SiC 基板のポスト SMT 実装を睨んだ YAG レーザ TSV 加工技術開発	
 東京工業大学	  機械制御システム専攻
准教授	
  伏信一慶（平成 24 年度一般研究開発助成 AF-2012207）
キーワード：YAG レーザ、SiC 基板、TSV 加工
１．背景、目的と構成	
 されており、表面で 1.8×1020 cm-3、バルクで 1.6×1019 cm-3

	  半導体実装の現場では高密度実装の要請から実装の３である。試料雰囲気は大気と蒸留水とで行った。加工後次元化にかかる取り組みが進んでおり、Si 基板を対象との試料表面観察にはレーザ顕微鏡と SEM を用いている。

した様々な技術開発が行われている。こうした中、米国では早くも SiC 基板の様々な面での優位性に鑑みて、Siを SiC に置き換えたとした場合に必要となるすべての実装技術の洗い出しが始まっている。我が国では初期からの基板材料開発の取り組みにドライブされてパワー半導体を中心にデバイス開発と商品化が進んでおり、今後のさらなる市場展開が期待され、将来的な MEMS 等への展
開への期待にも鑑みて、米国と同様にその実装技術開発
516

への力強い取り組みが重要と考える。

N. Iwatani et al. / International Journal of Heat and Mass Transfer 71 (2014) 515–520

図１	
  加工実験の実験装置

liquid-assisted laser micromachining technique. The authors have	  そこで重要となる取り組みの一つとして
TSV（throughinvestigated the laser propagation in various media both experi-

Table 1
Experimental parameter.

mentally andnumerically[16–18]. In this study, the detailed proParameterValuesilicon via, throughsubstratevia）加工技術に着目する。
	  図２は焦点位置のデフォーカス量を表す。周囲雰囲気
cessing parameters in liquid-assisted laser micromachining will

Wavelength1064 nm

実装密度をあげるためには基板を貫通する微細穴加工がalso be discussed based on the propagation characteristics of theを水とした場合には非線形光学効果によるフォーカシン
Repetition rate
10 Hz
laser beam during its propagation under water.
肝要であるが、従来の表面プロセスの延長を前提とする
Objective lens10!
In this study, the efficiency and quality of pulsed-laser drillingグとデフォーカシングが生起するため、図中に点線で示
Pulse width

5–7 nsBeam spot size
Focus position

29.4 lmof SiC in the air and under water are investigated and compared.
限り、エッチング速度の決定的な遅さがネックとなり、Surface
した線形屈折率のみを考慮した場合に比べると焦点位置
Besides in order to suggest optimal parameters of via processing
また穴加工の品質にも鑑みて、基板のthinning
in SiC wafer, the effects of pulse number,laser等の対応
fluence, water filmに変化が見られる。
thickness, and focus position are evaluated.

を避けて通れない。

	  本研究ではパルスレーザ加工の高度化によるSiC 基板
2. Experimental set-up
への TSV 加工技術開発に資する検討を行う。パルスレー
2.1. Experimental set-up and methodology
ザ加工ではその加工品質にも鑑みてフェムト秒レーザのFig. 1 represents the experimental set-up geometry. Laser beam導入の期待は大きいところであるが、コストやハンドリ
has been set to focus on the surface of SiC wafer in the air. The SiC
wafer was immersed in water film with a thickness of 0.5 mm,
ング、実績の大きなメリットを考えて
Nd:YAG レーザの1.0 mm, and 1.5 mm during laser drilling. The thickness of water

film is deposited by diving the injected water volume (measured
ナノ秒パルスによる加工の高度化を検討する。ここではvalue) by the area of the cuvette (31.5 mm ! 31.5 mm). A commer-

デブリや熱影響、またSiC(10
基板固有の課題としての基板
cial 4H–SiC wafer
mm ! 10 mm ! 0.34 mm) was used for laser
drilling. The SiC sample is doped with nitrogen. The concentrationの割れといった課題をあげることができるが、基礎的なof nitrogen was measured by using secondary ion mass spectrometry method as the depth-wise profile of concentration with con取り組みを通じてこれらの課題解決に資する技術シーズ
20
"3
19
"3
centration of 1.8 ! 10の提供を図る。
in the bulk.

cm

at the surface and 1.6 ! 10cm

図２	  デフォーカス量Fig. 2. Plot of squared diameter against energy per pulse. Vertical and horizontal
axes show depth from defocus and laser fluence (pulse energy), respectively.

