TWI598009B - 在介電質基板中形成精細結構之方法及裝置 - Google Patents

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菲利普 湯瑪士 隆斯畢
大衛 湯瑪斯 艾德蒙 邁爾斯
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Description

在介電質基板中形成精細結構之方法及裝置
本發明係關於一種在介電質基板之表面中形成精細結構之裝置及方法。在一個較佳配置中，其尤其有關在聚合物層之頂表面順序形成窄凹槽、大面積墊片及接地面結構及以更深的深度鑽出接觸孔或介層孔以製造基於內埋式導體之多層、高密度互連裝置。
雷射被廣泛用於製造高級印刷電路板(PCB)。一個尤其熟知的實例為在多層PCB中鑽出稱為微介層孔之盲接觸孔。在該情形下，通常使用紫外線(UV)固態雷射鑽過頂部銅層及底部介電質層從而可與底部銅層接觸。在一些情形中，藉由利用兩種不同的雷射方法移除兩種不同材料來改良該方法之成本效益。通常使用UV二極體泵送固態(DPSS)雷射來在頂部銅層中鑽孔以暴露底部介電質層，及在一獨立的製程中，使用CO2雷射來移除在各孔下方暴露的介電質材料。
近來，已提出一種新型的高密度多層電路板製造技術。US2005/0041398A1及刊物「Unveiling the next generation in substrate technology」，Huemoeller等人，2006太平洋微電子論壇(Pacific Micro-electronics Symposium)敘述「雷射內埋式電路技術」之概念。在該新技術中，使用雷射來直接在有機介電質基板中燒蝕精細凹槽、較大面積墊片以及接觸孔。凹槽與墊片及接觸孔相連，從而在雷射結構化及 隨後的金屬鍍覆之後，一起形成由嵌入介電質層之頂表面中之精細導體及墊片的複雜圖案所組成的第一層及由與底部金屬層相連之更深接觸孔所組成的第二層。在論文EU165(David Baron)及2011年11月9日至11日之台灣第12屆世界電子電路大會(12th Electronic Circuit World Convention in Taiwan)中之TW086-2(Yuel-Ling Lee & Barbara Wood)中提出有關該新穎技術之進展的更多資訊。
迄今為止，在利用直接寫入或遮罩成像法之單一製程中，已於該等方法中使用脈衝UV雷射來形成凹槽、墊片及接觸孔。
直接寫入法一般利用光束掃描器使來自雷射的聚焦束於基板表面上方移動，以切割凹槽及亦產生墊片及接觸孔結構。該直接寫入法利用來自具有高光束品質之UV二極體泵送固態(DPSS)雷射的高度可聚焦束及因此極適用於精細凹槽切割製程。其亦能良好地處理與墊片及接觸孔結構有關的不同層深度要求。藉由該方法，可輕易地形成不同深度的凹槽、墊片及接觸孔。然而，由於從高度可聚焦UV DPSS雷射可獲得之有限的雷射功率，當要移除與更大面積墊片及接地面有關的更大體積材料時，該直接寫入法緩慢。該直接寫入法亦難以在凹槽與墊片之間之交接處維持恒定深度。2011年11月9日至11日之台灣第12屆世界電子電路大會之論文TW086-9(Weiming Cheng & Mark Unrath)提出適用於製造基於內埋式導體之PCB之直接寫入雷射設備的敘述。
遮罩成像法一般利用UV準分子雷射來照射包含電路設計之一層或一層級之全部細節的遮罩。該遮罩之圖像縮微於基板上，從而該層上之電路的全部面積藉由足以燒蝕介電質材料之雷射脈衝能量水平複製於基板上。在待形成之電路大的一些情形中，使用遮罩及基板的相對同步移動來轉移全部圖案。用於覆蓋大基板面積之準分子雷射遮罩投影及相關策略已為人所知多年。Proc SPIE 1997，第3223冊，第26 頁(Harvey & Rumsby)給出該方法之敘述。
