KR100894088B1 - 레이저 기계 가공 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

기판(16)은, 예를 들면, 비어가 형성되도록 기계 가공된다. 기판은 가스 분위기가 제어되는 쳄버(15) 내에 위치된다. 기계 가공 레이저 빔(13)은 소정의 효과가 달성되도록 펄스 파라미터와 같은 파라미터를 제어하여 전달된다. 가스 분위기는 비어용 절연 라이닝이 완전하게 성장하도록 제어하여 후속의 에칭 및 산화물 성장 단계에 대한 필요성이 방지되도록 제어될 수 있다. 또한, 열손상을 최소화하고 특정의 비어 형상과 같은 다른 소정의 효과가 달성되도록 복수의 패스로 매칭이 실행될 수 있다.
기판, 비어, 가스 분위기, 쳄버, 레이저 빔, 펄스 파라미터, 절연 라이닝, 에칭, 산화물 성장, 패스, 매칭

Description

레이저 기계 가공 시스템 및 방법 {A LASER MACHINING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 기판의 레이저 기계 가공에 관한 것이다.
마이크로-비어는 두 가지 방법을 사용하여 펄스 레이저로 레이저 드릴링 될 수 있다. 제1 방법에서는 고정 빔이 사용된다(화소 비어): 상기 기술을 사용하여 다수의 레이저 펄스가 기판 상의 한 점으로 전달된다. 소정의 깊이에 도달하는데 필요한 펄스 개수는 그들의 에너지에 좌우된다. 상기 기술은 직경이 대략 100미크론 이하인 비어에 적합하다. 정확한 비어 직경은 레이저 빔 직경, 광 및 레이저 파라미터, 및 소재 성질에 좌우된다.
다른 방법에서는 빔이 비어의 외측 형상을 따라 주사된다. 상기 기술은 직경이 대략 100미크론 이상인 비어에 적합하다. 레이저는 하나 이상의 동심원 내에서 원형 패턴으로 이동한다. 원하는 깊이에 도달하는데는 여러 번의 반복이 필요 할 수 있다. 비어 직경은 외측 원의 반경 및 빔 직경의 함수이다. 이러한 비어를 주사된 비어 또는 구멍 뚫린 비어라고 한다.
일반적으로, 레이저 빔을 사용하여 비어를 기계 가공하는데는 여러 가지 문제가 있다. 이러한 문제들은 여러 단계의 레이저 기계 가공 후 공정을 필요로 한다. 특히, 문제가 되는 것은:
잔해
레이저 드릴링 공정 도중에 웨이퍼 상측면 상의 잔해로 인하여 비어 출구에 잔해 및 용융 소재가 쌓이게 된다. 이것이 도 A에 도시되어 있다. 이는 두 개의 각기 다른 형태로 나타나는 것이 일반적이다. 한 가지 형태에 있어서, 잔해는 비어를 둘러 싸는 소재의 "립(lip)"으로 나타내어 진다. 립의 높이는 수십 ㎛일 수 있다. 립을 형성할 수 있는 공정 중 한 가지는 레이저 커팅 도중에 비어를 통해 배출된 용융 소재 및 기체 소재가 재응결되는 것으로 이해될 것이다. 일반적으로, 잔해는 종래의 세척 기술로는 제거될 수 없다. 이상적인 비어는 잔해 및 립 구조를 갖지 않아야 한다.
제2 형태의 잔해는 웨이퍼의 상면을 덮는 "먼지"로 나타내어 진다. 일반적으로, 상기 잔해는 간단한 세척 공정으로 제거될 수 있지만, 존재하는 잔해를 완전히 제거하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
측벽 열 손상 영역
비어 드릴링에서 발생하는 제2 문제는 소재 내에 축적된 열이 레이저광이 소재 내로 들어 가는 펄스 속도, 펄스 에너지 및 펄스의 총 개수가 증가함에 따라 증가한다는 점이다. 어떤 지점에서는 둘러 싸고 있는 소재 내로 분산된 열로 인하여 구조의 내벽이 심각한 열손상을 입을 수 있다. 열손상의 영향으로 미세 균열 및 결정 변형이 생기게 되어 구조의 완전성이 감소된다. 이 문제를 감소시키는 한 가지 기술은 비어에 전달된 총 에너지가 감소되도록 빔을 깎는다. 그러나, 이 기술은 표면에 전달된 총 에너지는 감소시키지만 효과적인 기술은 아니다.
측벽 조성
궁극적으로 비어 드릴링 공정의 목적은 금속화될 수 있는 절연 마이크로비어를 달성하는데 있다. 비어는 구조상으로 단단하고 모든 신뢰성 범주에 부합될 수 있어야 한다는 것은 당연하다. 종래의 기술을 사용하여 측벽 소재의 조성 및 도전성을 제어할 수 없다. 비어 드릴링 공정의 요구 조건을 이해하기 쉽도록 전체 사이클에 관하여 설명한다.
금속 상호 연결부를 삽입하기 전에 마이크로비어의 내벽 상에 절연층이 필요한 경우, 비어를 기계 가공한 다음 두 가지의 추가 공정이 필요하다. 첫째 공정은 비어 벽을 세척 및 매끈하게 하고 둘째 공정은 절연층을 성장시키는 것이다. 상기 세 단계의 공정이 도 B에 예시되어 있다. 단계 1에서, 레이저를 사용하여 울퉁불퉁하게 테이퍼된 벽을 가진 비어 구조를 기계 가공한다. 비어 내의 테이퍼는 도 A에 도시된 바와 같이 아크탄젠트(a/b)인 측벽의 "기울기(slope)"로 정의된다. 단계 2는 세척 단계로서 비어 구조의 측벽이 세척된다. 이렇게 매끈하고, 고품질로 마무리시키는 것이 바람직하다. 단계 3에서, 절연층이 비어 내벽 상에 형성된다.
본 발명의 목적은:
비어의 상면(비어가 기계 가공되는 쪽) 상의 잔해 양이 감소되도록 마이크로비어를 레이저 드릴링하는 기술을 제공하고,
비어 내의 열 영향을 받은 내측벽 영역이 감소되도록 마이크로비어를 레이저 드릴링하는 기술을 제공하며,
원하는 측벽 형태, 조성, 및 광 및 전기 성질을 갖는 비어를 간단한 공정으로 제조하고,
레이저 드릴링된 비어의 용도를 더욱 다양하게 하며,
원하는 내벽 성질을 갖는 고품질의 비어 구조를 단일 단계의 공정으로 능률적으로 제조하고,
종래의 비어 제조 공정에 필요한 기기 세트를 감소시키는 것이다.
본 발명에 있어서, 레이저 소스, 및 기판을 기계 가공하기 위하여 상기 레이저 소스에 의하여 발생된 레이저 빔을 상기 기판에 전달하는 것을 제어하는 수단을 포함하는 빔 전달 시스템을 포함하고,
상기 레이저 기계 가공 시스템은 기계 가공 위치 주위에 제어된 가스 분위기를 제공하는 수단을 포함하는 가스 취급 시스템을 더 포함하는 레이저 기계 가공 시스템이 제공된다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템 및 상기 가스 취급 시스템은 상기 기판 내에 비어(via)를 드릴하기 위하여 빔 펄싱 파라미터 및 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 기계 가공될 소재의 광학적, 열적, 및 기계적 성질에 따라 레이저 펄스 에너지, 레이저 펄스 분리, 및 펄스 횟수를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 라이닝 내에 산화물 성장을 제어 또는 방지 또는 촉진하도록 상기 가스 분위기 내의 산소 비율을 제어하는 수 단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 라이닝 내에 질화물 성장을 제어 또는 방지하도록 상기 가스 분위기 내의 질소 비율을 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 상기 가스 분위기 내에 제어된 양의 불활성 가스를 제공하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 상기 기판의 부식물 또는 반응물을 제공하도록, 상기 레이저 빔의 존재 하에 해리되는 성질을 갖는 가스를 상기 가스 분위기 내로 주입하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 상기 기판 내에 기계 가공된 청정 벽이 달성되도록 상기 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 상기 기판의 기계 가공된 벽이 소정의 평탄성을 달성하도록 상기 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 상기 기계 가공 위치 및 장소로부터 잔해 제거를 개선시키거나 또는 발생되는 잔해의 양이 감소되도록 상기 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 상기 기판에 열손상이 최소화되도록 펄싱 파라미터를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 펄스는 시간적으로 균등하게 이격되지 않는다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 비텔레센트릭 렌즈(non-telecentric lens), 및 경사진 비어를 드릴링하도록 법선에 대해 소정 각도로 상기 렌즈를 관통하여 상기 레이저 빔을 전달하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 상기 경사진 비어의 경사도를 설정하도록 경사진 비어 입구 개구부가 빔 광축으로부터 떨어진 거리를 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 상기 기판 내에 비어를 드릴링하고, 레이저 빔 파라미터를 현재의 비어 깊이의 함수로 동적으로 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 상기 기판의 소재에 따라 레이저 빔 파라미터를 임의의 특정 깊이로 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 원하는 비어 형상을 달성하도록 레이저 빔 깊이에 대한 파라미터를 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 변경 수단은 블라인드 비어가 드릴링되도록 상기 레이저 빔 파라미터를 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 상기 기판의 입구점 및 출구점에 제어된 비어 직경이 달성되도록 레이저 빔 깊이에 대한 파라미터를 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 변경 수단은 레이저 반복률, 펄스 에너지, 및 펄스 피크 파워를 변경시킴으로써 입구 개구와 출구 개구 사이의 테이퍼 경사도를 제 어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 변경 수단은 내부 비어 형상을 제어하도록 초점 스폿 치수를 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 망원경, 및 원하는 비어 형상을 제공하기 위해 빔 직경, 초점면, 및 초점 깊이를 설정하거나 또는 동적으로 변경시키도록 상기 망원경을 조정하는 수단을 포함한다.
