CN102318451A - 用于激光加工相对窄和相对宽的结构的方法和设备 - Google Patents

Abstract

描述了一种使用公共光学系统然后用不同的激光工艺在聚合物基底上形成尺寸不同的结构的方法。一种工艺使用聚焦在基底表面并用于通过半连续直写型光束运动形成精细凹槽结构的激光束。第二工艺使用第二激光束，该第二激光束用于在基底表面形成较大尺寸的像，并用于以步进和钻孔模式在基底中形成盲焊盘和接触孔。第三可选的光学工艺使用工作在直写模式中的第二激光束移除在较大的连续区域内或以栅格型图案上方的基底的层。

Description

用于激光加工相对窄和相对宽的结构的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于在介电基底上激光加工不同宽度的结构的方法和设备。尤其涉及在聚合物层的顶表面中连续地形成窄的凹槽或沟槽结构以及较大面积的焊盘、盲接触孔和/或接地层结构，以制造微电子电路。

背景技术

在先进的印刷电路板(PCB)制造工艺中，激光得到了广泛的应用。一个特别熟知的例子是在多层PCB中形成盲接触孔，也被称为微过孔。在这样的例子中，通常使用紫外(UV)激光来穿透顶部的铜层和下部的介电层，以形成对下部铜层的接触。在一些例子中，通过利用两种不同的激光工艺移除这两种不同的材料来改进该工艺的成本效率。通常使用UV二极管泵浦固体(DPSS)激光器在顶部铜层中形成孔，以暴露下层的介电层，在另一单独的工艺中，使用CO₂激光器来移除每个孔下方暴露出来的介电材料。因为能够单独地优化每一工艺，因此这种两步激光工艺具有很多经济上的优点。但是，在这种情况下，因为光学需求非常不同，因此使用两个物理上分开的光学系统并且必须使基底在两个系统之间移动以完成第二工艺。

最近提出了一种新型的高密度多层电路板制造技术。US2005/0041398A1和在2006年的Pacific Micro-electronics Symposium上公开的″Unveiling the next generation in substrate technology″，Huemoeller等描述了“激光嵌入电路技术”的概念。在这种新技术中，利用激光直接在有机介电基底中消融出精细的凹槽、较大面积的焊盘以及盲接触孔。凹槽与焊盘和接触孔相连接，因此在激光处理和后续的金属镀覆之后，可形成嵌入到介电层的上表面中的焊盘和精细导体的复杂图案，同时一起形成的还有与下层金属层相连接的较深的接触孔。到目前为止，脉冲UV激光已经被用来在单个工艺过程中利用直写或掩模成像法来形成凹槽、焊盘和接触孔。

直写法一般使用光束扫描器在基底表面移动聚焦的UV激光束，以刻出凹槽并形成焊盘和接触孔结构。直写法使用具有高光束质量的高度可聚焦的UV激光束，因此该方法适于完成精细的凹槽划刻工艺。该方法也能很好地处理焊盘和接触孔结构所需的不同深度。通过该方法，可容易地形成深度不同的凹槽、焊盘和接触孔。但是，因为从可高度聚焦的UV激光中所能获得的激光能量有限，因此当该方法用于移除大量的材料而形成大面积焊盘和接触孔时，直写工艺速度缓慢。另外，该直写法很难在凹槽和焊盘之间的交叉处保持恒定的深度。

掩模成像法是使用准分子激光照射包含电路设计的所有细节的掩模。掩模的图案被投影到基底上，掩模和基底一起移动以在基底上重现整个电路区域。因为在图像转移过程中掩模的整个区域都被扫描，因此该方法对所要形成的结构的面积不敏感，因此该方法既适于形成精细凹槽也适于形成大面积焊盘。另外，该方法可在凹槽和焊盘之间的交叉处非常好地保持恒定的深度。但是，除了电路非常密集的情况，由于准分子激光的购置和操作成本都很高，掩模成像法的成本明显高于直写法。另外掩模成像法很不灵活，每次需要新的电路设计时，都需要制造新的掩模。此外，准分子激光掩膜成像不适于根据需要形成深度不同的结构，尤其是深度不同的接触孔。

在US 2008/0145567Al中的描述的发明克服了后一限制。在该情况下，准分子激光扫描掩模成像系统被用于在绝缘层中同时形成深度相同的凹槽和焊盘，在另一单独的工艺中，使用由单独的光束传送系统传送的第二激光形成穿透到下层金属层的更深的接触孔。这种两步骤工艺是工艺深度不同的结构需求的一种有效的方式，但是仍然存在与掩模和准分子激光的使用相关联的成本高、灵活性差的问题。

因此，可以看到，现有的基于“激光嵌入电路技术”的用于制造先进电路的工艺方法具有严重的缺点。仍需要一种能够利用这样的激光工艺的方法：其能够被独立地优化，以非常灵活的方式形成所需的不同尺寸和深度的结构，从而改进工艺速度、降低成本。本发明的目的为提供一种多步骤工艺方法，其避免使用大面积掩模和昂贵的准分子激光但能够满足上述需要。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种利用激光消融在介电层表面中形成相对窄的凹槽和相对宽的区域和/或孔的设备，包括：

激光器设备，用于提供第一激光束和第二激光束，该第一激光束被介电层强烈吸收并具有基本上衍射极限的光束质量，该第一激光束连续或准连续地工作以进行凹槽的直写，该第二激光束被介电层强烈吸收，并以脉冲模式工作以通过窗孔(aperture)或掩模的像或通过焦斑整形而形成区域和/或孔；

公共光路，包括用于光束扫描器以及透镜，该光束扫描器用于使两正交轴上的第一激光束和第二激光束相对于介电层偏转，该透镜用于将第一光束聚焦到介电层表面，并且当使用第二激光束时，该透镜用于在介电层表面上形成所述窗孔或掩模的像或用于在介电层表面上形成焦斑；以及

