用於在介電基片中形成精細尺度結構的方法和設備的製作方法

2023-05-18 12:43:01

用於在介電基片中形成精細尺度結構的方法和設備的製作方法
【專利摘要】公開了一種用於在介電基片(3)的表面內形成兩個或多個深度的精細尺度結構(4，4』，4」，5，6，7，8)的設備和方法。在一個示例中，該設備包括：第一固體雷射器(12)，其被設置為提供第一脈衝雷射束(13)；第一掩模(16)，其具有用於對第一深度處的第一組結構(4，6，7，8)進行限定的圖案；投影透鏡(17)，其用於在所述基片的表面(3)上形成所述圖案的縮小尺寸圖像；以及光束掃描器，其被設置為用所述第一脈衝雷射束(13)以二維光柵掃描方式相對於所述第一掩模進行掃描以在所述基片的第一深度處形成第一組結構(4，6，7，8)，其中，所述第一固體雷射器或另一固體雷射器被設置為在所述基片(3)的第二深度處形成第二組結構(8)。
【專利說明】用於在介電基片中形成精細尺度結構的方法和設備

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用於在介電基片表面內形成精細尺度結構的設備和方法。在優選 實施例中，本發明尤其涉及：在聚合物層的上表面中順序形成窄溝槽、大面積焊盤和接地平 面結構，並且將接觸孔或通孔鑽鑿至更深的深度以達到製作基於埋地導體的多層、高密度 互聯器件的目的。

【背景技術】
[0002] 雷射器被廣泛地用在高級印刷電路板（PCBs)的製作中。一個尤其為人們所知的 示例是對多層PCB中的盲孔即所謂的微通孔進行鑽鑿。在這種情況下，紫外光（UV)固體激 光器通常被用來鑽通頂部銅層和下面的介電層以允許與下部的銅層接觸。在某些情況下， 通過使用兩種不同的雷射工藝去除兩種不同的材料來提高該工藝的成本效益。UV二極體泵 浦固體（DPSS)雷射器通常被用來在頂部銅層鑽孔以露出下部的介電層，並且在獨立的工 藝中，C02雷射器被用來去除各孔下面所暴露的介電材料。
[0003] 最近已經提出了一種新型高密度多層電路板製作技術。US2005/0041398A1和 Huemoeller等人在2006年太平洋微電子學討論會上發表的文獻"Unveiling the next generation in substrate technology (揭開新一代基片技術）"描述了"laser-embedded circuit technology (雷射嵌入式電路技術）"的概念。在這個新技術中，雷射器被用來直接 在有機介電基片中燒蝕精細溝槽、大面積焊盤以及接觸孔。所述溝槽連接到焊盤和接觸孔， 以使得在雷射構造以及後續的金屬電鍍之後，由嵌入在介電層的上表面中的精細導體和焊 盤的複雜圖案組成的第一層與由連接至下金屬層的更深接觸孔組成的第二層一起形成。關 於這個新技術進展的更多信息被呈現在2011年11月9日至11日於臺灣舉行的第12次電 子電路世界大會的文件 EU165 (David Baron)和 TW086-2 (Yuel-Ling Lee&Barbara Wood) 中。
[0004] 到目前為止，脈衝UV雷射器已被用在此類方法中以在利用直接寫入方法或掩模 成像方法的單個工藝中形成溝槽、焊盤以及接觸孔。
[0005] 所述直接寫入方法通常使用光束掃描器將來自雷射器的聚焦光束在基片表面上 移動從而劃刻出溝槽並創建焊盤和接觸孔結構。該直接寫入方法使用來自UV二極體泵浦 固體（DPSS)雷射器的具有高光束質量的高度可聚焦的光束，因此其非常適用於精細溝槽 劃刻工藝。該方法還能夠很好地處理與焊盤和接觸孔結構相關的不同層深度的要求。通 過這種方法，可易於形成不同深度的溝槽、焊盤和接觸孔。然而，由於來自高度可聚焦的 UV DPSS雷射器的有限的雷射功率，因而這個直接寫入方法在去除與更大面積焊盤和接 地平面相關的更多大體積的材料時是緩慢的。該直接寫入方法還難以在溝槽與焊盤之間 的交叉點處維持恆定深度。對適用於基於嵌入式導體來製作PCB的直接寫入雷射設備的 描述被呈現在2011年11月9日至11日於臺灣舉行的第12次電子電路世界大會的文件 TW086_9(Weiming Cheng&Mark Unrath)中。
[0006] 掩模成像方法通常使用UV準分子雷射器來對包含一層或電路設計水平的全部細 節的掩模進行照射。利用足以燒蝕介電材料的雷射脈衝水平，掩模的圖像被微縮在基片上 使得所述層上的整個區域被複製在該基片上。在某些情況下，待形成的電路較大時，掩模和 基片的相對同步運動被用於轉移整體圖案。準分子雷射掩模投影和用於覆蓋大基片區域的 相關策略已為人們所知了許多年。Proc SPIE 1997年，第3223卷，第26頁（Harvey&Rumsby) 給出了該方法的描述。
