KR20090026137A - 낮은-ｋ 유전 물질을 포함하는 소재의 레이저 처리 - Google Patents

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Abstract

1.1㎛보다 크고 5㎛보다 짧은 파장(바람직하면 약 1.1㎛에서)을 갖고, 100 ps보다 짧은 펄스 폭(바람직하게 10ps보다 짧은)을 갖는 적어도 하나의 레이저 펄스(32)를 포함하는 레이저 출력은 SRO 또는 SiCOH와 같은 낮은-k 유전 물질이 기판에 손상을 주지 않고도 제거되도록 한다. 증폭 모듈(16)과 협력하는 발진기 모듈(12)은 레이저 출력을 생성하는데 사용된다.

Description

낮은-ｋ 유전 물질을 포함하는 소재의 레이저 처리{LASER PROCESSING OF WORKPIECES CONTAINING LOW-K DIELECTRIC MATERIAL}
본 발명은 레이저 가공에 관한 것으로, 특히 낮은-k 유전 물질을 포함하는 소재(workpieces)의 레이저 가공에 관한 것이다.
트랜지스터, 다이오드, 발광 다이오드, 마이크로 전자 공학 기계 시스템 또는 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS), 평면 도파관 구조, 집적 회로, 및 다른 마이크로 디바이스와 같은 대부분의 반도체 및 관련 제품은 넓은 웨이퍼 상의 큰 배치에서 동시적으로 제조된다. 이들 웨이퍼는 일반적으로 Si, GaAs, GaP, InP, Ge, 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물, 사파이어, 폴리머, 또는 다른 물질로 구성된다. 이들 제품 또는 디바이스의 제조는 포토리소그래피, 산화, 주입, 증착, 에칭, 애피택셜 성장, 및/또는 스핀 코팅과 같지만 여기에 한정되지 않는 종래의 제조 기술을 이용하여 종종 수행된다. 이들 디바이스-적재 웨이퍼의 완전한 제조시, 개별 디바이스는 분리되거나 "단일화"되어야 한다 - 일반적으로 "다이싱(dicing)"으로 지칭되는 프로세스. 많은 단일화 프로세스에서, 웨이퍼는 먼저 구성요소의 행으로 분리된다 - 일반적으로 "슬라이싱"으로 지칭되는 프로세스 - 하지만 "슬라이싱" 및 "다이싱"은 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 개별 디바이스는 "다이(die)" 또는 "다 이스(dice)"로 지칭된다. 인접한 다이스의 활성 부분 사이의 웨이퍼 상의 영역은 "스트리트(street)" 또는 "다이스 레인(dice lane)"으로 지칭된다. 스트리트는 다이싱 프로세스 동안 제거되거나 훼손되는 웨이퍼 물질로 인해 최소 폭에 한정된다. 다이싱 프로세스에 의해 완전히 제거되는 웨이퍼 영역은 "커프(kerf)"로 불리고, 스트리트의 나머지 부분은 커프 주위의 임의의 손상 지역과, 커프의 일직선으로부터의 임의의 제조 오정렬 또는 다이싱 이탈(deviation)을 수용해야 한다.
종래에, 다이싱은 웨이퍼 소(wafer saw)를 이용하여 또는 "스크라이브 및 브레이크(scribe and break)"라 불리는 기술에 의해 수행되며, 여기서 웨이퍼는 종종 다이아몬드 포인트에 의해 스크라이브 라인으로 노치되고, 그런 후에 스크라이브 라인을 따라 쪼개어진다. 미소 균열(microcrack)의 예측할 수 없는 전파 뿐 아니라 스크라이브-및-브레이크 기술과 연관된 디바이스에 대한 눈에 띄는 손상과 같은 낮은-수율의 문제로 인해, 기계 다이싱 소는 웨이퍼를 다이싱하기 위한 주요 툴이 되었다. 종래의 슬라이싱 블레이드는 일반적으로 절단축을 따라 약 50 내지 200 미크론(㎛)의 치수를 갖고, 블레이드보다 더 넓은 절단부(cut)를 생성한다. 블레이드는, 단단하고 두꺼운 물질의 종래의 웨이퍼를 통해 반복적으로 만든 직선 절단부의 응력을 견디기 위해 넓다. 기계 절단 블레이드에 의해 만들어진 넓은 절단부는 종종 각 웨이퍼 상에 맞춰질 수 있는 다이의 행 및 열의 수를 상당히 감소시킨다. 다이싱 블레이드는 또한 비교적 빨리 마모되는 경향이 있어서, 그 절단부의 폭은 시간에 따라 변할 수 있다. 몇몇 경우에, 블레이드는 부주의하게 구부러질 수 있고, 그런 후에 굴곡지거나 경사진 절단 또는 증가된 쪼개짐(chipping)을 발생시킨다.
더욱이, 다이싱 프로세스는, 단일 경로를 따라 날카로운 에지 및 날카로운 코너를 생성하여, 디바이스를 특히 외부 범프로부터 손상에 더 영향을 받기 쉽게 하기 때문에 작은 칩을 생성한다. 다이싱 소는 또한 커프로부터 디바이스의 층으로 연장하는 미소 균열을 생성하는 경향이 있어서, 수율을 감소시킨다. 더욱이, 미소 균열은 디바이스가 테스트될 때 분명히 나타나지 않을 수 있지만, 디바이스 고장을 야기하도록 나중에 층에 전파될 수 있으며, 이것은 디바이스 및 이에 기초한 기기의 신뢰성을 감소시킨다. 약간의 미소 균열이 기계 소잉 속도를 저하시킴으로써 피할 수 있을 지라도, 미소 균열은 가능한 경우, 몇몇 물질에서 피하는 것은 매우 어렵다. 다이싱 소는 또한 일반적으로 윤활제 및/또는 냉각제로서 웨이퍼의 이용을 요구하고, 웨이퍼는 MEMS와 같은 특정 유형의 물질 또는 디바이스에 대한 문제 또는 낮은 수율을 생성할 수 있다.
레이저 절단은 종래의 기계 절단 기술에 대해 흥미 있는 대안이 된다. 레이저 다이싱을 이용하는 한 가지 이유는, 2개의 종래의 기술 중 어느 하나와 달리, 레이저가 웨이퍼로부터 배열된 도파관 격자와 같이 굴곡되게 절단될 수 있다는 것이다. 더욱이, 레이저는 종종 MEMS와 같은 웨이퍼-민감한 디바이스의 제조에 대해 크게 중요한, 웨이퍼를 이용하지 않고도 절단할 수 있다. 레이저는, 또한 소재(웨이퍼)에 관해 레이저의 매우 정밀한 정렬 가능성 및 잠재적으로 매우 작은 커프 폭으로 인해 이용가능한 가장 작은 스트리트 폭의 잠재성을 제공한다.
레이저는, 또한 관통-절단부(through-cut)만을 허용하는 기계-소 다이싱 기술과 달리, 표면을 가로질러 레이저를 스캐닝하고, 필름만을 절단하거나 부분적으 로 웨이퍼를 절단함으로써 만들어질 수 있는 트렌치 또는 노치와 같은 형상(feature)을 생성하여, 웨이퍼 상에 패턴을 형성할 수 있는 능력을 제공한다. 부분적인 절단 기술은 예를 들어 다이 상에 지형부를 만들거나, 스크라이브-및-브레이크 프로세스를 위한 레이저 스크라이빙을 수행하는데 사용될 수 있다.
