KR100258287B1 - 다층 타겟에 경유로를 형성하는 방법과 자외선 레이저 시스템(Ultraviolet laser system and method for forming vias in multi-layered targets) - Google Patents

다층 타겟에 경유로를 형성하는 방법과 자외선 레이저 시스템(Ultraviolet laser system and method for forming vias in multi-layered targets) Download PDF

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제임스 엔 오브리엔
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레인하트 죠셉 엘.
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Abstract

본 발명의 양호한 실시예는 자외선을 출력하는 펄스를 발생시키는 연속 펌핑, Q-스위치, Nd:YAG 레이저의 출력 주파수를 4배로 한다. 출력 펄스의 파라미터는 자외선에 대응하는 다른 열흡수 특성을 갖는 금속, 유기 절연체 및 보강 물질과 같은 다양한 재료에 깨끗하며 동시에 드릴링 또는 경유로를 형성하는데 이용되도록 선택되어진다. 이들 파라미터는 다음의 표준값 중 적어도 2개, 양호하게는 다음의 표준값 전부를 포함한다: 즉, 비임스폿 영역상에서 측정되는 100mW보다 큰 평균 파워; 100ns보다 짧은 순간 펄스폭; 50㎛ 이하의 스폿지름; 1kHz보다 큰 반복율.

Description

다층 타겟에 경유로를 형성하는 방법과 자외선 레이저 시스템(Ultraviolet laser system and method for forming vias in multi-layered targets)
여기서는, 항공우주, 컴퓨터, 군사 및 텔레커뮤니케이션 등에 적용되는, 전자 패키징 산업(the electronics packaging industry)의 양호한 구성부품들 중 하나로서, 다물질 다층 장치, 예를 들어 멀티-칩 모듈(MCMs)만을 배경기술로서 제공한다. MCMs는 인쇄 회로기판의 복잡성을 감소 또는 대체함으로써, 생산효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 그러나, MCMs는 다양한 새로운 물질의 사용, 더 작은 경유로 및 더 미세한 라인을 요구하기 때문에, 새로운 제조상의 문제점을 발생시킨다. 여기서 단지 일실시예로서만 다루는 경유로는, 소위 막힌 경유로(blind via)라 불리는 불완전한 구멍이나, 또는 완전한 관통 경유로(through-hole via)의 형태가 취하여질 수 있다.
볼 그리드 배열(ball grid array), 핀 그리드 배열(pin grid array) 등과, 회로기판과, 하이브리드(hybrid) 및 반도체 마이크로회로와 같은 단일 칩을 패키징 하기 위한 MCMs 및 다른 다물질 다층 전자장치는, 일반적으로 금속과, 유기 절연체와, 보강물질로 구성된 분리 구성층을 포함한다. 여기서 표준 금속 구성층(들)은 알루미늄, 구리, 금, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 플라티늄, 은, 티타늄 또는 텅스텐 또는 그들의 합성물을 포함한다. 이들 층들은, 보통 약 9 내지 36㎛(금속 7.8×10-3㎏은 약 9㎛의 두께와 일치)의 두께나 깊이를 갖지만, 72㎛ 이하의 두께를 가질수도 있다. 표준 유기 절연층은 비스말레이미드(bismaleimide), 트리아진(BT), 카드보드, 시안산염 에스테르, 에폭시, 페놀성물질, 폴리아미드 및 폴리테트라 플로오르에틸렌(PTFE)을 포함한다. 이들 층은 일반적으로 약 50 내지 400㎛의 깊이를 갖는다. 표준 보강 구성층은 섬유매트 또는 아라미드 섬유의 분산입자, 세라믹스, 유리 또는 강화하기 위해서 유기 절연층에 분산되거나 조직되는 켈브라TM를 포함한다. 이들 보강재는 일반적으로 약 1 내지 10㎛의 두께나 직경을 갖는다. 금속, 절연체, 보강재로 이루어진 수개 층의 전체 두께는 2㎜이하이다.
종래의 공구, 펀치 및 제조 공정은 더 크고 저밀도인 구성부품을 기계 가공하도록 설계된다. 예를 들어, 공지된 기계 공정은 12㎛ 정도의 작은 직경을 갖는 경유로를 제조하기에는 부적당하며 또한 매우 고가이다. 소형화가 주요 문제는 아닐지라도, 여전히 기계 공정은 부적절하다. 예를 들어, 적층된 회로기판의 작업에서 기계드릴로 인한 마모에 의해 적층물이 피해를 입게 되므로, 공구를 자주 교체하거나 날카롭게 연마할 필요가 있지만 이러한 연마는 비용이 많이 든다. 또한, 종래의 화학 또는 습식 공정은 테프론TM인 절연체와 같은 임의의 물질을 에칭하는 데에는 사용할 수 없었다. 결국 전자 밀링가공(electron millng) 예를 들어, 이온에칭(ion etching)은 매우 고가이며 너무 느려서 MCMs와 대부분의 다른 전자부품을 가공하wl 못한다.
이들 형태의 전자부품들을 가공하기 위해서 레이저를 이용한 마이크로머신닝기술(micromachining technique)의 향상을 위한 많은 노력들이 있었다. 그러나, 레이저 타입 작동 비용 및 빔 파장 전력 스폿 크기와 같은 레이저와 타겟 재료에 의해 결정되는 동작 파라미터는 매우 폭 넓게 변화된다.
