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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Laserbearbeitung eines lokal
erhitzen Werkstücks
und insbesondere ein System und Verfahren, die die Temperatur einer
Zielstelle am Werkstück
erhöhen,
um eine Steigerung der Zielmaterial-Entfernungsrate und der Werkstückdurchsatzrate
zu bewirken.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Laserbearbeitung kann an zahlreichen verschiedenen Werkstücken unter
Verwendung von verschiedenen Lasern, die eine Vielfalt von Prozessen
durchführen,
durchgeführt
werden. Die speziellen Arten von Laserbearbeitung, die im Hinblick
auf die vorliegende Erfindung interessieren, sind die Laserbearbeitung
eines ein- oder mehrlagigen Werkstücks, um eine Loch- und/oder
Kontaktlochausbildung zu bewirken, und die Laserbearbeitung eines Halbleiterwafers,
um eine Waferzertrennung zu bewirken.
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Hinsichtlich
der Laserbearbeitung eines Kontaktlochs und/oder von Löchern in
einem mehrlagigen Werkstück
beschreiben das US-Patent Nrn. 5 593 606 und 5 841 099 von Owen
et al. Verfahren zum Betreiben eines Ultraviolett- (UV) Lasersystems, um
Laserausgangsimpulse zu erzeugen, die durch Impulsparameter gekennzeichnet
sind, die so festgelegt sind, dass in einer mehrlagigen Vorrichtung
ein Durchgangsloch oder Blindkontaktlöcher in zwei oder mehr Schichten
aus verschiedenen Materialarten ausgebildet werden. Das Lasersystem
umfasst einen Nicht-Excimer-Laser, der mit Impulswiederholungsraten
von mehr als 200 Hz Laserausgangsimpulse mit zeitlichen Impulsbreiten
von weniger als 100 ns, Fleckflächen
mit Durchmessern von weniger als 100 μm und mittleren Intensitäten oder
einer Bestrahlungsintensität
von mehr als 100 mW über
der Fleckfläche
emittiert. Der identifizierte bevorzugte Nicht-Excimer-UV-Laser
ist ein diodengepumpter Festkörper-
(DPSS) Laser.
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Die
veröffentlichte
US-Patentanmeldung Nr. US/2002/0185474 von Dunsky et al. beschreibt
ein Verfahren zum Betreiben eines gepulsten CO2-Lasersystems,
um Laserausgangsimpulse zu erzeugen, die Blindkontaktlöcher in
einer dielektrischen Schicht einer mehrlagigen Vorrichtung ausbilden. Das
Lasersystem emittiert mit Impulswiederholungsraten von mehr als
200 Hz Laserausgangsimpulse mit zeitlichen Impulsbreiten von weniger
als 200 ns und Fleckflächen
mit Durchmessern zwischen 50 μm und
300 μm.
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Das
Laserabschmelzen eines Zielmaterials, insbesondere wenn ein UV-DPSS-Laser verwendet wird,
beruht auf dem Richten einer Laserausgangsleistung mit einer Fluenz
oder Energiedichte, die größer ist
als die Abschmelzschwelle des Zielmaterials, auf das Zielmaterial.
Ein UV-Laser emittiert eine Laserausgangsleistung, die so fokussiert
werden kann, dass sie eine Fleckgröße zwischen etwa 10 μm und etwa
30 μm beim
1/e2-Durchmesser aufweist. In bestimmten
Fällen
ist diese Fleckgröße kleiner
als der gewünschte
Kontaktlochdurchmesser, wie z.B. wenn der gewünschte Kontaktlochdurchmesser
zwischen etwa 50 μm
und 300 μm
liegt. Der Durchmesser der Fleckgröße kann vergrößert werden,
so dass er denselben Durchmesser aufweist wie der gewünschte Durchmesser
des Kontaktlochs, aber diese Vergrößerung verringert die Energiedichte
der Laserausgangsleistung, so dass sie geringer ist als die Abschmelzschwelle
des Zielmaterials und die Zielmaterialentfernung nicht bewirken
kann. Folglich wird die fokussierte Fleckgröße von 10 μm bis 30 μm verwendet und die fokussierte
Laserausgangsleistung wird typischerweise in einem spiralförmigen,
konzentrischen kreisförmigen
oder "Hohlbohr"-Muster bewegt, um
ein Kontaktloch mit dem gewünschten
Durchmesser zu bilden. Spiralführung,
Hohlbohren und Bearbeitung in konzentrischen Kreisen sind Arten
von sogenannten nicht-stanzenden Kontaktlochausbildungsprozessen.
Für Kontaktlochdurchmesser
von etwa 50 μm
oder kleiner liefert das direkte Stanzen einen höheren Kontaktlochausbildungsdurchsatz.
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Im
Gegensatz dazu ist die Ausgangsleistung eines gepulsten CO2-Lasers typischerweise größer als
50 μm und
in der Lage, eine Energiedichte aufrechtzuerhalten, die ausreicht,
um die Ausbildung von Kontaktlöchern
mit Durchmessern von 50 μm oder
größer an herkömmlichen
Zielmaterialien zu bewirken. Folglich wird typischerweise ein Stanzprozess
verwendet, wenn ein CO2-Laser verwendet wird,
um die Kontaktlochausbildung durchzuführen. Ein Kontaktloch mit einem
Fleckflächendurchmesser von
weniger als 50 μm
kann jedoch nicht unter Verwendung eines CO2-Lasers
ausgebildet werden.
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Der
hohe Grad an Reflexionsvermögen
des Kupfers bei der CO2-Wellenlänge macht
die Ausbildung eines Durchgangskontaktlochs unter Verwendung eines
CO2-Lasers in einem Kupferblech mit einer
Dicke von mehr als etwa 5 Mikrometer sehr schwierig. Folglich können CO2-Laser typischerweise verwendet werden,
um nur in Kupferblechen mit einer Dicke, die zwischen etwa 3 Mikrometer
und etwa 5 Mikrometer liegt, oder die oberflächenbehandelt wurden, um die
Absorption der CO2-Laserenergie zu verstärken, Durchgangskontaktlöcher auszubilden.
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Die üblichsten
Materialien, die bei der Herstellung von mehrlagigen Strukturen
für Leiterplatten- (PCB)
und elektronische Verkappungsvorrichtungen verwendet werden, in
denen Kontaktlöcher
ausgebildet werden, umfassen typischerweise Metalle (z.B. Kupfer)
und dielektrische Materialien (z.B. Polymerpolyimid, Harz oder FR-4).
Laserenergie mit UV-Wellenlängen
weist eine gute Kopplungseffizienz mit Metallen und dielektrischen
Materialien auf, so dass der UV-Laser die Kontaktlochausbildung
sowohl auf Kupferblechen als auch dielektrischen Materialien leicht bewirken
kann. Die UV-Laserbearbeitung von Polymermaterialien wird auch umfassend
als kombinierter photochemischer und photothermischer Prozess betrachtet,
wobei die UV-Laserausgangsleistung das Polymermaterial durch Zerlegen
seiner Molekülbindungen
durch eine durch Photonen angeregte chemische Reaktion teilweise
abschmilzt, wodurch eine überlegene
Prozessqualität
im Vergleich zum photothermischen Prozess erzeugt wird, der stattfindet, wenn
die dielektrischen Materialien längeren
Laserwellenlängen
ausgesetzt werden. Aus diesen Gründen
sind Festkörper-UV-Laser bevorzugte
Laserquellen zum Bearbeiten dieser Materialien.
