JP2016222529A - ガラス基板製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザを照射によってテーパ状に形成された貫通孔を形成したガラス基板に、スプレーエッチングによってを、円柱に近い貫通孔に形成するガラス基板製造方法を提供する。【解決手段】レーザ装置によってガラス基板１００に対し複数の微細なテーパ状に形成された貫通孔１４の孔径の小さい第２の主面１２を上側にして配置し、微細孔１４に向かってスプレーノズル２２からエッチング液を噴射することで、下側にある第１の主面のエッチング量を抑えつつ、貫通孔１４の孔径が小さい第２の主面１２のエッチング量を増加させるエッチング工程を含むガラス基板製造方法。【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス基板に貫通孔を形成するためのガラス基板製造方法に関し、特にスプレーエッチングすることで精度よく貫通孔を形成することが可能なガラス基板製造方法に関する。
近年、電子デバイスにおいて貫通孔が複数形成されたガラス基板が広く利用されている。例えば、微細貫通孔を有するガラス基板の適用例として、インターポーザによる３D集積回路が挙げられる。インターポーザにはこれまで樹脂基板が用いられてきたが、ICチップと熱膨張率に差があり接合部分に不具合が生じることがあった。そこで注目されたのがシリコン基板とガラス基板であり、どちらも樹脂基板と比較して熱膨張による不具合が低減された。しかしシリコン基板はコストが高いというデメリットがあり、一方、ガラス基板は、コストが安く、さらに電気的な絶縁性に優れているということで大きく注目されている。
インターポーザは、基板に複数の貫通孔を有することで下面の回路と接続されており、ガラス基板に貫通孔を形成させる必要がある。そこでガラス基板に複数の貫通孔をレーザで形成し、形成された貫通孔には端面にマイクロクラックが入っているので、エッチング液に浸漬させることで端面の滑らかな貫通孔を有するインターポーザ用ガラス基板が製造可能であるとされている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２２６５５１号公報
しかしながら、特許文献１のようなエッチング液の浸漬によるエッチング方法であれば、微細な貫通孔内にエッチング液が行き届かずに貫通孔ひとつひとつが不均一に形成されてしまうことがあった。さらには、通常、レーザで形成された貫通孔はテーパ状になっているので、エッチング加工後も表裏の主面における孔径に差がでてしまう（例えば、特許文献１参照。）。表裏の主面における孔径に差がある場合、貫通孔を有するガラス基板の使用に不都合が生じる場合が発生する。例えば、このようなガラス基板をインターポーザとして使用し貫通孔内に貫通電極を形成した場合、貫通電極の抵抗値が高抵抗になってしまう。また、貫通電極形成にめっきを使用する場合、めっき成長に偏りができてめっき液の流動を阻害し均一なめっき形成ができなくなる。
この発明の目的は、レーザ加工およびエッチングによって表裏の主面における孔径差が少ない貫通孔を簡易に形成可能なガラス基板製造方法を提供することである。
本発明は、複数の貫通孔を備えるガラス基板を製造するためのガラス基板製造方法であって、第１の主面と前記第１の主面と対向する第２の主面を有するガラス基板の前記第１の主面側から、レーザを照射することによって、前記ガラス基板に貫通孔を形成するレーザ加工工程と、前記ガラス基板の、少なくとも前記第２の主面側から、前記ガラス基板に形成された貫通孔に向かってエッチング液を噴射するエッチング工程と、を含むことを特徴とするガラス基板製造方法を提供する。
また、本発明は、エッチング工程において、前記第２の主面が上側になるように前記ガラス基板を配置するガラス基板製造方法を提供する。
本発明によれば、レーザ加工およびエッチングによって表裏の主面における孔径差が少ない貫通孔を簡易に形成可能になる。
レーザ加工工程の実行状態の一例を示す図である。 エッチング工程の実行状態の一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるエッチング工程を示す図および得られる孔断面図である。 参考例のエッチング工程を示す図および得られる孔断面図である。
