(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物上の複数の目標箇所における少なくとも１つの目標材料層をレーザシステムで加工する方法であって、前記レーザシステムは、固体レーザと、該固体レーザをポンピングするレーザポンピングダイオードとを含み、前記レーザポンピングダイオードを連続動作させたとする場合に前記固体レーザに供給できるポンピングパワーは、前記ポンピングダイオードの熱負荷により決定される制限を有し、
前記加工物上の第１の目標箇所に向けてビームポジショナをアドレスし、
第１の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに電流を供給して、前記固体レーザをポンピングし、
イントラキャビティ音響光学Ｑスイッチを動作させて、前記固体レーザから少なくとも２ｋＨｚの繰り返し速度で少なくとも２つのレーザパルスを有する第１のレーザ出力を発生し、
前記第１のレーザ出力を前記第１の目標箇所に照射して、当該第１の目標箇所から目標物の材料を除去し、
前記レーザポンピングダイオードに供給される電流を第２の電流レベルに低下させて、前記レーザポンピングダイオードの負荷を減少させ、ここに、前記第２の電流レベルはゼロの電流レベルより大きいか又はゼロ電流に等しく、かつ前記第１の電流レベルより小さい電流とし、
前記加工物上の前記第１の目標箇所とは異なる第２の目標箇所に向けて前記ビームポジショナをアドレスし、
前記レーザポンピングダイオードに供給される電流を第３の電流レベルに増加させて、前記固体レーザをポンピングし、ここに、前記第３の電流レベルは前記第２の電流レベルよりも大きくし、
前記Ｑスイッチを動作させて、前記固体レーザから少なくとも２ｋＨｚの繰り返し速度で少なくとも２つのレーザパルスを有する第２のレーザ出力を発生し、
前記第２のレーザ出力を前記第２の目標箇所に照射して、当該第２の目標箇所から目標物の材料を除去する、レーザシステムを用いた加工方法。
【請求項２】
前記第１の電流レベル及び前記第３の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給電流をそれぞれ第１の時間インターバル及び第３の時間インターバルに供給し、
前記第２の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給電流を第２の時間インターバルに供給し、
前記ビームポジショナが、前記第２の時間インターバルの間に前記第１の目標箇所から前記第２の目標箇所に出力位置を変更し、
前記第１のレーザ出力及び前記第２のレーザ出力は、電流レベルが増加する際、出力レベルが増加し、また電流レベルが減少する際出力レベルが減少するように、レーザポンピングダイオードに供給される電流レベルの関数として変化する出力パワーレベルを有し、
前記レーザポンピングダイオードが、前記第１の時間インターバルの最初から前記第３の時間インターバルの最後までの間に、該レーザポンピングダイオードを連続動作させたとする場合に当該レーザダイオードから前記固体レーザに供給され得るポンピングパワーの量を最大にする電流レベルを表す最大ＣＷ電流レベルを有し、前記第１の時間インターバルの最初から前記第３の時間インターバルの最後までの間に相当する期間に所定のパルス繰り返し速度で、前記最大ＣＷ電流レベルで前記レーザポンピングダイオードにより前記固体レーザをポンピングしたとする場合の前記固体レーザの出力を最大ＣＷポンプレーザ出力と定義するとき、
前記第２の時間インターバルの間に供給される前記第２の電流レベルを前記最大ＣＷ電流レベルより小さくすることにより、前記第１および前記第３の時間インターバル中に供給される前記第１および前記第３の電流レベルのうちの少なくとも１つが、前記最大ＣＷ電流レベルよりも大きく、それによって、前記第１および前記第２のレーザ出力のうちの少なくとも１つの出力レベルが、前記最大ＣＷポンプレーザ出力を超えて所定のパルス繰り返し速度で固体レーザにより出力されるようにする請求項１に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項３】
前記レーザシステムは、レーザ出力のパワーレベルの増加に応じて向上するビア穿孔効率（スループット）を有し、当該ビア形成効率は、前記最大ＣＷポンプレーザ出力で動作するときに発生する当該レーザシステムのビア穿孔効率を超えるようにする、請求項２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項４】
前記第１の電流レベルまたは前記第３の電流レベルの何れか１つを、前記最大ＣＷ電流レベルよりも低くする、請求項２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項５】
前記第１の時間インターバル及び前記第３の時間インターバルを等しい時間量とする、請求項２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項６】
前記第１の時間インターバル及び前記第３の時間インターバルを異なる時間量とする、請求項２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項７】
前記第１の電流レベル及び前記第３の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給する電流をそれぞれ第１の時間インターバル及び第３の時間インターバルに供給し、