레이저는 또한 필름 또는 기판 물질을 통해 또는 그 안으로 비아(via)의 드릴링(drilling)을 위한 큰 잠재력을 제공한다. 그러한 비아 드릴링은, 그라운드가 다이의 후면을 통해 접촉되도록 하는 것과, 다이가 하나의 패키지("3차원 패키징") 내부에 서로 위에 적층되도록 하는 것과, 또는 활성 디바이스가 위로 향하도록(집적 회로 또는 레이저 다이오드의 MEMS 또는 전면 냉각에 대한 결과) "플립-칩" BGA 방식으로 장착되도록 하는 것을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는 이유로 인해 흥미롭다. 이들 비아의 직경은 수 미크론에서 수백 미크론의 범위를 가질 수 있고, 해당 다이 두께는 수십 미크론에서 거의 1,000㎛까지 변한다. 현재 생산-가치 해결책은 그러한 높은 종횡비의 비아의 드릴링에 대해 거의 존재하지 않고, 플라즈마 에칭과 같은 해결책은 기기 및 보존을 위해 성가시고 비용이 많이 드는 경향이 있다.
그러므로, 웨이퍼 및 웨이퍼가 지지하는 물질을 처리하는 더 나은 방법이 바람직하다.
몇몇 실시예에서, 낮은-k 유전체는 동작상 기판에 손상을 주지 않고도 낮은-k 유전 물질을 처리하는 파장 및/또는 펄스 폭을 포함하는 파라미터를 갖는 레이저 출력으로 처리된다. 몇몇 실시예에서, 약 1.1㎛보다 더 큰 파장을 갖는 레이저 출력은 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 필름의 목표 부분을 처리하도록 사용된다. 몇몇 실시예에서, 파장은 약 1.3㎛이다.
몇몇 실시예에서, 약 100 ps보다 더 짧은 펄스 폭을 갖는 적어도 하나의 레이저 펄스를 포함하는 레이저 출력은 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 필름의 목표 부분을 처리하도록 이용된다. 몇몇 실시예에서, 펄스 폭은 10 ps보다 더 짧다. 몇몇 실시예에서, 펄스 폭은 1 fs보다 더 길다.
몇몇 실시예에서, 낮은-k 유전 물질은 SiOF, SiOB, SRO, SiCOH, BCB, 또는 3보다 작은 k 값을 갖는 폴리이미드를 주원료로 하거나 파릴렌을 주원료로 한 폴리머와 같은 유기 물질을 포함한다. 낮은-k 유전 물질은, 특히 Applied Materials가 판매한 낮은-k 유전체의 상표명인 BlackDiamond®, 또는 Dow가 판매한 낮은-k 유전체의 상표명인 SiLK®을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기판은 단결정 또는 다결정 또는 비결정 Si, GaAs, GaP, InP, Ge, 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물, 사파이어, 용융 실리카, 유리, 또는 폴리머를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 레이저 출력은 증폭 모듈과 협력하여 발진기 모듈에 의해 생성된다. 몇몇 실시예에서, 발진기 모듈은 다이오드-펌핑된, 고체-상태(DPSS) 마스터 발진기를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 발진기 모듈은 펄싱 반도체 레이저 방출 ps 펄스를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 펄싱 반도체 레이저는 InGaAs/AlGaAs 또는 InGaAsP/InP 팽팽한 양자 웰(well) 구조를 이용한다. 몇몇 실시예에서, 발진기 모듈은 펄싱 섬유 마스터 발진기를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 펄싱 섬유 마스터 발진기는 반도체 포화가능-흡수 미러를 이용하는 다이오드-펌핑된, 희토류-도핑 유리 섬유 마스터 발진기를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 유리 섬유 마스터 발진기는 희토류-도핑된, 용융된 실리카 섬유를 포함한다. 희토류 불순물은 바람직하게 Nd, Yb, Ho, Er, Dy, Pr, Tm, 또는 Cr을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 증폭 모듈은 단일-경로, 다중 경로, 또는 재생식 DPSS 증폭기를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 증폭 모듈은 Nd:GdVO4, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:glass, 또는 Nd:YAG 이득 매질을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 증폭 모듈은 다이오드-펌핑된, 희토류-도핑된 유리 섬유 전력 증폭기를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 유리 섬유 전력 증폭기는 희토류-도핑된, 용융된 실리카 섬유를 포함한다. 희토류 불순물은 바람직하게 Nd, Yb, Ho, Er, Dy, Pr, Tm, 또는 Cr을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 레이저 출력은 증폭 모듈로부터 방출된 펄스 트레인으로부터 선택된 다수의 독립적으로 트리거링된 펄스 또는 펄스의 버스트를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 레이저 펄스는 75 μJ보다 적은 펄스당 에너지를 갖는다. 다른 실시예에서, 레이저 펄스는 75μJ보다 더 큰 펄스당 에너지를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 기계 소는, 낮은-k 유전 물질의 목표 부분이 제거된 후에 기판을 다이싱하도록 이용된다. 몇몇 실시예에서, 낮은-k 유전 물질을 처리하는데 사용된 것과 다른 파라미터를 갖는 레이저 출력은 웨이퍼 기판을 처리하도록 이용된다. 몇몇 실시예에서, 기계 소는 웨이퍼 기판을 처리하는데 이용된다.
본 발명의 추가 양상 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 진행되는 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 실온에서, 실리콘을 포함하는 다양한 반도체 물질에 대한 광 흡수 특성 대 파장을 도시한 그래프.
도 2는 다양한 금속에 대한 광 흡수 특성 대 파장을 도시한 그래프.
도 3은 다양한 파장에서 낮은-k 유전 물질 SRO 및 SiCOH의 광학 상수를 도시한 표.
도 4는 기판 상에 지지된 낮은-k 유전 물질을 처리하기 위해 예시적인 레이저 시스템을 도시한 개략도.
도 5는 예시적인 빔-위치 지정 시스템의 몇몇 구성요소를 도시한, 도 4의 레이저 시스템의 부분적으로 사진이고 부분적으로 개략도인 도면.
도 6은 예시적인 레이저 시스템에 사용될 수 있는 선택적인 이미징 광학 기재 모듈을 도시한 개략도.
도 7은 특정 실시예에 따라 레이저 파라미터를 갖는 낮은-k 유전 물질의 층을 통해 만들어진 절단부의 전자 마이크로 이미지를 도시한 도면.
레이저 처리 능력이 이용가능한 레이저 및 프로세스 이해 모두에서의 진전으로 인해 최근 몇 년 동안 크게 진전되었지만, 다이싱, 드릴링, 또는 패터닝 프로세스를 위한 레이저의 이용이 갖는 몇몇 상당한 문제가 여전히 존재한다. 실리콘 또는 실리콘 산화물을 가공하기 위해 적외선(IR) 레이저를 이용하려는 시도가 이루어 져 왔다. 몇몇 전형적인 IR 파장은 한정된 정도로, 이들 물질을 가공하도록 나타났고, 다이를 표시하거나 한정된 스크라이브-및-브레이크 애플리케이션을 위한 레이저 스크라이빙 툴로서 성공적으로 사용되었다. 그러나, 이들 레이저는 예를 들어 실리콘 또는 산화물 층을 예측 불가능하게 균열시킴으로써: 용해된 슬래그(melted slag)와 같은 영구적인 재증착 물질을 웨이퍼의 상부 표면상에 둠으로써; 커프의 에지가 뒤쪽 및 위로 당기는 "용해 립(melt lip)"을 생성함으로써 실리콘에 손상을 주는 경향이 있다.