由於在圖像轉移製程期間照射遮罩的全部面積，故該方法對欲產生之個別結構之總面積不敏感及因此相當適於產生精細凹槽、較大面積墊片及接地面。其亦極佳地在凹槽及墊片之間之交接處維持深度恒定性。然而，由於燒蝕速率取決於結構大小，故通常難於以高精度在所有特徵中控制深度。除了在電路極密的情形下，由於準分子雷射之購置及操作成本均極高，故該遮罩成像法相比直接寫入法亦顯著地更耗成本。由於需要針對每一電路層使用一個新的遮罩，故遮罩成像亦極不靈活。
在公開案US 2008/0145567 A1所述之配置中克服了後一限制。在該情形中，使用準分子雷射掃描遮罩投影系統來在絕緣層中以相同深度形成由凹槽及墊片組成的層，及在獨立的製程中，利用由獨立光束傳遞系統所傳遞的第二雷射，形成穿透至底部金屬層之更深的接觸孔。該兩步製程為一種處理不同深度結構需求的方式。然而，其仍然承受與使用準分子雷射相關的高成本。
因此，可見基於該「雷射嵌入式電路技術」之用於製造高級電路的現有處理方法具有嚴重缺點。仍需要能夠使用針對以極靈活方式產生所需之不同大小及深度結構最佳化的雷射製程，以改進製程速率及降低成本。本發明旨在提供保留遮罩成像之優勢，但避免使用昂貴的準分子雷射的裝置及多階段方法來解決該等需求。
根據本發明之第一態樣，提供用於以兩或多種深度在介電質基板之表面中形成精細結構的裝置，該裝置包括：
一經配置以提供一第一脈衝雷射束之第一固態雷射；一具有用於在第一深度界定第一組結構之圖案的第一遮罩，一用於將該圖案之經減小大小之圖像形成於基板表面上的投影透鏡及一經配置來以相對於第一遮罩之二維光柵掃描掃描該第一脈衝雷射束以在該基板中在第 一深度形成第一組結構之光束掃描器，及該第一或另一固態雷射經配置以在該基板中在第二深度形成第二組結構。
根據本發明之另一態樣，提供一種以兩或多種深度在介電質基板之表面中形成精細結構的方法，該方法包括兩階段製程：界定在第一深度之第一組結構的第一製程及界定在第二深度之第二組結構的第二製程， 該第一製程包括：利用一第一固態雷射來提供一第一脈衝雷射束；提供一具有用於在第一深度界定第一組結構之圖案的第一遮罩，提供一用於將該圖案之經減小大小之圖像形成於基板表面上之投影透鏡，及以相對於該遮罩之二維光柵掃描掃描該第一脈衝雷射束以在該基板中在第一深度形成第一組結構， 第二製程包括應用該第一或另一固態雷射來在該基板中在第二深度形成第二組結構，其中該第一及第二製程可以任一順序進行。
因此，本發明涉及一種利用固態雷射(SSL)，涉及在遮罩上方2D掃描雷射束(例如呈雷射光點之形式)以在介電質基板之表面中形成第一組結構的第一製程及在介電質基板中形成第二組結構之第二製程(其可以多種方式進行)的方法。
雷射之選擇使得可以高速進行掃描，因此可在短時間內形成結構，同時避免高資金成本及/或高操作成本的需求。該方法亦容許將用於形成不同類型結構的各方法步驟分別最佳化。
本發明之關鍵較佳特徵為：1)一種形成精細結構組之方法，其在隨後的銅鍍覆製程後，形成作為多層、高密度、電互連裝置之部分的基於「內埋式導體」之電子電路層，2)以兩或多種不同深度在介電質材料之表面中形成的結構組，各深度係利用獨立的雷射燒蝕製程達成， 3)一種以下列方式在第一深度產生第一組結構的第一製程
a.一第一遮罩界定該第一組結構；b.一投影透鏡在基板表面上形成該第一遮罩之經減小大小的圖像；c.一光束掃描器單元使來自一第一Q-交換式CW二極體泵送固態(DPSS)雷射之光束以2D光柵圖案在該遮罩上方移動；d.各雷射脈衝於基板中之雷射束的能量密度足以燒蝕基板材料但不損壞遮罩；e.在與光束於遮罩表面上方之2D移動軌跡結合之遮罩處之雷射束光點大小及形狀係使得在基板上在裝置之全部面積上以均一的第一深度界定第一組結構，4)一在第二深度在全部或部份裝置上產生第二組結構的第二製程，該第二組結構係重疊於一些或所有該第一組結構上，從而該第二深度係大於該第一深度。該第二製程利用下列方法之一：a.其重複利用第一雷射及第一遮罩之第一製程來界定第二組結構，但利用與該第一製程不同的雷射參數。