KR20140052981A

KR20140052981A - 기판에 고품질의 홀, 리세스 또는 웰을 생성하는 방법

Info

Publication number: KR20140052981A
Application number: KR1020137027140A
Authority: KR
Inventors: 크리스티안 슈미트; 레안데어 디트만; 아드리앙 셰즈; 스벤 호야
Original assignee: 아사히 가라스 가부시키가이샤
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-05-07
Also published as: EP2564999A1; US20130330506A1; US9168614B2; JP2014527469A; CN103476555A; WO2013029713A1; TW201318746A

Abstract

본 발명은 전기 절연성 또는 반도전성 기판에 홀 또는 웰을 생성하는 방법과 이 방법에 의해 기판에 생성되는 홀 또는 웰에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 방법에 의해 기판에 생성되는 홀 또는 웰의 어레이에 관한 것이다.

Description

기판에 고품질의 홀, 리세스 또는 웰을 생성하는 방법 {A METHOD OF GENERATING A HIGH QUALITY HOLE OR RECESS OR WELL IN A SUBSTRATE}

본 발명은 전기 절연성 또는 반도전성 기판에 홀 또는 웰을 생성하는 방법 및 이 방법에 의해 기판에 생성되는 홀 또는 웰에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 방법에 의해 기판에 생성되는 홀 또는 웰의 어레이에 관한 것이다.

WO 2005/097439와 WO 2009/059786은 기판에 전압을 인가하여 기판 내 구조물을 생성하는 방법을 개시한다. 이들 종래 출원의 홀은 어레이 형태로 존재할 경우에는 절연층 없이 어레이를 생성하는 동안 플래시오버를 방지하도록 인접한 홀 간에 큰 간격(통상 1 mm 초과)을 필요로 한다. WO 2011/038788과 WO 2010/063462는 기판에 전압을 인가하여 기판 내 구조물을 생성하는 방법으로 작은 피치(통상 1 mm 미만)를 갖는 홀 어레이의 제작을 가능하게 하는 방법을 개시한다. 이들 방법은 가공 장소의 위치지정에 필요한 레이저 스폿으로 인해 기판 표면이 파손되거나, 불완전한 재료의 방출 또는 홀 주위의 표면에의 재퇴적으로 인해 기판이 오염되는 문제가 있다.

따라서 고품질의 홀 및 밀집된 홀 어레이를 기판에 생성할 수 있고 표면 품질과 홀 파라미터의 제어성을 현저히 향상시킬 수 있는 개선된 방법을 제공하는 것이 당업계에 요구된다.

따라서 본 발명의 목적은 홀 형상에 대한 제어성과 홀 및 홀 주위의 표면 품질이 보다 우수한 홀 형성 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 수행이 용이하고 이런 천공 기판의 대량 생산에 적합화될 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 홀, 리세스 또는 웰을 기판에 생성하는 방법이며,

a) 실온에서 전기 절연성이거나 반도전성인 기판을 마련하여 사용자-제어형 전압 공급기에 연결되는 적어도 두 개의 전극 사이에 배치하는 단계와,

b) 레이저빔, 바람직하게는 집속 레이저빔 및 선택적으로는 상기 전극을 통해 상기 기판에 인가되는 AC 전압을 사용하여 상기 홀, 리세스 또는 웰을 생성시킬 상기 기판 영역을 가열함으로써 상기 기판 영역의 기판 재료를 용융시키는 단계와,

c) 상기 사용자 제어형 전압 공급기와 상기 전극에 의해, 상기 기판 또는 상기 영역을 통과하는 전류를 증가시키기에 충분한 사용자-지정 크기의 전압, 통상 DC 전압을 상기 기판의 상기 영역에 걸쳐 인가하여 상기 기판에 소정 양의 전기 에너지를 인가하고 상기 기판으로부터 이를 방산시키는 단계를 포함하고,

상기 기판은 제1 조절층과 제2 조절층 사이에 개재되고, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 상기 기판의 양면에 배치되고, 상기 제1 조절층은 단계 b)에서 상기 레이저빔, 바람직하게는 상기 집속 레이저빔에 노출되는 상기 기판의 면에 배치되고,

상기 제1 조절층은 상기 홀, 리세스 또는 웰이 생성되는 상기 영역의 크기, 바람직하게는 단면을 지정할 수 있도록 하고, 표면 오염 및/또는 용융된 기판 재료의 재퇴적을 방지할 수 있도록 하고, 기판 표면을 열로부터 보호할 수 있도록 하며,

상기 제2 조절층은 상기 제1 조절층이 배치되는 상기 면의 이면에 배치되고, 상기 제2 조절층은 표면 오염 및/또는 용융된 기판 재료의 재퇴적을 방지할 수 있도록 하고, 기판 표면을 열로부터 보호할 수 있도록 하는 방법에 의해 달성된다.

일 실시예에서, 상기 제1 조절층은 레이저 및/또는 AC 전압이 인가될 경우에 생성되는 AC 아크 및/또는 DC 전압의 인가(단계 c))에 의해 생성되는 DC 아크에 기인하는 열로부터 기판 표면을 보호한다. 일 실시예에서 상기 제2 조절층은 AC 전압이 인가될 경우에 생성되는 AC 아크 및/또는 단계 c)의 DC 전압의 인가에 의해 생성되는 DC 아크에 기인하는 열로부터 기판 표면을 보호한다.

