(57)【要約】  幾つかの実施の形態では、４００ミクロンより短い波長を有し、１，０００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのレーザパルス（３２）を含むレーザ出力によって、ビアの底面又はソルダパッドの表面をクリーニングするために用いられるパルスの数（δＮ）を低減し、プロセススループットを向上させる。増幅モジュール（１６）と連携するオシレータモジュール（１２）を用いてレーザ出力を生成してもよい。【選択図】      図２
2009538539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
望ましい動作特性を有するビアの穴あけに用いられるパルスの総数を最小化することによってレーザビア穴あけスループットを高める方法であって、前記パルスの総数Ｎは、レーザ除去−バルク材料インタラクションによってバルク材料を除去してビアを形成するために使用されるバルク除去パルスのバルク数Ｎ０と、レーザクリーニング−材料インタラクションによってビアの底面をクリーニングするために使用される底面クリーニングパルスの底面クリーニング数δＮとを含み、
フルーエンスＦを有し、及びビアの底面をクリーニングするためのパルス幅τの少なくとも１つのレーザパルスを有し、δＮがＦ／τ１／２と所定の関係を有し、δＮ／Ｎ０が１以下であるレーザ出力を生成する工程と、
前記レーザ出力をターゲット位置に向け、ビアの底面をクリーニングする工程とを有する方法。
【請求項２】
前記δＮとＦ／τ１／２との間の関係は、ｆを繰返し率とし、Ｌ＝（１／ｆτ）１／２−（１／ｆτ−１）１／２として、以下の式を満たす請求項１記載の方法。
【数１】
2009538539.tif 000006
【請求項３】
前記δＮは、Ｌと所定の関係を有し、ｆを繰返し率とし、Ｌ＝（１／ｆτ）１／２−（１／ｆτ−１）１／２である請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記レーザ出力は、４００ナノメートルより短い波長を有する請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記レーザ出力は、約３５５ナノメートル又は約３５１ナノメートルの波長を有する請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記レーザパルスは、１，０００ピコ秒より短いパルス幅を有する請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記レーザパルスは、５００ピコ秒より短いパルス幅を有する請求項１記載の方法。
【請求項８】
イメージ整形光学素子を用いて、レーザ出力を整形する工程を更に有する請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記ビアは、プリント配線板に穴あけされる請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記バルク材料は、均質のフィルム、粒子充填樹脂、ポリイミド又は繊維強化ポリマを含む請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記バルク材料は、金属クラッディングを含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記金属クラッディングは、厚さが約１８ミクロン未満である請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記底面の材料は、金属を含む請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記レーザ出力は、固体レーザ又はファイバレーザによって生成される請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記レーザ出力は、レーザパンチングプロセスで使用される請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記バルク材料は、繊維強化ポリマを含み、前記ビアは、ファイバの突出が最小の側壁を有する請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記レーザ出力は、１０メガヘルツ以下の繰返し率を有する請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザ出力は、１メガヘルツ以下の繰返し率を有する請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記バルク材料除去及び前記底面クリーニングは、ほぼ同じフルーエンスで、異なるパルス幅を用いて実行される請求項１記載の方法。
【請求項２０】
前記底面クリーニングは、２ミクロンより薄い厚さの材料を除去する請求項１記載の方法。
【請求項２１】
前記ビア穴あけはパンチングプロセスによって達成される請求項１記載の方法。
【請求項２２】
前記ビア穴あけは、トレパニングプロセス、スパイラルプロセス又はループプロセスによって達成される請求項１記載の方法。
【請求項２３】
前記ターゲット位置のワークピースは、上位の金属層と、前記上位の金属層の下に配設されたバルク材料と、前記バルク材料の下に配設された基底にある金属層又はパッドとを含み、前記最上位の金属層は、レーザパラメータの第１の組によって除去され、前記バルク材料は、レーザパラメータの第２の組によって除去され、前記基底にある金属層は、レーザパラメータの第３の組によってクリーニングされ、前記パラメータの第１の組、第２の組及び第３の組は、異なる請求項１記載の方法。
【請求項２４】
レーザビア穴あけのための方法において、
固体レーザを用いて、４００ナノメートルより短い波長を有し、５００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのレーザパルスを含むレーザ出力を生成する工程と、
イメージ整形光学素子を用いて、前記レーザ出力を整形する工程と、
レーザ出力をターゲット位置に向け、ターゲット材料内にビアを形成し、クリーニングする工程とを有する方法。
【請求項２５】
前記バルク材料は、均質のフィルム、粒子充填樹脂、ポリイミド又は繊維強化ポリマを含む請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記バルク材料は、金属クラッディングを含む請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記金属クラッディングは、厚さが約１８ミクロン未満である請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記底面の材料は、金属を含む請求項２４記載の方法。
【請求項２９】
前記バルク材料は、レジスト材料を含む請求項２４記載の方法。
【請求項３０】
前記レーザ出力は、１０メガヘルツ以下の繰返し率を有する請求項２４記載の方法。
【請求項３１】
マスク材料で覆われたソルダパッドの表面をクリーニングする方法において、
４００ナノメートルより短い波長を有し、１０００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのレーザパルスを含むレーザ出力を生成する工程と、
前記レーザ出力を、前記ソルダパッドを覆うマスク材料に向け、前記ソルダパッドを、ソルダリングプロセスにとって、動作的にクリーンにする工程とを有する方法。
【請求項３２】
前記ソルダマスク材料は、エポキシを含む請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記ソルダマスク材料は、液状現像型ソルダマスクを含む請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
前記ソルダマスク材料は、Ｃｏａｔｅｓ  ＩｍａｇｅＣｕｒｅ  ＸＶ５０１Ｔ及びＸＶ５０１ＴＳＭ、Ｃｏａｔｅｓ  ＩｍａｇｅＦｌｅｘ（フレキシブルソルダマスク）ＳＶ  ６０１Ｔ、Ｅｎｔｈｏｎｅ  ＤＳＲ  ３２４１及びＤＳＲ  ３２４１  ＧＭ、Ｒｏｇｅｒｓ  Ｒｆｌｅｘ  ８０８０  ＬＰ１及びＲｆｌｅｘ  ８０８０  ＬＰ３（フレキシブル）、Ｔａｉｙｏ  ＰＳＲ  ４０００  ＢＮ及び４０００  ＡＵＳ５、Ｔａｉｙｏ  ＰＳＲ  ９０００（フレキシブル）、又はＶａｎｔｉｃｏ  Ｐｒｏｂｉｍｅｒ  ７７  ＬＰＩ  Ｓｏｌｄｅｒ  Ｍａｓｋを含む請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記ソルダマスク材料は、ドライフィルムソルダマスクを含む請求項３１記載の方法。
