JP5814361B2 - 複数の電極を用いた孔形成 - Google Patents

Description

本発明は、薄板及び基板、特にガラス又はガラス状材料及び半導体の形態の誘電性ワーク内に孔を作製する装置及び方法に関する。

電気的に発生させたスパークによるプラスチックフィルムの穿孔が特許文献１から知られている。電極及び対向電極の複数の対が設けられており、これらの対間にはプラスチックフィルムがガイドされており、これらの対間を横切って高電圧エネルギーが放電される。そのフィルムは水浴に通され、この水浴の温度は、穿孔のサイズを制御するのに用いられる。

プラスチックフィルムに孔を開けるための別の方法が、特許文献２から知られている。プラスチックフィルムが間に介装された状態でパルスシーケンスを電極対間に発生させて、第１のパルスは穿孔箇所においてプラスチックフィルムを加熱するための役割を果たし、更なるパルスは穿孔を形成するとともにそれを成形するための役割を果たす。

特許文献３から、電気的手段による不導電体ワークの処理が、ワークを切断するか又はワークを溶接するという点で知られている。レーザー光線が、露光中に移動されるワーク上に方向付けられ、２つの電極を用いて高電圧が加熱ゾーンに印加されてワークを加工処理するための役割を果たすアークが形成される。ワークは、切断されるとき、制御可能に燃焼する。ワークが溶接される場合、反応性ガス又は不活性ガスの流れが付加的に加熱ゾーンに方向付けられて、ワーク又は電極又は融剤のいずれかと反応する。このようにして、ガラス、紙、布、厚紙、革、プラスチック、セラミクス及び半導体を切断することができるか、又はガラス及びプラスチックを溶接することができ、ゴムを硫化することができ、また合成樹脂を熱硬化させることができる。しかしながら、この装置はその性質により、ワーク内に細い孔を形成することを可能にするには使いにくいものである。

特許文献４より、電気絶縁性基板の領域内に、或る構造、好ましくは孔又はキャビティ又はチャネルを形成する方法が知られており、この方法では、好ましくは熱の形態の、またレーザービームによるエネルギーを基板又は領域に供給し、また電圧をその領域に印加して誘電破壊をその領域にもたらす。このプロセスは、フィードバック機構を用いて制御される。細い個々の孔を次々に作製することは可能であるが、複数の電極対を同時に利用することは不可能である。並列に動作する高圧電極は相互に影響し合い、個々の制御が可能ではない。

特許文献５より、電気絶縁性基板の領域内に、或る構造、詳細には孔又はキャビティ又はチャネル又はリセスを形成する方法が知られており、この方法では、蓄積された電気エネルギーをその領域を横切って放電させ、更なるエネルギー、好ましくは熱を基板又はその領域に供給してその基板又はその領域の導電率を上げ、したがって電流フローを開始し、電流フローのエネルギーが基板内で散逸され、すなわち熱に変換され、この場合電気エネルギーの散逸率は、電流・電力変調素子（current and power modulating element）によって制御される。複数の孔を同時に作製する装置は開示されていない。

特許文献６は、電気絶縁性基板又は半導電性基板の第１の領域内に誘電特性及び／又は光学特性の変化を導入する方法を開示しており、基板温度の一時的な上昇に起因して不可逆的に変更される光学特性又は誘電特性を有する基板は、任意選択的に導電層又は半導電層又は電気絶縁層を有しており、電気エネルギーが電圧源から第１の領域へ供給されて第１の領域からの材料の放出を引き起こすことなく第１の領域の部分又は全てを著しく加熱するか又は溶解させ、さらに、任意選択的に、付加的なエネルギーが供給されて、局所的な熱を生成するとともに第１の領域の位置を規定する。電気エネルギーの散逸は基板内の電流フローの形態で現れる。電気エネルギーの散逸は、電流・電力変調素子によって制御される。この方法によってもたらされる基板表面における変化はまた、パラフィンの絶縁層又はホットメルト接着剤が設けられたホウケイ酸ガラス基板又はシリコン基板内に作製される孔を含む。また、孔は、シリコン、ジルコニア、サファイア、リン化インジウム又はガリウムヒ素内に作製される。放電プロセスは、部分的に、１０．６μｍの波長におけるレーザービーム照射（ＣＯ_２レーザー）によって開始された。孔のグリッドも開示されているが、それらの孔は比較的大きな間隔を有している。複数の孔を同時に作製する装置は開示されていない。

