JP4182841B2

JP4182841B2 - 単結晶基板の加工方法

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Inventors: 一成梅津; 和人吉村; 大輔澤木; 豊山崎
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Publication date: 2008-11-19
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Description

本発明は、単結晶からなる材料で構成される基板に微小な貫通孔又は非貫通孔を形成する方法に関する。

従来から、シリコン単結晶基板の一方の面から非貫通孔を形成した後、異方性エッチングすることによりシリコンの結晶方位の影響を受けずに高アスペクト比の貫通孔を形成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１６６６００号公報

しかしながら、上記従来の技術では、レーザ光を利用して貫通孔又は非貫通孔を形成する際に、貫通孔又は非貫通孔が深くなるのに従って、孔壁面でのエネルギ吸収などにより、レーザ光のエネルギ損失が大きくなるため、より大きなパワーを投入する必要がある。そして、大きなパワーを投入する結果、開口のエッジ部がダメージを受け、精度よくエッジ部を形成することが困難であり、さらなる微細化に対して限界があるなどの未解決の課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、単結晶からなる材料で構成される基板に、微細で高アスペクト比の貫通孔又は非貫通孔を形成するための単結晶基板の加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、単結晶からなる材料で構成される基板に非貫通孔又は貫通孔を所定の経路で形成する加工方法であって、前記基板にレーザ光を照射して、前記所定の経路に沿って前記材料を変質させて材料変質部を形成するレーザ光照射工程と、前記材料変質部をエッチングして、前記所定の経路で前記非貫通孔又は前記貫通孔を形成する異方性エッチング工程と、を有することを特徴とする。

ここで、材料変質部とは、レーザ光を照射することにより、単結晶中の一部の原子同士間の結合を切断したり、微小なクラックを無数に発生させたり、結晶性を破壊したりして材料を変質させた部分のことである。

上記によれば、レーザ光照射工程では、単結晶基板に、材料変質部を形成するだけであり、所望する貫通孔又は非貫通孔を形成するのに障害となる損傷を及ぼすことはない。

また、本発明では、前記レーザ光照射工程では、前記材料変質部の端部が前記基板の板厚内の所定の位置にあるように、当該材料変質部を形成することを特徴とする。

上記によれば、レーザ光照射工程では、材料変質部の端部が基板の板厚内の所定の位置にあるように、材料変質部を形成するため、基板表面には材料変質部が形成されない。従って、基板表面にはレーザ光照射による損傷が発生しない。

また、本発明では、前記非貫通孔又は前記貫通孔の開口部の形状に対応するパターン形状の孔を有するエッチングマスク膜を形成するエッチングマスク膜形成工程をさらに有し、前記所定の位置は、前記基板の面のうち前記パターン形状の孔から露出している範囲とその範囲をエッチングすることにより出現するエッチング速度の遅い結晶面とで囲まれる領域内であることを特徴とする。

なお、エッチングマスク膜形成工程とレーザ光照射工程との順序は、限定されるものではなく、どちらが先でもよい。これにより、エッチングマスク膜形成工程とレーザ光照射工程との順序の選択自由度が高まる。

上記によれば、レーザ光照射工程では、材料変質部の端部が基板の板厚内の所定の位置にあるように、材料変質部を形成させるようになっているため、基板表面には材料変質部が形成されない。従って、基板表面にはレーザ光照射による損傷が発生しないため、エッチングマスク膜を形成した後にレーザ光を照射する場合は、エッチングマスク膜に損傷を発生させることがなく、基板表面とエッチングマスク膜との間に安定した密着性を維持することが可能である。また、レーザ光照射工程後にエッチングマスク膜を形成する場合は、基板表面には損傷が発生せず平坦性を維持しているため微細なパターン形状のエッチングマスク膜を形成することが可能となる。

また、異方性エッチング工程では、基板の面のパターン形状の孔から露出している範囲がエッチングされてエッチング速度の遅い結晶面によりエッチングの進行が阻止されてしまう前に、エッチングが材料変質部に到達することが可能となる。

