KR101866579B1 - 레이저 펄스의 시리즈를 이용하는 드릴링 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 펄스의 시리즈를 이용하는 드릴링 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

각 펄스가 파장, 펄스 에너지, 펄스간 시간 간격, 펄스 폭 또는 펄스 형상을 포함하는 하나 이상의 미리 결정된 펄스 특성을 특징으로 하는 레이저 펄스의 시리즈가, 소재에 구멍을 뚫기 위하여 제공된다. 소재에 구멍을 뚫는 것(즉, 드릴링)은, 구멍이 뚫릴 개소에 레이저 펄스 스팟의 시리즈를 배치함으로써 달성된다. 시리즈 내의 하나 이상의 레이저 펄스의 하나 이상의 특성은 구멍의 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 변경된다. 상기 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 펄스의 시리즈 내의 하나 이상의 레이저 펄스의 특성을 변경시키는 능력은 소망의 속성 및 높은 드릴링률을 지니는 구멍을 형성하게 된다.

Description

레이저 펄스의 시리즈를 이용하는 드릴링 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DRILLING USING A SERIES OF LASER PULSES}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 미국 특허 가출원 제61/331,242호(출원일: 2010년 5월 4일)의 우선권을 주장하며, 이 기초 출원의 개시 내용은 모든 목적을 위하여 참조로 그의 전문이 본 명세서에 포함된다.
Nd:YAG 레이저 등과 같은 펄스형 레이저 공급원(pulsed laser source)은 마킹, 인각(engraving), 미세기계가공 및 절삭 등과 같은 응용을 위한 레이저 기반 소재 처리(laser-based material processing)를 수행하는데 이용되어 왔다. 펄스 당 0.5　mJ보다 많은 펄스 에너지를 특징으로 하는 많은 기존의 고출력 펄스 레이저는, 광 펄스를 발생하기 위하여 Q-스위칭 및 모드 로킹(mode locking) 등과 같은 수법에 의존한다. 그러나, 이러한 레이저는 공동 기하형태(cavity geometry), 거울 반사율 등에 의해 미리 결정된 특성을 지니는 광 펄스를 생성한다. 그와 같이, 그러한 레이저 펄스는, 일반적으로, 이 분야에서 레이저 성능을 저해시키는 일없이 변화될 수는 없다. 이러한 레이저를 이용하면, 일반적으로 소정 범위의 가변 펄스 특징을 얻는 것이 곤란하다.
이와 같이 해서, 당업계에서는, 펄스형 레이저 공급원에 관한 개선된 방법 및 시스템, 그리고 이러한 펄스형 레이저 공급원에 대한 응용에 대한 필요가 있다.
본 발명은 일반적으로 소재의 레이저 처리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 레이저 처리 응용에 있어서의 개선된 처리 품질 및 더 높은 처리량을 제공하도록 속성이 특별히 결정된 레이저 펄스의 시리즈를 이용하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 각종 소재에 구멍을 드릴링, 즉, 구멍을 뚫는 것에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 보다 넓은 응용성을 지니고 기타 응용 및 소재에 적용될 수 있다.
Nd:YAG 레이저 등과 같은 펄스형 레이저 공급원은, 마킹, 인각, 미세기계가공 및 절삭 등과 같은 응용을 위한 레이저 기반 소재 처리를 수행하는데 이용되어 왔다. 레이저가 통상 이용되는 이러한 하나의 공정은 소재에 작은 구멍을 뚫는 것이다. 이들 작은 구멍은 때로는 "비아"(via)라고도 지칭된다. 이들 구멍은 소재를 완전히 통과하는 관통 구멍일 수 있거나, 또는 이들은 소재 내의 한쪽 면 상에서 시작하지만 소정 지점에서 종결되는 블라인드 구멍(blind hole)일 수도 있다. 레이저는, 예를 들어, 실리콘과 같은 반도체; 구리 등과 같은 금속; 실리카 등과 같은 세라믹; 유리 및 기타 광범위한 소재를 비롯한 각종 소재에 구멍을 뚫는데 이용될 수 있다. 레이저는, 예를 들어, 유전체와 구리의 교호 층으로 구성된 전자 회로 기판 등과 같은 상이한 소재의 다수의 층으로 구성된 샘플에 구멍을 뚫는데도 이용된다.
레이저를 이용해서 샘플에 구멍을 뚫는 하나의 수법은 충격식 드릴링이다. 충격식 드릴링에 있어서, 레이저로부터의 광의 하나 이상의 펄스가 소재 상의 구멍이 뚫어지길 원하는 하나의 위치에 집속되거나, 결상되거나(imaged) 혹은 지향된다(directed). 이 소재에 집속되거나, 결상되거나 혹은 지향된 광은 본 명세서에서 레이저 스팟이라 지칭되는 스팟을 형성한다. 각 펄스는 구멍이 원하는 깊이에 도달할 때까지 혹은 구멍이 소재를 완전히 통과할 때까지 소정의 소재를 제거한다. 충격식 드릴링에 이용되는 레이저는 전형적으로 동등한 에너지 및 반복률의 레이저 펄스의 스트림을 전달한다(이 시리즈 내의 각 펄스는 선행 및 후속 펄스로부터 시간적으로 동등하게 떨어져 있다). 충격식 드릴링을 이용해서 하나보다 많은 구멍을 뚫을 경우, 레이저 펄스가 소재에 전달될 수 있는 방식은 명목상 3가지가 있다. 이들 방식은 (i) 구멍이 완성될 때까지 제1구멍에 제1시리즈의 펄스를 지향하고 나서, 구멍이 완성될 때까지 제2구멍에 제2시리즈의 펄스를 지향하는 등등, 모든 구멍이 완성될 때까지 행하는 방식; 또는 (ii) 제1구멍에 제1펄스를, 이어서 제2구멍에 제2펄스를, 그 후 제3구멍에 제3펄스를 지향하는 등등, 모든 구멍이 완성될 때까지 행하는 방식; 또는 (iii) 제1구멍에 제1시리즈의 펄스를, 이어서 제2구멍에 제2시리즈의 펄스를 지향하는 등등, 펄스의 시리즈가 각 구멍에 지향될 때까지 행하는 방식을 포함한다. 방식 (i)은, 단일 통과 드릴링 공정이라 지칭되고, 방식 (ii) 및 (iii)은 다수 통과 공정이라 지칭된다. 몇몇 경우에 레이저로부터 단지 하나의 펄스를 이용해서 매우 얇은 소재를 통해서 구멍을 뚫는 것이 가능하지만, 전형적으로, 구멍의 레이저 드릴링은 둘 이상의 레이저 펄스의 시리즈를 필요로 한다.
레이저는 구멍을 뚫기 위한 많은 이점을 지닌다. 레이저 빔은 작은 구멍을 뚫고 또한 각 구멍을 매우 신속하게 뚫기 위하여 매우 작은 스팟으로 집속될 수 있다. 레이저 드릴링은 레이저 빔이 렌즈, 거울 및 기타 지향 수단을 포함하는 광학계를 이용해서 원격으로 레이저 빔을 지향시킬 수 있거나 또는 샘플 자체를 이동시킬 수 있는 비접촉 공정이다. 이러한 지향 수단은 빔의 재위치결정이 초당 다수회 이루어질 수 있도록 컴퓨터 제어될 수 있다. 이와 같이 해서, 많은 구멍이 짧은 시간 기간에 레이저를 이용해서 드릴링될 수 있다. 펄스 에너지, 펄스 폭(펄스 길이라고도 지칭됨), 시간적 펄스 형상, 피크 파워, 평균 파워, 반복률 등과 같은 레이저 파라미터는 전형적으로 소망의 응용을 위한 가장 바람직한 구멍 속성을 얻기 위한 최적의 값으로 선택된다. 이것은 종종, 많은 에너지에 대해서, 레이저의 파라미터가 서로 독립적이지 않고 넓은 범위에 걸쳐서 정상적으로 조정될 수 없기 때문에, 각 응용에 대해서 상이한 레이저를 선택하는 것을 의미한다.
레이저 파라미터는, 펄스들 간의 시간 간격을 결정하는, 그의 펄스 반복률을 포함한다. 많은 레이저에 대해서, 반복률의 변화는 또한 펄스 에너지의 변화를 초래한다. 이 펄스 에너지의 변화는 드릴링 중인 구멍의 품질, 처리량 혹은 기타 특성에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 펄스간 간격 자체는, 펄스 에너지의 동반 변화가 펄스간 간격이 변화되어야만 하는지의 여부를 시사하는 많은 상황에 있어서 덜 중요하다. 따라서, 종종 복수의 구멍을 뚫는데 이용가능한 소정의 유연성이 있으므로, 펄스의 시리즈가 구멍을 뚫는데 필요하다면, 실제로 개별적인 펄스간 시간 간격이 제공되어야 하는지는 문제로 되지 않을 수 있어, 레이저 펄스의 다른 파라미터가 목적으로 하는 것이 되도록 하는 것을 필요로 할 수 있다. 당업자라면, N개 시리즈의 X 펄스가 N개 구멍에 전달될 수 있는 막대한 수의 순열(permutation)이 있고, 또한 임의의 하나의 특정 구멍에 지향된 상기 시리즈 내의 개별의 펄스 간의 시간 간격이 이들 순열의 일부에 있어서 고도로 불규칙적으로 될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
펄스형 레이저가 구멍을 뚫는데 이용되는 일례는, 실리콘 웨이퍼에 관통 비아를 뚫는 것이다. 레이저는, 실리콘 웨이퍼 내 비아 구멍의 요구되는 직경이 5㎛로 작고 또한 (예를 들어 태양 전지 등과 같은) 몇몇 경우에는 초당 수백 관통 비아를 뚫을 필요가 있으므로 이 특정 응용에 있어서 유리하다. 대부분의 경우에, 실리콘 웨이퍼에 비아의 레이저 드릴링은 전자 디바이스를 제조하는 제조 공정에서 하나의 단계이다. 이 공정에서의 다른 단계들은 종종, 배럴 형상이나 테이퍼 형상 등과 같은 소정의 형상을 지니고, 그 측벽이 평활할 것이며, 구멍 입구에서의 커프가 최대 높이를 지닐 것이고, 입구 구멍 부근의 파편(debirs) 및 잔사(residue)가 최소로 될 것인 비아 구멍에 대한 품질 요건, 및 기타 특정 요건을 부과할 것이다. 이들 품질 요건을 달성하기 위하여, 특정 응용에 적합한 바와 같은, 최적 펄스 에너지, 펄스 폭, 펄스 반복률, 피크 파워 혹은 에너지, 및 시간적 펄스 형상을 비롯한, 레이저 펄스의 최적 특성을 미리 결정하여 선택할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
펄스 당 0.1　mJ보다 많은 펄스 에너지를 특징으로 하는 많은 기존의 고출력 펄스 레이저는, 광 펄스를 발생하기 위하여 Q-스위칭 및 모드 로킹 등과 같은 수법에 의존한다. 이러한 레이저는 공동 기하형태, 거울 반사율 등에 의해 미리 결정된 특성을 지니는 광 펄스를 생성한다. 이러한 레이저를 이용하여, 일반적으로 머지 않아 그 응용을 위한 최적의 펄스 폭 혹은 펄스 형상을 얻는 것은 곤란하다. 마찬가지로, 펄스의 시리즈 중 중간 시리즈에 있어서 펄스 에너지 혹은 반복률 등과 같은 레이저 펄스의 특징 혹은 특징들을 변화시키는 것은, 상기 시리즈 중 많은 펄스에 대해서 간헐적 펄스 에너지 변동 또는 수퍼 펄싱(super-pulsing)이라 불리는 급격한 펄스 에너지 증가 등과 같은 바람직하지 않은 작은 변화(perturbation)를 초래할 수 있다. 따라서, 많은 경우에, 구멍의 레이저 드릴링은 결함을 지닌다.
