JP2004351494A - レーザーに対して透明な材料の穴あけ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザーに対して透明な材料にできるだけストレートな円柱形状の微細貫通穴を形成すること。
【解決手段】レーザーに対して透明な石英ガラスなどの材料２０の内部に超短パルスレーザー１１を照射し、材料２０の表面２１と裏面２２の間の材料厚さ方向に沿う変質層２３を材料２０の内部にのみ生じさせる工程と、材料２０の表面２１と裏面２２の変質層２３に対応する領域で開口しその他の領域を覆うエッチング保護膜２５を材料２０にパターニングする工程と、材料２０をエッチング液３０に浸し、変質層２３を挟んで向かい合う表面２１と裏面２２の開口２６間の材料を除去する工程とを備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス幅が特に短い、ピコ秒以下のいわゆる超短パルスレーザーの照射とエッチングプロセスを併用し、レーザーに対して透明な材料に穴を形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英ガラス等のレーザーに対して透明な材料の加工に超短パルスレーザーを用いることが知られている。超短パルスレーザーを透明材料の内部に集光すると、焦点近傍の微小領域において材料の変質が起こる。そして、その変質部をフッ化水素ＨＦのエッチャントに浸漬すると、変質部のエッチレートは母材に対し向上することが知られている。従って、超短パルスレーザーの集光点を走査し、３次元的に変質層を形成すれば、材料内部に３次元的な穴の作製が可能となる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ａｎｄｒｉｕｓ Ｍａｒｃｉｎｋｅｖｉｃｉｕｓ 他６名、論文名 Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ−ａｓｓｉｓｔｅｄｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃａ、”ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ”、Ｕ．Ｓ．Ａ．、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、２００１年３月１日 第２６巻第５号、ｐ２７７−２７９。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エッチングの進行は材料界面（材料表面）から進むため、エッチング液の入口付近の穴径は、材料の中心部より大きくなり、最終的に形成された穴にテーパが生じてしまう。また、材料表面では、レーザによるいわゆるアブレーション加工が生じ凹部が形成される。さらに、穴の入口付近と出口付近における壁面の品質は、エッチング前の材料の表面精度に影響される。したがって、アブレーションによって材料表面に凹部が形成されると、穴の入口付近と出口付近における壁面の品位低下と、穴形状の不確定性を増す要因となる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、レーザーに対して透明な材料を、超短パルスレーザーの照射とウェットエッチングとを併用して穴あけを加工する方法において、材料に形成される穴の入口、出口付近の表面及び穴壁面における加工品質の向上と、材料に形成される穴形状をできるだけストレートな円柱形状にする方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の方法は、照射されるレーザーの波長に対して透明な材料の内部に超短パルスレーザーを集光照射し、前記材料の表面と裏面の間の材料厚さ方向に沿う変質層を前記材料の内部にのみ生じさせる工程と、前記材料の表面と裏面の前記変質層に対応する領域で開口しその他の領域を覆うエッチング保護膜を前記材料にパターニングする工程と、前記材料をエッチング液に浸し、前記変質層を挟んで向かい合う前記表面と前記裏面の前記開口間の材料を除去する工程と、を備えることを特徴とする。
