KR20070036784A - 목표 표면재를 가공하기 위한 레이저 기반의 방법 및시스템 그리고 그에 따라 생산된 물품 - Google Patents

목표 표면재를 가공하기 위한 레이저 기반의 방법 및시스템 그리고 그에 따라 생산된 물품 Download PDF

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도날드 제이. 스배크오프
스티븐 피. 카힐
케빈 이. 술리반
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지에스아이 루모닉스 코포레이션
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Abstract

목표로 하는 표면재를 가공하기 위한 레이저 기반의 방법 및 시스템과 그에 따라 생산된 물품이 제공되었다. 상기 시스템은 목표 지점 밖에 위치한 인접 소재에 발생하는 바람직하지 못한 변화를 방지하면서 공작물의 일영역 내에 위치한 목표 표면재를 가공한다. 상기 시스템은 파장과 1 ns 미만의 펄스 폭을 갖는 적어도 하나의 펄스를 포함하는 펄스 레이저 출력을 생성하기 위한 주 레이저 광원이 장착된 주 레이저 하부 시스템을 포함한다. 전달 하부 시스템은, 적어도 하나의 펄스를 포함한 펄스 레이저 출력을 공작물의 목표 표면재에 조사함으로써 목표 표면재를 텍스쳐링한다. 펄스 레이저 출력의 총 조사량은 목표 표면재의 적어도 일부분 내에서 절삭을 일으키기에 충분하며, 펄스 폭은 해당 영역과 소재를 둘러싼 비목표 소재가 슬래그로부터 상당히 자유로울 수 있도록 충분히 짧은 것을 특징으로 한다.
표면재, 펄스 레이져, 텍스처링, 레이저 광원, 가공

Description

목표 표면재를 가공하기 위한 레이저 기반의 방법 및 시스템 그리고 그에 따라 생산된 물품 {Laser-based method and system for processing targeted surface material and article produced thereby}
본 발명은, 특히 마이크로전자공학 소자(microelectronic device)에 장착되는 하나 또는 그 이상의 소재에 적어도 반영구적이거나 또는 지울수 있는 표시를 형성하는 레이저 표시 및 텍스쳐링과 관련된다. 상기 소재들에는 반도체 기판, 박막, 금속배선, 그리고 유전체층이 포함될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 이상의 실시예들이 MEMs(마이크로 전자기계 시스템), 광전자 소자, 또는 생의학 마이크로칩에 표시(indicia)를 형성하는 공정에 적용될 수 있다. 다양한 실시예들이 다양한 미세기계가공 또는 미세가공 용도에 이용될 수 있다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2004년 6월 30일에 출원된 미국 가출원(U.S. Provisional Application) 일련 번호 60/584,268에 의한 우선권을 주장한다.
1999년 이전에는 웨이퍼(wafer) 수준에서 식별(identification) 작업을 하기 위해 실리콘 웨이퍼 표시 공법을 사용했다. 초기에는 KGD(Known Good Die)에 의해, 보다 최근에는 이력추적관리(traceability)와 부품 식별에 의해 칩(die) 수준에서 웨이퍼의 뒷면에 레이저 표시를 하는 것이 대세가 되었으며, MCM, 플립 칩, DCA, CSP를 포함한 다양한 포장 기술들에 적용되어 왔다. 과거의 연구 개발 노력은 생산을 위한 그와 같은 표시 도구를 개발했다.
칩 표시에 있어서 대두되고 있는 문제점들 중 하나는 최근에 도입된 매우 얇은 웨이퍼들이다. 예전에는 전형적인 웨이퍼 두께의 사양이 300에서 700 미크론(㎛)이었다. 면적과 두께 두가지 측면에서 더욱 소형화된 칩에 대한 현재의 요구들은 150 ㎛처럼 얇은 웨이퍼을 출현시켰다. 장기적으로 볼 때, 웨이퍼의 두께는 실현가능한 한계까지 감소될 것으로 예상된다.
다른 문제는 칩 사이즈가 계속 줄어들고 있다는 점이다. 예를 들면, 직접실장(DCA, Direct Chip Attach) 용도에 이용되는 칩의 크기는 3 mm에서 8 mm이다. 그러나 RFID 태그와 같은 제품들은 크기가 0.3 mm 정도로 작을 수 있지만, 대형 칩 표시에 포함되는 것과 상당 부분 동일한 정보를 요구한다. 그런 경향은 실제 영숫자 문자(alphanumeric character)의 크기를 줄이기 위해 칩 표시 기술의 추가적 발전을 요청한다.
종래의 웨이퍼 표시 시스템들은 현재의 그리고 대두되고 있는 요구 조건들에 별로 적합하지 않다.
매우 유용한 기술적인 진보들이 시연되어 왔는데, 예를 들면, "High Speed, Laser-Based Marking Method And System For Producing Machine Readable Marks On Workpieces And Semiconductor Divices With Reduced Subsurface Damage Produced Thereby(공작물 상에 기계로 판독 가능한 표시를 생성하기 위한 레이저 기반의 고 속 표시 방법 및 시스템 그리고 그에 따라 생산된, 표면 손상 정도가 감소된 반도체 소자들)"라는 명칭으로 공표되었으며, 2004년 4월 1일 공표된 본 발명의 수탁자에게 그 권한이 양도된, US Patent Application Number 2003/0060910에서 제시하는 내용 등이 있다. 그러나 최소 배선폭(feature size)을 감소시키면서 명암 대비가 큰 표시를 생산해야 하며, 또한 폭넓게 변화하는 광학적 특질들을 지닌 것으로 알려진 마이크로 전자공학 소재들 상에 표시를 형성해야 할 필요가 있다.
정밀한 레이저 표시 시스템을 위한 바람직한 발전들에는, 표시의 조밀도 증가(예를 들면, 유효한 도트의 크기나 선폭(linewidth)을 더욱 축소시킴), 표시의 깊이에 대한 제어, 그리고 열의 영향을 받은 구역을 제어하거나 상당히 제거함으로써 표시의 복제성을 향상시키는 것이 포함된다. 판독성(바탕에 대한 표시의 뚜렷한 명암 대비)의 향상, 바람직하게는, 각(angle)으로부터 독립적인 명암 대비가 요구된다.
이상적인 표시는 소재를 전혀 제거하지 않거나 거의 제거하지 않은 채 형성될 것이며, 후속되는 하나 또는 그 이상의 생산 단계를 거치는 동안 잔존할 수 있는 명암 대비를 제공할 것이다. 또한, 사이즈의 축소를 통해 증대하는 밀도적 요건들(예를 들면, .3 mm 미만 폰트 사이즈 및 자간 간격의 감소)을 실현할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 적어도 일실시예의 목적은, 마이크로 전자공학적 상품에 장착된 적어도 하나의 소재 상에 표시/텍스쳐를 형성하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 그 방법은 해당 소재의 국지적 영역에 펄스 레이저 출력을 적용하는 단계를 포함하며, 이때 상기 출력은 해당 영역의 적어도 일구획 내에서 절삭(ablation)을 일으킬 수 있을 정도의 충분한 조사량을 가지며, 펄스의 폭은 해당 영역 및 그 영역을 둘러싼 근접 소재가 슬래그로부터 상당히 자유로울 수 있도록 충분히 짧은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 적어도 일실시예의 다른 목적은 상기 방법에 의해 생산된 제조 물품을 공급하는 것이다.
본 발명의 적어도 일실시예의 또 다른 목적은 상기 방법을 수행하기 위한 레이저 표시/텍스쳐링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들을 수행하기 위해, 인접한 비목표(non-targeted) 소재의 바람직하지 못한 변화는 피하면서, 공작물(workpiece)의 일영역 내에 위치한 목표가 된 표면재를 가공하기 위한 방법이 제공된다. 그 방법은 소정의 파장과 펄스 폭을 갖는 적어도 하나의 펄스를 포함한 펄스 레이저 출력을 생성하는 것을 포함한다. 그 방법은 또한 표적이 된 표면재를 텍스쳐링하기 위한 적어도 하나의 펄스를 포함하는 펄스 레이저 출력을, 해당 공작물의 목표 표면재에 조사(照射)하는 과정을 포함한다. 펄스 레이저 출력은 표적이 된 표면재의 적어도 일구획 내에서 절삭(ablation)을 일으킬 수 있을 정도의 충분한 조사량을 가지며, 펄스의 폭이 해당 영역 및 그 영역을 둘러싼 비목표 소재가 슬래그로부터 상당히 자유로울 수 있도록 충분히 짧은 것을 특징으로 한다.
텍스쳐링 된 표면재는 표시를 포함할 수 있다.
표시는 적어도 반영구적이거나 또는 삭제할 수 있다.
공작물은 마이크로 전자공학적 소자일 수 있으며 텍스쳐링 된 표면재는 마이크로 전자공학 소재일 수 있다.
목표가 된 표면재는 반도체 기판, 박막, 금속층, 유전체층 중에서 적어도 하나일 수 있다.
공작물은 MEMs(마이크로 전자기계 시스템), 광전자 소자, 생의학 칩 중에서 하나가 될 수 있다.
비목표 표면재는 표시를 포함할 수 있다.
표시는 기계로 판독할 수 있다.
표시는 .3 mm 미만의 폰트 사이즈를 가질 수 있다.
텍스쳐링 된 표면재는 공작물 상에 형성된 마이크로텍스쳐 패턴을 포함할 수 있다.
공작물은 반도체 웨이퍼일 수 있으며 이때 마이크로텍스쳐 패턴이 그 웨이퍼 상에 표시를 형성할 수 있다.
상기 방법은 또한 보조 레이저 출력을 생성하고, 텍스쳐링 된 표면재에 그 보조 레이저 출력을 조사(照射)함으로써 상기 텍스쳐링 된 표면재를 가공하는 과정을 포함할 수 있다.
텍스쳐링 된 표면재는 표시를 포함할 수 있으며, 이때 그 표시는 상기 보조 레이저 출력을 조사하는 단계를 거치는 동안 삭제될 수 있다.
텍스쳐링 된 표면재는 해당 공작물의 적어도 한쪽 면 상에 형성될 수 있다.
공작물은 반도체 웨이퍼일 수 있다.
생성 단계는 적어도 부분적으로 펨토초(femtosecond) 또는 피코초(picosecond) 레이저로 수행된다.
패턴은 막대형 패턴, 영숫자 문자열, 또는 상표 등의 심벌 표시(logotype)일 수 있다.
적어도 하나의 펄스의 펄스 폭은 약 1 ns 이하일 수 있다.
펄스 폭은 약 100 ps 이하이거나 약 10 ps 미만일 수 있다.
텍스쳐링 된 표면재는 마이크로텍스쳐 표면재를 포함할 수 있다.
마이크로텍스쳐 표면재는 나노텍스쳐 표면재를 포함할 수 있다.
총 레이저 조사량은 상기 출력이 조사되는 지점의 공간적 면적에 걸쳐서 측정될 수 있다.
텍스쳐링 된 표면재는 표시를 포함할 수 있으며, 상기 조사(照射) 단계는, 해당 표시의 적어도 일부의 첫번째 위치를 나타내는 적어도 하나의 제어 신호에 따라 레이저 출력의 방향을 조절함으로써 그 첫번째 위치에서 해당 영역에 충돌시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 영역은 상기 지점의 공간적 면적 내에 위치할 수 있다.
조사 단계는 해당 영역의 적어도 일구획 내에서 목표 표면재의 표면 거칠기를 상당히 증가시킬 수 있다.
상기 영역을 둘러싼 비목표 표면재는 강력한 정반사(specular reflection) 요소를 장착한 표면을 가질 수 있다.
표시의 산란 반사율은 .5%에서 5% 범위가 될 수 있다.
총 조사량은 약 .1 J/cm2를 초과할 수 있다.
파장은 목표 표면재의 흡수 한계 보다 작을 수 있다.
파장은 자외선일 수 있다.
적어도 하나의 펄스의 펄스 폭은 약 15 fs에서 500 ps의 범위일 수 있다.
적어도 하나의 펄스의 펄스 폭은 약 100 fs에서 50 ps의 범위이거나, 또는 약 300 fs에서 15 ps의 범위일 수 있다.
목표 표면재는 실리콘이거나, 또는 금속 또는 유전체일 수 있다.
목표 표면재는 유전체 보호층의 일부일 수 있다. 그 보호층의 유전체는 무기, 유기 또는 저유전상수(low-k) 유전체일 수 있다.
목표 표면재는 MEM 소자의 일부일 수 있다.
표시의 일부는 약 .25 마이크론에서 약 1 마이크론의 범위에서 표면 변동들을 가질 수 있다.
표시의 최소 배선폭(feature size)은 수 마이크론에서 수십 마이크론의 범위이거나, 또는 적어도 하나의 펄스의 몇 개의 파장들일 수 있다.
주사 단계는 펄스 레이저 출력의 편광성을 제어함으로써 텍스쳐링 된 표면재의 특성을 향상시키거나 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
펄스 레이저 출력은 집속된(focused) 레이저 가공 빔을 포함할 수 있으며, 그 빔의 조사 단계는 상기 공작물과 상기 집속된 레이저 가공 빔을 상대적으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
텍스쳐링 된 표면재는 마이크로텍스쳐 패턴을 포함할 수 있으며, 상기 상대적인 이동 단계는 공작물 상에 상기 마이크로텍스쳐 패턴을 생성할 수 있다.
