用于在介電基片中形成精細尺度結(jié)構(gòu)的方法和設備的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于在介電基片(3)的表面內(nèi)形成兩個或多個深度的精細尺度結(jié)構(gòu)(4，4’，4”，5，6，7，8)的設備和方法。在一個示例中，該設備包括：第一固體激光器(12)，其被設置為提供第一脈沖激光束(13)；第一掩模(16)，其具有用于對第一深度處的第一組結(jié)構(gòu)(4，6，7，8)進行限定的圖案；投影透鏡(17)，其用于在所述基片的表面(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沖激光束(13)以二維光柵掃描方式相對于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(jié)構(gòu)(4，6，7，8)，其中，所述第一固體激光器或另一固體激光器被設置為在所述基片(3)的第二深度處形成第二組結(jié)構(gòu)(8)。
【專利說明】用于在介電基片中形成精細尺度結(jié)構(gòu)的方法和設備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于在介電基片表面內(nèi)形成精細尺度結(jié)構(gòu)的設備和方法。在優(yōu)選 實施例中，本發(fā)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(jié)構(gòu)，并且將接觸孔或通孔鉆鑿至更深的深度以達到制作基于埋地導體的多層、高密度 互聯(lián)器件的目的。

【背景技術(shù)】
[0002] 激光器被廣泛地用在高級印刷電路板（PCBs)的制作中。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鉆鑿。在這種情況下，紫外光（UV)固體激 光器通常被用來鉆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激光工藝去除兩種不同的材料來提高該工藝的成本效益。UV二極管泵 浦固體（DPSS)激光器通常被用來在頂部銅層鉆孔以露出下部的介電層，并且在獨立的工 藝中，C02激光器被用來去除各孔下面所暴露的介電材料。
[0003] 最近已經(jīng)提出了一種新型高密度多層電路板制作技術(shù)。US2005/0041398A1和 Huemoeller等人在2006年太平洋微電子學討論會上發(fā)表的文獻"Unveiling the next generation in substrate technology (揭開新一代基片技術(shù)）"描述了"laser-embedded circuit technology (激光嵌入式電路技術(shù)）"的概念。在這個新技術(shù)中，激光器被用來直接 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， 以使得在激光構(gòu)造以及后續(xù)的金屬電鍍之后，由嵌入在介電層的上表面中的精細導體和焊 盤的復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(guān) 于這個新技術(shù)進展的更多信息被呈現(xiàn)在2011年11月9日至11日于臺灣舉行的第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，脈沖UV激光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激光器的聚焦光束在基片表面上 移動從而劃刻出溝槽并創(chuàng)建焊盤和接觸孔結(jié)構(gòu)。該直接寫入方法使用來自UV二極管泵浦 固體（DPSS)激光器的具有高光束質(zhì)量的高度可聚焦的光束，因此其非常適用于精細溝槽 劃刻工藝。該方法還能夠很好地處理與焊盤和接觸孔結(jié)構(gòu)相關(guān)的不同層深度的要求。通 過這種方法，可易于形成不同深度的溝槽、焊盤和接觸孔。然而，由于來自高度可聚焦的 UV DPSS激光器的有限的激光功率，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(guān)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 的交叉點處維持恒定深度。對適用于基于嵌入式導體來制作PCB的直接寫入激光設備的 描述被呈現(xiàn)在2011年11月9日至11日于臺灣舉行的第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準分子激光器來對包含一層或電路設計水平的全部細 節(jié)的掩模進行照射。利用足以燒蝕介電材料的激光脈沖水平，掩模的圖像被微縮在基片上 使得所述層上的整個區(qū)域被復制在該基片上。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于轉(zhuǎn)移整體圖案。