こうすることで、穴が形成される領域及びその近傍の材料表面及び裏面でアブレーションが発生しないため、アブレーションに起因するドロスやデブリの発生がなくなって、ドロスやデブリに起因する材料表面及び裏面での凹凸を防止することができる。また、材料に形成される穴は、エッチング液により材料が除去されて形成されるので、レーザー照射により直接穴をあける場合に比べて穴の壁面の凹凸をより低減できる。
【０００６】
本発明の第２の方法は、照射されるレーザーの波長に対して透明な材料の表面と裏面における穴あけ予定位置に対応する領域で開口しその他の領域を覆うエッチング保護膜を前記材料にパターニングする工程と、前記エッチング保護膜の開口から前記材料の内部に超短パルスレーザーを集光照射し、前記材料の表面と裏面の間の材料厚さ方向に沿う変質層を前記材料の内部にのみ生じさせる工程と、前記材料をエッチング液に浸し、前記変質層を挟んで向かい合う前記表面と前記裏面の前記開口間の材料を除去する工程と、を備えることを特徴とする。
これは、先に示した方法の、レーザー照射工程とエッチング保護膜パターニング工程の順序を入れ替えたもので、第１の方法とほぼ同様の効果が得られる。
【０００７】
本発明の第３の方法は、照射されるレーザーの波長に対して透明な材料の表面に前記レーザーに対して透明なエッチング保護膜を成膜する工程と、前記エッチング保護膜を通して前記材料の内部に超短パルスレーザーを集光照射し、前記材料の表面と裏面の間の材料厚さ方向に沿う変質層を前記材料の内部のみに生じさせる工程と、前記材料の表面と裏面の前記変質層に対応する領域の前記エッチング保護膜を除去して開口を形成する工程と、前記材料をエッチング液に浸し、前記変質層を挟んで向かい合う前記表面と前記裏面の前記開口間の材料を除去する工程と、を備えることを特徴とする。
これは、エッチング保護膜の上からレーザーの照射を行う場合の方法であり、第１の方法とほぼ同様の効果が得られる。
【０００８】
また、前記レーザーの集光照射において、レーザー集光点を前記材料の厚さ方向の深い位置から浅い位置へ徐々に移動ながら前記変質層を形成することを特徴とする。これにより、材料の厚さ方向に変質層を安定して形成できる。
【０００９】
また、前記変質層を前記材料の表面部及び裏面部より中央部でその直径が大きくなる樽状又はテーパ状に形成することを特徴とする。エッチング加工では、材料の中央部に行くほど、エッチング液に浸漬されている時間が短くなるが、この態様により材料の中央部になるほど変質層の領域が多くなるため、材料のエッチレートが高くなって、結果として形成される穴の径の均一化が図れる。
【００１０】
また、前記材料の表面と裏面における前記開口の直径を前記変質層の直径より小さくすることを特徴とする。材料の表面及び裏面部は、エッチング液に浸漬されている時間がもっとも多くなり、材料の中央部ほどエッチング液に浸漬されている時間が少なくなる。従って、このような態様とすることにより、材料の表面及び裏面部でエッチングにより形成される穴幅を、材料の中央部付近でエッチングにより形成される穴幅に近づけることができ、材料に形成される穴の径の均一化を図ることができる。
【００１１】
さらに、前記超短パルスレーザーをフェムト秒レーザーとすることを特徴とする。フェムト秒レーザーは周囲への熱拡散が防止でき、多光子吸収の範囲が回折限界以下で可能であるなどの特徴を有し、変質領域を微細化できる利点がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の方法で加工対象となる材料は、用いるレーザーの波長に対して透明な材料である。これは材料の内部にレーザーを集光照射させて、多光子吸収によってその内部にのみ変質層を形成するためである。レーザーに対して透明な材料として、例えば、波長８００ｎｍのレーザー使用の場合、石英ガラスが上げられる。石英ガラスは機械的、熱的、化学的に安定であり、通信、バイオ等、今後拡大が予想される市場において欠くことの出来ない材料の一つである。そのため今後、石英ガラスに対して高品位、高精度な深穴加工を施す要求はさらに増加することが予想される材料である。
【００１３】