[0007] 由於在圖像傳輸過程中照射了掩模的整個區域，因此該方法對待創建的單個結構 的全部區域是不敏感的，因而很好地適用於創建精細溝槽、大面積焊盤以及接地平面。該方 法也能顯著地維持溝槽與焊盤之間的交叉點處的深度的恆定性。然而，由於燒蝕率取決於 結構尺寸，因此通過全部特徵將深度控制到高精度通常是困難的。除了在電路系統是極其 密集的情況下，該掩模成像方法的成本顯著高於所述直接寫入方法，這是因為準分子雷射 器的價格和操作成本都非常高。掩模成像也不是很靈活，因為電路的各層需要使用新的掩 模。
[0008] 後者的局限性在文獻US 2008/0145567 A1中所描述的設置中被克服。在這種情 況下，準分子雷射掃描掩模投影系統被用來形成由達到絕緣層中相同深度的溝槽和焊盤組 成的層，並且在獨立工藝中，利用由單獨光束傳輸系統傳送的第二雷射來形成穿透至下面 金屬層更深的接觸孔。這種兩步工藝是應對不同深度結構需求的一種方法。然而，該方法 仍然受到與準分子雷射器的使用相關的高成本的影響。


【發明內容】

[0009] 因此，可以看出，針對基於這種"雷射嵌入式電路技術"製作先進電路的現有處理 方法存在極大的缺點。仍需要能夠利用優化針對以非常靈活的方式創建所需的不同尺寸和 深度的結構的雷射工藝來提高加工速率並降低成本。本發明旨在提供保持掩模圖像的優勢 而避免使用高成本準分子雷射器的設備和多階段方法以滿足這些需要。
[0010] 根據本發明的第一方面，提供了一種用於在介電基片的表面內形成兩個或多個深 度的精細尺度結構的設備，該設備包括：
[0011] 第一固體雷射器，其被設置為提供第一脈衝雷射束；第一掩模，其具有用於對第一 深度處的第一組結構進行限定的圖案；投影透鏡，其用於在所述基片的表面上形成所述圖 案的縮小尺寸圖像；和，光束掃描器，其被設置為用所述第一脈衝雷射束以二維光柵掃描方 式相對於所述第一掩模進行掃描以在所述基片的第一深度處形成第一組結構；以及所述第 一固體雷射器或另一固體雷射器，其被設置為在所述基片的第二深度處形成第二組結構。
[0012] 根據本發明的另一方面，提供了一種用於在介電基片的表面內形成兩個或多個深 度的精細尺度結構的方法，該方法包括兩個階段過程：對第一深度處的第一組結構進行限 定的第一過程和對第二深度處的第二組結構進行限定的第二過程，
[0013] 所述第一過程包括：利用第一固體雷射器來提供第一脈衝雷射束；提供第一掩 模，所述第一掩模具有對第一深度處的第一組結構進行限定的圖案；提供投影透鏡，所述投 影透鏡用於在所述基片的表面上形成所述圖案的縮小尺寸圖像並用所述第一脈衝雷射束 以二維光柵掃描方式相對於所述第一掩模進行掃描以在所述基片的第一深度處形成第一 組結構；
[0014] 所述第二過程包括：使用所述第一固體雷射器或另一固體雷射器以在所述基片的 第二深度處形成第二組結構，其中，所述第一過程和第二過程可以以任意順序執行。
[0015] 因此，本發明涉及使用固體雷射器（SSL)的方法，第一過程涉及在掩模上的雷射 束的2D掃描（例如以雷射光斑的形式）以在介電基片表面內形成第一組結構以及第二過 程（其可以不同的方式執行）在介電基片表面形成第二組結構。
[0016] 雷射器的選擇能夠使掃描被高速執行，從而所述結構能在短時段內形成，並同時 避免高資本成本和/或高操作成本的需要。該方法還允許用於形成不同類型結構的各個處 理步驟被被單獨進行優化。
[0017] 本發明的關鍵優選的特徵是：
[0018] 1)用於形成精細尺度結構組的方法，該方法在後續的鍍銅處理之後，形成基於多 層、高密度、電子互聯裝置的一部分的電子線路層的"嵌入式導體"，
[0019] 2)在介電材料的表面內形成兩個或多個不同深度的結構組，每個深度利用單獨的 雷射燒蝕處理來實現。
[0020] 3)創建第一深度的第一組結構的第一過程包括以下方式：
[0021] a.第一掩模限定第一組結構；
[0022] b.投影透鏡在基片表面上形成第一掩模的縮小尺寸的圖像；
[0023] c.光束掃描單兀以2D光柵圖案在掩模上移動來自第一 Q開關CW二極體泵浦固體 雷射器（DPSS)的光束；
[0024] d.根據各雷射脈衝，基片處的雷射束內的能量密度足以燒蝕所述基片材料而不損 壞所述掩模；
[0025] e.與掩模表面的光束的2D移動軌跡聯接的掩模處的雷射光斑尺寸和形狀使得在 所述基片上的該裝置的整個區域上的第一組結構被限定為相同的第一深度，
