JP7230650B2 - 無機材料基板の加工方法、デバイス、およびデバイスの製造方法 - Google Patents

無機材料基板の加工方法、デバイス、およびデバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、無機材料基板の加工方法、デバイス、およびデバイスの製造方法に関する。
従来、ガラス基板等の無機材料基板を加工（たとえば微小な穴を形成）する方法として、基板内部においてレーザを集光させてその集光箇所を変質させた後、無機材料基板をエッチング処理する方法（いわゆる、レーザアシストエッチング法）が知られている（たとえば、下記特許文献１～８参照）。
特許４８８０８２０号公報 特開２００６－２９０６３０号公報 特開２００４－３５９４７５号公報 特開２００４－３５１４９４号公報 特開２００５－３０６７０２号公報 特表２０１８－５０９２９８号公報 特開１９９０－３０３９０号公報 特開２００７－６９２１６号公報
発明者は、無機材料基板を加工する技術について鋭意研究を重ね、その結果、加工形状（すなわち、加工により露出した部分の内壁形状）を所望の形状に制御する制御性を高める技術を新たに見出した。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、加工形状の制御性の向上が図られた無機材料基板の加工方法、デバイス、およびデバイスの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る無機材料基板の加工方法は、レーザに対して透明である無機材料基板に対して該レーザを照射し、無機材料基板の内部に複数の変質部を形成する第１工程と、変質部が内部に形成された無機材料基板の少なくとも一方の面を、複数の変質部の一部が露出する開口部を有するとともに複数の変質部の残部と重畳するマスクで覆う第２工程と、マスクを用いて無機材料基板のエッチング処理をおこない、変質部を除去する第３工程とを含む。
上記無機材料基板の加工方法においては、第２工程において、マスクの開口部から複数の変質部の一部のみが露出し、残部は露出しない。この場合、第３工程におけるエッチング時に、マスクの開口部から露出する変質部と露出しない変質部とでエッチングレートを相異させることができる。そのため、マスクの開口部から露出させる変質部と露出させない変質部とを調整することで、所望の加工形状を得やすくなる。
他の態様に係る無機材料基板の加工方法では、無機材料基板が、非晶質固体または非晶質と結晶質との混成体で構成されている。この場合、第３工程において、無機材料基板が等方的にエッチングされるため、高い精度で加工形状を制御することができる。
他の態様に係る無機材料基板の加工方法では、無機材料基板がガラスで構成されている。
他の態様に係る無機材料基板の加工方法では、第１工程のレーザがＹｂ：ＹＡＧピコ秒レーザである。
他の態様に係る無機材料基板の加工方法では、第１工程のレーザの光路上に波長変換素子を配置して、波長変換素子によりレーザの波長を可視光領域に変換する。
他の態様に係る無機材料基板の加工方法では、第２工程において、変質部の位置を基準にマスクの位置合わせをおこなう。
他の態様に係る無機材料基板の加工方法では、第１工程において、レーザを用いて無機材料基板にアライメントマークを形成し、第２工程において、アライメントマークを基準にマスクの位置合わせをおこなう。
他の態様に係る無機材料基板の加工方法では、第３工程において、変質部を除去して、無機材料基板に穴を形成する。
他の態様に係る無機材料基板の加工方法では、第３工程において、変質部を除去して、無機材料基板を個片化する。
本発明の一態様に係るデバイスは、上記加工方法により穴が形成された無機材料基板を備える。
本発明の一態様に係るデバイスは、上記加工方法により個片化された無機材料基板を備える。
本発明の一態様に係るデバイスの製造方法においては、上記加工方法で加工された無機材料基板を用いてデバイスを製造する。
本発明によれば、加工形状の制御性の向上が図られた無機材料基板の加工方法、デバイス、およびデバイスの製造方法が提供される。
