JP5000147B2 - 超音波加工機用の穿孔工具 - Google Patents

Description

本発明は、例えば超音波ホーンを用いてガラス等の脆性・難削材料に高精度かつ徹小な孔・溝・異形加工を行うためのピン状部材の製造方法とピン状部材を備えた加工用工具に関する。

近年、ガラス、セラミック、フェライト等の脆性材料（以下ガラス等と略す）に繊細な孔・溝・異形加工する用途が広がっている。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical
System）分野における半導体デバイス用のガラスウェハでは、デバイスの小型化に伴い、貫通孔電極用の繊細かつ多孔を形成したガラスウェハのニーズが高まってきた。特に、携帯電話用デバイスなどではデバイスのより小型化が大きなニーズとなっている。現状、ガラス等のウェハ加工では、サンドフラスト加工法、ドリル加工法、超音波加工法が一般的に行われている。

サンドフラスト加工法は、繊細な砥粒粉を高圧の窒素などと共に対象物に吹きかけて加工する手法である。ドリル加工法は、ドリルの回転によって個々の孔を個別に開ける方法であり、加工位置精度などは機械精度で決まるため、この点については高精度化が可能である。超音波加工法は、通常、ＳＵＳやニッケルなどピン状の加工用ピンを半田付けしたホーンと呼ばれる器具を用い遊離砥粒（図７参照）を使用する方法である。
特開２００５−０１４１７２号公報 特開平６−２０８９３８号公報

上述したように、ガラス等の脆性材料に孔や溝を加工する方法としては、主としてドリル、サンドブラスト・超音波加工機などを用いる手法が主体であった。このような加工方法では以下のような問題が有り、より高精度化、繊細化、加工の高速化等の制約となっていた。
サンドフラスト加工法は、加工の性質上、孔自体がテーパ状となり、ストレート孔の加工が必要な用途には向かなかった。特に昨今、ガラス基板に金属貫通電極(Viahole)を形成するガラスウェハの場合、基板の反りを低減するためにはストレート孔が求められる。

ドリル加工法は、加工位置精度が機械精度で決まるため孔位置については、高精度化が可能だが、孔径０．１ｍｍを下回る微小な孔や溝の加工では、ドリル自体の強度が十分得られず効率的な加工には限界があった。多孔加工では個々の孔を個別にあけるため、加工時間がかかることや、加工用特殊ドリルの製造方法、コストなどに課題がある。昨今のように、3〜4インチ基板上に孔径０．１ｍｍ以下、孔数１万個以上等のニーズも有り、孔数が増えるにつれ、ドリル加工では加工コストが高くなり、対応が困難となっている。
超音波加工法は、通常、ＳＵＳやニッケルなどピン状の加工用ピンを半田付けしたホーンと呼ばれる器具を用い遊離砥粒を使用する加工方法である。加熱製作によって形成され、加工ピンの変形などのため、繊細化・複数の加工ピン位置の高精度化・異形加工などに限界があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、例えば超音波加工機に用いられる穿孔用の工具について、多数のピン状の加工用ピンを容易に形成できる超音波加工機用の穿孔工具を提供することにある。