Owen 등의 미국 특허 번호 5,593,606 및 5,841,099('099 특허)는 다중층 디바이스에서 적어도 2개의 상이한 유형의 층을 통해 관통-구멍(through-hole) 또는 블라인드 비아를 형성하기 위해 유리한 파라미터 내에서 레이저 출력 펄스를 생성하도록 자외선(UV) 레이저 시스템을 이용하는 기술 및 장점을 기재한다. 이들 파라미터는 일반적으로 100 ns보다 더 짧은 시간 펄스 폭을 갖는 비 엑시머 출력 펄스와, 100㎛ 미만의 스폿 직경을 갖는 스폿 영역과, 200Hz보다 큰 반복율로 스폿 영역에 걸쳐 100 mW보다 큰 평균 세기 또는 조사도를 포함한다. '099 특허는, 먼저 상부 금속 층을 처리한 후에, 손상으로부터 하부 금속 층을 보호하는 방식으로 유전 또는 강화 물질을 포함하는, 비금속 인터 층(interlayer)을 처리하기 위해 레이저 시스템 출력의 파라미터(전력 밀도와 같은)를 변경시키는 것을 용이하게 하는 기술을 기재한다.
전술한 설명에도 불구하고, 레이저는 최근에서야 실리콘 또는 다른 유형의 반도체 웨이퍼를 다이싱 또는 패터닝하거나, 사파이어 또는 다른 절연체 웨이퍼를 다이싱 또는 패터닝하도록 성공적으로 이용되었다. Fahey 등의 미국 특허 공개 번호 US-2002-0033558{미국 특허 출원 번호 09/803,382('382 출원)}는 행을 분리하거나 슬라이더 또는 다른 구성요소를 단일화하는 UV 레이저 시스템 및 방법을 기재한다. 이러한 방법은 웨이퍼의 한 면 또는 양쪽 면에 향하는 레이저 및 소 절단과, 에지 변형을 위한 다양한 기술의 다양한 조합을 포함한다.
Baird 등의 미국 특허 공개 번호 US-2002-0149136{US 특허 출원 번호 10/017,497('497 출원)}은 실리콘과 같은 절단하기 어려운(hard-to-cut) 물질에서 50㎛ 미만의 지형물 크기를 갖는 패턴을 직접적으로 그리고 빠르게 형성하기 위해 UV 레이저 제거를 이용하는 것을 추가로 기재한다. 이러한 패턴은 집적 회로 연결부를 위한 매우 높은 종횡비의 원통형 개구부 또는 블라인드 비아의 형성과, 실리콘 웨이퍼 상에 포함된 처리된 다이의 단일화와, 부모 웨이퍼로부터 실리콘에 형성된 개별적인 마이크로 회로로의 마이크로 탭(microtab) 절단을 포함한다.
'382 및 '497 출원에 구체적으로 설명된 바와 같이, 레이저를 이용하여 주어진 물질을 깔끔하게 절단하는데 최적화될 수 있는 여러 개의 많은 레이저 및 광학 처리 파라미터를 결정할 수 있다. 이러한 파라미터는 파장, 반복율, 각 순차 레이저 펄스(바이트 크기)에 의해 충돌된 새로운 목표 물질의 거리, 각 레이저 펄스의 에너지, 시간 펄스 폭, 레이저 시스템 출력의 스폿 크기, 및 레이저 스폿 내의 공간 에너지 분배를 포함하지만, 여기에 한정되지 않는다. 특정 물질을 절단하기 위한 선택 파라미터는 크게 변할 수 있고, "프로세스 윈도우" - 주어진 물질이 깔끔하게 제거될 수 있는 파라미터 공간의 영역 - 는 상이한 물질을 위해 다르다. (다 양한 유형의 SiO2, SiON, 또는 Si3N4와 같은) 동일한 것으로 나타나는 물질조차도 상이한 불순물, 상이한 화학량론, 상이한 증착 기술, 상이한 마이크로 구조(위의 경우로 인해, 또는 상이한 하층, 처리 온도 프로파일 등으로 인해), 또는 상이한 매크로 구조(다공성, 기하학적 구조, 또는 두께)를 포함하지만, 여기에 한정되지 않는 인자로 인해 매우 상이한 광학적, 기계적, 및 열/제거 특성을 가질 수 있다. 따라서, 밀접하게 관련된 물질은 여전히 비-일치(nonmatching) 프로세스 파라미터 및 프로세스 윈도우를 가질 수 있다.
많은 환경에서, 웨이퍼 상의 다이 사이의 스트리트는 위에 놓인(overlying) 디바이스 층의 일부 또는 전부로 덮이거나, 디바이스 자체는 다이스 레인에 걸쳐 형성된다. 그러므로, 웨이퍼 두께 대부분이 일반적으로 기판 물질에 의해 차지되지만, 기판 물질을 절단하기 전에 위에 놓인 디바이스 층을 먼저 절단하고 및/또는 산화물을 패터닝하거나, 기판 물질을 패터닝 또는 절단하기 전에 웨이퍼 상에 지지된 다른 디바이스 층을 절단하는 것이 바람직하다. 그러나, 대부분의 디바이스는 일반적으로 축적(buildup) 프로세스에서 웨이퍼의 상부 상에 증착되거나 성장된 여러 상이한 물질로 만들어진다. 이들 물질은 금속, 유전 산화물, 질화물, 규화물, 유전 폴리머, 및 다른 반도체 층을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는다. 일반적으로, 2개 이상의 상이한 물질은 특정 세트의 레이저 파라미터에 동일한 방식으로 반응하지 않아서, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 층은 기판-절단 파라미터에서 비교적 불량하게 처리되거나, 웨이퍼의 레이저 절단 동안 심하게 손상된다. 결과로서 나타 나는 문제는, 감소하는 절단율(레이저가 상층을 절단하는데 효과적이지 않은 경우)로부터 레이저 처리 영역에 근접한 디바이스 층에서의 큰 손상 영역의 생성까지 범위를 갖는다. 예를 들어, IR 레이저가 실리콘을 다이싱 또는 스크라이빙할 때 제한된 성공을 갖지만, 이들 레이저는 실리콘 웨이퍼의 상부 상에 SiO2 또는 다른 산화물 층을 통해 절단할 수 없다.
유사하게, 기계 다이싱 기술은 잘 알려져 있어서, 층, 특히 부서지기 쉽고 및/또는 낮은 접착력을 갖는 층에서 균열, 쪼개짐, 및/또는 얇은 조각으로 갈라짐(delamination)을 야기한다. 층 스택이 더 복잡해지므로, 그리고 산화물을 주원료로 하거나 다른 낮은-k 유전체와 같은 더 부서지기 쉬운 물질의 도입을 통해, 이러한 문제는 더 악화되고, 확실히 문제가 되는 것으로 예상된다.
Fahey 등의 국제 공보 WO 03/002289(미국 특허 출원 번호 10/187,400)에서는 디바이스 층 및 웨이퍼 기판 물질의 상이한 특성을 다루기 위해 2개 이상의 상이한 기술 또는 파라미터를 이용함으로써 웨이퍼-지지 디바이스 층을 다이싱, 패터닝, 또는 드릴링하는 방법을 제공한다.
이러한 다수의 단계 프로세스는 적어도 2개의 층에 대한 프로세스의 최적화를 수반하고, 바람직하게, 기판 물질 층을 포함하는 임의의 층의 처리가 다른 층에 악영향을 끼치지 않도록 이루어진다. 예시적인 실시예는 상이한 층 또는 기판 물질을 처리하기 위해 상이한 파장 또는 조사도와 같은 상이한 세트의 파라미터에서 사용된 하나의 레이저를 이용한다. 다른 실시예는, IR 또는 가시 범위에서 투명한 디 바이스 층을 절단하기 위한 UV 레이저(예를 들어, 266nm에서) 또는 초고속 레이저의 이용, 및 웨이퍼 물질을 처리하기 위한 IR, 가시, 또는 UV 레이저(예를 들어 355nm에서)의 이용과 같이, 상이한 층 또는 기판 물질을 처리하기 위한 상이한 세트의 파라미터를 갖는 상이한 레이저를 이용한다. 추가 실시예는 디바이스 층을 처리하기 위해 하나 이상의 레이저를 이용하고, 그런 후에 웨이퍼 기판 물질의 대부분 또는 모든 두께를 처리하기 위해 기계 소 블레이드와 같은 비 레이저 기술을 이용한다.
