6月10日，日本理化学研究所官网宣布，联合研究小组开发了一种以世界最快速度在玻璃中形成超高纵横比和高质量微通孔的技术。这项研究作为特邀讲座在国际激光精密微加工研讨会“LPM 2026”上发表。
在该研究中，联合研究小组成功地在厚度为1.1mm的玻璃基板上，在不到1纳秒的时间内，形成直径为1.1μm、纵横比为1000的通孔，速度比传统方法快2万倍以上。该技术是通过使用GHz脉冲串模式超短脉冲激光器实现的，该激光器被整形为贝塞尔光束。
利用GHz突发模式超短贝塞尔脉冲蚀刻技术形成玻璃通孔并控制孔径
近年来，随着半导体性能提升的极限逐渐显现，芯片集成技术和3D封装技术因其能够高密度集成多个芯片而迅速受到关注。这些技术的主要特点在于，通过优化不同功能的半导体芯片组合，可以同时实现高性能、低功耗和更高的开发效率。
在这些先进封装技术中，中介层扮演着核心角色。中介层是连接多个芯片并实现高密度、高速传输的基板，其信号传输特性、热特性和尺寸稳定性对整个系统的性能有着显著影响。因此，亟需开发能够实现更高性能并替代传统硅材料和有机材料的新材料。
在此背景下，玻璃被认为是下一代中介层的一种极具前景的材料。玻璃具有优异的高频特性（由于其低介电损耗[7]）、极高的平整度以及尺寸稳定性（由于其低热膨胀系数），使其成为大规模、高密度封装的理想材料。然而，要使玻璃中介层得到实际应用，必须具备能够高精度、高速度地形成精细、高纵横比玻璃通孔（TGV）的加工技术。
目前，玻璃钻孔主要采用激光加工和机械加工等方法。然而，现有方法的加工速度仅限于每秒几百个孔，且存在裂纹和碎裂、加工质量不稳定以及成本高等问题。特别是对于下一代封装所需的高密度细孔加工，传统技术难以兼顾生产效率和质量，因此迫切需要开发新的加工技术。
该联合研究小组使用GHz级脉冲串模式超短脉冲激光器进行玻璃钻孔，该激光器由波长为1030nm、脉冲间隔为205皮秒的脉冲序列组成。此外，他们使用锥形轴锥透镜将激光束整形为贝塞尔光束。通过一次性照射由5个脉冲组成的脉冲串（图1(a)），他们成功地在1.1毫米厚的硼硅酸盐玻璃上形成了一个直径为1.1微米、纵横比为1000的通孔，且该通孔形状无锥度（图1(b)）。在形成的通孔周围未观察到裂纹等损伤，表明加工质量很高。脉冲串的宽度（对应于激光照射时间）小于 1 纳秒，从而能够以世界最快的速度形成通孔。
图 1. 使用 GHz 突发模式超短贝塞尔脉冲形成超快玻璃通孔
a) GHz 脉冲串的波形。脉冲串内各脉冲序列之间的间隔为 205 皮秒，脉冲串的宽度小于 1 纳秒。纵轴上的任意单位为 arb.。此处已用最大强度进行归一化。(b) 由单次 GHz 脉冲串模式超短贝塞尔脉冲形成的玻璃通孔阵列的光学显微镜图像。通过高速扫描玻璃基板，在 50 μm 的间隔处形成大量孔。右图是通孔局部放大图。当浸入乙醇中时，可以看到乙醇渗入孔内，形成通孔。
在高密度封装微型半导体芯片时，中介层孔径的控制至关重要。最新的TGV技术要求对孔径进行高精度控制，范围从几微米到几百微米。通过使用氢氧化钠溶液蚀刻（腐蚀）带有通孔的玻璃基板，氢氧化钠溶液具有溶解玻璃的特性，可以将孔径从1.1 μm增大（图2(a)）。由于孔径随蚀刻时间线性增加，因此可以通过调整蚀刻时间来形成所需直径的通孔（图2(b)）。此外，玻璃基板正面、背面和中心的孔径相同，即使蚀刻后也能形成形状规整的通孔。
图 2. 通过使用氢氧化钠溶液蚀刻来控制孔径
(a) 玻璃通孔形成后，经氢氧化钠溶液蚀刻，通孔阵列横截面的光学显微镜图像。右侧图像为蚀刻后通孔部分的放大图。(b) 孔径随蚀刻时间的变化曲线。横轴表示蚀刻参数，例如时间和浓度。纵轴表示所形成通孔的孔径。
为了评估所形成通孔的质量，将用氢氧化钠溶液腐蚀的样品沿通孔切割，并使用激光显微镜进行观察（图3）。通孔壁的平均表面粗糙度为0.072 μm，证实其表面非常平整。
图 3. 成形通孔的质量评价
（a）二维激光显微镜图像。（b）三维激光显微镜图像。（c）孔壁表面轮廓随深度的变化。横轴表示从孔底任意一点沿（a）中箭头所示方向的距离。纵轴表示孔的深度。
在下一代半导体封装的大规模生产中，高速形成TGV（玻璃基板通孔）至关重要，需要每秒加工数千个孔甚至更多。为了高速加工大量孔，必须高速扫描激光束。如果形成一个孔所需的激光照射时间为1微秒（1微秒为百万分之一秒），那么以每秒1米的速度扫描激光束（或移动玻璃基板）会导致激光照射位置在激光照射完成前移动1微米，从而无法形成直径为几微米或更小的精细孔。另一方面，联合研究小组开发的方法可以在小于1纳秒的激光照射时间内形成通孔，因此即使以每秒1米的速度扫描激光束，激光照射位置在此期间的移动距离也小于1纳米，完全不会影响加工。通过移动玻璃基板相对于激光束的位置，已经实现了每秒3000个孔的加工速度（图4）。此外，通过使用高性能加工平台，预计加工速度可超过每秒10000个孔。
图 4. 高速形成多个通孔
以每秒3000个孔的加工速度形成的二维玻璃通孔阵列的光学显微镜图像。①间距20μm，635000个孔。② 间距100μm，25000个孔。③ 间距500μm，1000个孔。
新开发的GHz突发模式超短脉冲加工技术能够在玻璃中超高速形成超高深宽比、高质量的微通孔。此外，结合氢氧化钠蚀刻工艺，可以自由控制孔径。该技术不仅适用于硼硅酸盐玻璃，还可应用于其他类型的玻璃，例如石英玻璃和铝硅酸盐玻璃。这项加工技术有望革新玻璃中介层制造工艺，并为下一代半导体器件的制造做出重大贡献。
此外，这项加工技术预计不仅可应用于先进半导体器件的制造，还可应用于电子设备、医疗和生物芯片以及工业部件。
