KR20100136467A - 성형된 레이저 펄스로 홀을 레이저 가공하는 방법 및 장치 - Google Patents

성형된 레이저 펄스로 홀을 레이저 가공하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

레이저 펄스(160,170,172,180,190,192)로 전자 기판에 비아(30)를 형성하는 개선된 방법 및 장치는 하나 이상의 성형된 펄스(160,180)를 사용하여 기판에 손상을 피하고 시스템 처리량을 유지하면서 비아에 남아있는 파편을 감소시킬 수 있다. 성형된 펄스는 펄스의 지속시간의 50%보다 더 작고 펄스의 평균 파워보다 10% 더 높은 피크 파워를 가지는 파워 스파이크(166,186)를 특징으로 하는 레이저 펄스이다. 더 긴 지속시간의 펄스를 슬라이싱함으로써 성형된 펄스를 생성하는 방법 및 장치가 개시된다.

Description

성형된 레이저 펄스로 홀을 레이저 가공하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR LASER DRILLING HOLES WITH TAILORED LASER PULSES}
본 발명은 작업물을 레이저 처리하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 CO2 레이저로부터 나오는 펄스를 사용하여 층들 사이의 전기적인 상호 연결을 가능하게 하기 위해 비아를 형성하기 위하여 다층의 전자 기판 또는 보드에 레이저로 홀을 형성(laser drilling)하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 펄스 슬라이싱 기술을 사용하여 더 긴 지속시간의 펄스로부터 생성된 성형된 펄스로 작업물에 레이저로 홀을 형성하는 것에 관한 것이다.
컴퓨터, 휴대폰 및 다른 가전 제품과 같은 디바이스를 포함하는 거의 모든 현재 제조되는 전자 제품은 기판 또는 보드(이후 기판이라고 한다)에 전자 부품을 부착하여 형성된다. 전자 부품은 집적 회로, 이산 능동 및 수동 디바이스, 디스플레이 및 커넥터를 포함한다. 기판은 전자 부품을 제 위치에 유지하고 원하는 기계적, 열적 또는 전기적 특성을 갖는 부품들 사이에 전기적 연결을 제공하는 기능을 한다. 기판은 일반적으로 전자 부품들과 전기적으로 협력하여 동작하는 전도성 요소와 결합된 비전도성 층 또는 층들을 포함한다. 비전도성 층을 형성하는 물질은 실리콘 또는 사파이어와 같은 결정질 물질, 비결정 실리콘이나 유리와 같은 비정질 물질, 알루미늄 산화물과 같은 소결된 세라믹 물질 또는 FR-4, 폴리이미드 또는 ABF와 같은 유기 물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전도체는 폴리실리콘, 알루미늄 또는 구리와 같은 전도성 물질을 포토리소그래픽 방식으로 증착하는 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 기술을 사용하여 전도성 링크를 증착하는 공정, 또는 기판 상에 또는 기판 내에 전도성 층을 적층 및/또는 패터닝하는 공정을 포함하는 공정에 의해 기판 상에 또는 기판 내에 형성된다.
이들 공정은 일반적으로 절연 물질 즉 비전도성 물질의 층에 의해 분리될 수 있는 전도체들을 상호연결하는 것을 필요로 한다. 전자 기판은 평면에 배열된 전도성 층과 비전도성 층으로 일반적으로 이루어진다. 도 1은 하나 이상의 보강 층(24)을 포함할 수 있는 절연 또는 유기 층(20)에 의해 분리되어 있는 전도성 또는 무기 층(10,12,14)으로 이루어진 다층의 기판의 개략도를 도시한다. 도 1은 또한 전도성 층(10,12)들 사이에 전기적인 연결을 형성하는 전도성 도금(36)을 갖는 기판에 형성된 비아(30)를 도시한다.
도 2는 종래 기술의 레이저 가공 시스템의 개략도를 도시한다. 레이저 가공 시스템은 일반적으로 레이저 빔 경로(108)를 따라 레이저 펄스를 방출하는 레이저(102)와, 빔 성형 광학기기(124), 빔 조향 광학기기(128), 스캔 렌즈(130), 제어기(112) 및 작업물(140)을 유지하고 이 작업물을, 3개의 직교축(X,Y,Z)으로 병진운동을 하는 것과 3개의 축{로(ρ), 파이(π) 및 세타(θ)}에 대해 회전운동을 하는 것을 포함하는 6개의 축으로 이동시키기 위해 움직임 제어 디바이스(미도시)를 갖는 스테이지(142)를 포함한다. 제어기(112)는 레이저(102)로 하여금 에너지를 방출하게 지시하고 적절한 시간에 적절한 위치로 작업물을 위치시키기 위해 빔 조향 광학기기와 스테이지의 움직임을 조절하게 지시한다. 레이저 비아 형성 시스템의 성능은 처리량과 비아 품질을 포함하는 기준에 따라 평가된다. 비아 품질을 결정하는 요인(factor)은 올바른 위치, 형상 및 파편(debris)의 부재를 포함한다. 파편은 비아에 남아 있어 제거되어야 할 물질 또는 레이저 가공에 의해 이전에 제거된 후 비아에 다시 증착된 물질을 말한다. 파편이 없거나 거의 없는 고 품질의 비아를 형성하는 것은 전도체와 비아의 바닥과 측벽들 사이에 우수한 기계적 접촉을 가능하게 하기 때문에 매우 바람직하다. 파편이나 잔류하는 유기 "얼룩(smear)" 없이 비아의 바닥에 전도성 층의 우수한 텍스쳐 면을 제공하는 것은 바닥 전도체와 도금 사이에 우수한 전기적 접촉을 가능하게 하여 비아의 품질을 더 개선시킨다. 동시에, 가능한 한 높은 시스템 처리량을 유지하는 것이 바람직하며, 이는 비아를 형성하는데 가능한 한 적은 시간이 든다는 것을 의미한다. 비아는 일반적으로 펄스 레이저 출력을 사용하여 형성된다. 주어진 펄스 반복 속도에서 이것은 통상적으로 원하는 품질과 일치하는 가능한 한 적은 수의 펄스로 비아를 형성하는 것을 의미한다. 그리고 마지막으로, 합리적인 비용과 복잡성으로 이를 달성하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
