TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vor
richtung zum Bohren gedruckter Verdrahtungsplatten mit Laserlicht. Insbesondere
betrifft sie das Bohren blinder Bohrungen zum Herstellen einer Verbindung zwi
schen oberen leitfähigen Schichten und unteren leitfähigen Schichten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fig. 17 zeigt ein Diagramm eines herkömmlichen optischen Systems zum
Bohren mit Laserlicht. Bei diesem Laserbohrsystem wird ein von einem Laserkopf 1
emittierter Laserstrahl 2 durch einen Kollimator gebündelt und vergrößert oder ver
kleinert und dann zum Bohren durch eine Öffnung 4 auf einen geeigneten Durch
messer gebracht. Der geformte Laserstrahl 2 wird durch einen Eckspiegel 5 und ei
nen Spiegel 14 in einem Bearbeitungskopf Z und dann durch zwei Galvanometer
spiegel 15 a, 15 b auf eine f-θ-Linse 16 reflektiert. Der Laserstrahl 2 wird durch die
Galvanometerspiegel 15 a, 15 b positioniert und trifft durch die f-θ-Linse vertikal auf
einer Bearbeitungsoberfläche auf. Die Bearbeitung wird an jedem durch die Größe
der f-θ-Linse 16 definierten Bearbeitungsbereich 18 ausgeführt, und der Bereich
wird durch eine (nicht dargestellte) X-Y-Tabelle nacheinander von 18 1 nach 18 N
bewegt.
Fig. 18 zeigt die Wirkungen des Kollimators 3 und der Öffnung 4. Die
Diagramme im unteren Teil dieser Figur zeigen Verteilungsbeziehungen zwischen
der Laserlichtenergie (Ordinate) und radialen Positionen im Laserstrahl (Abszisse).
Da die räumliche Energieverteilung am Ausgangsfenster des Laserkopfs 1 im all
gemeinen eine Gauss'sche Verteilung ist, ist die räumliche Energieverteilung des
den Kollimator 3 durchlaufenden Laserstrahls ebenfalls eine Gauss'sche Verteilung.
Die Größe des Laserstrahls kann durch Vergrößerungen (Vergrößerungsverhältnisse
oder Verkleinerungsverhältnisse) des Kollimators 3 verändert werden. Dies bedeu
tet, daß der Durchmesser des Laserstrahls klein wird und die räumliche Energiever
teilung ein hohes Energiedichteprofil (oder Leistungsdichteprofil) mit der in Fig.
18a gezeigten "Verteilung a'" (gestrichelte Linie) aufweist, wenn die Vergrößerung
gering ist, und daß der Durchmesser des Laserstrahls groß wird und die räumliche
Energieverteilung ein niedriges Energiedichteprofil (oder Leistungsdichteprofil) mit
der in Fig. 18a gezeigten "Verteilung b'" (gestrichelte Linie) aufweist, wenn die
Vergrößerung stark ist.
Insbesondere kann bei einem größeren Durchmesser der Öffnung 4 der Bo
den einer erzeugten Bohrung (d. h. die Oberfläche einer inneren leitfähigen Schicht)
beschädigt werden, da die Energie in der Mitte konzentriert ist. Daher wird eine
"Verteilung A'" (durchgehende Linie) oder eine "Verteilung B'" (durchgehende Li
nie) eingestellt, um Beschädigungen durch Herausschneiden eines mittleren Teils
des Strahls, der ein verhältnismäßig homogener Teil der Energieverteilung ist, mit
tels der geeigneten Öffnung 4 zu vermeiden. Im folgenden wird eine vollständige
räumliche Energieverteilung, die durch Entfernen der Öffnung 4 aus dem optischen
Pfad erhalten wird, als "Verteilung C'" bezeichnet.
Fig. 18b zeigt andererseits eine räumliche Energieverteilung bei der Ver
wendung einer Strahlenhomogenisiervorrichtung 30 im optischen Pfad. Die räumli
che Energieverteilung wird durch die Strahlenhomogenisiervorrichtung 30 in Recht
eckform gebracht, durch den Kollimator 3 verkleinert oder vergrößert ("Verteilung
a" (gestrichelte Linie) oder "Verteilung b" (gestrichelte Linie) gemäß Fig. 18b),
dann mit einer Öffnung 4 herausgeschnitten und hochgradig homogenisiert ("Ver
teilung A" (durchgehende Linie) oder "Verteilung B" (durchgehende Linie) gemäß
Fig. 18b). Im folgenden werden diese rechteckigen Verteilungen als "haubenförmi
ge" Verteilungen bezeichnet, und eine durch Entfernen der Öffnung 4 aus dem opti
schen Pfad mit der Strahlenhomogenisiervorrichtung 30 erhaltene vollständige,
räumliche Energieverteilung wird als "Verteilung C" bezeichnet. Als Strahlenhomo
genisiervorrichtung 30 können verschiedene im Handel erhältliche Produkte, wie
ein asphärisches Linsensystem oder ein diffraktives optisches System, verwendet
werden.
Typische Konstruktionen von gedruckten Verdrahtungsplatten sind ein
"Glas enthaltendes Substrat" (ein FR-4-Substrat), das ein geschichtetes Substrat aus
einer Schicht bzw. Schichten aus einem Leiter und einer Schicht oder Schichten aus
einem Glasfasern enthaltenden Harz ist, die abwechselnd angeordnet sind, und des
sen Oberflächenschicht eine leitfähige Schicht ist, ein "RCC-Substrat", das ein ge
schichtetes Substrat aus einer Schicht bzw. Schichten aus einem Leiter und einer
Schicht oder Schichten aus Harz ist, die abwechselnd angeordnet sind, und dessen
Oberflächenschicht eine leitfähige Schicht ist, und ein "Direktharzsubstrat", dessen
leitfähige Schicht mit einer Harzschicht überzogen ist. Als Harz werden hauptsäch
lich Epoxid oder Polyimid verwendet. Statt Glasfasern werden gelegentlich Kera
mikmaterialien verwendet, um die Harzschicht zu verstärken.
Die folgenden Bohrverfahren mit einem CO2-Laser mit einer Wellenlänge
von 10,6 µm sind allgemein bekannt. Ein "CO2-Direktharzverfahren" bezeichnetes
Verfahren zur Erzeugung einer blinden Bohrung in der Harzschicht eines Direkt
harzsubstrats wurde in "GENERATING SMALL HOLES FOR IBMs NEW LSI
PACKAGE DESIGN" in "IPC Technical Review", Seiten 12-15, April 1982 of
fenbart und in der Praxis angewendet. Ein Verfahren zur Erzeugung einer blinden
Bohrung in der Harzschicht eines Glas enthaltenden Substrats mit einem CO2-Laser
nach der vorherigen Erzeugung eines Fensters durch chemisches Ätzen oder Bohren
wurde in der japanischen Veröffentlichung Nr. 58-64097 JP A1 und dem US-Patent
Nr. 5,010,232 offenbart.
Überdies wurde in der japanischen Veröffentlichung Nr. 01-266983 JP A1
ein Verfahren zum Bohren von Durchgangsbohrungen oder blinden Bohrungen in
einem geschichteten Substrat aus mehreren abwechselnd angeordneten leitfähigen
und Harzschichten offenbart. Hierbei handelt es sich um einen Prozeß zur Erzeu
gung eines Fensters in einer leitfähigen Schicht durch eine wiederholte kreisförmige
Bearbeitung (anders ausgedrückt durch "Hohlbohren") mit ultraviolettem Laserlicht
("UV-Laserlicht"), durch das Metalle effizient entfernt werden können, und Bohren
einer Harzschicht mit CO2-Laserlicht.
Es ist jedoch bekannt, daß nach dem CO2-Laserbohren eine (als "Smear"
bzw. "Rückstand" bezeichnete) dünne Restharzschicht mit einer Dicke (tc) im Be
reich von 0,2-3 µm auf dem Boden der Bohrung, anders ausgedrückt, unmittelbar
auf der leitfähigen Schicht, verbleibt. Überdies haben wir herausgefunden, daß die
Dicke tc selbst dann nicht verändert werden kann, wenn die Energiedichten oder die
Anzahl der abgegebenen CO2-Laserimpulse unterschiedlich verändert werden.
