JP2009511279A - レーザ処理中の対象物リアルタイムトポグラフィートラッキング - Google Patents

Abstract

トポグラフィー測定を効率的に実行する方法およびシステム（９０）は、レーザ加工のスループットの増大を容易にする。対象試料上の複数点のトポグラフィー測定または前記対象試料表面のトポグラフィー（６６）と試料の厚さ（７０）との連続的なリアルタイム測定および観察をレーザ加工の間に実行することができる。レーザ加工を受ける対象試料の厚さ測定は、放射されたレーザエネルギー（２８）の微調整によって、より高精度での対象試料材料の除去を結果として生じる。
【選択図】図５

Description

本発明は、対象物材料を加工するレーザに関し、特に、向上した生産力で再現性のある品質のビア（via）穿孔のために材料が除去される連続積層対象物の層のトポグラフィーおよび厚さの両方または一方を自動測定するためのシステムおよび方法に関する。

レーザは、電子材料製品でのビア穿孔および該電子材料製品からの材料の除去に用いられている。電気回路基板の誘電体層中にしばしば使われるエポキシ樹脂または樹脂は、そのようなレーザによって取り除かれる典型的な材料の一例である。材料層を確実かつ一様に取り除く加工レーザビームにとって、ビームの焦点深度および像面の一方または両方が除去を受ける材料の層の深さ内に入ることが望ましい。除去を受けている層の厚さまたはトポグラフィーの変化、あるいは他の対象層のトポグラフィーの変化のいずれかは、ビームの焦点深度および像面の一方あるいは両方に関して前記層の相対的な位置を変更し、したがって、不整合で低品質なビアを結果として生じることがある。

連続積層対象物にビアを穿孔するための加工レーザビームおよびビーム位置決めシステムの使用は、従来技術でよく知られている。そのような連続積層対象物は、一般的に導電層と誘電体層とを含み、電子回路応用における回路基板として使われている。

ビアを特徴付ける４つの主要な品質測定基準がある。それらは、ビアのテーパ、ビアの真円度、壁のなめらかさおよび底表面のきれいさである。加工レーザビームの焦点深度が材料を除去されることになっている層の外にあると、ビアは不均一な直径で穿孔されるであろう。層の厚さが加工レーザビームの焦点深度よりも変化すると、ビア直径は１０〜２０％で変化することがある。材料の除去を必要としている層の厚さが小さいと、加工レーザビームによって伝えられる過剰なパワーは、結果として過剰に穿孔されたビアを生じ、これは低い壁品質および規格はずれのビア寸法の一方または両方を示す。材料の層が厚いと、不十分なパワーが不完全なビア形成を結果として生じることがある。このように、ビア品質は、材料が除去されることになっている層の表面高さと、厚さとの正確な認識に依存している。

連続積層対象物のトポグラフィーを測定するための最先端は、プローブによって対象物表面に触れてその変位を測定するか、表面の一部にカメラの焦点を合わせることを伴う。プローブの昇降あるいはカメラの焦点合わせは、産業上かなりの時間を消費し、この時間は材料の実際の除去工程の前に経過する。現行の測定手法に関連した時間のため、各対象物の高さは、１つの位置でだけ測定される。対象物から対象物への変更に基づいた加工ビームの焦点深度の調整が可能ではあるが、単一の測定結果は、単一対象物のトポグラフィー変化を明らかにしない。

材料の単一層の厚さはわずか６ミクロンだけ変化するかもしれないが、対象物表面の高さは６０ミクロン以上も変化することがある。材料の除去を必要としているいくつかの層が２５ミクロンほどの薄さである傾向があるので、対象物表面の高さ変化は、焦点深度が対象層外となり、これによりその層中に穿孔される如何なるビアの品質をも低減させるについて、十分などころではない。テクノロジーが小型化を要求し続けるに伴い、ビアは、おそらく直径、深さまたはその両方で縮小し続け、それ故に、より短い（例えばUV）波長のレーザによって成形されるであろう。より小さな寸法での向上した品質および反復性は、ビアの適切な機能のために一層不可欠である。

材料が除去されることになっている層の厚さ変化は、また該層中に形成されるビアの品質を低減させるかもしれない。層の厚さが未知のとき、過剰または不十分なエネルギー量が材料の除去中に加工レーザビームによって適用され、下に在る導電層への損傷または不完全なビア穿孔のいずれかをもたらすかもしれない。

本発明の実施例は、それらによって材料を加工するに先立って連続積層対象物領域の表面高さおよび層厚さの一方または両方のリアルタイム変化を測定するために、加工レーザビームシステムでトラッキング装置を使用する。前記トラッキング装置は、該装置が検出する距離変化と相関する信号をもたらす。適切なトラッキング装置の例は、レーザ三角測距、静電容量またはうず電流のプローブ、あるいは共焦点装置を含む。より高品質のビアは、対象物および加工レーザビームの相対位置と、前記トラッキング装置により得られた測定値に応答した加工レーザビームエネルギーとの一方または両方を変化させることによって、達成することができる。前記トラッキング装置は、焦点深度が指定された動作許容範囲外に陥る状況下での如何なる形態の加工レーザビームとの関係においても用いることができる。