また、本発明では、前記基板は、シリコン単結晶からなる材料で構成され、前記レーザ光照射工程では、前記基板に赤外レーザ光を集光素子で集光して照射することを特徴とする。

上記によれば、シリコン単結晶からなる材料で構成される基板に、赤外レーザ光を集光素子で集光して照射することで、材料変質部を形成することが可能となる。

また、本発明では、前記レーザ光照射工程では、前記基板にＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ又はＹＬＦレーザの基本波長光を照射することを特徴とする。

また、本発明では、前記レーザ光照射工程では、ベッセルビーム発生光学系により発生させたベッセルビームを照射することを特徴とする。

また、本発明では、前記レーザ光照射工程では、発散角の異なる複数のレーザ光を集光素子により集光して照射することを特徴とする。

また、本発明では、前記レーザ光照射工程では、レーザ光を回折光学素子により複数のビームに分岐して照射することを特徴とする。

また、本発明では、前記レーザ光照射工程では、前記材料変質部の深さに従って前記レーザ光のエネルギを制御することを特徴とする。

また、本発明では、前記レーザ光照射工程では、前記基板を前記レーザ光の光源に対して相対的に移動させながら前記レーザ光を照射することを特徴とする。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を、図１〜図７を用いて説明する。

図１は、第１の実施形態に係る単結晶基板の加工方法の各工程を示す模式断面図である。

図１（ｅ）に示すように、第１の実施形態は、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１１０）の基板１に貫通孔２を形成する加工方法である。

まず、エッチングマスク膜形成工程では、図１（ａ）に示すように、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１１０）の基板１の表面に、ＳｉＯ_２からなるエッチングマスク膜３を、貫通孔２の開口部の形状に対応するパターン形状の孔４ａ及び４ｂを基板１の表裏面に有するように形成する。

このエッチングマスク膜３は、以下の方法により形成することができる。

まず、ＳｉＯ_２膜を熱酸化法により形成し、その上からレジストをスピンコート法によって塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いてパターン形状の孔４ａ及び４ｂを形成するためのレジストパターンを形成する。

この後、フッ酸溶液などを用いてＳｉＯ_２膜をレジストパターン形状に従って除去し、不要になったレジストパターンを剥離してエッチングマスク膜３を形成する。なお、エッチングマスク膜としては、ＳｉＯ_２に限定されるものではなく、窒化シリコン膜や金属膜等の異方性エッチング液に対して耐蝕性を有する物質の膜であればよい。

次に、レーザ光照射工程では、図１（ｂ）に示すように、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ又はＹＬＦレーザの基本波長光５をレンズ６で集光し、その集光点が基板１の板厚内にある所定の位置Ｐ１に一致するように、レーザ光を照射して材料変質部７の形成を開始する。なお、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ又はＹＬＦレーザのレーザ光は、シリコン単結晶からなる材料で構成される基板に対して透過性のある赤外レーザ光である。

そして、図１（ｃ）に示すように、集光点を、貫通孔２を形成する経路８に沿って、移動させながら、材料変質部７（同図では黒色で示す）を徐々に増加形成してレーザ光照射工程を終了する（図１（ｄ））。なお、本発明の実施形態では、単結晶基板の材料によるレーザ光の吸収によりレーザ光のエネルギ損失が生じるため、材料変質部７の深さに従ってレーザ光のエネルギを強くしていくように制御しながらレーザ光照射を行うようにすることが好ましい。

次に、異方性エッチング工程では、基板１を水酸化カリウムの水溶液に浸漬して、図１（ｅ）に示すように、エッチングマスク膜３のパターン形状の孔４ａ及び４ｂに従って、エッチングを進行させて貫通孔２を形成する。

