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2017年1月18日

理化学研究所

高アスペクト比シリコン貫通穴の作製技術

-フェムト秒ベッセルビームの最適化に成功-

位相板により最適化したフェムト秒ベッセルビームを用いて作製したTSVの画像

図 位相板により最適化したフェムト秒ベッセルビームを用いて作製したTSVの画像

特定の複雑な機能を果たすために、多数の素子を一つにまとめた電子部品を集積回路(IC)といい、素子の集積度が1,000個~10万個程度のものを大規模集積回路(LSI)と呼んでいます。今後の電子機器の小型化・高密度集積化を達成するために、3次元シリコンLSI実装技術の開発が急務の課題となっています。3次元シリコンLSIは、シリコンLSIチップを複数枚重ねて、一つのパッケージにしたものです。上下のチップ同士は、シリコン基板内を垂直に貫通する「シリコン貫通穴(TSV)」に金属を充填したシリコン貫通電極により配線を行います。

現在、TSV作製には、反応性イオンエッチングの一種であるボッシュ法が一般的に用いられています。しかし、ボッシュ法ではエッチング速度が遅い、レジスト(保護膜)を用いたリソグラフィ過程が必要になるといった問題があります。また、TSVの深さと幅の比(深さ/幅)をアスペクト比といい、3次元シリコンLSI技術では高いアスペクト比が求められます。つまり、径が小さくて深い穴が必要というわけですが、加工は難しくなります。

そこで、理研を中心とした国際共同研究チームは、レジストを用いずに高品質な微細加工ができるフェムト秒レーザー加工に着目しました。ここで、1フェムト秒は1,000兆分の1秒で、フェムト秒レーザーはパルス幅が数十~数百フェムト秒の極短パルスレーザーのことです。国際共同研究チームは、①高アスペクト比加工のために、フェムト秒レーザーを微小な集光スポットが長い距離を伝搬するベッセルビームという回折しない光に整形・加工し、②加工穴周辺に損傷を生じさせないようレーザー光の空間強度分布を最適化するために、二段階構造の位相板とアキシコンレンズを組み合わせしました。その結果、厚さ0.1mmのシリコン基板へ、穴径~7μm(1μmは1,000分の1mm)、アスペクト比~15の高品質・高アスペクト比のTSV作製に成功しました(図参照)。

本研究で開発したフェムト秒ベッセルビームはTSV作製だけでなく、さまざまな基板の深穴加工や切断加工に応用することができます。また、加工分野だけでなく、細胞レベルでタンパク質などの分布・動態を捉えるバイオイメージングや、非接触で微小生物体を捕捉・操作するレーザートラッピングによる多重粒子捕捉など、広い分野への応用も期待できます。

理化学研究所
光量子工学研究領域 エクストリームフォトニクス研究グループ 理研-SIOM連携研究ユニット
ユニットリーダー 杉岡 幸次 (すぎおか こうじ)