(57)【要約】【課題】基板に高速に多数の穴を形成すること。【解決手段】ステップＳ１で基板に対して開口位置にレーザ光を同心円状に照射し、照射の半径を徐々に小さくする。ステップＳ２・・・でもステップ毎に最大照射走査半径が小さくなるようにして、レーザ光を照射する。こうすればテーパー状の穴を高速で形成することができる。又テーパー状の穴の内壁斜面にレーザ光を照射することによって、壁面に付着したデブリを除去することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源を用いた基板の穴あけ加工方法であって、
レーザ光源を基板に導き、レーザ光を最大走査半径による環状走査を含め同心円状に走査することにより円形の穴を形成する第１のステップと、
第ｉ（ｉ＝１〜ｎ−１：ｎは２以上の自然数）のステップの終了後にレーザ光を基板に導き、第ｉのステップの最大走査半径よりも小さい最大走査半径による走査を含め同心円状に走査することにより、円形の穴を形成する第ｉ＋１のステップと、を有する基板の穴あけ加工方法。
【請求項２】
前記第１〜第ｎの各ステップは、当該ステップの最大走査半径と、その環状の走査により形成される円の内側にレーザ光の走査半径を順次変化させた同心円状の少なくとも１つの走査半径による走査を含んでレーザ光を照射するものである請求項１記載の基板の穴あけ加工方法。
【請求項３】
前記第１〜第ｎの各ステップは、１以上のレイヤーから成り、各レイヤーは、当該ステップの最大走査半径と、その環状の走査により形成される円の内側にレーザ光の走査半径を順次変化させた同心円状の少なくとも１つの走査半径による走査を含んでレーザ光を照射するものである請求項１記載の基板の穴あけ加工方法。
【請求項４】
レーザ光源を用いた基板の穴あけ加工方法であって、
レーザ光源を基板に導き、レーザ光を最大走査半径による環状走査を含め同心円状に走査することにより円形の穴を形成する複数のレイヤーから成り、
各レイヤーはその焦点位置を異ならせたものである基板の穴あけ加工方法。
【請求項５】
前記第ｎのステップの終了後に、第１〜第ｎのステップによって形成された穴の内壁斜面に向けて同心円状にレーザ光を環状に走査する第ｎ＋１のステップを有する請求項１〜４のいずれか１項記載の基板の穴あけ加工方法。
【請求項６】
レーザ光源を用いた基板の穴あけ加工装置であって、
基板の支持手段、
レーザ光源、
レーザ光源から発振されたレーザ光を集光する集光手段、
前記集光手段によって集光されたレーザ光を当該レーザ光の焦点位置を同一とした同一レイヤー内で最大走査半径による環状走査を含め同心円状に複数回走査する走査手段、
前記レーザ光の焦点位置を順次深くする焦点位置調整手段、
前記走査手段による第ｉ＋１（ｉ＝１〜ｎ−１：ｎは２以上の自然数）番目のレイヤーにおける走査を、それよりも焦点位置の浅い第ｉ番目のレイヤーにおける最大走査半径よりも小さい最大走査半径による走査とする制御手段、を有する基板の穴あけ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の基板（例えば、半導体ウエハ（例えば、シリコンウエハ）やその他の脆性材料基板（例えば、ガラス基板、アルミナ基板、サファイア基板）等）に対してレーザ光源を用いて穴あけ加工をする加工方法及び加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来半導体ウエハに穴をあける際にはドライエッチングを用いて半導体ウエハに穴あけ加工を行ったり、特許文献１に示すようにＹＡＧレーザを用いて穴あけ加工を行っていた。又特許文献２には紫外線パルスレーザを用いて半導体ウエハに穴あけ加工を行う加工方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２３９７６５号公報