ここで、上記所定の位置Ｐ１について説明する。

図２は、図１（ｄ）のＫ部の詳細を示す図である。同図に示すように、面方位（１１０）の基板１においては、基板１の表面におけるパターン形状の孔４ａにより露出している領域１１ａを異方性エッチングしていくと、パターン形状の孔４ａと基板１の表面との交点部１２ａ及び１２ｂから、基板１の表面と所定の角度をなして互いに向い合う方向に、結晶面である（１１１）面１４ａ及び１４ｂが出現する。これら（１１１）面１４ａ及び１４ｂはエッチング速度が極端に遅く、これらの（１１１）面１４ａ及び１４ｂが出現した段階で異方性エッチングは停止してしまう。

本実施形態に係るレーザ光照射工程における上記所定の位置Ｐ１は、基板１の表面におけるパターン形状の孔４ａにより露出している領域１１ａ並びに（１１１）面１４ａ及び１４ｂにより囲まれる領域内の任意の位置である。つまり、レーザ光照射工程では、材料変質部７の一方の端部７ａが前記領域内に位置するように、材料変質部７を形成する。この位置Ｐ１の基板１の表面におけるパターン形状の孔４ａにより露出している領域１１ａからの垂直深さは、面１４ａと面１４ｂとのなす交点の領域１１ａからの垂直深さよりも浅くなっている。

また、図３は、材料変質部７の他方の端部７ｂの位置の詳細を示す図である。図３に示すように、材料変質部７の他方の端部７ｂについても上記と同様に、基板１の表面におけるパターン形状の孔４ｂにより露出している領域１１ｂ並びに（１１１）面１５ａ及び１５ｂで囲まれる領域内に位置するように、材料変質部７を形成する。

材料変質部７が形成された基板１が異方性エッチング工程において、そのエッチングがどのように進行していくかを図４を用いて説明する。

図４は、本実施形態に係る異方性エッチング工程を示す模式断面図である。

図４（ａ）に示すように、エッチングの初期段階では、基板１の表面及び裏面におけるパターン形状の孔４ａ及び４ｂにより露出している領域１１ａ及び１１ｂが、（１１１）面１４ａ及び１４ｂ並びに１５ａ及び１５ｂに沿ってエッチングを受ける。なお、上記（１１１）面１４ａ、１４ｂ、１５ａ及び１５ｂがエッチング速度の遅い結晶面に対応している。

続いて、エッチングが材料変質部７に到達すると、図４（ｂ）示すように、エッチングを受けやすい材料変質部７が先にエッチングされてエッチングの進行を誘導する孔となるエッチング誘導孔２０が形成される。

ここで、材料変質部７というのは、シリコン単結晶にレーザ光を照射することにより、単結晶中の原子の結合が切断されたり、微小なクラックが発生したり、結晶性が破壊されたりして形成されるものであり、この材料変質部７のエッチング速度は、変質されていない材料の領域と比較すると格段に高速となるため、前述のエッチング誘導孔２０の形成が可能となるのである。

エッチング誘導孔２０からのエッチングが進行していくと、図４（ｃ）に示すように、（１１１）面からなる基板１に略鉛直な面２１及び２２が出現し、それらの面２１及び２２が連続した段階でエッチングが停止し、パターン形状の孔４ａ及び４ｂに一致する貫通孔２が形成される（図４（ｄ））。

つまり、本第１の実施形態に係る単結晶基板の加工方法によれば、エッチングは、（１１１）面１４ａ及び１４ｂ並びに１５ａ及び１５ｂに到達して停止してしまう前に、材料変質部７の端部７ａ及び７ｂに到達することができ、以後材料変質部７に沿ってエッチングが進行して貫通孔２を形成することが可能となる。

また、材料変質部７の端部７ａを基板１の表面に到達させていないのは、表面への材料変質部７形成による損傷を防止するためである。

そして、材料変質部７の端部７ａは、表面へ到達していなくても前述したように、基板１の表面におけるパターン形状の孔４ａにより露出している領域１１ａ並びに（１１１）面１４ａ及び１４ｂにより囲まれる領域内に位置していれば、エッチングが材料変質部７に到達可能であり、貫通孔２を形成することができる。