本発明の超音波加工機用の穿孔工具は、金属母材上に、複数のピン状部材を電鋳メッキによって立設させ、該ピン状部材によってガラス基板に孔又は溝を形成するピン状部材を備えた加工用工具において、前記母材上にレジスト膜を形成し、前記ピン状部材を形成する部位にある前記母材上のレジスト膜を除去して該レジスト膜に孔を空け、該レジスト膜によって形成した孔の内側に電鋳メッキによる１層目のメッキ膜を前記母材上に施して前記孔に対応する形状の第１のメッキ膜を形成し、前記ピン状部材と母材に残留するレジスト膜の表面上にさらにレジスト膜を形成し、前記ピン状部材上のレジスト膜を除去してレジスト膜に孔を空け、該レジスト膜によって形成した孔の内側に電鋳メッキによるメッキ膜を前記ピン状部材上に施して該孔に対応する形状の第２のメッキ膜を形成し、該第２のメッキ膜を１回以上繰り返して、該ピン状部材が所定の長さに達したときに母材上に残留するレジスト膜を除去するようにして前記ピン状部材を形成し、該ピン状部材と母材とを備えた電鋳ツールを超音波加工機の穿孔用工具として該超音波加工機のホーンに取付け、前記ホーンを介して超音波振動を前記電鋳ツールへ伝達し、前記ピン状部材によって前記ガラス基板に孔又は溝を形成するようにした。
上記超音波加工機用の穿孔工具は、前記母材に形成した複数のピンが、異なる２種以上の径を有することができる。
さらに、上記超音波加工機用の穿孔工具は、前記ピンの横断面が円形状、多角形状、曲線形状若しくはピンの先端側と基端側で断面形状が異なる異形形状とすることができる。
また、前記ピン状部材の長さが１ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明の加工用工具は、特に硼珪酸系ガラス基板加工（その他、石英ガラス基板、その他基板以外の加工にも適用が可能である）に適用され、ＭＥＭＳなどが加工された半導体基板と共に使われ、今後ますます微細かつ高精度が求められる。更に基板の大型化、微細化、位置精度向上、異形加工などに対応するには、ホトリソグラフィー技術と電鋳技術の複合技術による超音波ホーンを作成し、これを用いてガラス基板に微細な孔・溝・異形加工を行うことが可能となる。詳しくは、以下のとおりである。
本発明のピン状部材の製造方法は、母材面上にピン状部材を形成するピン状部材の製造方法において、前記母材面にレジスト膜を形成し、前記ピン状部材を形成する部位にある前記母材面上のレジスト膜を除去して該レジスト膜に孔を空け、該レジスト膜によって形成した孔の内側に電鋳メッキによるメッキ膜を施して前記孔に対応する形状のピン状部材を形成した後、前記母材面上に残留するレジスト膜を除去するようにしたので、母材の正確な位置に径の細いピン状部材を形成することができる。
本発明のピン状部材の加工用工具は、母材の面上に電鋳メッキのメッキ膜により形成した複数のピンを立設させたので、複数のピンの位置や径を正確に配置することができる。
また、本発明のピン状部材の加工用工具は、母材の面上に電鋳メッキのメッキ膜層を縦方向に重ねて形成した複数のピンを立設させたので、ピン状部材の形状に対しての応用が容易にできるようになった。
上記ピン状部材の加工用工具は、前記ピンが超音波加工機に取付けられ、超音波振動によって半導体デバイスに用いられる複数のガラス貫通孔電極を形成するための工具とすることによって、半導体デバイスの貫通孔電極をより正確な位置に空けることができるようになった。
上記ピン上部材の加工用工具は、ピン状部材を備えた加工用工具は、前記ピンの横断面が円形状、多角形状、曲線形状若しくはピンの先端側と基端側で断面形状が異なる異形形状としたことによって、種々の作業に応じた工具を作成できる。

以下、本発明の第１実施の形態におけるピン状部材の製造方法とピン状部材を備えた加工用工具について、図面を参照しながら説明する。
本実施の形態のピン状部材は、金属基板上にホトリソグラフィー技術によるレジストパターン作成と電鋳技術を組み合わせて超音波加工機によりガラスに孔を空ける工具（電鋳ツールとする）であり、電鋳ツールによりガラス等の基板に微細かつ高精度の孔・溝・異形加工を可能とする。

図１は、超音波加工機を示し、図２は超音波加工機に取付けられている電鋳ツールを示す。
超音波加工機１は、超音波振動子２に超音波発振器３が取付けられ、超音波振動子２の下方には、コーン４が取付けられ、コーン４の下部にはホーン５が接続されている。ホーン５の下部には、本発明に係わる電鋳ツール１０が取付けられている。
図２に示すように、電鋳ツール１０は、円形の平板状の母材１１の表面上に多数の加工用ピン１２が母材１１面に対して直角方向に向けて固定されている。母材１１は例えばステンレスにより形成され、少なくとも加工用ピン１２が固定されている面にＮｉメッキ１７が施されている。加工用ピン１２は、Ｎｉによる厚膜の電鋳メッキにより形成され、厚膜電鋳メッキはメッキの被膜層が複数の層で形成されている。加工用ピン１２は、現時点では直径１００〜５００μｍ程度のものを形成することができる。ターゲットとしては５０μｍ程度とする事が出来る。加工用ピン１２同士の縁からの間隔は、概ね１００μｍ程度以上とすることができる。加工用ピン１２の形状は、母材１１側の基端部から先端部まで同じ径に形成している。なお、加工用ピン１２の本数についても任意に形成できる。