【特許文献２】特開２００４−２０９５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるに従来のレーザ加工方法において、半導体ウエハなどの基板に多数の穴を設ける必要があり、穴あけ加工のタクトタイムを短縮することが求められていた。
【０００５】
又レーザ光を用いて穴加工をする場合、穴の内側の斜面に基板を粉砕した破片（デブリ）が溶融して付着し、容易には除去できないという問題点があった。
【０００６】
本発明はこのような従来の穴あけ加工方法の問題点に鑑みてなされたものであって、穴あけ加工を高速で行うと共に、穴の壁面に付着するデブリを効果的に除去できる穴あけ加工方法及び穴あけ加工装置を提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題を解決するために、本発明の基板の穴あけ加工方法は、レーザ光源を用いた基板の穴あけ加工方法であって、レーザ光源を基板に導き、レーザ光を最大走査半径による環状走査を含め同心円状に走査することにより円形の穴を形成する第１のステップと、第ｉ（ｉ＝１〜ｎ−１：ｎは２以上の自然数）のステップの終了後にレーザ光を基板に導き、第ｉのステップの最大走査半径よりも小さい最大走査半径による走査を含め同心円状に走査することにより、円形の穴を形成する第ｉ＋１のステップと、を有するものである。
【０００８】
ここで前記第１〜第ｎの各ステップは、当該ステップの最大走査半径と、その環状の走査により形成される円の内側にレーザ光の走査半径を順次変化させた同心円状の少なくとも１つの走査半径による走査を含んでレーザ光を照射するものであってもよい。
【０００９】
ここで前記第１〜第ｎの各ステップは、１以上のレイヤーから成り、各レイヤーは、当該ステップの最大走査半径と、その環状の走査により形成される円の内側にレーザ光の走査半径を順次変化させた同心円状の少なくとも１つの走査半径による走査を含んでレーザ光を照射するものであってもよい。
【００１０】
この課題を解決するために、本発明の基板の穴あけ加工方法は、レーザ光源を用いた基板の穴あけ加工方法であって、レーザ光源を基板に導き、レーザ光を最大走査半径による環状走査を含め同心円状に走査することにより円形の穴を形成する複数のレイヤーから成り、各レイヤーはその焦点位置を異ならせたものである。
【００１１】
ここで前記第ｎのステップの終了後に、第１〜第ｎのステップによって形成された穴の内壁斜面に向けて同心円状にレーザ光を環状に走査する第ｎ＋１のステップを有するようにしてもよい。
【００１２】
この課題を解決するために、本発明の基板の穴あけ加工装置は、レーザ光源を用いた基板の穴あけ加工装置であって、基板の支持手段（テーブル等）、レーザ光源、レーザ光源から発振されたレーザ光を集光する集光手段、前記集光手段によって集光されたレーザ光を当該レーザ光の焦点位置（集光点の基板表面からの基板厚み方向への深さ位置。以下、同様とする）を同一とした同一レイヤー内で最大走査半径による環状走査を含め同心円状に複数回走査する走査手段、前記レーザ光の焦点位置を順次深くする焦点位置調整手段、前記走査手段による第ｉ＋１（ｉ＝１〜ｎ−１：ｎは２以上の自然数）番目のレイヤー（第ｉ＋１のステップ）における走査を、それよりも焦点位置の浅い第ｉ番目のレイヤー（第ｉのステップ）における最大走査半径よりも小さい最大走査半径による走査とする制御手段、を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
このような特徴を有する本発明によれば、複数のステップ（レイヤー）でレーザ光の走査半径を順次変化させて同心円状に走査しているため、断面がテーパー状となる穴あけ加工を高速で行うことができる。又請求項５の発明によれば、テーパー状で穴の内面に付着したデブリを効果的に除去することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明の実施の形態によるレーザ加工方法を実現するレーザ加工装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は本発明の第１の実施の形態によるレーザ加工の前後の基板の一部を示す断面図である。
