金属への極細かつ高アスペクト比レーザ穴あけ法の研究
千葉大学大学院工学研究科 人工システム科学専攻
准教授 比田井洋史（平成 ２２年度 一般研究開発助成 AF-2010205）
キーワード：レーザ，穴あけ，金属材料

1.

厚さ 2 mm），ステンレス鋼（SUS304，厚さ 3 mm）．シリコ

はじめにンウエハ（厚さ 1 mm，4 mm）シリコンウエハの 1 mm 厚以外

極細，高アスペクト比の穴加工は，多くのニーズがあり，の材料については，達成可能な穴の深さを評価するため，ど対象となる材質にも様々なものがある．例えば，エンジンのの条件でも貫通しない十分な厚さを予備実験から求め，使用燃料噴射ノズルでは，耐熱性に優れるクロムモリブデン鋼 1)している．

や高速度鋼 2），化繊製造用ノズルでは耐食性に優れるステン
3)

2.2 実験手順

レス鋼 ，微小流路の作製では，透明性や耐食性に優れるガ本研究で使用した材料は不透明であるため穴の形状など

ラス 4)，冷間成形や引抜き金型では超硬合金 5)，半導体用のの評価には試料を切断し，観察する必要がある．穴の中心軸貫通配線（TSV：Through-silicon via）ではシリコンウエハを含む平面を切断，研磨し観察できれば形状，内面の評価がが挙げられる．

全ての深さにおいて可能となる．ガラスの場合では直径 10

このような極細穴あけには，レーザ，ドリル，放電加工，µm 以下，深さ 2 mm 以上の穴があいた．この形状の穴全体に反応性イオンエッチング等の加工法が利用されている．しかわたって中心軸から±1 µm 以内の断面を観察しようとするし，極細，かつ高アスペクト比の両立は困難である．樹脂をと，許される傾きの誤差は±0.03°となる．さらに，穴が若対象とした場合では，エキシマレーザにより直径数 10 µm，干曲がる場合もあり，所望の切断面を出すのは容易ではない．

アスペクト比 600 の穴あけ 6)が報告されているが，金属，半加えて不貫通穴だと切断面が穴の中心軸からずれることで，導体などを対象とした場合では，50 を超えるような高アス深さを誤認する可能性がある．そこで，図 2 に示すように，ペクト比の加工は報告されていない．

同じ条件で多くの穴を 1 列あけ，その後，試料を斜めに研磨

この中で，著者らは高繰り返し UV レーザを用いることで7)

高アスペクト比の極細穴加工を実現してきた ．ホウ珪酸ガ

し，各深さにおける断面を観察することで，深さ，形状を評価した．

ラスを対象とし，φ8.2 ± 3.1µm でアスペクト比 190，φ6.3

具体的には，200 µm 間隔で穴あけを行い，試料をエポキ± 1.0 µm でアスペクト比 100 以上の穴あけの実現し，ビーシ樹脂（丸本ストルアス（株），エポフィックス）に包埋，ムプロファイルの影響などをについて検討してきた．同様の真空脱泡した後，硬化させる．その後，粗研磨，仕上げ研磨

条件で照射することで，他の材料においても高アスペクト比を行い，所望の切断面を出した後，エポキシ樹脂を溶剤の加工が期待できる．

（N-methylpyrrolidone）もしくは piranha 溶液（30%過酸化そこで，本研究では，これまでガラスに対して極細かつ高水素水：濃硫酸 ＝ 1：3）で除いた．

アスペクト比の穴あけが実現できた加工条件を用い，他の材穴の位置における試料の除去量，すなわち観察している穴料への穴あけ加工を試みた．ノズルや貫通配線用途に穴あけの深さ z（図 2 参照，以下同）については，研磨面を平面と加工が必要とされている，高速度鋼，ステンレス鋼，超硬合仮定し，研磨面のある点における除去量 Z と，この点および金，またその他広く利用されている材料として，アルミニウ

