DE69506000T2

DE69506000T2 - Verfahren zum beschichten von durchgangslöchern mit hilfe eines lasers

Info

Publication number: DE69506000T2
Application number: DE69506000T
Authority: DE
Inventors: Mark D. Beaverton Or 97006 Owen
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1995-07-06
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: CH688415A5; KR970704904A; KR100258286B1; EP0787219A1; WO1996012830A1; JPH09511791A; HK1001866A1; JP2948915B2; US5614114A; DE69506000D1; TW285783B; EP0787219B1; DE19581659T1

Description

Die Erfindung betrifft die Metallisierung oder Plattierung von Durchgängen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche einen Laser verwenden, um Metall von einem Substrat mittels Abschmelzens (Ablation) abzutragen und das Metall explosionsartig auf einer Innenwandfläche eines Durchgangs abzulagern, um eine leitende Verbindung herzustellen.
Der Hintergrund der Erfindung wird hier nur an dem Beispiel von Mehrchipmodulen (MCM) erläutert, die mehrschichtige Einrichtungen aus mehreren Materialien sind, welche bei einer Vielzahl von Anwendungen in der Raumfahrt, Computertechnologie, beim Militär und der Telekommunikation zu einem von der Elektronik- und Elektronikgehäuseindustrie am meisten bevorzugten Bauteil werden. MCM ersetzen oder vermindern die Komplexität von gedruckten Schaltungsplatten und verbessern somit die Effizienz und Zuverlässigkeit des Produktes.
MCM und andere mehrschichtige Elektronikeinrichtungen aus mehreren Materialien zum Verkapseln einzelner Chips, wie Kugel-Gitteranordnungen (BGA = ball grid array), Stift- Gitteranordnungen (PGA = pin grid array) etc., Schaltungsplatten und Hybrid- und Halbleiter- Mikroschaltungen, umfassen üblicherweise getrennte Bauteilschichten aus Metall und einem organischen Dielektrikum und/oder Verstärkungsmaterialien. Die übliche(n) Metallkomponentenschicht(en) kann Aluminium, Kupfer, Gold, Molybdän, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Titan oder Wolfram oder Kombinationen daraus enthalten. Diese Schichten haben üblicherweise eine Tiefe oder Dicke von etwa 9 bis 36 um (wobei 7,8 · 10&supmin;³ kg Metall einer Dicke von etwa 9 um entsprechen), sie können jedoch auch dünner oder sogar 72 um dick sein. Eine normale organische dielektrische Schicht kann Bismaleimidtriazin (BT), Pappe, Epoxide, Phenole, Polyimide oder Polytetrafluorethylen (PTFE) enthalten. Diese Schichten haben üblicherweise eine Tiefe von etwa 50 bis 400 um. Eine normale Verstärkungskomponenten-"Schicht" kann Fasermatten oder verteilte Partikel aus Aramidfasern, Glas, Keramik oder KevlarTM enthalten, welche in die organische dielektrische Schicht eingewebt oder eingestreut sind, um diese zu verstärken. Diese Verstärkungen haben üblicherweise einen Durchmesser oder eine Dicke von etwa 1 bis 10 um. Stapel mit mehreren Schichten aus Metall, dielektrischem Material und Verstärkungsmaterial können dicker als 2 mm sein.
MCM stellen jedoch neue Hindernisse bei der Herstellung dar, weil sie feinere Leitungen und kleinere Verbindungen oder Durchgänge mit einem großen Seitenverhältnis benötigen und eine Vielzahl neuer Materialien verwenden. Der Begriff "Durchgänge" wird hier allgemein dazu verwendet, vollständige Durchgangslöcher oder unvollständige Löcher, sogenannte "Sacklöcher" oder "Sackdurchgänge", zu bezeichnen. Ein großes Seitenverhältnis bedeutet eine Tiefe, welche im Vergleich zur Breite üblicherweise zwischen eins und fünf rangiert. Nach dem Herstellen der Durchgänge werden diese üblicherweise mit einem Metall plattiert, oder metallisiert, um Verbindung zwischen den Metallschaltkreisen in den mehrschichtigen elektronischen Bauteilen herzustellen. Die Möglichkeit, die Packungsdichte von MCM-L-, MCM-L/D-, PCMCIA- und Laminät-BGA-Einrichtungen zu erhöhen, um die Anforderungen der heutigen und zukünftigen Technologien zu erfüllen, ist derzeit durch die bekannten Verfahren zum Herstellen von Verbindungen zwischen Schichten begrenzt. Weitere Details bezüglich des industriellen Trends und seiner Schwierigkeiten sind zu finden in "The Interconnect Challenge: Filling Small, High Aspect Ratio Contact Holes", Semiconductor International, Band 17, Nr. 9, August 1994, Seiten 57 bis 64.
Die Industrie, welche geschichtete Schaltungsplatten herstellt, hat eine Vielzahl von mehrstufigen Verfahren zum Herstellen von Verbindungen untersucht. Das üblichste Verfahren zum Herstellen von Verbindungen umfaßt das Ausbilden eines Durchgangs, die Vorreinigung, die Oberflächenaktivierung, die Vorplattierung, Plattierung und Homogenisierung oder Glättung (Planarisierung). Die Ausbildung von Durchgängen wird üblicherweise durch mechanisches Bohren oder Stanzen realisiert, in begrenztem Maße kann sie jedoch auch mittels Exzimer- und CO&sub2;-Laserablation durchgeführt werden. Der Vorreinigungsprozeß oder das Verfahren zum Entfernen von Schmierstellen involviert üblicherweise ein chemisches Verfahren mit einer Säure- oder Permanganatlösung.
Das Oberflächenaktivierungsverfahren involviert üblicherweise das Impfen der Innenwandflächen mit Palladium, um eine vorläufige leitende Schicht oder eine metallische Haftschicht zu bilden. Das Palladium kann direkt als Ionen aus einer alkalischen Lösung oder in der Form eines organometallischen Überzugs aufgebracht werden, dessen organische Verbindungen später chemisch entfernt werden. Diese Verfahren scheinen in dem Bereich von etwa 150 bis 250 um zu funktionieren. Auch andere Techniken werden manchmal eingesetzt, z. B. das Karbonisieren der Innenwandflächen des Durchgangs, um diese für bestimmte Vorplattierungsverfahren ausreichend leitend zu machen.
Das stromlose chemische Plattieren ist das üblichste Verfahren zum Vorplattieren der Innenwandflächen der Durchgänge. Beim stromlosen chemischen Plattieren wird eine flüssige Lösung aus stromlosem Kupfer verwendet, welche chemisch mit den Innenwandflächen des Durchgangs reagiert und Metall mit einer Dicke von einigen Nanometern darauf ablagert. Diese Art von Verkupferung vermindert den Widerstand über den äußeren Schichten der mehrschichtigen elektronischen Einrichtung auf etwa 10 Ohm (für Tausende von Durchgängen). Die chemische Reaktion erzeugt ein Gasnebenprodukt (Wasserstoff und Sauerstoff) mit einem Volumen, das ungefähr sechsmal das Volumen eines Durchgangs ist. Das elektronische Bauteil wird üblicherweise in einer Lösung bewegt, um Gas und Reaktionsmittel in dem Durchgang auszutauschen. Bei Durchgangsdurchmessern von weniger als etwa 250 um wird der Austausch von Gas und Reaktant ökonomisch unzweckmäßig und im allgemeinen nicht mehr machbar, woraus sich eine schlechte Abdeckung der Innenwandfläche des Durchgangs ergibt.
Typische Verarbeitungsstraßen für die stromlose Verkupferung umfassen etwa 30 Tanks, welche jeweils über 380 Liter (100 Gallonen) chemische Lösungen enthalten, welche durch ein Förder-Handhabungssystem in Reihe miteinander verbunden sind. Das Verfahren umfaßt die Schritte Vorreinigung, Oberflächenaktivierung und stromlose Kupferablagerung. Die gesamte Verarbeitungsstraße ist üblicherweise 18,29-30,48 Meter (60 bis 100 Fuß) lang, und die Anlage kostet etwa US$ 250.000,00. Die verschiedenen chemischen Lösungen können bis zu US$ 79/Liter (US$ 300,00/Gallone) kosten.
Die elektrochemische Plattierung ist das von der Industrie bevorzugte Verfahren zum Metallisieren von Durchgängen. Bei dem elektrochemischen Plattierungsverfahren wird eine Ladung an die äußeren Schichten des Durchgangs angelegt, während das elektronische Bauteil in ein Metallisierungsbad mit einer Kupferlösung getaucht wird. Die Kupferionen werden galvanisch von den Innenwandflächen des Durchgangs angezogen und haften an diesen. Dieser Prozeß ist beschränkt durch seine Geschwindigkeit und den Zugang, welche die Elektrolytlösung zu den Innenwandflächen hat. Die Durchgänge werden somit nicht vollständig gefüllt. Eine Vielzahl anderer Verfahren zum Erzeugen elektrischer Verbindungen, welche von der Industrie für die Herstellung von Hybridschaltungen und Halbleitern übernommen wurden und von denen einige unten beschrieben sind, wurden ebenfalls für die Vorplattierung, gefolgt von einer elektrochemischen Plattierung, verwendet.
