DE112007001246T5

DE112007001246T5 - Mikrobearbeitung mit Festkörper-UV-Laser mit kurzen Impulsen

Info

Publication number: DE112007001246T5
Application number: DE112007001246T
Authority: DE
Inventors: Weisheng Portland Lei; Glenn Portland Simenson; Hisashi Hillsboro Matsumoto; John Hillsboro Davignon
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2009-06-04
Also published as: KR101372437B1; US7605343B2; US8415586B2; CN101448603A; GB0822494D0; JP2009538539A; KR20090013798A; JP5816409B2; TW200804023A; US20100032417A1; WO2007140168A1; CN101448603B; US20070272667A1; GB2452198A; TWI403379B

Abstract

Verfahren zum Erhöhen des Laserkontaktlochbohrdurchsatzes durch Minimieren einer Gesamtzahl von Impulsen, die verwendet werden, um ein Kontaktloch mit gewünschten Funktionseigenschaften zu bohren, wobei die Gesamtzahl N von Impulsen eine Massezahl N₀ von Masseentfernungsimpulsen, die zum Entfernen von Massematerial zum Ausbilden des Kontaktlochs mit einer Laserentfernungs-Massematerial-Wechselwirkung verwendet werden, und eine Bodenflächen-Reinigungszahl δN von Bodenflächen-Reinigungsimpulsen, die verwendet werden, um eine Bodenfläche des Kontaktlochs mit einer Laserreinigungs-Material-Wechselwirkung zu reinigen, umfasst, umfassend:
Erzeugen eines Laserausgangs mit einer Fluenz F und mindestens einem Laserimpuls mit einer Impulsbreite τ zum Reinigen der Bodenfläche des Kontaktlochs, wobei δN eine Beziehung zu F/τ^1/2 aufweist, und so dass δN/N₀ kleiner als oder gleich 1 ist; und
Richten des Laserausgangs auf eine Zielposition, um die Bodenfläche eines Kontaktlochs zu reinigen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Lasermikrobearbeitung und insbesondere Lasermikrobearbeitungsanwendungen mit einem Laser mit kurzen Impulsen.
Hintergrund der Erfindung
Gütegeschaltete Festkörperlaser sind gut bekannt und wurden für viele Lasermikrobearbeitungsanwendungen erfolgreich demonstriert. Mikrobearbeitungsparameter für gütegeschaltete Laser, einschließlich ihrer Wellenlängen (im Bereich von nahem Infrarot bis tiefem Ultraviolett), Impulsbreiten, Impulsenergien und Impulswiederholungsraten, wurden jedoch immer noch nicht für bestimmte Klassen von geschichteten organischen, anorganischen und metallischen mikroelektronischen Materialkonstruktionen in Bezug auf den Durchsatz und die Bearbeitungsqualität, wie z. B. Reinheit, Seitenwandverjüngung, Rundheit und Reproduzierbarkeit, perfektioniert.
Eine solche Klasse von Materialien, die üblicherweise in der Leiterplatten-(PWB)Industrie verwendet werden, umfasst Glasgewebe, das mit einem oder mehreren organischen Polymerharzen imprägniert ist und das zwischen leitende Metallschichten, typischerweise Kupfer, eingebettet ist. Diese Materialkonfiguration ist als "FR4" oder "BT" bekannt.
Eine weitere Klasse, die üblicherweise als Verkappungsmaterialien für integrierte Schaltungen mit hoher Leistung verwendet wird, umfasst ungebrannte "grüne" Keramikmaterialien. Diese Keramiksubstrate werden durch Hochdruckpressen von Pulvern von üblichen Keramiken wie z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) ausgebildet. Die Teilchen im Mikrometer- oder Submikrometer-Maßstab werden mit organischen "Bindemitteln" zusammengehalten, die eine ausreichende mechanische Integrität für Bearbeitungsvorgänge wie z. B. Kontaktlochbohren vorsehen. Danach wird das grüne Material bei hoher Temperatur gebrannt, wobei die Bindemittel ausgetrieben werden und die Mikroteilchen zu einem äußerst starken, haltbaren Hochtemperatursubstrat zusammengeschmolzen oder -gesintert werden.
Die US-Pat. Nrn. 5 593 606 und 5 841 099 von Owen et al. beschreiben Verfahren und Vorteile für die Verwendung von gütegeschalteten UV-Lasersystemen, um Laserausgangsimpulse innerhalb vorteilhafter Parameter zu erzeugen, um Durchgangs- oder Blindkontaktlöcher durch mindestens zwei Arten von Schichten in mehrlagigen Vorrichtungen, einschließlich FR4, auszubilden. Diese Patente erörtern diese Vorrichtungen und die Laser und Parameter für deren Bearbeitung. Diese Parameter umfassen im Allgemeinen Nicht-Excimer-Ausgangsimpulse mit zeitlichen Impulsbreiten, die kürzer sind als 100 Nanosekunden (ns), Fleckflächen mit Fleckdurchmessern von weniger als 100 Mikrometer (μm) und mittleren Intensitäten oder Strahlungsdichten von mehr als 100 Milliwatt (mW) über den Fleckflächen mit Wiederholungsraten von mehr als 200 Hertz (Hz).
Das US-Pat. Nr. 6 784 399 von Dunsky et al. offenbart die Verwendung eines gütegeschalteten Kohlendioxidlasers, um Bündel von Laserimpulsen zu erzeugen, deren Spitzen und Enden so gesteuert werden können, dass verschiedene Verdampfungstemperaturen oder Schmelzpunkte des Massekontaktlochmaterials angegangen werden.
Das US-Pat. Nr. 5 656 186 von Mourou et al. offenbart ein allgemeines Verfahren des durch einen Laser induzierten Durchbruchs und der Abschmelzung bei mehreren Wellenlängen durch ultraschnelle Laserimpulse mit hoher Wiederholungsrate, die typischerweise kürzer sind als 10 Pikosekunden (ps), und demonstriert die Erzeugung von bearbeiteten Merkmalsgrößen, die kleiner sind als die durch Beugung begrenzte Fleckgröße.
Das US-Pat. Nr. 5 742 634 von Rieger et al. offenbart eine gleichzeitig gütegeschaltete und modenverriegelte Neodymlaservorrichtung mit Diodenpumpen. Der Laser emittiert eine Reihe von Impulsen mit jeweils einer Dauerzeit von 60 bis 300 ps unter einer Zeitdauer von 100 ns.
Das US-Pat. Nr. 6 574 250 von Sun et al. ist das erste, das ein Verfahren zur Bearbeitung von Verbindungen im Fluge mit mindestens zwei Laserimpulsen offenbart. Ein Ausführungsbeispiel verwendet Impulse mit Impulsbreiten, die kürzer sind als 25 Pikosekunden (ps).
Das US-Pat. Nr. 6 734 387 von Kafka et al. offenbart die Verwendung eines UV-Pikosekunden-Laserausgangs aus einem modenverriegelten, Quasi-Dauerstrich (cw) Lasersystem, um Linien in Polymerschichten zu schneiden oder zu ritzen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Laser und/oder ein Verfahren zum Erhöhen des Durchsatzes für die Lasermikrobearbeitung von mikroelektronischen Fertigungsmaterialien bereitzustellen.
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele betreffen das Kontaktlochbohren und/oder das Abschmelzen von elektronischen Materialien, wie z. B. homogenen Schichten, mit Teilchen gefüllten Harzen, Polyimiden und faserverstärkten Polymeren mit oder ohne Metallplattierung unter Verwendung eines Festkörper-UV-Lasers mit Pikosekundenimpulsbreite.
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele betreffen die Bearbeitung von grünen Keramiken, das Lötkontaktstellenreinigen oder die Entfernung von Photoresistmaterial.
In einigen beispielhaften Ausführungsbeispielen ist die Anzahl von Impulsen, die zum Reinigen einer darunter liegenden Kontaktstelle verwendet werden, signifikant verringert und in den am meisten bevorzugten Fällen wird nur ein Impuls zur Reinigung verwendet.
