特開 2024-76224 加工方法

(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】P2024076224

(43)【公開日】2024-06-05

(54)【発明の名称】加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/36 20140101AFI20240529BHJP

【ＦＩ】

B23K26/36

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022187697

(22)【出願日】2022-11-24

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業センター・オブ・イノベーション（ＣＯＩ）プログラムＣＯＩ拠点「コヒーレントフォトン技術によるイノベーション拠点」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受けるもの 令和３年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業「先端レーザーイノベーション拠点「次世代アト秒レーザー光源と先端計測技術の開発」部門」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受けるもの

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】山内 薫

(72)【発明者】

【氏名】本山 央人

(72)【発明者】

【氏名】安齋 哲央

(72)【発明者】

【氏名】三村 秀和

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 純史

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD03

4E168DA02

4E168DA04

4E168DA06

4E168DA27

4E168DA43

4E168DA47

4E168EA11

4E168FD01

4E168JA12

4E168JA13

4E168JA14

(57)【要約】

【課題】ワークを微細加工することが可能な方法を提供する。
【解決手段】加工対象のワークＷを準備し（Ｓ１００）、前処理としてその表面に金属薄膜１０を形成する（Ｓ１１０）。続いて、金属薄膜１０が形成されたワークＷに、金属薄膜１０側からパルスレーザー光２０を照射し（Ｓ１２０）、ワークＷを加工する（Ｓ１３０）。そして後処理として、金属薄膜１０を除去する（Ｓ１４０）。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークの加工方法であって、
前記ワークの表面に金属薄膜を形成するステップと、
前記金属薄膜に対してレーザー光を照射し、前記ワークを加工するステップと、
前記金属薄膜を除去するステップと、
を備えることを特徴とする加工方法。

【請求項2】

前記ワークは半導体材料であることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。

【請求項3】

前記ワークはＳｉを含むことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。

【請求項4】

前記金属薄膜の材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、それらの少なくともひとつを含む合金、からなる群から選択されるひとつを含むことを特徴とする請求項２に記載の加工方法。

【請求項5】

前記金属薄膜は、前記レーザー光に対して、１０ｎｍより短い侵入長を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の加工方法。

【請求項6】

前記金属薄膜は、２００Ｗ／ｍ・Ｋより大きい熱伝導率を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の加工方法。

【請求項7】

前記金属薄膜の厚さは、５～５００ｎｍであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の加工方法。

【請求項8】

前記レーザー光は、ＥＵＶ（Extreme Ultraviolet）光であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の加工方法。

【請求項9】

前記レーザー光は、パルスレーザーの高次高調波であることを特徴とする請求項８に記載の加工方法。

【請求項10】

前記レーザー光の前記金属薄膜における集光スポット径は、１μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の加工方法。

【請求項11】

前記レーザー光は、Ｗｏｌｔｅｒミラーを用いて集光されることを特徴とする請求項１０に記載の加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザー加工技術に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体材料、特にシリコン表面への微細加工技術の需要が高まっている。従来、レーザー加工用光源として用いられている近赤外光は波長が１μｍ前後であり、回折限界による制限から、実用的な加工分解能は数マイクロメートルが限界であった。これに対して、極端紫外光の波長は30ｎｍ以下であり、その短波長性のために、約１μｍから１μｍ以下の集光が可能であり、サブミクロン分解能レーザー加工に適した光源である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、シリコンのような難加工材料をサブミクロン分解能で加工するためには、Ｘ線自由電子レーザーのような高輝度光源が必要であったが、このような光源は、大型施設などでのみ利用可能であった。

【0004】

本開示は、このような状況においてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、ワークを微細加工することが可能な方法の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示のある態様は、ワークの加工方法に関する。加工方法は、ワークの表面に金属薄膜を形成するステップと、金属薄膜に対してレーザー光を照射し、ワークを加工するステップと、金属薄膜を除去するステップと、を備える。

【0006】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

【発明の効果】

【0007】

本開示のある態様によれば、ワークを微細加工できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態に係る加工方法を説明する図である。

【図2】図１の加工方法を説明するフローチャートである。

【図3】レーザー加工装置を示す図である。

【図4】レーザー照射後のサンプル１の断面図である。

【図5】レーザー照射後のサンプル２の断面図である。

【図6】サンプル１～サンプル８の加工特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（実施形態の概要）
本開示のある態様は、ワークの加工方法に関する。加工方法は、ワークの表面に金属薄膜を形成するステップと、金属薄膜に対してレーザー光を照射し、ワークを加工するステップと、金属薄膜を除去するステップと、を備える。

