(57)【要約】直径において２０μｍ未満の結像され整形されたガウス出力（１１８）またはクリップされたガウススポットによるような均一なレーザスポットを、厚膜および薄膜抵抗双方のトリミングに使用し、実質的にマイクロクラッキングを減少することができる。これらのスポットを、アブレーティブ非熱的ＵＶレーザ波長において発生し、ＨＡＺおよび／またはＴＣＲにおけるシフトを減少することができる。
2004519095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜抵抗をレーザトリミングし、基板上に支持された膜抵抗材料を含む抵抗のパラメータを初期値から公称値に変化させる方法であって、前記膜抵抗材料が前記パラメータの初期値の決定に寄与する、方法において、
一般的にガウス形状のエネルギー密度空間プロファイルを有するＵＶ放射の少なくとも１つのレーザパルスのガウスビームを発生するステップと、
前記ガウスビームを、ビームシェーピング素子を通る光経路に沿って伝播させ、前記ガウスビームを、より実質的に均一なエネルギー密度空間プロファイルを有する変換されたビームに変換するステップと、
前記変換されたビームの大部分を、アパーチャを通して伝播させ、実質的に均一なエネルギー密度空間プロファイルを有するターゲットスポットに変換するステップと、
前記ターゲットビームを前記膜抵抗材料のターゲット領域上に向け、前記抵抗のターゲット領域内の膜抵抗材料を除去し、その初期値を前記公称値に変化させ、前記基板に侵入し、前記抵抗材料を通る切溝を形成し、前記ターゲット領域内の基板の大部分を均一に露出させるステップとを含み、前記ターゲットスポットの実質的に均一なエネルギー密度空間プロファイルが、前記基板におけるマイクロクラックの形成を最小にする有効エネルギー密度値を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記基板を１０μｍ未満の深さに侵入することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記基板を少なくとも０．１μｍの深さに侵入することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、前記基板を５μｍ未満の深さに侵入することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、前記膜抵抗材料が酸化ルテニウムを含む厚膜抵抗材料を具えることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記基板がセラミック材料を具えることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、前記抵抗が０４０２または０２０１チップ抵抗を具えることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項３に記載の方法において、前記抵抗が０４０２または０２０１チップ抵抗を具えることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、前記基板がセラミック材料を含み、前記膜抵抗材料が薄膜抵抗材料を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記薄膜抵抗材料がニッケルクロム化合物または窒化タンタル化合物を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法において、前記膜抵抗材料が、互いに等間隔で配置され、前記基板上に支持され、前記基板において形成されたプレキャストスクライブラインによって分離された抵抗膜材料の多数の同様の領域の１つを構成し、前記膜材料の多数の同様の領域の各々が、金属導体間に配置された反対側の端を有し、前記ターゲットスポットの実質的に均一なエネルギー密度空間プロファイルが、前記プリキャストスクライブラインと異なる基板擬似ブレークラインにおいて生じるサイズおよび深さのマイクロクラックの形成を前記基板において最小にする有効エネルギー密度値を有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法において、前記切溝が底中心を有し、前記ターゲットスポットの実質的に均一なエネルギー密度空間プロファイルが、前記切溝の底中心における前記基板におけるマイクロクラックの形成を最小にする有効エネルギー密度値を有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、前記ターゲットスポットの実質的に均一なエネルギー密度空間プロファイルが、前記基板または膜材料における前記公称値からのパラメータ値のドリフトを生じるサイズおよび深さのマイクロクラックの形成を最小にする有効エネルギー密度値を有することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法において、前記切溝が、少なくとも１００μｍの深さと、最高スループットにおいて少なくとも７５％のテーパ比を示す側壁とを有することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法において、前記実質的に均一なエネルギー密度プロファイルを有するターゲットスポットが、２０μｍ以下の長軸を有することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法において、
前記ガウスビームを、Ｑスイッチダイオードダンプ固体レーザから発生するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法において、前記ガウスビームシェーピング素子が、回折光学素子を具えることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法において、前記ガウスビームが、約３５５ｍｍ、３４９ｍｍ、２６６ｍｍまたは２６２ｍｍの波長を具えることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１に記載の方法において、前記ガウスビームがあるエネルギーを有し、前記ターゲットビームが、前記ガウスビームのエネルギーの５０％より大きいアパーチャ整形されたエネルギーを有することを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１に記載の方法において、前記アパーチャが正方形形状を有することを特徴とする方法。
