JP2009142886A - レーザー穴開け加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集光レーザービームの焦点深度を超える深さで均一径の高アスペクト比の貫通穴や途中穴をデブリの被加工面への付着を防止して穴開け加工する方法。
【解決手段】アブレーション作用により被加工物に穴開け可能な単一横モードのシングルパルスレーザーからの集光レーザービーム１０を被加工物１に入射させることで穴開けするレーザー穴開け加工方法において、少なくとも被加工物１の集光レーザービーム１０入射側をカバー部材１１で覆ってから集光レーザービーム１０を入射させることでカバー部材１１と共に被加工物１に穴開けし、穴開け後にカバー部材１１を被加工物１から分離する加工方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー穴開け加工方法に関し、特に、シリコンウエハー、ガラス基板等に対してカバー部材を経由してレーザービームを照射し、均一な形状の貫通穴若しくはブラインドビア（途中穴）を穴開け加工する方法に関するものである。

従来、この種の穴（貫通穴、途中穴）は半導体製造技術の中核技術である。通常、プラズマドライエッチング技術、ケミカルエッチング技術で開けられている。これらの穴を形成するためには、パターン設計装置、描画装置、レジスト塗布・剥離装置、薬液装置、真空装置等を同時に設備する必要がある。

一方、レーザー装置での穴開け加工は一般的に被加工物表面にレーザービームの焦点を結ばせ、エネルギーを集中させる方法で開けられる。しかし、この方法では半導体製造等に必要な穴を作れない欠点があった。

従来のレーザー加工装置では、シリコン等に対して、微小な穴を開ける限界として、直径３０ミクロン、深さ（貫通孔の場合は）６００ミクロンくらいが限界と考えられていた（アスペクト比２０) 。あるいは、直径が１０ミクロンで開ける場合の深さ限界５０ミクロン（アスペクト比５）であった。一方、シリコンデバイス等からの要求は、微細かつ高アスペクトを際限なく要求する（例えば直径１０ミクロン、深さ６０ミクロン以上）。

なお、従来＞１０：１の高アスペクト比の穴をダブルパルスレーザを用いたアブレーション作用により開けることが非特許文献１で提案されている。
"Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．"９８．１（２００５）９８，１−１〜１−６

ところで、熱作用による穴開け加工やアブレーション作用による穴開け加工の際にデブリと呼ばれる加工生成物が生じ、このデブリが被加工面に付着して問題となる。

本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、集光レーザービームの焦点深度を超える深さで均一径の高アスペクト比の貫通穴や途中穴をデブリの被加工面への付着を防止して穴開け加工する方法を提供することである。

上記目的を達成する本発明のレーザー穴開け加工方法は、アブレーション作用により被加工物に穴開け可能な単一横モードのシングルパルスレーザーからの集光レーザービームを被加工物に入射させることで穴開けするレーザー穴開け加工方法において、少なくとも前記被加工物の前記集光レーザービーム入射側をカバー部材で覆ってから前記集光レーザービームを入射させることで前記カバー部材と共に前記被加工物に穴開けし、穴開け後に前記カバー部材を前記被加工物から分離することを特徴とする方法である。

この場合、前記カバー部材が前記被加工物と同一材料からなることが望ましく、液体からなっていてもよい。

また、前記カバー部材は前記集光レーザービームによって開けられる穴の入射側テーパー穴部の長さ以上の厚さを有することが望ましい。

まが、前記被加工物の前記集光レーザービーム入射側と反対側を別のカバー部材で覆うことが望ましい。

本発明においては、アブレーション作用により被加工物に穴開け可能な単一横モードのシングルパルスレーザーからの集光レーザービームを用いることで、集光レーザービームの焦点深度を遙かに超える深さで略均一径の高アスペクト比の穴を穴開け加工できる。そして、少なくとも被加工物の集光レーザー光入射側をカバー部材で覆ってから穴開け加工をするので、加工の際に発生するデブリがカバー部材に堆積して被加工物には付着しないので、被加工物からデブリを取り除く処理は必要でなくなる。

本発明は、アブレーション作用により穴開け可能な高エネルギー密度の単一横モードのシングルパルスレーザーをシリコン等の被加工物に集光照射することにより、集光レーザービームの焦点深度を遙かに超える深さで略均一径の高アスペクト比（〜１００：１）の穴（貫通穴、途中穴）を穴開け加工できると言う発見に基づいているものである。