Arai 등에 특허 허여되고 Hitach Via Mechanics, Ltd.에 양도된 U.S. 특허 번호 6,479,788호는 긴 펄스 지속시간의 CO2 레이저 펄스로부터 나오는 거의 정사각(square)형 펄스로 보이는 것의 감소하는 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스 열을 슬라이싱(slicing)함으로써 이 문제를 해결하려는 목적을 가지고 있다. '788 특허문헌에 개시된 긴 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스로부터 나오는 점차 더 짧아지는 펄스를 갖는 펄스 열을 슬라이싱하는 것은, 긴 펄스 폭의 레이저 펄스로 레이저 처리하는 원치않는 열적 효과를 제한하면서 기판을 마이크로 가공하는데 이용가능한 파워를 증가시키려는 시도이다. 도 3은 이런 타입의 예시적인 레이저 펄스(150)를 도시한다. 그러나, 이들 모든 펄스는, 비아 형성 공정 동안 실질적으로 일정한 피크 파워와 정사각형 형상을 가지고 있어, 비아 형성 시작시에 볼륨 물질의 거부와 비아 형성 종료시에 비아 바닥 크리닝의 섬세한 클리닝과 같은 비아 형성의 상이한 스테이지에서 최상의 처리 결과를 보장하기 위해 최적화된 레이저 펄스 파워 프로파일 또는 강도 프로파일을 사용하는 문제를 해결하지 못하고 있다.
따라서, 기판 또는 기판 주변의 구조 물질에 대한 손상을 피하고 허용가능한 시스템 처리량을 유지하면서 상대적으로 파편이 없고 고품질의 비아를 형성할 수 있는, 전자 조립체에서 비아를 레이저 형성하는 장치에 대한 계속적인 요구가 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 전자 기판을 포함하는 작업물에 고품질의 비아를 마이크로 가공하는 개선된 능력을 가지는 레이저 처리 시스템의 형태에서의 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적에 따라 전술된 목적과 다른 목적을 달성하기 위해 본 명세서에서 구현되고 폭넓게 기술된 방법 및 장치가 개시된다.
일 실시예에서, 비아의 품질은 비아 형성 시작시에 레이저 펄스 동안 특정 시간에 발생하는 파워 스파이크를 갖는 펄스로 CO2 레이저 펄스를 구체적으로 성형함으로써 개선된다. 이러한 스파이크를 갖는 성형된 펄스는 고속으로 비아 사이트로부터 볼륨 물질을 폭발적으로 배출하는데 효과적이며, 이에 더 적은 파편이 비아 영역에 형성되거나 더 적은 재증착이 비아의 내벽에 다시 일어나게 된다. 이러한 성형된 펄스 형상은 또한 펄스 속도가 종래 기술의 펄스에서 사용되는 속도보다 더 증가될 수 있게 하는데, 이는 성형된 펄스에 의해 유발된 폭발적 배출이 종래 기술의 펄스보다 훨씬 더 빠른 속도로 레이저 유도된 플럼(plume)이나 플라즈마를 분산시켜, 그 다음 레이저 펄스가 파편을 형성함이 없이 보다 신속히 기판에 발사될 수 있게 하기 때문이다. 이것은 플럼이나 플라즈마가 레이저 에너지를 흡수하여 비아 구조물에 원치않는 가열 효과를 초래하기 때문이다. 플라즈마가 레이저 에너지를 흡수하여 레이저 에너지가 기판에 도달하는 것을 막는다는 사실은 또한 비아 형성의 처리량을 감소시킬 것이다. 고속의 에너지 커플링은 얼룩을 감소시키는 것을 돕는데, 이는 금속 전도체에 부착된 유기 물질에 에너지를 신속하게 결합시켜, 금속이 열의 형태로 에너지를 전도할 수 있기 전에 이를 제거하는 작용을 하기 때문이다. 비아를 형성하는 차후 단계에서, 가우시안 형상과 최적화된 피크 파워를 갖는 것과 같은 상이한 파워 프로파일을 갖는 레이저 펄스 또는 펄스들이 사용될 수 있으나, 이는 얼룩에 의해 유발된 손상이나 박리(바닥 영역 주위에서 전도성 물질과 절연성 물질이 분리되는 것)를 가짐이 없이 비아의 바닥이 클리닝될 수 있는 것을 보장하기 위해 비아 형성의 다른 스테이지에 사용되는 펄스의 것과 반드시 같을 필요는 없다. 기판에 가해지는 총 레이저 에너지는 비아의 바닥에 있는 주변 물질이나 금속 전도체에 손상이 일어나지 않도록 제어되어야 한다. 이것은 성형된 펄스와 비-성형된 펄스의 총 수와 성형된 펄스 형상을 제어함으로써 달성된다.
성형된 펄스는 선단 에지, 하강 에지 및 이들 사이에 적어도 하나의 파워 스파이크를 가지는 레이저 펄스로 한정된다. 이런 타입의 성형된 펄스의 일부 예는 도 4 및 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 이들 도 4 및 도 5는 시간 대 순간 레이저 파워를 그래프로 도시한다. 성형된 펄스(160,180)는 선단 에지(162,182), 하강 에지(164,184) 및 파워 스파이크(166,186)를 특징으로 한다. 이들 파워 스파이크는 손상이 일어날 수 있는 점을 지나 기판에 전달되는 총 에너지를 증가시킴이 없이 제거될 물질로 에너지를 신속하게 결합시키는 역할을 한다.
