KR101509549B1 - 레이저 처리 방법 및 장치 - Google Patents

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도널드 이. 와일
브라이언 시. 조한슨
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일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
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Abstract

레이저 빔(89)으로 소재를 처리하는 방법 및 장치는 소재(78, 80)를 고정하기 위한 제 1 및 제 2 스테이지(74, 76)와, 제 1 및 제 2 레이저 빔 경로를 포함한다. 제 1 소재는 제 1 레이저 빔 경로와 정렬된 제 1 스테이지 상에 로딩되고, 처리가 시작된다. 제 1 소재가 제 1 레이저 빔 경로에 관련하여 정렬되는 동안, 제 2 소재는 제 2 레이저 빔 경로에 관련하여 준비된다. 제 2 소재의 처리는 레이저 빔이 처리를 위해 이용가능하자마자 시작된다.

Description

레이저 처리 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR LASER PROCESSING}
일반적으로, 본 발명은 소재(workpiece)의 레이저 처리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 적어도 2개의 실질적으로 독립적인 소재 홀더를 제공하는 레이저 처리 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 2개 이상의 소재가 동시에 상이한 처리 단계를 완료하도록 하는 적어도 2개의 실질적으로 독립적인 소재 홀더를 조정할 수 있는 레이저 처리 장치에 관한 것이다. 처리 단계는 소재를 로딩, 정렬, 미세 가공, 검사 또는 언로딩하는 것을 포함할 수 있다. 본 발명은 하나 이상의 소재의 미세 가공을 허용하는 한편, 하나 이상의 추가 소재는 전체 처리를 실질적으로 변경 또는 지연하지 않고도 다른 처리 단계를 완료하게 된다.
레이저 처리는 다양한 결과를 달성하기 위해 다양한 전자 디바이스 상에서 사용된다. 일반적으로, 전자 디바이스는 소재로 언급된 동일한 구성요소의 실질적으로 평면 어레이로서 전자 디바이스의 다양한 제조 스테이지에서 나타난다. 소재의 예는 특히 반도체 웨이퍼, 인쇄 또는 에칭 배선 또는 회로 보드, 또는 세라믹 또는 실리콘 기판 상에 장착된 수동 또는 능동 구성요소 어레이를 포함한다. 일반적으로, 소재는 개별적으로 또는 일괄적으로 레이저 처리를 수행하는 특정 장치로/로부터 운반되고, 이것은 종종 자동적으로 언로딩되고 로딩될 수 있는 카세트 또는 매거진(magazine)에 운송된다. 레이저 처리라는 용어는 소재를 장치 상에 로딩하는 것과, 소재를 장치에 정렬하는 것과, 레이저 처리를 수행하는 것과, 소재를 장치로부터 언로딩하는 것을 포함한다. 레이저 처리는 다양한 프로세스를 달성하는 다양한 레이저를 이용하여 다수의 상이한 소재 상에서 수행될 수 있다. 레이저 처리의 예는 구멍 및/또는 비아(via) 형성을 달성하기 위한 단일 또는 다층 소재의 레이저 처리와, 웨이퍼 다이싱 또는 개별화(singulation)를 달성하기 위한 반도체 웨이퍼의 레이저 처리를 포함한다. 본 명세서에 기재된 레이저 처리 방법은, 또한 반도체 링크(퓨즈)의 제거, 열 어닐링, 수동 구성요소의 트리밍(trimming), 또는 실리콘을 포함하는 웨이퍼 또는 세라믹을 포함하는 기판을 자르거나 개별화하는 것을 포함하지만 여기에 한정되지 않는 많은 다른 유형의 레이저 물질 상호작용 프로세스에 적용될 수 있다.
여러 요인은 레이저 처리 장치의 바람직함을 결정한다. 이들 요인은 정밀도, 품질, 유용성, 융통성 및 처리량(throughput)을 포함한다. 이들 요인은 또한 다기능 성능을 갖는 그러한 장치를 포함한다. 다른 기능을 장치에 추가하는 것은 그러한 장치의 사용자가 상이한 장치 사이에서 소재를 전달하는 것을 피하고, 상이한 장치의 제거를 통해 비용을 감소시키거나, 이둘 모두에 의해 처리량을 얻게 한다. 처리량은 소재당 처리 비용에 대한 직접적인 영향으로 인해 매우 중요한 고려사항이다. 시스템 처리량은 물질 제거율, 소재 및 레이저 빔 위치 지정 속도 및 다른 시스템 오버헤드(system overhead)를 포함하는 여러 요인들의 함수이다. 시스템 오버헤드는 물질 제거 또는 변형이 직접 수반되지 않은 레이저 처리 장치의 모든 동 작을 위한 시간이다. 시스템 오버헤드는, 소재의 로딩 및 언로딩, 소재의 정렬, 소재의 검사, 기계적 구성요소가 다음 동작을 안정시키는(settle) 것을 대기함, 레이저 및 다른 전자 구성요소가 전력 공급 또는 파라미터 변경시 전기적으로 안정시키는(settle) 것을 대기함을 포함할 수 있다.
레이저 처리에 의해 다층 기판에서 비아 형성을 위한 물질 제거율은 처리되는 다층 기판의 복잡도에 의해 부분적으로 결정되며, 이러한 복잡도는 일반적으로 레이저 시스템 설계자의 제어를 너머서는 요인의 함수이다. 도 1은 층(12, 14, 16 및 18)을 포함하는 임의 유형의 예시적인 다층 소재(10)를 도시한다. 일반적으로, 층(12 및 14)은, 각각이 알루미늄, 구리, 금, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 백금, 은, 티타늄, 텅스텐, 금속 질화물, 또는 이들의 조합을 포함하는 금속 층이다. 금속 층(12 및 14)은 약 9㎛ 내지 약 36㎛의 두께를 가질 수 있지만, 9㎛보다 얇거나, 72㎛만큼 두껍거나 그 이상일 수 있다.
각 층(16)은 일반적으로 벤조시클로부탄(BCB), 비스말이미드 트리아진(BT), 카드보드, 시안산염 에스테르, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리머 합금, 또는 이들의 조합과 같은 표준 유기 유전 물질을 포함한다. 각 유기 유전 층(16)은 일반적으로 금속 층(12 및 14)보다 더 두껍다. 유기 유전 층(16)의 두께는 약 30㎛ 내지 약 1600㎛일 수 있다.
유기 유전 층(16)은 얇은 강화 구성요소 층(18)을 포함할 수 있다. 강화 구성요소 층(18)은 짜여지거나(woven) 또는 유기 유전 층(16)에 분산된, 예를 들어 아라미드 섬유, 세라믹 또는 유리로 된 섬유 매트 또는 분산 입자를 포함할 수 있 다. 강화 구성요소 층(18)은 일반적으로 유기 유전 층(16)보다 훨씬 더 얇고, 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 강화 물질은 또한 분말로서 유기 유전 층(16)에 주입될 수 있다. 이러한 분말형 강화 물질을 포함하는 강화 구성요소 층(18)은 인접하지 않고 균일하지 않을 수 있다.
층(12, 14, 16, 18)은 내부적으로 인접하지 않고, 균일하지 않고, 고르지 않을 수 있다. 금속, 유기 유전체 및 강화 구성요소 물질로 된 여러 층을 갖는 스택은 2mm보다 두꺼운 총 두께를 가질 수 있다. 도 1에서 일례로 도시된 임의의 소재(10)가 5개의 층을 갖지만, 본 발명은 단일 층 기판을 포함하는 임의의 원하는 수의 층을 갖는 소재 상에서 실시될 수 있다.
레이저 처리 장치에 대한 물질 제거율은 또한 이용가능한 펄스당 레이저 에너지 및 펄스 반복율에 의해 한정된다. 증가된 처리의 처리량은 절제(ablation), 열 증발, 또는 이들의 조합을 통해 물질 제거를 야기하는데 충분한 펄스 에너지에서 펄스 반복율을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 그러나, 처리 응용에 사용된 대부분의 레이저에 대해, 펄스 에너지는 펄스 반복율에 대략 반비례한다. 그 결과, 물질 제거를 야기하는데 필요한 최소 펄스 에너지, 및 에너지가 이용가능한 최대 펄스 반복율에 의해 결정된 최대 물질 제거율이 있을 수 있다. 이용가능한 펄스 에너지 및 펄스 속도에 관해 레이저의 선택은 레이저 처리 시스템 설계자의 선택을 한정시킬 수 있는 기술 발달, 비용, 및 다른 성능 파라미터에 의해 달성된다.
