KR20030079981A - Resistor trimming with small uniform spot from solid-state UV laser - Google Patents
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Abstract
직경이 20@m보다 작은, 이미지로 형성된 가우시안 출력(118) 또는 클립된 가우시안 스폿으로부터와 같은 균일한 레이저 스폿이 마이크로크래킹을 실질적으로 감소시키기 위한 박막 또는 후막 저항기 트리밍에 사용될 수 있다. 이러한 스폿들은 HAZ 및/또는 TCR에서의 시프트를 감소시키기 위해 제거가능하고, 열적이지 않은 UV 레이저 파장에서 생성될 수 있다.Uniform laser spots, such as from imaged Gaussian output 118 or clipped Gaussian spots of less than 20 @ m in diameter, can be used for thin film or thick film resistor trimming to substantially reduce microcracking. Such spots can be created at a removable, non-thermal UV laser wavelength to reduce the shift in HAZ and / or TCR.
Description
발명의 배경Background of the Invention
종래의 레이저 시스템들은 전형적으로 세라믹 또는 다른 기판들 상에 형성된 회로들의 막 저항기들, 인덕터들, 또는 커패시터들과 같은, 수동 전기 소자 구조들의 전기적으로 저항성이거나 도전성인 막들과 같은, 타겟들을 처리하기 위해 사용된다. 막 저항기들의 저항 값들을 트리밍하기 위한 레이저 처리는 Sun 등의 미국 특허 번호 5,685,995에 상세하게 기술된 바와 같이, 수동적, 기능적 또는 활성화된 레이저 트리밍 기술들을 포함할 수 있다.Conventional laser systems are typically used to process targets, such as electrically resistive or conductive films of passive electrical device structures, such as film resistors, inductors, or capacitors of circuits formed on ceramic or other substrates. Used. Laser processing to trim the resistance values of the film resistors may include passive, functional or activated laser trimming techniques, as described in detail in US Pat. No. 5,685,995 to Sun et al.
후막 저항기들에 대해 단지 예로서 다음 배경이 여기서 제시된다. 도 1은 하이브리드 집적 회로 장치의 부분을 형성하는, 종래의 후막 저항기(10a)와 같은, 워크 피스(10)의 같은 크기의(isometric) 도면이며, 도 2는 종래의 레이저 출력 펄스(12)를 수신하는 후막 저항기(10a)를 도시하는 단면측의 입면도이다. 도들 1 및 2를 참조하면, 종래의 후막 저항기(10a)는 전형적으로 금속성의 접점들(16)의 최상 표면들의 부분들 상에 침착되고 그 사이에서 확장하는 루테늄 또는 루시늄 산화재료의 후막층(14)을 포함한다. 층(14) 및 금속 접점들(16)은 알루미나와 같은 세라믹 기판(18) 상에 지지된다. 현대의 루테늄 기반 후막 페이스트들은 1.047 마이크론(㎛) Nd:YLF 레이저 또는 1.064 ㎛ Nd:YAG 레이저로 레이저 트리밍된 후에 안정화되도록 최적화되었다.The following background is presented here by way of example only for thick film resistors. 1 is an isometric view of a workpiece 10, such as a conventional thick film resistor 10a, forming part of a hybrid integrated circuit device, and FIG. 2 shows a conventional laser output pulse 12 It is an elevation view of the cross section side which shows the thick film resistor 10a to receive. 1 and 2, a conventional thick film resistor 10a is typically deposited on portions of the top surfaces of metallic contacts 16 and thick film layers of ruthenium or ruthenium oxide material extending therebetween. (14). Layer 14 and metal contacts 16 are supported on a ceramic substrate 18 such as alumina. Modern ruthenium based thick film pastes have been optimized to stabilize after laser trimming with a 1.047 micron (μm) Nd: YLF laser or a 1.064 μm Nd: YAG laser.
특히 도 1을 참조하면, 저항기(10a)의 저항 값은 대부분 저항기 재료의 고유 저항과, 길이(22), 폭(24), 및 높이(26)를 포함하는 그의 기하학적 구조의 함수이다. 그들이 정확한 공차들로 스크린(screen)되기 어렵기 때문에, 후막 저항기들은 계획적으로 공칭 값들보다 낮은 저항으로 스크린되고 원하는 값들까지 트리밍되어 올라간다. 대략적으로 동일한 저항 값들을 갖는 다수의 저항기들(10a)은 상대적으로 큰 뱃치(batch)들로 제조되고 이후 저항이 원하는 값까지 증가될 때까지 저항기 재료의 증가량들을 제거시키기 위하여 트리밍 작업들을 행한다.With particular reference to FIG. 1, the resistance value of resistor 10a is mostly a function of the intrinsic resistance of the resistor material and its geometry, including length 22, width 24, and height 26. Since they are difficult to screen with exact tolerances, thick film resistors are intentionally screened with a resistance lower than the nominal values and trimmed up to the desired values. Multiple resistors 10a having approximately the same resistance values are made in relatively large batches and then perform trimming operations to remove the increases in resistor material until the resistance is increased to the desired value.
특히 도 2를 참조하면, 하나 또는 그 이상의 레이저 펄스들(12)이 레이저 출력 펄스들(12)의 스폿 치수들(28) 내의 저항기 재료의 총 높이(26)를 실질적으로 제거하고, 겹쳐지는 스폿 치수들(28)은 커프(kerf)(30)를 형성한다. 간단한 또는 복잡한 패턴이 그 저항 값을 양호하게 조절하기 위해 저항기(10a)의 저항기 재료를 통해 트리밍될 수 있다. 레이저 펄스들(12)은 통상적으로 저항기(10a)가 미리결정된 저항값을 만날때까지 인가된다.With particular reference to FIG. 2, one or more laser pulses 12 substantially eliminate the total height 26 of the resistor material in the spot dimensions 28 of the laser output pulses 12, and the overlapping spots. The dimensions 28 form a kerf 30. A simple or complex pattern can be trimmed through the resistor material of resistor 10a to better adjust its resistance value. Laser pulses 12 are typically applied until resistor 10a meets a predetermined resistance value.
도 3은 금속 접점들(16) 사이의 편리한 두 개의 공통 패턴 트림 경로들(32 및 34)(점선에 의해 분리됨)을 도시하는 종래 기술의 저항기(10)의 부분의 같은 크기의 도면이다. "L-절개" 경로(32)는 통상적인 레이저 유도 변경을 나타낸다. L-절개 경로(32)에서, 저항기 재료의 제 1 제거 스트립(36)은 저항값으로 코스를 조정하는 접점들 사이의 선에 수직인 방향에서 제거된다. 이후 제 1 제거 스트립(36)에 수직인 제 2 제거 스트립(38)을 연결하여, 저항 값을 더 잘 조정하도록 제거할 수 있다. "서펜타인 절개(surpentine cut)" 경로(34)는 다른 공통 타입 또는 레이저 조절을 나타낸다. 서펜타인 절개(34)에서, 저항기 재료는 막 경로(42)의 길이를 증가시키기 위해 제거 스트립들(40)을 따라 제거된다. 제거 스트립들(40)은 원하는 저항 값에 도달할 때까지 부가된다. 제거 스트립들(36,38 및 40)은 전형적으로 단일 커프(30)의 폭이고 설명된 패턴들 내의 거의 모든 저항 재료를 제거하는 겹쳐진 레이저 펄스들(12)의 트레인의 가중 "니블링(nibbling)"을 나타낸다. 따라서, 트리밍 동작이 완료될 때, 커프들(30)은 "세척(clean)"되어, 그들의 바닥들에는 저항기 재료가 실질적으로 없으며, 따라서 기판(18)은 완전히 노출된다. 불행하게도, 종래의 깨끗한 커프들(30)의 생성은 기판(18) 표면의 약간의 레이저 충돌을 요구한다.3 is an equally sized view of a portion of a prior art resistor 10 showing two convenient common pattern trim paths 32 and 34 (separated by dashed lines) between metal contacts 16. The "L-incision" path 32 represents a typical laser induction change. In the L-cut path 32, the first removal strip 36 of resistor material is removed in a direction perpendicular to the line between the contacts that adjust the course to the resistance value. A second removal strip 38 perpendicular to the first removal strip 36 can then be connected to remove it to better adjust the resistance value. The "surpentine cut" pathway 34 represents another common type or laser control. In the serpentine incision 34, the resistor material is removed along the removal strips 40 to increase the length of the membrane path 42. Removal strips 40 are added until the desired resistance value is reached. Removal strips 36, 38 and 40 are typically the width of a single cuff 30 and weighted " nibbling " of the train of overlapped laser pulses 12 removing almost all resistive material in the described patterns. ". Thus, when the trimming operation is complete, the cuffs 30 are "clean" so that their bottoms are substantially free of resistor material, and thus the substrate 18 is fully exposed. Unfortunately, the creation of conventional clean cuffs 30 requires some laser collision of the substrate 18 surface.
