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TWI545690B - 以高脈衝重覆頻率的皮秒雷射脈衝來雷射直接剝蝕 - Google Patents

以高脈衝重覆頻率的皮秒雷射脈衝來雷射直接剝蝕 Download PDF

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TWI545690B
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松本久
馬克Ａ 昂瑞斯
李光宇
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Description

以高脈衝重覆頻率的皮秒雷射脈衝來雷射直接剝蝕
本發明和雷射微加工有關。明確地說，本發明係關於用以在一工作件中切割圖樣以形成具有受控訊號傳導特徵之導電線路的系統和方法。
積體電路(Integrated Circuit，IC)基板製造技術的目的在於縮減基板尺寸和降低成本並且提高功能性。最近的進展係使用雷射直接剝蝕(Laser Direct Ablation，LDA)及特殊的電鍍製程在一介電層裡面形成電訊號線路或路徑，不同於利用習知的微影技術在該介電層的表面上形成訊號線路。該埋置式線路方式會藉由縮短訊號長度並且最佳化線路繞線方式而降低總層數、改善成本與良率、以及改善電效能。該埋置式線路方式可以藉由形成寬度為10μm或更小的訊號線路搭配無觸墊式微穿孔設計而達成。然而，用於介電質移除的已知方法卻缺乏適合大量生產的有生產力且節省成本的製造技術。
在LDA中已經討論過紫外線(UltraViolet，UV)準分子與釔鋁石榴石(Yttrium Aluminum Garnet，YAG)雷射源。UV YAG系統能夠操作在向量與掃描方法與光柵掃描方法兩者之中。UV YAG架構通常不需要用到成像遮罩。因此，UV YAG系統提供靈活性以及快速的設計改變適應性。相反地，準分子雷射剝蝕則會使用一遮罩投射技術來移除一大 區域中的材料。因此，當一圖樣包含許多陸地、接地平面或是其它較大的特徵圖樣時，準分子雷射剝蝕能夠提供高總處理量。使用準分子雷射時的總處理量與該遮罩區域裡面的圖樣密度雖然無關；然而，提高圖樣密度卻可能會在使用UV YAG雷射的直接寫入方法的情況中明顯地影響總處理量。相較於利用UV YAG雷射，準分子剝蝕會呈現較佳的解析度與深度控制，因為可以在該遮罩區域上方進行均勻及增加的介電質移除。UV YAG雷射的功率額定值可能從約3瓦至約40瓦，而準分子雷射的功率額定值則可能高達約300瓦。UV YAG雷射通常操作在從約50kHz至約250kHz的脈衝重覆率處，而準分子雷射的脈衝重覆率則通常為數百赫茲。由於在UV波長(舉例來說，UV YAG雷射通常為約355nm，而準分子雷射則通常為約248nm與約308nm)中有較高剝蝕效果的關係，UV YAG雷射系統與準分子雷射系統兩者都可用於處理廣泛的介電質材料。
本發明提供使用具有高脈衝重覆頻率的短時間脈衝寬度雷射來進行有效LDA處理的系統與方法。該高脈衝重覆頻率允許該雷射射束快速地移動跨越該工作件(以達高總處理量)，同時保持足夠的脈衝重疊。該短時間脈衝寬度可以更有效且更乾淨地達成材料移除。於特定的實施例中，可以使用UV雷射。於其它實施例中，可能會使用綠光雷射。
於其中一實施例中，本發明提供一種用於雷射直接剝 蝕的方法，其會產生被削切至一介電層之中的圖樣，以便形成具有受控訊號傳導特徵的導電線路。該方法包含：選擇一劑量流量，以便沿著一工作件的一表面上的切割線來移除所希望的深度的材料；選擇一系列雷射脈衝中每一個雷射脈衝的時間脈衝寬度；以及選擇該系列雷射脈衝的脈衝重覆頻率。該脈衝重覆頻率的選擇係至少部分以為保持該切割線中的選定劑量流量而選定的時間脈衝寬度為基礎。該選定的脈衝重覆頻率會提供沿著該切割線之雷射光點的預設最小重疊。該方法進一步包含根據該選定的劑量流量、時間脈衝寬度、以及脈衝重覆頻率，利用一雷射源來產生一包含該系列雷射脈衝的雷射射束。該方法還包含在該工作件與該雷射射束之間提供相對運動，俾使得該雷射射束的一路徑會在一選定的速度處遵循該工作件表面中的該切割線位置。
於特定的實施例中，該選定的時間脈衝寬度小於或等於1μs，該選定的時間脈衝寬度係在介於約10ps與約29ns之間的範圍中，而該選定的速度係在介於約1m/s與約10m/s之間的範圍中。於其它實施例中，該選定的速度係在介於約2m/s與約4m/s之間的範圍中。此外，或者，於其它實施例中，沿著該切割線之雷射光點的預設最小重疊為一光點尺寸直徑的約60%，該光點尺寸直徑係在介於約5μm與約30μm之間的範圍中，而該選定的脈衝重覆頻率則係在介於約750kHz與約5MHz之間的範圍中。
於特定的實施例中，該方法進一步包含以該選定的時 間脈衝寬度為函數來決定該雷射源的操作流量。該操作流量包括該選定的劑量流量除以該選定的時間脈衝寬度之平方根。選擇該脈衝重覆頻率可能包含：以該脈衝寬度的平方根來縮小該雷射源的最大脈衝重覆頻率；以一光點尺寸與該選定的速度為基礎來計算(針對沿著該切割線之雷射光點的選定最小重疊)一最小脈衝重覆頻率；以及選擇該脈衝重覆頻率，使其介於該經縮小的最大脈衝重覆頻率與該經算出的最小脈衝重覆頻率之間。
於特定的實施例中，該方法進一步包含當該雷射射束的路徑在該選定的速度處遵循該工作件表面中的該切割線位置時於一顫振方向中前後顫振該雷射射束。
從下面較佳實施例的詳細說明中，參考隨附圖式，將會明白本發明的額外觀點與優點。
I.概述
