JP2017226581A - ガラスの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 貫通孔を有するガラス基板の特性を向上させる。【解決手段】 加工方法は、レーザー光を用いて、ガラス基板１０に貫通孔１１を形成する工程と、エッチング液３４を用いて、貫通孔１１を湿式エッチングする工程とを含む。エッチング液３４は、フッ化水素酸と、フッ化水素酸より分子サイズの大きい酸からなる第１液体とを含む。フッ化水素酸の濃度は、４重量％以下である。第１液体の濃度は、フッ化水素酸の濃度より高い。【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザー光を用いたガラスの加工方法に関する。

複数の微少な貫通孔を有するガラス基板は、例えば、インクジェット方式のプリントヘッド用基板、又は両面配線基板などに利用されている。貫通孔は、通常、レーザー光を用いて形成される。

レーザー光とガラスが接する部分（変質層）は、加工中に熱を持ち、熱応力による歪みによりクラック（マイクロクラック）が発生してしまう。これにより、ガラス基板の特性（機能）が低下したり、ガラス基板が割れやすくなってしまう。

特開２０００−６１６６７号公報 特許第４６７２６８９号公報

本発明は、貫通孔を有するガラス基板の特性を向上させることが可能なガラスの加工方法を提供する。

本発明の一態様に係るガラスの加工方法は、レーザー光を用いて、ガラス基板に貫通孔を形成する工程と、エッチング液を用いて、前記貫通孔を湿式エッチングする工程とを具備する。前記エッチング液は、フッ化水素酸と、前記フッ化水素酸より分子サイズの大きい酸からなる第１液体とを含む。前記フッ化水素酸の濃度は、４重量％以下である。前記第１液体の濃度は、前記フッ化水素酸の濃度より高い。

本発明によれば、貫通孔を有するガラス基板の特性を向上させることが可能なガラスの加工方法を提供することができる。

実施形態に係るガラス基板の加工方法を説明するフローチャート。 レーザー加工装置の一例を示す概略図。 複数の貫通孔が形成されたガラス基板を説明する図。 湿式エッチング工程で用いられる湿式エッチング装置の概略図。 湿式エッチング後における貫通孔の一例を示す断面図。 湿式エッチング前の貫通孔の一例を示す写真。 湿式エッチング後の貫通孔の一例を示す写真。 実施形態に係る湿式エッチングの原理を説明する模式図。 本実施形態に係る湿式エッチングのエッチングレートを説明するグラフ。 超音波により発生する気泡を説明するグラフ。 比較例に係る湿式エッチングの原理を説明する模式図。 比較例に係る湿式エッチング後の貫通孔の一例を示す写真。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係るガラス基板の加工方法を説明するフローチャートである。まず、ガラス基板１０を準備する。ガラス基板１０の厚さは、例えば０．１〜１．５ｍｍ程度である。本明細書において、数値範囲を表す「〜」はその前後の数値を含む範囲を意味する。

続いて、図１に示すように、レーザー光を用いてガラス基板１０に１つ又は複数の貫通孔を形成する（ステップＳ１００）。図２は、レーザー加工装置２０の一例を示す概略図である。レーザー加工装置２０は、レーザー発振器２１、光学系２２（ミラー２３及び集光レンズ２４を含む）、及びステージ２５などを備える。

ステージ２５は、ガラス基板１０を保持する。ステージ２５は、ガラス基板１０を吸着固定、又は接着固定する。吸着固定としては、例えば、真空吸着、又は静電吸着が用いられる。ステージ２５は、ガラス基板１０を水平に移動させる機能を有していてもよく、例えばＸ−Ｙステージで構成されていてもよい。この場合、ステージ（Ｘ−Ｙステージ）２５は、モータを用いた二軸の移動機構（図示せず）により、広範囲に移動可能である。

レーザー発振器２１は、レーザー光２６を出射する。レーザーとしては、超短波パルス（例えばナノ秒パルス）のＵＶ（ultraviolet）レーザーが用いられる。ＵＶレーザーとしては、エキシマレーザー、又は個体レーザーなどが用いられる。個体レーザーとしては、例えば、イットリウム−アルミニウム−ガーネット結晶にＮｄ(ネオジム)をドープした媒質を用いたＹＡＧレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧレーザー）が挙げられる。