The near-infrared nanosecond laser used in this work was an	  申請書の記載に従い、研究は大きく３つの取り組みを
Nd: YAG laser (Continuum Surelite I-10, P = 4.72 W, k = 1064 nm)with the pulse duration of 6 ns. The レーザを用い
laser is operated in the	  図３に代表的な加工特性を示す。左はフルーエンスを総合することで実施した。すなわち、YAG
TEM00 mode, and the laser beam profile is Gaussian, which was
12.5 J/cm2 と固定して、パルス数に対する加工深さを計測た加工実験、insitu /byexa situ
での可視化観察、ならびに
measured
CCD camera.
The pulse energy was controlled by
an external attenuator including a variable beam splitter and a cor-したものである。図のようにパルス数の増加とともに加理論モデルの構築と数値計算である。
rection plate. After focused by a 10! object lens, pulse energies
were measured by using an energy meter. The quality of process-工深さは上に凸の傾向を示していくことがわかり、水中ing was evaluated with an optical microscope (KEYENCE VF7500)の方が大気中に比して全般に深さが小さく、また水膜厚
２．加工実験	 and a scanning electron microscope (KEYENCE VE8800). The detailed experimental parameters are shown in Table 1.
さとともに減少していくことがわかる。これには焦点位	  図１に加工実験の実験装置を示す。パルス幅 6 ns 程度

2.2. Relationship between water film thickness and focal positionの Nd:YAG レーザを用い、パルスエネルギーを調整の上置の問題に加えて、水中で生起するプラズマの影響と生成気泡の影響と考えられる。
で試料に照射する。波長は最も扱いやすい
1064
When a workpiece is immersed in thewaternm
film,とし
it is required
to reset the focus on the workpiece surface according to conditions.	
  右の図は 2048 パルス照射時のパルスあたりの加工深さている。試料には
4H-N ポリタイプ、Si 面 CMP 仕上げ
In order to compare the focal position in the air and that underFig. 3. Relationship between via depth and pulse number. Vertical and horizontal
をプロットしたものであるが、フルーエンスの増加とと
the difference was measured. The displacement from the foの単結晶 SiCwater,
基板を用いた。なお試料は窒素ドープが施
axes show etching rate and thickness of water film, respectively.

cal position in the air is defined as ‘‘defocus’’. The defocus opposite
to the sample surface is defined as positive value. Fig. 2 shows then of 1.8 ! 10 cm at the surface and 1.6 ! 10 cm
Fig. 2. Plot of squared diameter against energy per pulse. Vertical and horizontal
water filmlk.
axes show depth from defocus and laser fluence (pulse energy), respectively.
ear-infrared nanosecond laser used in this work was anlaser (Continuum Surelite I-10, P = 4.72 W, k = 1064 nm)
pulse duration of 6 ns. The laser is operated in theode, and the laser beam profile is Gaussian, which was
d by a CCD camera. The pulse energy was controlled by
al attenuator including a variable beam splitter and a corLaserbeam focused by a 10! object lens, pulse energies
late. After
air.
Theby
SiCusing an energy meter. The quality of processasured
evaluatedof 0.5 mm,with an optical microscope (KEYENCE VF7500)
anningelectron microscope (KEYENCE VE8800). The dessof waterperimental(measured parameters are shown in Table 1.
A commered
for laser
onshipbetween water film thickness and focal position
ncentration
spectroma workpiece is immersed in the water film, it is required
with
conhe
focus
on the workpiece surface according to conditions.
19
10comparecm"3 theFig.
tofocal
positionin theair andthat
under
2. Plotof squared
diameteragainstenergyper pulse. Vertical and horizontal
Fig. 3. Relationship between via depth and pulse number. Vertical and horizontal
show depth
defocus and laser(pulse energy), respectively.
e difference wasaxes
measured.
Thefrom
displacement
fromfluence
the foaxes show etching rate and thickness of water film, respectively.
ork
was
on in
thean
air is defined as ‘‘defocus’’. The defocus opposite=
1064surfacenm) is defined as positive value. Fig. 2 shows themple
ted in thewhich wasntrolled by
and a core energies
of processCE VF7500)
0). The de-

もに水膜厚さの影響が顕著になっており、上記の理由による影響と合致する結果となっている。また水膜厚さの	  図６は加工後の試料表面の SEM 写真である。(a)は大増大とともに加工特性に不安定さを示す結果となってい気中での結果であり、加工穴周辺にニュートンリング様る。

の模様が見えており、一方で(b)の水中での加工後の試料にはこれが認められず、(c)は大気中の加工穴周辺の拡大図であるが、図のように、左上のデブリの剥離したと考えられる部位があることから、水中加工の場合には加工
穴周辺のデブリの堆積が回避できることがわかる。

ositionis requiredconditions.
that under
Fig.Vertical
4. Relationshipbetween etching rate and thickness of water film. Vertical andFig. 3. Relationship between via depth and pulse number.
and horizontalom the fohorizontal axes show etching rate and thickness of water film, respectively. Here,axes show etching rate and thickness of water film, respectively.
the etching rate is measure after 2048 pulses of laser irradiation.
Fig. 1. Schematic of the experimental set up.
us opposite
shows the図３	  加工特性（左：パルス数と加工深さ、右：加工速度と水膜厚さ）