【請求項３６】
前記ソルダマスク材料は、Ｄｕｐｏｎｔ  ＶＡＣＲＥＬ  ８１００、Ｄｕｐｏｎｔ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｈｏｔｏｉｍａｇｅａｂｌｅ  Ｃｏｖｅｒｌａｙ（ＰＩＣ）１０００及び２０００、Ｓｈｉｐｌｅｙ（Ｄｙｎａｃｈｅｍ）ＤｙｎａＭＡＳＫ  ５０００、又はＳｈｉｐｌｅｙ  ＣｏｎｆｏｒＭＡＳＫ  ２５００を含む請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記レーザパルスは、５００ピコ秒より短いパルス幅を有する請求項３１記載の方法。
【請求項３８】
イメージ整形光学素子を用いて、前記レーザ出力を整形する工程を更に有する請求項３１記載の方法。
【請求項３９】
前記レーザ出力は、固体レーザ又はファイバレーザによって生成される請求項３１記載の方法。
【請求項４０】
前記レーザ出力は、レーザパンチングプロセスで使用される請求項３１記載の方法。
【請求項４１】
前記レーザ出力は、トレパニングプロセス、スパイラルプロセス又はループプロセスにおいて使用される請求項３１記載の方法。
【請求項４２】
前記ソルダパッドは、ソルダパッドリフティング及び／又は層割れなしで、動作的にクリーンである請求項３１記載の方法。
【請求項４３】
前記ソルダマスク材料を除去するために用いられるパルスの総数が最小化され、前記パルスの総数Ｎは、レーザ除去−バルク材料インタラクションによってソルダマスク材料を除去するために使用されるバルク除去パルスのバルク数Ｎ０と、レーザクリーニング−材料インタラクションによって前記ソルダパッドの表面をクリーニングするために使用される表面クリーニングパルスの底面クリーニング数δＮとを含み、前記レーザ出力は、フルーエンスＦを有し、及び前記ソルダパッドの表面をクリーニングするためのパルス幅τの少なくとも１つのレーザパルスを有し、δＮがＦ／τ１／２と所定の関係を有し、δＮ／Ｎ０が１以下である請求項３１記載の方法。
【請求項４４】
前記δＮは、Ｌと所定の関係を有し、Ｌ＝（１／ｆτ）１／２−（１／ｆτ−１）１／２である請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記レーザ出力は、１０メガヘルツ以下の繰返し率を有する請求項３１記載の方法。
【請求項４６】
前記レーザ出力は、約３５５ナノメートル又は約３５１ナノメートルの波長を有する請求項３１記載の方法。
【請求項４７】
前記ソルダパッドは、隔離されたパッドを含む請求項３１記載の方法。
【請求項４８】
ソルダパッドの表面をクリーニングするレーザシステムにおいて、
１，０００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのオシレータ出力パルスを含むオシレータ出力を生成するオシレータモジュールと、
前記オシレータ出力を、４００ナノメートルより短い波長を有し、１０００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのレーザパルスを含むレーザ出力に変換する増幅モジュールと、
前記ソルダパッドを覆うソルダマスク材料のターゲット部分に前記レーザ出力を向け、前記ソルダマスク材料のターゲット部分が除去されるようにするビームポジショニングシステムとを備えるレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザマイクロマシニングに関し、特に短パルスレーザを用いるレーザマイクロマシニングアプリケーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｑスイッチ固体レーザは、周知であり、多くのレーザマイクロマシニングアプリケーションで優れた実績を示している。しかしながら、Ｑスイッチレーザのマイクロマシニングパラメータ、例えば、それらの波長（近赤外線から深紫外線までの範囲に亘る）、パルス幅、パルスエネルギ、及びパルス繰返し周期等を含むパラメータは、あるクラスの積層化された有機、無機、及び金属のマイクロエレクトロニクス材料構造のスループット、並びに機械加工品質、例えば、清浄度、側壁傾斜角、真円度、繰返し精度に関して完全ではない。
【０００３】
プリント配線板（printed wiring board：ＰＷＢ）業界で共通に使用されているこのようなクラスの材料の１つとして、通常、銅である導電性金属層の間に挟み込まれた、１つ以上の有機ポリマ樹脂を含浸させたガラスクロスがある。この材料構成は、「ＦＲ４」又は「ＢＴ」として知られている。
【０００４】
高性能集積回路のパッケージ材料として一般的に使用されている他のクラスの材料として、加熱処理されていない、「未焼結（green）」セラミック材料がある。これらのセラミック基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の一般的なセラミックの粉末を高圧で圧縮成型することによって形成される。ミクロンスケール又はサブミクロンスケールの粒子は、ビア穴あけ等の機械加工処理に対して十分な機械的結合性を維持する有機的な「結合材（binder）」によって結合される。この後、未焼結材料は、高温で燃焼処理（fire）され、バインダが除去され、マイクロ粒子を融合又は焼結させて、非常に強度が高く、耐久力がある高温基板が形成される。
【０００５】
Ｏｗｅｎ他による米国特許第５，５９３，６０６号及び第５，８４１，０９９号には、ＱスイッチＵＶレーザシステムを使用して、有利なパラメータの範囲内で、レーザ出力パルスを生成して、ＦＲ４を含む多層デバイス内の少なくとも２つのタイプの層を介してスルーホール又はブラインドビアを形成する技術及び利点が開示されている。これらの特許文献には、これらのデバイス及びデバイスを機械加工するためのレーザ及びパラメータが開示されている。これらのパラメータは、包括的に言えば、１００ナノ秒（ｎｓ）未満の時間的パルス幅、１００ミクロン（μｍ）未満のスポット直径を有するスポット領域、及び２００ヘルツ（Ｈｚ）を超える繰返し率で、スポット領域に亘る１００ミリワット（ｍＷ）を超える平均強度又は放射照度を有する非エキシマ出力パルスを含む。
【０００６】
Ｄｕｎｓｋｙ他による米国特許第６，７８４，３９９号には、Ｑスイッチ炭酸ガスレーザを使用して、レーザパルスのバーストを生成する技術が開示されており、このバーストのスパイク及びテイルを制御することによって、バルクビア材料の気化温度又は融点が異なる問題が解決されている。
【０００７】
Ｍｏｕｒｏｕ他による米国特許第５，６５６，１８６号には、通常、１０ピコ秒（ｐｓ）より短い、高繰返し率の超高速レーザパルスによる、幾つかの波長におけるレーザ誘起ブレークダウン及びアブレーションが開示されており、ここでは、回析限界スポット径より小さい加工寸法の機械加工が実証されている。
【０００８】
Ｒｉｅｇｅｒ他による米国特許第５，７４２，６３４号には、Ｑスイッチ及びモード同期兼ね備えた、ダイオードポンピング式のネオジウムレーザデバイスが開示されいる。レーザは、１００ｎｓの継続期間の下で、それぞれが６０〜３００ｐｓの期間を有する一連のパルスを出射する。
【０００９】
Ｓｕｎ他による米国特許第６，５７４，２５０号は、少なくとも２つのレーザパルスによって、オンザフライでリンクを処理する手法を最初に開示した文献である。一実施の形態では、２５ピコ秒（ｐｓ）より短いパルス幅を有するパルスを使用している。
【００１０】
Ｋａｆｋａ他による米国特許第６，７３４，３８７号には、モード同期、準連続波（quasi-continuous wave：ｃｗ）レーザシステムからのＵＶピコ秒レーザ出力を用いて、ポリマ膜をカットし又はポリマ膜にスクライブラインを形成する技術が開示されている。
【発明の概要】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、マイクロエレクトロニック製造材料のレーザマイクロマシニングのスループットを高めるレーザ及び／又は方法を提供することである。
【００１２】
幾つかの好ましい実施の形態では、ピコ秒パルス固体ＵＶレーザを使用して、電子回路材料、例えば、金属クラッディングを有する又は有さない均質のフィルム、粒子充填樹脂、ポリイミド、繊維強化ポリマ等の材料のビア穴あけ及びアブレーションを行う。
【００１３】
幾つかの好ましい実施の形態では、未焼成セラミックの機械加工、ソルダパッドクリーニング又はフォトレジスト材料の除去を行う。
【００１４】
