(57)【要約】  ２つ以上の深さまで誘電体基板３の表面内に微細スケール構造４、４’、４’’、５、６、７、８を形成するための装置及び方法が開示される。一例において、装置は、第１のパルスレーザービーム１３を提供するように構成される第１の固体レーザー１２と、第１の深さで第１の構造セット４、６、７、８を画定するためのパターンを有する第１のマスク１６と、上記パターンの縮小サイズ画像を基板の表面３上に形成するための投影レンズ１７と、基板内に第１の深さで第１の構造セット４、６、７、５を形成するために、第１のパターンに対して２次元ラスタ走査で上記第１のパルスレーザービーム１３を走査するように構成されるビームスキャナーとを備え、第１の固体レーザー又は更なる固体レーザーは、基板３内に第２の深さで第２の構造セット８を形成するように構成される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の深さまで誘電体基板の表面内に微細スケール構造を形成する装置であって、
第１のパルスレーザービームを提供するように構成される第１の固体レーザーと、
第１の深さで第１の構造セットを画定するためのパターンを有する第１のマスクと、
前記パターンの縮小サイズ画像を前記基板の前記表面上に形成するための投影レンズと、
前記基板内に前記第１の深さで前記第１の構造セットを形成するために、前記第１のマスクに対して２次元ラスタ走査で前記第１のパルスレーザービームを走査するように構成されるビームスキャナーと、
を備え、
前記第１の固体レーザー又は更なる固体レーザーが、前記基板内に第２の深さで第２の構造セットを形成するように構成される装置。
【請求項２】
前記第１の固体レーザーは、Ｑスイッチ連続波（ＣＷ）ダイオードポンプレーザーである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の固体レーザーは、紫外波長範囲内の光を放出するように構成される、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の固体レーザーは、０．１ｍＪ〜１００ｍＪの範囲内のエネルギー及び１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲内の繰返しレートを有するパルスを放出するように構成される、請求項１、２、及び３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の固体レーザーは、円形レーザースポットを形成するビームを放出するように構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の固体レーザーは、モザイク化可能形状を有するレーザースポットを形成するように整形されるビームを放出するように構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記基板内に前記第２の深さで前記第２の構造セットを画定するための第２のマスクであって、前記第１のマスクと交換可能な第２のマスクを有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記投影レンズは、少なくとも３の拡大率を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記投影レンズはテレセントリックレンズである、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１のパルスレーザービームによって前記第１のマスク上に結像されるように位置決めされるアパーチャを備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記基板内に前記第２の深さで前記第２の構造セットを形成するための、前記第１の固体レーザーと異なる第２の固体レーザーを有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１固体レーザー、前記第２固体レーザー、又は更なる固体レーザーは、前記基板内に第３の深さで第３の構造セットを形成するように構成される、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１のマスクは、その透明度が電子的に変更され得る、ピクセルの２Ｄアレイを備える、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
２つ以上の深さまで誘電体基板の表面内に微細スケール構造を形成する方法であって、
第１の深さで第１の構造セットを画定する第１のプロセスと、
第２の深さで第２の構造セットを画定する第２のプロセスと、を含む２ステージプロセスを含み、
前記第１のプロセスは、
第１のパルスレーザービームを提供する第１の固体レーザーを使用することと、
第１の深さで前記第１の構造セットを画定するためのパターンを有する第１のマスクを設けることと、
前記パターンの縮小サイズ画像を前記基板の前記表面上に形成するための投影レンズを設けることと、
前記基板内に前記第１の深さで前記第１の構造セットを形成するために、前記マスクに対して２次元ラスタ走査で前記第１のパルスレーザービームを走査することと、を含み、
前記第２のプロセスは、
前記基板内に前記第２の深さで前記第２の構造セットを形成するために前記第１の固体レーザー又は更なる固体レーザーを使用することを含み、
前記第１のプロセス及び前記第２のプロセスはいずれの順序でも実施され得る方法。
【請求項１５】
前記第２のプロセスは、前記第１のプロセスで使用されるレーザーパラメータと異なるレーザーパラメータを使用して前記第１の固体レーザーを使用することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２のプロセスは、前記第１の固体レーザーと、前記基板内に前記第２の深さで前記第２の構造セットを画定するための第２のマスクとを使用することを含み、前記第２のマスクは前記第１のマスクと交換される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２のプロセスは、前記基板内に第２の深さで前記第２の構造セットを形成するために、前記基板が静止している間に、前記基板にいくつかのレーザーパルスを発射させるために前記第１の固体レーザーを使用することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２のプロセスは、アパーチャが前記第１のマスク上に結像されるよう、前記第１のパルスレーザービームにおいて前記アパーチャを使用することと、前記基板内に前記第２の深さで前記第２の構造セットを形成するために使用される前記第１のレーザーを使用することと、を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２のプロセスは、前記第１の固体レーザーと異なる第２の固体レーザーを使用することを含み、前記第２の固体レーザーは、前記第１のマスクにわたって走査されて、前記基板内に前記第２の深さで前記第２の構造セットを形成する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の固体レーザー、前記第２の固体レーザー、又は更なる固体レーザーが、前記基板内に第３の深さで第３の構造セットを形成するために使用される、請求項１４から１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
添付図面の図７から図１２の１又は複数を参照して明細書で述べられるように、及び／又は、図７から図１２の１又は複数に示されているように、２つか実質的にそれ以上の深さまで誘電体基板の表面内に微細スケール構造を形成する装置。
【請求項２２】
添付図面の図７から図１２の１又は複数を参照して明細書で述べられるように、２つか実質的にそれ以上の深さまで誘電体基板の表面内に微細スケール構造を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体基板の表面内に微細スケール構造を形成するための装置及び方法に関する。好ましい配置構成では、本発明は、特に、ポリマの層の上部表面における、狭い溝、大きな面積のパッド、及びグラウンドプレーン構造（ground-plane  structure）の順次形成、並びに、埋設された導体に基づく多層の高密度相互接続（ＨＤＩ：high  density  interconnect）デバイスを製造するためにより深い深度までコンタクトホール又はビアを穿孔することに関連する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーは、高度なプリント回路ボード（ＰＣＢ）の製造において広く使用される。特によく知られている例は、多層ＰＣＢにおけるブラインドコンタクトホール、いわゆるマイクロビアの穿孔である。この場合、紫外（ＵＶ：ultra  violet）固体レーザーがしばしば使用されて、上部銅層及び下にある誘電体層を貫通して穿孔し、それにより、下部銅層に対してコンタクトが形成されることを可能にする。場合によっては、このプロセスの費用対効果は、２つの異なる材料を除去するために２つの異なるレーザープロセスを使用することによって改善される。ＵＶダイオードポンプ固体（ＤＰＳＳ：diode  pumped  solid  state）レーザーが、通常使用されて、上部銅層内に穴を穿孔し、それにより、下部誘電体層を露出し、また、別個のプロセスで、ＣＯ２レーザーが使用されて、各穴の下で露出した誘電体材料を除去する。
【０００３】
最近、新しいタイプの高密度多層回路ボード製造技術が提案されている。特許文献１及び非特許文献１は、「レーザー・埋め込み回路技術（laser-embedded  circuit  technology）」の概念を記載している。この新しい技術では、レーザーは、有機誘電体基板内で微細溝、より大きな面積のパッド、及び同様にコンタクトホールを直接アブレートするために使用される。溝は、パッド及びコンタクトホールに接続し、レーザー成形及びその後の金属メッキ後に、誘電体層の上部表面内に埋め込まれた微細導体及びパッドの複雑なパターンからなる第１の層は、下部金属層に接続するより深いコンタクトホールからなる第２の層とともに形成される。この新しい技術の進歩に関するより多くの情報は、非特許文献２に提示されている。
【０００４】
これまで、パルスＵＶレーザーは、直接書込み又はマスク結像方法を使用する単一プロセスにおいて溝、パッド、及びコンタクトホールを形成するために、このような方法において使用されてきた。
【０００５】
直接書込み法（direct  write  approach）は、一般に、ビームスキャナーを使用して、レーザーからの収束ビームに基板表面にわたって（over  the  substrate  surface）移動させ、それにより、溝をけがき、パッド及びコンタクトホール構造を生成する。この直接書込み法は、高いビーム品質を有するＵＶダイオードポンプ固体（ＤＰＳＳ）レーザーからの非常に収束性が高いビームを使用し、したがって微細溝のけがきプロセスに非常に好適である。直接書込み法はまた、パッド及びコンタクトホール構造に関連する異なる層深さ要件に対処することができる。この方法によって、異なる深さの溝、パッド、及びコンタクトホールが容易に形成され得る。しかし、収束性が高いＵＶ  ＤＰＳＳレーザーから入手可能なレーザー出力が制限されるため、この直接書込みプロセスは、より大きなエリアのパッド及びグラウンドプレーンに関連する更に多い容積の材料を除去することになると、遅くなる。この直接書込み方法はまた、溝とパッドとの間の交差部において一定深さを維持することに困難さがある。埋め込まれた（embedded）導体に基づいてＰＣＢを作製（make）するのに適した直接書込みレーザー機器の説明は、非特許文献３に提示されている。
【０００６】
マスク結像法（mask  imaging  approach）は、一般に、ＵＶエキシマレーザーを使用して、回路設計の１つの層又は基準高さ（level）の全詳細を含むマスクを照射する。その層上の回路の全エリアが、誘電体材料をアブレートするのに十分なレーザーパルスエネルギーレベルによって基板上に複製されるよう、マスクの画像が基板上で縮小される。場合によっては、形成される回路が大きい場合、マスクと基板との相対的な同期された移動が、全パターンを転写するために使用される。エキシマレーザーマスク投影及び大きな基板エリアを覆うための関連方策は長年にわたって知られている。非特許文献４はこの方法（approach）の説明を与えている。
【０００７】
