(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電材料の層及び絶縁材料の層を有する電子基板にブラインドビアを形成する改善された方法であって、レーザによってレーザパルスを生成するステップと、光学素子によって前記レーザパルスを変更するステップと、前記レーザパルスを、前記電子基板に衝突するように方向付けるステップとを有し、前記変更され、方向付けられたレーザパルスは、パルスパラメータで定義される方法において、更に、
前記パルスパラメータの少なくとも１つを選択するステップと、
前記レーザによって、前記光学素子と連携して、前記少なくとも１つの選択されたパルスパラメータに一致する少なくとも１つのレーザパルスを生成するステップと、
前記少なくとも１つのレーザパルスを方向付けて、前記ブラインドビアを画定する前記電子基板の意図されたボリュームから、前記ブラインドビアの付近の基板に実質的なダメージを引き起こすことなく、絶縁材料を除去して、底部を有する前記ブラインドビアを穴あけするステップであって、前記選択されたパルスパラメータの少なくとも１つは、１乃至１００ナノ秒のパルス幅を有する少なくとも１つのテイラードパルスの適用であり、前記テイラードパルスは、前記レーザパルスの平均パワーの２０％を超え、継続時間が前記レーザパルスの継続時間の５０％未満であるピークパワーによって特徴付けられる少なくとも１つのパワースパイクを含み、前記パワースパイクは、前記ブラインドビアの前記底部における前記導電材料から、前記絶縁材料のスミアを除去するのに十分なピークパワーを有し、かつ、前記ブラインドビアの前記底部に逆テーパーを形成させない十分に短い継続期間を有するステップと、
前記テイラードパルスの前及び／又は後に、材料除去を可能とする閾値より下のエネルギーを有するインキュベーションパルスを少なくとも１つ配置するステップと
を有する方法。
【請求項２】
前記インキュベーションパルスは、前記テイラードパルスの前記平均パワーの５０％未満のピークパワーを有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの選択されたパルスパラメータは、パルスのフルーエンスであり、
前記フルーエンスは、０．１乃至１０．０Ｊ／ｃｍ２である請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記レーザはＣＯ2レーザである、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記テイラードパルスは立ち上がりエッジ及び立ち下りエッジを有し、前記パワースパイクは前記立ち上がりエッジよりも立ち下りエッジの近傍にある、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記インキュベーションパルスは前記テイラードパルスとは異なる形状を有する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記インキュベーションパルスはガウス形状を有する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記光学素子によって前記レーザパルスを変更するステップは、前記レーザパルスを調整するために前記レーザの外部にレーザビーム調整光学素子を設けるステップと、前記レーザビーム調整光学素子によって前記レーザパルスを調整するステップとを有する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記レーザビーム調整光学素子は音響光学素子（ＡＯＭ）を有する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記レーザビーム調整光学素子は電気光学素子（ＥＯＭ）を有する、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つのレーザパルスによって電子基板にブラインドビアを形成する改善されたシステムであって、コントローラと、ＣＯ2レーザと、光学素子とを含み、前記基板が導電層及び絶縁層を有し、前記レーザパルスは、パルスパラメータによって定義されるシステムにおいて、
前記レーザ及び前記光学素子に動作的に接続され、前記パルスパラメータに一致する少なくとも１つのレーザパルスを生成し、前記少なくとも１つのレーザパルスを前記基板に方向付けるコントローラを備え、前記少なくとも１つのレーザパルスは、底部を有する前記ブラインドビアを画定する前記電子基板の意図されたボリュームから絶縁材料を除去し、前記少なくとも１つのパルスパラメータは、１乃至１００ナノ秒のパルス幅を有する少なくとも１つのテイラードパルスであり、前記テイラードパルスは、前記パルスの平均パワーの２０％を超え、継続時間が前記パルスの継続時間の５０％未満であるピークパワーによって特徴付けられる少なくとも１つのパワースパイクを含み、更に
