KR20060099517A - 국부적으로 가열된 대상 물질의 레이저 처리 - Google Patents

국부적으로 가열된 대상 물질의 레이저 처리 Download PDF

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류 진짜오
리차드 에스. 해리스
프라딥 스브라만얀
로버트 에프. 헤인지
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Abstract

방법과 레이저 시스템은 소재의 온도를 증가시키면서 크기의 안정성을 유지하기 위해 소재 상의 대상 위치(16)에 광빔(28) 형태의 가열 에너지를 가함으로써 소재(20)로부터 재료의 신속한 제거를 수행한다. 소재의 대상 부분이 가열될 때, 레이저 빔(12)은 상기 가열된 대상 위치 상에 입사를 위해 유도된다. 상기 레이저 빔은 소재로부터 상기 재료의 제거를 수행하기에 적합한 처리 레이저 출력을 가지는 것이 바람직하다. 상기 처리 레이저 출력과 상기 가열 에너지를 결합하여 대상 위치에 입사하면 상기 처리 레이저 출력을 통해 상기 대상 재료가 가열되지 않았을 때 달성가능한 재료 제거 속도보다 높은 재료 제거 속도로 대상 재료의 일부를 제거하는 것이 가능해 진다.

Description

국부적으로 가열된 대상 물질의 레이저 처리{LASER PROCESSING OF A LOCALLY HEATED TARGET MATERIAL}
본 발명은 국부적으로 가열된 소재의 레이저 처리, 특히, 대상 물질 제거 속도와 소재 처리 속도(workpiece throughput rate)의 증가를 수행하기 위한 소재 상의 대상 위치의 온도를 증가시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
레이저 처리는 다양한 프로세스를 수행하는 다양한 레이저를 사용한 다수의 다른 소재 상에 수행될 수 있다. 본 발명에 대한 중요한 특정 유형의 레이저 처리는 홀 및/또는 비어 형성을 수행하기 위한 단층 또는 다층 소재의 레이저 처리 그리고 웨이퍼 다이싱(wafer dicing)을 수행하기 위한 및 반도체의 레이저 처리이다.
다층 소재에서 레이저 처리 비어 및/또는 홀에 관해, Owen 등의 미국 특허 제 5,593,606 및 5,841,099는 다른 재료 형태의 2개 이상의 층에 다층 디바이스 스루홀(through hole) 또는 블라인드 비어(blind vias)에 형성하기 위해 설정된 펄스 파라미터를 특징으로 하는 레이저 출력 펄스를 생성하기 위한 UV 레이저 시스템을 작동하는 방법을 설명한다. 레이저 시스템은 200Hz 이상의 펄스 반복 속도에서, 100ns 미만의 시간 펄스 폭을 가지는 레이저 출력 펄스를 발산하는 넌엑시머(nonexcimer) 레이저와, 100㎛ 미만의 직경을 가지는 스폿 영역 및 스폿 영역 위에 100mW 이상의 평균 강도 또는 조사(irradiance)를 포함한다. 확인된 바람직한 넌엑시머 UV 레이저는 다이오드-펌핑된(diode-pumped), 고체(DPSS) 레이저이다.
Dunsky 등의 출원된 미국 특허 출원 US/2002/0185474는, 다층 디바이스의 절연층 내의 블라인드 비어를 형성하는 레이저 출력 펄스를 생성하기 위한 펄싱된 CO2 레이저 시스템을 작동하는 방법을 설명한다. 레이저 시스템은, 200Hz 이상의 펄스 반복 비율에서, 200ns 미만의 시간 펄스 폭을 가지는 레이저 출력 펄스와 50㎛ 및 300㎛ 사이의 직경을 가지는 스폿 영역을 발산한다.
대상 물질의 레이저 제거는, 특히 UV DPSS 레이저가 사용될 때, 대상 재료의 제거 임계값보다 큰 플루언스(fluence) 또는 에너지 밀도를 가지는 대상 물질을 향한 레이저 출력에 의존한다. UV 레이저는 1/e2 직경에서 대략 10㎛과 대략 30㎛ 사이의 스폿 크기를 가지도록 집속될 수 있는 레이저 출력을 발산한다. 특정 예에서, 이 스폿 크기는 원하는 비어 직경이 대략 50㎛에서 300㎛ 사이일 때와 같이, 원하는 비어 직경보다 작다. 스폿 크기의 직경은 비어의 원하는 직경과 같은 직경을 가지도록 확대될 수 있지만, 이러한 확대는 대상 재료의 제거 임계보다 작고 대상 재료 제거를 수행할 수 없도록 레이저 출력의 에너지 밀도를 감소시킨다. 결과적으로, 10㎛ 내지 30㎛의 집속된 스폿 크기가 사용되고 집속된 레이저 출력은 일반적으로 원하는 직경을 가지는 비어를 형성하기 위해, 나선형, 동심원형, 또는 "트레판(trepan)" 패턴으로 이동된다. 나선형, 트레판형, 및 동심원형의 처리는 소위 비-천공(non-punching) 비어 형성 공정의 유형이다. 대략 50㎛ 또는 더 작은 비어 직 경의 경우, 직접적인 천공은 더 높은 비어 형성 처리를 가져온다.
대조적으로, 펄싱된 CO2 레이저의 출력은 일반적으로 50㎛ 보다 크며 종래 기술의 대상 재료 상에 50㎛ 또는 더 큰 직경을 가지는 비어의 형성을 수행하기에 충분한 에너지 밀도를 유지할 수 있다. 결과적으로, 천공 공정은 일반적으로 비어 형성을 수행하기 위해 CO2 레이저를 사용할 때 이용된다. 그러나, 50㎛ 미만의 스폿 영역 직경을 가지는 비어는 CO2 레이저를 사용하여 형성될 수 없다.
CO2 파장에서 구리의 높은 반사도는 대략 5 미크론 이상의 두께의 구리 판에 CO2 레이저를 사용하여 스루홀 비어를 형성하는 과정을 매우 어렵게 만든다. 따라서 CO2 레이저는 일반적으로 대략 3 미크론과 대략 5 미크론 사이의 두께이거나 CO2 레이저 에너지의 흡수를 강화시키기 위해 표면 처리된 구리 판에만 있는 스루홀 비어를 형성하는데 사용될 수 있다.
비어가 형성된 PCB와 전자 패키징(packaging) 디바이스를 위한 다층 구조를 만드는데 사용된 가장 일반적인 재료는 일반적으로 금속(예, 구리)과 절연 물질(예, 폴리머, 폴리이미드, 레진 또는 FR-4)을 포함한다. UV 파장에서 레이저 에너지는 UV 레이저가 구리 판과 절연 물질 상에 비어 형성을 쉽게 수행할 수 있도록, 금속과 절연 물질과의 양호한 결합 효율성을 보여준다. 또한, 폴리머 물질의 UV 레이저 처리는 결합된 광-화학 및 광-열 처리로 널리 간주되며, 이 처리중에 UV 레이저 출력은 광자-여기된(photon-excited) 화학 반응을 통해 분자 결합을 해제시킴으로 써 폴리머 물질을 부분적으로 제거하며, 이에 따라 절연 물질이 더 긴 레이저 파장에 노출될 때 발생하는 광-열 처리에 비해 우수한 처리 품질을 가져온다. 이러한 이유로 인해, 고체 UV 레이저는 이들 재료를 처리하기에 바람직한 레이저 소스이다.