또 다른 실시예는 포토레지스트 또는 PVA와 같은 희생 층(sacrificial layer)으로 웨이퍼의 표면 디바이스 층을 덮는 것과; 선택적으로 의도된 절단 영역에 걸쳐 덮이지 않은 지역을 생성하기 위해 희생 층의 부분을 제거하는 것과; 후속적인 기판-절단 단계에서 발생하는 것과 같거나 약간 더 큰 폭으로 웨이퍼 기판 상의 층을 레이저 절단하는 것과; 그런 후에 상이한 파장, 펄스 폭, 플루언스(fluence), 바이트 크기, 및/또는 다른 레이저 처리 파라미터를 이용하여 개별적인 처리 단계 또는 단계들로 웨이퍼를 절단하는 것을 수반한다.
전술한 향상에도 불구하고, 웨이퍼 상의 낮은-k 유전 필름을 처리하는 레이저는 크게 성공하지 못했다. 다양한 파장에서 낮은-k 유전 물질(SRO 및 SiCOH)의, 도 3의 표에 기재된 엘립소미터(ellipsometer) 측정은, 이러한 물질이 약 532nm보다 더 긴 파장에서 효과적인 레이저 프로세스를 이용할 가능성이 적다는 것을 시사한다. 더욱이, 약 532nm보다 긴 파장에서 측정된 이들 낮은-k 유전 필름의 제로 값은 종래의 고체-상태 IR 레이저 파장에서 이들 필름을 제거하기 위한 효과적인 레 이저 프로세스의 확률이 거의 없음을 시사한다.
그러나, 출원인은, 레이저 펄스가 100 ps보다 짧은 파장과 같은 짧은 파장에서 전달될 때 낮은-k 유전 물질이 종래의 IR 파장에서 처리될 수 있다는 것을 발견했다. 바람직한 실시예는 약 10 ps 보다 짧거나 같은 펄스 폭을 포함한다.
Sun 등의 미국 특허 번호 5,265,114 및 미국 특허 번호 5,473,624에서는, 전형적인 1㎛ 레이저 파장보다 훨씬 더 큰, 실리콘 기판과 메모리 링크 물질 사이의 레이저 에너지 흡수 콘트라스트를 갖는 1.3㎛과 같은 파장에서 레이저 출력을 이용하여, 실리콘 기판에 대한 잠재적인 손상을 감소시키는 것을 개시한다. 이러한 기술에 의해 제공된 훨씬 더 넓은 레이저 처리 윈도우 및 더 나은 처리 품질은 크게 성공하여 링크-블로윙(link-blowing) 프로세스에 사용되었다.
Sun 등의 미국 특허 번호 5,569,398, 미국 특허 번호 5,685,995 및 미국 특허 번호 5,808,272에서는, 처리 동안 전원 공급되거나 전원 공급되지 않을 수 있는 수동, 능동, 또는 광-전기 디바이스의 처리, 측정 및 처리량을 향상시키기 위해 다양한 트리밍(trimming) 동작을 위한 1.3㎛과 같은 파장에서 레이저 출력을 이용하는 것을 개시한다. 이들 Sun 등의 특허에서 취한 도 1 및 도 2는 반도체 링크에 사용된 다양한 금속과 웨이퍼 기판에 사용된 실리콘 사이에 흡수 콘트라스트에서의 상당한 변화를 설명한다.
도 3은 다양한 파장에서 낮은-k 유전 물질(SRO 및 SiCOH)의 광학 상수의 표이다. 광학 상수는 엘립소메트릭 측정을 통해 획득될 수 있다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 엘립소미터는 샘플 표면으로부터 반사된 광의 편광 상태에서의 변화를 측정하고, p- 및 s- 편광된 광에 대한 프레넬 반사 계수비에 관련된 파라미터(△ 및 ψ)를 결정한다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 광학 상수 값(n 및 k)은 파라미터(△ 및 ψ)의 엘립소미터 측정으로부터 직접 계산될 수 있다.
당업자가 인식된 바와 같이, 일단 광학 상수가 얻어졌으면, 흡수 계수는 수학식 1을 이용하여 계산될 수 있다:
Figure 112008079866187-PCT00001
여기서 α는 흡수 계수이고, λ는 파장이고, k는 소광(extinction) 계수이다.
전도성 링크와 밑에 있는 실리콘 기판 사이의 흡수 콘트라스트가 이용되는, Sun 등의 특허들과 대비하여, 소광 계수(k)의 엘립소미터-도출 측정은, 예를 들어 낮은-k 유전 물질과 실리콘 기판 사이에 흡수 콘트라스트가 작다는 것을 제안한다. 그럼에도 불구하고, 출원인은, 약 1.1㎛(그리고 바람직하게 약 1.3㎛) 이상의 파장에서, 낮은-k 유전 물질이 짧은 펄스 폭에서 처리될 수 있고, 실리콘 기판이 이러한 파장 및 펄스 폭 파라미터를 갖는 임의의 잔여 레이저 출력의 비교적 낮은 흡수를 유지한다는 것을 결정했다. 출원인은, 낮은-k 유전 층상에 입사하는 초고속 펄스의 높은 피크 전력이 효과적인 처리를 허용하도록 낮은-k 유전 물질의 광학 상수를 변형하는 한편, 실리콘 기판의 광학 상수가 크게 변하지 않는다는 것을 가정한 다.
대표적인 낮은-k 유전 물질은 일반적으로 3보다 적은 k 값을 갖고, 플루오르 실리케이트 유리(FSG 또는 SiOF와 같은), 플루오르 비결정질 탄소(a-CF), SiOB, SRO, SiCOH, 벤조시클로부텐(BCB), 메틸 실세스퀴옥산(MSQ), 히드로겐 실세스퀴옥산(HSQ), 테트라메틸 실란으로부터의 메틸화 실리카, 테프론(PTFE), 다공성 물질(제로겔 또는 폴리머 난폼), 및 폴리이미드, 플루오르 폴리이미드, 폴리이미드를 주원료한 폴리머, 파릴렌을 주원료로 한 폴리머, 또는 폴리아릴레터와 같은 유기 물질을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는다. 낮은-k 유전 물질은 특히 Applied Materials가 판매한 낮은-k 유전체의 상표명인 BlackDiamond®, 또는 Dow가 판매한 낮은-k 유전체의 상표명인 SiLK®를 포함할 수 있다.
도 4는 기판 상에 지지된 낮은-k 유전 물질을 처리하기 위한 예시적인 레이저 시스템(10)의 개략도이다. 도 4를 참조하면, 레이저 시스템(10)은 동적 레이저 펄스 생성기 또는 발진기 모듈(12), 및 DPSS 전력 증폭기와 같은 증폭 모듈(16)을 포함하는 높은 평균 전력 펄싱된 ps 레이저 서브시스템(14)을 이용하는 것이 바람직하다.