特許文献７から、高電圧パルスを用いてシート状の帯状材料に微小孔を穿設する装置が知られている。この帯状材料は、高電圧が印加される一対の電極間を実質的に非接触式で通る。これらの２つの電極は多列の針アレイから構成されている。針アレイにおいて相互に対向する針は、励起回路を分離するように制御ラインを介して対になって接続されている。これらの２つの針間のスパーク放電が、シート状材料内の絶縁破壊に沿って微小穿孔を作成する。

したがって、適切な周波数又はパルス波形の高電圧電界を用いて誘電材料の箔及び薄板を穿孔する方法が従来技術から明らかである。材料の局所加熱によって、穿孔される箇所における絶縁耐力が減少し、そのため、印加される電界強度は、電流が材料を横切って流れるようにするのに十分なものである。ガラス、ガラスセラミック及び半導体に（また多くのプラスチックにも）当てはまるように、材料が温度とともに導電率の十分に大きな上昇を呈する場合、その結果として、材料内の穿孔チャネルの「電熱自己集束（electro-thermal self-focusing）」をもたらす。穿孔材料がより熱くなるにつれて、電流密度は、材料が蒸発して穿孔が「開けられる」まで増大する。しかしながら、穿孔は誘電破壊に基づいているため、絶縁破壊の所望の位置に正確に一致させることは難しい。例えば大気中の閃光は非常に不規則な経路を辿ることが知られている。

ＣＰＵチップは、その底面上の狭い面積にわたって分布している数百の接触点を有する。接触点への供給ラインを作製するために、薄板（１ｍｍ未満）すなわち、「インターポーザー」と称されるエポキシ材料でコーティングされたガラス繊維マットが用いられ、供給ラインがこのガラス繊維マット内を延びる。このために、数百の孔がインターポーザー内に配置されて導電材料によって充填される。通常の孔サイズは、孔ごとに２５０μｍ乃至４５０μｍに及ぶ。ＣＰＵチップとインターポーザーとの間で長さにおいて一切の変化があるべきではない。したがって、インターポーザーは、チップの半導体材料の熱膨張挙動と同様の熱膨張挙動を呈するべきであるが、これまでに使用されたインターポーザーに関してはこの限りではない。

同様に従来技術に欠けていることは、１２０μｍ乃至４００μｍに及ぶ孔間間隔を有する互いに隣接した多数の細い孔を産業規模で、電熱穿孔プロセスを用いて作製することである。

米国特許第４，７７７，３３８号 米国特許第６，３４８，６７５号 米国特許第４，３９０，７７４号 国際公開第２００５／０９７４３９号 国際公開第２００９／０５９７８６号 国際公開第２００９／０７４３３８号 独国特許出願公開第２８３０３２６号

本発明の目的は、インターポーザーに課せられる要件のような以下の要件が満たされる必要がある場合、薄板及び基板、特にガラス又はガラス状材料及び半導体の形態の誘電性ワーク内に孔を作製する装置を提供することである：
孔を正確に（±２０μｍ）位置決めすることが可能である必要がある。厳密な孔間公差を有する多くの（１０個乃至１００００個の）小さな孔をワークごとに作製することが可能である必要がある。狭い孔間間隔（３０μｍ乃至１０００μｍ）を有する孔を作製することが可能である必要がある。孔は、入口及び出口において円錐形のクレーター状の形を有するべきである一方、中心のボア部分は円筒形であるべきである。孔の壁はファイアポリッシュ(fire-polished)されるべきである。孔は、産業規模ですなわちワークごとの多くの微細孔を同時に作製可能であるべきである。