Plattierungen wurden auch unter Verwendung einer Vielzahl von organometallischen Zusammensetzungen in fester oder flüssiger Phase hergestellt. Die Zusammensetzungen, wie leitende Pasten, werden entweder in die Durchgänge gedrückt, oder die Durchgänge werden in Bäder aus diesen Zusammensetzungen eingetaucht. Die organischen Verbindungen werden dann chemisch oder thermisch entfernt oder durch mehr oder andere Metalle ersetzt. Bei diesem Verfahren werden im allgemeinen poröse Verbindungen erzeugt.
PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapor Deposition), ein Verfahren, welches hauptsächlich zum Erzeugen von dünnen Schichten auf horizontalen Oberflächen eingesetzt wird, wurden ebenfalls für das Plattieren von Durchgängen eingesetzt. Bei dem P. VD-Verfahren wird das Plattierungsmaterial in die Dampfphase gebracht, der Dampf wird über einen Bereich mit vermindertem Druck transportiert, und das Material kondensiert auf der horizontalen Oberfläche, um einen dünnen Film zu bilden. Die beiden üblichen Arten der PVD-Verfahren, Verdampfungs-PVD und Sputtern, setzen Wärme hinzu bzw. lösen physisch Oberflächenatome durch Impulsübertragung, um das Material in die Dampfphase zu bringen. Die Verfahren erfordern eine Schutzmaske, um die Oberfläche des Bauteils vor dem Plattieren der Durchgänge zu schützen, oder einen Ätzschritt, um nach dem Plattieren unerwünschtes Metall zu entfernen. Diese Verfahren verursachen ferner die Bildung von "Schlüsselloch- Hohlräumen". Diese Hohräume treten auf, weil Durchgänge üblicherweise Seitenverhältnisse von mehr als eins haben, so daß sich am oberen Rand des Durchgangs Metall ansammelt und diesen verschließt, bevor das gesamte Volumen des Durchgangs gefüllt ist. In einigen Fällen, insbesondere immer dann, wenn das Seitenverhältnis groß ist, werden die Durchgänge unausweichlich verschlossen, bevor eine ausreichende Beschichtung der gesamten Innenwandflächen erfolgt ist.
Bei dem CVD-Verfahren (CVD = Chemical Vapor Deposition) reagieren andererseits chemische Dämpfe in gewünschten Konzentrationen mit der erwärmten Oberfläche des Bauteils, um einen dünnen Film zu bilden. Wie die anderen Vapor-Deposition-Verfahren erfordert das CVD-Verfahren einen Schutz der Oberfläche, wenn es als eine Technik zum Plattieren von Durchgängen eingesetzt wird.
Die Homogenisierung oder Glättung nach der Plattierung wird üblicherweise eingesetzt, um Metalle in die porös gefüllten Durchgänge zu diffundieren oder die Hohlräume zu vermindern oder die an den Rändern der Durchgänge ausgebildeten Lippen aufzulösen. Diese Prozesse sind üblicherweise thermische Prozesse.
Einige Forscher, insbesondere in der Halbleiterindustrie, haben die Verwendung von Lasertechnologie untersucht, um einige der Schritte zum Herstellen einer leitenden Verbindung zu unterstützen. Laser wurden z. B. dazu verwendet, die Oberfläche bei der Vorbereitung für einen Metallisierungsschritt zu verändern, ein Verfahren, das ähnlich ist wie das in der Kopiergerätetechnologie verwendete. Die Oberfläche wird z. B. mit einem CO&sub2;-Laser verkohlt und dann einer üblichen Dünnfilmtechnik unterzogen, welche vorzugsweise auf die laseraktivierten Stellen reagiert. Laser wurden ferner dazu eingesetzt, um die CVD-Verfahren zu verbessern, wobei der Laser dazu dient, den Durchgang zu erwärmen und den Bereich für die chemische Diffusion der Metalle in dem Dampf (Pyrolithische Zersetzung) vorzubereiten. Dieses Verfahren ist in der US-A-5,060,595 von Ziv et al. beschrieben, dieses Verfahren funktioniert jedoch nur mit bestimmten Si- und Si-Oxid-Kombinationen, welche eine hohe Absorption bei 532 nm (frequenzverdoppeltes YAG, Yttrium-Aluminium-Granat) haben.
Eine Vielzahl von Metallablagerungsverfahren mittels Laser wurde ferner für die direkte Abbildung von Schaltkreisen untersucht, wie von Liu in "Laser Metal Deposition for High- Density Interconnect", Optics & Photonics News, Juni 1992, Seiten 10 bis 14, beschrieben wurde. Solche laseraktivierten chemischen Ablagerungsverfahren werden im allgemeinen als entweder photolytisch oder pyrolytisch gekennzeichnet. Diesen Prozessen folgen üblicherweise chemische Galvanisierungsverfahren.
Photolytische Laserverfahren verwenden Laserlicht, um direkt chemische Änderungen in organometallischen Lösungen zu bewirken, so daß sich die Metalle von den organischen Verbindungen trennen und an den Innenwandflächen der Durchgänge haften. Diese photolytischen Prozesse haben jedoch im allgemeinen Plattierungsgeschwindigkeiten, welche für den kommerziellen Einsatz zu langsam sind.
Pyrolytische Laserverfahren setzen Wärme aus einer Laserquelle ein, um organometallische Moleküle aufzubrechen, welche als Dünnfilme auf elektronische Bauteile aufgebracht werden. Die Wärme setzt die organischen Moleküle frei und läßt die Metalle zurück. Auf diese Weise wurde eine Vielzahl von Metallen aufgebracht.
Ein anderes Verfahren verwendet einen XeCl-Exzimerlaser bei 308 nm, um eine oberste Aluminiumschicht zu glätten, wodurch geschmolzenes Aluminium in die Durchgänge fließt und Verbindungen erzeugt, wie von Bachmann in "Physical Concepts of Materials for Novel Optoelectronic Device Applications", SPIE, Band 1361, 1990, Seiten 500 bis 511, beschrieben wurde.
Exzimerlaser wurden auch dazu verwendet, PVD-Sputterverfahren bei sehr niedriger Leistung und geringen Wiederholfrequenzen zu verbessern, um Dünnfilme auf verschiedenen Materialien herzustellen. Weitere Einzelheiten bezüglich dieser Technik findet man in "Pulsed Laser Deposition of Thin Metallic Alloys", Appl. Phys. Lett., Band 62, Nr. 19, 10. Mai 1993, von Krebs und Bremert. Die Fachleute werden verstehen, daß die oben beschriebenen Reinigungs-, Vorplattierungs- und Glättungstechniken alle relativ langsame Chargenprozesse sind, welche teure Bäder, Masken oder eine Nachverarbeitung benötigen. Zusätzlich dazu, daß sie teuer und großenteils ineffektiv sind, erfordern die meisten Plattierungsverfahren sowohl eine Reinigung als auch einen Vorplattierungsprozeß.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Bad 11, Nr. 5, S. 540 (1988), Pots und Speicher, offenbaren die Verwendung eines Lasers zum Erzeugen eines Durchgangslochs in einem Substrat und zum Verdampfen von Material eines Edelmetalls, das in der Nachbarschaft des Substrats liegt. Das verdampfte Edelmetall kondensiert zum Metallisieren des Durchgangslochs.
In der US-A-3,562,009 verwenden Cranston et al. zehn Impulse von 1,4 ms Dauer und einem Joule aus einem Rubinlaser zum Erzeugen eines Loches mit einem Durchmesser von 25,4 um in einem 635 um dicken Aluminiumoxid-Keramiksubstrat zum Verdampfen und Schmelzen von Material, das von 254 bis 889 um dicken Kupfer-Aluminium- oder Edelstahlfolien stammt, welche unter dem Substrat liegen, in das Buchungsloch hinein. Cranston et al. berichten auch über die Verwendung eines Elektronenstrahls zum Bohren und Plattieren der Durchgangslöcher.
In der DE-A-36 19 342 verwenden Rohr und Thömmes einen ersten Impuls von 100 us Dauer und einem Joule aus einem 1,06 um Neodymlaser, um ein Loch mit einem Durchmesser von 200 um in eine 7 mm dicke Al&sub2;O&sub3;-Keramik zu bohren. Ein zweiter äquivalenter Impuls wird dazu verwendet, auf die Innenfläche des Bohrungsloches Material von benachbarten Schichten aus einer 50 um dicken Aluminiumfolie und eines Kupferbleches, die nacheinander unmittelbar unterhalb des Bohrungslochs liegen, durch Vakuumablagerung aufzubringen.
