用于激光加工相对窄和相对宽的结构的方法和设备 技术领域 本发明涉及用于在介电基底上激光加工不同宽度的结构的方法和设备。 尤其涉及 在聚合物层的顶表面中连续地形成窄的凹槽或沟槽结构以及较大面积的焊盘、 盲接触孔和 / 或接地层结构， 以制造微电子电路。
背景技术 在先进的印刷电路板 (PCB) 制造工艺中， 激光得到了广泛的应用。一个特别熟知 的例子是在多层 PCB 中形成盲接触孔， 也被称为微过孔。在这样的例子中， 通常使用紫外 (UV) 激光来穿透顶部的铜层和下部的介电层， 以形成对下部铜层的接触。在一些例子中， 通过利用两种不同的激光工艺移除这两种不同的材料来改进该工艺的成本效率。 通常使用 UV 二极管泵浦固体 (DPSS) 激光器在顶部铜层中形成孔， 以暴露下层的介电层， 在另一单独 的工艺中， 使用 CO2 激光器来移除每个孔下方暴露出来的介电材料。因为能够单独地优化 每一工艺， 因此这种两步激光工艺具有很多经济上的优点。但是， 在这种情况下， 因为光学
需求非常不同， 因此使用两个物理上分开的光学系统并且必须使基底在两个系统之间移动 以完成第二工艺。
最 近 提 出 了 一 种 新 型 的 高 密 度 多 层 电 路 板 制 造 技 术。US2005/0041398A1 和 在 2006 年的 Pacific Micro-electronics Symposium 上公开的″ Unveiling the next generation in substrate technology″， Huemoeller 等描述了 “激光嵌入电路技术” 的概 念。 在这种新技术中， 利用激光直接在有机介电基底中消融出精细的凹槽、 较大面积的焊盘 以及盲接触孔。 凹槽与焊盘和接触孔相连接， 因此在激光处理和后续的金属镀覆之后， 可形 成嵌入到介电层的上表面中的焊盘和精细导体的复杂图案， 同时一起形成的还有与下层金 属层相连接的较深的接触孔。到目前为止， 脉冲 UV 激光已经被用来在单个工艺过程中利用 直写或掩模成像法来形成凹槽、 焊盘和接触孔。
直写法一般使用光束扫描器在基底表面移动聚焦的 UV 激光束， 以刻出凹槽并形 成焊盘和接触孔结构。直写法使用具有高光束质量的高度可聚焦的 UV 激光束， 因此该方法 适于完成精细的凹槽划刻工艺。该方法也能很好地处理焊盘和接触孔结构所需的不同深 度。 通过该方法， 可容易地形成深度不同的凹槽、 焊盘和接触孔。 但是， 因为从可高度聚焦的 UV 激光中所能获得的激光能量有限， 因此当该方法用于移除大量的材料而形成大面积焊盘 和接触孔时， 直写工艺速度缓慢。 另外， 该直写法很难在凹槽和焊盘之间的交叉处保持恒定 的深度。
掩模成像法是使用准分子激光照射包含电路设计的所有细节的掩模。 掩模的图案 被投影到基底上， 掩模和基底一起移动以在基底上重现整个电路区域。因为在图像转移过 程中掩模的整个区域都被扫描， 因此该方法对所要形成的结构的面积不敏感， 因此该方法 既适于形成精细凹槽也适于形成大面积焊盘。另外， 该方法可在凹槽和焊盘之间的交叉处 非常好地保持恒定的深度。 但是， 除了电路非常密集的情况， 由于准分子激光的购置和操作 成本都很高， 掩模成像法的成本明显高于直写法。 另外掩模成像法很不灵活， 每次需要新的电路设计时， 都需要制造新的掩模。 此外， 准分子激光掩膜成像不适于根据需要形成深度不 同的结构， 尤其是深度不同的接触孔。
在 US 2008/0145567Al 中的描述的发明克服了后一限制。在该情况下， 准分子激 光扫描掩模成像系统被用于在绝缘层中同时形成深度相同的凹槽和焊盘， 在另一单独的工 艺中， 使用由单独的光束传送系统传送的第二激光形成穿透到下层金属层的更深的接触 孔。这种两步骤工艺是工艺深度不同的结构需求的一种有效的方式， 但是仍然存在与掩模 和准分子激光的使用相关联的成本高、 灵活性差的问题。
因此， 可以看到， 现有的基于 “激光嵌入电路技术” 的用于制造先进电路的工艺方 法具有严重的缺点。 仍需要一种能够利用这样的激光工艺的方法 ： 其能够被独立地优化， 以 非常灵活的方式形成所需的不同尺寸和深度的结构， 从而改进工艺速度、 降低成本。 本发明 的目的为提供一种多步骤工艺方法， 其避免使用大面积掩模和昂贵的准分子激光但能够满 足上述需要。 发明内容 根据本发明的第一方面， 提供一种利用激光消融在介电层表面中形成相对窄的凹 槽和相对宽的区域和 / 或孔的设备， 包括 ：
激光器设备， 用于提供第一激光束和第二激光束， 该第一激光束被介电层强烈吸 收并具有基本上衍射极限的光束质量， 该第一激光束连续或准连续地工作以进行凹槽的直 写， 该第二激光束被介电层强烈吸收， 并以脉冲模式工作以通过窗孔 (aperture) 或掩模的 像或通过焦斑整形而形成区域和 / 或孔 ；