본 발명은 하나 이상의 레이저 펄스의 하나 이상의 특징이 그 구멍에 대한 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 연속하여 변화되는 레이저 펄스의 시리즈를 이용하여 소재에 구멍을 뚫는 방법에 관한 것이다. 도 1에 개략적으로 도시된 일 실시형태에 있어서, 레이저 펄스의 시리즈(S1)가 소재에 구멍을 뚫기 위하여 제공되며, 여기서 해당 시리즈(S1)는 (T1)의 펄스간 시간 간격으로 다수의 펄스 에너지(E1)에 이어서, 펄스간 시간 간격(L1), 그 후에 펄스간 시간 간격(T2)으로 다수의 펄스 에너지(E2)를 포함한다. (E1), (E2), (L1), (T1), (T2) 값의 선택은 구멍을 뚫는 속도뿐만 아니라 구멍의 소정의 중요한 특성을 최적화시키기 위하여 미리 결정될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 레이저 펄스의 시리즈가 소재에 구멍을 뚫기 위하여 제공되는 데, 여기서, 이 레이저 펄스의 시리즈는 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 미리 결정된 바와 같은 상이한 에너지 혹은 펄스간 시간 간격 혹은 펄스 폭 혹은 펄스 형상을 지니는 소정의 펄스일 수 있다. 펄스 폭은 광 펄스의 반치 전폭(full width half maximum: FWHM)으로서 정의된다. 구멍을 뚫기 위하여 펄스의 시리즈 내의 각 펄스에 대해 선택된 특징은, 시리즈 내의 각 펄스의 특성이 해당 시리즈 내의 하나 걸른 펄스의 특성과 동일하게 되는 펄스의 시리즈를 이용해서 얻어진 결과와 비교해서, 이에 의해 뚫린 구멍의 개선된 특성 및 이에 의해 뚫린 구멍을 드릴링하는 속도를 제공하기 위하여 미리 결정된다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시형태들은 구멍의 레이저 드릴링 시 많은 이점을 제공한다. 도 2a는 실리콘 웨이퍼 내의 레이저 드릴링된 비아 구멍의 개략 단면도를 도시하고 있다. 소재에 뚫린 구멍은 많은 속성을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 비아 구멍은 입구와 출구가 거의 동등한 치수를 지니는 배럴 형상을 지닐 수 있다. 대안적으로, 비아 구멍은, 도 2a에 예시된 바와 같이, 입구가 출구보다 큰 테이퍼 형상을 지닐 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 펄스의 시리즈가 구멍을 뚫는데 이용됨으로써, 에너지와 펄스간 시간 간격을 비롯한 하나 이상의 펄스 특징이 해당 시리즈 내의 하나 이상의 펄스에 대해서 변화되므로, 얻어지는 구멍의 형상이 특정 테이퍼 프로파일을 지닐 것이다. 마찬가지로, 본 발명의 추가의 실시형태에 있어서, 펄스의 시리즈가 제공됨으로써, 에너지와 펄스 폭을 비롯한 하나 이상의 펄스 특징이 해당 시리즈 내의 하나 이상의 펄스에 대해서 변화되므로, 얻어지는 구멍의 형상이 소정의 배럴 형상 프로파일을 지닐 것이다. 본 발명의 추가의 실시형태에 있어서, 펄스의 시리즈가 제공됨으로써, 에너지, 펄스간 시간 간격, 펄스 폭 및 시간적 펄스 형상을 비롯한 하나 이상의 펄스 특징이 변화되므로, 출구 구멍의 형상이 평활한 에지를 지니면서 둥글게 될 것이고, 해당 구멍의 측벽이 평활하게 될 것이다. 레이저 드릴링 공정은 빈번하게 사실상 융제(ablative)되므로, 구멍 입구에 바로 인접한 면이 커프라 불리는 기재에 부착된 내장 소재의 영역을 노출시킬 수 있다. 구멍에 대한 입구 부근의 표면 상에서 분산됨으로써, 기재에 부착될 수 있거나 혹은 부착되지 않은 채로 놓여 있는 파편 혹은 잔사가 있을 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 펄스의 시리즈가 소재의 구멍을 뚫는데 제공되되, 여기서, 해당 시리즈 내의 초기 다수의 펄스의 특징은 폭발적인 융제 효과를 저감시키도록 채택되지만, 해당 시리즈 내의 후속의 펄스들은 실리콘 웨이퍼 내로 구멍이 깊어질수록 드릴링 속도가 증가하도록 채택되며, 그 결과 드릴링된 구멍의 파편, 잔사 및 커프가 저감되지만 구멍의 드릴링 속도는 해당 시리즈 내의 각 펄스의 특징이 변하지 않은 채로 있을 경우에 얻어진 구멍에 비해서 높게 된다. 실리콘 웨이퍼에 구멍을 뚫는 이 방법에 있어서, 펄스 특징이 시리즈 전체를 통해서 모두 동일한 펄스의 시리즈를 이용하기보다는 오히려 각 펄스의 특징이 드릴링 공정을 최적화시키도록 미리 결정된 펄스의 시리즈를 이용하는 것은, 드릴링된 구멍의 품질의 상당한 개선과, 또한 그에 의해 생성된 디바이스의 신뢰성, 나아가서는 드릴링 속도의 상당한 개선, 따라서, 다음 제조 단계로 진행하도록 허용가능한 디바이스의 개수의 수득량을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태에 있어서는, 소재에 구멍의 드릴링을 최적화시키기 위하여 시리즈 내의 하나 이상의 펄스의 특징 혹은 특징들이 변화되도록 레이저 펄스의 시리즈를 발생시켜 소재에 구멍을 뚫는 레이저 시스템이 제공된다. 펄스형 레이저 공급원은 시드 신호(seed signal)를 발생시키도록 구성된 시드 공급원(seed source), 및 시드 공급원에 연결된 제1포트와, 제2포트 및 제3포트를 지니는 광 순환기(optical circulator)를 포함한다. 펄스형 레이저 공급원은 또한 정형화된 전기 파형을 생성하도록 구성된 변조기 드라이버, 및 해당 변조기 드라이버에 연결되어 정형화된 전기 파형을 입수하도록 구성된 진폭 변조기를 포함한다. 진폭 변조기는 광 순환기의 제2포트에 연결된 제1측면과, 제2측면을 특징으로 한다. 펄스형 레이저 공급원은, 입력 단부 및 반사 단부(reflective end)를 특징으로 하는 제1광학 증폭기를 더 포함한다. 상기 입력 단부는 진폭 변조기의 제2측면에 연결된다. 또한, 펄스형 레이저 공급원은 광 순환기의 제3포트에 연결된 제2광학 증폭기를 포함한다.
N개의 구멍을 뚫기 위하여, 레이저 시스템은, 구멍이 뚫린 샘플의 하나의 영역에서부터 다음 구멍이 뚫릴 샘플의 인접한 영역으로 레이저 빔을 재위치결정시키기에 충분한 길이의 각 시리즈 간의 시간 간격을 지니는 레이저 펄스의 미리 결정된 N개 시리즈(S1, S2, .... SN)를 제공한다. 실리콘 웨이퍼 등과 같은 균일한 소재에 동일한 구멍을 뚫도록 설계된 특정 실시형태에 있어서는, 뚫린 각 구멍이 다른 구멍의 각각과 대략 동일하게 되는 것을 목표로 해서, 펄스의 각 시리즈가 서로 다른 시리즈와 동일하게 되도록 레이저 펄스의 시리즈를 발생시키는 레이저 시스템이 제공되며, 해당 레이저 시스템은 드릴링될 각 구멍에 레이저 빔을 지향시키고 드릴링 공정을 제어하는 수단을 포함하는 처리 시스템 내에 포함된다. 실리콘 웨이퍼 등과 같은 균일한 소재에 동일한 구멍을 뚫도록 설계된 특정 실시형태에 있어서는, 뚫린 각 구멍이 다른 구멍의 각각과 대략 동일하고 또한 소정의 바람직한 특징을 지니게 되는 것을 목표로 해서, 각 시리즈 내의 펄스의 일부가 동일 시리즈 내의 다른 레이저 펄스와 상당히 그리고 의도적으로 다른 레이저 파라미터를 지니도록 레이저 펄스의 시리즈를 발생시키는 레이저 시스템이 제공되며, 해당 레이저 시스템은 드릴링될 각 구멍에 레이저 빔을 지향시키고 드릴링 공정을 제어하는 수단을 포함하는 처리 시스템 내에 포함된다. 실리콘 웨이퍼 등과 같은 균일한 소재에 N개의 상이한 구멍을 뚫도록 설계된 추가의 특정 실시형태에 있어서는, 드릴링된 N개의 구멍 중 일부가 웨이퍼 내의 다른 구멍들의 것과는 다른 소정의 바람직한 특징을 지닐 것을 목표로 해서, 하나 이상의 시리즈 내의 펄스의 일부가 동일 시리즈 내의 다른 레이저 펄스와는 상당히 그리고 의도적으로 상이한 레이저 파라미터를 지니고, 일부의 시리즈가 레이저 파라미터가 다른 시리즈 내에 포함된 것과는 상이한 펄스를 포함하도록, 레이저 펄스의 미리 결정된 N개 시리즈(S1, S2, .... SN)를 발생하는 레이저 시스템이 제공되며, 해당 레이저 시스템은 드릴링될 각 구멍에 레이저 빔을 지향시키고 드릴링 공정을 제어하는 수단을 포함하는 처리 시스템 내에 포함된다.
다른 실시형태에 있어서, 펄스 시리즈(S1) 내의 제1펄스가 제1구멍에 지향되고 나서 시리즈(S1)의 제2펄스가 제2구멍에 지향되는 등 펄스 시리즈(S1) 내의 최종 펄스가 최종 구멍에 지향될 때까지 행하고; 그 후, 펄스 시리즈(S2) 내의 제1펄스가 제1구멍에 지향되고 나서 시리즈(S2)의 제2펄스가 제2구멍에 지향되는 등 펄스 시리즈(S2) 내의 최종 펄스가 최종 구멍에 지향될 때까지 행하고; 구멍의 각각이 그들에 지향된 완전한 펄스 시리즈를 갖게 될 때까지 이를 행하도록, 빔 위치결정 시스템으로 레이저 펄스 시리즈를 발생하는 레이저 시스템이 제공된다. 전체 펄스 시퀀스 내의 임의의 두 연속 펄스 간의 시간 간격은, 빔 위치결정 시스템이 하나의 구멍에서 다음 구멍으로 빔을 지향시킬 수 있도록 충분한 지속기간일 것이지만, 레이저 펄스 파라미터를 변화시키기 위한 휴지(pause)를 위한 어떠한 추가의 요건도 없게 될 것이다. 물론, 마찬가지 방식에 있어서, 제2통과(pass)는 구멍 당 시리즈(S2)로부터의 두 펄스를 포함하는 것이 가능하다. 예를 들어, 각 구멍을 통해 도중에 광학 결상계에 대해서 조정이 행해질 경우 또는 제2층을 통해 구멍을 드릴링하기 위하여 상이한 레이저가 제2통과에서 이용된다면, 단일 통과 공정(각 구멍이 순차 드릴링됨) 대신에 다회 통과 드릴링 공정이 전형적으로 이용된다. 당업자라면, 위에서 개략적으로 설명된 두 간단한 배열 이외에 N개의 구멍으로 X개 펄스의 N개 시리즈가 전달될 수 있는 다수의 순열이 있다는 것을 인지할 것이다. 본 발명의 다른 실시형태에서는, 이들 순열의 하나 이상이 수용된다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 따르면, 하나의 펄스 시리즈로부터 다음 펄스 시리즈로 레이저 펄스 파라미터를 변화시키기 위하여 이 펄스 시퀀스 동안 너무 긴 휴지를 필요로 하지 않는다.
또 다른 실시형태에서는, 펄스 시리즈(S1) 내의 제1펄스가 제1구멍에 지향되고 나서 시리즈(S2)의 제1펄스가 제2구멍에 지향되는 등 펄스 시리즈(SN) 내의 제1펄스가 제N번째 구멍에 지향될 때까지 행하고; 그 후 펄스 시리즈(S1) 내의 제2펄스가 제1구멍에 지향되고 나서 시리즈(S2)의 제2펄스가 제2구멍에 지향되는 등 펄스 시리즈(SN) 내의 제2펄스가 제N번째 구멍에 지향될 때까지 행하고; 구멍의 각각이 그들에 지향된 완전한 펄스 시리즈(SN)를 갖게 될 때까지 이를 행하도록, 빔 위치결정 시스템으로 레이저 펄스 시리즈를 발생하는 레이저 시스템이 제공된다. 전체 펄스 시퀀스 내의 임의의 두 연속 펄스 간의 시간 간격은, 빔 위치결정 시스템이 하나의 구멍에서 다음 구멍으로 빔을 지향시킬 수 있도록 충분한 지속기간일 것이다. 당업자라면, N개 시리즈의 X 펄스가 위에서 개략적으로 설명된 2개의 단순한 배열 이외에 N개 구멍에 전달될 수 있는 막대한 수의 순열이 있다는 것을 인지할 것이다. 본 발명의 다른 실시형태에서는, 이러한 모든 순열이 수용된다.
추가의 실시형태에 있어서, 각 구멍을 예비-드릴링하기 위하여 하나의 구멍에서 다음 구멍으로 레이저 빔의 방향을 변화시킬 수 있는 충분한 길이의 각 시리즈 간의 시간 간격을 지니는 레이저 펄스의 미리 결정된 N개 시리즈(S1, S2, .... SN)를 발생하는 레이저 시스템이 제공되되, 그 후, 레이저는 각 구멍의 드릴링을 완료하기 위하여 레이저 펄스의 미리 결정된 N개 시리즈(R1, R2, .... RN)를 제공할 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스의 레이저 펄스 특성은 그 시리즈 내의 다른 펄스의 레이저 펄스 특성과는 상이할 것이다. 레이저 시스템은 드릴링 될 각 구멍에 레이저 빔을 지향시키고 드릴링 공정을 제어하도록 작동가능한 처리 시스템 내에 포함된다. 해당 레이저 시스템은 드릴링될 각 구멍에 레이저 빔을 지향시키고 드릴링 공정을 제어하는 수단을 포함하는 처리 시스템 내에 포함된다. 따라서, 이것은 예를 들어 상이한 소재의 두 층으로 이루어진 샘플 내의 관통 구멍을 드릴링하는데 이용될 수 있는 2단계 드릴링 공정이다. 2단계 드릴링 공정의 추가의 실시형태에 있어서는, 시리즈(S1, S2, .... SN)를 발생하는 하나의 레이저와 시리즈(R1, R2, .... RN)를 발생하는 제2레이저의 2개의 상이한 레이저가 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재(예컨대, 반도체, 실리콘 등)에 구멍을 뚫는 방법이 제공된다. 해당 방법은 각 레이저 펄스가 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭, 제1펄스 형상, 제1파장 및 제1펄스간 시간 간격을 특징으로 하는 제1세트의 레이저 펄스를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 각 레이저 펄스가 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭, 제2펄스 형상, 제2파장 및 제2펄스간 시간 간격을 특징으로 하는 제2세트의 레이저 펄스를 제공하는 단계를 포함하되, 상기 제2펄스 에너지 중 적어도 하나가 상기 제1펄스 에너지와는 상이하거나, 상기 제2펄스 폭이 상기 제1펄스 폭과 상이하거나, 상기 제2펄스 형상이 상기 제1펄스 형상과 상이하거나, 또는 상기 제2파장이 상기 제1파장과 상이하다. 상기 방법은 레이저 스팟에 충돌하도록 상기 제1세트의 레이저 펄스를 지향하는 단계, 상기 레이저 스팟에 충돌하도록 상기 제2세트의 레이저 펄스를 지향하는 단계 및 상기 소재에 구멍을 뚫는 단계를 더 포함한다. 예로서, 다수의 레이저 펄스는 단일의 레이저에 의해 제공될 수 있고, 제1파장은 제2파장과 동등할 수 있고, 해당 제1파장과 제2파장은 1064㎚일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 제1파장 혹은 제2파장 중 적어도 한쪽은 1064㎚ 미만이다.
