JP2019532815A - Laser processing apparatus and method of laser processing workpiece - Google Patents

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Abstract

第1の面と該第1の面と反対側の第2の面とを有するワークピースを加工する方法は、500kHzよりも高いパルス繰り返し率で200ps未満のパルス持続時間を有する第1のレーザパルスビームを生成し、ワークピースと交差するビーム軸に沿って第1のレーザパルスビームを照射し、ビーム軸を加工軌跡に沿ってスキャンする。ビーム軸は、連続的に照射されるレーザパルスがワークピースに非ゼロバイトサイズで当たってワークピースの第1の面にフィーチャを形成するようにスキャンされる。フィーチャが1.0μm以下の平均表面粗さ(Ra)の加工済ワークピース表面を確実に有するように、バイトサイズ、パルス持続時間、パルス繰り返し率、レーザパルススポットサイズ及びレーザパルスエネルギーのような1以上のパラメータが選択される。A method of processing a workpiece having a first surface and a second surface opposite the first surface includes a first laser pulse having a pulse duration of less than 200 ps with a pulse repetition rate higher than 500 kHz. A beam is generated, a first laser pulse beam is irradiated along a beam axis that intersects the workpiece, and the beam axis is scanned along a processing locus. The beam axis is scanned such that a continuously irradiated laser pulse strikes the workpiece with a non-zero byte size to form a feature on the first surface of the workpiece. One or more such as bite size, pulse duration, pulse repetition rate, laser pulse spot size and laser pulse energy to ensure that the feature has a processed workpiece surface with an average surface roughness (Ra) of 1.0 μm or less Parameters are selected.

Description

関連出願に対する相互参照Cross-reference to related applications

本出願は、2016年7月28日に提出された米国仮特許出願第62/368,053号の利益を主張するものであり、当該米国仮特許出願はその全体が参照により組み込まれる。   This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 62 / 368,053, filed July 28, 2016, which is incorporated by reference in its entirety.

背景background

I.技術分野
本開示は、概してパルスレーザ及び高い繰り返し率を用いて材料を加工することに関するものである。
I. TECHNICAL FIELD The present disclosure relates generally to processing materials using pulsed lasers and high repetition rates.

関連出願Related applications

II.関連技術の説明
例えば、薄厚シリコンウェハダイシング、プリント回路基板(PCB)ドリリング、太陽電池の製造、及びフラットパネルディスプレイの製造をはじめとする材料加工用途は、同じような材料加工方法を用い、同じような問題を抱えている。以前の解決策は、機械的加工方法及びリソグラフィによる加工方法を用いていた。しかしながら、デバイスサイズが小さくなり、デバイスの複雑性が増加し、化学処理に環境コストがかかることから、産業界はレーザ加工方法を採用する方向に動いている。今では、典型的な波長が1μmで緑色又はUV波長に波長変換される高パワーのダイオード励起固体レーザが用いられている。一部の用途で利用されている1つの方法は、比較的速いスキャン速度で反復パスを用いてワークピースを徐々にカッティングするものである。そのような用途においては、主として3つの問題がある。すなわち、(a)加工箇所又はその近傍においてデブリが生じ、これが蓄積すること、(b)大きな熱影響部(HAZ)が生じること、(c)商業的に実現可能な、十分に高い材料除去速度を実現することである。本明細書で使用される場合には、「デブリ」という語は、レーザ加工中に(固体、液体又は気体のいずれかの形態で)加工箇所から噴出するワークピース材料を意味するものとし、リキャスト、スラッグ、再析出物などのような他の用語を用いて普通に述べられることもある。HAZは、レーザ加工中に生じた熱により、その微細構造又は他の化学的、電気的又は物理的特性が変化したワークピースの領域を意味している。
II. 2. Description of Related Art Materials processing applications such as thin silicon wafer dicing, printed circuit board (PCB) drilling, solar cell manufacturing, and flat panel display manufacturing use similar material processing methods and are similar Have a serious problem. Previous solutions used mechanical processing methods and lithographic processing methods. However, the industry is moving in the direction of adopting laser processing methods because device size is reduced, device complexity is increased, and environmental costs are associated with chemical processing. Nowadays, high-power diode-pumped solid-state lasers with a typical wavelength of 1 μm and wavelength-converted to green or UV are being used. One method that has been utilized in some applications is to gradually cut the workpiece using repetitive passes at a relatively fast scan speed. There are three main problems in such applications. That is, (a) Debris is generated and accumulated at or near the processing location, (b) Large heat affected zone (HAZ) is generated, (c) Commercially feasible sufficiently high material removal rate Is to realize. As used herein, the term “debris” shall mean workpiece material that is ejected from a processing location (in either solid, liquid, or gaseous form) during laser processing and is recast. , Slugs, redeposits, etc., and other terms are commonly used. HAZ refers to the area of the workpiece whose microstructure or other chemical, electrical or physical properties have been altered by the heat generated during laser processing.

効率的かつ高品質のレーザ加工をワークピースに対して行うために様々な選択肢が提案されており、例えば超短パルス持続時間のレーザパルスを高い繰り返し率で生成するためのレーザが用いられている。これにより比較的長いパルス幅のレーザパルスを用いる場合に比べて生成されるデブリが少なく、ワークピース内に生じるHAZが比較的小さくなる。しかしながら、高い繰り返し率で生成される超短レーザパルスを用いる方法では、依然としてデブリが生じる。ある用途においては、生じたデブリが蓄積することにより、望ましくない粗面や不均一な面が生じたり、望ましくない応力集中が生じたりする場合などにはデブリの蓄積が問題となり得る。   Various options have been proposed to perform efficient and high-quality laser machining on workpieces, for example, lasers are used to generate ultrashort pulse duration laser pulses at high repetition rates. . As a result, less debris is generated than when a laser pulse having a relatively long pulse width is used, and the HAZ generated in the workpiece is relatively small. However, debris still occurs in the method using an ultrashort laser pulse generated at a high repetition rate. In some applications, debris accumulation can be a problem when the resulting debris accumulates, resulting in undesirable rough or uneven surfaces, or undesirable stress concentrations.

従来から、加工済ワークピースを化学エッチング液に曝露することにより、あるいは加工済ワークピースを(例えばDI水からなる)超音波浴内で清浄することにより、あるいはこれに類する方法により、蓄積したデブリを除去することができる。この問題は、ワークピースを犠牲材料層でコーティングすることによっても解決することができ、この場合には、レーザ加工中に生じたデブリが犠牲層上に蓄積し、この犠牲層をレーザ加工が完了した後に除去することができる。しかしながら、そのような方法では、付加的な処理工程及び付加的な消耗材料が追加されることによってスループットが低下し、コストが上昇する。したがって、そのようなデブリを除去する必要のない解決策が好ましいものとなるであろう。   Conventionally, accumulated debris has been accumulated by exposing the processed workpiece to a chemical etchant, or by cleaning the processed workpiece in an ultrasonic bath (eg made of DI water), or similar methods. Can be removed. This problem can also be solved by coating the workpiece with a sacrificial material layer, in which case debris generated during laser processing accumulates on the sacrificial layer and the sacrificial layer is laser processed. Can be removed after. However, in such a method, additional processing steps and additional consumable materials are added, thereby reducing throughput and increasing costs. Therefore, a solution that does not require removal of such debris would be preferred.

概要Overview

本発明の一実施形態は、第1の面と、上記第1の面と反対側の第2の面とを有するワークピースを用意し、500kHzよりも高いパルス繰り返し率で200ps未満のパルス持続時間を有する第1のレーザパルスビームを生成し、上記ワークピースと交差するビーム軸に沿って上記第1のレーザパルスビームを照射し、上記ビーム軸を加工軌跡に沿ってスキャンする方法として特徴付けることができる。上記ビーム軸は、連続的に照射されるレーザパルスが上記ワークピースに非ゼロバイトサイズで当たって上記ワークピースの上記第1の面にフィーチャを形成するようにスキャンされる。上記フィーチャが1.0μm以下の平均表面粗さ(Ra)を有する加工済ワークピース表面を確実に有するように、バイトサイズ、パルス持続時間、パルス繰り返し率、レーザパルススポットサイズ及びレーザパルスエネルギーのような1以上のパラメータが選択される。   One embodiment of the present invention provides a workpiece having a first surface and a second surface opposite the first surface, with a pulse repetition rate greater than 500 kHz and a pulse duration of less than 200 ps. Characterized in that the first laser pulse beam is generated, irradiated with the first laser pulse beam along a beam axis intersecting the workpiece, and the beam axis is scanned along a processing locus. it can. The beam axis is scanned such that a continuously irradiated laser pulse strikes the workpiece with a non-zero byte size to form a feature on the first surface of the workpiece. Such as byte size, pulse duration, pulse repetition rate, laser pulse spot size and laser pulse energy to ensure that the feature has a processed workpiece surface with an average surface roughness (Ra) of 1.0 μm or less One or more parameters are selected.

ある実施形態においては、上記第1のレーザパルスビーム内の上記レーザパルスのそれぞれのパルス持続時間が、1ps以下、800fs以下、750fs以下、700fs以下、650fs以下、又は600fs以下である。   In one embodiment, the pulse duration of each of the laser pulses in the first laser pulse beam is 1 ps or less, 800 fs or less, 750 fs or less, 700 fs or less, 650 fs or less, or 600 fs or less.

ある実施形態においては、上記第1のレーザパルスビーム内の上記レーザパルスのパルス繰り返し率は、1200kHzより高いか、1250kHzより高いか、1300kHzより高いか、1400kHzより高いか、1500kHzより高いか、1600kHzより高いか、1700kHzより高いか、1800kHzより高いか、1900kHzより高いか、2000kHzより高いか、あるいは3000kHzより高い。   In one embodiment, the pulse repetition rate of the laser pulse in the first laser pulse beam is higher than 1200 kHz, higher than 1250 kHz, higher than 1300 kHz, higher than 1400 kHz, higher than 1500 kHz, 1600 kHz. It is higher, higher than 1700kHz, higher than 1800kHz, higher than 1900kHz, higher than 2000kHz, or higher than 3000kHz.

ある実施形態においては、上記平均表面粗さ(Ra)は、0.75μm以下、0.5μm以下、0.4μm以下、0.3μm以下、0.25μm以下、0.2μm以下、0.15μm以下などであるか、あるいはこれらの値のいずれかの間にある。   In an embodiment, the average surface roughness (Ra) is 0.75 μm or less, 0.5 μm or less, 0.4 μm or less, 0.3 μm or less, 0.25 μm or less, 0.2 μm or less, 0.15 μm or less, or the like Between any of the values.

一実施形態においては、上記方法は、(上記ワークピースの上記第1の面に上記フィーチャが形成された後)第2のレーザパルスビームを生成し、上記第2のレーザパルスビーム中のレーザパルスを集束させてビームウェストを生成し、上記ビームウェストが上記ワークピース内又は上記ワークピースの上記第2の面上に配置されるように、上記集束させた第2のレーザパルスビームを上記加工済ワークピース表面と交差するビーム軸に沿って照射し、上記ビームウェスト又はその近傍で上記ワークピースを加工する動作を付加的に含むものとしてさらに特徴付けることができる。一実施形態においては、上記ワークピースは、上記第1のレーザパルスビーム中のレーザパルスの波長に対してよりも、上記第2のレーザパルスビーム中のレーザパルスの波長に対してより透過的である。   In one embodiment, the method generates a second laser pulse beam (after the feature is formed on the first surface of the workpiece), and a laser pulse in the second laser pulse beam. To produce a beam waist, and the focused second laser pulse beam is applied to the processed laser beam so that the beam waist is disposed in the workpiece or on the second surface of the workpiece. It can be further characterized as including the operation of irradiating along the beam axis intersecting the workpiece surface and machining the workpiece at or near the beam waist. In one embodiment, the workpiece is more transparent to the wavelength of the laser pulse in the second laser pulse beam than to the wavelength of the laser pulse in the first laser pulse beam. is there.

図1は、本発明の一実施形態による、ワークピースを加工するための装置を模式的に示している。FIG. 1 schematically shows an apparatus for processing a workpiece according to an embodiment of the present invention. 図2及び図3は、シリコンウェハに形成されたトレンチの(上面から撮影した)顕微鏡写真を示している。2 and 3 show photomicrographs (taken from the top) of the trenches formed in the silicon wafer. 図2及び図3は、シリコンウェハに形成されたトレンチの(上面から撮影した)顕微鏡写真を示している。2 and 3 show photomicrographs (taken from the top) of the trenches formed in the silicon wafer. 図4は、それぞれシリコンウェハの表面に形成された1組の交差スクライブラインを含むレーザ加工済フィーチャの(上面から撮影した)顕微鏡写真を示している。FIG. 4 shows micrographs (taken from the top) of laser processed features each containing a set of intersecting scribe lines formed on the surface of the silicon wafer. 図5は、異なるパルス繰り返し率でレーザパルスをスキャンビーム軸に沿って伝搬させることにより、シリコンウェハに形成されたトレンチ内の加工済ワークピース表面の平均表面粗さ(Ra)と、トレンチ形成プロセス中の材料除去速度との関係を、バイトサイズ及びフルエンスの関数として示す1組のグラフを示している。FIG. 5 illustrates the average surface roughness (Ra) of the processed workpiece surface in the trench formed in the silicon wafer and the trench formation process by propagating laser pulses along the scan beam axis at different pulse repetition rates. FIG. 4 shows a set of graphs showing the relationship between the material removal rate as a function of byte size and fluence. 図6は、ある特性を有する加工済ワークピース表面を形成することとなる、シリコンウェハにトレンチを形成するためのプロセスウィンドウを示す1組のグラフを示している。FIG. 6 shows a set of graphs illustrating a process window for forming a trench in a silicon wafer that will result in a processed workpiece surface having certain characteristics. 図7は、滑らかな加工済ワークピース表面を生成する方法でトレンチを形成するように加工されたシリコンウェハの(側断面から撮影した)顕微鏡写真を示している。FIG. 7 shows a photomicrograph (taken from a side cross-section) of a silicon wafer that has been processed to form trenches in a manner that produces a smooth processed workpiece surface. 図8A及び図8Bは、シリコンウェハの内側にトレンチクラックを形成するようにシリコンウェハがさらに加工された後の図7に示される加工済シリコンウェハの(側断面から撮影した)顕微鏡写真を示している。図8Aは、図7に示されるトレンチの幅を横断する図を示している。8A and 8B show micrographs (taken from the side cross-section) of the processed silicon wafer shown in FIG. 7 after the silicon wafer has been further processed to form trench cracks inside the silicon wafer. Yes. FIG. 8A shows a view across the width of the trench shown in FIG. 図8A及び図8Bは、シリコンウェハの内側にトレンチクラックを形成するようにシリコンウェハがさらに加工された後の図7に示される加工済シリコンウェハの(側断面から撮影した)顕微鏡写真を示している。図8Bは、図7に示されるトレンチの長さ方向に沿った図である。8A and 8B show micrographs (taken from the side cross-section) of the processed silicon wafer shown in FIG. 7 after the silicon wafer has been further processed to form trench cracks inside the silicon wafer. Yes. FIG. 8B is a view along the length direction of the trench shown in FIG. 図9A〜図9Dは、ある実施形態におけるワークピースを加工するための方法を示している。9A-9D illustrate a method for machining a workpiece in one embodiment. 図9A〜図9Dは、ある実施形態におけるワークピースを加工するための方法を示している。9A-9D illustrate a method for machining a workpiece in one embodiment. 図9A〜図9Dは、ある実施形態におけるワークピースを加工するための方法を示している。9A-9D illustrate a method for machining a workpiece in one embodiment. 図9A〜図9Dは、ある実施形態におけるワークピースを加工するための方法を示している。9A-9D illustrate a method for machining a workpiece in one embodiment.

詳細な説明Detailed description

本明細書においては、実施形態の例が添付図面を参照して述べられる。明確にそうでないことが記載されていない限り、図面においては、コンポーネント、フィーチャ、要素などのサイズや位置など、またそれらの間の距離は、必ずしも縮尺通りではなく、明確にするために誇張されている。   In this specification, examples of embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. Unless explicitly stated otherwise, in the drawings, the size and position of components, features, elements, etc., and the distances between them, are not necessarily to scale and are exaggerated for clarity. Yes.

明細書において使用される用語は、特定の例示的な実施形態を説明するためだけのものであり、限定を意図しているものではない。本明細書で使用される場合には、内容が明確にそうではないことを示している場合を除き、単数形は複数形を含むことを意図している。さらに、「備える」及び/又は「備えている」という用語は、本明細書で使用されている場合には、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び/又はコンポーネントの存在を特定するものであるが、1つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び/又はそのグループの存在又は追加を排除するものではないことを理解すべきである。特に示している場合を除き、値の範囲が記載されているときは、その範囲は、その範囲の上限と下限の間にあるサブレンジだけではなく、その上限及び下限を含むものである。特に示している場合を除き、「第1」や「第2」などの用語は、要素を互いに区別するために使用されているだけである。例えば、あるノードを「第1のノード」と呼ぶことができ、同様に別のノードを「第2のノード」と呼ぶことができ、あるいはこれと逆にすることもできる。本明細書において使用されるセクション見出しは、整理のためだけのものであり、述べられた主題を限定するものと解釈すべきではない。   The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, the singular forms are intended to include the plural unless the content clearly dictates otherwise. Further, the terms “comprising” and / or “comprising”, as used herein, identify the presence of the stated feature, integer, step, action, element, and / or component. It should be understood, however, that it does not exclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof. Except as otherwise noted, when a range of values is stated, the range includes not only the subrange between the upper and lower limits of the range, but also the upper and lower limits. Except where specifically indicated, terms such as “first” and “second” are only used to distinguish elements from each other. For example, one node can be referred to as a “first node”, and another node can be referred to as a “second node”, or vice versa. The section headings used herein are for organizational purposes only and are not to be construed as limiting the subject matter described.

