DE60008732T2

DE60008732T2 - Strahlformung und projektionsabbildung mittels uv gaussischen festkörperlaserstrahls zur herstellung von löchern

Info

Publication number: DE60008732T2
Application number: DE60008732T
Authority: DE
Inventors: M. Corey DUNSKY; Xinbing Liu; J. Nicholas CROGLIO; Wai Ho LO; C. Bryan GUNDRUM; Hisashi Matsumoto
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2020-05-27
Also published as: TW482705B; CA2373565A1; KR20020072186A; ATE260733T1; CN1182936C; WO2000073013A1; EP1187698A1; US6433301B1; EP1187698B1; HK1043560A1; JP2003500220A; CA2373565C; KR100633343B1; AU5303400A; DE60008732D1; CN1351529A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen diodengepumpten Festkörperlaser und insbesondere die Verwendung eines solchen Lasers zur Generierung eines ultravioletten Laserstrahls mit einer nicht astigmatischen räumlichen Mode TEM₀₀ zum Bohren von Löchern.
Hintergrund der Erfindung
U.S.-Patent Nr. 5,593,606 und Nr. 5,841,099 von Owen et al. beschreiben Techniken und Vorteile für die Verwendung von UV-Lasersystemen zur Generierung von Laserstrahlimpulsen innerhalb vorteilhafter Parameter zwecks Formung von Durchkontaktierungen bzw. Sacklöchern durch mindestens zwei unterschiedliche Arten von Schichten in Mehrschichtvorrichtungen hindurch. Zu diesen Parametern zählen in der Regel Nicht-Excimer-Strahlimpulse mit temporären Impulsbreiten < 100 ns, Punktbereiche mit Punktdurchmessern < 100 μm und durchschnittliche Intensitäten oder Bestrahlungsstärken > 100 mW über den Punktbereichen bei Wiederholungsraten von > 200 Hz.
Laser werden im folgenden lediglich am Beispiel eines ultravioletten diodengepumpten Festkörperlasers (UV DPSS) vom Typ TEM₀₀ beschrieben, welche ein natürliches gaußsches Bestrahlungsstärkeprofil 10 gemäß 1 generieren; die Beschreibung ist jedoch allgemeingültig für fast jeden beliebigen Laser, der einen gaußschen Strahl generiert. Das Ablatieren bestimmter Materialien mit einem beliebigen Laser und insbesondere mit einem UV DPSS-Laser ist davon abhängig, dass einem Werkstück eine Fluenz bzw. Energiedichte (üblicherweise gemessen in J/cm²) über dem Ablationsschwellenwert des Zielmaterials zugeführt wird. Der Laserpunkt eines rohen gaußschen Strahls kann durch Fokussierung des Punktes mit einer objektiven Linse recht klein gemacht werden (typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 15 μm an den Durchmesserpunkten 1/e²). Folglich übersteigt die Fluenz des kleinen fokussierten Punktes leicht den Ablationsschwellenwert herkömmlicher, für Electronic Packaging verwendeter Materialien, insbesondere den des in den metallischen Leiterschichten typischerweise verwendeten Kupfers. Damit ist der UV DPSS-Laser bei Verwendung in einem Aufbau mit einem rohen, fokussierten Strahl eine exzellente Lösung für das Bohren von Löchern durch eine oder mehrere Kupferschichten in einem Electronic Packaging-Werkstück. Da der fokussierte Punkt üblicherweise kleiner ist als die gewünschte Größe des Lochs, wird der fokussierte Punkt in einem spiralförmigen, konzentrisch-runden oder trepanierenden Muster geführt, um genügend Material zu abzutragen und die gewünschte Lochgröße zu erhalten. Bezeichnet wird dieser Ansatz gewöhnlich als Wendelbohren oder Trepanieren mit dem rohen, fokussierten Strahl. Die Verfahren Wendelbohren, Trepanieren und Bearbeitung mit konzentrischem Kreis können der Einfachheit halber auch als „nicht-stanzend" bezeichnet werden.
Ein im Stand der Technik ebenfalls sehr bekannter alternativer Ansatz besteht darin, den TEM₀₀ Laserstrahl mit dem gaußschen Bestrahlungsstärkeprofil durch eine runde Apertur bzw. Maske eines vorgegebenen Durchmessers 12 zu leiten. Sodann werden eine oder mehrere brechende optische Linsen verwendet, um ein Bild der illuminierten Apertur auf die Arbeitsoberfläche zu projizieren. Die Größe des abgebildeten, runden Punktes ist abhängig von sowohl der Größe der Apertur als auch der mit der (den) brechende(n) abbildenden Linse(n) erzielten optischen Verkleinerung. Diese als Projektionsabbilden (Projection Imaging) oder einfach Abbilden (Imaging) bekannte Technik erzielt einen gewünschten Lochdurchmesser durch Verstellen entweder der Aperturgröße oder der optischen Verkleinerung oder beidem, bis die Größe des abgebildeten Punktes der gewünschten Lochgröße entspricht. Da die eine geringe Intensität aufweisenden „Flügel" des gaußschen Bestrahlungsstärkeprofils durch die Kanten der Apertur maskiert oder beschnitten („geclipped") werden, wird diese Abbildungstechnik auch als „Clipped-Gaussian Imaging" bezeichnet.
Beim Bohren von Löchern mit dem abgebildeten Punkt verbleibt der Laserstrahl für die Dauer einiger Impulse einfach am Ort des Lochs, bis genügend Material abgetragen worden ist. Dieses Bohrverfahren, häufig auch als „Stanzen" bezeichnet, eliminiert die beim Trepanieren oder Wendelbohren mit dem rohen, fokussierten Strahl erforderliche hoch präzise und schnelle Bewegung des Laserpunkts im Loch. Damit verringert das Bohren mit einem beschnittenen gaußschen Strahl die Anforderungen an den Hochgeschwindigkeits-Strahlpositionierer, da es die mit den Im-Loch-Bewegungen verbundenen komplexen, gekrümmten Wege mit kleinem Radius und entsprechenden hohen Beschleunigungen eliminiert. Auch ist die Prozessentwicklung mit der Projektionsabbildung einfacher, da weniger Verfahrensparameter zu optimieren sind.
Das Bearbeiten mit einem beschnittenen gaußschen Strahl führt darüber hinaus zu viel runderen und wiederholbaren Löchern, da die von Laser zu Laser inhärent bestehenden Unterschiede bei der Rundheit des Laserpunkts nicht mehr für die Form des Lochs maßgebend sind, vielmehr wird die Rundheit des Lochs weitgehend durch die Kreisform der Apertur und die Qualität der für die Projektion des Aperturbildes auf die Arbeitsoberfläche verwendeten Optik bestimmt. Die Rundheit wird sekundär auch durch den Durchsatz beeinflusst sowie den Grad, bis zu dem die Flügel des rohen gaußschen Pulses beschnitten werden. Rundheit bzw. Kreisform lassen sich quantifizieren als Verhältnis des Mindestdurchmessers zum Maximaldurchmesser, der üblicherweise am oberen Ende des Lochs gemessen wird, d. h. R = d_min/d_max. Die runderen Punkte sind möglich, da es nur dem mittigen Teil des gaußschen Bestrahlungsstärkeprofils des Laserstrahls ermöglicht wird, die Apertur zu durchlaufen; damit werden die äußeren Bereiche des gaußschen Strahls, die eine niedrigere Bestrahlungsstärke aufweisen, durch die Aperturmaske geblockt bzw. abgeschnitten.
Ein Problem beim beschnittenen gaußschen Strahl besteht jedoch darin, das seine Mitte stärker illuminiert ist als seine Ränder. Diese Ungleichheit wirkt sich nachteilig auf die mit diesem Strahl gearbeiteten Löcher, insbesondere Sacklöcher, aus, was dazu führt, dass Löcher runde Böden und ungleichmäßige Ränder haben, und das Risiko einer Beschädigung des darunter liegenden oder angrenzenden Substrats besteht.
Ein mit der Technik des beschnittenen gaußschen Strahls arbeitendes Lasersystem kann so implementiert werden, dass variierende Anteile des gaußschen Strahls durch die Apertur geblockt werden. Ist das gaußsche Bestrahlungsstärkeprofil stark beschnitten, so dass es nur einem geringen Teil der ausgegebenen Strahlmitte ermöglicht wird, die Apertur zu durchlaufen, so ist das auf die Arbeitsoberfläche gebrachte Bestrahlungsstärkeprofil eher gleichmäßig geformt. Diese gleichmäßige Form ergibt sich jedoch auf Kosten der Tatsache, dass ein großer Anteil der Energie an der Aperturmaske zurückgewiesen wird und damit die Energie nicht der Arbeitsoberfläche zugeführt wird. Eine Verschwendung solch großer Energiemengen beeinträchtigt die Bohrgeschwindigkeit.
Wird einem großen Anteil der Energie jedoch ermöglicht, die Apertur zu durchlau fen, so wird der Arbeit eine höhere Fluenz zugeführt. Jedoch ist der Unterschied zwischen der Bestrahlungsstärke in der Mitte (center) des Punktes, I_c, und den Rändern (edge) des Punktes, I_e, groß. Der Teil der Energie, der die Apertur durchläuft, wird gewöhnlich als Übertragungspegel (Transmission Level) T, bezeichnet. Bei einem gaußschen Strahl besteht folgende mathematische Beziehung: T = I – Ie/Ic
Wenn beispielsweise 70% der Energie des Strahls die Apertur durchläuft, dann entsprechen sowohl Bestrahlungsstärke als auch Fluenz am Rand des abgebildeten Punktes nur 30% des Wertes in der Punktmitte. Dieser Unterschied zwischen I_c und I_e führt zu einer Art „Tauschgeschäft" (Trade-off) beim Bohrprozess.
Wird eine höhere Laserleistung verwendet, um schneller zu bohren, so kann die Fluenz in der Mitte (center) des Punktes, F_c, die Fluenz übersteigen, bei der das Kupfer am Boden des Lochs zu schmelzen und wieder zu fließen beginnt. Gleichzeitig haben bei einem hohen T (und damit einem niedrigen Rand-zu-Mitte-Fluenzverhältnis F_e/F_c innerhalb des Punktes) die Ränder des abgebildeten Punktes eine niedrige Fluenz und können das organische dielektrische Material nicht schnell ablatieren. 2 zeigt eine Grafik, auf der für einen beschnittenen gaußschen Strahl bei typischen Lochbearbeitungsparametern die Fluenz am Rand gegenüber dem Aperturdurchmesser aufgetragen ist. Im Ergebnis sind viele Impulse erforderlich, um das dielektrische Material (wie beispielsweise ein Epoxydharz) von den Rändern des Lochbodens zu entfernen und dadurch den gewünschten Durchmesser am Lochboden zu erhalten. Das Applizieren dieser Impulse kann jedoch die Mitte des Lochs aufgrund der hohen Fluenz in diesem Bereich, die das untenliegende Kupfer zum Schmelzen bringt, beschädigen.