	  図４は 2048 パルス照射後のビア直径をレーザフルーエ
ンスに対してプロットしたものであり、水中ではフルー

図６	
  加工後試料表面の SEM 画像：(a)大気中、(b)水中、エンスに大きく依存しないのに対して、大気中では 10(c)大気中穴付近拡大

J/cm2 を越えたあたりから大きく増加していくことがわかる。後者の特徴は穴周辺に発生するクラックに起因す	  また図７は加工後の加工穴周辺の EPMA 分析結果であ

るものであり、水中の方が幅広いフルーエンス範囲でク

り、大気中では O が多量に認められるのに対し、水中でラックのない加工が可能であることも示している。

はほとんどその存在が認められない。図６の結果との比

Fig. 4. Relationship between etching rate and thickness of water film. Vertical andhorizontal axes show etching rate and thickness of water film, respectively. Here,the etching rate is measure after 2048 pulses of laser irradiation.

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較から、飛散した酸化物の堆積の抑制が水中で期待でき

N. Iwatani et al. / International Journal of Heat and Mass Transfer 71 (2014) 515–520

Fig. 5. Relationship between via diameter and laser fluence for the processing in air
and water. Vertical and horizontal axes show via diameter and laser fluence (pulse
energy), respectively.

図４	  ビア直径とレーザフルーエンス

	  フルーエンスとパルス数の増加とともにやがてはクラックを生じて加工品質上の問題となるが、図５はクラックの生じた条件をレーザフルーエンスとパルス数とでマッピングしたものである。図のように、フルーエンスを

defocusる効果であることが考えられる。
as a function of laser fluence for 1.0 mm thickness water
film. The dotted line shows a theoretical estimate based on Snelllaw to a laser beam incident on the interface between air andwater. As a result, it is found that the focal position under water
is located between that in the air and the estimated position. With
the increasing of laser fluence, defocus is fluctuated. When laser
pulse is focused in the water film the focal point will be moved
out of the set-up focal point in air cause by 2 reasons. First, the focal length is longer in water because the incidence or refraction ofwater (1.33) is higher than that of air (almost 1.0). The increase of
focal length is proportional to the water film thickness. The other isthe due to the nonlinear optical effects including optical Kerr effectand plasma defocusing. When the laser intensity becomes very
high, change of water refractive index depends to the intensity of
the laser. This causes self-focusing and shorter focal length. As
the result, the peak laser fluence at wafer surface is higher thanthat of focusing in the air. As the intensity of the self-focused spotincreases beyond a certain value, the water is ionized by the highlocal laser field. This lowers the refractive index, resulting in defocus of the propagating light beam. The change of focal position forthe laser fluence occurs because of changing
the balance of self(a) 大気中
focusing and defocusing. Therefore, it is required to reset a focal
position when the water film thickness and pulse energy arechanged.

絞ることでクラックの発生を回避する条件を見いだすこ 3. Results and discussionsとが可能であり、加工穴の深さについてはパルス数をパ 3.1. Effects of pulse number and water film thickness on etching rate
ラメータとして検討すべきと考えられる。
Fig. 6. Laser microscope image of cracks.

図５	  試料にクラックの生じる条件のマッピング

Fig. 7. Relationship between the generation of cracks and the condition of pulse
number and laser fluence.

Fig. 3 shows the relationship between via depth and pulse number. Vertical and horizontal axes show etching rate and water film
thickness, respectively. The via depth increases non-linearly withincreasing the pulse number and tends to be saturated. Rayleighlength is calculated as approximately 240 lm in this optical system. Since the laser beam was focused on the SiC surface, the suitable region for laser drilling is estimated approximately 120 lm asa half of Rayleigh length. The depth is therefore tends to be saturated at around this value.
Fig. 4 shows the relationship between(b)etching
水中 rate and thickness of water film. Vertical and horizontal axes show etching rate
図７	
 加工後試料表面のEPMA
and thickness of water
film, respectively.
Here, the etchingrate分析
ismeasure after 2048 pulses of laser irradiation. In the case of
liquid-assisted processing, the etching rate becomes lower. It
decreases with increasing water film thickness, as shown in
Fig. 4. From these results, it is suggested that the energy is absorbed by the ionization of water and the energy reaching theworkpiece becomes smaller as discussed in previous work [16].
However, the influence of the liquid film thickness is very small
for the lowest energy (=4.9 J/cm2.) This can be due to the decreasing water ionization resulting from the decreasing pulse energy.
Thin water film is therefore better from the viewpoint of energy	  図８は加工穴の形状を容易に可視化するため、加工穴飛び出す。図のように、自発光強度は照射から数十 ns でで形どった樹脂の SEM 画像を示す。大気中の加工ではしピークを示し以後減衰していることがわかる。まだシャばしば報告されるような複雑な形状を示すのに対し、水ドーグラフにより屈折率変化に起因すると考えられる波