일 실시형태에 있어서, 제1세트의 레이저 펄스 중 최종 펄스와 제2세트의 레이저 펄스 중 제1펄스(즉, 시작 펄스) 간의 시간은 제1펄스간 시간 기간 혹은 제2펄스간 시간 기간 중 큰 쪽의 5배 미만이다. 상기 방법은 또한 상기 제1세트의 레이저 펄스를 제공하기 전에 상기 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭 및 제1펄스 형상을 결정하는 단계; 및 상기 제2세트의 레이저 펄스를 제공하기 전에 상기 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭 및 제2펄스 형상을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이때 적어도 상기 제2펄스 에너지는 상기 제1펄스 에너지와 동등하지 않거나, 상기 제2펄스 폭은 상기 제1펄스 폭과 동등하지 않거나, 또는 상기 제2펄스 형상은 상기 제1펄스 형상과 동일하지 않다.
일 실시형태에 따르면, 상기 제1세트의 레이저 펄스는 단일의 레이저 펄스를 포함하고, 상기 제2세트의 레이저 펄스는 단일의 레이저 펄스를 포함한다. 상기 제1펄스 폭은 상기 제2펄스 폭과 동등할 수 있고, 상기 제1펄스 형상은 상기 제2펄스 형상과 동일할 수 있다. 상기 제1펄스 에너지는 상기 제2펄스 에너지와 동일할 수 있고, 상기 제1펄스 형상은 제2펄스 형상과 동일할 수 있다. 상기 제1펄스 에너지와 상기 제2펄스 에너지는 각각 0.05 mJ 초과 2 mJ 미만이다. 상기 제1펄스 폭과 상기 제2펄스 폭은 각각 20㎱ 초과 5000㎱ 미만이다. 상기 제1세트의 레이저 펄스 중 최종 펄스와 상기 제2세트의 레이저 펄스 중 시작 펄스 간의 시간은 상기 제1펄스간 시간 간격과 대략 동일할 수 있다. 제1세트의 레이저 펄스 중 최종 펄스와 제2세트의 레이저 펄스 중 시작 펄스는 제2펄스간 시간 간격과 대략 동일할 수 있다.
다른 실시형태에 따르면, 상기 방법은 상기 제1세트의 레이저 펄스를 제공하기 전에 상기 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭, 제1펄스 형상, 제1파장 및 제1펄스간 시간 간격을 결정하는 단계 및 상기 제2세트의 레이저 펄스를 제공하기 전에 상기 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭, 제2펄스 형상, 제2파장 및 제2펄스간 시간 간격을 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 광 펄스의 시리즈를 이용해서 소재(예컨대, 반도체, 실리콘 등)에 구멍을 뚫는 방법이 제공되되, 각 광 펄스는 파장을 특징으로 한다. 상기 방법은 하나 이상의 제1광 펄스를 제1세트의 펄스로서 제공하는 단계 및 하나 이상의 제2광 펄스를 제2세트의 펄스로서 제공하는 단계를 포함하되, 제1광 펄스의 각각은 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭 및 제1펄스 형상을 특징으로 하고, 제2광 펄스의 각각은 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭 및 제2펄스 형상을 특징으로 한다. 상기 방법은 또한 하나 이상의 제3광 펄스를 제3세트의 펄스로서 제공하는 단계, 상기 소재 상에 소정 개소에서 충돌하도록 상기 제1세트의 펄스를 지향하는 단계, 상기 소재 상에 상기 소정 개소에서 충돌하도록 상기 제2세트의 펄스를 지향하는 단계, 상기 소재 상에 상기 소정 개소에서 충돌하도록 상기 제3세트의 펄스를 지향하는 단계 및 상기 소재에 상기 개소에서 구멍을 뚫는 단계를 더 포함하되, 제3광 펄스의 각각은 제3펄스 에너지, 제3펄스 폭 및 제3펄스 형상을 특징으로 한다.
다른 실시형태에 따르면, 상기 방법은 상기 제1세트의 펄스를 제공하기 전에 상기 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭 및 제1펄스 형상을 결정하는 단계, 상기 제2세트의 펄스를 제공하기 전에 상기 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭 및 제2펄스 형상을 결정하는 단계 및 상기 제3세트의 펄스를 제공하기 전에 상기 제3펄스 에너지, 제3펄스 폭 및 제3펄스 형상을 결정하는 단계를 더 포함한다. 본 실시형태에서는 적어도 상기 제2펄스 에너지가 상기 제1펄스 에너지와 동등하지 않을 수 있거나, 상기 제2펄스 폭이 상기 제1펄스 폭과 동등하지 않을 수 있거나, 또는 상기 제2펄스 형상이 상기 제1펄스 형상과 동일하지 않을 수 있다. 상기 제2펄스 에너지는 상기 제3펄스 에너지와 동등하지 않을 수 있거나, 상기 제2펄스 폭이 상기 제3펄스 폭과 동등하지 않을 수 있거나, 또는 상기 제2펄스 형상이 상기 제3펄스 형상과 동일하지 않을 수 있다.
상기 제1펄스 에너지는 0.05mJ 내지 2mJ일 수 있고, 상기 제2펄스 에너지는 0.05mJ 내지 2mJ일 수 있으며, 상기 제3펄스 에너지는 0.05mJ 내지 2mJ일 수 있다. 상기 제1펄스 폭은 20㎱ 내지 5μs일 수 있고, 상기 제2펄스 폭은 20㎱ 내지 5μs일 수 있으며, 상기 제3펄스 폭은 20㎱ 내지 5μs일 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재(예컨대, 반도체, 실리콘 등)에 구멍을 뚫는 방법이 제공된다. 상기 방법은 2개 이상의 펄스를 포함하는 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 레이저 펄스의 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스는 상기 펄스의 시리즈 내의 다른 펄스와는 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 또는 펄스 형상 중 적어도 하나가 상이하다. 상기 방법은 상기 소재 상에 드릴링 개소에서 충돌하도록 레이저 펄스의 시리즈를 지향하는 단계 및 상기 드릴링 개소에 구멍을 뚫는 단계를 더 포함한다. 상기 하나의 펄스 및 상기 다른 펄스는 펄스 에너지가 상이할 수 있다. 상기 하나의 펄스 및 상기 다른 펄스는 펄스 폭이 상이할 수 있다. 상기 하나의 펄스 및 상기 다른 펄스는 펄스 형상이 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 하나의 레이저를 이용해서 소재를 통해서 구멍(예컨대, 배럴 형상)을 뚫는 방법이 제공되되, 각 펄스는 파장(예컨대, ~ 1064㎚), 펄스 에너지, 펄스 폭 및 시간적 펄스 형상을 특징으로 한다. 상기 방법은 순차적 펄스들 간의 시간 간격이 0.01초보다 크지 않고, 레이저 펄스의 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스의 펄스 에너지가 그 시리즈의 다른 펄스의 펄스 에너지 미만이 되도록 상기 시리즈 내의 순차적 펄스 간의 시간 간격을 특징으로 하는 해당 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 단계; 레이저 스팟에 충돌하도록 레이저 펄스의 세트를 지향시키는 단계; 및 상기 소재를 통해서 구멍을 뚫는 단계를 포함한다. 상기 소재는 반도체 소재 또는 실리콘을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 시리즈 내의 제1펄스의 에너지는 해당 시리즈 내의 적어도 하나의 다른 펄스의 에너지 미만이다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 시리즈 내의 제1펄스의 에너지는 50μJ 초과 내지 400μJ 미만이다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 시리즈 내의 최종 펄스의 에너지는 해당 시리즈 내의 적어도 하나의 다른 펄스의 에너지보다 크다. 일례로서, 상기 시리즈 내의 최종 펄스의 에너지는 400μJ 초과 내지 1000μJ 미만일 수 있다. 상기 시리즈 내의 모든 펄스의 시간적 펄스 형상은 거의 정사각형일 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시형태에 따르면, 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 하나의 레이저를 이용해서 소재를 통해서 구멍을 뚫는 방법이 제공되되, 각 펄스는 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 및 시간적 펄스 형상을 특징으로 한다. 상기 방법은, 시리즈 내의 순차적 펄스들 간의 시간 간격이 0.01초보다 크지 않고, 레이저 펄스의 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스의 펄스 폭이 그 시리즈의 다른 펄스의 펄스 폭보다 짧게 되도록 상기 순차 펄스 간의 시간 간격을 특징으로 하는 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 단계; 레이저 스팟에 충돌하도록 레이저 펄스의 세트를 지향시키는 단계; 및 상기 소재에 구멍을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 소재는 반도체 소재 혹은 실리콘을 포함할 수 있다. 파장은 약 1064㎚일 수 있다. 상기 구멍은 테이퍼 형상을 지닐 수 있다. 상기 시리즈 내의 제1펄스의 펄스 폭은 그 시리즈 내의 다른 펄스의 펄스 폭보다 짧을 수 있다. 상기 시리즈 내의 제1펄스의 펄스 폭은 20㎱ FWHM 초과 200㎱ FWHM 미만일 수 있다. 상기 시리즈 내의 최종 펄스의 펄스 폭은 그 시리즈 내의 다른 펄스의 펄스 폭보다 길 수 있다. 상기 시리즈 내의 최종 펄스의 펄스 폭은 400㎱ FWHM 초과 1000㎱ FWHM 미만일 수 있다. 상기 시리즈 내의 모든 펄스의 시간적 펄스 형상은 대략 정사각형일 수 있다.
본 발명의 다른 구체적인 실시형태에 따르면, 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 하나의 레이저를 이용해서 소재(예컨대, 반도체 혹은 실리콘)를 통해 구멍을 뚫는 방법이 제공되되, 여기서 각 펄스는 파장(예컨대, 1064㎚), 펄스 에너지, 펄스 폭 및 시간적 펄스 형상을 특징으로 한다. 상기 방법은 시리즈 내의 순차적 펄스들 간의 시간 간격이 0.01초보다 크지 않고, 레이저 펄스의 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스의 시간적 펄스 형상이 그 시리즈의 다른 펄스의 시간적 펄스 형상과 실질적으로 상이하도록 상기 순차적 펄스 간의 시간 간격을 특징으로 하는 해당 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 단계; 레이저 스팟에 충돌하도록 레이저 펄스의 세트를 지향시키는 단계; 및 상기 소재를 통해서 구멍을 뚫는 단계를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 구멍의 출구 측은 명확하게 규정되고, 구멍의 측벽은 평활하다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스의 시간적 펄스 형상은 정사각형 프로파일을 지닌다. 상기 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스의 시간적 펄스 형상은 파워 스파이크(power spike)에 이어서 파워 안정기(power plateau)를 지닐 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법이 제공된다. 해당 방법은 제1파장, 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭 및 제1펄스 형상을 특징으로 하는 제1세트의 레이저 펄스, 및 제2파장, 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭 및 제2펄스 형상을 특징으로 하는 제2세트의 레이저 펄스를 포함하는 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 단계를 포함하되, 제1시리즈의 레이저 펄스는 제2시리즈의 레이저 펄스와는 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 또는 펄스 형상 중 적어도 하나가 상이하다. 상기 방법은 상기 소재 상에 제1드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제1세트의 레이저 펄스 중 첫번째 펄스를 지향시키는 단계 및 상기 소재 상에 후속의 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제1세트의 레이저 펄스 중 후속의 펄스를 지향시키는 단계를 또 포함한다. 상기 방법은 상기 소재 상에 상기 제1개소에서 충돌하도록 상기 제2세트의 레이저 펄스 중 첫번째 펄스를 지향시키는 단계 및 상기 소재 상에 후속의 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제2세트의 레이저 펄스 중 후속의 펄스를 지향시키는 단계를 또 포함한다.
몇몇 실시형태에 따르면, 상기 방법은 제3파장, 제3펄스 에너지, 제3펄스 폭 및 제3펄스 형상을 특징으로 하는 제3세트의 레이저 펄스를 제공하는 단계; 상기 소재 상에 상기 제1드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제3세트의 레이저 펄스 중 첫번째 펄스를 지향시키는 단계; 및 상기 소재 상에 후속의 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제3세트의 레이저 펄스 중의 후속의 펄스들을 지향시키는 단계를 추가로 포함하되, 해당 제3시리즈의 레이저 펄스는 적어도 상기 제1시리즈의 레이저 펄스 또는 상기 제2시리즈의 레이저 펄스와는 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 또는 펄스 형상이 상이하다.
