JP2013536089A - 微細孔の形成 - Google Patents

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Abstract

誘電材料及び半導体の薄板形態の薄いワークピース1内に多数の孔12を作る方法及び装置。穿孔箇所は、RF結合箇所10によってマーキングされ、この穿孔箇所での誘電貫通部11を達成するためにRFエネルギーによって軟化される。貫通部11は孔12になるように拡大される。
【選択図】図1

Description

本発明は、誘電材料又は半導体の薄板状ワークピースに多数の孔を作製する方法に関し、さらに、当該方法を実行する装置と当該方法によって作製される物品とに関する。
電気的に発生させたスパークによるプラスチックフィルムの穿孔が特許文献1から知られている。電極及び対電極の複数の対が設けられており、これらの対間にはプラスチックフィルムがガイドされており、これらの対間を横切って高電圧エネルギーが放電される。そのフィルムは水浴に通され、この水浴の温度は、穿孔のサイズを制御するのに用いられる。
プラスチックフィルムに孔を開けるための別の方法が、特許文献2から知られている。プラスチックフィルムが間に介装された状態でパルスシーケンスを電極対間に発生させて、第1のパルスは穿孔箇所においてプラスチックフィルムを加熱するための役割を果たし、更なるパルスは穿孔を形成するとともにそれを成形するための役割を果たす。
特許文献3から、電気的手段による不導体ワークピースの処理がワークピースを切断するか又はワークピースを溶接するという点で知られている。レーザー光線が露光中に移動されるワークピース上に方向付けられ、2つの電極を用いて高電圧が加熱(heated)ゾーンに印加されてワークピースを加工処理するための役割を果たすアークが形成される。切断中に制御を受けながらワークピースは燃焼するか、又はガラスの切断と同様に、温度とともにワークピースの導電性が増加する。ワークピースが溶接される場合、反応性ガス又は不活性ガスの流れが付加的に加熱ゾーンに方向付けられて、ワークピース又は電極又は融剤のいずれかと反応する。このようにして、ガラス、紙、布、厚紙、革、プラスチック、セラミック及び半導体を切断することができるか、又はガラス及びプラスチックを溶接することができ、ゴムを加硫処理することができ、また合成樹脂を熱硬化させることができる。しかしながら、この装置はその性質により、ワークピースで細い孔を形成することを可能にするには魅力がないものである。
特許文献4より、電気絶縁性基板の領域で構造、好ましくは孔又はキャビティ又はチャネルを形成する方法が知られており、この方法では、好ましくは熱の形態の、またレーザービームによるエネルギーを基板又は領域に供給し、また電圧をその領域に印加して誘電破壊をその領域にもたらす。このプロセスはフィードバック機構を用いて制御される。細い個々の孔を次々に作製することは可能であるが、複数の電極対を同時に利用することは不可能である。この理由は、並列の高圧電極は相互に影響し合い、1つの絶縁破壊が電流全体を引き寄せるためである。
特許文献5より、電気絶縁性基板の領域で構造、詳細には孔又はキャビティ又はチャネル又はリセスを形成する方法が知られており、この方法では、蓄積された電気エネルギーをその領域を横切って放電させ、更なるエネルギー、好ましくは熱を基板又はその領域に供給してその基板又はその領域の導電率を上げ、したがって電流フローを開始し、電流フローのエネルギーが基板で散逸され、すなわち熱に変換され、この場合電気エネルギーの散逸率は、電流・電力変調素子(current and power modulating element)によって制御される。複数の孔を同時に作製する装置は開示されていない。