控制系统，被配置为在第一步骤驱动光束扫描器从而移动第一光束的焦斑以蒸发介电材料，从而在其表面形成相对窄的凹槽，以及在第二步骤驱动光束扫描器，使得从第二激光束得到的相对宽的激光斑点入射到介电层表面上，且使得该激光斑点移动以在其表面形成具有限定深度的相对宽的区域和/或使得该激光斑点在一系列限定位置之间移动，第二激光束在每个该位置处保持固定并触发足够数量和能量的激光脉冲序列(burst)，从而使介电材料蒸发以形成具有限定深度的相对宽的孔。

根据本发明的第二方面，提供一种通过激光消融在介电层表面中形成相对窄的凹槽以及相对宽的区域和/或孔的方法，包括：

提供第一激光束，其中该第一激光束被介电层强烈吸收并具有基本上衍射极限的光束质量，该第一激光束连续或准连续地工作以进行凹槽的直写，并提供第二激光束，其中该第二激光束被介电层强烈吸收，并以脉冲模式工作以通过窗孔或掩模的像或通过焦斑整形而形成区域和/或孔；

提供公共光路，该公共光路包括光束扫描器以及透镜，该光束扫描器用于使两正交轴上的第一激光束和第二激光束相对于介电层偏转，该透镜用于将第一光束聚焦到介电层表面，并且当使用第二激光束时，该透镜用于在介电层表面上形成所述窗孔或掩模的像或用于在介电层表面上形成焦斑；以及

提供控制系统，在第一步骤中该控制系统驱动光束扫描器从而移动第一光束的焦斑以蒸发介电材料，从而在其表面形成相对窄的凹槽，以及在第二步骤驱动光束扫描器，使得从第二激光束得到的相对宽的激光斑点入射到介电层表面上，且使得该激光斑点移动以在其表面中形成具有限定深度的相对宽的区域和/或使得该激光斑点在一系列限定位置之间移动，该第二激光束在每个该位置处保持固定并触发足够数量和能量的激光脉冲序列，从而使介电材料蒸发以形成具有限定深度的相对宽的孔。

因此本发明基于顺序使用两种不同的激光束，使用不同的光束移动和工艺方法，从而能够在介电层表面中形成形状、深度和尺寸不同的互联结构。两种激光束均通过公共光路被传送到基底，因此在各工艺过程之间不必移动基底。在第一激光工艺中，利用第一激光束形成深度小于聚合物层的整体深度的窄凹槽结构，接下来在第二独立的激光工艺中，利用第二激光束形成相对宽的图案，诸如焊盘和接触孔。在第二工艺中形成的焊盘的深度都小于聚合物层的整体深度，焊盘的深度大致上类似于凹槽的深度，而接触孔或过孔更深，并一般延伸到聚合物层下方的金属层。可替代地，或在额外的第三工艺步骤中，第二激光束可用于在基底的相对大的区域内形成栅格型或连续接地平面结构。这些接地平面结构的深度一般类似于精细凹槽和焊盘的深度。此处使用的术语“相对宽的区域和/或孔”包括上述的焊盘、接触孔、过孔和接地平面结构。

第一个重要的特征是利用直写方法在基底表面中首先形成精细凹槽型结构。在这种情况下，通过透镜使激光束聚焦到小的斑点，该斑点在一系列连续光路中移动从而气化聚合物电介质，以形成所需数量的长度上离散的凹槽。该激光束应该具有基本上衍射极限的质量。

对凹槽宽度和光束速度的要求规定了用于该直写凹槽工艺的激光必须连续地工作，或者如果以脉冲形式工作，则重复频率必须超过某最低值。在极端的例子中，凹槽宽度可小到10μm，要达到所需深度需要多达10个激光脉冲来移除材料，如果使光束速度达到每秒若干米，则需要脉冲激光的重复频率超过几MHz。对于较宽的凹槽，较低的重复频率是可以接受的。一般来说，需要凹槽的深度沿凹槽的长度保持不变，因此激光束的重复频率必须足够高，使得各脉冲间光束在基底上走过的距离基本小于凹槽的宽度。一般地，很可能需要重复频率超过几百千赫兹。

用于该直写开槽工艺的理想激光连续地工作(CW激光)，或以高重复频率工作使其类似CW激光。这样的激光被称为准连续(QCW)的，且一般以80至120MHz范围内的重复频率工作。

第二个重要特征是，在激光开槽工艺已经完成之后，使用脉冲激光，利用“步进和钻孔(step and drill)”工艺在基底表面中形成较大面积的结构，诸如焊盘和盲接触孔。在这种情况下，使用成像方法在基底表面上形成所需尺寸的激光斑点，而不是使激光束聚焦。在激光器后的光束中放置窗孔或掩模，且通过透镜使该窗孔在基底上成像以形成良好限定的激光斑点。在所需的焊盘或接触孔位置使该光束保持固定，并触发激光脉冲序列以移除材料，直到所需的深度。焊盘或接触孔的深度基本上随激光脉冲的数量大致线性变化。形成焊盘或接触孔之后，光束被移动到下一位置并重复该工艺过程。也可使用光束整形来代替对窗孔或掩模成像。

这种操作模式需要每一脉冲能够发射足够大能量的激光，以在基底表面上形成超出消融阈值一定余量的能量密度。在一个极端的例子中，需要焊盘直径达0.3mm，能量密度为若干J/cm2。这种需要使得激光束的每一脉冲需包含若干mJ。对于较小的焊盘和接触孔，相应地需要每个脉冲具有较小的能量。一般地，所需的最小脉冲能量可能为几十μJ。