マスクのエリア全体が、画像転写プロセス中に照射されるため、この方法は、生成されるべき個々の構造のエリア全体については感知しない。したがって、微細溝、より大きな面積のパッド、及びグラウンドプレーンを生成するのに好適である。この方法はまた、溝とパッドとの間の交差部での深さの不変性を維持するのに優れている。しかし、構造サイズに対するアブレーションレート依存性のために、すべての特徴部に対する高精度の深さの制御は、多くの場合困難である。回路要素が極端に密である場合を除いて、このマスク結像法はまた、エキシマレーザーの購入コスト及び運転コストがともに非常に高いため、直接書込み法より著しく高価である。マスク結像はまた、回路の各層ごとに新しいマスクが使用される必要がある点で非常に柔軟性がない。
【０００８】
後者の制限は、特許文献２に記載される配置構成では克服されている。この場合、エキシマレーザースキャニングマスク投影システムは、絶縁層内の同じ深さまで溝及びパッドを構成している層を形成するために使用され、また別個のプロセスにおいて、別個のビーム送出システムによって送出される第２のレーザーを使用して、下にある金属層まで貫通するより深いコンタクトホールが形成される。この２ステッププロセスは、変動する深さの構造の要件に対処する方法である。しかし、この２ステッププロセスは、エキシマレーザーの使用に関連した高コストを依然として伴っている。
【０００９】
したがって、この「レーザー・埋め込み回路技術（laser-embedded  circuit  technology）」に基づいて高度な回路を作製するための既存のプロセス方法は、重大な欠点を有することが理解できる。プロセスレートを改善しコストを低減させるために、要求される異なるサイズ及び深さの構造を非常に柔軟性がある方法で生成するために、最適化されたレーザープロセスを使用が可能であることへのニーズは、残ったままである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００４１３９８号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０１４５５６７号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】出版物「Unveiling  the  next  generation  in  substrate  technology」Huemoeller他,2006  Pacific  Micro-electronics  Symposium
【非特許文献２】EU165（David  Baron）及びTW086-2（Yuel-Ling  Lee及びBarbara  Wood）at  the  12th  Electronic  Circuit  World  Convention  in  Taiwan,  November  9th-11th2011
【非特許文献３】TW086-9（Weiming  Cheng及びMark  Unrath）at  the  12th  Electronic  Circuit  World  Convention  in  Taiwan,  November  9th-11th2011
【非特許文献４】Proc  SPIE  1997,  vol.3223,  p26（Harvey及びRumsby）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、これらのニーズに対応するために、マスク結像の長所を保持しつつも、高価なエキシマレーザーの使用を回避する装置及び多ステージプロセスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、２つ以上の深さまで誘電体基板の表面内に微細スケール構造を形成する装置であって、第１のパルスレーザービームを提供するように構成される第１の固体レーザーと、第１の深さで第１の構造セットを画定するためのパターンを有する第１のマスクと、前記パターンの縮小サイズ画像を前記基板の前記表面上に形成するための投影レンズと、前記基板内に第１の深さで第１の構造セットを形成するために、前記第１のマスクに対して２次元ラスタ走査で前記第１のパルスレーザービームを走査するように構成されるビームスキャナーとを備え、前記第１の固体レーザー又は更なる固体レーザーが、前記基板内に第２の深さで第２の構造セットを形成するように構成される、装置が提供される。
【００１４】
本発明の更なる態様によれば、２つ以上の深さまで誘電体基板の表面内に微細スケール構造を形成する方法であって、２ステージプロセス、すなわち、第１の深さで第１の構造セットを画定する第１のプロセス及び第２の深さで第２の構造セットを画定する第２のプロセスであって、前記第１のプロセスは、第１のパルスレーザービームを提供する第１の固体レーザーを使用することと、第１の深さで第１の構造セットを画定するためのパターンを有する第１のマスクを設けることと、前記パターンの減少サイズ画像を前記基板の前記表面上に形成するための投影レンズを設けることと前記基板内に第１の深さで第１の構造セットを形成するために、前記マスクに対して２次元ラスタ走査で前記第１のパルスレーザービームを走査することのプロセスと、を含み、前記第２のプロセスは、前記基板内に第２の深さで第２の構造セットを形成するための前記第１の固体レーザー又は更なる固体レーザーの使用を含み、前記第１のプロセス及び第２のプロセスはいずれの順序でも実施され得る方法が提供される。
【００１５】
したがって、本発明は、固体レーザー（ＳＳＬ：solid  state  laser）を使用する方法、すなわち、誘電体基板の表面内に第１の構造セットを形成するために、マスクにわたるレーザービームの２Ｄスキャニング（例えば、レーザースポット形態の）を含む第１のプロセス、及び、誘電体基板内に第２の構造セットを形成するための第２のプロセス（種々の方法で実施され得る）を含む。
【００１６】
レーザーの選択は、スキャニングが高速度で実施されることを可能にするため、構造は、高い資本コスト及び／又は高い運転コストについての必要性を回避しながら、短期間で形成され得る。プロセスはまた、異なるタイプの構造を形成するためのプロセスステップのそれぞれが別々に最適化されることを可能にする。
【００１７】
本発明の重要な好ましい特徴は、以下のものである。
１）微細スケール構造セットを形成するための方法であって、微細スケール構造セットは、その後の銅メッキプロセス後に、多層高密度電気相互接続デバイスの一部である「埋め込まれた導体」に基づく電子回路層を形成する、方法、
２）２つ以上の異なる深さまで誘電体材料の表面内に形成される構造セットであって、それぞれの深さは別個のレーザーアブレーションプロセスを使用して達成される、構造セット、
３）以下の方法で第１の深さまで第１の構造セットを生成する第１のプロセスであって、当該方法とは、