In einigen Ausführungsbeispielen wird der Laserausgang durch ein Oszillatormodul in Zusammenwirkung mit einem Verstärkungsmodul erzeugt. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst das Oszillatormodul einen diodengepumpten Festkörper-(DPSS)Steueroszillator. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst das Oszillatormodul einen gepulsten Halbleiterlaser, der Pikosekundenimpulse emittiert. In einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Oszillatormodul einen gepulsten Fasersteueroszillator. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst der gepulste Fasersteueroszillator einen diodengepumpten Steueroszillator mit einer mit seltenen Erden dotierten Glasfaser, der einen Halbleiter-Sättigungsabsorptionsspiegel (SESAM) verwendet. In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Glasfaser-Steueroszillator eine mit seltenen Erden dotierte Quarzfaser. Die Seltenerddotierungsmaterialien umfassen vorzugsweise Nd, Yb, Ho, Er, Dy, Pr, Tm oder Cr.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst das Verstärkungsmodul einen Einfach-, Mehrfach- oder regenerativen DPSS-Verstärker. In einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verstärkungsmodul ein Nd:GdVO₄-, Nd:YVO₄-, Nd:YLF-, Nd:Glas- oder Nd:YAG-Verstärkungsmedium. In einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verstärkungsmodul einen Leistungsverstärker mit einer mit seltenen Erden dotierten Glasfaser. In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Leistungsverstärker mit einer mit seltenen Erden dotierten Glasfaser einen Leistungsverstärker mit einer mit seltenen Erden dotierten Quarzfaser. Die Seltenerddotierungsmaterialien sind vorzugsweise aus Nd, Yb, Ho, Er, Dy, Pr, Tm und Cr ausgewählt.
In einigen beispielhaften Ausführungsbeispielen wird ein abgebildeter UV-Laserausgang mit einem oder mehreren Impulsen, die kürzer sind als 1000 ps, verwendet, um den Kontaktstellenreinigungsprozess durchzuführen.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Laserausgang mehrere unabhängig ausgelöste Impulse oder Bündel von Impulsen, die aus einer Impulsfolge ausgewählt sind, die vom Verstärkungsmodul emittiert wird.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben ersichtlich, die mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen vor sich geht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine graphische Darstellung der Abschmelztiefe als Funktion der Anzahl von Impulsen für ein beispielhaftes Kontaktlochbohren.
2 ist eine graphische Darstellung von δN als Funktion von F/√τ für verschiedene Werte des Parameters L.
3A und 3B sind optische Mikrographien, die Querschnitte von Kontaktlöchern zeigen, die in gewebtes verstärktes Harz gebohrt wurden und die jeweilige kleine und große von Wärme betroffene Zonen aufweisen.
4A und 4B sind optische Mikrographien, die die Ergebnisse von Prozessen zeigen, um Lötmasken von Kontaktstellen zu entfernen, die ungefähr dieselbe Größe aufweisen wie der Laserstrahl, der verwendet wird, um die Lötmaske zu entfernen.
5 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines beispielhaften Lasersystems zur Bearbeitung von dielektrischem Material mit niedrigem k, das auf einem Substrat getragen ist.
6 ist ein vereinfachtes teilweise bildhaftes und teilweise schematisches Diagramm des Lasersystems von 5, das einige Komponenten eines beispielhaften Strahlpositionierungssystems zeigt.
7 ist ein vereinfachtes bildhaftes Diagramm eines wahlweisen Abbildungsoptikmoduls, das in einem beispielhaften Lasersystem verwendet werden kann.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele haben die Verwendung eines Festkörper-UV-Lasers zur Folge, um das Kontaktlochbohren und die Abschmelzung von elektronischen Schaltungsmaterialien wie z. B. homogenen Schichten, mit Teilchen gefüllten Harzen, Polyimiden und faserverstärkten Polymeren mit oder ohne Metallplattierung durchzuführen. Ein dielektrisches Material für Leiterplatten einer aufgebauten Ajinomoto-Schicht (ABF^®), das von Ajinomoto Fine-Techno Co., Inc., Kawasaki, Japan, hergestellt wird, ist für ein Zielmaterial typisch, an dem Kontaktlochbohrvorgänge durchgeführt werden können. Einige beispielhafte Werkstücke umfassen ABF^® SH-9K, ABF^® GX-3, ABF^® GX-13 oder ähnliche Produkte, die von anderen Firmen hergestellt werden, aber andere Kontaktlochbohrzielmaterialien (einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf mehrlagige, laminierte Substrate, wie z. B. jene, die in Leiterplatten mit hoher Dichte und integrierten Schaltungschipbaustein verwendet werden, sind für die Bearbeitung gemäß den hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsbeispielen auch geeignet).
Werkstücke, die zum Kontaktlochbohren vorgesehen sind, enthalten typischerweise leitende Plattierungsschichten, die auf den oberen oder unteren Oberflächen des Werkstücks angeordnet sein können. Diese Schichten können beispielsweise Standardmetalle wie z. B. Aluminium, Kupfer, Gold, Molybdän, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Titan, Wolfram, Metallnitride oder Kombinationen davon enthalten. Herkömmliche Metallschichten variieren in der Dicke typischerweise zwischen 5 und 36 μm (wobei 7,8 × 10^–3 kg von Metall gleich einer Dicke von etwa 9 μm ist), können jedoch dünner oder nicht dünner als 72 μm sein. Die oberen und unteren leitenden Schichten bestehen typischerweise aus demselben Material.
Eine dielektrische Matrix oder Schicht, die zwischen den leitenden Schichten angeordnet ist, kann ein organisches dielektrisches Standardmaterial wie z. B. Benzocyclobutan (BCB), Bismaleimidtriazin (BT), Pappe, Cyanatester, Epoxide, Phenole, Polyimide, Polytetrafluorethylen (PTFE), verschiedene Polymerlegierungen oder Kombinationen davon enthalten. Herkömmliche organische dielektrische Schichten variieren beträchtlich in der Dicke, sind jedoch typischerweise viel dicker als die leitenden Schichten. Ein beispielhafter Dickenbereich für die organischen dielektrischen Schichten ist etwa 30 bis 400 μm.
Die dielektrische Schicht kann auch eine Standard-Verstärkungskomponente enthalten, die eine Fasermatte oder dispergierte Teilchen aus beispielsweise Aramidfasern, Keramiken oder Glas, die durch die ganze organische dielektrische Schicht gewebt oder in dieser dispergiert sind, sein kann, und die viel ihrer Dicke bilden kann. Herkömmliche Verstärkungskomponenten sind typischerweise individuelle Filamente oder Teilchen mit etwa 1 bis 10 μm und/oder gewebte Bündel von 10 μm bis mehreren hundert Mikrometern. Fachleute werden erkennen, dass die Verstärkungskomponenten als Pulver in die organischen Dielektrika eingeführt werden können und nicht-zusammenhängend und ungleichmäßig sein können. Solche Verbund- oder verstärkte dielektrische Schichten erfordern typischerweise eine Laserbearbeitung mit einer höheren Fluenz als es erforderlich ist, um unverstärkte Schichten abzuschmelzen, aber einige mit Teilchen gefüllte Harze können mit einer Fluenz ähnlich unverstärkten Schichten bearbeitet werden.
Einige beispielhafte Ausführungsbeispiele betreffen das Bohren von Blindkontaktlöchern und insbesondere das Bohren von Blindkontaktlöchern in homogenen oder gefüllten Harzen. Ein solches Blindkontaktlochbohren wird üblicherweise mit einem Stanzprozess durchgeführt, wobei aufeinander folgende Laserimpulse auf eine einzelne Zielposition an einem Werkstück gerichtet werden, bis eine gewünschte Tiefe erreicht ist, so dass die Bodenkupferschicht freigelegt wird.
Beim Blindkontaktlochbohren und bei analogen Laserbearbeitungsprozessen umfasst eine Gesamtzahl von Impulsen N, die verwendet werden, um ein qualifiziertes Kontaktloch auszubilden, eine Massezahl N₀ von Masseentfernungsimpulsen für die Massematerialentfernung und eine Bodenflächen-Reinigungszahl δN von Reinigungsimpulsen, die zum Reinigen der Boden-(Metall)Oberfläche oder Kontaktstelle des Kontaktlochs verwendet werden. Die Anzahl von Impulsen zum Reinigen einer Bodenmetallkontaktstelle kann den signifikanten Teil der Gesamtzahl von Impulsen, die erforderlich sind, um das Blindkontaktloch zu bohren, in Anspruch nehmen, wenn die Laserimpulsbreite so lang wie mehrere zehn Nanosekunden ist. Die Massematerialentfernung und die Bodenreinigung beinhalten verschiedene Laser/Material-Wechselwirkungsmechanismen. Somit bestünde eine effiziente Weise zum Verringern der Kontaktlochbohrzeit darin, die Bodenflächen-Reinigungszahl δN von Impulsen, die für die Bodenmetallkontaktstellenreinigung verwendet werden, zu verringern, indem die Laserparameter eingestellt werden, während es sich irgendwie nicht nachteilig auf den Massematerialentfernungsprozess auswirkt.
