JP6512935B2

JP6512935B2 - レーザ加工方法およびレーザ加工装置

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Publication number: JP6512935B2
Application number: JP2015103929A
Authority: JP
Inventors: 裕本木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: JP2016215245A

Description

本発明は、レーザ加工方法およびレーザ加工装置に係り、特に加工時のクラックの発生防止に関する。

近年、情報ニーズの多様化と、情報のデジタル化に伴い、情報通信機器の高速化が急速に進められている。従来から用いられてきたメタル配線では高速化に限界がある。そこで、伝送速度、伝送距離の両面で優れ、消費電力の少ない光インターコネクションが注目されている。光インターコネクションを用いたデータ伝送システムは、信号送信用ＩＣ（Integrated Circuit）、プリント回路基板、ケーブルなどの接続媒体、信号受信用ＩＣで構成される。ＩＣと回路基板とでは、配線のデザインルールが異なるため、信号送信用ＩＣ、信号受信用ＩＣ等の光デバイスと、回路基板とをつなぐインターポーザが必要となる。

光インターコネクションにおいて使用するインターポーザの基板材料として、ガラスは、透光性が高く、シリコンに比べて安価であることから、高速伝送用インターポーザとして注目されている。

光デバイスとインターポーザの接続にはフリップチップ実装が用いられることが多い。フリップチップ実装は、ワイヤを用いたワイヤボンディングによる接続に比べて配線長が短く、寄生パラメータが小さいため、高周波伝送特性に優れている。フリップチップ実装では、光でデバイスの受発光面が基板と対向するように配置される、いわゆるフェースダウンとなるため、光信号の光路の位置精度は、インターポーザの実装パッドの平面方向の位置精度に大きく依存する。またフリップチップ実装は高温下で行われるため、光デバイスとインターポーザの熱膨張係数差が小さいほど、残留応力の小さい実装が可能となる。

そこで光デバイスを構成する基板材料である、シリコン、あるいはガリウムヒ素、ガリウムナイトライドなどの化合物半導体との熱膨張率差の小さい、ホウ珪酸ガラスを初めとするガラスが高速通信用インターポーザとして、注目が高まっている。

面発光レーザ等の発光素子は、熱抵抗が大きく、通電による発熱が素子特性に与える影響が大きいため、放熱機構が必要であり、さらには高密度実装が進むにつれて実装面積を最大限に有効利用する必要がある。以上の観点からも、高速伝送用インターポーザとしては、表面側および裏面側の両面に配線層を形成するとともに、これらの配線をつなぐスルーホールの高精度化が、光インターコネクションの高速化および高集積化に必須となっている。

そこでスルーホールの微細化および位置精度の向上は、高速伝送用インターポーザの性能を決定する大きな要因となっている。その一方で、上述したように、発光素子の使用時つまり通電時の発熱、実装時の処理熱など、高速伝送用インターポーザに用いられるガラス基板は高温となる機会が多いため、ガラス基板はできるだけ応力歪の小さい状態で供給する必要がある。

ガラス基板へのスルーホールの形成には、レーザが用いられる。ガラス基板へのレーザ加工時の最大の問題は、応力歪あるいはクラックの発生である。レーザ加工時のガラス基板へのクラックの発生を防止する方法として、例えば特許文献１の技術が開示されている。特許文献１では、被加工物に対し水中でレーザ照射を行う技術が、開示されている。水を使用することで、こうした脆弱材料への影響を防ぐことは、有効である。

また、特許文献２には、レーザ光の乱反射を防ぐため、レーザ光照射ヘッドに、レーザ光を透過し、冷却液に接触して冷却液と大気とを隔離する境界壁をなす境界通過板を設ける技術が開示されている。特許文献２の技術では、冷却によるクラック発生防止に加え、空気と冷却液との界面での乱反射を防ぐことはできる。

特開昭６１−２０６５８７号公報特開平７−２５６４７９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、レーザ加工時のガラス基板へのクラックの発生を防止できるものの、高速通信用インターポーザにおいては、高精度の位置決めをはじめとする高度の加工精度が必要であることから、水中でのレーザ光のゆらぎ、あるいは屈折などにより、実際の適用は困難であった。

また、特許文献２の技術では、冷却によるクラック発生防止に加え、空気と冷却液との界面での乱反射を防ぐことはできるものの、大がかりなレーザ照射ヘッドが必要となり、量産に用いるのは困難であった。また被加工物を搬送しながら、レーザ加工をするのは難しいという問題もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工精度を維持しつつ、応力の発生を防ぎ、クラックレスで高品質のレーザ加工を実現することのできる、レーザ加工方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ガラス基板である被加工物に親水性処理を行い、被加工物の表面を冷却被膜で覆う工程と、冷却被膜で被覆された被加工物を一定速度で搬送しながら、協調制御でガルバノスキャナにより、レーザ光を走査し、冷却被膜を介して被加工物にレーザ光を照射し、レーザ光が照射される領域に貫通孔を形成する工程とを含む。

