(57)【要約】  それぞれのパルスが、波長、パルスエネルギー、パルス間時間間隔、パルス幅又はパルス形状を含む１以上の所定のパルス特性により特徴付けられるレーザパルスの系列が材料に孔を形成するために提供される。材料に孔を形成することは、孔が形成される位置にレーザパルススポットの系列を配置することによって達成される。系列内の１以上のレーザパルスの１以上の特性は、孔の穿孔プロセスを最適化するために変更される。穿孔プロセスを最適化するためにパルスの系列内の１以上のレーザパルスの特性を変更できることにより、所望の属性の孔及び高い穿孔速度が得られる。
2013529137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザパルスを使用して材料に孔を形成する方法であって、
それぞれのレーザパルスが、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、第１のパルス形状、第１の波長、及び第１のパルス間時間間隔により特徴付けられる第１組のレーザパルスを提供し、
それぞれのレーザパルスが、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、第２のパルス形状、第２の波長、及び第２のパルス間時間間隔により特徴付けられる第２組のレーザパルスを提供し、前記第２のパルスエネルギーが前記第１のパルスエネルギーと異なる、前記第２のパルス幅が前記第１のパルス幅と異なる、前記第２のパルス形状が前記第１のパルス形状と異なる、又は前記第２の波長が前記第１の波長とは異なる、のうち少なくとも１つに該当し、
前記第１組のレーザパルスをレーザスポットに当たるように方向付け、
前記第２組のレーザパルスを前記レーザスポットに当たるように方向付け、
前記材料に前記孔を形成する、
方法。
【請求項２】
前記複数のレーザパルスが、単一のレーザによって提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の波長が前記第２の波長に等しい、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の波長及び前記第２の波長が１０６４ｎｍである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１組のレーザパルスの最後のパルスと前記第２組のレーザパルスの最初のパルスとの間の時間が、前記第１のパルス間時間間隔又は前記第２のパルス間時間間隔のうち大きい方の５倍未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
さらに、
前記第１組のレーザパルスを提供する前に、前記第１のパルスエネルギー、前記第１のパルス幅、及び前記第１のパルス形状を決定し、
前記第２組のレーザパルスを提供する前に、前記第２のパルスエネルギー、前記第２のパルス幅、及び前記第２のパルス形状を決定し、前記第２のパルスエネルギーが前記第１のパルスエネルギーに等しくない、前記第２のパルス幅が前記第１のパルス幅に等しくない、又は前記第２のパルス形状が前記第１のパルス形状と同一ではない、のうち少なくとも１つに該当する、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
さらに、
前記第１組のレーザパルスを提供する前に、前記第１の波長及び前記第１のパルス間時間間隔を決定し、
前記第２組のレーザパルスを提供する前に、前記第２の波長及び前記第２のパルス間時間間隔を決定する、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記材料が半導体又はシリコンのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の波長又は前記第２の波長の少なくとも１つが１０６４ｎｍ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のパルス幅が前記第２のパルス幅に等しく、前記第１のパルス形状が前記第２のパルス形状と同一である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のパルスエネルギーが前記第２のパルスエネルギーと同一であり、前記第１のパルス形状が前記第２のパルス形状と同一である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のパルスエネルギー及び前記第２のパルスエネルギーが、それぞれ０．０５ｍＪより高く２ｍＪよりも低い、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のパルス幅及び前記第２のパルス幅が、それぞれ２０ｎｓより大きく５０００ｎｓよりも小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１組のレーザパルスの最後のパルスと前記第２組のレーザパルスの最初のパルスとの間の時間が、前記第１のパルス間時間間隔と実質的に同一である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１組のレーザパルスの最後のパルスと前記第２組のレーザパルスの最初のパルスとの間の時間が、前記第２のパルス間時間間隔と実質的に同一である、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
それぞれが波長により特徴付けられる光パルスの系列を用いて材料に孔を形成する方法であって、
第１組のパルスとして１以上の第１の光パルスを提供し、前記第１の光パルスのそれぞれは、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、及び第１のパルス形状により特徴付けられ、
第２組のパルスとして１以上の第２の光パルスを提供し、前記第２の光パルスのそれぞれは、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、及び第２のパルス形状により特徴付けられ、
第３組のパルスとして１以上の第３の光パルスを提供し、前記第３の光パルスのそれぞれは、第３のパルスエネルギー、第３のパルス幅、及び第３のパルス形状により特徴付けられ、
前記第１組のパルスをある位置で前記材料に当たるように方向付け、
前記第２組のパルスを前記位置で前記材料に当たるように方向付け、
前記第３組のパルスを前記位置で前記材料に当たるように方向付け、
前記位置で前記材料に前記孔を形成する、
方法。
【請求項１７】
さらに、
前記第１組のパルスを提供する前に、前記第１のパルスエネルギー、前記第１のパルス幅、及び前記第１のパルス形状を決定し、
前記第２組のパルスを提供する前に、前記第２のパルスエネルギー、前記第２のパルス幅、及び前記第２のパルス形状を決定し、
前記第３組のパルスを提供する前に、前記第３のパルスエネルギー、前記第３のパルス幅、及び前記第３のパルス形状を決定し、前記第２のパルスエネルギーが前記第１のパルスエネルギーに等しくない、前記第２のパルス幅が前記第１のパルス幅に等しくない、又は前記第２のパルス形状が前記第１のパルス形状と同一ではない、のうち少なくとも１つに該当する、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２のパルスエネルギーが前記第３のパルスエネルギーに等しくなく、前記第２のパルス幅が前記第３のパルス幅に等しくなく、又は前記第２のパルス形状が前記第３のパルス形状と同一ではない、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記材料が少なくとも半導体又はシリコンである、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のパルスエネルギーが０．０５ｍＪから２ｍＪの間であり、
前記第２のパルスエネルギーが０．０５ｍＪから２ｍＪの間であり、
前記第３のパルスエネルギーが０．０５ｍＪから２ｍＪの間である、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のパルス幅が２０ｎｓから５μｓの間であり、
前記第２のパルス幅が２０ｎｓから５μｓの間であり、
前記第３のパルス幅が２０ｎｓから５μｓの間である、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
レーザパルスの系列を用いて材料に複数の孔を形成する方法であって、
第１の波長、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、及び第１のパルス形状により特徴付けられる第１組のレーザパルスと、第２の波長、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、及び第２のパルス形状により特徴付けられる第２組のレーザパルスとを含む前記レーザパルスの系列を提供し、前記第１の系列のレーザパルスは、波長、パルスエネルギー、パルス幅、又はパルス形状のうちの少なくとも１つにおいて前記第２の系列のレーザパルスと異なっており、
前記第１組のレーザパルスの第１のパルスを第１の穿孔位置で前記材料に当たるように方向付け、
前記第１組のレーザパルスの後続のパルスを後続の穿孔位置で前記材料に当たるように方向付け、
前記第２組のレーザパルスの第１のパルスを前記第１の穿孔位置で前記材料に当たるように方向付け、
前記第２組のレーザパルスの後続のパルスを前記後続の穿孔位置で前記材料に当たるように方向付ける、
方法。
【請求項２３】
第３の波長、第３のパルスエネルギー、第３のパルス幅、及び第３のパルス形状により特徴付けられる第３組のレーザパルスを提供し、前記第３の系列のレーザパルスは、波長、パルスエネルギー、パルス幅、又はパルス形状のうちの少なくとも１つにおいて少なくとも前記第１の系列のレーザパルス又は前記第２の系列のレーザパルスと異なっており、
前記第３組のレーザパルスの第１のパルスを前記第１の穿孔位置で前記材料に当たるように方向付け、
前記第３組のレーザパルスの後続のパルスを前記後続の穿孔位置で前記材料に当たるように方向付ける、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第３の系列のレーザパルスは、パルス幅において少なくとも前記第１の系列のレーザパルス又は前記第２の系列のレーザパルスと異なっている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第３の系列のレーザパルスは、パルス形状において少なくとも前記第１の系列のレーザパルス又は前記第２の系列のレーザパルスと異なっている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記第３の系列のレーザパルスは、パルスエネルギーにおいて少なくとも前記第１の系列のレーザパルス又は前記第２の系列のレーザパルスと異なっている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の系列のレーザパルスは、パルス幅において前記第１の系列のレーザパルスと異なっている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の系列のレーザパルスは、パルス形状において前記第１の系列のレーザパルスと異なっている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２の系列のレーザパルスは、パルスエネルギーにおいて前記第１の系列のレーザパルスと異なっている、請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
