JP6245568B2

JP6245568B2 - レーザー加工方法

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Publication number: JP6245568B2
Application number: JP2013108770A
Authority: JP
Inventors: 創丸山
Original assignee: Laser Systems Inc.
Current assignee: Laser Systems Inc.
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: JP2014004628A

Description

本発明は、シリコンカーバイドに凹部または貫通孔を形成するレーザー加工方法に関する。

シリコンカーバイド（炭化ケイ素；以下「ＳｉＣ」と略記する）は、シリコン（以下「Ｓｉ」と略記する）に比べて耐電圧性および耐熱性に優れている。ＳｉＣは、Ｓｉに比べてデバイスの電力損失を約１／１０に低減することができるため、パワーエレクトロニクスを支える半導体デバイス向けの材料として注目されている。一方で、ＳｉＣはＳｉに比べて非常に硬いため、ＳｉＣを加工することは困難である。

ＳｉＣに凹部または貫通孔（以下まとめて「穴」という）を形成する技術としては、エッチング加工が挙げられる。しかしながら、エッチング加工には、加工時間が長く、ＳｉＣを効率よく加工することができないという問題がある。

一方、ＳｉＣに穴を形成する別の技術として、ＳｉＣにレーザー光を照射して穴を形成するレーザー加工が提案されている。たとえば、特許文献１には、ＳｉＣ基板の表面にポリメチルメタクリレートフィルム（光吸収層）を形成し、波長１９３ｎｍのパルスレーザー光を繰り返し周波数１０Ｈｚで４００ショット照射することで、直径２０μｍ、深さ１μｍの凹部を形成できることが記載されている。特許文献１に記載のレーザー加工方法では、光吸収層の厚みをレーザー光の進入深さよりも大きくすることを特徴としており、上記の例では厚み１２５μｍのポリメチルメタクリレートフィルムをＳｉＣ基板の表面に形成している。

国際公開第２００２／０８１１４２号

本発明者らは、従来の一般的なレーザー加工方法によりＳｉＣに穴を形成することを試みた。しかしながら、従来のレーザー加工方法では、レーザー光を照射した際に大量のデブリ（加工屑）が発生してしまった。デブリが基板に付着してしまうと、製品の信頼性および歩留まりが低下してしまう。また、従来のレーザー加工方法では、アスペクト比の大きい穴を形成することもできなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、デブリの発生を抑制しつつ、ＳｉＣにアスペクト比の大きい穴（凹部または貫通孔）を形成することができるレーザー加工方法を提供することを目的とする。

本発明者は、レーザー加工の分野の技術常識に反し、波長５００ｎｍ以上のレーザー光を使用することで上記課題を解決できることを見出した。さらに詳しくは、本発明者は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー５０μＪ以下、かつ繰り返し周波数２００ｋＨｚ以上のパルスレーザー光を、所定の光吸収層を介してＳｉＣに照射することで上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下のレーザー加工方法に関する。
［１］パルスレーザー光をシリコンカーバイドに照射して、前記シリコンカーバイドに凹部または貫通孔を形成するステップを含み、前記パルスレーザー光の波長は、５００ｎｍ以上であり、前記パルスレーザー光のパルスエネルギーは、５０μＪ以下であり、前記パルスレーザー光の繰り返し周波数は、２００ｋＨｚ以上であり、前記シリコンカーバイド表面の前記パルスレーザー光を照射される領域は、前記パルスレーザー光に対する前記シリコンカーバイドの吸収係数よりも前記パルスレーザー光に対する吸収係数が大きい光吸収層で被覆されている、レーザー加工方法。
［２］前記パルスレーザー光のパルス幅は、１００ナノ秒以上である、［１］に記載のレーザー加工方法。
［３］前記パルスレーザー光の波長は、１０μｍ以下である、［１］または［２］に記載のレーザー加工方法。
［４］前記パルスレーザー光の集光点は、前記シリコンカーバイドの表面から上方１００μｍ〜表面から内部１００μｍの範囲内に位置する、［１］〜［３］のいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
［５］前記光吸収層は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＦｅおよびＭｏからなる群から選択される１または２以上の金属元素からなる純金属または合金からなる、［１］〜［４］のいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
［６］前記光吸収層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｎＯおよびＦｅ_２Ｏ_３からなる群から選択される１または２以上の酸化物からなる、［１］〜［４］のいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
［７］前記光吸収層の平面視形状は、略円形であり、前記光吸収層の直径は、前記シリコンカーバイドに凹部または貫通孔を形成する際に前記光吸収層に形成される貫通孔および表面損傷部の直径の２.２倍以上である、［１］〜［６］のいずれか一項に記載のレーザー加工方法。

