KR20050103951A - 레이저에 의해 전기 회로 기판을 처리하기 위한 방법 - Google Patents

레이저에 의해 전기 회로 기판을 처리하기 위한 방법 Download PDF

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KR20050103951A
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에디 뢸란츠
슈테판 레스야크
쎄바스띠앙 에틈
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

전기 회로 기판을 처리하도록, 다이오드 펌핑되고, 품질 관리되고, 펄싱된 고체-상태 레이저를 구비한 레이저 소스(1)가 사용되고, 이는 266nm 내지 1064nm 사이의 파장, 1kHz 내지 1MHz 사이의 펄스 반복률, 30ns 내지 200ns의 펄스 길이 및 약 0.1 내지 약 5W의 평균 레이저 출력의 범위에서 레이저 방사선(2)을 방사할 수 있으며, 미리 결정된 작동 모드가 제어기를 통해 설정될 수 있고, 레이저 출력과 반복률의 적정한 다른 조합으로의 실시의 범위에 따라, 동일한 레이저가 드릴링 작동, 에칭 제거 작동, 또는 노출 작동을 수행하도록 선택적으로 사용될 수 있다. 또한 편향 유닛을 통해 제어될 수 있는 갈보 미러 편향 유닛을 사용하여, 관련된 작동 모드에 따라 레이저 빔이 기판 상에서 편향된다.

Description

레이저에 의해 전기 회로 기판을 처리하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR PROCESSING ELECTRIC CIRCUIT SUBSTRATES BY LASER}
본 발명은 전기 기판을 처리하기 위한 배열체 및 방법에 관한 것으로,
- 기판을 유지하고 배치하기 위한 워크 피스 홀더(work piece holder),
- 다이오드 펌핑되고(diode-pumped), 품질 관리되고(quality-controlled), 펄싱된(pulsed) 고체 상태 레이저(solid-state laser)를 구비한 레이저 소스(laser source),
- 편향 유닛,
- 이미지 유닛, 및
- 레이저의 작동 변수를 설정하기 위한 제어기를 구비한다.
기본적으로 레이저 빔 에너지가 회로판 및 유사한 종류의 전기 회로 기판을 처리하는데 사용될 수 있다는 것은 공지되어 있다. 다층 기판 내에 마이크로홀(microhole)들을 드릴링하도록 연속적으로 펌핑되고 품질이 스위칭되는 Nd.YAG 레이저를 구비한 UV 레이저의 사용은 US 5 593 606으로부터 공지된다. 여기에서 5kHz에 이르는 전형적인 반복률이 사용된다.
압전 절연 부층 상에 적어도 2개의 배선층(wiring layer)을 형성하는 방법은 EP 931 439 B1으로부터 공지되어, 레이저, 바람직하게는 Nd.YAG 레이저가 블라인드 홀(blind hole)들을 드릴링하고 전도 트랙을 구조화하도록 사용된다. 전도 트랙이 구조화될 때 금속층 자체가 레이저에 의한 부분적인 제거로써 구조화될 수 있거나 또는 금속층 상에 레이저를 비추어 에칭 저항층을 부분적으로 제거하고 드러난 금속층의 영역을 에칭하는 것 또한 가능하다.
또한, 기본적으로 레이저 빔이 광저항(photo resist)층을 노출시키도록 사용될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 이러한 목적을 달성하도록, EP 1 115 031 A2에서는, 유사-연속 UV 레이저 빔(quasi-continuous UV laser beam)을 생성하는 80MHz 이상의 반복률로서 티타늄-사파이어 레이저를 사용하는 것이 제안되었다.
실시예에 따라서, 서로 다른 처리 방법이 회로 기판 제조에 있어서 교대로 사용된다면, 이에 따라 중요한 투자 비용을 요구하는 서로 다른 레이저 시스템이 사용된다.
본 발명의 목적은, 값비싼 추가 투자 및 비용이 요구되는 업그레이드 없이 매우 다양한 레이저 방법을 사용하여 기판을 처리할 수 있도록 하는 레이저 시스템 및 이에 상응하는 레이저 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라서, 이러한 목적은
- 기판을 유지하고 배치하기 위한 워크 피스 홀더
- 266 내지 1064nm의 파장을 가지며 다이오드 펌핑되고 품질 관리되고 펄싱된 고체 상태 레이저를 구비한 레이저 소스로서,
- - 1kHz 내지 1MHz의 펄스 반복률
- - 30ns 내지 200ns의 펄스 길이
- - 약 0.1 내지 약 5W의 평균 레이저 출력의 범위 내에서 레이저 방사선을 전달할 수 있는 레이저 소스
- 600nm/s에 이르는 편향 속도를 허용하는 편향 유닛
- 이미지 유닛, 그리고
- 레이저용 적용에 따라서 평균 레이저 출력 및 반복률의 서로 다른 조합으로 레이저를 작동시키도록 배치된 제어기를 구비한 전기 회로 기판을 처리하기 위한 배열체에서 달성된다.