절연체와 금속 재료의 CO2 레이저 처리 및 금속의 UV 레이저 처리는 주로 광-열 공정이며, 이 공정에서 절연 물질 또는 금속 물질은 레이저 에너지를 흡수하며, 이 물질의 온도를 증가하도록, 물질이 부드러워지게 하거나 용해되어, 결국 제거되거나, 증발 또는 날아가도록 한다. 제거 속도 및 비어 형성 처리량은 소정의 유형의 물질의 경우, 레이저 에너지 밀도(스폿 크기(cm2)로 나누어진 레이저 에너지(J)), 전력 밀도(펄스폭(초)에 의해 나누어진 스폿 크기(cm2)로 나누어진 레이저 에너지(J)), 레이저 파장, 및 펄스 반복 속도의 함수이다.
따라서 예컨대, PCB 또는 다른 전자 패키징 디바이스 상의 비어 형성 또는 금속 또는 다른 재료 상의 홀 형성(drilling)과 같은, 레이저 처리량(processing throughput)은 빔 위치 결정기가 나선형, 동심원형, 또는 트레판형으로 그리고 비어 위치 사이에서 레이저 출력을 이동시킬 수 있는 속도뿐만 아니라 이용가능한 레이저 전력 강도 및 펄스 반복 속도에 의해 제한된다. UV DPSS 레이저의 일례에는 캘리포니아, 마운틴 뷰 소재의, 라이트웨이브 일렉트로닉스(Lightwave Electronics)가 판매하는 모델 LWE Q302(355nm)이다. 이 레이저는 본 특허 출원의 양수인(assignee)인, 오리건 주, 포트랜드, 일렉트로-사이언티픽 인더스트리즈 주 식회사가 제조한 모델 5310 레이저 시스템 또는 이 제품군의 다른 시스템에 사용된다. 이 레이저는 30Hz의 펄스 반복 속도에서 UV 전력 8W를 전송할 수 있다. 이 레이저와 시스템의 전형적인 비어 형성 처리량은 순수 레진(bare resin) 상에서 매초 대략 600개의 비어이다. 펄싱된 CO2 레이저의 일례로는 커네티컷 주의 블룸필드에 소재한, 코히어런트-DEOS 사가 판매하는 모델 Q3000(9.3㎛)이다. 이 레이저는 일렉트로-사이언티픽 인더스트리즈 주식회사가 제조한 모델 5385 레이저 시스템 또는 이 제품군의 다른 시스템에 사용된다. 이 레이저는 60kHz의 펄스 반복 속도에서 레이저 전력 18W를 전송할 수 있다. 이 레이저 및 시스템의 전형적인 비어 형성 처리량은 순수 레진 상에서 매초 대략 1000개의 비어이며 FR-4 상에서 매초 250-300개의 비어이다.
증가된 비어 형성 처리량은 펄스 당 레이저 에너지와 펄스 반복 속도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 그러나, UV DPSS 레이저와 펄싱된 CO2 레이저에 대해, 펄스 당 레이저 에너지와 펄스 반복 속도가 증가될 수 있는 양에서 나온 실제적 문제점이 존재한다. 게다가, 펄스 당 레이저 에너지가 증가함에 따라, 레이저 공진기(resonator) 내부와 외부의 광학 성분에 손상 위험이 증가한다. 이들 광학 성분에 대한 손상을 복구하는 것은 특히 시간이 소요되며 비용을 초래한다. 게다가, 펄스당 높은 레이저 에너지 또는 높은 펄스 반복 속도에서 작동할 수 있는 레이저는 종종 엄청나게 비싸다.
반도체 웨이퍼의 다이싱에 대해, 기계적 톱질이나 레이저 다이싱과 같은 다 이싱을 수행하는 두 가지 일반적인 방법이 존재한다. 기계적 톱질은 일반적으로 대략 100 미크론 이상의 폭을 지니는 스트릿(street)을 형성하기 위해 대략 150 미크론 이상의 두께의 웨이퍼를 다이싱하기 위한 다이아몬드 톱의 사용을 수반한다. 대략 100 미크론 이하의 두께를 지니는 웨이퍼를 기계적으로 톱질하면 웨이퍼가 갈라지게 된다.
레이저 다이싱은 일반적으로 펄싱된 IR, 녹색 또는 UV 레이저를 사용하여 반도체 웨이퍼를 다이싱하는 것을 수반한다. 레이저 다이싱은, UV 레이저를 사용할 때, 대략 50 미크론으로 스트릿의 폭을 감소시키는 능력, 곡선(curved trajectory)을 따라 웨이퍼를 다이싱하는 능력 및 기계적 톱질을 사용하여 다이싱될 수 있는 것보다 더 얇은 실리콘 웨이퍼를 효과적으로 다이싱하는 능력과 같이, 반도체 웨이퍼를 기계적으로 톱질하는 것에 대한 다양한 이점을 제공한다. 예컨대, 대략 75 미크론의 두께를 지니는 실리콘 웨이퍼는 대략 8W의 전력으로 작동되는 DPSS UV 레이저로, 그리고 대략 35 미크론의 폭의 커프(kerf)를 형성하기 위해 120mm/sec의 다이싱 속도에서 대략 30kHz의 반복 속도로 다이싱될 수 있다. 그러나, 레이저 다이싱 반도체 웨이퍼의 한 가지 단점은 파편과 용재의 형성이며, 이들이 웨이퍼에 붙으면 제거하기 어렵다. 레이저 다이싱 반도체 웨이퍼의 다른 단점은 소재 처리량 속도가 레이저의 전력 기능에 의해 제한된다는 것이다.
그러므로, UV, 녹색, IR, 및 CO2 레이저를 사용하여 비어 및/또는 홀의 형성을 수행하고, UV, 녹색, IR 레이저를 사용하여, 효과적이고 정확하게 반도체 웨이 퍼를 다이싱하기 위해 처리량의 높은 속도로 소재의 고속 레이저 처리를 수행하기 위한 방법 및 레이저 시스템이 필요하다.
본 발명의 목적은, 그러므로, 재료 제거 및 소재 처리량의 속도가 증가되고 공정 품질이 개선되도록 (1) 단층 및 다층 소재 내의 레이저 처리 비어 및/또는 홀 그리고 (2) 다이싱 반도체 웨이퍼의 속도 및/또는 효율성을 개선하기 위한 방법 및 레이저 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 방법과 레이저 시스템은 소재로부터 재료의 신속한 제거를 행한다. 본 발명의 방법은 소재의 온도를 증가시키면서 실질적으로 그 크기의 안정성을 유지하기 위해 광 빔의 형태의 가열 에너지를 소재 상의 대상 위치에 가하는 단계를 포함한다. 소재의 대상 부분이 가열되면, 레이저 빔은 가열된 대상 위치로 입사(incidence)를 위해 유도된다. 레이저 빔은 다음 요소가 결합되어 소재로부터 대상 물질을 제거하기에 적합한, 파장, 빔 스폿 크기, 펄스 당 에너지, 펄스 폭 및 펄스 반복 속도를 특징으로 하는 처리 레이저 출력을 가지는 것이 바람직하다. 처리 레이저 출력 및 대상 위치 상의 가열 에너지의 결합된 입사를 통해 처리 레이저 출력이 대상 재료가 가열되지 않았을 때 달성가능한 재료 제거 속도보다 높은 재료 제거 속도에서 대상 재료의 일부를 제거할 수 있게 한다.