レーザパルスの系列を用いて材料に孔を形成する方法であって、
第１の波長、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、及び第１のパルス形状により特徴付けられる第１のレーザパルスと、第２の波長、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、及び第２のパルス形状により特徴付けられる第２のレーザパルスと、第３の波長、第３のパルスエネルギー、第３のパルス幅、及び第３のパルス形状により特徴付けられる第３のレーザパルスとを備えるレーザパルスの系列を提供し、前記第１のレーザパルスは、波長、パルスエネルギー、パルス幅、又はパルス形状のうちの少なくとも１つにおいて前記第２のレーザパルスと異なっており、前記第３のレーザパルスは、波長、パルスエネルギー、パルス幅、又はパルス形状のうちの少なくとも１つにおいて前記第１のレーザパルス又は前記第２のレーザパルスのうちの少なくとも１つと異なっており、
前記第１のレーザパルスをある穿孔位置で前記材料に当たるように方向付け、
前記第２のレーザパルスを前記穿孔位置で前記材料に当たるように方向付け、
前記第３のレーザパルスを前記穿孔位置で前記材料に当たるように方向付け、
を含む方法。
【請求項３１】
さらに、
前記レーザパルスの系列の後続の組を提供し、
後続の穿孔位置に前記レーザパルスの系列の前記後続の組を方向付ける、
請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第３のレーザパルスは、パルス幅において少なくとも前記第１のレーザパルス又は前記第２のレーザパルスと異なっている、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記第３のレーザパルスは、パルス形状において少なくとも前記第１のレーザパルス又は前記第２のレーザパルスと異なっている、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記第３のレーザパルスは、パルスエネルギーにおいて少なくとも前記第１のレーザパルス又は前記第２のレーザパルスと異なる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記第２のレーザパルスは、パルス幅において前記第１のレーザパルスと異なっている、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
前記第２のレーザパルスは、パルス形状において前記第１のレーザパルスと異なっている、請求項３０に記載の方法。
【請求項３７】
前記第２のレーザパルスは、パルスエネルギーにおいて前記第１のレーザパルスと異なっている、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１０年５月４日に出願された米国仮特許出願第６１／３３１，２４２号に基づく優先権を主張し、その開示は参照によりその全体があらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。
【０００２】
Ｎｄ：ＹＡＧなどのパルスレーザ源は、マーキング、エングレービング、微細加工、及び切断のような用途のためのレーザをベースにした材料加工を行うために用いられてきた。１パルスあたり０．５ｍＪより大きいパルスエネルギーによって特徴付けられる多くの既存の高パワーパルスレーザは、光パルスを生成するためにＱ−スイッチングやモード同期などの手法に依存している。しかしながら、そのようなレーザは、空洞形状や鏡面反射率などにより予め決められた特性を有する光パルスを生成する。したがって、そのようなレーザパルスは、一般に、レーザの性能を損なわずに現場で変えることができない。そのようなレーザを用いると、一般に、可変パルス特性の有効範囲を得ることが難しい。
【０００３】
したがって、当該技術分野においては、パルスレーザ源及びかかるパルスレーザ源のための用途に関連する、改良された方法及びシステムが必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、一般に材料のレーザ加工に関する。さらに詳細には、本発明は、レーザ加工用途において加工品質を改善しスループットを高めるために特に属性が決定されたレーザパルスの系列を用いる方法及び装置に関するものである。また、本発明は、レーザパルスの系列を用いて様々な材料に孔を形成することに関するものでもある。ただし、本発明は、より広い適用可能性を有しており、他の用途や材料にも適用できる。
【０００５】
Ｎｄ：ＹＡＧなどのパルスレーザ源は、マーキング、エングレービング、微細加工、切断、及び穿孔などの用途のためのレーザをベースにした材料加工を行うために用いられてきた。レーザが一般に使用されるそのようなプロセスの１つは、材料に小孔を形成することである。これらの小孔は「ビア」と呼ばれることがある。これらの孔は、材料を完全に貫通する貫通孔であることもあれば、一方の側で開始するが、材料の内部のある点で終了する止まり孔であることもある。レーザは、例えばシリコンのような半導体、銅のような金属、シリカのようなセラミックス、ガラス、及び他の多様な材料を含む種々の材料に孔を形成するために使用することができる。また、レーザは、例えば誘電体と銅とが交互に層をなす電気回路基板などの異なる材料の複数の層からなる試料に孔を形成するためにも使用される。
【０００６】
レーザを使用して試料に孔を形成するための１つの手法はパーカッションドリルである。パーカッションドリルでは、レーザからの１以上の光のパルスが、孔を形成しようとしている材料の位置にその焦点が合わされ、結像され、又は方向付けられる。その材料にその焦点を合わされ、結像され、又は方向付けられた光は、ここではレーザスポットと呼ばれるスポットを形成する。各パルスは、所望の深さに孔が達するまで、あるいは孔が材料を完全に貫通するまで、一部の材料を取り除く。パーカッションドリルに使用されるレーザは、典型的には、等しいエネルギー及び繰返し率の連続したレーザパルスを送る（系列内の各パルスは、先行するパルス及び後続のパルスから時間的に等しく離れている）。パーカッションドリルを用いて複数の孔を形成するとき、レーザパルスを材料に送ることができる３つの方式が名目上存在する。これらの方式には、（ｉ）第１の孔が完成するまで第１の系列のパルスを第１の孔に方向付け、次いで第２の孔が完成するまで第２の系列のパルスを方向付け、以降すべての孔が完成するまで同様に行う方式と、（ｉｉ）第１の孔に第１のパルスを方向付け、次いで第２の孔に第２のパルスを方向付け、次いで第３の孔に第３のパルスを方向付け、以降それぞれの孔に１つのパルスが方向付けられるまで同様に行い、その後すべての孔が完成するまでこの系列を繰り返す方式と、（ｉｉｉ）第１の孔に第１の系列のパルスを方向付け、次いで第２の孔に第２の系列のパルスを方向付け、以降パルスの系列がそれぞれの孔に方向付けられるまで同様に行い、その後すべての孔が完成するまでこれらの系列を繰り返す方式がある。方式（ｉ）は、単一パス穿孔プロセスと呼ばれ、方式（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）は複数パスプロセスと呼ばれる。レーザからの１つのパルスだけで非常に薄い材料を貫通する孔を形成することができる場合もあるが、典型的には、レーザ穿孔は２以上のレーザパルスの系列を必要とする。
【０００７】
レーザは穿孔に対して数多くの利点を有している。レーザビームの焦点を非常に小さいスポットに合わせて小孔を形成し、それぞれの孔を非常に早く形成することができる。レーザ穿孔は、レンズや鏡、その他の方向付け手段を含む光学系を使って離れたところからレーザビームを方向付けることができ、あるいは、試料自体を移動させることができる非接触プロセスである。そのような方向付け手段は、ビームの再位置決めを１秒に何回も行うことができるように、コンピュータ制御され得る。したがって、短い期間内にレーザを使用して多くの孔を形成することができる。パルスエネルギー、パルス幅（パルス長とも呼ばれる）、時間的パルス形状、ピークパワー、平均パワー、繰返し率などのレーザのパラメータは、典型的には、所望の用途に対して最も望ましい孔属性を得るのに最適な値となるように選択される。多くのレーザについては、通常、レーザのパラメータは広範囲にわたって調整することもできなければ、互いに独立して調整することもできないので、これは、用途ごとに異なるレーザを選択することを意味することが多い。
【０００８】
レーザパラメータには、パルス間の時間間隔を決定するパルス繰返し率が含まれる。多くのレーザについては、繰返し率が変化すると、パルスエネルギーも変化することとなる。このパルスエネルギーの変化は、形成されている孔の質やスループット、その他の特性に影響を与えることがある。ただし、パルス間の間隔自体は、多くの場合、パルス間の間隔が変更してしまった場合に同時に生じるパルスエネルギーの変化ほど重要ではない。したがって、多くの場合、複数の孔を形成する際にはある程度の柔軟性があり、孔を形成するためにパルスの系列が必要とされる場合に、レーザパルスの他のパラメータを所望のものにできるのであれば、個々のパルス間の実際の時間間隔は関係ないことがあり得る。Ｘ個のパルスのＮ個の系列をＮ個の孔に送ることができる順列は膨大な数あり、任意の１つの特定の孔に方向付けられる系列の個々のパルス間の時間間隔は、それらの順列の一部において非常に不規則になることがあることは、当業者であれば理解できるであろう。
【０００９】
パルスレーザを用いて孔を形成する一例は、シリコンウェハにおけるスルービアの穿孔である。シリコンウェハにおけるビアホールの必要とされる直径は５μｍと小さいことがあり、場合によっては（例えば太陽電池など）、毎秒数百個のスルービアを形成することが必要とされるため、レーザはこの特定の用途において好都合である。ほとんどの場合、シリコンウェハにおけるビアのレーザ穿孔は、電子機器を作るための製造プロセスにおける１つの工程である。このプロセスの他のステップは、多くの場合、ビアホールが筒形状又はテーパ形状など所定の形状を有し、側壁が平滑であり、切溝が孔入口で最大高さを有し、孔入口近傍でのデブリ及び残留物が最小限に抑えられるなどといった品質要件、及び他の特定の要件をビアホールに対して課す。これらの品質要件を満たすために、特定の用途に適するように、最適なパルスエネルギー、パルス幅、パルス繰返し率、ピークパワー又はピークエネルギー、及び時間的パルス形状をはじめとするレーザパルスの最適特性を予め決定し、選択することができることが望ましい。
【００１０】
１パルスあたり０．１ｍＪより大きいパルスエネルギーによって特徴付けられる多くの既存の高パワーパルスレーザは、光パルスを生成するためにＱ−スイッチング及びモード同期などの手法に依存している。そのようなレーザは、空洞形状や鏡面反射率などによって予め決められた特徴を有する光パルスを生成する。そのようなレーザを用いると、一般には、手元の用途のために最適のパルス幅又はパルス形状を得ることが難しい。同様に、パルスの系列の中間系列でパルスエネルギーや繰返し率などのレーザパルスの１以上の特性を変更すると、スーパーパルスと呼ばれるパルスエネルギーの突然の増加や系列内の数多くのパルスに対する間欠パルスエネルギー変動などの望ましくない摂動につながることがある。したがって、多くの場合、孔のレーザ穿孔は欠点を有している。