보다 새로운 0402 및 0201 칩 저항기들에서와 같이, 막 저항기들이 작아질수록, 보다 작은 스폿 크기들이 요구된다. 종래의 광학을 사용하고 (제거 파편을 피하고 프로브들을 세척하기 위해 요구된) 표준 작업 거리 및 충분한 필드의 깊이(예를 들면, 평평하지 않은 세라믹)를 유지하면서 1.047㎛ 및 1.064㎛ 레이저 파장들로 보다 작은 스폿 크기들을 얻는 것은 늘 증가하는 도전이다. 보다 정확한 저항 값들에 대한 요구가 또한 보다 조밀한 트림 공차들을 탐색하게 한다.As in the newer 0402 and 0201 chip resistors, the smaller the film resistors, the smaller the spot sizes are required. Use conventional optics and see at 1.047 μm and 1.064 μm laser wavelengths while maintaining a standard working distance (required to avoid removal debris and clean probes) and a sufficient depth of field (eg, uneven ceramic) Getting small spot sizes is an ever increasing challenge. The need for more accurate resistance values also leads to searching for tighter trim tolerances.
Albin과 Swenson에 의한, 1972년 6월의 IEEE Transactions on Parts, Hybrids, and Packaging; Vol. PHP-8, No.2의, 제목이 "Laser Resistance Trimming from the Measurement Point of View"인 논문은, 박막 저항기들의 트리밍을 위해 고체 상태 레이저를 사용하는 측정 장치들 및 장점들을 기술한다.IEEE Transactions on Parts, Hybrids, and Packaging, June 1972, by Albin and Swenson; Vol. A paper entitled "Laser Resistance Trimming from the Measurement Point of View" in PHP-8, No. 2, describes measurement devices and advantages using a solid state laser for trimming thin film resistors.
NEC 교육 메뉴얼의 제 7 장은 저항기들, 특히 후막 저항기들을 트리밍하기 위해 적외선(IR) 가우시안 빔을 사용할 때 마주치게 되는 도전들을 설명한다. 열 영향 영역들(HAZ), 크랙들, 및 드리프트가 일부 해결되는 문제들이다.Chapter 7 of the NEC Education Manual describes the challenges encountered when using an infrared (IR) Gaussian beam to trim resistors, especially thick film resistors. Thermal affected areas (HAZ), cracks, and drift are some of the problems that are solved.
Swenson등에 의한, 1978년 12월의 IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Techcology의, 제목이 "Reducing Post Trim Drift of Thin Film Resistors by Optimizing YAG Laser Output Characteristics"인 논문은, HAZ와 포스트 트림 드리프트를 감소시키기 위해 박막 저항기들을 트리밍시키기 위한 녹색의(532㎚) 고체 상태 레이저 가우시안 출력의 사용을 기술한다.A paper by Swenson et al., IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, December 1978, entitled "Reducing Post Trim Drift of Thin Film Resistors by Optimizing YAG Laser Output Characteristics," reduces HAZ and post-trim drift. The use of a green (532 nm) solid state laser Gaussian output to trim thin film resistors is described.
Sun과 Swenson의 미국 특허 번호들 5,569,398, 5,685,995 및 5,808,272는 실리콘 기판으로의 손상을 피하고 및/또는 기능적인 트리밍 동안 교정 시간을 감소시키기 위해 막들 또는 장치들을 트리밍하기 위한 1.3㎛와 같은, 종래의 것이 아닌 레이저 파장들의 사용을 기술한다.U.S. Patent Nos. 5,569,398, 5,685,995 and 5,808,272 to Sun and Swenson are not conventional, such as 1.3 μm for trimming films or devices to avoid damage to the silicon substrate and / or reduce calibration time during functional trimming. Describe the use of laser wavelengths.
1999년 8월 12일에 공개된, Sun과 Swenson의 국제 공개 번호 WO 99/40591은 자외선(UV) 가우시안 레이저 출력을 갖는 저항기 트리밍의 개념을 설명한다. 도 4를 참조하면, 그들은 그들의 표면 영역을 유지하고 그들의 높은 주파수 응답 특성들을 보호하기 위해 막 저항기들의 표면의 영역(44)을 제거하도록 UV 가우시안 레이저 출력을 사용한다. 계획적으로 트리밍된 영역들(44) 내에 저항기 막의 깊이(46)를 유지하는 것에 의해, 그들은 커프 바닥들(48)을 세척해야 하는 것을 피하고 레이저 출력과 기판(18) 사이의 상호작용을 실질적으로 제거하며, 따라서 이러한 상호작용에 의해 유발될 수 있었던 임의의 문제들을 제거한다. 불행하게도, 표면 제거 트리밍은 레이저 파라메터들이 저항기 막의 완전한 제거를 피하기 위해 주의깊게 감소되고 제어되어야 하기 때문에 상대적으로 느린 공정이다.International Publication No. WO 99/40591 to Sun and Swenson, published August 12, 1999, describes the concept of resistor trimming with an ultraviolet (UV) Gaussian laser output. Referring to FIG. 4, they use a UV Gaussian laser output to remove the area 44 of the surface of the film resistors to maintain their surface area and protect their high frequency response characteristics. By maintaining the depth 46 of the resistor film in the intentionally trimmed regions 44, they avoid having to clean the cuff bottoms 48 and substantially eliminate the interaction between the laser output and the substrate 18. Thus eliminating any problems that could have been caused by this interaction. Unfortunately, surface removal trimming is a relatively slow process because the laser parameters must be carefully reduced and controlled to avoid complete removal of the resistor film.
마이크로크래킹은 저항기들을 트리밍하기 위한 고체 상태 가우시안 레이저 빔의 사용과 연관된 다른 도전이다. 기판 상의 커프(30)의 중앙에서 종종 발생하는 마이크로크랙들은, 잠재적인 드리프트 문제들을 유발하는 저항기 막으로 확장할 수 있다. 마이크로크랙들은 또한 저항의 온도 계수(TCR)와 연관된 시프트를 유발할 수 있다. 이러한 마이크로크래킹은 종래의 저항기들의 것과 비교하여 약 100 내지 200㎛의 통상적인 높이 또는 두께를 갖는, 보다 얇은 기판들(18) 상에 제조되는 보다 새로운 0402 및 0201 칩 저항기들에서 더 잘 전달된다. 이러한 보다 얇은 기판 저항기들의 마이크로크래킹은 전파될 수 있으며 다음의 조절동안 저항기의, 특히 트림 커프(30)를 따라 비극적인 고장 또는 물리적인 파괴를 가져올 수도 있다.Microcracking is another challenge associated with the use of a solid state Gaussian laser beam to trim resistors. Microcracks, which often occur in the center of the cuff 30 on the substrate, may extend into the resistor film causing potential drift problems. Microcracks may also cause a shift associated with the temperature coefficient of resistance (TCR). This microcracking is better delivered in newer 0402 and 0201 chip resistors fabricated on thinner substrates 18, having a typical height or thickness of about 100-200 [mu] m compared to that of conventional resistors. Microcracking of these thinner substrate resistors may propagate and may result in catastrophic failure or physical breakdown of the resistor, particularly along the trim cuff 30, during subsequent adjustments.
따라서, 개선된 저항기 트리밍 기술들이 바람직하다.Thus, improved resistor trimming techniques are desirable.
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본 특허 출원은 2001년 2월 1일에 출원된, 미국 임시 출원 번호 60/266,172와 2001년 6월 28일에 출원된, 미국 임시 출원 번호 60/301,706으로부터의 우선권에서 얻어진다.This patent application is obtained on priority from US Provisional Application No. 60 / 266,172, filed February 1, 2001 and US Provisional Application No. 60 / 301,706, filed June 28, 2001.
기술 분야Technical field
본 발명은 레이저 트리밍(laser trimming)에 관한 것으로, 특히 고체 상태 레이저로부터의 균일한 스폿으로 후막 또는 박막 저항기들을 레이저 트리밍하는 것에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to laser trimming, and more particularly to laser trimming thick film or thin film resistors with a uniform spot from a solid state laser.
도 1은 후막 저항기의 단편적인 같은 크기의 도면.1 is a fragmentary equal sized drawing of a thick film resistor.
도 2는 저항기 재료의 전체 두께를 제거하는 레이저 출력을 수신하는 후막 저항기의 단면도.2 is a cross-sectional view of a thick film resistor receiving a laser output that removes the entire thickness of the resistor material.
도 3은 두개의 공통의 종래 기술의 트림 경로들을 도시하는 저항기의 단편적인 같은 크기의 도면.3 is a fragmentary equally sized diagram of a resistor showing two common prior art trim paths.
도 4는 표면 제거 트림 프로파일을 갖는 후막 저항기의 같은 크기의 도면.4 is an equally sized view of a thick film resistor having a surface removal trim profile.