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Die
CO2-Laser-Bearbeitung von dielektrischen
und Metallmaterialien und die UV-Laserbearbeitung
von Metallen sind hauptsächlich
photothermische Prozesse, bei denen das dielektrische Material oder
Metallmaterial die Laserenergie absorbiert, was verursacht, dass
das Material in der Temperatur zunimmt, erweicht oder geschmolzen
wird und schließlich
abschmilzt, verdampft oder abbläst.
Die Abschmelzrate und der Kontaktlochausbildungsdurchsatz sind für eine gegebene
Art von Material eine Funktion der Laserenergiedichte (Laserenergie (J),
dividiert durch Fleckgröße (cm2)), der Leistungsdichte (Laserenergie (J),
dividiert durch Fleckgröße (cm2), dividiert durch die Impulsbreite (Sekunden)), der
Laserwellenlänge
und der Impulswiederholungsrate.
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Folglich
ist der Laserbearbeitungsdurchsatz, wie beispielsweise die Kontaktlochausbildung
an PCB- oder anderen elektronischen Verkappungsvorrichtungen oder
Lochbohren an Metallen oder anderen Materialien, durch die verfügbare Laserleistungsintensität und Impulswiederholungsrate
sowie die Geschwindigkeit, mit der die Strahlpositionierungseinrichtung
die Laserausgangsleistung in einem spiralförmigen, konzentrischen Kreis-
oder "Hohlbohr"-Muster und zwischen
Kontaktlochpositionen bewegen kann, begrenzt. Ein Beispiel eines UV-DPSS-Lasers ist ein Modell
LWE Q302 (355 nm), der von Lightwave Electronics, Mountain View,
Kalifornien, vertrieben wird. Dieser Laser wird in einem Lasersystem
des Modells 5310 oder anderen Systemen in seiner Reihe, die von
Electro-Scientific Industries, Inc., Portland, Oregon, dem Anmelder
der vorliegenden Patentanmeldung, hergestellt wird, verwendet. Der
Laser ist in der Lage, 8 W UV-Leistung mit einer Impulswiederholungsrate
von 30 kHz zu liefern. Der typische Kontaktlochausbildungsdurchsatz dieses
Lasers und Systems ist etwa 600 Kontaktlöcher jede Sekunde auf blankem
Harz. Ein Beispiel eines gepulsten CO2-Lasers
ist ein Modell Q3000 (9,3 μm),
das von Coherent-DEOS, Bloomfield, Connecticut, vertrieben wird.
Dieser Laser wird in einem Lasersystem des Modells 5385 oder anderen
Systemen in seiner Reihe, die von Electro-Scientific Industries, Inc., hergestellt
wird, verwendet. Der Laser ist in der Lage, 18 W Laserleistung mit
einer Impulswiederholungsrate von 60 kHz zu liefern. Der typische
Kontaktlochausbildungsdurchsatz dieses Lasers und Systems ist etwa 1000
Kontaktlöcher
jede Sekunde auf blankem Harz und 250-300 Kontaktlöcher jede Sekunde
auf FR-4.
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Der
erhöhte
Kontaktlochausbildungsdurchsatz könnte durch Erhöhen der
Laserenergie pro Impuls und der Impulswiederholungsrate durchgeführt werden.
Für den
UV-DPSS-Laser und den gepulsten CO2-Laser
gibt es jedoch praktische Probleme, die von den Ausmaßen stammen,
um die die Laserenergie pro Impuls und die Impulswiederholungsrate
erhöht
werden können.
Wenn die Laserenergie pro Impuls zunimmt, nimmt überdies das Risiko für eine Beschädigung an
den optischen Komponenten innerhalb und außerhalb des Laserresonators
zu. Das Reparieren der Beschädigung
an diesen optischen Komponenten ist besonders zeitaufwändig und
teuer. Außerdem
sind Laser, die in der Lage sind, mit einer hohen Laserenergie pro
Impuls oder einer hohen Impulswiederholungsrate zu arbeiten, häufig unerschwinglich
teuer.
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Hinsichtlich
des Zertrennens eines Halbleiterwafers gibt es zwei übliche Verfahren
zum Bewirken der Zertrennung: mechanisches Sägen und Laserzertrennung. Mechanisches
Sägen beinhaltet
typischerweise die Verwendung einer Diamantsäge, um Wafer mit einer Dicke
von mehr als etwa 150 Mikrometer zu zertrennen, um Bahnen mit Breiten
von mehr als etwa 100 Mikrometer auszubilden. Das mechanische Sägen von
Wafern mit einer Dicke, die geringer ist als etwa 100 Mikrometer,
führt zum
Zerbrechen des Wafers.
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Das
Laserzertrennen beinhaltet typischerweise das Zertrennen des Halbleiterwafers
unter Verwendung eines gepulsten IR-, grünen oder UV-Lasers. Das Laserzertrennen
bietet verschiedene Vorteile gegenüber dem mechanischen Sägen eines Halbleiterwafers,
wie z.B. die Fähigkeit,
die Breite der Bahn auf etwa 50 Mikrometer zu verringern, wenn ein UV-Laser
verwendet wird, die Fähigkeit
einen Wafer entlang einer gekrümmten
Bahn zu zertrennen, und die Fähigkeit,
dünnere
Siliziumwafer wirksam zu zertrennen als sie unter Verwendung von
mechanischem Sägen
zertrennt werden können.
Ein Siliziumwafer mit einer Dicke von etwa 75 Mikrometer kann beispielsweise
mit einem DPSS-UV-Laser, der mit einer Leistung von etwa 8 W und
einer Wiederholungsrate von etwa 30 kHz betrieben wird, mit einer
Zertrenngeschwindigkeit von 120 mm/s zertrennt werden, um einen
Schnitt mit einer Breite von etwa 35 Mikrometer auszubilden. Ein
Nachteil der Laserzertrennung von Halbleiterwafern ist jedoch die
Bildung von Trümmern
und Schlacke, die beide am Wafer haften könnten und schwierig zu entfernen
sind. Ein weiterer Nachteil der Laserzertrennung von Halbleiterwafern
besteht darin, dass die Werkstückdurchsatzrate
durch die Leistungsfähigkeiten
des Lasers begrenzt ist.
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Was
daher erforderlich ist, ist ein Verfahren und ein Lasersystem zum
Bewirken einer Hochgeschwindigkeits-Laserbearbeitung eines Werkstücks mit
einer hohen Durchsatzrate, um die Ausbildung von Kontaktlöchern und/oder
Löchern
unter Verwendung von UV-, grünen,
IR- und CO2-Lasern zu bewirken und Halbleiterwafer
unter Verwendung von UV-, grünen
und IR-Lasern effizient und genau zu zertrennen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren
und ein Lasersystem zum Verbessern der Geschwindigkeit und/oder Effizienz
von (1) der Laserbearbeitung von Kontaktlöchern und/oder Löchern in
ein- und mehrlagigen Werkstücken
und (2) dem Zertrennen von Halbleiterwafern bereitzustellen, so
dass die Raten der Materialentfernung und der Werkstückdurchsatz
erhöht werden
und die Prozessqualität
verbessert wird.
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Das
Verfahren und Lasersystem der vorliegenden Erfindung bewirken eine
schnelle Entfernung von Material von einem Werkstück. Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung hat das Aufbringen von Heizenergie
in Form eines Lichtstrahls auf eine Zielstelle auf dem Werkstück zur Folge,
um seine Temperatur zu erhöhen,
während
seine Maßstabilität im Wesentlichen
aufrechterhalten wird. Wenn der Zielteil des Werkstücks erhitzt
wird, wird ein Laserstrahl zum Einfall auf die erhitzte Zielstelle
gerichtet. Der Laserstrahl weist vorzugsweise eine Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
auf, die durch eine Wellenlänge,
eine Strahlfleckgröße, eine
Energie pro Impuls, eine Impulsbreite und eine Impulswiederholungsrate gekennzeichnet
ist, die in Kombination zum Bewirken der Entfernung des Zielmaterials
vom Werkstück
geeignet sind. Der kombinierte Einfall der Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
und der Heizenergie auf die Zielstelle ermöglicht, dass die Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
einen Teil des Zielmaterials mit einer Materialentfernungsrate entfernt,
die höher ist
als die Materialentfernungsrate, die erzielbar ist, wenn das Zielmaterial
nicht erhitzt wird.
