JP7014068B2 - ガラス基板 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板に関し、特に、貫通孔を有するガラス基板に関する。

従来より、貫通孔を有するガラス基板は、各種デバイスに広く利用されている。例えば、複数の貫通孔を有し、該貫通孔に導電性材料が充填されたガラス基板は、ガラスインターポーザとして利用されている。

デバイスの高性能化が進むにつれ、ガラスインターポーザのような貫通電極を有する基板などの部材に対して、今後より高い寸法精度が求められるようになることが予想される。

例えば、貫通孔を有するガラス基板の場合、貫通孔の形状の僅かの変化が、導電性材料の充填状態、さらにはデバイスの特性に影響を及ぼす可能性がある。このため、デバイスの特性を十分に発揮するためには、デバイスの基本部材として適用されるガラス基板に、高い寸法精度で所望の形状の貫通孔を形成する必要がある。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、今後の高性能化デバイスに対しても十分に適用することが可能な、貫通孔を有するガラス基板を提供することを目的とする。

本発明では、相互に対向する第１の表面および第２の表面を有するガラス基板であって、
当該ガラス基板は、第１の表面から第２の表面まで延在する複数の貫通孔を有し、
ランダムに選択した５個の貫通孔を選定貫通孔と称したとき、各選定貫通孔において、
前記第１の表面には第１の開口があり、前記第２の表面には第２の開口があり、前記第１の開口の近似円の直径は、前記第２の開口の近似円の直径よりも大きく、
前記第１の開口は、真円度が５μｍ以下であり、
前記第１の開口の近似円の中心を第１の中心Ｃ_１とし、前記第２の開口の近似円の中心を第２の中心Ｃ_２とし、第１の中心Ｃ_１と第２の中心Ｃ_２の中心間距離をｔ_ｃとしたとき、当該ガラス基板の厚さをｔ_０として、

Ｐ＝ｔ_ｃ／ｔ_０ （１）式

で表される垂直度Ｐは、１．０００００～１．０００１５の範囲である、ガラス基板が提供される。

本発明では、今後の高性能化デバイスにおいても十分に適用することが可能な、貫通孔を有するガラス基板を提供することができる。

本発明の一実施形態によるガラス基板の一例を模式的に示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるガラス基板に設けられた一つの貫通孔の断面を模式的に示した図である。 貫通孔の垂直度を説明するための貫通孔の断面を模式的に示した図である。 貫通孔の真円度を説明するための貫通孔の上面を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態によるガラス基板の製造方法に利用され得る装置の構成を模式的に示した図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。

（本発明の一実施形態によるガラス基板）
図１には、本発明の一実施形態による、貫通孔を有するガラス基板（以下、「第１のガラス基板」と称する）の一例を模式的に示す。

図１に示すように、第１のガラス基板１００は、相互に対向する第１の表面１０２および第２の表面１０４を有する。また、第１のガラス基板１００は、第１の表面１０２から第２の表面１０４まで貫通する、複数の貫通孔１２２を有する。

なお、図１に示した例では、第１のガラス基板１００は、略矩形状である。しかしながら、これは単なる一例であって、第１のガラス基板１００の形状は特に限られないことに留意する必要がある。

また、図１に示した例では、貫通孔１２２は、第１のガラス基板１００の略中央に配置されている。しかしながら、貫通孔１２２の配置位置は、特に限られないことに留意する必要がある。例えば、貫通孔１２２は、第１のガラス基板１００の略中央部分に加えて、またはこれとは別に、第１のガラス基板１００の略コーナー部近傍などに配置されても良い。また、複数の貫通孔１２２は一様（等間隔）に配置されても良く、不規則（異なる間隔および／または異なるパターン）で配置されても良い。

図２には、第１のガラス基板１００に設けられた一つの貫通孔１２２の断面を模式的に示す。

図２に示すように、貫通孔１２２は、第１のガラス基板１００の第１の表面１０２に形成された第１の開口１３０と、第２の表面１０４に形成された第２の開口１３５と、側壁１４０とを有する。

