JP5495048B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物としてシリコンにレーザ光を照射して加工するレーザ加工方法に関する。

一般に、レーザ加工は、加工対象物を微細かつ高精度に加工する方法として知られている。物質に高エネルギー密度のレーザ光を照射すると、その照射部位でアブレーション反応と呼ばれる原子間の結合の剥離が生じ、物質の飛散や気化、プラズマ化などにより、加工対象物が部分的に除去される。
しかしながら、シリコンへのレーザ照射においては、アブレーション反応の際に全てがガス化されず、その一部がレーザ加工部周囲にデブリ（加工飛散物）として降り積もり、加工製品の品質を低下させてしまう問題があった。

このため、従来、上記のようなデブリの問題を回避するために、予めレーザ照射部の周囲に酸化被膜を形成し、酸化被膜の上にデブリを堆積させた後、酸化被膜ごとデブリを除去する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、シリコンのレーザ加工の際に、予めＣＶＤ法により表面にシリコンの酸化被膜を形成し、レーザ加工を行った後に表面に堆積したデブリを酸化被膜ごと除去する方法が提案されている。また、特許文献２には、レーザ加工時に酸素と不活性ガスとを供給しながらレーザ照射を行うことで、レーザ照射部周囲の表面に酸化被膜を形成する方法が提案されている。

特開２０００−２４６４７４号公報 特開２００６−１９８６６４号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１の技術では、レーザ加工前に予めＣＶＤ法により表面に酸化被膜を形成する必要があり、その前処理のための別工程が必要なために生産効率の低下を招いてしまうという不都合があった。また、特許文献２の技術では、レーザ加工時に付随的に加工部周辺に形成される酸化被膜を用いているが、この方法ではデブリが飛散・堆積する範囲に合わせて材質や厚みが均一な酸化被膜を形成することが難しく、十分にデブリが除去されずに品質の低下を招いてしまう不都合があった。特に、単結晶または多結晶のシリコンの場合、そのように付随的に形成される酸化被膜はＳｉＯなどの酸化数の低い物が含まれるため、酸化被膜自体のシリコン母材への固着力が強く、酸化被膜を精度良く除去することが困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、前処理等が不要であると共に材質や厚みが均一でシリコン母材への付着力が弱い酸化被膜を加工前に形成することができるレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレーザ加工方法は、加工対象物のシリコンにレーザ光を照射して加工する方法であって、シリコンに対しアブレーション反応を生じさせる閾値近傍のエネルギー密度であり、且つ酸素含有雰囲気中でシリコンの表面に繊維状シリコン酸化物による酸化被膜を形成可能なエネルギー密度に設定された第１のレーザ光を加工領域およびその周辺に照射してこれら表面に前記酸化被膜を形成する被膜形成工程と、シリコンをアブレーション反応で加工可能なエネルギー密度で前記酸化被膜上から第２のレーザ光を前記加工領域に照射して該加工領域表面の前記酸化被膜を除去すると共に前記加工領域を加工する加工工程と、前記加工工程後に残った前記酸化被膜を除去する被膜除去工程と、を有していることを特徴とする。

このレーザ加工方法では、シリコンに対しアブレーション反応を生じさせる閾値近傍のエネルギー密度であり、且つ酸素含有雰囲気中でシリコンの表面に繊維状シリコン酸化物による酸化被膜を形成可能なエネルギー密度に設定された第１のレーザ光を加工領域およびその周辺に照射してこれら表面に酸化被膜を形成するので、前処理が不要であると共に材質や厚みが均一でシリコン母材への付着力が弱い酸化被膜をレーザ加工前に形成することができる。
すなわち、まず、酸素含有雰囲気中において予め低いエネルギー密度の第１のレーザ光の照射によって単結晶または多結晶のシリコン表面に、繊維状シリコン酸化物を堆積させてこれらの集合体からなる綿状の酸化被膜を形成する。このようにシリコン表面に直接的に低エネルギー密度のレーザ光を照射することで、特許文献２のようにレーザ加工時に付随的に生じさせたシリコン酸化被膜とは異なり、繊維状シリコン酸化物の集合体からなる綿状の酸化被膜を形成することができる。
この後、高いエネルギー密度の第２のレーザ光の照射によって加工領域の酸化被膜を除去すると同時にシリコンに穴開けや溝加工等を行う。この際、穴開けや溝加工等がなされた加工領域の部位周辺の酸化被膜上には、デブリが堆積する。次に、加工領域の部位周辺に残った酸化被膜をデブリと共に、レーザ照射、ケミカルエッチングまたはブラッシングなどにより除去することで、品質の高い加工製品を得ることができる。なお、残った綿状の酸化被膜は、シリコン母材への付着力が弱いため、ブラッシングなどで容易に除去することが可能である。