本発明によれば、位置精度を維持しつつ、応力の発生を防ぎ、クラックレスで高品質のレーザ加工を実現することのできる、レーザ加工方法を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかるレーザ加工方法を模式的に示す図実施の形態１に係るレーザ加工方法で形成したガラスインターポーザを示す図実施の形態１のレーザ加工装置を示す図（ａ）から（ｅ）は、実施の形態１のレーザ加工方法を用いたガラスインターポーザの製造工程を示す工程断面図ガラスインターポーザの製造工程を示すフローチャート実施の形態１のレーザ加工方法を用いて形成したガラスインターポーザを用いたメモリ装置を示す図実施の形態２にかかるレーザ加工方法を模式的に示す図実施の形態２にかかるレーザ加工方法におけるガラス基板の位置と、ガラス基板の搬送速度との関係を示す図（ａ）から（ｅ）は、実施の形態３のレーザ加工方法を用いたガラスインターポーザの製造工程を示す工程断面図（ａ）から（ｅ）は、実施の形態４のレーザ加工方法を用いたガラスインターポーザの製造工程を示す工程断面図実施の形態５にかかるレーザ加工方法を模式的に示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため各層あるいは各部材の縮尺が現実と異なる場合があり、各図面間においても同様である。また、断面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付さない場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工方法を模式的に示す図である。図２は、実施の形態１に係るレーザ加工方法で形成したガラスインターポーザを示す図である。図３は、実施の形態１のレーザ加工装置を示す図である。図４（ａ）から（ｅ）は、実施の形態１のレーザ加工方法を用いたガラスインターポーザの製造工程を示す工程断面図、図５は同ガラスインターポーザの製造工程を示すフローチャートである。図６は、実施の形態１の工程レーザ加工方法を用いて形成したガラスインターポーザを用いたメモリ装置を示す図である。実施の形態１のレーザ加工方法では、被加工物であるガラス基板１１の表面を冷却被膜としての親水性膜２１で覆う工程と、親水性膜２１で被覆されたガラス基板１１を一定速度で搬送しながら、協調制御でガルバノスキャナにより走査して、レーザ照射を行い、親水性膜２１を介してガラス基板１１に貫通孔１２を形成する。

実施の形態１のレーザ加工方法では、ガラス基板１１加工時のクラック発生を防止するため、親水性膜２１で加工孔である貫通孔１２の形成領域付近を覆う。レーザ加工工程では、レーザ入射側の親水性膜２１表面が波立たないようにするため、レーザ光はガルバノスキャナ３３Ｘ，３３Ｙ、Ｆθレンズ３６などの光学系を用いて光走査、集光を行って加工する。そしてガラス基板１１表面上の表面張力を最小化するため、予めガラス基板１１上に親水性膜２１を施している。親水性膜２１の膜厚は、レーザ光の屈折による位置ずれを防ぐためになるべく薄くするのがよく、レーザの照射エネルギーによる温度上昇を抑制するためには、熱容量を大きくするのが望ましい。

実施の形態１のレーザ加工方法で得られるガラスインターポーザ１０は、図２に断面図を示すように、ガラス基板１１と、ガラス基板１１に配列され、スルーホールを構成する貫通孔１２と、第１主面１１Ａおよび第２主面１１Ｂに形成された第１電極１３および第２電極１４とを具備している。そして、貫通孔１２内には、第１電極１３および第２電極１４を電気的に接続する、導電性部材からなる貫通電極１５が形成されている。ガラス基板１１を貫通する貫通孔１２に形成された貫通電極１５により、ガラス基板１１の厚さ方向に電流パスが形成され、配線長の短縮化が可能となり、高密度でかつ低抵抗の実装が実現される。

レーザ加工装置１は、図３に示すように、レーザ加工を行うレーザ加工部３０と、加工位置及び加工タイミングを制御する加工制御装置３４とを具備しているが詳細については後述する。

次に、実施の形態１のレーザ加工方法を用いたガラスインターポーザ１０の製造方法について、図４（ａ）から（ｅ）の工程断面図および図５の製造工程のフローチャートを参照しつつ説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、ガラス基板１１を用意し、開始ステップＳ１００で、製造工程を開始し、洗浄ステップＳ１０１で、通例の方法でガラス基板１１の洗浄を行う。

次いで、図４（ｂ）に示すように、親水性処理ステップＳ１０２でガラス基板１１に対し親水性処理を行い、表面に親水性膜２１を形成する。

ガラス基板１１の洗浄および親水性膜２１の形成について説明する。実施の形態１の方法は、ステップＳ１０１において実施される洗浄工程と、ステップＳ１０２において実施される親水成膜形成工程と、を含む。

親水性膜２１の形成に先立ち、まず、ガラス基板１１の洗浄を行う。ステップＳ１０１の洗浄工程では、まずリンガラスエッチングを行い、フッ酸(ＨＦ)、またはＨＦと硝酸（ＨＮＯ₃)と硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄)との混酸等の、ＨＦを含む溶液をエッチング液に用いたウェットエッチング処理によって、表面に付着しているリンガラス層をエッチング除去する。ＨＦを含む溶液におけるフッ酸の濃度は特に限定されない。また、ＨＦを含む溶液であるエッチング液へのガラス基板１１の浸漬時間は、諸条件により適宜設定されればよい。

リンガラスエッチング工程では、たとえばＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝１：１０で調製されたＨＦ溶液にガラス基板１１を４５０秒間浸漬して、ガラス基板１１の表面に形成されているリンガラス層などの付着物をエッチング除去する。

そしてリンガラスエッチングの実施後に、ガラス基板１１の表面に純水を供給することによって、ガラス基板１１の表面に残存している、ＨＦを含む溶液を純水で洗浄する。洗浄工程では、たとえばガラス基板１１を純水に浸漬して、ガラス基板１１の表面に残留しているＨＦ溶液を洗浄により洗い流す。

洗浄後のガラス基板１１の表面は、ＨＦ溶液に浸漬したために疎水性になっている。そこで、洗浄工程の実施後に、酸化作用を有する酸化性薬液をガラス基板１１の表面に供給することによって、ガラス基板１１の表面にウェット酸化処理によりシリコン酸化膜を均一に形成して、ガラス基板１１の表面を均一に親水化する親水性処理を行う。酸化性薬液は、たとえばオゾンガスを溶解させたオゾン水および過酸化水素水が例示される。