第１の開口１３０および第２の開口１３５は、略円形状（略楕円形状を含む）であることが好ましい。

ここで、第１の開口１３０を「第１の近似円」として近似し、その直径をφ_１とする。同様に、第２の開口１３５を「第２の近似円」として近似し、その直径をφ_２とする。図２に示すように、貫通孔１２２の側壁１４０は、テーパ形状となっており、従ってφ_１＞φ_２である。

なお、第１および第２の近似円の求め方については、後述する。

ここで、第１のガラス基板１００に設けられた貫通孔１２２の形状的特徴を説明するため、図３および図４を参照して、本願において使用される「垂直度」および「真円度」という用語の定義について説明する。

図３には、貫通孔の「垂直度」を説明するための貫通孔の断面図を模式的に示す。また、図４には、貫通孔の「真円度」を説明するための貫通孔の上面図を模式的に示す。

図３に示すように、ガラス基板１は、第１の表面２および第２の表面４を有する。また、ガラス基板１は、該ガラス基板１を貫通する貫通孔２２を有する。貫通孔２２は、第１の表面２側に第１の開口３０を有し、第２の表面４側に第２の開口３５を有する。

第１の開口３０は、中心Ｃ_１を有する。第２の開口３５は、中心Ｃ_２を有する。第１の開口３０の中心Ｃ_１からガラス基板１の厚さ方向に伸びる垂線を第１の中心軸Ａ_１と称し、第２の開口３５の中心Ｃ_２からガラス基板１の厚さ方向に伸びる垂線を第２の中心軸Ａ_２と称する。

第１の開口３０の中心Ｃ_１は、第１の開口３０の第１の近似円Ｍ_ｕから、その中心として求めることができる。同様に、第２の開口３５の中心Ｃ_２は、第２の開口３５の第２の近似円Ｍ_ｂから、その中心として求めることができる。

第１の開口３０の第１の近似円Ｍｕおよびその中心Ｃ_１は、画像測定システム（例えばニコン製ＮＥＸＩＶシリーズ）を用いて求めることができる。第１の表面２に、画像測定システムのカメラのピントを合わせ、貫通孔２２の第１の開口３０の画像を取得する。第１の開口３０の画像から、第１の開口３０の近似円およびその中心Ｃ_１を自動で求めることができる。同様に、第２の開口３５の近似円Ｍｂおよびその中心Ｃ_２は、画像測定システムを用いて求めることができる。

また、第１の開口３０の第１の近似円Ｍｕの直径φ_１は、上述の画像測定システムで求めた近似円から自動で求めることができる。第２の近似円Ｍｂの直径φ_２も同様に自動で求めることができる。

図３に示すように、ガラス基板１の厚さをｔ_０とし、中心Ｃ_１と中心Ｃ_２の間の中心間距離をｔ_ｃとしたとき、貫通孔２２の垂直度Ｐは、以下の（１）式で求められる：

Ｐ＝ｔ_ｃ／ｔ_０ （１）式

この定義に従えば、第１の中心軸Ａ_１と第２の中心軸Ａ_２とが一致する場合、すなわち中心Ｃ_１と中心Ｃ_２が同一軸上にある場合、垂直度Ｐ＝１となる。

ｔ_ｃは、以下のように求めることができる。

ここで、ｔ_０は、ガラス基板１の厚さである。ｔ_０は、ガラス基板の厚さが測定できる方法であれば特に限定されないが、例えばレーザ変位計で測定することができる。

ΔＡは、図３の中心Ｃ_１とＣ_２'の距離である。Ｃ_２'は、中心Ｃ_２を通る中心軸Ａ_２と第１の表面２の交点である。

ΔＡは、画像測定システム（例えばニコン製ＮＥＸＩＶシリーズ）を用いて求めることができる。第２の表面４に、画像測定システムのカメラのピントを合わせて、貫通孔２２の第２の開口３５の画像を取得する。第２の開口３５の近似円Ｍｂおよびその中心Ｃ２（中心Ｃ２の座標）が、自動で求められる。