레이저 처리 장치의 시스템 처리량에 영향을 주는 다른 요인은 레이저 빔 위치 지정 속도이다. 레이저 처리는 일반적으로 소재 상의 특정 지점에서 레이저 빔 을 향하게 하는 것과, 레이저 펄스의 특정 지속기간 또는 개수에 대해 레이저를 동작시키는 것을 수반한다. 레이저 빔은 소재, 레이저 빔 또는 이들의 조합을 이동시킴으로써 소재 상의 특정 지점에서 향하게 된다. 레이저 빔은, 레이저 처리가 달성되는 소재 상의 특정 위치로 향하게 될 수 있고, 후속적으로 추가 처리가 달성되는 다음 위치로 향하게 될 수 있다. 대안적으로, 레이저 빔은 소재에 대해 실질적으로 연속하여 이동하도록 향하게 될 수 있고, 그런 후에 레이저 빔은, 처리가 펄싱에 의해 달성되는 소재 상의 경로를 운행(describing)하거나, 다른 경우 레이저 빔과 소재 사이의 상대 운동 동안 레이저를 동작시킨다. 레이저 처리는 또한 이들 방법의 조합에 의해 달성될 수 있다. 이들 방법 모두에 공통적인 것은, 물질 제거율이 소재에 대한 레이저 빔 위치가 변경될 수 있는 속도에 의해 영향을 받는다는 것이다. 여러 요인은 비용, 정밀도, 전력 소모 및 크기를 포함하는 레이저 빔 위치 지정 속도를 결정하는 움직임 제어 구성요소의 선택에 영향을 미친다.
또한 레이저 전력이 일정한 반복가능한 결과를 보장하기 위해 처리 동안 안정할 필요가 있다. 이것을 달성하기 위해, 장치는 일반적으로, 레이저 전력을 모니터링하고, 레이저가 필요한 파라미터 내에서 동작하는 것을 확인하기 위해 처리 동안 레이저 전력 또는 에너지 검출기를 이용한다. 레이저 및 전력/에너지 검출기 모두는 시스템 오버헤드에 기여하는데, 이는 이들이 턴 온 이후에 안정화될 시간을 필요로 하여, 이를 통해 턴 온될 때마다 시스템 처리량을 감소시키기 때문이다. 레이저는 레이저가 턴 온되는 시간 길이에 비교적 한정되고 이에 비례하는 유용한 수명을 갖는 고가의 구성요소이다. 따라서, 레이저는, 일반적으로 소재의 로딩 및 언 로딩과 같은 시스템 동작 동안 연장된 기간 동안 휴지 상태에 있는 경우 턴 오프된다.
시스템 처리량은 또한 시스템 오버헤드에 의해 영향을 받을 수 있다. 이것은 소재의 로딩, 정렬 및 언로딩에 필요한 시간을 포함한다. 도 2는 순차적으로 소재를 로딩, 처리 및 언로딩하는 종래의 장치에 대한 타이밍도를 도시한다. 도 2에 도시된 타이밍 차트의 검사는, 레이저 처리 장치 상에서 시간(0 내지 t2)으로서 도면에 도시된, 소재를 처리하는데 필요한 총 시간의 상당량이 시간 소비 처리(22)(시간 t2-t1)에 관련하여 로딩, 정렬, 및 레이저가 안정(settle)하기를 대기함(20)(시간 0 내지 t1)의 오버헤드 활동에 소비된다.
몇몇 레이저 처리 시스템은 동시에 2 이상의 위치를 처리하기 위해 2 이상의 레이저 빔을 적용한다. 2개의 레이저를 사용하는 종래의 장치의 예는 미국 특허 출원 공개공보 2005/00985496, "레이저 빔 가공 장치"에 기재된 장치이다. 본 명세서에 개시된 장치는 이 장치에 장착되고, 2개의 레이저 빔으로 동시에 처리된다. 도 3은 2개의 소재를 동시에 처리함으로써 증가하는 처리량에 대한 이러한 종래의 접근법의 타이밍도를 도시한다. WP1 및 WP2로 표시된 2개의 시간 라인은 동시에 2개의 소재에 적용되는 처리를 나타낸다. 소재 모두는 시간 기간(30 및 32) 동안 로딩된다. 소재 모두는 시간 기간(34 및 36) 동안 처리된다. 시간 기간(38 및 40) 동안, 소재 모두는 언로딩되고, 새로운 소재는 장치에 로딩된다. 2개의 새로운 소재 상의 처리는 시간 기간(42 및 44) 동안 발생한다. 이러한 장치가 단일 스테이션의 종래 기술의 장치의 처리량의 2배까지 산출할 수 있더라도, 도 3에서의 타이밍도의 실험은 소재의 로딩 및 언로딩에 바쳐진 상당한 시스템 오버헤드를 보여준다. 이러한 로드 및 언로드 시간 동안, 레이저는 소재를 처리하지 않고, 일반적으로 턴 오프된다. 이러한 접근법은, 레이저 빔을 소재로 향하게 하는데 필요한 추가 레이저 및 광학 및 기계적 구성요소를 추가하는 복잡도 및 증가하는 비용을 경험하지만, 레이저의 턴 온 및 안정화와 연관된 처리 시간 지연을 피하지 못한다.
장치가 레이저 및 광학 구성요소의 이용을 개선시킴으로써 소재를 처리하기 위해 단일 또는 다중 레이저 빔을 이용할 때 처리량을 증가시킬 수 있는 전자 구성요소의 레이저 처리를 수행하는 것이 계속해서 요구된다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 레이저 및 광학 구성요소의 이용을 개선시킴으로써 단일 또는 다중 레이저 빔을 이용하는 장치의 개선된 처리량을 갖는 레이저 처리 시스템을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 추가 목적은, 처리량을 저하시키지 않고도 단일 장치에서 다중 기능을 제공하는 레이저 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적에 따라 이전 목적 및 다른 목적을 달성하기 위해, 본 명세서에 광범위하게 실시되고 설명된 바와 같이, 방법 및 장치는 본 명세서에 개시된다. 본 발명은 소재 및 레이저 빔 경로를 유지하기 위해 제 1 및 제 2 스테이지를 포함하는, 레이저 빔으로 소재를 처리하는 방법 및 장치이다. 제 1 소재는 레이저 빔 경로로 정렬된 제 1 스테이지 상에 로딩되고, 처리가 시작되었다. 제 1 소재가 레이저 빔 경로에 관해 정렬되지만, 제 2 소재는 레이저 빔 경로에 대해 준비된다. 제 2 소재의 처리는 레이저 빔이 처리에 대해 이용가능하자마자 시작된다.
도 1은 다층 소재의 단부를 도시한 도면.
도 2는 종래 기술의 단일 레이저 처리 시스템에 대한 로드 및 처리 시간을 보여주는 타이밍도.
도 3은 종래 기술의 이중 레이저 처리 시스템에 대한 로드 및 처리 시간을 보여주는 타이밍도.
도 4는 본 발명에 대한 로드 및 처리 시간을 보여주는 타이밍도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예의 평면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예의 정면도.
도 7은 소재를 미세 가공하는데 사용되는 레이저의 개략도.
도 8은 2개의 레이저 빔을 생성하는데 사용된 2개의 레이저의 개략도.
도 9는 레이저로 처리한 후에 다층 기판의 개략도.
도 10은 기판을 개별화하거나 자르는데 사용되는 레이저 시스템의 개략도.
도 5는, 각각 소재(78, 80)를 고정할 수 있는 2개의 스테이지(74, 76)를 고정하는 2개의 X, Y 테이블(70, 72)을 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예의 평면도의 간략한 부분적인 개략도이다. X, Y 테이블(70, 72)은 제어기(73)에 의해 독립적으로 제어되며, 이러한 제어기는 컴퓨터이고, 바람직한 장치를 포함하는 다양한 부분의 동작을 제어한다. 소재(78, 80)는 로드 암(load arm)(82)에 의해 스테이지(74, 76)로부터 로딩되고 언로딩되는데, 이러한 로드 암은 소재를 스테이지로부터 자동 로더(84)로 및 자동 로더로부터 이동시킬 수 있다. 실선은 소재(78)를 스테이지(74)로 또는 스테이지(74)로부터 로딩하거나 언로딩하도록 위치된 로드 암(82)을 도시하고, 점선은 소재(80)를 스테이지(76)로 또는 스테이지(76)로부터 로딩하거나 언로딩하도록 위치된 로드 암(82)을 도시한다. 자동 로더(84)는, 다수의 소재를 고정하고, 제어기(73)의 제어 하에 스테이지(74, 76)로의 운송을 위한 로드 암(82)에 처리되지 않은 소재를 제공하거나, 자동 로더(84)에서의 저장을 위해 로드 암(82)으로부터 처리된 소재를 수용하는 디바이스이다. 받침대(gantry)(86) 및 부수 부품은 명백함을 위해 이 도면에 도시되지 않는다.
