(57)【要約】  ガラス基板の形成方法は、アルミナを含むガラス基板を提供するステップと、当該ガラス基板上においてパルスレーザービームを平行移動させて１つまたは複数のパイロット孔を形成するステップと、当該ガラス基板をエッチング溶液に接触させるステップと、揺動を行うステップとを含む。当該エッチング溶液は、約０から約２．０のｐＨを有し、エッチング速度は、約３μｍ／分未満である。第一表面と、厚さ方向において当該第一表面の反対側の第二表面と、当該第一表面に貫通する少なくとも１つの孔とを有するガラス基板であって、当該少なくとも１つの孔がエッチング溶液によってエッチングされている、ガラス基板が開示される。（１）当該少なくとも１つの孔または当該少なくとも１つの孔の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において第一表面に接する第一平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１は、約０．２μｍ以下である。
2018518445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの貫通構造特徴部を有するガラス基板を形成する方法であって、
該ガラス基板上においてパルスレーザービームを平行移動させて１つまたは複数のパイロット孔を形成するステップであって、該ガラス基板がアルミナを含む、ステップと、
該ガラス基板をエッチング溶液に接触させるステップと、
該ガラス基板を該エッチング溶液に接触させる際に該ガラス基板または該エッチング溶液の一方かあるいはその両方を揺動させて、該１つまたは複数のパイロット孔の直径を拡大させることにより、該少なくとも１つの貫通構造特徴部を形成するステップと、
を含み、
該エッチング溶液が、約０から約２．０のｐＨを有し、
エッチング速度が約３μｍ／分未満である、
方法。
【請求項２】
（１）前記少なくとも１つの貫通構造特徴部または該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の前記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において第一表面に接する第一平面と（２）該第一平面から窪んだ該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１が、約０．２μｍ以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エッチング溶液が、フッ化アンモニウム、フッ化カリウム、およびフッ化ナトリウムからなる群より選択される緩衝剤を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記貫通構造特徴部または該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の前記基板の厚さにおける偏位部分を有さない、前記第一表面の少なくとも１つの２μｍ×２μｍの領域が、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つの貫通構造特徴部を有するガラス基板を形成する方法であって、
該ガラス基板上においてパルスレーザービームを平行移動させて１つまたは複数のパイロット孔を形成するステップであって、該ガラス基板が、アルミナ、ホスフェート、および五酸化リンを含まない、ステップと、
該ガラス基板をエッチング溶液に接触させるステップと、
該ガラス基板を該エッチング溶液に接触させる際に該ガラス基板または該エッチング溶液の一方かあるいはその両方を揺動させて、該１つまたは複数のパイロット孔の直径を拡大させることにより、該少なくとも１つの貫通構造特徴部を形成するステップと、を含み、
エッチング速度が約３μｍ／分未満である、
方法。
【請求項６】
（１）前記少なくとも１つの貫通構造特徴部または該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の前記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において第一表面に接する第一平面と（２）該第一平面から窪んだ該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１が、約０．２μｍ以下である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第一表面および厚さ方向において該第一表面の反対側の第二表面と、
該第一表面に貫通する少なくとも１つの孔と、を含み、
該少なくとも１つの孔が、エッチング溶液によってエッチングされており、
ならびに（１）該少なくとも１つの孔または該少なくとも１つの孔の周囲の前記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において該第一表面に接する第一平面と（２）該第一平面から窪んだ該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１が、約０．２μｍ以下である、
ガラス基板。
【請求項８】
前記少なくとも１つの孔が、前記第一表面および前記第二表面を貫通する貫通構造特徴部であり、
該第一表面および該第二表面が、エッチング溶液によってエッチングされている、請求項７に記載のガラス基板。
【請求項９】
前記貫通構造特徴部または該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の前記基板の厚さにおける前記偏位部分を有さない、前記第一表面の少なくとも１つの２μｍ×２μｍの領域が、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する、請求項７または８に記載のガラス基板。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか一項に記載の前記ガラス基板を含む、半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、米国特許法第１１９条の下、２０１５年６月１０日に出願された米国特許仮出願第６２／１７３６０７号に対する優先権の恩典を主張するものであり、なお、本出願は当該仮出願の内容に依拠し、ならびに参照により当該仮出願の全体が本明細書に組み入れられる。
【技術分野】
【０００２】
本明細書は、概して、ガラス基板を処理するためのエッチング溶液に関し、より詳しくは、パイロット孔を作製することによって製作されたガラス基板を処理するためのエッチング溶液に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガラス基板は、表示装置を覆うためにガラスが使用されるエレクトロニクス産業などの様々な産業において使用される。そのような表示装置の例としては、液晶ディスプレイおよび発光ダイオードディスプレイ、例えば、コンピュータモニター、テレビ、および携帯用デバイスなどが挙げられる。ガラス基板、特に貫通孔を有するものは、半導体におけるインタポーザーおよびＲＦデバイスとしても使用される。しかしながら、ガラスは、形成時、アニール処理時、および化学強化時に変形し得るため、寸法公差を満たすことは困難である。追加的に、貫通構造特徴部、例えば、孔などを作製するために使用される従来のコンピュータ数値制御（「ＣＮＣ」）機械加工法は、当該ガラス基板の表面のうねりおよび望ましくない変形を生じ得るガラス改質の際に、不均等な加熱を生じ得る。貫通構造特徴部を有するガラス基板を化学エッチング溶液によってエッチングすることは、当該ガラス基板の表面のうねりおよび凹みをさらに悪化させ得る。
【発明の概要】
【０００４】
第一態様により、少なくとも１つの貫通構造特徴部を有するガラス基板を形成する方法は、当該ガラス基板上においてパルスレーザービームを平行移動させて１つまたは複数のパイロット孔を形成するステップであって、当該ガラス基板がアルミナを含むステップと、当該ガラス基板をエッチング溶液に接触させるステップと、ガラス基板をエッチング溶液に接触させる際にガラス基板またはエッチング溶液の一方かあるいはその両方を揺動させて、当該１つまたは複数のパイロット孔の直径を拡大させることにより少なくとも１つの貫通構造特徴部を形成するステップとを含む。当該エッチング溶液は、約０から約２．０のｐＨを有し、エッチング速度は、約３μｍ／分未満である。
【０００５】
第一態様による第二態様において、ガラス基板をエッチング溶液に接触させるステップは、当該ガラス基板をエッチング溶液の浴に浸漬するステップを含む。
【０００６】
第二態様による第三態様において、揺動は、エッチング溶液の浴に提供される超音波揺動である。
【０００７】
第三態様による第四態様において、当該超音波揺動は、約４０ｋＨｚから約１９２ｋＨｚの間の周波数を有する。
【０００８】
第一態様から第四態様のいずれか１つによる第五態様において、（１）当該少なくとも１つの貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において第一表面に接する第一平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１は、約０．２μｍ以下である。
【０００９】
第一態様から第五態様のいずれか１つによる第六態様において、エッチング溶液は、酢酸、シュウ酸、炭酸、クエン酸、およびリン酸からなる群より選択される弱酸を含む。