上記により、レーザ光照射工程では、基板１の表面に損傷が発生しないように材料変質部７を形成することができるため、微細なエッチングマスク膜３を形成しておいてもパターン形状の微細な孔４ａ及び４ｂがその後のレーザ光照射工程において損傷することがなくなる。従って、高アスペクト比の貫通孔２を形成することが可能となる。

なお、第１の実施形態では、レーザ光照射工程において、レンズ６によるレーザ光５の集光点が基板１の板厚内にある所定の位置Ｐ１に一致するように、レーザ光を照射して材料変質部７の形成を開始するようにしたが、これに限定されるものではない。つまり、レーザ光照射工程を経た基板１の材料変質部７の端部７ａが所定の位置Ｐ１に一致するようになっていれば、貫通孔２の経路上のいずれの場所からでもレーザ光照射を開始してよい。

また、第１の実施形態では、エッチングマスク膜形成工程を有しているが、エッチングマスク膜形成工程は必ずしも必要ではない。貫通孔２の開口部形状及び基板１の表面粗さの高い精度を求めなければ、エッチングマスク膜３を形成することなくエッチングしても貫通孔を形成することができる。

また、レーザ光照射工程におけるレーザ光の集光方法の変形例として、図５にベッセルビーム発生光学系によるベッセルビームでのレーザ光照射の例を、図６に発散角の異なる複数のレーザ光を集光素子により集光して照射する例を、図７にレーザ光を回折光学素子により複数のビームに分岐して多点同時に照射する例を示す。

これらの変形例によれば、レーザ光照射工程での材料変質部７の形成にかかる時間を短縮することができ、加工効率を向上することが可能となる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を、図８を用いて説明する。

なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８は、第２の実施形態に係る単結晶基板の加工方法の各工程を示す模式断面図である。

図８（ｅ）に示すように、第２の実施形態は、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１１０）の基板１に深さｄ１の非貫通孔３５を形成する加工方法である。

まず、エッチングマスク膜形成工程では、図８（ａ）に示すように、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１１０）の基板１の表面に、ＳｉＯ_２からなるエッチングマスク膜３を、非貫通孔３５の開口部の形状に対応するパターン形状の孔３６を基板１の一方の面３１にのみ有するように、第１の実施形態と同様の方法により形成する。なお、エッチングマスク膜としては、ＳｉＯ_２に限定されるものではなく、窒化シリコン膜や金属膜等の異方性エッチング液に対して耐蝕性を有する物質の膜であればよい。

次に、レーザ光照射工程では、図８（ｂ）に示すように、第１の実施形態における工程と同様にレーザ光を照射して材料変質部７の形成を開始する。

そして、図８（ｃ）に示すように、集光点を、非貫通孔３５を形成する経路３７に沿って、深さｄ１まで移動させながら、材料変質部７を徐々に増加形成してレーザ光照射工程を終了する（図８（ｄ））。

次に、異方性エッチング工程では、図８（ｅ）に示すように、第１の実施の形態における工程と同様に、基板１をエッチングして深さｄ１の非貫通孔３５を形成する。

ここで、所定の位置Ｐ１及び材料変質部７における異方性エッチングの進行の様子については、非貫通孔と貫通孔との違いはあるものの基本的に第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

上記により、レーザ光照射工程では、基板１の表面に損傷が発生しないように材料変質部７を形成することができるため、微細なエッチングマスク膜３を形成しておいてもパターン形状の微細な孔３６がその後のレーザ光照射工程において損傷することがなくなる。従って、高アスペクト比の非貫通孔３５を形成することが可能となる。また、レーザ光照射工程で、基板１内における集光点の位置をコントロールすることで容易に材料変質部７の深さをコントロールすることができ、異方性エッチングにおける非貫通孔３５の深さを容易にコントロールすることができる。従って、単結晶基板ごとの非貫通孔３５の深さのばらつきを容易にコントロールすることができる。