조사 단계는 성형된 지점을 획득하기 위해 해당 지점을 성형하는 단계를 포함할 수 있다.
성형된 점(spot)은 탑-햇 방사도 윤곽(top-hat irradiance profile)을 가질 수 있다.
성형된 점은 중앙부가 납작하게 가라 앉고 에너지가 그 주변에 집중된 형태일 수 있다.
조사 단계는 상기 점의 일양상을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
파장은 공작물에 포함된 소재의 흡수 한계보다 작을 수 있다.
펄스 레이저 출력은 목표 표면재를 미세하게 텍스쳐링할 수 있으며, 상기 보조 레이저 출력은 상기 텍스쳐링 된 표면재를 거칠게 가공할 수 있다.
펄스 레이저 출력은 목표 표면재를 거칠게 텍스쳐링할 수 있으며 상기 보조 레이저 출력은 상기 텍스쳐링 된 표면재를 미세하게 가공할 수 있다.
텍스쳐링 된 표면재는 표시를 포함할 수 있으며, 상기 보조 레이저 출력의 조사 단계를 거치는 동안 음(negative)의 윈도우(window) 표시가 생성될 수 있다.
텍스쳐링 된 표면재는 패턴을 포함할 수 있으며, 보조적 레이저 출력을 조사하는 단계는 상기 패턴을 미세기계가공할 수 있다.
보조 레이저 출력의 조사 단계는 텍스쳐링 된 표면재의 전기적 또는 기계적 변수를 조정할 수 있다.
보조 레이저 출력은, 텍스쳐링 된 표면재로 흡수되는 파장을 가지는 적어도 하나의 펄스를 포함할 수 있다.
보조 레이저 빔의 적어도 하나의 펄스의 파장은, 해당 영역을 둘러싸고 있는 비목표 소재 내로 흡수될 수도 있고 흡수되지 않을 수도 있다.
또한 본 발명의 상기 목적들과 다른 목적들을 수행하는 데 있어서, 인접한 비목표 소재의 바람직하지 못한 변화는 피하면서, 공작물의 일영역 내에서 표적이 된 표면재를 가공하기 위한 시스템이 제공된다. 그 시스템은, 파장과 펄스 폭을 가지는 적어도 하나의 펄스를 포함한 펄스 레이저 출력을 생성하기 위한 주(primary) 레이저 광원을 포함하는, 주 레이저 하부 시스템을 포함한다. 상기 시스템은 또한 목표가 된 표면재를 텍스쳐링 하기 위하여, 적어도 하나의 펄스를 포함하는 펄스 레이저 출력을 공작물의 목표 표면재에 조사하기 위한 전달 하부 시스템을 포함한다. 펄스 레이저 출력의 총 조사량은 목표가 된 표면재의 적어도 일구획 내에서 절삭을 일으키기에 충분하다. 펄스 폭은 해당 영역과 상기 소재를 둘러싼 비목표 소재가 슬래그로부터 상당히 자유로울 수 있을 정도로 충분히 짧다.
주 레이저 광원은 초고속 레이저(ultrafast laser)를 포함할 수 있다.
초고속 레이저는 피코초 레이저 또는 펨토초 레이저일 수 있다.
전달 하부 시스템은 텍스쳐링할 목표 면의 일지점을 나타내는 데이터를 수신하여 적어도 하나의 위치 제어 신호를 산출하는 제어기를 포함할 수 있다.
전달 하부 시스템은 적어도 하나의 위치 제어 신호에 반응하여 목표 표면재를 텍스쳐링 할 수 있도록, 레이저 출력의 방향을 목표 표면재의 해당 위치로 향하게 하는 위치선정 하부 시스템을 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 텍스쳐링 된 표면재에 조사되는 보조 레이저 출력을 생성하기 위한 보조 레이저 광원을 포함하는 보조 레이저 하부 시스템을 포함할 수 있다.
보조 레이저 출력은 텍스쳐링 된 표면재의 해당 영역을 적어도 삭제, 미세기계가공, 용접 또는 가동(actuate)시킬 수 있다.
보조 레이저 광원은 펄스형, 변조형 또는 연속파(CW) 광원 중에서 하나를 포함할 수 있다.
보조 레이저 출력의 조사는, 해당 영역을 가열하기 위해 목표 표면재의 조사량 붕괴 문턱(fluence breakdown threshold) 하부에 위치할 수 있다.
보조 레이저 출력의 조사는, 목표 표면재의 적어도 하나의 속성 변화에 영향을 주기 위해 목표 표면재의 조사량 붕괴 문턱의 상부에 위치할 수 있다.
보조 레이저 출력은 공작물의 흡수 한계에 근접하거나 또는 초과하는 파장을 지닌 적어도 하나의 펄스를 포함할 수 있다.
주 레이저 광원은 보조 레이저 광원을 포함하거나 또는 보조 레이저 광원으로부터 분리될 수 있다.
전달 하부 시스템은 레이저 출력의 편광성을 제어하기 위한 편광 제어기를 포함할 수 있다.
주 레이저 광원은 다이오드 여기 고체 UV 레이저(DPSS, diod-pumped solid state UV laser)를 포함할 수 있으며, 펄스 폭은 약 20 ns 미만일 수 있다.
펄스 폭은 1 ns 미만일 수 있다.
위치선정 하부 시스템은 공작물을 레이저 출력에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 적어도 하나의 병진 스테이지(translation stage)를 포함할 수 있다.
위치선정 하부 시스템은 미세한(fine) 그리고 조대한(coarse) 위치선정기를 포함할 수 있다.
위치선정 하부 시스템은 공작물을 레이저 출력에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 병진 및 회전 스테이지를 포함할 수 있다.
위치선정 하부 시스템은 레이저 출력을 공작물에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 광 스캐너를 포함할 수 있다.
위치선정 하부 시스템은 레이저 출력을 공작물에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 둘 또는 그 이상의 스테이지와 스캐너들을 포함할 수 있다.
레이저 출력은 빔 웨이스트(beam waist)를 가지는 레이저 빔일 수 있다. 위치선정 하부 시스템은 빔 웨이스트를 공작물에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 적어도 하나의 구성 요소를 포함할 수 있다.
전달 하부 시스템은 집속(focusing) 하부 시스템을 포함할 수 있다.
집속 하부 시스템은 굴절식 광학 하부 시스템일 수 있다.
시스템은 텍스쳐링 된 표면재를 검사하기 위한 검열 하부 시스템을 더 포함할 수 있다.
검열 하부 시스템은 기계 시각(machine vision) 하부 시스템을 포함할 수 있다.
주 레이저 광원은 모드잠김된(mode-locked) 발진기와 다이오드 여기 고체 레이저 증폭기를 포함할 수 있다.
광 스캐너는 2차원의 검류계 기반 스캐너일 수 있다.
공작물로부터 상품을 생산하는 적어도 한 단계를 거치는 동안 적어도 하나의 위치 제어 신호가 산출될 수 있다.
주 레이저 하부 시스템은 시드 레이저(seed laser)와 광섬유 증폭기를 포함할 수 있다.
주 레이저 하부 시스템은 2배 주파수 다이오드 여기 고체 레이저를 더 포함할 수 있다.
주 레이저 하부 시스템은 또한 모드잠김된 발진기, 다이오드 여기 고체 레이저 증폭기, 그리고 파장 변환기를 더 포함할 수 있다.
주 레이저 하부 시스템은 또한 주파수 2배기(frequency doubler), 3배기 그리고 4배기 중의 하나를 더 포함할 수 있다.
레이저 출력은 10 KHz보다 큰 반복률을 가질 수 있다.
레이저 출력은 .01W - 2W 범위의 평균 레이저 출력을 가질 수 있다.
텍스쳐링 된 표면재는 표시를 포함할 수 있다. 시스템은 표시를 판독하기 위한 조망(viewing) 하부 시스템을 더 포함할 수 있다. 조망 하부 시스템은 조명원(illuminator)과 전자 영상 하부 시스템을 포함할 수 있다.
조명원은 명시야, 암시야, 그리고 명시야와 암시야로 이루어진 조합 중에서 하나일 수 있다.
또한 본 발명의 상기 목적들과 다른 목적들을 수행하기 위한 제조 물품이 더 제공된다. 적어도 하나의 표면재는 상품 제조의 적어도 한 단계를 거치는 동안 표면 상에 형성된 식별 가능한 표시를 가진다. 표시는, 공작물의 일영역 내에 있는 목표 표면재에 펄스 레이저 출력을 선택적으로 조사하는 방법에 의해 형성된다. 표시는 적어도 반영구적이며, 상품을 제조하는 후속 단계를 거치는 동안 이용될 수 있다. 상기 영역과 그 영역을 둘러싼 비목표 소재는 슬래그로부터 상당히 자유롭다. 적어도 하나의 제조 단계를 거치는 동안 상기 영역의 적어도 일구획 내에서 표면의 거칠기가 증가되며, 따라서 표시를 판독하는데 이용되는 에너지 반사를 감소시킨다.
폭넓은 범위의 시야각에 대해서, 상기 영역과 그 영역의 배경 간의 높은 반사율 대비를 획득할 수 있다.
상기 영역의 배경의 표면은 강력한 정반사 요소를 가질 수 있다.
식별 가능한 표시와 상기 영역의 배경 간의 반사율 대비는, 적어도 20도의 시야각 범위에 있어서 30:1을 초과할 수 있다.
표시는 .3 mm 또는 그보다 미세한 폰트 사이즈를 가지는 영숫자(alphanumeric) 표시를 포함할 수 있다.
표시는 2차원 매트릭스 코드를 포함할 수 있다.
표시는 식별 외에 하나 또는 그 이상의 상품 제조 단계를 위해 이용될 수 있다.
표시는 적어도 하나의 주사형 전자현미경(SEM) 데이터, 그리고 원자현미경(AFM) 데이터에 의해 획득된 거칠기 측정 치수와 더불어 상기 영역의 배경으로부터 구분될 수 있다.
표시의 일구획의 거칠기를 상기 영역의 배경과 비교하기 위해 DIN 4768 거칠기 측정 표준이 사용될 수 있다.
표시는 이미지 대비를 측정함으로써 상기 영역의 배경으로부터 구분될 수 있다.
표시는 기계 판독이 가능할 수 있으며, 도트 매트릭스 코드를 형성하는 비중복된 도트들의 열로서 나타날 수 있다.
표시는 이력추적관리, 요소 식별, 그리고 분류 작업 중의 적어도 하나에서 사용될 수 있다.
본 발명의 상기 목적들과 다른 목적들, 특징들, 그리고 이점들은, 본 발명을 수행하기 위한 최상의 모드에 대한 다음의 상세한 설명을 첨부된 도면들과 연결시켜 이해할 때 즉시 명확해진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 부합하는 레이저 가공 시스템으로서, 예를 들면 반도체 웨이퍼의 일구획 상에 표시를 형성하기 위해 공작물 상에 마이크로텍스쳐링 된 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 시스템의 일부 요소들을 보여주는 도식적인 블록 다이어그램;
도 2는 본 발명의 일실시예에 부합하는 레이저 가공 시스템으로서, 도 1a의 시스템으로 형성될 수 있는 마이크로텍스쳐링 된 패턴이 예를 들면 표시를 지우기 위해서 보조 빔에 의해 추가 가공되는 것을 특징으로 하는 시스템의 몇몇 요소들을 보여주는 도식적인 블록 다이어그램;
도 3과 도 4는 본 발명의 다양한 실시예들과 더불어 가공될 수 있는 공작물의 일례인 반도체 웨이퍼의 첫번째 그리고 두번째 측면의 몇몇 세부들;
도 5는 펨토초 레이저 시스템으로 형성될 수 있는, 대표적인 마이크로텍스쳐링 된 영역을 보여주는 개략도;
도 6과 도 7은 본 발명에 따라 형성된 표시와 기존 기술의 표시를 비교하고 도트 매트릭스 패턴의 향상된 밀도를 보여주는 개략도;
도 8과 도 9는 본 발명에 따라 형성된 표시와 선행 기술의 표시를 비교하고 막대형 패턴의 향상된 밀도를 보여주는 개략도;
도 10과 도 11은 예시의 목적으로서, 반사면 상에, 예를 들면, 순수 실리콘(bare silicon) 상에 형성된 선행 기술의 레이저 표시, 그리고 그것에 부합하는, 슬래그, 녹아버린 구역들, 부스러기, 미세 균열 등 깊은("확실한") 표시와 관련된 대표적 결함들을 간직한 표면 형상을 보여주는 개략도;
도 12와 도 13은 예시의 목적으로서, 본 발명의 시스템을 이용해 도 10의 반사면 상에 형성된 표시, 그리고 도 10과 도 11을 비교하기 위한 대표적 형상을 보여주는 개략도;
도 14와 도 15는 반도체 웨이퍼 가공 시스템의 일부 요소들을 보여주는 도식 적 블록 다이어그램;
도 16과 도 17은, 도 14와 도 15에 따른 반도체 웨이퍼 가공 시스템의 하부 시스템들을 보다 상세하게 제시한 도면.
