DE60032862T2

DE60032862T2 - Laserätzverfahren

Info

Publication number: DE60032862T2
Application number: DE60032862T
Authority: DE
Inventors: Jun Ohta-ku Koide
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: CA2326881A1; HK1037565A1; US7674395B2; KR100451623B1; KR20010052036A; EP1106299A2; DE60032862D1; BR0005673A; SG86451A1; US7169709B2; TW553848B; EP1106299A3; US20050032380A1; MXPA00011780A; US20070125746A1; US6861364B1; EP1106299B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserätzverfahren zur optischen Abtragungsbearbeitung eines Gegenstandes mit einem Laserstrahl gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (vergleiche beispielsweise WO-A-98/55035), und insbesondere auf ein Laserätzverfahren, das in der Lage ist, den Gegenstand aus einer anorganischen Substanz zu bearbeiten, ohne Erzeugen von Ablagerungen um die Ätzposition herum zu arbeiten, und zum Feinbearbeiten eines Materials für eine Mikromaschine, eine IC bzw. Integrierte Schaltung, oder eine Diodenvorrichtung ausgestaltet ist.
Verwandter Stand der Technik
Beim Feinbearbeiten eines strukturellen Elements durch Laserbearbeitung ist es üblich, eine harmonische Welle eines Excimerlasers oder eines YAG-Lasers zu verwenden.
Jedoch ist ein derartiges Laserbearbeitungsverfahren, da die Energiedichte des Laserlichts bei dem oszillierenden Impuls auf einen Pegel von maximal 100 Megawatt beschränkt ist, kaum auf einen aus anorganischem Material gebildeten Gegenstand anwendbar, und es ist nur auf das Sublimationsabtragungsbearbeiten von hauptsächlich aus organischen Materialien gebildeten Gegenständen anwendbar. Aus diesem Grund wurde das Feinbearbeiten des aus anorganischen Materialien gebildeten Gegenstands durch einen Lithographieprozess erzielt, der Schritte des Fotolacksüberziehens, Fotolackmusterns durch Belichtung, Fotolackentwickelns, Ätzens unter Verwendung des Fotolackmusters und Fotolackveraschung für jedes Material umfasst, jedoch geht ein solcher Prozess mit Nachteilen in Bezug auf einen erhöhten Preis einher, die von den komplexen Prozessschritten und einer großen Investition für die Produktionsanlage unter Berücksichtigung der Prozesstaktzeit resultieren.
Um derartige Nachteile zu lösen, schlägt der vorliegende Anmelder beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 2000-188146 vor, ein Laserbearbeitungsverfahren für Feinbearbeitung einer Struktur bei einem aus anorganischem Materialien gebildeten Gegenstands durch Sublimationsabtragungsbearbeiten, indem ein Merkmal, dass das von einem Laseroszillator mit einer Impulsemissionszeit von 1 Pikosekunde oder geringer emittiertes Laserlicht eine drastisch hohe Energiedichte über der Zeit hat, und ein Merkmal verwendet wird, dass das Laserlicht nicht in thermische Energie umgewandelt wird, sondern aufgrund der sehr kurzen Laserbestrahlungszeit direkt in eine Gitterbindungsklebeenergie umgewandelt wird.
Jedoch ist das zuvor erwähnte Laserbearbeitungsverfahren zur Sublimationsabtragungsbearbeitung in der Lage, den aus dem anorganischen Material gebildeten Gegenstand durch Abtragungssublimation zu ätzen, jedoch verursachen die sublimierten und in Gas verwandelten Atome oder Moleküle bei gewissen Materialien augenblicklich eine Rekombination, wodurch sie verflüssigt und bei der Ätzposition in ihrer Nähe abgelagert und verfestigt werden, wodurch die Nähe bzw. Umgebung der Ätzposition nicht sauber gehalten werden kann oder das Ätzen selbst durch die Ablagerung derartiger Beiprodukte verhindert werden kann.
Derartige Nachteile werden insbesondere bei Materialien im kristallinen oder amorphen festen Zustand durch kovalente Bindungen wahrnehmbar. Der Grund für ein derartiges Phänomen ist noch nicht geklärt, jedoch wird es überlegt, dass es den Materialien mit kovalenten Bindungen mit einer höheren Bindungsenergie inhärent ist, da die zuvor erwähnten Nachteile bei den kristallinen Materialien, die auf Metallbindung oder ionischer Bindung basieren, oder bei den auf ionischer Bindung basierenden amorphen Materialien nicht sichtbar sind.
WO 97 24768 A offenbart ein Verfahren des gleichzeitigen Laserrillens, Reinigens, und Dotierens von Siliziummaterial. Hierbei schreibt ein Laserschreiber in einer Mischung von Cl₂ und BCl₃ als Umgebungsgas Rillen in die Siliziumoberfläche. Das während des Schreibens ausgestoßene Silizium wird durch Reaktion des Siliziums mit Chlor beseitigt. Der Zusatz von BCl₃ wirkt mit dieser Beseitigung nicht zusammen. Das bedeutet, WO 97 24768 A lehrt, ein Laserätzen in einer Reaktionsgasumgebung durchzuführen.
US-A-5 720 894 offenbart ein Ätzverfahren von biologischem Gewebe mittels eines Femtosekundenlasers.