前記パワースパイクは、前記ブラインドビアの前記底部における前記導電材料から、前記絶縁材料のスミアを除去するのに十分なピークパワーを有し、かつ、前記ブラインドビアの前記底部に逆テーパーを形成させない十分に短い継続期間を有し、更に
前記テイラードパルスの前及び／又は後に配置される、材料除去を可能とする閾値より下のエネルギーを有するインキュベーションパルスを少なくとも１つ生成するシステム。
【請求項１２】
前記インキュベーションパルスは、前記テイラードパルスの前記平均パワーの５０％未満のピークパワーを有する、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのパルスパラメータは、パルスのフルーエンスを含み、前記フルーエンスは、０．１乃至１０．０Ｊ／ｃｍ２である請求項１１又は１２記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物を加工するレーザに関する。より詳しくは、本発明は、ＣＯ２レーザからのパルスを用いて、多層電子基板又は回路板に穴あけを行い、ビアを形成して層間の電気的な相互接続を実現するレーザのための方法及び装置に関する。具体的には、本発明は、パルススライシング技術（pulse slicing technique）を用いて、継続時間がより長いパルスから生成されたテイラードパルス（tailored pulse）によって被加工物に穴あけを行うレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、コンピュータ、携帯電話機及び他の家電製品等の機器を含む、現在製造されている殆ど全ての電気製品は、基板又は回路板（以下「基板」という。）に電子部品を取り付けることによって組み立てられる。電子部品は、集積回路、独立した能動素子及び受動素子、ディスプレイ及びコネクタを含む。基板は、電子部品を適所に保持し、所望の機械的、熱的、及び電気的特性によって部品間の電気的接続を提供する機能を担う。基板は、通常、電子部品と連携して、電気的に機能する導電性要素に接続された１つ又は複数の非導電層を含む。非導電層を形成する材料には、結晶性材料、例えば、シリコン又はサファイア、非結晶性材料、例えば非結晶性シリコン若しくはガラス、焼結セラミック材料、例えば酸化アルミニウム若しくは有機材料、例えばＦＲ−４、ポリイミド若しくはＡＢＦ、又は、これらの組合せを含ませることができる。導体は、フォトリソグラフィーによる導電性材料、例えばポリシリコン、アルミニウム若しくは銅の堆積、スクリーン印刷若しくはインクジェット技術を用いた導電性インクの堆積、又は、基板上若しくは基板内への導電層の積層及び／若しくはパターン化を含むプロセスによって、基板上又は基板内に形成される。
【０００３】
これらのプロセスでは、共通して、導体を相互接続する必要があり、これらの導体は、絶縁性又は非導電性の材料の層によって分離されていることがある。電子基板は、典型的には、平面的に形成された導電性の層及び非導電性の層から構成される。図１は、多層基板の概略図を示しており、この多層基板は、絶縁層又は有機層２０によって分離された導電層又は無機層１０、１２、１４から構成され、絶縁層又は有機層２０は、１つ以上の補強層２４を含んでいてもよい。また、図１は、基板に穴あけされたビア３０を示しており、ビア３０には、導電層１０、１２の間に電気的接続を実現する導電性メッキ３６が施されている。
【０００４】
図２は、従来のレーザ穴あけシステムの概略図を示している。レーザ穴あけシステムは、通常、レーザビーム経路１０８に沿ってレーザパルスを出射するレーザ１０２と、ビーム整形光学素子１２４と、ビーム操縦光学素子１２８と、走査レンズ１３０と、コントローラ１１２と、ステージ１４２とを備え、ステージ１４２は、被加工物１４０を保持し、３個の直交する平行移動軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）及び３個の回転軸（ρ、φ、θ）を含む最大６個の軸に沿って被加工物１４０を移動させる運動制御デバイス（図示せず）を有する。コントローラ１１２は、レーザ１０２を方向付け、エネルギを放出させ、そして、ビーム操縦光学素子及びステージの動きを調整して、被加工物を適切な時点に適切な位置に配置する。レーザビア穴あけシステムの性能は、スループット及びビア品質を含む基準に基づいて評価される。ビア品質を決定する要素は、正しい位置、形状及びデブリがないこと等を含む。デブリとは、除去されているはずであるのに、ビア内に残されてしまった材料、又はレーザ穴あけによって先に除去された後にビア内に再堆積した材料として定義される。デブリが殆ど又は全くない高品質のビアの穴あけを行うことによって、導体、ビアの底部及び側壁の間の機械的接触が良好になるので、このような高品質のビアの穴あけは、非常に望ましい。