CN104105569B - 用于在介电基片中形成精细尺度结构的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于在介电基片(3)的表面内形成两个或多个深度的精细尺度结构(4，4’，4”，5，6，7，8)的设备和方法。在一个示例中，该设备包括：第一固体激光器(12)，其被设置为提供第一脉冲激光束(13)；第一掩模(16)，其具有用于对第一深度处的第一组结构(4，6，7，8)进行限定的图案；投影透镜(17)，其用于在所述基片的表面(3)上形成所述图案的缩小尺寸图像；以及光束扫描器，其被设置为用所述第一脉冲激光束(13)以二维光栅扫描方式相对于所述第一掩模进行扫描以在所述基片的第一深度处形成第一组结构(4，6，7，8)，其中，所述第一固体激光器或另一固体激光器被设置为在所述基片(3)的第二深度处形成第二组结构(8)。

Description

用于在介电基片中形成精细尺度结构的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于在介电基片表面内形成精细尺度结构的设备和方法。在优选实施例中，本发明尤其涉及：在聚合物层的上表面中顺序形成窄沟槽、大面积焊盘和接地平面结构，并且将接触孔或通孔钻凿至更深的深度以达到制作基于埋地导体的多层、高密度互联器件的目的。
背景技术
激光器被广泛地用在高级印刷电路板(PCBs)的制作中。一个尤其为人们所知的示例是对多层PCB中的盲孔即所谓的微通孔进行钻凿。在这种情况下，紫外光(UV)固体激光器通常被用来钻通顶部铜层和下面的介电层以允许与下部的铜层接触。在某些情况下，通过使用两种不同的激光工艺去除两种不同的材料来提高该工艺的成本效益。UV二极管泵浦固体(DPSS)激光器通常被用来在顶部铜层钻孔以露出下部的介电层，并且在独立的工艺中，CO2激光器被用来去除各孔下面所暴露的介电材料。
最近已经提出了一种新型高密度多层电路板制作技术。US2005/0041398A1和Huemoeller等人在2006年太平洋微电子学讨论会上发表的文献“Unveiling the nextgeneration in substrate technology(揭开新一代基片技术)”描述了“laser-embeddedcircuit technology(激光嵌入式电路技术)”的概念。在这个新技术中，激光器被用来直接在有机介电基片中烧蚀精细沟槽、大面积焊盘以及接触孔。所述沟槽连接到焊盘和接触孔，以使得在激光构造以及后续的金属电镀之后，由嵌入在介电层的上表面中的精细导体和焊盘的复杂图案组成的第一层与由连接至下金属层的更深接触孔组成的第二层一起形成。关于这个新技术进展的更多信息被呈现在2011年11月9日至11日于台湾举行的第12次电子电路世界大会的文件EU165(David Baron)和TW086-2(Yuel-Ling Lee&Barbara Wood)中。
到目前为止，脉冲UV激光器已被用在此类方法中以在利用直接写入方法或掩模成像方法的单个工艺中形成沟槽、焊盘以及接触孔。
所述直接写入方法通常使用光束扫描器将来自激光器的聚焦光束在基片表面上移动从而划刻出沟槽并创建焊盘和接触孔结构。该直接写入方法使用来自UV二极管泵浦固体(DPSS)激光器的具有高光束质量的高度可聚焦的光束，因此其非常适用于精细沟槽划刻工艺。该方法还能够很好地处理与焊盘和接触孔结构相关的不同层深度的要求。通过这种方法，可易于形成不同深度的沟槽、焊盘和接触孔。然而，由于来自高度可聚焦的UV DPSS激光器的有限的激光功率，因而这个直接写入方法在去除与更大面积焊盘和接地平面相关的更多大体积的材料时是缓慢的。该直接写入方法还难以在沟槽与焊盘之间的交叉点处维持恒定深度。对适用于基于嵌入式导体来制作PCB的直接写入激光设备的描述被呈现在2011年11月9日至11日于台湾举行的第12次电子电路世界大会的文件TW086-9(Weiming Cheng&Mark Unrath)中。
掩模成像方法通常使用UV准分子激光器来对包含一层或电路设计水平的全部细节的掩模进行照射。利用足以烧蚀介电材料的激光脉冲水平，掩模的图像被微缩在基片上使得所述层上的整个区域被复制在该基片上。在某些情况下，待形成的电路较大时，掩模和基片的相对同步运动被用于转移整体图案。准分子激光掩模投影和用于覆盖大基片区域的相关策略已为人们所知了许多年。Proc SPIE 1997年，第3223卷，第26页(Harvey&Rumsby)给出了该方法的描述。