도 18과 도 19는 본 발명의 다양한 실시예들을 수행하기 위해 도 1 또는 도 2에 포함될 수 있는 레이저 빔 위치선정 시스템의 일부 요소들을 보여주는 도면;
도 20은 반도체 웨이퍼 가공 시스템의 일부 요소들, 구체적으로는, 도 2의 보조 가공과 관련된 요소들을 보여주는, 도 16과 유사한 도식적 블록 다이어그램;
도 21과 도 22는 본 발명에 따라 형성된 표시들과 추가로 비교하기 위해, 전통적인 그리고 보다 최근의 레이저 표시 시스템들로 생산된 다양한 레이저 표시들의 구조를 보여주는 도면;
도 23은, 예를 들면 도 2에 따라, 보조 가공 빔을 사용해 표시를 지우는 등 소재를 제거하는 모습을 나타낸 도면;
도 24는, 예를 들면 도 2에 따라, 보조 가공 빔을 사용해 마이크로텍스쳐링 된 패턴을 변조하는 등 소재를 제거하는 모습을 나타낸 도면; 그리고
도 24-37d는 연삭된, 연마된, 매끄러운, 또는 거친 표면을 가진 실리콘 웨이퍼들에 대해 본 발명에 따라 표시 작업을 수행한 다양한 실례들과 결과들을 보여주는 도면들이다.
본 발명의 다양한 실시예들에 대한 아래의 설명을 위하여, 다음과 같은 비제한적 지침들이 사용된다.
"초고속 레이저" 또는 "초단파 레이저"는 일반적으로 하나 또는 그 이상의 펄스를 제공하는 펄스 레이저를 가리키며, 이때 각 펄스는 1 ns 미만, 예를 들면 100 ps 또는 미만, 또는 전형적으로 10 ps 미만의 펄스 지속 시간을 가진다;
"마이크로텍스쳐"는 일반적으로 크기에서 있어서 마이크로 크기의 표면 편차를 가지는 것으로 언급되나, 또한 더 미세한 크기, 예를 들어 0.5마이크론 혹은 0.1 마이크론의 크기도 포함한다.
나노텍스쳐는 일반적으로 크기에 있어서, 표면의 편차가 1 마이크론 미만인 것을 의미한다.
개요
현행 레이저 표시 시스템들의 한계를 극복하기 위해서 새로운 레이저 표시 기술이 개발되어 왔다. 새로운 레이저 기술을 사용하면 소재를 거의 제거하지 않거나 전혀 제거하지 않은 상태로 웨이퍼의 뒷면에 영구적인 고대비의 얕은 표시(1 마이크론 미만)를 생성할 수 있다. 표시의 시야가 시야각으로부터 매우 독립적이라는 점은 두드러진 진보이다. 소위 말하는 마이크로 표시 기술은 0.3 mm보다 훨씬 작은 폰트 사이즈를 가능하게 한다.
아래의 항목들에서 명확하게 제시될 다양한 실시예들은 또한 표시의 제거, 미세 접합, 레이저 용접, 그리고 미세 구동에 활용될 수 있다.
본 발명의 적어도 일실시예는 미세한 레이저 표시 패턴들의 미세기계가공에 활용될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들은 초소형 소자 기재들의 레이저 용 접 및 레이저 구동을 포함한, 실리콘 제품을 위한 레이저 미세 조립 기술들에 활용될 수 있다.
레이저 표시 / 텍스쳐링 방법
본 발명의 일양상은, 소재 상에 고밀도의 식별 가능한 표시를 형성하기 위해, 마이크로 전자공학 소자의 소재를 펄스 레이저로 표시하는 방법을 특징으로 한다. 그 방법은, 펄스 지속시간이 1 ns 미만인 적어도 하나의 펄스와 소재의 일구획의 절삭을 일으키기에 충분한 총 조사량을 가지는 펄스 레이저 출력의 생성을 포함하며, 이때 상기 조사량은 레이저 출력이 조사되는 공간적 지점의 면적에 대해 측정될 수 있다. 상기 방법은 소재 상에 형성할 표시의 적어도 일구획의 첫번째 위치를 규정하는 적어도 하나의 제어 신호에 반응하여, 첫번째 위치에서 레이저 출력이 소재의 국지화 된 영역에 충돌하도록 방향을 조정하는 것을 더 포함하며, 이때 상기 국지화 된 영역은 상기 공간적 지점의 면적 내에 위치한다. 레이저 출력은 소재의 적어도 일구획에서 절삭을 일으키며 상기 영역의 적어도 상기 구획 내에서 표면의 거칠기를 상당히 증가시킨다. 상기 영역 및 그 영역을 직접 둘러싼 배경 소재는 둘 다 슬래그(slag)로부터 상당히 자유롭다.
배경 표면은 강력한 정반사(specular reflection) 요소를 가질 수 있다.
표시의 산란 반사율은 .5%에서 5%의 범위일 수 있다.
총 조사량은 약 .1 J/cm2을 초과할 수 있다.
레이저 출력은 소재의 흡수 한계보다 작은 파장을 가질 수 있다.
레이저 파장은 자외선일 수 있다.
펄스 지속시간은 약 15 fs에서 500 ps의 범위일 수 있다.
펄스 지속시간은 약 100 fs에서 50 ps의 범위일 수 있다.
펄스 지속시간은 약 300 fs에서 15 ps의 범위일 수 있다.
소재는 실리콘일 수 있다.
소재는 금속 또는 유전체일 수 있다.
소재는 유전체 보호층의 일구획일 수 있으며, 유전체는 무기, 유기 또는 저유전상수(Low-k) 유전체일 수 있다.
소재는 MEM 소자의 일부일 수 있다.
표시의 일구획은 약 .25 마이크론에서 약 1 마이크론 범위에서 표면 높이 변동을 가질 수 있다.
표시의 최소 배선폭은 수 마이크론에서 수십 마이크론 범위일 수 있다.
표시의 최소 배선폭은 몇 개의 광 파장들일 수 있다.
레이저 표시 / 텍스쳐링 시스템
본 발명의 다른 양상은 레이저 표시 시스템을 특징으로 한다. 레이저 표시 시스템은, 약 1 ns 미만의 펄스 지속시간을 가지는 적어도 하나의 펄스를 가지며 또한 출력의 공간적 영역에 대해 표시할 소재의 일구획의 절삭을 일으키기에 충분한 정도의 총 조사량을 가지는 펄스 레이저 출력을 발생시키기 위한 수단; 마이크로 전자공학 소자의 소재 상에 형성될 표시의 경계를 한정하는 데이터를 수신하며, 소재를 표시하여 표시를 형성하기 위해 레이저 출력의 방향을 조정하기 위한 적어 도 하나의 위치 제어 신호를 생성하는 제어기; 그리고 소재 표면에 식별 가능한 고대비, 고밀도의 표시를 형성하기 위해 레이저 출력을 표시할 소재의 표면 위치로 지향시키는 수단을 포함한다.
방향 조정 수단은 광 스캐너를 포함할 수 있다.
방향 조정 수단은, 레이저 빔에 대한 소재의 상대적인 위치를 3차원적으로 선정하기 위한 위치선정 하부 시스템을 포함할 수 있다.
위치선정 하부 시스템은 셋 또는 그 이상의 자유도(degree of freedom)를 가진다.
광 스캐너는 2차원의 검류계 기반 스캐너일 수 있다.
방향 조정 수단은 X-Y 스테이지 그리고 제어기와 쌍을 이룬 변류기를 포함할 수 있다.
위치 제어 신호는 물품 제조의 적어도 한 단계를 거치는 동안 산출될 수 있다.
(레이저) 발생 수단은 시드 레이저와 광섬유 증폭기를 포함할 수 있다.
발생 수단은 주파수 2배 증폭, 다이오드 여기, 고체 레이저를 포함할 수 있다.
발생 수단은 모드잠김된 발진기, 다이오드 여기 고체 레이저 증폭기, 그리고 파장 변환기를 더 포함할 수 있다.
발생 수단은 주파수 2배기(frequency doubler), 3배기 또는 4배기를 포함할 수 있다.
레이저 출력은 10 KHz보다 큰 반복률을 가질 수 있다.
평균 레이저 출력은 .01W - 2W의 범위일 수 있다.
시스템은 조명원(illuminator)과 전자 영상 시스템을 포함하는, 표시를 판독하기 위한 조망(viewing) 시스템을 더 포함할 수 있다.
조명원은 명시야일 수 있다.
조명원은 암시야일 수 있다.
조명원은 명시야와 암시야의 조합일 수 있다.
제조 물품
본 발명의 일양상은 전자적 물품을 특징으로 한다. 물품은, 물품을 제조하는 적어도 한 단계를 거치는 동안 소재 상에 형성된 식별 가능한 표시를 가지는 적어도 하나의 소재를 포함한다. 표시는 적어도 하나의 국지화 된 소재 영역에 펄스 레이저 출력을 선택적으로 조사하는 방법에 의해 형성된다. 표시는 적어도 반영구적이며, 물품 제조의 후속 단계를 거치는 과정에서 이용될 수 있다. 표시된 영역과 그 영역을 직접적으로 둘러싼 배경 소재는 둘 다 슬래그로부터 상당히 자유롭다. 표면 거칠기는 소재 영역의 적어도 일구획 내에서 증가되며, 따라서 표시 판독에 이용되는 에너지의 반사를 감소시킨다.
바람직하게는, 적어도 하나의 국지화 된 소재 영역에 펄스 레이저 출력을 선택적으로 조사하는 방법은 상기 "레이저 표시/텍스쳐링 방법"이란 제목의 항목에 해당한다.
폭넓은 범위의 시야각들에 대해서, 상기 영역과 배경 간의 높은 반사율 대비 를 획득할 수 있다.
배경 표면은 강력한 정반사 요소를 가질 수 있다.
식별 가능한 표시와 배경 간의 반사율 대비는, 적어도 20도의 시야각 범위에 있어서 30:1을 초과할 수 있다.
표시는 .3 mm 또는 그보다 미세한 폰트 크기를 가지는 영숫자 표시를 포함할 수 있다.
표시는 2차원 매트릭스 코드를 포함할 수 있다.
표시는 식별 외에 하나 또는 그 이상의 제조 단계를 위해 이용될 수 있다.
표시는 적어도 하나의 주사형 전자현미경(SEM) 데이터, 그리고 원자현미경(AFM) 데이터에 의해 획득된 거칠기 측정 치수와 더불어 배경으로부터 구분될 수 있다.
표시의 일구획의 거칠기를 배경과 비교하기 위해 DIN 4768 거칠기 측정 표준이 사용될 수 있다.
표시는 이미지 대비를 측정함으로써 배경으로부터 구분될 수 있다.
표시는 기계로 판독될 수 있다.
표시는 도트 매트릭스 코드를 형성하는 비중복 도트들의 열로서 나타날 수 있다.
표시는 이력추적관리, 부품 식별, 그리고 분류 작업 중의 적어도 하나에서 사용될 수 있다.
레이저 가공
본 발명의 실시예들은, 특수한 사용 필수 조건들에 기반하여, 연삭된, 연마된, 또는 매끄러운 소재의 표면들 상에 표시를 형성하는데 사용될 수 있다. 표면은 코팅이 되어 있을 수 있다. 실례로서, 상기 표면은 반도체 웨이퍼의 어느 한쪽 측면이거나, 또는 마이크로 전자공학 소자의 생산 단계에서 사용되는 다른 소재일 수 있다.
도 1을 참조하면, 전체적으로 100으로 표시된 레이저 가공 시스템의 초고속 레이저 광원(102)은 하나 또는 그 이상의 펄스를 유도하는 레이저 출력(104)을 생성한다. 레이저 출력(104)은 출력을 집속하고 빔을 가공실(110) 내로 전달하는 전달 렌즈들(106)을 통해서 전달되며, 가공실(110)은 가스 상태의 환경에서 레이저 가공이 수행될 때 사용된다. 가공실(110)은, 마이크로텍스쳐링 된 실리콘을 생산하는 레이저 소재 반응 분야에서 알려진 바와 같이, 압력, 부분 진공, 또는 온도가 조성된 기체 상태의 가공 환경을 포함할 수 있다. 주변 환경, 일반 대기 조건에서 가공하는 경우에는 가공실이 요구되지 않는다. 집속된 빔(108)은 목표 소재 상에 입사된 어떤 작업 지점(112)을 생성하고 표시 된 소재(116)를 생산하는데(not to scale), 이때 상기 작업 지점은 실리콘 반도체 웨이퍼(114)의 일구획일 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하면, 웨이퍼(114)은 (패턴이 성형되지 않은) 일반적인 뒷면(117)을 가질 수 있는데, 그 뒷면은 코팅이 되거나, 연마되거나 또는 거친 상태일 수 있다. 기준점들(118)은 정렬에 사용될 수 있다. 도 3에 제시된 위쪽 면은 많은 수의 칩(119)과 그에 수반되는 조밀한 회로 패턴들을 가질 수 있다.
