JP2012071325A - 基板の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に多数の貫通孔や非貫通孔を形成する場合に、その作成時間を大幅に短縮できる基板の加工方法の提供。
【解決手段】本発明は、レーザー光に透過性のあるプリント基板１に対して貫通孔などを形成する基板の加工方法である。まず、プリント基板１の第１の深さの各位置にレーザー光を集光させて一度に複数の変質部７１を形成する。次に、プリント基板１の第１の深さより浅い第２の深さの各位置に、レーザー光を集光させて一度に複数の変質部７２をそれぞれ形成する。そして、このような処理を繰り返して変質部７１、７２、７３、７４を積み上げていく。その後、変質部７１、７２、７３、７４をエッチングして複数の貫通孔４１〜４６を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコン基板などレーザー光に透過性を有する基板に貫通孔または非貫通孔を形成する基板の加工方法に関する。

従来、この種の基板の加工方法としては、例えば特許文献１に記載の発明が知られている。
この特許文献１に記載の加工方法は、被加工物であるシリコン基板の内部にレーザーを集光させて変質部を形成し、その後に、変質部をエッチングすることにより貫通孔または非貫通孔を形成するようにしている。

次に、このような加工方法を適用し、レーザー光に透過性のあるシリコン基板に多数の貫通孔を形成する場合の従来の加工方法について、図３を説明する。
まず、図３（Ａ）に示すように、表面と裏面のそれぞれにエッチング保護膜２、３が形成されたシリコン基板１を用意する。エッチング保護膜２、３の所定の位置には、図３（Ｅ）に示すような複数の貫通孔４を形成するための孔５、６が形成されている。

次に、シリコン基板１の貫通孔４が形成される位置に、シリコン基板１の貫通孔４を形成する経路（厚さ方向）に沿ってレーザー光を照射する（図３（Ｂ）参照）。レーザー光の照射は、レーザー光をレンズを用いて集光し、集光点が厚さ方向に沿って走査（移動）することにより行う。その後、レーザー光による照射（走査）が終了すると、３（Ｃ）に示すように、シリコン基板１の貫通孔４が形成される部分（領域）に１つ目の変質部（改質部）７が形成される。

そして、シリコン基板１の複数の貫通孔４が形成される各位置において、上記のレーザー光の照射を繰り返すと、図３（Ｃ）に示すように、その各位置において２つ目から６つ目の変質部７が形成される。
ここで、シリコン基板１に形成される変質部７は、例えばシリコン基板１の密度、屈折率、機械的強度、その他の物理的特性が周囲とは異なって変質が生じた部分をいい、エッチングで他の部分より容易に除去できる部分をいう。

次に、シリコン基板１に対して、所定のエッチング液を使用して所定のエッチング条件で異方性エッチングを行うと、複数の変質部７はそれに係る部位が除去されていく。そして、エッチングが終了すると、シリコン基板１に複数の貫通孔４が形成される（図３（Ｄ）参照）。その後、図３（Ｄ）の状態からエッチング保護膜２、３をそれぞれ除去すると、図３（Ｅ）の状態になる。

特開２００５−７４６６３号公報

ところで、上記のような従来の基板の加工方法では、シリコン基板１の任意の位置に複数の貫通孔（または非貫通孔）を形成するのに先立ち、複数の変質部７を形成する。
しかし、この場合には、シリコン基板１を固定してレーザー光の集光位置を上下方向（Ｘ軸方向）に移動させ、その後、シリコン基板１を移動させてさらにレーザー光の集光位置を上下方向に移動させるということを、何回も繰り返す必要がある。

このため、従来の基板の加工方法では、シリコン基板１の任意の位置に数１０個、数１００個のように、多数の貫通孔４などを形成する場合には、レーザーヘッドおよびシリコン基板１を載せるテーブルなどの加減速や停止を繰り返すために、相当な形成時間が必要となり、実用性に乏しいという不具合がある。
そこで、本発明の幾つかの態様の目的は、基板に多数の貫通孔や非貫通孔を形成する場合に、その形成時間を大幅に短縮できる基板の加工方法を提供することにある。

上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、本発明は、以下のように構成される。
本発明の態様の１つは、レーザー光に透過性のある基板に対して非貫通孔または貫通孔を形成する基板の加工方法であって、前記基板の第１の深さの各位置にレーザー光を順次集光させて複数の第１の変質部を形成する第１のステップと、前記基板の第１の深さの位置から該第１の深さの位置よりも浅い第２の深さの位置にレーザー光の集光位置を移動させる第２のステップと、前記基板の第２の深さの各位置に前記レーザー光を順次集光させて複数の第２の変質部を形成する第３のステップと、前記第１および第２の変質部をエッチングして非貫通孔または貫通孔を形成する第４のステップと、を含む。
この方法によれば、レーザー光に透過性のある基板に多数の貫通孔や非貫通孔を形成する場合に、その形成時間を大幅に短縮できる。また、この方法は、例えば公知のレーザー加工装置により実現できる。

