-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft Lasertrimmen und insbesondere Lasertrimmen von Dick- oder Dünnschichtwiderständen mit einem gleichmäßigen Lichtfleck von einem Festkörperlaser.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Herkömmliche Lasersystem werden typischerweise zur Bearbeitung von Zielen, wie zum Beispiel elektrisch widerstandsbehafteten oder leitfähigen Schichten von passiven elektrischen Bauelementstrukturen, wie zum Beispiel Schichtwiderständen, induktiven Schichtbauelementen oder Schichtkondensatoren, in Schaltungen verwendet, die auf keramischen oder anderen Substraten ausgebildet sind. Die Laserbearbeitung zum Trimmen der Widerstandswerte von Schichtwiderständen kann passive, funktionelle oder aktivierte Lasertrimmtechniken, wie zum Beispiel im Detail im
US-Patent-Nr. 5,685,995 von Sun et al. beschrieben, enthalten.
-
Der folgende technologische Hintergrund wird hierin nur beispielhaft für Dickschichtwiderstände dargestellt. 1 zeigt eine isometrische Ansicht eines Werkstückes 10, wie zum Beispiel eines bekannten Dickschichtwiderstands 10a, der einen Teil einer Vorrichtung mit einer hybriden integrierten Schaltung bildet, und 2 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt, die den Dickschichtwiderstand 10a beim Empfangen eines herkömmlichen Laserausgangspulses 12 zeigt. Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 umfasst ein herkömmlicher Dickschichtwiderstand 10a typischerweise eine Dickfilmschicht 14 aus Ruthenat- oder Ruthenium-oxidmaterial, die sich zwischen Bereichen der oberen Flächen von metallischen Kontakten 16 erstreckt und darauf aufgetragen ist. Die Schicht 14 und die metallischen Kontakte 16 werden auf einem Keramiksubstrat 18, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, gehalten. Moderne Dickfilmpasten auf Ruthenium-Basis sind optimiert worden, um nach Lasertrimmen mit einem 1,047 Mikron(μm)-Nd:YLF-Laser oder einem 1,064 μm-Nd:YAG-Laser stabil zu sein.
-
Unter besonderer Bezugnahme auf 1 ist der Widerstandswert des Widerstands 10a weitgehend eine Funktion des spezifischen Widerstands des Widerstandsmaterials und seiner Geometrie, einschließend Länge 22, Breite 24 und Höhe 26. Da es schwierig ist, auf genaue Toleranzen abzuschirmen, werden Dickschichtwiderstände absichtlich auf einen niedrigeren Widerstand als Nennwerte abgeschirmt und auf die gewünschten Werte hochgetrimmt. Mehrere Widerstände 10a mit näherungsweise denselben Widerstandswerten werden in relativ großen Chargen hergestellt und danach Trimmvorgängen unterzogen, um zunehmende Mengen des Widerstandsmaterials zu entfernen, bis der Widerstand auf einen gewünschten Wert angestiegen ist.
-
Unter besonderer Bezugnahme auf 2 entfernt/entfernen ein oder mehrere Laserpuls(e) 12 im wesentlichen die gesamte Höhe 26 des Widerstandsmaterials in den Lichtfleckabmessungen 28 von Laserausgangspulsen 12 und bilden überlappende Lichtfleckabmessungen 28 eine Kerbe 30. Es kann ein einfaches oder komplexes Muster durch das Widerstandsmaterial eines Widerstands 10a getrimmt werden, um seinen Widerstandswert genau abzustimmen. Laserpulse 12 werden typischerweise angelegt, bis der Widerstand 10a einen vorab festgelegten Widerstandswert einhält.
-
3 zeigt eine isometrische Ansicht eines Bereiches eines bekannten Widerstands 10, die der Einfachheit halber zwei Trimmwege 32 und 34 mit üblichem Muster (durch eine unterbrochene Linie getrennt) zwischen Metallkontakten 16 zeigt. Der ”L-Schnitt”-Weg 32 stellt eine typische laserinduzierte Abänderung dar. Bei einem L-Schnitt-Weg 32 wird ein erster Entfernstreifen 36 aus Widerstandsmaterial in einer zu einer Linie zwischen den Kontakten senkrechten Richtung entfernt, um eine Grobeinstellung des Widerstandswertes durchzuführen. Danach kann ein angrenzender zweiter Entfernstreifen 38, der zum ersten Entfernstreifen 36 senkrecht ist, entfernt werden, um eine feinere Einstellung auf den Widerstandswert durchzuführen. Ein ”Serpentinenschnitt”-Weg 34 stellt eine weitere übliche Art der Lasereinstellung dar. Bei einem Serpentinenschnitt 34 wird Widerstandsmaterial entlang der Entfernstreifen 40 entfernt, um die Länge des Schichtweges 43 zu erhöhen. Entfernstreifen 40 werden hinzugefügt, bis ein gewünschter Widerstandswert erreicht ist. Die Entfernstreifen 36, 38 und 40 weisen typischerweise die Breite einer einzelnen Kerbe 30 auf und stellen das kumulative ”Knabbern” eines Zuges von überlappenden Laserpulsen 12 dar, die nahezu das gesamte Widerstandsmaterial in den vorgeschriebenen Mustern entfernen. Wenn der Trimmvorgang abgeschlossen ist, sind somit die Kerben 30 ”sauber”, wobei deren Böden im wesentlichen von Widerstandsmaterial frei sind, so dass das Substrat 18 vollständig freiliegt. Leider erfordert die Ausbildung von herkömmlichen sauberen Kerben 30 ein leichtes Einfallen des Lasers auf die Oberfläche des Substrats 18.
-
Wenn Schichtwiderstände kleiner werden, wie zum Beispiel in den neueren 0402- und 0201-Chip-Widerständen, werden kleinere Lichtfleckgrößen benötigt. Bei den 1,047 μm- und 1,064 μm-Laserwellenlängen stellt das Erzielen von kleineren Lichtfleckgrößen, während herkömmliche Optik verwendet wird und der Standardarbeitsabstand (der zum Vermeiden von Abtragungstrümmern und zum Freigeben der Sonden notwendig ist) und adäquate Schärfentiefe (zum Beispiel Keramik ist nicht eben) beibehalten werden, eine zunehmendere Herausforderung dar. Das Verlangen nach noch genaueren Widerstandswerten treibt die Suche nach engeren Trimmtoleranzen an.
