JP2003505247A

JP2003505247A - 微細な穴をあける方法

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Publication number: JP2003505247A
Application number: JP2001512059A
Authority: JP
Inventors: フオグラー，スフエン; カプラン，ローラント
Original assignee: ハイデルベルク・インストルメンツ・ミクロテヒニツク・ゲー・エム・ベー・ハー
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2003-02-12
Also published as: EP1202833A1; US6639179B2; US20020121507A1; DE50004665D1; WO2001007195A1; ATE255482T1; EP1202833B1; WO2001007195A9; DE10035446A1

Abstract

(57)【要約】本方法は、多層基板（５）特にプリント回路板に微細な穴をあけるのに用いられる。この多層基板はＸＹテーブル（６）によって描画光学系（４）の下を動かされ、またこの多層基板によって光源（１）特にレーザのスポットを生じる。加工時間をこの方法によって短縮するもので、また好ましくは基板に対する材料の欠点を補償する。このために、加工位置に対応して同時に、スポットの位置を可動式のミラーの内部で変化させることと、特に干渉計（９、１１）を用いて基板位置の決定を行うことと、適切な装備をもつコンピュータシステム（１６）を用いて、基板位置に対応する信号であってかつテーブルシステムの実際位置に関する信号を処理すること、その際コンピュータシステム（１６）には、好ましくはすべての穿孔穴座標と、穿孔穴直径のような補助的情報を、特に表の形で提供することとを提案する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】パルスレーザ光、たとえば周波数逓倍Ｎｄ−ＹＡＧレーザの紫外光またはＣＯ _２レーザの赤外光を、電子プリント回路板製造用の材料に穴をあけるのに用いる
ことができる。

【０００２】使用される光源および光学系のパラメータ、たとえばレーザ出力、パルス幅、
スポットサイズは一般に知られている。現在の加工システムは基本的に、光学的
要件に対応する光学的構造の下で、加工すべき基板を位置決めするＸＹテーブル
からなる。この光学的構造は次の２つの課題を遂行する。１．基板を加工するた
め、強いパルスレーザスポットを必要とされる位置に生じさせること、２．位置
を決定するため、先行する製造ステップで設けられた指定の基板マーキングを検
出することの２つである。このステップは、電子カメラと、適切な装備をもつコ
ンピュータシステムとからなる画像処理システムが必要であり、このコンピュー
タシステムは、カメラの信号から所望の位置情報を求める。全体として、指定さ
れたマーキングに対する基板の穴の位置の精度は、テーブルシステムの位置決め
精度、光学ビーム形成システムおよび光学測定システムのスポット位置決め精度
によって決まる。現代のプリント回路板は、導体および絶縁材の複数の層からな
るが、個々の製造ステップで材料ゆがみ（Ｍａｔｅｒｉａｌｖｅｒｚｕｇｅ）が
生じ、そのため穴あけパターンを基板のそれぞれのゆがみに適合させる必要があ
る。このために、ここでもテーブルシステムおよび投射光学系には、非常に高度
な測定精度と位置決め精度が必要である。経済的な理由から、全体としても個々
の穴あけについても、加工時間をできるだけ少なく抑えることが絶対必要である
。プリント回路板の用途または技術に応じて、穴は１０分の数ｍｍから下は５０
μｍまでの直径を遵守しなければならない。レーザビームのスポット直径は、典
型的な紫外レーザ加工システムの場合約２５μｍであるが、個々の処理段階（以
下では「ショット」と呼ぶ）が順次行われることによって、それを逸脱する穴直
径を生じることは避けられない。適切に選択されたコース、多くの場合らせん形
のコースに沿って何回もショットを行う材料除去を、「ニブリング（ｎｉｂｂｌ
ｉｎｇ）」と呼ぶ。この方法は任意の穴直径を作ることができるが、非常に時間
がかかるという欠点がある。ショットあたりのエネルギー消費量は、処理される
材料に強く依存することから、処理方法を最適化することができる。レーザパル
スあたり十分なエネルギーを使用できるならば、次のような場合大きなスループ
ットの増加を得ることができる。すなわち「ニブリング」法の代わりに、適切で
より大きなスポット直径を選択し、ただ１回のショットによって、所望の穴直径
を得るに必要な材料除去を実現する場合である。ここに新たに紹介する方法の原
理は、加工に使用されるレーザビームのスポット直径を非常に短時間で変化させ
、それによって様々に異なる直径の穴の形態を１動作で作り出すことができるこ
とに基づいている。

【０００３】請求項１に記載の本発明を、下記に添付の図１〜１０を用いて、より詳細に説
明する。

【０００４】図１において、１は光源として用いられるレーザ、たとえば周波数３倍化Ｎｄ
−ＹＡＧレーザである。このレーザは、制御コンピュータ１６のスタート信号が
レーザ電子装置１８に到着するとただちに、持続期間約１０〜２０ｎｓ、エネル
ギー約１０^−４ジュールという短くて非常に強い光パルスを放射する。レーザが
放射した光２０は、可変ビーム拡幅光学系２に入射する。出力ビーム２１の直径
は、コマンドユニット１７を介して、コンピュータ１６が設定した拡幅比に従っ
て変化する（詳細は図４、５または６に）。ビーム偏向ユニット３に入射する光
は、コントロールユニット１４の制御信号に従って、２つの偏向ユニットを経由
して導かれるので（図７、８および９）、出射ビーム２２は、調節可能な入射角
度で（ＸおよびＹ方向に別々に制御可能）対物レンズ４に入射する。この対物レ
ンズは、平面波として入射する光を、加工される基板５上の光の点（以下「スポ
ット」という）として結像する。スポットが描画ウィンドウ２３より下で基板５
に当たるＸＹ位置は、対物レンズへの入射角度と対物レンズの焦点距離に依存す
る（図２）。α＜８ｍｒａｄという小さい偏向角の場合（図２の２４）、次の式
に従い、変位および描画ウィンドウとして約２〜４ｍｍを得る（図２の２５）。

【０００５】 δｘ＝α・Ｆ (１) 基板上のスポットの直径（図２の２７）は、入射するビームの直径（図２の２６
）に依存する。

【０００６】ｄ＝１．２１・λ・Ｆ／Ｄ (２) ここで δｘ＝描画ウィンドウに対するスポット位置 α＝入射角Ｆ＝対物レンズの焦点距離ｄ＝スポットの直径 λ＝使用された光の波長Ｄ＝入射ビームの直径ビーム拡幅が小さい場合は、基板上には大きいスポットが得られ、拡幅が大き
い場合は光は強く集束され、得られるスポット直径と基板の穴の直径は小さくな
る。

【０００７】加工される基板５を、ＸＹテーブル上に適切な手段によって、たとえば真空吸
引またはクランピング装置によって固定する。ＸＹテーブル上には基板と同じ高
さに、２つの干渉計ミラー、すなわちＸミラー７とＹミラー１０を置く。干渉計
測定ヘッド、すなわちＸ測定ヘッド９およびＹ測定ヘッド１１を用いて、ＸＹテ
ーブルのその時点の位置を高い解像度と速度で測定する。干渉計システムの信号
は、テーブル位置決め電子装置１３にもビーム偏向制御ユニット１４にも供給さ
れる。位置決めユニット１３は、テーブルの駆動ユニットを制御して、コンピュ
ータ１６が指定したコースまたは位置が得られるようにする。最後に画像撮影装
置と処理ユニット１５について述べる。図３の画像撮影ユニットは、一種の照明
装置つき顕微鏡に相当し、光源２９、照明光路３０、対物レンズ３１、電子カメ
ラ３２、これに前置された集光レンズ３３からなる。このカメラの信号は、ロー
カルな画像処理コンピュータ３４に導かれる。この画像撮影装置の光路は、加工
用光路と平行に配置されているので、ＸＹテーブルの移動によって、基板全体を
カメラ対物レンズ３１の下に運ぶことができ、これにより画像処理コンピュータ
を測定目的に用いることができる。

【０００８】ユニット１３〜１８は、異種バスシステム１９を介して互いに接続されている
。画像処理ユニット１５とビーム偏向制御ユニット１４には、より大きなデータ
量を交換させたいので、これらに平行するデータバスを介して中央の制御コンピ
ュータ１６と接続している。

【０００９】請求項２に記載する処理動作の手順を説明する。

【００１０】基板５はＸＹテーブル６に固定されており、穿孔穴座標が描画ウィンドウ２３
の下に位置するように、描画光学系４の下で位置決めされる。ＸＹテーブル６が
座標Ｘ_{Ｔｉｓｃｈ}，Ｙ_{Ｔｉｓｃｈ}に移動し、ビーム偏向ユニット３が対物レンズ
４とともに、式（２）に従ってスキャン領域δｘ、δｙを持つ場合、次の領域に
ある座標のすべての穴を加工することができる。

【００１１】Ｘ_{Ｔｉｓｃｈ}−δｘ＜Ｘ _{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＜Ｘ_{Ｔｉｓｃｈ}＋δｘ (３) Ｙ_{Ｔｉｓｃｈ}−δｙ＜Ｙ _{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＜Ｙ_{Ｔｉｓｃｈ}＋δｙここでＴｉｓｃｈはテーブル、Ｂｏｈｒｕｎｇは穴を表す。

【００１２】ビーム偏向ユニット３に対する制御信号は、コンピュータ１６が、穿孔穴基準
座標とテーブル座標から計算する。両者の座標数値は、干渉計の基本ユニット（
以下では「ティック（Ｔｉｃｋ）」と称する）に供給される。このティックのサ
イズは、干渉計の作動原理と使用される光の波長とに依存する。波長約λ_ＨｅＮ _ｅ ≒６３３ｎｍの光を放射する、ＨｅＮｅレーザを使用するのが典型的である。
これからたとえばティックサイズ約λ_ＨｅＮｅ／１６≒４０ｎｍのティックサイ
ズが得られる。位置決め動作の後、ＸＹテーブルは次の座標にある。

【００１３】Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ}＝Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}＋ε_ｘ (４) Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ}＝Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}＋ε_ｙここでｉｓｔは実際値、ｓｏｌｌは基準値を表す。またε_ｘおよびε_ｙは、このテーブルシステムの静的な位置誤差を表す。

【００１４】Ｘ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}−ε_ｘ (５) Ｙ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}−ε_ｙここでＡｂｌｅｎｋは偏向を表す。