도 5는 본 발명에 따라 막들을 트리밍하는데 사용된 레이저 시스템의 실시예의 단순화된 면의 입면도 및 부분적인 개략도.5 is an elevational and partial schematic view of a simplified side view of an embodiment of a laser system used to trim films in accordance with the present invention.
도들 6a-6c는 도 5의 레이저 시스템의 다양한 시스템 성분들을 통해 변화하는 것에 의한 레이저 빔의 단순화된 방사도 프로파일들의 시퀀스를 도시한 도면.6A-6C illustrate a sequence of simplified radiation profiles of a laser beam as it changes through various system components of the laser system of FIG. 5.
도들 7a-7d는 전형적인 실질적으로 균일한 정사각형 또는 원형의 방사도 프로파일들을 도시하는 도면.7A-7D illustrate typical substantially uniform square or circular emissivity profiles.
도 8은 전형적인 레이저 공정 파라메터들 하의 몇몇 전형적인 전송 레벨들에서의 이미지로 형성된 출력과 클립된 가우시안 출력에 대한 개구 평면에서의 이상적인 영향 분포들의 그래픽적 비교를 도시하는 도면.FIG. 8 shows a graphical comparison of ideal influence distributions in the aperture plane for clipped Gaussian output and output formed with images at some typical transmission levels under typical laser process parameters.
도 9는 공칭 이미지 평면에 대한 작업 표면 위치의 함수로서의 태퍼 비율의 그래프.9 is a graph of tapper ratio as a function of working surface position relative to the nominal image plane.
도 10은 공칭 이미지 평면에 대한 작업 표면 위치의 함수로서의 직경의 그래프.10 is a graph of diameter as a function of working surface position with respect to the nominal image plane.
도 11은 가우시안 빔에 의해 트림된 저항기의 기판에 형성된 마이크로크래킹들을 도시하는 커프의 전자 현미경 사진.11 is an electron micrograph of a cuff showing microcracks formed on a substrate of a resistor trimmed by a Gaussian beam.
도 12는 균일한 스폿에 의해 트리밍된 저항기의 기판에 형성된 상당한 마이크로크랙들의 부재를 도시하는 커프의 전자 현미경 사진.12 is an electron micrograph of the cuff showing the absence of significant microcracks formed in the substrate of the resistor trimmed by uniform spots.
발명의 요약Summary of the Invention
따라서, 본 발명의 목적은, 고체 상태 레이저 트리밍을 위한 개선된 시스템 및/또는 방법을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide an improved system and / or method for solid state laser trimming.
본 발명의 다른 목적은 0402 및 0210 칩들의 저항기들과 같은, 보다 작은 칩 저항기들을 트리밍하기 위해 20㎛보다 작은 스폿 크기들을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide spot sizes smaller than 20 μm for trimming smaller chip resistors, such as resistors of 0402 and 0210 chips.
마이크로크래킹의 일부는 (타겟들 및 기판들이 다른 재료들이라고 하더라도) 가우시안 빔이 레이저 드릴링 동작에서 블라인드 비어의 중앙의 손상을 담당할 수 있는 동일한 방법으로 가우시안 빔 스폿의 높은 강도의 중앙에 의해 유발될 수 있다. Dunsky등에 의해 2000년 12월 7일에 공개된, 국제 공개 번호 WO 00/73013은 특히 비어 드릴링 동작들에 유용한, 균일한 레이저 스폿을 제공하기 위해 이미지 형상 가우시안 빔을 생성하고 사용하는 방법을 기술한다.Part of the microcracking may be caused by the high intensity center of the Gaussian beam spot in the same way that the Gaussian beam may be responsible for damaging the center of the blind via in laser drilling operations (even if the targets and substrates are other materials). Can be. International Publication No. WO 00/73013, published December 7, 2000 by Dunsky et al. Describes a method of generating and using an image-shaped Gaussian beam to provide a uniform laser spot, which is particularly useful for via drilling operations. .
Swenson, Sun 및 Dunsky에 의한, 2000년 7월 30일-8월 4일의 SPIE's 45thAnnual Meeting, The international Symposium on Optical Science and Technology의, 제목이 "Laser Machining in Electronics Manufacturing: A HistoricalOverview"인 논문은 Dickey 등에 의한 미국 특허 번호 5,864,430에 의해 설명된 렌즈에 의해 형성된 40㎛의 균일한 스폿을 사용하는 개선된 표면 스캐닝 방법을 기술한다.Swenson, Sun and by Dunsky, in July 2000, on the 30th August SPIE's four-day 45 th Annual Meeting, The international Symposium on Optical Science and Technology of the title: thesis of "Laser Machining in Electronics Manufacturing A HistoricalOverview " Describes an improved surface scanning method using a 40 μm uniform spot formed by a lens described by Dickey et al. US Pat. No. 5,864,430.
본 발명은 바람직하게, 직경이 20㎛보다 작고 커프(30)의 바닥을 가로질러 일정한 에너지를 전송하는, 이미지로 형성된 가우시안 스폿 또는 클립된 가우시안 스폿과 같은 균일한 스폿을 사용하며, 따라서 마이크로크래킹의 양과 어려움이 최소화된다. 적절한 곳에서, 이러한 스폿들은 HAZ를 감소시키고 및/또는 TCR에서 시프트하기 위해 제거가능하고, 열적이지 않은 UV 레이저 파장에서 생성될 수 있다. 이러한 기술들은 박막 및 후막 저항기 공정 모두에 대하여 사용될 수 있다.The present invention preferably employs uniform spots, such as imaged Gaussian spots or clipped Gaussian spots, having a diameter of less than 20 μm and transmitting a constant energy across the bottom of the cuff 30, and thus of microcracking Volume and difficulty are minimized. Where appropriate, such spots may be created at a removable, non-thermal UV laser wavelength to reduce HAZ and / or shift in the TCR. These techniques can be used for both thin and thick film resistor processes.
본 발명의 부가적인 목적들 및 장점들은 첨부한 도면들을 참조로 진행되는 바람직한 실시예들의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.Additional objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiments, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
바람직한 실시예들의 상세한 설명Detailed description of the preferred embodiments
도 5를 참조하면, 본 발명의 레이저 시스템(50)의 바람직한 실시예는 바람직하게 Nd:YAG, Nd:YLF, 또는 Nd:YVO4와 같은 고체 상태 라센트(lasant)를 포함하는, Q 스위치 다이오드 펌프(DP) 고체 상태(SS) UV 레이저(52)를 포함한다. 레이저(52)는 바람직하게 고조파 생성 UV 레이저 펄스들 또는 우선적으로 TEM00공간 모드 프로파일을 갖는 355㎚(트리플 Nd:YAG 주파수), 266㎚(쿼드러플 Nd:YAG 주파수), 또는 213㎚(퀸터플 Nd:TAG 주파수)와 같은 파장에서의 출력(54)을 제공한다. 당업자는 다른 파장들 및 그들의 고조파가 다른 나열된 라센트들로부터 사용가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 바람직한 YLF 파장들은 349㎚ 및 262㎚를 포함한다. 당업자는 대부분의 레이저들(52)이 완벽한 가우시안 출력(54)을 보내지 않지만, 편의를 위해, 대체로 레이저 출력(54)의 방사도 프로파일을 설명하기 위해 가우시안이 본원에서 사용됨을 또한 이해할 것이다. 레이저 공동(cavity) 배열들, 고조파 생성, 및 Q 스위치 동작은 모두 당업자에게 잘 알려져 있다. 전형적인 레이저들(52)의 상세한 설명들이 Sun과 Swenson의 국제 공개 번호 WO99/40591에 설명되어 있다.Referring to FIG. 5, a preferred embodiment of the laser system 50 of the present invention preferably comprises a Q-switch diode comprising a solid state latent such as Nd: YAG, Nd: YLF, or Nd: YVO 4 A pump (DP) solid state (SS) UV laser 52. The laser 52 is preferably 355 nm (triple Nd: YAG frequency), 266 nm (quadruple Nd: YAG frequency), or 213 nm (quintuple) with harmonic generating UV laser pulses or preferentially a TEM 00 spatial mode profile. Output 54 at a wavelength such as Nd: TAG frequency). Those skilled in the art will appreciate that other wavelengths and their harmonics are available from the other listed accents. For example, preferred YLF wavelengths include 349 nm and 262 nm. Those skilled in the art will also understand that although most lasers 52 do not send a perfect Gaussian output 54, for convenience, Gaussian is generally used herein to describe the radiation profile of the laser output 54. Laser cavity arrangements, harmonic generation, and Q switch operation are all well known to those skilled in the art. Details of typical lasers 52 are described in International Publication No. WO99 / 40591 to Sun and Swenson.
