TWI504462B

TWI504462B - 用於雷射加工相對窄和相對寬的結構之方法和裝置

Info

Publication number: TWI504462B
Application number: TW098120937A
Authority: TW
Inventors: Philip Thomas Rumsby
Original assignee: M Solv Ltd
Priority date: 2008-12-13
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2015-10-21
Also published as: CN102318451B; TW201021949A; US8729426B2; US20110259631A1; WO2010067042A1; EP2377375B1; CN102318451A; EP2377375A1

Description

用於雷射加工相對窄和相對寬的結構之方法和裝置

本發明關於一種用於雷射加工在一介電基板中具有不同寬度的結構之方法和裝置。明確地說，本發明關於在一聚合物層的頂端表面依序形成窄溝槽或凹溝結構以及較大面積觸墊與盲接觸孔及/或接地平面結構，以便達到製造微電子電路的目的。

雷射廣泛地用來製造高階印刷電路板(printed circuit board，PCB)。其中一種特別為人熟知的便是在多層PCB中鑽鑿盲接觸孔，所謂的微通道。於此情況中，經常會使用紫外光(UV)雷射來鑿穿一頂端銅質層和一下方的介電層，以允許接觸較下方的銅質層。於某些情況中，會藉由使用兩種不同的雷射製程來移除該等兩種不同材料以改進此製程的成本有效性。通常使用UV二極體激昇固態(diode pumped solid state，DPSS)雷射在該頂端銅質層中鑽鑿孔洞以露出下方的介電層，並且在一分離的製程中使用CO₂ 雷射來移除裸露在每一個孔洞下方的介電材料。因為可以分別最佳化每一種製程，所以此種雙階段雷射製程可以擁有許多經濟上的優點。不過，於此情況中，因為光學必要條件的差異很大的關係，使用到兩個實體上分離的光學系統，而且必須移除該等兩個系統之間的基板方能促成實施第二製程。

近年來，已經有人提出一種新穎類型的高密度多層電路板製造技術。Huemoeller等人在2006年太平洋微電子座談會(2006 Pacific Micro-electronics Symposium)中發表的US2005/0041398A1及公開案「揭開下一代基板技術(Unveiling the next generation in substrate technology)」中便說明過「雷射鑲嵌電路技術(laser-embedded circuit technology)」的概念。於此新技術中，雷射會直接用來在有機介電基板中燒蝕精細的溝槽、較大面積的觸墊以及盲接觸孔。該等溝槽會連接至該等觸墊與接觸孔，俾使在經過雷射處理和後續的金屬電鍍之後，在該介電層的頂端表面中鑲嵌一複雜圖樣的精細導體與觸墊並且一起形成用於連接至較下方金屬層的更深接觸孔。到目前為止，使用直接寫入法或遮罩成像法於單一製程中已利用脈衝式UV雷射來形成該等溝槽、觸墊以及接觸孔。

直接寫入方式通常使用一射束掃描器來移動該基板表面上一已聚焦的UV雷射射束，以切割該等溝槽並且還產生該等觸墊與接觸孔結構。此直接寫入方式使用從UV雷射處發出具有高射束品質的可高度聚焦射束，因此非常適合用於該精細溝槽切割製程。還能夠妥適地應付和觸墊與接觸孔結構相關聯的不同深度必要條件。藉由此方法，雖然能夠輕易地形成具有不同深度的溝槽、觸墊以及接觸孔；不過，因為從可高度聚焦的UV雷射中可獲得的雷射功率很有限的關係，當利用此直接寫入製程來移除較大面積觸墊與接觸孔結構中非常大量體積的材料時，該製程會非常慢。另外，該直接寫入方法還難以在溝槽與觸墊之間的相交處保持恆定不變的深度。

遮罩成像方式使用準分子雷射來照射一含有該電路設計之完整細節的遮罩。該遮罩的影像被投射在該基板之上，而且一起移除該遮罩與基板，以便允許於該基板上再生該電路的全部區域。因為遮罩的整個區域在影像轉印過程期間掃描，所以，此方式不會受到待產生的結構的面積的影響，並且非常適合用來產生該等精細溝槽以及該等較大面積的觸墊。另外，其在保持溝槽與觸墊間之相交處的深度恆定性方面亦非常優越。不過，除了電路系統極端密集的情況之外，此種遮罩成像方式的成本遠高過直接寫入方式，因為準分子雷射的採購成本與操作成本兩者皆非常高。另外，遮罩成像的靈活性非常差，因為每當需要新電路設計時皆會需要製造一新的遮罩。

此外，準分子雷射遮罩投射並不適合產生具有不同深度的結構，尤其是針對接觸孔所需要的深度來說。

後者的限制已在公開案US 2008/0145567 A1中所述的發明中克服。於此例中，使用一準分子雷射掃描遮罩投射系統於絕緣層中同步形成相同深度的溝槽與觸墊，並且會在一分離的製程中使用由一分離的射束傳送系統所傳送的第二雷射來形成該等會穿透至下方金屬層的較深接觸孔。此雙步驟製程雖然是一種應付不同深度結構必要條件的有效方式；不過，仍然因為使用遮罩和準分子雷射的關係而有高成本及靈活性不佳的問題。

所以，可以看出，以此「雷射鑲嵌電路技術」為基礎來製造高階電路的既有製程方法有嚴重的問題。仍然需要能夠使用以非常靈活的方式分開針對用於產生必要的不同尺寸與深度的結構進行最佳化的雷射製程，以便改良製程速率並且降低成本。本發明的目的便是提供一種多級製程，其不必使用大面積的遮罩和昂貴的準分子雷射，又能解決前述需求。