図１は、実施形態に係る無機材料基板の加工方法のフローチャートである。 図２は、図１に示したフローチャートの一工程を示した図である。 図３は、図１に示したフローチャートの一工程を示した図である。 図４は、図１に示したフローチャートの一工程を示した図である。 図５は、図１に示したフローチャートの一工程を示した図である。 図６は、加工後の無機材料基板を示した断面図である。 図７は、異なる態様の無機材料基板の平面図である。 図８は、実施例に係る実験の結果を示した表である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
以下では、無機材料基板の加工方法について、図１のフローチャートに沿って説明する。より詳しくは、無機材料基板の一種であるガラス基板を直線状に切断する方法について説明する。
加工に供する基板の形態は、図２に示すとおりである。すなわち、支持シート１０上に、剥離層１２を介して、基板２０が載置されている。この形態において、基板２０の上面２０ａは露出しており、基板２０の下面２０ｂは剥離層１２で覆われている。支持シート１０は、一例として、ＰＴＦＥ多孔質シートである。剥離層１２は、支持シート１０上に成膜された樹脂層である。剥離層１２は、後述するウェットエッチングに用いるエッチャントに対して耐性を有する材料で構成される。剥離層１２は、一例として、樹脂（たとえば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂等）で構成することができ、無機材料や金属材料等で構成されたフィラーが添加された樹脂であってもよい。
基板２０は、本実施形態では無アルカリガラスで構成されている。基板２０の厚さＴは、たとえば２０～１０００μｍであり、本実施形態では５００μｍである。基板２０の形態は、特に限定されず、たとえばウエハの形態（一例として８インチウエハ）で加工することもできる。
上述した基板２０を加工する際には、まず、基板２０に対してレーザ照射をおこなう（図１のステップＳ１、第１工程）。図３に示すように、レーザは、図示しない光源から基板２０に向けて発せられ、光路上に配置された光学素子Ｓを通過して、基板２０に照射される。光学素子Ｓは、集光レンズとしての機能を備え、かつ、可視光領域の波長に変換する波長変換素子としての機能を備える。光源には、Ｙｂ：ＹＡＧピコ秒レーザ（１０３０ｎｍ波長）を用いることができる。光学素子Ｓは、波長変換素子として、レーザの波長を１／２（すなわち、５１５ｎｍ波長）にすることができる。基板上面２０ａにおけるレーザの幅ｗ（照射幅）は、一例として約６５０μｍである。
基板２０の内部にレーザを集光させることで、集光スポットでは材質が変化した変質部Ｐが形成される。たとえば、一度のスポット照射で、集光点を中心に約１００μｍ厚さ、約１０μｍ径の略円柱状の変質が生じ、レーザ走査により連続的に変質させることができる。変質部Ｐではマイクロクラックが生じていると考えられる。レーザの出力および走査速度は、所望の変質が生じるように適宜調整することができる。基板上面２０ａに平行な面における変質部Ｐの平面位置（すなわち、集光スポットの平面位置）は、レーザ走査により調整できる。また、変質部Ｐの深さ位置（すなわち、集光スポットの深さ位置）は、事前に計測した上面２０ａの位置を基準に焦点深さを変えたり、基板２０と光学素子Ｓとの相対距離を変えたりすることで調整できる。
ステップＳ１では、図３の（ａ）および（ｂ）に示すように、高さ位置または平面位置が異なる複数の変質部Ｐが形成される。
本実施形態では、図４に示すように、異なる位置に１５の変質部Ｐ（変質部Ｐ１～Ｐ１５）が形成されている。なお、図４では、各変質部Ｐの断面形状を基板２０の厚さ方向に延びた長方形で示しているが、変質部Ｐとそれ以外の部分との界面は明確ではなく、材質が段階的に変化しているものと考えられる。
図４に示す５つの変質部Ｐ１～Ｐ５は、基板２０の厚さ方向に均等に並んでいる。変質部Ｐ１～Ｐ５はいずれも、基板２０の切断方向（図３（ｂ）のＸ方向）に沿って延びている。同様に、５つの変質部Ｐ６～Ｐ１０および５つの変質部Ｐ１１～Ｐ１５も、基板２０の厚さ方向に均等に並んでおり、変質部Ｐ１～Ｐ５を等間隔で挟むようにして基板２０の切断方向Ｘに沿って延びている。変質部Ｐ１～Ｐ１５全体の幅Ｌ（切断方向に直交する方向の長さ）は、一例として１５０μｍである。
