レーザによる極細深穴あけと穴内面の機能化
千葉大学大学院工学研究科人工システム科学専攻機械系コース准教授 比田井 洋史（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013203）
キーワード：レーザ穴あけ，機能化，成膜１．研究の目的と背景

内面の成膜の評価には図 1 に示すように，ホウ珪酸ガラ

近年は、半導体素子を多層化することにより、集積度をス（厚さ 0.5mm）, 塩ビフィルム（厚さ 30μm，銅とシリコ高める方法が用いられている。これらの層間の接続は穴あンが接合するのを防ぐ），シリコンウエハ（厚さ 100um），けののちに，メッキにより内面に銅などを充填することで銅板（厚さ 2mm）を重ね，ジグで固定した試料を用いた．

1)

2)

行われている ．ガラスインターポーザー ，プリント基板 3)などでも層間の導通を取るために穴あけの後に，内面このシリコンウエハはクロスセクションポリッシャにより断面を出し，SEM-EDX により観察を行った．

成膜を行う同様なプロセスが利用されている．しかしながら、微細化が進んでいるため、スルーホール電極における３．実験結果

貫通孔の径も小さくなってきておりこれらの小さな径の3.1 ガラスへの穴あけ

貫通孔の内周面に均一な厚みの金属膜を形成することはレーザ光を 500 パルス照射し，カメラで撮影した後，さ容易ではない．

らに 500 パルス照射し，再度撮影することを繰り返し，穴このようなスルーホールへの穴あけ方法の 1 つとして4)の形状変化を撮影した．穴の先端付近での形状を評価する

レーザによる穴あけがある ．プリント基板の穴あけなどために，先端部分を拡大して撮影している．結果の一例をには広く利用されている 5)．このレーザによる穴あけでは，

図 2 に示す．この図は透過光像であり，断面図とは異なり，パルスのレーザ光を照射して，除去を行う．この際，穴の穴の形状を正確に評価できる．図 2 は深さ 700μm 近辺を観底部から除去され，飛散した材料が周囲に再堆積するが，察している．図 2 より 1500 パルス照射後では，直径 20μm穴の内部に再度堆積することが知られている6)-7)．他には程度のほぼ一定の太さの穴が得られていることが分かる．

被加工材を穴あけ時に分解する方法も提案されている．具先端部分 100μm 程度の範囲では，テーパ状になり細くなっ

体的には，AlN を穴あけ時に分解することにより内面に Alている．さらにこの穴の先端部分周囲には周囲とは色の違導電膜を堆積させる方法も知られている 8)-9) ．

う変質部が観察される．この変質部は熱影響層やクラック

著者らは，UV レーザによる穴あけを行っている最中になどと考えられる．さらに 500 パルス照射（トータル 2000

一度直径 20μm 程度の太く空いた穴が，さらにパルス照射パルス）することで，穴が深くなっていると同時に，すですることで直径 10μm 程度まで細くなる現象を見いだした．に得られた穴の部分は細くなっている．図 2(a)，(b)の四

これは，より深いところから蒸発した材料が内面に厚く再角で囲んだ部分の拡大図を(c)，(d)に示す．数 μm 程度細堆積したものである．本報では，この内面への再堆積現象

くなっており，矢印で示すように，(d)では(c)ですでにあを利用し，異なった材料を重ねてレーザにより穴あけするった変質部の内側にもう一層変質部が認められる．このこことで，穴あけと同時に，上面の材料内面に下面の材料を堆積させ，穴あけと同時に内面への異種材料のコーティングを行う手法を検討した．最初にガラスを用いて内面の形状変化から，内面への再堆積量を評価し，その後，シリコンウエハと銅板を重ねて穴あけすることで，ウエハ内面への銅の成膜を行い導通を評価した．

２．実験方法
光源には Nd: YVO4 レーザの第 4 高調波を用い，1/4 波長板で円偏光にした後，焦点距離 30mm のレンズで集光した．
レーザエネルギは 100μJ，繰り返し周波数は 10kHz とした．
穴の形状変化の観察にはガラスを用いた．耐熱性に優れるホウ珪酸ガラス (Pyrex® Corning 7740, Corning Inc.)
厚さ 10mm を用いた．光軸と直交する方向から観察できるようにカメラをセットし，反対側より照明光を導入することで，透過光像を機上にて観察した．