【請求項２１】
基板上に支持された膜材料の領域を含むマイクロエレクトロニック回路構成要素のパラメータを初期値から長期に安定する公称値に変化させる方法であって、前記領域が前記パラメータの初期値の決定に寄与する体積空間を規定する、方法において、
一般的にガウス形状のエネルギー密度空間プロファイルを有するレーザビームを発生するステップと、
前記ガウスエネルギー密度空間プロファイルを有するレーザビームを、実際的に均一なエネルギー密度空間プロファイルを有するターゲットスポットを形成するターゲットビームに変換するステップと、
前記ターゲットビームを前記膜材料の領域上に向け、ある量の前記膜材料を除去し、その初期値を前記公称値に変化させるステップとを含み、前記ターゲットスポットの実質的に均一なエネルギー密度空間プロファイルが、前記基板において偽ブレークラインを生じるサイズおよび深さのマイクロクラックの発生を前記基板または膜材料において最小にする有効エネルギー密度値を有することを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、前記基板がセラミック材料を含み、前記膜材料が厚膜抵抗材料を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記厚膜抵抗材料が酸化ルテニウムを含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２１に記載の方法において、前記基板がセラミック材料を含み、前記膜材料が薄膜抵抗材料を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法において、前記薄膜抵抗材料がニッケルクロム化合物または窒化タンタル化合物を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２１に記載の方法において、前記膜材料の領域が、互いに等間隔で配置されると共に前記基板上に保持された複数の同様の領域の１つを構成し、前記膜材料の多数の同様の領域の各々が、金属導体間に配置された反対側の端を有することを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、前記膜材料の多数の同様の領域を、前記基板において形成されたプレキャストスクライブラインによって分離することを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２６に記載の方法において、前記基板が、セラミック材料と、薄膜抵抗材料を含む膜材料とを含むことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２１に記載の方法において、前記膜材料の領域が、電気的に相互接続された素子のアレイのある素子を構成し、さらに、電気的に相互接続された素子の多数のアレイを具え、前記アレイを、互いに離れて一定間隔で配置し、前記基板上に保持することを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法において、前記電気的に相互接続された素子のアレイを、前記基板において形成されたプレキャストスクライブラインによって分離することを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２１に記載の方法において、前記マイクロエレクトロニック構成要素が抵抗であり、前記パラメータが抵抗値であり、前記基板がセラミック材料を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項２１に記載の方法において、前記実質的に均一なエネルギー密度プロファイルを有するターゲットスポットが、２０μｍ以下の長軸を有することを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項２１に記載の方法において、
前記ガウスビームを、Ｑスイッチダイオードダンプ固体レーザから発生するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項２１に記載の方法において、前記ガウスビームをターゲットビームに変換するステップが、前記ガウスビームの周辺部分をクリップするアパーチャマスクを、前記ビームに通過させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の方法において、前記レーザビームをターゲットビームに変換するステップが、前記アパーチャマスクの上流に配置された、前記レーザビームを整形するビームシェーピング素子を、前記ビームに通過させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法において、前記ビームシェーピング素子が回折光学素子を具えることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３６に記載の方法において、前記レーザビームをターゲットビームに変換するステップが、前記アパーチャマスクの上流に配置された、前記レーザビームを整形するフォーカシング素子を、前記ビームに通過させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項２１に記載の方法において、前記ターゲットスポットの実質的に均一なエネルギー密度空間プロファイルが、前記基板または膜材料における前記公称値からのパラメータ値のドリフトを生じるサイズおよび深さのマイクロクラックの形成を最小にする有効エネルギー密度値を有することを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項２１に記載の方法において、前記マイクロエレクトロニック構成要素が０４０２または０２０１チップ抵抗を具えることを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項２１に記載の方法において、前記基板を１０μｍ未満の深さに侵入することを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項４０に記載の方法において、