第２の実施の形態では、レーザ光照射工程において、レンズ６によるレーザ光５の集光点が基板１の板厚内にある所定の位置Ｐ１に一致するように、レーザ光を照射して材料変質部７の形成を開始するようにしたが、これに限定されるものではない。つまり、レーザ光照射工程を経た基板１の材料変質部７の端部７ａが所定の位置Ｐ１に一致するようになっていれば、非貫通孔３５の経路上のいずれの場所からでもレーザ光照射を開始してよい。

また、第２の実施の形態では、パターン形状の孔３６を有する面側からレーザ光を照射するようにしたが、これに限定されるものではなく、パターン形状の孔３６を有さない面側から照射するようにしてもよい。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を、図９を用いて説明する。

なお、第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９は、第３の実施形態に係る単結晶基板の加工方法の各工程を示す模式断面図である。

図９（ｅ）に示すように、第３の実施形態は、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１１０）の基板１に貫通孔４１を、所望の経路で形成する加工方法である。

まず、エッチングマスク膜形成工程では、図９（ａ）に示すように、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１１０）の基板１の表面に、ＳｉＯ_２からなるエッチングマスク膜３を、貫通孔４１の一方の開口部４２の形状に対応するパターン形状の孔４４及び他方の開口部４３の形状に対応するパターン形状の孔４５を基板１の一方の面３１に有するように、第１の実施形態と同様の方法により形成する。なお、エッチングマスク膜としては、ＳｉＯ_２に限定されるものではなく、窒化シリコン膜や金属膜等の異方性エッチング液に対して耐蝕性を有する物質の膜であればよい。

次に、レーザ光照射工程では、図９（ｂ）に示すように、第１又は第２の実施形態における工程と同様にレーザ光を照射して材料変質部７の形成を開始する。

そして、図９（ｃ）に示すように、集光点を、貫通孔４１を形成する経路４６に沿って、移動させながら、材料変質部７を徐々に増加形成してレーザ光照射工程を終了する（図９（ｄ））。

次に、異方性エッチング工程では、図９（ｅ）に示すように、第１又は第２の実施の形態における工程と同様に、基板１をエッチングして所望の経路を有する貫通孔４１を形成する。

ここで、所定の位置Ｐ１及び材料変質部７における異方性エッチングの進行の様子については、異方性エッチングされる経路が異なるものの基本的に第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

上記により、レーザ光照射工程では、基板１の表面に損傷が発生しないように材料変質部を形成することができるため、微細なエッチングマスク膜３を形成しておいてもパターン形状の孔４４及び４５がその後のレーザ光照射工程において損傷することがなくなる。従って、高アスペクト比の貫通孔４１を所望する経路で形成することが可能となる。

なお、第３の実施形態では、一方の開口部４２及び他方の開口部４３が基板１の一方の面３１にあるように貫通孔４１を形成する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。一方の開口部４２が基板１の一方の面３１にあり、他方の開口部４３が基板１の他方の面にあるように貫通孔４１を形成する場合にも適用することができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態を、図１０を用いて説明する。

なお、第４の実施形態では、第１、第２及び第３の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１０は、第４の実施形態に係る単結晶基板の加工方法の各工程を示す模式断面図である。

図１０（ｅ）に示すように、第４の実施形態は、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１１０）の基板１に非貫通孔５１を、所望の経路で形成する加工方法である。

まず、エッチングマスク膜形成工程では、図１０（ａ）に示すように、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１１０）の基板１に、ＳｉＯ_２からなるエッチングマスク膜３を、非貫通孔５１の開口部５２の形状に対応するパターン形状の孔５３を基板１の一方の面３１に有するように、第１の実施形態と同様の方法により形成する。なお、エッチングマスク膜としては、ＳｉＯ_２に限定されるものではなく、窒化シリコン膜や金属膜等の異方性エッチング液に対して耐蝕性を有する物質の膜であればよい。