【００１０】
第一態様から第六態様のいずれか１つによる第七態様において、エッチング溶液は、酢酸の塩、シュウ酸の塩、炭酸の塩、リン酸の塩、およびクエン酸の塩から選択される緩衝剤を含む。
【００１１】
第一態様から第七態様のいずれか１つによる第八態様において、当該エッチング溶液は、フッ化アンモニウム、フッ化カリウム、およびフッ化ナトリウムからなる群より選択される緩衝剤を含む。
【００１２】
第一態様から第八態様のいずれか１つによる第九態様において、当該エッチング溶液のｐＨは、約１．３から約１．７である。
【００１３】
第一態様から第九態様のいずれか１つによる第十態様において、エッチング速度は、約２．５μｍ／分未満である。
【００１４】
第一態様から第十態様のいずれか１つによる第十一態様において、当該エッチング溶液の温度は、約１０℃から約３０℃である。
【００１５】
第一態様から第十一態様のいずれか１つによる第十二態様において、貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない、第一表面の少なくとも１つの２μｍ×２μｍの領域は、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する。
【００１６】
第十二態様による第十三態様において、（１）当該少なくとも１つの貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において第一表面に接する第一平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄは、約０．２μｍ以下である。
【００１７】
第十二態様または第十三態様による第十四態様において、貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない第一表面の少なくとも５つの２μｍ×２μｍの領域は、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する。
【００１８】
第十二態様から第十四態様のいずれか１つによる第十五態様において、エッチング溶液は、酢酸、シュウ酸、炭酸、クエン酸、およびリン酸からなる群より選択される弱酸を含む。
【００１９】
第十五態様による第十六態様において、当該エッチング溶液は、フッ化アンモニウム、フッ化カリウム、およびフッ化ナトリウムからなる群より選択される緩衝剤を含む。
【００２０】
第十七態様において、少なくとも１つの貫通構造特徴部を有するガラス基板を形成する方法は、当該ガラス基板上においてパルスレーザービームを平行移動させて１つまたは複数のパイロット孔を形成するステップであって、当該ガラス基板が、アルミナ、ホスフェート、および五酸化リンを含まないステップと、当該ガラス基板をエッチング溶液に接触させるステップと、ガラス基板をエッチング溶液に接触させる際に当該ガラス基板またはエッチング溶液のどちらか一方または両方を揺動させて、当該１つまたは複数のパイロット孔の直径を拡大させることにより、少なくとも１つの貫通構造特徴部を形成するステップとを含む。当該エッチング速度は、約３μｍ／分未満である。
【００２１】
第十七態様による第十八態様において、ガラス基板をエッチング溶液に接触させるステップは、当該ガラス基板をエッチング溶液の浴に浸漬するステップを含む。
【００２２】
第十七態様または第十八態様による第十九態様において、当該揺動は、当該エッチング溶液の浴に提供される超音波揺動である。
【００２３】
第十九態様による第二十態様において、当該超音波揺動は、約４０ｋＨｚから約１９２ｋＨｚの間の周波数を有する。
【００２４】
第十七態様から第二十態様のいずれか１つによる第二十一態様において、（１）当該少なくとも１つの貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において第一表面に接する第一平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１は、約０．２μｍ以下である。
【００２５】
第十七態様から第二十一態様のいずれか１つによる第二十二態様において、エッチング速度は、約２．５μｍ／分未満である。
【００２６】
第二十三態様において、第一表面と、厚さ方向において当該第一表面の反対側の第二表面と、当該第一表面に貫通する少なくとも１つの孔とを有するガラス基板が開示される。当該少なくとも１つの孔は、エッチング溶液によってエッチングされており、ならびに、（１）当該少なくとも１つの孔または当該少なくとも１つの孔の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において当該第一表面に接する第一平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１は、約０．２μｍ以下である。
【００２７】
第二十三態様による第二十四態様において、当該少なくとも１つの孔は、当該第一表面および当該第二表面を貫通する貫通構造特徴部であり、ならびに当該第一表面および当該第二表面は、エッチング溶液によってエッチングされている。
【００２８】
第二十三態様または第二十四態様による第二十五態様において、当該最大距離ｄ１は、約０．１５μｍ以下である。
【００２９】
第二十三態様から第二十五態様のいずれか１つによる第二十六態様において、当該貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない、当該第一表面の少なくとも１つの２μｍ×２μｍの領域は、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する。
【００３０】
第二十三態様から第二十六態様のいずれか１つによる第二十七態様において、当該貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない、当該第一表面の少なくとも５つの２μｍ×２μｍの領域は、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する。
【００３１】
第二十三態様から第二十七態様のいずれか１つによる第二十八態様において、当該少なくとも１つの孔は、当該第一表面および当該第二表面を貫通する貫通構造特徴部であり、ならびに、（１）当該少なくとも１つの孔または当該少なくとも１つの孔の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において当該第二表面に接する第二平面と（２）当該第一平面から窪んだ偏位部分の表面との間の最大距離ｄ２は、約０．２μｍ以下である。
【００３２】
第二十三態様から第二十七態様のいずれか１つによる第二十九態様において、当該貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない、当該第一表面の少なくとも１つの２μｍ×２μｍの領域は、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する。
【００３３】
第三十態様において、第二十三態様から第二十九態様のいずれか１つのガラス基板を有する半導体デバイスが開示される。
【００３４】
さらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明において述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明される実施形態を実施することによって認められるであろう。
【００３５】
上述の全般的説明および以下の詳細な説明は両方とも、様々な実施形態について説明し、特許請求される主題の本質および特質を理解するための概要または枠組みを提供することを意図していることは理解されるべきである。添付図面は、様々な実施形態についてのさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み入れられて本明細書の一部を構成する。図面は本明細書に説明される様々な実施形態を例示し、説明と共に、特許請求される主題の原理および作動の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、平坦なガラス基板内にパイロット孔を生じさせるためのレーザーシステムを図式的に表す。
【図２】図２は、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、ガラス基板エッチング機器を図式的に表す。
【図３】図３は、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、エッチングプロセスのフローチャートである。
【図４】図４は、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、例示的なガラス基板におけるパイロット孔の位置を示すグリッドである。