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Ein
erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung beinhaltet (1) die Verwendung von einem eines
Diodenlasers, einer Diodenlaseranordnung, einer Anordnung von Leuchtdioden,
eines IR-Lasers, eines Faserlasers, eines UV-Lasers, eines CO2-Lasers oder einer Kombination von diesen,
um die Zielstelle lokal zu erhitzen, und (2) die Verwendung von
einem eines UV-Lasers, eines IR-Lasers, eines grünen Lasers und eines CO2-Lasers, um die Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
zu emittieren, deren Einfall auf das Zielmaterial die Entfernung
von Zielstellenmaterial bewirkt, um ein Loch oder Kontaktloch auszubilden.
Das Kontaktloch kann entweder ein Blindkontaktloch oder ein Durchgangskontaktloch
sein. Die Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung wird vorzugsweise von
einem Festkörperlaser
mit einer Wellenlänge
in einem des IR-, UV- oder grünen
Lichtspektrums emittiert. In einer alternativen bevorzugten Implementierung
wird die Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung durch einen CO2-Laser
mit einer Wellenlänge
zwischen etwa 9,2 Mikrometer und etwa 10,6 Mikrometer emittiert.
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Ein
zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beinhaltet (1) die Verwendung von einem
eines Diodenlasers, einer Diodenlaseranordnung, eines Festkörperlasers,
eines Faserlasers, einer Anordnung von Leuchtdioden oder einer Kombination
von diesen, um die Zielstelle lokal zu erhitzen, und (2) die Verwendung
von einem eines UV-Lasers, eines grünen Lasers oder eines IR-Lasers,
um die Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
zu emittieren, deren Einfall auf das Zielmaterial die Entfernung
des Zielstellenmaterials bewirkt, um ein Halbleiterwaferwerkstück zu zertrennen.
Die Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung wird vorzugsweise durch einen modenverriegelten
oder gütegeschalteten
Festkörperlaser
mit einer Wellenlänge
zwischen etwa 200 nm und etwa 1600 nm emittiert.
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In
bevorzugten Ausführungsbeispielen
befindet sich die Heizquelle in einem kontinuierlichen Modus (CW)
oder einem quasi-kontinuierlichen Modus. Mit ihrer Ausgangsleistung
mit relativ niedriger Intensität
wird die Heizquelle nur verwendet, um das Material zu erhitzen,
während
der Bearbeitungslaser mit seiner Ausgangsleistung mit höherer Intensität die Materialentfernung
durchführt.
Wenn beispielsweise die mittlere Leistung eines gepulsten Bearbeitungslasers
8 W ist und die Heizquelle 8 W CW-Leistung liefert, verdoppelt sich
effektiv die Gesamtenergie, die auf das Zielmaterial gerichtet wird.
Die daraus folgende Werkstückdurchsatzratenzunahme
wird als zwischen etwa 50% und 100% abgeschätzt.
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Das
Aufbringen von Wärmeenergie
auf das Zielmaterial an der Zielstelle verbessert den Werkstückdurchsatz,
ohne sich nachteilig auf die Qualität des ausgebildeten Lochs,
Kontaktlochs, der ausgebildeten Bahn oder des ausgebildeten Schnitts
auszuwirken. Dies liegt daran, dass (1) die Heizquelle nur die Zielstelle
erhitzt, was die Bildung einer durch Wärme betroffenen Zone (HAZ)
und/oder einer Fläche
mit Maßverzerrung
minimiert; und (2) die Heizquelle hauptsächlich verwendet wird, um die
Temperatur des Zielmaterials zu erhöhen, und die Abschmelzentfernung
des Zielmaterials hauptsächlich durch
Einfall der Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung auf das Zielmaterial
bewirkt wird. Wenn die Temperatur des Zielmaterials erhöht wird,
nimmt ferner sein Absorptionskoeffizient für eine gegebene Laserwellenlänge zu.
Da beispielsweise ein Siliziumwafer Licht mit einer Wellenlänge von
808 nm leicht absorbiert, überträgt das Richten
eines mit einer Wellenlänge
von 808 nm betriebenen Diodenlasers zum Einfall auf die Zielmaterialstelle
des Siliziumwafers die Wärmeenergie
vom Laser auf das Zielmaterial und erhöht folglich effektiv die Temperatur
des Zielmaterials an der Zielstelle. Diese Temperaturerhöhung verbessert
die Absorption der Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung durch den
Siliziumwafer, die beispielsweise durch einen modenverriegelten IR-Laser
emittiert werden kann, der mit einer Wellenlänge von 1064 nm betrieben wird.
Unter Verwendung dieses Prozesses kann der modenverriegelte IR-Laser
das Zielmaterial wirksamer entfernen, während er die gewünschte Steigerung
der Bahn- oder Schnittqualität
bewirkt.
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Die
Ausbildung eines Durchgangskontaktlochs an einem dünnen Kupferblech
unter Verwendung eines CO2-Lasers stellt
ein zusätzliches
Beispiel bereit. Die niedrige Absorption der Laserenergie durch
das Kupferblech innerhalb des CO2-Wellenlängenbereichs
stellt typischerweise eine Herausforderung für die Kontaktlochausbildung
dar. Durch Richten von Heizenergie mit einer Wellenlänge, die
signifikant kürzer
ist als die Wellenlänge
der CO2-Laserenergie (z.B. der Diodenlaserwellenlänge von
808 nm), zum Einfall auf die Zielstelle des dünnen Kupferblechs kann die
Temperatur des dünnen
Kupferblechs wirksam erhöht
werden. Bei dieser erhöhten Temperatur
wird die Kopplung der CO2-Laserenergie und
des dünnen
Kupferblechs verbessert, so dass die vom CO2-Laser
emittierte Bearbeitungsausgangsleistung ein Kontaktloch mit hoher
Qualität
im dünnen
Kupferblech ausbildet.
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Zusätzliche
Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung von deren bevorzugten Ausführungsbeispielen ersichtlich,
welche mit Bezug auf die zugehörigen
Zeichnungen vor sich geht.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1a und 1b sind
vereinfachte schematische Diagramme von zwei bevorzugten Lasersystemen,
die Wärmeenergie
auf ein Zielmaterial aufbringen und eine Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
zum Einfall auf dieses richten, gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht
eines mehrlagigen Werkstücks
mit einem Durchgangskontaktloch und einem Blindkontaktloch, die
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet sind.
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3 ist
ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Lasersystems der
vorliegenden Erfindung.
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4a und 4b sind
Graphen, die als Funktion der Temperatur die Absorptionskoeffizienten
von Silizium bzw. Aluminium zeigen.
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5a zeigt
ein Beispiel einer Bearbeitungslaserstrahl-Ausgangswellenform; und
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5b und 5c zeigen
zwei Beispiele von Heizlichtstrahl-Wellenformen mit konstanten bzw.
abnehmenden Leistungsintensitäten.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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1a und 1b sind
vereinfachte schematische Diagramme von zwei alternativen bevorzugten
Ausführungsbeispielen
eines Lasersystems 8a und 8b, die dazu ausgelegt
sind, ein Werkstück gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung mit einem Laser zu bearbeiten.
