伊藤 佑介（東京大學 研究生院工學系研究科 副教授）
|半導體玻璃基板的高速精密加工
東京大學研究生院工學系研究科伊藤佑介副教授等人組成的研究團隊，針對玻璃等難加工透明材料，開發出了一種可實現既往技術100萬倍超高速且高精度加工的雷射技術。
研究證實，通過精密調控雷射光束，可使材料物性在皮秒（1皮秒為1萬億分之一秒）級別的極短時間內發生改變，並僅對所需部位進行瞬時加工。由此，新一代半導體所需的玻璃基板貫穿孔加工實現了實用級別的速度與精度（圖1）。同時，該技術較傳統方法可大幅降低雷射強度，因此也有助於削減功耗、降低半導體製造設備的價格。
圖1 通過本技術加工的半導體玻璃基板
可對玻璃基板進行高速、精密加工。
|新一代半導體需要的玻璃基板加工
從樹脂基板轉向玻璃基板
智慧型手機、汽車等電子設備中，半導體封裝基板不可或缺。以往，樹脂基板長期得到廣泛應用，但近年來，為適配更高性能的封裝與高速通信，玻璃基板的應用在不斷推進。
玻璃基板具備高電絕緣性，可抑制信號串擾與漏電流，因此能降低相鄰電路間的干擾。此外，由於其表面可加工至極平整，還有易於高精度形成微細布線的優點。另外，玻璃基板隨溫度變化導致的尺寸變化較小，是適用於結構精密的半導體元件的材料。
玻璃基板難以進行雷射加工
然而玻璃基板也有缺點，因為玻璃基板存在質地雖硬卻脆，抗衝擊、耐壓能力弱，加工過程中易出現碎裂、崩邊，條件調試難度大的課題。其中尤為突出的難題，是基板貫穿型微細通孔（貫穿孔）的加工。
一般的封裝基板需高密度形成深度1毫米以上、直徑100微米以下的貫穿孔。此前業界曾長期嘗試採用蝕刻技術加工，但存在工序繁多、環境負荷大的問題。雷射加工因此受到關注，但傳統雷射加工技術單孔耗時超十秒，若開數萬個孔則耗時極長，不適用於量產。因此，要實現玻璃基板實用化，開發高速、高精度的加工技術必不可少。
|通過調控雷射光束的空間波形與時間波形實現超高速加工
研究團隊開發出了同時調控雷射「空間波形」與「時間波形」的新型加工方法，成功在20微秒（1微秒為100萬分之一秒）內形成了深度1毫米、直徑3微米的貫穿孔（圖2），該速度是傳統方法的100萬倍。
圖2 本技術形成的玻璃基板貫穿孔
本技術20微秒實現了傳統方法需數十秒才能完成的加工。
空間波形調控——貝塞爾光束
雷射的空間波形採用了被稱作貝塞爾光束的特殊形狀。所謂空間波形，是指雷射光束橫向剖切後觀察到的輝度分佈，反映了光束是中心輝度強，還是周邊均勻發光的擴散形態。貝塞爾光束與常規雷射光束不同，中心具有細而強的光束，行進也不易擴散，同時具有即便遇到障礙物也能保持光束形狀的性質。研究團隊利用這些特徵，將雷射光束的能量整形成細長柱狀，實現了玻璃基板從表面到背面的直線加工。
時間波形調控——兩種雷射光束
所謂時間波形，是指雷射光束隨時間如何發生變化。本研究採用了由皮秒這一極短時長的強光與微秒級弱光組合而成的時間波形。通過這兩種光的照射，玻璃基板內會暫時生成自由電子，使原本透明的玻璃進入可吸收雷射的狀態。被吸收的光能以動能形式累積，引發溫度驟升與蒸發，進而形成孔洞（圖3）。
圖3 雷射照射示意圖
功耗大幅削減
本方法與傳統飛秒（1飛秒為1000萬億分之一秒）雷射加工相比，以顯著較低的光束強度實現了同等及以上的加工性能。飛秒雷射是將高能量集中在極短時間內的雷射，存在設備昂貴、功耗較高的問題。本次成果的意義在於，並非通過提高雷射功率，而是通過改進雷射光束本身實現了超高速加工。同時，本技術加工時幾乎不會出現裂紋、形狀畸變等損傷，可實現滿足先進半導體製造需求的加工。
|有望成為透明材料加工的基礎技術
本技術不僅適用於玻璃，還可應用於藍寶石、碳化矽、金剛石等其他透明材料的加工。因此，不僅限於半導體產業，還有望應用於更廣闊的領域。此外，將材料性質「瞬時改變後進行加工」的思路，有望為整個製造業帶來新的技術革命。
原文：JST事業成果 奈米技術/材料領域
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science Advances
論文：Ultra-high-speed laser drilling of transparent materials via transient electronic excitation
DOI：10.1126/sciadv.adv4436