Die Technik des beschnittenen gaußschen Strahls zwingt daher zu einem Tradeoff zwischen hoher Impulsenergie, die schnell bohrt aber die Mitte des Lochbodens beschädigt, und einer niedrigeren Impulsenergie, die unter der Schwelle für das Wiederfließendwerden des Kupfers liegt, jedoch langsam bohrt und viele Impulse benötigt, um die Lochränder zu reinigen. Üblicherweise bieten je nach Lochgröße Übertragungspegel zwischen 30% und 60% einen akzeptablen Kompromiss zwischen verschwendeter (geblockter) Laserenergie und dem nicht wünschenswerten Verfahrensphänomen, das mit der Ungleichförmigkeit der Fluenz im abgebildeten Punkt in Beziehung steht. Kleine Löcher können bei akzeptabler Geschwindigkeit mit niedrigeren Übertragungspegeln (beispielsweise 25–30%) und damit hoher Gleichförmigkeit des abgebildeten Punktes gebohrt werden. Für viele Anwendungen ist jedoch 50% < T < 60% wünschenswert, um eine akzeptable Geschwindigkeit zu erzielen, und die Lochqualität leidet aufgrund von Schäden am unten liegenden Kupfer.
Daher ist ein im Hinblick auf Energie und Geschwindigkeit effizienteres Verfahren zum Bohren von Löchern wünschenswert.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und/oder ein System bereitzustellen, das die Geschwindigkeit bzw. die Effizienz des Lochbohrens mit einem gaußschen Strahl verbessert, und dabei auch die Lochqualität verbessert.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls, ein derartiges Verfahren bzw. System bereitzustellen, das einen diodengepumpten UV-Festkörperlaser (UV DPSS-Laser) verwendet.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Projektionsabbildungstechnik. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein UV DPSS-Laser mit einem diffraktiven optischen Element (DOE) ausgerüstet um das gaußsche Bestrahlungsstärkeprofil des rohen Laserstrahls in ein „Top-hat"-Profil oder überwiegend im wesentlichen gleichmäßig geformtes Bestrahlungsstärkeprofilumzuwandeln. Der daraus resultierende geformte Laserstrahl wird sodann durch eine Apertur bzw. eine Maske beschnitten, um einen abgebildeten, geformten Ausgangsstrahl bereitzustellen. Der abgebildete, geformte ausgegebene Strahl verfügt über einen Laserpunkt mit einer von seiner Mitte bis zu seinem Rand im wesentlichen gleichmäßigen Intensität, so dass Löcher hoher Qualität schnell und ohne das Risiko der Beschädigung des Bodens gebohrt werden können.
Konventionelle Systeme, welche sich der Strahlformung, Projektionsabbildung oder einer diffraktiven Optik bedienen, verwenden Nicht-UV-Laser mit geringer Helligkeit oder stark astigmatische Mehrmoden-Excimerlaser, und sind im allgemeinen bei Anwendungen außerhalb der Materialbearbeitung zum Einsatz gekommen.
Bei vielen dieser Strahlformungsanwendungen, die eine nahezu gleichmäßige Bestrahlungsstärke anstreben, ist räumliche Gleichmäßigkeit erforderlich, damit das Verfahren funktioniert. Ohne diese führt die Ungleichmäßigkeit der Fluenz an der Arbeitsoberfläche zu ähnlichen Problemen, mit zu starker Bearbeitung in der Mitte des fokus sierten bzw. abgebildeten Punktes und unzureichender Bearbeitung an dessen Rändern. Bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht nicht die Strahlformung den Lochbohrprozess. Vielmehr verstärkt sie diesen dadurch, dass sie den Prozess schneller und besser steuerbar macht. Die Erfindung liefert daher die Fähigkeit, Qualität, Geschwindigkeit und Robustheit des UV-Laserlochbohrprozesses zu verbessern.
Obgleich andere Arten von Geräten verwendet worden sind, um nahezu gleichmäßige bzw. „homogenisierte" Strahlen mittels Excimerlasern für die Materialbearbeitung zu erzeugen, funktionieren derartige Homogenisieren nicht bei der stark kohärenten, nahezu TEM₀₀-artigen räumlichen Mode eines DPSS-Lasers hoher Helligkeit. Darüber hinaus ist im Gegensatz zu den einem Excimerlaserstrahl inhärenten großen Punkten die räumliche Mode TEM₀₀ sehr hoch fokussierbar, so dass die vorliegende Erfindung einen viel höheren Prozentsatz der Einfallsenergie nutzen kann.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden, detaillierten Beschreibungen bevorzugter Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Darstellung eines dreidimensionalen gaußschen Bestrahlungsstärkeprofils eines typischen DPSS-Laserimpulses gemäß dem Stand der Technik.
2 ist ein grafische Darstellung, auf der für einen beschnittenen gaußschen Strahl bei typischen Lochbearbeitungsparametern die Fluenz am Rand gegenüber dem Aperturdurchmesser aufgetragen ist.
3 ist ein vergrößerter seitlicher Schnitt von Löchern, die in einen Teil eines Werkstücks für einen allgemeinen Laser gebohrt sind.
4 ist ein vereinfachter seitlicher Aufriss und eine teilweise schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Lasersystems, das verwendet wird zur Erhöhung des Lochbohrdurchsatzes gemäß vorliegender Erfindung.
Die 5A–5C sind eine Sequenz vereinfachter Bestrahlungsstärkeprofile eines Laserstrahls bei seiner Veränderung durch verschiedene Systemkomponenten des Lasersystems aus 4.
Die 6A–6D sind beispielhafte, im wesentlichen einheitliche quadratische oder kreisförmige Bestrahlungsstärkeprofile.
Die 7A–7D sind vereinfachte seitliche Aufrisse und teilweise schematische Darstellungen von vier entsprechenden Ausführungsformen von Strahlformungssystemen zum Variieren der Größe eines Bildpunktes.
8 ist eine vereinfachte, teilweise schematische Draufsicht eines alternativen Lasersystems, welches einen Hilfsgalvanometer-Spiegelpfad einsetzt, um die Verwendung eines rohen, fokussierten Strahls zu ermöglichen.
9 ist ein grafischer Vergleich idealer Fluenzverteilungen an der Aperturebene für einen abgebildeten geformten Strahl und einen beschnittenen gaußschen Strahl bei mehreren typischen Übertragungspegeln unter typischen Lochbearbeitungsparametern.
10 ist ein grafischer Vergleich von Durchsatzkurven für Lochbohrtechniken mit beschnittenem gaußschem Strahl und abgebildetem geformten Strahl.
11 ist eine grafische Darstellung der Lochkreisform in Abhängigkeit der Lage der Arbeitsoberfläche relativ zur nominalen Bildebene.
12 ist eine grafische Darstellung des Lochdurchmessers in Abhängigkeit der Lage der Arbeitsoberfläche relativ zur nominalen Bildebene.
13 ist eine grafische Darstellung der Lochrundheit in Abhängigkeit der Lage der Arbeitsoberfläche relativ zur nominalen Bildebene.
14 ist eine Kopie einer elektronenmikroskopischen Aufnahme eines in ein Epoxydharz mit einer Stärke von 45 μm gebohrten 75 μm-Lochs.
15 ist eine Kopie einer elektronenmikroskopischen Aufnahme eines in ein Epoxydharz mit einer Stärke von 45 μm gebohrten 75 μm-Lochs in einer vorgeätzten Kupferöffnung mit einer Stärke von 150 μm.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
3 ist ein vergrößerter, seitlicher Schnitt von Durchkontaktierung 20a und Sackloch 20b (allgemein Loch 20), die durch mechanische Bearbeitung in ein allgemeines Laserwerkstück 22 eingebracht sind, welches beispielsweise ein MCM, eine Leiterplatte oder ein Halbleiter-Mikroschaltungspaket sein kann. Der Einfachheit halber ist Werkstück 22 mit nur vier Schichten 24, 26, 28 und 30 dargestellt.
Schicht 24 und 28 können beispielsweise Standardmetalle wie z. B. Aluminium, Kupfer, Gold, Molybdän, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Titan, Wolfram, Metallnitride, oder Kombinationen derselben enthalten. Die konventionellen Metallschichten 24 und 28 variieren in ihrer Stärke, die üblicherweise zwischen 9 und 36 μm liegt, sie können jedoch auch dünner oder bis zu 72 μm stark sein.
Schicht 26 kann beispielsweise ein normales organisches dielektisches Material wie z. B. Benzocyclobuten (BCB), Bismaleinimid/Triazin (BT), Pappe, Cyanatester, Epoxidharze, Phenole, Polyimide, Polytetrafluorethylen (PTFE), verschiedene Polymerlegierungen oder Kombinationen derselben enthalten. Die konventionellen organischen dielektrischen Schichten 26 variieren erheblich in ihrer Stärke, sind jedoch üblicherweise viel dicker als die Metallschichten 24 und 28. Ein beispielhafter Stärkebereich für organische dielektrische Schichten 26 liegt bei ca. 30 bis 400 μm, sie können jedoch in Stapeln bis zu einer Höhe von 1,6 mm angeordnet werden.
Schicht 26 kann auch eine Standard-Verstärkungskomponente bzw. „Schicht" 30 enthalten. Schicht 30 kann eine Fasermatte sein oder aus dispergierten Partikeln aus beispielsweise Aramidfasern, Keramik oder Glas bestehen, die in die organische dielektrische Schicht 26 gewebt oder dispergiert sind. Die konventionellen Verstärkungsschichten 30 sind üblicherweise viel dünner als die organischen dielektrischen Schichten 26 und können in einer Größenordnung von 1–2 μm sowie ggf. bis zu 10 μm vorliegen. Dem Fachmann ist bekannt, dass Verstärkungsmaterial als Pulver in die organischen dielektrischen Materialien eingebracht werden kann. Die durch derartige pulverartige Verstärkungsmaterialien gebildeten Schichten 30 können nicht zusammenhängend und nicht einheitlich sein. Dem Fachmann ist außerdem bekannt, dass die Schichten 24, 26 und 28 intern ebenfalls nicht zusammenhängend, nicht einheitlich und nicht eben sein können. Stapel aus mehreren Schichten aus Metall, dielektrischem und verstärkendem Material können höher als 2 mm sein.
Eine Durchkontaktierung 20a penetriert üblicherweise alle Schichten und Materialien des Werkstücks 22 von seiner Oberseite 42 bis zu seiner Unterseite 44. Sackloch 20b penetriert nicht alle Schichten und/oder Materialien. In 3 endet Sackloch 20b beispielsweise an Schicht 28 ohne diese zu penetrieren. Die Verjüngung eines Lochs 20 wird üblicherweise beschrieben unter Bezugnahme auf seinen unteren (bottom) Durchmesser d_b im Verhältnis zu seinem oberen (top) Durchmesser d_t. Eine Konizität von 66% ist gegenwärtig ein akzeptierter Standard in der Industrie, und Konizitäten von 67-75% gelten als sehr gut. Die vorliegende Erfindung erlaubt Konizitäten > 80% bei ei nem maximalen Durchsatz ohne Beschädigung von Schicht 28, und es sind Konizitäten von > 95% ohne Beschädigung von Schicht 28 möglich.
Die Lochdurchmesser liegen üblicherweise im Bereich 25–300 μm, jedoch kann Lasersystem 50 (4) Löcher 20a und 20b herstellen, die nur ca. 5–25 μm klein oder > 1 mm sein können. Löcher mit einem Durchmesser < 150 μm werden bevorzugt durch Laserstanzen hergestellt. Löcher > 180 μm werden bevorzugt durch Trepanieren, Bearbeitung mit konzentrischem Kreis oder Wendelbohren hergestellt.