此可為當基板層疊不同的材料或如圖3所示具有一施加至頂面之保護或犧牲層的情形。在該情形中，該第一製程雷射圖案化材料之頂層或保護/犧牲層及該第二製程雷射圖案化下面的材料層；b.其重複利用該第一雷射之第一製程，但利用一第二遮罩來界定第二組結構；c.利用第一遮罩，利用藉由掃描器移動至該第一遮罩之選定區域之來自第一雷射之光束及使第一雷射擊發若干個脈衝，從而使彼等選定區域經受足夠的額外脈衝以產生具有第二深度之第二組結構；d.使用在第一雷射束中具有孔隙之第一遮罩，該第一雷射束係藉由掃描器移動至該第一遮罩上之選定的透明特徵，該孔隙經成像於該 遮罩上，從而該遮罩上之圖像小於透明特徵，及該第一雷射經擊發從而彼等選定區域經受額外雷射脈衝，及因此在第二深度在第一組結構內及小於第一組結構下形成第二組結構；e.使用第一遮罩利用不同於第一雷射之第二雷射，藉由掃描器將來自第二雷射之光束移動至該第一遮罩上之選定的透明特徵及經控制，從而該遮罩上之光束小於該透明特徵，及該第二雷射經擊發從而使彼等選定區域經受額外的雷射脈衝及因此在第二深度在第一組結構內及小於第一組結構下形成第二組結構；5)若需要，用於以另一深度在全部或部份裝置上產生另一組結構之另一製程，該另一組結構係重疊於一些或全部的第一或第二組結構上，從而該另一深度係大於第一或第二深度。該另一製程利用以上於段落4.a-4.d中所述的其中一種方法，6)在一些情形中，第一製程可在第二製程之後。例如，第二製程4.c、d及e可皆在第一製程之前發生及就以兩種深度在基板中形成兩組結構而言的結果相同。
第一及第二製程所用之遮罩可包括像素之2D陣列，可以電子方式改變其對雷射束之透明度，從而可動態地改變整個遮罩圖案。
由以下敘述及說明書之附屬申請專利範圍將可明瞭本發明之其他較佳及視需要的特徵。
1‧‧‧銅層
2‧‧‧介電質核心層
3‧‧‧上部介電質層
4‧‧‧凹槽
4'‧‧‧凹槽
4"‧‧‧凹槽
5‧‧‧大墊片
6‧‧‧小墊片
7‧‧‧小墊片
8‧‧‧接觸孔
9‧‧‧上部介電質層
10‧‧‧底部介電質層
11‧‧‧保護或犧牲層材料
12‧‧‧準分子雷射
13‧‧‧脈衝UV束
14‧‧‧均質器單元
15‧‧‧鏡子
16‧‧‧遮罩
17‧‧‧投影透鏡
18‧‧‧基板
19‧‧‧透鏡
20‧‧‧遮罩
21‧‧‧光束成形光學器件
22‧‧‧位置/MM UV DPSS雷射
22'‧‧‧位置
23‧‧‧輸出光束
24‧‧‧光學器件
25‧‧‧2D掃描器單元
26‧‧‧入射光瞳
27‧‧‧雷射束光點
28‧‧‧光柵形軌跡
29‧‧‧遮罩
30‧‧‧光柵路徑
31‧‧‧雷射光點
32‧‧‧經減小大小之雷射機械加工面積
33‧‧‧第二遮罩
34‧‧‧光學器件
35‧‧‧孔隙
36‧‧‧光學元件
37‧‧‧雷射
38‧‧‧雷射束
39‧‧‧光學組件
40‧‧‧鏡子
41‧‧‧鏡子
42‧‧‧掃描器
僅藉由實例之方式，現將參考附圖進一步敘述本發明，其中：圖1為顯示要求在其中形成之結構類型之典型HDI印刷電路板的透視圖；圖2為類似於圖1的透視圖，其中該印刷電路板包括一上部及底部介電質層；圖3為具有一形成於其上之薄保護或犧牲層之另一典型印刷電路 板的截面圖；圖4為用於在介電質層中形成內埋式結構之已知裝置的示意圖；圖5為用於在介電質層中形成內埋式結構之另一已知裝置的示意圖；圖6為用於在介電質層中形成內埋式結構之另一已知裝置的示意圖；圖7為根據本發明之一實施例用於在介電質層中形成第一層內埋式結構之裝置的示意圖；圖8為圖7之裝置中使用之遮罩及其中使用之掃描軌跡的平面圖；及圖9至12為根據本發明之實施例之裝置的示意圖，其繪示用於在介電質基板中形成第二層結構之替代性配置。
