JP7020099B2

JP7020099B2 - 貫通孔形成方法及び貫通孔を有するガラス基板の製造方法

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Publication number: JP7020099B2
Application number: JP2017242528A
Authority: JP
Inventors: 将士澤田石
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2022-02-16
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: JP2019108243A

Description

本発明は、貫通孔形成方法及び貫通孔を有するガラス基板の製造方法に関し、特に貫通孔の形成時にマイクロクラックの発生を抑制できるものに関する。

厚み数百μｍの薄いガラス板材に微小な貫通孔を形成するため、レーザを照射する方法が提案されている。例えば、炭酸ガラスレーザの照射によってガラス板材に孔を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、ガラス板材の一部を改質し、その部分にレーザを照射して微小な加工孔を形成した後にエッチングをする方法や、感光性ガラス板の一部に紫外線を照射して改質させ、その部分にＹＡＧレーザを照射して微小な孔を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、ＮＤ：ＹＡＧレーザの第三高調波をパルスレーザとしてガラス板材に照射して改質させ、エッチングを行うことでガラスに孔を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。

特許第５９２０４２７号特開２００１－１０５３９８号公報特許４６７２６８９号

上述したガラス基板への貫通孔の形成方法にあっては、次のような問題があった。すなわち、炭酸ガスレーザを照射する方法では、貫通孔の周辺に熱歪みによってマイクロクラックが発生する。マイクロクラックはガラス基板の表層に元々存在する無数のクラックにまで広がって、ガラス基板全体が割れやすくなり、ガラス基板のハンドリングが困難となる。また、レーザ加工後にエッチングで貫通孔の拡張を行う場合も、マイクロクラックも同時に拡張されることとなり、貫通孔の加工形状が歪になる。このため、貫通電極の接続信頼性を確保するのが困難となる。

また、レーザ照射によって改質部を形成し、エッチングによって貫通孔を形成す方法では、ガラス表層に存在する無数のクラックの影響により、安定した改質部を形成することが困難となる。また、エッチングによって貫通孔を形成するため、貫通孔の加工径の制御はエッチング量に起因し、所望の貫通孔の加工径、所望のガラス厚みを得ることが困難となる。

そこで本発明は、ガラス基板に貫通孔を形成する際にマイクロクラックの発生を抑制することで、容易なハンドリングを可能にするとともに、所望の加工径及びガラス厚を得ることが可能な貫通孔形成方法及び貫通孔を有するガラス基板の製造方法を提供すること目的とする。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、ガラス基板に貫通孔を形成する貫通孔形成方法において、前記ガラス基板をエッチング液でエッチングする第１の工程と、前記ガラス基板の貫通孔形成箇所にレーザを照射して、前記ガラス基板の表面側から裏面側にわたって改質部を形成する第２の工程と、前記改質部を有する前記ガラス基板をエッチング液でエッチングすることにより、前記改質部を除去し、前記貫通孔を形成する第３の工程とを備えている。

前記第１の工程における前記エッチング液は、硝酸、塩酸及び硫酸からなる群から選ばれる１種以上の無機酸を含み、フッ化水素酸濃度は２．０～５．０ｗｔ％であり、無機酸濃度は３．０～１６．０ｗｔ％のフッ化水素溶液である。前記第１工程は、前記ガラス基板の厚みをｄ１からｄ２に調整する。ｄ１とｄ２との厚みの差は、３０μｍ～５０μｍである。

本発明の請求項２に記載の発明は、前記第２の工程における前記レーザの波長は３３５ｎｍ以上５３５ｎｍ以下、パルス幅は１ｐｓ～１０００ｐｓの範囲であり、前記ガラス基板の厚みｄ２に対し、ｄ２／２となる位置にレーザ光を集光させる。

本発明の請求項３記載の発明は、前記第３の工程における前記エッチング液は、硝酸、塩酸及び硫酸からなる群から選らばれる１種以上の無機酸を含み、フッ化水素酸濃度は１．０～６．０ｗｔ％であり、無機酸濃度は１．０～２０．０ｗｔ％のフッ化水素溶液である。