Mit Bezug auf 4 umfasst eine bevorzugte Ausführungsform eines Lasersystems 50 der vorliegenden Erfindung einen mit Güteschalter (Q-Switch) ausgerüsteten, diodengepumpten UV-Festkörperlaser (52), der bevorzugt einem Festkörper-Lasermedium wie beispielsweise Nd : YAG, Nd : YLF, Nd : YAP oder Nd : YVO₄, oder ein mit Holmium oder Erbium dotiertes YAG-Kristall umfasst. Laser 52 stellt bevorzugt harmonisch generierte UV-Laserimpulse bzw. Strahl 54 bei einer Wellenlänge von z. B. 355 nm zur Verfügung (Frequenz verdreifacht Nd : YAG), 266 nm (Frequenz vervierfacht Nd : YAG), 213 nm (Frequenz verfünffacht Nd : YAG) mit primär einem Profil einer räumlichen TEM₀₀-Mode.
Obschon das Bestrahlungsstärkeprofil des Laserstrahls 54 als gaußsches Profil bezeichnet wird, ist dem Fachmann bekannt, dass die meisten Laser 52 keinen perfekten gaußschen Strahl 54 mit einem Wert M² = 1 emittieren. Der Einfachheit halber umfasst die vorliegend verwendete Bezeichnung gaußsches Profil auch die Profile, bei denen M² ≤ ca. 1,4 ist, obgleich M²-Werte < 1,3 oder 1,2 bevorzugt werden. Dem Fachmann ist bekannt, dass andere Wellenlängen der anderen aufgeführten Lasermedien zur Verfügung stehen. Laserkavitätsanordnungen, Erzeugung einer Harmonischen (harmonic generation) und Q-Switch-Betrieb sind dem Fachmann gut bekannt. Einzelheiten eines beispielhafteren Lasers 52 sind detailliert in US-Paten Nr. 5,593,606 von Owen et. al. beschrieben.
UV-Laserimpulse 54 können durch verschiedene, gut bekannte optische Einrichtungen einschließlich eines Strahlexpanders (Beam-Expander) oder Up-Collimator-Lisenkomponenten 56 und 58 (beispielsweise mit einem 2-fachen Strahlexpansionsfaktor), die entlang des Strahlpfades 64 angeordnet sind, in expandierte kollimierte Impulse bzw. Strahl 60 umgewandelt werden. Kollimierte Impulse 60 werden durch ein Formungs- und Abbildungssystem 70 gelenkt zur Erzeugung von kollimierten, durch eine Apertur emittierten, geformten Impulse bzw. eines Strahls 72, welcher sodann bevorzugt von einem Strahlpositionierungssystem 74 gelenkt wird, um den kollimierten, durch eine Apertur emittierten, geformten Strahl 72 durch eine Abtastlinse 80 (die Abtastlinse wird auch als eine „zweite Abbildungs-", Fokussierungs-, Schneid- oder Objektiv-Linse bezeichnet) auf eine gewünschte Laserzielposition 82 auf der Bildebene auf Werkstück 22 zu zielen.
Das Strahlpositionierungssystem 74 umfasst bevorzugt einen Translationsstufenpositionierer 76 und einen Schnellpositionierer 78. Der Translationsstufenpositionierer 76 verwendet mindesten zwei Plattformen bzw. Stufen, die beispielsweise X, Y und Z-Positionierungsspiegel stützen, und erlaubt eine schnelle Bewegung zwischen den Zielpositionen 82 auf derselben oder auf unterschiedlichen Leiterplatten bzw. Chip-Paketen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Translationsstufenpositionierer 76 ein System getrennter Achsen, wobei eine Y-Stufe Werkstück 22 bewegt und unterstützt, eine X-Stufe den Schnellpositionierer 78 und die Objektivlinse 80 unterstützt und bewegt, die Z-Dimension zwischen den X- und Y-Stufen einstellbar ist, und Faltspiegel 75 den Strahlpfad 64 durch beliebige Drehungen zwischen Laser 52 und Schnellpositionierer 78 ausrichten. Der Schnellpositionierer 78 kann beispielsweise ein Paar Galvanometerspiegelumfassen, die einzigartige oder duplikative Bearbeitungsoperationen auf. Basis bereitgestellter Test- oder Projektierungsdaten ausführen können. Diese Positionierer können unabhängig oder koordiniert bewegt werden, um sich als Reaktion auf panelisierte (panelized) oder unpanelisierte (unpanelized) Daten zusammen zu bewegen. Ein derartiges Strahlpositionierungssystem 74, das zum Bohren von Löchern 20 eingesetzt werden kann, ist detailliert in US-Patent Nr. 5,751,585 von Cutler et al. beschrieben.
Ein Laserregler (nicht dargestellt), der die Bewegung der Strahlungspositionierungskomponenten lenkt, synchronisiert bevorzugt das Schießen des Lasers 52 mit der Bewegung der Komponenten des Strahlpositionierungssystems 74, wie in US-Patent Nr. 5,453,594 von Konecny „Radiation Beam Position and Emission Coordination System" beschrieben.
Ein Beispiel eines bevorzugten Lasersystems 50, welches viele der vorstehend beschriebenen Systemkomponenten umfasst, verwendet einen UV-Laser des Modells 45xx (355 nm) in einem Lasersystem des Modells 5200 oder andere ihrer Serie, welche von der Fa. Electro Scientific Industries Inc. in Portland, Oregon hergestellt werden. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass jeder andere Lasertyp mit einem gaußschen Strahlungsintensitätsprofil, andere Wellenlängen wie beispielsweise IR, oder andere Strahlexpansionsfaktoren verwendet werden können.
Die 5A–5C (zusammen als 5 bezeichnet) zeigen eine Sequenz von vereinfachten Bestrahlungsprofilen 92, 96 und 102 eines Laserstrahls bei seiner Veränderung durch verschiedene Systemkomponenten des Lasersystems 50. Die 5Ba-5Bc zeigen vereinfachte Bestrahlungsstärkeprofile 96a–96c des geformten Strahls 94 (94a bzw. 94b bzw. 94c) in Abhängigkeit der Entfernung Z relativ zu Z₀'. Z₀' ist die Entfernung, in welcher der geformte Strahl 94 sein flachstes Bestrahlungsstärkeprofil aufweist, dargestellt in Bestrahlungsstärkeprofil 96b.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf die 4 und 5 umfasst eine bevorzugte Ausführungsform des Abbildungssystems 70 einen oder mehrere Strahlformungskomponenten 90, welche kollimierte Impulse 60, die ein rohes gaußsches Bestrahlungsstärkeprofil 92 aufweisen, umwandeln in geformte (und fokussierte) Impulse bzw. Strahl 94b, die einen nahezu gleichmäßig geformtes „Top-hat"-Profil 96b aufweisen, bzw. insbesondere ein super-gaußsches Bestrahlungsstärkeprofil, in der Nähe zu einer Aperturmaske 98 in Strahlungsrichtung hinter der Strahlformungskomponente 90. 5Ba zeigt ein beispielhaftes Bestrahlungsstärkeprofil 96a, bei dem Z < Z₀' ist, und 5Bc zeigt ein beispielhaftes Bestrahlungsstärkeprofil 96c, bei dem Z > Z₀' ist.
Strahlformungskomponente 90 ist bevorzugt ein diffraktives optisches Element (diffractive optical element – DOE), welches eine komplexe Strahlformung mit hoher Effizienz und Genauigkeit durchführen kann. Strahlformungskomponente 90 transformiert nicht nur das gaußsche Bestrahlungsstärkeprofil aus 5A in das nahezu gleichförmige Bestrahlungsstärkeprofil aus 5Bb, sondern fokussiert auch den geformten Strahl 94 auf eine bestimmbare oder spezifizierte Punktgröße. Sowohl das geformte Bestrahlungsstärkeprofil 94b als auch die vorgeschriebene Punktgröße sind so ausgelegt, dass sie in einer ausgelegten Entfernung Z₀ in Strahlungsrichtung hinter der Strahlformungskomponente 90 entstehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist Z₀' nahezu oder gleich der Entfernung Z₀. Obgleich ein DOE mit nur einem Element bevorzugt wird, ist dem Fachmann bekannt, dass das DOE mehrere separate Elemente wie beispielsweise die Phasenplatte umfassen und Elemente transformieren kann, die in US-Patent Nr. 5,864,430 von Dikey et al. offenbart werden, welches auch Techniken zur Auslegung von DOEs für den Zweck des Strahlformens offenbart. Passende DOEs können von der Fa. MEMS Optical, Inc., Huntsville, Alabama hergestellt werden.
Die 6A–6D (zusammen als 6 bezeichnet) zeigen beispielhafte, im wesentlichen einheitliche Bestrahlungsstärkeprofile, die durch einen gaußschen Strahl erzeugt wurden, der sich durch ein DOE, wie es in US-Patent Nr. 5,864,430 beschrieben wird, fortpflanzt. Die 6A–6C zeigen quadratische Bestrahlungsstärkeprofile und 6D zeigt ein zylindrisches Bestrahlungsstärkeprofil. Das Bestrahlungsstärkeprofil aus 6C ist „invertiert", denn es zeigt eine höhere Intensität an seinen Rändern als in Richtung der Mitte. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Strahlformungskomponenten 90 so konzipiert sein können, dass sie eine Vielzahl unterschiedlicher anderer Bestrahlungsstärkeprofile liefern können, die für bestimmte Applikationen nützlich sein können, und diese Bestrahlungsstärkeprofile verändern sich üblicherweise in Abhängigkeit ihrer Entfernung von Z₀. Dem Fachmann ist bekannt, dass ein zylindrisches Bestrahlungsstärkeprofil wie das in 6D dargestellte bevorzugt für kreisrunde Aperturen 98 verwendet wird; würfelähnlich Bestrahlungsstärkeprofile würden bei quadratischen Aperturen bevorzugt; und die Eigenschaften anderer Strahlformungskomponenten 90 könnten auf die Formen anderer Aperturen zugeschnitten werden. Für viele direkte Lochbohranwendungen würde eine invertiertes zylindrischen Bestrahlungsstärkeprofil bevorzugt werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 4 bis 6 werden geformte Impulse 94 bevorzugt fokussiert und durch eine Aperturmaske 98 geleitet um die Ränder der geformten Impulse 94 zu schärfen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Apertur 98 an der „nominalen Aperturebene" positioniert, welche bevorzugt in einer Entfernung Z von der Strahlformungskomponente 90 angeordnet ist, in etwa dort, wo Z = Z₀', Z* oder Z₀ ist. Z* ist in etwa die Entfernung, die es einer bestimmten gewünschten Energiemenge des geformten Impulses 94 erlaubt, eine Apertur (aperture) 98 mit einem vorgegebenen gewünschten Durchmesser d_ap zu durchlaufen. Dem Fachmann ist bekannt, dass in einem idealen System Z = Z₀' = Z* ist.
Während die Positionierung von Apertur 98 in einer Entfernung Z₀ für die meisten Anwendungen bei einem einzigen Lasersystem 50 bevorzugt würde, wird die Positionierung von Apertur 98 in der Entfernung Z* bei Gruppen von Lasersystemen 50 verwendet, um Strahlvariationen von Laser 52 zu Laser 52, und von Strahlformungs element 90 zu Strahlformungselement 90 zu berücksichtigen. Z* wird bevorzugt, da Z* sensibler ist als Z₀', so dass Einstellungen innerhalb der Toleranz der Entfernung Z* im allgemeinen nicht zu einer Abweichung der Flachheit des Bestrahlungsstärkeprofils 96b in dem Maße führen, dass dies signifikant die Lochqualität oder den Durchsatz beeinträchtigt. Ein Vorteil der Verwendung der Distanz Z* für die Platzierung der Apertur besteht darin, dass Z* zulässt, dass verschiedene Lasersysteme 50 mit variierenden gaußschen Strahlen 54 aus Lasern 52 dieselben Prozessparameter von Lasersystem 52 zu Lasersystem 52 für dieselben Operationen verwenden. Damit erleichtert die Verwendung von Z* die Konsistenz bei Dokumentation, Schulung, Synchronisation und Lochqualität.