由于在图像传输过程中照射了掩模的整个区域，因此该方法对待创建的单个结构的全部区域是不敏感的，因而很好地适用于创建精细沟槽、大面积焊盘以及接地平面。该方法也能显著地维持沟槽与焊盘之间的交叉点处的深度的恒定性。然而，由于烧蚀率取决于结构尺寸，因此通过全部特征将深度控制到高精度通常是困难的。除了在电路系统是极其密集的情况下，该掩模成像方法的成本显著高于所述直接写入方法，这是因为准分子激光器的价格和操作成本都非常高。掩模成像也不是很灵活，因为电路的各层需要使用新的掩模。
后者的局限性在文献US 2008/0145567 A1中所描述的设置中被克服。在这种情况下，准分子激光扫描掩模投影系统被用来形成由达到绝缘层中相同深度的沟槽和焊盘组成的层，并且在独立工艺中，利用由单独光束传输系统传送的第二激光来形成穿透至下面金属层更深的接触孔。这种两步工艺是应对不同深度结构需求的一种方法。然而，该方法仍然受到与准分子激光器的使用相关的高成本的影响。
发明内容
因此，可以看出，针对基于这种“激光嵌入式电路技术”制作先进电路的现有处理方法存在极大的缺点。仍需要能够利用优化针对以非常灵活的方式创建所需的不同尺寸和深度的结构的激光工艺来提高加工速率并降低成本。本发明旨在提供保持掩模图像的优势而避免使用高成本准分子激光器的设备和多阶段方法以满足这些需要。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于在介电基片的表面内形成两个或多个深度的精细尺度结构的设备，该设备包括：
第一固体激光器，其被设置为提供第一脉冲激光束；第一掩模，其具有用于对第一深度处的第一组结构进行限定的图案；投影透镜，其用于在所述基片的表面上形成所述图案的缩小尺寸图像；和，光束扫描器，其被设置为用所述第一脉冲激光束以二维光栅扫描方式相对于所述第一掩模进行扫描以在所述基片的第一深度处形成第一组结构；以及所述第一固体激光器或另一固体激光器，其被设置为在所述基片的第二深度处形成第二组结构。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于在介电基片的表面内形成两个或多个深度的精细尺度结构的方法，该方法包括两个阶段过程：对第一深度处的第一组结构进行限定的第一过程和对第二深度处的第二组结构进行限定的第二过程，
所述第一过程包括：利用第一固体激光器来提供第一脉冲激光束；提供第一掩模，所述第一掩模具有对第一深度处的第一组结构进行限定的图案；提供投影透镜，所述投影透镜用于在所述基片的表面上形成所述图案的缩小尺寸图像并用所述第一脉冲激光束以二维光栅扫描方式相对于所述第一掩模进行扫描以在所述基片的第一深度处形成第一组结构；
所述第二过程包括：使用所述第一固体激光器或另一固体激光器以在所述基片的第二深度处形成第二组结构，其中，所述第一过程和第二过程可以以任意顺序执行。
因此，本发明涉及使用固体激光器(SSL)的方法，第一过程涉及在掩模上的激光束的2D扫描(例如以激光光斑的形式)以在介电基片表面内形成第一组结构以及第二过程(其可以不同的方式执行)在介电基片表面形成第二组结构。
激光器的选择能够使扫描被高速执行，从而所述结构能在短时段内形成，并同时避免高资本成本和/或高操作成本的需要。该方法还允许用于形成不同类型结构的各个处理步骤被被单独进行优化。
本发明的关键优选的特征是：
1)用于形成精细尺度结构组的方法，该方法在后续的镀铜处理之后，形成基于多层、高密度、电子互联装置的一部分的电子线路层的“嵌入式导体”，
2)在介电材料的表面内形成两个或多个不同深度的结构组，每个深度利用单独的激光烧蚀处理来实现。
3)创建第一深度的第一组结构的第一过程包括以下方式：
a.第一掩模限定第一组结构；
b.投影透镜在基片表面上形成第一掩模的缩小尺寸的图像；
c.光束扫描单元以2D光栅图案在掩模上移动来自第一Q开关CW二极管泵浦固体激光器(DPSS)的光束；
d.根据各激光脉冲，基片处的激光束内的能量密度足以烧蚀所述基片材料而不损坏所述掩模；