본 발명의 제 1 바람직한 실시예는 (1) 국부적으로 대상 위치를 가열하기 위해 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 발광 다이오드 어레이, IR 레이저, 섬유 레이저, UV 레이저, CO2 레이저 또는 이들의 결합 중 한 가지를 사용하는 단계, 및 (2) 대상 물질상의 입사로써 홀 또는 비어를 형성하기 위한 대상 위치 재료의 제거를 수행하는 처리 레이저 출력을 발산하기 위해 UV 레이저, IR 레이저, 녹색 레이저 및 CO2 레이저 중 한 가지를 사용하는 단계를 포함한다. 비어는 블라인드 비어이거나 스루-홀 비어가 될 수 있다. 처리 레이저 출력은 IR, UV 또는 녹색 광 스펙트럼 중 한 가지에서 파장을 가지는 고체 레이저에 의해 발산되는 것이 바람직하다. 대안적인 바람직한 구현예에서, 처리 레이저 출력은 대략 9.2 미크론 및 대략 10.6 미크론 사이의 파장을 가지는 CO2 레이저에 의해 발산된다.
본 발명의 제 2 바람직한 실시예는 (1) 대상 위치를 국부적으로 가열하기 위해, 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 고체 레이저, 섬유 레이저, 발광 다이오드 어레이 또는 이들의 결합 중 한 가지를 사용하는 단계, 및 (2) 반도체 웨이퍼 소재를 다이싱하기 위해, 대상 재료 상의 그 입사를 통해 대상 위치 재료의 제거를 수행하는 처리 레이저 출력을 발산하기 위한, UV 레이저, 녹색 레이저 또는 IR 레이저 중 한 가지를 사용하는 단계를 포함한다. 처리 레이저 출력은 대략 200nm과 1600nm 사이의 파장을 가지는 모드가 잠기거나(mode-locked) Q-스위칭된(Q-switched) 고체 레이저에 의해 발산되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 가열 소스는 연속 모드(CW; continuous mode)이거나 의사-연속 모드이다. 상대적으로 낮은 강도 출력과 함께, 가열 소스는 물질을 가열하기 위해서만 사용되는 반면, 처리 레이저는, 더 높은 강도 출력과 함께, 재료 제거를 수행한다. 예컨대, 펄싱된 처리 레이저의 평균 전력이 8W이고 가열 소스가 CW 전력의 8W를 전송할 때, 대상 재료로 유도된 전체 에너지는 효과적으로 배가된다. 결과적인 소재 처리량 속도 증가는 대략 50%와 100% 사이로 추정된다.
열 에너지를 대상 위치의 대상 재료에 가하면 형성된 홀, 비어, 스트릿(street) 또는 커프의 품질에 부정적인 영향을 주지 않고 소재 처리량을 개선시킨다. 이것은 (1) 가열 소스가 오직 대상 위치만을 가열하여, 가열 처리된 영역(HAZ) 및/또는 크기 왜곡 영역의 형성을 최소화하며; (2) 가열 소스는 주로 대상 재료의 온도를 증가시키는데 사용되고, 대상 재료의 제거는 주로 대상 재료 상의 처리 레이저 출력의 입사에 의해 수행되기 때문에 그러하다. 게다가 대상 재료의 온도가 증가될 때, 주어진 레이저 파장에 관한 흡수율이 증가한다. 예컨대, 실리콘 웨이퍼는 808nm 파장에서 광을 즉시 흡수하므로, 실리콘 웨이퍼의 대상 재료 위치 상에 입사를 위해 808nm의 파장에서 작동되는 다이오드 레이저를 유도하면 레이저로부터 대상 재료로 가열 에너지를 전송시키며 따라서 대상 위치의 대상 재료의 온도를 효과적으로 증가시킨다. 이러한 온도의 증가는 처리 레이저 출력의 실리콘 웨이퍼의 흡수를 개선시키는데, 이것은 예컨대, 1064nm의 파장에서 작동되는 모드-고정 IR 레이저에 의해 발산될 수 있다. 이 공정을 사용하여, 모드-고정 IR 레이저는 더욱 효과적으로 대상 재료를 제거하면서 스트릿 또는 커프 품질을 원하는 만큼 증가시킬 수 있다.
CO2 레이저를 사용한 얇은 구리 판 상의 스루홀의 형성은 추가적인 예를 제공한다. CO2 파장 범위 내의 레이저 에너지의 구리 판의 낮은 흡수는 일반적으로 비어 형성에 어려움을 초래한다. 얇은 구리 판의 대상 위치 상에 입사를 위해 CO2 레이저 에너지(예, 808nm의 다이오드 레이저 파장)의 파장보다 상당히 짧은 파장을 가지는 가열 에너지를 유도함으로써, 얇은 구리 판의 온도는 효과적으로 증가될 수 있다. 이러한 증가된 온도에서, CO2 레이저 에너지와 얇은 구리 판의 결합은, CO2 레이저로부터 발산된 처리 출력이 얇은 구리 판에 고품질의 비어를 형성하도록 개선된다.
본 발명의 추가적인 목적과 이점은 다음의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이며, 이것은 첨부 도면을 참조로 진행된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따라 대상 재료 상에 입사를 위해 열 에너지를 처리 레이저 출력에 가하고, 처리 레이저 출력을 유도하는 2개의 바람직한 레이저 시스템의 단순화된 개략도.
도 2는 본 발명에 따라 형성된 스루홀 비어 및 블라인드 비어를 지니는 다층 소재의 확대된, 단면도.
도 3은 본 발명의 예시적인 레이저 시스템의 개략도.
도 4a와 도 4b는 실리콘과 알루미늄 각각의 흡수 계수를 온도 함수로서 도시한 그래프.
도 5a는 처리 레이저 빔 출력 파형의 일례를 도시한 도면; 도 5b 및 도 5c는 일정하고 감소하는 전력 강도를 각각 가지는, 광 빔 파형을 가열하는 2가지 예를 도시한 도면.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 방법에 따라 소재를 레이저 처리하기 위해 구성된 레이저 시스템(8a 및 8b)의 두 가지 대안적인 바람직한 실시예의 단순화된 개략도이다.
도 1a를 참조하면, 처리 레이저(10)는 소재(20)의 대상 재료(18) 상의 대상 위치(16)에 입사를 위해 광학 축의 제 1 구간(14)과 광학 축의 제 2 구간(15)을 따라 전파하는 출력 처리 빔(12)을 발산한다. 처리 빔(12)은 미러(22)에 반사되어, 대물 렌즈(24)를 통해 전파되어, 이것은 처리 빔(12)을 대상 위치(16)의 작은 스폿에 집속한다. 두 가지 광원(26)은 가열 에너지의 소스로서의 역할을 하며 대상 재료(18) 상의 대상 위치(16)에 입사하기 위해 광축의 제 2 구간(15)에 대한 예각에서 분리된 광 경로를 따라 전파하는 가열 광 빔(28)을 발산한다. 가열 광빔(28)은 대상 재료(18)의 온도를 증가시키고 처리빔(12)이 더욱 효과적으로 소재(20)를 레이저 처리할 수 있도록 대상 재료(18)로 열 에너지를 전송한다. 처리 레이저(10)가 소재(20)에 비어를 형성하는데 사용될 때, 빔 위치 결정 시스템(30)(도 3)은 대상 위치(16)에 비어를 형성하기 위해 나선형, 동심원형, 또는 트레판 패턴으로 처리 빔(12)을 이동시킨다. 가열 광원(26) 또는 그 빔 전송 시스템(미도시)은 가열 광원(26)에 의해 생성된 가열 빔(28)은 처리 빔(12)과 동시에 이동하도록 빔 위치 결정 시스템(30) 상에 탑재될 수 있다.
