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引言
本文研究了激光通量对光纤的氢氧化钾+过氧化氢蚀刻剂中单晶硅无碎片凹槽的影响。在固定扫描条件下，凹槽的深度随着通量的增加而增大，但当通量为2.9J/cm2及以上时，由于激光诱导冲击波引起的光纤振动，直槽加工困难。试图通过多次和慢扫描增强累积激光通量，使沟槽更深，将单脉冲通量限制在1.4或2.2J/cm2，以避免光纤振动。通过比较相同单脉冲通量下形成的沟槽深度，发现其深度随累积通量呈线性增加的趋势。另一方面，累积通量和单脉冲通量不同的凹槽深度相似，表明其深度与单脉冲通量呈非线性关系。
我们探讨了通过将加工物设置在电动XY工作台上来展开槽加工的方法。 虽然可以进行无碎屑槽加工，但是槽深度不够，在能够实现深槽的例子中，槽底有严重的裂纹等，无法找出能够得到良好槽的加工条件6）。因此，在本研究中，以不产生裂纹等而得到深槽为目的，通过改变激光输出，调查了注量对加工速度等的影响。另外，由于在前面的报告中，槽是通过单脉冲加工的单纯重叠而形成的，因此通过改变工件的扫描速度和扫描次数来增减累积的激光注量，调查了槽的深度相对于累积注量是否呈线形增减。
实验
由于激光可以得到高峰输出，可以使用光纤，因此使用了Nd:YAG激光。波长为1064nm的该光源，脉冲宽度为6ns，重复频率为10Hz，脉冲比较短，重复频率较低。
考虑到光纤可以传输高强度的光和可加工性，使用了芯径200μm，包层径220μm的阶跃指数多模型石英光纤。用#4000的砂纸对该光纤的端面垂直于光纤轴进行研磨，使通过聚光透镜的激光稍微散焦入射进行耦合。加工物的厚度为0.5。将mm的N型（100）硅片切割成7mm角左右，不进行清洗等处理，在购买的状态下使用。另外，将镜面作为表面进行加工。作为腐蚀液，使用了在硅的湿法过程中可以期待稳定除去的碱性腐蚀液，除去率比较高的KOH水溶液。但是，在KOH水溶液中，无论有无激光照射，硅都会被腐蚀，因此，通过进一步添加H2O2，在硅表面经常生成氧化膜，只在激光照射部进行选择性的除去。各自的浓度KOH为30mass%，H2O2为0.4 mass%，液温为室温。
实验装置的模式图：如图1所示。在纤维的出射侧，为了使端面垂直向下，用纤维保持器固定。硅表面和纤维端面的间隔为0.7 mm.另外，将腐蚀液放入离硅表面高2mm的位置，使纤维插入到1.3 mm的腐蚀液中。其理由是为了不受加工时产生的冲击引起的腐蚀液摇晃的影响，进行稳定的加工。将硅用螺丝固定在亚克力制容器的底面上。然后，将容器全部放置在XY自动工作台上，使其垂直移动，进行槽加工。固定扫描速度为10μm/s，扫描次数为1次，激光输出分别为10mW，20mW，30mW，40mW，50mW，激光输出分别为20mW，30mW，扫描速度为5μm/s，扫描次数进行了2次实验。作为评价方法，在断面形状测定中使用了激光显微镜，在沟的表面形状的观察中使用了SEM。
图2在激光功率为20mW（a、b）、30mW（c、d）、40mW（e、f）、50mW（g、h）下处理的凹槽的SEM图像（左侧）和轮廓（右侧）。改变激光输出时的SEM像及代表性截面形状如图2所示。 30mW的单脉冲的能量密度分别为1.4， 2.2 J/cm2， 射束中心通过部分的累积能量密度为1.4×103。 计算为2.2×103 J/cm2.由于能量密度为1.5倍，沟深加深了一倍以上。另一方面，激光输出功率为40， 从50mW时的SEM像来看，不能进行直线状的槽加工，这可以认为是实验中观察到的纤维的摇晃的原因。作为摇晃的原因，可以认为是随着能量密度的增加，加工带来的冲击变大了。再从断面形状来看，是40， 50mW的情况下，能量密度分别为2.9， 虽然增加到3.6 J/cm2，但与20mW的情况相比，沟深没有出现大的变化。其次，在不产生光纤摇晃的范围内的激光输出功率20， 在30mW下，将扫描速度设为5μm/s，将扫描次数设为2次，尝试增加累积的能量密度。
图3
图3在激光功率为20mW（a、b）、30mW（c、d）（扫描速度：5μm/s、2次扫描）时处理的凹槽的SEM图像（左侧）和轮廓（右侧）结果的SEM像以及代表性的截面形状如图3所示，与SEM像相比，通过使扫描速度变小，使扫描次数变多，可以得到清晰且深的沟。另外，与各自相同输出的前结果相比，由于累积能量密度变为4倍，沟深度也大致增加了4倍左右。另一方面，将20mW的结果与30mW下进行1次扫描的结果相比，累积的能量密度大2.7倍，但两者的沟深度相同。
结果和讨论
在固定扫描条件下，凹槽的深度随着通量的增加而增大，但当通量为2.9J/cm2及以上时，由于激光诱导冲击波引起的光纤振动，直槽加工困难。试图通过多次和慢扫描增强累积激光通量，使沟槽更深，将单脉冲通量限制在1.4或2.2J/cm2，以避免光纤振动。通过比较相同单脉冲通量下形成的沟槽深度，发现其深度随累积通量呈线性增加的趋势。另一方面，累积通量和单脉冲通量不同的凹槽深度相似，表明其深度与单脉冲通量呈非线性关系。
总结
使用光纤将脉冲Nd:YAG激光照射到设置在蚀刻液中的硅晶圆上，进行沟加工。通过改变单脉冲以及累积的能量量，得到了以下的见解。（1）单脉冲的能量量过大的话，由于光纤的动摇，不能进行直线状的沟加工。（2）沟深度对于单脉冲的能量量是非线性增减的，对于单脉冲的能量量相同的情况，对于累积的能量量有线性增加的倾向。（3）为了得到深沟，在一定程度上减小单脉冲的能量量，减小扫描速度，增加扫描次数是有效的。