Das Folgende sind unsere Spekulationen bezüglich einer Ursache des Ver
bleibs. Das CO2-Laserbohren ist ein Verfahren, bei dem der thermische Zerfall der
Harzschicht bei einer durch die Absorption des Infrarotlaserlichts gesteigerten Tem
peratur genutzt wird. Da die Wärmeleitfähigkeit der beispielsweise aus Kupfer be
stehenden (inneren) leitfähigen Schicht 1000 Mal höher als die der Harzschicht ist,
beginnt daher die Wärmeenergie in die innere leitfähige Schicht zu fließen, wenn
die Harzschicht dünn wird. Daher kann die Temperatur der Harzschicht bei einer
dünnen Restschicht nicht auf die Zerfallstemperatur ansteigen, und dementspre
chend verbleibt die Restschicht mit einer Dicke von 0,2-3 µm.
Wenn die Schicht verbleibt, ist ein chemischer Prozeß zur Entfernung des
Rückstands zum Entfernen der Restschicht unverzichtbar, der Schritte zum Vorbe
handeln, Spülen, Kochen, Kühlen, Spülen, Aufquellen, Spülen, Entfernen des Rück
stands durch Oxidation, Spülen, Neutralisieren, Spülen, Trocknen, etc. umfaßt. Bei
diesem chemischen Prozeß zur Entfernung des Rückstands ist die Benetzbarkeit in
den Bohrungen bei Bohrungsdurchmessern von weniger als 100 µm gering, d. h. die
Flüssigkeit zur Entfernung des Rückstands kann nur schwer tief in die Bohrungen
gelangen, und dadurch wird die Zuverlässigkeit des Prozesses verringert. Überdies
tritt das Problem auf, daß die Durchmesser der Bohrungen beim Bohren mit einem
CO2-Laser normalerweise maximal 10 µm größer werden, da die Seiten der Boh
rungen durch die Flüssigkeit zur Entfernung des Rückstands ebenfalls um 3-5 µm
abgetragen werden, obwohl der Zweck des Prozesses zur Entfernung des Rück
stands das Entfernen der Restschicht auf dem Boden ist.
Andererseits wurde in "Excimer Lasers: An Emerging Technology in the
Electronics Industry" im "IPC Technical Review", Seiten 16-20, November 1987
ein als "UV-Direktharzverfahren" bezeichnetes Verfahren zur Erzeugung einer blin
den Bohrung in der Harzschicht eines Direktharzsubstrats mit einem UV-Laser of
fenbart und in der Praxis eingesetzt. Ein Verfahren zur Erzeugung einer Bohrung in
einem geschichteten Substrat aus leitfähigen Schichten und Harzschichten nur mit
einem UV-Laser wurde im US-Patent Nr. 5,593,606 offenbart.
Bei dem UV-Laser, der sich von dem CO2-Laserverfahren unterscheidet,
existiert keine Restschicht auf den Böden von Bohrungen. Wird jedoch genug Ener
gie zum Erhalt einer praktischen Bearbeitungsgeschwindigkeit verwendet, wird die
Oberfläche der leitfähigen Schicht auch durch die überschüssige Energie geglättet,
und die auf der Platte fest ausgebildete Oberflächenrauhigkeit wird geschmolzen
und zu einer gleichförmigen Oberfläche zersetzt. Insbesondere bei der Verwendung
eines UV-Lasers mit Wellenlängenumwandlung, dessen Wellenlänge durch ein
nicht lineares optisches Element umgewandelt wird, und dergleichen, wird die
Oberfläche der untersten leitfähigen Schicht leicht beschädigt, da es schwierig ist,
die Impulsenergie bei der Verarbeitung zu verändern und die Variation der Dicke
der Harzschichten im Vergleich zur Dicke der Harzschicht von 65 µm eine Größe
von 20 µm aufweist. Da die Lichtenergie, die den Boden der Durchgangsbohrung
erreicht, überdies gesteigert wird, wenn der Energieabsorptionskoeffizient der Harz
schicht gering ist, wird die gespeicherte Lichtenergie unmittelbar über der leitfähi
gen Schicht gesteigert. Da das Harz auf dem Boden einer Durchgangsbohrung durch
die gespeicherte Energie abgebaut und verdampft wird, wird daher die Harzschicht
auf der Bodenkante durch die Dampfenergie abgeschält. Diese Schäden können
durch Verringern der Lichtimpulsenergie vermieden werden, doch die Verarbei
tungsgeschwindigkeit wird verringert, da die Anzahl der abgegebenen Impulse ge
steigert werden muß.
Bei der Verarbeitung eines Glas enthaltenden Substrats mit einem UV-
Laser wird nicht nur die Oberfläche der leitfähigen Schicht durch die überschüssige
Energie geglättet, sondern es wird auch die Seitenwand der Durchgangsbohrung in
eine Faßform gebracht, und die Glasfasern stehen vor.
Folgendes sind unsere Spekulationen bezüglich einer Ursache der über
schüssigen Energie. Die Energieabsorptionskoeffizienten bei einer Wellenlänge von
355 nm im UV-Lichtbereich sind wie folgt: Epoxid: 30-80%, Kupfer: über 70-75%,
Glas: ca. 20%. Die Wärmeleitungskoeffizienten sind wie folgt: Epoxid:
0,8-0,85 Wm-1K-1, Kupfer: 386 Wm-1K-1, Glas: 1,04-1,09 Wm-1K-1. Diese Daten
zeigen die sehr großen Unterschiede zwischen den Materialien. Da ca. 80% der
aufgebrachten Laserenergie in der Durchgangsbohrung gespeichert werden, indem
sie reflektiert oder gestreut werden, wird daher insbesondere bei Impulsperioden
von weniger als 3,3 ms (bei Impulswiederholungsraten von mehr als 3 kHz) die
Harzseitenwand der Durchgangsbohrung wie ein Faß aufgewölbt, und die Glasfa
sern ragen vor, wodurch die Zuverlässigkeit des Prozesses verschlechtert wird.
Da überdies die Laserverarbeitungsenergie beim Bohren in der leitfähigen
Schicht selbst bei einem RCC-Substrat, dessen Harzschicht keine Glasfasern ent
hält, höher als 3 J/cm2 ist, erschweren die Unterschiede zwischen den Materialei
genschaften bei UV-Licht die Steuerung der Wärmebedingungen, und die Bodenflä
che der leitfähigen Schicht wird beschädigt. Daher ist es schwierig, eine praxistaug
liche Qualität der Bohrungen zu erzielen.
Da die räumliche Energieverteilung des UV-Laserstrahls, wie in Fig. 18a
gezeigt, die Verteilung A' oder C' ist, wird zudem eine Rauhigkeit auf dem Boden
erzeugt, und die zur Entfernung der Restschicht erforderliche Zeit wird länger oder
die Bodenfläche der leitfähigen Schicht wird teilweise beschädigt.
Ein Verfahren zum Verhindern der Beschädigung der Bodenfläche der leit
fähigen Schicht ist beispielsweise in "Laser Ablation to sono-ouyoh", Corona Publi
shing Co., Ltd., 1999, S. 146, 11.6-13 offenbart, die ein selektives Ätzverfahren für
die Harzschicht durch Einstellen der Energiedichte des Laserlichts für die Bearbei
tung auf einen höheren Wert als den Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harz
schicht und einen niedrigeren Wert als den Schwellenwert der Zerfallsenergie der
leitfähigen Schicht aufzeigt.
Hierbei ist der Schwellenwert der Zerfallsenergie die Energiedichte des
aufgebrachten Laserlichts, die zum Einleiten eines Ablationsprozesses erforderlich
ist, der ein Zerfalls-, Schmelz- oder Verdampfungsprozeß durch Laserlicht ist. Die
Energiedichte des aufgebrachten Laserlichts ist ein Produkt der aufgebrachten Lei
stungsdichte und der (als Fluenz bezeichneten) Impulsbreite.
Andererseits wurde in dem japanischen Patent Nr. 2983481 ein Reinigungs
verfahren zum Entfernen der Restmaterialien bzw. des Rückstands aus den Böden
und der Umgebung der Bohrungen in einem weiten Bereich durch weitgehendes
Homogenisieren eines Excimer-Laserstrahls mit einer zeilenförmigen oder quadrati
schen Verteilung durch eine Strahlenhomogenisiervorrichtung offenbart. Wird die
ses Verfahren jedoch auf ein Direktharzsubstrat angewendet, dessen Oberflächen
schicht eine Harzschicht ist, wird die Oberfläche der Harzschicht beschädigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren
zum Bohren gedruckter Verdrahtungsplatten ohne einen chemischen Prozeß zur
Entfernung des Rückstands durch selektives Wegätzen der Restschicht mit Laser
licht zu schaffen, das durch Messen und Nutzung der tatsächlichen Differenz zwi
schen den Schwellenwerten der Zerfallsenergie von Harzen und Leitern erfolgt.
Die zweite Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bohren eines
Substrats mit einer Oberflächenschicht aus Harz zu schaffen, bei dem die Oberflä
che nicht beschädigt wird.