일 실시예 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 복수의 패스(pass)로 상기 기판을 기계 가공하는 수단을 포함하되, 각 패스는 소재 제거의 비율에 따라 소정의 단계까지 기계 가공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 패스들 사이에서 상기 망원경을 조정하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 비어를 드릴링한 후 상기 비어를 둘러 싸는 상기 기판의 표면 상의 잔해를 레이저로 클리닝하도록 레이저 빔 초점 스폿 치수를 확대시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템 및 상기 빔 전달 시스템은 반도체 기판에 드릴링된 비어 내에 제어된 절연 라이닝이 제공되도록 레이저 펄싱 및 상기 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 기판은 Si 소재이고, 상기 라이닝은 SiO2이다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 밀봉된 쳄버, 상기 쳄버 내로 가스를 전달하는 수단, 및 상기 쳄버로부터 가스를 펌핑하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 쳄버는 상기 레이저 빔에 대하여 투명한 창을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 가스 잔해가 제거되도록 할로겐화된 가스를 상기 가스 분위기에 전달하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 취급 시스템은 가스질 형태 및 미립자 형태 양자 모두의 잔해가 제거되도록 가스 흐름을 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 기판을 플립(flip)하는 수단을 더 포함하고, 상기 빔 전달 시스템은 관통 비어가 완성되도록 대향하는 기판 표면에 일치되는 위치에서 드릴링하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템 및 상기 가스 취급 시스템은 전기 절연체 용도에 적합한 라이닝을 갖는 비어가 드릴링되도록 빔 펄스 파라미터 및 상기 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템 및 상기 가스 취급 시스템은 광 도파관 클래딩 용도에 적합한 라이닝을 갖는 비어가 드릴링되도록 빔 펄스 파라미터 및 상기 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함한다.
또한, 본 발명은 기판을 기계 가공하기 위하여 레이저 빔을 상기 기판 상에 전달하는 단계를 포함하고,
가스 분위기를 기계 가공 위치 주위에 제공하고,
상기 레이저 빔이 펄스화되며,
상기 레이저 빔 및 상기 가스 분위기가 상기 기판 내에 원하는 성질을 달성하기 위해 상기 기판을 기계 가공하도록 제어되는 레이저 기계 가공 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 레이저 펄스 에너지, 레이저 펄스 분리, 및 펄스 횟수는 기판의 광학적, 열적, 및 기계적 성질에 따라 제어된다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 분위기 내의 산소 및 질소 농도는 산화물 또는 질화물이 비어 라이닝으로 성장하는 것을 제어 또는 방지하도록 제어된다.
일 실시예에 있어서, 제어된 양의 불활성 가스가 상기 가스 분위기 내로 주입된다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 빔의 존재 하에 해리되는 성질을 갖는 가스가 상기 가스 분위기 내로 주입되고, 상기 해리된 가스는 상기 기판을 에칭한다.
일 실시예에 있어서, 상기 기계 가공은 비어를 드릴링하는 것이고, 레이저 빔 파라미터는 현재의 비어 깊이의 함수로 동적으로 변경된다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 빔 및 상기 가스 분위기는 전기적 절연성 라이닝을 제공하도록 제어되고, 상기 레이저 기계 가공 방법은 상기 기판 내에 전기 전도체가 제공되도록 상기 비어를 전기적 전도성 소재로 충전하는 단계를 추가로 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 빔 및 상기 가스 분위기는 광학적으로 불투명한 라이닝을 제공하도록 제어되고, 상기 레이저 기계 가공 방법은 상기 기판 내에 클래딩으로서 상기 라이닝을 갖는 광 도파관이 제공되도록 상기 비어를 광 투 과성 소재로 충전하는 단계를 추가로 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 빔 및 상기 가스 분위기는 열 전도성 통로를 제공하도록 제어되고, 상기 레이저 기계 가공 방법은 상기 기판 내에 열 전도성 통로가 제공되도록 상기 비어를 열 전도성 소재로 충전하는 단계를 추가로 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 기계 가공 방법은 히크 싱크를 상기 비어 내의 상기 열 전도성 소재에 연결시키는 단계를 추가로 포함한다.
또한, 본 발명은 레이저 소스, 및 판을 기계 가공하기 위하여 상기 레이저 소스에 의하여 발생된 레이저 빔을 상기 기판에 전달하는 것을 제어하는 수단을 포함하는 빔 전달 시스템을 포함하고,
상기 빔 전달 시스템은 펄스화된 레이저 빔을 기판에 전달하는 수단을 포함하며,
상기 빔 전달 시스템은 복수의 기계 가공 위치에서 미완성된 단계까지 상기 기판을 기계 가공하고, 상기 위치에서 적어도 한 번의 후속 패스로 기계 가공하는 수단을 포함하여 다른 위치가 소정 패스에서 기계 가공될 때 임의의 하나의 위치에서의 기계 가공 사이에 지연(delay)이 있는 레이저 기계 가공 방법을 제공한다.
일 실시예 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 빔 전달 파라미터를 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 소정 패스에 대한 상기 기판 층 소재에 따라 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 기계 가공 위치에서의 원하는 기판 형상에 따라 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 변경시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 기판의 열 손상이 최소화되도록 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 잔해 퇴적이 감소되도록 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 상기 기계 가공 위치에서 소정의 기판 형상이 달성되도록 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 상기 기판 내에 복수의 비어가 드릴링되도록 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 기판을 플립하는 수단을 포함하고, 상기 빔 전달 시스템은 하나의 형성부가 기계 가공되도록 상기 기판 반대쪽 상의 일치되는 기계 가공 위치에서 상기 기판을 기계 가공하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 빔 전달 시스템은 상기 기판을 기계 가공하고 상기 기계 가공 위치에 전기적 절연성의 라이닝을 형성하도록 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 가스 및 가스 파라미터가 후속 패스 사이에서 변경될 수 있는 가스 취급 시스템을 또한 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 상기 기계 가공 위치 주위에 제어된 가스 분위기를 제공하는 수단을 갖는 가스 취급 시스템을 더 포함하고, 상기 빔 전달 시스템 및 상기 가스 취급 시스템은 상기 기계 가공 위치에 절연 라이닝을 형성하기 위해 일회의 패스에 비주변(non-ambient) 가스로 또는 비주변 가스없이 상기 기판 내에 형성부를 기계 가공하고, 비주면 가스 분위기로 후속 패스에서 상기 기계 가공 위치에서 기계 가공하는 수단을 포함한다.
또하느 본 발명은 상기 기판을 기계 가공하기 위해 레이저 빔을 상기 기판 상에 전달하는 단계를 포함하고, 상기 빔은 일회의 패스로 복수의 위치에서 상기 기판을 기계 가공한 다음, 적어도 일회의 후속 패스로 동일 위치에서 드릴링하여 각 위치에서의 기계 가공이 완료되도록 전달되는 레이저 기계 가공 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 비어가 각각의 위치에 드릴링된다.
일 실시예에 있어서, 빔 전달은 각 위치에서 형성부를 기계 가공하고, 각 위치의 기판 벽 상에 전기적으로 절연성의 라이닝을 제공하도록 제어된다.
일 실시예에 있어서, 제어된 가스 분위기가 상기 기계 가공 위치에 제공되어 제어된 방식으로 라이닝의 성장을 보조한다.
일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 상기 가스 및 가스 파라미터가 후속 패스 사이에서 변경될 수 있는 방식으로 사용된다.
또한, 본 발명은 레이저 소스, 기판을 기계 가공하기 위해 상기 레이저 소스에 의하여 발생된 레이저 빔을 상기 기판에 전달하는 것을 제어하는 수단을 포함하 는 빔 전달 시스템을 포함하고, 상기 빔 전달 시스템은 경사진 비어가 드릴링되도록 펄스화된 레이저 빔을 소정의 각도로 기판에 전달하는 수단을 포함하는 레이저 기계 가공 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 기판을 기계 가공하기 위해 레이저 빔을 상기 기판 상에 전달하는 단계를 포함하고, 상기 레이저 빔은 펄스화되며, 경사진 비어가 드릴링되도록 소정 각도로 전달되는 레이저 기계 가공 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 비어는 상기 기판 내의 층을 상호 연결하도록 드릴링된다.
일 실시예에 있어서, 상기 비어는 상기 기판 상에 장착된 구성부품의 리드선과 일치하도록 드릴링된다.
일 실시예에 있어서, 상호 연결되는 복수의 비어가 드릴링된다.
일 실시예에 있어서, 상기 비어는 상기 기판 표면에서 상호 연결되도록 드릴링된다.
일 실시예에 있어서, 상기 비어는 상기 기판 내부에서 상호 연결되고, 기판 표면 내에 별개의 개구부를 각각 갖도록 드릴링된다.
또한, 본 발명은 기판을 기계 가공하기 위해 레이저 빔을 상기 기판 상에 전달하는 단계를 포함하고, 상기 레이저 빔은 펄스화되며, 상기 기판 내에 비어가 드릴링되도록 전달되고, 상기 레이저 기계 가공 방법은 열 전도체가 제공되도록 상기 비어를 열적으로 전도성인 소재로 충전하는 단계를 추가로 포함하는 레이저 기계 가공 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 기계 가공 방법은 히트 싱크를 열적으로 전도성인 소재에 연결시키는 단계를 추가로 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 기계 가공 방법은 상기 비어에 인접하는 다른 비어를 드릴링하고, 상기 다른 비어를 전기적으로 전도성인 소재로 충전하며, 전기 구성부품을 상기 전기적으로 전도성인 소재에 연결시키는 단계를 추가로 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 비어는 블라인드 비어이다.
일 실시예에 있어서, 기판 한쪽의 복수의 비어 접촉점이 상기 기판 다른쪽의 하나의 접촉점으로 될 수 있는 형상으로 경사진 비어가 생성된다.
일 실시예에 있어서, 복수의 파워 입출력 또는 복수의 접지 입출력이 감소된 개수의 입출력으로 통합된다.
일 실시예에 있어서, 연결 패드가 다이의 배면 상에 위치되도록 하여 경사진 비어가 소자의 치수를 감소시키는데 사용된다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저 소스가 고체 상태 다이오드 펌핑된 레이저이다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저는 주파수 증배형 고체 상태 레이저이다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저는 레이저 매체가 호스트(Host):불순물(Impurity) 유형인 고체 상태 레이저이고, 상기 호스트는 YAG, YLF, Vanadate이다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저의 반복 주파수는 1kHz ~ 200kHz 범위이다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저의 펄스폭은 200나노초 이하이다.
일 실시예에 있어서, 상기 레이저의 펄스폭은 10나노초 이하이다.
다음에, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 관통 비어의 레이저 드릴링을 예시하는 도면이다.
도 2는 제어된 가스 분위기에서 비어 드릴링에 사용된 레이저 기계 가공 시스템을 예시하는 도면이다.
도 3은 다중 단계 레이저 공정을 사용하여 복수의 비어를 드릴링하는 단계를 예시하는 도면이다.
도 4는 변수 ΔtRR, NT_Delay 및 T_Delay를 예시하는 레이저 펄스 트레인의 구성도이다.
도 5(A)는 검류계 시야각도로 면적이 동일한 직사각형으로 세분된 웨이퍼의 도면이고, 도 5(B)는 d1, d2 및 d3가 비어 구조 사이의 거리인 일반적인 검류계 시야각도의 도면이다.
도 6은 용융 깊이 대 레이저 펄스 횟수의 구성도이다.
도 7은 다중 단계 레이저 공정을 사용하여 다층 기판의 연속층을 관통하는 드릴링을 예시하는 도면이다.
