DE112006002322T5

DE112006002322T5 - Energieüberwachung oder Steuerung von individuellen Kontaktlöchern, die während Lasermikrobearbeitung ausgebildet werden

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Publication number: DE112006002322T5
Application number: DE112006002322T
Authority: DE
Inventors: William J. Beaverton Jordens; Lindsey M. Portland Dotson; Mark Portland Unrath
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-07-10
Also published as: CN101253019B; GB2443587A; TW200720002A; JP2009505843A; GB0803258D0; JP2014058000A; KR20080039453A; US20070045253A1; US7244906B2; TWI386270B; CN101253019A; WO2007027707A1

Abstract

Verfahren zur Bereitstellung von Informationen hinsichtlich Strukturen, die in ein Werkstück unter Verwendung von Laserstrahlimpulsen, die durch eine programmierbare Steuereinheit gesteuert werden, mikrobearbeitet werden, wobei die Strukturen durch eine oder mehrere Spezifikationen gekennzeichnet sind, das Werkstück durch eine oder mehrere Schichten gekennzeichnet ist, jede Schicht durch eine Materialart und Dicke gekennzeichnet ist, die Laserstrahlimpulse durch einen oder mehrere Parameter gekennzeichnet sind und die Steuereinheit mit einem Prozessor wirksam verbunden ist, um Daten, einschließlich eines oder mehrerer der Laserstrahlimpulsparameter, Strukturspezifikationen oder Werkstückeigenschaften, zu verarbeiten, umfassend:
Aufzeichnen von einem oder mehreren der Laserstrahlimpulsparameter, die zum Mikrobearbeiten der Struktur verwendet werden, für eine oder mehrere mikrobearbeitete Strukturen;
Identifizieren der aufgezeichneten Parameter, um die aufgezeichneten Parameter den Strukturspezifikationen der mit diesen Parameter mikrobearbeiteten speziellen Struktur zuzuordnen;
Speichern der identifizierten Parameter;
Abrufen der gespeicherten identifizierten Parameter; und
Verarbeiten der abgerufenen Parameter in Zusammenarbeit mit der Steuereinheit zur Verwendung beim Erreichen...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Laserbearbeitung eines Werkstücks und insbesondere die Überwachung der Parameter eines Lasers, der zur Mikrobearbeitung von Strukturen auf einem Substrat verwendet wird. Diese Parameter können als Ausgabe unmittelbar geliefert werden, um Informationen für die Echtzeitsteuerung des Mikrobearbeitungsprozesses zu liefern, oder zum Abrufen zu einem späteren Zeitpunkt gespeichert werden, damit sie für die Prozessteuerung verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Die Laserbearbeitung kann an zahlreichen verschiedenen Werkstücken unter Verwendung von verschiedenen Lasern, die eine Vielfalt von Prozessen bewirken, durchgeführt werden. Die interessierenden speziellen Arten der Laserbearbeitung im Hinblick auf die vorliegende Erfindung sind die Laserbearbeitung eines ein- oder mehrlagigen Werkstücks, um eine Loch- und/oder Blindkontaktlochausbildung zu bewirken, und die Laserbearbeitung eines Halbleiterwafers, um ein Waferzertrennen oder -bohren durchzuführen. Die hierin beschriebenen Laserbearbeitungsverfahren könnten auch auf eine beliebige Art von Lasermikrobearbeitung angewendet werden, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf die Entfernung von Halbleiterverbindungen (Sicherungen) und die thermische Ausheilung und das Abgleichen von passiven Dick- oder Dünnschichtkomponenten.
Hinsichtlich der Laserbearbeitung von Kontaktlöchern und/oder 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 zum Ausbilden eines Durchgangslochs oder von Blindkontaktlöchern in zwei oder mehr Schichten von verschiedenen Materialarten in einem mehrlagigen Bauelement festgelegt sind. 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 Strahlungsdichte von mehr als 100 mW über die Fleckfläche emittiert. Der identifizierte bevorzugte Nicht-Excimer-UV-Laser ist ein diodengepumpter Festkörper-(DPSS)Laser.
Die US-Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. US/2002/0185474 von Dunsky et al. beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines gepulsten CO₂-Lasersystems zum Erzeugen von Laserausgangsimpulsen, die Blindkontaktlöcher in einer dielektrischen Schicht eines mehrlagigen Bauelements bilden. 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.
Die Laserentfernung eines Zielmaterials, insbesondere wenn ein UV-DPSS-Laser verwendet wird, beruht auf dem Richten einer Laserausgangsleistung mit einer Leistung, die auch als Fluenz oder Energiedichte bezeichnet wird, die größer ist als die Entfernungsschwelle des Zielmaterials, auf das Zielmaterial. Die Materialentfernung kann durch entweder einen photochemischen Prozess, auch Abschmelzen genannt, wobei die Kräfte, die die Atome und Moleküle zusammenhalten, aufgebrochen werden, oder durch einen photothermischen Prozess, in dem das Material verdampft wird, bewirkt werden. Ein UV-Laser emittiert eine Laserausgangsleistung, die so fokussiert werden kann, dass sie eine Fleckgröße zwischen etwa 5 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 so vergrößert werden, dass sie denselben Durchmesser wie den gewünschten Durchmesser des Kontaktlochs aufweist, aber eine solche Vergrößerung würde die Laserausgangsenergiedichte in dem Ausmaß verringern, dass sie geringer ist als die Zielmaterial-Abschmelzschwelle und keine Zielmaterialentfernung bewirken kann. Folglich wird die fokussierte Fleckgröße von 5 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 auszubilden. Die Spiral-, konzentrische Kreis- und Hohlbohrbearbeitung sind Arten von so genannten nicht stanzenden Kontaktlochausbildungsprozessen. Für Kontaktlochdurchmesser von etwa 70 μm oder kleiner liefert das direkte Stanzen einen höheren Kontaktlochausbildungsdurchsatz.
Im Gegensatz dazu ist die Fleckgröße der Ausgangsleistung eines gepulsten CO₂-Lasers typischerweise größer als 50 μm und ist 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 ein Stanzprozess typischerweise verwendet, wenn ein CO₂-Laser verwendet wird, um die Kontaktlochausbildung zu bewirken. Ein Kontaktloch mit einem Fleckflächendurchmesser von weniger als 50 μm kann jedoch nicht unter Verwendung eines CO₂-Lasers ausgebildet werden.