本發明的系統與方法提供一種在雷射直接剝蝕(LDA)應用中具有高總處理量之有生產力的處理(舉例來說，利用向量掃描方式)。高速射束定位及高脈衝重覆頻率(Pulse Repetition Frequency，PRF)提供足夠的連續雷射脈衝重疊，用以控制被削切至一介電材料之中的切口的均勻性與特徵圖樣。接著，可以利用已知的電鍍製程在該等切口之中形成具有所希望的訊號傳導特徵(舉例來說，阻抗、阻值以及電容)的電氣路徑。
於特定的實施例中會結合一模式鎖定雷射來使用一高速射束定位技術。隨著射束定位技術的演進，雷射源的脈衝重覆率已變成一項限制因子。舉例來說，若在一工作件處利用10μm的光點尺寸、運轉在10kHz脈衝重覆頻率(PRF)處的雷射源以及相對於該工作件的一表面高於100mm/秒的雷射射束速度，那麼，雷射的一口尺寸(bite size)(一雷射光點與下一個雷射光點之間的距離)會係10μm或更大。因此，於此範例中，沒有任何脈衝重疊，而且該雷射射束會在該工作件中產生多個分離光點或虛線，它們會(在被一導電材料電鍍之後)禁制訊號傳導及/或破壞訊號傳導特徵(相較於連續且均勻的線)。
為運用一高速射束定位技術，根據特定實施例會使用一高PRF來提供所希望的脈衝重疊百分比。當光點直徑變小時，可能會使用較高的PRF。脈衝重疊百分比的定義為(光點尺寸-一口尺寸)/光點尺寸*100%。於其中一實施例中，脈衝重疊百分比至少為60%，以便利用一高斯射束來提供穩定的累積流量分佈。由於模式鎖定雷射的高頻操作的關係，其會有高脈衝重疊百分比。然而，本發明並不僅限於模式鎖定雷射操作且技術人員從本文的揭示內容中便會瞭解，亦可以使用其它類型的雷射。換言之，只要PRF夠高而足以提供所希望的脈衝重疊百分比，便仍可運用該高速射束定位技術。
於特定的實施例中，雷射會產生具有短時間脈衝寬度的雷射脈衝。雖然連續波(Continuous Wave，CW)雷射操作 在雷射射束於該材料表面上方移動時不會有光點至光點距離的問題；但是，CW操作卻可能會導致非所希望的熱累積。此外，短時間脈衝寬度還可能會在特定波長處提高材料的雷射能量吸收率。有效的剝蝕臨界值會相依於波長和時間脈衝寬度而改變。利用具有短時間脈衝寬度雷射的高強度射束，非線性吸收率可能會導致溫度上升的速率超過有機樹脂之用以剝蝕該材料的熱解溫度。所以，剝蝕臨界值流量會朝下方偏移。
於特定的實施例中，該等雷射脈衝具有UV波長。該LDA製程會在介電質樹脂中形成溝槽，而且該等溝槽稍後會被金屬化而使得該等溝槽變成導電線路。因為在印刷繞線板材料中有較佳吸收性的關係，所以，可以使用UV波長。在UV範圍的較短波長中，剝蝕效率可能比較高，而且剝蝕臨界值流量可能比較低。於其它實施例中，可以使用可見光波長。舉例來說，可以使用綠光雷射，其會產生時間脈衝寬度落在奈秒範圍中的雷射脈衝。然而，相較於產生時間脈衝寬度落在奈秒範圍中之雷射脈衝的UV雷射，此種綠光雷射可能會需要約五倍高的平均功率而且慢了約八倍。
現在參考圖式，圖式中相同的元件符號表示相同的元件。在下面的說明中將提出許多明確的細節，以便更透澈的理解本文中所揭示的實施例。然而，熟習本技術的人士便會瞭解，即使沒有一或多項該等明確細節，或是，利用其它方法、器件、或材料，仍能實行該等實施例。進一步 言之，於某些情況中，本發明並不會詳細顯示或說明眾所熟知的結構、材料或是操作，以免混淆該等實施例的觀點。再者，該等已述的特點、結構或是特徵亦可以任何合宜的方式被組合在一或多種實施例之中。
II. LDA處理
圖1概略地顯示一介電材料116的一頂端表面114上的一第一導電線路110與一第二導電線路112的側視圖。舉例來說，該等導電線路110、112可能包含銅(Cu)。
圖2A概略地顯示根據其中一實施例的工作件200的側視圖，其包括利用雷射剝蝕被削切至一介電材料216的一頂端表面214之中的一第一切口210與一第二切口212。該介電材料216可能包含一有機樹脂(其可能還包含無機強化顆粒及/或金屬)。於特定的實施例中，該介電材料216可能包括由位於日本川崎市的Ajinomoto Fine-Techno Co.,Inc.所售的ABF GX-3或是ABF GX-13介電膜。
圖2B概略地顯示根據其中一實施例顯示在圖2A之中的工作件200的側視圖，其具有被形成在該第一切口210之中的一第一導電線路218以及被形成在該第二切口212之中的一第二導電線路220。該等導電線路218、220可能包含銅(Cu)或是另一種導電材料。如圖2B中所示，於該等個別切口210、212裡面形成該等導電線路218、220會縮減該工作件200的總高度(相較於圖1)。進一步言之，圖1中所示的導電線路110、112中的每一者僅其中一邊侷限於該介電材料116的頂端表面114；而圖2B中所示的導電線 路218、220中的每一者則有三邊侷限於該介電材料216，其會減少受壓力下所造成的線路破裂並且縮短電路和該介電材料216的相隔距離。於該等個別切口210、212裡面形成該等導電線路218、220還會藉由縮短訊號長度並且最佳化線路繞線方式而降低總層數、改善成本與良率以及改善電效能。
圖3概略地顯示根據其中一實施例的工作件300的俯視圖，其包含利用雷射剝蝕被削切至一介電材料312的一頂端表面之中的複數個切口310(圖中顯示六個)。於特定的實施例中，該等切口310每一者的寬度皆落在約5μm與約15μm之間的範圍中。技術人員從本文的揭示內容中便會瞭解，亦可以於該介電材料312的表面中切割出較寬的切口及/或較大的特徵圖樣(舉例來說，觸墊)。舉例來說，圖3還顯示出利用本文中所述的雷射剝蝕技術被形成在該介電材料312之中的複數個穿孔314(圖中顯示三個)。穿孔係延伸貫穿一晶粒封裝基板或是一電路板的導電結構。一電氣路徑通常係藉由在一穿孔孔洞的內壁上沉積一層導體材料來提供。於一習知的有觸墊穿孔中，該穿孔觸墊可能代表被一穿孔佔去的總橫向面積中的很大百分比，舉例來說，超過50%。本文中所揭示的雷射處理實施例會縮減或消弭該穿孔觸墊，以便實質上縮減該穿孔314的表面覆蓋面積，從而對應提高可用的表面空間以及互連繞線彈性與效率。