準分子激光掩模投影和用于覆蓋大基片區(qū)域的 相關(guān)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] 由于在圖像傳輸過程中照射了掩模的整個區(qū)域，因此該方法對待創(chuàng)建的單個結(jié)構(gòu) 的全部區(qū)域是不敏感的，因而很好地適用于創(chuàng)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恒定性。然而，由于燒蝕率取決于 結(jié)構(gòu)尺寸，因此通過全部特征將深度控制到高精度通常是困難的。除了在電路系統(tǒng)是極其 密集的情況下，該掩模成像方法的成本顯著高于所述直接寫入方法，這是因為準分子激光 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] 后者的局限性在文獻US 2008/0145567 A1中所描述的設置中被克服。在這種情 況下，準分子激光掃描掩模投影系統(tǒng)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，并且在獨立工藝中，利用由單獨光束傳輸系統(tǒng)傳送的第二激光來形成穿透至下面 金屬層更深的接觸孔。這種兩步工藝是應對不同深度結(jié)構(gòu)需求的一種方法。然而，該方法 仍然受到與準分子激光器的使用相關(guān)的高成本的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 因此，可以看出，針對基于這種"激光嵌入式電路技術(shù)"制作先進電路的現(xiàn)有處理 方法存在極大的缺點。仍需要能夠利用優(yōu)化針對以非常靈活的方式創(chuàng)建所需的不同尺寸和 深度的結(jié)構(gòu)的激光工藝來提高加工速率并降低成本。本發(fā)明旨在提供保持掩模圖像的優(yōu)勢 而避免使用高成本準分子激光器的設備和多階段方法以滿足這些需要。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于在介電基片的表面內(nèi)形成兩個或多個深 度的精細尺度結(jié)構(gòu)的設備，該設備包括：
[0011] 第一固體激光器，其被設置為提供第一脈沖激光束；第一掩模，其具有用于對第一 深度處的第一組結(jié)構(gòu)進行限定的圖案；投影透鏡，其用于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沖激光束以二維光柵掃描方 式相對于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(jié)構(gòu)；以及所述第 一固體激光器或另一固體激光器，其被設置為在所述基片的第二深度處形成第二組結(jié)構(gòu)。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于在介電基片的表面內(nèi)形成兩個或多個深 度的精細尺度結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行限 定的第一過程和對第二深度處的第二組結(jié)構(gòu)進行限定的第二過程，
[0013] 所述第一過程包括：利用第一固體激光器來提供第一脈沖激光束；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(jié)構(gòu)進行限定的圖案；提供投影透鏡，所述投 影透鏡用于在所述基片的表面上形成所述圖案的縮小尺寸圖像并用所述第一脈沖激光束 以二維光柵掃描方式相對于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(jié)構(gòu)；
[0014] 所述第二過程包括：使用所述第一固體激光器或另一固體激光器以在所述基片的 第二深度處形成第二組結(jié)構(gòu)，其中，所述第一過程和第二過程可以以任意順序執(zhí)行。
[0015] 因此，本發(fā)明涉及使用固體激光器（SSL)的方法，第一過程涉及在掩模上的激光 束的2D掃描（例如以激光光斑的形式）以在介電基片表面內(nèi)形成第一組結(jié)構(gòu)以及第二過 程（其可以不同的方式執(zhí)行）在介電基片表面形成第二組結(jié)構(gòu)。
[0016] 激光器的選擇能夠使掃描被高速執(zhí)行，從而所述結(jié)構(gòu)能在短時段內(nèi)形成，并同時 避免高資本成本和/或高操作成本的需要。該方法還允許用于形成不同類型結(jié)構(gòu)的各個處 理步驟被被單獨進行優(yōu)化。
[0017] 本發(fā)明的關(guān)鍵優(yōu)選的特征是：
[0018] 1)用于形成精細尺度結(jié)構(gòu)組的方法，該方法在后續(xù)的鍍銅處理之后，形成基于多 層、高密度、電子互聯(lián)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(nèi)形成兩個或多個不同深度的結(jié)構(gòu)組，每個深度利用單獨的 激光燒蝕處理來實現(xiàn)。
[0020] 3)創(chuàng)建第一深度的第一組結(jié)構(gòu)的第一過程包括以下方式：
[0021] a.第一掩模限定第一組結(jié)構(gòu)；
[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(guān)CW二極管泵浦固體 激光器（DPSS)的光束；
