JP2002353425A - サファイア基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】サファイアからなり、直径0.1mm未満の貫通孔
を有する基板の製造方法において、貫通孔を形成する方
法としてウエットエッチング以外のものを提供する。 【解決手段】サファイア基板にマスキングを施し、ブラ
スト加工法で貫通孔を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サファイアからな
り、微細な貫通孔を有する基板およびその製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気および電子機器は小型軽量化
が進んでおり、それに用いられる回路ブロックもその動
向に呼応する形で小型軽量化、表面実装化、複合化が押
し進められているが、混成集積回路（以下、HICとい
う）もそのひとつである。

【０００３】HIC用の基板としては、従来、セラミック
スや樹脂からなる絶縁材料が用いられ、例えば、特開平
9-186426号公報にはアルミナを用いた場合が示されてい
る。

【０００４】また、絶縁材料を基板に用いて電気および
電子装置を構成する場合、電気および電子装置の実装を
簡素化する、あるいは、電気および電子装置自体を小型
化する目的で基板に貫通孔を設け、その貫通孔を通して
基板の両面での電気的な接続を行っている。

【０００５】また、入出力信号が高周波になるに従っ
て、ノイズ低減の目的から基板材料の低誘電率損失のも
のが求められており、近年、その基板材料としてサファ
イアが候補として挙げられている。

【０００６】また、HICのみならずサファイアの用途は
広く、GaN系化合物半導体成長用基板や、サファイアを
構造材料とした圧力センサなど、数多く挙げられるが、
これらの電気または電子装置においても同様に、微細な
貫通孔の形成が要請されている。

【０００７】サファイアに対する貫通孔は、0.2mm程度
までのものであれば、機械工具による加工や超音波加工
によって形成することができた。しかし、近年、さらな
る電気および電子装置のさらなる小型化を行うに当た
り、直径0.1mm未満のものなど、さらなる微細化が必要
とされているが、サファイアに対してこの大きさの孔を
形成するのは困難であった。

【０００８】そのような中、サファイア基板に微細な貫
通孔を形成する方法として、特開平11-45892公報ではマ
スクを用いたウエットエッチングが提案されている。図
4および5は上記公報に挙げられているウエットエッチン
グを用いた貫通孔の形成方法を示す。

【０００９】まず、図4に示すように、一方の主面上に
半導体素子4aが形成されたサファイア基板2aを用い、半
導体素子4aを腐食から保護することを目的に、エッチン
グ用液に対する耐性を有する保護膜4bを半導体素子4a上
に形成する。次に、研磨加工によって所定の厚みまでサ
ファイア基板の他方の主面を薄くする。次に、フォトリ
ソグラフィー技術およびリフト法を用いて、クロム（C
r）膜および白金（Pt）膜を積層してなるエッチングマ
スク4cを形成する。次に、それを300℃前後のリン酸/硫
酸混合液に長時間さらすことでエッチングし、選択的に
サファイア基板を腐食させて図5のようなサファイア基
板2aを貫通する孔5を得ている。そして、この孔５中に
導電性物質を充填することで半導体素子4aとの導通をと
ることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、サファイア
は化学的に非常に安定なため、上記のようなウエットエ
ッチングを用いて貫通孔を得る方法ではエッチングレー
トが非常に小さい。最も速い場合でも10μm/hに及ば
ず、実質3μm/h以下であるため、ウエットエッチングは
製造方法としては実用的でなかった。また、高濃度の強
酸混合液を300℃などの高温でエッチングを行わないと
十分に加工できないので、作業的に危険を伴っていた。

【００１１】従って、ウエットエッチングに代わる貫通
孔の形成方法が必要とされていた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は、上
記のような事情に鑑み、精意研究を繰り返した結果、ウ
エットエッチングを必要としない、微細な貫通孔の他の
形成方法を提供することが可能であることを見出した。

【００１３】本発明は、ブラスト加工法を用いてサファ
イア基板に直径0.1mm未満の貫通穴を形成することを特
徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１５】図1のように、本発明のサファイア基板2a
は、直径0.1mm未満の貫通孔1を有し、ブラスト加工法に
よって上記貫通孔を形成したことを特徴とする。