上記のような透明材料の内部における変質層の形成は、いわゆる超短パルスレーザーの照射により実現される。そのような超短パルスレーザーとして、例えば、フェムト秒（１０^−１５秒）パルス幅のフェムト秒レーザーが使用できる。
【００１４】
以下に、フェムト秒レーザーの照射による材料変質とエッチングによる材料除去とを利用して、石英ガラスに穴あけ加工を施す例を説明する。図１は本発明の方法の実施形態を示す加工工程図であり、この図に沿って説明する。
（ａ）まず、石英ガラス２０の表面２１及び裏面２２を研磨する。この工程は、必ずしも必要なものではないが、石英ガラス２０の表面２１及び裏面２２に面精度が要求される場合には必須である。
（ｂ）次に、穴あけ加工予定箇所である石英ガラス２０の内部にフェムト秒レーザー１１を集光照射して変質層２３を形成する。この場合、レーザー集光点を石英ガラス２０の厚さ方向の下部から上部へ徐々に移動させながら、変質層２３をその厚さ方向に沿って形成する。なお、レーザーの集光点は、石英ガラス２０の裏面２２及び表面２１のいずれの界面にもレーザーに起因する変質層を到達させないように制御する。これにより、石英ガラス２０の裏面２２及び表面２１にはアブレーションによる影響を生じさせることなく、石英ガラス２０の内部にのみ変質層２３を形成できる。
（ｃ）次に、石英ガラスの表面２１と裏面２２に、後述するエッチング液に対して耐性を有するエッチング保護膜２５をパターニングする。そのパターニングは、エッチング保護膜２５が石英ガラス２０の表面２１と裏面２２の変質層２３に対応する領域で開口２６を形成し、その他の領域を被膜して覆い石英ガラス２０をエッチング液から保護するものである。なお、エッチング液をフッ化水素（ＨＦ）の水溶液とした場合には、エッチング保護膜２５として、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）又はこれらの合金等が利用できる。このパターニングは次のような効果を奏する。すなわち、（ｉ）エッチングによる材料厚み低減の防止と表面面精度の維持、（ｉｉ）材料表面の穴周辺に形成された素子、配線の保護、そして、（ｉｉｉ）形成される穴の形状及び径を制御すること等である。
（ｄ）次に、エッチング保護膜２５がパターニングされた石英ガラス２０をエッチング液３０に浸漬させる。このとき、エッチング液３０に触れる時間は、石英ガラス２０の内部ではその表面部及び裏面部より短くなるが、石英ガラス２０の変質層２３のエッチングレートが変質していない部分のそれより向上しているので、エッチングによって形成される穴の径の深さ方向における差違を、小さくできる。
（ｅ）そして、石英ガラス２０の変質層２３がエッチングにより除去されたら、石英ガラス２０をエッチング液３０中から取り出す。エッチング液３０中から取り出された石英ガラス２０には、その厚さ方向に、円柱形状の貫通穴２７が形成されている。
（ｆ）最後に、必要に応じて、石英ガラス２０からエッチング保護膜２５を取り除いて、穴あけ加工を終了する。
【００１５】
以上が、石英ガラス２０に対する穴あけ加工の一例である。これにより、穴２７の入口及び出口ではアブレーションによる加工品位の低下を防止でき、しかも穴２７の深さ方向における径の差違を小さくした高品位の穴加工が実現できる。なお、石英ガラス２０に変質層２３を形成した後、石英ガラス２０の表面２１上に、電子素子や配線を配置し、その後、石英ガラス２０の表面２１にエッチング保護膜２３をパターニングして、上記のエッチング処理を行うこともできる。
【００１６】
また、上記加工工程において、石英ガラス２０の表面２１と裏面２２における穴あけ予定位置に対応する領域で開口２６を有し、その他の領域を覆うエッチング保護膜２５を、先に石英ガラス２０にパターニングし、その後、エッチング保護膜２５の開口２６から石英ガラス２０の内部に超短パルスレーザーを集光照射して、変質層２３を形成するようにしてもよい。
【００１７】