US-A-5 601 737 offenbart eine Bearbeitung durch einen Excimerlaser, bei welchem ein Bearbeitungsgegenstand bzw. Arbeitsgegenstand durch thermische Energie geschmolzen, auseinander genommen und verstreut wird. Jedoch findet sich in der US-A-5 601 737 nichts über eine von dem Bearbeitungsgegenstand bzw. Arbeitsgegenstand abgeleitete Plasmawolke.
WO 98/55035 offenbart ein Laserätzverfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere offenbart die WO 98/55035 ein Konzept, dass es, während einer Nichtbestrahlungszeit von einem Impuls zu einem folgenden Impuls zwischen einer Gruppe von mit einer konstanten Oszillationsfrequenz oszillierten Impulsen, verhindert wird, dass ein durch Bestrahlung von einem früheren Impuls erzeugtes Fragment oder Plasma einen Lichtpfad des beschriebenen späteren Impulses blockiert. Diese Struktur entspricht einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem keine Nichtbestrahlungszeit zur Verfügung gestellt ist. Dieses Vergleichsbeispiel ist später beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unter Berücksichtigung des Vorangehenden ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Laserätzverfahren zur Verfügung zu stellen, das beim Laserätzen eines aus einem anorganischem Material gebildeten Gegenstands zur Bearbeitung ohne Ablagerung um die Ätzposition herum, und zur Feinbearbeitung eines Material einer Mikromaschine, einer Integrierten Schaltung oder einer Diodenvorrichtung in der Lage ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor erwähnte Aufgabe durch ein Laserätzverfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Entwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Ansicht des Laserätzverfahrens bei einem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Ansicht der Sequenz des Laserbestrahlungsverfahrens bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Ansicht des Arbeitszustands eines herkömmlichen Laserätzverfahrens zum Vergleich;
4 ist eine Ansicht des Arbeitszustands des Laserätzverfahrens des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Ansicht des Laserätzverfahrens bei einem Ausführungsbeispiel 2;
6 ist eine Ansicht des Laserätzverfahrens bei einem Ausführungsbeispiel 3;
7 ist eine Ansicht des Laserätzverfahrens bei einem Ausführungsbeispiel 4;
8 ist eine Ansicht des Laserätzverfahrens bei einem Ausführungsbeispiel 5;
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEIPIELE
Die vorliegende Erfindung ermöglicht bei dem auf den vorangehenden Konfigurationen basierenden ersten Ausführungsbeispiel ein Laserätzen eines aus einem anorganischen Material gebildeten Bearbeitungsgegenstands bzw. Arbeitsgegenstands ohne Erzeugung von Ablagerungen um die Ätzposition herum.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Bestrahlung des Bearbeitungsgegenstands bzw. Arbeitsgegenstands mit einer intermittierenden Bestrahlung ausgeführt, die eine Bestrahlungspausenzeit oder ein Intervall länger als die Oszillationsfrequenz des gepulsten Lasers hat, wodurch eine Ablagerung um die Ätzposition herum vermieden wird und eine Feinbearbeitung des Materials für eine Mikromaschine, eine Integrierte Schaltung oder eine Diodenvorrichtung ermöglicht wird.
Die durch Abtragung freigesetzten Atom- oder Molekularpartikel erzeugen eine Plasmawolke um die Ätzposition herum, und eine derartige Plasmawolke verhindert die Emission der Atom- oder Molekularpartikel durch Abtragung, wenn die Bearbeitung kontinuierlich ausgeführt wird. Folglich verflüssigt oder verfestigt sich das sublimierte Material in der Nähe der Bearbeitungsposition, wodurch eine Ablagerung um die Ätzposition herum gebildet wird.
Andererseits ist bei der zuvor beschriebenen Konfiguration, die die intermittierende Bestrahlung des Bearbeitungsgegenstands bzw. Arbeitsgegenstands mit dem längeren Intervall als die Oszillationsfrequenz des gepulsten Lasers verwendet, für eine vorbestimmte Dauer eine Ätzpausenzeit nach dem Ätzen zur Verfügung gestellt, so dass das Ätzen neu gestartet wird, nachdem die Plasmawolke aus den Atom- oder Molekularpartikeln verstreut ist. Auf diese Weise wird es ermöglicht, eine Ablagerung um die Ätzposition herum zu verhindern, wodurch eine Erzeugung von festen Ablagerungen um die Ätzposition herum vermieden wird.
Außerdem wird bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, das nicht allein durch den Geltungsbereich der Erfindung abgedeckt ist, die Bearbeitung bei einem Zustand ausgeführt, bei welchem bei der Bearbeitungsposition des Bearbeitungsgegenstands bzw. Arbeitsgegenstands ein Gasfluss verursacht wird, wodurch eine Ablagerung um die Ätzposition herum vermieden wird und eine Feinbearbeitung des Materials für eine Mikromaschine, eine Integrierte Schaltung oder eine Diodenvorrichtung ermöglicht wird. Die zuvor erwähnten durch Abtragung freigesetzten Atom- oder Molekularpartikel bleiben weniger in der Nähe der Bearbeitungsposition durch Kollision mit und Beseitigung durch den Gasfluss von der Arbeitsposition zurück, wodurch die Erzeugung von festen Ablagerungen um die Ätzposition herum vermieden wird.
Außerdem wird bei einem dritten Ausführungsbeispiel, das nicht allein durch den Geltungsbereich der Erfindung abgedeckt ist, die Bearbeitung durch das Laserlicht bei einem Zustand ausgeführt, bei welchem der Bearbeitungsgegenstand bzw. Arbeitsgegenstand in einer anderen Atmosphäre als Luft positioniert ist, wodurch eine Ablagerung um die Ätzposition herum vermieden wird und eine Feinbearbeitung des Materials für eine Mikromaschine, eine Integrierte Schaltung oder eine Diodenvorrichtung ermöglicht wird.