가열 빔(28)이 전송한 가열 에너지는 대상 위치(16)에서 대상 재료(18)의 온도를 증가시키면서 대상 재료(18)의 크기 안정성을 유지한다. 처리 빔(12)은 파장, 빔 스폿 크기, 펄스 당 에너지, 펄스 폭 및 펄스 반복 속도를 특징으로 하며, 이들은 결합하여, 대상 재료(18)의 레이저 처리에 적합하다. 대상 위치(16)에서 처리 빔(12)을 유도하기 전에 또는 그 동안에 대상 재료(18)의 온도를 증가시키면 재료 제거 속도가 증가된다.
도 1b를 참조하면, 레이저 시스템(8b)은 다음 측면에서 레이저 시스템(8a)과 다르다. 처리 레이저(10)의 처리 빔(12)과 단일 가열 광원(26)의 가열 빔(28)은 대상 재료(18)의 대상 위치(16)로 입사를 위해 광축의 제 2 구간(15)을 따라 그리고대물 렌즈(24)를 통해 전달된다. 미러(22)는 가열 광빔(28)의 전송을 촉진시키고 처리 빔(12)을 반사시키는 빔 결합기를 포함하는 것이 바람직하다. 하나의 예시적인 바람직한 빔 결합기는 처리 레이저 출력 파장과의 사용을 위한 고-반사(HR) 코팅과 가열 소스 파장과의 사용을 위한 고 전송(HT) 코팅과 같은, 특수 코팅이다. 이 빔 결합기가 제공하는 한 가지 이점은 빔이 편향되는 것을 요구하지 않아서, 가열 소스 또는 처리 레이저 중 하나 또는 이들 모두가 선형적으로 편향되지 않은 경우 이들 중 한 가지에 의해 발산된 광빔에 대한 상당한 전력 손실이 존재하지 않는다. 레이저 시스템(8b)은 대물 렌즈(24)가 이들이 대상 재료(18) 상에 입사되기 전에 처리 빔(12)과 가열 빔(28)을 집속하도록 처리 레이저(10), 가열 광원(26) 및 광 성분(22)을 배열한다.
가열 소스(26)의 주요 목적은 대상 재료(18)의 온도를 증가시키는 것이므로, 사용자는, 스폿 크기와 파장과 같은, 가열 소스(26)의 작동 파라미터를 선택하는데 처리 레이저(10)의 그것보다 더 큰 융통성을 가진다. 따라서, 바람직한 가열 소스의 유형은 일반적으로 레이저 시스템에서 구현된 처리 레이저(10)의 유형과 소재(20)의 유형에 의존한다. 바람직한 일 구현예에서, 가열 소스(26)는 처리 레이저 출력을 가진 대상 재료 위치 상에 결합된 입사 중에 대략 1Hz와 대략 200Hz 사이의 반복 속도를 가진 가열 에너지를 발산한다.
본 발명은 다양한 레이저 공정을 수행하고 다양한 소재의 대상 재료를 레이저 처리하는데 사용될 수 있다. 제 1 바람직한 실시예에서, 가열 에너지와 처리 레이저 출력의 결합된 입사는 단층 또는 다층 소재에 홀 및/또는 비어를 형성한다. 처리 레이저 출력은 다음 처리 레이저: UV 레이저, IR 레이저, 녹색 레이저 및 CO2 레이저 중 한 가지에 의해 생성되는 것이 바람직하다. 가열 에너지는 다음 광원: 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 발광 다이오드의 어레이, IR 고체 레이저, UV 고체 레이저, CO2 레이저, 섬유 레이저 및 이들의 결합 중 한 가지에 의해 생성되는 것이 바람직하다.
바람직한 단일-층 소재로는 얇은 구리 판, 전자 애플리케이션에 사용하기 위한 폴리이미드 판 및 일반 산업 및 의료 분야의 응용을 위한 알루미늄, 강철, 및 열가소성 물질과 같은 기타 금속 재료가 포함된다. 바람직한 다층 소재에는, 다중-칩 모듈(MCM), 회로판 또는 반도체 마이크로회로 패키지가 포함된다. 도 2는 층(34,36,38 및 40)을 포함하는 임의의 유형의 예시적인 다층 소재(20)를 도시한다. 층(34 및 38)은 알루미늄, 구리, 금, 몰리데늄, 니켈, 팔라디움, 백금, 은, 티타늄, 텅스텐, 금속 질화물, 또는 이들의 결합을 포함하되, 이에 제한되지 않는 금속을 포함하는 금속층인 것이 바람직하다. 금속 층(34 및 38)은 대략 9㎛와 대략 36㎛ 사이의 두께를 가지는 것이 바람직하지만, 이들은 9㎛ 보다 얇거나 또는 72㎛의 두께를 가질 수 있다.
층(36)은 벤조시클로부탄(BCB), 비스말레이미드 트리아진(BT), 판지(cardboard), 시안산염 에스테르, 에폭시, 페놀린, 폴리이미드, 폴리테트라플루오레틸렌(PTFE), 폴리머 얼로이(alloy), 또는 이들의 결합물과 같은 표준 유기 절연 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 각 유기 절연층(36)은 일반적으로 금속층(34 및 38)보다 두껍다. 유기 절연층(36)의 바람직한 두께는 대략 30㎛와 대략 400㎛ 사이지만, 유기 절연층(36)은 1.6mm의 두께를 가진 스택에 위치 결정될 수 있다.
유기 절연층(36)은 얇은 보강 성분층(40)을 포함할 수 있다. 보강 성분층(40)은 섬유 매트 또는 예컨대, 유기 절연층(36)에 짜여지거나(woven) 분산된, 아라미드 섬유, 세라믹 또는 유리의 분산된 입자를 포함할 수 있다. 보강 성분층(40)은 일반적으로 유기 절연층(36)보다 훨씬 더 얇고 약 1㎛와 약 10㎛ 사이의 두께를 가질 수 있다. 당업자는 보강 물질이 또한 유기 절연층(36)에 파우더로 도입될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이 파우더 보강 재료를 포함한 보강 성분층(40)은 비연속적이고 비균일할 수 있다.
당업자는 층(34,36,38 및 40)은 내부적으로 비연속적이고, 비균일하고 평탄하지 않을 수 있음을 이해할 것이다. 금속, 유기 절연 및 보강 성분 재료의 여러 층을 지니는 스택은 2mm 이상의 전체 두께를 가질 수 있다. 도 2에서 일례로 도시된 임의의 소재(20)가 5개의 층을 가진다고 해도, 본 발명은 단일-층 기판을 포함해, 임의의 원하는 수의 층을 가지는 소재 상에서 실행될 수 있다.
처리 레이저(10)는 UV 레이저, IR 레이저, 녹색 레이저 또는 CO2 레이저가 될 수 있다. 바람직한 처리 레이저 출력은 약 0.01
Figure 112006027536148-PCT00001
과 약 1J 사이인 펄스 에너지를 가진다. 바람직한 UV 처리 레이저는 Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YAP 또는 Nd:YVO4 또는 이테르븀, 홀뮴 또는 에르븀으로 도핑된 YAG 크리스탈과 같은 고체 레이선트(lasant)를 포함하는 Q-스위칭된 UV DPSS 레이저이다. UV 레이저는 355nm(3배 주파수 Nd:YAG), 266nm(4배 주파수 Nd:YAG), 또는 213nm(5배 주파수 Nd:YAG)와 같은 파장에서 조화롭게 생성된 UV 레이저 출력을 바람직하게 제공한다. 예시적인 상업적으로 이용가능한 UV DPSS 레이저는 캘리포니아, 마운틴뷰에 소재한, 라이트웨이브 일렉트로닉스가 제조한 모델 LWE Q302(355nm)이다.
