(57)【要約】基板（１６）が加工されて、たとえばビアが形成される。基板は、内部の気体環境が制御されるチャンバ（１５）内にある。加工レーザビーム（１３）が、パルシングパラメータ等のパラメータの制御で発射され、所望の効果を達成する。気体環境が制御されて、ビアの絶縁ライニングの完全な成長が制御されることがあり、それによって、下流のエッチング及び酸化物成長のステップの必要性が回避される。また、熱損傷を最小化し、特定のビアジオメトリ等の他の所望の効果を達成するために複数のパスで加工が行われることもある。
2005507318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、前記レーザ光源によって生成されたレーザビームの、基板に対する発射を制御して前記基板を加工する手段を有するビーム発射システムと、を備えるレーザ加工システムであって、
さらに、制御された気体環境を加工位置の周囲に供給する手段を有する気体処理システムを備えるシステム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムであって、
前記ビーム発射システム及び前記気体処理システムが、
前記基板内にビアを穿孔するため、ビームパルシングパラメータと前記気体環境とを制御する手段を備えるシステム。
【請求項３】
請求項１または２記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムが、
レーザパルスエネルギ、レーザパルス間隔及びパルス数を、加工される材料（または複数の材料）の光学的、熱的及び機械的特性に応じて制御する手段を備えるシステム。
【請求項４】
請求項１、２または３記載のシステムであって、
前記気体処理システムが、
前記気体環境内の酸素の比率を制御して、ライニングとしての酸化物の成長を制御または防止または促進する手段を備えるシステム。
【請求項５】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記気体処理システムが、
前記気体環境内の窒素の比率を制御して、ライニング内の窒化物の成長を制御または防止する手段を備えるシステム。
【請求項６】
請求項１〜３記載のシステムであって、
前記気体処理システムが、
制御された量の不活性気体を前記気体環境内に供給する手段を備えるシステム。
【請求項７】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記気体処理システムが、
前記レーザビームがある場合の解離に関する特性を有する気体を前記気体環境内に導入して、前記基板のエッチング剤または反応物を提供する手段を備えるシステム。
【請求項８】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記気体処理システムが、
前記気体環境を制御して、前記基板内に清浄な加工壁を得る手段を備えるシステム。
【請求項９】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記気体処理システムが、
前記気体環境を制御して、前記基板の加工壁内において、所望の滑らかさを達成する手段を備えるシステム。
【請求項１０】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記気体処理システムが、
前記気体環境を制御して、加工位置及び場所からのデブリの除去を増進、または、生成されるデブリの量を減少させる手段を備えるシステム。
【請求項１１】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムが、
パルシングパラメータを制御して、前記基板に対する熱損傷を最小化する手段を備えるシステム。
【請求項１２】
請求項１１記載のシステムであって、
前記レーザパルスが、時間的に均等に間隔をおいていないシステム。
【請求項１３】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムが、
非テレセントリックレンズと、
垂直線に対して傾いた前記レーザビームを、前記レンズを介して発射して、傾斜したビアを穿孔する手段と、
を備えシステム。
【請求項１４】
請求項１３記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムが、ビームの光軸からの、傾斜付きビア入り口開口の距離を変更して、前記傾斜付きビアの傾斜を設定する手段を備えるシステム。
【請求項１５】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムが、
基板内にビアを穿孔し、現在のビア深さの関数としてレーザビームパラメータを動的に変更する手段を備えるシステム。
【請求項１６】
請求項１５記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムが、
どのような特定深さでも、基板材料に応じてレーザビームパラメータを変更する手段を備えるシステム。
【請求項１７】
請求項１５または１６記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムが、
所望のビアジオメトリを得るために、深さによってレーザビームパラメータを変更する手段を備えるシステム。
【請求項１８】
請求項１７記載のシステムであって、
前記変更手段は、
レーザビームパラメータを変更して、ブラインドビアを穿孔する手段を備えるシステム。
【請求項１９】
請求項１５〜１７のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、
前記基板上の入口及び出口ポイントで、制御されたビア径を得るため、深さによってレーザビームパラメータを変更する手段を備えるシステム。
【請求項２０】
請求項１９記載のシステムであって、
前記変更手段は、
レーザ反復レート、パルスエネルギ及びパルスピークパワーを変更することによって、入口及び出口開口の間のテーパーの傾斜を制御する手段を備えるシステム。
【請求項２１】
請求項１５〜２０のいずれかに記載のシステムであって、
前記変更手段が、
内側ビア形状を制御するために、焦点スポットサイズを変更する手段を備えるシステム。
【請求項２２】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、
テレスコープと、
所望のビアジオメトリを得るために、ビーム径、焦点面及び焦点深度を設定または動的に変更して前記テレスコープを調整する手段と、を備えるシステム。
【請求項２３】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、
複数のパスで前記基板を加工する手段を備え、それにおいては、各パスが、１の材料除去割合で特定段階まで加工するシステム。
【請求項２４】
請求項２２に従属する請求項２３記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、パス間で前記テレスコープを調整する手段を備えるシステム。
【請求項２５】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、
前記ビアを囲む、前記基板の表面上のデブリのレーザクリーニングをもたらすため、ビアの穿孔後にレーザビームの焦点スポットを拡大する手段を備えるシステム。
【請求項２６】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記気体処理システム及び前記ビーム発射システムは、レーザパルシング及び気体環境を制御して、半導体基板内に穿孔されたビア内に、制御された絶縁ライニングを与える手段を備えるシステム。
【請求項２７】
請求項２６記載のシステムであって、
前記基板がＳｉ材料で形成され、前記ライニングがＳｉＯ２であるシステム。
【請求項２８】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記気体処理システムは、
密閉されたチャンバと、
前記チャンバ内へ気体を送り込む手段と、
前記チャンバから気体を吸い込む手段と、
を備えるシステム。
【請求項２９】
請求項２８記載のシステムであって、
前記チャンバは、レーザビームに対して透明なウインドウを備えるシステム。
【請求項３０】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記気体処理システムは、
前記気体環境にハロゲン化気体を送り込んで、気体性デブリを除去する手段を備えるシステム。
【請求項３１】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記気体処理システムは、
気体及び粒子の両形態のデブリの除去のための気体流を制御する手段を備えるシステム。
【請求項３２】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
さらに、
基板を裏返す手段を備え、
前記ビーム発射システムは、
基板両面でレジストリの位置に穿孔して、スルービアを完成する手段を備えるシステム。
【請求項３３】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システム及び前記気体処理システムは、
ビームパルシングパラメータ及び気体環境を制御して、電気的絶縁体としての使用に適したライニングを有するビアを穿孔する手段を備えるシステム。
【請求項３４】
請求項１〜２９のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システム及び前記気体処理システムは、
ビームパルシングパラメータ及び気体環境を制御して、光導波路のクラッディングとしての使用に適したライニングを有するビアを穿孔する手段を備えるシステム。
【請求項３５】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムのいずれかを用いて、基板または工作物を加工する方法。
【請求項３６】
基板にレーザビームを発射し、前記基板を加工するステップを含むレーザ加工方法であって、
加工位置の周囲に気体環境が与えられ、
前記レーザビームがパルス化され、
前記基板を加工して前記基板内に所望の特性を達成するため、前記レーザビーム及び前記気体環境が制御される方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法であって、
基板の光学的、熱的及び機械的特性に応じて、レーザパルスエネルギ、レーザパルス間隔及びパルス数が制御される方法。
【請求項３８】
請求項３６または３７記載の方法であって、
前記気体環境内の酸素または窒素の濃度が制御されて、ビアライニングとしての酸化物または窒化物が制御または防止される方法。
【請求項３９】