몇몇 실시예에서는, 집속 레이저빔이 기판의 양면에 사용된다. 이 경우에는 제2 조절층도 기판의 해당 면에 조사되는 레이저빔에 기인하는 열로부터 기판 표면을 보호한다.

일 실시예에서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은, 실온 내지 기판의 용융 온도의 온도 범위 내에서, 또는 상기 집속 레이저빔을 사용하여 단계 b)에서 인가되는 소정 양의 에너지에서 고체 상태와 액체 상태 사이 또는 고체 상태와 기체 상태 사이의 전이가 일어나는 재료로 제조된다.

일 실시예에서, 상기 레이저빔, 바람직하게는 상기 집속 레이저빔은 제1 조절층이 배치되는 면에 조사된다. 다른 실시예서는 두 개의 레이저빔, 바람직하게는 집속 레이저빔이 기판의 양면에 조사된다.

일 실시예에서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 동일한 재료 또는 상이한 재료로 제조된다.

일 실시예에서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 각각의 경우에 독립적으로 폴리머, 특히 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 에틸렌 프로필렌 고무, 무기 실리콘 고무, 합성 아크릴 접착제 함유 PVC를 포함하는 군에서 선택되는 재료로 제조된다.

일 실시예에서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 각각의 경우에 독립적으로 1 ㎛ 내지 1 mm, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 500 ㎛, 보다 바람직하게는 15 ㎛ 내지 300 ㎛, 보다 바람직하게는 20 ㎛ 내지 200 ㎛, 더 바람직하게는 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위의 두께를 가진다.

일 실시예에서, 상기 제1 조절층은 상기 홀, 리세스 또는 웰이 생성되는 상기 기판 영역에 인접하여 접촉하는 조절 영역을 갖고, 단계 b)는 상기 조절층이 상기 조절 영역에서 용융하고/하거나 증발하여 상기 집속 레이저빔이 상기 기판 영역에 접근할 수 있도록 수행되며, 단계 c) 동안, 상기 조절층은 상기 전기 에너지의 방산을 통해 상기 조절 영역에서 부분적 또는 전체적으로 변위된다.

일 실시예에서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 단계 a)에서 상기 기판의 양면을 피복하도록 상기 기판에 부착된다.

일 실시예에서 레이저빔은 집속 레이저빔이고, 다른 실시예에서는 비집속 레이저빔이다.

일 실시예에서, 제1 조절층은 단계 b) 및/또는 단계 c) 동안 상기 기판에 마스크를 생성하기 위해 사용되며, 상기 마스크는 홀, 리세스 또는 웰이 생성되는 기판의 영역(들)만을 노출시킨다.

일 실시예에서, 제1 조절층 및/또는 제2 조절층은 단계 b)의 레이저빔, 바람직하게는 집속 레이저빔 및/또는 단계 b)의 AC 전압의 열 및/또는 단계 c)의 방산 열에 노출되는 기판의 표면적을 지정, 조절 또는 제한하기 위해 사용된다.

일 실시예에서 제1 조절층과 제2 조절층은 단계 c) 동안 배출되는 재료를 조절층(들) 내로 흡수하여 상기 배출된 재료가 기판 표면에 곧바로 재퇴적되는 것을 방지함으로써 도입되는 홀, 리세스 또는 웰을 둘러싸는 영역의 평탄도/표면 품질을 향상시키기 위해 사용되며, 바람직하게는 상기 흡수된 재료는 기판에 상기 홀, 리세스 또는 웰이 생성된 후 조절층과 함께 차후 제거된다.

일 실시예에서 단계 b)는 조절층에 의해 흡수되는 상기 레이저빔, 바람직하게는 상기 집속 레이저빔의 파장을 갖는 레이저 방사선의 흡수를 통해 상기 조절층을 직접 가열함으로써 수행된다.

일 실시예에서, 제1 홀, 리세스 또는 웰이 제1 기판 영역에 생성되도록 단계 a) 내지 단계 c)가 한 번 수행되고, 그 후 기판이 전극과 레이저빔에 대해 소정 거리만큼 이동하며, 제2 구조물이 제2 기판 영역에 생성되도록 단계 b) 및 단계 c)가 다시 한 번 수행된다.

일 실시예에서, 단계 b) 및 단계 c)는 n개의 구조물의 어레이가 상기 기판에 생성되도록 n번 수행된다(n은 1보다 큰 정수).

일 실시예에서, 단계 c)에서 인가되는 상기 전기 에너지는 상기 기판에 관통홀 또는 관통채널을 생성하기에 충분하다.

본 발명의 목적은 또한 본 발명에 따른 방법에 의해 생성되는 홀, 리세스 또는 웰, 또는 홀, 리세스 또는 웰의 어레이에 의해 달성된다.

