JP5658861B2

JP5658861B2 - 孔開け装置及び孔開け方法

Info

Publication number: JP5658861B2
Application number: JP2008221114A
Authority: JP
Inventors: レフグレゴリエビッチジミン; 烈山川; ユーリルボビッチジミン
Original assignee: 一般財団法人ファジィシステム研究所
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: JP2009072906A

Description

本発明は孔開け装置及び方法に関し、特に、微細孔を形成するための孔開け装置及び方法に関する。

近年、微細加工技術は生物学や医学などの広い分野で用いられており、もちろんＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）の作製にも用いられる。微細加工技術は半導体製造技術の応用が主流であり、被加工物の孔開けには、従来、等方性又は異方性エッチングや反応性イオンエッチングが用いられてきた。また、半導体製造技術以外では、超音波加工やレーザ加工が被加工物の孔開けに用いられている。

しかしながら、上記従来の孔開け技術は、高アスペクト比の微細孔を形成するのが困難であったり、或いは大掛りな装置を必要としたりという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高アスペクト比の微細孔を簡易に形成することができる孔開け装置及び方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る孔開け装置は、被加工物における開孔目標箇所に液状の研磨剤を供給する供給手段と、軸方向に延伸する回転体状の研磨ツールと、前記研磨ツールを、前記軸を中心として回転させながら、その先端を前記開孔目標箇所に対して軸方向に当接させる当接手段と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る孔開け方法は、加工物における開孔目標箇所に液状の研磨剤を供給しつつ、軸方向に延伸する回転体状の研磨ツールを、前記軸を中心として回転させながら、その先端を前記開孔目標箇所に対して軸方向に当接させる、ことを特徴とする。

本発明によると、エッチング、超音波加工、レーザ加工などのように、大掛りな装置を必要とせず、しかも、従来のツイストドリルのような工具を用いて切削により孔を開ける方法とは異なり、回転体状の研磨ツールと液状の研磨剤を用いて研磨により孔を開けるので、高アスペクト比且つ高品質の微細孔を容易に形成することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る孔開け装置の正面図である。同図に示す孔開け装置１０は、先端部が尖鋭な円錐状に加工された鉄製その他の金属製丸棒状の研磨ツール３０を高速回転させながら、その尖端をシリコンウエハなどの板状の被加工物５０に対して軸方向に押し当てるとともに、開孔目標箇所に液状の研磨剤を供給することにより、研磨により微細孔を形成するものである。研磨剤は、例えば微小な研磨粉を水などの液体に混合させてなり、研磨粉としては、例えば直径５μｍ程度又はそれ以下の炭化珪素粉などが用いられる。より微細な孔を形成する場合には、研磨粉の粒の径を小さくすることが望ましい。図２に示すように、被加工物５０における加工済み孔の表面と研磨ツール３０の尖端との間には、研磨粉の粒７０が入り込み、これにより孔加工が進行する。なお、研磨ツール３０の先端は必要に応じて孔加工の途中に研磨してよい。

研磨ツール３０は、ツール支持部２０に離間して取り付けられたボールベアリング２６，２８により回動自在より支持されており、その軸方向が鉛直となるように配置されている。研磨ツール３０の中途部にはカラー４０が固定されており、これにより研磨ツール３０がツール支持部２０に対して軸方向に移動しないようになっている。

ツール支持部２０の側方には小型モータ５８が配置されており、この小型モータ５８の駆動軸には駆動側プーリ６０が設けられ、一方、研磨ツール３０の基端側にも従動側プーリ６２が設けられている。そして、両プーリ６０，６２には、柔軟なゴムなどの樹脂により形成されたベルト６３が掛架されている。これにより、研磨ツール３０はその軸を中心として高速に回転するようになっている。