また、前記第２のステップにおいて、前記第１の深さの位置から前記第２の深さの位置に前記レーザー光の集光位置を移動させる場合に、前記レーザー光の集光位置を基板面に垂直な方向および基板面と平行な方向に移動させるようにした。
この方法によれば、公知のレーザー加工装置を適用する場合に、それを活用して貫通孔や非貫通孔の形成時間の短縮を図ることができる。
さらに、前記レーザー光を集光させる光学系にアキシコン素子を使用し、前記第２のステップにおいて、前記レーザー光の集光位置は、前記光学系の焦点深度に対応する長さを単位として、前記基板面に垂直な方向に移動される。

この方法によれば、レーザー光の照射により基板の厚さ方向に長い集光状態を形成できるので、変質部を短時間に多数形成できる。
また、前記レーザー光は、ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ４レーザー、およびＹＬＦレーザーうちのいずれかの基本波を使用するようにした。そして、前記レーザー光の波長は、９００〜１４００〔ｎｍ〕の範囲とした。
さらに、前記基板は、例えば単結晶シリコン基板である。そして、その単結晶シリコン基板は、面方位が＜１１０＞である。

本発明の基板の加工方法の実施形態に係る工程の前半部分を示す工程図である。 その工程の後半部分を示す工程部である。 従来の基板の加工方法の工程の一例を示す工程図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態の工程）
本発明の基板の加工方法に係る実施形態の工程について、図１を参照して説明する。
この実施形態の工程は、シリコン基板のようにレーザー光に透過性のある基板に対して、例えば一列に多数の貫通孔を形成する場合である。
ここで、上記の基板(シリコン基板)としては、単結晶シリコン基板が使用される。そして、その単結晶シリコン基板は、面方位が＜１１０＞である。

まず、図１（Ａ）に示すように、表面と裏面のそれぞれにエッチング保護膜２、３が形成されたシリコン基板１を用意する。エッチング保護膜２、３の所定の位置には、図２（Ｆ）に示すような複数の貫通孔４を形成するための孔５、６が形成されている。
ここで、エッチング保護膜２、３は、シリコン基板１のエッチングのときに溶出せず、レーザー光に透過性を有するものであれば良い。エッチング保護膜２、３としては、酸化シリコン（ＳｉＯ_２ ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などを使用する。

次に、例えば公知のレーザー加工装置を用いて、シリコン基板１に対して以下のようなレーザー光による照射処理を行なう。
ここで、レーザー加工装置は、例えばシリコン基板１を載せる加工テーブル１０と、レーザー光を出射するとともにそのレーザー光を集光するレーザーヘッド２０と、を少なくとも備えている。そして、加工テーブル１０はＸ軸およびＹ軸方向に移動できるようになっており、レーザーヘッド２０はＺ軸方向に移動できるようになっている。

まず、レーザー加工装置の加工テーブル１０にシリコン基板１を載せた後、加工テーブル１０の移動を開始させる。そして、図１（Ｂ）に示すように、シリコン基板１の１つ目の貫通孔４１（図２（Ｈ）参照）が形成される位置に、レーザーヘッド２０の位置が対向するようになったときに、加工テーブル１０の移動を停止させる。
次に、レーザーヘッド２０の位置を固定のままとし、加工テーブル１０を図１（Ｂ）の位置からＸ軸方向（図の左の方向）に移動させることにより、シリコン基板１のＸ軸方向の移動を開始させる。

この移動の開始と同時に、レーザーヘッド２０からレーザー光を出射させる。これにより、１つ目の貫通孔４１が形成される領域内（経路内）の第１の深さの位置にレーザー光が集光されて、変質部７１が形成される。ここで、第１の深さの位置は、シリコン基板１の厚さ方向の一番深い位置である。
さらに、シリコン基板１の２つ目〜５つ目の貫通孔４２〜４５が形成される位置が、レーザーヘッド２０と対向するたびに、レーザーヘッド２０からレーザー光を出射させる。これにより、２つ目〜５つ目の貫通孔４２〜４５が形成される各領域内の第１の深さの位置にレーザー光が集光されて、変質部７１がそれぞれ形成される。

その後、６つ目の貫通孔４６が形成される位置が、レーザーヘッド２０と対向したときにレーザーヘッド２０からレーザー光を出射させ、これと同時に加工テーブル１０の移動を停止させる。これにより、６つ目の貫通孔４６が形成される領域内（経路内）の第１の深さの位置にレーザー光が集光されて、変質部７１が形成される。
この結果、図１（Ｃ）に示すように、シリコン基板１の貫通孔４１〜４６が形成される各領域内の第１の深さの各位置に、１つ目の変質部７１がそれぞれ形成される。