[0026] 4)第二過程在該裝置的全部或部分上創建第二深度的第二組結構，該第二組結構 被疊加在某些或全部第一組結構上使得第二深度大於第一深度。所述第二過程使用以下方 法中的一種：
[0027] a.利用第一雷射器和第一掩模重複第一過程以限定第二組結構，但使用不同於第 一過程的雷射器參數。這可以是如圖3所示的當基片用不同的材料分層或具有施加在頂部 的保護層或犧牲層的情況。在這種情況下，第一過程雷射器對頂層材料或保護層/犧牲層 進行圖案化，並且第二過程雷射器對下面的材料層進行圖案化；
[0028] b.利用第一雷射器但採用第二掩模來重複第一過程以限定第二組結構；
[0029] c.利用第一掩模來自第一雷射器的光束通過掃描器移動到第一掩模的所選區域 並且第一雷射器激發多個脈衝使得這些所選區域受到足夠多的附加脈衝以創建具有第二 深度的第二組結構；
[0030] d.在第一雷射束中使用具有孔徑的第一掩模，所述第一雷射束通過掃描器移動到 第一掩模上的所選的透明特徵，所述孔徑被成像在掩模上，使得掩模上的圖像小於所述透 明特徵，並且激發第一雷射器使得這些所選區域受到足夠多的附加脈衝，因而第二組結構 以第二深度被形成在第一組結構內並且小於第一組結構；
[0031] e.米用不同於第一雷射器的第二雷射器利用第一掩模，來自第二雷射器的光束通 過掃描器移動到第一掩模上的所選的透明特徵並進行控制使得掩模上的光束小於所述透 明特徵，並且激發第二雷射器使得這些所選區域受到附加雷射脈衝，因而第二組結構以第 二深度被形成在第一組結構內並且小於第一組結構，
[0032] 5)如果需要另一過程，那麼另一過程在該裝置的全部或部分上創建另一深度的另 一組結構，所述另一組結構被疊加在某些或所有第一組結構或第二組結構上使得另一深度 大於第一深度或第二深度。所述另一過程使用以上4. a - 4. d段中所述的方法中的一種方 法，
[0033] 6)在某些情況下，所述第一過程可以緊接第二過程。例如，第二過程中的4. c、4. d 和4. e全都可以在第一過程之前發生並且關於在基片中形成兩個深度的兩組結構的結果 是相同的。
[0034] 用於第一過程和第二過程的掩模可包括像素點的2D陣列，其相對於雷射束的透 明度可以被電子地改變以使得整個掩模圖案可被動態地改變。
[0035] 本發明的其他優選和可選特徵將從以下描述和說明書所附的權利要求中顯而易 見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 現將僅通過示例的方式並參照附圖對本發明進行進一步地描述，其中：
[0037] 圖1為示出了在其中需要形成的結構類型的典型HDI印刷電路板的透視圖；
[0038] 圖2為與圖1類似的透視圖，其中，所述印刷電路板包括上介電層和下介電層；
[0039] 圖3為在其上形成有薄的保護層或犧牲層的另一典型印刷電路板的剖視圖；
[0040] 圖4為用於在介電層中形成嵌入式結構的已知設備的示意圖；
[0041] 圖5為用於在介電層中形成嵌入式結構的另一已知設備的示意圖；
[0042] 圖6為用於在介電層中形成嵌入式結構的又一已知設備的示意圖；
[0043] 圖7為根據本發明的實施例的用於在介電層中形成嵌入式結構的第一層的設備 的不意圖；
[0044] 圖8為用在圖7的設備中的掩模以及由此所使用的掃描軌跡的俯視圖；以及
[0045] 圖9至12為根據本發明的實施例的設備的示意圖，其示出了用於在介電基片中形 成所述結構的第二層的其他設置。

【具體實施方式】
[0046] 圖1 :示出了高密度互聯（HDI)印刷電路板（PCB)或集成電路（1C)基片的截面， 並表明了需要形成的"嵌入式"結構類型。經圖案化以形成電路的銅層1由介電芯層2來 支撐。銅層1上塗覆有上介電層3,各種結構已通過雷射燒蝕被形成在該上介電層中。溝槽 4、4'和4"、大焊盤5以及小焊盤6和7全都具有小於上介電層3的整體厚度的相同深度。 對於1C基片，所需的溝槽寬度和焊盤直徑通常分別在5到15微米以及100到300 μ m範圍 內，其深度在5到10微米範圍內。對於HDI PCB，溝槽可以更寬且更深。焊盤7內的接觸 孔（或通孔）8通過雷射燒蝕而形成更深的深度使得所有的上介電層材料被去除以露出下 面的銅層電路區域。接觸孔的深度通常可以是焊盤和溝槽深度的兩倍。