本発明のレーザー加工方法によれば、デブリの発生を抑制しつつ、ＳｉＣにアスペクト比の大きい穴を高精度かつ高速に形成することができる。

実施例１の実験結果を示す写真である。図２Ａ，Ｂは、表面加工径を説明するためのレーザー加工後のＳｉＣ基板の表面の写真である。図３Ａ，Ｂは、実施例２の実験結果を示す写真である。図４Ａ〜Ｄは、実施例３の実験結果を示す写真である。図５Ａ〜Ｄは、実施例４の実験結果を示す写真である。図６Ａ〜Ｄは、実施例５の実験結果を示す写真である。図７Ａ〜Ｄは、実施例５の実験結果を示す写真である。実施例６の実験結果を示す写真である。図９Ａ〜Ｃは、実施例７の実験結果を示す写真である。

本発明のレーザー加工方法は、加工対象のＳｉＣにパルスレーザー光を照射して、ＳｉＣの表面に穴（凹部または貫通孔）を形成するステップを含む。本発明のレーザー加工方法では、１）波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー５０μＪ以下、かつ繰り返し周波数２００ｋＨｚ以上のパルスレーザー光を照射すること、および２）ＳｉＣ表面のパルスレーザー光を照射される領域が所定の光吸収層で被覆されていることを一つの特徴とする。

以下、本発明のレーザー加工方法におけるパルスレーザー光の照射条件および光吸収層について詳細に説明する。

［波長］
本発明のレーザー加工方法は、ＳｉＣおよび光吸収層に照射するパルスレーザー光の波長が５００ｎｍ以上であることを特徴の一つとする。

本発明のレーザー加工方法では、ＳｉＣの表面または内部において、多光子吸収や不純物による吸収、格子欠陥による吸収などを生じさせることにより、ＳｉＣに穴を形成する。したがって、所望の加工を実現するためには、ＳｉＣにおいて１光子１吸収が生じることを回避しなければならない。ＳｉＣのバンドギャップ（Ｅｇ）は約３ｅＶであり、これを波長に換算すると４１３ｎｍである。よって、ＳｉＣにおいて１光子１吸収が生じることを回避するためには、４１３ｎｍを越える波長のパルスレーザー光を照射すればよい。吸収裾や不純物準位などを考慮すると、ＳｉＣにおいて１光子１吸収が生じることを確実に回避するためには、５００ｎｍ以上の波長のパルスレーザー光を照射することが好ましい。

波長５００ｎｍ以上のパルスレーザー光をＳｉＣおよび光吸収層に照射することで、ＳｉＣにおける電子遷移による吸収を回避することができ、加工時に発生するデブリの量を顕著に低減することができる（実施例２参照）。一方、波長５００ｎｍ未満のパルスレーザー光をＳｉＣおよび光吸収層に照射すると、ＳｉＣが破砕されて大量のデブリが発生するおそれがある。なお、１０μｍを超える波長のパルスレーザー光をＳｉＣおよび光吸収層に照射すると、ＳｉＣにおいて振動遷移による吸収が生じてしまい、所望の加工を行うことができなくなるおそれがある。したがって、ＳｉＣおよび光吸収層に照射するパルスレーザー光の波長は、１０μｍ以下であることが好ましい。

［パルスエネルギー］
本発明のレーザー加工方法は、ＳｉＣおよび光吸収層に照射するパルスレーザー光のパルスエネルギーが５０μＪ以下であることも特徴の一つとする。パルスエネルギーを５０μＪ以下とすることで、ＳｉＣが破砕されて発生するデブリの量を顕著に低減することができる（実施例４，６参照）。一方、５０μＪを超えるパルスエネルギーのパルスレーザー光を照射すると、大量のデブリが発生するおそれがある。

ここで、パルスエネルギーが５０μＪ以下のパルスレーザー光を照射することでデブリの発生量が低減する理由について、推察されるメカニズムを説明する。表１は、ＳｉＣおよびＳｉの物性を示す表である。

表１に示されるように、ＳｉＣとＳｉとでは、比熱はほぼ同じである。したがって、同じ条件でパルスレーザー光を照射すれば、集光点付近において同じように温度が上昇し、同じように熱応力が加わることになる。一方、ＳｉＣの破壊靭性値はＳｉの破壊靭性値よりも顕著に大きいため、加工に要するエネルギーは、ＳｉよりもＳｉＣの方が大きい。したがって、Ｓｉを加工した場合よりもＳｉＣを加工した場合の方が、加工時の集光点付近において温度がより上昇し、熱応力がより大きくなる。

ところが、ＳｉＣのヤング率は、Ｓｉのヤング率よりも顕著に大きい。すなわち、ＳｉＣは、Ｓｉに比べて膨張による熱応力に対して撓みにくい。したがって、ＳｉＣは、Ｓｉのように撓むことにより熱応力を逃がすことができない。そして、ＳｉＣに過剰なエネルギーが供給されると、周辺領域に過分な応力が加わり、破砕されてしまうと考えられる。よって、５０μＪを超える高いパルスエネルギーのパルスレーザー光でＳｉＣを加工すると、ＳｉＣは容易に破砕されてしまい、大量のデブリが発生してしまうことになる。

