KR20150067084A - 유전체 기판 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

유전체 기판 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20150067084A
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데이비드 찰스 밀른
필립 토마스 럼스비
데이비드 토마스 에드먼드 마일즈
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엠-솔브 리미티드
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Abstract

2개 이상의 깊이(depth)들로 유전체 기판의 표면 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한 장치 및 방법들이 개시된다. 예를 들어 상기 장치는, 제1 펄스된(pulsed) 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제1 고체 상태 레이저, 제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 한정하기 위한 패턴을 구비한 제1 마스크(mask), 상기 기판의 상기 표면 상에 상기 패턴의 축소된 크기의 이미지를 형성하기 위한 투사 렌즈와, 상기 기판 내의 제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 형성하기 위한 상기 제1 패턴에 대하여 2차원적 래스터 스캔(raster scan)으로 상기 제1 펄스된 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 빔 스캐너를 포함하며, 상기 제1 고체 상태 레이저 또는 다른 고체 상태 레이저는 상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 구조물들을 형성하도록 구성된다.

Description

유전체 기판 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for forming fine scale structures in dielectric substrate}
본 발명은 유전체 기판의 표면 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 그것은 바람직한 구성에서, 특히 중합체의 층의 상단 표면(top surface) 내에 좁은 홈(narrow groove), 큰 면적 패드(large area pad) 및 접지-면(ground-plane) 구조물들의 순차적 형성, 및 매립된(buried) 전도체들에 기초하여 다중층, 고밀도 상호연결 장치들(multi-layer, high density interconnection devices)을 생산하는 목적을 위해 더 깊은 깊이로 접촉 구멍(contact hole)들 또는 비아들을 드릴링(drill)하는 것에 관계된다.
레이저들은 고급(advanced) 인쇄회로기판들(printed circuit boards; PCBs)의 생산에 널리 이용된다. 특히 잘 알려진 예시는 다중층(multi-layer) PCB들 안에 블라인드 접촉 구멍들(blind contact holes), 이른바 마이크로-비아들(micro-vias)의 드릴링(drilling)이다. 이 경우에 자외선(UV) 고체 상태 레이저들(solid state lasers)은, 하부 구리층으로의 접촉이 이루어짐을 가능하게 하도록 상단(top) 구리층 밑 기저(underlying) 유전체층을 통하여 드릴링하는 데에 종종 이용된다. 몇몇 경우들에서 그 2개의 상이한 재료들을 제거하도록 2개의 상이한 레이저 프로세스들(laser processes)을 이용함으로써 이 프로세스의 비용효율성은 향상된다. UV 다이오드 펌핑된 고체 상태(diode pumped solid state; DPSS) 레이저는 보통은 상기 하부 유전체층을 노출시키도록 상단 구리층 내에 구멍을 드릴링하는 데 이용되고, 개별의 프로세스에서 CO2 레이저가 각각의 구멍 아래에 노출된 유전체 재료를 제거하는 데에 이용된다.
최근에 새로운 유형의 고밀도 다중층 회로판 생산 기술이 제안되었다. 미국 특허출원 US2005/0041398A1호 및 "차세대 기판 기술의 제막(Unveiling the next generation in substrate technology)", 휴묄러(Huemoeller) 외, 2006 태평양 마이크로-전자공학 심포지움(2006 Pacific Micro-electronics Symposium)이라는 간행물에는 "레이저로-묻힌(laser-embedded) 회로 기술"의 개념이 설명된다. 이 새로운 기술에 있어서 레이저들은 유기 유전체 기판들(organic dielectric substrates) 내에 미세한 홈들(fine grooves), 더 큰 면적 패드들 및 또한 접촉 구멍들을 직접적으로 삭마(ablate)하는 데에 이용된다. 상기 홈들은 상기 패드들 및 접촉 구멍들에 연결됨으로써, 레이저 구조화(structuring) 및 후속의 도금(metal plating) 후에, 상기 유전체층의 상단 표면 내에 묻힌 패드들 및 미세 전도체들(fine conductors)의 복잡한 패턴으로 구성된 제1 층이, 하부 금속층에 연결되는 더 깊은 접촉 구멍들로 구성된 제2 층과 함께 형성된다. 이 기술의 진척에 관한 더 많은 정보는, 2011년 11월 9-11일, 타이완의 제12차 전자회로 세계 대회(Electronic Circuit World Convention)에서 논문들 EU165(데이비드 바론; David Baron) 및 TW086-2(열-링 리 및 바바라 우드; Yuel-Ling Lee & Barbara Wood)로 제시되었다.
지금까지, 펄스된 UV 레이저들(pulsed UV lasers)은, 직접 쓰기(direct write) 또는 마스크 이미징(mask imaging) 방법들을 이용한 단일 프로세스로 홈들, 패드들 및 접촉 구멍들을 형성하는 방법들에서 이용되어 왔다.
상기 직접 쓰기 접근법은 일반적으로 빔 스캐너를 이용하여 레이저로부터 초점 맞춰진 빔을 기판 표면에 걸쳐(over) 이동시켜 홈들을 스크라이빙(scribe)하고 또한 패드 및 접촉 구멍 구조물들을 생성한다. 이 직접 쓰기 접근법은, 높은 빔 품질을 가진 UV 다이오드 펌핑된 고체 상태(DPSS) 레이저들로부터의, 고도로 초점맞춤 가능한 빔(highly focusable beam)을 이용하므로 미세 홈 스크라이빙 프로세스에 매우 적합하다. 그것은 또한 패드 및 접촉 구멍 구조물들에 결부된 상이한 층 깊이 요구조건들(different layer depth requirements)을 감당(deal well with)할 수도 있다. 이 방법으로써, 상이한 깊이의 홈들, 패드들 및 접촉 구멍들이 용이하게 형성될 수 있다. 그러나 고도로 초점맞춤 가능한 UV DPSS 레이저들로부터 가용한 레이저 파워의 제한 때문에, 더 넓은 면적 패드들 및 접지-면들(ground planes)과 결부된 더 실질적인 부피의 재료를 제거함에 관한 한 이 직접 쓰기 프로세스는 느리다. 또한 이 직접 쓰기 방법에 있어서 홈들과 패드들 사이의 교차점들(intersections)에서 일정한 깊이를 유지하는 데 어려움이 있다. 묻힌 전도체들(embedded conductors)에 기초하여 PCB를 만들기 위한, 적합한 직접 쓰기 레이저 장비의 설명은 2011년 11월 9-11일, 타이완의 제12차 전자회로 세계 대회(Electronic Circuit World Convention)에서 논문 TW086-9(웨이밍 쳉 & 마크 언라쓰; Weiming Cheng & Mark Unrath)로 제시되었다.
상기 마스크 이미징 접근법은 일반적으로 자외선 엑시머 레이저(UV excimer laser)를 이용하여 회로 설계의 한 층 또는 레벨의 전체 상세를 담은(contain) 마스크를 비춘다(illuminate). 상기 마스크의 이미지는 기판 상으로 축소(demagnified)되므로, 유전체 재료를 삭마하기에 충분한 레이저 펄스(laser pulse) 에너지 수준으로써 그 층 상의 회로의 전체 면적(area)이 상기 기판 상에 복제(reproduce)된다. 형성될 회로가 큰 몇몇 경우들에서 상기 마스크 및 기판의 상대적으로 동기화된(synchronized) 움직임이 이용되어 전체 패턴이 전달된다. 넓은 기판 면적들을 덮기(cover) 위한 엑시머 레이저 마스크 투사(excimer laser mask projection) 및 이와 결부된 전략들이 다년간 알려져 왔다. 논문집(Proc) SPIE 1997, 3223권, 26면(하비 & 럼스비; Harvey & Rumsby)에 이 접근법의 설명이 주어진다.