도 8은 관통 비어를 완성하기 위한 양쪽 기판의 드릴링을 예시하는 도면이다.
도 9는 형상을 갖춘 비어 내벽이 달성되도록 기판의 양쪽으로부터 실행되는 다중 단계 레이저 기계 가공 공정의 도면이다.
도 10, 도 11 및 도 12는 레이저 드릴링용의 광 파라미터를 예시하는 도면이다.
도 13은 레이저 세척을 위해 초점이 흐린 레이저빔이 그 위에 배치된 비어를 둘러 싸는 영역의 도면이다.
도 14는 본 발명의 광전자 구성품 기판의 도면 세트이다.
도 15는 기판의 상면을 보다 상세하게 도시하는 사시도이다.
도 16 및 도 17은 광섬유용 V자형 그루브 형성부를 도시하는 도면이다.
도 18은 광섬유의 사시도이다.
도 19는 비어를 보다 상세하게 예시하는 사시도이다.
도 20, 도 21 및 도 22는 경사진 비어의 드릴링을 예시하는 도면이다.
도 23(A)는 활성 장치로서 다이의 동일한 측면 상에 배치된 패드 및 납땜 볼의 종래 위치를 도시하는 도면이다.
도 23(B)는 레이저 기계 가공된 비어 구조를 사용하여 액세스된 웨이퍼의 후면 상에 패드 및 납땜 볼이 재배치된 도면이다.
도 24는 활성 장치의 4개의 입출력 포인트와 웨이퍼 저면 상의 공통 접지 또는 공통 파워 포인트와의 연결부를 예시하는 도면이다.
기판을 기계 가공하여 기판 내의 비어와 같은 형성부를 제공한다. 측벽의 물리적 형태, 구조적 완전성 및 조성이 양호하게 제어된다. 또한, 발생되는 잔해의 양 및 위치가 양호하게 제어된다. 또한, 본 발명은 비어 레이저 드릴링을 다양하게 실행할 수 있으므로, 블라인드 비어, 다층 비어, 및 경사진 비어가 간단하고 효과적인 방식으로 드릴링될 수 있다.
드릴링 기구를 설명하기 전에, 빔 펄스 파라미터를 아래에 나타낸다.
기계 가공 속도(
Figure 112003034933289-pct00001
)
상기 파라미터는 매 초에 드릴될 수 있는 비어의 개수이다. 기계 가공 속도의 단위는 초당 비어의 개수이다. 상기 파라미터를 가장 높은 값으로 항상 최적화시키는 한편, 허용가능한 커트 품질을 유지한다.
비어 커팅 시간(
Figure 112003034933289-pct00002
)
상기 파라미터는 검류계(galvo)가 소정의 레이저 기계 가공 단계 도중에 특정의 비어 위치에 잔류하는 시간이다. 드릴된 비어의 깊이는
Figure 112003034933289-pct00003
에 비례한다. 일반적으로 상기 파라미터는 허용가능한 비어 품질로 가장 높은 기계 가공 속도(
Figure 112003034933289-pct00004
)를 얻을 수 있도록 가능한 가장 낮은 값으로 최적화된다. 비어 기계 가공 공정의 최적
Figure 112003034933289-pct00005
는 기계 가공될 재료의 물리적 성질(예를 들면, 열 전도성), 플라스마 팽창/수축 시간, 비어 간의 거리, 비어 품질, 레이저 펄스 에너지 및 다른 파라미터에 따라 변한다. 일반적으로
Figure 112003034933289-pct00006
가 보다 높으면 비어 구조에 보다 많은 손상을 야기한다.
1회 펄스 기간(
Figure 112003034933289-pct00007
)
상기 파라미터는 펄스 트레인 내의 레이저 펄스 간의 일시적인 거리이며, 필수적으로 레이저 반복률의 역함수이다:
Figure 112003034933289-pct00008

예를 들면, 레이저 반복률 45 kHz에 대하여,
Figure 112003034933289-pct00009
는 ~ 22㎲이다.
펄스 횟수(
Figure 112003034933289-pct00010
)
상기 파라미터는 소정의 레이저 기계 가공 단계 도중에 특정의 비어 위치로 전달될 펄스의 횟수이다.
Figure 112003034933289-pct00011
,
Figure 112003034933289-pct00012
및
Figure 112003034933289-pct00013
는 다음 식으로 서로 연관된다.
Figure 112003034933289-pct00014
이들 파라미터는 도 4에 도시되어 있다.
단계 횟수(
Figure 112003034933289-pct00015
)
상기 파라미터는 하나의 비어 구조를 소정의 깊이로 기계 가공하는데 필요한 단계의 총 횟수이다. 단계의 총 횟수는 드릴되는 비어의 깊이를 결정한다.
비어 밀도(
Figure 112003034933289-pct00016
)
상기 파라미터는 검류계 스캐너의 허용된 작업 시야각도 내의 비어의 총 개수이다.
Figure 112003034933289-pct00017
는 도 5에 예시되어 있다.
비어 간의 거리(
Figure 112003034933289-pct00018
)
상기 파라미터는 두 개의 비어 간의 거리이고, 일반적으로 비어로부터 비어까지는 상이하다.
Figure 112003034933289-pct00019
는 도 3 및 도 5에 예시되어 있다.
검류계 점프 속도(
Figure 112003034933289-pct00020
)
상기 파라미터는 두 개의 비어 구조 간의 검류계 이동 속도이고, 초당 미터 단위(ms-1)로 측정된다.
Figure 112003034933289-pct00021
값이 보다 높으면 기계 가공 속도가 증가된다.
점프 지연(
Figure 112003034933289-pct00022
)
상기 파라미터는 새로운 비어 위치로 이동한 후 검류계의 설정 시간이다.
Figure 112003034933289-pct00023
가 지나치게 짧으면, 검류계 미러를 하나의 비어로부터 다음 비어로의 후속 이동을 설정하는데 충분하지 못한 시간 때문에 비어 둘레의 레이저 라인에 "스파이킹"이 야기된다. 그러나,
Figure 112003034933289-pct00024
가 길면 기계 가공 시간이 늘어난다. 일반적으로 보다 높은 검류계 점프 속도(
Figure 112003034933289-pct00025
)는 보다 높은 점프 지연(
Figure 112003034933289-pct00026
)을 필요로 하기 때문에, 이들 파라미터의 최적화는 허용가능한 커트 품질로 가장 높은 기계 가공 속도를 얻을 수 있도록 필연적이다.
광 파라미터
빔 직경
빔 직경은 레이저의 공간 강도 형상의 1/e 평방 직경이다. 비어 기계 가공 시, 비어의 직경은 빔 직경의 함수이다. 빔 직경은 초점 렌즈, 스캔렌즈 또는 빔 망원경을 선택하여 제어될 수 있는 변수이다. 빔 직경을 변형시키게 되면 초점의 파워 밀도 레벨이 변형된다.
피크 파워 밀도(강도)
상기 파라미터는 단위 면적당 피크 파워이고, 여기서 피크 파워는 초당 에너지이다.
Figure 112003034933289-pct00027
여기서, E는 주울 에너지이고, Δt는 초 펄스폭이며, A는 평방 센티미터 면적이고, 피크 파워 밀도는 평방 센티미터당 와트이다.
에너지 밀도
Figure 112003034933289-pct00028
상기 파라미터는 평방 센티미터의 면적(A)으로 나눈 주울 에너지(E)이다. 에너지 밀도 단위는 평방 센티미터당 주울이다.
초점 깊이
제2, 제3 및 제4의 고조파 YAG, YLF 및 바나데이트 유형 레이저의 집속된 빔의 초점 깊이는 멀티모드 레이저 및 큰 M 평방값을 갖는 레이저에서 보다 더 깊다. 이것은 주로 YAG, YLF 및 바나데이트 유형 레이저 시스템으로부터의 공간 출력이 가우스이기 때문이다. 초점 깊이가 깊으면 두꺼운 웨이퍼 기판에서 비어를 기계 가공하는데 매우 바람직한데, 그 이유는 일반적으로 웨이퍼 두께는 초점이 흐린 결과를 보정하기 위하여 재위치시키지 않고 작업 렌즈로부터 일정한 거리에 배치될 수 있기 때문이다. 그러나, 소정 조건 하에서는, 빔은 벽 품질 또는 비어 내의 테이퍼각을 개선시키기 위하여 초점을 흐리게 할 필요가 있을 수 있다.
관통 구멍 마이크로-비어 형성
도 1을 참조하면, 기판(1)은 제어된 레이저 펄스(3) 및/또는 제어된 가스 흐름(4)에 의하여 비어 측벽(2) 상의 절연층이 드릴된다. 기판은 포함은 되지만 웨이퍼 및 다른 반도체, 전자 또는 광전자 소자에만 한정되지 않는 기계 가공될 제품이다. 상기 기판은 한 가지 소재, 또는 포함되지만 한정되는 것은 아닌 한 가지 소재 또는 여러 소재로 구성되는 층 구조를 포함하는 소재의 컴비네이션으로 이루어질 수 있고, 이들 소재는 패턴을 갖거나 갖지 않을 수 있다.
레이저 펄스 및 가스 흐름을 결합하거나 또는 이들 개별적인 공정 중 단지 한 가지를 사용하면 잔해를 현저하게 감소시키고 측벽 열 손상을 현저하게 감소시키면서 비어를 기계 가공할 수 있다. 예를 들면 매끈하고 고품질의 내벽면 및 경사도가 낮은 비어 테이퍼는 다단계 레이저 기계 가공을 사용하여 제조될 수 있으므로, 제어된 수의 레이저 펄스(변수 인터-펄스 분리 및 펄스 에너지)가 소정 기간 내에 기판으로 전달된다. 이로써 비어 측벽에 열 손상이 감소되어 매끈한 내부 측벽이 형성된다.
레이저 컨트롤러는 기계 가공될 소재의 광적, 열적 및 기계적 성질에 따라 레이저 펄스 에너지, 인터-펄스 분리 및 레이저 기계 가공 단계당 펄스 횟수를 제어하고, 기판 소재 내의 기계 가공 깊이 및 레이저 유형 또한 사용된다.
가스 취급 시스템은 가스 분위기를 제어한다. 일 실시예에 있어서, 환경은 기판 소재의 광 활성 부식액을 포함한다. 환경 내의 산소 농도는 일정하거나 또는 비어 구조 기계 가공 도중에 변하도록 선택되므로, 레이저 기계 가공 도중에 내부 비어 벽 상에 산화층의 성장을 촉진시킨다. 산소 농도 또는 산소 포함 가스(예를 들면, CO2)이 농도를 제어함으로써 실리콘 기판 내의 기계 가공된 비어 내로 삽입된 일반적인 금속 상호 연결부의 전기 절연에 필요한 산화층 두께를 제어할 수 있다.
