JP5389266B2 - 基板加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、貫通孔等の空間をシリコン基板に形成するための基板加工方法に関する。
上記技術分野の基板加工方法として、例えば特許文献１には、シリコン基板にレーザ光を集光することにより改質領域を形成し、その後、シリコン基板にエッチング処理を施すことにより、改質領域に沿ってエッチングを選択的に進展させ、シリコン基板に貫通孔等の空間を形成するものが記載されている。
特開２００５−７４６６３号公報
ところで、上述したような基板加工方法には、様々な分野への適用が進む中、例えば設計自由度の向上を図るべく、シリコン基板の厚さ方向に対して傾斜する方向（以下、単に「斜め方向」ともいう）に延在する貫通孔等、様々な形状を有する空間をシリコン基板に精度良く形成することが求められている。
そこで、本発明は、様々な形状を有する空間をシリコン基板に精度良く形成することができる基板加工方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面の基板加工方法は、所定のラインに沿った空間をシリコン基板に形成するための基板加工方法であって、楕円率が１以外の楕円偏光であるレーザ光をシリコン基板に集光することにより、ラインに沿ってシリコン基板の内部に改質スポットを複数形成し、複数の改質スポットを含む改質領域を形成する第１の工程と、第１の工程の後、シリコン基板に異方性エッチング処理を施すことにより、改質領域に沿ってエッチングを選択的に進展させ、シリコン基板に空間を形成する第２の工程と、を備え、第１の工程では、シリコン基板に対するレーザ光の移動方向とレーザ光の偏光方向とのなす角度が４５°未満となるようにシリコン基板にレーザ光を集光し、ラインに沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットを形成する。
この基板加工方法では、改質スポットを形成するときに、レーザ光の移動方向とレーザ光の偏光方向とのなす角度が４５°未満となるようにシリコン基板にレーザ光を集光する。本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、当該角度が４５°未満となるようにレーザ光を集光すると、当該角度が４５°以上となるようにレーザ光を集光する場合に比べ、改質スポットからレーザ光の移動方向に亀裂をより伸展させ得ることを突き止めた。このことから、所定のラインに沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットを形成する場合において、隣接する一方の列に続いて他方の列に複数の改質スポットを形成するときに、当該ラインが斜め方向に延在していても、一方の列に既成の改質スポットから伸展した亀裂にレーザ光の集光が阻害され難くなり、複数の改質スポットが確実に形成される。これにより、シリコン基板に異方性エッチング処理を施すと、改質領域に沿ってエッチングが確実に進展することになる。よって、この基板加工方法によれば、様々な形状を有する空間をシリコン基板に精度良く形成することができる。
なお、楕円偏光の楕円率とは、楕円偏光を表す楕円における「短軸の長さの半分」／「長軸の長さの半分」である。従って、楕円率が１のとき、その楕円偏光は円偏光に相当し、楕円率が零のとき、その楕円偏光は直線偏光に相当する。また、レーザ光の偏光方向とは、楕円偏光を表す楕円の長軸の方向である。従って、楕円率が零のとき、レーザ光の偏光方向は、直線偏光を表す直線の方向である。
ここで、第１の工程では、シリコン基板に対するレーザ光の入射方向に垂直な所定の方向から見た場合に、ラインに沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットを形成してもよい。これによれば、当該所定の方向から見た場合の断面形状が所望の形状となるように空間を形成することができる。
或いは、第１の工程では、シリコン基板に対するレーザ光の入射方向から見た場合に、ラインに沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットを形成してもよい。これによれば、当該入射方向から見た場合の断面形状が所望の形状となるように空間を形成することができる。
また、第１の工程では、レーザ光の移動方向とレーザ光の偏光方向とのなす角度が０°となるようにシリコン基板にレーザ光を集光してもよい。レーザ光の移動方向とレーザ光の偏光方向とのなす角度が０°に近いほど、レーザ光の移動方向以外への亀裂の伸展が抑制されるので、これによれば、改質スポットからレーザ光の移動方向に精度良く亀裂を伸展させることができる。
また、楕円偏光は、楕円率が零の直線偏光であってもよい。楕円偏光の楕円率が小さいほど、レーザ光の移動方向以外への亀裂の伸展が抑制されるので、これによれば、改質スポットからレーザ光の移動方向に精度良く亀裂を伸展させることができる。
また、空間は、シリコン基板の表面及び裏面に開口する貫通孔である場合がある。この場合、所定のラインが斜め方向に延在していても、上述したことから、そのようなラインに沿った貫通孔をシリコン基板に精度良く形成することができる。
本発明によれば、様々な形状を有する空間をシリコン基板に精度良く形成することができる。