[0024] d.根據(jù)各激光脈沖，基片處的激光束內(nèi)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(lián)接的掩模處的激光光斑尺寸和形狀使得在 所述基片上的該裝置的整個區(qū)域上的第一組結(jié)構(gòu)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(chuàng)建第二深度的第二組結(jié)構(gòu)，該第二組結(jié)構(gòu) 被疊加在某些或全部第一組結(jié)構(gòu)上使得第二深度大于第一深度。所述第二過程使用以下方 法中的一種：
[0027] a.利用第一激光器和第一掩模重復第一過程以限定第二組結(jié)構(gòu)，但使用不同于第 一過程的激光器參數(shù)。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，第一過程激光器對頂層材料或保護層/犧牲層 進行圖案化，并且第二過程激光器對下面的材料層進行圖案化；
[0028] b.利用第一激光器但采用第二掩模來重復第一過程以限定第二組結(jié)構(gòu)；
[0029] c.利用第一掩模來自第一激光器的光束通過掃描器移動到第一掩模的所選區(qū)域 并且第一激光器激發(fā)多個脈沖使得這些所選區(qū)域受到足夠多的附加脈沖以創(chuàng)建具有第二 深度的第二組結(jié)構(gòu)；
[0030] d.在第一激光束中使用具有孔徑的第一掩模，所述第一激光束通過掃描器移動到 第一掩模上的所選的透明特征，所述孔徑被成像在掩模上，使得掩模上的圖像小于所述透 明特征，并且激發(fā)第一激光器使得這些所選區(qū)域受到足夠多的附加脈沖，因而第二組結(jié)構(gòu) 以第二深度被形成在第一組結(jié)構(gòu)內(nèi)并且小于第一組結(jié)構(gòu)；
[0031] e.米用不同于第一激光器的第二激光器利用第一掩模，來自第二激光器的光束通 過掃描器移動到第一掩模上的所選的透明特征并進行控制使得掩模上的光束小于所述透 明特征，并且激發(fā)第二激光器使得這些所選區(qū)域受到附加激光脈沖，因而第二組結(jié)構(gòu)以第 二深度被形成在第一組結(jié)構(gòu)內(nèi)并且小于第一組結(jié)構(gòu)，
[0032] 5)如果需要另一過程，那么另一過程在該裝置的全部或部分上創(chuàng)建另一深度的另 一組結(jié)構(gòu)，所述另一組結(jié)構(gòu)被疊加在某些或所有第一組結(jié)構(gòu)或第二組結(jié)構(gòu)上使得另一深度 大于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(fā)生并且關(guān)于在基片中形成兩個深度的兩組結(jié)構(gòu)的結(jié)果 是相同的。
[0034] 用于第一過程和第二過程的掩?？砂ㄏ袼攸c的2D陣列，其相對于激光束的透 明度可以被電子地改變以使得整個掩模圖案可被動態(tài)地改變。
[0035] 本發(fā)明的其他優(yōu)選和可選特征將從以下描述和說明書所附的權(quán)利要求中顯而易 見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 現(xiàn)將僅通過示例的方式并參照附圖對本發(fā)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(jié)構(gòu)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為用于在介電層中形成嵌入式結(jié)構(gòu)的已知設備的示意圖；
[0041] 圖5為用于在介電層中形成嵌入式結(jié)構(gòu)的另一已知設備的示意圖；
[0042] 圖6為用于在介電層中形成嵌入式結(jié)構(gòu)的又一已知設備的示意圖；
[0043] 圖7為根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于在介電層中形成嵌入式結(jié)構(gòu)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(jù)本發(fā)明的實施例的設備的示意圖，其示出了用于在介電基片中形 成所述結(jié)構(gòu)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(lián)（HDI)印刷電路板（PCB)或集成電路（1C)基片的截面， 并表明了需要形成的"嵌入式"結(jié)構(gòu)類型。經(jīng)圖案化以形成電路的銅層1由介電芯層2來 支撐。銅層1上涂覆有上介電層3,各種結(jié)構(gòu)已通過激光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全都具有小于上介電層3的整體厚度的相同深度。 對于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范圍 內(nèi)，其深度在5到10微米范圍內(nèi)。對于HDI PCB，溝槽可以更寬且更深。焊盤7內(nèi)的接觸 孔（或通孔）8通過激光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(qū)域。接觸孔的深度通?？梢允呛副P和溝槽深度的兩倍。