ａ．第１のマスクは第１の構造セットを画定する；
ｂ．投影レンズは基板表面上に第１のマスクの縮小サイズ画像を形成する；
ｃ．ビームスキャナーユニットは、２Ｄラスタパターンでマスクにわたって第１のＱスイッチＣＷダイオードポンプ固体（ＤＰＳＳ）レーザーからのビームを移動させる；
ｄ．各レーザーパルスに関する、基板におけるレーザービームのエネルギー密度は、基板の材料をアブレートするのには十分であるが、マスクを損傷するのには十分でない；
ｅ．マスク表面にわたるビームの２Ｄ移動の軌跡と組み合わされた、マスクにおけるレーザービームスポットのサイズ及び形状は、第１の構造セットが、基板上のデバイスの全エリアにわたって均一な第１の深さまで画定されるようなものである、
である、第１のプロセス、
４）デバイスの全て又は一部にわたって第２の深さまで第２の構造セットを生成する第２のプロセスにおいて、第２の構造セットは、第２の深さが第１の深さより大きくなるように第１の構造セットの全て又は一部上に重ね合わされる、第２のプロセスであって、以下の方法、すなわち、
ａ．第１のプロセスを、第２の構造セットを画定するために第１のレーザー及び第１のマスクを使用し、しかし、第１のプロセスと異なるレーザーパラメータを使用して繰返す。これは、基板が異なる材料で層状化されるか、図３に示すように頂部面（top  side）に保護層又は犠牲層が塗布されているときに該当することがある。この場合、第１のプロセスレーザーは材料の頂部層又は保護層／犠牲層をパターニングし、第２のプロセスレーザーは下の材料層をパターニングする；
ｂ．第２の構造セットを画定するために、第１のレーザーを使用し、しかし、第２のマスクを用いて第１のプロセスを繰返す；
ｃ．スキャナーによって第１のマスクの選択されたエリアに移動させられる第１のレーザーからのビーム、及び、これらの選択されたエリアが、第２の深さを有する第２の構造セットを生成するのに十分な更なるパルスを受けるように、複数のパルスについて発射される第１のレーザー、とともに第１のマスクを使用すること；
ｄ．第１のレーザービーム内のアパーチャ（aperture）とともに第１のマスクを使用することであって、第１のレーザービームは、スキャナーによって第１のマスク上の選択された透明な構造（feature）に移動させられ、アパーチャは、マスク上の画像が透明な構造より小さくなるようにマスク上に結像され、第１のレーザーは、それらの選択されたエリアが更なるレーザーパルスを受け、そのために第２の構造セットが第１の構造セットの内部にかつ第１の構造セットより浅い第２の深さまで形成されるように発射される、第１のレーザービーム内のアパーチャとともに第１のマスクを使用すること；
ｅ．第１のレーザーと異なる第２のレーザーとともに第１のマスクを使用することであって、第２のレーザーからのビームは、スキャナーによって第１のマスク上の選択された透明な構造に移動させられ、マスク上のビームが透明な構造より小さくなるように制御され、第２のレーザーは、それらの選択されたエリアが更なるレーザーパルスを受け、そのために第２の構造セットが第１の構造セットの内部にかつ第１の構造セットより浅い第２の深さまで形成されるように発射される、第１のレーザーと異なる第２のレーザーとともに第１のマスクを使用すること、
のうちの１つを使用する、第２のプロセス、
５）デバイスの全て又は一部にわたって更なる深さまで更なる構造セットを生成するための、それが必要になった場合の更なるプロセスであって、更なる構造セットは、更なる深さが第１の深さ又は第２の深さより大きくなるように第１の構造セット又は第２の構造セットの一部又は全ての上に重ね合わされる、更なるプロセス。更なるプロセスは、セクション４．ａから４．ｄで上述した方法のうちの１つの方法を使用し、
６）場合によっては、第１のプロセスは第２のプロセスに続くことができる。例えば、第２のプロセス４．ｃ、４．ｄ、及び４．ｅは全て、第１のプロセスの前に行うことができ、基板内での２つの深さまでの２つの構造セットの形成についての結果は同じである。
【００１８】
第１のプロセス及び第２のプロセスのために使用されるマスクは、ピクセルの２Ｄアレイを備えることができ、レーザービームに対するその透過度は、マスクパターン全体が動的に変更されることができるよう、電子的に変更されてもよい。
【００１９】
本発明の他の好ましい、オプションの特徴は、以下の説明及び本明細書の従属請求項から明らかになるであろう。
【００２０】
本発明は、ここで、添付図面を参照して、単に例として更に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】その内部に形成されることが必要な構造のタイプを示す、典型的なＨＤＩプリント回路ボードの斜視図である。
【図２】プリント回路ボードが上部誘電体層及び下部誘電体層を備えた、図１と同様の斜視図である。
【図３】薄い保護層又は犠牲層がその上に形成されている、別の典型的なプリント回路ボードの断面図である。
【図４】埋め込まれた構造（embedded  structure）を誘電体層内に形成する既知の装置の略図である。
【図５】埋め込まれた構造を誘電体層内に形成する別の既知の装置の略図である。
【図６】埋め込まれた構造を誘電体層内に形成する更なる既知の装置の略図である。
【図７】本発明の実施形態による、埋め込まれた構造の第１の層を誘電体層内に形成するための装置の略図である。
【図８】図７の装置で使用されるマスク及びマスクとともに使用されるスキャニングの軌跡の平面図である。
【図９】誘電体基板内に構造の第２の層を形成するための代替の配置構成を示す、本発明の実施形態による装置の略図である。
【図１０】誘電体基板内に構造の第２の層を形成するための代替の配置構成を示す、本発明の実施形態による装置の略図である。
【図１１】誘電体基板内に構造の第２の層を形成するための代替の配置構成を示す、本発明の実施形態による装置の略図である。