이미지 전달 프로세스 동안에 상기 마스크의 전체 면적이 비춰지므로 이 접근법은 생성될 개개의 구조물들의 전체 면적에 민감하지 않으며(insensitive), 따라서 미세한 홈들, 더 큰 면적 패드들 및 접지-면들을 생성하는 데 적합하다. 또한 홈들과 패드들 사이의 교차점들에서 깊이 일정성(depth constancy)을 유지하는 데 있어서도 훌륭하다. 그러나 구조물 크기에 대한 삭마율(ablation rate) 의존성으로 인하여 모든 특징부들에 걸쳐 높은 정확도(precision)로 깊이를 제어하는 것이 종종 어렵다. 또한 회로가 극히 밀한(dense) 경우를 제외하고 엑시머 레이저들의 구입 및 운영 비용이 모두 매우 높기 때문에 이 마스크 이미징 접근법은 상기 직접 쓰기 접근법에 비해 현저히 더 많은 비용이 든다. 또한 마스크 이미징은 회로의 각각의 층을 위해 새로운 마스크가 이용되어야 할 필요가 있다는 점에서 매우 융통성 없다.
후자의 제한은 간행물 미국 특허출원 US 2008/0145567 A1호에서 설명된 구성에서 극복된다. 이 경우에 엑시머 레이저 스캐닝 마스크 투사 시스템(excimer laser scanning mask projection system)를 이용하여, 절연층 내의 동일한 깊이로 홈들 및 패드들로 구성된 층이 형성되고, 개별의 프로세스에서 개별의 빔 전달 시스템에 의해 전달된 제2 레이저를 이용하여 기저의 금속층으로 관통하는 더 깊은 접촉 구멍들이 형성된다. 이 2-단계 프로세스가 달라지는 깊이의 구조물 요구조건들(varying depth structure requirements)을 감당하는 방식이다. 그러나 그것은 여전히 엑시머 레이저들의 이용과 결부된 고비용으로 고통스럽다.
따라서 이 "레이저로-묻힌 회로 기술(laser-embedded circuit technology)"에 기초하여 고급(advanced) 회로들을 만들기 위한 현존하는 프로세스 방법들(process methods)은 심각한 단점들을 가짐을 알 수 있다. 매우 융통성 있는 방식으로, 요구되는 상이한 크기 및 깊이 구조물들을 생성하기 위하여 최적화된 레이저 프로세스들을 이용할 수 있어서 프로세스 속도(process rate)를 향상시키고 그 비용을 감소시킬 필요성이 남아 있다. 본 발명은 마스크 이미징의 장점들을 유지하나 값비싼 엑시머 레이저들의 이용을 회피하여, 이 필요성들을 다루는 장치 및 다단 단계 프로세스(multistage stage process)를 제공함을 목표로 한다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, 2개 이상의 깊이(depth)들로 유전체 기판의 표면 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한 장치가 제공되는 바, 상기 장치는:
제1 펄스된(pulsed) 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제1 고체 상태 레이저; 제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 한정(define)하기 위한 패턴을 구비한 제1 마스크(mask); 상기 기판의 상기 표면 상에 상기 패턴의 축소된 크기의 이미지를 형성하기 위한 투사 렌즈(projection lens)와; 상기 기판 내의 제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 형성하기 위한 상기 제1 마스크에 대하여 2차원적 래스터 스캔(raster scan)으로 상기 제1 펄스된 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 빔 스캐너; 및 상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 구조물들을 형성하도록 구성된 상기 제1 고체 상태 레이저 또는 다른 고체 상태 레이저를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 2개 이상의 깊이들로 유전체 기판의 표면 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한 방법이 제공되는 바, 상기 방법은: 제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 한정하는 제1 프로세스 및 제2 깊이에서 제2 세트의 구조물들을 한정하는 제2 프로세스인 2-단(two-stage) 프로세스를 포함하고, 상기 제1 프로세스는: 제1 펄스된 레이저 빔을 제공하도록 제1 고체 상태 레이저를 이용함; 제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 한정하기 위한 패턴을 구비한 제1 마스크를 제공함, 상기 기판의 상기 표면 상에 상기 패턴의 축소된 크기의 이미지를 형성하기 위한 투사 렌즈를 제공함, 및 상기 기판 내의 제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 형성하도록 상기 마스크에 대하여 2-차원적 래스터 스캔으로 상기 제1 펄스된 레이저 빔을 스캔함(scanning)을 포함하고,
상기 제2 프로세스는 상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 구조물들을 형성하도록 상기 제1 고체 상태 레이저 또는 다른 고체 상태 레이저의 이용을 포함하며, 상기 제1 프로세스 및 상기 제2 프로세스는 임의의 둘 중 하나의 순서로 수행될 수 있다.
따라서 본 발명은, 고체 상태 레이저(solid state laser; SSL)를 이용하는 방법, 유전체 기판의 표면 내에 제1 세트의 구조물들을 형성하도록 (예컨대 레이저 스폿의 형태인) 레이저 빔의, 마스크에 걸친(over a mask) 2D(2차원) 스캐닝을 포함하는 제1 프로세스, 및 상기 유전체 기판 내에 제2 세트의 구조물들을 형성하는 (다양한 방법들로 수행될 수 있는) 제2 프로세스를 포함한다.
레이저의 선택은 상기 스캐닝이 고속으로 수행됨을 가능하게 하므로 상기 구조물들이 짧은 시간 주기 안에 형성될 수 있는 동시에 높은 자본 비용 및/또는 높은 운용(operating) 비용에 대한 필요성을 피할 수 있다. 또한 상기 프로세스는 상이한 유형들의 구조물들을 형성하기 위한 각각의 프로세스 단계들이 개별적으로 최적화됨을 가능하게 한다.