Der hohe Grad an Reflexionsvermögen von Kupfer bei der CO₂-Wellenlänge macht die Ausbildung eines Durchgangskontaktlochs unter Verwendung eines CO₂-Lasers in einem Kupferblech mit einer Dicke, die größer ist als etwa 5 Mikrometer, sehr schwierig. Folglich können CO₂-Laser typischerweise verwendet werden, um Durchgangskontaktlöcher nur in Kupferblechen auszubilden, die Dicken zwischen etwa 3 Mikrometer und etwa 5 Mikrometer aufweisen oder die oberflächenbehandelt wurden, um die Absorption der CO₂-Laserenergie zu verbessern.
Die bei der Herstellung von mehrlagigen Strukturen für eine Leiterplatte (PCB) und elektronischen Packungsvorrichtungen, in denen Kontaktlöcher ausgebildet werden, verwendeten üblichsten Materialien umfassen typischerweise Metalle (z. B. Kupfer) und dielektrische Materialien (z. B. Polymerpolyimid, Harz oder FR- 4). Die Laserenergie bei UV-Wellenlängen weist einen guten Kopplungswirkungsgrad mit Metallen und dielektrischen Materialien auf, so dass der UV-Laser die Kontaktlochausbildung an sowohl Kupferblechen als auch dielektrischen Materialien leicht bewirken kann. Die UV-Laserbearbeitung von Polymermaterialien wird auch weitgehend als kombinierter photochemischer und photothermischer Prozess betrachtet, in dem die UV-Laserausgangsleistung das Polymermaterial durch Dissoziieren seiner Molekülbindungen durch eine durch Photonen angeregte chemische Reaktion teilweise abschmilzt, wodurch eine überlegene Prozessqualität im Vergleich zum photochemischen Prozess erzeugt wird, der stattfindet, wenn die dielektrischen Materialien längeren Laserwellenlängen ausgesetzt werden. Aus diesen Gründen sind Festkörper-UV-Laser bevorzugte Laserquellen für die Bearbeitung dieser Materialien.
Die CO₂-Laserbearbeitung von dielektrischen und Metallmaterialien und die UV-Laserbearbeitung von Metallen sind hauptsächlich photothermische Prozesse, in 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 wegbläst. Die Abschmelzrate und der Kontaktlochausbildungsdurchsatz sind für eine gegebene Art von Material eine Funktion der Laserenergiedichte oder Fluenz (Laserenergie (J), dividiert durch die Fleckgröße (cm²)), der Leistungsdichte (Laserenergiedichte, dividiert durch die Impulsbreite (Sekunden)), der Impulsbreite, der Laserwellenlänge und der Impulswiederholungsrate.
Folglich ist der Laserbearbeitungsdurchsatz, wie beispielsweise die Kontaktlochausbildung an einer PCB oder anderen elektronischen Packungsvorrichtungen oder das Lochbohren an Metallen oder anderen Materialien, durch die verfügbare Laserleistung und die Impulswiederholungsrate sowie die Geschwindigkeit, mit der die Strahlpositionierungseinrichtung die Laserausgangsleistung in einem spiralförmigen, konzentrischen Kreis- oder Hohlbohrmuster und zwischen den 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 Model 5330 oder in anderen Systemen in seiner Reihe, die von Electro-Scientific Industries, Inc., Portland, Oregon, dem Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung, hergestellt werden, 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 an blankem Harz. Ein Beispiel eines gepulsten CO₂-Lasers ist ein Modell Q3000 (9,3 μm), der von Coherent-DEOS, Bloomfield, Connecticut, vertrieben wird. Dieser Laser wird in einem Lasersystem Modell 5385 oder in anderen Systemen in seiner Reihe, die von Electro-Scientific Industries, Inc., hergestellt werden, 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 an blankem Harz und 250–300 Kontaktlöcher jede Sekunde an FR-4.
Ein erhöhter Kontaktlochausbildungsdurchsatz kann durch Erhöhen der Impulswiederholungsrate bei einer Impulsleistung durchgeführt werden, die ausreicht, um eine Abschmelzung zu bewirken, wie vorstehend beschrieben. Für den UV-DPSS-Laser und den gepulsten CO₂-Laser nimmt jedoch, wenn die Impulswiederholungsraten zunehmen, die Impulsleistung in nicht-linearer Weise ab, d. h. zweimal die Impulswiederholungsrate führt zu weniger als einer Hälfte der Impulsleistung für jeden Impuls. Für einen gegebenen Laser besteht folglich eine maximale Impulswiederholungsrate und daher eine maximale Rate der Kontaktlochausbildung, die durch die minimale Impulsleistung gesteuert wird, die erforderlich ist, um eine Abschmelzung zu bewirken.
Hinsichtlich des Zeitrennens eines Halbleiterwafers gibt es zwei übliche Verfahren zum Bewirken des Zertrennens: mechanisches Sägen und Laserzertrennen. Mechanisches Sägen hat typischerweise die Verwendung einer Diamantsäge zur Folge, um Wafer mit einer Dicke von mehr als etwa 150 Mikrometer zu zertrennen, um Bleche 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 Brechen des Wafers.
Das Laserzertrennen hat typischerweise das Zertrennen des Halbleiterwafers unter Verwendung eines gepulsten IR-, grünen oder UV-Lasers zur Folge. 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, Siliziumwafer, die dünner sind als jene, die unter Verwendung von mechanischem Sägen zertrennt werden können, wirksam zu zertrennen. 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 mit einer Zertrenngeschwindigkeit von 120 mm/s zum Ausbilden eines Schnitts mit einer Breite von etwa 35 Mikrometer betrieben wird, zertrennt werden. Ein Nachteil des Laserzertrennens von Halbleiterwafern ist jedoch die Bildung von Trümmern und Schlacke, die beide am Wafer haften könnten und schwierig zu entfernen sind. Ein weiterer Nachteil des Laserzertrennens von Halbleiterwafern besteht darin, dass die Werkstückdurchsatzrate durch die Leistungsfähigkeiten des Lasers begrenzt ist.
Das hierin beschriebene System und Verfahren könnten auch verwendet werden, um die Parameter zu überwachen, die verwendet werden, um Schmelzsicherungen an einem Halbleiterwafer mikrozubearbeiten. Ein System, das dazu ausgelegt ist, Schmelzsicherungen an einem Halbleiterwafer zu entfernen, ist im US-Patent Nr. 5 574 250 von Sun et al. beschrieben, das auch auf den Anmelder dieser Patentanmeldung übertragen ist.