추가 가공을 위해서 선택적인 보조 레이저 가공 시스템이 사용될 수 있다. 도 2를 참조 하면, 보조 레이저 광원(120)은 표시의 영역을 삭제, 미세기계가공, 용접, 또는 구동시키기 위한 보조 빔(122)을 생성한다. 표시가 생성된 영역 내에서의 높은 흡수 작용은 상기 추가 가공을 지원할 수 있다. 예를 들면, 보조 가공 빔으로 소재를 가열한 후, 소재 및 배경의 서로 다른 열팽창 결과로서 구동(actuation)이 발생할 수 있다. 빔(122)은 빔을 집속하는 보조 전달 렌즈들(124)을 통해 전달될 수 있다. 보조 레이저 광원(120)은 용도에 따라 펄스형, 변조형, 또는 연속파(CW) 광원일 수 있다. 집속된 빔(126)은 웨이퍼 상에 입사된 보조적 작업 지점(130)을 생성하고 표시된 소재(116)를 주사한다. 조사는, 구동을 위한 영역을 가열하기 위해 목표 소재의 절삭 문턱 하부에 위치하거나 또는 소재의 성질 변화에 영향을 주기 위해 문턱의 상부에 위치할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 빔 경로(104, 122)를 가진 상기 두 레이저 시스템(100, 129)은 별개의 시스템들 속에 내장되거나, 또는 광학적 시스템들이 잘 알려진 다양한 방법들에 의해 단일 레이저 시스템 내에 조합될 수 있다. 각각의 빔 경로에 대해 하나씩, 두 개의 광학축이 존재하거나, 또는 빔 경로들이 결합되어 동일한 축을 가진 빔 경로를 생성할 수 있다. 단일한 레이저 헤드가 레이저 광원(102와 120)의 빔들을 생성하거나, 또는 두 개의 레이저 광원이 존재할 수 있다. 실례를 들면, 보조 레이저(120)가 실리콘의 흡수 한계를 초월하거나 그에 가까운 파장을 가지는 것이 선호된다. 단일한 시스템으로의 통합을 선택하는 경우에는, 특수한 설계적 고려 사항들, 예를 들면, 공작물의 치수, 레이저 파장 및 출력, 광학적 설계 사항들, 부품 비용, 이용 가능한 공장 건평, X-Y 위치선정 요구 조건 등을 기반 으로 해야 한다.
텍스쳐링 시스템(100)과 보조 가공 시스템(129)에 각각 수반되는 전달 시스템들(106과 124)은 흔히, 도면에서 각각 선(107과 127)으로 표시한 것과 같이, 컴퓨터 제어로 작동되는 일부 요소들을 포함한다. 예를 들면, 집속(focusing), 점 크기 조절, 편광성 제어, 그리고 에너지 제어 기능들이 제어될 수 있다. 위치선정을 위해 전기 광학 소자, 변조기, 그리고 광기계 소자들의 적합한 조합들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 전달 시스템(106 또는 124) 중 하나는 표시의 특징을 강화 또는 제어하기 위한 편광 제어기를 포함할 수 있다.
초고속 레이저(102)는 하나 또는 그 이상의 펨토초 펄스를 생성할 수 있다. 그러나, 피코초 레이저는 펨토초 레이저의 많은 이점들을 제공하면서 비용과 복잡성을 감소시킬 수 있다. 초고속 레이저 장치에서 레이저와 소재 사이의 상호작용을 제어하는 기능은, 특수한 사용 조건들에 부합하도록 폭넓은 범위에 걸쳐서 표시의 명암 대비(contrast)를 제어하는데 사용될 수 있다. 또 다른 의미있는 점은 종래의 표시 레이저들과 관련된 부스러기, 슬래그, 균열 그리고 다른 바람직하지 못한 효과들이 감소되거나 제거된다는 것이다.
레이저로 패턴이 새겨지고, 마이크로텍스쳐링 된 소재의 개별 구역들은 실리콘, 특히 실리콘 웨이퍼, 그리고 티타늄 또는 강철 같은 소재 상에 고대비 표시를 생성하는데 사용될 수 있다. 실례로서, 도 5는 전형적인 스파이크(spike)로 표현된 표면 높이(136)를 가진, "뾰족하게(spiky)" 텍스쳐링 된 영역(135)의 예를 제시한다. 거칠기에 있어서 그와 같이 거의 간헐적이며 날카로운 변동은 펨토초 레이저 펄스와 함께 생산될 수 있다. 스파이크들은 1 마이크론의 몇 분의 일에서부터 수십 마이크론 범위의 높이를 가질 수 있다. 표면 형상은, 펄스 지속시간(예를 들면 폭), 최고 에너지, 점의 치수, 그리고 점의 조사 형상을 포함한 레이저 변수들에 상당히 의존적일 수 있다. 연구자들은 그러한 스파이크 형성에는 레이저 절삭과 레이저로 유도된 화학적 에칭이 모두 포함되는 것으로 간주한다.
본 발명의 실시예들은, 상기 단락에서 예로서 제시한 것보다 낮은 진폭(예를 들면, 1 마이크론 미만)의 표면 높이 변동을 갖지만 슬래그로부터 자유로운 고대비의 표시를 생성하기에 충분한 변동을 가지는, 마이크로텍스쳐링 된 영역들을 생성하는데 이용될 수 있다. 명암 대비 효과의 강화와 부스러기의 부재는 또한 기존의 표시 방법들과 비교할 때 표시의 밀도를 향상시킨다. 도 10과 도 11은, 실례로서, 가공하지 않은 일반 실리콘 등의 반사면 상에 형성된 선행 기술의 레이저 표시와, 그에 수반되는, 깊고 "확실한(hard)" 표시와 관련된 부스러기 및 균열을 나타내는 표면 형상을 보여주는 개략도이다. 도 12와 도 13은, 실례로서, 본 발명의 시스템을 사용하여 도 10의 반사면 상에 형성된 표시를 보여주는 개략도이다. 펄스 레이저는 기판 표면에 위치한 점의 일구획 내에서 절삭을 일으키기에 충분한 정도의 총 에너지 밀도(하나 또는 그 이상의 펄스들에서)를 갖는 펄스 출력을 산출하는 피코초 레이저일 수 있다. 표면 높이의 변동은 수십에서 수백 나노미터일 수 있으며, 이때 표시된 영역은 일반적으로 상당한 거칠기를 나타내며, 적어도 강력한 반사 요소들을 제거한다.
도 6과 도 7은 각각 본 발명에 따라 형성된 표시들과 선행 기술의 표시들을 비교한 개략도로서, 도트 매트릭스 패턴의 밀도 향상을 보여준다. 도 8과 도 9는 각각 본 발명에 따라 형성된 표시들과 선행 기술의 표시들을 비교한 개략도로서, 막대 패턴의 밀도 향상을 보여준다.
도 21과 도 22는 본 발명에 따라 생산하여 표시된 기판과의 보다 심층적인 비교를 위해, 전통적인 그리고 보다 최근의 레이저 표시 시스템들을 통해 생산된 다양한 레이저 표시들의 구조를 제시한다. 도 21과 도 22는 각각, 532 nm에서 약 15 ns의 펄스 폭을 가진 NdYVO4 레이저를 사용해 본 발명의 수탁자(assignee)에 의해 형성된 표시(250)의 측면과 상단의 개략도이다. 그 레이저 시스템은 기판의 균열 없이 약 1.5 - 4 마이크론의 깊이를 가진 얕은 표시들을 생성했다. 도 22는 표시(250)를 위에서 내려다 본 모습으로서, 표시(250)에 인접해 있는 배출된 소재(252)의 존재를 보여준다. 이 최근의 실례는, "High Speed, Laser-Based Marking Method And System For Producing Machine Readable Marks On Workpieces And Semiconductor Divices With Reduced Subsurface Damage Produced Thereby(공작물 상에 기계로 판독 가능한 표시를 생성하기 위한 레이저 기반의 고속 표시 방법 및 시스템 그리고 그에 따라 생산된, 표면 손상 정도가 감소된 반도체 소자들)"라는 명칭으로 공표되었으며, 2004년 4월 1일 공표된 본 발명의 수탁자에게 그 권한이 양도된, US Patent Application Number 2003/0060910에서 제시한 결과들에 부합한다. 도 21은 깊이가 약 10 마이크론인 상대적으로 깊은 종래의 "확실한" 표시(254)의 측면 개략도로서, 이때 상대적으로 깊은 레이저 침투(256)과 더불어 실리콘의 균열이 관찰된다.
어떤 적용 사례들에서, 먼저 형성된 레이저 표시를 제거하거나 지우는 것이 또한 관심의 대상이 될 수 있다. 흡수도가 높은 마이크로텍스쳐링된 영역들을 형성하면 상기와 같은 기능을 제공할 수 있는데, 왜냐하면 적합한 레이저 변수들에 맞추어 설정된 보조 레이저 시스템을 사용하여, 제어 하에 그 영역을 변형시킬 수 있기 때문이다.
근적외선 조명에서 볼 수 있는 밝은 장(bright field)과 더불어, 본 발명에 따라 형성되어 텍스쳐링된(표시된) 구역들은 반사적인 웨이퍼의 배경 표면(115)과 비교해서 높은 명암 대비를 제공한다. 예를 들면, 웨이퍼의 표면(115)은 육안으로 보이는 파장과 비교해 부드러울 수 있으며, 그에 따라 무시해도 좋은 정도의 산란 반사율을 갖은 강력한 정반사 요소를 만들어 낸다. 텍스쳐링 된 영역은 불투명할 수 있으며, 바람직하게는 영상 시스템들을 보정하는데 사용되는 "그레이 스케일 차트(grey scale charts)"에서 가장 어두운 음영에 해당하는 산란 반사율을 가질 것이다.
실례로서, 산란 반사율은 회색 음영의 약 6에 해당하는, 약 .5%에서 5%의 범위일 수 있다. 명암 대비는 영숫자열, 바코드, 매트릭스 코드 등의 표시들을 기계로 판독할 수 있게 하여 검출 기능을 향상시킨다. 그런 표시는, 도 1과 도 2에서 각각 제시한 표시 레이저 시스템(100)과 보조 레이저 가공 시스템(129)을 모두 포함한, 도 14에서 실례로서 제시한, 완결된 레이저 가공 시스템의 일구성 요소일 수 있는 표시 검열 시스템(201)에 의해 검열될 수 있다. 시스템(129)은 표시를 지우는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 시스템은 보조적 가공 공정이 없이 레이저 표시과 선택적인 표시 검열 시스템(201)만을 포함할 수 있다. 초고속(또는 자외선) 광원을 사용하면 깊이에 대한 제어도가 매우 높은 얕은 깊이의 표시들을 생성할 수 있으며, 그러한 점은 예를 들면 현재 상업적으로 이용 가능한 시스템들 보다 실질적으로 더 세밀한 치수의 표시로, 매우 얇은 웨이퍼들을 표시하거나 코딩하는데 유리할 것이다.
"표시 사례들"이라고 명명된 다음 단락과 참조 도면들은, 거친, 연삭된, 또는 매끄러운 표면을 가진 실리콘 기판들 상에 레이저 표시를 생성하기 위해 피코초 레이저들을 사용한 경우의 대표적인 결과들을 보여준다. 표시의 가독성은 종래의 레이저 표시들에 비해 향상된다. 표시들은 상당히 불투명하며, 조명과 시야각들의 어떤 작용, 예를 들면, 광원과 수신기 사이의 상대적인 각이 30도 이상으로 변화할 때, 배경과의 명암 대비는 높은 상태로 유지된다. 그러한 불변성은 기계 시각 알고리즘의 신뢰도를 증가시킨다.
레이저 표시 시스템들
본 발명의 다양한 실시예들은 웨이퍼 상의 고대비 표시들 그리고 실리콘으로 만들어진 다른 마이크로 전자공학 제품 또는 소자들 상의 표시들을 제공한다. MEMS와 M0EMS 소자들에 대해서, 그리고 Ti 및 강철과 같은 소재 상에 표시 또는 다른 패턴들을 제공하기 위한 추가적인 활용이 기대된다.
표시은 우선적으로 식별에 사용될 수 있으며, 또는 분리된 장소에서 기능적 목적 또는 후속 가공을 위해 소재의 광학적 성질들을 변화시키는데 이용될 수 있다.
완결된 표시 시스템에서, 가공할 웨이퍼들은, 도 14와 도 15에서 개략적으로 제시한 것과 같이, 로봇을 이용한 웨이퍼 취급 시스템(205)에 의해 웨이퍼 운반기로부터 제거될 수 있다. 웨이퍼의 진행 방향은, 사전 정렬기(206)의 작동과 다른 모든 필요한 단계들, 예를 들면, 판독기(207)로 웨이퍼의 유형을 식별하는 단계를 포함하는 광학적 배열에 의해 결정된다.
레이저(102)는 가공 빔을 생성한다. 도 16을 참조하면, 빔 위치선정 시스템(106)은 실리콘 기판일 수 있는 가공물 상에 초고속 가공 빔을 전달하고 집속한다. 주변 환경, 일반 대기 조건에서 가공물의 소재와 집속된 가공 빔의 상호작용은 가공물의 표면에 마이크로텍스쳐를 생성한다.