ビアの底部に、デブリ又は残存する有機的な「スミア（smear）」がない導電層の良好なテクスチャード加工された表面を設けることによって、底部導体とメッキとの間の電気的接触が良好になり、ビア品質が更に向上する。同時に、可能な限り高いシステムスループットを維持することが望まれ、これは、可能な限り短時間でビアを穴あけすることが望まれることを意味する。ビアは、通常、パルスレーザ出力を用いて穴あけされる。パルス繰返し速度が決まっていれば、これは、通常、可能な限り少ないパルスで、所望の品質に一致するビアを穴あけすることを意味する。そして最後に、低いコスト及び複雑性で上述の要求を満たすシステム及び方法を提供することが望まれている。
【０００５】
日立ビアメカニクス株式会社に譲渡されている荒井他による米国特許番号第６，４７９，７８８号は、パルス継続時間が長いＣＯ２レーザパルスから、パルス幅の減少により実質的に矩形パルスに見えるレーザパルス列を切り出す（slicing out）ことによって、この問題を解決することを明示的な目的としている。長パルス幅のレーザパルスから、より短いパルスのパルス列を切り取ることは、この米国特許番号第６，４７９，７８８号に開示されているように、長いパルス幅のレーザパルスを用いたレーザ加工による望ましくない熱効果を制限しながら、基板の微細加工に利用できるパワーを高めるための試みである。図３は、このタイプの例示的なレーザパルス１５０を示している。しかしながら、この技術は、ビア穴あけのプロセスの間、全てのパルスが実質的に同じ一定のピークパワー及び矩形の形状を有するので、例えば、ビア穴あけの始めにおけるボリューム材料除去及びビア穴あけの終わりにおけるビアボトムのクリーニングのための精密なクリーニング等、ビア穴あけの異なる段階において、最良のプロセス結果を確実にするための、最適化されたレーザパルスパワープロファイル又は強度プロファイルを用いる課題を解決していない。
【０００６】
したがって、電子アセンブリ内にレーザでビア穴あけを行う装置であって、基板又はその周囲の構造材料へのダメージを回避し、許容できるシステムスループットを維持しながら、比較的デブリがない、高品質のビアを形成できる装置が引き続き望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、レーザ処理システムの形式で、電子基板を含む被加工物内に高品質のビアを微細加工する能力が向上した方法及び装置を提供することである。上述及びこの他の本発明の目的に基づく課題を解決するために、ここに具体化して、包括的に説明するように、方法及び装置を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施の形態においては、ＣＯ２レーザパルスを、ビア形成の始めにおいて、レーザパルスの間のある時点にパワースパイクを有するパルスに特別にテイラー化する（tailoring）ことによってビア品質を改善する。スパイクを有するこのテイラードパルス（tailored pulse）は、ビアの位置から、高速に、ボリューム材料（volume material）を有効に爆発的に排出し、このため、ビアの領域の周囲に形成されるデブリが減少し、又はビアの内壁に戻る再堆積が減少する。また、テイラードパルスによって引き起こされる爆発的排出（explosive ejection）によって、従来の技術のパルスより著しく速く、レーザによって誘発されたプルーム又はプラズマを分散させ、デブリを形成することなく、次のレーザパルスを基板に向けてより速やかに出射することができるので、このテイラードパルス波形は、従来のパルスで用いられているパルスレートに比べて、パルスレートを高めることができる。これは、プルーム又はプラズマがレーザエネルギを吸収し、ビア構造に望ましくない加熱効果をもたらすためである。プラズマがレーザエネルギを吸収し、レーザエネルギ基板に到達することを妨害することも、ビア形成スループットを低下させる。高速なエネルギ結合（energy coupling）は、金属導体に付着する有機材料にエネルギを速やかに結合し、したがって、金属が熱の形式で外部にエネルギを伝導する以前に、有機材料を取り除くので、スミアの低減に寄与する。ビア穴あけの後半の段階では、異なるパワープロファイルを有する１つ又は複数のレーザパルス、例えば、ガウス形状及び最適化されたピークパワーを有するパルスを使用し、これは、必ずしも、ビア穴あけの他の段階で使用されるパルスと同じではなくてもよく、このようなパルスを用いて、スミア又は層割れ（底部領域の周辺の導電材料及び絶縁材料の分離）によって引き起こされるダメージを生じることなく、ビアのボトムを確実にクリーニングする。基板に印加される総レーザエネルギは、周囲の材料又はビアの底部の金属導体へのダメージを防止するために、制御しなければならない。これは、テイラードパルスの波形、並びに、テイラードパルス及び非テイラードパルス（non-tailored pulse）の総数を制御することによって達成される。