Ein Ziel von Lasermikrobearbeitungsvorgängen besteht darin, eine konsistente Qualität von durch einen Laser mikrobearbeiteten Strukturen über das ganze Werkstück vorzusehen. Einige Maße, die die Strukturqualität definieren, umfassen den Ort, die Größe und die Form der Struktur. Weitere Maße umfassen unter anderem den Seitenwandwinkel, die Bodentextur, das Volumen und die Textur von in der Struktur nach der Mikrobearbeitung übrigen Trümmern und das Brechen nahe der Kante der Struktur. Ein Problem bei Lasermikrobearbeitungsvorgängen, wie hierin erörtert, besteht darin, dass aufgrund von Ungleichmäßigkeiten im Werkstück das Durchführen der Bearbeitungsvorgänge mit denselben Laserparametern an zwei verschiedenen Stellen auf dem Werkstück zu Unterschieden der Strukturqualitäten führen kann. Beispiele von Werkstückunterschieden, die die Ergebnisse beeinflussen, umfassen Unterschiede in der Dicke, Unterschiede in der Werkstückebenheit und Unterschiede in der Oberflächeneindringung, die das Werkstück mehr oder weniger für die Laserleistung reflektierend macht. Diese Schwankungen sind über das ganze Werkstück nicht konstant und können in Abhängigkeit vom Ort bis zum individuellen Merkmal variieren. Ferner können diese Schwankungen von Werkstück zu Werkstück in einer gegebenen Serie von Werkstücken aufgrund von normalen Schwankungen in Herstellungstoleranzen wiederholt sein.
Ein weiteres Phänomen, das sich auf die Fähigkeit des Lasermikrobearbeitungssystems, Strukturen maschinell zu bearbeiten, auswirkt, ist die Alterung und/oder Beschädigung an der Optik, die zum Richten des Laserstrahls auf das Werkstück verwendet wird. Wenn die optischen Komponenten altem, unterliegen sie einer Verunreinigung, am merklichsten von Trümmern vom Mikrobearbeitungsvorgang selbst, und einer Beschädigung von den Laserstrahlen mit hoher Leistung, die durch die Optik übertragen werden. Diese und andere Formen einer Verschlechterung können verursachen, dass sich der auf das Werkstück projizierte Laserfleck in der Größe, Form, Intensität oder anderen Eigenschaften ändert, wodurch die Größe, Form, Tiefe oder andere Maße der mikrobearbeiteten Struktur trotz der exakt gleichen Parameter, die zum Steuern des Laserstrahls verwendet werden, geändert werden.
Systeme des Standes der Technik zur Lasermikrobearbeitung verwenden Echtzeitsteuerungen, die die Parameter des Laserstrahls, wenn die Struktur bearbeitet wird, bei einem Versuch ändern, die Effekte von Änderungen der Optik aufgrund von Alterung oder Beschädigung zu mildern. In einigen Lasermikrobearbeitungssystemen, insbesondere den Systemen, auf die hierin Bezug genommen wird, wird ein Photodetektor verwendet, um die Laserleistung zu überwachen, wenn das Werkstück mikrobearbeitet wird. Die Ausgangsleistung aus dem Photodetektor wird verwendet, um die Laserleistung in Echtzeit bei einem Versuch einzustellen, einige der Quellen für Variabilität der Laserleistung am Werkstück zu kompensieren. Dies wird typischerweise durch Einstellen eines variablen Dämpfungsgliedes im optischen Weg durchgeführt, um die durch die Optik übertragene Laserenergie zu ändern, um eine vorbestimmte Menge an Energie für jeden Bearbeitungsvorgang zu erreichen. Wenn der Strahl nicht mit einem vorbestimmten Wert in Übereinstimmung gebracht werden kann, wird der Vorgang gestoppt und die Bedienperson wird gewarnt, dass eine Wartung erforderlich ist. Das Problem bei dieser Methode besteht darin, dass, obwohl sie helfen kann, die Alterung der Optik oder andere Quellen für eine Veränderung der Laserleistung zu kompensieren, die Tatsache, dass sie automatisch eine mögliche Verschlechterung des Lasers oder der Optik kompensiert, bedeutet, dass, wenn das System nicht überwacht wird, eine Verbergung von wichtigen Informationen besteht, die verwendet werden könnten, um die Wartung des Systems auszulösen, bevor das System abschaltet und wertvolle Produktionszeit verloren geht.
Ein weiteres Problem bei dem Versuch, eine konsistente Qualität einer durch Laser mikrobearbeiteten Struktur aufrechtzuerhalten, besteht darin, dass die einfache Aufzeichnung von vorgewählten Laserparametern wie z. B. unter anderem Impulswiederholungsfrequenz (PRF) oder Impulsenergie nicht ausreicht, um die Laserparameter zu kennzeichnen, die im Mikrobearbeitungsprozess verwendet werden, da der Laserstrahl typischerweise nicht für die gesamte nominale Dauer des Mikrobearbeitungsprozesses auf das Werkstück gerichtet wird. Mit den Lasermikrobearbeitungssystemen, auf die hierin Bezug genommen wird, wird der Laserstrahl beispielsweise für einen Teil der Zeit, die er gepulst wird, auf einen Leistungsmesser gerichtet, der die Leistungsausgabe des Laserstrahls misst. Das System kann dann ein steuerbares Dämpfungsglied im optischen Weg einstellen, um zu bewirken, dass die Laserstrahlleistung auf einen vorgewählten Wert erhöht oder gesenkt wird. Typischerweise wird dies verwendet, um die verringerte Übertragung durch die optischen Komponenten, wenn sie altem, zu kompensieren. Wenn der nominale Laserenergiewert durch Einstellen des Dämpfungsgliedes nicht erreicht werden kann, erzeugt das System ein Fehlersignal. Das Problem besteht darin, dass, wenn das System nicht die Dämpfungsgliedeinstellung, die endgültige Laserleistung und die Anzahl von Impulsen, die unter anderen Parametern tatsächlich zum Werkstück über den speziellen Zeitraum geliefert werden, den die Struktur mikrobearbeitet im Gegensatz zu kalibriert wird, aufzeichnen kann, kein genauer Datensatz der tatsächlichen Laserleistung besteht, die auf das Werkstück während der Mikrobearbeitung einer speziellen Struktur gerichtet wird.