도 2를 참조하면, 레이저 기계 가공 시스템(10)은 검류계(11) 및 Q-스위치 UV 레이저 빔(13)을 제공하는 텔레센트릭 렌즈(12)를 포함한다. 빔(13)은 드릴될 웨이퍼(16)가 들어 있는 청정룸 쳄버(15)의 액세스 창(14) 상으로 지향한다. 시스템(10)은 가스 유입구(17), 및 쳄버(15)용의 진공 펌핑 라인(18)을 포함한다. 쳄버(15)는 X-Y 이동 스테이지 상에 장착된다.
레이저광은 10바의 압력을 견딜 수 있는, 가스 반응 쳄버(15)의 창(14)으로 들어 간다. 대안으로서, 쳄버는 대기 이하의 압력으로 기계 가공할 수 있도록 0.1바 범위의 일반적인 압력까지 배출될 수 있다. 상이한 가스가 일련의 대량 흐름 컨트롤러(17)에 의하여 쳄버(15) 내로 주입되고, 이 가스는 정적 가스 환경에서의 레이저 기계 가공을 위하여 쳄버(15) 내의 상대 가스 농도를 제어할 수 있다. 또한, 유입구 및 진공 출구 라인 상의 대량 흐름 컨트롤러(17, 18)는 비정적 가스 분위기에서의 기계 가공을 위하여 상이한 가스의 흐름량을 제어할 수 있다.
진공 배출 라인(18)은 쳄버(15)를 대기압 이하로 배출시킬 수 있고, 또한 레이저 기계 가공 공정 도중에 생성된 폐기 가스를 배출시키는데 사용될 수도 있다. 진공 라인에 연결된 필터는 원하지 않는 폐기물을 여과시키고 미사용 가스를 재순환시킬 수 있다. 쳄버(15)에 연결된 검출기는 모 가스 및 레이저 기계 가공 도중 에 생성된 부산물의 상대적 및 절대적 농도를 측정할 수 있다.
하나의 비어 구조의 기계 가공에 사용되는 다단계 공정을 통해 상이한 단계에서 레이저 펄스 에너지 및 인터-펄스 분리를 변화시킴으로써 매끈한 내부 비어 벽이 형성된다. 이로써 기계 가공될 기판 내의 열 부하를 제어할 수 있으므로, 열 응력으로 인하여 비어 측벽이 심하게 손상되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 비어 구조의 기계 가공 도중에 탄화플루오르 가스(예를 들면, CF4)를 쳄버(15) 내에 주입시키면 광 분리 플루오르가 실리콘을 가스 형태로 제거하는데 보조함에 따라 잔해가 감소된다. 가스 반응 쳄버 내에서 실리콘을 잔해가 적도록 기계 가공하는데 사용되는 다른 광 활성 가스는, 한정되는 것은 아니지만, 클로로 탄화플루오르 및 불소를 포함한다.
상기 두 가지 공정을 결합시킴으로써, 우수한 품질의 비어가 달성될 수 있다.
헬륨 및 아르곤과 같은 불활성 가스 환경에서 비어 구조를 레이저 기계 가공함으로써 비절연성 측벽을 필요로 하는 응용을 위하여 내부 비어 측벽 상에 산화물이 성장하는 것을 억제할 수 있다. 기계 가공 도중에 질화물을 가스 반응 쳄버 내에 주입함으로써 비절연성 측벽을 필요로 하는 응용을 위하여 내부 비어 측벽 상에 절연 소재 실리콘 질화물을 성장시킬 수 있다.
레이저 기계 가공에 이어서, 비어 구조의 내부 측벽 상에 층이 형성된다. 상기 층은 기판 소재가, 레이저 기계 가공 도중에, 용융되고 냉각 시 재응결될 때 형성된다. 가스 혼합물, 흐름량 및 상대 농도를 적절하게 선택함으로써, 상기 층의 화학량론, 미세구조 및 다른 성질은 원하는 응용에 가장 적합한 전기적 및/또는 광학적 성질을 갖는 측벽이 생성되도록 변경시킬 수 있다. 가스 혼합물은 표면 조도가 매끄럽고 비어 구조의 내부 및 외부에 잔해가 감소된 상태로 비어 내부 측벽 내에 산화물 성장을 제어하기 위한 활성(예를 들면, O2, CO2) + 불활성 가스(예를 들면, He, Ar), 비어 내부 측벽 내에 질화물 성장을 제어하기 위한 질화물 + 불활성 가스(예를 들면, He, Ar), 비어 내부 측벽 내에 산화물 또는 질화물 성장을 제어하기 위한 활성(예를 들면, O2, CO2) 또는 질소 + 부식물 가스(예를 들면, 클로로 탄화플루오르, 불소)를 포함한다.
다단계 마이크로비어 기계 가공
도 3은 다단계 비어 기계 가공 전략의 기본 동작을 나타내는 도면이다. 상기 전략에서, 레이저 빔은 소정 기간(예를 들면,
Figure 112003034933289-pct00029
) 동안 하나의 비어 위치에 체류한 다음 다른 비어 위치로 이동한다. 다음에, 레이저 빔은 최종 비어의 커팅이 종료된 후 제1의 비어 위치로 복귀한다. 상기 처리는 다른(
Figure 112003034933289-pct00030
) 시간에 반복된다. 다단계 접근법의 한 가지 목적은 잔해를 생성하고 비어의 측벽 품질을 열화시키는, 비어 내의 열 영향을 받는 영역(HAZ)을 감소시키는 것이다. 또한, 다단계 공정의 상이한 단계에서 레이저 펄스 및 빔 성질을 변경시킴으로써, 상이한 소재로 구성되는 다층 구조는 각 단계 도중에 효과적으로 기계 가공될 수 있다.
기계 가공 속도(
Figure 112003034933289-pct00031
)
다른 레이저 처리 파라미터인 기계 가공 속도는 다음 식으로부터 얻을 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같은 소정의 검류계 시야각도에 있어서,
비어를 한 번의 단계로 커트하는데 필요한 시간 =
Figure 112003034933289-pct00032
=
Figure 112003034933289-pct00033
기계 가공될 모든 비어를 한 번의 단계로 커트하는데 필요한 총 시간(t1)
=
Figure 112003034933289-pct00034
t1 =
Figure 112003034933289-pct00035
한 번의 커팅 단계에 대한 검류계의 총 점프 거리 =
Figure 112003034933289-pct00036
개수의 비어에 대하여 검류계에 의하여 이동된 총 거리(
Figure 112003034933289-pct00037
)는
Figure 112003034933289-pct00038
Figure 112003034933289-pct00039
개수의 비어에 대한 한 번의 단계를 기계 가공하는데 필요한 총 검류계 점프 시간(t2)은
Figure 112003034933289-pct00040
Figure 112003034933289-pct00041
개수의 비어에 대한 한 번의 단계를 기계 가공하는 도중의 총 검류계 설정 시간(t3)은
Figure 112003034933289-pct00042
Figure 112003034933289-pct00043
개수의 비어에 대한 한 번의 비어 드릴링 단계를 완료하는데 필요한 총 시간은
= t1 + t2 + t3
모든 빔 파라미터가 모든 공정 단계 내내 변하지 않는 것으로 가정할 때, 한나의 검류계 시야각도에 대한 다단계 공정의 모든 비어 드릴링 단계를 완료하는데 필요한 총 시간은
Figure 112003034933289-pct00044
초당 드릴링된 비어 개수 (예를 들면, 기계 가공 속도 또는
Figure 112003034933289-pct00045
)는
Figure 112003034933289-pct00046
상기 식(1.1)으로부터, 기계 가공 속도를 결정하는 중요한 파라미터 하나는
Figure 112003034933289-pct00047
임이 명료하게 나타나 있는데, 즉
Figure 112003034933289-pct00048
이 낮으면 낮을 수록 기계 가공 속도는 더 높다. 비어를 기계 가공하는데 필요한 펄스의 총 횟수는 기계 가공 소재의 소정 두께에는 일정하기 때문에,
Figure 112003034933289-pct00049
을 감소시키는 가능한 방법 중 한 가지는 각 단계에서 발화된 펄스의 횟수(
Figure 112003034933289-pct00050
)를 증가시키는 것이다. 그러나,
Figure 112003034933289-pct00051
의 증가는 더 많은 횟수의 펄스가 각 단계에서 각각의 비어 상으로 지향되기 때문에 비어 구조에 열 손상을 가할 수 있다. 이들 두 개의 파라미터는 최고 품질의 비어로 가장 높은 기계 가공 속도를 얻기 위하여 최적화 된다.
또한 식(1.1)은 기계 가공 속도는
Figure 112003034933289-pct00052
에 비례하지만
Figure 112003034933289-pct00053
에는 반비례함을 나타낸다. 보다 높은
Figure 112003034933289-pct00054
는(보다 높은 기계 가공 속도)는 보다 긴
Figure 112003034933289-pct00055
(예를 들면, 보다 높은 검류계 설정 시간)를 필요로 하고, 또한 전체적인 기계 가공 속도를 감소시킨다. 소정의 기판 소재 및 레이저 유형에 대하여, 이들 두 가지 파라미터는 가장 높은 기계 가공 속도를 얻기 위하여 최적화된다.
식(1.1)에 도시된 바와 같이, 기계 가공 속도를 결정하는 다른 파라미터는 레이저 반복 속도, 즉 반복 속도가 높으면 높을 수록
Figure 112003034933289-pct00056
는 더 낮아지고, 따라서 기계 가공 속도는 더 높아진다. 이것은 더 많은 펄스가 보다 높은 반복 속도로 비어에 전달되고 전체적인 기계 가공 속도를 증가시키는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 보다 높은 반복 속도로 동작되는 레이저 펄스는 레이저의 자연적인 특징 때문에 평균 파워가 더 낮아진다. 또한, 보다 높은 반복 속도는 더 많은 펄스가 단기간에 비어에 전달되는 만큼 더 많은 열 손상을 측벽 상에 가할 수 있다. 소정 유형의 레이저에 있어서, 상기 파라미터는 최상의 비어 품질로 가장 높은 기계 가공 속도를 내도록 최적화 된다.
또한, 식(1.1)은 기계 가공 속도는 비어 간의 총 거리(예를 들면,
Figure 112003034933289-pct00057
) 에 반비례하고, 즉 거리가 길면 길수록 기계 가공 속도는 더 낮아진다. 본 발명의 일부로서, 소프트웨어 알고리즘을 개발하여 검류계 필드 내에 분포된 소정 세트의 비어에 대하여 검류계에 의하여 이동된 가장 '효과적인'(가장 짧은) 거리를 결정하여 가장 높은 기계 가공 속도를 얻는다.