中では比較的単純な形状で加工が進んでいることがわか面が観察される。

る。

図８	
  加工穴で形どった樹脂の SEM 画像
左：大気中、8.3 J/cm2、右：水中、厚さ 1.0 mm、23.6 J/cm2
いずれも 2048 パルス

３．高速度可視化実験	 	
  加工時の飛散物の挙動をみるため、高速度の可視化実験を行った。図９がその実験装置であり、前出の Nd:YAG
レーザと、YAG レーザのパルスシェイピングを行うための DPSS レーザ 1、およびシャドーグラフ用の DPSS レ
ーザ 2 の３本のレーザを用いる。
	  従来からディレーをかけることでトリガーとなる加工用レーザパルスを基準に時刻をずらした高速度可視化は多数あったが、これでは一連の現象を捉えることができないため、今回はフレームレート 2 億 fps の高速度ビデオ

図１０	
  代表的な可視化事例（上：自発光、下：シャドーグラフ）E = 28 mJ, F = 39 J/cm2
	  図１１はパルスエネルギーを高めた場合の結果であり、自発光の強さと継続時間、シャドーグラフによる領域の広さともに増大していることが見て取れる。

カメラ（NAC ULTRA Neo）を用いた。これにより 5 nsの間隔で 12 枚の連続する画像を撮像することができる。
撮影は自発光による映像と、シャドーグフラフの双方を用いている。

CuvetteDichroic mirror
Nd:YAG laser(1064 nm, 6ns)

DPSS laser 1 (532nm, CW)
DPSS laser 2 (532
nm, 2 W, CW)

Beamattenuator
Energymeter

CCDHigh speedframing camera

Sample(SiC)

図１１	
  高パルスエネルギー（E = 57 mJ, F = 81 J/cm2）

Narrow
bandpass
filter
Relay
lens

	
  また、図１２はビームプロファイルを変えた場合の結PC

図９	  高速度可視化実験装置

	  図１０に代表的な可視化事例を示す。図中左側からレーザ光が入射し、右側にある試料から飛散物が左向きに果で、環状にした場合である。図のように、とりわけ初期の特徴的なふたこぶとそれらが干渉することによる先端部の複雑な波面が見て取れる。

ンと環状プロファイルを用いた場合の計算結果である。
特に環状分布に固有な分布の特徴を再現できていることがわかる。

E = 43 mJ(a)ガウシアンE = 28 mJ
図１２	
  ビームプロファイル（環状）４．理論モデリング	
 	
  飛散状況を理論的に検討するためのモデリングを行った。加工対象試料の溶融、流動、除去を数値的に再現する。連続の式、運動量保存の式、エネルギー保存の式からなる基礎方程式は以下の通りである」∂ρ+∇⋅u = 0∂t∂αi! α ψ Dp m!
+ ∇ ⋅ αiu = i i+∂t
ρi Dt ρi!
! "∂ ( ρu )!
!!
+ ∇ ⋅ ( ρuu ) = −∇p + ρ g + ∇τ + S + F∂t∂!
!
( ρ E ) + ∇ ⋅ ( ρuE ) + p∇ ⋅ u = ∇ ( λ∇T ) + Q∂t
対象とする系を図１３に示す。

(b)環状
図１４	
  計算結果５．まとめ	 	  以上の検討をもとに、Nd:YAG レーザによるビア加工の高度化の可能性を示すことができた。また検討の過程
で、ビームプロファイルが加工特性に影響を及ぼす可能性が見えてきたことから、Nd:YAG レーザによる新たな加工技術開発の可能性が見えてきた。今後、ビームプロ
ファイルの可変技術を援用することで、加工実験と exsitu 評価、in situ 高速度可視化、数値計算を統合した取り組みにより、さらなる ns パルスレーザ加工技術の高度化に取り組んでいく必要がある。

参考文献	
 1) Iwatani et al., Int. J. Heat and Mass Transfer, 71,
515-520 (2014)
2) Doan et al., Prof. 2014 ITherm, 1279-1284 (2014)
3) OPTRONICS、33(4), 173 (2014)
図１３	
  モデリングの対象とする系
	  図１４は代表的な計算結果を示す。いずれも上から温度、圧力、密度の分布を示し、加工用レーザにガウシア

4) 伏信、日刊工業新聞、2015.3.20 第２部、(2015)