【図３】図３は第１の実施の形態によるレーザ加工方法の加工ステップを示す図である。
【図４】図４は第１の実施の形態による加工方法のステップとレイヤー及びレーザ走査半径の一例を示す図である。
【図５】図５は第１の実施の形態によるレーザ加工方法のデブリ除去ステップを示す断面図である。
【図６】図６は本発明の第２の実施の形態によるレーザ加工方法のステップとレイヤー及び各レイヤーの走査半径の一例を示す図である。
【図７】図７は本発明の第３の実施の形態によるレーザ加工方法のレーザ走査半径と焦点位置の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態に用いられるレーザ加工装置の概略構成を示す図である。本図に示すようにレーザ加工装置１０はレーザ光源１１を有している。レーザ光源１１は例えばピコ秒ＵＶレーザ，ピコ秒グリーンレーザ，ＣＯ2レーザなどパルス状にレーザ光を照射することができる光源とする。そしてこのレーザ光源１１の出力はミラー１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介してガルバノミラー１３に導かれる。ガルバノミラー１３はｘ軸方向及びこれと垂直なｙ軸方向にレーザ光源を微小に走査する１組のミラー１３ｘ，１３ｙで構成されており、コントローラ１４からの制御に基づいてレーザ光を任意の方向に走査することができる。ガルバノミラー１３で反射されたレーザ光はｆθレンズ１５を介して基板２０上に導かれる。又ｆθレンズ１５はガルバノミラー１３で決定された光路にかかわらず基板２０上に垂直にレーザ光を照射し、基板上に焦点を結ぶように集光するものである。基板２０はテーブル１６上に配置され、テーブル１６はＸＹステージ１７上に保持されており、ＸＹステージ１７によって基板２０をテーブル面上で２方向に移動させることができる。コントローラ１４は後述するようにガルバノミラー１２とレーザ光源１１，ＸＹステージ１７を制御し、基板２０上にレーザ光を照射して基板に穴あけ加工を行うように制御するものである。
【００１６】
加工対象となる基板２０は、ガラス，アルミナ，サファイア等の基板や半導体ウエハとする。ここでは基板２０について、例えば直径数十μｍの微細な多数の穴を設けるものとする。
【００１７】
次にレーザ加工装置を用いた加工方法について説明する。本実施の形態では１つの穴について以下のステップＳ１〜Ｓ４の工程で穴あけ加工を行う。図２（ａ），（ｂ）は加工対象となるサファイア基板２０の一部の穴あけ加工前後を示す断面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は加工中の断面を示しており、図４は各ステップとレイヤー及び各レイヤーの走査半径の変化の例を示す図である。
【００１８】
まずステップＳ１において、図３（ａ）に示すようにレーザ光を基板２０に対してその表面を焦点として垂直に所定の径となるように環状に照射する。このとき図３，図４に示すように穴あけの位置を中心として最大走査半径Ｒ１１でレーザ光源からのレーザ光を走査して環状に照射する。次にこれよりわずかに径の小さいＲ１２となるように環状に同心円となるようにレーザ光を照射する。更に半径を順次小さくＲ１３，Ｒ１４として同心円状にレーザ光を照射する。これを第１レイヤーＬ１とすると、第１レイヤーの照射の終了後に浅い円形の穴を形成することができる。次いで第２レイヤーＬ２においてもこれと同様に半径Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４で同一位置にレーザ光の走査半径を順次小さく、基板の穴の表面を焦点位置として同心円状に照射して第１ステップＳ１を終える。この第１ステップＳ１の照射が終了すれば、図３（ａ）に示すように最外周を斜面としてほぼ同一深さの浅い円形の穴を形成することができる。
