采用高脈沖重復頻率的皮秒激光脈沖的激光直接燒蝕的制作方法
【專利摘要】激光直接燒蝕（LDA）產(chǎn)生切割到介電層中的圖案以形成具有受控信號傳播特性的導電跡線。LDA處理包括選擇用于沿著工件表面上的刻劃線移除期望深度的材料的劑量通量；選擇一系列激光脈沖中每個激光脈沖的時間脈沖寬度；以及選擇所述一系列激光脈沖的脈沖重復頻率。所述脈沖重復頻率至少部分基于所選擇的時間脈沖寬度，以維持沿著所述刻劃線的所選擇的劑量通量。所選擇的脈沖重復頻率提供沿著所述刻劃線的激光光斑的預定的最小重疊。所述LDA過程還包括根據(jù)所選擇的劑量通量、時間脈沖寬度和脈沖重復頻率生成包括所述一系列激光脈沖的激光束。
【專利說明】采用高脈沖重復頻率的皮秒激光脈沖的激光直接燒蝕
【技術領域】
[0001]本公開涉及激光微加工。具體來說，本公開涉及用于在工件中刻劃圖案來形成具有受控信號傳播特性的導電跡線的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]集成電路(IC)襯底制造技術旨在縮減襯底尺寸和成本并增加功能性。一種最近的進展使用激光直接燒蝕(LDA)和特殊電鍍工藝來形成介電層內(nèi)的電信號跡線或路徑，而不是使用傳統(tǒng)的光刻技術在介電層的表面上形成信號跡線。嵌入式跡線的方法通過減小信號長度和優(yōu)化跡線路由減少了總層數(shù)、改善了成本和產(chǎn)量并提高了電性能?？赏ㄟ^形成具有10 μ m或更小的寬度的信號跡線并結合無焊盤微通路設計來實現(xiàn)嵌入式跡線的方法。然而，用于介電移除的已知方法缺乏適于大量生產(chǎn)的高產(chǎn)且合算的制造技術。
[0003]對于LDA，已討論了紫外線(UV)準分子和釔鋁柘榴石(YAG)激光源。在矢量和光柵掃描方法中都可以操作UV YAG系統(tǒng)。UV YAG架構通常不需要成像掩模。因此，UV YAG系統(tǒng)提供設計變化的靈活性和快速適應。另一方面，準分子激光燒蝕使用掩模投影技術來移除大的區(qū)域中的材料。因此，當圖案包括許多連接盤、接地平面或其它更大的特征時，準分子激光燒蝕可以提供高產(chǎn)能。使用準分子激光器時的產(chǎn)能與掩模區(qū)域內(nèi)的圖案密度無關。然而，在使用UV YAG激光器的直接刻寫法的情況下，增大圖案密度可以顯著地影響產(chǎn)能。由于在掩模區(qū)域上的均勻和增量介電移除，與使用UV YAG激光器時相比，準分子燒蝕表現(xiàn)出更佳的分辨率和深度控制。UV YAG激光器的額定功率可從約3瓦至約40瓦，而準分子激光器的額定功率可達約300瓦。UV YAG激光器通常以從約50kHz至約250kHz的脈沖重復頻率工作，而準分子激光器的脈沖重復頻率通常為幾百赫茲。由于在UV波長(例如，對于UV YAG激光器而言,通常為約355nm,而對于準分子激光器通常為約248nm和約308nm)下更高的燒蝕，UV YAG和準分子激光系統(tǒng)都提供用于介電材料的寬泛選擇的處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]系統(tǒng)和方法使用短的時間脈沖寬度與高的脈沖重復頻率來實現(xiàn)有效的LDA處理。高脈沖重復頻率允許激光束跨工件快速移動(以實現(xiàn)高產(chǎn)能)，同時維持足夠的脈沖重疊。短時間脈沖寬度用于更有效且更干凈的材料移除。在某個實施例中，使用UV激光器。在其它實施例中，使用綠色激光器。
[0005]在一個實施例中，一種用于激光直接燒蝕的方法產(chǎn)生切割到介電層中的圖案以形成具有受控信號傳播特性的導電跡線。該方法包括選擇用于沿著工件表面上的刻劃線移除期望深度的材料的劑量通量；選擇一系列激光脈沖中每個激光脈沖的時間脈沖寬度；以及選擇所述一系列激光脈沖的脈沖重復頻率。脈沖重復頻率的選擇至少部分基于所選擇的時間脈沖寬度，以維持沿著刻劃線的所選擇的劑量通量。所選擇的脈沖重復頻率提供沿著刻劃線的激光光斑的預定的最小重疊。該方法還包括根據(jù)所選擇的劑量通量、時間脈沖寬度和脈沖重復頻率，使用激光源生成包括所述一系列激光脈沖的激光束。該方法還包括提供工件和激光束之間的相對運動使得激光束的路徑以選定的速率循著沿著工件的表面的刻劃線位置。