したがって、デブリの発生量を低減させる観点からは、パルスエネルギーが５０μＪ以下のパルスレーザー光をＳｉＣおよび光吸収層に照射することが好ましい。また、同様の理由により、パルスレーザー光のパルス幅は、１００ナノ秒以上であることが好ましい。パルス幅を長くすることで、パルスレーザー光の尖頭出力を小さくすることができ、結果としてＳｉＣの破砕を抑制することができる。

［繰り返し周波数］
本発明のレーザー加工方法は、ＳｉＣおよび光吸収層に照射するパルスレーザー光の繰り返し周波数が２００ｋＨｚ以上であることも特徴の一つとする。繰り返し周波数を２００ｋＨｚ以上とすることで、ＳｉＣが破砕されて発生するデブリの量を顕著に低減することができる（実施例３，７参照）。一方、繰り返し周波数が２００ｋＨｚ未満のパルスレーザー光を照射すると、大量のデブリが発生するおそれがある。

前述の通り、ＳｉＣおよび光吸収層にパルスレーザー光を照射すると、冷熱サイクルに伴う熱応力が繰り返し発生する。このとき、急激に発生した熱応力に耐え切れないＳｉＣが破砕し、デブリが発生してしまう。本発明者は、このようなＳｉＣの破砕を抑制する手段を検討したところ、パルスレーザー光の繰り返し周波数を大きくし、急激な温度変化を抑制することでＳｉＣの破砕を抑制できると考えた。本発明者による実験によれば、パルスレーザー光の繰り返し周波数を２００ｋＨｚ以上とすることで、デブリの発生量を顕著に低減させられることがわかっている（実施例３参照）。したがって、パルスレーザー光の繰り返し周波数は、２００ｋＨｚ以上であることが好ましい。

前述の通り、パルスレーザー光のパルスエネルギーを小さくすることで、熱応力発生の速度を遅くすることができる。その結果、熱応力によるＳｉＣの破砕が抑制されると考えられる。また、パルスレーザー光の繰り返し周波数を大きくすることで、パルス間にＳｉＣが急激に冷却されることを防ぐことができる。その結果、加熱および冷却のサイクルによるＳｉＣの破砕が抑制されると考えられる。

［その他の照射条件］
本発明のレーザー加工方法において、レーザー光源として用いるレーザーの種類は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー５０μＪ以下、かつ繰り返し周波数２００ｋＨｚ以上のパルスレーザー光を出射することができれば特に限定されない。そのようなレーザーの例には、ＨｏレーザーやＥｒレーザー、Ｙｂレーザー、各種半導体レーザーなどが含まれる。

パルスレーザー光の集光点の位置は、特に限定されず、ＳｉＣの外部、表面または内部のいずれであってもよい。たとえば、パルスレーザー光の集光点の位置は、ＳｉＣの表面から上方１００μｍ〜表面から内部１００μｍの範囲内である。ここで「パルスレーザー光の集光点の位置」とは、ＳｉＣの屈折率が空気と同じであると仮定した場合の集光点の位置（レンズオフセット）を意味する。

パルスレーザー光のショット回数は、特に限定されず、適宜調整すればよい。本発明者の予備実験によれば、２００回以上のショットがあれば十分である。ショット時間も特に限定されず、例えば１〜１０００ミリ秒程度である。

［光吸収層］
本発明のレーザー加工方法は、ＳｉＣ表面のパルスレーザー光を照射される領域が、照射されるパルスレーザー光に対するＳｉＣの吸収係数よりも吸収係数が大きい光吸収層で被覆されていることも特徴の一つとする。パルスレーザー光を吸収するきっかけとなる光吸収層をＳｉＣの表面に形成することで、ＳｉＣの加工しきい値を低下させること、加工時に発生するデブリの量を顕著に低減すること、表面加工径（後述）を小さくすること、および穴のアスペクト比を大きくすることができる（実施例１参照）。

光吸収層は、照射されるパルスレーザー光に対するＳｉＣの吸収係数よりも吸収係数が大きくなるように形成される。たとえば、光吸収層は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＦｅおよびＭｏからなる群から選択される１または２以上の金属元素からなる純金属または合金からなる層であってもよいし、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｎＯおよびＦｅ_２Ｏ_３からなる群から選択される１または２以上の酸化物からなる層であってもよい。光吸収層は、純金属層の組み合わせ、合金層の組み合わせ、または純金属層と合金層の組み合わせからなる多層構造であってもよい。

