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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Lasertrimmen und insbesondere Lasertrimmen von Dickoder Dünnschichtwiderständen mit
einem gleichmäßigen Lichtfleck
von einem Festkörperlaser.
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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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
Laserausgangsimpulses 12 zeigt. Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 umfaßt ein herkömmlicher Dickschichtwiderstand 10a typischerweise
eine Dickfilmschicht 14 aus Ruthenat- oder Rutuheniumoxidmaterial,
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.
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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.
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Unter besonderer Bezugnahme auf 2 entfernt/entfernen ein
oder mehrere Laserimpulse) 12 im wesentlichen die gesamte
Höhe 26 des
Widerstandsmaterials in den Lichtfleckabmessungen 28 von
Laserausgangsimpulsen 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. Laserimpulse 12 werden
typischerweise angelegt, bis der Widerstand 10a einen vorab
festgelegten Widerstandswert einhält.
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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
Laserimpulsen 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.
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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.
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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.
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Kapitel 7 einer NEC-Bedienungsanleitung 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.
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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.
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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.
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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.
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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-Widerständen 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.
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Es sind daher verbesserte Widerstandstrimmtechniken
erwünscht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht
somit darin, ein verbessertes System und/oder Verfahren zum Trimmen
mittels eines Festkörperlasers
bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, Lichtfleckgrößen von
weniger als 20 μm
zum Trimmen von kleineren Chip-Widerstuänden, wie zum Beispiel 0402-
und 0201-Chip-Widerständen, bereitzustellen.
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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.
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Ein Artikel von Swenson, Sun und
Dunsky mit dem Titel "Laser
Machining 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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine fragmentarische isometrische Ansicht eines Dickschichtwiderstands.
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2 zeigt
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Dickschichtwiderstands,
der eine Laserausgabe empfängt,
die die gesamte Dicke des Widerstandsmaterials entfernt.
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3 zeigt
eine fragmentarische isometrische Ansicht eines Widerstands, die
zwei übliche
bekannte Trimmwege zeigt.
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4 zeigt
eine isometrische Ansicht eines Dickschichtwiderstands mit einem
Oberflächenabtragungstrimmprofil.
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5 zeigt
eine vereinfachte Seitenansicht und teilweise schematische Ansicht
einer Ausführungsform
eines Lasersystems, das zum Trimmen von Filmen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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6A-6C zeigen
eine Sequenz von vereinfachten Strahlungsprofilen eines Laserstrahls,
wie es sich durch zahlreiche Systemkomponenten des Lasersystems
von 5 ändert.
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7A-7D zeigen
beispielhafte im wesentlichen gleichförmige quadratische oder kreisförmige Strahlungsprofile.
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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.
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9 zeigt
eine Graphik des Lochverjüngungsverhältnisses
als eine Funktion des Arbeitsflächenortes
relativ zur Nennbildebene.
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10 zeigt
eine Graphik des Lochdurchmessers als eine Funktion des Arbeitsflächenortes relativ
zur Nennbildebene.
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11 zeigt
eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Kerbe, die in dem Substrat
eines durch einen Gaußschen
Strahl getrimmten Widerstands gebildete Mikrorisse zeigt.
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12 zeigt
eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Kerbe, die das Fehlen
von signifikanten in dem Substrat eines von einem gleichmäßigen Lichtfleck
getrimmten Widerstands gebildeten Mikrorissen zeigt.
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Ausführliche Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
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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-Lasermaterial, wie zum
Beispiel Nd:YAG, Nd:YLF oder Nd:YV04, enthält. Der
Laser 52 sorgt vorzugsweise für harmonisch erzeugte UV-Laser-Impulse
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 TEM00-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
Lasern 52 sind in der internationalen Veröffentlichung
Nr. WO 99/40591 von Sun und Swenson beschrieben.
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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.
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UV-Laser-Impulse 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-Impulse 54 werden danach vorzugsweise
durch ein Formgebungs- und/oder Abbildungssystem 70 zum
Erzeugen von gleichmäßigen Impulsen
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.
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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.
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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.
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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 Z0 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.
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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.
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Unter nochmaliger Bezugnahme auf
die 5 und 6 enthält
eine bevorzugte Ausführungsform
eines Formabbildungssystems 70 eine oder mehrere Strahlformgebungskuomponente(n),
die kollimierte Impulse 60, die ein rohes Gaußsches Strahlprofil 92 aufweisen,
in geformte (und fokussierte) Impulse 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.
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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
der am 26. Mai 2000 eingereichten korrespondierenden US-Patentanmeldung Nr.