도 6은 2개의 X, Y 테이블(70, 72)을 포함하는 이러한 바람직한 실시예의 전면도의 간략한 부분적인 개략도이며, 이러한 2개의 X, Y 테이블은 스테이지(74, 76)를 고정하고, 이러한 스테이지(74, 76)는 다시 각각 소재(78, 80)를 고정한다. 받침대(86)는 레이저 빔 광학 조립체(88) 및 비디오 조립체(90)를 고정한다. 받침대(86)는 스테이지(74)(실선) 상의 소재(78) 또는 스테이지(76)(점선) 상의 소재(80)를 미세 가공하기 위해 레이저 빔 광학 조립체(88)를 향하게 하도록 동작가능하다. 유사하게, 받침대는 스테이지(76)(실선) 상의 소재(80) 또는 스테이지(74)(점선) 상의 소재(78)를 정렬하거나, 선택적으로 검사하도록 비디오 조립체를 향하게 하도록 동작가능하다. 로드 암(82) 및 자동 로더(84)는 명백함을 위해 이 도면에 도시되지 않는다.
본 발명의 이러한 바람직한 실시예에서, 방법 및 장치는 단일 및 다층 소재 모두를 처리할 수 있다. 단일 층 소재는 일반적인 산업 및 의학 응용에 있어서 얇은 구리 시트, 전기 응용에 사용하기 위한 폴리이미드 시트, 및 알루미늄, 강철, 및 열가소성 물질과 같은 다른 금속 부분을 포함한다. 다층 소재는 다중 칩 모듈(MCM), 회로 보드, 또는 반도체 웨이퍼를 포함한다.
레이저 처리는 일반적으로 소재의 측정가능한 파라미터, 예를 들어 전기 저항의 변경 또는 물질 제거와 같은 소재에서의 변경을 달성하기 위해 소재 상의 특정 위치에서 레이저 빔을 향하게 하는 것으로 이루어진다. 더욱이, 레이저 처리는 일반적으로, 소재를 포함하는 물질이 추가, 제거 또는 변형되는 잠재적으로 다중-단계 제조 프로세스에서 하나의 단계만을 갖는다. 소재 상에 처리될 특정 위치는 소재에 대해, 또는 더 구체적으로 이전 또는 후속 제조 단계를 나타내는 소재 상의 패턴에 대해 한정된다. 장치 및 제조 프로세스와 연관된 정상 허용오차로 인해, 일단 소재가 장치에 로딩되면, 소재의 실제 위치 또는 소재 상의 패턴은 원하는 것보다 더 큰 양만큼 예측된 위치와 다를 수 있다. 정렬은 장치에 대해 소재의 위치 또는 소재 상의 패턴을 결정하는 단계를 나타낸다.
레이저 처리 응용이 필요한 정밀도로 그 처리를 수행하기 위해, 소재가 준비되어야 한다. 준비는 소재의 로딩, 소재의 회전을 결정, 및 레이저 빔에 대한 소재의 정렬로 구성된다. 레이저 빔을 소재와 정렬시키는 한 가지 방법은 시각-기반의 측정 서브시스템을 이용하는 것이다. 이러한 경우에, 비디오 카메라는 레이저 빔 광학기기(optics) 또는 광학기기의 다른 세트를 통해 소재 상에 집속된다. 소재는 종종 감소된 전력에서 작업중인 레이저 빔에 의해, 또는 다른 조명에 의해 조명될 수 있다. 비디오 카메라는 일반적으로 컴퓨터에 연결되는데, 이러한 컴퓨터는 비디오 데이터를 디지털 형태로 취득하고, 시야(field of view)에서 지형물의 정밀한 위치를 결정하기 위해 비디오 데이터를 처리한다. 정렬 동안, 시각-기반의 측정 서브시스템은 소재 상에 이미 존재하는 하나 이상의 정렬 타깃의 실제 위치를 결정하도록 이용된다. 일반적으로, 정렬 타깃 또는 기점(fiducial)은 이전 제조 프로세스의 과정을 통해 소재 상에 생성된 패턴이고, 레이저에 의해 처리될 위치는 이들 타깃에 대해 한정된다. 이와 같이, 정렬 타깃이 이상적인 위치로부터 정렬 동안 측정된 위치까지 어떻게 변형되는지에 대한 지식은, 레이저 빔이 처리 동안 소재 상의 바람직한 포인트에서 정밀하게 향하게 되도록 이상적인 레이저 처리 위치에 적용되는 변형 함수 또는 매핑을 결정하는데 사용될 수 있다. 실제 정렬 타깃 위치가 식별되는 프로세스는 일반적으로 "정렬 루틴"으로 언급된다. 이상적인 위치로부터 결과적인 변형 또는 매핑은 일반적으로 "정렬 알고리즘"으로 언급된다.
가장 간단한 경우에, 소재는 장치에 대해 알려진 평면에 위치한 단단한 평면 대상인 것으로 간주될 수 있다. 이 경우에, 소재의 예측되거나 공칭 위치와 실제 또는 측정된 위치 사이의 수학적 관계는 상관 변환(affine transform)으로 표현될 수 있다. 이 관계가 상관이라면, 측정 지점의 데카르트 좌표와 공칭 위치의 좌표 사이의 관계는 선형 수학식으로 표현될 수 있다.
x'=Ax + By + C
y'=Dx + Ey + F
여기서, x', y'는 공징 지점의 좌표이고, x, y는 측정된 지점의 좌표이고, A, B, C, D, E, 및 F는 상수이다. 이러한 변환은, 소재의 실제 위치와 공칭 또는 예측된 위치 사이의 차이가 주어진 평면에서 평행 이동(translation), 회전 및 스케일 변화로 표현될 수 있는 상황을 다룰 수 있다. 소재가 장치에 대해 임의의 포즈(arbitrary pose)를 자유롭게 취할 수 있는 단단한 평면 대상인 것으로 간주되면, 소재의 측정된 위치를 공칭 위치에 관련시키는 변환은 다음과 같은 일반적인 형태인 투시 변환(perspective transformation)이다
x'=(Ax+By+C)/(Gx+Hy+I)
y'=(Dx+Ey+F)/(Gx+Hy+I)
여기서 x', y', x, y, A, B, C, D, E, F는 위에서와 같고, G, H, I는 또한 상수이다. 다른 더 복잡한 해법은 소재가 단단한 평면 대상이 되도록 더 이상 요구되지 않은 경우 존재한다. 이러한 해법은 일반적으로, 표면을 묘사하거나 이 표면을 종종 각각이 간단한 변환에 의해 근사될 수 있는 더 작은 영역으로 분리하기 위해 더 높은 차수의 수학식을 이용할 수 있다. 이러한 방법이 공통적으로 갖고 있는 점은, 소재 상의 지점의 실제 위치들이 식별되고 장치에 관해 위치되며, 결과적인 목적이 레이저 빔을 소재 상의 원하는 위치로 정확히 향하게 하는 것이라는 점이다. 이러한 목적은, 레이저 빔에 대해 소재를 물리적으로 이동시키거나, 소재의 장치로의 정렬에 관한 정보를 가지고 소재에 대해 레이저 빔을 이동시키는 제어 소프트웨어를 교정하거나, 이둘 모두의 조합에 의해 달성될 수 있다.
정렬 프로세스의 목적은, 하나 이상의 레이저 펄스가 원하는 위치에서 소재 상에 조사하도록 소재를 정렬시키는 것이다. 그러나, 레이저가 실제로 에너지를 방출하는 동안에만 레이저 펄스가 존재하기 때문에, 정렬 동안, 소재는 레이저 빔 또는 레이저 빔 경로에 대해 정렬될 수 있고, 이러한 경로는, 레이저 펄스가 이 때 에너지를 방출했다면 이동하였을 경로이다. 더욱이, 레이저 빔은 종종 특정한 3차원 크기 및 형태를 갖도록 형상화되고, 관통되고 집속된다. 이러한 경우에, 정렬은 레이저 빔의 원하는 특성에 대응하는 레이저 빔 경로를 따라 특정한 위치에 대해 소재 상에 특정한 지점을 위치시키는 것을 포함한다.