[0047] 圖2 :示出了類似於圖1的HDI PCB或1C基片的截面，但是在這種情況下，銅層上 面的所述上介電層包括兩種不同的材料層，上介電層9和下介電層10。溝槽4、4'和4"、大 焊盤5以及小焊盤6和7全都完全穿透上介電層9但沒有明顯地穿透下介電層10。接觸孔 8完全穿透下介電層10以露出下面的銅層電路區域。
[0048] 圖3 :示出了穿過HDI PCB的截面，其中，在對結構進行雷射圖案化之前，材料11的 薄的保護層和犧牲層已被塗覆到介電層3的頂側。這樣的保護層通常最多只有幾微米厚並 且其主要目的是保護介電層3的上表面在雷射燒蝕處理期間免受損害。在結構的雷射燒蝕 期間，光束穿透保護層的材料並將其下介電層3中的材料去除至所需深度。在雷射燒蝕處 理完成之後並在後續處理之前，保護層通常被去除以露出介電材料。
[0049] 圖4示出了通常用來在介電層中創建嵌入式結構的已知設備。準分子雷射器12 發出經均化器單元14塑形、經反射鏡15轉向的脈衝UV光束13並均勻地照亮整個掩模16。 投影透鏡17將該掩模的圖像微縮到電介質塗覆的基片18的表面上，使得基片18處的光束 的能量密度足以燒蝕介電材料並在層中形成與掩模圖案相對應的結構。
[0050] 透鏡19為場透鏡，其用於控制入射到透鏡17光束使其以最佳的方式執行。基於 各雷射脈衝，掩模上的圖案在電介質表面中被加工到明確限定的深度。通常，由各個雷射脈 衝加工的深度是一微米的幾分之一，所以需要多個雷射脈衝來創建具有若干微米深度的溝 槽和焊盤。如果不同深度的特徵需要被加工在基片表面中，則限定第一等級的掩模與限定 更深等級的掩模20進行交換，在此之後，重複雷射燒蝕處理。
[0051] 利用一個雷射脈衝來照亮各個掩模的全部區域以及基片上的相應區域需要來自 雷射器的高能量脈衝。例如，如果待製作的器件的尺寸是l〇Xl〇_(lcm 2)並且由於高效燒 蝕所需的脈衝能量密度大約是〇. 5J/cm2,那麼在基片處所需的每脈衝總能量是0. 5J。由於 光學系統中的損耗，因此需要來自雷射器的明顯更高的每脈衝能量。UV準分子雷射器非常 適用於該應用，這是因為其通常在低重複率、高脈衝能量下進行操作。在高達300Hz的重複 率下發出高達1J的輸出脈衝能量的準分子雷射器是易於得到的。各種光學策略已被設計 以使得能夠製造更大的器件或使得能夠使用具有較低脈衝能量的準分子雷射器。
[0052] 圖5示出了對設置波束成形光學器件21以在掩模16表面處創建線光束的情況進 行說明的現有技術。該線光束的長度足以覆蓋所述掩模的整體寬度。該線光束通過反射鏡 15的一維（1D)運動沿垂直於一直線的方向在所述掩模的表面上進行掃描。通過將反射鏡 15沿該直線從位置22移動到位置22'，所述掩模的全部區域被順序地照亮，並且相應地在 基片上待加工的全部區域被順序地處理。當移動反射鏡15時，掩模、投影透鏡以及基片全 都保持靜止。
[0053] 所述反射鏡以一速度進行移動，該速度使得正確數量的雷射脈衝能夠影響基片的 各個區域從而創建所需深度的結構。例如，對於在300Hz下操作的準分子雷射器和在基片 處具有1mm寬度的線光束，並且其中各個雷射脈衝將材料去除至〇. 5微米的深度，那麼每個 面積上需要20個雷射脈衝以創建具有10微米深度的結構。這樣的設置需要所述線光束以 15毫米/秒（15mm/ sec)的速度在基片上移動。所述掩模處的光束速度大於所述基片處的 光束速度，其係數與透鏡的微縮係數相等。
[0054] 圖6示出了另一已知的設置並說明了處理有限的雷射脈衝能量問題的替代方式。 該方式涉及以相對於靜止光束的精確連結方式來移動掩模和基片。波束成形光學器件21 形成具有橫跨掩模全寬的長度的線光束。在這種情況下，反射鏡15保持靜止並且掩模16 被線性地移動，如圖所示。為了在基片上生成掩模的精確圖像，如圖所示，有必要在與掩模 的移動相反的方向上以與成像透鏡17的縮小係數所限定的掩模速度有關的速度來移動基 片18。這樣的一維掩模和基片聯合的運動系統在用於半導體製造的準分子雷射晶片曝光工 具中已為人們所知。
[0055] 準分子雷射器在一些情況下還通過二維（2D)掩模和基片掃描方案來進行使用， 在這些情況中，待處理器件的面積非常大並且每個雷射脈衝中的能量不足以創建橫跨該器 件全寬的線光束。Proc SPIE，1996年（2921卷），第684頁描述了這樣的系統。這樣的系 統是非常複雜的，需要高度精確的掩模和工件臺控制，並且此外，在基片上掃描帶相互重疊 的區域中獲得均勻的燒蝕深度是極難控制的。