根據本發明的第一項觀點，提供一種用於藉由雷射燒蝕在一介電層的表面形成相對窄溝槽和相對寬區域及/或孔洞的裝置，其包括：雷射裝置，用於提供：一第一雷射射束以及一第二雷射射束，其中，該第一雷射射束被該介電層強烈地吸收並且具有實質上為有限繞射的射束品質，而且以連續或準連續的方式來操作，用於該等溝槽的直接寫入，並且該第二雷射射束被該介電層強烈地吸收並且以脈衝模式來操作，用於透過一孔徑或遮罩的影像或是透過聚焦光點整形來形成該等區域及/或孔洞；一共同的光學路徑，其包括：一射束掃描器以及一透鏡，其中，該射束掃描器用於在相對於該介電層的兩條正交軸線中偏折該等第一與第二雷射射束，並且該透鏡用於將該第一雷射射束聚焦在該介電層的表面，以及當使用該第二雷射射束時，用於在該介電層的表面形成該孔徑或遮罩的影像或是用於在該介電層的表面形成一經整形的聚焦光點；以及一控制系統，其在第一步驟中排列成用以驅動該射束掃描器，俾使移動該第一雷射射束的已聚焦光點，以便蒸發該介電材料，用以在其表面形成相對窄的溝槽，而且在第二步驟中排列成用以驅動該射束掃描器，俾使來自該第二雷射射束的一相對寬的雷射光點入射在該介電層的表面並且移動以在其表面形成具有已定義深度之相對寬的區域及/或在一連串已定義的位置之間移動，而該第二雷射射束會在每一個位置保持靜止不動並且擊發一具有足夠數量與能量的雷射脈衝突波，俾使蒸發該介電材料以便形成一具有已定義深度之相對寬的孔洞。

根據本發明的第二項觀點，提供一種用於藉由雷射燒蝕在一介電層的表面形成相對窄溝槽和相對寬區域及/或孔洞的方法，其包括：提供一第一雷射射束以及一第二雷射射束，其中，該第一雷射射束被該介電層強烈地吸收並且具有實質上為有限繞射的射束品質，而且以連續或準連續的方式來操作以直接寫入該等溝槽，並且該第二雷射射束被該介電層強烈地吸收並且以脈衝模式來操作，以透過一孔徑或遮罩的影像或是透過聚焦光點整形來形成該等區域及/或孔洞；提供一共同的光學路徑，其包括：一射束掃描器以及一透鏡，其中，該射束掃描器以在相對於該介電層的兩條正交軸線中偏折該等第一與第二雷射射束，並且該透鏡將該第一雷射射束聚焦在該介電層的表面，以及當使用該第二雷射射束時，在該介電層的表面形成該孔徑或遮罩的影像或是在該介電層的表面形成一經整形的聚焦光點；以及提供一控制系統，在第一步驟中驅動該射束掃描器，俾使移動該第一雷射射束的已聚焦光點，以便蒸發該介電材料，以在其表面形成相對窄的溝槽，而且在第二步驟中驅動該射束掃描器，俾使來自該第二雷射射束的一相對寬的雷射光點入射在該介電層的表面並且移動以在其表面形成具有已定義深度之相對寬的區域及/或在一連串已定義的位置之間移動，該第二雷射射束在每一個位置保持靜止不動並且擊發一具有足夠數量與能量的雷射脈衝突波，俾使蒸發該介電材料以便形成一具有已定義深度之相對寬的孔洞。

因此，本發明利用不同的射束運動和製程方法來連續使用兩種不同的雷射射束為基礎，以便促成在一介電層的表面產生具有不同形狀、深度以及尺寸的互連結構。兩種雷射射束會經由一共同的光學路徑傳送至該基板，因而不需要在處理之間移動該基板。深度小於該聚合物層之完整深度的窄溝槽結構會在第一雷射製程中利用第一雷射射束來形成，而後便利用第二雷射射束於第二分離的雷射製程中形成相對寬的特徵圖樣，例如觸墊以及接觸孔。於第二製程中所形成的所有觸墊的深度皆小於該聚合物層的完整深度(該深度大體上和該等溝槽雷同)，而該等接觸孔或通道實質上則會比較深並且大體上會延伸至該聚合物層下方的金屬層。或者，於一額外的第三製程步驟中，可以使用該第二雷射射束在該基板的相對大區域上形成網狀或連續的接地平面結構。該些接地平面結構的深度大體上和該等精細溝槽與觸墊的深度雷同。本文中所使用的「相對寬區域及/或孔洞」一詞包含如上面所述的觸墊結構、接觸孔結構、通道結構以及接地平面結構。

本發明的第一項重要特點為利用直接寫入方式先在該基板表面產生細微溝槽類型的結構。於此情況中，雷射射束被一透鏡聚焦至一小型的光點，其會在一連串的連續路徑中移動用以蒸發該聚合物介電質，以便形成必要數量之不同長度的溝槽。該雷射射束應該具有實質上為有限繞射的品質。

溝槽寬度與射束速度必要條件會規定此直接寫入溝槽製程所使用的雷射必須以連續的方式來操作，或是脈衝的重複率必須超過某個最小值。於極端的情況中，溝槽寬度可能小至10微米，而且可能需要高達10個雷射脈衝來將材料移除至必要的深度，而且如果使用每秒高達數公尺的射束速度的話，則會需要用到超過數百萬赫茲的脈衝式雷射重複率。對於較寬的溝槽來說，可以接受較低的重複率。一般來說，溝槽的深度在其長度中必須實質上保持恆定，且因此，雷射射束重複率必須夠高，使得該射束在脈衝之間於該基板上移動的距離實質上會小於溝槽寬度。一般來說，可能會需要用到超過數個100百萬赫茲的重複率。

用於此直接寫入溝槽製程的理想雷射會以連續的方式(CW雷射)來操作，或是操作在高重複率處，讓它們的行為如同CW雷射。此等雷射稱為準連續(QCW)而且通常會操作在80至120百萬赫茲範圍中的重複率處。

本發明的第二項重要特點為在完成該雷射溝槽製程之後，利用一脈衝式雷射，使用「步進與鑽鑿(step and drill)」製程在該基板表面產生較大型的結構，例如觸墊與盲接觸孔。於此情況中，其並不會聚焦該雷射射束，而使用成像方法在該基板表面形成具有必要尺寸的雷射光點。一孔徑或遮罩放置在該雷射後面的射束之中，且此孔徑被一透鏡成像在該基板之上，用以形成一具有妥適定義形狀的雷射光點。該射束在必要的觸墊或接觸孔位置處會保持靜止不動並且擊發一雷射脈衝「突波(burst)」，用以將材料移除至必要的深度處。觸墊或接觸孔的深度大體上和雷射脈衝的數量具有近似線性函數的關係。於鑽鑿一觸墊或接觸孔之後，該射束便會移動至下一個位置並且重複進行該製程。亦可以使用射束整形來取代成像一孔徑或遮罩。