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Mit
Bezug auf 1a emittiert ein Bearbeitungslaser 10 einen
Ausgangsbearbeitungsstrahl 12, der sich entlang eines ersten
Segments 14 einer optischen Achse und eines zweiten Segments 15 der optischen
Achse zum Einfall auf eine Zielstelle 16 auf einem Zielmaterial 18 eines
Werkstücks 20 ausbreitet.
Der Bearbeitungsstrahl 12 reflektiert an einem Spiegel 22 und
breitet sich durch eine Objektivlinse 24 aus, die den Bearbeitungsstrahl 12 auf
einen kleinen Fleck an der Zielstelle 16 fokussiert. Zwei
Lichtquellen 26 fungieren als Quellen für Heizenergie und emittieren
Heizlichtstrahlen 28, die sich entlang separater Lichtwege
in spitzen Winkeln relativ zum zweiten Segment 15 der optischen
Achse zum Einfall auf die Zielstelle 16 am Zielmaterial 18 ausbreiten. Die
Heizlichtstrahlen 28 führen
Wärmeenergie
zum Zielmaterial 18, um seine Temperatur zu erhöhen und zu
ermöglichen,
dass der Bearbeitungsstrahl 12 das Werkstück 20 wirksamer
laserbearbeitet. Wenn der Bearbeitungslaser 10 verwendet
wird, um Kontaktlöcher
im Werkstück 20 auszubilden,
bewegt ein Strahlpositionierungssystem 30 (3)
den Bearbeitungsstrahl 12 in einem spiralförmigen,
einem konzentrischen Kreis- oder einem Hohlbohrmuster, um an der
Zielstelle 16 ein Kontaktloch auszubilden. Die Heizlichtquelle 26 oder
ihr Strahlliefersystem (nicht dargestellt) kann am Strahlpositionierungssystem 30 derart
angebracht sein, dass der von der Heizlichtquelle 26 erzeugte
Heizstrahl 28 sich gleichzeitig mit dem Bearbeitungsstrahl 12 bewegt.
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Die
von den Heizstrahlen 28 geführte Heizenergie erhöht die Temperatur
des Zielmaterials 18 an der Zielstelle 16, während die
Maßstabilität des Zielmaterials 18 aufrechterhalten
wird. Der Bearbeitungsstrahl 12 ist durch eine Wellenlänge, eine Strahlfleckgröße, eine
Energie pro Impuls, eine Impulsbreite und eine Impulswiederholungsrate
gekennzeichnet, die in Kombination für die Laserbearbeitung des
Zielmaterials 18 geeignet sind. Das Erhöhen der Temperatur des Zielmaterials 18,
bevor oder während
der Bearbeitungsstrahl 12 auf die Zielstelle 16 gerichtet
wird, erhöht
die Materialentfernungsrate.
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Mit
Bezug auf 1b unterscheidet sich das Lasersystem 8b vom
Lasersystem 8a in der folgenden Hinsicht. Der Bearbeitungsstrahl 12 des
Bearbeitungslasers 10 und der Heizstrahl 28 einer
einzelnen Heizlichtquelle 26 breiten sich entlang des zweiten Segments 15 der
optischen Achse und durch die Objektivlinse 24 zum Einfall
auf die Zielstelle 16 des Zielmaterials 18 aus.
Der Spiegel 22 umfasst vorzugsweise einen Strahlkombinator,
der den Durchlass des Heizlichtstrahls 28 erleichtert und
den Bearbeitungsstrahl 12 reflektiert. Ein beispielhafter
bevorzugter Strahlkombinator ist eine spezielle Beschichtung wie
z.B. eine Beschichtung mit hoher Reflexion (HR) zur Verwendung bei
der Bearbeitungslaser-Ausgangswellenlänge und
eine Beschichtung mit hohem Durchlassgrad (HT) zur Verwendung bei
der Heizquellenwellenlänge.
Ein Vorteil, den dieser Strahlkombinator bietet, besteht darin,
dass er nicht erfordert, dass die Strahlen polarisiert werden, so dass
kein signifikanter Leistungsverlust für die Lichtstrahlen besteht,
die entweder von der Heizquelle oder vom Bearbeitungslaser emittiert
werden, wenn eine oder beide von ihnen nicht linear polarisiert
sind. Das Lasersystem 8b ordnet den Bearbeitungslaser 10,
die Heizlichtquelle 26 und die optische Komponente 22 so
an, dass die Objektivlinse 24 den Bearbeitungsstrahl 12 und
den Heizstrahl 28 fokussiert, bevor sie auf das Zielmaterial 18 einfallen.
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Da
der Hauptzweck der Heizquelle 26 darin besteht, die Temperatur
des Zielmaterials 18 zu erhöhen, hat der Benutzer eine
größere Flexibilität beim Wählen der
Betriebsparameter der Heizquelle 26, wie z.B. der Fleckgröße und Wellenlänge, als
jener des Bearbeitungslasers 10. An sich hängt die
bevorzugte Art der Heizquelle typischerweise von der Art des im
Lasersystem implementierten Bearbeitungslasers 10 und von
der Art von Werkstück 20 ab.
In einer bevorzugten Implementierung emittiert die Heizquelle 26 Heizenergie
mit einer Wiederholungsrate zwischen etwa 1 Hz und etwa 200 Hz während ihres kombinierten
Einfalls auf die Zielmaterialsstelle mit der Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung.
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Die
vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um verschiedene Laserprozesse
zu bewirken und eine Vielfalt von Werkstückzielmaterialien mit einem
Laser zu bearbeiten. In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
bildet der kombinierte Einfall der Heizenergie und der Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
ein Loch und/oder ein Kontaktloch in einem ein- oder mehrlagigen
Werkstück
aus. Die Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung wird vorzugsweise durch
einen der folgenden Bearbeitungslaser erzeugt: einen UV-Laser, einen IR-Laser,
einen grünen
Laser und einen CO2-Laser. Die Heizenergie wird
vorzugsweise durch eine der folgenden Lichtquellen erzeugt: einen
Diodenlaser, eine Diodenlaseranordnung, eine Anordnung von Leuchtdioden,
einen IR-Festkörperlaser,
einen UV-Festkörperlaser, einen
CO2-Laser, einen Faserlaser und eine Kombination
von diesen.
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Bevorzugte
einlagige Werkstücke
umfassen dünne
Kupferbleche, Polyimidfolien zur Verwendung in elektrischen Anwendungen
und andere Metallstücke
wie z.B. Aluminium, Stahl und Thermoplaste für allgemeine Industrie- und
medizinische Anwendungen. Bevorzugte mehrlagige Werkstücke umfassen ein
Mehrchipmodul (MCM), eine Leiterplatte oder einen Halbleitermikroschaltungsbaustein. 2 zeigt ein
beispielhaftes mehrlagiges Werkstück 20 willkürlicher
Art, das Schichten 34, 36, 38 und 40 umfasst. Die
Schichten 34 und 38 sind vorzugsweise Metallschichten,
die ein Metall, wie z.B., jedoch nicht begrenzt auf Aluminium, Kupfer,
Gold, Molybdän,
Nickel, Palladium, Platin, Silber, Titan, Wolfram, ein Metallnitrid
oder eine Kombination davon, umfassen. Die Metallschichten 34 und 38 weisen
vorzugsweise Dicken auf, die zwischen etwa 9 μm und etwa 36 μm liegen,
aber sie können
dünner
als 9 μm
oder so dick wie 72 μm
sein.