參考圖2A與2B，介電材料216中的切口210、212的雷射剝蝕的特徵可能係利用一可以受控於下面參數的劑量 流量，例如，功率、雷射射束相對於工作件200的速度、以及光點尺寸。舉例來說，請參見劑量流量的下面公式：
其中，ω0為光點半徑。
劑量流量越高，目標材料的體積移除量便越高。當該等切口210、212的所希望寬度與深度已給定時，該劑量流量便可以被決定。對更快速的材料移除來說(舉例來說，更高的總處理量)，射束掃描的速度則可能係一影響因子。雷射功率可能會保持不變，以便提供恆定範圍的劑量流量。
在直接剝蝕該介電材料216中可能會使用一皮秒UV雷射源(請參見圖12)。於其中一實施例中，該雷射源包括一可以操作在PRF高達約80MHz處的模式鎖定雷射。該雷射源的每一個脈衝能量可能低至數個奈焦耳(nJ)，從而在小於10μm光點直徑上提供僅數個mJ/cm2的操作流量。其它實施例可能會使用其它波長及/或時間脈衝寬度。舉例來說，圖4、5、6以及7便圖解使用皮秒綠光雷射來處理一介電質(ABF GX-13)、使用奈秒綠光雷射來處理該介電質、使用皮秒UV雷射來處理該介電質、以及使用奈秒UV雷射來處理該介電質之間的差異。
III. UV雷射與綠光雷射的範例雷射參數
圖4所示的係根據特定實施例之針對一介電材料(ABF GX-13)的每一個脈衝的剝蝕速率的關係圖。該關係圖的x軸中所示的流量係在高斯狀光點的中央處。每一個脈衝的 剝蝕深度數值則顯示在該關係圖的y軸中。如圖4中所示，於特定的實施例中，對材料移除效率來說，UV波長可能優於綠光波長。奈秒UV雷射的剝蝕速率幾乎為皮秒綠光雷射的剝蝕速率的兩倍。同樣如圖4中所示，於特定的實施例中，皮秒時間脈衝寬度亦可能會優於奈秒時間脈衝寬度。利用奈秒雷射來啟動有效剝蝕的臨界流量實質上會高於利用皮秒雷射來啟動有效剝蝕的臨界流量。
圖5所示的係根據特定實施例之以線性劑量流量為函數的剝蝕速率的關係圖。圖4中所示的「光點中心流量」所指的雖然係和將單一光點照射在一工作件上的單一雷射脈衝相關聯的能量密度；不過，圖5中的「線性劑量流量」所指的則係和被傳遞跨越該工作件上之一線段的一系列脈衝相關聯的累積能量密度。光點中心流量為2*(脈衝能量/脈衝面積)。係數2係因為每一個雷射脈衝裡面的能量分部皆為高斯狀的關係(光點中心為平均能量的兩倍)。對線性劑量流量來說，當以重覆率R及功率P來擊發雷射時，以速度v在長度L的線段上移動光點直徑為D的雷射射束會造成傳遞R*L/v個脈衝，每一個脈衝皆具有能量P/R。因此，P*L/v的總能量會在一「L乘D」的矩形區域上方被傳遞，而線性劑量則為：k*(P*L/v)/(L*D)=k*P/(v*D)係數k係因個別雷射脈衝的高斯特性所造成。
該關係圖的x軸中所示的線性劑量流量係在一高斯狀 光點的中央處，其定義為當雷射射束在該工作區上方移動時，該光點區上方的累積流量。剝蝕深度數值則顯示在該關係圖的y軸中。如圖5中所示，於特定的實施例中，該UV波長可能優於綠光波長。請注意，利用皮秒時間脈衝寬度與奈秒時間脈衝寬度的UV雷射的剝蝕速率相當匹配(也就是，UV皮秒資料點與UV奈秒資料點彼此非常靠近)；而相較於利用皮秒綠光雷射所達成的剝蝕深度，奈秒綠光雷射需要實質上較高的線性劑量流量以取得雷同的剝蝕深度。
圖6所示的係根據特定實施例之切口寬度與光點直徑之間的比例相對於1/e2高斯光點處的劑量流量的關係圖。該關係圖的y軸中所示的係切口寬度與光點直徑之間的比例，而該關係圖的x軸中所示的則係1/e2高斯光點處的劑量流量。如圖6中所示，於特定的實施例中，劑量流量的有效臨界值在皮秒UV雷射為最低而在奈秒綠光雷射為最高。請注意，在相同的劑量流量處，皮秒UV結果所顯示的切口略寬於奈秒UV結果所顯示的切口。
圖7所示的係根據特定實施例的體積移除效率的對照關係圖。該關係圖的y軸中所示的係隨意單位(arbitrary unit，au)的相對體積移除率，而該關係圖的x軸中所示的則係1/e2高斯光點處的劑量流量。因為圖7中所示之小額差異的關係，該皮秒UV雷射所呈現的體積移除效率略優於該奈秒UV雷射的體積移除效率。
IV.一種LDA處理方法
圖8所示的係根據其中一實施例之用以將切口雷射剝蝕至一介電材料之中的方法800的流程圖。舉例來說，方法800可作為一用以產生被削切至該介電材料之中的圖樣的LDA製程的一部分，以便形成具有受控訊號傳導特徵的導電線路。該方法800包含針對一選定的時間脈衝寬度來決定810該目標材料的所希望剝蝕流量除以該時間脈衝寬度的平方根作為該雷射的操作流量。接著，針對該選定的時間脈衝寬度，以該脈衝寬度的平方根來縮小812該雷射源的最大PRF。該方法800還包含針對連續雷射脈衝之間的一選定最小重疊，以一光點尺寸與該雷射射束相對於該工作件之表面的最大速度為基礎來計算814一最小PRF。於其中一實施例中，該選定最小重疊為該射束光點直徑的60%，也就是，(光點尺寸-一口尺寸)/光點尺寸*100%=60%。該方法800還進一步包含藉由在該已決定的操作流量處以及在介於該經縮小的最大PRF與該經算出的最小PRF之間的PRF處操作該雷射源來產生816一系列的雷射脈衝，用以在形成一切口的整個過程期間保持實質上恆定的劑量流量。
V.範例LDA處理參數
下面的範例解釋圖8的方法如何可以時間脈衝寬度、流量、PRF以及其它處理參數的特定數值來LDA處理ABF GX-13。技術人員便會瞭解，此處僅係透過範例來提供該等範例材料與參數數值，而沒有限制的意義。該範例雖然使用UV雷射源；然而，如上面的討論，亦可以使用其它波長(舉例來說，綠光)。