【図１２】誘電体基板内に構造の第２の層を形成するための代替の配置構成を示す、本発明の実施形態による装置の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１：これは、高密度相互接続（ＨＤＩ）プリント回路ボード（ＰＣＢ）又は集積回路（ＩＣ）基板の一部分（section）を示し、形成されることが必要とされる「埋め込まれた（embedded）」構造のタイプを示す。電気回路を形成するためにパターニングされる銅層１は、誘電体コア層２上に支持される。銅層１は、その中に種々の構造がレーザーアブレーションによって形成された上部誘電体層３でオーバコーティングされる。溝４、４’、及び４’’、大きなパッド５、並びに小さなパッド６及び７は全て、上部誘電体層３の厚さより小さい、同一の深さを有する。ＩＣ基板の場合、必要とされる溝幅及びパッド径は、それぞれ通常、５ミクロン〜１５ミクロン及び１００μｍ〜３００μｍの範囲にあり、深さは５ミクロン〜１０ミクロンの範囲内にある。ＨＤＩ  ＰＣＢの場合、溝は、より広くかつより深くすることができる。パッド７の内部のコンタクトホール（又はビア）８は、より大きな深さまでレーザーアブレーションによって形成され、それにより、上部誘電体層材料が全て除去されて、下の銅回路のエリアを露出させる。コンタクトホールの深さは、通常、パッド及び溝の深さの２倍とすることができる。
【００２３】
図２：これは、ＨＤＩ  ＰＣＢ又はＩＣ基板の、図１と同様の部分を示すが、この場合、銅層の上の上部誘電体層は、異なる材料の２つの層、上部誘電体層９及び下部誘電体層１０からなる。溝４、４’、及び４’’、大きなパッド５、並びに小さなパッド６及び７は全て、上部層９を完全に貫通するが、下部層１０を大幅には貫通しない。コンタクトホール８は、下部誘電体層１０を完全に貫通して、下の銅回路のエリアを露出させる。
【００２４】
図３：これは、ＨＤＩ  ＰＣＢを貫いた断面を示し、構造のレーザーパターニング前に、薄い保護層又は犠牲材料層１０が誘電体層３の上部面に塗布されている。こうした保護層は、一般にせいぜいたった数ミクロン厚であり、それらの主要な目的は、レーザーアブレーションプロセス中の損傷から誘電体層３の上部表面を保護することである。構造のレーザーアブレーション中に、ビームは、保護層の材料を貫通し、下の誘電体層３内の必要とされる深さまで材料を除去する。レーザーアブレーションプロセスの完了後でかつ後続のプロセスの前に、保護層は、通常、誘電体材料を露出させるために除去される。
【００２５】
図４は、埋め込まれた構造を誘電体層内に生成するために一般に使用される既知の装置を示す。エキシマレーザー１２は、パルスＵＶビーム１３を放出し、パルスＵＶビーム１３は、ホモジナイザユニット１４によって整形され、ミラー１５によって偏向（deviate）され、マスク１６の全体を均一に照射する。投影レンズ１７は、基板１８におけるビームのエネルギー密度が誘電体材料をアブレートし、マスクパターンに対応する構造を層内に形成するのに十分であるよう、マスクの画像を誘電体コーティング基板１８の表面上で縮小する。
【００２６】
レンズ１９は、レンズ１７に入るビームを、そのビームが最適な方法で振舞うように制御するのに役立つフィールドレンズである。各レーザーパルスに関して、マスク上のパターンは、明確に定められた深さまで誘電体の表面内に機械加工される。通常、各レーザーパルスによって機械加工される深さは、１ミクロンの何分の１かであるため、何ミクロンもの深さを有する溝及びパッドを生成するために数多くのレーザーパルスが必要とされる。異なる深さの構造が、基板表面内に機械加工されることが要求される場合、第１の基準高さを画定するマスクは、より深い基準高さを画定する別のマスク２０と交換され、その後、レーザーアブレーションプロセスが繰返される。
【００２７】
各マスクの全エリア及び基板上の対応するエリアを１つのレーザーパルスで照射するには、レーザーからの高いエネルギーを有するパルスを必要とする。例えば、作製されるデバイスのサイズが１０ｍｍ×１０ｍｍ（１ｃｍ２）である場合、効率的なアブレーションのために必要とされるパルスエネルギー密度が約０．５Ｊ／ｃｍ２であるため、基板において必要とされる１パルスあたりの総エネルギーは０．５Ｊである。光学系での損失のせいで、レーザーからは１パルスあたりに著しく多くのエネルギーが必要とされる。ＵＶエキシマレーザーは、通常、低い繰返しレートで高いパルスエネルギーを伴って動作するため、この用途に非常に適している。３００Ｈｚまでの繰返しレートで１Ｊまでの出力パルスエネルギーを放出するエキシマレーザーが容易に入手可能である。種々の光学的方策が、より大きなデバイスの製造を可能にするか又はより低いパルスエネルギーを有するエキシマレーザーの使用を可能にするために考案されてきた。
【００２８】
図５は、ビーム整形光学部品２１が、マスク１６の表面でラインビームを生成するように構成される場合を示す従来技術を示す。このラインビームは、マスクの全幅を覆うのに十分なほど長い。ラインビームは、ミラー１５の１Ｄ移動によって、ラインに垂直な方向にマスクの表面にわたって走査される。ミラー１５を、ライン上で位置２２から２２’まで移動させることによって、マスクのエリア全体が順次照射され、これに相応して、基板上で機械加工されるべきエリア全体が順次処理される。マスク、投影レンズ、及び基板は全て、ミラー１５が移動させられる間、静止したままにされる。
【００２９】
ミラーは、必要とされる深さの構造を生成するために、正しい数のレーザーパルスが基板の各エリアに衝突することを可能にする速度で移動させられる。例えば、３００Ｈｚで動作するエキシマレーザー及び１ｍｍの幅を有する基板におけるラインビームの場合、また、各レーザーパルスが０．５ミクロンの深さまで材料を除去する場合、１０ミクロンの深さを有する構造を生成するために、１エリアあたり２０のレーザーパルスが必要とされる。こうした配置構成では、ラインビームが１５ｍｍ／秒の速度で基板を横切って移動することが必要となる。マスクにおけるビームの速度は、レンズの縮小率に等しい倍率だけ基板におけるビームの速度より大きい。
【００３０】
図６は、別の既知の配置構成を示し、制限されたレーザーパルスエネルギーの問題に対処する代替の方法を示す。これは、静止しているビームに対してマスクと基板の両方を正確にリンクされた方法で移動させることを伴う。ビーム整形光学部品２１は、マスクの全幅にわたる長さを有するラインビームを形成する。この場合、ミラー１５は、静止したままであり、マスク１６は、図示するように直線状に移動させられる。基板上でマスクの正確な画像を生成するために、結像レンズ１７の縮小率によってマスクの速度に結びつく速度で、図示するように、マスクと反対方向に基板１８が移動することが必要である。このような、１Ｄマスクと基板がリンクされた移動システムは、半導体製造用のエキシマレーザーウェハ露光ツールにおいて既知である。
【００３１】