초단파 펄스 레이저(102)에 의해 생성된 레이저 펄스(104)(예를 들면, 도 1)는 광학적 경로(104)를 따라 전달되며, 또한 편향되거나 그렇지 않으면 빔 위치선정기(220)로 위치가 지정된다(도 16). 빔의 위치선정은 일반적으로, 전형적으로 X-Y 스테이지(208)에 장착되는 웨이퍼(114) 상에 출력을 집속하는데 이용되는 스캔 렌즈를 사용해 폭넓은 각에 걸쳐 편향을 제공하는, 두 개의 검류계 스캔 거울을 이용하여 수행될 수 있다. 각 레이저 펄스(또는 펄스열)는 웨이퍼(114) 상의 소재에서 마이크로텍스쳐링 된 점을 형성한다. 제어기에 의해 빔의 위치선정이 확정됨으로써 일련의 레이저 펄스들이 웨이퍼(114) 상에 문자 또는 다른 표시를 형성한다. 표시가 완성되면, 웨이퍼(114)은 가공 구역에서 제거되어 웨이퍼 운반기 내로 재투입된다. 대안적으로, 웨이퍼(114)이 이동되기 전에 시스템(129)을 이용한 보조 가공 단계가 발생할 수 있다.
공작물과 집속된 가공 빔의 제어된 상대적 움직임은, 공작물 상에 식별 가능한 패턴들을 형성하는 마이크로텍스쳐를 선택적으로 생성할 수 있다.
미국 특허 6,341,029와 6,496,292에서 Fillion이 제시한 디더링(dithering)에 의한 형성 등 다양한 점-형성(spot-shaping) 및 정렬 방법들, 그리고 미국 특허 6,639,177 및 다른 특허들에서 Ehrmann이 제시한 양상과 방향 변경 방식은 레이저 마이크로텍스쳐링에 적용할 수 있다. 예를 들면, 탑-햇 방사도 윤곽(top-hat irradiance profile)은 보다 획일적으로 마이크로텍스쳐링 된 표시를 제공하고 절삭 문턱의 변화 지대에서 융해를 감소시킬 수 있다. 탑-햇 윤곽을 사용하면, 펄스 에너지의 증가 없이도 절삭 문턱에 또는 그 상부에 위치한 점의 구역이 증가될 수 있으며, 그에 따라 효율적인 마이크로텍스쳐링이 이루어진다. 융해를 더욱 제한시키고, 절단 가장자리에서 마이크로텍스쳐 기판 변화의 선명도(sharpness)를 증가시키기 위해서, 중앙부가 납작하게 가라 앉고 에너지가 그 주변에 집중된 형태의 점을 사용하는 것이 바람직하다.
둥근 점들은 모든 방향에서 생산 라인의 요소들에 대해 지속적인 노출을 제공한다. 그러나, 정사각형 및 직사각형 점들은, 정렬된 절단 폭 전체에, 그리고 충전(filling)을 요하는 더 넓은 구역들에 대해 동일한 용량을 전달함으로써 효율성 및 획일성을 더욱 증가시킬 수 있다. 방사도와 점의 중복을 정확하게 제어하기 위해 점의 양상을 제어하는 기능이 사용될 수 있다. 예를 들면, 최대 펄스 에너지가 선택될 수 있으며, 궤도를 따라 이어지는 점의 길이는 절삭 문턱 또는 그 상부에 노출된 구역의 형태를 변형시키기 위해 확장되거나 수축될 수 있다. 그 점은 절단 폭을 증가시키지 않는 상태에서 절삭 문턱 또는 그 상부에 보다 넓은 구역을 노출시키기 위해 확장되거나, 또는 방사도를 증가시키지 않고 상기 절단 폭이 감소하도록 허용할 수 있다. 그 점은, 증가된 수의 레이저 펄스들에 적어도 점의 일구획이 노출되도록 확장될 수 있다. 반대로, 절단 자국을 따른 점의 압축은, 절단 폭을 감소시키지 않고 절삭 문턱 또는 그 상부에 대한 노출을 증가시키는데 이용되거나 또는 방사도를 감소시키지 않고 절단 폭이 증기되도록 허용할 수 있다. 점의 압축은 또한, 증가된 수의 레이저 펄스들에 적어도 점의 일구획이 노출되도록 허용하는데 사용될 수 있다.
레이저는 초고속 레이저일 수 있다. 일반적으로 레이저 변수들은, 표시할 선폭(linewidth), 소재 광학적 특성들, 그리고 다수의 시스템적 고려 사항 및 특성들(예를 들면, 레이저 가공 시스템의 전반적인 광학적 효율성)에 따라 달라질 것이다. 초고속 레이저는 기판의 흡수 한계보다 낮은 파장, 예를 들면 실리콘 가공에 대해 532 nm의 파장을 가질 수 있다. 요구되는 문턱 조사량 및 반복률과 관련된 평균 출력은, 본 발명의 다양한 실시예들을 사용한 실리콘 웨이퍼들의 표시에 대해 대략 .01W - 2W의 범위일 수 있다. 펄스 폭(지속 시간)은 1 ns 미만일 수 있다. 바람직하게는, 레이저 펄스 폭은 약 100 fs에서 약 50 ps의 범위일 것이며, 가장 바람직하게는 300 fs에서 10 ps의 범위가 될 것이다.
어떤 실시예들은 약 20 ns 미만, 그리고 바람직하게는 1 ns 미만의 펄스 폭을 가진 다이오드 여기 고체 UV 레이저를 사용할 수 있다. 희망하는 마이크로텍스쳐의 형성은, UV 가공에 있어서 최선의 결과를 도출하기 위해, 도 1에서 제시한 것 과 같은 체임버(110) 내의 가스 환경 또는 가스 주입(gas-assist) 환경을 활용할 수 있다.
도 16-19는 기판의 레이저 표시, 예를 들면 실리콘 웨이퍼(앞면 그리고/또는 뒷면)의 표시를 위해 사용될 수 있는 표본적인 레이저 가공 시스템의 추가적 세부 사항들을 보여준다. 위치선정 하부 시스템은, 공작물을 적어도 두 개의 축을 따라 가공 빔에 대해(108) 상대적으로 움직이기 위한 하나 또는 그 이상의 병진하는 스테이지(208)를 포함할 수 있다. 관련 기판과 빔 위치선정 장치들의 수많은 조합들은, 레이저를 이용한 소재 가공 분야, 예를 들면 반도체 가공, 입체 석판술(stereolithography), 반도체 레이저 수리, 레이저 천공, 또는 반도체 웨이퍼 마름질 분야의 숙련된 기술자들에게 알려져 있다.
도 7과 도 9(각각 도트와 막대)가 제시한 형상들은, 상업적으로 이용 가능한 표시 시스템들에서 전형적으로 수십 마이크론이다. 본 발명의 레이저 표시 시스템은 현저하게 더 작은 크기의 형상들, 예를 들면 5-10 마이크론짜리 도트들을 생성하는데 이용될 수 있다. 도 7 및 도 9의 형상들은 해당 패턴의 형상들 사이를 분리할 수 있는 최소 간격에 의해 특징지어진다. 최소 분리 간격은 펄스 레이저 출력의 파장과 비슷할 수 있으며, 예를 들면 .25 마이크론이 될 수 있다.
실례로서, MEM의 일구획 상의 제한된 구역 내에 표시를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 단지 회절 제한 지점에 있어서 문턱 상부에서 에너지의 일부를 제어함으로써, 1마이크론 미만의 형상들, 예를 들면 .25 마이크론의 형상들, 또는 여백이 제공된다면 .5-2 마이크론의 형상들이 형성될 수 있다. 그런 경우, 위치선정 시 스템은, 패턴 해상도와 일치하거나 그것을 초과하면서 초미세 패터닝을 제공하기 위한, 미세한(fine) 그리고 조대한(coarse) 위치선정기들을 포함할 수 있다. 미세한 단(stage)은 밀리미터 단위로 움직이는 작동 범위를 가질 수 있으며, 위치 선정의 정확성은 1 마이크론보다 훨씬 더 미세한, 예를 들면 .05 마이크론일 수 있다. 시스템은 또한 다른 보조적 미세한 위치선정기들, 이를테면 폐쇄 반복 제어(closed loop control)와 더불어 소각(small-angle)의 정밀한 빔 전향기(예를 들면 음향 광학 전향기)를 포함할 수 있다. 그러한 위치선정 시스템은 레이저 표시, 패터닝, 접합(joining), 또는 다른 용도를 위한 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있다.
도 17을 참조하면, 레이저 시스템(100, 129)을 사용하여 레이저 표시 및 다른 활용 목적을 수행하기 위한 본 발명의 실시예들은 공작물의 첫번째와 두번째 측면을 조사(照射)하는 공정을 포함할 수 있다. 실례로서, 웨이퍼 홀더(chuck)(249)는, 공작물 표면의 반대쪽 측면을 조사하기 위한 레이저 시스템(100, 129)에 대해 적합하도록 상황이 설정된 상태에서, X-Y 스테이지에 장착될 수 있다. 웨이퍼 홀더(249)는 Z축 병진기와 공작물을 기울일 수 있는 역량(x-y 축 둘레를 회전)을 포함할 수 있다. 그러한 정밀 병진 및 회전 스테이지들은 석판인쇄, 레이저 마름질, 그리고 유사한 용도들에 활용되어 왔다.
도 16, 18, 19 그리고 20을 참조하면, 빔 위치선정 시스템(220, 220')의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두는, 공작물에 대해 빔을 상대적으로 이동시키기 위해, 2개의 축을 가지는 검류계 기반의 빔 스캐너(240, 242)를 포함할 수 있다. 빔 위치선정 시스템(220, 220') 중 어느 하나는, 적어도 두 개의 축에서 공작물에 대해 상대 적으로 빔을 이동시키기 위해, 둘 또는 그 이상의 스테이지와 스캐너들의 조합을 포함할 수 있다. 추가적으로, 보조 레이저 시스템 내에서 하나 또는 그 이상의 광학 요소들의 이동(246)을 통해 빔 웨이스트를 공작물에 상대적으로 위치시키기 위한 구성 요소들이 포함될 수 있다. 유사하게는, 예를 들면 모터가 달린 웨이퍼 홀더 조립을 이용하는, z축 병진(246')을 동반한 광학 시스템 요소들의 움직임(246)을 다양하게 조합함으로써, 빔 웨이스트를 적어도 세 개의 축에서 공작물에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 구성 요소들이 포함될 수 있다.
정밀한 검류 스캐닝 헤드(240, 242)는 GSI Lumonics Corporation(본 발명의 수탁자), Cambridge Technologies 그리고 Scan Labs LTD.로부터 구입할 수 있다. 관련 광학 시스템들에 대한 대표적 옵션들은 도 18과 도 19에 제시되어 있으며 다음을 포함한다: (1)프로그램이 가능한 점 크기 조절 장치(222)를 장착한 텔레센트릭(telecentric) 렌즈 또는 f-세타 교정 렌즈(221); 그리고 (2)시야가 넓은 후치 대물(post-objective) 시스템(223)과 모터가 장착된 동적인 초점 조절 장치(224)(도 16에서 제시되지 않음).
초고속 시스템 내의 집속 하부 시스템(106)은 굴절하는 광학 시스템으로써 제시된다. 펨토초 레이저 시스템이 레이저 출력을 생산하는 실시예들에서, 전반사 시스템은 분산 보정의 결과로서 향상된 성능을 제공할 수 있다. 예를 들면, 초단파 펄스는 중심 파장에 대하여 약 8 nm 이상의 파장 확산을 가질 수 있다. Femtooptics, Inc.는 펨토초 광학 부속들들을 공급하는 업체이다.
극단적으로 흡수도가 높은 마이크로텍스쳐들은 주변 대기 환경이 아닌 환경 에서, 가공실 내에서 가공을 수행함으로써 생산될 수 있다. 그런 가공 환경은 미세 구조들의 형성을 돕기 위해서 가스를 포함하거나 또는 진공 상태일 수 있다. 그러나, 가스를 포함한 개방적 환경에서 미세 구조들이 형성되는 것이 선호되며, 가장 선호되는 형태는 공작물을 대기중에 배치하는 것이다.
생성된 미세 구조는 공작물의 표면 밖에서 반사되는 에너지를 감소시킨다. 일반적으로, 생성된 미세 구조는 빛의 파장과 유사하거나 그보다 작은 스파이크 또는 유사 원뿔의 구조들로서, 도 5는 그 구조들의 표면 형상들이 규칙적으로 배열된 예를 제시하고, 도 12와 도 13은 감소된 높이 변동(최고 진폭)과 규칙성을 가지는 마이크로텍스쳐링된 구역으로서의 표면 형상들을 제시한다. 흡수도가 매우 높은 구조들은 가공실에서 생산되어 왔다. 그러나, 흡수도가 적당한 구조들(예를 들면, 도 12와 도 13)은 본 발명의 다양한 실시예들에 있어서 고려되며, 따라서 마이크로텍스쳐링된 영역을 생성하는데 필요한 시스템적 요구사항들을 감소시킨다.
표시에 활용될 경우, 형성된 패턴들은 영숫자(alpha-numeric) 문자들일 수 있다. 형성된 패턴들은 심벌 표시(logotype)일 수 있다. 형성된 패턴들은 기계로 판독 가능한 형태일 수 있다. 패턴들은 또한 눈으로 판독 가능한 형태일 수 있다. .3 mm 보다 미세한 폰트 사이즈는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들을 사용하여 달성할 수 있다.