前記第２の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給する電流を第２の時間インターバルに供給し、
前記ビームポジショナが、前記第２の時間インターバルの間に、前記第１の目標箇所から前記第２の目標箇所に出力位置を変更し、
前記第１の時間インターバル及び前記第３の時間インターバルを等しい時間量とする、請求項１に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項８】
前記第１の電流レベル及び前記第３の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給する電流をそれぞれ第１の時間インターバル及び第３の時間インターバルに供給し、
前記第２の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給される電流を第２の時間インターバルに発生し、
前記ビームポジショナが、前記第２の時間インターバルの間に、前記第１の目標箇所から前記第２の目標箇所に出力位置を変更し、
前記第１の時間インターバル及び前記第３の時間インターバルを異なる時間量とする、請求項１に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項９】
前記第１の時間インターバルの間及び前記第３の時間インターバルの間に等量の電流を供給する、請求項５〜８の何れか１項に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１０】
前記第１の時間インターバルの間及び前記第３の時間インターバルの間に異なる量の電流を供給する、請求項５〜８の何れか１項に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１１】
前記第２の電流レベルは、ゼロ電流を含むレベルとする、請求項１に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１２】
前記第２の電流レベルは、前記レーザポンピングダイオードから光出力を発生させるのに十分な電流を含むレベルとする、請求項１または２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１３】
前記第１の電流レベル及び前記第３の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給される電流をそれぞれ第１の時間インターバル及び第３の時間インターバルに発生し、
前記第２の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給される電流を第２の時間インターバルに発生し、
前記ビームポジショナが、前記第２の時間インターバルの間に前記第１の目標箇所から前記第２の目標箇所に出力位置を変更し、
前記第１の電流レベル及び前記第３の電流レベルは、それぞれ、前記第１の時間インターバルの間及び前記第３の時間インターバルの間に、少なくとも第１の電流レベル値及びそれと異なる第２の電流レベル値を含む、請求項１に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１４】
前記第１の電流レベル及び前記第３の電流レベルは、それぞれ、前記第１の時間インターバルの間及び前記第３の時間インターバルの間に、少なくとも第１の電流レベル値及びそれと異なる第２の電流レベル値とを含む請求項２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１５】
前記第１の電流レベル値及び前記第２の電流レベル値を、目標箇所の材料の単一層を処理している間に適用する、請求項１３に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１６】
前記第１の電流レベル値を前記第２の電流レベル値よりも高くし、前記第１の電流レベル値を目標箇所の金属層を処理している間に適用し、前記第２の電流レベル値を目標箇所の誘電体層を処理している間に適用する、請求項１３または１４に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１７】
前記Ｑスイッチは、２０ｋＨｚよりも速い繰り返し速度で動作し、レーザパルスを発生させる、請求項１または２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１８】
前記第１のレーザ出力及び前記第２のレーザ出力の波長は４００ｎｍよりも短く構成する、請求項１または２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項１９】
前記第１のレーザ出力及び前記第２のレーザ出力は、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、３４９ｎｍまたは２６６ｎｍを含む高調波の波長のようなＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザまたはＹＶＯ４により放射される高調波の波長を含む、請求項１または２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項２０】
前記第１の電流レベル及び前記第３の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給される電流を、それぞれ第１の時間インターバル及び第３の時間インターバルに発生し、