底において均一に露出された基板を有する切溝を形成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項２１に記載の方法において、前記基板を少なくとも０．１μｍの深さに侵入することを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項２１に記載の方法において、前記基板を５μｍ未満の深さに侵入することを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項２１に記載の方法において、前記レーザビームをターゲットビームに変換するステップが、ビームシェーピング素子に前記レーザビームを通過させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項２１に記載の方法において、前記レーザビームがＵＶ波長を具えることを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項３５に記載の方法において、前記レーザビームがＩＲ波長を具えることを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法において、前記ターゲットスポットが約１．３２の波長を具え、前記基板がシリコンを具えることを特徴とする方法。
【請求項４８】
請求項２１に記載の方法において、前記膜材料の体積空間の上部のある量のみを除去し、前記基板が露出されないままであるようにすることを特徴とする方法。
【請求項４９】
請求項３５に記載の方法において、前記レーザビームが可視波長を具えることを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項２１に記載の方法において、前記名黒エレクトロニック構成要素がキャパシタまたはインダクタを具えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
この特許出願は、２００１年２月１日に出願された米国仮出願第６０／２６６１７２号および２００１年６月２８日に出願された米国仮出願第６０／３０１７０６号から優先権を得る。
【０００２】
連邦委託研究または開発
適用不可
【０００３】
技術分野
本発明は、レーザトリミングと、特に、固体レーザによる一定のスポットによる厚膜または薄膜抵抗のレーザトリミングとに関する。
【０００４】
発明の背景
慣例的なレーザシステムは、代表的に、セラミックまたは他の基板上に形成された回路における膜抵抗、インダクタまたはキャパシタのような受動的電気構成要素構造の電気抵抗性または導電性膜のようなターゲットを処理するのに用いられる。レーザ処理し、膜抵抗の抵抗値を変えることは、サン他の米国特許第５６８５９９５号に詳細に記載されているような、受動的、機能的または能動的なレーザトリミング技術を含んでもよい。
【０００５】
以下の背景を、薄膜抵抗に対する例としてのみここに与える。図１は、ハイブリッド集積回路装置の一部を形成する先行技術の薄膜抵抗１０ａのようなワークピース１０の等側図であり、図２は、慣例的なレーザ出力パルス１２を受ける薄膜抵抗１０ａを示す断面側部正面図である。図１および２を参照し、慣例的な薄膜トランジスタ１０ａは、金属コンタクトの上部表面の部分の間に延在し、これら部分の上に堆積されたルタネートまたは酸化ルチニウム酸化物材料の厚膜層１４を代表的に具える。層１４および金属コンタクト１６を、アルミナのようなセラミック基板１８で支持する。現代のルチニウムベース薄膜ペーストは、１．０４７ミクロン（μｍ）Ｎｄ：ＹＬＦレーザまたは１．０６４μｍＮｄ：ＹＡＧレーザによるレーザトリミング後に安定するように最適化されている。
【０００６】
図１を特に参照し、抵抗１０ａの抵抗値は、主として、抵抗材料の固有抵抗と、長さ２２、幅２４および高さ２６を含むそのジオメトリとの関数である。これらを正確な公差に選抜するのは困難であるため、薄膜抵抗を意図的に定格値より低い抵抗値に選抜し、所望の値にトリミングする。ほぼ同じ抵抗値を有する多数の抵抗１０ａを、比較的大きいバッチにおいて製造し、次に、トリミング動作を行い、増加する量の抵抗材料を、抵抗値が所望の値まで増加するまで除去する。
【０００７】
図２を特に参照し、１つ以上のレーザパルスは、レーザ出力パルス１２のスポット寸法２８内の抵抗材料の全高を実質的に除去し、重なったスポット寸法２８は切溝３０を形成する。単純なまたは複雑なパターンを、抵抗１０ａの抵抗材料じゅうでトリミングし、その抵抗値を精密に調整することができる。レーザパルス１２を、代表的に、抵抗１０ａが予め決められた抵抗値に一致するまで当てる。
【０００８】
図３は、便利のために金属コンタクト１６間の（破線によって分離された）２つの共通パターントリム経路３２および３４を示す先行技術の抵抗１０の一部の等側図である。“Ｌカット”経路３２は、代表的なレーザによって生じる変形を示す。Ｌカット経路３２において、抵抗材料の第１除去ストリップ３６を、前記コンタクト間のラインに対して垂直方向において除去し、前記抵抗値に対する荒い調節を行う。次に、第１除去ストリップ３６に対して垂直の調節第２除去ストリップ３８を除去し、前記抵抗値に対するより精密な調節を行うことができる。“蛇状カット”経路３４は、他の一般的な形式またはレーザ調節を示す。蛇状カット３４において、抵抗材料を除去ストリップ４０に沿って除去し、膜経路４２の長さを増加する。除去ストリップ４０を、所望の抵抗値に達するまで追加する。除去ストリップ３６、３８および４０は、代表的に単一の切溝３０の幅であり、規定されたパターン内のすべてに近い抵抗材料を除去する重なったレーザパルスの列１２の累積的“かじり取り”を表す。このようにして、前記トリミング動作が完了すると、切溝３０は、“きれいに”なり、これらの底には実際的に抵抗材料がなくなり、基板１８は完全に露出されるようになる。あいにく、慣例的なきれいな切溝３０の形成は、基板１８の表面のわずかなレーザ衝撃を必然的に伴う。
