高繰り返しピコ秒パルスレーザによるガラスと半導体材料の溶融接合法
岡山大学 学術研究院自然科学学域
准教授 岡本 康寛（2018 年度 重点研究開発助成 課題研究 AF- 2018204-A3）
キーワード：ピコ秒パルスレーザ，微細溶接，ガラス，半導体

１．研究の目的と背景強度を評価することも重要であることから，直接的な接合カーボンニュートラルを目指して様々な取り組みが進む

強度の評価を行い，レーザ光照射条件と機械強度の関係を今日，消費者の嗜好や活躍する産業も多様化し，多種多様明らかにし，ピコ秒レーザを用いた半導体材料とガラス基なデバイスが求められる．また，情報化社会であらゆるも板の直接接合技術に必要な技術の確立を目指すとともに，のから様々な情報を得ることでより効率的な活動を目指し

空間位相変調器を用いた次世代の接合手法に必要な基礎要た開発が求められていることから，今後も非常に多くのセ素に関しても検討を行った．

ンシングが必要になると考えられる．そのセンシングには半導体センサが必要不可欠であり，それらを安定的に使用

２．実験方法するためにガラス等で封止する必要がある．したがって，レーザ光源として，波長 532nm および波長 1064nm の空間自由度が高く，高信頼性が得られる単結晶シリコンとナノ秒パルスレーザとピコ秒パルスレーザの合計 4 種類をガラスの接合法が求められてくる．加えて，インターポー用いた．それらのレーザ光を図１に示すように，ガラスとザ材料としてガラス基板が用いられることが期待されてお単結晶シリコンの境界面へガラス基板側より照射した．いり，ガラスと各種半導体材料の接合技術が重要になると考ずれのレーザ光においても集光スポット直径は約 20µm でえられる，一般に，シリコンとガラスの接合には陽極接合ある．単結晶シリコンとガラスの境界面は，オプティカルが多用されており，約 400 度に加熱してガラス側に 500V 程コンタクトが得られるように重ね合わせた．しかし，その度の負電圧を印加することで一括接合できる 1-3)．しかし，大きすぎるオプティカルコンタクト領域はせん断強度の評高温下で高電圧を印加することから内部の電子回路へ悪影価に大きく影響を及ぼすことが明かとなっている 4)．そこ響を及ぼす危険性があり，接合に必要な時間も一般的に長で，接合領域を特定できるようにするためにシリコン製のい．

マスクを作製した上より，未処理面へ汚染やダメージを及一方，10 ピコ秒程度のレーザ光パルスを用いて微細スポぼさない反応性イオンエッチング(C2F6, 6.7Pa, 20sccm)にットに集光すると，その瞬間的なパワー密度が大きくなる

より，幅 1mm，長さ 20mm のオプティカルコンタクト領

ことから，透明体材料であっても一部のレーザ光は非線形域を作製した．この領域にレーザ光照射条件を変化させて吸収現象によりガラスへ直接的にエネルギー吸収される 4,溶接ビードを形成した．そして，Ar イオンビームにより溶5)．
この吸収レーザ光エネルギーを熱源としてガラス材料を接ビード断面を研磨し，走査型電子顕微鏡により観察して溶融させることで半導体材料とガラス基板を接合する．す溶接ビードの状態を評価した．試料には厚さ 0.675mm，比

なわち，10 ピコ秒程度のパルスレーザによる瞬間的な熱源

抵抗 10-2Ω・cm，(100)面の P 型単結晶シリコン，厚さを用いることで，ガラス同士の接合と同様に脆性材料であ1.0mm の陽極接合用ガラス(SW-Y, Asahi Glass Company)，る半導体材料とガラス基板を高品位に接合できる可能性がおよび厚さ 1.1mm のホウ珪酸ガラス(D263, Schott)を用いある．さらに，半導体基板での線形吸収とガラス内部でのた．せん断試験には単結晶シリコンの線膨張係数に合わせ非線形吸収の混在する本手法は，作動距離の大きな集光レて調整された陽極接合用ガラス SW-Y を，溶接ビード断面ンズと高繰り返しレーザを用いることで高いプロセス速度の観察を行う場合は主にホウ珪酸ガラス D263 を使用した．と自由度が期待できる．これにより，陽極接合に劣らないプロセス速度を達成し，空間選択的な接合となることから電子回路に及ぼす影響も低減できる．
そこで本研究では，従来の陽極接合に代わる新たな接合法としてピコ秒レーザを用いた半導体材料，主として単結晶シリコンとガラス基板の直接接合法の開発を行った．はじめに，レーザ光波長やパルス幅は材料内部への光の進入深さや溶融状態に大きく影響することから，その特性を議論した．そして本手法を適応するためには，接合部の機械