また、ツール支持部２０には、鉛直上下方向に自在にスライド移動できるよう、図示しない案内レールが設けられている。そして、後述する揺動杆５６の働きにより、研磨ツール３０の尖端が、その下方に配置された被加工物５０の表面に当接する位置と、被加工物５０の表面から上方に離間した位置と、の間で往復動できるようになっている。研磨ツール３０の尖端が被加工物５０の表面に当接するときには、ツール支持部２０の重さなどにより尖端には下方向に加重が掛り、これにより研磨ツール３０の尖端が被加工物５０の開孔目標箇所に押し付けられるようになっている。孔開け装置１０では、ツール支持部２０の上部にプーリ６４が設けられ、一端が平衡錘６６に固定され、他端がツール支持部２０の上面に固定された吊紐６７が該プーリ６４に掛架されている。これにより、研磨ツール３０の尖端に掛かる荷重を軽減できるようになっている。なお、ベルト６３の復元力が研磨ツール３０に作用しないように、研磨ツール３０の尖端が被加工物５０の表面に当接した状態で、ベルト６３が研磨ツール３０の軸と垂直になるようプーリ６０，６２の位置を調整することが望ましい。

ツール支持部２０の下面側には揺動杆５６の先端が配置されており、該揺動杆５６の中途部には水平方向に延びる軸５７で軸支される支点部５５が設けられている。揺動杆５６の他端には四隅が面取りされた正四角形状のカム板６８が上方から当接しており、このカム板６８がモータ（不図示）により一方向に回転駆動されている。カム板６８は比較的低速に回転駆動されており、これにより一定の低周期にて、揺動杆５６の先端が上下するようになっている。揺動杆５６の先端が上方向に動く場合、これによりツール支持部２０が上方に持ち上げられ、研磨ツール３０の先端は被加工物５０から離間する。また、揺動杆５６が再び下方向に動く場合、ツール支持部２０及び研磨ツール３０も合わせて下方向に自重で移動する。そして、研磨ツール３０の尖端が被加工物５０の開孔目標箇所に当接すると、揺動杆５６の先端はツール支持部２０の下面から離間して下方向にさらに移動し、その後、再び上方向に動き始める。

こうして、一定周期で、高速回転する研磨ツール３０の尖端が被加工物５０の表面に押し当てられた状態と、そこから引き離された状態と、が繰り返されるようになっている。特に、この孔開け装置１０では、開孔目標箇所を取り囲むにようにして、ゴムなどの樹脂で形成された環状の枠体４６が配置され、この枠体４６が図示しない板バネにより被加工物５０の表面に付勢されている。そして、この枠体４６の内側は液状の研磨剤４８で満たされており、これにより開孔目標箇所に常時研磨剤４８が供給されるようになっている。研磨ツール３０の尖端は枠体４６の中を通って被加工物５０の表面に当接しており、揺動杆５６により研磨ツール３０の尖端が被加工物５０の表面から引き上げられると、すでに加工済みの孔に枠体４６の内側の研磨剤４８が流入し、これにより次の孔加工を効率化するようにしている。

また、この孔開け装置１０は、研磨ツール３０の動き及びカム板６８の動きを電気的に制御する機能を備えている。すなわち、研磨ツール３０には真ちゅう製の筒状体である集電子４２が嵌装されており、この表面に摺動子２４の先端が摺接している。また、被加工物５０の裏面側には被加工物５０よりも大きな金属製の電極５２が配置されており、被加工物５０の裏面は例えば樹脂製の接着剤により該電極５２の表面に固定されている。制御装置５４は、マイクロコンピュータ、又はアナログ或いはデジタル回路により構成されるものであり、端子２２、摺動子２４及び集電子４２を介して研磨ツール３０の尖端と導通しており、また電極５２とも導通しており、研磨ツール３０と電極５２との間に電圧を掛けて、それらの間の電流を計測するようにしている。そして、研磨ツール３０が被加工物５０を貫いてその尖端が電極５２に接触すると、研磨ツール３０と電極５２との間に電流が流れるので、制御装置５４では、このタイミングを検知して、モータ５８及びカム６８を停止させるようにしている。なお、図３に示すように、加工済みの孔（被加工物５０における裏面側の孔）の直径と、モータ５８等を停止させたときの研磨ツール３０と電極５２との間の電流値と、の間には一定の関係があるので、制御装置５４では、この関係に従ってモータ５８やカム６８を停止させるときの電流値を決定して、任意の直径の孔を形成するようにしてもよい。