Die dritte Aufgabe der Erfindung ist es, ein zum Bohren von Bohrungen
und zum Entfernen der Restschichten durch Verändern der Energiedichten von La
sern und der Wellenlängen geeignetes System zu schaffen.
Wir haben festgestellt, daß die erste Aufgabe gelöst werden kann, indem die
Harzschicht, die mit der anvisierten leitenden Schicht in Kontakt steht, mit einem
ersten Laserstrahl, dessen Energiedichte höher als der Schwellenwert der Zerfallse
nergie der leitenden Schicht ist und dessen räumliche Energieverteilung eine Hau
benform, so gebohrt wird, daß die Restschicht so homogen wie möglich bleibt, und
die Restschicht mit einem zweiten UV-Laserstrahl entfernt wird, dessen Energie
dichte niedriger als der Schwellenwert der Zerfallsenergie der leitenden Schicht und
höher als der der Harzschicht ist.
Wir haben empirisch festgestellt, daß die Schwellenwerte der Zerfallsener
gie von Materialien bei einer Wellenlänge von 355 nm wie folgt sind: Epoxid:
0,3-0,5 J/cm2, Kupfer: 0,8-1,0 J/cm2, Glas: 5-6 J/cm2. Durch die vorliegende Erfin
dung kann mittels dieser von uns festgestellten, kleinen Differenz zwischen den
Schwellenwerten der Zerfallsenergie von Epoxidharz und Kupfer die anvisierte lei
tende Schicht durch selektives Wegätzen der Restschicht mit einem zweiten UV-
Laserstrahl, dessen Energiedichte geringer als der Schwellenwert der Zerfallsener
gie der leitenden Schicht und höher als der der Harzschicht ist, erfolgreich freigelegt
werden.
Überdies sollte gemäß diesem Verfahren die Dicke der Restschicht durch
einen haubenförmigen ersten UV-Laserstrahl homogenisiert werden. Die vorliegen
de Erfindung ist am besten zu nutzen, wenn eine Bearbeitung mit einem hauben
förmigen ersten UV-Laser und eine Bearbeitung mit einem UV-Laser, dessen Ener
giedichte geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie der leitenden Schicht
und höher als der der Harzschicht ist, kombiniert werden.
Zur Lösung der zweiten Aufgabe wird die räumliche Energieverteilung des
zweiten UV-Laserstrahls haubenförmig eingestellt, und der Durchmesser des Strahls
wird mit dem Durchmesser der durch den ersten Laserstrahl in der Harzschicht er
zeugten Bohrung in Übereinstimmung gebracht, um eine Beschädigung der Ober
fläche der Harzschicht zu verhindern.
Ein weiteres Verfahren zur Lösung der ersten Aufgabe besteht in den auf
einanderfolgenden Schritten der Erzeugung einer Bohrung in der leitenden Schicht
durch einen ersten UV-Laserstrahl, dessen Energiedichte höher als der Schwellen
wert der Zerfallsenergie der leitfähigen Schicht ist, der Bearbeitung der Harzschicht
mit einem CO2-Laserstrahl und der Entfernung des Rückstands mit einem UV-
Laser, dessen Energiedichte geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie der
leitenden Schicht und höher als der der Harzschicht ist. Da bei dieser Ausführungs
form gemäß unserem vorstehend erwähnten Experiment bei dem CO2-Laser auto
matisch ein Rückstand (ein Restteil der Harzschicht) verbleibt, ist es leicht, die Pro
zeßparameter einzustellen, da es unnötig ist, die Dicke der Restschicht zu steuern.
Überdies wird die Seitenwand der Harzschicht nicht faßartig ausgebuchtet, wie bei
dem UV-Laserprozeß.
Zur Lösung der dritten Aufgabe werden mindestens zwei Laserpfade er
zeugt, die räumlichen Energieverteilungen werden durch die Homogenisiereinheiten
in den Pfaden haubenförmig eingestellt, und die Durchmesser und die Energiedich
ten werden unabhängig eingestellt. Wenn die Pfade beispielsweise durch eine aku
sto-optische Ablenkeinrichtung von einem Laserkopf umgeschaltet werden, ist dies
zur Einsparung von Raum gut. Sind überdies die Pfade an einer gemeinsamen Ach
se in der Nähe der Oberfläche eines Substrats ausgerichtet, wird die Verarbeitungs
zeit verkürzt, da die Tabelle für das Substrat zum Zeitpunkts des Umschaltens des
Pfads nicht notwendigerweise bewegt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Laserbe
arbeitungssystems;
Fig. 2a ist eine Darstellung, die die Energieverteilungen von UV-
Laserstrahlen und damit einen Erweiterungsprozeß einer Bohrung in einem RCC-
Substrat zeigt;
Fig. 2b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und UV-Laserimpulsen für den Prozeß gemäß Fig. 2a;
Fig. 3a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen
und damit einen Ausdehnungsprozeß einer Bohrung in einem Direktharzsubstrat
zeigt;
Fig. 3b ist ein Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und UV-Laserimpulsen für den Prozeß gemäß Fig. 3(a);
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungssystems;
Fig. 5a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls
und das Bohren einer Bohrung in einer leitenden Schicht durch eine kreisförmige
Bearbeitung bei einem Glas enthaltenden Substrat zeigt;
Fig. 5b ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO2-
Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht durch eine Bear
beitung mit wiederholten Impulsen bei einem Glas enthaltenden Substrat zeigt;
Fig. 5c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls
und einen Prozeß zur Entfernung einer Restschicht in einem Glas enthaltenden Sub
strat zeigt;
Fig. 6a ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 5a;
Fig. 6b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der CO2-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 5b;
Fig. 6c ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 5c;
Fig. 7a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls
und das Bohren einer Bohrung in einer leitenden Schicht durch eine kreisförmige
Bearbeitung bei einem RCC-Substrat zeigt;
Fig. 7b ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO2-
Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht durch eine Bear
beitung durch wiederholte Impulse bei einem RCC-Substrat zeigt;
Fig. 7c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls
und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einem RCC-Substrat zeigt;
Fig. 8a ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 7a;
Fig. 8b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der CO2-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 7b;
Fig. 8c ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 7c;
Fig. 9a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO2-
Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Glas enthal
tenden Direktharzsubstrats zeigt;
Fig. 9b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der CO2-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 9a;
Fig. 9c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-Laserstrahls
und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einem Glas enthaltenden Di
rektharzsubstrat zeigt;
Fig. 9d ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 9c;
Fig. 10a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines CO2-
Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharz
substrats zeigt;
Fig. 10b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der CO2-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 10a;
Fig. 10c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-
Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einen Direktharz
substrat zeigt;
Fig. 10d ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 10c;
Fig. 11a ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-
Laserstrahls und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direktharz
substrats zeigt;
Fig. 11b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 11a;
Fig. 11c ist eine Darstellung, die die Energieverteilung eines UV-
Laserstrahls und den Prozeß der Entfernung einer Restschicht bei einem Direktharz
substrat zeigt;
Fig. 11d ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 11c;
Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungssystems;
Fig. 13a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen
und damit eines Ausweitungsprozesses einer Bohrung in einem RCC-Substrat zeigt;
Fig. 13b ist eine Zeitübersicht der Bewegung von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 13a;
Fig. 14a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen
und damit eines Ausweitungsprozesses einer Bohrung in einem Direktharzsubstrat
zeigt;
Fig. 14b ist eine Zeitübersicht der Bewegung von Galvanometerspiegeln
und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 14a;
Fig. 15 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungssystems;
Fig. 16 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungssystems;
Fig. 17 ist ein Diagramm eines herkömmlichen optischen Systems zum
Bohren mit Laserlicht;
Fig. 18a ist ein schematisches Diagramm, das die Wirkung des Kollimators
3 und der Öffnung 4 zeigt; und
Fig. 18b ist ein schematisches Diagramm, das eine räumliche Energiever
teilung bei der Verwendung einer Strahlenhomogenisiervorrichtung 30 entlang des
optischen Pfads zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Ausführungsform 1 der Vorrichtung)
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines optischen Systems eines
erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems. Ein polarisierender, Q-geschalteter
YVO4-Laserkopf, dessen Wellenlänge von einem nicht linearen optischen Element
LBO (LiB3O5) in die dritten Harmonien (355 nm) umgewandelt wurde und dessen
Wiederholungsfrequenzbereich 10-100 kHz betrug, wurde als UV-Laserkopf 1
verwendet. Der Laserkopf ist so plaziert, daß der Vektor des elektrischen Felds des
Laserstrahls 2 parallel zu einem Zeichnungsblatt eingestellt ist ("P-Polarisierung").