前記第２の電流レベルで前記レーザポンピングダイオードに供給される電流を第２の時間インターバルに発生し、
前記ビームポジショナが、この第２の時間インターバルの間に前記第１の目標箇所から前記第２の目標箇所に出力位置を変更し、
前記ビームポジショナが、前記第２の時間インターバルの時間量とは異なる時間量である第４の時間インターバルの間に、前記第２の目標箇所から第３の別の目標箇所に出力位置を変更し、
前記レーザポンピングダイオードが、この第４の時間インターバルの間に前記第１の電流レベル及び前記第３の電流レベルよりも低く、かつゼロまたはゼロより大きな第４のレベルの電流を供給する、請求項１または２に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項２１】
前記第２の電流レベルと前記第４の電流レベルとを異なるレベルとする、請求項２０に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項２２】
複数の目標領域において、第２層の除去前に第１層を除去し、次いで第２層を除去する、請求項１に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項２３】
複数の目標箇所中、第１目標箇所の１つの目標層よりも多い層を介するビアを形成し、次いでビームポジショナが第２の目標箇所にアドレスし、第２のビアを形成する、請求項１に記載のレーザシステムを用いた加工方法。
【請求項２４】
加工物上の複数の個別目標箇所における少なくとも１つの目標材料層を加工するレーザシステムであって、
光路に沿って出力位置の方へ少なくとも第１のレーザ出力及び第２のレーザ出力を発生する固体レーザと、
少なくとも第１の時間インターバルの間及びこれに重複しない第３の時間インターバルの間に前記固体レーザをポンピングするレーザポンピングダイオードと、
前記第１の時間インターバルの間及び前記第３の時間インターバルの間に、第１および第３のレベルの電流を前記レーザポンピングダイオードに供給し、前記第１の時間インターバルと前記第３の時間インターバルとの間の第２の時間インターバルの間に、前記第１および第３のレベルの電流より小さい第２のレベルの電流を供給する可変制御可能な電源と、
前記第１の時間インターバルの間に、少なくとも２KHｚの繰り返し速度で少なくとも２つのレーザパルスを含む前記第１のレーザ出力を生成するように前記固体レーザを動作させ、且つ、前記第３の時間インターバルの間に、少なくとも２KHｚの繰り返し速度で少なくとも２つのレーザパルスを含む前記第２のレーザ出力を生成するように前記固体レーザを動作させるイントラキャビティ音響光学Ｑスイッチと、
前記第１の時間インターバルの間に前記第１のレーザ出力の出力位置を第１の目標箇所に向けてアドレスし、前記第３の時間インターバルの間に前記第２のレーザ出力の出力位置を第２の目標箇所に向けてアドレスし、前記第２の時間インターバルの間に前記第１の目標箇所から前記第２の目標箇所に出力位置を変更するビームポジショナと、
前記電源が、前記第１のレーザ出力及び前記第２のレーザ出力が発生する際の前記第１の時間インターバルの間及び前記第３の時間インターバルの間に前記第１のレベルの電流および前記第３のレベルの電流を前記レーザポンピングダイオードに供給し、出力位置を変更する際の前記第２の時間インターバルの間に前記第２のレベルの電流を供給するように、前記ビームポジショナ、前記電源及び前記Ｑスイッチを直接又は間接的に協調動作させるインターフェース制御手段と、
を具えることを特徴とするレーザシステム。
【請求項２５】
請求項１−２３のいずれかに記載の方法を実施して、加工物上の複数の目標箇所における少なくとも１つの目標材料層を加工するための請求項２４に記載のレーザシステム。
【請求項２６】
加工物上の複数の目標箇所における少なくとも１つの目標材料層をレーザシステムで加工する方法であって、前記レーザシステムは、固体レーザ媒体と該記固体レーザ媒体をポンピングするためのポンピング源とを用い、前記固体レーザ媒体は、前記ポンピング源の連続動作中、該固体レーザ媒体に加わる熱負荷によりポンピングパワーの量を制限され、
前記加工物上の第１目標箇所に向けてビームポジショナをアドレスし、
第１の時間インターバルの間に第１の電流レベルで前記ポンピング源に電流を供給して、前記固体レーザ媒体をポンピングし、
前記第１の時間インターバルの間にイントラキャビティ音響光学Ｑスイッチを動作させて、少なくとも２ｋＨｚの繰り返し速度で少なくとも２つのレーザパルスを有する第１のレーザ出力を発生し、
前記第１のレーザ出力を前記第１の目標箇所に照射して、当該第１の目標箇所から目標物の材料を除去し、
第２の時間インターバルの間に前記ポンピング源に供給される電流を第２の電流レベルに低下させて、前記ポンピング源の負荷を減少させ、
前記第２の時間インターバルの間に、前記加工物上の前記第１の目標箇所とは異なる第２の目標箇所に向けて前記ビームポジショナをアドレスし、
第３の時間インターバルの間に、前記ポンピング源に供給される電流を第３の電流レベルに増加させて、前記固体レーザ媒体をポンピングし、
前記第３の時間インターバルの間に、前記Ｑスイッチを動作させて、前記固体レーザから少なくとも２ｋＨｚの繰り返し速度で少なくとも２つのレーザパルスを有する第２のレーザ出力を発生し、
前記第２のレーザ出力を前記第２の目標箇所に照射して、当該第２の目標箇所から目標物の材料を除去する、レーザシステムを用いた加工方法。
【請求項２７】