公共光路， 包括用于光束扫描器以及透镜， 该光束扫描器用于使两正交轴上的第 一激光束和第二激光束相对于介电层偏转， 该透镜用于将第一光束聚焦到介电层表面， 并 且当使用第二激光束时， 该透镜用于在介电层表面上形成所述窗孔或掩模的像或用于在介 电层表面上形成焦斑 ； 以及
控制系统， 被配置为在第一步骤驱动光束扫描器从而移动第一光束的焦斑以蒸发 介电材料， 从而在其表面形成相对窄的凹槽， 以及在第二步骤驱动光束扫描器， 使得从第二 激光束得到的相对宽的激光斑点入射到介电层表面上， 且使得该激光斑点移动以在其表面 形成具有限定深度的相对宽的区域和 / 或使得该激光斑点在一系列限定位置之间移动， 第 二激光束在每个该位置处保持固定并触发足够数量和能量的激光脉冲序列 (burst)， 从而 使介电材料蒸发以形成具有限定深度的相对宽的孔。
根据本发明的第二方面， 提供一种通过激光消融在介电层表面中形成相对窄的凹 槽以及相对宽的区域和 / 或孔的方法， 包括 ：
提供第一激光束， 其中该第一激光束被介电层强烈吸收并具有基本上衍射极限的 光束质量， 该第一激光束连续或准连续地工作以进行凹槽的直写， 并提供第二激光束， 其中 该第二激光束被介电层强烈吸收， 并以脉冲模式工作以通过窗孔或掩模的像或通过焦斑整 形而形成区域和 / 或孔 ；
提供公共光路， 该公共光路包括光束扫描器以及透镜， 该光束扫描器用于使两正 交轴上的第一激光束和第二激光束相对于介电层偏转， 该透镜用于将第一光束聚焦到介电 层表面， 并且当使用第二激光束时， 该透镜用于在介电层表面上形成所述窗孔或掩模的像
或用于在介电层表面上形成焦斑 ； 以及
提供控制系统， 在第一步骤中该控制系统驱动光束扫描器从而移动第一光束的焦 斑以蒸发介电材料， 从而在其表面形成相对窄的凹槽， 以及在第二步骤驱动光束扫描器， 使 得从第二激光束得到的相对宽的激光斑点入射到介电层表面上， 且使得该激光斑点移动以 在其表面中形成具有限定深度的相对宽的区域和 / 或使得该激光斑点在一系列限定位置 之间移动， 该第二激光束在每个该位置处保持固定并触发足够数量和能量的激光脉冲序 列， 从而使介电材料蒸发以形成具有限定深度的相对宽的孔。
因此本发明基于顺序使用两种不同的激光束， 使用不同的光束移动和工艺方法， 从而能够在介电层表面中形成形状、 深度和尺寸不同的互联结构。两种激光束均通过公共 光路被传送到基底， 因此在各工艺过程之间不必移动基底。 在第一激光工艺中， 利用第一激 光束形成深度小于聚合物层的整体深度的窄凹槽结构， 接下来在第二独立的激光工艺中， 利用第二激光束形成相对宽的图案， 诸如焊盘和接触孔。在第二工艺中形成的焊盘的深度 都小于聚合物层的整体深度， 焊盘的深度大致上类似于凹槽的深度， 而接触孔或过孔更深， 并一般延伸到聚合物层下方的金属层。 可替代地， 或在额外的第三工艺步骤中， 第二激光束 可用于在基底的相对大的区域内形成栅格型或连续接地平面结构。 这些接地平面结构的深 度一般类似于精细凹槽和焊盘的深度。此处使用的术语 “相对宽的区域和 / 或孔” 包括上 述的焊盘、 接触孔、 过孔和接地平面结构。 第一个重要的特征是利用直写方法在基底表面中首先形成精细凹槽型结构。 在这 种情况下， 通过透镜使激光束聚焦到小的斑点， 该斑点在一系列连续光路中移动从而气化 聚合物电介质， 以形成所需数量的长度上离散的凹槽。该激光束应该具有基本上衍射极限 的质量。
对凹槽宽度和光束速度的要求规定了用于该直写凹槽工艺的激光必须连续地工 作， 或者如果以脉冲形式工作， 则重复频率必须超过某最低值。在极端的例子中， 凹槽宽度 可小到 10μm， 要达到所需深度需要多达 10 个激光脉冲来移除材料， 如果使光束速度达到 每秒若干米， 则需要脉冲激光的重复频率超过几 MHz。对于较宽的凹槽， 较低的重复频率是 可以接受的。 一般来说， 需要凹槽的深度沿凹槽的长度保持不变， 因此激光束的重复频率必 须足够高， 使得各脉冲间光束在基底上走过的距离基本小于凹槽的宽度。 一般地， 很可能需 要重复频率超过几百千赫兹。
用于该直写开槽工艺的理想激光连续地工作 (CW 激光 )， 或以高重复频率工作使 其类似 CW 激光。这样的激光被称为准连续 (QCW) 的， 且一般以 80 至 120MHz 范围内的重复 频率工作。
第二个重要特征是， 在激光开槽工艺已经完成之后， 使用脉冲激光， 利用 “步进和 钻孔 (step and drill)” 工艺在基底表面中形成较大面积的结构， 诸如焊盘和盲接触孔。 在 这种情况下， 使用成像方法在基底表面上形成所需尺寸的激光斑点， 而不是使激光束聚焦。 在激光器后的光束中放置窗孔或掩模， 且通过透镜使该窗孔在基底上成像以形成良好限定 的激光斑点。在所需的焊盘或接触孔位置使该光束保持固定， 并触发激光脉冲序列以移除 材料， 直到所需的深度。焊盘或接触孔的深度基本上随激光脉冲的数量大致线性变化。形 成焊盘或接触孔之后， 光束被移动到下一位置并重复该工艺过程。也可使用光束整形来代 替对窗孔或掩模成像。
这种操作模式需要每一脉冲能够发射足够大能量的激光， 以在基底表面上形成超 出消融阈值一定余量的能量密度。在一个极端的例子中， 需要焊盘直径达 0.3mm， 能量密度 为若干 J/cm2。 这种需要使得激光束的每一脉冲需包含若干 mJ。 对于较小的焊盘和接触孔， 相应地需要每个脉冲具有较小的能量。一般地， 所需的最小脉冲能量可能为几十 μJ。
用于该 “步进和钻孔” 成像模式工艺的激光以脉冲模式工作， 以一系列 “序列” 的 形式发出脉冲， 每个序列包含有限数量的脉冲。具有高会聚光束的高光束质量的激光是合 适的， 但是因为这些操作在非常高的功率级别下进行， 因此使用低光束质量的激光 ( 所谓 多模激光 ) 为优选的。因为每一钻孔操作需要尽快地完成， 所以重复频率需要高到实际能 达到的重复频率， 同时还能够发送足够的脉冲能量。重复频率在几 kHz 到约 10kHz 范围内 被认为是最适于该工艺的。 这样的重复频率可能会需要激光具有几十瓦特至数十瓦特的能 量。
另一个重要的特征是， 脉冲激光可改为被用于第三工艺过程或者更可能额外地用 于第三工艺过程， 从而以直写模式在基底表面移动大面积的焦斑， 以移除材料， 从而在大的 连续区域上形成均一的深度， 或者形成 2D 栅格型结构， 该 2D 栅格型结构由宽凹槽的交叉平 行线的直角阵列构成， 从而在电子电路层中形成接地平面。作为对由利用脉冲激光交叉的 连续宽凹槽构成的栅格的替代， 可以形成由接触焊盘图案构成的栅格结构。可通过连续地 在基底上移动光束并在对应所需焊盘位置处的时间触发激光脉冲而形成焊盘边界接触来 实现这种结构。一般在每个位置需要若干激光脉冲来移除材料以达到所需深度， 为此该模 式被重复多次。 一般地， 对于形成凹槽以及焊盘、 接触孔或接地平面的不同工艺， 将顺序使用两种 不同的激光器， 但是在一些情况下， 使用可令人满意地工作在两种模式下的单个激光器也 是合适的。这种激光器需要能够以高光束质量在以高重复频率下工作， 或以 CW 模式工作， 从而能够以高光束速度形成窄凹槽， 还能够以低重复速率且每一脉冲具有非常高的能量而 工作以形成焊盘和接触孔。
明显地， 用于这种双工艺的激光的一个重要特征是， 激光必须以被介电材料强烈 吸收的波长工作。可替代地， 在脉冲激光的情况下， 在一些情形中， 可能会以被介电材料强 烈吸收的波长以外的波长工作， 只要激光脉冲持续时间足够短， 以使焦斑中的辐射强度高 到足以使光束通过非线性工艺被吸收即可。
另一重要特征是用于在基底表面上移动光束的方法。 移动激光束最简单的方法是 固定透镜而沿两个轴移动衬底。这种方法一般较慢， 因此优选的方法是使用双轴光束扫描 器单元在两个正交方向上迅速偏转该光束。这种扫描器单元是公知的， 一般在使用中将透 镜放置在扫描器之后。在这种情况下， 经常使用所谓的 f-theta 透镜， 因为这种类型的透镜 被设计为在这种模式下工作， 且在平坦区域尽可能远地形成尺寸和形状恒定的焦斑。但是 在一些情况下， 适合将透镜放置在扫描器单元之前。 这种配置一般可产生弯曲的焦平面， 且 在这种情况下， 在透镜之前使用动态可变望远镜来调整焦平面是普遍的。将具有 f-theta 透镜动态可变望远镜用在扫描器后也是可以的。 这种具有动态可变望远镜的配置通常被称 为三轴扫描器。
另一个重要特征是， 用于不同激光工艺的光束通过公共光路被传送到基底。在对 于不同工艺使用两种独立的激光的情况下， 需要交替地使光束合并到由扫描器和透镜构成
的公共光路中。 这样做的一种方式是使用移动的镜， 该镜可切换到其中一条光束通路， 以使 另一光束入射。另一可替换的方法是基于大部分的激光束都是偏振的这一事实。在这种情 况下， 镜一直定位在其中一路光束中。 该镜具有特殊的介电涂层， 可优先反射一种偏振的光 束， 并优先透过正交偏振的光束。 在这种情况下， 第一和第二光束被配置为在光束合并镜处 正交偏振。这种基于光束合并方法的偏振是公知的。
在这两种光束合并的方法中， 两个独立的光束都被调节为在该镜的表面处空间重 合， 且该镜的角度被调节为保证两光束都无任何角偏移地穿过扫描器和透镜。这保证了由 第一光束产生的焦斑与第二光束产生的成像斑点在基底表面重合。