図 1 試料模式図

図 2 ホウ珪酸ガラスにあけた穴(a)1500 パルス照射後，(b)さらに 500 パルス（トータル 2000 パルス，(c)(d)はそれぞれ(a)(b)の四角で囲った部分の拡大図

図 3 穴形状の変化とから，パルス照射を進めることで内面により深いところ

このことから，この湾曲はビームの不均質によって出来るから蒸発したガラスが再堆積したものと考えられる．

ものではないと考えている．

500 パルス照射毎の形状をプロットしたものを図 3 に示す．表面 50μm から 1400μm 程度の範囲では，一度太く空い3.2 内面への成膜た穴がさらにレーザを照射することで，細くなっているこ

この内部への再堆積現象を利用して，内部に異なる物質とが分かる．この太さの変化は直径で最大 10 ミクロン程の成膜に利用することを検討した．表面近辺には再堆積層度であり，表面 50μm から深さ 700μm 程度までは比較的大が認められず，比較的再堆積層が厚い深さ 500μm 程度の付

きく，700μm から 1400μm の範囲では 5 ミクロン以下程度

近を利用することを考え，厚さ 500μm のガラスの下に，シと比較的小さいことがわかる．深さ 1400μm よりも深い位

リコン，その下に銅を重ねてジグで固定し，シリコンの内置では特に太さの変化は認められない．この穴の最終的な面に銅の成膜を試みた．シリコンと銅が付着することがあ

深さは 1900μm 程度（3500 パルス照射後）であった．これるため，塩ビのシートを挟んだ（図 1）．100μJ，10kHz で以上のパルスの照射でも深くはならない．これは，穴が深5000 パルス照射した．その後，シリコンを取り出し，表くなることで，焦点から外れたり，細い穴内部を伝搬した面（レーザ入射側）裏面（レーザが抜けてくる側）の観察，りすることで，減衰したため，加工閾値を下回ったものだ

切断研磨することでの断面の観察，導電性の確認などを行と考えられる．

った．

3500 パルス照射後に，最終的に得られた穴を図 4 に示

SEM，EDX での観察結果を図 5 に示す．図 5(a)，(d), (e),す．直径 15μm 以下の太さで 1900μm 以上のアスペクト比(f), (g)は反射電子像であるため，重い元素で構成される100 を超える深い穴が得られている．この深い穴が得られ部分が白く観察される．図 5(a)～(e)が断面図で左側からた原因については，熱の蓄積の影響 10)が大きいと考えらレーザが照射されている．(b)，(c)は (a)の X 線像でそれれる．先端部分が湾曲しているが，この湾曲の方向は一定

ぞれ Cu-Kα，Si-Kα線像を示している．これらの図よりせず，穴あけに応じて異なった方向に曲がることがあった．

直径 15μm 程度の穴の内部に均一に銅が付着しており，下図43500 パルス照射後のガラスにあけた穴

図 5 シリコン穴内面の SEM および EDX マップ，(a)-(e):断面図，(f)(g)穴入り口，(h)(i)穴出口，(a), (d),(e), (f), (h)：反射電子像，(b,) (g), (i)：Cu-Kα 像，(c)：Si-Kα 像：(d) (e)はそれぞれ(a) (d)中の四角く囲った部分の拡大図地となるシリコンは穴の部分からは検出できない．図のに（図 3）比べて，シリコンでの穴径は 15μm 程度と太5(d)，(e)はそれぞれ(a)，(d)の四角で囲った部分の拡大い．この原因としては，物性などの違いと共に，再堆積層図である．内部には 1μm 程度の銅の微粒子が付着しているが数 100nm 程度とガラスの場合（数 μm）に比べ薄かった

ことが分かる．さらに穴の切断面付近の拡大図(e)からそためだと考えられる．シリコンや銅に対して図 3 と同様なの厚さは数 100nm 程度であることが分かる．

形状測定も行えるとより詳細な評価が可能であるが，透過ガラスに穴あけした場合では穴径が 10μm 程度であった

光像で見ることは困難であること，穴径が 10μm 程度と小さいことから切断研磨することで，内面の形状変化を観察げます．

することも難しく，今後の課題である．
穴の上面，下面の反射電子像（f）,(h)と Cu-Kα線像（g）,参考文献(i)を示す．穴の上面では直径 15μm 程度の穴が観察され，

1) V. F. Pavlidis and E. G. Friedman, Three-dimensional

穴の周囲には銅が観察できる．また穴の周囲には割れたよ

Integrated Circuit Design ( Morgan Kaufmann, 2008).