1) Für den Fall, dass Helium zur Bildung der sich von Luft unterscheidenden Atmosphäre zum Einsatz kommt, zeigen die durch Abtragung freigesetzten Atom- oder Molekularpartikel eine geringe Änderung der Fortschreitrichtung sogar bei einem Fall einer Kollision mit den Heliumatomen mit einem geringen Atomgewicht, wodurch sie zu gerader Bewegung tendieren und weniger in der Nähe der Ätzposition verbleiben, wodurch die Erzeugung von fester Ablagerung um die Ätzposition herum vermieden wird.
2) Für den Fall, dass Wasserstoffgas zur Bildung der sich von Luft unterscheidenden Atmosphäre zum Einsatz kommt, kann zusätzlich zu dem zuvor erwähnten sich auf das Atomgewicht beziehenden Effekt ein besonderer Vorteil für den Fall erlangt werden, dass der Bearbeitungsgegenstand bzw. Arbeitsgegenstand aus Silizium gebildet ist, auch wenn die Gefahr bei der Handhabung zunimmt. Die durch Abtragung freigesetzten Atome verbinden sich chemisch mit den Wasserstoffatomen, so dass sie in Siliziumwasserstoff (SiH₄) umgewandelt werden, welcher gasförmig und stabil ist und kaum um die Ätzposition herum abgelagert wird, wodurch die Erzeugung von festen Ablagerungen um die Ätzposition herum verhindert wird.
3) Für den Fall, dass Wasser zur Bildung der sich von Luft unterscheidenden Atmosphäre zum Einsatz kommt, wird es durch das Vorhandensein der Wassermoleküle verhindert, dass sich die durch Abtragung freigesetzten Atom- oder Molekularpartikel in der Nähe der Ätzposition ablagern, und sie werden in derartigen Wassermolekülen eingefangen, so dass eine Wiederablagerung verhindert wird, wodurch die Erzeugung von festen Ablagerungen um die Ätzposition herum verhindert wird. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, dass die optische Absorptionsfähigkeit des Bearbeitungsgegenstands bzw. Arbeitsgegenstands höher als die von Wasser ist, und dass durch Abtragung kein gasförmiges Beiprodukt erzeugt wird (da ein gasförmiges Beiprodukt, wenn es erzeugt wird, aufgrund der hohen Oberflächenspannung von Wasser als eine Blase bei der Bearbeitungsposition verbleibt, wodurch das durch Brechung laufende Licht behindert wird und die Bearbeitung hoher Präzision unmöglicht gemacht wird.
4) Für den Fall, dass Silikonöl zur Bildung der sich von Luft unterscheidenden Atmosphäre zum Einsatz kommt, wird es durch das Vorhandensein der Silkonölmoleküle verhindert, dass sich die durch Abtragung freigesetzten Atom- oder Molekularpartikel in der Nähe der Ätzposition ablagern, und sie werden in derartigen Silikonölmolekülen eingefangen, so dass eine Wiederablagerung verhindert wird, wodurch die Erzeugung von festen Ablagerungen um die Ätzposition herum verhindert wird. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, dass die optische Absorptionsfähigkeit des Bearbeitungsgegenstands bzw. Arbeitsgegenstands höher als die von Silikonöl ist (ein gasförmiges Beiprodukt, wenn es durch Abtragung erzeugt wird, kann toleriert werden, da es aufgrund der geringen Oberflächenspannung von Silikonöl nicht in einem an dem Bearbeitungsgegenstand bzw. Arbeitsgegenstands fixierten Zustand verbleibt, und es kann durch einen durch den Flüssigkeitsdruck verursachten Fluss von dem Bearbeitungsgegenstand beseitigt werden, wenn die auf dem Molekulargewicht von Silikonöl basierende Viskosität des Silikonöls gering gehalten wird).

Es wird auf diese Weise ermöglicht, dass eine feste Ablagerung um die Ätzposition herum verhindert wird, indem verschiedenste sich von Luft unterscheidende Atmosphären gebildet werden, wie bei den vorangehenden Punkten 1) bis 4) erläutert.
Außerdem wird bei einem vierten Ausführungsbeispiel, das nicht allein durch den Geltungsbereich der Erfindung abgedeckt ist, die Bearbeitung bei einem Zustand ausgeführt, bei welchem der Bearbeitungsgegenstand bzw. Arbeitsgegenstands auf 200°C oder höher erwärmt wird, wodurch eine Ablagerung um die Ätzposition herum vermieden wird und eine Feinbearbeitung des Materials für eine Mikromaschine, eine Integrierte Schaltung oder eine Diodenvorrichtung ermöglicht wird. Die zuvor erwähnten durch Abtragung freigesetzten Atom- oder Molekularpartikel benötigen eine längere Zeit zur Abkühlung und Verflüssigung durch die Wärme von dem erwärmten anorganischen Material, und sie verflüssigen oder verfestigen sich im Laufe eines Flugs durch Abkühlen durch die Luft bei einer Position, die von dem den Bearbeitungsgegenstand bildenden anorganischen Material beabstandet ist, wodurch eine feste Ablagerung in der Nähe der Ätzposition gehindert wird, wodurch die Erzeugung von fester Ablagerung um die Ätzposition herum vermieden wird.