시스템은 패턴을 식별하기 위한 일체형 표시 검열 시스템(201)(예를 들면 도 14)을 포함하거나, 또는 상기 검열은 생산 공정 내의 별도의 시스템 또는 작업장에 포함될 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 기계 시각 기술, 예를 들면, Cognex, Inc.가 공급하는 패턴 인식 시스템들이 표시 식별에 사용될 수 있다. 전통적인 웨이퍼 표시 기술들과 비교했을 때, 레이저 기반의 마이크로텍스쳐링은 상대적으로, 폭넓은 범위에 걸쳐 카메라 각도 및 조명 각도를 포함한 조명 조건들의 영향을 받지 않는 고대비 표시들을 생성해 왔다. 유사하게는, 몇몇 용도에 있어서, 표시들이 조명 또는 시야각들에 적어도 미약하게 의존하는 상을 생성할 경우, 검열 시야 시스템(201)은, 검류계 시스템 내에 통합된 선택적인 "TTL(through the lens)" 비전 시스템 구성(configuration)과 함께 실행될 수 있는데, 예를 들면, 그 설계는 도 18과 도 19에 일치한다.
기판 소재는 금속, 실리콘 웨이퍼(무가공 또는 다양한 코팅을 동반한)일 수 있다. 다른 소재들의 예에는 무기 또는 유기 유전체들(저유전상수 소재, 금속배선, 내화재 그리고 플라스틱을 포함한)이 포함된다.
표시할 소재들은 다중소재 소자의 일부일 수 있는데, 예를 들면 실리콘 상에 이산화규소 층이 놓인 형태를 포함할 수 있다. 소재는 보호막 등의 무기 또는 유기 유전체일 수 있다. 표시된 구역들은, 다중소재 소자를 표시하는 공정에 사용되기 위해, 예를 들면, 다양한 생산 단계들을 제어 또는 선택하기 위해, 영구적, 반영구적일 수 있으며 또는 지울수 있다. 대표적인 소자들에는 다중소재 반도체 메모리, 다마신(damascene) 구조, 프로세서, 주변 칩 등과, RFID 태그, MCM 같은 것들이 포함된다.
반도체 산업에 공급된 기존 시스템 내로의 효율적인 통합을 허용하는 배치 방법에서, GSI Lumonics WaferMark SigmaClen 등 상업적 소프트-표시 타입의 웨이 퍼 표시 시스템 내에 초단파 펄스 레이저 광원이 장착된다. 다양한 대안적 레이저 시스템들에 대한 세부 사항은 후반부에 포함되어 있다. 웨이퍼 표시 시스템에서 평범하게 생산된 소프트-표시들은 각도와 무관하며 낮은 반사율을 가진 얕은 표시들로 대체된다. 초단파 펄스 레이저 광원의 통합은, 레이저 에너지를 기계의 광학적 경로 내로 연결하고 그 광학 경로를 따라 빔을 전달하며 기판 상에 빔을 집속하기 위하여, 기계적인 그리고 광학적인 변화들을 요구한다. 통합은 레이저 빔 가공 시스템 설계 분야의 숙련된 기술자들에게 잘 알려진 설계 방식에 의해 수행될 수 있다.
소재 제거/표시 삭제
흡수율이 높은 표시된 구역은 본 발명의 다양한 방법들에 따른 후속 가공을 위해 조사될 수 있다. 후속 조사는 기판에서 보다 미약하게 흡수되는 레이저, 예를 들면 실리콘의 흡수 한계에 가깝거나 한계를 넘는 레이저를 사용할 수 있다. 많은 연구들이 가시광선과 근적외선 영역 양쪽 모두에서, 마이크로텍스쳐링된 영역들 내의 흡수율이 증가했음을 제시해 왔다. 실리콘의 흡수 한계 근처와 그 너머에서, 정상적으로 전송하는 기판에 대한 손상을 최소화 하면서 고출력 가공 레이저들을 사용할 수 있다. 첫번째 초고속 단계는 조대한(coarse) 보조 빔으로 가공된 미세한 패터닝을 생산할 수 있으며, 역으로, 첫번째 단계는 보조 단계로 미세하게 패터닝된 조대한 표시를 생산할 수 있다. 흡수하는 소재는 미세기계가공 단계에서 제어된 깊이로 절삭될 수 있다.
도 23을 참조하면, 상기 절삭은, 흡수하는 영역 상에 음의 "윈도우" 표시를 생성하며 표시를 지우거나 제거(410)하기 위한 작업일 수 있으며, 또는 미세한 패턴을 미세기계가공하거나 전기적 또는 기계적 변수를 조정하기 위한 것일 수 있다.
도 24는 보조적 조사(126)를 이용하여 420에서 변조된, 마이크로텍스쳐링 된 구역을 제시한다. 마이크로텍스쳐링된 영역을 생성하기 위한 작업들은 도 14에서 제시된 것과 같은 시스템 내에서 수행되거나 또는 해당 생산 공정 내의 다른 장소에서 수행될 수 있다.
도 2와 도 20은 보조 가공 시스템에서 사용될 수 있는 몇 가지 구성 요소들을 제시하며, 그 시스템 구성 요소들은 초고속 시스템에서 사용된 것들과 유사하거나 동일할 수 있다. 레이저(120)는 보조 가공 빔을 생성한다. 광학 또는 기계적 빔 위치선정기의 어떤 적합한 배열을 동반하는 빔 위치선정 시스템은 공작물의 마이크로텍스쳐링 된 영역 상에 보조 가공 빔(126)을 전달 및 집속한다. 보조 레이저 에너지는 마이크로텍스쳐에 의해서 흡수된다. 마이크로텍스쳐는 가열되고 상승된 온도는 소재 내에서 상(phase) 변화를 일으키기에 충분하다.
보조 가공 레이저(120)는 YAG 또는 CO2 레이저일 수 있다. 바람직하게는, 레이저(120)는 마이크로텍스쳐링되지 않은 구역들에 대한 손상을 최소화할 수 있도록 선택된다. 가장 바람직하게는, 레이저 빔(126)은 마이크로텍스쳐링되지 않은 소재를 통해서 전달된다. 예를 들면, 소재가 실리콘일 경우, 바람직한 파장은 약 1.2 마이크론일 수 있으며(예를 들면, Raman 레이저를 사용하여), 이때 실리콘 전달은 일반적으로 최대화된다. 대안적으로, 상업적으로 이용 가능한 1.32 마이크론 레이저가 또한 거의 최적의 조건에 가까우며 그러한 레이저들이 널리 이용된다.
빔 위치선정 시스템은, 도 20과 유사하거나 동일한 배치 상태에서, 공작물을 가공 빔에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 하나 또는 그 이상의 스테이지(208)를 포함한다. 빔 위치선정 시스템은 빔을 공작물에 대해 상대적으로 이동시키고 렌즈를 집속하기 위한 빔 스캐너(240, 242)를 포함할 수 있다. 구성 요소들 및 다른 특징들(예를 들면, 렌즈 코팅)의 구체적인 선택은 일반적으로, 레이저 파장, 점 크기 요구 조건, 손상 문턱에 대한 고려 사항 등에 의존한다.
빔 위치선정 시스템은 적어도 두 개의 축에서 가공 빔을 공작물에 대해 상대적으로 이동시키기 위한, 둘 또는 그 이상의 스테이지와 스캐너들의 조합을 포함한다. 빔 위치선정기는, 보조 레이저 시스템 내에서 하나 또는 그 이상의 광학 요소들의 이동(246)을 통해, 빔 웨이스트를 공작물에 대해 상대적으로 배치할 수 있다. 빔 위치선정 시스템은 적어도 세 개의 축에서 빔 웨이스트를 공작물에 대해 상대적으로 이동시킬 수 있다. 빔 위치선정 시스템은, 예를 들면 모터가 달린 웨이퍼 홀더 조립을 이용하는, z축 병진(246')을 동반한 광학 시스템 요소들의 움직임(246)을 다양하게 조합함으로써, 빔 웨이스트를 적어도 세 개의 축에서 공작물에 대해 상대적으로 이동시킬 수 있다.
마이크로텍스쳐링 된 구역은 본 발명의 실시예에 따라 형성될 수 있지만, 초단파 레이저 가공에 한정되지 않는다. 일반적으로, 마이크로텍스쳐링된 구역은 공작물 소재의 반사 계수를 감소시킨다.
조사된 소재는 흡수하는 구조를 제거하기 위하 표면으로부터 절삭될 수 있다. 조사된 소재는 융해되어 성질이 변화된 구역을 형성하는 역할을 할 수 있다.
전송 대역(transmission band)과 더불어 소재 상에 형성된 마이크로텍스쳐에 있어서, 마이크로텍스쳐 내로 흡수되는 전송 대역에서 레이저 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 그런 방식에 따라, 마이크로텍스쳐링된 소재의 성질들은 변조될 수 있으며, 인접 소재의 성질들은 변함 없이 유지될 수 있다. 보조 빔은 텍스쳐링 되지 않은 소재를 통과하는 최대 전송에 동반되는 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 택스쳐링 되지 않은 영역도 실리콘인 경우, 보조 빔은 실리콘의 흡수 한계를 벗어난 파장, 예를 들면 1.2 마이크론 보다 큰 파장을 가질 수 있다. 만약 텍스쳐링 되지 않은 소재가 유리라면, 파장은 가시광선 영역이나 근적외선 영역에 위치할 수 있다. 일부 활용 사례들에서는 마이크로텍스쳐와 인접 소재에 흡수되는 레이저를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
표시의 실례들
도 25에서 도 36의 각 도면은 연삭된, 연마된, 또는 매끄러운 표면을 가진 실리콘 기판 상에 표시를 형성하기 위해 상업적으로 이용 가능한 피코초 레이저를 사용하여 얻은 실제 결과들과 관련된 것들이다. 일부 표시된 구역들에 대한 레이저 및 시스템 변수들은 다음과 같다:
도 25
▶ 연삭된(grinded) 실리콘 기판(good 표시);
▶ 표시 조건:
▶ 파장 532 nm;
▶ 반복률 30 KHz;
▶ 평균 출력 460 mw;
▶ 15μj 펄스 에너지;
▶ 선형 표시 스피드 100 mm/sec;
▶ 선폭(line width) 115 ㎛;
▶ 에너지 밀도 0.15 J/㎠;
▶ 최고 출력 밀도 1010 W/㎠;
▶ 중복: 34.
도 26
▶ 연삭된 실리콘 기판;
▶ 표시 조건:
▶ 파장 532 nm;
▶ 반복률 30 KHz;
▶ 평균 출력 500 mw;
▶ 16.3μj 펄스 에너지;
▶ 선형 표시 스피드 100 mm/sec;
▶ 선폭(line width) 140 ㎛;
▶ 에너지 밀도 0.16 J/㎠;
도 27
▶ 연삭된 실리콘 기판;
▶ 표시 조건:
▶ 파장 532 nm;
▶ 반복률 30 KHz;
▶ 평균 출력 300 mw;
▶ 9.8μj 펄스 에너지;
▶ 선형 표시 스피드 16.6 mm/sec;
▶ 에너지 밀도 0.1 J/㎠;
도 28
▶ 연삭된 실리콘 기판(good 표시);
▶ 표시 조건:
▶ 파장 532 nm;
▶ 반복률 30 KHz;
▶ 평균 출력 100 mw;
▶ 3.3μj 펄스 에너지;
▶ 선형 표시 스피드 100 mm/sec;
▶ 선폭(line width) 40 ㎛;
▶ 에너지 밀도 0.26 J/㎠;
▶ 최고 출력 밀도 1.7 x 1010 W/㎠;
도 29
▶ 연마된(polished) 실리콘 기판(good 표시);
▶ 표시 조건:
▶ 파장 532 nm;
▶ 반복률 30 KHz;
▶ 평균 출력 100 mw;
▶ 3.3μj 펄스 에너지;
▶ 선형 표시 스피드 100 mm/sec;
▶ 선폭(line width) 40 ㎛;
▶ 에너지 밀도 0.26 J/㎠;
▶ 최고 출력 밀도 1.7 x 1010 W/㎠;
도 30a와 도 30b
▶ 실리콘 기판(반사면 상에 표시);
▶ 표시 조건:
▶ 파장 532 nm;
▶ 반복률 30 KHz;
▶ 평균 출력 7.2 mw;
▶ 0.24μj 펄스 에너지;
▶ 선형 표시 스피드 100 mm/sec;
▶ 선폭(line width) 8 ㎛;
▶ 에너지 밀도 0.12 J/㎠;
▶ 최고 출력 밀도 0.8 x 1010 W/㎠;
도 31a와 31b
▶ 실리콘 기판(거친 표면 상에 표시);
▶ 표시 조건:
▶ 파장 532 nm;
▶ 반복률 30 KHz;
▶ 평균 출력 7.2 mw;
▶ 0.24μj 펄스 에너지;
▶ 선형 표시 스피드 100 mm/sec;
▶ 선폭(line width) 8 ㎛;
▶ 에너지 밀도 0.12 J/㎠;
▶ 최고 출력 밀도 0.8 x 1010 W/㎠;
도 32a, 도 32b 그리고 도 32c
▶ 실리콘 기판(.28 mm 내에 15 line 표시);
▶ 표시 조건:
▶ 파장 532 nm;
▶ 반복률 30 KHz;
▶ 평균 출력 7.2 mw;
▶ 0.24μj 펄스 에너지;
▶ 선형 표시 스피드 100 mm/sec;
▶ 선폭(line width) 8 ㎛;
▶ 에너지 밀도 0.12 J/㎠;
▶ 최고 출력 밀도 0.8 x 1010 W/㎠;
샘플들은 X-Y 스테이지 상에 장착되었고 표시의 선폭은 광학 시스템 및 입사된 레이저 에너지의 조합을 조정함에 따라 변화했으며, 이때, 그 조정 작업은 소재 상에 입사된 에너지 밀도를 제어했다.