【００１１】
本発明は、レーザパルスの系列を用いて材料に孔を形成するための方法に関し、その孔に対する穿孔プロセスを最適化するために、１以上のレーザパルスの１以上の特性がその系列内で変更される。図１に模式的に示されている一実施形態においては、材料に孔を形成するためにレーザパルスの系列Ｓ１が提供され、ここで系列Ｓ１は、パルス間時間間隔がＴ１でエネルギーＥ１の多数のパルスを含み、その後にパルス間時間間隔Ｌ１が続き、その後にパルス間時間間隔Ｔ２でエネルギーＥ２のさらに多くのパルスが続く。値Ｅ１、Ｅ２、Ｌ１、Ｔ１、Ｔ２の選択は、孔を形成する速度だけではなく孔の所定の重要な特性を最適化するために予め決定しておいてもよい。本発明の他の実施形態では、材料に孔を形成するためにレーザパルスの系列が提供され、そのレーザパルスの系列は、穿孔プロセスを最適化するために予め決定された、異なるエネルギー又はパルス間時間間隔又はパルス幅又はパルス形状を有するパルスを含んでいてもよい。パルス幅は、光パルスの半値全幅ＦＷＨＭとして定義される。孔を形成するためのパルスの系列における各パルスに対して選択される特徴は、系列内の各パルスの特性が系列内の他のすべてのパルスの特性と同一であるパルスの系列を用いて得られる結果と比較して、形成された孔及び孔の穿孔速度の改善された特性を提供するために予め決定される。
【００１２】
ここに記載されている本発明の実施形態は、孔のレーザ穿孔において数多くの利点をもたらす。図２ａは、レーザによりシリコンウェハに形成されたビアホールの概略断面図を示す。材料に形成された孔は、多くの属性により特徴付けることができる。例えば、ビアホールは、入口及び出口がほぼ等しい寸法を有する筒形状を有していてもよい。あるいは、ビアホールは、図２ａに示されるように入口が出口よりも大きいテーパ形状を有していてもよい。本発明の実施形態においては、パルスの系列を使用して孔を形成し、これにより、結果として生じる孔の形状が特定のテーパ状プロファイルを有するように、エネルギー及びパルス間時間間隔を含む１以上のパルス特性が系列内の１以上のパルスについて変更される。同様に、本発明のさらなる実施形態においては、パルスの系列が提供され、これにより、結果として生じる孔の形状が特定の筒形状をしたプロファイルを有するように、エネルギー及びパルス幅を含む１以上のパルス特性が系列内の１以上のパルスについて変更される。本発明のさらなる実施形態においては、パルスの系列が提供され、これにより、孔出口の形状が滑らかな端縁を有する円形となり、孔の側壁は滑らかになるように、エネルギー、パルス間時間間隔、パルス幅、及び時間的パルス形状を含む１以上のパルス特性が変更される。レーザ穿孔は、本来アブレーションを起こしやすいので、孔入口のすぐ近隣の表面は、切溝と呼ばれる基板に付着した盛り上がった材料の領域を有することがある。孔の入口の近くの表面上に飛散して、基板に付着するか、あるいは付着されないで残っているデブリや残留物が生じることがある。本発明の他の実施形態では、爆発的アブレーション効果を低減するように系列内の最初の所定数のパルスの特性を選択し、孔がシリコンウェハの内部で深くなるにつれて穿孔速度が上がるように系列内の後続のパルスを選択し、その結果として、孔のデブリや残留物、切溝は削減され、系列内の各パルスの特性が変更されないままであるときに得られる孔と比較して孔を形成する速度が速くなるように、パルスの系列が提供され、材料に孔を形成する。シリコンウェハに孔を形成するプロセスにおいては、パルス特性が系列を通してすべて同一であるパルスの系列を使用するのではなく、各パルスの特性が穿孔プロセスを最適化するように予め決められているパルスの系列を使用することによって、形成される孔の品質及び製造される装置の信頼性において大きな改善が得られ、また穿孔速度の大幅な改善が得られ、これにより製造の次の段階に送ってもよい装置の数である歩留まりにおいても大きな改善が得られる。
【００１３】
本発明の他の実施形態においては、レーザシステムは、材料に孔を形成するためにレーザパルスの系列を生成し、材料における穿孔を最適化するために系列内の１以上のパルスの１以上の特性を変更する。パルスレーザ源は、シード信号を発生させるように適合されたシード源と、シード源に結合された第１のポートと第２のポートと第３のポートとを有する光サーキュレータを含んでいる。また、パルスレーザ源は、整形された電気波形を生成するように適合された変調器ドライバと、変調器ドライバに結合され、整形された電気波形を受け入れるように適合された振幅変調器とを含んでいる。振幅変調器は、光サーキュレータの第２のポートに結合された第１の側と第２の側により特徴付けられている。パルスレーザ源は、入力端及び反射端により特徴付けられる第１の光増幅器をさらに含んでいる。入力端は、振幅変調器の第２の側に結合される。さらに、パルスレーザ源は、光サーキュレータの第３のポートに結合される第２の光増幅器を含んでいる。
【００１４】
Ｎ個の孔を形成するために、レーザシステムは、Ｎ個の所定の系列Ｓ1，Ｓ2，．．．ＳNのレーザパルスを提供し、それぞれの系列間の時間間隔を十分に長くして、孔が形成されている試料のある領域から次の孔が形成されることになる試料の隣接する領域にレーザビームを位置決めし直すことを可能にしている。シリコンウェハなどの均一な材料に同一の孔を形成するように設計された特定の実施形態においては、形成されるそれぞれの孔を他のそれぞれの孔とほぼ同一にすべく、パルスの各系列が他のそれぞれの系列と同一となるように、レーザシステムがレーザパルスの系列を生成するように提供される。レーザシステムは、形成されるそれぞれの孔にレーザビームを照射し、穿孔プロセスを制御するための手段を含む加工システムに含まれる。シリコンウェハなどの均一な材料に同一の孔を形成するように設計された特定の実施形態においては、形成されるそれぞれの孔が、他のそれぞれの孔とほぼ同一であり、かつ所定の好ましい特性を有するべく、それぞれの系列内の所定のパルスが、同一の系列内の他のレーザパルスと著しくかつ意図的に異なるレーザパラメータを有するように、レーザシステムがレーザパルスの系列を生成するように提供される。レーザシステムは、形成されるそれぞれの孔にレーザビームを照射し、穿孔プロセスを制御するための手段を含む加工システムに含まれる。シリコンウェハなどの均一な材料にＮ個の異なる孔を形成するように設計された特定の実施形態においては、形成されるＮ個の孔のうち所定のものが、ウェハ内の他の孔の特性とは異なる所定の好ましい特性を有するべく、１以上の系列内の所定のパルスが、同一の系列内の他のレーザパルスと著しくかつ意図的に異なるレーザパラメータを有し、かつ、所定の系列は他の系列内に含まれているものと異なるレーザパラメータを有するパルスを含むように、レーザシステムがＮ個の所定の系列のレーザパルスＳ1，Ｓ2，．．．ＳNを生成するように提供される。レーザシステムは、形成されるそれぞれの孔にレーザビームを照射し、穿孔プロセスを制御するための手段を含む加工システムに含まれる。
【００１５】
他の実施形態においては、レーザシステムは、ビーム位置決めシステムを用いてレーザパルスの系列を生成するために提供される。パルス系列Ｓ1の第１のパルスが第１の孔に方向付けられ、次いで系列Ｓ1の第２のパルスが第２の孔に方向付けられ、以降パルス系列Ｓ1内の最後のパルスが最後の孔に方向付けられるまで同様に行われる。その後、パルス系列Ｓ2の第１のパルスが第１の孔に方向付けられ、次いで系列Ｓ2の第２のパルスが第２の孔に方向付けられ、以降パルス系列Ｓ2の最後のパルスが最後の孔に方向付けられるまで同様に行われる。以下、孔のそれぞれにすべての系列のパルスが照射されるまで同様に行われる。全体的なパルスシーケンスにおける任意の２つの連続パルス間の時間間隔は、ビーム位置決めシステムが１つの孔から次の孔へビームを方向付けるのに十分な期間であるが、レーザパルスパラメータを変更するための休止に対する追加の要件はない。同様に、第２のパスが孔ごとに系列Ｓ2からの２個のパルスを含み得ることは言うまでもない。マルチパス穿孔プロセスは、典型的には、例えばそれぞれの孔の途中でまで結像光学系に対して調整が行われるとき、あるいは第２の層を貫通する孔を形成するために第２のパスで異なるレーザが使用される場合に、（それぞれの孔が連続的に形成される）単一パスプロセスの代わりに使用される。上記に概説された２つの簡単な構成以外に、Ｘ個のパルスのＮ個の系列をＮ個の孔に送ることができる数多くの順列があることは、当業者であれば理解できるであろう。本発明の他の実施形態においては、これらの順列のうち１以上のものに対応している。本発明のある実施形態によれば、１つのパルス系列から次のパルス系列にレーザパルスパラメータを変更するためにこのパルスシーケンス中に非常に長い休止は必要とされない。
【００１６】
さらに他の実施形態においては、レーザシステムは、ビーム位置決めシステムを用いてレーザパルスの系列を生成するために提供され、パルスシーケンスＳ1の第１のパルスは第１の孔に方向付けられ、次いでシーケンスＳ2の第１のパルスは第２の孔に方向付けられ、以降パルスシーケンスＳN内の最初のパルスがＮ番目の孔に方向付けられるまで同様に行われる。その後、パルスシーケンスＳ1の第２のパルスは第１の孔に方向付けられ、次いでシーケンスＳ2の第２のパルスは第２の孔に方向付けられ、以降パルスシーケンスＳNの第２のパルスがＮ番目の孔に方向付けられるまで同様に行われる。以下、孔のそれぞれに系列のすべてのパルスＳxが照射されるまで同様に行われる。全体的なパルスシーケンスにおける任意の２つの連続パルス間の時間間隔は、ビーム位置決めシステムが１つの孔から次の孔へビームを方向付けるのに十分な期間である。上記に概説された２つの簡単な構成以外に、Ｘ個のパルスのＮ個のシーケンスをＮ個の孔に送ることができる数多くの順列があることは、当業者であれば理解できるであろう。本発明の他の実施形態では、そのようなすべての順列に対応している。
【００１７】
さらなる実施形態においては、レーザシステムは、Ｎ個の所定の系列Ｓ1，Ｓ2，．．．ＳNを生成するために提供され、それぞれの系列間の時間間隔を十分に長くして、それぞれの孔に対して事前穿孔を行うために、ある孔から次の孔にレーザビームを方向付けし直すことを可能にしている。そして、レーザは、それぞれの孔の穿孔を完了するために、レーザパルスのＮ個の所定の系列Ｒ1，Ｒ2，．．．．．．ＲNを提供することとしてもよい。この実施形態においては、少なくとも１つの系列の少なくとも１個のパルスのレーザパルス特性は、その系列内の他のパルスのレーザパルス特性とは異なっている。レーザシステムは、形成されるそれぞれの孔にレーザビームを方向付け、穿孔プロセスを制御することができる加工システムに含まれる。レーザシステムは、形成されるそれぞれの孔にレーザビームを方向付け、穿孔プロセスを制御するための手段を含む加工システムに含まれる。したがって、これは、例えば異なる材料の２つの層からなる試料に貫通孔を形成するために使用される２ステップ穿孔プロセスである。この２ステップ穿孔プロセスのさらなる実施形態においては、２つの異なるレーザ、すなわち系列Ｓ1，Ｓ2，．．．ＳNを生成する第１のレーザと、系列Ｒ1，Ｒ2，．．．．．．ＲNを生成する第２のレーザを使用してもよい。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、複数のレーザパルスを使用して材料（例えば半導体やシリコンなど）に孔を形成する方法が提供される。この方法は、それぞれのレーザパルスが、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、第１のパルス形状、第１の波長、及び第１のパルス間時間間隔により特徴付けられる第１組のレーザパルスを提供する。また、この方法は、それぞれのレーザパルスが、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、第２のパルス形状、第２の波長、及び第２のパルス間時間間隔により特徴付けられる第２組のレーザパルスを提供し、第２のパルスエネルギーが第１のパルスエネルギーと異なる、第２のパルス幅が第１のパルス幅と異なる、第２のパルス形状が第１のパルス形状と異なる、又は第２の波長が第１の波長とは異なる、のうち少なくとも１つに該当する。さらに、この方法は、第１組のレーザパルスをレーザスポットに当たるように方向付け、第２組のレーザパルスをレーザスポットに当たるように方向付け、材料に孔を形成する。例として、複数のレーザパルスを単一のレーザによって提供することができ、第１の波長が第２の波長と等しくてもよく、第１の波長及び第２の波長が１０６４ｎｍであってもよい。他の実施形態においては、第１の波長又は第２の波長のうち少なくとも１つが１０６４ｎｍ未満である。