1 ist eine graphische Darstellung der Abschmelztiefe als Funktion der Anzahl von Impulsen für einen beispielhaften Kontaktlochbohrstanzprozess unter Verwendung eines abgebildeten UV-Strahls, so dass die Gesamtzahl von Impulsen N in die Massezahl N₀ von Masseentfernungsimpulsen und die Bodenflächen-Reinigungszahl δN von Reinigungsimpulsen aufgeteilt ist. 1 zeigt, dass in Abhängigkeit von den Anwendungen und den verwendeten Festkörper-UV-Laserquellen die Reinigungszahl δN von Impulsen für die Bodenkontaktstellenreinigung als δN₁, δN₂, δN₃ usw. signifikant unterschiedlich sein kann. Für einige Anwendungen kann das Verhältnis von δN zu N₀ mehr als 1 sein, was bedeutet, dass mehr Zeit mit der Reinigung der Bodenkontaktstelle als für die Massematerialentfernung verbracht wird. Somit ist es erwünscht, δN zu verringern, um die Gesamtbohrzeit pro Kontaktloch zu verringern. Es ist auch erwünscht, δN zu verringern, um die Menge an Energie zu verringern, die an eine Kontaktstelle abgegeben wird, um eine unnötige Wärmebeschädigung zu vermeiden.
Herkömmliche Verfahren zum Steuern eines Kontaktlochbohrprozesses haben die Steuerung der Impulsenergie für den gegebenen Prozess zur Folge. Die Impulsenergie E_P zur Verwendung beim Durchführen eines gegebenen Prozesses wird durch die Fluenz F, die für den Prozess gewünscht ist, bestimmt. Die Fluenz in J/cm² wird berechnet als
wobei E_P die Impulsenergie in J ist und D der Strahlfleckdurchmesser in cm ist. Die Anmelder haben festgestellt, dass das Bohren desselben Materials mit demselben Fluenzniveau mit Lasern mit verschiedenen Impulsbreiten zu einer unterschiedlichen Qualität für die Bodenkupferplattierungsschicht eines Zielprüfstücks führt. Die Anmelder haben festgestellt, dass ein geeigneterer Parameter zum Vorhersagen der Bodenkupferplattierungsqualität für Blindkontaktlöcher
ist, wobei F die Impulsfluenz in J/cm² ist und τ die Laserimpulsbreite in Nanosekunden ist.
Angesichts des Vorangehenden haben die Anmelder ein Modell entwickelt, um die Anzahl von Impulsen zu quantifizieren, die für die Kontaktstellenreinigung verwendet werden, die von einem Parameter L abhängt, der eine Funktion der Laserimpuls-Wiederholungsrate f und der Laserimpulsbreite τ ist. Einige Beziehungen zwischen δN, F/√τ und L können ausgedrückt werden als
wobei C₁ und C₂ Koeffizienten in Bezug auf die Metall-(Kontaktstellen-)Eigenschaften (wie z. B. optische, thermische und/oder mechanische Eigenschaften) sind und wobei T_m und T₀ die Schmelztemperatur und die anfängliche Temperatur der Metallkontaktstelle sind.
2 ist eine graphische Darstellung von δN als Funktion von F/√τ für verschiedene Werte des Parameters L für einen beispielhaften Kontaktlochbohrstanzprozess unter Verwendung eines abgebildeten UV-Strahls. 2 zeigt, dass, wenn der Term F/√τ groß genug ist, δN auf 1 minimiert werden kann.
Auf der Basis der vorangehenden Offenbarungen kann δN für verschiedene Laserparameter vorhergesagt werden. Ein Festkörper-UV-Laser mit einer verfügbaren Laserleistung von 1,35 Watt an der Arbeitsoberfläche mit 50 Kilohertz (kHz) zum Bohren eines Kontaktlochs mit einem Strahldurchmesser von 58 μm stellt beispielsweise eine Fluenz an der Arbeitsoberfläche von 1,02 J/cm² bereit. Bei einer Nanosekunden-Impulsbreite wie z. B. τ = 75 ns ist F/√τ = 0,12 J/cm2ns–1/2 und L = 0,030647, so dass δN = 20 gilt. Bei einer Pikosekunden-Impulsbreite wie z. B. τ = 10 ps ist jedoch F/√τ = 10,22 J/cm2ns–1/2 und L = 0,000354; so dass unter dieser Bedingung man fast sicher sein kann, dass δN = 1 gilt.
Diese Beispiele stellen den verbesserten Wirkungsgrad im Kontaktlochbohrprozess dar, der unter Verwendung eines Festkörper-UV-Lasers mit Pikosekunden-Impulsbreite erhalten werden kann. Ein Festkörper-UV-Laser mit einem Laserausgang im Pikosekunden-Impulsbreitenbereich (von 1 ps bis 1000 ps) kann einen solchen beispielhaften Prozess mit δN = 1 durch Erzeugen von steileren Temperaturgradienten an der Grenzfläche des Massematerials und des Zielkontaktstellenmaterials des Kontaktlochs ermöglichen, was zu einer effizienteren Reinigung des letzten verbleibenden Materials auf der Zielkontaktstelle führt. Die in die Zielkontaktstelle eingebrachte niedrigere Energie verringert die Chancen für eine Wärmebeschädigung für kleine isolierte Zielkontaktstellen, die nicht direkt an einer Leiterbahn angebracht sind und daher nicht überschüssige Energie über eine Leiterbahn abführen können. Obwohl einige bevorzugte Ausführungsbeispiele UV-Laserimpulse mit einer Impulsbreite, die kürzer als 1000 ps ist, verwenden, verwenden einige Ausführungsbeispiele UV-Laserimpulse mit einer Impulsbreite, die kürzer ist als 500 ps, und einige Ausführungsbeispiele verwenden UV-Laserimpulse mit einer Impulsbreite, die kürzer ist als 100 ps. Impulsbreiten, die kürzer sind als 1 ps, und insbesondere im Femtosekundenbereich, können auch verwendet werden.
Zusätzlich zu den vorstehend dargestellten Massematerialentfernungs- und Kontaktstellereinigungs-Ausführungsbeispielen ist ein weiterer Prozess von besonderem Interesse das Kontaktlochbohren in FR4- und BT-Harzen, entweder Blindkontaktlöcher oder Durchgangslöcher. FR4 kann aus verschiedenen Gründen schwierig mit einem Laser zu bearbeiten sein. Erstens ist das Material sehr heterogen, insbesondere in Bezug auf die Eigenschaften, die die Laserabschmelzeigenschaften steuern, wie z. B. Schmelz- und Verdampfungstemperaturen. Insbesondere unterscheiden sich die Verdampfungstemperaturen der gewebten Glasverstärkung und der Polymerharzmatrix erheblich. Reines Siliziumdioxid weist Schmelz- und Verdampfungstemperaturen von 1970 Kelvin (K) bzw. 2503 K auf, während typische organische Harze wie z. B. Epoxide bei viel niedrigeren Temperaturen in der Größenordnung von 500 bis 700 K verdampfen. Dieser Unterschied macht es schwierig, die Glaskomponente mit einem Laser abzuschmelzen, während die Abschmelzung von zu viel des Harzes, das einzelne Glasfasern umgibt, oder in Bereichen direkt benachbart zu Faserbündeln vermieden wird.
Das meiste FR4-Glasgewebe ist auch aus Bündeln oder "Garnen" von einzelnen Glasfilamenten gewebt. Filamente weisen typischerweise einen Durchmesser von 4 bis 7 μm auf und Garne liegen im Bereich von etwa 50 μm bis mehreren hundert Mikrometer im Durchmesser. Die Garne werden im Allgemeinen in einem offenen Webmuster gewebt, was zu Bereichen mit hoher Glasdichte, in denen die Garne einander kreuzen, und Bereichen mit niedriger Glasdichte oder einer Glasdichte von Null, wie z. B. zwischen benachbarten Bündeln, führt. Da die Stellen von Kontaktlöchern nicht im Voraus in Bezug auf das Webmuster ausgewählt werden können, variieren die erwünschten Kontaktlochstellen mit der Glasdichte. Folglich sind Lasermikrobearbeitungsprozess-Parameter, die in Bereichen des Substrats mit sowohl hoher als auch niedriger Glasdichte gleich gut arbeiten, erwünscht. Prozessbedingungen, die "aggressiv" genug sind, um das ganze Glas in den Bereichen mit hoher Dichte sauber zu verdampfen, und gleichzeitig "mild" genug sind, um ein Überätzen oder Entfernen von zu viel Harz oder das Verursachen einer übermäßigen Kontaktstellenbeschädigung in Bereichen mit niedriger Dichte zu vermeiden, waren mit den meisten herkömmlichen Laserprozessen schwierig zu erreichen.
