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特開2022-132077無機部材の製造方法、無機部材、シャワープレート、半導体製造装置、並びに、レーザ加工装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022132077
(43)【公開日】2022-09-07
(54)【発明の名称】無機部材の製造方法、無機部材、シャワープレート、半導体製造装置、並びに、レーザ加工装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/382 20140101AFI20220831BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20220831BHJP
B23K 26/12 20140101ALI20220831BHJP
B23K 26/386 20140101ALI20220831BHJP
B23K 26/16 20060101ALI20220831BHJP
C23C 16/455 20060101ALI20220831BHJP
C04B 41/91 20060101ALI20220831BHJP
H01L 21/3065 20060101ALI20220831BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20220831BHJP
【ＦＩ】
B23K26/382
B23K26/00 G
B23K26/12
B23K26/386
B23K26/16
C23C16/455
C04B41/91 E
H01L21/302 101G
H01L21/205
H01L21/302 101B
【審査請求】未請求
【請求項の数】24
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021203905
(22)【出願日】2021-12-16
(31)【優先権主張番号】P 2021029900
(32)【優先日】2021-02-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000000044
【氏名又は名称】ＡＧＣ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100121049
【弁理士】
【氏名又は名称】三輪 正義
(72)【発明者】
【氏名】柴田 章広
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 康章
(72)【発明者】
【氏名】東 慎也
(72)【発明者】
【氏名】河原 弘治
【テーマコード（参考）】
4E168
4K030
5F004
5F045
【Ｆターム（参考）】
4E168AD12
4E168AD14
4E168AD15
4E168AD18
4E168CB01
4E168CB03
4E168CB07
4E168DA02
4E168DA04
4E168DA45
4E168DA47
4E168EA14
4E168FB02
4E168FC00
4E168JA11
4E168JA15
4E168KA05
4E168KB04
4K030EA04
4K030EA05
4K030EA06
4K030KA46
5F004BB13
5F004BB22
5F004BB23
5F004BB28
5F045AA08
5F045DP03
5F045EF05
5F045EF20
5F045EH05
5F045EM05
(57)【要約】
【課題】レーザ加工の際のデブリの発生を抑制できる無機部材の製造方法等の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の無機部材（１）の製造方法は、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材（２）に、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴を形成することを特徴とする。本発明の無機部材は、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材と、前記基材に形成された貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、前記貫通孔の側壁面に変質層を有することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の無機部材（１）の製造方法は、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材（２）に、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴を形成することを特徴とする。本発明の無機部材は、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材と、前記基材に形成された貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、前記貫通孔の側壁面に変質層を有することを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に、
低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴を形成することを特徴とする無機部材の製造方法。
低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴を形成することを特徴とする無機部材の製造方法。
【請求項2】
前記レーザは、前記基材の主結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有することを特徴とする請求項１に記載の無機部材の製造方法。
【請求項3】
前記レーザの波長は、４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の無機部材の製造方法。
【請求項4】
前記レーザは、多光子吸収が生じるパルス幅を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無機部材の製造方法。
【請求項5】
前記パルス幅は、５０ｎｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項４に記載の無機部材の製造方法。
【請求項6】
前記ドライエッチングガス雰囲気は、フッ化物ガスを含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の無機部材の製造方法。
【請求項7】
前記フッ化物ガスは、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ６、Ｃ４Ｆ６、Ｃ５Ｆ８、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ１０、ＨＦ、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣＦ３Ｃｌ、ＣＦ２Ｃｌ２及びＦ２の少なくともいずれか１種を含むことを特徴とする請求項６に記載の無機部材の製造方法。
【請求項8】
前記ドライエッチングガス雰囲気は、ＣＣｌ４及びＣｌ２の少なくともいずれか１種を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の無機部材の製造方法。
【請求項9】
前記無機物は、無機化合物を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の無機部材の製造方法。
【請求項10】
前記無機化合物は、炭化物、窒化物、及び酸化物の少なくともいずれか１種を主成分として含むことを特徴とする請求項９に記載の無機部材の製造方法。
【請求項11】
前記炭化物は、シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、タンタルカーバイド、及びタングステンカーバイドの少なくともいずれか１種を主成分として含むことを特徴とする請求項１０に記載の無機部材の製造方法。
【請求項12】
前記窒化物は、シリコンナイトライド、及びボロンナイトライドの少なくともいずれか１種を主成分として含むことを特徴とする請求項１０に記載の無機部材の製造方法。
【請求項13】
前記酸化物は、アルミナ、チタニア、石英、マグネシア、及びクロミアの少なくともいずれか１種を主成分として含むことを特徴とする請求項１０に記載の無機部材の製造方法。
【請求項14】
前記レーザーの平均加工ピッチを０．１μｍ以上とすることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載の無機部材の製造方法。
【請求項15】
厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材と、
前記基材に形成された貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、
前記貫通孔、或いは前記止まり穴の側壁面に変質層を有することを特徴とする無機部材。
前記基材に形成された貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、
前記貫通孔、或いは前記止まり穴の側壁面に変質層を有することを特徴とする無機部材。
【請求項16】
前記変質層は、厚みが１０μｍ以下であり、かつ、元素組成比率、結晶状態、重量密度、或いは、電気特性が前記基材と異なることを特徴とする請求項１５に記載の無機部材。
【請求項17】
前記貫通孔、或いは前記止まり穴のアスペクト比は、２以上であることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の無機部材。
【請求項18】
前記基材には、前記貫通孔が形成されることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれかに記載の無機部材の製造方法又は無機部材。
【請求項19】
請求項１５から請求項１７のいずれかに記載の無機部材に、複数の前記貫通孔、或いは前記止まり穴が形成されてなることを特徴とするシャワープレート。
【請求項20】
前記貫通孔、或いは前記止まり穴が０．１°以上４０°以下の傾斜角度を有することを特徴とする請求項１９に記載のシャワープレート。
【請求項21】
厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材と、
前記基材に形成された複数の貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、
前記貫通孔、或いは前記止まり穴の中心軸は、前記基材の表面の法線方向から中心軸傾斜角θ１にて傾いており、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の側壁面は、前記中心軸に対してテーパ角θ２にて傾いていることを特徴とするシャワープレート。
前記基材に形成された複数の貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、
前記貫通孔、或いは前記止まり穴の中心軸は、前記基材の表面の法線方向から中心軸傾斜角θ１にて傾いており、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の側壁面は、前記中心軸に対してテーパ角θ２にて傾いていることを特徴とするシャワープレート。
【請求項22】
前記中心軸傾斜角θ１と前記テーパ角θ２とを足した傾斜角度θが、０．１°以上４０°以下であることを特徴とする請求項２１に記載のシャワープレート。
【請求項23】
請求項１９から請求項２２のいずれかに記載の前記シャワープレートを具備することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項24】
基材を格納可能なチャンバーと、
前記基材にレーザを照射するレーザ照射部と、
前記チャンバー内の加工雰囲気を、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気に制御するガス制御部と、を具備することを特徴とするレーザ加工装置。
前記基材にレーザを照射するレーザ照射部と、