-
Ein Artikel von Albin und Swenson mit dem Titel ”Laser Resistance Trimming from the Measurement Point of View”, IEEE Transactions on Parts, Hybrids, and Packaging, Band PHP-8, No. 2, Juni 1972, beschreibt Messergebnisse und Vorteile der Verwendung eines Festkörperlasers zum Trimmen von Dünnschichtwiderständen.
-
Kapitel 7 der NEC-Bedienungsanleitung „Instruction Manual for SL436G LASER TRIMMER”, B19-001028 Issue 1, 1997 beschreibt die Herausforderungen, die mit der Verwendung eines Gaußschen Infrarot(IR)-Strahls zum Trimmen von Widerständen, insbesondere Dickschichtwiderständen, verbunden sind. Wärmeeinflusszonen (Heat-Affected Zones (HAZ)), Risse und Drift sind einige der Probleme, denen sich gewidmet wird.
-
Ein Artikel von Swenson et al. mit dem Titel ”Reducing Post Trim Drift of Thin Film Resistors by Optimizing YAG Laser Output Characteristics”, IEEE Transactions on Components, Hybrid, and Manufacturing Technology, Dezember 1978, beschreibt die Verwendung einer grünen (532 nm) Gaußschen Ausgabe eines Festkörperlasers zum Trimmen von Dünnschichtwiderständen zum Reduzieren von HAZ und Drift nach Trimmen.
-
Die
US-Patente Nr. 5,569,398 ,
5,685,995 und
5,808,272 von Sun und Swenson beschreiben die Verwendung von unkonventionellen Laserwellenlängen, wie zum Beispiel 1,3 μm, zum Trimmen von Filmen oder Vorrichtungen zur Vermeidung einer Beschädigung des Siliziumsubstrats und/oder zum Reduzieren der Absetzzeit während des funktionellen Trimmens.
-
Die internationale Veröffentlichung Nr.
WO 99/40591 von Sun und Swenson, veröffentlicht am 12. August 1999, führt das Konzept des Widerstandstrimmens mit einer ultravioletten (UV) Gaußschen Laserausgabe ein. Unter Bezugnahme auf
4 verwenden sie die Gaußsche UV-Laserausgabe zum Abtragen eines Gebietes
44 der Oberfläche von Schichtwiderständen, um deren Oberflächengebiet aufrechtzuerhalten und deren Hochfrequenzgangeigenschaften zu bewahren. Durch absichtliches Beibehalten einer Tiefe
46 des Widerstandsfilms in den getrimmten Gebieten
44 vermeiden sie, die Kerbenböden
48 reinigen zu müssen, und beseitigen sie im wesentlichen die Wechselwirkung zwischen der Laserausgabe und dem Substrat
18, wodurch irgendwelche Probleme beseitigt werden, die durch genannte Wechselwirkung verursacht werden könnten. Leider ist das Oberflächenabtragungstrimmen ein relativ langsamer Prozess, da die Laserparameter sorgfältig gedämpft und gesteuert werden müssen, um ein vollständiges Entfernen des Widerstandsfilms zu vermeiden.
-
Mikroreißen stellt eine weitere Herausforderung dar, die mit der Verwendung eines Gaußschen Festkörperlaserstrahls zum Trimmen von Widerständen verbunden ist. Mikrorisse, die häufig in der Mitte einer Kerbe 30 auf dem Substrat auftreten, können sich in den Widerstandsfilm erstrecken, was zu potentiellen Driftproblemen führt. Mikrorisse können auch eine mit dem Temperaturkoeffizienten des Widerstands (Temperature Coefficient of Resistance (TCR)) verbundene Verschiebung verursachen. Besagtes Mikroreißen tritt verstärkter bei den neueren 0402- und 0201-Chip-Widerstanden auf, die auf dünneren Substraten 18, mit einer typischen Höhe beziehungsweise Dicke von ungefähr 100 bis 200 μm, verglichen mit denjenigen von traditionellen Widerständen hergestellt werden. Mikroreißen in diesen Widerständen mit dünnerem Substrat kann wandern und sogar zu einem plötzlichen Ausfall oder physikalischem Bruch, insbesondere entlang der Trimmkerbe 30, des Widerstands während nachfolgenden Handlings führen. Mikroreißen kann auch ”bevorzugte” Bruchlinien erzeugen, die ausgeprägter als die für einen gewünschten Bruch vorgeschriebenen Bruchlinien in Snapstrates sind.
-
Aus der
JP 10 149 908 A geht ein Verfahren zum Lasertrimmen eines Schichtwiderstands hervor, bei dem ein gepulster UV-Laserstrahl eines Festkörperlasers mit im allgemeinen Gaußscher Form mittels einer Apertur in einen Ziellaserstrahl umgewandelt wird.
-
In der
JP 09 246 023 A ist ein gattungsgemäßes Verfahren beschrieben, bei dem ein von einem Excimer-Laser emittierter Laserstrahl durch einen Strahlaufweiter und einen variablen Abschwächer geführt wird. Im Anschluss daran tritt der Laserstrahl durch eine Apertur.
-
Weitere gattungsgemäße Verfahren ergeben sich auch aus der
JP 11 320 134 A und
EP 0 471 202 A2 .
-
Ein Teil des Mikroreißens kann durch die Mitte mit hoher Intensität des Gaußschen Strahllichtflecks in ziemlich derselben Weise verursacht werden, in der ein Gaußscher Strahl für die Beschädigung der Mitte eines Sackloches bei einem Laserbohrvorgang (obwohl die Ziele und Substrate unterschiedliche Materialien sind) verantwortlich sein kann. Die internationale Veröffentlichung Nr.
WO 00/73013 von Dunsky et al., veröffentlicht am 7. Dezember 2000, beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen und Verwenden eines durch Abbildung geformten Gaußschen Strahls zum Liefern eines gleichmäßigen Laserlichtflecks, der für Lochbohroperationen besonders nützlich ist.