用于该“步进和钻孔”成像模式工艺的激光以脉冲模式工作，以一系列“序列”的形式发出脉冲，每个序列包含有限数量的脉冲。具有高会聚光束的高光束质量的激光是合适的，但是因为这些操作在非常高的功率级别下进行，因此使用低光束质量的激光(所谓多模激光)为优选的。因为每一钻孔操作需要尽快地完成，所以重复频率需要高到实际能达到的重复频率，同时还能够发送足够的脉冲能量。重复频率在几kHz到约10kHz范围内被认为是最适于该工艺的。这样的重复频率可能会需要激光具有几十瓦特至数十瓦特的能量。

另一个重要的特征是，脉冲激光可改为被用于第三工艺过程或者更可能额外地用于第三工艺过程，从而以直写模式在基底表面移动大面积的焦斑，以移除材料，从而在大的连续区域上形成均一的深度，或者形成2D栅格型结构，该2D栅格型结构由宽凹槽的交叉平行线的直角阵列构成，从而在电子电路层中形成接地平面。作为对由利用脉冲激光交叉的连续宽凹槽构成的栅格的替代，可以形成由接触焊盘图案构成的栅格结构。可通过连续地在基底上移动光束并在对应所需焊盘位置处的时间触发激光脉冲而形成焊盘边界接触来实现这种结构。一般在每个位置需要若干激光脉冲来移除材料以达到所需深度，为此该模式被重复多次。

一般地，对于形成凹槽以及焊盘、接触孔或接地平面的不同工艺，将顺序使用两种不同的激光器，但是在一些情况下，使用可令人满意地工作在两种模式下的单个激光器也是合适的。这种激光器需要能够以高光束质量在以高重复频率下工作，或以CW模式工作，从而能够以高光束速度形成窄凹槽，还能够以低重复速率且每一脉冲具有非常高的能量而工作以形成焊盘和接触孔。

明显地，用于这种双工艺的激光的一个重要特征是，激光必须以被介电材料强烈吸收的波长工作。可替代地，在脉冲激光的情况下，在一些情形中，可能会以被介电材料强烈吸收的波长以外的波长工作，只要激光脉冲持续时间足够短，以使焦斑中的辐射强度高到足以使光束通过非线性工艺被吸收即可。

另一重要特征是用于在基底表面上移动光束的方法。移动激光束最简单的方法是固定透镜而沿两个轴移动衬底。这种方法一般较慢，因此优选的方法是使用双轴光束扫描器单元在两个正交方向上迅速偏转该光束。这种扫描器单元是公知的，一般在使用中将透镜放置在扫描器之后。在这种情况下，经常使用所谓的f-theta透镜，因为这种类型的透镜被设计为在这种模式下工作，且在平坦区域尽可能远地形成尺寸和形状恒定的焦斑。但是在一些情况下，适合将透镜放置在扫描器单元之前。这种配置一般可产生弯曲的焦平面，且在这种情况下，在透镜之前使用动态可变望远镜来调整焦平面是普遍的。将具有f-theta透镜动态可变望远镜用在扫描器后也是可以的。这种具有动态可变望远镜的配置通常被称为三轴扫描器。

另一个重要特征是，用于不同激光工艺的光束通过公共光路被传送到基底。在对于不同工艺使用两种独立的激光的情况下，需要交替地使光束合并到由扫描器和透镜构成的公共光路中。这样做的一种方式是使用移动的镜，该镜可切换到其中一条光束通路，以使另一光束入射。另一可替换的方法是基于大部分的激光束都是偏振的这一事实。在这种情况下，镜一直定位在其中一路光束中。该镜具有特殊的介电涂层，可优先反射一种偏振的光束，并优先透过正交偏振的光束。在这种情况下，第一和第二光束被配置为在光束合并镜处正交偏振。这种基于光束合并方法的偏振是公知的。

在这两种光束合并的方法中，两个独立的光束都被调节为在该镜的表面处空间重合，且该镜的角度被调节为保证两光束都无任何角偏移地穿过扫描器和透镜。这保证了由第一光束产生的焦斑与第二光束产生的成像斑点在基底表面重合。

使用两束独立的激光的配置是容易的，因为在光束合并之前每条光路可被光学地调节。来自产生用于开槽的第一光束的激光器的光束需要在其光路中具有望远镜光学元件，以改变该光束直径，从而使形成在基底表面上的焦斑具有合适的直径。来自产生用于焊盘和接触孔钻孔以及接地平面成型的第二光束的激光器的光束需要在其光路中具有独立的望远镜光学元件，以改变该光束直径，从而匹配成像窗孔的尺寸。利用独立的光路，窗孔可永久地安装到光路中并被调节为与光束同轴。另外，可在第二光路中在孔之后安装另外的光学元件，以调节光束，使窗孔的成像精确地落在与第一光束的焦点相同的平面，从而在两种工艺模式之间切换时，无需任何校正。

但是对于使用单个激光器交替地产生第一和第二光束的情况，这种独立的光束调节是不可能的，且需要各个光束尺寸更改光学元件、窗孔(或光束整形器)以及其相关的光学元件机械地移动进和移动出公共光路。

又一重要特征是，因为利用第二光束的钻孔工艺中使用成像工艺，因此形成在基底中的盲焊盘和接触孔的形状和尺寸由窗孔的形状和尺寸精确地限定，该窗孔位于光束中对应于基底上的像的物平面上。一般地，在大部分情况中希望焊盘和接触孔的形状为圆形，因此在光路中使用圆形窗孔。但是，任何形状的孔都可以被使用，从而形成非圆形的焊盘和接触孔。