예 1
검류계 필드 15 mm x 15 mm에 레이저 반복 속도 55 kHz로 1000 비어를 드릴링하는 공정에서, 점프 속도 5m/초 및 점프 지연 50 ㎲에 대하여 각 비어 상에 두 개의 펄스 및 50 기계 가공 단계를 사용한다. 모든 비어 간의 총 거리는 ~0.48 m이다.
기계 가공 속도는 아래와 같이 예상된다:
Figure 112003034933289-pct00058
Figure 112003034933289-pct00059
상기 예는 레이저 펄스 파라미터가 다단계 공정 내내 변하지 않는 특정의 경우를 나타낸다. 그러나, 인터-펄스 분리(
Figure 112003034933289-pct00060
) 및 단계당 펄스 횟수(
Figure 112003034933289-pct00061
)와 같은 레이저 펄스 성질이 단계마다 변하는 경우, 식(1.1)의 분모는 각 단계마다 t1, t2 및 t3의 총 합계로 교체되는 것이 필요하다.
블라인드 마이크로비어 형성
관통 구멍 마이크로비어는 기판의 상면과 저면을 연결할 수 있다. 그러나, 비어 기판이 기판 소재를 완전하게 관통하여 드릴될 필요가 없는 특정 응용에 있어서, 블라인드 비어가 형성된다. 상기 비어 유형을 필요로 하는 응용의 예는 전도층이 반도체 또는 유전체 스택 내에 배치되고, 전도체를 변형시키거나 손상하지 않고 웨이퍼를 전도체까지 부분적인 드릴링이 필요한 경우이다. 비어 드릴링 공정의 상기 특정 예에 있어서, 금속은 해롭지 않고 완전성을 유지하며, 기계 가공 도중에 생성된 잔해는 전도 경로를 차단하지 않고, 비어는 금속 또는 전도체를 완전히 관통하여 드릴링된다.
이와 같은 구조의 예가 도 7에 예시되어 있다. 예로서, 상부 층은 두께 Dx+dz의 결정 실리콘으로 될 수 있고, 그 하측에는 두께 c의 구리층 및 그 하측에 다른 실리콘층으로 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속을 손상시키지 않고 비어를 금속 레벨까지 드릴링 하는 것이 필요하다. 이 경우, 비어는 일반적인 비어 기계 가공 파라미터를 사용하여 깊이 Dx까지 드릴링된다. 금속층을 드릴링하기 위하여, 레이저 파워, 반복 주파수 및 펄스 에너지는 두께 dz를 저속으로 제거하도록 변형될 수 있다. 이로써 과다한 에너지가 전도 금속층 내로 분산되지 않고 금속 박막의 상측에 깨끗한 접촉부가 확실하게 남지 않는다. 또한, 광-활성 부식물 가스 또는.및 다단계 공정으로 상기 기계 가공 공정을 실행함으로써 상기 공정에 도움을 준다.
다른 실시예에 있어서, 하측의 실리콘층을 손상시키지 않고 이 지점에서 구리를 관통하여 드릴링하는 것이 필요하다. 이 경우, 상기 두 단계가 반복된 다음레이저 드릴링 파라미터가 다시 변경되어 하측의 실리콘을 손상시키지 않고 구리를 관통하여 드릴링한다.
또 다른 실시예에 있어서, 반도체 구조는 반도체, 유전체(예를 들면, 폴리머, 석영, 유리) 및/또는 금속 소재로 된 적층 구조일 수 있다. 층에 따라 비어 드릴링 파라미터(펄스 분리, 펄스 에너지, 평균 파워, 레이저 포울 스폿 치수 등)가 다층 구조의 각 층을 관통하는 기계 가공을 확실하게 최적화시키도록 변형된다. 이와 같은 방식으로 파라미터를 변형시킴으로써 적층 분리, 용융 및 잔해와 같은 결함이 확실하게 최소화된다.
비어 깊이 및 형상 제어
반도체를 관통하여 비어를 드릴링할 때, 용융 깊이는 레이저 펄스의 횟수와 대수적으로 증가한다. 이것은 실리콘에 대하여 도 6에 대략적으로 도시되어 있다. 요약하면, 얇은 웨이퍼 내에 비어를 기계 가공하는 것은 두꺼운 웨이퍼에서 보다 기하급수적으로 더 빠르다. 상기 데이터는 비어 드릴링 파라미터가 일정하게 유지되는 경우 사실이다.
상기 관찰의 제2 효과는 마이크로비어의 테이퍼가 비어를 기계 가공하는데 사용된 레이저 파라미터, 구체적으로, 피크 파워 및 평균 파워에 좌우된다는 점이다.
기판의 보다 깊은 지점에서의 소재 제거를 형상시키기 위하여, 보다 높은 피크 파워를 갖는 펄스가 사용되도록 레이저 파라미터를 변형시키는 것이 바람직하다. 상기 방법은 보다 깊은 비어에서 소재가 더욱 효과적으로 제거될 수 있고, 또한 마이크로비어 테이퍼를 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 비어는 웨이퍼의 한쪽으로부터 깊이 d1까지 먼저 기계 가공하고, 웨이퍼의 다른쪽의 비어와 일치시킨 상태로 웨이퍼를 깊이 d2까지 플립하여 형성될 수 있고, 완전한 비어 깊이 d1+d2가 드릴링될 수 있다. 이것은 도 8에 도시되어 있다. 상기 효과는 테이퍼를 제거하고 상부 및 저부 직경이 확실하게 동일하고, 또한 기계 가공 깊이가 보다 얇은 웨이퍼(또는 깊이가 줄어든 비 어)에 대하여 보다 빠를 때, 필요한 펄스의 총 횟수가 한쪽으로부터 드릴링 하는 경우보다 현저하게 줄어 든다는 점이다.
본 발명의 다른 실시예는 원 또는 특정 오프셋을 가진 일련의 동심원으로 빔을 주사하는 것에 관한 것이다. 상기 방법은 파워 밀도가 직접 화소 비어 기계 가공 방법에서 효과적이 될 수 없을 정도로 지나치게 낮은 보다 큰 직경을 갖는 비어에 특히 유용하다. 가스 대기 제어 및 수정 지연을 포함하는 기술을 사용하여 주사된 비어의 비어 품질이 크게 형상된다. 또한, 측벽 형태 및 조성은 상기 방식으로 정확하게 제어될 수 있다. 최종적으로, 깊이방향으로 다중 단계를 사용함으로써, 주사된 비어 테이퍼는 노즐을 형성하도록 제어될 수 있다. 도 9에 상기 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 이것은 순전히 원형 비어에만 한정되는 것은 아니다. 타원형 비어 형상 또한 스캐닝 빔 기계 가공 공정에 가능하다.
경사진 비어 형성
직선 관통 비어 및 블라인드 비어 외에, 본 발명의 다른 실시예는 경사진 비어를 형성하는 것에 관한 것이다. 경사진 비어의 장점은 상면 웨이퍼 범프 연결부를 웨이퍼의 후면으로 이동시키고, 연결에 필요한 상면 영역을 감소시키며, 상면 또는 저면을 미세 기계 가공된 측벽 구조의 에지 지점으로 연결시켜 매입된 소자와 접촉가능하게 할 수 있다는 점을 포함한다.
마이크로-비어를 경사지게 레이저 드릴링하는 논리 접근 방법은 기판을 광축에 대하여 기울어지게 하는 것이다. 실제로는 상기 방법은 렌즈와 작업 표면 사이의 작업 거리를 일정하게 유지하는 것이 곤란하기 때문에 실행이 용이하지 않다. 단지 경사축을 따라서만 상기 거리가 유지될 수 있고, 어느 한쪽이 초점에 더 가깝거나 또는 초점으로부터 더 멀다. 진동하는 동안 틸트는 임의의 바람직한 각도를 공간에 제공하지 않고 비어를 확장시키는 효과를 갖는다.
6" 이상의 웨이퍼에 10°정도의 작은 틸트를 외주에서 26mm로 수직 변위시키고, 10mm 평방 영역에서는 1,74mm의 수직 변위되며, 이것은 가장 긴 스캐닝 렌즈의 초점 깊이의 상당히 외측이다.
이러한 경우에 사용하기 위하여 작업면이 스켄 렌즈로부터 상이하게 상대적으로 보정되도록 시야각도에 걸쳐 자동 재집속이 필요할 수 있다. 이는 기계 가공 사이트의 틸트축으로부터의 거리에 따라 웨이퍼의 수직 위치를 이동시킴으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 비텔레센트릭 렌즈 를 사용하여 경사진 마이크로비어를 형성한다. 이러한 렌즈가 도 10에 도시되어 있다. 렌즈 직경는 D이고 시야각도의 대각선은 L이다. 렌즈가 비원심이기 때문에, 입사되는 빔은 광축과 직교하지 않고(광축을 따라 입사할 때는 제외), 가장 긴 편형각은 아크탄젠트((L-D)/2*WD)인 θ이다. 작업 거리 188mm, 렌즈 직경 90mm 및 시야각도 대각선 140mm인 일반적인 비원심 F-세타 렌즈에 있어서, 최대 편향각은 7.6°이다.
경사진 비어의 이용가능한 범위는 상기 특정 렌즈에 있어서는 0 ~ 7.6°사이이다. 다름 범위의 적당한 렌즈를 사용하여 1 ~ 14°사이로 달성될 수 있다.
이용가능한 각도 범위는 검류계의 주사각 및 렌즈 사양에 의하여 결정된다. 각도를 제어하기 위하여, 빔이 광 시스템의 직각에 대한 각도를 형성하는 대물 필 드 포인트에 대하여 제어될 수 있는 것이 필요하다. 이것은 검류계 및 레이저와 동기화된 X-Y 테이블 위치결정 시스템에 의하여 달성될 수 있다.
비어 드릴링 도중에 변하는 초점
줌 텔레스코프
F-쎄타 렌즈의 정해진 초점 깊이 때문에, 비어 직경은 바람직하지 않을 수 있는 기판을 관통하는 전달 깊이로 변할 수 있다. 이를 해소하기 위하여, 드릴링 공정 도중에 집속된 스폿 위치를 변형시키는 효과를 갖는 변하는 초점 시스템이 사용될 수 있다. 상기 시스템은 스캔 렌즈와 함께 줌 텔레스코프를 사용한다. 텔레스코프는 초점의 스폿 치수를 5 ~ 50㎛ 사이로 자동적으로 조정시킬 수 있다. 광학 구성의 예가 도 11에 개략적으로 도시되어 있다.