e.与掩模表面的光束的2D移动轨迹联接的掩模处的激光光斑尺寸和形状使得在所述基片上的该装置的整个区域上的第一组结构被限定为相同的第一深度，
4)第二过程在该装置的全部或部分上创建第二深度的第二组结构，该第二组结构被叠加在某些或全部第一组结构上使得第二深度大于第一深度。所述第二过程使用以下方法中的一种：
a.利用第一激光器和第一掩模重复第一过程以限定第二组结构，但使用不同于第一过程的激光器参数。这可以是如图3所示的当基片用不同的材料分层或具有施加在顶部的保护层或牺牲层的情况。在这种情况下，第一过程激光器对顶层材料或保护层/牺牲层进行图案化，并且第二过程激光器对下面的材料层进行图案化；
b.利用第一激光器但采用第二掩模来重复第一过程以限定第二组结构；
c.利用第一掩模来自第一激光器的光束通过扫描器移动到第一掩模的所选区域并且第一激光器激发多个脉冲使得这些所选区域受到足够多的附加脉冲以创建具有第二深度的第二组结构；
d.在第一激光束中使用具有孔径的第一掩模，所述第一激光束通过扫描器移动到第一掩模上的所选的透明特征，所述孔径被成像在掩模上，使得掩模上的图像小于所述透明特征，并且激发第一激光器使得这些所选区域受到足够多的附加脉冲，因而第二组结构以第二深度被形成在第一组结构内并且小于第一组结构；
e.采用不同于第一激光器的第二激光器利用第一掩模，来自第二激光器的光束通过扫描器移动到第一掩模上的所选的透明特征并进行控制使得掩模上的光束小于所述透明特征，并且激发第二激光器使得这些所选区域受到附加激光脉冲，因而第二组结构以第二深度被形成在第一组结构内并且小于第一组结构，
5)如果需要另一过程，那么另一过程在该装置的全部或部分上创建另一深度的另一组结构，所述另一组结构被叠加在某些或所有第一组结构或第二组结构上使得另一深度大于第一深度或第二深度。所述另一过程使用以上4.a–4.d段中所述的方法中的一种方法，
6)在某些情况下，所述第一过程可以紧接第二过程。例如，第二过程中的4.c、4.d和4.e全都可以在第一过程之前发生并且关于在基片中形成两个深度的两组结构的结果是相同的。
用于第一过程和第二过程的掩模可包括像素点的2D阵列，其相对于激光束的透明度可以被电子地改变以使得整个掩模图案可被动态地改变。
本发明的其他优选和可选特征将从以下描述和说明书所附的权利要求中显而易见。
附图说明
现将仅通过示例的方式并参照附图对本发明进行进一步地描述，其中：
图1为示出了在其中需要形成的结构类型的典型HDI印刷电路板的透视图；
图2为与图1类似的透视图，其中，所述印刷电路板包括上介电层和下介电层；
图3为在其上形成有薄的保护层或牺牲层的另一典型印刷电路板的剖视图；
图4为用于在介电层中形成嵌入式结构的已知设备的示意图；
图5为用于在介电层中形成嵌入式结构的另一已知设备的示意图；
图6为用于在介电层中形成嵌入式结构的又一已知设备的示意图；
图7为根据本发明的实施例的用于在介电层中形成嵌入式结构的第一层的设备的示意图；
图8为用在图7的设备中的掩模以及由此所使用的扫描轨迹的俯视图；以及
图9至12为根据本发明的实施例的设备的示意图，其示出了用于在介电基片中形成所述结构的第二层的其他设置。
具体实施方式
图1：示出了高密度互联(HDI)印刷电路板(PCB)或集成电路(IC)基片的截面，并表明了需要形成的“嵌入式”结构类型。经图案化以形成电路的铜层1由介电芯层2来支撑。铜层1上涂覆有上介电层3，各种结构已通过激光烧蚀被形成在该上介电层中。沟槽4、4’和4”、大焊盘5以及小焊盘6和7全都具有小于上介电层3的整体厚度的相同深度。对于IC基片，所需的沟槽宽度和焊盘直径通常分别在5到15微米以及100到300μm范围内，其深度在5到10微米范围内。对于HDI PCB，沟槽可以更宽且更深。焊盘7内的接触孔(或通孔)8通过激光烧蚀而形成更深的深度使得所有的上介电层材料被去除以露出下面的铜层电路区域。接触孔的深度通常可以是焊盘和沟槽深度的两倍。
图2：示出了类似于图1的HDI PCB或IC基片的截面，但是在这种情况下，铜层上面的所述上介电层包括两种不同的材料层，上介电层9和下介电层10。沟槽4、4'和4”、大焊盘5以及小焊盘6和7全都完全穿透上介电层9但没有明显地穿透下介电层10。接触孔8完全穿透下介电层10以露出下面的铜层电路区域。
