(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属層（１１）と少なくとも１つの第２の金属層（１２）と２つの金属層間に配置された誘電層（１３）とを有する多層サブストレート内（１０）に、少なくとも１０ｋＨｚの繰返し周波数と、１１００ｎｍより短い波長と、５０ｎｓより短いパルス長を有する固体レーザー（１）から放射されたレーザービームを照射することによって止まり穴（１４）を穿孔する方法であって、
照射を２つの段階で次のように行う、すなわち第１の段階ではそれぞれ第１の金属層およびその下に位置する誘電層の一部を除去し、第２の段階では誘電層を完全に第２の金属層まで除去するように行い、
以下のステップを有する：すなわち、
第１の段階ではレーザービーム（４）を少なくとも１５ｋＨｚの繰返し周波数に調整設定し、第１の金属層（１１）上に焦点合わせして、第１の周回速度で円の形で所望の孔の直径（Ｄ１）に相応して、第１の金属層（１１）および誘電層（１３）の一部がリング状に切り取られ、切り離された芯が熱作用によって自ら飛び出すことによって除去されるまで何回か動かし、
第２の段階ではレーザービーム（４）を第１の段階と同じかまたは第１の段階より低い繰返し率に調整設定し、焦点をはずして、孔（１４）内に露出された誘電層（１３）上に配向し、第１の段階より高い周回速度で、所望の孔直径内の１つ（Ｄ１）または複数（Ｄ２）の同心円の形で、孔領域内の誘電層が除去されるまで何回か動かし、
デフォーカス（ｓ）および／または第２の速度を、第２の段階における有効エネルギー密度が第２の金属層の除去に対する閾値を下回るように調整設定する、というステップを有する、
ことを特徴とする、レーザービームによって止まり穴を穿孔する方法。
【請求項２】
前記固定レーザー（１）として３５５ｎｍの波長を有するネオジム−バナジン酸塩−レーザーを用いる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記固体レーザー（１）として５３２ｎｍの波長を有するネオジム−バナジン酸塩−レーザーを用いる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記繰返し周波数は第１の段階において約１５ｋＨｚ〜約４０ｋＨｚであり、第２の段階においては約１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚに調整設定され、
第２の段階における繰返し周波数は、第１の段階における繰返し周波数と常に同じである、または第１の段階における繰返し周波数より低い、請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
２つの段階における繰返し周波数を１５ｋＨｚに調整設定する、請求項１〜４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記レーザービーム（４）の第１の段階における周回速度は２００〜３００ｍｍ／ｓの間であり、
第２の段階における周回速度は２００〜６００ｍｍ／ｓの間であり、いずれにせよ第１の段階における周回速度よりも高い、請求項１〜５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
第２の段階における周回速度は、６００ｍｍ／ｓより高い、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
所望の孔直径が１５０μｍを上回る場合には、第１の段階においてレーザーパルスによって描かれた円を、レーザービーム（４）によって描かれた円（Ｄ１）内の領域に設ける、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
まずは処理領域の全ての孔に対して第１の段階を実行し、次にレーザーの調整設定を変えて前記領域内の全ての孔に対して第２の段階を実行する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
第１の金属層（１１）と少なくとも１つの第２の金属層（１２）と２つの金属層間に配置された誘電層（１３）とを有する多層サブストレート内（１０）に、少なくとも１０ｋＨｚの繰返し周波数と、１１００ｎｍより短い波長と、５０ｎｓより短いパルス長を有する固体レーザー（１）から放射されたレーザービームを照射することによって止まり穴（１４）を穿孔する方法であって、
照射を２つの段階で次のように行う、すなわち第１の段階ではそれぞれ第１の金属層およびその下に位置する誘電層の一部を除去し、第２の段階では誘電層を完全に第２の金属層まで除去するように行い、
以下のステップを有する：すなわち、