請求項３６または３７記載の方法であって、
制御された量の不活性気体が前記気体環境内に導入される方法。
【請求項４０】
請求項３６〜３９のいずれかに記載の方法であって、
前記レーザビームの存在下で解離する気体が前記気体環境内に導入され、前記解離した気体が前記基板をエッチングする方法。
【請求項４１】
請求項３６〜４０のいずれかに記載の方法であって、
前記加工がビアの穿孔であり、レーザビームパラメータが現在のビア深さの関数として動的に変更される方法。
【請求項４２】
請求項３６〜４１のいずれかに記載の方法であって、
電気的絶縁ライニングを提供するため、前記レーザビーム及び前記気体環境が制御され、
さらに、前記方法は、前記基板内に電気導体を備えるため、前記ビア内に電気導体材料を充填するステップを含む方法。
【請求項４３】
請求項３６〜４１のいずれかに記載の方法であって、
光学的に不透明なライニングを提供するため、前記レーザビーム及び前記気体環境が制御され、
さらに、前記方法は、前記基板内に前記ライニングをクラッディングとして用いる光導波路を提供するべく前記ビア内に光学的に透明な材料を充填するステップを含む方法。
【請求項４４】
請求項３６〜４１のいずれかに記載の方法であって、
熱導体路を生成するため前記レーザビーム及び前記気体環境が制御され、
さらに、前記方法は、前記基板内に熱導体路を生成するため、前記ビア内に熱導体材料を充填するステップを含む方法。
【請求項４５】
請求項４４記載の方法であって、
さらに、前記ビア内の前記熱導体材料にヒートシンクを接続するステップを含む方法。
【請求項４６】
レーザ光源と、前記レーザ光源によって生成されたレーザビームの、基板に対する発射を制御して前記基板を加工する手段を有するビーム発射システムと、を備えるレーザ加工システムであって、
前記ビーム発射システムは、パルス化されたレーザビームを、前記基板に対して発射する手段を備え、
前記ビーム発射システムは、
複数の加工位置で前記基板を不完全な段階まで加工し、かつ、少なくとも１つの、続くパス内の前記位置で加工を行う手段を備え、それにより、１つのパス内の他の位置が加工されるから、どの１つの位置でも加工間に遅延が存在するシステム。
【請求項４７】
請求項４６記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを変更する手段を備えるシステム。
【請求項４８】
請求項４７記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、パスの基板層材料に応じて、ビーム発射パラメータをパス間で変更する手段を備えるシステム。
【請求項４９】
請求項４７または４８記載ののシステムであって、
前記ビーム発射システムは、前記加工位置における所望の基板形状に応じてビーム発射パラメータをパス間で変更するための手段を備えるシステム。
【請求項５０】
請求項４６〜４９記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを制御して、基板の熱損傷を最小化する手段を備えるシステム。
【請求項５１】
請求項４６〜５０のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを制御して、デブリの堆積を抑える手段を備えるシステム。
【請求項５２】
請求項４６〜５１のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを制御して、前記加工位置において所望の基板ジオメトリを得る手段を備えるシステム。
【請求項５３】
請求項４６〜５２のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを制御して、前記基板内に複数のビアを穿孔する手段を備えるシステム。
【請求項５４】
請求項４６〜５３のいずれかに記載のシステムであって、
前記システムは、さらに、基板を裏返す手段を備え、
前記ビーム発射システムは、
単一の構造を加工するべく位置合わせされた基板の両面側の加工位置で前記基板を加工する手段を備えるシステム。
【請求項５５】
請求項４６〜５４のいずれかに記載のシステムであって、
前記ビーム発射システムは、
ビーム発射パラメータを制御して、前記加工位置で前記基板の加工及び電気的絶縁ライニングの形成をともに行う手段を備えるシステム。
【請求項５６】
請求項４４〜５５記載のシステムであって、
前記システムは、さらに気体処理システムを備え、それにおいて、連続するパス間で気体及び気体パラメータを変更することができるシステム。
【請求項５７】
請求項５５記載のシステムであって、
前記システムは、さらに、制御された気体環境を前記加工位置の周囲に提供する手段を含む気体処理システムを備え、
前記ビーム発射システム及び前記気体処理システムは、１つのパス内の非環境気体を使ってまたは使わずに基板内の構造を加工し、かつ、非環境ガス環境を使って、続くパス内の前記位置で加工して、前記加工位置に絶縁ライニングを形成する手段を備えるシステム。
【請求項５８】
レーザビームを基板上に発射して前記基板を加工するステップを含む方法であって、
１つのパス内の複数位置で前記基板を加工するために前記ビームが発射され、それに続き、少なくとも１つの、続くパス内で同位置に穿孔が行われて、各位置における加工が完成する方法。
【請求項５９】
請求項５８記載の方法であって、
各位置でビアが穿孔される方法。
【請求項６０】
請求項５８または５９記載の方法であって、
ビーム発射が制御されて、各位置における構造の加工と各位置における基板壁上の電気的絶縁ライニングの提供がともに行われる方法。
【請求項６１】
請求項６０記載の方法であって、
前記加工位置で、制御された気体環境が供給され、制御された方法でライニングの成長が助長される方法。
【請求項６２】
続いて生じるパス間で、気体及び気体パラメータを変更される方法で、請求項５６のシステムが用いられる方法。
【請求項６３】
レーザ光源と、前記レーザ光源によって生成されたレーザビームの、基板に対する発射を制御して前記基板を加工する手段を有するビーム発射システムと、を備えるレーザ加工システムであって、
前記ビーム発射システムは、パルス化されたレーザビームを、前記基板に斜めに発射し、傾斜付きビアを穿孔するシステム。
【請求項６４】
レーザビームを基板上に発射して前記基板を加工するステップを含むレーザ加工方法であって、
前記レーザビームがパルス化され、前記ビームが斜めに発射されて、傾斜付きビアが穿孔される方法。
【請求項６５】
請求項６４記載の方法であって、
前記ビアが穿孔されて、前記基板内の層が相互接続される方法。
【請求項６６】
請求項６４または６５記載の方法であって、
前記ビアが、前記基板上におかれた部品のリードとの整合のために穿孔される方法。
【請求項６７】
請求項６４〜６６のいずれかに記載の方法であって、
複数の相互接続ビアが穿孔される記載の方法。
【請求項６８】
請求項６７記載の方法であって、
前記基板表面における相互接続のために前記ビアが穿孔される方法。
【請求項６９】
請求項６８記載の方法であって、
前記ビアが穿孔されて、前記基板内で内部的に相互接続され、かつ、基板面内でそれぞれが個別の開口を有する方法。
【請求項７０】
レーザビームを基板上に発射して前記基板を加工するステップを含むレーザ加工方法であって、
前記レーザビームは、パルス化され、前記基板内にビアを穿孔するために発射され、
さらに、当該方法は、熱伝導体を与えるために前記ビアに熱伝導材料を充填するステップを含む方法。
【請求項７１】
請求項７０記載の方法であって、
さらに、前記熱導体材料にヒートシンクを接続するステップを含む方法。
【請求項７２】
請求項７１記載の方法であって、
さらに、前記ビアの隣りの別のビアを穿孔し、前記別のビアに電気的導体材料を充填し、前記電気的導体材料に電気部品を接続するステップを含む方法。
【請求項７３】
請求項７０〜７２のいずれかに記載の方法であって、
前記ビアはブラインドビアである方法。
【請求項７４】
請求項７０〜７３のいずれかに記載の方法であって、
傾いたビアが、基板の一方の面上の複数のビア接点を前記基板の他方の面上の単一の接点に割り当てる形態で生成される方法。
【請求項７５】
請求項７４記載の方法であって、
複数の電力入力及び出力または複数のグラウンド入力及び出力を、減少させた数の入力及び出力にまとめる方法。
【請求項７６】
請求項７０または７２記載の方法であって、
傾斜したビアを用いて、ダイの裏側に接続パッドを配置可能とすることによってデバイスのサイズを縮小する方法。
【請求項７７】
先行する請求項のいずれかに記載のシステムまたは方法であって、
前記レーザ光源は、ソリッド・ステート・ダイオード・パルス化レーザである、システムまたは方法。
【請求項７８】
請求項７７記載のシステムまたは方法であって、
前記レーザは、周波数多重化固体レーザである、システムまたは方法。
【請求項７９】
請求項７７記載のシステムまたは方法であって、
前記レーザは固体レーザであり、それにおいて、レーザメディアはホスト：不純物タイプであり、そこにおいて、ホストは、ＹＡＧ、ＹＬＦ、バナジウム酸塩である、システムまたは方法。
【請求項８０】
請求項７７記載のシステムまたは方法であって、
前記レーザ反復周波数は、１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲にある、システムまたは方法。
【請求項８１】
請求項７７記載のシステムまたは方法であって、
前記レーザのパルス幅は、２００ナノ秒未満である、システムまたは方法。
【請求項８２】
、請求項７７記載のシステムまたは方法であって、
前記レーザのパルス幅は、１０ナノ秒未満である、システムまたは方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００１】
序論
本発明は、基板のレーザ加工に関する。
【０００２】
パルスレーザを用いた、マイクロビアのレーザ穴あけは、２つの方法を用いて実行することができる。第１の方法においては、固定ビームが使用される（ピクセルビア）。この技術を用いると、多数のレーザパルスが基板上の単一のポイントに照射される。特定の深さに到達するために必要なパルス数は、それらのエネルギに依存する。この技術は、約１００ミクロンより小さい直径のビアに適している。正確なビア直径は、レーザビームの直径、光学及びレーザのパラメータ、材料特性に応じて定まる。
【０００３】
もう１つの方法においては、ビアの外側輪郭に沿ってビームのスキャンが行われる。この技術は、約１００ミクロンより大きい直径のビアに適している。レーザは、円形パターン内を、１以上の同心円形を描いて移動する。必要な深さに達するため、複数回の反復が必要になることもある。ビア直径は、外側の円の半径とビーム直径との関数である。この種のビアは、スキャンビアまたはトレパンビアと呼ばれている。
【０００４】