なお、ステップＳ１において、同じレーザを用いて、後続のマスク形成の際の位置合わせに用いるアライメントマークＱを基板２０の上面２０ａに形成してもよい。
次に、変質部Ｐが内部に形成された基板２０の上面２０ａにマスク３０を形成する（図１のステップＳ２、第２工程）。
図５の（ａ）、（ｂ）に示すように、マスク３０は開口部３１を有する。より詳しくは、マスク３０は切断方向Ｘに沿って延びる帯状の開口部３１を有し、開口部３１の幅ｔは変質部Ｐ１～Ｐ１５全体の幅Ｌより小さくなるように設計されている（ｔ＜Ｌ）。そのため、レーザの照射方向から見て、開口部３１から複数の変質部Ｐの一部が露出し、複数の変質部Ｐの残部はマスク３０と重畳している。換言すると、マスク３０の開口部３１から変質部Ｐの一部のみが露出し、残部は露出しない。本実施形態では、マスク３０の開口部３１から変質部Ｐ１～Ｐ５のみが露出し、変質部Ｐ６～Ｐ１５は露出しない。
マスク３０は、後述するウェットエッチングに用いるエッチャントに対して耐性を有する材料で構成される。マスク３０は、一例としてＣｒで構成することができ、スパッタ法により基板２０上に所定厚さ（たとえば２００ｎｍ）で形成され得る。マスク３０は、単層構造でもよく、複数層構造（たとえば、金属層と樹脂層との複合層）であってもよい。マスク３０の開口部３１は、公知のパターニング技術を用いて形成され得る。マスク３０のパターニングは、公知のフォトリソグラフィー技術とウェットエッチングとを利用しておこなうことができる。マスク３０のパターニングの位置合わせには、基板２０の上面２０ａに設けたアライメントマークを利用することができる。または、マスク３０のパターニングの位置合わせに、変質部Ｐの一部または全部をアライメントマークとして利用することもできる。
続いて、基板２０のウェットエッチングをおこなう（図１のステップＳ３、第３工程）。エッチャントには、バッファードフッ酸（ＨＦ５ｗｔ％およびＮＨ４Ｆ３５ｗｔ％含有）を用いることができる。エッチャントには界面活性剤が添加され得る。
基板２０の上面２０ａは、上記エッチャントに対して耐性を有するマスク３０が設けられており、基板２０の下面２０ｂも、上記エッチャントに対して耐性を有する剥離層１２で覆われている。そのため、基板２０は、マスク３０の開口部３１から溶解が進行して、開口部３１の下方に位置する変質部Ｐに滲入し、変質部Ｐが溶解されて除去される。変質部Ｐは、その他の部分に比べて、上記エッチャントに対する溶解速度が速い。その結果、基板２０にはライン状の溝が形成され、基板２０が２つに分断される。その後、マスク３０を除去して（図１のステップＳ４）、基板２０の加工が終了する。なお、支持シート１０および剥離層１２は、所望のタイミングで基板２０から有機溶剤などの剥離液を用いて剥がすことができる。
図６は、上記ステップＳ１～Ｓ４を経た後の基板２０の断面を示している。基板２０の切断部分における側面２１は基板２０の厚さ方向に対して傾いており、切断部分の下面２０ｂ側の幅Ｗ１が上面２０ａ側の幅Ｗ１より狭くなっている（Ｗ１＜Ｗ２）。
上述した加工方法によれば、基板２０の切断部分における側面２１が平滑になり、かつ、切断部分における最も幅狭の部分と最も幅広の部分との差分ｄ（本実施形態では（Ｗ２－Ｗ１）／２）が小さくなる、すなわち、側面２１の立ち上がり角が鋭くなる。
なお、図７に示すように、複数の変質部Ｐを同心円状に配置することで、基板２０をホール状に加工することもできる。この場合、複数の変質部Ｐは図４のとおりに配置され、変質部Ｐ全体の径より小さい径を有する円形の開口部３１がマスク３０に設けられる。そのため、レーザの照射方向から見て、円中心に位置する変質部Ｐのみがマスク３０の開口部３１から露出し、残部（すなわち、外周に位置する変質部Ｐ）は露出しない。このような態様であっても、基板２０のホール内壁が平滑になり、かつ、ホールの最大径と最小径との差分が小さくなる。
上述した基板２０の加工方法では、ステップＳ２において、マスク３０の開口部３１から複数の変質部Ｐの一部Ｐ１～Ｐ５のみが露出し、残部Ｐ６～Ｐ１５は露出しない。この場合、ステップ３におけるエッチング時に、マスク３０の開口部３１から露出する変質部Ｐ１～Ｐ５と露出しない変質部Ｐ６～Ｐ１５とでエッチングレートを相異させることができる。そのため、マスク３０の開口部３１から露出させる変質部Ｐ１～Ｐ５と露出させない変質部Ｐ６～Ｐ１５とを調整することで、所望の加工形状を得やすくなる。