Für das Kontaktlochbohren in gewebten verstärkten Harzen kann der Festkörper-UV-Laser mit Pikosekunden-Impulsbreite das Material mit einer kleineren von Wärme betroffenen Zone bearbeiten und Kontaktlöcher mit einer besseren Seitenwandqualität ergeben. 3A und 3B zeigen Querschnitte von Durchgangskontaktlöchern, die in gewebtes verstärktes Harz gebohrt wurden und die jeweilige kleine und große von Wärme betroffene Zonen aufweisen. Kontaktlöcher, die mit Pikosekunden-Impulsbreitenparametern gebohrt werden, können die kleinere von Wärme betroffene Zone ähnlich der in 3A gezeigten aufweisen und weniger Faserüberstand an der Seitewand des Kontaktlochs aufweisen. Diese Qualität würde erwartet werden, wenn sowohl Blindkontaktlöcher als auch Durchgangslöcher in diesem Material im Pikosekunden-Impulsbreitenbereich gebohrt werden. Der in 3B aufgezeigte erhöhte Faserüberstand kann eine Folge einer großen von Wärme betroffenen Zone sein, wie sie z. B. durch Parameter, die einige zehn Nanosekunden-Impulsbreitenbereich verwenden, erzeugt werden kann.
Für das Bohren von Blindkontaktlöchern und Durchgangskontaktlöchern in gewebtem verstärktem Harz kann der Pikosekundenimpulsbreiten-Festkörper-UV-Laserprozess die Wärmediffusion von Wärme in die Seitenwände des Kontaktlochs verringern und zu einer verbesserten Kontaktlochseitenwandqualität führen. Für das Kontaktlochbohren durch Materialien mit einer oberen Metallschicht kann der Pikosekundenimpulsbreiten-Festkörper-UV-Laser ebenso die Wärmediffusion von Wärme in die Metallschicht verringern und zu einem Schneiden mit besserer Qualität und zu weniger Chance für eine Wärmebeschädigung an der Metallschicht, insbesondere für dünne Metallschichten, führen.
Obwohl einige Ausführungsbeispiele und Beispiele auf das Kontaktlochbohren gerichtet sind, sind die Verfahren auch auf andere Anwendungen der Materialentfernung anwendbar, wie z. B. das Bearbeiten von grünen Keramiken, das Lötkontaktstellenreinigen oder die Entfernung von Photoresistmaterial.
Die Laserbearbeitung von grünen Keramiken stellt Anliegen ähnlich jenen für die Bearbeitung von FR4 aufgrund der Unterschiede der thermischen Eigenschaften der organischen Bindemittel und der Keramikmikroteilchen dar. Der Unterschied zwischen der Verdampfungstemperatur des Bindemittels (wieder in der Größenordnung von 500 K) und der Keramik (3800 K für Al₂O₃) beeinflusst die Weise, in der das Material während des Laserbohrens entfernt wird. Da Keramik eine hohe Verdampfungstemperatur aufweist, ist es ziemlich schwierig, grüne Keramik durch direktes Schmelzen (bei 2340 K für Al₂O₃) oder Verdampfung der Mikroteilchen zu entfernen.
Der bevorzugte Lasermikrobearbeitungsprozess beruht stattdessen auf der explosiven Verdampfung des Bindematerials, das die Mikroteilchen zusammenhält. Wenn es Laserimpulsen ausgesetzt wird, verdampft das Bindemittel viel leichter als die Keramik und der organische Dampf wird mit äußerst hohen Heizraten auf eine hohe Temperatur gebracht, was lokalisierte Hochdruck-Gasbereiche in den Räumen zwischen den Mikroteilchen erzeugt. Das Hochdruckgas dehnt sich dann schnell aus, wobei das grüne Keramikmaterial zersetzt wird. Folglich kann das grüne Keramikmaterial, während es sich in seinem festen Zustand befindet, mit jedem Laserimpuls mit Entfernungsraten, die viel höher sind als sie durch seine direkte Verdampfung erhalten werden könnten, entfernt werden.
Die Materialentfernung durch explosive Verdampfung des Bindemittels kann bei der Lasermikrobearbeitung von grünen Keramiken entweder vorteilhaft oder nachteilig sein. Wenn der organische Dampfdruck zu hoch ist oder sich über eine zu breite Fläche ausbreitet, können unerwünschte Effekte wie z. B. Zerspanung oder Mikroreißen auftreten. Wenn die Hochdruckbereiche zu lokalisiert oder nicht heiß genug sind, ergeben sich schlechte Materialentfernungsraten. Der Pikosekundenimpulsbreiten-Festkörper-UV-Laserprozess kann die Wärmediffusion von Wärme in die Seitenwände des Kontaktlochs verringern und zu einer verbesserten Kontaktlochseitenwandqualität in grünen Keramikmaterialien führen.
Mit erneutem Bezug auf Ausführungsbeispiele, die sowohl das Blindkontaktlochbohren als auch die Abschmelzung von Schutzpolymerbelägen betreffen, besteht ein weiteres signifikantes Anliegen darin, dass isolierte Kontaktstellen abgehoben werden können, wenn die Kontaktstelle zu viel Laserenergie absorbiert, was den Prozess und das so ausgebildete Kontaktloch disqualifiziert. Herkömmliche Prozesse sind für diesen Kontaktstellenabhebungseffekt besonders anfällig, da die Größen der Strukturen relativ zur Größe des Strahls, der die Abschmelzung durchführt, verringert sind. Für diese kleineren Merkmale wie z. B. Kontaktstellen mit einem Durchmesser von weniger als zweimal dem gebohrten Kontaktlochdurchmesser und einer Dicke von typischerweise weniger als etwa 18 μm ist es besonders erwünscht, die Anzahl δN von Kontaktstellenreinigungsimpulsen zu verringern, nachdem das Massematerial entfernt ist, um die in die Kontaktstelle abgegebene Energie zu minimieren. Es wird erwartet, dass dieser Kontaktstellenabhebungseffekt zu einem noch größeren Anliegen wird, wenn die Strukturgrößen in der Zukunft weiterhin schrumpfen.
4A und 4B sind optische Mikrographien, die die Ergebnisse von Prozessen zum Entfernen einer Lötmaske von Kontaktstellen zeigen, die ungefähr dieselbe Größe aufweisen wie der Laserstrahl, der verwendet wird, um die Lötmaske zu entfernen. Die Lötmaske wird typischerweise durch zeitaufwändige lithographische Prozesse, die unter Ausrichtungseinschränkungen leiden können, oder durch chemische Ätzprozesse entfernt und kann mit typischen Festkörperlaserverfahren schwierig zu bearbeiten sein.
Es gibt zwei Arten von Lötmaskenmaterialien: eine flüssige photoabbildbare Lötmaske (LPISM) und eine Trockenfilm-Lötmaske (DFSM). Typische erhältliche flüssige photoabbildbare Lötmasken (LPISM) umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf: Coates ImageCure XV501T & XV501TSM, Coates ImageFlex (flexible Lötmaske) SV 601T, Enthone DSR 3241 und DSR 3241 GM, Rogers Rflex 8080 LP1 und Rflex 8080 LP3 (flexibel), Taiyo PSR 4000 BN und 4000 AUS5, Taiyo PSR 9000 (flexibel) oder Vantico Probimer 77 LPI Lötmaske. Typische erhältliche Trockenfilm-Lötmasken (DFSM) umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf: Dupont VACREL 8100, Dupont Flexible Photoimageable Coverlay (PIC) 1000 und 2000, Shipley (Dynachem) DynaMASK 5000 oder Shipley ConforMASK 2500.
Die Kontaktstelle des Werkstücks, die in 4A gezeigt ist, empfing zu viel Energie während der Bearbeitung und delaminierte sich von der Platte. Die Kontaktstelle des Werkstücks, die in 4B gezeigt ist, empfing nicht übermäßige Energie vom Prozess, so dass keine Delaminierung auftrat und die Ergebnisse annehmbar sind. Indem ein steilerer Temperaturgradient an der Kontaktstelle mit einem Pikosekundenimpulsbreiten-Festkörper-UV-Laser und einem Prozess mit δN = 1 vorliegt, kann die Menge an Energie, die während der Bearbeitung in die Kontaktstelle eingebracht wird, verringert werden und die Chance für eine Kontaktstellendelaminierung wird verringert.
