專(zhuān)利名稱(chēng)：用于雙頭激光微加工系統(tǒng)的合成脈沖重復(fù)率處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于激光處理一工件，且尤指組合兩個(gè)或更多個(gè)激光的輸出以一給 定功率水平達(dá)成脈沖重復(fù)頻率，其大于在給定功率水平獨(dú)立操作的各個(gè)激光的
重復(fù)頻率。
背景技術(shù)：
激光處理可在諸多不同工件上進(jìn)行，運(yùn)用各種的激光以實(shí)現(xiàn)各種處理。關(guān) 于本發(fā)明的特定型式的激光處理為單層或多層工件的激光處理以實(shí)現(xiàn)孔 (hole)和/或盲通孔(blind via)的形成、及半導(dǎo)體晶片的處理以實(shí)現(xiàn)晶片切
而不限于半導(dǎo)體連結(jié)(熔絲)的移除及熱退火或修整被動(dòng)式的厚或薄膜構(gòu)件。 關(guān)于多層工件的通孔和/或孔的激光處理，Owen等人的美國(guó)專(zhuān)利第 5,593,606號(hào)與第5,841,099號(hào)描述了操作一紫外線(UV )激光系統(tǒng)以產(chǎn)生激 光輸出脈沖的方法，特征為脈沖參數(shù)是設(shè)定以形成于一多層元件的通孔或是于 不同材料型式的二層或更多層的盲通孔。這種激光系統(tǒng)包括一非準(zhǔn)分子激光 器，以大于200Hz的脈沖重復(fù)率而發(fā)射激光輸出脈沖，其具有小于100ns的暫 時(shí)脈沖寬度、具有直徑小于100 jam的光點(diǎn)面積、以及在光點(diǎn)面積上的大于 lOOmW的平均強(qiáng)度或輻照度。認(rèn)定的較佳的非準(zhǔn)分子UV激光器為一種二極 管泵浦、固態(tài)(DPSS, diode- pumped solid-state)激光器。
Dunsky等人的已公開(kāi)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案編號(hào)US/2002/ 0185474描述了操 作一種脈沖式C02激光系統(tǒng)以產(chǎn)生激光輸出脈沖的一種方法，在一多層元件 的一介電層中形成盲通孔。這種激光系統(tǒng)以大于200Hz的脈沖重復(fù)率而發(fā)射 激光輸出脈沖，其具有小于200ns的暫時(shí)脈沖寬度且具有直徑為在50nm與 300 |ii m之間的光點(diǎn)面積。
一目標(biāo)(target)材料的激光燒蝕(尤其是當(dāng)運(yùn)用一 UVDPSS激光器時(shí)) 仰賴(lài)于指引至目標(biāo)材料的一激光輸出，其具有大于目標(biāo)材料的燒蝕閾值的流量200680016604.9
說(shuō)明書(shū)第2/12頁(yè)
或能量密度。一UV激光器發(fā)射一激光輸出，其可聚焦以具有在1/e 直徑下的 介于約10jum與約30jum之間的一光點(diǎn)尺寸。在某些情形下，此光點(diǎn)尺寸小 于期望的通孔直徑，諸如當(dāng)期望的通孔直徑是在約50lum與300jam之間。 光點(diǎn)尺寸的直徑可放大以具有如同期望通孔直徑的相同直徑，但該放大將降低 激光能量密度至小于目標(biāo)材料燒蝕閾值的程度且無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)材料移除。因 此，運(yùn)用10jam至30jam聚焦的光點(diǎn)尺寸，且聚焦的激光輸出典型為以一螺 旋、同心圓、或"環(huán)鋸(trepan)"型態(tài)移動(dòng)以形成具有期望直徑的通孔。螺旋、 環(huán)鋸、同心圓處理是所謂的非打孔通孔形成處理的型式。就約70ium或較小 的通孔直徑而言，直接打孔產(chǎn)生較高的通孔形成處理量。
反之， 一脈沖式C02激光器的輸出典型為大于50pm且能夠維持能量密 度，以足以形成具有直徑50pm或較大的通孔于傳統(tǒng)的目標(biāo)材料上。因此， 打孔處理一般是使用在當(dāng)使用一 co2激光器來(lái)形成通孔時(shí)。然而，具有光點(diǎn) 面積直徑為小于50|am的通孔無(wú)法運(yùn)用一C02激光器而形成。
在C02波長(zhǎng)下的銅的高度反射性使得運(yùn)用一 C02激光器在具有厚度大于
約5微米的一銅片上形成穿孔式通孔非常困難。因此，C02激光器可典型為僅 用以在具有約3微米與約5微米之間的厚度的銅片上或是已經(jīng)表面處理以加強(qiáng) C02激光能量吸收的銅片上形成穿孔式通孔。