本発明による孔を作製する装置は、個々にトリガーされて高電圧パルスを放出する、ワーク内に形成される孔の回りに対称的に配置される個々の電極及び個々の対向電極に基づく。個々の電極及び個々の対向電極の活性化は、統計的平均では、電極及び対向電極の対の活性化が個々の電極の全てに等しく起こり得ることを確実にするランダム発生器又は方式によって制御される。これは、孔の実質的に円筒形の壁の軸対称性をもたらすとともに、孔の入口及び出口における孔縁は丸みを帯びる。この孔形状は、ＣＰＵチップと回路基板（マザーボード）との間の接続ブリッジを構成する、いわゆる「インターポーザー」を作製するのに大いに適している。

詳細には、ワークのための処理加工スペースを囲む電極ホルダー及び対向電極ホルダーの配列（アレイ）が設けられている。個々の高圧電極及び個々の高圧対向電極は、これらの電極ホルダー及び対向電極ホルダーに取り付けられている。穿孔されるワークは、処理される箇所が個々の高圧電極と個々の高圧対向電極との間の接続ライン内に位置付けられるように、ワークホルダーによって処理加工スペース内で位置決めされる。ワークを横切る高電圧絶縁破壊をもたらすために、高電圧源を、個々の相互に対向する電極及び対向電極の対に接続する。形成されるそれぞれ１つの孔に対して、個々の電極及び個々の対向電極の複数の対が存在するため、１つの高圧電極が１つの対向電極に効果的に接続される。このようにして、それぞれの作られる孔の所望の形状及び構成に寄与する高電圧フラッシュオーバーの束がもたらされる。

本発明の好ましい実施の形態によれば、高圧電極及び対向電極のそれぞれは、３つの個々の電極を含む。これは、孔形成装置の製造複雑性と孔形成の質との間の良好なトレードオフであり、電極の有用な耐用年数が４倍以上延びるという更なる利点を有する。（電圧フラッシュオーバー間の動作休止によって、電極の一時的な冷却がもたらされ、したがって電極の耐用年数が延長する。）

高圧電極及び高圧対向電極のそれぞれに対して、電極ホルダー及び対向電極ホルダーを通る電極通路が設けられている。このために、電極シャフトは絶縁目的のそれぞれの外側セラミクススリーブを有し、それぞれの電極ジャケットを正確に支持するリング構造部が設けられている。

電極の好ましい材料は炭化タングステン合金である。電極には、スパーク加工（放電加工−ＥＭＤ）によって作製することができる精密に形成された電極先端（μｍ範囲）が備え付けられている。

複数の孔を同時に作製するために、電極及び対向電極の対のマルチアレイが、形成される穿孔の回りに対称的に配置されている。これらの電極及び対向電極の対のそれぞれが、別個の高電圧源によって供給される。このようにして、導電性になった孔が、まだ導電性になっていない全ての孔から電流を引き寄せることが回避される。電極及び対向電極の各対に対する電力供給の独立性によって、ワーク内のそれぞれ個々の孔の独立した生成がもたらされる。

孔を精密に位置決めするために、ワークを高電圧フラッシュオーバーのための所望の位置において準備することによって穿孔箇所にマーキングすることができる。この目的で、十分に高い強度のレーザービームを用いることができ、このレーザービームは、それぞれのフィラメント状のチャネルに沿ってワークの材料を破壊し、したがって、これらの位置における電気的絶縁破壊強度を低下させる。マークの高精度な準備によって、後続の電熱穿孔プロセスにおける高精度な孔の位置決めが確実になる。

穿孔箇所のマーキングを、（大きな誘電正接を有する）ドットの形態でワークに印刷された結合材料によって達成することもでき、この材料は誘電破壊を促進する成分を含む。

ここで、本発明の例示的な実施形態を図面を参照して説明する。

誘電性ワーク内に孔を作製する装置の概略図である。 高圧電極及び高圧対向電極の概略図である。 高圧電極を示す図である。 図３の拡大詳細図である。

図１は、穿孔箇所１０にマーキングするとともに誘電性ワーク１内に孔１２を作製する装置を示す。このマーキング手段は、本発明の目的のために必須ではないが所定の穿孔の非常に精密な位置決めを可能にするレーザー４０のアレイ４を含む。レーザー４０は、誘電性ワーク１が実質的に透明である波長範囲内の光ビーム（レーザービーム）４１を放出するが、光ビーム４１が、精密に穿孔が望まれる箇所においてワーク１の材料内にフィラメント状の破壊チャネル１１をもたらすような高い強度を有する光ビーム４１を放出する。本明細書における「実質的に透明である」は、レーザービームは穿孔される材料内へ十分に深く突き抜けることができるが、その材料は破壊がチャネル１１に沿って起こるように十分な吸収作用を呈することを意味する。