使用两束独立的激光的配置是容易的， 因为在光束合并之前每条光路可被光学地 调节。来自产生用于开槽的第一光束的激光器的光束需要在其光路中具有望远镜光学元 件， 以改变该光束直径， 从而使形成在基底表面上的焦斑具有合适的直径。 来自产生用于焊 盘和接触孔钻孔以及接地平面成型的第二光束的激光器的光束需要在其光路中具有独立 的望远镜光学元件， 以改变该光束直径， 从而匹配成像窗孔的尺寸。利用独立的光路， 窗孔 可永久地安装到光路中并被调节为与光束同轴。另外， 可在第二光路中在孔之后安装另外 的光学元件， 以调节光束， 使窗孔的成像精确地落在与第一光束的焦点相同的平面， 从而在 两种工艺模式之间切换时， 无需任何校正。 但是对于使用单个激光器交替地产生第一和第二光束的情况， 这种独立的光束调 节是不可能的， 且需要各个光束尺寸更改光学元件、 窗孔 ( 或光束整形器 ) 以及其相关的光 学元件机械地移动进和移动出公共光路。
又一重要特征是， 因为利用第二光束的钻孔工艺中使用成像工艺， 因此形成在基 底中的盲焊盘和接触孔的形状和尺寸由窗孔的形状和尺寸精确地限定， 该窗孔位于光束中 对应于基底上的像的物平面上。 一般地， 在大部分情况中希望焊盘和接触孔的形状为圆形， 因此在光路中使用圆形窗孔。 但是， 任何形状的孔都可以被使用， 从而形成非圆形的焊盘和 接触孔。
窗孔可包括简单的具有孔的金属片， 或由具有图案化不透明涂层的透明基底制 成。这种基于基底的装置被称为掩模。如果需要的话， 这种掩模可包含复杂的结构。例如， 在不透明涂层中具有圆形窗孔的掩模的中心可包含不透明区域。 这种掩模可在基底上形成 环形焊盘。还可以设想使掩模的某区域对光束具有可变的透过性。使用这种掩模可在基底 上形成包括能量密度不同的区域的像， 因此在激光气化后形成不同的深度。
一般地， 所用成像光学系统将窗孔或掩模在基底上成缩小的像， 从而可在基底上 形成较高的能量密度而不会损伤掩模或窗孔。 典型的焊盘和过孔的直径为从几十微米到几 百微米。典型的窗孔的直径可达几 mm， 因此一般使用从几倍到 10 倍或更高的缩小倍数。
因为需要不同尺寸的焊盘和接触孔， 甚至是在单个电路中， 因此需要窗孔尺寸可 被容易地改变。对于使用第二激光束形成大面积的接地平面结构的情况， 也许需要完全移 除窗孔。 可通过使用机动化可变光圈来改变窗孔尺寸或窗孔移除 ( 如果窗孔为圆形 )， 或者 可通过使用机动化掩模或窗孔变化单元来改变窗孔尺寸或窗孔移除。 这种机动化装置是公 知的。
另一个选择是使用光束整形器， 例如衍射光学元件 (DOE)， 以对形成在基底上的焦 斑进行整形。
所述设备和方法的一个特别重要的特征是， 其适于控制焊盘和精细凹槽交叉区域 内的结构的深度。从基于嵌入导线的电路的电学性能的角度来看重要的一点是， 凹槽的深 度基本类似于焊盘的深度， 以及交叉区域内的深度与焊盘或凹槽的深度都无显著差别。对 凹槽和焊盘使用直写方法很难达到这一点， 因为对于这样的配置， 存在很多焦斑轨迹必须 停止和开始的区域并且需要高度精确地控制光束位置和功率。对于此处描述的双工艺方 法， 在焊盘和凹槽交叉区域内所需的对光束位置的控制程度是非常松的。 一般地， 希望对于 每个电路在焊盘和接触孔钻取以及接地平面形成之前进行精细的开槽工艺， 但这不是必须 的。
当使用第二脉冲激光束形成大的连续区域或栅格型接地平面时， 还必须要小心地 保持移除材料的深度恒定。对于比焦斑更宽的结构， 可以通过小心地控制激光焦斑在基底 表面上的两个维度内的重叠来实现。
均一深度的控制通常辅以使用高斯分布或接近礼帽形分布但具有所谓 “软边缘 (soft edge)” 的激光焦斑。
这些 “软边缘” 斑点可通过使用多模激光而容易地产生。同样的激光可被容易地 用以形成焊盘和接触孔结构以及接地平面。在焊盘和接触孔的情况下， 窗孔被插入到光束 中以在基底上形成具有锐利边缘的斑点。对于软边缘是优选的接地平面结构， 窗孔可为在 周界具有可变透光性的 “变迹 (apodized)” 型， 以形成软边缘。可替代地， 如果从激光器得 到的原始光束具有合适的分布， 则可取消窗孔。另一种可以用于对接地平面结构形成来形 成模糊边缘斑点而不必移除用于形成焊盘和接触孔的硬边缘的窗孔的方法是相对于基底 表面移动窗孔成像平面， 从而使边缘锐利的斑点轻微地未对焦。
对于包括宽凹槽的栅格型接地平面结构， 必须小心地在凹槽的交叉处保持恒定的 深度。 这可以通过小心地控制激光脉冲能量以及任意激光束与已存在的凹槽交叉的时间来 达到。对于包括接触焊盘的栅格型接地平面结构， 必须小心地在焊盘的交叉处保持恒定的 深度。这可以通过小心地控制激光脉冲能量以及激光的触发时间来达到。
所用的控制系统需要能够使 2 轴扫描器的运动与机动化窗孔以及两种激光的功 率和触发控制相配合。这种控制系统普遍地用于激光标记和微机械工业中。