図１ 幅 1mm の Glass/Si へのレーザ光照射の模式図

脆性材料の微細接合部の機械強度を議論する場合，一般

ピコ秒パルスレーザの方が溶融物の飛散が少なく，穏やか的な評価手法ではねじり等が作用して測定値にバラツキな溶融痕形成が可能であった．そして，接合部の破断強度が多くなることから適切に評価することは容易でない．そは，波長 532nm よりも 1064nm の方が，パルス幅はナノこで溶接ビード形成後の試料は，図２に示すように，試験秒よりもピコ秒の方が大きな値となっている．

中のねじれを抑制するためリニアガイドを利用したクラ

一般に，シリコンは可視域である波長 532nm よりも近ンプジグを用いてせん断試験を行った．なお，リニアガイ赤外に属する波長 1064nm の方が吸光度は低く，シリコドの摩擦力は最大破断荷重と比較して十分に小さいこと

ン表面におけるエネルギー吸収が穏やかになる．また，レを確認している．また，せん断試験前に溶接ビードの面積ーザ光の重なり量を示すオーバラップ率が 90%と非常にを測定し，破断荷重を溶接ビードの面積で除すことでせん

大きな条件であっても，図４に示すようにピコ秒パルスの断強度を求めた．せん断試験用の試料には 1mm×20mm

方がレーザ光走査線周囲への溶融物の飛散が少なく，非常のオプティカルコンタクト領域に 5 本の溶接ビードを形に穏やかな溶接ビードが形成できている．溶融物の飛散は成し，同一条件で 5 回測定を行ってその平均値をせん断強ガラスと単結晶シリコンの界面へ生ずることから，両試料度して評価した．

を離す方向へ作用するので良好な接合を考えると避けるべきである．したがって，ガラスと単結晶シリコンで大きな接合強度を得るためには，近赤外線とピコ秒パルスレーザの組合せが有効であることがわかる．

図２ せん断試験方法模式図３．レーザ光波長とパルス幅が溶融痕形成と接合強度に及ぼす影響
レーザ光波長として，532nm と 1064nm の２種類，各々の波長に対してナノ秒パルスとピコ秒パルスの２種類，計λ=1064nm, E=11μJ, Overlap rate=90%
図４ 高パルス繰り返し数におけるパルス幅の効果

４種類のパルスレーザを用い，単結晶シリコンとガラスの組み合わせに対して適切なレーザ光波長とパルス幅を検４．近赤外ピコ秒パルスレーザによる溶接特性討した．図１で示したガラスと単結晶シリコンの組み合わ

波長 1064nm，パルスエネルギー3µJ，パルス幅 20ps のせ試料に対して，レーザ光パルスが重ならないようにガラピコ秒パルスレーザを用いてガラスと単結晶シリコンのス基板からレーザ光を照射し，破断強度を測定した結果を接合を行った．このとき，レーザ光走査速度 2m/s 一定で図３に示す．波長 532nm よりも 1064nm，ナノ秒よりもパルス繰り返し数が接合部に及ぼす影響をガラス基板上部側から観察した結果を図５に示す．ここでは図上部から下部へレーザ光が走査している．低いパルス繰り返し数である 0.25MHz では，溶融材料が周囲へ飛散していることが確認されるが，パルス繰り返し数が 1.0MHz 以上と大きくなると溶融飛散物はほとんど確認できなくなる．また，パルス繰り返し数が 1.0MHz から大きくなるにつれて入熱量が増えて熱蓄積量が増大することから溶接ビードの幅も広くなっている．このように，ガラスや単結晶シリコンの溶融領域へレーザ光が繰り返し照射されることで大きな割れを生じることなくプロセスが進行していると考えられる．しかし，図４で示したパルス幅が短い 12.5ps
では 0.1MHz で溶融物の飛散はほとんど確認できないが，
そ れ よ り も 長 い 20ps で は 大 き な パ ル ス 繰 り 返 し 数0.25MHz においても溶融物の飛散が確認されたことから，