幾つかの例示的な実施の形態では、基底にあるパッドをクリーニングするために使用されるパルスの数は、著しく低減され、最も好適な場合、クリーニングのために用いられるパルスは、１つのみである。
【００１５】
幾つかの実施の形態では、レーザ出力は、オシレータモジュールが、増幅モジュールと連携して生成する。幾つかの好ましい実施の形態では、オシレータモジュールは、ダイオード励起固体（diode-pumped, solid-state：ＤＰＳＳ）マスタオシレータを含む。幾つかの好ましい実施の形態では、オシレータモジュールは、ピコ秒パルスを出射する半導体パルスレーザを含む。幾つかの実施の形態では、オシレータモジュールは、パルスファイバマスターオシレータを含む。幾つかの好ましい実施の形態では、パルスファイバマスターオシレータは、半導体可飽和吸収ミラー（semiconductor saturable-absorbing mirror：ＳＥＳＡＭ）を使用したダイオード励起希土類添加ガラスファイバマスターオシレータを含む。幾つかの実施の形態では、ガラスファイバマスターオシレータは、希土類添加融解シリカファイバを含む。希土類ドーパントは、好ましくは、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｍ又はＣｒを含む。
【００１６】
幾つかの好ましい実施の形態では、増幅モジュールは、シングルパス増幅器、マルチパス増幅器又はＤＰＳＳ再生増幅器を含む。幾つかの実施の形態では、増幅モジュールは、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ガラス及びＮｄ：ＹＡＧ利得媒質を含む。幾つかの実施の形態では、増幅モジュールは、希土類添加ガラスファイバ電力増幅器を含む。幾つかの実施の形態では、希土類添加ガラスファイバ電力増幅器は、希土類添加融解シリカファイバ電力増幅器を含む。希土類ドーパントは、好ましくは、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｍ又はＣｒから選択される。
【００１７】
幾つかの例示的な実施の形態では、１，０００ｐｓより短い１つ以上のパルスを有するイメージングされたＵＶレーザ出力を用いて、パッドクリーニング処理を実行する。
【００１８】
幾つかの実施の形態では、レーザ出力は、複数の個別にトリガされたパルス又は増幅モジュールから出射されたパルス列から選択されたパルスのバーストを含む。
【００１９】
本発明の更なる目的及び利点は、添付の図面を参照する以下の好ましい実施の形態の詳細な説明によって明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】例示的なビア穴あけパンチングプロセスのアブレーション深さ対パルス数のグラフ図である。
【図２】異なる値のパラメータＬ毎のδＮ対Ｆ／√τのグラフ図である。
【図３Ａ】熱影響部が小さい、織成され補強された樹脂に穴あけされたビアの断面を示す光学顕微鏡写真を示す図である。
【図３Ｂ】熱影響部が大きい、織成され補強された樹脂に穴あけされたビアの断面を示す光学顕微鏡写真を示す図である。
【図４Ａ】ソルダマスクを除去するために用いられるレーザビームと略々同じサイズのパッドから、ソルダマスクを除去したプロセスの結果を示す光学顕微鏡写真を示す図である。
【図４Ｂ】ソルダマスクを除去するために用いられるレーザビームと略々同じサイズのパッドから、ソルダマスクを除去したプロセスの結果を示す光学顕微鏡写真を示す図である。
【図５】基板上に支持される低誘電材料を処理するための例示的なレーザシステムの単純化された概略図である。
【図６】例示的なビームポジショニングシステムの幾つかのコンポーネントを示す、図５のレーザシステムの一部を描写的に、一部を図式的に示す概略図である。
【図７】例示的なレーザシステムで用いることができる任意のイメージングされた光学モジュールの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
好ましい実施の形態では、固体ＵＶレーザを使用して、電子回路材料、例えば、金属クラッディングを有する又は有さない均質のフィルム、粒子充填樹脂、ポリイミド、繊維強化ポリマ等の材料のビア穴あけ及びアブレーションを行う。ビア穴あけ加工が行われる典型的なターゲット材料として、神奈川県川崎市の味の素ファインテクノ株式会社が製造している回路基板誘電体材料である味の素積層フィルム（Ajinomoto build-up film：ＡＢＦ（登録商標））がある。幾つかの例示的なワークピースとしては、ＡＢＦ（登録商標）ＳＨ−９Ｋ、ＡＢＦ（登録商標）ＧＸ−３、ＡＢＦ（登録商標）ＧＸ−１３又は他社が製造するこれらに類する製品があるが、他のビア穴あけターゲット材料として、以下に限定されるわけではないが、複数の層を有する積層された基板、例えば、高密度プリント配線板及び集積回路チップパッケージで用いられる基板も、ここに開示する例示的な実施の形態に基づく処理に好適な材料である。
【００２２】
ビア穴あけのターゲットとなるワークピースは、通常、導電性クラッディング層を有し、クラッディング層は、ワークピースの上面に配設しても底面に配設してもよい。これらの層は、例えば、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、金属窒化物又はこれらの組合せを含む標準的な金属から形成してもよい。従来の金属層の厚さは、通常５〜３６μｍ（７．８×１０−３ｋｇの金属は、約９μｍの厚さに相当する。）であるが、これより薄くてもよく、又は７２μｍ程度の厚さを有していてもよい。上面及び底面の導電層は、通常、同じ材料から形成される。
【００２３】
導電層の間に配設される誘電体マトリクス又は誘電体層は、標準の有機誘電体材料、例えば、ベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）、ビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）、カードボード（cardboard）、シアン酸エステル、エポキシ、フェノール類、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、かなり様々なポリマアロイ又はこれらの組合せから形成してもよい。従来の有機誘電体層は、様々な厚さを有するが、通常、導電層より遙かに厚い。有機誘電体層の例示的な厚さの範囲は、約３０〜４００μｍである。
【００２４】
また、誘電体層は、標準的な補強成分を含むことができ、補強成分は、例えば、有機誘電体層内に織成又は分散された、アラミド繊維、セラミック又はガラスのファイバマット又は分散粒子であってもよく、これらが厚さの大部分を占めていてもよい。従来の補強成分は、通常、約１〜１０μｍの個々のフィラメント又は粒子、及び／又は１０μｍから数百μｍの織成されたバンドルである。補強成分は、粉末として有機誘電体に導入してもよく、不連続で不均等であってもよいことは、当業者にとって明らかである。このような合成され又は補強された誘電体層は、通常、補強されていない層をアブレートするために必要なフルーエンスより高いフルーエンスでのレーザ処理を必要とするが、幾つかの粒子充填樹脂は、補強されていない層と同様のフルーエンスで処理できる。
【００２５】
幾つかの例示的な実施の形態は、ブラインドビアの穴あけ、特に、均質な又は粒子が充填された樹脂におけるブラインドビアの穴あけに関する。このようなブラインドビア穴あけは、通常、底面の銅層が露出するように、望まれる深さまで、ワークピース上の単一のターゲット位置に連続するレーザパルスを照射するパンチングプロセスによって行われる。
【００２６】
ブラインドビア穴あけ及びこれに類するレーザ加工プロセスでは、適切なビアを形成するために使用されるパルス総数Ｎは、バルク材料除去のためのバルク除去パルスのバルク数Ｎ０と、ビアの底部（金属）表面又はパッドをクリーニングするためのクリーニングパルスの底面クリーニング数δＮとを含む。レーザパルス幅が数十ナノ秒程度の長さの場合、底部の金属パッドをクリーニングするパルスの数は、ブラインドビアの穴あけに必要なパルス総数のうちの大きな割合を占めることがある。バルク材料除去及び底部クリーニングは、異なるレーザ／材料相互作用メカニズムに基づく。したがって、ビア穴あけ時間を短縮するための１つの効率的な手法は、バルク材料除去プロセスに顕著な悪影響を与えることなく、レーザパラメータを調整することによって、底部の金属パッドクリーニングに使用されるパルスの底面クリーニング数δＮを低減することである。
【００２７】