[0056] 圖7示出了根據本發明的優選形式的實施例。這與圖4、5和6所示的在其中使用 掩模投影光學系統來對基片中電路層的結構進行限制的現有技術類似，但是主要的差別在 於，使用Q開關CW二極體泵浦固體（DPSS)雷射器，而不是UV準分子雷射器。這樣的雷射 器以與準分子雷射器截然不同的方式進行操作，其發出具有低能量（例如〇. lmj到幾十毫 焦）但高（多倍kHz到100kHz)重複率的脈衝。現在多種類型的Q開關DPSS雷射器是易 於獲得的。對於本文所描述的方法，優選在UV範圍中操作的多模DPSS雷射器，因為UV更 適用於較寬範圍的介電材料的燒蝕並且成像透鏡的光學解析度與較長波長的解析度相比 具有優越性。此外，與低模或單模雷射器相比，多模（MM)雷射器產生更高的功率。其他的 具有較長波長和較低模光束輸出的脈衝DPSS雷射器也可被用在所描述的方法中。
[0057] 例如，可以使用UV MM CW二極體泵浦固體雷射器，其工作在355nm波長下，從而在 大約10kHz的重複頻率下產生20W、40W或80W的功率，因而分別產生2mJ、4mJ和8mJ的輸 出脈衝能量。另一示例是MM UV DPSS雷射器，其在6kHz重複頻率下產生40W的功率，因而 每個脈衝產生6. 7mJ的脈衝能量。又一示例是UV較低模CW二極體泵浦固體雷射器，其可 工作在355nm波長下，從而在大約100kHz的重複頻率下產生20W或28W的功率，因而分別 產生0. 2mJ和0. 28mJ的輸出脈衝能量。
[0058] 如圖7所示，麗UV DPSS雷射器22發出輸出光束23,該輸出光束23通過光學元 件24進行塑形以在掩模16處形成適當尺寸的圓形或其他形狀的光斑，使得在通過透鏡17 成像到基片表面18後，能量密度足以燒蝕基片18表面上的材料。2D掃描單元25在掩模 16上以2D光柵模式移動光斑使得掩模16的全部區域被覆蓋，並且相應地，基片18上待處 理的全部區域也被覆蓋，從而將掩模16上的圖案的圖像刻印到基片表面內。優選地，透鏡 17在成像側具有遠心性能。這意味著通過透鏡形成平行光束以使得距基片的距離的變化不 會改變圖像的尺寸。這避免了沿光軸對基片進行高精度定位的需要，並且能夠適應基片的 任意非平坦性。
[0059] 在這種設置中，透鏡19用於將掃描器25的反射鏡之間的平面成像到透鏡的入射 光瞳26中以使得遠心性能的條件被滿足。重要的是，透鏡17具有足夠的光學解析度以在介 電層的表面中精確地形成小到5μπι甚至更小的明確限定的結構。所述解析度由波長和數 值孔徑確定，並且對於355nm的雷射波長，其轉化為大約0. 15或更大的數值孔徑。針對透鏡 的另一要求是：透鏡將掩模上的圖案微縮到基片上使得基片處的雷射脈衝的能量密度足夠 高以燒蝕材料，而掩模處的能量密度足夠低使得掩模材料不被損壞，其中，所述掩模材料可 能是石英基片上圖案化的鉻層。放大倍數為3X或更大的透鏡被發現在大部分情況下是適 用的。在基片處〇. 5J/cm2的能量密度通常足以燒蝕大部分的聚合物介電材料，因此採用放 大倍數為3X的透鏡，並考慮到透鏡中的合理損耗，則掩模處相應的能量密度小於0. 07J/ cm2,該等級遠遠低於石英基片上的鉻層的損壞等級。
[0060] 圖8示出了圖7設置中所用的掩模16的俯視圖。在這種情況下，雷射束光斑27是 圓的，其沿著X和Y方向以光柵形軌跡28移動以使得掩模29的整個圖案區域被覆蓋。圖 8還示出了縮小尺寸的雷射光斑31在基片上的縮小尺寸的雷射加工區32之上所遵循的相 應的光柵路徑30。針對需要將掩模上的溝槽、焊盤和其他結構在基片的表面加工至恆定深 度的情況，重要的是，掩模的每個區域接收相同有效劑量的雷射輻射。由於掩模處的光束很 可能具有非均勻分布的能量密度，並且通過各雷射脈衝去除的基片材料的深度通常非線性 地隨著能量密度變化，因此，為了燒蝕至相同的深度，掩模表面上的光束的精確軌跡將取決 於光束形狀和光束輪廓，並且通常將通過實驗確定。
[0061] 簡單的示例是：溝槽和焊盤的複雜圖案將在介電材料的表面內被雷射加工至 5 μ m的均勻深度以形成具有14 X 14_的區域32的電子電路的第一層。所述雷射器是多模 40W UV(355nm)CW泵浦DPSS雷射器，其在10kHz的重複頻率下操作並發出脈衝，每個脈衝具 有4mJ能量，在光學損耗之後3mJ能量到達基片。基片上的典型介電材料可以在355nm處 具有燒蝕特徵，使得能量密度為〇. 5J/cm2時，每個雷射脈衝將材料去除至0. 33 μ m的深度。 為了在圓形光斑上實現這一能量密度，在基片處所需的直徑為0.87mm，並且掩模處所需的 直徑為2. 6mm(假設3 X倍的縮小倍數）。