特許文献6は、電気絶縁性基板又は半導電性基板の第1の領域で誘電特性及び/又は光学特性の変化を導入する方法を開示しており、基板温度の一時的な上昇に起因して不可逆的に変更される光学特性又は誘電特性を有する基板は、任意選択的に導電層又は半導電層又は電気絶縁層を有しており、電気エネルギーが電圧源から第1の領域へ供給されて、第1の領域からの材料の放出を引き起こすことなく第1の領域の部分又は全てを著しく加熱するか又は溶解させ、さらに、任意選択的に、付加的なエネルギーが供給されて、局所的な熱を生成するとともに第1の領域の位置を規定する。電気エネルギーの散逸は基板での電流フローの形態で現れる。電気エネルギーの散逸は電流・電力変調素子によって制御される。この方法によってもたらされる基板表面における変化はまた、パラフィンの絶縁層又はホットメルト接着剤が設けられたホウケイ酸ガラス基板又はシリコン基板で作製される孔を含む。また、シリコン、ジルコニア、サファイア、リン化インジウム又はガリウムヒ素に孔は作製される。部分的に、放電プロセスは10.6μmの波長におけるレーザービーム照射(COレーザー)によって開始された。孔のグリッドも開示されているが、それらの孔は比較的大きな間隔を有している。複数の孔を同時に作製する装置は開示されていない。
特許文献7は、高電圧パルスを用いてフィルム状のシート(film-like sheeting)に微小孔を穿設する装置を開示している。針の対が、互い違いの列に配置されるとともに群ごとに逐次制御される電極及び対向電極として用いられ、シートは搬送ローラによって多列の針アレイ間を通される。針アレイにおいて対向する針の対のそれぞれに、励起回路が設けられる。
したがって、適切な周波数又はパルス波形の高電圧電界を用いて誘電材料の箔及び薄板を穿孔する方法が従来技術から明らかである。材料の局所加熱によって、穿孔される箇所における絶縁耐力が減少し、そのため、印加される電界強度は、電流が材料を横切って流れるようにするのに十分なものである。ガラス、ガラスセラミック及び半導体に(また多くのプラスチックにも)当てはまるように、材料が温度とともに導電率の十分に大きな上昇を呈する場合、その結果として、材料の穿孔チャネルの「電熱自己集束(electro-thermal self-focusing)」をもたらす。穿孔材料がより熱くなるにつれて、電流密度は、材料が蒸発して穿孔が「開けられる(blown open)」まで増大する。しかしながら、穿孔は誘電破壊に基づいているため、絶縁破壊の所望の位置に正確に一致させることは難しい。既知のように、フラッシュは非常に不規則な経路を辿る。
CPUチップは、その底面上の狭い面積にわたって分布している数百の接触点を有する。接触点への供給ラインを作製するために、薄板(1mm未満)すなわち、「インターポーザー」と称されるエポキシ材料でコーティングされたガラス繊維マットが用いられ、供給ラインがこのガラス繊維マットで延在する。このために、数百の孔がインターポーザーに配置されて導電材料によって充填される。通常の孔サイズは、孔ごとに250から450μmに及ぶ。CPUチップとインターポーザーとの間で長さにおいて一切の変化があるべきではない。したがって、インターポーザーは、チップの半導体材料の熱膨張挙動と同様の熱膨張挙動を呈するべきであるが、これまでに使用されたインターポーザーに関してはこの限りではない。
太陽光技術では、太陽電池の製造に関して、後続のプロセスステップにて細い複数のフィンガーを背面の接点から対応する太陽電池の前面まで延在させるために、シリコンウェハーに多数の孔(用いられる技術に応じて10から100個、または数万個程度の孔)がドリルで開けられる。これらの孔は、マスキング技法及びエッチング技法を用いて作製されるが、これらの技法は、滑らかな(ファイヤポリッシュの)孔壁と高いアスペクト比(孔径に対する薄板厚さ)とを有する円筒形の孔を作製するのに特によく適しているわけではない。レーザードリル加工(laser drilling)によってソーラーパネルに孔を作製することも知られているが、これは非常に費用がかかるものである。
同様に従来技術に欠けていることは、120から400μmに及ぶ孔間間隔を有する互いに隣接した多数の細い孔を産業規模で、電熱穿孔プロセスを用いて作製することである。
米国特許第4,777,338号 米国特許第6,348,675号 米国特許第4,390,774号 国際公開第2005/097439号 国際公開第2009/059786号 国際公開第2009/074338号 独国特許出願公開第2830326号
本発明の目的は、以下の要件を満たす必要がある場合に、誘電材料又は半導体の薄板状ワークピースに多数の孔を作製する方法及び装置を提供することである:
孔を精密に位置決めする(±20μm)必要がある。
孔間の厳格な公差を有するワークピースごとに多くの小さな孔(10から数万個の孔)を収容することが可能である必要がある。
孔間間隔は小さいものとする(30から1000μm)ことができる。
孔は当然に産業規模で作製可能である。