본 발명의 주요(key) 바람직한 특징들은:-
1) 후속 구리 도금 프로세스 후에 다중층, 고밀도, 전기적 배선 장치(multi-layer, high density, electrical interconnection device)의 부분인 "묻힌 전도체" 기반 전자 회로층("embedded conductor" based electronic circuit layer)을 형성하는 미세 스케일 구조물들의 세트들을 형성하기 위한 방법,
2) 유전체 재료의 표면 내에 2개 이상의 상이한 깊이들로 형성된 구조물들의 세트로서, 각각의 깊이는 개별의 레이저 삭마 프로세스를 이용하여 달성되는, 구조물들의 세트,
3) 아래의 방식으로 제1 세트의 구조물들을 제1 깊이로 생성하는 제1 프로세스
a. 제1 마스크가 상기 제1 세트를 한정한다;
b. 투사 렌즈가 기판 표면 상에 상기 제1 마스크의 축소된 크기의 이미지를 형성한다;
c. 빔 스캐너 유닛(beam scanner unit)이 Q-스위치 연속파 다이오드 펌핑된 고체 상태 레이저(Q-switched CW(continuous wave) diode pumped solid state (DPSS) laser)로부터의 빔을 2D(2차원) 래스터 패턴으로 된 마스크 위로 이동시킨다;
d. 각각의 레이저 펄스 상의 레이저 빔의 상기 기판에서의 에너지 밀도는, 상기 기판의 재료를 삭마하지만 상기 마스크를 손상입히지 않기에 충분하다;
e. 상기 마스크 표면 위의 상기 빔의 2D 움직임의 궤적(trajectory)에 결합된, 상기 마스크에서의 레이저 빔 스폿(spot)의 크기 및 형상은, 상기 기판 상의 장치의 전체 면적에 걸쳐 균일한 제1 깊이로 상기 제1 세트의 구조물들이 한정되도록 한다,
4) 상기 장치의 전부 또는 일부에 걸쳐 제2 깊이로 제2 세트의 구조물들을 생성하는 제2 프로세스로서, 상기 제2 세트의 구조물들은, 상기 제2 깊이가 상기 제1 깊이보다 더 깊도록 상기 제1 세트의 구조물들의 일부 또는 전부 상에 중첩되는, 제2 프로세스. 상기 제2 프로세스는 다음의 방법들 중 하나를 이용한다:
a. 상기 제2 세트의 구조물들을 한정하도록, 상기 제1 레이저 및 제1 마스크를 이용하여, 그러나 상기 제1 프로세스와 상이한 레이저 파라미터들을 이용하여 상기 제1 프로세스를 반복한다. 이것은 상기 기판이 상이한 재료들로써 층화되거나(layered) 도 3에 도시된 바와 같이 상단면(top side)에 적용되는 희생층(sacrificial layer) 또는 보호층(protective layer)을 가진 경우일 수 있다. 이 경우에 상기 제1 프로세스는 재료의 상단층 또는 보호/희생층을 레이저 패터닝(laser pattern)하고 상기 제2 프로세스는 아래 재료층을 레이저 패터닝한다;
b. 상기 제1 레이저를 이용하여 그러나 제2 마스크를 가지고 상기 제1 프로세스를 반복하여 상기 제2 세트의 구조물들을 한정한다;
c. 상기 스캐너에 의해 상기 제1 마스크의 선택된 면적(area)들로 이동된 상기 제1 레이저, 및 다수의 펄스들을 위해 발사된 상기 제1 레이저로부터의 빔을 가지고 상기 제1 마스크를 이용함으로써, 그 선택된 면적들이 추가적인 펄스들에 충분히 노출되어 제2 깊이를 갖는 제2 세트의 구조물들이 생성된다;
d. 상기 제1 레이저 빔은 상기 스캐너에 의해 상기 제1 마스크 상의 선택된 투명한 특징부들(selected transparent features)로 이동되며, 상기 제1 레이저 빔 내의 개구(aperture)와 함께 상기 제1 마스크를 이용하여, 상기 개구는, 상기 마스크 상의 이미지가 상기 투명한 특징부보다 더 작도록 상기 마스크 상으로 이미징되며, 상기 제1 레이저는, 그 선택된 면적들이 추가적 레이저 펄스들에 노출되도록 발사되며, 따라서 제2 세트의 구조물들이 상기 제1 세트의 구조물들 안에 제2 깊이로, 그리고 상기 제1 세트의 구조물들보다 더 작게 형성된다;
e. 상기 제1 레이저와 상이한 제2 레이저와 함께 상기 제1 마스크를 이용하여, 상기 제2 레이저로부터의 빔은, 상기 스캐너에 의해 상기 제1 마스크 상의 선택된 투명한 특징부들로 이동되며, 상기 마스크 상의 빔이 상기 투명한 특징부보다 작도록 제어되고, 상기 제2 레이저는 그 선택된 면적들이 추가적 레이저 펄스들에 노출되도록 발사되며, 따라서 제2 세트의 구조물들이 상기 제1 세트의 구조물들 안에 제2 깊이로, 그리고 상기 제1 세트의 구조물들보다 더 작게 형성된다,
5) 만약 요구된다면, 상기 장치의 전부 또는 일부 위에 다른 깊이로 다른 세트의 구조물들을 생성하기 위한 다른 프로세스로서, 상기 다른 세트의 구조물들은, 상기 다른 깊이가 상기 제1 깊이 또는 상기 제2 깊이보다 더 깊도록 상기 제1 세트의 구조물들 또는 상기 제2 세트의 구조물들의 일부 또는 전부 상에 중첩(superimpose)된다. 상기 다른 프로세스는 상기 섹션 4.a - 4.d에서 설명된 방법들 중 하나를 이용한다,
6) 몇몇 경우들에, 상기 제1 프로세스는 상기 제2 프로세스를 따를 수 있다. 예를 들어 제2 프로세스들(4.c, d 및 e)은 모두 상기 제1 프로세스 전에 일어날 수 있으며, 상기 기판 내에 2개의 깊이들로 2세트의 구조물들의 형성의 면에 있어 결과는 동일하다.
상기 제1 프로세스 및 상기 제2 프로세스를 위해 이용된 마스크는 2D 배열의 픽셀들을 포함할 수 있으며, 상기 2D 배열의 픽셀들의 레이저 빔에 대한 투명도(transparency)는, 전체 마스크 패턴이 동적으로 변경될 수 있도록 전자적으로 변경될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징들 및 선택적 특징들은 아래의 설명으로부터, 그리고 본 명세서에 부속하는 청구항들로부터 분명할 것이다.
이제 본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 단지 예시로서 더 설명될 것인 바, 상기 첨부 도면들의:
도 1은 전형적인 HDI 인쇄회로기판 내에 형성이 요구되는 구조물들의 유형을 보여주는 상기 전형적인 HDI 인쇄회로기판의 사시도이다;
도 2는 도 1과 유사하고 상기 인쇄회로기판이 상부 및 하부 유전체층을 포함하는 사시도이다;
도 3은 얇은 보호층 또는 희생층이 다른 전형적인 인쇄회로기판 상에 형성된 상기 다른 전형적인 인쇄회로기판의 단면도이다;
도 4는 유전체층 내에 묻힌 구조물들을 형성하기 위한 알려진 장치의 개략도이다;
도 5는 유전체층 내에 묻힌 구조물들을 형성하기 위한 다른 알려진 장치의 개략도이다;
도 6은 유전체층 내에 묻힌 구조물들을 형성하기 위한 또 다른 알려진 장치의 개략도이다;
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유전체층 내에 묻힌 구조물의 제1 층을 형성하기 위한 장치의 개략도이다;
도 8은 도 7의 장치 내에서 이용되는 마스크 및 그것과 함께 이용되는 스캐닝 궤적의 평면도이다; 그리고
도 9 내지 12는 유전체 기판 내에 제2 층의 구조물을 형성하기 위한 대안적인 구성들을 도시하는, 본 발명의 실시예들에 따른 장치의 개략도들이다.
도 1: 이것에는 고밀도 배선(high density interconnect; HDI) 인쇄회로기판(PCB) 또는 집적 회로(IC) 기판의 단면도가 도시되며, 형성될 필요가 있는 "묻힌(embedded)" 구조물의 유형이 표시된다. 전기 회로를 형성하도록 패터닝된(patterned) 구리층(1)이 유전체 코어층(2) 상에서 지지된다. 상기 구리층(1)은 상부 유전체층(3)으로 오버코팅되며(over coated), 상기 상부 유전체층(3) 안으로 다양한 구조물들이 레이저 삭마에 의해 형성되었다. 홈들(grooves; 4, 4' 및 4"), 큰 패드(5) 및 작은 패드들(6 및 7) 모두가 동일한 깊이를 가지며, 그 동일한 깊이는 상기 상부 유전체층(3)의 전체 두께보다 작다. IC 기판들에 대해 요구되는 홈 폭들 및 패드 직경들은 전형적으로 각각 5 내지 15미크론 및 100 내지 300μm의 범위에 속하며, 그 깊이들은 5 내지 10미크론의 범위에 속한다. HDI PCB들에 대해 홈들은 더 넓고 더 깊을 수 있다. 패드(7) 내측의 접촉 구멍(또는 비아)(8)은 레이저 삭마에 의해 더 큰 깊이로 형성되므로 모든 상부 유전체층 재료는 제거되어 아래의 구리 회로의 면적이 노출된다. 접촉 구멍 깊이들은 전형적으로 패드들 및 홈들의 깊이의 2배일 수 있다.
