(57)【要約】【課題】  ２つ以上のレーザを使用してレーザ微細加工システムの処理量を増加させる方法及びシステムを提供すること。【解決手段】  ２つ以上のパルスレーザビーム（５６、５８）が結合され、次に、システムが工作物（２０）の多数の場所において、元の独立したレーザビームの各々のパルスエネルギー以上のパルスエネルギーを維持するパルスレートであって独立して動作するレーザで達成可能なパルスレートより大きいパルスレートで同時に動作することを可能にする多数のレーザビーム（８０、８２）に分離される。ほとんどのレーザ微細加工適用は、工作物を加工するために多数の連続パルスを要求した。パルスエネルギーを維持しつつ、パルスレートを増加させることは、材料除去をより迅速にし、それにより、レーザ微細加工システムの処理量を増大させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の加工レーザビーム及び第２の加工レーザビームを生成し、第１のターゲット材料位置及び第２のターゲット材料位置のターゲット材料を同時にかつ急速に加工するために前記第１の加工レーザビーム及び前記第２の加工レーザビームを使用する方法であって、
増加するパルス繰り返し周波数に従って減少するピークパルスエネルギーによって特徴付けられる一連の出力パルスをパルス繰り返し周波数で放射する第１のレーザを提供すること、
増加するパルス繰り返し周波数に従って減少するピークパルスエネルギーによって特徴付けられる一連の出力パルスをパルス繰り返し周波数で放射する第２のレーザを提供すること、
前記第１のレーザの前記出力パルス及び前記第２のレーザの前記出力パルスが交互配置される結合レーザ出力であって前記第１のレーザの前記出力パルスの前記パルス繰り返し周波数及び前記第２のレーザの前記出力パルスの前記パルス繰り返し周波数の合成によって生成される加工パルス繰り返し周波数で動作する結合レーザ出力を形成すること、
前記結合レーザ出力を、ピーク加工パルスエネルギーによって特徴付けられる一連の結合レーザ加工出力パルスを含む第１の加工レーザビーム及び第２の加工レーザビームに分割すること、
前記第１のターゲット材料位置及び前記第２のターゲット材料位置からターゲット材料を同時に除去するために、前記第１の加工レーザビーム及び前記第２の加工レーザビームを前記第１のターゲット材料位置及び前記第２のターゲット材料位置に入射するために方向付けることを含み、前記結合レーザ加工出力パルスの前記ピーク加工パルスエネルギーは前記加工パルス繰り返し周波数で独立して動作する前記第１のレーザ及び前記第２のレーザによって達成可能な前記ピークパルスエネルギーより大きく、それにより、前記第１のレーザ及び前記第２のレーザの独立した動作から実現可能な加工速度より大きい加工速度のターゲット材料加工に効果的であるピーク加工パルスエネルギーの選択を可能にする、加工レーザビーム使用方法。
【請求項２】
前記第１のレーザの一連の出力パルスの繰り返し周波数及び前記第２のレーザの一連の出力パルスの繰り返し周波数は実質的に同じである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の加工レーザビームの前記出力パルス及び前記第２の加工レーザビームの前記出力パルスは前記第１のレーザ及び前記第２のレーザの一連の交互出力パルスに形成される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ターゲット材料の前記加工は前記第１のターゲット材料位置及び前記第２のターゲット材料位置から前記ターゲット材料を除去することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のレーザの一連の出力パルスの繰り返し周波数及び前記第２のレーザの一連の出力パルスの繰り返し周波数は実質的に同じであり、前記第１のレーザの前記一連の出力パルス及び前記第２のレーザの前記一連の出力パルスを交互に配置することは、前記第１のレーザの前記一連の出力パルス及び前記第２のレーザの前記一連の出力パルスのいずれか一方の前記パルス繰り返し周波数より大きい前記加工パルス繰り返し周波数の値を合成するために前記第１のレーザの一連の出力パルス及び前記第２のレーザの一連の出力パルスを位相変位関係に合計することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ピーク加工パルスエネルギーによって特徴付けられる一連の結合レーザ加工出力パルスを含む、第３のレーザビーム及び第４のレーザビームに前記結合レーザ出力を分割すること、