此種操作模式需要用到一能夠在每個脈衝中發射足夠能量的雷射，以便在該基板表面產生一超出燒蝕臨界值若干邊界值的能量密度。於極端的情況中，高達0.3毫米的觸墊直徑可能會需要數個焦耳/平方公分的能量密度。此必要條件會導致雷射射束於每一個脈衝中要含有高達數個毫焦耳。對較小型的觸墊與接觸孔來說，每一個脈衝則會需要相應較小的能量。一般來說，最小脈衝能量必要條件可能為數十個微焦耳。

用於此「步進與鑽鑿」成像模式製程的雷射操作在脈衝式模式中，於該模式中，會於一連串的「突波」中發射出該等脈衝，每一個突波皆含有有限數量的脈衝。合宜的雷射可能具有可高度聚焦射束的高射束品質；但是，較佳的卻是使用具有低射束品質的雷射，所謂的多模雷射，因為該些雷射會操作在較高的功率位準處。因為每一次鑽鑿操作皆必須盡可能快速地完成，所以，重複率必須夠高，俾使在實務上能夠傳送足夠的脈衝能量。設計成從數千赫茲上達至約10千赫茲範圍中的重複率會最適合達成此目的。此等重複率可能會要求雷射的功率範圍從幾十瓦上達至好幾十瓦。

本發明的另一項重要特點為，第三製程可以使用脈衝式雷射來取代，或者更可能的是額外使用脈衝式雷射，藉以讓大面積的聚焦光點會在直接寫入模式中於該基板表面移動，以便在廣大的連續區域中將材料移除至均勻的深度，或是產生一由交叉平行的多條寬溝槽線組成的正交陣列所組成的2D網狀結構，以便在電子電路層中形成接地平面。由跨越脈衝式雷射的連續寬溝槽所組成的網狀的替代例可以產生一由接觸觸墊圖樣所組成的2D網狀結構。此種結構可藉由在該基板上連續移動該射束並且同時擊發對應於該等觸墊之必要定位的多個雷射脈衝以便讓觸墊邊界彼此碰觸來產生。在每一個定位處通常會需要用到數個雷射脈衝，以便將材料移除至必要的深度處，因此，為達此目的，該圖樣會重複許多次。

一般來說，溝槽製作以及觸墊、接觸孔或接地平面構形的不同製程會依序使用兩個不同的雷射；但是，於某些情況中，卻可能適合使用能夠以令人滿意的方式操作在兩種模式中的單一雷射。此種雷射必須以高射束品質操作在高重複率處或是操作在CW模式中，以便能夠在高射束速度處形成窄溝槽；並且還要操作在每一個脈衝具有明顯較高能量的較低重複率處，用以形成觸墊及接觸孔。

顯然地，用於此雙重製程的雷射的一非常重要特徵是它們必須操作在會在該介電材料中強烈吸收的波長處。或者，於脈衝式雷射的情況中，於某些情形中，該些雷射可能會操作在被該介電材料強烈吸收以外的波長處，只要雷射脈衝持續時間長度夠短俾使聚焦光點中的輻射強度夠高而導致該射束被非線性製程吸收即可。

本發明的另一項重要特點是用於在基板表面移動射束的方法。移動雷射射束最簡單的方法是在一靜止的透鏡下於兩條軸線中移動該基板。此方法通常很慢，所以，較佳的方法是使用一雙軸射束掃描器單元在兩個正交方向中快速地偏折射束。此等掃描器單元是眾人非常熟知的而且通常會配合一座落於該掃描器後面的透鏡來使用。於此情況中，通常會使用所謂的f-西它透鏡(f-theta lenses)，因為此類型的透鏡會設計成用以操作在此模式中並且儘可能在一平坦的場域中創造一具有恆定尺寸與形狀的聚焦光點。不過，於某些情況中，使用一座落於該掃描器單元前面的透鏡同樣可能合宜。此種排列通常會造成一彎曲的聚焦平面，而且於此情況中，通常會使用一座落於該透鏡前面的動態可變望遠鏡來調整該聚焦平面。亦可以配合一座落於該掃描器後面的f-西它透鏡來使用動態可變望遠鏡。此等具有動態可變望遠鏡的排列通常稱為三軸掃描器。

本發明的另一項重要特點是，不同雷射製程的射束經由一共同的光學路徑傳送至該基板。對於不同製程使用兩道分離雷射的情況，必須將該等射束交錯地組合至由該掃描器與該透鏡所組成的共同射束路徑之中。達成此目的的其中一種方式是運用一移動的面鏡，其會切換至該等射束路徑的其中一條之中，以便射出另一射束。另一種替代方式則利用到通常大部分的雷射射束會被偏振的事實。於此情況中，面鏡會一直於該等射束的其中一者中保持在正確的定位處。該面鏡具有一特殊的介電塗料，其會優先反射具有其中一種偏振的射束並且會優先折射具有其正交偏振的射束。於此情況中，該等第一射束與第二射束排列成於該射束組合面鏡處具有正交偏振。此等以偏振為基礎的射束組合方法是眾所熟知的。

於兩種射束組合方法中，該等兩道分離的射束於該面鏡的表面處調整成空間上為一致的，而該面鏡的角度則調整成用以確保兩道射束會傳播通過該掃描器與透鏡而不會產生任何角度偏移。這會確保由第一射束所產生的聚焦光點會與由第二射束在基板表面處所產生的成像光點一致。