Andere Quellen für systematische, wiederholbare Veränderungen in den durch einen Laser mikrobearbeiteten Strukturen existieren. Das richten des Laserstrahls auf die geeigneten Stellen auf dem Werkstück, um mehrere komplexe Strukturen effizient und wirksam zu erzeugen, kann beispielsweise das Koordinieren der Bewegung von einem oder mehreren Untersystemen, einschließlich Bewegungssteueruntersystemen, die das Werkstück bewegen, und optischen Untersystemen, die den Laserstrahl bewegen, beinhalten. Das kombinierte Ergebnis dieser komplexen koordinierten Bewegungen, das die Beziehung zwischen dem Werkstück und dem Laserstrahl beschreibt, wird Werkzeugweg genannt. Die Komplexität des Werkzeugweges ist derart, dass er einem wiederholbaren Übergangsverhalten unterliegt, das sich auf den Wirkungsgrad auswirkt, mit dem der Laserstrahl mit dem Werkstück in Wechselwirkung tritt. Beispiele der Arten von Übergangsverhalten, die sich auf den Lasermikrobearbeitungsprozess auswirken können, umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf den Laserwinkel in Bezug auf das Werkstück und die Einschwingzeit. Ein weiteres Beispiel von Übergangsverhalten ist die Änderung der Laserimpulsenergie als Funktion des Impulstastgrades des Lasers. Aufgrund der Werkzeugweganordnung und der dynamischen Strahlbewegung kann der Zeitraum zwischen der Bearbeitung von aufeinander folgenden Strukturen signifikant variieren. Diese Verzögerungen wirken sich auf den internen Zustand des Lasers aufgrund von Veränderungen der gespeicherten Energie im laseraktiven Medium und thermischen Übergängen von optischen Resonatorkomponenten aus. Infolge dieser Laserübergänge können bestimmte Werkstückstrukturen mit erhöhter oder verringerter Impulsenergie bearbeitet werden, selbst wenn identische Bearbeitungsparameter (Impulswiederholungsfrequenz, Anzahl von Impulsen usw.) auf die Struktur angewendet werden. Das Ergebnis dieses Übergangsverhaltens ist systematische Schwankungen der Strukturqualität trotz identischer Laserparametereinstellungen.
Was bei der Lasermikrobearbeitung von Strukturen in einem Werkstück erforderlich ist, ist daher ein Verfahren und ein System zum Überwachen, Identifizieren und wahlweise Steuern der tatsächlichen Parameter, die zur Mikrobearbeitung einer speziellen Struktur verwendet werden, und zum Speichern von Parameterinformationen, um zu ermöglichen, dass das System die Parameterinformationen entweder in Echtzeit, wenn die Struktur maschinell bearbeitet wird, oder später, nachdem das Werkstück vollendet ist, abruft.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und ein System zum Verbessern der Qualität eines durch einen Laser mikrobearbeiteten Werkstücks durch Überwachen, Identifizieren und Speichern der Laserstrahlparameter, die im Mikrobearbeitungsprozess verwendet werden, wenn das Werkstück mikrobearbeitet wird, bereitzustellen. Diese Parameter können abgerufen und mit vorgewählten Werten verglichen werden, um entweder weitere Mikrobearbeitungsvorgänge am Werkstück in Echtzeit zu führen oder anzugeben, dass einige oder alle der mikrobearbeiteten Strukturen im Werkstück vorgewählte Spezifikationen nicht erfüllen können. Die gespeicherten Parameter können auch mit den Ergebnissen einer Nachmikrobearbeitungsuntersuchung kombiniert werden, um die zum Mikrobearbeiten anschließender Werkstücke verwendeten Parameter zu modifizieren. Das Verfahren und System der vorliegenden Erfindung bewirken eine Verbesserung der Qualität von Strukturen, die durch einen Laser in einem Werkstück mikrobearbeitet werden, durch Aufzeichnen der tatsächlichen Laserparameter, die zum Mikrobearbeiten der Struktur verwendet werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems und Verfahrens, das hierin beschrieben wird, hat das Überwachen und Speichern der Parameter, die der Laserbearbeitung von Kontaktlöchern und/oder Löchern in ein- und mehrlagigen Werkstücken zugeordnet sind, zur Folge. Die Bearbeitung kann die Mikrobearbeitung von hunderten oder tausenden von Kontaktlöchern in einem einzelnen Werkstück beinhalten. Es ist erwünscht, dass alle diese Kontaktlöcher trotz der vorstehend erwähnten Änderungsquellen eine annehmbare Qualität aufweisen. Ein wichtiger Schritt beim Sicherstellen der Qualität besteht darin, die tatsächlichen Parameter, die zum Ausbilden eines speziellen Kontaktlochs verwendet wurden, aufzuzeichnen. Einige der Parameter, die dem Laserstrahl zugeordnet sind, umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf die Impulswiederholungsfrequenz, die Gesamtzahl von Impulsen, die Impulsleistung, die Impulsenergie, die Impulsform, die Impulsbreite, die Wellenlänge und Toleranzen, die diesen Parameter zugeordnet sind. Außerdem umfassen weitere Parameter, die der Laseroptik und Bewegungssteuerung zugeordnet sind, sind jedoch nicht begrenzt auf den Ort, die Einschwingzeit, die Fleckgröße und die Strahlform und die jedem zugeordneten Toleranzen. Ein weiterer Systemparameter, der aufgezeichnet werden muss, ist die gesamte Menge an Zeit, die der Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet wird.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben ersichtlich, die mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen vor sich geht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine bruchstückhafte Querschnittsansicht eines beispielhaften mehrlagigen Werkstücks der Art, die durch einen Laserstrahl bearbeitet werden soll, der gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet wird.
2 ist ein schematisches Diagramm eines Laserbearbeitungssystems des Standes der Technik.
3 ist ein schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines bevorzugten Systems zum Implementieren eines hierin beschriebenen bevorzugten Verfahrens.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
In einer ersten Implementierung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dieser Erfindung bilden Laserimpulse, die durch die hierin offenbarte Erfindung erzeugt werden, Kontaktlöcher in einlagigen oder mehrlagigen Werkstücken durch Zielen eines Lasers auf mindestens spezielle Bereiche des Werkstücks mit ausreichender Energie, um Material zu entfernen. Es wird angenommen, dass ein einzelner Impuls unzureichend ist, um das ganze gewünschte Material von einem speziellen Ort auf dem Werkstück zu entfernen. Mehrere Impulse werden daher auf das Werkstück gerichtet, um die Entfernung des gewünschten Materials an jedem festgelegten Ort zu bewirken. Die Bearbeitungszeit und daher der Systemdurchsatz hängt von der Anzahl von Impulsen ab, die zum Werkstück für jede Einheitszeit mit Energien oberhalb der Materialentfernungsschwelle des Werkstücks geliefert werden.