정렬의 다른 양상은, 그 목적이 레이저 빔 경로 상의 지점과 소재를 정렬시키는 것이지만, 그 지점은 정렬 시간에 알려지지 않을 수 있다는 것이다. 더욱이, 소재, 또는 레이저 빔, 또는 이둘 모두는 정렬에 후속하지만 처리 이전에 장치에 의해 이동될 수 있다. 해법은, 정렬이 장치 상의 데이텀(datum) 또는 알려진 지점에 대해 수행된다는 것이다. 이러한 방식으로, 레이저 빔 및 소재의 위치가 모두 데이텀에 대해 알려져 있고, 이러한 정보가 어느 하나를 이동시키는 동안 계속 유지되는 한, 레이저 빔에 대해 소재의 표면상에 또는 그 아래에 지점의 위치는 계산될 수 있다. 장치 상의 알려진 지점을 포함하는 이러한 데이텀은 명시적(explicit)일 수 있거나, 예를 들어 레이저 빔 경로 또는 레이저 빔 경로(들)와의 알려진 관계를 갖는 카메라/렌즈 조립체에 소재를 정렬시키는 것과 같이 암시적(implicit)일 수 있다. 명시적 데이텀은 이동가능한 소재 스테이지 또는 척(chuck)과 같은 장치의 이동가능한 부분 상에 위치할 수 있다. 레이저 빔과 같은 구성요소가 하나의 알려진 위치로부터 다른 알려진 위치로 이동되는 경우는 인덱싱(indexing)이라 언급된다. 이러한 경우에, 이동가능한 부분은 일반적으로, 장치의 나머지와의 정렬이 반복적으로 알려져 있는 위치 사이에서 인덱싱된다. 정렬은 암시적이거나 명시적인지의 여부에 상관없이 데이텀 지점 또는 좌표 시스템의 존재에 항상 좌우된다. 정렬의 실제 프로세스는 소재의 위치 또는 레이저 빔 경로를 물리적으로 변화시킴으로써 달성될 수 있거나, 소재 상의 원하는 위치를 처리하기 위해 레이저 빔을 향하게 하도록 적절한 위치를 계산하기 위해 정렬 정보를 이용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 계산은 좌표 변환으로서 표현될 수 있다. 또한 초기 정렬을 더 한정하거나, 프로세스 동안 발생할 수 있는 정렬에서의 변화를 보상하기 위한 처리 바로 전에 또는 처리 동안 추가 정렬 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 최종 정렬 단계는 종종 예를 들어 정상 제조 허용오차에 의해 시스템에 도입된 정렬에서의 에러로 인해 인덱싱에 후속하여 수행된다. 이것은, 이전의 사전-정렬 단계의 정밀도를 확인하고, 가능하면 처리를 시작하기 위해 최종 위치에서 모든 구성요소로 이전 추정치를 더 한정하는 정렬 체크이다.
본 발명은, 이전에 로딩되고 정렬된 제 1 소재가 제 1 스테이지에서 처리되는 동안 처리될 제 2 소재가 실질적으로 독립적으로 제 2 스테이지에서 로딩되고 사전 정렬될 수 있는 적어도 제 2 스테이지를 제공함으로써 시스템 처리량을 증가시킨다. 제 1 소재가 처리 종료될 때, 장치는 레이저 빔이 제 2 소재를 미세 가공할 수 있도록 제 2 스테이지에 대한 레이저 빔의 상대 위치를 변화시킨다. 바람직한 실시예에서, 상대 위치에서의 이러한 변화는 스테이지에 의해 달성된다. 그러나, 레이저 빔 광학기기의 몇몇 부분, 또는 스테이지 및 광학기기 모두가 그 변화를 달성하도록 변화할 수 있다는 것이 구상된다. 임의의 구상된 변경에 대해, 그 변화는 기판을 로딩 및 정렬 또는 미세 가공하는데 필요한 시간의 작은 부분을 차지할 정도로 충분히 빠를 수 있다. 이것은 적어도 2가지 이익을 산출한다: 첫 번째는, 소재에서 레이저 빔 경로를 빠르게 향하게 하는 것과, 긴 로딩 및 정렬을 대기하지 않고도 미세 가공을 시작하는 것으로 인해 명확한 시간 감소 및 시스템 처리량에서의 후속적인 증가이다. 두 번째는, 소재로 레이저 빔 경로의 지향이 빠르기 때문에, 레이저는 차단되고 다시 턴 온될 필요가 없어서, 레이저 안정(settling) 시간에 대한 필요성을 제거하거나 상당히 감소시킨다는 것이다.
이러한 바람직한 실시예에서, 레이저 빔 또는 빔들이 이전에 로딩되고 정렬된 소재를 처리하고 있는 동안 데이텀 또는 데이텀 세트에 관해 스테이지 상에 소재를 사전-정렬할 수 있는 능력은 처리량에서의 이러한 증가를 가능하게 한다. 사전-정렬 동안, 소재는 장치 내의 하나의 기준 또는 기준 세트, 또는 데이텀 또는 데이텀들에 대해 정렬된다. 레이저 빔 경로 또는 경로들은 사전 정렬되는 소재로 향하게 되지 않는 동안, 데이텀 또는 데이텀들에 대해 또한 암시적으로 정렬된다. 소재 또는 레이저 빔 또는 빔들 또는 이들 모두가 레이저 빔 경로를 소재로 향하게 하도록 이동될 때 처리 이전에, 적어도 이동 마지막에 장치 기준과의 레이저 빔 경로 또는 경로들 및 소재의 상대적인 정렬을 유지하도록 이동 또는 이동들이 이루어진다. 이동 또는 이동들의 완료시, 레이저 빔 경로 또는 경로들 및 소재가 공통 기전점 또는 이전-교정 좌표 시스템과의 정렬을 유지하기 때문에, 이것은 실질적으로 서로에 대해 정렬된다.
이러한 바람직한 실시예에 대해, 최종 정렬을 체크하고 가능하면 더 한정하는 추가 단계가 구상되고, 레이저 빔 경로 또는 경로들 또는 소재를 이동시키는데 사용된 구성요소에서 통상적인 제조 허용오차 또는 열 팽창에 의해 야기된 작은 오정렬을 보상하기 위해 처리를 시작하기 전에 이 지점에서 수행될 수 있다. 최종 정렬은 소재를 완전히 정렬하는데 필요한 시간의 매우 작은 부분만을 차지하여, 시스템 처리량에서의 상당한 감소를 나타내지 않는다.
이러한 바람직한 실시예의 장치가 제 2 소재를 처리하기 시작할 때, 제 1 소재는 선택적으로 검사되어 언로딩되고, 새로운 소재는 그 장소에 로딩된다. 이것은 전술한 바와 같이 동작하는 3개 이상의 실질적으로 독립적인 로드 및 언로드 스테이지로 확장될 수 있어서, 하나 이상의 소재는 하나 이상의 가공 스테이지 상에서 처리될 수 있다. 이러한 방식으로, 복수의 레이저 빔을 이용하는 복수의 가공 스테이지는 처리에 이용가능한 총 시간의 더 높은 백분율로 사용될 수 있어서, 이를 통해 시스템 처리량이 더 증가한다.