本発明は、複数の貫通孔を備えるガラス基板を製造するためのガラス基板製造方法であって、第１の主面と前記第１の主面と対向する第２の主面を有するガラス基板の前記第１の主面側から、レーザを照射することによって、前記ガラス基板に貫通孔を形成するレーザ加工工程と、前記ガラス基板の、少なくとも前記第２の主面側から、前記ガラス基板に形成された貫通孔に向かってエッチング液を噴射するエッチング工程と、を含むことを特徴とするガラス基板製造方法を提供するものである。
本発明は、ガラス基板にレーザ照射によって複数の貫通孔を形成させるが、この貫通孔の端面にはマイクロクラックが入っているためガラス基板の強度が低下するおそれがある。マイクロクラックを、スプレーでエッチングを行い、マイクロクラックを微小化または消滅させることで、ガラス基板の強度を保つことができる。また、スプレーでエッチングすることで複数の貫通孔ひとつひとつにエッチング液を侵入させることができ均一なエッチングが可能となる。
本発明では、エッチング工程において少なくとも第２の主面側から、ガラス基板に形成された貫通孔に向かってエッチング液を噴射する。これは、レーザ照射によって形成された貫通孔の開口径は、第１の主面側に形成された貫通孔の開口径に比べ、レーザビームの出口側に相当する第２の主面側に形成された貫通孔の開口径の方が小さいため、第２の主面側の貫通孔を重点的にエッチングすることで、第１の主面側と第２の主面側の開口径の差が減少するためである。
さらに、エッチング工程において第２の主面が上側になるようにガラス基板を配置することが好ましい。なお、基板は略水平（好ましくは水平±２°の範囲）となるように配置することが好ましい。レーザ照射によって形成された貫通孔の開口径は、第１の主面側に形成された貫通孔の開口径に比べ、レーザビームの出口側に相当する第２の主面側に形成された貫通孔の開口径の方が小さい。
また、ガラス基板の上側と下側にエッチング液を噴射した時のエッチング量を比較すると、上側の方が、エッチング液がしばらく滞留し、エッチング液との接触時間が長くなる分だけエッチング量が多くなる。そのため、第２の主面を上側にしてエッチングを行うことで、貫通孔の第１の主面側よりも第２の主面側の貫通孔を重点的にエッチングすることが可能になる。この結果、エッチング工程において第１の主面と第２の主面の開口径の差が減少する。
また、好ましくは第１の主面と第２の主面の開口径の差が無くなるようにエッチング時間を調整するとテ―パの少ない円柱形状に近い形状の貫通孔にすることができ、例えばインターポーザとして貫通電極を形成する際に適した貫通孔になる。例えば、ガラス基板の第２の主面側からエッチング液を噴射する時間を、第１の主面側からエッチング液を噴射する時間よりも長くすればよい。この際に、ガラス基板は第２の主面が上側になるように配置してもよい。
また、第２の主面側から噴射されるエッチング液の噴射圧力を、第１の主面側から噴射されるエッチング液の噴射圧力よりも高くしてもよい。噴射圧力を調整することで、第１の主面と第２の主面の開口径差を減少させることができる。この際に、ガラス基板は第２の主面が上側になるように配置してもよい。また、第２の主面を上側にして噴射圧力に差をつける際、第２の主面側から噴出されるエッチング液の圧力が第１の主面側から噴出されるエッチング液の圧力の１．１〜１．２倍だと第１と第２の主面の開口径の差が有意に減少するので好ましい。噴射圧力が上記範囲内であれば、第１と第２の主面の開口径の差を減少させるのが容易になり好ましい。また、噴射圧力が上記範囲内であれば、第２の主面の開口径が不必要に拡がる恐れがないため好ましい。
以下の図を用いて本発明のガラス基板製造方法の一実施形態を説明する。図１（Ａ）および図１（B）に示すように、ガラス基板１００は、レーザ加工によって貫通孔１４が形成される。ガラス基板１００は、レーザ光が照射される側となる第１の主面１０と、該第１の主面とは反対側の第２の主面１２とを有する。ガラス基板１００の種類は、ガラスである限り、特に限られないが、ガラスインターポーザーのように、半導体素子のパッケージに使用される場合は、無アルカリガラスが好ましい。これはアルカリ含有ガラスの場合、ガラス中のアルカリ成分が析出し、半導体素子に悪影響を及ぼす恐れがあるためである。また、ガラス基板１００の厚さは、特に限られず、ガラス基板１００は、例えば０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍの厚さを有してもよい。