前記ポンピング源は、レーザポンピングダイオードを有し、前記第１のレーザ出力及び前記第２のレーザ出力は、前記レーザポンピングダイオードに供給される電流レベルに応じて変化する出力レベルを有しており、かつ前記レーザポンピングダイオードは、電流により発生する該ポンピングダイオードの熱負荷により決定される制限を有しており、これによって、前記第１の時間インターバルの最初から前記第３の時間インターバルの最後までの間に、前記レーザポンピングダイオードより前記レーザ媒体に供給されうるポンピング出力量が制限され、これによって、前記第２の時間インターバルの間に供給される前記第２の電流レベルによって、前記第１及び第３の時間インターバルのそれぞれの間に供給される前記第１の電流レベルおよび前記第３の電流レベルを、前記第１の時間インターバルの最初から前記第３の時間インターバルの最後までに相当するＣＷ時間インターバルの間に、レーザポンピングダイオードを連続動作させた場合に供給できる最大ＣＷ電流レベルを超えるようにすることができ、これによって、所定のパルス繰り返し速度における前記第１のレーザ出力および前記第２のレーザ出力の出力パワーレベルは、前記固体レーザ媒体がポンピングダイオードにより、前記最大ＣＷ電流レベルで所定のパルス繰返し速度でポンプされる一定かつ連続的な動作条件下で供給される出力である最大ＣＷポンプレーザ出力のパワーレベルを超えるようにする請求項２６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本特許出願は、２００１年３月１２日に提出した米国仮特許申請Ｎｏ．６０／２７５，２４６号を基礎とした優先権を主張するものである。
【０００２】
著作権表示
（ｃ）Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．本特許ドキュメントの開示部分には著作権保護の対象となるものが含まれている。当該著作権者は、本特許ドキュメントが特許商標庁の特許ファイルまたは記録に存在するため、だれもが本特許ドキュメントまたは特許の開示部分をファクシミリにより複製することに異論はない。しかし、米国特許法施行規則１．７１条（ｄ）項において全ての著作権を保有する。
【０００３】
技術分野
本発明は、ダイオードポンプ式固体レーザに関し、特に、回路基板にビア（導電貫通孔）を形成するために用いる準ＣＷダイオードポンプ式固体ＵＶレーザシステム及びこれらを用いる処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００４】
電子デバイスやプリント回路基板（ＰＣＢ）のような加工物の目標箇所にポイントツウポイントでビアを形成するために、種々のタイプのレーザシステムが使用されている。以下に、一例としてダイオードポンピング式固体紫外線（ＵＶ）レーザシステム及び目標加工物を用いて説明するが、その説明は発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。
【０００５】
光波エレクトロニクス（Ｌｉｇｈｔ  Ｗａｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（ＬＷＥ））のモデル２１０レーザを含むエレクトロサイエンティフィックインダストリー社（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．（ＥＳＩ））のモデル５２００のような音響光学（Ａ−Ｏ）Ｑスイッチ連続波（ＣＷ）ダイオードポンプ式（ＤＰ）固体（ＳＳ）レーザシステムを用いてビアを形成する場合、一つのポンピングダイオードまたは複数のポンピングダイオードは連続して動作し続ける。位置決めシステムを加工物の新たな目標箇所に向けるときはいつでもＱスイッチを閉成することにより、レーザ放出を抑制する。位置決めシステムが新たな目標箇所に整列した後には、予定した繰り返し速度でＱスイッチを開放することにより、レーザシステムによって、一つのまたはそれ以上のレーザパルスを含むレーザ出力を発生させる。
【０００６】
ＬＷＥモデル２１０は、２つの２０ワット（Ｗ）のＣＷダイオードを用いてポンピングさせ、１０ＫＨｚの繰り返し速度で３ＷのＵＶ出力パワーを発生させる。ダイオードへのＣＷポンピング電流は、ダイオードの熱負荷により制限される。より強いＵＶ出力パワーを保証するアプリケーションの場合は、２つの３０Ｗのダイオードレーザバーまたは４つの２０Ｗダイオードレーザバーのように、より多くのダイオードまたはより大きい電流／パワーのダイオードを用いなければならない。その設計では、約８ＷのＵＶ出力パワーを期待することができる。しかしながら、より高いポンピングパワーを用いると、固体レーザ媒質の熱負荷が増加する。レーザ媒質が熱的に過負荷になると、ダイオードを永久に損傷し、またはレーザビームの品質を大幅に低下させ、利用可能なパワーが制限される。このような制限により、レーザシステムの設計及び製造に重大な技術課題が課せられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、パルスポンピングや準ＣＷポンピングのような他のポンピング法がレーザ設計に利用可能である。早期バージョンのラムダフィジクス（Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｃｓ）のＵＶ“Ｇａｔｏｒ”モデルのような電気光学（Ｅ−Ｏ）ＱスイッチパルスＤＰＳＳＵＶレーザは、より高いレーザパルスパワーを出力するが、低パルス繰り返し速度で出力する。各ポンピングパルスにおいて、一つのＵＶレーザパルスのみが発生する。そのポンピング継続時間は数百マイクロセカンド（μｓ）に制限されるから、レーザ出力パルスの繰り返し速度は通常２ｋＨｚ以下に制限される。このポンピング法は、ビア形成の効率（スループット）に悪影響を及ぼすから、ビア形成用には適していない。