이러한 바람직한 실시예의 동작을 도시하는 타이밍도는 도 4에 도시되며, 도 4에서 위에 행으로 표시된 "로드"는 소재(78, 80)를 로딩하고 정렬하고 선택적으로 소재를 검사하는데 소비된 시간을 나타내고, 한편 행으로 표시된 "프로세스"는 소재를 처리하는데 소비된 시간을 나타낸다. 시간(0)에서 시작하여, 제 1 소재(78)는 제 1 스테이지(74) 상에 로딩되고 정렬된다(50). 시간(t7)에서, 제 1 소재(78)는 처리될 준비가 되고, 제 1 스테이지(74)는 레이저 빔 경로(89)와 정확한 관련이 있게 되고, 처리가 시작된다. 시간(t8)에서, 제 2 소재(80)는 제 2 스테이지(76) 상에 로딩되고, 정렬(54)이 시작된다. 시간(t9)에서, 제 2 소재(80)를 제 2 스테이지(76) 상으로의 로딩 및 정렬은 완료되고, 처리될 준비가 된다. 시간(t10)에서, 시스템은 제 2 스테이지(76)를 레이저 빔 경로(89)와 적절한 관계에 있게 되고, 제 2 소재(80)의 처리가 시작된다(56). 또한 시간(t10)에서, 제 1 스테이지(74) 상의 제 1 소재(78)는 선택적인 검사 단계(58)에 대해 이용가능하다. 이 시간에, 소재(78)는 레이저 프로세스의 품질 및 배치 정밀도를 결정하기 위해 자동화 프로세스(미도시)에 의해 검사된다. 이렇게 생성된 정보는, 통계적 품질 제어 절차에 대한 데이터를 컴파일하고, 복구가능한 에러가 검출되는 경우 소재의 추가 처리를 안내하고, 또는 드릴링 장치에서 가능한 열 변형을 보상하기 위해 제어기(또한 미도시)에 전송될 수 있다. 시간(t11)에서, 검사 단계(58)가 완료되고, 제 1 소재(78)는 언로딩되고, 추가 소재는 제 1 스테이지(74) 상에 로딩되고 정렬된다(60). 시간(t12)에서, 추가 소재는 정렬(60)되어 마감되고, 처리를 준비한다. 시간(t13)에서, 시스템은 레이저 빔을, 추가 소재를 고정하는 제 1 스테이지(74)와의 적절한 관계로 이동시키고, 처리(62)가 시작된다. 또한 시간(t13)에서, 제 2 스테이지(76) 상의 제 2 소재(80)는 선택적인 검사(64)에 대해 이용가능하다. 시간(t14)에서, 선택적인 검사(64)는 완료되고, 제 2 소재(80)는 언로딩되고, 새로운 가공되지 않은 소재는 로딩되고, 사전-정렬되어, 이를 통해 처리(66)할 준비가 이루어진다. 현재 소재가 처리되는 동안 다음 소재를 로딩 및 사전-로딩함으로써, 이러한 프로세스는 부정수의 소재에 대한 처리 프로세스의 지속기간 동안 연장될 수 있어, 각 소재의 로딩, 언로딩 및 정렬과 연관된 오버헤드를 감소시켜, 시스템 처리량을 증가시킨다.
이러한 바람직한 실시예에 구현된 본 발명의 다른 장점은 처리 프로세스로부터 레이저 안정 시간의 제거 또는 감소이다. 도 2 및 도 3에 도시된 종래 기술과 연관된 시간 라인에서, 소재의 로딩 및 정렬과 연관된 시간 기간(20, 30, 32, 38, 40) 동안, 레이저 빔은 처리를 수행하지 않고, 일반적으로 레이저 발진기, 레이저 광학기기 및 레이저 빔 서브시스템의 다른 부분의 수명을 연장시키기 위해 턴 오프된다. 처리하기 시작하기 전에, 레이저는 다시 턴 온되고, 안정화하게 된다. 레이저가 안정화하는데 필요한 시간 기간은 안정 시간으로 언급되고, 로드 및 정렬 시간의 상당 부분일 수 있다. 본 명세서에 개시된 장치 및 방법에서, 레이저는 소재 사이에 턴 오프될 필요가 없는데, 이는 처리 소재 사이의 시간이, 시스템이 레이저 빔을 소재와 적절한 관계로 이동시키고 소재로의 레이저 빔의 최종 정렬을 수행하게 취해지는 시간의 양에 한정되기 때문이다. 이 시간은 일반적으로 소재를 로딩하고 정렬하는데 필요한 시간의 작은 부분이므로, 레이저가 차단될 필요가 없어서, 다음 소재의 처리를 시작하기 전에 안정 시간을 제거하거나 감소시킨다.
타이밍도에 대한 시스템 도면을 검사하는 것은, 본 발명이 레이저 처리 시스템에 대한 처리량을 어떻게 증가시키는지를 보여준다. 이러한 바람직한 실시예의 장치가 소재를 처리하기 시작할 때, 로드 암(82)은, 스테이지(76) 상에 소재(78)를 정렬하기 위해 비디오 조립체(90)를 위치로 이동시키도록 받침대(86)를 또한 향하게 하는 제어기(73)의 제어 하에 소재(78)로 스테이지(76)를 로딩한다. 이것은 도 4에서 시간 기간(50)으로 표시된다. 도 4에서 시간(t7)에서, 제어기(73)는 스테이지(76) 상에 소재(78)를 미세 가공하기 위해 레이저 빔 광학 조립체(88)를 위치로 이동시키도록 받침대(86)를 향하게 한다. 이 시간에, 소재(78)는 레이저 빔 광학 조립체(88)의 렌즈(미도시)를 통해 비디오 조립체(90)에 의해 선택적인 최종 정렬을 받게 된다. 처리가 시작된다. 정렬이 또한 보조 정렬 시스템(미도시)에 의해 또한 달성될 수 있다는 것이 구상된다. 이것은 시간 기간(52)으로 표시된다. 소재(78)가 처리되는 동안, 시간(t8)에서, 제어기(73)는, 자동 로더(84)로부터 소재(78)를 가져오고 이 소재를 스테이지(74)에 로딩하도록 로드 암(82)을 향하게 하는데, 여기서 스테이지(73)는 스테이지(74) 상에 소재(78)를 정렬시키기 위해 비디오 조립체(90)를 위치로 이동시키도록 받침대(86)를 향하게 하며, 이것은 시간 기간(54)으로 표시된다. 시간(t10)에서, 제어기(73)는 레이저 빔 광학기기 조립체(88)를 위치로 이동시키도록 받침대(86)를 향하게 하고, 스테이지(74) 상의 소재(78)의 최종 정렬 및 처리로 진행하며, 이것은 시간 기간(56)으로 표시된다. 스테이지(74) 상의 소재(78)의 로딩에 후속하여, 제어기(73)는, 선택적으로 비디오 조립체(90)를 위치로 이동시키고 스테이지(76) 상의 이전에 처리된 소재(80)의 검사를 시작하기 위해 받침대(86)를 향하게 하는데, 이것은 시간 기간(58)으로 표시된다. 선택적인 검사(58)에 후속하거나, 그 대신에, 수행되지 않은 경우에, 제어기(73)는, 스테이지(76)로부터 소재(80)를 언로딩하고 이를 자동 로더(84)에 제공하고 새로운 가공되지 않은 소재(78)를 자동 로더(84)로부터 스테이지(76) 상에 로딩하기 위해 로드 암(82)을 향하게 하고, 여기서 소재는 비디오 조립체(90)에 의해 정렬되고, 이것은 시간 기간(60)으로 표시된다. 시간(t13)에서, 소재(78)가 마감되고, 여기서 제어기(73)는, 스테이지(76) 상의 정렬된 소재(80)를 처리하기 시작하고{시간 기간(62)} 가공된 소재(78)를 선택적으로 검사하기 시작하기 위해{시간 기간(64)} 레이저 빔 광학기기 조립체(88) 및 비디오 조립체(90)를 각 위치로 이동시키도록 받침대(86)를 향하게 한다. 이러한 프로세스는, 처리되지 않은 소재의 공급이 장치에 제공되는 한 계속될 수 있다. 일단 장치가 제 1 소재(78)를 로딩하고 정렬하였으면, 마감된 소재는 단일 부품을 처리하는데 요구된 평균 시간과 실질적으로 동일한 평균 지연시간(latency)에서 장치로부터 방출될 것이다. 복제될 필요가 있는 유일한 장치 구성요소는 양쪽 모두가 레이저 빔 및 비디오 조립체에 관해 저렴한 X, Y 테이블 및 스테이지이기 때문에, 증가하는 시스템 처리량이 달성되는 한편, 추가 장치 비용을 최소화한다.
도 7은 레이저 빔 경로(112)를 따라 이동하는 레이저 펄스(미도시)를 생성하는 하나의 레이저(102)를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예의 간략한 개략도이다. 레이저 빔 경로는 시준기(112)를 통과하고, 뒤이어 빔 성형 광학기기(124)를 통과한다. 빔 성형 광학기기는 레이저 펄스의 공간 프로파일을 본질적인 가우스 프로파일로부터 더 바람직한 프로파일로 변환한다. 그런 후에 레이저 빔 경로(112)는 빔 조향 광학기기(128)를 통과하고, 그런 후에 스캔 렌즈(130)를 통과하고, 마지막으로 소재(140)로 나아간다. 빔 조향 광학기기(128)는 제어기(미도시)의 지시 하에 레이저 빔을 소재(140) 상의 원하는 위치로 향하게 한다.