利用UV雷射源對有機材料所造成的體剝蝕速率X(或蝕刻速率)通常可模擬如下：
其中，α為一材料在某個雷射波長處的吸收係數[cm-1]，θ為該雷射源的操作流量[J/cm2]，而θth為用以在該材料中開始進行剝蝕的臨界流量。對於利用具有已成像光學元件之各種奈秒UV雷射所進行的ABF GX-13樹脂鑽鑿製程來說，α會回歸至約18513.57471cm-1，而θth約為0.104887849 J/cm2。舉例來說，請參見圖9，圖9所示的係根據其中一實施例之利用355nm雷射對ABF GX-13樹脂所達到的剝蝕速率的關係圖。圖9中之資料點的剝蝕速率擬合直線係由y=(1/1.851357471E+04)^In(F/0.104887849)來給定。
一般來說，聚合物傾向於在蒸發之前先分解。長串的分子會在它們能夠離開該材料主體之前被切成多個分段。剝蝕的熱活化可能會出現一典型的「阿累尼烏斯尾部(Arrhenius tail)」，而非明確的剝蝕臨界值。這係以由雷射加熱所引起之該材料主體裡面的雷射剝蝕為基礎，其為一種光熱斷鍵反應。有多種不同的剝蝕模型可以考慮。於以光化學為基礎的模型中，電子激昇會造成直接斷鍵，而不需要熱化(thermalization)。於以熱為基礎的模型中，該等接合鍵會以熱能的方式被打斷，該剝蝕過程的熱性質係由阿累尼烏斯尾部的觀察結果以及剝蝕速率和剝蝕臨界值與雷 射脈衝重覆率和脈衝寬度的相依性來支持。於光物理模型中，熱特徵與非熱特徵會同時被利用並且被視為兩種獨立的斷鍵手段，或者被視為暗喻著在基態發色團以及經電子激昇的發色團中有不同的斷鍵能量。
臨界流量會因提高吸收係數而下降，而不管降低臨界流量是否與雷射波長縮短、摻雜物的加入或是缺陷的產生有關。或者，臨界流量可能會因縮減時間脈衝寬度而下降。利用較短的脈衝會降低激昇能量的空間消耗並且會在較低的流量處達到臨界流量。此觀察結果可能與因為多光子激昇的關係所造成的熱滲透深度縮減及/或吸收係數提高有關。
假設剝蝕剛開始係藉由加熱該材料來進行，那麼，材料溫度可藉由使用流量與時間脈衝寬度來取得近似值。下面的公式係以在一脈衝期間以及該脈衝之後的一維(1D)表面溫度模型為基礎。為簡化起見，此解析模型在時間形狀與空間形狀兩者中皆使用一高帽狀射束輪廓。亦可以使用其它的時間形狀與空間形狀。倘若射束直徑比較大且倘若樹脂厚度比該樹脂的熱擴散距離還厚的話，該模型會相當精確。
在該表面溫度模型中，在該脈衝週期期間的表面溫度的公式係由下面所給定：
其中，τ為脈衝週期，ε為吸收率，I為輻射強度，K 為導熱係數，k為熱擴散係數，而T0為在該脈衝週期之前的初始表面溫度。
在該脈衝週期之後的表面溫度的公式係由下面所給定：
在t=τ處，當T=Td(分解溫度)時：
將所有材料相關的常數簡化成單一常數，C
該公式便會成為：
當常數C相同時，即使有不同的輻射強度與時間脈衝寬度數值，該材料的表面溫度T仍為相同。在某些C的數值中則會超過聚合物材料的分解溫度。此方法已經成功地被用來在盲孔構形中特徵化一銅質俘獲觸墊(copper capture pad)的外觀。
下面的公式包含在該脈衝週期期間及在該脈衝之後的材料內部溫度。
在該脈衝週期期間的溫度的公式係由下面所給定：
其中，z為材料內部的深度，而ierfc則係補餘誤差函數(complementary rrror function)的積分(請參見下面的公式)。
在該脈衝週期之後的溫度的公式係由下面所給定：
其中，
於此範例中，吸收係數為α=10563.0357cm-1(滲透深度，1/α=0.95033μm)，而反射率R=0.063149，其會在該樹脂的橢圓儀測量中造成吸收率ε=(1-R)=0.936851，導熱係數為K=0.003W/cm2，以及熱擴散係數為k=0.0025 cm2/s。熱分解溫度為583°K，而玻璃轉移溫度則為363°K。
於此範例中，當使用約50ps的時間脈衝寬度時，UV雷射之經預測的有效剝蝕臨界值約為4.55mJ/cm2，而當使用約29ns的時間脈衝寬度時，則約為110mJ/cm2。在此等條件中被算出的常數C或θ/T1/2數值在50ps和29ns的時間脈衝寬度中會變成約為相同的數值，20.34mJ/cm2．ns1/2。請參見圖11中所示的「下端流量(low-end fluence)」。利用皮秒雷射會觀察到急遽的溫度轉移，而且在該材料中的溫 度上升相當淺薄，這便解釋了每一個脈衝的較低剝蝕速率。請參見圖4與5。
於此範例中，該雷射源的實用操作流量數值約為72.45mJ/cm2．ns1/2。對時間脈衝寬度為50ps的UV雷射脈衝來說，流量為：72.45mJ/cm2．ns1/2*(5000ns)1/2=16.2mJ/cm2對時間脈衝寬度為29ns的UV雷射脈衝來說，流量為：72.45mJ/cm2．ns1/2*(29ns)1/2=390mJ/cm2
於此範例中，圖10所示的係根據特定實施例在利用恆定的功率對ABF GX-13進行UV LDA處理中的脈衝能量與PRF相對於脈衝寬度的關係圖。圖10包含一下端脈衝能量的關係圖、一操作脈衝能量的關係圖、一經縮小的最大PRF(從80MHz處縮小)的關係圖、以及下限PRF(其利用在3m/s的射束速度處有60%的連續雷射光點重疊)的關係圖。同樣於此範例中，圖11所示的係根據特定實施例在利用恆定的流量除以脈衝週期之平方根對ABF GX-13進行UV LDA處理中的流量與PRF相對於脈衝寬度的關係圖。圖11包含一下端流量(在20.34mJ/cm2．ns1/2處)的關係圖、一操作流量(在72.45mJ/cm2．ns1/2處)的關係圖、一經縮小的最大PRF(從80MHz處縮小)的關係圖、以及下限PRF(其利用在射束速度為3m/s處有60%的連續雷射光點重疊)的關係圖。圖10與11皆以假設此範例中的剝蝕機制比較依循熱 模型為基礎(不同於上面討論的光化學模型或光物理模型)。