レーザ三角測距装置で実施された一実施例では、トラッキングビームは対象物で反射し、レーザビーム位置センサによって受光される。受光された反射光は、材料を除去されることになっている層のトポグラフィーおよび厚さについての情報をもたらすために、次に処理される。加工レーザビームシステムは、受け取られた情報に基づき、対物レンズと対象物間の軸線距離に沿って該対象物に関するパルス化された加工レーザビームのビームウエストの像カラム位置を調整する。前記加工レーザビームシステムは、また材料の除去工程中で使われるレーザパルスの数を調整する。ビア形成のために、パルス数はビアを形成するために適用される加工レーザビームのエネルギー量に対応する。トポグラフィーおよび厚さの情報のいずれかまたは両方を使う他の加工応用のために、パルスの数は、例えば、半導体ウエハのダイスカット、半導体メモリーリンクの分断、抵抗あるいは他の対象物のトリミングに適用される加工レーザビームのエネルギーの量に対応する。他の実施例は、同様な方法で軸線距離を調整するために、トラッキング装置として静電容量またはうず電流のプローブあるいは共焦点装置を使用する。

他の特徴および利点は、添付図面を参照しての以下の好適な実施例の詳細な説明から明白になるであろう。

本発明の好適な実施例は、ビア（via）穿孔および他の電子回路材料の除去処理を行う加工レーザビームにより実施される。前記加工レーザビームは、一般的に、パルスレーザ源によって対物レンズに光学的に関連して生産され、該対物レンズは、支持構造の上に載せられた対象試料への穿孔に適正なように前記レーザの焦点を合わせる。典型的な対象物は、エレクトロニクス産業のプリント回路基板としてしばしば使われる多層基板を含む。

図１を参照するに、加工レーザビームシステム１０は、ビーム経路１８に沿ってパルス化した出力ビーム１４を伝搬するレーザ１２を含む。レーザ出力１４は、ビーム位置決めシステム２２の一連のビーム方向付け構成要素２０によって導かれる先のビーム経路１８に沿って配置されたビーム拡大器レンズ構成要素１６を含む種々の既知の光デバイスによって処理を受けることができる。レーザ出力ビーム１４は、対象試料マウント３２にしっかり固定される連続積層対象物３０上への加工レーザビーム２８として入射するために、合焦またはテレセントリック走査レンズなどの対物レンズ２６に伝えられる。

ビーム位置決めシステム２２は、加工ビーム２８と対象物３０との相対位置の変更に用いられ、ビーム２８およびマウント３２の一方または両方を移動させることができる。ビーム位置決めシステム２２は、加工ビーム２８を対象物３０に関してＸ、ＹおよびＺの軸方向へ移動させるように動作し、Ｚ軸は前記加工ビーム軸に沿って定められており、対象物３０の表面にほぼ直角である。加工ビーム２８が対物レンズ２６を出て対象物３０の表面に当たる点から測定される軸線距離は、したがって、対象物３０または対物レンズ２６のZ軸に沿った移動によって変わる。

典型的なビーム位置決めシステム２２が、カトラー（Cutler）他の米国特許No.5,751,585で詳細に説明されており、カトラー（Cutler）の米国特許No.6,430,465で開示されたアッベ（ABBE）エラー訂正を含むことができ、その両特許は本願の譲受人に譲渡されている。ビーム位置決めシステム２２は、加工ビーム２８を所望のレーザ目標位置に向けかつ焦点を合わせるために、好ましくは、少なくとも２つのプラットフォームすなわちステージ４０および４２を制御し、またビーム方向付け構成要素２０を支持する並進ステージポジショナを使用する。好適な実施例では、並進ステージポジショナは分割軸システムであり、典型的にはリニアモータにより移動され、Ｙステージ４０が対象物３０を支持しまたレール４８に沿って移動し、Ｘステージ４２が高速（fast）ポジショナ５０および対物レンズ２６を支持しまたレール５２に沿って移動し、ＸおよびＹステージ４０および４２間のＺ軸寸法は調整可能であり、ビーム方向付け構成要素２０はレーザ１２および高速ステアリングミラー５４間での如何なる方向の変化によってもビーム経路１８を整合させる。一般的な並進ステージポジショナは、５００ｍｍ／秒の速度および１．５Ｇの加速が可能である。便宜的に、高速ポジショナ５０と、１つ以上の並進ステージ４０および／または４２との組み合わせは、主要または統合の位置決めシステムと称することができる。上記で説明された位置決めシステムコンポーネントの多くを含む好適なレーザシステム例は、本願の譲受人であるエレクトロ、サイエンティフィック、インダストリーズ、インコーポレイテッド（Electro Scientific Industries, Inc．）によって製造されたモデル5320レーザシステムまたはそのシリーズの他システムである。しかし、対象試料の位置決めのための一つのＸ−Ｙステージと、固定ビーム位置および静止検流計の両方あるいはその一方とを備えるシステムを代わりに使用することができることを当業者は、理解するであろう。