光吸収層の吸収係数は、光吸収層を構成する材料により特定される。また、光吸収層が２種以上の材料からなる場合または多層構造である場合であっても、光吸収層の吸収係数は、光吸収層の厚みがわかれば測定されうる。

光吸収層の形成方法は、特に限定されない。たとえば、光吸収層が純金属または合金からなる場合、金属薄膜をＳｉＣ表面に貼り付けてもよいし、蒸着やスパッタリングなどによりＳｉＣ表面に金属薄膜を形成してもよい。また、光吸収層が酸化物からなる場合、前記酸化物の粉末を含む組成物をＳｉＣ表面に塗布し、乾燥させればよい。

光吸収層は、ＳｉＣ表面のパルスレーザー光を照射される領域に形成されていればよく、ＳｉＣ表面の全面に形成されていてもよいし、一部にのみ形成されていてもよい。光吸収層の厚みは、特に限定されないが、例えば２０ｎｍ〜３μｍである。

光吸収層がＳｉＣ表面の一部にのみ形成されている場合であって、形成される穴の径に対して光吸収層の大きさが十分に大きくないとき、光吸収層周囲のＳｉＣが露出している領域（ベア領域）がダメージを受けることがある。このようなダメージは、光吸収層の大きさを形成される穴の径に応じて大きくすることで防止することができる。これは、光吸収層がダメージを吸収するためと推察される。たとえば、光吸収層の平面視形状が略円形である場合、光吸収層の直径を、ＳｉＣに穴を形成する際に光吸収層に形成される貫通孔および表面損傷部（通常、黒く見える部分）の直径の２.２倍以上にすることで、このようなダメージの発生を防止することができる（実施例５参照）。

以上のように、本発明のレーザー加工方法は、波長５００ｎｍ以上、パルスエネルギー５０μＪ以下、かつ繰り返し周波数２００ｋＨｚ以上のパルスレーザー光を、光吸収層を形成されているＳｉＣに照射することで、デブリの発生を抑制しつつ、ＳｉＣにアスペクト比の大きい穴を形成することができる。

本発明のレーザー加工方法を実施する手段は、特に限定されない。たとえば、本発明のレーザー加工方法は、ステージを動かして加工するレーザー加工装置や、ガルバノミラーを操作して加工するレーザー加工装置などの、公知のレーザー加工装置を用いて実施されうる。

以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。

［実施例１］
加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板を準備した。スパッタリングにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面の一部にＡｌからなる厚さ１００ｎｍの光吸収層を形成した。

ＳｉＣ基板の光吸収層が形成されている領域および光吸収層が形成されていない領域にパルスレーザー光（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１９０ナノ秒、繰り返し周波数５００ｋＨｚ）を１０００ミリ秒間照射して、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成した。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、５.８μｍであった。パルスレーザー光のパルスエネルギーは、２〜４０μＪである。エネルギー密度に換算すると７.５３〜１.５１×１０^２Ｊ／ｃｍ^２であり、ピークパワー密度に換算すると３.９６×１０^７〜７.９３×１０^８Ｗ／ｃｍ^２である。波長１０６４ｎｍの光に対して、ＳｉＣの吸収係数は０ｃｍ^−１を超え３ｃｍ^−１以下程度であり、Ａｌの吸収係数は１.２×１０^６ｃｍ^−１程度である。

レーザー加工後のＳｉＣ基板の表面および断面の写真を図１に示す。なお、光吸収層を形成していないＳｉＣ基板の表面の写真について、中央部の濃い灰色の領域はＳｉＣが露出している領域（ベア領域）であり、両サイドの薄い灰色の領域は光吸収層が形成されている領域である。また、レーザー加工により形成された凹部の表面加工径、幅および深さを表２に示す。

ここで「凹部の表面加工径」とは、平面視したときに黒く見える領域の直径を意味し、「凹部の幅」とは、断面視したときの開口部近傍を除く部分の凹部の最大幅を意味する。凹部の表面加工径は、ＳｉＣに穴を形成する際に形成される、貫通孔と、その周囲の表面汚れ部および表面損傷部とを含む領域の直径であるため、凹部の幅よりも大きい。図２は、レーザー加工（パルスエネルギー３０μＪ）後のＳｉＣ基板の表面（ベア領域）の写真である。図２Ａは、レーザー加工直後のＳｉＣ基板の表面であり、図２Ｂは、さらに超音波洗浄（周波数４２ｋＨｚ）を行って表面汚れを除去した後のＳｉＣ基板の表面である。これらの写真から、表面加工径Ｄは、凹部の開口部より大きく、かつ表面汚れを除去してもほとんど変化しないことがわかる。

図１に示されるように、Ａｌからなる光吸収層を形成した場合は、パルスエネルギーが２μＪであっても、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成することができた。一方、光吸収層を形成しなかった場合は、パルスエネルギーを３０μＪ以上にしなければ、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成することができなかった。これは、光吸収層がパルスレーザー光を吸収するきっかけとなり、ＳｉＣの加工しきい値を低下させたためと考えられる。