次に、加工テーブル１０を停止させたままとし、レーザーヘッド２０をＺ軸方向に所定量だけ移動させたのち停止せると、図１（Ｄ）の状態になる。レーザーヘッド２０の移動量は、レーザー光を集光させる光学系の焦点深度の長さに対応する値である。
ここで、レーザー光を集光させる光学系にアキシコン素子などを使用する場合には、レーザーヘッド２０の移動量（移動単位）は、そのアキシコン素子を含む光学系の焦点深度に対応する長さである。

その後、レーザーヘッド２０の位置を固定のままとし、加工テーブル１０をＸ軸方向（図の右の方向）に移動させることにより、シリコン基板１のＸ軸方向の移動を開始させる。
この移動の開始と同時に、レーザーヘッド２０からレーザー光を出射させる。これにより、貫通孔４１が形成される領域内の第２の深さの位置にレーザー光が集光されて、変質部７２が形成される。ここで、第２の深さは、上記の第１の深さよりも浅い。

さらに、シリコン基板１の貫通孔４２〜４５が形成される位置が、レーザーヘッド２０と対向するたびにレーザーヘッド２０からレーザー光を出射させる。これにより、貫通孔４２〜４５が形成される各領域内の第２の深さの位置にレーザー光が集光されて、変質部７２がそれぞれ形成される。
その後、貫通孔４６が形成される位置が、レーザーヘッド２０と対向したときにレーザーヘッド２０からレーザー光が出射され、これと同時に加工テーブル１０の移動を停止させる。これにより、貫通孔４６が形成される領域内の第２の深さの位置にレーザー光を集光させて、変質部７２を形成させる。

この結果、図１（Ｅ）に示すように、シリコン基板１の貫通孔４１〜４６が形成される各領域内の第２の深さの各位置に、１つ目の各変質部７１に連なる２つ目の変質部７２がそれぞれ形成される。
さらに、上記のように、レーザーヘッド２０のＺ軸方向の移動、加工テーブル１０のＸ軸方向の移動、およびレーザーヘッド２０からのレーザー光の照射などの一連の処理（制御）を繰り返す。

そして、その処理が終了すると、図２（Ｆ）に示すように、シリコン基板１の貫通孔４１〜４６が形成される各領域内の第３および第４の深さ各位置に、３つ目の変質部７３と４つ目の変質部７４がそれぞれ形成される。
この結果、シリコン基板１の貫通孔４１〜４６が形成される各領域内には、４つの変質部７１〜７４が積み上げられた状態になる（図２（Ｆ）参照）。

ここで、変質部７１〜７４をシリコン基板１内に形成し得る限り、レーザー光としては種々のものを採用することが可能である。上記のレーザー光の例としては、シリコンに対して透過性のある近赤外光レーザー光を使用する。
そして、レーザー光は、波長が９００〜１４００〔ｎｍ〕の範囲のものが使用される。具体的には、波長が９１４、１０６４、１３１９、又は１３４２〔ｎｍ〕であるＹＡＧレーザー光とＶＹＯ４レーザー光、および波長が１０４７、１０５３、又は１３１３〔ｎｍ〕であるＹＬＦレーザー光などを使用する。
また、レーザー光を使用して変質部７１〜７４をより短時間に多数形成するためには、上記のように、深さ方向に長い集光状態を形成できるアキシコン素子を光学系に使用すれば良い。

次に、シリコン基板１に対して、所定のエッチング液を使用して所定のエッチング条件（時間、温度、濃度）で異方性エッチングを行うと、変質部７１〜７４に係る部位が除去されていく。そして、エッチングが終了すると、シリコン基板１に複数の貫通孔４１〜４６が形成される（図２（Ｇ）参照）。
なお、上記のエッチング液としては、例えば水酸化カリウム溶液（ＫＯＨ溶液）を使用するが、シリコン基板１がエッチング可能であれば良い。

その後、図２（Ｇ）の状態からエッチング保護膜２、３をそれぞれ除去すると、図２（Ｈ）の状態になる。
以上のように、この実施形態では、まず、シリコン基板１の複数の貫通孔４１〜４６を形成すべき各領域内であって、その各領域内の第１の深さの各位置に、レーザー光を順に照射して一度に複数の変質部７１をそれぞれ形成するようにした。

次に、その貫通孔４１〜４６を形成すべき各領域内であって、第１の深さよりも浅い第２の深さの各位置に、レーザー光を順に照射して一度に複数の変質部７２をそれぞれ形成するようにした。
さらに、上記の処理を繰り返すことにより、シリコン基板１の貫通孔４１〜４６を形成すべき各領域内には、例えば４つの変質部７１〜７４が積み上げられるようにした。
このため、この実施形態によれば、シリコン基板１に多数の貫通孔を形成する場合に、その形成時間を大幅に短縮できる。また、この方法は、例えば公知のレーザー加工装置により実現できる。