所有的上述讨论涉及了使用单个扫描器和透镜将光束交替地传送到基底。 在实际 使用中， 为了提高工艺效率， 可并行地使用若干个光学通道。 通过从两种激光中得到足够的 激光功率， 使得能够在合并点之后分离光束， 从而使两个或更多个扫描器和透镜可并行地 工作并且同时处理同一电路板上的不同器件。在完成这些器件之后， 该基底被步进到新的 位置以处理后续器件。因此在具有多个器件的大面板上的操作为 “步进和扫描” 模式。明 显地， 像这样使用同一激光同时并行处理器件必须具有相同的电路性能。
大部分使用这种嵌入式导体技术的电路板构建在核心层上， 不同的电路层形成在 相对的侧。此处公开的方法可容易地扩展到这种情况， 可允许同时在同一器件的相对侧同 时处理不同的电路。在这种情况下， 对于电路板的两侧中的每一侧需要包括第一和第二激 光器、 窗孔、 光束整形光学元件、 合并镜、 扫描器和透镜的独立光学组件， 从而在相对侧实现 不同的电路设计。 基于嵌入式导体技术用于高速制造多个、 多层、 双侧器件的激光生产工具 可包括工作在电路板一侧的两个或多个扫描器和透镜系统， 以及等同的同时工作在相对一 侧的激光器和光学元件的组合。通过以下的描述和说明书所附的权利要求， 其他的优选和可选的特征将变得清楚。 附图说明
现在通过描述示例性实施例， 并参考附图对本发明进行进一步描述， 其中 ：
图 1 为示出了如何利用来自激光器的聚焦光束在基底表面制造凹槽的示意图 ；
图 2A 和图 2B 分别为示出了如何利用工作在成像模式的激光束和焦斑整形在基底 中制造焊盘和接触孔的示意图 ；
图 3 为示出了如何利用工作在成像模式中的激光束在基底中制造宽凹槽的示意 图；
图 4 为示出了如何利用工作在成像模式中的激光束在基底中制造浅栅格和连续 区域接地平面结构的示意图 ；
图 5 示出了用于制造栅格型接地平面结构的可替代方法 ；
图 6A、 6B 和 6C 为示出了典型的用于所述工艺的光学系统的示意图 ；
图 7A 和 7B 为示出了来自两种不同激光器的光束如何合并入公共光路并在基底表 面上方移动从而形成凹槽以及焊盘或接触孔的两种布置的示意图 ； 图 8A 和 8B 为示出了单个激光器如何被用于聚焦模式和成像模式从而在基底表面 中依次形成凹槽以及焊盘或接触孔的两种布置的示意图 ； 以及
图 9 为示出了用于在双侧电路板上执行两种工艺的示例性设备的示意性透视图。
具体实施方式
图1
图 1 示出了一种工艺， 通过该工艺， 使用第一激光束在基底 13 的表面中形成精细 凹槽。激光束 11 是具有衍射极限或接近衍射极限性质的高质量激光束。透镜 12 使该激光 束聚焦到基底 13 的表面上以形成小斑点。吸收的能量使得焦斑区域内的基底材料被气化。 在基底表面上移动激光束从而形成凹槽 14。图中示出了直的凹槽 14， 但是实际上可通过光 束相对于基底 13 的移动而设置任意形状的凹槽。凹槽可为任意长度， 该长度由相对于基底 移动光束的机构的极限而限定。如果所使用的激光为 CW 模式， 那么只要激光功率、 光束尺 寸和速度保持恒定， 则所形成的凹槽沿凹槽长度的深度是均匀的。如果所使用的激光为脉 冲模式， 那么要保证凹槽的深度在沿凹槽长度方向上均匀， 则重复频率必须足够高， 使得各 脉冲间光束在基底上走过的距离基本小于凹槽的宽度。
图2
图 2A 示出了一种工艺， 通过该工艺， 使用第二激光束 23A 在基底 24A 的表面中形 成较大面积的焊盘或接触孔。透镜 21A 被用于以激光束 23A 使物平面 22A 在基底 24A 表面 上成像。在所示例子中， 一圆形窗孔 25A 位于物平面 22A， 从而在基底表面 27A 上形成圆形 斑点 26A。 激光束相对于基底保持固定， 并且触发脉冲序列。 每个激光脉冲期间吸收的激光 能量使得成像区域内的基底材料被气化， 达到一定的深度。激光脉冲序列的累积效果是在 基底表面钻出一定深度的盲孔 27A。基底材料中的这种盲孔 27A 被定义为焊盘。该基底可 为包含埋层金属层 28A 的聚合物型基底， 在这种情况下， 如果激光脉冲中的能量密度被很好地控制， 那么钻孔工艺一般在激光束穿透到金属 28A 时停止。 这种连接到下层金属层 28A 的盲孔 29A 被定义为接触孔。在一些例子中， 可能会需要在焊盘 210A 中心形成接触孔。这 可以通过两种途径来实现。一种情况下， 通过触发合适数量的激光脉冲并利用激光束中合 适的窗孔来形成焊盘。 然后该窗孔孔变为更小的窗孔， 并且继续触发脉冲以向下移除材料， 直到埋层金属层 28A。在另一种情况下， 所使用的单个掩模具有两个或多个不同区域， 每个 区域中对第二激光束的波长具有不同的透光级别。 这种方法使得基底表面上的激光斑点的 能量密度在不同的区域具有不同的级别， 因此在触发若干激光脉冲之后， 能量密度较高的 区域的深度要大于受较低能量密度脉冲照射的区域的深度。在图中所示的情况中， 掩模的 中心区域具有高透光性而外部环形区域具有较低的透光性。 具有这种变化的透光性的掩模 是公知的且容易得到。