72.45mJ/cm2．ns1/2的操作流量數值會在一10μm的光點中於該工作表面處轉化成至少1.02W的平均功率必要條件。根據特定的實施例，不同的時間脈衝寬度中的工率應該保持恆定，因為劑量流量在決定總處理量中扮演很重要的角色。
以50ps的80MHz PRF雷射為基礎，該最大PRF會藉由在一特殊的時間脈衝寬度數值的平方根中保持相同的流量而被縮小。舉例來說，1ns雷射應該操作在不高於下面的PRF處，用以提供72.45mJ/cm2的操作流量：經縮小的PRFMAX=80MHz *(.05)1/2=17.9MHz
最小PRF則係由所使用的光點尺寸與射束速度來決定，其會決定脈衝重疊百分比。如上面的討論，高於60%的脈衝重疊會縮短雷射脈衝之間的間隔以及深度變異。倘若射束速度為3m/sec的話，利用10μm的光點尺寸直徑，該PRF會被選擇為高於約750kHz，其給定如下：10μm*(1-60%)=4μm，PRFMIN=(3m/s)/(4μm)=750kHz。
因此，在根據特定實施例之選擇或產生用於LDA處理的雷射參數中，脈衝寬度不能被忽略。對一給定的時間脈衝寬度來說，雷射源的操作流量係該目標材料的所希望的剝蝕流量除以脈衝寬度的平方根。舉例來說， (16.2mJ/cm2)/(5000ns)1/2=72.45mJ/cm2．ns1/2。接著，該雷射源的最大PRF(舉例來說，80MHz)會針對給定的脈衝寬度及必要的流量以既有的操作條件為基礎被縮小。最小PRF係針對一最小可接受的脈衝重疊以光點尺寸與最大速度為基礎所決定。平均功率會保持不變，以便保持用以達到高總處理量的劑量流量。
VI.範例LDA處理系統
圖12所示的係根據其中一實施例的範例LDA處理系統1200的方塊圖。系統1200包含一AOD子系統1206以及一電流檢測計(電流計)子系統1208，用以顫振一雷射射束。本文中所討論的高PRF可以使用該AOD子系統1206來快速顫振該雷射射束，其討論如下。該系統1200包含一雷射源1210，用以提供一處理射束1212給該AOD子系統1206。於其中一實施例中，該雷射源1210包含一脈衝式雷射源，俾使得該處理射束1212包括一系列的雷射脈衝。於另一實施例中，該雷射源1210包含連續波(CW)雷射源，俾使得該處理射束1212包括一CW雷射射束。於特定的此等實施例中，該AOD子系統1206會藉由在多個分離的(「脈衝」)間距處偏折該處理射束1212而從該CW雷射射束中產生多個雷射脈衝。該系統1200進一步包含一處理器1203，其會被配置成用以執行被儲存在一電腦可讀取媒體(圖中所示的記憶體裝置1205)中的電腦可執行指令以便實施本文中所述的製程。舉例來說，該處理器1203可以執行指令，以便實施上面配合圖8所述的方法。
該AOD子系統1206會以一AOD偏折角度1214來偏折該處理射束1212的第一階射束1213並且將該處理射束1212的第零階射束1215偏折至一射束收集器1216。該系統1200可能進一步包含：一固定式面鏡1218，用以將該第一階射束1213偏折至該電流計子系統1208；以及一掃描透鏡1220，用以將一雷射射束光點1222聚焦在一工作件1224之上或裡面。該掃描透鏡1220的輸出在本文中可能會被稱為一已聚焦雷射射束1225。該系統還包含一運動平台1209，用以提供該雷射射束1225與該工作件1224之間的相對運動。舉例來說，該運動平台1209可能包含一線性X-Y平台及/或一Z平台。
於其中一實施例中，該AOD子系統1206可能包含單一AOD，其會被用來在一第一方向中(舉例來說，顫振方向)提供前後的偏折作用；而該電流計子系統1208則會沿著一處理軌道1226在一第二方向中提供偏折作用。然而，為提高速度與多樣性，圖12中所示的實施例中的AOD子系統1206會沿著一X軸與一Y軸提供相對於該工作件1224的一表面的2-D偏折。於此範例中，Y軸可能係指平行於該處理軌道1226，而X軸可能係指垂直於該處理軌道1226。因此，X軸可能係指顫振方向。舉例來說，該處理軌道1226可能對應於該系統1200會沿著其用以在該工作件1224的一表面之中切割或削切一溝槽1228(在該電流計子系統1208的控制下)的方向。
為提供圖中所示的2-D偏折，該AOD子系統1206包 含一第一AOD 1230以及一第二AOD 1232，當該電流計子系統1208沿著一處理軌道1226移動該射束軸時，該第一AOD 1230會在一第一方向中偏折該第一階射束1213而該第二AOD 1232會在一第二方向中偏折該第一階射束1213。換言之，由該AOD子系統1206所提供之射束光點位置的移動會被疊加在由該電流計子系統1208所提供之射束光點位置的移動上。如圖12中所示，該電流計子系統1208可能還包含一第一電流計面鏡1233以及一第一電流計面鏡1235，用以相對於該工作件1224的該表面同時在X軸與Y軸兩個方向中偏折該第一階射束1213。
該等AOD偏折的方位可能不會對齊該電流計子系統1208的偏折軸。一般來說，可能會對該等AOD偏折命令套用座標轉換，用以讓最終的AOD偏折對齊所希望的座標系統。此座標轉換亦可為速度的函數，從而旋轉該AOD偏折座標系統以便讓該AOD射束偏折垂直於由該電流計子系統1208所定義的處理軌道。
