JPH07108392A - 基板穿孔方法、装置および穿孔加工された基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板の同心円弧状フォトダイオードの中心に
100μm 以下の微小孔をフォトダイオードへの影響を最
小限に抑え短時間に安価に加工する基板穿孔方法、装置
および穿孔加工した基板を供する。 【構成】 基板表面側に形成されるフォトダイオードを
同心円弧状に複数配列し表面側に受ける回折光を検出す
る基板１の前記円弧状フォトダイオードの中心に微小孔
を形成する穿孔方法において、基板１の表面に難燃性フ
ィルム30を被覆し、レーザー光に対し基板１の裏側を対
向させるとともにレーザー光の光軸に前記円弧状フォト
ダイオードの中心を一致させて基板１を位置決めし、パ
ルス周波数10〜１00Hzで１パルス当り0.01〜0.15ＪのＹ
ＡＧレーザー光を基板１に照射して前記円弧状フォトダ
イオードの中心に直径24〜１00μｍの孔を形成すること
を特徴とする基板穿孔方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光回折法および光散乱
法による粒度分布測定に用いられる回折光および散乱光
検出基板に関する。

【０００２】

【従来技術】この種の基板は、一般にシリコン基板の表
面側にフォトダイオードを同心円弧状に複数配列したフ
ォトダイオードアレイ（ＰＤアレイ）と称されるもの
で、その一例を図１および図２に示す。

【０００３】ＰＤアレイ１のシリコン基板２は図１に示
すように厚さ約４00μｍの矩形をしており、その表面側
に中心Ｏを中心に同心半円弧状にフォトダイオード３が
複数配列されている。図２は中心部を拡大した図であ
り、斜線を施した半円弧部分がフォトダイオード３であ
り、各フォトダイオード３をセルと称す。

【０００４】中心Ｏに直径30μｍの円形のセルＣ１が形
成され、その周囲に内半径50μｍで外半径80μｍの扇形
に４分割されたセルＣ２, Ｃ３, Ｃ４, Ｃ５が形成さ
れ、各セルの外周囲には電極４がそれぞれ周設されてい
る。扇形セルＣ４，Ｃ５に周設された電極４のさらに周
囲に内径 150μｍ、外径 180μｍの半円弧状のセルＣ６
が形成され、以下セルＣ6 の径を順次大きくした半円弧
状のセルＣ７，Ｃ８，Ｃ９，…が形成されている。

【０００５】フォトダイオード３の各セルＣ６，Ｃ７，
…の円弧の端部および電極４からは電極線５が導き出さ
れて、各セルのフォトダイオード３における光強度を電
流に変換して検出できるようになっている。

【０００６】一方光回折式および光散乱式の粒度分布測
定は、図３に概略原理図を参照して以下のように行われ
る。すなわち湿式測定の場合、測定に供される粉体試料
は、適当な分散液に投入され、十分に分散されてガラス
セル７に供給される。試料は均一な分散状態を維持して
ガラスセル７内を通過する。

【０００７】このガラスセル７の測定部に照射される光
はコヒーレントな光であり一般にレーザー光が用いら
れ、ガラスセル７に投射されたレーザー光は分散媒中に
分散している粉体粒子に当たり光回折現象を起こす。回
折した光は、集光レンズ８で集められ、焦点面に配置さ
れた前記ＰＤアレイ１上にフラウンホーファの回折リン
グを結像する。

【０００８】この回折リングの光軸中心からの半径Ｒは
光源波長λおよび分散している粒子の粒径（粒子径）と
一定の関係にある。そして回折リングの所定の各半径位
置の回折光強度より各半径位置に対応する粒径の粒子の
割合を算出して粒度分布を求めることができる。

【０００９】したがってＰＤアレイ１には、粒度分布と
して表示するのに必要な各粒径に対応する半径位置にフ
ォトダイオード３を配列してそれぞれ回折光出力を検出
するようにしている。前記フォトダイオード３の円弧状
セルはかかる半径位置に配置されている。