用以作成用于印刷電路板(PCB)與電子式封裝裝置(其中有通孔形成) 的多層結(jié)構(gòu)的最為常用的材料典型包括金屬(例如銅)與介電材料(例如 聚合物、聚酰亞胺(polyimide )、樹(shù)脂(resin)、或FR-4 )。在UV波長(zhǎng)的激光 能量呈現(xiàn)與金屬及介電材料的良好的耦接效率，故UV激光可容易達(dá)到在銅片 及介電材料上形成通孔。此外，聚合物材料的UV激光處理廣義視為一種組合 式的光化學(xué)與光熱處理，其中，UV激光輸出通過(guò)光子激發(fā)化學(xué)反應(yīng)以游離其 分子鍵而部分燒蝕聚合物材料，因而相比發(fā)生在介電材料暴露于較長(zhǎng)的激光波 長(zhǎng)時(shí)的光熱處理，產(chǎn)生優(yōu)越的處理質(zhì)量。針對(duì)這些理由，固態(tài)UV激光器是用 于處理這些材料的較佳的激光源。
介電與金屬材料的C02激光處理及金屬的UV激光處理主要為光熱處理， 其中，介電材料或金屬材料吸收激光能量，致使該材料溫度升高，軟化或成為 熔化，且最終為燒蝕、蒸發(fā)、或爆炸。對(duì)于一給定型式的材料而言，燒蝕率與
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通孔形成處理量是激光能量密度(激光能量(J)除以光點(diǎn)尺寸(cm2))、功率
密度(激光能量密度除以脈沖寬度(秒))、脈沖寬度、激光波長(zhǎng)、與脈沖重復(fù) 率的函數(shù)。
因此，激光處理量(例如在PCB或其它電子封裝裝置上形成通孔或是 在金屬或其它材料上鉆孔)受限于可利用的激光功率密度與脈沖重復(fù)率以及該 束定位器可在通孔位置之間且以一螺旋、同心圓或環(huán)鋸型態(tài)移動(dòng)激光輸出的速 度。UV DPSS激光器的一個(gè)實(shí)例是由美國(guó)加州Mountain View的Lightwave Electronics公司所販賣(mài)的型號(hào)LWE Q302 (355nm )。此激光器運(yùn)用于美國(guó)俄勒 岡州Portland的Electro-Scientific Industries公司(本專(zhuān)利申請(qǐng)案的受讓人)所 制造的一系列的型號(hào)5330激光系統(tǒng)或其它系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能夠以30kHz的脈 沖重復(fù)率傳遞8W的UV功率。此激光器及系統(tǒng)的典型的通孔形成處理量為， 在棵樹(shù)脂上每秒鐘約600個(gè)通孔。脈沖式C02激光的一個(gè)實(shí)例是美國(guó)康乃迪 克州Bloomfield的Coherent-DEOS公司所販賣(mài)的型號(hào)Q3000 ( 9.3 ju m )。此 激光器運(yùn)用于Electro -Scientific Industries公司所制造的其系列的型號(hào)5385激 光系統(tǒng)或其它系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠以60kHz的脈沖重復(fù)率傳遞18W的激光功率。 此種激光器及系統(tǒng)的典型的通孔形成處理量為，在棵樹(shù)脂上每秒鐘約1000個(gè) 通孔且于FR-4上每秒鐘250-300個(gè)通孔。
通過(guò)提高足以引起如上所述的燒蝕的脈沖能量的脈沖重復(fù)率，可提高通孔 形成處理量。然而，針對(duì)于UVDPSS激光器與脈沖式C02激光器，隨著脈沖 重復(fù)率增大，脈沖能量以一非線性方式減小，即二倍的脈沖重復(fù)率造成小于 一半的脈沖能量用于各個(gè)脈沖。因此，針對(duì)于一給定的激光器，將存在一最大 的脈沖重復(fù)率，且因此存在引起燒蝕所需的最小脈沖能量所支配的最大的通孔 形成率。
關(guān)于切割一半導(dǎo)體晶片，有二種常用的切割方法機(jī)械鋸開(kāi)(sawing)與 激光切割(dicing)。機(jī)械鋸開(kāi)典型需要運(yùn)用一鉆鋸以切割厚度為大于約150 微米的晶片而形成寬度為大于約100微米的行列(street )。機(jī)械鋸開(kāi)厚度為小 于約100微米的晶片會(huì)造成晶片的破裂(cracking )。
激光切割典型需要運(yùn)用一脈沖式IR、綠光、或UV激光器以切割半導(dǎo)體 晶片。激光切割提供優(yōu)于機(jī)械式鋸開(kāi)半導(dǎo)體晶片的各種優(yōu)點(diǎn)，諸如運(yùn)用一
UV激光器以降低該行列的寬度至約50微米的能力、沿著一曲線軌跡以切割 一晶片的能力、及有效切割比運(yùn)用機(jī)械式鋸開(kāi)可切割的晶片更薄的硅晶片的能 力。舉例而言，具有厚度為約75微米的硅晶片可借著以約8W的功率與約 30kHz的重復(fù)率且以120mm/sec的切割速度操:作的一種DPSS UV激光器所切 割，以形成具有寬度為約35微米的一切痕(kerf)。然而，激光切割半導(dǎo)體晶 片的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)形成碎屑與熔渣，二者可能附著在晶片上且難以移除。激光 切割半導(dǎo)體晶片的另一個(gè)缺點(diǎn)在于工件通過(guò)率由激光的功率能力所限制。