도 2: 이것에는 도 1과 유사한 HDI PCB 또는 IC 기판의 단면이 도시되지만, 이 경우에는 상기 구리층의 상단 상에 상부 유전체층은 상이한 재료의 2개 층들, 상부 유전체층(9) 및 하부 유전체층(10)으로 구성된다. 홈들(4, 4' 및 4"), 큰 패드(5) 및 작은 패드들(6 및 7) 모두 상기 상부층(9)을 완전히 관통하나 상기 하부층(10)을 현저히 관통하지는 않는다. 접촉 구멍(8)은 아래의 구리 회로의 면적이 노출되도록 상기 하부 유전체층(10)을 완전히 관통한다.
도 3: 이것에는 구조물들의 레이저 패터닝 전에 재료의 얇은 보호층 또는 희생층(11)이 상기 유전체층(3)의 상단면에 적용됐던 HDI PCB의 단면도가 도시된다. 그러한 보호층들은 일반적으로 많아 봐야 몇 미크론 두께일 뿐이며 그것들의 주요 목적은 레이저 삭마 프로세스 중에 상기 유전체층(3)의 상단 표면을 손상으로부터 보호하는 것이다. 상기 구조물들의 레이저 삭마 중에 빔은 상기 보호층의 재료를 관통하여 아래의 상기 유전체층(3) 내에 요구되는 깊이로 재료를 제거한다. 상기 레이저 삭마 프로세스의 완료 후에 그리고 후속 프로세스들 전에 상기 보호층은 보통 상기 유전체 재료를 노출시키기 위해 제거된다.
도 4에는 유전체층 내에 묻힌 구조물들을 생성하는 데에 흔히 이용되는 것과 같은 알려진 장치가 도시된다. 엑시머 레이저(12)는 펄스된 UV 빔(13)을 방출하며, 상기 펄스된 UV 빔(13)은 균질기 유닛(homogenizer unit; 14)에 의해 형상화되고, 거울(15)에 의해 편향(deviate)되며, 마스크(16)의 전체를 균일하게 비춘다. 투사 렌즈(17)는 상기 마스크의 이미지를 상기 유전체 코팅된 기판(18)의 표면 상으로 축소하므로, 상기 기판(18)에서의 상기 빔의 에너지 밀도는, 유전체 재료를 삭마하고 상기 마스크의 패턴(mask pattern)에 대응되는 층 내의 구조물들을 형성하기에 충분하다.
렌즈(19)는 필드 렌즈(field lens)이며, 상기 렌즈(17)로 들어가는 빔이 최적의 방식으로 작동(perform)하도록 상기 빔을 제어하는 역할을 한다. 각각의 레이저 펄스 시에, 상기 마스크 상의 패턴은 잘-한정된(well-defined) 깊이로 상기 유전체의 표면 안으로 기계가공(machine)된다. 전형적으로 각각의 레이저 플스에 의해 기계가공된 깊이는 1미크론의 몇 분의 1이므로, 많은 미크론수(many microns)의 깊이를 갖는 홈들 및 패드들을 생성하는 데는 많은 레이저 펄스들이 요구된다. 만약 상이한 깊이의 특징부들이 상기 기판 표면 안으로 기계가공될 필요가 있다면, 제1 레벨을 한정하는 마스크는 더 깊은 레벨을 한정하는 다른 마스크(20)로 교환되며, 그 후에 상기 레이저 삭마 프로세스는 반복된다.
각각의 마스크의 전체 면적 및 상기 기판 상의 대응되는 면적을 하나의 레이저 펄스를 가지고 비추는 것에는, 고에너지를 갖는 펄스들이 상기 레이저로부터 요구된다. 예를 들어 만들어질 장치의 크기가 10 x 10mm(1cm2)이라면 효율적인 삭마에 요구되는 펄스 에너지 밀도는 약 0.5J/cm2이므로 상기 기판에서 요구되는 펄스 당 총 에너지는 0.5J이다. 광학 시스템 내에서의 손실들 때문에 상기 레이저로부터 펄스 당 현저히 더 많은 에너지가 요구된다. 자외선 엑시머 레이저들은 이 용례를 위해 매우 적절한데, 왜냐하면 전형적으로 상기 자외선 엑시머 레이저들은 낮은 반복율(repetition rate)에서 높은 펄스 에너지로 작동하기 때문이다. 300Hz에 달하는(up to 300Hz) 반복율에서 1J에 달하는 출력 펄스 에너지를 방출하는 엑시머 레이저들이 용이하게 이용가능하다. 더 큰 장치들의 생산을 가능하게 하거나 또는 더 낮은 펄스 에너지들을 가진 엑시머 레이저들의 이용을 가능하게 하도록 다양한 광학 전략들(optical strategies)이 고안되어 왔다.
도 5에는 빔 형상화 광학부품(beam shaping optics; 21)이 마스크(16)의 표면에서 라인 빔(line beam)을 생성하도록 구성되는 경우를 설명하는 선행 기술이 도시된다. 이 라인 빔은 충분히 길어 상기 마스크의 전체 폭을 덮는다(cover). 상기 라인 빔은 거울(15)의 1D(1차원) 움직임에 의해 라인(line)에 수직인 방향으로 상기 마스크의 표면 위에서 스캔된다. 위치(22)로부터 위치(22')로의 라인 내에서 거울(15)을 이동시킴에 의해 상기 마스크의 전체 면적은 순차적으로 비춰지고, 이에 상응하여 상기 기판 상에 기계가공될 전체 면적이 순차적으로 프로세싱된다. 거울(15)이 이동되는 동안에 마스크, 투사 렌즈 및 기판은 모두 정지된 채로 유지된다.
상기 거울은, 정확한 수의 레이저 펄스들이 상기 기판에 충격을 가하여(impact) 요구되는 깊이의 구조물들이 생성됨을 가능하게 하는 속력으로 이동된다. 예를 들어 300Hz에서 작동하는 엑시머 레이저 및 1mm의 폭을 갖는 기판에서의 라인 빔에 대해, 그리고 각각의 레이저 펄스가 0.5미크론의 깊이로 재료를 제거하는 경우에 대해 10미크론의 깊이를 갖는 구조물들을 생성하기 위해서 면적 당(면적 당) 20 레이저 펄스들이 요구된다. 그러한 구성에는 상기 라인 빔이 상기 기판을 가로질러 15mm/s의 속력으로 이동할 것이 요구된다. 상기 마스크에서의 상기 빔의 속력은 기판에서 상기 빔의 속력보다 상기 렌즈의 축소율(demagnification factor)과 동일한 비율(factor)로 더 크다.
도 6에는 알려진 구성이 도시되며 한정된 레이저 펄스 에너지 문제(issue)를 감당하는 대안적인 방식이 보여진다. 이것은 정확하게 연계(link)된 방식으로 정지된 빔에 대하여 상기 마스크 및 기판 둘 모두를 이동시킴을 포함한다. 빔 형상화 광학부품(21)은 상기 마스크의 전체 폭을 포괄(span)하는 길이를 갖는 라인 빔을 형성한다. 이 경우에, 도시된 바와 같이 거울(15)은 정지된 채로 남으며, 상기 마스크(16)는 선형적으로 이동된다. 상기 기판 상에 상기 마스크의 정확한 이미지를 생성하기 위해 도시된 바와 같이 상기 기판(18)은, 이미징 렌즈(imaging lens; 17)의 축소율에 의해 상기 마스크의 속력에 관련되는 속력으로 상기 마스크와 반대 방향으로 이동될 필요가 있다. 그러한 1D 마스크 및 기판 연계 움직임 시스템(1D mask and substrate linked motion system)들은 반도체 생산을 위한 엑시머 레이저 웨이퍼 노출 공구들(excimer laser wafer exposure tools)에서 잘 알려져 있다.