[0006]在某些實施例中，所選擇的時間脈沖寬度小于或等于I μ S，所選擇的時間脈沖寬度在約IOps和約29ns之間的范圍內(nèi)，并且所選擇的速率在約lm/s和約10m/s之間的范圍內(nèi)。在其它實施例中，所選擇的速率在約2m/s和約4m/s的范圍內(nèi)。此外，或在其它實施例中，沿著刻劃線的激光光斑的預定的最小重疊為光斑尺寸直徑的約60%，光斑尺寸直徑在約5 μ m和約30 μ m之間的范圍內(nèi)，并且所選擇的脈沖重復頻率在約750kHz和約5MHz之間的范圍內(nèi)。
[0007]在某些實施例中，該方法還包括確定作為所選擇的時間脈沖寬度的函數(shù)的激光源的工作通量。該工作通量包括除以所選擇的時間脈沖寬度的平方根的所選擇的劑量通量。選擇脈沖重復頻率可包括:通過脈沖寬度的平方根來縮放激光源的最大脈沖重復頻率；(對于沿著刻劃線的激光光斑的所選擇的最小重疊，)基于光斑尺寸和所選擇的速率來計算最小脈沖重復頻率；以及選擇將在所縮放的最大脈沖重復頻率和所計算的最小脈沖重復頻率之間的脈沖重復頻率。
[0008]在某些實施例中，該方法還包括在抖動方向上來回地抖動激光束，同時激光束的路徑以所選定的速率循著沿著工件的表面的刻劃線位置。
[0009]通過以下優(yōu)選實施例的詳細描述，額外的方面和優(yōu)勢將顯而易見。下面的詳細描述參照附圖來進行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1示意性地示出了介電材料的頂部表面上的第一導電跡線和第二導電跡線的側(cè)視圖。
[0011]圖2A示意性地示出了根據(jù)一個實施例的包括使用激光燒蝕切割到介電材料的頂部表面中的第一切口和第二切口的工件的側(cè)視圖。
[0012]圖2B示意性地示出了根據(jù)一個實施例的具有在第一切口上形成的第一導電跡線和在第二切口上形成的第二導電跡線的圖2A中所示工件的側(cè)視圖。
[0013]圖3示意性地示出了根據(jù)一個實施例的包括使用激光燒蝕切割到介電材料的頂部表面中的多個切口的工件的頂部視圖。
[0014]圖4圖示了根據(jù)某些實施例的用于介電材料的每脈沖燒蝕速率。
[0015]圖5圖示了根據(jù)某些實施例的作為線性劑量通量的函數(shù)的燒蝕速率。
[0016]圖6圖示了根據(jù)某些實施例的切口寬度和光斑直徑之間的比值與在l/e2高斯(Gaussian)光斑處的劑量通量。
[0017]圖7圖示了根據(jù)某些實施例的大量移除效率的對比。
[0018]圖8是根據(jù)一個實施例的用于將切口激光燒蝕到介電材料中的方法的流程圖。
[0019]圖9圖示了根據(jù)一個實施例的用355nm激光的ABF GX-13樹脂的燒蝕速率。
[0020]圖10圖示了根據(jù)某些實施例的用于使用恒定功率對ABF GX-13進行UVLDA處理的脈沖能量和PRF與脈沖寬度。
[0021]圖11圖示了根據(jù)某些實施例的用于使用除以脈沖周期的平方根的恒定通量對ABF GX-13進行UV LDA處理的通量和PRF與脈沖寬度。[0022]圖12是根據(jù)一個實施例的示例性LDA處理系統(tǒng)的框圖。
【具體實施方式】
[0023]1.概述
[0024]系統(tǒng)和方法在激光直接燒蝕(LDA)應用中提供具有高產(chǎn)能的高產(chǎn)處理(例如，使用矢量掃描方法)。高速光束定位和高脈沖重復頻率(PRF)提供控制在介電材料中切割的切口的均勻性和特征的足夠的連續(xù)激光脈沖重疊。然后，可使用已知的電鍍工藝來在切口中形成具有期望的信號傳播特性(例如，阻抗、電阻和電容)的電路徑。
[0025]在某些實施例中，將高速光束定位方案與模式鎖定激光器結合使用。隨著光束定位技術的發(fā)展，激光源的脈沖重復頻率成為限制因素。例如，在采用工件處的ΙΟμπι光斑尺寸、以IOkHz脈沖重復頻率(PRF)運行的激光源和高于IOOmm/秒的激光束相對于工件表面的速率的情況下，侵蝕尺寸(一個激光光斑和下一個激光光斑之間的距離)為10 μ m或更大。因此，在本實例中，不存在脈沖重疊，并且激光束在工件中產(chǎn)生離散的點或虛線，(在用導電材料電鍍時，)這些點或虛線阻止信號傳播且/或使信號傳播特性降級(與連續(xù)且均勻的線相比)。