続けて、画像測定システムのカメラのピントを、第２の表面４と垂直方向（厚さ方向）に移動させる。第１の表面２に、画像測定システムのカメラのピントを合わせ、貫通孔２２の第１の開口３０の画像を取得する。第１の開口３０の近似円Ｍ_ｕおよびその中心Ｃ_１（中心Ｃ_１の座標）が、自動で求められる。

ΔＡは、画像測定システムを用いて、第２の開口３５の近似円Ｍ_ｂおよびその中心Ｃ_２座標と、第１の開口３０の近似円Ｍ_ｕおよびその中心Ｃ_１座標から、自動計算で求めることができる。

一方、図４に示すように、貫通孔２２は、ガラス基板１の第１の表面２に、第１の開口３０を有する。この例では、第１の開口３０は、略楕円形状を有する。しかしながら、第１の開口３０の形状は、これに限られるものではない。なお、図４には、参考のため、第１の開口３０の第１の近似円Ｍ_ｕが示されている。

図４に示すように、第１の開口３０の外接円をＴ_１とし、内接円をＴ_２とする。

この場合、第１の開口３０の真円度Ｕ_ｕは、以下の（２）式で求められる：

真円度Ｕ_ｕ＝Ｒ_１－Ｒ_２ （２）式

ここで、Ｒ_１は外接円Ｔ_１の半径であり、Ｒ_２は内接円Ｔ_２の半径である。

この定義に従えば、外接円Ｔ_１と内接円Ｔ_２とが一致する場合、真円度Ｕ_ｕ＝０となる。

貫通孔２２の第２の開口３５の真円度Ｕ_ｂについても、同様に求めることができる。

なお、第１の開口３０の外接円Ｔ_１および内接円Ｔ_２は、画像測定システム（例えばニコン製ＮＥＸＩＶシリーズ）を用いて求めることができる。第１の表面２に、画像測定システムのカメラのピントを合わせて、貫通孔２２の第１の開口３０の画像を取得する。第１の開口３０の画像から、第１の開口３０の外接円Ｔ_１および内接円Ｔ_２を自動で求めることができる。同様に、第２の開口３５の外接円および内接円は、画像測定システムを用いて求めることができる。

なお、図３および図４では、１つの貫通孔２２が例示されているが、ガラス基板１は複数の貫通孔２２を有しても良い。この場合は、複数の貫通孔から任意の一つの貫通孔を選定する。選定した貫通孔に対して上述のように第１の開口の近似円、中心、内接円、および外接円、ならびに第２の開口の近似円、中心、内接円および外接円を求めれば良い。

ここで、第１のガラス基板１００において、ランダムに５個の貫通孔１２２を選定する。また、選定された貫通孔１２２を「選定貫通孔」と称する。この場合、これらの選定貫通孔のそれぞれは、
（ｉ）第１の開口の真円度Ｕ_ｕが５μｍ以下であり、
（ｉｉ）垂直度Ｐが１．０００００～１．０００１５の範囲である、
という特徴を有する。

第１のガラス基板１００は、このように選定貫通孔の形状的な特徴が有意に揃えられている。従って、第１のガラス基板１００を、貫通電極を有するガラス基板（例えばガラスインターポーザ）のようなデバイスに適用した場合、形状因子によるデバイスの特性低下が有意に抑制され、デバイスに対して予測される特性を、十分に発現させることが可能になる。

また、このため第１のガラス基板１００は、高機能化デバイスに対しても十分に適用することができる。

（第１のガラス基板１００の詳細な特徴）
次に、第１のガラス基板１００のその他の特徴について説明する。

（第１のガラス基板１００）
第１のガラス基板１００に使用されるガラス基板の組成は、特に限られない。ガラス基板は、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英、または感光性ガラス等であっても良い。

ガラス基板の厚さは、特に限られない。ガラス基板の厚さは、例えば、０．０５ｍｍ～０．７ｍｍの範囲であっても良い。

（貫通孔１２２）
前述のように、選定貫通孔は、
（ｉ）第１の開口１３０の真円度Ｕ_ｕが５μｍ以下であり、
（ｉｉ）垂直度Ｐが１．０００００～１．０００１５の範囲である、
という特徴を有する。