該種用到兩道分離雷射的排列相當方便，因為可以在該等射束組合之前先對每一條路徑進行光學調整。本發明希望由產生用於進行溝槽製作的第一射束的雷射所發出的射束在其射束路徑中具有望遠光學元件，用以改變射束直徑，俾使產生於基板表面的聚焦光點會有正確的直徑。本發明還希望由產生用於進行觸墊與接觸孔鑽鑿和接地平面成形的第二射束的雷射所發出的射束在其射束路徑中具有不同的望遠光學元件，用以改變射束直徑，以便匹配成像孔徑的尺寸。利用分離的射束路徑，該孔徑便可永遠設置於該射束路徑之中並且調整成與該射束同軸。此外，亦可於第二射束路徑中在該孔徑的後面設置另外的光學元件，用以調整該射束，以便讓該孔徑的影像落在與第一射束之焦點完全相同的平面中，從而不需要在兩種製程模式之間進行切換時作任何修正。

不過，對於使用單一雷射來交替產生該等第一射束與第二射束的情況來說，便不可能進行此獨立的射束調整，並且需要將任何射束尺寸改變光學元件、該孔徑(或射束整形器)及其相關聯的光學元件以機械方式移入與移出該共同射束路徑。

本發明的進一步重要特點是，因為利用該第二射束來進行的鑽鑿製程是使用成像製程，所以，於基板上所產生的盲觸墊與接觸孔的形狀和尺寸會由該射束中座落在對應於該基板上之影像的目標平面處的孔徑的形狀和尺寸來精確地定義。一般來說，於大部分情況中會預期該等觸墊與接觸孔為圓形的形狀，所以，於該射束路徑中會使用圓形的孔徑。不過，亦可以使用任何形狀的孔徑，以便產生非圓形形狀的觸墊與接觸孔。

孔徑可能是由一具有孔洞的簡單金屬板所組成，或者可能是由一具有經圖樣化不透明塗料的透明基板所製成。此種以基板為基礎的裝置稱為遮罩。必要時，此等遮罩可能含有複雜的結構。舉例來說，於該不透明塗料中具有一圓形孔徑的遮罩可能會在中心含有一不透明的區域。此種遮罩會於該基板上造成一具有環狀形狀的觸墊。亦可以將遮罩設計成讓該射束於一區域內具有變動的透射作用。使用此等遮罩會在基板上產生含有不同能量密度區域的影像，並且因而會在進行雷射蒸發之後產生不同的深度。

一般來說，本發明所使用的影像光學系統會在基板上縮小孔徑或遮罩，俾使能夠在該基板上達到更高的能量密度，而不會有破壞該遮罩或孔徑的風險。典型的觸墊與通道的直徑尺寸是從數十微米上達數百微米。典型的孔徑的直徑維度則可能高達數毫米，所以，通常會使用從數倍到10倍甚至更大的縮小倍率。

因為即使在個別的電路裡面仍會需要不同尺寸的觸墊與接觸孔，所以，本發明希望能夠輕易地改變孔徑尺寸。對於使用第二雷射射束來形成大面積接地平面結構的情況來說，可能會希望完全移除該孔徑。倘若孔徑為圓形的話藉由使用機動式可變光圈或是藉由使用機動式遮罩或孔徑改變單元便會達到此改變孔徑尺寸或孔徑移除的目的。此等機動式裝置均是眾所熟知的。

另一種選擇方式則是使用射束整形器(舉例來說，繞射光學元件(diffractive optical element，DOE))來整形形成在該基板上的聚焦光點。

本發明所述之裝置與方法的一特別重要特點為其特別適合用來在觸墊與精細溝槽相交的區域中控制結構的深度。從以鑲嵌導體為基礎的電路的電氣效能的觀點來看，非常重要的是，溝槽的深度實質上雷同於觸墊的深度且對觸墊或溝槽任一者來說相交區域中的深度不會顯著不同。為達此目的，溝槽與觸墊兩者皆使用直接寫入方式會非常困難，因為利用此種排列聚焦光點軌道必須在許多區域停止與啟動並且需要非常精確地控制射束定位與功率。利用本文所述的雙製程方法，在觸墊與溝槽相交區域中所需要的射束定位控制程度則會大幅地寬鬆。一般來說，本發明預期每一個電路中的精細溝槽製程會在觸墊與接觸孔鑽鑿及接地平面形成製程的前面進行；不過，這並不是必要的。

另外，當使用第二、脈衝式雷射射束來形成大型連續的區域或網狀接地平面時，還要謹慎地保持恆定的材料移除深度。對於比聚焦光點還寬的結構來說，藉由在2個維度中謹慎控制基板表面上雷射光點的重疊情形便會達成此目的。

藉由使用具有高斯輪廓或是比較接近於高帽狀輪廓但卻具有所謂「霧邊(soft edge)」的雷射光點通常會有助於深度控制的均勻性。藉由使用多模雷射便會輕易地產生該些「霧邊」光點。相同的雷射可輕易地用來產生觸墊與接觸孔結構及接地平面兩者。於觸墊與接觸孔的情況中，該孔徑插設於該射束之中，用於在該基板上產生一具有鮮明邊緣的光點。對於以霧邊光點為宜的接地平面結構來說，該孔徑可能為在周圍處具有變動透射作用的「切趾(apodized)」類型，以便形成霧邊。或者，倘若從雷射發出的原始射束具有合宜輪廓的話，亦可以拿掉該孔徑。可以用來形成用於接地平面結構成形的霧邊光點而不需要移除用於觸墊與接觸孔的實邊孔徑(hard edged aperture)的另一種方法為以該基板表面為基礎來移位該孔徑影像平面，俾使該鮮明邊緣光點會略為失焦。

對於由寬溝槽所組成的網狀接地平面結構來說，必須謹慎地保持該等溝槽相交處有恆定的深度。藉由在任何雷射跨越一既有溝槽時謹慎控制雷射脈衝能量及其導通時間便會達成此目的。對於由接觸觸墊所組成的網狀接地平面結構來說，必須謹慎地保持該等觸墊相交處有恆定的深度。藉由謹慎控制雷射脈衝能量及雷射擊發時間便會達成此目的。