본 명세서에 기재된 본 발명은 또한 추가 비용을 최소화하는 요건이 완화되는 경우 처리량에서의 추가 개선을 포함한다. 이것은 시스템 처리량을 최대화하는 한편 장치 비용과 덜 관련되는 목적과 일치할 수 있다. 추가로 바람직한 실시예는 동일한 소재 상에 작용하는 2개 이상의 레이저 빔을 이용한다. 이러한 방식으로, 도 4를 참조하면, 소재를 처리하는데 소비된 시간(52, 56 및 62)은 감소될 수 있고, 시스템 처리량은 더 증가한다. 다수의 레이저 빔은 단일 레이저, 또는 조합된 다수의 레이저의 출력을 다수의 빔으로 분할함으로써 생성될 수 있다. 이러한 빔은 단일 소재에 결합된 동일한 요소의 다수의 경우를 처리하도록 함께 제어될 수 있거나, 임의의 원하는 패턴을 처리하기 위해 독립적으로 제어될 수 있다. 레이저 빔은 공통 광학기기를 통해 향하게 될 수 있거나, 분리되는 빔을 성형 및/또는 조향하는 몇몇 또는 모든 광학 구성요소를 가질 수 있다.
도 8은 동기화기 소스(204)에 의해 구동된 2개의 처리 레이저(200 및 202)를 포함하는 본 발명의 이러한 제 2 바람직한 실시예의 간략한 개략도이다. 소스(204)는, 에너지를 레이저로 펌핑하는 조명 소스로 송신된 트리거 신호를 동기화하는 것, 또는 가능하면 레이저(200 및 202) 내부에 위치한 Q-스위치를 동기화하여 이들을 교대 방식으로 펄싱하도록 하는 것을 포함하는 다수의 방법 중 임의의 하나에 의해 레이저(200 및 202)를 동기화할 수 있다. 레이저(200 및 202)는 그 출력에서 각 레이저 빔(206 및 208)을 제공하고, 각 레이저 빔은 레이저 펄스 트레인으로 구성되어 있다. 레이저(200 및 202)는, 각 출력 레이저 빔(206 및 208)의 고유 선형 편광 평면이 실질적으로 평행하도록 배열된다. 레이저 빔(206 및 208)은 각 시준기(210 및 212)를 통과하고, 각 시준기는 입사 레이저 빔의 직경을 감소시키는 한편, 초점을 무한대로 유지한다. 레이저 빔(206)은 레이저 빔(206)의 편광 상태 또는 평면을 90°로 회전시키는 반파장 플레이트(222)를 통과하도록 미러(220)에 의해 회전되어, 입사 광의 편광 상태 또는 평면에 상이하게 반응하는 조합기(combiner)(224)는 실질적으로 영향받지 않은 채 레이저 빔(208)을 통과하고, 레이저 빔(206)을 반사하여, 2개의 빔은 단일 동축 레이저 빔(226)이 되고, 레이저 빔을 원하는 특정 분배 패턴{가우스, 탑 햇(top hat), 등}으로 형성하는 빔 성형 광학기기(228)를 통과하게 된다. 동축 레이저 빔(226)은, 분할기(242)의 편광축에 45°의 각도에 있도록 동축 레이저 빔(226)의 편광축을 회전시키게 조정되는 제 2 반파장 플레이트(240)를 통과한다. 이것은, 분할기(242)에 의해 동축 레이저 빔(226)의 대략 절반이 투과되어, 제 1 레이저 처리 빔(244)을 형성하도록 하고, 동축 레이저 빔(226)의 대략 절반이 반사되어, 제 2 레이저 처리 빔(246)을 형성하도록 하는데, 이러한 제 2 레이저 처리 빔은 레이저 빔(244)과 실질적으로 동일한 방향으로 향하게 되도록 미러(248)에 의해 회전된다. 빔(244 및 248)은 동일한 공간 정보를 갖는다는 것이 주지된다. 레이저 빔을 소재로 향하게 하는 빔 조향 광학기기는 도시되지 않는다.
처리 레이저(200 및 202)는 UV 레이저, IR 레이저, 녹색 레이저, 또는 CO2 레이저를 포함할 수 있다. 이러한 레이저는 동일한 파장 또는 상이한 파장일 수 있다. 바람직한 처리 레이저 출력은 약 0.01μJ와 약 1.0J 사이의 펄스 에너지를 갖는다. 바람직한 UV 처리 레이저는 Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YAP, 또는 Nd:YVO4, 또는 이테르븀, 홀뮴, 또는 에르븀으로 도핑된 YAG 결정과 같은 고체-상태 매질(lasant)을 포함하는 Q-스위칭 UV DPSS 레이저이다. UV 레이저는 바람직하게 354.7nm(주파수 3배된 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4), 266nm(주파수 4배된 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4), 또는 213nm(주파수 5배된 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4)와 같은 파장에서 고조파로 생성된 UV 레이저 출력을 제공한다.
바람직한 CO2 처리 레이저는 약 9㎛와 약 11㎛ 사이의 파장에서 동작하는 펄싱된 CO2 레이저이다. 예시적인 상업적 이용가능한 펄싱된 CO2 레이저는 코네티컷, 블룸필드 소재의 Coherent-DEOS에 의해 제조된 모델 Q3000 Q-스위칭 레이저(9.3㎛)이다. CO2 레이저가 금속 층(12 및 14)을 통해 비아를 효과적으로 드릴링할 수 없기 때문에, CO2 처리 레이저로 드릴링된 다층 소재(10)는 금속 층(12 및 14)이 없거나, 목표 위치가 UV 레이저로 사전-드릴링되거나 유전층(16)을 노출하기 위해 예를 들어 화학적 에칭과 같은 다른 프로세스를 이용하여 사전-에칭되도록 준비된다.
상이한 파장에서 동작하는 다른 고체-상태 매질 또는 CO2 레이저는 본 발명 의 레이저 장치에 사용될 수 있다. 다양한 유형의 레이저 공동 장치, 고체 상태레이저의 고조파 생성, 고체-상태 레이저 및 CO2 레이저에 대한 Q-스위치 동작, 펌핑 방식, 및 CO2 레이저에 대한 펄스 생성 방법도 또한 구상된다. 도 9는 레이저(미도시)에 의해 다층 소재(260)에 처리된 비아의 간략한 개략도를 도시한다. 소재는 금속 전도체 물질 층(266) 사이에 삽입된 유기 내부층(264)을 포함한다. 관통-홀 비아는 270에 도시되고, 소재의 상부 표면에서 시작하고 금속 전도체(266)에 도달할 때 종료하는 블라인드 비아는 272에 도시된다.
전술한 레이저 처리에서의 개선으로 인해, 소재를 미세 가공하는데 필요한 시간이 소재를 검사 및 정렬하는데 필요한 시간보다 적은 경우에, 추가 스테이지는, 다중 스테이지가 단일 레이저 처리 스테이지에 대한 소재를 정렬 및 검사하도록 이용될 수 있도록 추가될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 다중 스테이지는, 처리가 발생하는 다중 스테이지에 대한 소재를 정렬 및 검사하도록 이용되며, 여기서 주어진 양의 처리 용량에 대한 최대 처리량을 제공하도록 스테이지의 수 및 레이저 빔의 수가 균형을 이루게 된다.
다중 스테이지는 갖는 것은 또한 레이저 처리 장치가 다기능 성능을 갖도록 한다. 다기능 성능은 단일 장치 상의 소재에 대한 2 이상의 프로세스 단계를 수행할 능력이 있다. 다기능 성능의 몇몇 장점은 낮은 시스템 비용, 제조 영역에서의 더 작은 장치 풋프린트(footprint) 및 더 높은 처리량이다. 바람직한 다기능 능력의 예는 처리를 수행한 장치 상의 레이저 처리 동작의 결과를 검사할 능력이다.