前記第３のターゲット材料位置及び前記第４のターゲット材料位置からターゲット材料を同時に除去するために、前記第３の加工レーザビーム及び前記第４の加工レーザビームを前記第３のターゲット材料位置及び前記第４のターゲット材料位置に入射するために方向付けることを含み、前記結合レーザ加工出力パルスの前記ピーク加工パルスエネルギーは前記加工パルス繰り返し周波数で独立して動作する前記第１のレーザ及び前記第２のレーザによって達成可能な前記ピークパルスエネルギーより大きく、前記第３の加工レーザビーム及び前記第４の加工レーザビームは、それぞれ、前記加工パルス繰り返し周波数で２つのビームに分割され、それにより、各々が２つのビームに分割される前記第１のレーザ及び前記第２のレーザの独立した動作から実現可能な加工速度より大きい加工速度のターゲット材料加工に効果的であるピーク加工パルスエネルギーの選択を可能にする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のターゲット位置及び前記第２のターゲット位置からの前記ターゲット材料の除去は前記第１のターゲット位置及び前記第２のターゲット位置に穴を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記穴は貫通していないビアである、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作物をレーザ加工することに関し、特に、所定のパワーレベルで独立して動作するパルス繰り返し周波数より大きいパルス繰り返し周波数を所定のパワーレベルで達成するために２つ以上のレーザの出力を結合することに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工は、種々の加工を行う種々のレーザを使用して多数の異なる工作物に行うことができる。本発明に関する対象の特定タイプのレーザ加工は、穴及び／又は貫通していない（blind）ビアを形成するために単一の層又は多層の工作物のレーザ加工及びウェハの切断又は穿孔を行うために半導体ウェハのレーザ加工である。本明細書に記載されるレーザ加工方法は、半導体リンク（ヒューズ）の除去及び受動厚膜成分又は薄膜成分を熱的にアニーリング又はトリミングを含む、どんな種類のレーザ微細加工にも適用できるが、限定されない。
【０００３】
多層工作物の ビア及び穴のレーザ加工に関して、オーエン等の米国特許第５、５９３、６０６号及び米国特許第５、８４１、０９９号は、多層デバイスに貫通穴又は異なる材料タイプの２つの層以上に貫通していない穴を形成するために設定されたパルスパラメータによって特徴づけられるレーザ出力パルスを発生させる紫外線（ＵＶ）レーザシステムを動作させる方法を記載する。レーザシステムは、２００Ｈｚを超えるパルス繰り返しレートにおいて、１００Ｎｓ未満の一時的なパルス幅と、１００μｍ未満の直径を有するスポットエリアと、スポットエリア上に１００ｍＷより大きい平均強度又は放射照度とを有するレーザ出力パルスを放射する非エキシマーを含む。識別された好ましい非エキシマーＵＶレーザは、ダイオード励起の固体（ＤＰＳＳ）レーザである。
【０００４】
ダンスキー等の公開された米国特許出願第ＵＳ／２００２／０１８５４７４号は、多層デバイスの誘電体層に貫通していないビアを形成するレーザ出力パルスを発生させるためにパルス状ＣＯ２レーザシステムを動作させる方法を記載する。レーザシステムは、２００Ｈｚを超えるパルス繰り返しレートにおいて、２００Ｎｓ未満の一時的なパルス幅と、５０μｍと３００μｍとの間の直径を有するスポットエリアとを有するレーザ出力パルスを放射する。
【０００５】
ターゲット材料のレーザアブレーション、特にＵＶ  ＤＰＳＳレーザが使用されるとき、フルエンス（流束量）又はターゲット材料のアブレーション閾値より大きなエネルギー密度があるレーザ出力をターゲット材料に向けることに依存する。ＵＶレーザは、１／ｅ２直径において約１０μｍと約３０μｍとの間のスポットサイズを持つように焦点を合わせることができるレーザ出力を放射する。ある実例では、このスポットサイズは、例えば所望の直径が約５０μｍと３００μｍとの間である場合、所望の直径より小さい。スポットサイズの直径は、ビアの所望の直径と同じ直径を持つように拡大することができるが、そのような拡大は、レーザ出力エネルギー密度がターゲット材料アブレーション閾値未満であるようにレーザ出力エネルギー密度を減少させ、ターゲット材料の除去を成し遂げることができない。したがって、３０μｍから１０μｍのスポットサイズが使用され、焦点レーザ出力は、所望の直径を有するビアを形成するためにスパイラル状パターン、同心円状パターン、又は「筒のこぎり」パターンで典型的に移動される。スパイラル状加工、筒のこぎり加工及び同心円状加工はいわゆる非穿孔ビア形成加工の種類である。約７０μｍ以下のビア直径に関して、直接の穿孔はより高いビア形成処理量を提供する。
【０００６】