親水性処理工程では、純水による洗浄後に、たとえば酸化性薬液が貯留された貯留槽にガラス基板１１を浸漬することで、ガラス基板１１の表面に酸化膜である親水性膜２１を均一に形成してガラス基板１１表面を均一に親水化する。

酸化性薬液としては、たとえばオゾンガスを溶解させたオゾン水を使用する。そして、オゾン水が貯留された貯留槽にガラス基板１１を浸漬した後、溶存オゾン濃度を既定の濃度に調整したオゾン水を貯留槽に常時供給して、貯留槽のオゾン水の溶存オゾン濃度を一定に保つ。オゾン水の溶存オゾン濃度は、０．１ｍｇ／Ｌ以上であればよく、高濃度ほど短時間での親水化処理が可能である。オゾン水の溶存オゾン濃度は、より好ましくは１ｍｇ／Ｌ以上である。なお、高濃度オゾン水の製造上の理由の観点から、オゾン水の溶存オゾン濃度の上限は、１８０ｍｇ／Ｌである。オゾン水の溶存オゾン濃度は、０．１ｍｇ／Ｌ程度の場合は、オゾン水へのガラス基板１１の浸漬時間は３０秒以上であればよい。つまりガラス基板１１の表面が全体的に見て親水状態となり完全に濡れた状態で一様な水の膜が形成されていればよい。

次いで、図４（ｃ）に示すように、表面である第１主面１１Ａに親水性膜２１を有するガラス基板１１に対し、図３のレーザ加工装置１を用いて、貫通孔１２の形成ステップＳ１０３で、位置決めを行いながら、レーザ照射により順次方向ｄに沿って貫通孔１２を形成する。レーザ照射時、ガラス基板１１表面は親水性膜２１で被覆されており、一様で薄い親水性膜２１が形成されていることで、レーザ光の屈折による位置ずれを生じることなく、高精度の微細な貫通孔１２を高密度に形成することができる。また、一様で薄い親水性膜が形成されていることで、レーザ照射時の熱に対し、確実な冷却効果を得ることができるとともに、形成された貫通孔１２からレーザ照射による残渣を親水性膜２１とともに、流出することができる。冷却効果を得るためには厚い方がよいが、レーザ照射に際して屈折による光路のずれを防ぐためには薄いのが望ましい。ここで親水性膜２１の厚さは、厚さ２０ｎｍ以上１ｍｍ以下とする。

順次レーザ照射を行い、図４（ｄ）に示すように、ガラス基板１１上に貫通孔１２を形成する。貫通孔１２を形成したのち、電極形成領域および貫通孔１２へのストライクめっきステップＳ１０４により、全面に薄いストライクめっき層を形成し、パターニングして、第１主面１１Ａおよび第２主面１１Ｂから、電極形成領域および貫通孔１２内を覆うストライクめっき層パターンを形成する。

そして最後に、図４（ｅ）に示すように、はんだめっきステップＳ１０５により、ストライクめっき層パターン形成のなされた電極形成領域および貫通孔１２に、はんだめっき層を形成し、第１主面１１Ａおよび第２主面１１Ｂから、貫通孔１２内を覆うはんだめっき層を形成し、第１電極１３、第２電極１４及び貫通電極１５を形成する。以上のようにしてガラスインターポーザ１０が完成する。

なお、親水性膜２１が表面に残留している場合には、貫通孔１２の形成後、めっき工程に先立ち、親水性膜２１を除去するために低濃度の酸性溶液をガラス基板１１の表面に吹き付けたりあるいは、還元性ガスを含有する不活性ガスを吹き付けたりする洗浄工程を追加しても良い。洗浄工程で、親水性膜２１は、レーザ加工による残渣とともに除去され、清浄な表面を得ることができる。また、親水性膜２１が、完成後のガラスインターポーザ１０表面に残留していてもよく、レーザ照射によって形成し親水性膜２１が焼失した貫通孔１２に選択的にめっき層が形成できればよいため、除去することなく親水性膜２１をパッシベーション膜として残留させたままデバイスを形成するのも有用である。

図６に、メモリ装置１００を示すように、ガラスインターポーザ１０の第１主面１０Ａ上に、ＣＰＵ１６、および記憶部であるメモリ１７を積層して実装する。そして、ガラスインターポーザ１０の第２主面１０Ｂにはんだボール１８からなるボールグリッドアレイを形成し、ボールグリッドアレイを介してプリント基板１９の配線パターン１９Ｐ上にガラスインターポーザ１０を実装し、メモリ装置１００が完成する。

次に、実施の形態１のレーザ加工方法で用いられるレーザ加工装置１のレーザ加工部３０について説明する。レーザ加工部３０は、ガラス基板１１をＸＹＺ方向に搬送可能な、搬送部としての基板載置台３１と、基板載置台３１と協調制御でレーザ発振器３２から発振されたレーザ光を、加工エリア内でＸ方向およびＹ方向に走査するガルバノスキャナ３３Ｘおよび３３Ｙとを有している。ガルバノスキャナ３３Ｘおよび３３Ｙは、加工制御装置３４によってガルバノミラー３５Ｘおよび３５Ｙを回動させることで、レーザ光を、加工エリア内でＸ方向およびＹ方向に走査する。ここでレーザ発振器３２はＣＯ₂レーザを用いている。