【0010】

このレーザー光は、ワークに直接照射しても、ワークを加工することができないが、ワーク上に形成された金属薄膜に照射することで、ワークを加工することができる。

【0011】

一実施形態において、ワークはＳｉを含んでもよい。

【0012】

一実施形態において、金属薄膜の材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、それらの少なくともひとつを含む合金、からなる群から選択されるひとつを含んでもよい。これらの材料を用いることにより、Ｓｉのワークを、５０ｎｍ以上の深さで加工することが可能となる。

【0013】

一実施形態において、金属薄膜は、レーザー光に対して、１０ｎｍより短い侵入長を有してもよい。短い侵入長により、金属薄膜の薄い領域においてレーザー光が吸収され、効率的に金属薄膜の温度を上昇させることができ、これにより、ワークを効率的に加工できていると考えられる。

【0014】

一実施形態において、金属薄膜は、２００Ｗ／ｍ・Ｋより大きい熱伝導率を有してもよい。大きな熱伝導率は、金属薄膜で生じた熱が効率的にワークに伝導することを意味し、したがって熱伝導率が大きいほど、加工が容易となると考えられる。

【0015】

一実施形態において、金属薄膜の厚さは、５～５００ｎｍであってもよい。

【0016】

一実施形態において、レーザー光は、ＥＵＶ（Extreme Ultraviolet）光であってもよい。これにより、サブミクロンの集光が可能となり、サブミクロンの微細加工が可能となる。

【0017】

一実施形態において、レーザー光は、パルスレーザーの高次高調波であってもよい。

【0018】

一実施形態において、レーザー光の金属薄膜における集光スポット径は、１μｍ以下であってもよい。

【0019】

一実施形態において、レーザー光は、Ｗｏｌｔｅｒミラーを用いて集光されてもよい。

【0020】

（実施形態）
以下、本発明を好適な実施形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0021】

図１は、実施形態に係る加工方法を説明する図である。

【0022】

はじめに、加工対象のワークＷを準備し、洗浄する（Ｓ１００）。ワークＷは、Ｓｉなどの半導体基板が例示されるが、その限りでなく、Ｇｅなどのその他のIV族半導体であってよい。あるいは、ワークＷは、ＧａＡｓやＧａＮなどのIII－V族化合物半導体であってもよいし、ＳｉＧｅやＳｉＣなどの化合物半導体であってもよい。あるいは、ワークＷは、ガラスなどの絶縁材料であってもよい。

【0023】

前処理として、ワークＷの加工対象となる表面に、金属薄膜１０を形成する（Ｓ１１０）。金属薄膜１０の形成には蒸着を用いることができる。金属薄膜１０は、５～５００ｎｍ程度の単一または複数の層で形成することができる。なお金属薄膜１０は、メッキによって形成してもよい。

【0024】

続く処理Ｓ１２０において、金属薄膜１０上にパルスレーザー光２０を集光する。パルスレーザー光２０の照射は、ワークＷと集光位置の相対的な位置関係を固定して行ってもよく、この場合、ワークＷに穴を掘ることができる。あるいはワークＷと集光位置の相対的な位置関係を変化させながらレーザーを照射してもよく、その場合、ワークＷ上にパターンを描画することができる。

【0025】

パルスレーザー光２０の波長は、加工寸法に応じて定めることができる。たとえばサブミクロン（１μｍ以下）の穴あけ加工を行う場合、波長は１００ｎｍ以下を選ぶことができる。パルスレーザー光２０のフルエンスは、ワークＷの加工しきい値より低くてよい。