图3：示出了穿过HDI PCB的截面，其中，在对结构进行激光图案化之前，材料11的薄的保护层和牺牲层已被涂覆到介电层3的顶侧。这样的保护层通常最多只有几微米厚并且其主要目的是保护介电层3的上表面在激光烧蚀处理期间免受损害。在结构的激光烧蚀期间，光束穿透保护层的材料并将其下介电层3中的材料去除至所需深度。在激光烧蚀处理完成之后并在后续处理之前，保护层通常被去除以露出介电材料。
图4示出了通常用来在介电层中创建嵌入式结构的已知设备。准分子激光器12发出经均化器单元14塑形、经反射镜15转向的脉冲UV光束13并均匀地照亮整个掩模16。投影透镜17将该掩模的图像微缩到电介质涂覆的基片18的表面上，使得基片18处的光束的能量密度足以烧蚀介电材料并在层中形成与掩模图案相对应的结构。
透镜19为场透镜，其用于控制入射到透镜17光束使其以最佳的方式执行。基于各激光脉冲，掩模上的图案在电介质表面中被加工到明确限定的深度。通常，由各个激光脉冲加工的深度是一微米的几分之一，所以需要多个激光脉冲来创建具有若干微米深度的沟槽和焊盘。如果不同深度的特征需要被加工在基片表面中，则限定第一等级的掩模与限定更深等级的掩模20进行交换，在此之后，重复激光烧蚀处理。
利用一个激光脉冲来照亮各个掩模的全部区域以及基片上的相应区域需要来自激光器的高能量脉冲。例如，如果待制作的器件的尺寸是10×10mm(1cm2)并且由于高效烧蚀所需的脉冲能量密度大约是0.5J/cm2，那么在基片处所需的每脉冲总能量是0.5J。由于光学系统中的损耗，因此需要来自激光器的明显更高的每脉冲能量。UV准分子激光器非常适用于该应用，这是因为其通常在低重复率、高脉冲能量下进行操作。在高达300Hz的重复率下发出高达1J的输出脉冲能量的准分子激光器是易于得到的。各种光学策略已被设计以使得能够制造更大的器件或使得能够使用具有较低脉冲能量的准分子激光器。
图5示出了对设置波束成形光学器件21以在掩模16表面处创建线光束的情况进行说明的现有技术。该线光束的长度足以覆盖所述掩模的整体宽度。该线光束通过反射镜15的一维(1D)运动沿垂直于一直线的方向在所述掩模的表面上进行扫描。通过将反射镜15沿该直线从位置22移动到位置22'，所述掩模的全部区域被顺序地照亮，并且相应地在基片上待加工的全部区域被顺序地处理。当移动反射镜15时，掩模、投影透镜以及基片全都保持静止。
所述反射镜以一速度进行移动，该速度使得正确数量的激光脉冲能够影响基片的各个区域从而创建所需深度的结构。例如，对于在300Hz下操作的准分子激光器和在基片处具有1mm宽度的线光束，并且其中各个激光脉冲将材料去除至0.5微米的深度，那么每个面积上需要20个激光脉冲以创建具有10微米深度的结构。这样的设置需要所述线光束以15毫米/秒(15mm/sec)的速度在基片上移动。所述掩模处的光束速度大于所述基片处的光束速度，其系数与透镜的微缩系数相等。
图6示出了另一已知的设置并说明了处理有限的激光脉冲能量问题的替代方式。该方式涉及以相对于静止光束的精确链接方式来移动掩模和基片。波束成形光学器件21形成具有横跨掩模全宽的长度的线光束。在这种情况下，反射镜15保持静止并且掩模16被线性地移动，如图所示。为了在基片上生成掩模的精确图像，如图所示，有必要在与掩模的移动相反的方向上以与成像透镜17的缩小系数所限定的掩模速度有关的速度来移动基片18。这样的一维掩模和基片联合的运动系统在用于半导体制造的准分子激光晶片曝光工具中已为人们所知。
准分子激光器在一些情况下还通过二维(2D)掩模和基片扫描方案来进行使用，在这些情况中，待处理器件的面积非常大并且每个激光脉冲中的能量不足以创建横跨该器件全宽的线光束。Proc SPIE，1996年(2921卷)，第684页描述了这样的系统。这样的系统是非常复杂的，需要高度精确的掩模和工件台控制，并且此外，在基片上扫描带相互重叠的区域中获得均匀的烧蚀深度是极难控制的。
