PRESS RELEASE
2025 年 6 月 12 日
东京大学
科学技术振兴机构( JST )
使激光加工比以往高速化 100 万倍 在半导体领域的玻璃微细加工上进行创新——发表要点
开发了能够将玻璃等难以加工的材料以比以往高 100 万倍的速度、且超精密地加工的方法。
我们发现，通过在皮秒( 10 的负 12 次方秒)这样的极短时间内改变材料的物性，加工效率将会戏剧性地提高。
在新一代半导体中，确立对玻璃基板的微细加工技术已是当务之急。 通过本技术，可以期待半导体产业的飞跃性进展。
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与以往相比 100 万倍速的超高速加工法
概要
由东京大学研究生院工学系研究科的伊藤佑介讲师等人和 AGC 株式会社组成的研究小组，从开发了可以比将来快 100 万倍且超精密地加工玻璃等透明材料的手法。 在新一代的半导体中，需要对玻璃基板的微细加工技术。 但是，加工速度的明显降低和精密加工的难度成为了玻璃基板实用化的一大障碍。 本研究表明，通过照射控制了时间空间分布的光，只有皮秒( 10 的负 12 次方秒)这样的极短时间才能戏剧性地改变物性，实现超高速且超精密的加工。 此外，该加工与以往飞秒激光(注 1 )相比由于可以通过低 4 位数的输出激光实现，因此也可以期待加工装置的低价格化和能耗的大幅削减。
本研究在为半导体产业的飞跃性进展做出贡献的同时，通过提出使材料特性瞬间变化的新概念，有望给制造行业带来范式的转变。
发表内容
自 2023 年美国英特尔公司宣布将在新一代半导体中利用玻璃基板以来，在全世界，对玻璃的微细加工技术的开发竞争正在加速。 但是，玻璃由于其硬度和脆性，明显难以加工。 近年来，利用通过化学药品等形成目标形状的蚀刻的加工方法备受期待，但伴随工序多的加工时间和环境负荷成为问题。 因此，作为不使用蚀刻的加工技术，激光加工备受关注。 但是，在以往方法中，为了形成 1 个半导体用途所要求的微细孔形状(深度 1 mm 以上、直径100 µm 以下的贯通孔)，需要几十秒。 在实际应用中，要求每秒形成 1000 个以上的微细孔，因此希望开发作为突破的创新技术。
此次，由东京大学的伊藤佑介讲师、张艳明特任助教等和 AGC 株式会社组成的研究小组，通过控制激光的时间波形和空间波形，成功地将加工速度提高了 100 万倍(图 1 )。 在该研究之前，本集团于 2018年开发了在玻璃内部暂时生成自由电子，仅选择性地高速加工使光吸收性增大的区域的“过渡选择性激光加工法( TSL 加工法= Transient and Selective Laser 加工法)”
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图 1 :根据建议方法在 1 mm 厚的玻璃基板上形成的通孔。
在传统的激光加工法中，一个孔的加工需要几十秒。 另一方面，在本研究开发的技术中，以数 10 微秒( 100 万倍速)实现加工。
在这次的研究中，除了时间波形的控制之外，还开发了控制空间波形的“贝塞尔 TSL 加工法”，成功地在速度、形状、精密性方面实现了戏剧性的改善。 本方法通过将激光的空间波形整形为贝塞尔光束(注 2 )，将光强度分布控制为高长宽比(这里表示孔的深度与直径的比率)的线状。 关于时间波形，通过将皮秒级的尖锐激光脉冲和低强度的微秒级的激光脉冲叠加，生成了从玻璃基板的表面贯通背面的高长宽比的自由电子区域，实现了只有该区域的选择性超高速加热蒸发。 由此，以加工时间 20 µs (比以往快 100 万倍速)，实现了深 1 mm、直径 3 m 的超高长宽比的开孔加工(图1、图 2 )。 孔的直径应由单个参数控制，即微秒激光照射时间中添加必要的图元。 此外，还成功实现了没有以往激光加工中出现问题的加工时的裂纹(龟裂)和孔形状扭曲的极其精密的加工。
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图 2 :在玻璃基板上超高速加工大量贯通孔(孔间隔 100 µm )。
本方法可以适用于以蓝宝石、碳化硅、金刚石为首的各种材料，因此不仅是半导体产业，还可以期待波及到宇宙领域、医用工程、物理工程等广泛的领域。 此外，本方法与以往方法相比，以低 4 位数的光强度实现超高速加工。 因此，预计装置的低价格化和能源消费量的大幅削减也将实现。 到目前为止，虽然尝试了通过激光光源的高输出化实现加工的高速化，但是通过与该潮流相反的方式实现超高速化，在科学上也可以说是有价值的发现。 另外，使材料特性瞬间变化的概念有可能应用于制造业的各种工序，因此有望给制造行业带来范式的转变。
〇相关信息:
新闻发布会①“以比以往快 5000 倍的速度实现玻璃的激光加工~期待电子设备的高性能化、低成本化~”( 2018/8/6 )
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/foe/press/setnws_201808071041048082732185.html
发表者、研究者等信息
东京大学研究生院工学系研究科
张艳明特任助教
小池匠博士生导师
吉崎丽的助教
任国旗特任研究员
桐明飒汰硕士班
长谷川亮太硕士课程
长藤 圭介 教授
杉田 直彦 教授
伊藤 佑介 讲师
AGC 株式会社(注 3 )
柴田章广研究员长
泽郁夫研究员
论文信息
杂志名称: Science Advances
标题:超高速激光钻孔 of transparent materials via transient electronic excitation
作者名称: Yanming Zhang，Takumi Koike，Reina Yoshizaki，Guoqi Ren，Akihiro Shibata，Sota
Kiriake，Ryota Hasegawa、Ikuo Nagasawa、Keisuke Nagato、Naohiko Sugita、yusuke ITO * doi:10.1126/sci adv.adv 4436
URL:https:/ /www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4436
研究资助
东京大学关于本研究，发表了 JST《战略性创造研究推进事业先驱(课题编号: JPMJPR22Q1)》、JSPS 科研费“基础研究 b (课题编号: 21H01224 )”、“挑战性研究萌芽(课题编号: 21K18667 )”、得到了“特别研究员奖励费(课题编号: 22F22360 )”、天田财团“奖励研究资助(课题编号: AF2023236- C2 )”的支持。
用语解说
(注 1 )飞秒激光:
仅在飞秒级(飞秒: fs=10-15 sec )的极短时间内发射光的激光器。 由于其极短时间内充满了光能，瞬间的光强度极高，即使透明材料也能吸收光，因此在玻璃材料的微细加工用途中备受瞩目。
(注 2 )斜梁:
与普通激光束(高斯光束)不同，是具有自我修复性的特殊激光束的一种。
(注 3 ) AGC 株式会社于 2015 年在东京大学研究生院工学系研究科内开设了社会联合讲座，以创造玻璃尖端技术为目的实施共同研究。
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