穴の位置から研磨しなかった面までの距離（それぞれ X，x）

ム合金，さらに半導体への応用なども考えシリコンを被加工を測定し，その間を直線で補間することで各点における除去材とし，その深さや形状について評価を行った．

量（z = Zx/X），すなわち深さを算出した．研磨面の傾きと穴の間隔から，穴の断面は 45 µm 以下の間隔で観察している

2. 実験方法と計算される．

2.1 実験装置および被加工材料到達深さについては，穴が認められなくなった点における実験装置を図 1 に，加工条件を表 1 に示す．光源には Nd:除去量としており，最大で 45 µm 程度，実際の深さよりも深YVO4 レーザの第 4 高調波を用い，焦点距離 50mm のレンズでく算出されている可能性がある．斜めに研磨している関係上，集光した．

観察しているのは正確な穴の断面ではなく，若干傾いた面を本報で使用した材料は以下の通りである．超硬合金（住友

観察している．研磨面の傾きから，観察面の法線と穴の中心電気工業（株），イゲタロイ，材種：A1，厚さ：1.2 mm）,軸とは最大で 12°程度傾いている．このことから，穴の縦アルミニウム合金（A5052，厚さ 3 mm）,高速度鋼（SKH51，横比が 2.5%程度ひずむことになるが，無視している．

ー 162 ーレーザ

表 1 照射条件
レーザ

ミラー
λ/4 波長板
レンズ

被加工材

Nd:YVO4 レーザ (4 倍波)

波長266 nm

パワー100 µJ

繰り返し周波数

1 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 15 kHz

パルス幅8 ns

ビームモード

TEM00

M2

< 1.2

被加工材

穴

シリコン (1 mm, 4 mm),(厚さ)図 1 実験装置模式図

ステンレス鋼 (SUS304, 3mm),アルミニウム合金(A5052 3mm),X

高速度鋼 (SKH51 2mm),x超硬合金 (1.2mm)

z

集光レンズ

Z

焦点距離50 mm

研磨穴
図 2 穴の評価
照射後の穴の形状は，微分干渉顕微鏡（オリンパス（株），深 さ μm

1000

500

Si
SKH51
SUS304
Al5052WC

BH2-M-NIC）を用いて評価した．

3. 実験結果および考察
3.1 繰り返し周波数の影響

0ガラスへの加工での結果より，熱の蓄積効果が穴の深さに0510
繰り返し周波数 kHz15大きく影響していることが明らかになっている．金属はガラスに比べ熱伝導率が大きいため，最適な繰り返し周波数が異図 3 繰り返し周波数による穴深さへの影響 超硬合金なる可能性が考えられる．そこで，まず繰り返し周波数を変(■), アルミニウム合金 (A 5052, ▲), ステンレス鋼化させて加工穴の深さを測定した．その結果を図 3 に示す．

(SUS304 ◆), 高速度鋼 (SKH 51 ▼), シリコン(●). 焦

いずれの材質でも 10 kHz において最も深くなっており，ガ点距離：50m

ラスの場合と同様であった．
いずれの試料，条件においても，穴が認められなくなったあけのモデル化を行い，それぞれの材料での妥当性の検討な除去量が逆転する（例えば除去量 1000 µm で穴が認められるどが必要となる．

のに，除去量 970 µm で認められないなど）ことはなかった．

3.2 穴の形状

穴の断面は 45 µm 以下の間隔で観察していることから，穴の最も深い穴があいた繰り返し周波数 10 kHz であけた穴の深さについては，45 µm 以内の範囲に再現していると考えら形状を観察した．代表的な結果を図 4 に示す．ほとんどの場れる．これは後述する複数の穴があく場合においても，同様合で，直径数 µm の穴が確認できる．
材質によっては同図(h)，であった．

(l)で観察されるように穴が 1 つではなく複数の穴が観察さ

穴深さの周波数依存性について検討する．1 kHz から 10れる場合があった．このような複数の穴はアルミニウム合金，kHz については，熱の蓄積の効果により加工閾値の低下がお認められなかったが，超硬合金，ステンレス鋼，高速度鋼，き，繰り返し周波数が大きくなるに従って深さが深くなってシリコンウエハでは観察された．この複数の穴があく原因，いると考えられる．熱伝導率に優れるシリコンやアルミニウ

材料の性質との関係については，明らかになっていない．

ム合金では他の材料と異なり 1kHz から 5kHz への変化量に比穴の大きさを測定した．図 4 でも示されるように穴は必ずべて，5kHz から 10kHz への変化量が小さくなり，傾向が異しも綺麗な円ではなく，楕円になっている箇所も認められた．