【０００９】
テイラードパルスは、立ち上がりエッジと、立ち下がりエッジと、これらの間の少なくとも１つのパワースパイクとを有するレーザパルスとして定義される。図４及び図５は、この種のテイラードパルスの幾つかの実施の形態を図式的に示している。これらの図は、瞬間的レーザパワー対時間をグラフで表している。テイラードパルス１６０、１８０は、立ち上がりエッジ１６２、１８２、立ち下がりエッジ１６４、１８４、及びパワースパイク１６６、１８６によって特徴付けられる。これらのパワースパイクは、基板に伝えられる総エネルギを、ダメージが発生する点を超える程に大きくすることなく、除去すべき材料にエネルギを速やかに結合する。
【００１０】
テイラードパルスは、パルス継続時間の間に生じる１つ以上のパワースパイクによって特徴付けられる。パワースパイクは、パルスの平均パワーより大きいピークパワーを有することによって特徴付けられる。更に、パワースパイクは、パルス全体の継続時間より短い継続時間を有することによって特徴付けられる。パワースパイクは、パルスの平均パワーの１０％から１００％、より好ましくはパルスの平均パワーの１０％から３０％の大きさのピークパワーを有することが望ましい。好適なパワースパイクは、パルス全体の継続時間の約２５％から約７５％の継続時間、より好ましくは、パルス全体の継続時間の約３５％の継続時間を有する。
【００１１】
図４に示すパルスと、図５に示すパルスとの間の違いは、パルス内におけるパワースパイクの配置に関連する。図４では、スパイク１６６は、パルスの立ち上がりエッジの付近に生じる。このタイプのパルスでは、パワースパイク１６６は、材料の爆発的除去（explosive removal）を開始し、パルスの残りの部分は、基板を破損する程のエネルギを導入することなく、材料除去を続ける。図５では、スパイク１８６は、パルスの立ち上がりエッジの付近に生じ、後に、立ち下がりエッジの付近にも生じる。この発想は、材料の最終的な爆発的排出をパルスの最後の付近で起こし、この結果、ビアから材料を更にクリーニングするというものである。テイラードパルスパラメータの選択は、パルスの一時的な形状（強度プロファイル）、スパイクのピークパルスパワー、平均パルスパワー、立ち上がり時間、立ち下がり時間、時間的パルス幅、テイラードパルス間の時間的間隔、及びテイラードパルスの総数等である。幾つかのシステムは、レーザスポットサイズ及び空間的プロファイルを調整できる。ここに説明する方法に基づくビア穴あけには、１パルスあたり０．１ジュール／ｃｍ２から約１００ジュール／ｃｍ２まで、より好ましくは、１パルスあたり１．０ジュール／ｃｍ２から約１０ジュール／ｃｍ２までの範囲のパルスフルーエンスが有効である。また、パルス幅も選択される重要なパラメータである。パルス幅は、数ピコ秒から数百マイクロ秒を超える範囲に及ぶことができ、より好ましくは、１ナノ秒（ｎｓ）から数百マイクロ秒の範囲に収まる。
【００１２】
図４及び図５は、ビアを形成するために、非テイラードパルス１７０、１７２、１９０、１９２と共に用いられる、テイラードパルス１６０、１８０を示している。図４は、単一のパワースパイク１６６を有するテイラードパルス１６０と、これに続く矩形パルス１７０と、これに続く２つのガウス形パルス（Gaussian pulse）１７２とを示している。図５は、２つのパワースパイクを有するテイラードパルス１７２と、これに続くガウス形パルス１９２と、矩形パルス１９０と、もう１つのガウス形パルス１９２とを示している。
【００１３】
また、図４及び図５は、テイラードパルス１６０、１８０及び非テイラードパルス１７０、１９０、１９２の前後でのインキュベーションパルス（incubation pulse）１６８、１８８の使用を示している。これらのパルスは、材料を予熱することに役立ち、これによって、後続するパルスが、より容易に材料を除去できるようになる。予熱は、周囲の基板にダメージを与えることなく、材料の温度を高める。予熱パルスは、材料除去を可能にする閾値より下にある。後続するテイラードパルス又は非テイラードパルスは、予熱パルスからのエネルギが既に材料内に蓄えられているので、より良い品質で、より速やかに材料の除去を開始できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】多層構造の被加工物の断面図である。
【図２】従来のレーザ穴あけシステムを示す概略図である。
【図３】従来のレーザパルスを示す図である。
【図４】ビア穴あけのためのテイラードパルス、インキュベーションパルス及び非テイラードパルスを示す図である。
【図５】ビア穴あけのためのテイラードパルス、インキュベーションパルス及び非テイラードパルスを示す図である。