녹색(예를 들면, 532㎚) 또는 IR(예를 들면, 1.06㎛ 또는 1.32㎛)과 같은, 다른 고체 상태 레이저 파장들이 사용될 수 있지만, 포스트 트림 드리프트를 감소시키는, 제거할 수 있고 상대적으로 열적이지 않은 상태를 갖기 때문에 UV 레이저 파장이 트리밍을 위해서 바람직하다. UV 레이저 파장은 또한 동일한 필드의 깊이를 사용하는 IR 또는 녹색 레이저 파장에 의해 제공되기보다 워크피스(10)의 표면에서 보다 작은 스폿 크기를 고유하게 제공한다.Other solid state laser wavelengths may be used, such as green (eg 532 nm) or IR (eg 1.06 μm or 1.32 μm), but are removable and relatively thermal, which reduces post trim drift. UV laser wavelengths are preferred for trimming because they do not. The UV laser wavelength also uniquely provides a smaller spot size at the surface of the workpiece 10 than provided by IR or green laser wavelengths using the same depth of field.
UV 레이저 펄스들(54)은 빔 경로(64)를 따라 위치되는 빔 신장기 및/또는 상승시준기 렌즈 성분들(56 및 58)을 포함하는 다양한 공지된 렌즈를 통해 패스될 수 있다. UV 레이저 펄스들(54)은 이후 바람직하게 형성 및/또는 이미징 시스템을 통해 균일한 펄스들 또는 출력(72)을 생성하도록 향하게 되고, 이는 이후 바람직하게 빔 위치 시스템(74)에 의해 스캔 렌즈(80)를 통해 타겟 균일 출력(72)으로 향하게 되며(스캔 렌즈는 또한 공통적으로 "제 2 이미징", 포커싱, 절개, 또는 대물 렌즈로 불려진다.), 후막 저항기들(10a) 또는 박막 저항기들과 같은 워크피스(10) 상의 이미지 평면에서 레이저 타겟 위치(82)를 원하게 된다. 균일한 출력(72)은 바람직하게 절단되고(클립되고), 포커스되고 클립되며, 형성되고 또는 형성되고 클립된다.UV laser pulses 54 may be passed through various known lenses, including beam extender and / or ascending lens components 56 and 58 located along beam path 64. UV laser pulses 54 are then directed to produce uniform pulses or output 72, preferably through a forming and / or imaging system, which is then preferably scanned beam 80 by beam position system 74. ) Is directed to the target uniform output 72 (the scan lens is also commonly referred to as a "second imaging", focusing, incision, or objective lens), such as thick film resistors 10a or thin film resistors. The laser target position 82 is desired in the image plane on the workpiece 10. The uniform output 72 is preferably cut (clipped), focused and clipped, formed or formed and clipped.
이미징 시스템(70)은 바람직하게 광 소자(90)와 집합 또는 사준 렌즈(112) 사이에 위치되고 광 소자(90)에 의해 생성된 빔 허리의 포커스에 또는 부근에 있는 개구 마스크(98)를 사용한다. 개구 마스크(98)는 바람직하게 작업 표면상에 연속적으로 이미지되는 원형 또는 다른 모양의 스폿 프로파일을 표현하도록 빔으로 바람직하지 않은 임의의 측면 로브(lobe)들을 차단한다. 또한, 개구의 크기를 변화시키는 것은 정렬 정밀성을 강화시켜야 하는 더 작고, 더 날카로운 에지의 강도 프로파일을 생성하도록 스폿 프로파일의 에지 날카로움을 제어할 수 있다. 부가적으로, 개구의 모양은 정밀하게 원형일 수 있고 또는 직사각형, 타원, 또는 저항기 트리밍을 위해 유익하게 사용될 수 있는 다른 비원형 모양들로 변화될 수 있다.Imaging system 70 preferably uses an aperture mask 98 positioned between the optical element 90 and the aggregation or collimating lens 112 and at or near the focus of the beam waist generated by the optical element 90. do. The opening mask 98 preferably blocks any side lobes that are undesirable with the beam to represent a circular or other shaped spot profile that is continuously imaged on the working surface. In addition, varying the size of the opening can control the edge sharpness of the spot profile to create a smaller, sharper edge strength profile that should enhance alignment precision. In addition, the shape of the opening can be precisely circular or can be changed to rectangular, ellipse, or other non-circular shapes that can be advantageously used for resistor trimming.
마스크(98)는 레이저 출력(54)의 파장에서 사용하기 위해 적당한 재료를 포함할 수 있다. 레이저 출력(54)이 UV이면, 이후 마스크(98)는 예를 들면 UV 반사 또는 UV 흡수 재료를 포함할 수 있으나, 바람직하게는 UV 단계로 융해된 실리카 또는 다른 UV 저항 코팅을 다중층으로 높게 UV 반사 코팅하는 사파이어 코팅된 것과 같은 유전체 재료로부터 형성될 수 있다. 마스크(98)의 개구는 선택적으로 그 광 방출면에서 바깥쪽을 향하도록 돌출될 수 있다.Mask 98 may comprise a material suitable for use at the wavelength of laser output 54. If the laser output 54 is UV, then the mask 98 may comprise, for example, a UV reflective or UV absorbing material, but preferably a high UV in multiple layers of fused silica or other UV resistant coating in a UV step. The reflective coating can be formed from a dielectric material such as sapphire coated. The opening of the mask 98 may optionally protrude outward at its light emitting surface.
광 소자(90)는 포커싱 렌즈 또는 비구면 렌즈, 굴절 양면 렌즈, 치우친 양면 렌즈, 또는 회절 렌즈와 같은 빔 형성 성분들을 포함할 수 있다. 일부 또는 모든 이러한 것들은 개구 마스크(98)와 또는 그 없이 사용될 수 있다. 한 바람직한 실시예에서, 빔 형성 성분은 높은 효율과 정확성으로 복잡한 빔 형성을 수행할 수 있는 DOE(diffractive optic element)를 포함한다. 빔 형성 성분은 단지 도 6a의 가우시안 방사도 프로파일을 도 6bb의 거의 균일한 방사도 프로파일로 전송할 뿐만 아니라, 결정할 수 있는 또는 특정 스폿 크기로 형성된 출력(94)을 포커스한다. 형성된 방사도 프로파일(94b) 및 미리설명된 스폿 크기는 광 소자(90)의 다운스트림이 설계 거리Z0에서 발생하도록 설계된다. 단일 소자 DOE가 바람직하지만, DOE는 빔 형성의 목적을 위해 DOE들을 디자인하는 기술들을 또한 설명하는, Dickey등의 미국 특허 번호 5,864,430에 설명된 위상 기판 및 전송 소자들과 같은 다수의 분리 소자들을 포함할 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.The optical element 90 may include beam forming components such as a focusing lens or an aspheric lens, a refractive double-sided lens, a biased double-sided lens, or a diffractive lens. Some or all of these may be used with or without the aperture mask 98. In one preferred embodiment, the beam forming component comprises a diffractive optic element (DOE) capable of performing complex beam forming with high efficiency and accuracy. The beam forming component not only transmits the Gaussian emissivity profile of FIG. 6A to the nearly uniform emissivity profile of FIG. 6BB, but also focuses on an output 94 formed of a determinable or specific spot size. The formed radiation profile 94b and the previously described spot sizes are designed such that downstream of the optical element 90 occurs at the design distance Z 0 . Although a single element DOE is preferred, the DOE may include a number of discrete elements such as the phase substrate and transmission elements described in Dickey et al. US Pat. No. 5,864,430, which also describes techniques for designing DOEs for beam forming purposes. Those skilled in the art will understand that it can.
도들 6a-6c(집합적으로 도 6)는 레이저 시스템(50)의 다양한 시스템 요소들을 통해 변화되는 레이저 빔의 단순화된 방사도 프로파일들(92, 96, 및 102)의 시퀀스를 도시한다. 도들 6ba-6bc는 Z0'에 대한 거리 Z의 함수로서 형성된 출력(94; 각각 94a, 94b, 및 94c)의 단순화된 방사도 프로파일들(96a-96c)을 도시한다. Z0'은 형성된 출력(94)이 방사도 프로파일(96b)에 도시된 그의 가장 평탄한 방사도 프로파일을 갖는 거리이다. 바람직한 실시예에서, Z0'은 거리 Z0와 근접하거나 동일하다.6A-6C (collectively FIG. 6) show a sequence of simplified radiation profiles 92, 96, and 102 of a laser beam that is varied through various system elements of laser system 50. 6B-6BC show simplified radiance profiles 96a-96c of output 94 (94a, 94b, and 94c, respectively) formed as a function of distance Z to Z 0 ′. Z 0 ′ is the distance at which the formed output 94 has its flatst emissivity profile shown in the emissivity profile 96b. In a preferred embodiment, Z 0 ′ is close to or equal to the distance Z 0 .
