專利名稱：激光加工裝置及其加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光加工裝置及其加工方法，特別是通過用紫外線區(qū)波長的脈沖激光束照射來在被加工物上開孔的激光加工裝置及其加工方法。
下面，示例出在多層配線基板上開孔的方法來說明現(xiàn)有激光加工方法。使從二氧化碳氣體激光振蕩器放射出的紅外線脈沖激光束聚集在多層配線基板的樹脂層上。受激光束照射的部分的有機物熱分解，在該位置上開孔。利用該方法，能夠在厚度約為40-80μm的樹脂層上形成直徑達100μm-200μm的通孔。因為二氧化碳氣體激光振蕩器能夠輸出每一脈沖的能量很高的脈沖激光束，所以例如3次即可形成通孔。
隨著半導體集成電路的高密度安裝，希望在多層配線基板上形成更加細小的通孔。形成孔徑的下限值約為所用激光束波長的5倍。因此，使用二氧化碳氣體激光時的孔徑下限值約為50μm，實際應用中，使用二氧化碳氣體激光要形成直徑不到50-60μm的孔是困難的。
通過使用紫外線區(qū)波長的激光束，就可形成細小孔。然而，要得到具有紫外線波長的、能量大的激光束是困難的。用能量小的激光束對多層配線基板進行加工，會導致加工時間長、生產(chǎn)效率低的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種使用紫外線區(qū)波長的激光束，并可縮短加工時間的激光加工裝置及加工方法。
根據(jù)本發(fā)明的思路，提供的激光加工裝置具有控制裝置，該控制裝置輸出具有周期性波形的第1轉(zhuǎn)機信號和與該第1轉(zhuǎn)機信號同步的具有周期性波形的第2轉(zhuǎn)機信號；第1激光源，該第1激光源與上述第1轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紫外線區(qū)波長的第1脈沖激光束；第2激光源，該第2激光源與上述第2轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紫外線區(qū)波長的第2脈沖激光束；將上述第1脈沖激光束和上述第2脈沖激光束會聚到同一點的聚光光學系統(tǒng)以及保持裝置，該保持裝置將被加工物保持在受由上述聚光光學系統(tǒng)會聚的脈沖激光束照射的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一思路，提供的方法具有以下步驟從第1激光源射出紫外線區(qū)波長的第1脈沖激光束的步驟，與上述第1脈沖激光束同步地從第2激光源射出紫外線區(qū)波長的第2脈沖激光束的步驟和使上述第1及第2脈沖激光束照射到被照射物體的同一加工部位，在受照射的部位形成孔的步驟。
當?shù)?脈沖激光束的脈沖和第2脈沖激光束的脈沖交替到達被加工物的同一點上時，能夠使加工速度提高2倍。另外，若在第1脈沖激光束的脈沖上重合第2脈沖激光束的脈沖，則能夠增大每一脈沖的能量。通過采用這樣的手段，可加工開孔需要大能量的材料。
根據(jù)本發(fā)明的再一思路，提供的激光加工方法，該方法包括以下步驟準備被加工物的步驟，該被加工物包含第1層和第2層，其中的第1層是在通過第1能量紫外線脈沖激光束每1脈沖的能量的照射可形成孔，而第2層配置在第1層下方，在通過第1能量紫外線脈沖激光束每1脈沖的能量的照射其上不能形成孔，而以比上述第1能量高的第2能量紫外線脈沖激光束每1脈沖能量照射能形成孔；使從第1激光源射出的具有紫外線區(qū)波長的第1脈沖激光束和從第2激光源射出的具有紫外線波長的第2脈沖激光束在第1及第2脈沖激光束的脈沖交替照射第1層的時間條件下對上述第1層被加工部位照射，在該第1層上打第1孔，使其下方的第2層局部露出的步驟；和使從第1激光源射出的具有紫外線區(qū)波長的第1脈沖激光束和從第2激光源射出的具有紫外線區(qū)波長的第2脈沖激光束在第1及第2脈沖激光束的脈沖至少部分重合的時間條件下對暴露于上述第1孔底的第2層照射，在該第2層上打第2孔的步驟。
通過改變第1脈沖激光束和第2脈沖激光束的計時條件，能夠連續(xù)地加工第1層和第2層。
