JP2011177735A - レーザー穴開け加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザービームを集光させ、被加工物に対し穴を開けるレーザー穴開け加工方法において、適切な条件を設定することで高アスペクト比の深い穴を開けることを可能とする。
【解決手段】
本発明に係るレーザー光穴開け方法は、波長３００［ｎｍ］以下のレーザー光を光学系にて集光し、被加工物に所定の繰り返し周波数で照射することで穴開けを行うレーザー穴開け加工方法において、光学系の開口数ＮＡを、
０．００４＜ＮＡ＜０．０３
としたことを特徴とするものである。
【選択図】図３

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レーザービームを照射し、高アスペクト比の深い穴を空ける技術に関するものである。

従来、小径、かつ、高アスペクト比（縦横比）の穴加工は各種技術分野において多くのニーズがある。例えば、半導体材料を対象としたものでは、シリコン基板の貫通配線が、誘電体を対象としたものでは、ガラス内部での流路形成が、また、金属を対象としたものでは、エンジンの燃料噴射ノズルなどが挙げられる。

このような極細穴あけには、レーザー、ドリル、放電加工、反応性イオンエッチングといった加工法が利用されている。しかし、小径かつ高アスペクト比の両立は困難である。

この中でレーザーを用いたものでは、波長、パルス幅の異なる様々な光源を用いた例がある。特に微細穴あけには、小さなビームスポットを得られる、多くの材料に対して吸収係数が大きい、といった特徴から、ＵＶレーザーが広く利用されている。具体的には、銅蒸気レーザー、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、第４高調波を用いることなどが知られている。

特許文献１には、レーザーを利用した穴開け加工方法として、被加工物の集光レーザービーム入射側をカバー部材で覆ってから、集光レーザービームを照射することでカバー部材とともに被加工物に穴開けを行い、穴開け後にカバー部材を被加工物から分離することで、穴開け時における被加工面へのデブリの付着を防止し、均一径で高アスペクト比の貫通穴を開けることが開示されている。

特開２００９−１４２８８６号公報

特許文献１に開示するレーザー穴開け加工方法では、波長２６６ｎｍのレーザー光を集光することで測定が行われているが、ここでは、各種測定条件を限定した状態で行われたものとなっている。特に、光学系の各種条件が穴の深さに及ぼす影響については言及されていない。そして、レーザー光の繰り返し周波数と、穴の深さの関係を突き止めることはできなかった。本発明においては、レーザー穴開け加工方法において、実用上十分に深い穴を開けるための各種条件を決定することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明に係るレーザー穴開け加工方法は、波長３００［ｎｍ］以下のレーザー光を光学系にて集光し、被加工物に所定の繰り返し周波数で照射することで穴開けを行うレーザー穴開け加工方法において、光学系の開口数ＮＡを、
０．００４＜ＮＡ＜０．０３
としたことを特徴としている。

さらに、本発明に係るレーザー穴開け加工方法は、被加工物に照射するレーザー光の繰
り返し周波数Ｆを、
５［ｋＨｚ］≦Ｆ≦２５［ｋＨｚ］
としたことを特徴としている。

本発明によれば、波長３００［ｎｍ］以下のレーザー光を光学系にて集光し、被加工物（試料）に所定の繰り返し周波数で照射することで穴開けを行うレーザー穴開け加工方法において、光学系の開口数ＮＡに適切な範囲を設定することで、実用上、十分な深さの穴を得ることが可能となる。さらに、繰り返し周波数についても適切な範囲設定を行うことで、穴の深さを実用上、十分な深さとすることが可能となる。

本発明の実施形態に係るレーザー穴開け加工の測定装置を示した図。 レーザー光のプロファイルを説明するための模式図。 レーザー光のプロファイル（理論値）と穴の形状（測定値）を示した図。 光学系におけるＮＡ（開口数）を説明するための模式図。 ホウ珪酸ガラスにおける繰り返し周波数と穴の深さの測定結果を示した図。 サファイアにおける繰り返し周波数と穴の深さの測定結果を示した図。 試料の上昇温度の解析モデルを示す図。 試料の上昇温度の解析モデルにおけるレーザー光のビーム強度を示す図。 ホウ珪酸ガラスにおける上昇温度の分析結果を示す図。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザー穴開け加工の測定装置を示した図である。発振部１１から出力されるトリガー信号（Laser_TRIG）、同期信号（Laser_SYNC）にて、レーザー出力部１２が制御される。レーザー光の繰り返し周波数、パルス幅は、この発振部１１からの信号にて制御される。本実施形態では、レーザー出力部１２には、第四高調波を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザー（Photonics Industries, DS20-266）を用いている。