以下、まずこの方法について説明する。

この加工方法について、現在までに確認されている事実・現象
１）波長２６６ｎｍ，２Ｗ以上のＣＷ−Ｑスイッチ、シングルモードレーザーにて高アスペクト比の穴が加工可能である．
２）横モードがきれいな程加工速度が速い．
３）最も大きなアスペクト比は、穴径７μｍで２０００μｍの深さ（現在までの実績）．
４）貫通までの時間はアスペクト比（板厚）に対して指数関数的に増大する．
５）加工される材料により加工穴径が変化する．
６）シリコン基板の場合、レーザー光入射側の１２０μｍ程度までは表面へ広がるテーパー穴となっており、加工熱の影響が見られる．
７）レーザーの集光径（スポット径）と深穴直径は無関係（実験時のスポットサイズは５０μｍ）．
８）レーザーパルスの繰り返し周波数と穴径、穴深さの限界値は略無関係．
９）レーザー光入射側にはデブリが堆積する．
１０）裏面には最初細かい穴が無数に開き、その後１つの穴となる。その穴は裏面へ広がるテーパー穴となっており、裏面にもデブリが堆積する．
１１）レーザースポットを移動させるとライン状の加工ができるが、アスペクト比は格段に減衰する。

図４、図５、図６は実際に加工した例の断面図（写真）である。図４は、１０００μｍ厚のシリコンウエハーに上記加工方法で貫通穴を開けたものの断面図であり、各穴の間隔は約１００μｍである。図５はその１つの穴の均一径部分の拡大図であり、穴の径は約１０μｍである。また、図６はその１つの穴のレーザー光入射側のテーパー穴部分の拡大図である。なお、この場合の加工条件は次の通りである。

使用レーザー
波長 ：２６６ｎｍ
パルス幅 ：８ｎｓｅｃ
繰り返し周波数 ：３０ＫＨｚ
平均出力 ：３Ｗ
ビームサイズ ：φ０．９ｍｍ
Ｍ２値 ：１．１（シングルモード）
使用光学系
集光レンズ ：ｆ＝４０ｍｍ
集光スポットサイズ：１５μｍ
加工時間 ：０．５ｓｅｃ／穴 以下 。

以上の確認された事実からこの加工方法のプロセスモデルを推論する。

１）本加工はアブレーション加工である．
２）レーザー光入射側では通常のレーザー加工と同様アブレーション加工と熱的影響による加工が混在する．
３）集光スポットサイズより大幅に狭い範囲だけが加工される。これはレーザー自身が加工した表面付近の加工穴を中空導波路として伝播できるモードのみが選択され、さらに加工に十分なエネルギーを持った部分のみが加工され、さらに深くまでエネルギーを伝播して行き、その先もまた同様の加工プロセスを繰り返すものと考えられる．
４）加工時に発生するプラズマも本加工に深く係わっているものと思われるが、詳細は解明されていない．
５）被加工材料により略一意的に加工穴径が決まる点から、各材料毎に一般的な加工スレッショルドの他により高いエネルギーに第二の加工スレッショルドが存在し、レーザーの横モードに含まれるエネルギー密度がこのスレッショルドを超えた範囲のみが加工されると考えられる。

このように、アブレーション作用により穴開け可能な高エネルギー密度の単一横モードのシングルパルスレーザーを被加工物に集光照射することにより、集光レーザービームの焦点深度を遙かに超える深さで略均一径の高アスペクト比（〜１００：１）の穴（貫通穴、途中穴）を穴開け加工できる。その場合、被加工物の表面及び裏面に外側に広がるテーパー穴となり、その間が均一径の高アスペクト比の穴部分となると共に、表面、裏面共に加工に伴うデブリが付着する。

図２は、このようにして穴開け加工された被加工板の断面図を模式的に示した図である。被加工板１の表面２に高エネルギー密度の単一横モードのシングルパルスレーザーからの集光ビーム１０を入射させると、上記のような加工プロセスで表面２から裏面３にかけて貫通穴４が穴開けされる。貫通穴４は、レーザー光入射側の表面２へ向けて広がるテーパー穴部５と裏面３側に表面３へ向けて広がるテーパー穴部７とそれらの間の均一径の途中部６とからなっており、表面２の貫通穴４の周辺と裏面３の貫通穴４の周辺にそれぞれデブリ８、９が堆積する。

そして、均一径の途中部６のアスペクト比が非常に大きくとれるので、本発明に基づいて、穴開け加工時に被加工物１の表面２と裏面３を被加工物１と同一材料あるいは異なる材料からなる一定厚のカバー部材で覆うようにして、このテーパー穴部５と７をこのカバー部材内に形成させ、カバー部材間の被加工物１には均一径の途中部６だけが開くようにする。加工後に両カバー部材を被加工物１から分離することで、被加工物１には均一径の高アスペクト比の貫通穴４のみが開いており、その表裏の面にはデブリが付着しておらず、デブリを取り除く処理は必要なくなる。なお、被加工物１にブラインドビアを開ける場合は、カバー部材で表面２のみを覆うようにすればよい。