【0026】

レーザー照射の結果、金属薄膜１０およびワークＷに、開口３０が形成される（Ｓ１３０）。

【0027】

続く後処理において、金属薄膜１０が除去される（Ｓ１４０）。これにより開口３０が形成されたワークＷを得ることができる。

【0028】

以上が加工方法である。

【0029】

図２は、図１の加工方法を説明するフローチャートである。フローチャートの各ステップＳ１００～１４０は、図１のそれらに対応している。

【0030】

続いて、上述の加工方法に利用可能なレーザー加工装置１００を説明する。

【0031】

図３は、レーザー加工装置を示す図である。レーザー加工装置１００は、レーザー光源１１０、集光レンズ１２０、希ガス１３０、シャッター１４０、金属薄膜フィルタ１５０、集光ミラー１６０を備える。レーザー光源１１０は、近赤外レーザーパルス発振装置であり、フェムト秒のパルス幅を有する近赤外パルス光２００を生成する。レーザー光源１１０としてはチタンサファイアレーザーなどを用いることができる。

【0032】

集光レンズ１２０は、近赤外パルス光２００を、希ガス１３０に集光する。希ガス１３０は高次高調波を発生する非線形媒質であり、本実施例ではＡｒを用いた。希ガス１３０としては、Ａｒのほか、Ｈｅ，Ｎｅ，ＫｒやＸｅを用いることができる。

【0033】

金属薄膜フィルタ１５０は、希ガス１３０において発生した高次高調波のうち、加工に使用するＥＵＶパルス光２０２を透過させ、近赤外領域の基本波およびその他の高調波を除去する。

【0034】

集光ミラー１６０は、ＥＵＶパルス光２０２を、金属薄膜が形成されたワークＷに集光する。集光ミラー１６０としては、Ｗｏｌｔｅｒミラーを用いることができ、これによりＥＵＶパルス光２０２は、ワークＷ上において、１μｍ以下のスポットに集光される。

【0035】

ワークＷに入射するＥＵＶパルス光２０２のパルス数は、シャッター１４０の開閉により制御することができる。なお、シャッター１４０の位置は、図３のそれに限定されず、別の場所に設けてもよい。

【0036】

以上がレーザー加工装置１００の構成である。

【0037】

続いて、図３のレーザー加工装置１００を用いて、いくつかのサンプルを加工した結果について説明する。

【0038】

実験では、ワークＷとして、サブミクロンオーダの微細加工の需要が高いＳｉを採用した。またＳｉ基板の上に形成する金属薄膜１０の材料としては、以下のものを用いた。
サンプル１ Ａｕ
サンプル２ Ａｇ
サンプル３ Ｐｄ
サンプル４ Ｐｔ
サンプル５ Ｃｕ
サンプル６ Ｎｉ
サンプル７ Ｃｒ
サンプル８ 金属薄膜無し

【0039】

ワークに照射されるＥＵＶパルス光の波長は、２０～５０ｎｍであり、ショット数は１０００である。

【0040】

図４は、レーザー照射後のサンプル１の断面図である。断面図の測定には、原子間力顕微鏡を用いた。サンプル１は、Ｓｉの上に、金属薄膜１０として、厚さ１００ｎｍのＡｇを形成したものである。深さ方向ｙの－０．１μｍが、ＡｇとＳｉの界面である。ＳｉのワークＷの加工深さは、４００ｎｍ（ｙ＝－０．５μｍ）にまで到達しており、また加工跡の直径は、深さ１００ｎｍの点で、０．５μｍ以下であり、サブミクロンの微細加工が実現できていることが示されている。

【0041】

図５は、レーザー照射後のサンプル２の断面図である。サンプル２は、Ｓｉの上に、金属薄膜１０として、厚さ１００ｎｍのＡｕを形成したものである。深さ方向ｙの－０．１μｍが、ＡｕとＳｉの界面である。ＳｉのワークＷの加工深さは、－１００ｎｍ（ｙ＝－０．２μｍ）にまで到達しており、また加工跡の直径は、深さ－１００ｎｍの点で、０．５μｍ程度であり、サブミクロンの微細加工が実現できていることが示されている。

【0042】

図４および図５のいずれの場合においても、金属薄膜層の厚み１００ｎｍ以上の深さの加工深さが計測されており、半導体試料層（ワークＷ）まで加工が進行していることが示されている。なお、表面に前処理として金属層を形成させていない半導体試料の場合は極端紫外光パルスを照射しても、加工は進行しない。

【0043】

サンプルに照射されるＥＵＶパルス光２０２のフルエンスは、１３０ｍＪ／ｃｍ^２程度と見積もられる。一方、Ｓｉの加工しきい値は、２７０ｍＪ／ｃｍ^２程度であるとされる。したがって、ＥＵＶパルス光２０２のフルエンスは、加工しきい値の半分、もしくはそれ以下であるにも関わらず、Ｓｉのワークが加工できている点に留意すべきである。