根據(jù)本發(fā)明還有一思路，提供的激光加工裝置具有控制裝置，該控制裝置輸出具有周期性波形的第1轉(zhuǎn)機信號和與該第1轉(zhuǎn)機信號同步的具有周期性波形的第2轉(zhuǎn)機信號；第1激光源，該第1激光源與上述第1轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紅外線或可見光區(qū)波長的第1脈沖激光束；第2激光源，該第2激光源與上述第2轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紅外線或可見光區(qū)波長的第2脈沖激光束；沿同一光軸傳遞上述第1脈沖激光束和上述第2脈沖激光束且至少可改變其中之一脈沖激光束光軸的傳遞光學系統(tǒng)；在上述傳遞光學系統(tǒng)中光軸一致的上述第1及第2脈沖激光束的、發(fā)生紫外線區(qū)高頻波的非線性光學元件，會聚上述高頻波的聚光光學系統(tǒng)以及保持裝置，該保持裝置將被加工物保持在受由上述聚光光學系統(tǒng)會聚的高頻波照射的位置上。
當?shù)谝幻}沖激光束的脈沖和第二脈沖激光束的脈沖交替地到達非線性光學元件上時，發(fā)生了重復頻率為2倍于入射的脈沖激光束各自的重復頻率的高頻波。因此，能夠提高加工速度。另外，當?shù)谝幻}沖激光束的脈沖和第二脈沖激光束的脈沖重合地入射到非線性光學元件上時，高頻波的每1脈沖能量得到增大。這樣，可加工開孔需要大能量的材料。


圖1示出本發(fā)明實施例的激光加工裝置的方框圖。
圖2示出本實施例的激光加工裝置的第2控制模式時的計時流程。
圖3示出本實施例的激光加工裝置的第2控制模式時的計時流程。
圖4示出NdYAG激光器的第3高頻波的輸出特性。
圖5示出多層配線基板的斷面圖。
圖6示出本發(fā)明另一實施例的激光加工裝置的方框圖。
圖1示出本發(fā)明實施例的激光加工裝置的方框圖。第一激光源1和第二激光源2分別與轉(zhuǎn)機信號sig1和sig2同步地射出具有紫外線區(qū)波長的脈沖激光束pl1及pl2。第一及第二激光源1及2例如可包含NdYAG激光振蕩器和非線性光學元件的結構。脈沖激光束pl1及pl2例如是從如NdYAG激光振蕩器發(fā)射出的脈沖激光束的第3高頻波(波長355nm)分別朝垂直方向及水平方向直線偏光。
從第一激光源1射出的脈沖激光束pl1在反射鏡5上反射，以入射角45°入射到偏光板6的外側(cè)面上。從第二激光源2射出的脈沖激光束pl2以入射角45°入射到偏光板6的內(nèi)側(cè)面上。偏光板6反射垂直方向直線偏光的脈沖激光束pl1，并使水平方向直線偏光的脈沖激光束pl2透過。
0015偏光板6使得脈沖激光束pl1和pl2重疊在同一光軸上，得到脈沖激光束pl3。脈沖激光束pl3在反射鏡9上反射。反射的脈沖激光束pl4入射到電子掃描器10。電子掃描器10根據(jù)控制信號sig0的指令，朝二維方向掃描脈沖激光束的光軸。
聚光鏡將通過重復10的脈沖激光束聚光，得到脈沖激光束pl5。聚光鏡11可由如fθ鏡構成。保持臺12將被加工物20保持在脈沖激光束pl5的聚位置上。
控制裝置13分別向第一激光源1及第二激光源2輸送具有周期性波形的轉(zhuǎn)機信號sig1及sig2?？刂蒲b置13從第一控制模式和第二控制模式中選擇一個模式，以由每種模式?jīng)Q定的相位差輸送出轉(zhuǎn)機信號sig1及sig2。此外，控制裝置13向重復10發(fā)送控制信號sig0。
下面，參照圖2及圖3，說明圖1所示的激光加工裝置的脈沖激光束的計時。
圖2示出第一控制模式時的計時流程。轉(zhuǎn)機信號sig1及sig2是頻率相等、相互同步的電脈沖信號。轉(zhuǎn)機信號sig2的相位比轉(zhuǎn)機信號sig1遲180度。脈沖激光束pl1與轉(zhuǎn)機信號sig1同步，脈沖激光束pl2與轉(zhuǎn)機信號sig2同步。因此，脈沖激光束pl2比脈沖激光束pl1的相位遲180度。脈沖激光束pl1和pl2重疊的脈沖激光束pl3-pl5的脈沖重復頻率變?yōu)檗D(zhuǎn)機信號sig1及sig2頻率的2倍。
