(57)【要約】【課題】  超短パルスレーザによるバーストパルスを用いて、加工表面を平滑に加工することができるレーザ加工方法を提供する。【解決手段】  超短パルスレーザによるバーストパルスを用いてシリコンウェハを加工するレーザ加工方法であって、前記バーストパルスの各々には少なくとも２つのパルスを含み、前記各パルスは同一発振器からのパルスであり、前記各パルスのパルス幅は２０ｐｓ以下の範囲にあり、前記各パルスのパルス間隔は前記パルス幅以上１００ｐｓ以下の範囲にあり、前記バーストパルスの各々の１次パルスのエネルギ密度が前記１次パルスの照射による電子励起を起こす閾値以上で、且つシリコンウェハの除去やシリコンウェハの改質などの不可逆変化を起こす閾値未満であるレーザ加工方法。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短パルスレーザによるバーストパルスを用いてシリコンウェハを加工するレーザ加工方法であって、
前記バーストパルスの各々には少なくとも２つのパルスを含み、前記各パルスは同一発振器からのパルスであり、前記各パルスのパルス幅は２０ｐｓ以下の範囲にあり、前記各パルスのパルス間隔は前記パルス幅以上１００ｐｓ以下の範囲にあり、
前記バーストパルスの各々の１次パルスのエネルギ密度が前記１次パルスの照射による電子励起を起こす閾値以上で、且つシリコンウェハの除去やシリコンウェハの改質などの不可逆変化を起こす閾値未満であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記バーストパルスの各々の２次パルスのエネルギ密度は、前記１次パルスが照射されて漸次的に加工閾値が変化しているシリコンウェハに対して、前記加工閾値以上のエネルギ密度を有していることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記バーストパルスの各々のバーストパルス間隔は１ｕｓ以上の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
被加工物を加工して基板を製造する方法であって、前記被加工物にレーザ加工を行うレーザ加工工程を有し、前記レーザ加工工程は、超短パルスレーザによるバーストパルスを用いるレーザ加工であって、
前記バーストパルスの各々には少なくとも２つのパルスを含み、前記各パルスは同一発振器からのパルスであり、前記各パルスのパルス幅は２０ｐｓ以下の範囲にあり、前記各パルスのパルス間隔は前記パルス幅以上１００ｐｓ以下の範囲にあり、
前記バーストパルスの各々の１次パルスのエネルギ密度が前記１次パルスの照射による電子励起を起こす閾値以上で、且つシリコンウェハの除去やシリコンウェハの改質などの不可逆変化を起こす閾値未満であることを特徴とする基板の製造方法。
【請求項５】
前記レーザ加工工程は、前記被加工物にレーザ加工により先導孔を形成する工程であり、さらに前記先導孔にエッチング液を進入させる異方性エッチングにより、前記被加工物に溝を形成する工程を有することを特徴とする請求項４に記載の基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短パルスレーザを使用してシリコンウェハを処理するレーザ加工方法及び基板の製造方法に関し、特にバーストパルス加工において平滑な加工形状を得るためのレーザ加工方法、及びそのレーザ加工工程を用いた基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超短パルスレーザ加工の高効率化を行うために、バーストパルスを用いることが一般的に知られている（特許文献１参照）。超短パルスレーザとは、２０ｐｓ以下のパルス幅をもつパルスレーザである。バーストパルスとは、少なくとも２つのレーザパルスが、あるパルス間隔（パルス間の時間間隔）だけ離れて時間軸上に配置されるパルス群のことである。
【０００３】
バーストパルス加工とは、このバーストパルス（パルス群）をパルス間隔より長い時間となるあるバースト間隔（パルス群間の時間間隔）だけ離れて時間軸上に配置されたバースト群を用いて、ワークピースを加工する加工方法のことである。このバーストパルスは、所定のパルス幅とパルス間隔とバースト間隔で、集光レンズによりワークピース上に集光される。従来技術では、パルス間隔が５ｎｓ〜５ｕｓの間隔であり、１次パルスの強度はワークピースの損傷閾値を超えるように選択される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４７４１７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年レーザ加工に対する精度要求は益々厳しくなっている。しかしながら、従来技術では加工表面が粗いという課題があった。