また、同じパルスエネルギー（３０μＪまたは４０μＪ）のパルスレーザー光を照射した場合であっても、光吸収層を形成したときの方が凹部の表面加工径が顕著に小さかった。さらに、光吸収層を形成したＳｉＣ基板に形成された凹部の断面を観察すると、凹部の深さが十分に深かった。

また、同じパルスエネルギー（３０μＪまたは４０μＪ）のパルスレーザー光を照射した場合であっても、光吸収層を形成したときの方がデブリの発生量が顕著に少なかった。これは、光吸収層がエネルギーを吸収して蒸発することにより、ＳｉＣの破砕によるデブリの発生が抑制されたためと考えられる。

以上の結果から、ＳｉＣ基板の表面にＡｌからなる光吸収層を形成することで、ＳｉＣの加工しきい値を小さくできること、凹部の表面加工径を小さくし、凹部のアスペクト比を大きくできること、および加工部近傍のデブリの発生を抑制できることがわかる。

［実施例２］
加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板を準備した。スパッタリングにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面にＡｌを蒸着させて、Ａｌからなる厚さ１００ｎｍの光吸収層を形成した。

ＳｉＣ基板の光吸収層が形成されている領域にパルスレーザー光（波長１０６４ｎｍまたは３５５ｎｍ）を１０００ミリ秒間照射して、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成した。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。

波長１０６４ｎｍのパルスレーザー光のパルス幅は１９０ナノ秒、繰り返し周波数は５００ｋＨｚであり、パルスエネルギーは２０μＪである。エネルギー密度に換算すると７.５３×１０^１Ｊ／ｃｍ^２であり、ピークパワー密度に換算すると３.９６×１０^８Ｗ／ｃｍ^２である。また、波長１０６４ｎｍのパルスレーザー光を照射した場合、基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、５.８μｍであった。

波長３５５ｎｍのパルスレーザー光のパルス幅は２５ナノ秒、繰り返し周波数は６０ｋＨｚであり、パルスエネルギーは１７μＪである。エネルギー密度に換算すると５.４９×１０^１Ｊ／ｃｍ^２であり、ピークパワー密度に換算すると２.２０×１０^９Ｗ／ｃｍ^２である。また、波長３５５ｎｍのパルスレーザー光を照射した場合、基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、６.３μｍであった。

前述のとおり、波長１０６４ｎｍの光に対して、ＳｉＣの吸収係数は０ｃｍ^−１を超え３ｃｍ^−１以下程度であり、Ａｌの吸収係数は１.２×１０^６ｃｍ^−１程度である。また、波長３５５ｎｍの光に対して、ＳｉＣの吸収係数は４.０×１０^４ｃｍ^−１程度であり、Ａｌの吸収係数は１.５×１０^６ｃｍ^−１程度である。

レーザー加工後のＳｉＣ基板の表面の写真を図３に示す。図３Ａは、波長１０６４ｎｍのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径２４μｍ）、図３Ｂは、波長３５５ｎｍのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真である（表面加工径２０μｍ）。これらの写真から、波長３５５ｎｍのパルスレーザー光を照射すると加工部近傍にデブリが発生するが（図３Ｂ参照）、波長１０６４ｎｍのパルスレーザー光を照射するとデブリがほとんど発生しないことがわかる（図３Ａ参照）。

以上の結果から、ＳｉＣ基板の表面に形成された光吸収層に波長５００ｎｍ以上のパルスレーザー光を照射することで、デブリの発生を抑制しつつ、凹部を形成できることがわかる。

［実施例３］
加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板を準備した。スパッタリングにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面にＡｌを蒸着させて、Ａｌからなる厚さ１００ｎｍの光吸収層を形成した。

ＳｉＣ基板の光吸収層が形成されている領域にパルスレーザー光（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１９０ナノ秒、パルスエネルギー２０μＪ）を１０００ミリ秒間照射して、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成した。繰り返し周波数は、１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、３００ｋＨｚまたは５００ｋＨｚである。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、５.８μｍであった。

レーザー加工後のＳｉＣ基板の表面の写真を図４に示す。図４Ａは、繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径２１μｍ）、図４Ｂは、繰り返し周波数２００ｋＨｚのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径２１μｍ）、図４Ｃは、繰り返し周波数３００ｋＨｚのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径２３μｍ）、図４Ｄは、繰り返し周波数５００ｋＨｚのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真である（表面加工径２４μｍ）。これらの写真から、繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザー光を照射すると加工部近傍にデブリが発生するが（図４Ａ参照）、繰り返し周波数２００ｋＨｚ以上のパルスレーザー光を照射するとデブリがほとんど発生しないことがわかる（図４Ｂ〜Ｄ参照）。