Eine akusto-optische Ablenkeinrichtung 6 ist entlang dem optischen Pfad des Laser
strahls 2 angeordnet. Eine akusto-optische Ablenkeinrichtung weist im allgemeinen
ein mit einem piezoelektrischen Element verbundenes akusto-optisches Element auf
und wird verwendet, um einen auftreffenden Lichtstrahl mit den durch Anlegen ei
ner RF-Spannung an das piezoelektrische Element erzeugten Ultraschallwellen
fronten durch eine Bragg-Diffraktion abzulenken. Die Richtung des Laserstrahls 2
wird durch die akusto-optische Ablenkvorrichtung 6 aus der geraden Richtung 2 k in
die abgelenkte Richtung 2 i verändert. Der abgelenkte Laserstrahl 2 i wird durch eine
Strahlenhomogenisiereinheit 30 i homogenisiert, so daß es eine haubenförmige
räumliche Energieverteilung aufweist, durch einen Kollimator 3 i gebündelt und ver
größert oder verkleinert und durch eine Öffnung 4 i auf einen geeigneten Durchmes
ser für eine Bearbeitung gebracht. Dann wird der Laserstrahl 2 i durch einen Eck
spiegel 5 i reflektiert, und die Polarisation wird durch eine Halbwellenplatte 11 so
gedreht, daß der Vektor des elektrischen Felds des Laserstrahls 2 i senkrecht zu dem
Zeichnungsblatt eingestellt wird ("S-Polarisierung"). Als nächstes wird der Laser
strahl 2 i durch eine polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung 10 reflektiert, die
ein invers betätigter, polarisierender Strahlenteiler 10 ist und P-polarisiertes Licht
überträgt und S-polarisiertes Licht reflektiert. Dann wird der Laserstrahl 2 i durch
einen Eckspiegel 5 k reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Z, der zwei
Galvanometerspiegel und eine f-θ-Linse enthält, wie in Fig. 17 gezeigt. Schließlich
wird der Laserstrahl 21 durch die Galvanometerspiegel positioniert und durch die f-
θ-Linse kondensiert und trifft senkrecht auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden
Substrats auf.
Andererseits wird der übertragene Laserstrahl 2 k durch eine Strahlenhomo
genisiereinheit 30 k so homogenisiert, daß er eine haubenförmige räumliche Ener
gieverteilung aufweist, durch einen Kollimator 3 k gebündelt und vergrößert oder
verkleinert und durch eine Öffnung 4 k auf einen für eine Bearbeitung geeigneten
Durchmesser gebracht. Dann wird der Laserstrahl 2 k durch die polarisierende
Strahlenkombiniervorrichtung 10 übertragen, da der Laserstrahl 2 k P-polarisiert ist
(Pk), und der Laserstrahl 2 k wird durch einen Eckspiegel 5 k reflektiert und gelangt
in einen Bearbeitungskopf Z. Schließlich wird der Laserstrahl 2 k durch die Galva
nometerspiegel polarisiert und durch die f-θ-Linse kondensiert und trifft senkrecht
auf der Oberfläche eines zu bearbeitenden Substrats auf Bei diesem Beispiel bewe
gen sich die Laserstrahlen (2 i und 2 k) nach dem Passieren der polarisierenden
Strahlenkombiniervorrichtung 10 längs einem gemeinsamen optischen Pfad.
Für eine Bearbeitung geeignete, räumliche Energieverteilungen Ai und Bk
können durch Einstellen von Vergrößerungen Mi und Mk der Kollimatoren 3 i und
3 k erhalten werden, wobei die Durchmesser der Öffnungen konstant gehalten wer
den (siehe Fig. 18b). Überdies kann durch Entfernen der Öffnung 4 i aus dem opti
schen Pfand der vollständige Ausgang mit der Verteilung Ci erhalten werden.
Dies ist eine sehr stark vereinfachte Ausführung einer Vorrichtung mit zwei
optischen Pfaden für die Bearbeitung, deren jeweilige Energieverteilungseinstellun
gen im wesentlichen unabhängig sind. Daher wird die Vorrichtung kompakt. Zudem
wird bei einem herkömmlichen System durch eine Ablenkvorrichtung, wie eine
akusto-optische, übertragenes Licht in einen Strahlen-Dumper geleitet und als
Wärme abgeleitet, bei der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform jedoch effi
zient genutzt. Da sich die Laserstrahlen auf den beiden Pfaden nach Erreichen des
Eckspiegels 5 k den gleichen optischen Pfad entlang bewegen, ist überdies bei der
aufeinanderfolgenden Bearbeitung mit Laserstrahlen keine Gestellbewegung oder
dergleichen erforderlich. Dadurch kann die Bearbeitungszeit verkürzt werden.
Wird bei dieser Ausführungsform eine akusto-optische Ablenkeinrichtung,
durch die die Polarisation des auftreffenden Lichts um 90° gedreht wird, als akusto-
optische Ablenkeinrichtung 6 verwendet, wird die Halbwellenplatte 11 überflüssig,
da keine Drehung der Polarisation erforderlich ist.
(Ausführungsform 1 der Bearbeitung)
Fig. 2a zeigt Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit einen
Ausdehnungsprozeß einer Bohrung in einem RCC-Substrat mit bei der Ausfüh
rungsform 1 der Vorrichtung, und Fig. 2b ist eine Zeitübersicht der Bewegung von
Galvanometerspiegeln und der UV-Laserimpulsen für den Prozeß gemäß Fig. 2a.
Hierbei sind die Bezeichnungen für die physikalischen Quantitäten der La
serstrahlen 2 i und 2 k wie folgt definiert:
EPa: Impulsenergie (= EP0a.(dAa/d0a/Ma)2)
EP0a: Impulsenergieausgang des Laserkopfs
dAa: Durchmesser der Öffnung
d0a: Durchmesser des Laserstrahls 2a vor dem Eintritt in 30a
Ma: Vergrößerung des Kollimators
TPa: Impulsbreite
WPa: Spitzenausgangsleistung (= EPa/TPa)
EdSa: Energiedichte (= EPa/{π(dSa/2)2})
dSa: Durchmesser des Bearbeitungspunkts (= dAa.{(La/fa) - 1})
La: Abstand zwischen der f-θ-Linse und dem Werkstück (Substrat)
fa: Brennweite der f-θ-Linse
TPPa: Periode eines Impulses
TGC: Periode der Positionierung der Galvanometerspiegel
Esa: Schwellenwert der Zerfallsenergie
Na: Anzahl der Impulsstöße
Va: Menge des entfernten Materials
wobei der Zusatz "a" eine Unterscheidung zwischen den Laserstrahlen "i" und "k"
bezeichnet.
In Fig. 2a bezeichnet das Bezugszeichen 21 eine äußere, leitfähige (metalli
sche) Schicht aus Kupfer (mit einer Dicke von 9 µm), das Bezugszeichen 22 be
zeichnet eine Isolierschicht aus Epoxidharz (mit einer Dicke von 50 µm), das Be
zugszeichen 24 bezeichnet eine innere leitende (metallische) Schicht aus Kupfer,
und das Bezugszeichen t bezeichnet die Restdicke der Isolierschicht nach der Bear
beitung mit einem ersten Laserstrahl 2 i. Zunächst wird der erste Laserstrahl 2 i durch
die Ablenkung durch Anlegen einer RF-Spannung durch die akusto-optische Ab
lenkvorrichtung 6 erhalten. In diesem Schritt sollte der Schwellenwert ESi bei der
Verwendung des ersten Laserstrahls 2 i 0,8-1,0 J/cm2 betragen, was dem Schwel
lenwert der Zerfallsenergie der äußeren leitfähigen Schicht 21 (0,8-1,0 J/cm2) ent
spricht, der höher als der Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht 22
(0,3-0,5 J/cm2) ist.