프로세싱될 장치의 전체 폭을 가로지르는 라인 빔을 생성하기에는 각각의 레이저 펄스에 있어서의 에너지가 불충분하고 상기 장치의 면적이 매우 큰 상황들에서, 엑시머 레이저들은 2D 마스크 및 기판 스캐닝 체계들과 함께 이용되어 왔다. 논문집(Proc) SPIE 1996 (2921), 684면에 그러한 시스템이 설명된다. 그러한 시스템들은 매우 복잡하여 고도로 정확한 마스크 및 제조공정 제품(work-piece) 단계 제어(stage control)를 요구하고, 덧붙여 스캔 대역 겹침(scan bands overlap)을 제어하기가 매우 어려운 상기 기판 상의 영역들(regions) 내에서 균일한 삭마 깊이를 획득할 것을 요구한다.
도 7에는 현재 본 발명의 바람직한 형태에 따른 실시예가 도시된다. 이것은 상기 기판 내에 회로층의 구조물들을 한정하는 데에 마스크 투사 광학 시스템(mask projection optical system)이 이용된다는 점에서 도 4, 5 및 6에 도시된 선행기술과 유사하지만, 자외선 엑시머 레이저 대신에 Q-스위치 CW(Q-switched CW) 다이오드 펌핑된 고체 상태(diode pumped solid state; DPSS) 레이저가 이용된다는 점에서 주요한 차이점이 있다. 그러한 레이저는 낮은 에너지(예컨대 0.1mJ 내지 수십mJ)을 갖는, 그러나 높은(수 kHz 내지 100kHz) 반복율에서의 펄스들을 방출하여, 엑시머 레이저와 매우 상이한 방식으로 작동한다. 많은 유형들의 Q-스위치 DPSS 레이저들은 이제 용이하게 이용가능하다. 본 명세서에 설명된 방법에 대해, 더 넓은 범위의 유전체 재료들의 삭마에 UV가 더 적합하고 및 더 긴 파장들에 비해 이미징 렌즈들의 광학 해상도가 우월하므로 자외선 영역에서 작동하는 다중 모드(multimode) DPSS 레이저가 바람직하다. 게다가 낮고 단일인 모드의 레이저들에 비하여 더 높은 파워들이 다중 모드(MM) 레이저들에 의해 발생된다. 더 긴 파장 및 더 낮은 모드 빔 출력을 갖는 다른 펄스된 DPSS 레이저들도 설명된 방법에서 이용될 수 있다.
예를 들어, 약 10kHz의 반복율에서 20, 40 또는 80W의 파워들이 주어지는, 355nm 파장에서 작동하고 따라서 각각 2, 4 및 8mJ의 출력 펄스 에너지들을 제공하는 UV MM CW 다이오드 펌핑된 고체 상태 레이저들이 이용될 수 있다. 다른 일 예시는 6kHz의 반복율에서 40W를 제공하고 따라서 펄스당 6.7mJ를 제공하는 MM UV DPSS 레이저이다. 다른 예시들은 약 100kHz의 반복율에서 20 또는 28W의 파워들이 주어지는, 355nm 파장에서 작동하고 따라서 각각 0.2 및 0.28mJ의 출력 펄스 에너지들을 제공할 수 있는 UV 더 낮은 모드 CW 다이오드 펌핑된(UV lower mode CW diode pumped) 고체 상태 레이저들이다.
도 7에 도시된 바와 같이, MM UV DPSS 레이저(22)는 출력 빔(23)을 방출하며, 상기 출력 빔(23)은, 마스크(16)에서 적절한 크기의 원형 또는 다른 형상의 스폿이 형성되도록 광학부품(24)에 의해 형상화됨으로써, 렌즈(17)에 의한 기판 표면(18) 상으로의 이미징 후에, 에너지 밀도는 상기 기판의 표면(18) 상의 재료를 삭마하기에 충분하다. 2D 스캐너 유닛(2D scanner unit; 25)은 2D 래스터 패턴으로 된 마스크(16) 위의 스폿을 이동시킴으로써 상기 마스크(16)의 전체 면적이 덮히며, 이에 따라 상기 기판(18)에서 프로세싱될 전체 면적도 덮히고, 상기 마스크(16) 상의 패턴의 이미지가 상기 기판 표면 안으로 각인(imprint)된다. 바람직하게는 렌즈(17)는 상기 이미지 쪽에(on the image side) 텔레센트릭 성능(telecentric performance)을 갖는다. 이것은 상기 렌즈에 의해 평행한 빔이 형성됨으로써 상기 기판으로의 거리의 변동으로 인해 상기 이미지의 크기가 변화되지 않음을 의미한다. 이것은 광축을 따라 매우 정확하게(with great accuracy) 상기 기판을 위치시킬 필요를 피하며, 상기 기판의 임의의 비평탄성(non-flatness)도 수인(accommodate)될 수 있도록 한다.
이 구성에서, 상기 렌즈(19)는 텔레센트릭 성능에 대한 조건들이 만족되도록 상기 스캐너(25)의 거울들 사이의 평면을 상기 렌즈의 입사 동공(entrance pupil; 26) 안으로 이미징하는 기능의 역할을 한다. 상기 렌즈(17)가 충분한 광학 해상도를 가져 상기 유전체층의 표면 내의 5μm 이하의 아래로 잘 한정된 구조물들을 정확하게 형성하는 것이 중요하다. 상기 해상도는 파장 및 개구수(numerical aperture)에 의해 결정되며, 이것은 355nm의 레이저 파장에 대하여 약 0.15 이상의 개구수로 해석된다. 상기 렌즈에 대한 다른 요구조건은, 그것이 상기 마스크 상의 패턴을 상기 기판 상으로 축소함으로써 상기 기판에서 레이저 펄스들의 에너지 밀도는 재료를 삭마하기에 충분히 높지만 상기 마스크에서의 에너지 밀도는, 아마도 석영(quartz) 기판 상에 패터닝된 크롬층일 마스크 재료가 손상되지 않도록 충분히 낮을 것이다. 3x 이상의 렌즈 확대율(magnification factor)이 대부분의 경우들에 있어 적절한 것으로 밝혀진다. 상기 기판에서 0.5J/cm2의 에너지 밀도는 대부분의 중합체 유전체 재료들을 삭마하기에 일반적으로 충분하고, 따라서 3x의 렌즈 축소율로써 또 상기 렌즈에 있어 상당한 손실을 허용하면 이에 대응되는 상기 마스크에 있어서의 에너지 밀도는 0.07J/cm2 미만이고, 이는 석영 마스크 상의 크롬의 손상 레벨의 꽤 아래에 있는 레벨이다.
도 8에는 도 7의 구성에서 이용되는 마스크(16)의 평면도가 도시된다. 이 경우에는 둥근(round) 레이저 빔 스폿(27)이 래스터 형상화된(raster shaped) 궤적(28) 내에서 X 방향 및 Y 방향으로 이동됨으로써 상기 마스크(29)의 전체 패터닝된 면적이 덮힌다. 도 8에는 또한 이에 대응되는 래스터 경로(30)로서, 상기 기판 상의 축소된 레이저 기계가공된 면적(32)에 걸친 축소된 레이저 스폿(31)이 상기 경로(30)를 뒤따르는, 래스터 경로(30)가 도시된다. 상기 마스크 상의 홈, 패드 및 다른 구조물들이 일정한 깊이로 상기 기판의 표면 안으로 기계가공되어야 할 필요가 있는 경우에는, 상기 마스크의 각각의 면적이 동일한 유효량(effective dose)의 레이저 방사(laser radiation)를 수용하는 것이 중요하다. 상기 마스크에서의 빔이 에너지 밀도에 있어 불균일한 분포를 가지고 있을 가능성이 매우 높고 각각의 레이저 펄스 시에 제거되는 기판 재료의 깊이는 에너지 밀도에 따라 일반적으로 비선형적으로 변화되므로, 균일한 깊이로 삭마를 일으키기 위한 마스크 표면 위의 빔의 정확한(exact) 궤적은 빔 형상 및 빔 윤곽에 종속할 것이며, 일반적으로 실험적으로 판별될 것이다.