Diese Verfahren umfassen relativ langsame thermische Aufschmelzprozesse, welche Polymermaterialien thermisch beschädigen würden. Die Industrie benötigt daher schnellere und effizientere Verfahren zum Metallisieren und/oder Vormetallisieren von Durchgängen, welche die Einrichtarbeit sowie Schritte für das Metallisieren von Durchgängen mit einer großen Vielfalt von Größen und Innenwandmaterialien minimieren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lasersystem und Verfahren zum Vormetallisieren und/oder Metallisieren von Innenwandflächen von mehrschichtigen elektronischen Bauteilen vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung setzt einen hauptsächlich thermischen und physikalischen Prozeß, anstelle der herkömmlichen chemischen, elektrolytischen, photolytischen oder pyrolytischen Prozesse ein, um die Innenwandflächen von mehrschichtigen elektronischen Bauteilen zu metallisieren oder plattieren. Der Prozeß erfordert ferner keine stark gesteuerte oder komplexe Umgebung, wie Vakuum, chemische Lösungen oder organometallische Dämpfe. Im Gegenteil, die Erfindung verwendet Laserausgangsimpulse zum Erwärmen und explosionsartigen Verdampfen von Metall in der Nähe der Innenwandfläche eines mehrschichtigen elektronischen Bauteils, insbesondere der eines Durchgangs.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verdoppelt die Frequenz des Ausgangssignals eines ND : YAG-Dauerpumplasers mit Güteschaltung (Q-Switch), um mit hoher Wiederholfrequenz Ausgangsimpulse aus ultraviolettem Licht zu erzeugen. Die Laserimpulse bestrahlen ein metallisches Plattierungsmaterial, wie Kupfer, von einem Zielsubstrat, welches unter einem nicht metallisierten Durchgang liegt. Die ultravioletten Kurzzeit-Laserimpulse werden von dem Metall stark absorbiert und verursachen eine schnelle Explosionsverdampfung, welche bewirkt, daß metallische Dampfpartikel in der Größenordnung von einem Mikrometer und darunter (submikrometer) gegen die Innenwandfläche des Durchgangs spritzen. Die Partikel treffen auf das weichere dielektrische Material längs der Innenwandflächen der Durchgänge auf und werden durch die Wärme und die Geschwindigkeit physisch längs der Wandflächen eingebettet und haften ferner an den Enden der Metallschichten. Dieses Verfahren erzeugt gleichmäßig beschichtete Durchgangsinnenwandflächen mit einer beträchtlichen Haftfestigkeit an dem dielektrischen Material. Die Kennlinie der Laserimpulse kann eingestellt werden, um die Dicke der Metallbeschichtung zu bestimmen. Das Verfahren ermöglicht somit, Durchgänge mit großem Seitenverhältnis unter Verwendung praktisch jeden Metalls auf praktisch jedem Dielektrikum vorzumetallisieren und/oder zu metallisieren.
Auf ähnliche Weise können Sacklöcher plattiert werden, indem ein Teil der Metallschicht auf dem Boden des Sachlochs geopfert wird, um das Material für die Beschichtung der Innenwandflächen des Sackloches vorzusehen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnung. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine isometrische Darstellung der Komponenten eines vereinfachten Lasersystems, welches zum Erzeugen von Laserimpulsen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird,
Fig. 2 eine vergrößerte geschnittene Seitenansicht eines mehrschichtigen Targets mit einem Durchgangsloch und einem Sackloch,
Fig. 3A und 3B Schneidprofile zum Herstellen eines Durchgangslochs bzw. eines Sacklochs und
Fig. 4 eine vergrößerte geschnittene Seitenansicht zur Darstellung des Plattierungsverfahrens der vorliegenden Erfindung bei einem Durchgangsloch mit einem kleinen Durchmesser und einem Sackloch mit einem größeren Durchmesser in einem mehrschichtigen Target.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform eines Lasersystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Resonator 12, der von einem Laserstab 14 gebildet wird, welcher längs einer optischen Achse 20 zwischen einem hinteren Spiegel 16 und einem Ausgangsspiegel 18 positioniert ist. Der Spiegel 16 reflektiert vorzugsweise zu 100 Prozent, und der Spiegel 18 ist für Licht, welches sich längs der optischen Achse 20 ausbreitet, teilweise durchlässig. Der Laserstab 14 weist vorzugsweise ein laseraktives Festkörpermaterial auf, wie Nd : YAG, Nd : YLF, Nd : YAP oder Nd : YVO&sub4;, oder einen mit Holmium oder Erbium dotierten YAG-Kristall. Die Laserstange 14 kann mittels vieler Pumpquellen (nicht gezeigt) gepumpt werden, wie den Fachleuten bekannt ist, eine Kryptonbogenlampe ist oder ein geeigneter Diodenlaser wäre jedoch das bevorzugte Lasersystem 10 für die vorliegende Erfindung.
Güteschalter (Q-Switch) und ihre Verwendung, Positionierung sowie ihr Betrieb sind den Fachleuten ebenfalls bekannt. Bei dem Lasersystem 10 ist ein Q-Switch 24 vorzugsweise in dem Resonator 12 längs der optischen Achse 20 zwischen der Laserstange 14 und dem Spiegel 16 positioniert.
Das Ausgangssignal der Laserstange 14 wird über zwei Stufen, in denen Harmonische erzeugt oder die Frequenz verdoppelt wird, auf eine bevorzugte ultraviolette Wellenlänge konvertiert. Die Erzeugung der zweiten Harmonischen kann von einem ersten Frequenzwandler 32 erreicht werden, z. B. von einem nicht linearen Kristall, der längs der optischen Achse 20 eingefügt wird und dessen Winkel für eine optimale Phasenanpassung an das Ausgangssignal der Laserstange 14 abgestimmt wird. Fachleute werden wissen, daß es zahlreiche andere Techniken gibt, welche üblicherweise für die Phasenanpassung verwendet werden. Die Energiemenge, welche in die zweite Harmonische umgewandelt wird, ist eine Funktion mehrerer Lasereigenschaften, einschließlich der Spitzenleistung, der Modenstruktur und der Strahldivergenz der Grundwellenlänge. Wesentliche Faktoren zum Auswählen eines speziellen nicht linearen Kristalls umfassen die nicht linearen Koeffizienten, den Öffnungswinkel und die Schadensgrenze.
Bei einem bevorzugten Lasersystem 10, d. h. einem Nd : YAG-Dauerpumplaser mit Güteschalter (Q-Switch) wird die Frequenzverdopplung mit einem Bariumboratkristall 32 erreicht, der längs der optischen Achse 20 in dem Resonator 12 liegt, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Fachleute werden verstehen, daß zahlreiche andere Frequenzwandlerkristalle verwendet werden können, z. B. aus Lithiumborat.
Der Verdopplungsprozeß wird von einem Brewster-Plattenpolarisator 26 unterstützt, der vorzugsweise zwischen dem hinteren Spiegel 16 und der Laserstange 14 liegt. Zusätzlich wird der Ausgangsspiegel 18 so gewählt, daß er für die von der Laserstange 14 erzeugte Grundwellenlänge (1064 nm für Nd : YAG) stark reflektiv ist, um die Spitzenleistung innerhalb des Hohlraums zu erhöhen, wodurch der Wirkungsgrad für die Umwandlung in die Harmonische (auf 532 nm) so groß wie 80 Prozent wird.
Ein zweiter Frequenzwandler 34 (vorzugsweise ebenfalls Bariumborat) wird längs der optischen Achse 20 außerhalb des Resonators 12 positioniert, um als Ausgangssignal die vierte Harmonische 38 (266 nm) der Grundwellenlänge zu erzeugen, d. h. die zweite Harmonische des Ausgangssignals 36 des Resonators, wobei bei der Umwandlung ein Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent erreicht wird. Das Ausgangssignal 36 des Resonators kann mit einem oder mehreren Strahlenteilern (nicht gezeigt) in die beiden Wellenlängen (532 nm und 266 nm) aufgetrennt werden. Das der vierten Harmonischen entsprechende Ausgangssignal 38 von 266 nm kann ferner verändert werden, indem die Eingangspolarisation des Resonatorausgangssignal 36 von 532 nm mit einem Polarisationszustandsänderer 42 gedreht wird, der auf der optischen Achse 20 liegt. Der Polarisationszustandsänderer 42 kann eine Lambda-Viertelplatte oder ein variabler Polarisationszustandsänderer sein, dessen Betrieb von einer nicht gezeigten zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) gesteuert wird, wie in der US-A-5,361,268 beschrieben ist.
Das der vierten Harmonischen entsprechende Ausgangssignal 38 kann mit einer Vielzahl bekannter Optiken manipuliert werden, einschließlich Strahlaufweitungs-Linsenbauteile 44 und 46, welche längs des Strahlenweges 50 vor einer Reihe von strahllenkenden Reflektoren 52, 54, 56 und 58 positioniert sind. Das der vierten Harmonischen entsprechende Ausgangssignal 38 geht schließlich durch eine Fokussierungslinse 60, bevor es als Bearbeitungs- Ausgangsstrahl auf das Zielobjekt (Target) 40 gerichtet wird. Weitere bevorzugte Wellen längen des Bearbeitungs-Ausgangsstrahls 62 sind 213 nm (Frequenz verfünffacht) und 355 nm (Frequenz verdreifacht). Die Fachleute werden erkennen, daß vorzugsweise der Frequenzwandler 34 in dem Resonator 12 positioniert wird, wenn eine Verdreifachung der Frequenz erwünscht ist.