Zusätzlich zur Entfernung von Lötmaskenmaterial kann das UV-Pikosekunden-Laserbearbeitungsverfahren verwendet werden, um irgendein Resistmaterial mit oder ohne Photosensibilisatoren zu entfernen. Herkömmliche Photoresistmaterialien umfassen im Allgemeinen positive Photoresists, die dort löslich werden, wo sie belichtet werden, und negative Photoresists, die dort polymerisiert (unlöslich) werden, wo sie belichtet werden. Photoresistmaterialien umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf Novolak (M-Cresol-Formaldehyd) oder eine ätzbeständige Polybeschichtung, wie z. B. Polyisopren oder Polymethylisopropenylketon.
5 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines beispielhaften Lasersystems 10 für die Kontaktlochausbildung oder Lötkontaktstellenreinigung. Mit Bezug auf 5 verwendet das Lasersystem 10 vorzugsweise ein gepulstes Pikosekunden-Laseruntersystem 14 mit hoher mittlerer Leistung, das ein dynamisches Laserimpulsgenerator- oder Oszillatormodul 12 und ein Verstärkungsmodul 16 wie z. B. einen DPSS-Leistungsverstärker umfasst.
Das dynamische Laserimpulsgenerator- oder Oszillatormodul 12 verwendet vorzugsweise einen diodengepumpten Steueroszillator, um Oszillatorausgangsimpulse mit einer Impulsbreite, die kürzer ist als etwa 1000 ps, vorzugsweise kürzer als etwa 500 ps und bevorzugter kürzer als 100 ps, mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als etwa 400 Nanometer (nm), wie z. B. 266 nm, 351 nm oder 355 nm oder andere herkömmlich erhältliche Festkörper- oder Faserlaser-UV-Oberwellenlängen zu emittieren. Die Oszillatorausgangsimpulse werden in das Verstärkungsmodul 16 geleitet. Das Verstärkungsmodul 16 kann ein Einfach-, Mehrfach- oder regenerativer DPSS-Verstärker sein. Alternativ kann das Verstärkungsmodul 16 ein diodengepumpter Leistungsverstärker mit einer mit seltenen Erden dotierten Siliziumdioxidfaser sein. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Verstärkungsmodul 16 ein diodengepumpter Leistungsverstärker mit einer mit seltenen Erden dotierten Siliziumdioxid-Photonenkristallfaser sein.
Das Oszillatormodul 12 und das Verstärkungsmodul 16 verwenden vorzugsweise mit Nd dotierte laseraktive Materialien als Verstärkungsmaterialien. Ein bevorzugtes mit Nd dotiertes laseraktives Material ist Nd:GdVO₄, aber alternative mit Nd dotierte laseraktive Materialien umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:Glas und Nd:YAG. Das Oszillatormodul 12 und das Verstärkungsmodul 16 können dasselbe oder verschiedene laseraktive Materialien mit denselben oder verschiedenen Dotierungskonzentrationen umfassen. Das Oszillatormodul 12 und das Verstärkungsmodul 16 verwenden vorzugsweise auch Frequenzauswahlelemente, Prismen, Filter, Etalons und/oder andere Elemente, die Fachleuten gut bekannt sind, um vorzugsweise eine Verstärkung mit der gewünschten Wellenlänge zu erzeugen.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann ein externer optischer Modulator 18 wie z. B. ein akustisch-optischer Modulator (AOM) oder ein elektrooptischer Modulator (EOM) ausgelöst werden, um den Laserausgang 20a zu liefern, der einen einzelnen Impuls, mehrere unabhängig ausgelöste Impulse oder Bündel von Impulsen, die aus einer Impulsfolge ausgewählt sind, die vom Verstärkungsmodul 16 des Pikosekunden-Laseruntersystems 14 emittiert wird, enthalten kann. Die Laserimpulse des Laserausgangs 20a weisen eine hohe mittlere Leistung auf. Der optische Modulator 18 kann direkt oder indirekt durch einen Systemsteuercomputer 22, eine Untersystem-Schnittstellenelektronik 24 und/oder eine Modulator-Steuerversorgung 26 ausgelöst werden, wie Fachleuten bekannt. Der Auslösezeitpunkt kann, falls erwünscht, mit der Steuerung einer Laserleistungsversorgung 28 direkt oder indirekt durch den Systemsteuercomputer 22 und/oder die Untersystem-Schnittstellenelektronik 24 koordiniert werden. Fachleute werden erkennen, dass nützliche AOM-Modulationsverfahren im US-Pat. Nr. 7 019 891 von Johnson offenbart sind und in vielen Ausführungsbeispielen verwendet werden können. Das US-Pat. Nr. 7 019 891 wird durch den Hinweis hierin aufgenommen.
In einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Oszillatormodul 12 einen gepulsten Halbleiterlaser, der Pikosekundenimpulse emittiert, umfassen. In einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Oszillatormodul 12 einen gepulsten Fasersteueroszillator umfassen. Ein beispielhafter gepulster Fasersteueroszillator kann ein diodengepumpter Steueroszillator mit einer mit Nd dotierten oder mit Yb dotierten Siliziumdioxidfaser sein, der einen SESAM verwendet. Fachleute werden erkennen, dass andere mit seltenen Erden dotierte Fasern alternativ verwendet werden können und dass andere Modenverriegelungselemente alternativ verwendet werden können.
In einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Verstärkungsmodul 16 ein diodengepumpter Steuerverstärker mit einer mit Yb dotierten Siliziumdioxidfaser sein. In noch einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Verstärkungsmodul 16 ein diodengepumpter Leistungsverstärker mit einer mit Nd dotierten Siliziumdioxidfaser sein. Fachleute werden erkennen, dass andere mit seltenen Erden dotierte Fasern alternativ für das Verstärkungsmodul 16 verwendet werden können. Fachleute werden erkennen, dass Fasern, die Stufenindexprofile, Stufenindexprofile, die Polarisationsaufrechterhaltungselemente beinhalten, oder Luftspaltprofile verwenden, verwendet werden können.
Mit Bezug auf 6 wird der Laserausgang 20a wahlweise durch eine Vielfalt von gut bekannten Aufweitungs- und/oder Kollimationsoptiken 42 geleitet, entlang eines optischen Weges 20 ausgebreitet und durch ein Strahlpositionierungssystem 30 gerichtet, damit der (die) Lasersystem-Ausgangsimpuls(e) 32 auf eine gewünschte Laserzielposition 34 auf einem Werkstück 52 wie z. B. einer PWB auftrifft (auftreffen). Ein beispielhaftes Strahlpositionierungssystem 30 kann eine Translationstisch-Positionierungseinrichtung umfassen, die mindestens zwei Quertische 36 und 38 verwenden kann, die beispielsweise X-, Y- und/oder Z-Positionierungsspiegel 44 abstützen und eine schnelle Bewegung zwischen den Zielpositionen 34 auf demselben oder verschiedenen Werkstücken 52 ermöglichen.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Translationstisch-Positionierungseinrichtung ein Teilachsensystem, in dem ein Y-Tisch 36, der typischerweise durch Linearmotoren entlang Schienen 46 bewegt wird, das Werkstück 52 trägt und bewegt, und ein X-Tisch 38, der typischerweise durch Linearmotoren entlang Schienen 48 bewegt wird, eine Strahlpositonierungsoptik wie z. B. eine schnelle Positionierungseinrichtung 50 und (eine) zugehörige Fokussierlinse(n) und/oder eine andere Optik trägt und bewegt. Die Z-Dimension zwischen dem X-Tisch 38 und dem Y-Tisch 36 kann auch einstellbar sein. Die Positionierungsspiegel 44 richten den optischen Weg 20 durch irgendwelche Drehungen zwischen dem Laseruntersystem 14 und der schnellen Positionierungseinrichtung 50 aus, die entlang des optischen Weges 20 angeordnet ist. Die schnelle Positionierungseinrichtung 50 kann beispielsweise Linearmotoren mit hoher Auflösung, einen oder mehrere Galvanometerspiegel, Spiegel mit schneller Lenkung und/oder akustisch-optische Lenkverfahren verwenden, die einzige oder wiederholte Bearbeitungsvorgänge auf der Basis von bereitgestellten Test- oder Konstruktionsdaten bewirken können. Die Y- und X-Tische 36 und 38 und die schnelle Positionierungseinrichtung 50 können unabhängig oder koordiniert gesteuert und bewegt werden, um sich in Reaktion auf eingeteilte oder uneingeteilte Daten zusammen zu bewegen.