特に示されている場合を除き、「約」や「その前後」などの用語は、量、サイズ、配合、パラメータ、及び他の数量及び特性が、正確ではなく、また正確である必要がなく、必要に応じて、あるいは許容誤差、換算係数、端数計算、測定誤差など、及び当業者に知られている他のファクタを反映して、概数であってもよく、さらに/あるいは大きくても小さくてもよいことを意味している。   Except where specifically indicated, terms such as “about” and “before and after” are not accurate and need not be accurate in terms of quantity, size, formulation, parameters, and other quantities and characteristics, It may be rounded and / or larger and / or smaller as required or to reflect tolerances, conversion factors, fractional calculations, measurement errors, and other factors known to those skilled in the art. Means good.

本明細書において、「下方」、「下」、「下側」、「上方」、及び「上側」などの空間的に相対的な用語は、図に示されるような、ある要素又は特徴の他の要素又は特徴に対する関係を述べる際に説明を容易にするために使用され得るものである。空間的に相対的な用語は、図において示されている方位に加えて異なる方位を含むことを意図するものであることは理解すべきである。例えば、他の要素又は特徴の「下方」又は「下」にあるとして説明される要素は、図中の対象物が反転した場合には、他の要素又は特徴の「上方」を向くことになる。このように、「下方」という例示的な用語は、上方及び下方の方位の双方を含み得るものである。対象物が他の方位を向く場合(例えば90度回転される場合や他の方位にある場合)には、本明細書において使用される空間的に相対的な記述子はこれに応じて解釈され得る。   As used herein, spatially relative terms such as “lower”, “lower”, “lower”, “upper”, and “upper” refer to other elements or features as shown in the figures. Can be used for ease of explanation when describing relationships to elements or features. It should be understood that spatially relative terms are intended to include different orientations in addition to those shown in the figures. For example, an element described as being “below” or “below” another element or feature will be directed “above” the other element or feature if the object in the figure is flipped . Thus, the exemplary term “downward” is intended to include both upper and lower orientations. If the object is oriented in another direction (for example, rotated 90 degrees or in another direction), the spatially relative descriptors used in this document are interpreted accordingly. obtain.

図面を通して同様の数字は同様の要素を意味している。このため、同一又は類似の数字は、対応する図面で言及又は説明されていない場合であっても、他の図面を参照して述べられることがある。また、参照番号の付されていない要素であっても、他の図面を参照して述べられることがある。   Like numerals refer to like elements throughout the drawings. Thus, the same or similar numbers may be described with reference to other drawings, even if not mentioned or described in the corresponding drawings. In addition, even elements that are not given reference numerals may be described with reference to other drawings.

本開示の精神及び教示を逸脱することなく、多くの異なる形態、実施形態及び組み合わせが考えられ、本開示を本明細書で述べた実施形態の例に限定して解釈すべきではないことは理解できよう。むしろ、これらの例及び実施形態は、本開示が完全かつすべてを含むものであって、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されるものである。   It is understood that many different forms, embodiments, and combinations are possible without departing from the spirit and teachings of the present disclosure and that the present disclosure should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. I can do it. Rather, these examples and embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the disclosure to those skilled in the art.

I.概説
本明細書において述べられる実施形態は、概して、レーザを用いた加工(本明細書においてはワークピースのレーザ加工、レーザでの加工、あるいは最も簡単に「加工」ともいう)のための方法及び装置に関するものである。一般的に、レーザ放射でワークピースを照射して、ワークピースを加熱したり、溶融したり、蒸発させたり、アブレートしたり、クラックしたり、研磨したりするなどにより加工の全体又は一部が行われる。図示された装置により行われ得るプロセスの具体的な例としては、ビアドリリング、スクライビング、ダイシング、エングレービングなどが挙げられる。このように、加工の結果として、ワークピース上に、あるいはワークピース内に形成され得るフィーチャは、開口、ビア(例えば、非貫通ビア、貫通ビア、スロットビア)、溝、トレンチ、スクライブライン、切溝、凹部など、あるいはこれらを任意に組み合わせたものを含み得る。
I. Overview The embodiments described herein generally include a method for laser processing (herein also referred to as laser processing of a workpiece, processing with a laser, or most simply “processing”) and It relates to the device. Generally, the whole or part of the processing is performed by irradiating the workpiece with laser radiation to heat, melt, evaporate, ablate, crack, or polish the workpiece. Done. Specific examples of processes that can be performed by the illustrated apparatus include via drilling, scribing, dicing, engraving and the like. Thus, features that can be formed on or in the workpiece as a result of processing include openings, vias (eg, non-through vias, through vias, slot vias), grooves, trenches, scribe lines, cuts, and the like. It may include grooves, recesses, etc., or any combination thereof.

加工可能なワークピースは、金属、高分子、セラミック、あるいはこれらを任意に組み合わせたものとして包括的に特徴付けることができる。加工可能なワークピースの具体例としては、集積回路(IC)、ICパッケージ(ICP)、発光ダイオード(LED)、LEDパッケージ、半導体ウェハ、電子又は光学デバイス基板(例えば、Al2O3、AlN、BeO、Cu、GaAS、GaN、Ge、InP、Si、SiO2、SiC、Si1-xGex(0.0001<x<0.9999)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの又はその合金から形成される基板)、プラスチック、ガラス(例えば、非強化ガラス又は熱強化ガラス又は化学強化ガラス又はその他)、石英、サファイヤ、プラスチック、シリコンなどから形成される物が挙げられる。したがって、加工できる材料は、1以上の金属(例えば、Al、Ag、Au、Cu、Fe、In、Mg、Pt、Sn、Tiなど、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの又はこれらの合金)、導電性金属酸化物(例えばITOなど)、透明な導電性ポリマー、セラミック、ワックス、樹脂、基板材料(例えば、Al2O3、AlN、BeO、Cu、GaAs、GaN、Ge、InP、Si、SiO2、SiC、Si1-xGexなど、又はこれらの組み合わせ又はこれらの合金)、(例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもののように層間誘電体構造として用いられる)無機誘電材料、low-k誘電体材料(例えば、メチルシルセスキオキサン(MSQ)、水素シルセスキオキサン(HSQ)、フッ化オルトケイ酸テトラエチル(FTEOS)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの)、有機誘電体材料(例えば、SILK、ベンゾシクロブテン、Nautilus(いずれもDow社により製造される)、ポリフルオロテトラエチレン(DuPont社により製造される)、FLARE(Allied Chemical社により製造される)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの)、ファイバガラス、高分子材料(ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、改質ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、アクリロニトリルブタジエンスチレン、及びこれらの任意の化合物、複合物、又は混ぜ物)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたものを含んでいる。 Workable workpieces can be comprehensively characterized as metals, polymers, ceramics, or any combination thereof. Specific examples of workable workpieces include integrated circuits (IC), IC packages (ICP), light emitting diodes (LEDs), LED packages, semiconductor wafers, electronic or optical device substrates (eg, Al 2 O 3 , AlN, A substrate formed of BeO, Cu, GaAS, GaN, Ge, InP, Si, SiO 2 , SiC, Si 1-x Ge x (0.0001 <x <0.9999), or any combination thereof or an alloy thereof ), Plastic, glass (eg, non-tempered glass or heat tempered glass or chemically tempered glass or others), quartz, sapphire, plastic, silicon and the like. Therefore, the material that can be processed is one or more metals (for example, Al, Ag, Au, Cu, Fe, In, Mg, Pt, Sn, Ti, etc., or any combination thereof or an alloy thereof), conductive Metal oxides (eg ITO), transparent conductive polymers, ceramics, waxes, resins, substrate materials (eg Al 2 O 3 , AlN, BeO, Cu, GaAs, GaN, Ge, InP, Si, SiO 2 , SiC, Si 1-x Ge x, etc., or combinations or alloys thereof) (for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, etc., or any combination thereof) Inorganic dielectric materials used, low-k dielectric materials (eg, methyl silsesquioxane (MSQ), hydrogen silsesquioxane (HSQ), tetraethyl fluoroorthosilicate (FTEOS), etc., or any combination thereof Food) Organic dielectric materials (eg SILK, benzocyclobutene, Nautilus (all manufactured by Dow), polyfluorotetraethylene (manufactured by DuPont), FLARE (manufactured by Allied Chemical), etc. Or any combination of these), fiber glass, polymer materials (polyamide, polyimide, polyester, polyacetal, polycarbonate, modified polyphenylene ether, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyethersulfone, polyetherimide, polyetherether) Ketones, liquid crystal polymers, acrylonitrile butadiene styrene, and any compounds, composites, or mixtures thereof), or any combination thereof.

II.システム−概説
図1は、本発明の一実施形態による、ワークピースを加工するための装置を模式的に示している。
II. System-Overview FIG. 1 schematically illustrates an apparatus for processing a workpiece, according to one embodiment of the present invention.

図1に示される実施形態を参照すると、ワークピース102を加工するための装置100は、レーザパルスを生成するためのレーザ源104と、第1のポジショナ106と、第2のポジショナ108と、第3のポジショナ110と、スキャンレンズ112と、コントローラ114とを含んでいる。以下の説明を考慮すると、装置100が第2のポジショナ108を含む場合には、第1のポジショナ106を含めることは任意的なものである(すなわち、装置100は第1のポジショナ106を含む必要がない)ことを理解すべきである。同様に、装置100が第1のポジショナ106を含む場合には、第2のポジショナ108を含めることは任意的なものである(すなわち、装置100は第2のポジショナ108を含む必要がない)ことを理解すべきである。最後に、第3のポジショナ110を含めることは任意的なものである(すなわち、装置100は第3のポジショナ108を含む必要がない)ことを同様に理解すべきである。   Referring to the embodiment shown in FIG. 1, an apparatus 100 for processing a workpiece 102 includes a laser source 104 for generating laser pulses, a first positioner 106, a second positioner 108, and a first positioner. 3 positioners 110, a scan lens 112, and a controller 114. In view of the following description, including the first positioner 106 is optional if the device 100 includes the second positioner 108 (ie, the device 100 needs to include the first positioner 106). It should be understood. Similarly, if the device 100 includes the first positioner 106, the inclusion of the second positioner 108 is optional (ie, the device 100 need not include the second positioner 108). Should be understood. Finally, it should be understood that the inclusion of the third positioner 110 is optional (ie, the device 100 need not include the third positioner 108).

図示はされていないが、装置100は、レーザ源104により生成されたレーザパルスをスキャンレンズ112に至る1以上のビーム経路(例えば、ビーム経路116)に沿って集束し、拡大し、コリメートし、成形し、偏光し、フィルタし、分割し、結合し、クロップし、あるいは改質し、調整し、方向付けるための1以上の光学要素(例えば、ビームエキスパンダ、ビーム整形器、アパーチャ、高調波発生結晶、フィルタ、コリメータ、レンズ、ミラー、偏光器、波長板、回折光学素子など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの)も含んでいる。米国特許第4,912,487号、第5,633,747号、第5,638,267号、第5,751,585号、第5,847,960号、第5,917,300号、第6,314,473号、第6,430,465号、第6,700,600号、第6,706,998号、第6,706,999号、第6,816,294号、第6,947,454号、第7,019,891号、第7,027,199号、第7,133,182号、第7,133,186号、第7,133,187号、第7,133,188号、第7,245,412号、第7,259,354号、第7,611,745号、第7,834,293号、第8,026,158号、第8,076,605号、第8,158,493号、第8,288,679号、第8,404,998号、第8,497,450号、第8,648,277号、第8,680,430号、第8,847,113号、第8,896,909号、第8,928,853号又は上述の米国特許出願公開第2014/0026351号、第2014/0197140号、第2014/0263201号、第2014/0263212号、第2014/0263223号、第2014/0312013号、又はドイツ連邦特許第DE102013201968B4号、又は国際特許公開第WO2009/087392号、あるいはこれらを任意に組み合わせたものに開示されているように、上記のコンポーネントのうち1つ以上を設けてもよく、あるいは、装置100が1以上の付加的なコンポーネントを含んでいてもよいこともさらに理解できよう。これらの公報のそれぞれは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。   Although not shown, the apparatus 100 focuses, expands, collimates, and laser pulses generated by the laser source 104 along one or more beam paths (eg, beam path 116) to the scan lens 112, One or more optical elements (eg, beam expanders, beam shapers, apertures, harmonics) for shaping, polarizing, filtering, splitting, combining, cropping, modifying, adjusting, and directing Generating crystal, filter, collimator, lens, mirror, polarizer, wave plate, diffractive optical element, or any combination thereof). U.S. Patent Nos. 4,912,487, 5,633,747, 5,638,267, 5,751,585, 5,847,960, 5,917,300, 6,314,473, 6,430,465, 6,700,600, 6,706,998, 6,706,999, 6,816,294 No. 6,947,454, No. 7,019,891, No. 7,027,199, No. 7,133,182, No. 7,133,186, No. 7,133,187, No. 7,133,188, No. 7,245,412, No. 7,259,354, No. 7,611,745, No. 7,834,8,8,8 No. 8,158,493, No. 8,288,679, No. 8,404,998, No. 8,497,450, No. 8,648,277, No. 8,680,430, No. 8,847,113, No. 8,896,909, No. 8,928,853 or the above-mentioned U.S. Patent Application Publication No. 2014/0026351, 2014/0197140, 2014/0263201, 2014/0263212, 2014/0263223, 2014/0312013, or German Federal Patent DE102013201968B4, or International Patent Publication WO2009 / 087392, or these As disclosed in any combination of the above It may be provided with one or more of cement, or could further understood that the apparatus 100 may comprise one or more additional components. Each of these publications is incorporated herein by reference in its entirety.

スキャンレンズ112を通って伝搬するレーザパルスは、ビーム軸に沿って伝搬してワークピース102に照射される。ワークピース102に照射されたレーザパルスは、ガウス形又は整形された形(例えば、「トップハット形」)の空間強度プロファイルを有するものとして特徴付けられていてもよい。空間強度プロファイルは、ビーム軸(又はビーム経路116)に沿って伝搬するレーザパルスの断面形状としても特徴付けられていてもよい。この断面形状は、円形、楕円形、矩形、三角形、六角形、リング型などであってもよく、あるいは任意の形状であってもよい。加えて、そのように照射されたレーザパルスは、2μmから200μmの範囲のスポットサイズでワークピース102に照射され得る。本明細書で使用される場合には、「スポットサイズ」という用語は、照射レーザパルスによって加工されるワークピース102の領域(「加工箇所」、「プロセススポット」、「スポット位置」又はより単純に「スポット」とも呼ばれる)をビーム軸が横切る位置での照射レーザパルスの直径又は空間的幅を意味する。本明細書における議論に関しては、スポットサイズは、ビーム軸から光強度がビーム軸における光強度の1/e2に低下するところまでの径方向距離又は横断距離として測定される。一般的に、レーザパルスのスポットサイズは、ビームウェストで最小になる。しかしながら、スポットサイズを2μmよりも小さくでき、あるいは200μmよりも大きくできることは理解できよう。このように、ワークピース102に照射される少なくとも1つのレーザパルスは、2μm、3μm、5μm、7μm、10μm、15μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、80μm、100μm、150μm、200μmなどよりも小さいスポットサイズ、これらよりも大きいスポットサイズ、これらと等しいスポットサイズ、あるいはこれらの値のいずれかの間のスポットサイズを有することができる。一実施形態においては、ワークピース102に照射されるレーザパルスは、25μmから60μmの範囲のスポットサイズを有し得る。他の実施形態においては、ワークピース102に照射されるレーザパルスは、35μmから50μmの範囲のスポットサイズを有し得る。 Laser pulses propagating through the scan lens 112 propagate along the beam axis and irradiate the workpiece 102. The laser pulse applied to the workpiece 102 may be characterized as having a Gaussian or shaped (eg, “top hat”) spatial intensity profile. The spatial intensity profile may also be characterized as the cross-sectional shape of the laser pulse propagating along the beam axis (or beam path 116). The cross-sectional shape may be a circle, an ellipse, a rectangle, a triangle, a hexagon, a ring shape, or any other shape. In addition, the laser pulses so irradiated can irradiate the workpiece 102 with a spot size in the range of 2 μm to 200 μm. As used herein, the term “spot size” refers to the area of the workpiece 102 (“work spot”, “process spot”, “spot position” or more simply processed by the irradiating laser pulse). It means the diameter or spatial width of the irradiating laser pulse at a position where the beam axis crosses (also called “spot”). For the discussion herein, the spot size is measured as the radial or transverse distance from the beam axis to where the light intensity drops to 1 / e 2 of the light intensity at the beam axis. In general, the spot size of the laser pulse is minimized at the beam waist. However, it will be understood that the spot size can be smaller than 2 μm or larger than 200 μm. In this way, at least one laser pulse irradiated to the workpiece 102 is 2 μm, 3 μm, 5 μm, 7 μm, 10 μm, 15 μm, 30 μm, 35 μm, 40 μm, 45 μm, 50 μm, 55 μm, 80 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm, etc. Can have a smaller spot size, a larger spot size, a spot size equal to these, or a spot size between any of these values. In one embodiment, the laser pulse applied to the workpiece 102 may have a spot size in the range of 25 μm to 60 μm. In other embodiments, the laser pulse applied to the workpiece 102 may have a spot size in the range of 35 μm to 50 μm.