【0044】

図６は、サンプル１～サンプル８の加工特性を示す図である。Ａｇ，Ａｕ，Ｐｄについて、Ｓｉ部分まで加工が進行したことが確認された。Ａｇ，Ａｕについては、図４，図５について示した通りであり、それぞれ、Ｓｉ部の４００ｎｍ、１００ｎｍの深さまで加工が進行した。またＰｄについても、Ｓｉ部の深さ５０ｎｍまで加工が進んでおり、Ａｇ，Ａｕに比べて加工深さは浅いが、Ｓｉを加工できていることが確認できた。なお、Ａｇ，Ａｕでは、穴の底部が尖っているのに対して、Ｐｄでは、底部がフラットとなっていた。

【0045】

一方、Ｐｔ，Ｃｕ，Ｎｉ，ＣｒおよびＳｉ（金属薄膜なし）のサンプルについては、いずれもＳｉ部への加工の進行は認められなかった。

【0046】

図６には、各材料の、エネルギー４２ｅＶのＥＵＶ光の光侵入長を示している。Ａｕ，Ａｇに対する光子エネルギー４２ｅＶのＥＵＶ光の光侵入長はそれぞれ７ｎｍ、８ｎｍであり、他の材料よりも短い。このことから、投入したパルスエネルギーは、金属薄膜１０の入射面近傍で吸収され、局所的な温度上昇が起こりやすく、このことがＳｉへの加工を可能としていると考えられる。反対に、Ｐｔ，Ｃｕ，Ｎｉ，ＣｒおよびＳｉは、光侵入長が１０ｎｍと長いため、金属薄膜１０の温度を局所的に上昇させるには至らず、これが、Ｓｉ部へ加工が進行していない理由と考えられる。

【0047】

また図６には、各材料の熱伝導率が示される。Ｓｉ部の加工が認められたＡｕ，Ａｇ，Ｐｄの熱伝導率を比較すると、それぞれ３１８，４２９，７２（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。Ａｕ，Ａｇの方が、Ｐｄよりも加工深さが深いという結果から推察すると、シリコンの加工しきい値以下のフルエンスでのＳｉ部の加工を行うためには、短い光侵入長と高い熱伝導率を有する材料が望ましいと考えられる。これは、熱伝導率が高い材料の方が、金属薄膜で発生した熱を効率的にシリコン部に伝えることができ、Ｓｉの温度を上昇させることができるためであると考えられる。

【0048】

以上の実験結果から以下の知見が得られる。
（１）金属薄膜１０の材料は、光侵入長が１０ｎｍ以下のものであることが好ましい。短い光侵入長は、金属薄膜１０を局所的に加熱することに寄与しているものと考えられる。

【0049】

（２）金属薄膜１０の熱伝導率は、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。これによりレーザー照射により発生した局所的な熱が、加工対象であるＳｉ部に高効率で伝導することとなり、Ｓｉの加工をアシストしていると考えられる。

【0050】

本実施形態によれば、Ｘ線自由電子レーザーのような大型施設における高輝度光源を使用しなくても、テーブルトップ装置から得られる極端紫外光パルスを用いてサブミクロン分解能での半導体材料の微細加工が可能となる。

【0051】

また、テーブルトップ型の極端紫外レーザー光源による加工が可能となったことによって、微細加工コストの大幅な低下を実現し、微細加工による機能性を持つ素子開発が安価に実現することができる。

【0052】

また、加工に必要な前処理も簡便であることから、半導体材料の微細加工プロセスとして実装することへのハードルが低いといえる。世界のレーザー加工市場は年率１０％前後で急成長しており、表面微細加工による機能性表面の創成や、半導体実装に不可欠なシリコン貫通ビアの微細化など、様々な応用技術開発への展開が考えられ、本発明の適用範囲は広い。

【0053】

実施形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0054】

Ｗ ワーク
１０ 金属薄膜
２０ パルスレーザー光
３０ 開口
１００ レーザー加工装置
１１０ レーザー光源
１２０ 集光レンズ
１３０ 希ガス
１４０ シャッター
１５０ 金属薄膜フィルタ
１６０ 集光ミラー
２００ 近赤外パルス光
２０２ ＥＵＶパルス光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】