前記チャンバー内の加工雰囲気を、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気に制御するガス制御部と、を具備することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無機部材の製造方法、無機部材、前記無機部材からなるシャワープレート、前記シャワープレートを具備する半導体製造装置、並びに、レーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
無機物からなる基材に、孔加工を施して貫通孔を形成する技術が知られている。孔加工の一つとして、ドリル、超音波、放電及び、研削研磨などの機械的加工が知られている。しかしながら、無機物からなる基材は、硬度や耐久性が高く、その高さに比例して、機械的加工の加工効率が著しく低下した。また、ドリル、超音波端子、及び放電端子などの工具損耗が激しく、かつ、除去速度が著しく遅いとの課題もあった。
【0003】
一方、レーザ加工では、基材の硬度や耐久性に依存しない利点がある。例えば、特許文献１に記載の発明には、厚さが０．４ｍｍの窒化珪素からなるセラミック材に、ＹＡＧレーザにより孔加工を施した実施例が開示されている。特許文献２に記載の発明には、次のことが記載されている。すなわち、フェムト秒レーザの照射により、加工材に凹部を形成した際、微細な堆積物としてデブリが生じる。このデブリを、低出力のフェムトレーザにより除去する技術が開示されている。特許文献３に記載の発明には、基材にレーザで孔加工する際、酸素濃度を制御することで、孔の側壁面に成長する酸化物層の厚さを制御する技術が開示されている。特許文献４に記載の発明には、窒化珪素板に、四塩化炭素ガスを用いてレーザ加工を施した技術が開示されている。
また、特許文献５には、電極板に形成するガス穴を、ストレート細孔とスロープ細孔とで形成し、ストレート細孔をドリルで形成し、スロープ細孔をレーザで形成することが記載されている。
また、特許文献５には、電極板に形成するガス穴を、ストレート細孔とスロープ細孔とで形成し、ストレート細孔をドリルで形成し、スロープ細孔をレーザで形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００６－２４８８６１号公報
【特許文献2】特開２００８－１１９７３５号公報
【特許文献3】特表２００５－５０７３１８号公報
【特許文献4】特開昭５８－１２５６７７号公報
【特許文献5】特開２０１２－６９８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に、レーザを照射して、貫通孔を形成する際、デブリが発生し、そのデブリが、孔内部に堆積した。そして、デブリの堆積が、後続のレーザ加工を阻害し、加工効率が著しく低下した。
【0006】
特許文献１から特許文献４には、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に対するレーザ加工において、デブリの発生を抑制しつつ、貫通孔を形成した適用例は開示されていない。
【0007】
また、特許文献５では、基材の厚みが定かでなく、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に、レーザを用いて、デブリの発生を抑制しつつ、貫通孔を形成できた事例は開示されていない。
【0008】
また、貫通孔の形成のみならず、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に対し、深さが深い止まり穴を形成する場合にも上記と同様の問題が生じた。
【0009】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、デブリの発生を抑制し、加工効率を向上できる無機部材の製造方法の提供を目的とする。
【0010】
また、本発明は、高精度に形成された貫通孔、或いは止まり穴を有する無機部材、シャワープレート、及び、シャワープレートを具備する半導体製造装置の提供を目的とする。更には、本発明は、デブリの発生を抑制できる無機部材の製造方法を実現可能なレーザ加工装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴を形成することを特徴とする無機部材の製造方法が提供される。
【0012】
また、本発明の一態様によれば、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材と、前記基材に形成された貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の側壁面に変質層を有することを特徴とする無機部材が提供される。
【0013】
また、本発明の一態様によれば、上記に記載の無機部材に、複数の前記貫通孔、或いは前記止まり穴が形成されてなることを特徴とするシャワープレートが提供される。或いは、本発明の一態様によれば、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材と、前記基材に形成された複数の貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の中心軸は、前記基材の表面の法線方向から中心軸傾斜角θ１にて傾いており、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の内壁面は、前記中心軸に対してテーパ角θ２にて傾いていることを特徴とするシャワープレートが提供される。
【0014】
また、本発明の一態様によれば、上記に記載の前記シャワープレートを具備することを特徴とする半導体製造装置が提供される。
【0015】
また、本発明の一態様によれば、基材を格納可能なチャンバーと、前記基材にレーザを照射するレーザ照射部と、前記チャンバー内の加工雰囲気を、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気に制御するガス制御部と、を具備することを特徴とするレーザ加工装置が提供される。
【発明の効果】
【0016】
本発明の一態様によれば、基材に貫通孔、或いは深さが深い止まり穴をレーザ加工にて形成する際、デブリの発生を抑制でき、加工効率を向上させた無機部材の製造方法が提供される。
【0017】
本発明の一態様によれば、デブリの堆積が抑制され、貫通孔、或いは止まり穴が高精度に形成された無機部材が提供される。更に、複数の貫通孔、或いは止まり穴が高精度に形成されたシャワープレート及びそれを用いた半導体製造装置が提供される。
【0018】
本発明の一態様によれば、デブリの発生を抑制できる無機部材の製造方法を実現可能なレーザ加工装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図4】例１及び例２による、デブリ成分のＳＥＭ／ＥＤＸ分析結果を示す図である。
【図5】化学蒸着法により結晶成長させたＳｉＣに対し、波長及びパルス幅を変えた種々のパルスレーザを照射した際の照射フルーエンスと、アブレーションレートとの関係を示すグラフである。
【図6】加工ピッチを説明するための模式図である。
【図11】シャワープレートの一例の平面図である。
【図12】シャワープレートを有する半導体製造装置の一例の模式図である。
【図13】レーザ加工装置の一例の模式図である。
【図14】レーザ加工装置を用いて、レーザ加工面の傾斜角度を調整する方法を説明するための基材の断面図である。
【図17】単結晶Ｓｉを複数層積層した基材に貫通孔を形成した実験において、各層に形成された貫通孔を観察した写真である。
【図18】平均加工ピッチと孔深さとの関係を示すグラフである。
【図19】図１９Ａは、基材にレーザ加工により貫通孔を形成し、該貫通孔を二分するように基材を切削加工により分断した基材の模式図であり、図１９Ｂは、切削面と、切削面に現れる貫通孔の側壁面を示す写真である。
【図20】基材に止まり穴が形成された無機部材の断面を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成には、同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。
用語の定義に関しては、明細書中に適宜説明を加えた。特に説明をしていない用語に関しては、広く一般的に知られている意味で解釈される。
用語の定義に関しては、明細書中に適宜説明を加えた。特に説明をしていない用語に関しては、広く一般的に知られている意味で解釈される。
【0021】
ただし、説明の便宜上、最初に、「貫通孔」、「止まり穴」、「孔」、「孔内部」、及び「孔加工」についてまとめて説明する。「貫通孔」とは、後述の図７Ａ～図７Ｄや図８Ａ～図８Ｄ、図９Ａ、図９Ｂに示すように、基材２の表面２ａから裏面２ｂにかけて貫通した細長い穴を指す。「止まり穴」とは、基材を貫通せず底を備えた有底の穴である。単に「孔」という場合は、貫通孔或いは止まり穴を形成するに至る途中の状態も含まれる。「孔内部」とは、前記に定義した孔の内部を指すが、特に断らない限り、貫通孔或いは止まり穴を形成するに至るまでの加工途中の内部を指す。「孔加工」とは、貫通孔或いは止まり穴を形成するための加工を指す。なお、以下では、基材に貫通孔を形成する形態を中心に説明する。
【0022】
［本実施形態に至る経緯］
機械的耐久性が高いＳｉＣなどの無機物からなる基材に対し、ドリルや超音波などの機械的加工を施すと、基材の硬度や耐久性が高いほど、加工効率が著しく低下する。これに対し、レーザ加工では、基材の硬度や耐久性に依存しない利点がある。ここで、レーザを照射して、無機物からなる基材に孔加工を施すと、デブリが発生するが、基材の厚さが１ｍｍ以下であれば、デブリの飛散距離は、基材の厚さより概ね大きくなる。このため、厚さが１ｍｍ以下の無機物からなる基材であれば、レーザの照射により、貫通孔を形成できる。
機械的耐久性が高いＳｉＣなどの無機物からなる基材に対し、ドリルや超音波などの機械的加工を施すと、基材の硬度や耐久性が高いほど、加工効率が著しく低下する。これに対し、レーザ加工では、基材の硬度や耐久性に依存しない利点がある。ここで、レーザを照射して、無機物からなる基材に孔加工を施すと、デブリが発生するが、基材の厚さが１ｍｍ以下であれば、デブリの飛散距離は、基材の厚さより概ね大きくなる。このため、厚さが１ｍｍ以下の無機物からなる基材であれば、レーザの照射により、貫通孔を形成できる。
【0023】
しかしながら、無機物からなる基材の厚さが１ｍｍより厚いと、具体的には、２ｍｍ以上の厚さの基材に貫通孔を形成しようとすると、加工の途中から孔の深さのほうが、デブリの飛散距離より大きくなる。そのため、デブリが、孔内部に堆積することで、後続のレーザ加工を阻害し、加工効率が低下した。その結果、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に対しては、貫通孔を精度よく形成できなかった。
【0024】
そこで本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、レーザを照射する際の加工雰囲気を制御することで、デブリの発生を抑制し、加工効率を向上させ、高精度に貫通孔を形成できるに至った。
【0025】
すなわち、本実施形態の無機部材の製造方法は、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、貫通孔を形成することにある。
【0026】
［本実施形態による無機部材の製造方法の説明］
図１Ａは、本実施形態による無機部材１の製造方法を示す断面図である。図１Ｂは、図１Ａの製造方法により、デブリの堆積を抑制できることを概念的に示す断面図である。
図１Ａは、本実施形態による無機部材１の製造方法を示す断面図である。図１Ｂは、図１Ａの製造方法により、デブリの堆積を抑制できることを概念的に示す断面図である。
【0027】
図１Ａに示すように、無機部材１は、厚さｔが２ｍｍ以上の無機物からなる基材２を有する。本実施形態では、基材２を構成する無機物の材質を限定するものでないが、デブリの発生を抑制する原理を説明する便宜上、特に断らない限り、以下では、基材２をＳｉＣ基材として説明する。
【0028】
図１Ａに示すように、基材２の表面２ａに、レーザＬ１を照射する。図１Ａは、基材２に貫通孔を形成する加工途中の状態を示している。本実施形態では、デブリの発生を抑制すべく、レーザを照射する際の加工雰囲気を、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２及びＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気とする。
【0029】