図１は、本発明のレーザー穴開け加工方法により被加工板１に均一径で高アスペクト比の貫通穴４を開けるための工程を説明するための図である。まず、図１（ａ）に示すように、テーパー穴部５、７の長さと同一かそれより長い厚さで被加工板１と同一材料あるいは異なる材料からなるカバー部材１１、１２を用意し、被加工板１の両面をそれらのカバー部材１１、１２で覆う。その後、図１（ｂ）に示すように、カバー部材１１側からアブレーション作用により穴開け可能な高エネルギー密度の単一横モードのシングルパルスレーザーからの集光ビーム１０を入射させる。すると、カバー部材１１表面からカバー部材１２の裏面にかけて貫通穴４が穴開けされる。貫通穴４のテーパー穴部５は表側のカバー部材１１中に位置し、テーパー穴部７は裏側のカバー部材１２中に位置し、均一径の途中部６は被加工板１中に位置することになり、また、レーザー光入射側に付着するデブリ８はカバー部材１１表面に堆積し、レーザー光出射側に付着するデブリ９はカバー部材１２裏面に堆積する。したがって、図１（ｃ）に示すように、カバー部材１１、１２を被加工板１から分離することで、被加工板１には均一径の高アスペクト比の貫通穴４のみが開いており、その表裏の面にはデブリが付着しておらず、デブリを取り除く処理は必要なくなる。

なお、テーパー穴部５、７の長さより薄い厚さのカバー部材１１、１２を用いることで、被加工板１の均一径の途中部６の両端あるいは一方の端部にテーパー穴部５、７の一部が残った穴４を被加工板１に形成することもでき、その穴４に異種材料を埋め込む等の加工が容易になる。

ところで、カバー部材１１、１２としては、固体に限定されず液体やゲルであってもよい。図３は、液体２０を用いる場合の被加工板１の配置方法を示す図であり、容器２１中に水や着色液のような液体２０を入れ、その液体２０の中に被加工板１を沈めて台２２で支持する。その支持は、被加工板１上に位置する液体２０がカバー部材１１の作用をする一定厚さになるようにし、また、集光ビーム１０が被加工板１を貫通した裏面にも液体２０が位置するようにする。このような配置で集光ビーム１０を垂直上方から下方へ入射させることで、固体のカバー部材１１、１２と同様に、被加工板１に均一径の高アスペクト比の貫通穴４のみが開き、その表裏の面にはデブリが付着しない加工ができる。ただし、液体２０が集光ビーム１０を透過する水のような場合、被加工板１の表面の液体２０はテーパー穴部５を担う作用はなくなり、デブリを担う作用だけとなる。ただし、集光ビーム１０で開いた加工途中の穴の中に液体２０が入ることによって、被加工板１と集光ビーム１０の相互作用で発生するプラズマが加工先端部に閉じ込められる結果、プラズマによる穴開け促進効果が期待できる。

なお、本発明のレーザー穴開け加工方法が適用できる被加工材料としては、例えばシリコン等の半導体、ガラス、セラミックス、プラスチック等何れも適用可能である。

以上、本発明のレーザー穴開け加工方法をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

本発明のレーザー穴開け加工方法により被加工板に均一径で高アスペクト比の貫通穴を開けるための工程を説明するための図である。 アブレーション作用により穴開け可能な高エネルギー密度の単一横モードのシングルパルスレーザーを被加工物に集光照射して穴開け加工された被加工板の断面図を模式的に示した図である。 カバー部材に液体を用いる場合の被加工板の配置方法を示す図である。 実際に貫通穴を開けたものの断面図である。 図４の１つの穴の均一径部分の拡大図である。 図４の１つの穴レーザー光入射側のテーパー穴部分の拡大図である。

符号の説明

１…被加工板
２…被加工板の表面
３…被加工板の裏面
４…貫通穴
５…貫通穴のテーパー穴部
７…貫通穴のテーパー穴部
６…貫通穴の途中部
８、９…デブリ
１０…集光ビーム
１１、１２…カバー部材
２０…液体
２１…容器
２２…台

Claims (5)

1. アブレーション作用により被加工物に穴開け可能な単一横モードのシングルパルスレーザーからの集光レーザービームを被加工物に入射させることで穴開けするレーザー穴開け加工方法において、少なくとも前記被加工物の前記集光レーザービーム入射側をカバー部材で覆ってから前記集光レーザービームを入射させることで前記カバー部材と共に前記被加工物に穴開けし、穴開け後に前記カバー部材を前記被加工物から分離することを特徴とするレーザー穴開け加工方法。
2. 前記カバー部材が前記被加工物と同一材料からなることを特徴とする請求項１記載のレーザー穴開け加工方法。
3. 前記カバー部材が液体からなることを特徴とする請求項１記載のレーザー穴開け加工方法。
4. 前記カバー部材は前記集光レーザービームによって開けられる穴の入射側テーパー穴部の長さ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のレーザー穴開け加工方法。
5. 前記被加工物の前記集光レーザービーム入射側と反対側を別のカバー部材で覆うことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のレーザー穴開け加工方法。