A.レーザ源
一般的に、レーザ源104はレーザパルスを生成することができる。このため、レーザ源104は、パルスレーザ源、QCWレーザ源、又はCWレーザ源を含み得る。レーザ源104がQCWレーザ源又はCWレーザ源を含む場合、レーザ源104は、QCWレーザ源又はCWレーザ源から出力されるレーザ放射のビームを時間的に変調するパルスゲーティングユニット(例えば、音響光学(AO)変調器(AOM)、ビームチョッパなど)をさらに含み得る。図示されていないが、装置100は、レーザ源104により出力される光の波長を変換するように構成される1以上の高調波発生結晶(「波長変換結晶」としても知られている)を必要に応じて含むことができる。したがって、ワークピース102に最終的に照射されるレーザパルスは、紫外光(UV)、可視光(例えば緑色)、赤外光(IR)、近赤外光(NIR)、短波長赤外光(SWIR)、中波長赤外光(MWIR)、又は長波長赤外光(LWIR)の範囲の電磁スペクトル、あるいはこれらを任意に組み合わせたもののうち1つ以上における1以上の波長を有するものとして特徴付けられていてもよい。
A. Laser Source Generally, the laser source 104 can generate laser pulses. Thus, the laser source 104 can include a pulsed laser source, a QCW laser source, or a CW laser source. If the laser source 104 includes a QCW laser source or a CW laser source, the laser source 104 may be a pulse gating unit (eg, acousto-optic) that temporally modulates the beam of laser radiation output from the QCW laser source or CW laser source. (AO) modulator (AOM), beam chopper, etc.). Although not shown, the apparatus 100 requires one or more harmonic generation crystals (also known as “wavelength conversion crystals”) configured to convert the wavelength of the light output by the laser source 104. Can be included. Therefore, the laser pulse finally irradiated to the workpiece 102 is ultraviolet light (UV), visible light (for example, green), infrared light (IR), near infrared light (NIR), short wavelength infrared light ( SWIR), characterized as having one or more wavelengths in one or more of the electromagnetic spectrum in the range of mid-wavelength infrared light (MWIR), or long-wavelength infrared light (LWIR), or any combination thereof It may be done.

レーザ源104により出力されるレーザパルスは、30fsから500psの範囲にあるパルス幅又はパルス持続時間(すなわち、時間に対する光パワーの半値全幅(FWHM)に基づく)を有することができる。しかしながら、パルス持続時間を10fsよりも短くしてもよく、あるいは500psよりも長くしてもよいことは理解できよう。このように、レーザ源104により出力される少なくとも1つのレーザパルスは、10fs、15fs、30fs、50fs、75fs、100fs、150fs、200fs、300fs、500fs、700fs、750fs、800fs、850fs、900fs、1ps、2ps、3ps、4ps、5ps、7ps、10ps、15ps、25ps、50ps、75ps、100ps、200ps、500psなどよりも短いパルス持続時間、これらよりも長いパルス持続時間、これらと等しいパルス持続時間、あるいはこれらの値のいずれかの間のパルス持続時間を有することができる。一実施形態においては、レーザ源104により出力されるレーザパルスは、10fsから1psの範囲にあるパルス持続時間を有している。他の実施形態においては、レーザ源104により出力されるレーザパルスは、500fsから900fsの範囲にあるパルス持続時間を有している。   The laser pulses output by the laser source 104 can have a pulse width or pulse duration in the range of 30 fs to 500 ps (ie, based on the full width at half maximum (FWHM) of optical power over time). However, it will be appreciated that the pulse duration may be shorter than 10 fs or longer than 500 ps. In this way, at least one laser pulse output from the laser source 104 is 10fs, 15fs, 30fs, 50fs, 75fs, 100fs, 150fs, 200fs, 300fs, 500fs, 700fs, 750fs, 800fs, 850fs, 900fs, 1ps, 2 ps, 3 ps, 4 ps, 5 ps, 7 ps, 10 ps, 15 ps, 25 ps, 50 ps, 75 ps, 100 ps, 200 ps, 500 ps, shorter pulse durations, longer pulse durations, pulse durations equal to these, or these Can have a pulse duration between any of the values. In one embodiment, the laser pulse output by the laser source 104 has a pulse duration in the range of 10 fs to 1 ps. In other embodiments, the laser pulse output by the laser source 104 has a pulse duration in the range of 500 fs to 900 fs.

レーザ源104により出力されるレーザパルスは、100mWから50kWの範囲にある平均パワーを有することができる。しかしながら、平均パワーを100mWよりも小さくしてもよく、あるいは50kWよりも大きくしてもよいことは理解できよう。このように、レーザ源104により出力されるレーザパルスは、100mW、300mW、500mW、800mW、1W、2W、3W、4W、5W、6W、7W、10W、15W、25W、30W、50W、60W、100W、150W、200W、250W、500W、2kW、3kW、20kW、50kWなどよりも大きいか等しい平均パワー、あるいはこれらの値のいずれかの間の平均パワーを有することができる。   The laser pulse output by the laser source 104 can have an average power in the range of 100 mW to 50 kW. However, it will be appreciated that the average power may be less than 100 mW or greater than 50 kW. Thus, the laser pulses output from the laser source 104 are 100 mW, 300 mW, 500 mW, 800 mW, 1 W, 2 W, 3 W, 4 W, 5 W, 6 W, 7 W, 10 W, 15 W, 25 W, 30 W, 50 W, 60 W, 100 W. , 150 W, 200 W, 250 W, 500 W, 2 kW, 3 kW, 20 kW, 50 kW, etc., or have an average power greater than or equal to, or an average power between any of these values.

レーザ源104によりレーザパルスを5kHzから1GHzの範囲にあるパルス繰り返し率で出力することができる。しかしながら、パルス繰り返し率は、5kHzより低くてもよく、あるいは1GHzよりも高くてもよいことは理解できよう。このように、レーザ源104によりレーザパルスを、5kHz、50kHz、100kHz、250kHz、500kHz、800kHz、900kHz、1MHz、1.5MHz、1.8MHz、1.9MHz、2MHz、2.5MHz、3MHz、4MHz、5MHz、10MHz、20MHz、50MHz、70MHz、100MHz、150MHz、200MHz、250MHz、300MHz、350MHz、500MHz、550MHz、700MHz、900MHz、2GHz、10GHzなどよりも低いパルス繰り返し率、これらよりも高い繰り返し率、これらと等しいパルス繰り返し率、あるいはこれらの値のいずれかの間のパルス繰り返し率で出力することができる。ある実施形態においては、パルス繰り返し率は1.5MHzから10MHzの範囲であり得る。   Laser pulses can be output by the laser source 104 at a pulse repetition rate in the range of 5 kHz to 1 GHz. However, it will be appreciated that the pulse repetition rate may be lower than 5 kHz or higher than 1 GHz. Thus, the laser pulse is generated by the laser source 104 at 5 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 250 kHz, 500 kHz, 800 kHz, 900 kHz, 1 MHz, 1.5 MHz, 1.8 MHz, 1.9 MHz, 2 MHz, 2.5 MHz, 3 MHz, 4 MHz, 5 MHz, 10 MHz, Pulse repetition rate lower than 20MHz, 50MHz, 70MHz, 100MHz, 150MHz, 200MHz, 250MHz, 300MHz, 350MHz, 500MHz, 550MHz, 700MHz, 900MHz, 2GHz, 10GHz, etc., higher repetition rates, equal pulse repetition rates Or a pulse repetition rate between any of these values. In some embodiments, the pulse repetition rate can range from 1.5 MHz to 10 MHz.

波長、パルス持続時間、平均パワー及びパルス繰り返し率に加えて、ワークピース102に照射されるレーザパルスは、パルスエネルギー、ピークパワーなどのような1以上の他の特性により特徴付けることができる。このレーザパルスは、1以上の所望の特性を有する1以上のフィーチャを形成するようにワークピース102又はそのコンポーネントを加工するのに十分な(W/cm2で測定される)光強度、(J/cm2で測定される)フルエンスなどでプロセススポットにおいてワークピース102を照射するための1以上の他の特性に基づいて選択することができる。そのような他のパラメータの例としては、ワークピース102の材料特性、バイトサイズ、所望の加工スループットなど、あるいはこれらを任意に組み合わせたものに加え、波長、パルス持続時間、平均パワー及びパルス繰り返し率などの上述した特性のうち1つ以上のものが挙げられる。本明細書で使用される場合には、「バイトサイズ」という用語は、連続的に照射されるレーザパルスが当たるスポット領域間の中心間距離を意味している。 In addition to wavelength, pulse duration, average power, and pulse repetition rate, the laser pulse irradiated to the workpiece 102 can be characterized by one or more other characteristics such as pulse energy, peak power, and the like. The laser pulse is a light intensity (measured in W / cm 2 ) sufficient to process the workpiece 102 or its components to form one or more features having one or more desired characteristics (J It can be selected based on one or more other characteristics for illuminating the workpiece 102 at the process spot, such as at fluence (measured at / cm 2 ). Examples of such other parameters include the material properties of workpiece 102, bite size, desired processing throughput, etc., or any combination thereof, wavelength, pulse duration, average power and pulse repetition rate. One or more of the above-described characteristics such as As used herein, the term “byte size” refers to the center-to-center distance between spot areas that are struck by continuously irradiated laser pulses.

例えば、ワークピース102に照射されるレーザパルスは、1μJから20μJの範囲にあるパルスエネルギーを有し得る。一実施形態においては、照射されるいずれのレーザパルスも2μJから10μJの範囲にあるパルスエネルギーを有し得る。他の実施形態においては、照射されるいずれのレーザパルスも3μJから6μJの範囲にあるパルスエネルギーを有し得る。しかしながら、照射されるレーザパルスのパルスエネルギーは、1μJよりも低くてもよく、あるいは20μJよりも高くてもよいことは理解できよう。他の例においては、ワークピース102に照射されるレーザパルスは、1μJから20μJの範囲にあるフルエンスを有し得る。一実施形態においては、照射されるいずれのレーザパルスも2μJから10μJの範囲にあるパルスエネルギーを有し得る。他の実施形態においては、照射されるいずれのレーザパルスも2μJから6μJの範囲にあるパルスエネルギーを有し得る。しかしながら、照射されるレーザパルスのパルスエネルギーは、1μJよりも低くてもよく、あるいは20μJよりも高くてもよいことは理解できよう。   For example, a laser pulse applied to workpiece 102 may have a pulse energy in the range of 1 μJ to 20 μJ. In one embodiment, any laser pulse irradiated can have a pulse energy in the range of 2 μJ to 10 μJ. In other embodiments, any laser pulse irradiated may have a pulse energy in the range of 3 μJ to 6 μJ. However, it will be understood that the pulse energy of the irradiated laser pulse may be lower than 1 μJ or higher than 20 μJ. In other examples, the laser pulse applied to the workpiece 102 may have a fluence in the range of 1 μJ to 20 μJ. In one embodiment, any laser pulse irradiated can have a pulse energy in the range of 2 μJ to 10 μJ. In other embodiments, any laser pulse irradiated may have a pulse energy in the range of 2 μJ to 6 μJ. However, it will be understood that the pulse energy of the irradiated laser pulse may be lower than 1 μJ or higher than 20 μJ.

レーザ源104を特徴付け得るレーザの種類の例としては、ガスレーザ(例えば、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、エキシマレーザなど)、固体レーザ(例えば、Nd:YAGレーザなど)、ロッドレーザ、ファイバレーザ、フォトニック結晶ロッド/ファイバレーザ、パッシブモードロック固体バルク又はファイバレーザ、色素レーザ、モードロックダイオードレーザ、パルスレーザ(例えば、msパルスレーザ、nsパルスレーザ、psパルスレーザ、fsパルスレーザ)、CWレーザ、QCWレーザなど、あるいはこれらを任意に組み合わせたものが挙げられる。レーザ源104として提供され得るレーザ源の具体例としては、EOLITE社により製造されるBOREAS、HEGOA、SIROCCO又はCHINOOKシリーズのレーザ、PYROPHOTONICS社により製造されるPYROFLEXシリーズのレーザ、COHERENT社により製造されるPALADIN Advanced 355又はDIAMONDシリーズのレーザ、TRUMPF社により製造されるTRUFLOWシリーズのレーザ(例えば、TRUFLOW 2000、2700、3200、3600、4000、5000、6000、7000、8000、10000、12000、15000、20000)、TRUDISKシリーズ、TRUPULSEシリーズ、TRUDIODEシリーズ、TRUFIBERシリーズ、又はTRUMICROシリーズのレーザ、IMRA AMERICA社により製造されるFCPAμJEWEL又はFEMTOLITEシリーズのレーザ、AMPLITUDE SYSTEMES社により製造されるTANGERINE及びSATSUMAシリーズのレーザ(及びMIKAN及びT-PULSEシリーズの発振器)、IPG PHOTONICS社により製造されるCLシリーズ、CLPFシリーズ、CLPNシリーズ、CLPNTシリーズ、CLTシリーズ、ELMシリーズ、ELPFシリーズ、ELPNシリーズ、ELPPシリーズ、ELRシリーズ、ELSシリーズ、FLPNシリーズ、FLPNTシリーズ、FLTシリーズ、GLPFシリーズ、GLPNシリーズ、GLRシリーズ、HLPNシリーズ、HLPPシリーズ、RFLシリーズ、TLMシリーズ、TLPNシリーズ、TLRシリーズ、ULPNシリーズ、ULRシリーズ、VLMシリーズ、VLPNシリーズ、YLMシリーズ、YLPFシリーズ、YLPNシリーズ、YLPPシリーズ、YLRシリーズ、YLSシリーズ、FLPMシリーズ、FLPMTシリーズ、DLMシリーズ、BLMシリーズ、又はDLRシリーズのレーザ(例えば、GPLN-100-M、GPLN-500-QCW、GPLN-500-M、GPLN-500-R、GPLN-2000-Sなどを含む)、又はこれに類するもの、あるいはこれらを任意に組み合わせたもののような1以上のレーザ源が挙げられる。   Examples of laser types that can characterize the laser source 104 include gas lasers (eg, carbon dioxide laser, carbon monoxide laser, excimer laser, etc.), solid state lasers (eg, Nd: YAG laser, etc.), rod lasers, fiber lasers, etc. , Photonic crystal rod / fiber laser, passive mode-locked solid bulk or fiber laser, dye laser, mode-locked diode laser, pulsed laser (eg ms pulse laser, ns pulse laser, ps pulse laser, fs pulse laser), CW laser , QCW laser, etc., or any combination thereof. Specific examples of laser sources that can be provided as laser source 104 include BOREAS, HEGOA, SIROCCO or CHINOOK series lasers manufactured by EOLITE, PYROFLEX series lasers manufactured by PYROPHOTONICS, PALADIN manufactured by COHERENT Advanced 355 or DIAMOND series lasers, TRUFLOW series lasers manufactured by TRUMPF (eg, TRUFLOW 2000, 2700, 3200, 3600, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 10000, 12000, 15000, 20000), TRUDISK Series, TRUPULSE series, TRUDIODE series, TRUFIBER series, or TRUMICRO series lasers, FCPAμJEWEL or FEMTOLITE series lasers manufactured by IMRA AMERICA, TANGERINE and SATSMA series lasers manufactured by AMPLITUDE SYSTEMES (and MIKAN and T-) PULSE series oscillators), CL series, CLPF series, CLPN series manufactured by IPG PHOTONICS, CLPNT series, CLT series, ELM series, ELPF series, ELPN series, ELPP series, ELR series, ELS series, FLPN series, FLPNT series, FLT series, GLPF series, GLPN series, GLR series, HLPN series, HLPP series, RFL series , TLM series, TLPN series, TLR series, ULPN series, ULR series, VLM series, VLPN series, YLM series, YLPF series, YLPN series, YLPP series, YLR series, YLS series, FLPM series, FLPMT series, DLM series, BLM Series or DLR series lasers (for example, including GPLN-100-M, GPLN-500-QCW, GPLN-500-M, GPLN-500-R, GPLN-2000-S, etc.), or the like, Alternatively, one or more laser sources such as an arbitrary combination thereof may be mentioned.

B.第1のポジショナ
第1のポジショナ106は、ビーム経路116に配置され、位置付けられ、あるいは設置されており、レーザ源104により生成されたレーザパルスを回折し、反射し、屈折し、又はこれに類似することを行い、あるいはこれらを任意に組み合わせてビーム経路116を移動し、その結果、ワークピース102に対してビーム軸を移動させるように動作することができる。一般的に、第1のポジショナ106は、X軸(又はX方向)及びY軸(又はY方向)に沿ってビーム軸をワークピース102に対して移動させるように構成される。図示されていないが、Y軸(又はY方向)は、図示されたX軸(又はX方向)及びZ軸(又はZ方向)に直交する軸(又は方向)を意味するものと理解できよう。
B. First Positioner The first positioner 106 is disposed, positioned or installed in the beam path 116 and diffracts, reflects, refracts, or the like, the laser pulses generated by the laser source 104. Or any combination of these can be moved to move the beam path 116 so that the beam axis is moved relative to the workpiece 102. In general, the first positioner 106 is configured to move the beam axis relative to the workpiece 102 along the X axis (or X direction) and the Y axis (or Y direction). Although not shown, the Y axis (or Y direction) may be understood to mean an axis (or direction) orthogonal to the illustrated X axis (or X direction) and Z axis (or Z direction).

第1のポジショナ106によりなされるワークピース102に対するビーム軸の移動は、概して、X方向及びY方向に0.01mmから4.0mm延びる第1のスキャンフィールド又は「第1のスキャニング範囲」内でプロセススポットをスキャン、移動あるいは位置決めできるように制限される。しかしながら、第1のスキャニング範囲は、(例えば、第1のポジショナ106の構成、ビーム経路116に沿った第1のポジショナ106の位置、第1のポジショナ106に入射するレーザパルスのビームサイズ、スポットサイズなどの1以上のファクタに応じて)X方向又はY方向のいずれかに0.01mmよりも短く延びていてもよく、あるいは4.0mmよりも長く延びていてもよいことは理解できよう。このように、第1のスキャニング範囲は、X方向及びY方向のいずれかに、0.04mm、0.1mm、0.5mm、1.0mm、1.4mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.2mmなどよりも長い距離、これらと等しい距離、あるいはこれらの値のいずれかの間の距離だけ延びていてもよい。本明細書で使用される場合には、「ビームサイズ」という用語は、レーザパルスの直径又は幅を意味し、ビーム軸から光学強度がビーム軸での光強度の1/e2にまで下がるところまでの半径方向距離又は横断距離として測定され得る。 The movement of the beam axis relative to the workpiece 102 made by the first positioner 106 generally causes a process spot within a first scan field or “first scanning range” extending from 0.01 mm to 4.0 mm in the X and Y directions. Limited to scan, move or position. However, the first scanning range includes (for example, the configuration of the first positioner 106, the position of the first positioner 106 along the beam path 116, the beam size of the laser pulse incident on the first positioner 106, the spot size. It will be understood that it may extend less than 0.01 mm in either the X or Y direction (depending on one or more factors such as, etc.) or may extend longer than 4.0 mm. Thus, the first scanning range is 0.04 mm, 0.1 mm, 0.5 mm, 1.0 mm, 1.4 mm, 1.5 mm, 1.8 mm, 2 mm, 2.5 mm, 3.0 mm, in either the X direction or the Y direction. It may extend a distance longer than 3.5 mm, 4.0 mm, 4.2 mm, etc., a distance equal to these, or a distance between any of these values. As used herein, the term “beam size” means the diameter or width of a laser pulse, where the optical intensity drops from the beam axis to 1 / e 2 of the light intensity at the beam axis. Can be measured as a radial distance up to or a distance across.