图7示出了根据本发明的优选形式的实施例。这与图4、5和6所示的在其中使用掩模投影光学系统来对基片中电路层的结构进行限制的现有技术类似，但是主要的差别在于，使用Q开关CW二极管泵浦固体(DPSS)激光器，而不是UV准分子激光器。这样的激光器以与准分子激光器截然不同的方式进行操作，其发出具有低能量(例如0.1mJ到几十毫焦)但高(多倍kHz到100kHz)重复率的脉冲。现在多种类型的Q开关DPSS激光器是易于获得的。对于本文所描述的方法，优选在UV范围中操作的多模DPSS激光器，因为UV更适用于较宽范围的介电材料的烧蚀并且成像透镜的光学分辨率与较长波长的分辨率相比具有优越性。此外，与低模或单模激光器相比，多模(MM)激光器产生更高的功率。其他的具有较长波长和较低模光束输出的脉冲DPSS激光器也可被用在所描述的方法中。
例如，可以使用UV MM CW二极管泵浦固体激光器，其工作在355nm波长下，从而在大约10kHz的重复频率下产生20W、40W或80W的功率，因而分别产生2mJ、4mJ和8mJ的输出脉冲能量。另一示例是MM UV DPSS激光器，其在6kHz重复频率下产生40W的功率，因而每个脉冲产生6.7mJ的脉冲能量。又一示例是UV较低模CW二极管泵浦固体激光器，其可工作在355nm波长下，从而在大约100kHz的重复频率下产生20W或28W的功率，因而分别产生0.2mJ和0.28mJ的输出脉冲能量。
如图7所示，MM UV DPSS激光器22发出输出光束23，该输出光束23通过光学元件24进行塑形以在掩模16处形成适当尺寸的圆形或其他形状的光斑，使得在通过透镜17成像到基片表面18后，能量密度足以烧蚀基片18表面上的材料。2D扫描单元25在掩模16上以2D光栅模式移动光斑使得掩模16的全部区域被覆盖，并且相应地，基片18上待处理的全部区域也被覆盖，从而将掩模16上的图案的图像刻印到基片表面内。优选地，透镜17在成像侧具有远心性能。这意味着通过透镜形成平行光束以使得距基片的距离的变化不会改变图像的尺寸。这避免了沿光轴对基片进行高精度定位的需要，并且能够适应基片的任意非平坦性。
在这种设置中，透镜19用于将扫描器25的反射镜之间的平面成像到透镜的入射光瞳26中以使得远心性能的条件被满足。重要的是，透镜17具有足够的光学分辨率以在介电层的表面中精确地形成小到5μm甚至更小的明确限定的结构。所述分辨率由波长和数值孔径确定，并且对于355nm的激光波长，其转化为大约0.15或更大的数值孔径。针对透镜的另一要求是：透镜将掩模上的图案微缩到基片上使得基片处的激光脉冲的能量密度足够高以烧蚀材料，而掩模处的能量密度足够低使得掩模材料不被损坏，其中，所述掩模材料可能是石英基片上图案化的铬层。放大倍数为3×或更大的透镜被发现在大部分情况下是适用的。在基片处0.5J/cm2的能量密度通常足以烧蚀大部分的聚合物介电材料，因此采用放大倍数为3×的透镜，并考虑到透镜中的合理损耗，则掩模处相应的能量密度小于0.07J/cm2，该等级远远低于石英基片上的铬层的损坏等级。
图8示出了图7设置中所用的掩模16的俯视图。在这种情况下，激光束光斑27是圆的，其沿着X和Y方向以光栅形轨迹28移动以使得掩模29的整个图案区域被覆盖。图8还示出了缩小尺寸的激光光斑31在基片上的缩小尺寸的激光加工区32之上所遵循的相应的光栅路径30。针对需要将掩模上的沟槽、焊盘和其他结构在基片的表面加工至恒定深度的情况，重要的是，掩模的每个区域接收相同有效剂量的激光辐射。由于掩模处的光束很可能具有非均匀分布的能量密度，并且通过各激光脉冲去除的基片材料的深度通常非线性地随着能量密度变化，因此，为了烧蚀至相同的深度，掩模表面上的光束的精确轨迹将取决于光束形状和光束轮廓，并且通常将通过实验确定。
简单的示例是：沟槽和焊盘的复杂图案将在介电材料的表面内被激光加工至5μm的均匀深度以形成具有14×14mm的区域32的电子电路的第一层。所述激光器是多模40W UV(355nm)CW泵浦DPSS激光器，其在10kHz的重复频率下操作并发出脉冲，每个脉冲具有4mJ能量，在光学损耗之后3mJ能量到达基片。基片上的典型介电材料可以在355nm处具有烧蚀特征，使得能量密度为0.5J/cm2时，每个激光脉冲将材料去除至0.33μm的深度。为了在圆形光斑上实现这一能量密度，在基片处所需的直径为0.87mm，并且掩模处所需的直径为2.6mm(假设3×倍的缩小倍数)。