Maske 98 verwendet UV-reflektierendes oder UV-absorbierendes Material, ist jedoch bevorzugt hergestellt aus einem dielektrischen Material wie beispielsweise in UV-Qualität gefertigtes Fused Silica bzw. Saphir umhüllt mit einer mehrschichtigen hoch-UV-reflektierenden Umhüllung oder sonstiger UV-abweisenden Umhüllung. Maske 98 weist eine kreisrunde Apertur auf mit einem Durchmesser d_ap zur Erzeugung stark kreisrunder, abgebildeter, geformter Impulse 110. Die Apertur von Maske 98 kann optional auf der Lichtaustrittsseite aufgeweitet sein. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass die Apertur von Maske 98 quadratisch sein kann, sonstige nicht kreisförmige Formen aufweisen oder sogar fortgelassen werden kann, wenn Abbildungen nicht kreisförmiger Punkte auf der Oberfläche des Werkstücks 22 wünschenswert oder akzeptabel sind. Der Durchmesser d_ap beschneidet die Flügel 100 der geformten Impulse 94 zur Erzeugung eines durch die Apertur emittierten, geformten Profils 102, welches den Durchmessergeformter Impulse 94 auf Kosten ihrer übertragenen Energie verringert.
Der übertragene, durch die Apertur emittierte, geformte Impuls bzw. Strahl 110 wird sodann durch eine „erste abbildende" bzw. Sammellinse 112 der Fokallänge f₁ gesammelt, um einen kollimierten, durch die Apertur emittierten, geformten Strahl 72 zu erzeugen, der durch das Positionierungssystem 74 weitergeleitet und dann neu durch Abtastlinse 80 der Fokallänge f₂ abgebildet wird, um (gezielte, durch die Apertur emittierte, geformte) Lasersystemimpulse bzw. Strahlen 114 zu erzeugen, die auf Werkstück 22 gelenkt werden, und einen abgebildeten, geformten Strahl 118 mit dem Punktgrößendurchmesser (spot size diameter) d_spot auf Werkstück 22 hervorrufen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Linsen 112 und 80 die Abbildungsoptik, die nützlich ist, um Beugungsringe zu unterdrücken. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass eine einzige Abbildungslinse verwendet werden könnte. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind f₁ = 216 mm und f₂ = 81 mm, jedoch ist dem Fachmann bekannt, dass andere Linsenkombinationen und Fokallängen eingesetzt werden könnten. Die Kombination der Sammellinse 112 und der Abtastlinse 80 erzeugt ein Bild der gleichmäßig illuminierten Apertur der Maske 98 (bzw. des nicht kreisrunden Punktes mit einheitlicher Bestrahlungsstärke, wenn Maske 98 nicht verwendet wird) bei einem Verkleinerungsfaktor M, wobei M = f₁/f₂ = d_ap/d_spot Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines festen Verkleinerungssystems ist M = 2,66, jedoch ist dem Fachmann bekannt, dass andere Verkleinerungsfaktoren verwendet werden könnten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die strahlformende Komponente 90, die Aperturmaske 98 und die erste abbildende Linse 112 auf einer austauschbaren Abbildungsoptikschiene (Interchangeable Imaging Optics Rail – IOR) angeordnet. Bei einer Ausführungsform werden die Distanz Z, f₁ und f₂ erhalten, um die Herstellung der Austauschbarkeit dieser Komponenten in der IOR mit analogen Komponenten unterschiedlicher Eigenschaften zu ermöglichen, um diverse Bereiche von Punktgrößen d_spot auszuführen. Die Positionierung der strahlformenden Komponente 90 kann auch variabel sein, so dass die Distanz Z eingestellt werden kann mit den Toleranzen Z* für jede Kombination aus strahlformende Komponenten 90 und Aperturdurchmessern d_ap. Die effektive Distanz zwischen den Linsen 112 und 80 ist variabel. Somit können mehrere IORs mit unterschiedlichen Kombinationen aus IOR-Komponenten schnell ausgetauscht werden, um Bearbeitungsoperationen für einen breiten Bereich vorgegebener Punktgrößen zu ermöglichen. Diese unterschiedlichen Kombinationen werden so verwendet, dass die Strahlform bzw. das Bestrahlungsstärkeprofil 96 für jede Aperturgröße d_ap angepasst werden kann, um so die Energie pro Impuls 62 zu maximieren, welche sich durch die Apertur fortpflanzt, und somit die durch die Größenbegrenzung der Apertur abgeschnittene bzw. verschwendete Energie zu minimieren. Neben der Verbesserung der effizienten Verwendung der Impulsenergie minimiert die einstellbare Koordination zwischen den optischen Komponenten der IOR evtl. Anpassungen der Maske 98, welche wünschenswert sein könnten, um darauf hinzuwirken, dass Maske 98 einer Beschädigung durch den Laser widerstehen kann.
Ein Nachteil diese Ausführungsform besteht jedoch in der großen Anzahl der für die Verarbeitung eines Bereichs nützlicher Punktgrößen wünschenswerten austauschbaren optischen Komponenten der IOR. So kann beispielsweise jede strahlformende Komponente 90 für nur drei oder vier Punktgrößen d_spot effizient einsetzbar sein, und jede Maske 98 kann beispielsweise für nur eine Punktgröße d_spot effizient einsetzbar sein. Um daher den nützlichsten Bereich an Punktgrößen d_spot bis beispielsweise 250 μm abzudecken, könnte eine Sammlung von acht strahlformenden Komponenten 90 und 25 Masken 98 verwendet werden, um alle wünschenswerten Kombinationen bereitzustellen.
Die 7A–7D sind vereinfachte seitliche Aufrisse und teilweise schematische Darstellungen von vier entsprechenden beispielhaften Ausführungsformen geformter Abbildungssysteme 70a, 70b, 70c und 70d (allgemein: geformtes Abbildungssystem 70) zur Variation der Größe eines abgebildeten Punktes. Unter Bezugnahme auf die 4 und 7a wir eine Zoomlinse oder ein variabler Strahlexpander 120a (mit engen Toleranzen zur Erhaltung der Strahlgenauigkeit) entlang Strahlpfad 64 zwischen der ersten abbildenden Linse 112 und Abtastlinse 80 positioniert. Bei diesen Ausführungsformen ist die Fokallänge f₂ unveränderlich, jedoch ist die Fokallänge f₁ variabel, und daher sind der Verkleinerungsfaktor M und die Punktgröße d_spot variabel, so dass jede strahlformende Komponente 90 beispielsweise 8–10 Punktgrößen effizient aufnehmen kann, und jede Apertur ebenfalls effizient 8–10 Punktgrößen aufnehmen kann. Um so den Bereich der Punktgrößen d_spot bis ca. 250 μm abzudecken, würden nur einige wenige strahlformende Komponenten 90 und Masken 98 eingesetzt. Diese Ausführungsformen können optische Ausrichtungsspiegel 79 verwenden, die im Phantom gezeigt sind.
In Zoomlinsenbaugruppe 120b der Ausführungsform des in 7B dargestellten geformten Abbildungssystems 70b sind die Linse 80 und die Linse 128 in einer einzigen Linse 130 in Zoomlinsenbaugruppe 120b zusammengefasst. In Zoomlinsenbaugruppe 120c der Ausführungsform des in 7C dargestellten geformten Abbildungssystems 70c sind die Linse 112 und die Linse 122 in einer einzigen 132 in Zoomlinsenbaugruppe 120c zusammengefasst. In Zoomlinsenbaugruppe 120d der Ausführungsform des in 7D dargestellten geformten Abbildungssystems 70d sind die Linse 80 und die Linse 128 in einer einzigen 130 zusammengefasst, und die Linse 112 und die Linse 122 in einer einzigen Linse 132 zusammengefasst. Dem Fachmann ist bekannt, dass die geformten Abbildungssysteme 70a und 70c am besten geeignet sind für eine bevorzugten Translationsstufenpositionierer 76 mit getrennter Achsen, und dass die geformten Abbildungssysteme 70b und 70d am besten geeignet sind für Strahlpositionierungssysteme 74, die über keinen Schnellpositionierer 78 verfügen, wie beispielsweise nichtabtastende Systeme, die eine feste Objektivlinse 80 verwenden. Dem Fachmann ist des weiteren bekannt, dass eine Vielzahl andere variabler Linsenkombinationen möglich sind und verwendet werden könnten, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Obschon das Positionierungssystem 74 entlang des Strahlpfades 64 hinter Zoomlinsenbaugruppe 120 positioniert dargestellt ist, können einige seiner Komponenten in Strahlungsrichtung vor der Zoomlinsenbaugruppe 120 positioniert werden. So können beispielsweise einige Komponenten des Translationsstufenpositionierers in Strahlungsrichtung vor der Zoomlinsenbaugruppe 120 positioniert werden, so zum Beispiel einige der Spiegel 75; der Schnellpositionierer 78 wird jedoch bevorzugt in Strahlrichtung hinter der Zoomlinsenbaugruppe 120 positioniert. Dem Fachmann ist bekannt, dass diese geformten Abbildungssysteme 70 durch separate IORs oder einen einzigen IOR gestützt werden können, das den Austausch und die Neupositionierung der optischen Komponenten erlaubt, und dass die die geformten Abbildungssysteme stützendan IORs leicht entfernt werden können um zu ermöglichen, dass Lasersystem 50 einen gaußschen Strahl zwecks Vielseitigkeit bereitstellt.
8 ist eine vereinfachte teilweise schematische Draufsicht eines Lasersystems 150, das Galvanometer 152 und 154 verwendet um einen Hilfsgalvanometer-Spiegelpfad 156 zu erzeugen, der zum Lasersystem 50 aus 4 hinzugefügt werden kann, damit zwischen dem kollimierten, durch eine Apertur emittierten, geformten Strahl 72 und dem gaußschen Strahl 60 umgeschaltet werden kann. Unter Bezugnahme auf 8 wird der Strahlpfad 64a auf Galvanometerspiegel 158 gelenkt, welcher entweder erlaubt, dass der Laserstrahl sich entlang des Strahlpfades 64b durch das geformte Abbildungssystem 70 und entlang an Galvanometerspiegel 162 fortpflanzt, oder den Laserstrahl an Spiegel 164 reflektiert und durch die optionalen kollimierenden Linsenkomponenten 166, von Spiegel 168 und Galvanometerspiegel 162 in Richtung Werkstück 22 lenkt. Die Spiegel 164 und 168 können bevorzugt eingestellt werden um Neigung (pitch) und Rollen (roll) zu kompensieren.
Dem Fachmann ist bekannt, dass die kollimierenden Linsenkomponenten 166 va riabel sein können, um die räumliche Punktgröße d_spot für unterschiedliche Anwendungen passend zu modifizieren. Alternativ kann das geformte Abbildungssystem 70 statt dessen entlang des Pfadweges 156 positioniert werden, um den kollimierten, durch eine Apertur emittierten, geformten Strahl 72 so zu implementieren, dass der rohe gaußsche Strahl 60 sich entlang des Strahlpfades 64b fortpflanzt. In ähnlicher Weise kann ein geformtes Abbildungssystem 70 sowohl in Strahlpfad 64b als auch in Strahlpfad 156 verwendet werden, wobei jedes geformte Abbildungssystem 70 über variable oder unterschiedliche Fokallängen verfügt, um unterschiedliche Punktgrößen d_spot zu erzeugen, so wie z. B. für das schnelle Umschalten zwischen zwei verschiedenen abgebildeten geformten Punktgrößen. Dem Fachmann ist außerdem bekannt, dass das Lasersystem 150 den gaußschen Strahl verwenden könnte, um zusätzlich zu den hier beschriebenen Lochbearbeitungsanwendungen eine Reihe von Aufgaben durchzuführen. So könnte Lasersystem 150 beispielsweise verwendet werden, um mit hohen Durchsatzraten Kreise aus Tafeln (panels) auszuschneiden.
