JP2018158855A - Manufacturing method of perforated glass substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インターポーザ用ガラス基板等として使用される有孔ガラス基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a perforated glass substrate used as a glass substrate for an interposer.
従来、ガラス基板に孔部を形成されてなるガラス基板は、当該孔部に貫通電極を形成することによりインターポーザとして使用されている。ガラス製のインターポーザは、樹脂製のインターポーザと比較して、高周波誘電特性や絶縁特性に優れ、また誘電損失が低いという利点がある。このような孔部を有するガラス基板は、一般にＣＯ２レーザー等のレーザー光を用いて孔加工を施すことにより作製される（例えば特許文献１参照）。 Conventionally, a glass substrate in which a hole is formed in a glass substrate is used as an interposer by forming a through electrode in the hole. A glass interposer has advantages in that it has excellent high-frequency dielectric characteristics and insulation characteristics and low dielectric loss compared to a resin interposer. A glass substrate having such a hole is generally manufactured by performing hole processing using a laser beam such as a CO 2 laser (see, for example, Patent Document 1).
インターポーザ用ガラス基板には通常、電極の配置に応じて複数の孔部が形成される。回路構成が複雑になるに従い、形成される孔部の数も多くなる。特許文献１に記載の方法は、レーザー光源、及び、ガラス基板載置用ステージのいずれか一方を水平方向に移動させることにより、１箇所ずつ順次孔部を形成するというものであるため、多数の孔部を形成するのに長時間を要するという問題がある。 The glass substrate for interposers is usually formed with a plurality of holes according to the arrangement of the electrodes. As the circuit configuration becomes more complex, the number of holes formed increases. Since the method described in Patent Document 1 is to sequentially form one hole at a time by moving either one of the laser light source and the glass substrate mounting stage in the horizontal direction. There is a problem that it takes a long time to form the hole.
以上に鑑み、本発明は、所定の配列パターンを有する複数の孔部を有するガラス基板を短時間で作製することが可能な方法を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a method capable of producing a glass substrate having a plurality of holes having a predetermined arrangement pattern in a short time.
本発明の有孔ガラス基板の製造方法は、レーザー光をガラス基板表面に照射することにより、ガラス基板に所定の配列パターンとなるように複数の変質部を形成する工程、及び、ガラス基板をエッチング処理して変質部を溶解することにより、配列パターンに対応する複数の孔部を形成する工程、を備え、空間光位相変調器を用いてレーザー光の空間位相分布を変調することにより、配列パターンに対応する光をガラス基板表面に一括照射することを特徴とする。 The method for producing a perforated glass substrate of the present invention includes a step of forming a plurality of altered portions on a glass substrate by irradiating the surface of the glass substrate with a laser beam, and etching the glass substrate. A step of forming a plurality of holes corresponding to the array pattern by dissolving the altered portion by processing, and modulating the spatial phase distribution of the laser light using a spatial light phase modulator, The glass substrate surface is collectively irradiated with light corresponding to the above.
空間光位相変調器は、入射光を所定の位相分布の波面を有する光に変調する装置である。これにより、入射光を所定の位相ホログラムに応じた配列パターンの光に変換することができる。本発明の方法では、空間光位相変調器を用いてレーザー光の空間位相分布を変調することにより、所定の配列パターンを有する光をガラス基板表面に一括照射することができる。これにより、ガラス基板における複数の箇所を一括して変質させることが可能となる。続いて、変質後のガラス基板をエッチング処理して変質部を溶解することにより、所定の配列パターンの孔部を有するガラス基板を製造することができる。以上のように、本発明の方法では、１回のレーザー照射で複数の孔部を形成することができるため、所定の配列パターンを有する複数の孔部を有するガラス基板を短時間で作製することが可能である。ここで、「変質させる」とは、例えばガラス中の元素間結合（Ｓｉ−ＯやＰ−Ｏ等のガラスネットワーク結合等）を切断することにより、化学的脆弱性を高めることを意味する。 The spatial light phase modulator is a device that modulates incident light into light having a wavefront with a predetermined phase distribution. Thereby, incident light can be converted into light of an arrangement pattern according to a predetermined phase hologram. In the method of the present invention, the surface of the glass substrate can be collectively irradiated with light having a predetermined arrangement pattern by modulating the spatial phase distribution of the laser light using the spatial light phase modulator. Thereby, it becomes possible to change in quality the several location in a glass substrate collectively. Then, the glass substrate which has a hole of a predetermined arrangement pattern can be manufactured by etching processing the glass substrate after a modification, and melt | dissolving a modified part. As described above, in the method of the present invention, since a plurality of holes can be formed by one laser irradiation, a glass substrate having a plurality of holes having a predetermined arrangement pattern can be manufactured in a short time. Is possible. Here, “modify” means to increase chemical vulnerability by, for example, breaking an interelement bond (glass network bond such as Si—O or P—O) in glass.