因此，需要一種方法與激光系統(tǒng)，用于以高處理率實(shí)現(xiàn)工件的高速激光處 理，運(yùn)用UV、綠光、IR與C02激光器以形成通孔和/或孔，及運(yùn)用UV、綠光、 與IR激光器以有效率且準(zhǔn)確切割半導(dǎo)體晶片。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是^f是出一種方法及一種激光系統(tǒng)，用于改良下列 處理的速度和/或效率(1 )在單層與多層工件中的激光處理通孔和/或孔；及 (2)切割半導(dǎo)體晶片，使材料移除率與工件處理量提高且處理質(zhì)量改善。
本發(fā)明的方法是通過(guò)在一種雙激光系統(tǒng)中以給定功率水平使脈沖重復(fù)率 最大化，實(shí)現(xiàn)自工件快速移除材料。該種方法需要觸發(fā)兩個(gè)激光器，使得個(gè)別 的脈沖在不同的時(shí)間出現(xiàn)于激光的輸出。這兩個(gè)束接著組合成為單個(gè)束，其中， 這兩個(gè)束的脈沖是交錯(cuò)的。該單個(gè)束具有等于各束的組合脈沖率的脈沖重復(fù)頻 率(PRF)，且在組合的束中的各個(gè)脈沖具有如同在組合之前所具有的相同脈 沖特征。組合的束可隨后分割成為具有相同的PRF的兩個(gè)束。在分割的束中， 一些脈沖特征(諸如脈沖持續(xù)期間與整體脈沖形狀)將維持實(shí)質(zhì)上與未分割的 束的類(lèi)似。然而， 一些脈沖特征(諸如脈沖峰值功率與脈沖能量)將分割于這 兩個(gè)光束之間，使脈沖特征的線性總和將大約等于未分割的束的脈沖特征的線 性總和。
本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例需要同步兩個(gè)激光器以于期望PRF下達(dá)成交替 的脈沖。產(chǎn)生于激光輸出的兩個(gè)脈沖式激光束接著受準(zhǔn)直處理及指引以入射于 一束組合器，其組合該兩個(gè)束成為單個(gè)束。組合的束可保留于固有的高斯輪廓 或選用為成形和/或成像以產(chǎn)生一期望的非高斯輪廓。組合的束接著分割成為 兩個(gè)束，其可受指引而入射于工件的不同位置以實(shí)行微加工。因?yàn)镻RF與功
率之間的關(guān)系的非線性性質(zhì)，相較于在每個(gè)激光器以等效的PRF產(chǎn)生脈沖并
指引至工件的兩個(gè)位置時(shí)所將能達(dá)成的功率密度，該兩個(gè)束的組合及分離在工
件的兩個(gè)位置上造成較大的功率密度。以此方式而達(dá)成較大的功率密度的結(jié)果
是，提高了微加工系統(tǒng)的處理量。
由本發(fā)明所提供的優(yōu)點(diǎn)不限于兩個(gè)激光器。運(yùn)用類(lèi)似的技術(shù)，三個(gè)或更多
個(gè)激光器可組合及分割成為三個(gè)或多個(gè)束；然而，偶數(shù)個(gè)激光器較容易組合及
分割成為類(lèi)似的輸出束。
通過(guò)參照?qǐng)D式而詳細(xì)說(shuō)明以下的較佳實(shí)施例，將可清楚地了解本發(fā)明的另
外目的與優(yōu)點(diǎn)。


圖1是一種范例的多層工件的片段圖，該型式的工件由根據(jù)本發(fā)明的方法 所形成的 一激光束所處理。
圖2是一種較佳系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖，該較佳系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明的方法配合選 用束成形及成像光學(xué)組件以組合兩個(gè)激光束且稍后將其分割；圖2亦以虛擬線 而顯示光學(xué)構(gòu)件，其進(jìn)而分割組合的激光束成為選用式第三與第四激光束。
圖3是顯示脈沖能量與PRF之間的關(guān)系曲線圖，其用于一個(gè)范例的現(xiàn)有 技術(shù)激光器。
圖4是顯示脈沖能量與PRF之間的關(guān)系曲線圖，其用于根據(jù)本發(fā)明所形 成的 一種雙激光系統(tǒng)束輸出。
圖5A是曲線圖，顯示各個(gè)激光器為獨(dú)立才乘作的一種現(xiàn)有技術(shù)的雙激光系 統(tǒng)所產(chǎn)生的脈沖串PRF與峰值能量。
圖5B是曲線圖，顯示根據(jù)本發(fā)明所產(chǎn)生的一種組合激光束的脈沖串PRF 與峰值能量。
圖5C是曲線圖，顯示根據(jù)本發(fā)明所產(chǎn)生的一種分離激光束的脈沖串PRF 與峰值能量。
主要組件符號(hào)說(shuō)明
20多層工件 34、 38金屬層 36 介電層
40 強(qiáng)化構(gòu)件層 50、 52 激光器 54 同步器源