レーザシステムコントローラ５６は、好ましくは、当業者によく知られている方法で、ステージ４０および４２および高速（fast）ポジショナ５０の運動と、レーザ１２の発射とを同期させる。当業者は、レーザシステムコントローラ５６がこれに一体的なあるいは独立な制御サブシステムを含み、これらのレーザ構成要素のすべてあるいはいくつかに電力を提供することができ、またそのようなサブシステムがレーザシステムコントローラ５６に関して遠隔設置できることを理解するであろう。

加工ビーム２８のパラメータは、ＵＶ、可視光または他の適切な波長の光に応じた異なる光学吸収、材料を除去できる閾値または他の特性を示す多種多様な金属、誘電体あるいは他の対象物材料で、実質的にきれいで連続したドリル穿孔、例えばビア穿孔の形成が容易に行えるように、選択される。

図２は、一般的に、図１の加工レーザビームシステム１０によって典型的なタイプの処理を受ける連続積層対象物３０の横断面である。便宜上、対象物３０は、２つの層６０および６２のみを有するように描かれている。層６２は、層６０を支持し、該層からその材料がビア６４の形成のために除去される。ビアが安定した適切な穿孔を受けるように、加工ビーム２８の焦点深度は、層６０中に定められている。したがって、焦点深度は、連続積層対象物３０の表面６６と、層６０の下にある層６２の表面６８との間に設定される。層６０は、厚さ寸法７０を有し、該厚さ寸法は表面６６および６８間の距離である。

層６２は、例えばアルミニウム、銅、金、モリブデン、ニッケル、パラジウム、白金、銀、チタン、タングステン、金属窒化物のような標準的な金属、またはそれらの組み合わせを含むことができる。従来の金属層６２は、一般的に９μｍ〜３６μｍの間で厚さが変化するが、より薄いかあるいは７２μｍのような厚さ寸法を有していても良い。単一対象物３０中の多層の導電層は、一般的に同じ材料で作られている。

誘電マトリックスすなわち層６０は、例えばベンゾシクロブテン、ビスマレイミドトリアジン、ボール紙（cardboard）、シアン酸エステル、エポキシ、フェノール、ポリイミド、ポリテトラフルオルエチレン、種々のポリマーアロイまたはそれらの組合せ高分子のような標準の有機誘電材料を含むことができる。従来の有機誘電体層は、厚さがかなり異なるが、一般的には、層６２などの金属層よりもずっと厚い。有機誘電体層６０のための典型的な厚さ範囲は、約３０μｍ〜４００μｍである。

ビア直径は、好ましくは、２５μｍから３００μｍの範囲であるが、レーザシステム１０は、約５μｍ〜２５μｍのような小さな直径あるいは１ｍｍ以上の直径を有するビアを形成することができる。加工ビーム２８の好適な材料除去スポットサイズは、好ましくは約２５μｍ〜７５μｍであるので、２５μｍよりも大きなビアは、同心円処理または螺旋処理の穿孔によって形成することができる。

たとえば、図２を参照するに、ビア６４の品質は、ビア壁７２の滑らかさ、ビア底７４のきれいさおよび前記ビアの頂部および底部の両直径（例えばテーパ）に直接関連する。

図３は、穿孔中の対象物３０に関する加工ビーム２８を示す。加工ビーム２８の収束するビームウエスト７８の像カラム７６は、その焦点深度と一致し、加工ビーム２８の焦点が常に指定された直径のビア穿孔のために十分に厳密な領域を識別する。像平面８０は、加工光線２８のための焦点の最適な平面を識別する。高品質のビアを反復可能に得るために、像カラム７６は層６０内を貫通する。もし対物レンズ２６から対象物表面６６および／または導電層表面６８への距離が変わるなら、像カラム７６は層６０の上または下のいずれかに落ち、低品質のビアを結果として生じる。

図４Ａは、加工レーザビームシステム９０の正面図であり、該システムには、加工ビーム２８の経路の近傍の個別のビーム経路に沿って伝搬する各トラッキングレーザビーム９６および９８を放つ類似のトラッキングレーザビーム源９２および９４が搭載されている。図４Ｂおよび４Ｃは、図４Ａのレーザシステム９０の平面図および側面図をそれぞれ示す。レーザシステム９０は、付加のトラッキングレーザビーム源９２および９４と、トラッキングビーム９６および９８で伝えられるかあるいは引き出された情報を処理するために動作する関連付属機器との付加を除いては、レーザシステム１０のそれらとの同様な構成を有する。レーザシステム１０および９０に共通の構成要素は、同一参照符号により同定される。