エキシマレーザーはまた、処理されるデバイスの面積が非常に大きく、デバイスの全幅を横切ってラインビームを生成するために各レーザーパルス内のエネルギーが不十分である状況において、２Ｄマスク及び基板スキャニングスキームとともに使用されてきた。Proc  SPIE  1996（2921）,  p684は、こうしたシステムを記載している。こうしたシステムは、非常に複雑であり、非常に正確なマスク及び工作物ステージ制御を必要とし、また更に、走査バンドがオーバラップする基板上の領域内に均一のアブレーション深さを得ることは、制御するのが非常に難しい。
【００３２】
図７は、本発明の好ましい形態による実施形態を示す。これは、マスク投影光学系が、基板内の回路層の構造を画定するために使用される点で図４、図５、及び図６に示す従来技術と同様であるが、ＵＶエキシマレーザーの代わりに、ＱスイッチＣＷダイオードポンプ固体（ＤＰＳＳ）レーザーが使用されるという大きな差異を有する。こうしたレーザーは、エキシマレーザーと非常に異なる方法で動作し、低いエネルギー（例えば、０．１ｍＪ〜数１０ｍＪ）を有するが、高い繰返しレート（数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）のパルスを放出する。多くのタイプのＱスイッチＤＰＳＳレーザーが現在容易に入手可能である。本明細書で述べる方法の場合、ＵＶ領域で動作するマルチモードＤＰＳＳレーザーが好ましい。その理由は、ＵＶが、より広い範囲の誘電体材料のアブレーションにより適しており、結像レンズの光学的解像度が、より長い波長に比較して優れているからである。さらに、低次モードレーザー及びシングルモードレーザー（low  and  single  mode  lasers）と比較して、より高い出力が、マルチモード（ＭＭ：multimode）レーザーによって生成される。より長い波長、及びより低次のモード（lower  mode）のビーム出力を有する他のパルスＤＰＳＳレーザーを、解説する方法において同様に使用することができる。
【００３３】
例えば、３５５ｎｍの波長で動作し、約１０ｋＨｚの繰返しレートで２０Ｗ、４０Ｗ、又は８０Ｗの出力を与えるため、２ｍＪ、４ｍＪ、及び８ｍＪの出力パルスエネルギーをそれぞれ与えるＵＶ  ＭＭ  ＣＷダイオードポンプ固体レーザーが使用され得る。別の例は、６ｋＨｚの繰返しレートで４０Ｗを与え、したがって、６．７ｍＪ／パルスを与えるＭＭ  ＵＶ  ＤＰＳＳレーザーである。更なる例は、３５５ｎｍの波長で動作することができ、約１００ｋＨｚの繰返しレートで２０Ｗ又は２８Ｗの出力を与え、したがって、０．２ｍＪ及び０．２８ｍＪの出力パルスエネルギーをそれぞれ与えるＵＶ低次モード（lower  mode）ＣＷダイオードポンプ固体レーザーである。
【００３４】
図７に示すように、ＭＭ  ＵＶ  ＤＰＳＳレーザー２２は、出力ビーム２３を放出し、出力ビーム２３は、光学部品２４によって整形されて、適切なサイズの円形又は他の形状のスポットをマスク１６において形成し、それにより、レンズ１７によって基板表面１８上に結像された後、エネルギー密度は、基板１８の表面上の材料をアブレートするのに十分となる。２Ｄスキャナーユニット２５は、２Ｄラスタパターンでマスク１６にわたってスポットを移動させ、それにより、マスク１６の全エリアがカバーされ、これに相応して、基板１８において処理される全エリアもまたカバーされ、マスク１６上のパターンの画像が基板表面内にインプリントされる。好ましくは、レンズ１７は、画像側でテレセントリック性能を有する。これは、基板に対する距離の変動が画像のサイズを変化させないよう、平行なビームがレンズによって形成されることを意味する。これは、光学軸に沿って高い精度で基板を位置決めする必要性を回避させ、基板のいかなる非平坦性にも対処することを可能にする。
【００３５】
この配置構成では、レンズ１９は、テレセントリック性能についての条件が満たされるように、スキャナー２５のミラー間の平面をレンズの入射瞳２６内に結像する機能を果たす。レンズ１７が、誘電体層の表面内で下へ５μｍ以下まで、明確に画定された構造を正確に形成するのに十分な光学的解像度を有することが重要である。解像度は、波長及び開口数によって決定され、波長３５５ｎｍのレーザーの場合、これは、約０．１５以上の開口数が相応する。レンズについての他の要件は、レンズがマスク上のパターンを基板上に縮小し、それにより、基板におけるレーザーパルスのエネルギー密度が、材料をアブレートする程度に十分高いが、マスクにおけるエネルギー密度が、おそらくは石英基板上のパターニングされたクロム層であるマスク材料が損傷を受けない程度に十分に低いということである。ほとんどの場合、３倍以上のレンズ拡大率が適切であることがわかっている。基板における０．５Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度は、一般に、ほとんどのポリマー誘電体材料をアブレートするのに十分であり、したがって、３倍のレンズ縮小率を用い、また、レンズ内の相応の損失を許容すると、マスクにおける対応するエネルギー密度は、０．０７Ｊ／ｃｍ２未満、すなわち、石英マスク上のクロムの損傷レベルを十分に下回るレベルである。
【００３６】
図８は、図７の配置構成で使用されるマスク１６の平面図である。この場合は円形（round）であるレーザービームスポット２７は、マスクの全パターニングエリア２９がカバーされるようにラスタ状軌跡２８でＸ方向及びＹ方向に移動させられる。図８はまた、基板上の縮小サイズレーザー機械加工エリア３２にわたって縮小サイズレーザースポット３１によってたどられる、対応するラスタ経路３０を示す。マスク上の溝、パッド、及び他の構造が、一定深さまで基板の表面内に機械加工されることが必要とされる場合、マスクの各エリアが、レーザー放射の同じ有効放射量を受けることが重要である。マスクにおけるビームが、エネルギー密度の不均一分布を有する可能性が非常に高く、各レーザーパルスに関して除去される基板材料の深さが、一般にエネルギー密度とともに非線形に変動するため、均一な深さまでのアブレーションをもたらすためのマスク表面にわたるビームの正確な軌跡は、ビーム形状及びビームプロファイルに依存し、一般に実験的に決められることになる。
【００３７】
簡単な例は、１４ｍｍ×１４ｍｍのエリア３２を有する電子回路の第１の層を形成するために、溝及びパッドの複雑なパターンが、５μｍの均一な深さまで誘電体材料の表面内にレーザー機械加工される場合である。レーザーは、１０ｋＨｚの繰返しレートで動作し、それぞれが４ｍＪのエネルギーを有し、光学部品内での損失後にその４ｍＪのうちの３ｍＪが基板に達するパルスを放出する、マルチモード４０Ｗ  ＵＶ（３５５ｎｍ）ＣＷポンプＤＰＳＳレーザーである。基板上の通常の誘電体材料は、０．５Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度において、各レーザーパルスが０．３３μｍの深さまで材料を除去するような、３５５ｎｍでのアブレーション特性を有することができる。円形スポット内でこのエネルギー密度を達成するために、必要とされる径は、基板において０．８７ｍｍ、またマスクにおいて２．６ｍｍ（３倍縮小率を仮定する）である。