これにより、デブリの主成分であるＳｉＯ２の発生を抑制できる。図１Ｂに示すように、生成された反応物３を、ガス化、或いは微粒子化できる。このため、反応物３は、孔内部に堆積せず、或いは、孔内部の反応物３の堆積量を少なくできる。このように、本実施形態では、後続のレーザ加工を阻害する要因であったデブリの発生を抑制でき、したがって、加工効率を向上させることができる。
【0030】
＜低酸素雰囲気でのデブリ抑制効果＞
低酸素雰囲気でのデブリ抑制効果について説明する。「低酸素雰囲気」とは、酸素分圧が、大気中の酸素分圧よりも低いことを意味する。低酸素雰囲気に制御する方法を限定するものではないが、例えば、窒素置換により、基材２を設置したチャンバ内の酸素分圧を大気中の酸素分圧より低減させることができる。また、酸素分圧の範囲を限定するものではないが、酸素分圧は２０００Ｐａ以下、好ましくは５００Ｐａ以下、より好ましくは、１０Ｐａ以下である。なお、酸素分圧は、０Ｐａでなく、微量ながら含まれている。酸素分圧の下限値は、０．００００１Ｐａ程度であることが好ましい。
低酸素雰囲気でのデブリ抑制効果について説明する。「低酸素雰囲気」とは、酸素分圧が、大気中の酸素分圧よりも低いことを意味する。低酸素雰囲気に制御する方法を限定するものではないが、例えば、窒素置換により、基材２を設置したチャンバ内の酸素分圧を大気中の酸素分圧より低減させることができる。また、酸素分圧の範囲を限定するものではないが、酸素分圧は２０００Ｐａ以下、好ましくは５００Ｐａ以下、より好ましくは、１０Ｐａ以下である。なお、酸素分圧は、０Ｐａでなく、微量ながら含まれている。酸素分圧の下限値は、０．００００１Ｐａ程度であることが好ましい。
【0031】
図２Ａに示すように、例えば、大気中の酸素分圧のままレーザを、ＳｉＣからなる基材２に照射して孔加工を施すと、ＳｉとＯ２とが反応し、ＳｉＯ２のデブリ４が生じる。ＳｉＯ２は比重が大きく飛散距離が短い。このため、基材２の厚さｔが厚く、具体的には２ｍｍ以上に厚いと、図２Ｂに示すように、孔内部にＳｉＯ２のデブリ４が堆積する。デブリ４の堆積は、後続のレーザ加工を阻害する要因となり、加工効率の低下につながる。これに対して、本実施形態のように、低酸素雰囲気とすることで、ＳｉとＯ２との反応を抑制できる。このため、反応物３中にＳｉＯ２が含まれず、或いはその量が従来に比して少なく、反応物３は、主としてガス化或いは微粒子化されている。よって、反応物３は、ＳｉＯ２に比して、飛散距離が大きく、基材２の厚さｔが２ｍｍ以上であっても、孔内部に溜まらず、或いはその堆積量が少ない。このように、本実施形態では、無酸素とせず、低酸素雰囲気に設定することで、ＳｉＯ２の発生を抑制しつつ、ＣＯ２等のガスや微粒子の反応物３を発生させることができる。以上により、本実施形態では、加工効率を向上させ、基材２に精度よく、貫通孔を形成できる。
【0032】
ここで、加工雰囲気を、低酸素雰囲気、或いは大気雰囲気として、レーザを照射した際に生じるデブリに関する実験について説明する。実験では、ＳｉＣ基材の表面に、レーザを１０００回（時間は１３ｍｓｅｃ）、定点照射した。次に、その照射点から２０μｍ移動した位置で、同じように、レーザを１０００回、定点照射した。この定点照射と２０μｍ移動を、４０×４０行列で、繰り返して行った。
【0033】
実験では、レーザを照射した際、酸素分圧を窒素置換により低下させた例１と、窒素置換せずに、大気中の酸素分圧のままとした例２を行った。例１での酸素分圧を、３Ｐａとし、例２の酸素分圧を２０６００Ｐａとした。例１が、実施例であり、例２が、比較例である。なお、例１及び例２のどちらも、加工雰囲気の主成分は窒素であるが、例１は、加工雰囲気中の酸素分圧が、例２に比して極端に低くなっている。
【0034】
図３Ａは、例１による、孔を基板表面から見た写真である。図３Ｂは、図３Ａの部分模式図である。図３Ｃは、例２による、孔を基板表面から見た写真である。図３Ｄは、図３Ｃの部分模式図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、低酸素雰囲気とした例１では、デブリは孔内部にほとんど堆積していなかった。これに対し、図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、酸素分圧を大気雰囲気とした例２では、デブリが孔内部に多く堆積していることがわかった。
【0035】
孔内部に堆積したデブリ成分を、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）及び、エネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＸ）にて観察した。使用したＳＥＭは、日立ハイテクノロジーズＳ－３４００Ｎ、ＥＤＸは、ＡＭＥＴＥＫ製ＯＣＴＡＮＥ ＰＲＯである。
【0036】
図４は、例１及び例２による、デブリ成分のＳＥＭ／ＥＤＸ分析結果を示す図である。図４に示すリファレンス（Ｒｅｆ．）は、ＳｉＣ基材の成分の分析結果である。例２は、例１よりも、ＳｉとＯの検出カウント数が、多かった。この結果から、大気中の酸素分圧のまま、ＳｉＣ基材に対し、レーザを照射すると、ＳｉとＯとの反応が活発に進み、ＳｉＯ２が発生することがわかった。一方、低酸素雰囲気とすることで、Ｏの検出カウント数が大幅に減り、ＳｉＯ２の発生を抑制できることがわかった。
【0037】
このように、本実施形態では、加工雰囲気を、低酸素雰囲気とすることで、デブリの発生を抑制でき、したがって、後続のレーザ加工を阻害せず、加工効率の向上を図ることができ、貫通孔を高精度に形成できる。
【0038】
＜少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気でのデブリ抑制効果＞
次に、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気でのデブリ抑制効果について説明する。本実施形態では、ドライエッチングガス雰囲気で使用するガスの種類を限定するものではないが、フッ化物ガスであることが好適である。具体的には、フッ化物ガスとしては、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ６、Ｃ４Ｆ６、Ｃ５Ｆ８、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ１０、ＨＦ、ＮＦ３、ＳＦ６、Ｆ２、ＣＦ３Ｃｌ、及びＣＦ２Ｃｌ２の少なくともいずれか１種を含むことが好ましい。或いは、ドライエッチングガス雰囲気は、ＣＣｌ４及びＣｌ２の少なくともいずれか１種を含んでもよい。ＣＣｌ４及びＣｌ２は、フッ化物ガスと一緒に含んでもよい。例えば、基材が単結晶Ｓｉである場合、Ｃｌ２も含むドライエッチング雰囲気にて貫通孔を高精度に形成できる。
次に、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気でのデブリ抑制効果について説明する。本実施形態では、ドライエッチングガス雰囲気で使用するガスの種類を限定するものではないが、フッ化物ガスであることが好適である。具体的には、フッ化物ガスとしては、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ６、Ｃ４Ｆ６、Ｃ５Ｆ８、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ１０、ＨＦ、ＮＦ３、ＳＦ６、Ｆ２、ＣＦ３Ｃｌ、及びＣＦ２Ｃｌ２の少なくともいずれか１種を含むことが好ましい。或いは、ドライエッチングガス雰囲気は、ＣＣｌ４及びＣｌ２の少なくともいずれか１種を含んでもよい。ＣＣｌ４及びＣｌ２は、フッ化物ガスと一緒に含んでもよい。例えば、基材が単結晶Ｓｉである場合、Ｃｌ２も含むドライエッチング雰囲気にて貫通孔を高精度に形成できる。
【0039】
例えば、ドライエッチングガスとして、ＣＦ４を選択した場合のＳｉＣ基材に対するエッチング反応式は、以下の通りである。
ＳｉＣ（ｓ）＋ＣＦ４（ｇ）＋２Ｏ２（ｇ）→ＳｉＦ４（ｇ）＋２ＣＯ２（ｇ）
（式１）
ここで、（式１）中、（ｓ）は固体成分、（ｇ）はガス成分を示す。
ＳｉＣ（ｓ）＋ＣＦ４（ｇ）＋２Ｏ２（ｇ）→ＳｉＦ４（ｇ）＋２ＣＯ２（ｇ）
（式１）
ここで、（式１）中、（ｓ）は固体成分、（ｇ）はガス成分を示す。
【0040】
ＣＦ４は、室温下ではほとんど反応せず、レーザが照射された箇所だけ反応活性にする。（式１）に示すように、Ｓｉと反応活性種であるＦとが反応して、ガス成分としてのＳｉＦ４を発生させることができ、デブリ堆積の要因であったＳｉＯ２の発生を抑制できる。
【0041】
本実施形態では、ドライエッチングガスに、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含む。「少量」とは、ドライエッチングガスよりも少ない量と定義される。限定されるものではないが、ドライエッチングガスに対し、Ｏ２、ＣＯ２のいずれか１種及び２種の合計量は、体積比で０％より大きく３０％以下であり、好ましくは上限値が１５％以下、より好ましくは５％以下である。Ｏ２、ＣＯ２のいずれか１種及び２種の合計量の下限値は、０．０００１％程度であることが好ましい。酸素成分は少量であるため、Ｓｉとの反応は抑制されるとともに、式（１）に示すように、固体成分としてのＣと反応して、ガス成分としてのＣＯ２を発生させることができる。
【0042】
なお、（式１）の上では消費されるＯ２の体積は、ドライエッチングガスであるＣＦ４の体積比よりも多い量となっているが、実際には、レーザ照射により反応活性を得た一部のＣＦ４のみが消費されるため、雰囲気中にはより多量のＣＦ４が必要になる。すなわち、（式１）は、一部の反応活性したＣＦ４に対する反応式であり、したがって、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気とすることが望ましい。
【0043】
上記では、ＣＦ４を例に挙げたが、他のフッ化物ガスやフッ化物ガス以外のドライエッチングガスについても、（式１）に準じたエッチング反応式を得ることができる。以上により、レーザを照射する際、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気とすることで、デブリの発生を抑制できる。したがって、後続のレーザ加工を阻害せず、加工効率の向上を図ることができ、貫通孔を精度よく形成することができる。
【0044】
＜ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気でのデブリ抑制効果＞
次に、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気でのデブリ抑制効果について説明する。本実施形態では、ドライエッチングガス雰囲気で使用するガスの種類は、ガス単体が熱分解した際に発生する物質が加工環境において気体であることが好適である。
次に、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気でのデブリ抑制効果について説明する。本実施形態では、ドライエッチングガス雰囲気で使用するガスの種類は、ガス単体が熱分解した際に発生する物質が加工環境において気体であることが好適である。
【0045】
例えば、ドライエッチングガスとして、ＮＦ３を選択した場合、ガス単体が熱分解した際の発生物質は、Ｎ２とＦ２及びそのラジカルである。常温における沸点は、Ｎ２は－１９６℃であり、Ｆ２は－１８８℃であり、いずれも気体である。このためガス単体として、レーザを照射した際に固体成分が発生しない。
ドライエッチングガスとして、ＮＦ３を選択した場合のＳｉＣ基材に対するエッチング反応式は、以下の通りである。
３ＳｉＣ（ｓ）＋８ＮＦ３（ｇ）→３ＳｉＦ４（ｇ）＋３ＣＦ４（ｇ）＋４Ｎ２（ｇ）
（式２）
ドライエッチングガスとして、ＮＦ３を選択した場合のＳｉＣ基材に対するエッチング反応式は、以下の通りである。
３ＳｉＣ（ｓ）＋８ＮＦ３（ｇ）→３ＳｉＦ４（ｇ）＋３ＣＦ４（ｇ）＋４Ｎ２（ｇ）
（式２）
【0046】
ＮＦ３は、室温下ではほとんど反応せず、レーザが照射された箇所だけ反応活性にする。（式２）に示すように、Ｓｉと反応活性種であるＦとが反応して、ガス成分としてのＳｉＦ４を発生させることができ、デブリ堆積の要因であったＳｉＯ２の発生を抑制できる。
【0047】