窗孔可包括简单的具有孔的金属片，或由具有图案化不透明涂层的透明基底制成。这种基于基底的装置被称为掩模。如果需要的话，这种掩模可包含复杂的结构。例如，在不透明涂层中具有圆形窗孔的掩模的中心可包含不透明区域。这种掩模可在基底上形成环形焊盘。还可以设想使掩模的某区域对光束具有可变的透过性。使用这种掩模可在基底上形成包括能量密度不同的区域的像，因此在激光气化后形成不同的深度。

一般地，所用成像光学系统将窗孔或掩模在基底上成缩小的像，从而可在基底上形成较高的能量密度而不会损伤掩模或窗孔。典型的焊盘和过孔的直径为从几十微米到几百微米。典型的窗孔的直径可达几mm，因此一般使用从几倍到10倍或更高的缩小倍数。

因为需要不同尺寸的焊盘和接触孔，甚至是在单个电路中，因此需要窗孔尺寸可被容易地改变。对于使用第二激光束形成大面积的接地平面结构的情况，也许需要完全移除窗孔。可通过使用机动化可变光圈来改变窗孔尺寸或窗孔移除(如果窗孔为圆形)，或者可通过使用机动化掩模或窗孔变化单元来改变窗孔尺寸或窗孔移除。这种机动化装置是公知的。

另一个选择是使用光束整形器，例如衍射光学元件(DOE)，以对形成在基底上的焦斑进行整形。

所述设备和方法的一个特别重要的特征是，其适于控制焊盘和精细凹槽交叉区域内的结构的深度。从基于嵌入导线的电路的电学性能的角度来看重要的一点是，凹槽的深度基本类似于焊盘的深度，以及交叉区域内的深度与焊盘或凹槽的深度都无显著差别。对凹槽和焊盘使用直写方法很难达到这一点，因为对于这样的配置，存在很多焦斑轨迹必须停止和开始的区域并且需要高度精确地控制光束位置和功率。对于此处描述的双工艺方法，在焊盘和凹槽交叉区域内所需的对光束位置的控制程度是非常松的。一般地，希望对于每个电路在焊盘和接触孔钻取以及接地平面形成之前进行精细的开槽工艺，但这不是必须的。

当使用第二脉冲激光束形成大的连续区域或栅格型接地平面时，还必须要小心地保持移除材料的深度恒定。对于比焦斑更宽的结构，可以通过小心地控制激光焦斑在基底表面上的两个维度内的重叠来实现。

均一深度的控制通常辅以使用高斯分布或接近礼帽形分布但具有所谓“软边缘(soft edge)”的激光焦斑。

这些“软边缘”斑点可通过使用多模激光而容易地产生。同样的激光可被容易地用以形成焊盘和接触孔结构以及接地平面。在焊盘和接触孔的情况下，窗孔被插入到光束中以在基底上形成具有锐利边缘的斑点。对于软边缘是优选的接地平面结构，窗孔可为在周界具有可变透光性的“变迹(apodized)”型，以形成软边缘。可替代地，如果从激光器得到的原始光束具有合适的分布，则可取消窗孔。另一种可以用于对接地平面结构形成来形成模糊边缘斑点而不必移除用于形成焊盘和接触孔的硬边缘的窗孔的方法是相对于基底表面移动窗孔成像平面，从而使边缘锐利的斑点轻微地未对焦。

对于包括宽凹槽的栅格型接地平面结构，必须小心地在凹槽的交叉处保持恒定的深度。这可以通过小心地控制激光脉冲能量以及任意激光束与已存在的凹槽交叉的时间来达到。对于包括接触焊盘的栅格型接地平面结构，必须小心地在焊盘的交叉处保持恒定的深度。这可以通过小心地控制激光脉冲能量以及激光的触发时间来达到。

所用的控制系统需要能够使2轴扫描器的运动与机动化窗孔以及两种激光的功率和触发控制相配合。这种控制系统普遍地用于激光标记和微机械工业中。

所有的上述讨论涉及了使用单个扫描器和透镜将光束交替地传送到基底。在实际使用中，为了提高工艺效率，可并行地使用若干个光学通道。通过从两种激光中得到足够的激光功率，使得能够在合并点之后分离光束，从而使两个或更多个扫描器和透镜可并行地工作并且同时处理同一电路板上的不同器件。在完成这些器件之后，该基底被步进到新的位置以处理后续器件。因此在具有多个器件的大面板上的操作为“步进和扫描”模式。明显地，像这样使用同一激光同时并行处理器件必须具有相同的电路性能。

大部分使用这种嵌入式导体技术的电路板构建在核心层上，不同的电路层形成在相对的侧。此处公开的方法可容易地扩展到这种情况，可允许同时在同一器件的相对侧同时处理不同的电路。在这种情况下，对于电路板的两侧中的每一侧需要包括第一和第二激光器、窗孔、光束整形光学元件、合并镜、扫描器和透镜的独立光学组件，从而在相对侧实现不同的电路设计。基于嵌入式导体技术用于高速制造多个、多层、双侧器件的激光生产工具可包括工作在电路板一侧的两个或多个扫描器和透镜系统，以及等同的同时工作在相对一侧的激光器和光学元件的组合。