本発明による方法は当然に、詳細には以下の特性を有する「ガラスインターポーザー」を作製するのに適している:
・ガラスインターポーザーは当然に、多数の孔、例えば約1000から5000個の孔を有する。
・孔径は当然に、20から450μmの範囲であり、50から120μmの範囲が好ましく、1から10のアスペクト比(孔径に対するガラス厚さ)を有する。
・120から400μmの範囲内の孔の中心間距離が可能である必要がある。
・孔は当然に、孔の入口及び出口において丸みを帯びた縁を有するように、また薄板の内部で円筒形であるように形作られる。
・任意選択的に、5μm以下のビード高さを有する、孔の縁の周りのビードを許容することもできる。
・孔の壁は当然に滑らか(ファイヤポリッシュ済み)である。
さらに、この方法は当然に、板厚が0.12から0.3mmであり、薄板の縁長さが125から250mmのシリコンウェハーを通常備えるとともに、多数の孔(10から数万個の孔)が設けられる太陽電池を作製することを可能にする。孔は、50から200μmに及ぶ直径を当然に有する。孔壁は当然に滑らか(ファイヤポリッシュ済み)である。
本発明による方法を2つのステップで実行することができる。第1に、意図される穿孔箇所において誘電破壊をもたらすことができ、第2のステップにおいて、これらの誘電破壊を拡大することができる。
誘電破壊の位置を精密にマーキングするために、結合材料をドットの形態で、それぞれのワークピースの意図される穿孔箇所にプリントする。結合材料を、例えば加熱することによって活性化する。又は、プリントされたワークピースを板状のHF電極間に導入し、HFエネルギーの出力によって、結合材料のドット間で、ワークピース材料がそこで軟化するまでワークピースのより強い加熱がもたらされ、それによって電気的絶縁破壊への抵抗が低減される。ここで、高電圧をこれらの電極を横切って印加すると、誘電破壊が結合箇所において引き起こされる。
ガラス又はガラス状材料から構成される誘電材料の場合、ガラスペーストを、HFエネルギーを受けると高い誘電損失を呈する結合材料として用いることができる。ガラス、ガラス状材料、又は半導体材料の場合、導電成分を有するペーストが同様に結合材料として想定可能である。そのようなペーストは金属粒子を含有することができるか、又は金属粒子は熱プロセス及び/又は化学プロセスの作用によって放出されることができる。そのような導電成分は、意図される穿孔箇所において、供給される高周波エネルギー用のそれぞれの微小アンテナを形成することができ、これは誘電破壊の急速な進行に有用である。
更なる処理加工において、もたらされた誘電破壊を拡大する。このために、誘電破壊チャネルの電熱自己集束の方法を用いることができる、すなわちそれぞれの形成される孔の完成を、適切な周波数又はパルス波形の高電圧を印加し続けることによって達成することができる。
一方で、化学的手段によって孔を同様に拡大することもできる。ガラス又はガラス状材料のワークピースの場合、ハロゲン様の(halogen-like)反応性ガスの供給によって、誘電破壊の領域のシリコンの減少が引き起こされ、これは、ガラスの軟化点をより低い温度へと変化させ、したがって、材料の除去が加速する。孔は、プラズマ化学を用いて、すなわち深堀り反応性イオンエッチングによって拡大することもできる。エッチングと不動態化との交互サイクルを用いることができる。ガラスワークピースの場合、エッチングをCFガス又はSFガスを用いて達成することができ、不動態化をCガスを用いて達成することができる。
孔の拡大を、誘電破壊の発生と一緒にして、組み合わせた装置において達成することができるが、誘電破壊をもたらすものと拡大するものとで、別個の装置を用いることも可能である。いずれの場合でも、反応性ガスがジェット流の形態で、形成されている孔の穿孔箇所上に方向付けられることが有利である。孔が形成されると、パージガスが、除去された孔材料を取り除くために用いられる。
この方法を実行する装置は、ワークピースのための処理加工スペースを包囲する2つの相互に平行な板を備える。これらの平行な板は、それぞれHF電極及びHF対電極を同時に形成することができる。ワークピースホルダーが、処理加工スペースにおける正確な位置にワークピースを支持する。HF発生器が、高周波エネルギーを電極及び対電極の対に供給するために、また意図される穿孔箇所に設けられたHF結合材料を加熱するために設けられる。これらの加熱された穿孔箇所において材料の絶縁耐力は低下し、その結果、高電圧が電極及び対電極の対に印加されると、意図される穿孔箇所において誘電破壊が引き起こされる。