対照的に、パルスＣＯ２レーザの出力は、従来のターゲット材料に５０μｍ以上の直径を有するビアを形成するために十分なエネルギー密度を維持することができる。したがって、ＣＯレーザがビアを形成するために使用されている場合、穿孔加工が典型的に採用される。しかし、５０μｍ未満のスポットエリア直径を持つビアはＣＯ２レーザを使用して形成することができない。
【０００７】
ＣＯ２波長での銅の高度な反射率は約５ミクロンより大きな厚さを持っている銅シートにＣＯ２レーザを使用して貫通穴ビアを形成することを非常に困難にする。したがって、ＣＯ２レーザは約３ミクロンと約５ミクロンの間の厚さを持っている、又はＣＯ２レーザエネルギーの吸収を増強するように処理された表面である銅シートにのみ貫通穴ビアを形成するために典型的に使用することができる。
【０００８】
ビアが典型的に形成されるプリント回路基盤(ＰＣＢ)及び電子パッケージングデバイス用に多層構造を作る際に使用される最も一般的な材料は、金属(例えば、銅)及び誘電体(例えば、ポリマーポリイミド、樹脂又はＦＲ-４)を含む。ＵＶ波長のレーザエネルギーは、金属と誘電体とで良好なカップリング効率を示し、ＵＶレーザは、銅板と誘電体材料との両方にビアを容易に形成することができる。また、高分子材料のＵＶレーザ加工は、ＵＶレーザ出力は、高分子材料をその分子結合を光子励起の化学反応により分解することによって部分的に除去し、それにより、誘電体材料がより長いレーザ波長に露出されるときに生じるフォト熱学加工に比較して、優れた加工品質を生じるように、結合フォト化学及びフォト熱加工であるように広く考えられる。これらの理由で、固体ＵＶレーザは、これらの材料を加工するための好ましいレーザ源である。
【０００９】
誘電体材料と金属材料とのＣＯ２レーザ加工及び金属材料のＵＶレーザ加工は、誘電体材料又は金属材料は、材料を温度上昇させ、柔らかくし又は溶融し、結局除去し、蒸発し、吹き飛ばすレーザエネルギーを吸収する、主としてフォト熱加工である。アブレーションレート及びビア形成処理量は、材料の所定のタイプについて、レーザエネルギー密度(スポットサイズ(ｃｍ２)で割られたレーザエネルギー(Ｊ))、パワー密度(パルス幅(秒)で割られたレーザエネルギー密度)、パルス幅、レーザ波長及びパルス繰り返しレートの関数である。
【００１０】
したがって、レーザ加工処理能力、例えば、ＰＣＢ又は他の電子パッケージングデバイスにビアを形成すること、又は金属又は他の材料に穿孔することは、利用可能なレーザパワー密度及びパルス繰り返しレート、並びにビーム位置決め器がレーザ出力をスパイラル上パターン、同心円状パターン又は筒のこぎりパターンにビア位置間で移動できる速度によって制限される。ＵＶ  ＤＰＳＳレーザの一例は、カリフォルニア州マウンテンビューのライトウェーブエレクトロニクス社によって販売されたモデルＬＷＥＱ３０２(３５５ｎｍ)である。このレーザは、モデル５３３０レーザシステム又はオレゴン州ポートランドのエレクトロサイエンティフィックインダストリーズ社、すなわち本特許出願の譲受人によって製造されたそのシリーズの他のシステムにおいて使用される。レーザは、３０ｋＨｚのパルス繰り返しレートで８ＷのＵＶパワーを供給することができる。このレーザ及びシステムの典型的なビア形成処理量は露出した樹脂に毎秒約６００ビアである。パルスＣＯ２レーザの一例は、コネチカット州ブルームフィールドのコヒーレントＤＥＯＳによって販売されたモデルＱ３０００(９.３μｍ)である。このレーザは、モデル５３８５レーザシステム又はエレクトロサイエンティフィックインダストリーズ社によって製造されたそのシリーズの他のシステムにおいて使用される。レーザは、６０ｋＨｚのパルス繰り返しレートで１８Ｗのレーザパワーを供給することができる。このレーザ及びシステムの典型的なビア形成処理量は露出した樹脂に毎秒約１０００ビア及びＦＲ−４に毎秒２５０〜３００ビアである。
【００１１】
増加したビア形成処理量は、上述のようなアブレーションを引き起こすのに十分なパルスエネルギーでパルス繰り返しレートを増加させることにより遂行することができる。しかし、ＵＶ  ＤＰＳＳレーザ及びパルスＣＯ２レーザについては、パルス繰り返しレートが増加するにつれて、パルスエネルギーは非線形的に減少する。すなわち、２倍のパルス繰り返しレートは各パルスごとにパルスエネルギーの半分より小さくなる。したがって、所定のレーザについては、最大パルス繰り返しレートと、アブレーションを引き起こすために必要とされる最小パルスエネルギーによって管理されたビア形成の最大レートとがある。
【００１２】
半導体ウェハを切断することに関して、切断を行う２つの方法がある。すなわち、機械的なのこぎり切断及びレーザ切断である。機械的切断は、約１００ミクロンより大きい幅を有する通路を形成するために約１５０ミクロンより大きい厚さを有するウェハを切断するためにダイヤモンドこぎりを使用することを伴う。約１００ミクロン未満である厚さを持っているウェハを機械的にのこぎりで切断することは、ウェハのクラッキングを生じる。