상기 제3시리즈의 레이저 펄스는 적어도 상기 제1시리즈의 레이저 펄스 또는 상기 제2시리즈의 레이저 펄스와는 펄스 폭, 펄스 형상 또는 펄스 에너지가 상이할 수 있다. 상기 제2시리즈의 레이저 펄스는 상기 제1시리즈의 레이저 펄스와는 펄스 폭, 펄스 형상 또는 펄스 에너지가 상이할 수 있다.
대안적인 실시형태에 따르면, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법이 제공된다. 해당 방법은 제1파장, 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭 및 제1펄스 형상을 특징으로 하는 제1레이저 펄스, 제2파장, 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭 및 제2펄스 형상을 특징으로 하는 제2레이저 펄스, 및 제3파장, 제3펄스 에너지, 제3펄스 폭 및 제3펄스 형상을 특징으로 하는 제3레이저 펄스를 포함하는 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 단계를 포함하되, 상기 제1레이저 펄스는 상기 제2레이저 펄스와는 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 또는 펄스 형상 중 적어도 하나가 상이하고, 상기 제3레이저 펄스는 상기 제1레이저 펄스 또는 상기 제2레이저 펄스 중 적어도 한쪽과는 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 또는 펄스 형상 중 적어도 하나가 상이하다. 상기 방법은 상기 소재 상에 하나의 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제1레이저 펄스를 지향시키는 단계; 상기 소재 상에 상기 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제2레이저 펄스를 지향시키는 단계; 및 상기 소재 상에 상기 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제3레이저 펄스를 지향시키는 단계를 또 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 방법은 상기 레이저 펄스의 시리즈의 후속의 세트를 제공하는 단계; 및 후속의 드릴링 개소에 상기 레이저 펄스의 시리즈의 후속의 세트를 지향시키는 단계를 더 포함한다. 상기 제3레이저 펄스는 적어도 제1레이저 펄스 또는 제2레이저 펄스와는 펄스 폭, 펄스 형상 또는 펄스 에너지가 상이할 수 있다. 상기 제2레이저 펄스는 제1레이저 펄스와는 펄스 폭, 펄스 형상 또는 펄스 에너지가 상이할 수 있다.
본 발명을 이용하면 종래의 기술에 비해서 다수의 유익이 얻어진다. 예를 들어, 본 발명에 따른 일 실시형태에 있어서, 견줄만한 성능 특징을 지니는 레이저와 비교해서 저렴한 컴팩트한 구성을 이용하는, 소재에 구멍을 뚫기에 적합한 고출력 펄스형 레이저가 제공된다. 또한, 본 발명에 따른 일 실시형태에 있어서, 펄스의 시리즈 중의 하나 이상의 광 펄스의 하나 이상의 특징이 소재에서 구멍 드릴링 공정을 최적화시키도록 변화될 수 있도록 레이저에 대한 조절이 행해질 수 있도록, 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 펄스형 레이저가 제공된다. 펄스 특징으로는, 펄스 에너지, 인접한 펄스 간의 시간 간격, 펄스 폭, 펄스 프로파일 및 피크 파워를 들 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 실시형태에 따라서, 예를 들어, 드릴링된 구멍의 품질 및 처리된 물품의 수득량의 개선을 비롯하여 다수의 유익이 존재한다. 이들 및 기타 유익은 본 명세서를 통해서 또한 특히 이하에 더욱 설명된다. 본 발명의 각종 추가의 목적, 특성 및 이점은 이하의 상세한 설명 및 후술하는 첨부도면을 참조하여 더욱 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 펄스의 시리즈를 도시한 일 실시형태의 개략도로서, 이 도면에서 시간은 수평축에 있고, 파워는 수직축을 따름;
도 2a는 실리콘 웨이퍼에 레이저 드릴링된 비아(관통 구멍)의 개략 단면도;
도 2b는 내부에 다수의 레이저 드릴링된 비아를 나타내고 있는 실리콘 웨이퍼의 개략도;
도 3은 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 펄스의 시리즈를 도시한 일 실시형태의 개략도로서, 이 도면에서 시간은 수평축에 있고, 파워는 수직축을 따라 있음;
도 4는 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 펄스의 시리즈를 도시한 일 실시형태의 개략도로서, 이 도면에서 시간은 수평축에 있고, 파워는 수직축을 따름;
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 레이저 펄스의 출력 시리즈를 제공하는 조율가능한 펄스 특징을 지니는 펄스형 레이저의 간단화된 개략도;
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 레이저 펄스의 출력 시리즈를 제공하는 조율가능한 펄스 특징을 지니는 펄스형 레이저의 간단화된 개략도;
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 레이저 처리 시스템의 간단화된 개략도;
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 레이저 처리 시스템의 간단화된 개략도;
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법을 예시한 순서도;
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법을 예시한 순서도;
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법을 예시한 순서도;
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법을 예시한 순서도;
도 13은 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 펄스의 시리즈를 도시한 일 실시형태의 개략도로서, 이 도면에서 시간은 수평축에 있고, 파워는 수직축을 따름.
다층 회로의 기술은 대형 다층 구리 유전체 회로 기판으로부터 얇은 실리콘 집적 회로에 이르기까지 다년간의 전자 산업에서 공통적이었다. 집적 회로는 전화, 컴퓨터, 자동차 및 다수의 기타 장비 등과 같은 전자 디바이스에 널리 이용된다. 다층 설계가 이용될 때마다, 구멍을 이용해서 층 간에 접속을 행하는 것이 필요하다. 집적 회로의 제조에서 이용되는 실리콘 웨이퍼의 경우에, 이들 구멍은 통상 비아라고 지칭된다. 도 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼는 전형적으로 수천개의 비아를 포함할 수 있고, 따라서, 구멍을 뚫는 방법은 빨라야만 하고, 그 결과 제조 중인 디바이스에 대해 바람직한 속성을 지니는 구멍으로 되어야 한다. 실제로, 제조 공정에서 후속 단계들에 의해 결정되는 요건은 이들 바람직한 속성을 전형적으로 규정할 것이다.
실리콘 웨이퍼 내 단일 비아의 개략적인 묘사가 도 2a에 도시되어 있다. 비아에 대한 중요한 속성은 입구 및 출구 구멍의 크기, 입구 및 출구 구멍의 타원율, 입구 및 출구 구멍의 에지의 거칠기(roughness), 입구 구멍 둘레의 커프의 높이, 입구 및 출구 구멍 부근에 산포된 파편의 양 및 정도, 입구 및 출구 구멍 부근의 표면 상에 침착된 임의의 잔사의 두께 및 정도, 구멍의 측벽의 거칠기, 측벽의 곡률 및 기타 속성을 포함한다. 실리콘 웨이퍼는 수천개의 많은 비아를 포함할 수 있으므로, 각 비아의 속성이 대략 동일한 것이 중요하고; 따라서, 드릴링 공정의 재현성도 중요하다. 물론, 실리콘 웨이퍼 내의 비아의 드릴링은 소재에 뚫린 구멍의 일례이지만, 각 특정 용도 및 소재에 대해서 각 구멍에 대한 바람직한 속송의 세트가 있을 것이다.
소재에 구멍을 뚫는 데 이용되는 펄스형상 레이저의 몇몇 예로는, 유리에 구멍을 뚫는데 이용되는 펄스형 CO2 레이저, 플라스틱에 구멍을 뚫는데 이용되는 엑시머 레이저, 실리콘에 구멍을 뚫는데 이용되는 펄스형 Nd:YAG 레이저, 구리를 통해서 구멍을 뚫는데 이용되는 자외 파장에 대해서 고조파적으로 3중화된 펄스형 Nd:YLF 레이저, 인쇄 회로 기판의 유전체 절연재에 구멍을 뚫는데 이용되는 펄스형 CO2 레이저, 폴리머에 구멍을 뚫는데 이용되는 펄스형 Nd:YAG 레이저, 및 기타 많은 예를 들 수 있다. 펄스형 레이저가 소재에 구멍을 뚫는데 이용될 경우, 가장 통상의 기술은 충격식 드릴링으로 지칭되지만, 예를 들어, 트레페닝(trepanning) 등과 같은 기타 수법도 존재한다. 충격식 드릴링 시, 레이저 빔은 구멍이 뚫릴 개소에서 레이저 스팟에 대해서 집속되거나 혹은 결상되고, 각각의 개별적인 펄스는 구멍의 요구되는 깊이가 달성될(블라인드 구멍) 때까지 혹은 구멍이 소재의 다른 쪽을 통해 천공될(관통 구멍) 때까지 일부 소재를 제거한다.
임의의 펄스형 레이저에 대해서, 드릴링 공정을 최적화시키도록 채택될 수 있는 하나 이상의 작동 특징이 있다. 예를 들어, 레이저의 펄스 에너지를 선택하는 것이 가능하다. 경험의 법칙으로서, 펄스 에너지가 높을수록, 더 많은 소재가 각 펄스에 의해 제거될 것이고, 따라서 구멍을 뚫는데 요구되는 펄수의 수는 보다 적어진다. 몇몇 경우에, 높은 펄스 에너지는 파편 및 잔사로서 배출되는 소재의 증가, 입구 및 출구 구멍의 벽 및 에지의 거칠기 증가 등과 같은 유해 효과를 지닐 수도 있다. 이러한 효과가 특정 응용에 대해서 바람직하지 않은 것으로 여겨지면, 보다 낮은 펄스 에너지를 이용하는 것이 유리할 수 있고, 이는 구멍을 뚫는데 요구되는 펄스의 증가를 초래할 수 있었다. 드릴링 공정의 속도 증가를 위해 채택될 수 있었던 다른 작동 특징은 보다 작은 펄스간 시간 간격을 의미하는 높은 레이저 반복률을 채택하는 것일 것이다. 몇몇 경우에 예를 들어 소정 기간 동안 남는 열-유발 효과가 있다면, 짧은 펄스간 시간 간격은 백그라운드 열의 과잉 구축을 통해서 혹은 기타 수단에 의해서 구멍의 품질에 불리하게 작용할 수 있다. 광의 소재와의 상호작용의 물리학으로 인해, 보다 긴 레이저 펄스가 보다 짧은 레이저 펄스보다 소재를 제거하는데 더 효과적일 것이라는 일이 일어날 수 있다. 폭넓은 많은 가능성이 있다. 전형적인 제조 상황에 있어서, 조작자는 레이저 작동 특징에 대해서 값을 채택하고, 이 채택된 값을 지니는 펄스를 이용해서 샘플 구멍을 뚫고, 그 뚫린 구멍을 조사하는 일련의 실험을 수행할 것이다. 레이저 작동 특징에 대한 다양한 값을 이용해서 구멍을 뚫음으로써, 조작자는, 어떠한 값의 세트가 소망의 드릴링률(drilling rate)(초당 구멍수)에서 허용가능한 품질을 지니는 구멍을 제공하는지를 결정할 것이다. 제조 과정을 위하여, 레이저는 이어서 이들 실험에 의해 결정된 바와 같은 각 조작 특징에 대해서 채택된 최적 값을 지니는 펄스를 제공하도록 설정될 것이다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 펄스 파라미터는 본 명세서를 통해서 기술되는 바와 같이 미리 결정된다. 본 명세서에 기재된 동작은 트리거 속도의 불연속성을 수반하는 연이은 펄스들에 대해서 상이한 펄스 파라미터를 지니는 일부 종래의 펄스형 레이저 시스템(예컨대, Q-스위치형 레이저)과는 상이하다. 본 발명의 실시형태는, Q-스위치형 레이저의 거동인 시간의 함수로서의 이득 프로파일에 단순히 응답하기 보다는 오히려, 각종 드릴링 동작에 적합한 펄스 열을 제공하도록 펄스 파라미터의 능동 제어를 제공한다. 특정의 미리 결정된 펄스 파라미터를 지니는 펄스를 제공하기 위한 레이저의 동작은 미리 결정된 펄스 특성을 지니는 펄스 시리즈를 제공하는 것이라 지칭될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 펄스 시리즈 내 펄스에 대한 펄스 특징의 선택은 해당 펄스 시리즈를 이용해서 드릴링될 구멍 혹은 구멍들의 목적으로 하는 특성을 제공하기 위하여 미리 결정된다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 따르면, 미리 결정된 펄스 특성은, 레이저의 하나 이상의 특정 파라미터를, 각각 이러한 파라미터가 독립적으로 결정될 수 있는 값의 크기의 하나로 설정함으로써 제공된다. 이 방법은, 하나의 조정가능한 파라미터가, 레이저의 다른 조정가능하지 않은 파라미터가 소정의 바람직한 특성을 얻기 위하여 레이저 설계의 결과에 의해 변형되도록 소정의 값으로 설정되는 동작과는 대조적이다.
대부분의 종래의 레이저에 대해서, 작동 특징의 일부를 변화시키는 것은 가능하지 않거나 적어도 매우 어렵다. 펄스 에너지 및 펄스간 시간 간격을 채택하는 것은 통상 가능하지만, 레이저를 정지시키는 일없이 이들 값을 변화시키는 것은 가능하지 않을 수도 있다. 휴지 없이 펄스 작동 특징을 변화시키는 시도를 행한다면, 그 결과는 이들이 안정화되기 전에 펄스의 수에 대해서 펄스 에너지의 불안정성을 초래할 수 있다. 예를 들어, 펄스간 시간 간격의 변화가 휴지 없이 행해진다면, 그 다음 소수의 펄스에 대해서 펄스 에너지의 갑작스런 증가가 있을 수 있다. 불행하게도, 몇몇 레이저에 대해서, 펄스 폭, 피크 파워 혹은 펄스 형상 등과 같은 몇몇 중요한 특징을 변화시키는 것이 전혀 더 가능하지 않을 경우가 있다. 그 이유는 이들 파라미터가 레이저의 광학 공명기 공동 혹은 레이저 이득 매질 자체로서 그러한 것들에 의해 결정될 수 있기 때문이다.