通常、ビアの加工にレーザビームを使用すると、いくつかの問題が生じる。これらの問題は、いくつかのレーザ加工後処理ステップを必要とさせることになる。特に問題は以下のものである。
【０００５】
デブリ
レーザ穴あけ加工の間、ビア出口におけるデブリ及び溶融材料の蓄積によって、ウエハの上面にデブリが生じる。これを図Ａに示す。これは、通常、２つの明瞭な形で現れる。一方の形においては、デブリが、ビアを取り囲む材料の「へり」として現れる。このへりの高さは数十μｍになることもある。へりの形成に寄与するプロセスの１つは、レーザカッティングの間にビアから排出された溶融かつ気体の材料の再固化であると考えられている。通常、従来の洗浄技術によってデブリを除去することはできない。理想的なビアには、デブリまたはへり構造があってはならない。
【０００６】
第２の形のデブリは、ウエハの上面を覆う「ダスト」として現れる。通常、このデブリは、単純な洗浄工程によって除去可能であるが、デブリの存在が完全に排除されることがより好ましい。
【０００７】
側壁の熱損傷ゾーン
ビアの穿孔に関して生じる２番目の問題は、材料へのレーザ光の、パルスレート、パルスエネルギ及び総パルス数が増加すると、材料内に蓄積される熱が増加することである。いくつかのポイントにおいて、周囲の材料に放熱された熱が、構造の内壁に深刻な熱損傷を引き起こすことがある。熱損傷の影響は、マイクロクラック及び結晶変形に起因して構造の完全性を損なうことになる。これを抑える１つの技術は、ビームをチョップし、ビアに渡される総エネルギを減らすことである。しかし、これは、表面に届く総エネルギを減らすことになり、効率的な技術ではない。
【０００８】
側壁の組成
ビア穿孔プロセスの最終的な目標は、金属化可能な絶縁マイクロビアを達成することである。ビアが構造的に健全であること及びすべての信頼性基準に適合していることが重要である。従来の技術を使用すると、側壁の材料組成または導電率を制御することができない。ビア穿孔プロセスの要件をより良く理解するために、次のセクションで、そのフルサイクルを説明する。
【０００９】
金属インターコネクトの挿入前にマイクロビアの内壁に絶縁層が必要とされる場合には、ビアの加工に続いて２つの追加プロセスが必要になる。第１は、ビアの壁のクリーニング及び平滑化であり、第２は、それに続く、絶縁層の成長である。これらの３ステップのプロセスを図Ｂに示す。ステップ１においては、レーザが使用されて、粗いテーパー付きの壁を有するビア構造が加工される。ビア内のテーパーは、側壁の「スロープ」として輪郭を表すが、それは、図Ａに示すようなａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）になる。ステップ２は、クリーニングステップであり、それによって、ビア構造の側壁がクリーニングされる。これは、好ましくは、滑らかな高品質の仕上げをもたらす。ステップ３においては、ビアの内壁上に絶縁層が形成される。
【００１０】
本発明の目的は、以下のとおりである。
【００１１】
ビアの上面（ビアの加工が開始される側）のデブリの量が減る、マイクロビアのレーザ穴あけ技術を提供すること。
【００１２】
ビア内側側壁の熱影響部の範囲が縮小される、マイクロビアのレーザ穿孔技術を提供すること。
【００１３】
所望の側壁構造、組成及び光学的電気的特性を有するビアを生成するプロセスを単純化すること。
【００１４】
レーザ穴あけされたビアの使用の、より大きな多様性を達成すること。
【００１５】
所望の内壁特性を有する高品質のビア構造を生成するプロセスを単一ステップのプロセスに簡素化すること。
【００１６】
従来のビア製造技術に必要とされる装置セットを減らすこと。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、レーザ光源と、レーザ光源によって生成されたレーザビームの、基板に対する出射を制御して、基板を加工する手段を有するビーム発射システムと、を備えるレーザ加工システムであって、
さらに、制御された気体環境を加工位置の周囲に供給する手段を有する気体処理システムを備えるレーザ加工システムが提供される。
【００１８】
一実施態様においては、ビーム発射システム及び気体処理システムが、基板にビアを穿孔するため、ビームパルシングパラメータと気体環境とを制御する手段を備える。
【００１９】
一実施態様においては、ビーム発射システムが、レーザパルスエネルギ、レーザパルス間隔及びパルス数を、加工材料（または複数の材料）の光学的、熱的及び機械的特性にしたがって制御する手段を備えている。
【００２０】
一実施態様においては、気体処理システムが、気体環境内の酸素の比率を制御して、ライニングとしての酸化物の成長を制御または防止または促進する手段を備える。
【００２１】
一実施態様においては、気体処理システムが、気体環境内の窒素の比率を制御して、ライニング内の窒化物の成長を制御または防止する手段を備える。
【００２２】
一実施態様においては、気体処理システムが、制御された量の不活性気体を気体環境に供給する手段を備える。
【００２３】
一実施態様においては、気体処理システムが、レーザビームがある場合の解離に関する特性を有する気体を気体環境に導入して、基板のエッチング剤または反応物を提供する手段を備える。
【００２４】
一実施態様においては、気体処理システムが、気体環境を制御して、基板に清浄な加工壁を得る手段を備える。
【００２５】
別の実施態様においては、気体処理システムが、気体環境を制御して、基板の加工壁内において、所望の滑らかさを達成する手段を備える。
【００２６】
一実施態様においては、気体処理システムが、気体環境を制御して、加工位置及び場所からのデブリの除去を増進、または、生成されるデブリの量を減少させる手段を備える。
【００２７】
一実施態様においては、ビーム発射システムが、パルシングパラメータを制御して、基板の熱損傷を最小化する手段を備える。
【００２８】
一実施態様においては、レーザパルスが、時間的に均等に間隔をおいていない。
【００２９】
一実施態様においては、ビーム発射システムが、非テレセントリックレンズと、法線に対して傾いたレーザビームを、前記レンズを介して発射して、傾斜付きビアを穿孔する手段と、を備える。
【００３０】
一実施態様においては、ビーム発射システムが、ビーム光軸からの、傾斜付きビア入り口開口の距離を変更して、傾斜付きビアの傾斜を設定する手段を備える。
【００３１】
別の実施態様においては、ビーム発射システムが、基板にビアをあけ、現在のビア深さの関数としてレーザビームパラメータを動的に変更する手段を備える。
【００３２】
一実施態様においては、ビーム発射システムが、どのような特定深さでも、基板材料におうじてレーザビームパラメータを変更する手段を備える。
【００３３】
一実施態様においては、ビーム発射システムが、所望のビアジオメトリを得るために、深さによってレーザビームパラメータを変更する手段を備える。
【００３４】
一実施態様においては、前記変更する手段は、レーザビームパラメータを変更して、ブラインドビアを穴あけする手段を備える。
【００３５】
一実施態様においては、ビーム発射システムは、基板上の入口及び出口ポイントで、制御されたビア径を得るため、深さによってレーザビームパラメータを変更する手段を備える。
【００３６】
一実施態様においては、前記変更手段は、レーザ反復レート、パルスエネルギ及びパルスピークパワーを変更することによって、入口及び出口の開口間のテーパーの傾斜を制御する手段を備える。
【００３７】
一実施態様においては、前記変更手段は、焦点スポットサイズを変更して、内側ビア形状を制御する手段を備える。
【００３８】
一実施態様においては、ビーム発射システムは、テレスコープと、所望のビアジオメトリを得るために、テレスコープを調整して、ビーム径、焦点面及び焦点深度を設定または動的に変更する手段と、を備える。
【００３９】
一実施態様においては、ビーム発射システムは、複数のパスで基板を加工する手段を備えており、それにおいては、各パスが、１つの材料除去割合で特定段階まで加工する。
【００４０】
一実施態様においては、ビーム発射システムが、パス間でテレスコープを調整する手段を備える。
【００４１】
一実施態様においては、ビーム発射システムは、ビアを囲む、基板の表面上のデブリのレーザクリーニングをもたらすため、ビアの穿孔後にレーザビームの焦点スポットを拡大する手段を備える。
【００４２】
一実施態様においては、気体処理システム及びビーム発射システムは、レーザパルシング及び気体環境を制御して、半導体基板にあけられたビア内に、制御された絶縁ライニングを与える手段を備える。
【００４３】
一実施態様においては、基板がＳｉ材料で形成され、ライニングがＳｉＯ２である。
【００４４】
一実施態様においては、気体処理システムは、密閉されたチャンバと、チャンバ内へ気体を送り込む手段と、チャンバから気体を吸い込む手段と、を備える。
【００４５】
一実施態様においては、チャンバが、レーザビームに対して透明なウインドウを備える。
【００４６】
一実施態様においては、気体処理システムが、気体環境にハロゲン化気体を送り込んで、ガス状のデブリを除去する手段を備える。
【００４７】
一実施態様においては、気体処理システムが、気体及び粒子の両形態のデブリの除去のためのガス流を制御する手段を備える。
【００４８】
一実施態様においては、このシステムは、さらに、基板を裏返す手段を備え、ビーム発射システムは、基板両面においてレジストリの位置に穿孔してスルービアを完成する手段を備える。
【００４９】
一実施態様においては、ビーム発射システム及び気体処理システムが、ビームパルシングパラメータ及び気体環境を制御して、電気的絶縁体としての使用に適したライニングを有するビアを穿孔する手段を備える。
【００５０】
一実施態様においては、ビーム発射システム及び気体処理システムが、ビームパルシングパラメータ及び気体環境をを制御して、光導波路のクラッディングとしての使用に適したライニングを有するビアをあける手段を備える。
【００５１】
また、本発明は、基板にレーザビームを発射して、基板を加工するステップを含むレーザ加工方法において、
加工位置の周囲に気体環境が与えられ、
レーザビームがパルス化され、
基板を加工して基板内に所望の特性を達成するため、レーザビーム及び気体環境が制御される、
方法を提供する。
【００５２】
一実施態様においては、基板の光学的、熱的及び機械的特性に応じて、レーザパルスエネルギ、レーザパルス間隔及びパルス数が制御される。
【００５３】
一実施態様においては、気体環境内の酸素または窒素の濃度が制御され、ビアライニングとしての酸化物または窒化物の成長が制御または防止される。
【００５４】
一実施態様においては、制御された量の不活性気体が気体環境内に導入される。
【００５５】
一実施態様においては、レーザビームの存在下で解離する気体が気体環境内に導入され、解離した気体が基板をエッチングする。
【００５６】