[0062] 在燒蝕率為每雷射脈衝0. 33 μ m時，基片的每個區域需要暴露於總數為15的激 光脈衝以創建總深度為5μπι的結構。這可以通過基片表面上並且相應地掩模上各個雷射 光斑的適當重疊而被容易地實現。例如，考慮如圖7所示的掩模掃描，在雷射重複頻率為 10kHz時，X方向上5. 2m/sec的光束掃描速率使得5個脈衝雷射將被施加在沿X方向的各 個區域。如果掩模上的平行掃描線之間的Y間距被設置為光斑直徑的1/3,則在Y方向上每 個區域被施加3次照射，從而導致每個區域總共15次照射。應當理解的是，若干其他X和 Y照射重疊的組合也可以實現每個區域15次照射。
[0063] 按照整個器件區域上的結構深度的均勻性，尤其對具有非均勻能量密度分布的圓 形光束而言，這種對各個軸上光束重疊的簡單計算不太可能導致理想的結果，因此，通常有 必要通過實驗來確定每個軸上的重疊（其導致均勻燒蝕深度）。然而，當掩模處的雷射束 被光學地均勻化以提供均勻的能量密度並形成方格嵌紋形狀（例如正方形、長方形或六邊 形）時，掩模表面上的光束的軌跡可以被很容易地預測到。
[0064] 為了完成對有效掩模區域29的均勻覆蓋，有必要對超出掩模的全部四個邊緣的 至少一個雷射束光斑直徑進行掃描。對於42 X 42mm的有效掩模區域，使用上述的雷射束掃 描速度，可以實現掩模和基片的總掃描時間稍大於〇. 5秒。
[0065] 如果在基片頂部具有如圖3所示的保護層，則利用兩個不同的通量值對掩模進行 兩次完全掃描是適當的。第一掃描使用針對薄保護層的燒蝕而優化的通量並且第二掃描使 用針對下面的介電層中的更深燒蝕而優化的通量。
[0066] 如果掩模上的圖案信息不是均勻分布的，而是被定位於掩模的特定區域，則只有 這些區域需要被掃描（從而減少掩模掃描時間）。
[0067] 上述的掃描策略在介電材料中創建相同深度的結構，因而其他的要求是創建如圖 1、2或3所示的包括兩層或更多層的結構。利用上述這種類型的掩模掃描方法存在多種完 成創建的方式，並且現將對這些方式中的某些方式進行描述。
[0068] 圖9示出了創建兩層結構的最簡單的方式。第一掩模16在其全部區域上被掃描 以創建上層溝槽和焊盤結構，在此之後，將第一掩模16替換為具有與底層通孔結構相關的 圖案的第二掩模33。當然，需要對掩模進行精確配準以確保兩個雷射加工的圖案被精確地 疊加在基片的表面上。
[0069] 當底層圖案具有高密度特徵時，優選這種多次順序掃描掩模方式，使得對底層掩 模的全部或大部分所進行的掃描是高效的。另一方面，如果僅需要幾個更深特徵，例如由上 層掩模限定的位於焊盤區域內的通孔，則其他替換方法是可能的。
[0070] 圖10示出了一種用於在如圖7所示的成像設置中使用單個雷射器的方法，以使得 一些更深的特徵能被包含到器件結構中。MM UV DPSS雷射器22發出輸出光束23,該輸出 光束被光學元件34塑形以在孔徑單元35處形成適當尺寸的光斑。光學元件36將孔徑35 成像到掩模16上並且透鏡17將孔徑重新成像到基片18的表面上。在這種情況下，將層處 理至不同的深度至少在兩個階段中被執行。在第一階段中，孔徑被去除或設置為大尺寸因 而使來自雷射器的全部光束穿過或可被設置為適當的方格嵌紋形狀，並且整個掩模區域被 採用正確的光束軌跡進行掃描，使得包括全部溝槽、焊盤和其他結構的上層掩模圖案被限 定至基片中的正確深度。在第二階段中，適當尺寸的孔徑被移動到光束內以限定所需的通 孔。隨後，掃描器25在"指向並照射"的模式下進行操作從而將光束移動到對焊盤區域進 行限定的掩模16上的區域，並且所述光束保持靜止，同時發出所需數量的雷射照射用以鑽 鑿通孔以露出下面銅層或鑽鑿通孔至所需深度。在此之後，所述光束被移動到另一焊盤區 域並重複該過程。繼續該過程直到底層中的所有通孔都已被鑽鑿。不同尺寸的通孔可通過 在後續階段插入不同尺寸的孔徑進行鑽鑿。
[0071] 實現不同圖案化階段的順序也可以不同。在第一階段中在孔徑成像、指向並照射 模式下鑽鑿所有通孔，緊接著在後續的掩模掃描階段限定溝槽和焊盤是可能的。在這種情 況下，對通孔進行鑽鑿不需要穿透從基片表面到埋地銅層的全部深度，這是因為在掩模掃 描過程中將施加附加的雷射發射。