以上の結果から、ＳｉＣ基板の表面に形成された光吸収層に繰り返し周波数２００ｋＨｚ以上のパルスレーザー光を照射することで、デブリの発生を抑制しつつ、凹部を形成できることがわかる。

［実施例４］
加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板を準備した。スパッタリングにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面にＡｌを蒸着させて、Ａｌからなる厚さ１００ｎｍの光吸収層を形成した。

ＳｉＣ基板の光吸収層が形成されている領域にパルスレーザー光（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１９０ナノ秒、繰り返し周波数３００ｋＨｚまたは５００ｋＨｚ）を１０００ミリ秒間照射して、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成した。パルスレーザー光のパルスエネルギーは、２０μＪ（繰り返し周波数５００ｋＨｚ）、４０μＪ（繰り返し周波数５００ｋＨｚ）、５０μＪ（繰り返し周波数３００ｋＨｚ）または６０μＪ（繰り返し周波数３００ｋＨｚ）である。エネルギー密度に換算すると、それぞれ７.５３×１０^１Ｊ／ｃｍ^２、１.５１×１０^２Ｊ／ｃｍ^２、１.８８×１０^２Ｊ／ｃｍ^２、２.２６×１０^２Ｊ／ｃｍ^２であり、ピークパワー密度に換算すると、それぞれ３.９６×１０^８、７.９３×１０^８Ｗ／ｃｍ^２、９.９１×１０^８Ｗ／ｃｍ^２、１.１９×１０^９Ｗ／ｃｍ^２である。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。

レーザー加工後のＳｉＣ基板の表面の写真を図５に示す。図５Ａは、パルスエネルギー２０μＪのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径２８μｍ）、図５Ｂは、パルスエネルギー４０μＪのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径４０μｍ）、図５Ｃは、パルスエネルギー５０μＪのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径３８μｍ）、図５Ｄは、パルスエネルギー６０μＪのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真である（表面加工径４３μｍ）。これらの写真から、パルスエネルギー６０μＪのパルスレーザー光を照射すると加工部近傍にデブリが発生するが（図５Ｄ参照）、パルスエネルギー５０μＪ以下のパルスレーザー光を照射するとデブリがほとんど発生しないことがわかる（図５Ａ〜Ｃ参照）。

以上の結果から、ＳｉＣ基板の表面に形成された光吸収層にパルスエネルギー５０μＪ以下のパルスレーザー光を照射することで、デブリの発生を抑制しつつ、凹部を形成できることがわかる。

［実施例５］
加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板を準備した。ＳｉＣ単結晶基板表面の円形の領域にＡｌを蒸着させて、Ａｌからなる厚さ１００ｎｍの円形の光吸収層を複数形成した。光吸収層の直径は、２０μｍ、４０μｍまたは５０μｍである。

ＳｉＣ基板の光吸収層が形成されている領域にパルスレーザー光（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１９０ナノ秒、繰り返し周波数５００ｋＨｚ）を１０００ミリ秒間照射して、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成した。パルスレーザー光のパルスエネルギーは、６μＪ、１０μＪ、１４μＪまたは２０μＪである。エネルギー密度に換算すると、それぞれ２.２６×１０^１Ｊ／ｃｍ^２、３.７７×１０^２Ｊ／ｃｍ^２、５.２７×１０^１Ｊ／ｃｍ^２、７.５３×１０^１Ｊ／ｃｍ^２であり、ピークパワー密度に換算すると、それぞれ１.１９×１０^８、１.９８×１０^８Ｗ／ｃｍ^２、２.７８×１０^８Ｗ／ｃｍ^２、３.９６×１０^８Ｗ／ｃｍ^２である。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。レーザー加工後のＳｉＣ基板の表面の写真を図６および図７に示す。

図６Ａは、パルスエネルギー６μＪのパルスレーザー光を直径２０μｍの光吸収層に照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径１４μｍ）、図６Ｂは、パルスエネルギー６μＪのパルスレーザー光を直径４０μｍの光吸収層に照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真である（表面加工径１４μｍ）。図６Ａにおいて矢印で示されるように、パルスエネルギー６μＪのパルスレーザー光を直径２０μｍの光吸収層に照射した場合、光吸収層の周囲に直径３１μｍのダメージ部（周囲よりも濃い灰色の部分）が生じてしまった。一方、パルスエネルギー６μＪのパルスレーザー光を直径４０μｍの光吸収層に照射した場合は、図６Ｂに示されるように、光吸収層の周囲にダメージ部は生じなかった。