【００１３】
レーザ切断はパルスＩＲレーザ、グリーンレーザ、又はＵＶレーザを使用して半導体ウェハを切断することを典型的に伴う。レーザで切断することは、半導体ウェハを機械的にのこぎり切断することより種々の利点、例えばＵＶレーザを使用するとき、約５０ミクロンに通路の幅を減少させることができること、湾曲軌跡に沿ってウェハを切断できること、及び機械的のこぎりを使用して切断できるシリコンウェハより薄くシリコンウェハを効率的に切断できることを提供する。例えば、約７５ミクロンの厚さを有するシリコンウェハは、約３５ミクロンの幅を持っている切りこみを形成するために、１２０ｍｍ/秒の切断速度で、約８Ｗのパワー及び約３０ｋＨｚの反復レートで操作されたＤＰＳＳ  ＵＶレーザで切断することができる。しかし、半導体ウェハをレーザで切ることの不利益は、ウェハに付着した、除去するのが難しい残骸及びスラグを生じることである。半導体ウェハを切ることの別の不利益は、工作物の処理量レートがレーザのパワー能力によって制限されるということである。
【００１４】
したがって、必要とされるものは、ＵＶレーザ、グリーンレーザ及びＩＲレーザを使用して効率的にかつ正確に半導体ウェハを切断するためにビア及び／又は穴を形成するために高レートの処理量で工作物を高速レーザ加工するための方法である。
【特許文献１】米国特許第５、５９３、６０６号
【特許文献２】米国特許第５、８４１、０９９号
【特許文献３】米国特許出願第ＵＳ／２００２／０１８５４７４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、本発明の目的は、（１）単一層工作物及び多層工作物にビア及び／又は穴をレーザ加工すること、及び（２）材料除去のレート及び工作物処理量が増大され、かつ加工品質が改善されるように半導体ウェハを切断する速度及び／又は効率を改善するための方法及びレーザシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の方法は、デュアルレーザシステムにおいて所定のパワーレベルでパルス繰り返しレートを最大にすることによって、工作物から材料の迅速な除去を行う。本方法は、個々のパルスがレーザの出力に異なる時間に現れるように、２つのレーザを起動させることを伴う。これらの２つのビームは、それから、２つのビームのパルスが交互配置される単一ビームに結合される。単一ビームは、各ビームの結合パルスレートに等しいパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）を有する。結合ビームの各パルスはそれが結合前に持ったのと同じパルス特徴を有する。結合ビームは、同じＰＲＦを持つ２つのビームに、その後分割することができる。分割ビームにおいて、いくつかのパルス特徴、例えばパルス期間と全体的なパルス形状は、非分割ビームのパルス特徴と実質的に類似するままである。しかし、いくつかのパルス特徴、例えばパルスピーク力及びパルスエネルギーは、パルス特徴の線形合計が非分割ビームのパルス特徴にほぼ等しいように、２つのビーム間で分割される。
【００１７】
本方法の好ましい実施例は、所望のＰＲＦで交互パルスを得るために２つのレーザを同期させることを伴う。レーザ出力で生成された２つのパルスレーザビームは、その後、平行にされて、単一ビームに２つのパルスレーザビームを結合するビーム結合器に入射するために方向付けされる。結合ビームはその固有のガウスプロフィール状に残こされてもよく、又は望ましい非ガウスプロフィールを作り出すために任意に形づくられてもよく、及び／または画像化されてもよい。その後、結合ビームは、微細加工を実行するために、工作物の異なる場所に入射するために方向付けできる２つのビームに分割される。ＰＲＦとパワーとの間の関係が非線形性であるため、２つのビームの結合及び分離は、各レーザが別々にパルス化され、等しいＰＲＦで２つの場所の各々で工作物に向けられるならば達成できるパワー密度より大きなパワー密度を工作物の２つの場所で生じる。このように、より大きなパワー密度を達成する結果は、微細加工システムの処理量の増加になる。
【００１８】
本発明によって提供される利点は、２つのレーザに限定されない。類似した技術を使用して、３つ以上のレーザは結合することができ、３つ以上のビームに分割することができる。しかし、偶数個のレーザは、結合し、類似した出力ビームに分割することがより容易である。
【００１９】