圖4示出用NdYAG激光振蕩器的激光源1及2的第3高頻波的輸出特性?？v軸以單位(W)表示激光輸出，在重復頻率約為5kHz時，激光輸出為最大值，在重復頻率高于5kHz的范圍，隨著重復頻率增高，激光輸出慢慢降低。這種傾向不限于NdYAG激光振蕩器，使用其它的固體激光時也基本相同。
一般來說，在樹脂膜上開孔時，必須使照射的脈沖激光束的每1脈沖的能量密度高于預定值。在如環(huán)氧樹脂膜上開孔時，必須使每1脈沖的能量密度高于約1j/cm2以上。根據(jù)應該加工的孔面積，求出必須的每1脈沖的能量。當把脈沖激光束的輸出定為P(W)，脈沖重復頻率定為f(Hz)時，每1脈沖的能量由P/f(J)確定。根據(jù)圖4示出的特性，能夠求得每1脈沖的能量P/f高于所需閾值的區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，使激光源1及2動作，就能夠在樹脂膜上打孔。
照射被加工物20的脈沖激光束pl5的重復頻率是轉(zhuǎn)機信號sig1和sig2頻率的2倍的10kHz。因此，使用1臺激光振蕩器時，能夠?qū)⒋蚩讜r間縮短1/2。
圖3示出第2控制模式時的計時流程。在圖2所示的第1控制模式時，轉(zhuǎn)機信號sig2的相位比轉(zhuǎn)機信號sig1的相位遲180°，但第2控制模式中，相位延遲量變小。因此，對于脈沖激光束pl1和pl2重疊的脈沖激光束pl3-pl5，脈沖激光束pl1的脈沖和脈沖激光束pl2的脈沖部分重疊。因此，在脈沖幅度增大的同時，每1脈沖的能量成為2倍。也可以使轉(zhuǎn)機信號sig1和sig2的相位一致，脈沖激光束pl1的脈沖和脈沖激光束pl2的脈沖完全重疊。此時，脈沖幅度不增大，但峰值約為2倍。
一般來說，在銅箔在打孔，每1脈沖的能量密度必須在約10J/cm2以上。當孔徑為100μm時，每1脈沖的能量必須在7.9X10-4J以上。然而，在圖2所示的第1控制模式時，要求每1脈沖的能量必須在7.9X10-4J以上是困難的。如圖3所示，通過使2個脈沖激光束的脈沖部分重疊，就能得到在銅箔上打孔所必要的每1脈沖能量。
在每1脈沖能量不足時，通過使激光束收束使光束直徑變小，就可確保必要的每1脈沖能量。然而，因為光束直徑變小，所以為得到所希望大小的孔徑，必須激光束在照射部位上移動。例如，必須進行穿透加工或螺旋式加工。如本實施例，通過增大每1脈沖的能量，就可以在不進行穿透的情況下打下直徑約為100μm的孔。
例如，以重復頻率10kHz進行動作時，從圖4求出1臺激光源的輸出約為4W。從而，圖3示出的脈沖激光束pl3-pl5的功率就為8W。此時，每1脈沖的能量成為8×10-4。雖然用1臺激光源在銅箔上打孔是困難的，但用2臺激光源，使脈沖彼此重疊，就能夠使每1脈沖的能量大到足以在銅箔上打孔。
圖3所示的脈沖激光束pl3-pl5的脈沖幅度和峰值強度依賴于脈沖激光束pl1和pl2的相位差量。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)機信號sig2相對于轉(zhuǎn)機信號sig1的相位的錯位量，就能夠控制地控制脈沖激光束pl3-pl5的脈沖幅度和峰值強度。
圖5示出多層配線基板的斷面圖。要把插件板22安裝到母板21的表面上。插件板33上安裝著半導體集成電路芯片23。母板21和插件板22是用包含玻璃絲的環(huán)氧樹脂形成的。
把銅配線層25鑲嵌在母板21內(nèi)。支柱孔26從母板21的表面到達銅線25。穿透孔27貫通母板21。在支柱孔26及穿透孔27內(nèi)埋入了銅。在插件板22上同樣地也形成了銅配線28及支柱孔29。支柱孔26、29及穿透孔27通過圖1所示的激光加工裝置形成。對插件板22被安裝到母板21上前的單體母板21和插件板22進行激光加工。
以圖2所示的第1控制模式形成支柱孔26和29。此時的脈沖激光束pl5的每1脈沖能量大到足以在樹脂上打孔。但是，因為在銅箔上打孔的能量不足，所以在支柱孔的底面上留下了銅配線25。
在形成穿透孔27時，以第1控制模式形成了貫通樹脂層的孔后，以圖3所示的第2控制模式在銅配線上打孔。此時的脈沖激光束pl5的每1脈沖能量大到足以在銅箔上打孔。以第1控制模式進行激光加工和以第2控制模式進行的激光加工交替重復地進行，就能夠形成穿透孔27。