예를 들어, 종래의 엑시머 레이저(excimer laser)는, 약 200 내지 305nm 파장의 레이저 출력을 발생시킬 수도 있으나, 단일 렌즈 소자를 조밀하게 포커싱할 수 없으므로, 결과적으로 비임 형태를 제어하는 복잡하고 고가의 마스크 또는 장치로 후처리하여야만 하는 양질이 아닌 멀티모드의 비임구조를 만들어낸다. 그러므로, 엑시머 레이저 비임은 본 발명에 의해 얻어질 수 있는 것과 비교하여 고출력 밀도를 실질적으로 만들어낼 수 없다. 또한, 이 엑시머 레이저는, 일반적으로 20OHz 이하의 반복율(repetition rate)로 제한되므로 소망하는 여러 가지 적용분야에 대해 생산도구로서 사용하기에는 너무 느리다. 상기 레이저 시스템은 데이비스 등에 의해 응용물리학 B: 포토-피직스 앤드 레이저 케미스트리(photo-phvsics and laser chemistry), B54(1992) 3월 No.3에 "도펀트-유도 엑시머 레이저 어블레이션 오프 플리(테트라플루오르에틸렌)"로 개시되어 있으며 1 내지 12J/㎠의 유동범위를 갖는 308nm 파장의 출력펄스와 25ns의 지속시간을 가지는 PTFE와 필름층을 가공하기 위한 것이다.
또한 엑시머 레이저 시스템과 사용가스에 소요되는 고가의 비용으로 인하여, 그들은 용이하게 사용되지 못할 뿐만 아니라 많은 중소기업에서는 사용되지 못했다. 엑시머 레이저에 사용된 할로겐 가스는 화학적으로 공명기(resonator)의 구성부품과 반응하여 감소 및 잦은 변화를 야기한다. 더구나, 할로겐 가스는 환경에 유해한 독성 물질이다.
한편, 종래의 CO2레이저는 일반적으로 약 1O.6㎛ 레이저 파장을 출력하며, 종래에는 너무 커서 원하는 경유로 가공에 사용되지 못할 정도의 스폿 크기를 형성한다. 자외선 레이저와 비교할 때, CO2와 다른 IR 레이저는 상당히 긴 펄스폭을 가지며 유기 물질 및 금속의 흡수성면에서 매우 폭넓게 변화한다. 이들 특성은 광화학 공정보다는 오히려 열회학 공정에서 장애요인이 된다.
엑시머 레이저와 관련된 비임 형태 제어 마스크의 필요는, 펄스당 절단 깊이를 결정하며 타겟의 다층 여부에 상관없는 엑시머 레이저 비임을 얻을 수 있기 때문이다. 이것은 엑시머 레이저 비임이 특정 출력 파워 밀도에 도달한 후에 실현되며, 이 특정 출력 파워 밀도는 비임 출력 파워 밀도가 증가하여도 증가하지 않는 소위 펄스당 포화절단 깊이(saturation depth of cut per pulse)를 타겟 물질에 발생시킨다. 마스크법은 일정영역에서 보다는 광범위한 영역의 박리(ablation)를 형성한다.
본 발명은, 레이저, 특히 자외선(ultraviolet light)에 응답하여 다른 열흡수 특성(thermal absorption characteristic)을 갖는 두 개 이상의 층으로 이루어진 타겟(target)에 경유로(via)를 형성하기 위하여 자외선을 이용하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 원하는 레이저 펄스를 발생시키기 위해 사용되는 간단한 레이저 시스템의 구성부품을 도시한 등축적도.
제2도는 관통 경유로와 막힌 경유로를 갖는 다층 타겟을 확대 도시한 측단면도.
제3a도와 제3b도는 각각 관통 경유로와 막힌 경유로를 형성하기 위한 절단 프로파일을 도시한 도면.
제4도는 본 발명과 엑시머 레이저로써 얻을 수 있는 펄스당 절단 깊이의 정성적인 비교 관계를 도시한 파워 밀도 대 펄스당 절단 깊이를 나타내는 그래프.
그러므로 본 발명의 목적은, 자외선에 응답하는 광흡수 특성과 다른 화학적 합성물을 갖는 다층 타겟에 경유로를 형성하는 자외선 레이저 시스템 및 경유로 형성 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단일 또는 다중 재료로 형성된 타겟에서 펄스당 포화 깊이의 비율 감소 효과(the rate slowing effect) 현상을 피하면서 절단깊이를 얻기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 양호한 실시예는, 자외선 출력 펄스를 발생시키는 연속 펌핑 Q-스위칭, Nd : YAG 레이저(a continuously pumped, Q-switched, Nd : YAG laser)의 출력 주파수를 4배로 한다. 출력 펄스의 파라미터는, 자외선에 응답하는 다른 열흡수 특성을 갖는 금속 유기 절연체, 보강체와 같은 다양한 재료에서, 실질적으로 깨끗한 동시 드릴링이나 경유로 형성을 촉진하도록 선택된다. 이들 파라미터는 다음의 표준값들 중 적어도 2개, 양호하게는 다음의 표준값 전부를 포함한다. 즉 비임 스폿 영역에서 측정되는 1OOmW보다 큰 평균 파워와, 약 1OOns보다 짧은 순간 펄스폭과, 약 50㎛ 이하의 스폿 지름과, 약 1kHz보다 큰 반복율.
본 발명의 장점은, 발생된 레이저 시스템 출력 펄스와 이들을 이용한 방법이 펄스당 파워 밀도 박리에 대한 포화 한계를 피할 수 있다는 것이다. 이것은 엑시머 레이저에 의해 발생된 유사 펄스 프로파일로써 가능한 것보다 본 발명에 따른 펄스당 박리 특성과 더 큰 펄스율의 완전한 사용을 허락한다. 이것은 타겟이 단일층 물질이든지 다층 물질이든지에 상관없이 실현된다.
본 발명의 다른 목적과 장점은, 첨부된 도면을 참조하여 진행되는 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 분명해진다.