ガルバノミラー３５Ｘ，３５Ｙは、概略楕円形のミラー面を有したミラーを用いて構成されており、レーザ光３７を反射して所定の角度に偏向させる。ガルバノミラー３５Ｘは、レーザ光３７をＸ方向に偏向させ、ガルバノミラー３５Ｙは、レーザ光３７をＹ方向に偏向させる。

Ｆθレンズ３６は、テレセントリック性を有した集光レンズである。Ｆθレンズ３６は、レーザ光３７を被加工物であるガラス基板１１の第１主面１１Ａに対して垂直な方向に偏向させるとともに、レーザ光３７をガラス基板１１の加工位置すなわちスルーホール形成位置に集光させる。これにより、Ｆθレンズ３６は、ＸＹ面に垂直なＺ方向に、レーザ光３７の主光線の向きを揃える。

ＸＹテーブルである基板載置台３１は、被加工物であるガラス基板１１が載置されるとともに、図示しないＸ軸モータおよびＹ軸モータの駆動によってＸＹ平面内を移動する。これにより、基板載置台３１は、ガラス基板１１を面内方向すなわちＸ方向およびＹ方向へ移動させる。

加工制御装置３４は、レーザ発振器３２および、ガルバノスキャナ３３Ｘおよび３３Ｙなどのレーザ加工部３０の各要素に接続されており、レーザ発振器３２およびレーザ加工部３０を制御する。加工制御装置３４は、ガラス基板１１をレーザ加工する際には、加工プログラムに設定されたレーザ加工条件をレーザ発振器３２とレーザ加工部３０に指示する。ここでのレーザ加工条件は、レーザ光３７のパルス出射タイミング、レーザ照射位置などを含んでいる。

加工制御装置３４は、コンピュータなどによって構成されており、レーザ発振器３２あるいはレーザ加工部３０をＮＣ（Numerical Control）制御等の制御によって制御する。加工制御装置３４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。加工制御装置３４がレーザ発振器３２あるいはレーザ加工部３０を制御する際には、ＣＰＵが、ユーザによる図示しない入力部からの入力によって、ＲＯＭ内に格納されている加工プログラムを読み出してＲＡＭ内のプログラム格納領域に展開して各種処理を実行する。各種処理に際して生じる各種データは、ＲＡＭ内に形成されるデータ格納領域に一時的に記憶される。これにより、加工制御装置３４は、レーザ発振器３２およびレーザ加工部３０を制御する。

基板載置台３１を移動させることなく、ガルバノ機構すなわち、ガルバノスキャナ３３Ｘ，３３Ｙ、ガルバノミラー３５Ｘ，３５Ｙの動作によってレーザ加工が可能な範囲すなわち走査可能領域がガルバノエリアつまりスキャンエリアである。レーザ加工装置１では、基板載置台３１をＸＹ平面内で移動させた後、ガルバノスキャナ３３Ｘ，３３Ｙによってレーザ光３７を２次元走査する。ＸＹテーブルである基板載置台３１は、各ガルバノエリアの中心がＦθレンズ３６の中心直下すなわちガルバノ原点となるよう順番に移動していく。

ガルバノ機構は、ガルバノエリア内に設定されている各孔位置が順番にレーザ光３７の照射位置となるよう動作する。レーザ加工装置１がガラス基板１１へのレーザ加工を行う際には、ガルバノスキャナ３３Ｘがガルバノミラー３５Ｘを回動させ、ガルバノミラー３５Ｘがレーザ発振器３２から送られてくるレーザ光３７を反射する。ガルバノミラー３５Ｘは、回動することで、レーザ光３７の進行方向を変化させる。ガルバノミラー３５Ｘあるいは３５Ｙの回動速度は、レーザ入射側のガラス基板１１表面の親水性膜２１が波立たないようにするため、ガラス基板１１を一定速度で動かし続けながら、ガルバノスキャナ３３Ｘあるいは３３Ｙと合わせた協調制御でレーザ加工していく。なお、ガルバノミラー３５Ｘあるいは３５Ｙの回動速度がガラス基板１１の搬送速度に対して、一定速度をもつ、つまり加速度をもたない状態であれば親水性膜２１が波立つことなく、静止状態を維持することができるため、レーザ照射位置にばらつきが生じることなく、高精度の位置制御を行うことができる。

さらに、ガルバノスキャナ３３Ｙは、ガルバノミラー３５Ｙを回動させ、ガルバノミラー３５Ｙは、ガルバノミラー３５Ｘから送られてくるレーザ光３７を反射する。ガルバノミラー３５Ｙは、回動することで、レーザ光３７の進行方向を変化させる。これにより、ガルバノミラー３５Ｘ，３５Ｙは、レーザ光３７の照射領域を、ガラス基板１１の面内方向すなわちＸＹ方向に対して移動させる。

レーザ加工装置１では、基板載置台３１によるガルバノエリア間の移動とガルバノ機構によるガルバノエリア内でのレーザ光３７の２次元走査とが、被加工物であるガラス基板１１上で順番に行なわれていく。これにより、ガラス基板１１上の全ての加工位置がレーザ加工される。

ガルバノミラー３５Ｘの先端部のうちＦθレンズ３６側の先端部とＦθレンズ３６との間の距離Ｄ１は、焦点距離の短いＦθレンズ３６では狭くなる。Ｆθレンズ３６側の先端部とＦθレンズ３６との間の距離Ｄ１は例えば１０ｍｍ以下である。本実施の形態のガルバノスキャナ３３Ｘは、ガルバノミラー３５Ｘの先端部側に軸受けなどの面倒れ振動を防止する構造部材を配置することなくガルバノスキャナ３３Ｘを構成しているので、軸受けなどの構造部材がＦθレンズ３６と干渉することなくガルバノスキャナ３３Ｘをレーザ加工装置１に装着することができる。以上のように、焦点距離の短いＦθレンズ３６であっても、ガルバノミラー３５Ｘの面倒れが起こらないガルバノスキャナ３３Ｘ，３３Ｙをレーザ加工装置１に搭載することが可能となり、集光性の高いレーザ加工を高精度に行うことが可能となる。