ビーム位置決めシステム２２は、対象物の表面６６に沿って加工ビーム２８の相対的な並進運動および対物レンズ２６と対象物３０との間の相対的な軸方向運動を生じる。トラッキングビーム９６および９８は、加工ビーム２８から一定の既知距離だけオフセットしており、また加工ビーム２８がＸ軸に沿ってそれぞれ反対方向へ加工経路を進むとき、トラッキングビーム９６および９８の異なる１つが加工ビーム２８を案内するように、加工ビーム２８に関して配置されている。図示しないが、トラッキングレーザビーム９６および９８がY軸に沿って進むとき、また、加工レーザビーム２８を案内するために設定されるかもしれない。

代替的に、層６０の表面６６または厚さ７０のトポグラフィーが、加工ビーム２８とトラッキングビーム９６および９８の選ばれた１つのとの間の離隔距離をほんのわずかに越えて変化すると、この選ばれたトラッキングビームは、レーザ対象位置４６近くの層６０の厚さ７０およびの表面６６のトポグラフィーを測定するために使用することができる。選ばれたトラッキングビームは加工ビーム２８を案内する必要がなく、対物レンズ２６がレーザ対象位置４６上に置かれたら、測定は行うことができる。これは、得られた測定値がレーザ対象位置４６に関連するパラメータに近似するように、選ばれたトラッキングビームが十分にレーザ対象位置４６に十分近くにあるからである。

図５は、表面トポグラフィーおよび対象物３０の層厚さ測定のためのトラッキングビーム９６と関連するビーム位置センサ１００との配置関係を示す。トラッキングビーム源９２は、トラッキングレーザビーム９６を放ち、該レーザビームは、対象物３０の表面６６に入射し、第１の反射光ビーム１０２を形成すべくその一部が対象物３０の表面６６から反射する。第１の反射光ビーム１０２は、次にビーム位置センサ１００によって受光される。第１の反射光ビーム１０２の特性は、ビーム位置センサ１００によって測定されると、トラッキングレーザビーム９６に関連する既知の位置と、表面６６上のトラッキングレーザビーム９６の入射の瞬時の位置の表面６６との間の測定された軸線距離１０４を決定するために処理される。開示した実施例では、図５に示されているように、既知の位置は対物レンズ２６の出射面である。軸線距離１０４は、測定位置で表面６６の高さに対応している。トラッキングビーム９６が表面６６に沿って動くとき、継続的に軸線距離１０４を決定することは対象物３０の表面トポグラフィー測定を提供する。これは、レーザシステムコントローラ５６がビーム経路１８に沿って対物レンズ２８に対応する運動を生じさせ、その結果、ほぼ表面６６上または層６０中の像カラム７６の位置を維持させることが可能になる。

図５は、さらに、除去層の厚さ６８を測定する機能を示す。層６０が少なくとも部分的に透明で、入射角θが指定された範囲中にあるなら、トラッキングレーザビーム９６の一部は層６０を透過して伝わり、第２の反射光ビーム１０６を成形するために、直下の導電層６２の表面６８から反射する。これは、例えば、エポキシ樹脂上層６０が銅層６２上に支持されるプリント回路基板に当てはまっている。第２の反射光ビーム１０６は、第１の反射光ビーム１０４から変位距離１０８によって分離され、該距離は層６０の厚さに対応する。レーザ位置センサ１００は、変位距離１０８に対応する出力信号を適合させ、提供すべく動作可能である。位置センサ１００への第１および第２の反射光ビーム１０２および１０６の入射によって生成された電気信号は変位距離１０８についての情報を提供し、それは層６０の厚さ７０に対応する。レーザシステムコントローラ５６は、層６０の実際の厚さ７０を決定し、その後、厚さ７０の変化を補償するためにビア６４を形成すべく層６０に注がれたレーザエネルギーのパルスの数に応じて調整するように、ビーム位置センサ１００の出力を処理することができる。当業者は、トラッキングビームが加工ビーム２８と共にそのビーム経路に沿って移動するに伴い、対象物表面のトポグラフィーおよび対象物厚さの一方または両方の測定がレーザシステムコントローラ５６によるビーム位置センサ１００の反復性のサンプリングを伴うことを理解するであろう。

図６は、図５のシステムに代わる配置を示し、トラッキングレーザ源９２およびビーム位置センサ１００は、同じコンパートメントに格納されている。そのような市販の１つのレーザ三角測距装置は、独国、オルテンブルク、Koenigbacher Strasse 15 d-94496に在るMicro Epsilon社製のモデルopto NCDT 1400である。

図７はシステム１０で使用するための第１の代替的なトラッキング装置１０９ａを示し、該トラッキング装置では、静電容量プローブまたはうず電流プローブが、光学的に透明な誘電体層６０を有する対象物３０の導電層６２の表面トポグラフィーの追跡のために使用されている。市販されている静電容量プローブおよび市販されているうず電流プローブの例は、それぞれモデルcapa NCDT 620 およびモデルeddy NCDT 3300であり、双方とも独国、オルテンブルク、Koenigbacher Strasse 15 d-94496に在るMicro Epsilon社製である。