在烧蚀率为每激光脉冲0.33μm时，基片的每个区域需要暴露于总数为15的激光脉冲以创建总深度为5μm的结构。这可以通过基片表面上并且相应地掩模上各个激光光斑的适当重叠而被容易地实现。例如，考虑如图7所示的掩模扫描，在激光重复频率为10kHz时，X方向上5.2m/sec的光束扫描速率使得5个脉冲激光将被施加在沿X方向的各个区域。如果掩模上的平行扫描线之间的Y间距被设置为光斑直径的1/3，则在Y方向上每个区域被施加3次照射，从而导致每个区域总共15次照射。应当理解的是，若干其他X和Y照射重叠的组合也可以实现每个区域15次照射。
按照整个器件区域上的结构深度的均匀性，尤其对具有非均匀能量密度分布的圆形光束而言，这种对各个轴上光束重叠的简单计算不太可能导致理想的结果，因此，通常有必要通过实验来确定每个轴上的重叠(其导致均匀烧蚀深度)。然而，当掩模处的激光束被光学地均匀化以提供均匀的能量密度并形成方格嵌纹形状(例如正方形、长方形或六边形)时，掩模表面上的光束的轨迹可以被很容易地预测到。
为了完成对有效掩模区域29的均匀覆盖，有必要对超出掩模的全部四个边缘的至少一个激光束光斑直径进行扫描。对于42×42mm的有效掩模区域，使用上述的激光束扫描速度，可以实现掩模和基片的总扫描时间稍大于0.5秒。
如果在基片顶部具有如图3所示的保护层，则利用两个不同的通量值对掩模进行两次完全扫描是适当的。第一扫描使用针对薄保护层的烧蚀而优化的通量并且第二扫描使用针对下面的介电层中的更深烧蚀而优化的通量。
如果掩模上的图案信息不是均匀分布的，而是被定位于掩模的特定区域，则只有这些区域需要被扫描(从而减少掩模扫描时间)。
上述的扫描策略在介电材料中创建相同深度的结构，因而其他的要求是创建如图1、2或3所示的包括两层或更多层的结构。利用上述这种类型的掩模扫描方法存在多种完成创建的方式，并且现将对这些方式中的某些方式进行描述。
图9示出了创建两层结构的最简单的方式。第一掩模16在其全部区域上被扫描以创建上层沟槽和焊盘结构，在此之后，将第一掩模16替换为具有与底层通孔结构相关的图案的第二掩模33。当然，需要对掩模进行精确配准以确保两个激光加工的图案被精确地叠加在基片的表面上。
当底层图案具有高密度特征时，优选这种多次顺序扫描掩模方式，使得对底层掩模的全部或大部分所进行的扫描是高效的。另一方面，如果仅需要几个更深特征，例如由上层掩模限定的位于焊盘区域内的通孔，则其他替换方法是可能的。
图10示出了一种用于在如图7所示的成像设置中使用单个激光器的方法，以使得一些更深的特征能被包含到器件结构中。MM UV DPSS激光器22发出输出光束23，该输出光束被光学元件34塑形以在孔径单元35处形成适当尺寸的光斑。光学元件36将孔径35成像到掩模16上并且透镜17将孔径重新成像到基片18的表面上。在这种情况下，将层处理至不同的深度至少在两个阶段中被执行。在第一阶段中，孔径被去除或设置为大尺寸因而使来自激光器的全部光束穿过或可被设置为适当的方格嵌纹形状，并且整个掩模区域被采用正确的光束轨迹进行扫描，使得包括全部沟槽、焊盘和其他结构的上层掩模图案被限定至基片中的正确深度。在第二阶段中，适当尺寸的孔径被移动到光束内以限定所需的通孔。随后，扫描器25在“指向并照射”的模式下进行操作从而将光束移动到对焊盘区域进行限定的掩模16上的区域，并且所述光束保持静止，同时发出所需数量的激光照射用以钻凿通孔以露出下面铜层或钻凿通孔至所需深度。在此之后，所述光束被移动到另一焊盘区域并重复该过程。继续该过程直到底层中的所有通孔都已被钻凿。不同尺寸的通孔可通过在后续阶段插入不同尺寸的孔径进行钻凿。
实现不同图案化阶段的顺序也可以不同。在第一阶段中在孔径成像、指向并照射模式下钻凿所有通孔，紧接着在后续的掩模扫描阶段限定沟槽和焊盘是可能的。在这种情况下，对通孔进行钻凿不需要穿透从基片表面到埋地铜层的全部深度，这是因为在掩模扫描过程中将施加附加的激光发射。
图11示出了一种使用两个激光器对更深的特征进行钻凿的另一方法。第一激光器22，其通常是MM UV DPSS激光器，发出由光学元件24塑形的输出光束23以在掩模16处形成适当尺寸的圆形或其他形状的光斑。该第一激光器22被用来扫描掩模以形成如上所述的沟槽和焊盘。在波长、脉冲长度、模式结构或重复率等一个或更多个方面与激光器22具有不同特征的第二激光器37发射光束，该光束穿过光学部件39并经由反射镜40和41以及扫描器25被引导至掩模16的表面。反射镜41可以是可移动型反射镜并且具有两个位置，该两个位置要么在激光光束23的路径内要么该路径外以分别使得第二激光束38能够被反射镜41反射从而传到扫描器或使得第一激光光束23能够直接传到所述扫描器。优选地，反射镜41为偏振选择型反射镜以使得两个激光器光束的偏振可被设置使得来自激光器22的激光光束23在反射镜41处具有P偏振，因而穿过反射镜到扫描器或来自激光器37的激光光束38在反射镜41处具有S偏振因而被反射到扫描器。