一般的に、第1のポジショナ106がビーム軸を移動させ、これによりプロセススポットを位置決めできる帯域幅(すなわち第1の位置決め帯域幅)は、50kHz(又はその前後)から10MHz(又はその前後)の範囲にある。このように、第1のポジショナ106は、20μs(又はその前後)ごとに1スポット位置から0.1μs(又はその前後)ごとに1スポット位置までの範囲の位置決め速度(第1の位置決め帯域幅から得られる)でプロセススポットを第1のスキャニング範囲内の任意の位置に位置決めすることができる。位置決め速度の逆数は、本明細書では「位置決め時間」と呼ばれ、プロセススポットの位置を第1のスキャニング範囲内のある位置から第1のスキャニング範囲内の任意の他の位置に変えるために必要な期間を意味する。このように、第1のポジショナ106は、20μs(又はその前後)から0.1μs(又はその前後)の範囲の位置決め時間により特徴付けることができる。一実施形態においては、第1の位置決め帯域幅は、100kHz(又はその前後)から2MHz(又はその前後)の範囲にある。例えば、第1の位置決め帯域幅は1MHz(又はその前後)である。   In general, the bandwidth by which the first positioner 106 can move the beam axis and thereby position the process spot (ie, the first positioning bandwidth) is from 50 kHz (or before and after) to 10 MHz (or around it). Is in range. In this way, the first positioner 106 has a positioning speed (obtained from the first positioning bandwidth) ranging from one spot position every 20 μs (or before and after) to one spot position every 0.1 μs (or before and after). The process spot can be positioned at any position within the first scanning range. The reciprocal of the positioning speed is referred to herein as “positioning time” and is necessary to change the position of the process spot from one position within the first scanning range to any other position within the first scanning range. Mean period. Thus, the first positioner 106 can be characterized by a positioning time ranging from 20 μs (or before and after) to 0.1 μs (or around). In one embodiment, the first positioning bandwidth is in the range of 100 kHz (or around) to 2 MHz (or around). For example, the first positioning bandwidth is 1 MHz (or around it).

第1のポジショナ106は、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)ミラー又はミラーアレイ、AO偏向器(AOD)システム、電気光学偏向器(EOD)システム、圧電アクチュエータ、電歪アクチュエータ、ボイスコイルアクチュエータなどを組み込んだファーストステアリングミラー(FSM)要素、又はこれに類似するもの、あるいはこれらを任意に組み合わせたものであり得る。一実施形態においては、第1のポジショナ106は、少なくとも1つ(例えば、1つ、2つなど)の単一素子AODシステム、少なくとも1つ(例えば、1つ、2つなど)のフェイズドアレイAODシステムなど、あるいはこれらを任意に組み合わせたものを含むAODシステムである。双方のAODシステムは、結晶Ge、PbMoO4、又はTeO2、ガラス状SiO2、石英、As2S3などの材料から形成されるAOセルを含んでいる。しかしながら、前者は、AOセルに音響的に連結された単一の超音波変換器を含んでおり、後者は、共通のAOセルに音響的に連結された少なくとも2つの超音波変換器からなるフェイズドアレイを含んでいる。 The first positioner 106 incorporates a microelectromechanical system (MEMS) mirror or mirror array, an AO deflector (AOD) system, an electro-optic deflector (EOD) system, a piezoelectric actuator, an electrostrictive actuator, a voice coil actuator, etc. It may be a Fast Steering Mirror (FSM) element, or something similar, or any combination thereof. In one embodiment, the first positioner 106 includes at least one (eg, one, two, etc.) single element AOD system, at least one (eg, one, two, etc.) phased array AOD. It is an AOD system that includes a system or any combination thereof. Both AOD systems include AO cells formed from materials such as crystalline Ge, PbMoO 4 or TeO 2 , glassy SiO 2 , quartz, As 2 S 3 . However, the former includes a single ultrasonic transducer acoustically coupled to the AO cell, and the latter includes a phased consisting of at least two ultrasonic transducers acoustically coupled to a common AO cell. Contains an array.

AODシステムのいずれかを、ビーム経路116を偏向することにより、(例えば、単一の方向に沿ってビーム軸を移動するように構成される)単軸AODシステムとして、又は(例えば、複数の方向、例えばX方向及びY方向に沿ってビーム軸を移動するように構成される)多軸AODシステムとして提供してもよい。一般的に、多軸AODシステムは、マルチセルシステム又はシングルセルシステムとすることができる。マルチセル多軸システムは、典型的には、それぞれ異なる軸に沿ってビーム軸を移動するように構成される複数のAODシステムを含んでいる。例えば、マルチセル多軸システムは、X方向に沿ってビーム軸を移動するように構成される第1のAODシステム(例えば「X軸AODシステム」)(例えば、単一素子又はフェイズドアレイAODシステム)と、Y方向に沿ってビーム軸を移動するように構成される第2のAODシステム(例えば「Y軸AODシステム」)(例えば、単一素子又はフェイズドアレイAODシステム)とを含むことができる。シングルセル多軸システム(例えば「X/Y軸AODシステム」)は、典型的には、X方向及びY方向に沿ってビーム軸を移動するように構成される単一のAODシステムを含んでいる。例えば、シングルセルシステムは、共通のAOセルの異なる平面、ファセット、側面などと音響的に結合された少なくとも2つの超音波変換器を含むことができる。   Any of the AOD systems can be configured as a single axis AOD system (eg, configured to move the beam axis along a single direction) by deflecting the beam path 116 or (eg, in multiple directions) (Eg, configured to move the beam axis along the X and Y directions) may be provided as a multi-axis AOD system. In general, the multi-axis AOD system can be a multi-cell system or a single-cell system. Multi-cell multi-axis systems typically include multiple AOD systems that are configured to move the beam axis along different axes. For example, a multi-cell multi-axis system includes a first AOD system (eg, an “X-axis AOD system”) configured to move the beam axis along the X direction (eg, a single element or phased array AOD system); , A second AOD system (eg, a “Y-axis AOD system”) configured to move the beam axis along the Y direction (eg, a single element or phased array AOD system). Single cell multi-axis systems (eg, “X / Y-axis AOD systems”) typically include a single AOD system configured to move the beam axis along the X and Y directions. . For example, a single cell system can include at least two ultrasonic transducers acoustically coupled to different planes, facets, sides, etc. of a common AO cell.

C.第2のポジショナ
第1のポジショナ106と同様に、第2のポジショナ108は、ビーム経路116に設置され、レーザ源104により生成され、第1のポジショナ106を通過したレーザパルスを回折し、反射し、屈折し、又はこれに類似することを行い、あるいはこれらを任意に組み合わせて、スキャンレンズ112に対するビーム経路116の移動を介して、ワークピース102に対して(例えば、X方向及びY方向に沿って)ビーム軸を移動するように動作することができる。第2のポジショナ108により行われる、ワークピース102に対するビーム軸の移動は、概して、第1のスキャニング範囲よりも大きな領域にわたってX方向及び/又はY方向に延びる第2のスキャンフィールド又は「スキャニング範囲」内でプロセススポットをスキャン、移動あるいは位置決めできるように制限される。本明細書で述べられる構成では、第1のポジショナ106により行われるビーム軸の移動を第2のポジショナ108により行われるビーム軸の移動に重ねることができることは理解すべきである。このように、第2のポジショナ108は、第2のスキャニング範囲内で第1のスキャニング範囲をスキャンするように動作可能である。
C. Second Positioner Similar to the first positioner 106, the second positioner 108 is installed in the beam path 116, diffracts and reflects the laser pulse generated by the laser source 104 and passed through the first positioner 106. Refracting, or doing something similar, or any combination thereof, relative to the workpiece 102 (eg, along the X and Y directions) via movement of the beam path 116 relative to the scan lens 112 And can be operated to move the beam axis. The movement of the beam axis relative to the workpiece 102 performed by the second positioner 108 is generally a second scan field or “scanning range” that extends in the X and / or Y direction over a larger area than the first scanning range. The process spot is limited to be scanned, moved or positioned within. It should be understood that in the configuration described herein, the beam axis movement performed by the first positioner 106 can be superimposed on the beam axis movement performed by the second positioner 108. In this way, the second positioner 108 is operable to scan the first scanning range within the second scanning range.

一実施形態においては、第2のスキャニング範囲は、X方向及び/又はY方向に1mmから50mm延びている。しかしながら、第2のスキャニング範囲がX方向/又はY方向のいずれかに1mm未満又は50mmよりも長く延びるように第2のポジショナ108が構成されていてもよいことは理解できよう。このように、ある実施形態においては、(例えば、X方向又はY方向、あるいはその他の方向における)第2のスキャニング範囲の最大寸法は、ワークピース102に形成されるフィーチャ(例えば、ビア、トレンチ、スクライブライン、凹部、導電トレースなど)の対応する最大寸法(XY平面で測定される)以上であり得る。しかしながら、他の実施形態においては、第2のスキャニング範囲の最大寸法は、形成されるフィーチャの最大寸法未満であり得る。   In one embodiment, the second scanning range extends from 1 mm to 50 mm in the X and / or Y direction. However, it will be appreciated that the second positioner 108 may be configured such that the second scanning range extends less than 1 mm or longer than 50 mm in either the X direction and / or the Y direction. Thus, in some embodiments, the maximum dimension of the second scanning range (e.g., in the X or Y direction, or other directions) is the feature formed on the workpiece 102 (e.g., via, trench, Or larger than the corresponding maximum dimension (measured in the XY plane) of the scribe line, recess, conductive trace, etc.). However, in other embodiments, the maximum dimension of the second scanning range may be less than the maximum dimension of the feature being formed.

一般的に、第2のポジショナ108がビーム軸を移動して、プロセスを位置決め(これにより第2のスキャニング範囲内で第1のスキャニング範囲をスキャン)できる帯域幅(すなわち第2の位置決め帯域幅)は、第1の位置決め帯域幅よりも狭い。一実施形態においては、第2の位置決め帯域幅は、900Hzから5kHzの範囲にある。他の実施形態においては、第1の位置決め帯域幅は、2kHzから3kHz(例えば約2.5kHz)の範囲にある。例えば、第2のポジショナ108は、2つのガルバノメータミラーコンポーネントを含むガルバノメータミラーシステムとして提供される。1つのガルバノメータミラーコンポーネントは、ワークピース102に対してX方向に沿ってビーム軸を移動するように構成されており、他のガルバノメータミラーコンポーネントは、ワークピース102に対してY方向に沿ってビーム軸を移動するように構成されている。しかしながら、他の実施形態においては、第2のポジショナ108は、回転多面鏡システムなどとして提供されてもよい。このように、第2のポジショナ108及び第1のポジショナ106の特定の構成によっては、第2の位置決め帯域幅が第1の位置決め帯域幅以上であってもよいことは理解されよう。   Generally, a bandwidth (ie, a second positioning bandwidth) that allows the second positioner 108 to move the beam axis to position the process (and thereby scan the first scanning range within the second scanning range). Is narrower than the first positioning bandwidth. In one embodiment, the second positioning bandwidth is in the range of 900 Hz to 5 kHz. In other embodiments, the first positioning bandwidth is in the range of 2 kHz to 3 kHz (eg, about 2.5 kHz). For example, the second positioner 108 is provided as a galvanometer mirror system that includes two galvanometer mirror components. One galvanometer mirror component is configured to move the beam axis along the X direction relative to the workpiece 102, and the other galvanometer mirror component is positioned along the Y direction relative to the workpiece 102. Configured to move. However, in other embodiments, the second positioner 108 may be provided as a rotating polygon mirror system or the like. Thus, it will be appreciated that depending on the particular configuration of the second positioner 108 and the first positioner 106, the second positioning bandwidth may be greater than or equal to the first positioning bandwidth.

D.第3のポジショナ
第3のポジショナ110は、スキャンレンズ112に対してワークピース102を移動させ、この結果、ビーム軸に対してワークピース102を移動させるように動作することができる。ビーム軸に対するワークピース102の移動は、概して、第2のスキャニング範囲よりも大きな領域にわたってX方向及び/又はY方向に延びる第3のスキャンフィールド又は「スキャニング範囲」内でプロセススポットをスキャン、移動あるいは位置決めできるように制限される。一実施形態においては、第3のスキャニング範囲は、X方向及び/又はY方向に25mmから2m延びている。他の実施形態においては、第3のスキャニング範囲は、X方向及び/又はY方向に0.5mから1.5m延びている。一般的に、(例えば、X方向又はY方向、あるいはその他の方向における)第3のスキャニング範囲の最大寸法は、ワークピース102に形成されるフィーチャの対応する最大寸法(XY平面で測定される)以上である。必要に応じて、第3のポジショナ110は、Z方向に(例えば、1mmから50mmの範囲にわたって)延びるスキャニング範囲内でビーム軸に対してワークピース102を移動させるように構成されていてもよい。このため、第3のスキャニング範囲は、X方向、Y方向及び/又はZ方向に沿って延びていてもよい。
D. Third Positioner The third positioner 110 is operable to move the workpiece 102 relative to the scan lens 112 and, as a result, move the workpiece 102 relative to the beam axis. Movement of the workpiece 102 relative to the beam axis generally scans, moves, or moves the process spot within a third scan field or “scanning range” that extends in the X and / or Y direction over an area larger than the second scanning range. Limited to allow positioning. In one embodiment, the third scanning range extends from 25 mm to 2 m in the X and / or Y direction. In other embodiments, the third scanning range extends from 0.5 m to 1.5 m in the X and / or Y direction. In general, the maximum dimension of the third scanning range (eg, in the X or Y direction, or other direction) is the corresponding maximum dimension of the feature formed on the workpiece 102 (measured in the XY plane). That's it. If desired, the third positioner 110 may be configured to move the workpiece 102 relative to the beam axis within a scanning range that extends in the Z direction (eg, over a range of 1 mm to 50 mm). For this reason, the third scanning range may extend along the X direction, the Y direction, and / or the Z direction.

本明細書で述べられる構成では、第1のポジショナ106及び/又は第2のポジショナ108により行われるビーム軸の移動を第3のポジショナ110により行われるワークピース102の移動に重ねることができることは理解すべきである。このように、第3のポジショナ110は、第3のスキャニング範囲内で第1のスキャニング範囲及び/又は第2のスキャニング範囲をスキャンするように動作可能である。一般的に、第3のポジショナ110がプロセススポットを位置決め(これにより第3のスキャニング範囲内で第1のスキャニング範囲及び/又は第2のスキャニング範囲をスキャン)できる帯域幅は、第2の位置決め帯域幅よりも狭い(例えば、10Hz又はその前後、あるいはそれ未満)。   It is understood that in the configurations described herein, the movement of the beam axis performed by the first positioner 106 and / or the second positioner 108 can be superimposed on the movement of the workpiece 102 performed by the third positioner 110. Should. Thus, the third positioner 110 is operable to scan the first scanning range and / or the second scanning range within the third scanning range. Generally, the bandwidth over which the third positioner 110 can position the process spot (thus scanning the first scanning range and / or the second scanning range within the third scanning range) is the second positioning band. It is narrower than the width (for example, 10 Hz, before and after, or less).

一実施形態においては、第3のポジショナ110は、(例えば、それぞれX方向、Y方向及び/又はZ方向に沿ってワークピース102を並進移動可能な)1以上の直動ステージ、(例えば、それぞれX方向、Y方向及び/又はZ方向に平行な軸を中心とした回転移動をワークピース102に与えることが可能な)1以上の回転ステージ、これに類似するもの、あるいはこれらを任意に組み合わせたものとして提供される。一実施形態においては、第3のポジショナ110は、ワークピース102をX方向に沿って移動するためのX軸ステージと、X軸ステージにより支持され(これによりX軸ステージによりX方向に沿って移動可能であり)、ワークピース102をY方向に沿って移動するためのY軸ステージとを含んでいる。図示はされていないが、装置100は、第3のポジショナ110に連結されたオプションのチャックを含んでいてもよく、このチャックにワークピース102をクランプ、固着、保持、固定あるいは支持することができる。図示はされていないが、装置100は、第3のポジショナ110を支持するオプションのベースを含んでいてもよい。   In one embodiment, the third positioner 110 includes one or more linear stages (eg, each capable of translating the workpiece 102 along the X, Y, and / or Z directions, respectively) (eg, each One or more rotary stages (similar to or capable of providing the workpiece 102 with rotational movement about an axis parallel to the X, Y and / or Z directions), or similar, or any combination thereof Offered as a thing. In one embodiment, the third positioner 110 is supported by an X-axis stage for moving the workpiece 102 along the X direction and the X-axis stage (which moves along the X direction by the X-axis stage). And a Y-axis stage for moving the workpiece 102 along the Y direction. Although not shown, the apparatus 100 may include an optional chuck coupled to a third positioner 110, on which the workpiece 102 can be clamped, secured, held, fixed or supported. . Although not shown, the apparatus 100 may include an optional base that supports the third positioner 110.