図８はシステム１０に使用される第１の代替的トラッキング装置１０９ｂを示し、該トラッキング装置では、光トラッキング源およびフィードバック装置から構成されている共焦点装置が同じコンパートメントに格納されている。そのような装置は、共焦点の光学式の原則に従って実施され、多色光を精密な距離で焦点が合う複数の単色光源に変えるために、正確に配置されたレンズを使う。単色光源からの反射は、次に、表面または測定された表面の距離を決定するために使われる。図８は、共焦点トラッキング装置１０９ｂの同時的な表面６６および６８のトラッキングを示す。そのような市販されている１つの共焦点装置は、独国、オルテンブルク、Koenigbacher Strasse 15 d-94496に在るMicro Epsilon社製のモデルopto NCDT 2400である。

図９は、静電容量プローブまたは図７のうず電流プローブ１０９ａと、誘電体層６０がレーザ光に対して透明でない場合に該誘電体層の厚さを監視するために組み合わせて配置される図６のレーザ三角測距装置とを示す。レーザ三角測距装置から放たれるビームの波長は、典型的には約６５０ｎｍである。レーザ除去に適当な誘電体対象材料は、日本国の味の素ファインテクノ株式会社で製造されおり、Ajinomoto積層フィルム製品ファミリーに含まれている。３つの例は、ABF SH9K（透明）、ABF GX3（透明）およびABF GX13（不透明バージョン）を含む。

対象物表面トポグラフィーおよび層６０の厚さ７０の測定の方法は、図１０Ａおよび１０Ｂに関連してより十分に説明されている。対象物３０の表面トポグラフィーの測定および層厚さ７０の測定に対応する２つの動作モードが、ユーザーニーズと選ばれたハードウェアの制限とに応じて、別々にまたは同時に実行されるかもしれない。両動作モードは、対象物３０に関連して焦点が合ったビームウエスト７８の像カラム７６の位置調整を伴う。

第１の動作モードで、トラッキングビーム９６は、表面６６の法線に関して角度θで対象物３０の表面６６に入射する。トラッキングビーム９６の一部は、第１の反射光ビーム１０２として位置Ａで表面６６から反射され、それはビーム位置センサ１００で受光される。ビーム位置センサ１００は、公称上同一のセンサ素子１１０の２次元アレイから成る。両動作モードを明瞭に記載するために、図１０Ａおよび１０Bは、１次元すなわち線形アレイ位置センサ（すなわち２次元アレイの１つの列）を示し、該アレイ位置センサは、第１の反射光ビーム１０２を受光するセンサ素子１１０が示す出力を生じる。２次元アレイ位置センサ１００は、第１の反射光ビーム１０２を受光するセンサ素子１１０のアレイ象限をも示す出力を生じる。

角度θと、対物レンズ２６の出射面からの発光基準点１１２およびビーム位置センサアレイ１００間の一定距離とは、簡単な幾何学と共に、発光基準点１１２から表面６６および６８への距離を入射位置毎に決定するために用いることができる。例えば、ビーム位置センサ１１０について発光基準点１１２から第１のセンサ素子１１０ｉへ距離がＤ、各センサ素子１１０の単位長がＬ、nが第１の反射光ビーム１０２を受光するセンサ素子の位置番号（トラッキングビーム９６に最も近いセンサ素子から数える）とすると、発光基準点１１２から表面６６または６８までの距離は、式、
（Ｄ＋ｎ[Ｌ]）／（２[tanθ]）
によって決まる。図１０Ａは、位置Ａで対象物３０に当たるトラッキングビーム９６を示し、該位置での表面高さおよび層厚さ７０はそれらの変化毎で期待値に対応する。第１の反射光ビーム１０２はビーム位置センサ１００の４番目のセンサ素子１１０_４で受光され、該ビーム位置センサは発光基準点１１２から位置Ａがある対象物表面６６までの距離１１４_Ａに一致している。図１０Ｂは、位置Ｂで対象物に当たるトラッキングビーム９６を示し、該位置では表面高さおよび層厚さ７０が共に減少している。位置Ｂは、位置Ａよりよりもトラッキングビーム９６の発光基準点１１２からより遠くに離れているが、レーザシステムコントローラ５６は、ビーム位置決めシステム２２が対物レンズ２６を前記Ｚ軸に沿って移動させ、その結果、第１の反射光ビーム１０２がビーム位置センサ１００に当たる前に同じ距離を進むように、ビーム位置センサ１００の出力に応答する。ビーム位置センサ１００が対物レンズ２６に合わせて移動するので、第１の反射光ビーム１０２は、発光基準点１１２から位置Ｂがある対象物表面６６までの距離に応じた４番目のセンサ素子１１０_４で受光され、そこでの対象物３０の表面高さは、位置Ａでのそれに比較して減少する。層６０を通って図１０Ａおよび１０Ｂのビーム位置センサ１００に達する屈曲実線は、異なる媒体を通して伝搬する光へのスネルの屈折の法則の適用によって作られた実際のビーム経路を表す。（示されたビーム経路の屈曲度合は、よりはっきりと屈折の効果を示すために誇張されている。）