성형된 펄스는 펄스 지속시간 동안 발생하는 하나 이상의 파워 스파이크를 특징으로 한다. 파워 스파이크는 펄스의 평균 파워보다 더 큰 피크 파워를 가지는 것을 특징으로 한다. 나아가, 파워 스파이크는 전체 펄스의 지속시간보다 더 작은 지속시간을 가지는 것을 특징으로 한다. 피크 파워를 갖는 파워 스파이크는 펄스의 평균 파워의 10% 내지 100%보다 더 크거나, 보다 바람직하게는 펄스의 평균 파워의 10% 내지 30% 범위에 있다. 바람직한 파워 스파이크는 펄스의 지속시간의 약 25% 내지 약 75%보다 더 작은 지속시간을 가지며, 보다 바람직하게는 전체 펄스의 지속시간의 약 35%의 지속시간을 가진다.
도 4 및 도 5에 도시된 펄스들 사이의 차이는 펄스 내에 파워 스파이크의 배치에 관한 것이다. 도 4에 있는 스파이크(166)는 펄스의 선단 에지 부근에서 발생한다. 이런 타입의 펄스에서 파워 스파이크(166)는 물질의 폭발적인 제거를 개시하는 한편, 펄스의 나머지는 기판을 손상시키는데 충분한 에너지를 도입함이 없이 물질을 연속적으로 제거한다. 도 5에 있는 스파이크(186)는 펄스의 선단 에지 부근에서 발생하며, 이후 펄스의 하강 에지 부근에서 발생한다. 이 아이디어는 물질의 마지막 폭발성 배출이 펄스의 종단 부근에서 발생할 수 있어 비아로부터 물질을 더 클리닝할 수 있는 것이다. 성형된 펄스 파라미터의 선택은 펄스의 시간 형상(강도 프로파일), 스파이크의 피크 펄스 파워, 평균 펄스 파워, 상승 시간, 하강 시간, 시간적 펄스 폭, 성형된 펄스들 사이의 시간 간격 및 성형된 펄스들의 총 개수 등을 포함한다. 일부 시스템은 레이저 스폿 크기와 공간 프로파일을 조절할 수 있다. 펄스당 0.1 Joule/㎠ 내지 약 100 Joule/㎠ 범위의 펄스 플루언스(fluence) 또는 보다 바람직하게는 펄스당 1.0 Joule/㎠ 내지 약 10 Joule/㎠ 범위의 펄스 플루언스는 본 명세서에 개시된 방법에 따라 비아를 형성하는데 효과적이다. 펄스 지속시간은 또한 선택될 중요한 파라미터이다. 펄스 지속시간은 약 수 피코초 내지 수 백 마이크로초 보다 더 큰 범위이거나, 보다 바람직하게는 일 나노초(㎱) 내지 수 백 마이크로초의 범위일 수 있다.
도 4 및 도 5는 비아를 형성하기 위해 성형되지 않은 펄스(170,172,190, 192)와 함께 사용되는 성형된 펄스(160,180)를 도시한다. 도 4는 하나의 파워 스파이크(166)를 갖는 성형된 펄스(160) 이후에 직사각형 펄스(170)와 2개의 가우시안 펄스(172)를 도시한다. 도 5는 2개의 파워 스파이크를 갖는 성형된 펄스(172) 이후에 가우시안 펄스(192), 직사각형 펄스(190) 및 다른 가우시안 펄스(192)를 도시한다.
도 4 및 도 5는 성형된 펄스(160,180) 및 비성형된 펄스(170,190,192) 전후의 인큐베이션 펄스(168,188)의 사용을 더 도시한다. 이들 펄스는 후속하는 펄스들이 보다 용이하게 물질을 제거할 수 있도록 물질을 예열하는 기능을 한다. 예열하는 것은 주변 기판에 손상을 일으키지 않고 물질의 온도를 상승시킨다. 예열 펄스는 물질 제거를 가능하게 할 수 있는 임계값 보다 낮다. 후속하는 성형된 펄스이거나 비성형된 펄스는 물질이 예열 펄스로부터 물질에 저장된 에너지를 이미 가지고 있으므로 더 신속하고 더 우수한 품질로 물질을 제거하기 시작할 수 있다.
본 발명은 기판 또는 기판 주변의 구조 물질에 대한 손상을 피하고 허용가능한 시스템 처리량을 유지하면서 전자 제품에 상대적으로 파편이 없고 고품질의 비아를 형성할 수 있는 등의 효과를 제공한다.
도 1은 다층의 작업물의 단면도.
도 2는 종래 기술의 레이저 가공 시스템을 도시하는 개략도.
도 3은 종래 기술의 레이저 펄스를 도시하는 도면.
도 4는 비아를 형성하기 위한 성형된 펄스, 인큐베이션 펄스 및 비성형된 펄스를 도시하는 도면.
도 5는 비아를 형성하기 위한 성형된 펄스, 인큐베이션 펄스 및 비성형된 펄스를 도시하는 도면.
도 6은 다중 빔 펄스 성형 디바이스를 도시하는 개략도.
도 7a는 다중 빔 펄스 성형 디바이스를 도시하는 개략도.
도 7b는 펄스 성형 디바이스에 입력될 펄스 파형을 도시하는 도면.
도 7c는 펄스 성형 디바이스로부터 출력되는 펄스 파형을 도시하는 도면.
도 8은 EOM 및 AOM을 포함하는 다중 빔 펄스 성형 디바이스를 도시하는 도면.
도 9는 EOM을 포함하는 다중 빔 펄스 성형 디바이스를 도시하는 도면.