본 명세서에 사용되는 용어 "조절층"은 홀, 리세스 또는 웰이 생성되는 영역의 크기, 바람직하게는 단면을 지정하는 마스크를 제공하는 층을 가리킨다. 바람직한 실시예에서, 제1 조절층은 본 방법의 수행 중에, 바람직하게는 단계 b) 및/또는 단계 c) 동안 기판에 현장 생성되는 수행 마스크로서의 역할을 하는데, 마스크는 홀, 리세스 또는 웰이 생성되는 기판의 영역(들)만을 노출시킨다. 본 발명에 따른 방법이 수행되기 전에는 마스크는 존재하지 않으며 조절층은 닫힌 표면을 가진다. 단계 b) 및/또는 단계 c)가 수행될 때 마스크가 상기 조절층으로부터 생성된다. 통상적으로, 제1 조절층은 단계 b)에서 열이 인가되는 기판의 면에 배치된다. 제1 조절층은 또한 표면 오염 및/또는 용융된 기판 재료의 재퇴적을 방지할 수 있도록 한다. 또한, 일 실시예에서, 제2 조절층은 기판의 이면에, 즉 단계 b)에서 열이 인가되는 면에서 이격되어 배치된다. 제2 조절층은 표면 오염 및/또는 용융된 기판 재료의 재퇴적을 방지할 수 있도록 한다. 어떤 이론에도 얽매이지 않고, 본 발명자들은 조절층(들), 특히 제2 조절층의 기능은 기판으로부터 배출되는 재료가 정체되어 기판 표면에 고착되지 못하고 조절층에 퇴적되거나 합체되도록 하는 것이라고 믿는다. 대안으로서, 조절층(들)의 존재는 홀이 생성된 후에 홀의 입구에 고착되는 필라멘트가 전혀 형성되지 않도록 재료가 기판으로부터 배출되는 방식을 변화시킨다. 배출된 모든 재료는 조절층(들)이 홀의 생성 후에 제거될 때 조절층과 함께 제거될 수 있어서 여태껏 실현되지 못했던 깨끗한 기판 표면을 제공한다.

일 실시예에서, 사용자 지정 전압의 크기는 10 V 내지 10⁶ V, 바람직하게는 10²V 내지 3×10⁵ V, 보다 바람직하게는 10³ V 내지 30×10³ V, 가장 바람직하게는 2×10³ V 내지 15×10³ V의 범위이다.

일 실시예에서, 상기 전압 공급기의 상기 임피던스는 1 Ω 초과, 바람직하게는 10 kΩ 초과, 보다 바람직하게는 100 kΩ 초과, 더 바람직하게는 1 MΩ 초과의 임피던스이다.

일 실시예에서, 상기 임피던스는 1 Ω 내지 1 GΩ의 범위이며, 바람직하게는 상기 임피던스는 상기 방법의 수행 중에 상기 범위 내에서 가변적이다.

일 실시예에서, 상기 전기 절연성 또는 반도전성 기판은 유리, 석영, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물 등의 실리콘계 재료; 도핑된 실리콘과 결정질 실리콘을 포함하는 원소 실리콘, 게르마늄 등의 실리콘계 재료; 갈륨 아세나이드, 인듐 포스파이드 등의 화합물 반도체; 알루미나, 스피넬, 사파이어 등의 알루미늄계 결정질 재료; 지르코니아 등의 세라믹을 포함하는 군에서 선택되는 재료로 제조된다.

일 실시예에서, 상기 기판은 실온에서 전기 절연성이고, 바람직하게는 유리, 석영, 다이아몬드, 알루미나, 사파이어, 알루미늄 질화물, 지르코니아, 세라믹 및 스피넬, 보다 바람직하게는 석영, 유리 및 세라믹, 예컨대 저온 공소성 세라믹(LTCC) 중에서 선택되는 기판 재료로 제조되며, 상기 기판은 실온에서 10⁹Ωcm를 초과하는 전기비저항을 가진다.

일 실시예에서, 상기 기판은 실온에서 전기 반도전성이고 바람직하게는 도핑된 실리콘과 결정질 실리콘을 포함하는 원소 실리콘, 게르마늄, 갈륨 아세나이드와 인듐 포스파이드 등의 화합물 반도체 중에서 선택되는 기판 재료로 제조된다. 바람직하게는 상기 기판은 실온에서 10⁹ Ωcm 이하의 전기비저항을 가진다.

일 실시예에서, 단계 b)는 바람직하게는 상기 기판 재료 및/또는 상기 조절층에 의해 적어도 부분적으로 흡수되는 파장 범위의 파장을 갖는 레이저를 사용하여 수행된다.

본 발명자는 놀랍게도 기판의 양면에 배치되는 두 개의 조절층을 사용함으로써 기판에 생성되는 홀, 리세스 또는 웰의 품질이 현저히 향상될 수 있다는 것을 발견하였다.