図１は、イメージングされたＵＶビームを用いる例示的なビア穴あけパンチングプロセスのアブレーション深さ対パルス数のグラフを示しており、パルス総数Ｎは、バルク除去パルスのバルク数Ｎ０と、クリーニングパルスの底面クリーニング数δＮとに分割される。図１は、アプリケーション及び用いられる固体ＵＶレーザソースによって、クリーニングパルスの底面クリーニング数δＮが、δＮ１、δＮ２、δＮ３等、著しく異なる場合があることを示している。幾つかのアプリケーションでは、δＮ対Ｎ０の比率は、１を超え、これは、底部パッドのクリーニングのために、バルク材料除去より長い時間が費やされることを意味する。したがって、１つのビアあたりの穴あけの合計時間を短縮するためにδＮを減少させることが望ましい。更に、パッドに衝突するエネルギ量を低減し、不要な熱損傷を回避するためにも、δＮを減少させることが望ましい。
【００２８】
ビア穴あけプロセスを制御する従来の手法では、所定のプロセス毎にパルスエネルギを制御する必要がある。所定のプロセスを実行するために使用されるパルスエネルギＥＰは、そのプロセスに望まれるフルーエンスＦによって決定される。フルーエンスは、Ｊ／ｃｍ２を単位として、以下のようにして算出される。
【数１】
2009538539.tif 000003
【００２９】
ここで、ＥＰは、Ｊを単位とするパルスエネルギであり、Ｄは、ｃｍを単位とするビームスポット直径である。本願発明者等は、異なるパルス幅を有するレーザを用いて、同じフルーエンスレベルで同じ材料の穴あけを行った場合、ターゲット物質の底部銅クラッディング層の品質が変化することを見出した。また、本願発明者等は、ブラインドビアの底部銅クラッディング層の品質を予測するためにより適切なパラメータは、以下のように算出されることを見出した。
【数２】
2009538539.tif 000004
【００３０】
ここで、Ｆは、Ｊ／ｃｍ２を単位とするパルスフルーエンスであり、τは、ナノ秒を単位とするレーザパルス幅である。
【００３１】
以上を考慮し、本願発明者等は、レーザパルス繰返し率ｆ及びレーザパルス幅τの関数であるパラメータＬによって、パッドクリーニングのために用いられるパルス数を定量化するモデルを開発した。δＮ、√τ及びＬの間の幾つかの関係は、以下のように表すことができる。
【数３】
2009538539.tif 000005
【００３２】
ここで、Ｃ１及びＣ２は、金属（パッド）特性（例えば、光学的、熱的及び／又は機械的な特性）に関連する係数であり、Ｔｍ及びＴ０は、金属パッドの融解温度及び初期温度である。
【００３３】
図２は、イメージングされたＵＶビームを用いた例示的なビア穴あけパンチングプロセスについて、異なる値のパラメータＬ毎のδＮ対Ｆ／√τのグラフを表している。図２は、項Ｆ／√τが十分大きければ、δＮを１に最小化できることを示している。
【００３４】
以上の発見に基づき、異なるレーザパラメータについて、δＮを予測することができる。例えば、被削面において、ビアの穴あけのために、５０キロヘルツ（ｋＨｚ）で、１．３５ワットのレーザパワーを使用でき、５８μｍのビーム直径を有する固体ＵＶレーザは、被削面において、１．０２Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスを提供する。ナノ秒単位のパルス幅、例えば、τ＝７５ｎｓ、Ｆ／√τ＝０．１２Ｊ／ｃｍ２ｎｓ−１／２及びＬ＝０．０３０６４７の場合、δＮ＝２０である。一方、ピコ秒単位のパルス幅、例えば、τ＝１０ｐｓ、Ｆ／√τ＝１０．２２Ｊ／ｃｍ２ｎｓ−１／２及びＬ＝０．０００３５４の場合、このような条件では、δＮ＝１となることが略々確実である。
【００３５】
これらの実施の形態は、ピコ秒パルス幅固体ＵＶレーザを用いることによって、ビア穴あけプロセスの効率を向上させることができることを示している。パルス幅がピコ秒単位（１ｐｓから１，０００ｐｓ）であるレーザ出力を有する固体ＵＶレーザを用いて、バルク材料と、ビアのターゲットパッド材料との界面に、より急峻な温度勾配を生成することによって、ここに例示するようなδＮ＝１のプロセスを実現でき、この結果、ターゲットパッド上に最後に残っている材料を効率的にクリーニングすることができる。ターゲットパッドに衝突するエネルギが小さい程、回路トレースに直接接続されておらず、したがって、回路トレースを介して余分なエネルギを逃がすことができない隔離された小さいターゲットパッドの熱損傷の可能性を低減することができる。ある好ましい実施の形態では、１，０００ｐｓより短いパルス幅を有するＵＶレーザパルスを採用し、ある実施の形態では、５００ｐｓより短いパルス幅を有するＵＶレーザパルスを採用し、ある実施の形態では、１００ｐｓより短いパルス幅を有するＵＶレーザパルスを採用する。また、１ｐｓより短いパルス幅、特にフェムト秒単位のパルス幅を採用してもよい。
【００３６】
上述したバルク材料除去及びパッドクリーニングの実施の形態に加えて、ＦＲ４及びＢＴ樹脂におけるブラインドビア又はスルーホールの何れかのビア穴あけを意図するプロセスを行ってもよい。ＦＲ４は、幾つかの理由のためにレーザ加工が困難である場合がある。まず、この材料は、特に、レーザアブレーションの特徴を決定する特性、例えば、溶融温度及び気化温度等に関して非常に不均一である。具体的には、織成ガラス充填材の気化温度とポリマ樹脂マトリクスの気化温度との間には、大きな開きがある。純粋な二酸化シリコンの溶融温度は１，９７０ケルビン（Ｋ）であり、気化温度は２，５０３Ｋであるが、典型的な有機樹脂、例えば、エポキシは、５００〜７００Ｋ程度のより低い温度で気化する。このような相違のために、ガラスコンポーネントをレーザでアブレートする際、個々のガラスファイバの周囲又はファイババンドルに直接隣接する領域の樹脂が過剰にアブレートされることを回避することが困難である。
【００３７】
また、殆どのＦＲ４ガラスクロスは、個々のガラスフィラメントのバンドル、すなわち「ヤーン（yarns:糸）」から織成されている。フィラメントの直径は、通常、４〜７μｍであり、ヤーンの直径は、約５０μｍから数百ミクロンに及ぶ。ヤーンは、通常、目の粗いパターンで織成され、この結果、ヤーンが互いに交差する部分のように、ガラス密度が高い領域と、隣接するバンドルの間等のように、ガラス密度が低い又はゼロの領域とが生じる。織目のパターンに対するビアの位置は、事前には選択できず、望ましいビア位置は、ガラス密度によって異なる。このため、基板内のガラス密度が高い領域及びガラス密度が低い領域の両方で等しく適切な処理が行えるレーザマイクロマシニングプロセスパラメータが望ましい。従来の殆どのレーザプロセスでは、高密度領域において、全てのガラスを完全に蒸発させるために十分に「激しく」、同時に、低密度領域において、過剰なエッチング、又は過剰な樹脂の除去、又は過度のパッドダメージを回避するために十分に「穏やかな」プロセス条件を設定することは、困難であった。
【００３８】
織成され補強された樹脂のビア穴あけでは、ピコ秒パルス幅固体ＵＶレーザを用いることによって、熱影響部をより小さくしながら材料を処理でき、この結果、側壁品質がより優れたビアを形成することができる。図３Ａ及び図３Ｂは、織成され補強された樹脂に穴あけされたスルーホールビアの断面を示しており、それぞれ、小さい及び大きい熱影響部を示している。ピコ秒パルス幅のパラメータで穴あけされたビアの熱影響部は、図３Ａに示す実例と同様に、より小さく、ビアの側壁におけるファイバの突出も小さい。この材料において、ピコ秒単位のパルス幅のレーザを用いて、穴あけを行う場合、ブラインドビア及びスルーホールの両方について、このような品質が期待できる。例えば、数十ナノ秒のパルス幅を採用したパラメータを用いた場合、熱影響部が大きくなり、図３Ｂに示すように、ファイバの突出も大きくなる。
【００３９】
織成され補強された樹脂におけるブラインドビア及びスルーホールビアの穴あけを行う場合、ピコ秒パルス幅固体ＵＶレーザプロセスによって、ビアの側壁への熱拡散を低減し、ビアの側壁の品質を向上させることができる。最上位に金属層を有する材料におけるビア穴あけの場合、ピコ秒パルス幅固体ＵＶレーザを用いることによって、金属層への熱拡散を低減でき、この結果、より高品質なカッティングを実現でき、及び金属層、特に金属薄層に対する熱損傷の可能性を低減できる。
【００４０】
幾つかの実施の形態及び具体例では、ビア穴あけを行っているが、本発明の技術は、他の材料除去のアプリケーション、例えば、未焼結セラミックの機械加工、ソルダパッドクリーニング及びフォトレジスト材料の除去にも適用可能である。
【００４１】
未焼結セラミックのレーザ加工では、有機バインダの熱特性と、セラミックマイクロ粒子の熱特性とが違うため、ＦＲ４の処理の場合と同様の課題がある。バインダの気化温度（５００Ｋ程度）と、セラミックの気化温度（Ａｌ２Ｏ３の場合、３，８００Ｋ）との間の不一致は、レーザ穴あけの間に材料がどのように除去されるかに影響を及ぼす。セラミックの気化温度は高温であるため、直接溶融（Ａｌ２Ｏ３の場合、２，３４０Ｋ）又はマイクロ粒子の気化によって未焼成セラミックを除去することは極めて困難である。