改質領域の形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。 改質領域の形成の対象となる加工対象物の平面図である。 図２の加工対象物のIII−III線に沿っての断面図である。 レーザ加工後の加工対象物の平面図である。 図４の加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。 図４の加工対象物のVI−VI線に沿っての断面図である。 本発明の一実施形態の基板加工方法を説明するためのシリコン基板の斜視図である。 本発明の一実施形態の基板加工方法を説明するためのシリコン基板の斜視図である。 所定のラインに沿って複数列に並ぶように形成された複数の改質スポットを示す図である。 本発明の一実施形態の基板加工方法を説明するためのシリコン基板の斜視図である。 所定のラインに沿って複数列に並ぶように形成された複数の改質スポットを示す図である。 本発明の一実施形態の基板加工方法を説明するためのシリコン基板の斜視図である。 本発明の一実施形態の基板加工方法を説明するためのシリコン基板の斜視図である。 本発明の一実施形態の基板加工方法を説明するためのシリコン基板の斜視図である。 レーザ光の偏光方向と亀裂の伸展方向との関係を示す図である。 所定のラインに沿って一列又は複数列に並ぶように複数の改質スポットを形成した場合のシリコン基板の断面図及び平面図である。 加工幅とエッチングレートとの関係を示すグラフである。 加工列数とエッチングレートとの関係を示すグラフである。 加工列数とエッチングレートとの関係を示すグラフである。 偏光角度とエッチングレートとの関係を示すグラフである。 改質スポットの形成ピッチ及びパルス幅とエッチングレートとの関係を示すグラフである。 レーザ光の入射方向に垂直な所定の方向に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットを形成した場合のシリコン基板の断面図である。 レーザ光の入射方向に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットを形成した場合のシリコン基板の断面図である。 斜め方向に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットを形成した場合のシリコン基板の断面図である。 レーザ光の移動方向とレーザ光の偏光方向との関係を示す図である。 １／４波長板の原理を示す図である。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
本発明の一実施形態の基板加工方法では、加工対象物の内部にレーザ光を集光させて改質領域を形成する。そこで、まず、改質領域の形成について、図１〜図６を参照して以下に説明する。
図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸（光路）の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ１０５と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７を移動させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。
このレーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された板状の加工対象物１の内部に集光用レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して改質領域形成予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、改質領域形成予定ライン５に沿った改質領域が加工対象物１に形成されることとなる。
加工対象物１としては、半導体材料や圧電材料等が用いられ、図２に示すように、加工対象物１には、改質領域形成予定ライン５が設定されている。ここでの改質領域形成予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示すように、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを改質領域形成予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４〜図６に示すように、改質領域７が改質領域形成予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に形成され、この改質領域７が、後述のエッチング（食刻）による除去領域８となる。
なお、集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。また、改質領域形成予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、これらが組み合わされた３次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。また、改質領域７は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。また、改質領域７は列状でも点状でもよく、要は、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部に形成されていればよい。また、改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面、裏面、若しくは側面）に露出していてもよい。
ちなみに、ここでは、レーザ光Ｌが、加工対象物１を透過すると共に加工対象物１の内部の集光点近傍にて特に吸収され、これにより、加工対象物１に改質領域７が形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。一般的に、表面３から溶融され除去されて穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）場合、加工領域は表面３側から徐々に裏面側に進行する。
ところで、改質領域７は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域７としては、例えば、溶融処理領域、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。さらに、改質領域７としては、加工対象物１の材料において密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある（これらをまとめて高密転移領域ともいう）。