기판에 홀을 도입하는 프로세스는 WO 2005/097439와 WO 2009/059786에 이미 효과적으로 설명되어 있다. 기판에 전압을 인가하면 기판 전체에 걸쳐 제어된 유전 파괴가 일어나며, 이로 인해 재료가 기판으로부터 배출된다. 본 발명에 따르면, 조절층을 사용함으로써 이런 제어된 유전 파괴에 의해 생성되는 홀의 품질을 향상시킬 수 있다. 통상적으로, 기판과 조절층(들)을 가열하는 수단은 레이저이다. 일 실시예에서, 레이저는 조절층을 가열한다. 특정 레이저의 선택은 기판과 조절층의 재료에 따라 달라진다. 그 예로는 10.6 ㎛ 또는 9.3 ㎛의 파장을 가지는 CO₂ 레이저가 있다. 다른 바람직한 레이저는 800 nm 내지 1300 nm 범위의 파장을 갖는 레이저이다. 물론 레이저의 파장은 레이저가 조절층에 의해 흡수되어 조절층을 가열하고/하거나 조절층을 가열하는 기판에 의해 흡수되도록 선택되기도 한다. 이는 조절층(들)이 가열되도록 한다. 흡수율은 100% 이하일 수 있고, 즉, 입사 방사선의 실질적으로 전부가 기판, 조절층(들) 또는 이 둘에 의해 흡수된다. 본 명세서에 사용되는 용어 "적어도 부분적으로 흡수되는"은 기판 및/또는 조절층(들)이 입사 방사선의 0.1% 내지 100%를 흡수하는 임의의 시나리오를 가리킨다. 본 명세서에 사용되는 용어 "조절층"은 조절층(들)과 기판이 서로 대향하여 인접하도록 바람직하게는 병립 방식으로 기판에 부착되는 층을 가리킨다. 이 배열에서 홀이 기판에 생성되는 영역은 때로는 "기판 영역"이라 지칭하며, 이런 기판 영역 대향측에 위치한 조절층 내의 대응하는 영역도 "조절 영역"이라 지칭한다. 사실상 이런 조절 영역은 상기 기판 영역 상부(제1 조절층의 경우) 또는 하부(제2 조절층의 경우)에 위치한다. 일 실시예에서, 조절 영역과 기판 영역은 대략 동일한 크기, 바람직하게는 대략 동일한 단면을 가진다. 다른 실시예에서, 조절 영역은 그 단면이 기판 영역보다 5% 이상, 예컨대 10%, 15%, 20%, 25%, 30%,..., 100%만큼 더 크다.

기판에 구조물을 생성하기 위해 사용되는 기본 설정의 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 프로세스 대상 기판은 두 개의 전극 사이에 배치되며 상기 기판 재료의 볼륨(volume)이 열원에 의해 용융된다. 이 열원은 예컨대 기판을 직접적으로 가열하거나(기판에 유전 손실을 초래함) (전기 아크에 의해) 간접적으로 가열할 수 있는 레이저, 고주파원 또는 이런 열원의 조합일 수 있다. 용융된 재료는 전압원에 연결되고 서로 이격되어 기판의 양면에 배치되는 두 개의 전극을 사용하여 기판에 걸쳐 전압을 인가함으로써 제거된다.

열원이 레이저인 경우, 그의 파장은 흡수율, 투과율, 반사율, 두께와 같은 기판의 특성에 적합화되어야 한다. 일 실시예에서, 상기 레이저는 상기 기판에 조사시 상기 기판 재료를 침투할 수 있는 광을 발산하며, 광은 상기 기판에 조사시 상기 기판의 표면에서 완전히 흡수되거나 반사되지 않고 상기 표면 하부의 기판 영역으로도 침투한다. 다른 실시예에서, 상기 레이저는 상기 기판에 조사시 기판 표면에서 완전히 또는 거의 완전히(> 90%) 흡수되며, 상기 재료의 볼륨은 내부 열전도에 의해 가열된다. 어느 경우든 상기 표면 하부의 영역에 비해 많은 양의 방사선이 표면에 흡수된다(램버트-비어의 법칙). 레이저와 관련하여, 재료의 충분한 관통 가열과 형성되는 홀의 크기를 결정하는 것은 구체적으로 초점의 크기, 출력 및 인가 시간이다. (프로세스 대상 재료에 적합화된) 파장, 레이저빔의 품질 및 집속 광학 소자의 특성으로 인해, 달성 가능한 레이저빔의 최소 스폿 크기가 제한된다. 스폿 크기가 천공 대상 홀보다 큰 직경을 가진다면, 기판 표면의 보다 많은 재료가 가열되어 전압 인가시 제거되지 않거나 완전히 제거되지 않게 된다. 이는 기판 표면에 과도한 열을 초래하여 표면의 손상과 기판 내부의 잔류 장력과 같은 품질 저하로 이어진다. 또한, 배출된 재료는 홀 주위의 기판 표면에 재퇴적될 수 있으며 이는 상당한 표면 오염을 초래하고 높은 잔류 장력을 유도한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 조절층, 바람직하게는 레이저빔 조절층은 과도한 열과 표면 손상을 저감하고 홀을 둘러싸는 표면의 품질을 향상시키도록 기판 표면에 대한 레이저의 접근을 조절하고 제한하기 위해 기판의 양면에 부착된다. 조절층(들)의 재료의 특성과 두께는 기판 재료의 특성, 두께, 레이저 인가 시간 및 레이저 출력에 달려있다.