본 발명에 따라서, 미리 알려지지 않은 범위의 키값(key value)을 구비한 레이저 및 구현된 기판 처리의 종류를 위한 키 데이터의 특정 조합을 설정할 수 있는 제어기를 선택함으로써, 단일 레이저 소스로부터 감광지에 대한 조명을 통해, 예를 들면 드릴링, 금속층의 제거 또는 저항층의 에칭과 같은 회로판 처리를 위해 가능한 모든 레이저 처리 단계를 수행하는 것이 가능하다. 이는 제작 설치 준비 및 서로 다른 제작 단계 사이의 업그레이드를 위한 비용을 단순화시킨다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 배열체는 350 내지 550nm의 파장의 레이저, 특히 355nm 파장의 UV 레이저로서 작동된다.
전술한 바와 같이, 키 레이저 데이터의 특정 조합이 고려된 단계를 처리하도록 제공된다. 따라서, 레이저는 약 1 내지 2W의 평균 레이저 출력 및 약 60 내지 80kHz의 평균 반복률로 작동되는 층 제거용 제 1 작동 모드의 특징을 가질 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 금속층을 구조화하기 위한 약간 높은 레이저 출력과 약간 낮은 반복률 및 납접층과 같은 비금속층들을 제거하기 위한 약 1W의 약간 낮은 레이저 출력과 약 80kHz의 역간 높은 반복률이 조합될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 회로판의 전기층 및 금속층 내에 홀들을 드릴링하기 위한 제 2 작동 모드에서, 레이저는 3 내지 4W의 중간 출력 및 10 내지 30kHz의 반복률로 전형적으로 설정될 수 있다. 감광층을 노출하기 위한 제 3 작동 모드에서, 레이저는 약 100mW 크기의 차수로서 보다 낮은 레이저 출력 및 200kHz 내지 1MHz의 반복률로 설정된다.
갈바노미터 미러(galvanometer mirror) 유닛은 편향 유닛으로 유용하게 채용될 수 있어서, 전형적으로 300 내지 600mm/s의 높은 편향 속도를 허용한다. 레이저 출력과 스폿 지름의 적절한 조합으로, 보다 높은 편향 속도 또한 설정될 수 있다. 이러한 속도로서, 레이저 빔은 층들을 구성하도록 선형으로 본질적으로 이동될 수 있으며, 원형 이동의 드릴링이 이와 유사한 방법으로 실행된다.
전기 기판을 처리하기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 약 266 내지 1064nm의 파장, 1kHz 내지 1MHz의 펄스 반복률, 30ns 내지 200ns의 펄스 길이 및 약 0.1W 내지 약 5W의 평균 레이저 출력을 구비한 레이저가 사용되며,
- 기판이 워크 피스 홀더에 고정되고 배치되는 단계,
- 레이저 빔이 제어기에 의해서,
a) 3 내지 5W의 평균 레이저 출력, 약 10 내지 30kHz의 반복률, 및 약 30 내지 50ns의 펄스 길이로서, 홀을 드릴링하는 모드,
b) 1 내지 2W의 평균 레이저 출력, 약 50 내지 90kHz 바람직하게는 60 내지 80kHz의 반복률, 및 약 50 내지 60ns의 펄스 길이로서, 금속 또는 유전체들을 구성하는 모드,
c) 0.1W에 이르는 평균 레이저 출력, 200kHz 내지 1MHz의 반복률, 및 100 내지 200ns 바람직하게는 120ns의 펄스 길이로서, 광감층을 조명하는 모드
중 하나의 모드로 설정되는 단계,
- 작동 모드 설정에서 레이저 빔에 의해 기판이 처리되고, 갈보 미러(galvo mirror) 편향 유닛으로 레이저 빔이 300 내지 600mm/s의 속도로 이동하는 단계로 이루어진다.