また、溶融処理領域や屈折率変化領域、改質領域７の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、格子欠陥が形成された領域は、さらにそれら領域の内部や改質領域７と非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は改質領域７の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。加工対象物１としては、シリコンを含む、又はシリコンからなるものが挙げられる。
ここで、本発明の一実施形態の基板加工方法では、加工対象物１に改質領域７を形成した後、この加工対象物１にエッチング処理を施すことにより、改質領域７に沿って（すなわち、改質領域７、改質領域７に含まれる亀裂、又は改質領域７からの亀裂に沿って）エッチングを選択的に進展させ、加工対象物１における改質領域７に沿った部分を除去する。なお、この亀裂は、クラック、微小クラック、割れ等とも称される（以下、単に「亀裂」という）。
このエッチング処理では、例えば、毛細管現象等を利用して、加工対象物１の改質領域７に含まれる又は該改質領域７からの亀裂にエッチング剤を浸潤させ、亀裂面に沿ってエッチングを進展させる。これにより、加工対象物１では、亀裂に沿って選択的且つ速いエッチングレート（エッチング速度）でエッチングを進展させ除去する。これと共に、改質領域７自体のエッチングレートが速いという特徴を利用して、改質領域７に沿って選択的にエッチングを進展させ除去する。
エッチング処理としては、例えばエッチング剤に加工対象物１を浸漬する場合（ディッピング方式：Dipping）と、加工対象物１を回転させつつエッチング剤を塗布する場合（スピンエッチング方式：SpinEtching）とがある。
エッチング剤としては、例えば、ＫＯＨ(水酸化カリウム)、ＴＭＡＨ(水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液)、ＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）、ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）、ＣｓＯＨ（水酸化セシウム）、ＮＨ４ＯＨ（水酸化アンモニウム）、ヒドラジン等が挙げられる。また、エッチング剤としては、液体状のものだけでなく、ゲル状（ゼリー状，半固形状）のものを用いることができる。ここでのエッチング剤は、常温〜１００℃前後の温度で用いられ、必要とされるエッチングレート等に応じて適宜の温度に設定される。例えば、シリコンで形成された加工対象物１をＫＯＨでエッチング処理する場合には、好ましいとして、約６０℃とされる。
また、本発明の一実施形態の基板加工方法では、エッチング処理として、結晶方位に基づく特定方向のエッチングレートが速い（若しくは遅い）エッチングである異方性エッチング処理を行っている。この異方性エッチング処理の場合には、比較的薄い加工対象物だけでなく厚いもの（例えば、厚さ８００μｍ〜１００μｍ）にも適用できる。また、この場合、改質領域７を形成する面が面方位と異なるときにも、この改質領域７に沿ってエッチングを進行させることができる。つまり、ここでの異方性エッチング処理では、結晶方位に倣った面方位のエッチングに加えて、結晶方位に依存しないエッチングも可能である。
次に、本発明の一実施形態の基板加工方法ついて詳細に説明する。ここでは、図７に示すように、レーザ光Ｌをシリコン基板１１（上述した加工対象物１に対応する）に集光することにより、所定のライン１２（上述した改質領域形成予定ライン５に対応する）に沿ってシリコン基板１１の内部に改質スポットＳを複数形成し、複数の改質スポットＳを含む改質領域７を形成する。その後、シリコン基板１１に異方性エッチング処理を施すことにより、改質領域７に沿ってエッチングを選択的に進展させ、シリコン基板１１に貫通孔１３を形成する。このようなシリコン基板１１は、例えば光電子増倍素子やインターポーザ等に適用される。なお、シリコン基板１１の厚さ方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な所定の方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向とする。
レーザ光Ｌは、パルス発振された直線偏光（すなわち、楕円率が零の楕円偏光）であり、シリコン基板１１を所定の透過率で透過する波長を有している。レーザ光Ｌは、改質スポットＳを形成するときには、Ｚ軸方向に沿って表面１１ａからシリコン基板１１に入射させられると共に、Ｘ軸方向に沿って相対的に移動させられる。改質スポットＳは、パルスレーザ光であるレーザ光Ｌの１パルスのショット（照射）で形成され、改質領域７は、複数の改質スポットＳが集合することにより形成される。改質スポットＳとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも１つが混在するもの等が挙げられる。
シリコン基板１１は、シリコン単結晶からなり、（１００）面となる表面１１ａ及び裏面１１ｂを有している。所定のライン１２は、シリコン基板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂに開口する貫通孔１３を形成するための基準線である。ライン１２は、例えば貫通孔１３の中心線（ライン１２に垂直な貫通孔１３の断面形状の重心点を通る線）であり、貫通孔１３の貫通方向（延在方向）に延在している。