09/580,396 von Dunsky et al. werden hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
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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 Z0'.
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.
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Das Strahlpositioniersystem 74 benutzt
vorzugsweise eine für
Lasertrimmsysteme verwendete herkömmliche Positioniereinrichtung.
Ein derartiges Positioniersystem 74 weist typischerweise
einen oder mehrere Tische) auf, die das Werkstück 10 bewegen. Das
Positioniersystem 74 kann zum Bewegen von Laserlichtflecken
einer geformten Ausgabe 118 in einer überlappenden Weise zur Bildung
Kerben 30 entlang Trimmwegen 32 beziehungsweise
34 verwendet werden. Bevorzugte Strahlpositioniersysteme können in
dem ESI-Modell 2300-, -Modell 4370- oder bald herauszubringenden
-Modell 2370-Lasertrimmsystemen gefunden werden, die von Electro Scientific
Industries, Inc., Portland, Oregon, käuflich erhältlich sind. Andere Positioniersysteme
können
an die Stelle gesetzt werden und sind für Praktiker auf dem Gebiet
der Lasertechnik allgemein bekannt.
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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, hergestellt von Electuro Scientific
Industries, Inc., Portland, Oregon. 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.
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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; Lichtfleckgrößen durchmesser
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 Ausgabeimpulsparameter
voneinander abhängig sind
und von der gewünschten
Leistung bestimmt werden.
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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.
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Ein Unterschied zwischen der Gaußschen Ausgabe 54 und
der durch Abbildung geformten Ausgabe 118 besteht darin,
daß der
Impuls 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 nichtmodifzierten 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 Impulses 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.
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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/cmZ 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 Impulsen, mit höherer
Abtastgeschwindigkeit oder mit größeren Bißgrößen (oder kleineren Impulsüberlappungen)
mit der durch Abbildung geformten Ausgabe 118 fertiggestellt
werden, was den Prozeßdurchsatz
erhöht.
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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 Laserimpulsen
zu entfernen ist, da jeder Impuls mehr Material entfernt. Somit kann
der Trimmdurchsatz der durch Abbildung geformten Ausgabe 118 viel
größer als
derjenige der beschnittenen Gaußschen
Ausgabe sein.
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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 Impulses 94 die Möglichkeit
der Erzeugung eines heißen
Punktes an der Bodenmitte der Kerbe 30 praktisch beseitigt.
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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.
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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.
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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.
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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/oberseitendurchmesserverhältnis 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.
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Außerdem können die Strahlformgebungskomponenten 90 derart
ausgewählt
werden, daß sie Impulse
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 herkömmli- chen 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.
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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.
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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.
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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.
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Die 11 und 12 zeigen elektronenmikroskopische
Aufnahmen, die die Unterschiede beim Mikroreißen zwischen einem mit einem
Gaußschen UV-Strahl
(11) getrimmten Widerstand 10a und einem
mit einem gleichmäßigen (durch
Abbildung geformten) UV-Strahl ( 12)
getrimmten Widerstand 10a zeigt. Unter Bezugnahme auf 11 wurde ein Widerstand 10a mit
einer Gaußschen
UV-Ausgabe 54 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 30a weist zahlreiche Mikrorisse
wesentliche Mikrorisse 140, eine wesentlich breite Kerbenkante 150a und
eine Tiefeneindringung in das keramische Substrat 18 in der
Mitte der Kerbe 30a auf. Unter Bezugnahme auf 12 wurde ein Widerstand 10a mit
einer durch Abbildung geformten UV-Ausgabe 118 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 30b weist keine unerwünschte Schädigung mit,
wenn überhaupt,
wenigen Mikrorissen auf. Die Kerbenränder 150b sind relativ
schmal und die Eindringung in das Substrat ist flach und im wesentlichen
gleichmäßig.
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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.
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Zusammenfassung
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Ein gleichförmiger Laserlichtfleck, wie
zum Beispiel von einer durch Abbildung geformten Gaußschen Ausgabe
(118) oder einem beschnittenen Gaußschen Lichtfleck, der einen
Durchmesser von weniger als 20 @m aufweist, kann für sowohl
Dünn- als
auch Dickschichtwiderstandstrimmen zum wesentlichen Verringern von
Mikrorissen verwendet werden. Diese Lichtflecke können in
einer abtragenden, nichtthermischen UV-Laser-Wellenlänge zur Verminderung der HAZ
und/oder Verschieben des Temperaturkoeffizienten des Widerstands
(TCR) erzeugt werden.