また、本発明のレーザ加工方法は、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とが、同一波長のレーザ光であり、前記第１のレーザ光を、前記加工領域およびその周辺の表面から焦点を外して照射することを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工方法では、第１のレーザ光と第２のレーザ光とが、同一波長のレーザ光であり、第１のレーザ光を、加工領域およびその周辺の表面から焦点を外して照射するので、同一のレーザ光源を用いて光学系による焦点位置の変更だけで第１のレーザ光と第２のレーザ光との両方を照射でき、一台のレーザ加工機で一連の工程を簡便にかつ短時間で行うことができる。

また、本発明のレーザ加工方法は、前記第１のレーザ光を、波長５５０ｎｍ以下でパルス当たりのエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ^２以下のパルスレーザ光とし、前記第２のレーザ光を、波長５５０ｎｍ以下でパルス当たりのエネルギー密度が４０ｍＪ／ｃｍ^２以上のパルスレーザ光とすることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工方法では、第１のレーザ光を、波長５５０ｎｍ以下でパルス当たりのエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ^２以下のパルスレーザ光とするので、直径１００ｎｍ以下でアスペクト比が５以上の繊維状シリコン酸化物の集合体からなる綿状の酸化被膜を良好に形成することができる。また、第２のレーザ光を、波長５５０ｎｍ以下でパルス当たりのエネルギー密度が４０ｍＪ／ｃｍ^２以上のパルスレーザ光とするので、シリコンにアブレーション反応が起こる閾値以上であって、シリコンを除去する加工が可能なエネルギー密度によりシリコンを良好に加工することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工方法によれば、シリコンに対しアブレーション反応を生じさせる閾値近傍のエネルギー密度であり、且つ酸素含有雰囲気中でシリコンの表面に繊維状シリコン酸化物による酸化被膜を形成可能なエネルギー密度に設定された第１のレーザ光を加工領域およびその周辺に照射してこれら表面に酸化被膜を形成するので、前処理が不要であると共に材質や厚みが均一でシリコン母材への付着力が弱い酸化被膜をレーザ加工前に形成することができる。
したがって、本発明のレーザ加工方法によって、シリコンの高品質な加工製品を高い生産効率で得ることができる。

本発明に係るレーザ加工方法の一実施形態を工程順に示す説明図である。 本実施形態において使用するレーザ加工装置を示す概略的な全体構成図である。 本発明に係るレーザ加工方法の実施例において、シリコン上に堆積した綿状の酸化被膜を示す走査電子顕微鏡による断面拡大画像である。 本実施例において、繊維状シリコン酸化物を示す走査電子顕微鏡による拡大画像である。 本実施例において、第１のレーザ光を短い時間だけ照射した際の綿状の酸化被膜を示す拡大写真である。 本実施例において、第１のレーザ光を十分な時間だけ照射した際の綿状の酸化被膜を示す拡大写真である。 本実施例において、ブラッシングにより酸化被膜を除去した際の表面を示す拡大写真である。 本実施例において、レーザ光の焦点位置を固定したまま照射した際の加工状態と酸化被膜の形成状態とを示す拡大写真および説明図である。

以下、本発明に係るレーザ加工方法の一実施形態を、図１および図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。