【図５Ａ】図５Ａは、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、高ｐＨエッチング溶液および低ｐＨエッチング溶液を使用した場合のガラス基板における貫通構造特徴部の周りの凹部の深さを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、高ｐＨエッチング溶液および低ｐＨエッチング溶液を使用した場合のガラス基板における貫通構造特徴部の周りの凹部の深さを示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、高ｐＨエッチング溶液および低ｐＨエッチング溶液を使用した場合のガラス基板における貫通構造特徴部の周りの凹部の深さを示す図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、高ｐＨエッチング溶液および低ｐＨエッチング溶液を使用した場合のガラス基板における貫通構造特徴部の周りの凹部の深さを示す図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、高ｐＨエッチング溶液および低ｐＨエッチング溶液を使用した場合のガラス基板における貫通構造特徴部の周りの凹部の深さを示す図である。
【図５Ｆ】図５Ｆは、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、高ｐＨエッチング溶液および低ｐＨエッチング溶液を使用した場合のガラス基板における貫通構造特徴部の周りの凹部の深さを示す図である。
【図６】図６は、本明細書において説明および図示される１つまたは複数の実施形態による、高ｐＨエッチング溶液および低ｐＨエッチング溶液を使用した場合のガラス基板における貫通構造特徴部の周りの凹部の深さをグラフィカルに表す。
【図７Ａ】図７Ａは、凹部を有する貫通構造特徴部を伴うガラス基板の例示的な断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、凹部を共有する２つの貫通構造特徴部を伴うガラス基板の例示的な断面図である。
【図８】図８は、ｘ軸のｐＨおよびｙ軸の表面粗さＲａ（ｎｍ）において実施例２の結果をプロットする。
【００３７】
当該図は、原寸に比例して描かれているわけではない。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
ここで、ガラス基板にパイロット孔が形成された後に当該ガラス基板をエッチングする方法ならびにそのような方法において使用されるエッチング溶液の実施形態について詳細に説明する。本明細書において開示される実施形態は、貫通構造特徴部がレーザーを使用して形成される場合のガラス基板のエッチングを対象としているが、当該貫通構造特徴部は、他の方法、例えば、ＣＮＣ機械加工、ドリル加工などによって形成してもよいことは理解されるべきである。
【００３９】
概して、パイロット孔は、ガラス基板上の任意の位置にレーザーによって形成することができる。次いで、当該ガラス基板は、当該ガラス基板に貫通構造特徴部を形成するためにエッチング溶液に晒される。いくつかの実施形態において、貫通構造特徴部の形成された当該ガラス基板は、次いで、強化プロセス、例えば、イオン交換強化プロセスなどを施され得る。
【００４０】
当該ガラスは、最初、任意のガラス組成物、例えば、これらに限定されるわけではないが、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、アルカリ含有ガラス、および無アルカリガラスなどで形成された平坦なガラス基板であり得る。
【００４１】
いくつかの実施形態において、上記において説明したガラス類は、当技術分野において公知のプロセス、例えば、スロットドロー法、フュージョンドロー法、リドロー法などによってダウンドロー可能であり、ならびに少なくとも１３０キロポアズの液相線粘度を有する。
【００４２】
最初に図１を参照すると、平坦なガラス基板１３０にパイロット孔を形成するためのシステム１２０が図式的に表されている。レーザー源１２２は、パルスレーザービーム１２４を発生させるために作動可能に提供され、当該バルスレーザービームは、結合光学系１２６によって集束され、当該平坦なガラス基板１３０へと向けられる。当該レーザー源１２２は、当該ガラス基板にパイロット孔を形成することができる任意のレーザー源であり得る。限定ではなく一例として、当該レーザー源１２２は、ピコ秒パルスまたはナノ秒パルスにおいて作動するパルスレーザービーム１２４（例えば、約２６６ｎｍ、約３５５ｎｍ、約５３２ｎｍ、または約１０６４ｎｍの波長）を発生させる。いくつかの実施形態において、パイロット孔は、平坦なガラス基板の領域に誘起され得る。
【００４３】
当該結合光学系１２６は、パルスレーザービーム１２４を、当該平坦なガラス基板１３０に対して所望の場所に焦点を有する集束されたレーザービームへと集束する、１つまたは複数のレンズとして構成され得る。下記においてより詳細に説明されるように、いくつかの実施形態において、当該結合光学系１２６の焦点は、米国特許出願公開第２０１４／０１１６０９１号、同第２０１３／０２４７６１５号、同第２０１４／０１４７６２３号、および同第２０１５／０１６６３９５号に記載されているように、衝撃式削孔に対して制御可能であり得、なお、当該特許出願公開の全ては、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【００４４】
パルスレーザービーム１２４は、平坦なガラス基板１３０上をスキャンして所望のパイロット孔を形成するように構成され得る。いくつかの実施形態において、当該平坦なガラス基板１３０は、当該平坦なガラス基板がパルスレーザービーム１２４に対して平行移動されるように、コンピュータ制御されたＸＹＺステージ（図示せず）に取り付けられ得る。追加的に、ビームスプリッター（図示せず）を提供することにより、当該平坦なガラス基板１３０内に複数のパイロット孔を同時形成するために、レーザー源１２２によって発生された単一のレーザービーム１２４を複数のレーザービームへと分けることもできる。
【００４５】
実施形態において、材料にレーザー穿孔する方法は、パルスレーザービームをビーム伝搬方向に沿った指向のレーザービーム焦線へと集束させて当該材料中へと向けるステップであって、当該レーザービームが、当該材料において測定された場合に、加工される材料の厚さ１ｍｍ当たり約５０マイクロジュールを超える平均レーザーバーストエネルギーを有し、焦線において約２５μＪ／ｍｍから約１２５μＪ／ｍｍの範囲のバーストエネルギー密度を有し、約１００ピコ秒未満の間隔および約１ｋＨｚから約４ＭＨｚの間の範囲の繰り返し率を有するパルスを有する、ステップを含む。当該焦線の長さは、強度が最大強度の１／２である、光軸上の２つのポイントの間の距離によって決定することができる。当該レーザービーム焦線は、材料内において誘起された吸収を発生させ、当該誘起された吸収は、材料内に当該レーザービーム焦線に沿って孔を生じさせる。
【００４６】
上記において開示されるようなレーザーなどによってガラス基板にパイロット孔が形成されれば、当該パイロット孔の幾何学的形状は、当該ガラス基板にエッチング処理を施すことによって変更することができる。例えば、実施形態において、当該貫通構造特徴部は、ガラス基板のレーザー衝撃式削孔による初期直径を有する貫通孔であり得る。しかしながら、貫通孔を有するガラス基板がエッチング処理を施された場合、当該貫通孔の直径は増加し得、ならびにガラス基板の一表面における貫通孔の直径と当該ガラス基板の第二表面における貫通孔の直径との間の差は減少し得る（すなわち、当該貫通孔は、ガラス基板の厚さにわたって、より一定の直径を有する）。
【００４７】
ここで、図２を参照すると、レーザー穿孔された穴（本明細書において「パイロット孔」とも呼ばれる）を広げるためにガラス基板１３０をエッチングするための例示的なエッチング機器２００が図式的に表されている。概して、実施例のエッチング機器２００は、外容器２１０、ウォータータンク２２０、エッチング溶液タンク２３０、試料ホルダー２４０、超音波変換器２５０、および超音波発生装置２６０を含む。図示された実施形態において、エッチング溶液タンク２３０は、ウォータータンク２２０内に配置され、ならびに当該ウォータータンク２２０は、外容器２１０内に配置される。当該超音波変換器２５０は、外容器２１０内に配置され得、ウォータータンク２２０とインターフェース接続され得て、それにより、超音波エネルギーが、ウォータータンク２２０内に収容された水２２５へと伝達され得、次いで、エッチング溶液タンク２３０内に収容されたエッチング溶液２３５へと伝達され、最終的に、エッチング溶液タンク２３０内において試料ホルダー２４０によって支持されたガラス基板１３０へと伝達される。当該超音波変換器２５０は、ウォータータンク２２０に対して任意の位置および方向、例えば、ウォータータンク２２０の下および／またはウォータータンク２２０の側面などにおいて構成してもよいことは理解されるべきである。以下においてより詳細に説明されるように、ガラス基板がエッチング溶液タンク２３０においてエッチング溶液２３５によってエッチングされる際に当該ガラス基板１３０に適用される超音波エネルギーは、当該ガラス基板１３０のエッチングを高め、望ましい特性を有する貫通構造特徴部の形成を促進する。
【００４８】