동적 레이저 펄스 생성기 또는 발진기 모듈(12)은 약 1.1㎛보다 큰, 바람직하게 5㎛ 미만의, 더 바람직하게 약 1.3㎛ 근처의 파장에서, 약 500 ps보다 짧은, 바람직하게 약 100 ps보다 짧은, 더 바람직하게 10 ps보다 짧은 펄스 폭을 갖는 발진기 출력 펄스를 방출하기 위해 다이오드-펌핑된 마스터 발진기를 이용하는 것이 바람직하다. 발진기 출력 펄스는 증폭 모듈(16)로 향하게 된다. 증폭 모듈(16)은 단일-경로, 다중 경로, 또는 재생 DPSS 증폭기일 수 있다. 대안적으로, 증폭 모듈(16)은 다이오드-펌핑된, 희토류-도핑된 유리 이득 섬유 전력 증폭기일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 유리 섬유 전력 증폭기는 희토류-도핑된, 용융된 실리카 섬유를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 증폭 모듈(16)은 다이오드-펌핑된, 희토류-도핑된 유리 광자 결정 섬유 전력 증폭기일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 희토류-도핑된 유리 광자 결정 섬유 전력 증폭기는 희토류-도핑된, 용융된 실리카 광자 결정 섬유 전력 증폭기를 포함한다. 희토류 불순물은 Nd, Yb, Ho, Er, Dy, Pr, Tm, 또는 Cr을 포함하는 것이 바람직하다.
발진기 모듈(12) 및 증폭 모듈(16)은 이득 물질로서 Nd-도핑된 라산트(lasant)를 이용하는 것이 바람직하다. 바람직한 Nd-도핑된 라산트는 Nd:GdVO4이지만, 대안적인 Nd-도핑된 라산트는 Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:glass, 및 Nd:YAG를 포함하지만, 여기에 한정되지 않는다. 발진기 모듈(12) 및 증폭 모듈(16)은 동일하거나 상이한 도핑 농도를 갖는 동일하거나 상이한 라산트를 포함할 수 있다. 발진기 모듈(12) 및 증폭 모듈(16)은, 또한 우선적으로 약 1.3㎛에서와 같은 바람직한 파장에서 이득을 발생시키고 Nd:GdVO4 라산트의 경우에서와 같이 1.06㎛에서와 같은 더 높은 이득 전이에서의 손실을 도입하기 위해 주파수-선택 요소, 프리즘, 필터, 에탈론, 및/또는 당업자에게 잘 알려진 다른 요소를 이용하는 것이 바람직하다.
예시적인 실시예에서, 음향-광학 변조기(AOM) 또는 전자-광학 변조기(EOM)와 같은 외부 광학 변조기(18)는 단일 펄스, 다수의 독립적으로 트리거된 펄스, 또는 ps 레이저 서브시스템(14)의 증폭 모듈(16)로부터 방출된 펄스 트레인으로부터 선택된 펄스의 버스트를 포함할 수 있는 레이저 출력(20a)을 제공하도록 트리거링될 수 있다. 레이저 출력(20a)의 레이저 펄스는 높은 평균 전력을 갖는다. 광학 변조기(18)는 당업자에게 알려진 바와 같이 시스템 제어 컴퓨터(22), 서브시스템 인터페이스 전자 기기(24), 및/또는 변조기 제어 공급기(26)에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 트리거링될 수 있다. 트리거 타이밍은, 바람직한 경우 시스템 제어 컴퓨터(22) 및/또는 서브시스템 인터페이스 전자 기기(24)에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 레이저 전력 공급기(28)의 제어로 조정될 수 있다. 유용한 AOM 변조 기술이 미국 특허 번호 7,019,891에 개시되고 많은 실시예에 이용될 수 있다는 것을 당업자가 인식할 것이다. 미국 특허 번호 7,019,891은 본 명세서에 참고용으로 병합된다.
다른 예시적인 실시예에서, 발진기 모듈(12)은 펄싱된 반도체 레이저 방출 ps 펄스를 포함할 수 있다. 예시적인 펄싱된 레이저는 1.1㎛보다 큰 파장에서 방출하는 InGaAs/AlGaAs 또는 InGaAsP/InP 팽팽한 양자 웰 구조를 이용하는 알려진 기술에 의해 제조될 수 있다. 그 밖의 반도체 레이저 물질 시스템이 대안적으로 이용될 수 있다는 것을 당업자가 인식할 것이다.
다른 예시적인 실시예에서, 발진기 모듈(12)은 펄싱된 섬유 마스터 발진기를 포함할 수 있다. 예시적인 펄싱된 섬유 마스터 발진기는 반도체 포화가능 흡수 미러(SESAM)를 이용하는 다이오드-펌핑된, Nd-도핑된 또는 Yb-도핑된 실리카 섬유 마스터 발진기일 수 있다. 다른 희토류-도핑된 섬유가 대안적으로 이용될 수 있고, 다른 모드-로킹 요소가 대안적으로 이용될 수 있다는 것을 당업자가 인식할 것이다.
다른 예시적인 실시예에서, 증폭 모듈(16)은 다이오드-펌핑된, Yb-도핑된 실리카 섬유 전력 증폭기일 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 증폭 모듈(16)은 다이오드-펌핑된, Nd-도핑된 실리카 섬유 전력 증폭기일 수 있다. 다른 희토류-도핑된 섬유가 대안적으로 증폭 모듈(16)에 대해 이용될 수 있다는 것을 당업자가 인식할 것이다. 스텝 인덱스 프로파일, 편광 유지 요소를 병합하는 스텝 인덱스 프로파일, 또는 공기 갭 프로파일을 이용하는 섬유가 이용될 수 있다는 것을 당업자가 인식할 것이다.
도 5를 참조하여, 레이저 출력(20a)은 선택적으로 다양한 잘-알려진 팽창 및/또는 시준 광학 기기(42)를 통해 통과되고, 광학 경로(20)를 따라 전파되고, 실리콘 웨이퍼와 같은 소재(52) 상의 원하는 레이저 목표 위치(34) 상에 레이저 시스템 출력 펄스(들)(32)에 충돌시키기 위해 빔-위치 지정 시스템(30)에 의해 향하게 된다. 예시적인 빔-위치 지정 시스템(30)은, 예를 들어 X, Y, 및/또는 Z 위치 지정 미러(44)를 지지하고 동일하거나 상이한 소재(52) 상의 목표 위치(34) 사이에 빠른 이동을 허용하는 적어도 2개의 횡단 스테이지(36 및 38)를 이용할 수 있는 병진 스테이지 위치 지정기를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 병진 스테이지 위치 지정기는, 일반적으로 레일(46)을 따라 선형 모터에 의해 이동된 Y 스테이지(36)가 소재(52)를 지지하여 이동시키고, 일반적으로 레일(48)을 따라 선형 모터에 의해 이동된 X 스테이지(38)가 고속 위치 지정기(50) 및 연관된 초점 렌즈(들) 및/또는 다른 광학 기기와 같은 빔-위치 지정 광학 기기를 지지하여 이동시키는 분할-축(split-axis) 시스템이다. X 스테이지(38)와 Y 스테이지(36) 사이의 Z 치수도 또한 조정가능하다. 위치 지정 미러(44)는 다시 광학 경로(20)를 따라 위치되는 고속 위치 지정기(50)와 레이저 서브시스템(14) 사이에 임의의 회전을 통해 광학 경로(20)를 정렬한다. 고속 위치 지정기(50)는, 예를 들어 제공된 테스트 또는 디자인 데이터에 기초한 고유하거나 반복적인 처리 동작을 달성할 수 있는, 높은-분해능 선형 모터, 하나 이상의 검류계 미러, 고속 조종 미러, 및/또는 음향-광학 조종 기술을 이용할 수 있다. 스테이지(36 및 38) 및 위치 지정기(50)는 패널화되거나 또는 패널화되지 않은 데이터에 응답하여 독립적으로 제어되어 이동되거나, 함께 이동하도록 조정될 수 있다. 분할-축 빔-위치 지정 시스템(30)은 203mm(8"), 특히 305mm(12") 또는 더 큰 웨이퍼를 절단하는 것과 같은 큰 이동 영역(large-area-of-travel)의 애플리케이션에 사용하기에 바람직하다.