섬유 레이저는 활성 이득 매질이 광 파이버인 레이저이다. 몇몇 섬유 레이저에 대해서, 다른 종류의 레이저와 이전에 접근가능하지 않았던 많은 작동 특징을 변화시키거나 프로그래밍하는 것이 가능하다. 피크 파워, 펄스 폭 및 시간적 펄스 형상에 대한 값을 채택하는 능력은 몇몇 소재에 있어서 구멍의 드릴링을 비롯한 처리 응용이 달성되도록 개선을 허용한다. 보다 짧은 펄스(종종 보다 높은 피크 파워를 지님)는 그 과정이 열보다는 융제로 되기 때문에 종종 소재 제거를 보다 깨긋하게 한다. 일례로서, 짧은 레이저 펄스의 에너지는 소재의 임의의 용융이 일어나기 전에 시간의 짧은 충분한 기간에 보존될 수 있다. 이와 반대로, 소재와의 보다 느린 열 상호작용에 있어서 보다 긴 펄스에 의해 용융된 소재는 입구 구멍 근방 표면 상에 튀기 더 쉬울 수 있으므로 과잉의 잔사 혹은 파편을 형성한다. 마찬가지로, 짧은 레이저 펄스는 구멍 내의 보다 평활한 측벽을 얻을 경우가 있을 수 있다. 그러나, 소재 제거는 종종 전달되는 (적어도 소정의 에너지 범위 내에서) 에너지에 비례하므로 펄스 에너지가 긴 펄스 미만이면 일반적으로 보다 적은 소재가 짧은 펄스에 의해 제거될 것이다. 따라서, 허용가능한 구멍 품질의 실현과 높은 구멍 드릴링률의 실현 간에 트레이드오프(tradeoff)가 일어날 수 있다. 그러므로, 펄스 에너지, 펄스간 시간 간격, 펄스 폭, 피크 파워 및 펄스 형상을 비롯한 보다 다수의 작동 특징의 값을 설정하는 능력은 구멍 드릴링을 비롯한 많은 소재 처리 응용에 대해서 섬유 레이저의 이용을 조장하였다.
이제 휴지 없이 펄스 간의 작동 특징을 변화시키는 능력을 지니는 새로운 섬유 레이저 설계가 등장하고 있다. 이들 설계에 따르면, 펄스 에너지 혹은 기타 특징을 비롯한, 후속 펄스의 특징의 어떠한 불안정성도 없이 즉시 작동 특징의 값의 변화가 달성될 수 있다. 펄스 시리즈의 중앙에 작동 특징의 값을 변화시키는 능력은, 구멍을 뚫는데 시리즈 내의 레이저 펄스 모두의 각각의 특징이 동일한 레이저 펄스의 시리즈를 제공하기보다는 오히려, 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 상기 시리즈 내의 각 개별적인 펄스(또는 시리즈 내의 펄스의 세트)에 대해서 특징을 개별적으로 채택하는 것이 이제 가능하다는 것을 의미한다. 따라서, 예를 들어, 소재에 구멍을 뚫기 위한 레이저 펄스의 시리즈에 대해서, 해당 시리즈의 초기 펄스는 낮은 펄스 에너지와 짧은 펄스간 시간 간격을 지닐 수 있지만, 해당 시리즈 내의 펄스의 나머지는 높은 펄스 에너지와 긴 펄스간 시간 간격을 지닐 수 있다. 소재에 구멍을 뚫는 데 이용되는 펄스의 시리즈에 대해서, 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 상기 시리즈 내의 각 펄스에 대한 펄스 에너지, 펄스간 시간 간격, 펄스 폭, 피크 파워 및 펄스 형상의 값을 채택하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 도 1은 소재에 구멍을 뚫는 데 적합한 펄스 폭(W1)을 모두 지니는 레이저 펄스의 단일 시리즈(S1)를 나타낸 개략도이며, 여기서 펄스 에너지 및 펄스간 시간 간격은 최고 드릴링률에서 목적으로 하는 구멍 속성을 제공하기 위하여 상기 시리즈 중 제1서브 시리즈 "S1a"에서의 (E1) 및 (T1)을 해당 시리즈 중 제2서브 시리즈 "S1b"에서의 (E1) 및 (T2)로 각각 변화시킨다. 이와 같이 해서, 에너지(E1) 및 펄스간 시간 간격(T1)을 지니는 펄스는 구멍의 시작 부분을 뚫는데 유리할 것이지만, 에너지(E2) 및 펄스간 시간 간격(T2)을 지니는 펄스는 구멍의 최종 부분을 뚫는 데 유리할 것이다. 제1서브시리즈 "S1a"와 제2서브시리즈 "S1b" 간의 시간 간격(L1)은 (T1) 또는 (T2) 미만의 값, (T1) 또는 (T2)와 동등한 값, 또는 (T1) 또는 (T2)보다 큰 값을 지닐 수 있었다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 값(L1)은 (T1) 또는 (T2) 중 큰 쪽보다 5배 미만이고, 예를 들어, (T1) 또는 (T2) 중 큰 쪽보다 약 2배이다. 파장 1064㎚에서 작동하는 펄스형 섬유 레이저를 이용해서 0.15㎜ 두께의 실리콘 웨이퍼에 직경 50㎛의 구멍을 뚫을 경우, 본 발명자들은 도 1에 도시된 것과 유사한 펄스의 시리즈가 허용가능한 드릴링 속도에서 저감된 정도의 파편 및 잔사와, 배럴 형상의 비아를 제공할 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 제1의 8개의 펄스에 대해서 210 μJ의 펄스 에너지를 지니는 비교적 짧은 펄스 폭 100㎱를 이용하는 것은 입구 구멍 부근의 파편의 정도를 저감시킬 것이다. 그러나, 일단 구멍이 시작되면, 나머지 40개의 펄스의 펄스 에너지는 드릴링률을 증가시키기 위하여 400 μJ까지 증가될 수 있다. 시리즈 내의 모든 48개의 펄스의 펄스 폭이 100㎱이면, 배럴 형상의 관통 비아가 얻어질 것이다. 이 예에서, 시간 간격(T1) 및 (T2)은 최대 레이저 파워를 제공하도록 채택된다. 이와 같이 해서, 이 예에서는, 20와트 평균 파워 레이저에 대해서 T1 = 10.5μs이고 T2 = 20μs이다. (L1)은 (T2)와 동일, 즉, 20μs로 되도록 채택된다. 웨이퍼에 각 구멍을 뚫기 위하여 이 펄스 시리즈를 이용하면, 레이저의 잠재적인 드릴링률 능력은, 입구 구멍 부근의 파편의 저감된 정도를 지니는 목적으로 하는 배럴형 비아를 제공하기 위하여 초당 대략 1100개의 비아이다.
펄스 에너지 및 펄스간 시간 간격 이외의 기타 파라미터도 변화될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 도 3은 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 레이저 펄스의 단일 시리즈(S2)를 도시한 개략도이며, 여기서 펄스 에너지, 펄스 폭 및 펄스간 시간 간격은 최고 드릴링률에서 목적으로 하는 구멍 속성을 제공하기 위하여 상기 시리즈 중 제1서브시리즈 "S2a" 내의 (E1), (W1) 및 (T1)을 각각 해당 시리즈 중 제2서브시리즈 "S2b" 내의 (E2), (W2) 및 (T2)로 변화시킨다. 이와 같이 해서, 에너지(E1), 펄스 폭(W1) 및 펄스간 시간 간격(T1)을 지니는 펄스는 구멍의 시작 부분을 드릴링하는 데 유리할 것이지만, 에너지(E2), 펄스 폭(W2) 및 펄스간 시간 간격(T2)을 지니는 펄스는 구멍의 최종 부분을 드릴링하는데 유리할 것이다. 제1서브시리즈 "S2a"와 제2서브시리즈 "S2b" 간의 시간 간격(L1)은 (T1) 또는 (T2) 미만의 값, (T1) 또는 (T2)와 동등한 값, 또는 (T1) 또는 (T2)보다 큰 값을 지닐 수 있었다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 값(L1)은 (T1) 또는 (T2) 중 큰 쪽보다 5배이고, 예를 들어, (T1) 또는 (T2) 중 큰 쪽보다 약 2배이다. 파장 1064㎚에서 작동하는 펄스형 섬유 레이저를 이용해서 0.15㎜ 두께의 실리콘 웨이퍼에 직경 50㎛의 구멍을 뚫을 경우, 본 발명자들은 도 3에 도시된 것과 유사한 펄스의 시리즈가 빠른 드릴링 속도에서 저감된 정도의 파편 및 잔사와, 테이퍼 형상의 비아를 제공할 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 제1의 4개의 펄스에 대해서 400 μJ의 펄스 에너지와 100㎱의 비교적 짧은 펄스 폭을 이용하는 것은 입구 구멍 부근의 파편의 정도를 저감시킬 것이다. 그러나, 일단 구멍이 시작되면, 그 시리즈의 나머지 14개의 펄스에 대해서, 드릴링률을 증가시키기 위하여, 펄스 에너지는 600 μJ까지 증가될 수 있고 펄스 폭은 500㎱까지 증가될 수 있다. 비교적 긴 펄스를 이용하면 테이퍼형 비아 형상이 얻어질 것이다. 보다 낮은 에너지와 보다 짧은 펄스 폭의 4개의 짧은 펄스를 지니는 펄스의 시리즈로 시작하는 것은 입구 구멍에서 파편의 정도를 감소시킬 것이다. 이 예에서, 시간 간격(T1) 및 (T2)은 최대 레이저 파워를 제공하도록 채택된다. 이와 같이 해서, 20와트 평균 파워 레이저에 대해서 T1 = 20μs이고 T2 = 30μs이다. (L1)은 (T2)와 동일, 즉, 30μs로 되도록 채택된다. 웨이퍼에 각 구멍을 뚫기 위하여 이 펄스 시리즈를 이용하면, 레이저의 잠재적인 드릴링률 능력은, 입구 구멍 부근의 파편의 저감된 정도를 지니는 목적으로 하는 테이퍼형 비아를 제공하기 위하여 초당 대략 2,000개의 비아로 증가된다.
소재에 구멍을 뚫기 위한 펄스의 시리즈가 펄스 특성이 상이한 단지 두 서브시리즈를 지닐 것이 요구되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 소재에 구멍을 뚫는데 적합한 펄스의 시리즈는 도 4에 도시되어 있으며, 여기서, 펄스의 시리즈는 3개의 서브시리즈(S3a), (S3b) 및 (S3c)를 포함한다. 제1서브시리즈(S3a) 내의 펄스는 펄스 에너지(E1), 펄스 폭(W1) 및 펄스간 시간 간격(T1)을 지닌다. 제2서브시리즈(S3b) 내의 펄스는 펄스 에너지(E2), 펄스 폭(W2) 및 펄스간 시간 간격(T2)을 지닌다. 제3서브시리즈(S3c) 내의 펄스는 펄스 에너지(E3), 펄스간 시간 간격(T3), 및 스파이크와 안정기로 이루어진 특정 펄스 형상을 지닌다. 이와 같이 해서, 에너지(E1), 펄스 폭(W1) 및 펄스간 시간 간격(T1)을 지니는 펄스는 구멍의 시작 부분을 뚫는데 유리할 것이지만, 에너지(E2), 펄스 폭(W2) 및 펄스간 시간 간격(T2)을 지니는 펄스는 구멍의 중간 부분을 뚫는 데 유리할 것이고, 에너지(E3), 펄스간 시간 간격(T3) 및 특정 펄스 형상을 지니는 펄스는 목적으로 하는 구멍 출구 속성을 제공하기 위하여 구멍의 최종 영역을 뚫는데 적합할 것이다. 제1서브시리즈 "S3a"와 제2서브시리즈 "S3b" 간의 시간 간격(L1)은 (T1) 또는 (T2) 또는 (T3) 미만의 값, (T1) 또는 (T2) 또는 (T3)와 동등한 값, 또는 (T1) 또는 (T2) 또는 (T3)보다 큰 값을 지닐 수 있었다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 값(L1)은 (T1) 또는 (T2) 또는 (T3) 중 큰 쪽보다 5배 미만이고, 예를 들어, (T1) 또는 (T2) 또는 (T3) 중 큰 쪽보다 약 2배이다.