Außerdem wird bei einem fünften Ausführungsbeispiel, das nicht allein durch den Geltungsbereich der Erfindung abgedeckt ist, die Bearbeitung bei einem Zustand ausgeführt, bei welchem der Bearbeitungsgegenstand bzw. Arbeitsgegenstand in einer Atmosphäre mit einem 10 Torr nicht überschreitenden Druck gehalten, wodurch eine Ablagerung um die Ätzposition herum vermieden wird und eine Feinbearbeitung des Materials für eine Mikromaschine, eine Integrierte Schaltung oder eine Diodenvorrichtung ermöglicht wird. Die zuvor erwähnten durch Abtragung freigesetzten Atom- oder Molekularpartikel fliegen in einem Raum geringen Drucks mit einer geringeren Anzahl von Molekülen oder Atomen und zeigen eine geringere Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den Partikeln und eine längere Durchschnittsfluglänge, wodurch sie zu einer geraden Bewegung tendieren und weniger in der Nähe der Ätzposition verbleiben, wodurch die Erzeugung von fester Ablagerung um die Ätzposition herum vermieden wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung durch ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele ausführlich verdeutlicht.
[Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in Anspruch 1 definiert ist]
Zuerst wird Bezug auf 1 genommen, um das Abtragungsverfahren des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zu umreißen. Ein Laserlicht 1, das von einem nicht dargestellten Laseroszillator emittiert wird, der in der Lage ist, das Laserlicht mit einer extrem kurzen Impulsemissionszeit (die 1 Pikosekunde nicht überschreitet) zu emittieren, nachdem es durch eine mechanische Blende 4-1 in einen zeitlich unterteilten Impulszug 5-1 von Laserlicht moduliert ist, beleuchtet eine Fotomaske 6, und das durch ein Maskierungsmuster 8 hindurch gelassene bzw. transmittierte Licht wird durch eine Projektionslinse 7 projiziert und fokussiert. Das projizierte Bild wird auf der Oberfläche eines aus einem anorganischen Material gebildeten bzw. Arbeitsgegenstands bzw. Bearbeitungsgegenstands 2 fokussiert.
Das Laserlicht 1 wird in Impulsen in einem derartigen Zustand abgestrahlt, um eine Sublimationsabtragungsbearbeitung des Bearbeitungsgegenstands 2 zu bewirken, und bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Laserlichtbestrahlung durch die Auf/Zu-Steuerung der mechanischen Blende 4-1 gesteuert, um den Bearbeitungsgegenstand 2 in einer intermittierenden Sequenz zu ätzen.
Bei dem Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, wurde das intermittierende Laserbestrahlungsätzen ausgeführt, indem ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von 775 nm, einer Laserimpulsoszillationsfrequenz von 1 kHz, einer Laserbestrahlungsimpulsdauer von ungefähr 150 Femtosekunden, einer optischen Energie von ungefähr 7 μ Joule pro Impuls, die durch die Fotomaske 6 und die Projektionslinse 7 in einem Bereich von 20 μm ϕ konzentriert ist, nämlich unter einer Laserbestrahlungsbedingung mit einer Energiedichte von 15 Terawatt/cm² pro Impuls, auf einem Siliziumkristall in der Luft mit normaler Temperatur und normalem Druck zum Einsatz kommt, wobei ein Zyklus eines Einzustands für 0,1 Sekunden (ungefähr 100 Laserimpulse werden durch den Zug bzw. Abfolge von Laserimpulsen bestrahlt: X) und Auszustands für 0,5 Sekunden (die Laserimpulse werden nicht abgestrahlt: Y) 5 Mal durch die mechanische Blende 4-1 wiederholt werden, wodurch ungefähr 500 Laserimpulse insgesamt abgegeben werden, um ein geätztes Loch mit einer Tiefe von ungefähr 30 μm zu bilden.
Die Bearbeitung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, ermöglicht es, ein sauberes Ätzen ohne Ablagerung um das bearbeitete Loch herum zu erzielen, wie in 4 gezeigt.
Andererseits zeigte das geätzte Loch in dem Fall, dass der Siliziumkristall in der Luft mit normaler Temperatur und normalem Druck mit den gesamten Laserbestrahlungsimpulsen von ungefähr 500 Impulsen unter der selben Laserbestrahlungsbedingung wie zuvor, wobei die mechanische Blende 4-1 für 0,5 Sekunden in dem Einzustand (nicht abgeschirmter Zustand) ist, kontinuierlich geätzt wurde, eine Tiefe von 30 μm, jedoch wurde verflüssigtes Silizium in fester Form um das bearbeitete Loch abgelagert, wie in 3 gezeigt. Das verfestigte Silizium konnte nur durch Laufen Lassen von Fließwasser nicht einfach beseitigt werden.
Im Vergleich mit dem kontinuierlichen Ätzverfahren ermöglicht das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, ein extrem sauberes bearbeitetes Loch ohne Ablagerung zu bilden.
[Ausführungsbeispiel 2, das nicht durch die vorliegende Erfindung abgedeckt ist]
Nun wird Bezug auf 2 genommen, um das Bearbeitungsverfahren des Ausführungsbeispiels zu umreißen. Ein Laserlicht 1, das von einem nicht dargestellten Laseroszillator emittiert wird, der in der Lage ist, das Laserlicht mit einer extrem kurzen Impulsemissionszeit (die 1 Pikosekunde nicht überschreitet) zu emittieren, beleuchtet eine Fotomaske 6, und das durch ein Maskierungsmuster 8 hindurch gelassene bzw. transmittierte Licht wird durch eine Projektionslinse 7 projiziert und fokussiert. Das projizierte Bild wird auf der Oberfläche eines aus einem anorganischen Material gebildeten Bearbeitungsgegenstand 2 fokussiert.