Die schnelle Positionierungseinrichtung 50 kann auch ein Sichtsystem umfassen oder diesem zugeordnet sein, das auf eine oder mehrere Markierungen auf der Oberfläche des Werkstücks 52 ausgerichtet werden kann. Das Strahlpositionierungssystem 30 kann herkömmliche Sicht- oder Strahl-Arbeits-Ausrichtungssysteme verwenden, die durch eine gemeinsam genutzte Objektivlinse oder außeraxial mit einer separaten Kamera arbeiten, und die Fachleuten gut bekannt sind. In einem Ausführungsbeispiel wird ein HRVX-Sichtblock, der eine Freedom-Library-Software in einem Strahlpositionierungssystem 30 verwendet, das von Electro Scientific Industries, Inc., in Portland, Oregon, vertrieben wird, verwendet, um die Ausrichtung zwischen dem Laseruntersystem 14 und den Zielpositionen 34 auf dem Werkstück 52 durchzuführen. Andere geeignete Ausrichtungssysteme sind kommerziell erhältlich. Ein beispielhaftes Ausrichtungssystem kann eine Hellfeld Beleuchtung auf der Achse insbesondere für die Spiegelreflexion von Werkstücken wie z. B. geläppten oder polierten Wafern verwenden, aber eine Dunkelfeld-Beleuchtung oder eine Kombination einer Dunkelfeld-Beleuchtung und Hellfeld-Beleuchtung kann verwendet werden. Außerdem kann das Strahlpositionierungssystem 30 auch ein Abbe-Fehler-Korrektursystem wie z. B. dasjenige verwenden, das im Einzelnen im US-Pat. Nr. 6 430 465 von Cutler beschrieben ist, dessen relevante Teile durch den Hinweis hierin aufgenommen werden.
Viele Variationen des Strahlpositionierungssystems 30 sind Fachleuten gut bekannt und einige Ausführungsbeispiele des Strahlpositionierungssystems 30 sind im US-Pat. Nr. 5 751 585 von Cutler et al. im Einzelnen beschrieben. Die Mikrobearbeitungssysteme des ESI-Modells 2700 oder 5320, die von Electro Scientific Industries, Inc., in Portland, Oregon, erhältlich sind, sind beispielhafte Implementierungen des Strahlpositionierungssystems 30. Andere beispielhafte Positionierungssysteme, wie z. B. die Modellseriennummern 27xx, 43xx, 44xx oder 53xx, 55xx, 56xx, die von Electro Scientific Industries, Inc., in Portland, Oregon, hergestellt werden, können auch verwendet werden. Fachleute werden erkennen, dass das Positionierungssystem programmiert werden kann, um Werkzeugwegdateien zu verwenden, die die Lasersystem-Ausgangsimpulse 32 mit hohen Geschwindigkeiten dynamisch positionieren, um eine breite Vielfalt von nützlichen Kontaktlochbohrmustern zu erzeugen, die entweder periodisch oder nicht-periodisch sein können. Fachleute werden auch erkennen, dass AOM-Strahllenkverfahren, die im US-Pat. Nr. 7 019 891 offenbart sind, in Kombination mit der schnellen Positionierungseinrichtung 50 und/oder dem Strahlpositionierungssystem 30 verwendet werden können oder diese dagegen ausgetauscht werden können.
Der Laserausgang 20a kann auch durch zusätzliche herkömmliche optische Systemelemente gerichtet werden, die umfassen können, aber nicht begrenzt sind auf eine nicht-lineare Umwandlungsoptik 56, eine wahlweise Korrekturoptik 58 und/oder ein wahlweises Abbildungsoptikmodul 62, die verwendet werden können, um die Ausgangsleistung und Form des Strahlprofils der an der Ziel- oder Werkstückoberfläche empfangenen Laserimpulse zu steuern. Oberwellenumwandlungsverfahren, die eine herkömmliche nicht-lineare Umwandlungsoptik 56 verwenden, um eine allgemeine Grundwellenlänge in eine zweite, dritte, vierte oder fünfte Oberwellenlänge umzuwandeln, sind Fachleuten gut bekannt.
Mit Bezug auf 7 kann das wahlweise Abbildungsoptikmodul 62 ein optisches Element 64, eine Linse 66 und eine Blendenmaske 68, die an oder nahe der Strahleinschürung angeordnet ist, die durch das optische Element 64 erzeugt wird, um irgendwelche unerwünschten Seitenkeulen und Umfangsteile des Strahls zu blockieren, so dass ein genau geformtes Fleckprofil anschließend auf die Arbeitsoberfläche abgebildet wird, umfassen. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist das optische Element 64 eine Beugungsvorrichtung oder -linse und die Linse 66 ist eine Kollimationslinse, um zur Konfiguration des Lasersystems 10 Flexibilität hinzuzufügen.
Das Ändern der Größe der Blende, um die Eigenschaften des optischen Elements 64 abzugleichen, kann die Kantenschärfe des Fleckprofils steuern, um ein hinsichtlich der Größe spezifiziertes Intensitätsprofil mit schärferen Kanten zu erzeugen, das die Ausrichtungsgenauigkeit verbessern sollte. Mit dieser Anordnung kann außerdem die Form der Blende präzise kreisförmig sein oder kann in rechteckige, elliptische oder andere nicht-kreisförmige Formen geändert werden, die parallel oder senkrecht zu einer Schneidrichtung ausgerichtet werden können. Die Blendenmaske 68 kann wahlweise auf ihrer Lichtaustrittsseite nach außen aufgeweitet sein. Für UV-Laser-Anwendungen umfasst die Blendenmaske 68 in dem Abbildungsoptikmodul 62 vorzugsweise Saphir. Fachleute werden erkennen, dass die Blendenmaske 68 ohne das optische Element 64 und die Linse 66 verwendet werden kann.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst das optische Element 64 ein oder mehrere Strahlformungskomponenten, die Laserimpulse mit einem rohen gaußförmigen Strahlungsdichteprofil in geformte (und fokussierte) Impulse umwandeln, die ein fast gleichmäßiges "Zylinder"-Profil oder insbesondere ein super-gaußförmiges Strahlungsdichteprofil aufweisen, in der Nähe der Blendenmaske 68 stromabwärts vom optischen Element 64. Solche Strahlformungskomponenten können eine asphärische Optik oder Beugungsoptik umfassen. In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Linse 66 eine Abbildungsoptik, die zum Steuern der Strahlgröße und -divergenz nützlich ist. Fachleute werden erkennen, dass eine einzelne Abbildungslinsenkomponente oder mehrere Linsenkomponenten verwendet werden könnten. Fachleute werden auch erkennen und es ist bevorzugt, dass ein geformter Laserausgang ohne Verwendung der Blendenmaske 68 verwendet werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel umfassen die Strahlformungskomponenten ein optisches Beugungselement (DOE), das eine komplexe Strahlformung mit hoher Effizienz und Genauigkeit durchführen kann. Die Strahlformungskomponenten transformieren nicht nur das gaußförmige Strahlungsdichteprofil in ein fast gleichmäßiges Strahlungsdichteprofil, sondern sie fokussieren auch den geformten Ausgang in eine bestimmbare oder spezifizierte Fleckgröße. Obwohl ein DOE mit einzelnem Element bevorzugt ist, werden Fachleute erkennen, dass das DOE mehrere separate Elemente, wie z. B. die Phasenplatte, und Transformationselemente, die im US-Pat. Nr. 5 864 430 von Dickey et al., offenbart sind, das auch Verfahren zum Entwerfen von DOEs für den Zweck der Strahlformung offenbart, umfassen kann. Die vorstehend erörterten Formungs- und Abbildungsverfahren sind im US-Pat. Nr. 6 433 301 im Einzelnen beschrieben, dessen relevante Teile durch den Hinweis hierin aufgenommen werden.
Ein Laserleistungssteuermodul 70 kann verwendet werden, um eine Laserimpuls-Leistungssteuerung unter Verwendung von Modulationsverfahren zu erreichen, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Diodenpumpmodulation oder externe Modulation (wie z. B. mit einer externen Laserleistungs-Steuereinheit 60, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf AOMs oder EOMs oder eine motorisierte Polarisationsrotationsoptik, die entlang des optischen Weges 20 angeordnet ist) oder eine Kombination davon. Außerdem können sich ein oder mehrere Strahlerfassungsvorrichtungen 54 wie z. B. Photodioden stromabwärts der Laserleistungs-Steuereinheit 60 befinden, wie z. B. auf einen Positionierungsspiegel 44 ausgerichtet, der so ausgelegt ist, dass er für die Wellenlänge des Laserausgangs 20a teilweise durchlässig ist. Die Strahlerfassungsoptik und Elektronik können direkt oder indirekt dem Laserleistungssteuermodul 70 zugeordnet sein und/oder können direkt oder indirekt mit dem Systemsteuercomputer 22 und/oder der Untersystem- Schnittstellenelektronik 24 in Verbindung stehen und/oder können verwendet werden, um den modulierten Laserausgang 20a abzutasten und Korrektursignale für die Modulatoren und/oder andere optische Systemelemente zu erzeugen, um einen stabilen modulierten Ausgang mit Parametern zu erzeugen, die für die Bearbeitung des Werkstücks 52 erwünscht sind. Herkömmliche Leistungssteuerverfahren sind Fachleuten bekannt. Einige beispielhafte AOM-Leistungssteuerverfahren sind im US-Pat. Nr. 7 019 891 offenbart.