本発明の有孔ガラス基板の製造方法において、レーザー光がフェムト秒レーザー光であることが好ましい。このようにすれば、ガラス基板を短時間で、エッチング溶解可能な程度まで変質させることができるため好ましい。 In the method for producing a porous glass substrate of the present invention, the laser beam is preferably a femtosecond laser beam. This is preferable because the glass substrate can be altered in a short time to such an extent that it can be dissolved by etching.
本発明の有孔ガラス基板の製造方法において、エッチング処理を、酸溶液またはアルカリ溶液を用いて行うことが好ましい。 In the method for producing a porous glass substrate of the present invention, the etching treatment is preferably performed using an acid solution or an alkali solution.
本発明の有孔ガラス基板の製造方法において、有孔ガラス基板がインターポーザ用ガラス基板として使用されることが好ましい。 In the method for producing a porous glass substrate of the present invention, the porous glass substrate is preferably used as a glass substrate for an interposer.
本発明の方法によれば、所定の配列パターンを有する複数の孔部を有するガラス基板を短時間で作製することができる。 According to the method of the present invention, a glass substrate having a plurality of holes having a predetermined arrangement pattern can be produced in a short time.
以下、本発明の有孔ガラス基板の製造方法の好ましい実施形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the method for producing a porous glass substrate of the present invention will be described.
図１の（ａ）は、本発明の方法で製造される有孔ガラス基板の一例を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。有孔ガラス基板１は、ガラス基板２において複数の孔部３が形成されてなるものである。複数の孔部３は所定の配列パターンとなるよう形成されている。孔部３の断面形状は通常、円形である。なお、図１では孔部３は貫通孔であるが、有底孔部であってもよい。 FIG. 1A is a schematic plan view showing an example of a perforated glass substrate produced by the method of the present invention, and FIG. The perforated glass substrate 1 has a plurality of holes 3 formed in a glass substrate 2. The plurality of holes 3 are formed to have a predetermined arrangement pattern. The cross-sectional shape of the hole 3 is usually circular. In FIG. 1, the hole 3 is a through hole, but may be a bottomed hole.
ガラス基板２としては、例えばボロシリケート系ガラス、無アルカリガラス、アルミノシリケート系ガラス、アルカリシリケート系ガラス、シリカガラス、リン酸系ガラスを使用することができる。ガラス基板２の平面形状は特に限定されず、矩形や円形等が挙げられる。 As the glass substrate 2, for example, borosilicate glass, alkali-free glass, aluminosilicate glass, alkali silicate glass, silica glass, and phosphate glass can be used. The planar shape of the glass substrate 2 is not particularly limited, and examples thereof include a rectangle and a circle.
ガラス基板２の厚みは０．０５〜１ｍｍ、０．１〜０．７ｍｍ、特に０．２〜０．５ｍｍであることが好ましい。ガラス基板２の厚みが小さすぎると、機械的強度が低下しやすくなる。ガラス基板２の厚みが大きすぎると、レーザー光による変質が不十分となり、所望の孔部３が形成しにくくなる。 The thickness of the glass substrate 2 is preferably 0.05 to 1 mm, 0.1 to 0.7 mm, particularly preferably 0.2 to 0.5 mm. If the thickness of the glass substrate 2 is too small, the mechanical strength tends to decrease. If the thickness of the glass substrate 2 is too large, the alteration by the laser beam becomes insufficient, and it becomes difficult to form the desired hole 3.
孔部３の内径は目的とする用途に応じて適宜選択すればよい。例えば有孔ガラス基板１をインターポーザ用ガラス基板として使用する場合は、孔部３の内径は１〜１００μｍ、２〜５０μｍ、さらには５〜２０μｍの範囲で設定することが好ましい。 What is necessary is just to select the internal diameter of the hole 3 suitably according to the intended use. For example, when the porous glass substrate 1 is used as a glass substrate for an interposer, the inner diameter of the hole 3 is preferably set in the range of 1 to 100 μm, 2 to 50 μm, and further 5 to 20 μm.