Bevorzugte einlagige Werkstücke umfassen dünne Kupferbleche; Polyimidplatten zur Verwendung in elektrischen Anwendungen; und andere Metallstücke wie z. B. Aluminium, Stahl und Thermoplaste, die in der allgemeinen Industrie und in medizinischen Anwendungen verwendet werden, oder Silizium oder andere Halbleitermaterialien, die als Substrate für das Bauen von elektronischen Schaltungen darauf verwendet werden. Bevorzugte mehrlagige Werkstücke umfassen ein Mehrchipmodul (MCM), eine Leiterplatte oder einen Halbleiter-Mikroschaltungsbaustein. 1 zeigt ein beispielhaftes mehrlagiges Werkstück 20 einer beliebigen Art, das Schichten 34, 36, 38 und 40 umfasst. Die Schichten 34 und 38 sind vorzugsweise Metallschichten, die jeweils 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, sie können jedoch dünner als 9 μm oder nicht dünner als 72 μm sein.
Jede Schicht 36 umfasst 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 davon. 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 20 μm und etwa 400 μm, aber die organische dielektrische Schicht 36 kann in einem Stapel mit einer Dicke von nicht kleiner als 1,6 mm angeordnet sein.
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 dispergiert wurden. Die Verstärkungskomponentenschicht 40 ist typischerweise viel dünner als die organische dielektrische Schicht 36 und kann eine Dicke aufweisen, die zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm liegt. Fachleute werden erkennen, dass Verstärkungsmaterial auch als Pulver in die organische dielektrische Schicht 36 eingeführt werden kann. Die Verstärkungskomponentenschicht 40 mit diesem pulverförmigen Verstärkungsmaterial kann nicht-zusammenhängend und ungleichmäßig sein.
Fachleute werden erkennen, dass die Schichten 34, 36, 38 und 40 intern nicht-zusammenhängend, ungleichmäßig und uneben sein können. Stapel mit mehreren Schichten aus Metall-, organischen dielektrischen und Verstärkungskomponentenmaterialien können eine Gesamtdicke aufweisen, die größer ist als 2 mm. Obwohl das willkürliche Werkstück 20, das als Beispiel in 1 gezeigt ist, fünf Schichten aufweist, kann die vorliegende Erfindung an einem Werkstück mit einer beliebigen gewünschten Anzahl von Schichten ausgeführt werden, einschließlich eines einlagigen Substrats.
2 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Systems des Standes der Technik mit einem durch eine Steuereinheit 52 gesteuerten Laser 50. Die Steuereinheit 52 kann einen Computer enthalten oder mit einem Computer über eine Schnittstelle (nicht dargestellt) verbunden sein. Der Laser 50 liefert an seinem Ausgang einen Bearbeitungsstrahl 54, der aus einer Laserimpulsfolge besteht. Der Laserbearbeitungsstrahl 54 verläuft durch ein steuerbares, variables Wellenplattendämpfungsglied 56, das unter der Steuerung eines Impulsenergiedetektors 58 die Dämpfung des Laserbearbeitungsstrahls 54 verändert, um zu versuchen, einen gewünschten Leistungspegel zu erreichen. Der gedämpfte Laserbearbeitungsstrahl 54 verläuft dann durch einen linearen Polarisator 60 zu einem zu 2% durchlässigen Spiegel 62. Der zu 2% durchlässige Spiegel 62 reflektiert 98% der Laserbearbeitungsstrahlleistung und ermöglicht, dass 2% der Laserbearbeitungsstrahlleistung 64 zum Impulsenergiedetektor 58 durchgelassen wird, der die Impulsenergie des 2% Laserbearbeitungsstrahls 64 misst und die im reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahl 66 verfügbare Impulsenergie berechnet. Der Impulsenergiedetektor 58 vergleicht die berechnete Impulsenergie mit einem vorgewählten Impulsenergiewert und versucht, die Differenz durch Richten des steuerbaren, variablen Wellenplattendämpfungsgliedes 56 zu lösen, um die Menge an Dämpfung, die auf den Laserbearbeitungsstrahl 54 angewendet wird, zu ändern. Der Impulsenergiedetektor 58 überträgt auch Informationen zur Steuereinheit 52. Der reflektierte 98% Laserbearbeitungsstrahl 66 verläuft dann durch eine Verschlussblende 68, die entweder zum Stoppen des Laserstrahls oder zum Durchlassen desselben unter dem Befehl von der Steuereinheit 52 wirkt. Der reflektierte 98% Laserbearbeitungsstrahl 66 wird dann durch einen Umlenkspiegel 70 umgelenkt und dadurch auf einen beweglichen Spiegel 72 gerichtet, der unter dem Befehl von der Steuereinheit 52 den Strahl entweder auf ein Werkstück 74, das an einer Aufspannvorrichtung 76 befestigt ist, oder einen Aufspannvorrichtungsleistungsmesser 78 richtet. Wenn der bewegliche Spiegel 72 den reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahl 66 auf den Aufspannvorrichtungsleistungsmesser 78 richtet, misst er die Leistung des reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahls 66 und überträgt das Ergebnis zum Impulsenergiedetektor 58 und anschließend zur Steuereinheit 52. Die Aufspannvorrichtung 76 bewegt unter dem Befehl der Steuereinheit 52 das Werkstück 74, um den reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahl 66 auf verschiedene Punkte auf dem Werkstück 74 zu richten. In diesem vereinfachten Diagramm ist eine wahlweise Strahllenkoptik nicht gezeigt, die wahlweise den reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahl 66 auf verschiedene Punkte auf dem Werkstück 74 richtet.