図６Ｃは、パルスエネルギー１０μＪのパルスレーザー光を直径２０μｍの光吸収層に照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径１８μｍ）、図６Ｄは、パルスエネルギー１０μＪのパルスレーザー光を直径４０μｍの光吸収層に照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真である（表面加工径１８μｍ）。図６Ｃにおいて矢印で示されるように、パルスエネルギー１０μＪのパルスレーザー光を直径２０μｍの光吸収層に照射した場合、光吸収層の周囲に直径３８μｍのダメージ部が生じてしまった。一方、パルスエネルギー１０μＪのパルスレーザー光を直径４０μｍの光吸収層に照射した場合は、図６Ｄに示されるように、光吸収層の周囲にダメージ部は生じなかった。

図７Ａは、パルスエネルギー１４μＪのパルスレーザー光を直径４０μｍの光吸収層に照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径２０μｍ）、図７Ｂは、パルスエネルギー１４μＪのパルスレーザー光を直径５０μｍの光吸収層に照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真である（表面加工径２０μｍ）。図７Ａにおいて矢印で示されるように、パルスエネルギー１４μＪのパルスレーザー光を直径４０μｍの光吸収層に照射した場合、光吸収層の周囲に直径４４μｍのダメージ部が生じてしまった。一方、パルスエネルギー１４μＪのパルスレーザー光を直径５０μｍの光吸収層に照射した場合は、図７Ｂに示されるように、光吸収層の周囲にダメージ部は生じなかった。

図７Ｃは、パルスエネルギー２０μＪのパルスレーザー光を直径４０μｍの光吸収層に照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径２４μｍ）、図７Ｄは、パルスエネルギー４０μＪのパルスレーザー光を直径５０μｍの光吸収層に照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真である（表面加工径２４μｍ）。図７Ｃにおいて矢印で示されるように、パルスエネルギー２０μＪのパルスレーザー光を直径４０μｍの光吸収層に照射した場合、光吸収層の周囲に直径５３μｍのダメージ部が生じてしまった。一方、パルスエネルギー２０μＪのパルスレーザー光を直径５０μｍの光吸収層に照射した場合は、図７Ｄに示されるように、光吸収層の周囲の一部にダメージ部が生じてしまった。

パルスエネルギー６μＪのパルスレーザー光を照射した場合、表面加工径は１４μｍであり、ダメージ部の直径は３１μｍ（表面加工径の２.２倍）であった。また、パルスエネルギー１０μＪのパルスレーザー光を照射した場合、表面加工径は１８μｍであり、ダメージ部の直径は３８μｍ（表面加工径の２.１倍）であった。また、パルスエネルギー１４μＪのパルスレーザー光を照射した場合、表面加工径は２０μｍであり、ダメージ部の直径は４４μｍ（表面加工径の２.２倍）であった。パルスエネルギー２０μＪのパルスレーザー光を照射した場合、表面加工径は２４μｍであり、ダメージ部の直径は５３μｍ（表面加工径の２.２倍）であった。そして、光吸収層の直径を表面加工径の２.２倍以上とした場合、ダメージ部は見られなかったが、光吸収層の直径を表面加工径の２.２倍未満とした場合、ダメージ部が見られた。

以上の結果から、ＳｉＣ基板の表面に形成された光吸収層にパルスレーザー光を照射する場合に、光吸収層の直径を表面加工径（光吸収層に形成される貫通孔と、その周囲の表面汚れ部および表面損傷部とを含む領域の直径）の２.２倍以上とすることで、光吸収層の周囲におけるダメージ部の発生を抑制しつつ、凹部を形成できることがわかる。

［実施例６］
加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板を準備した。スパッタリングにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面の一部にＭｏからなる厚さ４００ｎｍの光吸収層を形成した。

ＳｉＣ基板の光吸収層が形成されている領域および光吸収層が形成されていない領域にパルスレーザー光（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１９０ナノ秒、繰り返し周波数３００ｋＨｚまたは５００ｋＨｚ）を１ミリ秒間照射して、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成した。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、６.４μｍであった。パルスレーザー光のパルスエネルギーは、４〜６０μＪである。エネルギー密度に換算すると１.２５×１０^１〜１.８８×１０^２Ｊ／ｃｍ^２であり、ピークパワー密度に換算すると６.５９×１０^７〜９.８９×１０^８Ｗ／ｃｍ^２である。波長１０６４ｎｍの光に対して、ＳｉＣの吸収係数は０ｃｍ^−１を超え３ｃｍ^−１以下程度であり、Ｍｏの吸収係数は５×１０^５ｃｍ^−１程度である。

レーザー加工後のＳｉＣ基板の表面および断面の写真を図８に示す。また、レーザー加工により形成された凹部の表面加工径、幅および深さを表３に示す。

図８に示されるように、Ｍｏからなる光吸収層を形成した場合は、パルスエネルギーが４μＪであっても、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成することができた。一方、光吸収層を形成しなかった場合は、パルスエネルギーを３０μＪ以上にしなければ、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成することができなかった。これは、光吸収層がパルスレーザー光を吸収するきっかけとなり、ＳｉＣの加工しきい値を低下させたためと考えられる。

