KR20020085893A - 기판 처리 장치 및 상기 장치를 이용한 기판 처리 방법 - Google Patents

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레오 히긴스
한스 위르겐 마이어
에디 로엘란츠
알렉스 슈라이너
우도 비거만
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

기판을 처리하기 위해 기판(7)상에 레이저 빔(2)을 포커싱하는 경우에는, 최소 공간으로 동작할 수 있는 포커스 깊이 범위(8)가 빔 확대기(3), 편향 유닛(5) 및 광학 이미징 장치(6)와 같은 광학 유닛에 의해서 미리 결정된다. 특히 기판이 두꺼운 경우에는, 정밀한 호울을 보오링 하기가 어렵다. 본 발명에 따라, 제 2 빔 확대기(13)에 의해서 확장되는 제 2 레이저 빔(12)이 제공되어, 편향 유닛(5) 및 광학 이미징 장치(6)에 의해 기판(7)상에 포커싱 된다. 제 2 포커스 깊이 범위(15)의 위치 및 길이는 제 2 빔 확대기(13)의 크기를 선택함으로써 또는 불량 위치 설정에 의해서 변동될 수 있다. 2개의 레이저 빔을 연달아 사용함으로써, 두꺼운 기판(7)내에도 정밀한 호울이 보오링 될 수 있다.

Description

기판 처리 장치 및 상기 장치를 이용한 기판 처리 방법 {DEVICE FOR PROCESSING SUBSTRATES AND METHOD THEREFOR WHICH ENTAILS THE USE OF SUCH A DEVICE}
예를 들어 경화된 기판 표면을 구조화하는 경우 또는 다층 기판내에 있는 콘택 호울을 보오링하는 경우와 같이 레이저 빔을 이용하여 기판을 처리하는 경우에는, Nd:YAG-레이저, Nd:YVO4-레이저, CO2-레이저, 아르곤 이온-레이저 또는 공지된 다른 레이저와 같은 표준 레이저가 일반적으로 사용된다. 상기와 같은 레이저의 출력 빔은 빔 확대기, 편향 유닛 및 광학 이미징 장치를 통해서, 그리고 대개는 150㎜ 내지 50㎜의 초점 거리를 갖는 f-세타 렌즈를 통해서, 처리될 기판상에 이미징 된다.
기판 처리시 가급적 큰 에너지 밀도 및 높은 해상도에 도달하기 위해, 이 경우에는 레이저 에너지가 소위 최소 스폿 사이즈(spot size)라고 일컫는, 가급적 크기가 작은 한 영역상에 포커싱 되는데, 상기 최소 스폿 사이즈는 빔 확대기로부터 평행 빔 다발로서 광학 이미징 장치상에 입사되는 레이저 빔 때문에 상기 광학 이미징 장치의 촛점면내에서 발견될 수 있다. 상기 촛점면의 앞과 뒤에서는 레이저의 스폿 사이즈가 더 크기 때문에, 그곳에서는 다만 더 작은 에너지 밀도만이 얻어진다. 처리를 위해 매우 적당하다고 간주되는 2개 스폿 사이즈의 촛점면의 앞과 뒤에 있는 위치 사이의 간격은 하기에서 포커스 깊이(depth of focus)로 표기된다. 상기 포커스 깊이는 공지된 방식에 따라 레이저 빔의 파장, 빔 확대 및 f-세타 렌즈의 촛점 길이의 함수로서 산출된다. 대부분의 적용예에서, 파장이 1064㎚인 경우에는 상기 포커스 깊이가 1㎜와 5㎜ 사이에서 변동되고, 파장이 266㎚인 경우에는 포커스 깊이가 0.1㎜와 1㎜ 사이에서 변동된다.
포커스 깊이의 크기 순서에 있는 두께로 기판을 보오링 하는 경우에는, 포커스 깊이 범위의 가장자리에서 스폿 사이즈가 확대되기 때문에, 호울이 원통형이 아니라 심한 원뿔형으로 나타난다는 문제가 발생한다. 호울의 원뿔 형상은 조절이 불가능한데, 그 이유는 상기 원뿔 형상이 사용된 레이저 시스템에 의해 정해져 있기 때문이다.
사용 가능한 포커스 깊이 범위를 변동시키기 위해서 다양한 방법들이 공지되어 있다. 첫째로, 더 긴 파장을 사용할 수는 있지만, 이 경우에는 물론 - 기판 재료에 따라 - 부분적으로 파괴적인 영향을 미치고 그런 이유로 해서 바람직하지 않은 열적 효과가 나타난다. 다른 가능성은, 더 큰 포커스 깊이 뿐만 아니라 더 큰 스폿 사이즈를 야기하는 광학 이미징 장치 앞에서 빔이 더 작게 확대되는 것인데, 상기 더 큰 스폿 사이즈는 매우 미세한 구조물 및/또는 호울의 경우에는 충분히 정밀하지 않다. 세번째로, 구조화 동작 및/또는 보오링 동작 동안에는 레이저 빔의방향으로 기판의 변위가 유지되어, 결과적으로 포커스 깊이의 범위내에서 유지된다. 그러나 이를 위해 필요한 기계적인 예방 조치들은, 가급적 큰 작업 처리량(예를 들어 초당 100개 이상의 보오링 된 호울)에 도달하기에는 너무 느리다.