一実施態様においては、この加工がビアの穿孔であり、レーザビームパラメータが、現在のビア深さの関数として動的に変更される。
【００５７】
一実施態様においては、電気的絶縁ライニングを提供するため、レーザビーム及び気体環境が制御され、さらに、この方法は、基板内に電気導体を備えるため、ビア内に電気導体材料を充填するステップを含む。
【００５８】
一実施態様においては、光学的に不透明なライニングを提供するべくレーザビーム及び気体環境が制御され、さらに、この方法は、基板内の光導波路にライニングをクラッディングとして与えるべく、光学的に透明な材料をビア内に充填するステップを含む。
【００５９】
一実施態様においては、熱導体路を生成すべくレーザビーム及び気体環境が制御され、さらに、この方法は、基板内に熱伝導路を生成すべく熱伝導材料をビア内に充填するステップを含む。
【００６０】
一実施態様においては、この方法は、さらに、ビア内の熱伝導材料にヒートシンクを接続するステップを含む。
【００６１】
さらに本発明は、レーザ光源と、レーザ光源によって生成されたレーザビームの、基板への発射を制御して、基板を加工する手段を有するビーム発射システムと、を備えるレーザ加工システムにおいて、
ビーム発射システムは、パルス化されたレーザビームを、基板に対して発射する手段を備え、
ビーム発射システムは、複数の加工位置で基板を不完全な段階まで加工し、かつ、少なくとも１つのつぎのパス内の前記位置で加工を行う手段を備え、これにより、パス内の他の位置が加工されるから、どの１つの位置でも、加工間に遅延が存在する。
【００６２】
一実施態様において、ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを変更する手段を備える。
【００６３】
一実施態様において、ビーム発射システムが、パスの基板層材料に応じてビーム発射パラメータをパス間で変更する手段を備える。
【００６４】
一実施態様において、ビーム発射システムが、加工位置における所望の基板形状に応じてビーム発射パラメータをパス間で変更する手段を備える。
【００６５】
一実施態様において、ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを制御して、基板の熱損傷を小さくする手段を備える。
【００６６】
一実施態様において、ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを制御して、デブリの堆積を抑える手段を備える。
【００６７】
一実施態様において、ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを制御して、加工位置で所望の基板ジオメトリを得る手段を備える。
【００６８】
一実施態様においては、ビーム発射システムは、パス間でビーム発射パラメータを制御して、基板に複数のビアを穿孔する手段を備える。
【００６９】
一実施態様において、さらに、システムが、基板を裏返す手段を備え、ビーム発射システムが、単一の構造を加工するべく、レジストリの基板の両側の加工位置で基板を加工する手段を備える。
【００７０】
一実施態様においては、ビーム発射システムが、ビーム発射パラメータを制御して、加工位置で基板の加工及び電気的絶縁ライニングの形成をともに行う手段を備える。
【００７１】
一実施態様においては、システムが気体処理システムをさらに備え、それにおいて、連続するパス間で気体及び気体パラメータを変更することができる。
【００７２】
一実施態様においては、システムが、制御された気体環境を加工位置の周囲に提供する手段を含む気体処理システムをさらに備え、ビーム発射システム及び気体処理システムが、１つのパス内の非環境ガスを使ってまたは使わずに基板内の構造を加工し、かつ、非環境ガス環境を使ってつぎのパス内の位置で加工して、加工位置に絶縁ライニングを形成する手段を備える。
【００７３】
さらに、本発明は、レーザビームを基板に発射して基板を加工するステップを含むレーザ加工方法において、１つのパス内の複数位置で基板を加工するためにビームが発射され、それに続き、少なくとも１つの、続くパス内で同位置に穿孔が行われて、各位置における加工が完了する方法を提供する。
【００７４】
一実施態様において、各位置でビアが穿孔される。
【００７５】
一実施態様において、ビーム発射が制御されて、各位置における構造の加工と各位置における基板壁上の電気的絶縁ライニングの提供がともに行われる。
【００７６】
一実施態様において、加工位置で、制御された気体環境が供給され、制御された方法でライニングの成長が助長される。
【００７７】
一実施態様においては、このシステムは、後のパス間で気体及び気体パラメータを変更する方法で用いられる。
【００７８】
また本発明は、レーザ光源と、レーザ光源によって生成されたレーザビームの、基板に対する発射を制御して基板を加工する手段を有するビーム発射システムと、を備えるレーザ加工システムにおいて、ビーム発射システムが、パルス化されたレーザビームを、基板に斜めに発射し、傾斜付きビアを穿孔するレーザ加工システムを提供する。
【００７９】
さらに、本発明は、レーザビームを基板に発射して基板を加工するステップを含むレーザ加工方法において、レーザビームがパルス化され、ビームが斜めに発射されて傾斜付きビアが穿孔されるレーザ加工方法を提供する。
【００８０】
一実施態様においては、ビアが穿孔されて、基板内の層が相互接続される。
【００８１】
一実施態様においては、ビアが、基板上におかれた部品リードとの整合のために穿孔される。
【００８２】
一実施態様においては、複数の相互接続ビアが穿孔される。
【００８３】
一実施態様においては、基板表面における相互接続のためにビアが穿孔される。
【００８４】
一実施態様においては、ビアが穿孔されて、基板内で内部的に相互接続され、かつ、基板面内でそれぞれが個別の開口を有する。
【００８５】
さらに、本発明は、レーザビームを基板上に発射して基板を加工するステップを含むレーザ加工方法において、レーザビームは、パルス化され、基板にビアを穿孔するために発射され、さらに、当該方法は、熱伝導体を与えるためにビアに熱伝導材料を充填するステップを有する方法を提供する。
【００８６】
一実施態様において、さらに、この方法が、熱伝導材料にヒートシンクを接続するステップを含む。
【００８７】
一実施態様において、さらに、この方法は、ビアの隣りの別のビアを穿孔し、前記別のビアに電気的導体材料を充填し、前記電気的導体材料に電気部品を接続するステップを含む。
【００８８】
一実施態様において、ビアはブラインドビアである。
【００８９】
一実施態様において、傾いたビアが、基板の一方の側の複数のビア接点を基板の他方の側の単一の接点に割り当てる形態で生成される。
【００９０】
一実施態様において、複数の電力入力及び出力または複数のグラウンド入力及び出力を、減少させた数の入力及び出力にまとめる。
【００９１】
一実施態様においては、傾いたビアを用いて、ダイの裏側に接続パッドを配置可能とすることによってデバイスのサイズを縮小する。
【００９２】
一実施態様においては、レーザ光源は、ソリッド・ステート・ダイオード・パルス化レーザである。
【００９３】
一実施態様において、レーザは、周波数多重化固体レーザである。
【００９４】
一実施態様において、レーザは固体レーザであり、そこにおいて、レーザメディアはホスト：不純物タイプであり、そこにおいて、ホストが、ＹＡＧ、ＹＬＦ、バナジウム酸塩である。
【００９５】
一実施態様においては、レーザ反復周波数が１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲にある。
【００９６】
一実施態様においては、レーザのパルス幅が２００ナノ秒未満である。
【００９７】
一実施態様においては、レーザのパルス幅が１０ナノ秒未満である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９８】
(図面の簡単な説明)
本発明は、添付図面に関してだけ例として与えられた、以下の、いくつかの実施形態の説明からより明解に理解されるであろう。
【００９９】
図１は、本発明に係るスルービアのレーザ穿孔を示した図である。
【０１００】
図２は、制御された気体環境内でビア穿孔に使用されるレーザ加工システムを示した図である。
【０１０１】
図３は、マルチステップレーザプロセスを用いた複数ビアの穿孔ステップを示した図である。
【０１０２】
図４は、変数ΔｔＲＲ、ＮＴ＿Ｄｅｌａｙ及びＴ＿Ｄｅｌａｙを示したレーザパルス列のプロットである。
【０１０３】
図５(ａ)は、ガルバノメータの視野と等しい面積の矩形にさらに分割されたウエハの平面図であり、図５(ｂ)は、ｄ１、ｄ２及びｄ３がビア構造間の距離である、通常のガルバノメータの視野を示した図５(ａ)の拡大図である。
【０１０４】
図６は、アブレーション深度対レーザパルス数のプロットである。
【０１０５】
図７は、マルチステッププロセスを用いた、多層基板の連続層への穿孔を示した図である。
【０１０６】
図８は、スルービアを完成する、基板両面からの穿孔を示した図である。
【０１０７】
図９は、縦断面図が描かれたビア内側側壁を達成するための、基板両面からのマルチステップレーザ加工プロセスを示した図である。
【０１０８】
図１０、１１、１２は、レーザ穿孔用の光学パラメータを示した図である。
【０１０９】
図１３は、レーザクリーニングのために、焦点を外したレーザビームがあてられるビア周囲エリアを示した図である。
【０１１０】
図１４は、本発明の光電子部品の基板を示した一組の図である。
【０１１１】
図１５は、基板の上面を詳細に示した斜視図である。
【０１１２】
図１６、１７は、光ファイバ用のＶ字形グルーブの形成を示した図である。
【０１１３】
図１８は、光ファイバの斜視図である。
【０１１４】
図１９は、ビアをより詳細に示した斜視図である。
【０１１５】
図２０、２１、２２は、傾斜したビアの穿孔を示した図である。
【０１１６】
図２３(Ａ)は、ダイの、能動素子と同じ側上のパッド及びはんだボールの従来の配置を示した図である。
【０１１７】
図２３(Ｂ)は、レーザ加工されたマイクロビア構造を用いてアクセスされる、ウエハの裏側面上のパッド及びはんだボールの再配置を示した図である。
【０１１８】
図２４は、ウエハの底部の共通グラウンドまたは共通電源ポイントへの、能動素子の４つのＩ／Ｏポイントの接続を示した図である。
(実施の形態の説明)
基板は、基板内にビア等の構造を形成するために加工される。側壁の物理的な形態構造、構造的な完全性及び組成に関して優れた制御がある。また、生成されるデブリの量及び位置に関しても優れた制御がある。また、本発明は、ビアのレーザ穿孔に関する、進歩した多用性を提供するが、それによって、ブラインドビア、マルチレイヤビア及び傾斜したビアを、単純かつ効果的な方法で穿孔することができる。
【０１１９】