제1도를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 시스템(10)의 양호한 실시예는, 광축(20)을 따라서 후방 미러(16)와 출력 미러(18) 사이에 위치 설정된 레이저 로드(14)에 의해 한정되는 공명기(12)를 포함하다. 후방 미러(16)는 양호하게 100% 반사율을 가지며, 출력 미러(18)는 광축(20)을 따라서 전파되는 광을 부분적으로 투과시킨다. 레이저 로드(14)는 양호하게 Nd:YAG Nd:YLF Nd:YAP 또는 Nd:YVO4또는홀뮴이나 에르븀으로 도핑된 YAG 결정과 같은 고체 상태의 라산트(lasant)를 포함한다. 레이저 로드(14)는 당업자들에 공지된 다양한 펌핑 소오스(도시 안함)에 의해 펌핑될 수도 있지만, 크립톤 아크 램프가 바람직하며 또는 다이오드 레이저가 본 발명의 레이저 시스템(10)에 적합할 수도 있다.
또한, Q-스위치와 이들의 사용, 위치 설정, 조작 등이 통상의 당업자들에게공지되어 있다. 레이저 시스템(10)에 있어서, Q-스위치(24)는 공명기(12) 내부에서 레이저 로드(14)와 후방 미러(16) 사이에 광축(20)을 따라서 양호하게 위치 설정된다.
레이저 로드(14)의 출력부는 조화파 발생(harmonic generation) 또는 주파수배가(frequency doubling)의 두 단계를 통해 바람직한 자외선 파장으로 변환된다. 2차 소화파 발생은 레이저 로드(14)의 출력부와 메칭되는 최대 위상으로 각 조절되거나 광축(20)을 따라 삽입되는 비선형 결정과 같은 제1주파수 변환기(32)에 의해 발생될 수도 있다. 당업자들은 위상 메칭을 위해 수많은 다른 기술이 종래에 사용되었다는 것은 이해할 것이다. 제2조화파로 변환되는 에너지량은 피크 파워, 모드 구성 및 기본 파장의 비임 발산을 포함하는 다수의 레이저 특성의 함수이다. 특정 비선형 결정체를 선택하기 위한 관련 인자는 비선형 계수(nonlinear coefficient) 각도 수득(angular acceptance), 손상 임계치(damage threshold)를 포함한다.
연속 펌핑, Q-스위칭, Nd:YAG 레이저인 양호한 레이저 시스템(1O)에 있어서, 주파수 배가는 제1도에 도시한 바와 같이, 광축(20)을 따라서 공명기(12) 내부에 위치 설정된 제1주파수 변환기(32: 배륨 보레이트 결정)에 의해 효과적으로 수행된다. 통상의 당업자는 리튬 보레이트와 같은, 다수의 다른 주파수 변환 결정체가 사용될 수 있다는 것을 알 것이다.
배가 과정은 후방 미러(16)와 레이저 로드(14) 사이에 양호하게 위치 설정된 브루스터 플레이트 편광자(Brewster plate polarizer: 26)에 의해 향상된다. 또한, 출력 미러(18)는 레이저 로드(14: Nd:YAG는 1064nm)에 의해 발생되는 기본 파장을 크게 반사하여 내부공동 피크 파워(intracavity peak power)를 증가시키도록 선택하여 80% 정도의 조화파 변환 효과를 (5327nm까지)향상시킨다.
제2주파수 변환기(34; 예를 들어 배륨 보레이트 결정)는, 공명기(12)의 외부에 광축(20)을 따라 위치 설정되어 기본 파장을 갖는 제4조화파 출력부(38:266nm), 즉 공명기 출력부(36)의 제2조화파를 약 25%의 변환 효율로써 출력한다. 공명기 출력부(36)는 하나 이상의 비임 스플릿터(도시 안함)를 통하여 두 개의 파장(532nm 266nm)으로 분리된다. 또한, 266nm에서 제4조화파 출력부(38)는 광축(20)을 따라서 위치 설정된 편광 상태 체인저(42: polarization state changer)를 갖는 532nm 공명기 출력부(36)의 입력 편광을 회전시킴으로써 변경될 수도 있다. 편광 상태 체인저(42)는 미국특허 제5,361,268호에 설명된 것처럼 중앙 처리 유닛(도시 안함)의 작동 제어하에서 가변가능한 편광 상태 체인저이거나 1/4 파장 플레어트이다.
제4조화파 출력부(38)는 일련의 비임 검출 반사기(52, 54, 56, 58) 앞의 비임 경로(50)를 따라 위치 설정되는 비임 확장 렌즈 소자(44, 46)를 포함하는 공지의 다양한 광학에 의해 제어된다. 끝으로, 제4조화파 출력부(38)는 타겟(40)에 출력 비임(62)으로서 인가되기 전에 포커싱 렌즈(60)를 통과한다. 출력 비임(62)의 다른 양호한 파장은 213nm(5배의 주파수)와 355nm(3배의 주파수)를 포함한다. 당업자는 주파수의 3배를 얻고자 하려면 공명기(12)내에 양호하게 주파수 변환기(34)가 위치 설정되어야 한다는 것은 알 것이다.
출력 비임(62)의 파라미터는 실질적으로 선명하고, 동시 또는 차후에 다물질 타겟의 폭변화에 따른 드릴링, 예를 들어 경유로 형성을 이용하도록 선택되어진다. 상기 타겟은 예를 들어 자외선(즉, 400nm보다 짧은 파장)에 응답하여 다른 광흡수 및 다른 특성을 나타내는, 예를 들어 유기 절연체, 보강물질 및/또는 금속을 포함 할 수도 있다. 출력 비임(62)의 양호한 파라미터는 약 100ns 보다 짧은, 양호하게 약 40 내지 90ns 이하의 순간 펄스폭을 이용하므로써 적어도 일부의 열손상 효과를 줄이도록 선택된다. 다른 양호한 파라미터는 비임 스폿 영역에서 측정되는 약 100mW 이상의 평균 파워, 약 50㎛ 이하, 양호하게는 약 10 내지 50㎛의 공간 주축 또는 스폿 크기의 직경 약 20OHz, 양호하게는 1kHz 내지 5kHz 이상의 반복률, 양호하게는 193 내지 355nm 사이의 자외선 파장 등이다. 당업자들은 출력 비임(62)의 스폿 영역이 일반적으로 원형이지만, 매우 근사한 타원형임을 알 것이다.
