(57)【要約】【課題】レーザ照射の際に保護膜が剥離しにくく、デブリの基板への付着を確実に防止し、高い歩留まりや信頼性を維持できるＳｉ基板のレーザ加工方法を提供する。【解決手段】Ｓｉ基板のレーザ加工方法は、単結晶Ｓｉ基板１の表面に、ポリビニルアルコールやポリビニルピロリドンなどの親水性樹脂の水溶液をスピンコータで塗布して、厚み２５０ｎｍ以下の保護膜２を形成する工程と、保護膜２を介してＳｉ基板１にパルスレーザ光３を照射して、穴開け加工を行う工程と、保護膜２を、純水などの溶媒に溶解して除去する工程とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板の表面に、親水性樹脂を用いて厚み２５０ｎｍ以下の保護膜を形成する工程と、
保護膜を介してＳｉ基板にパルスレーザ光を照射して、穴開け加工を行う工程と、
保護膜を溶媒に溶解して、除去する工程と、を含むことを特徴とするＳｉ基板のレーザ加工方法。
【請求項２】
パルスレーザ光のパルスエネルギーをＥ［μＪ］、保護膜の厚みをＴ［ｎｍ］として、
Ｔ≦２１０−３９０×ｅｘｐ（−０．０３５×Ｅ）
を満足することを特徴とする請求項１記載のＳｉ基板のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザ光を用いたＳｉ基板のレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子回路基板の作成時のレーザ加工プロセスにおいて、クズの発生や回路損傷を防ぐために、下記特許文献１では、ポリビニルアルコール水溶液を塗布して、セラミック基板の部品搭載面全面に保護膜を形成した後、レーザビームを照射してレーザースクライブ加工溝を加工し、最後に、水を用いて保護膜を除去するようにしたレーザースクライブ加工方法が提案されている。
【０００３】
また、下記特許文献２では、被処理基板の上に第１ポリマ膜を被覆し、第１ポリマ膜の上に第２ポリマ膜を形成した後、レーザ照射によりアブレーション加工を行ってビアホールを形成し、最後に、第２ポリマ膜を除去するようにしたレーザアブレーション加工方法が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２１１３８１号公報
【特許文献２】特開平５−１８５２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
単結晶Ｓｉ基板のレーザ穴開け加工時に、レーザ照射によって生じるデブリ（残渣）が基板表面に付着すると、製品の歩留まり及び信頼性が低下する。デブリのＳｉ基板への付着を抑制するために、ポリビニルアルコールからなる保護膜を形成後、レーザ加工を実施すると、レーザ照射により保護膜が剥離することがある。特に、加工穴を深くするために同じ場所に複数のレーザパルスを照射する場合、先のパルス照射によって保護膜が剥離して基板が露出してしまうと、後のパルス照射によって発生したデブリが基板表面に付着するという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題点を解決するために、レーザ照射の際に保護膜が剥離しにくく、デブリの基板への付着を確実に防止し、高い歩留まりや信頼性を維持できるＳｉ基板のレーザ加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るＳｉ基板のレーザ加工方法は、
Ｓｉ基板の表面に、親水性樹脂を用いて厚み２５０ｎｍ以下の保護膜を形成する工程と、
保護膜を介してＳｉ基板にパルスレーザ光を照射して、穴開け加工を行う工程と、
保護膜を溶媒に溶解して、除去する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、保護膜の厚みを２５０ｎｍ以下に制限することによって、レーザ照射による保護膜の剥離を防止することができる。その結果、レーザ加工により発生したデブリは、保護膜の上に捕捉され、Ｓｉ基板へ直接付着するのを確実に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明に係るレーザ加工方法の一例を示す説明図である。最初に、レーザ光学系について説明する。レーザ発振器４から発生したレーザ光３は、伝送ミラー５により伝送され、マスク６を照射する。このとき、マスク６におけるレーザビームの大きさは、マスク６の開口の直径より大きくなるように設定する。マスク６を通過するレーザビームの形状は、マスク６の開口により決定される。
【００１０】
マスク６を通過したレーザ光は、照射ミラー７により伝送され、転写レンズ８を通して単結晶Ｓｉ基板１を照射し、基板表面を局所的に加熱することで、穴開け加工を行う。転写レンズ８は、マスク６の開口をＳｉ基板１の表面に縮小転写する機能を有する。本光学系では、基板上のレーザビームの形状は、マスク６の開口の形状及び転写倍率で決定されるため、レーザ発振器４の出力エネルギーが変化した場合も、加工穴の径が変化しないという利点がある。