以下、本発明の一実施形態の基板加工方法の各工程について、より具体的に説明する。まず、図８に示すように、レーザ光Ｌをシリコン基板１１に集光することにより、ライン１２ａに沿ってシリコン基板１１の内部に改質スポットＳを複数形成し、これらの改質スポットＳを含む改質領域７ａを形成する。ライン１２ａは、シリコン基板１１の裏面１１ｂ側に位置するライン１２の一部分であって、ＺＸ平面内において斜め方向に延在している。ライン１２ａに対しては、シリコン基板１１に対するレーザ光Ｌの移動方向（以下、単に「レーザ光Ｌの移動方向」という）及びレーザ光Ｌの偏光方向をＸ軸方向として、レーザ光Ｌの移動方向とレーザ光Ｌの偏光方向とのなす角度（以下、「偏光角度」という）が０°となるようにシリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光する。
ここでは、図８（ａ）に示すように、シリコン基板１１の内部におけるライン１２ａ上の裏面１１ｂ側にレーザ光Ｌの集光点（以下、単に「集光点」という）を合わせて、集光点をＸ軸方向に移動させながら、ライン１２ａ上に複数の改質スポットＳが形成されるようにレーザ光ＬをＯＮ・ＯＦＦ照射する（ライン１２ａに沿ってのＸ軸方向スキャン）。以降、図８（ｂ）に示すように、集光点をＺ軸方向における表面１１ａ側に所定の距離ずつ移動させながら、ライン１２ａに沿ってのＸ軸方向スキャンを複数回実施する。このようにして、図９に示すように、Ｙ軸方向（レーザ光Ｌの入射方向に垂直な所定の方向）から見た場合に、ライン１２ａに沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する。
なお、ライン１２ａ上の裏面１１ｂ側に改質スポットＳを形成するときには、改質スポットＳの端部を裏面１１ｂに露出させる。また、ライン１２ａに沿って改質スポットＳを形成するときには、隣接する改質スポットＳ，Ｓ間において、直接的に又は改質スポットＳから伸展した亀裂を介して、改質スポットＳ，Ｓ同士を繋げるように、レーザ光Ｌの照射条件（シリコン基板１１に対するレーザ光Ｌの移動速度、レーザ光Ｌの繰り返し周波数、集光点を移動させる所定の距離等）を調節する。
続いて、図１０に示すように、レーザ光Ｌをシリコン基板１１に集光することにより、ライン１２ｂに沿ってシリコン基板１１の内部に改質スポットＳを複数形成し、これらの改質スポットＳを含む改質領域７ｂを形成する。ライン１２ｂは、ライン１２ａの端部から延在するライン１２の一部分であって、Ｘ軸方向に延在している。ライン１２ｂに対しては、レーザ光Ｌの移動方向及びレーザ光Ｌの偏光方向をＸ軸方向として、偏光角度が０°となるようにシリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光する。
ここでは、図１０（ａ）に示すように、シリコン基板１１の内部におけるライン１２ｂの一方の側に集光点を合わせて、集光点をＸ軸方向に移動させながら、ライン１２ｂに沿って複数の改質スポットＳが形成されるようにレーザ光ＬをＯＮ・ＯＦＦ照射する（ライン１２ｂに沿ってのＸ軸方向スキャン）。以降、図１０（ｂ）に示すように、集光点をＹ軸方向における他方の側に所定の距離ずつ移動させながら、ライン１２ｂに沿ってのＸ軸方向スキャンを複数回実施する。このようにして、図１１に示すように、Ｚ軸方向（レーザ光Ｌの入射方向）から見た場合に、ライン１２ｂに沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する。なお、ライン１２ｂに沿って改質スポットＳを形成するときには、隣接する改質スポットＳ，Ｓ間において、直接的に又は改質スポットＳから伸展した亀裂を介して、改質スポットＳ，Ｓ同士を繋げるように、レーザ光Ｌの照射条件を調節する。
続いて、図１２に示すように、レーザ光Ｌをシリコン基板１１に集光することにより、ライン１２ｃに沿ってシリコン基板１１の内部に改質スポットＳを複数形成し、これらの改質スポットＳを含む改質領域７ｃを形成する。ライン１２ｃは、ライン１２ｂの端部から延在するライン１２の一部分であって、ＺＸ平面内において斜め方向に延在している。ライン１２ｃに対しては、レーザ光Ｌの移動方向をＸ軸方向とし、レーザ光Ｌの偏光方向をＹ軸方向として、偏光角度が９０°となるようにシリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光する。
ここでは、図１２（ａ）に示すように、シリコン基板１１の内部におけるライン１２ｃ上の裏面１１ｂ側に集光点を合わせて、集光点をＸ軸方向に移動させながら、ライン１２ｃ上に複数の改質スポットＳが形成されるようにレーザ光ＬをＯＮ・ＯＦＦ照射する（ライン１２ｃに沿ってのＸ軸方向スキャン）。以降、図１２（ｂ）に示すように、集光点をＺ軸方向における表面１１ａ側に所定の距離ずつ移動させながら、ライン１２ｃに沿ってのＸ軸方向スキャンを複数回実施する。このようにして、ライン１２ｃに沿って一列に並ぶように（改質領域７ｃに含まれる改質スポットＳの全てがライン１２ｃ上に位置するように）、かつ、Ｘ軸方向（レーザ光Ｌの入射方向に垂直な所定の方向）から見た場合に、隣接する改質スポットＳの一部が互いに重なるように、複数の前記改質スポットＳを形成する。なお、ライン１２ｃに沿って改質スポットＳを形成するときには、隣接する改質スポットＳ，Ｓ間において、直接的に又は改質スポットＳから伸展した亀裂を介して、改質スポットＳ，Ｓ同士を繋げるように、レーザ光Ｌの照射条件を調節する。
続いて、図１３（ａ）に示すように、レーザ光Ｌをシリコン基板１１に集光することにより、ライン１２ｄに沿ってシリコン基板１１の内部に改質スポットＳを複数形成し、これらの改質スポットＳを含む改質領域７ｄを形成する。ライン１２ｄは、ライン１２ｃの端部から延在するライン１２の一部分であって、Ｘ軸方向に延在している。ライン１２ｄに対しては、レーザ光Ｌの移動方向をＸ軸方向とし、レーザ光Ｌの偏光方向をＹ軸方向として、偏光角度が９０°となるようにシリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光する。