トラッキングレーザビーム９６が位置ＡおよびＢで表面６６に入射するとき、ビーム位置センサ１００は、第２の反射光ビーム１０６が入射する各センサ素子１１０_４および１１０_７に対応した出力信号を作り出す。レーザシステムコントローラ５６は、ビーム位置決めシステム２２がビーム経路１８に沿って対物レンズ２６を表面６６上の像カラム７６の位置を維持する軸線距離１０４に移動させるように、前記出力信号に反応する。

第２の動作モードでは、穿孔を受ける位置の近傍で測定された層６０の厚さ７０に基づいて加工ビーム２８で適用されるエネルギー量が自動的に調整されるように、レーザシステム９０は動作可能である。第１の動作モードにおけると同様に、トラッキングビーム９６は角度θで生じ、また第１の反射光ビーム１０２はビーム位置センサ１００で受光される。しかしながら、第２の動作モードでは、トラッキングビーム９６の一部は対象物表面６６に伝わり、第２の層６２の表面６８で反射し、該層は一般的に金属導体である。この第２の反射光ビーム１０６は、またビーム位置センサ１００で受光される。ビーム位置センサ１００は、連続積層対象物３０の表面６６および６８による反射されとして、トラッキングレーザビーム９６の２つの部分を受光する。

図１０Ａは、第１および第２の反射光１０２および１０６をそれぞれ受光する４番目のセンサ素子１１０_４および１０番目のセンサ素子１１０_１０を示す。距離１１４_Ｂは、基準点１１２に関する導電層６２の表面６８のための基準値である。図１０Bは、対象物３０の層６０の厚さ７０が減少する位置を越えてトラッキングビーム９６が移動するとき、第１および第２の反射光ビーム１０２および１０６間の変位距離も減少し、また4番目のセンサ素子110₄および7番目のセンサ素子110₇がそれぞれ反射光ビーム１０２および１０６を受光することを示す。図１０Ａ中の層６０の比較的大きな厚さ７０は、６つのセンサ素子１１０（センサ素子１１０_４および１１０_７間）のスパンを結果として生じているのに対し、図１０Ｂ中の減少した厚さ７０は、ほんの３つのセンサ素子１１０（センサ素子１１０_４および１１０_７間）のスパンを結果として生じているに過ぎない。複数のセンサ素子１１０間のスパンは、したがって、層６０の厚さ７０と直接比例しているので、ビーム位置センサ１１０からの出力信号は、層６０の厚さ７０を識別し、この測定された厚さ毎で適切な量の材料を対象物３０から取り除くように適用される加工ビームエネルギー量に対応した量の近傍に調整すべく、処理される。

誘電体層６０の厚さ７０の監視は、センサ素子１１０_１０中の第１の反射光ビーム１０２にフィルタをかけ、またセンサ素子１１０_４中の反射光ビーム１０６にフィルタリングをかけることによって行うことができる。上記の２重反射の実施が適切に動作しない場合、２つのビーム位置センサ１００を用い、その一方で誘電体表面６６を監視し、他方で導電体表面６８を監視することができる。第１のビーム位置センサ１００上の一方のフィルタが誘電体の反射光ビーム１０２を取り除き、第２のビーム位置センサ１００上の他方のフィルタが導電層の反射光ビーム１０８を取り除くように、各センサ１００はフィルタを有する。光偏向フィルタは、層６６および６８間の距離７０の差を検出するフィルタとして使うのに適しているであろう。

図１１は、ガウス分布の加工ビーム１２２と、レーザスポットの直径に対する対象物および対物レンズ間の軸線距離に関する加工ビーム１２４の像特性を表すグラフ１２０を示す。ガウス分布加工ビーム１２２および像特性は、加工レーザビーム２８のエネルギープロフィールの他の形態を表す。理論的な像面は、対物レンズ２６と対象物表面６６間の数学的理想距離である。この距離を得て、前記工程中を通してそれを維持することが大いに望まれる。理論的像面からの逸脱は許容できるが、加工レーザビーム２８のスポットサイズの縮小に伴い、像面８０からの許容偏差量はかなり小さくなるので、対象物３０のトポグラフィーの変化は、穿孔されたビアが品質の見地から許容できない程度にまでビアサイズを変化させはじめるかもしれない。これが、対象物のトポグラフィーに前記装置が追従するように設計される理由である。

本発明の根本原理から逸脱することなく上記の実施例の細部に多くの変更が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の請求項の記載によってのみ決定されるべきである。