第１の段階ではレーザービーム（４）を少なくとも１５ｋＨｚの繰返し周波数に調整設定し、第１の金属層（１１）上に焦点合わせして、第１の周回速度で円の形で所望の孔の直径（Ｄ１）に相応して、第１の金属層（１１）および誘電層（１３）の一部がリング状に切り取られ、切り離された芯が熱作用によって自ら飛び出すことによって除去されるまで何回か動かし、第２の段階ではレーザービームを第１の段階と同じかまたは第１の段階より低い繰返し率に調整設定し、孔内で露出した前記誘電層上に中央に配向し、
レーザービームが照射されたスポットが少なくとも穿孔されるべき孔の面積と同じであり、第１の段階で切り取られた、前記金属層内の孔がマスクとして作用するように前記レーザービームをデフォーカスする、
というステップを有する、
ことを特徴とする、レーザービームによって止まり穴を穿孔する方法。
【請求項１１】
前記固体レーザー（１）として５３２ｎｍの波長を有するネオジム−バナジン酸塩−レーザーを使用する、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザから放射されたレーザービームを照射することによって多層サブストレート内にマイクロ孔を穿孔する方法に関する。ここでこの多層サブストレートは、第１の金属層と少なくとも１つの第２の金属層と、２つの金属層間に配置された誘電層を有している。ここで照射は２段階で次のように行われる。すなわち第１の段階でそれぞれ第１の金属層とその下に位置する誘電層の一部が除去され、第２の段階で誘電層が第２の金属層まで完全（sauber）に除去されるように行われる。
【０００２】
電気回路サブストレートの小型化に応じて、２００μｍより小さい直径を有する貫通孔および止まり穴を形成する必要性が増大している。これらを機械的な穿孔または穿孔針によって設けることはほぼ不可能である。この領域では既に以前から、レーザー穿孔によってマイクロ孔を形成するのが通常である。しかしここで次のような問題が生じる。すなわち異なる材料（一方では銅のような導電材料、他方ではガラス繊維強化を有するポリマーおよびガラス繊維強化を有していないポリマー等の誘電材料）は、全く異なるレーザー処理を必要とするという問題である。従ってどの波長領域のどのレーザーが、金属内の穿孔またはプラスチック内の穿孔に適しているのかは良く知られている。多層サブストレートが同一のレーザーによって貫通穿孔されるべき場合、または金属性中間層への導電性接続を確立するために止まり穴が設けられるべき場合に問題が生じる。このような異なる材料層を穿孔する場合、ネガティブな熱作用が生じてしまう恐れがある。これらは例えば金属層と誘電層との間の分離作用、誘電体自体の損害または止まり穴と接触すべき金属層の偶発的な貫通穿孔である。
【０００３】
米国特許第５５９３６０６号明細書から、多層サブストレートにマイクロ孔を穿孔する方法が公知である。ここでは同一の規格を有するＵＶレーザーによって、異なる特性を有する少なくとも２つの層が完全に貫通穿孔される。しかしレーザービームが、第１の金属層を貫通穿孔し、その後に誘電層を完全に除去するようにされている場合、容易に次のような危険が生じてしまう。すなわちレーザービームが第２の金属層で適時に止まらず、相応の測定装置によって所望の孔深度に達したことが確認され、穿孔過程が適時に停止されない場合には第２の層が多かれ少なかれ攻撃されてしまうという危険である。
【０００４】
この問題に対処するために、米国特許第５８４１０９９号明細書には２段階方法（２つの層を穿孔する場合）が提案されている。ここではレーザーが第１の段階において第１の金属層を穿孔するために比較的高いエネルギー密度に調整設定され、第２の段階において誘電層を穿孔するためにレーザーのエネルギー密度が、金属の気化閾値を下回る程度に低減される。これによってレーザーはもはや自身の比較的低いエネルギー密度のために、誘電層に接する第２の金属層を貫通穿孔することはない。第２の段階におけるこのより低いエネルギー密度を調整設定するためにここでは、レーザーの繰返し率を上昇させることが提案される。しかしこのようにしてレーザーエネルギーの最適な利用および最適な処理速度を得ることができなくなってしまう。
【０００５】
従って本発明の課題は、レーザーによって止まり穴を穿孔する冒頭に記載した２段階方法を、レーザー出力を最適に利用してより良いクオリティで、かつできるだけ高い処理速度で止まり穴を形成することができるように改善することである。
【０００６】
前述の課題は本発明に相応して、第１の金属層と少なくとも１つの第２の金属層と２つの金属層間に配置された各誘電層とを有する多層サブストレート内に、少なくとも１０ｋＨｚの繰返し周波数と、１１００ｎｍより短い波長と、５０ｎｓより短いパルス長を有する固体レーザーから放射されたレーザービームを照射することによって止まり穴を穿孔する方法であって、照射を２つの段階で次のように行う、すなわち第１の段階ではそれぞれ第１の金属層およびその下に位置する誘電層の一部を除去し、第２の段階では誘電層を完全に第２の金属層まで除去するように行う方法によって解決される。ここでこの方法は以下のステップを有する：すなわち