【００４２】
一方、好適なレーザマイクロマシニングプロセスは、マイクロ粒子と結合したバインダ材料の爆発的気化を利用する。バインダは、レーザパルスに曝されると、セラミックより遙かに容易に蒸発し、有機蒸気は、非常に高い加熱率で高温になり、マイクロ粒子間の空間に局部的な高圧ガス領域を発生させる。そして、高圧ガスは、急速に膨張し、未焼結セラミック材料を破砕する。このようにして、各レーザパルスによって、直接気化を用いた場合の除去速度より遙かに高い除去速度で、未焼結セラミック材料を固体の状態のまま取り除くことができる。
【００４３】
未焼結セラミックのレーザマイクロマシニングでは、バインダの爆発的気化による材料除去は、有利な場合も不利な場合もある。有機蒸気圧力が高過ぎると、又は過剰に広い領域に拡がると、チッピング又はマイクロクラッキング等の望ましくない現象が生じる場合がある。逆に、高圧領域が狭過ぎる場合、又は温度が十分に高くない場合、除去率が低下する。ピコ秒パルス幅固体ＵＶレーザプロセスは、ビアの側壁への熱拡散を低減し、この結果、未焼結セラミック材料の側壁品質を向上させる。
【００４４】
再び、ブラインドビア穴あけ及び保護的なポリマカバーのアブレーションの両方に関する実施の形態について検討すると、他の重要な課題として、パッドが過剰なレーザエネルギを吸収すると、隔離されているパッドにリフティングが生じ、プロセスの質及びこのプロセスによって形成されるビアの質が低下するという点がある。従来のプロセスでは、アブレーションを行うビームのサイズに対して、加工寸法（形状）が小さくなるに従って、このパッドリフティング現象が生じやすくなる。これらのより小さな加工寸法、例えば、直径が、穴あけされるビア直径の２倍未満であり、厚さが、多くの場合、約１８μｍ未満であるパッド等では、通常、パッドに衝突するエネルギを最小化するために、バルク材料を取り除いた後に、パッドクリーニングパルスの数δＮを低減することが特に望ましい。このパッドリフティング現象は、将来、加工寸法がより小さくなるに従って、より重要な問題となると予想される。
【００４５】
図４Ａ及び図４Ｂは、ソルダマスクを除去するために用いられるレーザビームと略々同じサイズのパッドから、ソルダマスクを除去したプロセスの結果を示す光学顕微鏡写真である。ソルダマスクは、通常、アラインメント制約が問題となる、時間が掛かるリソグラフィプロセスによって、又は化学エッチングプロセスによって除去され、一般的な固体レーザ技術で処理することは困難な場合がある。
【００４６】
ソルダマスク材料には、液状現像型ソルダマスク（liquid photoimageable solder mask：ＬＰＩＳＭ）と、ドライフィルムソルダマスク（dry film solder mask：ＤＦＳＭ）との２つの種類がある。入手可能な一般的な液状現像型ソルダマスク（ＬＰＩＳＭ）としては、以下に限定されるものではないが、Ｃｏａｔｅｓ  ＩｍａｇｅＣｕｒｅ  ＸＶ５０１Ｔ及びＸＶ５０１ＴＳＭ、Ｃｏａｔｅｓ  ＩｍａｇｅＦｌｅｘ（フレキシブルソルダマスク）ＳＶ  ６０１Ｔ、Ｅｎｔｈｏｎｅ  ＤＳＲ  ３２４１及びＤＳＲ  ３２４１  ＧＭ、Ｒｏｇｅｒｓ  Ｒｆｌｅｘ  ８０８０  ＬＰ１及びＲｆｌｅｘ  ８０８０  ＬＰ３（フレキシブル）、Ｔａｉｙｏ  ＰＳＲ  ４０００  ＢＮ及び４０００  ＡＵＳ５、Ｔａｉｙｏ  ＰＳＲ  ９０００（フレキシブル）、及びＶａｎｔｉｃｏ  Ｐｒｏｂｉｍｅｒ  ７７  ＬＰＩ  Ｓｏｌｄｅｒ  Ｍａｓｋがある。入手可能な一般的なドライフィルムソルダマスク（ＤＦＳＭ）としては、以下に限定されるものではないが、Ｄｕｐｏｎｔ  ＶＡＣＲＥＬ  ８１００、Ｄｕｐｏｎｔ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｈｏｔｏｉｍａｇｅａｂｌｅ  Ｃｏｖｅｒｌａｙ（ＰＩＣ）１０００及び２０００、Ｓｈｉｐｌｅｙ（Ｄｙｎａｃｈｅｍ）ＤｙｎａＭＡＳＫ  ５０００、及びＳｈｉｐｌｅｙ  ＣｏｎｆｏｒＭＡＳＫ  ２５００がある。
【００４７】
図４Ａに示すワークピースのパッドは、処理の間に過剰なエネルギを受け、パネルから層割れが生じている。一方、図４Ｂに示すワークピースのパッドは、プロセスから過剰なエネルギを受けず、層割れが生じていないので、結果は、許容できる。ピコ秒パルス幅固体ＵＶレーザ及びδＮ＝１プロセスを用いて、パッドにおいて、より急峻な温度勾配を生成することによって、処理の間にパッドに衝突するエネルギ量を低減でき、及びパッドに層割れが生じる可能性を低減できる。
【００４８】
ソルダマスク材料の除去に加えて、ＵＶピコ秒レーザ加工技術を用いて、フォトセンシタイザの有無に関わらず、如何なるレジスト材料を除去してもよい。従来のフォトレジスト材料は、一般に、露光されると可溶性になるポジ型フォトレジストと、露光されると重合化される（不溶性になる）ネガ型フォトレジストとを含む。フォトレジスト材料としては、以下に限定されるわけではないが、ノボラック（ｍ−クレゾールホルムアルデヒド）、又はエッチ耐性ポリコーティング、例えば、ポリイソプレン又はポリメチルイソプロペニルケトンがある。
【００４９】
図５は、ビア形成又はソルダパッドクリーニングのための例示的なレーザシステム１０の単純化された概略図である。図５に示すように、レーザシステム１０は、好ましくは、ダイナミックレーザパルス発生器又はオシレータモジュール１２と、ＤＰＳＳ電力増幅器等の増幅モジュール１６とを含む高平均パワーパルス化ピコ秒レーザサブシステム１４を採用している。
【００５０】
ダイナミックレーザパルス発生器又はオシレータモジュール１２は、好ましくは、ダイオード励起マスターオシレータを用いて、例えば、２６６ｎｍ、３５１ｎｍ又は３５５ｎｍである、約４００ナノメートル（ｎｍ）より短い波長又はこの他の従来より使用できる固体又はファイバレーザＵＶ高調波波長で、約１，０００ｐｓより短く、好ましくは、約５００ｐｓより短く、より好ましくは、１００ｐｓより短いパルス幅を有するオシレータ出力パルスを出射する。オシレータ出力パルスは、増幅モジュール１６に向けられる。増幅モジュール１６は、シングルパス増幅器、マルチパス増幅器、及びＤＰＳＳ再生増幅器の何れであってもよい。これに代えて、増幅モジュール１６は、ダイオード励起希土類添加シリカファイバ電力増幅器であってもよい。更に他の実施の形態として、増幅モジュール１６は、ダイオード励起希土類添加石英フォトニック結晶ファイバ電力増幅器であってもよい。
【００５１】
オシレータモジュール１２及び増幅モジュール１６は、利得媒質として、好ましくは、Ｎｄ添加レーザ媒質（lasant）を使用する。好適なＮｄ添加レーザ媒質は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４であるが、これに代わるＮｄ添加レーザ媒質として、以下に限定されるわけではないが、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ガラス及びＮｄ：ＹＡＧがある。オシレータモジュール１２及び増幅モジュール１６は、同じレーザ媒質を有していても、異なるレーザ媒質を有していてもよく、ドーピング濃度も同じであっても異なっていてもよい。また、オシレータモジュール１２及び増幅モジュール１６は、好ましくは、周波数選択素子、プリズム、フィルタ、エタロン及び／又は所望の波長で優先的に利得が得られる当業者に周知の他の素子を用いる。
【００５２】
例示的な実施の形態では、例えば、音響光学変調器（acousto-optic modulator：ＡＯＭ）又は電気光学変調器（electro-optic modulator：ＥＯＭ）等の外部の光変調器１８をトリガし、レーザ出力２０ａを提供してもよく、レーザ出力２０ａは、単一のパルス、複数の個別にトリガされたパルス、又はピコ秒レーザサブシステム１４の増幅モジュール１６から出射されたパルス列から選択されたパルスのバーストを含んでいてもよい。レーザ出力２０ａのレーザパルスは、高平均パワーを有する。光変調器１８は、当業者に周知のように、システム制御コンピュータ２２、サブシステムインタフェース電子回路２４及び／又は変調器制御信号供給源２６によって直接的に又は間接的にトリガしてもよい。また、望ましい場合、システム制御コンピュータ２２及び／又はサブシステムインタフェース電子回路２４によって、直接的に又は間接的に、レーザパワー供給源２８の制御に応じてトリガタイミングを調整してもよい。有用なＡＯＭ変調技術は、Ｊｏｈｎｓｏｎによる米国特許第７，０１９，８９１号に開示されており、この技術を多くの実施の形態で採用できることは、当業者にとって明らかである。米国特許第７，０１９，８９１号は、引用によって本願に援用される。