在表面上形成了銅箔的樹脂基板上貫通銅箔地打孔時，最初以第2控制模式在銅箔上打孔。對應銅箔的厚度，預先設定照射的脈沖數(shù)時，就能夠在貫通銅箔時停止加工。貫通銅箔的孔打通后，接著，切換到第1控制模式，在樹脂基板上打孔。也可以對以第1控制模式進行激光加工時照射的脈沖數(shù)預先設定。
在上述實施例中，作為具有紫外線區(qū)波長的脈沖激光束，雖然使用了NdYAG激光器的第3高頻率波，但也可以使用其它的激光。例如，可以使用NdYAG激光器第4或第5高頻率波，也可用YLF激光器或YVO4激光器代替NdYAG激光器。另外，也可以使用KrF準分子(ェキシマ)激光器或XeCl準分子(ェキシマ)激光器的基本波。
在上述實施例中，使從第1激光源射出的脈沖激光束pl1和從第2激光源2射出的脈沖激光束pl2沿同一光軸傳送，會聚到被加工物的被加工位置上，但兩者的光軸不必要相同。例如，使脈沖激光束pl1及pl2沿不同的光軸傳送，在被加工位置上兩者的光軸交叉就可以了。
下面，參照圖6說明本發(fā)明另一實施例。對于本實施例，雖然將2臺的NdYAG激光器的第3高頻率波彼此重疊，但在圖6所示的實施例中，將基本波彼此重疊，之后發(fā)生第3高頻波。圖6所示的激光加工裝置的基本構成與圖1的激光加工裝置的構成相同，所以只說明兩者的不同點。
如圖6所示，第1及第2激光源1及2分別射出具有紅外線或可見光區(qū)波長的脈沖激光束pl1及pl2。在2個脈沖激光束pl1及pl2重疊的脈沖激光束pl3的光軸上配置非線性光學元件15。非線性光學元件15發(fā)生脈沖激光束pl3的高頻波，例如第3高頻波。非線性光學元件15也可以配置在偏光板6和被加工物20間的脈沖激光束光路上的任何地方。
雖然按照上述實施例說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于上述實施例的結構。例如，操作者可根據(jù)具體情況進行各種變更，改進，組合等。
如上所述，本發(fā)明通過使從2個激光源發(fā)射的脈沖激光束以規(guī)定的相位差等到重疊，可就縮短打孔時間。另外，通過使脈沖重疊，就能夠增大每1脈沖的能量。因此，在只用1個激光源不能確保每1脈沖的能量時，通過合用個激光源，就能夠確保跔能量。這樣，在開孔必需大能量脈沖的材料上打孔成為可能。
權利要求
1.一種激光加工裝置，具有控制裝置，該控制裝置輸出具有周期性波形的第1轉(zhuǎn)機信號和與該第1轉(zhuǎn)機信號同步的具有周期性波形的第2轉(zhuǎn)機信號；第1激光源，該第1激光源與上述第1轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紫外線區(qū)波長的第1脈沖激光束；第2激光源，該第2激光源與上述第2轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紫外線區(qū)波長的第2脈沖激光束；將上述第1脈沖激光束和上述第2脈沖激光束會聚到同一點的聚光光學系統(tǒng)，以及保持裝置，該保持裝置將被加工物保持在受由上述聚光光學系統(tǒng)會聚的脈沖激光束照射的位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的激光加工裝置，其特征在于上述聚光光學系統(tǒng)為沿同一光軸傳送上述第1脈沖激光束和上述第2脈沖激光束，至少改變一個脈沖激光束的光軸，之后，將第1及第脈沖激光束聚光。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的激光加工裝置，其特征在于上述控制裝置具有第1控制模式和第2控制模式，對于上述第1控制模式，為了上述第1脈沖激光束的脈沖和上述第2脈沖激光束的脈沖交替到達被加工物的被加工位置上而發(fā)出上述第1及第2轉(zhuǎn)機信號，對于上述第2控制模式，為了上述第2脈沖激光束的脈沖與上述第1脈沖激光束的脈沖至少部分重疊地到達被加工位置上而發(fā)出上述第1及第2轉(zhuǎn)機信號。
4.根據(jù)權利要求3所述的激光加工裝置，其特征在于上述控制裝置在上述第2控制模式時能夠調(diào)節(jié)上述第1脈沖激光束的脈沖和上述第2脈沖激光束的脈沖重合比例。