【００１０】

【解決しようとする課題】しかしＰＤアレイ１の表面に
結像する回折光の一部は、ＰＤアレイ１上のフォトダイ
オード表面で反射し、集光レンズ８やガラスセル７に向
って戻り、１次の回折光を乱してノイズとなり、ＰＤア
レイ１が正確な１次の信号を受け取ることを妨げる。

【００１１】なお散乱式の粒度分布測定を同時に行って
いるときには前記反射光が１次の散乱光を乱すことにな
りサブミクロンセンサが正確な１次の信号を受け取るこ
とを妨げる。

【００１２】そこで従来はＰＤアレイ１を光軸に対して
いくらか傾けて設置し、鏡面反射を避ける方法が一般的
に採用されていたが、レンズとＰＤアレイが平行でない
のでＰＤアレイ上に正確な回折リングを結像できない欠
点があった。

【００１３】そこでＰＤアレイの光軸中心部分に孔を形
成してノイズの原因となる部分の回折光をＰＤアレイの
背面に逃がす方法も提案されている。

【００１４】しかし図１および図２に示すようにＰＤア
レイ１の同心円弧状に配列された、フォトダイオード３
のその中心Ｏにフォトダイオード３に影響を与えずに小
孔を形成することが難しく、従来の孔は直径で数百μｍ
程であった。

【００１５】前記したように回折リングの光軸中心から
の半径Ｒは分散している粒子の粒径と一定の関係にあ
り、中心部分に数百μｍ程度の孔があると、粒径の比較
的大きな（約７00μｍ以上）粒子の分布状態は測定でき
ず測定範囲が制限される。

【００１６】従来の加工方法としては、最初レーザー光
で下孔を開けた後にドリルで加工する方法があるが、ド
リル自体が直径１00μｍのピアノ線でダイヤモンドパウ
ダーを加えながら振動させるもので、実験の結果は、12
0 〜180 μｍの長孔が形成されたが、中心部より約５00
μｍまでセンサー表面に変色域が見られその他ドリル加
工時の切削屑により周辺のパターンに傷ができていた。

【００１７】実際直径１00μｍ以下のドリル加工はシリ
コン等加工対象物の硬度が高いためドリルの摩耗が激し
く事実上不可能であった。また超音波加工では、穿孔で
きる孔の直径は最低２00μｍ程でかつ孔の周囲の損傷が
大きい。

【００１８】またレーザー光による孔開け加工法につい
ては、従来よりＹＡＧレーザーや炭酸ガスレーザー等あ
るいはエキシマレーザーを利用することが考えられる。

【００１９】しかしＹＡＧレーザーや炭酸ガスレーザー
のレーザー光を単純にＰＤアレイの表面のフォトダイオ
ードの中心に照射して孔開け加工しても加工時にシリコ
ンが飛散して表面を汚染するとともに孔の周辺で特にフ
ォトダイオードの形成された表面側に熱の影響が大きく
結局中心部のフォトダイオードが直径１00μｍ以上の範
囲で破壊されてしまう。

【００２０】その点紫外光域のエキシマレーザーは熱の
影響が少なく加工面がきれいに仕上がるが、ＰＤアレイ
１のフォトダイオード３の中心部に直径60μｍ程度の孔
を開ける実験を試みると、約１時間程照射して約３00μ
ｍ程の深さまでしか穴が形成できず約４00μｍ厚のシリ
コン基板を貫通するには至らなかった。

【００２１】この長時間の照射で穴の周辺に酸化膜がで
き、中心部周辺のフォトダイオードが破損してしまっ
た。またエキシマレーザーは長時間の使用でコスト高と
なる。

【００２２】以上のようにＰＤアレイ１のフォトダイオ
ード３の中心に影響を与えずに１00μｍ以下の微小孔を
開けることは極めて難しい。

【００２３】本発明は、かかる点に鑑みなされたもの
で、その目的とする処は基板の同心円弧状フォトダイオ
ードの中心に１00μｍ以下の微小孔をフォトダイオード
に影響を与えずに短時間に安価に加工する基板穿孔方法
および装置を供する点にある。