本発明の請求項４に記載の発明は、前記貫通孔は、前記ガラス基板の厚み方向でテーパー状となり、表面側と裏面側に最大開口径を有し、ガラス基板の中央に最小開口径を有し、前記貫通孔の内壁面が貫通方向に対する勾配角度は６０°以上、８５°以下である。

本発明の請求項５に記載の発明は、前記第３の工程は、前記ガラス基板の厚みをｄ２からｄ３に調整すると共に、前記貫通孔の最大開口径をｄ２－ｄ３とする。

本発明の請求項６に記載の発明は、ガラス配線基板の製造方法であって、前記請求項１～５のいずれか１項に記載の貫通孔形成方法により前記貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔に、貫通電極を形成する工程と、前記貫通電極を含む位置に配線を形成する工程と、を備えている。

ガラス基板に貫通孔を形成する際にマイクロクラックの発生を抑制することで、容易なハンドリングを可能にするとともに、所望の加工径及びガラス厚を得ることが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る貫通孔形成方法を用いた貫通孔を有するガラス基板の製造工程を示す説明図。同貫通孔形成方法を示す縦断面図。同貫通孔形成方法を示す縦断面図。同貫通孔形成方法を示す縦断面図。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る貫通孔形成方法を用いた貫通孔を有するガラス基板の製造工程を示す説明図、図２Ａ～図２Ｃは貫通孔形成方法を示す縦断面図である。

貫通孔を形成する工程は、第１～第３の工程で構成されている。すなわち、ガラス基板１００をエッチング液でエッチングする第１の工程（ＳＴ１）と、ガラス基板１００の貫通孔形成箇所にレーザを照射して、ガラス基板１００の表面側から裏面側にわたって改質部Ｇを形成する第２の工程（ＳＴ２）と、改質部Ｇを形成したガラス基板１００をエッチング液でエッチングすることにより、改質部Ｇを除去し、貫通孔を形成する第３の工程（ＳＴ３）とを備えている。

以下、各工程を詳述する。図２Ａに示すように、厚みｄ１のガラス基板１００を準備する。なお、ガラス基板１００の当初の厚みは、特に限られないが、例えば２００μｍ～１０００μｍの範囲であっても良い。なお、貫通孔１１０を有するガラス基板の最終的な厚みがｄ３とした場合、ｄ１＞ｄ３である。

次に、ガラス基板１００をエッチング液でエッチングを行う（ＳＴ１）。本実施形態においては、フッ化水素溶液を用いる。フッ化水素溶液は硝酸、塩酸及び硫酸からなる群から選らばれる１種以上の無機酸を含み、フッ化水素酸濃度は１．０～６．０ｗｔ％であり、好ましくは２．０～５．０ｗｔ％が望ましい。無機酸濃度は１．０～２０．０ｗｔ％の範囲であり、好ましくは３．０～１６．０ｗｔ％が望ましい。

エッチング液を上記範囲に設定することでガラス面内を均一にクラック除去ができると共に、ガラス基板１００の厚みをｄ１からｄ２に厚みを調整するエッチングが可能となる。この処理は、例えば、３０～５０分程度行うことでガラス厚が２５～３５μｍ減る。ガラス基板１００の表裏面は新生表面であり、クラックが除去されており、ハンドリングが安定する。

第１の厚みｄ１と第２の厚みｄ２との差は、例えば、１５μｍ～１００μｍの範囲であってよい。第１の厚みｄ１と第２の厚みとの差は３０μｍ～５０μｍの範囲が好ましい。前記範囲程度でエッチングを行うことで、ガラス表面のクラックが除去されるとともに、貫通孔の断面形状が良好になるため好ましい。