일 실시예에서, 조절층은 지정된 조절층의 볼륨이 기판으로부터 국지적으로 제거되어 지정된 크기, 바람직하게는 지정된 단면을 갖는 지정된 기판 표면의 영역이 레이저광에 노출되도록 기판 표면에 접근하는 레이저광의 양을 조절하거나 제한한다. 조절층의 국지적 제거는 홀 천공 프로세스 중에 인가되는 에너지, 예컨대 레이저빔에 의해 이루어진다. 가령 거의 정규분포에 가까운 빔 프로파일이라고 가정하면, 레이저광의 강도 및 이에 따른 재료에 조사되는 에너지 밀도는 빔의 중심에서 가장 높다. 따라서, 고체와 액체/기체 상태 간의 상전이를 나타내는 재료, 보다 일반적으로는 특정 온도 또는 대개 특정 에너지나 에너지 밀도에서 변형/분해 임계값을 갖는 재료를 조절층에 사용하는 것이 유리하다. 레이저빔이 조절층에 인가될 때, 레이저 스폿의 중심에서는 상전이 또는 분해에 도달하지 못하고, 따라서 이 위치에서는 국지적인 재료의 제거가 이루어지지만 에너지가 전이 임계값을 극복하기에는 불충분한 레이저 스폿의 주변이나 외곽 영역에서는 국지적인 재료의 제거가 이루어지지 않는다(도 2). 재료의 국지적 제거로 인해 레이저 스폿의 크기보다 작고, 따라서 하부의 기판 재료에 대한 레이저의 접근을 제한하는 개구가 조절층에 형성된다. 따라서, 조사된(그리고 뒤이어 용융된) 기판 표면의 영역이 감소하여 과도한 열이 저감되거나 존재하지 않게 되며 이에 따라 표면 손상과 잔류 장력이 저감되어 보다 작은 피치가 가능해진다.

조절층의 재료가 레이저 조사시 뚜렷한 전이나 분해에 순응하지 않거나 대개 열적으로 안정적이지 못할 경우에는, 레이저 펄스의 지속기간과 출력에 맞게 조절층의 두께를 적합화함으로써 제거된 조절층의 재료의 양과, 따라서 조사된 기판 표면의 크기가 조정될 수 있다. 주어진 레이저 펄스의 지속기간에 대해 보다 많은 에너지가 방산되고, 그 결과 재료의 제거 속도가 보다 빨라지는데 에너지 밀도는 (통상적으로 스폿의 중심에서) 더 높다. 따라서, 조절층의 재료에 대한 레이저 펄스의 인가로 인해 레이저빔의 강도 프로파일과 유사한 리세스가 조절층에 형성된다. 조절층의 두께를 증가시키면 조절층에 형성되는 개구의 크기 및 기판 표면의 노출된 영역의 크기가 감소하여(도 3) 과도한 열과 표면 손상이 초래될 수 있다.

조절층은 각각 기판의 각각의 면에 부착된다. 이런 샌드위치 구조물, 즉 각각의 면에 형성된 층은 양측 기판 표면에서 홀 주위에 예컨대 필라멘트 또는 구체로 재퇴적될 수 있는 배출된 재료로 인한 표면 오염을 방지하는 것이 바람직하다. 어떤 이론에 얽매이지 않고, 본 발명자는 조절층을 사용하면 배출된 재료가 정체되어 기판 표면에 고착되지 못하고 층 위에 퇴적되거나 층과 융합되며, 아니면 조절층의 존재가 (변경된 기하구조로 인해) 재료의 배출 방식을 변화시켜 홀의 천공 후에 홀 입구에 고착되는 필라멘트가 형성되지 않는다고 믿는다. 홀 천공 후에 기판으로부터 조절층의 제거시 모든 배출된 재료가 층과 함께 제거되어 오염 없는 깨끗한 표면을 얻게 된다.

조절층(들)의 재료 특성 및/또는 두께는 양쪽 면에서 서로 다를 수 있다. 예컨대 레이저빔이 인가되지 않는 면에서는 레이저빔을 제한하거나 조절할 필요가 없고 해당 면의 층은 주로 재료의 재퇴적을 방지하고 단계 b) 또는 단계 c) 동안 형성되는 전기 아크에서 나오는 열을 차폐/조절하는 역할을 하기 때문에 해당 면의 조절층의 두께가 저감될 수 있다. 레이저가 인가되지 않는 면의 조절층의 개구는 기판에 홀을 개방하는 DC 고전압 방전이나 선택적으로 전극 사이에 형성되는 AC 고주파 아크에 의해 형성되어야 하기 때문에, 양쪽 면의 재료의 특성은 다를 수 있다. 두 경우 모두 조절층의 재료는 주로 전기 아크(AC, DC 또는 둘 모두)의 열적 효과에 의해 홀의 위치에서 조절층이 국지적으로 제거될 수 있도록 하는 특성을 가져야 한다.

조절층은 다양한 방식으로, 예컨대 Scotch® 매직 테이프와 같은 자체 점착성 테이프를 사용하여, 또는 기판과 층 사이의 예컨대 물이나 에탄올과 같은 액체의 박막으로 인한 점착에 의해, 또는 기판 표면에 재료의 층을 스핀 코팅하거나 분사함으로써, 또는 기판과 층 간의 정전력에 의해, 또는 신뢰성 있는 홀 천공 프로세스를 방해하는 밀폐된 기포나 두께 편차와 같은 왜곡 없이 기판에 층이 균질하게 부착될 수 있도록 보장하는 다른 기술을 사용하여 기판 재료에 부착될 수 있다.

조절층의 재료나 조절층을 기판에 부착하는 방법은 홀이 천공된 후에 용이한 분리를 가능하게 하는 것을 선택하는 것이 유리하다. 층은 예컨대 박리 또는 스크래칭에 의해 기계적으로 분리될 수 있거나, 연소 또는 애싱(ashing), 플라즈마 애싱과 같은 열 분해나 화학 분해에 의해 분리될 수 있다.