适用于该第二激光器处理的激光器的示例通常与上述针对第一激光器处理的激光器相同，但是当第二激光器需要制作小直径通孔时，具有低模输出、提供低功率的激光器可能是令人满意的。
光学部件39对激光光束38进行塑形或聚焦以使得其在掩模处的性能使得用于烧蚀基片处材料的正确的激光器参数可被实现。如果需要孔径，则适当尺寸的孔径连同用来将该孔径成像到掩模表面上的光学器件可被放置在激光光束23和38中的一个或两者中以更好地限定掩模处的光束的尺寸和形状。
使用两个激光器的优点在于，每个激光器的特征可被最优化以提供最高效的激光烧蚀。例如，针对需要在电介质中将沟槽和大焊盘形成至第一深度并且随后需要穿透至铜层的小直径通孔的情况，优选的是，第一激光器是高功率多模激光器以使得掩模能够被快速扫描，而第二激光器是具有高重复率的低模或单模激光器，以使得基片处的较小激光光斑能够被更易形成并且小直径的通孔能被快速形成。
图12示出了一种设置，在该设置中，上述处理的特征可被最好地用来在基片的表面形成长且窄的结构，例如适用于制作灵活的电连接器。如图12所示的设置与图6所示的设置类似，因为在这两种设置中掩模和基片两者被以相反的方向移动以在区域上形成长且窄的结构，但在图6所示的设置中，高脉冲能量激光光束被形成为覆盖掩模上图案的全宽的线光束，然而在图12所示的设置中，低脉冲能量激光光束被形成为掩模处的光斑，随着掩模和基片以垂直于扫描方向的方向相对于扫描器进行移动(因而该组合的移动导致了相对于掩模对激光光斑的2D扫描)，该激光光束横跨掩模的全宽被高速扫描。针对这种类型的扫描设置，扫描器42可以是多边形扫描器。
上述所有设置的主要优点在于，由于使用固体激光器，与处理基片的给定区域相关的成本远低于使用准分子激光器时的成本。此外，与准分子激光器相比，由于明显更简单且更高效的与固体激光器并用的光束传输光学元件，低功率固体激光器可被用来在给定的时间内处理给定的基片。一个示例是面积为2cm2的器件，其需要通过激光器在0.5秒内被加工到5微米的深度。以0.5J/cm2能量密度处每激光脉冲0.33微米的烧蚀率，则15J的总能量需要被传送到基片区域以实现所需的深度。假设针对固体激光器和准分子激光器的光束传送传输率分别为80％和50％，要实现所需0.5秒的处理时间需要发射功率小于40W的固体激光器，而需要具有60W输出功率的准分子激光器。
将资本折旧(例如超过5年)考虑在内，UV准分子激光器的成本通常约为100美元/MJ输出能量。该成本的大约60％与气体和消耗零件的成本相关。相比之下，UV固体激光器通常的成本约为50美元/MJ(只有大约该成本的10％与消耗零件相关)。因此，如果将两种激光器的资本和操作成本包括在内，并且考虑到所需的不同激光器功率，则加工基片所需的40W固体激光器的操作成本约是等效的60W准分子激光器的操作成本的三分之一。

Claims (20)

1.一种用于在介电基片的表面内形成两个或更多个深度的精细尺度结构的设备，该设备包括：
第一固体激光器，其被设置为提供第一脉冲激光束；
第一掩模，其具有用于对第一深度处的第一组结构进行限定的图案；投影透镜，其用于在所述基片的表面上形成所述图案的缩小尺寸图像；和，光束扫描器，其被设置为用所述第一脉冲激光束以二维光栅扫描方式相对于所述第一掩模进行扫描以在所述基片的第一深度处形成第一组结构；以及