所望の寸法の孔１２は、協働する電極６及び対向電極７によって作製される。相互に対向するとともに協働する電極６及び７は、形成されるそれぞれの孔１２の回りに対称的に配置されており、複数の個々の電極として構成されている。本実施形態では、３つの個々の電極６ａ、６ｂ、６ｃは、概略的に示されているように支持構造部２０内に概して固定されており、個々の電極７ａ、７ｂ、７ｃは別の支持構造部３０内に固定されている。ワーク１のための処理加工スペース２３は支持構造部２０、３０間に延在する。処理加工スペース２３内では、ワークホルダー５を用いてワーク１を移動させて精密に位置決めすることができる。

支持構造部２０、３０は、複数の電極ホルダー２１及び３１をそれぞれ支持するように構成されており（図２）、これらの電極ホルダーはそれぞれ、それらの支持構造部２０又は３０においてそれぞれのアレイを形成する。各電極ホルダー２１及び３１はそれぞれ、円筒形ジャケット２２及び３２それぞれと、３つの個々の電極用の３つの通路２４及び３４それぞれとを備え、これらの個々の電極は、先端が円筒形ジャケットの軸付近の箇所に配置されている（図３を参照）。

電極６、７は、図２に詳細に示されているように、電極６と対向電極７との間にスパークを発生させる高電圧源（不図示）に接続可能である。個々の電極６ａ、６ｂ、６ｃ、及び７ａ、７ｂ、７ｃは、図示されない並べ換え装置（permutation device）に接続され、この装置は、例えば電極６ａ、６ｂ、６ｃを高電圧源に輪番で接続し、一方で個々の対向電極７ａ、７ｂ、７ｃは、高電圧源の反対側の極にランダム順に接続される。全ての有効な電極対が同程度に生じることを確実にするように異なるトリガー方式を適用することも可能である。そのため、スパークが各電極先端から各他方の対向電極に向かって生じ、その結果、孔１２の壁が少なくとも孔の中心部分において円筒状に延び、また軸対称性を保つということを見込むことができる。さらに、所望されるように孔の入口及び出口における孔縁は角をなくすように処理されることを見込むことができる。

図４は、電極ホルダー２１の円筒形ジャケット２２を横切る、個々の電極６用の通路２４を示す。電極ホルダー３１を横切る通路３４も同様である。円筒形ジャケット２２はリセス２５を有しており、このリセスを通ってそれぞれの個々の電極が延びる。これらの電極のシャフトは、高温耐熱性酸化アルミニウムからなることができるとともに耐熱材料のプレート２７内に埋め込まれる電気絶縁性セラミックスリーブ２６によって覆われる。プレート２７は、円筒形ジャケット２２に対してリセス２５上で取り付けられている。個々の電極は、炭化タングステン合金製であるとともにＥＤＭ（放電加工）プロセスを用いてミクロン範囲で鋭いように先鋭化された完全な電極先端を有する。

マーキング手段を含むレーザーアレイ４の代わりに、穿孔１０のパターンに従って結合箇所にインプリントするマーキング手段を用いることができる。結合材料は、ワークの穿孔される領域において電気絶縁破壊及び融液流動を促進する。

図１の装置は、以下の通りに作動される：
穿孔箇所１０の特に精密な位置決めが重要である場合、そのような穿孔箇所がマーキングされ、これは、図１の場合にはレーザー放射線４１を放出するレーザー４０のアレイ４によって達成される。例えばガラスから作られたワーク１を、穿孔箇所１０において放射線４１が突き抜け、この放射線４１は非常に強いため、フィラメント状の破壊チャネル１１がガラス内に形成される。しかしながら、この前処理は、図１の装置の基本動作に必須ではない。