通过以下的描述和说明书所附的权利要求，其他的优选和可选的特征将变得清楚。

附图说明

现在通过描述示例性实施例，并参考附图对本发明进行进一步描述，其中：

图1为示出了如何利用来自激光器的聚焦光束在基底表面制造凹槽的示意图；

图2A和图2B分别为示出了如何利用工作在成像模式的激光束和焦斑整形在基底中制造焊盘和接触孔的示意图；

图3为示出了如何利用工作在成像模式中的激光束在基底中制造宽凹槽的示意图；

图4为示出了如何利用工作在成像模式中的激光束在基底中制造浅栅格和连续区域接地平面结构的示意图；

图5示出了用于制造栅格型接地平面结构的可替代方法；

图6A、6B和6C为示出了典型的用于所述工艺的光学系统的示意图；

图7A和7B为示出了来自两种不同激光器的光束如何合并入公共光路并在基底表面上方移动从而形成凹槽以及焊盘或接触孔的两种布置的示意图；

图8A和8B为示出了单个激光器如何被用于聚焦模式和成像模式从而在基底表面中依次形成凹槽以及焊盘或接触孔的两种布置的示意图；以及

图9为示出了用于在双侧电路板上执行两种工艺的示例性设备的示意性透视图。

具体实施方式

图1

图1示出了一种工艺，通过该工艺，使用第一激光束在基底13的表面中形成精细凹槽。激光束11是具有衍射极限或接近衍射极限性质的高质量激光束。透镜12使该激光束聚焦到基底13的表面上以形成小斑点。吸收的能量使得焦斑区域内的基底材料被气化。在基底表面上移动激光束从而形成凹槽14。图中示出了直的凹槽14，但是实际上可通过光束相对于基底13的移动而设置任意形状的凹槽。凹槽可为任意长度，该长度由相对于基底移动光束的机构的极限而限定。如果所使用的激光为CW模式，那么只要激光功率、光束尺寸和速度保持恒定，则所形成的凹槽沿凹槽长度的深度是均匀的。如果所使用的激光为脉冲模式，那么要保证凹槽的深度在沿凹槽长度方向上均匀，则重复频率必须足够高，使得各脉冲间光束在基底上走过的距离基本小于凹槽的宽度。

图2

图2A示出了一种工艺，通过该工艺，使用第二激光束23A在基底24A的表面中形成较大面积的焊盘或接触孔。透镜21A被用于以激光束23A使物平面22A在基底24A表面上成像。在所示例子中，一圆形窗孔25A位于物平面22A，从而在基底表面27A上形成圆形斑点26A。激光束相对于基底保持固定，并且触发脉冲序列。每个激光脉冲期间吸收的激光能量使得成像区域内的基底材料被气化，达到一定的深度。激光脉冲序列的累积效果是在基底表面钻出一定深度的盲孔27A。基底材料中的这种盲孔27A被定义为焊盘。该基底可为包含埋层金属层28A的聚合物型基底，在这种情况下，如果激光脉冲中的能量密度被很好地控制，那么钻孔工艺一般在激光束穿透到金属28A时停止。这种连接到下层金属层28A的盲孔29A被定义为接触孔。在一些例子中，可能会需要在焊盘210A中心形成接触孔。这可以通过两种途径来实现。一种情况下，通过触发合适数量的激光脉冲并利用激光束中合适的窗孔来形成焊盘。然后该窗孔孔变为更小的窗孔，并且继续触发脉冲以向下移除材料，直到埋层金属层28A。在另一种情况下，所使用的单个掩模具有两个或多个不同区域，每个区域中对第二激光束的波长具有不同的透光级别。这种方法使得基底表面上的激光斑点的能量密度在不同的区域具有不同的级别，因此在触发若干激光脉冲之后，能量密度较高的区域的深度要大于受较低能量密度脉冲照射的区域的深度。在图中所示的情况中，掩模的中心区域具有高透光性而外部环形区域具有较低的透光性。具有这种变化的透光性的掩模是公知的且容易得到。

图2B与图2A相似，但是示出了较大尺度的元件(诸如焊盘和孔)是如何通过第二激光束22B的焦斑整形而不是通过窗孔或掩模而形成。光束22B穿过光束整形器23B，诸如衍射光学元件(DOE)，然后穿过透镜21B。光束整形器将角偏差引入到光路中，以此在基底25B的表面上形成整形的焦斑24B。一般地，焦斑24B为圆形(尽管也可以为其他形状)，具有礼帽形能量密度分布(top-hat energy density profile)。焦斑24B的尺寸远大于不使用DOE时所形成的焦斑。

焦斑24B的边缘的锐度取决于激光束22B的质量。优选地，光束为可会聚的(例如M2～1)，以使得斑点24B具有锐利的边缘。如果该光束为多模的，则斑点24B边缘的锐度会恶化(在这种情况下，使用图2A所示的成像方法会更好)。

图2B示出了通过部分消融穿过聚合物层25B的深度而形成的焊盘26B以及通过脉冲激光消融聚合物层25B以穿透到埋层金属层28B而形成的过孔或焊盘27B。

图3

图3与图2B相似，示出了一种工艺，通过该工艺，使用第二激光束在基底34的表面上形成相对宽的凹槽或区域。透镜31被用于以激光束33使物平面32在基底34表面上成像。在所示例子中，圆形窗孔35位于物平面中，从而在基底表面上形成圆形斑点36。激光束33相对于基底34移动并触发一系列激光脉冲。每个激光脉冲期间吸收的激光能量使得成像区域内的基底材料被气化，达到一定的深度，该深度小于凹槽37所需的深度。控制激光束33与基底34之间的相对移动速度以及激光脉冲的触发速率，使得基底的每个区域都能够暴露在足够数量的脉冲下以形成连续的具有所需深度的宽凹槽37。图中示出了直的凹槽37，但是实际上通过光束相对于基底的移动可设置任意形状的凹槽。凹槽可为任意长度，该长度由相对于基底移动光束的机构的极限而限定。可利用图2B中所示的焦斑整形设备以类似的方法形成凹槽。