56、 58、 70、 71、 80、 82、 88、 90、 96、 98 束 60、 62 準(zhǔn)直器 64、 86、 100、 106 #; 66、 74、 92、 102 !/2波片 68 組合器 72 束成形光學(xué)元件 78、 94、 104 分割器 132 脈沖串 134 脈沖 138 間隔 142 脈沖串 144、 146 脈沖 148 間隔 152 脈沖串 154、 156 脈沖 158 間隔
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例的第 一 實(shí)施中，由這里揭示的發(fā)明所產(chǎn)生的激光脈 沖通過(guò)以足夠的能量將激光瞄準(zhǔn)在一工件的至少兩個(gè)特定區(qū)域引起燒蝕，來(lái)在 單層或多層的工件中形成通孔。假設(shè)的是單個(gè)脈沖不足以自工件上的一特定 位置移除所有期望材料。因此，多個(gè)脈沖被指引至工件以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)指定位置 移除期望材料。處理時(shí)間及該系統(tǒng)處理量取決于高于工件燒蝕閾值的能量時(shí)的 每個(gè)單位時(shí)間遞送至工件的脈沖數(shù)目。
4交佳的單層工件包括用于電氣應(yīng)用的薄銅片、聚酰亞胺片、以及用于一4殳 產(chǎn)業(yè)與醫(yī)療應(yīng)用的其它的金屬件，諸如鋁、鋼、與熱塑料。較佳的多層工件 包括 一多芯片模組(MCM)、電路板、或半導(dǎo)體微電路封裝。圖l顯示了一
種任意型式的范例多層工件20,其包括層34、 36、 38、與40。層34與38較 佳為金屬層，其每個(gè)層包括一金屬，諸如而不限于鋁、銅、金、鉬、鎳、鈀、 鉑、銀、鈦、鴒、 一金屬氮化物、或其組合。金屬層34與38較佳具有約9ja m與約36lim之間的厚度，但是其可比9nm薄或與72jum—樣厚。
各層36較佳包括一標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)介電材料，諸如苯并環(huán)丁烷(BCB， benzocyclobutane )、雙順丁烯二酰亞胺三氮雜苯(BT, bismaleimide triazine )、 紙4反(cardboard )、氰酉交鹽酉旨(cyanate ester )、工不氧4勿(epoxy )、 i^醛物(phenolic )、 聚酰亞胺、聚四氟乙烯(PTFE, polytetrafluorethylene )、聚合物合金、或其組 合。各個(gè)有機(jī)介電層36典型的比金屬層34與38厚。有機(jī)介電層36的4交佳厚 度在約20 in m與約400 jli m之間，但有機(jī)介電層36可置放在厚度為1.6mm的 一堆疊中。
有機(jī)介電層36可包括一個(gè)薄的強(qiáng)化構(gòu)件層40。強(qiáng)化構(gòu)件層40可包括纖 維纏結(jié)(matte)或分散的粒子(例如芳族聚酰胺(aramid)纖維、陶瓷、或 玻璃)，其為已經(jīng)編織或分散至有機(jī)介電層36。強(qiáng)化構(gòu)件層40典型相比有機(jī) 介電層36薄許多，且可具有在約lym與約10jLim之間的厚度。熟悉本項(xiàng)技 術(shù)人士將理解的是強(qiáng)化材料也可以如同粉末而引入至有機(jī)介電層36。包括 此粉末狀強(qiáng)化材料的強(qiáng)化構(gòu)件層40可以是非鄰接及非均勻的。
熟悉本項(xiàng)技術(shù)人士將理解的是每個(gè)層34、 36、 38與40可能為內(nèi)部非鄰 接、非均勻、及非等高的。具有數(shù)層的金屬、有機(jī)介電質(zhì)、與強(qiáng)化構(gòu)件材料的 堆疊可具有大于2mm的總厚度。雖然圖1中作為一個(gè)實(shí)例顯示的任意的工件 20具有五層，本發(fā)明可實(shí)行于具有任何期望的層數(shù)的工件上。
圖2為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的簡(jiǎn)化示意圖，該實(shí)施例是由兩個(gè)處理激 光器50與52所構(gòu)成，激光器50與52由一同步器源54驅(qū)動(dòng)。源54可采用若 干種方法的任何一種來(lái)同步激光器50與52,包括同步傳送至照明源(其泵 浦能量至激光器)的觸發(fā)信號(hào)或可以同步定位于激光50與52之內(nèi)的Q開(kāi)關(guān) 以便使它們以交替方式產(chǎn)生脈沖。激光器50與52在它們的輸出端提供各自的 處理束56與58,每個(gè)處理束由一激光脈沖串所組成。激光器50與52配置成 使得各自的輸出處理束56與58的固有線性極化平面實(shí)質(zhì)上平行。激光束56 與58通過(guò)各自的準(zhǔn)直器60與62，每個(gè)準(zhǔn)直器減小入射的激光束的直徑而且