本發明所使用的控制系統必須能夠配合該機動式孔徑，連同兩種雷射類型的功率與觸發控制，來協調該2軸掃描器的運動。此等控制系統通常使用在雷射標記和微加工業界中。

上面的所有討論皆關於使用單一掃描器與透鏡來交替地傳送射束至基板。實際上，為提高製程速率，可能會平行使用數條光學通道。利用可從兩種雷射處取得的足夠功率便可以在組合點之後分割該射束，俾使該等二或多個掃描器與透鏡能夠平行操作並且同時處理相同電路板上不同的電路裝置。於已經完成該些裝置之後，基板便會步進至一新位置，以便能夠處理另外的裝置。因此，一具有多個裝置的大型平板上的操作便是處於「步進與掃描(step and scan)」模式之中。明顯地，依此方式使用相同雷射同時平行處理的裝置必須要有相同的電路特徵圖樣。

使用此以鑲嵌導體技術的許多電路板會建構在一核心層之上，在其反向兩側上會建構不同的電氣電路層。本發明中所揭示的方法能夠輕易地延伸至此情況，以便允許在相同時間同步處理相同裝置的反向兩側上不同的電路裝置。於此情況中，該電路板之兩側中的每一側會需要用到分離的光學裝配件(其是由第一雷射與第二雷射、孔徑、射束整形光學元件、組合面鏡、掃描器以及透鏡所組成)，以便能夠在反向兩側上達成不同的電路設計。用於高速製造以鑲嵌導體技術為基礎的多個、多層、雙面裝置的生產雷射工具可能是由操作在該電路板中其中一側的二或多個掃描器和透鏡系統以及在相同時間操作在反向側上的雷射與光學元件之等同組合所組成。

從下面的說明且從本說明書的附屬申請專利範圍中便會明白本發明的其它較佳與任意特點。

《圖1》

圖1所示的是使用第一雷射射束在基板13的表面產生精細溝槽的製程。雷射射束11為高品質，其具有有限繞射或是接近有限繞射的特性。透鏡12會將該雷射射束聚焦在基板13的表面，用以產生一小光點。被吸收的能量會導致該聚焦光點的區域中的基板材料蒸發。該雷射射束會在基板表面上移動，以便形成一溝槽14。圖中雖然顯示一筆直的溝槽14；不過，實際上，藉由相對於該基板13來移動射束便可以設定任何形狀的溝槽。藉由相對於該基板來移動射束的機構的限制可以設定任何長度的溝槽。倘若所使用的雷射為CW類型的話，只要雷射功率、射束尺寸以及速度保持恆定，那麼所形成的溝槽的深度在其長度中將會是均勻的深度。倘若所使用的雷射為脈衝式類型的話，那麼為在其長度中保持均勻的溝槽深度，重複率必須足夠高，俾使該射束於脈衝之間在該基板上前進的距離實質上會小於溝槽寬度。

《圖2》

圖2A所示的是利用第二雷射射束23A在基板24A的表面中產生較大型的觸墊或接觸孔的製程。透鏡21A是用來將雷射射束23A中的一目標平面22A成像在基板24A的表面上。於圖中所示的情況中，有一圓形孔徑25A座落在該目標平面22A處，俾使一圓形光點26A會形成在該基板表面27A上。該雷射射束會相對於該基板保持靜止不動而且擊發一脈衝突波。在每一個雷射脈衝期間被吸收的雷射能量會導致該影像區域中的基板材料蒸發至特定的深度。該脈衝突波的累積效應使得在該基板表面中鑽鑿出一具有已定義深度的盲孔27A。該基板材料中的盲孔27A稱為觸墊。該基板可能為含有一埋置金屬層28A的聚合物類型，且於此情況中，倘若妥適地控制該等脈衝中的能量密度的話，鑽鑿製程大體上會在雷射射束穿透至金屬28A時便停止。此種連接至下方金屬層28A的盲孔29A稱為接觸孔。於某些情況中，可能會希望在觸墊210A的中心會有一接觸孔。這可以兩種方式來達成。於其中一種情況中，該觸墊藉由擊發合宜數量的雷射脈衝所形成的，於該射束中會有一適當的孔徑。該孔徑接著會改變成一較小的孔徑並且擊發另外的脈衝以便移除材料直到該埋置金屬層28A處為止。於另一情況中，則是使用單一遮罩，其具有在第二雷射射束的波長處會有不同的光學透射位準的二或多個不同的區域。此種方法會讓該基板表面上的雷射光點中的能量密度在不同的區域中有不同的位準，俾使在擊發數個雷射脈衝之後，能量密度較高處之區域的深度會大於受到較低能量密度脈衝作用的區域。於圖中所示的情況中，遮罩的中央區域具有高透射作用而外環區域則具有較低的透射作用。具有此種透射變化的遮罩是眾所熟知且很容易取得的。

圖2B和圖2A雷同，不過圖中所示的是如何藉由第二雷射射束的聚焦光點整形(而非透過孔徑或遮罩)來形成較大型的特徵圖樣(例如觸墊與孔洞)。射束22B會通過射束整形器23B(例如繞射光學元件)並且接著會通過透鏡21B。該射束整形器會於射束路徑中產生角度偏離，以便在基板25B的表面形成一經整形的聚焦光點24B。一般來說，該聚焦光點24B為具有高帽狀能量密度輪廓的圓形(不過亦可為其它形狀)。聚焦光點24B的尺寸遠大於未使用DOE所形成者。

聚焦光點24B的邊緣鮮明度會相依於雷射射束22B的品質。較佳的是，該射束是可聚焦的(舉例來說，M2~1)，俾使該聚焦光點24B具有鮮明的邊緣。倘若該射束為多模(multi-mode，MM)的話，那麼光點24B的邊緣的鮮明度便會變差(於此情況中，以使用圖2A中所示的成像方法較佳)。