【００１５】したがって計算された数値、Ｘ_{Ａｂｌｅｎｋ}およびＹ_{Ａｂｌｅｎｋ}は、このテ
ーブルシステムの位置誤差を補償する。そして次の結果が得られるがＸ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ} (６) Ｙ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ} これはまず整数値としてティックユニットに供給される。しかしビーム偏向ユニ
ットを制御するため、一般にはアナログ電圧、たとえば０〜１０ボルトのものを
必要とし、コンピュータからロードされデジタル−アナログ変換器ユニットから
この電圧を得る。このユニットの出力電圧と書き込まれる数値には固定された割
り当てがある。したがって計算されたこのビーム偏向の数値は、再スケーリング
の必要がある。このスケーリング操作には、プログラム制御されてコンピュータ
内で行われる場合、計算容量を追加する必要がある。ビーム偏向ユニットの制御
電圧とそこに生じる偏向の間の非線形的な関係が加わるならば、必要とされる計
算操作は高速のコンピュータによってのみ可能となり、これは不経済である。こ
の理由から請求項５では、偏向ユニットの制御ユニット１４内部に固定配線され
た電子装置ユニットによって、スケーリング操作を行う（図１０）。図１０は、
ビーム偏向チャンネル制御のための基本的ユニットを示し、これはＸ軸に対する
ものもＹ軸に対するものも同一に構成されている。準備動作を１回行い、そのと
きスケーリング表をメモリ７３にロードする。コンピュータはこのため所望のア
ドレスを、入力レジスタとして動作するアップ／ダウンカウンタ７２に、そして
対応するデータをアクセス制御装置７５に書き込む。この段階ではＤ／Ａ変換器
７４は停止状態となっている。スケーリング操作を実行するために、コンピュー
タは計算されたＸ_{Ａｂｌｅｎｋ}またはＹ_{Ａｂｌｅｎｋ}数値を位置カウンタに入れ
る。位置カウンタの出力はメモリ７３をアドレス指定する。メモリから読み取ら
れた数値は、デジタル／アナログ変換器７４に転送され、ビーム偏向ユニット３
の制御電圧を決定する。可能ないずれの入力数値に対しても、メモリ７３にはス
ケーリング済みの出力値がスタンバイされなければならない。式（６）から得た
偏向値の範囲は、光学的に可能な偏向範囲に限定される。メモリ７３におけるア
ドレス長さを２０ビットと想定するならば、２^２０≒１００００００の値をファ
イルすることができる。ティックのサイズが４０ｎｍの場合、約４０ｍｍの最大
偏向範囲が得られる。アドレス領域は容易に拡張できるので、１００ｍｍ以上の
作業領域が可能であるが、実際には光学領域に限られる。

【００１６】上記の方法では、テーブルシステムは１加工フィールドにつき１回位置決め動
作を行わなければならないので、大面積の基板の場合得られる処理量が少ない。
これを避けるために、このテーブルシステムを連続的に移動させることができる
が、その際、動的誤差を補償しなければならない（請求項３）。連続的にテーブ
ルを移動させるときは、同じ基板箇所を複数回加工できるように、レーザスポッ
トを基板の移動に追従させなければならない。テーブルシステムが速度ｖ_ｘおよ
びｖ_ｙで動くと、レーザビームは次の式に従って、時間に依存して偏向されなが
ら追随しなければならない。

【００１７】Ｘ_{Ａｂｌｅｎｋ}（ｔ）＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０}−
ｖ_ｘ・ｔ (７) Ｙ_{Ａｂｌｅｎｋ}（ｔ）＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０}−
ｖ_ｙ・ｔこの偏向値は、静的部分と、その時々のテーブル速度で決まる成分から構成さ
れる。この静的部分は、穿孔される穴の座標と選択可能なテーブル座標にのみ依
存する。この動作方法により、テーブル６とそれとともに基板５が、ある１つの
必ずしも一定ではない速度で、たとえばＹ軸に沿って動く。コンピュータ１６は
必要な偏向値を計算し、それを最大可能数値と比較する。この数値が十分に小さ
いならば、すなわち穿孔穴座標が加工ウィンドウに現れると、ただちに式７から
静的部分を次のように計算し、カウンタ７２にロードする。

【００１８】Ｘ_{Ｓｔａｒｔ}＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０} (８) Ｙ_{Ｓｔａｒｔ}＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０} 動的誤差ｖ・ｔは、カウンタ７２で干渉計信号をカウントすることにより補償さ
れる。テーブル速度がたとえばＹ方向に１００ｍｎ／ｓ、干渉計解像度すなわち
ティックサイズが約４０ｎｍの場合、かつ平均的時間間隔が約４００ｎｓの場合
、毎秒約２．５・１０^６のカウント信号が、干渉計１１からＹカウンタ７２に供
給される。したがってこのカウンタの出力は、Ｙ軸に対して連続して変化する偏
向値を表し、請求項５に従って再スケーリングされ、ビーム偏向ユニット３を制
御するために用いられる。両移動軸に対して同じ構造の偏向制御装置（図１０）
を備えるので、ベクトルとしての移動方向は制限されない。カウンタ７２は、Ｘ
、Ｙいずれの方向に対しても同じく、アップ／ダウンカウンタとして設計されて
いるので、動的誤差が正のものも負のものも補償することができる。したがって
テーブルシステムの移動方式は自由に選択可能であり、処理量を増加するため最
適化できる。

【００１９】本発明のこれまでの説明では、穿孔穴座標が固定された数値であることを前提
条件とした。特に多層基板は、製造中に様々な処理ステップを通過しなければな
らないので、正確さは極めて限られたものとなる。異なる層の穴の位置は上下一
致しているので、指定された位置決め公差を超えることは許されない。しかし穿
孔穴座標が固く保持されるならば、すなわちその時点で加工される基板に依存す
ることなく保持されるならば、それは可能であろう。材料挙動が完全に知られて
いて、処理段階にいかなる変動も生じないならば、穿孔穴座標を前もって修正し
ておくことも可能であろう。しかし処理パラメータと材料パラメータは変動を免
れないので、それに対応して小さい基板に対してのみ事前修正は有効である。事
前修正を行っても残留誤差は一般に基板の大きさに比例するので、この方法を大
きな基板に用いることはできない。基板のゆがみを動的に修正することにより（
請求項４）、このような制約を克服できる。この新しい方法の最初の段階は基板
の測定である。この基板には、その基準座標がわかるようなマーキング、すなわ
ちアライメントマークが施してなければならない。このマーキングはたとえば先
行する加工段階で施しておき、場合によってはカメラシステム１５によって光学
的に測定できるよう露出させなければならない。利用できるマーキングの個数に
応じて、様々な誤差またはゆがみを検出し、補償することができる。基板の測定
はまず、テーブル座標系に対するマーキングの絶対座標を決定することを意味す
る。このため、このアライメントマークがカメラシステム１５の視野に現れるよ
うに、テーブル６は基板５を位置決めする。付属する画像処理コンピュータは、
視野の中心の座標を求める。絶対座標は、ディスプレイ座標すなわちスケーリン
グされた像点間隔と、干渉計測定ヘッド９および１１で測定されたテーブル座標
との加算によって得られる。１つのマーキングを測定すれば、使用されたテーブ
ル座標系を変位させて、この座標系を基板上の考えられた座標系と合致させるこ
とが可能となる。しかしこの合致は、基板のゆがみのため、測定されたただ１つ
のマーキングに対してのみ得られる。もう１つのマーキングを測定して、基準位
置と比較すれば、テーブルの移動方向に対して可能な次のような基板のねじれと
、 φ＝（Ｙ_{ｉｓｔＭａｒｋ１}−Ｙ_{ｉｓｔＭａｒｋ２}）／（Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ１} −Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ２}）(９) １つの軸における次のような長手方向ゆがみが検出される。 ζｘ＝（Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ１}−Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ２}）／（Ｘ_{ｓｏｌｌＭａｒ} _ｋ１ −Ｘ_{ｓｏｌｌＭａｒｋ２}） (１０) 式９および１０においては、２つのマーキングが同じ高さすなわち同じＹ座標に
、かつ基板の左右の周縁にあることを前提としている。これは一般的な場合とし
てそうである必要はなく、またそのためこの方法が変更されるものではないが、
オフセットが知られているのであれば、それをこれらＸ方向およびＹ方向におい
て式中に考慮しなければならない。さらにアライメントマークを利用できるなら
ば、それを測定して、式１０と同様にしてＹ方向における長手方向ゆがみを求め
るのに用いる。または平均値を求めて測定精度を改善するのに用いる。最初の段
階、すなわち重ね合わせ誤差（Ａｕｆｌａｇｅｆｅｈｌｅｒ）のパラメータ化と
基板ゆがみの測定が終了した後、これら影響の補償が加工動作中に行われる。こ
の場合、特に複数チップ（Ｎｕｔｚ）を含む基板に対しては、全般的な重ね合わ
せ誤差と局部的な誤差を、すなわち各チップごとに別々に決定可能なパラメータ
を区別する。全般的な重ね合わせ誤差は、テーブル座標系の並進移動と回転によ
って補償される。局部的なゆがみの影響、および基板全体に対して生じることが
ある個別のチップの回転または並進移動を補償するため、いずれのチップに対し
ても別々に穿孔穴座標を変換しなければならない。

【００２０】Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＝Ｇ_ｘｘ・Ｘ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ_ｘｙ・Ｙ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ _ｘｚＹ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＝Ｇ_ｙｘ・Ｘ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ_ｙｙ・Ｙ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ _ｙｚ (１１) ここでＤｅｓｉｇｎは「設計」を表す。変換パラメータＧ_ｉｊの数値は、測定されたゆがみパラメータから計算される。

【００２１】請求項４に記載する本方法の要点は、関連するゆがみパラメータすべてを把握
後、理想的な設計座標の中にある穿孔穴座標を、加工段階の間に実際のテーブル
座標系に変換し、その際１つの基板上の複数チップに対するパラメータの変動を
考慮し、それにより記憶場所のための費用と、そこに生じる計算操作、比較操作
を最小限に抑えることである。

【００２２】本発明による装置の経済的運用を可能にするためには、処理量を最大としなけ
ればならない。すなわち１つの穴あたりの加工時間を最小限にしたい。穴をあけ
るのに必要な材料除去は、基板表面におけるエネルギー密度に依存する。レーザ
が比較的弱いとき、相応の材料除去を達成するため、レーザビームを強く集束し
なければならない。ただしこの場合、レーザを１回作動しただけでは、穴の直径
が設計上求められる穴直径より小さくなる。複数の加工段階で構成すると非常に
多くの時間を要するが、スポット直径を穴直径に適合できる場合はこれを避ける
ことができる。請求項６および７に記載する発明は、ビーム拡幅を調節すること
により、スポットサイズを迅速に調節できる。図４に、ビーム直径を段階的に調
節するための配置の原理的構成を示した（請求項６）。この配置は対になって配
置された拡幅レンズからなり、レンズの間隔はその焦点距離の合計に相当し、特
に平行する光束は次のような固定された拡幅を受ける。

【００２３】Ｆ１／Ｆ２＝Ｄ１／Ｄ２ (１２) ここで、Ｆ１＝入力レンズの焦点距離Ｆ２＝出力レンズの焦点距離Ｄ１＝入力におけるビーム直径Ｄ２＝出力におけるビーム直径光路の切り替えによって複数の固定された拡幅を選択できる。切り替えは検流
計ミラー３５および３６によって行う。拡幅レンズ対の平行取り付けを可能にす
るには、補助ミラーが必要である。無段階の拡幅変化を可能にするため、もう１
つの光学システムを用いる（図５）。このシステムは、２つのアクティブなミラ
ーエレメント４１および４２からなる。入射する平行光線は、凸面鏡４２で反射
した後拡散する。凹面鏡４１で反射した後、この光はふたたび下記の条件で平行
となる。