図３ レーザ光波長とパルス幅が Glass/Si 接合の破断強度に及ぼす影響

適切なパルス幅とパルス繰り返し数の関係性は更なる議論が必要である．ところで，図中の写真右側に示す数値は

同一箇所へのレーザパルス照射数 N であり，式(1)によりスとシリコンの境界領域に観察される．これは単結晶シリ求めた．

コンが融点以上の温度まで上昇するとともに，レーザ光照

𝑁=𝑑∙𝑅𝑝(1)𝑣

ここで d，Rp，v は各々スポット直径，パルス繰り返し数，およびレーザ光走査速度である．大きなレーザパルス照射
数は溶融領域を拡大するように徐々にレーザ光が照射さ射領域の一部は蒸発をともなうような温度まで上昇し，それによって生ずる反跳圧力によって材料が周囲へ流動したと考えられる．
Glass(D263)

O-Kα

H

Si-Kα

H

れていること，小さなレーザパルス照射数は勢いよく溶融領域へレーザ光が進展していることを表している．したがって，パルス繰り返し数の小さな条件である 0.25MHz で5µmは溶融飛散物が顕著に確認されたものと考えられ，パルス

λ=1064nm, tp=20ps, Rp=2MHz, E=2μJ, v=2m/s

Si5µm

L5µm

L

繰り返し数やレーザパルス照射数が溶接ビードの形成状
図６ 近 赤 外 高 繰 り 返 し ピ コ 秒 パ ル ス レ ー ザ に よ る態に大きく影響すると考えられる．

Glass/Si 接合部断面
図７は単結晶シリコンと陽極接合用ガラス SW-Y をパルスエネルギー3µJ 一定で照射して作製した試料のせん断強度とレーザパルス照射数の関係を示したものである．
ここでは，パルス繰り返し数およびレーザ光走査速度を変化させており，それらの条件よりレーザパルス照射数を求Rp=0.25MHz

Rp=1.0MHz

Rp=2.0MHz

Rp=4.0MHz

tp=20ps, Q=2mJ,E=3µJ,v=2m/s v=2m/s
λ=1064nm,20m

図５ パルス繰り返し数が接合状態に及ぼす影響

めて整理した．せん断試験時のクロスヘッドを移動させる試験速度は 0.5mm/min 一定とした．図に示すように，レーザパルス照射数 10 以下ではせん断強度は 50MPa 程度以下となっているが，それ以降ではレーザパルス照射数の

図 ６ は パ ル ス エ ネ ル ギ ー 2µJ ， パ ル ス 繰 り 返 し 数増大にともなってせん断強度も大きくなっている．そして，2.0MHz，レーザ光走査速度 2m/s で照射したときの溶接

レーザパルス照射数 20 程度でせん断強度は最大値をとり，ビード断面の組成像，および O と Si 元素分布を示したもその後は低下する．これらの結果から判断すると，強固なのである．観察，測定は波長分散型Ｘ線分光法を備えた電接合継ぎ手を得るためには，ある程度のレーザパルス照射界放射型走査電子顕微鏡を用いた．用いたガラス試料は単数が必要であり，高繰り返しピコ秒パルスレーザで適切な結晶シリコンの線膨張特性と異なるホウ珪酸ガラス D263

レーザパルス照射数を用いることで 85MPa 程度と陽極接であるが，高繰り返しピコ秒パルスレーザを用いて，単結合に匹敵する高いせん断強度が得られた．パルス繰り返し晶シリコンとガラスのクラックフリー微細溶接が行えて数に着目するとパルス繰り返し数 1.0MHz は他のパルスいる．また，単結晶シリコンとホウ珪酸ガラス D263 の境繰り返し数と比較して高いせん断強度が得られており，適界面は平らではなく複雑に入り組んだ形状となっており，切なレーザパルス照射数と入熱量により良好な接合継ぎ

レーザ光照射によるへこみとその周囲に隆起した領域が手が形成されたと考えられる．一方，パルス繰り返し数存在している．このガラスの塑性変形より，レーザ光照射領域のガラスは少なくとも軟化点(1,324K)以上に温度上昇したと考えられる．また，組成像からのみならず，O おE

よび Si 元素分布からも，ガラス側へシリコンが拡散していることが確認されるとともに，細片化された塊として存在していることがわかる．このガラス側へのシリコンの拡散や細片化された塊の残存から，レーザ光照射部近傍における照射光軸上のガラス材料はレーザ光のエネルギーを直接吸収し，温度上昇が生じているものと考えられる．すなわち，高繰り返しレーザによる熱的作用により励起された電子がアバランシェ電離をともなうこと，および既に拡散したシリコンによってガラスにおいてもレーザ光エネ
ルギーの一部が吸収され，ガラス側へのシリコンの拡散や細片化された塊の残存が生じたものと考えられる．また，非常に薄いシリコンの層が隆起領域の外周部にあるガラ