Bevorzugte verwendete Impulswiederholungsfrequenzen liegen im Bereich von 50 kHz bis 10 Megahertz (MHz). In vielen Fällen sind Impulswiederholungsfrequenzen, die kleiner sind als 1 MHz, bevorzugt. Bestimmte Anwendungen können jedoch Impulswiederholungsfrequenzen im Bereich von 10 MHz bis 100 MHz verwenden. Typische verwendete fokussierte Fleckgrößen liegen im Bereich von 10 μm bis 100 μm. Bestimmte Anwendungen können jedoch Fleckgrößen im Bereich von 1,5 μm bis 10 μm verwenden.
Fachleute werden erkennen, dass die für die Kontaktstellenreinigung verwendeten Laserparameter auch für die Massebearbeitung verwendet werden können. Alternativ können die Laserparameter für die Kontaktstellenreinigung von jenen, die für die Massereinigung verwendet werden, verschieden sein. In einigen Ausführungsbeispielen wird die für die Masseentfernung verwendete Fluenz auf etwa dem Wert für die Kontaktstellenreinigung gehalten, aber die Impulsbreite für die Kontaktstellenreinigung wird verändert (signifikant verringert), um die Anzahl von Impulsen zu verringern und die Menge an Zeit, die für die Kontaktstellenreinigung verwendet wird, zu verringern. Andere Laserparameter können ebenso zwischen den Massebearbeitungs- und Kontaktstellenreinigungsschritten verändert werden. Solche Parameter können umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf die Wellenlänge, die Energie pro Impuls, die Wiederholungsrate oder die Fleckgröße.
Ferner können sich Fachleute daran erinnern, dass das US-Pat. Nr. 5 841 099 von Owen et al. und das US-Pat. Nr. 6 407 363 von Dunsky et al., die durch den Hinweis hierin aufgenommen werden, Verfahren für die zweistufige Bearbeitung mit einzigem Durchgang von blinden und Durchgangskontaktlöchern unter Verwendung eines ersten Satzes von Laserparametern zum Bearbeiten einer darüber liegenden Metallschicht und eines zweiten Satzes von Laserparametern zum Bearbeiten des Massematerials offenbaren. Insbesondere offenbart das US-Pat. Nr. 5 841 099 von Owen et al. das Ändern (Erhöhen) der Wiederholungsrate und/oder das Ändern (Erhöhen) der Fleckgröße nach der Bearbeitung der darüber liegenden Metallschicht, so dass das Massematerial effektiv weniger Energie pro Impuls empfängt als die darüber liegende Metallschicht.
Ebenso offenbart das US-Pat. Nr. 6 407 363 von Dunsky et al. Brennpunkt- und Fleckgrößen-Änderungsverfahren, die verwendet werden, um die Strahlungsdichte zu steuern, die verwendet wird, um das Kontaktloch auszubilden, um die Kontaktlochqualität zu verbessern sowie ein zweistufiges Verfahren mit einzigem Durchgang zur Bearbeitung der Metallschicht und dann Bearbeitung des Massematerials bereitzustellen. Solche Verfahren können unter Verwendung eines verformbaren Spiegels durchgeführt werden, können jedoch auch unter Verwendung eines AOM durchgeführt werden.
Fachleute werden erkennen, dass die offenbarten Verfahren verwendet werden können, um einen dreistufigen Kontaktlochbohrprozess derart zu implementieren, dass verschiedene Laserparameter verwendet werden, um die darüber liegende Metallschicht zu bearbeiten, um das Massematerial zu entfernen und um die Kontaktstelle zu reinigen. Die Metallschicht kann beispielsweise mit einem ersten Satz von Parametern bearbeitet werden, die Wiederholungsrate und/oder Fleckgröße kann geändert werden, nachdem die Metallschicht entfernt ist, um einen zweiten Satz von Parametern bereitzustellen, und dann kann die Impulsbreite verringert werden, um einen dritten Satz von Parametern für die Reinigung des Kontaktstellenmaterials bereitzustellen. Außerdem können verschiedene Wellenlängen für irgendeinen der Schritte verwendet werden. Diese Änderungen können in einem einzelnen Laser oder durch zwei oder mehr Laser implementiert werden.
Fachleute werden erkennen, dass die Kontaktstellenreinigungsparameter nicht durch typische Fluenzschwellenbegrenzungen eingeschränkt werden müssen, da die Entfernung einer kleinen Menge der darunter liegenden Metallschicht annehmbar ist und erwünscht sein kann, um sicherzustellen, dass die Kontaktstellenoberfläche vollständig sauber ist.
Fachleute werden auch erkennen, dass die Massematerialentfernung und der Kontaktstellenreinigungsprozess nach außen oder innen spiralförmig laufende Bearbeitungsverfahren oder Bearbeitungsverfahren in konzentrischen Kreisen oder irgendeine Variation von Schleifenprofil-Bearbeitungsverfahren verwenden können, wie z. B. jene, die im US-Pat. Nr. 6 407 363 von Dunsky et al. offenbart sind, sobald die Kontaktlochgröße oder Kontaktstellengröße größer ist als die Fleckgröße. Ebenso können Hohlbohrverfahren verwendet werden, um Durchgangslöcher zu erzeugen. Für diese Anwendungen können typische Angriffsgrößen im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 15 μm liegen. Typische Abtastgeschwindigkeiten können im Bereich von etwa 10 bis etwa 1000 Millimetern pro Sekunde liegen.
Wie in den verschiedenen Ausführungsbeispielen und Beispielen dargestellt, gibt es für eine Vielfalt von Lasermikrobearbeitungsanwendungen sowohl Durchsatz- als auch Qualitätsvorteile für die Verwendung eines bildgeformten UV-Laserausgangs, der Impulse mit einer Impulsbreite im Pikosekundenbereich verwendet. Insbesondere erzeugt ein Festkörper-UV-Laser mit Pikosekundenimpulsbreite steilere Wärmegradienten, die weniger Energie für die Reinigung der letzten verbleibenden Materialschicht, der Lötmaske oder von Resistmaterial auf der Zielkontaktstelle erfordern. Die in die Zielkontaktstelle eingebrachte niedrigere Energie führt zu einer effizienteren Bearbeitung und weniger Chance für eine Wärmebeschädigung für kleine isolierte Zielkontaktstellen. Für das Kontaktlochbohren in oder durch gewebtes verstärktes Harz können diese Laserausgangsparameter die Wärmediffusion von Wärme in die Seitenwände des Kontaktlochs verringern, so dass die Seitenwandqualität verbessert wird. Für das Kontaktlochbohren durch Materialien mit einer oberen Metallschicht kann der Pikosekunden-Impulsbreitenbereich die Wärmediffusion von Wärme in die Metallschicht verringern und zu einem Schneiden mit besserer Qualität und weniger Chance für eine Wärmebeschädigung an der Metallschicht, insbesondere für dünne Metallschichten, führen.
Für Fachleute wird es offensichtlich sein, dass viele Änderungen an den Einzelheiten der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele dieser Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren zugrunde liegenden Prinzipien abzuweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.