本実施形態では、ドライエッチングガスは、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦのいずれか１種以上を主たる成分とすることが望ましい。限定されるものではないが、ドライエッチングガスに対し、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦのいずれか１種以上の合計量は、体積比で１０％より大きく１００％以下であり、好ましくは下限値が５０％以上、より好ましくは８０％以上である。なお、Ｏ２、ＣＯ２は必ずしも含む必要はない。すなわち、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦのいずれか１種以上のみからなるドライエッチングガス雰囲気にできる。或いは、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦのいずれか１種以上と、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦ以外であって、熱分解した際に発生する物質が加工環境において気体であるガスと、からなるドライエッチングガス雰囲気にできる。
【0048】
上記では、ＮＦ３を例に挙げたが、Ｆ２及びＨＦについても、（式２）に準じたエッチング反応式を得ることができる。以上により、レーザを照射する際、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気とすることで、デブリの発生を抑制できる。したがって、後続のレーザ加工を阻害せず、加工効率の向上を図ることができ、貫通孔を精度よく形成できる。
【0049】
＜レーザのエネルギー当たりの除去効率について＞
ところで、本実施形態のように、厚さｔが２ｍｍ以上の基材２に対する孔加工では、除去する基材２の体積が増加する。このため、レーザのエネルギー当たりの除去効率を大きくすることが好ましい。
ところで、本実施形態のように、厚さｔが２ｍｍ以上の基材２に対する孔加工では、除去する基材２の体積が増加する。このため、レーザのエネルギー当たりの除去効率を大きくすることが好ましい。
【0050】
そこで、本実施形態では、上記した加工雰囲気において、基材２の主結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザを照射する。ここで、「主結晶」とは、基材２を構成するどの結晶よりも多い含有量の結晶を指す。
このように本実施形態では、バンドギャップを基準にして、それよりも大きい光子エネルギーを有するレーザを照射して除去効率の向上を図る。
このように本実施形態では、バンドギャップを基準にして、それよりも大きい光子エネルギーを有するレーザを照射して除去効率の向上を図る。
【0051】
図５は、化学蒸着法（ＣＶＤ）により結晶成長させたＳｉＣに、波長及びパルス幅を変えた種々のパルスレーザを照射した際の照射フルーエンスと、アブレーションレートとの関係を示すグラフである。
【0052】
図５に示すように、実験では、波長が３４３ｎｍ及び３５５ｎｍのＵＶレーザ、波長が５３２ｎｍのグリーンレーザ、及び波長が１０２６ｎｍのＩＲレーザを使用した。図５に示すように、ＵＶレーザは、グリーンレーザ及び、ＩＲレーザに比して、アブレーションレートを大きくできた。
【0053】
ここで、ＳｉＣのバンドギャップと光吸収過程について考察する。以下の表１に、基材を構成する各無機材料のバンドギャップと、それに対応する波長とを記載した。
【0054】
【表1】
【0055】
表１に示すように、ＳｉＣの結晶体は３つ存在するが、いずれも比較的、バンドギャップが大きい。また、化学蒸着法により結晶成長させたＣＶＤ－ＳｉＣや、ＳｉＣの焼結体では、結晶欠陥や結晶間に混入元素が存在する。このため、レーザのエネルギー当たりの除去効率を向上させるには、バルク体を基準とせず、基材の主結晶のバンドギャップを基準とすることが必要である。
【0056】
そこで、図５及び表１に基づき、基材２の主結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するように、レーザの波長は、４００ｎｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、レーザの波長は、３５５ｎｍ以下である。これにより、基材２の主結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザを照射でき、このとき、単光子吸収を実現できる。
【0057】
また、多光子吸収が生じる短いパルス幅のレーザを照射することで、光子エネルギーを大きくできる。具体的には、パルス幅を５０ｎｓｅｃ以下とし、好ましくは、ピコ秒とし、より好ましくは、フェムト秒とする。このとき、レーザの波長が４００ｎｍ以上であっても多光子吸収を生じさせることができる。
なお、レーザの波長を４００ｎｍ以下とし、且つパルス幅を５０ｎｓｅｃ以下に調整することが更に好ましい。
なお、レーザの波長を４００ｎｍ以下とし、且つパルス幅を５０ｎｓｅｃ以下に調整することが更に好ましい。
【0058】
上記した４００ｎｍ以下のレーザ波長及び５０ｎｓｅｃ以下のパルス幅は、基材２の主結晶がＳｉＣの場合やＳｉＣのバンドギャップ以下の無機物に対して、好ましく適用できる。本実施形態では、主結晶の材質に応じて、レーザの波長及びパルス幅を適宜調整することが好適である。
【0059】
以上により、本実施形態では、加工雰囲気に加えて、基材２の主結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザを照射することで、厚さ２ｍｍ以上の無機物からなる基材に、高精密且つ高スループットにて、貫通孔を形成することができる。
【0060】
＜基材＞
本実施形態の基材について説明する。本実施形態の基材は、無機物からなるが、製造過程で含まれる不純物や、基材の製造に添加される添加剤成分が含まれることを除外しない。
本実施形態の基材について説明する。本実施形態の基材は、無機物からなるが、製造過程で含まれる不純物や、基材の製造に添加される添加剤成分が含まれることを除外しない。
【0061】
（無機物）
基材２を構成する無機物について説明する。無機物は、単一元素、或いは、２種類以上の元素からなる無機化合物である。単一元素としては、Ｓｉやダイヤモンドなどを例示できる。
基材２を構成する無機物について説明する。無機物は、単一元素、或いは、２種類以上の元素からなる無機化合物である。単一元素としては、Ｓｉやダイヤモンドなどを例示できる。
【0062】
無機化合物は、炭化物、窒化物、及び酸化物のいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。これら、炭化物、窒化物及び酸化物は、共有結合型化合物、或いは侵入型化合物であることが好ましい。ここで、「主成分」とは、全体の５０質量％以上を占め、好ましくは、８０質量％以上である。
【0063】
炭化物は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）、タンタルカーバイド（ＴａＣ）、及びタングステンカーバイド（ＷＣ）の少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。
【0064】
また、窒化物は、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）、及びボロンナイトライド（ＢＮ）の少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。
【0065】
また、酸化物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、チタニア（ＴｉＯ２）、石英（ＳｉＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、及びクロミア（Ｃｒ２Ｏ３）の少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。本実施形態では、上記のうち、ＳｉＣを主成分として含むことがより好ましい。無機化合物は、ＳｉＳｉＣ等のマトリクス材料であってもよい。
【0066】
また、無機物に液相が存在しないことが好ましい。アブレーションの際は、蒸散及びプラズマ発生時の衝撃波が発生するため、液相箇所も除去される可能性がある。そこで、無機物に液相が存在しないことで、高精度な孔加工を実現できる。例えば、ＳｉＣやＳｉ３Ｎ４は、液相が存在せず、ＳｉＣの昇華温度は、約２７００℃であり、Ｓｉ３Ｎ４の昇華温度は、約１９００℃である。
【0067】
なお、上記の＜低酸素雰囲気でのデブリ抑制効果＞欄、＜少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気でのデブリ抑制効果＞欄、及び、＜ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気でのデブリ抑制効果＞欄では、基材をＳｉＣとして説明したが、ＳｉＣ以外の無機物からなる基材を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。すなわち、低酸素雰囲気とすることで、酸素と反応しデブリの発生原因となる固体成分の発生を抑制できる。また、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気とすることで、上記（式１）に準じた反応を生じさせることができる。また、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気とすることで、上記（式２）に準じた反応を生じさせることができる。すなわち、基材を構成する元素とフッ素及び少量の酸素とが反応してガス化させることができ、或いは、基材を構成する元素とフッ素とが反応してガス化させることができ、デブリの発生を抑制できる。
【0068】
（基材の厚さｔ）
厚さｔは、基材２の表面２ａから反対側の裏面２ｂに向けて垂直に引いた直線の長さと規定される。厚さｔを平均厚さで規定でき、このとき、任意の複数の測定点で測定した基材２の厚さｔの平均値と規定される。測定点は、５点以上が好ましい。なお、例えば、シャワープレートなどでは、基材２の外延部に段差を有するものもあり、部分的に厚みが異なる場合がある。この場合は、基材２の面積の主要部を占める部位の厚み、もしくは、貫通孔のある部位を厚さｔと規定する。
厚さｔは、基材２の表面２ａから反対側の裏面２ｂに向けて垂直に引いた直線の長さと規定される。厚さｔを平均厚さで規定でき、このとき、任意の複数の測定点で測定した基材２の厚さｔの平均値と規定される。測定点は、５点以上が好ましい。なお、例えば、シャワープレートなどでは、基材２の外延部に段差を有するものもあり、部分的に厚みが異なる場合がある。この場合は、基材２の面積の主要部を占める部位の厚み、もしくは、貫通孔のある部位を厚さｔと規定する。
【0069】
本実施形態における基材２の厚さｔは、大気中の酸素分圧でレーザ加工した際にデブリが生じる厚さ以上である。具体的には、本実施形態では、厚さｔが２ｍｍ以上の厚さのある基材２に対し、加工効率よく、貫通孔６を形成することができる。また、本実施形態では、基材２の厚さｔが５ｍｍ以上或いは８ｍｍ以上であっても、高アスペクト比の貫通孔を基材に精度よく形成できる。また、基材２の厚さｔの上限は、デブリの発生を抑制でき、貫通孔の形成が可能な厚さである。特に限定しないが、例えば、厚さｔの上限値は、３０ｍｍ程度である。なお、基材２の厚さｔが２ｍｍ以下の場合でも、基材２の材質によっては、デブリが発生して貫通孔６を形成できないことがある。したがって、「厚さｔが２ｍｍ」との数値は、厳密な境界を示すものでなく、基材２の厚さｔが２ｍｍを多少下回っても、大気中の酸素分圧でレーザ加工した際にデブリが生じる厚さであり、且つ本実施形態の製造方法により、貫通孔を形成できる場合、本実施形態の範囲に含まれる。
【0070】
＜平均加工ピッチ＞
本実施形態では、後述の実験で示すように、レーザを用いて、基材に貫通孔を形成する際のレーザの平均加工ピッチを０．１μｍ以上とすることが好ましい。
ここで、「加工ピッチ」とは、図６（ａ）～図６（ｃ）の各模式図に示すように、所定の開口径の貫通孔を形成するために、基材２の表面２ａに、レーザＬの照射点を横にずらしながら照射した際の照射点の中心間隔を加工ピッチＰｈと定義する。図６（ａ）は、レーザＬの１ショット目、図６（ｂ）はレーザＬの２ショット目、図６（ｃ）は、レーザＬの３ショット目を示す。略円形の開口を有する貫通孔を形成する場合、貫通孔の開口の中心に近い箇所と貫通孔の外周に近い箇所では、厳密に同じピッチにするのは装置制御上コストがかかるため、加工ピッチＰｈを平均化した平均加工ピッチをパラメータとして使用する。
本実施形態では、後述の実験で示すように、レーザを用いて、基材に貫通孔を形成する際のレーザの平均加工ピッチを０．１μｍ以上とすることが好ましい。