ミラー２３は、レーザー発振器２１からのレーザー光２６をガラス基板１０側に反射する。集光レンズ２４は、ミラー２３からのレーザー光２６を受ける。そして、集光レンズ２４は、ステージ２５に保持されるガラス基板１０に対し、レーザー光２６を集光照射する。集光レンズ２４は、複数のレンズで構成してもよい。レーザー光２６の集光位置は、例えばガラス基板１０のレーザー光源側の主面又はその近傍である。このレーザー光２６によってガラス基板１０が局所的に加熱され、加熱部分が除去されて、ガラス基板１０に貫通孔１１が形成される。貫通孔１１は、貫通ガラスビア（ＴＧＶ：Through Glass Via）とも呼ばれる。

図３は、複数の貫通孔１１が形成されたガラス基板１０を説明する図である。例えば、図３に示すように、ガラス基板１０には、複数回の貫通孔形成工程が行われる。貫通孔１１の直径Ｄ１は、例えば１０〜５０μｍ程度である。本明細書で述べる貫通孔の直径は、例えば、ガラス基板の上面におけるサイズである。図３のガラス基板１０は、インクジェット方式のプリントヘッド用基板、両面配線基板、複数のＩＣチップを１つのパッケージに集積したマルチチップモジュール（ＭＣＭ）、又はシステムレベルの機能をワンパッケージで実現できるシステムインパッケージ（ＳｉＰ）などに使用可能なガラスインターポーザ（中継基板）の例である。

ここで、レーザー光を用いた貫通孔の形成工程において、ガラス基板１０の上面側及び底面側かつ貫通孔１１近傍には、複数のクラック（マイクロクラック）１２が発生する。すなわち、ＵＶレーザーは熱的な加工であるために、加工部周辺の広範囲に亘って熱歪みによるクラックが発生する。

続いて、図１に示すように、超音波振動を与えながら湿式エッチングを行う（ステップＳ１０１）。湿式エッチング工程は、例えば２０分程度行われる。図４は、湿式エッチング工程で用いられる湿式エッチング装置３０の概略図である。

湿式エッチング装置３０は、エッチング処理槽３１、超音波発生装置３２、及び保持機構３３を備える。エッチング処理槽３１内には、エッチング液３４が供給される。保持機構３３は、可動式であり、例えば複数のガラス基板１０を保持する。保持機構３３は、ガラス基板１０をエッチング液３４に浸すことが可能な位置に配置される。ガラス基板１０の固定方法としては、例えば、保持機構３３にガラス基板１０を接着してもよいし、保持機構３３がガラス基板１０を挟む機構を備えていてもよい。

エッチング処理槽３１内には、エッチング液３４に浸るようにして超音波発生装置３２が設置される。超音波発生装置３２は、超音波を発生し、エッチング液３４に超音波振動を起こさせる。この超音波振動により、エッチング液３４に複数の気泡が発生し、エッチング液３４にキャビテーションが起こる。これにより、ガラス基板１０の貫通孔１１がエッチングされる。

次に、湿式エッチング工程で使用するエッチング液３４について説明する。エッチング液３４は、フッ化水素酸（ＨＦ）、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）、及び水（Ｈ_２Ｏ）を含む。フッ化水素酸（ＨＦ）の濃度は、０より大きく４重量％以下である。より望ましくは、フッ化水素酸の濃度は、１．５重量％以下である。硫酸の濃度は、フッ化水素酸の濃度より高く、１０重量％以上９０重量％以下である。より望ましくは、硫酸の濃度は、４０重量％以上６０重量％以下である。具体的には、エッチング液３４は、０．５重量％程度のフッ化水素酸、６０.０重量％程度の硫酸、及び３９.５重量％程度の水を含む。

ガラス基板１０は、その主成分がＳｉＯ_２（４０〜７０％）、２番目に多い成分がＡｌ_２Ｏ_３（５〜２０％）である。

ガラス基板１０に対して、エッチング液３４に含まれるフッ化水素酸（ＨＦ）は、以下に示す３種類（１）〜（３）の反応を起こす。

ＳｉＯ_２＋４ＨＦ → ＳｉＦ_４＋２Ｈ_２０ ・・・（１）

ＳｉＯ_２＋６ＨＦ → Ｈ_２ＳｉＦ_６＋２Ｈ_２０ ・・・（２）

Ａｌ_２Ｏ_３＋６ＨＦ → ２ＡｌＦ_３＋３Ｈ_２０ ・・・（３）

図５は、湿式エッチング後における貫通孔１１の一例を示す断面図である。湿式エッチング工程により、クラックがエッチングされ、クラックがほとんど無い貫通孔１１を形成することができる。湿式エッチング後における貫通孔１１の直径Ｄ２は、例えば５０〜１５０μｍ程度である。