レーザー出力部１２から放射されたレーザー光は、１／４波長板１３を経て円偏光された状態で、反射鏡１４にて反射された後、光学系１５にて集光され、Ｘ−Ｙステージ１８上に配設された試料に照射される。本実施形態では、光学系１５として正パワーを有する単一の光学素子（凸レンズ）を用いて集光している。試料１７はＸ−Ｙステージ１８により、光学系１５はＺステージ１６により移動させることができる。

レーザー光にて試料１７に開けられる穴は、対物レンズ１９を装着したハイスピードカメラ２０にて撮影される。ハイスピードカメラ２０は、発振部１１から出力されるトリガー信号（Camera_TRIG）、同期信号（Camera_SYNC）にてフレーム毎の撮影タイミングが制御可能となっている。発振部１１からのトリガー信号（Laser_TRIG）、同期信号（Laser_SYNC）と同期させることで、試料１７に穴が形成される様子を正確に撮影することができる。また、試料１７を挟んで反対側から照射されるハロゲンランプ２１の照射光を利用することで鮮明な映像を得ることが可能となっている。

レーザー出力部１２から放射されるレーザー光には、波長２６６ｎｍ、ビーム径０．７ｍｍ、繰り返し周波数１０ｋＨｚ、パルス幅８ｎｓの特性のものを使用した。レーザー光の波長３５５ｎｍを用いて測定を試みたが、試料に対して十分な深さの穴開けを行うことができなかった。そのため、本実施形態では、それより波長の短い２６６ｎｍのものを採用している。したがって、波長３００ｎｍ以下のレーザー光であれば、本実施形態と同様の効果が期待できる。さらに、今回の計測による結果に基づけば、波長２６６±１０ｎｍであれば確実にその効果が期待できる。なお、パルス幅には、１ｎｓ〜１００ｎｓの各種
ナノ秒レーザーを用いてもよい。穴開けの対象となる試料１７には、穴の観察を容易にするため可視光の領域で透明であるホウ珪酸ガラス、サファイア基板を使用している。表１にこれらの物性値を示しておく。

まず、光学系１５の焦点距離を変化させて、試料の穴の深さを測定することで、深い穴を開けるために適切な焦点距離の選定を行った。ここでは、計算によるレーザー光のビームプロファイルを求め、適切な焦点距離を選定するための根拠について併せて検討した。

本測定に用いたレーザー光はガウス分布に近い横モードを有するため、ここでは、ガウス分布のビームの伝搬に基づいて解析を行った。ガウス分布を有する直径Ｄ、波長λのレーザー光を焦点距離ｆの光学系１５で集光した場合、焦点におけるスポット直径ｄ₀、す
なわち、最小に絞られたレーザー光の直径は（１）式にて表される。
ｄ₀＝４ｆλ/（πＤ） ・・・（１）
なお、試料表面と焦点との距離をｚ₀としているが、本実施形態では、試料表面を焦点に
して測定を行っているため、焦点位置、すなわち、試料表面から距離ｚ離れた点におけるスポット径ｄは（２）式にて表される。
ｄ＝ｄ₀√（１＋(ｚ／ｚ_R)²） ・・・（２）
ここでｚ_Rはレイリー長とよばれ、その値は、
ｚ_R＝πｄ₀ ²／（４λ）
で表される。

レーザー光には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第４高調波を用い、試料１７の表面に焦点を合わせて穴開け加工の測定を行った。光学系１５の焦点距離は、１００ｍｍ、５０ｍｍ、３０ｍｍ、２０ｍｍ、１０ｍｍの５つの場合について測定を行った。なお、本測定は、試料１７にホウ珪酸ガラスを使用している。

図３（ａ）〜図３（ｅ）には、測定した穴の形状をプロットしたもの（実線）と、計算により求められたビームプロファイル（□印を接続した線）とが併せて示されている。

図３（ａ）、（ｅ）の焦点距離１０ｍｍ、１００ｍｍの光学系を用いた場合、それぞれ４００μｍ以下、７００μｍ以下の深さまでしか到達することができなかった。一方、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）にて示される焦点距離５０ｍｍ、３０ｍｍ、２０ｍｍの場合には、穴の深さは２２００μｍ以上となり、実用上、十分な深さを得ることができた。

焦点距離１０ｍｍで深い穴が開かなかった原因を考察する。焦点距離１０ｍｍの光学系を用いた場合では、他のレンズを用いた場合と比べ、ビームの拡がり角が大きい。そのため、穴の側面により小さな入射角（穴の側面の法線方向と入射光とのなす角）でレーザー光が入射する。このため、入射角が小さな場合では反射率が低下し、レーザー光が内面に吸収されやすく、穴内部での反射が少なくなることで深い穴開けが実現できなかったと想定される。