고품질의 비아를 효과적으로 형성하는 것은 주변 기판에 손상을 주지 않으면서 최소한의 레이저 펄스로 비아 볼륨으로부터 실질적으로 모든 절연 물질을 제거하는 것을 수반한다. 이것은 가능하게는 본 명세서에 개시된 바와 같은 인큐베이션 펄스와 비성형된 펄스와 함께 하나 이상의 성형된 펄스로 비아를 형성함으로써 달성될 수 있다. 3가지 펄스 측정이 비아 형성에 관련된다. 제 1 측정은 펄스 지속시간 동안 도달되는 최고 순간 파워를 측정하는 와트(Watt) 단위로 표시되는 피크 파워이다. 제 2 측정은 펄스의 지속시간에 걸쳐 파워를 적분함으로써 계산되는 에너지이다. 빔 스폿 사이즈가 고려사항으로 포함될 때 플루언스(fluence)라는 용어는 보다 자주 사용되며 이는 Joule/㎠ 단위이다. 제 3 측정은 파워의 프로파일이다. 이것은 시간에 대한 비아 사이트에 레이저 에너지가 얼마나 빠르게 가해지는지를 나타내는 속도이다.
최대 레이저 펄스 플루언스는 가공되는 기판의 손상 임계값에 의해 결정된다. 너무 높은 플루언스는 주변 기판을 손상시킬 수 있다. 주변 기판의 손상은 비아에 인접한 층들을 박리시키거나 또는 비아의 바닥에 있는 노출된 전도체에 손상을 줄 수 있다. 손상의 다른 형태는 언더컷(undercut)이며 이때 원치않는 물질이 비아로부터 제거된다. 언더컷은 일반적으로 비아의 바닥이 상부 직경보다 더 큰 직경을 가지게 하여, 네거티브 테이퍼(taper)를 비아에 제공하며 이는 비아에 도금하는 것을 방해한다. 언더컷은 비아를 형성하는데 사용되는 플루언스가 너무 높은 경우에 유발될 수 있다. 성형된 펄스의 사용은 사용되는 플루언스를 최소화하면서 비아로부터 물질을 제거(clear)하는데 충분한 파워를 제공함으로써 이들 손상의 소스를 완화시킬 수 있다.
기판 손상을 피하는 것으로 결정된 총 펄스 플루언스의 제한 내에서 물질 제거는 파워 프로파일 또는 펄스 형상 뿐만 아니라 펄스 피크 파워의 함수이다. 더 높은 피크 파워와 원하는 파워 프로파일을 올바르게 조합하면 에너지가 열적 확산으로 분산되기 전에 에너지를 기판에 결합시킬 수 있고, 이에 의해 주어진 볼륨에 에너지를 집중시킬 수 있어, 비아 사이트로부터 더 높은 속도로 폭발적으로 제거될 물질을 배출할 수 있다. 폭발적으로 배출되는 물질은 냉각시에 비아 볼륨에 재증착될 가능성이 낮으며, 이에 의해 더 깨끗하고 파편이 더 없는 비아를 촉진시킨다. 가공이 비아 바닥 영역에 이를 때 처리해야 할 주요 문제는 제거될 물질 볼륨이 더 이상 없고 오히려 히트 싱크로 작용하는 전도성 층이 바로 다음에 있어 제한된 물질 볼륨이 있다는 것이다. 원하는 레이저 펄스 파라미터는 충분히 높은 피크 파워와 충분히 좁은 펄스 폭을 갖는 스파이크 형상의 펄스 형상이다. 이것은 비아의 바닥에 있는 전도성 물질에 절연체 얼룩(smear)을 제거하는 경향이 있다. 너무 낮은 플루언스와 얼룩은 남아있다. 너무 높은 플루언스와 전도체 또는 절연 물질의 바닥은 손상될 수 있다. 원하는 속도와 프로파일로 절연 물질에 에너지를 신속히 결합하는 것은 비아의 바닥 구조물을 손상시킴이 없이 절연 물질을 제거하는데 효과적이다.
정확히 성형된 펄스를 특징적으로 형성하기 위해, 펄스를 나타내고 측정하는 방법이 결정되어야 한다. 레이저 펄스를 특징적으로 형성하는 하나의 방법은 파워 프로파일이라고도 알려져 있는 시간 대 펄스의 순간 파워 레벨을 그래프로 나타내는 것이다. 이들 타입의 그래프의 예는 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 이 그래프로 나타난 레이저 펄스는 시작부, 종단부 및 지속시간을 가지고 있다. 펄스 지속시간을 한정하는 방법은 펄스 파워가 실질적으로 제로(0)로부터 비 제로 값으로 상승하는 시점으로서 펄스의 시작 또는 상승 에지(162,182)를 한정하는 것이다. 이 펄스는 펄스 파워가 다시 실질적으로 제로(0)로 되돌아가는 하강 에지(164,184)로서 한정된 펄스의 종단부까지 이 레벨 위로 유지된다. 지속시간은 이들 시점들 사이의 시간으로 한정된다. 이것은 실질적으로 가우시안 형상을 갖는 것과 같은 상대적으로 간단히 성형된 펄스를 측정하는데 일반적으로 사용되는 최대값의 절반에서 전체 폭을 재는 방법(FWHM method : full width at half maximum method)과는 대조되는 것이다. 보다 복잡한 펄스 형상을 위해, FWHM 측정은 의미있는 특징을 제공하지 않는다. 구체적으로 FWHM은 성형된 펄스에 가해질 때 펄스 지속시간을 크게 잘못 나타낼 수 있고, 비아를 형성할 때 사용할 펄스 파라미터를 측정할 때 다른 중요한 요인(factor)과 상관하지 않는다.
성형된 펄스와 같은 복잡한 펄스 형상에 대해 펄스 지속시간의 다른 측정은 시간 적분 제곱(Tis) 방법으로 인한 것이다. 이 방법은 통계에서 제 2 모멘트 또는 표준 에러 측정에 관한 것이다. 지속시간은 다음 방정식, 즉
Figure pct00001
에 의해 계산되며, 여기서 I(t)는 시간의 함수로서 펄스의 파워 강도이다. 펄스 지속시간을 측정하는 2개의 추천되는 방법들, 즉 그래프에 의한 방법 또는 Tis에 의한 방법 중 어느 하나는 복잡한 펄스 지속시간을 FWHM 측정보다 더 정확히 측정할 수 있다.