これまで述べてきたように、装置100は、いわゆる「スタック型」位置決めシステムを用いている。すなわち、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、スキャンレンズ112などのコンポーネントの位置が、第3のポジショナ110を介して移動されるワークピース102に対して(例えば、当該技術分野において知られているような1以上の支持部、フレームなどを介して)装置100内で静止したままである。他の実施形態においては、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、スキャンレンズ112などの1以上のコンポーネントを移動させるように第3のポジショナ110を配置及び構成してもよく、ワークピース102を静止したままにしてもよい。さらに他の実施形態においては、装置100は、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、スキャンレンズ112などの1以上のコンポーネントが1以上の直動ステージ又は回転ステージにより搬送され、1以上の直動ステージ又は回転ステージがワークピース102を移動するように配置及び構成されるスプリット軸位置決めシステムを用いることもできる。このように、第3のポジショナ110は、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、スキャンレンズ112などのうち1つ以上の移動に加えて、ワークピース102の移動を生じさせる。装置100において有利にあるいは有効に利用され得るスプリット軸位置決めシステムの例としては、米国特許第5,751,585号、第5,798,927号、第5,847,960号、第6,706,999号、第7,605,343号、第8,680,430号、第8,847,113号、又は米国特許出願公開第2014/0083983号に開示されたもののいずれか、あるいはこれらを任意に組み合わせたものが挙げられる。これらの公報のそれぞれはその全体が参照により本明細書に組み込まれる。   As has been described, the apparatus 100 uses a so-called “stacked” positioning system. That is, the position of components such as the first positioner 106, the second positioner 108, and the scan lens 112 are relative to the workpiece 102 that is moved through the third positioner 110 (eg, as known in the art). Remain stationary within device 100 (via one or more supports, frames, etc.). In other embodiments, the third positioner 110 may be arranged and configured to move one or more components, such as the first positioner 106, the second positioner 108, the scan lens 112, and the workpiece 102. May remain stationary. In still other embodiments, the apparatus 100 includes one or more components such as a first positioner 106, a second positioner 108, a scan lens 112, etc. conveyed by one or more linear or rotary stages. A split axis positioning system may be used that is arranged and configured so that a linear or rotary stage moves the workpiece 102. In this manner, the third positioner 110 causes movement of the workpiece 102 in addition to movement of one or more of the first positioner 106, the second positioner 108, the scan lens 112, and the like. Examples of split axis positioning systems that can be advantageously or effectively utilized in apparatus 100 include U.S. Patent Nos. 5,751,585, 5,798,927, 5,847,960, 6,706,999, 7,605,343, 8,680,430, 8,847,113, Or any of those disclosed in US Patent Application Publication No. 2014/0083983, or any combination thereof. Each of these publications is incorporated herein by reference in its entirety.

他の実施形態においては、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、スキャンレンズ112などの1以上のコンポーネントは、多軸関節ロボットアーム(例えば、2軸、3軸、4軸、5軸、又は6軸アーム)により搬送され得る。そのような実施形態においては、第2のポジショナ108及び/又はスキャンレンズ112は、必要に応じて、ロボットアームのエンドエフェクタとして搬送され得る。さらに他の実施形態においては、ワークピース102は、多軸関節ロボットアームのエンドエフェクタ上で直接(すなわち第3のポジショナ110なしで)搬送され得る。さらに他の実施形態においては、第3のポジショナ110は、多軸関節ロボットアームのエンドエフェクタ上で搬送され得る。   In other embodiments, one or more components, such as the first positioner 106, the second positioner 108, and the scan lens 112, are multi-axis articulated robot arms (eg, 2 axes, 3 axes, 4 axes, 5 axes, Or a 6-axis arm). In such an embodiment, the second positioner 108 and / or the scan lens 112 can be transported as an end effector of a robot arm, if desired. In still other embodiments, the workpiece 102 can be transported directly on the end effector of the multi-axis articulated robotic arm (ie, without the third positioner 110). In still other embodiments, the third positioner 110 can be transported on the end effector of a multi-axis articulated robot arm.

D.スキャンレンズ
(例えば、単純なレンズ又は複合レンズのいずれかとして提供される)スキャンレンズ112は、一般的には、典型的には所望のプロセススポットに位置決めできるようなビームウェストを生成するようにビーム経路に沿って方向付けられたレーザパルスを集束するように構成されている。スキャンレンズ112は、fシータレンズ、テレセントリックレンズ、アキシコンレンズ(この場合には、一連のビームウェストが生成され、ビーム軸に沿って互いにずれた複数のプロセススポットが生成される)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたものとして提供され得る。
D. A scan lens (eg, provided as either a simple lens or a compound lens) scan lens 112 is typically a beam that typically produces a beam waist that can be positioned at a desired process spot. A laser pulse directed along the path is configured to focus. The scan lens 112 is an f-theta lens, a telecentric lens, an axicon lens (in this case, a series of beam waists are generated and a plurality of process spots shifted from each other along the beam axis), or the like Can be provided in any combination.

E.コントローラ
一般的に、コントローラ114は、レーザ源104、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、第3のポジショナ110、レンズアクチュエータなどの装置100の1以上のコンポーネントと(例えば、USB、Ethernet、Firewire、Wi-Fi、RFID、NFC、Bluetooth、Li-Fiなど、あるいはこれらを任意に組み合わせたもののような1以上の有線又は無線通信リンクを介して)通信可能に連結されており、これらのコンポーネントは、コントローラ114により出力される1以上の制御信号に応じて動作可能となっている。
E. Controller Generally, the controller 114 includes one or more components of the device 100 such as a laser source 104, a first positioner 106, a second positioner 108, a third positioner 110, a lens actuator (eg, USB, Ethernet, These components are communicatively linked (via one or more wired or wireless communication links, such as Firewire, Wi-Fi, RFID, NFC, Bluetooth, Li-Fi, etc., or any combination thereof) Are operable in response to one or more control signals output by the controller 114.

例えば、コントローラ114は、ビーム軸とワークピースとの間で相対移動を行い、ワークピース102内で軌跡(本明細書においては「プロセス軌跡」とも呼ばれる)に沿ってプロセススポットとワークピース102との間で相対運動を生じさせるように第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、又は第3のポジショナ110の動作を制御し得る。これらのポジショナのうち任意の2つ、又はこれらのうちの3つすべてが、2つのポジショナ(例えば、第1のポジショナ106及び第2のポジショナ108、第1のポジショナ106及び第3のポジショナ110、第2のポジショナ108及び第3のポジショナ110)又は3つのポジショナが同時にプロセススポットとワークピース102との間で相対移動を生じさせる(これにより、ビーム軸とワークピースとの間で「複合相対移動」を生じさせる)ように制御されてもよいことは理解できよう。もちろん、任意の時点で、プロセススポットとワークピース102との間で相対移動を生じさせる(これにより、ビーム軸とワークピースとの間で「非複合相対移動」を生じさせる)ように1つのポジショナ(例えば、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108又は第3のポジショナ110)だけを制御することも可能である。複合又は非複合相対移動を指示する制御信号を予め計算してもよいし、あるいはリアルタイムで決定してもよい。   For example, the controller 114 performs relative movement between the beam axis and the workpiece, and moves the process spot and workpiece 102 along a trajectory (also referred to herein as a “process trajectory”) within the workpiece 102. The operation of the first positioner 106, the second positioner 108, or the third positioner 110 may be controlled to cause relative movement therebetween. Any two of these positioners, or all three of them, may have two positioners (eg, first positioner 106 and second positioner 108, first positioner 106 and third positioner 110, The second positioner 108 and the third positioner 110) or three positioners simultaneously cause relative movement between the process spot and the workpiece 102 (so that "composite relative movement between the beam axis and the workpiece" It will be understood that it may be controlled to produce “ Of course, at any point in time, a single positioner will cause a relative movement between the process spot and the workpiece 102 (which will result in a “non-composite relative movement” between the beam axis and the workpiece). It is also possible to control only (for example, the first positioner 106, the second positioner 108, or the third positioner 110). A control signal instructing compound or non-compound relative movement may be calculated in advance or determined in real time.

一般的に、コントローラ114は、命令を実行する際に上述した制御信号を生成するように構成される1以上のプロセッサを含んでいる。プロセッサは、命令を実行するように構成されるとプログラマブルプロセッサ(例えば、1以上の汎用コンピュータプロセッサ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサなど、あるいはこれらを任意に組み合わせたものを含む)として提供され得る。プロセッサにより実行可能な命令は、ソフトウェア、ファームウェアなど、あるいは、プログラマブルロジックデバイス(PLD)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、フィールドプログラマブルオブジェクトアレイ(FPOA)、特定用途向け集積回路(ASIC)を含む(デジタル回路、アナログ回路、アナログ/デジタル混合回路を含む)好適な形態の回路など、あるいはこれらを任意に組み合わせて実現され得る。命令の実行は、1つのプロセッサ上で行ってもよく、複数のプロセッサに分散させてもよく、1つのデバイス内又はデバイスのネットワークにわたる複数のプロセッサにわたって並行に行っても、あるいはこれに類する方法でも、あるいはこれらを任意に組み合わせて行ってもよい。   In general, the controller 114 includes one or more processors configured to generate the control signals described above when executing instructions. A processor may be provided as a programmable processor (eg, including one or more general purpose computer processors, microprocessors, digital signal processors, etc., or any combination thereof) when configured to execute instructions. Instructions executable by the processor include software, firmware, etc., or programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), field programmable object arrays (FPOAs), application specific integrated circuits (ASICs) (digital) The circuit may be implemented in any suitable form (including circuits, analog circuits, mixed analog / digital circuits), or any combination thereof. Instruction execution may be performed on a single processor, distributed across multiple processors, performed in parallel across multiple processors within a device or across a network of devices, or the like. Or these may be combined arbitrarily.

一実施形態においては、コントローラ114は、(例えば、1以上の有線又は無線通信リンクを介して)プロセッサによりアクセス可能なコンピュータメモリのような有形媒体を含んでいる。本明細書で使用される場合には、「コンピュータメモリ」は、磁気媒体(例えば、磁気テープ、ハードディスクドライブなど)、光学ディスク、揮発性又は不揮発性半導体メモリ(例えば、RAM、ROM、NAND型フラッシュメモリ、NOR型フラッシュメモリ、SONOSメモリなど)などを含んでおり、ローカルアクセス可能なもの、又は(例えばネットワークを通じて)遠隔アクセス可能なもの、又はこれらを組み合わせたものであってもよい。一般的に、命令は、コンピュータソフトウェア(例えば、実行コード、ファイル、命令など、ライブラリファイルなど)として格納され得る。そのようなコンピュータソフトウェアは、例えば、C、C++、Visual Basic、Java、Python、Tel、Perl、Scheme、Rubyなどによって書かれ、当業者によって本明細書で述べられた説明から簡単に作成することができる。コンピュータソフトウェアは、通常、コンピュータメモリにより伝達される1以上のデータ構造に格納される。   In one embodiment, the controller 114 includes a tangible medium such as a computer memory that is accessible by the processor (eg, via one or more wired or wireless communication links). As used herein, “computer memory” refers to magnetic media (eg, magnetic tape, hard disk drive, etc.), optical disk, volatile or non-volatile semiconductor memory (eg, RAM, ROM, NAND flash). Memory, NOR type flash memory, SONOS memory, etc.), which may be locally accessible, remotely accessible (eg, via a network), or a combination thereof. In general, instructions may be stored as computer software (eg, executable code, files, instructions, library files, etc.). Such computer software is written by, for example, C, C ++, Visual Basic, Java, Python, Tel, Perl, Scheme, Ruby, etc., and can be easily created from the descriptions given herein by those skilled in the art. it can. Computer software is typically stored in one or more data structures transmitted by computer memory.

図示はされていないが、1以上のドライバ(例えば、RFドライバ、サーボドライバ、ラインドライバ、電源など)が、レーザ源104、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、第3のポジショナ110、レンズアクチュエータなどのような1以上のコンポーネントの入力と通信可能に連結され得る。一実施形態においては、それぞれのドライバは、典型的には、コントローラ114が通信可能に連結される入力を含んでおり、これにより、コントローラ114は1以上の制御信号(例えばトリガ信号など)を生成可能となっている。この制御信号は、装置100の1以上のコンポーネントに関連付けられた1以上のドライバの入力に伝達され得る。このように、レーザ源104、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、第3のポジショナ110、レンズアクチュエータなどのコンポーネントは、コントローラ114により生成された制御信号に応答するようになっている。   Although not shown, one or more drivers (eg, an RF driver, a servo driver, a line driver, a power supply, etc.) are connected to the laser source 104, the first positioner 106, the second positioner 108, the third positioner 110, It can be communicatively coupled to the input of one or more components, such as a lens actuator. In one embodiment, each driver typically includes an input to which the controller 114 is communicatively coupled so that the controller 114 generates one or more control signals (eg, a trigger signal, etc.). It is possible. This control signal may be communicated to one or more driver inputs associated with one or more components of device 100. In this manner, components such as the laser source 104, the first positioner 106, the second positioner 108, the third positioner 110, and the lens actuator are adapted to respond to control signals generated by the controller 114.

他の実施形態においては、図示はされていないが、1以上の付加的なコントローラ(例えば、コンポーネント固有のコントローラ)が、必要に応じて、レーザ源104、第1のポジショナ106、第2のポジショナ108、第3のポジショナ110、レンズアクチュエータなどのコンポーネントと通信可能に連結された(そして当該コンポーネントに関連付けられた)ドライバの入力と通信可能に連結され得る。この実施形態において、それぞれのコンポーネント固有のコントローラは、コントローラ114と通信可能に連結され、コントローラ114から受信した1以上の制御信号に応答して1以上の制御信号(例えばトリガ信号など)を生成可能であってもよい。この1以上の制御信号は、その後、これと通信可能に連結されたドライバの入力に伝達され得る。この実施形態において、コンポーネント固有のコントローラは、コントローラ114に関して述べたのと同様に構成され得る。   In other embodiments, not shown, one or more additional controllers (e.g., component specific controllers) may be added as needed to laser source 104, first positioner 106, second positioner. 108, a third positioner 110, a lens actuator, etc. may be communicatively coupled to a driver input communicatively coupled (and associated with the component). In this embodiment, each component specific controller is communicatively coupled to the controller 114 and can generate one or more control signals (eg, trigger signals, etc.) in response to one or more control signals received from the controller 114. It may be. The one or more control signals can then be communicated to an input of a driver communicatively coupled thereto. In this embodiment, the component specific controller may be configured as described with respect to controller 114.

1以上のコンポーネント固有のコントローラが設けられる他の実施形態においては、あるコンポーネント(例えばレーザ源104)に関連付けられたコンポーネント固有のコントローラは、あるコンポーネント(例えば第1のポジショナ106など)に関連付けられたコンポーネント固有のコントローラと通信可能に連結され得る。この実施形態においては、コンポーネント固有のコントローラのうち1つ以上が、1以上の他のコンポーネント固有のコントローラから受信した1以上の制御信号に応答して、1以上の制御信号(例えばトリガ信号など)を生成可能である。   In other embodiments in which one or more component specific controllers are provided, a component specific controller associated with a component (eg, laser source 104) is associated with a component (eg, first positioner 106, etc.). It can be communicatively coupled to a component specific controller. In this embodiment, one or more of the component-specific controllers are responsive to one or more control signals received from one or more other component-specific controllers, such as one or more control signals (eg, trigger signals, etc.). Can be generated.

III.ワークピース材料の除去に関する実験結果
ある実施形態によれば、以下でより詳細に述べるように、装置100は、ワークピース102の一部を除去して1以上のフィーチャ(例えば、開口、スロット、ビア、溝、トレンチ、スクライブライン、切溝、凹部領域など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの)を形成することによりワークピース102を加工するように構成されたレーザ源104を備えている。加工の結果として生成された表面は、以下、「加工済ワークピース表面」といい、側壁、底面など、又はこれらの任意の一部又は任意の組み合わせを含み得る。これらの実施形態においては、超短パルス持続時間を有するレーザパルスを高い繰り返し率でワークピース102に照射することによりワークピース102から材料が除去される。
III. Experimental Results for Removal of Workpiece Material According to certain embodiments, as described in more detail below, apparatus 100 removes a portion of workpiece 102 to provide one or more features (eg, openings, slots, vias). A laser source 104 configured to process the workpiece 102 by forming a groove, a trench, a scribe line, a kerf, a recessed region, etc., or any combination thereof. Surfaces generated as a result of processing are hereinafter referred to as “machined workpiece surfaces” and may include sidewalls, bottom surfaces, etc., or any portion or any combination thereof. In these embodiments, material is removed from the workpiece 102 by irradiating the workpiece 102 with a laser pulse having an ultrashort pulse duration at a high repetition rate.