텔레스코프 및 스캔 렌즈 시스템은 텔레스코프로부터 빠져 나갈 때 빔의 조준이 스캔 렌즈가 자신의 공칭 작업 거리인 5mm 내의 임의의 위치에 집속되도록 맞추어진다. 이것이 도 12의 그래프에 예시되어 있다. 자동화 및 기계 가공 환경 내에 집적된 소프트웨어 컨트롤로 인하여 상기 방법은 매우 신뢰성이 높고 비어 애스펙트비의 정확한 제어를 유지해야 하는 문제를 정교하게 해소할 수 있다. 검류계/스캔 렌즈 위치를 조정한 다음 비어를 완성함으로써 어떤 방식으로 비어 내로 드릴링하고, 정지시키고, 초점을 수동으로 변경시키는 것보다 현저하게 용이하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 이용가능한 비어 직경은 줌 텔레스코프를 광범위한 치수가 달성될 수 있는 적절한 세팅으로 조정함으로써 5 ~ 200㎛ 사이로 구성될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 드릴링 속도는 줌 텔레스코프를 제품 내의 상이한 초점 위치 근방으로 조준함으로써 증가될 수 있으므로 비어 몸체를 관통하는 스폿 치수가 일정하게 된다.
다단계 공정에 있어서, 비어의 직경은 각 처리 단계에서 조정되어 비어 형상이 정확하게 제어될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 입사 빔은, 텔레스코프의 초점을 흐리게 함으로써, 입사 휘도가 제품에 대한 용융 임계치 이하이지만 세척 임계치보다는 높아비어 입구 근방의 표면을 폭발 세척할 수 있는 정도까지 확대될 수 있다. 이것이 도 13에 도시되어 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 각 비어의 측벽은 저파워의 빔을 비어 내로 향하게 하여 측벽을 가로지르게 함으로써 최종 공정 단계로서 세척될 수 있으므로, 잔해가 제거되고 마무리 면의 품질이 개선된다.
펄스폭, 펄스 에너지 및 반복 속도와 같은 메인 레이저 파라미터를 적절하게 조정함으로써, 빔 치수 및 비어의 테이퍼각의 발산이 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 다단계 공정의 각 단계에서 빔 웨이스트에 대한 웨이퍼의 수직 위치를 제어하는 것이다. 웨이스트에 대한 수직 위치의 변경은 가 단계에서 빔 치수를 변형시키는 효과를 갖는다. 이것은 일정한 빔 직경에 대한 초점면을 제어하는 것과 유사하다.
다음에 본 발명의 특징을 요약한다.
다단계 레이저 기계 가공 공정에 의하여 반도체 및 절연 소재 내에 고품질 의 마이크로비어 구조를 생성한다.
내벽 형상 및 마이크로비어 구조의 소재 조성을 제어할 수 있도록 제어된 가스 분위기에 의하여 반도체 및 절연 소재 내에 고품질의 마이크로비어 구조를 생성한다.
제어된 가스 분위기 및 다단계 레이저 기계 가공 공정 양자 모두에 의하여 반도체 및 절연 소재 내에 고품질의 마이크로비어 구조를 생성한다.
기계 가공 단계마다 레이저 펄스 에너지, 레이저 펄스 분리 및 레이저 펄스 횟수를 광학적, 열적 및 기계적 성질, 레이저 유형 및 기판 내의 깊이에 따라 선택한다.
제어된 양의 산소 또는 산소 함유 가스를 레이저 기계 가공 도중에 가스 반응 쳄버 내에 사용하여 마이크로비어 구조의 내벽 상에 제어된 산화물 성장을 촉진시킨다.
제어된 양의 불활성 가스를 레이저 기계 가공 도중에 가스 반응 쳄버 내에 사용하여 마이크로비어 구조의 내벽 상에 산화물이 성장하는 것을 억제한다.
기계 가공 레이저 빔의 존재 하에 광학적 또는 열적 분리 시, 가스는 기계 가공될 기판의 부식물인 부산물을 생성하므로, 마이크로비어 구조를 세척 기계 가공할 수 있고 마이크로비어 입구 및 출구와 내벽 상에 잔해를 감소시킨다.
레이저 유도 소재 제거 부산물과 당연히 반응하는 가스는 반응물이 퇴적되는 것을 방지한다.
다단계 레이저 기계 가공 공정을 사용하여 기판 소재의 열적 부하를 제어하 므로 내부 마이크로비어 벽을 균열시키고 손상 입힐 수 있는 열적 충격을 방지한다.
100 미크론을 초과하는 직경을 가진 마이크로비어 구조는 일련의 동심원으로 이루어지는 패턴으로 레이저 빔을 주사함으로서 기계 가공된다.
100 미크론 이하의 직경을 가진 마이크로비어 구조는 기판 표면 상의 일정한 위치에 지지된 레이저 빔을 사용하여 기계 가공된다.
레이저 빔의 초점 스폿 치수는 내부 측벽 윤곽이 형성되도록 마이크로비어 구조를 기계 가공하는 도중에 자동화 빔 텔레스코프를 사용하여 변경된다.
마이크로비어 구조의 기계 가공에 이어서, 레이저 빔의 초점 스폿 치수는 마이크로비어 입구 개구를 둘러 싸고 있는 기판 표면 상의 잔해 필드를 레이저로 세척할 수 있도록 증가된다.
레이저 초점 스폿은 자동화 빔 텔레스코프의 조준을 조정함으로써 마이크로비어 구조를 기계 가공하는 도중에 기판 소재를 통해 주사되어 마이크로비어 구조의 내부 측벽 윤곽이 제어된다.
경사진 마이크로비어 구조는 웨이퍼를 빔에 대하여 기울임으로써 예각으로 드릴된다.
일 실시예에 있어서, 마이크로비어는 비텔레센트릭 렌즈 를 사용하여 기판 표면에 대하여 예각으로 드릴되므로, 층으로 된 구성으로 될 수 있고 또한 구성품의 기하학적으로 조밀하게 위치될 수 있다.
일련의 경사진 마이크로비어 구조는 기판 한쪽의 공통 입구 구멍으로부터 내 부 또는 기판의 저면에서 동일하거나 또는 상이한 깊이로 기계 가공되어, 기판의 복수 포인트가 기판 표면 상의 공통 포인트와 전기적으로 연결된 다음 전도 물질이 마이크로비어 구조 내로 삽입될 수 있다.
일련의 경사진 마이크로비어 구조는 기판 한쪽으로부터 기계 가공되어 내부의 공통 포인트 또는 기판의 다른쪽 상으로 연결되므로, 기판 표면 내의 복수의 포인트가 기판 내부 상의 공통 포인트와 전기적으로 연결된 다음 전도 물질이 마이크로비어 구조 내로 삽입될 수 있다.
비어는 기판을 관통하야 드릴되어 기판의 반대쪽을 전기적으로 상호 연결시킨다.
비어는 블라인드 비어 또는 관통 비어로 드릴되어 열적 접촉 및 열 분산을 용이하게 한다.
기판은 실리콘 소재이며 절연 라이닝은 SiO2이다.
레이저 빔은 VIS-US 범위위 파장을 갖는다.
본 발명의 적용예
최근에는 집적 전자 구성품의 생산 면에 있어서 주로 개발되고 있다. 그러나, 도파관 및 광원과 같은 제품 및 검출기의 위치 결정에 대한 기계적인 요구 때문에 광학적 구성품 생산의 자동화가 그렇게 현저하게 달성되지 못하고 있다.
본 발명은 이러한 구성품을 간단하게 제조할 수 있는 장치 구조가 가능하다.
예를 들면 광학 구성품은 다음 단계에 의하여 제조될 수 있다:
기판을 준비하는 단계,
레이저 빔을 사용하여 기판 내에 트렌치를 에칭하는 단계, 및
트렌치 내에 광학 장치를 장착하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 전기 전도체를 제공하도록 비어를 레이저 드릴링하는 추가 단계를 포함한다. 또한, 기판 내의 소자에 액세스를 위하여 기판 표면에 대하여 경사지게 드릴된 경사진 비어를 기계 가공할 수 있으므로 적층 구성품으로 될 수 있다. 이러한 구조의 장점은 웨이퍼 또는 기판 한쪽 상의 복수의 접촉 패드가 웨이퍼 또는 기판 반대쪽 상의 하나의 패드 또는 트렌치에 연결될 수 잇다는 점이다. 전술한 바와 같이, 시스템은 비어 상에 Si/SiO2 또는 다른 절연 라이닝을 형성할 수 있다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 광학 구성품용 기판(101)이 예시되어 있다. 기판은 실리콘 광 벤치(Silicon Optical Bench: SiOB)이다. 기판(101)은 V자 형상의 그루브(102) 및 광원 및 결합된 펠티어 열 제어 소자용의 트렌치(103, 104)를 포함한다. 경사진 마이크로비어(105)는 전기 연결을 위해 트렌치에 도달하도록 레이저로 드릴된다. 또한, 레이저 드릴링을 사용하여 장착 구멍(106)을 형성한다. 또한, 관통 비어(도시되지 않음)가 한쪽으로부터 다른쪽으로 전기적 액세스를 위해 기판을 관통하여 드릴된다.
도면에는, 코어(111) 및 클래딩(112)을 가진 광섬유(10)가 예시되어 있다. 스폿 패턴(116)이 예시된 에칭 공정이 도 17에 예시되어 있다.
경사진 비어를 사용함으로써 구성품이 서로 겹쳐 배치된 층구조의 구성품으 로 될 수 있는 한편, 원하는 전기적 접촉은 여전히 연결될 수 잇다. 이로써 구성품의 밀도가 증가될 수 있다. 기판 표면 상에는 전기 회로를 기판 몸체 내에는 광 소자를 배치하는 것이 한 가지 기술이다.
레이저 비어 드릴링의 양태는 드릴링 파라미터 및 산소와 같은 가스를 적절하게 제어함으로써 절연 라이닝이 본래부터 형성되는 것이다. 따라서, 비어 내에 채워지는 납땜으로 인해 별개의 절연 라이닝을 추가할 필요없이 둘러 싸고 있는 반도체 소재로부터 절연된다. 절연 라이닝의 두께는 레이저 파라미터 및 가스 환경을 적절하게 제어함으로써 제어될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 레이저 빔은 UV 또는 가시, 예를 들어 355nm/266nm UV 시스템 및 532nm 녹색 레이저 시스템이고, 1kHz 이상의 반복 주파수를 갖는다.
도 20 및 도 22를 참조하면, 경사진 비어를 드릴링하는 방법이 예시되어 있다. 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 비텔레센트릭 렌즈를 사용하여 출력을 검류계 레이저 헤드로부터 지향시킨다.