图4

图4示出了一种工艺，通过该工艺，使用第二激光束42在基底43的表面中形成栅格状、连续区域浅接地平面结构。透镜41被用于激光束42中以使物平面在基底42的表面上成像。激光束相对于基底43移动并触发一系列激光脉冲。通过沿两个正交轴以受控方式移动激光束和基底43，从而激光脉冲在两个轴上重叠，在大的连续区域44上，基底材料被消融到所控制的深度。可替代地，浅栅格型结构45通过使一系列宽凹槽相互交叉而形成。当形成连续的或栅格型结构时，要特别小心地保持深度在限定的极限内恒定。这可以通过控制激光脉冲能量密度、光束速度和脉冲触发时间来实现。可利用图2B中所示的焦斑整形设备以类似的方法形成类似的结构。

图5

图5示出了两种可替代的方法，其中可以成像模式利用第二激光束在基底表面中形成浅的2D栅格型接地平面结构。在所示的例子中，形成了由接触焊盘(touching pad)51的图案构成的栅格结构。在另一所示的例子中，形成了由接触交叉型结构52的图案构成的栅格结构。这种结构可通过将合适的掩模放置到光束中并使掩模图案在基底上来成像来形成。在基底上连续地移动该光束，并在对应于所需的焊盘或交叉的位置的时间触发激光脉冲，以形成边界接触。一般在每个位置需要若干激光脉冲来移除材料以达到所需深度，为此该模式被重复多次。可使用许多其他的掩模形状来形成不同结构的栅格。当利用该方法形成栅格型结构时，需特别小心地保持各个圆形焊盘或其他形状的激光斑点之间的重叠区域的深度在限定的极限内恒定。这可以通过控制激光脉冲能量密度、光束速度和脉冲触发时间以及斑点边缘的能量密度分布、斑点之间的重叠度来达到。在这种情况下，优选为斑点能量密度分布具有软边缘。也可利用图2B中所示的焦斑设备以该方式形成类似的结构。

图6

图6A和图6B示出了一种光学系统，在该光学系统中，使用两种单独的激光进行上述的两种工艺。通过透镜62A将第一CW激光束61A会聚到基底64A上的焦斑63A上。第二脉冲激光束61B穿过窗孔或掩模65B，通过透镜62A在基底64A上形成掩模65B的像63B。两激光束61A和61B合成(未示出)进入公共的光路。公共光路包括透镜62A，该透镜62A将激光束导向基底64A上。

可替代地，在另一个实施例中，使用如图6A和6C中所示的光学系统。图6C示出了脉冲激光束61C，其穿过光束整形器65C，然后穿过公共光路中的透镜62A以在基底64A上形成整形焦斑63C。

可在激光束61A、61B中提供光束尺寸变化望远镜(未示出)，以将光束尺寸设定(图6A中)使透镜焦平面上具有所需的焦斑尺寸，并调节(图6B中)光束尺寸以与窗孔65B相匹配。还可在窗孔65B后面提供长焦距望远镜形式的光学单元(未示出)，其被设置为使窗孔65B缩小的像位于透镜62A的焦平面中。这种成像配置是公知的，并且由于像出现在透镜焦平面中从而对应的物平面在无穷远处，因此该成像配置通常被称为“无穷远”成像。通过使用这种配置的光学系统，在从一种工艺转换到其他工艺的过程中，从基底到透镜之间的距离可保持不变，从而使用方便。

图7

图7A示出了一个实施例，在该实施例中，使用两种不同的激光器来产生两种不同的工艺所需的两束激光束。激光束合并后传播通过由光束偏转系统和透镜构成的公共光路。激光器71A产生第一光束，该第一光束具有高质量并以CW模式或高重复频率操作，从而使其适于开槽工艺。光学单元72A将激光束的尺寸改变为适于传播到公共光路的值。激光器73A产生第二光束，该第二光束为脉冲的，且为多模的(MM)或具有M2～l，其适于制造焊盘或接触孔并适于形成浅栅格型或连续区域的接地平面结构。光学单元74A将激光束的尺寸改变为适于照射窗孔75A的值。第一和第二光束在镜76A处合并，该镜76A在光路输出中转换，从而使得第一或第二光束进入公共光路中，或者可替代地，保持固定以及优先反射一种偏振的光束并优先透过正交偏振的光束。在这种情况下，第一和第二光束被配置为在光束合并镜76A处正交偏振化。在所示的例子中，第一光束穿过镜76A，因此需要其偏振方向在纸平面内(称为p-偏振)。第二光束被镜76A反射，因此需要其偏振方向垂直于纸表面(称为s-偏振)。这种用于合并不同偏振的光束的技术是公知的。光束合并后，两束光穿过2或3轴扫描器单元77A和透镜78A，例如f-theta透镜。在一些例子中，可能会需要在扫描器单元77A之前放置透镜78A。扫描器77A使得光束可在基底79A上方的处理区域中移动。透镜78A具有交替地使第一光束聚焦以及用第二光束使窗孔在基底表面79A上成像的功能。当系统从第一开槽工艺转换到第二焊盘或接触孔形成工艺时，为了避免透镜78A和基底79A之间距离的改变，可在窗孔75A后面的第二光束的路径中放置额外的光学元件(未示出)。这种光学元件710一般为望远镜型，其中窗孔75A位于有效焦点处，望远镜710的有效焦距与基底79A前面的透镜78A的焦距之比被选择为在基底表面79A上形成窗孔75A的合适大小的缩小的像。这种用于对激光束中的掩模或窗孔成像的方法是公知的。

图7B示出了一个实施例，在该实施例中，使用两种不同的激光器来产生两种不同目的所需的两束激光束。在该例子中，激光器71B产生第一光束72B，该第一光束72B质量高且以CW模式工作或以高重复频率工作进行开槽工艺。第一光束72B穿过合并或切换镜75B到达扫描器单元86A，并通过透镜78B聚焦到基底79B上。第二激光器73B发射脉冲激光束74B(例如M2～1)以形成焊盘和接触孔。第二激光束74B被合并或切换镜75B反射到扫描器单元77B，因此通过(例如f-theta型)透镜78B在基底79B上形成焦斑。当第二激光束74B工作时，可移动的光束整形器(例如衍射光学元件76B)被插入到镜75B和扫描器单元77B之间的光路中。