제2도는, 예를 들어 MCMs, 캐패시터 레지스터, 하이브리드 또는 반도체 마이크로회로인 제너릭 레이저 타겟(40)의 확대된 부분의 측단면도이다. 간단히, 타겟(40)은 단지 4개의 층(64, 66, 68, 70)을 갖는 것으로 도시되어 있다.
층(64, 68)은 예를 들어 알루미늄, 구리, 금, 몰리브덴 니켈 팔라듐, 백, 은, 티탄늄, 텅스텐, 질화금속 또는 그들의 조합물과 같은 표준 금속을 포함한다. 종래의 금속층은 두께면에서, 보통 9 내지 36㎛의 범위로 변화하였으나, 72㎛두께 이하로 얇다. 층(66)은, 예를 들어 BT, 카드보드, 시안산염 에스테르, 에폭시 페놀성물질 폴리이미드, PTFE, 다양한 폴리머합금, 및 그들의 조합물과 같은 표준 유기 절연 물질을 포함한다. 종래의 층(66: 예를 들어 유기 절연층)은 두께면에서 상당히 변화하나 금속층(64, 68)보다 일반적으로 두껍다. 층(66)의 표준 두께의 범위는 약 50 내지 200㎛ 정도이나 1.6mm 정도의 두께로 적층된다. 표준 보강성분 또는 표준 보강 "층(70)"은, 예를 들어 아라미드 섬유, 세라믹스, 유리 또는 유기 절연재의 층(66)으로 직조 또는 분산되는 케블라TM의 섬유매트 또는 분산 입자이다. 종래의 보강층(70)은 층(66)보다 횔씬 두께가 적으나 1 내지 2㎛ 정도이며 최대한 10㎛ 정도이다. 또한, 당업자는 층(64, 66, 68)이 내부적으로 불연속이며, 불균일하며, 동일 높이가 아니라는 것을 알 수 있다.
또한, 제2도의 타겟(40)에는 레이저 시스템(10)에 의해 생산된 막힌 경유로(74)와 관통 경유로(72)가 표시되어 있다. 관통 경유로(72)는 타겟(40)의 재료 및 모든 층을 선명하고 균일하게 통과하며 정상부(76)로부터 저부(78)까지 완만하게 테이퍼진 상태를 표시한다. 막힌 경유로(74)는 층 및/또는 재료를 완전하게 통과하지 않는다. 제2도에서 막힌 경유로(74)는 층(68)에서 멈추며 층(68)을 통과하지 못한다. 그러므로 레이저 파라미터를 적당하게 선택함으로써 층(68)이 층(64)과 동일한 금속 성분으로 구성될 때조차도 영향을 입지 않는다.
경유로 직경은 양호하게 25 내지 300㎛ 정도이나, 레이저 시스템(10)은 1mm 보다 훨씬 크거나 약 5 내지 25㎛ 정도로 작은 경유로(72, 74)를 제조한다. 출력비임(62)의 양호한 스폿 크기는 약 25㎛의 직경을 가질 때이기 때문에, 25㎛보다 큰 경유로는 전공법(trepanning), 원심 공정(concentric circle processing), 나사선 공정(spiral processing)에 의해 생산된다. 제3a도와 제3b도는 출력 비임(62)의 스폿 크기보다 큰, 관통 경유로(86)와 막힌 경유로(88)를 형성하는 절단 프로파일을 각각 도시한다.
제3a도를 참고하면, 관통 경유로(86)는 주변부(92)를 갖는 원형 공간 영역(90)을 타겟(40)의 표면상에 한정한다. 출력 비임(62)은 원형 공간 영역(90)의 영역보다 작은 스폿 영역(94)을 갖는다. 관통 경유로(86)는 주변부(92) 주위의 중첩위치에서 스폿 영역(94)을 갖는 출력 비임(62)에 의해 형성된다. 출력 비임(62)은 레이저 시스템(10)이 그 위치에서 절단 깊이를 형성하는데 필요한 비임 펄스의 수를 전송하도록 각 위치에서 충분한 시간 동안 유지된다. 출력 비임(62)이 주변부(92) 주위에서 통로를 형성한 후에 중심 타겟 물질(96)은 관통 경유로(86)를 형성한다. 이 공정을 천공 공정이라 부른다.
제3b도를 참조하면 또한 막힌 경유로(88)는 주변부(92)를 갖는 원형 공간 영역(90)을 타겟(40)의 표면상에 한정한다. 스폿 영역을 갖는 출력 비임(62)은 원형공간 영역(90)의 중심(102)에 초기 위치 설정된다. 막힌 경유로(88)는 중첩 위치에서 스폿 영역(94)을 갖는 출력 비임(62)에 의해 나선 경로(104)를 따라 주변부(92)까지 형성된다. 출력 비임(62)은 레이저 시스템(10)이 그 위치에서 절단 깊이를 형성하는데 필요한 수의 비임 펄스를 전달하는데 충분한 시간 동안 각 위치에 유지된다. 출력 비임(62)이 나선 경로(104)를 따라 진행할 때, 타겟 재료는 출력비임(62)이 새로운 절단 위치로 이동할 때마다 크기가 증가되는 구멍을 형성하도록 "깎아내기(nibbled)"한다. 구멍의 최종 형태는 출력 비임(62)이 주변부(92)에서 원형 경로를 따라 이동할 때 얻어진다.