本発明の追加の目的及び利点は、添付図面に関連して説明する好ましい実施例の次の詳細な説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の好ましい実施例の第１の実施態様において、本明細書に開示される発明によって発生されるレーザパルスは、アブレーションを引き起こすために十分なエネルギーで工作物の少なくとも２つの特定領域にレーザを向けることによって、単一層または多層の工作物にビアを形成する。一つのパルスが工作物の特定場所から望ましい材料の全てを取り去るには不十分であると仮定される。したがって、多数のパルスが、各特定場所で望ましい材料を除去するために工作物に向けられる。加工時間及びシステム処理量は、工作物のアブレーション（除去）の閾値を超えるエネルギーで単位時間ごとに工作物に供給されたパルスの数に依存する。
【００２１】
好ましい単一層の工作物は、薄い銅シート、電気的アプリケーションに使用されるポリイミドシート、及び一般的な産業及び医療アプリケーションのための他の金属片、例えばアルミニウム、鋼及び熱可塑性物質を含む。好ましい多層工作物は、マルチチップモジュール（ＭＣＭ）、回路基盤又は半導体超小型回路パッケージを含む。図１は、層３４、３６、３８、４０を含む任意のタイプの典型的な多層工作物２０を示す。層３４、３８は、それぞれ、望ましくは、金属、例えば、限定されないがアルミニウム、銅、金、モリブデン、ニッケル、パラジウム、プラチナ、銀、チタン、タングステン、金属窒化物又はそれらの組み合わせを含む金属層である。金属層３４、３８は、望ましくは、約９μｍ及び約３６μｍの間にある厚みを有するが、しかし、それらは９μｍより薄くすることができ、また７２μｍと同じくらい厚くすることもできる。
【００２２】
各層３６は、望ましくは、標準的な有機誘電体材料、例えばベンゾシクロブデン（ＢＣＢ）、ビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）、ボール紙、シアン酸塩エステル、エポキシ、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリマーアロイ又はそれらの組合せを含む。各有機誘電体層３６は、金属層３４、３８より典型的に厚い。有機誘電体層３６の好ましい厚みは約２０μｍと約４００μｍとの間にあるが、しかし、有機誘電体層３６は厚みを１．６ｍｍと同じくらいの厚みを有する積層に配置することができる。
【００２３】
有機誘電体層３６は、薄い補強材成分層４０を含むことができる。補強材成分層４０は、例えばアラミド繊維、陶器又は有機誘電体層３６に織られた又は分散したガラスからなる繊維マット又は分散した粒子を含むことができる。補強材成分層４０は有機誘電体層３６より典型的に非常に細く、また約１μｍと約１０μｍとの間にある厚みを持つことができる。当業者は、補強材料も有機誘電体層３６への粉体として導入することができることを理解する。この粉状の補強材料を含む補強材成分層４０は、非接触にすることができ、また不均一にすることもできる。
【００２４】
当業者は、層３４、３６、３８、４０が内部的に、接触せず、不均一であり、平坦でなくてもよいことを理解する。金属、有機誘電体及び補強材成分材料からなるいくつかの層を有する積層は、２ｍｍを超える総厚みを持つことができる。図１の実施例に示される任意の工作物２０は５つの層を持つが、本発明は、一つの層基材を含む、望ましい数の層でも持つ工作物に実施することができる。
【００２５】
図２は、同期装置源５４によって駆動された２つの加工レーザ５０、５２から構成された、本発明の好ましい実施例の簡易概略図である。同期装置源５４は、エネルギーをレーザに注入する照明源に送られたトリガー信号を同期すること、又はレーザ５０、５２に交互にパルスの生成を可能にするためにレーザ５０、５２内に位置付けされたＱスイッチをできる限り同期することを含む多数の方法のいずれか１つによってレーザ５０、５２を同期できる。レーザ５０、５２は、それらの出力で、それぞれ、加工ビーム５６、５８を提供し、各加工ビーム５６、５８はレーザパルス列から構成される。レーザ５０、５２は、それらのそれぞれの出力加工ビーム５６、５８の固有の線形偏光平面が実質的に平行であるように配置される。レーザビーム５６、５８は、それぞれ、コリメータ６０、６２を通過し、各コリメータ６０、６２はその入射レーザビームの直径を減少させるが、その焦点を無限大に維持する。
【００２６】
加工レーザ５０、５２は、ＵＶレーザ、ＩＲレーザ、グリーンレーザ又はＣＯ２レーザにすることができる。好ましい加工レーザ出力は、約０．０１μＪと約１．０μＪとの間にあるパルスエネルギーを有する。好ましいＵＶ加工レーザは、例えばＮＤ：ＹＡＧ、ＮＤ：ＹＬＦ、ＮＤ：ＹＡＰ又はＮＤ：ＹＶＯ４のような固体レーザ生成材料、又はイットリウム、ホルミウム又はエルビウムでドープされたＹＡＧクリスタルを含むＱスイッチＵＶＤＰＳＳレーザである。ＵＶレーザは、波長、例えば３５５ｎｍ（３倍周波数ＮＤ：ＹＡＧ）、２６６ｎｍ（４倍周波数ＮＤ：ＹＡＧ）、又は２１３ｎｍ（５倍周波数ＮＤ：ＹＡＧ）で、望ましくは調和的に発生されたＵＶレーザ出力を提供する。