図２は、本発明の有孔ガラス基板の製造方法において、ガラス基板にレーザー光を照射する工程の一例を示す模式図である。レーザー発振器１１から発せられたレーザー光Ｌは光学系１２により所定のパターンの光、具体的には、目的とする孔部の数及び位置に対応する配列パターンの光に変換された状態で、ガラス基板１に照射される。これにより、ガラス基板１に所定パターンの変質部４（図３参照）が形成される。変質部４の形状は孔部３の形状に対応しており、その断面形状は通常、円形である。また、孔部３として貫通孔を形成する場合は、変質部４もガラス基板２の厚み方向全体にわたって形成される。 FIG. 2 is a schematic view showing an example of a step of irradiating a glass substrate with laser light in the method for producing a porous glass substrate of the present invention. The laser light L emitted from the laser oscillator 11 is converted into light having a predetermined pattern by the optical system 12, specifically, light having an array pattern corresponding to the number and position of target holes, and the glass The substrate 1 is irradiated. Thereby, the altered part 4 (refer FIG. 3) of a predetermined pattern is formed in the glass substrate 1. FIG. The shape of the altered portion 4 corresponds to the shape of the hole portion 3, and its cross-sectional shape is usually circular. Further, when a through hole is formed as the hole portion 3, the altered portion 4 is also formed over the entire thickness direction of the glass substrate 2.
レーザー光Ｌは例えばパルスレーザー光が使用される。パルスレーザー光のパルス幅は例えば１０〜１００００ｆｓ（フェムト秒）、波長は例えば４００〜２０００ｎｍの範囲のものを使用することができる。特にパルス幅が概ね１０〜１０００ｆｓであるいわゆるフェムト秒レーザーを使用することにより、ガラス基板２を短時間で、エッチング溶解可能な程度まで変質させることができるため好ましい。 For example, pulsed laser light is used as the laser light L. A pulse laser beam having a pulse width of, for example, 10 to 10,000 fs (femtosecond) and a wavelength of, for example, 400 to 2000 nm can be used. In particular, it is preferable to use a so-called femtosecond laser having a pulse width of approximately 10 to 1000 fs because the glass substrate 2 can be altered to a level that enables etching dissolution in a short time.
光学系１２は、例えば、エキスパンダー１３、ホモジナイザー１４、ミラー１５、空間光位相変調器１６、集光レンズ１７等から構成される。レーザー発振器１１から発せられたレーザー光Ｌはエキスパンダー１３によりビーム径が拡大され、さらにホモジナイザー１４により強度分布が均一化される。次に、均一化されたレーザー光Ｌはミラー１５で反射されて空間光位相変調器１６に入射する。レーザー光Ｌは空間光位相変調器１６で空間位相分布が変調され、所望の配列パターンを有する光に変換される。空間光位相変調器１６から出射されたレーザー光Ｌは再びミラー１５で反射され、集光レンズ１７で所望の倍率に集光された状態でガラス基板２表面に照射される。これによりガラス基板２は所定の配列パターンで変質される。目的とする孔部３の内径にもよるが、本発明の方法によれば、例えば１０００〜１００００個／秒の速度でガラス基板２に変質部を形成することができる。 The optical system 12 includes, for example, an expander 13, a homogenizer 14, a mirror 15, a spatial light phase modulator 16, a condenser lens 17, and the like. The beam diameter of the laser light L emitted from the laser oscillator 11 is expanded by the expander 13, and the intensity distribution is made uniform by the homogenizer 14. Next, the uniformized laser light L is reflected by the mirror 15 and enters the spatial light phase modulator 16. The spatial phase distribution is modulated by the spatial light phase modulator 16 and the laser light L is converted into light having a desired arrangement pattern. The laser beam L emitted from the spatial light phase modulator 16 is reflected again by the mirror 15 and is irradiated on the surface of the glass substrate 2 in a state of being condensed by the condenser lens 17 at a desired magnification. As a result, the glass substrate 2 is altered in a predetermined arrangement pattern. Although it depends on the inner diameter of the target hole 3, according to the method of the present invention, the altered portion can be formed on the glass substrate 2 at a speed of, for example, 1000 to 10,000 pieces / second.
エキスパンダー１３は、レーザー光Ｌのビーム径を拡大する役割をする素子であり、例えば凹レンズと凸レンズを組み合わせたレンズ群や、フライアイレンズ等より構成される。 The expander 13 is an element that plays a role of expanding the beam diameter of the laser light L, and includes, for example, a lens group that combines a concave lens and a convex lens, a fly-eye lens, and the like.