圖1：其顯示一高密度互連(HDI)印刷電路板(PCB)或積體電路(IC)基板之一部份及表明要求形成之「內埋式」結構之類型。一經圖案化以形成電路之銅層1承載於一介電質核心層2上。該銅層1被覆一上部介電質層3，於其中已藉由雷射燒蝕形成各種結構。凹槽4、4’及4"、大墊片5及小墊片6及7均具有小於該上部介電質層3之全部厚度的相同深度。對於IC基板，要求之凹槽寬度及墊片直徑一般係分別於5至15微米及100至300μm之範圍內，且深度係於5至10微米之範圍內。對於HDI PCB，凹槽可更寬及更深。墊片7內之接觸孔(或介層孔)8係藉由雷射燒蝕至更大深度，從而移除所有上部介電質層材料以暴露下面銅電路之面積來形成。接觸孔深度一般可為墊片及凹槽之深度的兩倍。
圖2：其顯示一與圖1之HDI PCB或IC基板類似的部份，但在該情形中，銅層之頂部上的上部介電質層係由兩層不同材料(上部介電質 層9及底部介電質層10)組成。凹槽4、4’及4"、大墊片5及小墊片6及7均完全穿透該上部層9但未顯著地穿透底部層10。接觸孔8完全穿透該底部介電質層10以暴露下面銅電路之面積。
圖3：其顯示穿過一HDI PCB的一部份，其中在雷射圖案化結構之前已將一薄保護或犧牲層材料11施加至介電質層3之頂面。該等保護層一般最大僅數微米厚及其主要目的在於保護介電質層3之頂表面在雷射燒蝕製程期間免受損壞。在結構之雷射燒蝕期間，光束穿透保護層材料及於下面介電質層3中移除材料至要求深度。在完成雷射燒蝕製程之後及在隨後製程之前，通常移除該保護層以暴露介電質材料。
圖4顯示通常用於在介電質層中產生內埋式結構的已知裝置。準分子雷射12發射一脈衝UV束13，其藉由均質器單元14成形，藉由鏡子15偏向及均一地照射整個遮罩16。投影透鏡17將遮罩之圖像縮微在經介電質塗布之基板18的表面上，從而基板18處之光束的能量密度足以燒蝕介電質材料及在層中形成對應於遮罩圖案之結構。
透鏡19為用於控制進入透鏡17之光束從而使其以最佳方式表現的場透鏡。各雷射脈衝將遮罩上之圖案以明確界定的深度機械加工至介電質之表面。一般而言，藉由各雷射脈衝機械加工之深度為幾分之1微米，因此需要許多雷射脈衝來產生具有數微米深度之凹槽及墊片。若需要將不同深度之特徵機械加工至基板表面，則將界定第一層級之遮罩更換成界定更深層級之另一遮罩20，之後重複雷射燒蝕製程。
為以一雷射脈衝照射各遮罩之全部面積及基板上之對應面積需要來自雷射之具有高能量的脈衝。例如，若待製造之裝置的大小為10 x 10mm(1cm2)及由於有效燒蝕所需之脈衝能量密度為約0.5J/cm2，則基板處所需之總能量/脈衝為0.5J。因為光學系統中之損失，故需要來 自雷射之顯著更多的能量/脈衝。由於UV準分子雷射一般係在低重複速率下以高脈衝能量操作，故其極適合該應用。可容易獲得在高達300Hz之重複速率下發射高達1J之輸出脈衝能量的準分子雷射。已設計出各種光學策略來容許製造更大裝置或容許使用具有更低脈衝能量之準分子雷射。
圖5顯示說明配置光束成形光學器件21以在遮罩16之表面產生線形光束之該情形的先前技術。該線形光束足夠長以覆蓋該遮罩之全部寬度。藉由鏡子15之1D移動，該線形光束以垂直於該線的方向在遮罩之表面上掃描。藉由以從位置22a至22a’之線移動鏡子15，順序照射遮罩之全部面積及相應地順序處理待於基板上機械加工的全部面積。當移動鏡子15時，遮罩、投影透鏡及基板均保持靜止。
以容許正確數量之雷射脈衝影響基板之各面積從而產生所需深度之結構的速度移動鏡子。例如，對於在300Hz下操作之準分子雷射及在基板處具有1mm寬度之線形光束及其中各雷射脈衝移除材料至0.5微米深度而言，則需要20個雷射脈衝/面積來產生具有10微米深度的結構。該配置要求線形光束以15mm/sec之速度跨過基板移動。在遮罩處之光束速度係以等於透鏡之縮微係數之係數大於在基板處之光束速度。
圖6顯示另一已知配置及說明一種解決有限雷射脈衝能量問題的替代性方式。其涉及相對靜止之光束以準確相關的方式移動遮罩及基板。光束成形光學器件21形成具有跨越遮罩之整個寬度之長度的線形光束。在該情形下，鏡子15保持靜止及遮罩16以如所示之方式線性移動。為在基板上產生遮罩之準確圖像，需要如圖所示以基於成像透鏡17之縮微係數與遮罩相關的速度以與遮罩相反的方向移動基板18。該1D遮罩及基板相關移動系統係用於半導體製造之準分子雷射晶圓暴露工具中所熟知。