所述第一固体激光器或另一固体激光器，其被设置为在所述基片的第二深度处形成第二组结构。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一固体激光器是Q开关连续波CW二极管泵浦激光器。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一固体激光器被设置为发出紫外线波长范围内的光。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一固体激光器被设置为发出具有0.1mJ到100mJ范围内的能量和1kHz到100kHz范围内的重复率的脉冲。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一固体激光器被设置为发出形成圆形激光光斑的光束。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一固体激光器被设置为发出一被塑形以形成具有方格嵌纹形状的激光光斑的光束。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其具有第二掩模，所述第二掩模用于对所述基片中第二深度处的第二组特征进行限定，并且所述第二掩模与所述第一掩模是可互换的。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述投影透镜具有至少三倍的放大倍数。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述投影透镜是远心透镜。
10.根据权利要求1或2所述的设备，包括：被定位成由所述第一脉冲激光束成像到所述第一掩模上的孔径。
11.根据权利要求1或2所述的设备，其具有不同于所述第一固体激光器的第二固体激光器以在所述基片中的第二深度处形成所述第二组结构。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述第一固体激光器、所述第二固体激光器或另一固体激光器被设置为在所述基片中的第三深度处形成第三组结构。
13.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一掩模包括透明度可被电子地改变的像素的2D阵列。
14.一种用于在介电基片的表面内形成两个或更多个深度的精细尺度结构的方法，该方法包括两阶段过程：
对第一深度处的第一组结构进行限定的第一过程和对第二深度处的第二组结构进行限定的第二过程，所述第一过程包括：利用第一固体激光器来提供第一脉冲激光束；
提供第一掩模，所述第一掩模具有对第一深度处的第一组结构进行限定的图案；提供投影透镜，所述投影透镜用于在所述基片的表面上形成所述图案的缩小尺寸图像并用所述第一脉冲激光束以二维光栅扫描方式相对于所述第一掩模进行扫描以在所述基片的第一深度处形成第一组结构；所述第二过程包括：使用所述第一固体激光器或另一固体激光器以在所述基片的第二深度处形成第二组结构，其中，所述第一过程和第二过程可以以任意顺序执行。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二过程包括：对采用不同于所述第一过程中所用的激光器参数的所述第一固体激光器的使用。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二过程包括：对所述第一固体激光器和用于对所述基片中第二深度处的第二组特征进行限定的第二掩模的使用，所述第二掩模与所述第一掩模是可互换的。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二过程包括：在所述基片保持静止的同时利用所述第一固体激光器在所述基片处激发多个激光脉冲以在所述基片中的第二深度处形成第二组特征。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二过程包括：在所述第一脉冲激光束中使用孔径，从而使所述孔径被成像到所述第一掩模上并且所述第一固体激光器被用来在所述基片中的第二深度处形成第二组特征。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二过程包括：使用不同于所述第一固体激光器的第二固体激光器，所述第二固体激光器通过所述第一掩模进行扫描以在所述基片中的第二深度处形成第二组特征。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一固体激光器、所述第二固体激光器或另一固体激光器被用来在所述基片中的第三深度处形成第三组结构。
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