3 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des hierin beschriebenen Verfahrens und Systems mit einem Laser 150, der durch eine Steuereinheit 152 gesteuert wird. Die Steuereinheit 152 kann einen Computer enthalten oder mit einem Computer durch eine Schnittstelle (nicht dargestellt) verbunden sein. Der Laser 150 liefert an seinem Ausgang einen Bearbeitungsstrahl 154, der aus einer Laserimpulsfolge besteht. Der Laserbearbeitungsstrahl 154 tritt durch einen linearen Polarisator 160 zu einem zu 2% durchlässigen Spiegel 162 hindurch. Der zu 2% durchlässige Spiegel 162 reflektiert 98% der Laserbearbeitungsstrahlleistung und ermöglicht, dass 2% der Laserbearbeitungsstrahlleistung 164 zu einem Impulsenergiedetektor 158 durchgelassen werden, der die Impulsenergie des 2% Laserbearbeitungsstrahls misst und die Impulsenergie, die im reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahl 166 zur Verfügung steht, berechnet. Der Impulsenergiedetektor 158 vergleicht die berechnete Impulsenergie mit einem vorgewählten Impulsenergiewert und versucht, die Differenz durch Anweisen der Steuereinheit 152, die Parameter, die den Laser 150 steuern, zu ändern, zu lösen, um die Leistung des Laserbearbeitungsstrahls 154 zu ändern. Einige der Laserparameter, die die Steuereinheit ändern kann, um die Leistung des Laserbearbeitungsstrahls 154 zu verändern, umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf die Impulsanforderung, die Pumpenergie, die Hochfrequenz-Güteschaltzeit oder den Pegel. Der reflektierte 98% Laserbearbeitungsstrahl 166 tritt dann durch eine Verschlussblende 168 hindurch, die entweder zum Stoppen des Laserstrahls oder zum Durchlassen desselben unter dem Befehl von der Steuereinheit 152 wirkt. Der reflektierte 98% Laserbearbeitungsstrahl 166 wird dann durch einen Umlenkspiegel 170 umgelenkt und dadurch auf einen beweglichen Spiegel 172 gerichtet, der unter dem Befehl von der Steuereinheit 152 den Strahl entweder auf ein Werkstück 174, das an einer Aufspannvorrichtung 176 befestigt ist, oder einen Aufspannvorrichtungsleistungsmesser 178 richtet. Wenn der bewegliche Spiegel 172 den reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahl 166 auf den Aufspannvorrichtungsleistungsmesser 178 richtet, misst er die Leistung des reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahls 166 und überträgt das Ergebnis zum Impulsenergiedetektor 158 und anschließend zur Steuereinheit 152. Der Grund dafür, dass zwei Energiemessvorrichtungen verwendet werden, besteht darin, dass der Aufspannvorrichtungsleistungsmesser 178 genauer ist als der Impulsenergiedetektor 158, aber der letztere verwendet werden kann, um den Prozess zu überwachen, während der reflektierte 98% Laserbearbeitungsstrahl 166 das Werkstück mikrobearbeitet. Folglich kann der Aufspannvorrichtungsleistungsmesser 178 verwendet werden, um die Laserleistung einzustellen, und der Impulsenergiedetektor 158 kann verwendet werden, um zu überprüfen, dass sie während des Mikrobearbeitungsvorgangs konstant ist. Die Aufspannvorrichtung 176 bewegt unter dem Befehl der Steuereinheit 152 das Werkstück 174, um den reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahl 166 auf verschiedene Punkte auf dem Werkstück 174 zu richten. In diesem vereinfachten Diagramm ist eine wahlweise Strahllenkoptik nicht gezeigt, die wahlweise den reflektierten 98% Laserbearbeitungsstrahl 166 auf verschiedene Punkte auf dem Werkstück 174 richtet.
Der Bearbeitungslaser 150 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 1,0 J liegt. Ein bevorzugter UV-Bearbeitungslaser ist ein gütegeschalteter UV-DPSS-Laser mit einem laseraktiven Festkörpermaterial, wie z. B. Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YAP oder Nd:YVO4 oder ein YAG-Kristall, der mit Ytterbium, Holmium oder Erbium dotiert ist. 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 bevorzugter CO₂-Bearbeitungslaser 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 Modell Q3000 (9,3 μm), der von Coherent-DEOS in Bloomfield, Connecticut, hergestellt wird. Da CO₂-Laser außerstande sind, Kontaktlöcher effektiv durch Metallschichten 34 und 38 des mehrlagigen Werkstücks 20 zu bohren, fehlen mehrlagigen Werkstücken, die mit CO₂-Bearbeitungslasern gebohrt werden, entweder die Metallschichten 34 und 38 oder sie werden derart vorbereitet, dass eine Zielstelle mit einem UV-Laser vorgebohrt oder unter Verwendung eines anderen Prozesses, wie beispielsweise chemischem Ätzen, vorgeätzt wurde, um die dielektrische Schicht 36 freizulegen. Fachleute werden erkennen, dass andere laseraktive Festkörpermaterialien oder CO₂-Laser, die mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten, im Lasersystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Verschiedene Arten einer Laserresonatoranordnung, Oberwellenerzeugung des Festkörperlasers, Güteschalterbetrieb für sowohl den Festkörperlaser als auch den CO₂-Laser, Pumpschemen und Impulserzeugungsverfahren für den CO₂-Laser sind Fachleuten gut bekannt.
Das beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel arbeitet durch Überwachen und Speichern der zur Lasermikrobearbeitung einer Struktur in einem Werkstück verwendeten Parameter. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt das System gespeicherte vorgewählte Werte für die Parameter, die zum Ausbilden von Kontaktlöchern im Werkstück verwendet werden sollen. In der ersten Betriebsart geht das System mit dem Kontaktlochausbildungsprozess vor sich, wobei ein Identifikator gespeichert wird, der den Ort identifiziert, auf den die Ausbildung des ersten Kontaktlochs gerichtet war, und zusammen mit dem Identifikator die Laserparameter gespeichert werden, die zum Mikrobearbeiten dieses Kontaktlochs verwendet werden sollen. Das System überwacht außerdem die Laserleistung, um sicherzustellen, dass die gewünschte Laserleistung zum Werkstück geliefert wird, indem die Impulsenergie mit dem Impulsenergiedetektor 158 und dem Aufspannvorrichtungsleistungsmesser 178 gemessen wird, wie vorstehend beschrieben. Wenn Einstellungen an den Laserparametern vorgenommen werden, um eine gewünschte Laserleistung aufrechtzuerhalten, werden die eingestellten Parameter zusammen mit dem aktuellen Identifikator gespeichert. Das System geht dann zur Mikrobearbeitung des nächsten Kontaktlochs weiter, wobei ein zweiter Identifikator und ein zweiter Satz von Parameter gespeichert werden. Das System geht dann zum nächsten Kontaktloch weiter, wobei ein nächster Identifikator und ein nächster Satz von Parameter gespeichert werden, und so weiter, bis alle der gewünschten Mikrobearbeitungsvorgänge am Werkstück durchgeführt wurden.