亦已在2D遮罩及基板掃描方案下，在待處理裝置的面積極大及各雷射脈衝中不存在足夠的能量以產生跨過裝置之全部寬度之線形光束的情形中，使用準分子雷射。Proc SPIE.,1996(2921)，第684頁敘述該系統。該等系統極複雜，其需要高度準確的遮罩及工作件檯面控制，及另外，在極難控制掃瞄帶重疊之基板上之區域中獲得均一的燒蝕深度。
圖7顯示一個根據本發明之一較佳形式的實施例。其與圖4、5及6中所示之先前技術之類似處在於：使用一遮罩投影光學系統來在基板中界定電路層的結構，但主要的區別在於，替代UV準分子雷射，使用Q-交換式CW二極體泵送固態(DPSS)雷射。該雷射以極不同於準分子雷射的方式操作，其發射具有在高(數kHz至100kHz)重複速率下之低能量(例如0.1mJ至數10mJ)的脈衝。現可容易獲得許多類型之Q-交換式DPSS雷射。對於文中所述之方法，由於UV更適於燒蝕更大範圍的介電質材料及成像透鏡之光學解析度相比於更長波長優良，因此在UV區中操作之多模式DPSS雷射為較佳。此外，相比於低及單一模式雷射，多模式(MM)雷射產生更高功率。於所述方法中亦可使用具有更長波長及具有更低模式光束輸出的其他脈衝DPSS雷射。
例如，可使用在355nm波長下操作之UV MM CW二極體泵送固態雷射，其在約10kHz之重複速率下產生20、40或80W之功率，因此分別產生2、4及8mJ之輸出脈衝能量。另一實例為MM UV DPSS雷射，其在6kHz之重複速率下產生40W及因此產生6.7mJ/脈衝。其他實例為可在355nm之波長下操作之UV更低模式CW二極體泵送固態雷射，其在大約100kHz之重複速率下產生20或28W之功率，因此分別產生0.2及0.28mJ之輸出脈衝能量。
如圖7所示，一MM UV DPSS雷射22發射輸出光束23，其藉由光學器件24成形以在遮罩16處形成一適宜大小之圓形或其他形狀的光 點，從而在藉由透鏡17成像於基板18表面上之後，能量密度足以燒蝕基板18之表面上的材料。2D掃描器單元25使光點以2D光柵圖案在遮罩16上方移動從而覆蓋該遮罩16之全部面積，及相應地，亦覆蓋基板18處之待處理的全部面積，將遮罩16上之圖案之圖像壓印於基板表面中。透鏡17在圖像側較佳地具有遠心性。此意味藉由透鏡形成平行光束，從而與基板之距離的變化不會改變圖像的大小。此避免沿光學軸以極大準確度定位基板的需求及可適應基板的任何非平坦。
在此配置中，透鏡19起著將介於掃描器25之鏡子之間的平面成像至透鏡之入射光瞳26中從而滿足遠心性之條件的功能。重要的是，透鏡17具有足夠的光學解析度以在介電質層之表面中準確地形成低至5μm或更小的清晰結構。該解析度係藉由波長及數值孔徑而確定，及對於355nm之雷射波長，此相當於約0.15或更大的數值孔徑。對於透鏡的其他要求為其將遮罩上之圖案縮微於基板上，從而基板處之雷射脈衝的能量密度高至足以燒蝕材料，但遮罩處之能量密度足夠低從而不會損壞可能為石英基板上之圖案化鉻層的遮罩材料。頃發現在多數情形下3x或更大之透鏡放大係數合宜。基板處0.5J/cm2的能量密度一般足以燒蝕大多數聚合物介電質材料，及因此在3x之透鏡縮微下，及考慮透鏡之合理損失，遮罩處之相應能量密度小於0.07J/cm2，此係甚低於石英遮罩上之鉻之損壞水平的水平。
圖8顯示圖7之配置中所用之遮罩16的平面圖。在該情形下為圓形的雷射束光點27以光柵形軌跡28在X及Y方向移動從而覆蓋遮罩29之全部圖案化面積。圖8亦顯示對應的光柵路徑30，繼以基板上之經減小大小之雷射機械加工面積32上方之經減小大小之雷射光點31。對於需以恒定深度將遮罩上之凹槽、墊片及其他結構機械加工至基板表面中的情形，重要的是，遮罩之各面積接受相同有效劑量之雷射輻射。由於遮罩處之光束極可能具有不均一的能量密度分佈及各雷射脈 衝移除之基板材料的深度一般係隨能量密度非線性地變化，故為引起燒蝕至均一深度之遮罩表面上方之光束的準確軌跡將取決於光束形狀及光束輪廓及一般將以實驗方式確定。