[0072] 圖11示出了一種使用兩個雷射器對更深的特徵進行鑽鑿的另一方法。第一雷射 器22,其通常是麗UV DPSS雷射器，發出由光學元件24塑形的輸出光束23以在掩模16處 形成適當尺寸的圓形或其他形狀的光斑。該第一雷射器22被用來掃描掩模以形成如上所 述的溝槽和焊盤。在波長、脈衝長度、模式結構或重複率等一個或更多個方面與雷射器22 具有不同特徵的第二雷射器37發射光束，該光束穿過光學部件39並經由反射鏡40和41 以及掃描器25被引導至掩模16的表面。反射鏡41可以是可移動型反射鏡並且具有兩個 位置，該兩個位置要麼在雷射光束23的路徑內要麼該路徑外以分別使得第二雷射束38能 夠被反射鏡41反射從而傳到掃描器或使得第一雷射光束23能夠直接傳到所述掃描器。優 選地，反射鏡41為偏振選擇型反射鏡以使得兩個雷射器光束的偏振可被設置使得來自激 光器22的雷射光束23在反射鏡41處具有P偏振，因而穿過反射鏡到掃描器或來自雷射器 37的雷射光束38在反射鏡41處具有S偏振因而被反射到掃描器。
[0073] 適用於該第二雷射器處理的雷射器的示例通常與上述針對第一雷射器處理的激 光器相同，但是當第二雷射器需要製作小直徑通孔時，具有低模輸出、提供低功率的雷射器 可能是令人滿意的。
[0074] 光學部件39對雷射光束38進行塑形或聚焦以使得其在掩模處的性能使得用於燒 蝕基片處材料的正確的雷射器參數可被實現。如果需要孔徑，則適當尺寸的孔徑連同用來 將該孔徑成像到掩模表面上的光學器件可被放置在雷射光束23和38中的一個或兩者中以 更好地限定掩模處的光束的尺寸和形狀。
[0075] 使用兩個雷射器的優點在於，每個雷射器的特徵可被最優化以提供最高效的雷射 燒蝕。例如，針對需要在電介質中將溝槽和大焊盤形成至第一深度並且隨後需要穿透至銅 層的小直徑通孔的情況，優選的是，第一雷射器是高功率多模雷射器以使得掩模能夠被快 速掃描，而第二雷射器是具有高重複率的低模或單模雷射器，以使得基片處的較小雷射光 斑能夠被更易形成並且小直徑的通孔能被快速形成。
[0076] 圖12示出了一種設置，在該設置中，上述處理的特徵可被最好地用來在基片的表 面形成長且窄的結構，例如適用於製作靈活的電連接器。如圖12所示的設置與圖6所示的 設置類似，因為在這兩種設置中掩模和基片兩者被以相反的方向移動以在區域上形成長且 窄的結構，但在圖6所示的設置中，高脈衝能量雷射光束被形成為覆蓋掩模上圖案的全寬 的線光束，然而在圖12所示的設置中，低脈衝能量雷射光束被形成為掩模處的光斑，隨著 掩模和基片以垂直於掃描方向的方向相對於掃描器進行移動（因而該組合的移動導致了 相對於掩模對雷射光斑的2D掃描），該雷射光束橫跨掩模的全寬被高速掃描。針對這種類 型的掃描設置，掃描器42可以是多邊形掃描器。
[0077] 上述所有設置的主要優點在於，由於使用固體雷射器，與處理基片的給定區域相 關的成本遠低於使用準分子雷射器時的成本。此外，與準分子雷射器相比，由於明顯更簡單 且更高效的與固體雷射器並用的光束傳輸光學元件，低功率固體雷射器可被用來在給定的 時間內處理給定的基片。一個示例是面積為2cm 2的器件，其需要通過雷射器在0. 5秒內被 加工到5微米的深度。以0. 5J/cm2能量密度處每雷射脈衝0. 33微米的燒蝕率，則15J的 總能量需要被傳送到基片區域以實現所需的深度。假設針對固體雷射器和準分子雷射器的 光束傳送傳輸率分別為80%和50%，要實現所需0. 5秒的處理時間需要發射功率小於40W 的固體雷射器，而需要具有60W輸出功率的準分子雷射器。
[0078] 將資本折舊（例如超過5年）考慮在內，UV準分子雷射器的成本通常約為100美 元/MJ輸出能量。該成本的大約60%與氣體和消耗零件的成本相關。相比之下，UV固體激 光器通常的成本約為50美元/MJ (只有大約該成本的10 %與消耗零件相關）。因此，如果將 兩種雷射器的資本和操作成本包括在內，並且考慮到所需的不同雷射器功率，則加工基片 所需的40W固體雷射器的操作成本約是等效的60W準分子雷射器的操作成本的三分之一。
【權利要求】
1. 一種用於在介電基片的表面內形成兩個或多個深度的精細尺度結構的設備，該設備 包括： 第一固體雷射器，其被設置為提供第一脈衝雷射束； 第一掩模，其具有用於對第一深度處的第一組結構進行限定的圖案；投影透鏡，其用於 在所述基片的表面上形成所述圖案的縮小尺寸圖像；和，光束掃描器，其被設置為用所述第 一脈衝雷射束以二維光柵掃描方式相對於所述第一掩模進行掃描以在所述基片的第一深 度處形成第一組結構；以及 所述第一固體雷射器或另一固體雷射器，其被設置為在所述基片的第二深度處形成第 二組結構。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中，所述第一固體雷射器是Q開關連續波（CW)二極 管泵浦雷射器。
3. 根據權利要求1或2所述的設備，其中，所述第一雷射器被設置為發出紫外線波長範 圍內的光。