图 2B 与图 2A 相似， 但是示出了较大尺度的元件 ( 诸如焊盘和孔 ) 是如何通过第 二激光束 22B 的焦斑整形而不是通过窗孔或掩模而形成。光束 22B 穿过光束整形器 23B， 诸如衍射光学元件 (DOE)， 然后穿过透镜 21B。光束整形器将角偏差引入到光路中， 以此在 基底 25B 的表面上形成整形的焦斑 24B。一般地， 焦斑 24B 为圆形 ( 尽管也可以为其他形 状 )， 具有礼帽形能量密度分布 (top-hat energy density profile)。焦斑 24B 的尺寸远 大于不使用 DOE 时所形成的焦斑。 焦斑 24B 的边缘的锐度取决于激光束 22B 的质量。优选地， 光束为可会聚的 ( 例 如 M2 ～ 1)， 以使得斑点 24B 具有锐利的边缘。如果该光束为多模的， 则斑点 24B 边缘的锐 度会恶化 ( 在这种情况下， 使用图 2A 所示的成像方法会更好 )。
图 2B 示出了通过部分消融穿过聚合物层 25B 的深度而形成的焊盘 26B 以及通过 脉冲激光消融聚合物层 25B 以穿透到埋层金属层 28B 而形成的过孔或焊盘 27B。
图3
图 3 与图 2B 相似， 示出了一种工艺， 通过该工艺， 使用第二激光束在基底 34 的表 面上形成相对宽的凹槽或区域。透镜 31 被用于以激光束 33 使物平面 32 在基底 34 表面上 成像。在所示例子中， 圆形窗孔 35 位于物平面中， 从而在基底表面上形成圆形斑点 36。激 光束 33 相对于基底 34 移动并触发一系列激光脉冲。每个激光脉冲期间吸收的激光能量使 得成像区域内的基底材料被气化， 达到一定的深度， 该深度小于凹槽 37 所需的深度。控制 激光束 33 与基底 34 之间的相对移动速度以及激光脉冲的触发速率， 使得基底的每个区域 都能够暴露在足够数量的脉冲下以形成连续的具有所需深度的宽凹槽 37。 图中示出了直的 凹槽 37， 但是实际上通过光束相对于基底的移动可设置任意形状的凹槽。凹槽可为任意长 度， 该长度由相对于基底移动光束的机构的极限而限定。可利用图 2B 中所示的焦斑整形设 备以类似的方法形成凹槽。
图4
图 4 示出了一种工艺， 通过该工艺， 使用第二激光束 42 在基底 43 的表面中形成栅 格状、 连续区域浅接地平面结构。透镜 41 被用于激光束 42 中以使物平面在基底 42 的表面 上成像。 激光束相对于基底 43 移动并触发一系列激光脉冲。 通过沿两个正交轴以受控方式 移动激光束和基底 43， 从而激光脉冲在两个轴上重叠， 在大的连续区域 44 上， 基底材料被 消融到所控制的深度。可替代地， 浅栅格型结构 45 通过使一系列宽凹槽相互交叉而形成。 当形成连续的或栅格型结构时， 要特别小心地保持深度在限定的极限内恒定。这可以通过
控制激光脉冲能量密度、 光束速度和脉冲触发时间来实现。可利用图 2B 中所示的焦斑整形 设备以类似的方法形成类似的结构。
图5
图 5 示出了两种可替代的方法， 其中可以成像模式利用第二激光束在基底表面中 形成浅的 2D 栅格型接地平面结构。 在所示的例子中， 形成了由接触焊盘 (touching pad)51 的图案构成的栅格结构。在另一所示的例子中， 形成了由接触交叉型结构 52 的图案构成的 栅格结构。 这种结构可通过将合适的掩模放置到光束中并使掩模图案在基底上来成像来形 成。在基底上连续地移动该光束， 并在对应于所需的焊盘或交叉的位置的时间触发激光脉 冲， 以形成边界接触。 一般在每个位置需要若干激光脉冲来移除材料以达到所需深度， 为此 该模式被重复多次。可使用许多其他的掩模形状来形成不同结构的栅格。当利用该方法形 成栅格型结构时， 需特别小心地保持各个圆形焊盘或其他形状的激光斑点之间的重叠区域 的深度在限定的极限内恒定。这可以通过控制激光脉冲能量密度、 光束速度和脉冲触发时 间以及斑点边缘的能量密度分布、 斑点之间的重叠度来达到。 在这种情况下， 优选为斑点能 量密度分布具有软边缘。也可利用图 2B 中所示的焦斑设备以该方式形成类似的结构。
图6 图 6A 和图 6B 示出了一种光学系统， 在该光学系统中， 使用两种单独的激光进行上 述的两种工艺。通过透镜 62A 将第一 CW 激光束 61A 会聚到基底 64A 上的焦斑 63A 上。第二 脉冲激光束 61B 穿过窗孔或掩模 65B， 通过透镜 62A 在基底 64A 上形成掩模 65B 的像 63B。 两激光束 61A 和 61B 合成 ( 未示出 ) 进入公共的光路。公共光路包括透镜 62A， 该透镜 62A 将激光束导向基底 64A 上。