-
Ein Artikel von Swenson, Sun und Dunsky mit dem Titel ”Laser Micromachining in Electronics Manufacturing: A Historical Overview”, SPIE's 45. Jahrestreffen, The international Symposium on Optical Science and Technology, 30. Juli–4. August 2000, beschreibt ein verbessertes Oberflächenscanverfahren unter Verwendung eines gleichmäßigen 40 μm-Lichtfleckes, der von einer von Dickey et al. in dem
US-Patent Nr. 5,864,430 beschriebenen Linse gebildet ist.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, das Auftreten und/oder das Ausmaß von Mikrorissen beim Lasertrimmen eines Schichtwiderstands zu reduzieren.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Lasertrimmen eines Schichtwiderstands zum Ändern eines Parameters des Schichtwiderstands, der ein auf einem Substrat getragenes Schichtwiderstandsmaterial enthält, von einem Anfangswert in einen Nennwert, wobei das Schichtwiderstandsmaterial zur Bestimmung des Anfangswertes des Parameters beiträgt, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines Gaußschen Strahls von mindestens einem Laserpuls mit UV-Strahlung mit einem räumlichen Energiedichteprofil mit Gaußscher Gestalt; Ausbreiten des Gaußschen Strahls entlang eines optischen Weges durch ein Strahlformgebungselement zum Umwandeln des Gaußschen Strahls in einen transformierten Strahl mit einem gleichmäßigeren räumlichen Energiedichteprofil, das gleichmäßiger als das Energiedichteprofil mit Gaußscher Gestalt ist; Ausbreiten eines Hauptteils des transformierten Strahls durch eine Apertur zum Umwandeln desselben in einen Zielstrahl, der einen Ziellichtfleck mit einem gleichmäßigen räumlichen Energiedichteprofil bildet; Lenken des Zielstrahls auf ein Zielgebiet des Schichtwiderstandsmaterials zum Abtragen des Schichtwiderstandsmaterials in dem Zielgebiet des Schichtwiderstands und Ändern seines Anfangswertes in den Nennwert und Eindringen in das Substrat, um eine Kerbe durch das Schichtwiderstandsmaterial zu bilden und einen Hauptteil des Substrats in dem Zielgebiet gleichmäßig freizulegen, wobei das gleichmäßige räumliche Energiedichteprofil des Ziellichtfleckes einen effektiven Energiedichtewert hat, der Bildungen von Mikrorissen in dem Substrat minimiert.
-
Zumindest in einer besonderen Ausführungsform werden Lichtfleckgrößen von weniger als 20 μm zum Trimmen von kleineren Chip-Widerständen, wie zum Beispiel 0402- und 0201-Chip-Widerständen, bereitgestellt.
-
Die vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise einen gleichmäßigen Lichtfleck, wie zum Beispiel durch Abbildung geformten Gaußschen Lichtfleck oder einen beschnittenen Gaußschen Lichtfleck, der einen Durchmesser von weniger als 20 μm aufweist und gleichförmige Energie quer über die Unterseite einer Kerbe 30 verleiht, wodurch das Ausmaß und die Schwere von Mikroreißen minimiert wird. Wenn passend, können diese Lichtflecke in einer abtragenden, nichtthermischen UV-Laser-Wellenlänge zum Reduzieren der HAZ und/oder der Verschiebung des TCR erzeugt werden. Diese Techniken können sowohl zur Dünn- als auch Dickschichtwiderstandsbearbeitung verwendet werden.
-
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen derselben ersichtlich werden, die unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen erfolgt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt eine fragmentarische isometrische Ansicht eines Dickschichtwiderstands.
-
2 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt eines Dickschichtwiderstands, der eine Laserausgabe empfängt, die die gesamte Dicke des Widerstandsmaterials entfernt.
-
3 zeigt eine fragmentarische isometrische Ansicht eines Widerstands, die zwei übliche bekannte Trimmwege zeigt.
-
4 zeigt eine isometrische Ansicht eines Dickschichtwiderstands mit einem Oberflächenabtragungstrimmprofil.
-
5 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht und teilweise schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Lasersystems, das zum Trimmen von Filmen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
-
6A–6C zeigen eine Sequenz von vereinfachten Strahlungsprofilen eines Laserstrahls, wie es sich durch zahlreiche Systemkomponenten des Lasersystems von 5 ändert.
-
7A–7D zeigen beispielhafte im wesentlichen gleichförmige quadratische oder kreisförmige Strahlungsprofile.
-
8 zeigt einen graphischen Vergleich von idealen Fluenzverteilungen an der Aperturebene für durch Abbildung geformte Ausgabe und beschnittene Gaußsche Ausgabe bei mehreren typischen Transmissionsstärken unter beispielhaften Laserbearbeitungsparametern.
-
9 zeigt eine Graphik des Lochverjüngungsverhältnisses als eine Funktion des Arbeitsflächenortes relativ zur Nennbildebene.
-
10 zeigt eine Graphik des Lochdurchmessers als eine Funktion des Arbeitsflächenortes relativ zur Nennbildebene.
-
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
-
Unter Bezugnahme auf
5 enthält eine bevorzugte Ausführungsform eines Lasersystems
50 der vorliegenden Erfindung einen gütegeschalteten, diodengepumpten (Diode-Pumped (DP)) Festkörper (Solid-State(SS))-UV-Laser
52, der vorzugsweise ein Festkörper-Laser-material, wie zum Beispiel Nd:YAG, Nd:YLF oder Nd:YVO
4, enthält. Der Laser
52 sorgt vorzugsweise für harmonisch erzeugte UV-Laser-Pulse beziehungsweise -ausgabe
54 auf einer Wellenlänge, wie zum Beispiel 355 nm (frequenzverdreifachter Nd:YAG), 266 nm (frequenzvervierfachter Nd:YAG) oder 213 nm (frequenzverfünffachter Nd:YAG) mit hauptsächlich einem räumlichen TEM
00-Modenprofil. Fachleute werden anerkennen, daß andere Wellenlängen und deren Harmonischen anhand der anderen aufgelisteten Lasermaterialien verfügbar sind. Zum Beispiel schließen bevorzugte YLF-Wellenlängen 349 nm und 262 nm ein. Fachleute werden auch anerkennen, dass die meisten Laser
52 keine perfekte Gaußsche Ausgabe
54 emittieren; jedoch wird der Einfachheit halber Gauß hierin frei verwendet, um das Strahlungsprofil der Laserausgabe
54 zu beschreiben. Laserhohlraumanordnungen, Erzeugung von Harmonischen und Betrieb mit Güteschaltung sind für Fachleute auf dem Gebiet allgemein bekannt. Details von beispielhaften Laser
52 sind in der internationalen Veröffentlichung Nr.