【００１９】
次にステップＳ２において、まずレイヤーＬ３の加工を行う。レイヤーＬ３では図３（ｂ）に示すようにレイヤーＬ１，Ｌ２と中心が等しい同心円としてステップＳ１の最大走査半径Ｒ１１よりわずかに小さい最大走査半径Ｒ３１で基板の穴の表面を焦点位置としてレーザ光を環状に照射する。次に最大走査半径Ｒ３１よりわずかに小さい走査半径Ｒ３２で同心円状に走査する。更により小さい走査半径Ｒ３３として同心円状にレーザ光を照射する。このような走査によりレイヤーＬ３ではステップＳ１で形成した穴よりやや深い穴を形成することができる。そしてレイヤーＬ４においてもこれと同様の半径Ｒ４１，Ｒ４２，Ｒ４３で同一位置にレーザ光の走査半径を順次小さく、基板の穴の表面を焦点位置として同心円状に繰り返す。更にレイヤーＬ５についてもレイヤーＬ３と同様に半径Ｒ５１，Ｒ５２，Ｒ５３として環状に順次レーザ走査半径を小さくしながら基板の穴の表面を焦点位置としてレーザ光を照射する。この第２ステップＳ２の照射を終了すると、図３（ｂ）に示すように図３（ａ）よりやや深い同心円状の穴を形成することができる。
【００２０】
次にステップＳ３において、図３（ｃ）に示すようにこの前回の同心円と中心が等しく最大の径がより小さい第３のステップで形成された基板の穴の表面を焦点位置として同心円状にレーザ光を照射する。第３ステップでは半径をＲ６１，Ｒ６２とする。こうすれば第３ステップを終了すると、より深い穴２１を形成することができる。
【００２１】
こうすればステップＳ１に比べてステップＳ２，Ｓ３では順次最外周のレーザ走査半径を徐々に小さくしているため、全てステップＳ１と同一の走査半径としている場合に比べて１つの穴に対するレーザの走査を高速で終了することができる。従って穴の断面がテーパー状となる穴あけ加工の時間を短くすることができるという効果が得られる。
【００２２】
尚この実施の形態では図３に示すようにステップＳ１〜Ｓ３で順次最大走査半径を小さくして同心円状にレーザ光を照射するようにしているが、２以上のステップであれば任意の回数とすることができる。即ち第ｎ（ｎは２以上の自然数）のステップを用いて複数ステップＳｉ（ｉ＝１〜ｎ）で順次走査半径を異ならせてレーザ光を照射し、穴を形成することができる。又各ステップでは、最も小さい走査半径から順次最大走査半径まで半径を大きくしながら走査してもよい。
【００２３】
又この実施の形態では貫通しない深い穴を形成するようにしているが、貫通孔となるようにレーザ光を照射してもよい。この場合もレーザ走査半径を小さくしつつ複数ステップでレーザ光を照射すれば、貫通孔とすることができる。
【００２４】
さて図３（ａ）〜（ｃ）に示すステップＳ１〜Ｓ３を終了すると、黒丸で示すように基板の破片が高温によって溶融してデブリとして穴の周囲や内壁の斜面に再固着し、堆積してしまう。特に穴の壁面に強固に付着しているデブリは、洗浄では容易に除去することができない。そこでステップＳ１〜Ｓ３までの穴あけ加工を終了した後、デブリ除去のステップを加えるようにしてもよい。即ちデブリ除去のステップでは、図５に示すように、ステップＳ４で穴の壁面全体をレーザ光で照射する。この場合、ステップＳ１の最大走査半径Ｒ１１とほぼ等しい走査半径Ｒ７１で環状にレーザ光を照射する。次に走査半径Ｒ７１よりやや小さい走査半径Ｒ７２で同心円状にレーザ光を照射する。こうすれば穴の壁面に付着したデブリを除去することができる。このとき夫々レーザ光が照射される壁面の深さに応じた焦点位置となるようにレーザ光を照射することもできる。ただし、フルエンスが足りていれば、焦点が合っていなくてもデブリの除去をすることができるため、焦点位置を変えることなくレーザ光を照射することもできる。焦点位置を変えることなくデブリを除去できる場合には、焦点位置の調整（ｚ軸送り）が不要のため、短時間でデブリを除去することができる。
【００２５】