간단한 예시는, 14 x 14mm의 면적(32)을 갖는 전자 회로의 제1 층을 형성하도록, 복잡한 패턴의 홈들 및 패드들이 상기 유전체 재료의 표면 안으로 5μm의 균일한 깊이로 레이저 기계가공될 상황이다. 상기 레이저는 10kHz의 반복율에서 작동하는 다중 모드 40W UV (355nm) CW 펌핑된 DPSS 레이저이며 방출되는 펄스들은 각각 4mJ의 에너지를 가지며, 광학 부품들 내에서 손실된 후에 그 중 3mJ이 상기 기판에 도달한다. 상기 기판 상의 전형적인 유전체 재료는 0.5J/cm2의 에너지 밀도에서 각각의 레이저 펄스가 0.33μm의 깊이로 재료를 제거하도록 355nm에서 삭마 특성들을 가질 수 있다. 둥근 스폿 내에 이 에너지 밀도를 달성하도록, (3x 축소율을 가정하면) 상기 기판에서 요구되는 직경은 0.87mm이며, 상기 마스크에서는 2.6mm이다.
레이저 펄스 당 0.33μm의 삭마율에서 5μm의 총 깊이를 갖는 구조물들을 생성하기 위해 상기 기판의 각각의 면적은 총 15 레이저 펄스들에 노출되어야 할 필요가 있다. 이것은 상기 기판의 표면 상에 그리고 이에 따라 상기 마스크 상에 개개의 레이저 스폿들의 적절한 겹침에 의해 용이하게 달성될 수 있다. 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 상기 마스크의 스캐닝을 고려하면 10kHz의 레이저 반복율에서 X 방향으로의 5.2m/s의 빔 스캐닝 속도는 상기 X 방향을 따라 각각의 면적에 5 레이저 펄스들이 가해짐을 유발한다. 만약 상기 마스크 상의 평행한 스캔 라인들 사이에 Y 피치(pitch)가 상기 스폿 직경의 1/3로 구성된다면, Y 방향으로 면적 당 3 샷(shot)들이 가해지고 이는 면적 당 총 15 샷들의 결과가 된다. X 및 Y 샷 겹침들(X and Y shot overlaps)의 몇몇 다른 조합들이 면적 당 15 샷들을 달성할 수 있음이 이해될 것이다.
각각의 축에서 빔 겹침의 그러한 간단한 계산이, 전체 장치 면적에 걸친 구조물의 깊이의 균일성의 면에서 이상적인 결과로 이어지지는 않을 것인 바, 특히 불균일한 에니저 밀도 분포를 가진 둥근 빔에 대하여 그러하며, 일반적으로 균일한 삭마 깊이로 이어지는 각각의 축에서의 상기 겹침은 실험적으로 판별되어야 할 필요가 있을 것이다. 그러나 상기 마스크에서 레이저 빔이 광학적으로 균질화되어(optically homogenized) 균일한 에너지 밀도를 제공하고 (예컨대 정사각형, 직사각형 또는 육각형과 같은) 쪽매붙임식으로 만든 형상(tessellating shape)을 형성할 때, 상기 마스크 표면 상에서 상기 빔의 궤적은 더 용이하게 예측될 수 있다.
활성 마스크 면적(29)의 완전한 균일한 커버리지를 위해, 상기 마스크의 4개의 가장자리들 모두를 넘어서는 적어도 하나의 레이저 빔 스폿 직경을 스캔(scan)할 필요가 있다. 42 x 42mm의 활성 마스크 면적을 가지고 위에서 논의된 레이저 빔 스캔 속력들을 이용하면 0.5초를 막 넘는 총 마스크 및 기판 스캔 시간이 달성가능하다.
도 3에서 도시된 바와 같이 상기 기판이 상단 상에 보호층을 갖는다면, 2개의 상이한 조사량 값들(fluence values)을 이용하여 상기 마스크를 두번 완전히 스캔하는 것이 적절할 수 있다. 제1 스캔은 얇은 보호층의 삭마를 위해 최적화된 조사량을 이용하고, 제2 스캔은 그 기저의 유전체층 안으로 더 깊은 삭마를 위해 최적화된 조사량을 이용한다.
만약 상기 마스크 상의 패턴 정보가 균일하게 분포되지 않고 오히려 상기 마스크의 특정 면적들로 국소화되어 있다면, 이 면적들만이 스캔될 필요가 있다(따라서 마스크 스캔 시간을 단축시킨다).
위에서 논의된 스캐닝 전략들은 상기 유전체 재료 내에 균일한 깊이의 구조물들을 생성하고 따라서 남아있는 요구조건은, 도 1, 2 및 3에서 도시된 바와 같이 2개 이상의 층들을 포함하는 구조물을 생성하는 것이다. 위에서 설명된 유형의 마스크 스캐닝 접근법을 가지고 이것을 할 수 있는 여러가지 방식이 있으며, 이것들 중 일부가 이제 설명될 것이다.
도 9에는 2개 층 구조물을 생성하는 가장 간단한 방식이 도시된다. 제1 마스크(16)는 상부층 홈 및 패드 구조물을 생성하도록 그 전체 면적에 걸쳐 스캔되고, 그 후에 상기 제1 마스크(16)는, 하부층 비아 구조물과 결부된 패턴을 갖는 제2 마스크(33)로 교체된다. 물론, 2개의 레이저 기계가공된 패턴들이 상기 기판 표면 상에 정확하게 중첩됨을 보장하기 위하여 상기 마스크들의 정확한 정합(registration)이 요구된다.
그러한 다수의 순차적 스캔된 마스크 접근법은, 상기 하부층 패턴이 높은 밀도의 특징부들을 가져 상기 하부층 마스크의 전부 또는 대부분(large part)을 스캔함이 효율적인 때에, 바람직하다. 만약 다른 한편으로 상기 상부층 마스크에 의해 한정되는 패드 면적들 내에 배치된 비아들과 같이 몇몇 더 깊은 특징부들만이 요구된다면, 대안적인 방법들이 가능하다.
도 10에는, 몇몇 더 깊은 특징부들이 장치 구조물 안으로 일체화될 수 있도록 도 7에 도시된 바와 같이 이미징 구성 내에 단일 레이저를 이용하기 위한 일 방법이 도시된다. MM UV DPSS 레이저(22)는, 광학부품(34)에 의해 형상화되어 개구 유닛(35)에서 적절한 크기의 스폿을 형성하는 출력 빔(23)을 방출한다. 광학 요소들(36)은 상기 개구(35)를 상기 마스크(16) 상으로 이미징하고, 렌즈(17)는 상기 개구를 상기 기판의 표면(18) 상으로 재-이미징(re-image)한다. 이 경우에 달라지는 깊이들로의 층들의 프로세싱은 적어도 2 단계(stage)들로 수행된다. 제1 단계에서 상기 레이저로부터 전체 빔이 통과할 수 있도록 상기 개구는 제거되거나 큰 크기로 설정되거나 또는 적합한 쪽매붙임식 형상으로 설정될 수 있으며, 모든 홈들, 패드들 및 다른 구조물들을 포함하는 상부층 마스크 패턴이 상기 기판 내의 올바른 깊이로 한정되도록 전체 마스크 면적이 올바른 빔 궤적을 가지고 스캔된다. 제2 단계에서 적절한 크기의 개구가 요구되는 비아들을 한정하도록 상기 빔 안으로 이동된다. 그 후에 스캐너(25)는 "겨눔 및 발사(point and shoot)" 모드로 작동됨으로써 상기 빔은 패드 면적들을 한정하는 상기 마스크(16) 상의 면적들로 이동되며, 상기 빔은, 구리층 아래를 노출시키게끔 또는 요구되는 깊이로 상기 비아를 드릴링하는 데 요구되는 수의 레이저 샷들이 발사되는 동안에 정지된 채 유지된다. 이것 이후에 상기 빔은 다른 패드 영역으로 이동되고 프로세스는 반복된다. 이 프로세스는 상기 하부층 내에 모든 비아들이 드릴링될 때까지 계속된다. 상이한 크기의 개구들을 삽입함으로써 상이한 크기의 비아들이 순차적 단계들로 드릴링될 수 있다.