第１の段階ではレーザービームを少なくとも１５ｋＨｚの繰返し周波数に調整設定し、第１の金属層上に焦点合わせして、第１の周回速度（Umlaufgeschwindigkeit）で所望の孔の直径に相応して円の形で、第１の金属層および樹脂層の一部がリング状に切り取られ、切り離された芯が熱作用によって自ら飛び出すことによってされるまで何回（Durchgaengen）か動かし、
第２の段階ではレーザービームを第１の段階と同じかまたは第１の段階より低い繰返し率に調整設定し、焦点をはずして、孔内に露出された誘電層上に配向し、第１の段階より高い周回速度で、所望の孔直径内の１つまたは複数の同心円の形で、孔領域内の誘電層が除去されるまで何回か動かし、ここでデフォーカスおよび／または第２の速度を、第２の段階における有効エネルギー密度が第２の金属層の除去に対する閾値を下回るように調整設定する、
というステップを有する。
【０００７】
すなわち本発明の方法では従来技術のように、第２段階において誘電体の除去時に有効エネルギー密度を減少させるために繰返し周波数を高めるのではなく、有利には繰返し周波数を第１の段階より低下させる、または場合によっては同じ値に維持する。有効エネルギー密度はむしろ、デフォーカス、ひいてはレーザービームが入射するスポット直径を大きくすること、さらに周回速度を上昇させることによって低下させられる。これによって個々のレーザーパルスが特定の面に作用する時間が短くなる。
【０００８】
金属層（銅層）内に穿孔するのに第１の段階では通常、レーザーが所望の孔の直径に相応する唯一の円の形で、金属層が円状に切り取られるまで何度か動かされれば充分である。直径が１５０μｍまでの場合には、切り取られた金属芯は熱作用によって自ら離れ、飛び出す。直径が大きい場合には、切り取られた金属芯を加熱するために付加的なパルスが与えられる。
【０００９】
金属層内に完全な孔縁部を得るためにレーザー穿孔の第１段階において、円を成す個々のパルスの高い重畳（＞５０％）が得られるようにされる。この目的のために第１の段階に対しては少なくとも１５ｋＨｚ、有利には２０〜３０ｋＨｚの比較的高い繰返し周波数が選択される。この領域において使用可能なレーザーはもはや最大中間出力を供給しない。しかし有利にはネオジム−バナジン酸塩−レーザー（Ｎｄ：ＶＯ４−レーザー）が使用される。この場合、高い繰返し周波数での出力降下は比較的小さい。従って１２μｍの焦点スポット直径で、３. ５Ｗの３５５ｎｍ−Ｎｄ−バナジン酸塩−レーザーの場合には、１７５ｍｍ／ｓより高い線形の周回速度が得られる。より高い出力を有するレーザーの場合には、より高い繰返し周波数によってさらに高い速度も得られる。これに相応して、波長が５３２ｎｍのＮｄ−バナジン酸塩−レーザーも良好に使用される。
【００１０】
第２の段階では誘電材料は、レーザーを少なくとも２つの同心円でガイドすることによって除去される。ここでこの場合には順次連続するレーザーパルスが重畳する必要はない。ここでは繰返し周波数はほぼ、使用可能な最大レーザー出力が材料除去のために利用されるように選択される。この最大出力は周知のように、若干低い繰返し周波数で生じる。
すなわちＮｄ：ＶＯ４−レーザーでは、約１０〜２０ｋＨｚである。有効エネルギー密度を、金属に対する気化閾値を下回る値に整合させることはこの場合には上述したように、照射されるスポット直径を拡大すること、すなわちデフォーカスないしコリメーターの拡大係数を変化させることによって行われる。付加的に周回速度が次のように上昇されるのは有利である。すなわち個々のパルスがもはやビーム直径に相応するスポット上にのみ入射するのではなく、エネルギーがスミアー作用によってより大きな面積に分配されるように周回速度が上昇されるのは有利である。
【００１１】
比較的高い出力を有するＮｄ−バナジン酸塩−レーザーの使用時には、第２の段階においてレーザービームを円の形で周回させるのではなく、全ての孔面積を覆うようにビームを拡張することも可能である。この場合に誘電体は、ビームの中央調整設定によって除去される。ここでは第１段階で金属層から切り取られた孔がマスクとして用いられる。
【００１２】