図７ せん断強度とレーザパルス照射数

4.0MHz とパルス繰り返し数が大きくなるとせん断強度は低下していた．大きすぎるパルス繰り返し数は熱蓄積に５．空間光位相変調器を用いたガラス内部の溶融領域制御の可能性よる熱的作用の増大につながることから，大きなパルス繰

ガラス内部で更なるレーザ光のエネルギー吸収が実現

り返し数で強固な接合状態を実現するためには，適切なレできれば，本手法はより有用になると考えられる．そこで，

ーザパルス照射数を得るために大きなレーザ光走査速度

空間光位相変調器を用いてガラス内部におけるエネルギが必要になると考えられる．

ー吸収点の制御を試みた．ここでは光軸方向に２点集光す

走査電子顕微鏡により破断面を観察した結果を図８にるように空間光位相変調器を制御してガラス内部に集光示す．ここで，パルス繰り返し数 0.25MHz と 2.0MHz にすることで２つの溶融領域形成を目指した．図 9 にレーザおけるレーザパルス照射数 N はそれぞれ 4.5 と 19 であ

光走査方向に配置した光軸方向で異なる焦点位置となる

る. せん断強度の低かったパルス繰り返し数が小さい

２つの集光点をレーザ光走査方向に配置する計算機合成

0.25MHz では破断はシリコンとガラスの境界面で生じてホログラム CGH(Computer Generated Hologram)作成おり，破断面も比較的フラットである．一方，高いせん断過程の概要を示す．白点を 1 つプロットしたパターン画像

強度が得られた高パルス繰り返し数の 2.0MHz では，接を CGH に変換してフレネルレンズホログラムを足し合合部が未溶融領域も含めて剥がれている．これは，先に示わせたものを複素振幅合成した．なお，集光点の位置を調した接合部の形状によるアンカー効果によって強固な接節する際は，上下の集光点の干渉を抑制するために，下側合状態が得られたと考えられる．すなわち，強固な接合継の集光点をレーザ光の走査方向に対して先行するようにぎ手を得るためにはシリコンとガラスが絡み合った状態配置し，上側の集光点が後ろから追いかけるように配置しが有効であり，レーザパルス照射数やパルス繰り返し数がた．このように作成した CGH を用いて空間光位相変調器せん断強度に大きく影響を及ぼすと考えられる．

を動作せることで，レーザ光軸方向の２点集光を試みた．

本実験において高いせん断強度が得られたレーザパル
ス照射数 N は 20 程度であった．これは，パルス繰り返し数 1.0MHz ではスポット直径 20µm，レーザ光走査速度1.0m/s で得られる値であり，同等のスポット直径ではパル ス 繰り 返し数 4.0MHz に お いて レーザ 光 走査 速 度4.0m/s まで増大したときに同等のレーザパルス照射数 20が得られる．これは 8 インチの単結晶シリコンウェハ全域を 7 分程度で処理できる速度であり，陽極接合法に匹敵するプロセス速度が期待できる．また，本レーザプロセスは

図９ 光軸方向２点集光の CGH 作成の概要

事前，事後加熱等が必要なく，空間選択的な接合が容易である．開発が進むピコ秒パルスレーザのパルス繰り返し数の更なる向上とレーザ光走査速度の高速化がかみ合えば，本手法は高効率，高機能な単結晶シリコンとガラスの微細接合法として高い可能性を有することが期待できる．

空間光位相変調器 SLM（Spatial Light Modulator）を用いたレーザ光照射実験装置を図 10 に模式的に示す．レーザ発振器から出力されたレーザ光を SLM に反射させ，入力した CGH によって光位相の空間分布を制御し，リレーレンズを介して対物レンズに入射してガラス試料内部に照射した．

λ=1064nm, tp=20ps, E=3μJ, v=2m/s
図８ せん断試験後の破断面
図 10 空間光位相変調器を用いた実験装置模式図

図 11 にフレネルレンズホログラム作成時の上側焦点距(1)

離 fupper と下側焦点距離 flower を変化させたときのビットマップ（BMP）像と CGH 像を，そしてそれを用いて形成

近赤外波長のナノ秒パルスレーザよりもピコ秒パルスレーザを用いた方が溶融物の飛散を抑制できる．

(2)