【０００９】
より新しい０４０２および０２０１チップ抵抗のように膜抵抗がより小さくなると、より小さいスポットサイズが必要になる。１．０４７μｍおよび１．０６４μｍレーザ波長に関して、慣例的な光学系を用い、（アブレーションデブリスを回避し、プローブを明瞭にするのに必要な）標準的な作業距離と、満足な被写界深度（セラミックが、例えば、平坦でない）とを保持しながら、より小さいスポットサイズを得ることは、常に増す挑戦である。より正確な抵抗値に対する要求は、よりタイトなトリム公差の探求を強要する。
【００１０】
アルビンおよびスウェンソンによる文献、“測定視点からのレーザ抵抗トリミング”、パーツ、ハイブリッドおよびパッケージングにおけるＩＥＥＥトランスレーション、Ｖｏｌ．ＰＨＰ−８、Ｎｏ．２、１９７２年６月は、薄膜抵抗のトリミングに固体レーザを使用することの測定問題および利点を記載している。
【００１１】
ＮＥＣの指示マニュアルのチャプタ７は、赤外線（ＩＲ）ガウスビームを使用して抵抗、特に薄膜抵抗をトリミングする場合に出合う挑戦を記載している。ＨＡＺ（熱影響部）、クラック、および、ドリフトは、取り組まれるいくつかの問題である。
【００１２】
スウェンソン他による文献、“ＹＡＧレーザ出力特性を最適化することによるトリム後ドリフトの低減”、コンポーネント、ハイブリッドおよび製造技術におけるＩＥＥＥトランスレーション、１９７８年１２月は、薄膜抵抗のトリミングに緑色（５３２ｎｍ）固体レーザがガウス出力を使用し、ＨＡＺおよびトリム後ドリフトを低減することを記載している。
【００１３】
サンおよびスウェンソンの米国特許第５５６９３９８号、第５６８５９９５号および第５８０８２７２号明細書は、箔または装置のトリムに１．３μｍのような非慣例的なレーザ波長を使用し、シリコン基板へのダメージを回避する、および／または、機能的トリミング中の固定時間を減らすことを記載している。
【００１４】
１９９９年８月１２日に公開された国際公開番号ＷＯ９９／４０５９１は、紫外線（ＵＶ）ガウスレーザ出力による抵抗トリミングの概念を導入する。図４を参照し、彼らは、ＵＶガウスレーザ出力を用い、箔抵抗の表面の領域４４を除去し、これらの表面領域を保持し、これらの高い周波数応答特性を一定に保つ。トリミングされた領域４４における抵抗膜の深さ４６を意図的に保持することによって、彼らは切溝の底４８をきれいにしなければならないことを回避し、レーザ出力と基板１８との間の相互作用を本質的に除去し、これによって、このような相互作用によって生じるかもしれないどのような問題も除去する。残念ながら、表面除去トリミングは、レーザパラメータを注意深く減衰させ、抵抗膜が完全に除去されるのを回避しなければならないため、比較的遅い処理である。
【００１５】
マイクロクラッキングは、抵抗のトリミングに固体ガウスレーザビームを使用することに関係する他の挑戦である。しばしば基板における切溝３０の中心において生じるマイクロクラックは、抵抗膜中に延び、可能性のあるドリフト問題を生じるかもしれない。マイクロクラックは、抵抗温度係数（ＴＣＲ）に関係するシフトも生じるかもしれない。このようなマイクロクラッキングは、慣例的な抵抗と比較して約１００から２００μｍの代表的な高さまたは厚さを有するより薄い基板１０において形成された、より新しい０４０２および０２０１チップ抵抗において、より著しい。これらのより薄い基板の抵抗におけるマイクロクラッキングは、その後の処理中に抵抗の特にトリム切溝３０に沿って伝播し、結果として、破滅的な失敗または物理的な破損を生じるおそれさえある。マイクロクラッキングは、スナップストレートにおける望ましい規定されたブレークラインより著しい“好適な”ブレークラインを形成するかもしれない。
【００１６】
したがって、改善された抵抗トリミング技術が望まれる。
【００１７】
発明の要約
したがって、本発明の目的は、固体レーザトリミングに関する改善されたシステムおよび／または方法を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、２０μｍ未満のスポットサイズを提供し、０４０２および０２０１チップ抵抗のようなより小さいチップ抵抗をトリムすることである。
【００１９】
いくらかのマイクロクラッキングは、（ターゲットおよび基板が異なった材料であるとはいえ）ガウスビームがレーザ穴あけ動作においてブラインドビアの中心の破損の原因となるかもしれないのとほとんど同様に、ガウスビームの高い強度中心によって生じるかもしれない。２０００年１２月７日に公開されたダンスキー他の国際公開番号ＷＯ００／７３０１３は、イメージシェーピングされたガウスビームを形成して使用し、ビア穴あけ動作に特に有用な均一なレーザスポットを与える方法を記載している。
【００２０】
スウェンソン、サンおよびダンスキーによる文献、“エレクトロニクス製造におけるレーザ加工：歴史的概観”、ＳＰＩＥの第４５回年次会議、光学科学および技術における国際会議、２０００年７月３０−８月４日は、米国特許第５８６４４３０号明細書においてディッキー他によって記載されたレンズによって形成された４０μｍ均一スポットを使用する改善された表面走査方法を記載している。
【００２１】
本発明は、好適には、直径２０μｍ未満で、切溝３０の底と交差して均一なエネルギーを与えるイメージシェーピング化ガウススポットまたはクリップドガウススポットのような均一スポットを用い、これによってマイクロクラッキングの量および激しさを最小にする。適切なところで、これらのスポットを、除去的、非熱的ＵＶレーザ波長において発生し、ＨＡＺおよび／またはＴＣＲにおけるシフトを減らすことができる。これらの技術を、薄膜および厚膜抵抗処理の双方に用いることができる。
【００２２】
本発明の追加の目的および利点は、添付した図面の参照と共に進める以下の好適実施形態の説明から明らかになるであろう。
【００２３】
好適実施形態の詳細な説明
