JP6355194B2 - 半導体基材における除去加工装置およびその方法 - Google Patents
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Description
1−1.ベッセルビーム
本実施形態ではベッセルビームが利用される。図1はベッセルビームを示す説明図であり、図1(a)は紙面上の下方から上方に向かって紙面に平行に進行する平面波のビームBからベッセルビームVBを得る様子を示し、図1(b)はビーム軸と直交する平面におけるビームプロファイルを示す模式図である。ベッセルビームVBは軸対称のビームである。そのビーム軸にz軸が一致するxyz直交座標系(図1(a))を参照し説明すれば、ベッセルビームVBはxy面に平行な面、すなわちz軸を法線として持つ平面においてz軸の近傍に強い光強度を持つ。三次元的にはこのピークはz軸に沿うように延びたピーク範囲をなす。ピーク範囲は例えば図1(a)に示したz=0〜Lの全部またはそのうちの一部となり、具体的なピーク範囲はレーザー光のビームBの範囲やベッセルビームVBを形成する光学系である変換光学系200により決定される。ピーク範囲は円筒形状となっており、図1(a)では、ピーク範囲PKの円筒の軸上切断面を点線で示している。xy面に平行な面でみるとビームプロファイルは図1(b)に示すとおりとなる。このプロファイルはピーク範囲の異なるz軸上の位置では大きくは変化しない。そのため、ベッセルビームはピーク範囲においてz軸上の至る所で強い光強度をもち、z軸から外れると急速に弱くなる。
次に図面を参照し本実施形態の構成を説明する。図2は本実施形態の除去加工装置の構造を示す構成図である。以下、シリコン基板を加工対象物の半導体基材とする場合を説明する。光源100からはパルス状にされたシリコン基板の内部に到達可能な波長(例えば波長1.5μm)のレーザーが照射される。光源100は、例えばチタンサファイアレーザーのようなパルスレーザーから、光増幅され、さらに光パラメトリック増幅器(OPA)120により長波長化されて増幅されるものとしてもよい。その後、レーザーは、適宜調整のための光学系(例えばビームエキスパンダー150)を経由して、ベッセルビームを生成する変換光学系200に入射する。変換光学系200の典型例はアキシコンであり、当該円錐の軸がビームBのビーム軸の延長に位置するように配置される。アキシコンは、使用波長に対し透過性をもつ等方的屈折率媒体から構成され、円錐の底面(平面表面)と側面(円錐表面)とを有する素子である。アキシコンは、当該円錐の軸をビーム軸に合せて平面表面から光を入射させ、円錐表面から出射するように使用される。出射した光は屈折によりアキシコンの円錐面とは逆向きに頂点を持つ円錐面の波面となって進行する。この光はビーム軸に向かって傾斜して収束しながら進むため、ビーム軸上の有限の範囲にて強い強度が得られる。ピーク範囲はアキシコンの出射側円錐の頂点(図1(a)、z=0)から、アキシコンの頂角および屈折率によって定まる波面の円錐頂角と、アキシコンの直径またはアキシコンへの入射光の外径によって定まるビーム外延とにより決定される位置(図1(a)、z=L)の範囲に含まれる。ビームエキスパンダー150はこの遠端位置を調整する役割を持つ。必要に応じビームエキスパンダー150により遠端位置が調整される。詳しい解析によればベッセルビームは第1種ベッセル関数J0を含む数式を通じ電界および強度が記述される。実施の際には必要に応じ他の光学素子160も配置される。この光学素子160の例は、光の強度や照射またはその停止を制御するための可変NDフィルター162、シャッター164、ミラー166である。
本実施形態におけるレーザーの選択は除去加工の原理と密接に関連する。波長については上述したとおり加工対象物の吸収端の波長よりも長く設定される。これを満たさず吸収が強いと、加工対象物の内部に光が到達せず、加工対象物の内部にてベッセルビームは形成されない。加工対象物Wがシリコン基板である場合に好適なレーザーは、シリコン単結晶のバンドギャップ(1.12eV)に対応する1.13μmより長い波長を持つものであり、例えば1.5μmとされる。他の種類の半導体基材が加工対象物となる場合であっても、その加工対象物の吸収波長帯域を外れる長波長側にレーザーの波長が選ばれる。