穿孔メカニズムについて説明する前に、ビームパルシングパラメータを以下に示す。
【０１２０】
加工速度（Ｖｍａｃｈ）
このパラメータは、１秒間に穿孔が可能なビアの数として定義される。加工速度の単位は、ビア数／秒である。許容可能なカット品質を維持しつつ、このパラメータを最大の値に最適化することが常に目的である。
【０１２１】
ビアカッティング時間（Ｔ＿Ｄｅｌａｙ）
このパラメータは、所定のレーザ加工ステップの間に、特定のビア位置にガルバノメータがとどまる時間として定義される。穿孔されるビアの深さは、Ｔ＿Ｄｅｌａｙに比例する。通常、このパラメータは、許容可能なビア品質で最高加工速度（Ｖｍａｃｈ）を得るため、できるだけ低い値に最適化される。ビア加工プロセスの最適Ｔ＿Ｄｅｌａｙは、加工材料の物理的特性（熱伝導率等）、プラズマエクスパンジョン／リラクゼーション時間、ビア間の距離、ビア品質、レーザパルスのエネルギ及びその他のパラメータに応じて変化する。通常は、Ｔ＿Ｄｅｌａｙが高いほど、ビア構造に対する熱損傷が大きくなる。
【０１２２】
単パルス周期（ΔｔＲＲ）
このパラメータは、パルス列のレーザパルス間の時間間隔として定義され、本質的には、レーザ反復レートの逆数になる。
【０１２３】
【数１】
2005507318.tif 000003
【０１２４】
たとえば、４５ｋＨｚのレーザ反復レートの場合、ΔｔＲＲ≒２２μｓである。
【０１２５】
パルス数（ＮＴ＿Ｄｅｌａｙ）
このパラメータは、所定のレーザ加工ステップの間に特定のビア位置に発射されるパルスの数として定義される。Ｔ＿Ｄｅｌａｙ、ΔｔＲＲ及びＮＴ＿Ｄｅｌａｙは、以下の数式により互いに関係付けられる。
【０１２６】
【数２】
2005507318.tif 000004
【０１２７】
これらのパラメータを図４に示す。
【０１２８】
ステップ数（ＮＳｔｅｐ）
このパラメータは、単一のビア構造を、要求された深さまで加工するために必要な総ステップ数として定義される。総ステップ数は、穿孔されるビアの深さを決定する。
【０１２９】
ビア密度（ＮＶｉａ／ｆｉｅｌｄ）
このパラメータは、ガルボノメータ（ガルバノメータ）スキャナの、許容された作動視野内のビア総数として定義される。ＮＶｉａ／ｆｉｅｌｄを図５に示す。
【０１３０】
ビア間の距離（ｄＶｉａ）
このパラメータは、２つのビア間の距離として定義され、通常はビアごとに異なる。ｄＶｉａを図３及び図５に示す。
【０１３１】
ガルバノメータのジャンプ速度（Ｊ＿Ｓｐｅｅｄ）
このパラメータは、２つのビア構造の間の、ガルバノメータの移動速度として定義され、ｍ／ｓ（ｍｓ‐１）の単位で測定される。より高いＪ＿Ｓｐｅｅｄ値が、加工速度の増加をもたらす。
【０１３２】
ジャンプ遅延（Ｊ＿Ｄｅｌａｙ）
このパラメータは、新しいビア位置に移動した後のガルバノメータのセトリング時間として定義される。Ｊ＿Ｄｅｌａｙが短すぎる場合には、ガルバノメータミラーが１つのビアから次のビアへの移動のあとに安定する時間が十分でないため、ビアの周囲の「スパイキング」レーザラインとなる。しかし、長いＪ＿Ｄｅｌａｙは、加工時間を低下させる。ガルバノメータのジャンプ速度（Ｊ＿Ｓｐｅｅｄ）が高いほど、通常、より高いジャンプ遅延（Ｊ＿Ｄｅｌａｙ）が必要になり、したがって、これら２つのパラメータの最適化が、許容可能なカッティング品質で最高加工速度を得る上で重要になる。
【０１３３】
光学パラメータ
ビーム径
ビーム径は、レーザの空間強度プロファイルの１／ｅ２直径として定義される。ビア加工において、ビア直径がビーム径の関数である。ビーム径は、可変であり、焦点レンズ、スキャンレンズまたはビームテレスコープの選択で制御することができる。ビーム径の修正の効果は、焦点におけるパワー密度レベルの修正となる。
【０１３４】
ピークパワー密度（強度）
このパラメータは、単位面積当たりのピークパワーとして定義され、それにおいて、ピークパワーは、１秒当たりのエネルギである。
【０１３５】
【数３】
2005507318.tif 000005
【０１３６】
ここで、Ｅは、ジュールを単位とするエネルギであり、Δｔは、秒を単位とするパルス幅であり、Ａは、平方センチメートルを単位とする面積であり、ピークパワー密度は、平方センチメートル当たりのワットの単位で表される。
【０１３７】
エネルギ密度
【０１３８】
【数４】
2005507318.tif 000006
【０１３９】
このパラメータは、平方センチメートルで表された面積（Ａ）で割った、ジュールで表されたエネルギ（Ｅ）として定義される。エネルギ密度の単位は、ジュール毎平方センチメートルである。
【０１４０】
焦点深度
２次、３次及び４次高周波ＹＡＧ、ＶＬＦ及びバナジウム酸塩タイプのレーザの集束ビームの焦点深度は、マルチモードレーザ及び大きいＭ２値のレーザよりも大きい。これは、主として、ＹＡＧ、ＶＬＦ、及びバナジウム酸塩タイプのレーザシステムの空間出力がガウス曲線になるという事実による。一般に、ウエハ厚さは、焦点ぼけ効果を補償するために、再位置決めを行わずに、ワーキングレンズから固定距離に配置できるものであるから、焦点深度が大きいことは、厚いウエハのビア加工に極めて有利である。しかし、一定の状況下では、ビア内の壁の品質またはテーパー角度を改善するために、ビームが一定の焦点ぼけを必要とすることもある。
【０１４１】
スルーホールマイクロビアの形成
図１を参照すると、基板１は、制御されたレーザパルス３及び／または制御された気体流４によって、ビア側壁２上の絶縁層とともに穿孔されている。基板は、加工されるワークピースとして定義されるが、それには、これに限定するわけではないが、ウエハ、その他の半導体、電子または光電子デバイスが含まれる。この基板は、単一材料、または、これに限定するわけではないが単一材料または複数材料からなる層構造を含む材料の組合せからなり、これらの材料は、模様が付けられていることもあれば、そうでないこともある。
【０１４２】
レーザパルス及び気体流の制御を組み合わせる、または、いずれか一方の個別プロセスだけを使用することにより、著しくデブリが抑えられ、かつ著しく側壁の熱損傷が抑えられたビアの加工を可能にする。たとえば、滑らかで品質の高い内壁表面及び低度のビアテーパーが、マルチステップレーザ加工プロセスを用いて生成可能であり、それによって、制御された数のレーザパルス（可変パルス間隔及びパルス・エネルギを有する）が、一定の期間、基板に向けて発射される。これが、ビア側壁に対する熱損傷を抑制し、そのため、滑らかな内壁となる。
【０１４３】
レーザコントローラは、レーザパルスのエネルギ、パルス間隔及びレーザ加工ステップ当たりのパルス数を、加工材料の光学的、温度及び機械的特性、基板材料内の加工深さ及び使用レーザのタイプに基づき制御する。
【０１４４】
気体処理システムは、気体環境を制御する。一実施形態において、この環境は、基板材料の光活性化エッチング剤を含む。環境内の酸素濃度は、ビア構造の加工中に一定に維持または変えるために選択され、そのため、レーザ加工中、ビア内壁の酸化物層の成長が促進される。酸素濃度または酸素含有ガス（たとえばＣＯ２）の濃度を制御することによって、シリコン基板に加工されるビア内に挿入される一般的な金属インターコネクトの電気的絶縁に必要な酸化物層の厚さを制御することが可能となる。
【０１４５】
図２を参照すると、レーザ加工システム１０は、ガルバノメータ１１と、ＱスイッチＵＶレーザビーム１３を供給するテレセントリックレンズ１２と、を備えている。ビーム１３は、穿孔されるウエハ１６が収められたクリーンルームチャンバ１５のアクセス窓１４に向けられる。システム１０は、チャンバ１５用の気体入口１７及び真空引きライン１８を備えている。チャンバ１５は、Ｘ‐Ｙ平行移動ステージにおかれている。
【０１４６】
レーザ光は、１０バールまでの圧力に耐え得る気体反応チャンバ１５の窓１４を通って入射する。それに代えて、このチャンバは、大気圧より低い圧力で加工するため、約０．１バールの代表的な圧力まで排気することができる。静的な気体環境でレーザ加工するためのチャンバ１５内の相対的な気体濃度の制御を可能にする一連のマスフローコントローラ１７によって、種々の気体がチャンバ１５に導入される。また、入口ライン及び真空引きライン上のマフローコントローラ１７,１８によって、非静的な気体環境で加工するための各種気体の流量の制御が可能になる。
【０１４７】
真空排気ライン１８は、大気圧より低くチャンバ１５の排気を行うことを可能にし、また、レーザ加工プロセスで生成された気体廃棄物を逃がすためにも使用される。真空ラインに接続されたフィルタによって、不要な廃棄物のフィルタリングと未使用気体のリサイクルとが可能になる。チャンバ１５に接続された検出器により、親気体及びレーザ加工中に生成された副産物の相対及び絶対濃度の測定が可能となる。
【０１４８】
滑らかなビア壁は、単一のビア構造の加工に用いられるマルチステッププロセス全体の各種ステップでレーザパルスのエネルギ及びパルス間隔を変更することによって達成される。これにより、加工される基板内の熱負荷の制御が可能となり、そのため、熱応力に起因するビア側壁の過剰損傷が防止される。
【０１４９】
また、気体形態のシリコンの除去を光解離フッ素が助長することから、ビア構造の加工中における、チャンバ１５内へのフッ化炭素ガス（たとえばＣＦ４）の導入は、デブリの少ない加工となる。気体反応チャンバ内における、デブリの少ないシリコン加工に用いられる他の光活性化気体としては、これに限定するわけではないが、クロロフルオロカーボン及びハロゲン化炭素が挙げられる。
【０１５０】
上記の２つのプロセスを組み合わせることによって、優れた品質のビアを達成することができる。
【０１５１】
ヘリウム及びアルゴンといった不活性ガス環境における、ビア構造のレーザ加工は、非絶縁側壁を必要とする応用のため、内側ビア側壁における酸化物の成長を抑制することができる。加工中の気体反応チャンバへの窒素の導入は、非絶縁側壁を必要とする応用のため、内側ビア側壁における窒化シリコン絶縁材料の成長を可能にする。
【０１５２】
レーザ加工に続いて、ビア構造の内壁に層が形成される。この層は、レーザ加工中に溶融した基板材料が冷却で再固化するとき形成される。気体の混合、それらの流量及びそれらの相対的濃度の適切な選択によって、この層の化学量論組成、マイクロ構造その他の特性を、所望の応用に最適な電気的及び／または光学的特性の側壁を生成するべく変化させることができる。ビア構造の内外のデブリ抑制及び表面粗さ抑制に関して、気体の混合には、ビア内側の側壁内における酸化物の成長を制御する、活性気体（たとえばＯ２、ＣＯ２）＋不活性気体（たとえばＨｅ、Ａｒ）、ビア内側の側壁における窒化物の成長を制御する、窒素＋不活性気体（たとえばＨｅ、Ａｒ）、ビア内側の側壁における酸化物または窒化物の成長を制御する、活性気体（たとえばＯ２、ＣＯ２）または窒素＋エッチング気体（たとえばクロロフルオロカーボン、ハロゲン化炭素）が挙げられる。
【０１５３】
マルチステップマイクロビア加工