図２に表される実施形態において、試料ホルダー２４０は、ガラス基板１３０が垂直方向に支持されるように製作される。理論に束縛されることを望むわけではないが、当該試料ホルダー２４０がガラス基板１３０を垂直方向に支持する場合、いくつかのガラス基板を同時に処理することができ、ならびに、貫通構造特徴部を通ってのエッチャントの移入および移出は、超音波が、音響キャビテーションを同時に可能としつつ、基板の表面を横断する際に、超音波の正弦波の性質によって促進され得る。他の実施形態において、試料ホルダー２４０は、超音波が直接的にまたは貫通構造特徴部を通って縦軸方向に移動し得る水平方向にガラス基板１３０が支持されるように製作してもよい。理論に束縛されることを望むわけではないが、ガラス基板１３０が水平方向に支持される場合、貫通構造特徴部を通ってのエッチャントの移入および移出は、重力と当該貫通構造特徴部を長軸方向に通る音波の移動との両方によって達成され得る。ガラス基板１３０が水平方向に支持される場合、超音波が基板から基板へと移動することによって生じ得る音波減衰を防ぐために、一度に１つのガラス基板１３０を処理することはことが有利であり得る。
【００４９】
ウォータータンク２２０は、超音波変換器２５０によって生み出された超音波エネルギーが、エッチング溶液タンク２３０内に浸されたガラス基板１３０に伝達されることを確保するのに十分なレベルまで満たされた水２２５を含む。いくつかの実施形態において、水２２５は脱イオン水であり、これは、表面張力を下げるために数ミリメートルの界面活性剤を含み得る。しかしながら、他の実施形態において、水２２５は、脱イオン水以外のタイプの水であってもよく、および／または界面活性剤を含まなくてもよいことは理解されるべきである。さらに、超音波変換器２５０からの超音波エネルギーをエッチング溶液タンク２３０内のエッチング溶液２３５へと伝達するために水以外の液体を用いることができることも理解されるべきである。超音波変換器がエッチング溶液タンク２３０内のエッチング溶液２３５を直接揺動するような実施形態などのいくつかの実施形態は、ウォータータンク２２０を含んでいなくてもよい。
【００５０】
超音波発生装置２６０は、電気ケーブル２７０によって超音波変換器２５０に電気的に接続されている。超音波発生装置２６０は、超音波変換器２５０に１つまたは複数の周波数において超音波エネルギーを発生させる。当該超音波変換器２５０は、様々な周波数において超音波エネルギーを発生させることができる。いくつかの実施形態において、当該超音波エネルギーは、約４０ｋＨｚから約１９２ｋＨｚの間の周波数を有する。いくつかの実施形態において、当該超音波エネルギーは、約８０ｋＨｚから約１３２ｋＨｚの間の周波数を有する。いくつかの実施形態において、当該超音波エネルギーは、一次周波数と中心として、当該一次周波数の上下に振動または掃引され、例えば、超音波エネルギーが約８０ｋＨｚを中心とする場合、約７９ｋＨｚから約８１ｋＨｚの間（すなわち、８０ｋＨｚ±１ｋＨｚ）において前後に掃引される。他の実施形態において、当該超音波エネルギーは、異なる周波数を中心とし得、および／または当該一次周波数の上下において１ｋＨｚを超える範囲において振動または掃引され得る。いくつかの実施形態において、当該超音波エネルギーは、例えば、超音波変換器２５０が少なくとも２つの周波数を有する超音波エネルギーを発生させる場合などには、第一周波数および第二周波数を有する。例えば、第一超音波変換器は、第一周波数を有する超音波エネルギーを発生させ得、同時に、第二超音波変換器は、第二周波数を有する超音波エネルギーを発生させ得る。いくつかの実施形態において、当該超音波変換器２５０は、第一周波数が４０ｋＨｚであり第二周波数が８０ｋＨｚである「４０ｋＨｚ／８０ｋＨｚクロスファイヤー式」構成において超音波エネルギーを発生させ得る。いくつかの実施形態において、当該超音波変換器２５０は、第一周波数が８０ｋＨｚであり第二周波数が１２０ｋＨｚである「８０ｋＨｚ／１２０ｋＨｚクロスファイヤー式」構成において超音波エネルギーを発生させ得る。
【００５１】
上記において提供される実施形態は、ガラス基板をエッチング溶液中に浸漬するステップについて説明しているが、当該エッチング溶液は、他の方法、例えば、振動式スプレーヘッドを使用してエッチング溶液をガラス基板に噴霧するなどによってガラス基板と接触させてもよいことは理解されるべきである。そのような実施形態において、当該振動式スプレーヘッドは、エッチング溶液の噴霧器を移動させることによって揺動を提供する。振動の速度および噴霧器の速度を調節することにより、揺動を変えることができる。
【００５２】
さらに、実施形態において、エッチング溶液の揺動は、例えば、ガラス基板をエッチング溶液の浴に浸漬したまま、当該浴を移動させるなどによる、３Ｄ揺動であり得る。そのような３Ｄ運動は、例えば、パイロット孔を含むガラス基板を、ｘ方向、ｙ方向、およびｚ方向に移動させることによって行うことができる。いくつかの実施形態において、パイロット孔を含むガラス基板は、らせん状の軌跡においてエッチング溶液中を移動され得る。実施形態において、約３００μｍ未満の厚さを有するガラス基板は、３Ｄ揺動によって揺動され、約３００μｍを超える厚さを有するガラス基板は、超音波揺動によって揺動される。他の実施形態において、いかなる厚さを有するガラス基板も、超音波揺動またはメガソニック揺動によって揺動させてもよい。いくつかの実施形態において、当該揺動は、ガラス基板またはエッチング溶液のうちのどちらか一方または両方を移動させることを包含し得る。
【００５３】
上記において説明したようなレーザー損傷プロセスおよびエッチングプロセスにおいて、揺動は、概して、エッチングプロセスの際に、エッチャントをパイロット孔中へと輸送し、放逸されたガラスを当該パイロット孔から除去するのを支援するために使用される。しかしながら、多くの場合、当該揺動は均一ではなく、そのため、貫通構造特徴部の周りおよび当該貫通構造特徴部に隣接する表面でのディファレンシャルエッチングを促進する。いくつかのレーザー損傷プロセスおよびエッチングプロセスにおいて、超音波振動またはメガソニック振動が、揺動として使用される。しかしながら、当該超音波揺動およびメガソニック揺動は、多くの場合不規則に分布するため、それにより、当該超音波揺動およびメガソニック揺動により多く晒されるエリアは、当該超音波揺動およびメガソニック揺動により少なく晒されるエリアよりも、より多くのガラスの溶解を有することになる。超音波揺動およびメガソニック揺動におけるこの不均一な分布は、ガラス基板が望ましくない表面のうねりを有する原因となる。したがって、本明細書において開示される実施形態において、ガラス基板をエッチングするための、揺動に対して感度の低いエッチング溶液が開示される。
【００５４】
いかなる特定の理論にも束縛されることを望むわけではないが、エッチングプロセスは、エッチング溶液とガラス基板との間の液体−固体界面において生じる三段階の界面反応であると考えられる。図３を参照すると、第一ブロック３００では、エッチャントは、バルクのエッチング溶液中にある。エッチングプロセス３１０の第一段階において、反応剤（本明細書において「エッチャント」とも呼ばれる）が、エッチング溶液のバルクからガラス表面へと拡散する。第二ブロック３２０において、当該エッチャントはガラス表面にある。エッチングプロセスの第二段階３３０において、エッチング溶液のバルクから拡散したエッチャントは、ガラス表面と反応する。第三ブロック３４０において、反応段階より形成された、放逸されたガラス副産物が、ガラス表面に存在する。第三段階３５０では、当該放逸されたガラス副産物が、ガラス物品の表面からエッチング溶液のバルクへと拡散する。第四ブロック３６０では、当該放逸されたガラス副産物は、エッチング溶液のバルクにある。
【００５５】
再び図３を参照すると、例えば、エッチング速度が遅い場合などのように、放逸されたガラス副産物の生成が遅い場合、当該エッチングプロセスの第一段階３１０および第二段階３３０（すなわち、第一拡散段階および反応段階）が、当該エッチングプロセスの速度を決定する。一例として、フッ化水素酸（ＨＦ）によるアルミノケイ酸ガラスのエッチングは、２つの主要な化学反応、すなわちケイ酸塩の溶解（下記の反応１に示される）とアルミナ（酸化アルミニウムまたはＡｌ２Ｏ３とも呼ばれる）の溶解（下記の反応２に示される）とを含む。
【００５６】
ＳｉＯ２（ガラス）＋６ＨＦ（溶液）→Ｈ２ＳｉＦ６（溶液）＋Ｈ２Ｏ（溶液）    １
Ａｌ２Ｏ３（ガラス）＋６Ｈ＋（溶液）→２Ａｌ３＋（溶液）＋３Ｈ２Ｏ（溶液）    ２
【００５７】
反応１におけるケイ酸塩の溶解は比較敵遅い反応であり、その一方で、特にエッチング溶液が高いプロトン濃度（すなわち、低いｐＨ）を有する場合、反応２におけるアルミナの溶解は比較的速い反応である。したがって、高いプロトン濃度では、アルミノケイ酸ガラスのエッチング全体は、第一拡散段階によって制限され、これは、ガラス基板のエッチングが、エッチング溶液のバルクからガラス基板の表面へと拡散することができるエッチャントの量によって制限されることを意味する。したがって、揺動がエッチング溶液を移動させ、エッチャントをガラス基板の表面へと再導入することによって、エッチング溶液のバルクからガラス基板の表面へのエッチャントの拡散速度を高めるため、低ｐＨ（高いプロトン濃度）のエッチング溶液でのアルミノケイ酸ガラスのエッチングプロセスは、揺動に対する感度が高い。しがたって、上記において説明したアルミノケイ酸塩のエッチングプロセスでは、ガラス基板の表面へのエッチャントの拡散（エッチングプロセスの律速段階）は、より多くの揺動を受けるエリアにおいて増加するため、そのようなより多くの揺動を受けるエリアは、より多くのエッチングを受ける。したがって、そのようなエッチングプロセスにおいて揺動が均一でない場合、ガラス基板においてうねりが生じ得、パイロット孔の周りに凹部が形成され得る。
【００５８】