Da die zur effizienten Entfernung der leitenden Schicht erforderliche Ener
giedichte des Laserstrahls 21 gemäß unserem Experiment 3,0 J/cm2 oder mehr be
trug, war ein stark kondensiertes Licht erforderlich. Daher wurde für den Erhalt ei
nes starken und breiten Strahls die Energieverteilung Ci für den Laserstrahl 2 i ver
wendet. Wenn die Impulsbreite TPi 25 ns, die Impulsperiode TPPi 0,03 ms (eine
Frequenz von 30 kHz), der Spitzenausgang WPi 2,4-4,0 kW, die Impulsenergie
EPi 0,06-0,10 mJ und der Durchmesser dSi des Bearbeitungspunkts 40 µm betru
gen, erhielten wir eine Impulsenergiedichte EdSi von 4,8-8,0 J/cm2. Wir konnten
mit dem Laserstrahl fast die gesamte Dichte der leitenden Schicht 21 und der Harz
schicht entfernen. Zudem war zur Erzeugung eines Fensters mit einem Durchmesser
von 100 µm in der leitenden Schicht mit einer Dicke von 9 µm eine Bearbeitung mit
mehreren Impulsen bei einer kreisförmigen Anordnung des Strahlenpunkts (einer
"kreisförmigen Bearbeitung" oder einem "Hohlbohren", wie in Fig. 2a durch einen
Pfeil dargestellt) erforderlich, da der Bearbeitungsstrahlenpunkt kleiner als das Fen
ster war. In diesem Fall betrug die erforderliche Anzahl Ni an Impulsstößen insge
samt 100. Hierbei betrug die bevorzugte Restdicke (t) der Harzschicht 5-10 µm. Da
die räumliche Energieverteilung des ersten Laserstahls 2 i haubenförmig war, war
die Restdicke im wesentlichen gleichmäßig.
Die Restdicke (t) der Harzschicht 22 wurde durch einen zweiten Laserstrahl
2 k entfernt, der durch Abschalten der RF-Spannung der akusto-optischen Ablenk
vorrichtung 6 erhalten wurde. Die zum Entfernen der Restdicke der Harzschicht auf
dem Boden der Bohrung erforderliche Energiedichte des UV-Laserstrahls 2 k war
größer als 0,3-0,5 J/cm2 (genauer betrug sie 0,5 J/cm2 oder mehr). Zur gleichmäßi
gen Entfernung der Restharzschicht und zur Entfernung einer auf der Oberfläche der
inneren, leitfähigen Schicht ausgebildeten, oxidierten Schicht zur Verbesserung der
Abschälbeständigkeit der Harzschicht und im wesentlichen zur Vermeidung einer
Beschädigung der inneren leitfähigen Schicht wurde eine haubenförmige Verteilung
Bk verwendet. Überdies wird die innere, leitfähige Schicht 24 nicht beschädigt,
wenn die Impulsenergie EPk des zweiten Laserstrahls 2 k höher als der Schwellen
wert ESk der Zerfallsenergie ist, der dem Schwellenwert der Zerfallsenergie der
Harzschicht entspricht und geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie der
inneren leitenden Schicht 24 ist. Daher wurden eine Impulsbreite TPk von 25 ns,
eine Impulsperiode TPPk von 0,03 ms (einer Frequenz von 30 kHz), einem Spitzen
ausgang WPk von 2,3-3,6 kW und einer Impulsenergie EPk von 0,06-0,09 mJ
sowie ein Bearbeitungspunktdurchmesser dSk von 120 µm verwendet, was größer
als der Fensterdurchmesser von 100 µm ist. Dadurch erhielten wir eine Impulsener
giedichte EdSk von 0,5-0,8 J/cm2. Unter dieser Bedingung konnte die Restdicke
der Harzschicht entfernt werden, da die Energiedichte höher als der praktisch erfor
derliche Schwellenwert der Zerfallsenergie von 0,5-0,8 J/cm2 für die Harzschicht
aus Epoxid war, und die innere, leitende Schicht konnte nicht beschädigt werden, da
die Energiedichte geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie von
0,8-1,0 J/cm2 für Kupfer war, dem Material der inneren, leitenden Schicht. Die Entfer
nungsgeschwindigkeit für die Harzschicht betrug bei dieser Ausführungsform ca.
0,5 µm/Impuls, und die erforderliche Anzahl Nk der Impulse betrug 30.
Fig. 2b zeigt eine Zeitübersicht dieses Verfahrens. Es ist ersichtlich, daß
der abgeschwächte zweite Laserstrahl 2 k während der Bearbeitung mit dem ersten
Laserstrahl 2 i kombiniert wurde, da die Effizienz der Diffraktion der akusto
optischen Vorrichtung nicht 100% betrug. Da jedoch die Größe des abgeschwäch
ten, zweiten Laserstrahls geringer als der Schwellenwert der Zerfallsenergie des
Harzes ist, trat keine Verschlechterung bei der Bearbeitung mit dem ersten Laser
strahl 2 i auf.
Gemäß dieser Ausführungsform traten keine Ablösungen zwischen den lei
tenden Schichten und den Harzschichten entlang der Kanten der Böden der Durch
gangsbohrungen auf. Zudem verblieben in einigen Fällen geringfügig Zerfallsrück
stände auf dem Boden einer Bohrung auf einer leitenden Schicht. Dadurch wurde
jedoch kein Problem verursacht, da die Rückstände zusammen mit oxidierten
Schichten oder dergleichen auf der Oberfläche der inneren leitfähigen Schicht durch
chemisches Lichtätzen entfernt werden können, das der erste Schritt des nach der
Laserstrahlbearbeitung auszuführenden Galvanisierungsprozesses ist.
(Ausführungsform 2 der Bearbeitung)
Fig. 3a zeigt Energieverteilungen von UV-Laserstrahlen und damit eines
Ausdehnungsprozesses der Bohrung in einem Direktharzsubstrat, dessen Eingangs
material Epoxidharz ist, durch die Ausführungsform 1 der Vorrichtung, und Fig.
3b ist eine Zeitübersicht von Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der UV-
Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 3a. In Fig. 3a bezeichnen das Bezugszei
chen 22 eine Isolierschicht aus Epoxidharz (mit einer Dicke von 50 µm), das Be
zugszeichen 24 eine innere, leitende (metallische) Schicht aus Kupfer und das Be
zugszeichen t eine Restdicke der Isolierschicht nach der Bearbeitung mit einem er
sten Laserstrahl 2 i. Hierbei ist der Schwellenwert ESi bei der Verwendung des er
sten Laserstrahls 2 i der Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht 22 aus
Epoxid, d. h. 0,3-0,5 J/cm2.
Bei dieser Ausführungsform waren die Bedingungen mit der Ausnahme der
folgenden Unterschiede fast identisch wie bei der Ausführungsform 1 der Bearbei
tung.
Da die zur Entfernung der Harzschicht erforderliche Energiedichte des La
serstrahls 2 i geringer als die zur Entfernung der leitfähigen Schicht erforderliche
war, war die Energieverteilung Ai. Wenn die Impulsbreite TPi 25 ns, die Impulspe
riode TPPi 0,03 ms (eine Frequenz von 30 kHz), der Spitzenausgang WPi 1,0-1,6 kW,
die Impulsenergie EPi 0,025-0,040 mJ und der Bearbeitungspunktdurchmes
ser dSi 50 µm betrugen, erhielten wir eine Impulsenergiedichte EdSi von 1,3-2,0 J/cm2
zur Entfernung annähernd der gesamten Dicke der Harzschicht mit dem La
serstrahl. Die erforderliche Anzahl Ni betrug insgesamt 100. Die bevorzugte Rest
dicke (t) der Harzschicht betrug 5-10 µm. Da die räumliche Energieverteilung des
ersten Laserstrahls 2 i haubenförmig war, war die Restdicke im wesentlichen
gleichmäßig.
Die Restdicke (t) der Harzschicht 22 wurde durch einen zweiten Laserstrahl
2 k mit einer haubenförmigen Verteilung Bk entfernt. Es wurden eine Impulsbreite
TPk von 25 ns, eine Impulsperiode TPPk von 0,03 ms (einer Frequenz von 30 kHz)
und ein Spitzenausgang WPk von 0,4-0,6 kW verwendet. Bei dieser Ausführungs
form wurde der Durchmesser dSk des Bearbeitungspunkts von 120 µm, was größer
als der Durchmesser des Fensters ist, anders als bei der Ausführungsform 1 der Be
arbeitung, auf 50 µm eingestellt, was dem Bohrungsdurchmesser des ersten Laser
strahls entspricht, um eine Beschädigung des weiteren Teils zu verhindern. Daher
wurde die Impulsenergie auf 0,010-0,016 mJ verringert, und die Impulsenergie
dichte EdSk wurde 0,5-0,8 J/cm2. Die Entfernungsgeschwindigkeit der Harzschicht
betrug bei dieser Ausführungsform ca. 0,5 µm/Impuls, und die erforderliche Anzahl
Nk der Impulse betrug 15.