【００２４】ａ＝ｆ３＋ｆ４ (１３) ここでａ＝ミラーの間隔ｆ３＝凹面鏡の焦点距離ｆ４＝凸面鏡の焦点距離Ｄ３＝ミラーより前におけるビーム直径Ｄ４＝可変拡幅後のビーム直径この配置の前後のビーム直径比については、（１２）同様次の式が成立する。

【００２５】ｆ３／ｆ４＝Ｄ３／Ｄ４ (１４) 適切な入射角を選択することにより、レーザビームをミラー対で複数回反射さ
せることができる。ビーム直径は、いずれの通過の際も式（１４）に従って拡幅
されるので、レーザビームに対する全体的作用は増加する。総拡幅は次により得
られる。Ｄ_ａｕｓ＝Ｄ_ｅｉｎ・（ｆ３／ｆ４）^Ｎ (１５) ここでＤ_ａｕｓ＝可変拡幅後のビーム直径Ｄ_ｅｉｎ＝可変拡幅前のビーム直径Ｎ＝反射の回数

【００２６】たとえばＮ＝８を達成する場合、総拡幅として係数２を得るには、拡幅約１０
％、すなわちＤ３／Ｄ４＝ｆ３／ｆ４≒１．１で十分である。請求項６、図４に
記載するような冪数２に段階付けされたビーム拡幅と組み合わせて、ビーム直径
と基板上スポットサイズの無段階選択が可能である。切り替え、すなわちビーム
直径の調節は、一方では図４に記載する配置において、検流計回転ミラーに対す
る制御信号を変化させて行い、レーザビームはもう１つのレンズ対を経由して導
かれる。他方ではそれと平行して、アクティブなミラー対の制御電圧を変化させ
る（図５）。

【００２７】アクティブなミラー対の焦点距離は、加えられた電圧と、いくつかの材料係数
および選択された運転条件に依存する。安定していて特に再現可能な動作形態を
維持するため、本発明では１つの制御回路がアクティブなミラーの制御電圧を制
御する（請求項８）。図６は、アクティブなミラーによるビーム拡幅測定に使用
される光路を示す。光源たとえば半導体レーザ４３を出発し、ピンホール４４、
コリメータレンズ４５、円形絞り４６により、平行な光束が生成される。この光
束は、ビームスプリッタ４７によって、基準ビームと測定ビームに分割される。
測定ビームはミラー４７によって、出力ビームと平行に、アクティブなミラー４
１と４２を経由して導かれる。このビームは、出口で２つの補助ミラー４９およ
び５０によって送り返されるので、このミラー配置を２回通過する。これらのア
クティブなミラーが正しく制御されているならば、測定ビームは入射軸と平行に
、かつ規定された間隔だけオフセットされて、これらのミラーを離れる。これら
２つのパラメータは、２つのセンサに測定ビームと基準ビームが結像することに
より検知される。ビームスプリッタ５２によって両者のビームは分割される。両
者のビームはまず、補助ミラー５１およびコリメータレンズ５３を経由して、ラ
インセンサ５７に点として結像する。測定ビームが基準ビームに平行でなくなっ
たら、ラインセンサ上の２つの像点は合致しなくなる。ビームスプリッタ５２に
よって分離された各ビームは半円形の絞り５４を照明する。この絞りは、レンズ
５５によってもう１つのラインセンサ５６に結像する。このセンサの出力信号の
プロフィールから、測定ビームと基準ビームの平行オフセットを決定できる。こ
の測定信号を準備し、実際値信号としてコンピュータ５８で用いる。この実際値
信号を用いて、求められた基準値に対応する信号を制御電子装置のために計算す
る。

【００２８】本発明の説明の最後にビーム偏向ユニットについて述べたい。請求項２および
３に記載の発明は、迅速で正確なビーム偏向を必要とする。そのためには下記の
方法が適当である。

【００２９】本発明に必要なビーム偏向を行うには、拡幅されたレーザビームを、互いに垂
直に配置された２つの検流計ミラー（請求項９）を経由して導く（図９）。この
ミラー位置を再現する実際値信号は、偏向制御ユニット１４で用いられ、検流計
駆動装置６８または７０によりミラー６９および７１の向きを調節して、請求項
２の静的位置誤差が補償されるか、またはミラーに追跡させて、請求項３の動的
位置誤差が消えるようにする。この検流計ミラーは大きな偏向範囲を許容するが
、その構造上の理由から描画対物レンズ４まで長い間隔を必要とする。小さい偏
向角度で動作できる場合には、請求項１０のピエゾミラーがビーム偏向に適して
いる（図７）。圧電駆動装置６０または６２は、必要なビーム偏向を得るため、
スキャンミラー６１または６３を傾ける。２軸ピエゾミラーを使用する場合、理
想的なテレセントリック光路を実現できる。

【００３０】ピエゾミラーだけでも位置決めは明らかに早くなるが、求められる基準位置の
コンピュータ出力と、ミラーのそれに対応する実際位置到達との間に明らかなタ
イムラグが生じる。音響工学的デフレクタがビーム偏向を生じるならば、位置決
め時間は明らかに短くなる（請求項１１、図８）。この偏向を行うには、結晶６
４または６６内で音波により回折格子を生成する。偏向角は回折格子の空間的密
度に比例し、したがって制御信号の周波数変化（約１００〜２００ＭＨｚ）によ
って無段階で調節できる。この制御信号はトランスデューサ６５または６７を介
して供給される。この方法の場合、時間的制約となるのは、結晶の充時間（約３
０μｓ、ただし結晶の大きさ約２０ｍｍ、典型的な音速約６００ｍ／ｓの場合）
だけなので、この装置は迅速で精密なビーム偏向を得るのに最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の一実施形態を示す図である。

【図２】光路の概略図である。

【図３】画像処理ユニットの概略図である。

【図４】検流計ミラーを使用する、図１の装置に用いられている制御可能なビーム拡幅
の原理図である。

【図５】アクティブなミラーエレメントに基づく無段階調節可能なビーム拡幅の原理図
である。

【図６】アクティブなミラーを用いてビーム拡幅を測定、制御するための光路での原理
図である。

【図７】圧電駆動式で調節可能なミラーを使用する、図１の装置に用いられる可変なビ
ーム位置決めの原理図である。（ピエゾスキャナをベースとする偏向ユニット）

【図８】音響光学的デフレクタを使用する、図１の装置に用いられる可変なビーム位置
決めの原理図である。（音響光学的デフレクタをベースとする偏向ユニット）

【図９】検流計駆動による調節可能なミラーを使用する、図１の装置に用いられる可変
なビーム位置決めの原理図である。（検流計スキャナをベースとする偏向ユニッ
ト）

【図１０】偏向ユニットの制御の原理図である。

【符号の説明】

１レーザ光源２可変的なビーム拡幅装置３偏向ユニット４対物レンズ５基板６ＸＹテーブル７Ｘ干渉計ミラー８Ｘ方向の駆動ユニット９Ｘ干渉計１０Ｙ干渉計ミラー１１Ｙ干渉計１２Ｙ方向の駆動ユニット１３ＸＹテーブル制御装置１４偏向ユニットの制御装置１５対物レンズと照明装置を備える電子カメラ１６コンピュータ１７可変的ビーム拡幅装置のための制御装置１８レーザ制御装置１９ヘテロジニアスなシステムバス２０レーザの出力ビーム２１可変的拡幅後のビーム２２スキャン機能ビーム２３対物レンズの主平面２４入射角２５変位２６入射ビームの直径２７スポットサイズ２８対物レンズの焦点距離２９光源３０照明光路３１対物レンズ３２電子カメラ３３集光レンズ３４画像処理コンピュータ３５入力検流計回転ミラー３６出力検流計回転ミラー３７補助ミラーＥ３８補助ミラーＡ３９拡幅レンズＥ４０拡幅レンズＡ４１アクティブな凹面鏡４２アクティブな凸面鏡４３光源、たとえば半導体レーザ４４ピンホール４５コリメータレンズ１４６円形絞り４７ビームスプリッタ３０％４８４５°ミラー１４９４５°ミラー２５０４５°ミラー３５１４５°ミラー４５２ビームスプリッタ５０％５３コリメータレンズ２５４半円形絞り５５結像レンズ５６位置決め検出器１、たとえばＣＣＤ列５７位置決め検出器２、たとえばＣＣＤ列５８測定電子装置＆コンピュータ５９アクティブなミラーのための制御電子装置６０Ｘ軸用ピエゾスキャナ６１スキャンミラーＸ６２Ｙ軸用ピエゾスキャナ６３スキャンミラーＹ６４Ｘ偏向用ＡＯＤ結晶６５音波の入射面６６Ｙ偏向用ＡＯＤ結晶６７音波の入射面６８Ｘ軸用検流計スキャナ６９スキャンミラー７０Ｙ軸用検流計スキャナ７１スキャンミラー７２ロード可能なアップ／ダウンカウンタ７３メモリ７４デジタル／アナログ変換器７５アクセス制御装置７６偏向ユニットの基準値電圧７７干渉計信号７８アドレスバス７９データバス

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年１０月４日（２００１．１０．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の名称】微細な穴をあける方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の微細な穴をあける方法と、さらに
は請求項１２のプレアンブルに記載の微細な穴をあける装置とに関する。

【０００２】ＥＰ−Ａ−０８８４１２８からは、前記の種類の微細な穴をあける方法と装置
が知られている。この場合ＸＹテーブルの上に基板が配置されて、このテーブル
は、ＸおよびＹ座標に沿って所望の加工位置に位置決め可能であり、その際コン
ピュータシステムを用いて、あけるべき穴の穿孔位置の穿孔座標と、穿孔穴直径
といった補助的情報が提供される。在来型のＣＯ_２レーザを用いて直径５０μｍ
以下の穴をあけることができるように、この場合テルル結晶を用いて、レーザビ
ームをより短い波長のビームに変換する。ビーム直径またはスポット直径を変化
させることは意図されていない。それだけでなく、より大きな穴直径を得るため
にレーザ出力を上げるとき、レーザビームが集束する結果、円筒形の穿孔穴の代
わりに、その穴を円錐形に拡幅したものが生じるという問題がある。

【０００３】さらにＵＳ−Ａ−５６９０８４６からは、基板を加工する次のような方法と装
置が知られている。すなわち、基板のゆがみおよび／または誤った位置合わせに
よる誤差を、特別なコンピュータ手順により補償しようというものである。スポ
ット直径の調節についての事項は記載されていない。