図３は、マルチステップビア加工ストラテジの基本操作を示す。このストラテジにおいては、ある予め定められた期間（つまりＴ＿Ｄｅｌａｙ）、レーザビームが単一ビア位置にとどまり、その後、別のビア位置に移動する。レーザビームは、最後のビアのカッティングが終了すると、最初のビア位置に戻る。この手順が、残りの回数（ＮＳｔｅｐ‐１）、繰り返される。「マルチ」ステップアプローチの１つの目的は、ビア内の熱影響部（ＨＡＺ）の低減であるが、この熱影響部は、デブリ生成の一因となり、ビア側壁の品質を低下させると見られている。また、各種ステップでレーザパルス及びビーム特性を変更することによって、種々の材料から構成されるマルチレイヤ構造を、各ステップ中で効率的に加工することができる。
【０１５４】
加工速度（Ｖｍａｃｈ）
加工速度は、他のレーザプロセスパラメータの関数として次のように導くことができる。
【０１５５】
以下は、図５に示されている、所定のガルバノメータの視野に関する。
【０１５６】
【数５】
2005507318.tif 000007
【０１５７】
【数６】
2005507318.tif 000008
【０１５８】
【数７】
2005507318.tif 000009
【０１５９】
【数８】
2005507318.tif 000010
【０１６０】
【数９】
2005507318.tif 000011
【０１６１】
【数１０】
2005507318.tif 000012
【０１６２】
ここで、全プロセスステップを通じて全ビームパラメータが変化しないとすると、単一ガルバノメータ視野に関するマルチステッププロセスにおける全ビア穿孔ステップの完了に要する合計時間は、
＝Ｎｓｔｅｐ×（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）
である。
【０１６３】
【数１１】
2005507318.tif 000013
【０１６４】
上記の式（１．１）から、加工速度を決定する重要なパラメータの１つがＮＳｔｅｐであること、すなわちＮＳｔｅｐが低いほど加工速度が高くなることは明らかである。１つのビアの加工に必要なパルス総数が、加工材料の一定厚さで一定となるから、ＮＳｔｅｐを小さくする可能性のある１つの方法は、各ステップで発射するパルス数（ＮＴ＿Ｄｅｌａｙ）を増加することである。しかし、それぞれの瞬間により多数のパルスが各ビアに向けられるという事実のために、ＮＴ＿Ｄｅｌａｙを増加させると、ビア構造内に熱損傷を生じるかもしれない。これらの２つのパラメータが、もっとも良好なビア品質とともにもっとも高い加工速度を得るために最適化される。
【０１６５】
式（１．１）によって、加工速度が、Ｊ＿Ｓｐｅｅｄに比例するがＪ＿Ｄｅｌａｙに逆比例することも示される。Ｊ＿Ｓｐｅｅｄが高いほど（したがって、加工速度が高いほど）、より長いＪ＿Ｄｅｌａｙ（したがって、より高いガルバノメータセッティング時間）が必要とされるが、そのこともやはり、全体的な加工速度を下げる。所定の基板材料及び層タイプに関して、もっとも高い加工速度をもたらすため、これら２つのパラメータが最適化される。
【０１６６】
式（１．１）に示すように、加工速度を決定するもう１つのパラメータは、レーザの反復レートであり、つまり、この反復レートが高いほどΔｔＲＲが低くなり、そのため加工速度がより大きくなる。このことは、全体的な加工速度を高めるより高い反復レートで、より多くのパルスがビアに発射されるというように理解される。しかし、より高い反復レートで作動されたレーザパルスは、レーザ固有の特性によって平均エネルギの低下をきたすことがある。さらに、短い期間内により多くのパルスがビアに発射されることから、反復レートがより高くなると、側壁により多くの熱損傷が生じる可能性もある。所定のタイプのレーザに関して、最良のビア品質とともに最高の加工速度がもたらされるように、このパラメータが最適化される。
【０１６７】
式（１．１）は、さらに、加工速度が、ビア間の合計距離（つまり、
【０１６８】
【数１２】
2005507318.tif 000014
【０１６９】
に逆比例すること、つまり、この距離が長いほど加工速度が遅くなることを示す。本発明の一部として、できる限り高い加工速度を得るために、ガルバノメータ視野内の所定セットのビア分布に関してガルバノメータが移動する、最も「効率的な」（つまり、最短の）距離を決定するソフトウエアアルゴリズムが開発されている。
例１
ジャンプ速度５ｍ／秒及びジャンプ遅延５０μｓを得るため、各ビアに関する２つのパルス及び５０の加工ステップを用いて、レーザ反復レート５５ＭＨｚで１５ｍｍ×１５ｍｍのガルバノメータ視野内に１０００個のビアを穴開けするプロセスにおいて。すべてのビア間の合計距離は、約０．４８ｍである。
【０１７０】
加工速度は、以下のように見積もることができる。
【０１７１】
ΔｔＲＲ＝１／５５０００＝１８．１９μｓ＝１８．１９×１０‐６秒
ＮＶｉａ／ｆｉｅｌｄ＝１０００
Ｊ＿Ｓｐｅｅｄ＝５ｍ／秒
Ｊ＿Ｄｅｌａｙ＝５０μｓ＝５０×１０‐６秒
ＮＴ＿Ｄｅｌａｙ＝２（１ステップについて２パルス）
ＮＳｔｅｐ＝５０
Ｖｍａｃｈ＝１０００／｛５０［（１０００×２×１８．１９×１０‐６）＋（０．４８／５）＋（５０×１０‐６×１０００）］｝
≒１１０個のビア／秒
上記の例は、マルチステッププロセスを通じてレーザパルスのパラメータが変化しない特別なケースを示している。しかし、パルス間隔（ΔｔＲＲ）及びステップ当たりのパルス数（ＮＴ＿Ｄｅｌａｙ）のようなレーザパルス特性がステップごとに変化する場合には、式（１．１）の分母を、各ステップに関するｔ１、ｔ２及びｔ３の総計によって置き換える必要がある。
【０１７２】
ブラインドマイクロビアの形成
スルーホールマイクロビアは、基板の上下面間の接続を可能にする。しかし、ビア構造が基板材料を完全に貫いている必要がない特定の応用においては、ブラインドビアが形成される。このようなビアタイプを必要とする応用の例としては、半導体または誘電体スタック内に導体層があり、かつ、導体を破壊または損傷せずに、ウエハを部分的に導体まで穿孔することが必要となる場合が挙げられる。このビア穿孔プロセスの特別な例においては、金属は、損傷されずにその完全性を維持し、加工中に生成されるデブリが導体路を遮断せずに、ビアが金属または導体まで完全に穿孔される。
【０１７３】
このような構造の例を図７に示す。一例として、最上層が厚さＤｘ＋ｄｚの結晶シリコンであり、その下側に厚さｃの銅層があり、その下側に別のシリコン層がある。
【０１７４】
本発明の一実施態様においては、金属に損傷を与えずに、金属の高さまでビアを穿孔する必要がある。その場合、通常のビア加工パラメータを用いて、深さＤｘまでビアを穿孔する。金属層まで穿孔を行うために、レーザパワー、反復周波数及びパルスエネルギを修正し、より遅い速度で厚さｄｚを除去する。このことは、導体金属層内で過剰なエネルギが散逸されず、かつ、完全な接触が金属薄膜のトップに残されることを保証する。それに加えて、光活性化エッチング気体の存在下及び／またはマルチステッププロセスにおいて、この加工プロセスを実行することが、このプロセスを補助する。
【０１７５】
別の実施態様においては、下側のシリコン層を損傷せずに、この位置で銅に穴をあけることが要求される。その場合には、上記２つのステップが繰り返され、その後、レーザ穿孔パラメータがそのように再変更されて、下側のシリコン層を損傷せずに銅に穴をあける。
【０１７６】
さらに別の実施態様においては、半導体構造が、半導体、誘電体（たとえば、高分子、石英、ガラス）及び／または金属材料のスタック構造になることがある。層に応じて、ビア穿孔パラメータ（パルス間隔、パルス・エネルギ、平均パワー、レーザの焦点スポットサイズ等）が修正されて、マルチレイヤ構造の各層を貫く最適加工が確保されることがある。この方法でパラメータを修正すれば、確実に、層間剥離、溶融及びデブリ等の欠陥を最小限に抑制する。
【０１７７】
ビアの深さ及び形状の制御
半導体を通るビアの穿孔を行う場合、アブレーション深さは、レーザパルスの数に対して対数関数的に増加する。これは、シリコンに関して、図６におおよそ示される。要約すると、薄いウエハのビア加工は、より厚いウエハより指数関数的に速い。穿孔パラメータが一定に保たれると、このデータが真になる。
【０１７８】
上記の観察結果の第２の影響は、マイクロビアのテーパーが、そのビアの加工に使用されるレーザパラメータによって定まることである。具体的にはピークパワー及び平均パワーである。
【０１７９】
基板のより深い位置の材料除去を向上させるために、レーザパラメータを修正して、より高いピークパワーを有するパルスを使用すると有利である。このアプローチによって、より深いビア内で材料をより効率的に除去することが可能となり、マイクロビアのテーパーを制御することも可能となる。
【０１８０】
別の実施態様においては、最初にウエハの一方側から深さｄ１まで加工し、ウエハを裏返して、ウエハの他方側で、そのビアに位置合わせして深さｄ２まで穿孔を行うことにより、ビアが形成されることがあり、深さｄ１＋ｄ２の完全なビアが開けられることがある。これを図８に示す。これによる効果は、テーパーが除去されることであり、かつ、上部及び底部の直径が確実に「同一」にする。また、薄いウエハ（または浅いビア）ほど加工深さが速くなるから、一方側から穿孔を行う場合よりも必要なパルス総数が著しく少なくなる。
【０１８１】
本発明の別の実施態様は、特定のオフセットで、円または一連の同心円を描いてビームをスキャンすることに関連する。この方法は、直接ピクセルビア加工アプローチにおいてはパワー密度が低すぎて効率的にならない、大きな直径のビアに特に有用である。気体環境制御及び適正な遅延を伴うこのテクニックを使用すれば、スキャンされるビアのビア品質が大きく改善される。また、この方法においては、側壁の形態構造及び組成を正確に制御することができる。最終的に、深さ方向に複数のステップを用いれば、ノズルを形成するために、スキャンされるビアのテーパーを制御することができる。このアプローチの概略図を図９に示す。これは、純粋な円形ビアに限定されない。スキャニングビーム加工プロセスによって、長円のビアプロファイルも可能である。
【０１８２】
傾斜の付いたビアの形成
まっすぐな貫通ビアとブラインドビアの他に、本発明の実施形態には、傾斜の付いたビアの形成がある。傾いたビアの利点には、上側のウエハバンプ接続をウエハ裏側に移動すること、接続に必要な上側面積を小さくすること、及び、上側または底側から、マイクロ加工された側壁構造のエッジにあるポイントに接続し、埋め込みデバイスへの接触を可能にする能力が挙げられる。
【０１８３】
斜めにマイクロビアをレーザ穿孔することへの論理的アプローチは、光軸に対して基板を傾けることである。実際上、レンズと被削面との間に一定のワークディスタンスを維持することが困難になるため、これの実施は容易ではない。いずれか一方の面が焦点から近いか遠い状態で、傾きの軸に沿うときに限ってこの距離を維持することが可能である。振動している間、傾きは、空間的に好ましい角度を与えずにビアを広げる効果がある。