維持其焦點(diǎn)于無(wú)限遠(yuǎn)。
處理激光器50與52可為UV激光器、IR激光器、綠光激光器、或C02 激光器。較佳的處理激光器的輸出具有在約O.OlMJ與約l.OJ之間的脈沖能量。 較佳的UV處理激光器是一種Q切換式UV DPSS激光器，該Q切換式UV DPSS激光器包括固態(tài)激光材料(lasant)，諸如Nd:YAG、 Nd:YLF、 Nd:YAP、 Nd:YV04、或摻雜具有鐿(Yb )、鈥(Ho)、或鉺(Er)的YAG晶體。UV激 光器4交佳為提供波長(zhǎng)為諸如355nm (頻率為三倍的Nd:YAG)、 266nm (頻 率為四倍的Nd:YAG )、或213nm (頻率為五倍的Nd:YAG )的諧波產(chǎn)生的UV 激光輸出。
較佳C02處理激光器是一脈沖式C02激光器，其以約9jiim與約11 mm 之間的一波長(zhǎng)來(lái)操作。 一個(gè)范例的商購(gòu)的脈沖式co2激光器是由美國(guó)康乃狄
器(9.3ym)。因?yàn)镃02激光器不能夠有效鉆孔穿過(guò)金屬層34與38,利用C02 處理激光器所鉆孔的多層工件20缺乏金屬層34與38，或是其制造方式是使 得一 目標(biāo)位置為已利用一 UV激光器預(yù)先鉆孔或運(yùn)用另 一種制程(例如化學(xué) 蝕刻)所預(yù)先蝕刻而暴露介電層36。
熟習(xí)本項(xiàng)技術(shù)人士將理解的是其它的固態(tài)激光材料或其操作于不同波長(zhǎng) 的co2激光器可運(yùn)用于本發(fā)明的激光系統(tǒng)中。各種型式的激光腔部配置、固 態(tài)激光的諧波產(chǎn)生、固態(tài)激光器與C02激光器的Q切換操作、泵浦設(shè)計(jì)與C02 激光器的脈沖產(chǎn)生方法是熟悉本項(xiàng):f支術(shù)人士所熟知的。
激光器50發(fā)射一處理束56，其反射離開(kāi)一鏡/組合器64 (其在兩個(gè)激光 器的情形下實(shí)施為一鏡)，且隨后為遭遇第一^波片66。第一^波片66設(shè)定成 使入射的激光束56的極化平面旋轉(zhuǎn)卯度。激光束56與58的光學(xué)路徑配置成 匯合于束組合器68,束組合器68構(gòu)成來(lái)透射以一第一角度極化的實(shí)質(zhì)上所有 的激光束58且反射以一第二角度極化(其相對(duì)于第一角度旋轉(zhuǎn)90度)的實(shí)質(zhì) 上所有的激光束56。光學(xué)構(gòu)件配置成使得透射的束58與反射的束56組合以 形成一組合的同軸束70，該同軸束具有它的能量的約一半極化于一第一角度 以及它的其余能量極化于一第二角度(其相對(duì)于第一角度旋轉(zhuǎn)90度)。自束組 合器68傳播的組合束70通過(guò)選用的束成形光學(xué)元件72,束成形光學(xué)元件72
將本質(zhì)為高斯(Gaussian)的束輪廓轉(zhuǎn)變成為更期望的束輪廓。所期望的束輪 廓的一個(gè)實(shí)例是"頂帽(top hat)"輪廓，其提供本質(zhì)為均勻的照明。選用的 束成形光學(xué)元件72也作為成像光學(xué)元件，使該束在投射至工件上時(shí)實(shí)現(xiàn)適當(dāng) 的性質(zhì)，諸如光點(diǎn)尺寸與形狀。熟悉本項(xiàng)技術(shù)人士也將知悉的是類(lèi)似的方 法可運(yùn)用來(lái)組合超過(guò)兩個(gè)激光器以產(chǎn)生具有相應(yīng)的更高功率的組合束70。
組合束70接著被指引以供入射于第二i/2波片74,第二K波片74旋轉(zhuǎn)22.5 度的結(jié)果是旋轉(zhuǎn)組合束70的極化平面45度，提供具有實(shí)質(zhì)相等的p (垂直) 與s (水平)極化分量的一束。組合且旋轉(zhuǎn)后的束71被指引至一布魯斯特
(Brewster)極化束分割器78,束分割器78的極化軸相對(duì)于組合且旋轉(zhuǎn)后的 束71的極化平面設(shè)定為45度。第二個(gè)A皮片74不存在時(shí)，束分割器78將透 射極化為平行于束分割器極化軸的組合且旋轉(zhuǎn)后的束71的實(shí)質(zhì)所有部分，且 反射極化為垂直于束分割器極化軸的組合且旋轉(zhuǎn)后的束71的實(shí)質(zhì)所有部分。 這樣將本質(zhì)地分離該組合且旋轉(zhuǎn)后的束71成為其組成部分，而重新產(chǎn)生激光 束56與58。然而，由于組合且旋轉(zhuǎn)后的束71的極化已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了 45度，組合 且旋轉(zhuǎn)后的束71的正交極化分量的每個(gè)由束分割器78部分透射且部分反射。 這樣具有的結(jié)果為，混合該組合且旋轉(zhuǎn)后的束71的兩個(gè)極化分量、傳送約為 一半的功率、及反射約為分離的激光束80與82中一半的功率。這些分離的束 80與82的每個(gè)由激光束56與58 二者的脈沖組成，且因此具有等于這兩個(gè)束 的脈沖率的總和的一脈沖率。該兩個(gè)分離的束80與82的功率比可通過(guò)從標(biāo)稱(chēng) 角度22.5度改變?cè)揯波片74的角度而調(diào)整。