図５の参照と共に、本発明のレーザシステム５０の好適実施形態は、好適にはＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦまたはＮｄ：ＹＶＯ４のような固体レーザを含むＱスイッチダイオードポンプ（ＤＰ）固体（ＳＳ）ＵＶレーザ５２を含む。レーザ５２は、好適には、主としてＴＥＭ００空間モードプロファイルを有する３５５ｎｍ（周波数を３倍にしたＮｄ：ＹＡＧ）、２６６ｎｍ（周波数を４倍にしたＮｄ：ＹＡＧ）または２１３ｎｍ（周波数を５倍にしたＮｄ：ＹＡＧ）のような波長における倍波発生されたＵＶレーザパルスまたは出力５４を発生する。当業者には、他の波長およびこれらの高調波を他のリストされたレーザから利用可能であることは明らかであろう。例えば、好適なＹＬＦ波長は、３４９ｎｍおよび２６２ｎｍを含む。当業者には、大部分のレーザ５２は完全なガウス出力５４を放射しないことも明らかであろうが、便利のため、ここではガウスを使用し、レーザ出力５４の放射照度プロファイルを大まかに記述する。レーザキャビティ配置、高調波発生およびＱスイッチ動作は、当該技術分野における当業者には既知である。好例のレーザ５２の細部は、サンおよびスウェンソンの国際公開番号ＷＯ９９／４０５９１に記載されている。
【００２４】
緑色（例えば、５３２ｎｍ）またはＩＲ（例えば、１．０６μｍまたは１．３２μｍ）のような他の固体レーザ波長を用いることができるが、トリム後ドリフトを減少する、比較的非熱的な減少特性を有するため、ＵＶレーザ波長がトリミングに好適である。また、ＵＶレーザ波長は、同じ被写界深度を用いるＩＲまたは緑色レーザ波長によって与えられるより小さいスポット波長をワークピース１０の表面において固有に与える。
【００２５】
ＵＶレーザパルス５４は、ビーム経路６４に沿って配置されたビームエキスパンダおよび／またはアップコリメータレンズ構成要素５６および５８を含む種々の既知の光学系を通過してもよい。ＵＶレーザパルス５４を、次に、好適には、シェーピングおよび／またはイメージングシステム７０を経て方向付け、均一なパルスまたは出力７２を発生し、次にこの均一なパルスまたは出力７２を、好適には、ビームポジショニングシステム７４によって方向付け、均一な出力７２をスキャンレンズ８０（このスキャンレンズは、一般的に“第２イメージング”、フォーカシング、カッティング、または、対物レンズとも呼ばれる）を経て、厚膜抵抗１０ａまたは薄膜抵抗のようなワークピース１０における画像面における所望のレーザ目標位置８２を目標にする。均一な出力７２は、好適には、切り取られ（クリップされ）たか、焦点を合わされてクリップされたか、シェーピングされたか、シェーピングおよびクリップされたレーザ出力を具える。
【００２６】
イメージングシステム７０は、好適には、光学素子９０と、収集またはコリメーションレンズ１１２との間で、光学素子９０によって形成されたビームウェストにおいてまたはその近くに配置されたアパーチャマスク９８を用いる。アパーチャマスク９８は、好適には、前記ビームにおけるどのような望ましくないサイドローブもブロックし、その後に前記ワークピース上にイメージ化される円形または他の形状のスポットプロファイルを与える。さらに、アパーチャのサイズを変化させることによって、前記スポットプロファイルのエッジシャープネスを制御し、位置合わせ精度を向上する、より小さい、よりシャープなエッジの強度プロファイルを与えることができる。加えて、前記アパーチャの形状を、正確に円形とすることができ、または、抵抗トリミングに有利に使用することができる長方形、長円形、または、他の非円形形状に変化させることができる。
【００２７】
マスク９８は、レーザ出力５４の波長において使用するのに好適な材料を具えてもよい。レーザ出力５４がＵＶである場合、マスク９は、例えば、ＵＶ反射またはＵＶ吸収材料を具えてもよいが、好適には、耐ＵＶコーティング以外に多層高度ＵＶ反射コーティングをコーティングされたＵＶグレード石英ガラスまたはサファイアのような誘電体材料で形成する。マスク９８のアパーチャを、任意に、その光出口側において外側に向かって広げてもよい。
【００２８】
光学素子９０は、非球面光学系、屈折バイナリ光学系、偏光バイナリ光学系、または、回折バイナリ光学系のようなフォーカシング光学系またはビームシェーピング構成要素を具えてもよい。これらのいくつかまたはすべてを、アパーチャマスク９８と共に用いてもよく、アパーチャマスク９８と共に用いなくてもよい。ある好適実施形態において、ビームシェーピング構成要素は、複雑なビームシェーピングを高い効率および精度で行うことができる回折光学素子（ＤＯＥ）を具える。前記ビームシェーピング構成要素は、図６Ａのガウス放射照度プロファイルを図６Ｂｂの均一に近い放射強度プロファイルに変換するだけでなく、整形された出力９４を確定できるまたは指定されたスポットサイズに集中させる。整形された放射照度プロファイル９４ｂおよび規定されたスポットサイズの双方を、光学素子９０の下流の設計距離Ｚ０において生じるように指示する。単一の素子ＤＯＥが好適であるが、当業者には、ＤＯＥは、ビームシェーピングの目的に関してＤＯＥを設計する技術も開示しているディッキー他の米国特許第５８６４４３０号明細書において開示されている位相プレートおよび変換素子のような多数の別個の要素を含んでも良いことは明らかである。
【００２９】
図６Ａ−６Ｃ（集合的に図６）は、レーザシステム５０の種々のシステム構成要素を経て変化するのレーザビームの単純化した放射強度プロファイルの列を示す。図６Ｂａ−６Ｂｃは、整形された出力９４（９４ａ、９４ｂおよび９４ｃの各々）の単純化した放射強度プロファイル９６ａ−９６ｃを、Ｚ０´に関する距離Ｚの関数として示す。Ｚ０´は、整形された出力９４が、放射強度プロファイル９６ｂに示すそれ自身の最も平坦な放射強度プロファイルを有する場合の距離である。好適実施形態において、Ｚ０´は距離Ｚ０に近いか等しい。
【００３０】
再び図５および６の参照と共に、シェープドイメージングシステム７０は、生のガウス放射強度プロファイル９２を有するコリメータされたパルス６０を、均一に近い“トップハット”プロファイル９６ｂ、または、特にスーパーガウス放射強度プロファイルを有する整形された（そして集中された）パルスまたは出力９４ｂに変換する１個以上のビームシェーピング構成要素を、前記ビームシェーピング構成要素の下流のアパーチャマスク９８の近くにおいて含む。図６Ｂａは、Ｚ＜Ｚ０´の場合の好例の放射強度プロファイル９４ａを示し、図６Ｂｃは、Ｚ＞Ｚ０´の場合の好例の放射強度プロファイル９４ｃを示す。この実施形態において、レンズ１１２は、回折リングを抑制するのに有用なイメージング光学系を具える。当業者には、単一のイメージングレンズ構成要素、または、多数のレンズ構成要素を用いることができることは明らかであろう。