고속 위치 지정기(50)는 또한 소재(52)의 표면상의 하나 이상의 기점(fiducial)에 정렬될 수 있는 비전 시스템을 포함하거나 이에 연관될 수 있다. 빔-위치 지정 시스템(30)은, 공유 대물 렌즈를 통해 작용하거나 개별적인 카메라를 통해 오프-축되고 당업자에게 잘 알려진 종래의 비전 또는 빔-작업 정렬(beam-to-work) 시스템을 이용할 수 있다. 일실시예에서, Electro Scientific Industries, Inc가 판매한 위치 지정 시스템(30)에서 프리덤 라이브러리 소프트웨어(Freedom Library software)를 이용하는 HRVX 비전 박스는 레이저 서브시스템(14)과 소 재(52) 상의 목표 위치(34) 사이의 정렬을 수행하도록 이용된다. 다른 적합한 정렬 시스템은 상업적으로 이용가능하다. 예시적인 정렬 시스템은, 특히 래핑(lapped) 또는 연마된 웨이퍼와 같은 소재를 거울 방식으로(specularly) 반사하기 위해 밝은-필드(bright-field) 축상 조명을 이용할 수 있지만, 어두운-필드 조명, 또는 어두운-필드 조명과 밝은-필드 조명의 조합이 사용될 수 있다.
나중에 설명될 레이저 절단 동작에 대해, 빔-위치 지정 시스템(30)은 바람직하게 웨이퍼 표면상에 종래의 일반적인 소 절단 또는 다른 기점 또는 패턴에 정렬된다. 일단 낮은-k 유전 물질이 제거된 후에, 커프 에지에 대한 정렬이 바람직할 수 있다. 빔-위치 지정 시스템(30)은 바람직하게 약 3 내지 5㎛보다 더 나은 정렬 정밀도를 가질 수 있어서, 레이저 스폿의 중심은 특히 10 내지 15㎛와 같은 레이저 빔 스폿 크기에 대해 바람직한 절단 경로의 약 3 내지 5㎛ 내에 있다. 더 작은 스폿 크기에 대해, 정렬 정밀도는 바람직하게 더 나아질 수 있다. 더 큰 스폿 크기에 대해, 정밀도는 덜 정밀할 수 있다. 더욱이, 빔-위치 지정 시스템(30)은 또한 미국 특허 번호 6,430,465에 구체적으로 설명된 바와 같이 에이브(Abbe) 에러 정정 시스템을 이용할 수 있으며, 이에 대한 관련 부분은 본 명세서에 참고용으로 병합되어 있다.
빔-위치 지정 시스템(30)의 많은 변형은 당업자에게 잘 알려져 있고, 빔-위치 지정 시스템(30)의 몇몇 실시예는 Cutler 등의 미국 특허 번호 5,751,585에 구체적으로 설명되어 있다. 오리곤, 포틀랜드 소재의 Electro Scientific Industries, Inc.로부터 이용가능한 ESI 모델 2700 또는 5320 미세 가공 시스템은 빔-위치 지정 시스템(30)의 예시적인 구현이다. 오리곤, 포틀랜드 소재의 Electro Scientific Industries, Inc.에 의해 제조된 모델 일련 번호 27xx, 43xx, 44xx, 또는 53xx과 같은 다른 예시적인 빔-위치 지정 시스템도 또한 사용될 수 있다. 소재(52)를 이동시키는 X-Y 선형 모터 및 스캔 렌즈를 이동시키는 X-Y 스테이지를 이용하는 이들 시스템 중 몇몇은 길고 일직선의 절단부를 만들기 위한 비용 효과적인 위치 지정 시스템이다. 빔 위치 지정을 위해 고정된 빔 위치 및/또는 고정 검류계를 이용한 소재 위치 지정을 위한 단일 X-Y 스테이지를 갖는 시스템이 대안적으로 사용될 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 그러한 시스템이, 주기적이거나 비주기적일 수 있는 광범위하게 다양한 유용한 패턴을 생성하기 위해 레이저 시스템 출력 펄스(32)를 고속으로 동적으로 위치시키는 툴패스(toolpath) 파일을 이용하도록 프로그래밍될 수 있다는 것을 당업자가 인식할 것이다. 미국 특허 번호 7,019,891에 기재된 AOM 빔-조종 기술이 고속 위치 지정기(50) 및/또는 빔-위치 지정 시스템(30)과 조합하여 사용될 수 있거나 이로 대체될 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다.
레이저 출력(20a)은 또한, 선택적 비선형 변환 광학 기기(56), 선택적 보정 광학 기기(58), 및/또는 선택적 이미징 광학 기기 모듈(62)을 포함하지만 여기에 한정되지 않는 추가의 종래 시스템 광학 요소를 통해 배향될 수 있으며, 이들은, 출력 전력을 제어하고, 목표 또는 소재 표면에서 수용된 레이저 펄스의 빔 프로파일을 성형하도록 이용될 수 있다.
도 6을 참조하여, 선택적 이미징 광학 모듈(62)은 광학 요소(64), 렌즈(66), 및 애퍼처 마스크(68)를 포함할 수 있으며, 이들은 정밀하게 성형된 스폿 프로파일이 작업 표면상에 후속적으로 이미징되도록 임의의 바람직하지 않은 측면 로브(side lobe) 및 빔의 주변부를 차단하기 위해 광학 요소(64)에 의해 생성된 빔 웨이스트(beam waist)에 또는 그 근처에 위치한다. 예시적인 실시예에서, 광학 요소(64)는 회절 디바이스 또는 렌즈이고, 렌즈(66)는 레이저 시스템(10)의 구성에 융통성을 추가하기 위한 시준 렌즈이다.
광학 요소(64)의 특성에 일치시키기 위해 애퍼처의 크기를 변경시키는 것은 정렬 정밀도를 개선시켜야 하는 크기-특정된, 더 선명한-에지의 세기 프로파일을 생성하기 위해 스폿 프로파일의 에지 선명도(edge sharpness)를 제어할 수 있다. 더욱이, 이러한 배열을 통해, 애퍼처의 형태는 정밀하게 원형일 수 있거나, 직사각형, 타원형, 또는 절단 방향에 평행하거나 수직으로 정렬될 수 있는 다른 원형이 아닌 형태로 변경될 수 있다. 애퍼처 마스크(68)는 선택적으로 광-배출 측에서 바깥쪽으로 벌어질 수 있다. UV 레이저 응용에 대해, 이미징 광학 기기 모듈(62)에서의 애퍼처 마스크(68)는 바람직하게 사파이어를 포함한다. 애퍼처 마스크(68)가 광학 요소(64) 및 렌즈(66) 없이 사용될 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다.
대안적인 실시예에서, 광학 요소(64)는, 본래 가우시안 조사 프로파일을 갖는 레이저 펄스를, 거의-균일한 "탑 햇(top hat)" 프로파일, 또는 특히 광학 요소(64)의 하류에 있는 애퍼처 마스크(68) 근처에 슈퍼-가우시안 조사 프로파일을 갖는, 성형된(그리고 집속된) 펄스로 변환하는 하나 이상의 빔-성형 성분을 포함한다. 그러한 빔-성형 성분은 비구면 광학 기기 또는 회절 광학 기기를 포함할 수 있 다. 일실시예에서, 렌즈(66)는 빔 크기 및 발산을 제어하는데 유용한 이미징 광학 기기를 포함할 수 있다. 단일 이미징 렌즈 성분 또는 다중 렌즈 성분이 이용될 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 성형된 레이저 출력이 애퍼처 마스크(68)를 이용하지 않고도 이용될 수 있다는 것을 당업자도 또한 인식할 것이고, 현재 바람직하다.