바람직한 실시예에서, 작동 모드 c)에서 조명된 광감층은 다른 단계에서 노출될 수 있으며, 그 후 층의 노출되지 않은 표면이 제거된다.
본 발명의 실시예가 도면을 기초로 보다 상세히 설명된다.
도 1은, 본 발명에 따라 설계된 레이저 처리 기계의 개략적인 구조이며, 기판은 홀을 드릴링하려 하고 있으며,
도 2는, 납접 저항층이 레이저 빔에 의해 구성되고 릴리스 샘플이 에칭되는 기판을 개략적으로 도시하며,
도 3은, 레이저 빔에 의해 직접 구조화된 금속 표면층을 특징으로 하는 기판을 개략적으로 도시하며,
도 4는, 금속층에 적용된 광감층이 레이저를 사용하여 노출되는 기판을 개략적으로 도시하며, 그리고
도 5는, 도 4에 따라서 기판이 레이저에 노출된 후 세정되는 것을 특징으로 하는 기판의 평면도를 도시한다.
도 1은 레이저 처리 배열체의 개략적인 다이어그램이다. 그 중심은, 본 발명의 목적을 이루기 위한, 다이오드 펌핑되고 펄싱된 고체 상태 레이저로서 설계된 레이저(1)이다. 이러한 레이저 소스로부터 방사된 레이저 빔(2)은 편향 유닛(3)을 거쳐 2개의 갈보 미러(31 및 32) 및 바람직하게는 렌즈로 형성된 이미지 유닛(4)을 구비하여, 바람직하게는 모든 방향으로 제어할 수 있는 배치용 테이블(positioning table)인 홀더 장치(5) 상에 배열된 기판(10)에 지시된다. 제어기(6)는 배열체를 제어하도록 사용되며, 요구되는 처리에 따라서, 레이저(1), 편향 유닛(3) 및 홀더(5)를 제어한다. 통상, 워크 피스 즉 기판은 홀더 장치(5) 즉 배치용 테이블을 사용하여 수평 방향으로 이동하여, 처리될 기판의 특정 필드가 레이저 빔(2)의 작동 영역(X-Y 배치)에 이르는 위치로 이동한다. 추가로, 배치용 테이블의 수직 방향의 제어를 통해 요구되는 레이저 빔의 포커싱에 따라 이미지 유닛의 포커싱을 하도록 또는 포커스로부터 특정 거리에 있도록 기판을 이동시키는 것이 가능하다. 편향 유닛(3)을 통한 레이저 빔의 편향으로 처리될 필드로의 이동이 보장되기 때문에, 레이저 처리 동안 기판은 설정된 위치에서 유지될 것이다. 갈보 미러를 통한 편향이 비교적 넓은 질량을 가진 배치용 표면(5)의 제어를 통하는 것보다 매우 큰 속도가 달성되도록 한다. 따라서, 기판(10)에서 처리되는 필드로의 레이저 빔(2)의 편향은 갈보 미러(31 및 32)를 통해 제어기(6)에 의해 보장된다. 다른 프로그램이 제어기에 저장되며, 상기 제어기로서 레이저(1)가 상대적인 목적을 위해 출력 데이터의 특정 조합으로 제어될 수 있다.
도 1에서 도시된 실시예에서, 바이어스(vias)로 공지된 기판(10) 홀들이 통과 홀(through hole)들 또는 블라인드 홀들의 형태로 드릴링된다. 기판은 중앙 유전층(dielectric layer)(11) 및 그 윗면과 바닥면에서 금속층(12 및 13)을 갖는다. 블라인드 홀(14)들이 금속층(12) 및 유전층(11)을 통해 드릴링되도록, 예를 들어 레이저가 3.5 내지 4W의 평균 레이저 출력, 10 내지 30kHz의 반복률, 30 내지 50ns의 펄스 길이를 전달하도록 제어된다. 이 경우, 레이저 자체는 바람직하게는 355nm의 파장의 UV 레이저이다. 그러나 532nm의 파장을 구비한 레이저가 사용될 수 있다. 레이저가 드릴링 모드를 위해 특정 출력으로 설정된다면, 한편으로는 금속층을 제거하고 다른 한편으로는 바람직하게 드릴링된 홀들 내에서 다이얼 전기층(dial electric layer)을 제거하도록 필요한 홀(14)들은 기판 내에 드릴링되고 예를 들어 레이저 빔은 특정 회수의 원형 이동을 수행해야 한다.