WO 99/40591 von Sun und Swenson beschrieben.
-
Obwohl andere Festkörper-Laser-Wellenlängen, wie zum Beispiel grün (z. B. 532 nm) oder IR (z. B. 1,06 μm oder 1,32 μm), verwendet werden könnten, wird eine UV-Laser-Wellenlängen zum Trimmen bevorzugt, da sie eine abtragende, relativ nichtthermische Art aufweist, die eine Drift nach Trimmen reduziert. Eine UV-Laser-Wellenlänge sorgt auch inhärent für eine kleinere Lichtfleckgröße an der Oberfläche eines Werkstückes 10 als die von einer IR- oder grünen Laserwellenlänge bereitgestellte unter Verwendung derselben Schärfentiefe.
-
UV-Laser-Pulse 54 können durch eine Vielzahl von allgemein bekannten Optiken, einschließlich Strahlaufweiter und/oder Upcollimator-Linsenkomponenten 56 und 58, die entlang des Strahlenweges 64 positioniert sind, geleitet werden. Die UV-Laser-Pulse 54 werden danach vorzugsweise durch ein Formgebungs- und/oder Abbildungssystem 70 zum Erzeugen von gleichmäßigen Pulsen beziehungsweise Ausgabe 72 gelenkt, die danach vorzugsweise von einem Strahlpositioniersystem 74 zum Zielen der gleichförmigen Ausgabe 72 durch eine Scanlinse 80 (Die Scanlinse wird auch allgemein als eine ”zweite Abbildungs”-, Fokussier-, Abschneide- oder Objektivlinse bezeichnet.) auf eine gewünschte Laserzielposition 82 in der Bildebene auf einem Werkstück 10, wie zum Beispiel Dickschichtwiderstände 10a oder Dünnschichtwiderstände, gerichtet wird. Die gleichmäßige Ausgabe 72 umfasst vorzugsweise eine Laserausgabe, die abgeschnitten (beschnitten), fokussiert und beschnitten, geformt oder geformt und beschnitten worden ist.
-
Das Abbildungssystem 70 benutzt vorzugsweise eine Aperturmaske 98, die zwischen einem optischen Element 90 und einer Sammel- oder Kollimationslinse 112 und im oder in der Nähe des Brennpunkts der von dem optischen Element 90 erzeugten Strahltaille positioniert ist. Die Aperturmaske 98 sperrt vorzugsweise irgendwelche unerwünschten Seitenkeulen in dem Strahl, um ein Lichtfleckprofil mit einer kreisförmigen oder anderen Gestalt zu präsentieren, die nachfolgend auf die Arbeitsfläche abgebildet wird. Außerdem kann Variieren der Größe der Apertur die Randschärfe des Lichtfleckprofils steuern, um ein kleineres, schärferkantiges Intensitätsprofil erzeugen, das die Ausrichtgenauigkeit verbessern sollte. Zusätzlich kann die Gestalt der Apertur genau kreisförmig sein oder in rechteckige, elliptische oder andere nichtkreisförmige Formen, die vorteilhafterweise zum Widerstandstrimmen verwendet werden können, abgeändert werden.
-
Die Maske 98 kann ein Material umfassen, das zur Verwendung bei der Wellenlänge der Laserausgabe 54 geeignet ist. Wenn die Laserausgabe 54 UV ist, dann kann die Maske 98 zum Beispiel ein UV-reflektierendes oder UV-absorbierendes Material umfassen, aber ist es vorzugsweise aus einem dielektrischen Material, wie zum Beispiel UV-beständigem Quarzgut oder Saphir, beschichtet mit einer mehrschichtigen UV-reflektierenden Beschichtung oder anderen UV-beständigen Beschichtung. Die Apertur der Maske 98 kann optional nach außen an ihrer Lichtaustrittsseite erweitert sein.
-
Das optische Element
90 kann Fokussieroptiken oder Strahlformgebungskomponenten, wie zum Beispiel asphärische Optiken, refraktive binäre Optiken, ablenkende binäre Optiken oder diffraktive Optiken, umfassen. Ein Teil oder alle davon können mit der oder ohne die Aperturmaske
98 verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt eine Strahlformgebungskomponente ein diffraktives optisches Element (Diffractive Optical Element (DOE)), das eine komplexe Strahlformgebung mit hoher Effizienz und Genauigkeit durchführen kann. Die Strahlformgebungskomponente transformiert nicht nur das Gaußsche Strahlungsprofil von
6A auf das nahezu gleichmäßige Strahlungsprofil von
6B, sondern sie fokussiert auch die geformte Ausgabe
94 auf eine vorab bestimmbare beziehungsweise spezifizierte Lichtfleckgröße. Sowohl das geformte Strahlungsprofil
94b als auch die vorgeschriebene Lichtfleckgröße sind derart gestaltet, dass sie in einer Konstruktionsentfernung Z
0 hinter dem optischen Element
90 auftreten. Obwohl ein einziges Element DOE bevorzugt wird, werden Fachleute anerkennen, dass das DOE mehrere separate Elemente, wie zum Beispiel in dem
US-Patent Nr. 5,864,430 von Dickey et al., das auch Techniken zum Entwerfen von DOEs für den Zweck der Strahlformgebung beschreibt, beschriebene Phasenplatte und Transformationselemente, enthalten kann.