たとえば、上述した実施形態のように、基板２０の内部に変質部Ｐ１～Ｐ１５を形成し、開口部３１から変質部Ｐ１～Ｐ５のみが露出するマスク３０を用いてウェットエッチングすることで、基板２０の切断部分における側面２１を平滑にすることができ、かつ、上記差分ｄを小さくすることができる。
また、変質部Ｐ１～Ｐ１５のうちの一部のみを基板２０の内部に形成することで、基板２０の切断部分における側面２１を湾曲させることができる。たとえば、レーザ照射により変質部Ｐ１～Ｐ５、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１４、Ｐ１５を形成した後に基板２０の上面２０ａに形成したマスク３０を用いてウェットエッチングをおこなうことで、下面２０ｂ側の幅Ｗ１と上面２０ａ側の幅Ｗ２とがともに広く、かつ、厚さ方向における中央部分が狭まるように湾曲した側面２１を形成することができる。また、レーザ照射により変質部Ｐ２～Ｐ５、Ｐ８、Ｐ１３を形成した後に基板２０の上面２０ａに形成したマスク３０を用いてウェットエッチングをおこなうことで、下面２０ｂ側の幅Ｗ１と上面２０ａ側の幅Ｗ２とがともに狭く、かつ、厚さ方向における中央部分が拡がるように湾曲した側面２１を形成することができる。さらに、変質部Ｐ１～Ｐ１５のうちの一部のみを基板２０の内部に形成することで、側面２１を意図的に波状にすることもできる。
以上において説明したとおり、上述した基板２０の加工方法によれば、基板２０の加工形状を所望の形状に制御する制御性を高めることができる。
上述した加工方法で基板２０を加工することで、基板２０を切断して個片化したり、穴（貫通孔または有底の穴）を形成したりすることができる。また、加工した基板２０を用いてデバイスを製造することができる。基板２０を備えるデバイスとしては、たとえば、ＭＥＭＳ素子（マイクロフォン、デジタルスピーカー、ヨーレートセンサ、加速度センサ、圧力センサ、高周波スイッチ、可変容量素子等）が挙げられる。
なお、基板２０は、無アルカリガラス以外のガラスで構成することもできる。また、基板２０は、上述したレーザに対して透明である無機材料であれば、ガラスに限らず、たとえばＳｉＯ２やサファイア等で構成することもできる。基板２０は、非晶質固体で構成することができ、非晶質と結晶質との混成体で構成することもできる。この場合、ステップＳ３において、基板２０が等方的にエッチングされるため、異方性を有する結晶質固体で構成された基板に比べて、高い精度で加工形状を制御することができる。
発明者は、加工方法が差分ｄに与える影響を確認するため、以下に示す実験をおこなった。図８は、実験結果を示す表である。
実験用の試料（比較例１～５および実施例１～３）として、厚さ５００μｍの８インチ径のウエハ状の無アルカリガラス基板を用意した。比較例１～４では、事前に基板の上面にマスクを形成し、その後、比較例１、３ではウェットエッチングをおこない、比較例２、４ではレーザ照射をおこなった。比較例５および実施例１～３では、レーザ照射した後に、基板の上面にマスクを形成した。
レーザ光源として、上述したＹｂ：ＹＡＧピコ秒レーザ（１０３０ｎｍ波長）を用い、上述した光学素子を用いて１／２波長（５１５ｎｍ波長）に変換した。マスクには、上述したＣｒマスク（２００ｎｍ厚さ）を用いた。ウェットエッチングのエッチャントには、上述した界面活性剤が添加されたバッファードフッ酸（ＨＦ５ｗｔ％およびＮＨ４Ｆ３５ｗｔ％含有）を用いた。ウェットエッチングの終了条件は、基板の下面のエッチング幅（図６に示した幅Ｗ１）が２００μｍに達したときとした。レーザ照射により基板内部に形成した変質部の位置は、図８の表に示したとおりである。