Andererseits emittierte eine Gasdüse 4-2 Stickstoffgas 5-2 in einer durch einen Pfeil angezeigten Richtung, wodurch ein Gasfluss an der Oberfläche des Bearbeitungsgegenstands 2 erzeugt wird. Das Laserlicht 1 wird in Impulsen abgestrahlt, um eine Sublimationsabtragungsbearbeitung des Bearbeitungsgegenstands 2 zu bewirken.
Bei dem Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels, wurde das kontinuierliche Ätzen ausgeführt, indem ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von 775 nm, einer Laserimpulsoszillationsfrequenz von 1 kHz, einer Laserbestrahlungsimpulsdauer von ungefähr 150 Femtosekunden, einer optischen Energie von ungefähr 7 μ Joule pro Impuls, die durch die Fotomaske 6 und die Projektionslinse 7 in einem Bereich von 20 μm ϕ konzentriert ist, nämlich unter einer Laserbestrahlungsbedingung mit einer Energiedichte von 15 Terawatt/cm² pro Impuls, an einem Siliziumkristall in der Luft mit normaler Temperatur und normalem Druck bei einer Bestrahlung von 0,5 Sekunden, damit ungefähr 500 Laserimpulse insgesamt abgegeben werden, und bei einem Stickstoffgasfluss von ungefähr 1 m/sek zum Einsatz kommt, um ein geätztes Loch mit einer Tiefe von ungefähr 30 μm zu bilden.
Das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, ermöglicht es bei zu dem Siliziumkristall strömendem Stickstoffgas, ein sauberes Ätzen ohne Ablagerung um das bearbeitete Loch herum zu erzielen, wie in 4 gezeigt. Andererseits zeigte in dem Fall, dass der Siliziumkristall in der Luftatmosphäre ohne den Gasstrom geätzt wurde, dass verflüssigtes Silizium in fester Form um das bearbeitete Loch abgelagert wurde, wie in 3 gezeigt. Das verfestigte Silizium konnte nur durch Laufen Lassen von Fließwasser nicht einfach beseitigt werden. Im Vergleich mit dem Bearbeiten in der ruhigen Luftatmosphäre ermöglicht es das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels, ein extrem sauberes bearbeitetes Loch ohne Ablagerung zu bilden. Außerdem wird die optimale Rate des Gasflusses gemäß der Größe des Arbeitsbereichs und der Arbeitsgeschwindigkeit abhängig von der Laserbestrahlungsenergie variabel angesehen bzw. überlegt.
[Ausführungsbeispiel 3]
Nun wird Bezug auf 6 genommen, um das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels zu umreißen, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist. Ein Laserlicht 1, das von einem nicht dargestellten Laseroszillator emittiert wird, der in der Lage ist, das Laserlicht mit einer extrem kurzen Impulsemissionszeit (die 1 Pikosekunde nicht überschreitet) zu emittieren, beleuchtet eine Fotomaske 6, und das durch ein Maskierungsmuster 8 hindurch gelassene bzw. transmittierte Licht wird durch eine Projektionslinse 7 projiziert und fokussiert. Das projizierte Bild wird auf der Oberfläche eines aus einem anorganischen Material gebildeten Bearbeitungsgegenstands 2 fokussiert.
Der Bearbeitungsgegenstand 2 ist in einer Kammer 3 und ein die Kammer 3 verschließendes Fenster 4-3 abgeschlossen, und der Raum um den Bearbeitungsgegenstand 2 ist mit einem Bearbeitungsgegenstandatmosphärenmaterial 5-3 gefüllt. Bei einem derartigen Zustand wird das Laserlicht 1 in Impulsen abgestrahlt, um eine Sublimationsabtragungsbearbeitung des Bearbeitungsgegenstands 2 zu bewirken.
Bei dem Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, war der Bearbeitungsgegenstand 2 aus kristallinem Silizium gebildet, und die Kammer 3 war mit Heliumgas mit normalem Druck als das Bearbeitungsgegenstandatmosphärenmaterial 5-3 gefüllt.
Bei dem Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, wurde das kontinuierliche Ätzen ausgeführt, indem ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von 775 nm, einer Laserimpulsoszillationsfrequenz von 1 kHz, einer Laserbestrahlungsimpulsdauer von ungefähr 150 Femtosekunden, einer optischen Energie von ungefähr 7 μ Joule pro Impuls, die durch die Fotomaske 6 und die Projektionslinse 7 in einem Bereich von 20 μm ϕ konzentriert ist, nämlich unter einer Laserbestrahlungsbedingung mit einer Energiedichte von 15 Terawatt/cm² pro Impuls, an einem Siliziumkristall bei einer Bestrahlung von 0,5 Sekunden, damit ungefähr 500 Laserimpulse insgesamt abgegeben werden, zum Einsatz kommt, um ein geätztes Loch mit einer Tiefe von ungefähr 30 μm zu bilden.
Das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, ermöglicht es in dem Fall eines Bearbeitens von kristallinem Silizium in einer Heliumgasatmosphäre, ein sauberes Ätzen ohne Ablagerung um das bearbeitete Loch herum zu erzielen, wie in 4 gezeigt.