图8

图8A示出了本发明的另一个实施例，在该实施例中，使用单个激光器81A来产生两种不同的工艺所需的两束激光束。为了形成凹槽，激光器81A产生第一光束，该第一光束具有高质量并以CW模式或高重复频率操作，从而使其适于开槽工艺。光学单元82A将激光束的尺寸改变为适于传播到公共光路的值，以形成合适尺寸的焦斑。第一激光束穿过分离或切换镜83A并穿过合并或切换镜85A而到达公共光路。公共光路包括扫描器单元86A和将第一光束聚焦到基底88A上的透镜87A(例如f-theta型透镜)。

为了形成焊盘或接触孔或者建立浅栅格或连续区域接地平面结构，激光器81A的操作被更改成脉冲模式，以使其适于成像斑点形成工艺。在这种情况下，第二激光束被合并或切换镜83A偏转到穿过掩模或窗孔84A的光路，然后被合并或切换镜85A偏转到公共光路。透镜87A和基底88A之间的距离可在两种工艺之间改变，以在聚焦光束开槽工艺和成像光束钻孔工艺之间切换。可替代地，望远镜型光学元件(未示出)可被移动到光路中以允许在两种工艺中透镜87A与基底88A之间的距离不变。在一些情况下，可能需要替换或额外添加开槽工艺中使用的光束整形光学元件以及其他光学元件(未示出)，以使激光束与窗孔84A相匹配。

图8B示出了另一个实施例，在该实施例中，使用单个激光器81B来产生两种不同的工艺所需的两束激光束。在该例子中，不是如图8A中所示的那样使光束偏转，而是将衍射光学元件(DOE)83B移动到光路中以及从光路中移出。当产生第一CW或QCW光束时，其直接穿过包括扫描器84B和透镜85B(一般为f-theta型透镜)的公共的光学元件而到达基底86B。当产生第二脉冲激光束时，DOE 83B被插入到光束中以使光束在进入公共光学元件之前先穿过DOE。

图9

图9示出了本发明的一个实施例，其包括一种设备，该设备适于在双面电路板91上执行双激光工艺，该双侧电路板91的每个电路板上包括多个重复装置92。激光器93和93′的类型相同，产生两束第一光束，分别用于顶侧和底侧的开槽工艺。另外激光器94和94′(它们也是同一类型的，但与第一激光器的类型不同)产生两束第二光束，分别用于在顶侧和底侧形成焊盘和接触孔以及用于形成浅栅格型或连续区域接地平面。激光器93和94轮流在顶侧电路上操作，同时激光器93′和94′轮流在底侧电路上操作。以这种方式，在顶侧和底侧上形成的电路可以为不同的。然后第一和第二激光束通过镜95和95′入射到公共路径中。顶侧和底侧公共光路中的每个光路包含分光器96和96′，以将光束分成两部分以馈送到两个并行的扫描器和透镜单元97、97′，两个并行的扫描器和透镜单元同时运作电路板上的各装置。顶侧上的两个扫描器同时处理两个具有同一电路设计的装置，下侧上的两个扫描器处理该两个装置的具有相同或不同电路设计的相反一侧。利用足够高功率的激光，可以将上侧和下侧的光束分成两个以上的平行通道。

如上所述，在介电层表面中形成窄凹槽以及较宽的区域和/或孔对于微电子电路的制造是非常有用的，凹槽和孔在后续的金属镀覆工序中被填充金属以形成精细导线、焊盘和微过孔的复杂图案。

因此上述发明提供了一种用于在基底上的聚合物层表面中形成精细凹槽、盲焊盘和接触孔的方法，其通过相继施加到基底上的两个不同的激光工艺来形成，该精细凹槽连接到盲焊盘和接触孔，所述方法包括：

a.第一激光束，被基底上的聚合物强烈吸收，并具有衍射极限或接近衍射极限的光束质量，且连续地工作或以一系列高重复频率脉冲的形式工作；

b.第二激光束，具有与第一激光束的波长相同的波长并工作在发出脉冲序列的脉冲模式下；

c.用于将第一和第二激光束合并到或交替地入射到公共光路的方法；

d.公共光路中的光束扫描系统，用于在两个正交轴上偏转第一或第二激光束；

e.公共光路中的透镜，用于交替地将第一激光束会聚到聚合物层表面上或在限定于第二激光束光路中的物平面中的聚合物层表面上形成像，该物平面位于公共光路之外；

f.控制系统，该系统：

i.首先使第一激光束入射到公共光路中并驱动扫描器系统，使透镜在聚合物层表面上形成的焦斑在区域内进行一系列的连续运动，以气化聚合物材料从而在该表面中形成的凹槽的深度仅为聚合物层厚度的一部分；

ii.其次，使第二激光束入射到公共电路并驱动扫描器系统，使得该透镜在聚合物层表面上形成的第二激光束光路中的限定物平面上的像移动到包含由第一激光束形成的凹槽的基底的该区域内的一系列限定位置，在每一个位置处第二激光束保持固定并触发数量和能量足够多的激光脉冲序列，以蒸发聚合物材料从而形成具有限定深度的盲孔，一些孔(也被称为焊盘)的深度小于聚合物层的整个厚度并等于由第一激光束形成的凹槽的深度，其他孔的深度正好穿过聚合物层到达下金属层。

Claims (21)

1.一种利用激光消融在介电层的表面中形成相对窄的凹槽和相对宽的区域和/或孔的设备，包括：

激光器设备，用于提供第一激光束和第二激光束，该第一激光束被介电层强烈吸收并具有基本上衍射极限的光束质量，该第一激光束连续或准连续地工作以进行凹槽的直写，该第二激光束被介电层强烈吸收并以脉冲模式工作以通过窗孔或掩模的像或通过焦斑整形而形成区域和/或孔；