본 발명에서, 비아의 품질은 원하는 결과를 양산하기 위해 레이저 펄스 형상을 조절하는 것에 의해 제어된다. 블라인드 비아가 기판 내 무기 층에 도달하기 위해 절연 물질을 통해 가공되는 경우에 비아 내 파편은 2개의 주된 소스로부터 나온다. 제 1 소스는 "얼룩(smear)"이라고도 불리우는 가공 후에 금속 전도체에 남는 절연 물질이다. 얼룩은 금속 화합물이 가공 사이트로부터 열을 멀리 전도하므로 비아의 볼륨으로부터 보다 비아의 바닥으로부터 절연 물질을 제거하는 것이 더 어렵기 때문에 발생된다. 이것은, 금속 전도체가 노출되기 시작할 때 이것은 전도체로부터 잔류 물질을 제거하는데 더 많은 에너지를 요구한다는 것을 의미한다. 이 에너지는 금속 전도체에 전달되는 에너지가 너무 많으면 금속 전도체의 표면을 초기에 용융시켜 이를 평활하게 하여 후속하는 도금과 기계적으로 결합할 수 없게 하므로 단순히 증가될 수 있는 것이 아니다. 펄스에 충분한 에너지가 주어지면 종국적으로 전도성 물질이 제거되어 비아를 가공하는 것이 무색해질 수 있다.
본 명세서에 기술된 성형된 레이저 펄스는 짧고 고 파워의 펄스 에너지를 물질에 제공함으로써 유전체의 얼룩 문제를 완화시킨다. 이것은 에너지가 신속하게 발산되는 금속 전도체로 전파하는 기회를 가지기 전에 에너지를 물질에 결합시키는 역할을 한다. 금속 전도체에 의한 신속한 에너지 발산은 물질을 제거하는 레이저의 능력을 감소시킨다. 제거될 물질에 시간당 더 많은 에너지를 결합시킴으로써, 레이저 스폿의 중간 부근에서 물질의 온도는 증가하며 이에 의해 물질이 직접 플라즈마로 전환되는 식각(ablation)에 의해 그 제거를 촉진하거나 또는 물질이 액체로부터 기체로 갈 때 물질이 증발되거나 기화되는 열적 공정에 의해 그 제거를 촉진한다. 파워 스파이크에 포함되지 않은 펄스 부분은 이 공정에 기여하지만 기판에 손상을 일으킬 수 있는 레벨 아래로 총 에너지를 유지한다.
형성된 비아에 파편을 남기는 다른 소스는 비아의 측벽들에 재증착된 유기 물질이다. 이 재증착은, 유기 물질이 레이저 펄스에 의해 플라즈마로 전환되거나 또는 증발되거나 액화되지만, 비아로부터 완전히 배출되지 않아서 유발된 것이다. 이 플라즈마/증발된/액화된 물질의 이러한 클라우드(cloud)는 종종 "플럼(plume)"이라고 불리운다. 비아 벽이 냉각될 때, 이 플라즈마 액화되거나 증발된 물질은 비아 벽에 다시 증착되며 여기서 이것이 층을 형성하고 측벽의 테이퍼(taper)를 왜곡시켜 후속하는 도금 물질이 측벽에 부착되는 것을 더 곤란하게 만든다. 성형된 펄스는 펄스에 의해 물질이 이온화되거나 용융되거나 증발되므로 비아 볼륨으로부터 물질을 폭발적으로 배출함으로써 이런 타입의 파편이 수집되는 것을 완화시킨다. 물질의 폭발적인 배출은 사용되는 펄스의 피크 파워에 직접 관련된다. 높은 피크 파워는 이것이 볼륨으로부터 열적으로 멀어지게 분산되거나 전파되기 전에 물질의 볼륨에 에너지를 집중시킨다. 이 순간적인 국부 가열은 비아로부터 물질을 강제적으로 배출하게 하며 이에 따라 비아의 표면에 물질이 재증착하는 것에 의해 야기되는 파편을 완화시킨다.
성형된 펄스의 다른 바람직한 특징은 펄스의 총 에너지를 최소화하면서 상술된 결과를 달성하는 것이다. 종래의 펄스에 파워 스파이크(power spike)를 부가함으로써 펄스의 총 에너지는 전체 펄스의 피크 파워가 원하는 레벨로 상승된 것보다 더 작다. 총 에너지의 이 최소화는 비아 또는 주변 기판에 손상을 방지한다. 고려하는 제 1 유형의 손상은 비아에 형태적인 손상(morphological damage)이다. 가공 동안 너무 많은 에너지는 비아를 언더컷이 되게 하여, 이에 비아의 바닥이 상부보다 더 커지게 된다. 이것은 네거티브 테이퍼를 갖는 홀에 도금 물질이 적절히 흐르는 것을 어렵게 하므로 후속하는 도금 단계들에 문제를 야기한다. 초과 에너지로 기인할 수 있는 제 2 유형의 손상은 층들 사이에 결합을 파괴하는 초과 열로 인해 가공되는 영역에 인접한 기판 상에 또는 기판 내에 층들이 박리하는 것이다. 이것은 일반적으로 비아에 인접하거나 비아 주위에 있는 기판의 표면에 결합된 전도체에서 볼 수 있다. 내부 전도체 층이 동일한 공정에 의해 또한 박리될 수 있다. 성형된 펄스는 총 에너지를 제어하여 이들 손상 유형을 모두 완화할 수 있다.