対象試料のレーザ加工のために形成された従来のレーザビームシステムおよびビーム位置決めシステムを示す。 ビアがレーザ加工によって形成された後に現れる２層の連続積層対象物の部分的な断面図である。 対物レンズおよび前記対象物に関する加工レーザビームの焦点深さを示す。 加工レーザと、２つのトラッキングレーザと関連する位置検出装置が取り付けられたレーザ位置決めシステムとの実施例の正面図である。 加工レーザと、２つのトラッキングレーザおよび関連する位置検出装置が取り付けられたレーザ位置決めシステムとの実施例の平面図である。 加工レーザと、２つのトラッキングレーザおよび関連する位置検出装置が取り付けられたレーザ位置決めシステムとの実施例の側面図である。 トラッキングレーザビーム、レーザビーム位置センサおよび連続積層対象物の関連する表面を示す。 図５のシステム構成要素の代替例を示す図である。 トラッキング装置として動作する静電容量プローブまたはうず電流プローブを示す。 トラッキング装置として動作する共焦プローブを示す。 不透明対象層の厚さを測定すべく図６のレーザ三角測距装置と共同する図７の静電容量プローブまたはうず電流プローブを示す。 前記連続積層対象物上面のトラッキングビームの２つの入射領域毎のトラッキングビーム、ビーム位置センサおよび図５の積層対象物の位置関係を示す。 前記連続積層対象物の上面のトラッキングビームの２つの入射領域毎のトラッキングビーム、ビーム位置センサおよび図５の積層対象物の位置関係を示す。 異なるエネルギープロフィールを有するレーザビームと、対物レンズから対象物表面への距離との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０、９０ 加工レーザビームシステム
１２ レーザ
１８ ビーム経路
２２ ビーム位置決めシステム
２８ 加工ビーム
３０ 連続積層対象物
５６ コントローラ
６０ 誘電体層
６２ 導電層（金属層）
６４ ビア
７６ 像カラム
９６、９８ トラッキングレーザビーム
９２、９４ トラッキングレーザビーム源
１００ ビーム位置センサ
１０４ 軸線距離
１０９ａ、１０９ｂ トラッキング装置

Claims (20)