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Die
Schichten 36 umfassen vorzugsweise ein organisches dielektrisches
Standardmaterial, wie z.B. Benzocyclobutan (BCB), Bismaleimidtriazin (BT),
Pappe, einen Cyanatester, ein Epoxid, ein Phenol, ein Polyimid,
Polytetrafluorethylen (PTFE), eine Polymerlegierung oder eine Kombination
von diesen. Jede organische dielektrische Schicht 36 ist
typischerweise dicker als die Metallschichten 34 und 38. Die
bevorzugte Dicke der organischen dielektrischen Schicht 36 liegt
zwischen etwa 30 μm
und etwa 400 μm,
aber die organische dielektrische Schicht 36 kann in einem
Stapel mit einer Dicke von nicht weniger als 1,6 mm angeordnet sein.
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Die
organische dielektrische Schicht 36 kann eine dünne Verstärkungskomponentenschicht 40 umfassen.
Die Verstärkungskomponentenschicht 40 kann
eine Fasermatte oder dispergierte Teilchen aus beispielsweise Aramidfasern,
Keramik oder Glas umfassen, die in die organische dielektrische
Schicht 36 gewebt oder in dieser dispergiert wurden. Die
Verstärkungskomponentenschicht 40 ist
typischerweise viel dünner
als die organische dielektrische Schicht 36 und kann eine
Dicke aufweisen, die zwischen etwa 1μm und etwa 10 μm liegt.
Fachleute werden erkennen, dass das Verstärkungsmaterial auch als Pulver
in die organische dielektrische Schicht 36 eingeführt werden
kann. Die Verstärkungskomponentenschicht 40 mit
diesem pulverförmigen
Verstärkungsmaterial
kann nicht-aneinanderhängend
und ungleichmäßig sein.
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Fachleute
werden erkennen, dass die Schichten 34, 36, 38 und 40 intern
nicht-aneinanderhängend, ungleichmäßig und
uneben sein können. Stapel
mit mehreren Schichten aus Metall, organischem Dielektrikum und
Verstärkungskomponentenmaterialien
können
eine Gesamtdicke aufweisen, die größer ist als 2 mm. Obwohl das
willkürliche
Werkstück 20,
das in 2 als Beispiel gezeigt ist, fünf Schichten aufweist, kann
die vorliegende Erfindung an einem Werkstück mit einer beliebigen gewünschten
Anzahl von Schichten, einschließlich
eines einlagigen Substrats, ausgeführt werden.
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Der
Bearbeitungslaser 10 kann ein UV-Laser, ein IR-Laser, ein
grüner
Laser oder ein CO2-Laser sein. Eine bevorzugte
Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung weist eine Impulsenergie auf,
die zwischen etwa 0,01 μJ
und etwa 1 J liegt. Ein bevorzugter UV-Bearbeitungslaser ist ein
gütegeschalteter UV-DPSS-Laser
mit einem laseraktiven Halbleitermaterial wie z.B. Nd:YAG, Nd:YLF,
Nd:YAP oder Nd:YVO4 oder ein mit Ytterbium, Holmium oder Erbium
dotierter YAG-Kristall. Der UV-Laser liefert vorzugsweise eine harmonisch
erzeugte UV-Laserausgangsleistung
mit einer Wellenlänge
wie z.B. 355 nm (frequenzverdreifacht Nd:YAG), 266 nm (frequenzvervierfacht
Nd:YAG) oder 213 nm (frequenzverfünffacht Nd:YAG). Ein beispielhafter
kommerziell erhältlicher
UV-DPSS-Laser ist
das Modell LWE Q302 (355 nm), das von Lightwave Electronics in Mountain View,
Kalifornien, hergestellt wird.
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Ein
bevorzugter CO2-Bearbeitungslaser 22 ist
ein gepulster CO2-Laser, der mit einer Wellenlänge zwischen
etwa 9 μm
und etwa 11 μm
arbeitet. Ein beispielhafter kommerziell erhältlicher gepulster CO2-Laser ist der gütegeschaltete Laser (9,3 μm) des Modells
Q3000, der von Coherent-DEOS in Bloomfield, Connecticut, hergestellt
wird. Da CO2-Laser außerstande sind, Kontaktlöcher wirksam
durch die Metallschichten 34 und 38 zu bohren,
fehlen den mehrlagigen Werkstücken 20,
die mit CO2-Bearbeitungslasern gebohrt werden,
entweder die Metallschichten 34 und 38 oder sie
sind derart vorbereitet, dass die Zielstelle 16 mit einem
UV-Laser vorgebohrt wurde oder unter Verwendung eines anderen Prozesses, wie
beispielsweise chemischem Ätzen,
vorgeätzt wurde,
um die dielektrische Schicht 36 freizulegen.
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In
einer ersten bevorzugten Implementierung des ersten Ausführungsbeispiels
ist der Bearbeitungslaser 10 der vorstehend beschriebene UV-DPSS-Laser,
der verwendet wird, um eine Kontaktlochausbildung zu bewirken, und
die Heizquelle 26 ist ein Dauerstrich- (CW) oder Quasi-CW-Diodenlaser
mit einem Laserleistungsmodulator oder einem Diodenansteuerstrommodulator.
Der Diodenlaser ist vorzugsweise ein Einfach- oder Mehrfachdiodenlaser,
der mit einer Wellenlänge
zwischen etwa 600 nm und etwa 1600 nm und einem Leistungspegel zwischen
etwa 0,01 W und etwa 1000 W, bevorzugter zwischen etwa 20 W und
etwa 100 W, arbeitet. Der CW-Diodenlaser emittiert vorzugsweise
eine Laserausgangsleistung mit einer Wellenlänge, die zwischen etwa 780
nm und etwa 950 nm liegt. Ein kommerziell erhältlicher CW-Diodenlaser ist
der CW-Diodenlaser
der FC-Reihe mit einer Faserkopplung, einer Laserwellenlänge nahe
808 nm und einer Ausgangsleistung zwischen etwa 15 W und etwa 30
W, der von Spectra-Physics in Mountain View, Kalifornien, hergestellt
wird. Eine weitere bevorzugte Heizquelle 26 ist eine Anordnung
von Leuchtdioden mit Faserkopplung, einer Laserwellenlänge von
etwa 808 nm und einer Ausgangsleistung zwischen etwa 100 W und etwa
1000 W. Eine beispielhafte kommerziell erhältliche Anordnung von Leuchtdioden
wird von Nuvonyx, Inc., in Bridgeton, Missouri, hergestellt. Eine
weitere bevorzugte Heizquelle 26 ist der CW- oder gepulste
Nd:YAG-Laser, der mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder ihrer
zweiten Oberwelle bei 532 nm arbeitet. Eine Anzahl von kostengünstigen CW-
oder Quasi-CW-Lasern ist leicht erhältlich. Da die meisten der
optischen Elemente, die verwendet werden, um den UV-Bearbeitungslaserstrahl
auszubreiten oder zu fokussieren, für Wellenlängen im Bereich vom sichtbaren
bis zum nahen Infrarotspektrum geeignet sind, muss die Wellenlänge der
Heizquelle nicht im UV-Spektrum liegen.
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In
einer zweiten bevorzugten Implementierung des ersten Ausführungsbeispiels
ist der Bearbeitungslaser 10 der vorstehend beschriebene
gepulste CO2-Laser mit einer Wellenlänge zwischen etwa
9,2 Mikrometer und etwa 10,6 Mikrometer und die Heizquelle 26 ist
ein CW-CO2-Laser, ein gepulster CO2-Laser oder ein Laserleistungsmodulator
(wobei das Lasersystem wie in 1b gezeigt
konfiguriert ist). Ein beispielhafter kommerziell erhältlicher CO2-Laser ist ein Laser der Diamond-Reihe mit
75 W oder 150 W, der von Coherent, Inc., in Santa Clara, Kalifornien,
hergestellt wird. Wenn ein CO2-Laser als Bearbeitungslaser 10 verwendet
wird, sind die zum Ausbreiten oder Fokussieren der CO2-Laserausgangsleistung
verwendeten optischen Elemente bei Wellenlängen vom sichtbaren bis zum
nahen Infrarotspektrum nicht signifikant transparent. Folglich liegt die
Wellenlänge
der von der Heizquelle 26 emittierten Heizenergie vorzugsweise
zwischen etwa 2 Mikrometer und etwa 10,6 Mikrometer und die Ausgangsleistung
liegt vorzugsweise zwischen etwa 10 W und etwa 200 W.