【００１９】
一実施形態においては、第１組のレーザパルスの最後のパルスと第２組のレーザパルスの最初のパルスとの間の時間は、第１のパルス間時間間隔又は第２のパルス間時間間隔のうち大きい方の５倍未満である。また、この方法は、第１組のレーザパルスを提供する前に、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、及び第１のパルス形状を決定し、第２組のレーザパルスを提供する前に、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、及び第２のパルス形状を決定してもよく、第２のパルスエネルギーが第１のパルスエネルギーに等しくない、第２のパルス幅が第１のパルス幅に等しくない、又は第２のパルス形状が第１のパルス形状と同一ではない、のうち少なくとも１つに該当してもよい。
【００２０】
一実施形態によれば、第１組のレーザパルスは単一のレーザパルスを含み、第２組のレーザパルスは単一のレーザパルスを含む。第１のパルス幅が第２のパルス幅と等しくてもよく、第１のパルス形状が第２のパルス形状と同一であってもよい。第１のパルスエネルギーが第２のパルスエネルギーと同一であってもよく、第１のパルス形状が第２のパルス形状と同一であってもよい。第１のパルスエネルギー及び第２のパルスエネルギーはそれぞれ０．０５ｍＪより高く２ｍＪよりも低い。第１のパルス幅及び第２のパルス幅はそれぞれ２０ｎｓより大きく５０００ｎｓよりも小さい。第１組のレーザパルスの最後のパルスと第２組のレーザパルスの最初のパルスとの間の時間が、第１のパルス間時間間隔とほぼ同一であってもよい。第１組のレーザパルスの最後のパルスと第２組のレーザパルスの最初のパルスとの間の時間が、第２のパルス間時間間隔とほぼ同一であってもよい。
【００２１】
他の実施形態によれば、この方法は、さらに、第１組のレーザパルスを提供する前に、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、第１のパルス形状、第１の波長、及び第１のパルス間時間間隔を決定し、第２組のレーザパルスを提供する前に、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、第２のパルス形状、第２の波長、及び第２のパルス間時間間隔を決定する。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、それぞれが波長により特徴付けられる光パルスの系列を用いて材料（例えば半導体やシリコンなど）に孔を形成する方法が提供される。この方法は、第１組のパルスとして１以上の第１の光パルスを提供し、第１の光パルスのそれぞれは、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、及び第１のパルス形状により特徴付けられ、第２組のパルスとして１以上の第２の光パルスを提供し、第２の光パルスのそれぞれは、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、及び第２のパルス形状により特徴付けられる。また、この方法は、第３組のパルスとして１以上の第３の光パルスを提供し、第３の光パルスのそれぞれは、第３のパルスエネルギー、第３のパルス幅、及び第３のパルス形状により特徴付けられ、第１組のパルスをある位置で材料に当たるように方向付け、第２組のパルスを当該位置で材料に当たるように方向付け、第３組のパルスを当該位置で材料に当たるように方向付け、当該位置で材料に孔を形成する。
【００２３】
他の実施形態によれば、この方法は、さらに、第１組のパルスを提供する前に、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、及び第１のパルス形状を決定し、第２組のパルスを提供する前に、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、及び第２のパルス形状を決定し、第３組のパルスを提供する前に、第３のパルスエネルギー、第３のパルス幅、及び第３のパルス形状を決定する。第２のパルスエネルギーが第１のパルスエネルギーに等しくない、第２のパルス幅が第１のパルス幅に等しくない、又は第２のパルス形状が第１のパルス形状と同一ではない、のうち少なくとも１つに該当する。第２のパルスエネルギーが第３のパルスエネルギーに等しくなくてもよく、第２のパルス幅が第３のパルス幅に等しくなくてもよく、あるいは第２のパルス形状が第３のパルス形状と同一ではなくてもよい。
【００２４】
第１のパルスエネルギーが０．０５ｍＪから２ｍＪの間であってもよく、第２のパルスエネルギーが０．０５ｍＪから２ｍＪの間であってもよく、第３のパルスエネルギーが０．０５ｍＪから２ｍＪの間であってもよい。第１のパルス幅が２０ｎｓから５μｓの間であってもよく、第２のパルス幅が２０ｎｓから５μｓの間であってもよく、第３のパルス幅が２０ｎｓから５μｓの間であってもよい。
【００２５】
本発明の別の実施形態によれば、レーザパルスの系列を用いて材料（例えば半導体やシリコンなど）に孔を形成する方法が提供される。この方法は、２以上のパルスを含むレーザパルスの系列を提供する。レーザパルスの系列内の少なくとも１個のパルスは、波長、パルスエネルギー、パルス幅、又はパルス形状のうちの少なくとも１つにおいてこのパルスの系列内の他のパルスと異なっている。また、この方法は、レーザパルスの系列をある穿孔位置で材料に当たるように方向付け、この穿孔位置で孔を形成する。上記１個のパルスと他のパルスは、パルスエネルギーにおいて異なっていてもよい。上記１個のパルスと他のパルスは、パルス幅において異なっていてもよい。上記１個のパルスと他のパルスは、パルス形状において異なっていてもよい。
【００２６】
本発明の他の実施形態によれば、それぞれが波長（例えば〜１０６４ｎｍ）、パルスエネルギー、パルス幅、及び時間的パルス形状により特徴付けられるレーザパルスの系列を用いて材料を貫通する孔（例えば筒形状）を形成する方法が提供される。この方法は、系列内の連続パルス間の時間間隔が０．０１秒以下である連続パルス間の時間間隔により特徴付けられるレーザパルスの系列を提供し、系列内の少なくとも１個のパルスのパルスエネルギーが、系列内の他のパルスのパルスエネルギーよりも低くなるようにし、レーザパルスの組をあるレーザスポットに当たるように方向付け、材料を貫通する孔を形成する。この材料は半導体材料又はシリコンを含んでいてもよい。
【００２７】
一実施形態においては、系列内の最初のパルスのエネルギーは、系列内の他の少なくとも１つのパルスのエネルギーよりも低い。他の実施形態においては、系列内の最初のパルスのエネルギーは５０μＪよりも高く４００μＪよりも低い。ある実施形態においては、系列内の最後のパルスのエネルギーは、系列内の他の少なくとも１つのパルスのエネルギーより高い。例として、系列内の最後のパルスのエネルギーは４００μＪよりも高く１０００μＪよりも低い。系列内のすべてのパルスの時間的パルス形状がほぼ正方形であってもよい。
【００２８】
本発明の特定の実施形態によれば、それぞれが波長、パルスエネルギー、パルス幅、及び時間的パルス形状により特徴付けられるレーザパルスの系列を提供する１つのレーザを用いて材料を貫通する孔を形成する方法が提供される。この方法は、系列内の連続パルス間の時間間隔が０．０１秒以下である連続パルス間の時間間隔により特徴付けられるレーザパルスの系列を提供し、系列内の少なくとも１個のパルスのパルス幅が、系列内の他のパルスのパルス幅よりも短くなるようにし、レーザパルスの組をあるレーザスポットに当たるように方向付け、材料を貫通する孔を形成する。
【００２９】
この材料は半導体材料又はシリコンを含んでいてもよい。波長は、約１０６４ｎｍであってもよい。孔は、テーパ形状を有していてもよい。系列内の最初のパルスのパルス幅は、系列内の他のパルスのパルス幅よりも短くてもよい。系列内の最初のパルスのパルス幅は、２０ｎｓＦＷＨＭよりも大きく、２００ｎｓＦＷＨＭよりも小さくてもよい。系列内の最後のパルスのパルス幅は、系列内の他のパルスのパルス幅よりも長くてもよい。系列内の最後のパルスのパルス幅は、４００ｎｓＦＷＨＭよりも大きく、１０００ｎｓＦＷＨＭよりも小さくてもよい。系列内のすべてのパルスの時間的パルス形状がほぼ正方形であってもよい。
【００３０】
本発明の他の特定の実施形態によれば、それぞれが波長（例えば１０６４ｎｍ）、パルスエネルギー、パルス幅、及び時間的パルス形状により特徴付けられるレーザパルスの系列を提供する１つのレーザを用いて材料（例えば半導体又はシリコン）を貫通する孔を形成する方法が提供される。この方法は、系列内の連続パルス間の時間間隔が０．０１秒以下である連続パルス間の時間間隔により特徴付けられるレーザパルスの系列を提供し、系列内の少なくとも１個のパルスの時間的パルス形状が、系列内の他のパルスの時間的パルス形状と実質的に異なるようにし、レーザパルスの組をあるレーザスポットに当たるように方向付け、材料を貫通する孔を形成する。
【００３１】
一実施形態においては、孔の出口側は明確に画定され、孔の側壁は滑らかである。他の実施形態においては、系列内の少なくとも１個のパルスの時間的パルス形状は正方形プロファイルを有している。系列内の少なくとも１個のパルスの時間的パルス形状は、パワースパイクとそれに続くパルス平坦部を有していてもよい。
【００３２】
本発明の別の実施形態によれば、レーザパルスの系列を用いて材料に複数の孔を形成する方法が提供される。この方法は、第１の波長、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、及び第１のパルス形状により特徴付けられる第１組のレーザパルスと、第２の波長、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、及び第２のパルス形状により特徴付けられる第２組のレーザパルスとを含むレーザパルスの系列を提供する。第１の系列のレーザパルスは、波長、パルスエネルギー、パルス幅、又はパルス形状のうちの少なくとも１つにおいて第２の系列のレーザパルスと異なっている。また、この方法は、第１組のレーザパルスの第１のパルスを第１の穿孔位置で材料に当たるように方向付け、第１組のレーザパルスの後続のパルスを後続の穿孔位置で材料に当たるように方向付ける。さらに、この方法は、第２組のレーザパルスの第１のパルスを第１の位置で材料に当たるように方向付け、第２組のレーザパルスの後続のパルスを後続の穿孔位置で材料に当たるように方向付ける。