誘電破壊の化学的拡大が用いられる場合、この装置は、ワークピースの意図される穿孔箇所に向かって位置合わせされるノズルボアを有し、これらのノズルボアはガス供給ラインに接続されている。さらに、ガス吸引手段が、過剰ガス及び除去された穿孔材料を排出するように処理加工スペースに接続されている。
ここで、本発明の例示的な実施形態を図面を参照して説明する。
薄板状ワークピースで誘電破壊をもたらす装置を示す図である。 誘電破壊を拡大する装置を示す図である。
図1は、誘電材料又は半導体の薄い(1mm未満)板状ワークピース1で誘電破壊11をもたらす装置を概略的に示す。ワークピース1は、意図される穿孔箇所にドットの形態の結合材料10によってプリントされており、これは、プリントプロセスを用いて、形成される孔の局所座標に従って高精度な方式で達成することができる。
この装置は、HF発生器9によって励起することができる2つの相互に平行な電極2、3を備える。これらの電極間の中間スペースは処理加工スペース23を形成し、このスペースにおいてワークピース1がワークピースホルダー5によって支持されている。電極2、3は、板状の又は環状の電極突起6、7を有することができ、これらの電極突起は(図面とは対照的に)結合箇所10に密接しているか又は僅かに係合してさえいる。このために、ワークピースホルダー5は、電極突起6、7がHF結合箇所10と位置合わせされるように、ワークピース1を座標に基づいて精密に移動させることを可能する。
ガラスインターポーザーがワークピース1とされる場合、結合箇所10は、1mm未満のワークピース1の厚さとともに、20から450μm、好ましくは50から120μmに及ぶ直径を有する。結合箇所10間の中心間距離は、120から400μmに及ぶ。結合箇所の個数は、10から10000個に及ぶことができる。
この装置の動作中、ワークピース1は高周波エネルギーを受け、これによって、概してワークピース1の加熱であるが特に結合材料の結合箇所10間の材料領域における加熱が引き起こされる。これは材料の絶縁耐力の低下をもたらし、そのような低下は、対向する結合箇所10間の中間領域において最も重大である。次いで、発生器9からの適切に高い電圧がこれらの結合箇所10を横切る誘電破壊11を引き起こす。
この方法が複数の高電圧パルスによって行われる場合、破壊11の領域における材料はますます熱くなり、材料が蒸発しかつ誘電破壊が孔12になるように拡大されるまで電流密度は増大する。除去された穿孔材料を、供給通路22を介して導入されて排出通路33を介して排出されるパージガスによって取り除くことができる。
単結晶太陽電池又は多結晶太陽電池(約0.2mmの厚さ、約150mmの縁長さ)の製造には、前面上にSiN層を有するシリコン半導体ウェハーシートが用いられる。この前面は、意図される穿孔箇所(10個から10000個以上の孔;50から200μmの孔径)においてペーストを用いてプリントされ、このペーストは或る含有量のPbO又はBiOを含む。(片面)プリントされた半導体ウェハーは例えば炉内で加熱され、それによって、BiO又はPbOはSiN層と反応して金属のPb又はBiが放出され、このことは電熱穿孔用の局所的なアンテナとしての機能を果たすことができ、続いてSiセルの金属接点として用いられる。局所的なアンテナとしての効果は、図1における結合箇所10と関連して説明されている。
図2は、ワークピース1で誘電破壊11を化学的に拡大する装置を概略的に示す。この装置は、図1の装置と同様である。処理加工スペース23は2つの板26及び37によって包囲されており、これらの板は、(図面とは対照的に)ワークピース1に対して近い間隔を有して配置されており、相互に位置合わせされたノズル20、30を有しており、これらのノズルに対して穿孔箇所10が位置合わせされる必要がある。このために、座標に基づいて細かく調整可能であるワークピースホルダー5が設けられている。導管及びチャネルのシステム22、33によって、反応性ガス及びパージガスをワークピース1の穿孔箇所10に方向付けることが可能になる。
図2の装置の動作は以下の通りである:
ワーク1は700ppm未満のアルカリ含有量を有するガラスから作られ、このガラスはその熱膨張係数に起因してインターポーザーを作製するのに適しているとする。深堀り反応性イオンエッチングによって、誘電破壊11は微細孔12になるように形成される。このために、CF又はSF等のエッチングガス、及びC等の不動態化ガスが、ノズル20、30によって穿孔箇所へ又は既に存在している誘電破壊11へ交互に方向付けられ、その一方でガス状のハロゲン化ケイ素の形態の除去された穿孔材料が処理加工スペース23を介して取り除かれる。エッチマスクをワークピース1の両面にクランプ留めして、意図される穿孔箇所の外側のエリアを覆うことができる。形成される孔12に対してそれらの中心部分での均一な円筒形状を提供するために、ノズル20を通るガス流とノズル30を通るガス流とを交互に切り替えることが可能であり、その一方でチャネル形状の孔12の入口及び出口における縁は研ぎ落とされる。このようにして、インターポーザーの最終的な製造で必要とされるような形状を有する孔12が作製される。
腐食性ガスと不動態化ガスとの間の迅速なガスの交互サイクル及び高いガス流量は、最大で20μm/分とすることができるエッチ速度の上昇をもたらす。したがって、プラズマ化学は、インターポーザー等の産業的大量生産品のための孔の産業的な作製に適している。
図1の装置及び図2の装置を組み合わせることができる。図2のノズル板26及び37は、ノズル20及び30のそれぞれの出口を収容するように環状形に設計された電極突起6及び7を有する高周波電極2及び3として形成される。図1と同様に、ワークピース1が電極2、3に対して正確に位置決めされると、電極板2、3をそれらの突起6、7の領域において、結合材料箇所10の非常に近くに配設することができる。
動作は大部分が、図1及び図2を参照して上述されたような方法の手順に対応する。HFエネルギーを受けている間にワークピース1は反応性ガスを供給されることもできる、特に、形成されている孔の領域からガス状のハロゲン化ケイ素が流出しながら、より強く加熱される箇所10におけるシリコンの急減が見込まれるにつれ、見込まれる穿孔箇所がより低い融点(ガラス用のフラックス、共有混合物が溶解する)に順応し、部分的には誘電破壊と拡大とを別個に実行するよりも誘電破壊がより急速に生じるため、材料の除去は加速される。

Claims (20)

  1. 誘電材料又は半導体の薄板状ワークピース(1)に多数の孔(12)を作製する方法であって、
    a)意図される穿孔箇所においてそれぞれの前記ワークピース(1)をドットの形態で結合材料(10)によってプリントすることと、
    b)前記プリントされたワークピース(1)を処理加工スペース(23)に導入することと、
    c)穿孔開始箇所をもたらすように前記結合材料(10)を活性化することと、
    d)前記穿孔開始箇所において誘電破壊(11)をもたらすように電極(2、3)間に高電圧を発生させることと、
    を含む、誘電材料又は半導体の薄板状ワークピースに多数の孔を作製する方法。
  2. ステップa)において、前記ワークピース(1)の両面をHF結合材料によってプリントし、
    ステップb)において、前記処理加工スペース(23)には、板状のHF電極(2、3)が両側に配置され、
    ステップc)において、前記ワークピース(1)は、ドットの形態で塗布される前記HF結合材料(10)を主に加熱するHFエネルギーを、該ワークピース材料が前記HF結合材料において軟化するまで受け、
    結合材料の対向する箇所間の前記軟化された領域は、ステップd)を実行するときに、穿孔開始チャネルを形成する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記ワークピース(1)はガラス、ガラス状材料、又は半導体材料から作られており、前記結合材料(10)は、高周波エネルギーを受けると高い誘電損失を呈するガラスペーストを含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記ワークピース(1)はガラス、ガラス状材料、又は半導体材料から作られており、前記結合材料(10)は導電成分を有するペーストである、請求項1または2に記載の方法。
  5. 前記ペーストは金属粒子を含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記ペーストは、熱プロセス及び/又は化学プロセスに起因して金属粒子を放出する、請求項4に記載の方法。