【０１８４】
６インチを超えるウエハでは、１０°程度の傾きが、外周で２６ｍｍの垂直変位をもたらし、１０ｍｍ平方を超えるエリアであってさえ、垂直変位が、最長のスキャニングレンズ以外のすべての焦点深度の外側に大きくはみ出す１．７４ｍｍである。
【０１８５】
そのように場合に使用するには、スキャンレンズから被削面までの種々の相対的変位を相殺するために、視野全体にわたるビームの自動再焦点が必要になる。これも、傾き軸から加工位置までの距離に応じて、ウエハの垂直方向位置を移動することによって達成可能である。
【０１８６】
本発明の一実施態様においては、傾斜したマイクロビアの形成に非テレセントリックレンズが使用される。このようなレンズを図１０に示す。レンズ径はＤであり、視野の対角線がＬである。レンズが非テレセントリックであるから、発生ビームが光軸と直交せず（光軸に沿った入射の場合を除く）、最大可能偏差角はθであるが、それは、ａｒｃｔａｎ（（Ｌ‐Ｄ）／２×ＷＤ）である。ワークディスタンス１８８ｍｍ、レンズ径９０ｍｍ及び視野の対角線１４０ｍｍを有する、代表的な非テレセントリックＦ‐θレンズに関して、最大偏差角は７．６°である。
【０１８７】
傾斜したビアに関する有効範囲は、この特定のレンズに関して、０から７．６°までの間になる。適切なレンズを使用することによって、このほかにも１〜１４°のレンジを達成されることがある。
【０１８８】
有効な角度範囲は、ガルバノメータのスキャン角度及びレンズ仕様によって定まる。角度の制御の達成には、ビームが光学系の垂直な角度に対するその角度をなす照射野ポイントに対するウエハ位置を制御できることが必要である。これは、ガルバノメータとレーザとに同期させたＸ‐Ｙテーブルの位置決めシステムによって達成可能である。
【０１８９】
ビア穿孔中の可変焦点
ズームテレスコープ
Ｆ‐θレンズの有限焦点深度に起因して、基板を通る深さの伝搬とともにビア直径が変化し、それは望ましくないことがある。これを軽減するため、穿孔プロセス中に集束されるスポット位置を修正する効果がある可変フォーカスシステムが採用されることがある。このようなシステムは、スキャンレンズとともにズームテレスコープを使用する。テレスコープによって、焦点におけるスポットサイズを５〜５０μｍの間で自動調整することが可能になる。その光学的構成の一例を図１１の略図に示す。
【０１９０】
テレスコープ及びスキャンレンズシステムは、テレスコープを出るときのビームの視準を調整して、スキャンレンズの焦点を、公称ワークディスタンス５ｍｍ内のいずれの位置にでも設定できるように構成される。これを図１２の図に示す。加工環境へ組み入れられた自動化及びソフトウエア制御によって、この方法は、ビアのアスペクト比の精密制御を続行する問題に対する、信頼性の高い精巧な解決策となる。ビアの途中まで穿孔し、停止し、ガルバノメータ／スキャンレンズの位置を手動で修正することによって焦点を変更し、その後、ビアを完成することに比べて、これは、はるかに容易である。
【０１９１】
本発明の一実施態様においては、ズームテレスコープを、広範囲のサイズが達成可能な適切セッティングに調整することによって、有効ビア径が、５から２００μｍまでの間になるように構成されることがある。
【０１９２】
別の実施態様において、作物内に種々の焦点位置が生じ、ビアのボディを通じて一貫したスポットサイズを確保するために、ズームテレスコープの視準を調整することによって、穿孔速度が増大する。
【０１９３】
マルチステッププロセスにおいては、正確に制御されたビアプロファイルを可能にする各処理ステップでビアの直径が調整されることがある。
【０１９４】
さらに別の実施態様においては、テレスコープの焦点をぼかすことによって、入射強度が、工作物のアブレーション閾値より小さいが、ビア入り口近傍の表面の爆発的な清浄化を可能にするクリーニング閾値よりも高くなる程度に、入射ビームを広くする。これを図１３に図示する。
【０１９５】
本発明の別のバージョンにおいては、低パワーのビームをビア内に向けて側壁を横切ることによって、各ビアの側壁を、最終プロセスステップとしてクリーニングすることができ、それにより、デブリを除去して仕上げ面の品質を向上させる。
【０１９６】
パルス幅、パルスエネルギ及び反復レート、ビームサイズ及び開きのような主なレーザパラメータの適切な調整によって、ビアのテーパー角度を制御することがある。
【０１９７】
本発明の別の実施態様は、マルチステッププロセスの各ステップで、ビームウエストに対して相対的なウエハ垂直方向位置を制御する。ウエストに対して相対的な垂直位置を変更すると、各ステップでビームサイズを修正する効果がある。これは、固定ビーム径に関する焦点面の制御に類似する。
【０１９８】
以下、本発明の特徴を要約する。
【０１９９】
マルチステップレーザ加工プロセスによって、半導体及び絶縁材料に高品質のマイクロビア構造を生成すること。
【０２００】
マイクロビア構造の内壁形態構造及び材料組成の制御を可能にする、制御された気体環境によって、半導体及び絶縁材料に高品質のマイクロビア構造を作成すること。
【０２０１】
制御された気体環境とマルチステップレーザ加工プロセスとの両方によって、半導体及び絶縁材料に高品質のマイクロビア構造を作成すること。
【０２０２】
加工ステップ当たりの、レーザパルスエネルギ、レーザパルス間隔及びレーザパルス数は、基板の、光学的、熱的及び機械的特性、レーザタイプ、基板内における深さに基づいて選択される。
【０２０３】
レーザ加工中、マイクロビア構造の内壁上における、制御された酸化物の成長を促進するため、制御された量の酸素または酸素含有気体が気体反応チャンバで使用される。
【０２０４】
レーザ加工中、マイクロビア構造の内壁上における酸化物層の成長を抑制するため、制御された量の不活性気体が気体反応チャンバで使用される。
【０２０５】
気体は、加工レーザビームの存在下における光または熱解離時に、加工される基板のエッチング剤である副産物を生成し、そうして、マイクロビア構造の、より清浄な加工、マイクロビア入り口及び出口と内壁とにおけるデブリ低減が可能になる。
【０２０６】
反応種の堆積を防止する、材料除去を引き起こすレーザの副産物と当然反応する気体。
【０２０７】
基板材料内の熱負荷の制御にマルチステップレーザ加工プロセスが用いられ、そうして、クラック及びマイクロビアの内壁の損傷をもたらす熱衝撃が防止される。
【０２０８】
１００ミクロンを超える直径のマイクロビア構造は、一連の同心円を構成するパターン内においてレーザビームのスキャニングを行うことによって加工される。
【０２０９】
１００ミクロンに満たない直径のマイクロビア構造は、基板表面の固定位置に保持されるレーザビームを用いて加工される。
【０２１０】
マイクロビア構造の加工中、自動化されたビームテレスコープを用いて、内側側壁の輪郭をはっきり示すため、レーザビームの焦点スポットサイズが変更される。
【０２１１】
マイクロビア構造の加工に続いて、レーザビームの焦点スポットサイズが拡大され、それにより、マイクロビアの入口開口を囲む基板表面上のデブリ領域のレーザクリーニングが可能になる。
【０２１２】
マイクロビア構造の内側側壁の輪郭の制御をもたらす、自動化されたビームテレスコープの視準を調整することによって、マイクロビア構造の加工中、基板材料じゅうをレーザ焦点スポットのスキャンが行われる。
【０２１３】
ビームに対してウエハを傾斜させることによって、正確な角度で、傾斜したマイクロビア構造が穿孔される。
【０２１４】
一実施態様においては、非テレセントリックレンズを用いて、基板表面に対して正確な角度でマイクロビアが穿孔され、そうして、基板内のデバイスへのアクセスが可能になり、それにより、積層コンポーネントアーキテクチャが可能になり、コンポーネントの、よりぴったりした幾何学的位置決めも可能になる。
【０２１５】
一連の、傾斜したマイクロビア構造が、基板の片側の共通入り口開口から、基板内部にまたは底部に向かって、同一または異なる深さまで加工され、そうして、マイクロビア構造内への導体材料の挿入に続き、基板表面の共通ポイントと基板の複数ポイントとを電気接続することが可能になる。
【０２１６】
一連の、傾斜したマイクロビア構造が、基板の一方の面から加工されて、基板内部または反対側の面上の共通ポイントにつながり、そうして、マイクロビア構造内への導体材料の挿入に続き、基板内部または他の位置上の共通ポイントと基板表面の複数ポイントとを電気接続することが可能になる。
【０２１７】
基板の両面を電気的に相互接続するため、基板を通るビアがあけられる。
【０２１８】
熱接触及び熱放散を促進するため、ブラインドビアまたは貫通ビアとしてビアがあけられる。
【０２１９】
基板はシリコン材料からなり、絶縁ライニングはＳｉＯ２である。
【０２２０】
レーザビームは、ＶＩＳ‐ＵＶレンジ内の波長を有する。
【０２２１】
発明の応用例
近年、集積化電子部品の製造において重要な開発がなされている。しかし、導波路、光学的な光源及び検出器のようなアイテムの位置決めに関する機械的な要件のために、光学部品の製造自動化が、どのような、意味のある程度にも達成されていない。
【０２２２】
本発明は、そのような部品の製造可能性を単純化するデバイス構造を可能にする。
【０２２３】
例えば、光学部品を、以下によって作成することができる。
【０２２４】
基板を準備すること、
レーザビームを用いて、基板にトレンチのエッチングを行うこと、
光学デバイスをトレンチ内におくこと。
【０２２５】
この方法は、導電体を与えるためにビアのレーザ穿孔を行うステップを含む。それに加えて、基板内のデバイスにアクセスするために、基板表面に対して傾いて穿孔された、傾斜付きビアを加工できることが、積層コンポーネントアーキテクチャを可能にする。このようなの構造の利点は、ウエハまたは基板の一方の面の複数の接続パッドを、そのウエハまたは基板の反対側の面の単一のパッドまたはトレンチに接続できることである。すでに説明したように、このシステムにより、Ｓｉ／ＳｉＯ２または代わりの絶縁ライニングをビア上に形成することが可能となる。
【０２２６】
図１４及び１５を参照すると、光学部品用の基板１０１が図示されている。この基板はシリコン光学ベンチ（ＳｉＯＢ）である。基板１０１は、Ｖ字型グルーブ１０２及びトレンチ１０３,１０４を、光学光源及び関連するペルチェ温度制御素子用に備えている。傾斜したマイクロビア１０５は、レーザ穿孔されて、電気接続のためにトレンチに達している。レーザ穿孔は、取付け穴１０６の形成にも使用される。また、基板の一方側の面から他方にアクセスするため、スルービア（不図示）が基板にあけられる。
【０２２７】
図においては、光ファイバは、番号１０により示されており、そこには、コア１１１及びクラッディング１１２がある。エッチングプロセスを図１７に示すが、そこにはスポットパターン１１６が図示されている。