【００３３】
ある実施形態によれば、この方法は、さらに、第３の波長、第３のパルスエネルギー、第３のパルス幅、及び第３のパルス形状により特徴付けられる第３組のレーザパルスを提供し、第３の系列のレーザパルスは、波長、パルスエネルギー、パルス幅、又はパルス形状のうちの少なくとも１つにおいて少なくとも第１の系列のレーザパルス又は第２の系列のレーザパルスと異なっており、第３組のレーザパルスの第１のパルスを第１の穿孔位置で材料に当たるように方向付け、第３組のレーザパルスの後続のパルスを後続の穿孔位置で材料に当たるように方向付ける。
【００３４】
第３の系列のレーザパルスは、パルス幅、パルス形状、又はパルスエネルギーにおいて少なくとも第１の系列のレーザパルス又は第２の系列のレーザパルスと異なっていてもよい。第２の系列のレーザパルスは、パルス幅、パルス形状、又はパルスエネルギーにおいて第１の系列のレーザパルスと異なっていてもよい。
【００３５】
本発明の別の実施形態によれば、レーザパルスの系列を用いて材料に孔を形成する方法が提供される。この方法は、第１の波長、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、及び第１のパルス形状により特徴付けられる第１のレーザパルスと、第２の波長、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、及び第２のパルス形状により特徴付けられる第２のレーザパルスと、第３の波長、第３のパルスエネルギー、第３のパルス幅、及び第３のパルス形状により特徴付けられる第３のレーザパルスとを備えるレーザパルスの系列を提供し、第１のレーザパルスは、波長、パルスエネルギー、パルス幅、又はパルス形状のうちの少なくとも１つにおいて第２のレーザパルスと異なっており、第３のレーザパルスは、波長、パルスエネルギー、パルス幅、又はパルス形状のうちの少なくとも１つにおいて第１のレーザパルス又は第２のレーザパルスのうちの少なくとも１つと異なっている。また、この方法は、第１のレーザパルスをある穿孔位置で材料に当たるように方向付け、第２のレーザパルスを当該穿孔位置で材料にあたるように方向付け、第３のレーザパルスを当該穿孔位置で材料に当たるように方向付ける。
【００３６】
一実施形態においては、この方法は、上記系列のレーザパルスの後続の組を提供し、後続の穿孔位置に系列のレーザパルスの上記後続の組を方向付ける。第３のレーザパルスは、パルス幅、パルス形状、又はパルスエネルギーにおいて少なくとも第１のレーザパルス又は第２のレーザパルスと異なっていてもよい。第２のレーザパルスは、パルス幅、パルス形状、又はパルスエネルギーにおいて第１のレーザパルスと異なっていてもよい。
【００３７】
従来の手法よりも優れた本発明を用いることにより数多くの利点が得られる。例えば、本発明に係る一実施形態においては、同様の性能特性を有するレーザと比較して安価であるコンパクトな構成を利用した、材料に孔を形成するのに好適な高パワーパルスレーザが提供される。さらに、本発明に係る一実施形態においては、材料における穿孔プロセスを最適化するためにパルスの系列内の１以上の光パルスの１以上の特性を変更できるようにレーザに対する調整を行うことができるような、材料に孔を形成するのに好適なパルスレーザが提供される。パルス特性には、パルスエネルギー、隣接するパルス間の時間間隔、パルス幅、パルスプロファイル及びピークパワーが含まれるが、これらに限定されるものではない。実施形態によっては、例えば形成される孔の品質や処理された物の歩留まりの改善をはじめとした数多くの利点が存在する。これらの利点及び他の利点は、本明細書を通して、そして以下により詳細に説明される。本発明の様々な付加的な目的、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより、より完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、材料に孔を形成するのに好適なパルスの系列を示す実施形態の模式図である。この図においては、時間が横軸であり、パワーが縦軸である。
【図２ａ】図２ａは、レーザによりシリコンウェハに形成されたビア（貫通孔）の模式的断面図である。
【図２ｂ】図２ｂは、レーザによりシリコンウェハに形成された複数のビアを示すシリコンウェハの模式図である。
【図３】図３は、材料に孔を形成するのに好適なパルスの系列を示す実施形態の模式図である。この図においては、時間が横軸であり、パワーが縦軸である。
【図４】図４は、材料に孔を形成するのに好適なパルスの系列を示す実施形態の模式図である。この図においては、時間が横軸であり、パワーが縦軸である。
【図５】図５は、本発明の実施形態における、材料に孔を形成するのに好適なレーザパルスの出力系列を提供する、調整可能なパルス特性を有するパルスレーザの簡略化された模式図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態における、材料に孔を形成するのに好適なレーザパルスの出力系列を提供する、調整可能なパルス特性を有するパルスレーザの簡略化された模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態における、材料に孔を形成するのに好適なレーザ加工システムの簡略化された模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態における、材料に孔を形成するのに好適なレーザ加工システムの簡略化された模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態に係るパルスの系列を用いて材料に孔を形成するための方法を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に係るパルスの系列を用いて材料に孔を形成するための方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態に係るパルスの系列を用いて材料に孔を形成するための方法を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態に係るパルスの系列を用いて材料に孔を形成するための方法を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、材料に孔を形成するのに好適なパルスの系列を示す実施形態の模式図である。この図においては、時間が横軸であり、パワーが縦軸である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
大型の多層銅誘電体回路基板から小型のシリコン集積回路に至るまで多層回路の技術は、エレクトロニクス業界で長年一般的となっている。集積回路は、電話、コンピュータ、自動車、及び他の数多くの装置などの電子機器で幅広く使用されている。多層設計が使用されるときは常に、孔を使用して層間の接続を行う必要がある。集積回路の製造で使用されるシリコンウェハの場合、これらの孔は通常ビアと呼ばれる。図２ｂに模式的に示されるように、シリコンウェハは、典型的には、数千のビアを含み、したがって、孔を形成するための方法は、高速でなければならず、製作されている機器にとって望ましい属性をもつ孔を形成しなければならない。典型的には、製造プロセスにおける後続のステップで決定される要件によりこれらの望ましい属性が規定される。
【００４０】
シリコンウェハにおける単一のビアの模式的な図が図２ａに示されている。ビアにとって重要な属性には、孔入口及び孔出口のサイズ、孔入口及び孔出口の楕円率、孔入口及び孔出口の端縁の粗さ、孔入口周りの切溝の高さ、孔入口及び孔出口の近傍で散乱するデブリの量及び程度、孔入口及び孔出口の近傍の表面上に堆積する残留物の厚さ及び程度、孔の側壁の粗さ、側壁の曲率、及び他の属性がある。シリコンウェハは数千のビアを含む得るので、それぞれのビアの属性がほぼ同一であることが重要である。したがって、穿孔プロセスの再現性も重要である。シリコンウェハにビアを形成することは、材料に形成される孔の一例にすぎず、特定の用途及び材料ごとに、それぞれの孔に対する望ましい属性の組があることは言うまでもない。
【００４１】
材料に孔を形成するために使用されるパルスレーザの例には、ガラスに孔を形成するために使用されるパルスＣＯ2レーザ、プラスチックに孔を形成するために使用されるエキシマレーザ、シリコンに孔を形成するために使用されるパルスＮｄ：ＹＡＧレーザ、銅を貫通する孔を形成するために使用される、紫外線波長に３逓倍されたパルスＮｄ：ＹＬＦレーザ、プリント基板の誘電絶縁体に孔を形成するために使用されるパルスＣＯ2レーザ、重合体に孔を形成するために使用されるパルスＮｄ：ＹＡＧレーザ、及び他の多くの例が含まれる。パルスレーザを用いて材料に孔を形成する際に、例えば心残し削りなどの他の手法もあるが、最も一般的な手法はパーカッションドリルと呼ばれている。パーカッションドリルでは、孔が形成される位置のレーザスポットにレーザビームの焦点を合わせる又はレーザビームを結像させ、必要とされる孔深さに達するまで（止まり孔）、あるいは孔が材料の他方の側を突き抜ける（貫通孔）までそれぞれの個別パルスにより材料の一部を取り除く。
【００４２】
すべてのパルスレーザに対して、穿孔プロセスを最適化するために選択可能な１以上の動作特性が存在する。例えば、レーザのパルスエネルギーを選択することができる。大まかには、パルスエネルギーが高いほど、それぞれのパルスにより取り除かれる材料は多くなり、したがって孔を形成するために必要とされるパルス数は少なくなる。パルスエネルギーが高いと、デブリや残留物として放出される材料がより多くなり、孔入口及び孔出口の壁や端縁の粗さが増加するという悪影響を及ぼす場合がある。そのような影響が特定の用途に対して望ましくないと考えられる場合には、孔を形成するためにより多くのパルスが必要とされることになるものの、より低いパルスエネルギーを使用することが好都合である場合がある。穿孔プロセスを早くするために選択され得る他の動作特性としては、より短いパルス間時間間隔を意味する高いレーザ繰返し率を選択することがある。例えば、一定時間残存する熱によって引き起こされた影響が存在する場合などにおいては、パルス間時間間隔を短くすることは、バックグラウンド熱の余分な蓄積により、あるいは他の手段により孔の品質に悪影響を及ぼすことがある。材料に対する光の相互作用の物理的特性のため、材料を除去するためには、長いレーザパルスの方が短いレーザパルスよりもより効果的である場合がある。幅広い可能性がある。典型的な製造状況においては、オペレータは、一連の実験を行い、レーザ動作特性に対して値を選択し、選択された値を有するパルスを用いて試験孔が形成され、形成された孔を検査する。レーザ動作特性に対して様々な値を用いて孔を形成することによって、オペレータは、どの組の値が、所望の穿孔速度（１秒あたりの孔数）で許容できる品質を備えた孔を提供できるのかを決定する。その後、製造プロセスのために、レーザは、これらの実験により決定された、それぞれの動作特性に対して選択された最適値を有するパルスを提供するように設定される。
【００４３】