[0026]為了利用高速光束定位方案，根據(jù)某些實施例，使用高PRF來提供期望的脈沖重疊百分比。隨著光斑直徑變小，可以使用更高的PRF。將脈沖重疊百分比定義為(光斑尺寸一侵蝕尺寸)/光斑尺寸*100%。在一個實施例中，脈沖重疊百分比為至少60%，以使用高斯光束提供穩(wěn)定的累積通量分布。模式鎖定激光器由于其高頻率操作而允許具有高脈沖重疊百分比。然而，本公開不限于模式鎖定激光器操作，并且技術人員將通過本公開認識到也可以使用其它類型的激光器。換言 之，只要PRF高到足以提供期望的脈沖重疊百分比，就仍然可以利用高速光束定位方案。
[0027]在某些實施例中，激光器產(chǎn)生具有短時間脈沖寬度的激光脈沖。雖然隨著激光束在材料表面上移動連續(xù)波(CW)激光器操作消除了對光斑到光斑距離的擔心，但是CW操作可引起不期望的熱累積。使用短時間脈沖寬度模式鎖定激光器可減少或最小化不期望的熱累積。此外，短時間脈沖寬度可增加材料對某些波長的激光能量的吸收。有效燒蝕閾值根據(jù)波長和時間脈沖寬度而變化。在采用具有短時間脈沖寬度激光的高強度光束的情況下，非線性吸收可使溫度升高率超過有機樹脂的熱分解溫度，從而燒蝕材料。因此，燒蝕閾值通量移向較低端。
[0028]在某些實施例中，激光脈沖具有UV波長。LDA工藝在介電樹脂中形成溝道，并且這些溝道隨后被金屬化以使其成為導電跡線。由于在印刷線路板材料中更佳的吸收性，UV波長可能有用。燒蝕效率可更高，并且燒蝕閾值通量在使用在UV范圍內(nèi)的更短波長的情況下可更低。在其它實施例中，可使用可見波長。例如，可使用產(chǎn)生具有在納秒范圍內(nèi)的時間脈沖寬度的激光脈沖的綠色激光器。然而，與產(chǎn)生具有在皮秒范圍內(nèi)的時間脈沖寬度的激光脈沖的的UV激光器相比，這種綠色激光器可能需要約高出五倍的平均功率且慢約八分之
O
[0029]現(xiàn)在參考附圖，其中相同的參考數(shù)字指代相同的元件。在以下描述中，提供了大量具體細節(jié)，以便透徹理解本文公開的實施例。然而，本領域技術人員將認識到，可以在沒有這些具體細節(jié)中的一個或多個的情況下或者用其它方法、組件或材料來實施這些實施例。此外，在一些情況下，未詳細示出或描述眾所周知的結構、材料或操作，以避免使實施例的方面晦澀難懂。此外，在一個或多個實施例中，可以以任何合適的方式組合所述的特征、結構或特點。
[0030]I1.LDA 處理
[0031]圖1示意性地示出了在介電材料116的頂部表面114上的第一導電跡線110和第二導電跡線112的側(cè)視圖。導電跡線110、112可包括例如銅(Cu)。
[0032]圖2A示意性地示出了根據(jù)一個實施例的包括使用激光燒蝕切割到介電材料216的的頂部表面214中的第一切口 210和第二切口 212的工件200的側(cè)視圖。介電材料216可包括有機樹脂(其也可包括無機增強顆粒和/或金屬)。在某些實施例中，介電材料216包括可從日本川崎的 Ajinomoto Fine-Techno C0., Inc.獲得的 ABF GX-3 或 ABF GX-13 介電薄膜。
[0033]圖2B示意性地示出了根據(jù)一個實施例的具有在第一切口 210中形成的第一導電跡線218和在第二切口 212中形成的第二導電跡線220的圖2A中所示工件200的側(cè)視圖。導電跡線218、220可包括銅(Cu)或另一種導電材料。如圖2B中所示，在相應的切口 210、212內(nèi)形成導電跡線218、220降低了工件200的總體高度(與圖1相比)。此外，圖1中所示導電跡線110、112各僅在一側(cè)上綁定到介電材料116的頂部表面114，而圖2B中所示的導電跡線218、220各在三側(cè)上綁定到介電材料216，這減少了在應力下的跡線斷裂和電路與介電材料216的分離。在相應的切口 210、212內(nèi)形成導電跡線218、220也通過減小信號長度并優(yōu)化跡線路由而減少了總體層數(shù),改善了成本和產(chǎn)量,并且提高了電性能。