うな後が観察される．一方，穴の底面では直径 15μm 程度

2)V. Sukumaran, Q. Chen, F. Liu, N. Kumbhat, T.の穴が観察され，その周囲に銅が直径 60μm 程度の範囲にBandyopadhyay, H. Chan, S. Min, C. Nopper, V.

付着している．この面では塩ビを挟んであったため，塩ビ

Sundaram and R. Tummala, 2010 Electron. Components

が一部溶融して，そこに下から吹き出した銅が付着したもTechnol. Conf., 557 (2010).のと考えられる．この銅は数 μm 程度の粒子からなってい

3)H. Nakagawa, K. Ogawa, A. Kihara and T. Hirogaki:

る．内面でも直径 1μm 程度の粒子が観察されるため，これImprovement of micro-drilled hole quality for

らの粒子はレーザ照射によりさらに穴の深い部分の銅がprinted wiring boards, J. Mater. Process. Technol.

アブレーションされ，穴の内部を移動中に冷却され，内面191, 1–3 (2007) 293.

や下面に堆積したものだと考えられる．上面での割れたよ4)I. Koiwa, Y. Wakuda, T. Suzuki, T. Tamura, A.

うな跡は上面にのみ観察でき，内面などでは観察されない

Fujisaki, K. Koiwa, T. Yamada, S. Ando and A. Matsuno,

ことから，穴あけ時に出来たのではなく，ガラスを剥離す2009 Electron. Components Technol. Conf., 879

る際に生じたものと考えられる．

(2009).

さらに，導電性を評価するため，ゴムシート上に，銅箔，5) A. Kestenbaum, J. F. D'Amico, B. J. Blumenstock andさらに試料を載せた．その上から，穴の部分にタングステ

M. A. Deangelo: Laser drilling of microvias in

ンプローブを当てて，銅箔とプローブ間の抵抗を評価した．

epoxy-glass printed circuit boards, IEEE Trans.

その結果，100Ω程度であり，導電性を有していることをComponents Hybrids Manuf. Technol., 13, 4 (1990)確認した．シリコン自体では 2MΩを以上であった．大気1055.

中で照射していることもあり，酸化の影響による膜自体の

6)A. Luft, U. Franz, A. Emsermann and J. Kaspar: A Study

抵抗の変化だけでなく，穴の入り口，出口部分での接触抵

of Thermal and Mechanical Effects on Materials

抗なども考慮する必要があり，抵抗の妥当性などについて

Induced by Pulsed Laser Drilling, Appl. Phys. A 63,の検討は今後の課題である．

2 (1996) 93.
7)S. Döring, T. Ullsperger, F. Heisler, S. Richter, A.

４．まとめ

Tünnermann and S. Nolte: Hole Formation Process in

異なる材料を重ね，まとめて穴あけすることで，下にある材料を上部の穴内面に付着する方法を提案し，実際に直Ultrashort Pulse Laser Percussion Drilling, Physics
Procedia 41, 0 (2013) 431.

径は 15μm 程度の穴あけをシリコンに行い，その内部に銅

8)N. Morita, T. Watanabe and Y. Yoshida: Directを付着させ，導電性を確認した．表面での割れや抵抗が十formation of conductor films by laser sublimating of分に高くないなどの問題はあるが，直径 15μm 以下の穴あceramics, Appl. Phys. Lett. 54, 20 (1989) 1974.

けと同時に，内面への成膜を実現しており，貫通配線など

9)J. K. Lumpp and S. D. Allen: Excimer laser machining

としての応用可能性は高いと考えられる．さらに重ねる材

and metallization of vias in aluminum nitride, IEEE料を様々に代えることで，導電性だけでなく，様々な物質Transactionsを再堆積できると考えられ，重ねる材料の種類を増やすことでの多層膜の形成も期待できる．

onComponents

PackagingandManufacturing Technology Part B 20, 3 (1997) 241.
10) Hirofumi Hidai, Souta Matsusaka, Chiba Akira,Noboru Morita: Heat accumulation in microdrilled

謝辞

本研究の実施に際し，公益財団法人天田財団より一般研究開発助成 (AF-2013203)を賜りました．厚く御礼申し上

glass from ultraviolet laser ablation, Appl. Phys.
A, 120, 1 (2015) 357-367.