일실시예에서, 빔-성형 성분은 높은 효율 및 정밀도로 복잡한 빔 성형을 수행할 수 있는 회절 광학 요소(DOE)를 포함한다. 빔-성형 성분은 가우시안 조사 프로파일을 거의-균일한 조사 프로파일로 변환할 뿐 아니라, 또한 성형된 출력을 결정가능하거나 지정된 스폿 크기로 집속한다. 단일-요소 DOE가 바람직하더라도, DOE가 위상 플레이트와 같은 다수의 개별적인 요소를 포함하고 Dickey 등의 미국 특허 번호 5,864,430에 기재된 요소를 변형시킨다는 것을 당업자는 인식할 것이며, 이러한 특허는 또한 빔 성형을 위해 DOE를 설계하는 기술을 기재한다. 전술한 성형 및 이미징 기술은, 관련 부분이 본 명세서에 참고용으로 병합된 미국 특허 번호 6,433,301에 구체적으로 기재되어 있다.
레이저 전력 제어 모듈(70)은, 다이오드 펌프 변조 또는 외부 변조{AOM 또는 EOM, 또는 광학 경로(20)를 따라 위치한 모터형 편광 회전 광학 기기를 포함하지만, 여기에 한정되지 않은 외부 전력 제어기(60)에서와 같이}, 또는 이들의 조합을 포함하지만 여기에 한정되지 않은 변조 방법을 이용함으로써 레이저 펄스 전력 제어를 달성하는데 이용될 수 있다. 더욱이, 광 다이오드와 같은 하나 이상의 빔-검출 디바이스(54)는 레이저 출력(20a)의 파장에 부분적으로 투과되도록 적응되는 위 치 지정 미러(44)로 정렬된 것과 같이 레이저 전력 제어기(60)의 하류에 있을 수 있다. 빔-검출 광학 기기 및 전자 기기는 레이저 전력 제어 모듈(70)과 직접적으로 또는 간접적으로 연관될 수 있고, 및/또는 시스템 제어 컴퓨터(22) 및/또는 서브시스템 인터페이스 전자 기기(24)와 직접적으로 또는 간접적으로 통할 수 있고, 및/또는 변조된 레이저 출력(20a)을 샘플링하는데 사용될 수 있고, 소재(52)를 처리하는데 바람직한 파라미터를 갖는 안정하게 변조된 출력을 생성하기 위해 변조기 및/또는 다른 시스템 광학 요소로의 보정 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 종래의 전력-제어 기술은 당업자에게 알려져 있다. 몇몇 예시적인 AOM 전력-제어 기술은 미국 특허 번호 7,019,891에 기재되어 있다.
사용된 기존의 펄스 반복 주파수는 100kHz 내지 10MHz의 범위를 갖는다. 특정한 응용은 10MHz 내지 100MHz의 범위에서 펄스 반복 주파수를 이용할 수 있다. 사용된 기존의 집속된 스폿 크기는 10㎛ 내지 100㎛의 범위를 갖는다. 특정한 응용은 1.5㎛ 내지 10㎛의 범위에서 스폿 크기를 이용할 수 있다. 사용된 기존의 바이트 크기는 1nm 내지 10㎛의 범위를 갖는다. 사용된 기존의 속도는 10 mm/s 내지 1,000 mm/s의 범위를 갖는다.
도 7은 특정 실시예에 따라 바람직한 레이저 파라미터를 갖는 낮은-k 유전 물질 층을 통해 만들어진 절단부의 전자 현미경 이미지이다. 절단부는, 1,064nm의 펄싱된 ps 출력이 밑에 있는 실리콘 기판에 손상주지 않고도 낮은-k 유전 물질을 통해 절단한다는 것을 보여준다.
몇몇 실시예에서, 레이저 시스템(10)은 낮은-k 유전 물질( 및 선택적으로 다 른 디바이스 층은 금속, 산화물, 폴리머, 및/또는 다른 연성 물질과 같은 층을 포함하지만 여기에 한정되지 않는다)을 처리하는데 사용되고, 그런 후에 기계 소 블레이드를 이용한 절단과 같은 하나 이상의 비 레이저 기술은 웨이퍼 기판 물질의 대부분 또는 모든 두께를 처리하는데 사용된다. 일 예에서, 레이저 시스템(10)은 기계 소를 통한 소재(52)의 단일화 이전에 스트리트로부터 낮은-k 유전 물질 및 선택적으로 하나 이상의 다른 디바이스 층을 제거하여, 소 블레이드를 통한 후속적인 다이싱 동안, 블레이드가 기판 물질에만 접촉하도록 하는데 이용될 수 있다. 이러한 방법은 더 부서지기 쉬운 기판 물질 상에 연성 물질의 존재로 인한 블레이드 파손을 방지한다. 이러한 기술의 이득은 소 블레이드의 개선된 수명, 및 오염된 블레이드로 인한 기판에서 절단부의 에지에 대한 손상의 감소를 포함하지만 여기에 한정되지 않는다.
특정 예에서, 층 제거의 폭은 소 다이싱의 폭보다 약간 더 넓다. 그러한 넓은 절단 라인은, 예를 들어 20 내지 40 ㎛ 커프 폭(예시적인 총 폭은 대략 120㎛이지만, 이러한 폭은 특정한 응용에 적합하도록 조정될 수 있다)의 3 내지 7 인접하거나 부분적으로 중첩된 절단 라인으로 만들어질 수 있다.
몇몇 대안적인 실시예에서, 레이저 시스템(10)은, 비 레이저 기술이 웨이퍼 물질을 처리하도록 이용되기 전에 연성 물질을 처리하는데 유리하게 사용될 수 있는 상이한 레이저 출력 파라미터를 제공하도록 구성될 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 레이저 시스템(10)은 웨이퍼 물질을 처리하는데 유리하게 사용될 수 있는 상이한 레이저 출력 파라미터를 제공하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 선택적인 편광 트랙킹 시스템(90) 및/또는 선택적인 비반사 척(chuck)(100)은 소재(52)의 기판의 레이저 다이싱을 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 이러한 기술 뿐 아니라 세그먼트화-절단{스티치-절단(stitch-cutting)} 기술, 및 이러한 기술을 구현하는데 사용될 수 있는 대안적인 레이저 시스템 구성은 본 명세서에 참고용으로 병합되는, 미국 특허 출원 번호 10/017,497, 11/332,815 및 10/187,400 및 미국 특허 번호 6,676,878에 구체적으로 개시된다.
본 발명의 기본 원리로부터 벗어나지 않고도 전술한 실시예의 세부사항에 대한 많은 변화가 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백해질 것이다. 그러므로, 본 발명의 범주는 다음 청구항에 의해서만 결정되어야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 레이저 가공에 관한 것으로, 특히 낮은-k 유전 물질을 포함하는 소재의 레이저 가공 등에 이용된다.