일 실시예에서, 성형된 펄스는 마이크로 가공 응용에 사용되는 레이저에 의해 일반적으로 생성되는 긴 지속시간 펄스로부터 또한 구성될 수 있다. 이 응용에서 사용될 수 있는 예시적인 레이저는 캘리포니아, 산타 클라라, Coherent, Inc.사에 의해 제조되는 Diamond E-400 liquid-cooled RF excited CO2 레이저이다. 도 6은 긴 지속시간의 펄스로부터 성형된 펄스를 생성하는 부품들의 개략도를 도시한다. 도 6은 제 1 이중 방향 빔 편향 디바이스(201)에 들어가는 레이저 빔(200)을 도시한다. 이 디바이스(201)는 무선 주파수(RF) 입력(204)에 따라 입력되는 레이저 빔(200)을 편향시킬 수 있다. 이 예에서, RF 입력(204)은, 레이저 빔이 빔 편향기(201)를 통해 변치않게 계속 진행될 수 있게 오프되거나, 또는 2개의 주파수 중 하나로 설정될 수 있다. RF 입력(204)이 제 1 주파수로 설정되면, 레이저 빔(200)의 부분이 각도(θ1)(206)로 편향될 수 있다. RF 입력(204)이 제 2 주파수로 설정되면, 레이저 빔(200)의 부분이 각도(θ2)(208)로 편향될 수 있다. 또한, 빔 편향 디바이스(202)는 RF 입력(205)의 방향에서 입력 레이저 빔(200)의 부분을 하나의 각도 또는 2개의 각도{θ1(210) 또는 θ2(212)} 중 어느 하나로 편향시킬 수 있다. 디바이스(202)에 주파수가 입력되지 않으면 레이저 빔(200)은 빔 덤프(beam dump)(214) 상으로 계속 진행된다. 이들 디바이스는 주파수 입력에 따라 여러 각도로 레이저 빔을 편향시킬 수 있다는 것을 주지해야 한다. 2개의 편향 각도는 단지 예시로써만 선택된 것이다. 또한, 이들 디바이스는 디바이스(201,202)에 대한 RF 신호 입력의 진폭에 따라 임의의 주어진 순간에 입력 빔 파워 부분을 편향시킬 수 있다. 편향된 입력 빔(200)의 파워의 퍼센트는 RF 신호의 신호 강도에 따라 최대값까지 단조롭게 변하며, 여기서 빔의 80% 또는 더 많은 퍼센트가 편향된다. 여러 기술이 빔 편향 디바이스로 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 음향-광학 편향기(AOD)가 하나 이상의 방향으로 레이저 빔을 편향시키는데 사용된다. 이 경우에, 디바이스에 대한 선택된 주파수 입력의 진폭은 임의의 주어진 순간에 입력 레이저 빔이 얼마나 많이 편향되는지를 결정한다. 이것은 AOD에 대한 제어 전자회로에 의해 임의의 파형이 방출되게 하며 이 AOD는 이후 편향된 레이저 빔 파워의 파형을 재생성한다. 편광기와 같은 다른 광학 요소와 함께 전기-광학 편향기(EOD)가 또한 1나노초 미만의 더 빠른 응답 시간으로 동일한 효과를 달성하는데 사용될 수 있다; 성능은 성형된 펄스 프로파일 변동에서의 빠른 변화 속도를 달성하는데 적용될 수 있다.
도 7a는 단일 레이저 빔 입력으로부터 2개의 성형된 펄스 레이저 빔을 생성하는 하나의 예시적인 디바이스를 도시한다. 도 7a는 입력 레이저 빔(218)과 편향된 출력 경로(222,226) 및 빔 덤프(204)에서 종료하는 투과된 오리지널 레이저 빔(218)과 함께 2개의 단일 편향 빔 편향 디바이스(220,224)를 도시한다. 편향된 빔은 "B1" 및 "B2"라고 언급된다. 도 7b는 제 1 편향 디바이스(220)로 가는 레이저 빔(218)을 따라 입력되는 펄스 형상(228)을 도시한다. 제 1 편향 디바이스는 "B1"이라고 언급되는 경로(222)를 따라 레이저 빔 부분을 편향시키거나 또는 제 2 빔 편향 디바이스(224)로 가는 레이저 빔(108)을 투과시킬 수 있다. 또한, 빔 편향기 디바이스(226)는 "B2"라고 언급되는 빔 출력 경로(226)를 따라 입력 빔(218) 부분을 편향시키거나 또는 빔 덤프(204)로 계속 가게 할 수 있다. 도 7c는 이 공정의 하나의 예시적인 결과를 도시한다. "B1"이라고 언급되는 상부 그래프는 빔 경로(222)를 따라 출력되는 레이저 펄스를 도시한다. 여기에 도시된 바와 같이, 제 1 빔 편향 디바이스(220)는 긴 지속시간 입력 펄스(228)의 부분들이 펄스(230,232,234)들을 형성하도록 편향될 수 있게 한다. 또한, 제 2 빔 편향 디바이스(224)는 입력 레이저 빔을 편향시켜 출력 빔 경로(226)를 따라 펄스(240,242,244)를 형성하게 할 수 있다. 그래프들 사이에서 점선이 제안하는 바와 같이 2개의 편향 디바이스(220,224)들은 다중 사이트에서 비아를 가공하기 위해 입력 빔(228)을 2개의 상이하거나 동일한 성형된 펄스의 세트들로 대안적으로 편향시킬 수 있다는 것을 주지해야 한다.
도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서 레이저 빔(248)은 레이저 빔(248)의 편광을 제공하는 파장판(250)으로 조사되며 여기서 전기 광학 변조기(EOM)(252)는 제어기(미도시)로부터 EOM(252)으로의 입력에 따라 레이저 빔의 편광 각도를 프로그래밍할 수 있다. 레이저 빔은 이후 편광 빔 스플리터(254)를 통과하며, 이 편광 빔 스플리터(254)는 입력 레이저 빔(248)을 분할된 빔(258,260)들로 분할한다. 레이저 빔(248)으로부터 파워는 빔(258,260)들 사이로 분할될 수 있으며 이때 편광 각도에 따라 레이저 빔(258)에 파워의 실질적으로 100%로부터 레이저 빔(260)에 파워의 실질적으로 100%의 범위를 갖는다.