【００３１】
上述したシェーピングおよびイメージング技術は、２０００年１２月７日に公開された国際公開番号ＷＯ００／７３０１３において詳細に記載されている。対応する２０００年５月２６日に出願されたダンスキー他の米国特許出願第０９／５８０３９６号の明細書の関連する部分は、参照によりここに含まれる。
【００３２】
図７Ａ−７Ｄ（集合的に図７）は、米国特許第５８６４４３０号明細書において記載されたようなＤＯＥを経て伝播するガウスビームによって発生した好例の実質的に均一の放射強度プロファイルを示す。図７Ａ−７Ｃは、正方形放射強度プロファイルを示し、図７Ｄは、円筒形放射強度プロファイルを示す。図７Ｃの放射強度パターンを“反転”し、そのエッジにおいて、その中心に向かうより強い強度を示す。当業者には、ビームシェーピング構成要素９０を、特別な要素に有用であるかもしれない種々の他の放射強度プロファイルを供給するように設計することができることと、これらの放射強度プロファイルは、代表的に、Ｚ０´の関数として変化することとは、明らかであろう。当業者には、図７Ｄに示すような円筒形放射強度プロファイルは円形アパーチャ９８に有用に使用され、立方形放射強度プロファイルは正方形アパーチャに好適であり、他のビームシェーピング構成要素９０の特性を、他のアパーチャの形状に適合させることができることは、明らかであろう。例えば、多くのまっすぐなビアトリミング用途に関して、マスク８９における正方形アパーチャによる反転された立方形放射強度パターンを用いることができる。
【００３３】
ビームポジショニングシステム７４は、好適には、レーザトリミングシステムに使用する慣例的なポジショナを用いる。このようなポジショニングシステム７４は、代表的に、ワークピース１０を移動する１つ以上のステージを有する。ポジショニングシステム７４を、整形された出力１１８のレーザスポットを重ねる方法において動かし、トリム経路３２または３４に沿って切溝３０を形成することに使用することができる。好適なビームポジショニングシステムを、オレゴン州ポートランドのエレクトロサイエンティフィックインダストリーズ社から商業的に利用可能なＥＳＩのモデル２３００、モデル４３７０、または、もうすぐリリースされるモデル２３７０レーザトリミングシステムにおいて見つけることができる。他のポジショニングシステムを代用することができ、これらはレーザ技術における専門家には既知である。
【００３４】
上述したシステム構成要素の多くを含む好適なレーザシステム５００の一例は、オレゴン州ポートランドのエレクトロサイエンティフィックインダストリーズ社によって製造されたモデル５２００レーザシステム、または、そのシリーズにおける他のものにおけるＵＶレーザ（３５５ｎｍまたは２６６ｎｍ）を用いる。しかしながら、当業者には、（ここに開示したようなイメージングまたはシェーピング前に）ガウスビーム強度プロファイルを有するどのような他のレーザ形式、ＩＲのような他の波長、または、他のビーム拡張要素も用いることができることは、明らかであろう。
【００３５】
レーザシステム５０は、好適には約１８０−４００ｎｍの間の紫外線波長、約１００ｍＷより大きく好適には３００ｍＷより大きい平均パワー密度と、約５μｍで好適には５０μｍより大きいスポットサイズ直径または空間長軸と、約１ｋＨｚより高く好適には約５ｋＨｚより高いかさらに５０ｋＨｚより高い反復レートと、約１００ｎｓより短く好適には約４０−９０ｎｓまたはより短い時間パルス幅と、約１−２００ｍｍ／秒またはより速く好適には約１０−１００ｍｍ／秒のスキャン速度と、約０．１−２０μｍで好適には０．１−１０μｍで最も好適には０．１−５μｍのビットサイズとを含んでも良い、代表的な抵抗トリミングウィンドウの好適なパラメータを有するレーザシステム出力１１４を発生することができる。レーザシステム出力１１４の好適パラメータを、基板１８への熱または他の望ましくないダメージを回避するように選択する。当業者には、これらの出力パルスパラメータは、相互に依存し、必要な性能によって指示されることは、明らかであろう。
【００３６】
当業者には、レーザシステム出力１１４のスポット領域は好適には円形または正方形であるが、長円形または長方形のような他の簡単な形状が有用であるかもしれず、さらに複雑なビーム形状が、マスク９８における所望のアパーチャ形状と協働する光学素子９０の適切な選択を可能にすることも、明らかであろう。レーザトリミングに、より特にＵＶレーザトリミングに好適なスポット領域は、好適には、直径において約４０μｍより小さく、より好適には、直径において約２０μｍより小さく、最も好適には、直径において約１５μｍより小さい。当業者には、ＵＶレーザ出力のスポットサイズは、慣例的なレーザトリミング出力のスポットサイズより小さく、均一な出力７２は、切溝３０がまっすぐで均一な壁またはエッジを有し、したがってより小さいＨＡＺを有することを可能にするため、抵抗１０ａを、慣例的な切溝トリミング技術で可能な公差よりタイトな公差にトリムすることができることは、明らかであろう。
【００３７】
ガウス出力５４と結像され整形された出力１１８との１つの違いは、パルス９４は、すべての点においてマスク９８のアパーチャを均一に照明するが、
ガウス出力５４は、その中心において、セラミック基板１８へのマイクロクラッキングおよび他の望ましくないダメージを増加させるかもしれないより高いエネルギー密度すなわち“ホットスポット”を有することである。したがって、結像され整形された出力１１８は、セラミック基板１８においてまたはその中においてきわめて平坦で均一な底４８を有する切溝３０の形成を容易にし、この平坦さおよび均一さは、変更されないガウス出力５４では不可能である。さらに、パルス９４の均一な形状は、切溝３０の底の中心においてホットスポットを形成する可能性を実質的に除去し、マイクロクラックの量および激しさが最小になるため、結像され整形された出力１１８は、下にある基板１８に望ましくないダメージを与える危険なしに、切溝３０の底のエッジから抵抗材料をより完全にきれいにすることもできる。トリミング速度を、結像され整形された出力１１８によって、変更されないガウス出力５４によって得られるより増加することもできる。“ホットスポット”ダメージの可能性を除去し、結果として、ビットサイズ、反復レートおよびビーム移動速度を、より速くトリムするように有利に調節することができるため、結像され整形された出力１１８を、ガウスができるより大きいレーザパワーにおいて用いることができる。