本実施形態におけるベッセルビームパルスは、レーザーの光からベッセルビームを生成することができる光学系に対し、パルス光を入力すれば得られる。ベッセルビームパルスの場合、空間的・時間的に限定された範囲に光が集中し、その際に光電界がレーザーによる高いコヒーレンスを維持している。ベッセルビームを利用する本実施形態においてはその領域がベッセルビームのピーク位置となるため、長く延びた領域に渡る除去加工が可能となる。
上述したように本願発明者は、加工対象物に対し透過性をもつレーザーを利用しても、光電界が強大となることに応じた吸収が発現するなら、アブレーションが可能となると予測した。その原理となりうるものの典型が非線形吸収、特に多光子吸収である。光電界が位置的・時間的に圧縮された強大なものとなっていれば、コヒーレントに重ね合わされて強大化した電界の作用により仮想準位を媒介した複数の遷移を同時に起こすことができる。このような仮想準位を媒介した遷移の確率は、レーザーのパルス幅が短くなればなるほど高くなるが、励起された電子が緩和して熱となって散逸する時間内程度であれば十分な遷移確率が得られるとともに、非熱的な良好なアブレーション加工を実行することができる。なお、上述したように、加工対象物の内部へ到達可能な波長の光とすることは通常の意味での吸収を抑制することである。そのような条件とは、波長が加工対象物のバンド端(吸収端)の波長よりも長いことを意味しており、単一の光子のエネルギーのみのバンド間遷移が難しいことと同値である。そのような光を採用しつつも、2以上の光子が実質的に同時に作用することができるような領域を加工対象物の内部に意図的に作り出せるなら、加工対象物の当該領域におけるレーザーによる除去加工が可能となる。ベッセルビームのピークの位置において瞬間的に強大な光電界が形成されれば、ピークの範囲となる細長い範囲に渡り多光子吸収を生じさせることができる。その結果、加工対象物に十分なエネルギーが伝わり、アブレーションを起こさせることができる。多光子吸収のうち特に2光子吸収が作用することを期待する場合、バンドギャップが1光子分のエネルギーより大きく2光子分のエネルギーより小さくなるように、波長が選択される。
図2に示すように加工対象物Wは位置合わせ装置300に対し少なくとも一時的に固定されている。位置合わせ装置300はピーク範囲に対し加工対象物Wの相対位置を調整するよう動作する。
次に、補助液を利用する実施形態について説明する。実施形態1のための説明はそのすべてを引用することにより本実施形態の一部をなすものとする。
後述する実施例にて示すように、シリコン基板を加工対象物Wとして実際に実験をしたところ、パルスエネルギーをいくら大きくしてもシリコン基板が厚くなると貫通穴を形成するのが難しい場合があった。他方、除去加工が可能なエネルギーの場合はサイドローブによるダメージが残る。サイドローブによるダメージを防止できるような小さいエネルギーのパルスを利用した除去加工は補助液を利用することにより可能となる。
本実施形態においてはベッセルビームパルスに加え補助液を利用することにより、より厚いシリコン基板に高いアスペクト比を目指して除去加工を行なう。図5は本発明の補助液を利用する実施形態における除去加工装置1000Aの概略構成を示す説明図である。補助液容器500には補助液ALが収容されている。補助液ALは、加工対象物Wの第2面SRに接している。加工対象物Wに例えば図3のように設定される除去ターゲットパスTPは、第2面SRに届きそこで終端している。位置合わせ装置300は、変換光学系200からのベッセルビームパルスが加工対象物Wの内部を通りピーク範囲(図5には図示しない)が第1面SFに補助液に到達するように、位置合わせする。
補助液は、加工対象物Wを通り第2面SRを出射したレーザー光を受けると、加工対象物Wの第2面SR側からのエッチングを助ける作用をもつ。このような作用を持つ任意の液体が本実施形態の補助液となり得る。その一例は硝酸銀(AgNO3)水溶液である。
次に本発明の実施例を説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。以下の説明においては、これまでに説明した図面も引き続き参照し、説明済みの要素の符号はそのまま用いる。