-
Die 6A–6C (zusammen 6) zeigen eine Sequenz von vereinfachten Strahlungsprofilen 92, 96 und 102 eines Laserstrahls, wie es sich durch zahlreiche Systemkomponenten des Lasersystems 50 verändert. 6Ba–6Bc zeigen vereinfachte Strahlungsprofile 96a–96c der geformten Ausgabe 94 (jeweils 94a, 94b und 94c) als eine Funktion der Entfernung Z in Bezug auf Z0'. Z0' ist die Entfernung, wo die geformte Ausgabe 94 ihr in dem Strahlungsprofil 96b flachestes Strahlungsprofil aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich Z0' in der Nähe oder ist sie gleich der Entfernung Z0.
-
Unter nochmaliger Bezugnahme auf die 5 und 6 enthält eine bevorzugte Ausführungsform eines Formabbildungssystems 70 eine oder mehrere Strahlformgebungskomponente(n), die kollimierte Pulse 60, die ein rohes Gaußsches Strahlprofil 92 aufweisen, in geformte (und fokussierte) Pulse oder Ausgabe 94b umwandeln, die ein nahezu gleichmäßiges ”Zylinder”-Profil 96b oder insbesondere ein super-Gaußsches Strahlungsprofil in der Nähe einer der Strahlformgebungskomponente nachgeschalteten Aperturmaske 98 aufweist. 6Ba zeigt ein beispielhaftes Strahlungsprofil 94a, wo Z < Z0' ist, und 6Bc zeigt ein beispielhaftes Strahlungsprofil 94c, wo Z > Z0' ist. In dieser Ausführungsform umfasst die Linse 112 zur Verhinderung Beugungsringen nützliche Abbildungsoptik. Fachleute werden anerkennen, dass eine einzige Abbildungslinsenkomponente oder mehrere Linsenkomponenten verwendet werden könnten.
-
Die oben erörterten Formgebungs- und Abbildungstechniken sind detailliert in der internationalen Veröffentlichung Nr.
WO 00/73013 , veröffentlicht am 7. Dezember 2000, beschrieben. Die relevanten Teile der Offenbarung des korrespondierenden
US-Patents 6,433,301 von Dunsky et al. werden hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
-
Die
7A–
7D (zusammen
7) zeigen beispielhafte im wesentlichen gleichmäßige Strahlungsprofile, die von einem Gaußschen Strahl erzeugt werden, der, wie in dem
US-Patent Nr. 5,864,430 beschrieben, durch ein DOE geht. Die
7A–
7C zeigen quadratische Strahlungsprofile und
7D zeigt ein zylindrisches Strahlungsprofil. Das Strahlungsprofil von
7C ist ”umgekehrt”, wobei es höhere Intensität an seinen Rändern als in Richtung zu seiner Mitte zeigt. Fachleute werden anerkennen, dass Strahlformgebungskomponenten
90 derart gestaltet werden können, dass sie eine Vielzahl von anderen Strahlungsprofilen liefern, die für spezielle Anwendungen nützlich sein können, und diese Strahlungsprofile ändern sich typischerweise als eine Funktion von deren Entfernung von Z
0'. Fachleute werden anerkennen, dass ein zylindrisches Strahlungsprofil, wie zum Beispiel das in
7D gezeigte, vorzugsweise für kreisförmige Aperturen
98 verwendet wird; quaderförmige Strahlungsprofile würden für quadratische Aperturen bevorzugt; und die Eigenschaften von anderen Strahlformgebungskomponenten
90 könnten auf die Gestalten anderer Aperturen zugeschnitten werden. Zum Beispiel für viele einfache Lochtrimmanwendungen könnte ein umgekehrtes quaderförmiges Strahlungsprofil mit einer quadratischen Apertur in einer Maske
98 verwendet werden.
-
Das Strahlpositioniersystem 74 benutzt vorzugsweise eine für Lasertrimmsysteme verwendete herkömmliche Positioniereinrichtung. Ein derartiges Positioniersystem 74 weist typischerweise einen oder mehrere Tisch(e) auf, die das Werkstück 10 bewegen. Das Positioniersystem 74 kann zum Bewegen von Laserlichtflecken einer geformten Ausgabe 118 in einer überlappenden Weise zur Bildung von Kerben 30 entlang Trimmwegen 32 beziehungsweise 34 verwendet werden. Bevorzugte Strahlpositioniersysteme können in dem Modell 2300-, Modell 4370- oder bald herauszubringenden -Modell 2370-Lasertrimmsystem gefunden werden. Andere Positioniersysteme können an die Stelle gesetzt werden und sind für Praktiker auf dem Gebiet der Lasertechnik allgemein bekannt.
-
Ein Beispiel eines bevorzugten Lasersystems 50, das viele der oben beschriebenen Systemkomponenten enthält, verwendet einen UV-Laser (355 nm oder 266 nm) in einem Modell 5200-Lasersystem oder anderen in seiner Serie. Fachleute auf dem Gebiet werden jedoch anerkennen, dass jeder andere Lasertyp mit einem Gaußschen Strahlintensitätsprofil (vor hierin beschriebenem Abbilden beziehungsweise Formgeben), andere Wellenlängen, wie zum Beispiel IR, oder andere Strahlaufweitungsfaktoren verwendet werden können.
-
Das Lasersystem 50 kann eine Lasersystemausgabe 114 mit bevorzugten Parametern von typischen Widerstandstrimmfenstern erzeugen, die einschließen können: eine ultraviolette Wellenlänge, vorzugsweise zwischen ungefähr 180–400 nm; mittlere Leistungsdichten, die größer als ungefähr 100 mW und vorzugsweise größer als 300 mW sind; Lichtfleckgrößendurchmesser oder räumliche Hauptachsen von ungefähr 5 μm bis größer als ungefähr 50 μm; eine Pulsfrequenz von mehr als ungefähr 1 kHz, vorzugsweise größer als ungefähr 5 kHz oder sogar größer als 50 kHz; zeitliche Pulsbreiten, die kürzer als ungefähr 100 ns sind und vorzugsweise von ungefähr 40–90 ns oder kürzer sind; eine Abtastgeschwindigkeit von ungefähr 1–200 mm/s oder schneller, vorzugsweise ungefähr 10–100 mm/s und am bevorzugtesten ungefähr 10–50 mm/s; und eine Bissgröße von ungefähr 0,1–20 μm, vorzugsweise 0,1–10 μm und am bevorzugtesten 0,1–5 μm. Die bevorzugten Parameter der Lasersystemausgabe 114 werden in dem Versuch ausgewählt, thermische oder andere unerwünschte Schädigungen von Substraten 18 zu umgehen. Fachleute werden anerkennen, dass diese Ausgabepulsparameter voneinander abhängig sind und von der gewünschten Leistung bestimmt werden.