【図６】マルチビームパルステイラー装置を示す概略図である。
【図７ａ】マルチビームパルステイラー装置を示す概略図である。
【図７ｂ】パルステイラー装置に入力されるパルスの波形を示す図である。
【図７ｃ】パルステイラー装置から出力されるパルスの波形を示す図である。
【図８】ＥＯＭ及びＡＯＭを含むマルチビームパルステイラー装置を示す図である。
【図９】ＥＯＭを含むマルチビームパルステイラー装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
高品質なビアの効率的な穴あけは、周囲の基板にダメージを与えることを回避しながら、最も少ないレーザパルスで、ビアボリューム（via volume）から実質的に全ての絶縁材料を除去することを含む。これは、ここに説明するように、１つ以上のテイラードパルスを用いてビアを穴あけすることによって達成でき、テイラードパルスは、インキュベーションパルス及び非テイラードパルスと組み合わせて用いてもよい。ビア穴あけには、パルスの３つの尺度が関連する。第１の尺度は、パルス継続時間の間に到達する瞬間最大パワーの尺度であるワットで表されるピークパワーである。第２の尺度は、パワーをパルスの継続時間に亘って積分することによって算出されるエネルギである。ビームスポットサイズが検討に含まれる際、フルーエンスの項が用いられることが多く、この単位は、ジュール／ｃｍ２である。第３の尺度は、パワーのプロファイルである。これは、時間に対してビアの位置にレーザエネルギが適用される速度を示す。
【００１６】
最大レーザパルスフルーエンスは、穴あけされる基板のダメージ閾値によって決定される。フルーエンスが高過ぎると、周囲の基板にダメージが生じることがある。周囲の基板へのダメージの形式としては、例えば、ビアに隣接する層の層割れ、又はビアの底部に露出する導体へのダメージがある。他の形式のダメージは、ビアから必要以上に材料が除去されるアンダーカット（undercut）がある。アンダーカットによって、通常、ビアの底部の直径が上部の直径より大きくなり、逆の傾斜を有するビアが形成され、ビアのメッキが阻害される。アンダーカットは、ビアの穴あけに使用されるフルーエンスが高過ぎる場合に生じることがある。仕立てられたパルスを使用すると、使用されるフルーエンスを最小化しながら、ビアから材料を取り除く十分なパワーを提供することによって、これらのダメージの原因を緩和することができる。
【００１７】
基板ダメージを回避することによって判定された総パルスフルーエンスの限界内で、材料除去は、パルスピークパワー、並びにパワープロファイル又はパルス波形の関数である。より高いピークパワー及びパワープロファイルを正しく組合せることによって、エネルギが熱拡散の形式で消散する前に、基板材料にエネルギを結合でき、この結果、所定のボリューム内にエネルギを集中させ、ビアの位置からより速い速度で、除去すべき材料を爆発的に排出させることができる。爆発的に排出された材料は、冷却されながらビアボリュームに再堆積する可能性が低く、この結果、より清浄な、デブリがないビアの形成が促進される。穴あけがビア底部領域に到達すると、大きなボリュームの材料を除去する必要はなくなるが、ヒートシンクとして働く導電層に隣接する限定的な材料ボリュームを除去することが主な課題となる。望まれるレーザパルスパラメータは、十分高いピークパワー及び十分狭いパルス幅を有するスパイク状のパルス波形である。これは、ビアの底部の導電材料上の絶縁体スミアを除去する傾向がある。フルーエンスが低過ぎると、スミアが残る。フルーエンスが高過ぎると、導体又は絶縁材料の底部にダメージが生じることがある。所望のレート及びプロファイルで、エネルギを絶縁材料に速やかに結合することは、ビアの底部構造にダメージを与えることなく、絶縁材料を除去することに有効である。
【００１８】
テイラードパルスを正確に特徴付けるために、パルスを表現及び測定する方法を確定する必要がある。レーザパルスを特徴付ける１つの方法は、パルスの瞬間的パワーレベル対時間をグラフで表すことであり、これは、パワープロファイルとしても知られている。図４及び図５は、これらのタイプのグラフの具体例を示している。このようにグラフで表されたレーザパルスは、始点、終点及び継続時間を有する。パルス継続時間を定義する手法として、パルスの始点又は立ち上がりエッジ１６２、１８２を、パルスのパワーが、実質的にゼロからゼロではない値に上昇する時点として定義する。パルスは、パルスパワーが再び実質的にゼロに戻る立ち下がりエッジ１６４、１８４として定義されるパルスの終点まで、このレベルより上に維持される。そして、継続時間は、これらの点の間の時間として定義される。これは、実質的なガウス形状を有するパルス等、通常、比較的単純なテイラードパルスを測定するために用いられる半値全幅（full width at half maximum：ＦＷＨＭ）法とは対称的である。より複雑なパルス波形については、ＦＷＨＭ測定は、意義がある特徴付けを提供しない。具体的には、テイラードパルスにＦＷＨＭを適用すると、パルス継続時間が大幅に誤って表現される可能性があり、及びビアの形成に使用するためのパルスパラメータを評価する際に、他の重要な要素が関連付けられない。