本実施形態のレーザ加工方法は、図１の（ａ）に示すように、加工対象物のシリコンＳにレーザ光を照射して加工する方法であって、シリコンに対しアブレーション反応を生じさせる閾値近傍のエネルギー密度であり、且つ酸素含有雰囲気中でシリコンＳの表面に繊維状シリコン酸化物による酸化被膜Ｓ１を形成可能なエネルギー密度に設定された第１のレーザ光Ｌ１を加工領域およびその周辺に照射してこれら表面に酸化被膜Ｓ１を形成する被膜形成工程と、図１の（ｂ）に示すように、シリコンＳをアブレーション反応で加工可能なエネルギー密度で酸化被膜Ｓ１上から第２のレーザ光Ｌ２を加工領域に照射して該加工領域表面の酸化被膜Ｓ１を除去すると共に加工領域を加工する加工工程と、図１の（ｃ）に示すように、加工工程後に残った酸化被膜Ｓ１を除去する被膜除去工程と、を有している。

また、第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とは、同一波長のレーザ光であり、第１のレーザ光Ｌ１は、加工領域およびその周辺の表面から焦点を外して照射している。
さらに、第１のレーザ光Ｌ１を、波長５５０ｎｍ以下でパルス当たりのエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ^２以下のパルスレーザ光とし、第２のレーザ光Ｌ２を、波長５５０ｎｍ以下でパルス当たりのエネルギー密度が４０ｍＪ／ｃｍ^２以上のパルスレーザ光としている。

本実施形態のレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置１は、図２に示すように、加工対象物のシリコンＳに第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２と選択的に照射して加工する装置であって、これらレーザ光をパルス発振してシリコンＳに一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査するレーザ光照射機構２と、シリコンＳを保持して移動可能な移動機構３と、これらを制御する制御部４と、を備えている。

上記移動機構３は、水平面に平行なＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ部３ｘと、該Ｘ軸ステージ部３ｘ上に設けられＸ方向に対して垂直なかつ水平面に平行なＹ方向に移動方向なＹ軸ステージ部３ｙと、該Ｙ軸ステージ部３ｙ上に設けられ移動機構３が固定されてシリコンＳを保持可能であると共に水平面に対して垂直方向に移動可能なＺ軸ステージ部３ｚと、で構成されている。

上記レーザ光照射機構２は、Ｑスイッチのトリガー信号により第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２となるレーザ光を発振すると共にスポット状に集光させる光学系も有するレーザ光源５と、照射するレーザ光を走査させるガルバノスキャナ６と、保持されたシリコンＳの加工位置を確認するために撮像するＣＣＤカメラ７と、を備えている。

上記レーザ光源５は、１９０〜５５０ｎｍのいずれかの波長のレーザ光を照射できるものが使用可能であり、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。
上記ガルバノスキャナ６は、移動機構３の直上に配置されている。また、上記ＣＣＤカメラ７は、ガルバノスキャナ６に隣接して設置されている。

この本実施形態のレーザ加工方法では、まず、図１の（ａ）に示すように、大気中（酸素含有雰囲気中）において予め低いエネルギー密度の第１のレーザ光Ｌ１の照射によって単結晶または多結晶のシリコンＳの表面に、繊維状シリコン酸化物を堆積させてこれらの集合体からなる綿状の酸化被膜Ｓ１を形成する。この綿状の酸化被膜は、その組成式がＳｉＯ_ｘ（ｘ＞１）で表されるシリコン酸化物の単体、或いはそれら種々のシリコン酸化物の混合物である。また、このように酸素含有雰囲気として、大気中であれば、特にガスの供給が不要である。なお、綿状の酸化被膜Ｓ１の厚さは、２００μｍ以下とすることが好ましい。すなわち、酸化被膜Ｓ１の厚さが２００μｍを超えると、アシストガスの吹き付けなどにより剥がれ落ちが生じて品質を低下させるパーティクルの原因となるためである。