一方、焦点距離１００ｍｍの場合で深い穴が開かなかった原因については、ビームプロファイルをみて分かるように、スポット径が大きくなっているため、照射部でのフルエン
ス（単位面積あたりのエネルギー量）が低下することなどを原因とするものと推定される。

以上、焦点距離を変更して行った測定では、穴の側面のビームの反射と、ビームのスポット径などレーザー光のビームプロファイルが穴の深さに影響を及ぼすことを確認することができた。焦点距離を適切に選定することで深い穴を開けることが可能となるが、レーザー穴開け加工では、発振器の仕様などで光学系１５に入射させるビームの直径が変わってしまい、ビームプロファイルも変わってしまう。そのため、本実施形態では光学系１５の開口数（ＮＡ）にて範囲を規定し、汎用性を持たせることとする。

図４は、開口数（ＮＡ）を説明するための模式図である。光学系は入射するレーザー光を焦点Ｐに集光する。レーザー光の直径をＤ、焦点距離をｆ、入射角をθとした場合、光学系の開口数（ＮＡ）は、（３）式にて表すことができる。
ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθ ・・・（３）ここで、θ≒０であるため、（３）式は（４）式のように近似できる。
ＮＡ≒ｎ×ｔａｎθ＝ｎ（Ｄ／２）／ｆ ・・・（４）
本実施形態では、空気中でのｎ＝１、Ｄ＝０．７ｍｍとしているため、各焦点距離ｆにおける開口数（ＮＡ）は、表２のように計算される。

この表２の結果から、焦点距離１０ｍｍの場合は、入射角が小さく穴の側面での反射率が低くなることを原因として、また、焦点距離１００ｍｍの場合は照射部でのフルエンスが不足することなどを原因として深い穴を空けることができなかった。そのため、これら１０ｍｍ、１００ｍｍを除くとともに十分な余裕を持って開口数（ＮＡ）の範囲を下記のように規定する。
０．００４ ＜ ＮＡ ＜ ０．０３
このように、開口数（ＮＡ）の範囲を設定することで、波長３００ｎｍ以下のレーザー光を用いた穴開け加工において、十分な深さの穴を開けることが可能となる。

次に、穴の深さの周波数依存性についての検討結果について説明する。本実施形態では、レーザー光の繰り返し周波数を変化させ、所定パルス数毎の穴の深さについて、２つの試料を用いて測定を行った。図５は、ホウ珪酸ガラスにおける繰り返し周波数と穴の深さの測定結果を示した図であり、図６は、サファイアにおける繰り返し周波数と穴の深さの測定結果を示した図である。なお、この測定では、光学系１５の焦点距離を、前述の測定において良好な結果が得られた５０ｍｍとして測定を行っている。

図５に、一定照射回数におけるパルス周波数と穴深さの関係を示す。同図（ａ）〜（ｃ）は、試料にホウ珪酸ガラスを使用し、１パルスあたりのエネルギーをそれぞれ、１００μJ/pulse、２０μJ/pulse、５μJ/pulseとして測定したものである。なお、高周波数領
域においてデータがない部分があるが、これはレーザー出力部１２の仕様による出力限界を理由としている。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、繰り返し周波数の増大に伴い、穴の深さは順次深く形成され、最大値をとった後、浅くなる山形形状の特性を有している。この特性は、パル
ス照射回数が増えるに従い顕著となっている。

図５（ｃ）に示す５μJ/pulseの場合、１ｋＨｚ、５ｋＨｚでは全く加工することがで
きなかったが、１０ｋＨｚ以上で穴あけが可能となった。一方、深さの最大値は、１００μJ/pulseでは１０ｋＨｚ、２０μJ/pulseでは１５ｋＨｚ、５μJ/pulseでは２５ｋＨｚ
で最大値を有している。

図６はサファイアを使用し、１パルスあたりのエネルギーを２０μJ/pulseとしたもの
である。図に示すようにホウ珪酸ガラスの場合と同様、加工深さの最大値に山形形状の周波数依存性がみられ、１５ｋＨｚで最大となっている。

以上の結果から、繰り返し周波数を５ｋＨｚ以上、２５ｋＨｚ以下の範囲に設定することが、波長３００ｎｍ以下のレーザー光を用いた穴開け加工において十分に穴を開けるのに好ましいといえる。なお、５μJ/pulseの場合、下限周波数である５ｋＨｚにて穴開け
加工を行うことができなかったが、１パルスあたりのエネルギーを所定値以上とする条件を設定することで、上記繰り返し周波数の設定範囲はさらに有効な範囲となる。