【００２４】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、本発明は、基板表面側に形成されるフォ
トダイオードを同心円弧状に複数配列し表面側に受ける
回折光を検出する基板の前記円弧状フォトダイオードの
中心に微小孔を形成する穿孔方法において、前記基板の
表面に難燃性フィルムを被覆し、レーザー光に対し前記
基板の裏側を対向させるとともにレーザー光の光軸に前
記円弧状フォトダイオードの中心を一致させて前記基板
を位置決めし、パルス周波数10〜１00Hzで１パルス当り
0.01〜0.15ＪのＹＡＧレーザー光を前記基板に照射して
前記円弧状フォトダイオードの中心に直径24〜１00μｍ
の孔を形成する基板穿孔方法とした。

【００２５】パルス周波数10〜１00Hzで１パルス当たり
0.01〜0.15ＪのＹＡＧレーザーを基板裏面から照射する
ので、基板表面側に形成されたフォトダイオードは、レ
ーザー照射面である裏面程熱による影響が少なく破損領
域が孔の極く近傍に限られる。

【００２６】また加工時のシリコンの飛散も直接レーザ
ー光が照射される面でない基板表面は少なくかつ基板の
表面は難燃性フィルムで被覆されているので、シリコン
の飛散による汚染を防止できる。

【００２７】したがってレーザー光の光軸に基板の円弧
状フォトダイオードの中心を一致させて前記レーザー光
を照射することで必要とされるフォトダイオードに影響
を与えずにフォトダイオードの円弧中心に24〜１00μｍ
の孔を形成することができる。

【００２８】このような基板を粒度分布測定に用いるこ
とで、基板上に正確な回折リングを結像し、粒径の比較
的大きい７00μｍ以上の粒子でも粒度分布を精度良く測
定することができる。

【００２９】

【実 施 例】以下図４ないし図７に図示した本発明の
一実施例について説明する。図４は本実施例のレーザー
加工装置の概略構成図である。

【００３０】基台10の上にＣＣＤカメラ11が固定され、
ＣＣＤカメラ11は上方に向いた開口にチューブ12が嵌合
されチューブ12の上にレンズ13が設けられていて、レン
ズ13の上方の映像をＣＣＤカメラ11のＣＣＤ画像素子が
捕えることができる。

【００３１】このＣＣＤカメラ11の両側に加工ベンチ15
が設けられ、加工ベンチ15の上部の支持板16にワークす
わなちＰＤアレイ１がその周縁部を支持されて水平にセ
ットされる。加工ベンチ15は支持したＰＤアレイ１を上
下左右前後に移動可能である。

【００３２】レンズ13の上方には、レーザー光の射出ノ
ズル20が射出口を垂直下方に向けて固定され、その上方
には集光レンズ21が配設されて、集光レンズ21にＹＡＧ
レーザー光が入射される。集光レンズ21、射出ノズル2
0、レンズ13、チューブ12、ＣＣＤカメラ11の画像素子
は全てレーザー光の光軸に一致している。

【００３３】ここに使用される射出ノズル20は、図５に
図示するように取付ネジ部20a の端部のフランジ20b か
ら先細の円錐形に先端円錐部20c が形成され、先端円錐
部20c の基端の外径は12mm、先端外径は２mm、内部の貫
通孔の先端内径は１mmの形状をしている。

【００３４】加工ベンチ15には支持されるＰＤアレイ１
のフォトダイオード３の形成された表面には、予め約 2
00μｍのポリイミドフィルム30を２枚被覆しておき、ポ
リイミドフィルム30の被覆された表面側を下方に向けて
加工ベンチ15の支持板16にセットする。

