EP1500316A1 - Verfahren zur erzeugung einer grabenstruktur in einem polymer-substrat - Google Patents

Verfahren zur erzeugung einer grabenstruktur in einem polymer-substrat

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EP1500316A1
EP1500316A1 EP03722247A EP03722247A EP1500316A1 EP 1500316 A1 EP1500316 A1 EP 1500316A1 EP 03722247 A EP03722247 A EP 03722247A EP 03722247 A EP03722247 A EP 03722247A EP 1500316 A1 EP1500316 A1 EP 1500316A1
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EP
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laser
substrate
laser beam
mask
recesses
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Withdrawn
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EP03722247A
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Stefan Lesjak
Hubert De Steur
Wei Pan
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Via Mechanics Ltd
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Siemens AG
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Publication date
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Abstract

Zur Erzeugung einer Grabenstruktur mit steilen und rückstandfreien Seitenwänden in einem insbesondere glasfaserverstärkten Substrat (1) wird das Substrat mit einer konformen Maske (10) versehen, welche Aussparungen entsprechend der zu erzeugenden Grabenstruktur (3) aufweist. Der Laserstrahl (15) wird dabei derart über die Aussparungen der Maske geführt, daß die energiearmen Randbereiche (5) des Laserstrahls (FL) abgeschirmt werden und der auf die Polymeroberfläche treffende Anteil (4) des Laserstrahls an jedem Punkt eine Energiedichte oberhalb einer Schwelle (FG) aufweist, bei der das Substratmaterial einschließlich einer gegebenenfalls vorhandenen Glasfaserverstärkung vollständig abgetragen wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Erzeugung einer Grabenstruktur in einem Poly¬ mer-Substrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Gra¬ benstruktur in der Oberfläche eines Polymer-Substrats durch Bestrahlung mit einem Laser einer vorgegebenen Wellenlänge.
Aus der WO 00/16443 ist die Erzeugung von Loch- und Grabenstrukturen in Leiterplatten bekannt, wobei derartige Graben- strukturen beispielsweise zur Bildung von geschirmten Leiterstrukturen in den Leiterplatten dienen können. Als Mittel zur Erzeugung solcher Gräben in einer Leiterplatte ist dort neben dem Plasmaätzen auch allgemein die Verwendung eines Lasers erwähnt .
Bei der Anwendung einer Laserstrahlung zur Abtragung von Polymermaterial ergibt sich jedoch ein Problem aus der Tatsache, daß die Energieverteilung innerhalb eines Laserstrahls nicht gleichförmig ist, sondern einer Gauss' sehen Verteilung folgt. Das bedeutet, daß in den Randbereichen des Laserstrahls eine geringere Energiedichte auf ein Substrat abgegeben wird als in seinem Zentrum. Dies hat zur Folge, daß etwa bei der Herstellung einer Grabenstruktur die Flanken des Grabens nicht mit der gewünschten Steilheit erzeugt werden können. Ein zusätzliches Problem ergibt sich bei Substraten, bei denen das Polymermaterial mit Glasfasern oder dergleichen verstärkt ist, wobei dieses Verstärkungsmaterial eine höhere Energiedichte zum Abtragen benötigt als das Polymermaterial selbst. Dies führt dazu, daß in den Randbereichen eines derartig hergestellten Grabens die Glasfasern zum Teil nur geschmolzen, aber nicht abgetragen werden und in Tropfen- oder Kugelform an den Wänden haften bleiben. Da solche Glaskügel- chen weder mechanisch noch durch chemisches Ätzen in wirtschaftlicher Weise entfernt werden können, stellen sie ein ernstes Problem dar, da sie die Oberfläche der Grabenwände stören und eine nachfolgende Beschichtung behindern.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren anzugeben, mit welchem Grabenstrukturen mit sauberen Seiten¬ wänden und einer akzeptablen Steilheit in Polymer-Substraten, insbesondere in solchen mit Glasfaserverstärkung, erzielt werden können.