【０００６】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、超短パルスレーザによるバーストパルスを用いて、加工表面を平滑に加工することができるレーザ加工方法及びそのレーザ加工工程を用いた基板の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するレーザ加工方法は、超短パルスレーザによるバーストパルスを用いてシリコンウェハを加工するレーザ加工方法であって、
前記バーストパルスの各々には少なくとも２つのパルスを含み、前記各パルスは同一発振器からのパルスであり、前記各パルスのパルス幅は２０ｐｓ以下の範囲にあり、前記各パルスのパルス間隔は前記パルス幅以上１００ｐｓ以下の範囲にあり、
前記バーストパルスの各々の１次パルスのエネルギ密度が前記１次パルスの照射による電子励起を起こす閾値以上で、且つシリコンウェハの除去やシリコンウェハの改質などの不可逆変化を起こす閾値未満であることを特徴とする。
【０００８】
上記の課題を解決する基板の製造方法は、被加工物を加工して基板を製造する方法であって、前記被加工物にレーザ加工を行うレーザ加工工程を有し、前記レーザ加工工程は、超短パルスレーザによるバーストパルスを用いるレーザ加工であって、
前記バーストパルスの各々には少なくとも２つのパルスを含み、前記各パルスは同一発振器からのパルスであり、前記各パルスのパルス幅は２０ｐｓ以下の範囲にあり、前記各パルスのパルス間隔は前記パルス幅以上１００ｐｓ以下の範囲にあり、
前記バーストパルスの各々の１次パルスのエネルギ密度が前記１次パルスの照射による電子励起を起こす閾値以上で、且つシリコンウェハの除去やシリコンウェハの改質などの不可逆変化を起こす閾値未満であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、超短パルスレーザによるバーストパルスを用いて、加工表面を平滑に加工することができるレーザ加工方法及びそのレーザ加工工程を用いた基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のレーザ加工方法の一実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明に用いるバーストパルスの一実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明に用いるバーストパルスの１次パルスのエネルギ密度を示す図である。
【図４】本発明の実施例１と従来の方法による加工形状を示す原子間力顕微鏡写真である。
【図５】同じエネルギを有する２つのパルスのパルス間隔に対する除去加工深さの関係を示す図である。
【図６】本発明の基板の製造方法の一実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明の基板の製造方法の他の実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係るレーザ加工方法は、超短パルスレーザによるバーストパルスを用いてシリコンウェハを加工するレーザ加工方法であって、
前記バーストパルスの各々には少なくとも２つのパルスを含み、前記各パルスは同一発振器からのパルスであり、前記各パルスのパルス幅は２０ｐｓ以下の範囲にあり、前記各パルスのパルス間隔は前記パルス幅以上１００ｐｓ以下の範囲にあり、
前記バーストパルスの各々の１次パルスのエネルギ密度が前記１次パルスの照射による電子励起を起こす閾値以上で、且つシリコンウェハの除去やシリコンウェハの改質などの不可逆変化を起こす閾値未満であることを特徴とする。
【００１２】
本発明のレーザ加工方法によれば、超短パルスレーザの加工を高効率に行いながら、平滑な形状を作成することができる。また、平滑な形状を作成することにより、加工形状が安定し、高精度な加工ができる。
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係るレーザ加工方法は、超短パルスレーザによるバーストパルスを用いてシリコンウェハを加工する方法である。本発明の１つの実施形態においては、例えば、マーキング、トリミング、スクライビング、切断、穴あけ、表面処理等の目的で、シリコンウェハにバーストパルスを照射することによって、レーザ加工の加工効率を増大させ且つ加工形状を平滑にするものである。
【００１５】