本発明を以下で図面に基づいて実施例に即して詳細に説明する。図１には本発明による方法の第１段階に対する調整設定を有するレーザー配置構成の概略図が示されている。図２には本発明による方法の第２段階に対する調整設定を有する、図１のレーザー配置構成が示されている。図３Ａ〜図３Ｃは、本発明による方法の第１実施例におけるマイクロ孔穿孔時の種々異なる方法段階でのサブストレートの断面図である。図４は、図３Ａおよび図３Ｂに従って孔を形成するための、本発明による方法の第１段階におけるレーザービームのガイドのようすをあらわす概略図である。図５は、図３Ｃに従って孔を形成するための、本発明による方法の第２段階におけるレーザービームのガイドのようすをあらわす概略図である。図６Ａ〜図６Ｃは、本発明による方法の第２実施例におけるマイクロ孔穿孔時の種々異なる段階でのサブストレートの断面図である。図７は、図６Ａおよび図６Ｂに従って金属層内にマイクロ孔を形成するための、レーザービームガイドのようすをあらわす概略図である。図８は、図６Ｃに従ってマイクロ孔を形成するための、誘電層におけるレーザービームガイドのようすをあらわす概略図である。図９は、繰返し周波数に依存して、種々異なる半導体レーザーの平均出力パワーをあらわすダイヤグラムである。図１０は、パルス繰返し周波数に依存して、３５５ｎｍの波長を有するネオジム−バナジウム酸塩−レーザーの平均出力パワーとパルス幅をあらわすダイヤグラムである。
【００１３】
図１および図２に概略的に尺度通りでなく示された装置は、偏向ユニット２と光学的結像ユニット３を有するレーザー１を示している。この光学的結像ユニットを介してレーザービーム４はサブストレート１０上に配向される。このサブストレート１０は、上方の、第１の金属層（銅層）１１並びに第２の金属１２を有しており、これらの金属層の間に誘電層１３が配置されている。この誘電層は例えばＲＣＣのようなポリマー材料またはＦＲ４のようなガラス繊維強化されたポリマー材料から成る。通常は銅から成る金属層が処理ないし除去に対して常に同じエネルギー量を必要とする（同じ厚さで同じ体積の場合）のに対して、誘電層の場合には必要なエネルギー量はその組成に強く依存する。サブストレート１０は上述された３つの層よりも多くの層から成ってもよいということを再び言及しておく。この場合、さらなる金属層はそれぞれ誘電層によって相互に分けられ、選択的に相応の穿孔によって相互に、最上の金属層１１と接続される。
【００１４】
本実施例では、第１の金属層１１は止まり穴１４によって第２の金属層１２と接続されている。しかも層１２は貫通穿孔されていない。このような孔１４は例えば約１００〜１２０μｍの直径を有する。しかしこれはより大きくても、より小さくてもよい。
【００１５】
本発明では穿孔は２つの段階で行われる。図１は第１の段階に対する配置構成を示しており、ここでレーザービーム４は焦点Ｆ１で層１１の表面上に焦点合わせされる。レーザービームのエネルギーはここで直径ｆ１を有するスポット上に配向され、金属層１１を除去するためにエネルギーができるだけ集中して使用される。ここでこのレーザービームは、図４に示されているように直径Ｄ１を有する円の形で動く。この円Ｄ１での周回速度は次のように選択される。すなわち個々のパルスが例えば６０％より多く重畳するように選択される。このようにして金属層から平滑な縁部が切断される。金属層の厚さに応じて、これを完全に貫通するまで所定数の円周回が必要である。図３Ａおよび図３Ｂは異なる段階における、このような段階１の時間的な経過を示している。金属は、金属層が分断されるまで図３Ａのようにリング状に切り取られる。その後、切り離された芯は熱作用によって自ら飛び出し（少なくとも孔直径が＜１５０μｍである場合）、図３Ｂの状態が生じる。
【００１６】
金属層１１の貫通穿孔後にレーザーは図２に相応して、焦点Ｆ２が穿孔されるべき孔領域外に位置するように、すなわち例えば銅層１２のｓ＝２ｍｍ上方に位置するように調整設定される。従って穿孔されるべき層の領域ではレーザービームは、直径ｆ２を有するスポットに入射する。さらに繰返し周波数が有利には減少し、最大レーザーエネルギーが使用される。このように調整設定されたレーザービームはここでも同じように円で動く。詳細にはまずは再び直径Ｄ１を有する円の形で運動し、その後、直径Ｄ２を有する同心円の形で動く。ここで通常の孔直径および材料強度の場合には、このように誘電材料を第２の金属層１２まで完全に除去するのに僅かな回転で充分である。レーザービームの周回時に孔面積全体が走査されない場合であっても、誘電体の残部は熱拡張によって気化される。当然ながら材料、材料強度および所望の孔直径に応じてより多くの同心円をレーザービームによって実行することも可能である。この場合に周回速度は次のように選択される。すなわち有効エネルギー密度が、第２の金属層１２の気化に対する閾値を下回るように選択される。最終的には図３Ｃに相応した袋穴１４が生じる。
【００１７】
図１および図２からわかるように、まずは全ての孔１４に対して第１の段階が実行される。すなわち予定された全ての孔に対してまずは金属層が貫通穿孔される。これによって図３Ｂに示された状況に達する。その後、レーザーは段階２に調整設定され、全ての孔が誘電層の除去によって完成される。
【００１８】