この後、図１の（ｂ）に示すように、高いエネルギー密度の第２のレーザ光Ｌ２の照射によって加工領域（照射領域）の酸化被膜Ｓ１を除去すると同時にシリコンＳに穴開けや溝加工等を行う。この際、穴開けや溝加工等がなされた加工領域の部位周辺の酸化被膜Ｓ１上には、デブリＤが堆積する。なお、周囲に形成された綿状の酸化被膜Ｓ１は、断熱性が高いため、その上に降り積もったデブリＤの熱により固着を防ぐ効果が高い。

次に、図１の（ｃ）に示すように、加工領域の部位周辺に残った酸化被膜Ｓ１をデブリＤと共に、レーザ照射、ケミカルエッチングまたはブラッシングなどにより除去することで、品質の高い加工製品を得ることができる。なお、残った綿状の酸化被膜Ｓ１は、シリコン母材への付着力が弱いため、ブラッシングなどで容易に除去することが可能である。

このように本実施形態では、シリコンＳに対しアブレーション反応を生じさせる閾値近傍のエネルギー密度であり、且つ酸素含有雰囲気中でシリコンＳの表面に繊維状シリコン酸化物による酸化被膜Ｓ１を形成可能なエネルギー密度に設定された第１のレーザ光Ｌ１を加工領域およびその周辺に照射してこれら表面に酸化被膜Ｓ１を形成するので、前処理が不要であると共に材質や厚みが均一でシリコン母材への付着力が弱い酸化被膜Ｓ１をレーザ加工前に形成することができる。

次に、本発明に係るレーザ加工方法により実際に加工した実施例について、図４から図８を参照して具体的に説明する。
本実施例では、上記本実施形態のレーザ加工方法を用いて、多結晶シリコン板の加工を行った。また、第１のレーザ光および第２のレーザ光としては、平均出力７Ｗ、波長３５５ｎｍ、繰り返し周波数６ｋＨｚ、焦点位置における集光径を２０μｍとしたレーザ光を採用した。すなわち、第１のレーザ光は、シリコンに対しアブレーション反応を生じさせる閾値近傍のエネルギー密度であって、アブレーション反応で加工領域のシリコンを物理的に除去する加工が可能なエネルギー密度よりも低いと共に酸素含有雰囲気中でシリコンの表面に繊維状シリコン酸化物による酸化被膜を形成可能なエネルギー密度に設定した。また、第２のレーザ光は、シリコンをアブレーション反応で加工領域のシリコンを物理的に除去する加工が可能なエネルギー密度に設定した。

まず、最初に、多結晶シリコン板上にレーザ光の集光径が４０μｍ（パルス当たりのエネルギー密度２０ｍＪ／ｃｍ^２）となるように光学系と多結晶シリコン板の位置とを調整し、大気中にて第１のレーザ光を、加工領域およびその周辺に円形に走査して照射した。なお、焦点位置は多結晶シリコン板の表面から１ｍｍずらすと共に、加工領域は直径５０μｍとし、その周辺１〜２ｍｍの範囲まで第１のレーザ光を照射した。

この際、第１のレーザ光が照射された多結晶シリコン板の表面には、白色で厚さ５０μｍの綿状の酸化被膜が形成された。
この酸化被膜について、図３に走査電子顕微鏡による断面の拡大画像を示すと共に、図４に走査電子顕微鏡で２万倍に拡大した画像を示す。これらの画像から、酸化被膜は、繊維状シリコン酸化物の集合体で構成された綿状の被膜であることがわかる。また、この綿状の酸化被膜について、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）で組成を解析した結果、Ｓｉ：Ｏ＝２７：７３（Ａｔｏｍ比）であり、組成式がＳｉＯ_２，Ｓｉ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｏ_４などのシリコン酸化物のいずれか或いはそれらの混合で表されるものであると考えられる。

さらに、繊維状シリコン酸化物について観察した結果、直径１００ｎｍ以上でアスペクト比が５以上の繊維状の形態を有し、Ｘ線回折で解析した結果、回折ピークが見られず、非晶質であると考えられる。