【００２７】
好ましいＣＯ２加工レーザは、約９μｍと約１１μｍとの間の波長で動作するパルスＣＯ２レーザである。典型的な市販のパルスＣＯ２レーザは、コネチカット州ブルームフィールドのコヒーレント-ＤＥＯＳによって製造されるモデルＱ３０００のＱスイッチレーザ（９．３μｍ）である。ＣＯ２レーザは金属層３４、３８を通して効果的にビア穿孔することができないので、ＣＯ２加工レーザで穿孔される多層工作物２０は金属層３４、３８を有していないか、又はターゲット位置が、ＵＶレーザで予め穿孔されたか又は誘電体層３６を露出するために別の加工、例えば化学エッチングを使用してプレエッチングされたように準備されているかのいずれかである。
【００２８】
当業者は、他の固体レーザ生成材料（lasants）又は異なる波長で動作するＣＯ２レーザが本発明のレーザシステムに使用できることを理解する。種々のタイプのレーザ空洞装置、固体レーザからの高調波発生、固体レーザとＣＯ２レーザとの両方のためのＱスイッチ作動、及びＣＯ２レーザ用のパルス生成方法は、当業者には周知である。
【００２９】
レーザ５０は、２つのレーザの場合、ミラーとして実施されるミラー/結合器６４から反射して、その後最初の１／２波長板６６に遭遇する加工ビーム５６を放射する。最初の１／２波長板６６は、入射レーザビーム５６の偏光面を９０°回転させるために設定される。レーザビーム５６、５８の光路は、第１の角度に対して９０°回転された第２の角度で偏光されたレーザビーム５８の実質的に全てを送るために構成されたビーム結合器６８に遭遇するように配置されている。透過ビーム５８と反射ビーム５６とが結合して第１の角度で偏光されたエネルギーの概ね半分を有し、また第１の角度に対して９０°回転された第２の角度で偏光された、そのエネルギーの残部を有する結合同軸ビーム７０を形成するように、光学部品は配置されている。ビーム結合器６８から伝播する結合ビーム７０は、本質的にガウス状のビームプロフィールをより望ましいビームプロフィールに変換する光学ビーム整形光学機器７２を通過する。望ましいビームプロフィールの例は、本質的に均一の照明を提供する「シルクハット」プロフィールである。光学ビーム整形光学機器７２も、ビームが工作物に投影されるとき、ビームに適切な特性、例えばスポットサイズ及び形状を得ることができるようにする画像光学機器として機能を果たす。当業者は、類似した方法が対応してより多くの力で結合ビーム７０を作り出すために３つ以上のレーザを結合するために使用できることも認識する。
【００３０】
結合ビーム７０は、実質的に等しいｐ（垂直）及びｓ（水平）偏光成分を有するビームを提供する、結合ビーム７０の偏光面を４５°回転する１４個の第２の波長板７４に入射するために２２．５°回転された結果として方向付けされる。結合回転ビーム７１は、結合回転ビーム７１の偏光面のいずれかに対して４５°に設定された偏光軸線を有するブルースター偏光子ビームスプリッタ７８に方向付けされる。第２の１／２波長板７４がない場合、ビームスプリッタ７８は、ビームスプリッタ偏光軸線に対して平行に偏光された結合回転ビーム７１の一部分の実質的にすべてを透過し、ビームスプリッタ偏光軸線に対して垂直に偏光された結合回転ビーム７１の一部分の実質的にすべてを反射する。これは結合回転ビーム７１をその成分に本質的に分離し、レーザビーム５６、５８を再現する。しかし、結合回転ビーム７１の偏光は４５°回転されたので、結合回転ビーム７１の直交偏光成分の各々は、部分的に透過され、ビームスプリッタ７８によって部分的に反射される。これは、結合回転ビーム７１の２つの偏光成分を混合し、パワーの約半分を透過し、分離レーザビーム８０、８２の約半分を反射する効果を有する。これらの分離ビーム８０、８２の各々は、レーザビーム５６、５８の両方からのパルスから構成され、したがって、２つのビームのパルスレートの合計に等しいパルスレートを有する。分離ビーム８０、８２のパワーの比率は２２．５°の名目上の角度から１／２波長板７４の角度を変えることによって調節することができる。
【００３１】
結合回転ビーム７１は４つのレーザビーム８０、８２、８８、９０に任意に分割することができ、レーザビーム８０、８２、８８、９０の各々は、レーザ５０、５２の結合パワーの約１／４に等しく、レーザ５０、５２によって、それぞれ放射されるビーム５６、５８のパルスレートの合計と等しいパルスレートを有する。この分割は、点線の囲いで示される構成要素によって達成され、図２の仮想線によって表される。１／２波長板９２から最初に伝播する選択的な実施例において結合回転ビーム７１は、オプションのビーム９６、９８を創出するためにオプションの光学スプリッタ９４によって２つのほぼ等しいビームに分割される。ビーム９６、９８の各々は、合計４つの出力ビーム８０、８２、８８、９０を創出するためにオプションのミラー１００、オプションの１／２波長板１０２、オプションのスプリッタ１０４、及びオプションのミラー１０６によって工作物の望ましい場所に周知の技術によって方向付けることができる。各ビームに利用できパワーの比率は上述のように１／２波長板７４、９２、１０２を調節することによって設定することができる。当業者は、この方法が所望により、追加のペアのレーザビームを創出するために延長できることを認識する。