ここで、「加工ピッチ」とは、図６（ａ）～図６（ｃ）の各模式図に示すように、所定の開口径の貫通孔を形成するために、基材２の表面２ａに、レーザＬの照射点を横にずらしながら照射した際の照射点の中心間隔を加工ピッチＰｈと定義する。図６（ａ）は、レーザＬの１ショット目、図６（ｂ）はレーザＬの２ショット目、図６（ｃ）は、レーザＬの３ショット目を示す。略円形の開口を有する貫通孔を形成する場合、貫通孔の開口の中心に近い箇所と貫通孔の外周に近い箇所では、厳密に同じピッチにするのは装置制御上コストがかかるため、加工ピッチＰｈを平均化した平均加工ピッチをパラメータとして使用する。
【0071】
後述する実験で示すように、平均加工ピッチが小さくなると単位加工時間当たりの孔深さは小さくなることがわかっている。このため、貫通孔の形成に要する時間を短縮するには平均加工ピッチを適度に大きくすることが好ましい。そこで本実施形態では、平均加工ピッチは０．１μｍ以上が好ましく、０．２μｍ以上がより好ましく、０．４μｍ以上が更に好ましく、０．５μｍ以上が更により好ましいと規定した。また、平均加工ピッチの上限は、ビーム径に依存し、貫通孔の形成を妨げない範囲であれば限定するものではないが、概ね、１００μｍ～２００μｍを上限とすることができる。
【0072】
＜貫通孔を形成した後の工程＞
基材２を、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気で、レーザを照射して、貫通孔を形成した後、洗浄工程を施すことができる。洗浄工程は、既存の洗浄方法を用いることができる。また、洗浄工程前もしくは後に、基材２の表面に必要に応じて表面層の形成等を行うことができる。例えば、ＳｉＳｉＣ基材の表面に、高純度のＳｉＣ膜を成膜できる。
基材２を、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気で、レーザを照射して、貫通孔を形成した後、洗浄工程を施すことができる。洗浄工程は、既存の洗浄方法を用いることができる。また、洗浄工程前もしくは後に、基材２の表面に必要に応じて表面層の形成等を行うことができる。例えば、ＳｉＳｉＣ基材の表面に、高純度のＳｉＣ膜を成膜できる。
【0073】
［本実施形態による無機部材の説明］
図７Ａは、本実施形態における基材２に貫通孔６が形成された無機部材１の断面図である。
図７Ａに示す貫通孔６を有する無機部材１は、上記した無機部材１の製造方法により形成できる。すなわち、無機物からなる基材２に、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、基材２の表面２ａから裏面２ｂに貫く貫通孔６を形成できる。これにより、貫通孔６の側壁面６ａは、レーザ加工面で形成される。側壁面６ａが、レーザ加工面であることは、例えば、レーザ照射の際の熱の影響で、側壁面６ａの組成が基材２とは変化しており、側壁面６ａの組成から知ることができる。すなわち本実施形態では、貫通孔６の側壁面６ａに変質層を有する。ここで、「組成の変化」とは、例えば、元素組成比率の変化、結晶状態の変化、重量密度の変化、電気特性の変化などがあげられる。
図７Ａは、本実施形態における基材２に貫通孔６が形成された無機部材１の断面図である。
図７Ａに示す貫通孔６を有する無機部材１は、上記した無機部材１の製造方法により形成できる。すなわち、無機物からなる基材２に、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、基材２の表面２ａから裏面２ｂに貫く貫通孔６を形成できる。これにより、貫通孔６の側壁面６ａは、レーザ加工面で形成される。側壁面６ａが、レーザ加工面であることは、例えば、レーザ照射の際の熱の影響で、側壁面６ａの組成が基材２とは変化しており、側壁面６ａの組成から知ることができる。すなわち本実施形態では、貫通孔６の側壁面６ａに変質層を有する。ここで、「組成の変化」とは、例えば、元素組成比率の変化、結晶状態の変化、重量密度の変化、電気特性の変化などがあげられる。
【0074】
元素組成比率は、レーザ照射の際、瞬間的に高温状態となることで、大気中に放出される元素の割合が元素種類ごとに異なり、相対的な元素組成比率が変化する。この元素比率は、ＳＥＭ／ＥＤＸやＴＥＭ／ＥＤＸ、Ｘ線解析などの既知の解析手法で検出することができる。ＴＥＭは、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を意味する。また、結晶状態の変化は、電子線後方散乱回折法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎｓ）で測定することができる。また、重量密度の変化は、アルキメデス法で測定することができる。また、電気特性の変化は、例えば、電気抵抗値であり、走査型広がり抵抗顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で測定することができる。
【0075】
例えば、上記した実施例１でＳｉＣ基材に形成した貫通孔について、孔内の側壁面が観察できるように、基材の表面と平行な平面方向に沿って、基材を切断して現れる横断面を、ＣＭＰ法で研磨し、ＳＥＭ、及び、ＥＤＸにて観察した。使用したＳＥＭは、日立ハイテクノロジーズ製ＳＵ６６００、ＥＤＸは、Ｔｈｅｒｍｏ製ＮＯＲＡＮＳＹＳＴＥＭ６である。
【0076】
図１０Ａ及び図１０Ｂに示す左図はＳＥＭ写真であり、右図がＥＤＸ分析結果である。図１０Ａは、貫通孔の上部付近の実験結果であり、図１０Ｂは、貫通孔の中間部付近の結果である。図１０Ａ及び図１０ＢにおけるＳＥＭ写真及びＥＤＸ分グラフは、図示右側が貫通孔の側壁面側であり、図示左方向に離れるにつれて、側壁面から平面方向に離れる。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、ＥＤＸ分析結果により、上記横断面の側壁面の表面から、平面方向に向けての厚み約４μｍの範囲では、厚み４μｍ以上の平面方向に十分離れた基材２の内部と比べてＣの比率が多く、相対的にＳｉが少なくなっていることが示された。したがって、レーザー照射によって形成された貫通孔６の側壁面６ａは、表層に変質層を有する。変質層の厚みは、最大で１０μｍ程度である。ただし、レーザ照射後の後工程として、洗浄やアニール、コーティングを実施することで変質層の厚みは変化しうるため、４μｍ以下の値となる場合もある。すなわち、変質層の厚みを、０μｍより大きく１０μｍ以下にできる。基材がＳｉＣの場合、変質層のＳｉの原子比率は、５０原子％～６５原子％であり、Ｃの原子比率は、３５原子％～５０原子％であり、ＳｉとＣとを足して１００原子％、或いは５原子％以下のＯを含み、ＳｉとＣとＯを足して１００原子％である。変質層から離れた領域ではＳｉの原子比率が変質層よりも大きく、６５原子％～８０原子％であり、変質層から離れた領域ではＣの原子比率が変質層よりも小さく、２０原子％～３５原子％である。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す実験は洗浄後の結果である。また図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、貫通孔の上部付近と中間部付近とでは元素組成分析に大きな差は見られなかった。
【0077】
なお、図１０Ａ及び図１０Ｂの結果は、Ｆ系ガス使用時の結果であり、Ｎ２置換による低酸素雰囲気では、厚み４μｍ以上の平面方向に十分離れた基材２の内部と比べてＣの比率が少なくなり、相対的にＳｉが多くなることがわかっている。
【0078】
本実施形態では、図７Ａに示すように、貫通孔６を、基材２の表面２ａから裏面２ａにかけて垂直方向に形成できる。ここで、「垂直方向」とは、貫通孔６の側壁面６ａ間の幅寸法の中心点を、基材２の厚み方向に繋いだ中心軸Ｃが、基材２の表面２ａの法線方向Ｎと一致した方向を指す。また、図７Ａでは、側壁面６ａも垂直方向に延出しており、側壁面６ａは中心軸Ｃと平行に形成された垂直面である。「垂直面」とは、基材２の表面２ａ又は裏面２ｂに対して直交する方向に延びる面である。なお、側壁面６ａが垂直面でなく、中心軸Ｃに対して傾く傾斜面であってもよい。後述するレーザ加工装置を用いることで、側壁面６ａの傾き制御を精度よく行うことができる。
【0079】
例えば、図７Ｂも図７Ａと同様に、貫通孔６の中心軸Ｃは、基材２の表面２ａの法線方向Ｎに一致するが、図７Ｂでは、基材２の表面２ａから裏面２ｂに向けて、貫通孔６の孔径が徐々に大きくなるように、側壁面６ａが傾斜する形状に調整できる。あるいは、図７Ｃに示すように、基材２の表面２ａから裏面２ｂに向けて、貫通孔６の孔径が徐々に小さくなるように、側壁面６ａが傾斜する形状に調整できる。又は、図７Ｄに示すように、基材２の表面２ａから裏面２ｂへの途中まで、貫通孔６の孔径が徐々に小さくなり、途中から裏面２ｂに向けて貫通孔６の孔径が徐々に大きくなる形状に調整することができる。いずれの傾斜面も直線状に形成でき、あるいは湾曲した形状とすることも可能である。図７Ｂ～図７Ｄに示すこれらの形状は、いずれも従来手法の機械的加工では実現が難しい形状である。図７Ａ～図７Ｄに示す貫通孔６は、いずれも中心軸Ｃが、基材２の表面２ａの法線方向Ｎと一致している。したがって、中心軸Ｃの法線方向Ｎに対する傾き角度を中心軸傾斜角θ１で表すと、図７Ａ～図７Ｄは、いずれも中心軸傾斜角θ１が０°である。また、中心軸Ｃに対する側壁面６ａの傾き角度をテーパ角θ２で示すと、図７Ａでは、テーパ角θ２は０°であるが、図７Ｂ～図７Ｄのテーパ角θ２は０°より大きい。
以上から、図７Ａの実施形態では、中心軸傾斜角θ１とテーパ角θ２とを足した傾斜角度θは０°であるが、図７Ｂ～図７Ｄでは、中心軸傾斜角θ１とテーパ角θ２とを足した傾斜角度θは０°よりも大きくなる。本実施形態では、貫通孔６のほぼ全域にわたり０．１°以上４０°以下の傾斜角度θに調整できる。また、図７Ｂ～図７Ｄの実施形態においては、テーパ角θ２を０．１°以上２０°以下で調整できる。本実施形態では、後述するレーザ加工装置を用いることで、傾斜角度θを適切に調整できる。
以上から、図７Ａの実施形態では、中心軸傾斜角θ１とテーパ角θ２とを足した傾斜角度θは０°であるが、図７Ｂ～図７Ｄでは、中心軸傾斜角θ１とテーパ角θ２とを足した傾斜角度θは０°よりも大きくなる。本実施形態では、貫通孔６のほぼ全域にわたり０．１°以上４０°以下の傾斜角度θに調整できる。また、図７Ｂ～図７Ｄの実施形態においては、テーパ角θ２を０．１°以上２０°以下で調整できる。本実施形態では、後述するレーザ加工装置を用いることで、傾斜角度θを適切に調整できる。
【0080】
本実施形態によれば、厚さｔが２ｍｍ以上の基材２に対し、高精度に貫通孔６が形成された無機部材１を得ることができる。貫通孔６を高精度に形成できるのは、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気で、レーザを照射することで、孔加工の際のデブリの堆積を抑制でき、加工効率を向上できたためである。更に、基材２の主結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザを照射することで、レーザのエネルギー当たりの除去効率を大きくできる。このように、加工効率と除去効率との相乗効果で、貫通孔６をより高精度に形成できる。
【0081】
本実施形態では、貫通孔６のアスペクト比を、２以上に調整できる。「アスペクト比」は、貫通孔６の高さｈ／孔径ｄで計算できる。本実施形態では、例えば、貫通孔６の開口形状が円であり、孔径ｄは直径である。あるいは、貫通孔６の開口形状が、円以外であってもよく、例えば、楕円形や多角形であってもよい。このとき、孔径ｄは、開口形状の長径或いは長辺の長さである。また、図７Ｂ～図７Ｄに示すように、貫通孔６の孔径が変化する場合、アスペクト比は、高さｈ／孔径ｄの最大値で求められる。本実施形態では、アスペクト比を５以上、或いは１０以上に調整できる。このように本実施形態では、高アスペクト比を実現できる。
【0082】
本実施形態では、貫通孔６の孔径ｄを、２ｍｍ以下で調整できる。好ましくは、貫通孔６の孔径ｄを、１ｍｍ以下で調整できる。また、図７Ｂ～図７Ｄに示すように、貫通孔６の孔径が変化する場合、孔径ｄの最大値を２ｍｍ以下、好ましくは、１ｍｍ以下にできる。
【0083】
図７Ａ～図７Ｄでは、貫通孔６の中心軸Ｃを、基材２の表面２ａの法線方向Ｎと一致させたが、中心軸Ｃを法線方向Ｎに対し傾けることができる。
図８Ａでは、貫通孔７の中心軸Ｃが、基材２の表面２ａの法線方向Ｎから傾いており、中心軸傾斜角θ１は０°より大きくなっている。図８Ａでは、貫通孔７の側壁面７ａは、中心軸Ｃと平行であり、側壁面７ａの中心軸Ｃに対するテーパ角θ２は０°である。また、図８Ｂ及び図８Ｃでは、いずれも中心軸傾斜角θ１を有するとともに、側壁面７ａは中心軸Ｃに対して傾いており、テーパ角θ２を有している。図８Ｂでは、基材２の表面２ａから裏面２ｂに向けて、貫通孔７の孔径が徐々に小さくなっている。また、図８Ｃでは、基材２の表面２ａから裏面２ｂに向けて、貫通孔６の孔径が徐々に大きくなっている。又は、図８Ｄに示すように、基材２の表面２ａから裏面２ｂへの途中まで、貫通孔７の孔径が徐々に小さくなり、途中から裏面２ｂに向けて貫通孔７の孔径が徐々に大きくなる形状に調整することができる。