組合且旋轉(zhuǎn)后的束71可擇性地分割成為四個(gè)激光束80、 82、 88與90， 其每個(gè)為等于激光50與52的組合功率的約四分之一，且具有一脈沖率為等于 由激光50與52所分別發(fā)射的束56與58的脈沖率總和。此分割由顯示于一虛
(dashed)線的界限且為由圖2的虛擬(phantom)線所代表的構(gòu)件而達(dá)成。 組合且旋轉(zhuǎn)后的束71 (其為選用的實(shí)施例而初始自一^波片92傳送)通過(guò)選 用式分割器94分割成為兩個(gè)大約相等的束而產(chǎn)生選用的束96與98。通過(guò)選 用式鏡100、選用式K波片102、選用式分割器104、與選用式鏡106,以產(chǎn)生 總共四個(gè)輸出束80、 82、 88、與90，束96與98的每個(gè)可由眾所周知的技術(shù) 指引至工件上的所需位置?？捎糜诟魇墓β时瓤赏ㄟ^(guò)調(diào)整^波片74、 92、與102而設(shè)定，如上所述。熟悉本項(xiàng)技術(shù)人士將知悉的是此種方法可如所期望 地被擴(kuò)大以產(chǎn)生附加的激光束對(duì)。
圖3的曲線圖IIO說(shuō)明了單個(gè)激光的在PRF (kHz)與脈沖能量(juJ) 之間的非線性關(guān)系。曲線112代表一給定激光的峰值脈沖能量，其可做為PRF 的函數(shù)。熟悉本項(xiàng)技術(shù)人士將知悉的是此關(guān)系一般運(yùn)用于微加工應(yīng)用的大范 圍的激光型式。直線114代表特定工件的燒蝕所需的最小峰值脈沖能量，約為 80jaJ。線112與114相交于代表可用于燒燭所選擇的工件的最大PRF的一點(diǎn) 116，其在此情況下約為62kHz。如果一系統(tǒng)是以獨(dú)立操作的兩個(gè)激光所構(gòu)成， 則該系統(tǒng)的最大處理量將受限于兩個(gè)光點(diǎn)，每個(gè)以62kHz燒蝕。
圖4中的曲線圖12(H兌明了根據(jù)本文所述的原理而構(gòu)成的一種雙激光系統(tǒng) 的性能。具有與圖3所示的相同的PRF/脈沖能量特征的兩個(gè)激光器如圖2所 示組合。曲線圖120中的曲線122顯示了由來(lái)自激光器50與52的交替脈沖所 組成的組合束70的PRFW永沖能量關(guān)系。曲線圖120中的直線124顯示了燒蝕 選擇工件所需的最小峰值脈沖能量。由于組合束70實(shí)質(zhì)上相等地分割于兩個(gè) 束之間，因此所需的峰值脈沖能量約為圖3的直線104所示的峰值脈沖能量的 二倍，或約為160iliJ。線122與124相交于代表可用于燒蝕所選工件的最大 組合PRF (約為87 kHz)的一點(diǎn)126。由于PRF與脈沖能量之間的非線性關(guān) 系，從而此PRF大于圖3所示的62 kHz的PRF以燒蝕相同的材料。因此，根 據(jù)這里揭示的技術(shù)所實(shí)施的一種雙激光系統(tǒng)將具有等于在87 kHz的PRF所燒 蝕的兩個(gè)光點(diǎn)的一最大系統(tǒng)處理量。由于最大燒蝕率且因此該系統(tǒng)處理量系是 PRF的一函數(shù)，從而根據(jù)本文這里揭示的原理所構(gòu)成的一種雙激光系統(tǒng)系將具 有高達(dá)利用獨(dú)立操作的每個(gè)激光所構(gòu)成的系統(tǒng)的140%的處理量。
在較佳實(shí)施例的第二實(shí)施中，由這里揭示的本發(fā)明所產(chǎn)生的激光脈沖用于 實(shí)現(xiàn)一晶片或基板的單獨(dú)化或切割成為多個(gè)獨(dú)立的零件。電子制造中常見(jiàn)的 是，在單個(gè)基板上構(gòu)造一給定的電路或電路元件的多個(gè)副本。用于半導(dǎo)體切割 的較佳的工件包括硅晶片、其它的硅基材料(包括碳化硅與氮化硅)、以及 III-V與II-VI族的化合物(諸如砷化鎵)，其中，集成電路運(yùn)用光刻技術(shù)而 構(gòu)成。 一第二實(shí)例是厚膜電路，其中，電路組件或電子裝置網(wǎng)印在一般由一燒 結(jié)(sintered)陶瓷材料所作成的一基板上。 一第三實(shí)例是薄膜電路，其中，
導(dǎo)線與被動(dòng)電^各元件通過(guò)濺鍍或蒸鍍而應(yīng)用于例如由一半導(dǎo)體材料、陶瓷、或
其它材料所作成的一基板上。 一第四實(shí)例為顯示器技術(shù)，其中，用于制造LCD
或等離子體顯示器的塑料膜可使用此技術(shù)而單獨(dú)化。所有這些應(yīng)用的共同處是 期望將含有多個(gè)電路、電路元件的一基板或僅僅該基板的區(qū)域有效地分割成為 單獨(dú)的零件。