なお、ここに云う「ビア形成の効率（スループット）」とは、ビア形成の生産高、あるいは生産能率（効率）のことであり、本願の場合では、ビア形成のための所要時間を云う。作業時間の短いほど効率が高くなる。
【０００８】
伝統的な準ＣＷポンピングはパルスポンピングに似ているが、ピークポンピングパワーが低く、ポンピング継続時間が長い。このポンピング法は、約１〜２ｋＨｚのポンピング繰り返し速度を呈することができ、そのポンピング継続時間は、使用されるダイオードにおける繰返し速度及びデューティサイクルに基づいて数百μｓから数百ミリセカンド（ｍｓ）にすることができる。このポンピング法では、ポンピングがオフのときはいつでもダイオードが“休（ｒｅｓｔ）”する（及び熱負荷が減少又は止まる）から、ＣＷポンピングよりも高いレベルでポンピングすることができる。従って、レーザ出力パワーは、ポンピング時間期間の間、比較可能なＣＷポンプレーザのパワーに比べてより高くすることができる。レーザ出力は、１個又は複数のダイオードに対する電流を調節することにより制御される。しかしながら、このポンピング法のポンピング繰り返し速度には依然として重大な欠点がある。準ＣＷポンピングにおける通常の用途には、レーザ接合及びレーザ溶接のように、長いレーザパルス幅及び適度のピークパワーを利用するものが含まれる。
【０００９】
従って、ビア形成スループットを増加させるために、より高いパワーとより速い繰り返し速度の両方を促進するポンピング法を含むレーザシステムが望ましい。
【００１０】
通常のＵＶレーザビア形成システムは、標準の周波数変換法を用いてＩＲ領域のレーザの基本波長をＵＶに変換する。このようなシステムには、高ＵＶパワー及び高パルス繰り返し速度を用いて、高スループットのビア形成を実現するのが好適である。従って、Ａ−ＯＱスイッチＤＰＳＳレーザシステムは、今まではビア形成のために好適とされていた。
【００１１】
市販の所望されるシステムは、むしろより高いＵＶパワーを選ぶことにより、ビア形成時間を減少させるか、または銅またはＦＲ４のような幾らか“ビア形成のために困難な”材料にビアを形成するのに好適であった。従って、高パルス繰り返し速度（数ｋＨｚから数十ｋＨｚ）での高ＵＶ出力パワー（５Ｗから１５Ｗ）が好適とされていた。
【００１２】
市販のシステムとして有用であるためにも、例えばＰＣＢへのビア形成には、１秒当り３００ビアから４００個のビアを形成可能なレーザシステムが必要である。従って、レーザ位置決めシステムは、毎秒３００から４００の新たな場所に動かさなければならない。一般に、レーザシステムは１つのビア形成のために１ｍｓよりも短い時間を要するが、場合によっては次のビア形成のために新たな場所に動かすのに１ｍｓよりも長い時間を要する。このため、レーザのＯＮ時間はレーザのＯＦＦ時間よりも実際は短く、これがレーザの使用効率をかなり悪くしている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、準ＣＷポンピングのタイミングを同期させて、位置決めシステムが１つの目標箇所から次の目標箇所に移動する間はポンピングをやめるか、または低減させ、ビアを形成している間はＣＷポンプレベルを超えるようにポンピングレベルを増大させる準ＣＷダイオードまたはランプポンプＡ−ＯＱスイッチ固体ＵＶレーザを提供する。従って、レーザ媒質への平均ポンピングパワー及びポンピングダイオードの熱負荷は通常利用可能なレーザダイオードの通常のＣＷポンピングと同じであるが、ビア形成のために利用可能なＵＶパワーは高くなる。準ＣＷポンピング電流プロフィールも変更して、好適なＵＶパルス振幅のプロフィールを実現することができる。
【００１４】
このような準ＣＷダイオードまたはランプポンプ式Ａ−ＯＱスイッチ固体ＵＶレーザは新規であり、ビームスキャニングとの準ＣＷポンプの同期化も新規であり、このようなビア形成のためのレーザシステムの使用方法も新規である。
【００１５】
本発明の追加の目的及び利点は、添付図面を参照して説明する以下の好適実施例の詳細な説明から明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、高スループットレートでビアを形成するための、同期をとって目標物を定めポンピングし、且つレーザ照射する準ＣＷダイオードポンプ式Ａ−ＯＱスイッチ固体ＵＶレーザシステム１０の好適実施例を簡易化した概略図である。図１を参照するに、レーザシステム１０のレーザ共振器１２には、側面からレーザ媒質１６をポンピングするダイオード１４を一緒に示している。しかしながら、当業者にとっては、共振器１２を折り曲げることができ、ポンピング法を“エンドポンピング（ｅｎｄ−ｐｕｍｐｉｎｇ）”とすることができ、またレーザシステム１０に他の可能な周知の構成を用いることができることは明らかである。模範的なダイオード１４には、カリフォルニア，サンジョセ所在のＳＤＬ社により販売されているモデルＳＤＬ−３２００シリーズの１００Ｗ準ＣＷアレイ及び９６０Ｗ高能率スタックアレイが含まれるが、これらに限定されるものではない。模範的な固体レーザ媒質（１６）には、ＹＡＧ、ＹＬＦ及びＹＶＯ４の組成を有するレーザ媒質が含まれる。共振器１２は、ＩＲ−反射ミラー１８とＵＶ（第３高調波）透過出力カプラー２０との間に、光軸２２に沿って音響光学（Ａ−Ｏ）Ｑスイッチ２４、イントラキャビティ周波数変換用の周波数２倍器２６及び周波数３倍器２８も有する。周波数変換を共振器１２の外部で行うことができることは当業者に明らかである。