図１は、本発明のレーザ加工方法の一実施形態を示す概略図である。図１には本発明の１つの実施形態におけるバーストパルスを実現するためのシステムを示す。この実施形態において、例えば、超短パルスレーザ発振器１０１によって、単一のレーザパルスが生成される。パルスは、偏光特性を調整する偏光板１０２を透過し、偏光特性の違いによって異なる方向に向けられるようにビームスプリッタ１０３にあたる。この点で、パルスは、２つのパルスに分割される。ビームスプリッタに反射された第１のパルスは、１／４波長板１０４を透過し、ミラー１０５で反射される。ビームスプリッタ１０３を透過した第２のパルスは、１／４波長板１０６を透過し、ミラー１０７で反射される。ミラー１０５で反射された第１のパルスは１／４波長板１０４を透過し、ビームスプリッタ１０３を透過する。ミラー１０７で反射された第２のパルスは、１／４波長板１０６を透過し、ビームスプリッタ１０３で反射される。すなわち、ミラー１０５で反射された第１のパルスと、ミラー１０７で反射された第２のパルスはお互いに十分に近い光路に向けられる。
【００１６】
第１のパルスと第２のパルスは、偏光特性を調整する偏光板１０９を透過し、ビームスプリッタ１１０にあたる。ビームスプリッタ１１０を透過した第１のパルス及び、第２のパルスは、パルスを集光させる集光レンズ群１１１を透過し、シリコンウェハ１１２に集光される。したがって、第１のパルスおよび第２のパルスは、後述の１次パルス、２次パルスに対応する。第１のパルス及び第２のパルスは実質的に同一の空間分布、または第２のパルスの光路上にビームエキスパンダ等の光学系を用いることにより異なる空間分布を有する。その他の構成部品の異なる選択により、バーストパルスにおけるパルス間でのエネルギ分布、パルス間隔、空間分布、波長を変更できる。パルス間隔は、ビームスプリッタ１０３とミラー１０７間の距離１０８を変更することによって容易に修正されることは理解される。
【００１７】
図２は、本発明に用いるバーストパルスの一実施形態を示す概略図である。本発明におけるバーストパルスの各々には少なくとも２つのパルスを含み、前記各パルスは同一発振器からのパルスである。また、前記各パルスのパルス幅は２０ｐｓ以下、好ましくは１ｆｓ以上２０ｐｓ以下の範囲にある。また、前記各パルスのパルス間隔は前記パルス幅以上１００ｐｓ以下の範囲にある。具体的には、図２では、超短パルスレーザによるバーストパルスは、１次パルス、２次パルスから構成される実施形態を示す。２００はバーストフォーマットを示す。図２を参照すると、シリコンウェハは、１次パルス２０２、２次パルス２０３のバーストパルス２０１（パルス群）で照射される。バーストパルス２０１に含む個々のパルス２０２、２０３は、２０ｐｓ以下のパルス幅を有し、パルス間隔は、パルス２０２のパルス幅から１００ｐｓ以下の範囲である。バーストパルス間隔は、パルス間隔よりも長い時間をもつ。バーストパルスの各々のバーストパルス間隔は１ｕｓ以上の範囲にあることが好ましい。
【００１８】
図３は、本発明に用いるバーストパルスの１次パルスのエネルギ密度を示す図である。本発明において、バーストパルスの各々の１次パルスのエネルギ密度が前記１次パルスの照射による電子励起を起こす閾値以上で、且つシリコンウェハの除去やシリコンウェハの改質などの不可逆変化を起こす閾値未満であることが好ましい。エネルギ密度とは、単位面積当たりのエネルギを示す。具体的には、図３を参照すると、１次パルス２０２のエネルギ密度は、シリコンウェハに対して除去や改質などの不可逆変化を起こす閾値（Ｆｔｈ）３０１未満である。また、１次パルス２０２のエネルギ密度は、シリコンウェハに対して電子励起を起こす閾値（Ｆ’ｔｈ）３０２以上である。シリコンウェハに対して除去や改質などの不可逆変化を起こす閾値３０１は、例えば、１次パルスのエネルギ密度を変化させ、シリコンウェハに照射し、除去や改質の痕跡を計測することによって決定することもできる。
【００１９】
具体的な２次パルスの条件としては、以下に示される。１次パルスが照射されると、物質に残存している電子エネルギが漸次的に変化し、漸次的に加工閾値が変化する。そのために、前記バーストパルスの各々の２次パルスのエネルギ密度は、前記１次パルスが照射されて漸次的に加工閾値が変化しているシリコンウェハに対して、前記加工閾値以上のエネルギ密度を有していることが好ましい。
【００２０】
本発明において、２つ以上のパルスをシリコンウェハに照射することは、プロセスに対して重要である。１次パルス２０２とシリコンウェハとの相互作用によって電子励起が生じる。励起電子により１次パルス２０２の照射中にシリコンウェハは金属化し、反射率が増大する。反射率が増大するため、１次パルス２０２の一部は反射され、シリコンウェハに吸収される１次パルスのエネルギは減少する。１次パルス照射後、励起電子はシリコンウェハ内を拡散し緩和し反射率が元に戻り、且つ電子エネルギが残存する。そのため、反射率が元に戻り、且つ電子エネルギが残存しているシリコンウェハと２次パルス２０３と相互作用させることで２次パルス２０３の光利用効率を上げることができる。この効果により高効率な加工が可能となる。この現象は２次パルスだけに限定されるものではなく、２次以降のパルスに対しても同様の現象を生じうる。