レーザー損傷プロセスおよびエッチングプロセスは、概して、ＨＦおよび第二強酸、例えば、硫酸、硝酸、および塩酸などを含むエッチング溶液を使用する。一般的に、第二強酸を含ませることは、エッチング速度を高めるために有益であると考えられる。しかしながら、当該第二強酸は、エッチング溶液中における利用可能なプロトンも増加させ、当該エッチング溶液のｐＨを下げる。したがって、レーザー損傷およびエッチングにおいて一般的に使用されるエッチング溶液は、高いプロトン濃度を有し、上記において説明したうねりおよび凹部を生じやすい。
【００５９】
上記において説明したように、アルミノケイ酸ガラス基板をエッチングするために、揺動と組み合わせて高いプロトン濃度を有するエッチング溶液が使用される場合、結果的に波状面が生じ得、貫通構造特徴部の周りに凹部が形成され得る。これらの欠陥は、ガラス基板へのエッチャントの拡散がエッチングプロセスの律速段階であるために生じる。したがって、実施形態において、エッチング溶液は、エッチングプロセスの律速段階を第一拡散段階から反応段階へと移行させるように配合される。この移行を行うことにより、ガラス基板のエッチングは、ガラス基板の表面へと拡散されるエッチャントの量によって制限されない。
【００６０】
実施形態において、エッチング溶液のｐＨを高めることによって、エッチングプロセスの当該律速段階は、第一拡散段階から反応段階へと移行され得る。より高いｐＨを有するエッチング溶液は、ガラス基板のアルミナと反応する遊離プロトンが少なく、結果として、反応２の速度を遅くし、それにより、反応段階（例えば、反応１および反応２）が当該エッチングプロセスの律速段階となる。上記において説明したように、ガラス基板の表面に送達されるエッチャントの量を増やすために、主に揺動が使用され、これは、第一拡散段階がエッチングプロセスの律速段階である場合に、不均一なエッチングの原因となり得る。しかしながら、第一拡散段階がエッチングプロセスの律速段階ではない場合、エッチングプロセスは反応段階の速度によって制限され、ガラス基板の表面へと拡散されるエッチャントの量によっては制限されないので、揺動はガラス表面のモルホロジーに対して強い効果を有さない。
【００６１】
本明細書において開示されるエッチング溶液の実施形態は、約０から約２．０、約０．５から約２．０、約１．０から約２．０、または約１．２から約１．８のｐＨを有する。他の実施形態において、当該エッチング溶液は、約１．３から約１．７、例えば、約１．４から約１．６のｐＨを有する。さらに他の実施形態では、当該エッチング溶液は、約１．５のｐＨを有する。上記において説明したように、比較的高いｐＨを有するエッチング溶液を使用することにより、当該エッチング溶液におけるプロトン濃度が下げられ、エッチングプロセスの律速段階が第一拡散段階から反応段階へと移行し、揺動に対するガラスの感度が低下する。
【００６２】
実施形態において、エッチング溶液のｐＨは、一般的にエッチング溶液においてＨＦと組み合わせて使用される第二強酸を排除することによって増加することができる。例えば、レーザー損傷プロセスおよびエッチングプロセスにおいて一般的に使用されるエッチング溶液では、ＨＦと共に硝酸（ＨＮＯ３）が使用される。エッチング溶液においてＨＦと共に２．４ＭのＨＮＯ３を使用することにより、当該エッチング溶液において約−０．４のｐＨのエッチング溶液が得られる。しかしながら、純粋な３ＭのＨＦを使用することにより、約１．４のｐＨのエッチング溶液が得られる。したがって、エッチング溶液から第二強酸を除くことにより、当該エッチング溶液のｐＨが著しく上がる。純粋なＨＦを使用することなく比較的高いｐＨを維持するために、第二強酸を弱酸に置き換えてもよい。例示的な弱酸としては、酢酸、シュウ酸、炭酸、クエン酸、およびリン酸が挙げられる。
【００６３】
さらに、エッチング溶液のｐＨは、当該エッチング溶液に緩衝剤を含ませることによって増加させることができる。実施形態において、当該緩衝剤はフッ化物塩であり得る。  緩衝剤として使用することができる例示的なフッ化物塩としては、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、およびフッ化ナトリウム（ＮａＦ）が挙げられる。他の実施形態において、当該緩衝剤は、エッチング溶液に含まれる弱酸の塩であり得る。本明細書において開示される実施形態によるエッチング溶液に含まれ得る弱酸の例示的な塩は、酢酸の塩、シュウ酸の塩、炭酸の塩、リン酸の塩（例えば、リン酸塩）、およびクエン酸の塩から選択される。
【００６４】
実施形態において、当該エッチング溶液は、主要なエッチャントとしてＨＦを含み得る。当該エッチング溶液のｐＨを増加させるために、１種または複数種の緩衝剤を当該ＨＦに加えてもよい。いくつかの実施形態において、緩衝剤に対する酸の重量比は、約２：１から約０．５：１、例えば、約１．５：１から約１：１であり得る。他の実施形態において、緩衝剤に対する酸の重量比は、約１：１である。
【００６５】
ガラス組成も、ガラス基板の表面モルホロジーに影響を及ぼすことができる。上記において説明したように、ガラス基板中にアルミナが存在する場合、ガラス表面へのエッチャントの拡散段階が、当該エッチングプロセスにおける律速反応であり、これは、ガラス基板の表面におけるうねりおよび凹部の原因となる。実施形態において、高いｐＨのエッチング溶液は、アルミナと反応する（すなわち反応２）ために利用可能なプロトンの量を減らすことにより、当該エッチングプロセスの律速段階を拡散段階から反応段階へと移行させることによって、この問題に対処する。しかしながら、ガラス基板がアルミナを含まない場合、当該エッチングプロセスにおける律速段階は、ケイ酸塩とエッチャントとの間の反応段階であり（すなわち、反応１）、これは、アルミナとケイ酸塩との間の反応に比べて遅い反応である。したがって、アルミナを含まないある特定のガラス基板の場合、エッチングプロセスにおける律速段階は、エッチャントとケイ酸塩との間の反応である。したがって、アルミナを含まないガラス基板をエッチングする場合、エッチング溶液のプロトン濃度は、アルミナを含むガラス基板をエッチングする場合ほど重要ではない。したがって、実施形態において、アルミナを含まないガラス基板をエッチングするために使用されるであろうエッチング溶液のｐＨは、厳密に調整する必要はない。したがって、実施形態において、当該ガラス基板は、アルミナを含まない。アルミナを含まない例示的なガラスとしては、ソーダ石灰ガラスおよびホウケイ酸ガラスが挙げられる。アルミナに加えて、ガラス基板における他の成分、例えば、リン酸塩および五酸化リン（Ｐ２Ｏ５）なども、当該エッチング溶液におけるプロトンと急速に反応し得る。したがって、実施形態において、ガラス基板はアルミナ、リン酸塩または五酸化リンを含まない。
【００６６】
ｐＨに加えて、エッチング速度も、ガラス基板の表面変形に影響を与え得る。いかなる特定の理論にも束縛されないが、エッチング溶液がガラス基板の表面に存在する場合、当該ガラスは拡散され、放逸されたガラスの副産物が当該ガラス基板の表面に存在する。この副産物は、エッチャントとガラスとの間の界面反応を妨げ得、その結果、干渉が生じるようなガラス表面にムラを生じさせる。したがって、エッチング溶液とガラス基板とのエッチング速度が速いほど、エッチング溶液とガラス基板との間の反応を妨げ得る副産物がより多く生成され、当該副産物がエッチング溶液のバルクへと拡散するのにより長い時間がかかる。したがって、実施形態において、当該エッチング溶液は、当該副産物がエッチング溶液のバルクへと拡散するのを可能にするエッチング速度を有するように選択され、これは、ガラス表面のムラを減少させる。実施形態において、エッチング溶液のエッチング速度は、約３μｍ／分未満、例えば、約２．５μｍ／分未満などである。他の実施形態において、エッチング溶液のエッチング速度は、約２μｍ／分未満、例えば、約１．５μｍ／分未満などである。実施形態において、当該エッチング速度は、約０．５μｍ／分から約３μｍ／分、例えば、約０．５μｍ／分から約２．５μｍ／分などである。他の実施形態において、当該エッチング速度は、約０．５μｍ／分から約２μｍ／分、例えば、約０．５μｍ／分から約１．５μｍ／分などである。
【００６７】
エッチング溶液のエッチング速度は、当該エッチング溶液の組成を変更することによって制御することができる。例えば、実施形態において、弱酸をＨＦと組み合わせて使用することにより、エッチング溶液のエッチング速度を低下させることができる。
【００６８】
エッチング溶液の温度も、エッチングプロセスの間のエッチング速度およびガラス基板の品質に影響を及ぼし得る。より高いエッチング溶液温度は、概して、エッチング速度を速め、したがって、より高いエッチング溶液温度を使用することにより、エッチングプロセスの時間を短縮することができる。したがって、実施形態において、エッチング溶液の温度は、約１０℃から約３０℃、例えば、約１５℃から約２５℃などであり得る。実施形態において、より高い温度またはより低い温度を使用することもできるということは、理解されるべきである。
【００６９】