Fig. 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines vergrößerten Abschnitts eines typischen mehrschichtigen elektronischen Bauteils 80, das z. B. ein MCM, ein Kondensator, ein Widerstand oder eine Hybrid- oder Halbleiter-Mikroschaltung sein kann. Der Einfachheit halber ist das Bauteil 80 mit nur vier Schichten dargestellt: 64, 66, 68 und 70.
Die Schichten 64 und 68 können z. B. übliche Metalle enthalten, wie Aluminium, Kupfer, Gold, Molybdän, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Titan, Wolfram, Metellnitride oder Kombinationen daraus. Herkömmliche Metallschichten haben unterschiedliche Dicken, üblicherweise zwischen 9 und 36 um, sie können jedoch dünner oder sogar 72 um dick sein. Die Schicht 66 kann z. B. ein übliches organisches dielektrisches Material enthalten, wie BT, Benzocyclobutan (BCB), Pappe, Cyanatester, Epoxide, Phenole, Polyimide, PTFE, verschiedene Polymerlegierungen oder Kombinationen daraus. Herkömmliche organische dielektrische Schichten 66 variieren stark in ihrer Dicke, sie sind jedoch normalerweise viel dicker als die Metallschichten 64 und 68. Ein Beispiel für einen Dickenbereich für organische dielektrische Schichten 66 ist etwa 50 bis 200 um, sie können jedoch in Stapeln von sogar 2 mm Dicke angeordnet werden. Eine übliche Verstärkungskomponente oder "Schicht 70" kann eine Fasermatte sein oder aus verteilten Partikeln, z. B. aus Aramidfasern, Keramiken, Glas oder KevlarTM, bestehen, welche in eine organische dielektrische Schicht 66 eingewoben oder dispergiert sind. Herkömmliche Verstärkungsschichten 70 sind üblicherweise wesentlich dünner als die organischen dielektrischen Schichten 66, und sie können in der Größenordnung von 1 bis 2 um, vielleicht bis zu 10 um dick sein. Die Fachleute werden verstehen, daß das Verstärkungsmaterial als Pulver in die organischen Dielektrika eingebracht werden kann. Die "Schichten 70", welche durch ein derartiges pulvriges Vetstärkungsmaterial hergestellt werden, können unterbrochen und ungleichmäßig sein. Die Fachleute werden ebenfalls verstehen, daß die Schichten 64, 66 und 68 auch innerlich, unterbrochen, ungleichmäßig und uneben sein können.
Fig. 2 zeigt ferner einen Durchgangsloch-Durchgang 72 und einen Sackdurchgang oder ein Sackloch 74, welche in der mehrschichtigen elektronischen Einrichtung 80 ausgebildet sind.
Die Durchgänge oder Löcher 72, 74 werden auf herkömmliche Weise mittels mechanischer Bohrer hergestellt, sie können jedoch auch mit unterschiedlicher Qualität und Effektivität mittels bestimmter Lasertechniken hergestellt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform geht das Durchgangsloch 72 sauber und gleichmäßig durch alle Schichten und Materialien des Targets 40 und weist eine vernachlässigbare Schräge von seinem oberen Rand 76 zu seinem unteren Rand 78 längs seiner Innenwandfläche 79 auf. Das Sackloch 74 geht nicht durch alle Schichten und/oder Materialien hindurch. In Fig. 2 endet das Sackloch 74 bei der Schicht 68 und durchdringt diese nicht. Die geeignete Auswahl der Parameter des Arbeits-Ausgangsstrahls 62 des Lasersystems 10 erlaubt somit, daß die Schicht 68 unangetastet bleibt, selbst wenn sie dieselbe(n) Metallkomponente(n) wie die Schicht 64 aufweist.
Die Parameter des Arbeitsausgangsstrahls 62 können so gewählt werden, daß eine im wesentlichen saubere, sequentielle oder simultane Bohrung, d. h. Lochherstellung, bei einer großen Vielzahl von Targets aus verschiedenen Materialien unterstützt wird. Diese Targets können z. B. organische Dielektrika, Verstärkungsmaterialien und/oder Metalle umfassen, welche unterschiedliche optische Absorptions- und andere Eigenschaften in Reaktion auf ultraviolettes Licht haben, d. h. bei Wellenlängen, welche kürzer als etwa 400 nm sind. Bei der Auswahl der bevorzugten Parameter des Arbeitsausgangsstrahls 62 zum Herstellen der Löcher versucht man, wenigstens einen Teil der thermisch schädlichen Effekte zu umgehen, indem zeitliche Impulsbreiten verwendet werden, die kürzer als etwa 100 ns sind, vorzugsweise von etwa 40 bis 90 ns oder kürzer. Andere bevorzugte Parameter sind mittlere Leistungen, welche größer als etwa 100 mW, gemessen über die Fläche des Lichtflecks, sind; Durchmesser des Lichtfleckes oder räumliche Hauptachsen von weniger als etwa 50 um, vorzugsweise zwischen etwa 10 bis 50 um; Wiederholungsfrequenzen von mehr als etwa 200 Hz, vorzugsweise mehr als etwa 1 kHz oder sogar 5 kHz; und eine ultraviolette Wellenlänge, welche vorzugsweise zwischen etwa 193 und 355 nm liegt. Die Fachleute werden verstehen, daß die Grundfläche des Lichtflecks des Ausgangsstrahls 62 im allgemeinen rund ist, daß sie jedoch auch leicht elliptisch sein kann.
Die Durchmesser der Löcher liegen vorzugsweise im Bereich von 25 bis 300 um, das Lasersystem 10 kann jedoch Löcher 72 und 74 herstellen, welche sogar etwa 5 bis 25 um klein oder wesentlich größer als 1 mm sind. Da die bevorzugte Lichtfleckgröße des Ausgangsstrahls 62 einen Durchmesser von etwa 25 um hat können Löcher, die größer als 25 um sind, durch Ausschneiden von Scheiben, Verarbeiten konzentrischer Kreise oder spiralförmige Bearbeitung hergestellt werden. Die Fig. 3A und 3B zeigen Schneidprofile zum Herstellen eines Durchgangsloches 86 bzw. eines Sackloches 88, welche größer sind als die Lichtfleckgröße des Ausgangsstrahls 62.
Das in Fig. 3A gezeigte Durchgangsloch 86 grenzt auf der Oberfläche der elektronischen Einrichtung 80 einen kreisförmigen räumlichen Bereich 90 mit einem Umfang 92 ein. Der Ausgangsstrahl 62 hat eine Lichtfleckfläche 94, die kleiner ist als die Fläche des Bereiches 90. Das Durchgangsloch 86 wird hergestellt, indem der Strahl 62 mit der Lichtfleckfläche 94 sequentiell auf sich überdeckende, aneinandergrenzende Positionen längs des Umfangs 92 gerichtet wird. Der Strahl 62 wird vorzugsweise gepulst, während er sich kontinuierlich um den Umfang 92 bewegt, so daß die Impulsüberdeckung (Bitgröße) und die Anzahl der Umdrehungen oder Durchläufe derart kombiniert werden, daß bei jeder Position die Impulsanzahl des Strahles ausgegeben wird, welche notwendig ist, um die gewünschte Tiefe des Schnitts zu erreichen. Nachdem der Strahl 62 ausreichend viele Durchläufe längs des Weges um den Umfang 92 gemacht hat, fällt das mittlere Targetmaterial 96 heraus, um das Durchgangsloch 86 zu bilden. Dieses Verfahren wird "Scheibenausschneiden" (Trepanning) genannt.
Wie in Fig. 3B gezeigt, grenzt das Sackloch 88 ebenfalls einen kreisförmigen Bereich 90 mit einem Umfang 92 auf der Oberfläche des Targets 40 ein. Der Ausgangsstrahl 62 mit der Lichtfleckfläche 92 wird zunächst bei dem Zentrum 102 des Bereiches 90 positioniert. Das Sackloch 88 wird hergestellt, indem der Strahl 62 mit der Lichtfleckfläche 94 auf sich überlappende, aneinandergrenzende Positionen längs eines Spiralweges 104 auf den Umfang 92 gerichtet wird. Der Strahl 62 wird kontinuierlich bewegt oder bei jeder Position ausreichend lang gehalten, damit das System 10 die Anzahl Strahlimpulse ausgeben kann, welche notwendig ist, um die Schnittiefe bei dieser Position zu erreichen. Während sich der Strahl 62 längs des spiralförmigen Weges 104 bewegt, wird das Targetmaterial "weggeknabbert", um ein Loch herzustellen, dessen Größe jedesmal dann zunimmt, wenn der Strahl 62 zu einer neuen Schneidposition bewegt wird. Die endgültige Form des Loches wird erreicht, wenn sich der Strahl 62 längs eines kreisförmigen Weges bei dem Umfang 92 bewegt. Die Fachleute werden verstehen, daß entweder die Einrichtung 80 oder der Arbeitsausgangsstrahl 62 feststehen oder relativ zu der Position des anderen bewegt werden können.
Im folgenden sind verschiedene Bespiele für Durchgangslöcher und Sacklöcher mit unterschiedlichen Tiefen und Durchmessern angegeben, welche in einer Reihe unterschiedlicher Substrate hergestellt wurden. Diese Durchgänge oder Löcher wurden alle mit einem UV-Laser, Modell 4575 (im allgemeinen bei 266 nm) in einem Lasersystem, Modell 4420, hergestellt, welches von Electro Scientific Industries, Inc., Portland, Oregon, USA gebaut wird.