可替代地， 在另一个实施例中， 使用如图 6A 和 6C 中所示的光学系统。图 6C 示出 了脉冲激光束 61C， 其穿过光束整形器 65C， 然后穿过公共光路中的透镜 62A 以在基底 64A 上形成整形焦斑 63C。
可在激光束 61A、 61B 中提供光束尺寸变化望远镜 ( 未示出 )， 以将光束尺寸设定 ( 图 6A 中 ) 使透镜焦平面上具有所需的焦斑尺寸， 并调节 ( 图 6B 中 ) 光束尺寸以与窗孔 65B 相匹配。还可在窗孔 65B 后面提供长焦距望远镜形式的光学单元 ( 未示出 )， 其被设置 为使窗孔 65B 缩小的像位于透镜 62A 的焦平面中。这种成像配置是公知的， 并且由于像出 现在透镜焦平面中从而对应的物平面在无穷远处， 因此该成像配置通常被称为 “无穷远” 成 像。 通过使用这种配置的光学系统， 在从一种工艺转换到其他工艺的过程中， 从基底到透镜 之间的距离可保持不变， 从而使用方便。
图7
图 7A 示出了一个实施例， 在该实施例中， 使用两种不同的激光器来产生两种不同 的工艺所需的两束激光束。激光束合并后传播通过由光束偏转系统和透镜构成的公共光 路。激光器 71A 产生第一光束， 该第一光束具有高质量并以 CW 模式或高重复频率操作， 从 而使其适于开槽工艺。光学单元 72A 将激光束的尺寸改变为适于传播到公共光路的值。激 光器 73A 产生第二光束， 该第二光束为脉冲的， 且为多模的 (MM) 或具有 M2 ～ l， 其适于制造 焊盘或接触孔并适于形成浅栅格型或连续区域的接地平面结构。光学单元 74A 将激光束的 尺寸改变为适于照射窗孔 75A 的值。第一和第二光束在镜 76A 处合并， 该镜 76A 在光路输 出中转换， 从而使得第一或第二光束进入公共光路中， 或者可替代地， 保持固定以及优先反
射一种偏振的光束并优先透过正交偏振的光束。在这种情况下， 第一和第二光束被配置为 在光束合并镜 76A 处正交偏振化。在所示的例子中， 第一光束穿过镜 76A， 因此需要其偏振 方向在纸平面内 ( 称为 p- 偏振 )。第二光束被镜 76A 反射， 因此需要其偏振方向垂直于纸 表面 ( 称为 s- 偏振 )。这种用于合并不同偏振的光束的技术是公知的。光束合并后， 两束 光穿过 2 或 3 轴扫描器单元 77A 和透镜 78A， 例如 f-theta 透镜。在一些例子中， 可能会需 要在扫描器单元 77A 之前放置透镜 78A。扫描器 77A 使得光束可在基底 79A 上方的处理区 域中移动。透镜 78A 具有交替地使第一光束聚焦以及用第二光束使窗孔在基底表面 79A 上 成像的功能。当系统从第一开槽工艺转换到第二焊盘或接触孔形成工艺时， 为了避免透镜 78A 和基底 79A 之间距离的改变， 可在窗孔 75A 后面的第二光束的路径中放置额外的光学元 件 ( 未示出 )。这种光学元件 710 一般为望远镜型， 其中窗孔 75A 位于有效焦点处， 望远镜 710 的有效焦距与基底 79A 前面的透镜 78A 的焦距之比被选择为在基底表面 79A 上形成窗 孔 75A 的合适大小的缩小的像。这种用于对激光束中的掩模或窗孔成像的方法是公知的。
图 7B 示出了一个实施例， 在该实施例中， 使用两种不同的激光器来产生两种不同 目的所需的两束激光束。在该例子中， 激光器 71B 产生第一光束 72B， 该第一光束 72B 质量 高且以 CW 模式工作或以高重复频率工作进行开槽工艺。第一光束 72B 穿过合并或切换镜 75B 到达扫描器单元 86A， 并通过透镜 78B 聚焦到基底 79B 上。第二激光器 73B 发射脉冲激 光束 74B( 例如 M2 ～ 1) 以形成焊盘和接触孔。第二激光束 74B 被合并或切换镜 75B 反射 到扫描器单元 77B， 因此通过 ( 例如 f-theta 型 ) 透镜 78B 在基底 79B 上形成焦斑。当第二 激光束 74B 工作时， 可移动的光束整形器 ( 例如衍射光学元件 76B) 被插入到镜 75B 和扫描 器单元 77B 之间的光路中。
图8
图 8A 示出了本发明的另一个实施例， 在该实施例中， 使用单个激光器 81A 来产生 两种不同的工艺所需的两束激光束。为了形成凹槽， 激光器 81A 产生第一光束， 该第一光束 具有高质量并以 CW 模式或高重复频率操作， 从而使其适于开槽工艺。光学单元 82A 将激光 束的尺寸改变为适于传播到公共光路的值， 以形成合适尺寸的焦斑。第一激光束穿过分离 或切换镜 83A 并穿过合并或切换镜 85A 而到达公共光路。公共光路包括扫描器单元 86A 和 将第一光束聚焦到基底 88A 上的透镜 87A( 例如 f-theta 型透镜 )。