以上のようにして、レーザ光の屈折による位置ずれを生じることなく、高精度の微細な貫通孔１２を高密度に形成することができる。また、一様で薄い親水性膜２１が形成されていることで、冷却効果を得ることができるとともに、形成された貫通孔１２からレーザ照射による残渣を親水性膜２１とともに、流出することができる。従って、実施の形態１のレーザ加工方法では、位置精度を維持しつつ、ガラス基板１１に対して、応力歪なし、ひいてはクラックレスで高品質のレーザ加工を実現することができ、高精度で信頼性の高い配線回路を備えたガラスインターポーザ１０を得ることができる。

なお、親水性膜２１の形成については、実施の形態１の方法に限定されるものではなく、親水性処理による親水性膜形成ステップＳ１０２におけるオゾン水洗浄を、硫酸過酸化水素：Ｈ₂ＳＯ₄＋Ｈ₂Ｏ₂を用いたＳＰＭ洗浄および塩酸過酸化水素：ＨＣｌ＋Ｈ₂Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏを用いたＨＰＭ洗浄に代えても良い。

ここで、ＳＰＭ洗浄液としては、たとえば硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）８０ｗｔ％＋過酸化水素水（Ｈ₂Ｏ₂）５ｗｔ％＋Ｈ₂Ｏの組成の混合液を用いることができる。また、ＨＰＭ洗浄液としては、たとえば塩酸（ＨＣｌ）１０ｗｔ％＋過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）５ｗｔ％＋Ｈ₂Ｏ）の組成の混合液を用いることができる。

実施の形態１において冷却剤供給部は図示しないが、親水性膜２１を形成するための溶液槽が冷却剤供給部に相当すると考えることもできる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工方法を模式的に示す図である。実施の形態１では、ガラス基板１１表面に親水性膜２１を形成してレーザ照射を行ったが、実施の形態２では、冷却剤供給部としてのノズル２３から冷却剤２２を供給しながら、レーザ照射を行い、貫通孔１２を形成する方法である。レーザ加工部３０は実施の形態１と同様であるためここでは説明を省略する。

実施の形態１のレーザ加工方法では、ガラス基板１１加工時の応力歪あるいはクラック発生を防止するため、親水性膜２１で加工孔である貫通孔１２の形成領域付近を覆ったが、実施の形態２のレーザ加工方法では、冷却剤２２をガラス基板１１表面に供給しながら、レーザ照射を行う。実施の形態２では、レーザ入射側の冷却剤２２表面が波立たないようにするため、レーザ光３７はガルバノスキャナ３３Ｘ，３３Ｙ、Ｆθレンズ３６などの光学系を用いて光走査、集光を行って加工する。そしてガラス基板１１表面上の表面張力を最小化し、一定速度で冷却剤２２としての水を流す。

実施の形態２においても実施の形態１で用いたのと同様、レーザ加工を行うレーザ加工部３０と、図示は省略するが、加工位置及び加工タイミングを制御する加工制御装置とを具備したレーザ加工装置１を用いる。

レーザ加工方法についても、図４（ｃ）および図５のステップＳ１０３によるレーザ照射工程からスタートする以外は実施の形態１のレーザ加工方法と同様である。

図４（ｃ）に示した、親水性膜２１に代えて、表面である第１主面１１Ａに冷却剤２２としての水を供給しながら、ガラス基板１１に対し、図３のレーザ加工装置１を用いて、レーザ照射による貫通孔の形成ステップＳ１０３で、レーザ照射により順次貫通孔１２を形成する。レーザ照射時、ガラス基板１１表面には、一様で薄い水の膜が形成されていることで、レーザ光の屈折による位置ずれを生じることなく、高精度の微細な貫通孔１２を高密度に形成することができる。また、一様で薄い水の膜が形成されていることで、冷却効果を得ることができるとともに、形成された貫通孔１２からレーザ照射による残渣を水の膜とともに、流出することができる。

ガルバノミラー３５Ｘあるいは３５Ｙの回動により走査されるレーザ照射は、レーザ入射側のガラス基板１１表面の冷却剤２２が波立たないようにするため、ガラス基板１１を一定速度で動かし続けながら、ガルバノスキャナと合わせた協調制御で、狙い位置に精度良くレーザ光を走査、照射を行い、加工を進めていく。図８は、ガラス基板１１の位置と、基板載置台３１の駆動によるガラス基板１１の搬送速度との関係を示す図である。横軸はガラス基板１１のＸ方向の位置、縦軸は搬送速度である。なお、ガルバノミラー３５Ｘあるいは３５Ｙの回動速度がガラス基板１１の搬送速度に対して、一定速度をもつレーザ照射領域Ｒ、つまり加速度をもたない領域でレーザ照射を行う。加速度をもたない状態であれば冷却剤２２が波立つことなく、静止状態を維持することができるため、レーザ照射による貫通孔形成位置にばらつきが生じることなく、高精度の位置制御を行うことができる。

順次レーザ照射を行い、図４（ｄ）に示したのと同様に、ガラス基板１１上に貫通孔１２を形成する。貫通孔１２を形成したのち、電極形成領域および貫通孔１２へのストライクめっきステップＳ１０４により、全面に薄いストライクめっき層を形成し、パターニングして、第１主面１１Ａおよび第２主面１１Ｂから、電極形成領域および貫通孔１２内を覆うストライクめっき層パターンを形成する。