【００１９】
テイラードパルス等の複雑なパルス波形のためのパルス継続時間の他の測定値は、時間積分二乗（time integrated square：ＴＩＳ）法から得られる。この手法は、統計における２次モーメント又は標準誤差測定に関連する。継続時間は、以下の式によって算出される。
【数１】
0005642062.tif 000002
【００２０】
ここで、Ｉ（ｔ）は、時間の関数としてのパルスのパワー強度である。パルス継続時間の測定のための２つの推奨される手法、すなわち、グラフ及びＴＩＳによる手法は、ＦＷＨＭ測定に比べて、複雑なパルス継続時間をより正確に測定する。
【００２１】
本発明では、ビア品質は、所望の結果が得られるようにレーザパルス波形を調整することによって制御される。ブラインドビアが、絶縁材料を貫通し、基板内の非有機層に達するように穴あけされる場合、ビア内のデブリは、２つの主な原因に由来する。第１の原因は、穴あけの後に金属導体上に残る絶縁材料であり、これは、「スミア」とも呼ばれる。ビアの底部から絶縁材料を除去する際、金属化合物が穴あけの位置から熱を奪うので、これは、ビアのボリュームから材料を除去することより困難であり、このため、スミアが生じる。これは、金属導体が露出され始めると、導体から残りの材料を除去するために、より多くのエネルギが必要となることを意味する。金属導体に供給されるエネルギが大き過ぎると、金属導体の表面が初期的に溶解し、表面が滑らかになり、後のメッキによる機械的な接着が弱まるため、エネルギを単純に大きくすることはできない。パルス内のエネルギが大き過ぎると、最終的に導電材料が除去され、この結果、ビアの穴あけの目的が失敗する。
【００２２】
ここに開示するテイラードレーザパルスは、短い、高パワーのパルスのエネルギを材料に供給することによって、誘電性のスミアの問題を緩和する。これは、エネルギが金属導体に伝導され、ここで急速に消散する機会を得る前に、材料にエネルギを結合するのに役立つ。材料を除去するレーザの能力を低下させるのは、この金属導体による急速なエネルギの消散である。単位時間あたりにより大きなエネルギを、除去すべき材料に結合することによって、レーザスポットの直近の材料の温度が高まり、これによって、材料が直接プラズマになるアブレーション、又は材料が蒸発し、又は沸騰して液体から気体に気化する熱プロセスによって、除去が促進される。パワースパイクに含まれていないパルスの部分は、総エネルギを、基板にダメージを与えるレベルより低く維持しながら、このプロセスに貢献する。
【００２３】
穴あけされたビア内のデブリの他の原因は、ビアの側壁に再堆積する有機材料である。この再堆積は、レーザパルスによって気化、液化又はプラズマ化されたが、ビアから完全に排出されなかった有機材料によって生じる。プラズマ化／気化／液化された材料の雲状物は、「プルーム」と呼ばれることもある。ビア壁が冷却されると、このプラズマ化、液化又は気化した材料は、ビア壁に再堆積し、層を形成し、側壁の傾斜を歪ませ、これによって、後にメッキされる材料が側壁に付着することが困難になる。テイラードパルスは、パルスによって材料をイオン化、溶解又は気化しながら、ビアボリュームから材料を爆発的に排出することによって、このタイプのデブリの集中を緩和する。材料の爆発的排出は、使用されるパルスのピークパワーに直接的に関係する。高いピークパワーは、ボリュームからエネルギが熱的に消散又は伝播する前に、材料のボリューム内にエネルギを集中させる。この一時的で、局所的な加熱は、材料のビアからの強制的な排出に寄与し、この結果、ビアの表面への材料の再堆積によって生じるデブリが緩和される。
【００２４】
テイラードパルスの他の望ましい特徴は、パルスの総エネルギを最小化しながら、上述した結果を達成するということである。従来のパルスにパワースパイクを加えることによって、パルスの総エネルギは、パルス全体のピークパワーを所望のレベルに上げた場合より小さくなる。この総エネルギの最小化によって、ビア又は周囲の基板へのダメージが防止される。検討されるダメージの第１のタイプは、ビアへの形態的なダメージ（morphological damage）である。穴あけの間のエネルギが大き過ぎると、ビアは、ビアの底部が頂部より大きいアンダーカットの状態になる。この場合、後のメッキ工程では、メッキ材料が、逆の傾斜を有する穴に適切に流れ込むことが困難になるので、問題が生じる。余分なエネルギに起因するダメージの第２のタイプは、穴あけされる領域に隣接する基板上又は基板内での層割れであり、これは、余分な熱が層間の結合を破壊することに起因する。これは、典型的には、ビアに隣接し又はビアの周囲の基板の表面に接着された導体について観察される。また、内部導体層も同じプロセスによって層割れすることがある。仕立てられたパルスは、総エネルギを制御することによって、これらの両方のタイプのダメージを緩和する。