なお、第２の厚みｄ２においても、ガラス厚の関係はｄ２＞ｄ３が成り立つ。

次に、図２Ｂに示すように、ガラス基板１００の貫通孔形成部分にレーザを集光して照射する（ＳＴ２）。レーザ光は、波長はλ；５３５ｎｍ以下であり、好ましくは３５５～５３５ｎｍの範囲である。３５５ｎｍ以下ではレーザ出力を得ることが難しく安定的な改質部の形成が難しくなる。一方、５３５ｎｍ以上より大きくなると、照射スポットが大きくなり改質部の形成が難しくなる。また、熱の影響により改質加工ではなく、アブレーション加工となり、マイクロクラックが発生し割れやすくなる。

レーザのパルス幅は１ｐｓ～１０００ｐｓ以下であり、好ましくは１ｐｓ～５００ｐｓの範囲で、さらに、２０ｐｓ～５０ｐｓが好ましい。レーザのパルス幅が１ｐｓ未満では高価な装置が必要となる。また、１０００ｐｓ以上では加工がうまくいかず、安定した改質部を得ることが困難となる。

レーザパルスのエネルギーは、ガラスの材質や、どのような改質部を形成するかに応じて好ましい値が選択される。一例では、５μＪ～１５０μＪの範囲である。レーザパルスのネルギーを増加させることで、それに比例するように改質部の長さを長くすることが可能となる。

レーザ光の照射焦点位置はガラス基板１００の厚みｄ２に対し、ｄ２／２となる位置で加工を照射することが望ましい。ガラス基板１００の表層、もしくは下層を照射焦点位置としたした場合、安定した改質部を得ることが困難となる。ガラス基板１００の表層、もしくは下層を照射焦点位置にすると、表層、もしくは下層でアブレーション加工となり、微小加工孔が形成され、フッ化水素溶液によるエッチングで貫通孔を形成する際に表裏面での開口径差が発生する可能性が高くなる。

レーザが照射された位置においては、材質であるＳｉＯ_２の結合が切れた状態となり、改質部Ｇとなる。改質部Ｇは、直径１～１０μｍであり、ガラス基板１００の表面側から裏面側にわたって形成される。なお、改質部Ｇは、ガラス基板１００に対して、エッチング液に対するエッチングレートが極端に高い状態となる。エッチングレートとは、エッチングによる厚みの減少をエッチング量とした場合、単位時間当たりのエッチング量を示しており、本実施形態においては、１分当たりの寸法で示している。

次に、図２Ｃに示すように、エッチング液でエッチングすることにより、改質部Ｇが除去され、貫通孔が形成されると同時にガラス基板の厚みがｄ３となる（ＳＴ３）。エッチング液は、本実施形態においては、上述したフッ化水素溶液と同じ組成のものを用いてもよい。例えば、硝酸、塩酸及び硫酸からなる群から選らばれる１種以上の無機酸を含み、フッ化水素酸濃度は１．０～６．０ｗｔ％であり、好ましくは２．０～５．０ｗｔ％が望ましい。また、無機酸濃度は１．０～２０．０ｗｔ％の範囲であり、好ましくは３．０～１６．０ｗｔ％が望ましい。上記範囲に設定したフッ化水素溶液で、なおかつ、エッチングレートが１．０μｍ／ｍｉｎ未満が望ましい。１．０μｍ／ｍｉｎ以上ではエッチングレートが高く、改質部Ｇとガラス基板１００の選択エッチング性が低下し、ガラス厚ｄ３に対し、ｄ３／２の位置に形成される最小開口径φ３の開口不良が生じる可能性がある。好ましくは０．４μｍ／ｍｉｎ～０．８μｍ／ｍｉｎの範囲であることが望ましい。