また、図２に示すように、照射されるレーザーの波長に対して透明なエッチング保護膜２５Ａを成膜した後に、レーザーの照射を行ってもよい。例えば、波長λ＝８００ｎｍのレーザーに対して、ポリシリコン膜等をエッチング保護膜２５Ａとして石英ガラス２０に成膜し、そのエッチング保護膜２５Ａを通して石英ガラス２０の内部に超短パルスレーザーを照射して、変質層２３を形成するようにしてもよい。ただし、その場合には、石英ガラス２０をエッチング液３０の中に入れる前に、石英ガラス２０の表面２１と裏面２２の変質層２３に対応する領域を覆うエッチング保護２５Ａを除去して、エッチング液３０の侵入口を確保しておく必要がある。
【００１８】
上記加工工程において、変質層２３の形状は、図１と図２に示した円柱状より、むしろ石英ガラス２０の厚さ方向の中央部の径が表面部及びを裏面部の径より徐々に広くなるようにするのが好ましい。このようにすると、エッチング液３０によるエッチングの幅方向（穴径方向）へのエッチング速度が、石英ガラス２０の中央部に進むほど早まる。従って、石英ガラス２０の中央部に対するエッチング時間が他の部分に比べて短くなっても、石英ガラス２０に形成される穴２７の深さ方向における径をより均一化することができる。このような変質層２３の形状として、例えば、図３（ａ）に示す樽型形状、図３（ｂ）に示すテーパ形状等が挙げられる。また、エッチング液３０に浸漬されている時間の長い石英ガラス２０の表面部及び裏面部では幅方向（穴径方向）のエッチング量が中央部でのそれより多くなることを考慮して、エッチング保護膜２５の開口２６の径を変質層２３の径より小さくしてもよい。例えば、図３の（ｃ）に示すように、開口２６の径を変質層２３の径より小さくすることで、石英ガラス２０に最終的に形成される穴２７の径の均一化を図ることができる。
【００１９】
さらに、上記の（ｄ）のエッチング工程を２ステップに分けて行うこともできる。この場合、第１ステップでは、フッ化水素水溶液等のエッチング液を利用して、石英ガラス２０を変質層２３が露出するまでエッチングする。これに続く第２ステップでは、石英ガラス２０の変質していない部分に対する変質層２３のエッチングレートが、第１ステップで利用したフッ化水素水溶液よりもできるだけ大きなエッチングレートを有するエッチング液、もしくは変質層２３だけをエッチングできるエッチング液を使用して、変質層２３を除去するエッチングを行う。こうすることにより、穴２７の入口及び出口付近の穴径を他の部分の穴径と大差なくでき、ほぼ変質層２３の形状に等しいストレートな微小穴の形成が可能となる。
【００２０】
（本発明に利用するレーザー照射装置について）
図４は本発明に利用するレーザー照射装置の一例を示す構成図である。このレーザー照射装置は、フェムト秒等の超短パルスレーザを発生するレーザーパルス光源１、レーザーパルス光源１から発振されたレーザービーム（パルス光）１１のパルス幅を調整するパルス幅調整器２、レーザービーム１１の出力を調整する出力調整器３、レーザービーム１１の径を調整するレーザービーム径調整器４、レーザービーム１１の通過／遮断を決定するシャター５、レーザービーム１１の集光位置を調整する焦点位置調整器６（空間フィルタ又は回折光学素子７と屈折型集光レンズ８を備える）、石英ガラス２０等の被加工部材を載置してＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能な３軸自動ステージ９、そして、シャッター５、焦点位置調整器６及び３軸自動ステージ９等を制御する加工制御器１０等からなる。
【００２１】
なお、上記レーザー照射装置では、被加工部材とそこに照射されるレーザービーム１１の水平方向位置及び集光位置の決定を３軸自動ステージ９の移動により行っているが、それらをレーザービーム１１の方を走査させて行ってもよいし、３軸自動ステージ９とレーザービーム１１の走査を組み合わせて行っても良い。なお、レーザービーム１１を水平方向に走査させる手段としては、例えば、ガルバノミラーを２台組み合わせたガルバノスキャナが利用できる。
【００２２】
実施例
ここで、上記実施形態におけるを条件の一例を実施例として示しておく。
・被加工材料：石英ガラス
・照射レーザー：波長λ＝８００ｎｍ、パルス幅＝１００ｆｓ、Ｐｏｗｅｒ＝５００ｍＷ、パルス繰り返し＝１ｋＨｚ
・集光系：Ｎ．Ａ．＝０．８対物レンズ
・エッチング保護膜：クロム膜
【００２３】