本発明の実施形態によれば、パルスパラメータは、本明細書を通じて説明されるように予め決められる。ここで述べられる動作は、トリガレートの不連続に続く連続パルスに対して異なるパルスパラメータを有する、一部の従来のパルスレーザシステム（例えばＱ−スイッチングレーザ）とは異なっている。Ｑ−スイッチングレーザにおける挙動である、時間の関数としてのゲインプロファイルに単に応答するのではなく、本発明の実施形態は、パルスパラメータの能動制御を提供し、種々の穿孔動作に好適なパルス列を提供する。特定の予め決められたパルスパラメータを有するパルスを提供するレーザの動作は、所定のパルス特性を有するパルスの系列を提供することと言うことができる。本発明の一実施形態においては、パルスの系列内のパルスに対するパルス特性の選択は、そのパルスの系列を用いて形成される１以上の孔の所望の特性を提供するために予め決められている。本発明のある実施形態によれば、所定のパルス特性は、そのようなパラメータが独立して設定され得る多数の値のうちの１つにそれぞれレーザの１以上の特定のパラメータを設定することによって提供される。この方法は、１つの調整可能なパラメータが特定の値に設定され、レーザの調整できない他のパラメータがレーザ設計の結果により修正されて特定の所望の特性を得ることができる動作とは対照的なものである。
【００４４】
多くの従来のレーザについては、一部の動作特性を変更することは不可能であるか、少なくとも非常に難しい。通常、パルスエネルギー及びパルス間時間間隔を選択することは可能であるが、レーザを停止せずにこれらの値を変更することができない場合がある。休止することなくパルス動作特性を変更しようとすると、結果的に、パルスが安定化するまでの多くのパルスの間パルスエネルギーが不安定な状態になる。例えば、パルス間時間間隔の変更を休止することなく行った場合、次の数パルスの間パルスエネルギーが急激に上昇することがある。残念なことに、一部のレーザについては、パルス幅、ピークパワー、又はパルス形状のようないくつかの重要な特性を変更することさえ全くできないことが多い。これは、これらのパラメータが、レーザのレーザ利得媒体自体や光共振器空洞のようなものによって決定されることがあるからである。
【００４５】
ファイバレーザは、能動利得媒体が光ファイバであるレーザである。一部のファイバレーザについては、以前は他の種類のレーザではアクセス不可能であった動作特性の多くを変更又はプログラミングすることができる。ピークパワー、パルス幅、及び時間的パルス形状の値を選択できることにより、孔の穿孔を含む材料加工用途において改善が得られるようになった。プロセスは熱的なものではなくアブレーションを伴うものであるため、より短いパルス（ピークパワーが高いことが多い）は、より綺麗な材料の除去につながることが多い。一例として、短いレーザパルスでのエネルギーは、材料の溶解が発生しうる前の十分に短い期間に蓄積できる。これとは対照的に、材料とのより遅い熱相互作用においてより長いパルスによって溶解された材料は、孔入口近傍の表面上に飛散する傾向があり、これにより過剰な残留物やデブリを形成することがある。同様に、短いレーザパルスは、孔の中により滑らかな側壁を形成可能なことが多い。ただし、材料の除去は、多くの場合、（少なくとも特定のエネルギー範囲においては）送られるエネルギーに比例しており、したがって一般的には、パルスエネルギーが長いパルスより低い場合には、短いパルスによって除去される材料は少なくなる。このように、許容できる孔品質を得ることと高い穿孔速度との間にはトレードオフが生じることがある。したがって、パルスエネルギー、パルス間時間間隔、パルス幅、ピークパワー、及びパルス形状を含む、より多くの動作特性の値を設定できることは、穿孔を含む多くの材料加工用途にファイバレーザを使用することを促進してきた。
【００４６】
休止することなくパルス間で動作特性を変更できる能力を備えた新しいファイバレーザ設計が現れてきている。これらの設計を用いると、パルスエネルギー又は他の特性を含む後続のパルスの特性を不安定な状態とすることなく瞬時に動作特性の値を変更することができる。系列内のすべてのレーザパルスのそれぞれの特性が同一であるレーザパルスの系列を提供して孔を形成するのではなく、パルスの系列の途中で動作特性の値を変更できるということは、穿孔プロセスを最適化するために系列内の個々のパルス（又は系列内のパルスの組）に対する特性を別個に選択することができることを意味している。このため、例えば材料に孔を形成するためのレーザパルスについて、系列内の初期のパルスは、パルスエネルギーが低く、パルス間時間間隔が短くてもよく、系列内の残りのパルスは、パルスエネルギーがより高く、パルス間時間間隔がより長くてもよい。材料に孔を形成するために使用されるパルスの系列について、穿孔プロセスを最適化するために、系列内のパルスごとに、パルスエネルギー、パルス間時間間隔、パルス幅、ピークパワー、及びパルス形状の値を選択することができる。
【００４７】
本発明の実施形態によれば、図１は、材料に孔を形成するのに好適なパルス幅Ｗ１を有するレーザパルスの単一の系列Ｓ１を示す模式図であり、最速の穿孔速度で所望の孔属性を得るために、パルスエネルギー及びパルス間時間間隔が、この系列の第１のサブ系列「Ｓ１ａ」のＥ１及びＴ１から、この系列の第２のサブ系列「Ｓ１ｂ」のＥ１及びＴ２にそれぞれ変化する。このように、エネルギーＥ１及びパルス間時間間隔Ｔ１を有するパルスは、孔の最初の部分を穿孔するのに好都合であり、次いでエネルギーＥ２及びパルス間時間間隔Ｔ２を有するパルスは孔の最後の部分を穿孔するのに好都合であろう。第１のサブ系列「Ｓ１ａ」と第２のサブ系列「Ｓ１ｂ」との間の時間間隔Ｌ１は、Ｔ１又はＴ２のいずれかよりも小さい値、Ｔ１又はＴ２に等しい値、もしくはＴ１又はＴ２よりも大きい値を有することができる。ある実施形態では、値Ｌ１は、例えばＴ１又はＴ２のうち大きい方の約２倍など、Ｔ１又はＴ２のうち大きい方の５倍未満である。１０６４ｎｍの波長で動作するパルスファイバレーザを用いて厚さ０．１５ｍｍのシリコンウェハに直径５０μｍの孔を形成するときに、発明者等は、図１に示されるものに類似するパルスの系列が、筒形状のビアを提供し、許容できる穿孔速度においてデブリ及び残留物の量を削減できることを発見した。特に、最初の８個のパルスとしてパルスエネルギーが２１０μＪで１００ｎｓという比較的短いパルス幅を用いることで、孔入口近傍のデブリの量が削減される。しかしながら、穿孔が開始された後、穿孔速度を上げるために、残りの４０パルスのパルスエネルギーを４００μＪに上げることができる。この系列内のすべての４８パルスのパルス幅が１００ｎｓである場合、筒形状のスルービアが生じる。この例では、最大レーザパワーを提供するように時間間隔Ｔ１及びＴ２が選択される。したがって、この例では、平均２０ワットパワーのレーザに対してＴ１＝１０．５μｓ、Ｔ２＝２０μｓである。Ｌ１はＴ２と同じとなるように、すなわち２０μｓとなるように選択される。ウェハにそれぞれの孔を形成するためにこのパルス系列を用いることで、レーザの潜在的な穿孔速度能力は毎秒約１１００ビアとなり、孔入口近傍のデブリの量が削減され、所望の筒形状のビアを提供することができる。
【００４８】
パルスエネルギー及びパルス間時間間隔以外のパラメータも変更してもよい。本発明の他の実施形態によれば、図３は、材料に孔を形成するのに好適なレーザパルスの単一の系列Ｓ２を示す模式図であり、最速の穿孔速度で所望の孔属性を得るために、パルスエネルギー、パルス幅、及びパルス間時間間隔が、この系列の第１のサブ系列「Ｓ２ａ」のＥ１、Ｗ１、及びＴ１から、この系列の第２のサブ系列「Ｓ２ｂ」のＥ２、Ｗ２、及びＴ２にそれぞれ変化する。このように、エネルギーＥ１、パルス幅Ｗ１、及びパルス間時間間隔Ｔ１を有するパルスは、孔の最初の部分を穿孔するのに好都合であり、次いでエネルギーＥ２、パルス幅Ｗ２、及びパルス間時間間隔Ｔ２を有するパルスは孔の最後の部分を穿孔するのに好都合であろう。第１のサブ系列「Ｓ２ａ」と第２のサブ系列「Ｓ２ｂ」との間の時間間隔Ｌ１は、Ｔ１又はＴ２のいずれかよりも小さい値、Ｔ１又はＴ２に等しい値、もしくはＴ１又はＴ２よりも大きい値を有することができる。ある実施形態では、値Ｌ１は、例えばＴ１又はＴ２のうち大きい方の約２倍など、Ｔ１又はＴ２のうち大きい方の５倍未満である。１０６４ｎｍの波長で動作するパルスファイバレーザを用いて厚さ０．１５ｍｍのシリコンウェハに直径５０μｍの孔を形成するときに、発明者等は、図３に示されるものに類似するパルスの系列が、テーパ形状のビアを提供し、許容できる穿孔速度でデブリ及び残留物の量を削減できることを発見した。特に、最初の４個のパルスとしてパルスエネルギーが４００μＪで１００ｎｓという比較的短いパルス幅を用いることで、孔入口近傍のデブリの量が削減される。しかしながら、穿孔が開始された後、穿孔速度を上げるために、その系列における残りの１４パルスに対して、パルスエネルギーを６００μＪに上げることができ、パルス幅を５００ｎｓに増やすことができる。比較的長いパルスを使用することで、テーパ形状のビア形状が生じる。より低いエネルギー及びより短いパルス幅の４個の短いパルスを有するパルスの系列を開始することにより、孔入口でのデブリの量が削減される。この例では、最大レーザパワーを提供するように時間間隔Ｔ１及びＴ２が選択される。したがって、この例では、平均２０ワットパワーのレーザに対してＴ１＝２０μｓ、Ｔ２＝３０μｓである。Ｌ１はＴ２と同じとなるように、すなわち３０μｓとなるように選択される。ウェハにそれぞれの孔を形成するためにこのパルス系列を用いることで、レーザの潜在的な穿孔速度能力は毎秒約２０００ビアとなり、孔入口近傍のデブリの量が削減され、所望のテーパ形状のビアを提供することができる。
【００４９】
材料に孔を形成するためのパルスの系列が、パルス特性が異なる２つのサブ系列しか持っていないことは要求されていない。本発明の実施形態における材料に孔を形成するのに好適なパルスの系列が図４に示されており、パルスの系列は３つのサブ系列Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ，Ｓ３ｃを含んでいる。第１のサブ系列Ｓ３ａのパルスは、パルスエネルギーＥ１、パルス幅Ｗ１、パルス間時間間隔Ｔ１を有している。第２のサブ系列Ｓ３ｂのパルスは、パルスエネルギーＥ２、パルス幅Ｗ２、パルス間時間間隔Ｔ２を有している。第３のサブ系列Ｓ３ｃのパルスは、パルスエネルギーＥ３、パルス間時間間隔Ｔ３、及びスパイクと平坦部からなる特別なパルス形状を有している。このように、エネルギーＥ１、パルス幅Ｗ１、及びパルス間時間間隔Ｔ１を有するパルスは、孔の最初の部分を穿孔するのに好都合であり、次いでエネルギーＥ２、パルス幅Ｗ２、及びパルス間時間間隔Ｔ２を有するパルスは、孔の中間部分を穿孔するのに好都合であり、エネルギーＥ３、パルス間時間間隔Ｔ３、及び特別なパルス形状を有するパルスは、所望の孔出口属性を提供するために孔の最後の領域を穿孔するのに好適であろう。第１のサブ系列「Ｓ２ａ」と第２のサブ系列「Ｓ１ｂ」との間の時間間隔Ｌ１は、Ｔ１又はＴ２又はＴ３のいずれかよりも小さい値、Ｔ１又はＴ２又はＴ３に等しい値、もしくはＴ１又はＴ２又はＴ３よりも大きい値を有することができる。ある実施形態では、値Ｌ１は、例えばＴ１又はＴ２又はＴ３のうち大きい方の約２倍など、Ｔ１又はＴ２又はＴ３のうち大きい方の５倍未満である。
【００５０】
