超短パルスベッセルビームによる高アスペクト TSV 加工技術（独）理化学研究所 光量子工学研究領域ユニットリーダー 杉岡幸次
（平成 23 年度一般研究開発助成 AF-2011210）
キーワード：超短パルスレーザ,フェムト秒レーザ, ベッセルビーム, シリコン貫通ビア
1. 研究の目的と背景セルビームが形成されるため、テーパレスの微細高アスペク電子機器の小型・高密度集積化を実現させるために、3 次ト比加工が実現できる点である。また焦点位置合わせが不要

元 Si LSI 実装技術の開発が急務となっている。その中で、特なことももう一つの利点である。なお透明な波長で高品質加にシリコン貫通ビア（Through Silicon Via: TSV）加工は Key工を行なうには強い多光子吸収を誘起する必要があり、超短1)技術といわれ、近年世界的に注目されている 。この TSV 技術

パルスレーザの利用は必要不可欠である。

での Si 基板への穴あけ方法としては、現在ボッシュ法（反応性イオンエッチングの一種）2)が用いられているが、レジスト2.

実験方法

塗布→露光→現像→エッチング→レジスト剥離といったリソ

図２に、本研究で用いた実験装置の概略図を示す。前述のグラフィプロセスが必要となる。また Si ウェハ自体のエッチように、ベッセルビームの特長を活かしテーパレスの微細高ングとその表面に形成された絶縁膜（SiO2）のエッチングでは、アスペクト比加工を実現するためには、Si に対して透明な波反応性ガスの組成を変更する必要があり煩雑なプロセスとな長の超短パルスレーザ光を用いる必要がある。Si のバンドギっている。

ャップは 1.12eV であるため、波長は 1.13μm より長くなくてTSV 作製工程において低価格化、高スループット化のためにはならない。そこでチタンサファイアレーザフェムト秒再生工程数を減らすことが緊急な課題となっており、近年ナノ秒増幅器から得られた超短パルス光を、光パラメトリック増幅紫外レーザによるSi 穴あけ加工技術の研究もなされているが、器（ＯＰＡ）により 1.5μm に変換したものを加工光源として現時点ではデブリの再付着や加工穴品質に問題があり実用化用いた。変換された光のパルス幅は 50fs、パルスエネルギーには至っていない。一方パルス幅がきわめて短い超短パルスは 550μJ、繰り返し周波数は 1kHz である。その後、レーザパレーザを用いると、加工部周辺への熱影響層の生成を抑制でルスはビーム径、エネルギー、照射パルス数を調整のためのき、多様な材料に対して高品質アブレーション加工が実行で光学系を経由して、ベッセルビームを生成する変換光学素子

3)きることが知られている 。

アキシコンレンズに入射する。生成されたフェムト秒ベッセ

ところで、TSV の加工には現状ビア径Φ50μm 以下、アスペクト比８以上が要求されている。また将来的にはビア径Φ10μm 以下、アスペクト比 5 以上が要求され、これを実現する高効率で高品質•高精度加工技術の開発が望まれている。しかし、ガウシアンビームをレンズで集光する通常のレーザ加工法では、集光したレーザ光の焦点深度の制約により穴径が小さくなればなるほど深穴加工は困難となり、微細で高アスペクト比の加工を行うためには、まだ数多くの課題が残されている。
そこで本研究では、ビームの自己干渉効果により微小な集光スポット（直径数μm 程度）が長い距離（数 mm 以上）伝搬するベッセルビームを超短パルスレーザ加工に組み込むことを提案し、微細かつ高アスペクト比の TSV を作製することを試みた。ベッセルビームを用いる利点は、図１に示すように

図１ ベッセルビームによる Si の加工

加工材料がレーザ光に対して透明であれば材料内部でもベッ－ 154 －得られるベッセルビーム（センターローブ）の径は 6.8μｍと計算される。

3.