마찬가지로, 제1서브시리즈 "S3b"와 제2서브시리즈 "S3c" 간의 시간 간격(L2)은 (T1) 또는 (T2) 또는 (T3) 미만의 값, (T1) 또는 (T2) 또는 (T3)와 동등한 값, 또는 (T1) 또는 (T2) 또는 (T3)보다 큰 값을 지닐 수 있었다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 값(L2)은 (T1) 또는 (T2) 또는 (T3) 중 큰 쪽보다 5배 미만이고, 예를 들어, (T1) 또는 (T2) 또는 (T3) 중 큰 쪽보다 약 2배이다. 실리콘 웨이퍼에 구멍을 뚫을 경우, 본 발명자들은, 구멍 출구를 형성하는 타개 공법은 예측불가능할 수 있어, 때로는 특히 긴 펄스 폭을 지니는 펄스를 이용할 경우 들쭉날쭉한 에지를 지니는 원형이 아닌 구멍으로 되는 것을 관찰하였다. 파장 1064㎚에서 작동하는 펄스형 섬유 레이저를 이용해서 0.15㎜ 두께의 실리콘 웨이퍼에 직경 50㎛의 구멍을 뚫을 경우, 본 발명자들은 도 4에 도시된 것과 유사한 펄스의 시리즈가 높은 드릴링 속도에서 테이퍼 형상, 저감된 정도의 파편 및 잔사, 및 둥근 출구 구멍을 제공할 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 제1의 4개의 펄스에 대해서 400 μJ의 펄스 에너지와 비교적 짧은 펄스 폭 100㎱를 이용하는 것은 입구 구멍 부근의 파편의 정도를 저감시킬 것이다. 그러나, 다음 11개의 펄스에 대한 드릴링 공정의 중간 단계 동안, 드릴링률을 증가시키기 위하여 펄스 에너지는 600 μJ까지 증가될 수 있고 펄스 폭은 500㎱까지 증가될 수 있다. 마지막으로, 둥근 출구 구멍을 제공하기 위하여, 상기 시리즈 내의 최종 12개의 펄스에 대한 펄스 에너지는 특정 펄스 형상으로 200μJ까지 저감된다. 특정 펄스 형상은 대략 20㎱ FWHM의 폭의 스파이크에 이어서 대략 80㎱ FWHM의 안정기를 포함한다. 피크 파워 스파이크 대 안정기의 비는 대략 4:1이다. 실제로, 몇몇 경우에, 출구 구멍의 유익한 속성은 특정 펄스 형상 없이 하지만 대신에 펄스 에너지 200 μJ 및 펄스 폭 100㎱를 지니는 단순한 정사각형 펄스 형상을 이용함으로써 달성될 수 있다. 보다 낮은 에너지와 보다 짧은 펄스 폭의 4개의 짧은 펄스를 지니는 펄스의 시리즈로 시작하는 것은 입구 구멍에서 파편의 정도를 감소시킬 것이다. 구멍의 중간 부분을 뚫을 경우 높은 펄스 에너지를 지니는 보다 긴 펄스로 변경하면 높은 드릴링 속도로 될 것이다. 비교적 긴 펄스를 이용하면 테이퍼형 비아로 될 것이다. 상기 시리즈 중의 마지막 12개의 펄스에 대해서 짧은 펄스로 변경하면 평활한 둥근 구멍 출구로 될 것이다. 이 예에서, 시간 간격(T1), (T2), (T3)은 최대 레이저 파워를 제공하도록 채택된다. 이와 같이 해서, 20와트 평균 파워 레이저에 대해서 T1 = 20μs이고, T2 = 30μs이며, T3 = 10μs이다. (L1)은 (T2)와 동일, 즉, 30μs로 되도록 채택된다. (L2)는 (T3)과 동일, 즉, 10μs로 되도록 채택된다. 웨이퍼에 각 구멍을 뚫기 위하여 이 펄스 시리즈를 이용하면, 레이저의 잠재적인 드릴링률 능력은, 둥근 출구 구멍 및 입구 구멍 부근의 파편의 저감된 정도를 지니는 목적으로 하는 테이퍼형 비아를 제공하기 위하여 초당 대략 2,100개의 비아이다.
펄스 특징이 변경될 수 있는 펄스의 시리즈에서의 서브시리즈의 수는 단지 2가지 혹은 3가지로 제한되지 않는다. 4, 5, 10, 20가지의 서브시리즈 등이 있을 수 있다. 사실상, 본 발명의 실시형태에서는, 소재에 구멍을 뚫기 위하여 시리즈 내의 각 펄스에 대해서 상이한 값의 펄스 특징을 채택하는 것이 가능하다. 변화될 수 있는 펄스 특징으로는 펄스 에너지, 펄스 폭, 시간적 펄스 형상(temporal pulse shape), 펄스간 시간 간격 및 피크 파워를 들 수 있지만, 이들 펄스 특징만으로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 소재에 복수의 구멍을 뚫는 데 적합한 펄스의 시리즈(S5)가 도 13에 도시되어 있으며, 여기서 펄스의 시리즈(S5)는 2개의 서브시리즈(S4a), (S4b)를 포함한다. 물론, 후속의 펄스 시리즈도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 제1서브시리즈(S4a) 내의 펄스는 펄스 에너지(E1), 펄스 폭(W1) 및 펄스간 시간 간격(T1)을 지니는 제1펄스를 지닌다. 제1서브시리즈(S4a)는 또한 펄스 에너지(E2), 펄스 폭(W2) 및 펄스간 시간 간격(T2)을 지니는 제2펄스를 포함한다. 제1서브시리즈(S4a)는 펄스 에너지(E3), 펄스간 시간 간격(T3), 및 스파이크와 안정기로 이루어진 특정 펄스 형상을 지니는 제3펄스를 더 포함한다. 추가의 펄스가 상기 서브시리즈에 포함될 수 있고, 3개의 예시된 펄스가 단지 예시 목적을 위하여 도시되어 있다. 일 실시형태에 있어서, 제1서브시리즈 내의 3개 이상의 펄스가 단일 구멍을 뚫기 위하여 소재의 개소로 지향된다. 에너지(E1), 펄스 폭(W1) 및 펄스간 시간 간격(T1)을 지니는 제1펄스는 구멍의 시작 부분을 뚫는데 유리할 수 있고, 에너지(E2), 펄스 폭(W2) 및 펄스간 시간 간격(T2)을 지니는 제2펄스는 구멍의 중간 부분을 뚫는데 유리할 수 있으며, 에너지(E3), 펄스간 시간 간격(T3) 및 특정 펄스 형상을 지니는 제3펄스는 목적으로 하는 구멍 출구 속성을 제공하도록 구멍의 마지막 영역을 뚫는데 적합할 수 있었다. 제1서브시리즈 "S4a"와 제2서브시리즈 "S4b" 간의 시간 간격(T3)은 (T1) 또는 (T2) 미만인 값, (T1) 또는 (T2)와 동등한 값, 또는 (T1) 또는 (T2)보다 큰 값을 지닐 수 있었다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 값(T3)은 (T1) 또는 (T2) 중 큰 쪽보다 5배 미만이고, 예를 들어, 약 (T1) 또는 (T2) 중 큰 쪽보다 약 2배이다. 제2서브시리즈(S4b)는 제2구멍을 뚫는데 이용될 수 있고, 후속의 서브시리즈는 후속의 구멍들을 뚫는데 이용될 수 있었다. 당업자라면 많은 변형, 수정 및 대안을 인지할 것이다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시형태는 실리콘에 구멍을 뚫는 것으로 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 방법은 다른 소재에 구멍을 뚫는데 이용될 수도 있다. 마찬가지로, 본 발명에 따른 방법은 2층 이상의 소재로 구성된 샘플 내에 구멍을 뚫는데 이용될 수 있다. 사실상, 그 경우에, 실질적인 휴지 없이 각 층에 대한 펄스 특징을 변화시키는 능력은 각 소재를 통한 구멍의 고속 드릴링과 조합하여 최적 구멍 속성을 얻기 위하여 중요한 것으로 여겨진다. 단일 레이저가 이용된다면, 이 공정은, 전형적으로 각 구멍이 완전히 순차로 드릴링되지만, 각 시리즈의 펄스는 제1층의 소재를 통해 효과적으로 드릴링하기 위하여 선택된 펄스, 이어서 제2층의 소재를 통해 효과적으로 드릴링하기 위하여 선택된 추가의 펄스 등등을 포함하는 1 통과 공정일 것이다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1층을 통해 드릴링하는 펄스의 파라미터는 제1층의 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 펄스마다 변할 수 있다. 마찬가지로, 제2층을 통해 드릴링하는 펄스의 파라미터는 제2층의 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 펄스마다 변할 수 있다.
하나보다 많은 레이저, 예를 들어 각 층에 대해서 하나의 레이저가 이용된다면, 그 공정은 하나의 레이저가 제1통과에서 전체 샘플에 대해서 하나의 층을 통해서 각 구멍을 뚫고, 이어서 다른 레이저가 제2통과에 있어서 제2층을 통해 각 구멍을 추가로 뚫는 등 각 후속 층에 대해서 수행되는 다회 통과 공정일 수도 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1층을 통해서 드릴링하기 위하여 제1레이저로부터의 펄스의 파라미터는 제1층의 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 펄스마다 변화시킬 수 있다. 마찬가지로, 제2층을 통해서 드릴링하기 위하여 제2레이저로부터의 펄스의 파라미터는 제2층의 드릴링 공정을 최적화시키기 위하여 펄스마다 변화시킬 수 있는 등등이다.
도 5를 참조하면, 이 응용에서 개시된 유형의 펄스의 시리즈를 발생할 수 있는 레이저 시스템이 도시되어 있다. 이 레이저 시스템은 전자 드라이버(53)에 의해 구동되는 발진기(51)를 포함하고, 또한 증폭기(52)를 포함한다. 다이오드 레이저 등과 같은 펄스형 레이저 공급원은 펄스형 전자 구동 신호를 제공함으로써 단순한 방식으로 펄스화될 수 있다. 펄스 에너지, 펄스 폭, 펄스 형상, 피크 파워 및 펄스간 시간 간격을 포함하는 펄스의 속성은, 전자 드라이버(53)에 의해 발진기(51)에 전송되는 전자 구동 신호(55)의 속성을 제어 혹은 프로그래밍함으로써 미리 결정될 수 있다. 이러한 펄스형 레이저 발진기로부터의 신호는 이어서 출력 펄스의 시리즈(57) 내의 각 펄스의 목적으로 하는 속성을 제공하기 위하여 다이오드-펌핑형 고상 로드 레이저 혹은 섬유 레이저 증폭기 등과 같은 레이저 증폭기에서 증폭된다.
발진기 레이저는 반도체 레이저, 섬유 레이저, 다이오드 레이저 또는 분산형 피드백 다이오드 레이저로 구성될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 펄스형 신호 공급원은 1와트 피크 펄스 파워, 200㎑(킬로헬츠)까지 가변적인 반복률, 서브 나노 제2펄스 상승시간 및 하강시간을 지니는 5나노초의 펄스 폭을 지니는 1064㎚의 파장에서 작동하는 반도체 다이오드 레이저이다. 대안적인 실시형태에 있어서, 펄스형 신호 공급원의 피크 광 전력은 1와트보다 낮거나 높을 수 있다. 예를 들어, 이것은 500 ㎽, 1 와트, 2 와트, 3 와트, 4 와트, 5 와트 혹은 그 이상일 수 있다. 또한, 펄스 폭은 100나노초보다 작거나 클 수 있다. 예를 들어, 이것은 1㎱(나노초), 2㎱, 5㎱, 10㎱, 15㎱, 20㎱ 혹은 기타 값일 수 있다. 발진기 레이저는 전자 드라이버에 의해 제공된 전류 펄스의 형상이 발진기 레이저 출력 펄스의 형상을 좌우하도록 전자 드라이버에 의해 구동된다.
발진기(51)로부터의 출력은 예를 들어 섬유 레이저 증폭기 혹은 다이오드-펌핑형 고상 로드 레이저 증폭기로 이루어진 레이저 증폭기 모듈(52)에서 증폭된다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 증폭기는, 광 결합기를 통해서 희토류-도핑된 섬유 루프에 결합되는 펌프를 포함하는 광학 증폭기이다. 일반적으로, 반도체 펌프 레이저는 펌프로서 이용되지만, 광학 증폭기의 펑핑은 당업자에게 명백한 바와 같은 기타 수단에 의해 성취될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 광학 증폭기는 대략 4.8㎛의 코어 직경을 지니는 희토류 도핑된 섬유의 5m 길이를 포함하며, 대략 6×1024 이온 개수/㎥의 도핑 밀도로 이트륨으로 도핑된다. 증폭기는 또한 976㎚의 파장에서 작동하고 500　㎽의 출력 전력을 지니는 FBG-안정화된 반도체 레이저 다이오드인 펌프를 포함한다. 다른 특정 실시형태에 있어서, 광학 증폭기(160)는 대략 10㎛의 코어 직경을 지니는 희토류 도핑된 섬유의 2m 길이를 포함하고, 대략 1×1026 이온 개수/㎥의 도핑 밀도로 이트륨으로 도핑된다. 증폭기는 또한 5 W의 출력 전력을 지니는 반도체 레이저 다이오드인 펌프를 포함할 수 있다.