사용된 재료는 예컨대 Scotch® 매직 테이프, 자동밀봉식 절연 테이프(3M), PDMS, 웨이퍼 다이싱 테이프, PET 포일, 폴리이미드, 수지와 같은 다양한 폴리머 및 복합 시스템이다. 170 ㎛ 두께의 유리 기판의 경우에는 두께가 20 ㎛ 내지 100 ㎛인 조절층이 홀 천공을 위한 프로세스 파라미터를 변경할 필요 없이 성공적으로 사용되었다. 보다 두꺼운 조절층의 경우에는 조절층을 국지적으로 제거하도록 충분한 에너지를 공급하기 위해 레이저의 인가 시간이나 레이저의 출력을 증가시킬 필요가 있었다.

이하에서는 도면을 설명하는데, 이들 도면은 본 발명을 제한하는 것이 아니라 본 발명을 실증하는 예시적인 실시예로서 제시된다.

도 1은 기본 실험 설정을 도시한 것이다. 조절층(L)이 양면에 부착된 기판(S)을 두 개의 전극(E) 사이에 배치하였다(전극과 기판의 간격은 0.1 mm 내지 5 mm). 고전압원에 의해 충전된 커패시터(C)로 구성된 고전압 DC 전원 공급기에 전극을 연결하였다(Ri는 실제 전압원의 DC 임피던스임). 얇은 기판의 경우에는 추가 기생 정전용량(C_S)이 기판 전체에 걸쳐 생성되는 수 있다. 예컨대 레지스터, 인덕터 또는 이들의 조합일 수 있고 선택적으로 정전용량을 포함하는 것으로 회로에 배치되는 반응 또는 저항 소자(미도시)에 의해 프로세스 관련 소스 임피던스를 지정하였다. 기판은 집속 레이저 방사선에 의해 국지적으로 가열되며 선택적으로 추가 열원으로서 고주파 고전압(미도시)이 전극에 인가된다. 기판 재료의 용융시, HV DC 전원 공급기로부터의 고DC 전압이 전극 사이에 인가되어 용융된 재료를 기판으로부터 몰아내었다. 전체 작동 전압을 즉각 전극에 공급하기 위해 커패시터(C)를 충전하고 전압 인가 시간에 도달시 트리거 스파크 갭과 같은 급속 스위치를 통해 전극에 연결하였다.

도 2는 I(D/2)/I(0)=1/eⁿ(여기서 n은 1 또는 2이다)로 정의되는 스폿 크기를 갖는 레이저빔의 정규분포 강도 프로파일(I(r))을 도시한 것이다. 이 빔이 일정 기간 동안 조절층으로 전송되면 레이저빔의 강도에 비례하는 일정량의 에너지가 조절층에 방산된다. 강도가 특정 임계 강도(I_t)보다 큰 빔의 중심으로부터의 반경 거리(r<t)의 영역에서, 이 에너지는 조절층이 제거되도록 예컨대 증발 온도 또는 분해 임계값을 극복하기에 충분하다. 이런 방식으로 층의 재료에 생성되는 직경(d=2t)의 개구는 오직 소량의 레이저빔만이 이를 통과하여 조절층 하부의 기판 재료에 접근하도록 한다. 따라서, 레이저빔이 조사되고 그 결과 레이저 가열에 의해 영향을 받는 기판의 표면적이 d의 직경에 제한된다.

도 3은 층을 구성하는 재료의 특성이 도 2에 설명된 바와 같은 고체/액체로부터 증발/분해로의 급격한 전이를 허용하지 않고 대신에 조절층의 재료가 인가된 레이저 스폿의 전체 면적에 걸쳐 점진적으로 제거되는 경우, 조절층에 형성되는 개구의 직경(d)이 조절층의 두께에 의해 지정될 수 있다는 것을 도시한 것이다. 도 3의 A는 두께(h₀)를 갖는 조절층에 인가되는 레이저빔이 층에 리세스를 생성하지만 기판 하부로의 개구는 생성되지 않는다는 것을 도시한 것이다. 도 3의 B는 조절층의 감소한 두께(h₁)가 생성된 리세스(동일한 레이저 조건)의 하부의 기판에 대한 접근을 가능하게 하여 조절층에 직경(d₁)을 갖는 구멍이 형성된다는 것을 도시한 것이다. 도 3의 C는 층의 두께를 h₂까지 더 감소시킴으로써 직경(d₂)을 갖는 보다 큰 구멍이 형성되고 보다 넓은 기판의 표면적이 레이저 방사선에 노출된다는 것을 도시한 것이다.