利用系統1200中所包含的AOD子系統1206會致能數種操作模式。於其中一實施例中，一操作模式包含能夠顫振該處理射束1212，用以在該工作件1224處有效地增寬該雷射射束光點1222。換言之，顫振該處理射束1212包含在空間上放置一系列的已聚焦雷射射束光點1234，用以創造維度大於由該掃描透鏡1220所聚焦的一個別雷射射束光點1222之維度的幾何特徵圖樣。為達解釋之目的，圖12顯示出當在該處理軌道1226的方向中處理該溝槽1228時從該 工作件1224的表面之上看去的該等被顫振雷射射束光點1234。因此，舉例來說，在一給定(高)重覆率處的該系列被顫振雷射射束光點1234具有以較低脈衝重覆率被連續施加至該處理軌道1226之方向中的一系列較大直徑雷射射束光點的效果。
於特定的實施例中，該等AOD 1230、1232能夠更新它們之大小等級約0.1μs至約10μs的個別聲場(利用一新的聲音波形來填充該光學孔徑)。假設標稱更新速率約1μs，該處理射束的位置會被快速地更新，俾使得該等被顫振雷射射束光點1234中的數個光點會在處理期間重疊。該等被顫振雷射射束光點1234可能會在垂直於該處理軌道1226的維度中(舉例來說，在X軸或顫振方向中)重疊，以便增寬正在被處理的特徵圖樣(舉例來說，溝槽1228)。如圖12中所示，該等被顫振雷射射束光點1234亦可能會在該處理軌道1226的方向中重疊。為保持該被顫振的射束配向垂直於該處理軌道1226，根據特定實施例，當該處理軌道1226的角度改變時，一顫振軸可能會不斷地被調整。此外，該顫振軸還可能還會被調整成用於以該處理軌道速度為函數來補償被加諸在由顫振點所組成之直線上的角度。假定軌道速度為V、顫振更新週期為Td、顫振點的數量為Npts、而顫振擺幅為Dd，那麼，此角度便等於atan[Td*(Npts-1)*V/Dd]。
除了相對於該工作件1224的表面來顫振該射束位置之外，或者，於其它實施例中，可以利用該AOD子系統1206來改變該顫振軸中的強度輪廓。操控該處理射束1212在該 顫振軸中的強度輪廓可以設計被處理的溝槽1228的剖面形狀。舉例來說，溝槽1228可以被處理成具有矩形、U形、或是V形的剖面。設計特徵圖樣(例如，側壁斜面)的形狀可以使用在多種情況中，例如，交點構形。形狀設計的解析度可以依據基礎的光點尺寸，而經過形狀設計的強度輪廓可能係該顫振圖樣(位置與強度)和光點強度輪廓(舉例來說，高斯形狀或是另外的輪廓形狀)的捲積(convolution)。舉例來說，可以藉由下面方式來設計一特徵圖樣的形狀：在該顫振軸中的特定位置處重疊脈衝(舉例來說，二或多個脈衝可以被施加在相同的位置處)，用以移除選定數量的目標材料；及/或藉由以該顫振軸中的偏折位置為函數來調變雷射脈衝的功率振幅。
除了在該顫振軸中設計特徵圖樣的形狀之外，或者，於其它實施例中，可以利用該AOD子系統1206以該處理軌道1226中的位置為函數來控制功率，以便對一被處理的線性特徵圖樣的「末端點」達到雷同的形狀設計效果。以該處理軌道1226中的位置為函數來控制功率同樣可以使用在多種應用中，例如，交點構形。使用AOD子系統1206能夠以超高的速度(舉例來說，微秒等級)來進行功率調變，俾使得可以很高的處理速度(舉例來說，在介於約1m/s與約5m/s之間的範圍中)來精密控制強度輪廓(舉例來說，特徵圖樣的維度在介於約5μm與約50μm之間的範圍中)。
於特定的實施例中，亦可以使用AOD子系統1206來對該工作件1224中的一區域進行光柵掃描，用以形成多個 觸墊；或是進行星狀掃描，用以形成多個穿孔。
如上面針對LDA處理的討論，工作件1224可能包含一層有機樹脂(其可能包含無機強化顆粒及/或金屬)。雷射源1210的處理流量可以如上面所述般地被選擇，只要其高於該工作件1224中的目標材料的有效剝蝕臨界值即可。用於LDA的脈衝能量可能低至數個奈焦耳(舉例來說，針對一10ps的脈衝寬度)。如上面的討論，短脈衝寬度可以幫助降低有效剝蝕臨界值；而且即使利用如此低的脈衝能量(或是流量)，仍會看見材料移除結果。由於工作件1224的目標材料中的樹脂(舉例來說，絕緣材料)的低熱擴散係數的關係，短脈衝的持續長度對LDA處理所造成的加熱影響可能很小；倘若脈衝寬度大於約1μs的話，那麼，加熱影響於特定的實施例中便可能會有問題。
如上面的討論，雷射源1210可以操作在高PRF處，以便在該消切中保持所希望的脈衝重疊，達到均勻的幾何脈衝分佈。根據特定的實施例，脈衝重疊率可能高於60%。最小所希望的PRF可以將一口尺寸乘以雷射射束1225相對於工作件1224之表面的速度來算出。舉例來說，為針對7μm的光點尺寸保持60%之脈衝重疊率的最大一口尺寸可以假定為7μm *(1-60%)=2.86μm。倘若速度提升至10m/s的話，那麼，舉例來說，最小PRF便會是(10m/s)/(2.86μm)=3.5MHz。當PRF便得越來越高時，可以縮短脈衝持續長度，俾使得仍可利用該較低的脈衝能量(或是流量)來進行剝蝕。
平均功率可以藉由所希望的深度及可行速度來決定。於其中一實施例中，當利用7μm的光點尺寸時的目標深度為約13μm且掃描速度為1m/s時，平均功率可能低至0.7W。於另一實施例中，當利用14μm的光點尺寸時的目標深度為約18μm且掃描速度為10m/s時，平均功率可能高達25W。藉由產生多道射束可以運用額外的功率來同時處理一個以上的部分，用以達到更高的總處理量。
於特定的實施例中，該系統提供的掃描速度高達10m/s。於其它實施例中，可能會使用高於10m/s的掃描速度。
於其中一實施例中，該雷射源1210可能係一模式鎖定UV雷射，其能夠產生大於2.5W的功率、50ps的時間脈衝寬度、355nm的波長、以及80MHz的脈衝重覆頻率。工作件1224可能係一高密度互連線(High Density Interconncent，HDI)，而特徵圖樣尺寸可能遠大於IC封裝(IC Packaging，ICP)的尺寸。所以，掃描透鏡1220可能包含250.8mm焦距的透鏡，以便將雷射射束1225往下聚焦至約21μm。掃描場域大小可能為約100mm乘約100mm，並且可以僅利用電流計場(舉例來說，由電流計子系統1208所提供的該雷射射束1225與該工作件1224之間的相對運動)來切割整個電路圖樣。為處理整個工作件1224，可以一移動步進與重覆的方式來使用運動平台1209。