【００２５】
また、一実施の形態においては、テイラードパルスは、通常、微細加工用途で使用されるレーザによって生成される継続時間が長いパルスから構築される。この用途で用いることできる例示的なレーザは、カリフォルニア州サンタクララのＣｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｎｃ．社によって製造されているＤｉａｍｏｎｄ  Ｅ−４００液体冷却ＲＦ励起ＣＯ２レーザ（Diamond E-400 liquid- cooled RF excited CO2 laser）である。図６は、継続時間が長いパルスからテイラードパルスを生成するコンポーネントの概略図を示している。図６は、２方向ビーム偏向デバイス２０１に入射するレーザビーム２００を示している。このデバイス２０１は、入射するレーザビーム２００を、無線周波数（ＲＦ）入力２０４に応じて偏向する。この具体例では、ＲＦ入力２０４は、オフにでき、この場合、レーザビームは、偏向されずビーム偏向器２０１を介して変化せずに進み、又は２つの周波数の１つに設定される。ＲＦ入力２０４が第１の周波数に設定されると、レーザビーム２００の一部が角度θ１  ２０６で偏向される。ＲＦ入力２０４が第２の周波数に設定されると、レーザビーム２００の一部は、角度θ２  ２０８で偏向される。同様に、ビーム偏向デバイス２０２は、ＲＦ入力２０５の指示の下で、θ１  ２１０又はθ２  ２１２の何れか１つ又は２つの角度で、入力レーザビーム２００の一部を偏向する。デバイス２０２に周波数が入力されない場合、レーザビーム２００は、ビームダンプ２１４に進む。なお、これらのデバイスは、周波数入力に応じて、様々な角度でレーザビームを偏向できる。２つの偏向角は、単に例示的に選択して示しているに過ぎない。また、これらのデバイスは、デバイス２０１、２０２へのＲＦ信号入力の振幅に応じて、任意の時点で、入力ビームパワーの一部を偏向することもできる。偏向される入力ビーム２００のパワーのパーセンテージは、ビームの８０％以上が偏向される最大値まで、ＲＦ信号の信号強度によって、単調関数的に変化する。ビーム偏向デバイスとして、様々な技術を用いることができる。一実施の形態においては、音響光学偏向器（acousto-optic deflector：ＡＯＤ）を使用して、１つ以上の方向にレーザビームを偏向する。この場合、デバイスへの選択された周波数入力の振幅が、任意の時点において、入力レーザビームの偏向の度合いを決定する。これによって、制御エレクトロニクスによって、任意の波形をＡＯＤに供給でき、ＡＯＤは、偏向されたレーザビームパワーにおいて波形を再生する。偏波器等の他の光学素子と共に電気光学偏向器（ＥＯＤ）を用いても、１ナノ秒より短い更に速い応答時間で同じ効果を達成することができ、この能力は、テイラードパルスプロファイルの変化において、高速な変化速度を達成するために適用できる。
【００２６】
図７ａは、単一のレーザビーム入力から２つのテイラードパルスレーザビームを生成する例示的なデバイスを示している。図７ａは、２つの単一方向ビーム偏向デバイス２２０、２２４、入力レーザビーム２１８、偏向された出力経路２２２、２２６、及びビームダンプ２０４で終了する透過された元のレーザビーム２１８を示している。偏向されたビームには、「Ｂ１」及び「Ｂ２」のラベルを付している。図７ｂは、第１の偏向デバイス２２０に入力されるレーザビーム２１８に沿ったパルス波形２２８を示している。第１の偏向デバイスは、入力レーザビームの一部を、「Ｂ１」のラベルが付された経路２２２に沿って偏向することでき、又はレーザビーム１０８を、第２のビーム偏向デバイス２２４に透過することができる。同様にビーム偏向器デバイス２２４は、レーザビーム２１８の一部を、「Ｂ２」のラベルが付されたビーム出力経路２２６に沿って偏向することができ、又は入力ビームをビームダンプ２０４に進ませることができる。図７ｃは、このプロセスの例示的な結果を示している。「Ｂ１」のラベルが付された上側のグラフは、ビーム経路２２２に沿ったレーザパルス出力を示している。ここに示すように、第１のビーム偏向デバイス２２０は、継続時間が長い入力パルス２２８の一部を偏向し、パルス２３０、２３２、２３４を形成する。同様に、第２のビーム偏向デバイス２２４は、入力レーザビームを偏向して、出力ビーム経路２２６に沿って、パルス２４０、２４２、２４４を形成する。なお、グラフの間の点線は、２つの偏向デバイス２２０、２２４が、入力ビーム２２８を交互に偏向し、複数の位置のビア穴あけのための２組の異なる又は同一のテイラードパルスを生成できることを示唆している。