ここでは、シリコン基板１１の内部におけるライン１２ｄ上の端部に集光点を合わせて、集光点をＸ軸方向に移動させながら、ライン１２ｄ上に複数の改質スポットＳが形成されるようにレーザ光ＬをＯＮ・ＯＦＦ照射する（ライン１２ｄに沿ってのＸ軸方向スキャン）。このようにして、ライン１２ｄに沿って一列に並ぶように（改質領域７ｄに含まれる改質スポットＳの全てがライン１２ｄ上に位置するように）、複数の前記改質スポットＳを形成する。なお、ライン１２ｄに沿って改質スポットＳを形成するときには、隣接する改質スポットＳ，Ｓ間において、直接的に又は改質スポットＳから伸展した亀裂を介して、改質スポットＳ，Ｓ同士を繋げるように、レーザ光Ｌの照射条件を調節する。
続いて、図１３（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌをシリコン基板１１に集光することにより、ライン１２ｅに沿ってシリコン基板１１の内部に改質スポットＳを複数形成し、これらの改質スポットＳを含む改質領域７ｅを形成する。ライン１２ｅは、ライン１２ｄの端部から延在し、かつシリコン基板１１の表面１１ａ側に位置するライン１２の一部分であって、ＺＸ平面内において斜め方向に延在している。ライン１２ｅに対しては、レーザ光Ｌの移動方向をＸ軸方向とし、レーザ光Ｌの偏光方向をＹ軸方向として、偏光角度が９０°となるようにシリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光する。
ここでは、シリコン基板１１の内部におけるライン１２ｅ上の裏面１１ｂ側に集光点を合わせて、集光点をＸ軸方向に移動させながら、ライン１２ｅ上に複数の改質スポットＳが形成されるようにレーザ光ＬをＯＮ・ＯＦＦ照射する（ライン１２ｅに沿ってのＸ軸方向スキャン）。以降、集光点をＺ軸方向における表面１１ａ側に所定の距離ずつ移動させながら、ライン１２ｅに沿ってのＸ軸方向スキャンを複数回実施する。このようにして、ライン１２ｅに沿って一列に並ぶように（改質領域７ｅに含まれる改質スポットＳの全てがライン１２ｅ上に位置するように）、かつ、Ｘ軸方向（レーザ光Ｌの入射方向に垂直な所定の方向）から見た場合に、隣接する改質スポットＳの一部が互いに重なるように、複数の前記改質スポットＳを形成する。
なお、ライン１２ｅ上の表面１１ａ側に改質スポットＳを形成するときには、改質スポットＳの端部を表面１１ａに露出させる。また、ライン１２ｅに沿って改質スポットＳを形成するときには、隣接する改質スポットＳ，Ｓ間において、直接的に又は改質スポットＳから伸展した亀裂を介して、改質スポットＳ，Ｓ同士を繋げるように、レーザ光Ｌの照射条件を調節する。
以上のようにしてシリコン基板１１に改質領域７を形成した後、シリコン基板１１に対し、例えば８５℃のＫＯＨをエッチング剤として用いて異方性エッチング処理を施す。これにより、図１４（ａ）に示すように、シリコン基板１１において表面１１ａ及び裏面１１ｂから改質領域７へとエッチング剤を進入させて浸潤させ、そして、表面１１ａ側及び裏面１１ｂ側から内部へ向けて、改質領域７に沿ってのエッチングを選択的に進展（進行）させる。その結果、図１４（ｂ）に示すように、シリコン基板１１の改質領域７に沿った部分が除去され、貫通孔１３の形成が完了される。
以上説明したように、上述した基板加工方法では、ライン１２ａ，１２ｂに沿って改質スポットＳを形成するときに、偏光角度が０°となるようにシリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光する。図１５（ａ）に示すように、レーザ光Ｌの移動方向ＳＤとレーザ光Ｌの偏光方向ＰＤとのなす偏光角度が０°となるようにレーザ光Ｌを集光すると、当該偏光角度が９０°となるようにレーザ光Ｌを集光する場合（図１５（ｂ）参照）に比べ、改質スポットＳからレーザ光Ｌの移動方向ＳＤに亀裂１４をより伸展させることができる。従って、図９及び図１１に示すように、ライン１２ａ，１２ｂに沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する場合において、隣接する一方の列に続いて他方の列に複数の改質スポットＳを形成するときに、例えばライン１２ａのようにライン１２が斜め方向に延在していても、一方の列に既成の改質スポットＳから伸展した亀裂にレーザ光Ｌの集光が阻害され難くなり、複数の改質スポットＳが確実に形成される。これにより、シリコン基板１１に異方性エッチング処理を施すと、改質領域７に沿ってエッチングが確実に進展することになる。よって、上述した基板加工方法によれば、様々な形状を有する貫通孔１３をシリコン基板１１に精度良く形成することができる。
また、図８（ｂ）に示すように、ライン１２ａに対しては、レーザ光Ｌの入射方向に垂直な所定の方向（上述した基板加工方法では、Ｙ軸方向）から見た場合に、ライン１２ａに沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する。これによれば、図１４（ｂ）に示すように、当該所定の方向から見た場合の断面形状が所望の形状（幅広な形状、複雑な形状等）となるように貫通孔１３を形成することができる。
また、図１０（ｂ）に示すように、ライン１２ｂに対しては、レーザ光Ｌの入射方向（上述した基板加工方法では、Ｚ軸方向）から見た場合に、ライン１２ｂに沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する。これによれば、図１４（ｂ）に示すように、当該入射方向から見た場合の断面形状が所望の形状（幅広な形状、複雑な形状等）となるように貫通孔１３を形成することができる。