【００１７】
図２Ａ及び２Ｂ（まとめて図２）は、それぞれ、準ＣＷポンピングダイオード電流パルスすなわちインターバル５０ａ，５０ｂ及び５０ｃ（総称して電流インターバル５０）の模範的な波形の簡易グラフ図、及び図２Ａに示した準ＣＷポンピングダイオード電流波形に重ねた模範的なＡ−ＯＱスイッチレーザパルス６０ａ，６０ｂ及び６０ｃ（総称してレーザパルス６０）の模範的な波形の簡易グラフ図である。図１及び２を参照するに、レーザシステムの動作は、レーザシステム１０が加工物３０の第１目標箇所３１に一つのビアを造り終えると、中央処理装置（ＣＰＵ）３２が電源３４を制御することにより、ダイオードのポンピングを停止するか（ダイオード電流をゼロにするか）、または予定した低電流レベルにダイオードのポンピングを低下させるように同期がとられる。模範的な電源３４には、一般に１０μｓの電流遷移時間を有する１０−１５アンペアのＣＷレーザダイオードドライバ用のモデルＳＤＬ−８２０、約５０アンペアのＣＷレーザドライバ用のモデルＳＤＬ−８３０または約１５０アンペアピークの準ＣＷレーザダイオードアレイドライバ用のモデルＳＤＬ９２８が含まれるが、これらに限定されるものではない。これらはいずれもカリフォルニア，サンジョセ所在のＳＤＬ社が販売している。
【００１８】
次に、位置決めシステム３６は、ビーム出力位置を新たな目標箇所３１に移動させる。ビーム位置決めシステム３６は、好ましくは並進移動ステージポジショナを含み、このポジショナは、同一の加工物３０または異なる加工物３０における目標箇所３１間で、迅速に動かすことができる少なくとも２つの直交ステージを用いる。好適実施例では、並進移動ステージポジショナは、Ｙステージが加工物３０を移動させ、Ｘステージが高速ビームポジショナ及び関連する集束レンズ（複数のレンズ）を移動させる分割軸（ｓｐｌｉｔ−ａｘｉｓ）システムとする。ＸステージとＹステージとの間のＺ軸方向の大きさも調整可能にすることができる。位置決めミラーによって、レーザ共振器１２と高速ビームポジショナとの間の光路２２を数回にわたって調整する。例えば、高速ビームポジショナには、高分解能リニアモータ及び／または一組のガルバノメータを用いることができ、そのモータ及び／またはミラーは、与えられたテストまたは設計データに基づいて固有の処理操作または繰り返しの処理操作を行うことができる。ステージ及びポジショナは、個別に制御されて移動し、または互いに移動するように調整することができる。
【００１９】
ビーム位置決めシステム３６は通常の視覚によるか、またはビームを用いて整列システムを動作させることができ、この整列システムは、対物レンズを介して、または別個のカメラでのオフアキシスで動作する。このような整列システムは当業者にとって周知である。一実施例では、エレクトロサイエンティフィックインダストリ社により販売されている位置決めシステム３６におけるフリーライブラリソフトウェアを使用するＨＲＶＸビジョンボックスを用いて、レーザ共振器１２と加工物３０の目標箇所３１との間を整列させる。他の好適な整列システムも市販されている。
【００２０】
さらに、ビーム位置決めシステム３６は、好ましくは非接触型の少変位センサーを用いて、リニアスケールエンコーダまたはレーザ干渉計のようなオンアキシスの位置指示器によって指示されないステージのピッチ、揺れまたは回転によるアッベエラーを決定する。アッベエラー訂正システムは正確な参考基準値に対して較正することができるから、その訂正は、センサーの読み取り時の小さな変化を検知することのみに依存し、センサーの絶対精度での読み取りには依存しない。このようなアッベエラー訂正システムは、２００１年７月１９日に公開された国際公開番号Ｎｏ．ＷＯ０１／５２００４Ａ１及び２００１年１０月１８日に公開された米国公開公報Ｎｏ．２００１−００２９６７４Ａ１に詳細に説明されている。それに対応するカトラー（Ｃｕｔｌｅｒ）による米国特許出願Ｎｏ．０９／７５５，９５０の開示部分に関連する部分も参考までにここに含める。
【００２１】
位置決めシステム３６の多くの変形例が当業者に周知であり、位置決めシステム３６のいくつかの実施例が、カトラー等による米国特許Ｎｏ．５，７５１，５８５に詳細に説明されている。オレゴンのポートランドに所在するエレクトロサイエンティフィックインダストリ社から市販されているＥＳＩモデル５３２０マイクロビアドリリングシステム（ｍｉｃｒｏｖｉａ  ｄｒｉｌｌｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）は、位置決めシステム３６を遂行するのに好適であり、これは電子産業用の樹脂をコートとした銅パッケージにレーザで穴をあけるのに使用されてきた。モデルシリーズ番号２７ｘｘ，４３ｘｘ，４４ｘｘまたは５３ｘｘのような、オレゴンのポートランド所在のエレクトロサイエンティフィックインダストリー社により製造された他の好ましい位置決めシステムも用いることができる。加工物の位置決めをするための単一のＸ−Ｙステージ並びにビームの位置決めを行うための同定ビーム位置決め及び／または静止ガルバノメータを有するシステムを用いることもできることは当業者に明らかである。このようなシステムは、ＵＶレーザシステムの集束した出力パルス４０を高速でダイナミックに位置決めして、周期的または非周期的な広範囲の有用なパターンを発生させるツールパス（ｔｏｏｌｐａｔｈ）ファイルを利用すべくプログラムすることができることを当該技術分野の当業者は認識している。