-
Fachleute werden auch anerkennen, dass das Lichtfleckgebiet der Lasersystemausgabe 114 vorzugsweise kreisförmig oder quadratisch ist, aber andere einfache Gestalten, wie zum Beispiel Ellipsen und Rechtecke nützlich sein können und sogar komplexe Strahlgestalten mit der richtigen Auswahl von optischen Elementen 90, die mit einer gewünschten Aperturgestalt in der Maske 98 zusammenwirken, möglich sind. Bevorzugte Lichtfleckgebiete zum Lasertrimmen, insbesondere zum UV-Lasertrimmen, sind im Durchmesser vorzugsweise kleiner als ungefähr 40 μm, noch bevorzugter im Durchmesser kleiner als ungefähr 20 μm und am bevorzugtesten im Durchmesser kleiner als ungefähr 15 μm. Fachleute werden anerkennen, dass Widerstände 10a, da die Lichtfleckgröße der UV-Laser-Ausgabe kleiner als die Lichtfleckgröße einer herkömmlichen Lasertrimmausgabe ist und eine gleichmäßige Ausgabe 72 gestattet, dass die Kerben 30 gerade gleichmäßige Wände beziehungsweise Kanten und somit ein kleineres HAZ aufweisen, auf Toleranzen getrimmt werden können, die enger als die für herkömmliche Kerbentrimmtechniken möglichen Toleranzen sind.
-
Ein Unterschied zwischen der Gaußschen Ausgabe 54 und der durch Abbildung geformten Ausgabe 118 besteht darin, dass der Puls 94 die Apertur der Maske 98 an allen Punkten gleichmäßig beleuchtet, während die Gaußsche Ausgabe 54 eine höhere Energiedichte beziehungsweise ”heißen Punkt” in ihrer Mitte aufweist, der Mikroreißen und andere unerwünschte Schädigungen für das keramische Substrat 18 erhöhen kann. Die durch Abbildung geformte Ausgabe 118 erleichtert demzufolge die Bildung von Kerben 30 mit einem sehr flachen und gleichmäßigen Boden 48 an oder in dem keramischen Substrat 18, und diese Flachheit und Gleichmäßigkeit sind mit einer nichtmodifizierten Gaußschen Ausgabe 54 nicht möglich. Außerdem kann die durch Abbildung geformte Ausgabe 118 auch das Widerstandsmaterial von den Unterkanten der Kerben 30 vollständiger entfernen, ohne eine unerwünschte Schädigung für das darunterliegende Substrat 18 zu riskieren, da die gleichmäßige Gestalt des Pulses 94 die Möglichkeit der Erzeugung eines heißen Punktes an der Bodenmitte der Kerbe 30 praktisch beseitigt, so dass das Ausmaß und die Stärke von Mikrorissen minimiert werden. Die Trimmgeschwindigkeit kann auch gegenüber derjenigen, die mit einer nichtmodifizierten Gaußschen Ausgabe 54 erzielbar ist, mit der durch Abbildung geformten Ausgabe 118 erhöht werden. Die durch Abbildung geformte Ausgabe 118 kann mit größerer Laserenergie zugeführt werden, als dies eine Gaußsche kann, da das Schädigungspotential durch den ”heißen Punkt” beseitigt werden kann, so dass die Bissgröße, Pulsfrequenz und Strahlbewegungsgeschwindigkeit vorteilhaft zum schnelleren Trimmen eingestellt werden können.
-
Obwohl ein beschnittener Gaußscher Lichtfleck mit Vorteilen gegenüber einer Gaußschen Ausgabe 54 alternativ verwendet werden kann, müsste wesentlich mehr Energie als mit einer durch Abbildung geformten Ausgabe 118 geopfert werden, um eine gewünschte Gleichmäßigkeit zu erzielen. Die durch Abbildung geformte Ausgabe 118 sorgt auch für saubere Unterkanten und schnellere Trimmgeschwindigkeit, als dies bei der beschnittenen Gaußschen Ausgabe der Fall ist. 8 zeigt einen Vergleich von idealen Fluenzprofilen an der Aperturebene für die geformte Ausgabe 94b und beschnittene Gaußsche Ausgabe bei mehreren beispielhaften Transmissionsstärken unter typischen Laserbearbeitungsparametern. Fluenzstärken auf dem Werkstück 10 entsprechen den Aperturfluenzwerten multipliziert mit dem Quadrat des Abbildungsverkleinerungsfaktor. In einem Beispiel betrugen die Fluenzen am Aperturrand ungefähr 1,05 J/cm2 und 0,60 J/cm2 oder weniger jeweils für die geformte Ausgabe 94b und beschnittene Gaußsche Ausgabe. Somit betrugen die Fluenzen an dem Rand des abgebildeten Lichtfleckes (Kerbenrand), am Werkstück 10, ungefähr 7,4 und 4,3 J/cm2 jeweils für die durch Abbildung geformte Ausgabe 118 und beschnittene Gaußsche Ausgabe. Die Geschwindigkeit, mit der typische Widerstandsmaterialien abgetragen werden können, unterscheidet sich typischerweise zwischen den Fluenzstärken in der Mitte und am Rand. Als Ergebnis kann die Bearbeitung jeder Kerbe 30 mit weniger Pulsen, mit höherer Abtastgeschwindigkeit oder mit größeren Bissgrößen (oder kleineren Pulsüberlappungen) mit der durch Abbildung geformten Ausgabe 118 fertiggestellt werden, was den Prozessdurchsatz erhöht.