また、第１のガラス基板１００に設けられた全貫通孔１２２の約８０％以上、例えば９０%以上において、前記（ｉ）および（ｉｉ）の特徴が得られても良い。

さらに、選定貫通孔は、
（ｉｉｉ）第２の開口１３５の真円度Ｕ_ｂが５μｍ以下である
という特徴を有しても良い。

特に、第１のガラス基板１００に設けられた全貫通孔１２２の約８０％以上、例えば９０%以上において、前記（ｉｉｉ）の特徴が得られても良い。

また、貫通孔１２２において、第１の開口１３０の第１の近似円Ｍ_ｕの直径φ_１は、例えば２０μｍ～１６０μｍの範囲であり、４０μｍ～１００μｍの範囲であることが好ましい。また、第２の開口１３５の第２の近似円Ｍ_ｂの直径φ_２は、例えば、１０μｍ～１５０μｍの範囲であり、３０μｍ～９０μｍの範囲である。

なお、前述の説明からも明らかなように、貫通孔１２２において、第１の開口１３０および第２の開口１３５は、必ずしも略円形状（略楕円形状を含む）である必要はない。例えば、貫通孔１２２において、第１の開口１３０および／または第２の開口１３５は、非円形状であっても良い。

（本発明の一実施形態によるガラス基板の製造方法）
次に、前述のような特徴を有する本発明の一実施形態によるガラス基板の製造方法の一例について説明する。

図５には、本発明の一実施形態によるガラス基板を製造する方法（以下、「第１の製造方法」という）に利用され得る装置の構成を模式的に示す。

図５に示すように、この装置５００は、レーザ源５１０と、波長板５２０と、レンズ系５３０と、ステージ５４０と、ブロワー５５０とを備える。

レーザ源５１０は、例えば、ＣＯ_２レーザ源またはＹＡＧレーザ源等である。

レンズ系５３０は、例えば１または２以上のレンズで構成される。レンズ系５３０は、波長板５２０から出射されるレーザ５２２を、ステージ５４０上に設置された被加工体５８０に収束させる役割を有する。

このような装置５００を用いて被加工体５８０に貫通孔を形成する際には、まず被加工体５８０がステージ５４０の上に配置される。また、ステージ５４０を水平方向／鉛直方向に移動させることにより、被加工体５８０が所定の位置に配置される。

次に、レーザ源５１０から波長板５２０に向かって、レーザ５１２が出射される。レーザ５１２は、波長板５２０からレーザ５２２として出射される。その後、レーザ５２２は、レンズ系５３０により収束され、レーザ５３２となる。このレーザ５３２が被加工体５８０の貫通孔形成位置に照射される結果、該貫通孔形成位置に貫通孔が形成される。

また、このような工程を繰り返すことにより、被加工体５８０に複数の貫通孔を形成することができる。

ここで、従来のレーザ加工方法では、貫通孔の形成途中の過程、すなわちレーザの照射により、被加工体５８０に徐々に深い孔が形成される段階では、孔の深さ方向に垂直な断面で見たとき、レーザは、エネルギー強度分布が必ずしも均一であるとは言えない状態にある。

これは、レーザが直線偏向となっているためである。すなわち、一般に、直線偏向のレーザの場合、孔の内壁（内周）におけるレーザの吸収および反射の挙動は、レーザの振動方向と、壁面に照射されるレーザの角度との関係に強く依存する。そのため、直線偏向のレーザでは、壁面の位置により、レーザの吸収および反射の挙動が大きく変化してしまう。

従って、直線偏向のレーザを照射して、被加工体５８０に貫通孔を形成した場合、レーザのエネルギー強度分布の偏りにより、真円から大きく逸脱した形状の断面を有する貫通孔が生じ易くなる。また、同様の理由により、貫通孔の延伸軸が鉛直方向に対して傾斜し易くなる。