다양한 패터닝 단계들이 수행될 수 있는 순서도 달라질 수 있다. 제1 단계에서 개구 이미징, 겨눔 및 발사 모드로 모든 비아들을 드릴링하고, 후속의 마스크 스캐닝 단계에서 홈들 및 패드들의 한정이 그 뒤를 이음이 가능하다. 이 경우에 비아 드릴링은 상기 기판 표면으로부터 묻혀있는 구리층까지 전체 깊이를 관통할 필요는 없는데, 왜냐하면 마스크 스캐닝 프로세스 중에 추가적 레이저 샷들이 가해질 것이기 때문이다.
도 11에는 2개의 레이저들을 이용하는 더 깊은 특징부들을 드릴링하기 위한 대안적인 방법이 도시된다. 전형적으로 MM UV DPSS 레이저인 제1 레이저(22)는 광학부품(24)에 의해 형상화되어 상기 마스크(16)에서 적절한 크기의 원형 또는 달리 형상화된 스폿을 형성하는 출력 빔(23)을 방출한다. 이 제1 레이저(22)는 상기 마스크를 스캔하여 위에서 설명된 바와 같이 홈들 및 패드들을 형성하는 데에 이용된다. 레이저(22)와는 다음 중 하나 이상: 파장, 펄스 길이, 모드 구조 또는 반복율의 관점에서 상이한 특성들을 갖는 제2 레이저(37)는 빔을 방출하는 바, 상기 빔은 광학 구성요소들(39)을 통과하여 거울들(40 및 41) 및 상기 스캐너(25)에 의해 상기 마스크의 표면(16)으로 배향된다. 거울(41)은 이동가능한 유형일 수 있으며, 개별적으로 상기 제2 레이저 빔(38)이 상기 거울(41)로부터 반사되어 상기 스캐너로 통과하거나 상기 제1 레이저 빔(23)이 상기 스캐너로 직접 통과하는 것을 가능하게 하는 레이저 빔(23)의 경로 안 또는 밖의 2개의 위치들을 가질 수 있다. 바람직하게는, 거울(41)은 편광 선택 유형(polarization selective type)이므로, 레이저(22)로부터의 레이저 빔(23)이 거울(41)에서 p-편광(p-polarization)을 가짐으로써 상기 거울을 통하여 상기 스캐너로 통과하거나 또는 레이저(37)로부터의 레이저 빔(38)이 거울(41)에서 s-편광(s-polarization)을 가짐으로써 상기 스캐너로 반사되도록 상기 2개의 레이저 빔들의 편광이 설정될 수 있다.
이 제2 레이저 프로세스에 적합한 레이저들의 예시들은, 위에서 상기 제1 레이저 프로세스에 대하여 설명된 바와 전체적으로 동일하며, 다만 상기 제2 레이저가 작은 직경의 비아들을 만들 필요가 있는 경우에 더 낮은 파워들을 제공하는 낮은 모드 출력을 갖는 레이저들이 만족스러울 수 있다는 추가사항(addition)이 있다.
상기 마스크에서의 레이저 빔(38)의 속성들은 상기 기판(18)에서의 재료의 삭마를 위한 올바른 레이저 파라미터들이 달성될 수 있는 속성들이도록, 광학 구성요소들(39)이 상기 레이저 빔(38)을 형상화하거나 초점 맞춘다. 만약 요구된다면, 적합한 크기의 개구들과 상기 개구를 상기 마스크 표면 상으로 이미징하기 위한 광학부품이 함께, 레이저 빔들(23 및 38) 둘 중 하나 또는 둘 모두 내에 위치되어 상기 마스크에서 빔의 크기 및 형상을 더 잘 한정할 수 있다.
2개의 레이저들을 이용하는 장점은 각각의 레이저의 속성들이 가장 효율적인 레이저 삭마를 제공하도록 최적화될 수 있다는 점이다. 예를 들어 유전체 내의 제1 깊이로 홈들 및 큰 패드들이 형성될 필요가 있고, 그 후에 구리층을 관통하는 작은 직경의 비아들이 요구되는 경우에 있어서 제1 레이저는 상기 마스크가 신속하게 스캔될 수 있게 하는 높은 파워 다중 모드 유형(high power multimode type)의 레이저인 반면에, 제2 레이저는, 상기 기판에서 더 작은 레이저 스폿들이 더 용이하게 형성될 수 있고 작은 직경 비아들이 신속하게 형성될 수 있도록 더 높은 반복율을 갖는, 낮거나 단일인 모드 유형의 레이저임이 바람직하다.
도 12에는, 유연성 전기 커넥터들(flexible electrical connectors)을 만들기 위해 유용할 수 있는 것과 같은 길고 좁은 기판들의 표면 내에 구조물들을 형성하는 데에, 위에서 설명된 프로세스의 특징들이 가장 잘 이용될 수 있는 구성이 도시된다. 도 12에 도시된 구성은 길고 좁은 면적들에 걸쳐 구조물들을 형성하도록 마스크와 기판 모두가 대향되는 방향들로 이동되는 점에서 도 6에 도시된 구성과 유사하나, 도 6에 도시된 구성에서 상기 마스크 상의 패턴의 전체 폭을 덮는 라인 빔으로 고 펄스 에너지 레이저 빔이 형성된 반면, 도 12에 도시된 구성에서는 저 펄스 에너지 레이저 빔이 상기 마스크에서 스폿으로 형성되는 바, 상기 마스크 및 기판이 상기 스캐너에 대하여 스캐닝 방향에 수직인 방향으로 이동됨에 따라 상기 마스크는 상기 마스크의 폭을 가로질러 고속으로 스캔된다(따라서 그 결합된 이동은, 상기 마스크에 대한 상기 레이저 스폿의 2D 스캐닝의 결과가 된다). 이 유형의 스캐닝 구성에 대해, 상기 스캐너(42)는 다각형(polygon) 스캐너 유형일 수 있다.
위에서 설명된 모든 구성들의 한 가지 주요 장점은, 기판의 주어진 면적을 프로세싱함과 결부된 비용이 고체 상태 레이저의 이용으로 인하여 엑시머 레이저가 이용되었던 경우보다 현저하게 낮다는 점이다. 덧붙여, 엑시머 레이저들에 비해 고체 상태 레이저들과 함께 이용된, 현저히 더 간단하고 더 효율적인 빔 전달 광학부품들(significantly simpler and more efficient beam delivery optics)로 인하여, 주어진 시간 내에 주어진 기판을 프로세싱하는 데에 더 낮은 파워의 고체 상태 레이저가 이용될 수 있다. 레이저에 의해 0.5초의 시간 내에 5미크론의 깊이로 기계가공됨이 요구되는 2 cm2의 면적을 갖는 장치가 예시이다. 0.5J/cm2의 에너지 밀도에서 레이저 펄스 당 0.33미크론의 삭마율로, 원하는 깊이를 달성하기 위해 총 15J의 에너지가 상기 기판 면적에 전달될 필요가 있다. 고체 상태 레이저 및 엑시머 레이저에 대해 각각 80% 및 50%의 빔 전달 전송(beam delivery transmissions)을 가정하면, 요구되는 0.5초 프로세스 시간을 달성하는 데에, 40W 미만으로 방출되는 고체 상태 레이저가 요구되는 반면에 엑시머 레이저는 60W의 출력 파워를 가질 것이 요구될 것이다.
