フェムト秒レーザを用いた微細加工技術

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

加工部断面

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

応 用

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

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

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

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

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

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