次に、レーザ光照射工程では、図１０（ｂ）に示すように、第１〜第３の実施形態における工程と同様にレーザ光を照射して材料変質部７の形成を開始する。

そして、図１０（ｃ）に示すように、集光点を、非貫通孔５１を形成する経路５４に沿って、移動させながら、材料変質部７を徐々に増加形成してレーザ光照射工程を終了する（図１０（ｄ））。

次に、異方性エッチング工程では、図１０（ｅ）に示すように、第１〜第３の実施形態における工程と同様に、基板１をエッチングして所望の経路を有する非貫通孔５１を形成する。

ここで、所定の位置Ｐ１及び材料変質部７における異方性エッチングの進行の様子については、基本的に第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。

上記により、レーザ光照射工程では、基板１の表面に損傷が発生しないように材料変質部を形成することができるため、微細なエッチングマスク膜３を形成しておいてもパターン形状の微細な孔５３がその後のレーザ光照射工程において損傷することがなくなる。従って、高アスペクト比の非貫通孔５１を所望する経路で形成することが可能となる。

なお、第３及び第４の実施形態では、レーザ光照射工程において、レンズ６によるレーザ光５の集光点が基板１の板厚内にある所定の位置Ｐ１に一致するように、レーザ光を照射して材料変質部７の形成を開始するようにしたが、これに限定されるものではない。つまり、レーザ光照射工程を経た基板１の材料変質部７の端部７ａが所定の位置Ｐ１に一致するようになっていれば、貫通孔４１又は非貫通孔５１の経路上のいずれの場所からでもレーザ光照射を開始してよい。

また、第３及び第４の実施形態では、パターン形状の孔４４、４５及び５３を有する面側からレーザ光を照射するようにしたが、パターン形状の孔４４、４５及び５３を有さない面側から照射するようにしてもよい。

また、第３及び第４の実施形態では、貫通孔４１及び非貫通孔５１の経路４６及び５４が基板１の表面に対して鉛直方向及び水平方向である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。図１１は、貫通孔又は非貫通孔の経路の変形例をし、例えば、図１１（ａ）に示すように、基板１の表面に対して傾斜している経路５８でもよく、また、図１１（ｂ）に示すように、曲線状である経路５９でも適用可能である。

また、レーザ光照射工程におけるレーザ光の集光方法の変形例である図５、図６又は図７の例は、第２〜第４のいずれの実施形態にも適用することが可能であり、これらの変形例によれば、第２〜第４のいずれの実施形態においても、レーザ光照射工程での材料変質部形成にかかる時間を短縮することができ、加工効率を向上することが可能となる。

また、第１〜第４の実施形態では、レーザ光照射工程における光源としてＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ又はＹＬＦレーザの基本波長光を用いたが、赤外光領域の波長のレーザ光であれば、これらに限定されるものではない。

また、第１〜第４の実施形態では、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１１０）の基板に貫通孔又は非貫通孔を形成する加工方法を示したが、これらに限定されるものではない。例えば、シリコン単結晶からなる材料で構成される面方位（１００）の基板にも適用できる。つまり、本発明は、エッチング速度が遅い結晶面が目的とする加工の障害として発生するような面方位に適用することができ、単結晶からなる材料であればシリコン以外の材料であっても適用することができるものである。

なお、第１〜第４の実施の形態において、レンズ６が集光素子に対応している。

また、第１〜第４の実施の形態では、一つの単結晶基板に貫通孔又は非貫通孔を形成する加工方法について示したが、複数の単結晶基板同士を重ねてレーザ光を照射するようにしてもよい。

図１２は、複数の単結晶基板同士を重ねてレーザ光を照射する一例を示す図である。

図１２に示すように、第１の単結晶基板６１及び第２の単結晶基板６２を、それぞれの単結晶基板表面にエッチングマスク膜３を形成した後、重ねてレーザ光を照射する場合を説明する。