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In
einer dritten bevorzugten Implementierung des ersten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung ist der Bearbeitungslaser 10 ein
gepulster CO2-Laser mit einer Wellenlänge zwischen
etwa 9,2 Mikrometer und etwa 10,6 Mikrometer und die Heizquelle 26 ist
ein Festkörperlaser,
ein Faserlaser, ein Diodenlaser oder eine Kombination von diesen.
Die Wellenlänge
der von der Heizquelle 26 emittierten Heizenergie liegt
vorzugsweise zwischen etwa 0,7 Mikrometer und etwa 3,0 Mikrometer
und die Ausgangsleistung liegt vorzugsweise zwischen etwa 10 W und
etwa 1000 W. Wie vorstehend angegeben, ist ein beispielhafter kommerziell
erhältlicher
gepulster CO2-Laser zur Verwendung in dieser
Implementierung der gütegeschaltete
Laser des Modells Q3000 (9,3 μm),
der von Coherent-DEOS in Bloomfield, Connecticut, hergestellt wird.
Beispielhafte Heizquellen umfassen einen CW-Diodenlaser der FC-Reihe mit
einer Faserkopplung, einer Laserwellenlänge von etwa 808 nm und einer
Ausgangsleistung zwischen etwa 15 W und etwa 30 W. Ein beispielhafter
kommerziell erhältlicher
CW-Diodenlaser der FC-Reihe wird von Spectra-Physics in Mountain
View, Kalifornien, hergestellt. Dieser CW-Diodenlaser kann moduliert
werden, um ihn in einer gepulsten Betriebsart zu betreiben, und
kann mit dem Bearbeitungslaser 10 synchronisiert werden.
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In
einer vierten bevorzugten Implementierung des ersten Ausführungsbeispiels
ist der Bearbeitungslaser 10 ein DPSS-Laser, dessen Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
eine Wellenlänge
in einem des IR-Spektrums, des grünen Spektrums und des UV-Spektrums
aufweist, so dass die Wellenlänge geringer
als 2,1 Mikrometer ist. Eine beispielhafte bevorzugte Heizquelle
ist der vorstehend erwähnte FC-Diodenlaser
mit einer Faserkopplung, einer Laserwellenlänge von etwa 808 nm und einer
Ausgangsleistung zwischen etwa 15 W und etwa 30 W. Ein beispielhafter
kommerziell erhältlicher UV-DPSS-Laser
ist vorstehend erwähnt.
Ein beispielhafter kommerziell erhältlicher grüner DPSS-Laser ist ein Laser
des Modells Q202 mit einer Leistung von 20 W, die mit einer Wiederholungsrate
von 40 kHz geliefert wird, welcher von LightWave Electronics in Mountain
View, Kalifornien, hergestellt wird.
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Fachleute
werden erkennen, dass andere laseraktive Festkörpermaterialien oder CO2-Laser, die mit veränderlichen Wellenlängen arbeiten,
im Lasersystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Verschiedene
Arten einer Laserresonatoranordnung, der Oberwellenerzeugung des
Festkörperlasers,
des Güteschaltbetriebs
für sowohl
den Festkörperlaser
als auch den CO2-Laser, von Pumpschemen
und Impulserzeugungsverfahren für
den CO2-Laser sind Fachleuten gut bekannt.
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Wie
in 2 gezeigt, können
die unter Verwendung des Lasersystems und Verfahrens der vorliegenden
Erfindung ausgebildeten Kontaktlöcher Blindkontaktlöcher 90 oder
Durchgangskontaktlöcher 92 sein.
Das Durchgangskontaktloch 92 erstreckt sich von einer oberen
Oberfläche 94 zu
einer unteren Oberfläche 96 des
mehrlagigen Werkstücks 20 und durchdringt
alle seine Schichten. Im Gegensatz dazu durchdringt das Blindkontaktloch 90 nicht
alle Schichten des mehrlagigen Werkstücks 20.
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In
einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zertrennt der kombinierte Einfall der
Heizenergie und der Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung einen Halbleiterwafer. Während Fachleute
erkennen werden, dass verschiedene laseraktive Festkörpermaterialien
oder IR-Laser, die mit veränderlichen
Wellenlängen
arbeiten, im Lasersystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können,
um die Waferzertrennung zu bewirken, wird die Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
vorzugsweise durch einen der folgenden Bearbeitungslaser erzeugt:
einen UV-Laser, einen grünen Laser
und einen IR-Laser.
Die Laserbetriebsparameter wie z.B. Impulsbreite und Impulswiederholungsrate,
variieren in Abhängigkeit
davon, welcher dieser Laser implementiert wird. Die Heizenergie
wird vorzugsweise durch mindestens eine der folgenden Lichtquellen
erzeugt: einen Diodenlaser, eine Diodenlaseranordnung, einen Festkörperlaser,
einen Faserlaser, eine Anordnung von Leuchtdioden oder eine Kombination
davon. Bevorzugte Werkstücke zum
Zertrennen umfassen Siliziumwafer, andere Materialien auf Siliziumbasis,
einschließlich
Siliziumcarbid und Siliziumnitrid, und Verbindungen in den III-V und
II-VI-Gruppen, wie z.B. Galliumarsenid.
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Das
Verfahren und Lasersystem des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung ermöglichen
die Verwendung von weniger der Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung,
um das Zielmaterial zu erhitzen, und machen dadurch mehr der Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
verfügbar, um
das Zielmaterial zu zertrennen. Folglich stellen das Verfahren und
Lasersystem eine Steigerung der Zielmaterial-Entfernungseffizienz
und eine daraus folgende Erhöhung
des Werkstückdurchsatzes
bereit.
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Ein
Vorteil der Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
zum Bewirken von Waferzertrennen besteht darin, dass weniger Trümmer erzeugt
werden. Wenn beispielsweise ein IR-Laser mit einer kurzen Impulsbreite
verwendet wird, wie z.B. ein modenverriegelter IR-Laser mit einer
Impulsbreite zwischen etwa 0,01 ps und etwa 1 ns, werden weniger
erneut abgelagerte Trümmer
erzeugt. Dies liegt daran, dass die Erhöhung der Temperatur der Zielstelle
den Absorptionskoeffizienten des Zielmaterials erhöht (siehe
z.B. 4a und 4b, die
graphisch die erhöhten
Absorptionskoeffizienten von Silizium bzw. Aluminium bei erhöhter Temperatur
zeigen), wodurch die Verwendung eines Bearbeitungslasers mit einer
kürzeren
Impulsbreite und einer niedrigeren Energie pro Impuls erleichtert
wird. Die Verwendung dieser Art von Laser führt zu einer höheren Geschwindigkeit,
mit der das entfernte Material das Werkstück verlässt, und zu einem geringeren
Volumen von Siliziumwafer-Materialentfernung pro Laserimpuls, was
beides zu einer Erzeugung von Trümmern
mit weniger großer
Größe führt. Die
Begrenzung der Menge von Trümmern
mit großer
Größe, die während der
Laserbearbeitung erzeugt werden, verbessert die Qualität der Bahn
oder des Schnitts, die/der durch das Laserzertrennen erzeugt wird,
da die Trümmer
sich häufig
wieder auf dem Wafer ablagern, was zu einer schlechten Bahn- oder
Schnittqualität
führt.
