伊藤 佑介（东京大学 研究生院工学系研究科 副教授）
|半导体玻璃基板的高速精密加工
东京大学研究生院工学系研究科伊藤佑介副教授等人组成的研究团队，针对玻璃等难加工透明材料，开发出了一种可实现既往技术100万倍超高速且高精度加工的激光技术。
研究证实，通过精密调控激光光束，可使材料物性在皮秒（1皮秒为1万亿分之一秒）级别的极短时间内发生改变，并仅对所需部位进行瞬时加工。由此，新一代半导体所需的玻璃基板贯穿孔加工实现了实用级别的速度与精度（图1）。同时，该技术较传统方法可大幅降低激光强度，因此也有助于削减功耗、降低半导体制造设备的价格。
图1 通过本技术加工的半导体玻璃基板
可对玻璃基板进行高速、精密加工。
|新一代半导体需要的玻璃基板加工
从树脂基板转向玻璃基板
智能手机、汽车等电子设备中，半导体封装基板不可或缺。以往，树脂基板长期得到广泛应用，但近年来，为适配更高性能的封装与高速通信，玻璃基板的应用在不断推进。
玻璃基板具备高电绝缘性，可抑制信号串扰与漏电流，因此能降低相邻电路间的干扰。此外，由于其表面可加工至极平整，还有易于高精度形成微细布线的优点。另外，玻璃基板随温度变化导致的尺寸变化较小，是适用于结构精密的半导体器件的材料。
玻璃基板难以进行激光加工
然而玻璃基板也有缺点，因为玻璃基板存在质地虽硬却脆，抗冲击、耐压能力弱，加工过程中易出现碎裂、崩边，条件调试难度大的课题。其中尤为突出的难题，是基板贯穿型微细通孔（贯穿孔）的加工。
一般的封装基板需高密度形成深度1毫米以上、直径100微米以下的贯穿孔。此前业界曾长期尝试采用蚀刻技术加工，但存在工序繁多、环境负荷大的问题。激光加工因此受到关注，但传统激光加工技术单孔耗时超十秒，若开数万个孔则耗时极长，不适用于量产。因此，要实现玻璃基板实用化，开发高速、高精度的加工技术必不可少。
|通过调控激光光束的空间波形与时间波形实现超高速加工
研究团队开发出了同时调控激光“空间波形”与“时间波形”的新型加工方法，成功在20微秒（1微秒为100万分之一秒）内形成了深度1毫米、直径3微米的贯穿孔（图2），该速度是传统方法的100万倍。
图2 本技术形成的玻璃基板贯穿孔
本技术20微秒实现了传统方法需数十秒才能完成的加工。
空间波形调控——贝塞尔光束
激光的空间波形采用了被称作贝塞尔光束的特殊形状。所谓空间波形，是指激光光束横向剖切后观察到的亮度分布，反映了光束是中心亮度强，还是周边均匀发光的扩散形态。贝塞尔光束与常规激光光束不同，中心具有细而强的光束，行进也不易扩散，同时具有即便遇到障碍物也能保持光束形状的性质。研究团队利用这些特征，将激光光束的能量整形成细长柱状，实现了玻璃基板从表面到背面的直线加工。
时间波形调控——两种激光光束
所谓时间波形，是指激光光束随时间如何发生变化。本研究采用了由皮秒这一极短时长的强光与微秒级弱光组合而成的时间波形。通过这两种光的照射，玻璃基板内会暂时生成自由电子，使原本透明的玻璃进入可吸收激光的状态。被吸收的光能以动能形式累积，引发温度骤升与蒸发，进而形成孔洞（图3）。
图3 激光照射示意图
功耗大幅削减
本方法与传统飞秒（1飞秒为1000万亿分之一秒）激光加工相比，以显著较低的光束强度实现了同等及以上的加工性能。飞秒激光是将高能量集中在极短时间内的激光，存在设备昂贵、功耗较高的问题。本次成果的意义在于，并非通过提高激光功率，而是通过改进激光光束本身实现了超高速加工。同时，本技术加工时几乎不会出现裂纹、形状畸变等损伤，可实现满足先进半导体制造需求的加工。
|有望成为透明材料加工的基础技术
本技术不仅适用于玻璃，还可应用于蓝宝石、碳化硅、金刚石等其他透明材料的加工。因此，不仅限于半导体产业，还有望应用于更广阔的领域。此外，将材料性质“瞬时改变后进行加工”的思路，有望为整个制造业带来新的技术革命。
原文：JST事业成果 纳米技术/材料领域
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science Advances
论文：Ultra-high-speed laser drilling of transparent materials via transient electronic excitation
DOI：10.1126/sciadv.adv4436