この壁面へのレーザ光の照射は外周のみに１回のレーザ光を環状に照射してもよく、同一径で複数回レーザ光を照射してもよい。壁面の傾きが緩い場合には、走査半径Ｒ７２でのレーザ光照射の後に任意の回数同心円状に半径を徐々に小さくしてレーザ光を照射してもよい。又壁面の傾きが急である場合には、走査半径Ｒ７１の走査のみを行ってもよい。こうすれば壁面に付着したデブリを効果的に除去することができる。
【００２６】
この場合もテーパー状の壁面となるため、最後に貫通孔の壁面にレーザ光を照射すれば壁面に付着したデブリを除去することができる。
【００２７】
この本実施の形態ではステップＳ１，Ｓ２は夫々複数のレイヤーとしてレーザ光を照射しているが、各レイヤー毎に１ステップとし、ステップ毎に連続して最大走査半径を小さくするようにしてレーザ光を照射するようにしてもよい。又レーザ光を照射して穴の内壁のデブリを除去する場合には、最も小さいレーザ走査半径から同心円状に半径を徐々に大きくしてレーザ光を照射するようにしてもよい。
【００２８】
次に本発明の第２の実施の形態によるレーザ加工方法について図６を用いて説明する。この実施の形態では、第１〜第３のステップＳ１〜Ｓ３で加工径１００μｍの穴を形成する場合に、各ステップが３又は４レイヤーからなるレイヤー構成としたものである。この例ではレイヤーＬ１は基板の表面を焦点位置として環状のレーザ走査半径を３８μｍ〜５０μｍまで順次大きくして走査する。レイヤーＬ２，Ｌ３についても同様であり、各レイヤー毎に焦点位置を基板の表面から１０μｍずつ下げ、その前のレイヤーで形成された穴の表面にレーザ光が照射するようにしている。又ステップＳ２についてはレイヤーＬ４〜Ｌ６についてレーザ走査半径を３８〜４７μｍとし、各レイヤー毎に焦点位置を１０μｍ下げている。ステップＳ３についてもレイヤーＬ８〜Ｌ１１とし、レーザ走査半径を３８〜４４μｍとして焦点位置を１０μｍずつ下げている。このようにレーザ光を照射することによって基板に１００μｍの円形の穴を設けることができる。
【００２９】
次に本発明の第３の実施の形態によるレーザ加工方法について図７を用いて説明する。この実施の形態では基板２０に加工径が１．１ｍｍの貫通孔を形成する例を示している。図７（ａ）はこの実施の形態の各レイヤーとその照射位置を斜視図として示しており、図７（ｂ）は基板の上面から見たレーザ光の照射範囲を示す図である。これらの図に示すように、複数のレイヤーＬ１〜Ｌ２０にいずれも最大走査半径が０．５５ｍｍ、最小走査半径が０．３５ｍｍで、その半径の変化ピッチを１０μｍ単位として徐々に走査半径を大きく、又は小さくなるように変化させてレーザ光を照射するようにしたものである。そしてレーザ光は最大半径から最小半径まで各レイヤーについて全て同一とし、焦点のピッチ送りを１０μｍとする。即ち各レイヤー毎に焦点位置を１０μｍ下げていく。こうすれば５１レイヤーの走査によって厚さ０．５ｍｍの基板２０を貫通させることができる。本実施の形態では最小走査半径をあまり小さくすることなく、貫通孔を形成することができる。
【００３０】
尚実施の形態２及び３の場合についても、穴を形成した後、穴の内壁の斜面に対してレーザ光を照射するように環状に走査を行い、斜面のデブリを除去するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明はサファイア基板や半導体ウエハ等の基板に多数の穴を形成する場合にレーザ加工装置に好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０  レーザ加工装置
１１  レーザ光源
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  ミラー
１３  ガルバノミラー
１４  コントローラ
１５  ｆθレンズ
１６  テーブル
１７  ＸＹステージ
２０  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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