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In
einer ersten bevorzugten Implementierung des zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung ist der Bearbeitungslaser ein modenverriegelter
Laser, der eine Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung mit einer Wellenlänge zwischen
etwa 200 nm und etwa 1600 nm erzeugt, und die Heizenergie wird durch
mindestens eine der folgenden Lichtquellen erzeugt: einen Diodenlaser,
eine Diodenlaseranordnung und einen Faserlaser. Insbesondere ist
der Bearbeitungslaser vorzugsweise ein modenverriegelter IR-Laser
mit einer wahlweisen folgenden Impulsaufnahme und Verstärkung, der
einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge gleich oder weniger als
etwa 1064 nm, einer Impulsbreite zwischen etwa 0,01 Pikosekunden
und etwa 1000 Pikosekunden und einer mittleren Laserleistung zwischen
etwa 1 W und etwa 50 W mit einer Impulswiederholungsrate zwischen
etwa 1 kHz und etwa 150 MHz emittiert. Ein beispielhafter kommerziell
erhältlicher
modenverriegelter IR-Laser ist ein Staccato-Laser, der von Lumera
Laser in Chemnitz, Deutschland, hergestellt wird. Die derzeit erhältliche
IR-Leistung für
diesen Laser ist etwa 20 W für
eine Wiederholungsrate zwischen etwa 15 kHz und etwa 50 kHz und
eine Impulsbreite von etwa 10 ps. Ein weiterer bevorzugter modenverriegelter IR-Laser
ohne folgende Impulsaufnahme und Verstärkung ist ein Laser der Picolas-Reihe,
der von Alphalas in Göttingen,
Deutschland, hergestellt wird. Dieser Laser liefert eine Leistung
bei einer Wellenlänge
von 1064 nm, eine Wiederholungsrate von 100 MHz und eine Impulsbreite
von 10 ps. Die bevorzugte Heizenergiequelle ist ein Diodenlaser,
der eine Heizenergie mit einer Wellenlänge emittiert, die zwischen etwa
0,7 Mikrometer und etwa 2,2 Mikrometer liegt.
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Da
sich die Wellenlänge
des modenverriegelten IR-Lasers und der Heizquelle unterscheidet, wird
vorzugsweise ein Strahlkombinator in Verbindung mit dieser bevorzugten
Implementierung des zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein beispielhafter bevorzugter Strahlkombinator
ist eine spezielle Beschichtung, wie z.B. HR bei der Wellenlänge des
modenverriegelten Lasers und HT bei der Heizquellenwellenlänge. Ein Vorteil,
den dieser Strahlkombinator bietet, besteht darin, dass er nicht
erfordert, dass die Strahlen polarisiert sind, so dass kein signifikanter
Leistungsverlust an der Ausgangsleistung besteht, die entweder von
der Heizquelle oder vom modenverriegelten IR-Laser emittiert wird,
wobei einer oder beide von ihnen nicht-polarisierte Strahlung emittieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Implementierung des zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung ist der Bearbeitungslaser ein DPSS-UV-Laser,
ein DPSS-IR-Laser oder ein grüner Laser.
Die bevorzugte Heizquelle ist der vorstehend beschriebene Diodenlaser.
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3 zeigt
ein bevorzugtes Laserbearbeitungssystem 42 der vorliegenden
Erfindung, in dem die Heizquelle 26 einen Heizstrahl 28 emittiert,
der sich durch eine Reihe von Strahlaufweitungsvorrichtungen 44 und 46 ausbreitet,
die entlang eines Lichtausbreitungsweges 48 angeordnet
sind. Eine Strahlumlenkoptik 50 reflektiert den Heizstrahl 28 zur Ausbreitung
in einer Richtung, damit er sich koaxial mit dem Bearbeitungsstrahl 12,
der vom Bearbeitungslaser 10 emittiert wird, vereinigt
und eine kombinierte Ausgabe 52 mit diesem bildet. Der
vom Bearbeitungslaser 10 emittierte Bearbeitungsstrahl 12 wird
durch eine Vielzahl von gut bekannten optischen Vorrichtungen, einschließlich einer
Strahlaufweitungsvorrichtung oder von Aufwärtskollimatorlinsen-Komponenten 54 und 56 (beispielsweise
mit einem 2x-Strahlaufweitungsfaktor), die entlang eines Strahlweges 58 angeordnet
sind, in aufgeweitete kollimierte Impulse umgewandelt. Die kombinierte
Ausgabe 52 wird dann durch das Strahlpositionierungssystem 30 gesteuert
und durch eine Fokussierlinse 62 fokussiert, so dass sie
auf eine kleine Fläche
an der Zielstelle 16 des Werkstücks 20 auftrifft.
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Fachleute
werden erkennen, dass verschiedene Strahlaufweitungsfaktoren sowohl
für den
Bearbeitungsstrahl 12 als auch den Heizstrahl 28 verwendet
werden können.
Der Bearbeitungsstrahl 12 und der Heizstrahl 28 weisen
vorzugsweise dieselben Strahlfleckgrößen an der Zielstelle 16 auf.
Eine bevorzugte Fleckgröße liegt
zwischen etwa 1 Mikrometer und etwa 200 Mikrometer. Der Bearbeitungsstrahl 12 und
der Heizstrahl 28 können
auch verschiedene Fleckgrößen aufweisen.
Die Heizstrahl-Fleckgröße kann beispielsweise
zwischen etwa 50% und etwa 1000% der Bearbeitungsstrahl-Fleckgröße betragen.
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Ein
bevorzugtes Strahlpositionierungssystem 30 umfasst eine
Translationstisch-Positionierungseinrichtung 66 und
eine schnelle Positionierungseinrichtung 68. Die Translationstisch-Positionierungseinrichtung 66 umfasst
vorzugsweise mindestens zwei Plattformen oder Tische, die das Werkstück tragen
und eine schnelle Bewegung des Werkstücks 20 in einer "Schritt- und Wiederholungs"-Weise relativ zur Position des Strahlflecks
ermöglichen. In
einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt)
ist die Translationstisch-Positionierungseinrichtung 66 ein
Teilachsensystem, in dem ein Y-Tisch das Werkstück 20 trägt und bewegt, ein
X-Tisch die schnelle Positionierungseinrichtung 68 und
eine Objektivlinse trägt
und bewegt, die Z-Abmessung
zwischen dem X- und dem Y-Tisch ist einstellbar. Die schnelle Positionierungseinrichtung 68 kann
beispielsweise ein Paar von Galvanometerspiegeln umfassen, die einzelne
oder doppelte Bearbeitungsvorgänge
auf der Basis von gelieferten Test- oder Entwurfsdaten durchführen können. Diese
Positionierungseinrichtungen können
in Reaktion auf eingeteilte oder uneingeteilte Daten unabhängig oder koordiniert
zusammen bewegt werden. Ein beispielhaftes bevorzugtes Strahlpositionierungssystem 30 ist
im US-Patent Nr. 5 751 585 von Cutler et al. beschrieben.
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Eine
Lasersteuereinheit 80 lenkt vorzugsweise die Bewegung des
Strahlpositionierungssystems 30 und synchronisiert vorzugsweise
das Zünden
des Bearbeitungslasers 10 mit der Bewegung der Komponenten
des Strahlpositionierungssystems 30, wie im US-Patent Nr.