ワーク１は、意図される穿孔箇所１０が電極及び対向電極の対６、７間のそれぞれの接続ライン内に位置するようにこれらの電極及び対向電極６、７に対して位置決めされる。高電圧を印加することによって、絶縁破壊がワーク１の材料を横切る穿孔箇所において引き起こされ、本発明の特徴は、放電スパークを、個々の電極６ａ、６ｂ、６ｃから個々の電極７ａ、７ｂ、７ｃまで延びる各穿孔箇所の回りで対称的に発生させることである。図示されない並べ換え装置が、いずれの場合において、電極ホルダー２１の１つの個々の電極が電極ホルダー３１の１つの個々の電極と協働することを確実にし、これは図２に示されるように、スパークがこれらの個々の電極に飛び移ることを意味する。平均すると各電極ホルダーの個々の電極の全てが、対応する対向電極ホルダーの個々の電極と協働して、平均すると同程度に応力をかけられるように、並べ換え装置は個々の電極の交互切り換えを提供する。このようにして孔壁の軸対称性が得られ、孔は中心部分では円筒形であり、孔の外周の縁は角が取れている。この孔の輪郭は、インターポーザーとしてのワークの使用に特に適している。

高圧放電を用いる絶縁破壊の拡大の代わりに、ディープ反応性イオンエッチングのプロセスステップを実行することができる。

Claims (19)

1. ガラス又はガラス状材料若しくは半導体の薄板又は基板の形態の誘電性ワーク（１）内に孔（１２）を作製する装置であって、以下の特徴：
   電極ホルダー（２１）及び対向電極ホルダー（３１）の配置が、前記ワーク（１）のための処理加工スペース（２３）を囲むことと、
   前記ワークの両側に互いに対向して配置されている電極（６）及び対向電極（７）が、前記電極ホルダー（２１）及び前記対向電極ホルダー（３１）によって支持されており、また高電圧源に接続可能であることと、
   ワークホルダー（５）が、前記ワーク（１）を前記電極ホルダー（２１）及び前記対向電極ホルダー（３１）に対して移動させるために設けられていることと、
   前記電極（６）のそれぞれが複数の個々の高圧電極（６ａ、６ｂ、６ｃ）を含み、前記対向電極（７）のそれぞれが複数の個々の高圧対向電極（７ａ、７ｂ、７ｃ）を含み、前記個々の電極は、前記ワーク（１）内に作製される各孔（１２）の周りに対称的に配置されていることと、
   前記ワークホルダー（５）は、穿孔される前記ワーク（１）を前記処理加工スペース（２３）内で位置決めし、前記ワークの穿孔箇所（１０）は、前記個々の高圧電極（６ａ、６ｂ、６ｃ）と前記個々の高圧対向電極（７ａ、７ｂ、７ｃ）との間の対称軸内にあることと、
   前記個々の高圧電極（６ａ、６ｂ、６ｃ）及び前記個々の高圧対向電極（７ａ、７ｂ、７ｃ）は、高電圧絶縁破壊をもたらすように高電圧源に交互に接続可能であることと、
   を有する、装置。
   
2. 前記個々の高圧電極（６ａ、６ｂ、６ｃ）及び前記個々の対向電極（７ａ、７ｂ、７ｃ）は、高電圧絶縁破壊をもたらすのに有効になるように対になって接続可能である、請求項１に記載の装置。
   
3. ３つの個々の電極（６ａ、６ｂ、６ｃ；７ａ、７ｂ、７ｃ）は、前記高圧電極（６）及び前記高圧対向電極（７）の各位置に設けられる、請求項１又は２に記載の装置。
   
4. 前記電極ホルダー（２１）及び前記対向電極ホルダー（３１）のそれぞれは、円筒形ジャケット（２２；３２）と、前記それぞれの個々の電極（６ａ、６ｂ、６ｃ；７ａ、７ｂ、７ｃ）用の電極通路（２４；３４）とを備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
   