【０００４】本発明の課題は、前記の種類の方法と装置を発展させて、様々に異なる直径の
穿孔穴を、迅速かつ信頼性を持ってあけることができるようにすることである。

【０００５】パルスレーザ光、たとえば周波数逓倍Ｎｄ−ＹＡＧレーザの紫外光またはＣＯ _２レーザの赤外光を、電子プリント回路板製造用の材料に穴をあけるのに用いる
ことができる。使用される光源および光学系のパラメータ、たとえばレーザ出力
、パルス幅、スポットサイズは一般に知られている。現在の加工システムは基本
的に、光学的要件に対応する光学的構造の下で、加工すべき基板を位置決めする
ＸＹテーブルからなる。この光学的構造は次の２つの課題を遂行する。１．基板
を加工するため、強いパルスレーザスポットを必要とされる位置に生じさせるこ
と、２．位置を決定するため、先行する製造ステップで設けられた指定の基板マ
ーキングを検出することの２つである。このステップは、電子カメラと、適切な
装備をもつコンピュータシステムとからなる画像処理システムが必要であり、こ
のコンピュータシステムはカメラの信号から所望の位置情報を求める。全体とし
て、指定されたマーキングに対する基板の穴の位置の精度は、テーブルシステム
の位置決め精度、光学的ビーム形成システムおよび光学的測定システムのスポッ
ト位置決め精度によって決まる。現代のプリント回路板は導体および絶縁材の複
数の層からなるが、個々の製造ステップで材料ゆがみ（Ｍａｔｅｒｉａｌｖｅｒ
ｚｕｇｅ）が生じ、そのため穴あけパターンを基板のそれぞれのゆがみに適合さ
せる必要がある。このために、ここでもテーブルシステムおよび投射光学系には
、非常に高度な測定精度と位置決め精度が必要である。経済的な理由から、全体
としても個々の穴あけについても、加工時間をできるだけ少なく抑えることが絶
対必要である。プリント回路板の用途または技術に応じて、穴は１０分の数ｍｍ
から下は５０μｍまでの直径を遵守しなければならない。レーザビームのスポッ
ト直径は、典型的な紫外レーザ加工システムの場合約２５μｍであるが、個々の
処理段階（以下では「ショット」と呼ぶ）が順次行われることによって、それを
逸脱する穴直径を生じることは避けられない。適切に選択されたコース、多くの
場合らせん形のコースに沿って何回もショットを行う材料除去を、「ニブリング
（ｎｉｂｂｌｉｎｇ）」と呼ぶ。この方法は任意の穴直径を作ることができるが
、非常に時間がかかるという欠点がある。ショットあたりのエネルギー消費量は
処理される材料に強く依存することから、処理方法を最適化することができる。
レーザパルスあたり十分なエネルギーを使用できるならば、次のような場合大き
なスループットの増加を得ることができる。すなわち「ニブリング」法の代わり
に、適切でより大きなスポット直径を選択し、ただ１回のショットによって、所
望の穴直径を得るに必要な材料除去を実現する場合である。ここに新たに紹介す
る方法の原理は、加工に使用されるレーザビームのスポット直径を非常に短時間
で変化させ、それによって様々に異なる直径の穴の形態を１動作で作り出すこと
ができることに基づいている。

【０００６】請求項１に記載の本発明を、下記に添付の図１〜１０を用いて、より詳細に説
明する。

【０００７】図１において、１は光源として用いられるレーザ、たとえば周波数３倍化Ｎｄ
−ＹＡＧレーザである。このレーザは、制御コンピュータ１６のスタート信号が
レーザ電子装置１８に到着するとただちに、持続期間約１０〜２０ｎｓ、エネル
ギー約１０^−４ジュールという短くて非常に強い光パルスを放射する。レーザが
放射した光２０は、可変ビーム拡幅光学系２に入射する。出力ビーム２１の直径
は、コマンドユニット１７を介して、コンピュータ１６が設定した拡幅比に従っ
て変化する（詳細は図４、５または６に）。ビーム偏向ユニット３に入射する光
は、コントロールユニット１４の制御信号に従って、２つの偏向ユニットを経由
して導かれるので（図７、８および９）、出射ビーム２２は、調節可能な入射角
度で（ＸおよびＹ方向に別々に制御可能）対物レンズ４に入射する。この対物レ
ンズは、平面波として入射する光を、加工される基板５上の光の点（以下「スポ
ット」という）として結像する。スポットが描画ウィンドウ２３より下で基板５
に当たるＸＹ位置は、対物レンズへの入射角度と対物レンズの焦点距離に依存す
る（図２）。α＜８ｍｒａｄという小さい偏向角の場合（図２の２４）、次の式
に従い、変位および描画ウィンドウとして約２〜４ｍｍを得る（図２の２５）。

【０００８】 δｘ＝α・Ｆ (１) 基板上のスポットの直径（図２の２７）は、入射するビームの直径（図２の２６
）に依存する。

【０００９】ｄ＝１．２１・λ・Ｆ／Ｄ (２) ここで δｘ＝描画ウィンドウに対するスポット位置 α＝入射角Ｆ＝対物レンズの焦点距離ｄ＝スポットの直径 λ＝使用された光の波長Ｄ＝入射ビームの直径ビーム拡幅が小さい場合は、基板上には大きいスポットが得られ、拡幅が大き
い場合は光は強く集束され、得られるスポット直径と基板の穴の直径は小さくな
る。

【００１０】加工される基板５を、ＸＹテーブル上に適切な手段によって、たとえば真空吸
引またはクランピング装置によって固定する。ＸＹテーブル上には基板と同じ高
さに、２つの干渉計ミラー、すなわちＸミラー７とＹミラー１０を置く。干渉計
測定ヘッド、すなわちＸ測定ヘッド９およびＹ測定ヘッド１１を用いて、ＸＹテ
ーブルのその時点の位置を高い解像度と速度で測定する。干渉計システムの信号
は、テーブル位置決め電子装置１３にもビーム偏向制御ユニット１４にも供給さ
れる。位置決めユニット１３は、テーブルの駆動ユニットを制御して、コンピュ
ータ１６が指定したコースまたは位置が得られるようにする。最後に画像撮影装
置と処理ユニット１５について述べる。図３の画像撮影ユニットは、一種の照明
装置つき顕微鏡に相当し、光源２９、照明光路３０、対物レンズ３１、電子カメ
ラ３２、これに前置された集光レンズ３３からなる。このカメラの信号は、ロー
カルな画像処理コンピュータ３４に導かれる。この画像撮影装置の光路は、加工
用光路と平行に配置されているので、ＸＹテーブルの移動によって、基板全体を
カメラ対物レンズ３１の下に運ぶことができ、これにより画像処理コンピュータ
を測定目的に用いることができる。

【００１１】ユニット１３〜１８は、異種バスシステム１９を介して互いに接続されている
。画像処理ユニット１５とビーム偏向制御ユニット１４には、より大きなデータ
量を交換させたいので、これらに平行するデータバスを介して中央の制御コンピ
ュータ１６と接続している。

【００１２】請求項２に記載する処理動作の手順を説明する。

【００１３】基板５はＸＹテーブル６に固定されており、穿孔穴座標が描画ウィンドウ２３
の下に位置するように、描画光学系４の下で位置決めされる。ＸＹテーブル６が
座標Ｘ_{Ｔｉｓｃｈ}，Ｙ_{Ｔｉｓｃｈ}に移動し、ビーム偏向ユニット３が対物レンズ
４とともに、式（２）に従ってスキャン領域δｘ、δｙを持つ場合、次の領域に
ある座標のすべての穴を加工することができる。

【００１４】Ｘ_{Ｔｉｓｃｈ}−δｘ＜Ｘ _{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＜Ｘ_{Ｔｉｓｃｈ}＋δｘ (３) Ｙ_{Ｔｉｓｃｈ}−δｙ＜Ｙ _{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＜Ｙ_{Ｔｉｓｃｈ}＋δｙここでＴｉｓｃｈはテーブル、Ｂｏｈｒｕｎｇは穴を表す。

【００１５】ビーム偏向ユニット３に対する制御信号は、コンピュータ１６が、穿孔穴基準
座標とテーブル座標から計算する。両者の座標数値は、干渉計の基本ユニット（
以下では「ティック（Ｔｉｃｋ）」と称する）に供給される。このティックのサ
イズは、干渉計の作動原理と使用される光の波長とに依存する。波長約λ_ＨｅＮ _ｅ ≒６３３ｎｍの光を放射する、ＨｅＮｅレーザを使用するのが典型的である。
これからたとえばティックサイズ約λ_ＨｅＮｅ／１６≒４０ｎｍのティックサイ
ズが得られる。位置決め動作の後、ＸＹテーブルは次の座標にある。

【００１６】Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ}＝Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}＋ε_ｘ (４) Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ}＝Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}＋ε_ｙここでｉｓｔは実際値、ｓｏｌｌは基準値を表す。またε_ｘおよびε_ｙは、このテーブルシステムの静的な位置誤差を表す。

【００１７】Ｘ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}−ε_ｘ (５) Ｙ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}−ε_ｙここでＡｂｌｅｎｋは偏向を表す。

【００１８】したがって計算された数値、Ｘ_{Ａｂｌｅｎｋ}およびＹ_{Ａｂｌｅｎｋ}は、このテ
ーブルシステムの位置誤差を補償する。そして次の結果が得られるがＸ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ} (６) Ｙ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ} これはまず整数値としてティックユニットに供給される。しかしビーム偏向ユニ
ットを制御するため、一般にはアナログ電圧、たとえば０〜１０ボルトのものを
必要とし、コンピュータからロードされデジタル−アナログ変換器ユニットから
この電圧を得る。このユニットの出力電圧と書き込まれる数値には固定された割
り当てがある。したがって計算されたこのビーム偏向の数値は、再スケーリング
の必要がある。このスケーリング操作には、プログラム制御されてコンピュータ
内で行われる場合、計算容量を追加する必要がある。ビーム偏向ユニットの制御
電圧とそこに生じる偏向の間の非線形的な関係が加わるならば、必要とされる計
算操作は高速のコンピュータによってのみ可能となり、これは不経済である。こ
の理由から請求項５では、偏向ユニットの制御ユニット１４内部に固定配線され
た電子装置ユニットによって、スケーリング操作を行う（図１０）。図１０は、
ビーム偏向チャンネル制御のための基本的ユニットを示し、これはＸ軸に対する
ものもＹ軸に対するものも同一に構成されている。準備動作を１回行い、そのと
きスケーリング表をメモリ７３にロードする。コンピュータはこのため所望のア
ドレスを、入力レジスタとして動作するアップ／ダウンカウンタ７２に、そして
対応するデータをアクセス制御装置７５に書き込む。この段階ではＤ／Ａ変換器
７４は停止状態となっている。スケーリング操作を実行するために、コンピュー
タは計算されたＸ_{Ａｂｌｅｎｋ}またはＹ_{Ａｂｌｅｎｋ}数値を位置カウンタに入れ
る。位置カウンタの出力はメモリ７３をアドレス指定する。メモリから読み取ら
れた数値は、デジタル／アナログ変換器７４に転送され、ビーム偏向ユニット３
の制御電圧を決定する。可能ないずれの入力数値に対しても、メモリ７３にはス
ケーリング済みの出力値がスタンバイされなければならない。式（６）から得た
偏向値の範囲は、光学的に可能な偏向範囲に限定される。メモリ７３におけるア
ドレス長さを２０ビットと想定するならば、２^２０≒１００００００の値をファ
イルすることができる。ティックのサイズが４０ｎｍの場合、約４０ｍｍの最大
偏向範囲が得られる。アドレス領域は容易に拡張できるので、１００ｍｍ以上の
作業領域が可能であるが、実際には光学領域に限られる。