このような構造により超音波加工機１は、超音波発振器３の稼働によって、超音波発振器３の電気信号が超音波振動子２へ伝達され、機械的振動エネルギーに変換される。超音波振動子２からコーン４、ホーン５へ振動エネルギーが伝達されることによって、振動が電鋳ツール１０に伝わる。電鋳ツール１０は、ワーク１３（ガラスウェハ）に穿孔用の砥粒とともにワーク１３に貫通孔１４もしくは有底孔（溝）を形成することができる。

図４及び図５は、電鋳ツールの製造方法の一例を示す。
図４のＡは、円板状のステンレスからなる母材１１を示し、母材１１の表面には図示しないニッケルメッキを施している。このニッケルメッキの表面には、厚さ約４０μｍの感光性の樹脂であるレジスト膜１５ａを形成している。ホトリソグラフィーでは種々の作業方法があるが、例えば、レジスト膜１５ａは光化学反応によって、光の当たった部分がアルカリ溶液に溶ける化学構造に変化するタイプのものが使用できる。この場合は、母材１１に加工用ピンを固定する箇所以外の部分にマスキングをして、図示しない光源から光を照射させて、光で化学変化したレジスト膜１５ａを溶剤などによって、母材１１のＮｉメッキ１７が表れるまで除去する。
なお、レジスト膜については、直接エッチング装置によってレジスト膜を除去することもできる。

図４のＡに母材１１からレジスト膜１５ａが部分的に除去して形成された多数の孔１６ａを示す。この後、電鋳メッキのメッキ槽に母材１１を浸漬して電鋳メッキを行う。電鋳メッキは、母材１１のＮｉメッキ１７面上に形成された孔１６ａの部分にメッキを形成し、レジスト膜１５ａの上面にはメッキ膜を形成しないので、図４のＣに示すように、複数の孔１６ａのみにメッキが充填される。こうして、加工用ピン１２ａの１層目が形成される。

次に、加工用ピンの２層目の製造工程を示す。製造工程は、１層目の加工用ピン１２ａと基本的に同じである。異なるのは、１層目の加工用ピン１２ａを母材１１の表面に固定したが、２層目は母材１１の表面でなく、１層目の加工用ピン１２ａの上に重ねて新たな加工用ピンのメッキ膜を形成することにある。
図４のＤに示すように、母材１１上に除去されず残留しているレジスト膜１５ａと、加工用ピン１２ａの面上に２層目のレジスト膜１５ｂを形成する。母材１１に形成された加工用ピン１５ａの直上にある以外の部分のレジスト膜１５ｂに光が照射されないように、マスクキングをする。レジスト膜１５ｂの材質及び厚さは１層目のレジスト膜１５ａと同じである。

レジスト膜１５ｂに、図示しない光源から光を照射させて、加工用ピン１２ａの直上に位置するレジスト膜１５ｂを、化学変化させた後、図５のＡに示すように、加工用ピン１２ａの直上にレジスト膜１５ｂに囲まれた孔１６ｂが形成される。１層目の加工用ピン１２ａを形成したときと同様に、母材１１のＮｉメッキのメッキ層に浸漬して電鋳メッキを行い、２層目のメッキ膜で形成された加工用ピン１２ｂを設ける。図５のＢに２層目の加工用ピン１２ｂを示し、１層目の加工用ピン１２ａの上に２層目の加工用ピン１２ｂが積層されたのが分かる。

加工用ピン１２は、このように２層目の加工用ピン１２ｂを形成したのと同様に順次、同じ製造工程を繰り返すことによって、図５のＣの想像線に示すように、高さを大きく延ばすことができる。そして、加工用ピン１２が所定の長さに形成されたところで、図５のＣに示すように、レジスト膜１５を除去して電鋳ツール１０が形成される。
本発明では、こうした加工用ピン１２の形成により、ガラスウェハに孔若しくは溝を形成するときは、孔径・孔位置精度を数μｍの精度で実現できる。作業的には、１本の加工用ピンを有する電鋳ツール１０であっても、多数の加工用ピンを有する電鋳ツール１０であっても、製造工程は複雑にならないので、１万個以上の加工用ピンを形成することも可能である。このような工程によって、１枚のガラスウェハに多数の孔・溝等の同時作成が可能となる。