5.一種激光加工方法，該方法具有以下步驟從第1激光源射出紫外線區(qū)波長的第1脈沖激光束的步驟，與上述第1脈沖激光束同步地從第2激光源射出紫外線區(qū)波長的第2脈沖激光束的步驟，和使上述第1及第2脈沖激光束照射到被照射物體的同一加工部位，在受照射的部位形成孔的步驟。
6.根據(jù)權利要求5所述的激光加工方法，其特征在于在上述形成孔的步驟中，為了使上述第1的脈沖和上述第2脈沖激光束的脈沖交替到達被照射物上，而控制上述第1及第2脈沖激光束的同步狀態(tài)。
7.根據(jù)權利要求5所述的激光加工方法，其特征在于在上述形成孔的步驟中，為了使上述第1的脈沖和上述第2脈沖激光束的脈沖在被加工部位上至少部分重合，而控制上述第1及第2脈沖激光束的同步狀態(tài)。
8.一種激光加工方法，該方法包括以下步驟準備被加工物的步驟，該被加工物包含第1層和第2層，其中的第1層是在通過第1能量紫外線脈沖激光束每1脈沖的能量的照射可形成孔，而第2層配置在第1層下方，在通過第1能量紫外線脈沖激光束每1脈沖的能量的照射其上不能形成孔，而以比上述第1能量高的第2能量紫外線脈沖激光束每1脈沖能量照射能形成孔；使從第1激光源射出的具有紫外線區(qū)波長的第1脈沖激光束和從第2激光源射出的具璥波長的第2脈沖激光束在第1及第2脈沖激光束的脈沖交替照射第1層的時間條件下對上述第1層被加工部位照射，在該第1層上打第1孔，使其下方的第層局部露出的步驟；使從第1激光源射出的具有紫外線區(qū)波長的第1脈沖激光束和從第2激光源射出的具有紫外線區(qū)波長的第2脈沖激光束在第1及第2脈沖激光束的脈沖至少部分重合的時間條件下對暴露于上述第1孔底的第2層照射，在該第2層上打第2孔的步驟。
9.一種激光加工裝置，該裝置具有控制裝置，該控制裝置輸出具有周期性波形的第1轉(zhuǎn)機信號和與該第1轉(zhuǎn)機信號同步的具有周期性波形的第2轉(zhuǎn)機信號；第1激光源，該第1激光源與上述第1轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紅外線或可見光區(qū)波長的第1脈沖激光束第2激光源，該第2激光源與上述第2轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紅外線或可見光區(qū)波長的第2脈沖激光束；沿同一光軸傳遞上述第1脈沖激光束和上述第2脈沖激光束且至少可改變其中之一脈沖激光束光軸的傳遞光學系統(tǒng)；在上述傳遞光學系統(tǒng)中光軸一致的上述第1及第2脈沖激光束的、發(fā)生紫外線區(qū)高頻波的非線性光學元件；會聚上述高頻波的聚光光學系統(tǒng)，以及保持裝置，該保持裝置將被加工物保持在受由上述聚光光學系統(tǒng)會聚的高頻波照射的位置上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用紫外線區(qū)波長的激光束可縮短加工時間的激光加工裝置以及加工方法。這種激光加工裝置具有控制裝置,該控制裝置輸出具有周期性波形的第1轉(zhuǎn)機信號和與該第1轉(zhuǎn)機信號同步的具有周期性波形的第2轉(zhuǎn)機信號;第1激光源,該第1激光源與上述第1轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紫外線區(qū)波長的第1脈沖激光束;第2激光源,該第2激光源與上述第2轉(zhuǎn)機信號同步地射出具有紫外線區(qū)波長的第2脈沖激光束;將上述第1脈沖激光束和上述第2脈沖激光束會聚到同一點的聚光光學系統(tǒng),以及保持裝置,該保持裝置將被加工物保持在受由上述聚光光學系統(tǒng)會聚的脈沖激光束照射的位置。
文檔編號B23K26/06GK1332054SQ0112491
公開日2002年1月23日 申請日期2001年6月9日 優(yōu)先權日2000年6月9日
發(fā)明者磯圭二 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社