Andererseits zeigte in dem Fall, dass das kristalline Silizium in der Luftatmosphäre geätzt wurde, verflüssigtes Silizium in fester Form um das bearbeitete Loch herum abgelagert, wie in 3 gezeigt. Das verfestigte Silizium konnte nur durch Laufen Lassen von Fließwasser nicht einfach beseitigt werden. Im Vergleich dazu ermöglicht es das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels, ein extrem sauberes bearbeitetes Loch zu bilden.
Zudem ist eine derartige Bearbeitung nicht restriktiv, und ein extrem sauberes Loch kann auch in den folgenden Fällen erlangt werden:
Einsetzen von Silizium als den Bearbeitungsgegenstand 2 und Wasserstoffgas als das Bearbeitungsgegenstandatmosphärenmaterial 5-3; oder
Einsetzen von Silizium als den Bearbeitungsgegenstand 2 und Silikonöl als das Bearbeitungsgegenstandatmosphärenmaterial 5-3; oder
Einsetzen von Galliumarsenid als den Bearbeitungsgegenstand 2 und Heliumgas als das Bearbeitungsgegenstandatmosphärenmaterial 5-3; oder
Einsetzen von Galliumarsenid als den Bearbeitungsgegenstand 2 und Wasser als das Bearbeitungsgegenstandatmosphärenmaterial 5-3; oder
Einsetzen von Galliumarsenid als den Bearbeitungsgegenstand 2 und Silikonöl als das Bearbeitungsgegenstandatmosphärenmaterial 5-3.
[Ausführungsbeispiel 4, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist]
Nun wird Bezug auf 7 genommen, um das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels zu umreißen, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist. Ein Laserlicht 1, das von einem nicht dargestellten Laseroszillator emittiert wird, der in der Lage ist, das Laserlicht mit einer extrem kurzen Impulsemissionszeit (die 1 Pikosekunde nicht überschreitet) zu emittieren, beleuchtet eine Fotomaske 6, und das durch ein Maskierungsmuster 8 hindurch gelassene bzw. transmittierte Licht wird durch eine Projektionslinse 7 projiziert und fokussiert. Das projizierte Bild wird auf der Oberfläche eines aus einem anorganischen Material gebildeten Bearbeitungsgegenstands 2 fokussiert.
Andererseits wird der Bearbeitungsgegenstand 2 durch eine Heizung 4-4 geheizt bzw. erwärmt, und die Temperatur wird durch ein Thermometer 5-4 gemessen. Eine konstante Temperatur wird aufrechterhalten, indem die Heizung 4-4 durch eine nicht dargestellte Temperatursteuereinrichtung ein und ausgeschaltet wird.
Das Laserlicht 1 wird in Impulsen in einem derartigen Zustand abgestrahlt, um eine Sublimationsabtragungsbearbeitung des Bearbeitungsgegenstands 2 zu bewirken.
Bei dem Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, wurde das kontinuierliche Laserbestrahlungsätzen ausgeführt, indem ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von 775 nm, einer Laserimpulsoszillationsfrequenz von 1 kHz, einer Laserbestrahlungsimpulsdauer von ungefähr 150 Femtosekunden, einer optischen Energie von ungefähr 7 μ Joule pro Impuls, die durch die Fotomaske 6 und die Projektionslinse 7 in einem Bereich von 20 μm ϕ konzentriert ist, nämlich unter einer Laserbestrahlungsbedingung mit einer Energiedichte von 15 Terawatt/cm² pro Impuls, an einem den Bearbeitungsgegenstand 2 bildenden Siliziumkristall bei einem Zustand, bei welchem die Temperatur bei ungefähr 250°C aufrechterhalten wird, bei einer Bestrahlung von 0,5 Sekunden, damit ungefähr 500 Laserimpulse insgesamt abgegeben werden, zum Einsatz kommt, um ein geätztes Loch mit einer Tiefe von ungefähr 30 μm zu bilden.
Die Bearbeitung des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, das ein kristallines Silizium bei dem bei 250°C erwärmten Zustand einsetzt, ermöglicht es, ein sauberes Ätzen ohne Ablagerung um das bearbeitete Loch herum zu erzielen, wie in 4 gezeigt.
Andererseits wurde bei dem Fall, bei dem der Siliziumkristall bei der normalen Temperatur geätzt wurde, verflüssigtes Silizium in fester Form um das bearbeitete Loch herum abgelagert, wie in 3 gezeigt. Das verfestigte Silizium konnte nur durch Laufen Lassen von Fließwasser nicht einfach beseitigt werden. Folglich ermöglicht das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels im Vergleich zu der Bearbeitung bei der normalen Temperatur, ein extrem sauberes bearbeitetes Loch ohne Ablagerung zu bilden. Die Ablagerungen neigten mit ausgehend von der normalen Temperatur (23°C) höher werdender Temperatur des kristallinen Siliziums dazu sich zu vermindern, jedoch verblieben die Ablagerungen bei einer Temperatur geringer als 200°C.
[Ausführungsbeispiel 5, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist]
Nun wird Bezug auf 8 genommen, um das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels zu umreißen, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist. Ein Laserlicht 1, das von einem nicht dargestellten Laseroszillator emittiert wird, der in der Lage ist, das Laserlicht mit einer extrem kurzen Impulsemissionszeit (die 1 Pikosekunde nicht überschreitet) zu emittieren, nachdem es durch eine mechanische Blende 4-1 in einen Impulszug 5-1 von zeitlich unterteiltem Laserlicht moduliert ist, beleuchtet eine Fotomaske 6, und das durch ein Maskierungsmuster 8 hindurch gelassene bzw. transmittierte Licht wird durch eine Projektionslinse 7 projiziert und fokussiert. Das projizierte Bild wird auf der Oberfläche eines aus einem anorganischen Material gebildeten Bearbeitungsgegenstand 2 fokussiert.