（その他の実施形態）
（１）上記の実施形態では、図１（Ｂ）〜（Ｅ）に示すような手順により、シリコン基板１に対してレーザー光の照射処理を行なうようにした。
しかし、以下のような手順により、シリコン基板１に対してレーザー光の照射処理を行なうようにしても良い。
まず、図１（Ｃ）に示すように、第１の深さの各位置において一度に複数の変質部７１を形成する場合に、最後の変質部７１の形成の終了後に、さらに加工テーブル１０は移動を継続させて停止させるようにする。

その状態から、図１（Ｅ）に示すように、第２の深さの各位置において一度に複数の変質部７２を形成するには、レーザーヘッド２０をＺ軸方向に第１の深さ位置から第２の深さ位置まで移動させるとともに、加工テーブル１０をＸ軸方向に移動させる（図１（Ｄ）参照）。
その後、シリコン基板１の貫通孔４１〜４６が形成される位置が、レーザーヘッド２０と対向するたびにレーザーヘッド２０からレーザー光を出射させる。これにより、貫通孔４１〜４６が形成される各領域内の第２の深さの位置にレーザー光が集光されて、変質部７２がそれぞれ形成される（図１（Ｅ）参照）。最後の変質部７２の形成の終了後に、さらに加工テーブル１０は移動を継続させて停止させるようにする。

（２）上記の実施形態では、シリコン基板１に複数の貫通孔４１〜４６を形成する場合について説明した。
しかし、本発明は、複数の貫通孔４１に代えて複数の非貫通孔を形成する場合にも適用できる。この場合には、レーザー光の照射による変質部７１などの形成が不要となる（図１（Ｃ）および図２（Ｆ）参照）。
また、複数の非貫通孔を形成する場合には、シリコン基板１の表面および裏面のうちのいずれか一方に形成しても良く、またはその双方に形成しても良い。

（３）上記の実施形態では、シリコン基板１に複数の貫通孔４１〜４６を一列に配列して形成する場合について説明した。
しかし、本発明は、複数の貫通孔は任意の位置に複数列の配列でも良く、その複数列の配列方向なども問わない。この点は、複数の貫通孔に代えて複数の非貫通孔を形成する場合も同様である。
（４）上記の実施形態では、加工テーブル１０をＸ軸およびＹ軸方向に移動させ、レーザーヘッド２０をＺ軸方向に移動させる場合について説明した。しかし、これに代えて、加工テーブル１０をＺ軸方向に移動させ、レーザーヘッド２０をＸ軸およびＹ軸方向に移動させるようにしても良い。

１・・・シリコン基板、２、３・・・エッチング保護膜、５、６・・・孔、１０・・・加工テーブル、２０・・・レーザーヘッド、４１〜４６・・・貫通孔、７１〜７４・・・変質部（改質部）

Claims (7)

1. レーザー光に透過性のある基板に対して非貫通孔または貫通孔を形成する基板の加工方法であって、
   前記基板の第１の深さの各位置にレーザー光を順次集光させて複数の第１の変質部を形成する第１のステップと、
   前記基板の第１の深さの位置から該第１の深さの位置よりも浅い第２の深さの位置にレーザー光の集光位置を移動させる第２のステップと、
   前記基板の第２の深さの各位置に前記レーザー光を順次集光させて複数の第２の変質部を形成する第３のステップと、
   前記第１および第２の変質部をエッチングして非貫通孔または貫通孔を形成する第４のステップと、
   を含むことを特徴とする基板の加工方法。
2. 前記第２のステップにおいて、前記第１の深さの位置から前記第２の深さの位置に前記レーザー光の集光位置を移動させる場合に、前記レーザー光の集光位置を基板面に垂直な方向および基板面と平行な方向に移動させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の基板の加工方法。
3. 前記レーザー光を集光させる光学系にアキシコン素子を使用し、
   前記第２のステップにおいて、前記レーザー光の集光位置は、前記光学系の焦点深度に対応する長さを単位として、前記基板面に垂直な方向に移動されることを特徴とする請求項２に記載の基板の加工方法。
4. 前記レーザー光は、ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ４レーザー、およびＹＬＦレーザーのうちのいずれかの基本波であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれか１項に記載の基板の加工方法。
5. 前記レーザー光の波長は、９００〜１４００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれか１項に記載の基板の加工方法。
6. 前記基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれか１項に記載の基板の加工方法。
7. 前記単結晶シリコン基板は、面方位が＜１１０＞であることを特徴とする請求項６に記載の基板の加工方法。

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