【００１９】上記の方法では、テーブルシステムは１加工フィールドにつき１回位置決め動
作を行わなければならないので、大面積の基板の場合得られる処理量が少ない。
これを避けるために、このテーブルシステムを連続的に移動させることができる
が、その際、動的誤差を補償しなければならない（請求項３）。連続的にテーブ
ルを移動させるときは、同じ基板箇所を複数回加工できるように、レーザスポッ
トを基板の移動に追従させなければならない。テーブルシステムが速度ｖ_ｘおよ
びｖ_ｙで動くと、レーザビームは次の式に従って、時間に依存して偏向されなが
ら追随しなければならない。

【００２０】Ｘ_{Ａｂｌｅｎｋ}（ｔ）＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０}−
ｖ_ｘ・ｔ (７) Ｙ_{Ａｂｌｅｎｋ}（ｔ）＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０}−
ｖ_ｙ・ｔこの偏向値は、静的部分と、その時々のテーブル速度で決まる成分から構成さ
れる。この静的部分は、穿孔される穴の座標と選択可能なテーブル座標にのみ依
存する。この動作方法により、テーブル６とそれとともに基板５が、ある１つの
必ずしも一定ではない速度で、たとえばＹ軸に沿って動く。コンピュータ１６は
必要な偏向値を計算し、それを最大可能数値と比較する。この数値が十分に小さ
いならば、すなわち穿孔穴座標が加工ウィンドウに現れると、ただちに式７から
静的部分を次のように計算し、カウンタ７２にロードする。

【００２１】Ｘ_{Ｓｔａｒｔ}＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０} (８) Ｙ_{Ｓｔａｒｔ}＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０} 動的誤差ｖ・ｔは、カウンタ７２で干渉計信号をカウントすることにより補償さ
れる。テーブル速度がたとえばＹ方向に１００ｍｎ／ｓ、干渉計解像度すなわち
ティックサイズが約４０ｎｍの場合、かつ平均的時間間隔が約４００ｎｓの場合
、毎秒約２．５・１０^６のカウント信号が、干渉計１１からＹカウンタ７２に供
給される。したがってこのカウンタの出力は、Ｙ軸に対して連続して変化する偏
向値を表し、請求項５に従って再スケーリングされ、ビーム偏向ユニット３を制
御するために用いられる。両移動軸に対して同じ構造の偏向制御装置（図１０）
を備えるので、ベクトルとしての移動方向は制限されない。カウンタ７２は、Ｘ
、Ｙいずれの方向に対しても同じく、アップ／ダウンカウンタとして設計されて
いるので、動的誤差が正のものも負のものも補償することができる。したがって
テーブルシステムの移動方式は自由に選択可能であり、処理量を増加するため最
適化できる。

【００２２】本発明のこれまでの説明では、穿孔穴座標が固定された数値であることを前提
条件とした。特に多層基板は、製造中に様々な処理ステップを通過しなければな
らないので、正確さは極めて限られたものとなる。異なる層の穴の位置は上下一
致しているので、指定された位置決め公差を超えることは許されない。しかし穿
孔穴座標が固く保持されるならば、すなわちその時点で加工される基板に依存す
ることなく保持されるならば、それは可能であろう。材料挙動が完全に知られて
いて、処理段階にいかなる変動も生じないならば、穿孔穴座標を前もって修正し
ておくことも可能であろう。しかし処理パラメータと材料パラメータは変動を免
れないので、それに対応して小さい基板に対してのみ事前修正は有効である。事
前修正を行っても残留誤差は一般に基板の大きさに比例するので、この方法を大
きな基板に用いることはできない。基板のゆがみを動的に修正することにより（
請求項４）、このような制約を克服できる。この新しい方法の最初の段階は基板
の測定である。この基板には、その基準座標がわかるようなマーキング、すなわ
ちアライメントマークが施してなければならない。このマーキングはたとえば先
行する加工段階で施しておき、場合によってはカメラシステム１５によって光学
的に測定できるよう露出させなければならない。利用できるマーキングの個数に
応じて、様々な誤差またはゆがみを検出し、補償することができる。基板の測定
はまず、テーブル座標系に対するマーキングの絶対座標を決定することを意味す
る。このため、このアライメントマークがカメラシステム１５の視野に現れるよ
うに、テーブル６は基板５を位置決めする。付属する画像処理コンピュータは、
視野の中心の座標を求める。絶対座標は、ディスプレイ座標すなわちスケーリン
グされた像点間隔と、干渉計測定ヘッド９および１１で測定されたテーブル座標
との加算によって得られる。１つのマーキングを測定すれば、使用されたテーブ
ル座標系を変位させて、この座標系を基板上の考えられた座標系と合致させるこ
とが可能となる。しかしこの合致は、基板のゆがみのため、測定されたただ１つ
のマーキングに対してのみ得られる。もう１つのマーキングを測定して、基準位
置と比較すれば、テーブルの移動方向に対して可能な次のような基板のねじれと
、 φ＝（Ｙ_{ｉｓｔＭａｒｋ１}−Ｙ_{ｉｓｔＭａｒｋ２}）／（Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ１} −Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ２}）(９) １つの軸における次のような長手方向ゆがみが検出される。 ζｘ＝（Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ１}−Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ２}）／（Ｘ_{ｓｏｌｌＭａｒ} _ｋ１ −Ｘ_{ｓｏｌｌＭａｒｋ２}） (１０) 式９および１０においては、２つのマーキングが同じ高さすなわち同じＹ座標に
、かつ基板の左右の周縁にあることを前提としている。これは一般的な場合とし
てそうである必要はなく、またそのためこの方法が変更されるものではないが、
オフセットが知られているのであれば、それをこれらＸ方向およびＹ方向におい
て式中に考慮しなければならない。さらにアライメントマークを利用できるなら
ば、それを測定して、式１０と同様にしてＹ方向における長手方向ゆがみを求め
るのに用いる。または平均値を求めて測定精度を改善するのに用いる。最初の段
階、すなわち重ね合わせ誤差（Ａｕｆｌａｇｅｆｅｈｌｅｒ）のパラメータ化と
基板ゆがみの測定が終了した後、これら影響の補償が加工動作中に行われる。こ
の場合、特に複数チップ（Ｎｕｔｚ）を含む基板に対しては、全般的な重ね合わ
せ誤差と局部的な誤差を、すなわち各チップごとに別々に決定可能なパラメータ
を区別する。全般的な重ね合わせ誤差は、テーブル座標系の並進移動と回転によ
って補償される。局部的なゆがみの影響、および基板全体に対して生じることが
ある個別のチップの回転または並進移動を補償するため、いずれのチップに対し
ても別々に穿孔穴座標を変換しなければならない。

【００２３】Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＝Ｇ_ｘｘ・Ｘ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ_ｘｙ・Ｙ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ _ｘｚＹ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＝Ｇ_ｙｘ・Ｘ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ_ｙｙ・Ｙ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ _ｙｚ (１１) ここでＤｅｓｉｇｎは「設計」を表す。変換パラメータＧ_ｉｊの数値は、測定されたゆがみパラメータから計算される。

【００２４】請求項４に記載する本方法の要点は、関連するゆがみパラメータすべてを把握
後、理想的な設計座標の中にある穿孔穴座標を、加工段階の間に実際のテーブル
座標系に変換し、その際１つの基板上の複数チップに対するパラメータの変動を
考慮し、それにより記憶場所のための費用と、そこに生じる計算操作、比較操作
を最小限に抑えることである。

【００２５】本発明による装置の経済的運用を可能にするためには、処理量を最大としなけ
ればならない。すなわち１つの穴あたりの加工時間を最小限にしたい。穴をあけ
るのに必要な材料除去は、基板表面におけるエネルギー密度に依存する。レーザ
が比較的弱いとき、相応の材料除去を達成するため、レーザビームを強く集束し
なければならない。ただしこの場合、レーザを１回作動しただけでは、穴の直径
が設計上求められる穴直径より小さくなる。複数の加工段階で構成すると非常に
多くの時間を要するが、スポット直径を穴直径に適合できる場合はこれを避ける
ことができる。請求項６および７に記載する発明は、ビーム拡幅を調節すること
により、スポットサイズを迅速に調節できる。図４に、ビーム直径を段階的に調
節するための配置の原理的構成を示した（請求項６）。この配置は対になって配
置された拡幅レンズからなり、レンズの間隔はその焦点距離の合計に相当し、特
に平行する光束は次のような固定された拡幅を受ける。

【００２６】Ｆ１／Ｆ２＝Ｄ１／Ｄ２ (１２) ここで、Ｆ１＝入力レンズの焦点距離Ｆ２＝出力レンズの焦点距離Ｄ１＝入力におけるビーム直径Ｄ２＝出力におけるビーム直径光路の切り替えによって複数の固定された拡幅を選択できる。切り替えは検流
計ミラー３５および３６によって行う。拡幅レンズ対の平行取り付けを可能にす
るには、補助ミラーが必要である。無段階の拡幅変化を可能にするため、もう１
つの光学システムを用いる（図５）。このシステムは、２つのアクティブなミラ
ーエレメント４１および４２からなる。入射する平行光線は、凸面鏡４２で反射
した後拡散する。凹面鏡４１で反射した後、この光はふたたび下記の条件で平行
となる。

【００２７】ａ＝ｆ３＋ｆ４ (１３) ここでａ＝ミラーの間隔ｆ３＝凹面鏡の焦点距離ｆ４＝凸面鏡の焦点距離Ｄ３＝ミラーより前におけるビーム直径Ｄ４＝可変拡幅後のビーム直径この配置の前後のビーム直径比については、（１２）同様次の式が成立する。

【００２８】ｆ３／ｆ４＝Ｄ３／Ｄ４ (１４) 適切な入射角を選択することにより、レーザビームをミラー対で複数回反射さ
せることができる。ビーム直径は、いずれの通過の際も式（１４）に従って拡幅
されるので、レーザビームに対する全体的作用は増加する。総拡幅は次により得
られる。Ｄ_ａｕｓ＝Ｄ_ｅｉｎ・（ｆ３／ｆ４）^Ｎ (１５) ここでＤ_ａｕｓ＝可変拡幅後のビーム直径Ｄ_ｅｉｎ＝可変拡幅前のビーム直径Ｎ＝反射の回数

【００２９】たとえばＮ＝８を達成する場合、総拡幅として係数２を得るには、拡幅約１０
％、すなわちＤ３／Ｄ４＝ｆ３／ｆ４≒１．１で十分である。請求項６、図４に
記載するような冪数２に段階付けされたビーム拡幅と組み合わせて、ビーム直径
と基板上スポットサイズの無段階選択が可能である。切り替え、すなわちビーム
直径の調節は、一方では図４に記載する配置において、検流計回転ミラーに対す
る制御信号を変化させて行い、レーザビームはもう１つのレンズ対を経由して導
かれる。他方ではそれと平行して、アクティブなミラー対の制御電圧を変化させ
る（図５）。