図８の表に示すとおり、比較例１として、基板をライン状に加工して切断するために、マスクを用いたウェットエッチングをおこなったところ、差分ｄは２５０μｍであった。同様に、比較例３として、基板にホールを形成するために、マスクを用いたウェットエッチングをおこなったところ、差分ｄ（最大径と最小径との差の１／２長さ）は２２０μｍであった。なお、比較例２、４として、基板をライン加工またはホール加工するために、マスクを用いたレーザ照射を試みたが、基板の上面にマスクがあるため、レーザがうまく集光できず変質部を形成できなかった。比較例５として、基板をライン状に加工して切断するために、レーザ照射により変質部Ｐ１～Ｐ５を形成した後に基板の上面に形成したマスクを用いてウェットエッチングをおこなったところ、差分ｄは１８０μｍであった。
それに対し、実施例１～３ではいずれも差分ｄが小さい加工をおこなうことができた。レーザ照射により変質部Ｐ１～Ｐ１５を形成した実施例１では、差分ｄは５０μｍであった。レーザ照射により変質部Ｐ１～Ｐ５、Ｐ９、Ｐ１０、Ｐ１４、Ｐ１５を形成した実施例２では、差分ｄは２５μｍであった。実施例３として、基板にホールを形成するために、レーザ照射により変質部Ｐ１～Ｐ５、Ｐ９、Ｐ１０、Ｐ１４、Ｐ１５を形成した後に基板の上面に形成したマスクを用いてウェットエッチングをおこなったところ、差分ｄは２０μｍであった。
本発明は、上述した実施形態に限らず、様々に変更することができる。たとえば、変質部の数は、１５に限らず、適宜増減することができる。変質部の段数も、５段に限らず、適宜増減することができる。変質部の数または段数を増やすことで、後続のエッチング処理の処理速度を高めることができる。レーザ照射方向から見たときの変質部の配置形状についても、ライン状や同心円状に限らず、適宜変更することができる。
第３工程では、ウェットエッチングに代えて、ドライエッチングをおこなってもよい。ドライエッチングでは、アルゴンガスプラズマを用いることができる。第２工程で、上述したマスクで基板の上面と下面の両面を覆い、第３工程のエッチング処理を基板の両面からおこなってもよい。
２０…基板、３０…マスク、３１…開口部、Ｐ、Ｐ１～Ｐ１５…変質部。

Claims (11)

  1. レーザに対して透明である無機材料基板に対して該レーザを照射し、前記無機材料基板の内部に複数の変質部を含む段を前記無機材料基板の厚さ方向に沿って複数段形成する第１工程と、
    前記変質部が内部に形成された前記無機材料基板の少なくとも一方の面を、各段における前記複数の変質部の一部が露出する開口部を有するとともに前記複数の変質部の残部と重畳するマスクで覆う第２工程と、
    前記マスクを用いて前記無機材料基板のエッチング処理をおこない、前記変質部を除去する第３工程とを含む、無機材料基板の加工方法。
  2. 前記無機材料基板が、非晶質固体または非晶質と結晶質との混成体で構成されている、請求項１に記載の無機材料基板の加工方法。
  3. 前記無機材料基板がガラスで構成されている、請求項２に記載の無機材料基板の加工方法。
  4. 前記第１工程のレーザがＹｂ：ＹＡＧピコ秒レーザである、請求項１～３のいずれか一項に記載の無機材料基板の加工方法。
  5. 前記第１工程のレーザの光路上に波長変換素子を配置して、前記波長変換素子により前記レーザの波長を可視光領域に変換する、請求項４に記載の無機材料基板の加工方法。
  6. 前記第２工程において、前記変質部の位置を基準に前記マスクの位置合わせをおこなう、請求項１～５のいずれか一項に記載の無機材料基板の加工方法。
  7. 前記第１工程において、前記レーザを用いて前記無機材料基板にアライメントマークを形成し、
    前記第２工程において、前記アライメントマークを基準に前記マスクの位置合わせをおこなう、請求項１～５のいずれか一項に記載の無機材料基板の加工方法。
  8. 前記第３工程において、前記変質部を除去して、前記無機材料基板に穴を形成する、請求項１～７のいずれか一項に記載の無機材料基板の加工方法。
  9. 前記第３工程において、前記変質部を除去して、前記無機材料基板を個片化する、請求項１～７のいずれか一項に記載の無機材料基板の加工方法。
  10. 請求項８に記載の加工方法により前記穴が形成された前記無機材料基板を製造する、無機材料基板の製造方法。
  11. 請求項９に記載の加工方法により個片化された前記無機材料基板を製造する、無機材料基板の製造方法。
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