Claims (33)

  1. 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법으로서,
    1.1㎛보다 크고 5㎛보다 짧은 파장을 갖고 100 ps보다 짧은 펄스 폭을 갖는 적어도 하나의 레이저 펄스를 포함하는 레이저 출력을 생성하는 단계와,
    낮은-k 유전 물질의 목표 부분이 제거되지만, 기판이 동작상 손상되지 않도록 레이저 출력을 낮은-k 유전 물질의 목표 부분에 향하게 하는 단계를
    포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 펄스 폭은 10 ps보다 짧은, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 펄스 폭은 1 fs보다 더 긴, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 파장은 약 1.3㎛인, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 펄스는 75 μJ 미만인 피크 전력을 갖는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 펄스는 75μJ를 초과하는 피크 전력을 갖는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 낮은-k 유전 물질은 3 미만의 k 값을 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 낮은-k 유전 물질은 SRO 또는 SiCOH를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 낮은-k 유전 물질은 플루오르 실리케이트 유리, 플루오르 비결정질 탄소, SiOB, 벤조시클로부텐(BCB), 메틸 실세스퀴옥산(MSQ), 히드로겐 실세스퀴옥산(HSQ), 테트라메틸 실란으로부터 메틸화 실리카, 테프론(PTFE), 제로겔, 폴리머 난폼, 폴리이미드, 플루오르 폴리이미드, 폴리이미드-주원료의 폴리머, 파릴렌-주원료의 폴리머, 폴리아릴레터를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 단결정, 다결정, 또는 비결정질 Si, GaAs, GaP, InP, Ge, 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물, 사파이어, 용융된 실리카, 유리, 또는 폴리머를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 출력은 증폭 모듈과 협력하여 발진기 모듈에 의해 생성되는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 발진기 모듈은 다이오드-펌핑된, 고체-상태(DPSS) 마스터 발진기를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 증폭 모듈은 단일-경로, 다중 경로, 또는 재생 DPSS 증폭기를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 증폭 모듈은 Nd:GdVO4, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:유리, 또는 Nd:YAG 라산트(lasant)를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 발진기 모듈은 펄싱된 반도체 레이저 방출 ps 펄스를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 펄싱된 반도체 레이저는 InGaAs/AlGaAs 또는 InGaAsP/InP 팽창 양자 웰(well) 구조를 이용하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  17. 제 11항에 있어서, 상기 발진기 모듈은 펄싱된 섬유 마스터 발진기를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 펄싱된 섬유 마스터 발진기는 반도체 포화가능 흡수 미러를 이용하는 다이오드-펌핑된, Nd-도핑된 실리카 섬유 레이저 발진기를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 펄싱된 섬유 마스터 발진기는 반도체 포화가능 흡수 미러를 이용하는 다이오드-펌핑된, Yb-도핑된 실리카 섬유 레이저 발진기를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  20. 제 11항에 있어서, 상기 증폭 모듈은 Yb-도핑된 실리카 섬유 레이저 증폭기를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  21. 제 11항에 있어서, 상기 증폭 모듈은 Nd-도핑된 실리카 섬유 레이저 증폭기를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  22. 제 11항에 있어서, 상기 레이저 출력은 증폭 모듈로부터 방출된 펄스 트레인으로부터 선택된 다수의 독립적으로 트리거링된 펄스 또는 펄스의 버스트(bursts of pulses)를 포함하는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  23. 제 1항에 있어서, 기계 소(saw)는, 낮은-k 유전 물질의 목표 부분이 제거된 후에 기판을 다이싱하도록 이용되는, 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 레이저 처리하는 방법.
  24. 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 처리하는 레이저 시스템으로서,
    1.1㎛보다 크고 5㎛보다 짧은 파장을 갖고, 100 ps보다 짧은 펄스 폭을 갖는 적어도 하나의 레이저 펄스를 포함하는 레이저 출력을 생성하기 위한 다이오드-펌핑된, 고체-상태 마스터 발진기 전력 증폭기와;
    낮은-k 유전 물질의 목표 부분이 제거되지만 기판이 동작상 손상되지 않도록 레이저 출력을 낮은-k 유전 물질의 목표 부분에 향하게 하는 빔 위치 지정 시스템을
    포함하는, 레이저 시스템.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 레이저 출력은 약 1.3㎛의 파장을 포함하고, 다이오드-펌핑된, 고체-상태 마스터 발진기 전력 증폭기는,
    다이오드-펌핑된, 고체-상태(DPSS) 마스터 발진기와;
    Nd:GdVO4, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:유리, 또는 Nd:YAG 라산트를 포함하는 단일-경로, 다중 경로, 또는 재생성 DPSS 증폭기를 포함하는, 레이저 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 레이저 출력은 증폭 모듈로부터 방출된 펄스 트레인으로부터 선택된 다수의 독립적으로 트리거링된 펄스 또는 펄스 버스트를 포함하는, 레이저 시스템.
  27. 제 25항에 있어서, 낮은-k 유전 물질은 플루오르 실리케이트 유리, 플루오르 비결정질 탄소, SRO, SiCOH, SiOB, 벤조시클로부텐(BCB), 메틸 실세스퀴옥산(MSQ), 히드로겐 실세스퀴옥산(HSQ), 테트라메틸 실란으로부터 메틸화 실리카, 테프론(PTFE), 제로겔, 폴리머 난폼, 폴리이미드, 플루오르 폴리이미드, 폴리이미드-주원료의 폴리머, 파릴렌-주원료의 폴리머, 폴리아릴레테르를 포함하고, 기판은 단결정, 다결정, 또는 비결정질 Si, GaAs, GaP, InP, Ge, 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물, 사파이어, 용융된 실리칸, 유리, 또는 폴리머를 포함하는, 레이저 시스템.
  28. 웨이퍼 기판에 의해 지지된 낮은-k 유전 물질을 처리하기 위한 레이저 시스템으로서,
    1.1㎛보다 크고 5㎛보다 짧은 파장을 갖고, 100 ps보다 짧은 펄스 폭을 갖는 적어도 하나의 레이저 펄스를 포함하는 레이저 출력을 생성하기 위한 다이오드-펌핑된, 섬유 마스터 발진기 섬유 전력 증폭기와;
    낮은-k 유전 물질의 목표 부분이 제거되지만 기판이 동작상 손상되지 않도록 레이저 출력을 낮은-k 유전 물질의 목표 부분에 향하게 하는 빔 위치 지정 시스템을
    포함하는, 레이저 시스템.
  29. 제 28항에 있어서, 다이오드 펌핑된 섬유 마스터 발진기 섬유 전력 증폭기는,
    반도체 포화가능 흡수 미러를 이용하는 다이오드-펌핑된, Nd-도핑된 실리카 섬유 마스터 발진기와;
    Yb 도핑된 실리카 섬유 전력 증폭기를
    포함하는, 레이저 시스템.
  30. 제 28항에 있어서, 상기 다이오드 펌핑된 섬유 마스터 발진기 섬유 전력 증폭기는,
    반도체 포화가능 흡수 미러를 이용하는 다이오드-펌핑된, Nd-도핑된 실리카 섬유 마스터 발진기와;
    Nd 도핑된 실리카 섬유 전력 증폭기를
    포함하는, 레이저 시스템.
  31. 제 28항에 있어서, 상기 다이오드 펌핑된 섬유 마스터 발진기 섬유 전력 증폭기는,
    반도체 포화가능 흡수 미러를 이용하는 다이오드-펌핑된, Yb-도핑된 실리카 섬유 마스터 발진기와;
    Yb 도핑된 실리카 섬유 전력 증폭기를
    포함하는, 레이저 시스템.
  32. 제 28항에 있어서, 상기 다이오드 펌핑된 섬유 마스터 발진기 섬유 전력 증폭기는,
    반도체 포화가능 흡수 미러를 이용하는 다이오드-펌핑된, Yb-도핑된 실리카 섬유 마스터 발진기와;
    Nd 도핑된 실리카 섬유 전력 증폭기를
    포함하는, 레이저 시스템.
  33. 제 29항에 있어서, 상기 레이저 출력은 다이오드 펌핑된 섬유 마스터 발진기 섬유 전력 증폭기로부터 방출된 펄스 트레인으로부터 선택된 다수의 독립적으로 트리거링된 펄스 또는 펄스 버스트를 포함하는, 레이저 시스템.
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