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 기판 처리 장치, 및 상기 장치를 이용하여 기판을 처리하기 위한 청구항 7의 전제부에 따른 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략적인 측면도이며,
도 2는 제 1 레이저 빔을 이용하여 보오링 된 팩 호울을 갖는 기판의 횡단면도이고,
도 3은 기판의 횡단면도로서, 상기 기판의 팩 호울은 도 2로부터 출발하여 제 1 레이저 빔에 의해서 계속 보오링 되거나 및/또는 제 2 레이저 빔에 의해서 계속 보오링되며,
도 4a는 제 1 레이저 빔에 대한 빔 경로를 보여주는 다이아그램이고,
도 4b는 제 2 빔 확대기의 위치가 불량 조절된 제 2 레이저 빔에 대한 빔 경로를 보여주는 다이아그램이며,
도 4c는 다른 확대 팩터를 갖는 제 2 빔 확대기를 구비한 제 2 레이저 빔에대한 빔 경로를 보여주는 다이아그램이다.
본 발명의 목적은, 상이한 기판을 보오링 하기 위한 플렉시블하면서도 비용이 적게 소요되는 장치 및 상기 장치를 사용하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 청구항 1의 특징을 갖는 서문에 언급한 유형의 장치, 및 청구항 7의 특징을 갖는 서문에 언급한 방식의 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 해결책에 의해, 상이한 기판을 처리하기 위해 사용되는, 적어도 2개의 상이한 포커스 깊이 범위가 보증된다.
청구항 2에 따른 바람직한 일 실시예에서는 2개의 레이저 소스가 동일하게 형성됨으로써, 상기 2개의 레이저 빔이 동일한 파장을 갖게 되고, 편향 유닛 및 광학 이미징 장치를 다만 상기 공통의 파장에 맞추어서만 설계하면 된다.
청구항 3에 따른 빔 확대기의 상이한 확대는. 예를 들어 원뿔형 호울을 상이하게 형성하기 위해 사용될 수 있는 2개의 상이한 포커스 깊이 범위를 야기한다.
본 발명에 따른 장치의 청구항 4에 따른 바람직한 실시예 및 상기 장치에 맞추어진 청구항 7에 따른 방법에서는 제 2 빔 확대기의 위치 조절이 제대로 이루어지지 않음으로써, 제 2 레이저 빔의 최소 스폿의 위치가 제 1 레이저 빔의 최소 스폿과 비교해 옮겨진다. 그럼으로써 두꺼운 기판을 통해 가느다란 호울들이 보오링 될 수 있는데, 그 이유는 빔의 방출이 포커스 깊이 범위 밖에서는 아무런 역할을하지 않기 때문이다.
청구항 5에 따른 제 2 빔 확대기 위치의 가변적인 불량 조절에 의해, 장치는 바람직하게 상이한 두께의 기판에 맞게 조절될 수 있다.
청구항 8에 따라 상이한 파장을 사용함으로써, 특히 개별 층에 맞추어 조절된 파장을 갖는 다층 기판이 처리될 수 있다.
방법의 부가적인 유연성은 청구항 9에 따라 펄스화 된 레이저 빔을 사용함으로써 달성되며, 이 경우 펄스 반복율 및/또는 펄스 에너지는 2개의 레이저에 대해 상이하게 설정된다.
본 발명은 실시예에서 도면을 참조하여 더 자세히 설명된다.
도 1에는 본 발명에 따른 장치가 개략적인 측면도로 도시되어 있다. 도면에서 제 1 레이저 소스(1)(예를 들어 Nd:YAG-레이저 또는 Nd:YVO4-레이저와 같은 고정 바디 레이저, CO2-레이저 또는 아르곤 이온-레이저와 같은 가스 레이저 또는 다른 적합한 레이저)는 제 1 레이저 빔(2)을 발생시킨다. 상기 제 1 레이저 빔(2)은 제 1 빔 확대기(3)에 의해서 확대된다. 도 4a에는 제 1 레이저 빔(2)의 빔 경로에 있는 제 1 빔 확대기(3)가 더 자세히 도시되어 있다. 이 경우 상기 빔 확대기는 제 1 렌즈(24) 및 제 2 렌즈(25)를 포함하고, 원칙적으로는 케플러-망원경과 유사하게 구성되어 있다. 즉, 초점(f1: 제 1 렌즈의 초점 거리, f2: 제 2 렌즈의 초점 거리)이 일치한다. 평행한 광선의 가느다란 빔 다발(26)이 먼저 초점 거리(f1)가 더 작은 제 1 렌즈(24)를 통과한 다음에 초점 거리(f2)가 더 큰 제 2 렌즈(25)를 통과하면, 그 다음에 빔 다발(27)이 더 큰 지름을 갖게 되며, 이것은 빔 확대기(3)의 확대 팩터에 의해서 정해진다.