본 예는 이트륨 도핑된 섬유 증폭기 및 1064㎚의 레이저 파장에 대해서 부여되어 있었지만, 1064㎚에서 작동하거나 다른 파장에서 작동하는 다이오드 레이저, 고상 레이저 및 도핑된 섬유의 기타 예가 본 발명의 실시형태에서 이용될 수 있었다. 이들은 예를 들어 파장 영역 1550㎚에서의 에르븀 도핑된 섬유 및 파장 영역 2 내지 3㎛에서의 툴륨 도핑된 섬유를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 소재에 구멍을 뚫기 위하여 레이저 펄스의 시리즈를 발생하는 펄스형 레이저 공급원이 제공된다. 미국 특허 제7,428,253호(발명의 명칭: "Method and System for Pulsed Laser Source with Shaped Optical Waveforms", 공고일: 2008년 9월 27일)는 조율가능한 펄스형 레이저 공급원의 예를 기술하고 있으며, 이 문헌은 참조로 그의 전문이 본 명세서에 포함된다. 또한, 미국 특허 출원 제12/210,028호(발명의 명칭: "Method and system for a Pulsed Laser Source Emitting Shaped Optical Waveforms", 출원일: 2008년 9월 12일)는 또한 조율가능한 펄스형 레이저 공급원의 예를 기술하고 있으며, 이 문헌은 참조로 그의 전문이 본 명세서에 포함된다. 또한, 미국 특허 가출원 제61/186,317호(출원일: 2009년 6월 11일, 발명의 명칭: "Stable Tunable High Power Pulsed Laser Source")는 본 발명의 실시형태에 따라 이용하기 적합한 레이저 공급원의 예들을 기술하고 있다. 펄스형 레이저 공급원은 시드 신호를 발생시키도록 구성된 시드 공급원(110) 및 상기 시드 공급원에 연결된 제1포트(114)와, 제2포트(122) 및 제3포트(116)를 지니는 광 순환기(120)를 포함한다. 펄스형 레이저 공급원은 또한 광 순환기의 제2포트(122)에 연결된 제1측면(132), 및 제2측면(134)을 특징으로 하는 진폭 변조기(130)를 포함한다. 펄스형 레이저 공급원은 입력 단부(136)와 반사 단부(146)를 특징으로 하는 제1광학 증폭기(150)를 더 포함한다. 상기 입력 단부는 진폭 변조기의 제2측면(134)에 연결된다. 또한, 펄스형 레이저 공급원은 광 순환기의 제3포트(116)에 연결된 제2 광학 증폭기(160)를 포함한다. 도 6은 광 순환기의 제3포트에 연결된 하나의 광학 증폭기(160)의 이용을 예시하고 있지만, 이것은 본 발명의 몇몇 실시형태에 의하면 필수는 아니다. 대안적인 실시형태에 있어서, 다수의 광학 증폭기는, 특정 응용에 적합하다면 광 순환기의 하류에 이용된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 도 7은 본 발명의 일 실시형태에 다른 펄스의 시리즈 혹은 펄스의 다수의 시리즈를 발생하는 레이저를 이용해서 가공부품(304)에 구멍 혹은 구멍들을 뚫을 수 있는 예시적인 레이저 처리 시스템을 도시한다. 해당 시스템은 제1레이저 공급원(300), 광학계(302), 제어기(305), 및 가공부품 홀더(303)의 상부에 위치된 가공부품(304)을 포함한다. 레이저 공급원(300)은 파장, 펄스 에너지, 펄스간 시간 기간, 펄스 폭, 시간적 펄스 형상 및 기타 특징 등과 같은 소정의 특징을 지니는 레이저 펄스를 제공한다. 시리즈 내의 펄스의 이들 및 기타 특징은 가공부품에 구멍 혹은 구멍들을 뚫기 위하여 본 발명의 실시형태에 따라서 조정될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 레이저는 고조파 발생 등과 같은 수법을 이용해서 상이한 파장을 발생시키는 수단을 포함할 수 있다.
상기 광학계는 가공부품 상에 레이저 스팟으로 레이저 빔을 집속시키기 위한 거울과 렌즈, 그리고 하나보다 많은 구멍을 뚫기 위하여 가공부품 상의 각종 위치로 레이저 스팟을 디렉팅(directing)시키는 구성요소들을 포함할 수 있다. 구체적인 실시형태에 있어서, 빔을 지향시키는 구성요소들은 검류계(galvanometer) 상에 장착된 거울일 수 있다. 제어기는 상기 광학계 및 상기 빔을 지향시키는 구성요소들의 움직임을 제어하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 가공부품(304)에 구멍을 뚫을 경우, 광학계(302)는 가공부품의 표면을 따라 하나의 위치에서 다른 위치로 레이저 스팟의 방향을 바꾸기 위하여 제어기에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 광학계는 가공부품의 표면에 혹은 그 부근에서 레이저 스팟으로 레이저 빔을 집속시킬 수 있고, 가공부품 홀더는 가공부품을 이동시켜 후속 구멍을 뚫기 위하여 제어기에 의해 제어될 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 레이저 빔을 집속시키는 렌즈들과 거울들은 예를 들어 상부가 평탄한 공간적 프로파일 등과 같은 소정의 바람직한 공간적 파라미터를 지니는 스팟을 생성할 수 있다.
N개의 구멍을 뚫기 위하여, 레이저 시스템은, 구멍이 뚫린 샘플의 하나의 영역에서부터 다음 구멍이 뚫릴 샘플의 인접한 영역으로 레이저 빔을 재위치결정시키기에 충분한 길이의 각 시리즈 간의 시간 간격을 지니는 레이저 펄스의 미리 결정된 N개 시리즈(S1, S2, .... SN)를 제공한다. 특정 실시형태에서, 펄스의 각 시리즈는, 드릴링된 각 구멍이 다른 구멍들의 각각과 대략 동일할 것을 목표로 해서 서로 다른 시리즈와 동일할 것이다. 실리콘 웨이퍼 등과 같은 균일한 소재에 동일한 구멍을 뚫도록 설계된 특정 실시형태에 있어서는, 뚫린 각 구멍이 다른 구멍의 각각과 대략 동일하게 되고 소정의 바람직한 특징을 지니는 것을 목표로 해서 각 시리즈 내의 펄스 중 일부가 해당 시리즈 내의 다른 레이저 펄스와 충분히 의도적으로 상이한 레이저 파라미터를 지니도록 레이저 펄스의 시리즈를 발생하는 레이저 시스템이 제공되며, 해당 레이저 시스템은 드릴링될 각 구멍에 레이저 빔을 지향시키고 드릴링 공정을 제어하는 수단을 포함하는 처리 시스템 내에 포함된다. 실리콘 웨이퍼 등과 같은 균일한 소재에 N개의 상이한 구멍을 뚫도록 설계된 추가의 특정 실시형태에 있어서는, 뚫린 N개의 구멍의 일부가 웨이퍼 내의 다른 구멍의 것과는 상이한 소정의 바람직한 특징을 지닐 것을 목표로 해서, 하나 이상의 시리즈 내의 펄스의 일부가 동일 시리즈 내의 다른 레이저 펄스와 충분히 의도적으로 상이한 레이저 파라미터를 지니고, 소정의 시리즈가 다른 시리즈 내에 포함된 것과 상이하도록 레이저 펄스의 미리 결정된 N개 시리즈(S1, S2, ... SN)를 발생하는 레이저 시스템이 제공되며, 해당 레이저 시스템은 드릴링될 각 구멍에 레이저 빔을 지향시키고 드릴링 공정을 제어하는 수단을 포함하는 처리 시스템 내에 포함된다. 다른 실시형태에 있어서, 하나의 시리즈 내의 펄스에 대해 채택된 특징은 다른 시리즈에 대해 채택된 특징과는 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스의 시리즈 혹은 펄스의 다수 시리즈를 발생하는 제1레이저 공급원(300) 및 제2레이저 공급원(301)을 이용해서 가공부품(304)에 구멍 혹은 구멍들을 뚫을 수 있는 예시적인 레이저 처리 시스템을 도시한다. 해당 시스템은 제1레이저 공급원(300), 광학계(302), 제어기(305), 및 가공부품 홀더(303)의 상부에 위치된 가공부품(304)을 포함한다. 제1레이저 공급원(300)은 파장, 펄스 에너지, 펄스간 시간 기간, 펄스 폭, 시간적 펄스 형상 및 기타 특징 등과 같은 소정의 특징을 지니는 레이저 펄스를 제공한다. 시리즈 내의 펄스의 이들 및 기타 특징은 본 발명의 실시형태에 따라서 조정될 수 있다. 상기 시스템은 제2레이저 공급원(301)을 추가로 포함한다. 상기 제2레이저 공급원(301)은 파장, 펄스 에너지, 펄스간 시간 기간, 펄스 폭, 시간적 펄스 형상 및 기타 특징 등과 같은 소정의 특징을 지니는 레이저 펄스를 제공한다. 시리즈 내의 펄스의 이들 및 기타 특징은 본 발명의 실시형태에 따라서 조정될 수 있다. 제1레이저 공급원(300) 및 제2레이저 공급원(301)과 연관된 펄스 특징은 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1레이저 공급원은 제1파장에서 작동할 수 있었고, 제2레이저 공급원은 제1파장과는 다른 제2파장에서 동작할 수 있었다. 펄스 특징의 기타 차이로는 레이저 파워, 펄스 에너지, 펄스간 시간 기간, 펄스 폭, 시간적 펄스 형상 등을 들 수 있다.
상기 광학계는 가공부품 상에 레이저 스팟으로 레이저 빔을 집속시키기 위한 거울과 렌즈, 그리고 구멍이 뚫릴 가공부품 상의 각종 위치로 레이저 스팟을 지향시키는 구성요소들을 포함할 수 있다. 구체적인 실시형태에 있어서, 빔을 지향시키는 구성요소들은 검류계 상에 장착된 거울일 수 있다. 제어기는 상기 광학계 및 상기 빔을 지향시키는 구성요소들의 움직임을 제어하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 가공부품(304)에 구멍을 뚫을 경우, 광학계(302)는 가공부품의 표면을 따라 하나의 위치에서 다른 위치로 빔을 이동시키기 위하여 제어기에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 광학계는 가공부품의 표면에 혹은 그 부근에서 레이저 스팟으로 레이저 빔을 집속시킬 수 있고, 가공부품 홀더는 가공부품을 이동시켜 후속 구멍을 뚫기 위하여 제어기에 의해 제어될 수 있다.
처리 시스템은 단일 통과를 이용해서 혹은 다수의 통과를 이용해서 가공부품에 일련의 구멍을 뚫을 수 있다. 이중 통과 공정을 이용해서 두 레이저를 이용하여 2층 샘플 내에 N개 구멍을 뚫기 위한 본 발명의 실시형태에 있어서, 제1레이저 시스템은 각 구멍을 예비 드릴링하기 위하여 레이저 빔을 하나의 구멍으로부터 다음 구멍으로 방향을 바꿀 수 있도록 충분한 길이의 각 시리즈 간의 시간 간격을 지니는 미리 결정된 N개 시리즈(S1, S2, ... SN)의 레이저 펄스를 제공할 수 있다. 이어서, 제2레이저는, 각 구멍의 드릴링을 완결하기 위하여 미리 결정된 N개 시리즈(R1, R2, ... RN)의 레이저 펄스를 제공할 수 있다. 따라서, 이것은 예를 들어 하나의 유전체 층과 하나의 구리 층으로 구성된 인쇄 회로 기판 등과 같은 상이한 소재의 두 층으로 이루어진 샘플에 있어서 관통 구멍을 뚫는데 이용될 수 있는 2 통과 드릴링 공정이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법을 예시한 순서도이다. 상기 펄스의 시리즈는 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭, 제1펄스 형상, 제1파장 및 제1펄스간 시간 간격을 특징으로 하는 제1세트의 펄스의 제1서브-시리즈를 포함한다. 이 제2서브-시리즈에 이어서 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭, 제2펄스 형상, 제2파장 및 제2펄스간 시간 간격을 특징으로 하는 제2세트의 펄스의 제2서브-시리즈가 뒤따른다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제2펄스 에너지 중 적어도 하나가 제1펄스 에너지와 상이하거나, 제2펄스 폭이 제1펄스 폭과 상이하거나, 제2펄스 형상이 제1펄스 형상과 상이하거나, 또는 제2파장이 제1파장과 상이하며, 그 결과, 상기 시리즈 내의 각 펄스가 동일한 특성을 지닐 경우 뚫린 구멍에 비해서 개선된 구멍이 뚫린다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법을 예시한 순서도이다. 이 펄스의 시리즈에 있어서, 어떠한 펄스도 0.01초보다 많은 정도로 바로 선행 혹은 바로 후속하는 펄스로부터 시간적으로 분리되지 않는다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스의 펄스 에너지는 해당 시리즈 내의 다른 펄스의 펄스 에너지보다 적으며, 그 결과, 상기 시리즈 내의 각 펄스가 그 시리즈 내의 하나 걸른 펄스와 동일한 펄스 에너지를 지닐 경우 뚫린 구멍에 비해서 개선된 구멍이 뚫린다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법을 예시한 순서도이다. 이 펄스의 시리즈에 있어서, 어떠한 펄스도 0.01초보다 많은 정도로 바로 선행 혹은 바로 후속하는 펄스로부터 시간적으로 분리되지 않는다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스의 펄스 폭이 해당 시리즈 내의 다른 펄스의 펄스 폭보다 적으며, 그 결과, 상기 시리즈 내의 각 펄스가 그 시리즈 내의 하나 걸른 펄스와 동일한 펄스 폭을 지닐 경우 뚫린 구멍에 비해서 개선된 구멍이 뚫린다.
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법을 예시한 순서도이다. 이 펄스의 시리즈에 있어서, 어떠한 펄스도 0.01초보다 많은 정도로 바로 선행 혹은 바로 후속하는 펄스로부터 시간적으로 분리되지 않는다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 시리즈 내의 적어도 하나의 펄스의 펄스 형상이 해당 시리즈 내의 다른 펄스의 펄스 형상과 실질적으로 상이하며, 그 결과, 상기 시리즈 내의 각 펄스가 그 시리즈 내의 하나 걸른 펄스와 동일한 펄스 형상을 지닐 경우 뚫린 구멍에 비해서 개선된 구멍이 뚫린다.