本発明は、砥粒加工では不可能な、例えば、１ｍｍ厚のガラス基板に、約１４０μｍピッチで流路抵抗が低い微小な貫通穴を開けるような加工に利用できる。なお、上記実施形態においては、石英ガラスに対する穴あけ加工を説明したが、この発明の方法は、それに限らず、レーザーに対して透明性を有する他の材料も加工できる。そのような性質を有するものとしては、石英ガラス以外の各種ガラス、水晶、サファイア等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の実施形態に係る加工工程図。
【図２】エッチング保護膜を通してのレーザー集光照射の説明図。
【図３】レーザー集光照射によって形成する変質層の形状例示図。
【図４】本発明に利用するレーザー照射装置の一例を示す構成図。
【符号の説明】
１…レーザーパルス光源、２…パルス幅調整器、３…出力調整器、４…レーザービーム径調整器、５…シャッター、６…焦点位置調整器、７…空間フィルタ又は回折光学素子、８…屈折型集光レンズ、９…３軸自動ステージ、１０…加工制御器、１１…レーザービーム、２０…石英ガラス、２１…石英ガラスの表面、２２…石英ガラスの裏面、２３…変質層、２５，２５Ａ…エッチング保護膜、２６…エッチング保護膜の開口、２７…穴、３０…エッチング液。

Claims (7)

1. 照射されるレーザーの波長に対して透明な材料の内部に超短パルスレーザーを集光照射し、前記材料の表面と裏面の間の材料厚さ方向に沿う変質層を前記材料の内部にのみ生じさせる工程と、
   前記材料の表面と裏面の前記変質層に対応する領域で開口しその他の領域を覆うエッチング保護膜を前記材料にパターニングする工程と、
   前記材料をエッチング液に浸し、前記変質層を挟んで向かい合う前記表面と前記裏面の前記開口間の材料を除去する工程と、
   を備えることを特徴とする材料の穴あけ加工方法。
2. 照射されるレーザーの波長に対して透明な材料の表面と裏面における穴あけ予定位置に対応する領域で開口しその他の領域を覆うエッチング保護膜を前記材料にパターニングする工程と、
   前記エッチング保護膜の開口から前記材料の内部に超短パルスレーザーを集光照射し、前記材料の表面と裏面の間の材料厚さ方向に沿う変質層を前記材料の内部にのみ生じさせる工程と、
   前記材料をエッチング液に浸し、前記変質層を挟んで向かい合う前記表面と前記裏面の前記開口間の材料を除去する工程と、
   を備えることを特徴とする材料の穴あけ加工方法。
3. 照射されるレーザーの波長に対して透明な材料の表面に前記レーザーに対して透明なエッチング保護膜を成膜する工程と、
   前記エッチング保護膜を通して前記材料の内部に超短パルスレーザーを集光照射し、前記材料の表面と裏面の間の材料厚さ方向に沿う変質層を前記材料の内部のみに生じさせる工程と、
   前記材料の表面と裏面の前記変質層に対応する領域の前記エッチング保護膜を除去して開口を形成する工程と、
   前記材料をエッチング液に浸し、前記変質層を挟んで向かい合う前記表面と前記裏面の前記開口間の材料を除去する工程と、
   を備えることを特徴とする材料の穴あけ加工方法。
4. 前記レーザーの集光照射において、レーザー集光点を前記材料の厚さ方向の深い位置から浅い位置へ徐々に移動しながら前記変質層を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の材料の穴あけ加工方法。
5. 前記変質層を前記材料の表面部及び裏面部より中央部でその直径が大きくなる樽状又はテーパ状に形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の材料の穴あけ加工方法。
6. 前記材料の表面と裏面における前記開口の直径を前記変質層の直径より小さくすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の材料の穴あけ加工方法。
7. 前記超短パルスレーザーをフェムト秒レーザーとすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の材料の穴あけ加工方法。

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