검사는 수행된 처리 동작에 관한 정보를 결정하기 위해 처리된 소재로부터 데이터를 취득하도록 몇몇 유형의 감지(sensing)를 이용하는 것을 언급한다. 이것의 일례는 소재를 시각적으로 검사하기 위해 기계 비전 서브시스템을 이용하는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 다층 기판에서 처리된 비아에 대해 검사될 수 있는 몇몇 특징은 위치, 크기, 형태, 깊이, 테이퍼(taper), 상부 직경, 하부 직경 및 파편(debris)이다. 기판 개별화에 대해, 검사될 몇몇 특징은 크기, 형태, 깊이, 테이퍼, 방향 및 절단부(kerf)와 연관된 파편을 포함한다. 링크 블로잉(link blowing), 링크 제거의 위치 및 완성에 대해, 기판에 대한 손상 및 파편이 검사될 수 있다. 검사로부터 야기된 데이터는, 처리된 특징이 사전-선택된 품질 표준을 충족하는지를 결정하는데 사용될 수 있거나, 통계 프로세스 제어 프로그램에 대한 입력으로서 사용될 수 있다. 다중 스테이지를 갖는 것은 또한 소재가 여전히 정렬되는 동안 처리 바로 이후에 소재의 검사를 용이하게 하여, 소재가 별도의 시스템 상에 로딩되고 정렬되도록 할 필요를 제거한다. 더욱이, 처리에 후속하는 처리 장치 상에서 소재를 검사하는 것은 제어 정보가 즉시 시스템으로 피드백되도록 처리하여, 프로세스 제어를 개선한다.
검사에 의해 생성된 정보는 이전에 측정되고 계산된 정렬 정보를 갱신하는 것을 포함한다. 이것은, 소재 정렬이 처리 동안 변화하는 경우에 유용하다. 이러한 변화는 장치에서의 통상 제조 허용오차, 또는 온도 또는 습도를 포함하는 환경적 요인에서의 변화로 인할 수 있다. 검사는 이러한 변화를 검출하고, 정보를 장치로 피드백하여, 장치가 이러한 변화를 고려하기 위해 교정 정보를 변경하도록 하고, 이를 통해 프로세스의 정밀도를 증가시킬 수 있게 한다. 교정 정보는, 소재 상의 알려진 기점 마크를 측정하거나 처리 부분으로서 소재 상에 미세 가공된 특징의 위치를 측정함으로써 얻어질 수 있다. 이 경우에, 검사는 장치 또는 환경에서 정상적인 변동에 의해 소재를 처리할 때 유도된 에러를 보상하는데 사용된다.
다른 바람직한 실시예에서, 본 명세서에 개시된 본 발명에 의해 생성된 처리 효율은 다중 독립 부분으로의 웨이퍼 또는 기판의 개별화 또는 다이싱을 개선하는데 사용된다. 단일 기판 상에 주어진 회로 또는 회로 요소의 다중 복사본을 구성하는 것이 전자 제조에 있어서 공통적이다. 반도체 다이싱에 대한 바람직한 소재는 실리콘 웨이퍼, 실리콘 카바이드 및 실리콘 질화물을 포함하는 다른 실리콘을 주원료로 한 물질, 및 갈륨 아세나이드와 같은 Ⅲ-Ⅴ 및 Ⅱ-Ⅵ 족의 혼합물을 포함하며, 그 위에서 집적 회로가 포토리소그래피 기술을 이용하여 구성된다. 제 2 예는 후막(thick film) 회로인데, 여기서 회로 요소 또는 전자 디바이스는 일반적으로 소결된 세라믹 물질로 만들어진 기판 상에 스크린 프린팅된다. 제 3 예는 박막 회로인데, 여기서 전도체 및 수동 회로 요소는 스퍼터링 또는 증착에 의해 예를 들어 반도체 물질, 세라믹 또는 다른 물질로 만들어진 기판에 적용된다. 제 4 예는 디스플레이 기술인데, 여기서 디스플레이를 제조하는데 사용된 플라스틱 필름 및 유리 기판은 이 기술을 이용하여 개별화될 수 있다. 이러한 기판은 개별화될 수 있는데, 여기서 기판 상에 장착된 회로 구성요소는 레이저에 의해 개별 유닛으로 완전히 분리되거나, 잘리며, 레이저는 개별 유닛으로의 기판의 후속하는 기계적 분리를 안내하기 위해 기판 표면에서 절단부 또는 그루브를 형성한다. 도 10은 개별화 또는 잘 김에 관련된 바람직한 실시예의 간략한 개략도를 도시한다. 플랫폼(300)은 소재(314)가 장착되는 스테이지(310)를 고정한다. 받침대(320)는 레이저(324)를 고정하는데, 이러한 레이저(324)는 레이저 빔 경로(328)를 따라 레이저 펄스(미도시)를 방출한다. 레이저 빔 경로(328)는 레이저 빔 경로(328)를 소재(314) 상에 집속하는 스캔 렌즈(336)를 통해 빔 조향 광학기기(332)에 의해 향하게 된다. 빔 조향 광학기기(332)에 의해 제공된 레이저 빔 경로(328)와 소재(314) 사이의 상대 운동 이외에, 스테이지(310)는 레이저 빔 경로(328)에 관해 소재(314)를 이동시키는 움직임 제어 요소를 포함할 수 있다. 소재(314)는 실리콘 웨이퍼 또는 다른 기판일 수 있다. 본 명세서에 개시된 본 발명을 이용하는 것은 이들 프로세스의 처리량을 증가시키는데, 이는 비아 드릴링과 같이 개별화 또는 잘김 속도가 각 단위 시간 동안 전달된 절제 임계치보다 큰 에너지에서의 펄스의 수에 대해 소재를 로딩하고 정렬하는데 필요한 시간을 더한 값의 함수이기 때문이다.
상이한 물질로 구성된 상이한 단일 또는 다층 소재에 대해, 펄스 반복율, 펄스당 에너지, 및 빔 스폿 크기와 같은 레이저 파라미터를 변경하는 것은 최적의 레이저 처리 처리량 및 품질을 달성하기 위해 상이한 처리 스테이지 동안 프로그래밍될 수 있다는 것이 구상된다. 양쪽 모두 본 특허 출원의 양수인에게 양도된, 예를 들어 Owen 등의 미국 특허 번호 5,841,099 및 Dunsky 등의 미국 특허 번호 6,407,363을 참조하라. 전력, 에너지 분배 프로파일, 및 스폿 크기와 같은 가열 소스의 동작 파라미터는 레이저 처리의 다양한 스테이지 동안 일정하게 유지되거나 변경될 수 있다.
본 발명의 기본 원리로부터 벗어나지 않고도 본 발명의 전술한 실시예의 세부사항에 대해 많은 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범주는 다음 청구항에 의해서만 결정되어야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 소재의 레이저 처리에 관한 것으로, 특히, 2개 이상의 소재가 동시에 상이한 처리 단계를 완료하도록 하는 적어도 2개의 실질적으로 독립적인 소재 홀더를 조정할 수 있고, 하나 이상의 소재의 미세 가공을 허용하는 한편, 하나 이상의 추가 소재는 전체 처리를 실질적으로 변경 또는 지연하지 않고도 다른 처리 단계를 완료하게 되는, 레이저 처리 장치 등에 이용된다.