研究成果

3•1 大気中加工
図３に、50μｍ厚の Si 基板に対して、異なるパルスエネル
ギーで TSV を作製した際の、基板表面（上）および裏面（下）の光学顕微鏡写真を示す。照射パルス数は、パルスエネルギ
ーが 360μJ のときが 500、250μJ が 800、187μJ が 1000 パルスである。パルスエネルギーが小さくなるにつれて、TSV の
図２ 1.5μm フェムト秒ベッセルビームを用いた TSV 加工装置の概略図
ルビームは、xyzステージ状に保持されたSi基板に照射され、TSV の形成を試みた。実験は、大気中ならびに Si 基板裏面を硝酸銀（ＡｇＮＯ３）水溶液に浸した状態の２通り行った。また貫通穴が形成されたことを確認するために、大気中加工の場合はレーザ光入射側と反対方向（Si 基板裏面側）より、CCDにより加工中の観察を行っている。観察のための対物レンズの手前には、レーザ光が直接 CCD カメラに入射しないよう、長波長カットフィルターを挿入している。
本実験で用いたアキシコンレンズのアキシコン角は 20º であち、アキシコンレンズに入射したレーザビーム径 5mm から穴径は小さくなっている。一方どのパルスエネルギーにおいても、表面と裏面に形成されたTSV の穴径はほぼ同じであり、テーパレスの TSV が形成できたことを示している。
図４に、50μｍ厚の Si 基板に対して、基板表面ならびに裏面に形成された TSV の穴径のパルス数依存性を、異なるパルスエネルギーにおいて調べた結果を示す。TSV が形成されるしきい値のパルス数は、パルスエネルギーが360μJのときが300、250μJ が 550、187μJ が 650 パルスである。すなわちこれらのパルス数より少ない場合は、貫通穴は形成されない。パル
スエネルギーが 360μJ ではパルス数が 500〜650、250μJ では 650〜800、187μJ では 700〜1000 の範囲で表面と裏面の穴径がほぼ一致しており、これらの範囲でテーパレス TSV の作製が可能なことが分かった。これらの範囲において穴径はそ

図３ 50μｍ厚の Si 基板に対して、大気中異なるパルスエネルギーとパルス数（左から 360μJ-500 パルス、250μJ-800 パルス、187μJ-1000 パルス）で TSV を作製した際の、基板表面（上）および裏面（下）の光学顕微鏡写真。

－ 155 －

図４ 50μｍ厚の Si 基板に対して、基板表面ならびに裏面に大気中で形成された TSV の穴径のパルス数依存性（(a)

図５ Si 基板裏面を 0.5M/L の硝酸銀溶液に接触させ、フェ360μJ、(b) 250μJ、(c) 187μJ）。

ムト秒ベッセルビーム照射によって加工（溶液支援加工）を行った 500μｍ厚の Si 基板の表面と裏面の光学顕微鏡写

れぞれ約 8μｍ,6μｍ,3μｍであり、アスペクト比では 6.3、真。パルスエネルギーは 50μJ、レーザ光の照射時間は 108.3、16.7 となる。このように Si に対して透明な 1.5μm の波分。

長のフェムト秒ベッセルビームを用いて大気中でアブレーション加工することにより、微細かつ高アスペクト比でテーパ合わせが考えられる。ただし繰り返し周波数を増加した場合レスの TSV を形成することに成功した。

は熱の蓄積効果が問題となるので、検討が必要である。

パルスエネルギーが 360μJ の場合、テーパレス TSV の作製

3•2 溶液支援加工に必要な最小のパルス数は前述のように 500 パルスである。

上述のスループット向上を実現するには、加工を行うパルレーザの繰り返し周波数は 1kHz であるため、１つの TSV 作製スエネルギーを低減する必要がある。一方大気中加工の場合、に要する時間は約 0.5 秒と見積もられる。すなわち TSV 作製

Si 基板の厚さが厚くなってくると、いくらパルスエネルギー速度は 2 ビア/秒であり、実用的な速度（100 ビア/秒）から比を増加しても TSV を形成することができなくなる。これはパ較すると遥かに遅い。スループッットを向上するには、多点ルスエネルギーを増加したことにより、Si 内部でベッセルビ一括加工、繰り返し周波数の増加、あるいはその両方の組みームを形成すべき光線が、その位置に達する前に Si に多光子－ 156 －吸収されてしまうためと考えられる。従って Si 内部の深い位た。大気中においてアブレーション加工を行った結果、50μ置でもベッセルビームを形成するためには、形成前に多光子ｍ厚の Si 基板に対して、穴径 3〜8μｍのテーパレスの TSV の吸収が生じないよう、十分パルスエネルギーを小さくしてお作製に成功した。これらの TSV のアスペクト比は 16.7〜6.3く必要がある。