図４は、この孔開け装置１０により形成された孔を示す顕微鏡写真図である。同図（ａ）は、被加工物５０における裏面側に形成された小さい方の開口、すなわち研磨ツール３０の尖端側に対応する開口を示しており、同図（ｂ）は、表面に形成された大きい方の開口、すなわち研磨ツール３０の基端側に対応する開口を示している。これらの写真は、０．５ｍｍの厚さのシリコンウエハに対して、１００ｍＮの力で研磨ツール３０の尖端を押し当てることにより形成された孔を示しており、小さい方の開口はおよそ２５μｍ、大きい方の開口はおよそ１６０μｍである。なお、同図（ｂ）において、大きい方の開口の中心には裏面側の小さい開口が現れている。

本孔開け装置１０によると、シリコンウエハなどの被加工物５０の裏面側に微細孔を形成することができる。また、そのアスペクト比は一般に異方性エッチングによる孔よりも高くすることが可能である。また、被加工物５０の裏面側に形成される小さい方の開口の径は、従来一般の円柱状のツイストドリルによるものよりも、小さいものとなる。さらに、研磨ツール３０の先端部を円錐形状としたので、孔加工を進めていく際、孔の表面と研磨ツール３０の表面との隙間を一定に保つことができる。これにより研磨ツール３０の尖端に加重が集中したり、研磨ツール３０が孔の表面から振動を受けたり、といった不具合を防止することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。

例えば、図５に示すように、被加工物５０と電極５２との間に抵抗体７２を配置してもよい。抵抗体７２は薄膜であってもよいし、一定の厚みを有してもよい。また、孔加工が容易なよう比較的柔らかい材質が選択されると好適である。この変形例によれば、制御装置５４で測定される研磨ツール３０の先端部と電極５２との間の電流値が、孔加工の進行（研磨ツール３０の軸方向への動き）に合わせて徐々に増加するようにできる。この場合も、制御装置５４で測定される電流値と被加工物５０に形成される孔の径とは上述のように一定の関係があるから、この関係に従って選択された電流値にて孔加工を停止させることで、任意の径の孔を形成することができる。

また、研磨ツール３０の形状は、以上のように円錐及び円柱を同軸にて接続した形状に限らず、軸方向に延伸する回転体状であれば、どのような形を採用してもよい。また、被加工物５０は、シリコンウエハに限らず、どのような材料であってもよい。

さらに、研磨ツール３０を定期的に研磨するツール研磨部を設けるようにしてもよい。図６〜図７は、変形例に係る孔開け装置１０ａを示している。図６は加工状態における孔開け装置１０ａの正面図であり、図７は非加工状態における孔開け装置１０ａの正面図である。また、図８（ａ）（ｂ）は第２揺動杆８０の延伸方向から見たツール研磨部を示す図であり、同図（ａ）は加工状態における研磨ツールとツール研磨部との位置関係を示し、同図（ｂ）は非加工状態における研磨ツールとツール研磨部との位置関係を示している。これらの図において、孔開け装置１０ａと孔開け装置１０とで共通する部分には同一符号を付しており、それらの部分についてはここでは詳細説明を省略する。

図６及び図７に示すように、孔開け装置１０ａでは、揺動杆５６の基端側に錘８８が取り付けられており、カム板５６の代わりに二次元カム板８６が用いられている。二次元カム板８６は四隅が面取りされた四角い板状部材であり、揺動杆５６の基端側の下方にて、揺動杆５６の下面に側縁が当接するようにして配置されている。二次元カム板８６は揺動杆５６の軸５７と並行な軸により軸支されており、図示しないモータにより回転駆動されている。揺動杆５６は錘８８により二次元カム板８６の側縁に当接しており、二次元カム板８６の回転に併せて揺動杆５６が上下方向に揺動するようになっている。