도들 5 및 6을 다시 참조하면, 형성된 이미징 시스템(70)의 바람직한 실시예는 빔 형성 성분의 개구 마스크(98) 다운스트림에 우선하여, 형성된 (및 포커스된) 펄스들로의 로우 가우시안 방사도 프로파일(92) 또는 거의 균일한 "최상 햇" 프로파일(96b)을 갖는 출력(94b), 또는 특히 슈퍼 가우시안 방사도 프로파일을 갖는 시준된 펄스들(60)을 변환시키는 하나 또는 그 이상의 빔 형성 성분들을 포함한다. 도 6ba는 Z<Z0'인 전형적인 방사도 프로파일(94a)를 도시하고, 도 6bc는 Z>Z0'인 전형적인 방사도 프로파일(94c)를 도시한다. 이러한 실시예에서, 렌즈(112)는 회절 링들을 억제하기에 유용한 이미징 렌즈를 포함한다. 당업자는 단일 이미징 렌즈 성분 또는 다수의 렌즈 성분들이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.Referring back to FIGS. 5 and 6, a preferred embodiment of the formed imaging system 70 prior to the opening mask 98 downstream of the beam forming component, low Gaussian radiation into the formed (and focused) pulses. One or more beam forming components that transform the output 94b with the profile 92 or the nearly uniform “best hat” profile 96b, or in particular the collimated pulses 60 with the super Gaussian emissivity profile. Include. 6B shows a typical emissivity profile 94a with Z <Z 0 'and FIG. 6BC shows a typical emissivity profile 94c with Z> Z 0 '. In this embodiment, lens 112 includes an imaging lens useful for suppressing diffraction rings. Those skilled in the art will appreciate that a single imaging lens component or multiple lens components may be used.
위에서 설명된 형성 및 이미징 기술들은 2000년 12월 7일에 공개된 국제 출원 번호 WO 00/73013에 상세하게 설명되어 있다. 2000년 5월 26일에 Dunsky의 대응 미국 특허 출원 번호 09/580,396의 명세서의 관련 부분들이 본원에 참조로 포함된다.The forming and imaging techniques described above are described in detail in International Application No. WO 00/73013, published December 7, 2000. The relevant portions of the specification of Dunsky's corresponding US Patent Application No. 09 / 580,396 on May 26, 2000, are incorporated herein by reference.
도들 7a-7d(집합적으로 도 7)는 미국 특허 번호 5,864,430에 설명된 바와 같이 DOE를 통한 가우시안 빔 전파에 의해 생성된 전형적인 실질적으로 균일한 방사도 프로파일들을 도시한다. 도들 7a-7c는 정사각형의 방사도 프로파일들을 도시하고, 도 7d는 원통형 방사도 프로파일을 도시한다. 도 7c의 방사도 프로파일은 "변환"되고, 그의 중앙을 향한 그 에지들에서의 보다 높은 방사도를 도시한다. 당업자는 빔 형성 성분들(90)이 특정 응용들에 대해 유용할 수 있는 다른 방사도 프로파일들의 변화를 공급하도록 설계될 수 있고, 이러한 방사도 프로파일들은 전형적으로 Z0'로부터의 그들의 거리의 함수로 변화될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 당업자는 도 7d에 도시된 바와 같은 원통형 방사도 프로파일이 원형 개구(98)를 위해 바람직하게 사용되고; 입방형 방사도 프로파일들은 정사각형 개구들을 위해 바람직할 것이며; 다른 빔 형성 성분들(90)의 특성들은 다른 개구들의 모양들로 맞추어질 것임을 이해할 것이다. 예를 들면, 트리밍 응용들을 통해 그를 향하는 많은 직선은, 마스크(98)에서 정사각형의 개구를 갖는 변경된 입방형 방사도 프로파일을 사용할 수 있다.7A-7D (collectively FIG. 7) illustrate typical substantially uniform emissivity profiles generated by Gaussian beam propagation through DOE as described in US Pat. No. 5,864,430. 7A-7C show square radiation profiles and FIG. 7D shows a cylindrical radiation profile. The emissivity profile of FIG. 7C is “transformed” and shows higher emissivity at those edges towards its center. One skilled in the art can design the beam forming components 90 to provide a change in other emissivity profiles that may be useful for certain applications, and these emissivity profiles are typically a function of their distance from Z 0 '. Will be appreciated. Those skilled in the art will preferably use a cylindrical radiation profile as shown in FIG. 7D for the circular opening 98; Cubic radiance profiles would be desirable for square openings; It will be appreciated that the properties of the other beam forming components 90 will be tailored to the shapes of the other openings. For example, many straight lines pointing towards it through trimming applications may use a modified cubic emissivity profile with square openings in the mask 98.
빔 위치 시스템(74)은 바람직하게 레이저 트리밍 시스템들에 사용된 종래의 위치자를 사용한다. 이러한 위치 시스템(74)은 통상적으로 워크피스(10)를 움직이는 하나 또는 그 이상의 단들을 갖는다. 위치 시스템(74)은 트림 경로들(32 또는 34)을 따라 커프들(30)을 형성하기 위해 겹쳐진 방법으로 형성된 출력(118)의 레이저 스폿들을 이동시키기 위해 사용될 수 있다. 바람직한 빔 위치 시스템들은 Electro Scientific Industries, Inc. of Portland, Oregon으로부터 상업적으로 사용할 수 있는 ESI's Model 2300, Model 4370, 또는 곧 발매될 Model 2370 Laser Trimming Systems에서 발견될 수 있다. 다른 위치 시스템들이 대용될 수 있으며 레이저 분야의 당업자에게 잘알려져 있다.Beam position system 74 preferably uses a conventional locator used in laser trimming systems. This positioning system 74 typically has one or more stages that move the workpiece 10. Positioning system 74 may be used to move laser spots of output 118 formed in an overlapping manner to form cuffs 30 along trim paths 32 or 34. Preferred beam positioning systems include Electro Scientific Industries, Inc. It can be found on ESI's Model 2300, Model 4370, or the soon to be released Model 2370 Laser Trimming Systems, commercially available from of Portland, Oregon. Other location systems may be substituted and are well known to those skilled in the laser art.
위에서 기술된 많은 시스템 소자들을 포함하는 바람직한 레이저 시스템(50)의 예는 Model 5200 레이저 시스템 또는 Electro Scientific Industries, Inc. of Portland, Oregon에 의해 제조된 일련의 다른 장치들에서 UV 레이저(355㎚ 또는 266㎚)를 사용한다. 당업자는 그러나, 가우시안 빔 강도 프로파일을 갖는 임의의 다른 레이저형(본원에 설명된 바와 같은 이미징 또는 형성 전에)과, IR과 같은 다른 파장들, 또는 다른 빔 확장 팩터들이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.Examples of preferred laser systems 50 that include many of the system components described above are Model 5200 laser systems or Electro Scientific Industries, Inc. UV laser (355 nm or 266 nm) is used in a series of other devices manufactured by of Portland, Oregon. Those skilled in the art, however, will understand that any other laser type with a Gaussian beam intensity profile (prior to imaging or formation as described herein), other wavelengths such as IR, or other beam extension factors may be used.
레이저 시스템(50)은: 바람직하게 약 180-400㎚사이의 자외선 파장; 약 100mW보다 큰, 바람직하게는 300mW보다 큰 평균 전력 밀도들; 약 5㎛ 내지 약 50㎛보다 큰 스폿 크기 직경들 또는 공간 주축들; 약 1kHz보다 큰, 바람직하게는 약 5kHz보다 크거나 50kHz보다 높은 반복 비율; 약 100ns보다 짧은, 바람직하게는 약 40-90ns 또는 그보다 짧은 시간적 펄스 폭들; 약 1-200mm/초 또는 그보다 빠른, 바람직하게는 약 10-100mm/초, 및 가장 바람직하게는 약 10-50mm/초의 스캔 속도; 및 약 0.1-20㎛, 바람직하게는 0.1-10㎛ 및 가장 바람직하게는 0.1-5㎛의 바이트 크기를 포함할 수 있는 전형적인 저항기 트리밍 윈도우들의 바람직한 파라메터들을 갖는 레이저 시스템 출력(114)을 생성할 수 있다. 레이저 시스템 출력(114)의 바람직한 파라메터들은 열적 환경으로 또는 기판들(18)로의 원하지 않는 다른 손상으로의 시도에서 선택된다. 당업자는 이러한 출력 펄스 파라메터들은 독립적이며 요구된수행에 의해 지시된다는 것을 이해할 것이다.The laser system 50 preferably comprises: an ultraviolet wavelength between about 180-400 nm; Average power densities greater than about 100 mW, preferably greater than 300 mW; Spot size diameters or spatial major axes greater than about 5 μm to about 50 μm; Repetition rate greater than about 1 kHz, preferably greater than about 5 kHz or higher than 50 kHz; Temporal pulse widths shorter than about 100 ns, preferably about 40-90 ns or less; A scan speed of about 1-200 mm / sec or faster, preferably about 10-100 mm / sec, and most preferably about 10-50 mm / sec; And a laser system output 114 having the desired parameters of typical resistor trimming windows, which may include a byte size of about 0.1-20 μm, preferably 0.1-10 μm and most preferably 0.1-5 μm. have. Preferred parameters of the laser system output 114 are selected in an attempt to thermal environment or other unwanted damage to the substrates 18. Those skilled in the art will appreciate that these output pulse parameters are independent and indicated by the required performance.