도 22를 참조하면, 다른 방법에서는 틸트 스테이지를 사용하여 적당한 각도로 기울인다. 초점 깊이의 정확도를 확보하기 위하여 웨이퍼의 높이를 조정하는 것이 필요할 수 있다. 그러나, 비어가 형성될 특정 지점 주위로 웨이퍼가 기울어질 수 있는 경우, 이러한 높이 조정은 필요하지 않을 수 있다. 즉, 깊이를 원하는 대로 변경할려면 경사 지점으로부터의 비어의 거리에 비어의 원하는 각도인 90°마이너스 사인을 간단히 곱한다.
도 14 내지 도 18를 다시 참조하면, 입구가 웨이퍼의 상부에 있고 출구는 레 이저가 배치된 쳄버 내에 있는 경사진 비어가 에시되어 있다. 레이저는 자신의 한쪽 상에서 전기적으로 연결될 수 있다. 레이저 하측의 쳄버는 서미스터용으로 형성되고, 전체 시스템은 펠티어 상에 배치된다. 레이저가 쳄버 내에 위치된 다음, 적당한 전기 소재가 트렌치 내에 위치되어 이 전기 소재에 손상을 야기하지 않고 레이저와 안전하고 깨끗한 접촉이 확실하게 이루어진다. '접지' 트렌치가 적당한 전기적 소재를 가진 쳄버의 우측에 위치되어 레이저 칩을 안정되게 유지시키는데 보조할 수 있다.
드릴링 및 에칭용 레이저 소스는 높은 펄스 에너지 및 나노초 펄스폭으로 동작하는 제2 및 보다 상위의 고조파 고체 상태 레이저이다. 본 발명은 보다 짧은 펄스폭 레이저로 구현될 수 있지만 본 발명의 가장 바람직한 양태는 레이저가 높은 반복 속도로 동작해야 하는 것이다.
본 발명의 바람직한 특징은 다음과 같다.
예를 들어 Nd:Yag 주파수 3배 또는 4배 레이저를 사용하는 레이저 용융에 의하여 광섬유 정렬을 위하여 사용되는 V자형 그루브를 집적 광 칩(integrated optical chip: IOC) 상에 형성한다. SiOB가 기판인 경우, 355nm 및 266nm이 특히유용하다. LiNbO3 및 절연 기판에 266nm(또는 제4 고조파)이 사용되는 경우, 레이저가 바람직한 옵션이다.
레이저 용융에 의한, 정렬 용도의 구성품 슬롯 또는 트렌치 및/또는 예를 들어 레이저 다이오드 칩 또는 광다이오드 칩의 하우징을 형성한 것이 블라인드 비어의 예이다.
집적 광 칩(IOC) 상에 레이저 용융에 의하여 관통 비어를 형성함으로써 웨이퍼의 한쪽으로부터 다른쪽으로 전기적으로 접촉될 수 있다.
레이저 용융에 의하여, 일반적으로 비어가 웨이퍼의 상부(또는 저부 도는 측면)에서 시작하여 트렌치에서 빠져 나가 트렌치에 위치될 특정의 구성품에 정밀하게 전기적으로 연결될 수 있는 경사진 관통 비어가 형성된다. 실리콘의 경우, 특정 세트의 레이저 파라미터로, 비어 측벽 조성은 실리콘 이산화물과 같은 유리로 구성되도록 제어될 수 있다. 상기 산화물의 조성 및 구조는 가스의 유무 상태 및 레이저 파라미터에 의하여 더 제어될 수 있다. 예를 들면 용융 반응으로부터 산소를 제거함으로써 SiO2양이 감소된다,
다른 실시예에 있어서, 마이크로비어는 연결부를 통해 광 도파관을 형성할 수 있다. 도파관 구조는 클래딩 및 코어 영역에 의하여 형성된다. 상기 예에서, 클래딩은 레이저 기계 가공 파라미터 및 가스 환경의 제어에 의하여 부분적으로 형성되므로 유리같은 층이 내부 비어 측벽 상에 형성된다. 광 도파관은 비어를 과광 도파관 관통 비어를 형성하도록 충분하게 높은 전도성을 갖는 적당한 플라스틱 또는 유리 소재로 채워 형성될 수 있다.
본 발명의 적용예
경사진 비어는, 특히 동일한 쪽 상에 활성 장치 및 패드를 갖고 패드 및 활성 장치에 의하여 이용되는 유용한 다이 면적을 갖는 다이인 경우, 다이의 치수를 줄이는데 유용할 수 있다. 이것은 장치가 적은 수의 입출력 연결부를 갖는 경우에 특히 관계가 있지만, 다이의 에지가 대부분의 패드(에지-리드 다이)를 포함하는 다 수의 입출력 연결부를 갖는 다이에도 여전히 관계가 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 장치는 다이면 상의 대략 중앙 위치되어 다이의 한쪽 상에 존재할 수 있다(도 23 참조). 상기 장치 가스에 입출력부가 분포된다. 비어는 장치 상의 접촉 위치로부터 일련의 패드로 드릴된다. 도 23(A)에서와 같이 장치로부터 다이의 에지를 향하여 외측으로 연장되는 패드를 사용하는 대신, 비어는 금속화되고(그렇지 않으면 전도 패드 내에 제조됨), 패드는 도 23(B)에서와 같이 다이의 후면 상에 형성된다. 비어의 각도는 입출력부를 다이 후측의 중앙에 항상 위치시킬 수 있으므로, 다이의 후측 표면에 균일하게 분포될 수 있다.
장치는 웨이퍼의 전면 상의 유일한 특징부이고, 다이 치수는 현저하게 감소된다(접합 밴드에 의하여 미리 들러 올려진 영역에 의함). 이것은 다이 및 패키지 치수를 보다 작게 할 수 있을 뿐만 아니라 웨이퍼 제조 도중에 동일한 웨이퍼 상에 보다 많은 다이를 형성시킬 수 있다. 이들 장점 중 첫번째 장점은 제품 특징부의 이점(치수가 보다 작은 다이, 최종 장치에서 물질의 낭비 감소)이고, 물질이 적게 낭비된다는 것은 이들 장치를 제조(동일한 개수의 다이가 보다 적은 개수의 웨이퍼 상에 제조될 수 있다)하기 위하여 웨이퍼 제조 시 발생되는 제조 비용을 상당히 감소시킬 수 있다.
상기 예를 구현하는 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 비어는 특히 활성 장치로부터의 입출력 연결부 개수가 적은 경우 경사질 필요는 없다. 이 경우, 직선 비어는 장치의 접촉 위치로부터 다이의 후측 상에 위치된 패드까지 관통해서 기계 가공될 수 있다. 다이의 에지에 있는 비어는 다이의 중앙을 향하여 패턴을 가질 수 있는 다이 저부 상의 패드로 연결되므로, 활성 장치의 접지면을 다이의 상부로부터 저부로 유지할 수 있어 웨이퍼의 전면 상에 활성 장치의 개수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 경사진 비어는 입출력 연결부를 다이 상에 재분포시키는데 유용할 수 있다. 일반적인 범프식 다이에 있어서, 입출력 연결부중 대략 제3 연결부는 전원 또는 접지 중 어느 하나의 용도이다. 이들 리드선이 패키지로부터 빠져 나갈 때, 모든 접지는 함께 연결되고 모든 전원선도 또한 연결된다. 단지 신호선만 연결되지 않은 상태로 남는다. 따라서, 경사진 비어는 새로은 접근 방법이 될 수 있다. 접지선 및/또는 전원선은 웨이퍼가 후면 상에 범프될 때 패드 자체에 연결될 수 있다. 상기 기술에 있어서, 경사진 비어는 궤도의 평면 구성품에 대하여 범프로부터 상이한 방향으로 향할 수 있다(도 24 참조). 따라서, 웨이퍼 후면 상의 범프 하나는 웨이퍼 전면 상의 복수의 접촉점에 연결될 수 있다(예를 들면, 4개의 접지 접촉부마다 하나의 패드가 가능하다).
본 발명은 전술한 실시예에만 한정되지 않고 여러 가지 구성 및 상세로 변형될 수 있다.