図６は、湿式エッチング前の貫通孔１１の一例を示す写真である。図６の写真は、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscopy：ＳＥＭ）を用いて撮影している。図６の貫通孔１１の周囲には、複数のクラックが形成されている。図６の貫通孔１１の直径は、１００μｍ程度である。

図７は、湿式エッチング後の貫通孔１１の一例を示す写真である。図７の貫通孔１１の周囲には、クラックがほとんど無く、すなわち、本実施形態の湿式エッチングを行うことで、クラックが完全に除去されている。

図８は、本実施形態に係る湿式エッチングの原理を説明する模式図である。図８の左側が湿式エッチング前の平面図、図８の右側が湿式エッチング後の平面図である。

フッ化水素酸（ＨＦ）は、粘度（粘性係数）が小さく、表面張力が小さく、分子サイズが小さいので、クラック内に侵入しやすい。一方、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）は、フッ化水素酸に比べて、粘度が大きく、表面張力が大きく、分子サイズが大きいので、クラック内に侵入しづらい。なお、フッ化水素酸と混合する酸は、硫酸に限定されず、フッ化水素酸に比べて、粘度が大きく、表面張力が大きく、分子サイズが大きい特性を有する酸を用いることができる。このような条件を満たす酸としては、酢酸、リン酸、又は硝酸などが挙げられる。さらに、上記条件を満たしかつ酸以外の液体、例えばグリセリンなどを用いてもよい。

本実施形態のエッチング液３４では、フッ化水素酸の濃度に比べて硫酸の濃度が高く、エッチング液３４の粘度が高い。このため、エッチング液３４がクラック内に侵入しづらくなり、クラック内のエッチングが進行するのを抑制できる。

エッチングの原理としては、フッ化水素酸がイオン化し、フッ素（Ｆ）イオンがガラス基板を溶解する主体となる。しかし、ガラス基板の溶解を進行させるには、水素（Ｈ）イオンの補助が必要である。水素イオンは、エッチング液のｐＨ（potential of hydrogen）を下げることで、ガラス基板の溶解を補助する。

本実施形態では、フッ化水素酸の濃度を低くしている（例えば０．５重量％）。この場合、フッ化水素酸のみでは、ガラス基板の溶解を補助する水素イオンが少ないため、ガラス基板のエッチングが進行しづらい。しかし、本実施形態では、エッチング液が硫酸を含んでおり、硫酸に含まれる水素イオンによってエッチング液のｐＨを下げることで、ガラス基板の溶解を補助することができる。

このような原理により、図８に示すように、クラック１２内のエッチングは促進されず、貫通孔１１全体が均一にエッチングされる。これにより、クラック１２が拡大されずに貫通孔１１のエッチングが進行し、貫通孔１１が全体に拡大するようにエッチングが進行する。この結果、湿式エッチング前のクラック１２がほとんど除去される。なお、フッ化水素酸の濃度が４重量％以上になると、エッチング液にフッ化水素酸以外の成分を加えた場合でも、クラック内でエッチングが進行してしまう。よって、本実施形態では、フッ化水素酸の濃度が４重量％以下に設定される。

また、超音波発生装置３２により超音波を発生し、エッチング液３４にキャビテーションを起こさせる。キャビテーションによる気泡の直径は、貫通孔の直径より小さくかつクラックの幅より大きいことが望ましい。これにより、キャビテーションによる気泡は、貫通孔１１内には侵入するが、クラック１２内には侵入しづらくなる。よって、貫通孔１１のエッチングを促進しつつ、クラック１２内のエッチングを抑制できる。例えば、貫通孔１１の直径が１００μｍである場合、気泡の直径は、８０μｍ以下であることが望ましい。この時の超音波の周波数は、２８ｋＨｚ以上に設定される。

図９は、本実施形態に係る湿式エッチングのエッチングレートを説明するグラフである。図９の横軸が処理時間（分）、図９の縦軸がエッチング量（μｍ）を示している。図９で使用したエッチング液は、０．５重量％のフッ化水素酸、６９.３重量％の硫酸、及び３０.２重量％の水を含む。このエッチング液のｐＨは、１未満である。本実施形態に係る湿式エッチングでは、高いエッチングレートを実現できる。