【００２２】
ＣＰＵ３２は、位置決めシステム３６が新たなすなわち第２の目標箇所３１に到達したとき、またはほぼ到達したとき、或いは予定した時間インターバルの経過後及びダイオードのポンピングが抑制または低下した際のいずれかの時点に、ダイオード１４に電流を供給するか、または電流を増加させる。ＣＰＵ３２は、Ｑスイッチコントロール３８にＱスイッチ２４を開放するよう指示し、予定した繰り返し速度で第２のビアをあけるまでレーザパルス６０を出射させる。
【００２３】
ポンピング電流インターバル５０のプロフィールは、準ＣＷポンピングの中のレーザパルス６０のピークパワーのプロフィールの形状を、ポンピング期間中低から高へ（図２Ａに示した）または高から低へ平坦となるように制御すべく調節することができる。さらに、電流プロフィールは種々の振幅を有するように調整することができ、例えば、所要に応じ、金属層にビアを形成するために高ピークパワーを用いたり、誘電体層にビアを形成するために低ピークパワーを用いたりすることができる。同様に、電流ポンピングインターバル５０の時間周期は、大きい径のビアには電流インターバル５０を長くするように、処理すべきビアのサイズ、深さ及び材料に適合するように調整することができる。図２Ａ及び２Ｂは、必ずしも必要でないが、デューティサイクルを同じに維持しながら、レーザシステム１０が電流ポンピングインターバル５０の期間を変化させ、且つ電流ポンピングインターバル５０の間の期間を変化させることができることを示している。しかしながら、デューティサイクルは、レーザ出力プロフィールのために所望される場合は、同様に変更することができる。
【００２４】
準ＣＷポンピング繰り返し速度は、容易に２ｋＨｚの速さにすることができる。レーザポンピングダイオード１４及び／またはレーザ媒質１６に対する平均熱負荷がほぼ一定でありまたは熱損傷レベル以下である限り、準ＣＷポンピングの間の時間周期は一定でなくてもよい。
【００２５】
一実施例では、ＣＷポンプ式５ＷのＵＶレーザシステム１０におけるダイオード１４及び電源３４は、様々な電流ポンピングを行うために変更させる。その結果、レーザシステム１０は、５００Ｈｚにおいて２対１のデューティサイクルで動作することができる。ダイオード１４は、別の１ｍｓの間にこれらのダイオードが停止する前の１ｍｓの期間レーザ媒質１６をポンピングする。従って、ポンピング期間中に、（ダイオード１４及びレーザ媒質１６の平均熱負荷に悪影響を及ぼすことなく）大きさが約２倍の電流をダイオード１４に供給することができる。従って、この１ｍｓのポンピング期間中のレーザパワーは、（特に非線型周波数変換後の）匹敵し得るＣＷポンプレーザによるパワーの２倍以上になり得る。レーザ共振器１２に使用されるＡ−ＯＱスイッチ２４は、例えば１０ｋＨｚまたは５０ｋＨｚまでの予定した繰り返し速度でレーザパルス６０を出射すべく繰り返し切り換わる。
【００２６】
加工物３０は、例えば、ＩＣチップパッケージ、ＭＣＭ、キャパシタ、回路基板、抵抗、ハイブリッドマイクロ回路または半導体マイクロ回路とすることができる。便宜上、４層のみを有する加工物について以下に説明する。最上部及び底部の導電層は、例えば、アルミニウム、銅、金、モリブデン、ニッケル、パラジウム、プラチウム、銀、チタニウム、タングステン、金属窒化物、またはこれらの組み合せのような標準の金属を含有することができる。通常の金属層の厚さは、一般に９−３６μｍの間で変えられるが、その厚さはもっと薄くしたり、厚くしたりすることができる。これらの導電層は一般に同じ材料で造られる。
【００２７】
誘電性基質または誘電体層は導電層の間に挟まれており、例えば、ベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）、ビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）、厚紙、シアナートエステル、エポキシ、フェノール、ポリノミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、様々なポリマーアロイまたはその組み合せのような標準の有機誘電物質を含有することができる。通常の有機誘電体層の厚さはかなり変えることができるが、一般に金属層よりも厚くする。有機誘電体層の模範的な厚さの範囲は約３０−４００μｍである。
【００２８】
誘電体層は、例えばアラミドファイバー、セラミックス、または有機誘電体物質に織り込まれまたは分散したガラスのファイバーマットまたは分散粒子を含むことができる標準の強化成分を含むようにすることもできる。通常の強化成分は、一般に大きさが約１−１０μｍの個々のフィラメントまたは粒子、及び／または１０μｍから数百ミクロンに織り込んだ束とする。当業者には、強化成分を粉体として有機誘電体に導入することができ、それは非連続及び一様でなくてもよいことは明らかである。このような複合または補強誘電体層は、一般に非強化誘電体層を除去するために必要とされるパワーよりも、より高いパワーのレーザ処理を必要とする。当業者には、これらの様々な層が内部的に非連続で、一様でなく、一様な高さにならないことも明らかである。金属、誘電体及び強化材料から成るいくつかの層を有する積層体は２ｍｍよりも厚くすることができる。
【００２９】