당업자는 또한 레이저 시스템 출력(114)의 스폿 영역이 바람직하게 원형 또는 사각형이지만, 타원들 및 직사각형들과 같은 다른 간단한 모양들이 사용될 수 있으며 복잡한 모양들이라도 마스크(98)의 원하는 개구 모양을 형성하는 광학 소자들(90)의 적절한 선택이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 레이저 트리밍, 특히 UV 레이저 트리밍을 위한 바람직한 스폿 영역들은 바람직하게 직경이 약 40㎛보다 작고, 보다 바람직하게는 직경이 약 20㎛보다 작으며, 가장 바람직하게는 직경이 약 15㎛보다 작다. 당업자는 UV 레이저 출력의 스폿 크기가 종래의 레이저 트리밍 출력의 스폿 크기보다 작기 때문에 그리고 균일한 출력(72)이 직선 균일 벽들 또는 에지들을 갖도록 커프들(30)을 허용하기 때문에, 따라서 더 작은 HAZ, 저항기들(10a)은 종래의 커프 트리밍 기술들에 대해 가능한 공차들보다 조밀한 공차들로 트리밍될 수 있다는 것을 이해할 것이다.Those skilled in the art will also appreciate that although the spot area of the laser system output 114 is preferably circular or rectangular, other simple shapes, such as ellipses and rectangles, can be used and even optically complex shapes form the desired aperture shape of the mask 98. It will be appreciated that an appropriate selection of elements 90 is possible. Preferred spot areas for laser trimming, in particular UV laser trimming, are preferably smaller than about 40 micrometers in diameter, more preferably smaller than about 20 micrometers in diameter, and most preferably smaller than about 15 micrometers in diameter. Those skilled in the art will appreciate that since the spot size of the UV laser output is smaller than the spot size of a conventional laser trimming output, and because the uniform output 72 allows the cuffs 30 to have straight uniform walls or edges, therefore, a smaller HAZ, It will be appreciated that the resistors 10a may be trimmed to tighter tolerances than possible tolerances for conventional cuff trimming techniques.
가우시안 출력(54)과 이미지로 형성된 출력(118) 사이의 한 차이점은 가우시안 출력(54)이 세라믹 기판(18)에 마이크로크래킹 및 다른 바람직하지 않은 손상을 증가시킬 수 있는 그 중심에서 보다 높은 에너지 밀도나 "핫 스폿"을 가지는데 반해, 펄스(94)가 모든 포인트들에서 균일하게 마스크(98)의 개구를 조명한다는 것이다. 이미지로 형성된 출력(118)은 따라서 매우 평평하고 균일한 바닥(48)을 세라믹 기판(18)에 또는 그 위에 갖는 커프들(30)의 형성을 촉진하고, 이러한 평평함 및 균일함은 변형되지 않은 가우시안 출력(54)으로 가능하지 않다. 게다가, 펄스(94)의 균일한 형태가 실질적으로 커프(30)의 바닥 중앙의 핫 스폿을 생성시키는 가능성을 제거하기 때문에, 이미지로 형성된 출력(118)은 또한 근본 기판(18)으로 원하지 않는 손상의 위험없이 보다 완전하게 커프들(30)의 바닥 에지들로부터 저항기 재료를 또한 세척할 수 있으며, 따라서 마이크로크랙들의 양 및 손상이 최소화된다. 트리밍 속도는 또한 변경되지 않은 가우시안 출력(54)으로 얻어질 수 있는 이미지로 형성된 출력(118)으로 증가될 수 있다. 잠재적인 "핫 스폿" 손상이 제거될 수 있기 때문에 이미지로 형성된 출력(118)은 가우시안일 수 있는 것보다 큰 레이저 출력에 인가될 수 있으며 따라서 바이트 크기, 반복 비율, 및 빔 움직임 속도가 보다 빠른 트리밍으로 적절히 조절될 수 있다.One difference between the Gaussian output 54 and the imaged output 118 is that the Gaussian output 54 has a higher energy density at its center, which may increase microcracking and other undesirable damage to the ceramic substrate 18. Or “hot spot,” whereas pulse 94 illuminates the opening of mask 98 uniformly at all points. The imaged output 118 thus facilitates the formation of cuffs 30 having or on the ceramic substrate 18 having a very flat and uniform bottom 48, which flatness and uniformity are undeformed Gaussian. Not possible with output 54. In addition, since the uniform shape of the pulse 94 substantially eliminates the possibility of creating a hot spot in the bottom center of the cuff 30, the imaged output 118 also has unwanted damage to the underlying substrate 18. It is also possible to clean the resistor material from the bottom edges of the cuffs 30 more completely without the risk of the damage, thus minimizing the amount and damage of the microcracks. The trimming speed can also be increased with the output 118 formed into an image that can be obtained with an unaltered Gaussian output 54. Since the potential "hot spot" damage can be eliminated, the imaged output 118 can be applied to a larger laser output than it can be a Gaussian, thus trimming faster at byte size, repetition rate, and beam movement speed. Can be adjusted appropriately.
클립된 가우시안 스폿이 유익하게 가우시안 출력(54)을 통해 대안적으로 사용될 수 있음에도 불구하고, 실질적으로 많은 에너지가 이미지로 형성된 출력(118)으로보다 원하는 균일성을 얻기 위해 희생되어야 할 것이다. 이미지로 형성된 출력(118)은 또한 클립된 가우시안 출력을 수행하는 것보다 깨끗한 바닥 에지들과 더 빠른 트리밍 속도를 제공한다. 도 8은 형성된 출력(94b)에 대한 개구 평면에서의 이상적인 영향 프로파일들과 전형적인 레이저 처리 파라메터들 하의 몇몇 전형적인 전송 레벨들에서의 클립된 가우시안 출력의 비교를 도시한다. 워크피스(10) 상의 영향 레벨들은 제곱된 이미징 확대해제 팩터가 곱해진 개구 영향 레벨들과 동일하다. 한 예에서, 개구 에지에서의 영향들은 각각 형성된 출력(94b)과 클립된 가우시안 출력에 대하여 약 1.05 J/cm2및 0.60 J/cm2또는 그보다 작다. 따라서, 워크피스(10)에서, 이미지된 스폿의 에지(커프 에지)에서의 영향들은 각각 이미지로형성된 출력(118)과 클립된 가우시안 출력에 대하여 약 7.4 및 4.3 J/cm2이다. 전형적인 저항기 재료들에서의 속도는 제거될 수 있으며 전형적으로 중앙 및 에지 영향 레벨들 사이에서 차이가 난다. 결과적으로, 각 커프(30)의 처리는 이미지로 형성된 출력(118)으로 보다 빠른 스캐닝 속도, 또는 보다 큰 바이트 크기들(또는 보다 작은 펄스 중복들)로 보다 적은 펄스들에서 완성될 수 있고, 처리율을 증가시킨다.Although clipped Gaussian spots may advantageously be used alternatively via Gaussian output 54, substantially more energy will have to be sacrificed to achieve more desired uniformity with output 118 formed into an image. The imaged output 118 also provides cleaner bottom edges and faster trimming speeds than performing clipped Gaussian output. 8 shows a comparison of ideal influence profiles in the aperture plane for the formed output 94b with clipped Gaussian output at some typical transmission levels under typical laser processing parameters. The influence levels on the workpiece 10 are the same as the aperture influence levels multiplied by the squared imaging de-expansion factor. In one example, the effects at the opening edge are about 1.05 J / cm 2 and 0.60 J / cm 2 or less for the formed output 94b and clipped Gaussian output, respectively. Thus, in the workpiece 10, the effects at the edges (cuff edges) of the imaged spot are about 7.4 and 4.3 J / cm 2 for the imaged output 118 and clipped Gaussian output, respectively. The speed in typical resistor materials can be eliminated and typically varies between center and edge influence levels. As a result, the processing of each cuff 30 can be completed at fewer pulses with a faster scanning speed, or with larger byte sizes (or smaller pulse overlaps) with an imaged output 118, To increase.