本願の発明者らは、図2に示す実施形態1の除去加工装置1000を利用して実際に貫通孔を形成した。加工対象物Wは50μm厚のシリコン単結晶基板とした。図4に示す工程にレーザー光源100はチタンサファイアレーザー(Libra−HE, Coherent Inc.)とした。OPA120(TOPAS, Coherent Inc.)を通じて1.5μmの波長のガウシアンビームを得た。OPA120からの出射パルスは、50fs、0.55mJ(最大)、p偏光であり、繰り返し周期は1kHzであった。その位置において約2mm径のガウシアンビームであったものの、ビームエキスパンダー150により5mm径にビーム径を拡大した。なお、ビームエキスパンダー150はf1=120mmの凹レンズとf2=300mmの凸レンズにより構成した。可変NDフィルター162によりエネルギーを調整可能にし、シャッター164(SH1/M−SC10、Thorlabs Inc.)により1ms分解能のパルス数(ショット数)の制御を行なった。加工対象物Wは第1面SFがアキシコン(変換光学系200)の頂部の上方約7.5mm離れた位置になるよう配置した。
最初に単一パルスでパルスエネルギーを50μJ、100μJ、200μJ、300μJと変化させ、フェムト秒パルスのベッセルビームパルスによるアブレーションを調査した。このような実験はOPAのシングルトリガーモードで実行可能である。入射側(第1面SF側)におけるアブレーションは、100μJ以上のパルスエネルギーで観察された(図示しない)。このアブレーション領域は、センターローブのうちの光が強いピーク範囲に限定され、数ミクロンの内径となった。ただし、出射側(表面SR側)におけるアブレーションはいずれのエネルギーでも観察されなかった。ただしこのことはシングルパルスでの加工が不可能なことを意味していない。特定の条件での実験例に過ぎないためである。
次に、ショット数を増加させ多パルスでの加工を試行したところ、観察光学系400により貫通孔が観察された。系統的に条件を変更して加工処理を繰り返し、測定を実施した。図6は本実施形態において多パルスの加工を通じて得られた貫通孔の直径(内径)を条件別に示すグラフである。パルスのエネルギーは360μJ(図6(a))、250μJ(図6(b))、187μJ(図6(c))とした。内径は、多数の同様の条件で加工サンプルを作製し、第1面SF(FRONT)、第2面SR(REAR)の付近において観察された値それぞれの平均値を求めた。加工に使用したショット数は、360μJについて300〜700ショット、250μJについて500〜1500ショット、および187μJについて620〜1500ショットの範囲とした。各エネルギーにおけるショット数の下限は安定して貫通孔が得られた最小のショット数である。
本願の発明者らは、図4に示す補助液を利用する除去加工装置1000Aの構成により一層厚いシリコン基板(500μm厚)に貫通孔を形成する実験を試みた。
まず予備実験のための実験2−1において、500μm厚のシリコン基板に対しパルス当たりのエネルギーを変更し透過率を測定した。図8は本実施例の予備実験として波長1.5μmのフェムト秒パルスのベッセルビームパルスを利用した場合の入射パワーと透過率の関係を実測したグラフである。図8の横軸の入射パワーはパルス当たりのエネルギーを変更した場合の違いを示し、1kHzの繰り返し周波数にて照射した際のパワーである。つまり10mWの位置は10μJのパルスエネルギーとした場合に相当する。図8に示すように、パルスエネルギーを強めることにより透過率が単調に低下した。このことは非線形の吸収が生じることを意味している。
次に、上記実験2−1の結果を踏まえ、実験2−2として、50μJのパルスエネルギーを採用し補助液ALを利用して貫通孔が形成されるか実験した。50μJのパルスエネルギーを採用した理由は、次の通りである。まず、補助液ALは化学反応により除去加工を補助する作用をもつものの、あまりに小さいエネルギーの場合、その効果が期待しがたい。他方、187μJでは実験2−2より50μm厚のシリコン基板でもサイドローブによる第1面SFでのダメージが生じたことから、それよりも小さいエネルギーを選択するべきである。これらを勘案して50μJのパルスエネルギーを採用した。なお、50μJのパルスエネルギーは除去加工装置1000(図2)により50μm厚のシリコン基板の場合にも貫通孔を形成できない弱いエネルギーである。
本発明は上述した各実施形態を変形した種々の実施形態により実施することができる。これを変形例として説明する。
上述した説明は主に貫通孔を形成する場合を中心に説明した。本発明では非貫通の孔(メクラ孔)を形成するために利用することもできる。非貫通の孔を形成するにはピーク範囲の両端の少なくとも一方が加工対象物内部に位置するように配置する。この場合、ピーク範囲の両端のうちの他方は、加工対象物のいずれかの表面にて終端する。なお、除去加工の時点で非貫通の穴であっても、事後的に加工対象物が研磨等により薄板化されれば、非貫通の穴を実質的に貫通孔と同様の相互接続のための通路として利用することも可能である。
