KR100707860B1 - 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법 - Google Patents

레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법은: 제1금속층의 제거 에너지 임계값 이상을 발현하는 반복주파수로 상기 제1금속층을 제거하는 제1단계; 및 상기 반복주파수로 유전층을 제거하는 제2단계;를 구비하며, 상기 유전층의 제거 에너지 임계값은 상기 제1금속층의 제거 에너지 임계값 보나 낮으며, 제2단계에서의 레이저 빔은 레이저 빔 에너지 밀도 감소수단을 사용하여 제1단계에서의 레이저 빔의 에너지 밀도 보다 낮게 조절된 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법{Method of forming via hole using laser beam}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법이 적용되는 레이저 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에서 사용한 DPSS(diode pumped solid state) 레이저의 출력 특성곡선을 보여주는 그래프이다.
도 3은 DPSS 레이저의 레이저 빔의 에너지 밀도를 다이오드 전류의 조정으로 실시한 후, DPSS 레이저로부터의 레이저 빔의 목표물에서의 상대위치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 빔을 이용한 단계별 비아홀 형성방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 갈바노 스캐너의 작용을 설명하는 도면이다.
도 6은 레이저 빔의 에너지 밀도 감소수단으로 사용하는 다수의 ND 필터(neutral density filter)가 설치된 회전휠(rotation wheel)을 도시한 평면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100: 레이저 시스템 110: 레이저 발진기
120: 빔 익스팬더 140: 갈바노 스캐너
160: 다층기판 161: 상부도전층
162: 유전층 163: 하부도전층
본 발명은 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 동일항 반복 주파수의 레이저 빔으로 다중 기판 상의 금속층과 유전층을 순차적으로 제거하는 방법에 관한 것이다.
반도체 공정에서 사용하는 전자 회로용 기판은 일반적으로 상부금속층, 유전층 및 하부금속층이 적층된 구조를 이루고 있다. 상부금속층과 하부금속층을 전기적으로 연결하기 위해서 상부금속층과 유전층을 소정 직경, 예컨대 수십 내지 수백 마이크로 미터의 직경으로 홀(이하 비아홀이라 칭함)을 형성하고 비아홀에 금속 도전체를 채움으로써 상부금속층과 하부금속층을 전기적으로 연결한다.
반도체 공정 기술의 발전과 함께 더욱 미세한 비아홀을 가공을 필요로 하므로, 종래의 기계적 수단에 의한 비아홀은 그 직경에 있어서 최근의 비아홀을 형성하기가 매우 어렵다.
이러한 배경에서 레이저 빔을 이용한 비아홀 가공방법이 각광을 받고 있다. 레이저 빔을 이용한 비아홀 가공에 있어서는 상부금속층을 제거한 후, 유전층을 제거시 하부금속층에 홀이 형성되는 것을 방지하여야 하며, 또한, 상부금속층의 홀의 위치와 유전층의 홀의 위치가 일치하여야 한다. 또한, 비아홀의 형성 속도를 증가 시켜서 생산성을 향상시키는 것도 매우 중요하다.
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속층 하부의 유전층을 레이저 빔으로 제거시 그 속도와 정밀도를 향상시킨 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법은:
레이저 빔으로 제1금속층과 상기 제1금속층 하부의 유전층과 상기 유전층 하부의 제2금속층으로 이루어진 다층 기판에 비아홀을 형성하는 방법에 있어서,
상기 제1금속층의 제거 에너지 임계값 이상을 발현하는 반복주파수로 상기 제1금속층을 제거하는 제1단계; 및
상기 반복주파수로 상기 유전층을 제거하는 제2단계;를 구비하며,
상기 유전층의 제거 에너지 임계값은 상기 제1금속층의 제거 에너지 임계값 보나 낮으며, 제2단계에서의 레이저 빔은 레이저 빔 에너지 밀도 감소수단을 사용하여 제1단계에서의 레이저 빔의 에너지 밀도 보다 낮게 조절된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 레이저 빔 에너지 밀도 감소수단은, 상기 레이저 빔의 광량을 소정 비율로 감소시키는 ND 필터이며, 상기 제2단계는 상기 ND 필터를 통과한 레이저 빔을 사용한다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 레이저 빔 에너지 밀도 감소수단은, 갈바노 스캐너를 구비한 레이저 장치에서 상기 갈바노 스캐너의 회전속도를 증가시켜서 상기 유전층의 단위면적당 레이저 빔의 에너지 밀도를 감소시킨다.
본 발며의 또 다른 국면에 따르면, 상기 레이저 빔 에너지 밀도 감소수단은, 상기 레이저 빔이 상기 유전층에 디포커싱되어서 상기 유전층의 단위면적당 레이저 빔의 에너지를 감소시킨다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법을 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법이 적용되는 레이저 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도면을 참조하면, 레이저 시스템(100)의 레이저 발진기(110)로부터 발진된 레이저 빔은 빔 익스팬더(120)에 의해서 확대되어서 갈바노 스캐너(140) 및 f-세타 렌즈(150)를 통해서 다중 기판(160)에 조사된다.