【００１１】
代替として、マスク６を光路中に挿入せずに、転写レンズ８だけでレーザ光をＳｉ基板１の表面に集光して、穴開け加工を実施することも可能である。この場合、レーザ発振器４の出力エネルギーが変化すると、加工穴の径が変化するため、安定したレーザ出力が要求される。しかし、マスク６によって反射、吸収されるレーザエネルギーも全て加工に利用でき、エネルギーの利用効率が向上するため、低出力のレーザ発振器が使用でき、省コスト化や光学部品の長寿命化が図られるという利点がある。本発明は、マスク６を挿入した転写光学系やマスク無しの光学系の何れにも適用可能である。
【００１２】
本実施形態では、マスク６を使用した縮小転写の光学系を使用し、マスク６の開口はφ０．６ｍｍとし、転写レンズ８により１／２０倍に縮小して、φ３０μｍの穴開け加工を実施する場合を例示する。
【００１３】
使用したレーザ発振器４は、波長３５５ｎｍ、繰り返し周波数２０ｋＨｚ、ビーム品質Ｍ２＝１．２のＬＤ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ３倍波レーザである。Ｓｉ基板１の表面における加工点のレーザのエネルギーは、６０μＪである。
【００１４】
なお、ここではＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍波レーザを用いたが、その他に、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザなどの基本波（波長１０６４ｎｍ）、２倍波（波長５３２ｎｍ）、４倍波（波長２６６ｎｍ）、５倍波（波長２１３ｎｍ）などが使用可能である。特に、本発明では波長を４００ｎｍ以下に選定することが好ましく、Ｓｉの吸収係数が高いために侵入長が短く、ダメージの少ない加工が可能である。
【００１５】
こうした紫外領域のレーザとしては、固体レーザの他に、エキシマレーザがある。エキシマレーザは、一般に、Ｍ２＝数１０〜数１００とビーム品質が悪いため集光性が低く、数十μｍといった小径の穴を加工するためには、マスク転写加工が必須となる。また、エキシマレーザは、一般に、繰り返し周波数が数ｋＨｚ以下である。生産性を向上させるには多点開口のマスクを使用したマスク転写方式が考えられるが、回路パターンによりマスクを変更する必要があるため、設計変更の自由度は低下する。従って、高い繰り返し周波数のＬＤ励起固体レーザを使用することが好ましく、これにより生産性と自由度を両立させることが可能である。
【００１６】
Ｓｉ基板１は、２次元の位置決めが可能なＸＹステージ９上に設置することにより、レーザ照射位置を調整することができる。代替として、転写レンズ８としてＦθレンズを使用し、照射ミラー７としてｘ軸方向およびｙ軸方向に回転可能な２枚のガルバノミラーを使用し、各ガルバノミラーの偏向角をそれぞれ調整することによって、Ｓｉ基板１上のレーザ光の照射位置を調整することが可能になり、これにより高速なレーザ加工を実現できる。
【００１７】
レーザ加工時に生じるスパッタやデブリの付着により、光学系が汚染されるのを防止するために、加工点及び転写レンズの周囲に乾燥空気によるエアブローを行いながら、レーザ加工を実施することが好ましい。
【００１８】
図２は、レーザ照射時の加工状態を示す断面図である。まずレーザ照射を開始する前に、単結晶Ｓｉ基板１の加工対象となる表面に、親水性樹脂を用いて厚み２５０ｎｍ以下の保護膜２を形成する。保護膜２は、親水性樹脂の水溶液をスピンコータにより塗布した後、乾燥させたものである。親水性樹脂としては、入手容易性や除去容易性の点で、ポリビニルアルコールまたはポリビニルピロリドンを用いることが好ましい。
【００１９】
次に、保護膜２を介してＳｉ基板１にレーザ光３を照射し、レーザ照射部の保護膜２を除去し、更に同位置に複数のパルスレーザ光３を照射することで、Ｓｉ基板１上にレーザ加工穴１０を形成する。本実施形態では、１つのレーザ加工穴１０を形成する際、２０個のレーザパルスを照射した場合を例示する。なお、１つのレーザ加工穴１０に照射するレーザパルス数を変化させることで、加工穴の深さを変化させることができる。このとき、基板上のレーザビームの形状は変化しないため、レーザ加工穴１０の直径は、パルス数に依存して変化することはなく、一定である。
【００２０】
最後に、レーザ照射が完了すると、Ｓｉ基板１を溶媒中に浸漬したり、Ｓｉ基板１に溶媒を噴射することによって、保護膜２を溶解除去する。溶媒は、使用する親水性樹脂に応じて適宜選択でき、ポリビニルアルコールまたはポリビニルピロリドンの場合、例えば、純水などが使用できる。
【００２１】
Ｓｉ基板１を加工する際、デブリ１１が生じて、保護膜２上に付着する。このとき、先のパルス照射によって保護膜が剥離して基板が露出してしまうと、後のパルス照射によって発生したデブリが基板表面に付着することがある。この原因は、保護膜２のＳｉ基板１への密着性が低いためと考えられる。さらに、高繰り返し周波数のレーザを使用すると、短時間で多数の穴開け加工が実施可能になるが、このとき基板１や保護膜２に熱が蓄積されて、膜の剥離に悪影響を及ばすことも考えられる。