본 발명의 이러한 고려들을 따라 이미지로 형성된 출력(118)으로 트리밍하기 위한 방법의 예가 이하에 설명된다. 모든 이미지된 스폿을 가로지르는 영향은 예를 들면 수용가능하지 않은 세라믹 침투 또는 손상 발생들, Fdamage에서의 값의 90%로 유지될 수 있다. 예를 들어, 후막 저항기들로의 수용가능한 세라믹 투과는 전형적으로 10㎛보다 작고, 바람직하게는 5㎛보다 작다. 저항기 재료는 이후 심각한 마이크로크래킹과 같은 손상의 원인이 되지 않을 조건들에서 제거된다. 이와 대조적으로, T=50%에서의 클립된 가우시안 빔으로, 이러한 영향력에서 스폿의 중앙이 유지될 수 있고, 에지들의 경우는 단지 Fdamage의 45%에서일 것이다. 대안적으로, 스폿 에지는 Fdamage의 90%에서 유지될 수 있고, 중앙의 경우 충분한 손상을 유발하는 손상 임계치 영향의 180%에 있을 것이다. 각 펄스가 많은 재료를 제거하기 때문에, 높은 영향에서 이미지된 스폿의 에지들을 유지하는 것은 보다 작은 레이저 펄스들을 갖는 커프 에지들로부터 세척될 저항기 재료일 수 있다. 따라서, 이미지로 형성된 출력(118)의 트리밍 처리량은 클립된 가우시안 출력의 것보다 매우 클 수 있다.An example of a method for trimming to an imaged output 118 according to these considerations of the present invention is described below. The impact across all imaged spots can be maintained at 90% of the value in unacceptable ceramic penetration or damage occurrences, F damage , for example. For example, acceptable ceramic transmission to thick film resistors is typically less than 10 μm, preferably less than 5 μm. The resistor material is then removed under conditions that will not cause damage such as severe microcracking. In contrast, with a clipped Gaussian beam at T = 50%, the center of the spot can be maintained at this influence, and for the edges it will only be at 45% of F damage . Alternatively, the spot edge can be maintained at 90% of the F damage , and in the center will be at 180% of the damage threshold effect causing sufficient damage. Since each pulse removes a lot of material, maintaining the edges of the imaged spot at high impact may be the resistor material to be cleaned from the cuff edges with smaller laser pulses. Thus, the trimming throughput of the output 118 formed into the image can be much larger than that of the clipped Gaussian output.
부가적으로, 위에서 설명된 바와 같이 보다 빠른 커프들(30)의 바닥 에지들로부터 저항기 재료를 세척할 수 있다면, 이미지로 형성된 출력(118)은 또한 펄스(94)의 균일한 모양이 실질적으로 커프(30)의 바닥 중앙에서 핫 스폿을 생성하는 가능성을 제거하기 때문에 기본 세라믹 기판(18)으로의 손상의 위험없이 보다 완전하게 커프들(30)의 바닥 에지들로부터 저항기 재료를 세척할 수 있다.Additionally, if it is possible to clean the resistor material from the bottom edges of the faster cuffs 30 as described above, the imaged output 118 may also be substantially cuffed with a uniform shape of the pulse 94. By eliminating the possibility of creating a hot spot at the bottom center of 30, it is possible to more thoroughly wash the resistor material from the bottom edges of the cuffs 30 without risk of damage to the underlying ceramic substrate 18.
커프 품질에 대하여, 본 발명의 이미지로 형성된 출력(118)은 또한 매우 정밀한 레이저 스폿 기하학을 위해 제공하며 가우시안 또는 클립된 가우시안 출력과 사용가능한 것보다 높은 처리율 속도들에서의 효율을 최소화하는 보나 나은 태퍼를 허용하여, 따라서 가우시안 출력(54)과 사용할 수 있는 것보다 예리한 에지들을 제공한다. 커프들(30)의 바닥을 가로지르는 균일한 에너지와 보다 정밀한 에지들의 형성은 보다 작은 타겟 영역들에 대한 강화된 반복성과 위치 정밀성을 포함하는, 보다 잘 예측할 수 있는 트리밍 결과들을 제공한다.For cuff quality, the imaged output 118 of the present invention also provides for very precise laser spot geometry and a better tapper that minimizes efficiency at Gaussian or clipped Gaussian output and throughput rates higher than those available. This allows for sharper edges than can be used with Gaussian output 54. The formation of more precise edges and uniform energy across the bottom of the cuffs 30 provides better predictable trimming results, including enhanced repeatability and positional precision for smaller target areas.
도 9는 공칭 이미지 평면, z=0에 대한 기능 작업 표면 위치로서 커프 최상 폭으로의 커프 바닥 폭의 비를 도시한다. 도 9를 참조하면, 공칭 이미지 평면은 가장 날카롭게 정의된 최상 에지들을 갖는, 커프들(30)이 가장 태퍼 자유한 위치에 있다. z의 위치 값들은 공칭 이미지 평면 이하의 평면들, 즉, z=0인 분리의 거리보다 시스템 렌즈로부터 멀게 위치된 워크피스(10)를 갖는 것을 나타낸다. 3σ에러바는 바닥 폭 측정치들이 실제로 측정한 바와 다르기 때문에 참조를 위해 도시된다. 가장 큰 바닥/최상 비율은 z=0인 이미지 평면에서 이루어진다. 처리율 ±400㎛범위에서, 바닥/최상 비율은 항상 최고 처리율에서 75%보다 크다.9 shows the ratio of cuff bottom width to cuff top width as the functional working surface position for the nominal image plane, z = 0. With reference to FIG. 9, the nominal image plane is in a position where the cuffs 30 are most tapper free, with the sharpest defined top edges. The position values of z indicate having the workpiece 10 positioned farther from the system lens than planes below the nominal image plane, ie the distance of separation with z = 0. The 3σ error bar is shown for reference because the floor width measurements are different from what was actually measured. The largest bottom / best ratio is at the image plane with z = 0. In the throughput range of ± 400 μm, the bottom / best ratio is always greater than 75% at the highest throughput.
도 10은 z=0인, 공칭 이미지 평면에 대한 작업 표면 위치의 함수로서의 커프폭을 도시한다. 워크피스(10)가 공칭 이미지 평면 상으로 다시 이동되면, 평균 커프 최상 폭은 꾸준히 증가한다. z=0이하의 위치들에 대하여, 최상 폭은 이미지 평면 이하의 400㎛로 공정하게 유지된다. 3σ폭들은 일반적으로 z=+300㎛ 및 z=-300㎛를 제외하고 평균 값의 ±3㎛내에 든다. 이와 비교하여, 바닥 폭에 대해 평균값은 그 위 위치들로부터 꾸준히 공칭 이미지 평면 밑으로 감소한다. 커프 바닥의 폭이 조절하기에 커프 최상의 크기보다 심각하게 많이 다르기 때문에, 바닥 폭은 참조로만 도시된다. 통계적인 처리는 레이저 시스템(50)으로 인가될 수 있는, 따라서 커프 최상들의 특징으로 응용할 수 있는 기술들을 제어한다.10 shows the cuff width as a function of work surface position with respect to the nominal image plane, z = 0. As the workpiece 10 is moved back onto the nominal image plane, the average cuff top width steadily increases. For locations below z = 0, the top width is fairly maintained at 400 μm below the image plane. 3σ widths are generally within ± 3 μm of the mean value except z = + 300 μm and z = -300 μm. In comparison, the mean value for the bottom width decreases steadily below the nominal image plane from above positions. Since the width of the cuff bottom is significantly different than the cuff best size to adjust, the bottom width is shown for reference only. Statistical processing controls techniques that can be applied to the laser system 50 and thus applied as a feature of cuff bests.
도들 9 및 10의 데이터는 처리 강도를 위한 포커스들의 이슈들의 깊이를 관리하기 위한 몇몇 접근들을 제안한다. 하나가 재료 두께와 머신 상태들을 변화시키는 것을 통한 일정한 커프 최상 폭을 유지하도록 원한다면, z=+200㎛에서 공칭 이미지 평면 바로 이하로 위치된 작업 표면으로 프로세스를 설정하도록 유리해질 것이다. 이것은 최고 직경에 매우 적은 영향으로 적응될 수 있는 z변수의 ±200㎛의 영역을 생성할 것이다. 만일, 다른 한편으로 일정한 커프 바닥/최상 직경비를 유지하는 것이 더욱 바람직하다면, 공칭 이미지 평면에서 정확하게 위치된 워크피스(10)로 처리를 설정하는게 더 나을 수 있다. 이것은 바닥/최상 비율이 적어도 ±200㎛의 z범위를 통해 5%보다 크지 않게 감소될 것을 확신한다. 이러한 접근들의 생존능력은 다른 커프 특성들이 워크피스(10)가 공칭 이미지 평면으로부터 제거되는 것에 따른 수용가능한 한계들 내에 있는지에 달려있다.The data in FIGS. 9 and 10 suggest some approaches for managing the depth of issues of focus for processing intensity. If one wishes to maintain a constant cuff top width through varying material thickness and machine conditions, it would be advantageous to set the process to a working surface located just below the nominal image plane at z = + 200 μm. This will produce an area of ± 200 μm of z-variable that can be adapted with very little impact on the highest diameter. If, on the other hand, it is more desirable to maintain a constant cuff bottom / best diameter ratio, it may be better to set the treatment with the workpiece 10 positioned exactly in the nominal image plane. This ensures that the bottom / best ratio will be reduced no more than 5% through the z range of at least ± 200 μm. The viability of these approaches depends on whether other cuff characteristics are within acceptable limits as the workpiece 10 is removed from the nominal image plane.