公共光路，包括光束扫描器和透镜，该光束扫描器用于使两正交轴上的第一激光束和第二激光束相对于介电层偏转，该透镜用于将第一光束聚焦到介电层的表面上，并且当使用第二激光束时，该透镜用于在介电层表面上形成所述窗孔或掩模的像或用于在介电层表面上形成整形焦斑；以及

控制系统，被配置为在第一步骤驱动光束扫描器从而移动第一激光束的焦斑以蒸发介电材料，从而在其表面形成相对窄的凹槽，以及在第二步骤驱动光束扫描器，使得来自第二激光束的相对宽的激光斑点入射到介电层表面上，且使得该激光斑点移动以在其表面中形成具有限定深度的相对宽的区域和/或使得该激光斑点在一系列限定位置之间移动，该第二激光束在每个该位置处保持固定并触发足够数量和能量的激光脉冲序列，从而使介电材料蒸发以形成具有限定深度的相对宽的孔。

2.根据权利要求1所述的设备，其中激光器设备包括不同的激光器，用于产生第一激光束和第二激光束。

3.根据权利要求2所述的设备，其中用于产生第二激光束的激光器为多模激光器。

4.根据前述任一权利要求所述的设备，其中激光器设备被配置为提供脉冲模式的第一激光束，脉冲模式的重复频率超过300kHz。

5.根据前述任一权利要求所述的设备，其中激光器设备被配置为提供第二激光束，该第二激光束的每个脉冲的能量超过100μJ。

6.根据前述任一权利要求所述的设备，其中激光器设备被配置为提供波长在250至1100nm范围内的第一激光束和第二激光束，该第一激光束或第二激光束的波长相同或不同。

7.一种通过激光消融在介电层表面中形成相对窄的凹槽以及相对宽的区域和/或孔的方法，包括：

提供第一激光束，其中该第一激光束被介电层强烈吸收并具有基本上衍射极限的光束质量，该第一激光束连续或准连续地工作以进行凹槽的直写，并提供第二激光束，其中该第二激光束被介电层强烈吸收并以脉冲模式工作以通过窗孔或掩模的像或通过焦斑整形而形成区域和/或孔；

提供公共光路，该公共光路包括光束扫描器以及透镜，该光束扫描器用于使两正交轴上的第一激光束和第二激光束相对于介电层偏转，该透镜用于将第一光束聚焦到介电层表面上，并且当使用第二激光束时，该透镜用于在介电层表面上形成所述窗孔或掩模的像或用于在介电层表面上形成整形焦斑；以及

提供控制系统，在第一步骤中该控制系统驱动光束扫描器从而移动第一激光束的焦斑以蒸发介电材料，从而在其表面形成相对窄的凹槽，以及在第二步骤驱动光束扫描器，使得来自第二激光束的相对宽的激光斑点入射到介电层表面上，且使得该激光斑点移动以在其表面中形成具有限定深度的相对宽的区域和/或使得该激光斑点在一系列限定位置之间移动，该第二激光束在每个该位置处保持固定并触发足够数量和能量的激光脉冲序列，从而使介电材料蒸发以形成具有限定深度的相对宽的孔。

8.根据权利要求7所述的方法，其中第二激光束在介电层表面形成与该第二激光束同轴定位的窗孔的像。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述窗孔为圆形，该窗孔的直径可变，从而能够调节由第二激光束在介电层中形成的区域或孔的直径。

10.根据权利要求9所述的方法，其中圆形窗孔的直径在控制系统的控制下变化，从而迅速地改变在介电层中形成的区域或孔的直径。

11.根据权利要求9所述的方法，其中第二激光束中的所述窗孔的形状为非圆形的形状，以在介电层中形成非圆形的孔。

12.根据权利要求7所述的方法，其中第二激光束在介电层表面形成与该第二激光束同轴定位的圆形掩模的像，该掩模对于第二激光束的波长具有两个或多个透光等级不同的区域。

13.根据权利要求12所述的方法，其中该掩模为圆形，并具有对于第二激光束的波长为高透光性的中心区域以及透光性随半径平滑降低到可忽略值的外围区域。

14.根据权利要求7至13中任一权利要求所述的方法，其中通过位于第二激光束中的衍射光学元件在介电层表面形成第二激光束的整形焦斑。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在第二激光束中放置不同的衍射光学元件以在介电层表面上形成不同尺寸的整形焦斑。

16.根据权利要求7至15中任一权利要求所述的方法，其中介电层为均一的有机材料或装填有无机颗粒的有机材料。

17.根据权利要求7至16中任一权利要求所述的方法，其中由第一激光束形成的凹槽的宽度小于0.1mm，由第二激光束形成的区域或孔的宽度大于0.1mm。

18.根据权利要求7至16中任一权利要求所述的方法，其中由第一激光束形成的凹槽的宽度小于0.02mm，由第二激光束形成的孔或区域的宽度大于0.02mm。

19.根据权利要求7至18中任一权利要求所述的方法，其中光束扫描器使第二激光束在介电层表面的区域上移动，从而形成深度小于介电层厚度的相对宽的凹槽、连续结构或由交叉形凹槽或重叠孔构成的结构。

20.根据权利要求7至19中任一权利要求所述的方法，其中第一激光束和第二激光束中的每一个具有250至1100nm范围内的波长。

21.一种介电层，通过权利要求7至20中的任一权利要求所述的方法在该介电层中形成具有相对窄的凹槽以及相对宽的区域和/或孔，所述凹槽、区域和/或孔被金属填充以形成微电子电路。

Images