第１の単結晶基板６１内部に第１の材料変質部６３を所定の経路で形成した後、続けて、第２の単結晶基板６２内部の所定の経路６４に沿って第２の材料変質部６５を形成するようにする。

また、図１３は、複数の単結晶基板同士を重ねてレーザ光を照射する他の例を示す図である。

図１３に示すように、第１の単結晶基板６７の第１の材料変質部６９を形成した後、次に、第２の単結晶基板６８内部の所定の経路７０に沿って第２の材料変質部７１を形成し、さらに続けて、第１の単結晶基板６７の第２の経路７２に沿って第３の材料変質部（図示しない）を形成するようにする。

上述のような複数の単結晶基板同士を重ねてレーザ光を照射する例によれば、レーザ光照射工程における単結晶基板の並べ替えに要する時間を短縮することができ、また、複数の単結晶基板を同一平面上に並べて加工する場合よりもレーザ光を照射する装置の投影面積を小型化することができる。

上記の第１〜第４の実施形態及びそれらの変形例によれば、複数の単結晶基板を搬送テーブル、ベルトコンベア、トランスファマシンなどの搬送装置によってレーザ光の光源に対して相対的に移動させながらレーザ光照射を行う流れ加工を構成することが可能となり、さらなる加工効率の向上を図ることが可能となる。なお、この場合、単結晶基板のレーザ光の光源に対する相対的な移動は、平面移動、鉛直移動又は平面移動と鉛直移動との組合せ移動のいずれでもよく、その移動は、連続移動又は間欠移動のいずれでもよい。特に、レーザ光の特徴から連続移動とするのが加工効率の向上という点で好ましい。

本発明では、材料変質部を貫通孔又は非貫通孔の中心線に沿って形成することに限定されない。貫通孔又は非貫通孔の断面を通る所定の経路であれば中心線から外れた経路でも構わない。このように、貫通孔又は非貫通孔の中心線から外れていてもエッチングマスク膜３の孔から決まる所望の経路に貫通孔又は非貫通孔を形成することはできる。

上記実施形態及び変形例から把握される技術的思想を以下に記載する。
（１）単結晶からなる材料で構成される基板に非貫通孔又は貫通孔を所定の経路で形成する加工方法であって、前記基板にレーザ光を照射して、前記所定の経路に沿って前記材料を変質させて材料変質部を形成するレーザ光照射工程と、前記材料変質部をエッチングして、前記所定の経路で前記非貫通孔又は前記貫通孔を形成する異方性エッチング工程と、を有し、前記レーザ光照射工程では、前記基板の一方の面又は他方の面から所定の深さに前記材料変質部の端部が位置するように、当該材料変質部を形成することを特徴とする。

上記により、微細で高アスペクト比の貫通孔又は非貫通孔を所望する経路で形成するのに際し、単結晶からなる材料で構成される基板の表面に、所望する貫通孔又は非貫通孔を形成するのに障害となるほどの損傷を発生させないようにすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る単結晶基板の加工方法の各工程を示す模式断面図。材料変質部の端部の詳細位置を示す断面図。材料変質部の他方の端部の詳細位置を示す断面図。本発明の実施形態に係る異方性エッチング工程工程を示す模式断面図。ベッセルビーム発生光学系によるベッセルビームでのレーザ光照射の例を示す模式断面図。発散角の異なる複数のレーザ光を集光素子により集光して照射する例を示す模式断面図。レーザ光を回折光学素子により複数のビームに分岐して多点同時に照射する例を示す模式断面図。本発明の第２の実施形態に係る単結晶基板の加工方法の各工程を示す模式断面図。本発明の第３の実施形態に係る単結晶基板の加工方法の各工程を示す模式断面図。本発明の第４の実施形態に係る単結晶基板の加工方法の各工程を示す模式断面図。貫通孔又は非貫通孔の経路の変形例を示す模式断面図。複数の単結晶基板同士を重ねてレーザ光を照射する一例を示す模式断面図。複数の単結晶基板同士を重ねてレーザ光を照射する他の例を示す模式断面図。