Die Lasersysteme 50 und 150 sind in der Lage, einen Lasersystemstrahl 114 mit bevorzugten Parametern typischer Lochbearbeitungsfenster zu erzeugen; zu denen durchschnittliche Leistungsdichten > ca. 100 mW gehören können, gemessen über den Strahlpunktbereich, und bevorzugt > 300 mW; Punktgrößendurchmesser oder räumliche Hauptachsen von ca. > 5 μm bis ca. > 18 μm, bevorzugt ca. 25–150 μm oder > 300 μm; und Wiederholungsraten > ca. 1 kHz, bevorzugt > ca. 5 kHz oder sogar höher als 30 kHz; eine ultraviolette Wellenlänge, bevorzugt zwischen ca. 180 und 355 nm; und temporäre Impulsbreiten < ca. 100 ns und bevorzugt ab ca. 40–90 ns oder kürzer. Die bevorzugten Parameter des Lasersystemstrahls 114 werden ausgewählt in dem Versuch, eine thermische Beschädigung an Loch 20 oder seiner Umgebung zu umgehen. Dem Fachmann ist außerdem bekannt, dass der Punktbereich von Lasersystemstrahl 114 bevorzugt kreisförmig ist, jedoch können auch andere einfache Formen wie z. B. Quadrate und Rechtecke nützlich sein, und sogar komplexe Strahlformen sind möglich bei richtiger Auswahl der Strahlformungskomponente 90 im Kooperation mit der wünschenswerten Aperturform in Maske 98.
Das vorstehend beschriebene Bearbeitungsfenster ist bestimmt worden, um das Lochbohren in verschiedensten metallischen, dielektrischen und anderer Zielmaterialien zu erleichtern, die diverse optische Absorptionen und andere Eigenschaften als Reakti on auf ultraviolettes Licht aufweisen. Ob beim Stanzen oder Nichtstanzen zur Herstellung von Sacklöchern 20b wird die Metallschicht mit einem ersten Laserstrahl abgetragen, der eine Leistungsdichte aufweist, die ausreicht, um das Metall zu ablatieren. Als nächstes wird die dielektrische Schicht abgetragen mit einem zweiten Laserstrahl mit einer niedrigeren Leistungsdichte, die nicht ausreicht, um das Metall zu ablatieren, so dass nur das dielektrische Material abgetragen wird und die darunter liegende metallische Schicht nicht beschädigt wird. Somit stellt das Verfahren der mechanische Bearbeitung in zwei Schritten ein in Bezug auf die Tiefe sich selbst limitierendes Sackloch zur Verfügung, da die Leistung des zweiten Strahls nicht ausreicht, um die metallische Unterschicht zu verdampfen, selbst dann, wenn der Strahl mit der zweiten Leistungsstärke auch weiterhin einwirkt, nachdem das dielektrische Material vollständig penetriert worden ist.
Dem Fachmann ist bekannt, dass gemäß einem Stanzverfahren der vorliegenden Erfindung der erste und der zweite Laserstrahl bevorzugt sequenziell aufeinanderfolgend sind, anstatt dass eine Serie von ersten Laserstrahlen einzeln nacheinander auf räumlich voneinander getrennte Zielpositionen 82 auf Werkstück 22 zum Einsatz kommen, und dann eine Serie von zweiten Laserstrahlen sequentiell über denselben Zielen 82 zum Einsatz kommen. Beim einem nicht stanzenden Verfahren können die Schichten 24 aller räumlich voneinander getrennten Zielpositionen 82 auf Werkstück 22 vor den Schichten 26 aller räumlich voneinander getrennten Zielpositionen 82 mit den ersten Laserstrahlen bearbeitet werden.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf die 3 und 4 besteht ein Unterschied zwischen dem beschnittenen gaußschen Strahl aus dem Stand der Technik und dem abgebildeten, geformten Strahl 118 der vorliegenden Erfindung darin, dass der Impuls 94 die Apertur von Maske 98 in gleichförmiger Weise an allen Punkten illuminiert. Der abgebildete, geformte Strahl 118 erleichtert demgemäss die Bildung von Sacklöchern 20b mit einem sehr flachen und gleichförmigen Boden 44b an Schicht 28 neben einer sehr runden Form und scharfen Kanten, und diese Flachheit und Gleichförmigkeit sind bei einem beschnittenen gaußschen Strahl nicht möglich. Darüber hinaus kann beim abgebildeten, geformten Strahl 118 die Bohrgeschwindigkeit über die bei einem beschnittenen gaußschen Strahl erreichbare Geschwindigkeit hinaus erhöht werden.
Das Hinzufügen einer strahlformenden Komponente 90 zur Abflachung des Be strahlungsstärkeprofils 10 eines gaußschen Strahls minimiert den zuvor angesprochenen und der Technik des beschnittenen gaußschen Strahls inhärenten Trade-off zwischen Lochqualität und Bohrgeschwindigkeit. Ein hoher Anteil der Strahlenergie kann Werkstück 22 zugeführt werden ohne großen Unterschied in der Fluenz zwischen der Mitte und den Rändern des abgebildeten Punktes, d. h. das Rand-zu-Mitte-Fluenzverhältnis (edge-to-center fluence ratio) Fe/Fc kann bei gleichzeitigem Anstieg des Übertragungspegels (Transmission Level) T erhöht werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht dem durch eine Apertur emittierten, geformten Strahl 110 und den abgebildeten, geformten Strahl 118 Übertragungspegel von 70–85% ohne signifikante Verringerung des Rand-zu-Mitte-Verhältnisses.
Als Ergebnis der nahezu einheitlichen Fluenz bei hohen Übertragungspegeln kann die Bohrgeschwindigkeit erhöht werden, ohne die Leiterschicht 28 zu beschädigen, insbesondere in seiner Mitte, und zwar aus zwei Gründen: Erstens ist der Übertragungspegel durch die Apertur höher als beim beschnittenen gaußschen Strahl, d. h. in jedem Laserimpuls 114 wird dem Werkstück 22 mehr Energie zugeführt. Zweitens lässt sich, da eine höhere Fluenz auf die Punktränder appliziert werden kann, das dielektrische Material aus den unteren Rändern des Lochs einfacher entfernen. Dieser zweite Effekt ist der bedeutsamere der beiden.
9 zeigt einen Vergleich idealer Fluenzprofile an der Aperturebene für einen geformten Strahl 94b und einen beschnittenen gaußschen Strahl bei mehreren typischen Übertragungspegeln unter typischen Lochbearbeitungsparametern. Die Höhen der Fluenz auf dem Werkstück 22 entsprechen den Höhen der Fluenzen der Apertur multipliziert mit dem Bildverkleinerungsfaktor zum Quadrat, der bei einer bevorzugten Ausführungsform etwa dem Faktor sieben entspricht. Die Fluenzen am Aperturrand betragen beim geformten Strahl 94b bzw. dem beschnittenen gaußschen Strahl etwa 1,05 J/cm² bzw. 0,60 J/cm² oder weniger. Somit betragen an Werkstück 22 die Fluenzen am Rand des abgebildeten Punktes für den abgebildeten, geformten Strahl 118 bzw. den beschnittenen gaußschen Strahl etwa 7,4 bzw. 4,3 J/cm². Die Geschwindigkeit mit der ein typisches organisches dielektrisches Material der Schicht 26 ablatiert werden kann ist bei diesen zwei Fluenzen sehr unterschiedlich. Daher kann das Bohren eines jeden Lochs 20 mit dem abgebildeten, geformten Strahl 118 in viel weniger Impulsen abgeschlossen werden, was den Durchsatz des Prozesses erhöht.
Ein Beispiel einer Strategie für das Bohren von Löchern 20 mit dem abgebildeten, geformten Strahl 118 in Übereinstimmung mit diesen Überlegungen der vorliegenden Erfindung ist nachstehend beschrieben. Die Fluenz kann über den gesamten abgebildeten Punkt beispielsweise bei 90% des Wertes gehalten werden, bei dem eine Beschädigung (damage) des Kupfers, F_damage, auftritt. Sodann wird das dielektrische Material unter Bedingungen ablatiert, die den Lochboden 44b nicht beschädigen. Im Gegensatz hierzu könnte man bei dem beschnittenen gaußsche Strahl bei T = 50% die Mitte des Punktes bei dieser Fluenz halten, wobei dann die Ränder bei nur 45% von F_damage liegen würden. Alternativ könnte der Punktrand bei 90% von F_damage gehalten werden, wobei dann die Mitte bei 180% der Schwellenfluenz für einen Schaden läge, was zu einer erheblichen Beschädigung führen würde. Die Ränder des abgebildeten Punktes bei einer hohen Fluenz zu halten, erlaubt es, das dielektrische Material mit weniger Laserimpulsen von den Lochrändern zu entfernen, da jeder Impuls mehr Material abträgt. Daher kann der Bohrdurchsatz des abgebildeten, geformten Strahls 118 viel höher sein als der des beschnittenen gaußschen Strahls.
10 zeigt eine Vergleich von Durchsatzkurven, die mit dem abgebildeten geformten Strahl 118 und dem beschnittenem gaußschem Strahl beim Stanzen von 75 μm-Löchern 20 in 45 μm tiefes Epoxydharz erzielt wurden. Unter Bezugnahme auf 10 wurde die Mindestanzahl der Impulse, N, welche zum Erzielen eines unteren (bottom) Durchmessers d_b mit einer Größe von mindestens 75% des oberen (top) Durchmessers d_t erforderlich ist, bei jeder Pulswiederholfrequenz (Pulse Repitition Frequency – PRF) ermittelt. Für diesen Wert N wurde die Bohrzeit für die PRF berechnet, und es wurde eine Zeit von 1,0 ms für die Bewegung von Loch zu Loch hinzu addiert, um den Durchsatz zu erhalten.
Im allgemeinen erhöht sich mit steigender PRF allmählich die Energie in jedem Impuls und damit die Arbeitsoberflächenfluenz. Da eine verringerte Fluenz bedeutet, dass weniger Material pro Impuls abgetragen wird, müssen mehr Impulse appliziert werden. Bei steigender PRF werden jedoch mehr Impulse pro Zeiteinheit zugeführt. Das Nettoergebnis ist, dass von zwei miteinander konkurrierenden Effekten einer dieser beiden die Tendenz hat, die Bohrgeschwindigkeit zu verringern, und der andere die Tendenz hat, die Bohrgeschwindigkeit bei steigender PRF zu erhöhen. 10 zeigt, dass die miteinander konkurrierenden Effekte bei PRFs in der Mitte des untersuchten Be- reichs die schnellsten Durchsätze hervorbringen.