5. 前記電極（６；７）は、それぞれの外側セラミクススリーブ（２６）によって絶縁される電極シャフトを有し、前記円筒形ジャケット（２２；３２）は、前記それぞれの電極（６；７）を正確に支持するように構成されている、請求項４に記載の装置。
   
6. 前記電極（６；７）は炭化タングステン合金から作られる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
   
7. 前記電極（６；７）は、精密に形成された電極先端を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
   
8. 前記個々の電極（６ａ、６ｂ、６ｃ；７ａ、７ｂ、７ｃ）の対となる接続は並べ換え回路によって変えることができる、請求項２乃至７のいずれか１項に記載の装置。
   
9. 電極及び対向電極の対（６；７）の複数配置が見込まれる前記穿孔（１２）の周りに対称的に配置され、前記複数の対のうちの各電極及び対向電極の対は別個の高電圧源に接続可能である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
   
10. 前記ワーク（１）上の穿孔箇所（１０）にマーキングするマーキング手段が、孔形成手段の上流に配置されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
    
11. 前記マーキング手段は、作製される前記孔（１２）のパターンに従って配置されるか、又は前記ワーク（１）の移動によってこのパターンを捜し求めることができるレーザー（４０）のマルチアレイ（４）を含む、請求項１０に記載の装置。
    
12. 前記ワーク（１）は、所定の波長範囲内のレーザービームに対して少なくとも部分的に透明であり、前記レーザー（４０）は、前記所定の波長範囲内のレーザービーム（４１）を放出することができ、前記穿孔されるワーク（１）がフィラメント状のチャネル（１１）に沿った非熱破壊を受けるような放射強度を有し、前記レーザーは高電圧スパークに対して絶縁耐力が低下した領域として前記穿孔箇所（１０）にマーキングする、請求項１１に記載の装置。
    
13. 前記マーキング手段は、ドット状の結合材料を前記ワークに塗布する手段であり、該結合材料は、高い誘電正接を有し、高電圧絶縁破壊及び融液流動を促進する物質を含む、請求項１０に記載の装置。
    
14. ガラス又はガラス状材料若しくは半導体の薄板又は基板の形態の誘電性ワーク（１）内に孔（１２）を作製する方法であって、
    ａ）電極（６）と対向電極（７）との間の処理加工スペース（２３）内にワーク（１）を導入するステップであって、前記電極及び前記対向電極は、前記ワーク内に作製されるそれぞれの孔（１２）の周りに個々の電極（６ａ、６ｂ、６ｃ）及び個々の対向電極（７ａ、７ｂ、７ｃ）の対称的電極配置を形成する、導入するステップと、
    ｂ）見込まれる各穿孔箇所に対して前記個々の電極（６ａ、６ｂ、６ｃ）及び前記個々の対向電極（７ａ、７ｂ、７ｃ）を高電圧に交互にさらして、前記ワーク（１）を横切る電気絶縁破壊をもたらす、交互にさらすステップと、
    ｃ）前記孔（１２）の所望のサイズまで前記絶縁破壊を拡大するステップと、
    を含む、方法。
    
15. 前記見込まれる穿孔箇所に対して前記個々の電極及び前記個々の対向電極を高電圧に交互にさらすステップは、高電圧によってトリガーされる全ての電極対が同じ頻度で存在するように、対を変えながら相互に関連付けられる個々の電極及び対向電極のトリガー方式に従って、前記電極配置の前記個々の電極及び前記個々の対向電極の間の高電圧関係を並べ換えることによって達成される、請求項１４に記載の方法。
    
16. 前記ステップａ）の前に、意図される前記穿孔箇所（１０）において前記ワーク（１）にマーキングする、請求項１４又は１５に記載の方法。
    
17. 前記マーキングは、前記ワーク（１）内にフィラメント状のチャネル（１１）を作製するレーザービーム（４１）によって行われる、請求項１６に記載の方法。
    
18. 前記マーキングは、ドットの形態で塗布される結合材料によって行われ、該結合材料は、高い誘電正接を有し、高電圧絶縁破壊及び融液流動を促進する、請求項１６に記載の方法。
    
19. 前記ステップｃ）は、ディープ反応性イオンエッチングを用いて実行される、請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の方法。

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