そして最後に、図４（ｅ）に示したのと同様に、はんだめっきステップＳ１０５により、ストライクめっき層パターン形成のなされた電極形成領域および貫通孔１２に、はんだめっき層を形成し、第１主面１１Ａおよび第２主面１１Ｂから、貫通孔１２内を覆うはんだめっき層を形成し第１電極１３、第２電極１４及び貫通電極１５を形成する。以上のようにしてガラスインターポーザ１０が完成する。

実施の形態２のレーザ加工方法によっても、位置精度を維持しつつ、冷却しながらレーザ照射を行うことで、ガラス基板に対して、応力歪なし、ひいてはクラックレスで高品質のレーザ加工を実現することができ、高精度で信頼性の高い配線回路を備えたガラスインターポーザを得ることができる。

冷却剤としての水の膜の厚さは、冷却効果を得るためには厚い方がよいが、レーザ照射に際して屈折による光路のずれを防ぐためには薄い方が望ましい。ここで冷却剤としての水の厚さは、厚さ２０ｎｍ以上１ｍｍ以下とする。

なお、実施の形態２では、冷却剤として水を供給しながらレーザ加工を行ったが、水の他、熱容量の大きい液体、あるいはアルコールなども適用可能である。アルコールなど、相転移を伴う冷却剤を用いることで、気化熱をレーザ照射領域から奪いながらレーザ照射を行うようにすることで、厚い液層を形成することなく冷却効果を高めることができる。

実施の形態３．
図９（ａ）から（ｅ）は、本発明の実施の形態３にかかるレーザ加工方法を模式的に示す図である。実施の形態３では、ガラス基板１１表面のレーザ照射領域Ｒ_Lに選択的にジェル状冷却剤２４のパターンを形成しておき、ジェル状冷却剤２４のパターンを狙ってレーザ照射を行う方法である。

実施の形態３においても実施の形態１および２で用いたのと同様、レーザ加工を行うレーザ加工部３０と、図示は省略するが、加工位置及び加工タイミングを制御する加工制御装置とを具備したレーザ加工装置１を用いる。

レーザ加工方法についても実施の形態１と同様であるが、まず、図９（ａ）に示すように、ガラス基板１１を用意し、通例の方法でガラス基板１１の洗浄を行う。

次いで、図９（ｂ）に示すように、ジェル供給ノズルを用いて、ガラス基板１１表面のレーザ照射領域Ｒ_Lに選択的にジェル状冷却剤２４のパターンを形成する。ジェル状冷却剤２４のパターン精度を高くするように高精度のジェル供給ノズルを用いるのが望ましい。また、ジェル状冷却剤２４のパターンを、レーザ照射工程における位置合わせパターンとして用いることができるように色を付け、ガラス基板１１表面との識別が可能となるようにしてもよい。

次いで、図９（ｃ）に示すように、表面である第１主面１１Ａにジェル状冷却剤２４のパターンが形成されたガラス基板１１に対し、図３のレーザ加工装置１を用いて、ジェル状冷却剤２４に向けて、位置決めを行いながら、レーザ照射により順次方向ｄに沿って貫通孔１２を形成する。レーザ照射時、ガラス基板１１表面のレーザ照射領域Ｒ_Lはジェル状冷却剤２４で覆われており、ジェル状冷却剤２４を蒸発させながら、レーザ照射がなされ、高精度の微細な貫通孔１２を高密度に形成することができる。また、ジェル状冷却剤２４のパターン上をレーザ照射し、蒸発させることで、冷却効果を得ることができるとともに、形成された貫通孔１２からレーザ照射による残渣をジェル状冷却剤２４とともに、流出することができる。

順次レーザ照射を行い、図９（ｄ）に示すように、ガラス基板１１上に貫通孔１２を形成する。貫通孔１２を形成したのち、電極および貫通孔１２へのストライクめっきステップＳ１０４により、全面に薄いストライクめっき層を形成し、パターニングして、第１主面１１Ａおよび第２主面１１Ｂから、電極形成領域および貫通孔１２内を覆うストライクめっき層パターンを形成する。

そして最後に、図９（ｅ）に示すように、はんだめっきステップＳ１０５により、ストライクめっき層パターン形成のなされた電極形成領域および貫通孔１２に、はんだめっき層を形成し、第１主面１１Ａおよび第２主面１１Ｂから、貫通孔１２内を覆うはんだめっき層を形成し第１電極１３、第２電極１４及び貫通電極１５を形成する。以上のようにしてガラスインターポーザ１０が完成する。

実施の形態３の方法によれば、パターン状に形成したジェル状冷却剤２４を蒸発させながら、レーザ照射がなされ、冷却効果を得ることができるとともに、形成された貫通孔１２からレーザ照射による残渣をジェル状冷却剤２４とともに、流出することができる。従って、実施の形態３のレーザ加工方法によれば、高精度の微細な貫通孔１２を応力歪なし、ひいてはクラックレスで高密度に形成することができる。

実施の形態４．
図１０（ａ）から図１０（ｅ）は、本発明の実施の形態４にかかるレーザ加工方法を用いたガラスインターポーザの製造工程を示す工程断面図である。実施の形態４では、まず、ガラス基板１１表面のレーザ照射領域Ｒ_Lに、レーザ照射により浅溝１２Ｓを形成し、浅溝１２Ｓ内に冷却剤２５を充填し、選択的に冷却剤２５のパターンを形成しておき、冷却剤２５のパターンを狙ってレーザ照射を行う方法である。