4. 根據權利要求1、2或3所述的設備，其中，所述第一固體雷射器被設置為發出具有 0. lmj到lOOmJ範圍內的能量和1kHz到100kHz範圍內的重複率的脈衝。
5. 根據任一前述權利要求所述的設備，其中，所述第一雷射器被設置為發出形成圓形 雷射光斑的光束。
6. 根據權利要求1至4中任一項所述的設備，其中，所述第一雷射器被設置為發出一被 塑形以形成具有方格嵌紋形狀的雷射光斑的光束。
7. 根據任一前述權利要求所述的設備，其具有第二掩模，所述第二掩模用於對所述基 片中第二深度處的第二組特徵進行限定，並且所述第二掩模與所述第一掩模是可互換的。
8. 根據任一前述權利要求所述的設備，其中，所述投影透鏡具有至少三倍的放大倍數。
9. 根據任一前述權利要求所述的設備，其中，所述投影透鏡是遠心透鏡。
10. 根據任一前述權利要求所述的設備，包括：被定位成由所述第一雷射束成像到所 述第一掩模上的孔徑。
11. 根據任一前述權利要求所述的設備，其具有不同於所述第一固體雷射器的第二固 體雷射器以在所述基片中的第二深度處形成所述第二組結構。
12. 根據任一前述權利要求所述的設備，其中，所述第一固體雷射器、所述第二固體激 光器或另一固體雷射器被設置為在所述基片中的第三深度處形成第三組結構。
13. 根據任一前述權利要求所述的設備，其中，所述第一掩模包括透明度可被電子地改 變的像素的2D陣列。
14. 一種用於在介電基片的表面內形成兩個或多個深度的精細尺度結構的方法，該方 法包括兩階段過程： 對第一深度處的第一組結構進行限定的第一過程和對第二深度處的第二組結構進行 限定的第二過程，所述第一過程包括：利用第一固體雷射器來提供第一脈衝雷射束； 提供第一掩模，所述第一掩模具有對第一深度處的第一組結構進行限定的圖案；提供 投影透鏡，所述投影透鏡用於在所述基片的表面上形成所述圖案的縮小尺寸圖像並用所述 第一脈衝雷射束以二維光柵掃描方式相對於所述第一掩模進行掃描以在所述基片的第一 深度處形成第一組結構；所述第二過程包括：使用所述第一固體雷射器或另一固體雷射器 以在所述基片的第二深度處形成第二組結構，其中，所述第一過程和第二過程可以以任意 順序執行。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述第二過程包括：對採用不同於所述第一過 程中所用的雷射器參數的所述第一固體雷射器的使用。
16. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述第二過程包括：對所述第一固體雷射器和 用於對所述基片中第二深度處的第二組特徵進行限定的第二掩模的使用，所述第二掩模與 所述第一掩模是可互換的。
17. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述第二過程包括：在所述基片保持靜止的同 時利用所述第一固體雷射器在所述基片處激發多個雷射脈衝以在所述基片中的第二深度 處形成第二組特徵。
18. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述第二過程包括：在所述第一雷射光束中使 用孔徑，從而使所述孔徑被成像到所述第一掩模上並且所述第一雷射器被用來在所述基片 中的第二深度處形成第二組特徵。
19. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述第二過程包括：使用不同於所述第一固體 雷射器的第二固體雷射器，所述第二雷射器通過所述第一掩模進行掃描以在所述基片中的 第二深度處形成第二組特徵。
20. 根據權利要求14至19中任一項所述的方法，其中，所述第一固體雷射器、所述第二 固體雷射器或另一固體雷射器被用來在所述基片中的第三深度處形成第三組結構。
21. -種用於在介電基片的表面內形成兩個或多個深度的精細尺度結構的設備，該設 備基本上如以上參照附圖7至12中的一個或更多個附圖所描述的那樣和/或如附圖7至 12中的一個或更多個附圖所示出的那樣。
22. -種用於在介電基片的表面內形成兩個或多個深度的精細尺度結構的方法，該方 法基本上如以上參照附圖7至12中的一個或更多個附圖所描述的那樣。
【文檔編號】B23K26/06GK104105569SQ201380007619
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月19日 優先權日:2012年11月2日
【發明者】D·C·米爾恩, P·T·路姆斯比, 大衛·託馬斯·埃德蒙·邁爾斯 申請人:萬佳雷射有限公司