Andererseits ist der Bearbeitungsgegenstand 2 durch eine Kammer 3 und ein Fenster 4-3 umschlossen, das Licht hindurch lassen kann, und der Raum um den Bearbeitungsgegenstand 2 herum ist mit Luft 5-5 reduzierten Drucks gefüllt, deren Druck um 10 Torr oder geringer durch eine nicht dargestellte Pumpe reduziert ist. Das Laserlicht 1 wird in Impulsen bei einem derartigen Zustand abgestrahlt, um eine Sublimationsabtragungsbearbeitung des Bearbeitungsgegenstands 2 zu bewirken.
Bei dem Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, wurde das kontinuierliche Laserbestrahlungsätzen ausgeführt, indem ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von 775 nm, einer Laserimpulsoszillationsfrequenz von 1 kHz, einer Laserbestrahlungsimpulsdauer von ungefähr 150 Femtosekunden, einer optischen Energie von ungefähr 7 μ Joule pro Impuls, die durch die Fotomaske 6 und die Projektionslinse 7 in einem Bereich von 20 μm ϕ konzentriert ist, nämlich bei einer Laserbestrahlungsbedingung mit einer Energiedichte von 15 Terawatt/cm² pro Impuls, an einem Siliziumkristall für eine Dauer von 0,5 Sekunden in der Luft mit einem Druck von 5 Torr, wodurch ungefähr 500 Laserimpulse insgesamt abgegeben werden, zum Einsatz kommt, um ein geätztes Loch mit einer Tiefe von ungefähr 30 μm zu bilden.
Die Bearbeitung des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das nicht allein durch den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist, ermöglicht es im Fall des Bearbeitens von kristallinen Siliziums in der Luft mit einem Druck von 5 Torr, ein sauberes Ätzen ohne Ablagerung um das bearbeitete Loch herum zu erzielen, wie in 4 gezeigt.
Andererseits wurde bei dem Fall, bei dem das kristalline Silizium in der Luft mit normalem Druck geätzt wurde, verflüssigtes Silizium in fester Form um das bearbeitete Loch herum abgelagert, wie in 3 gezeigt. Das verfestigte Silizium konnte nur durch Laufen Lassen von Fließwasser nicht einfach beseitigt werden. Folglich ermöglicht das Bearbeitungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels im Vergleich zu der Bearbeitung in der Luft mit normalem Druck, ein extrem sauberes bearbeitetes Loch ohne Ablagerung zu bilden. Die Ablagerung neigte mit ausgehend von dem normalen Druck (760 Torr) geringer werdendem Druck der Atmosphäre um das kristalline Silizium herum dazu, sich zu vermindern, jedoch blieben die Ablagerungen bei einem ungefähr 10 Torr überschreitendem Druck zurück.
Wie zuvor beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein Laserätzverfahren und ein Laserätzgerät zur Verfügung, die beim Laserätzen eines aus einem anorganischen Material gebildeten Bearbeitungsgegenstands zur Bearbeitung ohne Ablagerungen um die Ätzposition herum, und zur Feinbearbeitung eines Materials für eine Mikromaschine, eine Integrierte Schaltung oder eine Diodenvorrichtung in der Lage sind.
Bei einer Konfiguration der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Bestrahlung des Bearbeitungsgegenstands mit intermittierender Bestrahlung mit einem längeren Intervall als die Oszillationsfrequenz des gepulsten Lasers ausgeführt wird, kann eine Ätzpausenzeit nach einem vorbestimmten Ätzen zur Verfügung gestellt werden, um eine Bearbeitungssequenz zu realisieren, bei welcher das Ätzen neu gestartet wird, nachdem die aus Atom- oder Molekularpartikeln bestehende Plasmawolke zerstreut ist, wodurch eine extrem saubere Bearbeitung ohne Ablagerungen um die Ätzposition herum ermöglicht wird, wie es bei dem herkömmlichen kontinuierlichen Ätzbetrieb angetroffen wird.
Zudem können die vorangehenden fünf Ausführungsbeispiele kombiniert werden, so dass eine Ablagerung in der Nähe des Arbeitsbereichs verhindert wird, insbesondere das Ausführungsbeispiel der Erfindung (intermittierende Laserbestrahlung) mit dem zweiten bis zu dem fünften Ausführungsbeispiel.
Beispielsweise kann eine Kombination des Ausführungsbeispiels (intermittierende Laserbestrahlung) gemäß Anspruch 1, des zweiten Ausführungsbeispiels (Gasflussströmen) und des vierten Ausführungsbeispiels (Erwärmen bzw. Heizen eines Bearbeitungsgegenstands), oder eine Kombination des Ausführungsbeispiels (intermittierende Laserbestrahlung) gemäß Anspruch 1 mit dem fünften Ausführungsbeispiel (reduzierte Druckatmosphäre) zum Einsatz kommen.