上記したように、傾斜角度θは、中心軸傾斜角θ１と側壁面７ａのテーパ角θ２との和として表現される。なお、中心軸傾斜角θ１及びテーパ角θ２は、貫通孔６、７の側壁面の場所によって異なっていても良い。本実施形態では、傾斜角度θは、０．１°～４０°の範囲内であり、貫通孔６、７の側壁面の各箇所にて任意の値をとることができる。
図８Ａでは、貫通孔７の中心軸Ｃが、基材２の表面２ａの法線方向Ｎから傾いており、中心軸傾斜角θ１は０°より大きくなっている。図８Ａでは、貫通孔７の側壁面７ａは、中心軸Ｃと平行であり、側壁面７ａの中心軸Ｃに対するテーパ角θ２は０°である。また、図８Ｂ及び図８Ｃでは、いずれも中心軸傾斜角θ１を有するとともに、側壁面７ａは中心軸Ｃに対して傾いており、テーパ角θ２を有している。図８Ｂでは、基材２の表面２ａから裏面２ｂに向けて、貫通孔７の孔径が徐々に小さくなっている。また、図８Ｃでは、基材２の表面２ａから裏面２ｂに向けて、貫通孔６の孔径が徐々に大きくなっている。又は、図８Ｄに示すように、基材２の表面２ａから裏面２ｂへの途中まで、貫通孔７の孔径が徐々に小さくなり、途中から裏面２ｂに向けて貫通孔７の孔径が徐々に大きくなる形状に調整することができる。
上記したように、傾斜角度θは、中心軸傾斜角θ１と側壁面７ａのテーパ角θ２との和として表現される。なお、中心軸傾斜角θ１及びテーパ角θ２は、貫通孔６、７の側壁面の場所によって異なっていても良い。本実施形態では、傾斜角度θは、０．１°～４０°の範囲内であり、貫通孔６、７の側壁面の各箇所にて任意の値をとることができる。
【0084】
従来の加工技術において、傾斜角度θを有する貫通孔を形成することは困難である。例えば、ドリル加工であれば工具にかかる加工負荷が非対称となるため工具破損してしまうという問題がある。また、同じく従来の加工技術である超音波加工であれば工具を挿入する方向を１孔ごとに変える必要がある。このため、基材２に同時に複数の貫通孔を形成することができず、著しく加工速度が低下してしまうという問題がある。
【0085】
本実施形態のように、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気で、レーザを照射して、基材２に貫通孔を形成する方法では、傾斜角度θを有する貫通孔を、速い加工速度にて形成できる。傾斜角度θを有する貫通孔を基材２に形成することにより、例えば、シャワープレートにおいては、チャンバー内のプラズマによる異常放電を抑止でき、プラズマ処理を安定化することができる。特に、図８Ａ～図８Ｄに示すように中心軸傾斜角θ１を有する貫通孔７を基材２に形成することで、より効果的に、プラズマが貫通孔７内に侵入しにくくなり、異常放電の抑制効果を向上できる。
【0086】
また、図９Ａに示すように、基材２に傾斜角度θが異なる複数の貫通孔７を基材２に形成することもできる。図９Ａでは、全ての貫通孔７が基材２の表面２ａから裏面２ｂにかけて傾いているが、基材２の表面２ａから裏面２ｂにかけて垂直方向に延出した貫通孔７を備えていてもよい。また、図９Ｂでは、基材２の表面２ａからのレーザ照射と、裏面２ｂからのレーザ照射を組み合わせることにより、傾斜角度θの異なる複合的な孔構造を形成することもできる。このような複合的な孔構造を有することで、流体力学的な設計を可能にし、例えば、シャワープレートにおいては、貫通孔８ａ～８ｄを通過するガスの流束を制御でき、プラズマ処理の均一性やパーティクル発生を抑止できる。一例であるが、貫通孔８ａ～８ｃは、垂直貫通孔９ａと傾斜貫通孔９ｂとを組み合わせた形態である。貫通孔８ａでは、垂直貫通孔９ａと傾斜貫通孔９ｂとが連続して形成されている。貫通孔８ｂでは、傾斜貫通孔９ｂが垂直貫通孔９ａの途中から枝分かれしている。貫通孔８ｃでは、垂直貫通孔９ａから傾斜貫通孔９ｂが二股に分かれている。一方、貫通孔８ｄは、貫通孔８ａ～８ｃと異なって、基材２の表面２ａから裏面２ｂにかけて垂直方向に延出している。貫通孔８ｄでは、基材２の裏面２ｂから表面２ａにかけての途中まで開口幅が一定の第１の貫通孔９ｃと、第１の貫通孔９ｃと連続して表面２ａまで演出し開口幅が広がる第２の貫通孔９ｄとを組み合わせた形態である。
【0087】
[シャワープレート、及びそれを用いた半導体製造装置の説明]
本実施形態の無機部材の用途を限定するものでないが、例えば、半導体製造装置や航空宇宙輸送機部材などに用いられる超高耐久性の無機物材料に適用できる。本実施形態では、一例として、半導体製造装置に使用されるシャワープレートに適用できる。
本実施形態の無機部材の用途を限定するものでないが、例えば、半導体製造装置や航空宇宙輸送機部材などに用いられる超高耐久性の無機物材料に適用できる。本実施形態では、一例として、半導体製造装置に使用されるシャワープレートに適用できる。
【0088】
図１０は、シャワープレート１０の一例の平面図である。シャワープレート１０は、無機物からなる基材１１と、基材１１に形成された複数の貫通孔１２とを有して構成される。なお、図１１に示すように、基材１１には多数の貫通孔１２が形成されるが、代表的に一つの貫通孔にのみ符号１２を付した。なお、限定されるものではないが、貫通孔１２は数百個、形成される。
【0089】
本実施形態では、基材１１に、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射することで、多数の貫通孔１２を高アスペクト比で形成できる。本実施形態では、貫通孔１２のアスペクト比を２以上にできる。
一例として、シャワープレート１０は、高純度ＳｉＣ基材、或いは、ＳｉＳｉＣ基材の表面に高純度にＳｉＣ膜を成膜した厚さ５ｍｍ～１５ｍｍ程度の基材１１に、孔径が２ｍｍ以下の微細な貫通孔１２が数百個形成された構成である。
一例として、シャワープレート１０は、高純度ＳｉＣ基材、或いは、ＳｉＳｉＣ基材の表面に高純度にＳｉＣ膜を成膜した厚さ５ｍｍ～１５ｍｍ程度の基材１１に、孔径が２ｍｍ以下の微細な貫通孔１２が数百個形成された構成である。
【0090】
図１１は、シャワープレートを有する半導体製造装置の一例の模式図である。図１２の半導体製造装置２０は、チャンバーウォール２１と、シャワープレート１０と、載置台２２と、載置台２２上の静電気チャック２３及びフォーカスリング２４と、を有して構成される。図１２に示すように、シャワープレート１０は、チャンバーウォール２１の上部に組み込まれる。また、載置台２２は、チャンバーウォール２１内に配置される。シャワープレート１０は、上部電極として機能し、載置台２２は、下部電極として機能する。図１２に示すように、静電気チャック２３上にウェハＷが載置される。ウェハＷの外周にフォーカスリング２４が位置している。図１２に示すように、載置台２２には、高周波電源２５が接続されている。
図１２に示すように、上部電極としてのシャワープレート１０とウェハＷとの間で、プラズマＰが生成され、ウェハＷの被処理面をエッチングできる。
図１２に示すように、上部電極としてのシャワープレート１０とウェハＷとの間で、プラズマＰが生成され、ウェハＷの被処理面をエッチングできる。
【0091】
ここで、シャワープレート１０は、交換部材であるが、従来では、特に、長時間の使用により交換サイクルが高頻度化した。そこで、シャワープレート１０のエッチング耐性の向上が求められた。
【0092】
シャワープレート１０に形成される貫通孔１２の開口付近や開口周りに、特開２００５－２３６１２４号公報、特開２００６－２４５２１４号公報、及び、特開２００７－１８０１３６号公報に記載されるように、Ｃ面取り形状、Ｒ面取り形状、段付き形状を付与できる。これにより、プラズマの電位分布の均一化、異常放電の抑止、ガス対流による堆積物形成の抑止、などの効果を発現させることができる。上記した形状は、全ての貫通孔１２の開口付近や開口周りに付与されても、一部の貫通孔１２の開口付近や開口周りにのみ付与されてもよい。
【0093】
本実施形態では、超高耐久性の無機物として、厚さが２ｍｍ以上の高純度ＳｉＣやＳｉＳｉＣの基材１１を用い、この基材１１に多数の貫通孔１２が形成されたシャワープレート１０を得ることができる。これによりシャワープレートのエッチング耐久性を向上させることができ、半導体製造装置２０の長時間使用によっても交換サイクルを従来より低減させることができる。したがって、半導体製造装置２０による生産性の向上を図ることができる。
【0094】
また、シャワープレート１０に形成された貫通孔１２の側壁面はレーザ加工面であり、側壁面は、元素組成比率、結晶状態、重量密度、或いは、電気特性が変化した変質層を備える。これにより、電気特性に起因する高周波電圧印加時のプラズマの制御性を付与することができ、半導体製造装置による生産性の向上を図ることができる。
また、シャワープレート１０に形成された各貫通孔１２が、０．１°以上４０°以下の傾斜角度θを有する構成にできる。一例として、図７Ｂ～図７Ｄ、図８Ａ～図８Ｄ、及び図９Ａ、図９Ｂに示す傾斜形状にできる。このうち、図８Ａ～図８Ｄ、及び図９Ａ、図９Ｂのように、中心軸傾斜角θ１を有する複数の貫通孔１２を備えることが好ましい。これにより、貫通孔１２の内部、又は、貫通孔１２の開口部近辺でのガス流束の制御性を付与でき、半導体製造装置による生産性の向上を図ることができる。
また、シャワープレート１０に形成された各貫通孔１２が、０．１°以上４０°以下の傾斜角度θを有する構成にできる。一例として、図７Ｂ～図７Ｄ、図８Ａ～図８Ｄ、及び図９Ａ、図９Ｂに示す傾斜形状にできる。このうち、図８Ａ～図８Ｄ、及び図９Ａ、図９Ｂのように、中心軸傾斜角θ１を有する複数の貫通孔１２を備えることが好ましい。これにより、貫通孔１２の内部、又は、貫通孔１２の開口部近辺でのガス流束の制御性を付与でき、半導体製造装置による生産性の向上を図ることができる。
【0095】
[レーザ加工装置]
図１２は、レーザ加工装置の一例の模式図である。図１３に示すように、レーザ加工装置４０は、基材２を格納可能なチャンバー４１と、基材２にレーザを照射するレーザ照射部４２と、ガス制御部４３と、を有して構成される。
図１２は、レーザ加工装置の一例の模式図である。図１３に示すように、レーザ加工装置４０は、基材２を格納可能なチャンバー４１と、基材２にレーザを照射するレーザ照射部４２と、ガス制御部４３と、を有して構成される。
【0096】
図１３に示すように、基材２は、チャンバー４１内でステージ４４上に載置される。ステージ４４は、軸Ｃを中心として回転可能であり、また軸Ｃを垂直方向に対し、斜めに傾けることができる。ここでの「垂直方向」は、レーザＬの照射方向に一致しており、したがって、軸Ｃを斜めに傾けることで、軸ＣをレーザＬの照射方向から傾けることができる。
【0097】
図１２に示すように、レーザ照射部４２は、レーザ光源４６と対物レンズ４７と入射窓４８を有して構成される。レーザ光源４６にて、波長及びパルス幅が適宜選択されたレーザＬを対物レンズ４７及び入射窓４８を介して基材２に照射できる。本実施形態では、レーザＬは、基材２の主結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するように、波長及びパルス幅が適宜選択されることが好ましい。これにより、レーザのエネルギー当たりの除去効率を大きくできる。
【0098】
ガス制御部４３は、チャンバー４１内の加工雰囲気を、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気に制御する。ガス制御部４３は、ガス供給部５０とガス排出部５１とを有する。例えば、一例として、ガス排出部５１により、チャンバー４１内を減圧し、ガス供給部５０から大気中よりも高い濃度の窒素をチャンバー４１内に供給し、酸素分圧を相対的に下げる。これにより、チャンバー４１内を低酸素雰囲気に制御できる。あるいは、ガス供給部５０から、ＣＦ４ガス等のフッ化物ガスや、フッ化物ガスとＡｒガス等の混合ガスからなるドライエッチングガスをチャンバー４１内に導入する。このとき、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種も併せて導入する。或いは、ドライエッチングガス雰囲気に、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含む場合は、少量のＯ２、及びＣＯ２を含めなくてもよい。これにより、チャンバー４１内を、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、或いは、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気に制御できる。