[0034]圖3示意性地示出了根據(jù)一個實施例的包括使用激光燒蝕切割到介電材料312的頂部表面中的多個切口 310 (示出了六個)的工件300的頂部視圖。在某些實施例中，切口310各自具有在約5 μ m和約15 μ m之間的范圍內(nèi)的寬度。技術人員將通過本文的公開認識到，也可將更寬的切口和/或更大的特征(例如，焊盤)刻劃到介電材料312的表面中。例如，圖3也示出了使用本文所述的激光燒蝕技術在介電材料312中形成的多個通路314(示出了三個)。通路是延伸穿過芯片封裝襯底或電路板的導電結構。通常通過在通路孔的內(nèi)壁上沉積導電材料層來提供電路徑。在傳統(tǒng)的帶焊盤通路中，通路焊盤可表示通路所耗用的總橫向面積的例如超過50%的大百分比。本文公開的激光處理實施例減小或消除了通路焊盤以大體上縮小通路314的表面占用空間，具有在可用表面空間和互聯(lián)路由靈活性和效率方面的對應增強。
[0035]參考圖2A和圖2B，在介電材料216中的切口 210、212的激光燒蝕可使用劑量通量來特征化，劑量通量可由諸如功率、激光束相對于工件200的速率和光斑尺寸的參數(shù)來控制。參見例如劑量通量的以下等式:
[0036]
【權利要求】
1.一種用于激光直接燒蝕的方法，所述激光直接燒蝕產(chǎn)生切割到介電層中的圖案以形成具有受控信號傳播特性的導電跡線，所述方法包括: 選擇用于沿著工件表面上的刻劃線移除期望深度的材料的劑量通量； 選擇一系列激光脈沖中每個激光脈沖的時間脈沖寬度； 選擇所述一系列激光脈沖的脈沖重復頻率，其中所述脈沖重復頻率的所述選擇至少部分基于所選擇的時間脈沖寬度，以維持沿著所述刻劃線的所選擇的劑量通量，并且其中所選擇的脈沖重復頻率提供沿著所述刻劃線的激光光斑的預定的最小重疊； 根據(jù)所選擇的劑量通量、時間脈沖寬度和脈沖重復頻率，使用激光源生成包括所述一系列激光脈沖的激光束；以及 提供所述工件和所述激光束之間的相對運動，使得所述激光束的路徑以選定的速率循著沿著所述工件的所述表面的所述刻劃線位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所選擇的時間脈沖寬度小于或等于Iμ S。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所選擇的時間脈沖寬度在約IOps和約29ns之間的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所選擇的速率在約lm/s和約10m/s之間的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所選擇的速率在約2m/s和約4m/s之間的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述沿著所述刻劃線的激光光斑的預定的最小重疊為光斑尺寸直徑的約60%。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述光斑尺寸直徑在約5μ m和約30 μ m之間的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法,其中所選擇的脈沖重復頻率在約750kHz和約5MHz之間的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其還包括: 確定作為所選擇的時間脈沖寬度的函數(shù)的所述激光源的工作通量，所述工作通量包括除以所選擇的時間脈沖寬度的平方根的所選擇的劑量通量。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中選擇所述脈沖重復頻率包括: 通過所述脈沖寬度的所述平方根來縮放所述激光源的最大脈沖重復頻率； 對于沿著所述刻劃線的激光光斑的所選擇的最小重疊，基于光斑尺寸和所選擇的速率來計算最小脈沖重復頻率；以及 選擇將在所縮放的最大脈沖重復頻率和所計算的最小脈沖重復頻率之間的所述脈沖重復頻率。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其還包括: 在抖動方向上來回地抖動所述激光束，同時所述激光束的所述路徑以所選定的速率循著沿著所述工件的所述表面的所述刻劃線位置。