[0047] 圖2 :示出了類似于圖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(qū)域。
[0048] 圖3 :示出了穿過HDI PCB的截面，其中，在對結(jié)構(gòu)進行激光圖案化之前，材料11的 薄的保護層和犧牲層已被涂覆到介電層3的頂側(cè)。這樣的保護層通常最多只有幾微米厚并 且其主要目的是保護介電層3的上表面在激光燒蝕處理期間免受損害。在結(jié)構(gòu)的激光燒蝕 期間，光束穿透保護層的材料并將其下介電層3中的材料去除至所需深度。在激光燒蝕處 理完成之后并在后續(xù)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(chuàng)建嵌入式結(jié)構(gòu)的已知設備。準分子激光器12 發(fā)出經(jīng)均化器單元14塑形、經(jīng)反射鏡15轉(zhuǎn)向的脈沖UV光束13并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(zhì)涂覆的基片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并在層中形成與掩模圖案相對應的結(jié)構(gòu)。
[0050] 透鏡19為場透鏡，其用于控制入射到透鏡17光束使其以最佳的方式執(zhí)行?；?各激光脈沖，掩模上的圖案在電介質(zhì)表面中被加工到明確限定的深度。通常，由各個激光脈 沖加工的深度是一微米的幾分之一，所以需要多個激光脈沖來創(chuàng)建具有若干微米深度的溝 槽和焊盤。如果不同深度的特征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，在此之后，重復激光燒蝕處理。
[0051] 利用一個激光脈沖來照亮各個掩模的全部區(qū)域以及基片上的相應區(qū)域需要來自 激光器的高能量脈沖。例如，如果待制作的器件的尺寸是l〇Xl〇_(lcm 2)并且由于高效燒 蝕所需的脈沖能量密度大約是〇. 5J/cm2,那么在基片處所需的每脈沖總能量是0. 5J。由于 光學系統(tǒng)中的損耗，因此需要來自激光器的明顯更高的每脈沖能量。UV準分子激光器非常 適用于該應用，這是因為其通常在低重復率、高脈沖能量下進行操作。在高達300Hz的重復 率下發(fā)出高達1J的輸出脈沖能量的準分子激光器是易于得到的。各種光學策略已被設計 以使得能夠制造更大的器件或使得能夠使用具有較低脈沖能量的準分子激光器。
[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(chuàng)建線光束的情況進 行說明的現(xiàn)有技術(shù)。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)運動沿垂直于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(qū)域被順序地照亮，并且相應地在 基片上待加工的全部區(qū)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(shù)量的激光脈沖能夠影響基片的 各個區(qū)域從而創(chuàng)建所需深度的結(jié)構(gòu)。例如，對于在300Hz下操作的準分子激光器和在基片 處具有1mm寬度的線光束，并且其中各個激光脈沖將材料去除至〇. 5微米的深度，那么每個 面積上需要20個激光脈沖以創(chuàng)建具有10微米深度的結(jié)構(gòu)。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于所述基片處的 光束速度，其系數(shù)與透鏡的微縮系數(shù)相等。
[0054] 圖6示出了另一已知的設置并說明了處理有限的激光脈沖能量問題的替代方式。 該方式涉及以相對于靜止光束的精確鏈接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保持靜止并且掩模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的縮小系數(shù)所限定的掩模速度有關(guān)的速度來移動基 片18。這樣的一維掩模和基片聯(lián)合的運動系統(tǒng)在用于半導體制造的準分子激光晶片曝光工 具中已為人們所知。
[0055] 準分子激光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并且每個激光脈沖中的能量不足以創(chuàng)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(tǒng)。這樣的系 統(tǒng)是非常復雜的，需要高度精確的掩模和工件臺控制，并且此外，在基片上掃描帶相互重疊 的區(qū)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(jù)本發(fā)明的優(yōu)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(tǒng)來對基片中電路層的結(jié)構(gòu)進行限制的現(xiàn)有技術(shù)類似，但是主要的差別在 于，使用Q開關(guān)CW二極管泵浦固體（DPSS)激光器，而不是UV準分子激光器。這樣的激光 器以與準分子激光器截然不同的方式進行操作，其發(fā)出具有低能量（例如〇. lmj到幾十毫 焦）但高（多倍kHz到100kHz)重復率的脈沖。現(xiàn)在多種類型的Q開關(guān)DPSS激光器是易 于獲得的。對于本文所描述的方法，優(yōu)選在UV范圍中操作的多模DPSS激光器，因為UV更 適用于較寬范圍的介電材料的燒蝕并且成像透鏡的光學分辨率與較長波長的分辨率相比 具有優(yōu)越性。此外，與低?；騿文＜す馄飨啾龋嗄＃∕M)激光器產(chǎn)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沖DPSS激光器也可被用在所描述的方法中。