【0099】
本実施形態では、図１２に示すレーザ加工装置４０を用いて、基材２にレーザを照射し孔加工を施すことで、デブリの発生を抑制でき加工効率を向上させることができる。更には、レーザのエネルギー当たりの除去効率を大きくできる。これにより、基材２に高精密且つ高スループットにて貫通孔を形成できる。
【0100】
ステージ４４の軸ＣをレーザＬの照射方向に一致させた状態で、基材２にレーザ照射を行うと、図１３に示すように、レーザ加工面１２ａは傾斜した側壁面となる。また、図中のステージ４４の直下のゴニオステージを用いて、図１３に示すようにステージ４４の軸Ｃを垂直方向から斜めに傾ける。軸の傾斜角度を制御することで、図１４に示すレーザ加工面１２ａのテーパ角θ２を調整できる。
【0101】
例えば、図８Ａ～図８Ｄに示すように、貫通孔の中心軸Ｃが傾くように、中心軸傾斜角θ１を調整するには、図１５Ａ、図１５Ｂに示すように、ゴニオステージ５３、５４を複数用意する。第１のゴニオステージ５３の表面５３ａは、水平面方向に対して傾斜角θ１で傾いている。また、第１のゴニオステージ５３上に回転ステージ４４を介して重ねられた第２のゴニオステージ５４の表面５４ａは、第１のゴニオステージ５３の表面５３ａに対して傾斜角θ２で傾いている。このため、第２のゴニオステージ５４の表面５４ａに設置された基材２に対して、図１３に示すレーザ加工装置４０によりレーザ照射を行うと、基材２には、基材２の表面２ａから裏面２ｂにかけて傾斜する貫通孔７を形成できる。貫通孔７は、中心軸傾斜角θ１とテーパ角θ２を有している。なお、図１５Ｂは、図１５Ａの回転ステージ４４を１８０°回転させたときの模式図を示している。
【0102】
なお、図１４Ａでは、中心軸傾斜角θ１とテーパ角θ２を、第１のゴニオステージ５３の表面５３ａの傾斜角θ１と、第２のゴニオステージ５４の表面５４ａの傾斜角θ２とが等しくなるよう配置しているが、対物レンズのＮＡや照射パルスエネルギーなどのレーザ加工条件に応じて、適宜、角度調整が可能である。また、ビームローテータ光学系や多軸ガルバノミラー光学系においても、光学系とワークとの相対角度の調整など、適宜、当業者の取りうる技術思想を利用することで、中心軸傾斜角θ１、テーパ角θ２、及び傾斜角度θを制御できる。
【0103】
図１６Ａにビームローテータ光学系の例を示す。図１６Ａに示すように、集光レンズ６０と、回転ステージに取付られた複数のウェッジプリズム６１、６２が、ミラー６３により屈折して基材２に照射される光路中に設置される。図１６Ａに示すように、各ウェッジプリズム６１、６２を回転させることで、レーザ照射の入射角度と、集光照射位置を高速に制御することができる。これにより、貫通孔６の傾斜角度θを制御することができる。
また、図１６Ｂに示すように、ビームローテータ光学系のうちミラー６３から基材２の間の光路中の集光レンズ６０、及び、各ウェッジプリズム６１、６２を傾斜させることで、基材２に傾斜する貫通孔７を精度よく形成できる。
また、図１６Ｂに示すように、ビームローテータ光学系のうちミラー６３から基材２の間の光路中の集光レンズ６０、及び、各ウェッジプリズム６１、６２を傾斜させることで、基材２に傾斜する貫通孔７を精度よく形成できる。
【0104】
図１６Ａ及び図１６Ｂにおいては、ミラー６３、集光レンズ６０及び複数のウェッジプリズム６１、６２からなる単純な光学系の構成を例示したが、縮小結像系やガルバノスキャニングなどといった他の構成についても、本実施形態の構成及び本実施形態により得られる効果を逸脱しない範囲で適用することができる。
【0105】
以上のように、本実施形態のレーザ加工装置４０では、貫通孔の傾斜角度θの調整が可能であり、このとき、レーザ加工面１２ａは、上記した変質層となる。
【0106】
［止まり穴の形成］
上記では、いずれも基材に貫通孔を形成した実施形態について説明したが、貫通孔に代えて、或いは貫通孔とともに、基材に止まり穴を形成できる。
上記では、いずれも基材に貫通孔を形成した実施形態について説明したが、貫通孔に代えて、或いは貫通孔とともに、基材に止まり穴を形成できる。
【0107】
止まり穴は、１ｍｍの深さを有する。或いは、止まり穴は、２ｍｍ以上の深さを有することが好ましい。更に、止まり穴を、５ｍｍ以上の深さ或いは８ｍｍ以上の深さとすることが可能である。また、基材の厚さに対する止まり穴の深さの比率を特に限定するものではなく、５０％以上の深さとすることができるし、或いは、５０％以下の深さであってもよい。
本実施形態では、止まり穴を、貫通孔の形成に準じて形成でき、上記の無機部材の製造方法、或いは無機部材、又はシャワープレートに適用できる。したがって、止まり穴の形態は、貫通していない点を除いて貫通孔を備えた形態と共通している。
本実施形態では、止まり穴を、貫通孔の形成に準じて形成でき、上記の無機部材の製造方法、或いは無機部材、又はシャワープレートに適用できる。したがって、止まり穴の形態は、貫通していない点を除いて貫通孔を備えた形態と共通している。
【0108】
本実施形態では、無機部材の製造方法において、基材に、深さが１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上の深い止まり穴をレーザ加工にて形成する際、デブリの発生を抑制でき、加工効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、デブリの堆積が抑制され、止まり穴が高精度に形成された無機部材を提供でき、更に、複数の止まり穴が高精度に形成されたシャワープレート及びそれを用いた半導体製造装置を提供できる。
また、本実施形態では、デブリの堆積が抑制され、止まり穴が高精度に形成された無機部材を提供でき、更に、複数の止まり穴が高精度に形成されたシャワープレート及びそれを用いた半導体製造装置を提供できる。
【0109】
本実施形態は、上記の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。更に、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
【0110】
下記に、上記の実施形態における特徴点を整理する。
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法は、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴を形成することを特徴とする。この構成によれば、レーザ照射の際、デブリの発生を抑制できる。これにより、加工効率よく、基材に貫通孔、或いは止まり穴を形成できる。
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法は、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材に、低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２、ＣＯ２の少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気にて、レーザを照射し、貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴を形成することを特徴とする。この構成によれば、レーザ照射の際、デブリの発生を抑制できる。これにより、加工効率よく、基材に貫通孔、或いは止まり穴を形成できる。
【0111】
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法において、前記レーザは、前記基材の主結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有することが好ましい。これにより、レーザのエネルギー当たりの除去効率を大きくできる。
【0112】
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法において、前記レーザの波長は、４００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、レーザの光子エネルギーを、基材の主結晶のバンドギャップよりも適切に大きくできる。このとき、主結晶はＳｉＣであることが好ましい。
【0113】
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法において、前記レーザは、多光子吸収が生じるパルス幅を有することが好ましい。このとき、前記パルス幅は、５０ｎｓｅｃ以下であることが好ましい。これにより、レーザのエネルギー当たりの除去効率を大きくできる。
【0114】
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法において、前記ドライエッチングガス雰囲気は、フッ化物ガスを含むことが好ましい。具体的には、前記フッ化物ガスは、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ６、Ｃ４Ｆ６、Ｃ５Ｆ８、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ１０、ＨＦ、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣＦ３Ｃｌ、ＣＦ２Ｃｌ２及びＦ２の少なくともいずれか１種を含むことが好ましい。或いは、前記ドライエッチングガス雰囲気は、ＣＣｌ４及びＣｌ２の少なくともいずれか１種を含んでもよい。これにより、デブリの発生を効果的に抑制できる。
【0115】
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法において、前記無機物は、無機化合物を含むことができる。
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法において、前記無機化合物は、炭化物、窒化物、及び酸化物の少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。具体的には、前記炭化物は、シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、タンタルカーバイド、及びタングステンカーバイドの少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。また、前記窒化物は、シリコンナイトライド、及びボロンナイトライドの少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。また、前記酸化物は、アルミナ、チタニア、石英、マグネシア、及びクロミアの少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。これら無機化合物は、高硬度で耐久性が高く、半導体製造装置や航空宇宙輸送機部材等、様々な分野で応用できる。
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法において、前記無機化合物は、炭化物、窒化物、及び酸化物の少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。具体的には、前記炭化物は、シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、タンタルカーバイド、及びタングステンカーバイドの少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。また、前記窒化物は、シリコンナイトライド、及びボロンナイトライドの少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。また、前記酸化物は、アルミナ、チタニア、石英、マグネシア、及びクロミアの少なくともいずれか１種を主成分として含むことが好ましい。これら無機化合物は、高硬度で耐久性が高く、半導体製造装置や航空宇宙輸送機部材等、様々な分野で応用できる。
【0116】
上記実施形態に記載の無機部材の製造方法において、前記レーザーの平均加工ピッチを０．１μｍ以上とすることが好ましい。これにより、貫通孔や止まり穴の形成に要する時間の短縮を図ることができる。
【0117】
本実施形態の無機部材は、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材と、前記基材に形成された貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の側壁面に変質層を有することを特徴とする。本実施形態では、基材に高精度な貫通孔、或いは止まり穴が形成された無機部材を提供できる。