바람직한 CO2 처리 레이저(22)는 약 9㎛와 약 11㎛ 사이의 파장에서 작동하는 펄싱된 CO2 레이저이다. 예시적인 상업적으로 이용가능한 펄싱된 CO2 레이저는 커네티컷, 블룸필드에 소재한 코히어런트-DEOS가 제조한 모델 Q3000 Q-스위칭된 레이저(9.3㎛)이다. CO2 레이저가 금속층(34 및 38)을 통해 비어를 효과적으로 드릴링할 수 없으므로, CO2 처리 레이저로 드릴링된 다층 소재(20)는 금속층(34 및 38)이 부족하거나 대상 위치(16)가 UV 레이저로 사전-드릴링되거나 절연층(36)을 노출시 키기 위해, 화학 에칭과 같이, 다른 공정을 사용하여 사전-에칭되도록 준비된다.
제 1 실시예의 제 1 바람직한 구현예에서, 처리 레이저(10)는 비어 형성을 수행하는데 사용된 전술한 UV DPSS 레이저이며 가열 소스(26)는 레이저 전력 변조기 또는 다이오드-구동 전류 변조기를 포함한 연속파(CW) 또는 의사-CW 다이오드 레이저이다. 다이오드 레이저는 약 600nm과 약 1600nm 사이의 파장 및 약 0.01W와 약 1000W 사이의 전력 레벨, 더 바람직하게는 약 20W와 약 100W 사이의 전력 레벨에서 작동하는 단일 또는 다중 다이오드 레이저인 것이 바람직하다. CW 다이오드 레이저는 약 780nm과 약 950nm 사이의 파장을 가지는 레이저 출력을 발산하는 것이 바람직하다. 상업적으로 이용가능한 한 CW 다이오드 레이저는 캘리포니아, 마운틴뷰 소재의 스펙트라-피직스 사가 제조한, 섬유 결합과, 808nm의 레이저 파장 및 약 15W와 약 30W 사이의 출력 전력을 가지는 FC 시리즈 CW 다이오드 레이저이다. 다른 바람직한 가열 소스(26)는 섬유 결합, 약 808nm의 레이저 파장 및 약 100W와 약 1000W 사이의 출력 전력을 가진 발광 다이오드의 어레이이다. 예시적인 상업적으로 이용가능한 발광 다이오드의 어레이는 미조리, 브리지턴에 소재한, 누보닉스 주식회사가 제조한다. 다른 바람직한 가열 소스(26)는 1064nm의 파장에서 작동하거나 그 제 2 고조파가 532nm인, CW 또는 펄싱된 Nd:YAG 레이저이다. 다수의 저비용 CW 또는 의사-CW 레이저는 즉시 이용가능하다. UV 처리 레이저 빔을 전파하거나 집속하기 위해 사용된 대부분의 광학 요소가 가시로부터 근적외선 스펙트럼의 범위의 파장에 대해 적절하므로, 가열 소스의 파장은 UV 스펙트럼 내에 있을 필요가 없다.
제 1 실시예의 제 2 바람직한 구현예에서, 처리 레이저(10)는 약 9.2 미크론 과 10.6 미크론 사이의 파장을 가지는 전술한 펄싱된 CO2 레이저이며, 가열 소스(26)는 CW CO2 레이저, 펄싱된 CO2 레이저, 또는 레이저 전력 변조기(레이저 시스템은 도 1b에 도시된 것과 같이 구성됨)이다. 예시적인 상업적으로 이용가능한 CO2 레이저는 캘리포니아, 산타 클라라에 소재한, 코히어런트 주식회사가 제조한 75W 또는 150W의 다이아몬드 시리즈 레이저이다. 처리 레이저(10)로서 CO2 레이저를 사용할 때, CO2 레이저 출력을 전파하거나 집속하는데 사용된 광학 요소는 가시로부터 근적외선 스펙트럼까지의 파장에서 실질적으로 투명하지 않다. 따라서 가열 소스(26)에 의해 발산된 가열 에너지의 파장은 약 2 미크론과 약 10.6 미크론 사이인 것이 바람직하며, 출력 전력은 약 10W와 약 200W 사이인 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 실시예의 제 3 바람직한 구현예에서, 처리 레이저(10)는 약 9.2 미크론과 약 10.6 미크론 사이의 파장을 가지는 펄싱된 CO2 레이저이며, 가열 소스(26)는 고체 레이저, 섬유 레이저, 다이오드 레이저 또는 이들의 결합물이다. 가열 소스(26)에 의해 발산된 가열 에너지의 파장은 약 0.7 미크론과 약 3.0 미크론 사이인 것이 바람직하며, 출력 전력은 약 10W와 약 1000W 사이에 있는 것이 바람직하다. 전술한 것처럼, 이 구현에서 사용을 위해 예시적인 상업적으로 이용가능한 펄싱된 CO2 레이저는 커네티컷, 블룸필드의 코히어런트-DEOS 사가 제조한 모델 Q3000(9.3㎛) Q-스위칭된 레이저이다. 예시적인 가열 소스는 섬유 결합, 808nm의 레이저 파장 및 약 15W와 약 30W 사이의 출력 전력을 가지는 FC 시리즈 CW 다이오 드 레이저를 포함한다. 예시적인 상업적으로 이용가능한 FC 시리즈 CW 다이오드 레이저는 캘리포니아, 마운틴뷰에 소재한, 스펙트라-피직스 사가 제조한다. 이 CW 다이오드 레이저는 펄싱된 모드에서 작동하기 위해 변조될 수 있으며 처리 레이저(10)와 동기화될 수 있다.
제 1 실시예의 제 4 바람직한 구현예에서, 처리 레이저(10)는, 파장이 2.1 미크론 미만이 되도록, 그 처리 레이저 출력이 IR 스펙트럼, 녹색 스펙트럼 및 UV 스펙트럼 중 하나에서 파장을 가지는 DPSS 레이저이다. 예시적인 바람직한 가열 소스는 섬유 결합, 약 808nm의 레이저 파장 및 약 15W와 30W 사이의 출력 전력을 가지는 전술한 FC 다이오드 레이저이다. 예시적인 상업적으로 이용가능한 UV DPSS 레이저는 앞서 언급되었다. 예시적인 상업적으로 이용가능한 DPSS 녹색 레이저는 캘리포니아의 마운틴뷰에 소재한, 라이트웨이브 일렉트로닉스 사가 제조한 40Hz의 반복 속도에서 전송된 20W의 전력을 가진 모델 Q202 레이저이다.
당업자는 변화하는 파장에서 작동하는 기타 고체 레이선트 또는 CO2 레이저는 본 발명의 레이저 시스템에서 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다양한 유형의 레이저 공동 배열, 고체 레이저의 고조파 생성, 고체 레이저와 CO2 레이저를 위한 Q-스위칭된 작동, 펌핑 구조, 및 CO2 레이저를 위한 펄스 생성 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 레이저 시스템과 본 발명의 방법을 사용하여 형성된 비어는 블라인드 비어(90)이거나 스루홀 비어(92)일 수 있다. 스루홀 비어(92)는 다층 소재(20)의 윗면(94)에서부터 밑면(96)까지 연장되고, 그 층들 모두를 관통한다. 대조적으로, 블라인드 비어(90)는 다층 소재(20)의 모든 층을 관통하지 않는다.