Claims (83)

  1. 레이저 빔(13)을 발생시키는 레이저 소스,
    기계 가공 위치에서 기판(16)에 비어(via)를 기계 가공하기 위하여 상기 레이저 빔을 상기 기판에 전달하는 빔 전달 시스템(11, 12),
    상기 레이저 빔의 펄스 파라미터를 제어하는 펄스 제어 수단, 및
    상기 기계 가공 위치 주위에 제어된 가스 분위기를 제공하는 수단을 포함하는 가스 취급 시스템(15, 17, 18)
    을 포함하는 레이저 비어 기계 가공 시스템에 있어서,
    상기 펄스 제어 수단은, 기계 가공될 기판의 광학적, 열적, 및 기계적 성질에 따라 레이저 펄스 에너지, 레이저 펄스 분리, 및 상기 레이저 빔의 펄스 횟수를 제어하는 수단을 포함하는
    것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은, 상기 비어의 라이닝으로서 산화물 성장을 제어 또는 방지 또는 촉진하도록 상기 가스 분위기 내의 산소 비율을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은, 상기 비어의 라이닝으로서 질화물 성장을 제어 또는 방지하도록 상기 가스 분위기 내의 질소 비율을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은 상기 가스 분위기 내에 제어된 양의 불활성 가스를 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은 상기 기판의 부식물 또는 반응물을 제공하도록, 상기 레이저 빔의 존재 하에 해리되는 가스를 상기 가스 분위기 내로 주입하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은 상기 비어의 기계 가공된 청정 벽이 달성되도록 상기 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은 상기 비어의 기계 가공된 벽에서 원하는 평탄성을 달성하기 위해 상기 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은 상기 기계 가공 위치 및 장소로부터 잔해 제거를 개선시키거나 또는 발생되는 잔해의 양이 감소되도록 상기 가스 분위기를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 제어 수단은 상기 기판에 열손상이 최소화되도록 펄싱 파라미터를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펄스 펄스 제어 수단은 시간적으로 균등하게 이격되지 않는 레이저 펄스를 제공하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 비텔레센트릭 렌즈(non-telecentric lens), 및 경사진 비어를 드릴링하도록 법선에 대해 일정 각도로 상기 렌즈를 관통하여 상기 레이저 빔을 전달하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 상기 경사진 비어의 경사도를 설정하도록 경사진 비어 입구 개구부가 빔 광축으로부터 떨어진 거리를 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 레이저 빔 파라미터를 현재의 비어 깊이의 함수로 동적으로 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 상기 기판의 소재에 따라 레이저 빔 파라미터를 임의의 특정 기계 가공 깊이로 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 원하는 비어 형상을 달성하도록 레이저 빔 기계 가공 깊이에 대한 파라미터를 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 상기 빔 전달 시스템은 블라인드 비어가 드릴링되도록 상기 레이저 빔 파라미터를 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 상기 기판의 입구점 및 출구점에 제어된 비어 직경이 달성되도록 레이저 빔 깊이에 대한 파라미터를 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 펄스 제어 수단은, 레이저 펄스 반복률, 펄스 에너지, 및 펄스 피크 파워를 변경시킴으로써 입구 개구와 출구 지점 사이의 테이퍼 경사도를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 내부 비어 형상을 제어하도록 초점 스폿 치수를 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 망원경, 및 원하는 비어 형상을 제공하기 위해 빔 직경, 초점면, 및 초점 깊이를 설정하거나 또는 동적으로 변경시키도록 상기 망원경을 조정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 복수의 패스(pass)로 상기 기판을 기계 가공하는 수단을 포함하되, 각 패스는 일정한 소재 제거의 비율로 일정한 단계까지 기계 가공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 패스들 사이에서 상기 망원경을 조정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 비어를 드릴링한 후 상기 비어를 둘러 싸는 상기 기판의 표면 상의 잔해를 레이저로 클리닝하도록 레이저 빔 초점 스폿 치수를 확대시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템 및 상기 펄스 제어 수단은, 반도체 기판에 드릴링된 비어 내에 제어된 절연 라이닝이 제공되도록 상기 가스 분위기 및 레이저 펄싱을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 기판은 Si 소재이고, 상기 라이닝은 SiO2인 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은 밀봉된 쳄버(15), 상기 쳄버 내로 가스를 전달하는 수단(17), 및 상기 쳄버로부터 가스를 펌핑하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 쳄버는 상기 레이저 빔(13)에 대하여 투명한 창(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은 가스 잔해가 제거되도록 할로겐화된 가스를 상기 가스 분위기에 전달하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은 가스질 형태 및 미립자 형태 양자 모두의 잔해가 제거되도록 가스 흐름을 제어하는 수단(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 기판을 플립(flip)하는 수단을 더 포함하고, 상기 빔 전달 시스템은 관통 비어가 완성되도록 대향하는 기판 표면에 일치되는 위치에서 드릴링하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 제어 수단 및 상기 가스 취급 시스템은 전기 절연체로 사용될 라이닝을 갖는 비어가 드릴링되도록 빔 펄스 파라미터 및 상기 가스 분위기를 각각 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 제어 수단 및 상기 가스 취급 시스템은 광 도파관 클래딩으로 사용될 라이닝을 갖는 비어가 드릴링되도록 빔 펄스 파라미터 및 상기 가스 분위기를 각각 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  33. 제1항에 따른 레이저 기계 가공 시스템에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 복수의 기계 가공 위치에서 상기 기판을 미완성된 단계까지 기계 가공하고, 적어도 한 번의 후속 패스 내의 상기 위치에서 기계 가공을 수행하는 수단을 구비함으로써, 1개의 패스 안에서 다른 위치가 가공되는 동안 임의의 하나의 위치에서 기계 가공 사이에 지연(delay)이 있는
    것을 특징으로 하는 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 특정 패스의 기판 층 소재에 따라 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 기계 가공 위치에서의 원하는 기판 형상에 따라 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 변경시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 기판의 열 손상이 최소화되도록 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  38. 제34항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 잔해 퇴적이 감소되도록 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  39. 제34항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 상기 기계 가공 위치에서 원하는 비어 형상이 달성되도록 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  40. 제34항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 상기 기판 내에 복수의 비어가 드릴링되도록 패스 사이에서 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  41. 제1항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 상기 기판을 기계 가공하고 상기 기계 가공 위치에 전기적 절연성의 상기 비어의 라이닝을 형성하도록 빔 전달 파라미터를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  42. 제33항에 있어서,
    상기 가스 분위기의 파라미터가 후속 패스 사이에서 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 가스 취급 시스템은, 상기 기계 가공 위치에 상기 비어의 절연 라이닝을 형성하기 위해, 일회의 패스에 비주변(non-ambient) 가스로 또는 비주변 가스없이 상기 기판의 기계 가공 위치에 형성부를 기계 가공하고, 비주면 가스 분위기로 후속 패스에서 상기 기계 가공 위치에서 기계 가공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  44. 제1항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은, 경사진 비어가 드릴링되도록 펄스화된 레이저 빔을 일정한 각도로 기판에 전달하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
    시스템.
  45. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 소스는 고체 상태 다이오드 펌핑된 레이저인 것을 특징으로 하는 시스템.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 레이저 소스는 주파수 증배형 고체 상태 레이저인 것을 특징으로 하는 시스템.
  47. 제45항에 있어서,
    상기 레이저는 레이저 매체가 호스트(Host):불순물(Impurity) 유형인 고체 상태 레이저이고, 상기 호스트는 YAG, YLF, 또는 바나테이트(Vanadate)인 것을 특징으로 하는 시스템.
  48. 제45항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 레이저 반복 주파수는 1kHz ~ 200kHz 범위인 것을 특징으로 하는 시스템.
  49. 제45항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 레이저 펄스폭은 200나노초 이하인 것을 특징으로 하는 시스템.
  50. 제45항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 레이저 펄스폭은 10나노초 이하인 것을 특징으로 하는 시스템.
  51. a) 기계 가공 위치에서 기판(16)에 펄스화된 레이저 빔(13)을 전달하는 단계,
    b) 상기 레이저 빔의 펄스 파라미터를 제어하는 단계, 및
    c) 상기 기계 가공 위치 주위에 제어된 가스 분위기를 제공하는 단계
    를 포함하는 레이저 비어 기계 가공 방법에 있어서,
    레이저 펄스 에너지, 레이저 펄스 분리, 및 상기 레이저 빔의 펄스 횟수는 기계 가공될 기판의 광학적, 열적, 및 기계적 성질에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 가스 분위기 내의 산소 및 질소 농도는 산화물 또는 질화물이 비어 라이닝으로 성장하는 것을 제어 또는 방지하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제51항에 있어서,
    제어된 양의 불활성 가스가 상기 가스 분위기 내로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제51항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 존재 하에 해리되는 가스가 상기 가스 분위기 내로 주입되고, 상기 해리된 가스는 상기 기판을 에칭하는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제51항에 있어서,
    레이저 빔 파라미터는 현재의 비어 깊이의 함수로 동적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제51항에 있어서,
    상기 레이저 빔 및 상기 가스 분위기는 전기적 절연성 라이닝을 제공하도록 제어되고, 상기 방법은 상기 기판 내에 전기 전도체가 제공되도록 상기 비어를 전기적 전도성 소재로 충전하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 제51항에 있어서,
    상기 레이저 빔 및 상기 가스 분위기는 광학적으로 불투명한 라이닝을 제공하도록 제어되고, 상기 방법은 상기 기판 내에 클래딩으로서 상기 라이닝을 갖는 광 도파관이 제공되도록 상기 비어를 광 투과성 소재로 충전하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 제51항에 있어서,
    상기 레이저 빔 및 상기 가스 분위기는 열 전도성 통로를 제공하도록 제어되고, 상기 방법은 상기 기판 내에 열 전도성 통로가 제공되도록 상기 비어를 열 전도성 소재로 충전하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  59. 제58항에 있어서,
    상기 비어 내의 상기 열 전도성 소재에 히트 싱크를 연결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제51항에 있어서,
    상기 빔은 일회의 패스로 복수의 위치에서 상기 기판을 기계 가공한 다음, 적어도 일회의 후속 패스로 동일 위치에서 드릴링하여 각 위치에서의 기계 가공이 완료되도록 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제60항에 있어서,
    비어가 각각의 위치에 드릴링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. 제51항에 있어서,
    빔 전달은 각 위치에서 비어를 기계 가공하고, 각 위치에서 상기 비어의 기판 벽 상에 전기적으로 절연성의 라이닝을 제공하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  63. 제62항에 있어서,
    제어된 가스 분위기가 상기 기계 가공 위치에 제공되어 제어된 방식으로 상기 비어의 라이닝의 성장을 보조하는 것을 특징으로 하는 방법.
  64. 제60항에 있어서,
    상기 가스 및 가스 파라미터는 후속 패스 사이에서 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  65. 제51항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 경사진 비어가 드릴링되도록 일정한 각도로 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
  66. 제65항에 있어서,
    상기 경사진 비어는 상기 기판 내의 층을 상호 연결하도록 드릴링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  67. 제65항에 있어서,
    상기 경사진 비어는 상기 기판 상에 장착된 구성부품의 리드선과 일치하도록 드릴링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  68. 제65항에 있어서,
    상호 연결되는 복수의 경사진 비어가 드릴링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  69. 제68항에 있어서,
    상기 경사진 비어는 상기 기판 표면에서 상호 연결되도록 드릴링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  70. 제68항에 있어서,
    상기 경사진 비어는 상기 기판 내부에서 상호 연결되고, 기판 표면 내에 별개의 개구부를 각각 갖도록 드릴링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  71. 제51항에 있어서,
    열 전도체가 제공되도록 상기 비어를 열적으로 전도성인 소재로 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  72. 제71항에 있어서,
    상기 레이저 기계 가공 방법은 히트 싱크를 열적으로 전도성인 소재에 연결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  73. 제72항에 있어서,
    상기 비어에 인접하는 제2 비어를 드릴링하고, 상기 제2 비어를 전기적으로 전도성인 소재로 충전하며, 전기 구성부품을 상기 전기적으로 전도성인 소재에 연결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  74. 제51항에 있어서,
    상기 비어는 블라인드 비어인 것을 특징으로 하는 방법.
  75. 제65항에 있어서,
    기판 한쪽의 복수의 비어 접촉점이 상기 기판 다른쪽의 하나의 접촉점으로 될 수 있는 형상으로 경사진 비어가 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  76. 제75항에 있어서,
    복수의 파워 입출력 또는 복수의 접지 입출력이 감소된 개수의 입출력으로 통합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  77. 제75항에 있어서,
    연결 패드가 다이의 배면 상에 위치되도록 하여 경사진 비어가 소자의 설계된 치수를 감소시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  78. 제51항에 있어서,
    상기 레이저 소스가 고체 상태 다이오드 펌핑된 레이저인 것을 특징으로 하는 방법.
  79. 제78항에 있어서,
    상기 레이저는 주파수 증배형 고체 상태 레이저인 것을 특징으로 하는 방법.
  80. 제78항에 있어서,
    상기 레이저는 레이저 매체가 호스트(Host):불순물(Impurity) 유형인 고체 상태 레이저이고, 상기 호스트는 YAG, YLF, 또는 바나데이트(Vanadate)인 것을 특징으로 하는 방법.
  81. 제78항에 있어서,
    상기 레이저의 반복 주파수는 1kHz ~ 200kHz 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  82. 제78항에 있어서,
    상기 레이저의 펄스폭은 200나노초 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  83. 제78항에 있어서,
    상기 레이저의 펄스폭은 10나노초 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
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