また、パルスエネルギー６０μＪのパルスレーザー光を照射すると加工部近傍にデブリが発生したが、パルスエネルギー５０μＪ以下のパルスレーザー光を照射するとデブリがほとんど発生しなかった。

以上の結果から、ＳｉＣ基板の表面にＭｏからなる光吸収層を形成することで、ＳｉＣの加工しきい値を小さくできること、凹部の表面加工径を小さくし、凹部のアスペクト比を大きくできること、および加工部近傍のデブリの発生を抑制できることがわかる。

［実施例７］
加工対象物として、ＳｉＣ単結晶基板を準備した。スパッタリングにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面にＭｏを蒸着させて、Ｍｏからなる厚さ４００ｎｍの光吸収層を形成した。

ＳｉＣ基板の光吸収層が形成されている領域にパルスレーザー光（波長１０６４ｎｍ、パルス幅１９０ナノ秒、パルスエネルギー２０μＪ）を１ミリ秒間照射して、ＳｉＣ基板の表面に凹部を形成した。繰り返し周波数は、８０ｋＨｚ、２００ｋＨｚまたは５００ｋＨｚである。集光点は、ＳｉＣ基板の表面に合わせた。基板表面における照射スポット径（１／ｅ^２幅）は、６.４μｍであった。

レーザー加工後のＳｉＣ基板の表面の写真を図９に示す。図９Ａは、繰り返し周波数８０ｋＨｚのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径２３μｍ）、図９Ｂは、繰り返し周波数２００ｋＨｚのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真であり（表面加工径２７μｍ）、図９Ｃは、繰り返し周波数５００ｋＨｚのパルスレーザー光を照射した後のＳｉＣ基板の表面の写真である（表面加工径４０μｍ）。これらの写真から、繰り返し周波数８０ｋＨｚのパルスレーザー光を照射すると加工部近傍にデブリが発生するが（図９Ａ参照）、繰り返し周波数２００ｋＨｚ以上のパルスレーザー光を照射するとデブリがほとんど発生しないことがわかる（図９Ｂ，Ｃ参照）。

本発明のレーザー加工方法は、ＳｉＣにアスペクト比の大きい穴を高精度かつ高速に形成することができる。たとえば、本発明のレーザー加工方法は、半導体デバイスの製造におけるビアホール、ブラインドビアホールおよびスルーホールの形成方法として有用である。

Claims

パルスレーザー光を走査することなくシリコンカーバイドに繰り返し照射して、前記シリコンカーバイドに凹部または貫通孔を形成するステップを含み、
前記パルスレーザー光の波長は、５００ｎｍ以上であり、
前記パルスレーザー光のパルスエネルギーは、５０μＪ以下であり、
前記パルスレーザー光の繰り返し周波数は、３００ｋＨｚ以上であり、
前記シリコンカーバイド表面の前記パルスレーザー光を照射される領域は、前記パルスレーザー光に対する前記シリコンカーバイドの吸収係数よりも前記パルスレーザー光に対する吸収係数が大きい光吸収層で被覆されている、
レーザー加工方法。
パルスレーザー光を走査することなくシリコンカーバイドに繰り返し照射して、前記シリコンカーバイドに凹部または貫通孔を形成するステップを含み、
前記パルスレーザー光の波長は、１０６４ｎｍ以上であり、
前記パルスレーザー光のパルスエネルギーは、５０μＪ以下であり、
前記パルスレーザー光の繰り返し周波数は、２００ｋＨｚ以上であり、
前記シリコンカーバイド表面の前記パルスレーザー光を照射される領域は、前記パルスレーザー光に対する前記シリコンカーバイドの吸収係数よりも前記パルスレーザー光に対する吸収係数が大きい光吸収層で被覆されている、
レーザー加工方法。
前記パルスレーザー光のパルス幅は、１００ナノ秒以上である、請求項１または請求項２に記載のレーザー加工方法。
前記パルスレーザー光の波長は、１０μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
前記パルスレーザー光の集光点は、前記シリコンカーバイドの表面から上方１００μｍ〜表面から内部１００μｍの範囲内に位置する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
前記光吸収層は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＦｅおよびＭｏからなる群から選択される１または２以上の金属元素からなる純金属または合金からなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
前記光吸収層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｎＯおよびＦｅ_２Ｏ_３からなる群から選択される１または２以上の酸化物からなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
前記光吸収層の平面視形状は、略円形であり、
前記光吸収層の直径は、前記シリコンカーバイドに凹部または貫通孔を形成する際に前記光吸収層に形成される貫通孔および表面損傷部の直径の２.２倍以上である、
請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザー加工方法。