为了形成焊盘或接触孔或者建立浅栅格或连续区域接地平面结构， 激光器 81A 的 操作被更改成脉冲模式， 以使其适于成像斑点形成工艺。 在这种情况下， 第二激光束被合并 或切换镜 83A 偏转到穿过掩模或窗孔 84A 的光路， 然后被合并或切换镜 85A 偏转到公共光 路。透镜 87A 和基底 88A 之间的距离可在两种工艺之间改变， 以在聚焦光束开槽工艺和成 像光束钻孔工艺之间切换。可替代地， 望远镜型光学元件 ( 未示出 ) 可被移动到光路中以 允许在两种工艺中透镜 87A 与基底 88A 之间的距离不变。在一些情况下， 可能需要替换或 额外添加开槽工艺中使用的光束整形光学元件以及其他光学元件 ( 未示出 )， 以使激光束 与窗孔 84A 相匹配。
图 8B 示出了另一个实施例， 在该实施例中， 使用单个激光器 81B 来产生两种不同 的工艺所需的两束激光束。在该例子中， 不是如图 8A 中所示的那样使光束偏转， 而是将衍 射光学元件 (DOE)83B 移动到光路中以及从光路中移出。当产生第一 CW 或 QCW 光束时， 其 直接穿过包括扫描器 84B 和透镜 85B( 一般为 f-theta 型透镜 ) 的公共的光学元件而到达基底 86B。当产生第二脉冲激光束时， DOE 83B 被插入到光束中以使光束在进入公共光学元 件之前先穿过 DOE。
图9
图 9 示出了本发明的一个实施例， 其包括一种设备， 该设备适于在双面电路板 91 上执行双激光工艺， 该双侧电路板 91 的每个电路板上包括多个重复装置 92。激光器 93 和 93′的类型相同， 产生两束第一光束， 分别用于顶侧和底侧的开槽工艺。另外激光器 94 和 94′ ( 它们也是同一类型的， 但与第一激光器的类型不同 ) 产生两束第二光束， 分别用于在 顶侧和底侧形成焊盘和接触孔以及用于形成浅栅格型或连续区域接地平面。激光器 93 和 94 轮流在顶侧电路上操作， 同时激光器 93′和 94′轮流在底侧电路上操作。以这种方式， 在顶侧和底侧上形成的电路可以为不同的。然后第一和第二激光束通过镜 95 和 95′入射 到公共路径中。 顶侧和底侧公共光路中的每个光路包含分光器 96 和 96′， 以将光束分成两 部分以馈送到两个并行的扫描器和透镜单元 97、 97′， 两个并行的扫描器和透镜单元同时 运作电路板上的各装置。顶侧上的两个扫描器同时处理两个具有同一电路设计的装置， 下 侧上的两个扫描器处理该两个装置的具有相同或不同电路设计的相反一侧。 利用足够高功 率的激光， 可以将上侧和下侧的光束分成两个以上的平行通道。
如上所述， 在介电层表面中形成窄凹槽以及较宽的区域和 / 或孔对于微电子电路 的制造是非常有用的， 凹槽和孔在后续的金属镀覆工序中被填充金属以形成精细导线、 焊 盘和微过孔的复杂图案。
因此上述发明提供了一种用于在基底上的聚合物层表面中形成精细凹槽、 盲焊盘 和接触孔的方法， 其通过相继施加到基底上的两个不同的激光工艺来形成， 该精细凹槽连 接到盲焊盘和接触孔， 所述方法包括 ：
a. 第一激光束， 被基底上的聚合物强烈吸收， 并具有衍射极限或接近衍射极限的 光束质量， 且连续地工作或以一系列高重复频率脉冲的形式工作 ；
b. 第二激光束， 具有与第一激光束的波长相同的波长并工作在发出脉冲序列的脉 冲模式下 ；
c. 用于将第一和第二激光束合并到或交替地入射到公共光路的方法 ；
d. 公共光路中的光束扫描系统， 用于在两个正交轴上偏转第一或第二激光束 ；
e. 公共光路中的透镜， 用于交替地将第一激光束会聚到聚合物层表面上或在限定 于第二激光束光路中的物平面中的聚合物层表面上形成像， 该物平面位于公共光路之外 ；
f. 控制系统， 该系统 ：
i. 首先使第一激光束入射到公共光路中并驱动扫描器系统， 使透镜在聚合物层表 面上形成的焦斑在区域内进行一系列的连续运动， 以气化聚合物材料从而在该表面中形成 的凹槽的深度仅为聚合物层厚度的一部分 ；
ii. 其次， 使第二激光束入射到公共电路并驱动扫描器系统， 使得该透镜在聚合物 层表面上形成的第二激光束光路中的限定物平面上的像移动到包含由第一激光束形成的 凹槽的基底的该区域内的一系列限定位置， 在每一个位置处第二激光束保持固定并触发数 量和能量足够多的激光脉冲序列， 以蒸发聚合物材料从而形成具有限定深度的盲孔， 一些 孔 ( 也被称为焊盘 ) 的深度小于聚合物层的整个厚度并等于由第一激光束形成的凹槽的深 度， 其他孔的深度正好穿过聚合物层到达下金属层。