様々な研究によれば、(数十ps未満のパルス持続時間を有するレーザパルスを用いる)超短パルス方式におけるレーザ材料加工は、それよりも長いパルスに比べて数多くの利点を有していることが示されている。ピコ秒及びフェムト秒でのレーザ相互作用の熱的衝撃は非常に限定的であり、付帯的なダメージを最小限としつつ、レーザエネルギーの放散を小さな光学的侵入深さに制限することができる。正確に制限されたこのレーザ「加熱」により、下地のバルク材料へのエネルギー損失が最小限になり、効率的で制御可能なアブレーションプロセスを実現することができる。超短パルス持続時間によって、さらに、相当な量のアブレーションプルーム及び/又はプラズマが生じる前にレーザエネルギーの多くの部分がワークピース102に確実に伝達することとなる。これよりも長いパルス持続時間のレーザパルスでは、プラズマ反射、プラズマ散乱及びプルーム散乱、及びプルーム加熱のためにそのような効率的なエネルギー結合は実現できない。超短レーザパルスが高いパルス繰り返し率(すなわち100kHzを超える)で照射される場合には、プロセススポットに以前に照射されたレーザパルスにより生じた熱が、そのスポットから完全に放出されず、その熱の少なくとも一部が、次のレーザパルスが照射されるまでワークピース102内のそのスポットの近傍に存在することも一般的に知られている。したがって、以前に照射されたプロセススポットの近傍のワークピース102の領域内に熱が蓄積する傾向があり、この結果、続いて照射されるレーザパルスをワークピース102の加熱された領域に照射することができる。加熱された領域に超短レーザパルスが照射される場合には、温度が上昇することが、デブリの生成を減少しつつ、レーザと材料との間の相互作用に良い影響を与え効率的な材料除去を高める手助けとなり得る。   According to various studies, laser material processing in ultrashort pulse mode (using laser pulses with pulse durations of less than tens of ps) has many advantages over longer pulses It is shown. The thermal shock of laser interaction in picoseconds and femtoseconds is very limited, and the dissipation of laser energy can be limited to a small optical penetration depth while minimizing incidental damage. This precisely limited laser “heating” minimizes energy loss to the underlying bulk material and allows for an efficient and controllable ablation process. The ultrashort pulse duration also ensures that a large portion of the laser energy is transferred to the workpiece 102 before a significant amount of ablation plume and / or plasma is generated. Longer pulse duration laser pulses cannot achieve such efficient energy coupling due to plasma reflection, plasma and plume scattering, and plume heating. When an ultrashort laser pulse is irradiated at a high pulse repetition rate (ie, greater than 100 kHz), the heat generated by the laser pulse previously irradiated to the process spot is not completely emitted from the spot and the heat It is also generally known that at least a portion of is present in the vicinity of the spot in the workpiece 102 until the next laser pulse is irradiated. Thus, there is a tendency for heat to accumulate in the area of the workpiece 102 in the vicinity of the previously irradiated process spot, resulting in subsequent irradiation of the irradiated area with a laser pulse to be irradiated. Can do. When an ultrashort laser pulse is applied to a heated area, the temperature rise will have a positive effect on the interaction between the laser and the material, while reducing the generation of debris, and an efficient material Can help increase removal.

しかしながら、本発明者等は、(パルス繰り返し率に加え)フルエンス、平均パワー、パルスエネルギー、バイトサイズ及びスポットサイズなどのパラメータ及びこれらのパラメータのうち2つ以上を様々に組み合わせたものが、加工済ワークピース表面の表面形態に影響を与えることがあり、場合によっては、加工中のデブリの生成に影響を与えることがあることを発見した。以下では、本発明者等の広範な実験的研究の間に発見された新規かつ予想できなかった関係の例を挙げる。これらの実験においては、加工されるワークピース102の材料は、照射されるレーザパルスにおける光の波長に対して「透過的」ではなかった(あるいは「非透過的」であった)。この文脈において、材料が、照射されるレーザパルスの特定の帯域幅内において線形吸収スペクトルと厚さを有しており、材料を(ビーム軸に沿って)透過する光の割合が99%未満、97%未満、95%未満、90%未満、75%未満、50%未満、25%未満、15%未満、10%未満、5%未満、1%未満である場合に、その材料は「非透過的」であると言える。   However, the inventors have found that parameters such as fluence, average power, pulse energy, byte size and spot size (in addition to pulse repetition rate) and various combinations of two or more of these parameters have been processed. It has been discovered that the surface morphology of the workpiece surface can be affected, and in some cases, the production of debris during processing. The following list provides examples of new and unexpected relationships discovered during our extensive experimental work. In these experiments, the material of the workpiece 102 being processed was not “transparent” (or “non-transparent”) to the wavelength of light in the irradiated laser pulse. In this context, the material has a linear absorption spectrum and thickness within a specific bandwidth of the irradiated laser pulse, and the proportion of light transmitted through the material (along the beam axis) is less than 99%, A material is “non-transparent” if it is less than 97%, less than 95%, less than 90%, less than 75%, less than 50%, less than 25%, less than 15%, less than 10%, less than 5%, less than 1% Can be said.

A.バイトサイズとデブリ生成との間の関係
図2は、この例ではシリコンウェハとして提供されたワークピース102の表面に形成されたトレンチ(a)から(e)の(上面から撮影した)顕微鏡写真を示している。ビーム軸とワークピース102との間で相対移動を生じさせつつ、レーザパルスが照射され、左から右に延びるプロセス軌跡に沿ってレーザパルスが照射される。それぞれのトレンチの開始端は、顕微鏡写真の左側に示されており、トレンチ(a)から(c)の終了端は右側に示されている。トレンチ(d)及び(e)の終了端の外観は、トレンチ(c)の終了端の外観と実質的に同一であった。
A. Relationship between the byte size and the debris generated Figure 2, the trench formed in the provided surfaces of the workpiece 102 as the silicon wafer in this example (a) to (e) and (taken from the top) micrographs Show. A laser pulse is emitted while causing a relative movement between the beam axis and the workpiece 102, and a laser pulse is emitted along a process trajectory extending from left to right. The starting end of each trench is shown on the left side of the micrograph, and the ending ends of trenches (a) to (c) are shown on the right side. The appearance of the end ends of the trenches (d) and (e) was substantially the same as the appearance of the end ends of the trench (c).

トレンチ(a)から(e)のそれぞれは、スポットサイズ35μm、パルス持続時間800fs、パルスエネルギー6μJのレーザパルスをパルス繰り返し率1855kHzでビーム軸に沿って伝搬させることにより形成された。連続的に照射されるレーザパルスがトレンチ(a)についてはバイトサイズ0.5μmで、トレンチ(b)についてはバイトサイズ0.475μmで、トレンチ(c)についてはバイトサイズ0.5μmで、トレンチ(d)についてはバイトサイズ0.425μmで、トレンチ(e)についてはバイトサイズ0.4μmでワークピース102に当たるようにビーム軸とワークピース102との間で相対移動を生じさせた。トレンチ(a)から(e)は、照射レーザパルスを単一パスでプロセス軌跡に沿ってスキャンすることによって形成された。   Each of the trenches (a) to (e) was formed by propagating a laser pulse having a spot size of 35 μm, a pulse duration of 800 fs, and a pulse energy of 6 μJ along the beam axis at a pulse repetition rate of 1855 kHz. Continuously irradiated laser pulses with a byte size of 0.5 μm for trench (a), byte size of 0.475 μm for trench (b), byte size of 0.5 μm for trench (c), and trench (d) Was a bite size of 0.425 μm, and for the trench (e), a relative movement was caused between the beam axis and the workpiece 102 so as to hit the workpiece 102 with a byte size of 0.4 μm. The trenches (a) to (e) were formed by scanning the irradiated laser pulse along the process trajectory with a single pass.

図2に示されるように、トレンチの内側及び外側の両方でデブリが顕著に目立って形成されたトレンチ(a)を形成するようにパラメータを選択した。この結果、加工済ワークピース表面が粗くなり、トレンチのエッジに沿った加工済領域の外側のワークピース表面も粗くなった。バイトサイズを0.5μmから0.475μmに減少させると、トレンチ形成プロセスによりトレンチ(b)の長さの多くの部分に沿ってデブリが生じるが、トレンチ(b)の端部及びその近傍ではデブリが検出されないことが分かる。トレンチ(b)を形成し始めてから目立ったデブリの生成がなくなるまで約850μsが経過したと予測される(すなわち、デブリ遷移期間は約850μsであった)。トレンチ(c)、(d)及び(e)の形成中にそれぞれバイトサイズを0.45μmから0.425μm、0.4μmとさらに減少させると、デブリ遷移期間はそれぞれ約600μs、約320μs及び約305μsに短縮された。   As shown in FIG. 2, the parameters were selected to form a trench (a) in which debris was noticeably formed both inside and outside the trench. This resulted in a roughened workpiece surface and a roughened workpiece surface outside the processed region along the edge of the trench. When the byte size is reduced from 0.5 μm to 0.475 μm, the trench formation process causes debris along many parts of the length of the trench (b), but debris is detected at and near the end of the trench (b). I understand that it is not done. It is estimated that about 850 μs has elapsed since the start of formation of the trench (b) until there was no significant debris generation (ie, the debris transition period was about 850 μs). If the byte size is further reduced from 0.45 μm to 0.425 μm and 0.4 μm, respectively, during the formation of trenches (c), (d) and (e), the debris transition period is shortened to about 600 μs, about 320 μs and about 305 μs, respectively. It was.

特定の理論に拘束されることは望んでいないが、本発明者等は、(スポットサイズ、パルス持続時間、パルスエネルギー及びパルス繰り返し率を一定に保持しつつ)バイトサイズを減少させることにより、ワークピースにおいてレーザパルスが連続的に照射される空間領域が減少するため、デブリ遷移期間が短くなると考えている。これにより、照射されたプロセススポットを局所的に取り囲むワークピース102内の領域に熱が蓄積し得る。デブリ遷移期間が経過した後、これらの領域の一部(すなわち、プロセス軌跡に沿って位置している領域)の温度は上昇したまま(すなわち、除去される材料の融解温度と気化温度との間)となる。ワークピース102のこれらの領域内に残った残留熱によって、目立ったデブリを生じることのない、内部の材料の効率的なアブレーションが可能となる。   While not wishing to be bound by any particular theory, we have made work by reducing the byte size (while keeping spot size, pulse duration, pulse energy and pulse repetition rate constant). It is considered that the debris transition period is shortened because the spatial region in which the laser pulse is continuously irradiated on the piece decreases. This can cause heat to accumulate in a region within the workpiece 102 that locally surrounds the irradiated process spot. After the debris transition period has elapsed, the temperature of some of these regions (ie, the region located along the process trajectory) remains elevated (ie, between the melting and vaporization temperatures of the material being removed). ) Residual heat remaining in these regions of the workpiece 102 allows for efficient ablation of the internal material without causing noticeable debris.

B.パルスエネルギーとデブリ生成との間の関係
図3は、この例ではシリコンウェハとして提供されたワークピース102の表面に形成されたトレンチ(a)から(e)の(上面から撮影した)顕微鏡写真を示している。ビーム軸とワークピース102との間で相対移動を生じさせつつ、レーザパルスが照射され、左から右に延びるプロセス軌跡に沿ってレーザパルスが照射される。それぞれのトレンチの開始端のみが示されている。
B. Relationship between Pulse Energy and Debris Generation FIG. 3 shows micrographs (taken from the top) of trenches (a) to (e) formed in the surface of a workpiece 102 provided as a silicon wafer in this example. Show. A laser pulse is emitted while causing a relative movement between the beam axis and the workpiece 102, and a laser pulse is emitted along a process trajectory extending from left to right. Only the starting end of each trench is shown.

トレンチ(a)から(e)のそれぞれは、スポットサイズ35μm、パルス持続時間800fsのレーザパルスをパルス繰り返し率1979kHzでビーム軸に沿って伝搬させることにより形成された。連続的に照射されるレーザパルスがそれぞれのトレンチについてバイトサイズ0.5μmでワークピース102に当たるようにビーム軸とワークピース102との間で相対移動を生じさせた。ワークピース102に照射されたレーザパルスは、トレンチ(a)の形成中は6μJのパルスエネルギーを有し、トレンチ(b)に対しては5μJのパルスエネルギーを有し、トレンチ(c)に対しては4μJのパルスエネルギーを有し、トレンチ(d)に対しては3μJのパルスエネルギーを有し、トレンチ(e)に対しては2μJのパルスエネルギーを有していた。トレンチ(a)から(e)は、照射レーザパルスを単一パスでプロセス軌跡に沿ってスキャンすることによって形成された。   Each of the trenches (a) to (e) was formed by propagating a laser pulse having a spot size of 35 μm and a pulse duration of 800 fs along the beam axis at a pulse repetition rate of 1979 kHz. Relative movement was caused between the beam axis and the workpiece 102 so that the continuously irradiated laser pulses hit the workpiece 102 with a byte size of 0.5 μm for each trench. The laser pulse applied to the workpiece 102 has a pulse energy of 6 μJ during the formation of the trench (a), has a pulse energy of 5 μJ for the trench (b), and is applied to the trench (c). Had a pulse energy of 4 μJ, a pulse energy of 3 μJ for the trench (d) and a pulse energy of 2 μJ for the trench (e). The trenches (a) to (e) were formed by scanning the irradiated laser pulse along the process trajectory with a single pass.

図3に示されるように、トレンチの外側の開始端の近傍でデブリが顕著に目立って形成されたトレンチ(a)を形成するようにパラメータを選択した。この結果、加工済み領域の外側のワークピース表面が粗くなり(開始端から離れたトレンチに沿ってより目立たなくなり)、トレンチ内の加工済ワークピース表面は比較的滑らかになった。パルスエネルギーを6μJから5μJに下げると、トレンチ形成プロセスによりトレンチの外側の開始端の近傍でデブリが顕著に目立って形成され(開始端から離れたトレンチに沿ってもデブリが目立つ)、加工済み領域の外側のワークピース表面が粗くなることが分かる。トレンチ(b)内の加工済ワークピース表面は、トレンチ(a)内の加工済ワークピース表面ほど滑らかではなかった。さらにパルスエネルギーを4μJに下げると、トレンチ形成プロセスによりトレンチ(c)の開始端においてデブリが顕著に目立って生成され、加工済み領域の外側のワークピース表面が粗くなり、トレンチ(c)内の加工済ワークピース表面も粗くなる。また、トレンチ(a)から(c)の長辺に沿って、開始端から終了端まで改鋳材料の稜線の形態でデブリが存在した。さらにパルスエネルギーを3μJに下げると、トレンチ形成プロセスによりトレンチ(d)の開始端の内部及びその周囲にデブリが目立って形成され、加工済み領域の外側のワークピース表面が粗くなり、トレンチ(d)内の加工済ワークピース表面も粗くなることがわかる。しかしながら、比較的短いデブリ遷移期間の後、目立ったデブリの生成は見られなかった。トレンチ(d)の開始端からの距離が増加すると、改鋳材料の稜線も消えた。さらにパルスエネルギーを2μJに下げると、トレンチ(e)の開始端又はその近傍のトレンチ(e)の外側で非常に少ない量のデブリが生成され、トレンチ内には目立ったデブリがないことがわかる。しかしながら、トレンチ(e)内の加工済ワークピース表面は滑らかであり、著しいデブリは見られなかった。トレンチ(e)の外側で改鋳材料の稜線も見られなかった。   As shown in FIG. 3, the parameters were selected so as to form a trench (a) in which debris was conspicuously formed in the vicinity of the start end outside the trench. This resulted in a roughened workpiece surface outside the machined region (less noticeable along the trench away from the start end) and the machined workpiece surface in the trench was relatively smooth. When the pulse energy is reduced from 6 μJ to 5 μJ, the trench formation process causes debris to be prominently formed in the vicinity of the start end outside the trench (debris is also prominent along the trench away from the start end), and the processed region It can be seen that the outer surface of the workpiece becomes rough. The processed workpiece surface in the trench (b) was not as smooth as the processed workpiece surface in the trench (a). When the pulse energy is further reduced to 4 μJ, the trench formation process produces noticeable debris at the start of the trench (c), roughening the workpiece surface outside the processed region, and processing in the trench (c). The finished workpiece surface is also roughened. Moreover, debris existed in the form of ridgelines of the recast material from the start end to the end end along the long sides of the trenches (a) to (c). When the pulse energy is further reduced to 3 μJ, debris is conspicuously formed in and around the start end of the trench (d) by the trench formation process, and the workpiece surface outside the processed region becomes rough, and the trench (d) It can be seen that the surface of the processed workpiece is also roughened. However, after a relatively short debris transition period, no noticeable debris formation was seen. As the distance from the start of the trench (d) increased, the ridgeline of the recast material disappeared. When the pulse energy is further decreased to 2 μJ, it can be seen that a very small amount of debris is generated outside the trench (e) at or near the start of the trench (e), and there is no noticeable debris in the trench. However, the processed workpiece surface in the trench (e) was smooth and no significant debris was seen. No edge of the recast material was seen outside the trench (e).

C.デブリ生成に対するスケーリングの影響
図4は、レーザ加工済フィーチャ(a)及び(b)の(上面から撮影した)顕微鏡写真を示している。いずれのレーザ加工済フィーチャも、この例ではシリコンウェハとして提供されるワークピース102の表面に形成された1組の交差スクライブラインを含んでいる。
C. Effect of scaling on debris generation FIG. 4 shows micrographs (taken from the top) of laser machined features (a) and (b). Each laser machined feature includes a set of intersecting scribe lines formed on the surface of the workpiece 102, which in this example is provided as a silicon wafer.

フィーチャ(a)及び(b)を形成するために、ビーム軸とワークピース102との間で相対移動を生じさせつつ、レーザパルスがワークピース102に照射された。それぞれのスクライブラインに対して3本の平行なスキャンラインを含むプロセス軌跡に沿ってレーザパルスが照射され、それぞれのスキャンラインは単一のパスで行われた。フィーチャ(a)及び(b)のそれぞれは、パルス持続時間800fsのレーザパルスをパルス繰り返し率1855kHzでビーム軸に沿って伝搬させることにより形成された。フィーチャ(a)の形成中にワークピース102に照射されたレーザパルスは、25μmのスポットサイズと3.14μJのパルスエネルギーを有しており、連続的に照射されるレーザパルスがバイトサイズ0.1μmでワークピース102に当たるようにビーム軸とワークピース102との間で相対移動を生じさせた。フィーチャ(b)の形成中にワークピース102に照射されたレーザパルスは、35μmのスポットサイズと6.16μJのパルスエネルギーを有しており、連続的に照射されるレーザパルスがバイトサイズ0.25μmでワークピース102に当たるようにビーム軸とワークピース102との間で相対移動を生じさせた。   To form features (a) and (b), a laser pulse was applied to the workpiece 102 while causing a relative movement between the beam axis and the workpiece 102. Each scribe line was irradiated with a laser pulse along a process trajectory that includes three parallel scan lines, and each scan line was performed in a single pass. Each of features (a) and (b) was formed by propagating a laser pulse with a pulse duration of 800 fs along the beam axis at a pulse repetition rate of 1855 kHz. The laser pulse irradiated to the workpiece 102 during the formation of the feature (a) has a spot size of 25 μm and a pulse energy of 3.14 μJ, and the continuously irradiated laser pulse has a byte size of 0.1 μm. A relative movement was caused between the beam axis and the workpiece 102 so as to hit the piece 102. The laser pulse irradiated to the workpiece 102 during the formation of the feature (b) has a spot size of 35 μm and a pulse energy of 6.16 μJ, and the continuously irradiated laser pulse has a byte size of 0.25 μm. A relative movement was caused between the beam axis and the workpiece 102 so as to hit the piece 102.