ホモジナイザー１４は、エキスパンダー１３から出射されたレーザー光の強度分布（エネルギー密度）を均一化する役割をする素子である。ホモジナイザー１４としては、公知の各種方式のビームホモジナイザーが適用可能であり、例えば、非球面レンズ方式、カライドスコープ方式、フライアイレンズ方式、導波路方式、ホログラフィック光学素子方式のホモジナイザーが適用可能である。 The homogenizer 14 is an element that plays a role of making the intensity distribution (energy density) of the laser light emitted from the expander 13 uniform. As the homogenizer 14, known various types of beam homogenizers can be applied. For example, an aspherical lens system, a kaleidoscope system, a fly-eye lens system, a waveguide system, and a holographic optical element system homogenizer can be applied. is there.
空間光位相変調器１６としては特に限定されず、例えば液晶型や光アドレス型等の空間光位相変調器を使用することができる。 The spatial light phase modulator 16 is not particularly limited, and for example, a liquid crystal type or an optical address type spatial light phase modulator can be used.
なお、図２に示す光学系１２の構成はあくまでも一例であり、必要に応じて配置や構成を適宜変更してもよい。例えば、レーザー光Ｌの経路上にレンズ（集光レンズまたは拡大レンズ）やミラー等の光学素子を適宜追加しても構わない。 Note that the configuration of the optical system 12 shown in FIG. 2 is merely an example, and the arrangement and configuration may be changed as necessary. For example, an optical element such as a lens (a condensing lens or a magnifying lens) or a mirror may be appropriately added on the path of the laser light L.
図３は、ガラス基板をエッチング処理する工程の一例を示す模式的断面図である。図３に示すように、レーザー光Ｌの照射により所定の配列パターンの変質部４が形成されたガラス基板２に対し、エッチング処理を施すことにより、変質部４が溶解して孔部３が形成される。これにより、有孔ガラス基板１を得る。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a process for etching a glass substrate. As shown in FIG. 3, the altered portion 4 is melted and the hole portion 3 is formed by performing an etching process on the glass substrate 2 on which the altered portion 4 having a predetermined arrangement pattern is formed by irradiation with the laser beam L. Is done. Thereby, the perforated glass substrate 1 is obtained.
エッチング処理に使用する薬液は、例えばフッ酸、硝酸、硫酸等の無機酸、シュウ酸、酢酸、ギ酸等の有機酸、またはそれらのうち２種以上の混合物（混酸）等の酸溶液や、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液等を使用することができる。 The chemical solution used for the etching treatment is, for example, an inorganic acid such as hydrofluoric acid, nitric acid, sulfuric acid, an organic acid such as oxalic acid, acetic acid, formic acid, or an acid solution such as a mixture (mixed acid) of two or more thereof, water An alkaline solution such as an aqueous potassium oxide solution can be used.
薬液の濃度は目的とするエッチング能に応じて適宜調整すればよい。例えば、フッ酸等の酸溶液の場合は０．５〜５質量％、特に１〜３質量％であることが好ましい。また、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液の場合は１〜２０モル％、特に５〜１５モル％であることが好ましい。薬液の濃度が低すぎると、変質部４が溶解しにくく、所望の孔部３を形成しにくくなる。一方、薬液の濃度が高すぎると、ガラス基板２の変質部４以外の部分が溶解するおそれがある。 What is necessary is just to adjust the density | concentration of a chemical | medical solution suitably according to the target etching ability. For example, in the case of an acid solution such as hydrofluoric acid, the content is preferably 0.5 to 5% by mass, particularly 1 to 3% by mass. Moreover, in the case of alkaline solutions, such as potassium hydroxide aqueous solution, it is 1-20 mol%, It is preferable that it is 5-15 mol% especially. If the concentration of the chemical solution is too low, the altered portion 4 is difficult to dissolve and it is difficult to form the desired hole 3. On the other hand, if the concentration of the chemical solution is too high, the portion other than the altered portion 4 of the glass substrate 2 may be dissolved.
薬液の温度は、例えばフッ酸等の酸溶液の場合は０〜５０℃、特に２０〜４０℃であることが好ましい。酸溶液の温度が低すぎると、エッチング能が低下しやすくなる。一方、酸溶液の温度が高すぎると、溶液中の酸（例えばフッ化水素）が揮発してエッチング能が低下しやすくなる。また、安全上も好ましくない。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液の場合は０℃以上、２０℃以上、５０℃以上、特に７０℃以上であることが好ましい。アルカリ溶液の温度が低すぎると、エッチング能が低下しやすくなる。一方、アルカリ溶液の温度が高すぎると沸騰するおそれがあるため、安全上好ましくない。よって、９５℃以下、特に９０℃以下であることが好ましい。 For example, in the case of an acid solution such as hydrofluoric acid, the temperature of the chemical solution is preferably 0 to 50 ° C, particularly preferably 20 to 40 ° C. If the temperature of the acid solution is too low, the etching ability tends to decrease. On the other hand, if the temperature of the acid solution is too high, the acid (for example, hydrogen fluoride) in the solution volatilizes and the etching ability tends to decrease. Moreover, it is not preferable in terms of safety. In the case of an alkaline solution such as an aqueous potassium hydroxide solution, the temperature is preferably 0 ° C. or higher, 20 ° C. or higher, 50 ° C. or higher, particularly 70 ° C. or higher. If the temperature of the alkaline solution is too low, the etching ability tends to be lowered. On the other hand, if the temperature of the alkaline solution is too high, it may be boiled, which is not preferable for safety. Therefore, it is preferably 95 ° C. or lower, particularly 90 ° C. or lower.