ガラス基板１００に複数の微細な貫通孔１４を形成するためにレーザ装置２０を使用する。本実施形態では、CO２レーザ装置２０を使用しているが、これに限定されるものではない。ビーム径、加工精度、パワー等を総合的に勘案してＹＡＧレーザやＹＶＯ４レーザ、エキシマレーザ等の他のレーザ装置２０を適宜選択することが可能である。レーザ装置２０からのレーザ光は、ガラス基板１００の第１の主面１０に照射される。ガラス基板１００の第１の主面におけるレーザ光の焦点スポット径は、例えば１０μｍ〜２００μｍの範囲である。これにより、ガラス基板１００の照射位置の温度が局部的に上昇してガラスが昇華し、ここに貫通孔１４が形成される。
ガラス基板１００は、レーザ装置２０によって複数の貫通孔１４が形成される。図１（B）に示したように、レーザが入射する第１の主面１０とその裏面の第２の主面１２の貫通孔１４の孔径を比較すると、第１の主面１０の孔径の方が大きく、テーパ状に貫通孔１４が形成される。レーザ装置２０によって形成された貫通孔１４は、孔内端面にマイクロクラックが入っており、ガラス基板１００の強度が低下するおそれがある。このマイクロクラックを次のエッチング工程で微小化または消滅させることでガラス基板１００の強度を高めることができる。更には、次のエッチング工程で貫通孔１４の孔径を拡げる事ができ、レーザ照射条件の調整だけで実現する事が困難な孔径の貫通孔を得る事ができる。
レーザ装置２０によって複数の微細な貫通孔１４が形成されたガラス基板１００は、図２（Ａ）および図２（B）に示すように、エッチング液でエッチングされる。図２（Ａ）および図２（B）においては、ガラス基板１００を下から保持しつつ搬送するための搬送ローラについては便宜上図示を省略している。エッチング液は、ガラス基板１００の上方および下方、または、上方のみに配置されたスプレーノズル２２より噴射されるように構成される。上方および下方に配置されたスプレーノズル２２は同一の条件で噴射する。エッチング液の組成としては、フッ酸やフッ酸と他の酸を混合したものやＫＯＨ等が挙げられる。
本実施形態では、第２の主面１２を上側に配置してエッチングすることが好ましい。ガラス基板１００の上側にはエッチング液が滞留しやすく下側に比べエッチング量が多い。また、レーザ装置２０によって形成された複数の貫通孔１４は、孔内端面にマイクロクラックを有しており、そのためガラス基板１００の強度が低下している。貫通孔１４の端面に入っているマイクロクラックを、エッチングによって微小化または消滅させることでガラス基板１００の強度が保たれる。
従来、ガラス基板１００をエッチング液に浸漬させることでマイクロクラックを微小化または消滅させるようにされてきたが、微細な貫通孔１４を有する場合には、微細な貫通孔１４のひとつひとつにエッチング液が行き届かずに均一なエッチングができない。そのため、マイクロクラックがエッチングできずに残ったり、孔径ひとつひとつが均一ではない貫通孔１４が形成されたりすることがあった。本発明では、ガラス基板１００の上方および下方から形成された貫通孔１４に向かってエッチング液をスプレーノズル２２より噴射することで微細な貫通孔１４ひとつひとつにエッチング液を侵入させエッチングすることができる。上方からのみのエッチングだけでもスプレーノズル２２による圧力でエッチング液が侵入することができ、貫通孔１４内のマイクロクラックを微小化または消滅させることができる。
また、従来のようなエッチング液の浸漬によるエッチング方法の場合は、バッチ方式または枚葉方式で、エッチング液に浸漬させて処理する。エッチング液を噴射する方法であれば、例えば搬送ローラにより基板を保持し、連続的にエッチング処理できるため、量産性が向上する。また、エッチング液を噴射する方法であれば、エッチング液に浸漬させる方法よりも、第1主面側および第２主面側のエッチング量を個別に制御しやすい。その結果、第１の主面の貫通孔の孔径と第２の主面の貫通孔の孔径が個別の調整しやすくなる。例えば、図２（Ａ）に示すように、上方および下方にスプレーノズルを配置する。この場合、スプレーノズルからの噴射条件（エッチング液の噴射圧力や噴射時間）を、上方および下方で個別に制御すれば、いずれか一方の面側を重点的にエッチングする、またはいずれか一方の面側のエッチング量を抑えたりするなどが可能になる。さらに均一性を高めるために、スプレーノズル２２が揺動しながらエッチングを行うようにすることも可能である。