將這里揭示的發(fā)明應(yīng)用于單獨(dú)化的優(yōu)點(diǎn)類(lèi)似于通孔鉆孔的上述的優(yōu)點(diǎn)。將 兩個(gè)或更多個(gè)激光器應(yīng)用于該處理可提高系統(tǒng)的處理量，因?yàn)槎鄠€(gè)并行線性切 割一般被要求來(lái)單獨(dú)化大多數(shù)的基板。運(yùn)用這里揭示的本發(fā)明將提高系統(tǒng)的處 理量，因?yàn)樵谀芰看笥诟鱾€(gè)單位時(shí)間所遞送的燒蝕閾值的能量時(shí)，如同通孔鉆 孔的單獨(dú)化速率是脈沖數(shù)目的一函數(shù)。
圖5A、 5B、與5C通過(guò)將以獨(dú)立激光器構(gòu)成的一種雙激光系統(tǒng)每個(gè)單位 時(shí)間遞送的脈沖數(shù)與根據(jù)這里揭示的發(fā)明構(gòu)成的一種雙激光系統(tǒng)每個(gè)單位時(shí) 間遞送的脈沖數(shù)目相比較，來(lái)說(shuō)明此處理。
圖5A中的曲線圖130說(shuō)明了一種現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的兩個(gè)類(lèi)似范例激光器的 其中一個(gè)的脈沖能量與PRF之間的關(guān)系，其中，該現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)使用兩個(gè)獨(dú) 立的激光器以同時(shí)處理一工件上的兩個(gè)位置。曲線圖130顯示一脈沖串132， 每個(gè)脈沖134具有一脈沖能量e。且需要時(shí)間to以完成在一工件上的一特定位 置的處理。間隔138顯示了相鄰脈沖134之間的時(shí)間，其為PRF的倒數(shù)。由 于其代表一種雙激光系統(tǒng)，因此這個(gè)系統(tǒng)可在時(shí)間to之內(nèi)處理在一工件上的 兩個(gè)位置。
圖5B中的曲線圖140說(shuō)明了由一脈沖串142所組成的組合束70。脈沖串 142由已由束組合器68組合的、來(lái)自激光50的實(shí)線的脈沖144與來(lái)自激光52 的虛線的脈沖146所組成。每個(gè)脈沖144、 146的峰值能量e,等于超過(guò)圖5A 所示的PRF的一類(lèi)似的激光所遞送的束的各個(gè)脈沖134的峰值能量eQ的二倍，
的間隔148每個(gè)小于間隔138的二倍。這是圖3與圖4所示的脈沖能量與PRF 之間的非線性關(guān)系的結(jié)果。
圖5C中的曲線圖150說(shuō)明了利用束分割器78分割脈沖串142而形成兩 個(gè)脈沖串的結(jié)果，其中一個(gè)脈沖串顯示為脈沖串152,其為來(lái)自激光50的實(shí)
線的脈沖154與來(lái)自激光52的虛線的脈沖156所組成。分割的束152的峰值 能量e2等于如于圖5A所示的單個(gè)激光器的峰值能量eQ,但是脈沖間的間隔 158小于脈沖間的間隔138。因此，來(lái)自?xún)蓚€(gè)激光束所合成的PRF大于獨(dú)立運(yùn) 作的兩個(gè)激光器的任何一個(gè)的PRF。因此，所需的脈沖數(shù)目在時(shí)間t2之內(nèi)遞送 至工件，時(shí)間t2小于時(shí)間t。。由于兩個(gè)脈沖串152由分割的激光束56與58遞 送至工件，相比這些激光獨(dú)立運(yùn)作時(shí)所需要的時(shí)間，這里所述的發(fā)明可在較少 的時(shí)間內(nèi)處理兩個(gè)《立置。
熟悉本項(xiàng)技術(shù)人士將理解的是對(duì)于由不同材料所構(gòu)成的不同的單層或多 層工件，諸如脈沖重復(fù)率、每個(gè)脈沖的能量、與束光點(diǎn)尺寸的變化的激光參數(shù) 可在不同的處理階段期間被規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)最佳化的激光微加工處理量與質(zhì)量。 參閱例如Owen等人的美國(guó)專(zhuān)利第5,841,099號(hào)與Dunsky等人的美國(guó)專(zhuān)利第 6,407,363號(hào)，二者均轉(zhuǎn)讓給本專(zhuān)利申請(qǐng)案的受讓人。熟悉本項(xiàng)技術(shù)人士將理 解的是諸如功率、能量分布輪廓、與光點(diǎn)尺寸的加熱源的操作參數(shù)可在激光 處理的不同階段期間保持為固定或是改變。