Erfindungsgemäß wird dies mit folgenden Verfahrensschritten erreicht :
- auf der Oberfläche des Substrats wird eine konforme Maske aus einem die Laserstrahlung reflektierenden Material angeordnet, welche Aussparungen entsprechend der zu erzeu- genden Grabenstruktur aufweist, und danach wird der Laserstrahl über die Aussparungen der Maske geführt, wobei er zumindest einmal jeweils derart überlappend über die Begrenzungskante der jeweiligen Aussparung geführt wird, daß die Energiedichte des auf die Poly- eroberflache treffenden Anteils des Laserstrahls an jedem Punkt über einer Schwelle liegt, bei der das Substratmaterial vollständig abgetragen wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also mit Hilfe einer konformen Maske jeweils im Randbereich des zu erzeugenden
Grabens derjenige Anteil des Laserstrahls abgeschnitten, d.h. durch die Maske reflektiert, der ohnehin nicht ausreichen würde, das Substratmaterial vollständig zu entfernen.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei der Erzeugung von Grabenstrukturen in einem mit Glasfasern verstärkten Substrat angewendet werden, wobei dann durch die Maske derjenige Randbereich des Laserstrahls abgeschirmt wird, der unterhalb der zur Verdampfung des Glasfasermaterials notwendigen Ener- gieschwelle liegt, welche beispielsweise bei einer Spitzenleistungsdichte von etwa 1-10 MW/cm2, vorzugsweise 6-7 MW/cm2, je nach Material, erreicht wird. Vorzugsweise wird für die Erzeugung der Grabenstruktur ein Laser verwendet, dessen Wellenlänge an der Maskenschicht, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehend, stark reflektiert wird. In diesem Fall kann der Laserstrahl unmittelbar auf die Oberfläche des Substrats fokussiert werden. Vorzugsweise werden Laser mit einer Wellenlänge von 9 um bis 11 um verwendet, insbesondere ein gütegeschalteter C02- Laser mit einer Pulsfrequenz von 10 bis 200 kHz, vorzugsweise von annähernd 100 kHz, und einer Pulsdauer von 50 bis 500 ns, vorzugsweise annähernd 150 ns . Möglich ist aber auch die Verwendung eines mit Hochfrequenz angeregten (RF excited) gepulsten C02-Lasers mit einer Pulsfrequenz zwischen 1 und 15 kHz, vorzugsweise zwischen 3 und 5 kHz, und einer Pulsdauer zwischen 1 und 20 μs, vorzugsweise zwischen 3 und 5 μs.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann auch ein TEA- C02-Laser (Transversly Excited Atmospheric Laser) mit einer Pulsfrequenz zwischen 1 und 15 kHz und einer Pulsdauer zwischen 50 und 100 ns, vorzugsweise etwa 70 ns, verwendet werden.
Anstelle des C02-Lasers können aber auch andere Laser Verwendung finden. Möglich wäre sogar auch die Verwendung eines UV- Lasers, wenn ein solcher mit einer ausreichenden Leistung und akzeptabler Arbeitsgeschwindigkeit zur Verfügung steht. Da beispielsweise ein solcher UV-Laser jedoch von einer Masken- schicht aus Kupfer nur wenig reflektiert wird, darf er nicht direkt auf die Ebene der Maske bzw. der Substratoberfläche fokussiert werden.