10 zeigt außerdem, dass die mit dem abgebildeten, geformten Strahl 118 erzielte Durchsatzkurve flacher ist als die mit dem beschnittenen gaußschen Strahl erzielte Kurve. Die flachere Kurve ist bedeutsam für das Ermöglichen des Trade-offs zwischen Bohrgeschwindigkeit und Lochqualität. Um eine Beschädigung der unteren metallischen Schicht 28 zu vermeiden, ist es grundsätzlich wünschenswert, die PRF des Lasers zu erhöhen, wodurch die Energie in jedem Impuls verringert und die Fluenz an der Arbeitsoberfläche unter die Energieschwelle gesenkt wird, ab der ein Schmelzen der metallischen Schicht 28 erfolgt. Mit steigender PRF verringert sich der mit dem abgebildeten geformten Strahl 118 erzielte Durchsatz langsamer als der des beschnittenen gaußschen Strahls. Somit muss bei Erhöhung der PRF zwecks Erhalt der Lochbodenqualität im Falle des abgebildeten geformten Strahls 118 ein geringerer Durchsatznachteil hingenommen werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 10 ermöglicht es der abgebildete geformte Strahl 118, den Spitzenbohrdurchsatz um mehr als 25% über den des beschnittenen gaußschen Strahls zu erhöhen. Der abgebildete geformte Strahl 118 erzielt auch einen höheren Durchsatz als das mit einem rohen gaußschen Strahl möglich ist, mit dem zusätzlichen Vorteilen einer besseren Lochqualität (Wiederholbarkeit, konische Form der Seitenwand, Rundheit).
Im Hinblick auf die Lochqualität, insbesondere für Sacklöcher 20b, erlaubt der abgebildete geformte Strahl 118 der vorliegenden Erfindung auch eine bessere Leistung in Bezug die Minimierung der konischen Form bei höheren Durchsatzraten, als sie mit einem beschnittenen gaußschen Strahl erzielbar ist. Neben der Fähigkeit, das dielektrische Material wie oben beschrieben an den unteren Rändern des Sacklochs 20b schneller abzutragen, ist der abgebildete, geformte Strahl auch in der Lage, das dielektrische Material vollständiger an den unteren Rändern des Sacklochs 20b abzutragen, und zwar ohne das Risiko einer Beschädigung der darunter liegenden metallischen Schicht 28, da die gleichmäßige Form des Impulses 94 die Möglichkeit der Erzeugung eines heißen Punktes in Schicht 28 im Bereich der unteren Mitte des Lochs 20b praktisch eliminiert. Der abgebildete, geformte Strahl 118 kann bei angemessener Fluenz in der Vertiefung eines Sacklochs für unbestimmte Zeit verbleiben, bis die gewünschte Sauberkeit und Konizität erreicht ist.
Darüber hinaus können die strahlformenden Komponenten 90 so gewählt werden, dass sie Impulse mit einem in 6C dargestellten invertierten Bestrahlungsstärkeprofil erzeugen, das außerhalb der gestrichelten Linien 180 beschnitten ist, um den Abtrag des dielektrischen Materials entlang der Außenränder von Loch 20b zu erleichtern, und damit die konischen Bedingungen zu verbessern. Die vorliegende Erfindung erlaubt eine Konizität > 80% bei maximalem Durchsatz ohne Beschädigung von Schicht 28, und es sind Konizitäten von > 95% (bei Löchern 20 geringen Aspektverhältnisses) ohne Beschädigung von Schicht 28 möglich. Selbst bei kleinsten Löchern sind bessere Konizitäten als 75% möglich, ab ca. 5 bis 18 μm im oberen Bereich des Lochs bei herkömmlicher Optik, obgleich der Durchsatz dann geringer sein kann.
11 zeigt das Verhältnis des unteren Lochdurchmessers zum oberen Lochdurchmesser (in 62 μm-Löchern, die in partikelverstärktes 35 μm-Epoxydharz gebohrt sind) in Abhängigkeit der Lage der Arbeitsoberfläche relativ zur nominalen Bildebene, z = 0. Unter Bezug auf 11 ist die nominale Bildebene der Ort, wo die Löcher 20 am rundesten sind und die am klarsten definierten oberen Kanten aufweisen. Positive z-Werte repräsentieren Ebenen unterhalb der normalen Bildebene, d. h. bei diesen ist das Werkstück 22 weiter von der Systemoptik entfernt als die Trenndistanz, bei der z = 0 ist. Der 3σ-Fehlerbalken ist zwecks Bezug dargestellt, da eine verlässliche Messungen des unteren Durchmessers schwierig sein kann.
Bei jedem der neun z-Werte wurden 100 Löcher gebohrt und vermessen. Die Datenpunkte stehen für Mittelwerte und die vertikalen Fehlerbalken repräsentieren, die Größe der drei Standardabweichungen vom Mittelwert bei jedem aus 100 Proben bestehenden Datensatz. Das größte Verhältnis von unten zu oben wird in der Bildebene erreicht, in der z = 0 ist. In einem gesamten Bereich von ±400 μm war das Verhältnis unten/oben stets größer als 75% bei hohem Durchsatz.
12 zeigt den Lochdurchmesser (in 62 μm-Löchern, die in partikelverstärktes 35 μm-Epoxydharz gebohrt sind) in Abhängigkeit der Lage der Arbeitsoberfläche relativ zur nominalen Bildebene, bei der z = 0 ist. Mit Führen des Werkstücks 22 weiter nach oben über die nominale Bildebene steigt der durchschnittliche obere Durchmesser des Lochs allmählich. Für Orte unter z = 0 bleibt der obere Durchmesser relativ konstant bis zu 400 μm unter der Bildebene. Die 3σ-Fehlerbalken werden generell innerhalb von ±3 μm des Durchschnittswertes gehalten, mit Ausnahmen bei z = +300 μm und z = –300 μm. Bei den unteren Durchmessern hingegen sinkt der Durchschnittswert allmählich von Orten über der Bildebene zu Orten unter der Bildebene. Da der Durchmesser und die Kreisform des Lochbodens weit schwieriger zu steuern sind als die Größe und Rundheit des oberen Lochbereichs, wird der untere Durchmesser nur zu Referenzzwecken dargestellt. Statistische Verfahrensregeltechniken, die auf die Lasersystem 50 und 150 angewendet werden könnten, sind daher anwendbar auf die Eigenschaften der oberen Lochbereiche.
Die Daten in den 11 und 12 legen mehrere Ansätze nahe hinsichtlich der Handhabung von Fragen zur Fokustiefe für die Verfahrenrobustheit. Will man einen konstanten oberen Lochdurchmesser bei sich ändernden Materialstärken und Bearbeitungsbedingungen beibehalten, so wäre es vorteilhaft, das Verfahren so aufzubauen, dass die Arbeitsoberfläche leicht unter der nominalen Bildebene bei beispielsweise z = +200 μm angeordnet ist. Dies ergäbe eine Zone von ±200 μm an z-Variation, die unter nur geringer Auswirkung auf den oberen Durchmesser berücksichtigt werden könnte. Ist es jedoch wünschenswerter, ein konstantes Durchmesserverhältnis unten zu oben beizubehalten, so wäre es besser, das Verfahren so aufzubauen, dass das Werkstück 22 genau an der nominalen Bildebene angeordnet ist. Damit wäre sichergestellt, dass das Durchmesserverhältnis unten/oben sich über einen z-Bereich von mindestens ±200 μm um nicht mehr als 5% verringert. Die Veränderbarkeit eines dieser beiden Ansätze ist davon abhängig, ob die anderen Locheigenschaften in akzeptablen Grenzen bleiben während sich das Werkstück 22 von der nominalen Bildebene fortbewegt.
Ein anderes Thema ist die Kreisform des Lochs, die in 13 in Abhängigkeit von z für 62 μm-Löcher, die in partikelverstärktes 35 μm-Epoxydharz gebohrt sind, dargestellt ist. Unter Bezugnahme auf 13 sind die Daten der unteren Kreisform der Klarheit der Präsentation halber rechts der tatsächlichen z-Werte dargestellt. Die Daten für den Lochboden dienen lediglich Referenzzwecken.
13 zeigt, dass die Kreisform, definiert als Nebenachse/Hauptachse, stets mindestens 90% über dem gesamten ±400 μm z-Bereich der Studie liegt. Bei einem Durchmesser von durchschnittlich 62 μm entsprechen 90% Kreisform einem Hauptdurchmesser, der etwa 6,5 μm größer ist als der Nebendurchmesser. Bei positiven z-Werten (d. h. bei Orte unter der nominalen Bildebene) wird die statistische Loch-zu-Loch-Variation in Bezug auf die Kreisform nennenswert. Die über den Datenpunkten (Durchschnittswerte) dargestellten Fehlerbalken sind ab einer Kreisform von 100 aufwärts bedeutungslos, jedoch zeigt 13 bei z. B. z = +300 μm, dass die 3σ-Ausreißer eine Kreisform < 80% haben können.
Grundsätzlich ermöglicht der abgebildete, geformte Strahl 118 der vorliegenden Erfindung, dass Löcher 20 eine Rundheit bzw. Kreisform > 90% bei höheren Durchsatzraten haben, als sie mit dem beschnittenen gaußschen Strahl erzielbar sind. Vielfach kann der abgebildete, geformte Strahl 118 im gesamtem Lochgrößenbereich bei höheren Durchsatzraten eine Rundheit > 95% erreichen.
Obschon einige der hier beschriebenen Beispiele wie maximale Leistung und einige andere Faktoren bei Verwendung gegenwärtig erhältlichen UV DPSS-Laser 52 ansprechen, ist dem Fachmann klar, dass mit Verfügbarkeit leistungsfähigerer UV DPSS-Laser 52 die Lochdurchmesser und Schichtdicken in diesen Beispielen erhöht werden können.
Trotz der Vorteile des abgebildeten, geformten Strahls 118 ist es möglich, dass die Projektionsabbildung die in jedem abgebildeten, geformten Laserimpuls 118 verfügbare Energie über einen Bereich verteilt, der größer ist als der, der üblicherweise durch den ablativen Teil eines fokussierten gaußschen Strahls abgedeckt wird. Daher haben UV DPSS-Laser 52 Energie-pro-Impuls-Grenzen hinsichtlich der Größe und Dicke von metallischen Schichten 24 und 28 dort, wo der Laserpunkt die Ablationsschwellenfluenz für die Materialien des Werkstücks übersteigt.
Im Falle von Sacklöchern zum Beispiel können abgebildete, geformte Impulse 118 mit Fluenzen von 10–12 J/cm² zum Ablatieren einer oberen Kupferschicht 24 von 5–12 μm bei kleinen Löchern mit einem Durchmesser von bis zu vielleicht 40 μm verwendet werden. Dem Fachmann ist bekannt, dass dieser Fluenzbereich eine sehr langsame Wiederholrate von beispielsweise ca. 3–6 kHz bedeutet. Dem Fachmann ist auch bekannt, dass höhere Fluenzen zu negativen Folgen wie z. B. Aufheizen führen können, und die resultierende, langsamere Wiederholungsrate sich negativ auf den Durchsatz auswirken würde. Mit dem weiteren Anstieg der durch UV DPSS-Laser 52 erzielbaren Leistung werden Impulse höherer Energie verfügbar sein, welche die Technik der geformten Abbildung auf Durch-Kupfer-Applikationen bei größeren Lochgrößen ausdehnen werden.
Bis dahin verwendet ein bevorzugtes Verfahren zum Stanzen der oberen metalli schen Schicht 24 von Sacklöchern 20b mit Durchmessern > ca. 35 μm das Lasersystem 150 aus 8. Dabei wird der Galvanometer-Spiegelpfad 156 verwendet, um eine fokussierten gaußschen Strahl als Lasersystemstrahl 114 bereitzustellen. Der fokussierte gaußsche Strahl wird verwendet, um die obere metallische Schicht 24 zu penetrieren, üblicherweise unter Anwendung eine nicht stanzenden Technik, und sodann werden die Galvanometerspiegel 158 und 162 so gesteuert, dass der Laserstrahl 60 zur Bearbeitung der dielektrischen Schicht 26 das Abbildungssystem 70 durchlaufen kann.