ちなみに、上述した基板加工方法では、ライン１２ｃ，１２ｄ，１２ｅに沿って改質スポットＳを形成するときに、偏光角度が９０°となるようにシリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光する。図１５（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌの移動方向ＳＤとレーザ光Ｌの偏光方向ＰＤとのなす偏光角度が９０°となるようにレーザ光Ｌを集光すると、当該偏光角度が０°となるようにレーザ光Ｌを集光する場合（図１５（ａ）参照）に比べ、改質スポットＳから、レーザ光Ｌの入射方向ＩＤと、側方方向（レーザ光Ｌの入射方向ＩＤ及びレーザ光Ｌの移動方向ＳＤに垂直な方向）とに、亀裂１４をより伸展させることができる。従って、図１３（ｂ）に示すように、ライン１２ｃ，１２ｄ，１２ｅに沿って一列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成するときに、例えばライン１２ｃ，１２ｅのようにライン１２が斜め方向に延在していても、隣接する既成の改質スポットＳから伸展した亀裂にレーザ光Ｌの集光が阻害され難くなり、複数の改質スポットＳが確実に形成される。さらに、斜め方向において隣接する改質スポットＳ，Ｓ間では、亀裂が繋がり易くなる。これらにより、シリコン基板１１に異方性エッチング処理を施すと、改質領域７に沿ってエッチングが確実に進展することになる。よって、上述した基板加工方法によれば、様々な形状を有する貫通孔１３をシリコン基板１１に精度良く形成することができる。
また、ライン１２ｃ，１２ｅに対しては、レーザ光Ｌの入射方向に垂直な所定の方向（上述した基板加工方法では、Ｘ軸方向）から見た場合に、隣接する改質スポットＳ，Ｓ間において改質スポットＳの一部が互いに重なるように、複数の改質スポットＳを形成する。これによれば、隣接する改質スポットＳ，Ｓ間において、直接的に又は改質スポットＳから伸展した亀裂を介して、改質スポットＳ，Ｓ同士をより確実に繋げることができる。従って、改質領域７の選択的なエッチングを斜め方向に進展させる場合でも、途切れることなく好適に当該エッチングを進展させることが可能となる。
以下、実験結果について説明する。図１６は、所定のラインに沿って一列又は複数列に並ぶように複数の改質スポットを形成した場合のシリコン基板の断面図及び平面図である。図１６（ａ）に示すように、シリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光することにより、ライン１２に沿って一列又は複数列に並ぶようにシリコン基板１１の内部に改質スポットＳを複数形成した。シリコン基板１１の厚さは３００μｍであった（特に記載がない限り、以下の実験において同様）。また、レーザ光Ｌの照射条件は、波長：１０６４ｎｍ、繰り返し周波数：４００ｋＨｚ、パルス幅：１０６ｎｓ、出力：０．６Ｗ、シリコン基板１１に対するレーザ光Ｌの移動速度１００ｍｍ／ｓ、パルスピッチ：０．２５μｍ（１００ｍｍ／ｓ÷４００ｋＨｚ）であった（特に記載がない限り、以下の実験において同様）。なお、ライン１２に沿った改質スポットＳの列を複数列形成する場合には、各列をシリコン基板１１の表面１１ａに平行な面上に位置させた。
そして、図１６（ｂ）に示すように、８５℃のＫＯＨ４８％をエッチング剤として用いて（特に記載がない限り、以下の実験において同様）シリコン基板１１に異方性エッチング処理を施し、ライン１２上の両端面からエッチングを進行させた。その実験の結果を図１７〜図１９に示す。なお、以下の説明においては、ライン１２に沿った改質スポットＳの列を複数列形成した場合、隣接する列間の間隔ＰＰを加工ピッチといい（図１６（ａ）参照）、その列数を加工列数という。
図１７は、加工幅（加工ピッチ×加工列数）とエッチングレートとの関係を示すグラフである（なお、図１７（ａ），（ｂ）のグラフにおいて、横軸の加工幅が０の場合は、加工列数が１列の場合を意味する）。図１７において、（ａ）は、偏光角度が０°となるようにレーザ光Ｌを集光した場合（以下、「０°偏光の場合」という）であり、（ｂ）は、偏光角度が９０°となるようにレーザ光Ｌを集光した場合（以下、「９０°偏光の場合」という）である。図１７（ａ）に示すように、０°偏光の場合には、加工ピッチが狭くなるほど、そして、加工列数が増えるほど、エッチングレートが大きく増加した。それに対し、図１７（ｂ）に示すように、９０°偏光の場合には、加工ピッチが狭くなっても、エッチングレートはさほど増加しなかった。このことから、所定のライン１２に沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する場合には、９０°偏光よりも０°偏光のほうが有利であるといえる。
図１８及び図１９は、加工列数とエッチングレートとの関係を示すグラフである。ここでは、加工ピッチを２μｍで一定とし、加工列数を変化させた。その結果、図１８及び図１９に示すように、０°偏光の場合には、加工列数が増えるほど、エッチングレートが大きく増加した。それに対し、９０°偏光の場合には、円偏光の場合と同様に、加工列数が増えても、エッチングレートはさほど増加しなかった。このことからも、所定のライン１２に沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する場合には、９０°偏光よりも０°偏光のほうが有利であるといえる。
図２０は、偏光角度とエッチングレートとの関係を示すグラフである。ここでは、加工ピッチを１μｍで一定とすると共に加工列数を９列で一定とし、偏光角度を変化させた。なお、上述したレーザ光Ｌの照射条件のうち、シリコン基板１１に対するレーザ光Ｌの移動速度を変更した。また、８５℃のＴＭＡＨ２２％をエッチング剤として用いてシリコン基板１１に異方性エッチング処理を施した。その結果、図２０に示すように、偏光角度が４５°以上（−９０deg≦偏光角度≦−４５deg，４５deg≦偏光角度≦９０deg）の場合よりも、偏光角度が４５°未満（−４５deg＜偏光角度＜４５deg）の場合のほうが、エッチングレートが高くなり、０°偏光の場合にエッチングレートが最も高くなった。このことから、所定のライン１２に沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する場合には、偏光角度が４５°以上の場合よりも、偏光角度が４５°未満の場合のほうが有利であるといえる。
