フェムト秒レーザを用いた微細加工技術 フェムト秒レーザ加工機 FSレーザ Mira900/RegA9000 (Coherent社製) RegA9000 Mira900 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 フェムト秒とは フェムト秒 時間 光の直進距離 トランジスタ動作限界 10-15秒 10-12秒 10-9秒 10-6秒 10-3秒 0.3um 0.3mm 30cm 300m 300km 30万km ウィルス ヒト細胞 CDピット幅 毛髪数本分 東京タワー 1秒 地球7.5周 フェムト秒とは ■Qスイッチレーザ Qスイッチ パルス出力 レーザ媒質 CO2, YAG Q switch signal ■モードロックレーザ レーザ媒質 Ti:Sapphire パルス出力 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 Fsレーザパルス Fsレーザ加工 Fsレーザパルス Conduction Band material Valence Band 高ピークパワー 多光子吸収 難加工材料 （ガラス、金属等） 微細加工 material プリント配線板ロードマップ 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 ■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 ■孔径およそ50um（CO2レーザ） 孔径10~30umの微細化へ向けて フェムト秒レーザを用いた微細加工可能性の検討 CO2レーザ加工例 レーザ照射部表面構造 周期微細構造（LIPPS） ポリイミドフィルム表面 ポリイミドフィルム表面 偏光方向 偏光方向 LIPSS レーザ波長(800nm)に近い周期構造形成 周期構造/200nm 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 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 パルス幅 パルス数 50∼250 kHz 70 fs ∼2.2 ps 1∼1500 pulses フィルム厚 50 um thickness 加工径のパルス幅依存性 70fs 140fs 10um 10um 560fs 280fs 1.1p 10um 10um 2.2p 10um 一定数以上のパルス照射により熱影響が現れる 10um 加工スポット−パルス数依存性 (a) 2 1 50 10 5 20 70 60 90 80 200 100 Ablated spot 600 500 800 700 1000 900 1200 1100 Number of shots 250kHz (b) 70fs 125kHz 83kHz 50kHz 1 50 100 500 1000 1 50 100 500 1000 250kHz (c) 560fs 125kHz 83kHz 50kHz 250kHz (d) 2.2ps 125kHz 83kHz 50kHz 1400 1300 1500 加工径パルス数依存性 60 40 125kHz DA[um] 40 DA[um] 50 70fs 140fs 280fs 560fs 2.2ps 250kHz 30 20 10 0 30 0 500 1000 250kHz 1500 Number of Shots 70fs 125kHz 83kHz 50kHz 20 1 50 100 500 1000 1 50 100 500 1000 250kHz 560fs 125kHz 83kHz 50kHz 10 250kHz 0 2.2ps 0 500 1000 1500 Number of Shots 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 125kHz 83kHz 50kHz DA Polyimide 加工径−パルス幅依存性 40 Total Irradiated Energy : 1 mJ/Spot (a) DA[um] 30 (a) 250kHz (b) 125kHz (c) 83kHz (d) 50kHz 250kHz 70fs (b) 20 125kHz 83kHz 50kHz 1 50 100 500 1000 1 50 100 500 1000 250kHz 560fs 10 (c), (d) 125kHz 83kHz 50kHz 250kHz 2.2ps 0 1000 2000 Pulse width [fs] 125kHz 83kHz 50kHz 加工部断面 Laser pulse (a) 70fs (b) 560fs Nail-head structure Focal point 50 um Thermal flow Laser processed zone 焦点付近に生じた熱の伝播とともに 加工径が増加する 10um 10um 加工部断面 メカニズム フェムト秒パルス-物質相互作用 タイムスケール 1パルス e-p 熱拡散 照射 scattering 熱的現象 fs ps ns us ms パルス幅増加 熱生成 冷却 拡散 Temperature Temperature 4 3 Decomposition Temperature 2 1 0 10 Time Time Rep.rate 照射部に熱が蓄積 Pulse Duration 20 応 用 Ｃｕ充填めっき 光学顕微鏡写真 High Concentration Cu分布 50 μm Through-hole径 上径：約9um下径：約5um レーザ加工孔（径∼10um）に対しＣｕ充填めっき Low レーザ切断 レーザカット (a) Ton Toff Ton=0.8 ms (b) 70 fs Toff = 5.6 ms Laser pulses at 250 kHz 100 μm (c) Toff = 5.6 ms 1 ps 100 μm (d) 1 ps Toff = 14 ms 100 μm 熱生成を制御することにより切りしろを削減 ＶＩＡ 片面銅箔付ポリイミド基板加工 ●VIA径 ： 10 μm レーザ PI 30 um Cu 12 um 10um ◆加工限界エネルギー ECu≥1 uJ/shot EPI≥0.5 uJ/shot ◆Drilling Rate ●VIA間最小距離 ： 25 μm 100 um R(PI) 0.5 um/shot R(Cu)<0.06 um/shot 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 50 um 100 um VIA径 ~ 30 um プリプレグ材 VIA底からＣｕ検出 EPMA像(表面銅箔除去) GEA-67BE (日立化成) 選択的Ni析出 レーザ加工PIフィルムに対し無電解Niめっき - N O O Intensity Polyimide O N Intensity O ◇表面 ●内部 N1s C1s - O 290 285 280 Binding Energy [eV] 405 400 395 Binding Energy [eV] レーザ照射部のみNi析出 1 ｍm ■最小線幅 2~ 7 um ■最小線間距離 20 um SEM Ni SEM Ni 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
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