さらに、二次元カム板８６の一方の面には凹凸が形成されている。具体的には、二次元カム板８６の一方の面における各角部には凸部８６ａが形成されている。揺動杆５６の下方には水平方向に揺動するよう鉛直な回動軸８４により回動可能に軸支された第２揺動杆８０が設けられており、その基端側は二次元カム板８６の上記一方の面の側に位置しており、二次元カム板８６側に延びる凸部８０ａが形成されている。

また、第２揺動杆８０の先端は研磨ツール３０の側方に位置しており、ツール研磨部８０ｂが取り付けられている。ツール研磨部８０ｂは例えば砥石により形成されており、研磨ツール３０の尖端を研いで、これを鋭利な状態に維持するためのものである。第２揺動杆８０の先端側はばね８２により研磨ツール３０側に付勢されており（図８の矢印Ｆ参照）、これにより第２揺動杆８０の基端側に設けられた凸部８０ａの頂部は二次元カム板８６の側面に当接する。二次元カム板８６は上記のように回転駆動されているので、その側面に形成された凹凸に従って、第２揺動杆８０が水平方向に揺動するようになっている。具体的には、図６に示すように揺動杆５６が下がっていて研磨ツール３０が被加工物に孔を開けている間は、ばね８２の作用により第２揺動杆８０の基端の凸部８０ａは二次元カム板８６の凸部８６ａに当接しており、これにより第２揺動杆８０の先端に設けられたツール研磨部８０ｂは研磨ツール３０から離間する（図８（ａ）参照）。一方、図７に示すように揺動杆５６が上がっていて研磨ツール３０が被加工物から引き離されている間は、第２揺動杆８０の先端に設けられたツール研磨部８０ｂはばね８２の作用により研磨ツール３０に接触する（図８（ｂ）参照）。一方、第２揺動杆８０の基端の凸部８０ａは、二次元カム板８６の凸部８６ａの間に位置して、二次元カム板８６から離間する。これにより、ツール研磨部８０ｂはばね８２の弾性力により柔らかに研磨ツール３０に接触し、過度の研磨が防止される。ここでは、二次元カム板８６の各角部に凸部８６ａを設けて、研磨ツール３０が被加工物５０から引き離される毎にその尖端が研ぎ直されるようにしたが、凸部８６ａの数を増減して研ぎ直しの頻度を調整してよいのはもちろんである。

なお、ツール研磨部８０ｂは、図８に示されるように研磨ツール３０の尖端側面に沿った面を有する砥石により構成されてよい。ただし、ツール研磨部８０ｂは砥石ような粗い表面を有するものに限られない。例えば、砥石に代えて銅などの金属やプラスチックなどの樹脂により形成された滑らかな表面を有する材料が用いられてもよい。こうしても、研磨ツール３０の尖端に付着した研磨剤４８により研磨ツール３０の尖端が研磨される。

また、図９に示すようにツール研磨部を砥石により構成された回転体９０（ここでは円盤）とし、その回転軸９０ａを第２揺動杆８０の先端に設けられた軸支部８０ｃにより回動自在に軸支するようにしてよい。回転体９０はモータなどの動力を必要とせず、研磨ツール３０に接触したときに該研磨ツール３０の回転を受けて自ら回転する。回転体９０は円盤状のみならず円柱状であってもよい。図１０は、円柱状の回転体９４を備える第２揺動杆８０を示す斜視図である。同図に示すように、この変形例によると、円柱状の砥石である回転体９４は、支持枠８０ｅにより、その回転軸を中心に回動自在に支持されている。また、第２揺動杆８０の先端部側面には台座８０ｄが設けられ、この台座８０ｄに支持枠８０ｅの底面が固定され、研磨ツール３０の錘状部分における母線方向と回転体９４の軸方向とが平行となるようにして支持枠８０ｅが支持されている。図９及び図１０に示す態様によれば、第２揺動杆８０の先端が研磨ツール３０側に移動したとき、研磨ツール３０の尖端が回転体９０，９４の研磨面に接触し、これにより尖端が研磨される。このとき、回転体９０，９４は回転するので、その一部だけが研磨ツール３０の研磨により摩耗する、という不具合を防止できる。なお、図１１に示すようにツール研磨部を例えば銅板など滑らかな表面を有する材料を用いて構成してよい。すなわち、銅などの円盤である回転体９２の回転軸９２ａを第２揺動杆８０の先端に設けられた軸支部８０ｃにより軸支してもよい。また、図１２に示すように、ツール研磨部を、銅製の円柱体など滑らかな表面を有する部材により構成してよい。すなわち、銅製の円柱体である回転体９６を第２揺動杆８０の先端部に回転自在に支持してもよい。こうしても、回転体９２，９６の表面と研磨ツール３０との間に研磨剤４８が介在し、該研磨剤４８により研磨ツール３０の尖端が研磨される。