図２１は、改質スポットの形成ピッチ（パルスピッチ）及びパルス幅とエッチングレートとの関係を示すグラフである。ここでは、加工列数を９列で一定とし、改質スポットＳの形成ピッチ及びパルス幅を変化させた。なお、８５℃のＴＭＡＨ２２％をエッチング剤として用いてシリコン基板１１に異方性エッチング処理を施した。その結果、図２１に示すように、０°偏光の場合でも、９０°偏光の場合でも、改質スポットＳの形成ピッチが狭いほうが、エッチングレートが増加した。さらに、０°偏光の場合でも、９０°偏光の場合でも、パルス幅が長いほうが、エッチングレートが増加した。これらのことは、９０°偏光よりも０°偏光のほうが顕著であった。
なお、改質スポットＳの形成ピッチは、パルスレーザ光Ｌの集光点の形成ピッチ、すなわち、１パルスごとのレーザ光Ｌの照射ピッチに相当する。当該形成ピッチが１μｍの場合、改質スポットＳが１つ前のレーザ照射で形成された改質スポットＳと区別がつく程度に（すなわち、隣り合う改質スポットＳ，Ｓ同士が区別がつく程度に）分離される。それに対し、当該形成ピッチが０．２５μｍの場合、改質スポットＳが１つ前のレーザ照射で形成された改質スポットＳと互いに重なるように改質領域が形成される。図２１からも分かるように、加工列数を複数列とする場合において、改質スポットＳの形成ピッチが１μｍのときには、エッチングレートは０°偏光よりも９０°偏光のほうが高くなる。一方、加工列数を複数列とする場合において、改質スポットＳの形成ピッチが０．２５μｍのときには、エッチングレートは９０°偏光よりも０°偏光のほうが高くなる。このように、改質スポットＳの形成ピッチにより、エッチングレートと偏光角度との関係は大きな差異がなくなる（むしろ逆転している）。このことから、改質スポットＳが１つ前のレーザ照射で形成された改質スポットＳと互いに重なるように改質領域を形成するピッチ（約０．８μｍ以下）であれば、０°偏光（すなわち、偏光角度が４５°未満）のほうが、エッチングレートが高くなる。
図２２は、レーザ光の入射方向に垂直な所定の方向に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットを形成した場合のシリコン基板の断面図であり、図２３は、レーザ光の入射方向に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットを形成した場合のシリコン基板の断面図である。図２２に示すように、レーザ光Ｌの入射方向に垂直な所定の方向に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成すると、０°偏光の場合（（ｂ）の場合）よりも、９０°偏光の場合（（ａ）の場合）のほうが、エッチングレートがやや高くなった。また、図２３に示すように、レーザ光Ｌの入射方向に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成すると、０°偏光の場合（（ｂ）の場合）よりも、９０°偏光の場合（（ａ）の場合）のほうが、エッチングレートがかなり高くなった。このことから、所定のライン１２に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する場合には、０°偏光よりも９０°偏光のほうが有利であるといえる。
図２４は、斜め方向に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットを形成した場合のシリコン基板の断面図である。ここでは、図面に対して垂直な方向にレーザ光Ｌを移動させた。その結果、図２４（ａ）に示すように、９０°偏光の場合には、亀裂１４がレーザ光Ｌの入射方向に伸展し易くなることから、表面１１ａ側の改質スポットＳから伸展した亀裂１４が表面１１ａに達し、裏面１１ｂ側の改質スポットＳから伸展した亀裂１４が裏面１１ｂに達した。さらに、隣接する改質スポットＳ，Ｓ間においても亀裂１４が繋がった。それに対し、図２４（ｂ）に示すように、０°偏光の場合には、亀裂１４がレーザ光Ｌの入射方向に伸展し難くなることから、表面１１ａ側の改質スポットＳから伸展した亀裂１４が表面１１ａに達せず、裏面１１ｂ側の改質スポットＳから伸展した亀裂１４が裏面１１ｂに達しなかった。さらに、隣接する改質スポットＳ，Ｓ間においても亀裂１４が繋がらなかった。このことから、所定のライン１２に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する場合には、ライン１２が斜め方向に延在していても、０°偏光よりも９０°偏光のほうが有利であるといえる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、改質領域７を形成するときのレーザ光Ｌの入射面は、シリコン基板１１の表面１１ａに限定されず、シリコン基板１１の裏面１１ｂであってもよい。また、上記実施形態では、シリコン基板１１に貫通孔１３を形成したが、貫通孔１３に代えて、様々な形状を有する空間（例えば、表面１１ａ又は裏面１１ｂにのみ開口する凹部（非貫通孔）、溝、チャネル、スリット等、）をシリコン基板１１に形成してもよい。この場合にも、所定のライン１２に沿った空間をシリコン基板１１に精度良く形成することができる。
また、上記実施形態では、改質スポットＳをシリコン基板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂに露出させたが、改質スポットＳに代えて、改質スポットＳから伸展した亀裂をシリコン基板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂに露出させていてもよい。つまり、改質スポットＳ及び改質スポットＳから伸展した亀裂の少なくとも一方をシリコン基板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂに露出させればよい。なお、改質スポットＳを表面１１ａ及び裏面１１ｂに露出させると、形成される貫通孔１３の開口率を大きくすることができ、例えば本実施形態を電子増倍素子の製造に適用する場合、電子の収集効率を高めることが可能となる。一方、改質スポットＳを露出させずに亀裂を露出させると、貫通孔１３の開口側が拡径するのを抑制することができ、貫通孔１３における開口側の孔径を内部の孔径と同サイズにすることができる。