【００１６】ブラスト加工法は、微細な形状加工に用い
ることができる加工法であり、微細な粉末を高圧力で被
加工材に衝射するものである。レジストパターン2bなど
で被加工材であるサファイア基板2aの表面上にマスキン
グを形成し、選択的に表面の加工を行うことができる。
従って、マスキングに形成する孔を円形状としておけ
ば、サファイア基板2aにも円形の孔1が形成できる。

【００１７】ブラスト衝射材の材質は炭化珪素粉を用い
るのが一般的であるが、サファイアは高硬度材料であ
り、炭化珪素よりも硬度の高い材料からなる衝射材を用
いるのが好ましく、炭化硼素を用いるのが良い。

【００１８】また、ブラスト加工法によってサファイア
基板2aに形成された貫通孔1の壁面1aは凹凸を有し、衝
射材の粒径に対応した表面粗さとなり、表面粗さ(Ra)5
〜20μmとしてある。壁面1aが20μmを越える表面粗さを
有する場合、後に貫通孔1を導電性物質で満たす際に密
着性が悪く、導電性物質が剥離することがあるため好ま
しくない。滑らかな壁面を得るためには粒径の小さい衝
射材を用いればよいが、その分加工レートが低下すると
いう欠点がある。一方、粒径の大きな衝射材を用いれ
ば、加工レートが大きくなるが、壁面1aの表面粗さも大
きくなる。また、衝射材の粒径が大き過ぎると、加工さ
れる孔の径が大きくなり、微細化の弊害となるので注意
を要する。従って、粒径が10〜40μm、好ましくは25〜3
5μmの衝射材を用いれば良く、それに伴って形成された
貫通孔1の壁面1aの表面粗さ(Ra)は5〜20μmとなる。

【００１９】以下に、ブラスト加工法を用いて直径0.1m
m未満の貫通孔を有するサファイア基板の製造方法を説
明する。

【００２０】図2のように、サファイア基板2aの一方の
主面上に、フォトリソグラフィー技術を用いてレジスト
パターン2bを形成する。ブラスト衝射によってレジスト
が破損し、孔の径が徐々に広がるので、レジストパター
ン2bの孔径は予め小さく設計するのが良い。これに対し
てブラスト衝射し、選択的にサファイア基板2aを加工す
ることで、図1のような貫通孔1を得ることができる。

【００２１】衝射材として炭化硼素を用いた場合のブラ
スト衝射条件としては、装置上の制約が許す限り高圧力
で多量の衝射材を衝射するのが良く、衝射圧は0.1〜0.5
MPa、好適には0.2〜0.4MPaとすれば良い。衝射量は衝射
圧にもよるが、50〜250mg/minで調整すれば良い。ま
た、長時間のブラスト加工は、レジストの損傷が大きく
なるため、5時間以下とするのが良い。

【００２２】なお、ブラスト加工法を用いることで、加
工レートは10μm/h以上とすることが可能となり、製造
上、より実用的である。また、ブラスト衝射は常温で行
うことができる。

【００２３】また、本発明の他の実施形態として、サフ
ァイア基板2aを最終的に薄くして電気装置または電子装
置とする場合には、図3のようにサファイア基板2aの一
方の主面に貫通しない孔3を形成し、その後他方の主面
を研磨加工することで厚みを薄くして貫通孔としてもよ
い。

【００２４】ここで、本発明における電気または電子装
置用基板として用いるサファイア基板2aは、公知の結晶
成長方法を用いて製造したもので良く、EFG法やチョク
ラルスキー法など種々の方法が挙げられる。

【００２５】また、本発明における電気および電子装置
用基板は、HIC用基板に限定するものではなく、サファ
イアを基板として用いることのできる電気および電子装
置の基板であれば良い。従って、電気および電子装置は
発光素子、受光素子、トランジスタなどの半導体素子を
有する半導体装置であっても構わないし、また、サファ
イアを構造材料として用いる圧力センサなど各種センサ
であっても良い。故に、電気および電子装置の機能に関
わらず、サファイアを用い、貫通孔を通して電気的な接
続を行うものであれば良い。また、上記のような素子や
電極など、電気または電子装置を構成する部位の全部あ
るいは一部の形成を、基板に貫通孔を形成する以前に行
っても良い。

【００２６】

【実施例】第１の実施例 図2に示すような、厚さ0.03mmのサファイア基板2aの一
方の主面上にフォトリソグラフィー技術を用いて、形成
したい孔に対応するレジストパターン2bを形成し、その
後190℃でベーキングしてレジストを硬化させた。ここ
で、ブラスト衝射によって孔が広がるのを予め想定して
レジストパターン2bの孔径は0.05mmとした。