図4から明らかなように、フィーチャ(a)の形成中にかなりの量のデブリが生成され、スクライブラインの加工済ワークピース表面は粗くなり、孔や他のダメージが目に見えた。これに対して、フィーチャ(b)の形成中には実質的にデブリは生成されず、得られたスクライブラインの加工済ワークピース表面は滑らかで、実質的にデブリの堆積もなかった。注:点線の円で囲ったフィーチャ(b)の領域においては、かなりのデブリが生成され堆積した。この領域は、2回加工されたフィーチャの領域に対応している。   As is apparent from FIG. 4, a significant amount of debris was generated during the formation of feature (a), the processed workpiece surface of the scribe line became rough, and holes and other damage were visible. In contrast, substantially no debris was produced during the formation of feature (b), and the processed workpiece surface of the resulting scribe line was smooth and substantially free of debris. Note: Significant debris was generated and deposited in the area of feature (b) surrounded by a dotted circle. This area corresponds to the area of the feature machined twice.

D.バイトサイズ、フルエンス及びパルス繰り返し率の表面粗さ及び材料除去速度との関係
図5は、この例ではシリコンウェハとして提供されるワークピース102に、2つのパルス繰り返し率(すなわち927kHz以下と1855kHz以下)のうちの1つでレーザパルスをビーム軸に沿って伝搬させつつ、照射されるレーザパルスを加工軌跡に沿って単一パスでスキャンすることにより形成されるトレンチ内の加工済ワークピース表面の平均表面粗さ(Ra)と、トレンチ形成プロセス中の材料除去速度(面積um2)との関係を、バイトサイズ(μmの単位で測定される)及びフルエンス(J/cm2の単位で測定される)の関数として示す1組のグラフを示している。平均表面粗さ(Ra)は、50倍の対物レンズを有するキーエンス社3次元共焦点走査型顕微鏡を用いて測定した。
D. Relationship between bite size, fluence and pulse repetition rate with surface roughness and material removal rate FIG. 5 shows two pulse repetition rates (ie, 927 kHz and below and 1855 kHz and below) on a workpiece 102 which is provided as a silicon wafer in this example. The average of the processed workpiece surface in the trench formed by scanning the irradiated laser pulse in a single pass along the machining trajectory while propagating the laser pulse along the beam axis in one of the Relationship between surface roughness (Ra) and material removal rate (area um2) during trench formation process, byte size (measured in μm) and fluence (measured in J / cm 2 ) A set of graphs shown as a function of The average surface roughness (Ra) was measured using a Keyence 3D confocal scanning microscope having a 50 × objective lens.

図5から明らかなように、0.2μmより大きなバイトサイズでは、加工済ワークピース表面の平均表面粗さは、約0.25μm以下に低下し、鏡のように滑らかな表面仕上げに近づく。試験されたすべてのバイトサイズ及びフルエンスレベルに関して、1855kHz以下のパルス繰り返し率で照射されるレーザパルスを用いて得られる加工済ワークピース表面の平均表面粗さは、927kHz以下のパルス繰り返し率で照射されるレーザパルスを用いて得られる、対応する加工済ワークピース表面の平均表面粗さよりも概して小さい。um2面積値は、スクライブの断面積を表しており、バイトサイズが大きくなると材料除去速度が低下することを示している。927kHz以下のパルス繰り返し率でのトレンチ形成中の材料除去速度は、1855kHz以下のパルス繰り返し率でのトレンチ形成中の材料除去速度と同様である。   As can be seen from FIG. 5, at bite sizes greater than 0.2 μm, the average surface roughness of the processed workpiece surface drops below about 0.25 μm, approaching a mirror-like smooth surface finish. For all bite sizes and fluence levels tested, the average surface roughness of the processed workpiece surface obtained using a laser pulse irradiated at a pulse repetition rate of 1855 kHz or less is irradiated at a pulse repetition rate of 927 kHz or less. Generally less than the average surface roughness of the corresponding machined workpiece surface obtained using a laser pulse. The um2 area value represents the cross-sectional area of the scribe, and indicates that the material removal rate decreases as the bite size increases. The material removal rate during trench formation at a pulse repetition rate of 927 kHz or less is similar to the material removal rate during trench formation at a pulse repetition rate of 1855 kHz or less.

E.バイトサイズ、フルエンス、パルス繰り返し率及び平均パワーのデブリ生成との関係
図6は、この例ではシリコンウェハとして提供されるワークピース102にトレンチを形成するためのプロセスウィンドウを示す1組のグラフを示している。i)目立ったデブリの生成がない加工済ワークピース表面(すなわち、図2から図5に関して述べたような、目立ったデブリの堆積がない加工済ワークピース表面)が形成され、ii)デブリが目立って生成される加工済ワークピース表面(すなわち、図2から図5に関して述べたような、目立ったデブリの堆積がある加工済ワークピース表面)が形成される。参照番号600により示されるパターンで印された領域は、デブリが目立って生成されるパラメータ空間を表しており、参照番号602により示されるパターンで印された領域は、目立ったデブリが形成されないパラメータ空間を表している。観察されたトレンチは、5つのパルス繰り返し率(すなわち、927.55kHz、1264kHz、1855kHz、2022kHz及び3051kHz)のうちの1つでレーザパルスをビーム軸に沿って伝搬させつつ、照射されるレーザパルスを加工軌跡に沿って単一パスでスキャンすることにより形成された。それぞれのパルス繰り返し率で、複数のトレンチが形成された。それぞれのトレンチは、バイトサイズ(μmの単位で測定される)、フルエンス(J/cm2の単位で測定される)及び平均パワー(Wの単位で測定される)の異なる組み合わせを用いて形成された。
E. Relationship Between Byte Size, Fluence, Pulse Repeat Rate, and Average Power Debris Generation FIG. 6 shows a set of graphs showing process windows for forming trenches in a workpiece 102, which in this example is provided as a silicon wafer. ing. i) a processed workpiece surface without noticeable debris formation (ie, a processed workpiece surface without noticeable debris accumulation as described with respect to FIGS. 2-5) is formed, and ii) the debris is noticeable Produced workpiece surface (i.e., a workpiece surface with significant debris deposition as described with respect to FIGS. 2-5). The region marked with the pattern indicated by reference number 600 represents a parameter space where debris is generated conspicuously, and the region marked with the pattern indicated by reference number 602 is a parameter space where no conspicuous debris is formed. Represents. The observed trench processes the irradiated laser pulse while propagating the laser pulse along the beam axis at one of five pulse repetition rates (ie, 927.55kHz, 1264kHz, 1855kHz, 2022kHz and 3051kHz). Formed by scanning in a single pass along the trajectory. A plurality of trenches were formed at each pulse repetition rate. Each trench is formed using a different combination of byte size (measured in μm), fluence (measured in J / cm 2 units) and average power (measured in W). It was.

図6に示されるように、927.55kHz及び1264kHzでは、試験されたバイトサイズ、フルエンス及び平均パワーの値のすべての組み合わせにおいて、程々の量から相当量のデブリを生成することがわかった。一方、1855kHz、2022kHz及び3051kHzでは、一部(すべてではない)のパラメータ値の組み合わせにおいて、デブリの堆積がほとんどないか全くない加工済ワークピース表面が得られることがわかった。この知見は、加工される特定の材料に対して、それ以下ではデブリ生成が避けられないパルス繰り返し率の閾値があることを示す傾向にある。しかしながら、パルス繰り返し率の閾値以上では、他の一般的な観察結果を得ることができる。すなわち、比較的低いフルエンス又は平均パワー値では、程々の量又は相当量のデブリを生成することなくフィーチャを形成するために、比較的広い範囲のバイトサイズを使ってワークピース102を加工することができる。また、フルエンス又は平均パワーが増加すると、このバイトサイズの範囲が狭くなる。   As shown in FIG. 6, at 927.55 kHz and 1264 kHz, it was found that all combinations of byte size, fluence and average power values tested produced a substantial amount of debris from moderate amounts. On the other hand, at 1855 kHz, 2022 kHz and 3051 kHz, it was found that processed workpiece surfaces with little or no debris accumulation were obtained with some (but not all) parameter value combinations. This finding tends to indicate that there is a pulse repetition rate threshold below which debris generation is unavoidable for the specific material being processed. However, other general observations can be obtained above the pulse repetition rate threshold. That is, at a relatively low fluence or average power value, the workpiece 102 can be machined using a relatively wide range of bite sizes to form features without producing moderate or substantial amounts of debris. it can. Also, as the fluence or average power increases, this byte size range becomes narrower.

領域600と領域602が重なるパラメータ空間が存在する。例えば、参照番号604により示されるパターンにより印された領域を参照されたい。この重なりは、(1)相当な又は目立ったデブリの生成と些細な又は目立たないデブリの生成との間に遷移があること、又は、(2)与えられたフルエンス、パワー及びバイトサイズに対して、清浄な又は滑らかなフィーチャ又はデブリの生成を伴うフィーチャを生成し得るプロセスが存在することを示していると一般的に理解することができる。一例として、1855kHzでは、パワーとフルエンスを整合させるプロセスに対して、異なる結果(すなわち、清浄な又は滑らかなフィーチャ又はデブリの生成を伴うフィーチャ)を生じるポットサイズとパルスエネルギーの組み合わせが存在する。換言すれば、領域600と領域602が重なるパラメータ空間内の所定の座標では、照射されるレーザパルスのスポットサイズ及びパルスエネルギーに応じて、清浄又は滑らかな表面を有するフィーチャ又はデブリの生成を伴うフィーチャを形成することができる。   There is a parameter space in which the region 600 and the region 602 overlap. For example, see the region marked by the pattern indicated by reference numeral 604. This overlap can be (1) there is a transition between the generation of substantial or noticeable debris and the generation of minor or inconspicuous debris, or (2) for a given fluence, power and byte size. It can be generally understood that this indicates that there are processes that can produce clean or smooth features or features with debris generation. As an example, at 1855 kHz, there is a combination of pot size and pulse energy that produces different results (ie, features with clean or smooth features or debris generation) for the process of matching power and fluence. In other words, at a given coordinate in the parameter space where region 600 and region 602 overlap, a feature with clean or smooth surface or debris generation depending on the spot size and pulse energy of the irradiated laser pulse. Can be formed.

IV.実験結果に基づく実施形態の例
上記第III章A節からE節において述べた実験の結果に基づけば、本発明の一実施形態は、除去プロセス中に(非透過的なワークピース102に照射されるレーザパルスの光の波長に対して)材料を除去することによりワークピース102にフィーチャ(例えば、スクライブ又は他のトレンチ又は凹部など)を形成するためのレーザプロセスとして特徴付けることができる。例えば、図9Aに示される実施形態を参照すると、ワークピース102は、上面(例えば面900a)と上面と反対側の下面(例えば面900b)とを有する半導体ウェハであり得る。半導体ウェハは、(例えば、シリコン、ゲルマニウム、Si1-xGex(0.0001<x<0.9999)、GaAs、GaN、InPなど、あるいはこれらを任意に組み合わせたもののような材料から形成される)基板902と、(例えば、電界効果トランジスタ、誘電体層、配線メタライゼーション構造、パッシベーション層など、あるいはこれらを任意に組み合わせたものから形成される)デバイス層904とを含み得る。ワークピース102は、上述した半導体ウェハ以外の任意の方法により提供されてもよいことは認識すべきである。例えば、ワークピース102は、Al2O3、AlN、BeO、Cu、GaAs、GaN、Ge、InP、Si、SiO2、SiC、Si1-xGex(0.0001<x<0.9999)など、又はこれらを任意に組み合わせたもの又はこれらの任意の合金から形成される基板(例えば、電子基板、半導体基板、光学基板など)を含む任意の単層構造又は多層構造、プラスチック、ガラス(例えば、非強化ガラス又は熱強化ガラス又は化学強化ガラス又はその他のガラスのいずれか)、石英、サファイヤ、プラスチック、シリコン、1以上の金属(例えば、Al、Ag、Au、Cu、Fe、In、Mg、Pt、Sn、Tiなど、又はこれらを任意に組み合わせたもの又はこれらの任意の合金)、導電性金属酸化物(例えばITOなど)、透明な導電性ポリマー、セラミック、ワックス、樹脂、(例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもののように層間誘電体構造として用いられる)無機誘電材料、low-k誘電体材料(例えば、メチルシルセスキオキサン(MSQ)、水素シルセスキオキサン(HSQ)、フッ化オルトケイ酸テトラエチル(FTEOS)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの)、有機誘電体材料(例えば、SILK、ベンゾシクロブテン、Nautilus(いずれもDow社により製造される)、ポリフルオロテトラエチレン(DuPont社により製造される)、FLARE(Allied Chemical社により製造される)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの)、ファイバガラス、高分子材料(ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、改質ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、アクリロニトリルブタジエンスチレン、及びこれらの任意の化合物、複合物、又は混ぜ物)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたものなどから形成される物として提供され得る。
IV. Example Embodiments Based on Experimental Results Based on the experimental results described in Section III, Sections A through E above, one embodiment of the present invention can be used during the removal process (irradiating the impervious workpiece 102). It can be characterized as a laser process for forming features (eg, scribe or other trenches or recesses) in the workpiece 102 by removing material (relative to the wavelength of the laser pulse light). For example, referring to the embodiment shown in FIG. 9A, the workpiece 102 may be a semiconductor wafer having an upper surface (eg, surface 900a) and a lower surface opposite the upper surface (eg, surface 900b). The semiconductor wafer is formed from a material such as silicon, germanium, Si 1-x Ge x (0.0001 <x <0.9999), GaAs, GaN, InP, etc., or any combination thereof. And a device layer 904 (eg, formed from a field effect transistor, dielectric layer, interconnect metallization structure, passivation layer, etc., or any combination thereof). It should be appreciated that the workpiece 102 may be provided by any method other than the semiconductor wafer described above. For example, the workpiece 102 may be Al 2 O 3 , AlN, BeO, Cu, GaAs, GaN, Ge, InP, Si, SiO 2 , SiC, Si 1-x Ge x (0.0001 <x <0.9999), or the like. Any single or multi-layer structure, plastic, glass (eg, unreinforced glass) including substrates (eg, electronic substrates, semiconductor substrates, optical substrates, etc.) formed of any combination of these or any alloy thereof Or heat tempered glass or chemically tempered glass or other glass), quartz, sapphire, plastic, silicon, one or more metals (eg, Al, Ag, Au, Cu, Fe, In, Mg, Pt, Sn, Ti, or any combination thereof or any alloy thereof), conductive metal oxide (eg, ITO), transparent conductive polymer, ceramic, wax, resin (eg, silicon oxide, silicon nitride) , Silicon oxynitride, etc. Or inorganic dielectric materials (used as interlayer dielectric structures like any combination of these), low-k dielectric materials (eg, methyl silsesquioxane (MSQ), hydrogen silsesquioxane (HSQ), Tetraethyl fluoroorthosilicate (FTEOS) or any combination thereof, organic dielectric materials (eg SILK, benzocyclobutene, Nautilus (all manufactured by Dow), polyfluorotetraethylene ( Manufactured by DuPont), FLARE (manufactured by Allied Chemical), or any combination thereof, fiber glass, polymer materials (polyamide, polyimide, polyester, polyacetal, polycarbonate, modified polyphenylene) Ether, polybutylene terephthalate, polyphenylenesulfur , Polyethersulfone, polyetherimide, polyetheretherketone, liquid crystal polymer, acrylonitrile butadiene styrene, and any compounds, composites, or mixtures thereof), or any combination thereof. Can be provided.

次のうち1つ以上を有利に達成するような方法でワークピース102の一部を確実に除去するように除去プロセスのパラメータ(例えば、フルエンス、平均パワー、パルス繰り返し率、パルスエネルギー、スポットサイズ、バイトサイズなどのうち1つ以上)が選択され、制御され、あるいは設定される。加工中のデブリの生成を最小限又はゼロにすること、滑らかな加工済ワークピース表面を生成すること、欠陥、傷又はクラックの数の少ない加工済ワークピース表面を生成すること、工済ワークピース表面に隣接してワークピース102内に均一なHAZを生成すること。例えば、除去プロセス中に、ワークピース102と交差するビーム軸に沿ってレーザパルスビームを照射してもよく、連続的に照射されるレーザパルスが非ゼロバイトサイズでワークピース102に当たり、ワークピース102の上面900aにフィーチャ(例えば、図9Bに示されるようなフィーチャ906であり、凹部やトレンチなどであり得る)を形成するようにレーザパルスビームをスキャンしてもよい。   Removal process parameters (eg, fluence, average power, pulse repetition rate, pulse energy, spot size, etc.) to ensure removal of a portion of the workpiece 102 in a manner that advantageously achieves one or more of the following: One or more of the byte sizes, etc.) is selected, controlled, or set. Minimizing or eliminating the generation of debris during processing, generating a smooth processed workpiece surface, generating a processed workpiece surface with fewer defects, scratches or cracks, processed workpiece Produce a uniform HAZ in the workpiece 102 adjacent to the surface. For example, during the removal process, a laser pulse beam may be irradiated along a beam axis that intersects the workpiece 102, and a continuously irradiated laser pulse strikes the workpiece 102 in a non-zero byte size, and the workpiece 102 The laser pulse beam may be scanned to form a feature (eg, feature 906 as shown in FIG. 9B, which may be a recess, a trench, etc.) on the top surface 900a of the substrate.