Die bei der Erfindung verwendete Maske ist vorzugsweise eine auf die Oberfläche des Substrats aufgebrachte Metallschicht, die, wie erwähnt, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Diese Metallschicht kann durch chemische oder galvanische Abscheidung auf der Oberfläche des Substrats gebildet werden, wobei die Aussparungen dann durch partielle Abtragung dieser Metallschicht mittels chemischer Ätzverfahren oder mechanischer Trennverfahren erzeugt werden.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird auch die Maske durch eine Strukturierung der Metallschicht mittels eines Lasers gebildet, wobei hierfür ein anderer Laser verwendet wird als für die Erzeugung der Grabenstruktur in dem Substrat. Vorzugsweise wird hier deshalb ein Laser verwendet, dessen Wellenlänge von dem Material der Maske gut absorbiert wird; in Betracht kommt hierfür ein Laser mit einer Wellenlänge zwischen 250 und 1100 nm, beispielsweise ein UV-Laser mit einer Wellenlänge von 266 oder 355 nm. Es kann sich dabei um einen mit Dioden oder mit einer Blitzlichtlampe gepumpten Festkörper-Laser mit anschließender Frequenzvervielfachung handeln, der mit einer Pulsfrequenz oberhalb von 1 kHz bis zu 200 kHz und mit einer Pulsdauer zwischen einer ns und 200 ns, vorzugsweise zwischen 10 und 60 ns, betrieben wird.
Je nach Breite der zu erzeugenden Gräben in dem Substrat und abhängig von der Fleckweite des Laserstrahls kann entweder ein einziger Durchgang mit dem Laser über die Maskenaussparung zur Erzeugung der Grabenstruktur reichen, oder der Laserstrahl wird in mehreren nebeneinander liegenden Spuren durch die Aussparungen der Maske geführt. Diese Laserbearbei- tungsspuren können in Längsrichtung der Gräben verlaufen oder äanderförmig auch quer zur Längsausdehnung der Gräben geführt werden.
Mit der erfindungsgemäß verwendeten Maske ist es außerdem möglich, ein variables Verhältnis von Tiefe zu Breite der abgetragenen Gräben zu realisieren. In der Regel ist ein Verhältnis (aspect ratio) von 1:1 (Tiefe=Breite) sinnvoll, doch sind auch andere Verhältnisse möglich, beispielsweise 1:3 oder mehr bzw. 3:1 oder mehr, wobei also ein breiter und fla- eher bzw. ein schmaler und tiefer Graben verwirklich wird. Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an¬ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 schematisch die Energieverteilung eines Laserstrahls und dessen Auswirkung auf einen in einem Substrat zu erzeu- genden Graben,
Figur 2 die Energieverteilung eines Laserstrahls und deren Auswirkung auf eine Grabenstruktur in einem Substrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, Figur 3, 4 und 5 die erfindungsgemäße Erzeugung einer Maske und einer Grabenstruktur in aufeinanderfolgenden Phasen des Verfahrens,
Figur 6 die Energieverteilung eines in mehreren Durchgängen nebeneinander geführten Laserstrahls zur Erzeugung eines im Vergleich zu Figur 2 breiteren Grabens, Figur 7 die schematische Darstellung der Führung eines Laserstrahls in mehreren Längsspuren und
Figur 8 die schematische Darstellung der Führung eines Laserstrahls in einer mäanderförmigen Spur.
Figur 1 zeigt allgemein die Gauss'sche Verteilung der Energiedichte FL eines Laserstrahls. Dabei ist zu sehen, daß die Energiedichte nur oberhalb einer Schwelle FG ausreicht, um etwa Glasfasern zu verdampfen. In einem Substrat 1 mit einer an der Unterseite befindlichen Metallschicht 2 findet deshalb eine vollständige Verdampfung des glasfaserverstärkten Substratmaterials zur Bildung eines Grabens 3 nur innerhalb eines zentralen Bereichs 4 mit einer Breite D statt, wo die Energiedichte oberhalb eines Schwellwertes FG liegt. In den seitlichen Zonen 5 reicht die Energiedichte nicht zur voll- ständigen Verdampfung des Glasfasermaterials aus. Es entsteht deshalb ein abgeflachter Grabenrand 7, auf dem sich Glasperlen 8 (in der Zeichnung übertrieben groß dargestellt) bilden und haften bleiben.