【００２１】
本発明において、１次パルス２０２に対する２次パルス２０３のタイミングは、プロセスに対して重要である。１次パルス２０２とシリコンウェハとの相互作用によって生じた励起電子はシリコンウェハ内を拡散し緩和する。各バーストパルス２０１の２次パルス２０３のタイミングは、励起電子のエネルギが残存するシリコンウェハと相互作用するように調整される。この２次パルス２０３の相互作用により、材料除去速度の増大が可能となる。また、２次パルス２０３のタイミングは、シリコンウェハが熱・構造変化の影響を受ける前に調整される。この２次パルス２０３の相互作用により、平滑な加工形状を作成できる。
【００２２】
所定のバーストパルスにおける各パルスは、１次パルス２０２の集光スポットの少なくとも一部が空間的に重なり合うようにシリコンウェハの位置方向に向けられる。したがって、いくつかの実施形態において、２次パルス２０３の集光スポットは、１次パルス２０２と実質的に、同一の空間分布を有するように構成される。一方、他の実施形態において、２次パルス２０３は、１次パルス２０２とは異なる空間分布を示すように構成される。
【００２３】
本発明のいくつかの実施形態と従来技術との重要な違いは、本発明のレーザ加工方法では、１次パルス２０２のエネルギ密度がシリコンウェハの除去や改質などの不可逆変化を起こす閾値３０１未満且つ電子励起を起こす閾値３０２以上を有することにある。また本発明の別の重要な違いは、２次パルス２０３のタイミングが、１次パルス２０２とシリコンウェハとの相互作用による電子エネルギが残存しているシリコンウェハと相互作用するものとなることにある。
【００２４】
従来技術ではピコ秒レーザによるバーストパルスにおける材料除去レートの高効率化のために、１次パルスのエネルギは、１次パルスとワークピースとの相互作用によってワークピースに熱、構造変化を誘起するように調整される。また、２次パルスのタイミングはワークピースの熱、構造変化の影響を受けるように時間調整される。
【００２５】
本発明の一実施形態において、除去深さの測定は、ワークピースとして、シリコンウェハを使用し、並びに、その動作及び機能性が、従来技術でよく知られている、非接触表面形状測定器を使用して行われる。
【００２６】
本発明の一実施形態において、表面形状測定は、ワークピースとして、シリコンウェハを使用し、並びにその動作及び機能性が、従来技術でよく知られている、原子間力顕微鏡を使用して行われる。
【００２７】
次に、本発明の基板の製造方法について説明する。
【００２８】
本発明に係る基板の製造方法は、被加工物を加工して基板を製造する方法であって、前記被加工物にレーザ加工を行うレーザ加工工程を有し、前記レーザ加工工程は、超短パルスレーザによるバーストパルスを用いるレーザ加工であって、
前記バーストパルスの各々には少なくとも２つのパルスを含み、前記各パルスは同一発振器からのパルスであり、前記各パルスのパルス幅は２０ｐｓ以下の範囲にあり、前記各パルスのパルス間隔は前記パルス幅以上１００ｐｓ以下の範囲にあり、
前記バーストパルスの各々の１次パルスのエネルギ密度が前記１次パルスの照射による電子励起を起こす閾値以上で、且つシリコンウェハの除去やシリコンウェハの改質などの不可逆変化を起こす閾値未満であることを特徴とする。
【００２９】
前記基板は、溝を有する半導体基板であることが好ましい。
【００３０】
前記レーザ加工工程は、前記被加工物に溝を形成するためにレーザ加工を行う工程であることが好ましい。
【００３１】
また、前記レーザ加工工程は、前記被加工物にレーザ加工により先導孔を形成する工程であり、さらに前記先導孔にエッチング液を進入させる異方性エッチングにより、基板に溝を形成する工程を有することが好ましい。
【実施例】
【００３２】
（実施例１）
本実施例において、バーストパルスは２つのパルスからなる。このパルスはレーザ発振器１０１によって、パルス幅１５ｐｓ、及び波長１０６４ｎｍのレーザパルスが生成される。バーストパルスにおける各パルスは、等しいエネルギを有し、１５ｐから１００ｐｓ離れてターゲットに照射される。この実施例において、各パルスのエネルギ密度は０．９Ｊ／ｃｍ２以下の範囲である。パルスのエネルギに関する正確な値は適用上必要とされるように適合するように変化しえることが理解される。
【００３３】