於其中一實施例中，該雷射源1210包括由位於美國加州聖克拉拉市的Spectra-Physics所售的355nm、50ps、 12W、80MHz的Pantera®雷射。於另一實施例中，該雷射源1210包括由Spectra-Physics所售的355nm、12ps、2.5W、80MHz的Vanguard®雷射。於另一實施例中，該雷射源1210包括由位於美國加州聖克拉拉市的Coherent Inc.所售的355nm、10ps、10W、80MHz的Paradin®雷射。於另一實施例中，該雷射源1210包括由Coherent Inc.所售的355nm、20至30ns、7W、30至70kHz的Avia® 7000雷射。於另一實施例中，該雷射源1210包括由Spectra-Physics所售的532nm、10至15ns、15至50kHz、11W的Hippo®雷射。於另一實施例中，該雷射源1210包括一532nm、10ps、200kHz至4MHz、1W的雷射(舉例來說，可利用從位於瑞士蘇黎世的Time-BandWidth Products AG所售之1064nm的Duetto®雷射來轉換)。技術人員從本文的揭示內容中便會瞭解，雷射源1210亦可能包括其它類型的雷射或雷射型號。
熟習本技術的人士便會瞭解，可以對上面所述實施例的細節進行眾多改變，其並不會脫離本發明的基礎原理。所以，本發明的範疇應該僅由下面的申請專利範圍來決定。
110‧‧‧第一導電線路
112‧‧‧第二導電線路
114‧‧‧頂端表面
116‧‧‧介電材料
200‧‧‧工作件
210‧‧‧第一切口
212‧‧‧第二切口
214‧‧‧頂端表面
216‧‧‧介電材料
218‧‧‧第一導電線路
220‧‧‧第二導電線路
300‧‧‧工作件
310‧‧‧切口
312‧‧‧介電材料
314‧‧‧穿孔
800‧‧‧方法
810‧‧‧決定步驟
812‧‧‧縮小步驟
814‧‧‧計算步驟
816‧‧‧產生步驟
1200‧‧‧LDA處理系統
1203‧‧‧處理器
1205‧‧‧記憶體裝置
1206‧‧‧AOD子系統
1208‧‧‧電流檢測計(電流計)子系統
1209‧‧‧運動平台
1210‧‧‧雷射源
1212‧‧‧處理射束
1213‧‧‧第一階射束
1214‧‧‧偏折角度
1215‧‧‧第零階射束
1216‧‧‧一射束收集器
1218‧‧‧固定式面鏡
1220‧‧‧掃描透鏡
1222‧‧‧雷射射束光點
1224‧‧‧工作件
1225‧‧‧已聚焦雷射射束
1226‧‧‧處理軌道
1228‧‧‧溝槽
1230‧‧‧第一AOD
1232‧‧‧第二AOD
1233‧‧‧第一電流計面鏡
1234‧‧‧已聚焦雷射射束光點
1235‧‧‧第二電流計面鏡
圖1概略地顯示一介電材料的一頂端表面上的一第一導電線路與一第二導電線路的側視圖。
圖2A概略地顯示根據其中一實施例的工作件的側視圖，其包括利用雷射剝蝕被削切至一介電材料的一頂端表面之中的一第一切口與一第二切口。
圖2B概略地顯示根據其中一實施例顯示在圖2A之中的工作件的側視圖，其具有被形成在該第一切口之中的一第一導電線路以及被形成在該第二切口之中的一第二導電線路。
圖3概略地顯示根據其中一實施例的工作件的俯視圖，其包含利用雷射剝蝕被削切至一介電材料的一頂端表面之中的複數個切口。
圖4所示的係根據特定實施例之針對一介電材料的每一個脈衝的剝蝕速率的關係圖。
圖5所示的係根據特定實施例之以線性劑量流量為函數的剝蝕速率的關係圖。
圖6所示的係根據特定實施例之切口寬度與光點直徑之間的比例相對於1/e2高斯光點處的劑量流量的關係圖。
圖7所示的係根據特定實施例的體積移除效率的對照關係圖。
圖8所示的係根據其中一實施例之用以將切口雷射剝蝕至一介電材料之中的方法的流程圖。
圖9所示的係根據其中一實施例之利用355nm雷射對ABF GX-13樹脂所達到的剝蝕速率的關係圖。
圖10所示的係根據特定實施例在利用恆定的功率對ABF GX-13進行UV LDA處理中的脈衝能量與PRF相對於脈衝寬度的關係圖。
圖11所示的係根據特定實施例在利用恆定的流量除以脈衝週期之平方根對ABF GX-13進行UV LDA處理中的流 量與PRF相對於脈衝寬度的關係圖。
圖12所示的係根據其中一實施例的範例LDA處理系統的方塊圖。
800‧‧‧方法
810‧‧‧決定步驟
812‧‧‧縮小步驟
814‧‧‧計算步驟
816‧‧‧產生步驟

Claims (24)

  1. 一種用於雷射直接剝蝕的方法，其會產生被削切至一介電層之中的圖樣，以便形成具有受控訊號傳導特徵的導電線路，其包括：選擇一劑量流量，以便沿著一工作件的一表面上的切割線來移除所希望的深度的材料；選擇一系列雷射脈衝中每一個雷射脈衝的時間脈衝寬度；選擇該系列雷射脈衝的脈衝重覆頻率，其中，該脈衝重覆頻率的選擇係至少部分以為保持該切割線中的選定劑量流量而選定的時間脈衝寬度為基礎，且其中，該選定的脈衝重覆頻率會提供沿著該切割線之雷射光點的預設最小重疊；根據該選定的劑量流量、時間脈衝寬度以及脈衝重覆頻率，利用一雷射源來產生一包括該系列雷射脈衝的雷射射束；以及在該工作件與該雷射射束之間提供相對運動，俾使得該雷射射束的一路徑會在一選定的速度處遵循該工作件表面中的該切割線位置。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，該選定的時間脈衝寬度小於或等於1μs。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，該選定的時間脈衝寬度係在介於10ps與29ns之間的範圍中。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，該選定的速度 係在介於1m/s與10m/s之間的範圍中。