上述した説明の特に貫通孔に関する説明では、一度の位置合わせで貫通孔の全長に渡り除去加工を行なう例を説明した。本発明を実施する際には複数の位置合わせを利用して一つの貫通孔、より一般には、複数の位置合わせを利用して一つの除去ターゲットパスに対応する除去加工形状を形成する場合もある。例えば、図3に示したピーク範囲PKをZ軸向きに短くなるように設定する。第1面SF側にそのピーク範囲PKを位置合わせして貫通孔の第1面SF側を部分的に形成し、その後に第2面SR側にピーク範囲PKをずらして位置合わせし直し、貫通孔の第2面SR側を形成して貫通孔を貫通させることが有用である。2段階のみならずより多段階としてもよいし、光の入射側を基準にした順序を逆にすることも可能である。これらの場合一つの除去ターゲットパスTPに渡る加工を実現するために、ピーク範囲PKはその一部のみを含む位置合わせを複数回繰り返すこととなる。
さらに本発明は複数の除去ターゲットパスを組み合わせる除去加工を行うことによって実施することもできる。最終的には単一となる除去加工形状を、複数の除去ターゲットパスを組み合わせて得ることにより、目的通りの形状の除去加工を行なうことができる。典型的には、複数の除去ターゲットパスを組み合わせて、内径の広い貫通孔を作製したり、矩形断面の貫通孔を形成したり、また、線型の除去加工を行なって半導体基材の切断加工を行なうことも可能である。
100 光源
120 光パラメトリック増幅器
150 ビームエキスパンダー
160 光学素子
162 フィルター
164 シャッター
166 ミラー
200 変換光学系
300 位置合わせ装置
400 観察光学系
410 フィルター
420 対物レンズ
430 カメラ
500 補助液容器
VH1 貫通孔
SF 第1面
SR 第2面
TP、TP1、TP2、TP3 除去ターゲットパス
AL 補助液
Claims (12)
- 半導体基材である加工対象物の内部に到達可能な波長のレーザー光のパルスを放射するための光源と、
ビーム軸に沿った範囲であるピーク範囲に光強度のピークをもつベッセルビームとなるよう前記レーザー光を変換することにより、前記波長の前記ベッセルビームのパルスであるベッセルビームパルスを形成するための光学系と、
前記ベッセルビームパルスの前記ピーク範囲を、前記加工対象物の前記内部に位置づけられる除去ターゲットパスの一部または全部に重なるよう位置合わせするための位置合わせ装置と
を備え、
前記除去ターゲットパスが前記加工対象物のいずれかの表面で終端しており、
前記波長の光を受けると前記加工対象物のエッチングを助ける作用をもつ補助液が前記表面にて前記加工対象物に接触しており、
前記位置合わせ装置は、前記ベッセルビームパルスが前記加工対象物の内部を通り、前記ピーク範囲が前記表面にて前記補助液に到達するように位置合わせするものであり、
これにより、前記補助液が前記ベッセルビームパルスを受けて前記加工対象物のエッチングを助けるように作用する、加工対象物への除去加工装置。 - ビーム軸に沿って光強度のピークが得られるピーク範囲を、半導体基材の加工対象物の内部に位置づけられる除去ターゲットパスの一部または全部に重なるよう位置合わせする位置合せステップと、
前記加工対象物の前記内部に到達可能な波長のレーザー光のパルスを光源から放射させるステップと、
該レーザー光をベッセルビームとなるよう変換することにより、前記波長のベッセルビームのパルスであるベッセルビームパルスを形成し、該ベッセルビームパルスを、前記除去ターゲットパスのうち前記ピーク範囲に含まれる前記一部または全部に照射する照射ステップと
を含んでおり、
前記除去ターゲットパスが前記加工対象物のいずれかの表面で終端しており、
前記波長の光を受けると前記加工対象物のエッチングを助ける作用をもつ補助液を前記表面にて前記加工対象物に接触させるステップを、前記照射ステップより前にさらに含んでおり、
前記位置合せステップが、前記ベッセルビームパルスが前記加工対象物の内部を通り、前記ピーク範囲が前記表面にて前記補助液に到達するように位置合わせするものであり、
これにより、前記補助液が前記照射ステップにて前記ベッセルビームパルスを受けて前記加工対象物のエッチングを助けるように作用する、加工対象物への除去加工方法。 - 半導体基材である加工対象物の内部に到達可能な波長のレーザー光のパルスのなすマルチショットパルスをある繰り返し周波数で放射するための光源と、