であり、次世代の TSV に要求されるビア径Φ10μm 以下、アスそこで加工に必要なパルスエネルギーを低減するため、Siペクト比 5 以上という条件を十分満たしている。また１つの基板裏面を 0.5M/L の硝酸銀溶液に接触させ、フェムト秒ベッTSV 作製時間は 0.5 秒程度であった。さらに Si 基板裏面をセルビームの照射を行った。図５に、加工を行った 500μｍ厚0.5M/L の硝酸銀溶液に接触させた溶液支援加工では、加工にの Si 基板の表面と裏面の光学顕微鏡写真を示す。硝酸銀溶液必要なパルスエネルギーを大幅に低減することができた。こを用いた場合、硝酸銀の光分解を避けるために暗室で照射をれにより 500μｍ厚の Si 基板に対しても穴径 5μｍの TSV を行ったため、裏面側からの加工観察ができない。そこで十分形成することができ、アスペクト比 100 を達成した。これらな加工を行うため、レーザ光の照射時間は 10 分とした。パルの成果により、本手法が微細かつ高アスペクト比の TSV の作スエネルギーは 50μJ と大気中アブレーションの場合より１製に非常に有効であることを示すことができた。

桁程度小さいが、500μｍ厚の Si 基板に対して TSV を形成す

本研究で得られた成果はまだ予備的なものであり、今後 TSVることに成功した。この時の穴径は約 5μｍであり、アスペク作製条件（レーザのパルス幅、波長、繰り返し周波数、溶液ト比としては約 100 が達成された。このように溶液支援によ支援加工における溶液の種類や濃度、etc.）を最適化するこり加工に必要なエネルギーを大幅に低減できるのは、硝酸銀とにより、さらに高品質かつ高効率な TSV 作製技術が確立す溶液が 1.5μm の波長に対して線形吸収があるため、フェムトるものと期待される。

秒レーザ光が１光子吸収によって効率よく吸収され、そのエネルギーが Si 基板に移譲されたためと考えられる。つまりナ謝辞

ノ秒レーザによる透明材料加工技術として広く知られている

本研究は、公益財団法人天田財団平成２３年度一般研究開レーザ誘起背面湿式エッチング(Laser-Induced backside Wet

発助成(AF-2011210)を受けて遂行されたものであり、ここに

4)

Etching: LIBWE) あるいはレーザ生成プラズマ支援アブレー

深く感謝の意を表する。また本研究テーマの共同研究者であション(Laser-Induced Plasma-Assisted Ablation: LIPAA) 5)

る中国科学院上海光学精密機械研究の Ya Cheng 教授ならびにと類似のメカニズムであると推測される。

Fei He 博士に心から感謝する。

TSV の形成以外にその周辺にベッセルビームのサイドロー

参考文献

ブによる加工痕が観察されるが、この除去は今後の課題である。

4.

1)

吉永孝司•野村 稔：科学技術動向, 109 (2010), 23-64.

2)

B. Wu, A. Kumar, and S. Pamarthy: J. Appl. Phys., 108

結論

本研究では、微細かつ高アスペクト比の TSV を作製するこ(2010) 051101.
3)とを目的とし、ビームの自己干渉効果により微小な集光スポット（直径数μm 程度）が長い距離（数 mm 以上）伝搬するベe149.
4)

ッセルビームに空間整形した超短パルスレーザを用いて加工を試みた。このとき Si 基板内部でもベッセルビームを形成す

K. Sugioka and Y. Cheng: Light: Sci. & Appl., 3, (2014)

J. wang, H. Niino, and A. Yabe: Appl. Phys., A69,
(1999) S271-S273.

5)

るためには、フェムト秒レーザ光は Si に対して透明である必Y. Hanada, K. Sugioka, I. Miyamoto, and K. Midorikawa:
J. Appl. Phys., 99, (2006) 043301.

要があり、OPA により 1.5μｍに波長変換したレーザ光を用い－ 157 －