本明細書の上記において説明した実施形態において、表面のモルホロジーは均一である。いくつかの実施形態において、ガラス基板の厚さにおける偏位部分または孔もしくは貫通構造特徴部の周囲の凹部が存在する。第一表面７０２および当該第一表面７０２の反対側の第二表面７０４を有するガラス基板７００を表す図７Ａに、上記において説明した偏位部分または凹部が表されている。ガラス基板７００は、第一表面７０２から第二表面７０４まで延在する少なくとも１つの貫通構造特徴部７０６を有する。いくつかの実施形態において、ガラス基板７００は、第一表面７０２において、貫通構造特徴部７０６の周囲に厚さにおける偏位部分または凹部７０８を有する。凹部７０８または貫通構造特徴部７０６を有さない領域において第一表面７０２に接する第一平面７１０が示されている。当該偏位部分または凹部７０８は、第一平面７１０から距離ｄ１だけ窪んだ表面７１２を有し得る。表面７１２は、貫通構造特徴部７０６の側壁７１３において終端する。距離ｄ１は、第一平面７１０と凹部の表面７１２との間の最大距離として測定される。いくつかの実施形態において、図示されていないが、複数の貫通構造特徴部７０６が存在し得、そのいくつかまたはすべては、第一表面において偏位部分または凹部７０８を有する。いくつかの実施形態において、図示されていないが、第二表面にも、いくつかまたはすべての貫通構造特徴部７０６の偏位部分または凹部７０８が存在し得、この場合、当該第二表面７０４における凹部は、第二平面から距離ｄ２だけ窪んだ表面を有する。第二平面は、凹部または貫通構造特徴部を有さない領域において第二表面７０４に接する平面である。距離ｄ１は、当該第二平面と凹部の表面との間の最大距離として測定される。いくつかの実施形態において、貫通構造特徴部７０６は、第一表面および第二表面上に凹部を有し得、距離ｄ１は、距離ｄ２と同じであり得るかまたは異なり得る。いくつかの実施形態において、例えば、図７Ｂに示されるように、貫通構造特徴部７０６がお互いに十分近くにあって離間されている場合、単一の凹部７０８’は貫通構造特徴部７０６を囲むように一緒に統合しされ得る。いくつかの実施形態において、貫通構造特徴部が約２００μｍ以下において離間されている場合、距離凹部７０８’は隣接する貫通構造特徴部７０６を囲む。
【００７０】
いくつかの実施形態において、距離ｄ１またはｄ２は、約０．２μｍ以下、約０．１５μｍ以下、約０．１μｍ以下、または約０．０５μｍ以下、約０．０１μｍから約０．２μｍの範囲、約０．０１μｍから約０．１５μｍの範囲、約０．０５μｍから約０．２μｍの範囲、約０．０５μｍから約０．１５μｍの範囲、約０．１μｍから約０．２μｍの範囲、または約０．１μｍから約０．１５μｍの範囲である。当該距離ｄ１およびｄ２は、光学表面形状測定装置、例えば、Ｚｙｇｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＮｅｗ  Ｖｉｅｗ（登録商標）  ７３００などにより測定することができる。上記において指定された距離ｄ１およびｄ２は、上記において開示したエッチング技術の結果として達成することができる。
【００７１】
いくつかの実施形態において、上記の偏位部分または凹部は、孔または貫通構造特徴部が、光学顕微鏡によって測定した場合に、約５μｍ以上、約１０μｍ以上、約１５μｍ以上、約２０μｍ以上、約２５μｍ以上、約３０μｍ以上、約３５μｍ以上、約４０μｍ以上、約４５μｍ以上、または約５０μｍ以上である、当該基板の第一または第二表面における直径を有する場合に達成され得る。
【００７２】
いくつかの実施形態において、凹部の一部ではない、第一表面７０２および第二表面７０４の領域７１４は、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、０．４ｎｍ以下の平均表面粗さＲａを有する。いくつかの実施形態において、領域７１４の平均表面粗さは、約０．４ｎｍから約０．９ｎｍ、約０．４ｎｍから約０．８ｎｍ、約０．４ｎｍから約０．７ｎｍ、約０．５ｎｍから約０．９ｎｍ、約０．５ｎｍから約０．８ｎｍ、または約０．５ｎｍから約０．７ｎｍの範囲である。いくつかの実施形態において、２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも１つの領域７１４、２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも２つの領域７１４、２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも３つの領域７１４、２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも４つの領域７１４、２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも５つの領域７１４、２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも６つの領域７１４、２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも７つの領域７１４、２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも８つの領域７１４、２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも９つの領域７１４、または２μｍ×２μｍのエリアを有する少なくとも１０つの領域７１４としての第一表面７０２または第二表面７０４は、上記に一覧される範囲の平均表面粗さＲａを有する。当該平均表面粗さＲａは、上記において開示したエッチング技術を使用することにより達成することができる。本明細書において使用される場合、平均表面粗さＲａは、２μｍ×２μｍのサイズのエリアにわたって測定され、局所表面高さと平均表面高さとの間の差の相加平均として定義され、以下の式によって説明することができる。
【００７３】
【数１】
2018518445.tif 000003
【００７４】
式中、ｙｉは、平均表面高さに対する局所表面高さである。当該平均表面粗さＲａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、例えば、Ｖｅｅｃｏから入手可能なＤｉｍｅｎｓｉｏｎ  Ｉｃｏｎなどを使用して測定することができる。
【００７５】
いくつかの実施形態において、当該ガラス基板は、強化プロセスによって強化される。いくつかの実施形態において、当該強化プロセスは、ガラス基板にパイロット孔が形成される前に行われ得る。他の実施形態において、当該強化プロセスは、ガラス基板にパイロット孔が形成された後に行われ得る。当該ガラス基板は、イオン交換プロセスによって化学強化することができ、当該プロセスでは、ガラスの表面層におけるイオンが、同じ原子価または酸化状態を有するより大きなイオンによって置き換えられる。特定の一実施形態において、表面層における当該イオンおよび当該より大きなイオンは、一価のアルカリ金属カチオン、例えば、Ｌｉ＋（ガラス中に存在する場合）、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｒｂ＋、およびＣｓ＋などである。あるいは、表面層における一価のカチオンは、アルカリ金属カチオン以外の一価のカチオン、例えば、Ａｇ＋、Ｔｌ＋、Ｃｕ＋などで置き換えられ得る。
【００７６】
当該イオン交換プロセスは、ガラス基板の表面に圧縮応力を生じさせる。これらの圧縮応力は、ガラス基板の表面の下で、圧縮応力層深さと呼ばれるある特定の深さまで広がる。当該圧縮応力は、ガラス基板中の正味の応力がゼロになるように、引張応力（中央張力と呼ばれる）の層によって調和が保たれる。成形されたガラス基板の表面での圧縮応力の形成は、当該ガラスを強くし、機械的損傷に対する抵抗性を付与する。
【００７７】
一実施形態において、当該ガラス基板は、イオン交換によって化学強化され、当該イオン交換では、当該ガラス基板がイオン交換浴内に位置されたときにガラスの表面付近のより小さいナトリウムイオンがより大きなカリウムイオンによって交換される。実施形態において、当該イオン交換浴は、溶融ＫＮＯ３、ＮａＮＯ３、またはそれらの混合物を含む。より大きなカリウムイオンによるより小さいナトリウムイオンの置換は、当該ガラス基板の表面において圧縮応力層を発達させる。当該圧縮応力は、当該ガラスの表面の下で、指定された圧縮応力層深さまで広がる（圧縮表面層）。圧縮表面層は、上面および下面から、圧縮応力層深さまで広がる。当該圧縮表面層は、ガラス基板の中心における内部張力層の発達によって調和が保たれる。
【００７８】
本明細書において説明した実施形態において、強化することにより、当該成形されたガラス基板において発達させた圧縮応力および圧縮応力層深さは、当該成形されたガラス基板にキズを導入するリスク無くさらなる加工（例えば、端部仕上げ）を行うことをも容易にしつつ、当該成形されたガラス基板の損傷許容性を高めるのに十分である。一実施形態において、当該圧縮応力は、約２００ＭＰａから約１０００ＭＰａであり得る。別の実施形態において、当該圧縮応力は、約５００ＭＰａから約８００ＭＰａであり得る。さらなる別の実施形態において、当該圧縮応力は、約６５０ＭＰａから約９００ＭＰａであり得る。一実施形態において、当該圧縮応力層深さは、約１０マイクロメートルから約８０マイクロメートルであり得る。別の実施形態において、当該圧縮応力層深さは、約３０マイクロメートルから約６０マイクロメートルであり得る。さらなる別の実施形態において、当該圧縮応力層深さは、約４０マイクロメートルから約６０マイクロメートルであり得る。
【００７９】
いくつかの実施形態において、当該ガラス基板は、レーザー損傷工程およびエッチング工程の後に強化される。しかしながら、他の実施形態では、当該ガラス基板は、レーザー損傷工程およびエッチング工程の前に強化され得る。
【００８０】