본 발명의 제 2 바람직한 실시예에서, 가열 에너지와 처리 레이저 출력의 결합된 입사는 반도체 웨이퍼를 다이싱한다. 당업자가 변화하는 파장에서 작동하는 다양한 고체 레이선트 또는 IR 레이저는 웨이퍼 다이싱을 수행하기 위해 본 발명의 레이저 시스템에서 사용될 수 있다는 것을 이해하는 동안, 처리 레이저 출력은 UV 레이저, 녹색 레이저 및 IR 레이저 중 하나에 의해 생성되는 것이 바람직하다. 펄스폭과 펄스 반복 속도와 같은 레이저 작동 파라미터는 이들 레이저 중 어느 것이 구현되는지에 따라 달라진다.
가열 에너지는 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 고체 레이저, 섬유 레이저, 발광 다이오드 어레이 또는 이들의 결합과 같은 광원들 중 적어도 하나에 의해 생성되는 것이 바람직하다. 다이싱을 위한 바람직한 소재에는, 실리콘 웨이퍼, 실리콘 탄화물(carbide)과 실리콘 질화물을 포함하는 다른 실리콘-기반 재료 및 갈륨 비화물(arsenide)과 같은, III-V 및 II-VI 그룹 내의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 제 2 바람직한 실시예의 방법과 레이저 시스템은 처리 레이저 출력 전력의 덜 사용하여 대상 재료를 가열할 수 있도록 하며 이에 따라 대상 재료를 다이싱하기 위해 처리 레이저 출력 전력을 더욱 이용가능하게 만든다. 따라서, 방법과 레이저 시스템은 대상 재료 제거 효율성의 증가와 이에 따른 소재 처리량의 증가를 제공한다.
웨이퍼 다이싱을 수행하기 위한 본 발명의 방법의 사용의 다른 이점은 파편이 덜 생긴다는 것이다. 예컨대, 약 0.01 ps와 약 1ns 사이의 펄스폭을 가진 모드-고정 IR 레이저와 같은 짧은 펄스폭을 가지는 IR 레이저를 사용할 때, 다시 붙는 파편이 덜 생긴다. 이것은, 대상 위치의 온도가 올라가면 대상 재료의 흡수 계수가 증가하여(예컨대, 증가된 온도에서, 실리콘 및 알루미늄 각각의 증가된 흡수 계수를 그래프로 도시한, 도 4a 및 도 4b 참조), 이에 따라 더 짧은 펄스폭과 더 낮은 펄스당 에너지를 가지는 처리 레이저를 사용하는 것을 촉진시킬 수 있기 때문에 그러하다. 이러한 유형의 레이저를 사용하면 제거된 재료가 소재를 빠져나가 속도를 높이고, 레이저 펄스 당 실리콘 웨이퍼 재료 제거의 양이 더 낮게 하며, 이들은 모두 큰 파편이 덜 생성되도록 한다. 레이저 처리 중에 생성된 큰 파편의 양을 제한하면 레이저 다이싱으로 형성된 스트릿 또는 커프의 품질을 개선할 수 있는데, 그 이유는 파편이 종종 웨이퍼 상에 다시 붙고, 이로 인해 스트릿 또는 커프의 품질이 낮아진다.
본 발명의 제 2 실시예의 제 1 바람직한 실시예에서, 처리 레이저는 약 200nm과 약 1600nm 사이의 파장을 가지는 처리 레이저 출력을 생성하는 모드-고정 레이저이며, 가열 에너지는 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 및 섬유 레이저와 같은 광원 중 적어도 하나에 의해 생성된다. 더 구체적으로, 처리 레이저는 선택적 후속 펄스 선택과 증폭 및 약 1064nm와 같거나 작은 파장, 약 0.01 ps와 1000ps 사이의 펄스폭 및 약 1kHz와 약 150MHz 사이의 펄스 반복 속도에서 약 1W와 약 50W의 평균 레이저 전력을 가지는 광빔의 발산을 포함하는 모드-고정 IR 레이저 인 것이 바람직하다. 예시적인 상업적으로 이용가능한 모드-고정 IR 레이저는 독일의 Chemnitz의 루머라 레이저가 제조한 스타카토(Staccato) 레이저이다. 이 레이저에 대해 현재 이용가능한 IR 전력은 약 15kHz와 약 50kHz 사이의 반복 속도와 약 10ps의 펄스폭에 대해 약 20W이다. 후속 펄스 선택과 증폭이 없는 다른 바람직한 모드-고정 IR 레이저는 독일의, Goettingen의 알파라스가 제조한 피콜라 시리즈 레이저이다. 이 레이저는 1064nm의 파장, 100MHz의 반복 속도 및 10ps의 펄스폭에서 전력을 전송한다. 바람직한 가열 에너지 소스는 약 0.7 미크론과 약 2.2 미크론 사이인 파장을 가지는 다이오드 레이저 발산 가열 에너지이다. 모드-고정 IR 레이저의 파장과 가열 소스가 다르므로, 빔 결합기는 본 발명의 제 2 실시예의 이러한 바람직한 구현예와 연관하여 사용되는 것이 바람직하다. 한 예시적인 바람직한 빔 결합기는 모드-고정 레이저 파장에서의 HR 및 가열 소스 파장에서의 HT와 같은, 특수 코팅이다. 이 빔 결합기가 제공하는 한 이점은, 빔이 편향되는 것을 필요로 하지 않아서, 가열 소스와 모드-고정 IR 레이저 중의 하나 또는 이들 모두가 비-편향된 방사를 발산하는 이들 중 하나에 의해 발산된 출력에 대한 상당한 전력 손실이 존재하지 않는다는 것이다.
본 발명의 제 2 실시예의 다른 바람직한 실시예에서, 처리 레이저는 DPSS UV 레이저, DPSS IR 레이저 또는 녹색 레이저이다. 바람직한 가열 소스는 전술한 다이오드 레이저이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 레이저 처리 시스템(42)을 도시하며, 이 시스템에서 가열 소스(26)는 광 확산 경로(48)를 따라 위치 결정된 일련의 빔 확장기(44 및 46)를 통해 확산하는 가열 빔(28)을 발산한다. 빔 폴딩 렌즈(beam folding optics)(50)는 처리 레이저(10)에 의해 발산된 처리 빔(12)과 결합된 출력(52)과 공동축으로 결합하고 형성하기 위한 방향으로 전파를 위해 가열 빔(28)을 반사한다. 처리 레이저(10)에 의해 발산된 처리 빔(12)은 빔 경로(58)를 따라 위치 결정된 빔 확장기 또는 업-시준기(up-collimator) 렌즈 성분(54 및 56)(예컨대, 2x 빔 확장 인자 포함)을 포함해, 다양한 잘 알려진 광학 디바이스에 의해 확장되고 시준된 펄스로 전환된다. 결합된 출력(52)은 이후 빔 위치 결정 시스템(30)에 의해 제어되고 소재(20)의 대상 위치(16)의 작은 영역에 들어가기 위해 초점 렌즈(62)에 의해 집속된다.
당업자는 다른 빔 확장 인자가 처리 빔(12)과 가열 빔(28) 모두에 대해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 처리 빔(12)과 가열 빔(28)은 대상 위치(16)에서 동일한 빔 스폿 크기를 가지는 것이 바람직하다. 바람직한 스폿 크기는 약 1 미크론에서 약 200 미크론 사이이다. 처리 빔(12)과 가열 빔(28)은 또한 다른 스폿 크기를 가질 수 있다. 예컨대, 가열 빔 스폿 크기는 처리 빔 스폿 크기의 약 50%에서 약 1000% 사이가 될 수 있다.