표시된 소재 샘플들의 이미지들은 "TTL(through the lens)" (명시야) 현미경 시스템과 CCD 카메라를 사용하여 포착된다. SEM(주사형 전자 현미경) 또는 AFM(원자 현미경) 중의 하나를 사용해 다양한 영역들의 윤곽을 잡았다. 일부 표시들은 또한 나노초 레이저 시스템을 사용해 형성된 표시들과 비교되었다. 특수한 선폭에 부 합하는 펄스의 수는 펄스 반복률, 선폭, 그리고 테이블 스피드로부터 계산될 수 있다. 예를 들면, 도 25는, 115 ㎛의 선폭을 동반하는 스테이지 이동을 거치는 동안에 사용된 34회의 펄스에 해당한다.
게시된 레이저 변수들과 결과들은 한정적이기 보다는 실례로서 고려되어야 한다. 상기 레이저 변수들은 다양한 가공 조건들, 표면 거칠기 수치, 코팅의 유무 등을 바탕으로 최적화되거나 조정될 수 있다. 다양한 개량 및 조정을 통해 명암대비와 밀도에 추가적인 향상을 제공할 수 있다.
일반적으로, 선폭은 표면에 위치한 유효한 점의 크기와 일치하는데, 이때 그곳의 조사량은 대략 실리콘의 절삭 문턱 또는 그 상부에 위치한다. 따라서, 그 점의 보다 많은 부분이 절삭 문턱의 상부에 위치할 경우에는 선폭이 증가된다. 예를 들어, 점의 형상이 회절 제한적이고 가우스의 법칙에 따르며 문턱의 상부에 속한 영역이 FWHM(반치폭, full width at half maximum)에 해당되는 경우, 정상적인 절단 폭은 대략 FWHM이 될 것이다.
또한, 특정 소재에 대한 불편에 가까운 조사량 문턱의 결과로서, 보다 큰 선폭, 보다 큰 점들은 일반적으로 작은 선폭들보다 보다 큰 레이저 에너지를 요수한다.
실험에 사용된 레이저와 일반 레이저 시스템 사양들은 다음과 같다:
▶ Lumera Laser가 판매하는 상업적 피코초 레이저, 모델 Staccato;
▶ 주 사양:
▶ 펄스 폭 15 ps;
▶ 파장 532 nm;
▶ 반복률 30 KHz
▶ 평균 출력(첨부 결과 참조)
▶ 선 편광;
▶ 1.2 미만 M-squared(M의 2승)
선 편광이 사용될 때마다 스테이지 이동의 방향이 편광 방향에 대해 수직으로 정열되었음이 주목된다.
도 25, 26 그리고 27은 연삭 방향(획일적인 정반사성 배경에 대해 반대)에 의해 예시된, 연삭된 실리콘 기판 상에 형성된 표시들을 제시한다. 도 26과 27은 수용 가능한 가공이 이루어지는 에너지 범주를 나타내는 "가공 에너지 윈도우"에 대한 미완의 테스트를 제공한다. 도 26의 더 큰 선폭(140 마이크론)은 집속된 점 크기의 보다 넓은 부분이 절삭 문턱의 상부에 위치하는 것에 상응한다. 열의 영향을 약하게 받은 지대(HAZ)는, 비록 경미하기는 하지만, 융해가 일어나는 영역들 내에서 나타난다. 바람직하지 못한 슬래그, 부스러기 또는 심하게 융해된 지대들은 존재하지 않는다.
도 28과 도 29는 각각 X와 Y 방향에서 40 마이크론의 선폭이 생산된 결과들과 변수들을 제시한다. 편광은 이동 방향에 대하여 수직이었다.
도 30a, 30b, 31a, 31b, 32a, 32b 그리고 32c는 향상된 표시 밀도와 .3 mm(.28 mm) 영역 내에서 명확하게 융해된 패턴을 제시하는데, 그 결과는 현재 상업적으로 이용 가능한 레이저 표시 시스템에서 가능한 수준보다 더욱 미세한 표시를 형성할 수 있는 역량을 시사한다. 도 30a와 30b는 정반사 웨이퍼 배경(매끄러운 마감)에 해당하며, 도 31a와 31b는 웨이퍼의 거친 뒷면의 표면에 해당하며, 도 32a와 32b 그리고 32c는 연마된 웨이퍼에 해당한다. 확대 사진들은 몇몇 지역적 추가 세부를 제공하는데, 그 해상력(definition) 및 선명도(sharpness)는, 카메라 동작 범위, 추가적인 산란광을 수집하는 현미경의 높은 N.A와 기타 요인 등의 구성에 포함된 다양한 조명들의 작용에 기인하는 것으로 믿어진다. 고대비의 이미지들은 전형적인 표시 판독기/검열 시스템에서 사용되는 근접한 배율에 상응한다.
도 33a와 33b는 피코초 시스템에서 획득한 고대비 표시들(예를 들면, 도 33a)과 전형적인 나노초 레이저 기반 표시 시스템으로 형성된 표시(예를 들면, 도 33b)를 비교한다. 나노초의 "어두운" 표시 표면의 거칠기는 두드러지게 변화되지 않는 반면, 마이크로텍스쳐는 오직 피코초 표시 내에서만 형성된다.
도 34a, 34b 그리고 34c는 표시된 영역들의 SEM 이미지들을 제시하면서, 다음과 같은 피코초 시스템으로 생산된 마이크로텍스쳐의 존재를 더 시연한다.
도 34a
ps 레이저에 의한 표시의 SEM
1 마이크론 미만의 구조들이 보임
도 34b
ns 레이저에 의한 어두운 표시의 SEM
어떤 구조도 보이지 않음
도 34c
ns 레이저이 의한 백색 표시의 SEM
보다 큰 산맥(ridge) 구조가 보임.
나노초 결과들은 고작 대수롭지 않은 거칠기("어두운 표시"의 경우)를 보일 뿐이며, 피코초 결과들에서 명백히 드러난 표면 거칠기의 변화들은 나노초 데이터에서는 검출되지 않았다 - "어두운" 또는 "확실한(hard)" 표시 중의 어느 쪽도 마이크로텍스쳐를 보여주지 않는다. 깊은 표시들(전통적인 "확실한(hard) 표시")은 또한 매우 바람직하지 못한 산맥 형성을 나타낸다. 중요한 것은, 심지어 "어두운" 나노초 표시들에 있어서도("확실한 표시들"과 비교해서 상대적으로 얕음), 나노초 표시에 수반된 이미지들에서 마이크로텍스쳐가 검출되지 않는 것으로 관찰된다는 점이다.
도 35는 연마된 웨이퍼의 표시된 영역으로부터 획득한 SEM 이미지들을 제시한다. 표면 영역은 세 개의 SEM 배율에서 제시된다: 15,000X, 6,000X 그리고 25,000X. 표시된 영역과 표시되지 않은 영역 간의 텍스쳐의 경계는, 심지어 연마된 바탕이 변화하는 경우에도 명백하게 드러난다. 게다가, 표시된 영역과 그 주변, 그리고 연마된 배경은 모두 슬래그로부터 자유로우며 산맥과 절단부의 높이는 무시해도 좋을 정도에 그친다.
도 36, 37a, 37b, 37c 그리고 37d는, 표면 높이들을 측정하기 위해 AFM을 사 용하면서, 연마된 웨이퍼의 표시된 영역의 치수를 제시한다. 1 마이크론 미만의 구조들은 명백하며, 수십에서 수백 나노미터 범위의 최고 높이들을 가진다. 연마된 배경 영역들은, 앞선 도면들에서 제시된 준 정반사형의 강력한 지향성 반사율 결과들에 상응한다. 정반사 웨이퍼 배경들을 위한 매우 높은 명암대비는 텍스쳐링되고 표시되지 않은 정반사 웨이퍼 영역들을 명확히 인지할 수 있게 해준다. 그러한 경우, 표시 또한, 텍스쳐에서 나타나는 차이를 예증할 AFM 또는 SEM 치수들을 이용하여 배경으로부터 뚜렷하게 구별될 수 있다.
실례들은 일반적으로 반사적 배경보다 더 큰 거칠기를 가지는 표시된 영역들을 보여준다. 실례로서, 마이크로텍스쳐링 된 배경을 형성하고(이때 그 표시는 반사도가 매우 높다), 표시가 어두운 배경에 비해 상대적으로 양의 명암대비를 갖도록 조명을 설정함으로써 양의 대비를 갖는 표시를 생성하는 것이 또한 가능하다. 이 예는, 예를 들어 상기 기술을 사용하는 시스템의 작업 처리량이 저하(또는 향상)되지 않는다면, 중요한 관심의 대상이 될 수 있다. 또한, 어떤 용도들에서는 고객 요구 사양의 일부로써 그러한 "역대비"가 요청될 수 있다. 다른 유사한 변형과 대안들은 본 발명의 범주 및 정신으로부터 벗어나지 않고 수행될 수 있다.
레이저 실시예들
상기 작업 용례의 고대비 결과물들을 산출하기 위해 투입되는 상업적으로 이용 가능한 레이저는 모드잠김된 발진기와 다이오드 여기 고체 레이저 증폭기를 포함한다. 피코초 출력은 희망하는 범주 내의 펄스 변수들과 더불어 이용할 수 있다. 레이저 시스템의 선택은 일반적으로, 소재 표면 상의 공간적 점 크기 내에서 절삭 을 일으키기에 충분한 총 에너지 밀도로 그 소재를 조사하여 표시하는데 필요한 펄스 에너지, 반복률, 평균 출력, 펄스 폭에 대한 요구조건들에 기반한다. 유용한 레이저 파장들은 근적외선, 가시광선(예를 들면, 532 nm), 그리고 자외선을 포함한다. 다른 요인들에는, 사이즈, 비용, 신뢰도, 그리고 예를 들면 반도체 생산 환경에서 사용하기 위한 다양한 실용적 고려사항들이 포함된다. 이용할 수 있다면 "기성품" 솔루션이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 레이저 시스템은, 구입 가능한 표시 장비, 예를 들면 GSI Lumonics WaferMark SigmaClean과 같은, 상업적인 소프트-표시 타입의 웨이퍼 표시 시스템과 함께 사용할 수 있다.
"Laser-based System for Memory Link Processing with Picosecond Laser(피코초 레이저로 메모리 링크를 가공하기 위한 레이저 기반의 시스템)"라는 제목으로 등록된 U.S. 특허 출원 No. 2004/0134894는 본 발명의 수탁자에게 양도되었으며, 그 전체가 본 문서에 통합되었다. 거기에는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에서 사용되거나 사용되기 위해 변형될 수 있는 다양한 예시적 피코초 레이저 시스템들이 포함되어 있다. 특히 관심의 대상이 되는 것들은 "Picosecond Laser Embodiments(피코초 레이저 실시예들)"라는 제목이 붙은 부분과 도 6a-8e, 그리고 등록된 출원에서 그에 상응하는 부분들이다.
"Laser System and Method for Material Processing with Ultra Fast Lasers(초고속 레이저로 소재를 가공하기 위한 레이저 시스템 및 방법)"라는 제목으로 등록된 U.S. 특허 출원 No. 2004/226925는 본 발명의 수탁자에게 양도되었으며, 그 전체가 본 문서에 통합되었다. 거기에는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실 시예들에서 사용되거나 사용되기 위해 변형될 수 있는 다양한 예시적 펨토초 레이저 시스템들이 포함되어 있다. 특히 관심의 대상이 되는 것들은 "Ultrashort Laser Embodiments(초단파 레이저 실시예들)"라는 제목이 붙은 부분과 도 1-8, 그리고 등록된 출원에서 그에 상응하는 부분들이다.
실례로서, 상기 언급된 통합된 특허 출원의 레이저 시스템들은 변화된 파장들(예를 들면, UV)에서 사용될 수 있도록 변형될 수 있다. 시스템 출력, 예를 들면 평균 출력과 최고 에너지는, 요구되는 에너지 밀도에서 가공하는데 필요한 정도의 감소 또는 증가 또는 증폭기 이득(gain)을 실현하기 위한 에너지 밀도적 요구 조건들을 충족시킬 수 있도록 조정될 수 있다.
현재 진행되고 있는 개발 작업들은 상업적인 이용 가능성을 증대시킬 것으로 기대된다. 예를 들면, IMRA America에 의해 보고된 FCPA(광섬유 첩 펄스 증폭, Fiber based Chirped Pulse Amplification) 시스템은 반복률 500 HKz에서 2 마이크로줄의 펄스 에너지를 포함하며, 이는 펨토초 펄스 폭에서 1W의 평균 출력 운용에 상응한다.