Beispiel 1

Wie in Tabelle 1 angegeben, wurden Durchgangslöcher (Proben 1 bis S) und Sacklöcher (Proben 6 bis 9) in Targets hergestellt, welche 190,5 um dick waren und drei Schichten aus Kupfer/FR4 (eine feuerverzögernde Epoxidglaszusammensetzung der Stufe 4)/Kupfer aufwiesen. Diese Versuche wurden mit einer 25 mm-Linse durchgeführt. Durchgangslöcher und Sacklöcher mit einem größeren Durchmesser als 51 um wurden mittels konzentrischer Kreise mit einer Schrittgröße von 10 mm hergestellt. Die mittlere Leistung wurde auf 260 mW, gemessen bei 2 kHz, eingestellt: Tabelle 1: Testergebnisse mit Kupfer/FR4/Kupfer

Beispiel 2

Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurden Sacklöcher in zwei Proben hergestellt, welche eine Dicke von 1,6 mm hatten und drei Schichten aus Kupfer/Epoxidglas-Prepreg/Kupfer aufwiesen. Diese Versuche wurden mit einer 50 mm-Linse durchgeführt. Die Probe 1 hatte bereits vorhandene Löcher durch eine der Kupferschichten, um die Effizienz bei der Entfernung des Epoxidglas-Prepregmaterials zu testen. Die Löcher mit einem Durchmesser von 203 um wurden mittels Spiralschneiden erzeugt, um das Material im Zentrum des Loches zu entfernen. Die mittlere Leistung wurde auf 270 mW, gemessen bei einer Wiederholfrequenz von 2 kHz, eingestellt. Tabelle 2: Testergebnisse mit Kupfer/Epoxidglas-Prepreg/Kupfer

Beispiel 3

Wie Tabelle 3 zu entnehmen ist, wurden Durchgangslöcher (Proben 1 bis 5) und Sacklöcher (Proben 6 bis 9) in Targets mit einer Dicke von 178 um und drei Schichten aus Kupfer/ Flüssigkristallpolymer/Kupfer hergestellt. Diese Versuche wurden mit einer 25 mm-Linse durchgeführt. Die Sacklöcher wurden in konzentrischen Kreisen mit einer Schrittgröße von 15 um geschnitten. Die mittlere Leistung betrug 300 mW, gemessen bei einer Wiederholfrequenz von 2 kHz. Tabelle 3: Testergebnisse mit Kupfer/Flüssigkristallpolymer/Kupfer

Beispiel 4

In Tabelle 4 sind die Parameter für Durchgangslöcher gezeigt, welche in zwei Proben aus zweischichtigen Targets mit einer Dicke von 533 um aus mit verkupfertem, glasverstärktem Polyimid hergestellt wurden. Tabelle 4: Testergebnisse bei verkupfertem, glasverstärktem Polyamid

Beispiel 5

In Tabelle S sind die Parameter für Durchgangslöcher gezeigt, welche in zweischichtigen Targets mit einer Dicke von 254 um aus glasfaserverstärktem Cyanatester (Proben 1 bis 3) und aus mit ungeordnetem glaspulververstärktem Cyanatester hergestellt wurden. Diese Versuche wurden unter Verwendung von Linsen mit einer Brennweite von 25 mm durchgeführt, woraus sich eine effektive Lichtfleckgröße von etwa 25 um ergab. Die mittlere Leistung betrug 250 mW, gemessen bei einer Wiederholungsfrequenz von etwa 2 kHz. Die Durchgangslöcher wurden in Scheiben ausgeschnitten. Tabelle 5: Erste Ergebnisse mit Glas(faser oder -pulver)-verstärktem Cyanatester

Beispiel 6

In Tabelle 6 sind die Parameter für Durchgangslöcher gezeigt, welche in zweischichtigen Targets mit einer Dicke von 100 um aus Epoxidglas mit 18 um Kupfer (Hi-Tg multifunktionale Norplex Oak) (Probe 1) und aus 50 um dickem, zweischichtigem aramidverstärktem Epoxid mit 9,0 um Kupfer (Proben 2 bis 3) hergestellt wurden. Diese Versuche wurden unter Verwendung von Linsen mit einer Brennweite von 25 mm durchgeführt, woraus sich eine effektive Lichtpunktgröße von 25 um ergab. Die Durchgangslöcher wurden in Scheiben ausgeschnitten. Die mittlere Ausgangsleistung betrug 270 mW, gemessen bei einer Wiederholfrequenz von 2 kHz. Tabelle 6: Testergebnisse mit kupferplattiertem Epoxidglas oder Aramidepoxid

Beispiel 7

Tabelle 7 zeigt die Parameter von Durchgangslöchern, welche in 71 um dickem FR4/18 um Kupfer (Proben 1, 3 bis 5) und 142 um dickem (zweischichtig gestapeltem) FR4/18 um Kupfer (Probe 2) hergestellt wurden. Diese Versuche wurden unter Verwendung von Linsen mit einer Brennweite von 25 mm durchgeführt, woraus sich eine effektive Lichtfleckgröße von etwa 25 um ergab. Die Durchgangslöcher wurden in Scheiben ausgeschnitten. Die mittlere Ausgangsleistung betrug 300 mW, gemessen bei einer Wiederholfrequenz von 2 kHz. Tabelle 7: Testergebnisse mit verkupfertem FR4