【００３２】
図３のグラフ１１０は、一つのレーザのために、ｋＨｚのＰＲＦとμＪのパルスエネルギーとの間の非線形な関係を例示する。曲線１１２は、所定のレーザに対するＰＲＦの関数として、利用できるピークパルスエネルギーを表す。当業者は、この関係が微細加工アプリケーションに使用される広範囲にわたるレーザタイプに対して典型的であることを認識する。直線１１４は、特定の工作物のアブレーション（除去）に要求される最小ピークパルスエネルギー、すなわち約８０μＪを表す。線１１２、１１４は選択された工作物を除去するために使用できる最大ＰＲＦを表す点１１６、この場合約６２ｋＨｚで交差する。システムが独立して動作する２つのレーザで構成されるならば、システムの最大処理量は２つの点に限られ、各々が６２ｋＨｚで除去される。
【００３３】
図４のグラフ１２０は本明細書に記載された原理に従って構成されたデュアルレーザシステムの性能を図示する。図３に示されるＰＲＦ/パルスエネルギー特徴と同一のＰＲＦ/パルスエネルギー特徴を有する２つのレーザは、図２で示されたように結合される。グラフ１２０の曲線１２２は、レーザ５０、５２からの交互パルスから構成された結合ビーム７０のＰＲＦ/パルスエネルギー関係を示す。グラフ１２０の直線１２４は、選択された工作物を除去するために要求される最小限のピークパルスエネルギーを示す。結合ビーム７０は実質的に等しく、２つのビームに分割されるので、必要なピークパルスエネルギーは図３の直線１０４によって示されるピークのパルスエネルギーの約２倍、すなわち約１６０μＪである。線１２２、１２４は、選択工作物を除去するために使用可能な最大結合ＰＲＦ、すなわち約８７ｋＨｚを示す点１２６で交差する。ＰＲＦとパルスエネルギーとの間の非線形性の関係のため、このＰＲＦは、同じ材料を除去するために、図３に示される６２ｋＨｚより大きい。したがって、本明細書に開示された技術に従って実施された２つのレーザシステムは、８７ｋＨｚのＰＲＦで除去されている２つの点と等しい最大システム処理量を有する。最大アブレーションレートとシステム処理量とはＰＲＦの関数であるので、本明細書に開示された原理に従って構成された２つのレーザシステムは、独立して動作する各レーザで構成されたシステムの処理量の１４０％の処理量を有する。
【００３４】
好ましい実施例の第２の例において、本明細書に開示された本発明によって発生されたレーザパルスは、ウェハ又は基板の単一化又は切断を行うために使用される。一つの基板の上で所定の回路または回路要素から複数のコピーを造ることは、電子部品製造において一般的である。半導体切断用の好ましい工作物は、シリコンウェハと、炭化ケイ素及び窒化ケイ素を含む他のシリコンを主成分とする材料と、Ｎ１-Ｖ群とＮ-Ｖ１群の合成物、例えば集積回路がフォトリソグラフィー技術を使用して造られるヒ化ガリウムとを含む。第２の例は、回路要素または電子デバイスが焼結セラミック材料から典型的に造られた基板に印刷されたスクリーンである厚膜回路である。第３の例は、導体及び受動回路要素が、スパッタリング又は蒸発によって、例えば半導体材料、セラミック又は他の材料でできている基板に付加された薄膜回路である。第４の例は、表示技術であり、この技術を使用してＬＣＤ又はプラズマディスプレイを製造するために使用されるプラスチック膜が単一化され得る。これらのアプリケーションのすべてに共通していることは、多数の回路、回路要素又は単に基板の領域を含む基板を別々の部品に効率的に分割することである。
【００３５】
本明細書に開示された本発明を単一化に適用することの利点は、ビア穿孔に関する上述の利点と類似する。複数の平行した線状切断がほとんどの基板を単一化するために典型的に要求されるので、２つ以上のレーザを加工に適用することはシステムの処理量を増大させることができる。本明細書に記載された本発明を使用して、ビア穿孔のように、単一化のレートは単位時間ごとに供給された、アブレーション閾値より大きなエネルギーのパルスの数の関数である。
【００３６】
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、独立したデュアルレーザで構成されたデュアルレーザシステム及び本明細書に開示される発明によって構成されたデュアルレーザシステムによって単位時間ごとに供給されたパルスの数を比較することによってこのプロセスを例示する。
【００３７】