図9Bに示される実施形態においては、フィーチャ906は、デバイス層904を貫通し、(例えば、基板902の上面から測定した深さdまで)基板902の一部にまで延びている。ある実施形態においては、深さdは、5μm(又はその前後)から22μm(又はその前後)の範囲であり得る。例えば、深さdは、5μm、5.5μm、6.0μm、6.5μm、7.0μm、7.5μm、8.0μm、8.5μm、10μm、12μm、15μm、17μm、20μm、22μmなど、あるいはこれらの値のいずれかの間であり得る。しかしながら、深さdは、5μm未満であってもよく、あるいは22μmよりも大きくてもよいことは認識すべきである。他の実施形態においては、フィーチャ906   In the embodiment shown in FIG. 9B, feature 906 extends through device layer 904 and extends to a portion of substrate 902 (eg, from the top surface of substrate 902 to a measured depth d). In some embodiments, the depth d can range from 5 μm (or before and after) to 22 μm (or around). For example, the depth d is 5 μm, 5.5 μm, 6.0 μm, 6.5 μm, 7.0 μm, 7.5 μm, 8.0 μm, 8.5 μm, 10 μm, 12 μm, 15 μm, 17 μm, 20 μm, 22 μm, or any of these values Can be between. However, it should be appreciated that the depth d may be less than 5 μm or greater than 22 μm. In other embodiments, feature 906

十分に滑らかな加工済ワークピース表面(例えば、加工済ワークピース表面906)を形成するようにパラメータを選択する場合には、ワークピース102の内部加工やワークピース102のワークピース貫通加工など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもののような後続のプロセスを容易にするために加工済ワークピース表面を用いてもよい。加工済ワークピース表面が1.0μm以下の平均表面粗さ(Ra)を有する場合には、加工済ワークピース表面(例えば加工済ワークピース表面906)は後続のプロセスを容易にするのに「十分に滑らかである」と考えることができる。ある実施形態においては、加工済ワークピース表面は、1.0μm未満、0.75μm未満、0.5μm未満、0.4μm未満、0.3μm未満、0.25μm未満、0.2μm未満、0.15μm未満など、あるいはこれらの値のいずれかの間の平均表面粗さ(Ra)を有し得る。   If the parameters are selected to form a sufficiently smooth machined workpiece surface (eg, machined workpiece surface 906), such as internal machining of workpiece 102, workpiece penetration of workpiece 102, etc., or The processed workpiece surface may be used to facilitate subsequent processes such as any combination thereof. If the processed workpiece surface has an average surface roughness (Ra) of 1.0 μm or less, the processed workpiece surface (eg, processed workpiece surface 906) is “sufficient to facilitate subsequent processes. It can be thought of as “smooth”. In some embodiments, the processed workpiece surface is less than 1.0 μm, less than 0.75 μm, less than 0.5 μm, less than 0.4 μm, less than 0.3 μm, less than 0.25 μm, less than 0.2 μm, less than 0.15 μm, etc., or these values Can have an average surface roughness (Ra) between

ワークピース102の内部加工は、他のレーザパルスビームを最初に加工済ワークピース表面を通過し、その後、ワークピース内に入るように照射することにより行うことができる。この場合において、レーザパルスのビームウェストがワークピース102の内部に位置するようにレーザパルスビームが集束される。ワークピース102の内部加工中に使用されるレーザパルスは、加工されるワークピース102内の材料に対して加工済ワークピース表面の初期形成中に使用される波長よりも透過的な波長を有する。そのような内部加工に関連付けられたパラメータ(例えば、フルエンス、平均パワー、パルス繰り返し率、パルスエネルギー、スポットサイズ、バイトサイズなどのうち1つ以上)は、ワークピース102内の材料による照射レーザパルスの非線形吸収を誘起し、これにより、照射されたレーザパルスのビームウェスト又はその近傍にあるワークピース102内の材料の一部(例えば、図9Cに示される部分908)を加工(例えば、溶融したり、蒸発させたり、アブレートしたり、クラックしたり、脱色したりなど、あるいは化学的組成、結晶構造、電子構造、マイクロ構造、ナノ構造、濃度、粘度、屈折率、透磁率、比誘電率などの1以上の特質又は特性を変えたり)するように選択される。例えば、(例えば、図7の顕微鏡写真に示されるような)十分に滑らかな加工済ワークピース表面を形成するためにシリコンウェハのようなワークピース102にトレンチが形成された後、上述のようにして内部加工を行って、(例えば、図8A及び図8Bの顕微鏡写真に示されるように(図8Aは図7に示されるトレンチの幅を横断する図であり、図8Bは図7に示されるトレンチの長さ方向に沿った図である))シリコンウェハの内部に一連のクラックを形成してもよい。   Internal machining of the workpiece 102 can be performed by irradiating another laser pulse beam first through the machined workpiece surface and then into the workpiece. In this case, the laser pulse beam is focused so that the beam waist of the laser pulse is located inside the workpiece 102. The laser pulses used during internal machining of the workpiece 102 have a wavelength that is more transparent to the material within the workpiece 102 being machined than the wavelength used during the initial formation of the machined workpiece surface. Parameters associated with such internal processing (eg, one or more of fluence, average power, pulse repetition rate, pulse energy, spot size, bite size, etc.) are determined by the laser pulses emitted by the material in the workpiece 102. Induces non-linear absorption, thereby machining (eg, melting, or processing) a portion of material within the workpiece 102 at or near the beam waist of the irradiated laser pulse (eg, portion 908 shown in FIG. 9C) Evaporate, ablate, crack, decolorize, etc. or chemical composition, crystal structure, electronic structure, microstructure, nanostructure, concentration, viscosity, refractive index, magnetic permeability, relative dielectric constant, etc. To change one or more attributes or characteristics). For example, after a trench has been formed in a workpiece 102, such as a silicon wafer, to form a sufficiently smooth processed workpiece surface (eg, as shown in the micrograph of FIG. 7), as described above. (Eg, as shown in the micrographs of FIGS. 8A and 8B (FIG. 8A is a view across the width of the trench shown in FIG. 7 and FIG. 8B is shown in FIG. 7). It is a view along the length of the trench))) A series of cracks may be formed inside the silicon wafer.

図9Dを参照すると、ワークピース102のワークピース貫通加工は、他のレーザパルスビームを最初に加工済ワークピース表面(例えば加工済ワークピース表面906a)を通過し、その後、ワークピース内に入るように照射することにより行うことができる。レーザパルスのビームウェストがワークピース102の下面900b又はその近傍に位置するように、照射されるレーザパルスビームが集束される。ワークピース102の内部加工中に使用されるレーザパルスは、加工されるワークピース102内の材料に対して加工済ワークピース表面の初期形成中に使用される波長よりも透過的な波長を有する。そのようなワークピース貫通加工に関連付けられたパラメータ(例えば、フルエンス、平均パワー、パルス繰り返し率、パルスエネルギー、スポットサイズ、バイトサイズなどのうち1つ以上)は、下面900bでワークピース102の材料による照射レーザパルスの線形吸収又は非線形吸収を誘起し、これにより、(例えば、下面900bでトレンチ又は凹部910を形成するように)照射されたレーザパルスのビームウェスト又はその近傍にあるワークピース102の材料の一部を加工するように選択される。ワークピース102の実施可能な貫通ワークピース加工の例は、米国特許第9,610,653号において述べられており、この公報はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。   Referring to FIG. 9D, the workpiece through-penetration of workpiece 102 causes another laser pulse beam to first pass through the processed workpiece surface (eg, processed workpiece surface 906a) and then into the workpiece. Can be carried out by irradiating the film. The irradiated laser pulse beam is focused so that the beam waist of the laser pulse is located at or near the lower surface 900b of the workpiece 102. The laser pulses used during internal machining of the workpiece 102 have a wavelength that is more transparent to the material within the workpiece 102 being machined than the wavelength used during the initial formation of the machined workpiece surface. Parameters associated with such workpiece penetration (eg, one or more of fluence, average power, pulse repetition rate, pulse energy, spot size, bite size, etc.) depend on the material of workpiece 102 at lower surface 900b. The material of the workpiece 102 in or near the beam waist of the irradiated laser pulse (eg, so as to form a trench or recess 910 on the lower surface 900b) that induces linear or nonlinear absorption of the irradiated laser pulse. Is selected to machine part of. An example of possible penetrating workpiece machining of workpiece 102 is described in US Pat. No. 9,610,653, which is incorporated herein by reference in its entirety.

V.結論
上記は、本発明の実施形態及び例を説明したものであって、これに限定するものとして解釈されるものではない。いくつかの特定の実施形態及び例が図面を参照して述べられたが、当業者は、本発明の新規な教示や利点から大きく逸脱することなく、開示された実施形態及び例と他の実施形態に対して多くの改良が可能であることを容易に認識するであろう。
V. CONCLUSION The foregoing describes embodiments and examples of the present invention and should not be construed as limiting. Although several specific embodiments and examples have been described with reference to the drawings, those skilled in the art will recognize that the disclosed embodiments and examples and other implementations may be practiced without departing from the novel teachings and advantages of the present invention. It will be readily appreciated that many improvements to the form are possible.

例えば、上記第III章で述べた実験は、ベアシリコンウェハに対して行ったが、加工される材料が照射レーザパルスの波長に対して非透過的であれば、超短レーザパルスを用いて(シリコンウェハ以外の)材料を含むワークピースを加工した場合にも同様の効果が見られることを認識すべきである。このように、シリコン以外の材料から構成される半導体ウェハ、電子デバイス基板又は光学デバイス基板(例えば、Al2O3、AlN、BeO、Cu、GaAs、GaN、Ge、InP、Si、SiO2、SiC、Si1-xGex(0.0001<x<0.9999)など、あるいはこれらの任意の組み合わせ又はこれらの任意の合金から形成される基板)、プラスチック、ガラス(非強化ガラス又は熱強化ガラス又は化学強化ガラス又はその他のガラスのいずれか)、石英、サファイヤ、プラスチック、シリコンなど、1以上の金属(例えば、Al、Ag、Au、Cu、Fe、In、Mg、Pt、Sn、Tiなど、又はこれらを任意に組み合わせたもの又はこれらの任意の合金)、導電性金属酸化物(例えばITOなど)、透明な導電性ポリマー、セラミック、ワックス、樹脂、(例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもののように層間誘電体構造として用いられる)無機誘電材料、low-k誘電体材料(例えば、メチルシルセスキオキサン(MSQ)、水素シルセスキオキサン(HSQ)、フッ化オルトケイ酸テトラエチル(FTEOS)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの)、有機誘電体材料(例えば、SILK、ベンゾシクロブテン、Nautilus(いずれもDow社により製造される)、ポリフルオロテトラエチレン(DuPont社により製造される)、FLARE(Allied Chemical社により製造される)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたもの)、ファイバガラス、高分子材料(ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、改質ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、アクリロニトリルブタジエンスチレン、及びこれらの任意の化合物、複合物、又は混ぜ物)など、あるいはこれらを任意に組み合わせたものなどから形成される物を加工するように上述した実施形態を有利に適合させることができることを認識すべきである。 For example, the experiment described in Chapter III above was performed on a bare silicon wafer. If the material to be processed is opaque to the wavelength of the irradiation laser pulse, an ultrashort laser pulse is used ( It should be recognized that similar effects can be seen when processing workpieces containing materials (other than silicon wafers). Thus, a semiconductor wafer, an electronic device substrate, or an optical device substrate (for example, Al 2 O 3 , AlN, BeO, Cu, GaAs, GaN, Ge, InP, Si, SiO 2 , SiC made of a material other than silicon) Si 1-x Ge x (0.0001 <x <0.9999), etc., or any combination thereof, or a substrate formed from any alloy thereof, plastic, glass (non-tempered glass or heat tempered glass or chemically tempered glass) Or any other glass), quartz, sapphire, plastic, silicon, etc., one or more metals (eg, Al, Ag, Au, Cu, Fe, In, Mg, Pt, Sn, Ti, etc., or any of these) In combination or any alloy thereof), conductive metal oxides (for example, ITO), transparent conductive polymers, ceramics, waxes, resins (for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, etc.) Is used as an interlayer dielectric structure, such as any combination of these), low-k dielectric materials (eg, methyl silsesquioxane (MSQ), hydrogen silsesquioxane (HSQ), fluorine Tetraethyl orthosilicate (FTEOS) or any combination thereof, organic dielectric materials (eg SILK, benzocyclobutene, Nautilus (all manufactured by Dow), polyfluorotetraethylene (DuPont) Manufactured by the company), FLARE (manufactured by Allied Chemical), or any combination thereof, fiber glass, polymer materials (polyamide, polyimide, polyester, polyacetal, polycarbonate, modified polyphenylene ether) , Polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide Polyethersulfone, polyetherimide, polyetheretherketone, liquid crystal polymer, acrylonitrile butadiene styrene, and any compounds, composites, or mixtures thereof), or any combination thereof. It should be appreciated that the above-described embodiments can be advantageously adapted to process.

したがって、そのような改良はすべて、特許請求の範囲において規定される本発明の範囲に含まれることを意図している。例えば、当業者は、そのような組み合わせが互いに排他的になる場合を除いて、いずれかの文や段落、例又は実施形態の主題を他の文や段落、例又は実施形態の一部又は全部の主題と組み合わせることができることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲とこれに含まれるべき請求項の均等物とによって決定されるべきである。   Accordingly, all such modifications are intended to be included within the scope of this invention as defined in the claims. For example, those skilled in the art will recognize the subject matter of any sentence or paragraph, example or embodiment as part or all of another sentence or paragraph, example or embodiment, unless such combinations are mutually exclusive. It will be understood that it can be combined with the subject matter. Accordingly, the scope of the invention should be determined by the following claims and the equivalents of the claims to be included therein.

Claims (15)

第1の面と、前記第1の面と反対側の第2の面とを有するワークピースを用意し、
500kHzよりも高いパルス繰り返し率で200ps未満のパルス持続時間と、スポットサイズと、パルスエネルギーとを有する第1のレーザパルスビームを生成し、
前記ワークピースと交差するビーム軸に沿って前記第1のレーザパルスビームを照射し、
連続的に照射されるレーザパルスが前記ワークピースに非ゼロバイトサイズで当たって前記ワークピースの前記第1の面にフィーチャを形成するように前記ビーム軸を加工軌跡に沿ってスキャンし、前記フィーチャは、1.0μm未満の平均表面粗さ(Ra)を有する加工済ワークピース表面を有するものとして特徴付けられる、
方法。
Providing a workpiece having a first surface and a second surface opposite to the first surface;
Generating a first laser pulse beam having a pulse duration of less than 200 ps with a pulse repetition rate higher than 500 kHz, a spot size, and a pulse energy;
Irradiating the first laser pulse beam along a beam axis intersecting the workpiece;
Scanning the beam axis along a machining trajectory so that a continuously irradiated laser pulse strikes the workpiece with a non-zero byte size to form a feature on the first surface of the workpiece; Is characterized as having a processed workpiece surface with an average surface roughness (Ra) of less than 1.0 μm,
Method.
前記パルス持続時間は1ps以下である、請求項1の方法。   The method of claim 1, wherein the pulse duration is 1 ps or less. 前記パルス持続時間は800fs以下である、請求項1から2のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the pulse duration is 800 fs or less. 前記パルス繰り返し率は1264kHzよりも高い、請求項1から3のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the pulse repetition rate is higher than 1264 kHz. 前記パルス繰り返し率は1800kHz以上である、請求項1から4のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the pulse repetition rate is 1800 kHz or more. 前記パルス繰り返し率は1900kHz以上である、請求項1から5のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the pulse repetition rate is 1900 kHz or more. 前記パルス繰り返し率は2000kHz以上である、請求項1から6のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the pulse repetition rate is 2000 kHz or more. 前記パルス繰り返し率は3000kHz以上である、請求項1から7のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the pulse repetition rate is 3000 kHz or more. 前記平均表面粗さ(Ra)は0.75μm未満である、請求項1から8のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the average surface roughness (Ra) is less than 0.75 μm. 前記平均表面粗さ(Ra)は0.5μm未満である、請求項1から9のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the average surface roughness (Ra) is less than 0.5 μm. 前記平均表面粗さ(Ra)は0.4μm未満である、請求項1から10のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the average surface roughness (Ra) is less than 0.4 μm. 前記平均表面粗さ(Ra)は0.3μm未満である、請求項1から11のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the average surface roughness (Ra) is less than 0.3 μm. 前記平均表面粗さ(Ra)は0.25μm未満である、請求項1から12のいずれかの方法。   The method according to claim 1, wherein the average surface roughness (Ra) is less than 0.25 μm. さらに、
第2のレーザパルスビームを生成し、
前記第2のレーザパルスビーム中のレーザパルスを集束させてビームウェストを生成し、
前記ビームウェストが前記ワークピース内又は前記ワークピースの前記第2の面上に配置されるように、前記集束させた第2のレーザパルスビームを前記加工済ワークピース表面と交差するビーム軸に沿って照射し、
前記ビームウェストで前記ワークピースを加工する、
請求項1から13のいずれかの方法。
further,
Generating a second laser pulse beam;
Focusing a laser pulse in the second laser pulse beam to generate a beam waist;
The focused second laser pulse beam is along a beam axis intersecting the processed workpiece surface such that the beam waist is located in the workpiece or on the second surface of the workpiece. Irradiate
Machining the workpiece with the beam waist;
The method according to claim 1.
前記ワークピースは、前記第1のレーザパルスビーム中のレーザパルスの波長に対してよりも、前記第2のレーザパルスビーム中のレーザパルスの波長に対してより透過的である、請求項14の方法。   15. The workpiece of claim 14, wherein the workpiece is more transparent to the wavelength of the laser pulse in the second laser pulse beam than to the wavelength of the laser pulse in the first laser pulse beam. Method.
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