一簡單實例為以5μm之均一深度將凹槽及墊片之複雜圖案雷射機械加工至介電質材料之表面中以形成具有14 x 14mm之面積32之第一層電子電路的情形。該雷射為在10kHz之重複速率下操作及發射分別具有4mJ之能量(其中在光學器件中之損失後，3mJ抵達基板)之脈衝的多模式40W UV(355nm)CW泵送DPSS雷射。一種基板上之典型的介電質材料具有在355nm下之燒蝕特性，從而在0.5J/cm2之能量密度下，各雷射脈衝以0.33μm之深度移除材料。為以圓形光點達成該能量密度，在基板處之所需直徑為0.87mm及在遮罩處為2.6mm(假定3x縮微係數)。
在0.33μm/雷射脈衝之燒蝕速率下，基板之各面積需暴露至總計15個雷射脈衝以產生具有5μm總深度的結構。此可藉由將個別雷射光點適宜地重疊於基板表面上及相應地重疊於遮罩上而輕易地實現。例如，考慮如圖7所示之遮罩的掃描，在10kHz之雷射重複速率下，在X方向5.2m/sec的光束掃描速度使得5個雷射脈衝沿X方向施用至各區域。若將遮罩上之平行掃描線之間的Y間距配置為光點直徑之1/3，則在Y方向上施用3束照射/面積產生總計15束照射/面積。應理解，可應用X及Y照射重疊之若干其他的組合來實現15束照射/面積。
該沿各軸之光束重疊的簡單計算不可能產生就在全部裝置面積上之結構深度均一性而言的理想結果，尤其係對於具有非均一能量密度分佈之圓形光束，及一般將需要以實驗方式確定可導致均一燒蝕深度之各軸中的重疊。然而，當以光學方式均質化遮罩處之雷射束以提供均一能量密度及以形成棋盤形(諸如正方形、矩形或六邊形)時，可更容易地預測遮罩表面上之光束的軌跡。
為完全均一地覆蓋活性遮罩區域29，需使至少一個雷射束光點直徑掃描超過遮罩之所有四個邊緣。在42 x 42mm之活性遮罩面積下，利用以上論述之雷射束掃描速度，可實現剛好超過0.5秒之總遮罩及基板掃描時間。
若基板具有如圖3所示之一頂部保護層，則可適宜地利用兩種不同的流量值完全掃描遮罩兩次。第一次掃描利用針對燒蝕薄保護層最佳化之流量及第二次掃描利用針對更深地燒蝕底部介電質層最佳化的流量。
若遮罩上之圖案訊息並非均一分佈而係局限於遮罩之特定區域，則僅需掃描該等區域(因此降低遮罩掃描時間)。
以上論述之掃描策略在介電質材料中產生均一深度的結構，因此其餘的要求為產生如圖1、2或3所示之包括兩或多層之結構。存在若干種利用上述類型之遮罩掃描法達成目的之方式及現將敘述其中之一些。
圖9顯示產生兩層結構之最簡單的方式。掃描一第一遮罩16之全部面積以產生上層凹槽及墊片結構，之後以一具有與底層介層孔結構相關之圖案的第二遮罩33替代該第一遮罩16。當然需要準確地對準遮罩以確保兩種雷射機械加工圖案準確地重疊於基板表面上。
當底層圖案具有高密度特徵時，該多個、順序掃描遮罩法為較佳，從而可有效地掃描全部或大部份的底層遮罩。另一方面，若僅需要數個更深的特徵諸如定位於藉由上層遮罩界定之墊片區域內之介層孔時，則可應用替代性方法。
圖10顯示一種利用如圖7所示之成像配置中之單一雷射的方法，從而可將數個更深的特徵併入裝置結構中。MM UV DPSS雷射22發射輸出光束23，其藉由光學器件34成形以在孔隙單元35處形成一適宜大小的光點。光學元件36將孔隙35成像於遮罩16上及透鏡17將孔隙再次 成像於基板18之表面上。在該情形中，將層加工至不同深度係以至少兩個階段進行。在第一階段中，將孔隙移除或設置成一種大的尺寸從而來自雷射之全部光束皆通過，或可將其設置成適宜的棋盤形及以正確的光束軌跡掃描全部遮罩面積，從而包括所有凹槽、墊片及其他結構之上層遮罩圖案以正確深度界定於基板中。在第二階段，將適宜大小的孔隙移入光束中以界定所需的介層孔。然後，以「點及發射」模式操作掃描器25，藉此將光束移動至遮罩16上界定墊片區域之區域，及邊保持光束固定邊擊發所需數目的雷射照射以鑽出介層孔而暴露下面之銅層或至所需深度。之後，將光束移至另一墊片區域及重複製程。持續該製程直到已鑽出底層中之所有介層孔。可藉由在隨後的階段中插入不同大小的孔隙來鑽出不同大小的介層孔。