다중기판(160)은 도전성 금속, 예컨대 Cu로 제조된 하부도전층(163)과, 하부도전층(163) 상에 형성된 유전층(162)와, 상기 유전층(162) 상에 형성된 상부도전층(161)로 이루어져 있다. 상부도전층(161)은 Cu로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명에서 사용한 DPSS(diode pumped solid state) 레이저의 출력 특성곡선을 보여주는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 레이저 빔의 에너지 밀도는 반복 주파수가 대략 50 kHz 정도에서 가장 높다. 한편, 다중기판(160)의 상부도전층 (161)을 제거하는 데 필요한 레이저 빔의 에너지 임계값이 10 W 이고, 유전층(162)를 제거하는 데 필요한 레이저 빔의 에너지 임계값이 5 W 인 경우, 제1단계로 상부도전층을 제거하기 위해서는 레이저 출력이 10 W 이상인 예컨대 반복주파수 50 kH 로 출력된 레이저 빔을 사용할 수 있다.
2단계로 유전층을 제거하는 경우에는 대략 20 kHz 반복주파수로 6.0 W 파워의 레이저 빔을 사용하여 유전층을 제거할 수 있다.
그러나, 상부도전층(161)과 유전층(162)을 제거시 레이저 빔의 에너지 밀도의 조정을 위해서 반복주파수를 조정하는 것은 정밀한 비아홀의 가공을 어렵게 만든다.
도 3은 DPSS 레이저의 레이저 빔의 에너지 밀도를 다이오드 전류의 조정으로 실시한 후, DPSS 레이저로부터의 레이저 빔의 목표물에서의 상대위치를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, UV 파장대의 DPSS 레이저로부터의 레이저 빔은 반복주파수 35 kHz에서 다이오드 전류를 75% ~ 100%로 변경하였다. 다이오드 전류를 증감에 따라서 레이저 빔의 에너지 밀도(파워)는 증감한다. 도 3에서 보면, 레이저 빔의 에너지 밀도가 변함에 따라서 레이저 빔의 위치 차이가 발생됨을 알 수 있다. 이는 가공하는 비아홀의 위치가 부정확하게 하는 원인이 됨이 명확하다.
본 발명에서는 이와 같은 에너지 출력을 다이오드 전류 또는 반복 주파수 변경에 따른 레이저 빔의 위치 오류를 줄이기 위해서 상부 금속층과 유전층을 제거시 동일한 반복 주파수를 사용하고, 동일한 다이오드 전류를 사용하는 방법을 사용하 였다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 빔을 이용한 단계별 비아홀 형성방법을 설명하는 도면이다.
비아홀을 형성하기 위한 다중기판(160)은 도 4(a)에서 보듯이 상부도전층(161)과, 유전층(162)과 하부도전층(163)으로 이루어져 있다. 상부도전층(161) 및 하부도전층(162)는 Cu 로 형성될 수 있다. 유전층(162)은 RCC(Resin Coated Dopper) 폴리머 또는 FR4 폴리머 물질로 형성될 수 있다. 비아홀은 상부도전층(161)과 하부도전층(163)의 전기적 연결을 위해서 형성한다.
먼저, 다중 기판(160)의 상부도전층(161)을 가공하기 위해서 DPSS 레이저의 에너지 출력을 상부도전층(161) 예컨대 Cu를 제거하는 데 필요한 임계 에너지 파워 이상으로 조절한다. 도 2에서 보면 40~60 kHz, 바람직하게는 50 kHz 반복주파수로 설정한다. 이어서, 레이저 빔으로 상부도전층(161)을 소정 시간 수십 ㎛ ~ 수백 ㎛ 크기의 직경으로 홀을 형성한다(제1단계). 이때 도 4(b)에서 보듯이 유전층(162)의 상부 일부가 상부도전층(161)과 함께 제거될 수도 있다.
이어서, 제1단계에서와 동일한 반복 주파수, 예컨대 50 kHz를 사용하면서 레이저 장치로부터 발진된 레이저 빔의 에너지 밀도를 감소시킨다. 즉, 레이저 빔의 에너지 밀도를 유전층(162)를 제거하는 데 필요한 임계값 이상으로 조절할 수 있도록 레이저 빔의 에너지 밀도 감소수단을 사용한다. 레이저 빔의 에너지 밀도 감소수단으로는 갈바노 스캐너의 선속도를 증가시키거나, 광투과율을 낮춘 ND 필터(neutral density filter)를 사용할 수 있으며, 이러한 레이저 빔의 에너지 밀도 감소수단에 대해서는 더욱 상세하게 후술한다. 이러한 레이저 빔의 에너지 밀도 감소수단을 사용하여 유전층(162)을 제거하여 비아홀(165)을 형성한다(제2단계).