Unabhängig davon, wie die obere metallische Schicht 24 bearbeitet wird (sie kann sogar vorgeätzt sein), kann die darunter liegende dielektrische Schicht 26 anschließend mit dem abgebildeten, geformten Strahl 118 bei niedrigeren Fluenzen und höheren Wiederholungsraten mechanisch bearbeitet werden, um Löcher 20 mit sauberen, runden Böden und vernachlässigbarer Konizität, wie vorstehend beschrieben, herzustellen. Typische dielektrische Bearbeitungsfluenzen reichen von unter ca. 0,8 J/cm², was keinen oder nur einen sehr geringen Schaden der unteren metallischen Schicht 28 verursacht, bis zu mehr als ca. 4 J/cm², was einen erheblichen Schaden an der unteren metallischen Schicht 28 bewirkt. Obschon die bevorzugte Fluenz materialabhängig ist, werden für die meisten dielektrischen Schichten 26 mit Annäherung der abgebildeten, geformten Impulse 118 an eine metallische Schicht 28 Fluenzen von 1,2–1,8 J/cm² bevorzugt.
Dem Fachmann ist bekannt, dass ein Durchsatzvorteil darin besteht, den oberen Teil der dielektrischen Schicht 24 bei einer Fluenz zu bearbeiten, die am oberen Ende dieses Bereiches liegt, und mit Annäherung des Laserimpulses 114 an die untere metallisches Schicht 28 sodann die Fluenz (bevorzugt durch Erhöhen der Wiederholfrequenz) zum unteren Ende dieses Bereiches hin zu reduzieren. Für einen optimalen Durchsatz werden Wiederholungsraten von 12–45 kHz bevorzugt, 12–15 kHz bei größeren Löchern 20b und schwer zu ablatierenden Schichten 26, und 30–45 kHz bei kleineren Löchern. Dem Fachmann ist bekannt, dass diese Werte für die Wiederholungsrate mit Verbesserung der verfügbaren DPSS-Laserleistung in Zukunft steigen werden.
Bei manchen Anwendungen für mittelgroße Sacklöcher 20b kann es wünschenswert sein, zur Bearbeitung der oberen metallischen Schicht 24 durch Nichtstanzen mit dem fokussierten gaußschen Strahl den Schnellpositionierer 78 zu verwenden, und danach mit dem abgebildeten, geformten Strahl 118 durch das dielektrische Material hin durch zu stanzen. Dem Fachmann ist auch bekannt, dass der fokussierte rohe gaußsche Strahl von Lasersystem 150 auch dazu verwendet werden kann, Durchkontaktierungen 20a zu bearbeiten, wo die Löcher zu groß sind für den effizienten abgebildeten geformten Strahl 118 oder wo Geschwindigkeit wichtiger ist als Rundheit oder Randqualität.
Hinsichtlich der Bearbeitung organischer bzw. anorganischer dielektrischer Materialien der Schicht 26 gilt, dass diese üblicherweise eine viel niedrigere Ablationsschwelle aufweisen und mit einem Projektionsabbildungsaufbau bis hin zu den größten wünschenswerten Durchmessern viel leichter ablatiert werden können. Bei größeren Lochdurchmessern von ca. 150 μm bis ca. 200 μm und größer verringert sich jedoch je nach Eigenschaften des jeweiligen Materials die Energieverteilung des abgebildeten, geformten Strahls 118 über den Lochdurchmesser soweit, dass der Durchsatz beeinträchtigt wird, da jeder Lasersystem-Impuls 114 weniger Material abträgt.
Bei Applikationen mit Lochdurchmessen > ca. 250–300 μm, bei denen Randqualität und perfekte Rundheit nicht so wichtig sind wie der Durchsatz, lässt sich der abgebildete, geformte Strahl 118 oder der fokussierte gaußsche Strahl des Lasersystems 150 perfekt anwenden zur Herstellung von Loch 20 durch eine nicht stanzende Bearbeitung unter Verwendung des Schnellpositionierers 78. Dem Fachmann ist bekannt, dass sich mit der nicht stanzenden Bearbeitung bei großen Löchern 20 eine für die meisten Applikationen passende, akzeptable Konizität und Rundheit erzielen lässt. Dieser Vorzug gilt sowohl für die Bearbeitung von Durchkontaktierungen, als auch von Sacklöchern. Dem Fachmann ist außerdem bekannt, dass der abgebildete, geformte Strahl 118 bei großen Löchern in vielen Applikationen effizienter sein kann, als der fokussierte gaußsche Strahl.
14 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme (SEM-Aufnahme) eines mit dem abgebildeten, geformten Strahl 118 eines UV YAG-Lasersystems 50 in Epoxydharz gebohrten, typischen Lochs. Der Lochdurchmesser betrug 75 μm, die Harzstärke 45 μm, und das Substrat wurde vorbereitet durch Fortätzen der oberen Kupferschicht einer harzbeschichteten Folie auf einem FR4-Kern. Die untere (bzw. innere) Kupferschichtstärke betrug 18 μm (½ oz.).
Verschiedene Merkmale sind hierbei bemerkenswert. Erstens sind die Seitenwände des Lochs außergewöhnlich eben und grade, und der obere Rand des Lochs ist scharf definiert. Zweitens ist das Loch aufgrund der Bildprojektion der runden Apertur besonders kreisrund, wie zuvor beschrieben. Schließlich ist die unten liegende Kupferschicht weitgehend unbeschädigt und frei von Harzrückständen.
Für diesen speziellen Test wurde die strahlformende Optik so konfiguriert, dass ein invertiertes Fluenzprofil (6C) auf der Arbeitsoberfläche resultiert, das an der Punktperipherie etwas höher ist als in der Mitte. Die Laserparameter (PRF und Anzahl der applizierten Impulse) wurden sodann so eingestellt, dass an der Peripherie eine Arbeitsoberflächenfluenz erzeugt wird, die gerade über dem Wert liegt, welcher ein Schmelzen des Kupfers bewirkt. Eine genaue Betrachtung des Bildes macht deutlich, dass es sich bei den ebenen Bereichen in der Nähe des Lochbodens um Regionen handelt, in denen das Kupfer wieder leicht fließend wurde. Ein solches leichtes Wiederfließendwerden des Kupfers kann gewünscht sein, um sicherzustellen, dass das gesamte Harz aus dem Loch entfernt wurde. Dieser Grad der Steuerung der Beschädigung des Kupfers der inneren Schicht ist typisch für Löcher 20, die durch den abgebildeten, geformten Strahl 118 erzeugt werden.
Im Falle von Mirkolöchern (microvias) bei HDI-Leiterplatten bedient sich die am häufigsten eingesetzte Laserbohrmethode in harzbeschichteten Folienkonstruktionen einer kreisrunden, in der oberen Kupferschicht vorgeätzten Öffnung. Diese Öffnung wird als eine konformale Maske für die CO₂-Laserbearbeitung verwendet. Schwierigkeiten bei der Schicht-zu-Schicht-Registrierung hat dieses Verfahren auf das Bohren von großen Löchern (> 100 μm) mit größeren Pad-Größen (> 200 μm) beschränkt. Jedoch erlaubt Positionierungssystem 74, die genaue Schicht-zu-Schicht-Ausrichtung eines Laserbohrsystems mit dem höheren Durchsatz des Bohrens nur des dielektrischen Harzes zu verbinden. Bei diesem neuen Verfahren wird das Kupfer der äußeren Schicht auf die ungefähre Größe der Fläche (Land) des Pads der inneren Schicht vorgeätzt, und der Laser wird sodann dazu verwendet ein kleines Loch innerhalb dieser Öffnung auszurichten und zu bohren. Eine SEM-Aufnahme eines beispielhaften Lochs 20, das mittels dieses Verfahrens erzeugt werden könnte, ist in 15 dargestellt, welche ein abgebildetes, geformtes 75 μm-Loch durch ein Epoxydharz von 45 μm in einer vorgeätzten Kupferöffnung von 150 μm zeigt.
Dem Fachmann ist bekannt, dass die hier beschriebenen Strahlformungs- und Abbildungstechniken nicht nur eine verbesserte Lochrundheit und Randqualität zulassen, sondern auch eine verbesserte Wiederholbarkeit und Positionierungsgenauigkeit, wie z. B. in der genauen Mitte von Pads, und nützlich sein kann für die Verbesserung der Impedanzsteuerung und Voraussagbarkeit der elektronischen Werkstücke.
Weiter vergleichende Daten zwischen der Technik mit einem geformten, abgebildeten Strahl und einem beschnittenen gaußschen Strahl, einschließlich farbige elektronenmikroskopische Aufnahme finden sich dem Artikel „High Quality Microvia Formation with Imaged UV YAG Lasers", vorgetragen am 6. April 2000 im Rahmen der Technical Proceedings der IPC Printed Ciruits Expo 2000 in San Diego, Kalifornien.
Dem Fachmann ist klar, dass viele Änderungen an den vorstehend beschrieben Ausführungsformen vorgenommen können, ohne von den grundlegenden Prinzipien derselben abzuweichen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung sollte daher ausschließlich durch die nachfolgenden Ansprüche ermittelt werden.