기판(10) 상에 다른 작동에서 전도 트랙의 에칭으로 구조화가 보증된다면 도 2에 따라 에칭 저항층(15)이 영역(15a) 내에서의 특정 패턴에 따라 제거된 금속층(12)에 먼저 적용될 수 있으며, 그 결과 이러한 영역(15a) 내에서 금속층이 드러나서 에칭될 수 있다. 도 2에서 (2-2)로서 도시되는 레이저 빔은, 에칭 저항을 제거하도록, 전형적으로 약 1W의 평균 레이저 출력, 80kHz의 반복률, 및 60ns의 펄스 길이를 특징으로 하는 방법으로서 제어기를 통해 설정된다. 정확한 설정은 각각의 제거될 층, 그 특징, 그 두께 등에 따르므로 이러한 값들은 오직 예시적인 특정일 뿐이다.
도 3은, 레이저 빔(2-3)이 특정 전도 트랙 패턴에 직접적으로 따라서 금속층(12)을 구조화하도록 즉 부분적으로 이를 제거하도록 어떻게 사용되는지에 대한 실시예를 도시한다. 따라서 금속층(12)은 전도 트랙이 필요한 곳에 오직 온전히 남아 있으며, 영역(12a)에서는 유전층(11)이 드러난다. 이러한 목적으로, 레이저 빔(2-3)은 제어 장치를 통해 제어되며, 상기 레이저는 예를 들어 1.5W의 평균 출력, 60kHz의 반복률, 및 약 50ns의 펄스 길이를 특징으로 한다. 이 경우, 정확한 설정은 제거될 금속층(12)의 특성 및 두께에 의한다.
도 4는, 프토리소그래피(photolithography)에 의해 기판 상에서 구조화가 어떻게 보증될 수 있는가를 최종적으로 도시한다. 이는, 광감층(16)을 특정 영역(16a) 내에서 레이저 빔(2-4)에 의해 노출된 금속층(12)에 먼저 적용함으로써 이루어진다. 그 다음, 노출된 층은 디벨롭(develop)되고 세정되어 중요 금속층 영역(12a)이 드러나서 에칭될 수 있다.
도 5는, 광감층(16)을 구비한 기판(10)으로부터 그 위쪽에서 취한 사진을 도시하며, 상기 광감층(16)은 영역(16a) 내에서 레이저 빔에 의해 노출되고 그 다음 세정된 층이다. 이러한 실시예에서, Probelec이라는 상품명으로 알려지고 355nm의 레이저 파장에서 1200mJ/cm2의 감도를 구비한 광저항이 사용되었다. 주파수가 트리플링(tripling)되고 다이오드가 펌핑된 반도체 레이저에 노출되었으며, 355nm의 파장, 200kHz의 반복률, 및 약 100mW의 평균 레이저 출력에서 약 100 내지 200ns의 펄스 기간을 구비한다. 따라서 약 100 내지 600nm/s의 편향 속도에서는 약 30㎛의 선 너비가 노출되었다. 도 5에서, 레이저광(laser light)으로서 펄스 형태의 실시예 대신 노출된 스트립(strip)(16a)의 가장자리 라인이 주로 곧게 이루어진 것을 볼 수 있다. 세정 후 구리층(12)(도 4)을 특히 청결히 나타낸 너비인 내부 스트립 너비(b1)를 감지할 수 있으며, 그리고 레이저 빔의 에너지 분배에 따라서 가장자리 영역이 조금 약하게 조명되었지만 여전히 충분히 드러나서 에칭될 수 있는 금속 스트립 총 너비(b2)를 감지할 수 있다.
본 발명에 의해 제공된 이러한 선택을 통해, 노출은 구조화 및 드릴링을 위해 사용되는 동일한 레이저 장치로서 보증될 수 있다. 이 경우, 달성될 수 있는 공간 및 라인은, 광저항의 감도 및 레이저 펄스의 반복률 뿐만 아니라 포커싱된 레이저 스폿에 따라 특정된다. 수학적으로 볼 경우, 달성될 수 있는 라인 너비는 광저항의 강도 범위에 포커싱된 부분적인 빔 분배를 접은 것이다. 본 방법은 펄싱된 레이저 빔에 관한 것이지만, 일직선의 일관된 라인은 연속적인 펄스를 겹침으로써 달성된다. 레이저 반복률의 관련된 설정과 갈보 저항 수단의 편향 속도는, 광저항이 제거되지 않고 노출되어 그 결과 달성된 효과가 종종 사용되었던 cw-Ar+ 레이저의 효과와 동일함을 의미한다. 전술한 바와 같이 특정된 이러한 값들로서, 예를 들어, 약 30㎛의 선 너비가 생성될 수 있다.