亦可改變進行不同圖案化階段的順序。可在第一階段中，在孔隙成像、點及發射模式中鑽出所有介層孔，然後在隨後的遮罩掃描階段中界定凹槽及墊片。在該情形中，由於在遮罩掃描製程期間將施用額外的雷射照射，故介層孔鑽孔不需從基板表面穿透全部深度至埋入銅層。
圖11顯示利用兩雷射鑽出更深特徵的一個替代性方法。一般為MM UV DPSS雷射之一第一雷射22發射輸出光束23，其藉由光學器件24成形以在遮罩16處形成適宜大小的圓形或其他形狀的光點。使用該第一雷射22掃描遮罩以形成如上所述之凹槽及墊片。一具有在以下一或多項方面不同於雷射22之特徵的第二雷射37發射光束：波長、脈衝長度、模式結構或重複速率，該光束通過光學組件39及經由鏡子40及41及掃描器25引導至遮罩16之表面。鏡子41可為可移動類型及具有位於雷射束23之路徑內或外的兩個位置，以分別容許第二雷射束38由鏡子41反射抵達掃描器或容許第一雷射束23直接抵達掃描器。鏡子41較佳係極化選擇類型，從而可設置兩種雷射束之極化，使得來自雷射22 之雷射束23在鏡子41處具有p-極化及因此通過鏡子抵達掃描器或來自雷射37之雷射束38在鏡子41處具有s-極化及因此反射抵達掃描器。
適合該第二雷射製程之雷射的實例一般與如上針對第一雷射製程所述者相同，但除了其中第二雷射需要製造小直徑的介層孔，具有產生更低功率之低模式輸出的雷射可令人滿意。
光學組件39成形或聚焦雷射束38，從而使其在遮罩處之性質係可實現用於在基板18處燒蝕材料的正確雷射參數。若需要，可將適宜大小的孔隙以及將孔隙成像在遮罩表面上之光學器件置於雷射束23及38之任一或兩者中，以更佳地界定遮罩處之光束的大小及形狀。
利用兩雷射之優勢在於可最佳化各雷射之性質以產生最有效的雷射燒蝕。例如，對於需要在介電質中在第一深度形成凹槽及大墊片，及接著需要穿透至銅層之小直徑介層孔的情形，較佳而言，第一雷射為高功率多模式類型以容許迅速地掃描遮罩，同時第二雷射為具有更高重複速率之低或單一模式類型，從而可更容易地形成基板處之更小的雷射光點及迅速地形成小直徑介層孔。
圖12顯示一種可最佳地使用上述製程之特徵來在基板表面中形成長且窄的結構(諸如可用於製造撓性電連接器者)的配置。圖12所示之配置與圖6所示之配置之類似處在於遮罩及基板係以相反方向移動以在區域上形成長且窄的結構，但在圖6所示之配置中，高脈衝能量雷射束係經形成為覆蓋遮罩上之圖案之全部寬度的線形光束，而在圖12所示之配置中，低脈衝能量雷射束係經形成為遮罩處之光點，其在遮罩及基板相對於掃描器以垂直於掃描方向之方向移動時(因此，組合移動導致雷射光點相對於遮罩之2D掃描)以高速度跨過遮罩之寬度掃描。對於該類型的掃描配置，掃描器42可為多邊形掃描器類型。
上述所有配置之一個主要優勢在於：由於使用固態雷射，故與加工指定面積基板相關的成本顯著低於使用準分子雷射的情況。此 外，由於相比於準分子雷射，固態雷射使用顯著更簡單及更有效的光束傳遞光學器件，故可使用更低功率之固態雷射來在指定時間內加工指定的基板。一實例為一需在0.5秒時間內藉由雷射機械加工至5微米深度之具有2cm2面積的裝置。利用0.33微米/雷射脈衝之燒蝕速率，在0.5J/cm2之能量密度下，需要傳遞總計15J之能量至基板以達成所需深度。假定固態及準分子雷射之光束傳遞透射率分別為80%及50%，則為達成要求之0.5秒加工時間，需要發射小於40W之固態雷射，而將需要具有60W輸出功率之準分子雷射。
考慮資金折舊(例如超過5年)，UV準分子雷射之一般成本為約USD100/MJ輸出能量。約60%之該成本係與氣體及消耗型部件之成本相關。相比之下，UV固態雷射之一般成本為約USD50/MJ(此成本中僅約10%與消耗型部件相關)。因此，若將雷射資本及操作成本包括在內，及考慮所需的不同雷射功率，則機械加工基板所需之40W固態雷射之操作成本約為60W等效準分子雷射之操作成本的1/3。