막힌 경유로(88)를 형성하는 또 다른 비임 절단 경로는 중심에서 시작하여 출력 비임(62)의 스폿 영역(94)에 의해 한정되는 반경을 점차로 증가시키면서 구심원을 절단한다. 경유로(88)의 전체 직경은, 경유로(88)를 형성하는 중심원이 원형공간 영역(90)의 중심(102)으로부터 원거리에 위치하는 원형 경로에서 이동할 때 증가한다. 다른 방식으로서 이 공정은 먼저 소망하는 원주를 결정하고 가장자리로부터 중앙을 향해 가공할 수도 있다.
외향 나선 공정은 중심원 공정보다 약간 더 연속적이며 더 빠르다. 당업자 타겟(40)이나 출력 비임(62) 중 어느 하나가 서로의 위치에 대해 고정되거나 이동할 수 있음을 알 수 있다.
많은 다수의 다른 기판상에 제공된 수 개의 관통 경유로와 막힌 경유로의 다양한 깊이 및 직경의 일례를 하기에서 설명한다. 이들 경유로는 오레곤주, 포트랜드 소재의 일렉트로 사이언티픽 인더스트리즈 인코포레이드에 의해 제조된 모델번호 4420의 레이저 시스템에서 모델번호 4575 UV 레이저를 사용하여 제조(보통 266nm에서)된다.
[실시예 1]
표 1을 참조하면, 관통 경유로(샘플 1 내지 5)와막힌 경유로(샘플 6 내지 9)는 190.5㎛ 두께, 3층 구리/FR4(레벨 4 불꽃 지연제 에폭시-유리 구성체)/구리 타켓상에 형성된다. 이 실험은 25mm 렌즈로 수행된다. 51㎛ 이상의 직경을 갖는 관통 경유로와 막힌 경유로는 10mm 피치를 갖는 동심원에 의해 만들어진다. 평균 파워는 2kHz의 반복률에서 약 260mW이다.
[표 1: 구리/FR4/구리에 대한 실험결과]
Figure kpo00001
[실시예 2]
표 2를 참조하면 막인 경유로는 1.6mm 두께 3층 구리/에폭시 유리 프리페그(prepeg)/구리 타겟으로 이루어진 두 개의 샘플에 형성된다. 이 실험은 50mm 렌즈로 수행된다. 샘플 1은 에폭시 유리 프리페그 물질의 가공 효율을 실험하기 위해서 구리층 중 어느 하나를 통과하는 기존 경유로를 갖는다. 203㎛ 직경의 경유로는 경유로의 중심에서 물질을 제거하기 위하여 나선 절단에 의해 제조된다. 평균 파워는 2kHz의 반복률에서 약 270mV이다.
[표 2: 구리/에폭시 유리 프리페그/구리에 대한 실험결과]
Figure kpo00002
[실시예 3]
표 3을 참조하면, 관통 경유로(샘플 1 내지 5)와 막힌 경유로(6 내지 7)는 178㎛ 두께 3층 구리/액정 폴리머/구리 타겟상에 형성된다. 이 실험은 25mm 렌즈로 수행된다. 막힌 경유로는 15㎛ 피치를 갖는 동심원을 사용하여 절단된다. 평균 파워는 2kHz의 반복률로 약 300mV이다.
[표 3: 구리/액정 폴리머/구리에 대한 실험결과]
Figure kpo00003
[실시예 4]
표 4를 참조하면, 관통 경유로는 533㎛ 두께의, 2층 구리-피복, 유리-보강 폴리이미드 타겟의 샘플상에 형성된다.
[표 4: 구리-피복, 유리-보강 폴리이미드에 대한 실험결과]
Figure kpo00004
[실시예 5]
표 5를 참조하면, 관통 경유로는 254㎛ 두께의, 2층 유리 섬유-보강 시안산염 에스테르(샘플 1 내지 3)와 254㎛ 두께의, 2층 불규칙 유리 분말-보강 시안산염 에스테르 타겟상에 형성된다. 이들 실험은 25㎛의 효과적인 스폿크기를 가져오는 촛점거리가 25mm 렌즈로 수행한다. 평균파워는 3kHz의 반복률에서 약 250mW이다. 관통 경유로는 천공된다.
[표 5: 유리(섬유 또는 분말)-보강 시안산염 에스테르에 대한 실험결과]
Figure kpo00005
상기 실험결과의 데이터를 공지된 수학식, 즉 자외선 펄스 = (평균 파워)/(스폿 영역)(반복율)에 적용하면, 표 5의 샘플 2는 14.55J/㎠의 자외선 펄스를 제공한다.
[실시예 6]
표 6을 참조하면, 관통 경유로는 18㎛ 구리(Hi-Tg. 다기능성 노플렉스 옥크)를 가진, 100㎛ 두께, 2층 에폭시 유리(샘플 1)와, 50㎛ 두께, 9.0㎛ 구리(샘플 2와 3) 타겟을 가진 2층 아라미드 보강 에폭시상에 형성된다. 이들 실험은 25㎛의 효과적 스폿 크기를 가져오도록 포커싱 길이가 25mm인 렌즈를 이용하여 수행된다. 관통 경유로는 천공된다. 평균출력 파워는 2.7 내지 4.5kHz의 반복률에서 270mW이다.
[표 6: 구리-피복, 에폭시 유리 또는 아리미드 에폭시에 대한 실험결과]
Figure kpo00006
[실시예 7]
표 7을 참조하면, 관통 경유로는 71㎛ 두께의 FR4/18㎛ 구리(샘플 1과 샘플 3 내지 5)와 142㎛ 두께의 (2층 스텍) FR4/18㎛ 구리(샘플2)상에 형성된다.
이 실험에는 약 25㎛의 효과적 스폿 크기를 가져오는 포커싱 길이가 25mm인 렌즈를 사용한다. 관통 경유로는 천공된다. 평균 출력 파워는 4kHz의 반복률에서 300mW 이다.