(Ausführungsform 2 der Vorrichtung)
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungs
systems als Ausführungsform 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die
Harzschicht nach dem Bohren eines Fensters mit einem UV-Laser mit einem CO2-
Laser entfernt werden kann. Ein von einem UV-Laserkopf 1 i emittierter UV-
Laserstrahl 2 i passiert eine Strahlenhomogenisiereinheit 30 i, dann wird der Durch
messer des Strahls 2 i durch einen Kollimator 3 i vergrößert oder verkleinert und
durch eine Öffnung 4 i auf einen für eine Bearbeitung geeigneten Durchmesser ge
bracht, und der Laserstrahl 2 i wird von einem Eckspiegel 5 i reflektiert und gelangt
in einen Bearbeitungskopf Zi. Dann wird der Laserstrahl 2 i positioniert, durch den
Bearbeitungskopf Zi kondensiert und trifft senkrecht auf die Oberfläche des durch
den Bearbeitungskopf Zi zu bearbeitenden Substrats auf.
Ein von einem CO2-Laserkopf 1 j emittierter CO2-Laserstrahl 2 j gelangt
durch eine Strahlenhomogenisiereinheit 30 j, dann wird der Durchmesser des Strahls
2 j durch einen Kollimator 3 j vergrößert oder verkleinert, durch eine Öffnung 4 j auf
einen geeigneten Durchmesser für die Bearbeitung gebracht, und der Laserstrahl 2 j
wird von einem Eckspiegel 5 j reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf Zj.
Dann wird der Laserstrahl 2 j positioniert und kondensiert und trifft senkrecht auf
der Oberfläche eines durch den Bearbeitungskopf Zj zu bearbeitenden Substrats auf.
Ein von einem UV-Laserkopf 1 k emittierter UV-Laserstrahl 2 k passiert eine
Strahlenhomogenisiereinheit 30 k, dann wird der Durchmesser des Strahls 2 k durch
einen Kollimator 3 k vergrößert oder verkleinert, durch eine Öffnung 4 k auf einen
für die Bearbeitung geeigneten Durchmesser gebracht, und der Laserstrahl 2 k wird
von einem Eckspiegel 5 k reflektiert und gelangt in einen Bearbeitungskopf 2 k.
Dann wird der Laserstrahl 2 k positioniert, kondensiert und trifft senkrecht auf die
Oberfläche eines durch den Bearbeitungskopf 2 k zu bearbeitenden Substrats auf.
Jede räumliche Energieverteilung der Laserstrahlen 2 i, 2 j und 2 k kann
durch eine jeweilige Einstellung der Strahlenhomogenisiereinheiten 30 1, 30 j und
30 k von einer Gauss'schen Verteilung zu einer haubenförmigen Verteilung homo
genisiert werden.
Zudem können durch Verändern der Öffnungsdurchmesser dAi, dAj und
dAk die Durchmesser dSi, dSj und dSk der Bearbeitungsstrahlen auf der Werk
stückoberfläche entsprechend verändert werden, wobei ihre Energiedichten konstant
gehalten werden.
Überdies können durch Verändern der jeweiligen Vergrößerung Mi, Mj und
Mk der Kollimatoren 3 i, 3 j und 3 k verschiedene räumliche Energieverteilungen Ai,
Bi, Aj, Bj, Ak und Bk erhalten werden, wobei die Durchmesser dAi, dAj und dAk
der Öffnungen konstant gehalten werden. Zudem können durch Entfernen der Öff
nungen aus den optischen Pfaden jeweils die räumlichen Energieverteilungen Ci, Cj
und Ck der vollständigen Ausgänge erhalten werden.
Darüber hinaus kann jeder der Bearbeitungsköpfe Zi, Zj und Zk die Bear
beitung nacheinander ausführen, und jeder bearbeitbare Bereich reicht zur Bearbei
tung des gesamten Bereichs einer gedruckten Verdrahtungsplatte aus. Dann werden
die Bearbeitungsköpfe linear an der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung angeordnet,
die Abstände Lij, Ljk zwischen den Bearbeitungsachsen der Köpfe werden jeweils
minimiert, und jeder Kopf kann die gleiche gedruckte Verdrahtungsplatte auf dem
Tisch bearbeiten.
(Ausführungsform 3 der Bearbeitung)
Die Fig. 5a, 5b und 5c sind Darstellungen, die Energieverteilungen von
UV- und CO2-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einem Glas enthal
tenden Substrat mit der Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die Fig. 6a,
6b und 6c sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln
und UV- und CO2-Laserimpulsen für den Prozeß gemäß den Fig. 5a, 5b und 5c.
Eine äußere leitfähige Schicht 21 (mit einer Dicke von 9 µm) wurde durch
einen Laserstrahl 21 mit einer Impulsenergie EPi entfernt, die höher als der Schwel
lenwert ESi der Zerfallsenergie war, wie in Fig. 5a gezeigt. Hierbei wurden ein La
serstrahl 2 i mit einer Verteilung Ci, einer Impulsbreite TPi von 30 ns, einer Impul
speriode TPPi von 0,04 ms (einer Frequenz von 25 kHz), einem Spitzenausgang WPi
von 4 kW, einer Impulsenergie EPi von 0,12 mJ, einem Bearbeitungspunktdurch
messer dSi von 60 µm und einer Impulsenergiedichte EdSi von 4 J/cm2 verwendet.
Unter diesen Bedingungen erhielten wir die praktisch erforderliche Energiedichte
von nicht weniger als 3 J/cm2, die empirisch erhalten wurde, zur Entfernung der leit
fähigen Schicht. Ferner war zur Erzeugung eines Fensters mit einem Durchmesser
von 100 µm eine kreisförmige Verarbeitung erforderlich, da der Bearbeitungsstrah
lenpunkt kleiner als das Fenster war. In diesem Fall betrug die erforderliche Anzahl
Ni der Impulsstöße insgesamt 80.
Wie in Fig. 5b gezeigt, wurde annähernd die gesamte Dicke einer Glasfa
sern 23 enthaltenden Harzschicht 22 (mit einer Dicke von 50 µm) durch einen CO2-
Laserstrahl mit der Verteilung Cj, einer Impulsbreite TPj von 10 µm, einem Spit
zenausgang WPj von 800 W, einer Impulsenergie EPj von 8 mJ, einem Bearbei
tungspunktdurchmesser dSj von 150 µm, der größer als der Fensterdurchmesser von
100 µm war, und einer Impulsenergiedichte EdSj von 45 J/cm2 entfernt. Die Anzahl
der Impulse betrug 3. Unter diesen Bedingungen wurde fast die gesamte Dicke der
Harzschicht entfernt, doch ein Rückstand der Harzschicht mit einer Dicke (tc) von
0,1-3 µm verblieb auf dem Boden der Bohrung.
Wie in Fig. 5c gezeigt, wurde der Rückstand mit einem Laserstrahl 2 k mit
der Verteilung Bk, einer Impulsbreite TPk von 30 ns, einer Impulsperiode TPPk von
0,04 ms (einer Frequenz von 25 kHz), einem Spitzenausgang WPk von 4 kW, einer
Impulsenergie EPk von 0,12 mJ, einem Bearbeitungspunktdurchmesser dSk von
150 µm, der größer als der Fensterdurchmesser von 100 µm war, und einer Impul
senergiedichte EdSk von 0,7 J/cm2 entfernt. Die Entfernungsgeschwindigkeit der
Harzschicht betrug ca. 0,5 µm/Impuls, und die erforderliche Anzahl an Impulsen
betrug 10-15.
Unter Verwendung der Ausführungsform 3 der Bearbeitung konnten leitfä
hige Schichten und Glasfasern enthaltende Harzschichten sehr effizient bearbeitet
werden. Zudem ist der Gesamtenergiebetrag des am Bohrungsboden ankommenden
UV-Laserstrahls ca. 0,55 mJ (≈ 0,12 mJ,.10 Stöße.(Ø100/Ø150)2), d. h. weniger
als ca. 10% der zur Bearbeitung der gesamten Harzschicht nur mit dem zweiten
Laserstrahl erforderlichen Gesamtenergie von 6 mJ (≈ 0,12.50 Stöße). Daher wird
der Bohrungsboden nicht beschädigt, und es tritt selbst dann keine Ablösung zwi
schen der leitfähigen Schicht und der Harzschicht an der Bodenkante auf, wenn das
Material der Harzschicht einen niedrigen Absorptionskoeffizienten für den UV-
Laser aufweist. Zudem veränderte sich die Restdicke (die Dicke des Rückstands)
nach der Bearbeitung mit dem CO2-Laserstrahl 2 j selbst dann nicht, wenn sich die
Dicke der Harzschicht veränderte. Daher wurde die Zuverlässigkeit der Bearbeitung
bei dieser Ausführungsform der Bearbeitung verbessert.