Sobald das Werkstück mikrobearbeitet ist, können die gespeicherten Werte für mindestens drei Zwecke verwendet werden. Erstens können die Parameter abgerufen und untersucht werden, um festzustellen, wie die Laserleistung während der Mikrobearbeitungsvorgänge eingestellt wurde. Sich ändernde Laserparameter können darauf hinweisen, dass sich Bedingungen wie z. B. Drift in der Steuerelektronik oder eine Beschädigung an optischen Elementen ändern, und können Bedienpersonen des Systems warnen, um zu planen, dass eine Wartung am System durchgeführt wird. Folglich kann das System eingestellt werden oder alternde Komponenten ausgetauscht werden, bevor sie aus der Toleranz gelangen und das System während der Herstellung abschalten. Diese Anwendung ist im Allgemeinen als statistische Prozessteuerung (SPC) bekannt, bei der Daten von einem Herstellungsprozess analysiert werden, um vorherzusagen, wann der Prozess aus der Toleranz gelangen könnte und Produkte herstellt, die nicht die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Die durch das hierin offenbarte Verfahren und System erzeugten Daten stellen genauere Daten und daher bessere Ergebnisse von der SPC als jene, die im Stand der Technik erreicht wurden, bereit.
Eine weitere Verwendung für diese gespeicherten Parameter besteht darin, sie zu untersuchen und zu verwenden, um vorherzusagen, wann das System bei der Mikrobearbeitung von Kontaktlöchern mit hoher Qualität Probleme gehabt haben kann. Wenn beispielsweise der Parametersatz zeigt, dass das System mehr Laserleistung als jene, die zur Verfügung stand, benötigt haben kann, kann bei den mit diesen Parametern ausgebildeten Kontaktlöchern daher nicht genügend Material entfernt worden sein. Dies könnte durch deterministische Eigenschaften des Werkzeugweges verursacht werden. Auf der Basis der Analyse der gespeicherten und wiederhergestellten Parameter kann das Werkstück abgelehnt oder nachbearbeitet werden. Die dritte Anwendung dieses Verfahrens besteht darin, es mit der Nachmikrobearbeitungsuntersuchung einer gewissen Art zu kombinieren, um die Leistung der verwendeten Parameter festzustellen. In diesem Beispiel wird das Ausbilden von Kontaktlöchern als Bohren bezeichnet und einer der Parameter, die die Gesamtzeit, die zum Ausbilden des Kontaktlochs erforderlich ist, ausdrückt, wird als tdrill bezeichnet, die in Sekunden gemessen wird und durch die Formel: tdrill = (Anzahl von Impulsen)/(Impulswiederholungsfrequenz)berechnet wird.
Das Ziel besteht darin, Qualitätsstrukturen, in diesem Fall Kontaktlöcher, im kürzesten Zeitraum zu erreichen, um den größten Durchsatz für das System zu liefern. Man beachte, dass die Leistung pro Impuls und folglich die Menge an Material, das für jeden Impuls entfernt wird, mit der Impulswiederholungsfrequenz (PRF) umgekehrt in Beziehung steht, eine maximale PRF kann ausgewählt werden, die zu einer wirksamen Materialentfernung führt. Der Benutzer wählt dann die Anzahl von Impulsen aus, die die Materialentfernung vollenden, indem er sich auf die Erfahrung mit den zu entfernenden speziellen Materialien und dem zu verwendenden Laser verlässt. Beim Untersuchen der Ergebnisse eines vollendeten Werkstücks kann die Anzahl von Impulsen oder die PRF für jene speziellen Strukturen oder Gruppen von Strukturen geändert werden, die den Beweis von zu wenig oder zu viel Materialentfernung zeigen.
Die Datei identifizierter Parameter kann auch in Echtzeit verwendet werden, um Änderungen in der Qualität der mikrobearbeiteten Strukturen zu bewirken. In diesem Fall werden die identifizierten Parameter unmittelbar bei der Vollendung der Struktur untersucht. Das Ziel besteht darin, Parameter zu erfassen, die das System im Verlauf der Mikrobearbeitung der Struktur geändert hat und die eine Änderung der Qualität der Struktur verursachen könnten. Wenn das System beispielsweise die Laserleistung aufgrund von Änderungen, die vom Impulsenergiedetektor während der Mikrobearbeitung erfasst wurden, geändert hat, kann das System in Abhängigkeit von der Änderung der Leistung entweder die Struktur als möglicherweise übermäßig bearbeitet markieren oder das System mehr Impulse zur Vollendung der Bearbeitung verwenden lassen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung richtet sich auf das Halbleiterwaferzertrennen. In dieser Anwendung werden mehrere Schaltungselemente oder -bauelemente auf einem einzelnen Substrat konstruiert. Ein Beispiel dessen ist ein Halbleiterwafer, in dem mehrere, identische Halbleiterbauelemente unter Verwendung von photolithographischen Prozessen auf einem einzelnen Siliziumwafer erzeugt werden. Vor dem Verkappen dieser Bauelemente zur Verwendung muss der Wafer zertrennt werden, ein Vorgang, bei dem der Wafer so geschnitten wird, dass die individuellen Bauelemente voneinander getrennt werden. Dieser Vorgang wird zunehmend durch Laser in einem Mikrobearbeitungsvorgang durchgeführt, in dem das Liefern der geeigneten Anzahl von Laserimpulsen mit geeigneter Leistung zum Werkstück für jede Einheitszeit an den korrekten Stellen eine Trennung des Wafers mit hoher Qualität erzielt. In diesem Fall kann die mikrozubearbeitende Struktur ein Schnitt oder eine Ritze sein, die sich auf der ganzen Breite oder Länge des Wafers erstreckt, aber die Anforderungen für die Aufrechterhaltung der genauen Laserleistung und das Liefern der korrekten Anzahl von Laserimpulsen für jede Einheitszeit sind ähnlich zur vorstehend beschriebenen Anwendung. Diese Anwendung würde daher von derselben Art von Überwachung der Laserparameter in derselben Weise wie jener für die hierin beschriebene Anwendung profitieren.
Ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung richtet sich auf die Entfernung von schmelzbaren Verbindungen. In dieser Anwendung werden leitende Verbindungen auf einem Halbleiterwafer, der integrierte Schaltungen enthält, konstruiert. Die Verbindung oder die Verbindungen verbinden aktive Schaltungselemente. Nachdem eine Mehrheit von Bearbeitungsschritten durchgeführt wurden, aber bevor der Halbleiterwafer zertrennt und verkappt wird, wird das Verbindungsentfernungssystem auf das Entfernen von einer oder mehreren Verbindungen an speziellen Stellen gerichtet. Der Zweck der Entfernung von Verbindungen besteht darin, defekte Elemente von den aktiven Schaltungen zu entfernen und/oder Elemente zur Schaltung hinzuzufügen. Schmelzbare Verbindungsstrukturen können auch verwendet werden, um die Halbleiterschaltungen abzustimmen, zu serialisieren oder anderweitig zu identifizieren. Die Entfernung von schmelzbarem Verbindungsmaterial erfordert, dass ausreichend Laserleistung über den korrekten Zeitraum zum Verbindungsbereich geliefert wird, um zu bewirken, dass das ganze Verbindungsmaterial sauber entfernt wird, da irgendwelche verbleibenden Trümmer einen Weg vorsehen könnten, dass der Strom fließt, und den Zweck dessen, dass die Verbindung entfernt wird, zunichte machen könnten. Das Richten von zu viel Leistung auf den Verbindungsbereich könnte andererseits umgebende oder darunter liegende Schaltungsstrukturen beschädigen. Folglich ist es wichtig, dass das Verbindungsentfernungssystem die Laserstrahlimpulsparameter genau überwacht, um eine konsistente Verbindungsentfernung mit hoher Qualität sicherzustellen.
Für Fachleute ist es offensichtlich, dass viele Änderungen an den Details 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.
Zusammenfassung
Ein Verfahren und System erhöhen die Qualität von Ergebnissen, die durch Lasermikrobearbeitungssysteme erzielt werden. Daten (158, 178) in Bezug auf Parameter, die den Lasermikrobearbeitungsprozess (152) steuern, werden während des Mikrobearbeitungsprozesses aufgezeichnet, durch die Struktur, die den Parameter zugeordnet ist, die zum Mikrobearbeiten verwendet werden, identifiziert und im System gespeichert. Die gespeicherten Daten können entweder während des Mikrobearbeitungsprozesses abgerufen werden, um eine Echtzeitsteuerung zu ermöglichen, oder nach der Bearbeitung des Werkstücks (174) abgerufen werden, um eine statistische Prozesssteuerung durchzuführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5593606 [0003]
- US 5841099 [0003]
- US 5574250 [0014]

Claims

Verfahren zur Bereitstellung von Informationen hinsichtlich Strukturen, die in ein Werkstück unter Verwendung von Laserstrahlimpulsen, die durch eine programmierbare Steuereinheit gesteuert werden, mikrobearbeitet werden, wobei die Strukturen durch eine oder mehrere Spezifikationen gekennzeichnet sind, das Werkstück durch eine oder mehrere Schichten gekennzeichnet ist, jede Schicht durch eine Materialart und Dicke gekennzeichnet ist, die Laserstrahlimpulse durch einen oder mehrere Parameter gekennzeichnet sind und die Steuereinheit mit einem Prozessor wirksam verbunden ist, um Daten, einschließlich eines oder mehrerer der Laserstrahlimpulsparameter, Strukturspezifikationen oder Werkstückeigenschaften, zu verarbeiten, umfassend: Aufzeichnen von einem oder mehreren der Laserstrahlimpulsparameter, die zum Mikrobearbeiten der Struktur verwendet werden, für eine oder mehrere mikrobearbeitete Strukturen; Identifizieren der aufgezeichneten Parameter, um die aufgezeichneten Parameter den Strukturspezifikationen der mit diesen Parameter mikrobearbeiteten speziellen Struktur zuzuordnen; Speichern der identifizierten Parameter; Abrufen der gespeicherten identifizierten Parameter; und Verarbeiten der abgerufenen Parameter in Zusammenarbeit mit der Steuereinheit zur Verwendung beim Erreichen einer konsistenten Qualität der mikrobearbeiteten Strukturen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserstrahlimpulsparameter eine oder mehrere der Art, der Größe, der Impulswiederholungsrate, der Anzahl von Impulsen, der Impulsform, der Impulsbreite, der Impulsenergie, der Spitzenimpulsleistung, der Impulsenergietoleranz, der Einschwingzeit, der Fleckgröße, der Strahlform oder der Wellenlänge umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strukturspezifikationen eine oder mehrere der Art, des Orts, der Tiefe, der Form, der Größe, des Durchmessers oder der nach der Mikrobearbeitung zulässigen verbleibenden Trümmer umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Werkstückeigenschaften eine oder mehrere der Anzahl und Reihenfolge von Schichten und des Materials oder der Materialien, die jede Schicht bilden, umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die verarbeiteten identifizierten Parameter für die statistische Qualitätskontrolle verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die verarbeiteten identifizierten Parameter verwendet werden, um eine mikrobearbeitete Struktur anzugeben, die Messungen aufweisen kann, die nicht vorgewählten Werten entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die verarbeiteten identifizierten Parameter, die einer speziellen mikrobearbeiteten Struktur zugeordnet sind, verwendet werden, um zu ermöglichen, dass die Steuereinheit zusätzliche Laserstrahlimpulse auf die spezielle mikrobearbeitete Struktur richtet, um eine zusätzliche Mikrobearbeitung durchzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die verarbeiteten Strukturspezifikationen, die verarbeiteten Werkstückeigenschaften und die verarbeiteten Laserstrahlimpulsparameter verwendet werden, um die zur Mikrobearbeitung einer Struktur verwendeten Laserstrahlimpulsparameter zu modifizieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die verarbeiteten identifizierten Parameter von der Steuereinheit verwendet werden, um die zur Mikrobearbeitung von anschließenden Werkstücken verwendeten Parameter zu modifizieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mikrobearbeitete Werkstück eine Leiterplatte mit einer oder mehreren Schichten aus dielektrischem oder leitendem Material mit veränderlichen Dicken ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mikrobearbeitete Struktur ein im Wesentlichen kreisförmiges Loch durch eine oder mehrere Schichten des Werkstücks ist.