-
Ein Beispiel einer Strategie zum Trimmen mit der durch Abbildung geformten Ausgabe 118 entsprechend diesen Erwägungen der vorliegenden Erfindung wird unten beschrieben. Die Fluenz quer über den gesamten abgebildeten Lichtfleck kann, zum Beispiel, auf 90% des Wertes beibehalten werden, bei dem eine nichtakzeptierbare Keramikeindringung beziehungsweise -schädigung, Fdamage, eintritt. Zum Beispiel beträgt ein akzeptable Keramikeindringung in Dickschichtwiderständen typischerweise weniger als 10 μm und bevorzugt weniger als 5 μm. Das Widerstandsmaterial wird danach unter Bedingungen abgetragen, die keine Schädigung, wie zum Beispiel wesentliches Mikroreißen, verursachen werden. Im Gegensatz dazu könnte man mit dem beschnittenen Gaußschen Strahl bei T = 50% die Mitte des Lichtfleckes bei dieser Fluenz halten, wobei in diesem Fall die Ränder bei nur 45% von Fdamage liegen würden. Alternativ könnte der Lichtfleckrand bei 90% von Fdamage gehalten werden, wobei in dem Fall die Mitte bei 180% des Schädigungsschwellenwertes für die Fluenz liegen würde, was zu einer wesentlichen Schädigung führt. Aufrechterhalten der Ränder des abgebildeten Lichtfleckes auf hoher Fluenz ermöglicht, dass das Widerstandsmaterial von den Kerbenkanten mit weniger Laserpulsen zu entfernen ist, da jeder Puls mehr Material entfernt. Somit kann der Trimmdurchsatz der durch Abbildung geformten Ausgabe 118 viel größer als derjenige der beschnittenen Gaußschen Ausgabe sein.
-
Zusätzlich dazu, dass man, wie oben erörtert, das Widerstandsmaterial von den Unterkanten der Kerben 30 schneller entfernen kann, kann die durch Abbildung geformte Ausgabe 118 auch das Widerstandsmaterial von den Unterkanten der Kerben 30 vollständiger entfernen, ohne eine Schädigung des darunterliegenden keramischen Substrats 18 zu riskieren, da die gleichmäßige Gestalt des Pulses 94 die Möglichkeit der Erzeugung eines heißen Punktes an der Bodenmitte der Kerbe 30 praktisch beseitigt.
-
Hinsichtlich der Kerbenqualität sorgt die durch Abbildung geformte Ausgabe 118 der vorliegenden Erfindung auch für eine sehr genaue Laserlichtfleckgeometrie und gestattet sie bessere Verjüngungsminimierleistung bei höheren Durchgangsraten, als diese mit Gaußscher oder beschnittener Gaußscher Ausgabe erhältlich sind, wodurch saubere Ränder, als mit Gaußscher Ausgabe 54 erhältlich, bereitgestellt werden. Die gleichmäßige Energie quer über dem Boden der Kerben 30 und die Bildung von präzisieren Rändern sorgt für mehr vorhersagbare Trimmergebnisse, einschließlich verbesserte Wiederholbarkeit und Positioniergenauigkeit für kleinere Zielgebiete.
-
9 zeigt das Verhältnis der Kerbenbodenbreite zur Kerbenoberseitenbreite als eine Funktion des Arbeitsflächenortes relativ zur Nennbildebene, z = 0. Unter Bezugnahme auf 9 ist die Nennbildebene der Ort, wo die Kerben 30 am meisten verjüngsfrei sind, mit den am schärfsten definierten oberen Kanten. Positive Werte von z repräsentieren Ebenen unter der Nennbildebene, das heißt, wo das Werkstück 10 weiter von der Systemoptik als der Trennabstand, wo z = 0 ist, plaziert ist. Der 3σ-Fehlerbalken ist als Referenz gezeigt, da Messungen der Bodenbreiten schwierig zuverlässig zu messen sein können. Das größte Boden/Oberseiten-Verhältnis wird bei der Bildebene erzielt, wo z = 0 ist. Über einen gesamten ±400 μm-Bereich war das Boden/Oberseiten-Verhältnis immer größer als 75% bei hohem Durchsatz.
-
10 zeigt die Kerbenbreite als eine Funktion des Arbeitsflächenortes relativ zur Nennebene, wo z = 0 ist. Wenn sich das Werkstück 10 weiter über die Nennbildebene bewegt, nimmt die mittlere Kerbenoberseitenbreite stetig zu. Für Orte unter z = 0 bleibt die Oberseitenbreite ziemlich konstant bis zu 400 μm unter der Bildebene. Die 3σ-Breiten werden im allgemeinen auf innerhalb ±3 μm des Mittelwertes gehalten, mit Ausnahmen bei z +300 μm und z = –300 μm. Für die Bodenbreite nimmt im Gegensatz dazu der Mittelwert von Orten über den Orten unter der Nennbildebene stetig ab. Da die Breite des Kerbenbodens wesentlich schwieriger zu steuern ist als die Größe der Kerbenoberseite, ist die Bodenbreite lediglich der Referenz halber gezeigt. Statistische Prozesssteuertechniken, die auf das Lasersystem angewandt werden könnten, sind somit auf die Eigenschaften der Kerbenoberseite anwendbar.
-
Die Daten in den 9 und 10 schlagen mehrere Lösungen zum Handhaben von Tiefenschärfenmessungen für Prozessrobustheit vor. Wenn man eine konstante Kerbenoberseitenbreite über variierende Materialdicken und Gerätebedingungen aufrechterhalten möchte, wäre es vorteilhaft, den Prozess mit etwas unter der Nennbildebene bei, sagen wir z = +200 μm, angeordneter Arbeitsfläche einzurichten. Dies würde eine Zone von ±200 μm mit z-Variation erzeugen, die mit sehr kleinem Effekt auf den oberen Durchmesser eingestellt werden könnte. Wenn andererseits mehr erwünscht ist, ein konstantes Kerbenboden/Oberseiten-durchmesserverhältnis aufrechtzuerhalten, wäre es besser, den Prozess mit genau in der Nennbildebene befindlichem Werkstück 10 einzurichten. Dies würde sicherstellen, dass das Boden/Oberseiten-Verhältnis um nicht mehr als 5% über einem z-Bereich von mindestens ±200 μm abnehmen würde. Die Brauchbarkeit jeder dieser Lösungen hängt davon ab, ob die anderen Kerbeneigenschaften innerhalb akzeptabler Grenzen bleiben, wenn sich das Werkstück 10 von der Nennbildebene wegbewegt.