(Ausführungsform 4 der Bearbeitung)
Die Fig. 7a, 7b und 7c sind Darstellungen, die die Energieverteilungen
von UV- und CO2-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einem RCC-
Substrat mit der Ausführungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die Fig. 8a, 8b und
8c sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und
von UV- und CO2-Laserimpulsen für den Prozeß gemäß den Fig. 7a, 7b und 7c.
Eine äußere, leitfähige Schicht 21 wurde, wie in Fig. 7a gezeigt, genau so
bearbeitet, wie bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung gemäß Fig. 5a. Wie in
Fig. 7b gezeigt, wurde fast die gesamte Dicke einer Harzschicht 22 mit dem CO2-
Laserstrahl 2 j mit der Verteilung Bj, einer Impulsbreite TPj von 10 ms, einem Spit
zenausgang WPj von 500 W und einer Impulsenergie EPj von 5 mJ entfernt, die
geringer als der Wert bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung ist, da der
Schwellenwert der Zerfallsenergie der Harzschicht geringer als bei der Glasfasern
enthaltenden Harzschicht war.
Wir verwendeten einen Bearbeitungspunktdurchmesser dSj von 150 µm,
der größer als der Fensterdurchmesser von 100 µm war, wodurch eine Impulsener
giedichte EdSj von 30 J/cm2 erhalten wurde, die höher als die 10 J/cm2 war, die em
pirisch als Untergrenze der in der Praxis zur Entfernung der Harzschicht erforderli
chen Energiedichte ermittelt wurden.
Unter diesen Bedingungen wurde annähernd die gesamte Dicke der Harz
schicht durch 1-2 Stöße des Laserstrahls 2 k entfernt, obwohl ein Rückstand mit
einer Dicke (tc) von 0,1-3 µm auf dem Boden der Bohrung verblieb. Der Rück
stand wurde, wie in Fig. 7c gezeigt, auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungs
form 3 der Bearbeitung gemäß Fig. 5c entfernt.
(Ausführungsform 5 der Bearbeitung)
Die Fig. 9a und 9c sind Darstellungen, die Energieverteilungen von
CO2- und UV-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht
eines Glas enthaltenden Direktharzsubstrats ("FR-4-Substrats") durch die Ausfüh
rungsform 2 der Vorrichtung zeigen. Die Fig. 9b und 9d sind jeweils Zeitüber
sichten der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der CO2- und UV-
Laserimpulse für den Prozeß gemäß den Fig. 9a und 9c.
Bei der Bearbeitung des FR-4-Substrats ohne äußere, leitfähige Schicht
wurde eine Glasfasern 23 enthaltende, äußere Harzschicht 22, wie in Fig. 9a gezeigt,
auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 3 der Bearbeitung gemäß Fig.
5b bearbeitet, mit der Ausnahme, daß der Eingangsdurchmesser einer Bohrung
durch die räumliche Energieverteilung des Laserstrahls 2 j und den Schwellenwert
ESj der Zerfallsenergie der Harzschicht bestimmt wurde. Die Restdicke (die Dicke
des Rückstands) der Harzschicht 22 am Boden der Bohrung wurde, wie in Fig. 9c
gezeigt, durch den Laserstrahl 2 k auf die gleiche Weise bei der Ausführungsform 3
der Bearbeitung wie gemäß Fig. 5c entfernt.
(Ausführungsform 6 der Bearbeitung)
Die Fig. 10a und 10c sind Darstellungen, die die Energieverteilungen
von CO2- und UV-Laserstrahlen und das Bohren einer Bohrung in einer Harz
schicht eines Direktharzsubstrats durch die Ausführungsform 2 der Vorrichtung zei
gen. Die Fig. 10b und 10d sind jeweils Zeitübersichten der Bewegungen von
Galvanometerspiegeln und der CO2- und UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß
den Fig. 10a und 10c.
Bei der Bearbeitung des Direktharzsubstrats ohne äußere, leitfähige Schicht
wurde die äußere Harzschicht, wie in Fig. 10a gezeigt, auf die gleiche Weise wie bei
der Ausführungsform 4 der Bearbeitung gemäß Fig. 7b bearbeitet, mit der Ausnah
me, daß der Eingangsdurchmesser einer Bohrung durch die räumliche Energiever
teilung des Laserstrahls 2 j und den Schwellenwert ESj der Zerfallsenergie der Harz
schicht bestimmt wurde. Die Restdicke (die Dicke des Rückstands) der Harzschicht
22 auf dem Boden der Bohrung wurde, wie in Fig. 10c gezeigt, durch den Laser
strahl 2 k auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 4 der Bearbeitung ge
mäß Fig. 7c entfernt.
(Ausführungsform 7 der Bearbeitung)
Die Fig. 11a und 11c sind Darstellungen, die die Energieverteilungen
von UV-Lasern und das Bohren einer Bohrung in einer Harzschicht eines Direkt
harzsubstrats oder FR-4-Substrats durch die Ausführungsform 2 der Vorrichtung
zeigen. Die Fig. 11b und 11d sind Zeitübersichten der Bewegungen von Galva
nometerspiegeln und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß den Fig. 11a
und 11c.
Bei der Bearbeitung des Direktharzsubstrats ohne äußere, leitfähige Schicht
wurde eine äußere Harzschicht 22, wie in Fig. 11a gezeigt, statt mit einem CO2-
Laserstrahl 2 j durch einen ersten UV-Laserstrahl mit einer Verteilung Bi bearbeitet.
Die Impulsenergie EPi wurde unter Berücksichtigung des Materials und der Verän
derung der Dicke der Harzschicht so eingestellt, daß eine Restdicke (t) von 5-10 µm
verblieb. Die Restdicke auf dem Boden wurde durch den Laserstrahl 2 k entfernt,
wie in Fig. 11c gezeigt.
(Ausführungsform 3 der Vorrichtung)
Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungs
systems als dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die
Elemente, die den in Fig. 4 gezeigten entsprechen, durch die gleichen Bezugszei
chen bezeichnet sind.
Das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine entlang dem optischen Pfad des La
serstrahls 2 i angeordnete, polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung, das Be
zugszeichen 11 bezeichnet eine entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls 2 k an
geordnete Halbwellenplatte, und das Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Eckspie
gel. Der Eckspiegel 12 reflektiert den Laserstrahl 2 k, so daß sich dieser auf dem
gleichen Pfad wie der durch die polarisierende Strahlenkombiniervorrichtung 10
übertragene Laserstrahl 2 i bewegt. Zudem sind die Polarisationsrichtungen und die
ursprünglichen optischen Pfade der von den Laserköpfen 1 i und 1 k emittierten UV-
Laserstrahlen parallel ausgerichtet. Daher werden entlang dem gemeinsamen opti
schen Pfad hinter der polarisierenden Strahlenkombiniervorrichtung 10 gleichzeitig
oder abwechselnd eine P-Polarisation Pi des Laserstrahls 2 i mit der Verteilung Bi
und eine S-Polarisation Sk des Laserstrahls 2 k mit der Verteilung Bk erhalten. Dies
bedeutet, daß Strahlen mit unterschiedlichen Energiedichten, Leistungsdichten und
Punktdurchmessern durch den gemeinsamen Bearbeitungskopf Zi und über den ge
meinsamen Pfad auf das zu bearbeitende Teil aufgebracht werden können. Überdies
können der Laserstrahl 2 i und der Laserstrahl 2 k, wie bei der Ausführungsform 2
der Vorrichtung gemäß Fig. 4, durch Entfernen der Halbwellenplatte 11 und des
Eckspiegels 12 aus dem optischen Pfad gleichzeitig und individuell eine Bearbei
tung ausführen.
Werden andererseits die Laserköpfe 1 i und 2 i so angeordnet, daß der elek
trische Vektor des Laserstrahls 2 i parallel zum Zeichnungsblatt ausgerichtet ist und
der elektrische Vektor des Laserstrahls 2 k senkrecht zum Zeichnungsblatt ausge
richtet ist, werden die Polarisationsrichtungen der Laserstrahlen 2 i und 2 k ohne die
Halbwellenplatte 11 jeweils eine P-Polarisierung und eine S-Polarisierung. Daher
kann die Halbwellenplatte 11 gemäß Fig. 12 in diesem Fall weggelassen werden.
(Ausführungsform 8 der Bearbeitung)
Fig. 13a ist eine Darstellung, die Energieverteilungen von UV-
Laserstrahlen und damit einen Ausdehnungsprozeß einer Bohrung in einem RCC-
Substrat bei der Ausführungsform 3 der Vorrichtung zeigt. Fig. 13b ist eine
Zeitübersicht der Bewegungen von Galvanometerspiegeln und der Laserimpulse für
den Prozeß gemäß Fig. 13a.