図１０は、超音波により発生する気泡を説明するグラフである。図１０の横軸が超音波の周波数（ｋＨｚ）、図１０の縦軸が気泡の直径（μｍ）を示している。図１０に示すように、超音波の周波数を２８ｋＨｚ以上に設定することで、８０μｍ以下の直径を有する気泡を形成できる。これにより、貫通孔１１のエッチングを促進しつつ、クラック１２内のエッチングを抑制できる。

（比較例）
次に、比較例について説明する。図１１は、比較例に係る湿式エッチングの原理を説明する模式図である。図１１の左側が湿式エッチング前の平面図、図１１の右側が湿式エッチング後の平面図である。

比較例のエッチング液は、例えば、４重量％程度のフッ化水素酸、及び９６重量％程度の水を含む。すなわち、比較例のエッチング液は、フッ化水素酸以外の酸を含んでいない。

比較例では、フッ化水素酸（ＨＦ）がイオン化し、フッ素（Ｆ）イオンがガラス溶解する。水素（Ｈ）イオンは、エッチング液のｐＨを下げ、フッ素イオンによるガラスの溶解を補助する。比較例のエッチング液は、粘度及び表面張力が低いため、エッチング液がクラック内に侵入する。これにより、貫通孔及びクラックが等方的にエッチングされ、クラックが拡大される。すなわち、比較例に係る湿式エッチング工程では、クラックが除去できない。

図１２は、比較例に係る湿式エッチング後の貫通孔１１の一例を示す写真である。図１２に示すように、比較例では、クラックが拡大してしまい、クラックが完全に除去できていない。

図９には、比較例のグラフも載せている。図９で使用した比較例のエッチング液は、０．５重量％程度のフッ化水素酸、及び９９．５重量％程度の水を含む。このエッチング液のｐＨは、３程度である。比較例では、本実施形態に比べて、エッチングレートが低くなっている。

（効果）
以上詳述したように本実施形態では、まず、レーザー光２６を用いて、ガラス基板１０に貫通孔１１を形成する。続いて、エッチング液３４を用いて、貫通孔１１を湿式エッチングする。エッチング液３４は、フッ化水素酸と、フッ化水素酸より分子サイズの大きい硫酸と、水とを含む。フッ化水素酸の濃度は、４重量％以下である。硫酸の濃度は、フッ化水素酸の濃度より高く、１０重量％以上９０重量％以下である。

従って本実施形態によれば、貫通孔１１の周囲に形成されたクラック１２を除去、又はほとんど除去することができる。これにより、複数の貫通孔１１を有するガラス基板１０の特性（機能）が低下するのを抑制できる。また、クラック１２に起因してガラス基板１０が割れるのを抑制できる。

また、本実施形態のエッチング液３４を用いることで、エッチングレートを高くできる。これにより、湿式エッチング工程を短くできるため、製造コストを低減できる。

また、エッチング液３４に超音波を印加し、エッチング液３４にキャビテーションを起こさせている。さらに、キャビテーションにより発生する気泡がクラック１２に侵入しづらくなるように、超音波の周波数を２８ｋＨｚ以上に設定している。これにより、貫通孔１１のエッチングを促進しつつ、クラック１２内のエッチングを抑制できる。この結果、クラック１２を除去することが可能となる。また、キャビテーションに起因して、エッチングレートをより高くできる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１０…ガラス基板、１１…貫通孔、１２…クラック、２０…レーザー加工装置、２１…レーザー発振器、２２…光学系、２３…ミラー、２４…集光レンズ、２５…ステージ、２６…レーザー光、３０…湿式エッチング装置、３１…エッチング処理槽、３２…超音波発生装置、３３…保持機構、３４…エッチング液。

Claims (6)

1. レーザー光を用いて、ガラス基板に貫通孔を形成する工程と、
   エッチング液を用いて、前記貫通孔を湿式エッチングする工程と
   を具備し、
   前記エッチング液は、フッ化水素酸と、前記フッ化水素酸より分子サイズの大きい酸からなる第１液体とを含み、
   前記フッ化水素酸の濃度は、４重量％以下であり、
   前記第１液体の濃度は、前記フッ化水素酸の濃度より高いことを特徴とするガラスの加工方法。
2. 前記第１液体の粘度は、前記フッ化水素酸の粘度より高いことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
3. 前記第１液体は、硫酸であることを特徴とする請求項１又は２に記載の加工方法。
4. 前記第１液体の濃度は、１０重量％以上９０重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の加工方法。
5. 前記エッチング液に超音波を印加する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の加工方法。
6. 前記超音波の周波数は、２８ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項５に記載の加工方法。