[표 7: 구리-피복 FR4에 대한 실험결과]
Figure kpo00007
51㎛ 이상의 직경을 갖는 관통 경유로와 막힌 경유로는 10mm 피치를 갖는 동심원에 의해 형성된다. 평균 파워는 2kHz의 반복률에서 260mW이다.(명세서에 없음)
[실시예 8]
표 8을 참조하면, 관통 경유로와 막힌 경유로는 3층 305㎛ 에폭시 유리/18㎛구리(샘플 1, 2, 8), 3층 102㎛ 에폭시 유리/18㎛ 구리(샘플 3 내지 5), 3층 유리 폴리이미드/18㎛ 구리(샘플 6, 7, 9) 타겟상에 형성된다. 이 실험은 25㎛의 효과적 스폿 크기를 가져오는 포커싱 길이가 25mm인 렌즈를 사용한다. 이 관통 경유로는 균일한 파워로 천공된다. 막힌 경유로는 다른 피크 파워에서 유기 절연층과 금속층을 처리하여 형성된다. 평균 출력 파워는 1.5 내지 20kHz의 반복률에서 225mW를 사용한다.
[표 8: 구리-피복 에폭시 유리, 유리 폴리이미드, 폴리이미드에 대한 실험결과]
Figure kpo00008
[실시예 9]
표 9를 참조하면, 관통 경유로는 약 445㎛의 전체 두께를 갖는 PTFE 타겟의 5개의 9㎛ 두께 층/4개의 50 내지 150㎛ 두께 층상에 형성된다.
[표 9]
Figure kpo00009
[실시예 10]
표 10을 참조하면, 관통 경유로와 막힌 경유로는 25㎛ 구리/275㎛ BT 유리섬유 적층 타겟상에 형성된다. 평균 출력 파워는 약 250mW이다.
[표 10]
Figure kpo00010
상술한 표 1 내지 표 10의 데이터를 기초하여 자외선 펄스, 파워 밀도를 계산하면 표 11과 같으며, 여기서 자외선 펄스 = (평균 파워)/(스폿 영역)(반복율)이고 파워 밀도 = (자외선 펄스)/(펄스 폭)이다.
[표 11a]
Figure kpo00011
[표 11b]
Figure kpo00012
[표 11c]
Figure kpo00013
고체 상태의 레이저 시스템(10)의 장점은, 엑시머 레이저에서 사용되는 비임-형태 제어 마스크를 사용하지 않고도 타겟(40)의 표면상에 출력 비임(62)을 직접조사할 수 있다는 것이다. 이것은 펄스 포화당 절단 깊이가, 절단하고자 하는 경유로에 의해 한정되는 공간 면적과 비임 스폿 면적이 동일할 때 발생되기 때문이다. 펄스당 포화 절단 깊이는, 타겟과 충돌하는 비임 펄스의 파워 밀도의 증가가 타겟상에 절단 깊이를 인지할 수 있을 정도로 증가시키지 못할 때의 깊이이다. 비임-형태 제어 마스크를 사용하여, 절단하고자 하는 경유로에 의해 한정된 공간 면적과 비임 스폿 면적이 동일함을 지시하기 때문에, 엑시머 레이저에, 특히 적합하다. 출원인은 연속되는 비임 펄스용 마스크나 필터로서 역할하는 부스러기로 이루어진 제1비임 펄스에 의해 포화 깊이 현상이 진행되는 것을 알 수 있다. 마스크 방법은 일 지점에서보다는 오히려 넓은 영역에 걸쳐 박리를 촉진시키며, 넓은영역에서 발생된 부스러기는 고파워 밀도의 비임 펄스에 대한 차단재로서 효과적으로 작용하는 마스크를 이룬다.
제4도는 레이저 시스템(10)의 출력 비임과 엑시머 레이저 비임으로 얻을 수있는 펄스당 절단 깊이의 상관 관계를 정상적으로 도시한 파워 밀도 대 펄스당 절단 깊이의 그래프이다. 곡선(106)은 비임-형태 제어 마스크를 통과하여 타겟에 충돌하는 펄스형 엑시머 레이저 비임의 특성 곡선이다. 곡선(106)은 임계 파워 밀도(PDTH)를 초과하는 엑시머 비임 펄스가 포화 파워 밀도(PDS)에 상응하는 값(ts)까지 선형적으로 증가하는 펄스당 절단 깊이를 형성하고 있음을 보여준다. 또한, 엑시머 비임 펄스 파워 밀도의 증가는 인지할만한 절단 깊이의 증가를 가져오지 않는다. 곡선(108)은 비임 형태 제어 마스크를 사용하지 않는 레이저 시스템(10)의 출력 비임(62)의 특성 곡선이며, 이 곡선(108)은 PDs를 초과하지 않는 비임 펄스파워 밀도에 대해 곡선(106)의 궤도를 따른다. PDs를 초과하는 펄스 파워 밀도의 증가에 대해, 출력 비임(62)은 포화되지 않는 채로 펄스당 절단 깊이의 선형 증가를 계속하게 된다. 그러므로 레이저 시스템(10)은 유용한 비임 펄스 파워 밀도를 보상하는 펄스당 절단 깊이를 얻을 수 있다.
당업자에게는, 본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않고도 본 발명의 상술한 실시예에 다양한 번화를 가져올 수 있음이 분명하다. 따라서 본 발명의 기본개념은 다음 청구범위에 의해서만 결정된다.