【００３８】
１レーザーパルスあたり０．３３μｍのアブレーションレートにおいて、基板の各エリアは、５μｍの合計深さを有する構造を生成するために、全部で１５のレーザーパルスに暴露される必要がある。これは、基板の表面上で、またこれに相応してマスク上で、個々のレーザースポットを適切にオーバラップさせることによって容易に達成され得る。例えば、図７に示すマスクのスキャニングを考えると、１０ｋＨｚのレーザー繰返しレートにおいて、５．２ｍ／秒のＸ方向へのビームスキャニング速度により、５つのレーザーパルスが、Ｘ方向に沿って各エリアに加えられる。マスク上での平行走査ライン間のＹピッチがスポット径の１／３であるように構成される場合、１エリアあたり３つのショットがＹ方向に加えられ、１エリアあたり全部で１５のショットをもたらす。Ｘショット及びＹショットのオーバラップのいくつかの他の組合せが、１エリアあたり１５のショットを達成するために可能であることが認識されるであろう。
【００３９】
各軸上でのビームオーバラップのこうした簡単な計算は、特に不均一なエネルギー密度分布を有する円形ビームについての全デバイスエリアにわたる構造の深さの不均一性の点から、理想的な結果につながる可能性が低く、また、一般に、均一なアブレーション深さをもたらす各軸上のオーバラップを実験的に決定することが必要であることになる。しかし、マスクにおけるレーザービームが光学的に均質化されて、均一なエネルギー密度を提供し、モザイク化可能形状（tessellating  shape：正方形、長方形、又は６角形等）を形成するとき、マスク表面上のビームの軌跡は、より容易に予測され得る。
【００４０】
アクティブなマスクエリア２９の完全な、均一なカバレッジ（complete  uniform  coverage）のために、マスクの４つのエッジ全てを超えて少なくとも１つのレーザービームスポットの直径を走査することが必要である。４２ｍｍ×４２ｍｍのアクティブなマスクエリアの場合、上で論じたレーザービーム走査速度を使用して、０．５秒を僅かに超えるマスク及び基板の合計走査時間が達成可能である。
【００４１】
基板が、図３に示すように頂部に保護層を有する場合、２つの異なるフルエンス値を使用してマスクを２回完全に走査することが適切である場合がある。第１の走査は、薄い保護層のアブレーションのために最適化されたフルエンスを使用し、第２の走査は、下にある誘電体層内へのより深いアブレーションのために最適化されたフルエンスを使用する。
【００４２】
マスク上のパターン情報が、均一に分布するのではなく、マスクの特定のエリアに局在化する場合、それらのエリアだけが走査されればよい（そのため、マスク走査時間が低減される）。
【００４３】
上記で論じたスキャニング方策は、誘電体材料内に均一の深さの構造を生成するため、残りの要件は、図１、図２、又は図３に示す２つ以上の層を備える構造を生成することである。上述したタイプのマスクスキャニング法（mask  scanning  approach）を用いてこれを行ういくつかの方法が存在し、それらのいくつかが、ここで述べられるであろう。
【００４４】
図９は、２層構造を生成する最も簡単な方法を示す。第１のマスク１６が、その全エリアにわたって走査されて、上部層の溝及びパッド構造を生成し、それに続いて、第１のマスク１６は、下部層ビア構造に関連するパターンを有する第２のマスク３３で置換される。２つのレーザー機械加工パターンが基板表面上で正確に重ね合わされることを保証するために、もちろん、マスクの正確な位置合せ（accurate  registration）が必要とされる。
【００４５】
こうした複数の逐次的な走査マスクによる方法は、下部層パターンが高密度の構造を有し、下部層マスクの全て又は大部分を走査することが効率的であるときに好ましい。一方、上部層マスクによって画定されるパッドエリア内に配置されるビア等の少数のより深い構造だけが必要とされる場合、代替の方法が可能である。
【００４６】
図１０は、少数のより深い構造がデバイス構造内に組込まれ得るように、図７に示す結像配置構成において単一レーザーを使用するための一方法を示す。ＭＭ  ＵＶ  ＤＰＳＳレーザー２２は、出力ビーム２３を放出し、出力ビーム２３は、光学部品３４によって整形されて、アパーチャ（aperture）ユニット３５において適切なサイズのスポットを形成する。光学要素３６は、アパーチャ３５をマスク１６上に結像させ、レンズ１７は、基板１８の表面上にアパーチャを再結像させる。この場合、種々の深さまで層を処理することは、少なくとも２つのステージで実施される。第１のステージでは、アパーチャは除去されるか、又は大きなサイズのアパーチャに設定されるため、レーザーからの全ビームが通過するか、又はアパーチャが適切なモザイク化可能形状に設定されることができ、全マスクエリアが正しいビーム軌跡で走査され、それにより全ての溝、パッドや他の構造を含む上部層マスクパターンが、基板内の正しい深さで画定される。第２のステージにおいて、適切なサイズのアパーチャがビーム内に移動させられて、必要とされるビアを画定する。その後、スキャナー２５は、「ポイント・アンド・シュート（point  and  shoot）」モードで動作し、当該モードでは、ビームがマスク１６上のエリアに移動してパッドエリアを画定するが、下の銅層を露出させるために、又は求められる深さまでビアを穿孔するために必要とされる数のレーザーショットが発射される間は、ビームは固定して保持される。この後、ビームは、別のパッドエリアに移動し、プロセスが繰返される。このプロセスは、下部層内の全てのビアが穿孔されてしまうまで継続する。異なるサイズのビアは、後続のステージで異なるサイズのアパーチャを挿入することによって穿孔されることができる。
【００４７】
種々のパターニングステージが実施され得る順序もまた変えられて良い。第１のステージのアパーチャ結像、ポイント・アンド・シュートモードで全てのビアを穿孔し、それに続いて、後続のマスクスキャニングステージで溝及びパッドを画定することが可能である。この場合、マスクスキャニングプロセス中に更なるレーザーショットが適用されることになるため、ビア穿孔は、基板表面から埋設された銅層まで全深さを貫通する必要はない。