[0057] 例如，可以使用UV MM CW二極管泵浦固體激光器，其工作在355nm波長下，從而在 大約10kHz的重復頻率下產(chǎn)生20W、40W或80W的功率，因而分別產(chǎn)生2mJ、4mJ和8mJ的輸 出脈沖能量。另一示例是MM UV DPSS激光器，其在6kHz重復頻率下產(chǎn)生40W的功率，因而 每個脈沖產(chǎn)生6. 7mJ的脈沖能量。又一示例是UV較低模CW二極管泵浦固體激光器，其可 工作在355nm波長下，從而在大約100kHz的重復頻率下產(chǎn)生20W或28W的功率，因而分別 產(chǎn)生0. 2mJ和0. 28mJ的輸出脈沖能量。
[0058] 如圖7所示，麗UV DPSS激光器22發(fā)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后，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(qū)域被覆蓋，并且相應地，基片18上待處 理的全部區(qū)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(nèi)。優(yōu)選地，透鏡 17在成像側(cè)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，并且能夠適應基片的 任意非平坦性。
[0059] 在這種設置中，透鏡19用于將掃描器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具有足夠的光學分辨率以在介 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(jié)構(gòu)。所述分辨率由波長和數(shù) 值孔徑確定，并且對于355nm的激光波長，其轉(zhuǎn)化為大約0. 15或更大的數(shù)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激光脈沖的能量密度足夠 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(shù)為3X或更大的透鏡被發(fā)現(xiàn)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，因此采用放 大倍數(shù)為3X的透鏡，并考慮到透鏡中的合理損耗，則掩模處相應的能量密度小于0. 07J/ cm2,該等級遠遠低于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，激光束光斑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(qū)域被覆蓋。圖 8還示出了縮小尺寸的激光光斑31在基片上的縮小尺寸的激光加工區(qū)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(jié)構(gòu)在基片的表面加工至恒定深 度的情況，重要的是，掩模的每個區(qū)域接收相同有效劑量的激光輻射。由于掩模處的光束很 可能具有非均勻分布的能量密度，并且通過各激光脈沖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 于光束形狀和光束輪廓，并且通常將通過實驗確定。
[0061] 簡單的示例是：溝槽和焊盤的復雜圖案將在介電材料的表面內(nèi)被激光加工至 5 μ m的均勻深度以形成具有14 X 14_的區(qū)域32的電子電路的第一層。所述激光器是多模 40W UV(355nm)CW泵浦DPSS激光器，其在10kHz的重復頻率下操作并發(fā)出脈沖，每個脈沖具 有4mJ能量，在光學損耗之后3mJ能量到達基片?；系牡湫徒殡姴牧峡梢栽?55nm處 具有燒蝕特征，使得能量密度為〇. 5J/cm2時，每個激光脈沖將材料去除至0. 33 μ m的深度。 為了在圓形光斑上實現(xiàn)這一能量密度，在基片處所需的直徑為0.87mm，并且掩模處所需的 直徑為2. 6mm(假設3 X倍的縮小倍數(shù)）。
[0062] 在燒蝕率為每激光脈沖0. 33 μ m時，基片的每個區(qū)域需要暴露于總數(shù)為15的激 光脈沖以創(chuàng)建總深度為5μπι的結(jié)構(gòu)。這可以通過基片表面上并且相應地掩模上各個激光 光斑的適當重疊而被容易地實現(xiàn)。例如，考慮如圖7所示的掩模掃描，在激光重復頻率為 10kHz時，X方向上5. 2m/sec的光束掃描速率使得5個脈沖激光將被施加在沿X方向的各 個區(qū)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(qū)域被施加3次照射，從而導致每個區(qū)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(xiàn)每個區(qū)域15次照射。