圖2B顯示出藉由部分燒蝕貫穿聚合物層25B之深度所形成的觸墊26B，以及藉由脈衝式雷射燒蝕貫穿該聚合物層25B直到埋置金屬層28B為止所形成的通道或觸墊27B。

《圖3》

圖3和圖2B雷同，而圖中所示的是利用第二雷射射束在基板34的表面中產生相對寬溝槽或區域的製程。透鏡31是用來將雷射射束33中的一目標平面32成像在基板34的表面上。於圖中所示的情況中，有一圓形孔徑35座落在該目標平面處，俾使一圓形光點36會形成在該基板表面上。該雷射射束33相對於該基板34來移動而且擊發一連串的雷射脈衝。在每一個雷射脈衝期間被吸收的雷射能量導致該影像區域中的基板材料蒸發至特定的深度，該特定深度小於溝槽37的必要深度。雷射射束33與基板34的相對運動的速度及該等雷射脈衝的擊發速率會受到控制，俾使該基板中的每一個區域會曝露在足夠數量的脈衝中，以便形成一具有必要深度的連續寬溝槽37。圖中雖然顯示一筆直的溝槽37；不過，實際上，藉由相對於該基板來移動射束便可以設定任何形狀的溝槽。藉由相對於該基板來移動射束的機構的限制可以設定任何長度的溝槽。溝槽可以利用圖2B中所示的聚焦光點整形裝置以雷同的方式來形成。

《圖4》

圖4所示的是利用第二雷射射束42在基板43的表面中產生網狀與連續區域淺接地平面結構的製程。透鏡41是用來將雷射射束42中的一目標平面成像在基板42的表面上。該雷射射束相對於該基板43來移動而且擊發一連串的雷射脈衝。藉由在2條正交軸線中以受控的方式來移動該射束與該基板43，俾使雷射脈衝會於兩條軸線中重疊，基板材料便會在廣大的連續區域44上燒蝕至受控的深度處。或者，藉由跨越一連串的寬溝槽則會形成一淺網狀結構45。當形成連續或網狀結構時，必須謹慎地讓深度在某個已定義限制值內保持恆定。藉由控制雷射脈衝能量密度、射束速度以及脈衝的擊發時間便會達成此目的。雷同的結構可以利用圖2B中所示的聚焦光點整形裝置以雷同的方式來形成。

《圖5》

圖5顯示兩種替代方式，其中，第二雷射射束可以在成像模式中用來在基板的表面中產生淺2D網狀接地平面結構。於圖中所示的其中一種情況中會形成一種由接觸觸墊51的圖樣所組成的網狀結構。於圖中所示的另一種情況中會形成一種由接觸交叉類型結構52的圖樣所組成的網狀結構。此種結構可藉由於該射束中放置一合宜的遮罩並且將該遮罩圖樣成像在該基板上來產生。該射束會連續地在該基板上移動，該等雷射脈衝會在對應於該等觸墊或交叉之必要定位的時間處擊發，以便讓邊界彼此碰觸。在每一個定位處通常會需要用到數個雷射脈衝，以便將材料移除至必要的深度處，因此，為達此目的，該圖樣會重複許多次。有許多其它遮罩形狀可用來產生不同結構的網狀圖樣。當藉由此方法來形成網狀結構時，於個別圓形觸墊或其它形狀雷射光點重疊的區域中必須謹慎地讓深度在某個已定義限制值內保持恆定。藉由控制雷射脈衝能量密度、射束速度及脈衝的擊發時間以及光點邊緣處的能量密度輪廓和光點之間重疊的程度便會達成此目的。本例中，以具有霧邊的光點能量密度輪廓為較佳。雷同的結構可以利用圖2B中所示的聚焦光點裝置依此方式來形成。

《圖6》

圖6A與6B顯示的是光學系統，於圖中所示的光學系統中，本文所述的兩種製程會使用兩道分離的雷射。第一CW雷射射束61A會被透鏡62A聚焦至基板64A上的聚焦光點63A處。第二脈衝式雷射射束61B會通過一孔徑或遮罩65B，並且會藉由透鏡62A於基板64A上形成遮罩65B的影像63B。該等兩道雷射射束61A與61B會組合(圖中未顯示)至一共同的光學路徑之中。該共同的光學路徑包括透鏡62A，其會將該等雷射射束引導至基板64A上。

或者，於另一實施例中會使用圖6A與6C中所示的光學系統。圖6C顯示一脈衝式雷射射束61C，其會在該共同光學路徑中通過射束整形器65C並且接著通過透鏡62A，用以在基板64A上形成一經整形的聚焦光點63C。

一射束尺寸改變望遠鏡(圖中未顯示)可能設置在雷射射束61A、61B之中用以設定該射束尺寸，以便在該透鏡聚焦平面處給予(在圖6A中)必要的聚焦光點尺寸，並且用以調整(在圖6B中)射束尺寸以便匹配孔徑65B。一光學元件單元(圖中未顯示)亦可能會以長焦距望遠鏡的形式設置在孔徑65B的後面，其會經過設定俾使孔徑65B的縮小影像會座落於透鏡62A的聚焦平面之中。此種成像排列是眾人所熟知的而且通常稱為「無限遠(infinity)」成像，因為影像會出現在透鏡聚焦平面中且因此對應的目標平面是在無限遠處。利用此種由該等光學系統所組成的排列，從基板至透鏡的距離可以在從其中一種製程切換成另一種製程期間保持恆定，這會非常方便。