本発明の実施形態に係る孔開け装置の構成図である。開孔目標箇所の拡大図である。孔加工を停止する際の研磨ツールと電極との間の電流値と被加工物の裏面側に形成される開口の径との関係を示す図である。本発明の実施形態に係る孔開け装置により形成された微細孔を示す顕微鏡写真図である。本発明の他の実施形態を示す図である。本発明の他の実施形態に係る孔開け装置（加工時）の構成図である。本発明の他の実施形態に係る孔開け装置（引き離し時）の構成図である。本発明の他の実施形態に係る孔開け装置のツール研磨部を側方から見た図である。ツール研磨部の変形例を示す図である。ツール研磨部の変形例を示す図である。ツール研磨部の変形例を示す図である。ツール研磨部の変形例を示す図である。

符号の説明

１０，１０ａ孔開け装置、２０ツール支持部、２２端子、２４摺動子、２６，２８ボールベアリング、３０研磨ツール、４０カラー、４２集電子、４６枠体、４８研磨剤、５０被加工物、５２電極、５４制御装置、５５支点部、５６揺動杆、５７軸、５８モータ、６０駆動側プーリ、６２従動側プーリ、６３ベルト、６４プーリ、６６平衡錘、６７吊紐、６８カム板、７０研磨粉の粒、７２抵抗体、８０第２揺動杆、８０ａ凸部、８０ｂツール研磨部、８０ｃ軸支部、８０ｄ台座、８０ｅ支持枠、８２ばね、８４回動軸、８６二次元カム板、８８錘、９０，９２，９４，９６回転体、９０ａ，９２ａ回転軸。