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Lösung zur Beseitigung des beschriebenen Problems. Auf dem Substrat 1 wird eine Maskenschicht 10 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung angeordnet, die eine Aussparung 11 in der Größe aufweist, die dem gewünschten Graben 3 entspricht. In diesem Fall entspricht die Grabenbreite bzw. die Breite der Aussparung 11 der Breite D des zentralen Bereiches 4 der Energieverteilung FL, in wel- ehern die Energiedichte oberhalb der Schwelle FG liegt. Durch die Maske 10 wird sichergestellt, daß nur dieser oberhalb der Schwelle FG liegende Anteil der Laserenergie auf das Substrat gelangt und im Bereich des gewünschten Grabens auch das Substrat samt Glasfaserverstärkung vollständig abträgt. In den Figuren 3 bis 5 ist der Verfahrensablauf bei der Erzeugung einer Maske und der anschließenden Erzeugung einer Grabenstruktur mit zwei verschiedenen Lasern gezeigt. Das glasfaserverstärkte Substrat 1 ist an seiner Unterseite mit der Metallschicht 2 und an seiner Oberseite mit einer Metall- schicht 12 versehen, wobei aus letzterer die Maske 10 gebildet werden soll. Zu diesem Zweck werden mit einer Laserstrahlung 13, die aufgrund ihrer Wellenlänge von der Metallschicht 12 gut absorbiert wird, Aussparungen 14 entsprechend einer gewünschten Grabenstruktur in dem Substrat 1 erzeugt. Die La- serstrahlung ist in diesem Fall vorzugsweise eine UV- Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von beispielsweise 355 nm. Die so erzeugten Aussparungen 14 sind in Figur 4 gezeigt.
Danach wird mit einer Laserstrahlung 15, vorzugsweise einer C02-Laserstrahlung von 9250 nm, die gewünschte Grabenstruktur erzeugt, indem der Laserstrahl 15 durch die Aussparungen 14 hindurch auf das Substrat 1 gerichtet wird, bis die Gräben 16 erzeugt sind (siehe Figur 5) . Je nach Breite der zu erzeugenden Gräben 16 und der Fleckweite des verwendeten Laserstrahls muß dabei, wie vorher bereits beschrieben, der Laserstrahl einmal oder mehrfach durch die Ausnehmungen 14 bewegt werden. Wesentlich ist dabei, daß der Laserstrahl 15 jeweils zumindest einmal so nahe an den Rändern der Ausnehmungen 14 entlang geführt wird, daß diejenigen Randbereiche des Laser- Strahls, deren wirksame Energiedichte nicht zur vollständigen Abtragung des glasfaserverstärkten Substratmaterials ausreicht, von der Maske 10 reflektiert wird. Nur dann ist ge- währleistet, daß die Gräben 16 jeweils saubere, von Glasperlen freie Wände mit akzeptabler Neigung erhalten.
Wie erwähnt, ist zur Erzeugung breiterer Gräben im Vergleich zur Fleckweite des Laserstrahls eine Mehrfachbestrahlung des Substrats in nebeneinanderliegenden Spuren erforderlich. Figur 6 zeigt die Überlagerung der Energieverteilung von beispielsweise drei nebeneinanderliegenden Laserstrahlspuren über einem Substrat 1 mit einer Maske 20, die eine verhält- nismäßig breite Ausnehmung 21 aufweist, so daß ein entsprechend breiter Graben 22 erzeugt wird. Die nebeneinanderliegenden Laserstrahlspuren mit jeweils der gleichen Energieverteilung F1L, F2 L und F3 L bewirken, daß auf jeden Punkt des zu erzeugenden Grabens eine Energiedichte einwirkt, die ober- halb der Schwelle FG liegt.