Claims

Verfahren zur Erhöhung des Durchsatzes beim Bohren von Löchern in einem mehrschichtigen Werkstück mit mindestens ersten (26) und zweiten Schichten (24 bzw. 28) aus entsprechenden Erst- und Zweitschichtmaterialien mit entsprechenden Erstund Zweit-Ablationsfluenzschwellen, folgendes umfassend: Generieren eines ersten gaußschen Laserstrahls (54) mit einer ersten gaußschen Energie und einem im wesentlichen gaußschen Bestrahlungsstärkeprofil bei einer Wellenlänge < 400 nm; Weiterleiten des ersten gaußschen Laserstrahls entlang eines optischen Pfads (64) durch ein diffraktives optisches Element (90) zur Umwandlung des ersten gaußschen Laserstrahls in einen ersten gleichmäßiger geformten Strahl (94b); Weiterleiten eines großen Teils des ersten gleichmäßig geformten Strahls durch eine Apertur (98) zur Umwandlung des ersten gleichmäßig geformten Strahls (94b) in einen ersten durch eine Apertur emittierten, geformten Strahl (110) mit einer ersten, durch eine Apertur emittierten, geformten Energie > 50% der ersten gaußschen Energie des ersten gaußschen Laserstrahls; Weiterleiten des ersten durch eine Apertur emittierten, geformten Strahls (110) durch eine oder mehrere Abbildungslinsenkomponenten (80, 112, 122, 124, 126, 128, 130, 132) zur Bereitstellung des ersten abgebildeten, geformten Strahls (118); Applizieren des ersten abgebildeten, geformten Strahls (118) auf einen Zielort auf dem Werkstück (22) zur Abtragung von Material der ersten Schicht innerhalb des Zielortes, wobei der erste abgebildete, geformte Strahl eine erste Energiedichte über einem ersten Punktbereich aufweist und die erste Energiedichte größer ist als die erste Ablationsfluenzschwelle, jedoch geringer als die zweite Ablationsfluenzschwelle zur Bildung eines Lochs.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Loch einen Mindestdurchmesser d_min, einen Maximaldurchmesser d_min und eine Rundheit > 0,9 aufweist, wobei die Rundheit = d_min/d_max ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Loch eine Rundheit > 0,95 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Loch einen unteren (bottom) Durch messer d_b, einen oberen (top) Durchmesser d_t, und eine Konizität > 0,5 aufweist, wobei die Konizität = d_b/d_t ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Loch eine Konizität > 0,75 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die durch eine Apertur emittierte, geformte Energie > 65% der ersten gaußschen Energie ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die durch eine Apertur emittierte, geformte Energie > 75% der ersten gaußschen Laserenergie ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste abgebildete, geformte Energie > 45% der ersten gaußschen Energie ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die erste abgebildete, geformte Energie > 55% der ersten gaußschen Laserenergie ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Energiedichte ≤ ca. 2 J/cm² ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wellenlänge ca. 355 nm oder 266 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material der ersten Schicht (26) ein dielektrisches Material umfasst und das Material der zweiten Schicht (24, 28) ein Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das dielektrische Material ein organisches dielektrisches Material umfasst und das Metall Kupfer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das organische dielektrische Material ein anorganisches Verstärkungsmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Abtragen des Materials der ersten Schicht durch Stanzen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Abtragen des Materials der ersten Schicht durch Nichtstanzen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material der ersten Schicht (26) zwischen zwei Schichten (24, 28) des zweiten Materials angeordnet ist, vor Generierung des ersten gaußschen Laserstrahls weiterhin folgendes umfassend: Generieren eines zweiten gaußschen Laserstrahls mit einer zweiten gaußschen Energie und einem im wesentlichen gaußschen Bestrahlungsstärkeprofil bei einer Wellenlänge < 400 nm; Weiterleiten des zweiten gaußschen Laserstrahls entlang des optischen Pfads durch das diffraktive optische Element zur Umwandlung des zweiten gaußschen Laserstrahls in einen zweiten einheitlicher geformten Strahl; Weiterleiten eines großen Teils des zweiten einheitlich geformten Strahls durch die Apertur zur Umwandlung des zweiten einheitlich geformten Strahls in einen zweiten durch eine Apertur emittierten, geformten Strahl mit einer zweiten durch eine Apertur emittierten, geformten Energie > 50% der zweiten gaußschen Energie des zweiten gaußschen Laserstrahls; Weiterleiten des zweiten durch eine Apertur emittierten, geformten Strahls durch eine oder mehrere Abbildungslinsenkomponenten (80, 112, 122, 124, 126, 128, 130, 132) zur Bereitstellung des zweiten abgebildeten geformten Strahls; Applizieren des zweiten abgebildeten geformten Strahls auf den Zielort auf dem Werkstück zur Abtragung von Material der zweiten Schicht innerhalb des Zielortes, wobei der zweite abgebildete, geformte Strahl eine zweite Energiedichte über dem Punktbereich aufweist und die zweite Energiedichte größer ist als die zweite Ablationsfluenzschwelle zur Abtragung des Materials der zweiten Schicht.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die zweite Energiedichte ≥ ca. 10 J/cm² ist.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin folgendes umfassend: Generieren des zweiten gaußschen Laserstrahls bei einer zweiten Pulswiederholfrequenz; und Generieren des ersten gaußschen Laserstrahls bei einer ersten Pulswiederholfrequenz, die höher ist als die zweite Pulswiederholfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin folgendes umfassend: Lenken des zweiten und des ersten abgebildeten geformten Strahls sequentiell auf einen ersten Zielort zur Bildung eines ersten Lochs; und Lenken des zweiten und des ersten abgebildeten geformten Strahls sequentiell auf einen zweiten Zielort zur Bildung eines zweiten Lochs.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin folgendes umfassend: Lenken des zweiten abgebildeten geformten Strahls auf einen ersten Zielort zum Abtragen von Material der zweiten Schicht; Lenken des zweiten abgebildeten geformten Strahls auf einen zweiten Zielort zum Abtragen von Material der zweiten Schicht; sodann Lenken des ersten abgebildeten geformten Strahls auf einen ersten Zielort zum Abtragen von Material der ersten Schicht; und Lenken des ersten abgebildeten geformten Strahls auf einen zweiten Zielort zum Abtragen von Material der ersten Schicht;
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin folgendes umfassend: Abtragen des Materials der zweiten Schicht durch Nichtstanzen; und Abtragen des Materials der ersten Schicht durch Stanzen.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin folgendes umfassend: Abtragen des Materials der zweiten und der ersten Schicht durch Nichtstanzen.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die erste und die zweite gaußsche Energie unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die zweite durch eine Apertur emittierte geformte Energie > 65% der ersten gaußschen Energie ist.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die zweite durch eine Apertur emittierte, geformte Energie > 75% der ersten gaußschen Laserenergie ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die zweite abgebildete, geformte Energie > 45% der ersten gaußschen Energie ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material der ersten Schicht zwischen zwei Schichten eines zweiten Materials angeordnet ist, vor Generierung des ersten gaußschen Laserstrahls weiterhin folgendes umfassend: Generieren eines zweiten gaußschen Laserstrahls mit einer zweiten gaußschen Energie und einem im wesentlichen gaußschen Bestrahlungsstärkeprofil bei einer Wellenlänge < 400 nm; Weiterleiten des zweiten gaußschen Laserstrahls entlang eines zweiten optischen Pfads, der das diffraktive optische Element und die Apertur umgeht; Applizieren des zweiten gaußschen Laserstrahls auf den Zielort auf dem Werkstück zur Abtragung von Material der zweiten Schicht innerhalb des Zielortes, wobei der zweite gaußsche Laserstrahl eine zweite Energiedichte über dem Punktbereich aufweist und die zweite Energiedichte größer ist als der zweite Ablationsfluenzschwelle zur Abtragung des Materials der zweiten Schicht; und Umstellen vom zweiten optischen Pfad auf den optischen Pfad zur Bereitstellung eine abgebildeten geformten Strahls.
Verfahren nach Anspruch 28, weiterhin folgendes umfassend: Generieren des zweiten gaußschen Laserstrahls bei einer zweiten Pulswiederholfrequenz; und Generieren des ersten gaußschen Laserstrahls bei einer ersten Pulswiederholfrequenz, die höher ist als die zweite Pulswiederholfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 28, weiterhin folgendes umfassend: Abtragen des Materials der zweiten Schicht durch Nichtstanzen; und Abtragen des Materials der ersten Schicht durch Stanzen.
Ein Lasersystem (50), folgendes umfassend: einen diodengepumpten Festkörperlaser (52) zur Generierung eines ultravioletten gaußschen Laserstrahls (54) mit einer gaußschen Energie entlang eines optischen Pfads (64); ein diffraktives optisches Element (90) entlang des optischen Pfads zur Umwandlung des gaußschen Laserstrahls in einen geformten Strahl (94b) mit einem mittigen Bestrahlungsstärkeprofil hoher und gleichförmiger Intensität und einem äußeren Bestrahlungsstärkeprofil geringer Intensität; eine entlang des optischen Pfads positionierte Apertur (98) zum Beschneiden eines großen Teils des äußeren Bestrahlungsstärkeprofils des geformten Strahls und Durchleiten von mindestens 50% der gaußschen Energie durch die Apertur zur Erzeugung eines durch eine Apertur emittierten, geformten Strahls (110) mit einer durch eine Apertur emittierten, geformten Energie; und eine oder mehrere Abbildungslinsenkomponenten (112) zur Umwandlung des durch eine Apertur emittierten, geformten Strahls in einen abgebildeten geformten Strahl; und ein Positionierungssystem (74) zur Lenkung des abgebildeten geformten Strahls in Richtung eines Zielortes auf einem Werkstück zur Bildung eines Lochs.
Lasersystem nach Anspruch 31, weiterhin umfassend: ein Paar entlang des optischen Pfads angeordnete strahllenkende Spiegel (158, 162), wobei zur Umlenkung des gaußschen Laserstrahls entlang eines alternativen optischen Pfads, der das diffraktive optische Element und die Apertur umgeht, das diffraktive optische Element und die Apertur optisch zwischen den strahllenkenden Spiegeln positioniert sind, so dass das Strahlpositionierungssystem den gaußschen Strahl in Richtung des Werkstücks lenkt.
Lasersystem nach Anspruch 31, bei dem das diffraktive optische Element ein erstes diffraktives optisches Element ist, die Apertur eine erste Apertur mit einer ersten Größe ist, und das erste diffraktive optische Element und die erste Apertur miteinander kooperieren zur Erzeugung einer im wesentlichen einheitlichen ersten Energiedichte über einem ersten Punktbereich auf dem Werkstück.
Lasersystem nach Anspruch 33, bei dem das erste diffraktive optische Element die erste Apertur entfernbar und ersetzbar sind durch ein zweites diffraktives optisches Element und eine zweite Apertur, welche miteinander kooperieren zur Bestimmung einer zweiten im wesentlichen einheitlichen Energiedichte über einem zweiten Punktbereich auf dem Werkstück.
Lasersystem nach Anspruch 33, weiterhin umfassend: eine erste entfernbare Abbildungsoptikschiene, welche das erste diffraktive optische Element und die erste Apertur aufnimmt, wobei die erste Abbildungsoptikschiene entfernbar und ersetzbar ist durch eine zweite Abbildungsoptikschiene mit einem zweiten diffraktiven optischen Element und einer zweiten Apertur, welche miteinander kooperieren zur Bestimmung einer zweiten Energiedichte über einem zweiten Punktbereich am Zielort auf dem Werkstück.
Lasersystem nach Anspruch 31, weiterhin umfassend: eine entfernbare Abbildungsoptikschiene, welche das diffraktive optische Element und die Apertur aufnimmt, so dass das Entfernen der Abbildungsoptikschiene es dem gaußschen Laserstrahl erlaubt, am Zielort auf das Werkstück aufzutreffen.
Lasersystem nach Anspruch 31, bei dem die durch eine Apertur emittierte, geformte Energie > 65% der gaußschen Energie ist.
Lasersystem nach Anspruch 37, bei dem die durch eine Apertur emittierte, geformte Energie > 75% der gaußschen Laserenergie ist.
Lasersystem nach Anspruch 31, bei dem bei dem das Loch einen Mindestdurchmesser d_min, einen Maximaldurchmesser d_max und eine Rundheit > 0,9 aufweist, wobei die Rundheit = d_min/d_max ist.
Lasersystem nach Anspruch 31, bei dem das Loch einen unteren (bottom) Durchmesser db, einen oberen (top) Durchmesser d_t und eine Konizität > 0,5 aufweist, wobei die Konizität = d_b/d_t ist.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem die erste Energiedichte ≤ ca. 2 J/cm² ist.
Lasersystem nach Anspruch 31, bei dem die Wellenlänge ca. 355 nm oder 266 nm beträgt.
Lasersystem nach Anspruch 31, bei dem das Loch Materialien der ersten und zweiten Schicht umfasst, und das Material der ersten Schicht ein dielektrisches Material umfasst und das Material der zweiten Schicht ein Metall umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 43, bei dem das dielektrische Material ein organisches dielektrisches Material umfasst und das Metall Kupfer umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 31, weiterhin umfassend einen entlang dem optischen Pfad zwischen der Apertur und dem Werkstück positionierten variablen Strahlexpander.
Lasersystem nach Anspruch 31, weiterhin umfassend schnell variable Steuerelektronikeinrichtungen zum schnellen Verändern der Steuerung eines Güteschalters (Q-Switch) zur Durchführung einer schnellen Wiederholungsratenänderung im gaußschen Laserstrahl, um diesen in einen zweiten gaußschen Laserstrahl mit einer zweiten Pulsenergie umzuwandeln.