Claims

被加工物における開孔目標箇所に液状の研磨剤を供給する供給手段と、
軸方向に延伸し回転体状であり、先端部分が前記被加工物の厚さより長い円錐形状の、研磨ツールと、
前記研磨ツールを、前記軸を中心として回転させながら、その先端を前記開孔目標箇所に対して軸方向に当接させる当接手段と、
前記研磨ツールを前記被加工物から間欠的に引き離す引離し手段と、
を含み、
前記引離し手段にて前記研磨ツールを前記被加工物から引き離すことで前記研磨剤が前記開孔目標箇所に供給される、
ことを特徴とする孔開け装置。
被加工物における開孔目標箇所に液状の研磨剤を供給する供給手段と、
軸方向に延伸する回転体状であり、先端部分は基端側に向けて徐々に径が大きくなる形状の研磨ツールと、
前記研磨ツールを、前記軸を中心として回転させながら、その先端を前記開孔目標箇所に対して軸方向に当接させる当接手段と、
前記被加工物における前記開孔目標箇所の裏面側に配置される電極と、
前記研磨ツールと前記電極との間の電気的接続に応じて、前記研磨ツールの動作を制御する動作制御手段と、
を含み、
前記研磨ツールと前記電極との間の電流値と、被加工物に加工される孔の径と、の関係に基づいて、前記電流値に応じた任意の径の孔を形成する、
ことを特徴とする孔開け装置。
請求項２に記載の孔開け装置において、
前記研磨ツールの先端部分は円錐形状である、
ことを特徴とする孔開け装置。
請求項２又は３に記載の孔開け装置において、
前記研磨ツールを前記被加工物から間欠的に引き離す引離し手段をさらに含み、
前記引離し手段にて前記研磨ツールを前記被加工物から引き離すことで前記研磨剤が前記開孔目標箇所に供給される、
ことを特徴とする孔開け装置。
請求項２乃至４のいずれかに記載の孔開け装置において、
前記被加工物と前記電極との間に配置される抵抗膜をさらに含む、
ことを特徴とする孔開け装置。
請求項１又は４に記載の孔開け装置において、
前記研磨ツールが前記被加工物から引き離されている間に前記研磨ツール自体を研磨するツール研磨手段をさらに含む、
ことを特徴とする孔開け装置。
請求項６に記載の孔開け装置において、
前記ツール研磨手段は、回動可能に支持され、前記研磨ツールが前記被加工物から引き離されている間に前記研磨ツールに当接し、前記研磨ツールの回転を受けて自身も回転する回転体を含む、
ことを特徴とする孔開け装置。
請求項６又は７に記載の孔開け装置において、
前記ツール研磨手段は、前記研磨ツールに付着した研磨剤により前記研磨ツールを研磨する、
ことを特徴とする孔開け装置。
請求項１乃至８のいずれかに記載の孔開け装置において、
前記供給手段は、環状に形成されるとともに、前記開孔目標箇所を囲むようにして前記被加工物上に載置され、その内側に前記研磨剤を保持する枠体を含む、
ことを特徴とする孔開け装置。
被加工物における開孔目標箇所に液状の研磨剤を供給しつつ、軸方向に延伸する回転体状であり、先端部分が前記被加工物の厚さよりも長い円錐形状の、研磨ツールを、前記軸を中心として回転させながら、その先端を前記開孔目標箇所に対して軸方向に当接させ、前記研磨ツールを前記被加工物から間欠的に引き離すことで前記研磨剤が前記開孔目標箇所に供給される、
ことを特徴とする孔開け方法。
被加工物における開孔目標箇所に液状の研磨剤を供給する供給しつつ、軸方向に延伸する回転体状であり、先端部分は基端側に向けて徐々に径が大きくなる形状の研磨ツールを、前記軸を中心として回転させながら、その先端を前記開孔目標箇所に対して軸方向に当接させ、前記被加工物における前記開孔目標箇所の裏面側に配置される電極と前記研磨ツールとの間の電流値と、被加工物に加工される孔の径と、の関係に基づいて、前記電流値に応じた任意の径の孔を形成する、
ことを特徴とする孔開け方法。
請求項１１に記載の孔開け方法において、
前記研磨ツールの先端部分は円錐形状である、
ことを特徴とする孔開け方法。
請求項１１又は１２に記載の孔開け方法において、
前記研磨ツールを前記被加工物から間欠的に引き離すことで前記研磨剤が前記開孔目標箇所に供給される、
ことを特徴とする孔開け方法。
請求項１１乃至１３のいずれかに記載の孔開け方法において、
前記被加工物と前記電極との間に抵抗膜を配置する、
ことを特徴とする孔開け方法。
請求項１０又は１３に記載の孔開け方法において、
前記研磨ツールが前記被加工物から引き離されている間に前記研磨ツール自体を研磨する、
ことを特徴とする孔開け方法。
請求項１５に記載の孔開け方法において、
回動可能に支持され、前記研磨ツールが前記被加工物から引き離されている間に前記研磨ツールに当接し、前記研磨ツールの回転を受けて自身も回転する回転体を用いて、前記研磨ツールを研磨する、
ことを特徴とする孔開け方法。
請求項１５又は１６に記載の孔開け方法において、
前記研磨ツールに付着した研磨剤により前記研磨ツールを研磨する、
ことを特徴とする孔開け方法。
請求項１０乃至１７のいずれかに記載の孔開け方法において、
前記開孔目標箇所を囲む環状の枠体を前記被加工物上に載置し、該枠体の内側に前記研磨剤を保持させた状態で、前記研磨ツールの先端を前記開孔目標箇所に対して当接させる、
ことを特徴とする孔開け方法。