【００３５】したがってＰＤアレイ１の裏側が上方を向
いてレーザー光の照射される側となり、フォトダイオー
ド３が形成されポリイミドフィルム30が被覆された表面
側がレンズ13に対向してＣＣＤカメラ11に向く。

【００３６】したがってＣＣＤカメラ11によりＰＤアレ
イ１の表面の映像を撮し取り、その画像を見ながら加工
ベンチ15を操作しＰＤアレイ１を前後左右に移動して、
ＰＤアレイ１の同心円弧状のフォトダイオード３の中心
Ｏが光軸に一致するように調整し位置合わせをする。

【００３７】なお位置合わせ後はレンズ13の上に保護カ
バー22を被せＣＣＤカメラ11等をレーザー光から保護す
るようにする。

【００３８】本実施例では、ＰＤアレイ１の表面でのレ
ーザー光のビーム径が50μｍとなるべくＰＤアレイ１の
上下位置を加工ベンチ15により調整する。

【００３９】本例で使用するＹＡＧレーザー装置（住友
重機械工業K.K.モデルＭＳ35ＬＤ）は最大出力25ＷのＹ
ＡＧレーザー光（波長1.06μｍ）を照射することがで
き、今回の試験では、パルス周波数100Hz 、１パルス当
り0.08Ｊに設定し、キャリーガスとして酸素ガスを用い
て加工を行った。

【００４０】加工時間６秒でトータル 600パルスの加工
を行った結果のＰＤアレイ１を図６に示す。ＰＤアレイ
１の孔径は約55μｍであり、加工後周辺部への焦げつき
があるが、エタノールで拭き取ることにより表面はきれ
いになる。この焦げつきはポリイミドフィルム30が熱に
より炭化したものと考えられる。

【００４１】図６に示すように外観上は、図２に示す加
工前の中心のフォトダイオードのセルＣ１は完全に消滅
して孔40となっており、その周囲のセルＣ２，Ｃ３，Ｃ
４，Ｃ５には孔が形成されていない。

【００４２】しかしフォトダイオード３の熱等による損
傷を調べるため、電気的特性を試験した結果を図７に示
す。各セルに10mVの電圧を印加したときの暗電流を計測
したもので、加工前は全て１pAであったものが、外半径
80μｍ内のセルＣ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５は、それぞれ1
5，52，3260，86pAとなり、特にセルＣ４が損傷が大き
い。

【００４３】しかしセルＣ４でも十分使用可能で結局損
傷の範囲は孔の周囲の極めて近い部分に限られている。

【００４４】以上のように所定のＹＡＧレーザー光をＰ
Ｄアレイ１の裏側から照射することで、直径約55μｍの
孔を形成することができ、熱によるフォトダイオード３
への影響を最小限に抑えるこができる。またＰＤアレイ
１の表面をポリイミドフィルム30により被覆しているの
で、加工時のシリコンの飛散から表面を保護することが
できフォトダイオード３への影響を防止できる。

【００４５】こうしてフォトダイオード３の中心に55μ
ｍの小孔を形成されたＰＤアレイ１を粒度分布測定に用
いることで、比較的粒径の大きい粒子まで高精度に分布
測定ができ、適用範囲が広くなる。

【００４６】なおＹＡＧレーザー光の設定は、パルス周
波数は最大で100Hz とし、１パルス当り0.01〜0.10Ｊの
出力で４〜12秒加工することで、孔径24〜 100μｍの孔
を形成することが可能である。キャリーガスとしては酸
素ガスのほか、窒素ガス、アルゴンガスが使用できる。

【００４７】また同キャリーガスの下でパルス周波数は
最小10Hzで１パルス当り0.01〜0.15Ｊの出力で３〜10秒
加工することでも孔径24〜 100μｍの孔を形成すること
ができる。