바람직한 빔 위치 결정 시스템(30)은 변환 단계 위치 결정기(66)와 빠른 위치 결정기(68)를 포함한다. 변환 단계 위치 결정기(66)는 소재를 지원하고 빔 스폿의 위치에 대해 "스텝 및 반복" 방식으로 소재(20)의 빠른 동작을 허용하는 적어도 2개의 플랫폼 또는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 대안적인 바람직한 실시예에서(미도시), 변환 단계 위치 결정기(66)는, Y-단계는 소재(20)를 지원하고 이동하 며, X-단계는 빠른 위치 결정기(68)와 대물 렌즈를 지원하고 이동하며, X와 Y 단계 사이의 Z 크기는 조정가능한 분할-축 시스템이다. 빠른 위치 결정기(68)는, 예컨대, 제공된 테스트 또는 설계 데이터에 기초해 고유하거나 복제한 처리 작동을 수행할 수 있는 한 쌍의 검류계 미러를 포함할 수 있다. 이들 위치 결정기는 패널화(panelized)되거나 비패널화된 데이터에 응답하여 함께 이동하기 위해 독립적으로 이동되거나 조정될 수 있다. 예시적인 바람직한 빔 위치 결정기 시스템(30)은 Cutler 등의 미국 특허 제 5,751,585에 설명된다.
레이저 제어기(80)는 바람직하게 빔 위치 결정기 시스템(30)의 동작을 유도하고, Konecny의 미국 특허 제 5,453,594에 설명된 것처럼, 처리 레이저(10)의 발사를 빔 위치 결정기 시스템(30)의 성분의 동작에 동기화하는 것이 바람직하다. 처리 레이저(10)의 발사와 가열 소스(26)의 동기화는 또한 레이저 제어기(80)에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, 처리 레이저(10)가 대상 위치에 발사될 때마다, 가열 소스(26)는 대상 위치(16)에서 처리 레이저(10)의 발사가 완료되고 빔 위치 결정 시스템(30)이 다음 대상 위치(16)로 이동하기 전 또는 이 시점까지 대상 위치(16)를 가열하기 위해 미리 결정된 전력으로 설정한 CW 또는 펄스에서 턴온될 수 있다. 가열 소스(26)의 미리 결정된 전력은 가열 소스(26)의 피크 전력의 약 50%와 약 100% 사이에서 변조될 수 있다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 처리 빔(12)(도 5a)과 가열 빔(28)(도 5b 및 도 5c)의 레이저 출력 전력 파형의 예를 도시한다.
도 5a를 참조하면, 레이저 출력 파형(100)은 처리 빔(12)의 5개의 좁은 펄스 (104)의 세트(102)의 열(train)이다. 세트(102)의 각 펄스(104)는, 예컨대, 스트릿 또는 커프의 비어 또는 스캔 다이싱의 형성에서 대상 재료(18)의 깊이 방향의 절단을 수행한다. 펄스(104)의 제 2 세트(102)는 다른 비어를 형성하기 위해 또는 다른 스트릿 또는 커프를 스캔 다이싱하기 위해 대상 재료(18)의 깊이 방향 제거를 수행한다. 세트(102)에서 인접 펄스(104) 사이의 펄스(104)의 수와 시간은 대상 재료와 형성되는 비어, 스트릿 또는 커프의 유형에 기초해 선택된다. 인접 펄스 세트(102) 사이의 시간은 빔 위치 결정 시스템이 비어에서 비어로 또는 웨이퍼 다이싱에 의해 형성된 하나의 스트릿 또는 커프의 종료 지점에서 웨이퍼 다이싱에 의해 형성된 결과 스트릿 또는 커프의 시작 지점까지와 같이, 하나의 대상 위치(16)에서 다른 대상 위치(16)까지 레이저 처리 빔(12)을 얼마나 빨리 이동시키는지에 따라 결정된다.
도 5b를 참조하면, 가열 에너지 출력 파형(110)은, 가열 빔(28)의 일정한 전력 의사-CW 파형(112)의 열이다. 의사-CW 파형(112)은 제 1 펄스(104)의 시작부터 펄스 세트(102)의 제 5 펄스(104)의 종료까지의 시간과 일치하도록 시간 조정되며 이 범위에 걸쳐 있다. 의사-CW 파형은 펄스 세트(102)의 제 5 펄스(104)의 종료 이전에 종료할 수 있다.
처리 기간은 (1) 처리 빔(12)이 대상 재료(18) 상에 입사되는 처리 레이저 출력 기간 및 (2) 가열 광 빔(28)이 대상 재료(18) 상에 입사되는 가열 에너지 기간을 포함한다. 가열 에너지 기간은 처리 레이저 출력 기간의 약 50%에서 약 100% 사이인 것이 바람직하다.
도 5c를 참조하면, 가열 에너지 출력 파형(120)은 가열 빔(28)의 감소하는 전력 의사-CW 파형(122)의 열이다. 가열 에너지 출력 파형(120)은 각 의사-CW 파형(122)이 처리 기간동안 전력이 감소한다는 점에서 가열 에너지 출력 파형(110)과 다르다. 가열 에너지 출력 파형(110)은 또한 일련의 펄스(미도시)가 될 수 있는데, 이 펄스 폭과 반복 속도는 시스템과 소재 요건에 기초한다.
많은 전술한 시스템 성분을 포함하는 하나의 예시적인 상업적으로 이용가능한 UV 레이저 시스템은 오리건 주, 포트랜드에 소재한, 일렉트로 사이언티픽 인더스트리즈가 제조한, 모델 5310 레이저 시스템, 또는 이 제품군의 다른 시스템이다. 많은 전술한 시스템 성분을 포함하는 예시적인 상업적으로 이용가능한 CO2 레이저 시스템은 모델 5385 레이저 시스템 내의 모델 Q 3000 CO2 레이저(9.3㎛), 또는 이 제품군의 다른 제품을 이용한다. 많은 전술한 시스템 성분을 포함하는 예시적인 상업적으로 이용가능한 레이저 다이싱 시스템은 모델 4410 레이저 시스템 또는 이 제품군의 다른 제품이다.
당업자는 다른 재료로 구성된 단층 또는 다층 소재에 대해, 펄스 반복 속도, 펄스 당 에너지, 및 빔 스폿 크기와 같은, 변화하는 레이저 파라미터는 최적의 비어 형성 처리량 및 비어 품질을 달성하기 위해 다른 처리 단계동안 프로그래밍될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 특허 출원의 양수인에게 양도된, Owen 등의 미국 특허 출원 제 5,841,099와 Dunsky 등의 미국 특허 출원 제 6,407,363을 참조한다. 당업자는 또한 전력, 에 너지 분포 프로파일 및 스폿 크기와 같은 가열 소스의 작동 파라미터는 레이저 처리의 다양한 단계동안 일정하게 유지되거나 변경될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않고 본 발명의 전술한 실시예들의 세부 사항에 변경이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백하다. 본 발명의 범주는, 따라서, 다음 청구항에 의해서만 결정되어야 한다.
본 발명은 국부적으로 가열된 소재의 레이저 처리, 특히, 대상 물질 제거 속도와 소재 처리 속도의 증가를 수행하기 위한 소재 상의 대상 위치의 온도를 증가시키는 시스템 및 방법에 이용가능하다.