【００５３】
他の例示的な実施の形態では、オシレータモジュール１２は、ピコ秒パルスを出射する半導体パルスレーザを備えていてもよい。他の例示的な実施の形態として、オシレータモジュール１２は、パルスファイバマスターオシレータを備えていてもよい。例示的なパルスファイバマスターオシレータは、ＳＥＳＡＭを採用したダイオード励起Ｎｄ添加又はＹｂ添加シリカファイバマスターオシレータである。これに代えて、他の希土類添加ファイバを用いてもよく、他のモード同期要素を用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００５４】
他の例示的な実施の形態として、増幅モジュール１６は、ダイオード励起Ｙｂ添加シリカファイバマスタ増幅器であってもよい。更に他の例示的な実施の形態として、増幅モジュール１６は、ダイオード励起Ｎｄ添加シリカファイバ電力増幅器であってもよい。これに代えて、増幅モジュール１６において他の希土類添加ファイバを用いてもよいことは当業者にとって明らかである。ステップインデクスプロファイル、偏光維持要素を組み込んだステップインデクスプロファイル又は空隙プロファイルを採用したファイバを用いてもよいことは当業者にとって明らかである。
【００５５】
図６を参照すると、レーザ出力２０ａは、オプションとして、様々な周知の拡張及び／又はコリメーション光学素子４２を通過し、光路２０に沿って伝播し、ビームポジショニングシステム３０よって方向付けられ、ＰＷＢ等のワークピース５２上の望まれるレーザターゲット位置３４にレーザシステム出力パルス３２が衝突する。例示的なビームポジショニングシステム３０は、トランスレーションステージポジショナを備えていてもよく、トランスレーションステージポジショナは、例えば、Ｘ、Ｙ及び／又はＺポジショニングミラー４４を支持し、同じ又は異なるワークピース５２上のターゲット位置３４の間で速やかな動きを可能にする少なくとも２つのトランスバースステージ３６、３８を使用してもよい。
【００５６】
例示的な実施の形態では、トランスレーションステージポジショナは、通常、レール４６に沿ってリニアモータによって駆動されるＹステージ３６が、ワークピース５２を支持し、移動させ、レール４８に沿ってリニアモータによって駆動されるＸステージ３８が、ビームポジショニング光学素子、例えば、高速ポジショナ５０及び関連する焦点調節レンズ及び／又は他の光学素子を支持し、移動させる２軸システムである。Ｘステージ３８とＹステージ３６との間で、Ｚ次元もまた可調整であってもよい。ポジショニングミラー４４は、光路２０に沿って配設されているレーザサブシステム１４と高速ポジショナ５０との間で、任意の回転によって、光路２０をアライン（調整）する。高速ポジショナ５０は、例えば、高分解能リニアモータ、１つ以上の検流計ミラー、高速ステアリングミラー、及び／又は音響光学ステアリング技術を使用してもよく、これらは、提供された検査データ又は設計データに基づいて個別の又は繰り返される加工処理に影響を与える。Ｘステージ３６、Ｙステージ３８及び高速ポジショナ５０は、個別に制御し、駆動してもよく、パネル化されたデータ又はパネル化されていないデータに応じて、連携して移動するように駆動してもよい。
【００５７】
また、高速ポジショナ５０は、ワークピース５２の表面上の基準点にアラインすることができるビジョンシステムを備えていてもよく、このようなビジョンシステムに接続されていてもよい。ビームポジショニングシステム３０は、当業者に周知の、共有された対物レンズを介して動作し、又は独立したカメラを用いて軸外で動作する従来のビジョンアラインメントシステム又はビーム−ワークピースアラインメントシステムを使用することができる。一実施の形態においては、ビームポジショニングシステム３０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（Electro Scientific Industries, Inc）から市販されている、Ｆｒｅｅｄｏｍ  Ｌｉｂｒａｒｙソフトウェアを採用したＨＲＶＸビジョンボックスを用いて、レーザサブシステム１４と、ワークピース５２上のターゲット位置３４との間でアラインメントを実行する。この他の適切なアラインメントシステムも市販されている。例示的なアラインメントシステムは、特に、例えば、ラップドウエハ又は鏡面ウエハ等の鏡面反射性のワークピースについては、明視野軸上照明を使用してもよいが、暗視野照明、又は暗視野照明及び明視野照明の組合せを使用してもよい。更に、ビームポジショニングシステム３０は、例えば、Ｃｕｔｌｅｒによる米国特許第６，４３０，４６５号に詳細に開示されているＡｂｂｅエラー訂正システムを使用してもよく、この特許文献の関連する部分は、引用によって本願に援用される。
【００５８】
ビームポジショニングシステム３０の多くのバリエーションが当業者に知られており、ビームポジショニングシステム３０の幾つかの実施の形態は、Ｃｕｔｌｅｒ他による米国特許第５，７５１，５８５号に詳細に開示されている。ビームポジショニングシステム３０の例示的な具体例としては、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から市販されているＥＳＩモデル２７００又は５３２０マイクロマシニングシステムがある。他の例示的なポジショニングシステム、例えば、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から市販されているモデルシリーズ番号２７ｘｘ、４３ｘｘ、４４ｘｘ又は５３ｘｘ、５５ｘｘ、５６ｘｘを採用してもよい。ポジショニングシステムは、ツールパスファイルを用いて、周期的又は非周期的に、レーザシステム出力パルス３２を高速で動的にポジショニングして、様々な有用なビア穴あけパターンを生成するようにプログラミングすることができることは当業者にとって明らかである。高速ポジショナ５０及び／又はビームポジショニングシステム３０と組み合わせて、又はこれらに代えて、米国特許第７，０１９，８９１号に開示されているＡＯＭビームステアリング技術用いてもよいことは当業者にとって明らかである。
【００５９】
また、レーザ出力２０ａは、以下に限定されるものではないが、出力パワーを制御し、ターゲット又はワークピース表面に入射するレーザパルスのビーム形状を整形するために使用することができる非線形変換光学素子５６、任意の補正光学素子５８、及び／又は任意のイメージングされた光学モジュール６２を含む更なる従来のシステム光学素子を介して方向付けてもよい。周知の非線形変換光学素子５６を用いて、共通の基本波長を第２、第３、第４又は第５高調波波長に変換する高調波変換技術は、当業者にとって周知である。
【００６０】
図７を参照すると、任意のイメージングされた光学モジュール６２は、光学素子６４、レンズ６６及びアパーチャマスク６８を備えていてもよく、アパーチャマスク６８は、光学素子６４によって生成されたビームウエスト（beam waist）に又はビームウエストの近傍に配置され、あらゆる望ましくないサイドローブ及びビームの周辺部分をブロックし、これにより正確に整形されたスポットプロファイルが被削面にイメージングされる。例示的な実施の形態では、光学素子６４は、回折デバイス又はレンズであり、レンズ６６は、コリメートレンズであり、これによって、レーザシステム１０の構成に柔軟性が与えられる。
【００６１】
アパーチャのサイズを、光学素子６４の特性に一致するように変更することによって、スポットプロファイルのエッジ鮮鋭度を制御でき、サイズに固有の、エッジがより鋭い強度プロファイルを生成でき、アラインメント精度を向上させることができる。更に、この構成によって、アパーチャの形状は、正確に円形にすることができ、又は長方形、楕円形又は他の非円形の形状に変更することができ、これらの形状は、カット方向に平行又は垂直にアラインすることができる。アパーチャマスク６８は、必要に応じて、光出射側において、外側に向けてフレア状に拡がらせてもよい。ＵＶレーザアプリケーションの場合、イメージングされた光学モジュール６２のアパーチャマスク６８は、好ましくは、サファイアを含む。光学素子６４及びレンズ６６なしでもアパーチャマスク６８を用いることができることは当業者にとって明らかである。
【００６２】