ビアの直径は好ましくは２５−３００μｍの範囲であるが、レーザシステム１０は約５−２０μｍの小さな径または１ｍｍよりも大きな径を有するビアを形成することができる。レーザパルス６０により好適に除去するスポットサイズの径は約２５−７５μｍであるから、２５μｍよりも大きなビアを、穿孔処理、同心円処理またはスパイラル処理により形成することができる。当業者には、ビアを正方形、長方形、楕円形、溝孔のような形または他の表面形状のような非円形状にすることもできることは明らかである。
【００３０】
貫通孔のビアは、加工物３０の全ての層及び材料を清浄にかつ均一に貫通し、好ましくはビアの最上部からビアの底部まで無視できるテーパを形成する。ブラインドビアは、全ての層及び材料を貫通せず、一般に下部の導電層または底部の導電層で停止する。下部の導電層または底部の導電層が最上部の金属層と同じ金属成分で構成されていても、レーザのパラメータを適当に選択することにより、下部の導電層または底部の導電層に影響しないようにすることができる。
【００３１】
レーザ出力４０のパラメータは、ＵＶ光または可視光に対して異なる光吸収特性、除去スレッシュホールドまたは他の特性を呈する様々な金属ターゲット、誘電体ターゲット及び他の材料のターゲットにおいて、極めて清浄でシーケンシャルな孔あけ、すなわちビア形成を容易にするために選択する。レーザシステム出力４０のパラメータは、加工面で測定される約１２０μＪよりも大きいパルス当たりの平均エネルギー、好ましくは２００μＪよりも大きい平均エネルギーを含み、約５０μｍよりも小さいスポットサイズの径すなわち空間主軸、好ましくは約１−５０μｍの径を含み、約１ｋＨｚよりも高い繰り返し速度、好ましくは約５ｋＨｚよりも高い速度、最も好ましくは２０ｋＨｚよりも高い繰り返し周波数を含み、好ましくは約１９０−５３２ｎｍの間の波長、最も好ましくは約２５０ｎｍと４００ｎｍとの間の波長を含む。特に好ましい波長は、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３４９ｎｍまたは２６６ｎｍを含むが、これらの波長に限定されるものではない。
【００３２】
レーザ出力４０の好適なパラメータは、試みとして、約１５０ｎｓよりも短い時間パルス幅、好ましくは約４０−９０ｎｓまたはそれよりも短い時間パルス幅を用いることにより熱損傷の影響を回避するように選択する。当業者には、レーザパルス６０のスポットエリアは一般に円形とするが、多少楕円形にすることもできることは明らかである。好適なＵＶレーザのビア形成パラメータについては、米国特許Ｎｏ．５，５９３，６０６及びＮｏ．５，８４１，０９９の明細書に開示されている。
【００３３】
ブラインドビア及び特に大きい径のブラインドビアは、好ましくは２工程のプロセスによって形成する。第１工程では、全ての目標箇所の導電層を除去し、第２工程の間に、全ての目標箇所の誘電体層を、導電層のアブレーション閾値以下のレーザ出力作用で除去する。全ての目標箇所の最上部の導電層を除去した後に、レーザスポットをデフォーカスすることにより、及び／または繰り返し速度を速めることにより並びにレーザポンピングダイオード１４への電流を減少させることにより、第２工程の間のレーザ出力作用を低下させることができる。
【００３４】
当業者にとっては、ブラインドビアを単一工程のプロセスで形成することもできることは明らかである。この単一工程のプロセスでは、位置決めシステム３６がその次の目標箇所３１に移動する前に、各目標物の導電層及び誘電体層の両層を除去する。単一工程のプロセスは、より小さな径のビアを形成するのに適している。単一のパスプロセスにおいて、レーザパルス６０が誘電体層を除去し始めるときに、かなり強い作用を維持することがさらに有効である。しかし、レーザパルス６０が誘電体層を除去して底部の導電層を露出させることにより底部の導電層がレーザ出力４０から熱を吸収するから、底部の導電層への損傷は影響度を弱めることによって減じられる。従って、誘電体層を除去する間にレーザスポットを徐々にデフォーカスするかまたはポンピング電流を徐々に低下させることによって、誘電体層の除去期間中に一定の単一のパワーで除去する場合よりも高速に有効に除去され、且つ底部金属層が一層良好に保護されることになる。ビア形成プロセス用のこれらの及び他のレーザ出力の概略技術は、米国特許出願Ｎｏ．０９／８２３，９２２及び２００１年１１月２９日に公開された米国特許公開Ｎｏ．ＵＳ２００１−００４５４１９に詳細に説明されている。米国特許出願Ｎｏ．０９／８２３，９２２の詳細な説明及び図面も参考としてここに含める。
【００３５】
本発明の本質から逸脱しない限りにおいて、上述した本発明の実施例の詳細部分に多くの変更がなされることは、当該技術分野の当業者にとって明らかである。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ特定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】イントラキャビティ３倍周波数変換を行う準ＣＷダイオードポンプ式Ａ−ＯＱスイッチレーザの一実施例の簡易化概略図である。
【図２Ａ】準ＣＷポンピングダイオード電流の模範的な波形の簡易グラフ図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示した準ポンピングダイオード電流に重ねた模範的なＡ−ＯＱスイッチレーザパルスの簡易グラフ図である。
【図１】
0004583711.tif 000002
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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