Claims (45)

  1. 약 400nm보다 짧은 파장과 약 100ns보다 짧은 순간 펄스 폭을 갖는 고파워 자외선 레이저 출력 펄스로 타겟을 가공하는 레이저 가공방법에 있어서, 1kHz보다 큰 반복률에서 고체상태 레이저로부터, 약 40Onm보다 짧은 파장과 약 1OOns보다 짧은 순간 펄스 폭과, 공간 스폿 크기와, 이 공간 스폿 크기에 대해 측정된 약 100mW보다 큰 평균 출력 파워를 갖는 고파워 자외선 레이저 출력 펄스를 발생시키는 단계와 펄스가 공간 스폿 크기내에서 두 개 이상의 층을 선명하게 제거하여 타겟에 관통 경유로나 막힌 경유로를 형성하도록 자외선에 응답하는 제1 및 제2 광흡수 특성을 갖는 다른 화학 조성물로 이루어진 두 개 이상의 층을 갖는 타겟에 레이저 펄스를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 층는 다음 화학 조성물, 즉 유기 절연 물질, 보강물질, 금속이나 금속 조합물 중에서 두 개 이상의 임의의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유기 절연 물질은 PTFE, 폴리이미드, 에폭시 BT, 페놀성 물질 시안산염 에스테르, 종이, 카드보드, 또는 이들의 조합물 중에서 선택되고, 상기 보강 물질은 유리, 아라미드 섬유 케블라TM, 세라믹, 또는 이들의 조합물 중에서 선택되며, 상기 금속은 알루미늄, 티타늄, 니켈, 구리, 텅스텐, 백금, 금, 몰리브덴, 팔라듐, 은, 또는 이들의 조합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 출력 펄스의 파장은 약 180 내지 400nm 범위 이내인 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 타겟은 다른 화학 조성물을 갖는 3개 이상의 층을 포함하며, 상기 레이저 출력 펄스는 3개의 층 모두를 순차적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공간 스폿 크기는 표면 직경에서 약 50㎛보다 작은것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 타겟의 면적을 25㎛의 직경보다 크게 제거하기 위해서 다수의 펄스들이 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 약 300㎛보다 작고 공간 스폿 크기의 직경보다 큰 직경을 기지며, 25㎛보다 큰 깊이를 갖는 경유로를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  9. 제1항에 었어서, 상기 타겟에서 제거된 층의 전체 깊이는 25㎛보다 큰 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 고체상태 레이저는 Nd:YAC, Nd:YLF, Nd:YAP 및 Nd:YVO4의 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 레이저는 홀뮴 또는 에르븀으로 도핑(dop)된 YAG를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 층들은 다음 학학 조성물, 즉 무기 보강 물질, 또는 금속이나 금속 조합물, 또는 유기 보강 물질을 갖거나 갖지 않는 유기 절연 물질 중 두 개 이상의 임의의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 펄스들 중 하나 이상의 펄스가 공간 스폿 크기내에서 두 개 이상의 층으로부터 물질을 선명하게 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  14. 제1항에 있어서, 깊이 대 직경의 비율은 2보다 큰 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  15. 제1항 또는 제12항에 있어서, 깊이 대 직경의 비율이 2보다 큰 경유로를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 경유로는 막힌 경유로인 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 경유로는 관통 경유로인 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 타겟은 회로기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공벙법.
  19. 제3항에 있어서, 상기 두 개의 층은 유기 절연 물질층과 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  20. 제1항 또는 제12항에 있어서, 상기 공간 스폿 크기는 타겟의 공간 영역내에 위치하며 이 공간 영역보다 작은 스폿 면적을 가지며, 상기 공간 영역내에 있는 모든 타겟 물질을 제거하기 위해서 스폿 면적에 상응하는 타겟 물질의 다중량을 제거하는 공간 영역과 연관된 다중 위치에 순차적으로 레이저 출력 펄스를 지향하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 공간 영역은 레이저 출력 펄스가 지향되는 다중 위치와 주변부를 가지며, 공간 영역내에서 타겟 물질을 제거하여 타겟 물질을 관통하는 경유로를 형성하도록 공간 영역의 주변부를 따라 연속된 세트의 스폿 면적을 한정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 공간 영역은 주변부와 중심부를 가지며 광 출력펄스가 지향되는 다중 위치는 공간 영역으로부터 타겟 물질을 제거하여 타겟 물질에 막힌 경유로를 형성하도록 중앙부에서 경로를 따라 공간 영역의 주면부까지 외부로 연장되는 연속된 세트의 스폿 면적을 한정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 경로는 일반적으로 나선형인 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  24. 타겟에 경유로를 형성하기 위해서 타겟의 공간 영역내에서 깊이 방향으로 타겟 물질을 제거하며, 제거된 타겟 물질의 깊이는 타겟 물질에 가해진 레이저 출력의 파워 밀도의 함수이며, 레이저 출력은 스폿 크기를 갖는 레이저 펄스를 포함하고, 스폿 크기가 공간 영역 이상일 때 레이저 출력은 포화 파워 밀도를 나타내며, 이 포화 파워 밀도에서 레이저 펄스의 파워 밀도의 증가로 인하여 레이저 펄스에 의해 제거된 물질의 깊이가 거의 증가하지 않도록 타겟 물질의 제거를 레이저 펄스당 포화 깊이로 제한하여 레이저 펄스당 제거 깊이를 향상시키는 타겟 물질 제거방법에 있어서, 포화 파워 밀도보다 더 큰 펄스당 출력 파워 밀도와, 타겟의 공간 영역보다 작은 스폿 면적을 갖는 고파워 자외선 출력 펄스를 고체상태 레이저에 의해 형성하는 단계와, 광 출력 펄스의 펄스당 출력 파워 밀도에 상응하며 포화 깊이보다 큰 제거 깊이까지, 스폿 면적에 상응하는 타겟 물질의 다중량(multiple amount)을 제거하기 위해서 타겟의 공간 영역과 연관된 다중 위치에 순차적으로 광 출력 펄스를 지향하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 타겟 물질은 자외선에 응답하여 각각의 상이한 흡수 특성을 갖는 다른 화학 조성물로 이루어진 두 개 이상의 물질층의 전체 두께로 된 다층 형태인 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 공간 영역은 주변부를 가지며 광 출력 펄스가 지향되는 다중 위치는, 공간 영역내에서 타겟 물질을 제거하여 타겟 물질을 관통하는 경유로를 형성하도록,공간 영역의 주변부를 따라 연속된 세트의 스폿 면적을 한정하는 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 공간 영역은 주변부와 중심부를 가지며 광 출력 펄스가 지향되는 다중 위치는, 공간 영역으로부터 타겟 물질을 제거하여 타겟 물질을 막힌 경유로를 형성하도록 중앙부에서 경로를 따라 공간 영역의 주변부까지 외부로 연장되는 연속된 세트의 스폿 면적을 한정하는 것을 특징으로 하는 타겟 물질제거방법.