Claims (8)

  1. 전기 회로 기판을 처리하기 위한 배열체에 있어서,
    기판(10)을 유지하고 배치하기 위한 워크 피스 홀더(5),
    다이오드 펌핑되고, 품질 관리되고, 펄싱된, 266nm 내지 1064nm의 파장을 가지는 고체 상태 레이저를 구비하고, 1kHz 내지 1MHz의 펄스 반복률, 30ns 내지 200ns의 펄스 길이, 및 약 0.1 내지 약 5W의 평균 레이저 출력의 범위에서 레이저 방사선(2)을 방출할 수 있는 레이저 소스(1)를 포함하며,
    상기 레이저의 빔이 입력되도록 배열되고 600mm/s에 이르는 편향 속도를 허용하는 편향 유닛(3),
    이미지 유닛(4), 및
    상기 레이저의 실시예에 따라서 평균 레이저 출력과 반복률의 다른 조합으로 상기 레이저를 작동시키는 위치에 있는 제어기를 더 포함하는, 전기 기판을 처리하기 위한 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    350 내지 550nm의 파장의 레이저가 사용되고, 바람직하게는 355nm 파장을 구비한 UV 레이저가 사용되는 것을 특징으로 하는, 전기 기판을 처리하기 위한 배열체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저는, 층들을 제거하도록, 약 1 내지 2W의 평균 레이저 출력과 약 60 내지 80kHz의 반복률로 작동되는 제 1 작동 모드로 특징지어지는, 전기 기판을 처리하기 위한 배열체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저는, 상기 회로 기판(10)의 금속층(12) 및 유전층(11) 내에 홀들을 드릴링하도록, 3 내지 4W의 평균 레이저 출력과 10 내지 30kHz의 반복률로 작동되는 제 2 작동 모드로 특징지어지는, 전기 기판을 처리하기 위한 배열체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저는, 광감층(16)을 노출하도록, 100mW 크기의 차수의 평균 레이저 출력과 200kHz 내지 1MHz의 반복률로 작동되는 제 3 작동 모드로 특징지어지는, 전기 기판을 처리하기 위한 배열체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 유닛으로서, 100 내지 600mm/s의 편향 속도를 구비한 갈보 미러 유닛(3)이 사용되는 것을 특징으로 하는, 전기 기판을 처리하기 위한 배열체.
  7. 전기 회로 기판을 처리하기 위한 방법에 있어서,
    약 266nm 내지 약 1064nm의 파장, 1kHz 내지 1MHz의 펄스 반복률, 30ns 내지 200ns의 펄스 길이 및 약 0.1 내지 약 5W의 평균 레이저 출력을 구비한 레이저(1)가 사용되고,
    - 기판(10)이 워크 피스 홀더(5) 상에 고정되고 배치되는 단계,
    - 레이저 빔(2)이 제어기(6)를 통해서
    a) 3 내지 5W의 평균 레이저 출력, 약 10 내지 30kHz의 반복률 및 약 30ns 내지 50ns의 펄스 길이로서, 홀(14)들을 드릴링하는 모드,
    b) 1 내지 2W의 평균 레이저 출력, 50 내지 90 바람직하게는 60 내지 80kHz의 반복률, 및 약 50ns 내지 60ns의 펄스 길이로서 금속층 또는 유전체(15, 12)을 구조화 또는 제거하는 모드,
    c) 0.1W에 이르는 평균 레이저 출력, 200kHz 내지 1MHz의 반복률 및 약 100ns 내지 200ns, 바람직하게는 약 120ns의 펄스 길이로서 광감층(16)을 노출하는 모드
    의 작동 모드 중 하나로 설정되는 단계, 그리고
    - 설정된 작동 모드에서 상기 기판이 상기 레이저 빔(2)에 의해 처리되며, 상기 레이저 빔은 300 내지 600mm/s의 속도의 갈보 미러 편향 유닛(3)으로 이동되는 단계를 포함하는, 전기 회로 기판을 처리하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 작동 모드 c)에서의 상기 광감층(16)이 다른 단계에서 디벨롭(develop)되고, 상기 층(16)에서의 노출되지 않은 영역이 이후에 제거되는 것을 특징으로 하는, 전기 회로 기판을 처리하기 위한 방법.
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