スプレーノズル２２から噴射する際の圧力は、０．０５Ｍｐａ〜０．１０Ｍｐａが好ましい。また、各スプレーノズル２２から噴射するエッチング液の量は１．２５〜２．５０リットル／分程度で、ノズル総数は１２０個〜１８０個程度で、処理を行うと好適な結果が得られる。更には、上側のスプレーノズル２２の圧力を１０〜２０％程度大きくすることで上面、下面の孔径差が少なくなる傾向が見られるため、必要に応じて上側のスプレーノズル２２の圧力を大きく設定することが好ましい。更には、第２の主面側のスプレーノズル２２の圧力を第１主面側のスプレーノズル２２の圧力より１０％〜２０％程度高くすることで貫通孔の第１の主面、第２の主面の開口径差が小さくなる傾向が見られるため、必要に応じて第２の主面側のスプレーノズル２２の圧力を第１主面側のスプレーノズル２２の圧力より大きく設定することが好ましい。
図３および図４はガラス基板１００に形成された貫通孔１４に対し上方および下方からエッチング液を噴射している様子とエッチング処理後を表した一部断面図である。図３（Ａ）は、貫通孔１４の孔径が小さい第２の主面１２を上面にしてエッチングした時のガラス基板１００の貫通孔１４の様子を表している。上方に設置されるスプレーノズル２２より噴射されたエッチング液は、貫通孔１４に侵入するとともにガラス基板１００上面に滞留する。下方に設置されるスプレーノズル２２より噴射されるエッチング液は、貫通孔１４に侵入するとともにガラス基板１００下面に当たり滞留することなく流れ落ちる。図３（Ａ）および図４（Ａ）はガラス基板１００の上方および下方からエッチング液を噴射する様子を図示したが、図２（B）のようにガラス基板１００の上方のみからエッチング液を噴射しても良い。
ガラス基板１００の上面と下面のエッチング量を比較すると、上面はエッチング液が滞留している分エッチング量が多い。それに対し下面は、エッチング液の滞留がほとんど無く流れ落ちるのでエッチング量は上面に比べ少なくなる。
図３（B）は、ガラス基板１００に形成された貫通孔１４の孔径が小さい第２の主面１２を上にしてエッチングを行った一部断面図である。下面に比べ上面のエッチング量が多いのでテーパ状に形成されていた貫通孔１４は円柱状に近い形となる。また、上方からのみのエッチング液の噴射を行った場合であれば、下面のエッチング量が抑えられ、より細かい貫通孔１４の形成が行える。
図４（Ａ）は、貫通孔１４の孔径が大きい方を上面にしてエッチングした時のガラス基板１００の貫通孔１４の様子を表している。図３（Ａ）と同様に上面にエッチング液が滞留する分エッチング量が多く、下面はエッチング液の滞留がほとんど無く流れ落ちるのでエッチング量は上面に比べ少なくなる。
図４（B）は、ガラス基板１００に形成された貫通孔１４の孔径が大きい第１の主面１０を上にしてエッチングを行った一部断面図である。下面に比べ上面のエッチング量が多いのでテーパ状に形成されていた貫通孔１４は、さらに上面と下面の孔径に差が出てしまう。また、上方からのみのエッチング液の噴射を行った場合であれば、下面のエッチングは進みにくいのでさらに上面と下面の孔径に差が出てしまう。
インターポーザの貫通孔１４は、貫通電極等の形成方法やその電極等の抵抗値を考慮すると円柱状が適している。ガラス基板１００に形成された貫通孔１４をエッチングするとき、第１の主面１０を上面にした場合と、第２の主面１２を上面にした場合とを比較すると、第２の主面１２を上面にすることで円柱に近い貫通孔１４を得ることができる。また、小さい面積で貫通孔１４を形成できるので隣接する貫通孔１４の距離を狭くして形成することも可能になる。
上述の実施形態では、ガラス基板１００をインターポーザとして用いる例を説明したが、ガラス基板１００の用途はこれに限定されない。例えば、MEMSパッケージングやライフサイエンス向けマイクロチップデバイス等にも適用可能である。
上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例）
前述の図１（Ａ）に示したレーザ加工工程と図２（Ａ）に示したエッチング工程を用いてガラス基板に１００００個の貫通孔を形成して、得られた貫通孔の孔径について検討した。エッチング工程において、ガラス基板は図３（Ａ）に示すとおり貫通孔の孔径が小さい第２の主面を上面にして設置した。
ガラス基板として、厚さ０．４ｍｍの無アルカリガラス（旭硝子製、ＥＮ−Ａ１）を使用した。レーザ光源には、波長９．４μｍのＣＯ２レーザを使用した。レーザ光は、焦点距離２５ｍｍの非球面レンズでガラス基板のレーザ光源側の主表面上に焦点を結ぶように照射した。ガラス基板に照射されるレーザ光の出力は６０Ｗとした。また、レーザ光の照射時間は、３６０μｓとした。ガラス基板をＸＹステージで２００μｍピッチで動かして、１００行１００列、合計１００００箇所の孔加工を実施した。