도 9는 레이저 빔(298,300)을 성형 및/또는 편향시키기 위해 EOM(304,314)을 사용하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 동작시, 레이저 빔(290)은 파장판(292)을 통과하여 전송되어 EOM(294)에 의해 처리되게 제공된다. EOM(294)은 제어기(미도시)로부터 입력에 따라 빔의 편광을 변경시킨다. 변경된 빔(295)은 편광 빔 스플리터(296)로 입력되며, 여기서 레이저 빔은 출력 빔(298,300)들 사이에 분할된다. 변경된 빔(295)에 포함된 에너지는 EOM(294)으로부터 출력되는 레이저 빔의 편광 각도에 따라 출력 빔(298,300)들 사이에 분할된다. 레이저 빔(298)은 파장판(302)을 통해 지나가며, 이 파장판(302)은 제어기(미도시)로부터 입력에 따라 빔의 편광 각도를 회전시키는 EOM(304)에 의해 처리하기 위한 빔을 제공한다. 편광 빔 스플리터(304)는 레이저 빔 파워(308)의 퍼센트를 투과시키거나 또는 이를 편광 각도에 따라 편향시키며(310), 이에 따라 레이저 빔 경로(308)를 따라 진행하는 레이저 펄스는 EOM(304)에 적절한 신호를 입력함으로써 원하는 형상을 취하도록 프로그래밍될 수 있다. 레이저 빔(308 또는 310)이 이 디바이스로 원하는 펄스 형상이 되도록 프로그래밍될 수 있으나, 원하는 펄스 형상이 레이저 빔 경로(308 또는 310) 중 하나에 출력됨과 동시에, 다른 레이저 빔 경로가 원하는 펄스에 의해 사용되지 않는 파워를 갖는 레이저 펄스를 운반할 수 있으며 일반적으로 원치않는 펄스 형상을 갖는 펄스를 운반할 수 있다는 것을 주지해야 한다. 이 펄스는 빔 덤프(미도시)로 전송되거나 차단될 수 있다. 유사한 방식으로 레이저 빔 경로(300)는 선택적인 회전 미러(301)에 의해 재조사된 후 파장판(312)을 통해 전송되어 EOM(314)에 의해 처리하기 위해 빔을 제공하며 이 EOM(314)은 제어기(미도시)의 방향으로 빔(300)의 편광 각도를 프로그래밍 가능하게 회전시킨다. 편광된 빔 스플리터(316)는 편광 각도에 따라 레이저 빔을 투과(318)시키거나 편향(320)시키며 이에 의해 전술된 바와 같이 펄스 성형을 달성한다.
동작시, 도 6, 도 7a, 도 8 또는 도 9에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예는 하나 이상의 작업물에 하나 이상의 레이저 빔을 통해 성형된 펄스를 전달할 수 있는 레이저 가공을 생성하기 위해 도 2에 도시된 종래 기술의 레이저 가공 장치와 결합될 수 있다.
바람직한 레이저 파장은 약 150㎚ 내지 약 2000㎚의 스펙트럼 범위에 있으며 9미크론 내지 10.6미크론(이 수치 범위로만 제한되는 것은 아니다)을 포함하거나 CO2 레이저로부터 제 2 고조파를 포함한다. 숙련된 사람이라면 다른 적절한 파장에서 출력 펄스를 방출하는 레이저들이 상업적으로 이용가능하며 사용될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 고조파 변환 공정은 V.G. Dmitriev 등이 저술한 Handbook of Nonlinear Optical Crystals (138-141, Springer-Verlag, New York, 1991 ISBN 30540-53547-0)에 기술되어 있다.
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기본 원리를 벗어남이 없이 본 발명의 전술된 실시예의 상세에 많은 변형이 일어날 수 있다는 것을 자명하게 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 이하 청구범위에 의해서만 정해져야 한다.
201, 202 : AOM 204, 214 : 빔 덤프
220 : 제 1 편향 디바이스 224 : 제 2 편향 디바이스
250, 292 : 파장판 254, 296 : 빔 스플리터
256, 301 : 회전 미러 302, 312 : 파장판
304, 314 : EOM 306, 316 : 편광 빔 스플리터

Claims (12)

  1. 전도성 물질층과 절연 물질층을 가지는 전자 기판에 비아를 형성하는 개선된 방법으로서,
    레이저로 레이저 펄스를 생성하는 단계와, 광학기기로 상기 레이저 펄스를 성형하는 단계와, 상기 전자 기판으로 도달하게 상기 레이저 펄스를 조사하는 단계를 포함하며, 상기 성형되고 조사된 레이저 펄스는 펄스 파라미터에 의해 한정되는, 방법에 있어서,
    상기 펄스 파라미터들 중 적어도 하나를 선택하는 단계와;
    상기 적어도 하나의 선택된 펄스 파라미터와 일치하는 적어도 하나의 레이저 펄스를 상기 광학기기와 협력하여 상기 레이저로 생성하는 단계와;
    상기 비아 부근 기판에 상당한 손상을 일으키지 않고 상기 비아를 한정하는 상기 전자 기판의 의도된 볼륨으로부터 절연 물질을 제거하여 상기 비아를 형성하기 위해 적어도 하나의 레이저 펄스를 조사하는 단계
    를 포함하며,
    적어도 하나의 상기 선택된 펄스 파라미터는 적어도 하나의 성형된 펄스의 적용이며, 상기 성형된 펄스는 펄스의 지속시간의 약 50%보다 더 작은 지속시간과 펄스의 평균 파워의 약 20%보다 더 큰 피크 파워를 특징으로 하는 적어도 하나의 파워 스파이크를 포함하는, 전자 기판에 비아를 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 선택된 펄스 파라미터는 펄스 폭이며 상기 펄스 폭은 1 내지 100㎱의 범위에 있는, 전자 기판에 비아를 형성하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 선택된 펄스 파라미터는 펄스 플루언스(fluence)이며, 상기 플루언스는 1.0 내지 10.0 J/㎠의 범위에 있는, 전자 기판에 비아를 형성하는 방법.