実施の形態４においても実施の形態１から３で用いたのと同様、レーザ加工を行うレーザ加工部３０と、加工位置及び加工タイミングを制御する加工制御装置３４とを具備したレーザ加工装置１を用いる。

レーザ加工方法についても実施の形態１と同様であるが、まず、図１０（ａ）に示すように、ガラス基板１１を用意し、通例の方法でガラス基板１１の洗浄を行う。

次いで、図１０（ｂ）に示すように、レーザ加工装置１を用いて、ガラス基板１１表面のレーザ照射領域Ｒ_Lにレーザ照射を行い浅溝１２Ｓのパターンを形成する。

次いで、図１０（ｃ）に示すように、図示しない供給ノズルを用いて、ガラス基板１１表面のレーザ照射領域Ｒ_Lに形成された浅溝１２Ｓ内に選択的に冷却剤２５のパターンを形成する。また、冷却剤２５のパターンを、レーザ照射工程における位置合わせパターンとして用いることができるように色を付け、ガラス基板１１の表面との識別が可能となるようにするのが望ましい。

次いで、図１０（ｄ）に示すように、表面である第１主面１１Ａに冷却剤２５の形成されたガラス基板１１に対し、図３のレーザ加工装置１を用いて、冷却剤２５に向けて、位置決めを行いながら、レーザ照射により順次貫通孔１２を形成する。レーザ照射時、ガラス基板１１表面のレーザ照射領域Ｒ_Lは冷却剤２５で覆われており、冷却剤２５を蒸発させながら、レーザ照射がなされ、高精度の微細な貫通孔１２を高密度に形成することができる。また、冷却剤２５のパターン上をレーザ照射し、蒸発させることで、冷却効果を得ることができるとともに、形成された貫通孔１２からレーザ照射による残渣を冷却剤２５とともに、流出することができる。

順次レーザ照射を行い、図１０（ｄ）に示すように、ガラス基板１１上に貫通孔１２を形成する。貫通孔１２を形成した後、電極形成領域および貫通孔１２へのストライクめっきステップＳ１０４により、全面に薄いストライクめっき層を形成し、パターニングして、第１主面１１Ａおよび第２主面１１Ｂから、電極形成領域および貫通孔１２内を覆うストライクめっき層パターンを形成する。

そして最後に、図１０（ｅ）に示すように、はんだめっきステップＳ１０５により、ストライクめっき層パターン形成のなされた電極形成領域および貫通孔１２に、はんだめっき層を形成し、第１主面１１Ａおよび第２主面１１Ｂから、貫通孔１２内を覆うはんだめっき層を形成し第１電極１３、第２電極１４及び貫通電極１５を形成する。以上のようにしてガラスインターポーザ１０が完成する。

実施の形態４の方法によれば、レーザ照射によって形成した浅溝１２Ｓ内にパターン状に形成した冷却剤２５を蒸発させながら、レーザ照射がなされ、冷却効果を得ることができるとともに、形成された貫通孔１２からレーザ照射による残渣を冷却剤２５とともに、流出することができる。従って、実施の形態４のレーザ加工方法によれば、高精度の微細な貫通孔１２を高密度に形成することができる。

なお、実施の形態４で用いる冷却剤は、浅溝１２Ｓに充填するため、ノズルからの液体供給で容易にパターニングし得、パターニングのためのマスクも不要であるが、実施の形態３で用いたジェル状冷却剤を用いることで、取り扱いが容易となる。

また、実施の形態４の方法によれば、実際にはレーザ照射による浅溝の形成と、浅溝に位置合わせをしながらレーザ照射により貫通孔を形成するという、２段階のレーザ照射で貫通孔を形成する。従って、１回あたりのレーザ照射深さを浅くすることができ、しかも位置合わせは冷却機能と位置合わせ用パターンとを兼ねたパターンを用いて効率よく、貫通孔の形成を行うことができるため、応力歪なし、ひいてはクラックレスで、位置精度が高く、アスペクト比の高い貫通孔の形成が可能となる。

実施の形態５．
図１１は、本発明の実施の形態５にかかるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を模式的に示す図である。実施の形態５では、まず、ガラス基板１１表面に冷却剤を供給しながらレーザ照射領域Ｒ_Lに、レーザ照射により貫通孔１２を形成する方法において、冷却槽４０に充填された冷却液２６としての水内に、基板載置台３１を設置し、基板載置台３１上に液体を溜める枠体４１を設置し、ガラス基板１１表面に、枠体４１の高さｈ分だけの水を保持しつつレーザ照射を行うものである。

ガラス基板１１を搬送する搬送部の基板載置台３１が、液体を溜める枠体４１を有している。そして、冷却剤としての水を供給するノズル２３と、冷却液２６を充填した冷却槽４０とを備え、枠体４１は、冷却液２６をガラス基板１１表面で保持し、冷却槽４０にオーバーフローするように、あらかじめ決められた高さｈを有する。基板載置台３１については詳細を省略するが、図示しない搬送部に接続され、ガラス基板１１を載置してあらかじめ決められた搬送速度で搬送する。

実施の形態５においても実施の形態１から４で用いたのと同様、レーザ加工を行うレーザ加工部３０と、加工位置及び加工タイミングを制御する加工制御装置３４とを具備したレーザ加工装置１を用いる。

冷却槽４０内に冷却液２６を充填し、基板載置台３１上に設置されたガラス基板１１上に液体を溜める枠体４１を設置し、ノズル２３からガラス基板１１表面に、冷却液２６を供給する。冷却液２６をオーバーフローさせながら供給することで、枠体４１の高さｈ分だけの水をガラス基板１１表面に保持しつつレーザ照射を行うものである。