同様に、第２のサブ系列「Ｓ３ｂ」と第３のサブ系列「Ｓ３ｃ」との間の時間間隔Ｌ２は、Ｔ１又はＴ２又はＴ３のいずれかよりも小さい値、Ｔ１又はＴ２又はＴ３に等しい値、もしくはＴ１又はＴ２又はＴ３よりも大きい値を有することができる。ある実施形態では、値Ｌ２は、例えばＴ１又はＴ２又はＴ３のうち大きい方の約２倍など、Ｔ１又はＴ２又はＴ３のうち大きい方の５倍未満である。シリコンウェハに孔を形成するときに、発明者等は、孔出口を形成するための進展プロセスが予測不可能であり、特に非常に長いパルス幅のパルスを使用するときにギザギザの端縁の非円形の孔を形成することがあることを観察した。１０６４ｎｍの波長で動作するパルスファイバレーザを用いて厚さ０．１５ｍｍのシリコンウェハに直径５０μｍの孔を形成するときに、発明者等は、図４に示されるものに類似するパルスの系列が、テーパ形状を提供し、孔入口でデブリ及び残留物の量を削減し、孔出口を丸くし、穿孔速度を高くすることができることを発見した。特に、最初の４個のパルスとしてパルスエネルギーが４００μＪで１００ｎｓという比較的短いパルス幅を用いることで、孔入口近傍のデブリの量が削減される。しかしながら、続く１１パルスの間の穿孔プロセスの中間段階において、穿孔速度を上げるために、パルスエネルギーを６００μＪに上げることができ、パルス幅を５００ｎｓに増やすことができる。最後に、円形の孔出口を形成するために、その系列の最後の１２パルスを特別なパルス形状を持ったパルスとして、そのパルスエネルギーを２００μＪに下げる。特別なパルス形状は、約２０ｎｓＦＷＨＭの幅のスパイクと、その後に続く約８０ｎｓＦＷＨＭの平坦部とを含む。平坦部に対するピークパワースパイクの割合は約４：１である。実際には、いくつかの場合には、孔出口の有益な属性は、特別のパルス形状がなくても得ることができるが、その代わりにパルスエネルギー２００μＪ、パルス幅１００ｎｓの単純な方形パルス形状を使用することが必要である。より低いエネルギー及びより短いパルス幅の４個の短いパルスを有するパルスの系列を開始すると、孔入口でのデブリの量が削減される。孔の中間部分を穿孔する際に高いパルスエネルギーを有するより長いパルスに変更すると、穿孔速度が高くなる。比較的長いパルスを使用すると、テーパ状ビアが形成される。その系列の最後の１２パルスを短いパルスに変更すると、滑らかな円形の孔出口が形成される。この例では、最大レーザパワーを提供するように時間間隔Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３が選択される。したがって、平均２０ワットパワーのレーザに対してＴ１＝２０μ秒、Ｔ２＝３０μ秒、Ｔ３＝１０μ秒である。Ｌ１はＴ２と同じとなるように、すなわち３０μ秒となるように選択される。Ｌ２はＴ３と同じとなるように、すなわち１０μ秒となるように選択される。ウェハにそれぞれの孔を形成するためにこのパルス系列を用いることで、レーザの潜在的な穿孔速度能力は、毎秒約２１００ビアとなり、孔入口近傍のデブリの量が削減され、円形の孔出口を形成し、所望のテーパ状ビアを提供することができる。
【００５１】
パルス特性が変更され得るパルスの系列におけるサブ系列の数は、２個又３個だけに限られるわけではない。４個、５個、１０個、２０個などのサブ系列があり得る。実際には、本発明の実施形態では、系列内のパルスごとに異なる値のパルス特性を選択して材料に孔を形成することができる。変更可能なパルス特性には、パルスエネルギー、パルス幅、時間的パルス形状、パルス間時間間隔、及びピークパワーが含まれるが、これらのパルス特性だけに限定されるものではない。
【００５２】
本発明の実施形態における、材料に複数の孔を形成するのに好適なパルスの系列Ｓ５が図１３に示されており、パルスの系列Ｓ５は２つのサブ系列Ｓ４ａ及びＳ４ｂを含んでいる。後続の系列のパルスも本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。第１のサブ系列Ｓ４ａは、パルスエネルギーＥ１、パルス幅Ｗ１、及びパルス間時間間隔Ｔ１を有する第１のパルスを含んでいる。また、第１のサブ系列Ｓ４ａは、パルスエネルギーＥ２、パルス幅Ｗ２、及びパルス間時間間隔Ｔ２を有する第２のパルスを含んでいる。さらに、第１のサブ系列Ｓ４ａは、パルスエネルギーＥ３、パルス間時間間隔Ｔ３、及びスパイクと平坦部からなる特別なパルス形状を有する第３のパルスを含んでいる。サブ系列に追加のパルスを含めることができ、図示された３つのパルスは単に例示的な目的のために示されている。一実施形態では、第１のサブ系列の３つ以上のパルスが、単一の孔を形成するために材料のある位置に方向付けられる。エネルギーＥ１、パルス幅Ｗ１、及びパルス間時間間隔Ｔ１を有する第１のパルスは、孔の最初の部分を穿孔するのに好都合であり、エネルギーＥ２、パルス幅Ｗ２、及びパルス間時間間隔Ｔ２を有する第２のパルスは、孔の中間部分を穿孔するのに好都合であり、エネルギーＥ３、パルス間時間間隔Ｔ３、及び特別なパルス形状を有する第３のパルスは、所望の孔出口属性を提供するために孔の最後の領域を穿孔するのに好適であろう。第１のサブ系列「Ｓ４ａ」と第２のサブ系列「Ｓ４ｂ」との間の時間間隔Ｔ３は、Ｔ１又はＴ２のいずれかよりも小さい値、Ｔ１又はＴ２に等しい値、もしくはＴ１又はＴ２よりも大きい値を有することができる。ある実施形態では、値Ｔ３は、例えばＴ１又はＴ２のうち大きい方の約２倍など、Ｔ１又はＴ２のうち大きい方の５倍未満である。第２のサブ系列Ｓ４ｂを用いて第２の孔を形成することができ、後続のサブ系列を用いて後続の孔を形成することができる。当業者であれば数多くの変形、改良、及び代替を認識するであろう。
【００５３】
ここで述べられる本発明の実施形態は、シリコンに孔を形成することに限定されない。本発明に係る方法は、他の材料に孔を形成するために用いることができる。同様に、本発明に係る方法は、材料の２以上の層からなる試料に孔を形成するために用いることができる。実際に、その場合、実質的に休止することなく層ごとにパルス特性を変更する能力は、それぞれの材料を貫通する孔を高速に形成することとともに最適な孔属性を得るために必須であろう。単一のレーザが使用される場合、プロセスは、典型的には、それぞれの孔が連続して完全に形成されるが、それぞれの系列のパルスが、第１の層の材料を効果的に貫通して穿孔するために選択されたパルスと、次いで第２の層の材料を効果的に貫通して穿孔するために選択されたさらなるパルスと、以降同様のパルスを含む、１パスプロセスである。本発明の実施形態によれば、第１の層を貫通して穿孔するパルスのパラメータをパルスごとに変更して第１の層の穿孔プロセスを最適化してもよい。同様に、第２の層を貫通して穿孔するパルスのパラメータをパルスごとに変更して第２の層の穿孔プロセスを最適化してもよい。
【００５４】
例えばそれぞれの層に対して１つのレーザを使用するなど、２以上のレーザが使用される場合、プロセスは、１つのレーザが第１のパス内の試料全体に対して１つの層を貫通するそれぞれの孔を形成し、次いで他のレーザが第２のパス内の第２の層を貫通するそれぞれの孔を形成し、以降、後続の層のそれぞれに対しても同様である、マルチパスプロセスであり得る。本発明の実施形態によれば、第１の層を貫通して穿孔するための第１のレーザからのパルスのパラメータをパルスごとに変更して第１の層の穿孔プロセスを最適化してもよい。同様に、第２の層を貫通して穿孔するための第２のレーザからのパルスのパラメータをパルスごとに変更して第２の層の穿孔プロセスを最適化してもよく、以降も同様である。
【００５５】
図５を参照すると、本願に開示される種類の系列のパルスを生成可能なレーザシステムが示されている。このレーザシステムは、電子ドライバ５３によって動力を供給される発振器５１を含み、増幅器５２を含む。ダイオードレーザなどのパルスレーザ源は、パルス電子駆動信号を提供することにより簡単にパルス化できる。パルスエネルギー、パルス幅、パルス形状、ピークパワー、及びパルス間時間間隔をはじめとするパルスの属性は、電子ドライバ５３によって発振器５１に送られる電子駆動信号５５の属性を制御又はプログラミングすることによって予め決めることができる。そして、そのようなパルスレーザ発振器からの信号は、ダイオード励起固体ロッドレーザ又はファイバレーザ増幅器などのレーザ増幅器で増幅され、出力パルスの系列５７内でそれぞれパルスの所望の属性を提供する。
【００５６】
発振器レーザは、半導体レーザ、ファイバレーザ、ダイオードレーザ、又は分散型フィードバックダイオードレーザから構成されていてもよい。特定の実施形態では、パルス信号源は、１０６４ｎｍの波長で動作し、１ワットのピークパルスパワー、２００ｋＨｚ（キロヘルツ）まで可変の繰返し率、サブナノ秒のパルス立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有するパルス幅５ナノ秒の半導体ダイオードレーザである。他の実施形態では、パルス信号源のピーク光パワーは、１ワットよりも低くても高くてもよい。例えば、それは５００ｍＷ、１ワット、２ワット、３ワット、４ワット、５ワット以上であってもよい。また、パルス幅は１００ナノ秒よりも小さくても大きくてもよい。例えば、それは１ｎｓ（ナノ秒）、２ｎｓ、５ｎｓ、１０ｎｓ、１５ｎｓ、２０ｎｓ、他の値であり得る。発振器レーザは、電子ドライバによって提供される電流パルスの形状が、発振器レーザ出力パルスの形状に影響を及ぼすように電子ドライバによって駆動される。
【００５７】
発振器５１からの出力は、例えばファイバレーザ増幅器又はダイオード励起固体ロッドレーザ増幅器からなるレーザ増幅器モジュール５２で増幅される。本発明の一実施形態では、増幅器は光増幅器であり、光カプラを通して希土類添加ファイバループに結合されるポンプを含んでいる。一般に、半導体ポンプレーザがポンプとして使用されるが、光増幅器の励起は当業者にとって明らかな他の手段によっても実現できる。特定の実施形態では、光増幅器は、約４．８μｍのコア直径を有する５ｍの長さの希土類添加ファイバを含み、この希土類添加ファイバは、約６×１０24イオン／ｍ3のドーピング密度までイッテルビウムでドープされる。また、増幅器は、９７６ｎｍの波長で動作し、出力パワーが５００ｍＷのＦＢＧ安定化半導体レーザダイオードであるポンプも含んでいる。他の特定の実施形態では、光増幅器１６０は、約１０μｍのコア直径を有する２ｍの長さの希土類添加ファイバを含み、この希土類添加ファイバは、約１×１０26イオン／ｍ3のドーピング密度までイッテルビウムでドープされる。また、増幅器は、出力パワー５Ｗの半導体レーザダイオードであるポンプを含み得る。
【００５８】
イッテルビウム添加ファイバ増幅器及び１０６４ｎｍのレーザ波長について例が示されたが、本発明の他の実施形態では、ダイオードレーザ、固体レーザ、１０６４ｎｍ又は他の波長で動作する添加ファイバの他の例を使用することができる。例えば、これらには、１５５０ｎｍの波長領域にあるエルビウム添加ファイバや２μｍから３μｍの波長領域にあるツリウム添加ファイバが含まれる。
【００５９】
図６を参照すると、本発明の実施形態では、レーザパルスの系列を生成して材料に孔を形成するパルスレーザ源が提供される。２００８年９月２７日に発行された「Method and System for Pulsed Laser Source with Shaped Optical
Waveforms」と題する米国特許第７，４２８，２５３号は可変波長パルスレーザ源の例を説明しており、この米国特許は参照により全体として本明細書に組み込まれる。さらに、２００８年９月１２日に出願された「Method and system for a Pulsed Laser Source Emitting Shaped Optical