【００３８】
代わりに、クリップされたガウススポットを、ガウス出力５４より有利に用いることができるが、結像され整形された出力１１８より本質的に多くのエネルギーを、所望の均一さを得るために犠牲にしなければならない。結像され整形された出力１１８は、クリップされたがウス出力よりきれいな底のエッジとより速いトリミング速度を与えることもできる。図８は、代表的なレーザ処理パラメータの下でのいくつかの好例の伝送レベルにおける整形された出力９４ｂとクリップされたガウス出力とに関するアパーチャ面における理想流束量プロファイルの比較を示す。ワークピース１０における流束量レベルは、自乗したイメージング縮小係数を掛けたアパーチャ流束量レベルに等しい。ある例において、アパーチャエッジにおける流束量は、整形された出力９４ｂおよびクリップされたガウス出力に関して、各々、約１．０５Ｊ／ｃｍ２および０．６０Ｊ／ｃｍ２以下である。したがって、ワークピース１０において、結像されたスポット（切溝エッジ）における流束量は、整形された出力９４ｂおよびクリップされたガウス出力に関して、各々、約７．４および４．３Ｊ／ｃｍ２である。代表的な抵抗材料を除去することができるレートは、代表的に、中心の流束量レベルとエッジの流束量レベルとの間で異なる。結果として、各々の切溝３０の処理を、結像され整形された出力１１８によって、より少ないパルスにおいて、より速いスキャン速度で、または、より大きいビットサイズ（またはより少ないパルス重なり）で行うことができ、処理スループットを増加することができる。
【００３９】
本発明のこれらの考察による結像され整形された出力１１８によるトリミングに関するストラテジの一例を、以下に説明する。結像されたスポット全体を横切る流束量を、例えば、許容し得ないセラミック侵入またはダメージが生じる値Ｆｄａｍａｇｅの９０％において保持することができる。例えば、薄膜抵抗中への許容し得るセラミック侵入は、代表的に１０μｍ未満であり、好適には、５μｍ未満である。次に前記抵抗材料を、重大なマイクロクラッキングのようなダメージを生じない条件において除去する。対照的に、Ｔ＝５０％におけるクリップされたガウスビームにおいて、スポットの中心をこの流束量において保持することができ、この場合において、エッジは、Ｆｄａｍａｇｅの４５％にしかならない。代わりに、前記スポットエッジをＦｄａｍａｇｅの９０％に保持することができ、この場合において、中心はダメージしきい値流束量の１８０％になり、結果として実質的なダメージが生じる。前記結像されたスポットのエッジを高い流束量に保持することにより、各々のパルスがより多くの材料を除去するため、より少ないレーザパルスで抵抗材料を前記切溝エッジから取り除くことができる。したがって、結像され整形された出力１１８のトリミングスループットを、前記クリップされたガウス出力より大幅に大きくすることができる。
【００４０】
上述したように抵抗材料を切溝３０の底エッジからより速く除去することができるのに加えて、結像され整形された出力１１８は、パルス９４の均一な形状が、切溝３０の底中心においてホットスポットを形成する可能性を実質的に除去するため、下にあるセラミック基板１８にダメージを与える危険なしに、前記抵抗材料を切溝３０の底エッジからより完全に除去することができる。
【００４１】
切溝品質に関して、本発明の結像され整形された出力１１８は、また、きわめて正確なレーザスポットジオメトリを与え、ガウスまたはクリップされたガウス出力で利用可能なよりも高いスループットレートにおいて、より良いテーパ最小化性能を可能にし、したがって、ガウス出力５４で利用可能なよりもはっきりしたエッジを与える。切溝３０の底を横切る均一なエネルギーと、より正確なエッジの形成とは、より小さいターゲット領域に関する増加した反復可能性および位置精度とを含む、より予測可能なトリム結果を与える。
【００４２】
図９は、ｚ＝０の公称イメージ面に関するワーク表面位置の関数として、切溝底幅の切溝上部幅に対する比を示す。図９の参照と共に、前記公称イメージ面は、切溝３０に最もテーパが無くなり、最もシャープに規定されたトップエッジを有する位置である。ｚの正の値は、前記公称イメージ面の下の面を表し、すなわち、ワークピース１０は、ｚ＝０の場合の分離の距離より前記システム光学系から遠くに置かれる。底幅測定は確実に測定することが困難であるかもしれないため、３σエラーバーを参考のために示す。最も大きい底／上部比は、ｚ＝０の場合のイメージ面において達成される。ａ±４００μｍの範囲を通じて、底／上部比は、高いスループットにおける７５％より常に大きい。
【００４３】
図１０は、切溝幅を、ｚ＝０の場合の公称イメージ面に関するワーク表面位置の関数として示す。ワークピース１０が前記公称イメージ面の更に上に移動すると、平均切溝上部幅は増加する。ｚ＝０の下の位置に関して、上部幅は、前記イメージ面の４００μｍ下までまったく一定のままである。３σ幅は、一般に、ｚ＝＋３００μｍおよびｚ＝−３００μｍにおいては除いて、平均値の±３μｍ内に保たれる。対照的に、底幅に関して、平均値は、前記公称イメージ面の上の位置から下の位置まで絶え間なく減少する。前記切溝底の幅は、前記切溝上部のサイズより制御するのが著しくより困難であるため、前記底幅を参考のためにのみ示す。したがって、レーザシステム５０に用いることができる統計的プロセス制御技術は、前記切溝上部の特性に適用可能である。
【００４４】