次に、第１のレーザ光を短時間照射した際の綿状の酸化被膜を、図５に示すと共に、第１のレーザ光を十分に長い時間照射した際の綿状の酸化被膜を、図６に示す。これら画像から、第１のレーザ光の照射時間が長いほど、厚く綿状の酸化被膜が形成されていることがわかる。

また、光学系により焦点位置を多結晶シリコン板の加工領域表面に移動させ、第２のレーザ光を照射して加工を行った。この際の第２のレーザ光の集光径は、２０μｍ（パルス当たりのエネルギー密度４０ｍＪ／ｃｍ^２以上）とした。
さらに、このレーザ加工後に、加工領域周囲の表面をブラッシングして表面に堆積したデブリと共に綿状の酸化被膜を除去した。このブラッシング後の加工領域を、図７に示す。この画像から、ブラッシング後にデブリと共に綿状の酸化被膜がきれいに除去されていることがわかる。

次に、第１のレーザ光の焦点位置と綿状の酸化被膜の形成状態との関係を観察した結果を、図８に示す。
この観察では、多結晶シリコン板の表面に焦点位置を合わせた状態で固定し、第１のレーザ光を２ｍｍ角の矩形領域に連続照射することで、多結晶シリコン板の深さ方向への加工と加工面における綿状の酸化被膜の形成とについて調べた。

この観察結果から、焦点位置が表面に一致している照射初期では、エネルギー密度が高いためアブレーション反応が生じて深さ方向に加工が進むと共に、加工表面に高いエネルギー密度のレーザ光で形成されたＳｉＯの酸化被膜が形成されていることがわかる。さらに、加工により照射面が深くなって焦点位置がずれると、エネルギー密度が、アブレーション反応を起こす閾値近傍のレベルになり、アブレーション反応で加工領域のシリコンを物理的に除去する加工が可能なエネルギー密度よりも低くなって、深さ方向への加工が止まり、Ｓｉ_２Ｏ_３等からなる綿状の酸化被膜が形成され始めている。さらに、低いエネルギー密度のまま第１のレーザ光を照射し続けると、厚く綿状の酸化被膜が形成されることがわかる。このように、第１のレーザ光の焦点位置をずらせば、容易に低いエネルギー密度で照射することができ、綿状の酸化被膜を形成することができる。

本発明のレーザ加工方法は、単結晶や多結晶のシリコンを穴開けや溝加工等する加工において好適なものである。

１…レーザ加工装置、２…レーザ光照射機構、３…移動機構、４…制御部、Ｄ…デブリ、Ｌ１…第１のレーザ光、Ｌ２…第２のレーザ光、Ｓ…シリコン、Ｓ１…酸化被膜

Claims (3)

1. シリコンにレーザ光を照射して加工する方法であって、
   シリコンに対しアブレーション反応を生じさせる閾値近傍のエネルギー密度であり、且つ酸素含有雰囲気中でシリコンの表面に繊維状シリコン酸化物による酸化被膜を形成可能なエネルギー密度に設定された第１のレーザ光を加工領域およびその周辺に照射してこれら表面に前記酸化被膜を形成する被膜形成工程と、
   シリコンをアブレーション反応で加工可能なエネルギー密度で前記酸化被膜上から第２のレーザ光を前記加工領域に照射して該加工領域表面の前記酸化被膜を除去すると共に前記加工領域を加工する加工工程と、
   前記加工工程後に残った前記酸化被膜を除去する被膜除去工程と、を有していることを特徴とするレーザ加工方法。
2. 請求項１に記載のレーザ加工方法において、
   前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とが、同一波長のレーザ光であり、
   前記第１のレーザ光を、前記加工領域およびその周辺の表面から焦点を外して照射することを特徴とするレーザ加工方法。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工方法において、
   前記第１のレーザ光を、波長５５０ｎｍ以下でパルス当たりのエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ^２以下のパルスレーザ光とし、
   前記第２のレーザ光を、波長５５０ｎｍ以下でパルス当たりのエネルギー密度が４０ｍＪ／ｃｍ^２以上のパルスレーザ光とすることを特徴とするレーザ加工方法。