Claims (23)

  1. 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법으로서, 상기 레이저 출력은 재료 제거 속도로 상기 대상 재료의 일부를 제거하며, 상기 대상 재료는 온도와 크기 안정성을 특징으로 하는, 상기 방법은:
    온도를 증가시키면서, 실질적으로 대상 재료의 크기 안정성을 유지하기 위해 상기 대상 재료 위치에 광 빔의 형태의 가열 에너지를 가하는 단계; 및
    처리 레이저 출력을 상기 대상 재료 위치에 입사를 위해 유도하는 단계로서, 상기 출력은 파장, 빔 스폿 크기, 펄스 당 에너지, 펄스 폭 및 펄스 반복 속도를 특징으로 하고, 이들은 결합하여, 상기 대상 재료의 제거를 수행하기에 적합하며, 상기 대상 재료 위치에 상기 처리 레이저 출력과 상기 가열 에너지의 결합된 입사는 상기 처리 레이저 출력이 상기 가열 에너지의 부재시 달성가능한 재료 제거 속도보다 높은 재료 제거 속도로 상기 대상 재료의 일부를 제거할 수 있게 하는, 입사 유도 단계
    를 포함하는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 소재에 비어를 형성하는 단계를 포함하고, 상 기 처리 레이저 출력은 필수적으로 UV 레이저, IR 레이저, 녹색 레이저 및 CO2 레이저로 구성된 그룹에서 선택된 처리 레이저에 의해 생성되며, 상기 가열 에너지는 필수적으로 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 발광 다이오드의 어레이, 섬유 레이저, IR 레이저, UV 레이저, CO2 레이저 및 이들의 결합으로 구성된 그룹에서 선택된 광원에 의해 생성되는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 비어는 블라인드 비어 또는 스루홀 비어 중 하나인, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 처리 레이저 출력은 다이오드-펌핑된, Q-스위칭된 고체 레이저에 의해 생성되고, 상기 처리 레이저 출력은 상기 파장이 2.1 미크론 미만이 되도록 IR 스펙트럼에서 파장을 가지며, 상기 가열 에너지는 2.2 미크론 미만의 파장을 가지는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 처리 레이저 출력은 다이오드-펌핑된, Q-스위칭된 고체 레이저인 처리 레이저에 의해 생성되고, 상기 처리 레이저 출력은 상기 파장이 0.6 미크론 미만이 되도록 녹색 스펙트럼과 UV 스펙트럼 중 하나에서 고조파 출력을 가지며, 상기 가열 에너지는 2.2 미크론 미만의 파장을 가지는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 처리 레이저는 필수적으로 펄싱된 CO2 레이저와 Q-스위칭된 CO2 레이저로 구성된 그룹에서 선택되고, 상기 처리 레이저 출력은 약 9.2 미크론과 약 10.6 미크론 사이의 파장을 가지며, 상기 광원은 CO2 레이저이며, 상기 가열 에너지는 약 9.2 미크론과 약 10.6 미크론 사이의 파장을 가지는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 처리 레이저는 필수적으로 펄싱된 CO2 레이저와 Q-스위칭된 CO2 레이저로 구성된 그룹에서 선택되며, 상기 처리 레이저 출력은 약 9.2 미크론과 약 10.6 미크론 사이인 파장을 가지며, 상기 가열 에너지는 약 0.7 미크론과 약 3 미크론 사이의 파장을 가지며, 상기 광원은 필수적으로 고체 레이저, 섬유 레이저, 다이오드 레이저 및 이들의 결합으로 구성된 그룹에서 선택된, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 소재는 얇은 구리 판이며, 상기 처리 레이저 출력은 필수적으로 펄싱된 CO2 레이저와 Q-스위칭된 CO2 레이저로 구성된 그룹에서 선택된 레이저에 의해 생성되며, 상기 가열 에너지는 2.2 미크론보다 짧은 파장을 가지는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 소재는 반도체 웨이퍼이며, 상기 방법은 반도체 웨이퍼를 다이싱하는 단계를 포함하며, 상기 처리 레이저 출력은 필수적으로 UV 레이저, 녹색 레이저 및 IR 레이저로 구성된 그룹에서 선택된 처리 레이저에 의해 생성되며, 상기 가열 에너지는 필수적으로 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 고체 레이저, 섬유 레이저, 발광 다이오드 어레이 및 이들의 결합으로 구성된 그룹에서 선택된 광원에 의해 생성된, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 처리 레이저는 모드-고정 레이저이며, 상기 처리 레이저 출력은 약 200nm과 약 1600nm 사이의 파장을 가지며, 상기 가열 에너지는 약 0.7 미크론과 약 2.2 미크론 사이의 파장을 가지며, 상기 광원은 필수적으로, 다이오드 레이저, 다이오드 레이저 어레이, 섬유 레이저 및 이들의 결합으로 구성된 그 룹에서 선택된, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 소재는 복수의 다른 대상 재료 위치를 포함하며, 상기 처리 레이저 출력은 다른 대상 재료 위치에서 대상 재료를 제거하며, 재료의 온도는 상기 가열 에너지에 의해 증가되어, 이에 따라 상기 가열 에너지의 부재시 달성가능한 소재 처리량 속도보다 높은 소재 처리량 속도로 다른 대상 재료 위치에서 대상 재료를 제거하는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 광빔은, 상기 대상 재료를 조명할 때, 광빔 스폿 크기를 가지며, 상기 처리 레이저 출력은, 상기 대상 재료에 입사될 때, 처리 레이저 출력 스폿 크기를 가지며, 상기 광빔 스폿 크기는 상기 처리 레이저 출력 스폿 크기의 약 50%에서 약 1000%인, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 광 빔은 광빔 파장을 가지며 상기 처리 레이저 출력은 처리 레이저 출력 파장을 가지며, 광학 요소를 결합하는 광빔을 더 포함하며, 상기 광학 요소는 상기 광빔과 상기 처리 레이저 출력을 결합하며 상기 광빔이 상기 대상 재료를 조명하기 전에 이를 처리하며, 상기 처리 레이저 출력이 상기 대상 재료에 입사되기 전에 이를 처리하고, 상기 광빔 파장과 상기 처리 레이저 출력 파장은 상기 빔 결합 광학 요소의 작동 파장 범위 내의 파장 범위를 한정하는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 소재는 다층 재료인, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 처리 레이저 출력과 상기 가열 에너지는 복수의, 분리된 빔 조종 및 집속 렌즈에 의해 대상 재료 위치로 유도된, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 처리 레이저 출력은 약 1 미크론과 약 200 미크론 사이의 스폿 크기를 가지는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 처리 레이저 출력은 약 1Hz와 약 150MHz 사이의 펄스 반복 속도를 가지는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 처리 레이저 출력은 약 0.01
    Figure 112006027536148-PCT00002
    에서 약1J 사이의 펄스 에너지를 가지는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 가열 에너지는 상기 대상 재료 위치 상의 처리 레이저 출력과 결합되어 입사되는 동안 에너지의 연속파를 포함하는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 처리 레이저 출력과 가열 에너지는 처리 레이저 출력 기간과 가열 에너지 기간 각각 동안에 대상 재료 위치에 가해지며, 상기 가열 에너지 기간은 상기 처리 레이저 출력 기간의 약 50%에서 약 100%인, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 가열 에너지는 상기 대상 재료 위치 상에 처리 레이저 출력과 결합되어 입사되는 동안 약 1Hz에서 약 200kHz 사이의 반복 속도를 가지는 일련의 펄스를 포함하는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 가열 에너지는 약 0.01W에서 약 1000W 사이의 평균 전력을 가지는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
  23. 제 1항에 있어서, 상기 가열 에너지는 상기 대상 재료 위치 상에 상기 처리 레이저 출력과 상기 가열 에너지를 결합하여 입사하는 동안 피크 전력 레벨의 약 50%에서 약 100% 사이에서 변조된 가열 에너지 전력 레벨을 가지는, 소재의 대상 재료 위치에서 대상 재료를 신속히 제거하기 위해 레이저 출력을 사용하는 방법.
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