Beispiel 8

Tabelle 8 zeigt die Parameter von Durchgangslöchern und Sacklöchern, welche an folgenden Targets hergestellt wurden: dreischichtiges 305 um Epoxidglas/18 um Kupfer (Proben 1, 2, 8); dreischichtiges 102 um Epoxidglas/18 um Kupfer (Proben 3 bis 5); und dreischichtiges Glaspolyimid/18 um Kupfer (Proben 6, 7, 9). Diese Versuche wurden unter Verwendung von Linsen mit einer Brennweite von 25 mm durchgeführt, woraus sich eine effektive Lichtfleckgröße von 25 um ergab. Die Durchgangslöcher wurden bei gleichmäßiger Leistung in Scheiben ausgeschnitten. Die Sacklöcher wurden hergestellt, indem das organische Dielektrikum und die Metallschichten mit unterschiedlichen Leistung bearbeitet wurden. Die mittlere Ausgangsleistung betrug 225 mW, gemessen bei einer Wiederholfrequenz von 2 kHz. Tabelle 8: Testergebnisse mit verkupfertem Epoxidglas, Glaspolyimid und Polyimid

Beispiel 9

Tabelle 9 gibt die Parameter von Durchgangslöchern wieder, welche in Targets mit fünf 9 um dicken Schichten / vier 50 bis 150 um dicken Schichten auf PTFE erzeugt wurden, welche eine Gesamtdicke von etwa 445 um hatten. Die mittlere Ausgangsleistung betrug etwa 250 mW, gemessen bei einer Wiederholfrequenz von 2 kHz. Tabelle 9:

Beispiel 10

Tabelle 10 gibt die Parameter von Durchgangslöchern und Sacklöchern wieder, welche in Targets aus 25 um Kupfer / 275 um BT-Glasfaserlaminat hergestellt wurden. Die mittlere Ausgangsleistung betrug 250 mW, gemessen bei einer Wiederholfrequenz von 2 kHz. Tabelle 10:
Fig. 4 ist eine vergrößerte geschnittene Seitenansicht, in der das Plattierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, angewendet auf ein Durchgangsloch 112 mit kleinem Durchmesser und ein Sackloch 114 mit großem Durchmesser in einer elektronischen Einrichtung 120. Mit Bezug auf Fig. 4 erkennt man, daß ein Laserarbeits-Ausgangsstrahl 122 von einem Lasersystem 10 erzeugt wird, z. B. von dem mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen System. Der Strahl 122 wird auf ein Substrat 124 gerichtet, welches in der Nähe der Innenwandfläche 126 des Loches 112 in der elektronischen Einrichtung 120 angeordnet ist. Das Substrat 124 ist vorzugsweise so positioniert, daß es unter dem Loch 112 liegt, so daß das Substrat 124 die Unterseite 128 der Schicht 68 berührt und die Bodenöffnung oder das Ende 78 des Loches 112 überdeckt. Der Strahl 122 geht durch die obere Öffnung oder das Ende 125 des Loches 112 und breitet sich parallel zu der Innenwandfläche 126 aus, wobei er senkrecht auf das Substrat 124 auftritt, welches über der Bodenöffnung 78 liegt, wodurch eine Mulde, oder ein Krater, 127 gebildet wird.
Das Substrat 124 umfaßt ein Plattiermaterial, welches vorzugsweise Kupfer aufweist, es kann jedoch eine Vielzahl Metalle umfassen, wie Aluminium, Kupfer, Gold, Molybdän, Nikkel, Palladium, Platin, Silber, Zinn, Titan, Wolfram, Metalinitride oder Kombinationen daraus, oder eine Vielzahl anderer Metalle. Die Fachleute werden verstehen, daß das Substrat 124 nur das Plattiermaterial oder eine Vielzahl anderer Materialien aufweisen kann, auf welche das Plattiermaterial aufgebracht wurde.
Die relative Positionierung des Substrats 124 und der Innenwandfläche 126 im Verhältnis zueinander und zum Strahl 122 verhindert, daß sich Plattiermaterial längs des Umfangs 92 oder 129 der oberen Öffnung 125 aufbaut. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet somit die Bildung von Schlüsselloch-Hohlräumen. Ferner müssen weder Masken zum Beeinflussen des Strahles noch Schutzschichten über die Einrichtung 80 gelegt werden.
Für Löcher 112 mit einem Durchmesser 130 von weniger als etwa 50 um wird eine Lichtfleckgröße 132 gewählt, welche geringfügig kleiner als der Durchmesser 130 ist, und der Lichtstrahl 122 wird konzentrisch in dem Loch 112 positioniert. Für Löcher 114 mit einem Durchmesser 140 von mehr als etwa 50 um, beträgt die Lichtfleckgröße 142 vorzugsweise etwa 25 um, und ein Positionierungsprofil für den Lichtstrahl wird verwendet, welches ähnlich wie das mit Bezug auf Fig. 3A beschriebene ist, um die Innenwandfläche 126 des Loches 114 um dessen Umfang 144 zu plattieren.
Die Parameter des Strahls 122 werden derart gewählt, daß der Strahl 122 von dem Plattierungsmaterial auf dem Substrat 124 oder der Metallschicht 68 stark absorbiert wird und eine schnelle, explosionsartige Verdampfung des Plattierungsmaterials bewirkt, wodurch Mikrometer- und Submikrometer-Verdampfungspartikel erzeugt werden, welche ungeordnet in alle Richtungen 146 spritzen und in der Innenwandfläche 126 eingebettet werden. Dieses Verfahren ergibt gut haftende, gleichmäßig beschichtete Innenwandflächen der Löcher.
Die Nähe des Substrats 124 zu dem Loch 112 und das Wesen der Laserverdampfung schaffen eine Bondfestigkeit der Plattierung zu dem dielektrischen Material, welche höher ist als die mit den meisten herkömmlichen Plattierungstechniken erreichbare. Die Kennwerte der Laserimpulse können eingestellt werden, um die Dicke der Metallbeschichtung zu modifizieren. Das Verfahren ermöglicht daher die Plattierung von Löchern mit sehr kleinen Durchmessern unter Verwendung von praktisch jedem Metall auf praktisch jedem dielektrischen Material.
Die Fachleute werden verstehen, daß dieser Plattierungs- oder Vorplattierungsprozeß keine vorbereitenden Schritte für die Reinigung oder das Seeding benötigen, noch erfordert dieser Prozeß eine sorgfältig kontrollierte Prozeßumgebung, z. B. bei vermindertem Druck, stoichiometrischen chemischen Dämpfen oder eine Temperatursteuerung des Substrats oder der Umgebung. Es hat sich gezeigt, daß ein einziger Ablationsdurchlauf eine angemessene Plattierungsdicke von etwa 1 um ergibt, wodurch das gesamte traditionelle, mehrstufige stromlose Plattierungsverfahren sowie die üblichen Seeding- und Reinigungsprozesse überflüssig werden. Diese laserplattierten Löcher sind bei Bedarf sofort bereit für die elektrochemische Plattierung. Die Fachleute werden verstehen, daß einer oder mehrere aufeinanderfolgende Ablationsdurchläufe mit demselben oder einem anderen Substrat 124 durchgegührt werden können, um die Dicke der Plattierung zu vergrößern, welche auf die Innenwandfläche 126 aufgebracht wird. Ferner können einer oder mehrere Ablationsdurchläufe modifiziert werden, um ausreichend Plattierungsmaterial aufzubringen, um auch die Notwendigkeit für eine elektrochemische Plattierung zu eliminieren.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Löcher mit einem einzigen Lasersystem herzustellen und zu plattieren. Ferner kann dasselbe Lasersystem, wenn eine vollständige Füllung des Loches gewünscht wird, dazu verwendet werden, die restliche Menge des Materials einzuebnen oder in das Loch einzuschmelzen. Der ganze Prozeß zum Herstellen von Verbindungen kann somit mit einem einzigen System durchgeführt werden. Die Prozesse können so manipuliert werden, daß sie schnell und sequentiell sind.
Das Laserplattierungsverfahren erlaubt ein hohes Maß an Steuerung. Wenn eine größere Leitfähigkeit des Loches benötigt wird, um die Bedingungen für das Elektroplattierungsverfahren zu erleichtern, kann die Anzahl der Durchläufe, die Anzahl der Impulse oder die Spitzenleistung pro Impuls erhöht werden. Für Löcher mit einem größeren Seitenverhältnis (oder in dickeren Materialien) kann die Spitzenleistung erhöht werden, um eine stärkere Verteilung des verdampften Metalls zu erreichen. Zum Plattieren von Sacklöchern mit kleinem Seitenverhältnis werden vorzugsweise Scheiben in der Nähe des Durchmessers des Loches mit einer niedrigen Spitzenleistung ausgeschnitten. Die Laserparameter können für verschiedene Laminatmaterialien optimiert werden, um die Haftung zu erhöhen oder die Durchdringung der Metallpartikel zu vermindern. Für sehr kleine Löcher kann die Laseroptik bis zu den fundamentalen Grenzen im Bereich von 1-10 um verändert werden.
Die Fachleute werden verstehen, daß viele Lasersysteme und ein großer Bereich Strahlenparameter zum explosionsartigen Übertragen von Plattierungsmaterial von einem Substrat auf eine Innenwandfläche eingesetzt werden können; vorzugsweise werden jedoch UV-Laserimpulse mit hoher Leistung und kurzer Dauer eingesetzt.
Die Fachleute werden auch verstehen, daß eine Vielzahl unterschiedlicher Substrate 124 sequentiell auf die Innenwandfläche 126 (mit denselben oder unterschiedlichen Laserparametern) abgeschmolzen werden können. Einem oder mehreren Ablationsdurchläufen über ein Kupfersubstrat 126 kann z. B. einer oder mehrerer Ablationsdurchläufe über ein Zinnsubstrat 126 folgen. Zinn oder andere Metallbeschichtungen können verwendet werden, um eine Metallplattierung abzudeken und gegen nachfolgende MCM Herstellungsschritte, Verschlechterung durch Umwelteinflüsse oder die Bildung intermetallischer Verbindungen zu schützen. Diese Metallbeschichtungsverfahren wurden traditionell mittels elektrochemischer Plattierungs- oder CVD-Verfahren realisiert.
Das Verfahren zum Plattieren der Sacklöcher 114 verwendet kein externes Substrat 124. Der Strahl 122 kann statt dessen auf die unterste Schicht 68 gerichtet werden, von der ein Teil geopfert und abgeschmolzen wird, um das Sackloch 114 zu plattieren. Die Hersteller von elektronischen Einrichtungen könnten z. B. dickere Metall-Bodenschichten 68 vorsehen, um die Vorteile dieser Plattierungstechnik für Sacklöcher auszunutzen.
Im folgenden sind mehrere Beispiele für die Plattierung von Löchern angegeben. Der Plattierungsprozeß wurde von einem UV-Laser, Model 4575, (im allgemeinen bei 266 nm) in einem Lasersystem, Model 4420, durchgeführt, das von Electro Scientific Industries, Inc., in Portland, Oregon, USA hergestellt wurde.