【0118】
上記実施形態に記載の無機部材において、前記変質層は、厚みが１０μｍ以下であり、かつ、元素組成比率、結晶状態、重量密度、或いは、電気特性が前記基材と異なる構成にできる。また、上記実施形態に記載の無機部材において、前記貫通孔、或いは前記止まり穴のアスペクト比は、２以上であることが好ましい。このように、本実施形態では、高アスペクト比の貫通孔、或いは止まり穴を得ることができる。
上記本実施形態に記載の無機部材において、前記基材には、前記貫通孔が形成されることが好ましい。
上記本実施形態に記載の無機部材において、前記基材には、前記貫通孔が形成されることが好ましい。
【0119】
本実施形態のシャワープレートは、上記記載の無機部材に、複数の前記貫通孔、或いは前記止まり穴が形成されてなることを特徴とする。本実施形態では、前記貫通孔、或いは前記止まり穴が０．１°以上４０°以下の傾斜角度を有する形態とすることができる。
或いは、本実施形態のシャワープレートは、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材と、前記基材に形成された複数の貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の中心軸は、前記基材の表面上の法線方向から中心軸傾斜角θ１にて傾いており、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の側壁面は、前記中心軸に対してテーパ角θ２にて傾いていることを特徴とする。本実施形態では、前記中心軸傾斜角θ１と前記テーパ角θ２とを足した傾斜角度θが、０．１°以上４０°以下であることが好ましい。
或いは、本実施形態のシャワープレートは、厚さが２ｍｍ以上の無機物からなる基材と、前記基材に形成された複数の貫通孔、或いは１ｍｍ以上の深さを有する止まり穴と、を有し、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の中心軸は、前記基材の表面上の法線方向から中心軸傾斜角θ１にて傾いており、前記貫通孔、或いは前記止まり穴の側壁面は、前記中心軸に対してテーパ角θ２にて傾いていることを特徴とする。本実施形態では、前記中心軸傾斜角θ１と前記テーパ角θ２とを足した傾斜角度θが、０．１°以上４０°以下であることが好ましい。
【0120】
また、本実施形態の半導体製造装置は、上記記載の前記シャワープレートを具備することを特徴とする。本実施形態では、高精度に複数の貫通孔、或いは止まり穴が形成されたシャワープレートを提供できる。なお、シャワープレートは、１例である。例えば、図９に示すフォーカスリング２４や、航空機エンジンパーツのコールドセクションやホットセクションを構成するパーツを製造できる。
【0121】
本実施形態のレーザ加工装置は、基材を格納可能なチャンバーと、前記基材にレーザを照射するレーザ照射部と、前記チャンバー内の加工雰囲気を、低酸素雰囲気、或いは、ドライエッチングガス雰囲気、又は、ＮＦ３、Ｆ２及びＨＦの少なくともいずれか１種を含むドライエッチングガス雰囲気に制御するガス制御部と、を具備することを特徴とする。これにより、デブリの発生を抑制できる無機部材の製造方法を実現可能なレーザ加工装置を提供できる。
【実施例0122】
以下、本発明の実施例及び比較例により本発明の効果を説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【0123】
［加工雰囲気に関する実験］
実験では、厚さが２ｍｍ或いは５ｍｍのＳｉＣからなる基材に、レーザを照射して孔加工を施した。このとき、レーザを照射する際の加工雰囲気を調整し、更には、レーザの波長及びパルス幅を適宜調整して、複数のサンプルを得た。そして、各サンプルの孔径やアスペクト比を測定した。
その実験結果が、以下の表２に示されている。
実験では、厚さが２ｍｍ或いは５ｍｍのＳｉＣからなる基材に、レーザを照射して孔加工を施した。このとき、レーザを照射する際の加工雰囲気を調整し、更には、レーザの波長及びパルス幅を適宜調整して、複数のサンプルを得た。そして、各サンプルの孔径やアスペクト比を測定した。
その実験結果が、以下の表２に示されている。
【0124】
【表2】
【0125】
表２に示す例３～例７は、実施例であり、例８～例９は、比較例である。表２に示すように、例３～例６では、加工雰囲気として、Ｎ２の主成分に対し、酸素分圧を大気中よりも低減させた低酸素雰囲気、或いは、少量のＯ２を含むエッチングガス雰囲気とした。また、例７では、ＮＦ３を含むドライエッチングガス雰囲気とした。なお、例７では、Ｏ２を含んでいない。また、レーザ条件として、波長が３５５ｎｍのＵＶレーザ、或いは、１０２６ｎｍのＩＲレーザを使用し、パルス幅を、５０ｎｓｅｃ以下にした。
これに対し、例８～例９では、加工雰囲気を大気中とし、したがって、酸素分圧は２０６００Ｐａであった。
これに対し、例８～例９では、加工雰囲気を大気中とし、したがって、酸素分圧は２０６００Ｐａであった。
【0126】
表２に示すように、例８～例９では、デブリの堆積量が多く、貫通孔を形成することができなかった。これに対し、例３～例７では、貫通孔を精度よく形成できた。例３～例７では、貫通孔の孔径を、２ｍｍ以下にでき、アスペクト比を、２以上にできた。
【0127】
[単結晶Ｓｉの実験]
実験では、基材として厚さが０．５２５ｍｍの単結晶Ｓｉを用い、この単結晶Ｓｉを１０層重ねた。そして、酸素濃度を５００ｐｐｍ程度とし、ビームローテータ光学系のビーム回転速度を２０００ｒｐｍ、又は５０００ｒｐｍ、平均加工ピッチを１．０～２．６μｍとして、ＳＦ６ガス雰囲気下で、多層の単結晶Ｓｉに貫通孔を形成した。
実験では、基材として厚さが０．５２５ｍｍの単結晶Ｓｉを用い、この単結晶Ｓｉを１０層重ねた。そして、酸素濃度を５００ｐｐｍ程度とし、ビームローテータ光学系のビーム回転速度を２０００ｒｐｍ、又は５０００ｒｐｍ、平均加工ピッチを１．０～２．６μｍとして、ＳＦ６ガス雰囲気下で、多層の単結晶Ｓｉに貫通孔を形成した。
【0128】
単結晶Ｓｉの夫々の層に対する孔加工の状態を確認したところ、図１７に示すように、各層に精度よく貫通孔を形成できた。ＳＦ６ガス雰囲気下で、孔加工を行うことで、大気雰囲気下やＮ２ガス雰囲気下での孔加工に比べて、深い孔加工を実現できた。実験では、厚さ０．５２５ｍｍの単結晶Ｓｉを１０層積層して貫通孔を形成したところ各層に貫通孔を形成できたため、厚さ５ｍｍ以上の単結晶Ｓｉに対して貫通孔を形成できることがわかった。また、孔内部のデブリの付着を少量に抑えることができ、基材にＳｉＣを用いた場合と同様の傾向が得られた。
以上から基材として単結晶Ｓｉを用いた場合でも、Ｆ系ガスを用いて孔加工を行うことで、デブリの発生を抑制しつつ貫通孔を形成できるとわかった。
以上から基材として単結晶Ｓｉを用いた場合でも、Ｆ系ガスを用いて孔加工を行うことで、デブリの発生を抑制しつつ貫通孔を形成できるとわかった。
【0129】
[平均加工ピッチの実験]
実験では、厚さが５ｍｍのＳｉＣからなる基材に、レーザを照射して孔加工を施した。このとき、酸素濃度を２００ｐｐｍ程度とし、ビームローテータ光学系のビーム回転速度及び平均加工ピッチを変化させ、加工後にレーザ顕微鏡で孔深さを測定した。実験ではレーザとしてＵＶナノ秒レーザを用いた。その実験結果が以下の表３及び図１８に示されている。
実験では、厚さが５ｍｍのＳｉＣからなる基材に、レーザを照射して孔加工を施した。このとき、酸素濃度を２００ｐｐｍ程度とし、ビームローテータ光学系のビーム回転速度及び平均加工ピッチを変化させ、加工後にレーザ顕微鏡で孔深さを測定した。実験ではレーザとしてＵＶナノ秒レーザを用いた。その実験結果が以下の表３及び図１８に示されている。
【0130】
【表3】
【0131】
表３及び図１８に示すように、平均加工ピッチが小さくなると単位加工時間当たりの孔深さは小さくなることがわかった。このため、貫通孔の形成に要する時間を短縮するには平均加工ピッチを適度に大きくすることが好ましいとわかった。そこで、実験結果に基づいて、平均加工ピッチは０．１μｍ以上が好ましく、０．２μｍ以上がより好ましく、０．４μｍ以上が更に好ましく、０．５μｍ以上が更により好ましいと規定した。また、平均加工ピッチの上限は、ビーム径に依存し、貫通孔の形成を妨げない範囲であれば限定するものではないが、１００μｍ～２００μｍを上限とすることができる。
【0132】
［レーザ加工と機械による切削加工の表面粗さに関する実験］
次に、ＳｉＣからなる基材に、レーザ加工により貫通孔を形成し、図１９Ａに示すように、貫通孔を二分するように、機械による切削加工により基材を切断した。実験で使用した基材の厚さは１０ｍｍであり、酸素濃度を２００ｐｐｍ程度とし、レーザとしてＵＶナノ秒レーザを用いた。貫通孔の孔径は１ｍｍであった。
次に、ＳｉＣからなる基材に、レーザ加工により貫通孔を形成し、図１９Ａに示すように、貫通孔を二分するように、機械による切削加工により基材を切断した。実験で使用した基材の厚さは１０ｍｍであり、酸素濃度を２００ｐｐｍ程度とし、レーザとしてＵＶナノ秒レーザを用いた。貫通孔の孔径は１ｍｍであった。
【0133】
測定機器としてＤｅｋｔａｋを用い、図１９Ａの模式図に示す矢印Ａ方向から見た切削面及び貫通孔の側壁面の表面粗さを測定した。
図１９Ｂは、図１９Ａに示す矢印Ａ方向から見た切削面及び貫通孔の側壁面の写真であり、（ｉ）～（ｉｉｉ）の位置は、レーザ加工による貫通孔の側壁面、及び（ｉｖ）の位置は、機械による切削面を示す。そして、（ｉ）～（ｉｖ）の各位置の表面粗さを測定した。その実験結果を表４に示す。
図１９Ｂは、図１９Ａに示す矢印Ａ方向から見た切削面及び貫通孔の側壁面の写真であり、（ｉ）～（ｉｉｉ）の位置は、レーザ加工による貫通孔の側壁面、及び（ｉｖ）の位置は、機械による切削面を示す。そして、（ｉ）～（ｉｖ）の各位置の表面粗さを測定した。その実験結果を表４に示す。
【0134】
【表4】
【0135】
表４に示すように、レーザ加工による貫通孔の側壁面の表面粗さは、機械による切削面の表面粗さより小さくなり、具体的には半分以下の表面粗さにできた。具体的には、貫通孔の側壁面の表面粗さは、１５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下であった。更には、貫通孔の側壁面の表面粗さを、２００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下に調整できるとわかった。以上から、機械加工に比べてレーザ加工による貫通孔の形成によりパーティクルの発生を抑制できると考えられる。
【0136】
［止まり穴の形成に関する実験］
実験では、ＳｉＣからなる基材に、レーザ加工により止まり穴を形成した。ＮＦ３を含むドライエッチングガス雰囲気（０．２ａｔｍ）とし、レーザとしてＵＶナノ秒レーザを用いた。
実験では、ＳｉＣからなる基材に、レーザ加工により止まり穴を形成した。ＮＦ３を含むドライエッチングガス雰囲気（０．２ａｔｍ）とし、レーザとしてＵＶナノ秒レーザを用いた。
【0137】
【符号の説明】
【0138】
１ 無機部材
２、１１ 基材
３ 反応物
４ デブリ
６、７、８ａ～８ｄ、１２ 貫通孔
６ａ、７ａ 側壁面
１０ シャワープレート
１２ 貫通孔
１２ａ レーザ加工面
２０ 半導体製造装置
２１ チャンバーウォール
２２ 載置台
２３ 静電気チャック
２４ フォーカスリング
２５ 高周波電源
４０ レーザ加工装置
４１ チャンバー
４２ レーザ照射部
４３ ガス制御部
４４ ステージ
４６ レーザ光源
４７ 対物レンズ
４８ 入射窓
５０ ガス供給部
５１ ガス排出部
５３、５４ ゴニオステージ
６０ 集光レンズ
６１、６２ ウェッジプリズム
Ｃ 軸
Ｌ、Ｌ１ レーザ
Ｐ プラズマ
Ｗ ウェハ
θ 傾斜角度
θ１ 中心軸傾斜角
θ２ 傾斜角
２、１１ 基材
３ 反応物
４ デブリ
６、７、８ａ～８ｄ、１２ 貫通孔
６ａ、７ａ 側壁面
１０ シャワープレート
１２ 貫通孔
１２ａ レーザ加工面
２０ 半導体製造装置
２１ チャンバーウォール
２２ 載置台
２３ 静電気チャック
２４ フォーカスリング
２５ 高周波電源
４０ レーザ加工装置
４１ チャンバー
４２ レーザ照射部
４３ ガス制御部
４４ ステージ
４６ レーザ光源
４７ 対物レンズ
４８ 入射窓
５０ ガス供給部
５１ ガス排出部
５３、５４ ゴニオステージ
６０ 集光レンズ
６１、６２ ウェッジプリズム
Ｃ 軸
Ｌ、Ｌ１ レーザ
Ｐ プラズマ
Ｗ ウェハ
θ 傾斜角度
θ１ 中心軸傾斜角
θ２ 傾斜角
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