【００３０】アクティブなミラー対の焦点距離は、加えられた電圧と、いくつかの材料係数
および選択された運転条件に依存する。安定していて特に再現可能な動作形態を
維持するため、本発明では１つの制御回路がアクティブなミラーの制御電圧を制
御する（請求項８）。図６は、アクティブなミラーによるビーム拡幅測定に使用
される光路を示す。光源たとえば半導体レーザ４３を出発し、ピンホール４４、
コリメータレンズ４５、円形絞り４６により、平行な光束が生成される。この光
束は、ビームスプリッタ４７によって、基準ビームと測定ビームに分割される。
測定ビームはミラー４７によって、出力ビームと平行に、アクティブなミラー４
１と４２を経由して導かれる。このビームは、出口で２つの補助ミラー４９およ
び５０によって送り返されるので、このミラー配置を２回通過する。これらのア
クティブなミラーが正しく制御されているならば、測定ビームは入射軸と平行に
、かつ規定された間隔だけオフセットされて、これらのミラーを離れる。これら
２つのパラメータは、２つのセンサに測定ビームと基準ビームが結像することに
より検知される。ビームスプリッタ５２によって両者のビームは分割される。両
者のビームはまず、補助ミラー５１およびコリメータレンズ５３を経由して、ラ
インセンサ５７に点として結像する。測定ビームが基準ビームに平行でなくなっ
たら、ラインセンサ上の２つの像点は合致しなくなる。ビームスプリッタ５２に
よって分離された各ビームは半円形の絞り５４を照明する。この絞りは、レンズ
５５によってもう１つのラインセンサ５６に結像する。このセンサの出力信号の
プロフィールから、測定ビームと基準ビームの平行オフセットを決定できる。こ
の測定信号を準備し、実際値信号としてコンピュータ５８で用いる。この実際値
信号を用いて、求められた基準値に対応する信号を制御電子装置のために計算す
る。

【００３１】本発明の説明の最後にビーム偏向ユニットについて述べたい。請求項２および
３に記載の発明は、迅速で正確なビーム偏向を必要とする。そのためには下記の
方法が適当である。

【００３２】本発明に必要なビーム偏向を行うには、拡幅されたレーザビームを、互いに垂
直に配置された２つの検流計ミラー（請求項９）を経由して導く（図９）。この
ミラー位置を再現する実際値信号は、偏向制御ユニット１４で用いられ、検流計
駆動装置６８または７０によりミラー６９および７１の向きを調節して、請求項
２の静的位置誤差が補償されるか、またはミラーに追跡させて、請求項３の動的
位置誤差が消えるようにする。この検流計ミラーは大きな偏向範囲を許容するが
、その構造上の理由から描画対物レンズ４まで長い間隔を必要とする。小さい偏
向角度で動作できる場合には、請求項１０のピエゾミラーがビーム偏向に適して
いる（図７）。圧電駆動装置６０または６２は、必要なビーム偏向を得るため、
スキャンミラー６１または６３を傾ける。２軸ピエゾミラーを使用する場合、理
想的なテレセントリック光路を実現できる。

【００３３】ピエゾミラーだけでも位置決めは明らかに早くなるが、求められる基準位置の
コンピュータ出力と、ミラーのそれに対応する実際位置到達との間に明らかなタ
イムラグが生じる。音響工学的デフレクタがビーム偏向を生じるならば、位置決
め時間は明らかに短くなる（請求項１１、図８）。この偏向を行うには、結晶６
４または６６内で音波により回折格子を生成する。偏向角は回折格子の空間的密
度に比例し、したがって制御信号の周波数変化（約１００〜２００ＭＨｚ）によ
って無段階で調節できる。この制御信号はトランスデューサ６５または６７を介
して供給される。この方法の場合、時間的制約となるのは、結晶の充時間（約３
０μｓ、ただし結晶の大きさ約２０ｍｍ、典型的な音速約６００ｍ／ｓの場合）
だけなので、この装置は迅速で精密なビーム偏向を得るのに最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の一実施形態を示す図である。

【図２】光路の概略図である。

【図３】画像処理ユニットの概略図である。

【図１０】偏向ユニットの制御の原理図である。

【符号の説明】１レーザ光源２可変的なビーム拡幅装置３偏向ユニット４対物レンズ５基板６ＸＹテーブル７Ｘ干渉計ミラー８Ｘ方向の駆動ユニット９Ｘ干渉計１０Ｙ干渉計ミラー１１Ｙ干渉計１２Ｙ方向の駆動ユニット１３ＸＹテーブル制御装置１４偏向ユニットの制御装置１５対物レンズと照明装置を備える電子カメラ１６コンピュータ１７可変的ビーム拡幅装置のための制御装置１８レーザ制御装置１９ヘテロジニアスなシステムバス２０レーザの出力ビーム２１可変的拡幅後のビーム２２スキャン機能ビーム２３対物レンズの主平面２４入射角２５変位２６入射ビームの直径２７スポットサイズ２８対物レンズの焦点距離２９光源３０照明光路３１対物レンズ３２電子カメラ３３集光レンズ３４画像処理コンピュータ３５入力検流計回転ミラー３６出力検流計回転ミラー３７補助ミラーＥ３８補助ミラーＡ３９拡幅レンズＥ４０拡幅レンズＡ４１アクティブな凹面鏡４２アクティブな凸面鏡４３光源、たとえば半導体レーザ４４ピンホール４５コリメータレンズ１４６円形絞り４７ビームスプリッタ３０％４８４５°ミラー１４９４５°ミラー２５０４５°ミラー３５１４５°ミラー４５２ビームスプリッタ５０％５３コリメータレンズ２５４半円形絞り５５結像レンズ５６位置決め検出器１、たとえばＣＣＤ列５７位置決め検出器２、たとえばＣＣＤ列５８測定電子装置＆コンピュータ５９アクティブなミラーのための制御電子装置６０Ｘ軸用ピエゾスキャナ６１スキャンミラーＸ６２Ｙ軸用ピエゾスキャナ６３スキャンミラーＹ６４Ｘ偏向用ＡＯＤ結晶６５音波の入射面６６Ｙ偏向用ＡＯＤ結晶６７音波の入射面６８Ｘ軸用検流計スキャナ６９スキャンミラー７０Ｙ軸用検流計スキャナ７１スキャンミラー７２ロード可能なアップ／ダウンカウンタ７３メモリ７４デジタル／アナログ変換器７５アクセス制御装置７６偏向ユニットの基準値電圧７７干渉計信号７８アドレスバス７９データバス

【手続補正書】

【提出日】平成１４年２月１８日（２００２．２．１８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の名称】微細な穴をあける方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の微細な穴をあける方法と、さらには
請求項１２のプレアンブルに記載の微細な穴をあける装置とに関する。

【０００６】本発明を、下記に添付の図１〜１０を用いて、より詳細に説明する。

【０００７】図１において、１は光源として用いられるレーザ、たとえば周波数３倍化Ｎｄ
−ＹＡＧレーザである。このレーザは、制御コンピュータ１６のスタート信号が
レーザ電子装置１８に到着するとただちに、持続期間約１０〜２０ｎｓ、エネル
ギー約１０^−４ジュールという短くて非常に強い光パルスを放射する。レーザが
放射した光２０は、可変ビーム拡幅光学系２に入射する。出力ビーム２１の直径
は、コマンドユニット１７を介してコンピュータ１６が設定した拡幅比に従って
変化する（詳細は図４、５または６に）。ビーム偏向ユニット３に入射する光は
、コントロールユニット１４の制御信号に従って、２つの偏向ユニットを経由し
て導かれるので（図７、８および９）、出射ビーム２２は、調節可能な入射角度
で（ＸおよびＹ方向に別々に制御可能）対物レンズ４に入射する。この対物レン
ズ４は、平面波として入射する光を、加工される基板５上の光の点（以下「スポ
ット」という）として結像する。スポットが描画ウィンドウ２３より下で基板５
に当たるＸＹ位置は、対物レンズへの入射角度と対物レンズの焦点距離に依存す
る。図２から明らかなようにα＜８ｍｒａｄという小さい偏向角２４の場合、次
の式に従い、変位２５および描画ウィンドウとして約２〜４ｍｍを得る。

【０００８】 δｘ＝α・Ｆ（１）基板上のスポットの直径２７は、入射するビームの直径２６に依存する。

【０００９】ｄ＝１．２１・λ・Ｆ／Ｄ（２）ここで δｘ＝描画ウィンドウに対するスポット位置 α＝入射角Ｆ＝対物レンズの焦点距離ｄ＝スポットの直径 λ＝使用された光の波長Ｄ＝入射ビームの直径ビーム拡幅が小さい場合は、基板上には大きいスポットが得られ、拡幅が大き
い場合は光は強く集束され、得られるスポット直径と基板の穴の直径は小さくな
る。

【００１０】加工される基板５を、ＸＹテーブル上に適切な手段によって、たとえば真空吸
引またはクランピング装置によって固定する。ＸＹテーブル上には基板５と同じ
高さに、２つの干渉計ミラー、すなわちＸミラー７とＹミラー１０を置く。干渉
計測定ヘッド、すなわちＸ測定ヘッド９およびＹ測定ヘッド１１を用いて、ＸＹ
テーブルのその時点の位置を高い解像度と速度で測定する。干渉計システムの信
号は、テーブル位置決め電子装置１３にもビーム偏向制御ユニット１４にも供給
される。位置決めユニット１３は、テーブルの駆動ユニットを制御して、コンピ
ュータ１６が指定したコースまたは位置が得られるようにする。最後に画像撮影
装置と処理ユニット１５について述べる。図３による画像撮影ユニットは、一種
の照明装置つき顕微鏡に相当し、光源２９、照明光路３０、対物レンズ３１、電
子カメラ３２、これに前置された集光レンズ３３からなる。このカメラの信号は
、ローカルな画像処理コンピュータ３４に導かれる。この画像撮影ユニットの光
路は、加工用光路と平行に配置されているので、ＸＹテーブルの移動によって、
基板全体をカメラ対物レンズ３１の下に運ぶことができ、これにより画像処理コ
ンピュータを測定目的に用いることができる。

【００１２】次に処理動作の手順（請求項２）を説明する。基板５はＸＹテーブル６に固定
されており、穿孔穴座標が描画ウィンドウ２３の下に位置するように、描画光学
系４の下で位置決めされる。ＸＹテーブル６が座標Ｘ_{Ｔｉｓｃｈ}，Ｙ_{Ｔｉｓｃｈ} に移動し、ビーム偏向ユニット３が対物レンズ４とともに、式（２）に従ってス
キャン領域δｘ、δｙを持つ場合、次の領域にある座標のすべての穴を加工する
ことができる。

【００１３】Ｘ_{Ｔｉｓｃｈ}−δｘ＜Ｘ _{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＜Ｘ_{Ｔｉｓｃｈ}＋δｘ（３）Ｙ_{Ｔｉｓｃｈ}−δｙ＜Ｙ _{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＜Ｙ_{Ｔｉｓｃｈ}＋δｙここでＴｉｓｃｈはテーブル、Ｂｏｈｒｕｎｇは穴を表す。