フッ化水素でのエッチング条件は上記範囲を満たす限り、特に限定されず、工程ＳＴ１と同じフッ化水素溶液を使用しても構わない。

所定の時間、例えば、１２０～１４０分のエッチング処理を行う。ガラス基板１００の厚みがｄ２からｄ３に減少すると共に、図２Ｃに示すように、貫通孔１１０が形成される。ここで、貫通孔１１０の寸法、すなわち、表面側の最大開口径をφ１、裏面側の最大開口径をφ２、中央の最小開口径をφ３とすると、最大開口径φ１＝φ２＝ｄ２－ｄ３、最小開口径φ３＝（ｄ２－ｄ３）／２で示すことができる。すなわち、貫通孔１１０の加工寸法径φ１は、予め所望の加工寸法径になるように、工程ＳＴ１でのエッチング量、工程ＳＴ３でのエッチング量が選定される。

ガラス基板１００において、貫通孔１１０は厚みｄ３に対し、ｄ３／２となる位置に貫通孔の最小開口径φ３があり、貫通孔１１０の勾配角度δは６０°以上、８５°以下となる。貫通孔１１０の勾配角度は工程ＳＴ１でのガラス厚ｄ１からｄ２に薄化するエッチング量、工程ＳＴ３でのガラス厚ｄ２からｄ３でのエッチング量によって選択される。貫通孔の勾配角度は６０°以上、８５°以下であることで、貫通電極を形成する際にスパッタ処理でのシード層の着きまわりが良く高い接続信頼性が確保される。なお、フッ化水素酸濃度を高めると、勾配角度δが大きくなり、低めると勾配角度δが小さくなる関係にあるため、適宜調整する。なお、エッチング量を少なくして最小化径φ３を小さくしすぎると、後工程のスパッタリングが十分に行えず、貫通電極が形成できない。また、エッチング量を大きくして最大開口径φ１，φ２を大きくし過ぎるとガラス基板１００表面のスペースを取り過ぎて配線密度が減少する。

次に、貫通孔１１０の内壁に、スパッタリング等の既知の方法によって金属皮膜を形成し、貫通電極を形成する。次に、このように形成された貫通電極を含むようにガラス基板１００表面に配線を形成する。このような工程により、貫通孔を有するガラス配線基板が形成される。

このように本実施形態における貫通孔形成方法では、工程ＳＴ１においてガラス基板１００の厚みが第１の厚みｄ１から、クラックの除去とともにエッチングされることで第２の厚みｄ２に調整される。従って、この際、厚み調整量を、例えば第２の厚みｄ２と第３の厚みｄ３との差、すなわち所望の貫通孔１１０の加工寸法径φ１、φ２に調整しておけば、工程ＳＴ３におけるフッ化水素溶液によるエッチング後に得られるガラス基板１００の第３の厚みｄ３を所望の厚みに設定しておけば、所望の最大開口径φ１，φ２を有する貫通孔１１０、並びに所望の厚みｄ３を有するガラス基板１００を得ることが可能となる。

なお、上述した貫通孔形成方法により、ハンドリングが容易な上、マイクロクラックなく、所望の貫通孔の加工径、所望の厚みの貫通孔を有するガラス基板を高い歩留まりで製造することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。以下の手順により、貫通孔を有するガラス基板の製造をした。ここでは、２種類の比較例と、３種類の実施例について、それぞれガラスの厚み、貫通孔の表面側最大開口径φ１，裏面側最大開口径φ２、最小開口径φ３を計測し、搬送工程における２０枚中のガラス割れ／クラック発生枚数を示す。
（比較例１）
厚みが４００μｍのガラス基板を複数枚準備した。次にレーザ光を照射し、各ガラス基板に改質部を形成する。レーザ光源には、波長５３５ｎｍ、パルス幅２０ｐｓのレーザ光源を使用し、１００μＪの出力で、ガラス基板に照射した。これにより、ガラス基板の表面側から裏面側にわたって加工寸法径約５μｍの改質部が複数形成された。