그 다음에 제 1 레이저 빔(2)이 부분 투과성 미러(4)를 통과해 편향 유닛(5)까지 이르게 되는데, 상기 편향 유닛은 제 1 레이저 빔(2)이 광학 이미징 장치(6)로서의 포커싱 광학 장치를 통과하여 처리될 기판(7)상에 포커싱 되게끔 한다. 이 경우 호울(20)은 일반적으로 레이저 빔(2)의 나선형 또는 원형 동작에 의해서 기판(7)의 표면 위에 형성된다. 포커싱에 의해 제 1 레이저 빔(2)은 기판(7)의 평면에서 최소 스폿 사이즈(9)까지 포커싱되며, 이 경우 상기 최소 스폿 사이즈(9)의 수직 위치(10)는 광학 이미징 장치(6)의 초점 거리(f3)에 의해서 정해진다. 이 경우 광학 이미징 장치(6)로서는 소위 f-세타-렌즈가 사용된다. 즉, 레이저 빔(2)이 편향 유닛(5)에 의해서 편향되는 만큼의 각도에 비례하여, 기판 평면에서의 편향이 이루어지는 렌즈가 사용된다. 빔 다발의 지름, 사용된 레이저 빔(2)의 파장 및 광학 이미징 장치(6)의 초점 거리에 따라, 도 1 및 도 4a에 개략적으로 도시된 제 1 포커스 깊이 범위(8)가 얻어진다. 광학 이미징 장치(6)의 촛점면 외부에서 스폿이 확대됨으로써, 보오링 된 호울의 지름은 더 커지고, 최소 스폿 사이즈(9)를 갖는 경우와 같이 정밀하게 구조화될 수 없다.
본 발명에 따라, 제 2 레이저 빔(12)을 발생시키는 제 2 레이저 소스(11)가 제공된다. 상기 제 2 레이저 빔은 제 2 빔 확대기(13)를 통해 확대되고, 미러(14) 및 부분 투과성 미러(4)를 통해 제 1 레이저 빔(2)의 빔 경로 내부로 결합된 다음에, 편향 유닛(5) 위에 도달하게 되며, 광학 이미징 장치(6)를 마찬가지로 기판상에 포커싱 한다. 이 경우 상기 부분 투과성 미러(4)는 제 1 레이저 빔(2)에 대해서는 투과성으로, 제 2 레이저 빔(12)에 대해서는 반사성으로 형성된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제 2 빔 확대기는, 상기 제 2 레이저 빔(12)의 포커스 깊이 범위(15)가 제 1 레이저 빔의 포커스 깊이 범위(8)와 다른 위치(17)에서 나타나도록 선택된다. 포커스 깊이 범위의 위치 변동을 제외하고 동일하게 구성된 레이저 소스(1, 11)의 경우에, 상기와 같은 포커스 깊이 범위의 위치 변동은 예를 들어 제 2 빔 확대기(13)의 위치 불량 설정이 용이하게 이루어짐으로써 달성되는데(2개 렌즈(24, 25)의 서로간의 거리는 변동됨), 그 결과 상기 빔 확대기(13)로부터 방출되는 빔 다발(28)은 평행한 광선이 아니라, 오히려 분기되거나 또는 수렴되기 쉬운 광선을 포함한다. 그리고 나서 상기 광학 이미징 장치(6)는 촛점면 뒤에 및/또는 앞에 있는 평면에서 상기와 같은 분기되거나 또는 수렴되는 빔 다발(28)을 형성한다. 2개의 렌즈(24, 25)가 서로에 대해 가변적으로 위치 불량 조절되도록 형성되면, 포커스 깊이 범위(8, 15)가 상응하게 변동되어 원하는 처리 프로세스에 맞게 최적으로 세팅된다.
제 2 빔 확대기(13)의 확대 팩터가 변동됨으로써, 도 4c에 도시된 것과 마찬가지로 상이한 포커스 깊이 범위가 얻어질 수 있다. 더 큰 확대 팩터는 방출되는 빔 다발(29)의 더 큰 빔 횡단면을 야기하게 되고, 그럼으로써 더 작은 최소 스폿 사이즈(16) 및 더 작은 포커스 깊이 범위(15)를 야기한다. 따라서 상이한 확대 팩터를 갖는 제 1 빔 확대기(3) 및 제 2 빔 확대기(13)에 의해서는 예를 들어 상이한 원추형 벽을 갖는 호울이 보오링될 수 있다. 특히 관통 콘택팅에 도달하기 위해 호울을 금속 코팅하는 경우에는, 가급적 접착성이 우수한 코팅에 도달하기 위해 예정된 원추형이 얻어진다.