  28. 제27항에 었어서, 상기 경로는 일반적으로 나선형인 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  29. 제25항에 있어서, 상기 층은 다음 화학 조성물, 즉 유기 절연 물질 보강 물질 또는 금속이나 금속 조합물 중에서 두 개 이상의 임의의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  30. 제29항에 있어서 상기 유기 절연 물질은 PTFE, 폴리이미드, 에폭시, BT, 페놀성 물질, 시안산염 에스테르, 종이, 카드보드, 또는 이들의 조합물 중에서 선택되고, 상기 보강 물질은 유리, 아라미드 섬유 케블라TM, 세라믹, 또는 이들의 조합물 중에서 선택되며, 상기 금속은 알루미늄, 티타늄, 니켈, 구리, 텅스텐, 백금, 금, 몰리브덴, 팔라뮴, 은, 또는 이들의 조합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  31. 제24항에 있어서, 상기 광 출력 펄스는 약 400nm보다 작은 소정의 파장을 가지며 순간 펄스 폭은 1OOns보다 짧고, 평균 출력 파워는 스폿 면적에 대해 측정될 때 약 100mW보다 크며, 반복율은 1kHz보다 큰 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  32. 제24항에 있어서, 상기 공간 스폿 면적은 약 50㎛보다 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  33. 제24항에 있어서, 깊이 대 직경 비율은 2보다 큰 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  34. 제30항에 있어서, 상기 타겟은 회로기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  35. 제24항에 있어서, 약 300㎛보다 작고 공간 스폿 크기의 직경보다 큰 직경을 가지며, 또한 25㎛보다 큰 깊이를 갖는 경유로를 형성하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 레이저 출력 펄스는 약 1kHz보다 큰 반복률로 발생되는 것을 특징으로 하는 타겟 물질 제거방법.
  36. 제6항에 있어서, 상기 출력 펄스들은 동일한 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  37. 제1항에 있어서, 상기 출력 펄스들은 5kHz보다 큰 반복율로 발생되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  38. 제1항에 있어서, 상기 출력 펄스들은 20kHz보다 큰 반복율로 발생되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  39. 제1항에 있어서, 상기 출력 펄스들은 250mW 이상의 평균 출력 파워로 발생되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  40. 제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 제1층과 제2층은 금속층과 절연층을 각각 포함하며, 상기 층들은 막힌 경유로를 형성하기 위해서 다른 피크 파워로 처리되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  41. 제6항에 있어서, 상기 고파워 자외선 펄스들은 14.55J/㎠ 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  42. 제6항에 있어서, 상기 제1층과 제2층은 동일한 피크 파워를 갖는 펄스에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  43. 제43항에 있어서, 상기 제1층과 제2층은 동일한 공간 스폿 크기를 갖는 펄스에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  44. 자외선에 응답하여 각각 제1 및 제2 광흡수 특성을 구비한 상이한 화학 조성물로 이루어진 적어도 제1 인접층과 제2 인접층을 갖는 전기장치에 관통 경유로 또는 막힌 경유로를 형성하며, 상기 제1층은 금속이나 금속 조합물을 포함하며, 제2층은 유기 절연 물질이나 보강 물질을 포함하는 레이저 시스템에 있어서, 레이저 광 펄스를 발생시키기 위한 고체상태 레이저와, 레이저 광 펄스를 400nm이하의 파장을 갖는 자외선 펄스로 전환시키기 위한 주파수 전환 광학 시스템과, 약 1kHz 이상의 반복율로 약 1OOns보다 짧은 순간 펄스 폭을 갖는 자외선 펄스를 발생시키기 위한 Q스위치와, 관통 경유로나 막힌 경유로를 형성하기 위해서, 공간 스폿 크기에 대해 측정될 때 약 100mW보다 큰 평균 출력 파워와 50㎛보다 작은 직경의 공간 스폿 크기를 갖는 광 스폿으로 자외선 펄스를 전기장치상에 포커싱하기 위한 포커싱 렌즈를 포함하며, 상기 경유로는 층의 표면을 가로질러 약 300㎛보다 작은 경유로 직경을 가지며, 제1층과 제2층에 25㎛보다 큰 경유로 깊이를 형성하며, 10보다 큰 경유로 깊이 대 직경 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  45. 자외선에 응답하여 각각 제1 및 제2광흡수 특성을 구비한 화학 조성물로 이루어전 적어도 제1 인접층과 제2인접층을 가지며, 상기 제1층은 금속이나 금속 조합물을 포함하며, 상기 제2층은 유기 절연 물질이나 보강 물질을 포함하는 관통 경유로 또는 막힌 경유로에 있어서, 상기 경유로의 직경은 층의 표면을 가로질러 약 300㎛보다 작으며, 상기 경유로의 깊이는 제1층과 제2층에 25㎛보다 크게 형성되며, 상기 경유로의 깊이 대 직경 비율은 10보다 크고, 상기 경유로는 고체상태 레이저로부터 약 1kHz보다 큰 반복율로 발생되며, 약 400nm보다 짧은 파장과, 약 100ns보다 짧은 순간 펄스 폭과 약 50㎛보다 작은 직경에 포커스된 공간 스폿 크기와, 공간 스폿 크기에 대해 측정할 때 약 1OOmW보다 큰 평균 출력 파워를 갖는 고파워 레이저 출력 펄스에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 경유로.
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