Claims (28)

  1. 레이저 처리 시스템으로 제 1 및 제 2 소재(workpiece)를 처리하는 방법으로서, 상기 레이저 처리 시스템은 제어기와, 레이저 빔 경로를 따라 전파하는 레이저 빔을 방출하고 레이저 광학기기를 갖는 레이저와, 제 1 및 제 2 소재를 고정하기 위한 제 1 및 제 2 스테이지와, 비디오 조립체와, 받침대를 포함하고, 상기 제어기는 레이저, 레이저 광학기기, 비디오 조립체, 받침대, 제 1 및 제 2 스테이지에 동작가능하게 연결되는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법으로서,
    상기 제 1 스테이지 상에 상기 제 1 소재를 로딩하는 단계와;
    상기 제어기와 협력하는 상기 비디오 조립체를 이용하여 제 1 처리 스테이지에서 상기 레이저 빔 경로에 대한 제 1 위치에 관련하여 제 1 소재를 정렬하는 단계와;
    상기 레이저 빔으로 상기 제 1 소재를 처리하는 단계와;
    상기 제 2 스테이지 상에 상기 제 2 소재를 로딩하는 단계와;
    상기 제 1 소재가 상기 제 1 처리 스테이지에서 상기 레이저 빔 경로에 대한 상기 제 1 위치에 관련하여 정렬되는 동안, 상기 제어기와 협력하는 상기 비디오 조립체를 이용하여 제 2 처리 스테이지에서 동일한 레이저 빔 경로에 대한 제 1 위치와 상이한 제 2 위치에 관련하여 상기 제 2 소재를 정렬하는 단계로서, 레이저, 레이저 광학기기, 비디오 조립체, 제 1 및 제 2 스테이지와의 상기 제어기의 동작가능한 연결은 상기 받침대와 협력하는 상기 제어기가 상기 제 1 처리 스테이지에서 상기 제 1 소재의 처리 동안 상기 제 2 처리 스테이지에서 상기 레이저 빔 경로에 대한 제 2 위치와 상기 제 2 소재 사이의 정렬을 취득하고 유지하도록 하는, 제 2 소재를 정렬하는 단계와;
    상기 레이저 빔으로 상기 제 2 소재를 처리하는 단계를
    포함하는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 제 1 소재 또는 빔 경로는 상기 제 1 소재의 정렬에 뒤이어, 하지만 상기 제 1 소재의 처리 이전에, 이동되는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제2소재를 정렬하는 단계는 상기 레이저 빔 경로에 관련하여 데이텀(datum)을 알리는 단계를 더 포함하며, 상기 제 2 소재를 정렬하는 단계는 상기 데이텀에 관련하여 상기 제 2 소재 또는 레이저 빔이 다른 위치로 이동하는 단계를 포함하는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1소재를 처리하는 단계 및 제2소재를 처리하는 단계는 비아(들)를 형성하는 단계를 포함하는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제1소재를 처리하는 단계 및 제2소재를 처리하는 단계는 반도체 링크를 제거하는 단계를 포함하는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제1소재를 처리하는 단계 및 제2소재를 처리하는 단계는 수동 전자 구성요소를 트리밍(trimming)하는 단계를 포함하는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제1소재를 처리하는 단계 및 제2소재를 처리하는 단계는 기판을 자르거나(scribing) 개별화(singulating)하는 단계를 포함하는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제2소재를 정렬하는 단계는 제2소재의 실제위치와 공칭 위치 사이 차이를 상기 제 2 소재의 병진 운동, 회전, 스케일 또는 높이의 선택 중에서 계산하기 위해 상기 제 2 소재의 표면상의 한 세트의 점들의 위치를 측정하는 단계를 더 포함하는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법.
  9. 레이저 처리 시스템을 이용하여 레이저 빔 경로에 대응하는 레이저 빔으로 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법으로서, 상기 레이저 처리 시스템은 제어기와, 레이저 빔 경로를 따라 전파하는 레이저 빔을 방출하고 레이저 광학기기를 갖는 레이저와, 제 1 및 제 2 소재를 고정하기 위한 제 1 및 제 2 스테이지와, 비디오 조립체와, 받침대를 포함하고, 상기 제어기는 레이저, 레이저 광학기기, 비디오 조립체, 받침대, 제 1 및 제 2 스테이지에 동작가능하게 연결되는, 제 1 및 제 2 소재를 처리하는 방법에 있어서,
    제 1 스테이지 상에 제 1 소재를 로딩하는 단계와;
    상기 제어기와 협력하는 상기 비디오 조립체를 이용하여 제 1 처리 스테이지에서 상기 레이저 빔 경로에 대한 제 1 위치에 관련하여 제 1 소재를 정렬하는 단계와;
    상기 제 1 소재쪽으로 상기 레이저 빔 경로를 향하게 하는 단계와;
    상기 레이저 빔으로 상기 제 1 소재를 처리하는 단계와;
    제 2 스테이지 상에 제 2 소재를 로딩하는 단계와;
    상기 빔 경로가 상기 제 1 소재쪽으로 향하게 되는 동안, 상기 제어기와 협력하는 상기 비디오 조립체를 이용하여 제 2 처리 스테이지에서 동일한 레이저 빔 경로에 대한 상기 제 1 위치와 상이한 제 2 위치에 관련하여 상기 제 2 소재를 정렬하는 단계로서, 레이저, 레이저 광학기기, 비디오 조립체, 제 1 및 제 2 스테이지와의 상기 제어기의 동작가능한 연결은 상기 받침대와 협력하는 상기 제어기가 상기 제 1 처리 스테이지에서 상기 제 1 소재의 처리 동안 상기 제 2 처리 스테이지에서 상기 레이저 빔 경로에 대한 제 2 위치와 상기 제 2 소재 사이의 정렬을 취득하고 유지하도록 하는, 제 2 소재를 정렬하는 단계와;
    상기 레이저 빔 경로를 상기 제 2 소재쪽으로 향하게 하여, 상기 레이저 빔 경로와 상기 소재 사이에 정렬을 유지하는 단계와;
    상기 레이저 빔 경로가 상기 제 2 소재로 향하게 된 후에 상기 제 2 처리 스테이지에서 상기 소재가 상기 레이저 빔 경로에 대한 상기 제 2 위치에 정렬된 상태로 남아있는 동안, 복구가능한 에러가 검출된 경우 상기 제 1 소재의 추가 처리 단계를
    포함하는, 레이저 빔 경로에 대응하는 레이저 빔, 및 소재를 고정하기 위한 2개의 스테이지로 소재를 처리하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 소재 또는 상기 제 2 소재를 검사하는 단계를 더 포함하는, 레이저 빔 경로에 대응하는 레이저 빔, 및 소재를 고정하기 위한 2개의 스테이지로 소재를 처리하는 방법.
  11. 레이저 빔 경로를 따르는 전파를 위해 동작가능한 레이저 빔으로 제 1 및 제 2 소재를 처리하도록 동작가능한 레이저 처리 장치로서,
    받침대와;
    비디오 조립체와;
    X, Y테이블과;
    상기 레이저 빔을 생성하고, 레이저 빔 경로를 따라 상기 레이저 빔을 전파하도록 동작가능한 레이저 광학기기를 갖는 레이저와;
    상기 제 1 및 제 2 소재를 고정하기 위해 상기 X, Y테이블에 의해 지지된 제 1 스테이지 및 제 2 스테이지로서, 각각의 제 1 및 제 2 소재를 수용하도록 동작가능하고, 상기 제 1 스테이지는 상기 레이저 빔 경로에 대한 제 1 위치를 제공하고, 상기 제 2 스테이지는 레이저 빔 경로에 대한 상기 제 1 위치와 상이한 제 2 위치를 제공하는, 제 1 처리 스테이지 및 제 2 처리 스테이지와;
    상기 레이저 빔과 상기 제 1 스테이지 사이의 제 1 공간과, 상기 제 1 공간이 존재함과 동시에 상기 제 1 레이저 빔과 제 2 스테이지 사이의 제 2 공간을 확보하기 위한 서브시스템과;
    레이저, 레이저 광학가기, 비디오 조립체, 받침대, 제 1 및 제 2 스테이지에 동작가능하게 연결된 제어기를
    포함하고,
    레이저, 레이저 광학기기, 비디오 조립체, 제 1 및 제 2 스테이지와의 상기 제어기의 동작가능한 연결은 상기 받침대와 협력하는 상기 제어기가 레이저 빔 경로에 대한 제 1 위치에 관련하여 제 1 소재의 처리 동안 상기 레이저 빔 경로에 대한 제 2 위치와 상기 제 2 소재 사이의 정렬을 취득하고 유지하도록 하는,
    레이저 빔으로 복수의 소재를 처리하는 레이저 처리 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 처리는 비아(들)를 형성하는 것을 포함하는, 레이저 빔으로 복수의 소재를 처리하는 레이저 처리 장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 처리는 반도체 링크를 제거하는 것을 포함하는, 레이저 빔으로 복수의 소재를 처리하는 레이저 처리 장치.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 처리는 수동 전자 구성요소를 트리밍하는 것을 포함하는, 레이저 빔으로 복수의 소재를 처리하는 레이저 처리 장치.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 처리는 기판을 자르거나 개별화하는 것을 포함하는, 레이저 빔으로 복수의 소재를 처리하는 레이저 처리 장치.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 서브시스템은 소재의 실제위치와 공칭 위치 사이 차이를 상기 하나의 소재의 병진 운동, 회전, 스케일 또는 높이의 선택 중에서 계산하기 위해 상기 소재들 중 하나의 소재의 표면상의 한 세트의 점들의 위치를 측정하도록 적응된, 레이저 빔으로 복수의 소재를 처리하는 레이저 처리 장치.
  17. 제 11항에 있어서, 상기 서브시스템은 상기 제 1 또는 제 2 소재로의 상기 레이저 빔의 최종 정렬을 수행하도록 적응되는, 레이저 빔으로 복수의 소재를 처리하는 레이저 처리 장치.
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