【００４８】以上のようにＹＡＧレーザーを用いている
ので、加工時間も短かく、コストも低く抑えることがで
きるものである。

【００４９】

【発明の効果】本発明は、パルス周波数10〜100Hz で１
パルス当り0.01〜0.15ＪのＹＡＧレーザーを難燃性フィ
ルムで表面を保護した基板を位置決めして裏側から照射
することで、同心円弧状のフォトダイオードの中心に直
径24〜 100μｍの孔を形成し、加工時のフォトダイオー
ドへの熱の影響を最小限に抑えることができる。

【００５０】同心円弧状のフォトダイオードの中心に直
径24〜 100μｍの孔を形成した基板を粒度分布測定に用
いることで、粒径の比較的大きな粒子の粒度分布まで高
精度に計測することができ、適用範囲を広げることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＰＤアレイの平面図である。

【図２】加工前のＰＤアレイの中心部の拡大図である。

【図３】粒度分布測定の概略原理図である。

【図４】本発明に係る一実施例のレーザー加工装置の概
略構成図である。

【図５】同装置に使用された射出ノズルの形状を示す側
面図である。

【図６】加工後のＰＤアレイの中心部の拡大図である。

【図７】ＰＤアレイのフォトダイオードの電気的特性試
験の結果を示す図である。

【符号の説明】

１…ＰＤアレイ、２…シリコン基板、３…フォトダイオ
ード、４…電極、５…電極線、７…ガラスセル、８…集
光レンズ、10…基台、11…ＣＣＤカメラ、12…チュー
ブ、13…レンズ、15…加工ベンチ、16…支持板、20…射
出ノズル、21…集光レンズ、22…保護カバー、30…ポリ
イミドフィルム、40…孔。

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【手続補正書】

【提出日】平成５年１１月２４日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項２

【補正方法】変更

【補正内容】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 31/10 // Ｈ０１Ｌ 21/268 Ｚ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板表面側に形成されるフォトダイオー
   ドを同心円弧状に複数配列し表面側に受ける回折光を検
   出する基板の前記円弧状フォトダイオードの中心に微小
   孔を形成する穿孔方法において、 前記基板の表面に難燃性フィルムを被覆し、 レーザー光に対し前記基板の裏側を対向させるとともに
   レーザー光の光軸に前記円弧状フォトダイオードの中心
   を一致させて前記基板を位置決めし、 パルス周波数10〜１00Hzで１パルス当り0.01〜0.15Ｊの
   ＹＡＧレーザー光を前記基板に照射して前記円弧状フォ
   トダイオードの中心に直径24〜１00μｍの孔を形成する
   ことを特徴とする基板穿孔方法。
2. 【請求項２】 基板表面側に形成されるフォトダイオー
   ドを同心円弧状に複数配列した基板と、 前記基板の表面に被覆する難燃性フィルムと、 ＹＡＧレーザー光を照射するレーザー照射手段と、 前記レーザー照射手段のレーザー照射方向定位置に配設
   された光センサーと、 前記難燃性フィルムを表面に被覆した基板を前記レーザ
   ー照射手段と前記光センサーとの間で裏側を前記レーザ
   ー照射手段方向に向けて移動自在に支持する支持手段と
   を備え、 光センサーの検出信号をもとに前記基板を移動して同心
   円弧状のフォトダイオードの中心を前記レーザー照射手
   段の光軸に一致するように位置決めして前記レーザー照
   射手段を作動し、パルス周波数10〜１00Hzで１パルス当
   り0.01〜0.15ＪのＹＡＧレーザー光を照射して前記円弧
   状フォトダイオードの中心に直径24〜１00μｍの孔を形
   成することを特徴とする基板穿孔方法。
3. 【請求項３】 基板表面側に形成されるフォトダイオー
   ドを同心円弧状に複数配列し、同円弧状フォトダイオー
   ドの中心に直径24〜１00μｍ孔を形成したことを特徴と
   する基板。