図６は本発明の第２の実施形態を示す。
図４及び図５で説明した加工用ピン１２は、電鋳メッキのメッキ膜の複数積層体であるが本実施の形態では、メッキ膜が単層体であることが異なっている。
図６のＡに示すように、円板状のステンレスからなる母材２１の表面にはニッケルメッキ２５を施し、ニッケルメッキ２５の表面には、レジスト膜２２を形成している。レジスト膜２２の厚さは、形成しようとする加工用ピン２３の長さと同じ厚さに形成する。母材２１に加工用ピンを固定する箇所以外の部分にマスクキングをして、図示しない光源から光を照射させて、レジスト膜２２を化学変化させる。

次いで、母材１１の加工用ピンを形成する部分に位置するレジスト膜２２を除去して、図６のＢに示すように、多数の孔２４を形成する。電鋳メッキは、母材１１のＮｉメッキ２５面上に形成された孔２４の部分にメッキを形成し、複数の孔２４の内部のみにメッキが充填され電鋳ツール２０が形成される。このように、孔２４の深さを大きく形成しても、電鋳メッキは可能であり、加工用ピン２３が形成される。
このように形成された加工用ピン２３は、図４及び図５に示す方法で形成された加工用ピン１２と比べ、短時間で形成できる効果がある。

以上、説明したように本実施の形態による加工用ピン１２，２３は、超音波ホーンを用いた孔加工ではカスタム化や大型基板でも対応可能で１０分程度で加工でき、超音波加工機を用いて、本発明の主要な目的とするガラスウェハの孔空けやその他基板の孔空けに対し、十分初期の目的を達成することができた。
電鋳メッキ法は、条件のコントロールで加工用ピン１２，２３の微細化、長さなどもコントロール可能である。本加工用ピン１２，２３によって、１枚のガラスウェハを加工した結果、金属構造体の磨耗量は概ね１５μｍ程度であり、１ｍｍ以上の長さのピンを有するホーンであれば、数十枚のガラスウェハの加工が可能となり、コスト的にも優れている。
本発明によれば、今まで製作難度の大きかった、Φ０．１ｍｍ以下の繊細孔及び溝を形成することができる。ホトリソグラフィー技術の応用では厚さ方向の異形加工も可能となり、広い応用範囲が期待できる。

このように、本発明は、複雑かつ微細な加工を容易に実現する。異形加工の範囲はウェハ面内での自由形状に留まらず例えば、孔の厚さ方向についても孔径が変化する形状なども含まれる。
すなわち、上記実施の形態では、母材１１に形成した加工用ピン１２の長さ及び径を全ての加工用ピン１２について同じとしたが、加工用ピン１２の長さは、異なる長さの加工用ピン１２を２種以上形成し、１つのガラスウェハに貫通孔及び溝を同時に形成してもよい。また、加工用ピン１２の径は、異なる径の加工用ピン１２を２種以上形成し、１つのガラスウェハに異なる径の貫通孔又は溝を形成してもよい。
１つの加工用ピンについては、図７に示すように、加工用ピン１２の形状を基端側の大径部１２ｃを太く、先端側の小径部１２ｄを細くして異形にしても良い。そして、電鋳ツール１０を介して超音波振動が加工用ピン１２に伝わり、ガラス基板などのワーク１３に異径孔を形成する。なお、符号２６は水と共に流す遊離砥粒であって、加工用ピン１２とワーク１３の間に流し込むようにする。こうして、下側が小径で上側が大径の異径孔を形成することができる。なお、加工用ピン１２は、このように加工用ピン１２を段付きにして先端を細くしてもよく、テーパ状に細くしても良い。
図８のＡは、内側が空洞の環状の加工用ピン１２であり、このような加工用ピン１２によってもワークに孔を形成できる。なお、ワーク１３は、加工用ピン１２の内孔１２ｅに対応する部分は削りとられるので、横断面が円形の孔を形成できる。
図８のＢは、平面形状がほぼＳ字形状（曲線形状）であり、このような変形板形状の加工用ピン１２でも、その断面形状に対応したＳ字形状の孔を形成できる。