1. 表面を有する対象試料にレーザ加工を施すためのシステムであって、
   像カラムを有し前記試料に入射する加工ビーム軸に沿って伝搬する加工レーザビームを生じるように共同するレーザ源および対物レンズであって該対物レンズおよび前記対象試料が軸線距離だけ離れているレーザ源および対物レンズと、
   前記軸線距離を変更し、選ばれた位置で前記対象試料を処理すべく加工ビーム経路に沿った方角へ前記加工ビームおよび前記対象試料を相対的に動かすように動作可能なビーム位置決めシステムと、
   前記対象試料の前記表面に接触しない関係に配置され、また前記相対移動の間に前記加工ビーム経路に沿った方向へ前記加工ビームを案内すべく前記加工レーザビームに共同するように配置されるトラッキング装置であって相対移動の間に前記対象試料の前記表面と対物レンズとの間の距離をリアルタイムで繰り返して測定し、測定された距離に対応する信号を生じるように動作可能なトラッキング装置と、
   前記ビーム位置決めシステムと共同し、前記選ばれた位置で前記対象試料に関する前記像カラムの位置を制御すべく前記相対移動の間に前記対物レンズと前記対象試料とを分離する前記軸線距離を変更するために前記信号に応答するレーザコントローラとを含む、レーザ加工システム。
2. 前記トラッキング装置はレーザ三角測距装置を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記対象試料は、導電材料層を含む連続積層対象物を含み、また前記トラッキング装置は静電容量プローブを含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記対象試料は、導電材料層を含む連続積層対象物を含み、また前記トラッキング装置はうず電流プローブを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記トラッキング装置は共焦点測定装置を含む請求項１に記載のシステム。
6. 前記対象試料は、導電材料層に隣り合って配置された誘電体材料層を含む連続積層対象物を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記トラッキング装置は、トラッキングレーザビームを放出し、前記誘電体材料は少なくとも部分的に透明でありまた厚さを有し、さらに、レーザビーム位置センサを含み、該レーザビーム位置センサは、前記誘電体層の厚さの指標を提供すべく、該誘電体材料を通って伝わりまた前記導電層により反射される前記トラッキングレーザビームの一部を受光する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記加工レーザビームは加工レーザパルス流の形態であり、前記レーザコントローラは前記誘電体層に該誘電体層の厚さの決定に基づいた加工パルス数の供給を引き起こす、請求項７に記載のシステム。
9. 前記対象試料は少なくとも部分的に透明な上層を含む連続積層対象物を含み、前記トラッキング装置は、トラッキングレーザビームを放出しまたレーザビーム位置センサを含み、前記トラッキングビームの一部は前記信号を生成すべく前記レーザビーム位置センサへの入射のために前記上層から反射する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記トラッキング装置は、トラッキングレーザビームを放出し、さらに、レーザビーム位置センサを含み、前記軸線距離は、前記レーザビーム位置センサにより測定しながら、前記トラッキングレーザビームの反射の出射経路からの変位によって決定される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記対象試料は、厚さを有しビアが形成される材料層を含み、前記加工レーザビームは加工レーザパルス流の形態であり、前記トラッキング装置および前記レーザコントローラは、前記ビア形成のために前記層の厚さの測定に基づく加工レーザパルス数を前記対象試料に供給すべく共同する、請求項１に記載のシステム。
12. 前記加工レーザビームは加工レーザパルス流の形態であり、前記レーザコントローラは前記トラッキング装置による反復測定に基づいた加工レーザパルス数の前記対象試料への供給を引き起こす、請求項１に記載のシステム。
13. 前記相対運動は前記加工ビーム経路に沿って前後のいずれか一方に生じ、前記トラッキング装置は、第１のトラッキング装置を構成し、さらに、前記対象試料の前記表面に非接触の関係で配置された第２のトラッキング装置を含み、前記第１および第２のトラッキング装置は、それら各１つが前記加工ビーム経路に沿って前進および逆方向へそれぞれ前記レーザ加工ビームを案内するように、該レーザ加工ビームと作動的に関連する、請求項１に記載のシステム。
14. 前記対象試料は、光学的に非透明材料の第１の層および導電材料の第２の層であって該第２の層に隣合って前記第１の層が配置された第１および第２の層を含む連続積層対象物を含み、前記第１の層は第１の表面を有しまた前記対物レンズから第１の軸線距離を隔てられ、前記第２の層は第２の表面を有しまた前記対物レンズから第２の軸線距離を隔てられ、
    前記トラッキング装置は、レーザ三角測距装置を含む第１のトラッキング装置を構成し、さらに、静電容量プローブまたはうず電流プローブのいずれかを含む第２のトラッキング装置を含み、前記第１および第２のトラッキング装置は、前記加工ビームおよび前記対象試料間の相対的な運動中にそれぞれ前記第１および第２の軸線距離を測定する、請求項１に記載のシステム。
15. 上方誘電体および導電体の両表面を有する連続積層対象物にビアを形成するためのシステムで生成される加工レーザビームによって形成されるビアの品質を制御する方法であって、前記システムはレーザ源およびレーザビーム位置決め機構を含み、前記レーザ源は前記加工レーザビームを生成すべく対物レンズを通るビーム軸に沿って伝搬するレーザビームを放出し、前記加工レーザビームは焦点を合わされたビームカラムを有し、前記レーザビーム位置決めシステムは、前記加工レーザビームが対象材料を除去し前記連続積層対象物の選択された位置にビアを形成することを可能とすべく、前記連続積層対象物および前記加工レーザビームに相対的運動を与え、前記対物レンズは、前記連続積層対象物上または中に前記加工レーザビームの前記焦点が合わせられたビームカラムを位置させるべく前記ビーム軸に沿った方向に軸線距離を定めるために前記連続積層対象物に関して配置可能であり、前記方法は、
    トラッキングレーザビームの連続積層対象物への入射が前記誘電体表面および前記導電体表面から反射する第１および第２のビーム部分に分かれ、前記第１および第２のビーム部分は前記誘電体表面の厚さに応じた隔離距離で空間的に分離するように、連続積層対象物への入射が上部誘電体表面の領域をトラッキングすべく前記トラッキングレーザビームを方向付けること、
    前記第１および第２のビーム部分を受光し、前記離隔距離を示す信号を生じるためのビーム位置センサを配置すること、および
    リアルタイムで前記誘電体層の厚さ上または中に前記加工ビームの焦点が合ったビームカラムを維持し、これにより形成されている前記ビアの変化を制御すべく、前記信号に応答して前記対物レンズおよび前記連続積層対象物間の前記軸線距離を設定することを含む方法。
16. 対象物表面を有する対象試料をレーザ加工する方法であって、前記システムはレーザ源およびレーザビーム位置決め機構を含み、前記レーザ源は加工レーザビームを生じるべく対物レンズを通るビーム軸に沿って伝搬するレーザビームを放出し、前記加工レーザビームは焦点が合ったビームカラムを有し、前記レーザビーム位置決めシステムは、前記加工レーザビームが前記対象試料の選択された位置で対象材料を除去することを可能とすべく、前記対象試料および前記加工レーザビームに相対的運動を与え、前記対物レンズは、前記対象試料上または中に前記加工レーザビームの前記焦点が合わせられたビームカラムを位置させるべく前記ビーム軸に沿った方向に軸線距離を定めるために前記対象試料に関して配置可能であり、前記方法は、
    前記対象物表面の領域をトラッキングすべく前記対象試料の対象物表面に非接触の関係で、前記相対運動中、リアルタイムで反復して前記対象物表面および前記対物レンズ間の距離を測定し、該測定距離に対応した信号を生成するトラッキング装置を配置すること、および
    前記対象物試料上または中に前記加工ビームの前記焦点があったビームカラムをリアルタイムで維持し、これにより前記選択された位置で対象物材料の除去の変化を制御すべく、前記信号に応答して前記対物レンズおよび前記対象物間の前記軸線距離を設定することを含む、レーザ加工方法。
17. 前記トラッキング装置はレーザ三角測距装置を含む、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記対象試料は連続積層対象物を含み、該対象物は導電性材料層を含み、前記トラッキング装置は静電容量プローブを含む、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記対象物試料は連続積層対象物を含み、該対象物は導電性材料層を含み、前記トラッキング装置はうず電流プローブを含む、請求項１６に記載のシステム。
20. 前記トラッキング装置は共焦点測定装置を含む、請求項１６に記載のシステム。

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