また、従来のレーザ加工方法では、貫通孔の形成中に、孔内には、ガス、デブリ、プラズマ等（以下、「充満物」と称する）が充満する。

そのため、孔内に照射されたレーザは、この充満物によって、エネルギー強度が不均一に減衰されてしまう。換言すれば、孔内の各空間位置において、レーザのエネルギー強度は大きく変動してしまう。特に、表面からの位置が深くなるほど、レーザのエネルギー強度は大きく減衰してしまう。そして、このような影響により、貫通孔の形状が、所望の形状から逸脱してしまう傾向が強くなる。

このように、従来のレーザ加工方法では、高精度に所望の形状の貫通孔を形成することは難しい。

例えば、得られる貫通孔において、第１の開口の第１の中心軸Ａ_１と第２の開口の第２の中心軸Ａ_２の位置のずれ（図３のΔＡ参照）が大きくなったり、第１の開口の真円度Ｕ_ｕ、および第２の開口の真円度Ｕ_ｂが悪くなったりしてしまう。

これに対して、第１の製造方法において、装置５００は、波長板５２０を有する。この波長板５２０は、レーザ源５１０から照射されたレーザ５１２を、円偏向させる役割を有する。従って、レーザ源５１０から波長板５２０に入射後、波長板５２０から出射されるレーザ５２２は、円偏向のレーザとなる。そして、この円偏向のレーザ５３２が、レンズ系５３０を介して被加工体５８０に照射される。

このような円偏向のレーザ５３２では、前述のような直線偏向のレーザによる悪影響が生じ難い。従って、第１の製造方法では、直線偏向のレーザに比べて、より均一なエネルギー強度分布を有するレーザを貫通孔形成位置に照射することが可能になる。

また、装置５００は、ブロワー５５０を有する。このブロワー５５０は、被加工体５８０のレーザ５３２が照射される領域に、気体が吹き付けられるように構成されている。従って、この気体により、孔内の充満物を孔内から排除することができる。

このため、第１の製造方法では、被加工体５８０の加工中に、孔内に充満物が充満する傾向を有意に低減することができ、孔の最深部においても、比較的均一にレーザを照射することが可能になる。

その結果、第１の製造方法では、良好な垂直度Ｐ、および良好な真円度Ｕ_ｕ、Ｕ_ｂを有する貫通孔を形成することができる。

ここで、ブロワー５５０の先端の角度αは、水平面に対して３０°～６０°の範囲で傾斜していることが好ましく、４０°～５５°の範囲でもよい。また、ブロワー５５０の先端は、被加工体５８０の表面から、１０ｍｍ～３０ｍｍの範囲の高さ位置にあることが好ましく、１５ｍｍ～２５ｍｍがより好ましい。

この場合、孔加工中に、孔内の充満物をより確実に排除することができる。従って、より高精度で所望の形状の貫通孔を形成することができる。

以上説明した工程により、被加工体５８０に貫通孔を形成することができる。ただし、その後、さらに、貫通孔が形成された被加工体５８０に対してエッチング処理を実施しても良い。また、エッチング処理の前に、被加工体５８０に対して熱処理を実施しても良い。

以上の工程により、前述のような形状的特徴を有する貫通孔を有するガラス基板を製造することができる。

その後、貫通孔には、導電性材料が充填されても良い。

次に、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
前述の図５に示したような装置を用いて、ガラス基板に貫通孔を形成した。

ガラス基板には、厚さが０．４ｍｍの無アルカリガラス基板を使用した。

レーザ源には、ＣＯ_２レーザ源を使用した。また、波長板には、ＺｎＳｅ製の波長板を使用した。ブロワーは、先端が水平面に対して約４５°傾斜した角度で、貫通孔形成位置に空気が供給されるようにして設置した。先端のガラス基板の表面からの高さは、２５ｍｍとした。