熟悉本項(xiàng)技術(shù)人士皆可清楚地了解在未脫離本發(fā)明根本原理前提下，可 對(duì)本發(fā)明的上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)進(jìn)行改變。因此，本發(fā)明的范疇?wèi)?yīng)僅由權(quán)利要求 所決定。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生第一與第二處理激光束及將其運(yùn)用以同時(shí)且迅速處理在個(gè)別第一與第二目標(biāo)材料位置上的目標(biāo)材料的方法，包含提供一第一激光，其以一脈沖重復(fù)頻率發(fā)射一連串的輸出脈沖，特征為隨著增大脈沖重復(fù)頻率而減小的峰值脈沖能量；提供一第二激光，其以一脈沖重復(fù)頻率發(fā)射一連串的輸出脈沖，特征為隨著增大脈沖重復(fù)頻率而減小的峰值脈沖能量；形成一組合激光輸出，其中，第一與第二激光的輸出脈沖交錯(cuò)，該組合激光輸出以一處理脈沖重復(fù)頻率操作，該處理脈沖重復(fù)頻率由第一與第二激光的連串的輸出脈沖的脈沖重復(fù)頻率的合成所建立；分割該組合激光輸出成為第一與第二處理激光束，其包括特征為峰值處理脈沖能量的連串的組合激光處理輸出脈沖；及指引第一與第二處理激光束，用于入射在個(gè)別第一與第二目標(biāo)材料位置上以同時(shí)自其移除目標(biāo)材料，這些組合激光處理輸出脈沖的峰值處理脈沖能量大于以該處理脈沖重復(fù)頻率獨(dú)立操作的第一與第二激光所能達(dá)成的峰值脈沖能量，因而致能一峰值處理脈沖能量的選擇為有效以供目標(biāo)材料以一處理率進(jìn)行處理，該處理率大于由第一與第二激光的獨(dú)立操作所能實(shí)現(xiàn)的處理率。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一與第二激光的連串的輸出脈沖 的脈沖重復(fù)頻率實(shí)質(zhì)相同。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，第一與第二處理激光束的每個(gè)的輸 出脈沖形成于第 一與第二激光的 一連串的交替輸出脈沖中。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，目標(biāo)材料的處理包括自第一與第 二目標(biāo)材料位置移除目標(biāo)材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一與第二激光的連串的輸出脈沖 的脈沖重復(fù)頻率實(shí)質(zhì)相同，且該等輸出脈沖的交錯(cuò)包括以一相位移置關(guān)系總 和第一與第二激光的連串的輸出脈沖，以合成處理脈沖重復(fù)頻率的一值，其大 于第 一與第二激光的連串的輸出脈沖的任何一個(gè)的脈沖重復(fù)頻率。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，進(jìn)一步包含分割該組合激光輸出成為第三與第四處理激光束，其包括特征為峰值處理脈沖能量的連串的組合激光處理輸出脈沖；及指引第三與第四處理激光束，用于入射在個(gè)別第三與第四目標(biāo)材料位置上 以同時(shí)自其移除目標(biāo)材料，這些組合激光處理輸出脈沖的峰值處理脈沖能量大 于獨(dú)立操作的第一與第二激光所能達(dá)成的峰值脈沖能量，且在處理脈沖重復(fù)頻 率下該第一與第二激光每個(gè)分割成為兩個(gè)束，因而致能一峰值處理脈沖能量的 選擇為有效以供目標(biāo)材料以一處理率進(jìn)行處理，該處理率大于第一與第二激光 的獨(dú)立操作所能實(shí)現(xiàn)的處理率，第 一與第二激光每個(gè)分割成為兩個(gè)束。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，自第一與第二目標(biāo)位置移除目標(biāo)材 料是形成孔于其內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，這些孔是盲通孔的形式。
全文摘要
一種用于提高激光微加工系統(tǒng)的處理量的方法及系統(tǒng)，其運(yùn)用超過(guò)一個(gè)激光器。兩個(gè)或更多個(gè)脈沖式激光束(56，58)組合且接著分離成為多個(gè)激光束(80，82)，這使得系統(tǒng)以大于獨(dú)立操作的激光所能達(dá)成的脈沖率而同時(shí)運(yùn)作在工件(20)上的多個(gè)位置，而且維持脈沖能量為等于或大于原始獨(dú)立激光束的每個(gè)的脈沖能量。大多數(shù)的激光微加工應(yīng)用需要多個(gè)序列脈沖以處理一工件。提高脈沖率而且維持脈沖能量可更為快速地移除材料，且因而提高激光微加工系統(tǒng)的處理量。
文檔編號(hào)B23K26/00GK101175598SQ200680016604
公開(kāi)日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月19日
發(fā)明者盧可偉, 布萊恩·喬漢森, 馬克·A.·昂瑞斯 申請(qǐng)人:伊雷克托科學(xué)工業(yè)股份有限公司