본 발명은 특정 실시형태들과 그의 구체적인 예들에 관하여 설명하였지만, 다른 실시형태들도 본 발명의 사상과 범위 내에 포함될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위와 그 등가물의 전체 범위를 함께 참조하여 결정되어야 한다.
51 : 발진기 52 : 증폭기
53 : 전자 드라이버 55 : 전자 구동 신호
57 : 출력 펄스의 시리즈 110 : 시드 공급원
114 : 제1포트 116 : 제3포트
120 : 광 순환기 122 : 제2포트
130 : 진폭 변조기 132 : 제1측면
134 : 제2측면 136 : 입력 단부
146 : 반사 단부 150 : 제1광학 증폭기
160 : 광학 증폭기 300 : 레이저
302 : 광학계 303 : 가공부품 홀더
304 : 가공부품 305 : 제어기

Claims (37)

  1. 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재(material)에 구멍을 뚫는 방법으로서,
    각 레이저 펄스가 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭, 제1펄스 형상, 제1파장 및 제1펄스간 시간 간격을 특징으로 하는 제1세트의 레이저 펄스를 제공하는 단계;
    각 레이저 펄스가 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭, 제2펄스 형상, 제2파장 및 제2펄스간 시간 간격을 특징으로 하는 제2세트의 레이저 펄스를 제공하는 단계 --상기 제2세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스와 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭, 펄스 형상 중 적어도 하나에 관해서 상이함 --;
    상기 소재에 구멍을 뚫는 것을 시작하기 위해, 상기 소재에 충돌(impinge)하도록 상기 제1세트의 레이저 펄스를 지향하는(directing) 단계;
    상기 소재를 관통하는 부분적으로 완성된 구멍이 형성될 때까지, 상기 제1세트의 펄스들 및 상기 제2세트의 펄스들과 상이한 펄스 에너지를 갖는 다른 세트의 레이저 펄스들을 상기 소재에 충돌하도록 지향하는 단계; 및
    상기 소재에 출구 구멍 속성을 형성하기 위해, 상기 부분적으로 완성된 구멍 의 소재에 충돌하도록 상기 제2세트의 레이저 펄스를 지향하는 단계 -- 상기 제2세트의 펄스들의 펄스 에너지는 상기 다른 세트의 레이저 펄스들의 펄스 에너지보다 작은 것임 --;
    를 포함하는, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 레이저 펄스가 단일 레이저에 의해 제공되는 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1파장은 상기 제2파장과 동등한 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1파장과 상기 제2파장이 1064㎚인 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1세트의 레이저 펄스 중 최종 펄스와 상기 다른 세트의 레이저 펄스 중 시작 펄스 간의 시간은 상기 제1펄스간 시간 간격 또는 상기 다른 세트의 펄스간 시간 간격 중 큰 쪽보다 크고, 상기 제1펄스간 시간 간격 또는 상기 다른 세트의 펄스간 시간 간격 중 상기 큰 쪽의 5배 미만인 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1세트의 레이저 펄스를 제공하기 전에 상기 제1펄스 에너지, 상기 제1펄스 폭 및 상기 제1펄스 형상을 결정하는 단계; 및
    상기 제2세트의 레이저 펄스를 제공하기 전에 상기 제2펄스 에너지, 상기 제2펄스 폭 및 상기 제2펄스 형상을 결정하는 단계를 더 포함하되,
    적어도 상기 제2펄스 에너지가 상기 제1펄스 에너지와 동등하지 않거나, 상기 제2펄스 폭이 상기 제1펄스 폭과 동등하지 않거나, 또는 상기 제2펄스 형상이 상기 제1펄스 형상과 동일하지 않은 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1세트의 레이저 펄스를 제공하기 전에 상기 제1파장과 상기 제1펄스간 시간 간격을 결정하는 단계;
    상기 제2세트의 레이저 펄스를 제공하기 전에 상기 제2파장과 상기 제2펄스간 시간 간격을 결정하는 단계를 더 포함하는, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 소재는 반도체 또는 실리콘 중 적어도 한쪽을 포함하는 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1파장 또는 상기 제2파장 중 적어도 한쪽은 1064㎚ 미만인 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1펄스 폭은 상기 제2펄스 폭과 동등하고, 상기 제1펄스 형상은 상기 제2펄스 형상과 동일한 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1펄스 에너지는 상기 제2펄스 에너지와 동일하고, 상기 제1펄스 형상은 상기 제2펄스 형상과 동일한 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1펄스 에너지 및 상기 제2펄스 에너지는 각각 0.05 mJ 초과 및 2 mJ 미만인 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1펄스 폭 및 상기 제2펄스 폭은 각각 20㎱ 초과 5000㎱ 미만인 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1세트의 레이저 펄스 중 최종 펄스와 상기 다른 세트의 레이저 펄스 중 시작 펄스 간의 시간은 상기 제1펄스간 시간 간격과 실질적으로 동일한 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1세트의 레이저 펄스 중 최종 펄스와 상기 다른 세트의 레이저 펄스 중 시작 펄스 간의 시간은 상기 다른 세트의 펄스간 시간 간격과 실질적으로 동일한 것인, 다수의 레이저 펄스를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  16. 각각 파장을 갖는 광 펄스들의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법으로서,
    제1 광 펄스의 각각이 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭, 제1드릴링 속도 및 제1펄스 형상을 특징으로 하는, 하나 이상의 상기 제1 광 펄스를 제1세트의 펄스로서 제공하는 단계;
    제2 광 펄스의 각각이 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭 및 제2펄스 형상을 특징으로 하는, 하나 이상의 상기 제2 광 펄스를 제2세트의 펄스로서 제공하는 단계;
    제3 광 펄스의 각각이 제3펄스 에너지, 제3펄스 폭 및 제3펄스 형상을 특징으로 하는, 하나 이상의 상기 제3 광 펄스를 제3세트의 펄스로서 제공하는 단계;
    상기 소재 상의 개소에서 충돌하도록 상기 제1세트의 펄스를 상기 제1드릴링 속도로 지향하는 단계;
    상기 소재 상에 상기 개소에서 충돌하도록 상기 제2세트의 펄스를 지향하는 단계 -- 상기 제2세트의 펄스는 상기 제1드릴링 속도보다 빠른 드릴링 속도가 적용된 것임 --;
    상기 소재 상에 상기 개소에서 충돌하도록 상기 제3세트의 펄스를 지향하는 단계 -- 상기 제3세트의 펄스는 출구 구멍 속성을 형성하기 위함임 --; 및
    상기 소재에 상기 개소에서 구멍을 뚫는 단계를 포함하는, 광 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1세트의 펄스를 제공하기 전에 상기 제1펄스 에너지, 상기 제1펄스 폭 및 상기 제1펄스 형상을 결정하는 단계;
    상기 제2세트의 펄스를 제공하기 전에 상기 제2펄스 에너지, 상기 제2펄스 폭 및 상기 제2펄스 형상을 결정하는 단계; 및
    상기 제3세트의 펄스를 제공하기 전에 상기 제3펄스 에너지, 상기 제3펄스 폭 및 상기 제3펄스 형상을 결정하는 단계를 추가로 포함하되,
    상기 제1세트의 펄스는 상기 제2세트의 펄스와 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 또는 펄스 형상 중 적어도 하나에 관해서 상이하고, 상기 제2세트의 펄스는 상기 제3세트의 펄스와 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 또는 펄스 형상 중 적어도 하나에 관해서 상이한 것인, 광 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서, 상기 소재는 적어도 반도체 또는 실리콘을 포함하는 것인, 광 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 제1펄스 에너지는 0.05 mJ 내지 2 mJ이고;
    상기 제2펄스 에너지는 0.05 mJ 내지 2 mJ이며;
    상기 제3펄스 에너지는 0.05 mJ 내지 2 mJ인 것인, 광 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  21. 제16항에 있어서, 상기 제1펄스 폭은 20㎱ 내지 5μs이고;
    상기 제2펄스 폭은 20㎱ 내지 5μs이며;
    상기 제3펄스 폭은 20㎱ 내지 5μs인 것인, 광 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법.
  22. 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는(drilling) 방법으로서,
    상기 복수의 구멍을 위한, 복수의 드릴링 개소 위의 제1통과 공정(first pass)에서, 제1파장, 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭 및 제1펄스 형상을 특징으로 하는 제1세트의 레이저 펄스와, 상기 복수의 구멍을 위한, 상기 복수의 드릴링 개소 위의 제2통과 공정(second pass)에서, 제2파장, 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭 및 제2펄스 형상을 특징으로 하는 제2세트의 레이저 펄스를 포함하는 상기 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 단계 -- 상기 제1세트의 레이저 펄스는 상기 제2세트의 레이저 펄스와는 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 또는 펄스 형상 중 적어도 하나가 상이함 -- ;
    상기 제1통과 공정에서, 상기 소재 상에 제1드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제1세트의 레이저 펄스 중의 첫번째 펄스를 지향하는 단계;
    상기 소재 상에 후속의 드릴링 개소들에서 충돌하도록 상기 제1세트의 레이저 펄스 중의 후속의 펄스들을 지향하는 단계;
    상기 제1통과 공정 이후 상기 제2통과 공정에서, 상기 소재 상에 상기 제1드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제2세트의 레이저 펄스 중의 첫번째 펄스를 지향하는 단계; 및
    상기 소재 상에 상기 후속의 드릴링 개소들에서 충돌하도록 상기 제2세트의 레이저 펄스 중의 후속의 펄스들을 지향하는 단계를 포함하는, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    제3파장, 제3펄스 에너지, 제3펄스 폭 및 제3펄스 형상을 특징으로 하는 제3세트의 레이저 펄스를 제공하는 단계;
    상기 소재 상에 상기 제1드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제3세트의 레이저 펄스 중 첫번째 펄스를 지향하는 단계; 및
    상기 소재 상에 후속의 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제3세트의 레이저 펄스 중의 후속의 펄스들을 지향하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제3세트의 레이저 펄스는 적어도 상기 제1세트의 레이저 펄스 또는 상기 제2세트의 레이저 펄스와는 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 또는 펄스 형상 중 적어도 하나가 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제3세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스 또는 상기 제2세트의 레이저 펄스와는 펄스 폭이 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제3세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스 또는 상기 제2세트의 레이저 펄스와는 펄스 형상이 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  26. 제23항에 있어서, 상기 제3세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스 또는 상기 제2세트의 레이저 펄스와는 펄스 에너지가 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  27. 제22항에 있어서, 상기 제2세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스와는 펄스 폭이 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  28. 제22항에 있어서, 상기 제2세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스와는 펄스 형상이 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  29. 제22항에 있어서, 상기 제2세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스와는 펄스 에너지가 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  30. 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 구멍을 뚫는 방법으로서,
    상기 소재에 입구 구멍 속성을 제공하기 위해 적용된 제1파장, 제1펄스 에너지, 제1펄스 폭 및 제1펄스 형상을 특징으로 하는 제1세트의 레이저 펄스들, 상기 제1세트의 레이저 펄스들에 비해 증가된 드릴링 속도를 제공하기 위해 적용된 제2파장, 제2펄스 에너지, 제2펄스 폭 및 제2펄스 형상을 특징으로 하는 제2세트의 레이저 펄스들, 및 제3파장, 제3펄스 에너지, 제3펄스 폭 및 제3펄스 형상을 특징으로 하는 제3세트의 레이저 펄스들을 포함하는 레이저 펄스의 시리즈를 제공하는 단계 -- 상기 제1세트의 레이저 펄스들은 상기 제2세트의 레이저 펄스들과 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 및 펄스 형상 중 적어도 하나에 관해서 상이하고, 상기 소재에 출구 구멍 속성을 제공하기 위해 적용된 상기 제3세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스들 및 상기 제2세트의 레이저 펄스들 중 적어도 한쪽과는 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭 및 펄스 형상 중 적어도 하나에 관해서 상이함 --;
    상기 소재 상에 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제1세트의 레이저 펄스들을 지향하는 단계;
    상기 소재 상에 상기 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제2세트의 레이저 펄스들을 지향하는 단계; 및
    상기 소재 상에 상기 드릴링 개소에서 충돌하도록 상기 제3세트의 레이저 펄스들을 지향하는 단계를 포함하는, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 시리즈에 포함된 제3세트의 레이저 펄스를 따르는 후속의 세트들을 제공하는 단계; 및
    후속의 드릴링 개소들에 상기 레이저 펄스의 시리즈에 포함된 제3세트의 레이저 펄스를 따르는 상기 후속의 세트들을 지향하는 단계를 더 포함하는, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  32. 제30항에 있어서, 상기 제3세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스 또는 상기 제2세트의 레이저 펄스와는 펄스 폭이 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  33. 제30항에 있어서, 상기 제3세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스 또는 상기 제2세트의 레이저 펄스와는 펄스 형상이 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  34. 제30항에 있어서, 상기 제3세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스 또는 상기 제2세트의 레이저 펄스와는 펄스 에너지가 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  35. 제30항에 있어서, 상기 제2세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스와는 펄스 폭이 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  36. 제30항에 있어서, 상기 제2세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스와는 펄스 형상이 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
  37. 제30항에 있어서, 상기 제2세트의 레이저 펄스는 상기 제1세트의 레이저 펄스와는 펄스 에너지가 상이한 것인, 레이저 펄스의 시리즈를 이용해서 소재에 복수의 구멍을 뚫는 방법.
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