[0063] 按照整個器件區(qū)域上的結(jié)構(gòu)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(jié)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，當掩模處的激光束 被光學地均勻化以提供均勻的能量密度并形成方格嵌紋形狀（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(qū)域29的均勻覆蓋，有必要對超出掩模的全部四個邊緣的 至少一個激光束光斑直徑進行掃描。對于42 X 42mm的有效掩模區(qū)域，使用上述的激光束掃 描速度，可以實現(xiàn)掩模和基片的總掃描時間稍大于〇. 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?shù)?。第一掃描使用針對薄保護層的燒蝕而優(yōu)化的通量并且第二掃描使 用針對下面的介電層中的更深燒蝕而優(yōu)化的通量。
[0066] 如果掩模上的圖案信息不是均勻分布的，而是被定位于掩模的特定區(qū)域，則只有 這些區(qū)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(chuàng)建相同深度的結(jié)構(gòu)，因而其他的要求是創(chuàng)建如圖 1、2或3所示的包括兩層或更多層的結(jié)構(gòu)。利用上述這種類型的掩模掃描方法存在多種完 成創(chuàng)建的方式，并且現(xiàn)將對這些方式中的某些方式進行描述。
[0068] 圖9示出了創(chuàng)建兩層結(jié)構(gòu)的最簡單的方式。第一掩模16在其全部區(qū)域上被掃描 以創(chuàng)建上層溝槽和焊盤結(jié)構(gòu)，在此之后，將第一掩模16替換為具有與底層通孔結(jié)構(gòu)相關(guān)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激光加工的圖案被精確地 疊加在基片的表面上。
[0069] 當?shù)讓訄D案具有高密度特征時，優(yōu)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征，例如由上 層掩模限定的位于焊盤區(qū)域內(nèi)的通孔，則其他替換方法是可能的。
[0070] 圖10示出了一種用于在如圖7所示的成像設置中使用單個激光器的方法，以使得 一些更深的特征能被包含到器件結(jié)構(gòu)中。MM UV DPSS激光器22發(fā)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上并且透鏡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(zhí)行。在第一階段中，孔徑被去除或設置為大尺寸因 而使來自激光器的全部光束穿過或可被設置為適當?shù)姆礁袂都y形狀，并且整個掩模區(qū)域被 采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(jié)構(gòu)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(nèi)以限定所需的通 孔。隨后，掃描器25在"指向并照射"的模式下進行操作從而將光束移動到對焊盤區(qū)域進 行限定的掩模16上的區(qū)域，并且所述光束保持靜止，同時發(fā)出所需數(shù)量的激光照射用以鉆 鑿通孔以露出下面銅層或鉆鑿通孔至所需深度。在此之后，所述光束被移動到另一焊盤區(qū) 域并重復該過程。繼續(xù)該過程直到底層中的所有通孔都已被鉆鑿。不同尺寸的通孔可通過 在后續(xù)階段插入不同尺寸的孔徑進行鉆鑿。
[0071] 實現(xiàn)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、指向并照射 模式下鉆鑿所有通孔，緊接著在后續(xù)的掩模掃描階段限定溝槽和焊盤是可能的。在這種情 況下，對通孔進行鉆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激光發(fā)射。
[0072] 圖11示出了一種使用兩個激光器對更深的特征進行鉆鑿的另一方法。第一激光 器22,其通常是麗UV DPSS激光器，發(fā)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。該第一激光器22被用來掃描掩模以形成如上所 述的溝槽和焊盤。在波長、脈沖長度、模式結(jié)構(gòu)或重復率等一個或更多個方面與激光器22 具有不同特征的第二激光器37發(fā)射光束，該光束穿過光學部件39并經(jīng)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并且具有兩個 位置，該兩個位置要么在激光光束23的路徑內(nèi)要么該路徑外以分別使得第二激光束38能 夠被反射鏡41反射從而傳到掃描器或使得第一激光光束23能夠直接傳到所述掃描器。優(yōu) 選地，反射鏡41為偏振選擇型反射鏡以使得兩個激光器光束的偏振可被設置使得來自激 光器22的激光光束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激光器 37的激光光束38在反射鏡41處具有S偏振因而被反射到掃描器。