以上、本発明を実施形態に基づいて添付図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、更に他の種々の変形あるいは修正が可能である。
例えば、母材１１，２２の表面に形成したＮｉメッキ１７，２５は、電鋳メッキ（加工用ピン）の付きは劣るが省略することもできる。
母材１１，２２の材質をＳＵＳとし、電鋳メッキで形成したピンはＮｉとしたが、この組合せは任意であり、多数の組合せがある。

本発明の実施の形態におけるピン状部材を備えた加工用工具である電鋳ツールが超音波加工機に取付けられた状態の概略正面図である。 図１の電鋳ツールの拡大図である。 図１の超音波加工機の被加工物であるガラスウェハ（ワーク）の平面図である。 本発明の第１の実施の形態における電鋳ツールの製造工程の断面図であって、Ａは母材の表面にレジスト膜を形成した状態、Ｂはレジスト膜の加工用ピンを形成する箇所に対応する部位を削除して孔を形成した状態、Ｃは電鋳メッキを孔の部分に被膜させた状態、Ｄはさらに残されたレジスト膜と電鋳メッキ層の表面に２層目のレジスト膜を形成した状態の断面図である。 図４のＤに続く電鋳ツールの製造工程の断面図であって、Ａは２層目のレジスト膜を除去して孔を形成した状態、Ｂは２層目の電鋳メッキを孔の部分に被膜させた状態、Ｃは、母材上のレジスト膜を全て削除した状態の断面図である。 本発明の第２の実施の形態における電鋳ツールの製造工程の断面図であって、Ａは母材の表面にレジスト膜を形成した状態、Ｂはレジスト膜の加工用ピンを形成する箇所に対応する部位を削除して孔を形成した状態、Ｃは電鋳メッキを孔の部分に被膜させた状態、Ｄは母材上のレジスト膜を削除した状態の断面図である。 本発明の加工用ピンの変形例であって、小径部と大径部を有する異径加工用ピンの断面図である。 本発明の加工用ピンの他の変形例であって、Ａは断面が環状の加工用ピンの平面図（上）と断面図（下）、Ｂは断面がほぼＳ字形の加工用ピンの平面図（上）と断面図（下）である。

符号の説明

１ 超音波加工機
１０ 電鋳ツール
１１，２１ 母材
１２，２３ 加工用ピン
１３ ワーク
１４ 貫通孔
１５ａ，１５ｂ，２２ レジスト膜
１６ａ，１６ｂ，２４ 孔

Claims (4)

1. 金属母材上に、複数のピン状部材を電鋳メッキによって立設させ、該ピン状部材によってガラス基板に孔又は溝を形成するピン状部材を備えた加工用工具において、
   前記母材上にレジスト膜を形成し、前記ピン状部材を形成する部位にある前記母材上のレジスト膜を除去して該レジスト膜に孔を空け、該レジスト膜によって形成した孔の内側に電鋳メッキによる１層目のメッキ膜を前記母材上に施して前記孔に対応する形状の第１のメッキ膜を形成し、
   前記ピン状部材と母材に残留するレジスト膜の表面上にさらにレジスト膜を形成し、前記ピン状部材上のレジスト膜を除去してレジスト膜に孔を空け、該レジスト膜によって形成した孔の内側に電鋳メッキによるメッキ膜を前記ピン状部材上に施して該孔に対応する形状の第２のメッキ膜を形成し、
   該第２のメッキ膜を１回以上繰り返して、該ピン状部材が所定の長さに達したときに母材上に残留するレジスト膜を除去するようにして前記ピン状部材を形成し、
   該ピン状部材と母材とを備えた電鋳ツールを超音波加工機の穿孔用工具として該超音波加工機のホーンに取付け、
   前記ホーンを介して超音波振動を前記電鋳ツールへ伝達し、前記ピン状部材によって前記ガラス基板に孔又は溝を形成することを特徴とする超音波加工機用の穿孔工具。
2. 前記母材に形成した複数のピンが、異なる２種以上の径を有するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波加工機用の穿孔工具。
3. 前記ピンの横断面が円形状、多角形状、曲線形状若しくはピンの先端側と基端側で断面形状が異なる異形形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波加工機用の穿孔工具。
4. 前記ピン状部材の長さが１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波加工機用の穿孔工具。

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