  7. 前記ワークピース(1)は太陽電池の一部分であり、前記ワークピースの片面にはSiNコーティングが施されており、該SiNコーティングに対して前記結合材料が活性化時に化学的に反応して、前記太陽電池のための金属接点をもたらす、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記結合箇所(10)は、前記誘電破壊(11)を引き起こすように、供給される高周波エネルギー用の微小アンテナとして用いられる、請求項4から7のいずれか1項に記載の方法。
  9. ガラスワークピースの場合、ハロゲン含有の反応性ガスを供給することによって、誘電破壊(11)の領域においてSiの減少が達成される、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
  10. 孔(12)になるまでの前記誘電破壊(11)の拡大が、深堀り反応性イオンエッチングによって達成される、請求項8または9に記載の方法。
  11. 孔に至るまでの拡大は、CFガス又はSFガスによるエッチングとCガスを用いた不動態化との交互サイクルによって達成される、請求項10に記載の方法。
  12. 前記反応性ガス及び/又はパージガスは、形成されている孔の前記位置上に方向付けられる、請求項8から11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 第1のステップにおいて、誘電破壊(11)は前記ワークピース(1)内でもたらされ、第2のステップにおいて、前記誘電破壊(11)は、孔(12)になるまで拡大される、請求項1から12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 誘電材料又は半導体の薄板状ワークピース(1)内に多数の孔(12)を同時に作製する装置であって、前記ワークピースには、意図される穿孔箇所においてドットの形態の結合材料(10)が提供され、該装置は、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法を実行するためのものであり、以下の特徴部:
    電極(2)及び対電極(3)を形成する、処理加工スペース(23)を区切る2つの相互に平行な電極板(2、3;26、37)と、
    前記ワークピース(1)を前記処理加工スペース(23)内に位置決めするワークピースホルダー(5)と、
    前記意図される穿孔箇所において誘電破壊(11)を引き起こすように、高電圧エネルギーを前記電極及び対電極の対(2、3)に供給する発生器(9)と、
    を備える、誘電材料又は半導体の薄板状ワークピースに多数の孔を同時に作製する装置。
  15. 高周波電圧を前記電極及び対電極の対(2、3)に印加して、前記意図される穿孔箇所において前記結合材料(10)を加熱することができる、請求項14に記載の装置。
  16. 前記平行な電極板(2、3;26、37)の対は、前記意図される穿孔箇所に向かって位置合わせされるノズルボア(20、30)を有し、該ノズルボアは、ガス供給ライン(22、33)に接続可能である、請求項14または15に記載の装置。
  17. 中性ガスのためのフラッシングチャネル及び/又はガス抽出手段は、前記処理加工スペース(23)に接続されている、請求項14から17のいずれか1項に記載の装置。
  18. ガラスインターポーザーであって、
    700ppm未満のアルカリ含有量を有するガラスのベース基板と、
    請求項1から13のいずれか1項に記載の方法に従って作製される孔であって、
    20から450μmに及ぶ該孔の直径と、ファイヤポリッシュ済みの品質の孔壁とを有する、孔と、
    を備える、ガラスインターポーザー。
  19. 太陽電池パネルであって、
    SiNによってコーティングされたシリコン製のベース基板と、
    50から200μmに及ぶ孔径を有する、請求項1から13のいずれか1項に記載の方法に従って作製される孔と、
    を備える、太陽電池パネル。
  20. 前記SiNコーティングは前記シリコン基板の片面に施されており、孔を作製する前記プロセスは、前記SiNコーティングとの反応によって、前記穿孔箇所における金属接点の形成から開始する、請求項19に記載の太陽電池パネル。
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