いくつかの実施形態において、半導体デバイスは、凹部における厚さの、本明細書において開示される量の偏位部分、および／または本明細書において開示される量の平均表面粗さＲａを有する少なくとも１つの貫通孔を有する、本明細書において説明したガラス基板を含み得る。
【００８１】
用語「実質的に」および「約」は、任意の定量比較、値、測定値、または他の表現に起因し得る不確実性の本質的度合いを表すために、本明細書において用いられ得ることに留意されたい。これらの用語も、検討中の主題の基本機能における変化を結果として生じることなく、定量的表現が、述べられた参考値から変わり得る程度を表すために、本明細書において用いられる。さらに、用語「例示的」は、実施形態による非限定的な例を表すために本明細書において用いられ得る。
【実施例】
【００８２】
実施形態は、以下の実施例によってより明確となるであろう。
【００８３】
実施例１
Ｃｏｒｎｉｎｇ社製のＥａｇｌｅ  ＸＧガラス（アルミノケイ酸ガラス）を、０．２ｍｍの厚さを有する５０ｍｍ×５０ｍｍの基板へと成形した。次いで、５ｋＨｚの繰り返し率において作動する３５５ｎｍのナノ秒レーザーを使用して、衝撃式削孔によってパイロット孔を形成した。当該パイロット孔は、図４に示されるようにガラス基板に形成した。図４から分かるように、当該パイロット孔は、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、および１０００μｍのピッチの直線または正方形を含む、様々な幾何学的配置において形成した。当該パイロット孔は、１５μｍの上部直径および約３μｍの底部直径を有していた。
【００８４】
いくつかのガラス基板を、高ｐＨエッチング溶液中に位置し、他のガラス基板を低ｐＨエッチング溶液中に位置した。当該高ｐＨエッチング溶液および低ｐＨエッチング溶液のそれぞれをＣｒｅｓｔ超音波タンクに入れ、４０ｋＨｚの超音波揺動によってエッチングを実施した。
【００８５】
当該低ｐＨエッチング溶液は、３ＭのＨＦおよび２．４ＭのＨＮＯ３によって作製し、当該エッチング溶液は、約−０．４のｐＨを有していた。当該高ｐＨエッチング溶液は、３ＭのＨＦおよび１ＭのＮＨ４Ｆによって作製し、当該エッチング溶液は、約１．４のｐＨを有していた。当該高ｐＨエッチング溶液および低ｐＨエッチング溶液のそれぞれに対して、２０μｍ、５０μｍ、および９０μｍの直径を有する貫通構造特徴部を形成した。図４に示される１６の位置での当該貫通構造特徴部および当該貫通構造特徴部の周りのエリアの表面モルホロジーを、Ｚｙｇｏ製の干渉計によって評価した。
【００８６】
図５Ａから図５Ｃは、高ｐＨエッチング溶液によってエッチングを行った場合の、図４の位置１２での表面モルホロジーの画像を示しており、図５Ｄから図５Ｆは、低ｐＨエッチング溶液によってエッチングを行った場合の、図４の位置１２での表面モルホロジーの画像を示している。特に、図５Ａは、高ｐＨエッチング溶液によってエッチングした、２０μｍ直径の貫通孔の表面モルホロジーの画像である。図５Ｂは、高ｐＨエッチング溶液によってエッチングした、５０μｍ直径の貫通孔の表面モルホロジーの画像であり、図５Ｃは、高ｐＨエッチング溶液によってエッチングした、９０μｍ直径の貫通孔の表面モルホロジーの画像である。図５Ｄは、低ｐＨエッチング溶液によってエッチングした、２０μｍ直径の貫通孔の表面モルホロジーの画像であり、図５Ｅは、低ｐＨエッチング溶液によってエッチングした、５０μｍ直径の貫通孔の表面モルホロジーの画像であり、図５Ｆは、低ｐＨエッチング溶液によってエッチングした、９０μｍ直径の貫通孔の表面モルホロジーの画像である。図５Ａから図５Ｆの比較から分かるように、いずれの直径の貫通構造特徴部に対しても、高ｐＨエッチング溶液を使用した場合、表面のうねりおよび貫通構造特徴部の周りの凹部は劇的に減少している。
【００８７】
図６は、貫通孔の周りの凹部の深さ（ガラス表面に対する）をグラフに示している。図６に示されているように、高ｐＨエッチング溶液は、結果として、２０μｍの直径を有する貫通構造特徴部の周りにおいて約０．０５μｍの深さを有する凹部、５０μｍの直径を有する貫通構造特徴部の周りにおいて約０．１μｍの深さを有する凹部、および９０μｍの直径を有する貫通構造特徴部の周りにおいて約０．１２μｍの深さを有する凹部を生じている。比較して、低ｐＨエッチング溶液は、結果として、２０μｍの直径を有する貫通構造特徴部の周りにおいて約０．１８μｍの深さを有する凹部、５０μｍの直径を有する貫通構造特徴部の周りにおいて約０．４５μｍの深さを有する凹部、および９０μｍの直径を有する貫通構造特徴部の周りにおいて約０．７５μｍの深さを有する凹部を生じている。当該深さは、Ｚｙｇｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な「Ｎｅｗ  Ｖｉｅｗ」７３００光学表面形状測定装置を使用して測定した。当該直径は、光学顕微鏡を使用して、表面において測定した。
【００８８】
この実施例は、アルミノケイ酸ガラスの場合、実施形態において、高いｐＨを有するエッチング溶液を使用することにより、衝撃式削孔によって形成された貫通構造特徴部の周りの凹部の深さを減じることができるということを明確に示している。実施形態において、高ｐＨエッチング溶液を使用した貫通構造特徴部の周りの凹部の深さは、低ｐＨエッチング溶液を使用した貫通構造特徴部の周りの凹部の深さの約１／３から約１／７である。
【００８９】
実施例２
Ｃｏｒｎｉｎｇ社製のＥａｇｌｅ  ＸＧガラス（アルミノケイ酸ガラス）を、０．７ｍｍの厚さを有する５０ｍｍ×５０ｍｍの基板に成形した。次いで、５ｋＨｚの繰り返し率において作動する３５５ｎｍナノ秒のレーザーを使用した衝撃式削孔によってパイロット孔を形成した。当該パイロット孔は、約１５μｍの上部直径および約８μｍの底部直径を有していた。
【００９０】
ガラス基板を様々なｐＨのエッチング溶液中に位置した。各エッチング溶液を、Ｃｒｅｓｔ超音波タンクに入れ、８０ｋＨｚの超音波揺動によってエッチングを行った。下記の表１は、各エッチング溶液の成分、ｐＨの評価値、エッチング速度、および凹部が無い２μｍ×２μｍの領域における表面の平均表面粗さＲａを詳述する。ｐＨは、Ｋｏｌａｓｉｎｓｋｉ，Ｋｕｒｔ  Ｗ．「Ｔｈｅ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｌｕｏｒｉｄｅ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ」，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，１５２（９）Ｊ９９−Ｊ１０４  （２００５）において教示される方法を使用して評価した。エッチング速度は、エッチング前後のガラスの厚さを測定することによって測定した。表面粗さＲａは、Ｖｅｅｃｏから入手可能なＤｉｍｅｎｓｉｏｎ  Ｉｃｏｎ原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使用して、上部表面の２μｍ×２μｍのエリアを測定した。
【００９１】
【表１】
2018518445.tif 000004
【００９２】
図８は、ｘ軸のｐＨおよびｙ軸のＲａ（ｎｍ）において各試料のＲａおよびｐＨをプロットしている。図から分かるように、最低のＲａ値は、ＨＦ酸とＮＨ４Ｆ緩衝剤との組み合わせを有するエッチング溶液を使用することによって達成された。
【００９３】
本明細書において特定の実施形態について例示し説明したが、権利請求される主題の趣旨および範囲を逸脱することなく、様々な他の変更および修正を為すことができることは理解されるべきである。さらに、権利請求される主題の様々な態様について、本明細書において説明してきたが、そのような態様は、必ずしも組み合わせにおいて利用される必要はない。したがって、添付の特許請求の範囲は、権利請求される主題の範囲内の全てのそのような変更および修正を網羅することが意図される。
【００９４】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００９５】
実施形態１
少なくとも１つの貫通構造特徴部を有するガラス基板を形成する方法であって、
当該ガラス基板上においてパルスレーザービームを平行移動させて１つまたは複数のパイロット孔を形成するステップであって、当該ガラス基板がアルミナを含む、ステップと、
当該ガラス基板をエッチング溶液に接触させるステップと、
当該ガラス基板を当該エッチング溶液に接触させる際に当該ガラス基板または当該エッチング溶液の一方かあるいはその両方を揺動させて、当該１つまたは複数のパイロット孔の直径を拡大させることにより、当該少なくとも１つの貫通構造特徴部を形成するステップと、
を含み、
当該エッチング溶液が、約０から約２．０のｐＨを有し、
エッチング速度が約３μｍ／分未満である、
方法。
【００９６】
実施形態２
上記ガラス基板を上記エッチング溶液に接触させるステップが、当該ガラス基板を当該エッチング溶液の浴に浸漬するステップを含む、実施形態１に記載の方法。
【００９７】
実施形態３
上記揺動が、上記エッチング溶液の浴に提供される超音波揺動である、実施形態２に記載の方法。
【００９８】
実施形態４
上記超音波揺動が、約４０ｋＨｚから約１９２ｋＨｚの間の周波数を有する、実施形態３に記載の方法。
【００９９】
実施形態５