Die Erfindung stellt ein Laserätzverfahren für optische Abtragungsbearbeitung durch Bestrahlung eines aus einem anorganischen Material gebildeten Bearbeitungsgegenstands mit einem Laserlicht von einem Laseroszillator zur Verfügung, der in der Lage ist, Lichtimpulse mit einer großen Energiedichte in Raum und Zeit mit einer 1 Pikosekunde nicht überschreitenden Impulsdauerzeit zu emittieren, wobei beim Laserätzen des aus dem anorganischen Material gebildeten Bearbeitungsgegenstands durch Bestrahlung davon mit dem Laserlicht von dem Laseroszillator mit einem vorbestimmten Muster und mit einer vorbestimmten Energiedichte eine Einrichtung zur Verhinderung von Ablagerung eines Bearbeitungsbeiprodukts um die Ätzposition herum Verwendung findet.

Claims

Laserätzverfahren zur optischen Abtragungsbearbeitung, mit Bestrahlen eines aus einem anorganischen Material gebildeten Arbeitsgegenstandes (2) mit einem Laserlicht (1) von einem Laseroszillator, der nacheinander eine Folge von Lichtimpulsen mit einer hohen Energiedichte in Raum und Zeit mit einer Impulsabstrahlungszeit emittiert, die 1 Pikosekunde nicht überschreitet, wobei, beim Laserätzen des aus dem anorganischen Material gebildeten Arbeitsgegenstandes durch seine Bestrahlung mit den Folgen von Laserlicht von dem Laseroszillator mit einem vorbestimmten Muster und mit einer vorbestimmten Energiedichte, zwischen zwei Folgen von Impulsen für eine vorbestimmte Dauer eine Ätzpausenzeit zur Verfügung gestellt ist, um eine beim Bestrahlen des Arbeitsgegenstandes mit den Lichtimpulsen gebildete Plasmawolke von der Ätzposition zu zerstreuen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Folge eine Vielzahl von Impulsen umfasst, die vorbestimmte Dauer der Ätzpausenzeit länger als eine Dauer eines Bestrahlens des Arbeitsgegenstandes mit einer Folge der Lichtimpulsen ist, und während der Ätzpausenzeit eine Beseitigung einer Plasmawolke ausgeführt wird, die während der Dauer eines Bestrahlens des Arbeitsgegenstandes mit der Folge der Lichtimpulse erzeugt wird.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Dauer der Ätzpausenzeit länger als die Oszillationsfrequenz des Impulslasers ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Gasstrom erzeugt wird, um beim Bestrahlen des Arbeitsgegenstandes mit dem Laserlicht die Plasmawolke von der Ätzposition zu zerstreuen.
Laserätzverfahren nach Anspruch 3, wobei der Gasstrom bei der Arbeitsposition des Arbeitsgegenstandes ein Luftstrom ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 3, wobei der Gasstrom bei der Arbeitsposition des Arbeitsgegenstandes ein Stickstoffstrom ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Ätzen auf eine derartige Weise vorgenommen wird, dass das Laserlicht bei einem Zustand abgestrahlt wird, bei welchem der Arbeitsgegenstand in einer anderen Substanz als Luft positioniert ist, um beim Bestrahlen des Arbeitsgegenstandes mit dem Laserlicht die Plasmawolke von der Ätzposition zu zerstreuen.
Laserätzverfahren nach Anspruch 6, wobei die von Luft verschiedene Substanz Gas ist, dessen Medium ein geringeres Atomgewicht als das von Stickstoffmolekülen hat.
Laserätzverfahren nach Anspruch 7, wobei das Gas Heliumgas ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 7, wobei das Gas Wasserstoffgas ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 6, wobei die von Luft verschiedene Substanz Flüssigkeit ist, deren Medium das Laserlicht durchlässt.
Laserätzverfahren nach Anspruch 10, wobei die das Laserlicht durchlassende Flüssigkeit Wasser ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 10, wobei die das Laserlicht durchlassende Flüssigkeit Silikonöl ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Ätzen auf eine derartige Weise vorgenommen wird, dass das Laserlicht bei einem Zustand abgestrahlt wird, bei welchem der Arbeitsgegenstand auf 200°C oder höher erwärmt wird, um beim Bestrahlen des Arbeitsgegenstandes mit dem Laserlicht die Plasmawolke von der Ätzposition zu zerstreuen.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Ätzen auf eine derartige Weise vorgenommen wird, dass das Laserlicht bei einem Zustand abgestrahlt wird, bei welchem der Arbeitsgegenstand in einer Atmosphäre eines Drucks zur Verfügung gestellt wird, der 10 Torr nicht überschreitet, um beim Bestrahlen des Arbeitsgegenstandes mit dem Laserlicht die Plasmawolke von der Ätzposition zu zerstreuen.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei das anorganische Material ein kristalliner kovalenter Verbund ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei das anorganische Material ein kristallines oder amorphes Silizium ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei das anorganische Material eine Siliziumverbindung ist.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei der Laseroszillator eine räumliche Kompressionsvorrichtung zur Lichtausbreitung hat.
Laserätzverfahren nach Anspruch 18, wobei die räumliche Kompressionsvorrichtung zur Lichtausbreitung aufweist eine Chirpimpulserzeugungseinrichtung und eine Vertikalbetriebsartsynchronisationseinrichtung, welche die Charakteristika des Streuens der optischen Wellenlänge verwendet.
Laserätzverfahren nach Anspruch 1, wobei das Laserlicht von einem Laseroszillator mit einer Chirpimpulserzeugungseinrichtung und einer Vertikalbetriebsartsynchronisationseinrichtung zur Verwendung der Charakteristika des Streuens der optischen Wellenlänge emittiert wird.