では、穴の深さの周波数依存性について、解析モデルを用いて検証を行う。上記測定結果から、レーザーを用いた穴開けにおいては、パルスの熱が蓄積し、穴があきやすくなることが予想される。そこで熱の蓄積の影響を調べるため解析により試料の温度上昇を見積もった。実際には材料の相転移、プラズマ発生による入射光の遮蔽、形状変化、それに伴うフルエンス変化、熱をもった物質が除去されるなど多くのプロセスがおこる。また、レーザー光の波長が２６６ｎｍであるため、光化学的な除去もおこっていると予想され、深穴における熱解析は非常に困難である。本解析では、試料表面にレーザー光が照射され、熱のみによる加工と考えた場合のモデルにより熱の蓄積を見積もることとした。

図７、図８に解析モデルを示す。図７は、解析モデルにおける座標系の取り方を示した図であり、図８は、レーザーパルス形成の様子を示した図である。ビーム中心（ｒ＝０、ｚ＝０）における温度変化は、以下の式（５）、式（６）で表される。

ここで、ｔは時間、τｌはパルス幅、τｉはパルス周期、Ｄは熱拡散係数、ｗ₀はビー
ム半径、Ｉ₀は最大ビーム強度を表す。解析対象は、ホウ珪酸ガラスとし、表１で示した
物性値を用いている。パルスエネルギーは２０μＪ、パルス幅は８ｎｓ、ビームのスポット径は（２）式から算出し１１．８５μｍとした。１秒間に照射されるエネルギーをＰとすると、最大ビーム強度はＩ₀＝２Ｐ／πｗ₀ ²より、１．１３×１０⁹Ｗ/ｃｍ²となる。なお、ホウ珪酸ガラスはＵＶ光をよく吸収するため、試料表面でビームを全て吸収すると仮定するとともに、物性値の温度依存性は極めて小さいものと仮定している。

図９は、ホウ珪酸ガラスに対し、５μJ/pulseで照射した場合の計算結果を示したもの
である。図中、実線部が１０ｋＨｚ、破線部が１ｋＨｚで照射した場合の材料表面のビーム中心における温度の時間変化となっている。

ここで、１回目のパルス照射後の冷却下降に注目してみると、１０ｋＨｚの場合は照射開始後１００μｓにて次のパルスが照射され、次のパルスが照射される直前における温度上昇分は７２６Ｋと非常に高い。これに対し、１ｋＨｚの場合は照射開始後１ｍｓにて次のパルスが照射されることとなり、温度上昇分は３４Ｋまで下がっている。このように１０ｋＨｚで照射した方が１ｋＨｚで照射した場合よりも約２１倍の温度上昇分が残ることとなる。

表３にパルスエネルギーと周波数を変えた場合の、２発目のパルスが試料に到達する時点での温度上昇を示す。この結果から、エネルギーが大きいほど低い周波数で熱の蓄積効果が大きいと予想できる。実際、図５（ａ）、（ｂ）を見ると１００μJ/pulse、２０μJ/pulseでは１ｋＨｚから加工が始まっているのに対し、５μJ/pulseでは１０ｋＨｚから
穴が開き始めることが確認できる。

このように、穴の深さの周波数依存性について、実際の計測結果において周波数が高くなるほど深くなる領域については、熱の蓄積についての解析モデルから説明することができる。また、周波数がさらに大きくなった場合に、穴が浅くなる理由については、レーザー光にて除去された物質（デブリ）が、所定期間、浮遊した状態にあり、この除去物質によって、入射光が遮蔽され試料表面に到達する割合が減少することが推定される。

以上、本発明においては、波長３００ｎｍ以下のレーザー光を光学系にて集光し、被加工物（試料）に所定の繰り返し周波数で照射することで穴開けを行うレーザー穴開け加工方法において、光学系の開口数ＮＡに適切な範囲を設定することで、実用上、十分な深さの穴を得ることが可能となった。さらに、繰り返し周波数についても適切な範囲設定を行うことで、穴の深さを十分な深さとすることが可能となる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１１…発振部、１２…レーザー出力部、１３…１／４波長板、１４…反射鏡、１５…レンズ（光学系）、１６…Ｚステージ、１７…試料、１８…Ｘ−Ｙステージ、１９…対物レンズ、２０…ハイスピードカメラ、２１…ハロゲンランプ

Claims (2)

1. 波長３００［ｎｍ］以下のレーザー光を光学系にて集光し、被加工物に所定の繰り返し周波数で照射することで穴開けを行うレーザー穴開け加工方法において、
   光学系の開口数ＮＡを、
   ０．００４＜ＮＡ＜０．０３
   としたことを特徴とするレーザー穴開け加工方法。
2. 被加工物に照射するレーザー光の繰り返し周波数Ｆを、
   ５［ｋＨｚ］≦Ｆ≦２５［ｋＨｚ］
   としたことを特徴とする請求項１に記載のレーザー穴開け加工方法。

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