도 4는 레이저빔이 인가된 면으로부터 바라본 것으로, 170 ㎛ 두께의 유리에 천공된 홀의 SEM 화상을 도시한 것이다. 도 4의 A는 제1 조절층이나 어떤 다른 조절층을 사용하지 않고 천공된 홀을 도시한 것이다. 레이저빔이 천공된 홀보다 크기 때문에 홀 주위의 표면이 레이저빔에 의해 영향을 받아 용융된 표면층 또는 크레이터가 형성된다. 배출된 재료는 홀 주위에 퇴적된다. 도 4의 B는 홀이 천공된 후에 기판에 여전히 부착되어 있는 조절층, 여기서는 100 ㎛ 두께의 점착성 PET 포일을 도시한 것이다. 조절층 내의 리세스의 직경은 상부에서 하부까지 감소하며(도 3과 비교), 따라서 오직 작은 기판의 표면적만이 레이저빔이 노출된다. 도 4의 C는 조절층이 제거된 후의 도 4의 B에 도시된 것과 동일한 홀의 어레이를 도시한 것이다. 홀과 주위의 표면은 깨끗하고 변형이 일어나지 않았다.

도 5는 레이저빔이 인가되지 않은 면으로부터 바라본 것으로, 170 ㎛ 두께의 유리에 천공된 홀의 SEM 화상을 도시한 것이다. 도 5의 A는 제2 조절층을 사용하지 않고 이면의 제1 조절층(미도시)을 사용하여 천공된 홀을 도시한 것이다. 조절층이 없는 면이 도시되어 있다. 홀 개방용 고주파 아크와 DC 방전 아크에 의해 생성되는 열에 의해 홀 주위의 영역이 용융되고 변형된다. 도 5의 B는 제1 조절층과 제2 조절층을 사용한 실험의 결과를 도시한 것이다. 도시된 층은 레이저빔에 노출되지 않는 면에 배치된 제2 조절층, 여기서는 40 ㎛ 두께의 점착성 PET 포일로 홀이 천공된 후에 여전히 기판에 부착되어 있다. 도 5의 C는 조절층이 제거된 후의 도 5의 B와 동일한 홀의 어레이이다. 홀과 주위의 표면은 깨끗하고 변형이 일어나지 않았다.

도 6은 40 ㎛ 두께의 자동밀봉식 Scotch® 매직 테이프로 구성된 조절층을 양면에 사용하여 170 ㎛ 두께의 유리에 천공된 홀의 SEM 화상을 도시한 것이다. 층을 제거한 후에 화상을 취하였다. 도 6의 A는 레이저가 인가된 면을 도시한 것이다. 도 6의 B는 레이저가 인가되지 않은 면을 도시한 것이다.

도 7은 제1 조절층의 각기 다른 두께의 효과를 도시한 것이다. 기판과 조절층 사이의 얇은 수막을 사용하여 비점착성 PET 포일을 기판의 양면에 부착하였다. 170 ㎛ 두께의 유리 기판에 홀을 천공하였다. 레이저가 제거된 후에 화상을 촬영하였다. 도 7의 A: 레이저가 인가된 면에 40 ㎛ 두께의 PET 포일을 부착하였다. 홀 사이에는 재퇴적된 재료가 남아있지 않지만 조절층에 생성되는 구멍과, 따라서 레이저광에 노출되는 기판의 표면적이 천공되는 홀보다 크기 때문에 여전히 크레이터 형상이 존재한다. 도 7의 B: 레이저가 인가된 면에 80 ㎛ 두께의 PET 포일을 사용함으로써 입구에 크레이터 형상이 생기지 않고 보다 똑바른 홀이 형성되었다. 홀 중앙의 밝은 스폿은 샘플이 촬영을 위해 배치되는 SEM의 금속성 유지판이다. 홀을 통해서 보면 원통형 홀 형상과 깨끗한 내면도 보인다.

도 8은 레이저가 인가되는 면에 부착된 제1 조절층의 재료 특성의 차이를 도시한 것이다. 기판에 여전히 부착되어 있는 조절층에 대한 화상을 촬영하였다. 도 8의 A: 조절층은 40 ㎛ 두께의 점착성 PET 포일이었다. 상당한 볼륨의 층 재료가 제거되어 조절층에 원추 형상의 리세스가 생성되었다. 원추 형상으로 인해, 노출되는 기판 표면은 도 3에 도시된 바와 같이 조절층의 두께에 따라 달라진다. 도 8의 B: 조절층은 40 ㎛ 두께의 폴리이미드(PI) 포일이었다. 프로세스 조건은 도 8의 A와 동일했다. PI의 열적 안정성은 PET에 비해 현저히 높다. 예컨대 PI의 유리전이 온도는 약 400℃(PET 70℃)이며 융점(PET의 융점은 약 250℃이다)을 따르지 않고 유리전이 온도보다 현저히 높은 온도에서 분해/증발한다. 보다 높은 열적 안정성으로 인해 도 2에 도시된 것에 보다 가까운 조건 하에서 도 8의 A에 비해 보다 작고 보다 원통형인 리세스가 형성된다.

명세서, 특허청구범위 및/또는 첨부도면에 개시된 본 발명의 특징은 단독 또는 임의의 조합으로 본 발명을 다양한 형태로 실현하기 위한 소재일 수 있다.