次に、レーザにより貫通孔が形成されたガラス基板を、図２（Ａ）による手法を用いてエッチングした。エッチングは、硫酸を用いて処理を行う１段階目と、フッ酸を水で希釈して処理を行う２段階目とに分け処理を実施した。エッチング方法は、搬送ローラで搬送されるガラス基板に図２（Ａ）に示したようにガラス基板から上下２０ｃｍ離した位置に設置されているスプレーノズルよりエッチング液の噴射を行った。
１段階目の処理では、７５重量％の硫酸、０．５重量％のフッ酸を含む水溶液で構成されるエッチング液を、液温３０℃、スプレー圧力０．０７Ｍｐａ（ガラス基板上における計算上の単位面積あたりのスプレーインパクトが約０．１２ｇ／ｃｍ2 ）、エッチングレート４μｍ/ｍｉｎの条件でエッチング処理を３分間行った。
２段階目の処理では、２５重量％の塩酸、３重量％のフッ酸を含む水溶液で構成されるエッチング液を、液温４０℃、スプレー圧力０．０７Ｍｐａ、エッチングレート３μｍ/ｍｉｎの条件でエッチング処理を６分間行った。１段階目および２段階目のエッチングで合計９分間の処理を行い、３０μｍのエッチングを行った。
ここでエッチング量およびエッチングレートは、それぞれガラス基板厚の減少分および単位時間（分）あたりのガラス基板厚減少分で定義される値とする。
エッチング後に得られた貫通孔の第１の主面の孔径は９０μｍ、第２の主面の孔径は６５μｍであった。
この時の第１の主面と第２の主面の孔径差は、２５μｍであった。
（参考例）
実施例と同様の方法により、ガラス基板に１００００個の貫通孔を形成した貫通孔の形状について検討した。ただし、この参考例ではエッチング工程において、図４（Ａ）で示す手法を用いた。エッチング後に得られた貫通孔の第１の主面の孔径は９３μｍ、第２の主面の孔径は５８μｍであった。
この時の第１の主面と第２の主面の孔径差は、３５μｍであった。
上記結果より、実施例は比較例より第１の主面と第２の主面の孔径差が小さくなっている事が分かる。すなわち、実施例では、テーパ状に形成された貫通孔を、より円柱に近い貫通孔に形成することが可能であると言える。従って、実施例のような加工法を用いると、第１の主面と第２の主面の孔径差が少ない貫通孔を簡易に形成可能であり、インターポーザ用の貫通孔形成法として適していると言える。
１０−第１の主面
１２−第２の主面
１４−貫通孔
２０−レーザ装置
２２−スプレーノズル
１００−ガラス基板

Claims (6)

  1. 複数の貫通孔を備えるガラス基板を製造するためのガラス基板製造方法であって、
    第１の主面と前記第１の主面と対向する第２の主面を有するガラス基板の前記第１の主面側から、レーザを照射することによって、前記ガラス基板に貫通孔を形成するレーザ加工工程と、
    前記ガラス基板の、前記第２の主面側のみから、前記ガラス基板に形成された貫通孔に向かってエッチング液を噴射するエッチング工程と、
    を含むことを特徴とするガラス基板製造方法。
  2. 複数の貫通孔を備えるガラス基板を製造するためのガラス基板製造方法であって、
    第１の主面と前記第１の主面と対向する第２の主面を有するガラス基板の前記第１の主面側から、レーザを照射することによって、前記ガラス基板に貫通孔を形成するレーザ加工工程と、
    前記ガラス基板の前記第１の主面側および前記第２の主面側から、前記ガラス基板に形成された貫通孔に向かってエッチング液を噴射するエッチング工程と、
    を含むことを特徴とするガラス基板製造方法。
  3. 前記エッチング工程において、前記第２の主面が上側になるように前記ガラス基板を配置する請求項１に記載のガラス基板製造方法。
  4. 前記エッチング工程において、前記第２の主面側から噴射するエッチング液の噴射圧力が、前記第１の主面側から噴射するエッチング液の噴射圧力よりも、高い請求項２に記載のガラス基板製造方法。
  5. 前記エッチング工程において、前記第２の主面側からエッチング液を噴射する時間が、前記第１の主面側からエッチング液を噴射する時間よりも長い請求項２に記載のガラス基板製造方法。
  6. 前記エッチング工程において、搬送ローラによってガラス基板を保持する請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のガラス基板製造方法。
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