  4. 전도성 물질층과 절연 물질층을 가지는 전자 기판에 비아를 형성하는 개선된 방법으로서,
    레이저로 레이저 펄스를 생성하는 단계와, 광학기기로 상기 레이저 펄스를 성형하는 단계와, 상기 전자 기판으로 도달하게 상기 레이저 펄스를 조사하는 단계를 포함하며, 상기 성형되고 조사된 레이저 펄스는 펄스 파라미터에 의해 한정되는, 방법에 있어서,
    적어도 하나의 펄스 파라미터를 선택하는 단계와;
    상기 적어도 하나의 선택된 펄스 파라미터와 일치하는 적어도 하나의 레이저 펄스를 상기 광학기기와 협력하여 상기 레이저로 생성하는 단계와;
    상기 비아 부근 기판에 상당한 손상을 일으키지 않고, 상기 비아를 한정하는 상기 전자 기판의 의도된 볼륨으로부터 절연 물질을 제거하여 상기 비아를 형성하기 위해 적어도 하나의 레이저 펄스를 조사하는 단계
    를 포함하며,
    상기 선택된 펄스 파라미터는 적어도 하나의 성형된 펄스를 포함하며, 상기 성형된 펄스는 펄스의 지속시간의 약 50%보다 더 작은 지속시간과 펄스의 평균 파워의 약 20%보다 더 큰 피크 파워를 특징으로 하는 적어도 하나의 파워 스파이크를 포함하며, 상기 선택된 펄스 파라미터는 적어도 하나의 인큐베이션 펄스(incubation pulse)를 더 포함하며, 상기 인큐베이션 펄스는 상기 성형된 펄스의 평균 파워의 50% 보다 더 작은 피크 파워를 포함하는, 전자 기판에 비아를 형성하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 선택된 펄스 파라미터는 펄스 폭이며, 상기 펄스 폭은 1 내지 100㎱의 범위에 있는, 전자 기판에 비아를 형성하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 선택된 펄스 파라미터는 펄스 플루언스이며, 상기 플루언스는 0.1 내지 10.0 J/㎠의 범위에 있는, 전자 기판에 비아를 형성하는 방법.
  7. 적어도 하나의 레이저 펄스로 전자 기판에 비아를 형성하는 개선된 시스템으로서, 상기 시스템은 제어기, 레이저와 광학기기를 구비하며, 상기 기판은 전도성 층과 절연층을 구비하며, 상기 레이저 펄스는 펄스 파라미터에 의해 한정되는, 시스템에 있어서,
    상기 레이저와 상기 광학기기에 동작가능하게 연결되어 상기 펄스 파라미터와 일치하는 적어도 하나의 레이저 펄스를 생성하고 이 레이저 펄스를 상기 기판으로 조사하는 제어기를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 레이저 펄스는 상기 전자 기판의 의도된 볼륨으로부터 절연 층을 제거하여 상기 비아를 한정하도록 동작하며, 상기 적어도 하나의 펄스 파라미터는 적어도 하나의 성형된 펄스이며, 상기 성형된 펄스는 펄스의 지속시간의 약 50%보다 더 작은 지속시간과 펄스의 평균 파워의 약 20%보다 더 큰 피크 파워를 특징으로 하는 적어도 하나의 파워 스파이크를 포함하는, 전자 기판에 비아를 형성하는 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 펄스 파라미터는 펄스 폭이며, 상기 펄스 폭은 1 내지 100㎱의 범위에 있는, 전자 기판에 비아를 형성하는 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 펄스 파라미터는 펄스 플루언스이며, 상기 플루언스는 0.1 내지 10.0 J/㎠의 범위에 있는, 전자 기판에 비아를 형성하는 시스템.
  10. 적어도 하나의 레이저 펄스로 전자 기판에 비아를 형성하는 개선된 시스템으로서, 상기 시스템은 제어기, 레이저와 광학기기를 구비하며, 상기 기판은 전도성 층과 절연층을 구비하며, 상기 적어도 하나의 레이저 펄스는 펄스 파라미터에 의해 한정되는, 시스템에 있어서,
    상기 레이저와 상기 광학기기에 동작가능하게 연결되어 상기 펄스 파라미터와 일치하는 적어도 하나의 레이저 펄스를 생성하고 이 레이저 펄스를 상기 기판으로 조사하는 제어기를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 레이저 펄스는 상기 전자 기판의 의도된 볼륨으로부터 절연 층을 제거하여 상기 비아를 한정하도록 동작하며, 상기 적어도 하나의 펄스 파라미터는 적어도 하나의 성형된 펄스를 포함하고, 상기 성형된 펄스는 펄스의 지속시간의 약 50%보다 더 작은 지속시간과 펄스의 평균 파워의 약 20%보다 더 큰 피크 파워를 특징으로 하는 적어도 하나의 파워 스파이크를 포함하며, 상기 적어도 하나의 펄스 파라미터는 적어도 하나의 인큐베이션 펄스를 더 포함하며, 상기 인큐베이션 펄스는 상기 성형된 펄스의 평균 파워의 50%보다 더 작은 피크 파워를 포함하는, 전자 기판에 비아를 형성하는 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 펄스 파라미터는 펄스 폭을 포함하며, 상기 펄스 폭은 1 내지 100㎱의 범위에 있는, 전자 기판에 비아를 형성하는 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 펄스 파라미터는 펄스 플루언스를 포함하며, 상기 플루언스는 0.1 내지 10.0 J/㎠의 범위에 있는, 전자 기판에 비아를 형성하는 시스템.
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