또한, 빔 형성 성분들(90)은 커프(30)의 외부 에지들을 따라 저항기 재료의제거를 촉진하도록 클립되는 외부 점선들(130)인 도 7c에 도시된 변조된 방사도 프로파일을 갖는 펄스들을 생성하기 위해 선택될 수 있으며, 따라서 태퍼를 개선시킨다. 본 발명은 세라믹 기판(18)으로의 원하지 않는 손상 없이 최대 처리율에서 80%보다 큰 태퍼 비율을 허용하며, 95%보다 큰 태퍼 비율들(낮은 아스팩트비 커프들(30)에 대한)이 세라믹 기판(18)으로의 원하지 않는 손상없이 가능하다. 75%보다 나은 태퍼 비율들이 종래의 렌즈로, 가장 깊은 커프들(30)의 커프 최상에서 약 5-18㎛ 폭으로부터 가장 작은 커프 폭들에 대해 가능할 수도 있다. 태퍼비율이 전형적으로 작은 저항기들(10a) 상의 커프 폭들에 영향을 끼치도록 확장되는 것과 다른 많은 트리밍 동작들에서 심각하게 고려되지 않는다고 하더라도 높은 태퍼 비율들은 커프 바닥 균일성의 다른 증거이다.Further, the beam forming components 90 generate pulses with the modulated emissivity profile shown in FIG. 7C, which is the outer dashed lines 130 clipped to facilitate removal of the resistor material along the outer edges of the cuff 30. Can be selected, thus improving the tapper. The present invention allows tapper ratios greater than 80% at maximum throughput without unwanted damage to the ceramic substrate 18, with tapper ratios greater than 95% (for low aspect ratio cuffs 30) being greater than 95%. It is possible without unwanted damage to 18. Tapper ratios better than 75% may be possible for the smallest cuff widths from about 5-18 μm wide at the top of the cuff of the deepest cuffs 30 with a conventional lens. Higher tapper ratios are another evidence of cuff bottom uniformity, although the tapper ratio is typically extended to affect the cuff widths on the small resistors 10a and is not seriously considered in many other trimming operations.
본원에 설명된 트리밍 기술들은 공간 깊이 트리밍을 포함하여, 본 발명의 배경에 위치된 임의의 참조들에 설명된 바와 같은 후막 및 박막 저항기 처리 응용들 모두를 위해 사용될 수 있다. 후막 저항기들에 대하여, 특히 약 200㎛보다 작은 루테늄층 높이 또는 두께를 갖는 0402 및 0201 칩 저항기들을 포함하는 세라믹 상의 루테늄 산화물은, 바람직한 트리밍 표준이 세라믹 기판(18)으로 침투의 최소량을 갖는 커프들(30)내의 모든 루테늄을 제거하기 위한 것이다. 이러한 바람직한 커프들(30)은 세척되어 세라믹 재료가 균일하게 노출되고 커프들(30)의 바닥은 "깨끗해 진다". 이러한 세척은 종종 약 0.1-5㎛ 및 종종 적어도 1㎛의 두께로 세라믹으로의 내부적인 침투를 일으킨다. 이미지로 형성된 출력(118)은 심각한 마이크로크래킹을 생성하지 않고 이러한 세척 또는 깨끗한 커프들(30)을 제공할 수 있다. UV는 특히세라믹 상의 저항기 재료를 처리하는데 바람직하며, 다른 파장들이 사용될 수 있다.The trimming techniques described herein can be used for both thick and thin film resistor processing applications as described in any references located in the background of the present invention, including spatial depth trimming. For thick film resistors, especially ruthenium oxide on ceramics, including 0402 and 0201 chip resistors having a ruthenium layer height or thickness less than about 200 μm, cuffs with the preferred trimming standard having a minimum amount of penetration into the ceramic substrate 18. It is to remove all ruthenium in (30). These preferred cuffs 30 are washed so that the ceramic material is evenly exposed and the bottom of the cuffs 30 is “cleaned”. Such cleaning often results in internal penetration into the ceramic to a thickness of about 0.1-5 μm and often at least 1 μm. The imaged output 118 may provide such clean or clean cuffs 30 without creating severe microcracking. UV is particularly desirable for treating resistor materials on ceramics, and other wavelengths may be used.
UV 파장이 사용될 수 있음에도 불구하고, IR 파장, 특히 약 1.32㎛는 실리콘 기판들로부터 NiCr, SiCr, 또는 TaN과 같은 재료들을 트리밍하기 위한, 특히 기능적인 트리밍을 포함하는 응용들에서 활성 또는 광전자 장치들을 트리밍하기 위한 균일한 스폿을 사용하기 위해 바람직한 파장일 수 있다.Although UV wavelengths can be used, IR wavelengths, in particular about 1.32 μm, can be used for active or optoelectronic devices in applications that include functional trimming, especially for trimming materials such as NiCr, SiCr, or TaN from silicon substrates. It may be a preferred wavelength to use a uniform spot for trimming.
당업자는 본원에서 기술된 균일한 스폿 트리밍 기술들이 단일 저항기들, 저항기 어레이들(스냅스트레이트들 상의 이들을 포함하는), 전압 레귤레이터들, 커패시터들, 인덕터들, 또는 임의의 트리밍 동작을 요구하는 다른 장치에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 부가적으로, 균일한 스폿 트리밍 기술들은 표면 제거 트리밍 또는 기판 침투가 바람직한 응용들 뿐만 아니라 이미지로 형성된 출력(118)이 기판(18)을 침투하지 않는 다른 응용들을 위해 사용될 수 있다.Those skilled in the art will appreciate that the uniform spot trimming techniques described herein may be applied to single resistors, resistor arrays (including those on snapshots), voltage regulators, capacitors, inductors, or other apparatus requiring any trimming operation. It will be appreciated that it can be used. Additionally, uniform spot trimming techniques may be used for applications where surface removal trimming or substrate penetration is desired, as well as other applications where the imaged output 118 does not penetrate the substrate 18.
도들 11 및 12는 UV 가우시안 빔으로 트리밍된 저항기(10a)(도11)와 UV 균일(이미지로 형성된) 빔으로 트리밍된 저항기(10a)(도 12) 사이의 마이크로트래킹에서의 차이들을 도시하는 전자 현미경도들이다. 도 11을 참조하면, 저항기(10a)는 2.10㎛의 바이트 크기를 갖는 30mm/초의 트리밍 속도에서 14.29kHz의 반복 속도에서 0.6W의 평균 전력을 갖는 UV 가우시안 출력(54)으로 트리밍되었다 결과적인 커프(30a)는 마이크로크랙들(140)에 상당하는 다양한 마이크로크랙들과, 실질적으로 넓은 커프 에지(150a), 및 커프(30a)의 중앙에서 세라믹 기판(18)으로의 깊은 침투를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 저항기(10a)는 4㎛의 바이트 크기를 갖는32mm/초의 트리밍 속도에서 8kHz의 반복 속도에서 2.86W의 평균 전력을 갖는 UV 이미지로 형성된 출력(118)으로 트리밍되었다. 결과적인 커프(30b)는 임의의 마이크로크랙들이 있을 경우 조금이라도 바람직하지 않은 손상이 없음을 보여준다. 커프 에지들(150b)은 상대적으로 좁고 기판 투과는 얕으며 실질적으로 균일하다.11 and 12 illustrate the differences in microtracking between resistor 10a (FIG. 11) trimmed with a UV Gaussian beam and resistor 10a (FIG. 12) trimmed with a UV uniform (imaged) beam. Electron microscopes. Referring to FIG. 11, resistor 10a was trimmed to UV Gaussian output 54 with an average power of 0.6 W at a repetition rate of 14.29 kHz at a trimming rate of 30 mm / sec with a byte size of 2.10 μm. 30a shows various microcracks corresponding to microcracks 140, a substantially wide cuff edge 150a, and deep penetration into the ceramic substrate 18 at the center of the cuff 30a. Referring to FIG. 12, resistor 10a was trimmed to an output 118 formed of a UV image with an average power of 2.86 W at a repetition rate of 8 kHz at a trimming rate of 32 mm / sec with a byte size of 4 μm. The resulting cuff 30b shows that there is no undesirable damage in the presence of any microcracks. Cuff edges 150b are relatively narrow and substrate transmission is shallow and substantially uniform.
본 발명의 근본적인 원리들로부터 벗어남이 없이 많은 변경들이 본 발명의 위에서 기술된 실시예들의 상세한 설명들에서 만들어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 범주는 따라서 다음 청구항들에 의해서만 결정되어야 한다.It will be apparent to those skilled in the art that many changes can be made in the details of the above-described embodiments of the invention without departing from the underlying principles of the invention. The scope of the invention should therefore only be determined by the following claims.
Claims (50)
Applications Claiming Priority (5)
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