도 2 및 도 3에는, 기판 내부에 호울을 보오링하기 위한 2단계의 프로세스가 횡단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우 제 1 레이저 빔(2)에 의해서는, 팩 호울(20 및 22)이 기판 내부(7)로, 제 1 레이저 빔(2)의 포커스 깊이 범위의 끝까지 보오링 된다. 제 2 단계에서는, 제 2 포커스 깊이 범위를 갖는 제 2 레이저 빔(12)을 사용함으로써, 우측 호울(23)이 얇게 계속해서 보오링 되는 한편, 좌측호울(21)은 제 1 레이저 빔(2)에 의해 계속 보오링되고, 포커스 깊이 범위를 벗어남으로써 더 넓어졌다.
2개 레이저 소스(1, 11)의 상이한 파장 및/또는 상이한 펄스 반복율 혹은 펄스 길이를 사용함으로써, 다층 기판을 구조화하기 위한 파라미터는 개별 층의 재료 특성에 더 잘 매칭될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 장치 및 방법에 의해서는, 두꺼운 기판 내부로 보다 얇은 호울이 보오링될 수 있다. 그럼으로써, 두꺼운 기판내에 있는 깊은 구조물들도 또한 더 용이하게 구현될 수 있다.

Claims (9)

  1. 제 1 레이저 빔(2)을 형성하기 위한 제 1 레이저 소스(1),
    상기 제 1 레이저 빔(2)의 빔 경로에 있는 제 1 빔 확대기(3),
    편향 유닛(5), 및
    상기 제 1 레이저 빔(2)의 빔 경로내에 연달아 배치되어 제 1 레이저 빔(2)을 기판(7)상에 이미징하는 광학 이미징 장치를 포함하는, 기판(7)을 처리하기 위한 장치에 있어서,
    제 2 레이저 빔(12)을 형성하기 위한 제 2 레이저 소스(11)가 제공되며,
    상기 제 2 레이저 빔(12)의 빔 경로에 제 2 빔 확대기(13)가 배치되고,
    상기 제 2 레이저 빔(12)이 마찬가지로 편향 유닛(5) 및 광학 이미징 장치(6)를 통해 기판(7)상에 이미징 되는 방식으로, 제 2 레이저 빔(12)의 빔 경로내에 편향 장치(4, 14)가 제공되며,
    광학 이미징 장치(6)에 의한 포커싱 후에는, 광선 방향으로 설정된 적어도 최소 스폿 사이즈(9, 16)의 위치(10, 17) 또는 2개 레이저 빔(2, 12)의 최소 스폿 사이즈(9, 16)가 상이한 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 소스(1) 및 제 2 레이저 소스(11)가 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 빔 확대기(13)가 제 1 빔 확대기(3)와 다르게 확대됨으로써, 2개 레이저 빔(2, 12)의 최소 스폿 사이즈(9, 16)가 상이한 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 빔 확대기(13)의 위치가 불량 설정됨으로써, 상기 제 1 레이저 빔(2) 및 제 2 레이저 빔(12)의 최소 스폿 사이즈(9, 16)가 서로 변동되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 빔 확대기(13)의 위치가 가변적으로 불량 설정될 수 있음으로써, 상기 제 2 레이저 빔(12)의 최소 스폿 사이즈(16)의 위치(17)가 가변적으로 변동될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 장치가 편향 미러(14) 및 부분 투과성 미러(4)로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 4 항 또는 제 5 항에 따른 장치를 이용하여 기판을 처리하기 위한 방법에있어서,
    최소 스폿 사이즈(9, 16)의 위치(10, 17)가 기판(7) 내부에서 상이한 깊이로 설정되도록, 상기 최소 스폿 사이즈(9, 16)의 위치(10, 17)를 선택하고,
    먼저, 제 1 레이저 빔(2)을 이용하여, 실제로 상기 제 1 레이저 빔(2)의 최소 스폿 사이즈(9)의 위치(10)까지 호울(22)을 기판(7) 내부에 보오링 하며,
    그 다음에, 제 2 레이저 빔(12)을 이용하여 호울(22, 23)을 계속 보오링하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 2개의 레이저 빔(2, 12)이 상이한 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6 항, 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(2, 12)을 펄스화 하고, 서로 상이한 펄스 에너지 및/또는 서로 상이한 펄스 반복율을 세팅하는 것을 특징으로 하는 방법.
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