본 발명의 실시예들이 도면으로 도시되고 설명되었지만, 그 실시예들을 통해 본 발명의 모든 가능한 형태들을 설명하고 기재하려는 의도는 아니다. 오히려, 사양에서 사용된 단어들은 한정적이기 보다는 설명을 위한 단어들이며, 본 발명의 범주와 기술사상으로부터 벗어나지 않는 다양한 변화들이 실행될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (70)

  1. 목표 지점 밖에 위치한 인접 소재에 발생하는 바람직하지 못한 변화를 피하면서, 공작물의 소정의 일영역 내에 위치한 목표 표면재를 가공하기 위한 방법으로서,
    소정의 파장과 펄스 폭을 가지는 적어도 하나의 펄스를 포함한 펄스 레이저 출력을 생성하는 단계;
    상기 공작물의 목표 표면재에, 상기 목표 표면재를 텍스쳐링하기 위하여 상기 적어도 하나의 펄스를 포함하는 상기 펄스 레이저 출력을 조사하는 단계를 포함하고,
    이때, 상기 펄스 레이저 출력의 총 조사량이 상기 목표 표면재의 적어도 일부분 내에서 절삭을 일으키기에 충분하며,
    상기 영역 및 상기 영역을 둘러싼 비목표 소재가 슬래그로부터 상당히 자유로울 수 있도록 펄스 폭이 충분히 짧은 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 텍스쳐링 된 표면재가 표시를 포함하며, 이때 그 표시가 적어도 반영구적이거나 삭제 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 목표 표면재가 반도체 기판, 박막, 금속층 그리고 유전체층 중에서 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 공작물이 MEMs 소자, 광전자 소자 그리고 생의학 칩 중에서 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 표시가 기계로 판독 가능하며 .3 mm 미만의 폰트 사이즈를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    보조 레이저 출력을 생성하는 단계 및, 텍스쳐링된 표면재를 가공하도록 그 보조 레이저 출력을 텍스쳐링된 표면재에 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 텍스쳐링된 표면재가 표시를 포함하며 그 표시가 보조 레이저 출력으로 조사하는 단계를 거치는 동안 삭제되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 텍스쳐링된 표면재가 마이크로텍스쳐링된 패턴을 포함하며 그 패턴이 막대형 패턴, 매트릭스 패턴, 영숫자 문자열, 그리고 심벌 표시(logotype) 중에서 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 펄스의 펄스 폭이 약 1 ns 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 펄스 폭이 약 100 ps 또는 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 출력의 일지점의 공간적 면적에 걸쳐 총 조사량을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 텍스쳐링된 표면재가 표시를 포함하며, 상기 조사하는 단계는, 상기 표시의 적어도 일부의 첫번째 위치를 나타내는 적어도 하나의 제어 신호에 반응하여 레이저 출력이 상기 첫번째 위치에 있는 영역과 충돌하도록 방향을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 조사하는 단계가 해당 영역의 적어도 일부분 내에서 상기 목표 표면재의 표면 거칠기를 두드러지게 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 영역을 둘러싼 비목표 표면재가 강력한 정반사 요소를 포함한 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 2항에 있어서,
    상기 표시의 산란 반사율이 .5%에서 5%의 범위 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1항에 있어서,
    총 조사량이 약 .1 J/㎠을 초과하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 파장이 상기 목표 표면재의 흡수 한계보다 작은 것을 특징으로 하는 방 법.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 파장이 자외선인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 목표 표면재가 실리콘인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 목표 표면재가 금속 또는 유전체인 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 목표 표면재가 유전체 보호층의 일부이며, 그 층의 유전체가 유기, 무기 또는 저유전상수 유전체인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 1항에 있어서,
    상기 목표 표면재가 MEM 소자의 일부인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 2항에 있어서,
    상기 표시의 일부가 약 .25 마이크론에서 약 1 마이크론 범위 내에서 표면의 변동을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 2항에 있어서,
    상기 표시의 최소 배선폭이 수 마이크론에서 수십 마이크론의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 2항에 있어서,
    상기 표시의 최소 배선폭이 적어도 하나의 펄스의 몇 개의 파장인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 1항에 있어서,
    상기 조사하는 단계가, 상기 텍스쳐링된 표면재의 특성을 향상시키거나 제어하기 위해 펄스 레이저 출력의 편광성을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 11항에 있어서,
    상기 조사하는 단계가 형상화된 지점을 획득하기 위해 그 지점을 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 성형된 지점이 탑-햇 방사도 윤곽(top-hat irradiance profile)을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 27항에 있어서,
    상기 성형된 지점이, 중앙부가 납작하게 가라 앉고 에너지가 성형된 지점 주변에 집중된 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 6항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 출력이 상기 목표 표면재를 미세하게 텍스쳐링하고 상기 보조 레이저 출력이 상기 텍스쳐링된 표면재를 조대(coarse)하게 가공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 6항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 출력이 상기 목표 표면재를 조대하게 텍스쳐링하고 상기 보조 레이저 출력이 상기 텍스쳐링된 표면재를 미세하게 가공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 6항에 있어서,
    상기 텍스쳐링된 표면재가 표시를 포함하고, 보조 레이저 출력을 조사하는 단계를 거치는 동안 그곳에 음의 윈도우 표시가 생성되는 것을 특징으로 하는 방 법.
  33. 제 6항에 있어서,
    상기 텍스쳐링된 표면재가 패턴을 포함하고, 상기 보조 레이저 출력을 조사하는 단계가 상기 패턴을 미세기계가공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 6항에 있어서,
    상기 보조 레이저 출력을 조사하는 단계가, 상기 텍스쳐링된 표면재의 전기적 또는 기계적인 변수를 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 6항에 있어서,
    상기 보조 레이저 출력이, 상기 텍스쳐링된 표면재로 흡수되는 파장을 갖는 적어도 하나의 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 35항에 있어서,
    상기 보조 빔의 상기 적어도 하나의 펄스의 파장이 또한 상기 영역을 둘러싼 비목표 소재로 흡수되는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 35항에 있어서,
    상기 보조 빔의 적어도 하나의 펄스의 파장이 상기 영역을 둘러싼 비목표 소 재로 흡수되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 목표 지점 밖에 위치한 인접 소재에 발생하는 바람직하지 못한 변화를 피하면서, 공작물의 소정의 일영역 내에 위치한 목표 표면재를 가공하기 위한 시스템으로서,
    소정의 파장과 펄스 폭을 가지는 적어도 하나의 펄스를 포함하는 펄스 레이저 출력을 생성하기 위한 주 레이저 광원을 포함하는 주 레이저 하부 시스템을 포함하고;
    상기 공작물의 목표 표면재를, 상기 목표 표면재를 텍스쳐링하기 위하여 적어도 하나의 펄스를 포함하는 펄스 레이저 출력을 조사하기 위한 전달 하부 시스템을 포함하며,
    이때, 상기 펄스 레이저 출력의 총 조사량이 상기 목표 표면재의 적어도 일부분 내에서 절삭을 일으키기에 충분하며,
    상기 영역 및 상기 소재를 둘러싼 비목표 소재가 슬래그로부터 상당히 자유로울 수 있도록 펄스 폭이 충분히 짧은 것을 특징으로 하는 시스템.
  39. 제 38항에 있어서,
    주 레이저 광원이 초고속 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  40. 제 38항에 있어서,
    상기 전달 하부 시스템이, 상기 텍스쳐링할 목표 표면재의 위치를 나타내는 데이터를 수신하며, 적어도 하나의 위치선정 제어 신호를 생성하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  41. 제 40항에 있어서,
    상기 전달 하부 시스템이, 적어도 하나의 위치선정 제어 신호에 반응하여 상기 목표 표면재를 텍스쳐링 할 수 있도록 상기 레이저 출력의 방향을 상기 목표 표면재의 위치로 전향시키기 위한 위치선정 하부 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  42. 제 38항에 있어서,
    상기 텍스쳐링된 표면재를 조사하는 보조 레이저 출력을 생성하기 위한 보조 레이저 광원을 포함하는 보조 레이저 하부 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  43. 제 42항에 있어서,
    상기 보조 레이저 출력이, 상기 텍스쳐링된 표면재의 상기 영역을 적어도 삭제, 미세기계가공, 용접 또는 구동시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  44. 제 42항에 있어서,
    상기 보조 레이저 광원이 펄스형, 변조형 또는 연속파(CW) 광원 중에서 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  45. 제 42항에 있어서,
    상기 보조 레이저 출력을 이용한 조사가, 상기 영역을 가열하기 위해, 상기 목표 표면재의 조사량 붕괴 문턱(fluence breakdown threshold)의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  46. 제 42항에 있어서,
    상기 보조 레이저 출력을 이용한 조사가, 상기 목표 표면재의 적어도 하나의 성질에 영향을 미치기 위해, 목표 표면재의 조사량 붕괴 문턱(fluence breakdown threshold)의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  47. 제 42항에 있어서,
    상기 보조 레이저 출력이, 상기 공작물 소재의 흡수 한계에 가깝거나 그것을 초과하는 파장을 갖는 적어도 하나의 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  48. 제 42항에 있어서,
    상기 주 레이저 광원이 상기 보조 레이저 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  49. 제 42항에 있어서,
    상기 주 레이저 광원이 상기 보조 레이저 광원으로부터 분리된 것을 특징으로 하는 시스템.
  50. 제 38항에 있어서,
    상기 전달 하부 시스템이 상기 레이저 출력의 편광성을 제어하기 위한 편광 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  51. 제 38항에 있어서,
    상기 주 레이저 광원이 다이오드 여기 고체 UV 레이저를 포함하며, 이때 펄스 폭이 약 20 ns 미만인 것을 특징으로 하는 시스템.
  52. 제 51항에 있어서,
    상기 펄스 폭이 약 1 ns 미만인 것을 특징으로 하는 시스템.
  53. 제 41항에 있어서,
    상기 위치선정 하부 시스템이, 상기 공작물을 레이저 출력에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 적어도 하나의 병진 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  54. 제 38항에 있어서,
    상기 주 레이저 광원이 모드잠김된 발진기와 다이오드 여기 고체 레이저 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  55. 제 38항에 있어서,
    상기 레이저 출력이 .01W-2W 범위의 평균 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  56. 제 38항에 있어서,
    상기 텍스쳐링된 표면재가 표시를 포함하며, 이때 상기 시스템이 그 표시를 판독하기 위한 조망(viewing) 하부 시스템을 더 포함하며, 그 조망 하부 시스템이 조명원과 전자 영상 하부 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  57. 제 56항에 있어서,
    상기 조명원이 명시야, 암시야, 그리고 명시야와 암시야의 조합 중에서 하나인 것을 특징으로 하는 시스템.
  58. 적어도 하나의 물품 생산 단계를 거치는 동안 표면 상에 형성된 식별 가능한 표시를 가지는 적어도 하나의 표면재를 포함하며,
    이때, 상기 표시는, 공작물의 소정의 일 영역 내에 속한 목표 표면재에 펄스 레이저 출력을 선택적으로 조사하는 방법에 의해 형성되며,
    그 표시는 적어도 반영구적이며 물품 생산의 후속 단계를 거치는 동안 삭제할 수 있으며;
    상기 영역 및 그 영역을 둘러싼 비목표 소재는 슬래그로부터 상당히 자유로우며; 그리고
    적어도 하나의 생산 단계를 거치는 동안 상기 영역의 적어도 일부분 내에서 표면의 거칠기가 증대하고, 그에 따라 상기 표시를 판독하기 위해 사용된 에너지의 반사를 감소시키는 것을 특징으로 하는 생산 물품.
  59. 제 58항에 있어서,
    넓은 범위의 시야각에 대해서, 상기 영역과 그 영역의 배경 사이에 고반사 명암대비가 획득되는 것을 특징으로 하는 물품.
  60. 제 58항에 있어서,
    상기 영역의 배경의 일표면이 강력한 정반사 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  61. 제 58항에 있어서,
    상기 식별 가능한 표시와 상기 영역의 배경 사이의 반사율 대비가 30:1을 초 과하는 것을 특징으로 하는 물품.
  62. 제 58항에 있어서,
    상기 표시가 .3 mm 또는 보다 미세한 폰트 크기의 영숫자 표시를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  63. 제 58항에 있어서,
    상기 표시가 2차원적인 매트릭스 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  64. 제 58항에 있어서,
    상기 표시가, 식별의 기능에 추가하여, 물품을 생산하는 하나 또는 그 이상의 단계를 위해 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 물품.
  65. 제 58항에 있어서,
    상기 표시가, 적어도 하나의 SEM(주사형 전자 현미경) 데이터, 그리고 AFM(원자 현미경) 데이터에 의해 획득된 거칠기 치수를 이용하여 상기 영역의 배경으로부터 구별되는 것을 특징으로 하는 물품.
  66. 제 58항에 있어서,
    상기 표시의 일부의 거칠기를 상기 영역의 배경과 비교하기 위해 DIN 4768 거칠기 측정 기준이 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 물품.
  67. 제 58항에 있어서,
    이미지 대비를 측정함으로써 상기 영역의 배경으로부터 이미지를 구분할 수 있는 것을 특징으로 하는 물품.
  68. 제 58항에 있어서,
    상기 표시를 기계로 판독할 수 있는 것을 특징으로 하는 물품.
  69. 제 58항에 있어서,
    상기 표시가 도트 매트릭스 코드를 형성하는 비중복 도트들의 열로서 나타나는 것을 특징으로 하는 물품.
  70. 제 58항에 있어서,
    상기 표시가, 이력추적관리, 부품 식별, 그리고 분류 작업 중의 적어도 하나에서 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 물품.
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