また、エッチング剤に添加物を添加することで特定の結晶方位のエッチングレートを変化させることができるため、所望のエッチングレートで異方性エッチング処理を行うべく、シリコン基板１１の結晶方位に応じた添加物をエッチング剤に添加してもよい。
また、所定のライン１２に沿って複数列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する場合、レーザ光Ｌは、楕円率が零の直線偏光に限定されず、楕円率が１以外の楕円偏光であればよい。また、図２５（ｂ）に示すように、シリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光するときの偏光角度は０°に限定されず、４５°未満であればよい。このようなレーザ光Ｌの照射によっても、偏光角度が４５°以上となるようにレーザ光Ｌを集光する場合に比べ、改質スポットＳからレーザ光Ｌの移動方向ＳＤに亀裂１４をより伸展させることができる。ただし、楕円偏光の楕円率が小さいほど、そして、偏光角度が０°に近いほど、改質スポットＳからレーザ光Ｌの移動以外への亀裂の伸展が抑制される。
ちなみに、所定のライン１２に沿って一列に並ぶように複数の改質スポットＳを形成する場合、レーザ光Ｌは、楕円率が零の直線偏光に限定されず、楕円率が１以外の楕円偏光であればよい。また、図２５（ａ）に示すように、シリコン基板１１にレーザ光Ｌを集光するときの偏光角度は９０°に限定されず、４５°以上であればよい。このようなレーザ光Ｌの照射によっても、偏光角度が４５°未満となるようにレーザ光Ｌを集光する場合に比べ、改質スポットＳから、レーザ光Ｌの入射方向と、側方方向（レーザ光Ｌの入射方向及びレーザ光Ｌの移動方向ＳＤに垂直な方向）とに、亀裂１４をより伸展させることができる。ただし、楕円偏光の楕円率が小さいほど、そして、偏光角度が９０°に近いほど、改質スポットＳからレーザ光Ｌの入射方向及び側方方向以外への亀裂の伸展が抑制される。
ここで、偏光角度が４５°以上とは、図２５（ａ）に示すように、レーザ光Ｌの移動方向ＳＤとレーザ光Ｌの偏光方向ＰＤとのなす角度の範囲である−９０°≦偏光角度≦９０°の範囲において、−９０°≦偏光角度≦−４５°，４５°≦偏光角度≦９０°の範囲を意味する。また、偏光角度が４５°未満とは、図２５（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌの移動方向ＳＤとレーザ光Ｌの偏光方向ＰＤとのなす角度の範囲である−９０°≦偏光角度≦９０°の範囲において、−４５°＜偏光角度＜４５°の範囲を意味する。
なお、図２６に示すような１／４波長板２１７をレーザ加工装置１００に搭載すれば、１／４波長板２１７の方位角θを変えることにより、楕円偏光の楕円率を調節することができる。すなわち、１／４波長板２１７に、例えば直線偏光ＬＰの入射光を入射させると、透過光は、所定の楕円率（楕円偏光を表す楕円における「短軸の長さｂの半分」／「長軸の長さａの半分」）の楕円偏光ＥＰとなる。ここで、直線偏光ＬＰのレーザ光Ｌをシリコン基板１１に照射する場合には、レーザ光源１０１から出射されるレーザ光Ｌは直線偏光ＬＰなので、レーザ光Ｌが直線偏光ＬＰのままで１／４波長板２１７を通過するように方位角θを調節すればよい。
本発明によれば、様々な形状を有する空間をシリコン基板に精度良く形成することができる。
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ…改質領域、１１…シリコン基板、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ…ライン、１３…貫通孔（空間）、Ｌ…レーザ光、Ｓ…改質スポット。

Claims (6)

  1. 所定のラインに沿った空間をシリコン基板に形成するための基板加工方法であって、
    楕円率が１以外の楕円偏光であるレーザ光を前記シリコン基板に集光することにより、前記ラインに沿って前記シリコン基板の内部に改質スポットを複数形成し、複数の前記改質スポットを含む改質領域を形成する第１の工程と、
    前記第１の工程の後、前記シリコン基板に異方性エッチング処理を施すことにより、前記改質領域に沿ってエッチングを選択的に進展させ、前記シリコン基板に前記空間を形成する第２の工程と、を備え、
    前記第１の工程では、前記シリコン基板に対する前記レーザ光の移動方向と前記レーザ光の偏光方向とのなす角度が４５°未満となるように前記シリコン基板に前記レーザ光を集光し、前記ラインに沿って複数列に並ぶように複数の前記改質スポットを形成する、基板加工方法。
  2. 前記第１の工程では、前記シリコン基板に対する前記レーザ光の入射方向に垂直な所定の方向から見た場合に、前記ラインに沿って複数列に並ぶように複数の前記改質スポットを形成する、請求項１記載の基板加工方法。
  3. 前記第１の工程では、前記シリコン基板に対する前記レーザ光の入射方向から見た場合に、前記ラインに沿って複数列に並ぶように複数の前記改質スポットを形成する、請求項１記載の基板加工方法。
  4. 前記第１の工程では、前記移動方向と前記偏光方向とのなす角度が０°となるように前記シリコン基板に前記レーザ光を集光する、請求項１〜３のいずれか一項記載の基板加工方法。
  5. 前記楕円偏光は、楕円率が零の直線偏光である、請求項１〜４のいずれか一項記載の基板加工方法。
  6. 前記空間は、前記シリコン基板の表面及び裏面に開口する貫通孔である、請求項１〜５のいずれか一項記載の基板加工方法。
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