ここで枠体４１は、冷却液２６としての水がガラス基板１１表面に厚さ２０ｎｍ以上１ｍｍ以下の水の膜を形成する高さとするのが望ましい。２０ｎｍに満たないと冷却効果が十分でなく、１ｍｍを超えると、レーザ光の屈折により貫通孔の加工精度が低下する。

以上のようにして、ガラス基板１１上での冷却液の厚さを制御しつつ冷却液を供給することができるため、レーザ光の屈折による位置ずれを生じることなく、高精度の微細な貫通孔を高密度に形成することができる。また、一様で薄い水の膜が形成されていることで、冷却効果を得ることができるとともに、形成された貫通孔１２からレーザ照射による残渣を水の膜とともに、流出することができる。また、ガラス基板１１を載置した基板載置台３１は裏面側も水で覆われているため、裏面からの冷却効果も高く、加工精度を高めかつ応力歪ひいてはクラックも発生を抑制しつつ信頼性の高いガラスインターポーザを得ることが可能となる。従って、実施の形態５のレーザ加工方法では、位置精度を維持しつつ、ガラス基板１１に対して、応力歪なし、ひいてはクラックレスで高品質のレーザ加工を実現することができ、高精度で信頼性の高い配線回路を備えたガラスインターポーザを得ることができる。

なお実施の形態１から５についてはガラス基板１１に対する貫通孔１２の形成について説明したが、被加工物としてはガラス基板１１に限定されることなく、シリコン、化合物半導体、有機物などにも適用可能である。また、レーザ発振器についても、ＣＯ₂レーザに限定されることなく、被加工物に対して吸収可能な波長を有するものは、適宜選択可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１レーザ加工装置、１０ガラスインターポーザ、１０Ａ第１主面、１０Ｂ第２主面、１１ガラス基板、１１Ａ第１主面、１１Ｂ第２主面、１２貫通孔、１２Ｓ浅溝、１３第１電極、１４第２電極、１５貫通電極、１６ＣＰＵ、１７メモリ、１８はんだボール、１９プリント基板、１９Ｐ配線パターン、２１親水性膜、２２冷却剤、２３ノズル、２４ジェル状冷却剤、２５冷却剤、３０レーザ加工部、３１基板載置台、３２レーザ発振器、３３Ｘ，３３Ｙガルバノスキャナ、３４加工制御装置、３５Ｘ，３５Ｙガルバノミラー、３６Ｆθレンズ、３７レーザ光、４０冷却槽、１００メモリ装置。

Claims

ガラス基板である被加工物に親水性処理を行い、前記被加工物の表面を冷却被膜で覆う工程と、
前記冷却被膜で被覆された被加工物を一定速度で搬送しながら、協調制御でガルバノスキャナにより、レーザ光を走査し、前記冷却被膜を介して前記被加工物に前記レーザ光を照射し、レーザ光が照射される領域に貫通孔を形成する工程と、
を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
ガラス基板である被加工物に厚さ２０ｎｍ以上１μｍ以下の水の膜を形成し、前記被加工物の表面を冷却被膜で覆う工程と、
前記冷却被膜で被覆された被加工物を一定速度で搬送しながら、協調制御でガルバノスキャナにより、レーザ光を走査し、前記冷却被膜を介して前記被加工物に前記レーザ光を照射し、レーザ光が照射される領域に貫通孔を形成する工程と、
を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
ノズルからガラス基板である被加工物の表面に冷却剤を供給し、前記被加工物の表面を冷却被膜で覆う工程と、
前記冷却被膜で被覆された被加工物を一定速度で搬送しながら、協調制御でガルバノスキャナにより、レーザ光を走査し、前記冷却被膜を介して前記被加工物に前記レーザ光を照射し、レーザ光が照射される領域に貫通孔を形成する工程と、
を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
ガラス基板である被加工物の表面に選択的に冷却剤を供給し、前記被加工物の表面に冷却被膜を選択的に形成する工程と、
前記冷却被膜が選択的に形成された被加工物を一定速度で搬送しながら、協調制御でガルバノスキャナにより、レーザ光を走査し、前記選択的に形成された冷却被膜を介して前記被加工物に前記レーザ光を照射し、レーザ光が照射される領域に貫通孔を形成する工程と、
を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
前記冷却被膜を選択的に形成する工程に先立ち、
レーザ照射により、被加工物の貫通孔形成領域に浅溝を形成する工程と、
前記浅溝に前記冷却剤を充填する工程とを含み、
前記貫通孔を形成する工程は、
前記冷却剤に位置合わせをしながら前記浅溝に合わせて、レーザ照射により貫通孔を形成する工程であることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工方法。
被加工物の表面に、冷却剤を供給し、前記表面に冷却被膜を形成する冷却剤供給部と、
前記冷却剤の供給により前記冷却被膜で被覆された前記被加工物を一定速度で搬送する搬送部と、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器からのレーザ光を、あらかじめ決められた速度で走査するスキャナとを備え、
前記冷却被膜を介して前記被加工物にレーザ照射を行うことで、貫通孔を形成するレーザ加工装置であって、
前記被加工物を搬送する搬送部が、前記被加工物を囲む枠体を備え、
前記冷却剤供給部は、前記冷却剤を充填した冷却槽と、前記被加工物に前記冷却剤を供給する供給ノズルとを備え、
前記枠体は、あらかじめ決められた高さを有し、前記冷却剤を、前記被加工物表面で保持し、前記冷却槽に前記冷却剤をオーバーフローすることを特徴とするレーザ加工装置。