[0073] 適用于該第二激光器處理的激光器的示例通常與上述針對第一激光器處理的激 光器相同，但是當?shù)诙す馄餍枰谱餍≈睆酵讜r，具有低模輸出、提供低功率的激光器 可能是令人滿意的。
[0074] 光學部件39對激光光束38進行塑形或聚焦以使得其在掩模處的性能使得用于燒 蝕基片處材料的正確的激光器參數(shù)可被實現(xiàn)。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激光光束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] 使用兩個激光器的優(yōu)點在于，每個激光器的特征可被最優(yōu)化以提供最高效的激光 燒蝕。例如，針對需要在電介質(zhì)中將溝槽和大焊盤形成至第一深度并且隨后需要穿透至銅 層的小直徑通孔的情況，優(yōu)選的是，第一激光器是高功率多模激光器以使得掩模能夠被快 速掃描，而第二激光器是具有高重復率的低?；騿文＜す馄鳎允沟没幍妮^小激光光 斑能夠被更易形成并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，上述處理的特征可被最好地用來在基片的表 面形成長且窄的結(jié)構(gòu)，例如適用于制作靈活的電連接器。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(qū)域上形成長且 窄的結(jié)構(gòu)，但在圖6所示的設置中，高脈沖能量激光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，低脈沖能量激光光束被形成為掩模處的光斑，隨著 掩模和基片以垂直于掃描方向的方向相對于掃描器進行移動（因而該組合的移動導致了 相對于掩模對激光光斑的2D掃描），該激光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(yōu)點在于，由于使用固體激光器，與處理基片的給定區(qū)域相 關(guān)的成本遠低于使用準分子激光器時的成本。此外，與準分子激光器相比，由于明顯更簡單 且更高效的與固體激光器并用的光束傳輸光學元件，低功率固體激光器可被用來在給定的 時間內(nèi)處理給定的基片。一個示例是面積為2cm 2的器件，其需要通過激光器在0. 5秒內(nèi)被 加工到5微米的深度。以0. 5J/cm2能量密度處每激光脈沖0. 33微米的燒蝕率，則15J的 總能量需要被傳送到基片區(qū)域以實現(xiàn)所需的深度。假設針對固體激光器和準分子激光器的 光束傳送傳輸率分別為80%和50%，要實現(xiàn)所需0. 5秒的處理時間需要發(fā)射功率小于40W 的固體激光器，而需要具有60W輸出功率的準分子激光器。
[0078] 將資本折舊（例如超過5年）考慮在內(nèi)，UV準分子激光器的成本通常約為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(guān)。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(guān)）。因此，如果將 兩種激光器的資本和操作成本包括在內(nèi)，并且考慮到所需的不同激光器功率，則加工基片 所需的40W固體激光器的操作成本約是等效的60W準分子激光器的操作成本的三分之一。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于在介電基片的表面內(nèi)形成兩個或多個深度的精細尺度結(jié)構(gòu)的設備，該設備 包括： 第一固體激光器，其被設置為提供第一脈沖激光束； 第一掩模，其具有用于對第一深度處的第一組結(jié)構(gòu)進行限定的圖案；投影透鏡，其用于 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 一脈沖激光束以二維光柵掃描方式相對于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(jié)構(gòu)；以及 所述第一固體激光器或另一固體激光器，其被設置為在所述基片的第二深度處形成第 二組結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中，所述第一固體激光器是Q開關(guān)連續(xù)波（CW)二極 管泵浦激光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設備，其中，所述第一激光器被設置為發(fā)出紫外線波長范 圍內(nèi)的光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的設備，其中，所述第一固體激光器被設置為發(fā)出具有 0. lmj到lOOmJ范圍內(nèi)的能量和1kHz到100kHz范圍內(nèi)的重復率的脈沖。
5. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設備，其中，所述第一激光器被設置為發(fā)出形成圓形 激光光斑的光束。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的設備，其中，所述第一激光器被設置為發(fā)出一被 塑形以形成具有方格嵌紋形狀的激光光斑的光束。
7. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設備，其具有第二掩模，所述第二掩模用于對所述基 片中第二深度處的第二組特征進行限定，并且所述第二掩模與所述第一掩模是可互換的。
8. 根據(jù)任一前述權(quán)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(shù)。
9. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設備，其中，所述投影透鏡是遠心透鏡。
10. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設備，包括：被定位成由所述第一激光束成像到所 述第一掩模上的孔徑。
11. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設備，其具有不同于所述第一固體激光器的第二固 體激光器以在所述基片中的第二深度處形成所述第二組結(jié)構(gòu)。
12. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設備，其中，所述第一固體激光器、所述第二固體激 光器或另一固體激光器被設置為在所述基片中的第三深度處形成第三組結(jié)構(gòu)。
13. 根據(jù)任一前述權(quán)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. 一種用于在介電基片的表面內(nèi)形成兩個或多個深度的精細尺度結(jié)構(gòu)的方法，該方 法包括兩階段過程： 對第一深度處的第一組結(jié)構(gòu)進行限定的第一過程和對第二深度處的第二組結(jié)構(gòu)進行 限定的第二過程，所述第一過程包括：利用第一固體激光器來提供第一脈沖激光束； 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(jié)構(gòu)進行限定的圖案；提供 投影透鏡，所述投影透鏡用于在所述基片的表面上形成所述圖案的縮小尺寸圖像并用所述 第一脈沖激光束以二維光柵掃描方式相對于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(jié)構(gòu)；所述第二過程包括：使用所述第一固體激光器或另一固體激光器 以在所述基片的第二深度處形成第二組結(jié)構(gòu)，其中，所述第一過程和第二過程可以以任意 順序執(zhí)行。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第二過程包括：對采用不同于所述第一過 程中所用的激光器參數(shù)的所述第一固體激光器的使用。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第二過程包括：對所述第一固體激光器和 用于對所述基片中第二深度處的第二組特征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(jù)權(quán)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激光器在所述基片處激發(fā)多個激光脈沖以在所述基片中的第二深度 處形成第二組特征。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第二過程包括：在所述第一激光光束中使 用孔徑，從而使所述孔徑被成像到所述第一掩模上并且所述第一激光器被用來在所述基片 中的第二深度處形成第二組特征。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第二過程包括：使用不同于所述第一固體 激光器的第二固體激光器，所述第二激光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征。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14至19中任一項所述的方法，其中，所述第一固體激光器、所述第二 固體激光器或另一固體激光器被用來在所述基片中的第三深度處形成第三組結(jié)構(gòu)。
21. -種用于在介電基片的表面內(nèi)形成兩個或多個深度的精細尺度結(jié)構(gòu)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. -種用于在介電基片的表面內(nèi)形成兩個或多個深度的精細尺度結(jié)構(gòu)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(yōu)先權(quán)日:2012年11月2日
【發(fā)明者】D·C·米爾恩, P·T·路姆斯比, 大衛(wèi)·托馬斯·埃德蒙·邁爾斯 申請人:萬佳雷射有限公司