12.—種用于激光直接燒蝕的系統(tǒng)，所述激光直接燒蝕產(chǎn)生切割到介電層中的圖案以形成具有受控信號傳播特性的導電跡線，所述系統(tǒng)包括: 處理器； 計算機可讀介質(zhì)，其存儲用于促使所述處理器執(zhí)行以下步驟的計算機可執(zhí)行指令:選擇用于沿著工件表面上的刻劃線移除期望深度的材料的劑量通量； 選擇一系列激光脈沖中每個激光脈沖的時間脈沖寬度；以及 選擇所述一系列激光脈沖的脈沖重復頻率，其中所述脈沖重復頻率的所述選擇至少部分基于所選擇的時間脈沖寬度，以維持沿著所述刻劃線的所選擇的劑量通量，并且其中所選擇的脈沖重復頻率提供沿著所述刻劃線的激光光斑的預定的最小重疊； 激光源，其用來根據(jù)所選擇的劑量通量、時間脈沖寬度和脈沖重復頻率來生成包括所述一系列激光脈沖的激光束；以及 運動元件，其用來提供所述工件和所述激光束之間的相對運動使得所述激光束的路徑以選定的速率循著沿著所述工件的所述表面的所述刻劃線位置。
13.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所選擇的時間脈沖寬度小于或等于Iμ S。
14.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所選擇的時間脈沖寬度在約IOps和約29ns之間的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所選擇的速率在約lm/s和約lOm/s之間的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所選擇的速率在約2m/s和約4m/s之間的范圍內(nèi)。
17.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述沿著所述刻劃線的激光光斑的預定的最小重疊為光斑尺寸直徑的約60 %。
18.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述光斑尺寸直徑在約5μ m和約30 μ m之間的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所選擇的脈沖重復頻率在約750kHz和約5MHz之間的范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述計算機可執(zhí)行指令還促使所述處理器執(zhí)行以下步驟: 確定作為所選擇的時間脈沖寬度的函數(shù)的所述激光源的工作通量，所述工作通量包括除以所選擇的時間脈沖寬度的平方根的所選擇的劑量通量。
21.根據(jù)權利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述計算機可執(zhí)行指令還促使所述處理器通過以下步驟來選擇所述脈沖重復頻率: 通過所述脈沖寬度的所述平方根來縮放所述激光源的最大脈沖重復頻率； 對于沿著所述刻劃線的激光光斑的所選擇的最小重疊，基于光斑尺寸和所選擇的速率來計算最小脈沖重復頻率；以及 選擇將在所縮放的最大脈沖重復頻率和所計算的最小脈沖重復頻率之間的所述脈沖重復頻率。
22.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述運動元件包括一個或多個檢流計。
23.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述運動元件還包括X-Y運動平臺。
24.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其還包括: 一個或多個聲光偏轉(zhuǎn)器，其用來在抖動方向上來回地抖動所述激光束，同時所述激光束的所述路徑以所選定的速率循著沿著所述工件的所述表面的所述刻劃線位置。
【文檔編號】H01L21/301GK103493182SQ201280014588
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年3月23日 優(yōu)先權日:2011年3月31日
【發(fā)明者】穆翰莫德·E·阿爾帕伊, 松本久, 馬克·A·昂瑞斯, 李光宇 申請人:伊雷克托科學工業(yè)股份有限公司