符号の説明

１…基板
３…エッチングマスク膜
５…レーザ光
７…材料変質部
２，４１…貫通孔
３５，５１…非貫通孔
８，３７，４６，５４，５８，５９…経路
４ａ，４ｂ，３６，４４，４５，５３…パターン形状の孔
１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ…エッチング速度の遅い結晶面としての（１１１）面

Claims

単結晶からなる材料で構成される基板に非貫通孔又は貫通孔を所定の経路で形成する加工方法であって、
前記基板に、前記非貫通孔又は前記貫通孔の開口部の形状に対応するパターン形状の孔を有するエッチングマスク膜を形成するエッチングマスク膜形成工程と、
前記基板にレーザ光を照射して、前記所定の経路に沿って前記材料を変質させて材料変質部を形成するレーザ光照射工程と、
前記材料変質部を異方性エッチングして、前記所定の経路で前記非貫通孔又は前記貫通孔を形成する異方性エッチング工程と、を有し、
前記レーザ光照射工程では、前記材料変質部の端部が、前記基板の一面から所定の深さに位置し、かつ前記エッチングマスク膜の前記孔から露出している範囲とその範囲をエッチングすることにより出現するエッチング速度の遅い結晶面とで囲まれる領域内に位置するように、前記材料変質部を形成することを特徴とする単結晶基板の加工方法。
前記エッチングマスク膜形成工程では、前記基板の表面および裏面に前記エッチングマスク膜をそれぞれ形成し、
前記レーザ光照射工程では、前記材料変質部の一端部が、前記基板の表面から所定の深さに位置し、かつ前記エッチングマスク膜の前記孔から露出している範囲とその範囲をエッチングすることにより出現するエッチング速度の遅い結晶面とで囲まれる領域内に位置するとともに、前記材料変質部の他端部が、前記基板の裏面から所定の深さに位置し、かつ前記エッチングマスク膜の前記孔から露出している範囲とその範囲をエッチングすることにより出現するエッチング速度の遅い結晶面とで囲まれる領域内に位置するように、前記材料変質部を形成することを特徴とする請求項１に記載の単結晶基板の加工方法。
前記基板は、シリコン単結晶からなる材料で構成され、
前記レーザ光照射工程では、前記基板に赤外レーザ光を集光素子で集光して照射することを特徴とする請求項１または２に記載の単結晶基板の加工方法。
前記レーザ光照射工程では、前記赤外レーザ光の集光点を、前記基板の板厚方向に移動させた後、前記基板の内部で横方向に移動させるように、前記赤外レーザ光を照射することを特徴とする請求項３に記載の単結晶基板の加工方法。
前記エッチングマスク膜形成工程では、前記基板上の異なる位置に前記孔を有するエッチングマスク膜を形成し、
前記レーザ光照射工程では、前記赤外レーザ光の集光点を、前記基板の板厚方向に移動させ、前記異なる位置の孔のうち一方の孔の下方にあたる位置から他方の孔の下方にあたる位置まで前記基板の内部で横方向に移動させた後、前記基板の板厚方向に移動させるように、前記赤外レーザ光を照射することを特徴とする請求項４に記載の単結晶基板の加工方法。
前記レーザ光照射工程では、前記材料変質部の深さに従って前記レーザ光のエネルギを制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の単結晶基板の加工方法。
前記レーザ光照射工程では、前記基板を前記レーザ光の光源に対して相対的に移動させながら前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の単結晶基板の加工方法。
前記レーザ光照射工程では、前記エッチングマスク膜をそれぞれ形成した複数の前記基板を重ねた状態で前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の単結晶基板の加工方法。