次に、貫通孔の形成のために、エッチング液として、フッ化水素酸濃度は４ｗｔ％、無機酸濃度は１０．０ｗｔ％のフッ化水素溶液を用いてエッチング量６０μｍのエッチングを行い、貫通孔を有するガラス基板の形成を行った。
（比較例２）
比較例１と同様に、ガラス基板に複数の改質部が形成された後、同様のエッチング液を用いてエッチング量１００μｍのエッチングを行い、貫通孔を有するガラス基板の形成を行った。
（実施例１）
厚みが４００μｍのガラス基板を複数枚準備した。エッチング液として、フッ化水素酸濃度は４ｗｔ％、無機酸濃度は１０．０ｗｔ％のフッ化水素溶液でクラックの除去とともに、エッチング量３０μｍのエッチングを行った後、比較例１と同様の条件でガラス基板の表面側から裏面側にわたって加工寸法径約５μｍの改質部が複数形成された。その後、同様のエッチング液を用いてエッチング量７０μｍのエッチングを行い、貫通孔を有するガラス基板の形成を行った。
（実施例２）
実施例１と同様に、先ずはガラス基板にエッチング量４０μｍのエッチングを行った後、ガラス基板に複数の加工寸法径約６μｍの改質部が形成された。その後、同様のエッチング液を用いてエッチング量６０μｍのエッチングを行い、貫通孔を有するガラス基板の形成を行った。
（実施例３）
実施例１と同様に、先ずはガラス基板にエッチング量５０μｍのエッチングを行った後、ガラス基板に複数の加工寸法径約７μｍの改質部が形成された。その後、同様のエッチング液を用いてエッチング量５０μｍのエッチングを行い、貫通孔を有するガラス基板の形成を行った。

以下、比較例１～２、実施例１～３でのガラス厚、貫通孔の開口径、搬送でのガラス割れ／クラックの発生数を表１にまとめて示した。

このように比較例１，２では、貫通孔の加工寸法径は貫通孔の加工径の制御はエッチング量に起因し、所望の貫通孔の加工径、所望のガラス厚みを得ることが困難となっているが、実施例１～３では、ガラス基板の厚み目標値３００μｍにて、貫通孔の加工寸法を制御でき所望の加工寸法径、所望の厚みを得ることが可能となる。

このように本実施の形態においては、レーザ加工前にフッ化水素溶液によるエッチングにてガラス基板のクラックを除去しているので、クラックが成長することがない。また、ガラス厚をｄ１からｄ２に厚みを調整できる。また、レーザを集光して照射し改質部を形成し、フッ化水素溶液でエッチングを行うことにより、ガラスの厚みをｄ２からｄ３にすると同時に、最大開口径φ１＝φ２＝ｄ２－ｄ３の貫通孔を形成することが可能となる。これにより、ハンドリングの障害となるマイクロクラックが生じることが無く、また、所望の開口径を有する貫通孔、所望の厚みを有するガラス基板を提供することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明と同等の記載を付記する。
［１］
ガラス基板に貫通孔を形成する貫通孔形成方法において、
前記ガラス基板をエッチング液でエッチングする第１の工程と、
前記ガラス基板の貫通孔形成箇所にレーザを照射して、前記ガラス基板の表面側から裏面側にわたって改質部を形成する第２の工程と、
前記改質部を有するガラス基板をエッチング液でエッチングすることにより、前記改質部を除去し、前記貫通孔を形成する第３の工程と、
を備えている貫通孔形成方法。
［２］
前記第１の工程における前記エッチング液は、硝酸、塩酸及び硫酸からなる群から選ばれる１種以上の無機酸を含み、フッ化水素酸濃度は１．０～６．０ｗｔ％であり、無機酸濃度は１．０～２０．０ｗｔ％のフッ化水素溶液である［１］に記載の貫通孔形成方法。
［３］
前記第２の工程における前記レーザの波長は３５５ｎｍ以上５３５ｎｍ以下、パルス幅は１ｐｓ～１０００ｐｓの範囲であり、前記ガラス基板の厚みｄ２に対し、ｄ２／２となる位置にレーザ光を集光させる［１］に記載の貫通孔形成方法。
［４］
前記第３の工程におけるエッチング液は、硝酸、塩酸及び硫酸からなる群から選らばれる１種以上の無機酸を含み、フッ化水素酸濃度は１．０～６．０ｗｔ％であり、無機酸濃度は１．０～２０．０ｗｔ％のフッ化水素溶液である［１］に記載の貫通孔形成方法。
［５］
前記貫通孔は、前記ガラス基板の厚み方向でテーパー状となり、表面側と裏面側に最大開口径を有し、ガラス基板の中央に最小開口径を有し、前記貫通孔の内壁面が貫通方向に対する勾配角度は６０°以上、８５°以下である［１］に記載の貫通孔形成方法。
［６］
前記第１の工程は、前記ガラス基板の厚みをｄ１からｄ２に調整し、
前記第３の工程は、前記ガラス基板の厚みをｄ２からｄ３に調整すると共に、前記貫通孔の最大開口径をｄ２－ｄ３とする［１］に記載の貫通孔形成方法。
［７］
前記ガラス基板に対し、［１］～［６］のいずれか１に記載の貫通孔形成方法により前記貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔に、貫通電極を形成する工程と、
前記貫通電極を含む位置に配線を形成する工程と、
を備えている貫通孔を有するガラス配線基板の製造方法。