Beispiel 11

Einhundert Durchgangslöcher mit einem Durchmesser von 100 um in einer elektronischen Einrichtung mit einer 18 um dicken Kupferauflage auf einem 100 um dicken Polyimid mit Glasfasern wurden plattiert, indem um den Perimeter eines im wesentlichen konzentrischen Kreises mit einem Durchmesser von 80 um auf einem Kupfersubstrat, welches unter der elektronischen Einrichtung positioniert wurde, Scheiben ausgeschnitten wurden. Das Scheibenausschneiden wurde in fünf Durchläufen mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 mm/s bei einer Wiederholfrequenz von 2 kHz und einer mittleren Leistung von 250 mW durchgeführt. Der Prozeß ergab im Mittel etwa drei Löcher pro Sekunde. Der Widerstand über der Dicke der elektronischen Einrichtung betrug 1,75 kΩ vor dem Plattierungsprozeß und 60 Ω nach dem Plattieren. Die sich ergebende Plattierung hatte eine geschätzte Dicke von etwa 1 um.

Beispiel 12

Einhundert Durchgangslöcher mit einem Durchmesser von 100 um in einer elektronischen Einrichtung mit einer 18 um dicken Kupferauflage auf einem 100 um dicken Polyimid mit Glasfasern wurden plattiert, indem um den Perimeter eines im wesentlichen konzentrischen Kreises mit einem Durchmesser von 70 um auf einem Kupfersubstrat, welches unter der elektronischen Einrichtung positioniert wurde, Scheiben ausgeschnitten wurden. Das Scheibenausschneiden wurde in 10 Durchläufen mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 mm/s bei einer Wiederholfrequenz von 2 kHz und einer mittleren Leistung von 250 mW durchgeführt. Der Prozeß ergab im Mittel etwa 1,7 Löcher pro Sekunde. Der Widerstand über der Dicke der elektronischen Einrichtung betrug 1,75 kΩ vor dem Plattierungsprozeß und 0,7 Ω nach dem Plattieren. Die sich ergebende Plattierung hatte eine geschätzte Dicke von etwa 1 um.

Beispiel 13

Einhundert Durchgangslöcher mit einem Durchmesser von 250 um in einer elektronischen Einrichtung mit einer 18 um dicken Kupferauflage auf 290 um dickem FR4 (eine feuerverzögernde Epoxidglaszusammensetzung der Stufe 4) wurden plattiert, in- dem um den Perimeter eines im wesentlichen konzentrischen Kreises mit einem Durchmesser von 200 um auf einem Kupfersubstrat, welches unter der elektronischen Einrichtung positioniert war, Scheiben ausgeschnitten wurden. Das Scheibenausschneiden wurde in 50 Durchläufen einer Geschwindigkeit von etwa 15 mm/s und einer Wiederholfrequenz von 1,5 kHz durchgeführt. Die mittlere Leistung wurde auf 290 mW, gemessen bei 2 kHz, eingestellt. Der Prozeß ergab im Mittel etwa ein halbes Loch pro Sekunde. Der Widerstand über der Dicke der elektronischen Einrichtung betrug 1,75 kΩ vor dem Plattierungsverfahren und 0,35 Ω nach der Plattierung. Die sich ergebende Plattierung hatte eine geschätzte Dicke von etwa 1 um.
Die Fachleute werden verstehen, daß zwar nach unten gerichtete Strahlen auf die am Boden positionierten Plattierungsmaterialien bevorzugt werden, daß jedoch auch achsfern auftreffende Strahlen verwendet werden können, um die Gleichmäßigkeit der Plattierung zu regulieren, welche auf die Innenwandfläche aufgebracht wird. Ebenso werden die Fachleute verstehen, daß der Arbeitsstrahl 122 von unten durch die Löcher 112 und 114 gerichtet werden kann, um ein oben angeordnetes Plattierungsmaterial abzuschmelzen, der Prozeß kann auch von der Seite oder mit unterschiedlichen Orientierungen durchgeführt werden. Ferner können nach dem ersten Ablationsdurchlauf durch eine Öffnung Durchgangslöcher mit sehr großem Seitenverhältnis effizienter bearbeitet werden, indem nachfolgend ein zweiter Ablationsdurchlauf durch die gegenüberliegende Öffnung durchgeführt wird. Laser (und alternierend Substrate) können auf beiden Seiten der Einrichtung positioniert werden, oder die Einrichtung könnte zwischen diesen alternierenden Durchläufen umgedreht werden. Die Fachleute werden ferner verstehen, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch zum Plattieren viereckiger Löcher oder von Löchern mit anderen nicht runden Formen eingesetzt werden kann.
Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist offensichtlich, daß zahlreiche Veränderungen an den Einzelheiten der oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien zu verlassen. Der Bereich der Erfindung soll daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zum Plattieren einer Innenwandfläche eines Durchgangs, der durch wenigstens eine Schicht einer Einrichtung aus mehreren Schichten geht, mit folgenden Verfahrensschritten:

Erzeugen eines Laserausgangssignals mit einem Festkörperlaser, welches wenigstens einen Impuls mit einer Lichtfleckfläche, einer Wellenlänge von weniger als 400 nm, einer zeitlichen Impulsbreite von weniger als 100 nm und einer mittleren Ausgangsleistung von mehr als 100 mW, gemessen über die Lichtfleckfläche, umfaßt;