エッチング時間は使用する薬液の種類や濃度等によって適宜選択すればよく、例えば１〜１００分程度、さらには５〜５０分程度であることが好ましい。 The etching time may be appropriately selected depending on the type and concentration of the chemical solution used, and is preferably about 1 to 100 minutes, and more preferably about 5 to 50 minutes.
なお、上記のようにして得られた有孔ガラス基板１は、そのままインターポーザ等の所望の用途に使用してもよいし、必要に応じて所定の大きさに切断して使用してもよい。 In addition, the perforated glass substrate 1 obtained as described above may be used as it is for a desired application such as an interposer, or may be used after being cut into a predetermined size as necessary.
２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．３ｍｍのボロシリケート系ガラス基板に対し、図２に準ずる光学系を用いることにより、所定の配列パターンを有するフェムト秒レーザー光（波長１０３５ｎｍ、パルス幅４５０ｆｓ）を３秒間照射した。これにより、ガラス基板に対し、断面形状が直径１０μｍ程度の円形である９０００個の変質部を所定の配列パターンで形成した。 A borosilicate glass substrate of 200 mm × 200 mm × 0.3 mm was irradiated with femtosecond laser light (wavelength 1035 nm, pulse width 450 fs) having a predetermined arrangement pattern for 3 seconds by using an optical system according to FIG. . As a result, 9000 deteriorated portions having a circular cross section with a diameter of about 10 μm were formed in a predetermined arrangement pattern on the glass substrate.
変質部形成後のガラス基板を、２５℃の２質量％フッ酸中に１０分間浸漬することによりエッチング処理を行った。これにより、断面形状が円形である内径１０μｍ程度の孔部が所定の配列パターンで９０００個形成された有孔ガラス基板を得た。 Etching treatment was performed by immersing the glass substrate after formation of the altered portion in 2% by mass hydrofluoric acid at 25 ° C. for 10 minutes. As a result, a perforated glass substrate on which 9,000 holes having a circular cross-sectional shape and an inner diameter of about 10 μm were formed in a predetermined arrangement pattern was obtained.
本発明の方法により製造される有孔ガラス基板は、インターポーザ用以外にも、光ファイバー等の光学部品を高精度に整列させて保持するためマイクロホールアレイとして使用することも可能である。 The perforated glass substrate produced by the method of the present invention can be used as a microhole array in order to hold optical components such as an optical fiber with high precision in addition to those for interposers.
１ 有孔ガラス基板
２ ガラス基板
３ 孔部
４ 変質部
１１ レーザー発振器
１２ 光学系
１３ エキスパンダー
１４ ホモジナイザー
１５ ミラー
１６ 空間光位相変調器
１７ 集光レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Perforated glass substrate 2 Glass substrate 3 Hole part 4 Alteration part 11 Laser oscillator 12 Optical system 13 Expander 14 Homogenizer 15 Mirror 16 Spatial light phase modulator 17 Condensing lens
Claims (4)
前記ガラス基板をエッチング処理して前記変質部を溶解することにより、前記配列パターンに対応する複数の孔部を形成する工程、
を備える有孔ガラス基板の製造方法であって、
空間光位相変調器を用いて前記レーザー光の空間位相分布を変調することにより、前記配列パターンに対応する光を前記ガラス基板表面に一括照射することを特徴とする有孔ガラス基板の製造方法。 Irradiating the surface of the glass substrate with laser light to form a plurality of altered portions so as to form a predetermined array pattern on the glass substrate; and
A step of forming a plurality of holes corresponding to the arrangement pattern by etching the glass substrate to dissolve the altered portion;
A method for producing a perforated glass substrate comprising:
A method for producing a perforated glass substrate, wherein the glass substrate surface is collectively irradiated with light corresponding to the array pattern by modulating a spatial phase distribution of the laser light using a spatial light phase modulator.
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