  5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，該選定的速度係在介於2m/s與4m/s之間的範圍中。
  6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，沿著該切割線之雷射光點的預設最小重疊為一光點尺寸直徑的60%。
  7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，該光點尺寸直徑係在介於5μm與30μm之間的範圍中。
  8. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，該選定的脈衝重覆頻率係在介於750kHz與5MHz之間的範圍中。
  9. 如申請專利範圍第1項的方法，其進一步包括：以該選定的時間脈衝寬度為函數來決定該雷射源的操作流量，該操作流量包括該選定的劑量流量除以該選定的時間脈衝寬度之平方根。
  10. 如申請專利範圍第9項的方法，其中，選擇該脈衝重覆頻率包括：以該脈衝寬度的平方根來縮小該雷射源的最大脈衝重覆頻率；以一光點尺寸與該選定的速度為基礎來計算(針對沿著該切割線之雷射光點的選定最小重疊)一最小脈衝重覆頻率；以及選擇該脈衝重覆頻率，使其介於該經縮小的最大脈衝重覆頻率與該經算出的最小脈衝重覆頻率之間。
  11. 如申請專利範圍第1項的方法，其進一步包括： 當該雷射射束的路徑在該選定的速度處遵循該工作件表面中的該切割線位置時於一顫振方向中前後顫振該雷射射束。
  12. 一種用於雷射直接剝蝕的系統，其會產生被削切至一介電層之中的圖樣，以便形成具有受控訊號傳導特徵的導電線路，其包括：一處理器；一電腦可讀取的媒體，其儲存著用以讓該處理器實施下面作業的電腦可執行指令：選擇一劑量流量，以便沿著一工作件的一表面上的切割線來移除所希望的深度的材料；選擇一系列雷射脈衝中每一個雷射脈衝的時間脈衝寬度；選擇該系列雷射脈衝的脈衝重覆頻率，其中，該脈衝重覆頻率的選擇係至少部分以為保持該切割線中的選定劑量流量而選定的時間脈衝寬度為基礎，且其中，該選定的脈衝重覆頻率會提供沿著該切割線之雷射光點的預設最小重疊；一雷射源，用以根據該選定的劑量流量、時間脈衝寬度以及脈衝重覆頻率來產生一包括該系列雷射脈衝的雷射射束；以及多個運動元件，用以在該工作件與該雷射射束之間提供相對運動，俾使得該雷射射束的一路徑會在一選定的速度處遵循該工作件表面中的該切割線位置。
  13. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該選定的時間脈衝寬度小於或等於1μs。
  14. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該選定的時間脈衝寬度係在介於10ps與29ns之間的範圍中。
  15. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該選定的速度係在介於1m/s與10m/s之間的範圍中。
  16. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該選定的速度係在介於2m/s與4m/s之間的範圍中。
  17. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，沿著該切割線之雷射光點的預設最小重疊為一光點尺寸直徑的60%。
  18. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該光點尺寸直徑係在介於5μm與30μm之間的範圍中。
  19. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該選定的脈衝重覆頻率係在介於750kHz與5MHz之間的範圍中。
  20. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該等電腦可執行指令會進一步讓該處理器實施下面作業：以該選定的時間脈衝寬度為函數來決定該雷射源的操作流量，該操作流量包括該選定的劑量流量除以該選定的時間脈衝寬度之平方根。
  21. 如申請專利範圍第20項的系統，其中，該等電腦可執行指令會進一步讓該處理器以下面方式來選擇該脈衝重覆頻率：以該脈衝寬度的平方根來縮小該雷射源的最大 脈衝重覆頻率；以一光點尺寸與該選定的速度為基礎來計算(針對沿著該切割線之雷射光點的選定最小重疊)一最小脈衝重覆頻率；以及選擇該脈衝重覆頻率，使其介於該經縮小的最大脈衝重覆頻率與該經算出的最小脈衝重覆頻率之間。
  22. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該等運動元件包括一或多個電流檢測計。
  23. 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該等運動元件進一步包括一X-Y運動平台。
  24. 如申請專利範圍第12項的系統，其進一步包括：一或多個聲光偏折板，用以在該雷射射束的路徑在該選定的速度處遵循該工作件表面中的該切割線位置時於一顫振方向中前後顫振該雷射射束。
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