図４は本発明の実施例１と従来の方法による加工形状を示す原子間力顕微鏡写真である。図４では、加工形状における平滑さの改善を示し、シリコンウェハ上で除去された加工形状の原子間力顕微鏡写真４０１（図４（ａ））及び４０２（図４（ｂ））を示す。本発明の実施例１の４０２（エネルギ密度０．８Ｊ／ｃｍ２、パルス間隔５０ｐｓ）は、従来技術の４０１（エネルギ密度０．８Ｊ／ｃｍ２、パルス間隔５ｎｓ）と比較して、より平滑な加工形状が形成されていることが分かる。
【００３４】
表１に、本発明の１つの実施例によるパルス間隔に対する除去加工深さの関係を示す。表１では加工形状の粗さの改善を示す。シリコンウェハ上で除去された加工形状の粗さ（Ｒａ）を原子間力顕微鏡で測定した数値を示す。本発明の実施例１（エネルギ密度０．８Ｊ／ｃｍ２  パルス間隔５０ｐｓ）は、従来技術と比較して、より平滑な加工形状が形成されていることが分かる。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
図５は加工速度における改善を示す。図５は、同じエネルギ（エネルギ密度０．８Ｊ／ｃｍ２）を有する２つのパルスの、パルス間隔に対する除去加工深さの関係を示す。パルス間隔が１５ｐｓから１００ｐｓ範囲において、除去加工深さが増大することが明らかに理解できる。
【００３７】
（実施例２）
次に、実施例２として、各実施形態で説明したレーザ加工方法を用いて基板を製造する、基板の製造方法について説明する。本実施例では、製造する基板は、半導体基板である。図６は、本発明の基板の製造方法の一実施形態を示す概略図であり、断面を示した図面である。
【００３８】
図６において、７００は半導体基板であり、７０１は垂直形状の溝である。このような溝７０１を、上述の各実施形態で説明したようなレーザ加工によって形成する。即ち、被加工物として溝７０１を形成する前の半導体基板をステージに載置し、上述したようなレーザ加工を施す。
【００３９】
次に、各実施形態で説明したレーザ加工方法を用いた基板の製造方法の他の実施形態について説明する。図７は、本発明の基板の製造方法の他の実施形態を示す概略図である。
【００４０】
本実施例では、図７（ａ）においてレーザ加工した後に、図７（ｂ）においてアルカリ性エッチング液中で例えば１５分程度異方性エッチングする事により、最終的な溝７０１形状を形成する方法である。この溝は、インク経路や貫通電極等に用いることが可能である。
【００４１】
図７（ａ）において、異方性エッチングにより溝７０１を形成する場合、その前にレーザ加工により先導孔８０１を形成する。この先導孔とは、レーザ加工の後工程の異方性エッチングの際にエッチング液８００を進入させ、異方性エッチングの時間を短縮するためのものである。
【００４２】
また、基板は、例えば、結晶面（１００）シリコン製の素材（被非加工物）に加工を施して製造したものである。この被加工物には半導体素子７０２や電気配線、耐エッチング性を有するエッチングストップ層、エッチング保護膜など、半導体装置を構成するための機構やレーザ加工後のエッチング工程のための機構などが形成されている。また、被加工物の厚みは、例えば７２５μｍ程度である。
【００４３】
このような被加工物に対して、上述の所望の先導孔の形状になるまでレーザ光を照射する。この先導孔は、後工程の異方性エッチングの際にエッチング液を進入させ、異方性エッチングの時間を短縮するために、直径φ５から１００μｍとすることが好ましい。また深さは被加工物として７２５μｍの厚さのものを用いた場合、６００から７１０μｍが好ましい。
【００４４】
本明細書に開示された発明は、特定の実施形態及びその適用を用いて記載してきたが、多数の修正及び変形は、請求項に示される発明の範囲を逸脱することなく当事業者によって行われうる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明のレーザ加工方法は、超短パルスレーザによるバーストパルスを用いて、加工表面を平滑に加工することができるので、半導体基板の製造、インク経路や貫通配線等に利用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０１  超短パルスレーザ発振器
１０２  偏光板
１０３  ビームスプリッタ
１０４  １／４波長板
１０５  ミラー
１０６  １／４波長板
１０７  ミラー
１０８  パルス間隔調整距離
１０９  偏光板
１１０  ビームスプリッタ
１１１  集光レンズ群
１１２  シリコンウェハ
２００  バーストフォーマット
２０１  バーストパルス
２０２  １次パルス
２０３  ２次パルス
７００  半導体基板
７０１  垂直形状の溝
７０２  半導体素子
８００  エッチング液
８０１  先導孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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