変形例では、光学素子６４は、生のガウスビーム照射プロファイルを有するレーザパルスを、光学素子６４のダウンストリーム側のアパーチャマスク６８の近傍で、略々一様な「トップハット」プロファイル又は特にスーパーガウスビーム照射プロファイルを有する整形された（焦点が合わされた）パルスに変換する１つ以上のビーム整形部品を備える。このようなビーム整形部品は、非球面光学素子又は回折光学素子を含んでいてもよい。一実施の形態においては、レンズ６６は、ビームサイズ及び拡がり角を制御するために有用な撮像光学素子を含む。ここで、単一のイメージングレンズコンポーネントを用いても、マルチレンズコンポーネントを用いてもよいことは当業者にとって明らかである。また、好ましくは、アパーチャマスク６８を用いないで整形されたレーザ出力を使用できることは当業者にとって明らかである。
【００６３】
一実施の形態においては、ビーム整形部品は、高い効率及び精度で複雑なビーム整形を実行できる回折光学素子（diffractive optic element：ＤＯＥ）を含む。ビーム整形部品は、ガウスビーム照射プロファイルを略々一様な照射プロファイルに変換するだけではなく、判定可能な又は特定のスポットサイズに整形された出力の焦点を合わせる。ＤＯＥは、単一の素子であることが好ましいが、ＤＯＥは、例えば、Ｄｉｃｋｅｙ他による米国特許第５，８６４，４３０号に開示されているフェーズプレート、変換素子等の複数の個別の素子を含んでいてもよいことは当業者にとって明らかである。この特許文献は、ビーム整形を目的としてＤＯＥを設計する技術も開示している。上述した整形及びイメージング技術の詳細については、米国特許第６，４３３，３０１号に開示されており、この特許文献の関連する部分は、引用によって本願に援用される。
【００６４】
レーザパワー制御モジュール７０によって、以下に限定されるわけではないが、ダイオードポンプ変調又は外部の変調（以下に限定されるわけではないが、光路２０に沿って配設されるＡＯＭ、ＥＯＭ又は動力付き偏光回転光学素子を含む外部レーザパワーコントローラ６０による変調）又はこれらの組合せを含む変調法を用いてレーザパルスパワー制御を行ってもよい。更に、フォトダイオード等の１つ以上のビーム検出器５４を、レーザパワーコントローラ６０のダウンストリームに、例えば、レーザ出力２０ａの波長に対して部分的な透過性を有するように適応化されたポジショニングミラー４４にアラインさせて、配設してもよい。ビーム検出光学素子及び電子回路は、レーザパワー制御モジュール７０に直接的に又は間接的に接続してもよく、及び／又はシステム制御コンピュータ２２及び／又はサブシステムインタフェース電子回路２４と、直接的に又は間接的に通信を行ってもよく、及び／又は変調レーザ出力２０ａをサンプリングし、変調器及び／又は他のシステム光学素子への補正信号を生成して、ワークピース５２を処理するために望ましいパラメータを有する安定した変調出力を生成するために使用してもよい。従来のパワー制御技術は、当業者にとって周知である。例示的なＡＯＭ電力制御技術は、米国特許第７，０１９，８９１号に開示されている。
【００６５】
採用される好適なパルス繰返し周波数は、５０ｋＨｚから１０メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲に亘る。多くの場合、パルス繰返し周波数は、１ＭＨｚより低いことが好ましい。しかしながら、あるアプリケーションでは、１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲のパルス繰返し周波数を使用してもよい。典型的なフォーカスされたスポットサイズは、１０μｍから１００μｍまでの範囲に亘る。しかしながら、あるアプリケーションでは、１．５μｍから１０μｍの範囲のスポットサイズを使用してもよい。
【００６６】
パッドクリーニングのために使用されるレーザパラメータは、バルク処理にも使用できることは当業者にとって明らかである。これに代えて、パッドクリーニングのためのレーザパラメータは、バルククリーニングのために使用されるレーザパラメータとは異なっていてもよい。幾つかの実施の形態では、バルク除去に使用されたフルーエンスは、大体パッドクリーニングのための値で維持されるが、パッドクリーニングのためのパルス幅は、パルス数を減少させ、パッドクリーニングのために費やされる時間を短縮するために、変更（大幅に削減）される。また、バルク処理とパッドクリーニング工程との間で他のレーザパラメータを変更してもよい。このようなパラメータには、以下に限定されるものではないが、波長、１パルスあたりのエネルギ、繰返し率、又はスポットサイズ等が含まれる。
【００６７】
更に、当業者には知られているが、引用によって本願に援用されるＯｗｅｎ他による米国特許第５，８４１，０９９号、Ｄｕｎｓｋｙ他による米国特許第６，４０７，３６３号には、レーザパラメータの第１の組を用いて上位の金属層を処理し、レーザパラメータの第２の組を用いてバルク材料を処理する２段階のブラインドビア及びスルーホールビアの単一パス処理のための技術が開示されている。具体的には、Ｏｗｅｎ他による米国特許第５，８４１，０９９号には、バルク材料が受け取る１パルスあたりのエネルギを上位の金属層より小さくするように、上位の金属層を処理した後の繰返し率の変更（増加）及び／又はスポットサイズの変更（拡大）が開示されている。
【００６８】
同様に、Ｄｕｎｓｋｙ他による米国特許第６，４０７，３６３号には、ビアの形成に用いられる照射を制御してビア品質向上させ、及び金属層を処理し、続いてバルク材料を処理する単一パスの２段階処理を実現するために採用されるフォーカス及びスポットサイズを変更する技術が開示されている。このような技術は、可動ミラーを用いて実現できるが、ＡＯＭを用いて実現してもよい。
【００６９】
ここに開示した技術は、異なるレーザパラメータを用いて、上位の金属層を処理し、バルク材料を除去し、パッドをクリーニングする３段階のビア穴あけプロセスを実行するために使用してもよいことは当業者にとって明らかである。例えば、パラメータの第１の組を用いて金属層を処理し、金属層を除去した後に繰返し率及び／又はスポットサイズを変更してパラメータの第２の組を提供し、次に、パルス幅を削減して、パッド材料をクリーニングするためのパラメータの第３の組を提供してもよい。更に、任意の工程において異なる波長を用いてもよい。これらの変更は、単一レーザにおいて行ってもよく、２つ以上のレーザにおいて行ってもよい。
【００７０】
パッド表面を確実に完全にクリーニングするために、基底にある少量の金属層の除去は、許容され、望ましい場合すらあるため、パッドクリーニングパラメータは、必ずしも、典型的なフルーエンス閾値制限によって制約されないことは当業者にとって明らかである。
【００７１】
また、バルク材料除去及びパッドクリーニング処理では、ビアサイズ又はパッドサイズがスポットサイズより大きければ、如何なる場合であっても、例えば、Ｄｕｎｓｋｙ他による米国特許第６，４０７，３６３号に開示されている外向きスパイラル又は内向きスパイラル、若しくは同心円状の処理技術、又はループプロファイル処理技術の如何なるバリエーションを採用してもよいことも当業者にとって明らかである。同様に、トレパニング加工（trepanning techniques）を用いてスルーホールを形成してもよい。これらのアプリケーションでは、典型的なバイトサイズは、約１ｎｍから約１５μｍの範囲に亘る。典型的なスキャニング速度は、１秒あたり約１０〜約１，０００ミリメートルに亘る。
【００７２】
様々な実施の形態及び具体例において示したように、ピコ秒単位のパルス幅のパルスを有し、イメージ整形されたＵＶレーザ出力を用いることによって、スループット及び品質の両方で有利になる様々なレーザマイクロマシニングアプリケーションがある。具体的には、ピコ秒パルス幅固体ＵＶレーザは、より急峻な温度勾配を生成し、より小さいエネルギで、ターゲットパッド上の最後に残っている材料の層、ソルダマスク又はレジスト材料をクリーニングすることができる。ターゲットパッドに加わるエネルギをより小さくすることで、プロセスの効率を高め、隔離された小さいターゲットパッドの熱損傷の可能性を低めることができる。織成され補強された樹脂内又は織成され補強された樹脂を貫通するビア穴あけの場合、これらのレーザ出力パラメータは、ビアの側壁への熱拡散を低減させ、したがって、側壁品質を改善することができる。最上位に金属層を有する材料におけるビア穴あけの場合、ピコ秒単位のパルス幅を用いることによって、金属層への熱拡散を低減でき、この結果、より高品質なカッティングを実現でき、及び金属層、特に金属薄層に対する熱損傷の可能性を低減できる。
【００７３】
本発明の基底にある原理から逸脱することなく、上述した本発明の実施の形態の詳細を様々に変更できることは、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、添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図１】