なっている．

穴の縦，横方向の長さを測定したが，差は最大で 25%程度でレーザ加工では融点，沸点，光吸収率など，他に多くの性あった．また特に方向性は認められなかった．このため，こ質が穴の深さに影響するため，これらの差異の解明には，穴の楕円になるのは偏光やビームプロファイルなどによる影ー 163 ー

(a)シリコン z=400µm (b)シリコン z=690µm (c)シリコン z=1000 µm (d)SUS304 z=440µm (e)SUS304 z=680µm(f) SKH51 z=390µm(g) SKH51 z=700µm(h) SKH51 z=910µm(i) A5052 z=410µm (j) A5052 z=740µm10µm

図 4 穴断面写真 シリコン(a)-(c), ステンレス鋼 (SUS304)(d), (e), 高 速 度 鋼 (SKH51) (f)-(h), ア ル ミ ニ ウ ム 合 金(A5052) (i), (j), 超硬合金 (k), (l) 焦点距離：50mm. パルス
エネルギ：100 µJ. パルス数：10000 pulses，繰り返し周波数：(k) 超硬合金 z=400µm (l) 超硬合金 z=550µm

10 kHz.

表 2 アスペクト比
材料

直径

深さ

アスペクト比アルミニウム合金

7.7 ± 2.9 µm

570 - 780 µm

26

超硬合金

6.9 ± 3.1 µm

350 - 460 µm

17

高速度鋼

7.0 ± 3.0 µm

420 - 820 µm

56

シリコン

7.3 ± 2.7 µm

580 - 1050 µm

64

ステンレス鋼

7.2 ± 2.8 µm

360 - 760 µm

55響とは考えられない．穴の 2 方向の幅の平均を穴径と定義し，プロットした結果を図 5 に示す．穴の先端部分において複数の解明は今後の課題である．
3.3 穴の内面形状の穴が認められる部分は穴径を測定できないため，枝分かれさらに詳細に穴の内面を観察するために，穴の中心軸を通がおきる直前の大きさで，白抜きで表記してある．いずれのる平面で切断研磨を行い，穴の内面を観察した．不貫通穴で材料も表面近傍では半径 15 µm 程度から徐々に細くなり，深は試料内部での穴の位置を確認できないため，穴の中心軸とさ 200 µm から 400 µm 程度で半径 5 µm 程度となる．その後，切断面とを一致させることが困難である．そこで，厚さ 1 mm

半径 3 µm 程度まで徐々に細くなり，試料によっては枝分かのシリコンウエハを用い，貫通穴をあけ，切断研磨の後，SEMれし，最終的な深さは 600 µm 程度から 1400 µm 程度であっで内面を観察した．その結果を図 6 に示す．図の入り口近辺

た．それぞれの材料において直径が 10 µm よりも小さくかつ（同図(a)）ではほぼ平滑な面が得られているが，深くなる枝分かれがおきていない領域における，最も大きい直径と小（同図(b)）と凹凸が目立つようになった．同図(c)に拡大図

さい直径との平均値，その範囲，および平均値と深さから求を示す．溶融し穴の底から吹き上げられたような突起（矢印）められるアスペクト比をまとめたものが表 2 である．高速度が散見される．

鋼，シリコンウエハ，ステンレス鋼で 55 以上と従来報告さシリコンウエハにおいては内面の凹凸が大きく，内面でのれてきた穴あけと比べて高いアスペクト比が達成できていビームの反射を妨げていることが，ガラスと比べて形成される．アルミニウム合金と超硬合金ではアスペクト比が 26，る穴が浅くなった原因の 1 つと考えられる．

17 と小さくなっている．
この違いについては，超硬合金では主成分であるタングス

4. まとめテンカーバイトの融点が 3143 K と高いため，熱の蓄積の影本研究では UV レーザによる高アスペクト比穴あけについ響が出にくかったことが考えられる．熱物性の違い以外にも，て，様々な材料に穴あけを試み，その深さ，形状などを評価

穴内部に生成するプラズマの影響なども関係し，詳細な原因した．その結果以下のような結果を得た．

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