【０２２８】
角度付き（傾斜付き）ビアの使用によって、依然として必要な電気的接触をさせながら、コンポーネントが上下に配置された積層コンポーネントの積層が可能になる。これにより、コンポーネント密度を増加できる。１つのアーキテクチャは、基板表面上の電気回路と基板本体内の光学デバイスとの収納である。
【０２２９】
レーザビア穿孔の１つの側面は、穿孔パラメータ及び酸素等の気体の適切制御によって、絶縁ライニングが必然的に作られることである。したがって、離散的な絶縁ライニングの追加を要せずに、ビアに充填されるはんだが周囲の半導体材料から絶縁される。この絶縁ライニングの厚さは、レーザパラメータ及び気体環境の適切な制御によって制御可能である。一実施態様においては、レーザビームがＵＶまたは可視光、たとえば３５５ｎｍ／２６６ｎｍのＵＶ系及び５３２ｎｍのグリーンレーザ系であり、１ｋＨｚよりも大きな反復周波数を有する。
【０２３０】
図２０〜２２を参照すると、傾斜付きビアの穿孔を行う方法が図示されている。図２０及び２１に示されているように、非テレセントリックレンズを用いて、ガルバノメータレーザヘッドからの出力を導く。
【０２３１】
図２２を参照すると、代替方法は、傾斜ステージを用いて適切な角度に傾斜させる。焦点深度が確実に適正であるためにウエハの高さを調節する必要が生じることもある。しかし、ビアが形成される特定ポイントに関してウエハを傾斜できる場合には、この高さ調整が不要になることもある。すなわち、必要な深さ変化は、単純に、傾きポイントからビアまでの距離と、そのビアに必要な角度を９０°から引いた角度の正弦とをかけたものである。
【０２３２】
図１４〜１９を再び参照すると、入口がウエハのトップにあり、レーザが配置されたチャンバ内にでる、傾斜したビアが示されている。レーザは、その側方において、電気的な接続が可能である。サーミスタ用にレーザ下方のチャンバが作られ、システム全体はペルチェ上に配置される。レーザがチャンバ内に配置された後、レーザとの安全かつ完全な接触を、それに損傷を生じさせずに確保するトレンチ内に、適切な電気的材料が配置される。レーザチップを安定に維持する補助となる適切な電気的材料付きの「グラウンド」トレンチをチャンバの右側に配置することもできる。
【０２３３】
穿孔及びエッチングのためのレーザ光源は、高パルスエネルギ及びナノ秒のパルス幅を伴って作動する２次及びより高次の高調波固体レーザである。より短いパルス幅のレーザを用いて本発明を実施することは可能であるが、本発明の高スループット側面の中核は、高反復レートでレーザが作動しなければならないことである。
【０２３４】
以下、本発明の有利な特徴を示す。
【０２３５】
たとえばＮｄ：Ｙａｇ周波数３逓倍または４逓倍レーザを用いたレーザアブレーションによる、光ファイバのアライメントに使用される光集積チップ（ＩＯＣ）上におけるＶ字グルーブの形成。ＳｉＯＢが対象となる場合には、３５５ｎｍ及び２６６ｎｍが特に有用である。ＬｉＮｂＯ３及び絶縁基板が用いられる場合には、２６６ｎｍ（または４次高調波）が好ましい選択肢である。
【０２３６】
たとえばレーザダイオードチップまたはフォトダイオードチップのアライメント及び／またはハウジング用のコンポーネントスロットまたはトレンチの、レーザアブレーションによる形成は、ブラインドビアの例を表す。
【０２３７】
一方側から他方側までウエハをずっと突き抜けた電気的接触を可能にするために、レーザアブレーションによる、光集積チップ（ＩＯＣ）上におけるスルービアの形成。
【０２３８】
ビアが、通常、ウエハの上部（または底部または側部）から開始してトレンチ内に出るところに、傾斜または角度付きスルービアの、レーザアブレーションによる形成であって、トレンチ内に配置される特定部品に対する正確な電気的接続を可能にする形成。シリコンの場合、特定セットのレーザパラメータを用いて、ビア側壁の組成が、シリコン酸化物のようなガラスからなるように制御されてもよい。気体の有無及びレーザパラメータによって、この酸化物の組成及び構造がさらに制御されてもよい。たとえば、アブレーション反応から酸素を除去すると、ＳｉＯ２の量が減少する。
【０２３９】
別の実施態様においては、マイクロビアによって、光導波路貫通接続の形成が可能である。この導波路構造は、クラッディングとコア領域とによって定義される。この例においては、ガラス状の層がビア内側の側壁上に形成されるように、レーザ加工パラメータ及び気体環境を制御することによってクラッディングが部分的に形成される。この光導波路は、その後、光導波路スルービアを形成するために十分な高透過性を有するプラスチックまたはガラスをビア内に充填して形成される。
【０２４０】
発明の応用例
傾斜したビアは、ダイのサイズ縮小のため、特に、能動素子とパッドとを同じ面に有し、パッドと素子とによって使用される、匹敵するダイ面積を有するダイの場合に有用である。これは、素子が少数のＩ／Ｏ接続を有する、これらの場合に特に注目されるが、パッドの大半がダイのエッジにある場合（エッジ‐リード・ダイ）、より多くのＩ／Ｏ接続を有するダイにもなお有効である。
【０２４１】
本発明の一実施態様においては、ダイの一方の面上に、デバイスは、その位置をほぼ型彫り面の中央において存在する（図２３参照）。Ｉ／Ｏは、このデバイスの周囲に分散されている。ビアは、素子上の接触位置から一連のパッドに向けて穿孔される。図２３Ａのように、素子からダイのエッジに向かって外方に広がるパットを使用する代わりに、ビアを金属化（または、他の方法で導体路化）して、図２３Ｂのように、パッドをダイの裏側に配置する。ビアの角度によって、ダイの裏側の中心に対して様々にＩ／Ｏを配置することが可能になり、ダイの裏側に均一分布できるようになっている。
【０２４２】
デバイスは、ウエハのおもて面上の特徴になるだけであるから、ダイサイズが著しく（これまでボンディングパッドによって占められていた面積の分）縮小される。これは、より小さいダイ及びより小さいパッケージサイズを可能にするだけでなく、ウエハ製造中に同一ウエハ上により多くのダイを作成することを可能にする。これらのうち最初の利点は、主として製品の特徴の利点（より小さいダイ、より小さい、最終デバイスで無駄なリアルエステート）であるが、後の利点は、これらのデバイスを作るウエハ製造でかかる製造コストを著しく削減する可能性を有する（同数のダイをより少ないウエハ上に作成することができる）。
【０２４３】
この例に特有の本発明の別の実施態様においては、特に能動素子からのＩ／Ｏ接続数が少ない場合、ビアは、必ずしも傾斜していることを要しない。この場合、素子上の接触部位から、ダイの裏側に配置されるパッドまで、ストレートビアが加工される。ダイの中心に向かってパターン化することができる、ダイの底部側のパッドに、ダイのエッジにあるビアが接続され、そうして、ダイの上部から底部に能動素子の有効域が維持され、それによって、ウエハの表側の能動素子数を増加させることができる。
【０２４４】
本発明のさらに別の実施態様においては、ダイ上のＩ／Ｏ接続の再分配に角度付きビアが有用となり得る。通常のバンプ付きダイにおいて、Ｉ／Ｏ接続のおよそ１／３が電源用またはグラウンド用である。これらのリードがパッケージの外に出るとき、すべてのグラウンドがともに接続され、また、すべての電源リードが接続される。信号リードだけが独立に維持されればよい。このため、傾斜したビアによってまったく新しいアプローチが可能になる。ウエハの裏側にバンプが形成される場合、グラウンド及び／または電源リードは、パッド自身で接続され得る。この技術においては、傾斜したビアは、バンプから、種々の方向に、それらの軌道の面内部品に関して向いている（図２４参照）。これにより、ウエハ裏側の１つのバンプを、ウエハのおもて側の複数の接点に接続することができる（たとえば、４つのグラウンド接点用の１つのパッドが実現可能である）。
【０２４５】
本発明は、説明した実施態様に限定されず、構成及び詳細が変更されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０２４６】
【図Ａ】従来技術を説明するための図である。
【図Ｂ】従来技術を説明するための図である。
【図１】本発明に係るスルービアのレーザ穿孔を示した図である。
【図２】制御された気体環境内でビア穿孔に使用されるレーザ加工システムを示した図である。
【図３】マルチステップレーザプロセスを用いた複数ビアの穿孔ステップを示した図である。
【図４】変数ΔｔＲＲ、ＮＴ＿Ｄｅｌａｙ及びＴ＿Ｄｅｌａｙを示したレーザパルス列のプロットである。
【図５】図５(ａ)は、ガルバノメータの視野と等しい面積の矩形にさらに分割されたウエハの平面図であり、図５(ｂ)は、ｄ１、ｄ２及びｄ３がビア構造間の距離である、通常のガルバノメータの視野を示した図５(ａ)の拡大図である。
【図６】アブレーション深度対レーザパルス数のプロットである。
【図７】マルチステッププロセスを使用する多層基板の連続層への穿孔を示した図である。
【図８】スルービアを完成する、基板両面からの穿孔を示した図である。
【図９】縦断面図が描かれたビア内側側壁を達成するための、基板両面からのマルチステップレーザ加工プロセスを示した説明図である。
【図１０】レーザ穿孔用の光学パラメータを示した図である。
【図１１】レーザ穿孔用の光学パラメータを示した図である。
【図１２】レーザ穿孔用の光学パラメータを示した図である。
【図１３】レーザクリーニングのために、焦点を外したレーザビームがあてられるビア周囲エリアを示した図である。
【図１４】本発明の光電子部品の基板を示した一組の図である。
【図１５】基板の上面を詳細に示した斜視図である。
【図１６】光ファイバ用のＶ字形グルーブの形成を示した図である。
【図１７】光ファイバ用のＶ字形グルーブの形成を示した図である。
【図１８】光ファイバの斜視図である。
【図１９】ビアをより詳細に示した斜視図である。
【図２０】傾斜したビアの穿孔を示した図である。
【図２１】傾斜したビアの穿孔を示した図である。
【図２２】傾斜したビアの穿孔を示した図である。
【図２３】（Ａ）は、ダイの、能動素子と同じ側上のパッド及びはんだボールの従来配置を示した図、（Ｂ）は、レーザ加工されたマイクロビア構造を用いてアクセスされる、ウエハの裏側面上のパッド及びはんだボールの再配置を示した図である。
【図２４】ウエハの底部上の共通グラウンドまたは共通電源ポイントへの、能動素の４つのＩ／Ｏポイントの接続を示した図である。
【図Ａ】
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【図Ｂ】
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【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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