【００１４】ビーム偏向ユニット３に対する制御信号は、コンピュータ１６が、穿孔穴基準
座標とテーブル座標から計算する。両者の座標数値は、干渉計の基本ユニット（
以下では「ティック（Ｔｉｃｋ）」と称する）に供給される。このティックのサ
イズは干渉計の作動原理と使用される光の波長とに依存する。波長約λ_ＨｅＮｅ ≒６３３ｎｍの光を放射する、ＨｅＮｅレーザを使用するのが典型的である。こ
れからたとえばティックサイズ約λ_ＨｅＮｅ／１６≒４０ｎｍのティックサイズ
が得られる。位置決め動作の後、ＸＹテーブルは次の座標にある。

【００１５】Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ}＝Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}＋ε_ｘ（４）Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ}＝Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}＋ε_ｙここでｉｓｔは実際値、ｓｏｌｌは基準値を表す。またε_ｘおよびε_ｙは、このテーブルシステムの静的な位置誤差を表す。

【００１６】Ｘ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}−ε_ｘ（５）Ｙ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｓｏｌｌ}−ε_ｙここでＡｂｌｅｎｋは偏向を表す。

【００１７】したがって計算された数値、Ｘ_{Ａｂｌｅｎｋ}およびＹ_{Ａｂｌｅｎｋ}は、このテ
ーブルシステムの位置誤差を補償する。そして次の結果が得られるがＸ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ} （６）Ｙ_{Ａｂｌｅｎｋ}＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ} これはまず整数値としてティックユニットに供給される。しかしビーム偏向ユニ
ットを制御するため、一般にはアナログ電圧、たとえば０〜１０ボルトのものを
必要とし、コンピュータからロードされデジタル−アナログ変換器ユニットから
この電圧を得る。このユニットの出力電圧と書き込まれる数値には固定された割
り当てがある。したがって計算されたこのビーム偏向の数値は、再スケーリング
の必要がある。このスケーリング操作には、プログラム制御されてコンピュータ
内で行われる場合、計算容量を追加する必要がある。ビーム偏向ユニットの制御
電圧とそこに生じる偏向の間の非線形的な関係が加わるならば、必要とされる計
算操作は高速のコンピュータによってのみ可能となり、これは不経済である。こ
の理由から（請求項５）では、図１０に関して説明したように偏向ユニットの制
御ユニット１４内部に固定配線された電子装置ユニットによって、スケーリング
操作を行う。図１０によれば、ビーム偏向チャンネル制御のための基本的ユニッ
トはＸ軸に対するものもＹ軸に対するものも同一に構成されている。準備動作を
１回行い、そのときスケーリング表をメモリ７３にロードする。コンピュータは
このため所望のアドレスを、入力レジスタとして動作するアップ／ダウンカウン
タ７２に、そして対応するデータをアクセス制御装置７５に書き込む。この段階
ではＤ／Ａ変換器７４は停止状態となっている。スケーリング操作を実行するた
めに、コンピュータは計算されたＸ_{Ａｂｌｅｎｋ}またはＹ_{Ａｂｌｅｎｋ}数値を位
置カウンタに入れる。位置カウンタの出力はメモリ７５をアドレス指定する。メ
モリから読み取られた数値は、デジタル／アナログ変換器７４に転送され、ビー
ム偏向ユニット３の制御電圧を決定する。可能ないずれの入力数値に対しても、
メモリ７３にはスケーリング済みの出力値がスタンバイされなければならない。
式（６）から得た偏向値の範囲は、光学的に可能な偏向範囲に限定される。メモ
リ７３におけるアドレス長さを２０ビットと想定するならば、２^２０≒１０００
０００の値をファイルすることができる。ティックのサイズが４０ｎｍの場合、
約４０ｍｍの最大偏向範囲が得られる。アドレス領域は容易に拡張できるので、
１００ｍｍ以上の作業領域が可能であるが、実際には光学領域に限られる。

【００１８】上記の方法では、テーブルシステムは１加工フィールドにつき１回位置決め動
作を行わなければならないので、大面積の基板の場合得られる処理量が少ない。
これを避けるために、このテーブルシステムを連続的に移動させることができる
が、その際、動的誤差を補償しなければならない（請求項３）。連続的にテーブ
ルを移動させるときは、同じ基板箇所を複数回加工できるように、レーザスポッ
トを基板の移動に追従させなければならない。テーブルシステムが速度ｖ_ｘおよ
びｖ_ｙで動くと、レーザビームは次の式に従って、時間に依存して偏向されなが
ら追随しなければならない。

【００１９】Ｘ_{Ａｂｌｅｎｋ}（ｔ）＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０}−
ｖ_ｘ・ｔ（７）Ｙ_{Ａｂｌｅｎｋ}（ｔ）＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０}−
ｖ_ｙ・ｔこの偏向値は、静的部分と、その時々のテーブル速度で決まる成分から構成さ
れる。この静的部分は、穿孔される穴の座標と選択可能なテーブル座標にのみ依
存する。この動作方法により、テーブル６とそれとともに基板５が、ある１つの
必ずしも一定ではない速度で、たとえばＹ軸に沿って動く。コンピュータ１６は
必要な偏向値を計算し、それを最大可能数値と比較する。この数値が十分に小さ
いならば、すなわち穿孔穴座標が加工ウィンドウに現れると、ただちに式７から
静的部分を次のように計算し、カウンタ７２にロードする。

【００２０】Ｘ_{Ｓｔａｒｔ}＝Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｘ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０} （８）Ｙ_{Ｓｔａｒｔ}＝Ｙ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}−Ｙ_{Ｔｉｓｃｈｉｓｔ，Ｔ０} 動的誤差ｖ・ｔは、カウンタ７２で干渉計信号をカウントすることにより補償さ
れる。テーブル速度がたとえばＹ方向に１００ｍｎ／ｓ、干渉計解像度すなわち
ティックサイズが約４０ｎｍの場合、かつ平均的時間間隔が約４００ｎｓの場合
、毎秒約２．５・１０^６のカウント信号が干渉計１１からＹカウンタ７２に供給
される。したがってこのカウンタの出力は、Ｙ軸に対して連続して変化する偏向
値を表し、再スケーリングされ（請求項５）、ビーム偏向ユニット３を制御する
ために用いられる。両移動軸に対して同じ構造の偏向制御装置（図１０）を備え
るので、ベクトルとしての移動方向は制限されない。カウンタ７２は、Ｘ、Ｙい
ずれの方向に対しても同じく、アップ／ダウンカウンタとして設計されているの
で、動的誤差が正のものも負のものも補償することができる。したがってテーブ
ルシステムの移動方式は自由に選択可能であり、処理量を増加するため最適化で
きる。

【００２１】本発明のこれまでの説明では、穿孔穴座標が固定された数値であることを前提
条件とした。特に多層基板は、製造中に様々な処理ステップを通過しなければな
らないので、正確さは極めて限られたものとなる。異なる層の穴の位置は上下一
致しているので、指定された位置決め公差を超えることは許されない。しかし穿
孔穴座標が固く保持されるならば、すなわちその時点で加工される基板に依存す
ることなく保持されるならば、それは可能であろう。材料挙動が完全に知られて
いて、処理段階にいかなる変動も生じないならば、穿孔穴座標を前もって修正し
ておくことも可能であろう。しかし処理パラメータと材料パラメータは変動を免
れないので、それに対応して小さい基板に対してのみ事前修正は有効である。事
前修正を行っても残留誤差は一般に基板の大きさに比例するので、この方法を大
きな基板に用いることはできない。基板のゆがみを動的に修正することにより（
請求項４）、このような制約を克服できる。この新しい方法の最初の段階は基板
の測定である。この基板には、その基準座標がわかるようなマーキング、すなわ
ちアライメントマークが施してなければならない。このマーキングはたとえば先
行する加工段階で施しておき、場合によってはカメラシステム１５によって光学
的に測定できるよう露出させなければならない。利用できるマーキングの個数に
応じて、様々な誤差またはゆがみを検出し、補償することができる。基板の測定
はまず、テーブル座標系に対するマーキングの絶対座標を決定することを意味す
る。このため、このアライメントマークがカメラシステム１５の視野に現れるよ
うに、テーブル６は基板５を位置決めする。付属する画像処理コンピュータは、
視野の中心の座標を求める。絶対座標は、ディスプレイ座標すなわちスケーリン
グされた像点間隔と、干渉計測定ヘッド９および１１で測定されたテーブル座標
との加算によって得られる。１つのマーキングを測定すれば、使用されたテーブ
ル座標系を変位させて、この座標系を基板上の考えられた座標系と合致させるこ
とが可能となる。しかしこの合致は、基板のゆがみのため、測定されたただ１つ
のマーキングに対してのみ得られる。もう１つのマーキングを測定して、基準位
置と比較すれば、テーブルの移動方向に対して可能な次のような基板のねじれと
、 φ＝（Ｙ_{ｉｓｔＭａｒｋ１}−Ｙ_{ｉｓｔＭａｒｋ１}）／（Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ１} −Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ２}）（９）１つの軸における次のような長手方向ゆがみが検出される。 ζｘ＝（Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ１}−Ｘ_{ｉｓｔＭａｒｋ２}）／（Ｘ_{ｓｏｌｌＭａｒ} _ｋ１ −Ｘ_{ｓｏｌｌＭａｒｋ２}）（１０）式（９）および（１０）においては、２つのマーキングが同じ高さすなわち同じ
Ｙ座標に、かつ基板の左右の周縁にあることを前提としている。これは一般的な
場合としてそうである必要はなく、またそのためこの方法が変更されるものでは
ないが、オフセットが知られているのであれば、それをこれらＸ方向およびＹ方
向において式中に考慮しなければならない。さらにアライメントマークを利用で
きるならば、それを測定して、式（１０）と同様にしてＹ方向における長手方向
ゆがみを求めるのに用いる。または平均値を求めて測定精度を改善するのに用い
る。

【００２２】最初の段階、すなわち重ね合わせ誤差（Ａｕｆｌａｇｅｆｅｈｌｅｒ）のパラ
メータ化と基板ゆがみの測定が終了した後、これら影響の補償が加工動作中に行
われる。この場合、特に複数チップ（Ｎｕｔｚ）を含む基板に対しては、全般的
な重ね合わせ誤差と局部的な誤差を、すなわち各チップごとに別々に決定可能な
パラメータを区別する。全般的な重ね合わせ誤差は、テーブル座標系の並進移動
と回転によって補償される。局部的なゆがみの影響、および基板全体に対して生
じることがある個別のチップの回転または並進移動を補償するため、いずれのチ
ップに対しても別々に穿孔穴座標を変換しなければならない。

【００２３】Ｘ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＝Ｇ_ｘｘ・Ｘ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ_ｘｙ・Ｙ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ _ｘｚＹ_{Ｂｏｈｒｕｎｇ}＝Ｇ_ｙｘ・Ｘ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ_ｙｙ・Ｙ_{Ｄｅｓｉｇｎ}＋Ｇ _ｙｚ（１１）ここでＤｅｓｉｇｎは「設計」を表す。変換パラメータＧ_ｉｊの数値は、測定されたゆがみパラメータから計算される。