Die leitfähige Schicht und fast die gesamte Harzschicht wurden mit dem
kombinierten Laserstrahl aus dem Laserstrahl 21 mit der Verteilung Ci und einer
zum Entfernen der leitfähigen Schicht und der Harzschicht ausreichenden Energie
dichte und dem Laserstrahl 2 k mit der Verteilung Bk und einer zum Entfernen der
Harzschicht ausreichenden, zur Beschädigung der leitfähigen Schicht aber zu gerin
gen Energiedichte entfernt. Eine Restdicke der Harzschicht von 10 µm verblieb auf
dem Boden der Bohrung, und dann wurde die Restdicke sukzessive mit dem einzi
gen Laserstrahl 2 k entfernt. Durch die Auswahl der Restdicke wurden die leitfähige
Schicht und die Harzschicht ohne eine Beeinflussung durch eine Veränderung der
Dicke der Harzschichten entfernt. Dadurch wurden ohne eine Beschädigung des
Bodens der Bohrungen blinde Bohrungen erzeugt, und die gesamte Qualität wurde
verbessert. Überdies wurde die Gesamtimpulsperiode von 0,012 Sekunden (25 kHz
und 300 Stöße) nach der Positionierung der Galvanometerspiegel nicht aufgrund der
gleichzeitigen Bearbeitung mit dem kombinierten Laserstrahl verändert.
(Ausführungsform 9 der Bearbeitung)
Fig. 14a ist eine Darstellung, die die Energieverteilungen eines UV-
Laserstrahls und damit einen Erweiterungsprozeß einer Bohrung in einem Direkt
harzsubstrat (mit einer Harzdicke von 40 µm) durch die Ausführungsform 3 der
Vorrichtung zeigt. Fig. 14b ist eine Zeitübersicht der Bewegungen von Galvano
meterspiegeln und der UV-Laserimpulse für den Prozeß gemäß Fig. 14a.
Fast die gesamte Harzschicht wurde durch den kombinierten Laserstrahl aus
dem Laserstrahl 2 i mit der Verteilung Ai und einer zum Entfernen der Harzschicht
ausreichenden Energiedichte und dem Laserstrahl 2 k mit der Verteilung Bk und ei
ner zum Entfernen der Harzschicht ausreichenden, zur Beschädigung der leitfähigen
Schicht jedoch zu geringen Energiedichte entfernt. Eine Restdicke der Harzschicht
von 10 µm verblieb auf dem Boden der Bohrung, und dann wurde die Restdicke
durch den einzelnen Laserstrahl 2 k sukzessive entfernt. Durch die Auswahl der
Restdicke wurde die Harzschicht ohne eine Beeinträchtigung durch eine Verände
rung der Dicken der Harzschichten entfernt. Dadurch wurden ohne eine Beschädi
gung des Bodens der Bohrungen blinde Bohrungen erzeugt, und die Qualität der
Bohrungen wurde verbessert. Überdies betrug die gesamte Impulsperiode nach der
Positionierung der Galvanometerspiegel aufgrund der gleichzeitigen Bearbeitung
mit dem kombinierten Laserstrahl 0,001 Sekunden (40 kHz und 40 Stöße). Die Im
pulsperiode mit dem einzelnen Laserstrahl 2 k betrug insgesamt 0,002 Sekunden
(40 kHz und 80 Stöße).
(Ausführungsform 4 der Vorrichtung)
Fig. 15 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungs
systems als vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die
Elemente, die den in den Fig. 4 und 12 gezeigten entsprechen, durch die glei
chen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Der Laserkopf 1 i wird so angeordnet, daß der elektrische Vektor des Laser
strahls 2 parallel zu dem Zeichnungsblatt ausgerichtet ist, wodurch die Polarisation
des Laserstrahls 2 eine P-Polarisierung wird. Die Bezugszeichen 6a und 6b bezeich
nen entlang dem optischen Pfad des Laserstrahls 2 angeordnete akusto-optische
Ablenkvorrichtungen. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Strahlen-Dumper zum
Ableiten des Streulichts nullter Ordnung (des übertragenen Lichts).
Die Energiedichten der Laserstrahlen 2 i und 2 k nehmen aufgrund des Ener
gieverlusts in den akusto-optischen Ablenkvorrichtungen 6a und 6b im Vergleich zu
den Laserstrahlen 2 i und 2 k der Ausführungsform 2 der Vorrichtung gemäß Fig. 4
um ca. 15% ab. Da jedoch die charakteristischen Eigenschaften, wie die räumliche
Energieverteilung, nicht verändert werden, kann durch Einstellen des Ausgangs des
Laserkopfs im wesentlichen die gleiche Bearbeitungsfähigkeit wie bei der Ausfüh
rungsform 2 der Vorrichtung gemäß Fig. 4 erzielt werden.
(Ausführungsform 10 der Bearbeitung)
Bei der Bearbeitung eines Glas enthaltenden Substrats durch die Vorrich
tung gemäß der vierten Ausführungsform wurden die folgenden Schritte verwendet.
Zunächst wurde durch den Laserstrahl 2 i mit der Verteilung Ci und einer zur Ent
fernung der leitfähigen Schicht ausreichenden Energiedichte die äußere, leitfähige
Schicht entfernt, dann wurde durch den Laserstrahl 2 j mit der Verteilung Aj die
Harzschicht entfernt, und danach wurde durch den Laserstrahl 2 k mit der Verteilung
Bk die restliche Rückstandsschicht auf dem Boden der Bohrung entfernt, um eine
blinde Durchgangsbohrung zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform betrug die
längste Gesamtimpulsperiode nach der Positionierung der Galvanometerspiegel bei
der Entfernung der leitfähigen Schicht 0,0012 Sekunden. Die Gesamtimpulsperiode
zur Entfernung der Harzschicht betrug 0,003 Sekunden, und die Gesamtimpulsperi
ode zur Entfernung der Rückstandsschicht betrug 0,0004 Sekunden. Daher wurde
die Entfernung der Rückstandsschicht während der Bewegung der Galvanometer
spiegel für die Entfernung der leitfähigen Schicht ausgeführt, so daß die Bearbei
tungsdauer im wesentlichen im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform der Vor
richtung gemäß Fig. 4 nicht gesteigert wurde. Dadurch arbeitet nur ein Laserkopf 1 i
als Laserköpfe 1 i und 1 k gemäß Fig. 4, wodurch die Kosten für die Vorrichtung ver
ringert werden können.
(Ausführungsform 5 der Vorrichtung)
Fig. 16 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Laserbearbeitungs
systems als fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei
die Elemente, die den in den Fig. 4, 12 und 15 gezeigten entsprechen, durch die
gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Zusätzlich zur vierten Ausführungsform der Vorrichtung sind eine Halb
wellenplatte 11, ein Eckspiegel 12 und eine polarisierende Strahlenkombiniervor
richtung 10 vorgesehen, um die Laserstrahlen 2 i und 2 k koaxial auf den Bearbei
tungsbereich zu leiten.
Durch das Entfernen der Halbwellenplatte 11 und des Eckspiegels 12 aus
dem optischen Pfad des Laserstrahls 2 k werden die Laserstrahlen 2 i und 2 k (gestri
chelte Linie) individuell verwendet, um eine Bearbeitung auszuführen, wie bei der
vierten Ausführungsform der Vorrichtung.
(Ausführungsform 11 der Bearbeitung)
Die Bearbeitung eines Direktharzsubstrats (die Dicke der Harzschicht be
trug 40 µm) mit der Ausführungsform 5 der Vorrichtung erfolgte auf die gleiche
Weise wie mit der Ausführungsform 3 der Vorrichtung. Dadurch wurde die Qualität
der Bohrungen wie durch die Ausführungsform 3 der Vorrichtung verbessert. Über
dies wurde die Gesamtimpulsperiode durch eine Steigerung des Ausgangs des La
serkopfs trotz der Abgabe der Laserstrahlen 2 i und 2 k in jeweiligen Perioden nach
der Positionierung der Galvanometerspiegel auf 0,001 Sekunden (40 kHz und 40
Stößen) gehalten.
Die Funktionsweise der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung entspricht der
der dritten Ausführungsform der Vorrichtung, wenn die Halbwellenplatte 11 und
der Eckspiegel 12 aus dem optischen Pfad entfernt werden. Dadurch können die
Funktionen der dritten Ausführungsform der Vorrichtung mit einem einzigen Laser
kopf erzielt werden. Dadurch können die Kosten für die Vorrichtung verringert
werden.