レーザパワーは、９Ｗとし、ガラス基板には、２００個の貫通孔を形成した。

各貫通孔において、第１の開口の直径は、７５μｍを目標とし、第２の開口の直径は、３０μｍを目標とした。

（比較例１）
実施例１と同様の方法により、ガラス基板に貫通孔を形成した。ただし、この比較例１では、ブロワーを使用せずに孔加工を実施した。

（評価）
実施例１および比較例１において得られたガラス基板を用いて、貫通孔の各部分の寸法を評価した。具体的には、貫通孔の第１の開口の近似円Ｍ_ｕの直径、真円度Ｕ_ｕ、貫通孔の第２の開口の近似円Ｍ_ｂの直径、真円度Ｕ_ｂ、ならびに垂直度Ｐを測定した。

評価結果をまとめて、以下の表１に示す。

なお、表１において、近似円Ｍ_ｕおよび近似円Ｍ_ｂの直径は、２００個の貫通孔の平均値とした。また、真円度Ｕ_ｕおよび真円度Ｕ_ｂ、ならびに垂直度Ｐは、２００個の貫通孔のうちの最大値として示した。

表１に示すように、比較例１では、第１の開口の真円度Ｕ_ｕの最大値は、７．１μｍであり、第２の開口の真円度Ｕ_ｂの最大値は、５．１μｍであった。また、垂直度Ｐは、１．００２５０であった。

これに対して実施例１では、第１の開口の真円度Ｕ_ｕの最大値は、４．０μｍであり、第２の開口の真円度Ｕ_ｂの最大値は、２．６μｍであった。また、垂直度Ｐは、１．０００１４であった。

このように、実施例１では、形成された貫通孔が、前述の（ｉ）および（ｉｉ）を満たすことがわかった。

１ ガラス基板
２ 第１の表面
４ 第２の表面
２２ 貫通孔
３０ 第１の開口
３５ 第２の開口
１００ 第１のガラス基板
１０２ 第１の表面
１０４ 第２の表面
１２２ 貫通孔
１３０ 第１の開口
１３５ 第２の開口
１４０ 側壁
５００ 装置
５１０ レーザ源
５１２ レーザ
５２０ 波長板
５２２ レーザ
５３０ レンズ系
５３２ レーザ
５４０ ステージ
５５０ ブロワー
５８０ 被加工体
Ａ_１ 第１の中心軸
Ａ_２ 第２の中心軸
Ｔ_１ 外接円
Ｔ_２ 内接円
Ｍ_ｕ 近似円

Claims (5)

1. 相互に対向する第１の表面および第２の表面を有するガラス基板であって、
   当該ガラス基板は、第１の表面から第２の表面まで延在する複数の貫通孔を有し、
   ランダムに選択した５個の貫通孔を選定貫通孔と称したとき、各選定貫通孔において、
   前記第１の表面には第１の開口があり、前記第２の表面には第２の開口があり、前記第１の開口の近似円の直径は、前記第２の開口の近似円の直径よりも大きく、
   前記第１の開口は、真円度が５μｍ以下であり、
   前記第１の開口の近似円の中心を第１の中心Ｃ_１とし、前記第２の開口の近似円の中心を第２の中心Ｃ_２とし、第１の中心Ｃ_１と第２の中心Ｃ_２の中心間距離をｔ_ｃとしたとき、当該ガラス基板の厚さをｔ_０として、
   
   Ｐ＝ｔ_ｃ／ｔ_０ （１）式
   
   で表される垂直度Ｐは、１．０００００～１．０００１５の範囲である、ガラス基板。
2. 前記第１の開口は略円形であり、前記第１の開口の近似円の直径が２０μｍ～１６０μｍの範囲である、請求項１に記載のガラス基板。
3. 前記第２の開口は略円形であり、前記第２の開口の近似円の直径が１０μｍ～１５０μｍの範囲である、請求項１または２に記載のガラス基板。
4. 前記厚さｔ_０は、０．０５ｍｍ～０．７ｍｍの範囲である、請求項１乃至３のいずれか一つに記載のガラス基板。
5. 前記貫通孔の少なくとも一つには、導電性材料が充填されている、請求項１乃至４のいずれか一つに記載のガラス基板。

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