【００２５】本発明による装置の経済的運用を可能にするためには、処理量を最大としなけ
ればならない。すなわち１つの穴あたりの加工時間を最小限にしたい。穴をあけ
るのに必要な材料除去は、基板表面におけるエネルギー密度に依存する。レーザ
が比較的弱いとき、相応の料材除去を達成するため、レーザビームを強く集束し
なければならない。ただしこの場合、レーザを１回作動しただけでは、穴の直径
が設計上求められる穴直径より小さくなる。複数の加工段階で構成すると非常に
多くの時間を要するが、スポット直径を穴直径に適合できる場合はこれを避ける
ことができる。本発明によれば、ビーム拡幅を調節することにより、スポットサ
イズを迅速に調節できる。図４に、ビーム直径を段階的に調節するための配置の
原理的構成を示した。この配置は対になって配置された拡幅レンズからなり、レ
ンズの間隔はその焦点距離の合計に相当し、したがって平行する光束は次のよう
な固定された拡幅を受ける。

【００２６】Ｆ１／Ｆ２＝Ｄ１／Ｄ２（１２）ここで、Ｆ１＝入力レンズの焦点距離Ｆ２＝出力レンズの焦点距離Ｄ１＝入力におけるビーム直径Ｄ２＝出力におけるビーム直径光路の切り替えによって複数の固定された拡幅を選択できる。切り替えは検流
計ミラー３５および３６によって行う。拡幅レンズ対の平行取り付けを可能にす
るには、補助ミラーが必要である。無段階の拡幅変化を可能にするため、図５に
よれば、もう１つの光学システムを用いる。このシステムは、２つのアクティブ
なミラーエレメント４１および４２からなる。入射する平行光線は、凸面鏡４２
で反射した後拡散する。凹面鏡４１で反射した後、この光はふたたび下記の条件
で平行となる。

【００２７】Ａ＝ｆ３＋ｆ４（１３）ここでＡ＝ミラーの間隔ｆ３＝凹面鏡の焦点距離ｆ４＝凸面鏡の焦点距離Ｄ３＝ミラーより前におけるビーム直径Ｄ４＝可変拡幅後のビーム直径この配置の前後のビーム直径比については、（１２）同様次の式が成立する。

【００２８】Ｆ３／ｆ４＝Ｄ３／Ｄ４（１４）適切な入射角を選択することにより、レーザビームをミラー対で複数回反射さ
せることができる。ビーム直径は、いずれの通過の際も式（１４）に従って拡幅
されるので、レーザビームに対する全体的作用は増加する。総拡幅は次により得
られる。Ｄ_ａｕｓ＝Ｄ_ｅｉｎ・（ｆ３／ｆ４）^Ｎ（１５）ここでＤ_ａｕｓ＝可変拡幅後のビーム直径Ｄ_ｅｉｎ＝可変拡幅前のビーム直径Ｎ＝反射の回数

【００２９】たとえばＮ＝８を達成する場合、総拡幅として係数２を得るには、拡幅約１０
％、すなわちＤ３／Ｄ４＝ｆ３／ｆ４≒１．１で十分である。図４に対応する冪
数２に段階付けされたビーム拡幅と組み合わせて、ビーム直径と基板上スポット
サイズの無段階選択が可能である。切り替え、すなわちビーム直径の調節は、一
方では図４に記載する配置において、検流計回転ミラーに対する制御信号を変化
させて行い、レーザビームはもう１つのレンズ対を経由して導かれる。他方では
、図５のようにそれと平行して、アクティブなミラー対の制御電圧を変化させる
。

【００３０】アクティブなミラー対の焦点距離は、加えられた電圧と、いくつかの材料係数
および選択された運転条件に依存する。安定していて特に再現可能な動作形態を
維持するため、１つの制御回路がアクティブなミラーの制御電圧を制御する（請
求項８）。図６は、アクティブなミラーによるビーム拡幅測定に使用される光路
を示す。光源たとえば半導体レーザ４３を出発し、ピンホール４４、コリメータ
レンズ４５、円形絞り４６により、平行な光束が生成される。この光束は、ビー
ムスプリッタまたはミラー４７によって、基準ビームと測定ビームに分割される
。測定ビームはミラー４７によって、出力ビームと平行に、アクティブなミラー
４１と４２を経由して導かれる。このビームは、出口で２つの補助ミラー４９お
よび５０によって送り返されるので、このミラー配置を２回通過する。これらの
アクティブなミラー４１、４２が正しく制御されているならば、測定ビームは入
射軸と平行に、かつ規定された間隔だけオフセットされて、これらのミラーを離
れる。これら２つのパラメータは、２つのセンサに測定ビームと基準ビームが結
像することにより検知される。ビームスプリッタ５２によって両者のビームは分
割される。両者のビームはまず、補助ミラー５１およびコリメータレンズ５３を
経由して、ラインセンサ５７に点として結像する。測定ビームが基準ビームに平
行でなくなったら、ラインセンサ上の２つの像点は合致しなくなる。ビームスプ
リッタ５２によって分離された各ビームは半円形の絞り５４を照明する。この絞
りはレンズ５５によってもう１つのラインセンサ５６に結像する。このセンサの
出力信号のプロフィールから、測定ビームと基準ビームの平行オフセットを決定
できる。この測定信号を準備し、実際値信号としてコンピュータ５８で用いる。
この実際値信号を用いて、求められた基準値に対応する信号を制御電子装置のた
めに計算する。

【００３１】本発明の説明の最後にビーム偏向ユニットについて述べたい。本発明の方法は
、迅速で正確なビーム偏向を必要とする。そのためには下記の方法が適当である
。

【００３２】必要なビーム偏向を行うには、図９に示すように、拡幅されたレーザビームを
、互いに垂直に配置された２つの検流計ミラー（請求項９）を経由して導く。こ
のミラー位置を再現する実際値信号は、偏向制御ユニット１４で用いられ、検流
計駆動装置６８または７０によりミラー６９および７１の向きを調節して、静的
位置誤差（請求項２）が補償されるか、またはミラーに追跡させて、の動的位置
誤差（請求項３）が消えるようにする。この検流計ミラーは大きな偏向範囲を許
容するが、その構造上の理由から描画対物レンズ４まで長い間隔を必要とする。
小さい偏向角度で動作できる場合には、図７に示すようにピエゾミラー（請求項
１０）がビーム偏向に適している（図７）。圧電駆動装置６０または６２は、必
要なビーム偏向を得るため、スキャンミラー６１または６３を傾ける。２軸ピエ
ゾミラーを使用する場合、理想的なテレセントリック光路を実現できる。

【００３３】ピエゾミラーだけでも位置決めは明らかに早くなるが、求められる基準位置の
コンピュータ出力と、ミラーのそれに対応する実際位置到達との間に明らかなタ
イムラグが生じる。音響工学的デフレクタがビーム偏向を生じるならば、図８の
ように、位置決め時間は明らかに短くなる（請求項１１）。この偏向を行うには
、結晶６４または６６内で音波により回折格子を生成する。偏向角は回折格子の
空間的密度に比例し、したがって制御信号の周波数変化（約１００〜２００ＭＨ
ｚ）によって無段階で調節できる。この制御信号はトランスデューサ６５または
６７を介して供給される。この方法の場合、時間的制約となるのは、結晶の充時
間（約３０μｓ、ただし結晶の大きさ約２０ｍｍ、典型的な音速約６００ｍ／ｓ
の場合）だけなので、この装置は迅速で精密なビーム偏向を得るのに最適である
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の一実施形態を示す図である。

【図２】光路の概略図である。

【図３】画像処理ユニットの概略図である。

【図５】アクティブなミラーエレメントに基づく無段階調節可能なビーム拡幅の光路の
原理図である。

【図１０】偏向ユニットの制御の原理図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多層基板（５）、特にプリント回路板基板に微細な穴をあけ
る方法であって、該多層基板がＸＹテーブル（６）によって描画光学系（４）の
下を移動され、該光学系によって光源（１）特にレーザのスポットが生成され、
加工位置に対応して同時に、スポットの位置が、作業フィールドの内部で、電子
的に制御される可動式のミラーによって変化されること、および特に干渉計（９
、１１）によって基板位置の決定を行うこと、および適切な装備をもったコンピ
ュータシステム（１６）によって、基板位置に対応しテーブルシステムの実際位
置に関する信号を処理し、その際コンピュータシステム（１６）に、好ましくは
すべての穿孔穴座標と、穿孔穴直径などの補助的情報を、特に表の形態で提供す
ることを特徴とする方法。
【請求項２】個々のフィールドを加工するため、基板（５）を描画光学系
（２）の下に位置決めすること、および統計的位置誤差が、２つの移動軸におい
て、ビーム偏向ユニットによりスポットを追跡することによって補償されること
を特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】基板は加工中連続的に移動され、そのとき生じる動的位置誤
差が、基板（５）の２つの移動軸において、ビーム偏向ユニットによりスポット
を追跡することによって補償されることを特徴とする、請求項１または２に記載
の方法。
【請求項４】個々のフィールドまたは描画光学系（４）の下を連続して移
動する基板（５）を加工するため、穿孔穴基準座標を、詳細に測定された基板ゆ
がみに応じて、加工中に修正することを特徴とする、請求項１および２または請
求項１および３に記載の方法。
【請求項５】コンピュータシステム（１６）を用いて、基板位置を求める
ためのシステム、特に干渉計（９、１１）のカウンタユニットにおけるすべての
座標計算を行い、その際必要な再スケーリング操作を、描画光学系（４）におけ
るビーム位置決めユニットの制御のために、好ましくは割り当てられたメモリ表
によって行うことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】描画光学系（４）を用いて、異なる穿孔穴直径が１つの動作
および／またはただ１つのレーザショットで得られるように、加工すべき基板（
５）上のスポットの直径を迅速に変化させるが、「ニブリング」法は用いないこ
と、かつ／または基板（５）に様々に異なるまたは変化する直径の穴をあけ、そ
の際求められる穴直径に応じて光線のスポット直径を指定することを特徴とする
、特に請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】描画光学系（４）に、ビーム直径を変化させるためのアクテ
ィブなミラーエレメントを備えること、かつ／または該ミラーエレメントの焦点
距離を、電圧を加えることによって変化させることを特徴とする、請求項１から
６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】アクティブなミラーエレメントが、特には補助ビームを用い
て、連続して光学的に測定され、かつ／または対応して制御されることを特徴と
する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】描画光学系による可変的なビーム位置決めが、検流計で制御
される回転ミラー（６９、７１）を用いて得られることを特徴とする、請求項１
から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】描画光学系の可変的なビーム位置決めが、圧電駆動かつ調
節可能なミラー（６９、７１）によって得られることを特徴とする、請求項１か
ら８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】描画光学系の可変的なビーム位置決めが、音響光学的デフ
レクタ（６４、６６）によって得られることを特徴とする、請求項１から８のい
ずれか一項に記載の方法。