（１）上記少なくとも１つの貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において第一表面に接する第一平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１が、約０．２μｍ以下である、実施形態１から４のいずれかに記載の方法。
【０１００】
実施形態６
上記エッチング溶液が、酢酸、シュウ酸、炭酸、クエン酸、およびリン酸からなる群より選択される弱酸を含む、実施形態１から５のいずれかに記載の方法。
【０１０１】
実施形態７
上記エッチング溶液が、酢酸の塩、シュウ酸の塩、炭酸の塩、リン酸の塩、およびクエン酸の塩から選択される緩衝剤を含む、実施形態１から６のいずれかに記載の方法。
【０１０２】
実施形態８
上記エッチング溶液が、フッ化アンモニウム、フッ化カリウム、およびフッ化ナトリウムからなる群より選択される緩衝剤を含む、実施形態１から７のいずれかに記載の方法。
【０１０３】
実施形態９
上記エッチング溶液のｐＨが、約１．３から約１．７である、実施形態１から８のいずれかに記載の方法。
【０１０４】
実施形態１０
上記エッチング速度が、約２．５μｍ／分未満である、実施形態１から９のいずれかに記載の方法。
【０１０５】
実施形態１１
上記エッチング溶液の温度が、約１０℃から約３０℃である、実施形態１から１０のいずれかに記載の方法。
【０１０６】
実施形態１２
上記貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない、第一表面の少なくとも１つの２μｍ×２μｍの領域が、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する、実施形態１から１１のいずれかに記載の方法。
【０１０７】
実施形態１３
（１）上記少なくとも１つの貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける上記偏位部分を有さない領域において第一表面に接する第一平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄが、約０．２μｍ以下である、実施形態１２に記載の方法。
【０１０８】
実施形態１４
上記貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない第一表面の少なくとも５つの２μｍ×２μｍの領域が、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する、実施形態１２または１３に記載の方法。
【０１０９】
実施形態１５
上記エッチング溶液が、酢酸、シュウ酸、炭酸、クエン酸、およびリン酸からなる群より選択される弱酸を含む、実施形態１２から１４のいずれか１つに記載の方法。
【０１１０】
実施形態１６
上記エッチング溶液が、フッ化アンモニウム、フッ化カリウム、およびフッ化ナトリウムからなる群より選択される緩衝剤を含む、実施形態１５に記載の方法。
【０１１１】
実施形態１７
少なくとも１つの貫通構造特徴部を有するガラス基板を形成する方法であって、
当該ガラス基板上においてパルスレーザービームを平行移動させて１つまたは複数のパイロット孔を形成するステップであって、当該ガラス基板が、アルミナ、ホスフェート、および五酸化リンを含まない、ステップと、
当該ガラス基板をエッチング溶液に接触させるステップと、
当該ガラス基板を当該エッチング溶液に接触させる際に当該ガラス基板または当該エッチング溶液の一方かあるいはその両方を揺動させて、当該１つまたは複数のパイロット孔の直径を拡大させることにより、少なくとも１つの貫通構造特徴部を形成するステップと、
を含み、
エッチング速度が、約３μｍ／分未満である、
方法。
【０１１２】
実施形態１８
上記ガラス基板を上記エッチング溶液に接触させるステップが、当該ガラス基板を当該エッチング溶液の浴に浸漬するステップを含む、実施形態１７に記載の方法。
【０１１３】
実施形態１９
上記揺動が、上記エッチング溶液の浴に提供された超音波揺動である、実施形態１７または１８に記載の方法。
【０１１４】
実施形態２０
上記超音波揺動が、約４０ｋＨｚから約１９２ｋＨｚの間の周波数を有する、実施形態１９に記載の方法。
【０１１５】
実施形態２１
（１）当該少なくとも１つの貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において第一表面に接する第一平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１が、約０．２μｍ以下である、実施形態１７から２０のいずれか１つに記載の方法。
【０１１６】
実施形態２２
上記エッチング速度が、約２．５μｍ／分未満である、実施形態１７から２１のいずれか１つに記載の方法。
【０１１７】
実施形態２３
第一表面および厚さ方向において当該第一表面の反対側の第二表面と、
当該第一表面に貫通する少なくとも１つの孔と、
を含み、
当該少なくとも１つの孔が、エッチング溶液によってエッチングされており、
（１）当該少なくとも１つの孔または当該少なくとも１つの孔の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において当該第一表面に接する第一平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ１が、約０．２μｍ以下である、
ガラス基板。
【０１１８】
実施形態２４
上記少なくとも１つの孔が、上記第一表面および上記第二表面を貫通する貫通構造特徴部であり、
当該第一表面および当該第二表面がエッチング溶液によってエッチングされている、
実施形態２３に記載のガラス基板。
【０１１９】
実施形態２５
上記最大距離ｄ１が、約０．１５μｍ以下である、実施形態２３または２４に記載のガラス基板。
【０１２０】
実施形態２６
上記貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける上記偏位部分を有さない、上記第一表面の少なくとも１つの２μｍ×２μｍの領域が、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する、実施形態２３から２５のいずれか１つに記載のガラス基板。
【０１２１】
実施形態２７
上記貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける上記偏位部分を有さない、上記第一表面の少なくとも５つの２μｍ×２μｍの領域が、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する、実施形態２３から２６のいずれか１つに記載のガラス基板。
【０１２２】
実施形態２８
上記少なくとも１つの孔が、上記第一表面および上記第二表面を貫通する貫通構造特徴部であり、ならびに（１）当該少なくとも１つの孔または当該少なくとも１つの孔の周囲の上記基板の厚さにおける偏位部分を有さない領域において当該第二表面に接する第二平面と（２）当該第一平面から窪んだ当該偏位部分の表面との間の最大距離ｄ２が、約０．２μｍ以下である、実施形態２３から２７のいずれか１つに記載のガラス基板。
【０１２３】
実施形態２９
上記貫通構造特徴部または当該少なくとも１つの貫通構造特徴部の周囲の上記基板の厚さにおける上記偏位部分を有さない、上記第一表面の少なくとも１つの２μｍ×２μｍの領域が、約０．９ｎｍ未満の平均表面粗さＲａを有する、実施形態２８に記載のガラス基板。
【０１２４】
実施形態３０
実施形態２３から２９のいずれか１つに記載のガラス基板を含む、半導体デバイス。
【符号の説明】
【０１２５】
１２０  システム
１２２  レーザー源
１２４  （パルス）レーザービーム
１２６  結合光学系
１３０、７００  ガラス基板
２００  エッチング機器
２１０  外容器
２２０  ウォータータンク
２２５  水
２３０  エッチング溶液タンク
２３５  エッチング溶液
２４０  試料ホルダー
２５０  超音波変換器
２６０  超音波発生装置
２７０  電気ケーブル
３００  第一ブロック
３１０  第一段階
３２０  第二ブロック
３３０  第二段階
３４０  第三ブロック
３５０  第三段階
３６０  第四ブロック
７０２  第一表面
７０４  第二表面
７０６  貫通構造特徴部
７０８、７０８’  凹部
７１０  第一平面
７１２  表面
７１３  側壁
７１４  領域
【図１】
2018518445.tif 000005
【図２】
2018518445.tif 000006
【図３】
2018518445.tif 000007
【図４】
2018518445.tif 000008
【図５Ａ】
2018518445.tif 000009
【図５Ｂ】
2018518445.tif 000010
【図５Ｃ】
2018518445.tif 000011
【図５Ｄ】
2018518445.tif 000012
【図５Ｅ】
2018518445.tif 000013
【図５Ｆ】
2018518445.tif 000014
【図６】
2018518445.tif 000015
【図７Ａ】
2018518445.tif 000016
【図７Ｂ】
2018518445.tif 000017
【図８】
2018518445.tif 000018
【国際調査報告】
2018518445.tif 000019
2018518445.tif 000020
2018518445.tif 000021
2018518445.tif 000022
2018518445.tif 000023