図９および１０におけるデータは、プロセス堅牢さのための焦点問題の深さの管理に対するいくつかのアプローチを示唆する。一定の切溝上部幅を、変化する材料の厚さと機械の状態に関して保持したい場合、前記プロセスを、ワーク表面を前記公称イメージ面のわずかに、例えばｚ＝＋２００μｍ下に配置して設定することが有利である。他方において、一定の切溝底／上部比を保持することが望ましい場合、前記プロセスを、ワークピース１０を前記公称イメージ面において正確に配置して設定するほうがよい。これは、底／上部比が、少なくとも±２００μｍのｚ範囲に渡って５％しか減少しないことを保証する。これらのアプローチのいずれかの実行可能性は、ワークピース１０が前記公称イメージ面から遠ざかるにつれて、他の切溝特性が、許容し得る範囲内に依然としてあるか否かに依存する。
【００４５】
さらに、切溝３０の外側溝に沿った抵抗材料の除去を容易にし、これによってさらにテーパを改善する図７Ｃに示す反転した放射照度プロファイルを有するパルスを、ビームシェーピング構成要素９０を選択して発生することができる。本発明は、セラミック基板１８に望ましくないダメージを与えることなく、最大スループットにおいて８０％より高いテーパ比を可能にし、９５％より高いテーパ比（低アスペクト比の切溝３０に関して）が、セラミック基板１８に望ましくないダメージを与えることなく可能である。７５％より良好なテーパ比も、慣例的な光学系で、最も深い切溝３０の切溝上部において約５−１８μｍ幅の最も小さい切溝幅に関して可能である。テーパ比は、小さい抵抗１０ａにおける切溝幅に影響を与える程度以外に多くのトリミング動作において重大な考慮すべき事柄ではないが、本発明によって達成可能な高いテーパ比は、さらに、切溝の底の均一性の証拠である。
【００４６】
ここに開示したトリミング技術を、部分的深さトリミングを含む、本発明の背景において引用した参考文献のいずれかにおいて記載されているような厚膜および薄膜抵抗処理用途の双方に用いることができる。厚膜抵抗、特に、約２００μｍ未満の高さまたは厚さのルテニウム層を有する０４０２および０２０１チップ抵抗を含むセラミック上の特に酸化ルテニウムに関して、好適なトリミング基準は、切溝３０内のルテニウムのすべてを、セラミック基板１８中への最小量の侵入で除去することである。これらの望ましい切溝３０をきれいにし、セラミック材料が均一に露出し、切溝３０の底が“清潔”であるようにする。結像され整形された出力１１８は、これらのきれいで清潔な切溝３０を、重大なマイクロクラックを形成することなく与えることができる。ＵＶは、セラミック上の抵抗材料を処理するのに特に好適であるが、他の波長を用いてもよい。
【００４７】
ＵＶ波長を用いることができるが、特に約１．３２μｍにおけるＩＲ波長は、均一スポットを用いてシリコン基板からＮｉＣｒ、ＳｉＣｒまたはＴａＮのような材料をトリミングするのに好適な波長であるかもしれず、特に、アクティブまたは光電子デバイスをトリミングするのに好適な波長であるかもしれず、機能的トリミングを含む用途において好適な波長であるかもしれない。
【００４８】
当業者には、ここに開示した均一スポットトリミング技術を、単一の抵抗、抵抗アレイ（スナップストレートにおけるこれらを含む）、電圧調整器、キャパシタ、インダクタ、または、トリミング動作を必要とする他の装置に用いてもよいことは、明らかであろう。加えて、前記均一スポットトリミング技術を、表面除去トリミング、または、結像され整形された出力１１８が基板１８を貫通しない他の用途や、基板貫通が望ましくない用途に用いることができる。
【００４９】
図１１および１２は、ＵＶガウスビームによってトリミングされた抵抗１０ａ（図１１）と、ＵＶ均一（結像され整形された）ビームによってトリミングされた抵抗１０ａ（図１２）との間のマイクロクラッキングにおける違いを示す電子顕微鏡写真である。図１１の参照と共に、抵抗１０ａを、２．１０結果として生じる切溝３０ａは、多数のマイクロクラック１４０を示し、実質的に広い切溝エッジ１５０ａを示し、切溝３０ａの中心においてセラミック基板１８中に深い侵入を示す。図１２の参照と共に、抵抗１０ａを、４μｍのビットサイズで、３２ｍｍ／秒のトリム速度で、８ｋＨｚの反復レートで、２．８６Ｗの平均パワーを有するＵＶ結像され整形された出力１１８でトリミングした。結果として生じる切溝３０ｂは、望ましくないダメージを示さず、もしあってもわずかなマイクロクラックしか示さない。切溝エッジ１５０ｂは、比較的狭く、基板侵入は、浅く、ほぼ均一である。
【００５０】
当業者には、本発明の上述した実施形態に対して、その下にある原理から逸脱することなしに、多くの変更を行えることは、明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、請求項によってのみ決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】薄膜抵抗の断片的な等側図である。
【図２】完全な厚さの抵抗材料を除去するレーザ出力を受ける薄膜抵抗の横断面図である。
【図３】２つの一般的な先行技術のトリム経路を示す抵抗の断面的な等側図である。
【図４】表面除去トリムプロファイルを伴う厚膜抵抗の等側図である。
【図５】本発明による、膜をトリミングするのに用いられるレーザシステムの一実施形態の単純化した側面図および部分的な構成図である。
【図６】Ａ−Ｃは、図５のレーザシステムの種々のシステム構成要素を通って変化するレーザビームの一連の単純化した放射照度プロファイルである。
【図７】Ａ−Ｄは、好例の実質的に均一な正方形または円形放射照度プロファイルである。
【図８】好例のレーザ処理パラメータの下でのいくつかの代表的な伝送レベルにおける結像され整形された出力およびクリップされたガウス出力に関するアパーチャ面における理想流束量プロファイルのグラフィカルな比較である。
【図９】公称イメージ面に関するワーク表面位置の関数としてのビアテーパ比のグラフである。
【図１０】公称イメージ面に関するワーク表面位置の関数としてのビア直径のグラフである。
【図１１】ガウスビームによってトリミングされた抵抗の基板において形成されたマイクロクラックを示す切溝の電子顕微鏡写真である。
【図１２】均一なスポットによってトリミングされた抵抗の基板において形成された重大なマイクロクラックが無いことを示す切溝の電子顕微鏡写真である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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2004519095.tif 000035