Claims

기판에 홀, 리세스 또는 웰을 생성하는 방법이며,
a) 실온에서 전기 절연성이거나 반도전성인 기판을 마련하여 사용자 제어형 전압 공급기에 연결되는 적어도 두 개의 전극 사이에 배치하는 단계와,
b) 레이저빔, 바람직하게는 집속 레이저빔 및 선택적으로 상기 전극을 통해 상기 기판에 인가되는 AC 전압을 사용하여 상기 홀, 리세스 또는 웰을 생성시킬 기판 영역을 가열함으로써 상기 기판 영역의 기판 재료를 용융시키는 단계와,
c) 상기 사용자 제어형 전압 공급기와 상기 전극에 의해, 상기 기판 또는 상기 영역을 통과하는 전류를 증가시키기에 충분한 사용자-지정 크기의 전압을 상기 기판의 상기 영역에 걸쳐 인가하여 상기 기판에 소정 양의 전기 에너지를 인가하고 상기 기판으로부터 이를 방산시키는 단계를 포함하고,
상기 기판은 제1 조절층과 제2 조절층 사이에 개재되고, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 상기 기판의 양면에 배치되고, 상기 제1 조절층은 단계 b)에서 상기 레이저빔, 바람직하게는 상기 집속 레이저빔에 노출되는 상기 기판의 면에 배치되고,
상기 제1 조절층은 상기 홀, 리세스 또는 웰이 생성되는 상기 영역의 크기, 바람직하게는 단면을 지정할 수 있도록 하고, 표면 오염 및/또는 용융된 기판 재료의 재퇴적을 방지할 수 있도록 하고, 기판 표면을 열로부터 보호할 수 있도록 하며,
상기 제2 조절층은 상기 제1 조절층이 배치되는 상기 면의 이면에 배치되고, 상기 제2 조절층은 표면 오염 및/또는 용융된 기판 재료의 재퇴적을 방지할 수 있도록 하고, 기판 표면을 열로부터 보호할 수 있도록 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 조절층과 상기 제2 조절층은, 실온 내지 기판의 융점의 온도 범위 내에서, 또는 상기 집속 레이저빔을 사용하여 단계 b)에서 인가되는 소정 양의 에너지에서 고체 상태와 액체 상태 사이 또는 고체 상태와 기체 상태 사이의 전이가 일어나는 재료로 제조되는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 동일한 재료 또는 상이한 재료로 제조되는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 각각의 경우에 독립적으로 폴리머, 특히 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 에틸렌 프로필렌 고무, 무기 실리콘 고무, 합성 아크릴 접착제 함유 PVC를 포함하는 군에서 선택되는 재료로 제조되는 방법.
제1항 내지 제4항 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 각각의 경우에 독립적으로 1 ㎛ 내지 1 mm, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 500 ㎛, 보다 바람직하게는 15 ㎛ 내지 300 ㎛, 보다 바람직하게는 20 ㎛ 내지 200 ㎛, 더 바람직하게는 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위의 두께를 가지는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 조절층은 상기 홀, 리세스 또는 웰이 생성되는 상기 기판 영역에 인접하여 접촉하는 조절 영역을 갖고, 단계 b)는 상기 조절층이 상기 조절 영역에서 용융하고/하거나 증발하여 상기 집속 레이저빔이 상기 기판 영역에 접근할 수 있도록 수행되며, 단계 c) 동안, 상기 조절층은 상기 전기 에너지의 방산을 통해 상기 조절 영역에서 부분적 또는 전체적으로 변위되는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 단계 a)에서 상기 기판의 양면을 피복하도록 상기 기판에 부착되는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 조절층은 단계 b) 및/또는 단계 c) 동안 상기 기판에 마스크를 생성하기 위해 사용되며, 상기 마스크는 홀, 리세스 또는 웰이 생성되는 기판의 영역(들)만을 노출시키는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 조절층 및/또는 제2 조절층은 단계 b)의 레이저빔, 바람직하게는 집속 레이저빔 및/또는 단계 b)의 AC 전압의 열 및/또는 단계 c)의 방산 열에 노출되는 기판의 표면적을 지정, 조절 또는 제한하기 위해 사용되는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 조절층과 제2 조절층은 단계 c) 동안 배출되는 재료를 조절층(들) 내로 흡수하여 상기 배출된 재료가 기판 표면에 곧바로 재퇴적되는 것을 방지함으로써 도입되는 홀, 리세스 또는 웰을 둘러싸는 영역의 평탄도/표면 품질을 향상시키기 위해 사용되며, 바람직하게는 상기 흡수된 재료는 기판에 상기 홀, 리세스 또는 웰이 생성된 후 상기 조절층과 함께 차후에 제거되는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b)는 조절층에 의해 흡수되는 상기 레이저빔, 바람직하게는 상기 집속 레이저빔의 파장을 갖는 레이저 방사선의 흡수를 통해 상기 조절층을 직접 가열함으로써 수행되는 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 홀, 리세스 또는 웰이 제1 기판 영역에 생성되도록 단계 a) 내지 단계 c)가 한 번 수행되고, 그 후 기판이 전극과 레이저빔에 대해 소정 거리만큼 이동하며, 제2 구조물이 제2 기판 영역에 생성되도록 단계 b) 및 단계 c)가 다시 한 번 수행되는 방법.
제12항에 있어서, 단계 b) 및 단계 c)는 n개의 구조물의 어레이가 상기 기판에 생성되도록 n번 수행되는(n은 1보다 큰 정수) 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 c)에서 인가되는 상기 전기 에너지는 상기 기판에 관통홀 또는 관통채널을 생성하기에 충분한 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 각각 생성되는 홀, 리세스 또는 웰, 또는 홀, 리세스 또는 웰의 어레이.