5 453 594 von Konecny beschrieben ist. Die Synchronisation der Heizquelle 26 mit dem
Zünden
des Bearbeitungslasers 10 kann auch durch die Lasersteuereinheit 80 durchgeführt werden.
Sobald der Bearbeitungslaser 10 auf eine Zielstelle abgeschossen
wird, kann die Heizquelle 26 beispielsweise entweder in
einer CW- oder Impulseinstellung auf ihre vorbestimmte Leistung
eingeschaltet werden, um die Zielstelle 16 zu erhitzen,
bevor oder bis das Abschießen
des Bearbeitungslasers 10 auf die Zielstelle 16 beendet
ist, und das Strahlpositionierungssystem 30 bewegt sich
zur nächsten Zielstelle 16.
Die vorbestimmte Leistung der Heizquelle 26 kann zwischen
etwa 50% und etwa 100% der Spitzenleistung der Heizquelle 26 moduliert
werden.
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5a, 5b und 5c zeigen
Beispiele von Laserausgangs-Leistungswellenformen des Bearbeitungsstrahls 12 (5a)
und des Heizstrahls 28 (5b und 5c).
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Mit
Bezug auf 5a ist die Laserausgangswellenform 100 eine
Folge von Sätzen 102 von
fünf schmalen
Impulsen 104 des Bearbeitungsstrahls 12. Jeder
Impuls 104 in einem Satz 102 bewirkt beispielsweise
ein Tiefenschneiden des Zielmaterials 18 bei der Ausbildung
eines Kontaktlochs oder beim Abtastzertrennen einer Bahn oder eines
Schnitts. Ein zweiter Satz 102 von Impulsen 104 bewirkt
eine Tiefenentfernung von Zielmaterial 18, um ein anderes Kontaktloch
auszubilden oder um eine andere Bahn oder einen anderen Schnitt
durch Abtasten zu zertrennen. Die Anzahl von Impulsen 104 und
die Zeit zwischen benachbarten Impulsen 104 in einem Satz 102 werden
auf der Basis des Zielmaterials und der Art von Kontaktloch, Bahn
oder Schnitt, die ausgebildet werden, ausgewählt. Die Zeit zwischen benachbarten
Impulssätzen 102 wird
dadurch festgelegt, wie schnell das Strahlpositionierungssystem 30 den
Laserbearbeitungsstrahl 12 von einer Zielstelle 16 zu
einer anderen Zielstelle 16 bewegt, wie z.B. von Kontaktloch
zu Kontaktloch oder vom Endpunkt einer Bahn oder eines Schnitts,
die/der durch Waferzertrennen ausgebildet wird, zum Startpunkt einer
nachfolgenden Bahn oder eines nachfolgenden Schnitts, die/der durch
Waferzertrennen ausgebildet wird.
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Mit
Bezug auf 5b ist die Heizenergie-Ausgangswellenform 110 eine
Folge von Quasi-CW-Wellenformen 112 des Heizstrahls 28 mit
konstanter Leistung. Die Quasi-CW-Wellenform 112 wird zum
Zusammenfallen mit der Zeit vom Beginn des ersten Impulses 104 bis
zum Ende des fünften
Impulses 104 des Impulssatzes 102 zeitlich gesteuert
und überspannt
diese Zeit. Die Quasi-CW-Wellenform kann
vor dem Ende des fünften
Impulses 104 des Impulssatzes 102 enden.
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Der
Bearbeitungszeitraum umfasst (1) einen Bearbeitungslaser-Ausgangszeitraum,
während
dessen der Bearbeitungsstrahl 12 auf das Zielmaterial 18 einfällt, und
(2) einen Heizenergiezeitraum, während dessen
der Heizlichtstrahl 28 auf das Zielmaterial 18 einfällt. Der
Heizenergiezeitraum liegt vorzugsweise zwischen etwa 50% und etwa
100% des Bearbeitungslaser-Ausgangszeitraums.
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Mit
Bezug auf 5c ist die Heizenergie-Ausgangswellenform 120 eine
Folge von Quasi-CW-Wellenformen 122 des Heizstrahls 28 mit
abnehmender Leistung. Die Heizenergie-Ausgangswellenform 120 unterscheidet
sich von der Heizenergie-Ausgangswellenform 110 darin,
dass jede der Quasi-CW-Wellenformen 122 während eines
Bearbeitungszeitraums in der Leistung abnimmt. Die Heizenergie-Ausgangswellenform 110 kann
auch eine Reihe von Impulsen (nicht dargestellt) sein, deren Impulsbreite
und Wiederholungsrate auf den System- und Werkstückanforderungen basieren.
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Ein
beispielhaftes kommerziell erhältliches UV-Lasersystem,
das viele der vorstehend beschriebenen Systemkomponenten enthält, ist
ein Lasersystem des Modells 5310 oder anderer in seiner Reihe, die
von Electro Scientific Industries, Inc., in Portland, Oregon, hergestellt
wird. Ein beispielhaftes kommerziell erhältliches CO2-Lasersystem,
das viele der vorstehend beschriebenen Systemkomponenten enthält, verwendet
einen CO2-Laser des Modells Q3000 (9,3 μm) in einem
Lasersystem des Modells 5385 oder anderer in seiner Reihe. Ein beispielhaftes
kommerziell erhältliches
Laserzertrennsystem, das viele der vorstehend beschriebenen Systemkomponenten enthält, ist
ein Lasersystem des Modells 4410 oder anderer in seiner Reihe.
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Fachleute
werden erkennen, dass für
verschiedene ein- oder mehrlagige Werkstücke, die aus verschiedenen
Materialien bestehen, die Veränderung
der Laserparameter, wie z.B. der Impulswiederholungsrate, der Energie
pro Impuls und der Strahlfleckgröße, während verschiedener
Bearbeitungsstufen programmiert werden kann, um einen optimalen Kontaktlochausbildungsdurchsatz
und eine optimale Kontaktlochqualität zu bewirken. Siehe z.B. US-Patent
Nr. 5 841 099 von Owen et al. und US-Patent Nr. 6 407 363 von Dunsky
et al., die beide auf den Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung übertragen
sind. Fachleute werden auch erkennen, dass die Betriebsparameter
der Heizquelle, wie z.B. ihre Leistung, ihr Energieverteilungsprofil
und ihre Fleckgröße, während verschiedener
Stufen der Laserbearbeitung konstant gehalten oder geändert werden
können.
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Für Fachleute
wird es offensichtlich sein, dass viele Änderungen an den Einzelheiten
der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele dieser Erfindung
vorgenommen werden können,
ohne von deren zugrunde liegenden Prinzipien abzuweichen. Der Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch die folgenden
Ansprüche
bestimmt werden.
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Zusammenfassung
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Ein
Verfahren und ein Lasersystem bewirken die schnelle Entfernung von
Material von einem Werkstück
(20) durch Aufbringen von Heizenergie in Form eines Lichtstrahls
(28) auf eine Zielstelle (16) auf dem Werkstück, um seine
Temperatur zu erhöhen,
während
seine Maßstabilität aufrechterhalten wird.
Wenn der Zielteil des Werkstücks
erhitzt wird, wird ein Laserstrahl (12) zum Einfall auf
die erhitzte Zielstelle gerichtet. Der Laserstrahl weist vorzugsweise
eine Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
auf, die zum Bewirken der Entfernung des Zielmaterials vom Werkstück geeignet
ist. Der kombinierte Einfall der Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
und der Heizenergie auf die Zielstelle ermöglicht, dass die Bearbeitungslaser-Ausgangsleistung
einen Teil des Zielmaterials mit einer Materialentfernungsrate entfernt,
die höher
ist als die Materialentfernungsrate, die erreichbar ist, wenn das
Zielmaterial nicht erhitzt wird.