産業上の利用の可能性

本発明は、例えばガラス基板に貫通孔を形成する技術に利用することができると共に、ガラス基板の貫通孔に貫通電極を形成することにより、貫通電極を備えたガラス基板の製造方法、ガラス配線基板の製造方法に利用することができる。

１００…ガラス基板、１１０…貫通孔、Ｇ…改質部。

Claims

ガラス基板に貫通孔を形成する貫通孔形成方法において、
前記ガラス基板をエッチング液でエッチングする第１の工程と、
前記ガラス基板の貫通孔形成箇所にレーザを照射して、前記ガラス基板の表面側から裏面側にわたって改質部を形成する第２の工程と、
前記改質部を有する前記ガラス基板をエッチング液でエッチングすることにより、前記改質部を除去し、前記貫通孔を形成する第３の工程と、
を備え、
前記第１の工程における前記エッチング液は、硝酸、塩酸及び硫酸からなる群から選ばれる１種以上の無機酸を含み、フッ化水素酸濃度は２．０～５．０ｗｔ％であり、無機酸濃度は３．０～１６．０ｗｔ％のフッ化水素溶液であり、
前記第１の工程は、前記ガラス基板の厚みをｄ１からｄ２に調整し、
ｄ１とｄ２との厚みの差は、３０μｍ～５０μｍである、貫通孔形成方法。
前記第２の工程における前記レーザの波長は３５５ｎｍ以上５３５ｎｍ以下、パルス幅は１ｐｓ～１０００ｐｓの範囲であり、前記ガラス基板の厚みｄ２に対し、ｄ２／２となる位置にレーザ光を集光させる請求項１に記載の貫通孔形成方法。
前記第３の工程における前記エッチング液は、硝酸、塩酸及び硫酸からなる群から選らばれる１種以上の無機酸を含み、フッ化水素酸濃度は１．０～６．０ｗｔ％であり、無機酸濃度は１．０～２０．０ｗｔ％のフッ化水素溶液である請求項１に記載の貫通孔形成方法。
前記貫通孔は、前記ガラス基板の厚み方向でテーパー状となり、表面側と裏面側に最大開口径を有し、前記ガラス基板の中央に最小開口径を有し、前記貫通孔の内壁面が貫通方向に対する勾配角度は６０°以上、８５°以下である請求項１に記載の貫通孔形成方法。
前記第３の工程は、前記ガラス基板の厚みをｄ２からｄ３に調整すると共に、前記貫通孔の最大開口径をｄ２－ｄ３とする請求項１に記載の貫通孔形成方法。
前記ガラス基板に対し、前記請求項１～５のいずれか１項に記載の貫通孔形成方法により前記貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔に、貫通電極を形成する工程と、
前記貫通電極を含む位置に配線を形成する工程と、
を備えている貫通孔を有するガラス配線基板の製造方法。