본 발명의 레이저 빔을 이용한 비아홀의 형성방법에서는 종래 기술과는 달리 동일한 높은 반복수파수를 제1단계 및 제2단게에서 사용하고, 레이저 발진기로부터 동일한 파워의 레이저 빔을 발진하여 사용함으로써 제2단계에서도 고속으로 비아홀을 가공할 수 있으며, 비아홀의 위치를 정확하게 제1단계와 일치시킴으로써 정밀한 비아홀 가공을 실현할 수 있다. 즉, 비아홀의 가공 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 정밀한 비아홀을 가공할 수 있다.
도 5는 도 1의 갈바노 스캐너의 작용을 설명하는 도면이다. 갈바노 스캐너(140)는 x 미러(141) 및 y 미러(142)를 구비한다. x 미러(141)는 x 미러(141)의 일측의 샤프트(141a)를 회전하는 x 드라이브(미도시)에 의해서 레이저 빔을 x 방향으로 이동하며, y 미러(142)는 y 미러(142)의 일측의 샤프트(142a)를 회전하는 y 드라이브(미도시)에 의해서 x 미러(141)로부터 입사된 레이저 빔의 y 방향의 움직임을 제어한다. 따라서, 레이저 발진기에 발진된 레이저 빔은 갈바노 스캐너(140)의 미러들의 회전속도에 따라서 다중기판(160)에 가하는 에너지 밀도가 가변될 수 있다. 갈바노 스캐너(140)의 선속도를 증가시킴으로써 상기 제2단계에서의 레이저 빔이 유전층(162)에 가해지는 에너지 밀도를 감소시킬 수 있다.
도 6은 레이저 빔의 에너지 밀도 감소수단으로 사용하는 다수의 ND 필터(neutral density filter)가 설치된 회전휠(rotation wheel)(200)을 도시한 도면이다. 회전휠(200)에는 다수의 광투과율이 예컨대 10~50%인 ND 필터들(neutral density filters)가 설치되어 있다. 이 ND 필터를 함께 사용하면 레이저 빔의 에너지 밀도를 원하는 수준으로 조절할 수 있게 된다. 상기 회전휠(200)은 도 1의 레이저 시스템에서 빔 익스팬더(120) 및 갈바노 스캐너(140) 사이에 배치될 수 있다.
한편, 레이저 빔이 가공 기판에 닿을 때의 스팟 사이즈를 크게하여서 기판의 단위면적당 에너지 밀도를 낮출 수 있다. 이를 위해서 도 1의 f-쎄타 렌즈(134)의 초점이 기판의 표면으로부터 이격되게 할 수 있다.
상술한 레이저 빔의 에너지 밀도를 감소시키는 수단 및 방법은 단독으로 사용될 수도 있으며, 또한 병행하여 사용할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법에 따르면, 동일한 높은 반복수파수를 제1단계 및 제2단계에서 사용하고, 레이저 발진기로부터 동일한 파워의 레이저 빔을 발진하여 사용함으로써 제2단계에서도 제1단계와 같이 고속으로 유전층을 가공할 수 있으며, 제2단계에서 비아홀을 형성하는 유전층의 홀의 위치를 정확하게 제1단계와 일치시킴으로써 정밀한 비아홀 가공을 실현할 수 있다. 즉, 비아홀의 가공 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 정밀한 비아홀을 가공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 레이저 빔으로 제1금속층과 상기 제1금속층 하부의 유전층과 상기 유전층 하부의 제2금속층으로 이루어진 다층 기판에 비아홀을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 제1금속층의 제거 에너지 임계값 이상을 발현하는 반복주파수로 상기 제1금속층을 제거하는 제1단계; 및
    상기 반복주파수로 상기 유전층을 제거하는 제2단계;를 구비하며,
    상기 유전층의 제거 에너지 임계값은 상기 제1금속층의 제거 에너지 임계값 보나 낮으며, 제2단계에서의 레이저 빔은 레이저 빔 에너지 밀도 감소수단을 사용하여 제1단계에서의 레이저 빔의 에너지 밀도 보다 낮게 조절된 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 에너지 밀도 감소수단은, 상기 레이저 빔의 광량을 소정 비율로 감소시키는 ND 필터이며, 상기 제2단계는 상기 ND 필터를 통과한 레이저 빔을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 에너지 밀도 감소수단은, 갈바노 스캐너를 구비한 레이저 장치에서 상기 갈바노 스캐너의 회전속도를 증가시켜서 상기 유전층의 단위면적당 레 이저 빔의 에너지 밀도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 에너지 밀도 감소수단은, 상기 레이저 빔이 상기 유전층에 디포커싱되어서 상기 유전층의 단위면적당 레이저 빔의 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 비아홀 형성방법.
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