laser pulses at 250 kHz
Ton Toff
Ton=0.8 ms
レーザカット
熱生成を制御することにより切りしろを削減
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VIA
片面銅箔付ポリイミド基板加工
PI
Cu 12 um
30 um
レーザ
R(PI) ~ 0.5 um/shotR(Cu)<0.06 um/shot
◆Drilling Rate
ECu≥1 uJ/shot
EPI≥0.5 uJ/shot
◆加工限界エネルギー
●VIA間最小距離 : 25 μm
●VIA径 : 10 μm
100 um
10um
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ビルドアップ基板
銅箔付ビルドアップ基板加工
UVレーザ光を用いなくとも銅箔貫通加工可能300uJ, 63ms
VIA径 ~ 30 umプリプレグ材 GEA-67BE (日立化成)
VIA底からCu検出EPMA像(表面銅箔除去)
50 um
100 um
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選択的Ni析出
レーザ照射部のみNi析出
1 mm
SEM
SEM
Ni
Ni
■最小線幅 2~ 7 um
■最小線間距離 20 um
280285290
C1s
Binding Energy [eV]
Inte
nsi
ty
395400405Binding Energy [eV]
Inte
nsi
ty
N1s ◇表面●内部
-- N ON
O
O
O
O
Polyimide
レーザ加工PIフィルムに対し無電解Niめっき
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まとめ
フェムト秒レーザ加工
●パルス幅が短パルスであれば照射部への熱影響は少なく高速加工可能
●ポリイミドフィルムに対し径10um程度の微細孔加工可能(Through-hole : 100shots)
●片面銅箔付ポリイミドフィルムも同様に加工可能(Via-hole)
●銅箔への穴あけも可能
●ビルドアップ基板へ径30um程度のVIAホール形成
●レーザ照射部に周期微細構造(LIPSS)を形成する(200nm間隔)
●ポリイミド表面・内部の組成の差異を利用し、レーザ照射部にNiのみ析出させる