【００２２】
図３は、厚み１μｍの保護膜を設けたときのレーザ加工穴の光学顕微鏡画像である。単結晶Ｓｉ基板の表面中央を観察すると、レーザ照射部にレーザ加工穴が形成されており、その周囲において保護膜が裂けて剥離しており、露出した基板表面にデブリが付着していることが判る。このデブリは、流水で洗浄しても、除去することはできなかった。
【００２３】
これに対して、親水性樹脂水溶液を基板に塗布する際、スピンコータの回転数を上げて保護膜の厚みを２５０ｎｍ以下に設定すると、熱影響領域を低減できるため、レーザ照射時に保護膜が剥離するのを防止することが可能であった。
【００２４】
図４は、レーザエネルギーと保護膜厚みを変化させたときに良好な加工が得られる条件を示すグラフである。横軸はレーザエネルギーＥ［μＪ］、縦軸は保護膜厚みＴ［ｎｍ］である。上述のように保護膜の厚みを２５０ｎｍ以下に設定することにより、保護膜の剥離を抑制できる。
【００２５】
さらに、各種実験の結果、パルスレーザ光のパルスエネルギーをＥ［μＪ］、保護膜の厚みをＴ［ｎｍ］として、
Ｔ≦２１０−３９０×ｅｘｐ（−０．０３５×Ｅ）    …（１）  
を満たすことによって、レーザ加工穴の縁周辺の保護膜のこびりつきを抑制でき、良好な加工が得られることが判った。なお、ｅｘｐ（ｘ）は、自然対数の底を用いた指数関数である。
【００２６】
図５〜図９は、図４中の条件（１）〜（５）におけるレーザ加工直後および純水による洗浄後の様子をそれぞれ示す光学顕微鏡画像である。図５を見ると、図４中の条件（１）では保護膜の厚みが２５０ｎｍより大きいため、レーザ加工直後では保護膜が剥離していることが判る。純水による洗浄後もデブリや保護膜のこびりつきが観測された。
【００２７】
図６を見ると、図４中の条件（２）では、レーザ加工直後は保護膜が剥離してないが、レーザ加工穴の縁周辺に保護膜がこびりつき、洗浄後でも、除去しきれずに残ったデブリや保護膜が観測された。
【００２８】
図７を見ると、図４中の条件（３）は上記の式（１）を満たしており、レーザ加工穴の縁周辺のこびりつきも少なく、純水の洗浄によりデブリや保護膜残りはほとんど観察されなかった。
【００２９】
図８を見ると、図４中の条件（４）では、レーザ加工直後は保護膜が剥離してないが、レーザ加工穴の縁周辺に保護膜がこびりつき、洗浄後でも、除去しきれずに残ったデブリや保護膜が観測された。
【００３０】
図９を見ると、図４中の条件（５）は上記の式（１）を満たしており、レーザ加工穴の縁周辺のこびりつきも少なく、純水の洗浄によりデブリや保護膜残りはほとんど観察されなかった。
【００３１】
以上より、保護膜厚みは２５０ｎｍ以下とすることが必要であり、さらに上記の式（１）を満たすことが望ましいことが判る。なお、スピンコータにより保護膜を塗布する場合、保護膜の厚みはスピンコータの回転数によって制御可能であり、その厚み下限は回転数上限に依存する。本実施形態では、最も薄い保護膜で３０ｎｍの膜厚が得られ、この膜厚３０ｎｍにおいても、デブリ抑制効果は十分確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るレーザ加工方法の一例を示す説明図である。
【図２】レーザ照射時の加工状態を示す断面図である。
【図３】厚み１μｍの保護膜を設けたときのレーザ加工穴の光学顕微鏡画像である。
【図４】レーザエネルギーと保護膜厚みを変化させたときに良好な加工が得られる条件を示すグラフである。
【図５】図４中の条件（１）におけるレーザ加工直後および純水による洗浄後の様子を示す光学顕微鏡画像である。
【図６】図４中の条件（２）におけるレーザ加工直後および純水による洗浄後の様子を示す光学顕微鏡画像である。
【図７】図４中の条件（３）におけるレーザ加工直後および純水による洗浄後の様子を示す光学顕微鏡画像である。
【図８】図４中の条件（４）におけるレーザ加工直後および純水による洗浄後の様子を示す光学顕微鏡画像である。
【図９】図４中の条件（５）におけるレーザ加工直後および純水による洗浄後の様子を示す光学顕微鏡画像である。
【符号の説明】
【００３３】
１  単結晶Ｓｉ基板、  ２  保護膜、  ３  レーザ光、４  レーザ発振器、
５  伝送ミラー、  ６  マスク、  ７  照射ミラー、  ８  転写レンズ、
９  ＸＹステージ、  １０  レーザ加工穴、  １１  デブリ（残渣）。
【図１】
2010005629.tif 000003
【図２】
2010005629.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010005629.tif 000007
【図６】
2010005629.tif 000008
【図７】
2010005629.tif 000009
【図８】
2010005629.tif 000010
【図９】
2010005629.tif 000011