Waveforms」と題する米国特許出願第１２／２１０，０２８号も可変波長パルスレーザ源の例を説明しており、この米国特許出願は参照により全体として本明細書に組み込まれる。さらに、２００９年６月１１日に出願され、「Stable Tunable High Power Pulsed Laser Source」と題する米国仮特許出願第６１／１８６，３１７号も、本発明の実施形態に係る使用に好適なレーザ源の例を説明しており、この米国仮特許出願は参照により全体として本明細書に組み込まれる。パルスレーザ源は、シード信号を生成するように適合されたシード源１１０と、シード源に結合された第１のポート１１４と第２のポート１２２と第３のポート１１６とを有する光サーキュレータ１２０とを含んでいる。また、パルスレーザ源は、光サーキュレータの第２のポート１２２に結合された第１の側１３２と第２の側１３４により特徴付けられる振幅変調器１３０を含んでいる。パルスレーザ源は、入力端１３６及び反射端１４６により特徴付けられる第１の光増幅器１５０をさらに含んでいる。入力端は、振幅変調器の第２の側１３４に結合される。さらに、パルスレーザ源は、光サーキュレータの第３のポート１１６に結合される第２の光増幅器１６０を含んでいる。図６は、光サーキュレータの第３のポートに結合される１つの光増幅器１６０を使用する場合を示しているが、これは本発明の実施形態によっては要求されない。別の実施形態では、特定の用途に応じて光サーキュレータの下流に複数の光増幅器が用いられる。
【００６０】
本発明の一実施形態によれば、図７は、本発明の実施形態における、１以上の系列のパルスを生成するレーザを使用して、ワークピース３０４に１以上の孔を形成することができる例示的なレーザ加工システムを示している。このシステムは、レーザ源３００と、光学系３０２と、コントローラ３０５と、ワークピースホルダ３０３の上部に配置されるワークピース３０４とを含んでいる。レーザ源３００は、波長、パルスエネルギー、パルス間時間間隔、パルス幅、時間的パルス形状、及び他の特性などの所定の特性を有するレーザパルスを提供する。系列内のパルスのこれらの特性及び他の特性を本発明の実施形態により調整してワークピースに１以上の孔を形成してもよい。一実施形態においては、レーザは、高調波生成などの手法を用いて異なる波長を生成する手段を含んでいてもよい。
【００６１】
光学系は、レーザビームの焦点をワークピース上のレーザスポットに合わせるためのレンズ及び鏡と、ワークピース上の様々な位置にレーザスポットを方向付けて複数の孔を形成するための構成部品を含んでいてもよい。特定の実施形態においては、ビームを方向付けるための構成部品が、検流計に取り付けられた鏡であってもよい。コントローラは、光学系とビームを方向付けるための構成部品の運動とを制御するために使用されてもよい。例えば、ワークピース３０４に孔を形成するとき、光学系３０２をコントローラによって制御してレーザスポットをワークピースの表面に沿って位置ごとに方向付けし直してもよい。他の実施形態においては、光学系が、ワークピースの表面上又は表面近傍のレーザスポットにレーザビームの焦点を合わせてもよく、ワークピースホルダをコントローラによって制御して後続の孔を形成するためにワークピースを移動してもよい。さらに他の実施形態においては、レーザビームの焦点を合わせるレンズ及び鏡は、例えばフラットトップの空間プロファイルなど所望の空間パラメータでスポットを生成してもよい。
【００６２】
Ｎ個の孔を形成するために、レーザシステムは、Ｎ個の所定の系列Ｓ1，Ｓ2，．．．ＳNのレーザパルスを提供し、それぞれの系列間の時間間隔を十分に長くして、孔が形成されている試料のある領域から次の孔が形成されることになる試料の別の領域にレーザスポットを位置決めし直すことを可能にしている。特定の実施形態では、形成される孔のそれぞれを他のそれぞれの孔とほぼ同一にすべく、パルスの各系列は他のそれぞれの系列と同一とされる。シリコンウェハなどの均一な材料に同一の孔を形成するように設計された特定の実施形態においては、形成される孔のそれぞれを他のそれぞれの孔とほぼ同一にし、形成される孔のそれぞれに所定の好ましい特性を持たせるべく、各系列中の所定のパルスが、当該系列の他のレーザパルスと著しくかつ意図的に異なるレーザパラメータを有するように、レーザシステムがレーザパルスの系列を生成するように提供される。レーザシステムは、形成されるそれぞれの孔にレーザビームを方向付け、穿孔プロセスを制御するための手段を含む加工システムに含まれる。シリコンウェハなどの均一な材料にＮ個の異なる孔を形成するように設計された特定の実施形態では、形成されるＮ個の孔のうち所定のものが、ウェハ内の他のホールのものとは異なる所定の好ましい特性を有するべく、１以上の系列内の所定のパルスが、同一の系列内の他のレーザパルスと著しくかつ意図的に異なるレーザパラメータを有し、かつ、所定の系列は他の系列内に含まれているものと異なるレーザパラメータを有するパルスを含むように、レーザシステムがＮ個の所定の系列のレーザパルスＳ1，Ｓ2，．．．ＳNを生成するように提供される。レーザシステムは、形成されるそれぞれの孔にレーザビームを照射し、穿孔プロセスを制御するための手段を含んだ加工システムに含まれる。他の実施形態では、１つの系列内のパルスに対して選択される特性が、別の系列に対して選択される特性と異なっていてもよい。
【００６３】
本発明の他の実施形態によると、図８は、本発明の実施形態における、１以上のパルスの系列を生成する第１のレーザ源３００及び第２のレーザ源３０１を使用して、ワークピース３０４に１以上の孔を形成することができる例示的なレーザ加工システムを示している。このシステムは、第１のレーザ源３００と、光学系３０２と、コントローラ３０５と、ワークピースホルダ３０３の上部に配置されるワークピース３０４とを含んでいる。第１のレーザ源３００は、波長、パルスエネルギー、パルス間時間間隔、パルス幅、時間的パルス形状、及び他の特性などの所定の特性を有するレーザパルスを提供する。系列内のパルスのこれらの特性及び他の特性を本発明の実施形態により調整してもよい。システムは、第２のレーザ源３０１をさらに含んでいる。第２のレーザ源３０１は、波長、パルスエネルギー、パルス間時間間隔、パルス幅、時間的パルス形状、及び他の特性などの所定の特性を有するレーザパルスを提供する。系列内のパルスのこれらの特性及び他の特性を本発明の実施形態により調整してもよい。第１のレーザ源３００及び第２のレーザ源３０１と関連付けられるパルス特性は異なり得る。例えば、第１のレーザ源が第１の波長で動作し、第２のレーザ源が第１の波長とは異なる第２の波長で動作してもよい。パルス特性における他の相違点には、レーザパワー、パルスエネルギー、パルス間時間間隔、パルス幅、時間的パルス形状などが含まれる。
【００６４】
光学系は、レーザビームの焦点をワークピース上のレーザスポットに合わせるためのレンズ及び鏡と、複数の孔が形成されるワークピース上の様々な位置にレーザスポットを方向付けるための構成部品を含んでいてもよい。特定の実施形態においては、ビームを方向付けるための構成部品が、検流計に取り付けられた鏡であってもよい。コントローラは、光学系とビームを方向付けるための構成部品の運動とを制御するために使用されてもよい。例えば、ワークピース３０４に孔を形成するとき、光学系３０２をコントローラによって制御してビームをワークピースの表面に沿って位置ごとに移動してもよい。他の実施形態においては、光学系が、ワークピースの表面上又は表面近傍のレーザスポットにレーザビームの焦点を合わせてもよく、ワークピースホルダをコントローラによって制御して後続の孔を形成するためにワークピースを移動してもよい。
【００６５】
加工システムは、単一パスを使用して、又は数多くのパスを使用してワークピースに一連の孔を形成してよい。ダブルパスプロセスを使用する２つのレーザを用いて２層の試料にＮ個の孔を形成するための本発明の実施形態では、第１のレーザシステムは、Ｎ個の所定の系列Ｓ1，Ｓ2，．．．ＳNのレーザパルスを提供し、それぞれの系列間の時間間隔を十分に長くして、それぞれの孔を再度穿孔するために、ある孔から次の孔にレーザビームを方向付けし直すことを可能にしてもよい。そして、第２のレーザは、それぞれの孔の穿孔を完了するためにＮ個の所定の系列Ｒ1，Ｒ2，．．．．．．ＲNのレーザパルスを提供してもよい。したがって、これは、例えば誘電体の一層と銅の一層とからなるプリント基板など、異なる材料の２つの層からなる試料に貫通孔を形成するために使用され得る２パス穿孔プロセスである。
【００６６】
図９は、本発明の実施形態におけるパルスの系列を用いて材料に孔を形成するための方法を示すフローチャートである。パルスの系列は、第１のパルスエネルギー、第１のパルス幅、第１のパルス形状、第１の波長、及び第１のパルス間時間間隔により特徴付けられる第１組のパルスからなる第１のサブ系列を含んでいる。第１のサブ系列の後には、第２のパルスエネルギー、第２のパルス幅、第２のパルス形状、第２の波長、及び第２のパルス間時間間隔により特徴付けられる第２組のパルスからなる第２のサブ系列が続いている。本発明の実施形態によれば、第２のパルスエネルギーが第１のパルスエネルギーと異なる、第２のパルス幅が第１のパルス幅と異なる、第２のパルス形状が第１のパルス形状と異なる、又は第２の波長は第１の波長と異なるのうち少なくとも１つに該当し、その結果、系列内の各パルスが同一の特性を有する場合に形成される孔と比較して改善された孔が形成される。
【００６７】
図１０は、本発明の実施形態におけるパルスの系列を用いて材料に孔を形成するための方法を示すフローチャートである。このパルスの系列においては、直前又は直後のパルスから０．０１秒よりも大きく時間的に離されたパルスは存在しない。本発明の実施形態によれば、系列内の少なくとも１個のパルスのパルスエネルギーは、系列内の他のパルスのパルスエネルギーよりも低く、その結果、系列内の各パルスがその系列内の他のパルスと同一のパルスエネルギーを有する場合に形成される孔と比較して改善された孔が形成される。
【００６８】
図１１は、本発明の実施形態におけるパルスの系列を用いて材料に孔を形成するための方法を示すフローチャートである。このパルスの系列においては、直前又は直後のパルスから０．０１秒よりも大きく時間的に離されたパルスは存在しない。本発明の実施形態によれば、系列内の少なくとも１個のパルスのパルス幅は、その系列内の別のパルスのパルス幅よりも小さく、その結果、系列内の各パルスがその系列内の他のパルスと同一のパルス幅を有する場合に形成される孔と比較して改善された孔が形成される。
【００６９】
図１２は、本発明の実施形態におけるパルスの系列を用いて材料に孔を形成するための方法を示すフローチャートである。このパルスの系列においては、直前又は直後のパルスから０．０１秒よりも大きく時間的に離されたパルスは存在しない。本発明の実施形態によれば、系列内の少なくとも１個のパルスの時間的パルス形状は、その系列内の別のパルスの時間的パルス形状とは実質的に異なり、その結果、系列内の各パルスがその系列内の他のパルスと同一の時間的パルス形状を有する場合に形成される孔と比較して改善された孔が形成される。
【００７０】
本発明の特定の実施形態及びその具体例について説明したが、他の実施形態が本発明の趣旨及び範囲内に含まれ得ることを理解されたい。したがって、本発明の範囲は、すべての範囲の均等物とともに添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
【図１】
2013529137.tif 000003
【図２ａ】
2013529137.tif 000004
【図２ｂ】
2013529137.tif 000005
【図３】
2013529137.tif 000006
【図４】
2013529137.tif 000007
【図５】
2013529137.tif 000008
【図６】
2013529137.tif 000009
【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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【国際調査報告】
2013529137.tif 000017