2009538539.tif 000007
【図２】
2009538539.tif 000008
【図３Ａ】
2009538539.tif 000009
【図３Ｂ】
2009538539.tif 000010
【図４Ａ】
2009538539.tif 000011
【図４Ｂ】
2009538539.tif 000012
【図５】
2009538539.tif 000013
【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年1月22日(2009.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
望ましい動作特性を有するビアの穴あけに用いられるパルスの総数を最小化することによってレーザビア穴あけスループットを高める方法であって、前記パルスの総数Ｎは、レーザ除去−バルク材料インタラクションによってバルク材料を除去してビアを形成するために使用されるバルク除去パルスのバルク数Ｎ０と、レーザクリーニング−材料インタラクションによってビアの底面をクリーニングするために使用される底面クリーニングパルスの底面クリーニング数δＮとを含み、
フルーエンスＦを有し、及びビアの底面をクリーニングするためのパルス幅τの少なくとも１つのレーザパルスを有し、δＮがＦ／τ１／２と所定の関係を有し、δＮ／Ｎ０が１以下であるレーザ出力を生成する工程と、
前記レーザ出力をターゲット位置に向け、ビアの底面をクリーニングする工程とを有する方法。
【請求項２】
前記δＮとＦ／τ１／２との間の関係は、ｆを繰返し率とし、Ｌ＝（１／ｆτ）１／２−（１／ｆτ−１）１／２として、以下の式を満たす請求項１記載の方法。
【数１】
2009538539.tif 000016
【請求項３】
前記δＮは、Ｌと所定の関係を有し、ｆを繰返し率とし、Ｌ＝（１／ｆτ）１／２−（１／ｆτ−１）１／２である請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記レーザ出力は、４００ナノメートルより短い波長を有する請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザ出力は、約３５５ナノメートル又は約３５１ナノメートルの波長を有する請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザパルスは、１，０００ピコ秒より短いパルス幅を有する請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザパルスは、５００ピコ秒より短いパルス幅を有する請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
イメージ整形光学素子を用いて、レーザ出力を整形する工程を更に有する請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記ビアは、プリント配線板に穴あけされる請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記バルク材料は、均質のフィルム、粒子充填樹脂、ポリイミド又は繊維強化ポリマを含む請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記バルク材料は、金属クラッディングを含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記金属クラッディングは、厚さが約１８ミクロン未満である請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記底面の材料は、金属を含む請求項１乃至１２の何れか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記レーザ出力は、固体レーザ又はファイバレーザによって生成される請求項１乃至１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記レーザ出力は、レーザパンチングプロセスで使用される請求項１乃至１４の何れか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記バルク材料は、繊維強化ポリマを含み、前記ビアは、ファイバの突出が最小の側壁を有する請求項１乃至１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記レーザ出力は、１０メガヘルツ以下の繰返し率を有する請求項１乃至１６の何れか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザ出力は、１メガヘルツ以下の繰返し率を有する請求項１乃至１７の何れか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記バルク材料除去及び前記底面クリーニングは、ほぼ同じフルーエンスで、異なるパルス幅を用いて実行される請求項１乃至１８の何れか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記底面クリーニングは、２ミクロンより薄い厚さの材料を除去する請求項１乃至１９の何れか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記ビア穴あけは、トレパニングプロセス、スパイラルプロセス又はループプロセスによって達成される請求項１乃至２０の何れか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記ターゲット位置のワークピースは、上位の金属層と、前記上位の金属層の下に配設されたバルク材料と、前記バルク材料の下に配設された基底にある金属層又はパッドとを含み、前記最上位の金属層は、レーザパラメータの第１の組によって除去され、前記バルク材料は、レーザパラメータの第２の組によって除去され、前記基底にある金属層は、レーザパラメータの第３の組によってクリーニングされ、前記パラメータの第１の組、第２の組及び第３の組は、異なる請求項１乃至２１の何れか１項に記載の方法。
【請求項２３】
レーザビア穴あけのために、
固体レーザを用いて、４００ナノメートルより短い波長を有し、５００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのレーザパルスを含むレーザ出力を生成する工程と、
イメージ整形光学素子を用いて、前記レーザ出力を整形する工程と、
レーザ出力をターゲット位置に向け、ターゲット材料内にビアを形成し、クリーニングする工程とを有する請求項１乃至２２の何れか１項に記載の方法。
【請求項２４】
レーザビア穴あけのための方法において、
固体レーザを用いて、４００ナノメートルより短い波長を有し、５００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのレーザパルスを含むレーザ出力を生成する工程と、
イメージ整形光学素子を用いて、前記レーザ出力を整形する工程と、
レーザ出力をターゲット位置に向け、ターゲット材料内にビアを形成し、クリーニングする工程とを有する方法。
【請求項２５】
マスク材料で覆われたソルダパッドの表面をクリーニングする方法において、
４００ナノメートルより短い波長を有し、１０００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのレーザパルスを含むレーザ出力を生成する工程と、
前記レーザ出力を、前記ソルダパッドを覆うマスク材料に向け、前記ソルダパッドを、ソルダリングプロセスにとって、動作的にクリーンにする工程とを有する方法。
【請求項２６】
ソルダパッドの表面をクリーニングするレーザシステムにおいて、
１，０００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのオシレータ出力パルスを含むオシレータ出力を生成するオシレータモジュールと、
前記オシレータ出力を、４００ナノメートルより短い波長を有し、１０００ピコ秒より短いパルス幅を有する少なくとも１つのレーザパルスを含むレーザ出力に変換する増幅モジュールと、
前記ソルダパッドを覆うソルダマスク材料のターゲット部分に前記レーザ出力を向け、前記ソルダマスク材料のターゲット部分が除去されるようにするビームポジショニングシステムとを備えるレーザシステム。
【国際調査報告】
2009538539.tif 000017
2009538539.tif 000018