図３Ａ〜図３Ｃ並びに図４および図５に示された実施例では、３５５ｎｍの波長を有するＮｄ：ＶＯ４−レーザーを用いて穿孔が実施された。直径は１１０μｍである。この場合には以下の条件下で作業が行われた。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
この調整設定では第１の段階に対して、１秒間に１３０回の穿孔の歩留まりが得られ、第２の段階では１秒間に３０５個の孔の歩留まりが得られた。
【００２１】
調整設定が変えられた別の実施例を図６Ａ〜図６Ｃ、図７および図８に基づいて説明する。上述した実施例のように金属層は再び銅から成る。これに対して誘電層はこの実施例ではガラス繊維強化されたＦＲ４から成る。この場合にも孔をできるだけ効果的に形成するために、単に金属層１１を分断させるのに必要な周回より多くのレーザービーム４の周回が段階１において使用される。このように既に第１段階において誘電層１２内に深く切り込みが入れられる（少なくとも縁部領域において（図６Ｂ））。できるだけ高いレーザーエネルギーを使用するために、この場合には繰返し周波数はより低く、すなわち２０ｋＨｚに選択される。図７を図４と比較すると分かるように、これによって個々のパルスの重畳は先行の実施例よりも少なくなる。しかしこれはより多くの周回数によって補償される。それにもかかわらずこれによって、銅に平滑な縁部が生じる。第２の段階においてレーザーは、第１の実施例において調整設定されたのと同じ１０ｋＨｚの繰返し周波数に調整設定される。しかしここでは、誘電体の残部を除去するのにレーザービームの１回の周回で充分である（２つの同心円Ｄ１およびＤ２において）。詳細にはこの実施例では以下の値が有効であった。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
この第２の実施例では第１の段階に対しては１秒に７７回の穿孔の歩留まりが得られ、第２の段階では１秒に５４３回の穿孔の歩留まりが得られた。
【００２４】
図９では、３５５ｎｍないしは５３２ｎｍのＮｄ：ＶＯ４−レーザーが、相応するＮｄ：ＹＡＧ−レーザーと所定の繰返し周波数での出力に関して対照されている。ここでは、Ｎｄ：ＶＯ４−レーザーがその平均出力において１０ｋＨｚの繰返し周波数の上方で顕著に上昇し、その最高点に２０〜３０ｋＨｚのあいだで達することが明らかである。他方でＮｄ：ＹＡＧ−レーザーは最高点に５ｋＨｚで達し、その後で顕著に下降する。これから、Ｎｄ：Ｖ０４−レーザーが本発明による方法に対して明らかに有利であることが分かる。
【００２５】
図１０では再び、３５５ｎｍの波長を有するＮｄ：ＶＯ４−レーザーに対する繰返し周波数に依存して、パルス幅と出力の特性が示されている。ここから、１０〜４０ｋＨｚ間の繰返し周波数の有利な使用領域において、レーザーの平均出力パワーは最高領域に位置し、パルス幅は約３５ｎｓを下回るということが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による方法の第１段階に対する調整設定を有するレーザー配置構成の概略図である。
【図２】本発明による方法の第２段階に対する調整設定を有する、図１のレーザー配置構成の概略図である。
【図３】本発明による方法の第１実施例におけるマイクロ孔穿孔時の種々異なる方法段階でのサブストレートの断面図である。
【図４】図３Ａおよび図３Ｂに従って孔を形成するための、本発明による方法の第１段階におけるレーザービームのガイドのようすをあらわす概略図である。
【図５】図３Ｃに従って孔を形成するための、本発明による方法の第２段階におけるレーザービームのガイドのようすをあらわす概略図である。
【図６】本発明による方法の第２実施例におけるマイクロ孔穿孔時の種々異なる段階でのサブストレートの断面図である。
【図７】図６Ａおよび図６Ｂに従って金属層内にマイクロ孔を形成するための、レーザービームガイドのようすをあらわす概略図である。
【図８】図６Ｃに従ってマイクロ孔を形成するための、誘電層におけるレーザービームガイドのようすをあらわす概略図である。
【図９】繰返し周波数に依存して、種々異なる半導体レーザーの平均出力パワーをあらわすダイヤグラムである。
【図１０】パルス繰返し周波数に依存して、３５５ｎｍの波長を有するネオジム−バナジウム酸塩−レーザーの平均出力パワーとパルス幅をあらわすダイヤグラムである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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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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