【００２７】
図８に示す本発明の他の実施の形態においては、レーザビーム２４８は、波長板２５０に方向付けられ、波長板２５０は、レーザビーム２４８の偏光を準備し、これにより、電気光学変調器（electro optic modulator：ＥＯＭ）２５２は、コントローラ（図示せず）からのＥＯＭ２５２への入力に応じて、レーザビームの偏光角をプログラミングできるようになる。そして、レーザビームは、偏光ビームスプリッタ２５４を通過し、偏光ビームスプリッタ２５４は、入力レーザビーム２４８を、分割されたビーム２５８、２６０に分割する。レーザビーム２４８からのパワーは、偏光角に応じて、実質的に１００％がレーザビーム２５８のパワーとなる配分から、実質的に１００％がレーザビーム２６０のパワーとなる配分までの範囲に亘って、ビーム２５８とビーム２６０との間で分割される。
【００２８】
図９は、ＥＯＭ３０４、３１４を用いて、レーザビーム２９８、３００をテイラー化するための及び／又は偏向するための本発明の他の実施の形態を示している。実際の動作では、レーザビーム２９０は、波長板２９２を介して送られ、波長板２９２は、レーザビーム２９０を、ＥＯＭ２９４による処理のために準備する。ＥＯＭ２９４は、コントローラ（図示せず）からの入力に基づいて、ビームの偏光方向を変更する。そして、変更されたビーム２９５は、偏光ビームスプリッタ２９６に入力され、偏光ビームスプリッタ２９６は、レーザビームを、出力ビーム２９８と、出力ビーム３００とに分割する。変更されたビーム２９５に含まれているエネルギは、ＥＯＭ２９４から出力されるレーザビームの偏光角に応じて、出力ビーム２９８と、出力ビーム３００との間で分割される。レーザビーム２９８は、波長板３０２を通過し、波長板３０２は、ＥＯＭ３０４による処理のためにビームを準備し、ＥＯＭ３０４は、コントローラ（図示せず）からの入力に応じて、ビームの偏光角を回転させる。偏光ビームスプリッタ３０６は、偏光角に応じて、レーザビームパワー３０８の一部を通過させ、又は偏向し（３１０）、したがって、レーザビーム経路３０８に沿って伝播するレーザパルスは、ＥＯＭ３０４に適切な信号を入力することによって、望ましい形状を呈するようにプログラムできる。なお、このデバイスによって、レーザビーム３０８及びレーザビーム３１０の何れも、所望のパルス波形になるようにプログラミングできるが、同時に、所望のパルス波形は、レーザビーム経路３０８、３１０の一方から出力し、他方のレーザビーム経路は、所望のパルスによって使用されないパワーを有するレーザパルスを伝播し、通常は、望まれないパルス波形を有するパルスを伝播するようにしてもよい。このパルスは、遮蔽するか、ビームダンプ（図示せず）に送る必要がある。同様に、レーザビーム経路３００は、オプションのターンミラー（turn mirror）３０１によって、方向変更され、そして、波長板３１２を介して、ＥＯＭ３１４による処理のためにビームを準備し、ＥＯＭ３１４は、コントローラ（図示せず）の指示の下で、ビーム３００の偏光角をプログラミング可能に回転させる。偏光ビームスプリッタ３１６は、偏光角に応じて、レーザビームを透過（３１８）又は偏向（３２０）し、これによって、上述したパルスのテイラー化を達成する。
【００２９】
実際には、図６、図７ａ、図８又は図９に示す本発明の実施の形態は、図２に示す従来のレーザドリル装置と組合せて、１つ以上のレーザビームを介して、１つ以上の被加工物にテイラードパルスを供給することができるレーザ穴あけを実現してもよい。
【００３０】
好適なレーザ波長は、約１５０ｎｍから約２０００ｎｍまでのスペクトル範囲内にあり、以下に限定されるものではないが、９ミクロンから１０．６ミクロンまで、又はＣＯ２レーザからのその第２の高調波を含む。他の適切な波長で出力パルスを出射するレーザは、市販されており、これを採用してもよいことは当業者にとって明らかである。高調波変換処理については、「V. G. Dmitriev, et al, Handbook of Nonlinear Optical Crystals, 138-141, SpringerVerlag, New York, 1991 ISBN 30540-53547-0」に開示されている。
【００３１】
本発明の基底にある原理から逸脱することなく、本発明の上述の実施の形態の詳細に多くの変更を加えてもよいことは当業者にとって明らかである。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲のみによって確定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【図９】
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