波長 532nm よりも波長 1064nm の方が，ナノ秒パルされた溶融領域の断面写真示す．レーザ光波長 1064nm のスレーザよりもピコ秒パルスレーザの方がせん断強

ピコ秒パルスレーザをパルスエネルギー4.5µJ，パルス繰度は大きくなることから，近赤外ピコ秒パルスレー

り返し数 1.0MHz，走査速度 60mm/s でホウ珪酸ガラスD263 の内部へ集光し，フレネルレンズホログラムの焦点ザが本手法に有用である．
(3)

近赤外ピコ秒パルスレーザを用いたとき，大きなせ距離のみを変化させた．レーザ光は図上部から照射されてん断強度を得るためには適切なレーザパルス照射数おり，紙面に垂直方向へ走査している．溶融痕は 1 度のレがあり，本実験条件ではレーザパルス照射数 20 程度

ーザ光走査で光軸方向に 2 つ形成され，光軸方向に多点集光できることが確認できた．フレネルレンズホログラムので最大のせん断強度を示す．
(4)

近赤外ピコ秒パルスレーザを用いたとき，パルス繰

各焦点距離における溶融痕間距離は，レンズの公式を用いり返し数が 0.25MHz と小さいと周囲への溶融物飛散て推定した集光点とフレネルレンズホログラムの焦点距が多くなるとともに，ガラスと単結晶シリコンの界離の関係と一致しており，ガラス内部であってもしっかり面での破断となり，せん断強度が小さい．一方，パルと集光性特性を維持できるものと考えられる．一方，形成ス繰り返し数 2.0MHz と大きな方ではアンカー効果される 2 つの溶融領域は，フレネルレンズホログラムの焦が期待できるような接合部が形成されることで，単点距離が大きくなるにつれて接近，結合した．１つの溶融結晶シリコンの母材側で破断して高いせん断強度が領域では縦に長く，溶融領域の上下に大きな応力集中が懸念させるが，2 つの溶融領域が結合すると丸みのある溶融得られる．
(5)

複数のフレネルレンズホログラムを複素振幅合成し領域が形成されており，局所的な応力集中低下が期待できた CGH を空間光位相変調器に用いることでレーザるものであった．以上のように，空間光位相変調器を用い光の集光点を光軸方向に分割することができる．そてガラス内部における溶融領域形成制御の可能性を明らして，フレネルレンズホログラムの焦点距離を変化かにすることができた．今後は本手法をさらに発展させ，させることで集光点位置を光軸方向に制御し，ピコ半導体材料とガラスの溶融溶接法の高度化を目指してい秒パルスレーザ照射時にガラス内部における溶融領きたいと考えている．

域形状を変化させることができる．

謝辞

本研究は，公益財団法人天田財団の重点研究開発助成課題研究（AF-2018204-A3）を受けて行われたものであり，深く感謝の意を表します．

参考文献
1)

G. Wallis, D. I. Pomerantz: Field Assisted Glass- MetalSealing, J. of Applied Physics, 40, 10, (1969) pp.3946 -3949.

2)

M. Esashi: Encapsulated Micro Mechanical Sensors,
Microsystem Technologies, 1, (1994) pp. 2-9.

3)

B. Ziaie, et al.: A hermetic Glass-Silicon Micropackage withHigh-density on-chip Feedthroughs for Sensors and

図 11 光軸方向２点集光によるガラスの溶融領域形成

Actuators, J. of Microelectromechanical Systems, 5, (1996)
pp.166-179.

６．結 言

4)

welding of Glass by Picosecond Pulsed Laser, J. of Laser

本研究では単結晶シリコンとガラス基板の直接接合法の開発を目指して，レーザ光源として，波長 532nm および波長 1064nm のナノ秒パルスレーザとピコ秒パルスレーザの合計 4 種類を用い，レーザ光波長とパルス幅の影響を議論するとともに，溶接継手の機械強度を評価した．さらに，空間位相変調器を用いた次世代の接合手法に必要な基礎要素に関しても検討を行った．本研究で得られた主な結言は以下のとおりである．

Y. Okamoto, et al.: Evaluation of Molten Zone in MicroMicro/Nanoengineering, 8, 1, (2013) pp.65-69.

5)I. H. W. Nordin, et al.: Effect of Focusing Condition on
MoltenArea

Characteristics

inMicro-weldingofBorosilicate Glass by Picosecond Pulsed Laser, Applied
Physics A, Materials Science & Processing, Vol.122, No.5,(2016) pp.492:1-11.