【００２７】次に、その試料をブラスト装置に装着し、
粒径（50%粒径）が異なる数種類の炭化硼素粉を用い、
圧力0.35MPa、衝射量160mg/min. にて3時間のブラスト
衝射を行った。この結果を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１より衝射材粒径が大きいと加工レート
が大きいが、レジストの損傷も大きく、形成される孔直
径も大きくなるため好ましくない。また、孔壁面1aの表
面粗さは、衝射材粒径が大きくなるに伴って大きくなっ
た。0.1mm未満の孔形状を得るには衝射材粒径は40μm未
満とするのが良く、32μmの衝射材を用いた場合には孔
径が95μmの貫通孔が得られ、この時の孔壁面の表面粗
さは15μmであった。衝射材の平均粒径が19μm未満の場
合、表面粗さは5μm未満となるが、加工レートが極端に
遅くなることが予想され、好ましくない。故に、孔壁面
の表面粗さが5μm以上20μm以下となるようにブラスト
加工するのが良いと言える。

【００３０】第２の実施例 第１の実施例と同様に、図2のような厚さ0.4mmのサファ
イア基板2aの一方の主面上にフォトリソグラフィー技術
を用いて形成したい孔に対応するレジストパターン2bを
形成し、その後ベーキングしてレジストパターン2bを硬
化させた。ここで、ブラスト衝射によって孔が広がるの
を予め想定して、レジストパターン2bにおける孔径は0.
05mmとした。

【００３１】次に、その試料をブラスト装置に装着し、
炭化硼素を衝射材に用い、第１の実施例と同様の条件に
てブラスト衝射を行った。この結果、図3に示すよう
に、孔径が95μm、深さ35μmの貫通しない孔3を得た。

【００３２】次に、サファイア基板2aの他方の主面を研
磨加工することによってサファイア基板2aの厚みを薄く
した。その方法としては、まず、粒径30μmのダイヤモ
ンド砥粒からなる研磨剤を含む水溶液を用いて、厚みを
150μmとした。その後、一度試料を洗浄し、粒径10μm
のダイヤモンド砥粒からなる研磨剤を含む水溶液を用い
て厚みを35μmとした。再度洗浄し、最後はコロイダル
シリカを含む水溶液でクロス研磨を行い、厚みを30μm
とした。これによって孔3の底部分が表面に現れ、貫通
孔が得られた。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、サファ
イア基板に対しブラスト加工で直径0.1mm未満の貫通穴
を形成することによって、それを用いた電気および電子
装置の小型化、実装工程の簡素化が可能となり、基板が
低誘電率であるためノイズを軽減して高性能となる。

【００３４】また、本発明におけるサファイア基板の製
造方法は、ウエットエッチングを必要としない、微細な
貫通孔の形成を可能とするものであって、ウエットエッ
チングに起因する製造上の問題を回避することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のサファイア基板を示す断面図である。

【図２】本発明のサファイア基板の製造方法を示す断面
図である。

【図３】本発明のサファイア基板の製造方法を示す断面
図である。

【図４】従来のサファイア基板の製造方法を示す断面図
である。

【図５】従来のサファイア基板の製造方法を示す断面図
である。

【符号の説明】

貫通孔 1a 孔壁面 2a サファイア基板 2b レジストパターン

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サファイアからなり、直径が0.1mm未満の
   貫通孔を有するとともに、該貫通孔の壁面の表面粗さＲ
   ａが5μm以上20μm以下であることを特徴とするサファ
   イア基板。
2. 【請求項２】上記貫通孔がブラスト加工法によって形成
   されたものであることを特徴とする請求項１記載のサフ
   ァイア基板。
3. 【請求項３】サファイアからなる基板にマスキングを施
   し、ブラスト加工法によって直径が0.1mm未満の貫通孔
   を形成することを特徴とするサファイア基板の製造方
   法。
4. 【請求項４】上記ブラスト加工時に粒径10〜40μmの衝
   射材を用いることを特徴とする請求項３記載のサファイ
   ア基板の製造方法。
5. 【請求項５】上記ブラスト加工時の衝射材として炭化硼
   素を用いることを特徴とする上記請求項３記載のサファ
   イア基板の製造方法。