(예컨대 5년에 걸친) 자본의 감가상각을 고려하면 자외선 엑시머 레이저의 전형적인 비용은 출력 에너지 MJ 당 약 100 US달러이다. 이 비용의 약 60%는 기체들 및 소모가능한(consumable) 부품들과 결부된다. 대조적으로 UV 고체 상태 레이저는 전형적으로 MJ 당 약 50 US달러의 비용이 든다(이 비용의 약 10%만이 소모가능한 부품들과 결부된다). 따라서 레이저 자본 비용 및 운용 비용이 모두 포함되고 상이한 레이저 파워들이 요구됨이 고려된다면 기판을 기계가공하는 데 요구되는 40W 고체 상태 레이저의 운용 비용은 60W 등가 엑시머 레이저(60W equivalent excimer laser)의 운용 비용의 대략 3분의 1이다.

Claims (22)

  1. 2개 이상의 깊이(depth)들로 유전체 기판의 표면 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
    제1 펄스된(pulsed) 레이저 빔을 제공하도록 구성된 제1 고체 상태 레이저;
    제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 한정하기 위한 패턴을 구비한 제1 마스크(mask); 상기 기판의 상기 표면 상에 상기 패턴의 축소된 크기의 이미지를 형성하기 위한 투사 렌즈(projection lens)와; 상기 기판 내의 제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 형성하기 위한 상기 제1 마스크에 대하여 2차원적 래스터 스캔(raster scan)으로 상기 제1 펄스된 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 빔 스캐너; 및
    상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 구조물들을 형성하도록 구성된 상기 제1 고체 상태 레이저 또는 다른 고체 상태 레이저;를 포함하는, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 고체 상태 레이저는 Q-스위치(Q-switched) 연속파(continuous wave; CW) 다이오드-펌핑된 레이저인, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 레이저는 자외선 파장 범위 내에서 빛을 방출하도록 구성된, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 고체 상태 레이저는 0.1mJ 내지 100mJ의 범위 내의 에너지 및 1kHz 내지 100kHz 범위 내의 반복율을 갖는 펄스들을 방출하도록 구성된, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  5. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 레이저는 원형 레이저 스폿(spot)을 형성하는 빔을 방출하도록 구성된, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 레이저는 쪽매붙임식으로 만들 수 있는 형상(tessellatable shape)을 가진 레이저 스폿을 형성하도록 형상화된 빔을 방출하도록 구성된, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  7. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 특징부들을 한정하기 위한 제2 마스크로서 상기 제1 마스크와 교환가능한 제2 마스크를 구비한, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  8. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투사 렌즈는 적어도 3의 확대율(배율; magnification factor)을 갖는, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  9. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투사 렌즈는 텔레센트릭(telecentric) 렌즈인, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  10. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔에 의해 상기 제1 마스크 상에 이미징되도록(imaged) 위치된 개구(aperture)를 포함하는, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  11. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 내의 제2 깊이에서 상기 제2 세트의 구조물들을 형성하기 위한 제2 고체 상태 레이저를 구비하며, 상기 제2 고체 상태 레이저는 상기 제1 고체 상태 레이저와 상이한, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  12. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 또는 다른 고체 상태 레이저는 상기 기판 내의 제3 깊이에서 제3 세트의 구조물들을 형성하도록 구성되는, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  13. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 마스크는 전자적으로 변경될 수 있는 투명도(transparency)를 갖는 2차원 배열(2D array)의 픽셀들을 포함하는, 미세 스케일 구조물 형성 장치.
  14. 2개 이상의 깊이들로 유전체 기판의 표면 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 한정하는 제1 프로세스 및 제2 깊이에서 제2 세트의 구조물들을 한정하는 제2 프로세스인 2-단(two-stage) 프로세스를 포함하고, 상기 제1 프로세스는:
    제1 펄스된 레이저 빔을 제공하도록 제1 고체 상태 레이저를 이용함;
    제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 한정하기 위한 패턴을 구비한 제1 마스크를 제공함, 상기 기판의 상기 표면 상에 상기 패턴의 축소된 크기의 이미지를 형성하기 위한 투사 렌즈를 제공함, 및 상기 기판 내의 제1 깊이에서 제1 세트의 구조물들을 형성하도록 상기 마스크에 대하여 2-차원적 래스터 스캔(raster scan)으로 상기 제1 펄스된 레이저 빔을 스캔함(scanning)을 포함하고,
    상기 제2 프로세스는 상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 구조물들을 형성하도록 상기 제1 고체 상태 레이저 또는 다른 고체 상태 레이저의 이용을 포함하며, 상기 제1 프로세스 및 상기 제2 프로세스는 임의의 둘 중 하나의 순서로 수행될 수 있는, 미세 스케일 구조의 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 프로세스는, 상기 제1 프로세스에서 이용된 레이저 파라미터들과는 상이한 레이저 파라미터들을 이용하는, 상기 제1 고체 상태 레이저의 이용을 포함하는, 미세 스케일 구조의 형성 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제2 프로세스는, 상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 특징부들을 한정하기 위한 제2 마스크 및 상기 제1 고체 상태 레이저의 이용을 포함하고, 상기 제2 마스크는 상기 제1 마스크와 교환되는, 미세 스케일 구조의 형성 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 제2 프로세스는, 상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 특징부들을 형성하게끔 상기 기판이 정지된 동안에, 다수의 레이저 펄스들을 발사(fire)하도록 상기 제1 고체 상태 레이저를 이용함을 포함하는, 미세 스케일 구조의 형성 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 제2 프로세스가 상기 제1 레이저 빔 내에 개구의 이용을 포함함으로써, 상기 개구는 상기 제1 마스크 상에 이미징되고 상기 제1 레이저는 상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 특징부들을 형성하도록 이용되는, 미세 스케일 구조의 형성 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제2 프로세스는, 상기 제1 고체 상태 레이저와 상이한 제2 고체 상태 레이저의 이용을 포함하고, 상기 제2 레이저는 상기 기판 내의 제2 깊이에서 제2 세트의 특징부들을 형성하기 위해 상기 제1 마스크에 걸쳐 스캔되는(scanned), 미세 스케일 구조의 형성 방법.
  20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1, 제2 또는 다른 고체 상태 레이저가 상기 기판 내의 제3 깊이에서 제3 세트의 구조물들을 형성하도록 이용되는, 미세 스케일 구조의 형성 방법.
  21. 첨부된 도면들의 도 7 내지 도 12 중 하나 이상을 참조하여 상기에 설명된 바 및/또는 첨부된 도면들의 도 7 내지 도 12 중 하나 이상에서 보여진 바와 실질적으로 같은, 2개 이상의 깊이들로 유전체 기판의 표면 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한, 장치.
  22. 첨부된 도면들의 도 7 내지 도 12 중 하나 이상을 참조하여 상기에 설명된 바와 실질적으로 같은, 2개 이상의 깊이들로 유전체 기판의 표면 내에 미세 스케일 구조물들을 형성하기 위한, 방법
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