ビーム軸に沿った範囲であるピーク範囲に光強度のピークをもつベッセルビームとなるよう前記レーザー光を変換することにより、前記波長の前記ベッセルビームのパルスであるベッセルビームパルスを形成するための光学系と、
前記ベッセルビームパルスの前記ピーク範囲を、前記加工対象物の前記内部に位置づけられる除去ターゲットパスの一部または全部に重なるよう位置合わせするための位置合わせ装置と
を備え、
前記マルチショットパルスをなす各パルスは、前記加工対象物をなす材質の前記ピーク範囲において多光子吸収が生じるような時間幅のパルス幅と光電界とをもつものであり、
前記繰り返し周波数は、前記マルチショットパルスにおいて各パルスによる電子の励起が緩和した後に次のパルスが照射されるようなものである、加工対象物への除去加工装置。 - 前記除去ターゲットパスが前記加工対象物の一の表面から他の表面まで前記加工対象物を横切っており、
前記ピーク範囲が前記除去ターゲットパスの全部を含んでおり、
これにより、前記一の表面と前記他の表面との間をつなぐ貫通孔が前記加工対象物に形成される、請求項1または請求項3に記載の除去加工装置。 - 前記光源は、前記加工対象物をなす材質により多光子吸収が生じうる短い時間幅に前記パルスのパルス幅を設定可能なものである、請求項1に記載の除去加工装置。
- 前記除去ターゲットパスが前記加工対象物のいずれかの表面で終端しており、
前記波長の光を受けると前記加工対象物のエッチングを助ける作用をもつ補助液が前記表面にて前記加工対象物に接触しており、
前記位置合わせ装置は、前記ベッセルビームパルスが前記加工対象物の内部を通り、前記ピーク範囲が前記表面にて前記補助液に到達するように位置合わせするものであり、
これにより、前記補助液が前記ベッセルビームパルスを受けて前記加工対象物のエッチングを助けるように作用する、請求項3に記載の除去加工装置。 - 前記半導体基材がシリコン単結晶基板であり、
前記波長が1.12μmより長いものである、請求項1、請求項3、および請求項5のいずれか一項に記載の除去加工装置。 - ビーム軸に沿って光強度のピークが得られるピーク範囲を、半導体基材の加工対象物の内部に位置づけられる除去ターゲットパスの一部または全部に重なるよう位置合わせする位置合せステップと、
前記加工対象物の前記内部に到達可能な波長のレーザー光のパルスのなすマルチショットパルスをある繰り返し周波数で光源から放射させるステップと、
該レーザー光をベッセルビームとなるよう変換することにより、前記波長のベッセルビームのパルスであるベッセルビームパルスを形成し、該ベッセルビームパルスを、前記除去ターゲットパスのうち前記ピーク範囲に含まれる前記一部または全部に照射する照射ステップと
を含み、
前記マルチショットパルスをなす各パルスは、前記加工対象物をなす材質の前記ピーク範囲において多光子吸収が生じるような時間幅のパルス幅と光電界とをもつものであり、
前記繰り返し周波数は、前記マルチショットパルスにおいて各パルスによる電子の励起が緩和した後に次のパルスが照射されるようなものである、加工対象物への除去加工方法。 - 前記除去ターゲットパスが前記加工対象物の一の表面から他の表面まで前記加工対象物を横切っており、
前記ピーク範囲が前記除去ターゲットパスの全部を含んでおり、
これにより、前記一の表面と前記他の表面との間をつなぐ貫通孔が前記加工対象物に形成される、請求項2または請求項8に記載の加工対象物への除去加工方法。 - 前記パルスのパルス幅が、前記加工対象物をなす材質により多光子吸収が生じうる短い時間幅に設定されている、請求項2に記載の加工対象物への除去加工方法。
- 前記除去ターゲットパスが前記加工対象物のいずれかの表面で終端しており、
前記波長の光を受けると前記加工対象物のエッチングを助ける作用をもつ補助液を前記表面にて前記加工対象物に接触させるステップを、前記照射ステップより前にさらに含んでおり、
前記位置合せステップが、前記ベッセルビームパルスが前記加工対象物の内部を通り、前記ピーク範囲が前記表面にて前記補助液に到達するように位置合わせするものであり、
これにより、前記補助液が前記照射ステップにて前記ベッセルビームパルスを受けて前記加工対象物のエッチングを助けるように作用する、請求項8に記載の加工対象物への除去加工方法。 - 前記半導体基材がシリコン単結晶基板であり、
前記波長が1.12μmより長いものである、請求項2または請求項8に記載の加工対象物への除去加工方法。
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