-
Außerdem können die Strahlformgebungskomponenten 90 derart ausgewählt werden, dass sie Pulse mit einem in 7C gezeigten umgekehrten Strahlungsprofil erzeugen, das außerhalb der gestrichelten Linien 130 beschnitten ist, um ein Entfernen von Widerstandsmaterial entlang den Außenkanten der Kerbe 30 zu erleichtern und dadurch eine Verjüngung weiter zu verbessern. Die vorliegende Erfindung erlaubt ein Verjüngungsverhältnis von mehr als 80% bei einem maximalen Durchsatz ohne unerwünschte Schädigung an dem keramischen Substrat 18, und Verjüngungsverhältnisse von mehr als 95% (für Kerben 30 mit niedrigem Seitenverhältnis) sind ohne unerwünschte Schädigung an dem keramischen Substrat 18 möglich. Verjüngungsverhältnisse, die besser als 75% sind, sind sogar für die kleinsten Kerbenbreiten, von ungefähr 5–18 μm-Breite an der Kerbenoberseite, der tiefsten Kerben 30 mit herkömmlichen Optiken möglich. Obwohl das Verjüngungsverhältnis typischerweise kein kritischer Aspekt bei vielen Trimmoperationen, außer dem Ausmaß, in dem es Kerbenbreiten bei kleinen Widerständen 10a beeinflusst, stellen die mit der vorliegenden Erfindung erreichbaren hohen Verjüngungsverhältnisse einen weiteren Beweis für die Gleichmäßigkeit des Kerbenbodens dar.
-
Die hierin beschriebenen Trimmtechniken können für sowohl Dick- als auch Dünnschichtwiderstandsbearbeitungsanwendungen, wie in irgendeiner der in dem Hintergrund der Erfindung zitierten Referenzen beschrieben, einschließlich Teiltiefentrimmen, verwendet werden. Bezüglich der Dickschichtwiderstände, insbesondere Rutheniumoxid auf Keramik, einschließlich der 0402- und 0201-Chip-Widerstände mit einer Rutheniumschichthöhe beziehungsweise -dicke von weniger als ungefähr 200 μm, besteht das bevorzugte Trimmkriterium darin, das gesamte Ruthenium in den Kerben 30 mit einem minimalen Maß von Eindringen in das keramische Substrat 18 zu entfernen. Diese erwünschten Kerben 30 sind sauber, so daß Keramikmaterial gleichmäßig freiliegt und der Boden der Kerben 30 ”weiß” ist. Derartiges Reinigen bringt häufig absichtliches Eindringen in die Keramik auf eine Tiefe von ungefähr 0,1–5 μm und häufig von mindestens 1 μm mit sich. Die durch Abbildung geformte Ausgabe 118 kann diese sauberen beziehungsweise weißen Kerben 30 ohne Erzeugung von wesentlichem Mikroreißen bereitstellen. UV wird besonders bevorzugt zur Bearbeitung von Widerstandsmaterial über Keramik; jedoch können andere Wellenlängen benutzt werden.
-
Obwohl eine UV-Wellenlänge verwendet werden kann, kann eine IR-Wellenlänge, insbesondere bei ungefähr 1,32 μm, eine bevorzugte Wellenlänge zur Benutzung eines gleichmäßigen Lichtfleckes zum Trimmen von Materialien, wie zum Beispiel NiCr, SiCr oder TaN, von Siliziumsubstraten, speziell von Trimmen von aktiven oder elektrooptischen Bauelementen und in Anwendungen, die mit funktionellem Trimmen verbunden sind, verwendet werden.
-
Fachleute werden anerkennen, dass die hierin beschriebenen Trimmtechniken mit gleichmäßigem Lichtfleck auf Einzelwiderständen, Widerstands-Arrays (einschließlich denjenigen auf Snapstrates), Spannungsreglern, Kondensatoren, induktiven Bauelementen oder irgendwelchen anderen Bauelementen, die einen Trimmvorgang erfordern, benutzt werden können. Zusätzlich können die Trimmtechniken mit gleichmäßigen Lichtfleck zum Oberflächenabtragungstrimmen oder für andere Anwendungen, wo die durch Abbildung geformte Ausgabe 118 nicht in das Substrat 18 eindringt, sowie die Anwendungen benutzt werden können, wo Eindringen in das Substrat erwünscht ist.
-
Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten die Unterschiede beim Mikroreißen zwischen einem mit einem Gaußschen UV-Strahl getrimmten Widerstand und einem mit einem gleichmäßigen (durch Abbildung geformten) UV-Strahl getrimmten Widerstand. Ein Widerstand wurde mit einer Gaußschen UV-Ausgabe mit einer mittleren Energie von 0,6 W bei einer Pulsfrequenz von 14,29 kHz bei einer Trimmgeschwindigkeit von 30 mm/s mit einer Bissgröße von 2,10 μm getrimmt. Die resultierende Kerbe weist zahlreiche Mikrorisse wesentliche Mikrorisse, eine wesentlich breite Kerbenkante und eine Tiefeneindringung in das keramische Substrat in der Mitte der Kerbe auf. Ein Widerstand wurde mit einer durch Abbildung geformten UV-Ausgabe mit einer mittleren Energie von 2,86 W bei einer Pulsfrequenz von 8 kHz mit einer Trimmgeschwindigkeit von 32 mm/s mit einer Bissgröße von 4 μm getrimmt. Die resultierende Kerbe weist keine unerwünschte Schädigung mit, wenn überhaupt, wenigen Mikrorissen auf. Die Kerbenränder sind relativ schmal und die Eindringung in das Substrat ist flach und im wesentlichen gleichmäßig.
-
Für Fachleute auf dem Gebiet wird ersichtlich sein, dass viele Änderungen in den Einzelheiten der oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne aus den zugrundeliegenden Prinzipien derselben zu gelangen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte somit nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt sein.