《圖7》

圖7A所示的實施例中會使用兩個不同的雷射來產生兩種不同製程所需要的兩道射束。該等射束組合且之後傳播通過一由一射束偏折系統與一透鏡所組成的共同射束路徑。雷射71A會產生一第一射束，其具有高品質並且以CW或高重複率的方式來操作，俾使其適合用於溝槽製程。光學元件單元72A會將該雷射射束尺寸改變成適合傳播至該共同射束路徑之中的數值。雷射73A會產生一第二射束，其為脈衝式並且為多模或是具有適合用於觸墊與接觸孔鑽鑿並且適合用於形成淺網狀或連續區域接地平面結構的M2~1模式。光學元件單元74A會將該雷射射束尺寸改變成適合用於照射孔徑75A的數值。第一射束與第二射束兩者會在面鏡76A處組合，其會切換至該射束路徑之中或外面，以便讓該等第一射束或第二射束進入該共同射束路徑之中，或者，保持在正確的位置並且優先反射具有其中一種偏振的射束並且優先折射具有其正交偏振的射束。於此情況中，該等第一射束與第二射束會排列成於該射束組合面鏡76A處具有正交偏振。於圖中所示的情況中，該第一射束會通過面鏡76A且因而會希望其具有落在紙面中的偏振方向(所謂的p-偏振)。第二射束會被面鏡76A反射且因而會希望其具有垂直於紙面的偏振方向(所謂的s-偏振)。此等用於組合具有不同偏振之射束的技術是眾所熟知的。於經過射束組合之後，該等兩道射束會前進至一2或3軸掃描器單元77A與透鏡78A(舉例來說，f-西它透鏡)。於某些情況中，可能會希望將透鏡78A放置在該掃描器單元77A的前面。該掃描器77A可讓該等射束在基板79A上的處理區域上方移動。透鏡78A具有交替聚焦該第一射束且將該第二射束中的孔徑成像在該基板表面79A上的功能。為防止當系統從第一溝槽製程切換至第二觸墊或接觸孔成形製程時透鏡78A與基板79A之間的距離改變，可於孔徑75A的後面在該第二射束的路徑中放置額外的光學元件(圖中未顯示)。此等光學元件710通常是望遠類型，孔徑75A會座落於有效聚焦處且望遠鏡710的有效焦距和基板79A前面的透鏡78A的焦距的比例會經過選擇，以便在基板表面79A上產生正確尺寸的孔徑75A的縮小影像。此等用於成像雷射射束中的遮罩或孔徑的方法是眾所熟知的。

圖7B所示的實施例中會使用兩個不同的雷射來產生兩種不同製程所需要的兩道射束。於此情況中，雷射71B會產生一第一射束72B，其具有高品質並且以CW或高重複率的方式來操作，以便用於溝槽製程。該第一射束72B通過組合或切換面鏡75B而抵達一掃描器單元86A並且被一透鏡78B聚焦在基板79B之上。第二雷射73B發出一脈衝式雷射射束74B(舉例來說，具有M2~1)用於進行觸墊與接觸孔鑽鑿。該第二雷射射束74B藉由組合或切換面鏡75B反射至掃描器77B並且因而通過透鏡78B(舉例來說，f-西它類型)，用以在基板79B之上形成一聚焦光點。當該第二雷射射束74B操作時，一可移動的射束整形器(例如繞射光學元件76B)插設在面鏡75B與掃描器單元77B之間的射束路徑之中。

《圖8》

圖8A所示的是本發明的另一實施例，其中，會使用單一雷射81A來產生兩種不同製程所需要的兩道射束。為形成溝槽，雷射81A會產生一第一射束，其具有高品質並且以CW或高重複率的方式來操作，俾使其適合用於溝槽製程。光學元件單元82A將該雷射射束尺寸改變成適合傳播至該共同射束路徑之中的數值，以便產生正確尺寸的聚焦光點。該第一雷射射束通過一分離或切換面鏡83A，並且通過一組合或切換面鏡85A，抵達該共同光學路徑。該共同光學路徑是由一掃描器單元86A及一透鏡87A(舉例來說，f-西它類型)所組成，該透鏡87A將該第一射束聚焦在基板88A之上。

為形成觸墊或接觸孔或產生淺網狀或連續區域接地平面結構，雷射81A的操作改變為脈衝模式，俾使其適合用於已成像光點鑽鑿製程。於此情況中，第二雷射射束藉由組合或切換面鏡83A而偏離至一通過一遮罩或孔徑84A的光學路徑之中並且接著藉由組合或切換面鏡85A而偏離至該共同光學路徑之中。於兩個製程之間可能改變透鏡87A與基板88A之間的距離，以便在聚焦射束溝槽製作和成像射束鑽鑿之間進行切換。或者，可以將一望遠類型的光學元件(圖中未顯示)移入該射束路徑之中，以便在進行兩種製程時讓鏡87A與基板88A之間保有恆定的距離。於某些情況中，可能會希望利用其它光學元件(圖中未顯示)來取代或增補用於溝槽製作製程的射束整形光學元件，用以調整該雷射射束以便匹配孔徑84A。

圖8B所示的是本發明的另一實施例，其中，使用單一雷射81B來產生兩種不同製程所需要的兩道射束。於本例中，並不如圖8A中所示般地偏離該等射束，取而代之的是，一繞射光學元件(diffractive optical element，DOE)83B移到該射束路徑之中或外面。當產生第一CW或QCW射束時，其會直接通過包括掃描器84B與透鏡85B(通常為f-西它透鏡)的共同光學元件而抵達基板86B上。當產生第二、脈衝式雷射時，DOE 83B則插設於該射束之中，俾使該射束在進入該共同光學元件之前先通過此DOE。

《圖9》

圖9所示的是本發明的一實施例，其包括一適合用來在一雙面電路板91之上實施兩種雷射製程的裝置，該雙面電路板於每一個電路板上皆含有多個重複性的器件92。相同類型的雷射93與93’會產生兩道第一射束，分別用於頂側和底側溝槽製作製程。同樣為相同類型的雷射94與94’(和第一雷射的類型不同)則會產生兩道第二射束，分別用於頂側和底側觸墊和接觸孔鑽鑿以及用於形成淺網狀或連續區域接地平面。雷射93與94會交錯地操作在頂側電路上，而雷射93’與94’則會交錯地操作在下方側電路上。依此方式，在頂側與底側所產生的電路便可能不同。第一與第二雷射射束會透過面鏡95與95’依序注入共同路徑之中。頂端共同光學路徑與底部共同光學路徑中的每一條共同光學路徑皆各有射束分歧器96與96’，用以將該等射束分成兩道，以便送往同步操作在該電路板上之器件上的兩個平行的掃描器與透鏡單元97與97’。頂側的兩個掃描器會配合其中一種電路設計來同時處理兩個器件，而下方側的兩個掃描器則會配合相同或不同的電路設計來處理該等兩個器件的反向側。利用夠高功率的雷射，亦可以將頂側與底側上的射束分成兩條以上的平行通道