Zusammenfassung
In einigen Ausführungsbeispielen ermöglicht ein Laserausgang mit mindestens einem Laserimpuls (32) mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als 400 Mikrometer, und mit einer Impulsbreite, die kürzer ist als 1000 Pikosekunden, dass die Anzahl (δN) von Impulsen, die verwendet werden, um eine Bodenfläche eines Kontaktlochs oder die Oberfläche einer Lötkontaktstelle zu reinigen, den Prozessdurchsatz erhöht. Ein Oszillatormodul (12) in Zusammenwirkung mit einem Verstärkungsmodul (16) kann verwendet werden, um den Laserausgang zu erzeugen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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- US 5841099 [0005, 0070, 0070]
- US 6784399 [0006]
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Claims

Verfahren zum Erhöhen des Laserkontaktlochbohrdurchsatzes durch Minimieren einer Gesamtzahl von Impulsen, die verwendet werden, um ein Kontaktloch mit gewünschten Funktionseigenschaften zu bohren, wobei die Gesamtzahl N von Impulsen eine Massezahl N₀ von Masseentfernungsimpulsen, die zum Entfernen von Massematerial zum Ausbilden des Kontaktlochs mit einer Laserentfernungs-Massematerial-Wechselwirkung verwendet werden, und eine Bodenflächen-Reinigungszahl δN von Bodenflächen-Reinigungsimpulsen, die verwendet werden, um eine Bodenfläche des Kontaktlochs mit einer Laserreinigungs-Material-Wechselwirkung zu reinigen, umfasst, umfassend: Erzeugen eines Laserausgangs mit einer Fluenz F und mindestens einem Laserimpuls mit einer Impulsbreite τ zum Reinigen der Bodenfläche des Kontaktlochs, wobei δN eine Beziehung zu F/τ^1/2 aufweist, und so dass δN/N₀ kleiner als oder gleich 1 ist; und Richten des Laserausgangs auf eine Zielposition, um die Bodenfläche eines Kontaktlochs zu reinigen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beziehung zwischen δN und F/τ^1/2 die Gleichung:
erfüllt, wobei L = (1/fτ)^1/2 – (1/fτ – 1)^1/2 gilt und f die Wiederholungsrate ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei δN eine Beziehung zu L aufweist, wobei L = (1/fτ)^1/2 – (1/fτ – 1)^1/2 gilt und f die Wiederholungsrate ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserausgang eine Wellenlänge aufweist, die kürzer ist als 400 Nanometer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserausgang eine Wellenlänge von etwa 355 Nanometern oder 351 Nanometern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserimpuls eine Impulsbreite aufweist, die kürzer ist als 1000 Pikosekunden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserimpuls eine Impulsbreite aufweist, die kürzer ist als 500 Pikosekunden.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst: Verwenden einer Bildformungsoptik, um den Laserausgang zu formen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kontaktloch in einer Leiterplatte gebohrt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Massematerial eine homogene Schicht, ein mit Teilchen gefülltes Harz, ein Polyimid oder ein faserverstärktes Polymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Massematerial eine Metallplattierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Metallplattierung weniger als etwa 18 Mikrometer dick ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bodenflächenmaterial ein Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserausgang durch einen Festkörperlaser oder einen Faserlaser erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserausgang in einem Laserstanzprozess verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Massematerial ein faserverstärktes Polymer umfasst und das Kontaktloch Seitenwände aufweist, die einen minimalen Faserüberstand aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserausgang eine Wiederholungsrate aufweist, die kleiner als oder gleich 10 Megahertz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserausgang eine Wiederholungsrate aufweist, die kleiner als oder gleich 1 Megahertz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Massematerialentfernung und die Bodenflächenreinigung mit etwa derselben Fluenz, aber mit verschiedenen Impulsbreiten durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bodenflächenreinigung weniger als 2 Mikrometer Dicke an Material entfernt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kontaktlochbohren durch einen Stanzprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kontaktlochbohren durch einen Hohlbohr-, Spiral- oder Schleifenprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Werkstück in der Zielposition eine darüber liegende Metallschicht, ein Massematerial, das unterhalb der darüber liegenden Metallschicht angeordnet ist, und eine darunter liegende metallische Schicht oder Kontaktstelle, die unterhalb des Massematerials angeordnet ist, umfasst, und wobei die obere Metallschicht mit einem ersten Satz von Laserparametern entfernt wird, das Massematerial mit einem zweiten Satz von Laserparametern entfernt wird und die darunter liegende Metallschicht mit einem dritten Satz von Laserparametern gereinigt wird, wobei der erste, der zweite und der dritte Satz von Parametern unterschiedlich sind.
Verfahren zum Laserkontaktlochbohren, umfassend: Verwenden eines Festkörperlasers, um einen Laserausgang mit mindestens einem Laserimpuls mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als 400 Nanometer, und mit einer Impulsbreite, die kürzer ist als 500 Pikosekunden, zu erzeugen; Verwenden einer Bildformungsoptik, um den Laserausgang zu formen; und Richten des Laserausgangs auf eine Zielposition, um ein Kontaktloch in einem Zielmaterial auszubilden und zu reinigen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Massematerial eine homogene Schicht, ein mit Teilchen gefülltes Harz, ein Polyimid oder ein faserverstärktes Polymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Massematerial eine Metallplattierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Metallplattierung weniger als etwa 18 Mikrometer dick ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bodenflächenmaterial ein Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Massematerial ein Widerstandsmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Laserausgang eine Widerholungsrate aufweist, die kleiner als oder gleich 10 Megahertz ist.
Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche einer Lötkontaktstelle, die mit einem Maskenmaterial bedeckt ist, umfassend: Erzeugen eines Laserausgangs mit mindestens einem Laserimpuls mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als 400 Nanometer, und mit einer Impulsbreite, die kürzer ist als 1000 Pikosekunden; und Richten des Laserausgangs auf das Maskenmaterial, das die Lötkontaktstelle bedeckt, um die Lötkontaktstelle für einen Lötprozess wirksam rein zu hinterlassen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Lötmaskenmaterial Epoxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Lötmaskenmaterial eine flüssige photoabbildbare Lötmaske umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Lötmaskenmaterial Coates ImageCure XV501T & XV501TSM, Coates ImageFlex (flexible Lötmaske) SV 601T, Enthone DSR 3241 und DSR 3241 GM, Rogers Rflex 8080 LP1 and Rflex 8080 LP3 (flexibel), Taiyo PSR 4000 BN und 4000 AUS5, Taiyo PSR 9000 (flexibel), oder Vantico Probimer 77 LPI Lötmaske umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Lötmaskenmaterial eine Trockenschicht-Lötmaske umfasst.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Lötmaskenmaterial Dupont VACREL 8100, Dupont Flexible Photoimageable Coverlay (PIC) 1000 und 2000, Shipley (Dynachem) DynaMASK 5000 oder Shipley ConforMASK 2500 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Laserimpuls eine Impulsbreite aufweist, die kürzer ist als 500 Pikosekunden.
Verfahren nach Anspruch 31, welches ferner umfasst: Verwenden einer Bildformungsoptik, um den Laserausgang zu formen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Laserausgang durch einen Festkörperlaser oder einen Faserlaser erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Laserausgang in einem Laserstanzprozess verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Laserausgang in einem Laser-Hohlbohr-, -Spiral- oder -Schleifenprozess verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Lötkontaktstelle ohne Lötkontaktstellenabheben und/oder -delaminierung wirksam sauber ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei eine Gesamtzahl von Impulsen, die zum Entfernen des Lötmaskenmaterials verwendet werden, minimiert wird, wobei die Gesamtzahl N von Impulsen eine Massezahl N₀ von Masseentfernungsimpulsen, die zum Entfernen von Masselötmaskenmaterial mit einer Laserentfernungs-Massematerial-Wechselwirkung verwendet werden, und eine Bodenflächen-Reinigungszahl δN von Oberflächenreinigungsimpulsen, die zum Reinigen der Oberfläche der Lötkontaktstelle mit einer Laserreinigungs-Material-Wechselwirkung verwendet werden, umfasst, wobei der Laserausgang eine Fluenz F und mindestens einen Laserimpuls mit einer Impulsbreite τ zur Reinigung der Oberfläche der Lötkontaktstelle aufweist, wobei δN eine Beziehung zu F/τ^1/2 aufweist, und so dass δN/N₀ kleiner als oder gleich 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei δN eine Beziehung zu L aufweist, wobei L = (1/fτ)^1/2 – (1/fτ – 1)^1/2 ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Laserausgang eine Wiederholungsrate aufweist, die kleiner als oder gleich 10 Megahertz ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Laserausgang eine Wellenlänge von etwa 355 Nanometern oder 351 Nanometern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Lötkontaktstelle eine isolierte Kontaktstelle umfasst.
Lasersystem zum Reinigen einer Oberfläche einer Lötkontaktstelle, umfassend: ein Oszillatormodul zum Erzeugen eines Oszillatorausgangs mit mindestens einem Oszillatorausgangsimpuls mit einer Impulsbreite, die kürzer ist als 1000 Pikosekunden; ein Verstärkungsmodul zum Umwandeln des Oszillatorausgangs in einen Laserausgang mit mindestens einem Laserimpuls mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als 400 Nanometer, und mit einer Impulsbreite, die kürzer ist als 1000 Pikosekunden; und ein Strahlpositionierungssystem zum Richten des Laserausgangs auf einen Zielteil aus Lötmaskenmaterial, das über einer Lötkontaktstelle liegt, so dass der Zielteil des Lötmaskenmaterials entfernt wird.