Die verschiedenen Laserstrahlspuren, beispielsweise 23, 24 und 25, können gemäß Figur 7 in Längsrichtung der Masken- Aussparung 21 verlaufen. Es ist aber auch möglich, daß eine mäanderförmig gewundene Spur 26 gemäß Figur 8 zwischen den Rändern der Aussparung 21 hin- und hergeführt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung einer Grabenstruktur in der Oberfläche eines Polymer-Substrats (1) durch Bestrahlung mit ei- nem Laser einer vorgegebenen Wellenlänge mit folgenden Schritten:
- auf der Oberfläche des Substrats (1) wird eine konforme Maske (10; 20) aus einem die Laserstrahlung reflektierenden Material angeordnet, welche Aussparungen (11;21) entspre- chend der zu erzeugenden Grabenstruktur (3; 16; 22) aufweist, und
- danach wird der Laserstrahl (15) über die Aussparungen der Maske (10;20) geführt, wobei er zumindest jeweils einmal derart überlappend über die Begrenzungskante der jeweili- gen Aussparungen (11; 14; 21) geführt wird, daß die Energiedichte des auf die Polymeroberfläche treffenden Anteils des Laserstrahls (15) an jeden Punkt über einer Schwelle FG liegt, bei der das Substratmaterial vollständig abgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem mit Glasfasern verstärkten Polymermaterial besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Erzeugung der Grabenstruktur (3; 16; 22) ein Laser mit einer Wellenlänge zwischen 9 und 11 μm, insbesondere ein C02-Laser, verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein gütegeschalteter C02- Laser mit einer Wellenlänge zwischen 9 und 11 μm, einer Pulsfrequenz von 10 bis 200 kHz, vorzugsweise von annähernd 100 kHz, und einer Pulsdauer von 50 bis 5000 ns, vorzugsweise von annähernd 150 ns, verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein mit Hochfrequenz angeregter (RF-Excited) gepulster C02-Laser mit einer Wellenlänge zwischen 9 und 11 μm, einer Pulsfrequenz zwischen 1 und 15 kHz, vorzugsweise zwischen 3 und 5 kHz, und einer Pulsdauer zwischen 1 und 20 s, vorzugsweise zwischen 3 und 5 μs, verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein TEA-Laser (Transvers- ly Excited Atmospheric-Laser) mit einer Wellenlänge zwischen 9 und 11.μm, einer Pulsfrequenz zwischen 1 und 15 kHz sowie einer Pulsdauer zwischen 50 und 100 ns, vorzugsweise etwa 70 ns, verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Laserstrahl in den Aussparungen (11;14;21) der Maske (10;20) so geführt wird, daß aufjeden Punkt innerhalb der Aussparungen jeweils eine Energiedichte entsprechend einer Puls- Spitzenleistung von etwa 10 MW/cmz, vorzugsweise 6-7 MW/cm2, einwirkt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1, wobei die Maske durch eine auf die Oberfläche des Substrats (1) aufge- brachte Metallschicht (12) , vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Metallschicht (12) durch chemische oder galvanische Abscheidung auf der Oberflä.- ehe des Substrats (1) gebildet wird und wobei die Aussparungen (11; 14; 21) jeweils durch partielle Abtragung der Metallschicht mittels eines chemischen Ät2verfahrens oder eines mechanischen Trennverfahrens erzeugt werden.
10 . Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Aussparungen
(11; 14; 21} in der Metallschicht durch Bestrahlung mit einem weiteren Laser (13) erzeugt werden, dessen Wellenlänge von dem Material der Maske (10) gut absorbiert wird, vorzugsweise mit einer Wellenlänge zwischen 250 und 1100 nm.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei als weiterer Laser ein it Dioden oder.mit einer Blitzlichtlampe gepulster UV-Laser mit einer .Pulsfrequenz oberhalb 1 kHz und einer Pulsdauer zwischen 1 und 200 ns, vorzugsweise zwischen 10 und 60 ns verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Laserstrahl (15) zur Erzeugung der Grabenstruktur in mehreren nebeneinander liegenden und einander derart überlappenden Spuren (23, 24, 25; 26) durch die Aussparungen geführt wird, daß die wirksame Energiedichte an jedem Punkt im Bereich der Aussparungen über der Schwelle (FG) liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Laserstrahl in mehreren nebeneinander liegenden Spuren (23,24,25) in Längsrichtung des Grabens (3;16;22) geführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Laserstrahl im Bereich der Aussparungen (21) jeweils mäanderförmig quer zur Längsrichtung des zu erzeugenden Grabens (22) geführt wird.
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