如上面所述，於介電層的表面形成窄溝槽及較寬區域及/或孔洞是微電子電路製造中特殊用途，該等溝槽與孔洞會在後續的金屬電鍍製程中以金屬填充，以便形成複雜圖樣的精細導體、觸墊以及微通道。

因此，上面所述的本發明提供一種用於藉由兩種不同雷射製程在一基板上的聚合物層的表面中形成精細溝槽、盲觸墊及接觸孔的方法，該等兩種不同雷射製程依序套用至該基板，該等精細溝槽連接至該等盲觸墊及接觸孔，該方法包括：

a.　一第一雷射射束，其會被該基板上的該聚合物層強烈地吸收並且具有有限繞射或是接近有限繞射的射束品質，而且其以連續的方式或是以高重複率的一連串雷射脈衝的方式來操作。

b.　一第二雷射射束，其具有和該第一雷射射束相同的波長，並且以會發出脈衝突波的脈衝模式來操作。

c.　一種用於將該等第一與第二雷射射束組合至一共同光學路徑之中或是以可交換的方式將該等第一與第二雷射射束注入一共同光學路徑之中的方法。

d.　一位於該共同光學路徑中的射束掃描器系統，用於在兩條正交軸線中交替地偏折該等第一或第二雷射射束。

e.　一位於該共同光學路徑中的透鏡，其交替地用來將該第一雷射射束聚焦在該聚合物層的表面或適用於在該聚合物層的表面形成一位於該第二雷射射束路徑中之已定義目標平面的影像，該目標平面位於該共同光學路徑的外面。

f.　一種控制系統：

i.　首先，讓該第一雷射射束注入至該共同光學路徑之中並且驅動該掃描器系統，俾使該聚合物層表面上由該透鏡所形成的聚焦光點會在某一區域上進行一連串的連續移動，以便蒸發該聚合物材料，用以在該表面中形成多個溝槽，該等溝槽的深度為該聚合物層之厚度的一部分，以及

ii.　其次，讓該第二雷射射束注入至該共同光學路徑之中並且驅動該掃描器系統，俾使該聚合物層表面上由該透鏡所形成之該第二雷射射束路徑中已定義目標平面的影像會移動至該基板中含有由該第一雷射射束所形成之溝槽的區域內一連串的已定義位置，且在每一個位置處，該第二雷射射束保持靜止不動且擊發具有足夠數量與能量的雷射脈衝突波，俾使蒸發該聚合物材料，以便形成具有已定義深度的盲孔，某些孔洞(所謂的觸墊)的深度會小於該聚合物層的完整深度並且等於由該第一雷射射束所形成之溝槽的深度，而其它孔洞的深度會延伸貫穿該聚合物層到達下方的金屬層。

11．．．射束

12．．．透鏡

13．．．基板

14．．．溝槽

21A．．．透鏡

22A．．．平面

23A．．．射束

24A．．．基板

25A．．．孔徑

26A．．．光點

27A．．．表面

28A．．．層

29A．．．孔洞

210A．．．觸墊

21B．．．透鏡

22B．．．射束

23B．．．整形器

24B．．．光點

25B．．．基板

26B．．．觸墊

27B．．．觸墊

28B．．．層

31．．．透鏡

32．．．平面

33．．．射束

34．．．基板

35．．．孔徑

36．．．光點

37．．．溝槽

41．．．透鏡

42．．．射束

43．．．基板

44．．．連續區域

45．．．結構

51．．．觸墊

52．．．結構

61A．．．射束

62A．．．透鏡

63A．．．光點

64A．．．基板

61B．．．射束

63B．．．影像

65B．．．孔徑或遮罩

61C．．．射束

63C．．．光點

65C．．．整形器

71A．．．雷射

72A．．．光學元件單元

73A．．．雷射

74A．．．光學元件單元

75A．．．孔徑

76A．．．面鏡

77A．．．掃描器單元

78A．．．透鏡

79A．．．基板

71B．．．雷射

72B．．．射束

73B．．．雷射

74B．．．射束

75B．．．面鏡

76B．．．元件

77B．．．掃描器

78B．．．透鏡

79B．．．基板

81A．．．雷射

82A．．．光學元件單元

83A．．．面鏡

84A．．．孔徑

85A．．．面鏡

86A．．．掃描器單元

87A．．．透鏡

88A．．．基板

81B．．．雷射

82B．．．光學元件單元

83B．．．繞射光學元件

84B．．．掃描器

85B．．．透鏡

86B．．．基板

91．．．電路板

92．．．器件

93．．．雷射

93’．．．雷射

94．．．雷射

94’．．．雷射

95．．．面鏡

95’．．．面鏡

96．．．射束分歧器

96’．．．射束分歧器

97．．．透鏡單元

97’．．．透鏡單元

本文已經透過參考隨附圖式作過說明的示範性實施例進一步說明本發明，其中：

圖1所示的是如何利用從一雷射發出的聚焦射束在基板表面製造溝槽的概略示意圖；

圖2A與2B所示的是如何利用一操作在成像模式中的雷射射束並且利用聚焦光點整形分別在基板中製造觸墊與接觸孔的概略示意圖；

圖3所示的是如何利用一操作在成像模式中的雷射射束在基板中製造寬溝槽的概略示意圖；

圖4所示的是如何利用一操作在成像模式中的雷射射束在基板中製造淺網狀與連續區域接地平面結構的概略示意圖；

圖5所示的是用於製造網狀接地平面結構的替代方法；

圖6A、6B及6C所示的是用於本文所述之製程的典型光學系統的概略示意圖；

圖7A與7B所示的是如何將從兩個不同雷射處發出的射束組合至一共同射束路徑之中並且在基板表面移動以依序產生溝槽與觸墊或接觸孔的兩種排列的概略示意圖；

圖8A與8B所示的是如何能夠在聚焦模式與成像模式兩者之中使用單一雷射在基板的表面依序產生溝槽與觸墊或接觸孔的兩種排列的概略示意圖；以及

圖9用於在一雙面電路板上實施前述兩種製程的裝置的範例的概略透視圖。