16‧‧‧遮罩
17‧‧‧投影透鏡
18‧‧‧基板
19‧‧‧透鏡
22‧‧‧MM UV DPSS雷射
23‧‧‧輸出光束
24‧‧‧光學器件
25‧‧‧2D掃描器單元
26‧‧‧入射光瞳

Claims (20)

  1. 一種以兩或多種深度在介電質基板之表面形成精細結構的裝置，該裝置包括：一經配置用於提供一第一脈衝雷射束的第一固態雷射；一具有一用於在第一深度界定第一組結構之圖案的第一遮罩、一用於將該圖案之經減小大小之圖像形成於基板表面上的投影透鏡及一經配置來以相對於第一遮罩之二維光柵掃描掃描該第一脈衝雷射束以在該基板中在第一深度形成第一組結構之光束掃描器，及經配置以在該基板中在第二深度形成第二組結構之該第一或另一固態雷射。
  2. 如請求項1之裝置，其中該第一固態雷射為Q-交換式連續波(CW)二極體泵送雷射。
  3. 如請求項1或2之裝置，其中該第一雷射係經配置用於發射紫外線波長範圍內的光。
  4. 如請求項1或2之裝置，其中該第一固態雷射係經配置用於發射具有於0.1mJ至100mJ範圍內之能量及於1kHz至100kHz範圍內之重複速率的脈衝。
  5. 如請求項1或2之裝置，其中該第一雷射係經配置用於發射形成圓形雷射光點之光束。
  6. 如請求項1或2之裝置，其中該第一雷射係經配置用於發射經成形以形成具有棋盤形狀之雷射光點之光束。
  7. 如請求項1或2之裝置，其具有一用於在該基板中在第二深度界定第二組特徵之第二遮罩且其可與該第一遮罩互換。
  8. 如請求項1或2之裝置，其中該投影透鏡具有至少3的放大係數。
  9. 如請求項1或2之裝置，其中該投影透鏡為遠心透鏡。
  10. 如請求項1或2之裝置，其包括一經定位以藉由該第一雷射束成像於該第一遮罩上之孔隙。
  11. 如請求項1或2之裝置，其具有一用於在該基板中在第二深度形成該第二組結構之不同於該第一固態雷射之第二固態雷射。
  12. 如請求項11之裝置，其中配置該第一、第二或另一固態雷射以在該基板中在第三深度形成第三組結構。
  13. 如請求項1或2之裝置，其中該第一遮罩包括像素之2D陣列，其透明度可以電子方式改變。
  14. 一種以兩或多種深度在介電質基板之表面中形成精細結構的方法，該方法包括兩階段製程：在第一深度界定第一組結構之第一製程及第二深度界定第二組結構之第二製程，該第一製程包括：利用第一固態雷射來提供第一脈衝雷射束；提供一具有一用於在第一深度界定第一組結構之圖案的第一遮罩、提供一用於將該圖案之經減小大小之圖像形成於基板表面上及以相對於該遮罩之二維光柵掃描掃描該第一脈衝雷射束以在該基板中在第一深度形成第一組結構的投影透鏡，該第二製程包括使用該第一或另一固態雷射來在該基板中在第二深度形成第二組結構，其中可以任何順序進行該第一及第二製程。
  15. 如請求項14之方法，其中該第二製程包括利用該第一固態雷射利用與於該第一製程中所使用者不同的雷射參數。
  16. 如請求項14之方法，其中該第二製程包括利用該第一固態雷射及一用於在該基板中在第二深度界定第二組特徵的第二遮罩，該第二遮罩可與該第一遮罩互換。
  17. 如請求項14之方法，其中該第二製程包括利用該第一固態雷射 來在該基板處擊發多個雷射脈衝，同時該基板保持靜止以在該基板中在第二深度形成第二組特徵。
  18. 如請求項14之方法，其中該第二製程包括在該第一雷射束中利用一孔隙，從而該孔隙成像於該第一遮罩上及使用該第一雷射來在該基板中在第二深度形成第二組特徵。
  19. 如請求項14之方法，其中該第二製程包括利用不同於該第一固態雷射之第二固態雷射，該第二雷射在該第一遮罩上方掃描從而在該基板中在第二深度形成第二組特徵。
  20. 如請求項14至19中任一項之方法，其中使用該第一、第二或另一固態雷射來在該基板中在第三深度形成第三組結構。
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