Richten des Laserausgangssignals durch den Durchgang in Richtung auf ein Substrat, welches ein elektrisch leitendes Plattierungsmaterial in der Nähe der Innenwandfläche des Durchgangs aufweist; und

Abschmelzen des Plattierungsmaterials von dem Substrat mit einer ausreichenden Kraft, um Mikrometer-große Partikel des Plattierungsmaterials in die Innenwandfläche des Durchgangs in einer ausreichenden Menge einzubetten, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Schichten zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat Teil der Einrichtung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat von der Einrichtung getrennt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Durchgang einen größeren Durchmesser hat, der größer ist als die Lichtfleckfläche.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Durchgang einen kleineren Durchmesser als 250 um hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner das Laserausgangssignal in der Form mehreren Ausgangsimpulse sequentiell längs und innerhalb eines Umfangs auf das Plattierungsmaterial gerichtet wird, welcher von der Innenwandfläche des Durchgangs eingegrenzt wird, um die Innenwandfläche eines von dem Durchgang eingegrenzten Zylinders zu plattieren.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Durchgang ein Seitenverhältnis von Tiefe zu Durchmesser von mehr als 1 hat.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Innenwandfläche wenigstens zwei Schichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen aufweist, wobei jede Schicht eine der folgenden chemischen Zusammensetzungen enthält: ein organisches dielektrisches Material, ein Verstärkungsmaterial oder ein Metall oder Kombinationen aus Metallen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das organische dielektrische Material aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Benzocyclobutan, PTFE, Polyimide, Epoxide, BT, Phenole, Cyanatester, Papier, Pappe oder Kombinationen daraus; das Verstärkungsmaterial aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Glas, Aramidfasern, KevlarTM, Keramiken oder Kombinationen daraus; und das Metall aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Aluminium, Kupfer, Gold, Molybdän, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Titan, Wolfram oder Kombinationen daraus.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wellenlänge des Laserausgangssignals in einem Bereich von 180 nm bis weniger als 400 nm liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Laserausgangssignal mehrere Impulse umfaßt, welche zum Plattieren der Innenwandfläche verwendet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Submikrometer-große Partikel des Plattierungsmaterials in die Innenwandfläche des Durchgangs eingebettet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Innenwandfläche eine Tiefe von mehr als 25 gfn hat.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Festkörperlaser aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Nd : YAG, Nd : YLF, Nd : YAP und Nd : YVO&sub4;.

15. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Plattierungsmaterial aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Aluminium, Kupfer, Gold, Molybdän, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Zinn, Titan, Wolfram oder Kombinationen daraus.

16. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Laserausgangsimpulse mit einer Wiederholfrequenz von mehr als 1 kHz erzeugt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lichtfleckfläche einen kleineren Durchmesser als 50 um hat.

18. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Laserausgangssignal eine Lichtfleckfläche aufweist und der Durchgang einen größeren Durchmesser als die Lichtfleckfläche hat.

19. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung ein MCM, BGA, PGA oder eine Hybrid- oder Halbleiter-Mikroschaltung umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Durchgang einen Durchmesser hat sowie eine Tiefe, welche größer als fünf mal der Durchmesser ist.

21. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Durchgang vor der Plattierung von einem Laser gebildet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das Ausbilden des Durchgangs folgende Schritte umfaßt:

Erzeugen eines ersten Laserausgangssignals mit einer ersten Lichtfleckfläche; und

Richten des ersten Laserausgangssignals auf die Einrichtung, so daß das Laserausgangssignal wenigstens zwei Schichten innerhalb der ersten Lichtfleckfläche entfernt, um einen Durchgang mit einer Innenwandfläche, einem offenen Ende und einem gegenüberliegenden Ende zu erzeugen.

23. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Laserausgangsimpulse mit einer Wiederholfrequenz von mehr als 1 kHz erzeugt werden, der Durchgang einen größeren Durchmesser hat als die Lichtfleckfläche, der Durchgangsdurchmesser kleiner ist als 250 um, der Durchgang ein Seitenverhältnis von Tiefe zu Durchmesser von mehr als 1 hat, und die Innenwandfläche eine Tiefe von mehr 250 um hat, mit dem weiteren Verfahrensschritt: elektrochemisches Plattieren der elektrisch leitenden Verbindung nach dem Abschmelzschritt und ohne einen zwischengeschalteten Seeding- oder Vorplattierungsschritt.

24. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Plattierungsmaterial ein ersten Plattierungsmaterial ist, mit den weiteren Verfahrensschritten:

nachfolgendes Aufbringen eines zweiten Materials in der Nähe der Innenwandfläche des Durchgangs;

Erzeugen eines zweiten Laserausgangssignals; Richten des zweiten Laserausgangssignals durch den Durchgang auf das zweite Plattierungsmaterial; und

Abschmelzen des zweiten Plattierungsmaterials und Ablagern des Materials über dem ersten Plattierungsmaterials, welches bereits die Innenwandfläche bedeckt, so daß das zweite Plattierungsmaterial in einer ausreichenden Menge aufgebracht wird, um das erste Plattierungsmaterial gegen nachfolgende Verarbeitungsschritte zu schützen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das erste und das zweite Plattierungsmaterial unterschiedliche Materialien sind, welche aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden: Aluminium, Kupfer, Gold, Molybdän, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Zinn, Titan, Wolfram oder Kombinationen daraus.

26. Verfahren nach Anspruch 1 mit den weiteren Verfahrensschritten: elektrochemisches Plattieren der elektrisch leitenden Verbindung nach dem Abchmelzschritt und ohne einen zwischengeschalteten Seeding- oder Vorplattierungsschritt.

27. Mehrschichtige elektronische Einrichtung mit wenigstens einem Durchgang, der gemäß dem Verfahren von Anspruch 1 plattiert ist.

28. Verfahren für die Laserbearbeitung einer mehrschichtigen Einrichtung, welche wenigstens zwei Schichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten:

Erzeugen eines ersten Laserausgangssignals mit einer Lichtfleckfläche mittels eines Festkörperlasers;

Richten des ersten Laserausgangssignals auf die Einrichtung, so daß das Laserausgangssignal wenigstens zwei Schichten innerhalb der Lichtfleckfläche entfernt, um einen Durchgang mit einer Innenwandfläche, einem offenen Ende und einem gegenüberliegenden Ende zu bilden;

Erzeugen eines zweiten Laserausgangssignals mittels des Festkörperlasers;

Richten des zweiten Laserausgangssignals durch das offene Ende des Durchgangs in Richtung auf ein Substrat, welches ein elektrisch leitendes Material auweist, das über dem gegenüberliegenden Ende des Durchgangs liegt, wobei das erste und das zweite Laserausgangssignal jeweils wenigstens einen Impuls mit einer Wellenlänge von weniger als 400 nm, einer zeitlichen Impulsbreite von weniger als 100 nm und einer mittleren Ausgangsleistung von mehr als 100 mW, gemessen über die Lichtfleckfläche, umfaßt; und

Abschmelzen des Plattierungsmaterials von dem Substrat mit einer ausreichenden Kraft, um Mikrometer-große Partikel des Plattierungsmaterials in die Innenwandfläche des Durchgangs in einer genügenden Menge einzubetten, um eine leitende Verbindung zwischen den Schichten zu bilden.

29. Verfahren nach Anspruch 28, bei die Laserausgangsimpulse mit einer Wiederholfrequenz von mehr als 1 kHz erzeugt werden, der Durchgang einen Durchmesser hat, der größer ist als der der Lichtfleckfläche, der Durchgangsdurchmesser kleiner ist als 250 um, der Durchgang ein Seitenverhältnis von Tiefe zu Durchmesser von mehr als 1 hat, und die Innenwandfläche eine Tiefe von mehr als 25 um hat, mit den weiteren Verfahrensschritten: elektrochemisches Plattieren der elektrisch leitenden Verbindung ohne einen zwischengeschalteten Seeding- oder Vorplattierungsschritt.

30. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem das erste Laserausgangssignal eine Reihe von Impulsen umfaßt, um einen Durchgang mit einem größeren Durchmesser als dem der Lichtfleckfläche zu bilden, und das zweite Laserausgangssignal eine Reihe von Impulsen zum Plattieren des Durchgangs umfaßt.

31. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Lichtfleckfläche einen kleineren Durchmesser als 50 um hat.