図５Ａのグラフ１３０は、同時に工作物の２つの場所を加工するために２つの独立したレーザを使用する先行技術システムの２つの類似した典型的なレーザのうちの１つについてのパルスエネルギーとＰＲＦとの関係を示す。グラフ１３０は、パルス列１３２を表し、各パルス１３４は、パルスエネルギーｅ０を有し、また工作物の特定の場所で加工を完了するために時間ｔ０を必要とする。間隔１３８は、隣接したパルス１３４の間の時間を示し、ＰＲＦの逆数である。ＰＲＦは２つのレーザシステムを示すので、このシステムは時間ｔ０で工作物の２つの場所を加工することができる。
【００３８】
図５Ｂのグラフ１４０は、パルス列１４２から構成される結合ビーム７０を示す。パルス列１４２は、ビーム結合器６８によって結合された後に、レーザ５０からの実線パルス１４４とレーザ５２からの点線パルス１４６から構成される。各パルス１４４、１４６のピークエネルギーｅｉは図５Ａに図示されるＰＲＦで類似のレーザによって供給されるビームの各パルス１３４のピークエネルギーｅ０の２倍以上であり、レーザ５０からの隣接パルス１４４間の間隔とレーザ５２からの隣接パルス１４６間の間隔１４８とは、それぞれ、間隔１３８の２倍より小さい。これは、図３及び図４において図示されるパルスエネルギーとＰＲＦとの間の非線形の関係の結果である。
【００３９】
図５Ｃのグラフ１５０は、２つのパルス列を形成するためにビームスプリッタ７８を使用してパルス列１４２を分割する結果を示し、２つのパルス列の１つは、レーザ５０からの実線パルス１５４及びレーザ５２からの点線パルス１５６から構成されるパルス列１５２として示される。分割ビーム１５２のピークのエネルギーβ２は図５Ａに示されるように、一つのレーザのピークのエネルギーｅ０に等しい。しかし、インターパルス間隔１５８はインターパルス間隔１３８より小さい。したがって、２つのレーザビームから合成されるＰＲＦは、独立して動作する２つのレーザのいずれかのＰＲＦより大きい。したがって、パルスの要求される数は、時間ｔ０より短い時間ｔ２において工作物に供給される。２つのパルス列１５２が分割レーザビーム５６、５８によって工作物に供給されるので、本明細書に記載される発明は、レーザが独立して動作するならば要求される時間より短い時間に２つの場所を加工することができる。
【００４０】
当業者は、単一の層工作物又は異なる材料から構成される異なる多層の工作物のために、レーザパラメータを変更すること、例えばパルス繰り返し率、１パルスについてのエネルギー、及びビームスポットサイズは、最適レーザ微細加工処理量及び品質を生じるように、異なる加工ステージの間にプログラムされることができることを理解する。オーエン等の米国特許第５、８４１、０９９号及びダンスキー等の米国特許第６、４０７、３６３号参照。これらの２つの特許は本特許出願の譲受人に譲渡される。当業者は、加熱源、例えば、そのパワー、エネルギー分布プロフィール及びスポットサイズの操作上のパラメータが、レーザ加工の種々のステージの間、一定に維持できる、又は変化させることができることも理解する。
【００４１】
多くの変形例が本発明の根底にある原則から逸脱することなく、上記実施例の細部に適用できることが、当業者にとって自明である。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ決定されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の方法に従って形成されたレーザビームによって加工されるタイプの典型的な多層工作物の断面図である。
【図２】光学ビーム整形及び画像光学機器に協働して、本発明の方法に従って、２つのレーザビームを結合し、そして分割する好ましいシステムを簡略化した概略図であり、仮想線で、結合レーザビームを選択的に第３のレーザビーム及び第４のレーザビームに分割する光学部品を示す。
【図３】模範的な先行技術のレーザのパルスエネルギーとＰＲＦとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明に従って形成される２レーザシステムビーム出力のためにパルスエネルギーとＰＲＦとの関係を示すグラフである。
【図５Ａ】各々のレーザが独立して動作する先行技術のデュアルレーザシステムによって発生されたパルス列ＰＲＦ及びピークエネルギーを示すグラフである。
【図５Ｂ】本発明に従って発生された結合レーザビームのパルス列ＰＲＦ及びピークエネルギーを示すグラフである。
【図５Ｃ】本発明に従って発生された分離レーザビームのパルス列ＰＲＦ及びピークエネルギーを示すグラフである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
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