【００４８】
図１１は、２つのレーザーを使用してより深い構造を穿孔するための代替の方法を示す。通常、ＭＭ  ＵＶ  ＤＰＳＳレーザーである第１のレーザー２２は、出力ビーム２３を放出し、出力ビーム２３は、光学部品２４によって整形されて、マスク１６において適切なサイズの円形又は他の形状のスポットを形成する。この第１のレーザー２２は、マスクを走査して上述した溝及びパッドを形成するために使用される。波長、パルス長、モード構造、又は繰返しレートのうちの１つ以上について、レーザー２２とは異なる特性を有する第２のレーザー３７は、ビームを放出し、ビームは光学要素３９を通過し、ミラー４０、４１及びスキャナー２５を経由してマスク１６の表面に向けられる。ミラー４１は可動タイプであってもよく、第２のレーザービーム３８がミラー４１から反射されてスキャナーに進むこと、又は第１のレーザビーム２３が直接スキャナーに進むことが可能になるよう、それぞれレーザービーム２３の経路内外の２つの位置を有することができる。好ましくはミラー４１は偏光選択タイプであるため、レーザー２２からのレーザービーム２３がミラー４１にてｐ偏光を有し、そのためにミラーを通ってスキャナーまで進むか、あるいはレーザー３７からのレーザービーム３８がミラー４１にてｓ偏光を有し、そのためにスキャナーから反射されるよう、２つのレーザービームの偏光が設定されることができる。
【００４９】
この第２のレーザープロセスに適するレーザーの例は、第１のレーザープロセスについて上述したものと全体的に同じであるが、第２のレーザーが小さな径のビアを作製するために必要とされる場合は、低出力を与える低次モード出力（low  mode  output  giving  lower  powers）を有するレーザーで十分な場合があることが追記される。
【００５０】
光学要素３９は、マスクにおけるレーザービーム３８の特性が、基板１８における材料アブレーションのための正しいレーザーパラメータをもたらすものであるように、レーザービーム３８を整形又は収束させる。必要であれば、マスク表面上にアパーチャを結像する光学部品とともに、適したサイズのアパーチャが、レーザービーム２３及び３８のいずれか又は両方の中に設置されて、マスクにおけるビームのサイズ及び形状をより良く画定してもよい。
【００５１】
２つのレーザーを使用する利点は、各レーザーの特性が最適化されて、最も効率的なレーザーアブレーションを与え得ることである。例えば、溝及び大きなパッドが誘電体内で第１の深さまで形成されることが必要とされ、その後、銅層まで貫通する小さな径のビアが必要とされる場合、第１のレーザーが、マスクが高速に走査されることを可能にする高出力マルチモードタイプであり、一方、第２のレーザーが、基板におけるより小さなレーザースポットがより容易に形成され、また、小さな径のビアが高速に形成され得るように、より高い繰返しレートを有する低次モードタイプ又はシングルモードタイプ（low  or  single  mode  type）であることが好ましい。
【００５２】
図１２は、上述したプロセスの特徴が最も適切に使用され、可撓性電気コネクタを作製するのに有用であるような、長く狭い基板の表面内の構造を形成することが可能な、配置構成を示す。図１２に示す配置構成は、マスク及び基板が反対方向に移動して、長く狭いエリアにわたって構造を形成する点で図６に示す配置構成と同様であるが、図６に示す配置構成では、高パルスエネルギーレーザービームは、マスク上のパターンの全幅をカバーするラインビームに整形される。一方、図１２に示す配置構成では、マスク及び基板が、スキャナーに対してスキャニング方向に垂直な方向に動く間、低パルスエネルギーレーザービームはマスクにおけるスポットに整形され、当該スポットはマスクの幅を横切って高速度で走査される（そのため、組み合わされた動きは、マスクに対するレーザースポットの２Ｄスキャニングとなる）。このタイプのスキャニング配置構成の場合、スキャナー４２は、多角形スキャナータイプ（polygon  scanner  type）であってもよい。
【００５３】
上述した全ての配置構成の１つの主要な利点は、固体レーザーを使用するため、基板の所定のエリアを処理することに関連するコストが、エキシマレーザーが使用された場合よりかなり低いことである。さらに、エキシマレーザーに比べて、固体レーザーとともに使用されるビーム送出光学部品は著しく単純かつ効率的であるため、所定時間に所定の基板を処理するために、より低出力の固体レーザーを使用することができる。一例は、２ｃｍ２の面積を有するデバイスであり、そのデバイスは、０．５秒の時間で５ミクロンの深さまでレーザーによって機械加工される必要がある。０．５Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度で１レーザーパルスあたり０．３３ミクロンのアブレーションレートの場合、全部で１５Ｊのエネルギーが、所望の深さを達成するために基板エリアに送出される必要がある。固体レーザー及びエキシマレーザーについてそれぞれ８０％及び５０％のビーム送出透過度を仮定すると、必要とされる０．５秒のプロセス時間を達成するために、４０Ｗ未満の出力の固体レーザーが必要とされ、その一方でエキシマレーザーの場合は６０Ｗの出力を有するものが必要とされることになる。
【００５４】
資本償却（例えば、５年にわたる）を考慮すると、ＵＶエキシマレーザーの典型的なコストは、出力エネルギーＭＪあたり約１００米ドルである。このコストの約６０％はガス及び消耗部品のコストに関連する。対照的に、ＵＶ固体レーザーは、通常、ＭＪあたり約５０米ドルかかる（このコストの約１０％だけが消耗部品に関連する）。そのため、レーザーの資本コスト及び運転コストがともに含まれ、必要とされる異なるレーザー出力が考慮される場合、基板を機械加工するための必要とされる４０Ｗの固体レーザーの運転コストは６０Ｗの同等のエキシマレーザーの運転コストのほぼ１／３である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図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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【国際調査報告】
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